JP2019110216A

JP2019110216A - フィルムコンデンサ用フィルムの製造方法

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Publication number: JP2019110216A
Application number: JP2017242355A
Authority: JP
Inventors: 孝博濟藤; Takahiro Saito
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-07-04

Abstract

【課題】フィルムの素材を延伸してフィルムを作製する際に、フィルムの破れが起こらず絶縁性の良好なフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法を提供すること。【解決手段】フィルムコンデンサ用フィルム１０の製造方法は、誘電体フィルム素材を延伸して誘電体フィルム１１を作製する延伸工程（ステップＳ１）と、延伸工程で延伸した誘電体フィルム１１上にチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３：ＢＴＯ）からなる金属酸化物を積層して金属酸化物層１２を形成する積層工程（ステップＳ２）とを含むことを特徴とする。【選択図】図３

Description

本発明は、フィルムコンデンサ用フィルムの製造方法に関する。

この種のフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法として、ポリマーと高誘電フィラーとしての複合酸化物粒子とを溶融混錬した後、溶融押出法またはインフレーション法により延伸処理をしてフィルムを作製する、即ち、フィルム化をするという、いわゆるＤｒｙプロセスが開示されている（特許文献１参照）。溶融押出法は、樹脂を溶融させて均一にし、押出機先端に設けられたダイから押し出してフィルムを作製する。インフレーション法は、溶融した樹脂を、押出機の円形ダイによって円筒状に成形し、樹脂を連続したチューブ状に押し出す。押し出されたチューブ状の樹脂の内部に、空気を送り込み徐々に所定の幅のフィルムにまで膨張させ、膨張したチューブ状の樹脂を、引取機のニップロールに挟みこんで引き取らせてフィルムを作製する。また、特許文献１には、ポリマーを溶剤に溶解し、これに複合酸化物粒子を添加混合してコーティング組成物からなるフィルムを作製するコーティング法、いわゆるＷｅｔプロセスも開示されている。

国際公開第２００９／０１７１０９号

しかしながら、特許文献１に記載のフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法におけるＤｒｙプロセスは、図５（ａ）に示すように、ポリマーと複合酸化物粒子とを溶融混錬した後に、溶融混錬物を押し出しによりフィルム化している。すなわち、溶融混錬物を延伸させている。溶融混錬物中の複合酸化物粒子は延び難いので、延伸時にフィルムが破れ易いという問題がある。一方、Ｗｅｔプロセスは、図５（ｂ）に示すように、溶剤に溶解したポリマーに高誘電フィラーを構成する複合酸化物粒子を添加混合してコンポジットスラリーとしてのコーティング組成物を作製し、基材フィルムに塗工し焼成することによりフィルム化している。コーティング組成物は分子配合が低く、コーティング組成物中に溶剤が残留して材料欠陥になってしまい、絶縁性が低下してしまうという問題もある。

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、フィルムの素材を延伸してフィルムを作製する際に、フィルムの破れが起こらず絶縁性の良好なフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法を提供することを課題とする。

本発明に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法は、誘電体フィルムを延伸する延伸工程と、前記延伸工程で延伸した前記誘電体フィルム上に金属酸化物を積層する積層工程と、を含むことを特徴とする。

本発明に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法は、誘電体フィルムを延伸する延伸工程と、誘電体フィルム上に金属酸化物を積層する積層工程とを備えている。誘電体フィルムを延伸する延伸工程は、金属酸化物を積層する積層工程の前に行われるので、延伸工程において、フィルム素材に金属酸化物が入り込むことが阻止される。即ち、延伸工程では、ポリマーと複合酸化物粒子との溶融混錬やポリマーを溶剤に溶解することなく、フィルム素材を直接延伸させているので、延伸時に生ずるフィルムの破れが阻止され、絶縁性も高まる。また、積層工程で積層されることにより形成された金属酸化物層が延伸されることがないので、延伸時にフィルムの破れが生ずることはない。

本発明によれば、フィルムの素材を延伸してフィルムを作製する際に、フィルムの破れが起こらず絶縁性の良好なフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法を提供することができる。

本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法により製造されるフィルムコンデンサ用フィルムの図であり、図１（ａ）は、フィルムコンデンサ用フィルムの分解斜視図を示し、図１（ｂ）は、フィルムコンデンサ用フィルムの断面図を示す。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法の工程図。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法により製造されるフィルムコンデンサ用フィルムの図であり、図３（ａ）は、延伸される誘電体フィルム素材Ｗを示し、図３（ｂ）は、延伸された後の誘電体フィルムを示し、図３（ｃ）は、金属酸化物が積層された誘電体フィルムを示す。本発明の実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法で製造されるフィルムコンデンサ用フィルムの実施例および比較例を示す説明図。従来のフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法により製造されたフィルムコンデンサ用フィルムの図であり、図５（ａ）は、Ｄｒｙプロセスで製造されたフィルムコンデンサ用フィルムを示し、図５（ｂ）は、Ｗｅｔプロセスで製造されたフィルムコンデンサ用フィルムを示す。

本発明に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法を適用した実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルム１０の製造方法について図面を参照して説明する。まず、本実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルム１０の製造方法により製造されるフィルムコンデンサ用フィルム１０の構成について説明する。

実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルム１０は、図１（ａ）、図１（ｂ）に示すように、誘電体フィルム１１と、金属酸化物層１２とにより構成されている。フィルムコンデンサ用フィルム１０は、電圧が印加されるとフィルムコンデンサ用フィルム１０内に電荷を蓄えることができる所定の静電容量（Ｆ）、いわゆるコンデンサ容量を備えた受動素子を構成し、図示しないフィルムコンデンサを構成している。

次いで、本実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルム１０の製造方法について説明する。フィルムコンデンサ用フィルム１０の製造方法は、図２に示すように、誘電体フィルム素材Ｗの延伸工程と、金属酸化物の積層工程とにより構成されており、延伸工程および積層工程を経てフィルムコンデンサ用フィルムが完成する。なお、本実施形態の誘電体フィルム素材Ｗは、本発明に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法における誘電体フィルムに対応する。

誘電体フィルム素材Ｗの延伸工程においては、図３（ａ）、図３（ｂ）に示すように、誘電体フィルム素材Ｗからなる熱可塑性フィルムをガラス転移温度（℃）より高い温度で溶融して引き延ばす延伸が行われる（図２、ステップＳ１）。この延伸工程においては、熱可塑性フィルムが１０倍程度に延伸されて誘電体フィルム１１が得られる。熱可塑性フィルムは、延伸により、その固体物質中で構成単位となる微結晶や高分子鎖が一定方向に配列する、いわゆる配向がなされる。

延伸は、縦軸方向および横軸方向の二軸方向に誘電体フィルム素材Ｗが引き延ばされる二軸延伸で行われる。二軸延伸は、縦軸延伸機と横軸延伸機とにより縦軸と横軸とを別個に延伸する逐次延伸でもよく、縦軸および横軸の延伸を同時に行う延伸機による同時延伸であってもよい。したがって、この延伸工程においては、延伸が、いわゆるＤｒｙプロセスで行われ、配向がなされるので、高い絶縁性を有する誘電体フィルム１１が所定の厚み（μｍ）で作製される。誘電体フィルム１１の所定の厚みは、フィルムコンデンサの静電容量（Ｆ）や構造、大きさ、材質などの設定諸元や実験値などのデータに基づいて適宜選択される。

誘電体フィルム素材Ｗは、良好な耐湿性および電気特性を有する高分子フィルムからなる。高分子フィルムとしては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエチレン・テレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレン・スルフィド（ＰＰＳ）、ポリエチレン・ナフタレート（ＰＥＮ）などが挙げられる。

金属酸化物の積層工程においては、図３（ｃ）に示すように、誘電体フィルム素材Ｗの延伸工程において作製された誘電体フィルム１１の表面への金属酸化物の積層が行われ、金属酸化物層１２が得られる（図２、ステップＳ２）。積層は、高真空中で蒸着材料を加熱し気化、昇華させ気体分子となった蒸着材料を誘電体フィルム１１に衝突付着させる真空蒸着により行われ、誘電体フィルム１１の表面に金属酸化物層が形成される。

蒸着材料は、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３：ＢＴＯ）、アルミニウム（Ａｌ）や亜鉛（Ｚｎ）などの良好な耐電圧特性を有する金属材料からなり、積層された金属酸化物層１２もこれらの蒸着材料からなる。なお、金属酸化物層１２の積層を真空蒸着以外のスパッタリングやイオンプレーティングなどの薄膜積層方法で積層してもよく、金属酸化物を誘電体フィルム１１の表面へ塗布する塗工によって積層してもよく、３Ｄプリンタなどの印刷方法で積層してもよい。

金属酸化物の積層工程においては、所定の表面粗さを有する金属酸化物層１２が得られる。なお、表面粗さは、ＪＩＳ規格で規定されており、機械表面からランダムに抜き取った各部分における表面粗さを最大高さ（Ｒｍａｘ）、十点平均粗さ（Ｒｚ）または中心線平均粗さ（Ｒａ）のそれぞれの算術平均値で表される。金属酸化物層１２の表面は、その表面粗さ（Ｒａ）が、１０ｎｍ〜５０ｎｍまたは１５ｎｍ〜５０ｎｍ程度、表面粗さ（Ｒｚ）が、１００ｎｍ〜５００ｎｍまたは１５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度に積層されている。

以下、本実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法の図４に示す実施例および比較例により、本発明に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法についてさらに具体的に説明する。但し、本発明に係るフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法の技術的範囲は実施例に限定されるものではない。

実施例および比較例の各フィルムコンデンサ用フィルムに対してそれぞれフィルム性能を測定し、各フィルムコンデンサ用フィルムで構成されるコンデンサの素子性能についてそれぞれ評価を行った。フィルム性能は、誘電率［−］、耐圧［Ｖ／μｍ］、抵抗率［Ω・ｃｍ］、表面粗さＲａ／Ｒｚ［ｎｍ］についてそれぞれ測定した。

誘電率［−］は、直径１０ｍｍの評価面積（ｍｍ^２）にて１０ｋＨｚの値をインピーダンスアナライザを用いて測定した。耐圧［Ｖ／μｍ］は、５０ｍｍ角の面に一定速度で昇圧しながら電圧を印加し、各フィルムコンデンサ用フィルムが破壊する電界強度［Ｖ／μｍ］を測定した。抵抗率［Ω・ｃｍ］は、直径２０ｍｍの評価面積にて３００Ｖを印加し３０ｍｉｎ後の各フィルムコンデンサ用フィルムの抵抗率［Ω・ｃｍ］を測定した。表面粗さＲａ／Ｒｚ［ｎｍ］は、５０μｍ角の範囲を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）にて測定した。なお、図４に示す比較例１〜３の数値は実測値を表し、実施例の数値は、物性発現の原理上導かれる推算値を表している。

＜実施例＞
実施例のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４の実施例の欄に示すように、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を素材とした誘電体フィルムとチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３：ＢＴＯ）からなる金属酸化物層とにより構成される。誘電体フィルムは、誘電体フィルム素材を逐次２軸延伸機で１０倍の倍率で溶融延伸するＤｒｙプロセスにより作製できる。作製した誘電体フィルム上にチタン酸バリウムを蒸着させて実施例のフィルムコンデンサ用フィルムを作製できる。

実施例のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４のフィルム性能に示すように、誘電率［−］が２０−、耐圧［Ｖ／μｍ］が４００Ｖ／μｍ、抵抗率［Ω・ｃｍ］が１０^∧１６Ω・ｃｍ、表面粗さＲａ／Ｒｚ［ｎｍ］が、３０ｎｍ／３００ｎｍを達成することが可能である。そして、図４の素子性能に示すように、フィルムコンデンサ用フィルムで構成されるコンデンサの体格は、従来技術による製造方法で作製した現行のものと比較して１／４の大きさにすることができる。また、耐圧は、４００Ｖ／μｍとなり、良好な結果が得られる。したがって、小型パワーコンデンサへの適用性は満たされていることが分かった。

また、素材としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを延伸して誘電体フィルムを作製する際に、フィルムの破れが起こらず絶縁性の良好なフィルムコンデンサ用フィルムを作製することができるという効果が得られる。また、実施例のフィルムコンデンサ用フィルムは、表面粗さＲａ／Ｒｚ［ｎｍ］が、３０ｎｍ／３００ｎｍを確保することができ、コンポジットフィルムでは困難であった表面粗さを制御することが可能になる。表面粗さを制御することで、測定された静電容量の理論静電容量に対する割合（測定静電容量／理論静電容量×１００）を意味する静電容量発現率を確保することができる。また、ヒューズ部が良好に働いて絶縁破壊状態にあるセグメントを他のセグメントから隔離し、短絡を防止する性能を意味するＳＨ性（セルフヒーリング性）、いわゆる自己回復性を確保することができる。

＜比較例１＞
実施例に対して比較例１に係るフィルムコンデンサ用フィルムを作製して評価した。比較例１のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４の比較例１の欄に示すように、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を素材とした誘電体フィルムで構成される。誘電体フィルムは、誘電体フィルム素材を逐次２軸延伸機で１０倍の倍率で溶融延伸するＤｒｙプロセスにより作製した。なお、比較例１には、金属酸化物層は、積層されていない。

比較例１のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４のフィルム性能に示すように、誘電率［−］が１０−、耐圧［Ｖ／μｍ］が４００Ｖ／μｍ、抵抗率［Ω・ｃｍ］が１０^∧１６Ω・ｃｍ、表面粗さＲａ／Ｒｚ［ｎｍ］が、３０ｎｍ／３００ｎｍであり、誘電率［−］を除き、フィルム性能は実施例と同等であった。そして、図４の素子性能に示すように、フィルムコンデンサ用フィルムで構成されるコンデンサの体格は、従来技術による製造方法で作製した現行のものと比較して１／２の大きさになった。また、耐圧は、４００Ｖ／μｍとなり、実施例と同等であった。

比較例１は、体格が従来技術による製造方法で作製した現行の１／２の大きさである点および誘電率［−］が１０−である点で、小型パワーコンデンサへの適用性は不充分であることが分かった。また、素材としてのポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）フィルムを延伸して誘電体フィルムを作製する際に、フィルムの破れが起こらず絶縁性の良好なフィルムコンデンサ用フィルムを作製することができる点は、実施例と同等となる。

＜比較例２＞
実施例に対して比較例２に係るフィルムコンデンサ用フィルムを作製して評価した。比較例２のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４の比較例２の欄に示すように、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）とチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３：ＢＴＯ）からなる金属酸化物とを溶融混錬したコンポジットを作製し、溶融混錬したコンポジットを基材フィルム上に塗工し焼成する、いわゆるＷｅｔプロセスで作製した。

比較例２のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４のフィルム性能に示すように、誘電率［−］が、２０−、耐圧［Ｖ／μｍ］が、１００Ｖ／μｍ、抵抗率［Ω・ｃｍ］が、１０^∧１４Ω・ｃｍ、表面粗さＲａ／Ｒｚ［ｎｍ］が、２００ｎｍ／２０００ｎｍであり、誘電率［−］を除き、フィルム性能は実施例よりも低下していた。そして、図４の素子性能に示すように、フィルムコンデンサ用フィルムで構成されるコンデンサの体格は、従来技術による製造方法で作製した現行のものと比較して１／４の大きさになり、実施例と同等であった。しかしながら、比較例２は、耐圧［Ｖ／μｍ］が実施例よりも低下していたので、小型パワーコンデンサへの適用性は不充分であることが分かった。

＜比較例３＞
実施例に対して比較例３に係るフィルムコンデンサ用フィルムを作製して評価した。比較例３のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４の比較例３の欄に示すように、比較例２とは異なり、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）の表面にチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３：ＢＴＯ）からなる金属酸化物を蒸着し金属酸化物層を積層し、金属酸化物層が積層された誘電体フィルムを逐次２軸延伸機で１０倍の倍率で溶融延伸するＤｒｙプロセスにより作製した。

比較例３のフィルムコンデンサ用フィルムは、図４のフィルム性能に示すように、フィルム化することが出来なかった。したがって、小型パワーコンデンサへの適用性もないことが分かった。

本実施形態に係るフィルムコンデンサ用フィルム１０の製造方法では実施例に示したように、誘電体フィルムの素材を延伸して誘電体フィルム１１を作製する際に、誘電体フィルム１１の破れが起こらず絶縁性の良好なフィルムコンデンサ用フィルム１０を作製することができるという効果が得られる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

１０・・・フィルムコンデンサ用フィルム、１１・・・誘電体フィルム、１２・・・金属酸化物層、Ｗ・・・誘電体フィルム素材（誘電体フィルム）

Claims

フィルムコンデンサ用フィルムの製造方法であって、
誘電体フィルムを延伸する延伸工程と、
前記延伸工程で延伸した前記誘電体フィルム上に金属酸化物を積層する積層工程と、
を含むことを特徴とするフィルムコンデンサ用フィルムの製造方法。