JP2023141167A - 金属化フィルムおよびこれを用いたフィルムコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 耐電圧性を低下させずに自己回復性を向上させた金属化フィルムおよびフィルムコンデンサを提供する。【解決手段】 第１面とその反対側の第２面とを有する膜厚１～４μｍの誘電体フィルムと、前記第１面に位置する金属膜とを含む金属化フィルムであって、前記第1面の算術平均高さＳａが（１ｎｍ≦）Ｓａ≦１０ｎｍであり、前記第２面の表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５であることを特徴とする金属化フィルム、およびこの金属化フィルムが積層または巻回されてなる本体部と、該本体部に設けられた外部電極部と、を備えるフィルムコンデンサである。【選択図】 図１

Description

本開示は、金属化フィルムおよびこれを用いたフィルムコンデンサに関する。

フィルムコンデンサの耐電圧性と自己回復性の向上を図るものとして、たとえば、金属化フィルムとして二軸延伸ポリプロピレン（ＯＰＰ）フィルムの表面に金属膜を蒸着して成るものを用いたフィルムコンデンサが提案されている。このＯＰＰフィルムは、両面に突起を有し、両面が異なる平均粗さになるように制御し、耐電圧性の観点から一方の表面をより平滑に、自己回復性の観点から他方の表面をより粗くする方法が提案されている（たとえば、特許文献１）。

特許第６１２０１８０号公報

しかしながら上記特許文献１に記載される従来技術では、ＯＰＰフィルムの両面の突起の高さ、個数を制御して表面の平均粗さを異ならせるだけでは、耐電圧性と自己回復性の両方を十分に良好な状態にはできないという問題がある。

したがって、従来から耐電圧性および自己回復性の両方が向上された金属化フィルムおよびフィルムコンデンサが求められている。

本開示の金属化フィルムは、第１面とその反対側の第２面とを有する膜厚１～４μｍの誘電体フィルムと、前記第１面に位置する金属膜とを含む金属化フィルムであって、前記第1面の算術平均高さＳａが１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍであり、前記第２面の表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５であることを特徴とする金属化フィルムである。

さらに本開示のフィルムコンデンサは、上記金属化フィルムが積層または巻回されてなる本体部と、該本体部に設けられた外部電極部と、を備えるフィルムコンデンサである。

本開示によれば、耐電圧性を低下させずに自己回復性を向上させた金属化フィルムおよびフィルムコンデンサを提供することができる。

本開示の一実施形態に係る金属フィルムを模式的に示す断面図である。 本開示において用いられる塗工装置の例であり、塗工ヘッドの部分を含む概念的断面図である。 本開示における一実施態様の誘電体フィルムに形成されたリビング（畝）の斜視図である。 本開示の一実施形態に係るフィルムコンデンサを示す、一部が切り欠かれた斜視図である。 本開示の一実施形態に係るフィルムコンデンサを示す展開斜視図である。

本開示のフィルムコンデンサの基礎となる構成のフィルムコンデンサは、ポリプロピレン樹脂等から成る誘電体フィルムの表面に金属膜を蒸着して成る金属化フィルムを、巻回または所定方向に複数枚積層することによって形成される。

本開示の金属化フィルムについて、図面を参照しつつ説明するが、これに限定されない。

図１は、本開示の一実施形態に係る金属フィルムを模式的に示す断面図である。本実施形態の金属化フィルム１０は、誘電体フィルム１および金属膜２を有する。誘電体フィルム１は、第１面１ａおよび第１面１ａとは反対側の第２面１ｂを有している。

誘電体フィルム１は、絶縁性の樹脂から成る。誘電体フィルム１に用いられる樹脂材料としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、及びシクロオレフィンポリマー等から選ばれた１種を用いてもよい。

誘電体フィルム１の膜厚は、１μｍ以上４μｍ以下である。膜厚が１μｍ未満であれば、耐電圧性を低下させずに自己回復性を向上させることが困難であり、膜厚が４μｍを超えると、フィルムコンデンサの静電容量を高くするために本体部が大型になるという問題がある。誘電体フィルム１の第１面１ａは、塗工面かつ蒸着面であり、金属膜が蒸着して電極面となる。蒸着面は平滑であることが重要である。第１面１ａの算術平均高さＳａが１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍである。第１面１ａの算術平均高さＳａが１ｎｍ未満であると、シワが発生し耐電圧性が低下する。逆に第１面１ａの算術平均高さＳａが１０ｎｍを超えると、電極間距離の局所低下が起こり、耐電圧性が低下する。よって、誘電体フィルム１の第1面１ａの算術平均高さＳａは１ｎｍ以上１０ｎｍ以下が好ましい。

また、誘電体フィルム１の第２面１ｂは、非蒸着面である。第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒは０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５である。第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１未満であると、シワが発生し耐電圧性が低下する。逆に第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２５を超えると、金属化フィルムを積層した際の層間空隙が不足し自己回復性が低下する。よって第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒは、０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５が好ましい。

表面テクスチャー比「Ｓｔｒ」は、３次元表面を説明するためだけに用いられる３次元空間パラメータである。Ｓｔｒパラメータの値は０～１の間の範囲であり、単位はない。０又は０に近いＳｔｒ値は、非常に異方性の表面を表し、非常に規則的なパターンを反映しており、逆に１又は１に近いＳｔｒ値は、等方性の表面を表し、非常にランダムなパターンを反映している。方向の測定値に関係なく同一の特性を表す場合には、表面は等方性である。ランダムな表面テクスチャー又はパターンに関しては、いずれのテクスチャー又はパターンも目立たない。これとは逆に、異方性の表面は、規則的な表面パターンとして説明することができるパターン又は配向表面を有する。本実施形態においては、例えば塗工機を使用したフィルムの製法により、第２面１ｂに規則的なリビング（畝）を形成し、規則的な表面パターンを形成することができる。

誘電体フィルム１は、例えば、以下のようにして作製することができる。
まず、上記絶縁性の樹脂を溶媒に溶解して樹脂溶液を準備する。溶媒としては、例えば、メタノール、イソプロパノール、ｎ－ブタノール、エチレングリコール、エチレングリコールモノプロピルエーテル、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、トルエン、キシレン、プロピレングリコールモノメチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテルアセテート、ジメチルアセトアミド、シクロヘキサン、またはこれらから選択された２種以上の混合物を用いることができる。

また、例えばＰＥＴ製の表面が平滑な基材を準備する。従来は、基材の一方主面（第３面ともいう）にアルミナ粒子等を用いたブラスト処理を施し、第３面を粗化して、塗工して剥がしたフィルムの表面を第３面と同様な粗化面を得るが、本実施形態においては、従来技術とは異なる、例えば第１面１ａの算術平均高さＳａと同程度に平滑な基材に、樹脂溶液をリビング（畝）が形成され得る条件で塗工する方法で形成することができる。

本実施形態においては、塗工機として、たとえば、密閉塗工方式であり、塗工安定性に優れ、高精度塗工を実現可能にするダイコータを用いる。

図２は、本開示において用いられる塗工装置の例であり、塗工ヘッドの部分を含む概念的断面図である。本開示においては、好ましくは、テンション・ウェブ・ダイコーターを用い、製膜時に塗工ヘッド７の下流側と誘電体フィルム１の基材とのギャップを開けることで、リビング（畝）形成させる。図２に示すように、上に位置するロールＲ１を右側にシフトさせている。これにより塗工ヘッド７の下流側と基材との間のギャップを開くことになる。このような方法で規則的なリビングを形成することができるがこれに限定されない。塗工ヘッド７の下流側と基材とのギャップや塗工速度を制御することにより、規則的な畝状の凹凸パターンが形成できるので、表面テクスチャー比Ｓｔｒを０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５に制御することができる。これにより、非蒸着面に畝状の凹凸が形成され、金属化フィルムを積層した際の層間空隙ができるので、耐電圧特性を著しく低下させることなく、自己回復性を確保することができる。

図３は、本開示における一実施態様の誘電体フィルムに形成されたリビング（畝）の斜視図である。矢印方向に畝が形成されている。図１および図３において、畝の山１ｂａと畝の谷１ｂｂとが観察できる。

基材の第３面に成形された樹脂溶液を乾燥して溶媒を揮発させることによって、基材の第３面上に誘電体フィルム１を形成して、基材から剥離するので、第１面１ａは、基材の表面状態に近い表面となる。したがって、第１面１ａの算術平均高さＳａが１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍであるが、基材の表面を調整して、第１面１ａの算術平均高さＳａを制御することができる。

また、第１面１ａの表面テクスチャー比Ｓｔｒも基材表面の表面テクスチャー比Ｓｔｒに近い値となる。

従来は、基材に表面粗化を行った場合、局所的に誘電体フィルムが薄くなる部分が生じ、誘電体フィルムの耐電圧特性が低下するという問題があった。また、基材の表面粗化を行うという工程が必要であった上に、非基材面を平滑にするために、固形分濃度を下げ、スラリーの粘度を下げる必要もあったため、コストが高くなるという問題もあった。本発明においては、表面粗化を行わない平滑な基材を使用して反対側の非基材面をある程度粗にでき、かつ、局所的に誘電体フィルムが薄くなる部分が生じにくいという利点もある。

誘電体フィルム１は、基材から剥離し、樹脂または金属から成る巻芯に巻回して回収する。回収された誘電体フィルム１の第１面１ａに金属膜２を蒸着することによって、金属化フィルム１０を製造することができる。

金属膜２は、金属材料から成り、誘電体フィルム１の第１面１ａに掲載されている。金属膜２に用いられる金属材料としては、例えば、アルミニウム、アルミニウムを主成分とする合金等が挙げられる。金属膜の膜厚は、例えば、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下であってもよい。

金属化フィルム１０は、誘電体フィルム１の幅方向（図１における紙面に垂直な方向）の一端側に、金属膜が蒸着されず、誘電体フィルム１の第１面１ａが露出する部分である金属膜非形成部１０ａを有していてもよい。金属膜非形成部１０ａは、誘電体フィルムの長さ方向（図１における左右方向）に連続して延びていてもよい。

金属化フィルム１０の製造方法では、基材の第３面上に形成された誘電体フィルムを、基材と一緒に巻芯に巻回して回収してもよく、上記のように、基材から剥離し、基材とは別個に巻芯に巻回して回収してもよい。後者の場合、誘電体フィルム１の第２面１ｂに、基材の他方主面の圧痕が生じることを抑制できる。

金属化フィルム１０では、誘電体フィルム１の、金属膜２が蒸着されない第２面１ｂが、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５を満たす規則正しい微細なリビングを有している。これにより層間空隙の確保ができ、自己回復性の向上が可能となる。また、金属化フィルム１０を巻回または積層してフィルムコンデンサを作製する際に、層間空隙の確保ができるため、金属化フィルム１０同士の貼り付きを抑制し、金属化フィルム１０が破断することを低減することができる。ひいては、金属化フィルム１０を備えるフィルムコンデンサの信頼性を向上させることができる。

また、金属化フィルム１０では、誘電体フィルム１の、金属膜２が蒸着される第１面１ａが、１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍを満たし、第２面１ｂよりも平滑にされている。すなわち、誘電体フィルム１では、膜厚が過度に低下することがなく電極間距離が確保されるので、高電圧を印加した場合であっても絶縁破壊が起こりにくく、耐電圧が向上できる。

次に、本開示のフィルムコンデンサについて、図面を参照しつつ説明する。

図４は、本開示の一実施形態に係るフィルムコンデンサを示す、一部が切り欠かれた斜視図であり、図５は、本開示の一実施形態に係るフィルムコンデンサを示す展開斜視図である。

本実施形態のフィルムコンデンサ２０は、金属化フィルム１０を複数枚積層して成る本体部３と、本体部３に設けられた外部電極４とを備えている。フィルムコンデンサ２０は、外部電極４と外部装置（図示せず）とを電気的に接続するリード線５を有していてもよい。

フィルムコンデンサ２０は、本体部３と、外部電極４と、リード線５の一部とを覆う外装部材６を有していてもよい。これにより、本体部３と、外部電極４と、リード線５の糸部とを、外部環境から電気的に絶縁し、外部環境から保護することが可能になる。

フィルムコンデンサ２０は、例えば図４に示すように、１つの金属化フィルム１０の金属膜非形成部１０ａと、該１つの金属化フィルム１０に隣り合う金属化フィルム１０の金属膜非形成部１０ａとが、誘電体フィルム１の幅方向（図４における左右方向）における異なる端部に位置するように構成されていてもよい。

フィルムコンデンサ２０は、金属化フィルム１０を備えることにより、フィルムコンデンサを製造する際の歩留まり、フィルムコンデンサの耐電圧性をさらに向上させることができる。また、フィルムコンデンサ２０によれば、隣り合う金属化フィルムが密着することを抑制し、絶縁欠陥部で短絡が生じた際のガス抜け性を確保することができるため、自己回復性をさらに向上させることができる。

フィルムコンデンサ２０は、例えば図５に示すように巻回型のフィルムコンデンサであってもよい。フィルムコンデンサ２０は、巻回型のフィルムコンデンサである場合でも、金属化フィルム１０を備えることによって、絶縁欠陥部で短絡が生じた際のガス抜け性を確保することができるため、自己回復性を向上させることができる。

（実施例）
以下、実施例によって本開示をさらに説明するが、これに限定されない。

（実施例１～６）
有機樹脂としてポリアリレート樹脂を用い、溶媒としてトルエンを用いて樹脂溶液を得た。樹脂溶液のスラリー粘度は３１２ｃＰ（粘度）であった。この樹脂溶液を表１に記載した各種の平滑な基材の表面に、テンション・ウェブ・ダイコーターを用い、塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップを開けて塗布し、リビング（畝）を形成した。ギャップの開け具合によりリビング（畝）の幅、高さなどを調整した。その後、６０℃で１分乾燥して溶媒を除去し、誘電体フィルム１を得た。得られた誘電体フィルム１を基材から剥離し、巻芯に基材とは別個に巻回して回収した。次に、回収された誘電体フィルム１の第１面１ａに、アルミニウムを真空蒸着法により蒸着し、金属化フィルム１０を得た。基材の種類、塗工条件を変更することによって、誘電体フィルム１の表面性状が互いに異なる実施例１～６の金属化フィルムを得た。

ギャップの開け具合については、実施例１，３，５の場合には同程度に広く、実施例２、４、６の場合には実施例１，３，５より同程度に狭くした。

（比較例１～４）
実施例１において、塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップを開けずに塗布し、その他は実施例１と同様にして比較例１の金属化フィルムを得た。

実施例３において、塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップを開けずに塗布し、その他は実施例３と同様にして比較例２の金属化フィルムを得た。

実施例５において、塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップを開けずに塗布し、その他は実施例５と同様にして比較例３の金属化フィルムを得た。

また、実施例２において、基材を二軸延伸ポリプロピレンに変更した以外は実施例２と同様にして比較例４の金属化フィルムを得た。

実施例１～６、比較例１～４の膜厚はすべて２．４～２．６μｍの範囲内であった。

実施例１～６および比較例１～４のそれぞれの金属化フィルムについて、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて、視野１００μｍ×１００μｍの表面を観察し、第１面１ａの算術平均高さＳａを測定した。また、レーザー顕微鏡を用いて、視野５．７ｍｍ×４．３ｍｍの表面を観察し、第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒを測定した。

また、これらの金属化フィルムについて、巻回により素子作製後、Ｚｎメタリコンにより外部電極を形成した。この巻回素子を用いて、１２５℃の環境下で２４時間にわたり２１０Ｖ／μｍの電界を印加するバーンイン試験を行い、絶縁抵抗不良を起こした金属化フィルムの割合（ＩＲ不良率）を測定した。測定結果を表１に示す。

表１において、基材、塗工ヘッドの位置は以下の通りである。
（基材） A4100：超平滑ポリエチレンテレフタレート、Sa 1.2ｎｍ
TZ204:平滑ポリエチレンテレフタレート、Sa 2.2ｎｍ
T19C2:ポリエチレンテレフタレート、Sa 9.6ｎｍ
OPP:二軸延伸ポリプロピレン、Sa 12.0ｎｍ
（塗工ヘッドの位置）
Ａ：畝ができる程度に塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップを広く開けた。
Ｂ：塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップはＡとＣの中間。
Ｃ：塗工ヘッドの下流側と基材とのギャップを開けなかった

実施例１～６については、第1面１ａの算術平均高さＳａが１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍであり、第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５であり、ＩＲ不良率も０％であることが確認できた。ＳａとＳｔｒが同時にこの範囲内であると絶縁抵抗不良を起こさない、すなわち耐電圧性と自己回復性が良好であり、耐電圧性を低下させずに自己回復性を向上させた金属化フィルムであることを確認できた。

比較例１～３は、算術平均高さＳａが１ｎｍと１０ｎｍの間にあるが、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２５を大きく上回り、ＩＲ不良率が１０～２０％であった。畝がなく、層間空隙の不足による自己回復性の低下が生じたものと思われる。

比較例４は、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１と０．２５の間にあるが、算術平均高さＳａが１０ｎｍを超えており、電極間距離の局所低下が起こり耐電圧性が低下したものと思われる。

したがって、第1面１ａの算術平均高さＳａが１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍであり、第２面１ｂの表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５である金属化フィルムが積層または巻回されてなる本体部と、該本体部に設けられた外部電極と、を備えるフィルムコンデンサは、耐電圧性と自己回復性が良好であり、耐電圧性を低下させずに自己回復性を向上させたものであることが確認できた。

１ 誘電体フィルム
１ａ 第１面
１ｂ 第２面
１ｂａ 畝の山
１ｂｂ 畝の谷
２ 金属膜
２ａ 第１面
３ 本体部
４ 外部電極
５ リード線
６ 外装部材
１０ 金属化フィルム
１０ａ 金属膜非形成部
２０ フィルムコンデンサ

Claims (4)

1. 第１面とその反対側の第２面とを有する膜厚１～４μｍの誘電体フィルムと、前記第１面に位置する金属膜とを含む金属化フィルムであって、
   前記第1面の算術平均高さＳａが１ｎｍ≦Ｓａ≦１０ｎｍであり、
   前記第２面の表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．０１≦Ｓｔｒ≦０．２５である、金属化フィルム。
2. 前記金属膜は、１０ｎｍ以上３０ｎｍ以下の膜厚を有する、請求項１記載の金属化フィルム。
3. 前記誘電体フィルムは、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンナフタレート、ポリアリレート、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルイミド、およびシクロオレフィンポリマーから選ばれた１種から成る、請求項１または２記載の金属化フィルム。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の金属化フィルムが積層または巻回されてなる本体部と、
   該本体部に設けられた外部電極部と、を備えるフィルムコンデンサ。