JP2650245B2 - フイルムコンデンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はコンデンサ、更に詳しくはプラスチックフイ
ルムと金属酸化物の薄膜を積層型誘電体とすることによ
り、小型化、高性能化を図ったコンデンサに関するもの
である。

［従来の技術］ 従来、電気特性の良好なコンデンサ用フイルムとし
て、耐熱性プラスチックフイルムの片面にアルミニウ
ム、亜鉛等の金属膜を蒸着したメタライズドコンデンサ
が多用されている。一方、酸化金属を蒸着したフイルム
としては、プラスチックフイルムの少なくとも片面に酸
化ケイ素を蒸着したものが、ガスバリア性を改良した包
装材料として知られている（特公昭53−12953）。また
誘電体層に金属被覆し、更に酸化し易い金属を被覆する
ことは知られている（特公昭31−5570）。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、メタライズドコンデンサは誘電材料と
してプラスチックフイルムが用いられている故に、誘電
体層の電気特性（例えば、誘電率、絶緑抵抗など）の向
上、温度特性、周波数特性、耐電圧特性の向上等、さら
に誘電体層の薄膜化に関しては、使用されるプラスチッ
クフイルムの改良改善に待つしかなかった。特に薄膜化
については、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリスチ
レン、ポリカーボネート等の多用されているプラスチッ
クフイルムの厚さの範囲が、通常３〜10μｍであるた
め、コンデンサが大型化し、静電容量範囲が低い欠点が
あった。最近、ポリエステルフイルム、ポリカーボネー
トフイルムの製造技術の改善により、試験段階を経て、
1.5〜３μｍ程度のより薄い厚さのフイルムが製造され
るに至っているが、コンデンサとしては、さらに小型
化、軽量化の要求が強い。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、かかる要求に答えるために以下の構成を有
する。すなわち、本発明は耐熱性プラスチックフイルム
の少なくとも片面に金属膜が形成され、かつ該金属薄膜
の表面に、線膨脹係数が５×10^-6〜30×10^-6（cm/cm/
℃）の範囲にある金属酸化物の薄膜が形成された積層型
フイルム（Ａ）及び耐熱性プラスチックフイルムの両面
に金属膜を形成した両面金属化フイルム（Ｂ）を交互に
配したことを特徴とするフイルムコンデンサに関する。

本発明に使用される耐熱性プラスチックフイルムは、
次の代表的有機重合体を溶融押出または溶液製膜後、一
軸方向あるいは逐次または同時に、長手方向または幅方
向に二軸延伸したものである。代表的有機重合体として
は、ポリプロピレン、ポリ４メチルペンテン、ポリスチ
レンなどのポリオレフィン、ポリエチレンテレフタレー
ト、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン−2,6
−ナフタレート、ポリエチレンα，β−ビス（２−クロ
ル（フェノキシ）エタン4,4′−ジカルボキシレート、
などのポリエステル、ポリフェニレンスルフィド、ポカ
ーボネート、ナイロン６、ナイロン12などのポリアミド
及びそのハロゲン置換体、ポリヒドラジド、ポリイミド
などがある。また、これらの共重合体や、他の有機重合
体を含有するものであっても良い。これらの有機重合体
に公知の添加剤、例えば、滑剤、可塑剤などが添加され
ていても良い。

特に下記式で表わされる繰り返し単位を85モル％以上
含むポリマから成り、溶融押出して未延伸フイルムを得
て、該延伸フイルムを二軸方向に延伸配向し、機械特性
を向上せしめ、薄膜化したフイルムが好ましく使用され
る。

更に下記式で表われる繰り返し単位を50モル％以上含
むポリマから成り、湿式あるいは乾湿式製膜し、緊張下
で、乾燥あるいは二軸方向に延伸配向し、機構的特性を
向上せしめ、薄膜化したフイルムも好ましく使用され
る。

（ここでm,nは０〜３の整数である。） 本発明では、積層型フイルム（Ａ）、両面金属化フイ
ルム（Ｂ）に使用されるフイルムは同種であっても、異
種であってもかまわない。例えば、チップ化コンデンサ
においては、耐ハンダ性の良好な高価なフイルムと耐ハ
ンダ性に不満足であるが安価なフイルムの組み合わせを
積極的に用いてもかまわない。

本発明の耐熱性プラスチックフイルムの厚さは、特に
制限を受けないが、コンデンサ用誘電体及び支持体とし
ての適性から0.5〜20μｍの範囲が望ましい。静電容量
を増大させる点では、薄膜が好ましいが、機械強度の点
で薄膜化に限界が生じ、通常は1.5〜６μｍの範囲であ
ることが望ましい。本発明の耐熱性プラスチックフイル
ムは、金属薄膜層の形成に先立ち、コロナ放電処理、火
炎処理、プラズマ処理、グロー放電処理、粗面化処理な
どの表面処理や、公知のアンカーコート処理が施されて
も良い。

本発明における金属の薄膜は、コンデンサの電極とな
るものである。本発明の積層型フイルム（Ａ）を作成す
るための金属の薄膜は片面であっても両面であってもよ
い。

金属化フイルムとは、耐熱性プラスチックフイルムを
支持体として、その表面に蒸着、スパッタリング、イオ
ンプレーティング、メッキ等の方法で形成される非自己
支持体の金属膜を形成したものである。金属薄膜の厚さ
は50〜5000Åが好ましい。これら金属膜の材質は特に限
定されないが、アルミニウム、亜鉛、スズ、ニッケル、
クロム、鉄、銅、チタン、もしくはこれらの合金が好ま
しく、耐湿性を有する亜鉛、ニケッル、クロムもしくは
これらの合金などがより好ましい。

本発明における積層型フイルム（Ａ）及び両面金属化
フイルム（Ｂ）の金属薄膜の材質、厚さは同じであって
もよく、異なってもかまわない。マージンのとり方は制
限されないが、交互に誘電体層、導電体層が分離される
ように工夫される。マージンのとり方には、単層巻型、
複層巻型の２種類があるが、複層巻型がより好ましい。

次いで、本発明の積層型フイルム（Ａ）においては、
上記金属化フイルムの金属表面に線膨脹係数が５×10^-6
〜30×10^-6（cm/cm/℃）の範囲にある金属酸化物の薄層
が形成される。前記金属薄膜が片面に形成される場合は
該片面に、両面に形成される場合は両面に金属酸化物の
薄膜が形成される。

金属酸化物としては、各種の化学式のものが知られて
おり、Al₂O₃、SiO₂、TiO₂、LiTi₂O₄、K₂TiO₃、MgSiO₃、
ThO₂、Y₂O₃、MgO、MgO・SiO₂、BeO、スピネル（MgO・Al
₂O₃）、ムライト（3Al₂O₃・2SiO₂）、ウォラストナイト
（Ca、Mn、Fe・SiO₃）、ZrO₂、ジルコン（ZrO・Si
O₂）、TaO₅、SnO₂などがある。

特にコンデンサの誘電体としての重要な特性である高
絶縁抵抗、高比誘電率、低誘電損失等の電気特性の観点
から、好ましい金属酸化物は選択される。

Li₂TiO₃、ZrO₂等は低絶縁抵抗の点から好ましくな
い。

さらに本発明においては、カール及び亀裂、ヒビ割
れ、ピンホール等の欠点の観点から、金属酸化物の薄膜
の線膨脹係数がプラスチックフイルムの線膨脹係数に近
似したものが最も望ましい。特に膜厚が厚くなったり、
引張りや折り曲げの際、亀裂、割れ、ピンホールが発生
し易く、耐電圧が低下する欠点が生じる。

本発明の金属酸化物としては、Al₂O₃、TiO₂、Y₂O₃、B
eO等及びフォルステライト、ステアタイト、スピネル、
ムライト等が望ましい。

本発明では結晶性の金属酸化物を含まない非結晶性の
金属酸化物が望ましい。

結晶性又は非結晶性の判定は、CuのＫα線を用いた通
常のＸ線回折装置で容易に測定できる。たとえば、結晶
性のα−Al₂O₃が含まれていると、回折角２θが43.39度
や57.56度などの位置に明瞭な回折ピークが表われる。
β−Al₂O₃の場合は、回折角２θが66.65度や33.43度な
どの位置に回折ピークが表われる。これらの回折ピーク
の半価幅から結晶の粒子サイズを測定することもでき
る。この他γ−Al₂O₃、δ−Al₂O₃などの他の結晶性酸化
アルミニウムについても同様に固有の回折ピークが測定
できる。非結晶性の酸化アルミニウムの場合、Ｘ線回折
装置では、特定の回折ピークは測定されない。

金属酸化物薄層の厚みは、目的とする静電容量範囲と
使用されるフイルム基体に合せて選定されるが、本発明
においては、50〜10000Åの範囲が望ましく、好ましく
は100〜2000Å、更に好ましくは100〜1000Åである。50
Å未満では、特に絶縁破壊電圧が低く、耐電圧特性が十
分でない。10000Å以上では、静電容量が十分でなく、
また基体フイルムのカールが発生するなど平面性の損
う。

金属酸化物薄層の形成方法としては、金属酸化物の粉
末や固形物を真空蒸着機、スパッタリング、イオンプレ
ーティングなど真空析出法で行なう方法や、金属や金属
合金を酸素ガスを導入した中で真空蒸着、スパッタリン
グ、イオンプレーティングなどにより形成する方法が採
用できる。中でも、本発明のように、非結晶性で、誘電
特性の優れた金属酸化物薄層を形成するには、金属を抵
抗加熱、誘導加熱、電子ビーム加熱により、溶融蒸発さ
せ、酸素ガスを導入しながら基体に金属酸化物薄層を形
成する、反応性真空蒸着法又はアルゴンガス及び酸素ガ
スを導入しながら基体に金属酸化物薄層を形成するする
反応性スパッタリング法が緻密で強固な薄膜を形成でき
る特徴があり、最も適している。さらに本発明において
は、耐熱性プラスチックフイルムの両面に金属層を形成
した両面金属化フイルム（Ｂ）が上記積層型フイルム
（Ａ）と交互に配して積層される。本発明のかかる構成
とすることで、誘電体である金属酸化物の薄膜が金属薄
膜で挟まれる形とすることができる。もし本発明の積層
構成とすることなく、金属酸化物の薄膜同士が合わされ
ると、金属酸化物は脆いためにお互いに傷つきやすく、
コンデンサとしての特性、特に耐電圧特性が損なわれる
場合がある。

第１図及び第２図に、本発明の一実施例におけるコン
デンサを示す概念図を示す。１、５は耐熱性フイルム、
２、４は電極、３は金属酸化物からなる誘電体である。

第３図に、本発明の積層型フイルムを作成するための
反応性真空蒸着装置の一例を模式的に示す。

以下に、第２図の２、４の電極としてアルミニウム、
亜鉛、３の誘電体として酸化アルミニウムを用いた場合
は説明する。第３図において、真空容器11内に設置され
た巻き出し軸12より、プラスチックフイルム15が送り出
され、−30℃〜−５℃に冷却された冷却ドラム13を経由
して、巻き取り軸14に巻き取られる。第１工程として、
この間、冷却ドラム上にて、高周波誘導加熱電源に接続
された蒸発器16内のアルミニウムが蒸発し、プラスチッ
クフイルム基体15の両面にマージンを作りながらアルミ
ニウム薄層が形成される。真空容器内の圧力は、１×10
^-5〜１×10^-2トール、アルミニウムの膜厚はフイルム走
行速度により調整される。

次いで第２工程として両面金属化されたフイルムは、
巻き取り軸14より逆転しながら、冷却ドラム13を経由し
て、巻き出し軸12に巻き取られる。この間、冷却ドラム
上にて、高周波誘導加熱電源に接続された蒸発器16内の
アルミニウムが蒸発し、酸素ボンベ20から、ガス流量制
御装置19の通してマスク17で囲まれたガス吹出口18から
供給される酸素ガスと反応して、金属化フイルム15のア
ルミニウム薄層の両面に酸化アルミニウム薄層が形成さ
れ、積層型フイルム（Ａ）を得る。真空容器内の圧力
は、１×10^-5〜１×10^-2トール、酸素ガスの供給量は、
蒸発器16からのアルミニウムの蒸発量に応じて調整され
る。酸化アルミニウムの膜厚はフイルム走行速度により
調整される。

別の第３工程として、上記と別の耐熱性プラスチック
フイルムを真空容器11内に設置された巻き出し軸12より
送り出され、第１工程と同様にして冷却ドラム13を経由
して、巻き取り軸14に巻き取られる。第３工程はこの間
に、高周波誘導加熱電源に接続された蒸発器16内の亜鉛
が蒸発し、マージンを作りながら、両面に亜鉛薄膜層が
形成された両面金属化フイルム（Ｂ）を得る。

第２工程で、非結晶性の酸化アルミニウムを形成する
には、基板温度、蒸発速度が重要であり、基板温度が低
く、かつ蒸発速度が大きいほど非晶性の膜が得られ易
い。非結晶性の膜を得るためには、基板温度を−５℃以
下にすることが好ましい。また酸素圧力にも依存するの
で、適宜調整される。

本発明の大きな特徴は、該積層型フイルム（Ａ）及び
両面金属化フイルム（Ｂ）を（Ａ）と（Ｂ）が交互にな
るように重ね合せ、巻回あるいは積層することにある。
巻回型コンデンサの例では、（Ａ）及び（Ｂ）を同じ幅
にスリット後、交互になるように巻回し、プレスしてコ
ンデンサ素子を構成する。該コンデンサ素子の両端部に
ハンダメタリコンを施し（リード線を付与する場合もあ
る）、電極部を構成し、通常は外装部をつけコンデンサ
とする。

［発明の効果］ 本発明によるコンデンサは、プラスチックフイルム
と、高誘電率で、膜厚の薄い金属酸化物を誘電層として
組み合せて、しかも互いに導電層で分離しているため、
静電容量が高く、かつ線膨脹係数を規則しているため、
割れ、ピンホールなどによる耐電圧の低下が少なく、小
型化された高容量コンデンサとして、各種電気機器の部
品に用いることができる。

その他に、次のような特性を有する。

（１） 静電容量の温度変化、経時変化が僅少である。

（２） Ｑ（Quality Factor）が良好である。

（３） 容量、誘電損失の周波数依存性が少ない。

［実施例］ 以下、実施例を用いて説明する。

なお、本発明における特性の測定には、次の方法を用
いた。

（１） 静電容量 JIS C5113に基ずいて測定した。特に断わらない限り
25℃、1KHzで測定した。

（２） 耐電圧 JIS C5113に準じて測定した。

（３） フイルムの厚さ １μｍより厚いフイルムについては、ダイヤルゲージ
で測定した。１μｍ以下のフイルムについては、該フイ
ルムをガラス支持体の上に、しわのない状態で貼布し、
これを触針式表面粗さ計にかけて、フイルムがない所
と、フイルムが存在する箇所との境目の段差を測定し
て、これをフイルム厚さとした。

（４） 蒸着金属層の厚さ 金属の種類別に、蒸着層の厚さと、それの電気抵抗あ
るいは、うず電流の検量線を作成しておき、蒸着金属層
の厚さは、直流抵抗あるいは、うず電流を測定し、検量
線か決定した。

（５） 酸化金属層の厚さ 予め基板フイルムにポリエステル粘着テープを貼り、
蒸着した後、この粘着テープをはがし、蒸着部分と未蒸
着部分の段差をつくる。この段差部を高精度段差測定機
にて測定した。

（６） 線膨脹係数 酸化金属膜の線膨脹係数は、JIS R2577、R3102に準
じて測定した。

実施例１ （１） ポリエチレン2,6−ナフタレート（PEN）の重合
時に炭酸カルシウム（消石灰水溶液に炭酸ガスを吹き込
んで作った。粒子平均:0.25μｍ）を0.3重量％添加した
ペレット（溶融粘度:3000ポイズ）を作った。

このペレットを180℃で３時間減圧乾燥（３トール）
し、押出機に供給し、300℃で溶融押出し、静電印加キ
ャスト法を用いて表面温度30℃キャスティングドラムに
巻き付けて冷却固化し、厚さ約25μｍの未延伸フイルム
を作った。この未延伸フイルムを115℃にて長手方向に
3.8倍延伸した。

この延伸は２組ロールの周速差で行われ、延伸速度は
10000％／分であった。この一軸延伸フイルムをステン
タを用いて延伸速度2000％／分で150℃で幅方向に3.3倍
延伸し、定長下で230℃にて５秒間熱処理し、厚さ2.5μ
ｍのフイルムを得た。

次に、このPENフイルムを真空蒸着機の中へ入れ、真
空度10^-5トール、蒸着速度30m/分の条件で、両面のPEN
層表面に、厚さ500Åのアルミニウムを1mm幅のマージン
を形成しながら蒸着した（１−１）。

次に、このアルミニウム金属化PENフイルムの半分の
長さについて、反応性蒸着装置のロールを装置し、純度
99.9％のアルミニウムを高周波誘導加熱蒸発器で真空度
１×10^-4トールにし、酸素ガスを供給した。真空度を４
×10^-4トールに保って、フイルムの巻取速度を変え、厚
さが1000Åの酸化アルミニウム薄層を両面に蒸着した
（１−２）。次に（１−１）及び（１−２）それぞれの
蒸着積層フイルムを1cm幅にマイクロスリットした後、
（１−２）すなわちAl₂O₃/Al/PENフイルム/Al/Al₂O
₃と、（１−１）すなわちAl/PENフイルム/Alを交互にな
るように連続的に巻き回し、、コンデンサをつくった。

これを120℃で加熱プレスした後、常法により両端面
をメタリコン処理した。さらに、この素子の両端面のメ
タリコン上から、電極引き出し部材として、銅にニッケ
ルメッキを施した金属キャップを両端面各々別々にかぶ
せてコンデンサを得た。

得られたコンデンサの単位容積当り静電容量（Ｆ）は
260000（pF/mm³）であった。このコンデンサを250℃の
ハンダ浴中に10秒間浸漬した後の特性値の変化率を評価
したところ、１％以下の小さい変化率で、耐熱性に優れ
ていた。また50V、100Vの電圧に十分耐え、その絶縁抵
抗は、１×10¹²Ωであった。

実施例２ 実施例１における非晶性酸化アルミニウムの代りに、
表に示す各種の金属酸化物を、反応性蒸着法、イオンビ
ーム蒸着法、スパッタリング法のいずれかで形成し、誘
電体特性の適否、コンデンサへの適否を判定した。この
表から、金属酸化物の線膨脹係数が、５×10^-6〜30×10
^-6（cm/cm/℃）の範囲のものが、良好なことがわかる。
これらの金属酸化物の薄膜がコンデンサの誘電体として
十分な性能を有していることがわかる。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は、それぞれ本発明に係るコンデンサ
の実施態様についての積層状態を示す断面図である。 1,5:耐熱性プラスチックフイルム 2,4:酸化金属薄膜誘電体 3:金属薄膜電極 第３図は、本発明に用いる複合フイルムを製造するため
の反応性真空蒸着装置の一概略図である。 11:真空容器、12:巻出軸 13:冷却ドラム、14:巻取軸 15:プラスチックフイルム、16:蒸発器 17:マスク、18:ガス吹出し口 19:ガス流量制御装置、20:酸素ボンベ

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】耐熱性プラスチックフイルムの少なくとも
   片面に金属膜が形成され、かつ該金属薄膜の表面に、線
   膨脹係数が５×10^-6〜30×10^-6（cm/cm/℃）の範囲にあ
   る金属酸化物の薄膜が形成された積層型フイルム（Ａ）
   及び耐熱性プラスチックフイルムの両面に金属膜を形成
   した両面金属化フイルム（Ｂ）を交互に配したことを特
   徴とするフイルムコンデンサ。