JP5333746B2

JP5333746B2 - フィルムコンデンサ

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Publication number: JP5333746B2
Application number: JP2009037450A
Authority: JP
Inventors: 一朗中祖
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-02-20
Filing date: 2009-02-20
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2029-02-20
Also published as: JP2010192787A

Description

この発明は、フィルムコンデンサに関するもので、特に、フィルムコンデンサの信頼性を向上させるための改良に関するものである。

コンデンサの一種として、可撓性のある樹脂フィルムを誘電体として用いながら、樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第１および第２の対向電極となる金属膜を樹脂フィルムの両主面上に形成してなる、フィルムコンデンサがある。フィルムコンデンサは、通常、上述の樹脂フィルムを巻回してなる円柱状の形態をなしており、当該円柱の互いに対向する第１および第２の端面上には、それぞれ、第１および第２の外部端子電極が形成されている。そして、前述した第１の対向電極は第１の外部端子電極と電気的に接続され、第２の対向電極は第２の外部端子電極と電気的に接続されている。

一方、フィルムコンデンサにおいて、より大きな静電容量を得るため、樹脂フィルムを構成する樹脂に、誘電率の高いセラミック粉末を添加することが行なわれている。しかしながら、樹脂にセラミック粉末を添加した複合材料は、誘電率を高めることができる反面、樹脂のみの場合に比べて絶縁耐力を低下させるという欠点もある。たとえば、車載の電源関連などの高電界下で使用される場合、特に、電界が集中する対向電極の端縁においてショートが発生することがある。

上記の問題を解決するため、たとえば特開平２‐３０５４２１号公報（特許文献１）では、図１４に示すような構造、すなわち、対向電極１および２を互いに対向する各主面上にそれぞれ形成した両面金属化樹脂フィルム３の間に、複合誘電体からなるラッカー層４および５が設けられ、これらラッカー層４および５の外側に絶縁体層６が形成された構造が提案されている。

しかしながら、このような構造では、誘電率の高いラッカー層４および５の間に絶縁体層６が介在しているため、誘電率の比較的低い絶縁体層６によって、対向電極１および２間の誘電率が支配され、大きな静電容量を取得することができない。また、対向電極１および２の端縁１ａおよび２ａが位置する領域は、誘電率の比較的高い複合誘電体からなるラッカー層４および５によって挟む込まれた構成となっており、電界が集中する端縁１ａおよび２ａが位置する領域での耐電圧性の向上は望めない。

また、たとえば特開平５‐１０９５８３号公報（特許文献２）では、図１５に示すように、誘電体フィルム７上に、両端縁にマージン部８を形成するように島状の電極層９を形成し、誘電体フィルム７をマージン部８の幅より狭い範囲で幅方向にずらして積層することにより、絶縁耐力の高い樹脂（図示せず。）をマージン部８近傍にまで含浸させることが開示されている。この構造によれば、絶縁耐力の高い樹脂により耐電圧の向上が図られているが、上述のずらし幅がマージン部８の幅より小さいため、電極層９の端縁が位置する領域は誘電体フィルム７に覆われることになるため、前述した特許文献１に記載のものと同様、耐電圧性の向上は不十分である。

特開平２−３０５４２１号公報特開平５−１０９５８３号公報

そこで、この発明の目的は、上述したような問題を解決し得るフィルムコンデンサを提供しようとすることである。

この発明は、誘電体樹脂フィルムと、誘電体樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第１および第２の対向電極とを備える、フィルムコンデンサに向けられるものであって、上述した技術的課題を解決するため、次のような構成を備えることを特徴としている。

すなわち、第１の対向電極は、第２の対向電極に対向する第１の端縁を有し、第２の対向電極は、第１の対向電極に対向する第２の端縁を有しており、誘電体樹脂フィルムは、上記第１の端縁および上記第２の端縁の少なくとも一方とその近傍とが位置する第１の部分と、それ以外の第２の部分とを有し、第１の部分は、第２の部分に比べて、絶縁耐力のより高い高耐電圧領域とされ、第２の部分は、第１の部分に比べて、誘電率のより高い高誘電率領域とされていることを特徴としている。

この発明の第１の実施態様では、高誘電率領域は無機フィラーを含み、高耐電圧領域は無機フィラーを含まない。この場合、無機フィラーは、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＳｉＯ_２および（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３から選ばれる１種を主成分とするものであることが好ましい。また、上記高耐電圧領域および上記高誘電率領域は互いに同じ樹脂材料を含むことが好ましく、この場合、樹脂材料としては、ポリビニルアセトアセタールとトリレンジイソシアネートとの架橋物が有利に用いられる。

この発明の第２の実施態様では、高耐電圧領域および高誘電率領域は無機フィラーを含まず、高耐電圧領域は、絶縁耐力の比較的高い樹脂材料からなり、高誘電率領域は、誘電率の比較的高い樹脂材料からなる。この場合、上記高耐電圧領域を構成する樹脂材料としては、ポリビニルアセトアセタールとトリレンジイソシアネートとの架橋物が有利に用いられ、上記高誘電率領域を構成する樹脂材料としては、ポリ塩化ビニリデンが有利に用いられる。

この発明において、高耐電圧領域と高誘電率領域との境界は、第１および第２の対向電極の各々における、第１の端縁および第２の端縁の各々より０．１〜１ｍｍの範囲で内側に位置することが好ましい。

この発明によれば、誘電体樹脂フィルムにおいて、対向電極の端縁とその近傍とが位置する第１の部分が高耐電圧領域とされ、それ以外の第２の部分が高誘電率領域とされるので、取得静電容量の低下をそれほど招くことなく、高い耐電圧性を有するフィルムコンデンサを得ることができる。

この発明の一実施形態によるフィルムコンデンサに備える誘電体樹脂フィルム１２を展開状態で示す斜視図である。図１に示した誘電体樹脂フィルム１２上に対向電極１５および１６を形成した状態を示す斜視図であり、第１の対向電極１５を形成した第１のシート１７と第２の対向電極１６を形成した第２のシート１８とをそれぞれ示している。図２に示した第１のシート１７と第２のシート１８とを積み重ねた状態を示す斜視図である。図３の線Ａ‐Ａに沿う断面図である。図３に示した積層構造物を巻回して得られたコンデンサ本体２０を示す斜視図である。図５の線Ｂ‐Ｂに沿う断面図である。図６に示したコンデンサ本体２０に第１および第２の外部端子電極２１および２２を形成して得られたフィルムコンデンサ１１を示す断面図である。この発明による作用効果を説明するためのフィルムコンデンサの図解的断面図である。図８に示したフィルムコンデンサの比較例を示す図８に対応する図である。実験例１において作製した実施例によるフィルムコンデンサを示す平面図である。実験例１において作製した比較例によるフィルムコンデンサを示す平面図である。実験例２において作製したフィルムコンデンサに備える誘電体樹脂フィルム４１を示す平面図である。実験例２において作製したフィルムコンデンサを示す平面図である。この発明にとって興味ある第１の従来技術によるフィルムコンデンサを示す断面図である。この発明にとって興味ある第２の従来技術によるフィルムコンデンサを示す断面図である。

図１ないし図７を参照して、この発明の一実施形態によるフィルムコンデンサ１１の製造方法を説明しながら、その構造を明らかにする。

フィルムコンデンサ１１は、図１に示すような誘電体樹脂フィルム１２を備えている。誘電体樹脂フィルム１２は、長尺状をなしており、その幅方向での中央部が高誘電率領域１３とされ、その幅方向での両端部が高耐電圧領域１４とされ、これら高誘電率領域１３および高耐電圧領域１４が、ともに、長尺状の誘電体樹脂フィルム１２の長手方向に沿って延びている。

上述の高誘電率領域１３は、高耐電圧領域１４に比べて、誘電率のより高い材料から構成され、他方、高耐電圧領域１４は、高誘電率領域１３に比べて、絶縁耐力のより高い材料から構成される。

そのため、一例として、高誘電率領域１３および高耐電圧領域１４は互いに同じ樹脂材料を含みながら、高誘電率領域１３のみが無機フィラーを含み、高耐電圧領域１４は無機フィラーを含まない組成に選ばれる。上述した無機フィラーは、好ましくは、誘電率の高いセラミック粉末から構成され、セラミック粉末としては、たとえば、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＳｉＯ_２または（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３を主成分とするものが用いられる。また、高誘電率領域１３および高耐電圧領域１４に含まれる樹脂材料としては、たとえば、ポリビニルアセトアセタールとトリレンジイソシアネートとの架橋物が有利に用いられる。このような樹脂材料は、絶縁耐力が比較的高く、それのみで高耐電圧領域１４を構成するのに適している。

上述のように、高誘電率領域１３および高耐電圧領域１４が互いに同じ樹脂材料を含んでいると、高誘電率領域１３と高耐電圧領域１４との間で高い接合状態を得ることができる。

高誘電率領域１３における誘電率を高めるため、上述したような無機フィラーを添加する方法に代えて、高誘電率領域１３を構成する樹脂材料自身に、誘電率の比較的高いものを用いる方法もある。この場合、たとえばポリ塩化ビニリデンが高誘電率領域１３を構成する樹脂材料として有利に用いられる。なお、高耐電圧領域１４を構成する材料としては、たとえば、前述したポリビニルアセトアセタールとトリレンジイソシアネートとの架橋物を用いることができる。

次に、図２（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すように、誘電体樹脂フィルム１２上に第１および第２の対向電極１５および１６がそれぞれ形成された第１および第２のシート１７および１８が作製される。対向電極１５および１６は、たとえばアルミニウムを真空蒸着することによって形成される。

第１のシート１７では、第１の対向電極１５は、誘電体樹脂フィルム１２の一方側縁にまで届くように形成され、第２のシート１８においては、第２の対向電極１６は誘電体樹脂フィルム１２の他方側縁にまで届くように形成される。第１の対向電極１５と第２の対向電極１６との対向状態については、後述する図３および図４によく示されているが、第１の対向電極１５の、第２の対向電極１６に対向する第１の端縁１５ａおよびその近傍は、高耐電圧領域１４上に位置される。他方、第２の対向電極１６の、第１の対向電極１５に対向する第２の端縁１６ａおよびその近傍についても、高耐電圧領域１４上に位置される。

なお、上述した対向電極１５および１６の形成態様に関して、高耐電圧領域１４と高誘電率領域１３との境界が、第１および第２の対向電極１５および１６の各々における、第１の端縁１５ａおよび第２の端縁１６ａの各々より０．１〜１ｍｍの範囲で内側に位置するようにされることが好ましい。上記範囲を外れて、０．１ｍｍ未満の場合には、後述する積み重ね工程における積み重ね精度によっては、対向電極１５および１６の端縁１５ａおよび１６ａの少なくとも一方が高耐電圧領域１４上に位置されないおそれがあり、他方、１ｍｍを超える場合には、取得静電容量の低下が不所望にも大きくなってしまう。

次に、図３および図４に示すように、第１および第２のシート１７および１８が積み重ねられる。このとき、第１および第２の対向電極１５および１６の各々における誘電体樹脂フィルム１２の側縁にまで届いている側の端部が露出するように、第１のシート１７と第２のシート１８とが互いに幅方向にずらされる。

次に、図５および図６に示すように、巻回軸１９が用意されるとともに、この巻回軸１９のまわりに、図３および図４に示した第１および第２のシート１７および１８からなる積層構造物が巻回される。このとき、積層構造物の幅方向に延びる軸線を軸として巻回される。このようにして、実質的に円柱状のコンデンサ本体２０が得られる。

なお、この実施形態では、図３および図４に示した第２のシート１８が第１のシート１７の外側になるように、かつ第１および第２のシート１７および１８の各々について、対向電極１５および１６が内方に向くように巻回される。図５では、第１および第２のシート１７および１８が省略的に図示されている。また、図６および後述する図７では、誘電体樹脂フィルム１２において、高誘電率領域１３と高耐電圧領域１４の図面上での区別が省略されている。

次に、図７に示すように、コンデンサ本体２０の両端面に、たとえば亜鉛を溶射することにより、第１および第２の外部端子電極２１および２２が形成され、円柱状のフィルムコンデンサ１１が完成される。

図７に示すように、第１の外部端子電極２１は、第１の対向電極１５の露出端部と接触し、それによって第１の対向電極１５と電気的に接続される。他方、第２の外部端子電極２２は、第２の対向電極１６の露出端部と接触し、それによって第２の対向電極１６と電気的に接続される。

次に、図８および図９を参照して、この発明による作用効果について説明する。図８は、この発明の場合を示し、図９は、従来の場合を示している。図８および図９において、図１ないし図７に示した要素に相当する要素には同様の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図８および図９において、電界の分布状態が矢印で示されている。これらの矢印の分布状態からわかるように、対向電極１５および１６の各々の端縁１５ａおよび１６ａの近傍において、電界が集中している。図９に示した従来の構造では、誘電体樹脂フィルム１２全体が高誘電率を有する材料から一様に形成されているので、電界が集中する部分においても、高誘電率を有する部分、すなわち絶縁耐力の比較的低い部分となっている。そのため、このような電界が集中する部分で絶縁破壊が生じやすい。

これに対して、この発明による図８に示した構造では、誘電体樹脂フィルム１２における電界が集中する部分は、高耐電圧領域１４とされているので、絶縁破壊が生じにくくすることができる。他方、対向電極１５および１６が対向する部分のほとんどは、高誘電率領域１３とされるので、静電容量の低下をそれほど招かないようにすることができる。

以上、この発明を、図７に示したフィルムコンデンサ１１に関連して説明したが、この発明に係るフィルムコンデンサは、図７に示すような巻回型のものに限らず、後述する実験例において作製した試料のように、平面型のものであってもよい。

次に、この発明による効果を確認するために実施した実験例について説明する。

［実験例１］
まず、溶剤としてトルエンおよびエタノールを重量比で１：１の割合で混合したものを用意し、この混合溶剤にポリビニルアセトアセタール（ガラス転移点が１１０℃、重合度が約２０００）を溶解させ、７重量％のポリビニルアセトアセタール溶液を作製した。

他方、酢酸エチルを溶剤とし、これにＴＤＩ（トリレンジイソシアネート）系ポリイソシアネートを溶解させ、６０重量％のＴＤＩ系ポリイソシアネート溶液を作製した。

次に、上記ポリビニルアセトアセタール溶液および上記ＴＤＩ系ポリイソシアネート溶液を、体積比で７０：３０となるように配合し、１時間攪拌して、均一な混合溶液を得た。次いで、この混合溶液をフィルタでろ過して未溶解物を除去した後、気泡が消えるまで数時間静置した。

誘電体樹脂フィルムにおける高耐電圧領域となるべき高耐電圧用樹脂溶液としては、上述の混合溶液をそのまま用いた。他方、誘電体樹脂フィルムにおける高誘電率領域となるべき高誘電率用樹脂溶液を作製するため、上述した混合溶液に加えて、チタン酸ストロンチウム粉末を用意した。そして、混合溶液の固形分とチタン酸ストロンチウム粉末とが体積比で７０：３０となるように配合し、１６時間攪拌して均一なスラリー状の高誘電率用樹脂溶液を得た。

次に、塗工機を用いて、キャリアフィルムの幅方向での両端部上に前述の高耐電圧用樹脂溶液を塗工し、９０℃および１分間の条件で乾燥させて厚み１０μｍの高耐電圧領域となるべき未硬化のフィルムを得た。次いで、塗工機を用いて、前述の高誘電率用樹脂溶液を、同じキャリアフィルムの幅方向での中央部であって、上述した高耐電圧領域となるべき未硬化のフィルムの間を埋めるように塗工し、９０℃および１分間の条件で乾燥させ、厚みが１０μｍの高誘電率領域となるべき未硬化のフィルムを得た。

次に、上述のように高耐電圧領域および高誘電率領域の各々となるべき未硬化のフィルムに対し、１８０℃および１時間の条件で硬化処理を行ない、キャリアフィルムから剥離し、この発明の範囲内の実施例となる試料１に係る誘電体樹脂フィルムを得た。図１０に、このようにして得られた試料１に係る誘電体樹脂フィルム３１が図示されている。誘電体樹脂フィルム３１は、高誘電率領域３２および高耐電圧領域３３を有している。

他方、この発明の範囲外の比較例として、塗工機を用いてキャリアフィルム上に高誘電率用樹脂溶液を全面にわたって塗工し、上記試料１の場合と同様の条件で乾燥させ、厚み１０μｍの未硬化のフィルムを得、次いで、未硬化のフィルムに対して、上記試料１の場合と同様の条件で硬化処理を行ない、キャリアフィルムから剥離し、比較例となる試料２に係る誘電体樹脂フィルムを得た。図１１に、試料２に係る誘電体樹脂フィルム３６が示されている。誘電体樹脂フィルム３６は、そのすべてが高誘電率領域とされている。

次に、試料１に係る誘電体樹脂フィルム３１の上下面に、図１０に示すように、真空蒸着法によりアルミニウムを主成分とする対向電極３４および３５を形成し、試料１となるフィルムコンデンサを完成させた。

他方、試料２に係る誘電体樹脂フィルム３６についても、その上下面に、図１１に示すように、真空蒸着法によりアルミニウムを主成分とする対向電極３７および３８を形成し、試料２となるフィルムコンデンサを完成させた。

図１０および図１１において、それぞれ、試料１および２となるフィルムコンデンサの各部分の寸法が表示されている。図１０に注目すれば、試料１では、高耐電圧領域３３と高誘電率領域３２との境界は、対向電極３４および３５の各々の端縁より０．５ｍｍ内側に位置していることがわかる。

このようにして得られた試料１および試料２の各々に係るフィルムコンデンサについて、表１に示すように、静電容量、絶縁破壊電圧および破壊直前の電荷量を測定した。絶縁破壊電圧は、絶縁破壊試験装置を用いて、昇圧速度を毎秒１００Ｖ／μｍとしてフィルムコンデンサに電界を印加し、２５℃にて測定を６点行ない、ワイブルプロットから累積故障頻度５０％の値を絶縁破壊電圧とした。

表１に示すように、実施例としての試料１によれば、比較例としての試料２と比較して、静電容量がわずかに低下するが、絶縁破壊電圧については、約１．５倍に向上させることができる。

［実験例２］
図１２に示すような形状および寸法を有する高誘電率領域４２および高耐電圧領域４３を形成した誘電体樹脂フィルム４１を作製するため、実験例１において作製した高誘電率用樹脂溶液および高耐電圧用樹脂溶液を、キャリアフィルム上にそれぞれスクリーン印刷し、９０℃および１分間の条件で乾燥させて、厚み１０μｍの未硬化のフィルムを得た。そして、この未硬化のフィルムに対して、１８０℃および１時間の条件で硬化処理を行なった後、キャリアフィルムから剥離し、誘電体樹脂フィルム４１を得た。

次に、この誘電体樹脂フィルムの上下面に、図１３に示すように、真空蒸着法によりアルミニウムを主成分とする対向電極４４および４５を形成し、試料１１となるフィルムコンデンサを完成させた。このフィルムコンデンサにおいて、四角形で規定される、高耐電圧領域４３と高誘電率領域４２との境界は、その４辺すべてについて、対向電極４４および４５の各々の端縁より０．５ｍｍ内側に位置していた。

この実験例２において作製した試料１１に係るフィルムコンデンサについて、実験例１の場合と同様、静電容量、絶縁破壊電圧および破壊直前の電荷量を測定した。その結果が表２に示されている。

表２に示すように、試料１１に係るフィルムコンデンサによれば、実験例１の比較例としての試料１と比較して、静電容量はわずかに低下するが、絶縁破壊電圧を２倍程度向上させることができる。また、試料１１に係るフィルムコンデンサによれば、実験例１の実施例としての試料１と比較して、静電容量はわずかに低下するが、絶縁破壊電圧を１．３倍以上向上させることができる。

［実験例３］
まず、誘電体樹脂フィルムにおける高耐電圧領域となるべき高耐電圧樹脂溶液として、実験例１において作製したものと同じものを用いた。

他方、高誘電率用樹脂溶液として、ブタノールにポリ塩化ビニリデンを溶解させた１０重量％のポリ塩化ビニリデン溶液を作製した。

次に、実験例１において用いた高誘電率用樹脂溶液に代えて、上述したポリ塩化ビニリデン溶液を高誘電率用樹脂溶液として用いたことを除いて、実験例１の試料１を作製した場合と同様の操作を経て、前述の図１０に示したのと同様の形状および寸法を有する実施例となる試料２１に係るフィルムコンデンサを作製した。

他方、比較例となる試料２２として、上述のポリ塩化ビニリデン溶液のみを用いて、図１１に示すものと同様のフィルムコンデンサを作製した。

これら試料２１および試料２２の各々に係るフィルムコンデンサについて、実験例１の場合と同様の方法により測定した静電容量、絶縁破壊電圧および破壊直前の電荷量が表３に示されている。

表３に示すように、実施例となる試料２１によれば、比較例となる試料２２と比較して、静電容量のわずかな低下が見られるものの、絶縁破壊電圧については１．３倍程度の向上を図ることができる。

１１フィルムコンデンサ
１２誘電体樹脂フィルム
１３高誘電率領域
１４高耐電圧領域
１５，１６対向電極
１５ａ，１６ａ端縁

Claims

誘電体樹脂フィルムと、
前記誘電体樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第１および第２の対向電極と
を備え、
前記第１の対向電極は、前記第２の対向電極に対向する第１の端縁を有し、前記第２の対向電極は、前記第１の対向電極に対向する第２の端縁を有し、
前記誘電体樹脂フィルムは、前記第１の端縁および前記第２の端縁の少なくとも一方とその近傍とが位置する第１の部分と、それ以外の第２の部分とを有し、
前記第１の部分は、前記第２の部分に比べて、絶縁耐力のより高い高耐電圧領域とされ、前記第２の部分は、前記第１の部分に比べて、誘電率のより高い高誘電率領域とされている、
フィルムコンデンサ。
前記高誘電率領域は無機フィラーを含み、前記高耐電圧領域は無機フィラーを含まない、請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
前記無機フィラーは、ＢａＴｉＯ_３、ＳｒＴｉＯ_３、ＣａＺｒＯ_３、ＳｉＯ_２および（Ｂａ，Ｃａ）ＴｉＯ_３から選ばれる１種を主成分とするものである、請求項２に記載のフィルムコンデンサ。
前記高耐電圧領域および前記高誘電率領域は互いに同じ樹脂材料を含む、請求項２または３に記載のフィルムコンデンサ。
前記樹脂材料は、ポリビニルアセトアセタールとトリレンジイソシアネートとの架橋物である、請求項４に記載のフィルムコンデンサ。
前記高耐電圧領域および前記高誘電率領域は無機フィラーを含まず、前記高耐電圧領域は、絶縁耐力の比較的高い樹脂材料からなり、前記高誘電率領域は、誘電率の比較的高い樹脂材料からなる、請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
前記高耐電圧領域は、ポリビニルアセトアセタールとトリレンジイソシアネートとの架橋物からなり、前記高誘電率領域は、ポリ塩化ビニリデンからなる、請求項６に記載のフィルムコンデンサ。
前記高耐電圧領域と前記高誘電率領域との境界は、前記第１および第２の対向電極の各々における、前記第１の端縁および前記第２の端縁の各々より０．１〜１ｍｍの範囲で内側に位置する、請求項１ないし７のいずれかに記載のフィルムコンデンサ。