JPWO2017175511A1 - フィルムコンデンサ、コンデンサ用フィルム、及び、フィルムコンデンサの製造方法 - Google Patents

フィルムコンデンサ、コンデンサ用フィルム、及び、フィルムコンデンサの製造方法 Download PDF

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Abstract

本発明のフィルムコンデンサは、誘電体樹脂フィルムと、上記誘電体樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第1対向電極及び第2対向電極とを備えるフィルムコンデンサであって、上記誘電体樹脂フィルムは、第1有機材料と第2有機材料との架橋物からなるコンデンサ用フィルムであって、上記第2有機材料は、複数のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、上記第1有機材料は、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つことを特徴とする。

Description

本発明は、フィルムコンデンサ、コンデンサ用フィルム、及び、フィルムコンデンサの製造方法に関する。本発明のコンデンサ用フィルムは、詳しくは、フィルムコンデンサの誘電体樹脂フィルムとして用いられるフィルムに関する。
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対向電極及び第2対向電極を配置した構造のフィルムコンデンサがある。フィルムコンデンサは、通常、誘電体としての樹脂フィルムを巻回してなる略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端面及び第2端面上には、それぞれ、第1外部端子電極及び第2外部端子電極が形成されている。そして、第1対向電極は第1外部端子電極と電気的に接続され、第2対向電極は第2外部端子電極と電気的に接続されている。
フィルムコンデンサ用の誘電体樹脂フィルムとして、例えば、特許文献1には、熱硬化性樹脂からなる誘電体樹脂フィルムを用いることが記載されている。特許文献1に記載の誘電体樹脂フィルムを構成する樹脂組成物は、メチレン基、芳香環及びエーテル基から選ばれる、モル分極率の比較的小さい少なくとも1種の官能基を含む、第1の原子団と、水酸基、アミノ基及びカルボニル基から選ばれる、モル分極率の比較的大きい少なくとも1種の官能基を含む、第2の原子団とを備え、(第1の原子団の吸収帯強度の総和)/(第2の原子団の吸収帯強度の総和)で表わされる値が1.0以上であるという条件を満たしている。さらに、特許文献1には、上記樹脂組成物が、フェノキシ樹脂等の第1有機材料とイソシアネート化合物等の第2有機材料とを含む少なくとも2種類の有機材料が反応して得られた硬化物であることが好ましいと記載されている。
国際公開第2013/128726号
特許文献1に記載の樹脂組成物によれば、誘電正接を低くすることができるため、フィルムコンデンサを高周波で問題なく使用することが可能となるとされている。さらに、上記樹脂組成物が少なくとも2種類の有機材料が反応して得られた硬化物であると、ガラス転移点を130℃以上とすることができるため、誘電体樹脂フィルムの耐熱性が高くなるとされている。
このように、特許文献1に記載の樹脂組成物からなる誘電体樹脂フィルムでは、誘電正接及び耐熱性については検討されているものの、耐電圧性、すなわち、特定温度における耐電圧強度については検討されていなかった。
本発明は、絶縁破壊強度が高く、耐電圧性に優れるコンデンサ用フィルムを備えるフィルムコンデンサ、コンデンサ用フィルム、及び、フィルムコンデンサの製造方法を提供することを目的とする。
本発明のフィルムコンデンサは、誘電体樹脂フィルムと、上記誘電体樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第1対向電極及び第2対向電極とを備えるフィルムコンデンサであって、上記誘電体樹脂フィルムは、本発明のコンデンサ用フィルムであることを特徴とする。
本発明のコンデンサ用フィルムは、第1有機材料と第2有機材料との架橋物からなるコンデンサ用フィルムであって、上記第2有機材料は、複数のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、上記第1有機材料は、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つことを特徴とする。
本発明のコンデンサ用フィルムは、第1有機材料と第2有機材料との架橋物からなる。すなわち、本発明のコンデンサ用フィルムは、第1有機材料と第2有機材料とが反応して得られる硬化物であり、第1有機材料が有する水酸基と第2有機材料が有するイソシアネート基とが反応して形成される架橋構造を有している。したがって、特許文献1と同様、フィルムの耐熱性を高くすることができる。
さらに、本発明のコンデンサ用フィルムでは、分岐構造を持つ第1有機材料を用いることを特徴としており、これにより、絶縁破壊強度が高く、耐電圧性に優れたフィルムにすることができる。分岐構造を持つ第1有機材料を用いる場合には、直鎖構造を持つ第1有機材料を用いる場合に比べて、第1有機材料と第2有機材料とを架橋させて得られるフィルムを構成する分子鎖が複雑に絡み合うことになる。そのため、外部からフィルムに電圧が印加された際、応力が局所的に集中せず、フィルムが破壊されにくくなると考えられる。
なお、特許文献1には、実験例において、第1有機材料として、末端にエポキシ基を有する高分子量のビスフェノールA型エポキシ樹脂を用い、第2有機材料として、トリレンジイソシアネート(TDI)又はジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)を用い、これらを反応させて得られた硬化物が記載されている。
しかし、末端にエポキシ基を有する高分子量のビスフェノールA型エポキシ樹脂の中で、分岐構造を持つものはこれまで知られていなかった。そのため、特許文献1の実験例で用いられているフェノキシ樹脂の構造は、分岐構造ではなく、直鎖構造であると言える。
上述のとおり、本発明のコンデンサ用フィルムは、高い絶縁破壊強度を有しており、耐電圧性に優れている。そのため、本発明のフィルムコンデンサでは、所定の絶縁破壊強度を維持しながら誘電体樹脂フィルムの厚みを薄くすることができ、その結果、フィルムコンデンサの小型化を図ることができる。
本発明のフィルムコンデンサの製造方法は、樹脂溶液をフィルム状に成形し、硬化させることによって、誘電体樹脂フィルムを作製する工程と、上記誘電体樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第1対向電極及び第2対向電極を形成する工程とを備えるフィルムコンデンサの製造方法であって、上記樹脂溶液は、第1有機材料及び第2有機材料を含み、上記第2有機材料は、複数のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、上記第1有機材料は、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つことを特徴とする。
本発明によれば、絶縁破壊強度が高く、耐電圧性に優れるコンデンサ用フィルムを備えるフィルムコンデンサ、コンデンサ用フィルム、及び、フィルムコンデンサの製造方法を提供することができる。
図1は、本発明のコンデンサ用フィルムを備えるフィルムコンデンサの一例を模式的に示す断面図である。
以下、本発明のコンデンサ用フィルム及び該フィルムを備えるフィルムコンデンサについて説明する。
しかしながら、本発明は、以下の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において適宜変更して適用することができる。
以下において記載する本発明の個々の望ましい構成を2つ以上組み合わせたものもまた本発明である。
[フィルムコンデンサ]
図1は、本発明のコンデンサ用フィルムを備えるフィルムコンデンサの一例を模式的に示す断面図である。
図1に示すフィルムコンデンサ1は、巻回型のフィルムコンデンサであり、巻回状態の第1誘電体樹脂フィルム11及び第2誘電体樹脂フィルム12と、第1誘電体樹脂フィルム11又は第2誘電体樹脂フィルム12を挟んで互いに対向する第1対向電極21及び第2対向電極22とを備えるとともに、第1対向電極21及び第2対向電極22にそれぞれ電気的に接続される第1外部端子電極31及び第2外部端子電極32を備えている。
第1対向電極21は第1誘電体樹脂フィルム11上に形成され、第2対向電極22は第2誘電体樹脂フィルム12上に形成される。第1対向電極21は、第1誘電体樹脂フィルム11の一方側縁にまで届くが、他方側縁にまで届かないように形成される。他方、第2対向電極22は、第2誘電体樹脂フィルム12の一方側縁にまで届かないが、他方側縁にまで届くように形成される。第1対向電極21及び第2対向電極22は、例えばアルミニウム膜から構成される。
第1誘電体樹脂フィルム11及び第2誘電体樹脂フィルム12は、巻回されることによって、積み重なった状態とされる。図1に示すように、第1対向電極21における第1誘電体樹脂フィルム11の側縁にまで届いている側の端部、及び、第2対向電極22における第2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ともに露出するように、第1誘電体樹脂フィルム11と第2誘電体樹脂フィルム12とが互いに幅方向にずらされる。そして、第1誘電体樹脂フィルム11及び第2誘電体樹脂フィルム12が巻回されることによって、実質的に円柱状のコンデンサ本体が得られる。
図1に示すフィルムコンデンサ1では、第2誘電体樹脂フィルム12が第1誘電体樹脂フィルム11の外側になるように、かつ、第1誘電体樹脂フィルム11及び第2誘電体樹脂フィルム12の各々について、第1対向電極21及び第2対向電極22の各々が内方に向くように巻回されている。
第1外部端子電極31及び第2外部端子電極32は、上述のようにして得られた実質的に円柱状のコンデンサ本体の各端面上に、例えば亜鉛を溶射することによって形成される。第1外部端子電極31は、第1対向電極21の露出端部と接触し、それによって第1対向電極21と電気的に接続される。他方、第2外部端子電極32は、第2対向電極22の露出端部と接触し、それによって第2対向電極22と電気的に接続される。
フィルムコンデンサは、円柱状の巻回軸を備えていてもよい。巻回軸は、巻回状態の第1誘電体樹脂フィルム及び第2誘電体樹脂フィルムの中心軸線上に配置されるものであり、第1誘電体樹脂フィルム及び第2誘電体樹脂フィルムを巻回する際の巻軸となるものである。なお、図1に示すフィルムコンデンサ1のように、巻回軸を備えない場合には、第1誘電体樹脂フィルム11及び第2誘電体樹脂フィルム12の巻回体は、楕円又は長円のような断面形状となるように押しつぶされ、よりコンパクトな形状とされることがある。
上記フィルムコンデンサが備える誘電体樹脂フィルムとして、本発明のコンデンサ用フィルムが用いられる。
[コンデンサ用フィルム]
本発明のコンデンサ用フィルムは、第1有機材料と第2有機材料との架橋物からなる。すなわち、本発明のコンデンサ用フィルムは、第1有機材料と第2有機材料とが反応して得られる硬化物であり、第1有機材料が有する水酸基と第2有機材料が有するイソシアネート基とが反応して形成される架橋構造を有している。
なお、本発明のコンデンサ用フィルムでは、第1有機材料が有する水酸基及び第2有機材料が有するイソシアネート基のすべてが反応している必要はなく、水酸基及びイソシアネート基の一部が残っていてもよい。特に、水酸基の残留物が、イソシアネート基の残留物よりも多いことが好ましい。この場合、イソシアネート基の残留物が存在しなくてもよい。水酸基の残留物がイソシアネート基の残留物よりも多いことは、フーリエ変換赤外分光光度計(FT−IR)を用いて、赤外線吸収スペクトルを減衰全反射法(ATR:attenuated total reflection)により測定することで確認することができる。具体的には、水酸基は3400〜3700cm−1におけるピーク、イソシアネート基は2000〜2400cm−1におけるピークから確認することができる。
第1有機材料は、複数の水酸基(OH基)を有し、かつ、分岐構造を持っている。すなわち、第1有機材料は、複数の分子鎖から構成され、分子全体として複数の水酸基を有している。第1有機材料が分子全体として複数の水酸基を有している限り、それぞれの分子鎖が有する水酸基の個数は限定されず、それぞれの分子鎖が有する水酸基の個数が異なっていてもよい。また、水酸基を有しない分子鎖が存在してもよい。中でも、第1有機材料を構成する全ての分子鎖が1個以上の水酸基を有することが好ましい。
第1有機材料は、エポキシ基を有することが好ましい。特に、第1有機材料は、フェノキシ樹脂であることが好ましく、末端にエポキシ基を有し、分岐構造を持つ高分子量のビスフェノールA型エポキシ樹脂であることがより好ましい。また、第1有機材料は、ポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオール等のポリオールであってもよい。
第1有機材料の分子量は、フィルムの可とう性を得る観点から、20,000以上であることが好ましい。
なお、第1有機材料の分子量とは、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定し、ポリスチレン標準試料を基準として算出した重量平均分子量(Mw)を意味する。
なお、第1有機材料として、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つ有機材料を2種以上併用してもよい。
第2有機材料は、複数のイソシアネート基(NCO基)を有するポリイソシアネートである。第2有機材料は、第1有機材料が有する水酸基と反応して架橋構造を形成することで、フィルムを硬化させる硬化剤として機能する。
ポリイソシアネートは、2個以上6個以下のイソシアネート基を有することが好ましく、2個以上3個以下のイソシアネート基を有することがより好ましい。
ポリイソシアネートとしては、例えば、ジフェニルメタンジイソシアネート(MDI)及びトリレンジイソシアネート(TDI)等の芳香族ポリイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート(HDI)等の脂肪族ポリイソシアネート等が挙げられる。これらのポリイソシアネートの変性体、例えば、カルボジイミド又はウレタン等を有する変性体であってもよい。中でも、芳香族ポリイソシアネートが好ましく、MDI又はTDIがより好ましく、MDIがさらに好ましい。なお、第2有機材料として、2種以上のポリイソシアネートを併用してもよい。
本発明のコンデンサ用フィルムにおいて、第1有機材料と第2有機材料との重量比率(第1有機材料/第2有機材料)は特に限定されないが、10/90以上が好ましく、20/80以上がより好ましく、30/70以上がさらに好ましく、また、90/10以下が好ましく、80/20以下がより好ましく、70/30以下がさらに好ましい。特に、第1有機材料の重量比率が、第2有機材料の重量比率よりも高いことが好ましい。
本発明のコンデンサ用フィルムは、他の機能を付加するための添加剤を含むこともできる。例えば、レベリング剤を添加することで平滑性を付与することができる。添加剤は、水酸基及び/又はイソシアネート基と反応する官能基を有し、硬化物の架橋構造の一部を形成する材料であることがより好ましい。このような材料としては、例えば、エポキシ基、シラノール基及びカルボキシル基からなる群より選択される少なくとも1種の官能基を有する樹脂等が挙げられる。
本発明のコンデンサ用フィルムは、好ましくは、第1有機材料及び第2有機材料を含む樹脂溶液をフィルム状に成形し、次いで、熱処理して硬化させることによって得られる。
このようにして得られる本発明のコンデンサ用フィルムは、耐電圧性に優れている。本発明のコンデンサ用フィルムの絶縁破壊強度は、300V/μm以上が好ましく、340V/μm以上がより好ましい。
また、本発明のコンデンサ用フィルムは、耐熱性にも優れている。本発明のコンデンサ用フィルムのガラス転移点(Tg)は、130℃以上が好ましく、160℃以上がより好ましく、169℃以上であることがさらに好ましい。
以下、本発明のコンデンサ用フィルムをより具体的に開示した実施例を示す。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。
[フィルムの作製]
(実施例1)
第1有機材料として、分岐構造を持つフェノキシ樹脂を用意し、第2有機材料として、MDI(ジフェニルメタンジイソシアネート)を用意した。
上記分岐構造を持つフェノキシ樹脂としては、末端にエポキシ基を有し、分岐構造を持つ高分子量のビスフェノールA型エポキシ樹脂(分子量:50,000)を用いた。
具体的には、ビスフェノールAジグリシジルエーテル 400重量部、ビスフェノールA 224重量部、α,α−ビス(4−ヒドロキシフェニル)−4−(4−ヒドロキシ―α,α−ジメチルベンジル)−エチルベンゼン 6重量部、水酸化テトラメチルアンモニウム27%水溶液 1.48重量部、トルエン 210重量部を耐圧反応容器に入れ、窒素ガス雰囲気下135℃で6時間、重合反応を行うことにより、目的とするビスフェノールA型エポキシ樹脂を得た。
上記MDIとしては、4,4’−ジフェニルメタンジイソシアネートとそのカルボジイミド変性体の混合物(重量比率70:30)を用いた。
第1有機材料と第2有機材料とを表1に示す重量比率で混合し、樹脂溶液を得た。樹脂溶液を得るにあたって、フェノキシ樹脂をメチルエチルケトン溶剤に溶解し、メチルエチルケトンに溶解したMDIをフェノキシ樹脂溶液に混合した。
得られた樹脂溶液を、ドクターブレードコーターにより、PETフィルム上で成形し、厚みが3μmの未硬化フィルムを得た。次いで、このフィルムを、150℃に設定された熱風式オーブンにて、2時間、熱処理して熱硬化させることにより、実施例1のフィルムを得た。
(実施例2)
第1有機材料の分子量を40,000に変更した他は、実施例1と同様にフィルムを作製し、実施例2のフィルムを得た。
(実施例3)
第1有機材料の分子量を30,000に変更した他は、実施例1と同様にフィルムを作製し、実施例3のフィルムを得た。
(比較例1)
第1有機材料として、直鎖構造を持つフェノキシ樹脂を用いた他は、実施例1と同様にフィルムを作製し、比較例1のフィルムを得た。
上記直鎖構造を持つフェノキシ樹脂としては、末端にエポキシ基を有し、直鎖構造を持つ高分子量のビスフェノールA型エポキシ樹脂(分子量:50,000)を用いた。
[ガラス転移点の測定]
熱硬化後の各フィルムについて、DMA(動的粘弾性測定装置、TA INSTRUMENTS社製「RSA−III」)によりガラス転移点(Tg)を測定した。測定条件は、昇温速度10℃/分で室温から250℃まで昇温し、波数を10rad/秒、Strainを0.1%とし、損失正接(tanδ)が最大ピーク値を示す温度を求めた。各フィルムのTgを表1に示す。
[絶縁破壊強度の測定]
以下の方法により、熱硬化後の各フィルムの絶縁破壊強度を測定した。各フィルムの両面に蒸着電極を形成したものを評価用試料とし、電界強度25V/μm刻みで、各電界強度を10分間保持する電界印加方法の下で、フィルムの破壊によって静電容量が低下して初期値の0%となった電界強度を絶縁破壊強度と定義した。なお、測定温度は125℃とした。この測定では、各フィルムについて評価用試料の数を5個とし、ワイブル分布で故障頻度50%となる値を絶縁破壊強度の平均値として採用した。各フィルムの絶縁破壊強度を表1に示す。
Figure 2017175511
表1中、第1有機材料の分子量とは、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定し、ポリスチレン標準試料を基準として算出した重量平均分子量(Mw)を意味する。
第1有機材料として直鎖構造を持つフェノキシ樹脂を用いた比較例1のフィルムでは、ガラス転移点Tgが165℃であり、絶縁破壊強度が250V/μmであった。一方、第1有機材料として分岐構造を持つフェノキシ樹脂を用いた実施例1〜実施例3のフィルムでは、ガラス転移点Tgが170℃程度であり、絶縁破壊強度が340V/μm以上であった。
以上の結果から、第1有機材料として分岐構造を持つフェノキシ樹脂を用いることにより、耐熱性だけでなく、耐電圧性も高くすることできることが確認された。
1 フィルムコンデンサ
11 第1誘電体樹脂フィルム
12 第2誘電体樹脂フィルム
21 第1対向電極
22 第2対向電極
31 第1外部端子電極
32 第2外部端子電極

Claims (16)

  1. 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対向電極及び第2対向電極とを備えるフィルムコンデンサであって、
    前記誘電体樹脂フィルムは、第1有機材料と第2有機材料との架橋物からなるコンデンサ用フィルムであって、
    前記第2有機材料は、複数のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、
    前記第1有機材料は、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つことを特徴とするフィルムコンデンサ。
  2. 前記第1有機材料の重量比率は、前記第2有機材料の重量比率よりも高い請求項1に記載のフィルムコンデンサ。
  3. 前記水酸基の残留物が、前記イソシアネート基の残留物よりも多い請求項1又は2に記載のフィルムコンデンサ。
  4. 前記コンデンサ用フィルムのガラス転移点は、169℃以上である請求項1〜3のいずれか1項に記載のフィルムコンデンサ。
  5. 前記コンデンサ用フィルムの絶縁破壊強度は、300V/μm以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載のフィルムコンデンサ。
  6. 前記第1有機材料は、エポキシ基を有する請求項1〜5のいずれか1項に記載のフィルムコンデンサ。
  7. 前記第1有機材料は、フェノキシ樹脂である請求項6に記載のフィルムコンデンサ。
  8. 前記第2有機材料は、ジフェニルメタンジイソシアネート又はトリレンジイソシアネートである請求項6又は7に記載のフィルムコンデンサ。
  9. 第1有機材料と第2有機材料との架橋物からなるコンデンサ用フィルムであって、
    前記第2有機材料は、複数のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、
    前記第1有機材料は、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つことを特徴とするコンデンサ用フィルム。
  10. 前記第1有機材料の重量比率は、前記第2有機材料の重量比率よりも高い請求項9に記載のコンデンサ用フィルム。
  11. 前記水酸基の残留物が、前記イソシアネート基の残留物よりも多い請求項9又は10に記載のコンデンサ用フィルム。
  12. 樹脂溶液をフィルム状に成形し、硬化させることによって、誘電体樹脂フィルムを作製する工程と、
    前記誘電体樹脂フィルムを挟んで互いに対向する第1対向電極及び第2対向電極を形成する工程とを備えるフィルムコンデンサの製造方法であって、
    前記樹脂溶液は、第1有機材料及び第2有機材料を含み、
    前記第2有機材料は、複数のイソシアネート基を有するポリイソシアネートであり、
    前記第1有機材料は、複数の水酸基を有し、かつ、分岐構造を持つことを特徴とするフィルムコンデンサの製造方法。
  13. 前記第1有機材料の重量比率は、前記第2有機材料の重量比率よりも高い請求項12に記載のフィルムコンデンサの製造方法。
  14. 前記第1有機材料は、エポキシ基を有する請求項12又は13に記載のフィルムコンデンサの製造方法。
  15. 前記第1有機材料は、フェノキシ樹脂である請求項14に記載のフィルムコンデンサの製造方法。
  16. 前記第2有機材料は、ジフェニルメタンジイソシアネート又はトリレンジイソシアネートである請求項14又は15に記載のフィルムコンデンサの製造方法。
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