JP6199711B2 - 誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサに関する。

フィルムコンデンサは、例えば、ポリプロピレン樹脂をフィルム化した誘電体フィルムの表面に蒸着によって形成された金属膜を電極として有している。近年、フィルムコンデンサについても、他の電子部品と同様、小型化の要求がますます高まってきており、誘電体フィルムを薄層化する試みが行われているが、誘電体フィルムを薄層化すると、誘電体フィルムの表面の凹凸が小さくなり、平滑化されてくる。

この場合、例えば、平滑化された誘電体フィルムの表面に金属膜を形成し、巻回させて、いわゆる巻回型のコンデンサを形成すると、金属膜の形成されていない誘電体フィルムの面と、誘電体フィルムおよび金属膜が一体化して巻回されることにより接するようになる金属膜の面とが密着しやすくなる。

誘電体フィルムと金属膜とが密着した状態になると、誘電体フィルムおよび金属膜が熱衝撃を受けたときなどに、両者の熱膨張率の違いによって、どちらかに亀裂や破れが生じ、誘電特性が低下するという問題が発生してしまう。

図３（ａ）は、従来の誘電体フィルムを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図３（ａ）（ｂ）に示した従来の誘電体フィルム１０１は、凸部１０７側が上側（頂部側）に向けて緩やかに湾曲する形状の凹部１０５および凸部１０７が周期的に配置された構成を有している。なお、特許文献１および２においても同様の構成が開示されており、これにより表面摩擦抵抗を低減できることから、誘電体フィルム１０１の滑り性を改善できるとされている。

しかしながら、上記特許文献に開示されたような従来の誘電体フィルム１０１においても、誘電体フィルム１０１が薄層化されて、凸部１０７と凹部１０５との間の高低差（ｈ）が小さくなった場合には、凸部１０５の頂部付近の面積が大きくなることから、誘電体フィルム１０１の表面１０３は、それ自身の他の部分や金属膜と密着しやすい状態になりやすく、依然として滑り性に難を有している。

特開２００９−１４１２９３号公報 特開２０１３−２０７１５８号公報

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、滑り性の良い誘電体フィルムと、それを用いたフィルムコンデンサを提供することを目的とする。

本発明の誘電体フィルムは、有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムであって、該誘電体フィルムの最も面積が大きい対向面の少なくともいずれか一方の表面に、平面方向に複数の凹部が繰り返し設けられ、前記誘電体フィルムを断面視したときに、前記凹部間は凸部となっており、該凸部は、頂部が平坦であるとともに、前記凹部に向けて湾曲する湾曲面を有していることを特徴とする。

本発明のフィルムコンデンサは、上記誘電体フィルムの表面に金属膜を有していることを特徴とする。

本発明によれば、滑り性の良い誘電体フィルムと、それを用いたフィルムコンデンサを得ることができる。

（ａ）は、本発明の誘電体フィルムの一実施形態を模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 （ａ）は、誘電体フィルムの両面に電極層を有する構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、本発明のフィルムコンデンサの一実施形態を示す外観斜視図である。 （ａ）は、従来の誘電体フィルムを模式的に示す斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

本実施形態の誘電体フィルム１は、有機樹脂を主成分とし、表面３に平面方向に凹部５が繰り返し設けられた構成を有するものである。また、誘電体フィルム１を断面視したときに、凹部５間は凸部７となっており、その凸部７の頂部７ａが平坦であるとともに、凸部７の底部９側に向けて湾曲する湾曲面１１を有している。

誘電体フィルム１の表面３に形成された凸部７は、その頂部７ａの表面３が平坦であり、底部９側に向けて湾曲する湾曲面１１を有するような形状であると、誘電体フィルム１が薄層化された場合にも、誘電体フィルム１の表面３に凹部５の形状が残りやすい。このため誘電体フィルム１が金属膜とともに巻回されたときに、両者が密着しても誘電体フィルム１の表面３に形成された凹部５によって形成される空隙により接着する面積が狭いものとなる。これにより誘電体フィルム１に接触する金属膜を密着し難くすることができ、滑り性の高いものとなる。

つまり、図３（ａ）（ｂ）に示す上述した従来の誘電体フィルム１０１のように、表面１０３に形成された凸部１０７が上側（頂部側）に向けて緩やかに湾曲する形状となっている場合には、表面１０３が湾曲している分だけ平坦な面よりも凸部１０７の頂部における面積が大きいものとなる。誘電体フィルム１０１の表面１０３がこのような形状である場合に、誘電体フィルム１０１が薄層化されると、凸部１０７と凹部１０５との間の高低差（ｈ）が小さくなると同時に、凸部１０７の頂部における曲率（半径）が大きくなることから、誘電体フィルム１０１の凸部１０７の頂部における面積はさらに広くなってくる。このため誘電体フィルム１０１は密着しやすくなり、滑り性が劣るものとなる。

これに対し、本実施形態の誘電体フィルム１は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、凸部７の頂部７ａが平坦であるため、凸部７の表面３が湾曲している構造に比べて凸部７の面積が狭いものとなっている。

また、本実施形態の誘電体フィルム１では、凸部７が底部９側に向けて湾曲する湾曲面１１を有する構造となっていることから、誘電体フィルム１が薄層化され、凹部５の深さが浅くなっても凹部５には空隙が残りやすく、密着する面積が拡大し難い。このため誘電体フィルム１は密着し難いものとなり、滑り性が向上する。このような構造の誘電体フィルム１としては、厚み（平均厚み）が０．５〜３μｍであるような薄い誘電体フィルム１に好適なものとなる。

ここで、有機樹脂を主成分とするとは、誘電体フィルム１中に有機樹脂が７０体積％以上含まれている場合をいい、有機樹脂の他に、セラミック粒子などの高誘電率材料を含んでいても良い。

誘電体フィルム１の表面３に凹部５および凸部７が形成された状態というのは、誘電体フィルム１の表面粗さを測定したときに、凸部７と凹部５（凸部７の頂部７ａと凹部７の底５ａ）との間の高低差が５０ｎｍ以上であるものをいう。

このような表面構造を有する誘電体フィルム１の場合、表面３の密着性をさらに低減できるという点で、誘電体フィルム１を平面視したときの凹部５の総面積Ａが頂部７ａの総面積Ｂよりも広いことが望ましい。ここで、凹部５の総面積Ａは、誘電体フィルム１の単位面積となる所定の領域における凹部５の面積を合計したものを言い、一方、凸部７の総面積Ｂとは、同じ領域において、凹部５の総面積Ａの部分を除いた領域のことを言う。

また、本実施形態の誘電体フィルム１では、凸部７の頂部７ａ同士を結ぶ面が略面一であることが望ましい。誘電体フィルム１に形成された凸部７の高さの位置が異なるような場合には、その表面３に金属膜を形成した後に行われる扁平化処理の後に、凸部７が平坦化されると同時に凹部７の深さが浅くなり、表面３の面積が大きくなりやすい。これに対し、凸部７の頂部７ａ同士を結ぶ面が元々略面一であると、扁平化処理後においても凹部５および凸部７の変形が少ないため、誘電体フィルム１の凸部７の頂部７ａの面積が維持され、加工工程においても誘電体フィルム１の密着性が高くなるのを抑えることができる。

ここで、略面一であるとは、誘電体フィルム１を定盤などの平坦面に載せたときの表面３の高さの位置が２０ｎｍ以下である場合をいう。

誘電体フィルム１の凹部５および凸部７は、例えば、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いて検知することができる。

図２は、（ａ）は、誘電体フィルムの両面に金属膜を有する構造を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、本発明のフィルムコンデンサの一実施形態を示す外観斜視図である。

上述した誘電体フィルム１を具備する本実施形態のフィルムコンデンサは、誘電体フィルム１の両面に金属膜２１を備えている構成を基本構造とする本体部２３により構成されている。この本体部２３は、誘電体フィルム１の滑り性が高いために、長尺状の誘電体フィルム１と金属膜２１とが巻回された巻回型のフィルムコンデンサに適している。

このフィルムコンデンサは外部電極２４に端子としてさらにリード線２５を有していても良いが、フィルムコンデンサの小型化という点でリード線２５を有しない構造が望ましい。また、本体部２３、外部電極２４およびリード線２５の一部は絶縁性および耐環境の点から外装部材２６に覆われていてもよい。

次に、本実施形態の誘電体フィルムおよびフィルムコンデンサは、例えば、以下に示すような製造方法によって得ることができる。まず、誘電体フィルム１の母材となる有機樹脂を用意する。

有機樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）およびシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、などが好適である。

これらの有機樹脂の室温（約２５℃）における比誘電率（ε）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３．３、ポリプロピレン（ＰＰ）が２．３、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が３．０、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が２．２〜３．０である。

また、これらの有機樹脂の室温（約２５℃）における破壊電界強度（Ｅ）は、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が３１０（Ｖ／μｍ）、ポリプロピレン（ＰＰ）が３８０（Ｖ／μｍ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）が２１０（Ｖ／μｍ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）が３７０〜５１０（Ｖ／μｍ）である。

金属酸化物５ａとなる原料組成物としては、テトラ−ｉ−プロポキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシチタン、テトラ−ｎ−ブトキシジルコニウム、トリ−ｉ−プロポキシアルミニウム、およびトリ−ｎ−ブトキシアルミニウムから選ばれる少なくとも１種の金属アルコキシド化合物を適用できる。

誘電体フィルム１を形成する場合、例えば、基材としてＰＥＴ製のフィルムを適用し、この表面に、溶液キャスト法などの成形法を適用して、有機樹脂シートを形成することにより、誘電体フィルム１を得ることができる。

誘電体フィルム１用のスラリとしては、有機樹脂を溶剤に溶解させて調製した樹脂スラリを用いる。このとき、スラリは塗工後の乾燥過程でマランゴニ対流が発生する固形分濃度に調整しておくのが良い。この場合のスラリの固形分濃度としては、１０〜２０質量％の範囲としておくことが望ましい。これにより誘電体フィルム１における凸部７の頂部７ａが平坦であるとともに、凸部７の底部９側に向けて湾曲する湾曲面１１を有する誘電体フィルム１を得ることができる。このような製法により得られる誘電体フィルム１の凸部７は、頂部７ａの幅が５０ｎｍ以下と薄く、凸部７は凹部５の輪郭であるような構造となっている。これにより誘電体フィルム１の表面３には、多くの凹部５が密接するように形成されることから、誘電体フィルム１の厚みが薄くなっても凹部５が残りやすいものとなる。

成膜に使用する溶剤としては、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、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、エチルシクロヘキサン、又は、これらから選択された２種以上の混合物を含んだ有機溶剤を用いるのがよい。

次に、誘電体フィルム１の表面にＡｌ（アルミニウム）などの金属成分を蒸着することによって金属膜２１を形成し、次いで、金属膜２１を形成した誘電体フィルム１を巻回させてフィルムコンデンサの本体部２３を得る。

次に、本体部２３の金属膜２１が露出した端面に外部電極２４を形成する。外部電極２４の形成には、例えば、金属の溶射、スパッタ法、メッキ法などが好適である。また、ここで、外部電極２４にリード線２５を形成しても良い。次いで、外部電極２４（リード線２５を含む）を形成した本体部２３の表面に外装樹脂２６を形成することによって本実施形態のフィルムコンデンサを得ることができる。

具体的な材料の選択を行って誘電体フィルムを作製し、以下の評価を行った。

まず、樹脂としてシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ；分子量：Ｍｗ＝２００００）を準備した。

次に、この樹脂（ＣＯＰ）をシクロヘキサンを主成分とする溶剤に溶解させてスラリを調製した。このときのスラリの固形分濃度は１０〜２０質量％の範囲であり、加熱したときにマランゴニ対流が見られた。

この後、相対湿度を５５％±５％とした条件で、コーターにより、上記スラリをポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に塗布することによって誘電体フィルムを作製した。凸部の頂部が平坦であるとともに、凸部の底部側に向けて湾曲する湾曲面を有するものであった（試料１）。

作製した誘電体フィルムは、１８０℃で脱溶剤を行った後の平均厚みが２．５μｍであった。

次に、真空蒸着法により誘電体フィルムの両面に平均厚みが７５ｎｍのＡｌの電極層を形成した。

誘電体フィルムおよび金属膜の平均厚みは作製した試料（金属膜付き誘電体フィルム）の一部を切り取り、１０等分した領域を測定した平均値より求めた。

誘電体フィルムの密着強度は、クロスカット法（ＪＩＳＫ５６００−５−６）を用いて評価した。カッターを用いて誘電体フィルムの表面に２ｍｍ間隔で６本切り込みを入れ、９０°方向を変えて直行する６本の切込みをさらに入れ、格子状とした。７５ｍｍの長さに切り出したセロハンテープを金属膜の格子にカットした部分に貼り、強く圧着させ、その後、テープの端を約６０°の角度で一気に引き剥がした。誘電体フィルムの剥離状態はＪＩＳＫ５６００−５−６の０〜５段階の評価方法で評価した。測定試料数は１０個とした。

試料１の誘電体フィルムにおける膜の表面形態は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）により確認した。凹部と凸部との高低差が約６０ｎｍあった。また、この誘電体フィルムは凸部同士を結ぶ面が略面一となっていた。また、誘電体フィルムを平面視したときの凹部の総面積が頂部の総面積よりも１０％ほど大きいものであった。これらの測定は２ｍｍ×２ｍｍ以下の領域にて行った。

また、試料１の誘電体フィルムの作製に用いたスラリよりも溶剤量を減らしてスラリ粘度を１．５倍にしたスラリから誘電体フィルムを作製した。この試料２の誘電体フィルムは、誘電体フィルムを平面視したときの凹部の総面積が頂部の総面積よりも５％ほど小さいものであった（試料２）。

比較例として、固形分濃度が２５〜３５重量％のスラリを用いて誘電体フィルムを作製し、上記と同様の評価を行った。このとき調製したスラリは加熱してもマランゴニ対流は見られず、作製した誘電体フィルムの表面粗さは１０ｎｍ以下であり、表面に凹部および凸部のほとんど見られないものであった（試料３）。

また、比較例の誘電体フィルムを作製するために調製したスラリを凹凸を有するロールに接触させて成形した誘電体フィルムも作製した（試料４）。

作製した誘電体フィルムについて、それぞれ密着強度を評価した。試料１の誘電体フィ
ルムは、クロスカット法による５段階の評価で段階５であったが、試料２の誘電体フィルムは、段階４であり、いずれも密着強度が低く、滑り性の良いものであった。一方、比較例である試料３の誘電体フィルムは段階１であった。また、凹凸を有するロールに接触させて成形した試料４の誘電体フィルムは段階２であり、これらは試料１および試料２に比較して密着強度が高く、滑り性に劣るものであった。

１、１０１・・・・・・・誘電体フィルム
３、１０３・・・・・・・表面
５、１０５・・・・・・・凹部
５ａ・・・・・・・・・・（凹部の）底
７、１０７・・・・・・・凸部
７ａ・・・・・・・・・・（凸部の）頂部
９・・・・・・・・・・・（凸部の）底部
１１・・・・・・・・・・湾曲面
２３・・・・・・・・・・本体部
２４・・・・・・・・・・外部電極
２５・・・・・・・・・・リード
２６・・・・・・・・・・外装部材

Claims (4)

1. 有機樹脂を主成分とする誘電体フィルムであって、
   該誘電体フィルムの最も面積が大きい対向面の少なくともいずれか一方の表面に、平面方向に複数の凹部が繰り返し設けられ、
   前記誘電体フィルムを断面視したときに、前記凹部間は凸部となっており、該凸部は、頂部が平坦であるとともに、前記凹部に向けて湾曲する湾曲面を有していることを特徴とする誘電体フィルム。
2. 平面視したときの前記凹部の総面積が前記頂部の総面積よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
3. 前記頂部同士を結ぶ面が略面一であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体フィルム。
4. 請求項１乃至３のうちいずれかに記載の誘電体フィルムの表面に金属膜を有していることを特徴とするフィルムコンデンサ。