特開 2023-136309 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

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023136309

(43)【公開日】2023-09-29

(54)【発明の名称】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

(51)【国際特許分類】

   H01G 4/32 20060101AFI20230922BHJP

   B32B 15/08 20060101ALI20230922BHJP

【ＦＩ】

H01G4/32 511G

H01G4/32 511L

B32B15/08 M

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022041847

(22)【出願日】2022-03-16

(71)【出願人】

【識別番号】000006633

【氏名又は名称】京セラ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100075557

【弁理士】

【氏名又は名称】西教 圭一郎

(72)【発明者】

【氏名】大河内 亮

【テーマコード（参考）】

4F100

5E082

【Ｆターム（参考）】

4F100AB01B

4F100AB10B

4F100AK02A

4F100AK07A

4F100AK42A

4F100AK43A

4F100AK49A

4F100AK54A

4F100AK57A

4F100BA02

4F100BA07

4F100GB41

4F100JG05A

4F100JK14A

5E082AB04

5E082BC35

5E082BC38

5E082EE07

5E082EE15

5E082EE24

5E082EE37

5E082FF05

5E082FG06

5E082FG19

5E082FG34

5E082PP04

5E082PP09

(57)【要約】

【課題】 耐電圧性とハンドリング性との両方を十分に良好にする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１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９であり、前記第２面の算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍ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

【特許請求の範囲】

【請求項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１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９であり、前記第２面の算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍである、金属化フィルム。

【請求項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。

【請求項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に記載の金属化フィルム。

【請求項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、
前記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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

従来から、フィルムコンデンサの耐電圧性とハンドリング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片面の表面をより平滑に、ハンドリング性の観点から別の片面の表面をより粗くする技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第６１２０１８０号公報

【発明の開示】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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るようにするだけでは、耐電圧性とハンドリング性の両方が十分に向上しないという問題がある。そのため、従来から、耐電圧性とハンドリング性との両方を十分に良好にする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。

【課題を解決するための手段】

【0005】

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１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９であり、前記第２面の算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであることを特徴とする金属化フィルムである。

【0006】

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。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、耐電圧性とハンドリング性との両方を十分に良好にする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。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】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。

【図2】本発明における一実施形態の、誘電体フィルムの第１面の表面を制御する方法を概念的に説明する図である。

【図3】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。

【図4】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。

【発明を実施するための形態】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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種であってもよい。

【0013】

誘電体フィルム１の膜厚は、１～４μｍである。膜厚が１μｍ未満であれば、ハンドリング時の誘電体フィルムの破断が生じやすくなり、膜厚が４μｍを超えると、金属化フィルムを巻回することによってまたは所定方向に複数層積層することによって形成したフィルムコンデンサ素子の体格が大きくなる。

【0014】

誘電体フィルム１の第１面１ａは、蒸着面であり、金属膜が蒸着して電極面となる。第１面１ａの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９である。

【0015】

第１面１ａの算術平均高さＳａが１０ｎｍ未満であると、電極面に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６０ｎｍ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。

【0016】

第１面１ａの表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６未満であると、表面形態が過度に異方性となりレベリング不良が生じ耐電圧性が低下する。逆に第１面１ａの表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．９を超えると、表面形態が過度に等方性となり、レベリングが非常に良く、第１面１ａの算術平均高さＳａが１０ｎｍ以上にならない。

【0017】

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の算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍである。第２面１ｂの算術平均高さＳａが１０ｎｍ未満であると、ハンドリング性が低下し、シワ発生の要因となり、耐電圧性が低下する。逆に第２面１ｂの算術平均高さＳａが６０ｎｍ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。

【0018】

上記の表面テクスチャー比「Ｓｔｒ」は、三次元表面を説明するためだけに用いられる三次元空間パラメーターである。Ｓｔｒパラメーターの値は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、極端な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、極端な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。

【0019】

誘電体フィルムは、以下のようにして作製することができる。

【0020】

基材の表面に絶縁性の樹脂溶液を塗布し、溶媒を除去すると誘電体フィルムとなる。その後、溶媒を除去した後、誘電体フィルムを基材から剥離し、樹脂または金属から成る巻芯に巻回し回収して誘電体フィルムが得られる。

【0021】

そうすると誘電体フィルムの基材側の表面（第２面１ｂ）は、基材の表面を写しとるので、誘電体フィルムの片面の表面形態は塗布される側の基材の表面形態と同じである。したがって、基材の表面の算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであるのが好ましい。

【0022】

基材側とは反対側である表面の第１面１ａの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９であるが、これは、たとえば、以下のようにして制御される。

【0023】

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。

【0024】

そして、例えばＰＥＴ製の基材の表面が算術平均高さＳａ１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍになるように調整する。これは、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、基材の表面を調整して得ることができる。

【0025】

次に、基材の第３面に塗布された樹脂溶液を乾燥して溶媒を除去（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を形成し、その後基材から剥離するので、第２面１ｂは、基材の表面状態に近い表面となり、１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍの範囲に算術平均高さＳａを制御することができる。

【0026】

基材とは反対側の表面（第２面１ｂ）は、そのままでは基材の表面とは同じにはならないが、塗装条件を制御することにより、目的とする表面形態（算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９）の誘電体フィルムを得ることができる。すなわち、基材とは反対側の表面を、塗布する基材の表面輪郭に沿った成形フィルム形態とすることで得られる。塗装条件、たとえば、適切なレベリング状態にすること、およびウエット膜（Wet膜）を乾燥膜（Dry膜）にするまでの状態を成形速度やスラリーの性状をコントロールすることで第２面１ｂを基材の表面輪郭に沿った誘電体フィルムとすることができる。

【0027】

その一例の方法を図２によって説明するがこれに限定されない。

【0028】

図２は、本発明における一実施形態の、誘電体フィルムの第１面の表面を制御する方法を概念的に説明する図である。

【0029】

図２には、塗工直後、乾燥ゾーン直前、乾燥ゾーン直後の３つの塗工膜のレベリング状態が記載されている。突起を２つ有する基材の表面に樹脂溶液が塗工され（塗工直後）、乾燥前は１８μｍである膜厚（乾燥ゾーン直前）が乾燥によって溶剤が除去され膜厚が２μｍにまで減少（乾燥ゾーン直後）している。乾燥ゾーンにおけるフィルムの走行速度は２０ｍ／ｍｉｎまたは３０ｍ／ｍiｎが記載されている。乾燥ゾーン直前のレベリング状態が、次の乾燥工程における溶剤揮発により最終のレベリング状態に影響を与えている。図２によれば、（乾燥ゾーン直後）の列の上から３番目のコースが判定が（〇）となっている。このコースは、初期のWet膜３のレベリング状態が良好であって、次の乾燥工程によりDry膜４のレベリング状態が不良になることにより、塗膜の表面が基材５の表面状態に最も近くなる、すなわち、塗工して乾燥前までにWet膜３の表面のレベリング状態を良好にした後、乾燥工程によってDry膜４のレベリングを不良の状態にすることが、基材５の表面に近い表面状態となりやすいことを示している。この方法においては、このコースが最良のコースの一つである。

【0030】

この場合において、塗工後乾燥ゾーン前までは、表面状態は、溶媒の種類、濃度、スラリーの粘度、塗工温度、走行速度などにより影響を受け、乾燥工程では、乾燥温度、風速、乾燥ゾーンでのフィルムの走行速度などにより影響を受けるので、上記の条件を調整して、基材５の表面に近い表面状態とすることができる。このようにすれば、基材５とは反対側の面の表面は算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍとなり、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９となることができる。この範囲の状態は極端に異方性でもなく極端に等方性でもない状態であり、上記の操作条件を調整検討することにより達成することができる。算術平均高さＳａと表面テクスチャー比が上記の数値を満たせばよいので、上記の方法は一態様であり、これに限定されない。

【0031】

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極端に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。局所膜厚低下は、塗工後のレベリング状態の不良によるリビング（畝）などの残存や、凹凸のある基材上での過度に良好なレベリング状態に起因する。しかし、その一方で、フィルムのハンドリング性を担保するためにはフィルムに凹凸を形成する必要がある。上記のようにフィルムの成形速度やスラリー性状を制御することで、基材とは反対側の面（第１面）を基材の輪郭に沿った表面形状とすることができる。これにより凹凸によるハンドリング性の向上と面内欠陥低減（局所膜厚低減）により耐電圧の向上を図ることができるようになった。

【0032】

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。

【0033】

金属膜２は、金属材料から成り、誘電体フィルム１の基材とは反対側の面である第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。

【0034】

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。

【0035】

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するのではなく、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する。このため、誘電体フィルム１の基材面側である第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。

【0036】

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、算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍを満たすことにより、これにより凹凸によるハンドリング性の向上と面内欠陥低減（局所膜厚低減）により耐電圧の向上を図ることができる。

【0037】

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の算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍであり、かつ表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９である。これにより、電極面にシワが発生せず、表面形態が過度に異方性や等方性を示さず、電極間距離の局所低下が低減し耐電圧性が向上できる。

【0038】

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３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展開斜視図である。

【0039】

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６と、本体部６に設けられた外部電極７とを備えている。フィルムコンデンサ２０は、外部電極７と外部装置（図示せず）とを電気的に接続するリード線８を有していてもよい。

【0040】

フィルムコンデンサ２０は、本体部６と、外部電極７と、リード線８の一部とを覆う外装部材９を有していてもよい。これにより、本体部６と、外部電極７と、リード線８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。

【0041】

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３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。

【0042】

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、自己回復性を向上させることができる。

【0043】

フィルムコンデンサ２０は、例えば図４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。

【0044】

（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。

【0045】

（実施例１～７、比較例１～９）
有機樹脂としてポリアリレート樹脂を用い、溶媒トルエンを用いて樹脂溶液を得た。樹脂溶液を基材に塗布した後、乾燥して溶媒を除去して誘電体フィルム１を得た。

【0046】

この場合、図２で記載されているように、塗工して乾燥前までに表面のレベリング状態を良好にした後、乾燥工程によってレベリングを不良の状態にする方法を採用した。その際の塗工条件である、基材の塗工面における算術平均高さＳａ、溶媒の種類、樹脂溶液のスラリー粘度、乾燥ゾーンにおける金属化フィルムの走行速度を表１に示した。

【0047】

これらの塗工条件に加えて、塗工液の濃度、走行速度、乾燥時の風速などの条件を調整して、実施例１～７、比較例１～９の誘電体フィルムを得た。

【0048】

得られた誘電体フィルムを基材から剥離し、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の基材面とは反対側の面（第１面１a）に、アルミニウムを真空蒸着法により蒸着し、金属化フィルムを得た。実施例１～７、比較例１～９の膜厚はすべて１～４μｍの範囲内であった。

【0049】

実施例１～７および比較例１～９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、第２面１ｂの算術平均高さＳａを測定した。また、株式会社キーエンス製レーザー顕微鏡(VK-X1000)を用いて、第１面１aの表面テクスチャー比Ｓｔｒを測定した。測定結果を表１に示す。

【0050】

【表1】

【0051】

電気的欠陥数の評価方法：JIS C 2151(2019)21.4記載のＣ２法に準拠し、３００Ｖ／μｍ印加時の絶縁破壊個数をカウントした。２０個／ｍ^２以下を良（〇）とし、２１個以上を×と判定した。
ハンドリング性の評価方法：ロールtoロール搬送時のフィルム上のシワを目視にて観察を行った。
シワ無し：〇、シワ有り：×
総合判定：電気的欠陥数が２０個以下、ハンドリング性が〇であるものを〇（良）とした。電気的欠陥数が２１個以上、および／またはハンドリング性が×であるものを×（不良）とした。

【0052】

実施例１～７については、第１面１aの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍ、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９、第２面１ｂの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍを満たしており、電気的欠陥数も２０以下で少なく、ハンドリング性も良好であり、耐電圧性とハンドリング性の両方が良好であった。

【0053】

これに対して、比較例１～９については、第１面１aの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍ、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９、第２面１ｂの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍの内、少なくとも一つは満たしておらず、電気的欠陥数も２０個を超えるか、および／またはハンドリング性が不良であり、耐電圧性とハンドリング性の両方が良好であることはなかった。

【0054】

上記の結果から、耐電圧性とハンドリング性を良好とするには、第１面１aの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍ、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９、第２面１ｂの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍのすべてを満たすことが必要であることがわかった。

【0055】

したがって、第１面１aの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍ、表面テクスチャー比Ｓｔｒが０．２６≦Ｓｔｒ≦０．９、第２面１ｂの算術平均高さＳａが１０ｎｍ≦Ｓａ≦６０ｎｍのすべてを満たしてい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、耐電圧性とハンドリング性の両方が良好であることが確認できた。

【符号の説明】

【0056】

１ 誘電体フィルム
１ａ 第１面
１ｂ 第２面
２ 金属膜
３ Ｗｅｔ膜
４ Ｄｒｙ膜
５ 基材
６ 本体部
７ 外部電極
８ リード線
９ 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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】