(57)【要約】【課題】発泡白化のない高比誘電率、高絶縁性、高強度を有するフィルムコンデンサ用セルロースフィルムであり、ハイブリッド・電気自動車や風力・太陽光発電、産業機器等に使用されるフィルムコンデンサの小型化を具現化し、省エネ化、環境対応に貢献することができるコンデンサ用絶縁フィルム及びそれを用いたフィルムコンデンサを提供する。【解決手段】全光線透過率が８５％以上、膜厚が１０μｍ以下である、セルロース樹脂を含有するコンデンサ用絶縁フィルム。更に、無機フィラを含有すると好ましい。セルロース樹脂は、水酸基の一部がアセチル化、プロピオニル化、ブチリル化のいずれかの変性がなされたものであると好ましい。前記のコンデンサ用絶縁フィルムを用いたフィルムコンデンサ。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
全光線透過率が８５％以上、膜厚が１０μｍ以下である、セルロース樹脂を含有するコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項２】
更に、無機フィラを含有する請求項１に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項３】
セルロース樹脂は、水酸基の一部がアセチル化、プロピオニル化、ブチリル化のいずれかの変性がなされたものである請求項１又は請求項２に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項４】
無機フィラは、球状又は鱗片形状であり、少なくともいずれかを含む請求項２又は請求項３に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項５】
球状フィラは、酸化チタン（ルチル）又はアルミナのいずれかを含む請求項４に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項６】
鱗片形状フィラは、マイカ又は窒化ホウ素のいずれかを含む請求項４に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載のコンデンサ用絶縁フィルムを加圧・加熱処理したコンデンサ用絶縁フィルム。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか一項に記載のコンデンサ用絶縁フィルムを用いたフィルムコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、透明性の高いコンデンサ用絶縁フィルム及びそれを用いたフィルムコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネ化に貢献するハイブリッド・電気自動車や風力・太陽光発電、産業機器等のインバータには高耐圧、高出力化の点で有利なフィルムコンデンサが搭載されている。近年インバータの大容量化が進み、フィルムコンデンサがインバータの体積に占める占有率が高くなっており、フィルムコンデンサの小型化要求がある。
【０００３】
フィルムコンデンサを小型化する手段には、フィルムの薄膜化がある。現在フィルムコンデンサ用フィルムとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）やその他のエンプラ材料が主流で、中でもＰＰは比誘電率が２．２と有機フィルム材料としては比較的高く、延伸による薄膜フィルム化の加工性にも優れ、最も多く使用されている。
【０００４】
フィルムコンデンサに使用されるフィルムの膜厚は５〜６μｍの厚さが主流で、小型化に向け、現在では厚さ３〜４μｍの製品が最先端である。しかし薄膜化は背反特性として耐電圧特性が低下して、コンデンサの性能が低下するため限界がある。
【０００５】
もうひとつのフィルムコンデンサを小型化する方針として、使用するフィルムの高誘電率化がある。コンデンサ体積は使用するフィルムの誘電率に反比例することが知られており、フィルムの比誘電率を２倍にすることにより、同一の静電容量でフィルムコンデンサの体積は半分になると試算される。
【０００６】
フィルム材料は多様にあり、その中でアクリル樹脂、メラミン樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、セルロース樹脂等の合成樹脂を加工してなるフィルム材料が主として挙げられる。
【０００７】
中でもセルロース樹脂は、樹脂骨格や変性量によって差はあるものの、比誘電率は３〜７と高く、またその他の樹脂と比較して高い強度を有するため、フィルムコンデンサ製造工程、特に捲回工程における製造裕度も高く、有用な材料である。また、セルロース樹脂は、天然素材を原料とした合成樹脂であり、近年騒がれる石油資源枯渇や環境悪化を起こさず、環境対応に貢献する材料である。
【０００８】
セルロースフィルムの実用化例としては、写真ネガフィルム用支持フィルム等があるが、フィルムコンデンサへの応用に関する実用化例はない。
【０００９】
セルロースフィルムの加工方法は、セルロース固形樹脂を溶剤に溶解したワニスを塗工・乾燥して得るもので、一部りん系可塑剤を添加してフィルムを得ている（例えば、特許文献１参照）。溶剤にはアセトンとエーテルの混合系を使用した例があり、膜厚は数十μｍ〜数百μｍの範囲である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平０７−０３２３９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
フィルムコンデンサ用途におけるフィルムは、コンデンサの高容量化のために薄膜化が進み、数μｍレベルの厚さのフィルムが製品として実用化されている。セルロースフィルムを上記例に示したワニスを用いて薄膜塗工した場合、加熱乾燥工程で溶剤の揮発が急激に起こるため、発泡しフィルム表面に凹凸が発生し、光散乱の影響でフィルムが白化する。表面凹凸は、コンデンサ特性において、絶縁性の低下や容量の低下を招くため、低減、好ましくは撲滅する必要がある。
【００１２】
上記実情に鑑み、本発明は、発泡白化のない高比誘電率、高絶縁性、高強度を有するフィルムコンデンサ用セルロースフィルムであり、ハイブリッド・電気自動車や風力・太陽光発電、産業機器等に使用されるフィルムコンデンサの小型化を具現化し、省エネ化、環境対応に貢献することができるコンデンサ用絶縁フィルム及び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。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本背景に鑑み、鋭意検討した結果、光線透過率が高いフィルムをフィルムコンデンサに適用することが極めて有用であることを発明するに至った。光線透過率の高いフィルムは、透明性が高く、電子顕微鏡等の観察によればフィルムの塗工表面の凹凸が殆どなく、絶縁耐圧特性が高く、またフィルム強度も高くなる。更に、フィルム表面の凹凸が小さい平滑なフィルムをコンデンサに使用することにより、巻取り後のフィルムコンデンサ素子内に存在する空隙率を低減することが可能で、コンデンサの高容量化にも貢献する。
【００１４】
すなわち、本発明は以下のものに関する。
（１）全光線透過率が８５％以上、膜厚が１０μｍ以下である、セルロース樹脂を含有するコンデンサ用絶縁フィルム。
（２）更に、無機フィラを含有する（１）に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
（３）セルロース樹脂は、水酸基の一部がアセチル化、プロピオニル化、ブチリル化のいずれかの変性がなされたものである（１）又は（２）に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
（４）無機フィラは、球状又は鱗片形状であり、少なくともいずれかを含む（２）又は（３）に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
（５）球状フィラは、酸化チタン（ルチル）又はアルミナのいずれかを含む（４）に記載のコンデンサ用絶縁フィルム。
（６）鱗片形状フィラは、マイカ又は窒化ホウ素のいずれかを含む（４）に記載の絶縁フィルム。
（７）（１）〜（６）のいずれか一項に記載のコンデンサ用絶縁フィルムを加圧・加熱処理したコンデンサ用絶縁フィルム。
（８）（１）〜（７）のいずれか一項に記載のコンデンサ用絶縁フィルムを用いたフィルムコンデンサ。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の高い光線透過率を有するコンデンサ用絶縁フィルムは、高比誘電率、高絶縁、高強度性を有するフィルムコンデンサ用セルロースフィルムであり、ハイブリッド・電気自動車や風力・太陽光発電、産業機器等に使用されるフィルムコンデンサの小型化を具現化し、省エネ化、環境対応に貢献することができる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施するための形態につき説明するが、以下に示す例は一例であり、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
本実施形態に使用するセルロース樹脂は、一般的に有する水酸基の一部をアセチル化、プロピリル化（プロピオニル化）、ブチリル化等でエステル化したものを使用することが好ましい。水酸基をアシル化、アルキル化等の変性をしない場合、溶剤への溶解性が低い等加工性が低下し、フィルム化が困難となる傾向がある。変性量や変性する官能基は特に限定しないが、変性量は多い方が加工性は向上し、また、変性する官能基はアルキル鎖が長いほど溶剤への溶解性が向上する傾向がある。分子量も特に限定されないが、数平均分子量が１０，０００〜１００，０００の範囲が好ましく、２０，０００〜８０，０００の範囲がより好ましい。１０，０００以上であるとフィルム強度が充分高く、１００，０００以下であると溶剤への溶解性が良く、加工性が良好である。なお、数平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィを用いてポリスチレンを標準試料として測定することができる。
【００１８】
本実施形態に使用するセルロース樹脂の立体構造は特に限定しない。
【００１９】
本実施形態のコンデンサ用絶縁フィルムには、無機フィラを含んでいてもよい。無機フィラを形状から分類すると、アスペクト比が１〜１．５の範囲で規定する球状フィラと、アスペクト比が２〜１０の範囲で規定する扁平状の鱗片形状フィラがあり、両方又はいずれか一方を含むことができる。
アスペクト比は、電子顕微鏡観察により１次粒子の短径と長径を測定し、その割り算（長径／短径）から数値化でき、本明細書においては計３０個を測定した平均値とした。
【００２０】
球状フィラとしては、シリカ、アルミナ、酸化チタン（ルチル）等があるが、樹脂とのコンポジットフィルム化において、誘電率を高くする効果においては、酸化チタン（ルチル）又はアルミナが好適であり、酸化チタン（ルチル）が特に好適である。また鱗片形状フィラとしては、天然マイカ、合成マイカ、窒化ホウ素、タルク等多くがある。鱗片形状フィラをフィルム中に分散することによって、迷路効果によってフィルムの絶縁耐圧特性を向上することが理論上可能となる。また球状フィラと同様にフィルムの誘電率を高くする効果との両立においては、天然マイカが好適である。
【００２１】
無機フィラを添加する場合、その添加量としては、０．１〜５０体積％の範囲とすることが好ましく、１０〜３０体積％がより好ましい。０．１体積％以上であると耐電圧特性の向上効果が充分にあり、５０体積％以下であるとフィルムの脆化による強度の低下を抑制できる。
【００２２】
本実施形態のフィルムは、上記セルロース樹脂又は、セルロース樹脂及びフィラを、溶剤を用いてセルロース樹脂については溶剤に溶解、フィラについては溶剤に分散し、ワニス化し、基材上に所定の膜厚になるように塗工し、溶剤を乾燥させフィルム化する方法により作製する。ワニスを作製する設備としては従来技術を限定なく使用できる。また塗工する基材としては、特に限定しないが、一般的にはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のプラスチックフィルムや、スチールベルトや金属ドラム等の金属支持体表面に直接塗工し、独立フィルムとして得ることもできる。また、基材表面への表面処理を行うことにより、本発明のコンデンサ用絶縁フィルムとの接着性を制御することができる。
【００２３】
ワニス化する溶剤としては特に限定されないが、セルロース樹脂の溶解性が高く、またフィラを用いる場合、フィラの分散性が良好な溶剤を使用することが安定した塗工性とフィルム特性を得る上で好ましい。溶剤としては、アセトン、酢酸エチル、酢酸ブチル、シクロヘキサノン、乳酸エチル、Ｎ−メチルピロリドン、γ−ブチロラクトン等が挙げられる。ワニスの固形分は特に限定しないが、所定の塗工方法で塗工が可能な粘度になるように固形分の調整を行う。
【００２４】
その他、本実施形態のコンデンサ用絶縁フィルムには、シリコン系やアクリル系に代表されるレベリング剤及び消泡剤等の表面調整剤や、シランカップリング剤、分散剤、相溶化剤、熱可塑剤等の各種添加剤を含むこともできる。
【００２５】
上記内容にて作製した塗工後のフィルム単体でも高い透過率を有するフィルムは作製可能であるが、特に厚さ１０μｍ以下の薄膜フィルムの作製においては、フィルム表面に凹凸を生じやすく、透過率が低下する傾向がある。さらに改善する手法として塗工後のフィルムに対して熱プレス（加圧・加熱処理）を施すことが効果を発揮することがわかった。具体的には、実験室レベルにおいてはハンドプレス方式、量産レベルではカレンダロールプレスやベルトプレス方式が有効であり、いずれも加熱を付帯する。
【００２６】
熱プレスにおける加熱温度は、セルロース樹脂のガラス転移点（Ｔｇ）以上とすることが好ましい。セルロース樹脂の一般的なガラス転移点は、変性の種類や分子量によっても異なるが、多くは１７０〜２５０℃の範囲である。しかし薄膜フィルムにおいてはこの限りではなく、ガラス転移点よりも低い温度での熱プレスでも効果を発揮する。具体的には８０〜２００℃、さらに好ましくは１４０〜１８０℃の温度で熱プレスを行う。
これにより、プレス前のフィルムで発生していたフィルム表面の凹凸が低減し、もともと透明であるフィルムにおいても光線透過率が向上し、また白濁又は半透明であるフィルムは外観的にも透明性が増加し、光線透過率が向上する。
【００２７】
本フィルムを使用したフィルムコンデンサは、フィルム強度が高いため、フィルムコンデンサ製造時の巻回工程での作業性が向上し、絶縁性向上により駆動電圧が向上し、またフィルム表面凹凸が小さいため、コンデンサとしての静電容量の向上が達成できる。結果としてフィルムコンデンサの小型化が可能になり、省エネルギー化に貢献できる。
【実施例】
【００２８】
本発明の実施例を以下に示す。なお、これに示す実施例はあくまで一例であり、本発明はこれらに限定するものではない。
【００２９】
フィルム強度（引張り強度）の測定方法：フィルムを幅３ｍｍ、長さ６０ｍｍのサイズに裁断装置を用いて打ち抜き、滑り止めとして試験片の両端に研磨紙を貼り付けて、マイクロフォース精密試験装置を用いて引張り強さを測定した。
【００３０】
フィルム光線透過率の測定：ヘーズメータ（商品名：ＮＤＨ−５０００、日本電色工業株式会社製）を用い、フィルムの全光線透過率を測定した。光源には白色ＬＥＤを使用し、測定光束は直径１０ｍｍで測定した。
【００３１】
フィルム絶縁耐圧（絶縁破壊電圧）の測定：フッ素系不活性液体中に浸したフィルムの上に真鍮電極を置き、ファンクション・ジェネレータ、交直用高圧アンプリファイアを用い、一定の昇圧速度（１００ＶＤＣ／ｓｅｃ）で、絶縁破壊が起きるまで電圧を印加した。サンプルが破壊した時の電圧を記録し、破壊電圧をサンプルの厚さで除して絶縁破壊電位傾度（Ｖ／μｍ、絶縁破壊電圧）を算出した。
【００３２】
（比較例１）
ワニスの作製はセルロース樹脂（商品名：ＣＡＢ３８１−２０、イーストマンケミカル社製、セルロース・アセテート・ブチレート、ブチリル基３７質量％、アセチル基１３．５質量％、ヒドロキシル基１．８質量％、融点１９５〜２０５℃、Ｔｇ１４１℃（カタログ値））とマイカフィラ（商品名：ＡＢ−２５Ｓ、株式会社ヤマグチマイカ製、白雲母、平均粒子径２４μｍ、鱗片形状）を溶剤として酢酸エチルを使用して表１に記載の配合量で混合し、ワニス固形分を２５体積％とした。作製したワニスを離型処理ＰＥＴフィルム（商品名：Ａ−５３、帝人デュポンフィルム株式会社製）にアプリケータを用いて塗布し、１２０℃に設定した防爆型乾燥機に投入し、厚さ５〜６μｍのフィルムを作製した。
【００３３】
（実施例１）
比較例１で作製したフィルムについて、熱プレスを実施した。プレス熱板の温度を１２０℃に設定し、プレス圧力１０ＭＰａ、プレス時間は５分で処理した。
【００３４】
（実施例２）
実施例１に記載の方法で、プレス熱板の温度を１６０℃とした以外は実施例１と同様の手順でフィルムを作製した。
【００３５】
（実施例３）
実施例１に記載の方法で、プレス熱板の温度を２００℃とした以外は実施例１と同様の手順でフィルムを作製した。
【００３６】
（実施例４）
ワニスの作製はセルロース樹脂（商品名：ＣＡＰ４８２−０．５、イーストマンケミカル社製、セルロース・アセテート・プロピオネート、アセチル基２．５質量％、プロピオニル基４５質量％、ヒドロキシル基２．６質量％、融点１８８〜２１０℃、Ｔｇ１４２℃（カタログ値））とマイカフィラ（商品名：ＡＢ−２５Ｓ、株式会社ヤマグチマイカ製）を溶剤として酢酸エチルを使用して表２に記載の配合量で混合し、ワニス固形分を２５体積％とした。作製したワニスを離型処理ＰＥＴフィルム（商品名：Ａ−５３、帝人デュポンフィルム株式会社製）にアプリケータを用いて塗布し、１２０℃に設定した防爆型乾燥機に投入し、厚さ５〜６μｍのフィルムを作製した。
【００３７】
（実施例５）
実施例４で作製したフィルムについて、熱プレスを実施した。プレス熱板の温度を１２０℃に設定し、プレス圧力１０ＭＰａ、プレス時間は５分で処理した。
【００３８】
（実施例６）
実施例５に記載の方法で、プレス熱板の温度を１６０℃とした以外は実施例５と同様の手順でフィルムを作製した。
【００３９】
（実施例７）
実施例５に記載の方法で、プレス熱板の温度を２００℃とした以外は実施例５と同様の手順でフィルムを作製した。
【００４０】
（実施例８）
ワニスの作製はセルロース樹脂（商品名：ＣＡＢ３８１−２０、イーストマンケミカル社製）とマイカフィラ（商品名：ＡＢ−２５Ｓ、株式会社ヤマグチマイカ製）を溶剤として酢酸エチルを使用して表３に記載の配合量で混合し、ワニス固形分を２５体積％とした。作製したワニスを離型処理ＰＥＴフィルム（商品名：Ａ−５３、帝人デュポンフィルム株式会社製）にアプリケータを用いて塗布し、１２０℃に設定した防爆型乾燥機に投入し、厚さ５〜６μｍのフィルムを作製した。
【００４１】
（実施例９）
実施例８で作製したフィルムについて、熱プレスを実施した。プレス熱板の温度を１２０℃に設定し、プレス圧力１０ＭＰａ、プレス時間は５分で処理した。
【００４２】
（実施例１０）
実施例９に記載の方法で、プレス熱板の温度を１６０℃とした以外は実施例９と同様の手順でフィルムを作製した。
【００４３】
（実施例１１）
実施例９に記載の方法で、プレス熱板の温度を２００℃とした以外は実施例９と同様の手順でフィルムを作製した。
【００４４】
（実施例１２）
ワニスの作製はセルロース樹脂（商品名：ＣＡＢ３８１−２０、イーストマンケミカル社製）と溶剤として酢酸エチルを使用して表４に記載の配合量で混合し、ワニス固形分を２５体積％とした。作製したワニスを離型処理ＰＥＴフィルム（商品名：Ａ−５３、帝人デュポンフィルム株式会社製）にアプリケータを用いて塗布し、１２０℃に設定した防爆型乾燥機に投入し、厚さ５〜６μｍのフィルムを作製した。
【００４５】
（実施例１３）
実施例１２で作製したフィルムについて、熱プレスを実施した。プレス熱板の温度を１２０℃に設定し、プレス圧力１０ＭＰａ、プレス時間は５分で処理した。
【００４６】
（実施例１４）
実施例１３に記載の方法で、プレス熱板の温度を１６０℃とした以外は実施例１３と同様の手順でフィルムを作製した。
【００４７】
（実施例１５）
実施例１３に記載の方法で、プレス熱板の温度を２００℃とした以外は実施例１３と同様の手順でフィルムを作製した。
【００４８】
【表１】
2018156965.tif 000002
【００４９】
【表２】
2018156965.tif 000003
【００５０】
【表３】
2018156965.tif 000004
【００５１】
【表４】
2018156965.tif 000005
【００５２】
表１〜４に結果を示したように、膜厚が１０μｍ以下である、セルロース樹脂を含有するコンデンサ用絶縁フィルムであっても、実施例１〜１１のフィラ添加系ではフィラ充填量の低下とともに、フィルムの光線透過率（全光線透過率）が８５％以上に高くなり、それと共にフィルム強度及び絶縁破壊電位傾度（絶縁破壊電圧）が向上する。更に、比較例１及び実施例１〜１５の結果から、フィルムの光線透過率（全光線透過率）は熱プレス処理によって、フィラ添加量に関わらず８５％以上に向上し、同時にフィルム強度及び絶縁破壊電位傾度が向上する。熱プレス時の温度は、１２０℃から１６０℃と温度上昇とともに光線透過率（全光線透過率）が向上するが、それ以上の温度である２００℃でプレスした場合、透過率の変化は殆どなく、目視によるフィルム外観として樹脂の熱分解によると示唆される黄変が確認された。
本発明により、発泡白化のない高比誘電率、高絶縁性（絶縁破壊電圧）、高強度（引張り強度）を有するコンデンサ用絶縁フィルムを得ることができ、これを用いたフィルムコンデンサは、コンデンサの小型化に貢献できる。