(57)【要約】      （修正有）【課題】誘電率の増大と誘電損失の低減を両立した誘電体フィルム、フィルムコンデンサ及び誘電体フィルムの製造装置の提供。【解決手段】周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０以上である高誘電率高分子１６を主鎖とし、前記高誘電率高分子１６よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子１７を側鎖とする分枝状高分子１５を含んでなる誘電体層１３と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子１８を含んでなる配向誘導層１２とを含んでなり、前記誘電体層１３に含まれる分枝状高分子１５と、前記配向誘導層１２に含まれる直鎖状高分子１８とが、沿層方向に沿って一軸配向することにより誘電体フィルム１を得る。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０以上である高誘電率高分子を主鎖とし、前記高誘電率高分子よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子を側鎖とする分枝状高分子を含んでなる誘電体層と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子を含んでなる配向誘導層とを含んでなり、前記誘電体層に含まれる分枝状高分子と、前記配向誘導層に含まれる直鎖状高分子とが、沿層方向に沿って一軸配向していることを特徴とする誘電体フィルム。
【請求項２】
前記高誘電率高分子が、フッ素系高分子であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
【請求項３】
前記高誘電率高分子が、ポリフッ化ビニリデン、又は、フッ化ビニリデン系共重合体であることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
【請求項４】
前記低誘電率高分子が、前記一軸配向した隣り合う分枝状高分子同士の間に介在していることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
【請求項５】
前記低誘電率高分子が、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート又はポリスチレンであることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
【請求項６】
前記低誘電率高分子が、前記高誘電率高分子にグラフト重合によって重合されていることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
【請求項７】
前記沿層方向に一軸延伸処理されていることを特徴とする請求項１に記載の誘電体フィルム。
【請求項８】
周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０以上である高誘電率高分子を主鎖とし、前記高誘電率高分子よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子を側鎖とする分枝状高分子を含んでなる誘電体層と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子を含んでなる配向誘導層と、前記誘電体層と配向誘導層とを含んでなり、前記誘電体層に含まれる分枝状高分子と、前記配向誘導層に含まれる直鎖状高分子とが、沿層方向に沿って一軸配向している誘電体フィルムと、前記誘電体フィルムに電気的に接続された一対の第１電極及び第２電極とを備えることを特徴とするフィルムコンデンサ。
【請求項９】
高誘電率高分子を主鎖とし、低誘電率高分子を側鎖とする分枝状高分子を含んでなる誘電体層と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子を含んでなる配向誘導層とを含んでなり、前記誘電体層に含まれる分枝状高分子と、前記配向誘導層に含まれる直鎖状高分子とが、沿層方向に沿って一軸配向している誘電体フィルムを製造する誘電体フィルム製造装置であって、前記直鎖状高分子を含んでなる塊状体を基材に圧着させる押圧手段と、前記圧着させた基材を掃引して、前記直鎖状高分子が沿層方向に沿って一軸配向した前記配向誘導層を形成する掃引手段と、前記配向誘導層の表面に前記分枝状高分子を湿式塗布して、前記分枝状高分子が前記直鎖状高分子と同方向に一軸配向した前記誘電体層を形成する塗布手段とを備えることを特徴とする誘電体フィルム製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘電体フィルム、フィルムコンデンサ及び誘電体フィルムの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フィルムコンデンサは、誘電体フィルムにアルミニウム等の金属の箔又は金属の蒸着膜が重ねられた積層フィルムを備え、このような積層フィルムが、さらに、重層ないし捲回されて多層状の構造となるように製造されることが多い。このような積層フィルムを構成するフィルムコンデンサ用の誘電体フィルム材料としては、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等が一般に採用されてきた。
【０００３】
これらの誘電体フィルム材料は、比誘電率が２．５〜３程度と低いため、フィルムコンデンサの大容量化を実現するにあたっては、誘電体フィルムの膜厚を薄くすることが求められる。ところが、薄膜の誘電体フィルムは、生産が困難であったり、絶縁性能が低かったりする等の課題を抱えており、必ずしも誘電体フィルムの薄膜化は容易ではないのが現状である。さらに、近年では、フィルムコンデンサの小型化の要求も高まっており、誘電体フィルム材料の誘電率を向上させる根本的な対処が求められるようになっている。
【０００４】
誘電体フィルム材料の誘電率を向上させる技術としては、誘電体フィルム材料として、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の高誘電率を有するフッ素系樹脂材料を用いる技術が注目されている。しかしながら、このように誘電体フィルム材料の誘電率を向上させると、一般的には、誘電正接の損失（以下、誘電損失という。）が増大する傾向が顕れることになる。そこで、フッ素系樹脂材料のような高誘電率の誘電体フィルム材料における、誘電損失を低減する手段として、ＰＶＤＦ系共重合体からなる高誘電率高分子の主鎖に、ポリエチルメタクリレート（ＰＥＭＡ）系重合体等からなる低誘電率高分子を側鎖としてグラフト重合した複合高分子材料を用いる方法が検討されている（非特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】J. Mater. Chem., 22, 23468-23476 (2012).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
フィルムコンデンサの大容量化を図るためには、電圧耐性を確保することを加味して、誘電率の増大と誘電正接の損失の低減を両立させる対処が必要となる。非特許文献１においては、誘電体フィルムにおける誘電損失を抑制する手段が検討されているものの、より高い誘電率を示すと共に、さらに誘電損失が低減された誘電体フィルムが求められている。
【０００７】
そこで、本発明は、誘電率の増大と誘電損失の低減を両立した誘電体フィルム、フィルムコンデンサ及び誘電体フィルムの製造装置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】
【０００８】
前記課題を解決するために本発明に係る誘電体フィルムは、周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０以上である高誘電率高分子を主鎖とし、前記高誘電率高分子よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子を側鎖とする分枝状高分子を含んでなる誘電体層と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子を含んでなる配向誘導層とを含んでなり、前記誘電体層に含まれる分枝状高分子と、前記配向誘導層に含まれる直鎖状高分子とが、沿層方向に沿って一軸配向していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明に係るフィルムコンデンサは、周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０以上である高誘電率高分子を主鎖とし、前記高誘電率高分子よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子を側鎖とする分枝状高分子を含んでなる誘電体層と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子を含んでなる配向誘導層と、前記誘電体層と配向誘導層とを含んでなり、前記誘電体層に含まれる分枝状高分子と、前記配向誘導層に含まれる直鎖状高分子とが、沿層方向に沿って一軸配向している誘電体フィルムと、前記誘電体フィルムに電気的に接続された一対の第１電極及び第２電極とを備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る誘電体フィルムの製造装置は、高誘電率高分子を主鎖とし、低誘電率高分子を側鎖とする分枝状高分子を含んでなる誘電体層と、前記高誘電率高分子を主鎖とする直鎖状高分子を含んでなる配向誘導層とを含んでなり、前記誘電体層に含まれる分枝状高分子と、前記配向誘導層に含まれる直鎖状高分子とが、沿層方向に沿って一軸配向している誘電体フィルムを製造する誘電体フィルム製造装置であって、前記直鎖状高分子を含んでなる塊状体を基板に圧着させる押圧手段と、前記圧着させた基板を掃引して、前記直鎖状高分子が沿層方向に沿って一軸配向した前記配向誘導層を形成する掃引手段と、前記配向誘導層の表面に前記分枝状高分子を湿式塗布して、前記分枝状高分子が前記直鎖状高分子と同方向に一軸配向した前記誘電体層を形成する塗布手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、誘電率の増大と誘電損失の低減を両立した誘電体フィルム、フィルムコンデンサ及び誘電体フィルムの製造装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態に係る誘電体フィルムを示す概略図である。（ａ）は誘電体フィルムの層構成を示す断面図、（ｂ）は誘電体層の状態を示す概念図、（ｃ）は配向誘導層の状態を示す概念図である。
【図２】本実施形態に係る誘電体フィルムに含まれる分岐状高分子の配向状態及び分極状態の概念を示す図である。
【図３】比較例に係る誘電体フィルムを示す概略図である。（ａ）は誘電体フィルムの層構成を示す断面図、（ｂ）は誘電体層の状態を示す概念図である。
【図４】本実施形態に係る誘電体フィルム製造装置の構成を示す概略図である。
【図５】本実施形態に係るフィルムコンデンサを適用した変換器のサイズを、比較例に係るフィルムコンデンサを備えた電力変換器のサイズと比較した概略図である。
【図６】実施例に係る誘電体フィルム及び比較例に係る誘電体フィルムの誘電率と誘電損失との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の一実施形態に係る誘電体フィルム、フィルムコンデンサ及び誘電体フィルムの製造装置について説明する。
【００１４】
図１は、本発明の一実施形態に係る誘電体フィルムを示す概略図である。（ａ）は誘電体フィルムの層構成を示す断面図、（ｂ）は誘電体層の状態を示す概念図、（ｃ）は配向誘導層の状態を示す概念図である。
【００１５】
本実施形態に係る誘電体フィルム１は、図１に示すように、配向誘導層１２と、誘電体層１３とを備えている。図１では、一対の電極を構成する第１電極層１１と、第２電極層１４との間に、配向誘導層１２と、強誘電性の高分子材料を誘電体として含む誘電体層１３とが挟まれた積層構造が示されている。本実施形態に係る誘電体フィルム１は、誘電体層１３に含まれる高分子材料を配向させるために、配向誘導層１２を誘電体層１３の下地として形成している点に特徴を有している。なお、誘電体フィルム１は、図１に示されるような、単層の配向誘導層１２と単層の誘電体層１３とからなる２層構成に限られず、配向誘導層１２と誘電体層１３との積層構造が複数繰り返し積層されてなる複数層構成とされてもよい。
【００１６】
誘電体層１３は、高誘電体である分枝状高分子１５を主成分として含む層となっている。分枝状高分子１５は、比誘電率が高い高誘電率高分子１６を主鎖とし、主鎖を構成する高誘電率高分子１６よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子１７を側鎖として有している。誘電体層１３においては、主として、主鎖を構成する高誘電率高分子１６の作用によって、誘電率の増大を図る一方で、側鎖を構成する低誘電率高分子１７の作用によって、誘電損失の低減を図っている。
【００１７】
高誘電率高分子１６は、電気双極子モーメントを有する単量体が重合してなる重合体であって、電界の印加によって単量体単位で分子回転し、各電気双極子モーメントが略同方向に配向するように分極することで高い比誘電率を示す高分子である。この高誘電率高分子１６は、分枝状高分子１５の主鎖骨格を構成する分子鎖であり、側鎖として、グラフト重合された低誘電率高分子１７からなる分枝を有している。誘電体フィルム１の誘電体層１３は、このような分枝状高分子１５の主鎖の高誘電率高分子１６が、図１（ｂ）に示すように、誘電体層１５の沿層方向に沿って一軸配向するように形成される。
【００１８】
ここで、高誘電率高分子１６を主鎖とし、低誘電率高分子１７を側鎖として有する分枝状高分子１５を誘電体層１３の主成分とし、この分枝状高分子１５を一軸配向させる理由について説明する。
【００１９】
図２は、本実施形態に係る誘電体フィルムに含まれる分岐状高分子の配向状態及び分極状態の概念図である。図２では、誘電体フィルムを構成する誘電体層１３において生じる誘電分極の概念を、ポリフッ化ビニリデンを例にとって示している。
【００２０】
分岐状高分子１５は、図２（ａ）に示すように、高誘電率高分子１６であるポリフッ化ビニリデンからなる主鎖構造を有しており、この主鎖構造には、不図示の低誘電率高分子１７からなる側鎖が結合した分子構造を有している。なお、図２（ａ）においては、不図示の低誘電率高分子１７が存在し得る領域を破線で示している。分岐状高分子１５を構成する単量体のフッ化ビニリデン（−［ＣＨ２−ＣＦ２］−）は、図２（ａ）に矢印で示すように、主鎖が配向する方向に対して略直交する成分を含む双極子モーメント（電気双極子モーメント、永久双極子モーメント）を有している。
【００２１】
一般に、ポリフッ化ビニリデンは、互いに異なる複数の結晶構造をとることが知られている。ポリフッ化ビニリデンは、分子単独状態では、通常、α相（ＩＩ型）の結晶構造となるが、α相においては、隣接する単量体同士の間で双極子モーメントが略反対方向に配向することになるため、比誘電率は３〜４程度と低い値を示す。その一方で、分子集合状態では、所定の処理を行うことによって、図２（ａ）に示すようなβ相（Ｉ型）の結晶構造を形成させることが可能である。β相においては、単量体の双極子モーメントが略同方向に配向することになるため、分極が大きい状態となる。よって、このような高誘電率高分子１６によって分岐状高分子１５の主鎖骨格を構成し、主鎖を適切に配向させることによって、主鎖に対して略直交する方向の分極を増大させることが可能となる。すなわち、誘電体フィルム１における誘電体層１３の沿層方向に沿って、分枝状高分子１５の主鎖の高誘電率高分子１６を一軸配向させることで、誘電率の増大を図ることができ、フィルムコンデンサを大容量化することができる。
【００２２】
一方、誘電体フィルム１における誘電損失については、分極の残留による影響が強く表れることになる。図２（ａ）に示されるような高誘電率高分子１６の分極状態は、単結合周りの分子回転による復極動作によって解消され得るものである。分極領域の上面と下面に表面電荷が現れると、これらが形成する電場が復極力として働くため、分極領域が電極に接するような場合には、表面電荷が電極電荷によって相殺されてしまう。この場合には、復極力が生じないために分極が残留することになり、誘電体ヒステリシスが生じて、誘電損失の増大を招く。そこで、分岐状高分子１５の側鎖として低誘電率高分子１７を導入することによって、分極領域を細分化し、表面電荷が電極電荷によって相殺され難くなるようにすることで、誘電損失の低減を図ることが可能となる。
【００２３】
但し、このような低誘電率高分子１７を大量に導入すると、分枝状高分子１５の誘電率は大きく低下してしまうことになる。よって、低誘電率高分子１７の導入を抑えつつ、誘電損失を低減するために、分極領域サイズを縮小することが求められる。復極力は分極領域サイズに反比例することから、分極領域サイズを縮小することによって復極力が確保されるためである。一般には、分岐状高分子１５をフィルム化して分子集合とした場合には、分枝状高分子１５が、結晶質領域と非晶質領域が混在したラメラ構造を呈することが多く、分極領域サイズが大きく不均一な構造となることが多い。したがって、図２（ｂ）に示すように、分岐状高分子１５を、主鎖を構成する高誘電率高分子１６が一軸方向に配向するように配列させて分子集合とすることによって、分極領域サイズを縮小させると、誘電率の増大と誘電損失の低減の両立を高い水準で実現することができるようになる。
【００２４】
高誘電率高分子１６としては、室温下（２５℃）において測定される周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０以上である高分子を用いることができる。このような比誘電率が高い高誘電率高分子１６を誘電体層１３に含ませることによって、誘電体フィルム１の誘電率を増大させ、容量を大きく向上させることができる。なお、高誘電率高分子１６としては、比誘電率が５．０以上である高分子がより好ましい。また、高誘電率高分子１６の数平均重合度は、３００以上１０００００以下が好ましく、８００以上５００００以下程度がより好ましい。
【００２５】
高誘電率高分子１６としては、具体的には、例えば、フッ素系高分子（フッ素樹脂）、ナイロン、尿素樹脂、ポリフェニレンサルファイド、ポリウレタン、ポリエステル、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等が挙げられる。これらの高分子材料には、必要に応じて極性基を導入することで、所望の誘電性を付与すればよい。高誘電率高分子１６としては、これらの中でも、フッ素系高分子が好ましい。高誘電率高分子１６としてフッ素系高分子を用いることによって、質量あたりの誘電率を向上させることができる。高誘電率高分子１６は、二種以上を併用してもよいが、一種を単独で用いることがより好ましい。
【００２６】
高誘電率高分子１６を構成する単量体としては、フッ素系高分子については、例えば、フッ化ビニル、フッ化ビニリデン、トリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン等のフルオロオレフィンや、エチレン、プロピレン等のオレフィンや、パーフルオロアルキルビニルエーテル等が挙げられる。すなわち、高誘電率高分子１６としては、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニル、ポリテトラフルオロエチレン、単量体としてフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとを含むフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン二元共重合体、単量体としてフッ化ビニリデンとトリフルオロエチレンとテトラフルオロエチレンとを含むフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体、フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）等を主鎖骨格とするものが挙げられる。
【００２７】
高誘電率高分子１６としては、これらの中でも、フッ化ビニリデンを単量体としたポリフッ化ビニリデン、フッ化ビニリデンを主たる単量体として含むと共に他の単量体をも含むフッ化ビニリデン系共重合体が好ましく、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン二元共重合体がより好ましい。このようなフッ化ビニリデンを単量体とした高分子を用いることによって、誘電率をより大きく向上させることができる。また、外部電圧印加時の残留分極を低減することができるため、誘電損失を有効に低減することができる。
【００２８】
誘電体層１３における高誘電率高分子１６については、高誘電率高分子１６を構成する単量体として、前記の例示された単量体の誘導体を併用することが好ましい。反応性基を有する誘導体を反応点として、高誘電率高分子１６の主鎖に側鎖を導入するためである。反応性基を有する誘導体としては、例えば、クロロフルオロエチレン、クロロジフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、ブロモフルオロエチレン、ブロモジフルオロエチレン、ブロモトリフルオロエチレン等が挙げられる。このようなハロゲン化アルキルを併用することによって、主鎖に側鎖をグラフト重合させるためのラジカル反応点を形成することができる。
【００２９】
低誘電率高分子１７としては、分枝状高分子１５の主鎖を構成する前記の高誘電率高分子１６に側鎖として結合する高分子であって、結合する高誘電率高分子１６よりも比誘電率が小さい高分子が用いられる。このような比誘電率が小さい低誘電率高分子１７を側鎖として導入することによって、前記のとおり誘電損失の低減を図ることができる。
【００３０】
低誘電率高分子１７としては、室温下（２５℃）において測定される周波数１ｋＨｚにおける比誘電率が４．０未満である高分子を用いることが好ましく、比誘電率が３．０未満である高分子を用いることがより好ましい。また、高誘電率高分子１６との相溶性が高い高分子が好ましく、低誘電率高分子１７の比率は、主鎖の高誘電率高分子１６に対して、３０質量％以下が好ましく、２０質量％前後であることがより好ましい。このような比誘電率が低く、高誘電率高分子１６との相溶性が高い高分子を用いることによって、分極領域を有効に細分化することができ、誘電損失が確実に低減されるようになる。
【００３１】
低誘電率分子１７としては、具体的には、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類や、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリエチルメタクリレート（ＰＥＭＡ）、ポリブチルメタクリレート等のポリメタクリレート類や、ポリメチルアクリレート、ポリエチルアクリレート、ポリブチルアクリレート等のポリアクリレート類や、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリビニルトルエン等のポリビニル類が挙げられる。低誘電率高分子１７としては、これらの中でも、ポリメチルメタクリレート、ポリエチルメタクリレート又はポリスチレンが好ましい。低誘電率高分子１７としてこれらの高分子を用いることによって、誘電損失を有効に低減することができる。低誘電率高分子１７は、二種以上を併用してもよいが、一種を単独で用いることがより好ましい。また、低誘電率高分子１７は、単独重合体であっても、共重合体であってもよいが、単独重合体が好ましい。
【００３２】
ここで、このような構成を有する誘電体層１３の下地として、配向誘導層１２を形成する理由について説明する。
【００３３】
図３は、比較例に係る誘電体フィルムを示す概略図である。（ａ）は誘電体フィルムの層構成を示す断面図、（ｂ）は誘電体層の状態を示す概念図である。比較例に係る誘電体フィルム１００は、図３（ａ）に示すように、一対の電極を構成する第１電極層１１と、第２電極層１４との間に、誘電体層１１３のみが挟まれた構造を有している。
【００３４】
前記のとおり、比誘電率が高い高誘電率高分子１６を主鎖とし、主鎖を構成する高誘電率高分子１６よりも比誘電率が小さい低誘電率高分子１７を側鎖とした分岐状高分子１５を誘電体層１１３に用い、主鎖の高誘電率高分子１６が、一軸方向に配向した分子集合となるように形成することによって、誘電率の増大と、誘電損失の低減の両立を図ることができる。しかしながら、誘電体フィルムの製造工程において、このような側鎖を有する分枝状高分子１５の分子集合を形成させるのは容易ではなく、図３（ｂ）に示す比較例に係る誘電体フィルム１００のように、分枝状高分子１５の主鎖の高誘電率高分子１６が、複数軸の方向に配向した状態となることが多い。このような誘電体フィルム１００では、分極領域サイズが大きく、分子回転における立体障害を生じ易くなって、復極動作に際して分極の残留が解消され難くなる。そこで、本実施形態に係る誘電体フィルム１では、誘電体層１３の下地として配向誘導層１２をあらかじめ形成し、配向誘導層１２によって、誘電体層１３の分枝状高分子１５が良好に一軸方向に配向誘導されるようにしている。
【００３５】
配向誘導層１２は、強誘電体である直鎖状高分子１８を主成分として含む層とする。直鎖状高分子１８は、高分子からなる側鎖を有さない直鎖状の高誘電率高分子であって、前記の分枝状高分子１５のように側鎖として低誘電率高分子１７を有するグラフト重合体とは異なる高分子である。誘電体フィルム１の配向誘導層１２は、このような直鎖状高分子１８が、図１（ｃ）に示すように、配向誘導層１２の沿層方向に沿って一軸配向するように形成される。配向誘導層１２において、このような立体障害が少ない直鎖状高分子１８を用いることによって、配向を誘導する高分子が良好に一軸配向した配向誘導層１２を形成し易くすると共に、主鎖が高誘電率高分子である直鎖状高分子１８によって、誘電率の増大も図っている。
【００３６】
このような配向誘導層１２上に誘電体層１３を形成すると、図１（ｂ）及び（ｃ）に示されるように、配向誘導層１２において沿層方向に一軸配向している直鎖状高分子１８と同一の方向に、分枝状高分子１６が配向するようになる。そして、誘電体層１３に含まれる分枝状高分子１５と、配向誘導層１２に含まれる直鎖状高分子１８とが、沿層方向に沿って同一方向に一軸配向している誘電体フィルム１が形成される。そして、誘電体フィルム１の誘電体層１３では、図１（ｂ）に示すように、低誘電率高分子１７が、一軸配向した隣り合う分枝状高分子１５同士の間に介在するように所定の間隔を保って分散した状態となるため、分極領域が適切に細分化され、誘電損失を有効に低減させることができるようになる。
【００３７】
直鎖状高分子１８としては、前記の分枝状高分子１５の主鎖を構成する高誘電率高分子１６として用いられる高分子と同種の群から選択されるものを用いることができる。具体的には、フッ素系高分子が好ましく、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン二元共重合体又はフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン−テトラフルオロエチレン三元共重合体がより好ましい。また、直鎖状高分子１８は、誘電体層１３に含まれる分枝状高分子１５の主鎖を構成する高誘電率高分子１６と同種の高分子とすることがより好ましい。
【００３８】
第１電極層１１及び第２電極層１４は、金属が蒸着されることによって形成される薄膜状の電極層であっても、金属箔であってもよい。第１電極層１１及び第２電極層１４を構成する金属としては、例えば、アルミニウム、亜鉛、銅、錫、これらの合金等が挙げられ、アルミニウム又はアルミニウム合金が好適に用いられる。
【００３９】
次に、前記の誘電体フィルム１の製造方法及び誘電体フィルム製造装置について説明する。
【００４０】
図４は、本実施形態に係る誘電体フィルム製造装置の構成を示す概略図である。
【００４１】
誘電体フィルム製造装置５０は、図４に示すように、主に、押圧手段５１と、掃引手段５２，５３と、塗布手段５４とを備えている。
【００４２】
押圧手段５１は、供給されるポリマーペレット（塊状体）を押圧して基材に圧着させる装置である。なお、誘電体フィルム製造装置５０には、押圧手段５１に対向するように、加熱ステージ５５が備えられている。加熱ステージ５５によって、搬送されてくる基材が加熱され、この基材に圧着させるポリマーペレットが加熱軟化されるようになっている。基材を加熱する温度は、直鎖状高分子１８の融点以下であることが好ましく、例えば、１３０℃以下とすることが好ましい。このような温度範囲であれば、直鎖状高分子１８の変質を避けることができ、精度が良好な掃引を行うことができる。
【００４３】
ポリマーペレットとしては、直鎖状高分子１８を成形したポリマーペレットを供給する。直鎖状高分子１８（直鎖状高分子１８の主鎖の高誘電率高分子）は、高分子の種類に応じて、適宜の重合方法を用いて合成することができる。重合方法としては、例えば、乳化重合法、懸濁重合法、溶液重合法等のラジカル重合法が挙げられる。基材としては、圧着荷重に耐える適宜の金属基板、無機基板、樹脂基板等を用いることができるが、配向に適したガラス基板を用いることが好ましい。
【００４４】
掃引手段５２，５３は、押圧手段５１による押圧の方向と略垂直方向に基材を掃引して、直鎖状高分子１８が沿層方向に沿って一軸配向した配向誘導層１２を形成する装置である。掃引手段５２，５３は、基材が載置される可動体５２と、可動体５２の移動を駆動する駆動機構５３とからなっている。例えば、可動体５２を、スラット、ベルト、ローラ等で構成し、駆動機構５３が回動して、このような可動体５２を順次移動させるように装置を構成する。なお、この誘電体フィルム製造装置５０では、掃引手段５２，５３が、基材や誘電体フィルムを各工程に順次搬送する機能も有している。
【００４５】
誘電体フィルム１の製造においては、押圧手段５１によって、直鎖状高分子１８を含んでなるポリマーペレットを搬送されてくる基材に圧着させる。そして、基材に圧着させたポリマーペレットは、加熱ステージ５５による加熱で、軟化状態ないし溶融状態となる。そこで、掃引手段５２，５３によって、直鎖状高分子１８を含んでなる半溶融状態のポリマーペレットが圧着された基材を掃引し、摩擦転写法を利用して配向誘導層１２を形成する。このように、配向誘導層１２の形成手段として摩擦転写法を採用することによって、直鎖状高分子１８が沿層方向に沿って良好に一軸配向した配向誘導層１２を形成することが可能となる。また、この誘電体フィルム製造装置５０では、掃引手段５２，５３が、基材や誘電体フィルムを搬送する機能も有しているため、ロールツーロール形式による誘電体フィルムの製造も可能である。なお、掃引速度や圧着荷重は、適宜調整して実施することができる。配向誘導層１２の膜厚は、１０ｎｍ以上あれば配向誘導を行わせることが可能である。
【００４６】
塗布手段５４は、配向誘導層１２の表面に分枝状高分子１５を湿式塗布して、分枝状高分子１５が直鎖状高分子１８と同方向に一軸配向した誘電体層１３を形成する装置である。塗布手段５４としては、スロットダイコータ、ブレードコータ、バーコータ、ロールコータ、グラビアコータ等の公知の湿式塗布装置を用いることができる。
【００４７】
分枝状高分子１５は、前記の直鎖状高分子１８と同様の重合方法で合成した主鎖の高誘電率高分子１６に、側鎖の低誘電率高分子１７をグラフト重合させることによって合成することができる。グラフト重合の方法としては、リビングラジカル重合を用いることが好ましく、ＣｕＣｌ／ビピリジン錯体等の遷移金属錯体触媒を用いて行う原子移動ラジカル重合法（ＡＴＲＰ法）を用いることが特に好ましい。具体的には、非特許文献１に記載の方法を適用することもできる。分枝状高分子１５の溶媒としては、例えば、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、ジエチルカーボネート、２−ペンタノン、３−ペンタノン、２−ヘキサノン、２−ヘプタノン、３−ヘプタノン、シクロヘキサノン等、高分子の種類に応じて適宜の溶媒を用いることができる。
【００４８】
誘電体フィルム１の製造においては、塗布手段５４によって、配向誘導層１２の表面に分枝状高分子１５を湿式塗布することによって、分枝状高分子１５の配向が、配向誘導層１２において沿層方向に沿って一軸配向した直鎖状高分子１８と、同一の方向に誘導されて、誘電体層１３に含まれる分枝状高分子１５と、配向誘導層１２に含まれる直鎖状高分子１８とが、沿層方向に沿って同一の方向に一軸配向している誘電体フィルム１が製造される。なお、湿式塗布された誘電体層１３は、適宜の雰囲気下乾燥させることができ、アルゴンガス、窒素ガス等の不活性ガス雰囲気、空気中等の酸化性ガス雰囲気のいずれで溶媒除去を行ってもよい。
【００４９】
誘電体フィルム製造装置５０は、さらに、分極化手段、延伸手段及び多層フィルム形成手段の少なくとも一つを備えるようにしてもよい。分極化手段は、電場印加装置や、磁場印加装置等で構成される。このような分極化手段によって、加温された雰囲気下、誘電体フィルムに電場又は磁場を印加することで、誘電体フィルム１に含まれる高誘電率高分子１６を分極状態とさせることができる。特に、分枝状高分子１５を、β相の結晶構造にすることによって、双極子モーメントが沿層方向に垂直な方向に配向して分極が最大化されることになる。また、延伸手段によって、誘電体フィルム１を、さらに沿層方向に一軸延伸処理することによって、誘電体層１３に含まれる分枝状高分子１５や、配向誘導層１２に含まれる直鎖状高分子１８を、より良好に配向させることができ、誘電損失を有効に低減することができる。また、多層フィルム形成手段に備えられるフィードブロックやマルチマニホールドに形成された誘電体フィルム１を供給して多層化することによって、誘電体フィルム１を厚膜化することができる。なお、誘電体フィルム製造装置５０は、前記の押圧手段５１に代えて、ポリマーペレットを押圧して基材に圧着させる装置が基材に対して移動することによって、掃引が行われるように構成したり、前記の塗布手段５２に代えて、スピンコータ等によって静止状態で塗布が行われるように構成してもよい。
【００５０】
また、誘電体フィルム製造装置５０は、さらに、電極形成手段を備えるようにしてもよい。電極形成手段は、電極を蒸着形成する蒸着装置等で構成される。このような電極形成手段によって、誘電体フィルム１の表面に第１電極層１１や第２電極層１４を形成した後、この誘電体フィルム１を捲回し、外部電極を接続して筺体に収納することで、誘電体フィルム１と、誘電体フィルム１に電気的に接続された一対の第１電極及び第２電極とを備えるフィルムコンデンサ６４とすることができる。
【００５１】
図５は、本実施形態に係るフィルムコンデンサを適用した変換器のサイズを、比較例に係るフィルムコンデンサを備えた電力変換器のサイズと比較した概略図である。
【００５２】
図５には、本実施形態に係る誘電体フィルム１を備えるフィルムコンデンサ６４を適用した電力変換器（インバータ）６０と、従来のポリプロピレン等を採用したフィルムコンデンサ６１（比較例に係るフィルムコンデンサ）を備えた電力変換器１６０とが示されている。なお、電力変換器６０及び電力変換器１６０は、それぞれ共通のパワーモジュール６２と配電基板６３とを備えている。
【００５３】
図５に示すように、使用電圧が１ｋＶを超えるような従来の電力変換器１６０では、全体積の７０％近くをフィルムコンデンサ６１が占めている。これに対して、本実施形態に係る誘電体フィルム１を備えるフィルムコンデンサ６４を適用した電力変換器６０では、コンデンサの体積を約１／５に小型化することができ、コンデンサの冷却系も小型化することが可能となる。ひいては、このような電力変換器６０で構成されるＭＭＣ（モジュラーマルチレベルコンバータ）を大幅に小型化することができ、発電設備等の設置コストの低減に好適である。
【実施例】
【００５４】
以下、本発明の実施例を用いて本発明をより詳細に説明するが、本発明の技術的範囲はこれに限定されるものではない。
【００５５】
配向誘導層１２上に誘電体層１３を形成した実施例に係る誘電体フィルム１を製造し、高分子の配向状態を解析した。また、実施例に係る誘電体フィルム１について比誘電率と誘電損失とを評価した。
【００５６】
［実施例］
はじめに、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン二元共重合体高分子Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）（７０／３０ｍｏｌ％：ピエゾテック製）からなる粉末を圧縮してポリマーペレットを作製した。続いて、作製したポリマーペレットを、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の融点以下の１３０℃に加熱したガラス基板上に、摩擦転写することによって配向誘導層１２を形成した。なお、摩擦転写には、摩擦転写装置「ホットメルト塗工機１１５Ａ」（株式会社井元製作所製）を用い、加圧条件は１０ｋｇｆ／ｃｍ２、掃引速度は２００ｍｍ／ｍｉｎとして行った。得られた配向誘導層１２の薄膜は、膜厚約１０ｎｍであり、ガラス基板表面にＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）の主鎖が一軸配向した状態となっていた。なお、高分子の配向状態は、偏光ＦＴＩＲ（フーリエ変換型赤外吸収法）、ＳＥＭ（走査電子顕微鏡）、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）の電子線回折、Ｓｐｒｉｎｇ８等を放射光源とした２Ｄ−ＧＩＸＤ（極低角入射Ｘ線２次元回折法）等を用いて解析した。
【００５７】
次に、フッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン−クロロトリフルオロエチレン三元共重合体高分子Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）（６２／３０／８ｍｏｌ％：ピエゾテック製）と、ポリエチルメタクリレート（ＰＥＭＡ）とを、原子移動ラジカル重合法（ＡＴＲＰ法）によってグラフト重合させた。なお、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）に対するＰＥＭＡの質量比は、２０質量％とした。その結果、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）を主鎖とし、ＰＥＭＡを側鎖とする分枝状高分子Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）−ｇ−ＰＥＭＡが得られた。続いて、この分枝状高分子１５を、３質量％の濃度となるように溶媒のＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）に溶解させて、配向誘導層１２上に湿式塗布して、誘電体層１３を積層した。なお、配向誘導層１２と誘電体層１３とを合わせた膜厚は１００ｎｍであった。
【００５８】
次に、誘電体層１３における高分子の配向状態を解析した。その結果、配向誘導層１３の薄膜の沿層方向に一軸方向に配向しているＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）に対して、分枝状高分子Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）−ｇ−ＰＥＭＡが、略平行に配列して、共に略同一の方向に一軸配向していることが確認された。また、高誘電率高分子１６である主鎖のＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）同士の間に、低誘電率高分子１７である側鎖のＰＥＭＡが介在することによって、高誘電率高分子１６である主鎖のＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ−ＣＴＦＥ）は、概ね一定間隔に離れて分散していることが確認された。
【００５９】
次に、ガラス基板から剥離した誘電体フィルム１の両面に、それぞれ第１電極層１１と第２電極層１４とを形成した。第１電極層１１と第２電極層１４とは、アルミニウムを蒸着させることによって、それぞれ厚さ５０ｎｍとして形成した。そして、パラメータアナライザ「ＨＰ４２８４Ａ」（ヒューレットパッカード社製）を使用して、室温（２５℃）及び１００℃において、周波数１００Ｈｚ、１ｋＨｚ及び１０ｋＨｚのそれぞれにおける静電容量を測定し、比誘電率と誘電損失とを求めた。
【００６０】
図６は、実施例に係る誘電体フィルム及び比較例に係る誘電体フィルムの誘電率と誘電損失との関係を示す図である。図６における、縦軸は比誘電率、横軸は誘電損失（ｔａｎδ）を表している。また、黒丸は、実施例に係る誘電体フィルム、白六角は、配向誘導層を有さない比較例に係る誘電体フィルムを示している。白丸、白三角、白四角は、それぞれ、分枝状高分子を含む誘電体層のみを有する比較例に係る誘電体フィルムであって、いずれも延伸処理及び分極処理を施していないものであり、それぞれ低誘電率高分子の質量比を変えて製造したものである。黒三角は、ポリプロピレンを材料とした参考例に係る誘電体フィルムを示している。
【００６１】
図６に示されるように、各比較例に係る誘電体フィルム毎に、比誘電率と誘電損失は異なる値をとっているが、破線で示すように、いずれも比誘電率と誘電損失とはトレードオフの関係となる傾向を示した。これに対して、実施例に係る誘電体フィルム１では、これらの比較例に係る誘電体フィルムと比較して、比誘電率が１０程度の値を実現していながら、誘電損失についても１０−３程度に低減されていることが確認された。また、ポリプロピレンを材料とした参考例に係る誘電体フィルムと比較して、誘電損失は高い水準にあるものの、比誘電率は約５倍程度の値を達成していることが確認された。このように、実施例に係る誘電体フィルムは、誘電率の増大と誘電損失の低減を高度に両立していることが認められた。この誘電損失の水準は、例えば、１００Ｈｚから１ｋＨｚの周波数帯で使用される電力用変換器（インバータ）の用途では、十分に低いものであるといえる。
【符号の説明】
【００６２】
１  誘電体フィルム
１１  第１電極層
１２  配向誘導層
１３  誘電体層
１４  第２電極層
１５  分枝状高分子
１６  高誘電率高分子
１７  低誘電率高分子
１８  直鎖状高分子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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