(57)【要約】【課題】  破壊電界強度を低下させることなく比誘電率を高めることのできるフィルムコンデンサを提供する。【解決手段】  セラミック粒子３と有機樹脂５との複合誘電体７からなる誘電体フィルム１を具備してなり、複合誘電体７はセラミック粒子３を主体としたセラミック充填部３Ａと、セラミック充填部３Ａによって囲まれた領域に、有機樹脂５を主体とした樹脂充填部５Ａとを有しているとともに、セラミック充填部３Ａおよび樹脂充填部５Ａは、誘電体フィルム１を厚み方向に貫通し、平面方向に並んで配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粒子と有機樹脂との複合誘電体からなる誘電体フィルムを具備してなるフィルムコンデンサであって、前記複合誘電体は、前記セラミック粒子を主体としたセラミック充填部と、該セラミック充填部によって囲まれた領域に、前記有機樹脂を主体とした樹脂充填部とを有しているとともに、前記セラミック充填部および前記樹脂充填部は、前記誘電体フィルムを厚み方向に貫通し、平面方向に沿って並んで配置されていることを特徴とするフィルムコンデンサ。
【請求項２】
前記セラミック粒子の充填率が変化している領域の幅は、前記誘電体フィルムの厚み以下であることを特徴とする請求項１に記載のフィルムコンデンサ。
【請求項３】
前記セラミック粒子および前記有機樹脂は比誘電率の差が２以上であるとともに、前記セラミック充填部におけるセラミック粒子の体積割合が３０％以上であることを特徴とする請求項１または２に記載のフィルムコンデンサ。
【請求項４】
前記誘電体フィルムの両面に電極層を備えていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の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、フィルムコンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
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。このような構成により、誘電体フィルムの絶縁欠陥部で短絡が生じた場合にも、短絡のエネルギーで欠陥部周辺の金属膜が蒸発、飛散して絶縁化し、フィルムコンデンサの絶縁破壊を防止できるという利点を有している（例えば、特許文献１を参照）。
【０００３】
このため、フィルムコンデンサは電気回路が短絡した際の発火や感電を防止することができるという点が注目され、近年、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）照明等の電源回路への適用を始め、用途が拡大しつつある（例えば、特許文献２を参照）。
【０００４】
ところが、フィルムコンデンサは、各種の電子部品が実装された基板上において、セラミックコンデンサなど他の電子部品に比べて依然としてサイズが大きいことから、当該基板の低背化や実装密度の向上の妨げになっており、そのためフィルムコンデンサの小型化が検討されている。
【０００５】
この場合、フィルムコンデンサの小型化を図るには、誘電体フィルムを薄層化することや誘電体フィルムの積層数や巻回数を減らすこととなるが、そのためには誘電体フィルムの比誘電率および破壊電界強度を向上させる必要がある。
【０００６】
例えば、特許文献３では、誘電体フィルムとして、エポキシ基を有する有機樹脂にセラミックフィラーを分散させた複合誘電体を適用させることが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１２９４７５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１７８５７１号公報
【特許文献３】特開２００６−２２５４８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上記のような誘電体フィルムでは、セラミック粒子の体積比率が比較的高い場合でも、印加された電界に起因する電界エネルギー（εｒ×E２/２）の集中が比誘電率の高いセラミック粒子側に起きにくいため比誘電率をさほど上げることができない。また、一方で、セラミック粒子の周囲の有機樹脂側では電界強度が増すことから、誘電体フィルム全体として破壊電界強度が低下してしまうという問題も有している。
【０００９】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、破壊電界強度を低下させることなく比誘電率を高めることのできる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】
【００１０】
本発明のフィルムコンデンサは、セラミック粒子と有機樹脂との複合誘電体からなる誘電体フィルムを具備してなるフィルムコンデンサであって、前記複合誘電体は、前記セラミック粒子を主体としたセラミック充填部と、該セラミック充填部によって囲まれた領域
に、前記有機樹脂を主体とした樹脂充填部とを有しているとともに、前記セラミック充填部および前記樹脂充填部は、前記誘電体フィルムを厚み方向に貫通し、平面方向に並んで配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、破壊電界強度を低下させることなく比誘電率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）は、本発明のフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルムの一実施形態を部分的に示す外観斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。（ｃ）は、（ｂ）の部分拡大図である。
【図２】（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。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１（ａ）は、本発明のフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルムの一実施形態を部分的に示す外観斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【００１４】
本実施形態のフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルム１は、セラミック粒子３と有機樹脂５との複合誘電体７によって構成されている。
【００１５】
複合誘電体７は、セラミック粒子３を主体としたセラミック充填部３Ａと、セラミック充填部３Ａによって囲まれた領域に、有機樹脂５を主体とした樹脂充填部５Ａとを有する構成となっている。
【００１６】
また、セラミック充填部３Ａおよび樹脂充填部５Ａは、誘電体フィルム１を厚み方向に貫通し、平面方向に並んで配置された構造となっている。
【００１７】
本実施形態のフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルム１によれば、誘電体フィルム１において、セラミック粒子３の密な領域が形成されて、厚み方向に貫通する構成となっているため、印加された電界に起因する電界エネルギーの集中が比誘電率の高いセラミック粒子３側に起きやすくなり、これにより誘電体フィルム１の比誘電率を向上させることができる。
【００１８】
一方で、セラミック充填部３Ａに隣接している樹脂充填部５Ａでは、有機樹脂５中に存在するセラミック粒子３が少ないために、セラミック粒子３と有機樹脂５との境界領域の頻度が少なくなり、電界強度が高くなる領域が低減されるため、誘電体フィルム１全体として、破壊電界強度の低下が抑制される。この結果、破壊電界強度を低下させることなく比誘電率を高めることが可能となる。
【００１９】
この場合、比誘電率を高くするという理由から、誘電体フィルム１におけるセラミック充填部３Ａの体積比率が高く、かつ、セラミック充填部３Ａにおけるセラミック粒子３の割合も高い方が良い。
【００２０】
また、本実施形態の誘電体フィルム１では、セラミック粒子３の充填率が変化している境界領域９の幅ｗは、誘電体フィルム１の厚みｔ以下であることが望ましい。セラミック粒子３の充填率が変化している境界領域９の幅ｗが誘電体フィルム１の厚ｔみ以下であると、破壊電界強度の低下の要因であるセラミックス粒子３が有機樹脂５中に分散した領域の体積を小さくすることが可能となり、これにより、有機樹脂５へ印加される電界強度の
増加が抑制され、破壊電界強度を向上させることが可能となる。この場合、セラミック粒子３の充填率が変化している境界領域９の幅ｗは誘電体フィルム１の厚みｔの１／３以下であることが好ましい。
【００２１】
また、本実施形態のフィルムコンデンサでは、誘電体フィルム１におけるセラミック充填部３Ａの体積比率は１０〜６０体積％であることが好ましい。誘電体フィルム１におけるセラミック充填部３Ａの体積比率が１０〜６０体積％であると、誘電体フィルム１としての機械的強度を維持しつつ、高誘電率化を図ることが可能となる。
【００２２】
この場合、特に、セラミック充填部３Ａにおけるセラミック粒子３の体積比率は３０〜７０体積％であることが望ましく、さらには、セラミック充填部３Ａにおけるセラミック粒子３の体積比率と樹脂充填部５Ａにおけるセラミック粒子３の体積比率との差は３０％以上であることが好ましい。
【００２３】
ここで、本実施形態における誘電体フィルム１を構成するセラミック充填部３Ａについて、セラミック粒子３を主体とするとは、セラミック充填部３Ａにおけるセラミック粒子３の体積比率が３０体積％以上であるものをいう。
【００２４】
また、本実施形態における誘電体フィルム１を構成する樹脂充填部５Ａについて、有機樹脂５を主体とするとは、樹脂充填部５Ａにおける有機樹脂５の体積比率が８０体積％以上（または、セラミック粒子３の体積比率が２０体積％以下）であるものをいう。
【００２５】
誘電体フィルム１を構成するセラミック充填部３Ａおよび樹脂充填部５Ａの体積比率は誘電体フィルム１を平面視したときの矩形上の写真に描いた輪郭から求められる。このとき、輪郭は境界領域９のほぼ中央を通るようにする。また、セラミック充填部３Ａおよび樹脂充填部５Ａにおけるセラミック粒子３および有機樹脂５のそれぞれの体積比率は誘電体フィルム１を断面視したときの矩形上の写真内に存在するセラミック粒子３および有機樹脂５のそれぞれの割合から求められる。
【００２６】
本実施形態のフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルム１は、上述のように、セラミック粒子３および有機樹脂５が局在して形成されるものであるが、この場合、セラミック粒子３と有機樹脂５との比誘電率の差が２以上であることが望ましい。比誘電率の差が２以上であると、印加した電界をセラミック粒子３側に収束させることができ、有機樹脂５側における電界強度の増加をより抑制できるからである。このときセラミック充填部３Ａにおけるセラミック粒子３の体積割合は３０％以上であることが望ましい。
【００２７】
本実施形態の誘電体フィルム１を構成するセラミック充填部３Ａの平面形状は、四角形状、三角形状、六角形状および多角形状をした樹脂充填部５Ａを囲むような網目状構造であることが望ましい。セラミック充填部３Ａの平面形状が網目状構造であると、セラミック粒子３が面内で連結している状態となりやすいために、誘電体フィルム１におけるセラミック充填部３Ａの体積比率が比較的小さい場合でもセラミック充填部３Ａと樹脂充填部５Ａとが平面方向に並ぶ構造を容易に形成することができる。
【００２８】
一方、樹脂充填部５Ａの平面形状は、四角形状、三角形状、六角形状など対称系の構造の他に、非対称系の多角形状であってもよい。この場合の平面形状は鳥瞰視したとき、ほぼこのような構造に見えている程度であればよい。
【００２９】
本実施形態の誘電体フィルム１では、樹脂充填部５Ａは誘電体フィルム１の面内でセラミック充填部３Ａによって分けられている構造となっている。これにより破壊電界強度の低下を抑えた状態でセラミック粒子３により比誘電率を向上させることができる。
【００３０】
これに対し、誘電体フィルム１において、セラミック粒子３が有機樹脂５中にほぼ均一な状態で分散した構造の場合には、セラミック粒子３の体積比率が比較的大きい場合でも、比誘電率の高いセラミック粒子３に電界エネルギーが集中しにくくなるため、比誘電率を高めることが困難になると共に、セラミック粒子３の周囲に位置する有機樹脂５側の電界強度が高くなるため破壊電界強度が低下することになる。
【００３１】
また、セラミック充填部３Ａから樹脂充填部５Ａにかけては、明確な境界が無くても、これらが接している境界領域では、セラミック粒子３の充填状態（体積比率）が次第に変化していてもかまわないが、セラミック粒子３が凝集してネックで繋がっていることが望ましい。
【００３２】
誘電体フィルム１を構成する複合誘電体７の比誘電率（ε）は、フィルムコンデンサから切り出した誘電体フィルム１の両面に所定の面積で電極層を形成した試料から求める。
【００３３】
特性評価に際しては、ＬＣＲメーターを使用して静電容量を測定し、測定した静電容量、電極層の有効面積（誘電体フィルムの両面で電極層が重なった面積）および誘電体フィルムの厚みから比誘電率を算出する。
【００３４】
誘電体フィルム１の破壊電界強度（Ｅ）は、静電容量を測定した試料を用い、誘電体フィルム１の電極間に、商用周波数６０Ｈｚで、毎秒１００Ｖの昇圧速度で電圧を印加し、漏れ電流値が１．０ｍＡを越えた瞬間の電圧値から求める。
【００３５】
なお、本実施形態のフィルムコンデンサを構成する誘電体フィルム１の厚みは、高容量化という点で、１０μｍ以下、特に、５μｍ以下であることが望ましく、一方、誘電体フィルム１の破壊電界強度（Ｅ）を確保し、安定化できるという理由からは１μｍ以上であることが好ましい。
【００３６】
図２は、（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。
【００３７】
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の両面に電極層１１を備えている構成を基本構造とする本体部１３により構成されている。この本体部１３は、矩形状の誘電体フィルム１と電極層１１とが交互に積層された積層型のフィルムコンデンサの他に、長尺状の誘電体フィルム１と電極層１１とが巻回された構造の巻回型のフィルムコンデンサにも適用することができる。これらのフィルムコンデンサは外部電極１４に端子としてさらにリード線１５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１５を有しない構造が望ましい。また、コンデンサ本体１３、外部電極１４およびリード線１５の一部は絶縁性および耐環境の点から外装部材１６に覆われていてもよい。
【００３８】
次に、本実施形態の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。
【００３９】
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。
【００４０】
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２．３〜３．０である。
【００４１】
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。
【００４２】
セラミック粒子３としては、アルミナ、酸化チタン、酸化珪素などの他にペロブスカイト型構造の複合酸化物などを適用できる。セラミック粒子３と有機樹脂５との相溶性を高める上で、セラミック粒子３にシランカップリング処理やチタネートカップリング処理等の表面処理を行っても良い。
【００４３】
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、セラミックフィラーを含む有機樹脂５の膜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。この場合、誘電体フィルム１となるスラリーの粘度および膜厚をマランゴニ数が８０以上になるように調整することにより本実施形態の誘電体フィルム１を得ることができる。なお、成膜には、ドクターブレード法、ダイコータ法およびナイフコータ法等から選ばれる一種の成形法を用いる。なお、マランゴニ数は、以下の式によって定義される値である。Ｍ＝ｔ／（μｋ）＊（｜ｄσ／ｄT｜）＊ΔT、｛Ｍ：マランゴニ数、ｔ：膜厚（ｍ）、μ（粘度（Ｎ・ｓ／ｍ２）、ｋ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、（｜ｄσ／ｄT｜）：表面張力の温度勾配（Ｎ／ｍ・Ｋ）、ΔＴ：塗膜の表面と裏面の温
度差（Ｋ）｝ここで、熱伝導率は便宜上、有機樹脂の熱伝導率（０．１〜０．５Ｗ／ｍ・Ｋ）を適用し、他に、表面張力の温度勾配（Ｎ／ｍ・Ｋ）、ΔＴ：塗膜の表面と裏面の温度差（Ｋ）は適宜規定する。
【００４４】
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、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。
【００４５】
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電極層１１を形成し、次いで、電極層１１を形成した誘電体フィルム１０を巻回させてフィルムコンデンサの本体部１３を得る。
【００４６】
次に、本体部１３の電極層１１が露出した端面に外部電極１４を形成する。外部電極１４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１４にリード線１５を形成しても良い。次いで、外部電極１４（リード線１５を含む）を形成した本体部１３の表面に外装樹脂１６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。
【実施例】
【００４７】
具体的な材料の選択及び寸法の設定等を行って誘電体フィルムを作製し、以下の評価を行った。
【００４８】
まず１００nmの平均粒径を有するアルミナ（比誘電率：９）と、樹脂としてポリシクロオレフィンポリマー（分子量：Ｍｗ＝２００００、比誘電率２．２）を準備した。アルミナには樹脂との相溶性を向上させるために任意のシランカップリング処理を行った。
【００４９】
次に、上記のアルミナ粒子をシクロオレフィンポリマー中に分散させてスラリーを調製した。このときシクロヘキサンを希釈剤として加えた。
【００５０】
この後、上記スラリーをコーターを用いてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム上に塗布してシート状に成形した。この時、セラミック充填部がフィルム内部で連結されるような成膜条件で製膜を行った（例えば、マランゴニ指数８０以上）。スラリの粘度は回転円板型粘度計を用いて室温（２５℃）にて測定した。膜厚は作製した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。マランゴニ数は測定したスラリ粘度および膜厚を用いて表１に示した式に代入して求めた。このとき熱伝導率、表面張力の温度勾配および塗膜の表面と裏面の温度差は基本的な物性値を用いた。
【００５１】
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。
【００５２】
次に、得られた誘電体フィルムについて、比誘電率を測定し、耐電圧を測定した。
【００５３】
耐電圧は、誘電体フィルムの電極層間に商用周波数（６０Ｈｚ）、毎秒１０Ｖの昇圧速度で電圧を印加し、漏れ電流値が１．０ｍＡを越えた瞬間の電圧値から求めた。
【００５４】
比誘電率は、ＬＣＲメーターを使用して測定した。具体的には、作製した誘電体フィルムの電極層間の短絡の有無を確認した後、ＬＣＲメーターにより周波数１ＫＨｚ、入力信号レベル１．０Ｖｒｍｓの測定条件にて、誘電体フィルムの静電容量と誘電損失を測定した。この後、静電容量、電極層の有効面積（誘電体フィルムの両面で電極層が重なった面積）および誘電体フィルムの厚みから比誘電率を算出した。
【００５５】
セラミック粒子を主体としたセラミック充填部および有機樹脂を主体とした樹脂充填部がともに誘電体フィルムを厚み方向に貫通し、平面方向に沿って並んで列に配置されている構造となっているかの判定は、誘電体フィルムを樹脂埋めした後、研磨し、図１（ｂ）に示すような断面を露出させた試料を作製し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により撮影した写真を用いて行った。また、セラミック充填部におけるセラミック粒子の体積比率は、走査型電子顕微鏡観察による写真の解析から、試料Ｎｏ．１を除いて、いずれの試料も３０％以上であった。また、作製した試料のうち、試料Ｎｏ．２については、セラミック粒子３の充填率が変化している領域の幅が誘電体フィルムの厚みよりも大きいものとなっていたが、試料Ｎｏ．４、６については、セラミック粒子３の充填率が変化している領域の幅が誘電体フィルムの厚みよりも小さいものであった。
【００５６】
【表１】
2015023174.tif 000003
【００５７】
表１の結果から明らかなように、スラリー粘度および膜厚を調整してマランゴニ数を１１３以上とした試料Ｎｏ．２、４および６は、セラミック充填部および樹脂充填部が誘電体フィルムを厚み方向に貫通し、平面方向に並んで配置されている構造を有していた。これらの試料は耐電圧が３４４ｋＶ／ｍｍ以上でありながら、比誘電率が２．５４以上であった。
【００５８】
なお、試料Ｎｏ．２について、セラミック粒子として、アルミナの代わりに、シリカガラス（比誘電率：４）を用いた場合には、耐電圧はほぼ同等（１％以内）であったのに対し、比誘電率はセラミック粒子を用いた試料Ｎｏ．３に比較して約２０％ほど低い値であった。
【００５９】
これに対し、マランゴニ数が３４以下の試料（試料Ｎｏ．３、５、７）では、セラミック粒子の割合が同じ試料で比較したときに（試料Ｎｏ．２と３、試料Ｎｏ．４と５、試料Ｎｏ．６と７）、耐電圧および比誘電率がともに低い値であった。
【符号の説明】
【００６０】
１・・・・・・・誘電体フィルム
３・・・・・・・セラミック粒子
３Ａ・・・・・・セラミック充填部
５・・・・・・・有機樹脂
５Ａ・・・・・・樹脂充填部
１１・・・・・・・電極層
１３・・・・・・・本体部
１４・・・・・・・外部電極
１５・・・・・・・リード
１６・・・・・・・外装部材
【図１】
2015023174.tif 000004
【図２】
2015023174.tif 000005