JP7793281B2 - 金属化フィルムとその製造方法及びフィルムコンデンサ - Google Patents

Description

この発明は、金属化フィルムとその製造方法、及びその金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサに関する。

蒸着部と非蒸着部とからなる蒸着パターンを備えた金属化フィルムを製造するにあたっては、誘電体フィルムの表面のうち、非蒸着部となる部分を予めマスキングしておき、その後、金属を蒸着させることで、誘電体フィルムの表面に所望の蒸着パターンを形成している。

マスキングの方法としては、オイルをマスキング材として使用するオイルマスク工法が挙げられる。マスキングオイルが付着している部分には金属が蒸着しないため、マスキングオイルの塗布（付着）形状に応じた蒸着パターンが誘電体フィルムの表面に形成されることになる。

ところで、特許文献１、２では、マスキングオイルとしてフッ素オイル（パーフルオロポリエーテル等）を用いている。フッ素オイルはフィルムへの濡れ性が良いため、マスキングすべき部分にオイルが十分に付着しないことで生じる不良（ヌケ：本来、金属を蒸着させない部分に金属が蒸着してしまう不具合）を抑制することができる。また、熱安定性が高く、加熱時に分解等の変質が起きにくいため蒸発が安定しており、金属蒸着時にオイルが意図しない部分にまで蒸発・飛散してしまい、本来金属を蒸着すべき部分までマスキングすることで生じる不良（ムラ：本来、金属を蒸着すべき部分に金属が蒸着していない又は蒸着量が極端に少ない不具合）が生じ難い。

ただその一方で、フッ素オイルは、誘電体フィルムと冷却用ローラとの密着性を向上させるために金属蒸着時に照射される電子線によって分解されてフッ素イオンを生成し、蒸着金属の劣化を促進させるため、コンデンサとしての信頼性を低下させる要因となる。また、フッ素オイルは環境への負荷が懸念されるフッ化炭素からなるため、使用を控えたい物質の一つである。

マスキングオイルとして、炭化水素系オイルを用いることもあるが、蒸発が不安定なために誘電体フィルムへの付着量がばらつきやすく、ムラやヌケの発生頻度が高いという欠点がある。

また、蒸着金属は吸湿によって劣化する。そこで、蒸着面にアフターオイルとしてシリコーンオイルを塗布し、保護膜を形成することがある。

ただ、シリコーンオイルは水蒸気を透過し易いという特性を持つため、蒸着金属の吸湿を十分に抑制することができなかった。

特開昭６３－７３６３号公報 国際公開第２０１７／０６８７５８号

本発明は、金属化フィルムの改良を目的とする。

金属化フィルムは、１０％蒸発温度が２３７℃以上、９０％蒸発温度が３３７℃以下の炭化水素系オイルをマスキングオイル又はアフターオイルとして用いたことを特徴としている。

また、上記金属化フィルムにおいては、前記炭化水素系オイルの誘電体フィルムに対する接触角が１７．９～２２．８°であることが好ましい。又は、前記炭化水素系オイルのポリプロピレンフィルムに対する接触角が１７．９～２２．８°であることが好ましい。

本発明のフィルムコンデンサは、上記いずれかの金属化フィルムを用いていることを特徴としている。

本発明の金属化フィルムの製造方法は、炭化水素系オイルを蒸発させて付着させる工程を含むことを特徴としている。

１０％蒸発温度が２３７℃以上、９０％蒸発温度が３３７℃以下の炭化水素系オイルをマスキングオイルとして用いた場合、蒸着金属の劣化への影響や環境負荷が小さい。加えて、ムラやヌケの発生が抑制された金属化フィルムが得られる。

１０％蒸発温度が２３７℃以上、９０％蒸発温度が３３７℃以下の炭化水素系オイルをアフターオイルとして用いた場合、蒸着金属の吸湿を抑制することができる。

本発明の一実施形態に係るフィルムコンデンサの蒸着パターンを示す図である。 金属化フィルムの要部断面図である。 アフターオイルを塗布した金属化フィルムの要部断面図である。 耐湿負荷試験の結果を示すグラフである。

以下、本発明の一実施形態に係るフィルムコンデンサについて説明する。フィルムコンデンサは、図１及び図２に示す金属化フィルム１を用いている。金属化フィルム１は、誘電体フィルム２の表面に、蒸着部３と非蒸着部４とからなる蒸着パターンを備えている。蒸着部３とは、アルミニウムや亜鉛等の金属を蒸着させた部分を指す。非蒸着部４とは、金属が蒸着していない部分を指す。非蒸着部４は、例えば蒸着部を区画するためのマージン部である。マージン部によって区画された蒸着部３は例えば分割電極５となる。分割電極同士はヒューズ部６によって互いに接続されている。図１は金属化フィルム１の一部を切り出したものであって、実際にはフィルム送り方向に連続している。

誘電体フィルムは、合成樹脂フィルムである。例えばポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリフェニレンスルファイド、ポリフッ化ビニリデン、シクロオレフィンポリマーのいずれからなるフィルムである。特にポリプロピレンフィルムが好ましく、二軸延伸ポリプロピレンフィルムがより好ましい。また、表面にコロナ処理が施されていることが好ましい。フィルムの厚みは特に限られないが例えば２．５μｍである。

ところで、非蒸着部はオイルマスク工法によって形成されている。オイルマスク工法で用いるマスキングオイルは、少なくとも以下の条件１を満たす炭化水素系オイルである。また、マスキングオイルは、条件１、２の双方を満たす炭化水素系オイルであることがより好ましい。さらにマスキングオイルは、条件１、２の双方を満たす炭化水素系オイルのうち、パラフィンオイルであることがより一層好ましい。

［条件１］１０％蒸発温度が２３７℃以上、９０％蒸発温度が３３７℃以下

１０％蒸発温度が２３７℃より低いと、マスキングオイルが蒸発し易くなり、ムラが発生し易くなる。また、９０％蒸発温度が３３７℃より高いと、ヌケが発生し易くなる。

蒸発温度は、ＪＩＳ Ｋ０１２９（２００５）に基づいて熱重量測定法によって測定した数値である。具体的には、熱重量－示差熱同時測定装置（ＤＴＧ－６０Ｈ：株式会社 島津製作所製）のアルミ容器（蓋無し）に、試料であるマスキングオイルを入れた上で、室温から６００℃まで毎分１０℃の速度で温度を上昇させ、質量が１０％減じたときの温度と９０％減じたときの温度を測定した。

［条件２］誘電体フィルムに対する接触角が１７．９～２２．８°

「接触角」は、ポリプロピレンフィルムに対する接触角であることが好ましく、二軸延伸ポリプロピレンフィルムに対する接触角であることがより好ましく、二軸延伸ポリプロピレンフィルムのコロナ処理面に対する接触角であることがより一層好ましい。

接触角が１７．９°より小さいと、マスキングオイルが意図した範囲を超えて広がり易く、ムラが発生し易くなる。接触角が２２．８°より大きいと、マスキングオイルを誘電体フィルムへ付着させ難くなり、ヌケが発生し易くなる。

接触角は、ＪＩＳ Ｒ３２５７（１９９９）に基づいて静滴法によって測定した数値である。具体的には、気温２５℃、湿度５０％の下、マイクロシリンジで試料上に液を３±０．５μＬ滴下後静置し、１．５±０．１秒後に液滴を撮影する。液滴の半径ｒと高さｈを求め下式に代入して接触角θを求める。

上記金属化フィルムは、以下のようにして製造される。まず、例えばフレキソ印刷法によって誘電体フィルムの表面にマスキングオイルを付着させる。具体的には、非蒸着部と略同形状の凸部を有する凸版を用意し、その凸版にマスキングオイルを付着させる。例えば、まずオイルタンクに収容されているマスキングオイルをヒータ等の熱源を用いて加熱し、蒸発させる。次に、蒸発させたマスキングオイルをロールに塗布する（付着させる：蒸着工程）。そして、そのロールを凸版に押し当てる。その後、凸版を誘電体フィルムの表面に押し当て、マスキングオイルを転写する（付着させる）。この際、凸版の凸部に付着しているマスキングオイルは転写され、マスキングオイル層７が誘電体フィルム上に形成される（図２参照）。一方で、凸版の凹部に付着しているマスキングオイルは転写されない。そのため、転写されたマスキングオイル層７の形状は、凸版の凸部と略同形状となる。なお、マスキングオイルを付着させる方法としては、フレキソ印刷法の他、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、吹き付け（スプレー）法、ダイコート法等を採用してもよい。

次に、誘電体フィルムのマスキングオイルが転写されている面に金属を蒸着させる。例えば真空蒸着法によって蒸着する。具体的には、誘電体フィルムを真空蒸着機内に入れ、コロナ放電処理を施した面に、膜抵抗値が所定の値となるように金属を蒸着する。金属の加熱は例えば抵抗加熱方式である。マスキングオイルが付着していない部分には金属が蒸着して蒸着部が形成される。一方で、マスキングオイルが付着している部分には金属が蒸着せず非蒸着部が形成される。要は、凸版の凹部形状に応じた蒸着パターンが形成される。

上記構成の金属化フィルムを巻回し、軸方向両端部に例えば金属を溶射してなるメタリコン電極を形成することで本発明のフィルムコンデンサが製造される。なお、巻回に代えて積層してもよい。

次に、互いに異なるマスキングオイルを用いて製造した金属化フィルムを比較検査した結果について説明する。

［実施例１］
マスキングオイルとして、１０％蒸発温度が２３７℃、９０％蒸発温度が３１７℃、接触角が１７．９°の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

［実施例２］
マスキングオイルとして、１０％蒸発温度が２６５℃、９０％蒸発温度が３３７℃、接触角が２２．８°の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

［比較例１］
マスキングオイルとして、１０％蒸発温度が２１５℃、９０％蒸発温度が２９５℃、接触角が１４．３°の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

［比較例２］
マスキングオイルとして、１０％蒸発温度が２５３℃、９０％蒸発温度が３５８℃、接触角が２７．４°の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

各実施例、各比較例のいずれもマスキングオイルが異なる他は同じ条件で金属化フィルムを製造した。すなわち、誘電体フィルムとして長さ８０００ｍ、厚さ２．５μｍの二軸延伸ポリプロピレンフィルムを用い、表面をコロナ処理した上で、コロナ処理面にフレキソ印刷法によりマスキングオイルを付着させ、その後、アルミニウムを蒸着させて、所定の蒸着パターンを形成した。蒸着パターンは図１に示すように、格子状にマージン部（非蒸着部４）を設けており、隣接する分割電極５同士がヒューズ部６によって互いに接続されている。

検査項目のひとつとして、ムラ（本来、金属を蒸着すべき部分に金属が蒸着していない又は蒸着量が極端に少ない不具合）とヌケ（本来、金属を蒸着させない部分に金属が蒸着してしまう不具合）の発生の有無を確認した。なお、ムラに関しては、初動１５００ｍの位置においてマイクロスコープで２０倍に拡大し、目視にてムラの有無を確認した。ヌケに関しては、初動、中盤、終盤から抜き取り（各Ｎ＝３０）を行い、マイクロスコープで４０倍に拡大してヌケの有無を限界見本と見比べて確認した。

また、別の検査項目として、フィルム送り方向と直交する方向に延びるマージン部の幅寸法Ａ、フィルム送り方向と平行な方向に延びるマージン部の幅寸法Ｂ、フィルム送り方向と平行な方向に延びるマージン部間に設けられたヒューズ部の幅寸法Ｃを測定した。寸法精度に関しては、初動、中盤、終盤から抜き取り（各Ｎ＝３０）を行い、マイクロスコープで４０倍に拡大して寸法を測定し、各寸法の平均値及び標準偏差σが表１の基準値内であるか否かを確認した。なお、基準値とは、マスキングオイルとして、１０％蒸発温度が２３５℃以上、９０％蒸発温度が３３５℃、接触角が１７．９～２２．８°のフッ素オイルを使用した（他の条件は各実施例及び各比較例と同じ）場合に得られる寸法精度である。

平均値の単位はｍｍ

表２は検査結果を示す。表の通り、実施例１と実施例２では、ムラ、ヌケ、寸法精度の全てが基準と同等であることが分かる。一方、比較例１においてはムラが、比較例２においてはヌケと寸法精度が基準を下回っている。

〇：基準（フッ素オイル使用）と同等
×：基準を下回る

このように、炭化水素系オイルであっても、蒸発温度と誘電体フィルムへの接触角を特定することで、フッ素オイルを用いた場合と遜色のない結果が得られることが分かる。なお、フッ素オイルは、誘電体フィルムと冷却用ローラとの密着性を向上させるために金属蒸着時に照射される電子線によって分解されてフッ素イオンを生成し、蒸着金属の劣化を促進させるといった問題や、価格が高いといった問題がある。一方で、炭化水素系オイルであればそのような問題が生じ難く、安価で信頼性の高いフィルムコンデンサを製造することができる。

なお、出願人は、フッ素オイルをマスキングオイルとして用いたフィルムコンデンサと、実施例１や実施例２の金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサとで寿命（１０５℃の環境下で電圧６００ＶＤＣを印加したときの静電容量の減少率）が略変わらないことを別途、確認している。

次に、炭化水素系オイルをアフターオイルとして使用した金属化フィルムについて説明する。アフターオイルとは、金属化フィルムの蒸着面（蒸着部３が形成されている面）に塗布される油である。塗布されたアフターオイルは、蒸着金属（蒸着部３）上に保護膜８を形成する（図３参照）。保護膜８は、例えば、オイルタンクに充填されたアフターオイルをヒータ等の熱源で加熱、蒸発させて、その蒸発したアフターオイルを蒸着面に付着させることで形成される。すなわち、アフターオイルの塗布は、マスキングオイルの塗布と同じように蒸着によって行われる。ただし、アフターオイルは直接塗布されるのに対し、マスキングオイルはロールや凸版等の介在物を介して間接的に塗布される点で相違している。なお、図３では、マスキングオイル層７とアフターオイル層８との間に境界を描いているが、互いに混ざり合って境界があいまいになっていてもよい。

アフターオイルとして使用される炭化水素系オイルは、以下の条件１を満たしている。

［条件１］１０％蒸発温度が２３７℃以上、９０％蒸発温度が３３７℃以下

１０％蒸発温度が２３７℃より低いと、アフターオイルが蒸発し易くなり、保護膜が安定して形成されない。また、９０％蒸発温度が３３７℃より高いと、ヒータ等の熱源を用いてアフターオイルを蒸発温度まで加熱した際に、熱源に近い位置と離れた位置とで温度差が大きくなり易い。その結果、蒸発するオイル量が不安定となって、保護膜が安定して形成されない。

蒸発温度は、ＪＩＳ Ｋ０１２９（２００５）に基づいて熱重量測定法によって測定した数値である。具体的には、熱重量－示差熱同時測定装置（ＤＴＧ－６０Ｈ：株式会社 島津製作所製）のアルミ容器（蓋無し）に、試料であるマスキングオイルを入れた上で、室温から６００℃まで毎分１０℃の速度で温度を上昇させ、質量が１０％減じたときの温度と９０％減じたときの温度を測定した。

アフターオイルは、炭化水素系オイルのうち、パラフィンオイルであることが好ましい。また、上記のマスキングオイルと同一のものを使用してもよい。すなわち、条件１と条件２を満たす炭化水素系オイル（パラフィンオイル）をマスキングオイル及びアフターオイルとして用いてもよい。

アフターオイルを蒸着面に塗布する方法は、上記蒸発法の他、フレキソ印刷法、スクリーン印刷法、グラビア印刷法、オフセット印刷法、吹き付け（スプレー）法、ダイコート法等でもよい。

次に、互いに異なるアフターオイルを用いて製造した金属化フィルムを比較検査した結果について説明する。

［実施例１１］
アフターオイルとして、１０％蒸発温度が２３７℃、９０％蒸発温度が３１７℃の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

［実施例１２］
アフターオイルとして、１０％蒸発温度が２６５℃、９０％蒸発温度が３３７℃の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

［比較例１１］
アフターオイルとして、１０％蒸発温度が２１５℃、９０％蒸発温度が２９５℃の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

［比較例１２］
アフターオイルとして、１０％蒸発温度が２５３℃、９０％蒸発温度が３５８℃の炭化水素系オイル（パラフィンオイル）を使用した金属化フィルム。

各実施例、各比較例のいずれもアフターオイルが異なる他は同じ条件で金属化フィルムを製造した。すなわち、誘電体フィルムとして長さ８０００ｍ、厚さ２．５μｍの二軸延伸ポリプロピレンフィルムを用い、表面をコロナ処理した上で、コロナ処理面にフレキソ印刷法によりマスキングオイルを付着させ、その後、アルミニウムを蒸着させて、所定の蒸着パターンを形成した。蒸着パターンは図１に示すように、格子状にマージン部（非蒸着部４）を設けており、隣接する分割電極５同士がヒューズ部６によって互いに接続されている。アフターオイルは、オイルタンクに充填されたアフターオイルをヒータで加熱、蒸発させることで蒸着面全面に直接塗布した。

検査として、安定した保護膜が形成されたかを検査した。具体的には、まず、上記実施例１１、１２、比較例１１、１２の各金属化フィルムをそれぞれ巻回し、軸方向両端部に例えば金属を溶射してなるメタリコン電極を形成することで、静電容量１９３μＦのフィルムコンデンサを製造する。次に、各フィルムコンデンサを１１５℃の環境下に置いた上で、電圧６００ＶＤＣを２０００時間印加した。２０００時間経過後に、各フィルムコンデンサを巻きほどいて、各フィルムコンデンサから１０ｍの金属化フィルムをそれぞれ取り出し、それぞれの金属化フィルムのフィルム厚さ方向における蒸着部３の光透過量を測定した。光透過量は、発光器と受光器（株式会社 キーエンス社製 ファイバセンサ ＦＳ－Ｖ２１、ＦＵ－７７Ｖ）を用いて測定した。

表３は、測定された光透過量の最大値と最小値を示している。蒸着金属（蒸着部３）が水分によって劣化すると無色化し、光透過量が大きくなる。従って、光透過量の最大値と最小値との差が大きいほど、保護膜の形成にムラが生じていることを示すが、表３に示すように、実施例１１と実施例１２は、比較例１１や比較例１２と比較して、光透過量の最大値と最小値との差が小さく、保護膜が略一定の厚みで形成されている、換言すれば安定した保護膜が形成されていることが分かる。

炭化水素系オイルは、水蒸気透過性が極めて低い。そのため、安定した保護膜が形成されている場合、蒸着部３と水蒸気との接触を防ぎ、蒸着部３の劣化を抑制することができる。

図４は、耐湿負荷試験の結果を示したグラフである。試験方法は、フィルムコンデンサを８５℃、湿度８５％の環境下に置いた上で、電圧４５０ＶＤＣを印加し、所定時間経過後のコンデンサ容量の変化を調べる。なお、図中の「実施例１１」とは、実施例１１の金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサを示し、「比較例１３」とは、アフターオイルとして、１０％蒸発温度が１９３℃、９０％蒸発温度が２６４℃のシリコーンオイルを用いた他は実施例１１と同じ金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサを示し、「比較例１４」とは、アフターオイルを塗布していない他は実施例１１と同じ金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサを示している。

図に示すように、実施例１１の約３５００時間経過後のコンデンサ容量は０．７％程度の減少に留まっているのに対し、比較例１３では３．１％程度減少している。従って、シリコーンオイルをアフターオイルとして用いた場合に比べて高い耐湿性が得られていることが分かる。

１ 金属化フィルム
２ 誘電体フィルム
３ 蒸着部
４ 非蒸着部
５ 分割電極
６ ヒューズ部
７ マスキングオイル層
８ アフターオイル層（保護膜）
Ａ マージン部の幅寸法
Ｂ マージン部の幅寸法
Ｃ ヒューズ部の幅寸法

Claims (5)

1. １０％蒸発温度が２３７℃以上、９０％蒸発温度が３３７℃以下の炭化水素系オイルをマスキングオイル又はアフターオイルとして用いた金属化フィルム。
2. 前記炭化水素系オイルの誘電体フィルムに対する接触角が１７．９～２２．８°である、請求項１記載の金属化フィルム。
3. 前記炭化水素系オイルのポリプロピレンフィルムに対する接触角が１７．９～２２．８°である、請求項１記載の金属化フィルム。
4. 請求項１～３のいずれかの金属化フィルムを用いたフィルムコンデンサ。
5. 前記炭化水素系オイルを蒸発させて付着させる工程を含む、請求項１記載の金属化フィルムの製造方法。