薄膜电容器用电介质薄膜、使用该电介质薄膜的薄膜电容器、连结型电容器、逆变器及电动车辆

摘要

本公开的薄膜电容器用电介质薄膜包括：(A)热塑性树脂和(B)金属二酮配合物。

说明书

技术领域

本公开涉及薄膜电容器用电介质薄膜、使用该电介质薄膜的薄膜电容器、连结型电容器、逆变器及电动车辆。

背景技术

专利文献1中记载了传统技术的一个例子。

现有技术文献

专利文献

专利文献：日本特开2006-225484号公报

发明内容

本公开的薄膜电容器用电介质薄膜包括：(A)热塑性树脂和(B)金属二酮配合物。

本公开的薄膜电容器用薄膜电容器包括：主体部，由在上述薄膜电容器用电介质薄膜上具有金属膜的金属化薄膜卷绕或层叠而成；和，设于该主体部的外部电极。

本公开的连结型电容器通过母线连接有多个上述薄膜电容器。

本公开的逆变器包括：由开关元件构成的桥接电路，和，与该桥接电路连接的电容单元；所述电容单元为上述薄膜电容器或者连结型电容器。

本公开的电动车辆包括：电源，与该电源连接的逆变器，与该逆变器连接的电机，和，由该电机驱动的车轮；所述逆变器为上述逆变器。

附图说明

本公开的目的、特征以及优点将从下述的详细描述和附图中变得更加清楚。

图1为本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜的扫描型透射电子显微镜(STEM)照片。

图2A是示意性地表示在薄膜电容器用电介质薄膜表面具有金属膜的结构的截面图。

图2B是表示第一实施方式的薄膜电容器的外观立体图。

图3是示意性地表示薄膜电容器的第二实施方式的结构的展开立体图。

图4是示意性表示连结型电容器的一个实施方式的结构的立体图。

图5是用于说明逆变器的一个实施方式的结构的概略结构图。

图6是电动车辆的一个实施方式的概略结构图。

具体实施方式

作为本公开的薄膜电容器的基础结构的薄膜电容器，是将在例如由聚丙烯树脂形成的电介质薄膜的表面蒸镀了作为电极的金属膜的金属化薄膜，卷绕或在一个方向上层叠多张而层叠形成的。

由于电子设备的小型化和电容器容量的增加，电子元件的使用环境在高温化。对于这些电子部件，要求具有即使在高温环境下也能够长时间获得稳定的电气特性的耐热性。

作为谋求薄膜电容器小型化的手段，可以列举出：电介质薄膜的薄层化，电介质薄膜的层叠数、卷绕数的减少。为了使电介质薄膜薄层化，需要提高电介质薄膜的耐受电压。例如，专利文献1中，为了提高耐受电压，提出了在电介质薄膜应用在具有环氧基的有机树脂中分散有陶瓷粒子的复合电介质材料。

为了薄膜电容器的进一步小型化，作为薄膜电容器用电介质薄膜，期望与传统相比提高的耐电压性。

本公开的目的在于，提供耐电压性得到提高的薄膜电容器用电介质薄膜、使用该电介质薄膜的薄膜电容器、连结型电容器、逆变器及电动车辆。

本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜包括：(A)热塑性树脂和(B)金属二酮配合物。

金属二酮配合物是一个或多个二酮相对于中心金属配位而成的配合物。如果使用金属二酮配合物，则中心金属的金属元素以单分子水平分散在热塑性树脂中。另外，金属二酮配合物与热塑性树脂未因各种反应而产生键合等，在维持配合物的状态下或者至少以二酮以及金属元素的状态，分散在热塑性树脂中。用扫描型透射电子显微镜(STEM)观察薄膜电容器用电介质薄膜的截面时，如图1所示，金属元素以直径1nm以下可见的程度分散。通过NMR(核磁共振光谱法)确认金属二酮配合物与热塑性树脂未反应，例如不存在热塑性树脂与乙酰丙酮化物的酯键和醚键等。

一般地，树脂劣化，即作为薄膜电容器用电介质薄膜特性的耐电压性降低的原因之一是氧引起的分子内键合的切断。如上所述，本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜中，能够使金属元素以单分子水平分散在热塑性树脂中。由于氧与金属配合物反应而生成金属氧化物，因此，通过热塑性树脂中的金属元素来捕捉(捕获)氧，抑制热塑性树脂的特性劣化。特别地，由于金属元素以单分子水平作为金属二酮配合物分散在热塑性树脂中，因此，薄膜电容器用电介质薄膜的每单位体积的金属元素含量、即捕捉的氧量增大。由此，可以提高薄膜电容器用电介质薄膜的耐电压性。

(A)热塑性树脂

作为热塑性树脂，例如，可以使用选自聚碳酸酯树脂、聚酯树脂、聚芳酯树脂、环状烯烃树脂、聚苯醚树脂、聚苯硫醚树脂和聚醚酰亚胺树脂中的至少一种等。此外，也可以是这些多种树脂的共聚物。这些树脂的耐热性优异，通过使用这些树脂，可以获得耐热性优异的薄膜电容器用电介质薄膜。

关于上述的各树脂，例如，如果是聚碳酸酯树脂则可以列举出具有通式(1)的聚合物，如果是聚芳酯树脂则可以列举出具有通式(2)或(3)所示的重复单元的聚合物。

[化学式1]

通式(1)中，X表示选自脂肪族的二价基或环状脂肪族的二价基、通式(4)所示的二价基中的至少一种；通式(2)或(3)中，X表示选自通式(4)所示的二价基中的至少一种。通式(3)中，Y表示取代或未取代的亚芳基(arylene)。

通式(4)中，R1、R2各自独立地表示取代或未取代的烷基、芳基或卤素原子。A表示单键、具有1～12个碳原子的直链、支链或环状的亚烷基。

作为上述通式(1)、(2)、(3)中的X的具体例，可列举例如：通式(5a)～(5n)所示的二价基。

[化学式2]

作为(A)热塑性树脂，也可以使用环状烯烃系树脂。只要是环状烯烃系树脂，例如可以列举出通式(6)所示的降冰片烯系单体的聚合物等。降冰片烯系单体为环状烯烃单体的一种，环状烯烃单体为具有由碳原子形成的环状结构且在该环状结构中具有碳-碳双键的化合物。作为环状烯烃单体，除了降冰片烯系单体以外，还可以列举出单环环状烯烃等。降冰片烯系单体通过如反应式(7)～(10)分别所示的开环聚合、乙烯基共聚、乙烯基聚合或自由基聚合等，形成环状烯烃系有机树脂。

[化学式3]

式(6)～(10)中，R3、R4以及R5为任意官能团。另外，环状烯烃系树脂材料虽然通常为单一种类的降冰片烯系单体的聚合物，但也可以是多个不同种类的降冰片烯系单体的聚合物。

作为降冰片烯系单体的具体实例，可以列举降冰片烯类、双环戊二烯类、四环十二碳烯类等。它们有时也含有烷基、烯基、亚烷基、芳基等烃基，羧基、酸酐基等极性基团作为取代基，但是优选为非极性的、即仅由碳原子和氢原子构成的降冰片烯系单体。

非极性的降冰片烯系单体中，有非极性的双环戊二烯类、非极性的四环十二烯类、非极性的降冰片烯类、五环体以上的非极性的环状烯烃类等。

降冰片烯系单体除了降冰片烯环的双键以外，还可以具有其它双键。

作为这样的环状烯烃系的树脂材料，具体地，已市售有：作为降冰片烯系开环聚合物(以下也简称为开环聚合物)的JSR株式会社制的ARTON(注册商标)、日本ZEON株式会社制的ZEONEX(注册商标)、ZEONOR(注册商标)；作为降冰片烯系的乙烯基共聚物(以下也简称为乙烯基共聚物)的三井化学株式会社制的APEL(注册商标)、APO(注册商标)、宝理塑料株式会社制的TOPAS(注册商标)等。另外，也可以使用：具有降冰片烯环单体的开环聚合物的氢化物、具有降冰片烯环的单体与α-烯烃类的加成聚合物、环状烯烃的加成聚合物、环状烯烃的加成聚合物的氢化物、环状二烯的加成聚合物及环状二烯的加成聚合物的氢化物等。其中，从薄膜成型性、耐药品性等观点出发，特别优选为开环聚合物，即具有降冰片烯环的单体的开环聚合物。

(B)金属二酮配合物

金属二酮配合物是至少包含二酮的配体与中心金属进行了一个或多个配位的配合物。二酮在分子内具有两个酮基，通过这两个酮基产生与中心金属的配位键。

本实施方式的金属二酮配合物中，中心金属为选自例如Mo、V、Zn、Ti、Zr以及Al中的至少一种。如上所述，金属二酮配合物分散在热塑性树脂中，通过中心金属对氧的捕捉，提高了薄膜电容器用电介质薄膜的耐电压性。

本实施方式的金属二酮配合物中，二酮只要与上述中心金属配位即可，并不特别限定。金属二酮配合物的配体可以包含一个以上β-二酮。作为二酮，例如可以使用选自乙酰丙酮化物(乙酰丙酮)、二苯甲酰甲烷、乙酰乙酸乙酯和丙二酸二乙酯中的至少一种。

本实施方式的金属二酮配合物可以全部由相同的二酮配位，也可以由多种二酮配位。例如，中心金属为Zr时，则4个二酮配位形成金属二酮配合物。如果4个配体全部为乙酰丙酮化物，则金属二酮配合物为乙酰丙酮锆(式(11))。当多种二酮配位时，则一部分的乙酰丙酮化物可以被其他的二酮取代。例如，4个乙酰丙酮化物中一个可以被二苯甲酰甲烷取代。

[化学式4]

在本实施方式薄膜电容器用电介质薄膜中，金属二酮配合物的含量例如为0.5～10质量％。

本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜还可以进一步包含作为添加剂的(C)二酮、醇或羧酸中的至少任意一种。添加剂(C)可以提高热塑性树脂的氧化抑制效果。

(C)二酮、醇或羧酸

本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜，例如，通过将热塑性树脂和金属二酮配合物溶解于溶剂中，并使树脂溶液成膜而得到。在此，由于金属二酮配合物在热塑性树脂可溶的溶剂中表现出难溶性，因此金属二酮配合物的分散性有时会降低。通过添加二酮、醇或羧酸，可以使金属二酮配合物高度分散在热塑性树脂中。通过使金属二酮配合物高度分散在热塑性树脂中，提高了中心金属对氧的捕捉概率，提高了热塑性树脂的氧化抑制效果，进一步地提高了薄膜电容器用电介质薄膜的耐电压性。

(C-1)二酮

作为添加剂的二酮也可以与作为上述金属二酮配合物的配体的二酮分开地添加。作为添加剂的二酮，可以作为单独的化合物而存在于树脂溶液中以及薄膜电容器用电介质薄膜中。添加剂的一部分二酮，可以作为金属二酮配合物的一部分的配体而形成配合物。

作为添加剂的二酮，可以使用与作为上述配体的二酮相同的物质。二酮例如也可以使用β-二酮或酮乙酸酯。作为β-二酮，例如可以使用乙酰丙酮化物(乙酰丙酮)或者二苯甲酰甲烷中的至少任意一种。作为酮乙酸酯，例如可以使用乙酰乙酸乙酯或者丙二酸二乙酯中的至少任意一种。作为添加剂的二酮，可以使用与作为上述配体的二酮相同的化合物，也可以使用不同的化合物。例如，可以使用乙酰丙酮锆作为金属二酮配合物，并使用同一化合物的乙酰丙酮作为添加剂。另外，也可以使用乙酰丙酮锆作为金属二酮配合物，并使用不同的化合物二苯甲酰甲烷作为添加剂。使用不同的化合物的情况下，在树脂溶液中以及薄膜电容器用电介质薄膜中，添加剂二酮可以和金属二酮配合物的配体的一部分发生取代。

在本实施方式薄膜电容器用电介质薄膜中，二酮的含量例如为0.05～10质量％。

(C-2)醇

通过使用醇作为添加剂，金属二酮配合物可以高度分散在热塑性树脂中。醇在树脂溶液中和金属二酮配合物的配体的一部分发生取代。醇取代的金属二酮配合物，比未取代的配合物相对于溶剂的可溶性更高。

作为添加剂的醇，例如可以使用选自甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、己醇、2-乙基己醇以及辛醇、壬醇、癸醇中的至少一种。在本实施方式薄膜电容器用电介质薄膜中，醇的含量例如为0.05～10质量％。

(C-3)羧酸

作为添加剂的羧酸，例如可以使用选自乙酸、丙酸、丁酸、戊酸、月桂酸、十三烷基酸、棕榈酸、硬脂酸、油酸、马来酸、富马酸、琥珀酸、柠檬酸、富马酸、乳酸、酒石酸、安息香酸、邻苯二甲酸中的至少一种。在本实施方式薄膜电容器用电介质薄膜中，醇的含量例如为0.05～10质量％。

本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜，例如可以如下地获得。将热塑性树脂溶解于溶剂中，再添加金属二酮配合物，得到树脂溶液。根据需要，还可以添加添加剂。使用该树脂溶液，例如在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)制的基材上成膜薄膜电容器用电介质薄膜即可。作为成膜法，可以使用公知的方法，例如可以使用选自刮刀法、模具涂布法以及刮刀涂布法等的成形法。

本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜，例如厚度为0.1～10μm。另外，薄膜电容器用电介质薄膜的绝缘击穿电场强度例如在125℃为550～650V/μm，在25℃为650～750V/μm。

作为溶剂，例如，可以使用乙二醇单丙醚、甲基乙基酮、甲基异丁基酮、二甲苯、丙二醇单甲醚、丙二醇单甲醚乙酸酯、二甲基乙酰胺、环己烷、乙基环己烷、甲苯、氯仿、四氢呋喃或者含有选自这些的两种以上的混合物的有机溶剂。

树脂溶液中的热塑性树脂的浓度(树脂浓度)例如为1～25质量％。树脂溶液中金属二酮配合物的浓度例如为0.015～3质量％。二酮、醇或羧酸的浓度例如为0.005～3质量％。

图2A是示意性地表示在薄膜电容器用电介质薄膜的表面具有金属膜的结构的截面图，图2B是表示第一实施方式的薄膜电容器的外观立体图。图2B所示的第一实施方式的薄膜电容器A的基本结构为：由在薄膜电容器用电介质薄膜1的单面具有金属膜2的金属化薄膜3层叠而成的主体部4设置有外部电极5；并根据需要设置引线6。

在这种情况下，主体部4、外部电极5以及引线6的一部分根据需要，从绝缘性以及耐环境性的观点出发，可以被外装部件7覆盖。在图2B中，示出了去除了外装部件7的一部分的状态，且外装部件7被去除的部分以虚线表示。

本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜1不限于图2A以及图2B所示的层叠型，也可以适用于卷绕型薄膜电容器B。

图3是示意性地表示薄膜电容器的第二实施方式的结构的展开立体图。本实施方式的薄膜电容器B中，由卷绕的金属化薄膜3a、3b构成主体部4，并在主体部4的对向的端面设置有金属电极作为外部电极5a、5b。

金属化薄膜3a在薄膜电容器用电介质薄膜1a表面具有金属膜2a，金属化薄膜3b在薄膜电容器用电介质薄膜1b的表面具有金属膜2b。图3中，金属膜2a、2b被形成为：在薄膜电容器用电介质薄膜1a、1b的宽度方向的一端侧，不形成金属膜2a、2b而薄膜电容器用电介质薄膜1a、1b露出的部分(以下，有时称为金属膜非形成部8a、8b)在长度方向上连续残留。

金属化薄膜3a和3b，在薄膜电容器用电介质薄膜1a、1b的宽度方向上，以金属膜非形成部8a和8b位于彼此不同的端部的方式配置，以使与金属膜非形成部8a、8b不同的端部向宽度方向突出地以错开的状态被重叠。

也就是说，薄膜电容器B中，由薄膜电容器用电介质薄膜1a和金属膜2a构成的金属化薄膜3a、和由薄膜电容器用电介质薄膜1b和金属膜2b构成的金属化薄膜3b，如图3所示地重叠并卷绕。此外，图3中，为了易于观察薄膜电容器B的结构，将薄膜电容器用电介质薄膜1a、1b、金属膜2a、2b的厚度记载为从图3的深处朝向近前变厚，但实际上这些厚度是一定的。

图4是示意性表示连结型电容器的一个实施方式的结构的立体图。在图4中，为了易于理解结构，省略了壳体以及模具用的树脂地进行了记载。本实施方式的连结型电容器C构成为：多个薄膜电容器B通过一对母线21、23并联连接。母线21、23由端子部21a、23a和引出端子部21b、23b构成。端子部21a、23a为外部连接用，引出端子部21b、23b分别与薄膜电容器B的外部电极5a、5b连接。在连接型电容器C中，也可以使用薄膜电容器A来代替薄膜电容器B。

作为构成薄膜电容器A、B或连结型电容器C的薄膜电容器用电介质薄膜，若适用本实施方式的薄膜电容器用电介质薄膜1，则由于与使用聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等传统的薄膜电容器用电介质薄膜相比，能够使厚度更薄，因此，能够使薄膜电容器A、B以及连结型电容器C的尺寸小型化并且增加容量。

另外，作为薄膜电容器用电介质薄膜1的主要成分的热塑性树脂，在适用了聚芳酯、聚苯醚、环状烯烃、聚醚酰亚胺等树脂材料的情况下，由于薄膜电容器A、B以及连结型电容器C的耐热性提高，因此，即使在高温区域(例如，温度为80℃以上的环境)中使用，也可以获得电容和绝缘电阻的降低小的电容器产品。此外，连结型电容器C除了如图4所示的平面布置之外，即使是以薄膜电容器B的平坦表面彼此重叠的方式层叠的结构，也能够获得相同的效果。

图5是用于说明逆变器的一个实施方式的结构的概略结构图。图5示出了从整流后的直流电产生交流电的逆变器D的示例。本实施方式的逆变器D，如图5所示，包括桥接电路31和电容单元33。桥接电路31例如由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)之类的开关元件和二极管构成。电容单元33被配置于桥接电路31的输入端子之间，以使电压稳定化。逆变器D包括上述薄膜电容器A、B或连结型电容器C作为电容单元33。

此外，该逆变器D连接至用于对直流电源电压进行升压的升压电路35。桥接电路31与作为驱动源的电动发电机(电机M)连接。

如果将上述本实施方式的薄膜电容器A、B或连结型电容器C适用于逆变器D的电容单元33，则能够减小电容单元33在逆变器D中所占的体积，因此，能够得到具有更小型化且电容更大的电容单元33的逆变器D。此外，能够得到即使在高温区域调制波的波动也小的逆变器D。

图6是电动车辆的一个实施方式的概略结构图。图6中示出了作为电动车辆E的混合动力汽车(HEV)的示例。

电动车辆E包括：驱动用的电机41、发动机43、变速器45、逆变器47、电源(电池)49、前轮51a以及后轮51b。

该电动车辆E具有作为驱动源的电机41或发动机43或这两者。驱动源的输出经由变速器45被传递至左右一对前轮51a。电源49连接至逆变器47，逆变器47连接至电机41。

另外，图6所示的电动车辆E包括车辆ECU53和发动机ECU57。车辆ECU53对电动车辆E整体进行综合控制。发动机ECU57控制发动机43的转速，以驱动电动车辆E。电动车辆E还包括：由驾驶员等操作的点火钥匙55、未图示的加速踏板以及制动器等驾驶装置。与驾驶员等对驾驶装置的操作相应的驱动信号被输入到车辆ECU。该车辆ECU53基于该驱动信号，将指示信号输出至发动机ECU57、电源49和作为负载的逆变器47。发动机ECU57响应于指示信号，控制发动机43的转速以驱动电动车辆E。

将本实施方式的薄膜电容器A、B或者连结型电容器C用作电容单元33，并将小型化后的逆变器D搭载于如图6所示的电动车辆E时，与使用了由例如聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯形成的传统的薄膜电容器用电介质薄膜适用的薄膜电容器或者连结型电容器的大型逆变器相比，能够减轻车辆的重量。本实施方式中，能够这样地使车辆轻量化，从而可以提高燃料效率。另外，能够减小汽车控制装置在发动机室内所占的比例。通过减小控制装置所占的比例，可以在发动机室内内置用于提高耐冲击性的功能，可以进一步提高车辆的安全性。

另外，本实施方式的逆变器D不仅能够适用于上述的混合动力汽车(HEV)，还能够适用于电动汽车(EV)、电动自行车、发电机、太阳能电池等各种电力转换应用产品。

实施例

以下，根据实施例详细地说明本公开的薄膜电容器用电介质薄膜。

(实施例)使用聚芳酯作为热塑性树脂，使用乙酰丙酮锆作为金属二酮配合物，并使用乙酰丙酮作为添加剂。将聚芳酯溶解于甲苯中，再将乙酰丙酮锆和乙酰丙酮溶解，得到热塑性树脂浓度为12质量％、金属二酮配合物浓度为0.36质量％、二酮浓度为0.18质量％的树脂溶液。

使用涂布机将该树脂溶液涂布于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基材上，在125℃下干燥3小时去除溶剂，制作了实施例的薄膜电容器用电介质薄膜。通过改变涂布量，得到厚度为2.0μm的薄膜电容器用电介质薄膜(实施例1)和厚度为2.7μm的薄膜电容器用电介质薄膜(实施例2)。

(比较例)除了使用不含乙酰丙酮锆和乙酰丙酮的树脂溶液以外，与实施例1相同，得到比较例的薄膜电容器用电介质薄膜。

(特性评价)如下地测量薄膜电容器用电介质薄膜的绝缘击穿电场强度。从薄膜电容器用电介质薄膜上剥离PET薄膜，通过真空蒸镀法在薄膜电容器用电介质薄膜的两面形成平均厚度为75nm的Al的电极层，制作出金属化薄膜。对得到的金属化薄膜，测量绝缘击穿电场强度。绝缘击穿电场强度是在25℃或125℃的环境下，以每秒10V的升压速度向金属化薄膜的金属膜之间施加直流电压，根据漏电流值超过1.0mA的瞬间的电压值求出的。结果如表1所示。

[表1]

在25℃以及125℃的任一环境下，与比较例相比，实施例1、2都得到了更高的绝缘击穿电场强度。即使在150℃的环境下，与比较例相比，实施例1也得到了更高的绝缘击穿电场强度。

本公开可以是以下的实施方式。

本公开的薄膜电容器用电介质薄膜包括：(A)热塑性树脂和(B)金属二酮配合物。

本公开的薄膜电容器用薄膜电容器包括：主体部，由在上述薄膜电容器用电介质薄膜上具有金属膜的金属化薄膜卷绕或层叠而成；和，设于该主体部的外部电极。

本公开的连结型电容器通过母线连接有多个上述薄膜电容器。

本公开的逆变器包括：由开关元件构成的桥接电路，和，与该桥接电路连接的电容单元；所述电容单元为上述薄膜电容器或者连结型电容器。

本公开的电动车辆包括：电源，与该电源连接的逆变器，与该逆变器连接的电机，和，由该电机驱动的车轮；所述逆变器为上述逆变器。

根据本公开，能够提供耐电压性得到提高的薄膜电容器用电介质薄膜、使用该电介质薄膜的薄膜电容器、连结型电容器、逆变器及电动车辆。

尽管上文已经详细描述了本公开的实施方式，但是本公开不限于上述实施方式，并且可以在不脱离本公开主旨的范围内进行各种修改和改进等。不言而喻，分别构成上述各实施方式的全部或者一部分能够在不矛盾的范围内适当地进行组合。

附图标记说明

A、B 薄膜电容器

C 连结型电容器

D、47 逆变器

E 电动车辆

1、1a、1b 薄膜电容器用电介质薄膜

2、2a、2b 金属膜

3、3a、3b 金属化薄膜

4 主体部

5、5a、5b 外部电极

6 引线

7 外装部件

8a、8b 金属膜非形成部

21、23 母线

31 桥接电路

33 电容单元

35 升压电路

41 电机

43 发动机

45 变速器

47 逆变器

49 电源

51a 前轮

51b 后轮

53 车辆ECU

55 点火钥匙

57 发动机ECU