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ERFINDUNGSGEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Festelektrolytkondensator,
der eine Anodenfolie und eine Kathodenfolie aufweist, die zusammengerollt
sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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2 ist
eine Vorderansicht im Schnitt durch einen Festelektrolytkondensator 1 gemäß dem Stand
der Technik, und 3 ist eine perspektivische Ansicht
eines Kondensatorelementes 2 (siehe beispielsweise geprüfte japanische
Patentveröffentlichung
Nr. HEI4-19695(1992)).
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Der
Festelektrolytkondensator 1 hat ein Aluminiumgehäuse 3 mit
einer oberen Öffnung,
das Kondensatorelement 2, das im Gehäuse 3 enthalten ist,
und eine Gummidichtung 30, die die Öffnung des Gehäuses 3 abdichtet.
Der obere Kantenteil des Gehäuses 3 ist
gekrümmt,
um die Dichtung 30 zu befestigen, und an der Oberseite
des Gehäuses 3 ist
eine Kunststoffsitzplatte 31 befestigt. Leiterdrähte 21, 21 erstrecken
sich vom Kondensatorelement 2 durch die Dichtung 30 und
die Sitzplatte 31 und sind dann seitlich gebogen.
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Wie
in der 3 gezeigt, hat das Kondensatorelement 2 ein
Rollenelement 20, das eine Anodenfolie 4 aus einer
Aluminiumfolie, beschichtet mit einem dielektrischen Oxidfilm, und
einer Kathodenfolie 5 aus einer Aluminiumfolie aufweist,
die mit einem Sepa rator 6 aus isolierendem Material, wie
beispielsweise Papier, das zwischen diesen angeordnet und durch
ein Band 26 befestigt ist, zu einer Rolle zusammengerollt
sind. Das Rollenelement ist mit einem Festelektrolyt, wie z. B.
TCNQ-(7,7,8,8,-Tetracyanquinodimethan)-Komplexsalz, imprägniert oder
ist mit einer elektrisch leitfähigen
Polymerschicht versehen. Leiterfahnen 25, 25 erstrecken sich
jeweils von der Anodenfolie 4 und der Kathodenfolie 5,
und die Leiterdrähte 21, 21 erstrecken
sich jeweils von den Leiterfahnen 25, 25.
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Obwohl
ein Festelektrolytkondensator 1 mit einer derartigen Konstruktion
in breitem Umfang verwendet wird, besteht auf dem Markt die Nachfrage
nach einem Kondensator mit einer kleineren Baugröße und einer größeren Kapazität. Diesbezüglich ist
ein Kondensator vorgeschlagen worden, dessen Kathodenfolie 5 mit einem
Metallnitridfilm beschichtet ist, wie dies weiter unten beschrieben
wird (siehe beispielsweise die ungeprüfte japanische Patentveröffentlichung
Nr. 2000-114108).
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Es
wird das Prinzip der Erhöhung
der Kapazität
des Kondensators durch Beschichten der Kathodenfolie mit einem Metallnitridfilm
erläutert.
Im Allgemeinen hat nicht die Intention bestanden, den dielektrischen Oxidfilm
auf der Kathodenfolie 5 auszubilden, sondern dieser hat
sich durch natürliche
Oxidation gebildet. Daher ist die Kapazität C des Kondensators äquivalent
der Kapazität,
die erhalten wird, wenn die Kapazität Ca der Anodenfolie und die
Kapazität
Cc der Kathodenfolie 5 in Reihe geschaltet werden, und
ist durch die folgende Gleichung repräsentiert: C
= Ca×Cc/(Ca
+ Cc) = Ca×1/(Ca/Cc
+1)
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Das
heißt,
wenn die Kathodenfolie die Kapazität Cc hat, ist die Kapazität C des
Kondensators kleiner als die Kapazität Ca der Anodenfolie 4.
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Wo
auf der Kathodenfolie 5 durch Zerstäuben oder Dampfabscheidung,
wie in der 4 gezeigt, ein Film 50 aus
einem Metallnitrid, wie beispielsweise TiN, ausgebildet ist, dringen
die Moleküle
des Metallnitrids wahrscheinlich in den Oxidfilm 51, um
eine Aluminiumbasis der Kathodenfolie 5 zu kontaktieren.
Daher sind die Basis und das Metallnitrid elektrisch miteinander
verbunden, so dass die Kathodenfolie 5 keine Kapazität hat. Somit
kann die Kapazität
des Kondensators erhöht
werden, ohne dass die Baugröße des Kondensators größer wird.
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Anstatt
des Metallnitrids kann für
die Ausbildung des Films ein Nicht-Ventil-Metall verwendet werden. Ein
Ventilmetall bedeutet hierbei ein Metall, das natürlich mit
seinem Oxid beschichtet ist, und Beispiele hierfür sind Tantal und Niob zusätzlich zu
Aluminium.
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Der
vorstehend beschriebene Kondensator hat jedoch die folgenden Nachteile.
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Der
Kondensator dieser Bauart muss einen niedrigeren ESR (Äquivalent-Reihenwiderstand)
sowie auch eine höhere
Kapazität
haben. Insoweit sollte die Breite der Anodenfolie oder der Kathodenfolie 5,
gemessen in der Vertikalrichtung, vergrößert sein. Die Vertikalbreiten
der Anodenfolie 4 und der Kathodenfolie 5 können jedoch
auf kein größeres Maß als die
Breite des Separators 6 vergrößert werden. Die Verbreiterung
des Separators 6 ist kontraproduktiv zur Größenverminderung
des Kondensators.
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Wenn
die Anodenfolie 4 und die Kathodenfolie 5 jeweils
die gleiche vertikale Breite wie der Separator 6 oder eine
vertikale Breite etwas kleiner als die Breite des Separators 6 haben,
werden die Folien 4 und 5 infolge der Rollverschiebung
der Folien 4, 5 miteinander in Kontakt gebracht,
wodurch die Möglichkeit
einer Erhöhung
des Leckagestroms oder eines Defektes infolge eines Kurzschlusses
steigt. Daher haben die Folien 4, 5 jeweils eine
Breite, die um ungefähr
0,5 mm bis ungefähr
1 mm kleiner als die Breite des Separators 6 ist.
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Angesichts
der Tatsache, dass die Kathodenfolie 5, die mit dem Metallnitridfilm
beschichtet ist, keine Kapazität
hat, hat der Erfinder die Idee entwickelt, die Breite der Kathodenfolie 5,
die mit dem Metallnitridfilm beschichtet ist, zu vermindern, wodurch
verhindert wird, dass die Folien 4 und 5 einander
berühren.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kondensator
mit einer erhöhten
Kapazität,
einem verringerten ESR und einer kleineren Baugröße zu schaffen, wobei ein Defekt
infolge des Kontaktes zwischen den Folien 4 und 5 des
Kondensators unterbunden wird.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Ein
Festelektrolytkondensator 1 hat ein Kondensatorelement 2,
das eine Anodenfolie 4 und eine Kathodenfolie 5 aufweist,
die mit einem zwischen diesen angeordneten Separator zusammengerollt
sind, und eine Festelektrolytschicht oder eine elektrisch leitfähige Polymerschicht,
die in diesem vorgesehen ist. Die Kathodenfolie 5 ist mit
einem Film 50 aus einem Metallnitrid oder einem Nicht-Ventil-Metall
beschichtet. Die Kathodenfolie 5 hat eine kleinere Breite
als die Anodenfolie 4, und die Anodenfolie 4 hat
im Wesentlichen die gleiche Breite wie der Separator 6.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Kondensatorelementes;
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2 ist
eine Vorderansicht im Schnitt eines Festelektrolytkondensators gemäß dem Stand
der Technik;
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Kondensatorelementes gemäß dem Stand
der Technik; und
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4 ist
eine Ansicht im Schnitt zur Erläuterung,
wie in Metallnitridfilm in einen Oxidfilm eindringt, um eine Basis
zu erreichen.
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BESTE ART
DER AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden im Einzelnen unter
Bezugnahme auf die anhängenden
Zeichnungen beschrieben.
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Ein
Festelektrolytkondensator 1 hat im Wesentlichen die gleiche
Gesamtkonstruktion wie der in der 2 gezeigte
Kondensator gemäß dem Stand
der Technik. Wie in der 1 gezeigt, hat ein Kondensatorelement 2 ein
Rollenelement 20, bestehend aus einer Anodenfolie 4 aus
einer Aluminiumfolie mit einem elektrochemisch ausgebildeten Film
und einer Kathodenfolie 5 aus einer Aluminiumfolie, die
mit einem dazwischen angeordneten isolierenden Separator 5,
der durch ein Band 26 befestigt ist, zu einer Rolle zusammengerollt sind.
Das Rollenelement 20 ist mit einem Festelektrolyt, wie
beispielsweise einem TCNQ-Komplexsalz, imprägniert oder hat eine elektrisch
leitfähige
Polymerschicht darin ausgebildet. Vom Rollenelement 20 erstrecken sich
zwei Leiterdrähte 21, 21.
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Auf
der Kathodenfolie 5 ist ein Film aus einer dünnen Titanschicht
(Ti) und einer dünnen
Titannitridschicht ausgebildet. Daher hat die Kathodenfolie 5,
wie vorstehend beschrieben, keine Kapazität, und falls sie eine hat,
ist sie vernachlässigbar.
Daher beeinflusst die Breite der Kathodenfolie 5 niemals
die Kapazität
des Kondensators. Der Film kann, wie vorstehend beschrieben, aus
einem Nicht-Ventil-Metall zusammengesetzt sein.
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Die
Anodenfolie 4 hat im Wesentlichen die gleiche vertikale
Breite wie der Separator 6. Die Breite der Kathodenfolie 5 ist
größer als
50% und kleiner als 100% der Breite der Anodenfolie 4.
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Das
Kondensatorelement 2 wird auf die folgende Art und Weise
hergestellt. Da die Anodenfolie 4 durch Schneiden einer
Aluminiumfolie hergestellt wird, sind die Endflächen der Anodenfolie 4 ohne
die elektrischen Oxidfilme gebildet. Daher wird das Rollenelement 20 einem
elektrochemischen Vorgang unterzogen, um auf den Endflächen der
Anodenfolie 4 einen dielektrischen Oxidfilm auszubilden.
Danach wird das Rollenelement 20 bei 280°C thermisch
behandelt, um die charakteristischen Eigenschaften der dielektrischen
Oxidfilme zu stabilisieren.
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Danach
wird das Rollenelement 20 mit einem Lösungsgemisch imprägniert,
das n-Butylalkohol als Lösungsmittel,
3,4-Ethylendioxythiophen und Eisen(III)-p-Toluolsulfonat enthält, gefolgt
von thermischer Polymerisation. Somit wird zwischen den Folien 4 und 5 eine
elektrisch leitfähige
Polymerschicht ausgebildet, wodurch das Kondensatorelement 2 fertig
gestellt ist. Das Kondensatorelement 2 wird im Gehäuse 3 abgedichtet,
wodurch der Festelektrolytkondensator 1 fertig gestellt
ist.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
ist die elektrisch leitfähige
Polymerschicht aus einem elektrisch leitfähigen Polythiophenpolymer gebildet,
aber sie kann aus einem Polypyrrol- oder Polyanilin-Funktionalpolymer gebildet
sein. Anstatt der elektrisch leitfähigen Polymerschicht kann auch
eine Festelektrolytschicht, wie beispielsweise ein TCNQ-Komplexsalz ausgebildet
sein.
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Versuchsergebnisse
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Der
Erfinder hat drei Arten von Kondensatorelementen 2 (40
Kondensatorelemente 2 für
jede Bauart) hergestellt, deren Kathodenfolien 5 Breiten
hatten, die 90%, 80% bzw. 60% der Breite der Anodenfolie 4 hatten,
und er hat unter Verwendung dieser drei Bauarten von Kondensatorelementen
Festelektrolytkondensatoren 1 der Beispiele 1, 2 und 3
hergestellt. Die vertikalen Breiten der Anodenfolien 4 waren
im Wesentlichen die gleiche wie die Breite des Separators 6,
jedoch nicht größer als
die Breite des Separators 6.
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Ferner
hat der Erfinder zwei Bauarten von Kondensatorelementen (40 Kondensatorelemente 2 für jede Bauart)
hergestellt, deren Kathodenfolien 5 und Anodenfolien 4 Breiten
hatten, die 75% bzw. 100% der Breiten der Separatoren 6 hatten,
und er hat durch Verwendung dieser zwei Bauarten von Kondensatorelementen
Festelektrolytkondensatoren 1 der Beispiele 1 und 2 gemäß dem Stand
der Technik hergestellt. Die Kathodenfolien 5 der Kondensatorelemente 2 der
Beispiele 1 und 2 gemäß dem Stand
der Technik wurden ohne Metallnitridfilm ausgebildet. Die so hergestellten
Kondensatoren hatten jeweils eine Nennspannung von 4 V, und die
Gehäuse 3 der
Kondensatoren hatten jeweils einen Außendurchmesser von 8,0 mm und
eine Höhe
von 17,0 mm. Der Fehleranteil, der während des Rollvorganges beobachtet
wurde, und der Fehleranteil und der Leckagestrom-(LC)-Fehleranteil,
die nach der Herstellung der Kondensatoren der Beispiele 1, 2 und 3
und der Beispiele 1 und 2 gemäß dem Stand
der Technik beobachtet wurden, sind in der Tabelle 1 (in Einheiten
von %) gezeigt.
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Wie
aus der Tabelle 1 zu ersehen ist, haben der Kondensator gemäß dem Beispiel
2 gemäß dem Stand
der Technik, bei dem die Kathodenfolie 5 und die Anodenfolie 4 jeweils
die gleiche Breite wie der Separator 6 haben, sehr viel
höhere
Kurzschluss-Fehleranteile und Leckagestrom-Fehleranteile beim Rollvorgang und
Inspektionsvorgang, und daher sind sie für die Massenproduktion nicht
geeignet.
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Als
Nächstes
wurden die Kapazitäten
("Cap" in Einheiten von μF) und die
dielektrischen Verluste ("tanδ" in Einheit von %)
gemessen, indem eine Nenn-Wechselspannung von 120 Hz angelegt wurde,
und es wurden die Äquivalent-Reihenwiderstände ("ESR" in Einheiten von
mΩ) gemessen,
indem eine Nenn-Wechselspannung von 100 kHz angelegt wurde. Weiterhin
wurden Leckageströme
("LC" in Einheiten von μA) gemessen,
nachdem eine Nenn-Gleichspannung für 2 Minuten angelegt wurde.
Die Ergebnisse der Messung sind als Mittelwerte in der Tabelle 2
gezeigt.
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Wie
aus der Tabelle 2 zu ersehen ist, hat der Kondensator gemäß dem Beispiel
1 gemäß dem Stand der
Technik, bei dem die Anodenfolie 4 eine Breite hat, die
75% der Breite des Separators 6 beträgt, eine niedrigere Kapazität. Daher
muss die Anodenfolie 4 im Wesentlichen die gleiche Breite
wie der Separator 6 haben, um die Kapazität des Kondensators
zu erhöhen.
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Wie
aus den Tabellen 1 und 2 zu ersehen ist, steigt die Kapazität, wenn
die Breite der Kathodenfolie 5 größer als 50% und kleiner als
100% der Breite der Anodenfolie 4 ist und die Anodenfolie 4 im
Wesentlichen die gleiche Breite wie der Separator 6 hat,
und die Verringerung des ESR des Kondensators kann unter Aufrechterhaltung
der herkömmlichen
Niveaus der Herstellungsfehlerverhältnisse (Kurzschluss-Fehlerverhältnis und
Leckagestrom-Fehlerverhältnis)
erzielt werden.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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Da
die Kathodenfolie 5 mit dem Film aus einem Metallnitrid
oder einem Nicht-Ventil-Metall
ausgebildet ist, hat die Kathodenfolie 5 keine Kapazität oder,
falls sie eine hat, ist ihre Kapazität vernachlässigbar. Daher ist die Kapazität des Kondensators
durch die Kapazität
der Anodenfolie 4 bestimmt.
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Die
Anodenfolie 4 hat im Wesentlichen die gleiche Breite wie
der Separator 6, so dass die Anodenfolie einen kleineren
ESR und eine größere Kapazität hat. Da
die Kathodenfolie 5 eine kleinere Breite als die Anodenfolie 4 hat,
kann der unerwünschte
Kontakt zwischen den Folien 4 und 5 verhindert
werden. Daher kann eine Erhöhung
des Leckagestroms und eines Defektes infolge eines Kurzschlusses
verhindert werden.
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Zusammenfassung
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Festelektrolytkondensator
(1) mit einem Kondensatorelement (2), das eine
Anodenfolie (4) und eine Kathodenfolie (5) aufweist,
die mit einem dazwischen angeordneten Separator (6) aufgerollt
sind und mit einer Festelektrolytschicht oder einer darin vorgesehenen
elektrisch leitfähigen
Polymerschicht. Die Kathodenfolie (5) ist mit einem Film
(50) aus einem Metallnitrid oder einem Nicht-Ventil-Metall
beschichtet. Die Kathodenfolie (5) hat eine kleinere Breite
als die Anodenfolie (4), und die Anodenfolie (4)
hat im Wesentlichen die gleiche Breite wie der Separator (6).
