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Die
vorliegende Erfindung betrifft Festelektrolytkondensatoren, und,
genauer ausgedrückt,
hermetische Dichtungsstrukturen zum Gebrauch in Festelektrolytkondensatoren
mit einem Kondensatorelement, das mit einem Festelektrolyt imprägniert ist,
und einem Gehäuse,
in dem das Kondensatorelement aufgenommen ist und das hermetisch
abgedichtet ist.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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JP-B
Nr. 51489/1987, JP-B Nr. 51491/1987, JP-B Nr. 66373/1992, US-Patent
Nr. 4,580,855, etc. offenbaren Festelektrolytkondensatoren mit einem
Kondensatorelement, das ein Metallelement einschließt und mit
einem TCNQ-Komplexsalz als einem Elektrolyten imprägniert ist,
wobei das Metallelement als ein Ventil wirkt und mit einer chemischen
Konversionsschicht ausgebildet ist. "TCNQ" steht
für 7,7,8,8-Tetracyanquinodimethan.
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8 zeigt
einen Typ von Festelektrolytkondensator, der bereits bekannt ist
und ein röhrenförmiges Aluminiumgehäuse 9 mit
Boden aufweist, das ein Kondensatorelement 1 aufnimmt,
mit einem Epoxidharz 91 gefüllt ist und dessen Öffnung abgedichtet
ist.
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Wie
in 9 gezeigt ist, umfasst das Kondensatorelement 1 eine
Anodenfolie 11, die eine geätzte Aluminiumfolie ausgebildet
mit einer chemischen Konversionsschicht ist, und eine Kathodenfolie 12 gegenüberliegend
der Anodenfolie 11 und dieselbe überlagernd, mit einem zwischen
denselben eingefügten
Separator 13. Das Kondensatorele ment wird durch Aufwickeln
der Anordnung der Folien und des Separators zu einer Rolle und Imprägnieren
der Rolle mit einem Festelektrolyten wie zum Beispiel einem TCNQ-Komplexsalz
hergestellt.
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Ein
Paar Leitungsanschlüsse 14, 14 sind
mit der Anodenfolie 11 und der Kathodenfolie 12 verbunden und
weisen Zuleitungen 15, 15 auf, die sich von diesen
erstrecken.
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Der
beschriebene Festelektrolytkondensator wird hergestellt, indem zuerst
eine geeignete Menge von Pulver aus TCNQ-Salz in ein Gehäuse 9 eingefüllt wird,
das Gehäuse
bei 250 bis 350°C
erhitzt wird, um das Salz zu einer Flüssigkeit zu schmelzen, die
Rolle in das geschmolzene Salz zum Imprägnieren der Rolle mit dem Salz
eingetaucht wird und anschließend
die Rolle, wie sie in das Gehäuse
eingelegt wurde, schnell abgekühlt
wird, um das Salz zu verfestigen, und schließlich ein Epoxidharz 91 in
das Gehäuse 9 eingefüllt wird.
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Weitere
Aufmerksamkeit wurde auf Festelektrolytkondensatoren gerichtet,
die kompakt sind, eine große
Kapazität
aufweisen und klein hinsichtlich effektivem Reihenverlustwiderstand
(im Folgenden als "ESR" bezeichnet) sind
und in denen ein elektrisch leitfähiges Polymer, wie zum Beispiel
Polypyrrol, Polythiophen, Polyfuran oder Polyanilin, als ein Kathodenmaterial
verwendet wird.
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Wie
die in 9 gezeigte Struktur wird der Festelektrolytkondensator
dieses Typs hergestellt durch Aufwickeln einer Anordnung aus Anodenfolie 11,
die mit einer chemischen Konversionsschicht ausgebildet ist, Kathodenfolie 12 und
dazwischen eingefügtem
Separator 13 zu einer Rolle, Ausbilden einer elektrisch
leitfähigen
Polymerschicht in der Rolle zum Erhalten eines Kondensatorelements 1,
Aufnehmen des Kondensatorelements 1 in einem Gehäuse 9 und
Füllen
eines Epoxidharzes 91 in einen Öffnungsteil des Gehäuses zum Abdichten,
wie in 8 zu sehen ist.
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Die
beschriebenen Festelektrolytkondensatoren des Standes der Technik
bergen das Problem beeinträchtigter
Zuverlässigkeit,
das Variationen in der Kapazität
und Erhö hungen
im ESR aufgrund der Verschlechterung des abdichtenden Epoxidharzes
oder der Eindringung von Feuchtigkeit durch den Kontaktbereich zwischen
dem abdichtenden Epoxidharz und dem Gehäuse oder durch den Kontaktbereich
zwischen dem abdichtenden Epoxidharz und der Zuleitung beinhaltet.
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Der
Festelektrolytkondensator, bei dem das leitfähige Polymer als ein Kathodenmaterial
verwendet wird, birgt ein anderes Problem. Bevor der Epoxidharz
für Dichtungsaushärtungen
eingegossen wird, dringt eine Komponente des Harzes in das Kondensatorelement
ein, wodurch die elektrische Leitfähigkeit des Polymers gesenkt
wird, was zu erhöhtem
ESR führt,
oder die beim Eingießen
und Aushärten
des Epoxidharzes beteiligten Wärmebelastungen
verursachen Beschädigung
an der chemischen Konversionsschicht auf der Anodenfolie des Kondensatorelements,
wodurch der Leckstrom (im Folgenden als "LC" bezeichnet)
erhöht
wird.
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Ein
Festelektrolytkondensator gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 ist in EP-A-0 691 664 offenbart, bei dem die hermetische
Dichtstruktur aus einer Dichtschale aus Gummi und einem Klebstoff
besteht.
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Dementsprechend überwindet
die vorliegende Erfindung die vorhergehenden Probleme der Dichtstrukturen
der konventionellen Festelektrolytkondensatoren.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Festelektrolytkondensator gelöst, wie
er in Anspruch 1 beansprucht ist; die abhängigen Ansprüche beziehen
sich auf Weiterentwicklungen der Erfindung.
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Bei
dem Festelektrolytkondensator der Erfindung wird die hermetische
Dichtstruktur, die hervorragend hinsichtlich Wetterfestigkeit und
Luftdichtheit ist, zum Verschließen des Gehäuses verwendet, wodurch folglich die
Wahrscheinlichkeit des Eindringens von Feuchtigkeit in das Gehäuse ausgeschlossen
und zugelassen wird, dass der Kondensator seine Anfangsleistung über eine
verlängerte
Zeitdauer aufweist.
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In
dem Fall, wenn die Dichtplatte aus einem ferromagnetischen Material
in dem oben beschriebenen Aufbau besteht, wirkt die Dichtplatte 4 als
eine Spule zum Erzeugen eines Einflusses von Reaktanz durch die Spulenkomponente,
wobei dieser Nachteil durch Ausbilden der Dichtplatte aus einem
nichtmagnetischen Material vermieden werden kann.
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Beim
Zusammenbau des Festelektrolytkondensators mit der hermetischen
Dichtstruktur gemäß einer Alternative
von Anspruch 1, werden metallische Rohrstücke 6,6 zuerst
durch Löcher 36, 36 in
einem Gehäuse 33 eingeführt, und
ein isolierendes Dichtungsmaterial, z. B. ein geschmolzenes Glas,
wird in Lücken
in den Löchern 36, 36 um
die Rohrstücke 6, 6 herum
zum Bilden von Dichtungen 51 eingefüllt, wodurch die Lücken mit
hoher Luftdichtheit geschlossen werden, und die Rohrstücke 6, 6 von
dem Gehäuse 33 isoliert
werden können.
Als nächstes
wird ein Paar Zuleitungen 15, 15, die sich von
einem Kondensatorelement 1 erstrecken, durch die jeweiligen
Mittenbohrungen 61, 61 der Rohrstücke 6, 6 eingeführt, das
Kondensatorelement 1 wird in das Gehäuse 33 gesetzt, die Öffnung des
Gehäuses 33 wird
mit einer Dichtplatte 45 bedeckt, und der äußere Umfangskantenteil 46 der
Dichtplatte 45 wird mit dem Kantenteil 35 des
seine Öffnung
begrenzenden Gehäuses 33 zum
Beispiel durch Widerstandsschweißen verbunden. Schließlich wird
ein Lötmaterial 53,
z. B. geschmolzenes Lötmittel,
in Lücken
in den Mittenbohrungen 61, 61 der Rohrstücke 6, 6 um
die Zuleitungen 15, 15 herum eingefüllt, wodurch
die Lücken
mit hoher Luftdichtheit verschlossen werden.
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Folglich
wird das Gehäuse 33 mit
hoher Luftdichtheit abgedichtet.
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Bei
der oben beschriebenen Struktur ist die Verbindung zwischen der
Dichtplatte 45 und dem Gehäuse 33 am Öffnungsende
des Gehäuses 33 positioniert,
während
die Isolierdichtungen 51 in das geschlossene Ende des Gehäuses 33 eingefüllt werden.
Folglich übt
die zum Verbinden der Dichtplatte 45 mit dem Gehäuse 33 erzeugte
Wärme geringen
oder keinen Einfluss auf die Isolierdichtungen 51 und die
Umgebung derselben aus. Dies beseitigt die Wahrscheinlichkeit, dass
die Dichtungseigenschaften der Dichtungen 51 durch den
Einfluss der Wärme
beeinträchtigt
werden.
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Wenn
das Rohrstück 6 aus
einem ferromagnetischen Metall in dem oben beschriebenen Aufbau
besteht, wirkt das Rohrstück 6 als
eine Spule zum Erzeugen eines Einflusses von Reaktanz durch die
Spulenkomponente, während
dieser Nachteil durch Ausbilden des Rohrstücks aus einem nichtmagnetischen
Material vermieden werden kann.
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Die
in den Festelektrolytkondensatoren der vorliegenden Erfindung verwendete
hermetische Dichtstruktur beseitigt die Wahrscheinlichkeit, dass
Feuchtigkeit das Kondensatorelement beeinträchtigt, wodurch hohe Zuverlässigkeit
des Kondensators über
eine verlängerte
Zeitspanne sichergestellt wird.
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1 ist
eine Schnittansicht eines Festelektrolytkondensators als ein Beispiel,
das zum Verstehen der Erfindung geeignet ist;
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2 ist
eine Schnittansicht, die einen Prozess zum Zusammenbauen des Kondensators
zeigt;
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3 ist
eine Schnittansicht eines Festelektrolytkondensators als eine erste
Ausführungsform;
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4 ist
eine Schnittansicht eines Prozesses zum Zusammenbauen des Kondensators;
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5 ist
eine Schnittansicht eines anderen Festelektrolytkondensators als
eine dritte Ausführungsform.
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6 ist
eine Schnittansicht eines anderen Festelektrolytkondensators als
eine fünfte
Ausführungsform;
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7 ist
eine Schnittansicht eines Prozesses zum Zusammenbauen des Kondensators;
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8 ist
eine Schnittansicht eines konventionellen Festelektrolytkondensators;
und
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9 ist
eine perspektivische Ansicht, die den Aufbau eines Kondensatorelements
zeigt.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen
der Erfindung sollen im Folgenden detailliert unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen beschrieben werden.
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Erstes
Beispiel einer Kondensatorstruktur, die zum Verstehen der Erfindung
nützlich
ist.
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Der
Festelektrolytkondensator gemäß diesem
Beispiel umfasst ein Kondensatorelement 1, das, wie in 9 gezeigt,
hergestellt wird, indem eine Kathodenfolie 12 auf einer
Anodenfolie 11 überlagert
wird, die mit einer chemischen Konversionsschicht ausgebildet ist,
mit einem zwischen den Folien eingefügten Separator 13,
die resultierende Anordnung zu einer Rolle aufgewickelt wird, und
die Rolle mit einem Festelektrolyten imprägniert wird, der ein TCNQ-Komplexsalz
wie zum Beispiel N-n-Butylisoquinolinium TCNQ2 aufweist.
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Das
Kondensatorelement 1 wird in einem hohlen zylindrischen
Stahlgehäuse 3 aufgenommen,
das einen Boden aufweist und mit Nickel plattiert ist, wie in den 1 und 2 zu
sehen ist. Das Gehäuse 3 wird mit
einer ersten hermetischen Dichtstruktur verschlossen, die die Erfindung
verkörpert.
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Genauer
ausgedrückt,
weist das Gehäuse 3 eine Öffnung auf,
die mit einer scheibenartigen Dichtplatte 4 verschlossen
wird, welche aus Nickellegierung besteht und ein Paar Durchgangslöcher 41, 41 aufweist.
Andererseits weist ein Paar Zuleitungen 15, 15,
die sich von dem Kondensatorelement 1 erstrecken, jeweilige äußere Endflächen 16, 16 auf,
die mit den jeweiligen unteren Endflächen 21, 21 eines
Paar von Leitstiften 2, 2 durch Widerstandsschweißen verbunden
werden. Die Leitstifte 2, 2 werden durch die Löcher 41, 41 der Dichtplatte 4 eingeführt, ohne
die Innenumfange der die Löcher
begrenzenden Platte 4 zu kontaktieren. Eine Isolierdichtung 5 aus
Glas wird in eine Lücke
in jedes der Löcher 41, 41 der
Dichtungsplatte 4 um den Leitstift 2 herum eingefüllt, um
elektrische Isolierung zu bewirken und die Lücke zu versiegeln. Der die Öffnung begrenzende
Kantenteil 31 des Gehäuses 3 wird
mit dem äußeren Umfangskantenteil 42 der
Dichtplatte 4 durch Widerstandsschweißen verbunden.
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Das
Kondensatorelement 1 wird hergestellt, indem zuerst eine
geeignete Menge Pulver eines TCNQ-Komplexsalzes in einen Aluminiumbehälter (nicht
gezeigt) eingefüllt wird,
das Pulver bei 250 bis 350°C erhitzt
wird, um das Salz zu einer Flüssigkeit
zu schmelzen, die oben genannten Rolle in das geschmolzene Satz
eingetaucht wird, und danach die Rolle abgekühlt wird, wenn sie aus dem
Behälter
herausgezogen wird, um das die Rolle imprägnierende TCNQ-Salz zu verfestigen.
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Beim
Zusammenbau des Festelektrolytkondensators des Beispiels, werden
Leitstifte 2, 2 durch Löcher 41, 41 einer
Dichtplatte 4 eingeführt,
und ein geschmolzenes Glas mit einem niedrigen Schmelzpunkt wie zum
Beispiel PbO-B203- oder ZnO-B203-Glas wird in Lücken in den Löchern 41, 41 um
die Leitstifte 2, 2 zum Bilden von Isolierdichtungen 5, 5,
gegossen, wie in 2 gezeigt ist.
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Anschließend werden
die Zuleitungen 15, 15 des Kondensatorelements 1 auf
eine kurze Länge
geschnitten, und die unteren Endflächen 21, 21 der
Leitstifte 2, 2 werden an die jeweiligen äußeren Schneidendflächen 16, 16 durch
Widerstandsschweißen
geschweißt.
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Das
Kondensatorelement 1 mit der damit verbundenen Dichtplatte 4 wird
dann in ein Gehäuse 3 gelegt und
der äußere Umfangskantenteil 42 der
Dichtplatte 4 wird mit dem die Öffnung begrenzenden Kantenteil 31 des
Gehäuses 3 durch
Widerstandsschweißen
verbunden.
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Es
kann auf ein Verbindungsverfahren wie zum Beispiel Laserschweißen oder
Hartlötung
anstelle von Widerstandsschweißen
zurückgegriffen
werden.
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Erste Ausführungsfonm
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Wie
in den 3 und 4 gezeigt ist, weist der Festelektrolytkondensator
dieser Ausführungsform ein
Kondensatorelement 1 mit dem gleichen Aufbau wie in dem
Beispiel auf, und wird in einem hohlen zylindrischen Stahlgehäuse 3 aufgenommen,
das einen Boden aufweist und mit Nickel plattiert ist, und mit einer
ersten hermetischen Dichtstruktur verschlossen, die die Erfindung
verkörpert.
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Genauer
ausgedrückt,
weist das Gehäuse 3 eine Öffnung auf,
die mit einer scheibenartigen Dichtplatte 4 verschlossen
wird, welche aus einer Nickellegierung besteht und ein Paar von
Durchgangslöcher 43, 43 aufweist.
Ein Paar Nickel-Eisen-Rohrstücke 6, 6 jeweils
mit einer Mittenbohrung 61 wird durch die jeweiligen Löcher 43, 43 der
Dichtplatte 4 eingeführt,
ohne die inneren Umfänge
der die Bohrungen begrenzenden Platte 4 zu berühren. Isolierglasdichtungen 51, 51 werden
in Lücken
in den Löchern 43, 43 der
Dichtplatte 4 um die Rohrstücke 6, 6 eingefüllt, um
elektrische Isolierung zu bewirken und die Lücken abzudichten.
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Ein
Paar Zuleitungen 15, 15, die sich von dem Kondensatorelement 1 erstrecken,
verlaufen durch die jeweiligen Mittenbohrungen 61, 61 der
Rohrstücke 6, 6,
ohne die inneren Umfänge
der die Bohrungen begrenzenden Rohrstücke zu berühren. Lötmittel oder ähnliches
Lötmaterial 53 wird
in die Lücken
in den Rohrstücken 6, 6 um
die Zuleitungen 15, 15 herum eingefüllt, um
die Lücken
abzudichten. Der Kantenteil 31 des seine Öffnung begrenzenden
Gehäuses 3 wird
mit dem äußeren Umfangskantenteil
der Dichtplatte 4 durch Widerstandsschweißen verbunden.
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Das
Kondensatorelement 1 wird durch den gleichen Prozess wie
in dem Beispiel hergestellt. Beim Zusammenbauen des Festelektrolytkondensators
der vorliegenden Ausführungsform
werden Rohrstücke 6, 6 durch
Bohrungen 43, 43 einer Dichtplatte 4 eingeführt, und
ein geschmolzenes Glas wird in Lücken
in den Löchern 43, 43 um
die Rohrstücke 6, 6 gegossen,
um Isolierdichtungen 51, 51 zu bilden und die
Lücken
abzudichten.
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Als
nächstes
wird ein Paar von Zuleitungen 15, 15, die sich
von dem Kondensatorelement 1 erstrecken, durch jeweilige
Mittenbohrungen 61, 61 der Rohrstücke 6, 6 eingeführt, das
Kondensatorelement 1 wird in ein Gehäuse 3 gelegt, die
Dichtplatte 4 wird danach über eine Öffnung des Gehäuses 3 gelegt
und der äußere Umfangskantenteil 42 der
Dichtplatte 4 wird mit dem die Öffnung begrenzenden Kantenteil 31 des
Gehäuses 3 durch
Widerstandsschweißen
verbunden, wodurch das Gehäuse 3 mit
hoher Luftdichtheit abgedichtet wird.
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Schließlich wird
als Lötmaterial 53 dienendes
geschmolzenes Lötmittel
in Lücken
in den Mittenbohrungen 61, 61 der Rohrstücke 6, 6 um
die Zuleitungen 15, 15 gegossen. Das Lötmaterial 53 liefert
den benötigten Dichtungseffekt,
selbst wenn nur der Einlassteil jeder Lücke gefüllt wird.
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Der
Festelektrolytkondensator der ersten Ausführungsform, bei dem, anders
als im Stand der Technik, kein Epoxidharz für die Dichtelemente verwendet
wird, birgt keine der konventionellen Probleme wie zum Beispiel
die Eindringung von Feuchtigkeit aufgrund der Verschlechterung des
Epoxidharzes oder die Eindringung von Feuchtigkeit durch den Kontaktbereich
zwischen dem Epoxidharz und dem Gehäuse oder durch den Kontaktbereich
zwischen dem Epoxidharz und der Zuleitung. Der Festelektrolyt, der
das Kondensatorelement innerhalb des Gehäuses imprägniert, steht nicht in Kontakt
mit jeglichem Epoxidharz und bleibt deshalb nicht verschlechtert,
selbst wenn der Kondensator in einer erschwerenden Umgebung verwendet
wird, wodurch die Zuverlässigkeit
des Kondensators sichergestellt wird.
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Der
in
8 (konventionelles Beispiel) gezeigte konventionelle
Festelektrolytkondensator, der Festelektrolytkondensator gemäß dem Beispiel
von
1, bei dem gewöhnliche
Luft in dem Gehäuse
eingeschlossen ist (Erfindungsbeispiel 1A), der Festelektrolytkondensator
gemäß der ersten
Ausführungsform
von
3, bei dem gewöhnliche
Luft im Gehäuse
eingeschlossen ist (Erfindungsbeispiel 2A), der Festelektrolytkondensator
gemäß dem Beispiel,
bei dem Stickstoffgas in dem Gehäuse
eingeschlossen ist (Erfindungsbeispiel 1B) und der Festelektrolytkondensator
gemäß der ersten
Ausführungsform,
bei dem Stickstoffgas in dem Gehäuse eingeschlossen
ist (Erfindungsbeispiel 2B) wurden zwei Arten von Zuverlässigkeitsprüfungen unterzogen,
d. h. einer Hochtemperatur-Belastungsprüfung durch kontinuierliches
Anlegen der Nennspannung an den Kondensator 1000 Stunden lang in
einer Umgebung von 125°C
und gewöhnlicher
Feuchtigkeit, und einer Hochtemperatur-Hochfeuchtigkeits-Prüfung, indem
man den Kondensator in einer Umgebung von 85°C und relativer Feuchtigkeit
(RH) 85% 1000 Stunden lang ohne Anlegung von Spannung stehen ließ. Die Konden satoren wurden
bezüglich
elektrischer Charakteristiken vor und nach der Prüfung untersucht.
Tabellen 1 und 2 zeigen die Ergebnisse. Tabelle
1 Hochtemperatur-Belastungsprüfung
Tabelle
2 Hochtemperatur-Hochfeuchtigkeits-Prüfung
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Das
Kondensatorelement, das in einem jeglichen der in den Tabellen 1
und 2 aufgelisteten Erfindungsbeispiele und des konventionellen
Beispiels verwendet wurde, wies Nennleistungen von 16 V und 33 μF auf. Die
fertiggestellten Kondensatoren hatten Außenabmessungen von 6,3 mm im
Außendurchmesser
und eine Länge
L von 8 mm im Fall der Erfindungsbeispiele und 6,3 mm im Außendurchmesser
und eine Länge
L von 7 mm im Fall des konventionellen Beispiels. In den Tabellen
1 und 2 wird durch C die Kapazität
bei 120 Hz, durch tanδ die
Tangente des Verlustwinkels bei 120 Hz, durch ESR der effektive
Reihenverlustwiderstand bei 100 kHz, und durch ΔC/C das Verhältnis der Variation von Kapazität, die aus
der Prüfung
resultiert, zu der Kapazität
vor der Prüfung
dargestellt. Jeder der Werte der Charakteristiken stellt den Durchschnitt
für zehn
Proben dar.
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Die
Tabellen 1 und 2 enthüllen,
dass die Erfindungsbeispiele 1A, 2A, 1B und 2B alle hinsichtlich
der aus der Zuverlässigkeitsprüfung resultierenden
Variation von Kapazität
und Erhöhung
des ESR kleiner als das konventionelle Beispiel sind, wobei auch
angezeigt wird, dass Beispiele 1B und 2B, bei denen Stickstoffgas
in das Gehäuse
eingeschlossen wurde, besonders viel kleiner hinsichtlich der Kapazitätsvariation
waren.
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Die
unterdrückte
Verschlechterung des Festelektrolyten scheint auf die Auswirkung
des in dem Gehäuse
eingeschlossenen Stickstoffgases zurückzuführen zu sein, aufgrund der
Entfernung von in der Luft enthaltenem Sauerstoff Ein vergleichbarer
Effekt wird erhalten, wenn ein anderes Inertgas wie zum Beispiel
Argongas oder ein Vakuum in dem Gehäuse anstelle von Stickstoffgas
eingeschlossen wird.
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Das
Gehäuse,
während
der das Kondensatorelement imprägnierende
Festelektrolyt innerhalb des Gehäuses
nicht verschlechtert wird, außer
wenn der Kondensator in einer Umgebung äußerst hoher Feuchtigkeit verwendet
wird, da der Festelektrolyt, anders als die konventionelle Struktur,
nicht in Kontakt mit jeglichem Epoxidharz steht, und ferner, da
ein Inertgas in dem Gehäuse
eingeschlossen ist.
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Obwohl
JP-A Nr. 148385/1996 einen Festelektrolytkondensator offenbart,
bei dem eine hermetische Dichtstruktur mit einem Gummidichtelement
verwendet wird, ist nichts über
ein Gehäuse
mit einer darin eingeschlossenen Inertgasatmosphäre oder Vakuum offenbart.
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Zweites Beispiel
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Das
Kondensatorelement zum Gebrauch in dem Festelektrolytkondensator
dieser Ausführungsform entspricht
dem gleichen Kondensatorelement 1, wie es in der ersten
Ausführungsform
verwendet wird, wobei der Festelektrolyt durch eine elektrisch leitfähige Polymerschicht
ersetzt wird, die zum Beispiel durch die oxidative Polymerisation
von 3,4-Ethylendioxythiophen hergestellt und zu einer Rolle geformt
wird.
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Wie
in dem ersten Beispiel wird das Kondensatorelement in einem einen
Boden aufweisenden zylindrischen Stahlgehäuse aufgenommen, das mit Nickel
plattiert ist und mit der ersten, vorhergehend beschriebenen hermischen
Dichtstruktur (siehe 1 und 2) abgedichtet
wird.
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Als
eine Anodenfolie beim Herstellen des Kondensatorelements wird eine
Aluminiumfolie mit rauer Oberfläche
durch Ätzen
hergestellt und einer chemischen Konversionsbehandlung zum Bilden
einer dielektrischen Beschichtung unterzogen. Die Anodenfolie, eine
derselben gegenüberliegende
Kathodenfolie und ein zwischen denselben eingefügtes Separatorpapier werden
zu einer Rolle aufgewickelt. Andererseits werden geeignete Mengen
von 3,4-Ethylendioxythiophen-Monomer und Eisen(III)-p-Toluolsulfonat,
das als ein Oxidationsmittel dient, zusammengemischt, um eine Flüssigkeit
für Polymerisation
zuzubereiten. Die Rolle wird in die Flüssigkeit eingetaucht und anschließend bei
einer etwas höheren
Temperatur als 100°C
erhitzt, wodurch eine Schicht aus 3,4-Ethylendioxythiophen-Polymer
zwischen den beiden Elektroden der Rolle gebildet wird, um ein Kondensatorelement
zu erhalten.
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Der
dieses Kondensatorelement aufweisende Festelektrolytkondensator
ist hinsichtlich der hermetischen Dichtstruktur und des Zusammenbauprozesses
genau der gleiche wie das erste Beispiel, und soll deshalb nicht
weiter beschrieben werden.
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Zweite Ausführungsform
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Der
Festelektrolytkondensator dieser Ausführungsform umfasst das gleiche
Kondensatorelement, wie es in der vierten Ausführungsform verwendet wird,
d. h. ein Kondensatorelement, bei dem der Festelektrolyt eine elektrische
leitfähige
Polymerschicht ist, und ein einen Boden aufweisendes zylindrisches
Stahlgehäuse, das
mit Nickel plattiert ist, das Kondensatorelement aufnimmt und mit
der zweiten, vorhergehend beschriebenen hermetischen Dichtstruktur
(siehe 3 und) abgedichtet wird.
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Der
Festelektrolytkondensator ist hinsichtlich der hermetischen Dichtstruktur
und dem Zusammenbauprozess genau der gleiche wie die zweite Ausführungsform
und soll deshalb nicht weiter beschrieben werden.
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Drittes Beispiel
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Der
Festelektrolytkondensator dieses Beispiels umfasst das gleiche Kondensatorelement,
wie es in dem zweiten Beispiel verwendet wird, und ein einen Boden
aufweisendes zylindrisches Aluminiumgehäuse, das das Kondensatorelement
aufnimmt und ein Butylgummi-Dichtelement aufweist, welches in die Öffnung des
Gehäuses
passt.
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Das
Epoxidharz, wenn es wie im Stand der Technik zum Abdichten verwendet
wird, wird mit dem leitfähigen
Polymer in Kontakt kommen, um die elektrische Leitfähigkeit
des Polymers zu beeinträchtigen,
oder es ist wahrscheinlich, dass es die chemische Konversionsbeschichtung
aufgrund von Wärmebelastungen
beschädigt,
die aufgebaut werden, wenn das Harz eingegossen wird und aushärtet, wohingegen
die in den oben genannten Festelektrolytkondensatoren verwendeten
hermetischen Dichtstrukturen nicht dieses Probleme aufweisen.
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Tabelle
3 zeigt die elektrischen Charakteristiken des konventionellen Festelektrolytkondensators
(konventionelles Beispiel), der mit dem Epoxidharz abgedichtet und
in 8 gezeigt ist, und die Festelektrolytkondensatoren
des zweiten Beispiels, der zweiten Ausführungsform und des dritten
Beispiels. (Erfindungsbeispiele 1C bis 3C).
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In
einem jeglichen der in Tabelle 3 aufgelisteten Erfindungsbeispiele
und des konventionellen Beispiels wies das verwendete Kondensatorelement
Nennleistungen von 4 V und 47 μF
auf, und das verwendete leitfähige
Polymer war das Oxidatonspolymer von 3,4-Ethylendioxythiophen. Die
fertiggestellten Kondensatoren wiesen Außenabmessungen von 6,3 mm im
Außendurchmesser
und eine Länge
L von 8 mm im Fall der Erfindungsbeispiele 1C und 2C, 6,3 mm im
Außendurchmesser
und eine Länge
L von 6,5 mm im Fall des Erfindungsbeispiels 3C, und 6,3 mm im Außendurchmesser
und eine Länge
von 7 mm im Fall des konventionellen Beispiels auf.
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In
Tabelle 3 ist durch C die Kapazität bei 120 Hz, durch tanδ die Tangente
des Verlustwinkels bei 120 Hz, durch ESR der relative Reihenverlustwiderstand
bei 100 kHz, und durch LC der Leckstrom wie gemessen 30 Sekunden
nach der Anlegung der Nennspannung dargestellt. Jeder der Werte
der Charakteristiken stellt den Durchschnitt für zehn Proben dar.
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Tabelle
3 enthüllt,
dass die Erfindungsbeispiele 1C bis 3C hinsichtlich ESR alle etwas
kleiner als das konventionelle Beispiel und viel kleiner hinsichtlich
LC sind.
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Obwohl
es nicht aus Tabelle 3 deutlich wird, wird erwartet, dass die hermetischen
Dichtstrukturen der vierten und fünften Ausführungsformen der Gummidichtungsstruktur
der sechsten Ausführungsform
aus der Sichtweise von Zuverlässigkeitsproble men
von Kondensatoren überlegen
sind, die das Eindringen von Atmosphärenfeuchtigkeit aufgrund der
Verschlechterung des Dichtelements in einer erschwerenden Umgebung
hoher Temperatur und hoher Feuchtigkeit, das Eindringen von Feuchtigkeit
durch die Verbindung zwischen für das
Dichtelement verwendeten verschiedenen Materialien und das Eindringen
von Feuchtigkeit durch die Verbingung zwischen dem Dichtungselement
und dem Gehäuse
beinhalten.
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Das
im Stand der Technik zum Abdichten verwendete Epoxidharz wird in
Kontakt mit dem leitfähigen Polymer
kommen, um die elektrische Leitfähigkeit
des Polymer zu beeinträchtigen,
oder Wärmebelastungen beim
Eingießen
und Aushärten
aufbauen, die Beschädigung
an der chemischen Konversionsbeschichtung verursachen, wohingegen
die hermetischen Dichtstrukturen der Festelektrolytkondensatoren
gemäß der beschriebenen
vierten bis sechsten Ausführungsform
nicht diesen Mangel aufweisen und weniger anfällig für Erhöhungen von ESR oder LC als
die konventionelle Epoxidharz-Dichtstruktur sind.
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Dritte Ausführungsform
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Weiter
weist gemäß der dritten
Ausführungsform
der Festelektrolytkondensator mit der hermetischen Dichtstruktur
der ersten Ausführungsform
(siehe 3 und 4) einen Adsorber 8 wie
zum Beispiel ein Molekularsieb oder Silica-Gel auf, der wie in 5 zu
sehen in seinem Gehäuse 3 platziert
wird.
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Ein
TCNQ-Komplexsalz oder leitfähiges
Polymer ist als der Festelektrolyt des Kondensatorelements 1 verwendbar.
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Die
in einer sehr kleinen Menge in dem Kondensatorelement 1 vor
Abdichten enthaltende Feuchtigkeit kann durch den in dem Gehäuse 3 platzierten
Adsorber 8 entfernt werden, wodurch die Wärmeverschlechterung
des Festelektrolyten, d. h. TCNQ-Salz oder leitfähiges Polymer, nämlich die
Beeinträchtigung
der elektrischen Leitfähigkeit desselben
aufgrund von Wärme
und Feuchtigkeit unterdrückt
werden kann, was verbesserte Zuverlässigkeit bei hohen Temperaturen
(von mindestens 125°C)
mit sich bringt.
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Tabelle
4 zeigt die anfänglichen
elektrischen Charakteristiken und elektrischen Charakteristiken
nach einer Zuverlässigkeitsprüfung des
mit dem Epoxidharz abgedichteten Festelektrolytkondensators (konventionelles
Beispiel), des Festelektrolytkondensators des ersten Beispiels (Vergleichsbeispiel
A), und gemäß dem ersten
Beispiel, das das darin platzierte Molekularsieb aufweist (Erfindungsbeispiel
D).
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In
einem jeglichen des konventionellen Beispiels, Vergleichsbeispiels
A und Erfindungsbeispiels D wies das verwendete Kondensatorelement
Nennleistungen von 16 V und 33 μF
auf, und der verwendete Festelektrolyt war ein TCNQ-Komplexsalz.
Die fertiggestellten Kondensatoren wiesen Außenabmessungen von 6,3 mm im
Außendurchmesser
und eine Länge
L von 10 mm im Fall des Vergleichsbeispiels A und Erfindungsbeispiels
D, und 6,3 mm im Außendurchmesser
und eine Länge
L von 7 mm im Fall des konventionellen Beispiels auf.
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Für die Zuverlässigkeitsprüfung wurde
die Nennspannung in einer Umgebung von 125°C und gewöhnlicher Feuchtigkeit kontinuierlich
1000 Stunden lang angelegt. In Tabelle 4 ist durch C die Kapazität bei 120
Hz, durch tanδ die
Tangente des Verlustwinkels bei 120 Hz, durch ESR der relative Reihenverlustwiderstand
bei 100 kHz, und durch Δ C/C
das Verhältnis
der aus der Prüfung
resultierenden Variation von Kapazität zu dem Anfangskapazitätswert dargestellt.
Jeder der Werte der Charakteristiken ist der Durchschnitt für zehn Proben.
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Tabelle
4 enthüllt,
dass Erfindungsbeispiel D hinsichtlich der aus der Zuverlässigkeitsprüfung resultierenden
Variation von Kapazität
und Erhöhung
von ESR kleiner als das konventionelle Beispiel und Vergleichsbeispiel
ist.
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Ein
vergleichbares Ergebnis wird natürlich
durch den in 5 gezeigten Festelektrolytkondensator
der dritten Ausführungsform
erzielt.
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Viertes Beispiel
und vierte Ausführungsform
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Der
Festelektrolytkondensator des vierten Beispiels entspricht dem in 1 gezeigten
ersten Beispiel, wobei die Dichtplatte 4 aus Kupfer, einem
nichtmagnetischen Metall (paramagnetischen Material) hergestellt wird.
Unter Ausnahme dieses Merkmals hat das vierte Beispiel die gleiche
hermetische Dichtstruktur wie das erste.
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Der
Festelektrolytkondensator der vierten Ausführungsform entspricht der in 3 gezeigten
ersten Ausführungsform,
wobei die Rohrstücke 6, 6,
aus Kupfer, einem nichtmagnetischen (paramagnetischen Material)
hergestellt werden. Unter Ausnahme dieses Merkmals hat die vierte
Ausführungsform
die gleiche hermetische Dichtstruktur wie die erste.
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Als
der Festelektrolyt des Kondensatorelements 1 ist ein TCNQ-Komplexsalz
oder leitfähiges
Polymer verwendbar.
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In
dem Fall, wenn die Dichtplatte 4 oder das Rohrstück 6 aus
einem ferromagnetischen Material oder einem Metall mit hoher magnetischen
Empfindlichkeit besteht, verursacht der Leitstift 2, der
sich durch die Dichtplatte 4 erstreckt, oder die Zuleitung 15,
die sich durch das Rohrstück 6 erstreckt,
dass die Dichtplatte 4 oder das Rohrstück 6 als eine Spule
wirkt. Dies führt
zu dem Nachteil, dass die Hinzufügung
von Reaktanz aufgrund der Spulenkomponente in einem Hochfrequenzband
nicht niedriger als mehrere Kilohertz größeren ESR oder größere Impedanz
mit sich bringt, als es der Fall mit dem einzeln als solches vorliegenden
Kondensatorelement der Fall ist.
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Im
Gegensatz dazu, ist der obige Nachteil durch Verwendung eines nichtmagnetischen
Metalls für
die Dichtplatte 4 oder Rohrstücke 6, 6 vermeidbar.
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Tabelle
5 zeigt die elektrischen Ausgangscharakteristiken des Festelektrolytkondensators
der vierten Ausführungsform
der Erfindung (Erfindungsbeispiel E), des Festelektrolytkondensators
der ersten Ausführungsform
(Vergleichsbeispiel B) und des in 8 gezeigten
konventionellen Festelektrolytkondensators (konventionelles Beispiel).
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In
einem jeglichen des Erfindungsbeispiels E, Vergleichsbeispiels B
und konventionellen Beispiels wies das verwendete Kondensatorelement
Nennleistungen von 4 V und 470 μF
auf, und der verwendete Festelektrolyt war ein TCNQ-Komplexsalz.
Alle der Kondensatoren wiesen in fertiggestellter Form Außenabmessungen
von 8 mm im Außendurchmesser
und eine Länge
L von 7 mm auf.
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In
Tabelle 5 ist durch C die Kapazität bei 120 Hz, durch tanδ die Tangente
des Verlustwinkels bei 120 Hz, durch ESR der relative Reihenverlustwiderstand
bei 100 kHz und durch Z die Impedanz bei 100 kHz dargestellt. Jeder
der Werte der Charakteristiken stellt den Durchschnitt für zehn Proben
dar.
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Tabelle
5 enthüllt,
dass Erfindungsbeispiel E hinsichtlich ESR und Impedanz niedriger
als Vergleichsbeispiel B ist und in diesen Charakteristiken mit
dem konventionellen Beispiel vergleichbar ist, wodurch angezeigt
wird, dass die Erfindung Festelektrolytkondensatoren mit niedrigem
ESR und hoher Zuverlässigkeit schafft.
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Das
nichtmagnetische Metall zum Bilden der Dichtplatte 4 oder
Rohrstücke 6, 6 ist
nicht auf Kupfer begrenzt; ein anderes bekanntes Metall wie zum
Beispiel Messing ist auch verwendbar, insoweit das nichtmagnetische
Metall einen höheren
Schmelzpunkt als die Brenntemperatur (etwa 500°C) aufweist. Es ist auch in der
vierten Ausführungsform
nutzbar, sowohl die Dichtplatte 4 als auch die Rohrstücke 6, 6 aus
einem nichtmagnetischen Material herzustellen.
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Fünfte Ausführungsform
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Unter
Bezugnahme auf die 6 und 7 umfasst
der Festelektrolytkondensator der fünften Ausführungsform ein Kondensatorelement 1,
das in einem hohlen zylindrischen Nickel-Eisen-Legierungsgehäuse 33 mit
einem geschlossenen oberen Ende und einem offenen unteren Ende aufgenommen
ist. Das Gehäuse 33 wird
mit einer vierten hermetischen Dichtstruktur verschlossen, die die
Erfindung verkörpert.
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Genauer
ausgedrückt,
weist das Gehäuse 33 ein
Paar Durchgangslöcher 36, 36 ausgebildet
in seinem geschlossenen Ende auf, und wird seine Öffnung mit
einer scheibenartigen Stahldichtplatte 45 plattiert mit
Nickel verschlossen. Ein Paar Kupferrohrstücke 6, 6 jeweils
mit einer Mittenbohrung 61 werden durch die Löcher 36, 36 des
Gehäuses 33 eingeführt, ohne
die Innenumfänge
des die Löcher
begrenzenden geschlossenen Gehäuseendes
zu berühren.
Eine Isolierdichtung 51 aus Glas wird in eine Lücke in jedem
der Löcher 36, 36 des Gehäuses 33 um
das Rohrstück 6 herum
eingefüllt,
um elektrische Isolierung zu bewirken und die Lücken abzudichten.
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Andererseits
verläuft
ein Paar Zuleitungen 15, 15, die sich von dem
Kondensatorelement 1 erstrecken, durch die jeweiligen Mittenbohrungen 61, 61 der
Rohrstücke 6, 6, ohne
die Innenumfänge
der die Bohrungen begrenzenden Rohrstücke zu berühren. Lötmittel oder ähnliches
Lötmaterial 53 wird
in eine Lücke
in jedem Rohrstück 6 um
die Zuleitung 15 herum zum Abdichten der Lücke eingefüllt. Der
die Öffnung
begrenzende Kantenteil 35 des Gehäuses 33 wird mit dem äußeren Umfangskantenteil 46 der
Dichtplatte 45 durch Widerstandsschweißen verbunden.
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Als
der Festelektrolyt des Kondensatorelements 1 ist ein TCNQ-Komplexsalz
oder ein elektrisch leitfähiges
Polymer verwendbar.
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Beim
Zusammenbau des Festelektrolytkondensators werden die Rohrstücke 6, 6 zuerst
durch Löcher 36, 36 eines
Gehäuses 33 eingeführt, und
ein geschmolzenes Glas wird in Lücken
in den Löchern 36, 36 um die
Rohrstücke 6, 6 herum
zum Bilden von Isolierdichtungen 51, 51 gegossen,
wie in 7 gezeigt ist. Anschließend werden Zuleitungen 15, 15,
die sich von einem Kondensatorelement 1 erstrecken, durch
die jeweiligen Mittenbohrungen 61, 61 der Rohrstücke 6, 6 eingeführt, das
Kondensatorelement 1 wird in dem Gehäuse 33 aufgenommen,
die Öffnung
des Gehäuses 33 wird
danach mit einer Dichtplatte 45 bedeckt, und der äußere Umfangskantenteil 46 der
Dichtplatte 45 wird mit dem die Öffnung begrenzenden Kantenteil 35 des
Gehäuses 33 verbunden.
Schließlich
wird als ein Lötmaterial 53 dienendes
geschmolzenes Lötmittel
in Lücken
in den Mittenbohrungen 61, 61 der Rohrstücke 6, 6 um
die Zuleitungen 15, 15 herum zum Abdichten der
Lücken
gegossen.
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Bei
den Festelektrolytkondensatoren der fünften Ausführungsform übt die Wärme, die beim Schweißen der
Dichtplatte 45 an das Gehäuse 33 erzeugt wird,
wenig oder keinen Einfluss auf die Isolierdichtungen 51 und
die Umgebung derselben aus. Dementsprechend ist es unwahrscheinlich,
dass das die Isolierdichtungen 51 bildende Glas einen Riss
entwickelt, oder es wird sich kein Riss in der Glassoberfläche in Kontakt
mit dem Gehäuse 33 oder
Rohrstück 6 entwickeln.
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Der
Festelektrolytkondensator der in 6 gezeigten
fünften
Ausführungsform
(Erfindungsbeispiel F) und der Festelektrolytkondensator der in 3 gezeigten
ersten Aus führungsform
(Vergleichsbeispiel C) wurden einer Blasenaustrittsprüfung unterzogen,
indem die Kondensatoren etwa 40 Sekunden lang in eine Inertflüssigkeit
eingetaucht wurden, die auf etwa 130°C erhitzt wurde, und hinsichtlich
des Auftretens von Blasen geprüft
wurden. Tabelle 6 zeigt das Ergebnis. Die Anzahl von Proben, die
für jedes
der Beispiele verwendet wurden, betrug 1000.
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In
beiden des Erfindungsbeispiels F und Vergleichsbeispiels C wies
das verwendete Kondensatorelement Nennleistungen von 4 V und 470 μF auf, und
der verwendete Festelektrolyt war ein TCNQ-Komplexsalz. Alle der
fertiggestellten Kondensatoren hatten Außenabmessungen von 8 mm Außendurchmesser
und eine Länge
L von 7 mm.
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Die
Tabelle enthüllt,
dass das Erfindungsbeispiel F keine Blasen unter den beschriebenen
harten Bedingungen freisetzte, was anzeigt, dass die zwölfte Ausführungsform
eine weiter verbesserte hermetische Struktur bietet.
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Die
Kondensatoren des Erfindungsbeispiels F und Vergleichsbeispiels
C wurden weiter einer Hochtemperatur-Belastungsprüfung, indem
die Nennspannung an den Kondensator kontinuierlich 1000 Stunden lang
in einer Umgebung von 125°C
und gewöhnlicher
Feuchtigkeit angelegt wurde, und einer Hochtemperatur-Hochfeuchtigkeits-Prüfung unterzogen,
indem man den Kondensator in einer Umgebung von 60°C und relativen
Feuchtigkeit (RH) von 90% 1000 Stunden lang ohne Anlegung von Spannung
stehen lies. Die Kondensatoren wurden hinsichtlich elektrischer
Charakteristiken vor und nach der Prüfung untersucht. Tabellen 7
und 8 zeigen die Ergebnisse.
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Tabelle
7 Hochtemperatur-Belastungsprüfung
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Tabelle
8 Hochtemperatur-Hochfeuchtigkeits-Prüfung
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In
diesen Tabellen ist durch ΔC/C
das Verhältnis
von aus der Prüfung
resultierenden Variationen der Kapazität zu der Kapazität vor der
Prüfung,
durch tanδ die
Tangente des Verlustwinkels bei 120 Hz, und durch ESR der relative
Reihenverlustwiderstand bei 100 kHz dargestellt, und "LC Fehleranteil" bedeutet die Anzahl von
Proben, in denen der Leckstrom über
einem vorbestimmten Schwellenwert (190 μA) bei Messung 60 Sekunden nach
dem Start der Anlegung der Nennspannung lag. Jeder der Werte der
Charakteristiken stellt den Durchschnitt von zehn Proben dar.
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Die
Tabellen enthüllen,
dass Erfindungsbeispiel F kleiner als Vergleichsbeispiel C hinsichtlich
der Variation von Kapazität
ist. Somit kann den Festelektrolytkondensatoren weiter verbesserte
Zuverlässigkeit
durch die zwölfte
Ausführungsform
verliehen werden.
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Die
Kondensatoren der vorliegenden Erfindung sind in ihrem Aufbau nicht
auf die vorhergehenden Ausführungsformen
begrenzt, sondern können
vielfältig
innerhalb des Umfangs der anliegenden Ansprüche modifiziert werden. Zum
Beispiel kann ein Komponentenelement von bestimmter Struktur einer
Ausführungsform,
oder ein darin verwendetes Material, oder ein Produktionsschritt
derselben, durch den entsprechenden einer anderen Ausführungsform
oder durch ein Äquivalent
ersetzt werden. Alternativ können
Komponentenelemente, Materialien oder Schritte in einer anderen
Kombination verwendet werden.
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Als
Festelektrolyten anstelle der TCNQ-Komplexsalze können elektrisch
leitfähige
Verbindungen mit hohem Molekulargewicht wie zum Beispiel Polypyrrol,
Polythiophen, Polyanilin, Derivate dieser Verbindungen, Mangandioxid,
Bleidioxid, etc. verwendet werden.
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Beispiele
von Ausgangsmaterialien, die anstelle von 3,4-Ethylendixoythiophen
zum Bilden der leitfähigen
Polymerschicht verwendet werden können, sind Monomere, die in
leitfähige
Polymere durch oxidative Polymerisation umwandelbar sind, wie zum
Beispiel Pyrrol, Thiophen, Furan, Anilin und Derivate dieser Verbindungen.
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Die
Anodenfolie für
das Kondensatorelement ist nicht auf Aluminium begrenzt, sonders
es kann auch eine chemische Konversionsfolie verwendet werden, die
durch anodisches Oxidieren eines als ein Ventil wirkenden Metalls,
wie zum Beispiel Tantal oder Niob erhalten wird.
