JP2004179621A - アルミ電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】ESR(等価直列抵抗)とESL(等価直列インダクタンス)の低減化が実現できたアルミ電解コンデンサを提供すること。
【解決手段】陽極引出しの陽極側リード端子3と、陰極引き出しの陰極側リード端子5を有するコンデンサ素子1と、該コンデンサ素子1が収納された有底外装ケース9と、該有底外装ケース9の開口部が封止された封口体ゴム8とを含むアルミ電解コンデンサにおいて、前記陽極側及び陰極側のリード端子3、5の数が、それぞれ2〜4の範囲内から選ばれる数の端子構造とされ、この複数端子構造によって、等価回路はESR(等価直列抵抗)・ESL(等価直列インダクタンス)が並列に配置されることから、ESR(等価直列抵抗)成分であるリード端子の抵抗及び箔とリード端子の接続抵抗が打ち消されるために、ESR（等価直列抵抗）の低減化ができ、リード端子のＬ（インダクタンス）の影響を無くすることができるためESL（等価直列インダクタンス）の低減化が可能となった。
【選択図】 図3

Description

本発明は、表面実装可能な縦置き型を含むアルミ電解コンデンサに関し、特に、ＥＳＲ（等価直列抵抗）、ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）が低減化されたアルミ電解コンデンサに関するものである。

近年では、電気回路の小型化、高周波対応化が要求されており、これに伴って、コンデンサについても低インピーダンス化が必要となっている。特に、コンピュータのＣＰＵ駆動用回路やスイッチング電源回路などに対しては、回路設計上、高周波ノイズやリプル電流の吸収性が要求され、低ＥＳＲ（等価直列抵抗）化、低ＥＳＬ（等価直列インダクタンス）化が実現できるコンデンサが強く求められている。

従来のアルミ電解コンデンサの中で、例えば巻回型の固体電解コンデンサの基本的な構造は、本発明に係るアルミ電解コンデンサの一例である巻回型の固体電解コンデンサの構造と同じである。

そこで、本発明に係るアルミ電解コンデンサの一例である巻回型の固体電解コンデンサを示す一部省略の縦断面図である図1を援用し、かつ従来例を示す図11、図12及び図13（ａ）、（ｂ）を参照して従来の巻回型の固体電解コンデンサの構造を説明する。

図1及び図11において、巻回型の固体電解コンデンサは、誘電体酸化皮膜が形成され、陽極引出しの陽極側リード端子3が接続された陽極アルミニウム化成箔2と、陰極引出しの陰極側リード端子5が接続された対向陰極アルミニウム化成箔4とがセパレータ紙6を介して巻回されて形成された円筒状のコンデンサ素子1と、該コンデンサ素子1に含浸されたモノマー及び酸化剤により形成された固体電解質層7と、封口体ゴム8と、有底筒状の外装ケース9により構成されている。

そして、コンデンサ素子1は有底筒状の外装ケース9内に収納されて外装ケース9の開口部が封口体ゴム8と一緒に横絞り及びカール加工が施されて密閉封止されて固体電解コンデンサとされている。

このような従来の固体電解コンデンサにおいて、陽極アルミニウム用化成箔２及び対向陰極アルミニウム化成箔４に接続の陽極側及び陰極側リード端子３、５は、図11、図12及び図13（ａ）、（ｂ）に示されているように、それぞれ１本ずつの２端子構造となっている。

また、従来のアルミ電解コンデンサの中で、プリント基板表面への実装可能な縦置き型アルミ電解コンデンサの基本的な構造は、本発明に係るアルミ電解コンデンサの他例である縦置き型アルミ電解コンデンサの構造と同じである。

そこで、本発明に係るアルミ電解コンデンサの他例である縦置き型アルミ電解コンデンサを示す一部省略の縦断面図である図6と、リード端子の一例を示す一部省略の斜視図である図9を援用し、かつ従来例を示す図14、図15を参照して従来の縦置き型アルミ電解コンデンサの構造を説明する。

これら図において、縦置き型アルミ電解コンデンサは、誘電体酸化皮膜が形成され、陽極引出しの陽極側リード端子21が接続された陽極アルミニウム化成箔と、陰極引出しの陰極側リード端子22が接続された対向陰極アルミニウム化成箔とがセパレータ紙を介して巻回されて形成された円筒状のコンデンサ素子20、該コンデンサ素子20に含浸されたモノマー及び酸化剤により形成された固体電解質層、封口体ゴム23、有底筒状の外装ケース24、耐熱絶縁性座板25により構成されている。

そして、コンデンサ素子20から引き出された一対のリード端子21、22を封口体ゴム23に貫通させてコンデンサ素子20が外装ケース24内に収納され、外装ケース24の開口部が封口体ゴム23と一緒に横絞り加工が施されて封止され、更に一対のリード端子21、22の扁平状に潰された先端部21a、22aが、封口体ゴム23側に嵌め込まれた耐熱絶縁性座板25を貫通し、かつこの一対のリード端子21、22の先端部21a、22aが座板25に左右対称に形成の凹状切欠溝25a内において互いに外向きに折り曲げられて座板25の外表面に配置され、折り曲げられた先端部21a、22aがプリント基板(図示しない)への実装面とされている。

このような従来の縦置き型アルミ電解コンデンサにおいて、陽極アルミニウム用化成箔及び対向陰極アルミニウム化成箔に接続の陽極側及び陰極側リード端子21、22は、それぞれの先端部21a、22aが図14及び図15に示されているように、それぞれ１本ずつの２端子構造となっている。

なお、従来例を説明した上記二つのタイプのアルミ電解コンデンサにおいて、そのコンデンサ素子1、20は、何れも陽極化成箔と陰極箔がセパレータ紙を介して巻回され、陽極化成箔と陰極箔間に導電性高分子からなる固体電解質層が形成された固体タイプのコンデンサ素子について説明したが、このコンデンサ素子1、20は、陽極化成箔と陰極箔がセパレータ紙を介して巻回形成された巻回物に電解液が含浸された電解液タイプのコンデンサ素子であってもよい。

このように、従来のアルミ電解コンデンサは巻回型の固体電解コンデンサ、縦置き型アルミ電解コンデンサの何れにおいても、陽極引き出しの陽極側リード端子と陰極引き出しの陰極側リード端子はそれぞれ1本ずつの２端子構造となっている。

ところで、陽極引き出しの陽極側リード端子と陰極引き出しの陰極側リード端子がそれぞれ1本ずつの２端子構造では、図16の２点鎖線での囲い部分に示されているように、等価回路はESR・ESLが直列に配置されることから、リード端子の抵抗及び化成箔とリード端子の接続抵抗により、インピーダンス及びESR(等価直列抵抗)に限界があり、また、リード端子のL(インダクタンス)分によりESL(等価直列インダクタンス)の低減化にも限界がある。

また、従来の2端子構造では、比較的大電流の流れる高周波応用の回路に使用した場合、リード端子の電流容量、リード端子と電極箔との接続部の抵抗による発熱のため、比較的大電流が流せないという問題点があった。

本発明が解決しようとする問題点は、巻回型の固体電解コンデンサと縦置き型アルミ電解コンデンサを含むアルミ電解コンデンサにおいて、リード端子の抵抗及び化成箔とリード端子の接続抵抗により、インピーダンス及びESR(等価直列抵抗)の低減化が実現できない点であり、また、リード端子のL(インダクタンス)分によりESL(等価直列インダクタンス)の低減化が実現できない点である。

また、アルミ電解コンデンサを比較的大電流の流れる高周波応用の回路に使用した場合、リード端子の電流容量、リード端子と電極箔との接続部の抵抗による発熱のため、比較的大電流が流せないという点である。

これらの問題点を解決するため、本発明の請求項1に記載のアルミ電解コンデンサは、陽極及び陰極側リード端子を有するコンデンサ素子と、該コンデンサ素子が収納された有底外装ケースと、該有底外装ケースの開口部が封止された封口体とを含むアルミ電解コンデンサにおいて、前記陽極及び陰極側リード端子の数が、それぞれ2〜4の範囲内から選ばれる数の端子構造とされた構成を特徴とするものである。

本発明の請求項2に記載のアルミ電解コンデンサは、表面実装可能な縦置き型アルミ電解コンデンサであることを特徴とするものである。

本発明の請求項3に記載のアルミ電解コンデンサは、陽極及び陰極側リード端子が有底外装ケースの同一面上に設けられていることを特徴とするものである。

本発明の請求項4に記載のアルミ電解コンデンサは、コンデンサ素子が、陽極化成箔と陰極箔がセパレータ紙を介して巻回され、陽極化成箔と陰極箔間に導電性高分子からなる固体電解質層が形成されて構成されたものであることを特徴とするものである。

本発明の請求項5に記載のアルミ電解コンデンサは、コンデンサ素子が、陽極化成箔と陰極箔がセパレータ紙を介して巻回され、該巻回物に電解液が含浸されて構成されたものであることを特徴とするものである。

本発明の請求項6に記載のアルミ電解コンデンサは、固体電解質層を形成する導電性高分子が、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ＴＣＮＱ錯塩から選ばれる高分子であることを特徴とするものである。

本発明の請求項7に記載のアルミ電解コンデンサは、電解液が、溶媒としてエチレングリコール等のプロトン系溶媒、γブチロラクトン等の非プロトン系溶媒を用い、電解質にアンモニウム塩やアミジン塩を用いたものであることを特徴とするものである。

本発明の請求項8に記載のアルミ電解コンデンサは、陽極及び陰極側リード端子が、耐熱絶縁性座板の貫通孔を介して外部に引き出され、かつ前記陽極及び陰極側リード端子の先端部が前記耐熱絶縁性座板の外表面に当接するように折り曲げられてプリント基板への実装面とされたものであることを特徴とするものである。

本発明に係るアルミ電解コンデンサは、陽極箔と陰極箔のそれぞれに電極引出し用リード端子がある間隔で２〜４端子設けられた複数の端子構造とされている。
このことにより、図10の２点鎖線での囲い部分に示されているように、等価回路はESR(等価直列抵抗)・ESL(等価直列インダクタンス)が並列に配置されることから、ESR(等価直列抵抗)成分であるリード端子の抵抗及び箔とリード端子の接続抵抗が打ち消されるために、その分、従来の2端子構造のアルミ電解コンデンサと比較した場合、ESR（等価直列抵抗）の低減化ができ、リード端子のＬ（インダクタンス）の影響を無くすることができるためESL（等価直列インダクタンス）の低減化が実現できる。

また、本発明に係るアルミ電解コンデンサは、リード端子抵抗を低減できるので、コンデンサ自身の発熱が少なく、高周波対応が可能になり、従来に比較し、より大電流を流せるコンデンサとして使用でき、ノイズ吸収能力に優れたアルミ電解コンデンサが実現できる。

以下に図面を参照して、本願に係る発明を実施するための最良の形態について説明する。

図1、図2及び図3において、巻回型の固体電解コンデンサは、コンデンサ素子１と固体電解質層7、封口体ゴム8及び外装ケース9により構成されている。

固体電解質層7が形成されたコンデンサ素子1は、封口体ゴム8と共に外装ケース9内に収納されて封缶され、外装ケース9と共に封口体ゴム8に横絞り及びカール加工が施され密閉封止されて固体電解コンデンサとされている。

この固体電解コンデンサにおいて、固体電解質層7の電解質としてはポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン等が挙げられるが、主にESR(等価直列抵抗)低減のため、固有抵抗が低いポリエチレンジオキシチオフェンが使用されている。

更に詳細に説明する。
アルミニウム箔にエッチング処理及び化成酸化処理が施されたアルミニウム化成箔が陽極及び陰極体として用いられ、これらが所定の幅に裁断されて、陽極化成箔2(厚さ100μm)に陽極側引出しの２本の陽極側リード端子３がある間隔を置いてカシメまたは超音波溶接により接続される。
また、陰極箔4(厚さ80μm)には陰極引出しの２本の陰極側リード端子５がある間隔を置いてカシメまたは超音波溶接により接続される。
そして、陽極化成箔2と陰極箔４とがセパレータ紙６を介して一方から巻回されて円筒状のコンデンサ素子1とされている。

それぞれ２本の陽極側リード端子３と陰極側リード端子５は、図4（ａ）、（ｂ）に示されているように、ある間隔で陽極化成箔２と陰極箔４のそれぞれの接続部２ａと４ａにカシメ等により接続されるが、これらリード端子３、５の電極箔への接続は、図5（ａ）、（ｂ）に例示されているように、それぞれ１箇所の共通接続部２ｂ、４ｂにある間隔でそれぞれ２端子接続するようにしてもよい。

本実施例は、それぞれ２端子の全体４端子構造の場合であるが、全体が６端子、８端子の偶数端子構造の場合には、特に図示しないが、４端子構造の場合と同様に、それぞれある間隔で３箇所の接続部２ａ、４ａに接続され、または、１箇所の共通接続部２ｂ、４ｂにある間隔でそれぞれ３端子ずつ接続される。

なお、全体が５端子、７端子の奇数端子構造の場合には、特に図示しないが、図4(a)、(b)または図5(a)、(b)と同様にリード端子3、5が接続され、うち１端子が空き端子とされるが、必要によっては、空き端子だけでなく、特性に影響がなければ、陽極、陰極に接続しても良い。

このように構成されたコンデンサ素子１の陽極側リード端子３及び陰極側リード端子５の丸棒部１０、１１の部分及びその近傍であるリブ部１２、１３に、導電性高分子が形成されるのを防止するために封口体ゴム８が装着される。

この封口体ゴム８としては、IIR（イソブチレン・イソプロピレン共重合体からなるゴム）またはEPT（エチレン・プロピレン共重合体からなるゴム）、またはIIR・EPTのブレンドゴムが用いられるが、本実施例においては、IIR（イソブチレン・イソプロピレン共重合体からなるゴム）のゴムが用いられている。

このようなコンデンサ素子１の化成皮膜は、予め化成されたアルミニウム箔が所定の長さにカットされて巻かれるために、箔端面の弁作用金属の露出や、端子接続による皮膜の傷等化成酸化膜に欠陥部ができる。

そこで、化成皮膜の欠陥部に対し、アジピン酸アンモニウム濃度２％を主体とした化成液で欠陥部の修復が施された。

修復としては、化成液温度35〜85℃中で、印加電圧は電極箔に使用している化成電圧が印加され、化成時間は8〜10分間行われた。

化成後、コンデンサ素子１に200〜280℃の熱処理が5〜10分間行われ、酸化皮膜のアニール効果及びセパレータの炭化促進により、漏れ電流の低減とモノマー・酸化剤の含浸性を向上させるために、1〜5回繰り返して行われた。

次いで、コンデンサ素子１に導電性高分子となる３，４エチレンジオキシチオフェンと酸化剤であるパラトルエンスルホン酸第二鉄の１−ブタノール溶液が含浸されて化学重合によりポリエチレンジオキシチオフェンの導電性高分子からなる固体電解質層７が形成された。

化学重合は、４０℃に５時間、１０５℃に４時間の連続加熱雰囲気中で行われた。

このようにして、固体電解質層７が形成されたコンデンサ素子１は、有底筒状のアルミニウム製外装ケース９に収納されて封止され、その後、125〜145℃中でサージ電圧熱処理が60〜120分間行われて、外装ケース9の同一面上にそれぞれ2本ずつのリード端子3、5を有する全体が４端子構造の巻回型の固体電解コンデンサが完成した。

なお、前記の手順により作成された固体電解コンデンサは、そのコンデンサ素子1が固体電解質層7を有する固体タイプのものであるが、このコンデンサ素子1は特に図示しないが、電解液タイプのものであっても同様の効果が得られる。

電解液タイプのコンデン素子は、前記固体タイプのコンデンサ素子と同様に巻回されて形成されたコンデンサ素子としての巻回物に、溶媒としてエチレングリコール等のプロトン系溶媒、またはγブチロラクトン等の非プロトン系溶媒を用い、電解質にアンモニウム塩やアミジン塩を用いた電解液が含浸されて形成されている。

電解液が染み込んだコンデンサ素子は、そのリード端子に気密を保持する封口体ゴムが挿入されて有底筒状のアルミニウム製外装ケースに収納されて封缶され、封口体ゴムのカシメ加工が施される。
その後、85〜125℃中でサージ電圧熱処理が30〜120分間行われて、外装ケースの同一面上にそれぞれ2本ずつのリード端子を有する全体が４端子構造の巻回型のアルミ電解コンデンサが完成した。

次に、本発明に係るアルミ電解コンデンサの他例であるプリント基板への表面実装可能な縦置き型アルミ電解コンデンサについて図面を参照して説明する。

図6〜図9において、縦置き型アルミ電解コンデンサは、誘電体酸化皮膜が形成され、陽極引出しの2本の陽極側リード端子21がある間隔を置いてカシメまたは超音波溶接により接続された陽極アルミニウム化成箔と、陰極引出しの2本の陰極側リード端子22がある間隔を置いてカシメまたは超音波溶接により接続された対向陰極アルミニウム化成箔とがセパレータ紙を介して巻回されて形成された円筒状のコンデンサ素子20、該コンデンサ素子20に含浸されたモノマー及び酸化剤により形成された固体電解質層、封口体ゴム23、有底筒状の外装ケース24、耐熱絶縁性座板25により構成されている。

なお、リード端子21、22の電極箔への接続は、特に図示しないが、前記巻回型の固体電解コンデンサの場合として示された図5（ａ）、（ｂ）と同様に、それぞれ１箇所の共通接続部にある間隔でそれぞれ２端子接続するようにしてもよい。

コンデンサ素子20は、コンデンサ素子20から引き出されたそれぞれ2本ずつのリード端子21、22を封口体ゴム23に貫通させて外装ケース24内に収納され、外装ケース24の開口部が封口体ゴム23と一緒に横絞り加工が施されて封止される。
更にリード端子21、22の扁平状に潰された先端部21a、22a が、封口体ゴム23側に嵌め込まれた耐熱絶縁性座板25を貫通し、かつこのリード端子21、22の先端部21a、22aが、座板25の外表面に左右対称にして、それぞれ2箇所形成の凹状切欠溝25a内において互いに外向きに折り曲げられて座板25の外表面に配置され、折り曲げられた先端部21a、22aがプリント基板(図示しない)への実装面とされている

このようにして、本例に係るアルミ電解コンデンサは、陽極アルミニウム用化成箔及び対向陰極アルミニウム化成箔にそれぞれ2本ずつ接続の陽極側及び陰極側リード端子21、22は外装ケース24の同一面上に引き出され、かつそれぞれの折り曲げられた先端部21a、22aが図6及び図8に示されているように、耐熱絶縁性座板25の凹状切欠溝25a内において左右対称に配置されて2本ずつのリード端子21、22を有する全体が４端子構造の縦置き型アルミ電解コンデンサとされている。

なお、この縦置き型のアルミ電解コンデンサにおいて、そのコンデンサ素子20は特に図示しないが、前記巻回型の固体電解コンデンサの場合と同様に電解液タイプのものであっても同様の効果が得られる。

本発明に係るアルミ電解コンデンサは、巻回型の固体電解コンデンサと縦置き型のアルミ電解コンデンサの何れにおいても、また、コンデンサ素子が固体タイプと電解液タイプの何れにおいても、陽極側及び陰極側リード端子はそれぞれ2端子ずつの全体4端子構造とされており、これらコンデンサの等価回路は図10の２点鎖線での囲い部分に示されているように、ESR(等価直列抵抗)・ESL(等価直列インダクタンス)が並列に配置されることから、ESR(等価直列抵抗)成分であるリード端子の抵抗及び箔とリード端子の接続抵抗が打ち消されるために、その分、従来の2端子構造のアルミ電解コンデンサと比較した場合、ESR（等価直列抵抗）の低減化ができ、リード端子のＬ（インダクタンス）の影響を無くすることができるためESL（等価直列インダクタンス）の低減化が実現できる。

そこで、代表例として、前記した本発明に係るアルミ電解コンデンサの一例である巻回型の固体電解コンデンサ(実施例)と、前記手順に基づき作成された従来の2端子構造の巻回型の固体電解コンデンサ(比較例)について、それぞれ周波数120Hzでの静電容量、周波数100KHzでのESR（等価直列抵抗）と、周波数10MHzのESL（等価直列インダクタンス）の初期特性の平均値を表１に示す。

表1から明らかなように、本発明に係る実施例の巻回型の固体電解コンデンサは、従来品である比較例の巻回型の固体電解コンデンサと比較して大幅にESR（等価直列抵抗）・ESL（等価直列インダクタンス）を低減できることが判る。

本発明に係るアルミ電解コンデンサの一例を示した巻回型の固体電解コンデンサの一部省略の縦断面図である。 本発明の実施例に用いられたコンデンサ素子の一例を示す分解斜視図である。 図1の平面図である。 本発明実施例における電極箔に対するリード端子の接続態様の一例を示す一部省略の概略正面図である。（ａ）は陽極側リード端子の接続態様図である。（ｂ）は陰極側リード端子の接続態様図である。 本発明実施例における電極箔に対するリード端子の接続態様の他例を示す一部省略の概略正面図である。（ａ）は陽極側リード端子の接続態様図である。（ｂ）は陰極側リード端子の接続態様図である。 本発明に係るアルミ電解コンデンサの他例を示した縦置き型のアルミ電解コンデンサの縦断面図である。 図6の平面図である。 図6の底面図である。 リード端子の一例を示す一部省略の斜視図である。 本発明に係るアルミ電解コンデンサにより得られた等価回路図である。 従来例である2端子構造の電解コンデンサに用いられたコンデンサ素子を示す分解斜視図である。 従来例である2端子構造の巻回型の固体電解コンデンサを示す平面図である。 従来例における電極箔に対するリード端子の接続態様を示す一部省略の概略正面図である。（ａ）は陽極側リード端子の接続態様図である。（ｂ）は陰極側リード端子の接続態様図である。 従来例である2端子構造の縦置き型のアルミ電解コンデンサを示す平面図である。 図14の底面図である。 従来例の２端子構造のアルミ電解コンデンサの等価回路図である。

符号の説明

1、20 コンデンサ素子
2 陽極化成箔
2a、4a リード端子の接続部
2b、4b リード端子の共通接続部
3、21 陽極側リード端子
4 陰極箔
5、22 陰極側リード端子
6 セパレータ紙
7 固体電解質層
8、23 封口体ゴム
9、24 有底外装ケース
21a 陽極側リード端子先端部
22a 陰極側リード端子先端部
25 耐熱絶縁性座板
25a 耐熱絶縁性座板の凹状切欠溝

Claims (8)

1. 陽極及び陰極側リード端子を有するコンデンサ素子と、
   該コンデンサ素子が収納された有底外装ケースと、
   該有底外装ケースの開口部が封止された封口体ゴムと
   を含むアルミ電解コンデンサにおいて、
   前記陽極及び陰極側リード端子の数が、それぞれ2〜4の範囲内から選ばれる数の端子構造とされたアルミ電解コンデンサ。
2. 前記アルミ電解コンデンサが、表面実装可能な縦置き型アルミ電解コンデンサである請求項1のアルミ電解コンデンサ。
3. 前記陽極及び陰極側リード端子が、前記有底外装ケースの同一面上に設けられている請求項1または2のいずれか1項のアルミ電解コンデンサ。
4. 前記コンデンサ素子が、陽極化成箔と陰極箔がセパレータ紙を介して巻回され、前記陽極化成箔と陰極箔間に導電性高分子からなる固体電解質層が形成されて構成されたものである請求項1または2いずれか1項のアルミ電解コンデンサ。
5. 前記コンデンサ素子が、陽極化成箔と陰極箔がセパレータ紙を介して巻回され、該巻回物に電解液が含浸されて構成されたものである請求項1または2いずれか1項のアルミ電解コンデンサ。
6. 前記固体電解質層を形成する導電性高分子が、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ＴＣＮＱ錯塩から選ばれる高分子である請求項4のアルミ電解コンデンサ。
7. 前記電解液が、溶媒としてエチレングリコール等のプロトン系溶媒、γブチロラクトン等の非プロトン系溶媒を用い、電解質にアンモニウム塩やアミジン塩を用いたものである請求項5のアルミ電解コンデンサ。
8. 前記陽極及び陰極側リード端子が、耐熱絶縁性座板の貫通孔を介して外部に引き出され、かつ前記陽極及び陰極側リード端子の先端部が前記耐熱絶縁性座板の外表面に当接するように折り曲げられてプリント基板への実装面とされたものである請求項2のアルミ電解コンデンサ。

Images