JP2005203402A

JP2005203402A - 固体電解コンデンサ

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Publication number: JP2005203402A
Application number: JP2004005169A
Authority: JP
Inventors: Kazumasa Fujimoto; 和雅藤本
Original assignee: Saga Sanyo Industry Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Saga Sanyo Industry Co Ltd; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28

Abstract

【課題】静電容量及びリードタブ端子の間隔を保ちつつ、インダクタンスＬが小さなコンデンサを提供する。
【解決手段】固体電解コンデンサ1は、陰極箔5と陽極箔4とを巻き取って構成され、内部に固体電解質層が形成されたコンデンサ素子2を具え、両箔4、5にはリードタブ端子25、25が取り付けられている。陰極箔5には、窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜が形成され、
リードタブ端子25、25は、箔4、5の端から各箔4、5の長手方向に沿って、箔4、5の全長の５０±１５％の位置に取り付けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は、陽極箔と陰極箔を巻き取って形成された固体電解コンデンサに関する。

図１は、従来の固体電解コンデンサ(１)のコンデンサ素子(２)の分解斜視図であり、図２は、従来の固体電解コンデンサ(１)の断面正面図である(例えば、特許文献１参照)。

これは、上面が開口したアルミニウム製のケース(３)内に、コンデンサ素子(２)を収納して、ゴム製のパッキング(30)にてケース(３)の開口を封止している。ケース(３)の上端部をカールしてパッキング(30)を固定している。陽極箔(４)と陰極箔(５)からは一対のリードタブ端子(25)(25)が引き出され、該リードタブ端子(25)(25)からリード線(21)(21)が延びている。リードタブ端子(25)(25)は、パッキング(30)を貫通している。リード線(21)には座板(31)が挿入され、該座板(31)を貫通したリード線(21)は外向きに折曲されている。

コンデンサ素子(２)は、図１に示すように、誘電体酸化被膜を形成したアルミニウム箔である陽極箔(４)と、アルミニウム箔である陰極箔(５)とを、紙等の絶縁体であるセパレータ(６)を介してロール状に巻回して構成される。

図４は、コンデンサ素子(２)の平面図である。リードタブ端子(25)(25)は、コンデンサ素子(２)の中心部を挟んで、略対称に位置し、リードタブ端子(25)(25)の間隔ＰはＪＩＳ規格で定められている。具体的には，ケース(３)の外径が６.３ｍｍのものでは２.５ｍｍ、外径が８ｍｍのものでは３.５ｍｍ、外径が１０ｍｍのものでは５ｍｍである。

コンデンサ素子(２)の内部には、固体電解質層が形成され、固体電解質は、具体的にはＴＣＮＱ錯塩、又はポリピロール、ポリチオフェン等の導電性高分子である。

固体電解コンデンサ(１)は、以下の手順で形成される。以下の記載では、固体電解質として、導電性高分子を例示するが、ＴＣＮＱ錯塩であってもよい。

先ず、陽極箔(４)と、陰極箔(５)とを、セパレータ(６)を介してロール状に巻き、コンデンサ素子(２)を作る。図５に示すように、両箔(４)(５)にはリードタブ端子(25)(25)が加締めによって取り付けられている。両箔(４)(５)は、以下のように巻き取られる。

図６に示すように、巻芯(55)に両箔(４)(５)をセパレータ(６)(６)を介して供給し、巻芯(55)を回転させる。先に陰極箔(５)を一定長さだけ巻き取り、次に陽極箔(４)と陰極箔(５)を巻き取ることにより、両箔(４)(５)のリードタブ端子(25)(25)は重ならない。巻き取り後に、該巻芯(55)を引き抜く。従って、図４に示すリードタブ端子(25)(25)の間隔Ｐは、両箔(４)(５)の巻き始めの端部からリードタブ端子(25)(25)までの距離Ｌ(図５参照)によって決まる。一般に距離Ｌは、箔(４)(５)の全長に対し、１５−３０％の長さである。

陽極箔(４)は誘電体酸化被膜が形成されたアルミニウムシートから切り出されて形成されるのが普通であるから、該陽極箔(４)の端面には、誘電体酸化被膜が形成されていない。従って、コンデンサ素子(２)に再度の化成処理を施して、陽極箔(４)の端面に、誘電体酸化被膜を形成する。以下、この化成処理を切り口化成と呼ぶ。この後、コンデンサ素子(２)を熱処理して、誘電体酸化被膜を安定させる。

次に、チオフェン等のモノマーを、アルコール溶媒に溶かすとともに、金属塩等の酸化剤を加え、コンデンサ素子(２)を該溶媒内に浸漬する。加熱して熱重合反応を起こさせ、コンデンサ素子(２)内に導電性高分子層を生成する。

該高分子が導電性を持つのは、酸化剤の陰イオンが高分子構造内にドーパントとして取り込まれ、ポーラロン又はバイポーラロンが形成されるためである。尚、ポリチオフェンを導電性高分子として用いる固体電解コンデンサは、周知であるが、高分子材料として、ピロール、アニリンを用いてもよい。

この後、コンデンサ素子(２)をケース(３)に入れて、パッキング(30)にてケース(３)の開口を封止する。ケース(３)の上端部をカールしてパッキング(30)を固定する。リード線(21)に座板(31)を挿入した後に、リード線(21)を外向きに折曲する。

斯種コンデンサには、ＥＳＲ(等価直列抵抗)の小さいものが求められている。また、斯種コンデンサには、固有の共振周波数があり、共振周波数以上ではコンデンサのインダクタンスが上昇するから、共振周波数が高いこともが要求される。

ここでコンデンサの共振周波数ｆは、コンデンサの静電容量をＣ、インダクタンスをＬとすると、
ｆ＝１／ＳＱＲＴ(Ｌ×Ｃ)／２π (ＳＱＲＴは平方根)
にて示されるから、共振周波数ｆを高めるには、静電容量Ｃ、又はインダクタンスＬの何れかを小さくする必要がある。静電容量Ｃは、コンデンサが用いられる発振回路の仕様によって決定されるから、容易に変えることはできない。従って、インダクタンスＬを小さくすることが求められる。

ＥＳＲ及びインダクタンスＬを小さくするには、陽極箔(４)と陰極箔(５)の長さを短くすることが考えられるが、静電容量Ｃを低下させることに繋がる。そこで、リードタブ端子(25)(25)を図５に一点鎖線で示すように、箔(４)(５)の長手方向の中央部に取り付けて、リードタブ端子(25)(25)から箔(４)(５)の左端及び右端までの距離を等しくし、箔(４)(５)内の電子の流れをスムーズにすることが考えられる。
特開平６−１６８８５１号公報

通常のアルミニウム箔を陰極箔(５)として用いた場合、箔(５)の全長が長いので、リードタブ端子(25)を箔(５)の長手方向の中央部に取り付けると、両箔(４)(５)のリードタブ端子(25)(25)の間隔Ｐが広くなる問題がある。リードタブ端子(25)(25)の間隔は、前記の如く、ＪＩＳ規格で定められているから、通常のアルミニウム箔を陰極箔(５)として巻回してコンデンサを作成すると、規格外のものができ、これでは製品にならない。

本発明の目的は、静電容量及びリードタブ端子の間隔を保ちつつ、ＥＳＲ及びインダクタンスが小さなコンデンサを提供することにある。

陰極箔(５)と陽極箔(４)とを巻き取って構成され、内部に固体電解質層が形成されたコンデンサ素子(２)を具え、両箔(４)(５)にはリードタブ端子(25)(25)が取り付けられた固体電解コンデンサに於いて、
陰極箔(５)には、窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜が形成され、
リードタブ端子(25)(25)は、箔(４)(５)の巻始め端から各箔(４)(５)の長手方向に沿って、箔(４)(５)の全長の５０±１５％の位置に取り付けられている。

陰極箔(５)に、窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜を形成することにより、後記の如く、陰極箔(５)の静電容量を無限大、若しくは著しく大きくすることができる。これにより、コンデンサの静電容量を大きく得きるから、箔(５)の全長を短くしても、従来と同等の静電容量のコンデンサを作成できる。

従って、陰極箔(５)を従来よりも短くできるから、リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の長手方向の中央部に取り付けても、リードタブ端子(25)(25)の間隔は広がらない。また、リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の全長の５０±１５％の位置に取り付けることにより、箔(４)(５)内の電子の流れをスムーズにでき、等価直列抵抗(ＥＳＲ)及びインダクタンスを小さくできる。

更に、陰極箔(５)を従来よりも短くすることにより、陰極箔(５)の基材であるアルミニウムの原材料コストを低減できる。また、陰極箔(５)を従来よりも短くすることにより、含浸させる電解質をも減らすことができるから、この点でも製造コストを低減できる。

以下、本発明の一例を図を用いて詳述する。

固体電解コンデンサ(１)の全体形状は、図１に示す従来品と同様である。コンデンサ素子(２)は、誘電体酸化被膜を形成したアルミニウム箔である陽極箔(４)と、アルミニウム箔である陰極箔(５)を、絶縁体であるセパレータ(６)を介してロール状に巻回し、テープ(26)で止めて構成される。陰極箔(５)には、予め窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜が蒸着により形成されている。コンデンサ素子(２)の内部には、固体電解質層、具体的には、ＴＣＮＱ錯塩、又はポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフラン等の導電性高分子の層が形成されている。

固体電解コンデンサ(１)は、以下の手順で形成される。先ず、陽極箔(４)と陰極箔(５)とを、セパレータ(６)を介してロール状に巻く。両箔(４)(５)には、リードタブ端子(25)(25)が加締められている。

コンデンサ素子(２)に切り口化成を行い、コンデンサ素子(２)を２８０℃にて熱処理して、誘電体酸化被膜を安定させる。

次に、３，４−エチレンジオキシチオフェン等のモノマーを、ブチルアルコールに溶かすとともに、酸化剤であるｐ−トルエンスルホン酸鉄(第２鉄)を加えて、溶媒を作り、コンデンサ素子(２)を該溶媒内に浸漬する。

加熱して熱重合反応を起こさせ、コンデンサ素子(２)の内部に、導電性高分子層を形成する。この後、該コンデンサ素子(２)をケース(３)に入れ、パッキング(30)にてケース(３)の開口を封止する。ケース(３)の上端部をカールしてパッキング(30)を固定する。リード線(21)に座板(31)を挿入した後に、リード線(21)を外向きに折曲する。

陰極箔(５)に窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜が形成されている理由を示す。

一般に、陰極箔(５)上には誘電体酸化被膜を意図的には形成しないが、実際には自然酸化により酸化被膜が形成される。従って、コンデンサの静電容量Ｃは、陽極箔(４)側の静電容量Ｃaと陰極箔(５)側の静電容量Ｃcとが直列に接続された容量となり、以下の式で示される。

即ち、陰極箔(５)が静電容量Ｃcを有すれば、コンデンサの静電容量Ｃは陽極箔(４)側の静電容量Ｃaよりも小さくなる。

しかし、陰極箔(５)にスパッタリング法や蒸着により、図３に示すように、ＴｉＮ等の金属窒化物の被膜(52)を形成すれば、金属窒化物の分子が酸化被膜(51)を突き破って、陰極箔(５)のアルミニウム基材に接すると推測される。従って、基材と金属窒化物が導通し、陰極箔(５)は容量が無限大、若しくは著しく大きいと考えることができ、無視することができる。これにより、コンデンサの静電容量を大きくすることができる。被膜が弁金属の酸化物でも同様である。

陰極箔(５)は容量を無視することができるから、陰極箔(５)を短くしても、従来と同等の静電容量のコンデンサを作成できる。出願人の実験では、従来の陰極箔(５)で長さが１３３ｍｍのものと、金属窒化物の被膜を形成した本例の陰極箔(５)で長さが７１ｍｍのものとで、同じ静電容量のコンデンサができることを確認している。

出願人は、陰極箔(５)を短くしてリードタブ端子(25)(25)を陰極箔(５)の長手方向の中央部に取り付け、箔(４)(５)内の電子の流れをスムーズにし、且つリードタブ端子(25)(25)の間隔Ｐを変えないことを着想した。

出願人は、リードタブ端子(25)(25)を加締めた位置を種々違えた陰極箔(５)を用いてコンデンサを作成し、初期電気特性を測定した。結果を下記の表１に示す。

表１にて、従来例１、２、３のコンデンサは、夫々リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の巻始め端から各箔(４)(５)の長手方向に沿って、箔(４)(５)の全長の２４％、３５％、５０％の位置に加締めており、陰極箔(５)には金属窒化物及び弁金属の酸化物の被膜は形成されていない。従来例１、２、３の箔(４)(５)の長さは、リードタブ端子(25)(25)の間隔がＪＩＳ規格に納まる長さである。

実施例１、２、３のコンデンサは、弁金属であるチタンの酸化物の被膜を形成した陰極箔(５)を用いており、夫々リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の巻始め端から各箔(４)(５)の長手方向に沿って、箔(４)(５)の全長の３５％、５０％、６５％の位置に加締めている(図５参照)。

実施例４、５、６のコンデンサは、金属窒化物である窒化アルミニウムの被膜を形成した陰極箔(５)を用いており、夫々リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の巻始め端から各箔(４)(５)の長手方向に沿って、箔(４)(５)の全長の３５％、５０％、６５％の位置に加締めている。

初期電気的特性は、静電容量(Ｃａｐ、単位：μＦ)、誘電正接(tanδ、単位％)、等価直列抵抗(ＥＳＲ、単位：ｍΩ)、漏れ電流(ＬＣ、単位：μＡ)について測定しており、何れも２０ヶの平均値である。理想的なコンデンサでは、電流は電圧よりも９０度位相が進むが、実際には遅れを生じる。この遅れた角度δを誘電損角と呼び、一般に誘電正接(tanδ)で示す。

試作した固体電解コンデンサ(１)は何れも、定格電圧４Ｖで、静電容量６８０μＦであり、ケース(３)の外径が８.０ｍｍ、高さが１３.０ｍｍである。静電容量及び誘電正接は、１２０Ｈｚにて、等価直列抵抗は１００ｋＨｚにて交流電圧を印加して測定した。

また、漏れ電流は、定格電圧を印加して、２分後の値を測定した。

表１から従来の陰極箔(５)を用いて、リードタブ端子(25)(25)を箔(５)の巻始め端から箔(５)の全長の５０％の位置に加締め、且つリードタブ端子(25)(25)の間隔ＰをＪＩＳ規格に納めようとすると、箔(５)が短くなり、静電容量が低下することが判る。

表１では、弁金属の酸化物であるチタン酸化物、及び複合窒化化合物である窒化アルミニウムチタンを蒸着した陰極箔(５)を用いている。しかし、出願人は単金属窒化物である窒化チタンを蒸着した陰極箔(５)を用いても、窒化アルミニウムチタンを蒸着した陰極箔(５)と同等のデータが得られることを確認している。

表１から判るように、陰極箔(５)に、窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜を形成することにより、コンデンサの静電容量を大きくできるから、箔(５)の全長を短くしても、従来と同等の静電容量のコンデンサを作成できる。

従って、陰極箔(５)を従来よりも短くできるから、リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の長手方向の中央部に取り付けても、リードタブ端子(25)(25)の間隔は広がらない。また、リードタブ端子(25)(25)を箔(４)(５)の全長の５０±１５％の位置に取り付けることにより、箔(４)(５)内の電子の流れをスムーズにでき、等価直列抵抗(ＥＳＲ)を小さくできる。
また、陰極箔(５)を従来よりも短くすることにより、インダクタンスも小さくできる。

上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

例えば、ケース(３)の上面開口は、エポキシ樹脂で塞いでも構わない。

従来の固体電解コンデンサのコンデンサ素子の分解斜視図である。従来の固体電解コンデンサの断面正面図である。金属窒化物の被膜が酸化被膜を突き破る状態を示す断面図である。コンデンサ素子の平面図である。リードタブ端子と箔の位置関係を示す図である。箔の巻き取り工程を示す図である。

符号の説明

(２) コンデンサ素子
(４) 陽極箔
(５) 陰極箔
(25) リードタブ端子

Claims

陽極箔(４)と陰極箔(５)とを巻き取って構成され、内部に固体電解質層が形成されたコンデンサ素子(２)を具え、両箔(４)(５)にはリードタブ端子(25)(25)が取り付けられた固体電解コンデンサに於いて、
陰極箔(５)には、窒化物又は弁金属の酸化物から成る膜が形成され、
リードタブ端子(25)(25)は、箔(４)(５)の巻始め端から各箔(４)(５)の長手方向に沿って、箔(４)(５)の全長の５０±１５％の位置に取り付けられたことを特徴とする固体電解コンデンサ。
弁金属の酸化物から成る膜は、チタン酸化物、ジルコニウム酸化物、タンタル酸化物、ニオブ酸化物の何れかを蒸着して形成される請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
窒化物から成る膜は、単金属窒化物である窒化チタン、窒化ジルコニウム、窒化タンタル、窒化ニオブの何れかを蒸着して形成される請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
窒化物から成る膜は、複合窒化化合物である窒化アルミニウムチタン、窒化クロムチタン、窒化ジルコニウムチタン、炭窒化チタンの何れかを蒸着して形成される請求項１に記載の固体電解コンデンサ。
固体電解質は、ＴＣＮＱ錯塩、又はポリチオフェン系の導電性高分子である請求項１に記載の固体電解コンデンサ。