JP2005223197A - 電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 静電容量の高い、コンパクトな電解コンデンサを提供する。
【解決手段】 誘電体膜を表面に形成した陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回してなるコンデンサ素子を含む電解コンデンサにおいて、アルミニウム箔の両面に、カーボン層をアルミニウム箔と直接接触するように形成させてなる陰極箔を使用する。
【選択図】 なし

Description

本発明は電解コンデンサに関する。更に具体的には、高静電容量の電解コンデンサに関する。

誘電体膜を表面に形成した陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回してなるコンデンサ素子に液体電解質を含浸させてなる電解コンデンサは、一般にアルミニウム箔を使用し、そのアルミニウム箔をエッチングして表面積を拡大し、その表面に化成処理等により酸化膜を、誘電体膜として生成したものを陽極箔とし、実質的に酸化膜を形成していない箔を陰極箔とし、陽極箔と陰極箔との間にマニラ紙などのセパレータを挟んで巻回したコンデンサ素子に液体電解質を含浸して完成される(たとえば、特許文献１参照。)。ここで、自然酸化で生成する酸化膜を有する箔は、「実質的に酸化膜を形成していない箔」の範疇に含まれる。なお、自然酸化で生成する酸化膜の厚さはアルミニウム箔の場合、１００〜２００ｎｍ程度である。

近年、このような電解コンデンサにおける液体電解質に代えて導電性高分子を電解質として用いる固体電解コンデンサが商品化されてきている。この導電性高分子は、予め導電性高分子形成性化合物をコンデンサ素子に含浸せしめ、その後、酸化剤により重合せしめることによって得られる。

固体電解コンデンサにおける固体電解質は、液体電解質に比較し、電気伝導度が高く、従って、損失が少ないので、周波数特性や温度特性に優れているという特徴を有する。なお、本発明においては、固体電解コンデンサを含まない旨明示的に記載されない限り、電解コンデンサには、液体を使用するものの他固体電解コンデンサも含まれる。

しかしながら、いずれの場合においても、陰極箔としてアルミニウム箔を使用すると僅かな時間で表面に酸化アルミ層が形成され、陰極箔の静電容量が減じる。すなわち、陰極箔に酸化アルミが存在しない理想的状態ではその静電容量は無限大となり、電解コンデンサの静電容量は、理想値（陽極箔の静電容量）と一致することになるが、陰極箔に酸化アルミ層が形成されると、電解コンデンサの静電容量がこの理想値より低下することになる。
特開平０８−７８２８７号公報（[０００１]〜[０００９]）

本発明は、静電容量の高い、コンパクトな電解コンデンサを提供することを目的とする。本発明のさらに他の目的および利点は、以下の説明から明らかになるであろう。

本発明の一態様によれば、誘電体膜を表面に形成した陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回してなるコンデンサ素子を含む電解コンデンサにおいて、陰極箔が、実質的にアルミニウム箔の両面に、カーボン層を、カーボン層がアルミニウム箔と直接接触するように形成させてなるものである、電解コンデンサが提供される。本発明により、静電容量の高い、コンパクトな電解コンデンサが得られる。

陰極端子用タブを、陰極箔のアルミニウム箔表面と直接金属接触させたものであること、あるいは逆に陰極端子用タブを、陰極箔のカーボン層表面と接続させたものであること、陰極箔のアルミニウム箔として、エッチングしたアルミニウム箔を使用したものであること、電解コンデンサが、内部に導電性高分子を含浸させたコンデンサ素子を含む固体電解コンデンサであり、陰極箔について、アルミニウム箔の厚さが１０〜５０μｍの範囲にあり、カーボン層の一層の厚さが０．１〜１０μｍの範囲にあること、内部に液体電解質を含浸させてなり、陰極箔について、アルミニウム箔の厚さが１０〜５０μｍの範囲にあり、カーボン層の一層の厚さが５〜３０μｍの範囲にあること、導電性高分子が、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフランまたはポリアニリンのいずれかであること、巻回したコンデンサ素子の直径が１５ｍｍ以下であり、端部間距離が、３０ｍｍ以下であることが好ましい態様である。

本発明により、静電容量の高い、コンパクトな電解コンデンサが提供される。

以下に、本発明の実施の形態を図、表、実施例等を使用して説明する。なお、これらの図、表、実施例等及び説明は本発明を例示するものであり、本発明の範囲を制限するものではない。本発明の趣旨に合致する限り他の実施の形態も本発明の範疇に属し得ることは言うまでもない。

本発明に係る電解コンデンサは、誘電体膜を表面に形成した陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回してなるコンデンサ素子を含み、この陰極箔が、実質的にアルミニウム箔の両面に、カーボン層を、カーボン層がアルミニウム箔と直接接触するように形成させたものである。なお、この場合、カーボン層と接触する前のアルミニウム箔については、自然酸化で生成するものを含め酸化膜ができるだけ少ない方が好ましい。許容できるレベルは、作製される電解コンデンサの要求性能に応じ、適宜定めることができる。

コンデンサ素子には電解液や導電性高分子を含浸させて使用する。固体電解質を含浸させた場合は、固体電解コンデンサと呼ばれる。

具体例を図１，２に示す。図１は、電解コンデンサのコンデンサ素子１の模式的側面図であり、図２は、その模式的側断面図の一層を拡大した図である。なお、図１は接続端子がコンデンサ素子の円柱形状の片方の端部から二本出ているタイプであるが、本発明は、この図に限定される訳ではなく、両側からそれぞれ一本ずつ出ているタイプや、円柱形ではなくシートを積層した枚葉積層型のコンデンサについても適用できるものであることは言うまでもない。

図２において、陽極箔２の両面は、表面積を増大させるためエッチング等により粗面化されている。陽極箔２の両面の凸凹はその粗面をデフォルメして示したものである。陽極箔２の両側には、化成処理等によって設けられた酸化アルミ層３がある。化成処理には、アジピン酸アンモニウム溶液が一般的に使用される。右側の酸化アルミ層３の右側には、セパレータ４が存在する。液体電解質を使用する電解コンデンサの場合には、マニラ麻やその他の材料よりなるセパレータ紙にγ−ブチロラクトン溶液等の液体電解質を含浸させるのが一般的であり、固体電解コンデンサの場合には、セパレータ紙等を炭化処理し、その空隙に、導電性高分子形成性化合物を含浸させ、酸化剤を共存させることにより、導電性高分子形成性化合物を重合させて、導電性高分子として使用するのが一般的である。

図のセパレータ４の右側には、陰極箔５とその上にあるカーボン層６とが図２の順にある。このような構成が、誘電体膜を表面に形成した陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回してなるコンデンサ素子であって、その陰極箔が、実質的にアルミニウム箔の両面に、カーボン層を、カーボン層がアルミニウム箔と直接接触するように形成させたものに該当する。電解コンデンサはこのコンデンサ素子をエポキシ樹脂等で封止して作製することができる。

また、上記の重合を行えば、この電解コンデンサが、内部に導電性高分子を含浸させたコンデンサ素子を含む固体電解コンデンサとなる。固体電解コンデンサにおける固体電解質は、固体であるため、液体電解質に比較し、電気伝導度が高く、従って、損失が少ないので、周波数特性や温度特性に優れているという特徴を有する。この点で、小型化に向いており、本発明の「静電容量の高い、コンパクトな電解コンデンサ」という特徴をより有効に利用できる。電解コンデンサが固体電解コンデンサの場合には、導電性高分子が、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフランまたはポリアニリンのいずれかであることが好ましい。中でも、重合により容易に膜を形成し、作業性が優れるため、ポリチオフェンが好ましい。図５にポリチオフェンの構造式を示す。図５中、Ａ^-はドーパントである。

従来は、このカーボン層６がないため、陰極箔５の両面に酸化アルミの層が生じ、結果として電解コンデンサの静電容量が理想値より大幅に低くなったが、上記構成を有する電解コンデンサでは静電容量を高く保てることが判明した。

カーボン層の生成は、カーボン粉体をアルミニウム箔に押しつける方法や、導電性バインダーで付着させ、炭化させる方法等どのような方法によってもよい。本発明において、「カーボン層がアルミニウム箔と直接接触する」には、このようにバインダーを使用する場合も含まれる。なお、この際アルミニウム箔表面をエッチング処理等により粗面化すると、カーボン粉体等とアルミニウム箔との接着面積が増え、有利である。

なお、カーボン層はアルミニウム箔の両面に設けるが、その両面を実質的に覆うように設けられていれば充分であり、一部にカーボン層のない部分が存在してもよい。たとえば、陰極箔のアルミニウム箔表面の内、カーボン層の一部を除去し、陰極端子用タブとアルミニウム箔とを直接金属接触させると、電気的接続の信頼性が高く、好ましい場合がある。どの程度カーボン層を除去して良いかは、電解コンデンサの所望の静電容量に応じて決めることができる。直接金属接触方法としてはステッチング法等がある。

図３Ａ〜Ｄに陰極端子用タブとアルミニウム箔とを直接金属接触させる様子を示す。まず、図３Ａ，Ｂのように、カーボン層３１を除去し、アルミニウム箔３２の表面を露出させた箇所に、陰極端子用タブ３３を置く。図３Ａは、アルミニウム箔３２と二つのカーボン層３１とよりなる陰極箔３４の斜視図であり、図３Ｂは、これを図３Ａの矢印方向から見た図である。ついで、図３Ｃに示すように穿孔具３５を使用して孔開け（ステッチング）を行い、ついで、プレスして図３Ｄのようにカシメ３６を行うことにより、陰極端子用タブ３３を陰極箔３４に取り付ける。

なお、場合によっては、図４Ａ〜Ｄに示すように、カーボン層を除去することなく、陰極端子用タブをカーボン層表面と接続させることも可能であり、下記ステッチングやカシメによるタブと陰極箔との接続において接触抵抗に問題がなければ、工程を簡略化できるため有用であることが判明した。

図４Ａ〜Ｄの場合は、まず、図４Ａ，Ｂのように、カーボン層４１の上に陰極端子用タブ４３を置き、図４Ｃに示すように穿孔具４５を使用して孔開け（ステッチング）を行い、ついで、プレスして図４Ｄのようにカシメ４６を行うことにより、陰極端子用タブ４３を陰極箔４４に取り付ける。なお、図４Ａは、アルミニウム箔４２と二つのカーボン層４１とよりなる陰極箔４４の斜視図であり、図４Ｂは、これを図４Ａの矢印方向から見た図である。

所望の効果が得られたかどうかは、実際に電解コンデンサを組み立て、この電解コンデンサの静電容量がどの程度になっているかを調べることによって確認することができる。

本発明に係る電解コンデンサの静電容量は、アルミニウム箔と直接接触するカーボン層がない場合に比べ大幅に向上させることができる。カーボン層の被覆面積やその厚さ等の他の因子にも影響されるが、たとえば、アルミニウム箔と直接接触するカーボン層がない以外は本発明に係る電解コンデンサと同じ構成の電解コンデンサの静電容量に対し、〜２倍程度の値に容易に到達することができる。

なお、図２には、固体電解コンデンサについて、各構成要素の厚さの例を示してある。陰極箔については、アルミニウム箔の厚さが１０〜５０μｍの範囲にあり、カーボン層の一層の厚さが０．１〜１０μｍの範囲にあることが好ましい。この範囲を超えると、電解コンデンサをコンパクトにできるメリットが失われやすくなる。アルミニウム箔の厚さがこの範囲より薄いと、陰極端子用タブを取り付ける際、ステッチの強度不足等の問題が生じやすくなる。カーボン層の一層の厚さがこの範囲より薄いと、電解コンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）が増加する。あるいは、電解コンデンサの静電容量が下がる恐れが生じる。

内部に液体電解質を含浸させてなる電解コンデンサについては、陰極箔について、アルミニウム箔の厚さが１０〜５０μｍの範囲にあり、カーボン層の一層の厚さが５〜３０μｍの範囲にあることが好ましい。液体電解質を使用する場合は、カーボン層と液体電解質の界面で電気二重層が形成され、ここに発生する静電容量が陰極の容量となる。従って、比較的ポーラスなカーボン層の内部に発生する電気二重層が利用でき、層を厚くすることがカーボンの表面積を増大させることになるため、カーボン層の好ましい厚さが固体電解コンデンサの場合とは異なるのである。なお、このような場合には、陰極端子用タブを取り付ける部位については、カーボン層の厚さを減少させた方が、電解コンデンサのＥＳＲを抑える上で有利である。

コンデンサ素子のサイズとしては、直径（図１におけるＤ）が１５ｍｍ以下であり、端部間距離（図１におけるＬ）が、３０ｍｍ以下であることが好ましい。種々検討した結果、この範囲について、本発明の効果が歩留まりよく示された。

以下に、本発明の実施例を比較例と共に説明する。

［実施例１］
アルミニウム箔をエッチング処理後化成処理し、両側に酸化アルミの層を設けた厚さ１１０μｍの陽極箔と、厚さ５０μｍのアルミニウム箔の両側にカーボン粉を付着させたカーボン層（一層の厚さが２．０μｍ）を設けてなる陰極箔とを厚さ３０μｍのマニラ紙を介在させて巻回し、直径４．０ｍｍ、端部間距離２．０ｍｍのコンデンサ素子を造った。なお、陰極端子用タブは、カーボン層を剥がし、ステッチングにより取り付けた。

このコンデンサ素子を２５０℃の炉で処理して、マニラ紙を炭化させ、チオフェン化合物である３，４−エチレンジオキシチオフェンのエタノール溶液（ＭＡ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、商品名ＢＡＹＴＲＯＮ Ｍ）を含浸させ、エタノールを乾燥除去し、素子内部に３，４−エチレンジオキシチオフェンを分散させた後、酸化剤であるパラトルエンスルホン酸鉄のｎ−ブタノール溶液（ＭＡ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｈｅｍｉｃａｌ社製、商品名ＢＡＹＴＲＯＮ Ｃ−Ｂ５０）と反応させて重合をおこない、導電性ポリチオフェンを含浸したコンデンサ素子を得た。このコンデンサ素子をエポキシ樹脂で封止し、固体電解コンデンサを得た。

なお、酸化アルミの層の化成電圧を変更して、定格電圧が２Ｖ品、６．３Ｖ品、２０Ｖ品の三種のコンデンサを作製した。

［比較例１］
厚さ５０μｍのアルミニウム箔の両側にカーボン粉を付着させたカーボン層（一層の厚さが２．０μｍ）を設けてなる陰極箔の代わりに、両側に、自然の酸化アルミ被膜を有する、厚さ５０μｍのエッチング処理されたアルミニウム箔よりなる陰極箔を使用した以外は、実施例１と同様に行った。

表１に、実施例１と比較例１とにおけるコンデンサの静電容量の評価結果を示す。実施例１の方が、静電容量が格段に大きいことが理解される。

［実施例２］
カーボン層を剥がして陰極端子用タブを取り付ける代わりに、陰極端子用タブを、陰極箔のカーボン層表面と接続させた以外は実施例１と同じようにして固体電解コンデンサを得た。その結果、１００ｋＨｚのＥＳＲが９．９ｍΩとなり、実施例１の場合の９．４ｍΩに比べ若干悪化した以外は実施例１と同様の結果を得た。

電解コンデンサ用コンデンサ素子の模式的側面図である。 図１のコンデンサ素子の模式的側断面図である。 陰極端子用タブとアルミニウム箔とを直接金属接触させる様子を示す模式図である。 陰極端子用タブとアルミニウム箔とを直接金属接触させる様子を示す他の模式図である。 陰極端子用タブとアルミニウム箔とを直接金属接触させる様子を示す他の模式図である。 陰極端子用タブとアルミニウム箔とを直接金属接触させる様子を示す他の模式図である。 陰極端子用タブを、陰極箔のカーボン層表面と接続させる様子を示す模式図である。 陰極端子用タブを、陰極箔のカーボン層表面と接続させる様子を示す他の模式図である。 陰極端子用タブを、陰極箔のカーボン層表面と接続させる様子を示す他の模式図である。 陰極端子用タブを、陰極箔のカーボン層表面と接続させる様子を示す他の模式図である。 ポリチオフェンの構造式を表す図である。

符号の説明

１ コンデンサ素子
２ 陽極箔
３ 酸化アルミ層
４ セパレータ
５ 陰極箔
６ カーボン層
３１ カーボン層
３２ アルミニウム箔
３３ 陰極端子用タブ
３４ 陰極箔
３５ 穿孔具
３６ カシメ
４１ カーボン層
４２ アルミニウム箔
４３ 陰極端子用タブ
４４ 陰極箔
４５ 穿孔具
４６ カシメ

Claims (8)

1. 誘電体膜を表面に形成した陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回してなるコンデンサ素子を含む電解コンデンサにおいて、当該陰極箔が、実質的にアルミニウム箔の両面に、カーボン層を、当該カーボン層がアルミニウム箔と直接接触するように形成させてなるものである、電解コンデンサ。
2. 陰極端子用タブを、前記陰極箔のアルミニウム箔表面と直接金属接触させた、請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 陰極端子用タブを、前記陰極箔のカーボン層表面と接続させた、請求項１に記載の電解コンデンサ。
4. 前記陰極箔のアルミニウム箔として、エッチングしたアルミニウム箔を使用した、請求項１〜３のいずれかに記載の電解コンデンサ。
5. 前記電解コンデンサが、内部に導電性高分子を含浸させたコンデンサ素子を含む固体電解コンデンサであり、前記陰極箔について、アルミニウム箔の厚さが１０〜５０μｍの範囲にあり、カーボン層の一層の厚さが０．１〜１０μｍの範囲にある、請求項１〜４のいずれかに記載の電解コンデンサ。
6. 内部に液体電解質を含浸させてなり、前記陰極箔について、アルミニウム箔の厚さが１０〜５０μｍの範囲にあり、カーボン層の一層の厚さが５〜３０μｍの範囲にある、請求項１〜４のいずれかに記載の電解コンデンサ。
7. 前記導電性高分子が、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリフランまたはポリアニリンのいずれかである、請求項５に記載の電解コンデンサ。
8. 巻回した前記コンデンサ素子の直径が１５ｍｍ以下であり、端部間距離が、３０ｍｍ以下である、請求項１〜７のいずれかに記載の電解コンデンサ。

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