JP2006190878A - 電解コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストの削減を図りつつ静電容量値を格段に向上することができる電解コンデンサ及びその製造方法を提供することにある。
【解決手段】弁作用を有する金属の表面に酸化被膜が形成された陽極３と、弁作用を有する金属を備えた陰極２と、これら両極間に設けられたセパレータ４とを巻回してなるコンデンサ素子１を備え、上記両極２，３間には電解質が介在する電解コンデンサにおいて、
上記陰極２における弁作用を有する金属の表面には、カーボン被膜が形成されていることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、弁作用を有する金属の表面に酸化被膜が形成された陽極と、陰極と、これら両極間に設けられたセパレータとを巻回してなるコンデンサ素子を備え、上記両極間には電解質が介在する電解コンデンサ及びその製造方法に関する。

タンタル或いはアルミニウム等のような弁作用を有する金属を利用した電解コンデンサは、小型で大きな容量を得ることができることから、広く一般に用いられており、特に、電解コンデンサのうち、ポリピロール系、ポリチオフェン系、ポリアニリン系等の導電性高分子又はＴＣＮＱ錯塩を電解質に用いた固体電解コンデンサが注目されている。

ここで、上記固体電解コンデンサは、以下のようにして作製される。
先ず、エッチング処理、化成処理を行ったアルミニウム箔から成る陽極と、陰極とを、セパレータ紙を介して円筒状に巻き取ってコンデンサ素子を形成した後、当該コンデンサ素子の切り口化成と熱処理とを行う。次に、酸化剤とモノマーとを含む溶液に上記コンデンサ素子を浸漬した後、熱重合させることにより、コンデンサ素子の両極間に導電性高分子層を形成させる。次いで、コンデンサ素子をアルミケースに収納固定後、アルミケースの開口部を封止し、更にエージング処理を行う。最後に、コンデンサのカール面に座板を挿入し、コンデンサのリード線をプレス加工・折り曲げを行って電極端子を作製することにより、固体電解コンデンサを完成させる。

ここで、近年、市場では上記のような固体電解コンデンサを大型化することなくの大容化することが求められており、これを達成すべく、以下に示すような提案がなされている。
（１）陰極の表面にＴｉＮ等の金属窒化物からなる被膜を形成して、静電容量を高めるという方法（下記特許文献１参照）。
（２）冷間圧延油、圧延速度、圧下率の組み合わせにより、陰極の表面から深さ２００ｎｍ以上の位置まで炭素を混入させて平均的に静電容量を高めるという方法（下記特許文献２参照）。

特開２０００−１１４１０８号公報

特開２００２−５７０７５号公報

しかしながら、上記従来の発明では、以下に示す課題を有する。
（１）の発明の課題
ＴｉＮは融点が高いので、被膜形成に長時間を要すると共に多くのエネルギーを要する。このため、電解コンデンサの製造コストが高くなるという課題を有していた。

（２）の発明の課題
上記構成であれば、陰極のみの静電容量値はある程度大きくなるが、無限大に漸近することはない。したがって、電解コンデンサの静電容量を飛躍的に大きくすることができず、今後市場から要求されるであろう電解コンデンサの大容量化に対して十分対応できないという課題を有していた。

従って、本発明は、上述した課題を解決するために提案されたものであり、その目的は、製造コストの削減を図りつつ静電容量を格段に向上することができる電解コンデンサ及びその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、弁作用を有する金属の表面に酸化被膜が形成された陽極と、弁作用を有する金属を備えた陰極と、これら両極間に設けられたセパレータとを巻回してなるコンデンサ素子を備え、上記両極間には電解質が介在する電解コンデンサにおいて、上記陰極における弁作用を有する金属の表面には、カーボン被膜が形成されていることを特徴とする。
まず、電解コンデンサの合成容量は等価直列回路であるということから、下記数１の如く表される。

上記数１から明らかなように、Ｃｃが値を持つ（陰極が容量を持つ）限り、コンデンサの容量Ｃは陽極側の静電容量Ｃａより小さくなる。
そこで、上記構成の如く、弁作用を有する金属の表面に導電性に優れるカーボン被膜が形成されていれば、カーボン被膜が弁作用を有する金属（アルミニウム等）の表面に固着されて、当該金属上には弁作用を有する金属の酸化被膜が形成されないので、陰極の静電容量がほぼ無限大に漸近する。この結果、下記数２から明らかなように、本発明の電解コンデンサの静電容量は陽極のみの静電容量となり、従来の電解コンデンサと比較して、静電容量が飛躍的に増大する。

また、カーボンはＴｉＮに比べて融点が低いので、被膜形成が短時間で終了すると共に少ないエネルギーで済む。このため、電解コンデンサの製造コストを大幅に低減することができる。
加えて、カーボンはＴｉＮに比べて応力に対する耐性に優れているので、陽極及びセパレータと共に陰極を巻回しても、カーボン被膜が弁作用を有する金属から脱落するのを防止することができる。

請求項２記載の発明は請求項１記載の発明において、上記カーボン被膜が、ダイアモンドライクカーボン被膜及び／又はグラファイトライクカーボン被膜から成ることを特徴とする。
カーボン被膜としては、ダイアモンドライクカーボン被膜或いはグラファイトライクカーボン被膜が例示されるが、本発明はこれらに限定されるものではない。

請求項３記載の発明は請求項１又は２記載の発明において、上記電解質として固体電解質を用いることを特徴とする。
このように電解質として固体電解質を用いれば、固体電解コンデンサは小型、大容量、低等価直列抵抗であることに加えて、チップ化しやすく、表面実装に適している等の特質を備えていることから、電子機器の小型化、高機能化、低コスト化を図ることができる。

請求項４記載の発明は請求項３記載の発明において、上記固体電解質としてポリチオフェン系、ポリピロール系、ポリアニリン系の導電性高分子又はＴＣＮＱ錯塩を用いることを特徴とする。
固体電解質としてポリチオフェン系、ポリピロール系、ポリアニリン系の導電性高分子、ＴＣＮＱ錯塩等が例示されるが、本発明はこれらのものに限定されるものではない。

請求項５記載の発明は請求項３記載の発明において、上記固体電解質としてポリチオフェン系の導電性高分子を用いることを特徴とする。
固体電解質としてポリチオフェン系の導電性高分子を用いれば、ポリチオフェン系の導電性高分子はその他の導電性高分子に比べて、高導電性であるので、ＥＳＲ特性が向上するという作用効果が発揮される。

請求項６記載の発明は請求項１〜５記載の発明において、上記陰極における弁作用を有する金属として、表面に凹凸が形成されたアルミニウム箔を用いることを特徴とする。
このように弁作用を有する金属の表面に凹凸が形成されていれば、電極表面積が拡大するので、静電容量を更に増大させることができる。

また、上記目的を達成するために、本発明のうち請求項７記載の発明は、弁作用を有する金属の表面にカーボン被膜を形成して陰極を作製する第１ステップと、上記陰極と、弁作用を有する金属の表面に酸化被膜が形成された陽極と、これら両極間に設けられたセパレータとを巻回してコンデンサ素子を作製する第２ステップと、上記コンデンサ素子に電解質を含ませる第３ステップとを備えることを特徴とする。
このような方法であれば、請求項１記載の電解コンデンサを容易に作製することができる。

請求項８記載の発明は請求項７記載の発明において、上記第１ステップで形成されるカーボン被膜が、ダイアモンドライクカーボン被膜及び／又はグラファイトライクカーボン被膜から成ることを特徴とする。
このような方法であれば、請求項２記載の電解コンデンサを容易に作製することができる。

請求項９記載の発明は請求項７又は８記載の発明において、上記第３ステップにおいて、コンデンサ素子にモノマーを含浸させた後、熱重合することにより、コンデンサ素子に固体電解質を含ませることを特徴とする。
このような方法であれば、請求項３記載の固体電解コンデンサを容易に作製することができる。

請求項１０記載の発明は請求項７〜９記載の発明において、上記カーボン被膜の形成方法として乾式めっき法を用いることを特徴とする。
カーボン被膜の形成方法として湿式めっき法を用いることも考えられるが、当該方法でカーボン被膜を形成した場合には、弁作用を有する金属に対するカーボン被膜の密着強度が小さくなり、且つ、洗浄等の後工程が必要となる。そこで、このような欠点のない乾式めっき法を用いることが望ましい。

請求項１１記載の発明は請求項１０記載の発明において、上記乾式めっき法としてイオンプレーティング法を用いることを特徴とする。
イオンプレーティング法は、蒸発物のイオン化及びスパッタリングによって密着強度が大きく、且つ、薄膜の堆積密度を高めて気孔率を低くすることができるので、絶縁性に優れる。加えて、機械的性質が非常に異なる物質間でも高蒸着を得ることができるため、弾性等機械的性質の向上した被膜が得られ、しかも、処理の温度が低いため、処理物の材質にも汎用性があるという利点がある。したがって、湿式めっき法としてはイオンプレーティング法を用いるのが好ましい。

本発明によれば、製造コストの削減を図りつつ静電容量値を格段に向上することができるという優れた効果を奏する。

以下、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の最良の形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において適宜変更して実施することが可能なものである。

図１は本発明の一例である固体電解コンデサに用いるコンデンサ素子斜視図、図２は本発明の一例である固体電解コンデサの断面図である。
図２に示すように、アルミケース９内にはコンデンサ素子１が配置されており、このコンデンサ素子１上には封止用ゴムパッキング１０が挿入されている。また、アルミケース９の開口部は横絞りとカールすることで封止されており、この封止部上にはプラスチック製の座板１１が挿入されている。この座板１１上には、上記陰極２と陽極３とにそれぞれ電気的に接続された後述の陰極用リード線８、陽極用リード線７を、プレス加工、折り曲げ加工して形成される電極端子１２が設けられている。

一方、上記コンデンサ素子１は、図１に示すように、表面が凹凸形状のアルミニウム箔の表面に酸化被膜が形成された陽極３と、表面が凹凸形状のアルミニウム箔の表面に厚さ０．５μｍのダイアモンドライクカーボン被膜（以下、ＤＬＣ被膜と称することがある）を形成させた陰極２と、これら両極２，３間に設けられた紙製のセパレータ４とを有している。そして、これら両極２、３とセパレータ４とはロール状に巻回されて、円筒伏のコンデンサ素子１を構成しており、このコンデンサ素子１の巻回端部には固定用テープ５が貼着されている。また、上記両極２，３間には、ポリチオフェン系の導電性高分子層が形成されている。尚、図１中、６はリードタブ端子、７は陽極用リード、８は陰極用リードである。

ここで、上記構造の固体電解コンデンサを、以下のようにして作製した。
先ず、アルミニウム製シートから切り出された帯状のアルミニウム箔にエッチング処理を行なう。このようにエッチング処理を行うのは、アルミニウム箔の表面を粗面化して、表面積を拡大し、静電容量を大きくするためである。次に、粗面化されたアルミニウム箔上に、窒化チタン（ＴｉＮ）の被膜を蒸着により形成する。尚、蒸着に代えて、イオンプレーティング法、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法にて被膜を形成してもよい。

次に、窒化チタンの被膜を形成したアルミニウム箔を化成液に漬け、約５Ｖの電圧を印加することにより、窒化チタンの被膜を酸化して、酸化チタンから構成される誘電体酸化被膜を形成した。これにより、陽極３が作製される。尚、化成液としては、リン酸塩、ホウ酸塩、アジピン酸塩等の溶液が知られているが、他の酸塩の溶液を用いてもよい。

上記正極作製工程と並行して、下記に示す条件で、アルミニウム箔の表面に厚さ０．５μｍのＤＬＣ被膜をイオンプレーティング法により形成して、陰極２を作製した。
・蒸着条件
時間：３０ｍｉｎ
温度：２００℃
装置内圧力：Ｐ＝２×１０^-2Ｔｏｒｒ
ターゲット：ダイヤモンド薄膜

しかる後、上記陽極３と、陰極２とを、絶縁体であるセパレータ４を介してロール状に巻回し、巻回終端をテープ５でとめ、コンデンサ素子１を作製した。ここで、陽極３は、前記の如く、アルミニウム製シートから切り出されて作成されるので、陽極３の端面には、誘電体酸化被膜が形成されていない。したがって、コンデンサ素子１の切り口化成を行って、陽極の端面にも誘電体酸化被膜を形成した。この後、コンデンサ素子１を２８０℃で熱処理して、誘電体酸化被膜の特性を安定させた。

次に、モノマーとしての３，４−エチレンジオキシチオフェンと、酸化剤溶液としてのｐ−トルエンスルホン酸第二鉄とを含む５０ｗｔ％程度のエチルアルコール溶液に、コンデンサ素子１を浸漬後、熱重合して両極２，３間に導電性高分子層を形成し、コンデンサ素子１を完成させた。

その後、図２に示すように、上記のようにして作製したコンデンサ素子１をアルミケース９内に収納し、更に、コンデンサ素子１上のアルミケース９内に封止用ゴムパッキング１０を挿入して固定した後、アルミケース９の開口部に対し横絞りとカールを施すことで封止を行った。最後に、エージング処理を行った後、コンデンサのカール面にプラスチック製の座板１１を挿入し、更に、コンデンサのリード線７、８のプレス加工、折り曲げ加工を行って電極端子１２を形成することにより、固体電解コンデンサを作製した。

このようにして作製した固体電解コンデンサは、定格電圧２．５Ｖで静電容量３９０μＦであり、またアルミケース９の外形寸法は直径６．３ｍｍで高さ６．０ｍｍである。

（実施例１）
上記発明を実施するための最良の形態と同様にして固体電解コンデンサを作製した。
このようにして作製した固体電解コンデンサを、以下本発明コンデンサＡ１と称する。

（実施例２）
下記に示す条件で、アルミニウム箔の表面に厚さ１．０μｍのＤＬＣ被膜をイオンプレーティング法により形成し、陰極２を作製した以外は、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを作製した。
このようにして作製した固体電解コンデンサを、以下本発明コンデンサＡ２と称する。

・蒸着条件
時間：１ｈ
温度：２００℃
装置内圧力：Ｐ＝２×１０^-2Ｔｏｒｒ
ターゲット：ダイヤモンド薄膜

（実施例３）
下記に示す条件で、アルミニウム箔の表面に厚さ０．５μｍのグラファイトライクカーボン被膜（以下、ＧＬＣ被膜と称するときがある）をイオンプレーティング法により形成し、陰極２を作製した以外は、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを作製した。
このようにして作製した固体電解コンデンサを、以下本発明コンデンサＡ３と称する。

・蒸着条件
時間：３０ｍｉｎ
温度：２００℃
装置内圧力：Ｐ＝２×１０^-2Ｔｏｒｒ
ターゲット：非晶質カーボン

（実施例４）
下記に示す条件で、アルミニウム箔の表面に厚さ１．０μｍのＧＬＣ被膜をイオンプレーティング法により形成し、陰極２を作製した以外は、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを作製した。
このようにして作製した固体電解コンデンサを、以下本発明コンデンサＡ４と称する。

・蒸着条件
時間：２ｈ
温度：２００℃
装置内圧力：Ｐ＝２×１０^-2Ｔｏｒｒ
ターゲット：非晶質カーボン

（比較例）
アルミニウム箔の表面にＤＬＣ被膜を形成することなく陰極２を作製した以外は、実施例１と同様にして固体電解コンデンサを作製した。
このようにして作製した固体電解コンデンサを、以下比較コンデンサＸと称する。

（実験）
上記本発明コンデンサＡ１〜Ａ４及び比較コンデンサＸにおいて、１２０Ｈｚの周波数での静電容量（単位：μＦ）を測定したので、その結果を表１に示す。尚、試料数は、各コンデンサ２０個とし、また、表１にはそれらの平均値を示した。

上記表１から明らかなように、本発明コンデンサＡ１〜Ａ４は比較コンデンサＸに比べて、静電容量が格段に大きくなっていることが認められる。したがって、エッチドアルミニウム箔の表面にカーボン被膜が形成されたものを陰極として用いれば、固体電解コンデンサの大幅な大容量化を実現できることがわかる。

〔その他の事項〕
（１）上記実施例では、電極の母材にエッチドアルミニウム箔を用いているが、プレーン(未エッチド)アルミニウム箔を用いても良いことは勿論である。
（２）電解質にはポリチオフェン系導電性高分子を用いているが、これに限定するものではなく、ポリピロール系、ポリアニリン系等の導電性高分子又はＴＣＮＱ錯塩を用いても良いことは勿論である。

（３）カーボン被膜の形成方法としては、上記イオンプレーティング法に限定するものではなく、真空蒸着法、スパッタリング法、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、光ＣＶＤ法、レーザーＣＶＤ法などを用いても良い。
（４）本発明は電解質として固体電解質を用いた固体電解コンデンサに限定するものではなく、電解質として電解液を用いた液系の電解コンデンサにも適用できる。
（５）弁作用を有する金属としては上記アルミニウムに限定するものではなく、タンタル、ニオブ等であっても良い。

本発明は、例えば携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ等の電子機器のプリント配線基板における表面実装用電子部品等として用いることができる。

本発明の一例である固体電解コンデサに用いるコンデンサ素子斜視図である。 本発明の一例である固体電解コンデサの断面図である。

符号の説明

１ コンデンサ素子
２ 陰極
３ 陽極
４ セパレータ
９ アルミケース

Claims (11)

1. 弁作用を有する金属の表面に酸化被膜が形成された陽極と、弁作用を有する金属を備えた陰極と、これら両極間に設けられたセパレータとを巻回してなるコンデンサ素子を備え、上記両極間には電解質が介在する電解コンデンサにおいて、
   上記陰極における弁作用を有する金属の表面には、カーボン被膜が形成されていることを特徴とする電解コンデンサ。
2. 上記カーボン被膜が、ダイアモンドライクカーボン被膜及び／又はグラファイトライクカーボン被膜から成る、請求項１記載の電解コンデンサ。
3. 上記電解質として固体電解質を用いる、請求項１又は２記載の電解コンデンサ。
4. 上記固体電解質としてポリチオフェン系、ポリピロール系、ポリアニリン系の導電性高分子又はＴＣＮＱ錯塩を用いる、請求項３記載の電解コンデンサ。
5. 上記固体電解質としてポリチオフェン系の導電性高分子を用いる、請求項３記載の電解コンデンサ。
6. 上記陰極における弁作用を有する金属として、表面に凹凸が形成されたアルミニウム箔を用いる、請求項１〜５記載の電解コンデンサ。
7. 弁作用を有する金属の表面にカーボン被膜を形成して陰極を作製する第１ステップと、
   上記陰極と、弁作用を有する金属の表面に酸化被膜が形成された陽極と、これら両極間に設けられたセパレータとを巻回してコンデンサ素子を作製する第２ステップと、
   上記コンデンサ素子に電解質を含ませる第３ステップと、
   を備えることを特徴とする電解コンデンサの製造方法。
8. 上記第１ステップで形成されるカーボン被膜が、ダイアモンドライクカーボン被膜及び／又はグラファイトライクカーボン被膜から成る、請求項７記載の電解コンデンサの製造方法。
9. 上記第３ステップにおいて、コンデンサ素子にモノマーを含浸させた後、熱重合することにより、コンデンサ素子に固体電解質を含ませる、請求項７又は８記載の電解コンデンサの製造方法。
10. 上記カーボン被膜の形成方法として乾式めっき法を用いる、請求項７〜９記載の電解コンデンサの製造方法。
11. 上記乾式めっき法としてイオンプレーティング法を用いる、請求項１０記載の電解コンデンサの製造方法。