JP2007116064A - 積層型固体電解コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】新規な積層構造を有する積層型固体電解コンデンサを提供する。
【解決手段】表面に誘電体酸化皮膜層を有する平板状の弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に固体電解質層、陰極引出層からなる陰極部を形成したコンデンサ素子基板を複数枚積層する積層型固体電解コンデンサにおいて、コンデンサ素子基板の陽極部が陰極部を中心に対向するように交互に積層する。
【選択図】図４

Description

この発明は、固体電解質を陰極として備えた電解コンデンサに関し、特に積層型の固体電解コンデンサに関するものである。

固体電解コンデンサとしては、アルミニウム、タンタルなどの弁作用金属を陽極とし、その表面に陽極酸化皮膜を形成して誘電体層とし、その上に固体電解質層を形成して陰極を構成したものが多く使われている。固体電解質としては二酸化マンガン、ＴＣＮＱ錯体、導電性高分子などが知られている（例えば特許文献１参照）。

最近では、電子機器の小型・高周波化が進み、使用されるコンデンサも高周波で低インピーダンスが実現できる高電導率の導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが商品化されている。そして、この固体電解コンデンサは高電導率の導電性高分子を固体電解質として使用しているため、二酸化マンガンなどを用いた固体電解コンデンサに比べ、等価直列抵抗成分が低く、理想に近い大容量でかつ小型の固体電解コンデンサを実現することができることから、その用途も広がっており、また、さまざまな改善も試みられている（例えば特許文献２参照）。

また、コンピュータのＣＰＵの低電圧化と高速化に伴い、高周波でコンデンサに流れる電流が飛躍的に大きくなっているので、コンデンサのＥＳＲ・ＥＳＬが低くなければその発熱量が大きくなり、コンデンサの故障の原因となる。即ち、この種の固体電解コンデンサとしては高速過渡対応性が必要とされ、大容量かつ低ＥＳＲ・ＥＳＬであることが必須の要件となっている（例えば特許文献２参照）。

大容量でかつ低ＥＳＲ化を実現するための一つの方法として、コンデンサ素子を積層構造とし、その積層枚数を増やす手法がある。
導電性高分子を固体電解質に用いた積層型固体電解コンデンサの積層構造としては、陽極部と、固体電解質層からなる陰極部を備えた平板状のコンデンサ素子板を、その陽極部は陽極部同士、陰極部は陰極部同士が互いに重なり合うように、少なくとも２枚以上複数枚積層し、各電極にそれぞれ電位取り出し用端子板を接続した２端子構成のものが知られている（例えば特許文献２、３参照）。
特許第２９６９６９２号公報 特開２００３−４５７５３号公報 特開２０００−６８１５８号公報

しかしながら、従来の積層型固体電解コンデンサでは、コンデンサ素子の拡大や積層枚数を増やすことによる大容量化が進むにつれて、製品のＥＳＲは低下するものの、ＥＳＬ特性が悪化するという問題があるため、製品の大容量と低ＥＳＬ化を両立させるのは困難であった。
さらに、積層厚みにおいても図７の従来例に示されるように、陽極部Ａ同士・陰極部Ｃａ同士を図のように積層した場合、陰極部には固体電解質層などが構成されており、若干厚くならざるを得ないため、陽極部を直接接合した場合には、陰極部の後方が広がり嵩高となる問題がある。また、各陽極間に導体板などを介在させて積層の偏りを平均化した場合は、導通抵抗が増加し、ＥＳＬ・ＥＳＲの劣化を招くなどの問題があった。尚Ｔ、Ｔ’は陽極、陰極の電位取り出し用端子部を示す。

上記問題を解決するため、本発明は、弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に誘電体酸化皮膜層と、固体電解質層・陰極引出層からなる陰極部を形成したコンデンサ素子基板を複数枚積層する積層型固体電解コンデンサにおいて、各コンデンサ素子基板の陽極部が陰極部を中心に交互に互い違いになるように積層したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサを提供する。

更に、前記積層した各陰極部から左右両側に突出しているそれぞれの陽極部を抵抗溶接によって導電接合し、左右両側に陽極電位取り出し用の端子部を設けたことを特徴とする積層型固体電解コンデンサを提供する。

また、固体電解質層が導電性高分子であり、この導電性高分子がポリアニリン、ポリピロール、ポリエチレンジオキシチオフェンの何れか、またはその複合物質であることを特徴とする積層型固体電解コンデンサを提供する。

本発明によって提供される積層型固体電解コンデンサは、陽極部と陰極部を備えた同一定格のコンデンサ素子基板を陽極部が陰極部を中心に対向するように交互に積層する構成としたので、素子を流れる電流により発生する磁界を互いに打ち消すことができ、これによってＥＳＬを低減することが可能となった。
その結果、低ＥＳＲ・低ＥＳＬの双方に優れた積層型固体電解コンデンサが得られた。

また、本発明の第２発明によれば、各積層素子基板の陽極部が、その両側において堅固に接合されるので、素子基板全体を緊密に積層することができ、積層に伴う層間の接触不良などによる性能劣化を完全に防止できる。

図１、図２は、本発明の積層型固体電解コンデンサにおいて、積層される前のコンデンサ素子基板の基本構成を説明するための図で、図１は１個のコンデンサ素子基板Ｃの外観斜視図、図２はその詳細構成を示す断面図である。なお、図２では説明の便宜上、厚みは拡大して表示した。
図２において、１はアルミニウム・タンタルなどの弁作用金属を粗面化した薄板で陽極を構成する部分である。２はその表面に形成された弁金属の酸化皮膜層で誘電体を構成する層、３はこの誘電体層の右側部分の表面に形成された陰極部を構成する固体電解質層で、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＴ）などの導電性高分子を含む電解質を化学重合によって形成した層である。４および５は陰極引出層で、４はカーボン層、５は銀層である。

尚、機能的には弁金属板１全体が陽極であるが、本明細書ではこの陽極板１の陰極部が形成されていない部分、即ち図２の左側に突出している部分Ｐ（陽極露出部）を便宜上陽極部と称して説明し、上記３、４、５からなる部分を総称して陰極部Nで示す。

この陽極部Ｐと陰極部Nとの間は、絶縁性マスキング部材６によって完全に絶縁隔離され、陽極部Ｐと陰極部Nとで１個のコンデンサ素子基板Ｃを構成する。

次に、このコンデンサ素子基板として、アルミニウム薄板を弁金属とした場合の作製方法の例を以下に示す。
表面を電気化学的に粗面化した厚さ０．１ｍｍの長尺のアルミニウム箔を、アジピン酸アンモニウム水溶液中で１０Ｖの電圧を印加して約６０分間陽極酸化を行い、表面に誘電体層を形成する。このようにして酸化皮膜が形成されたアルミニウム箔を図１に示したように、幅（ｗ）１１ｍｍ、長さ（ｌ）１１ｍｍの寸法に裁断し、図２に示すように、適切な位置に絶縁性樹脂などのマスキング部材６を周方向に塗布して、左右の領域（陽極部Ｐと陰極部N）を区分する。その後、前記裁断によって弁金属が露出した端面部を、再度アジピン酸アンモニウム水溶液中で７Ｖの電圧を印加して約３０分間酸化処理を行い、裁断面にも誘電体層を形成する。その後、マスキング部分６より右側部分に、固体電解質層３、カーボン層４、銀層５を設けて陰極部Nを形成する。
図２は、このようにして作製されたコンデンサ素子基板の断面を拡大して示したものである。

次に、このコンデンサ素子基板を積層して構成した本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
図３は、前記の方法で作製された４枚の同一定格のコンデンサ素子基板Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を本発明の方式によって積層した積層構造体を示す実施例で、陽極部が陰極部を中心に交互に左右になるように積層し、陰極部同士は導電性接着剤により電気的に導通接続する。詳細については図４で説明する。

図４は、図３の実施例の拡大側面図で、陽極部同士を抵抗溶接により接合した状態を示す。
図から明らかなように、４枚のコンデンサ素子基板の陰極部N１、N２、N３、N４は順次積層されるが、その積層面間は導電性接着剤（図示を省略する）を介して密に接合される。一方、各素子基板の陽極部は点線で示したようにＰ１とＰ３が左側に、Ｐ２とＰ４が右側になるように、即ち交互に反対方向になるように積層される。尚、各陰極部の内部構造は図２に示したものと同一である。
本実施例では、左側に突出した陽極部Ｐ１とＰ３、右側に突出した陽極部Ｐ２とＰ４を図に実線で示したように、加締め付けて抵抗溶接１０により導電接合した後、陽極部Ｐ１とＰ２の下面にそれぞれ電位取り出し用端子板７、７’を抵抗溶接により接合した。８は陰極電位取り出し用の端子板であり、陰極部N１と導電性接着剤を介して接続した。

図の点線でも判るように、各陽極部は、コンデンサ素子基板１枚の厚みより若干広い隙間を隔てて対向することになるが、これらを基板の両側から実線で示すように加締めて接合するため、陰極部が図７のように浮き上がることがなく、ＥＳＬ値の悪化や性能劣化を効果的に防止できる。また各基板を両側で溶接するので、陰極部は図４のように若干紡錘形になるが、これによって各層間の接合がより緊密になるので、電気的性能も向上する。

尚、陽極電位取り出し用端子板７、７’の厚みをできるだけ少なくして電気抵抗を小さくするために、図のように上段の陽極板Ｐ３、Ｐ４を最下段の陽極板側Ｐ１、Ｐ２（この部分に電位取り出し用端子板を取り付ける場合）に寄せ付けるように加締め付けて溶接するのが望ましい。
また当然陽極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４の表面には、酸化皮膜２’が形成されているが抵抗溶接した場合は、溶接の際の温度によって接合面の皮膜は溶解されるので、電気的には完全に導電接合される。
接着剤など溶接以外の接着手段によって陽極同士を接合する場合は、事前に研磨その他の手段で接合面の陽極酸化皮膜２’を剥離しておくのが望ましい。
このようにして作製された積層構造体は、図の破線９で示したように端子板７、７’、８の外部回路との接続部だけを露出させた状態で、全体を樹脂９でモールドする。

図５は、このようにして構成された４枚積層型固体電解コンデンサの実施例の斜視図である。

（実施例２）
図６は、８枚の同一定格のコンデンサ素子板を積層した実施例で、図中の各構成部分は図５と同じであるので細部の説明は省略する。

（実施例３）
図示しなかったが、１６枚の同一定格のコンデンサ素子板を積層した以外は、実施例１と同様の方法で積層型固体電解コンデンサを作製した。

（従来例１）
図７のように、４枚の同一定格のコンデンサ素子板を全て同じ方向に配置して、それぞれ陽極部Ａ同士・陰極部Ｃａ同士が重なるように積層した以外は、実施例１と同様の方法で積層型固体電解コンデンサを作製した。

（従来例２）
８枚の同一定格のコンデンサ素子板を全て同じ方向に向けて、陽極部Ａ同士・陰極部Ｃａ同士がそれぞれ重なるように積層した以外は、従来例１と同様の方法で積層型固体電解コンデンサを作製した。

表１は、上記本発明の実施例の積層型コンデンサと従来例の単純積層型の積層コンデンサとの性能比較表で、それぞれの例について静電容量（μＦ）、ＥＳＲ（ｍΩ）、ＥＳＬ（ｎＨ）を実測した結果を示す。なお静電容量は１２０Ｈｚ、ＥＳＲは１００ｋＨｚ、ＥＳＬは１０ＭＨｚで測定した。

表１から判るように、上記実施例１、２の積層型固体電解コンデンサのＥＳＬ値は、略同じ容量の従来型積層型固体電解コンデンサの約１／２以下にまで改善された。即ち、本発明により、略同じ積層枚数で、より低いＥＳＬを備えた積層型固体電解コンデンサが得られることが実証された。

以上述べた各実施例では、弁作用金属としてアルミニウム箔の場合について説明したが、タンタル粉末を焼結・薄層化したタンタル固体電解コンデンサにも適用できるのは当然であり、また固体電解質にはＰＥＤＴに代えてポリアニリン、ポリピロールなどの導電性高分子も有効であることが確認されている。
また、陰極電位取り出し用端子板、陽極電位取り出し用端子板は、実施例では積層体の下面に取り付けた例について説明したが、コンデンサの使用態様や用途に応じて積層体の側面または中間部から取り出すようにしてもよい。

尚図では、各コンデンサ素子基板が陰極を中心として左右互い違いになるように積層した例、即ち１８０度ずつ位相をずらせて積層した例について説明したが、積層枚数が多くなる場合、各コンデンサ素子基板を９０度ずつ位相をずらせて積層、即ち陽極部が陰極を中心に交互に前後左右になるように積層してもよく、この場合は陽極電位取出部は４端子構造となる。

本発明の積層型固体電解コンデンサは、コンデンサ素子基板の陽極部が交互に両側に配置されるように積層し、両側で陽極同士を接合する構成としたので、積層厚みが左右でアンバランスとなる恐れがなく、積層体相互間の密着性も高まる他、陽極電位を複数に分岐して取り出せるので積層構造に伴う製品のＥＳＬ特性の劣化が克服され、ＥＳＲ・ＥＳＬ双方の特性が大幅に改善できた。その結果、各種電子機器、特に高周波を取り扱う電子回路などに効率的に適応できるなど、産業上の利用可能性は大きい。

本発明に使用するコンデンサ素子基板の斜視図 図１のコンデンサ素子基板の拡大断面図 本発明の実施例１の４枚積層型固体電解コンデンサの斜視図 図３の実施例の拡大側面図で、陽極部の接合態様を判り易く説明した図面である。尚、図３の例において、各電極の電位取り出し部を追加して例示するとともに全体をモールドした状態を破線で示した。 前記図４の積層型固体電解コンデンサの斜視図 本発明実施例２の８枚積層型固体電解コンデンサの斜視図 従来の４枚積層型固体電解コンデンサの斜視図

符号の説明

Ｃ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４ コンデンサ素子基板
Ｐ、Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４ 陽極部（陽極露出部）
Ｎ、Ｎ１、Ｎ２、Ｎ３、Ｎ４ 陰極部
１ 弁金属薄板
２、２’ 誘電体層（酸化皮膜層）
３ 固体電解質層
４ カーボン層
５ 銀層
６ マスキング部材
７、７’ 陽極電位取り出し用端子板
８ 陰極電位取り出し用端子板
９ 樹脂モールド
１０ 抵抗溶接部分

Claims (3)

1. 表面に誘電体となる酸化皮膜を備えた弁作用金属板の一方側に固体電解質層・陰極引出層からなる陰極部を、他方側に前記弁作用金属の露出部である陽極部を形成したコンデンサ素子基板を、複数枚、陰極部を中心として、その陽極露出部の方向が交互に左右互い違いになるように積層したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサ。
2. 積層した陰極部から交互に左右に突出している複数の陽極部を、抵抗溶接によって導電接合し、積層体の左右両側に陽極端子取り出し部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の積層型固体電解コンデンサ。
3. 固体電解質層が導電性高分子であり、この導電性高分子がポリアニリン、ポリピロール、ポリエチレンジオキシチオフェンの何れか、またはその複合物質であることを特徴とする請求項１または２に記載の積層型固体電解コンデンサ。