JP2007305899A - アルミ電解コンデンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明は耐ショート性に優れた高容量、長寿命、低ＥＳＲのアルミ電解コンデンサを提供することを目的とするものである。
【解決手段】陽極箔１と、第一のセパレータ３ａと、陰極箔２と、第二のセパレータ３ｂを順次重ねて巻回したコンデンサ素子９と、このコンデンサ素子９に駆動用電解液を含浸させると共に金属ケース８に収納した後、金属ケース８の開放端を封口材７で封止したアルミ電解コンデンサであって、前記巻回前の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータの厚みＢ合計の比率Ｂ／Ａが、０．５〜０．８としたことを特徴とするものである。
【選択図】図１
【解決手段】陽極箔１と、第一のセパレータ３ａと、陰極箔２と、第二のセパレータ３ｂを順次重ねて巻回したコンデンサ素子９と、このコンデンサ素子９に駆動用電解液を含浸させると共に金属ケース８に収納した後、金属ケース８の開放端を封口材７で封止したアルミ電解コンデンサであって、前記巻回前の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータの厚みＢ合計の比率Ｂ／Ａが、０．５〜０．８としたことを特徴とするものである。
【選択図】図１
Description
本発明は、各種電子機器に使用されるアルミ電解コンデンサに関するものである。
従来のアルミ電解コンデンサの構成を図２に示す。同図は一部切欠斜視図であり、アルミニウム箔をエッチング処理によって実効表面積を拡大させたアルミニウム箔の表面に化成処理により誘電体酸化皮膜を形成した陽極箔１１とアルミニウム箔をエッチング処理した陰極箔１２とをセパレータ１３を介して巻回することによりコンデンサ素子１９が構成されている。このコンデンサ素子１９は陽極箔１１および陰極箔１２にそれぞれ陽極リード線１５、陰極リード線１６を接続し、駆動用電解液（図示しない）を含浸させるとともに、このコンデンサ素子１９をアルミニウムケースなどの金属ケース１８内に挿入してゴム等の封口材１７で封止することにより得ることができる。
前記セパレータ１３は、マニラ麻、クラフト、ヘンプ、エスパルト等のセルロース繊維を用いたものが使用されており、セパレータの厚み、密度等の性能によりその使用を使い分けられている。
前記アルミ電解コンデンサに求められる性能として、高容量、低ＥＳＲ（等価直列抵抗）、高信頼性がある。
近年、ＡＶ機器やパソコン等のデジタル回路の小形化、高性能化が進むにつれて、アルミ電解コンデンサの高容量、低ＥＳＲ化、高信頼化が重要になってきており、高容量化やＥＳＲ特性を改善するために、セパレータに用いられる材料、厚さ等や、駆動用電解液の高電導度化が検討されてきている。
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開平０８−２７３９８４号公報
特開２０００−１７３８６２号公報
しかしながら、従来のアルミ電解コンデンサのように、ＥＳＲ特性を改善するために低密度セパレータを用いると、セパレータの引張り強度が弱くなり、コンデンサ素子を巻回する時に破断や巻きズレの発生や、陽極箔や陰極箔に接続している陽極リード線と陰極リード線部分のストレスによりセパレータが弱くなりショート不良や、耐電圧性が劣るという課題を有している。
さらにセパレータの強度を向上するため低密度のままで厚みを増加させた場合、ＳＥＲの悪化に加えて、コンデンサ素子の単位体積あたりの電極箔の体積が小さくなり、結果として電極箔の面積が小さくなるため、高容量化が困難であった。
本発明はこのような従来の課題を解決することにより、耐ショート性に優れ、かつ高温信頼性に優れた高容量、低ＥＳＲであるアルミ電解コンデンサを提供することを目的とするものである。
前記課題を解決するために本発明は、陽極箔と、第一のセパレータと、陰極箔と、第二のセパレータを順次重ねて巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させると共に金属ケースに収納した後、金属ケースの開放端を封口材で封止したアルミ電解コンデンサであって、前記巻回前の第一、第二のセパレータの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．５〜０．８としたことを特徴とするものである。
以上のように本発明のアルミ電解コンデンサは、巻回前の第一、第二のセパレータの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａを、０．５〜０．８にしたことにより、巻回前と巻回後のセパレータの厚み合計の変化率が少ないので、陽極リード線と陰極リード線のセパレータ接触部分によるストレスが抑制され、コンデンサ素子の巻取り時のショート不良や、高温での長期電圧印加時におけるショート不良を低減でき、耐ショート性に優れた効果を奏するものである。
また、特に、駆動用電解液の電解質として、酸解離定数ｐＫａが５〜９の酸成分を用いることにより、特に、高温環境下において酸成分によるセパレータの劣化が抑制され、面実装時の高温半田リフローおよび高温電圧印加時におけるショート、リード線の腐食、漏れ電流の増加を抑制して信頼性の向上を実現することができる。
また、特に、駆動用電解液の溶媒として、非プロトン性溶媒を主溶媒として用いることにより、アルミ電解コンデンサの内部に含有する駆動用電解液、セパレータに吸着した水分による圧力上昇を抑制できるので高温での特性安定化が改善され、高温信頼性に優れた効果を奏するものである。
以下、本発明のアルミ電解コンデンサについて一実施の形態および図面を用いて説明する。
図１は本発明のアルミ電解コンデンサの一部切欠斜視図である。図１においてアルミニウム箔をエッチング処理により実効表面積を拡大した表面に陽極酸化により誘電体酸化皮膜を形成して引出し用の陽極リード線５を接続した陽極箔１と、第一のセパレータ３ａと、アルミニウム箔をエッチング処理して引出し用の陰極リード線６を接続した陰極箔２と、第二のセパレータ３ｂとを順次重ねて巻回することによりコンデンサ素子９を構成し、このコンデンサ素子９に駆動用電解液（図示しない）を含浸させて後、アルミニウムの金属ケース８内に挿入して金属ケース８の開口部を封口材７で封止されている。
上記コンデンサ素子９は、巻回前の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．５〜０．８になるように巻回したものである。
なお、巻回前の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが０．５未満の場合は、巻回時、リード線部分にストレスがかかりショート不良が発生する。
また、巻回前の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが０．８を超えると、ＥＳＲが悪くなる。
したがって、上記比率Ｂ／Ａは０．５〜０．８であることが望ましい。
上記巻回前の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが０．５〜０．８となるようにするために、以下に説明するように、セパレータの種類、密度、秤量と巻取り工法、リード端子の形状等の最適化を図っている。なお、この際、第一、第二のセパレータ３ａ，３ｂを区別する必要はない。
セパレータの材質としてはセルロース繊維、レーヨン繊維、ポリエチレン繊維、ポリプロピレン繊維、ナイロン繊維等を用いることができる。特に化学繊維や再生繊維を用いた場合繊維の形状的に撚れがなく、中空状でないものは巻取り時の圧縮により繊維がつぶれにくいため、耐ショート性およびＥＳＲ特性が優れる。
また、上記セパレータにおいて駆動用電解液のイオン経路をできるだけ阻害することがないようにするため、セパレータの密度の範囲は０．２〜１．０ｇ／ｃｍ3の範囲を選ぶことが望ましい。セパレータの密度範囲が０．２ｇ／ｃｍ3未満の場合、ＥＳＲ特性に対してはより効果があるが、セパレータ自体の絶縁性能が低下するため耐ショート性をより向上させることができない。
また、セパレータの密度範囲が１．０ｇ／ｃｍ3を超えると、耐ショート性はより向上するが、ＥＳＲ特性のさらなる向上を図ることができない。
さらには、セパレータの秤量は密度と厚みの積で表されるものであり、その秤量を４〜２０ｇ／ｃｍ3の範囲にすることによりセパレータの機械的強度を確保できるため巻取り時の破断を抑制することができ、耐ショート性も向上することができる。
また、コンデンサ単位体積あたりの巻取り素子体積を大きくすることができるため、多くの駆動用電解液を保持することができ、大容量化とあわせて、高温での特性安定化に大きな効果を有するものである。
巻取り工法としては、巻取り時にセパレータに過度のストレスが加わらないように、巻取り開始位置の治具を曲面形状のものを用いる。さらに、インバーター制御や荷重の最適化により巻取り速度、テンションを制御することで巻取り時のストレスを調整することができる。
また、リード端子の形状については、リード端子の端面に鋭角な突出部分がないような、曲面形状を用いることでさらなる耐ショート性の向上を図ることが可能となる。通常のリード端子のように９０度の鋭角な端面のリード端子の形状ではセパレータに過度のストレスがかかるため、耐ショート性が劣ることとなる。
前記駆動用電解液の電解質としては、酸解離定数ｐＫａが５〜９の酸成分のものを用いる。ｐＫａが５〜９の酸成分として、マロン酸、マレイン酸、フマル酸、フタル酸、イソフタル酸、テレフタル酸、ジメチルマレイン酸、アミノ安息香酸などが挙げられる。なお、駆動用電解液の電解質として、酸解離定数ｐＫａが５未満の酸成分を用いた場合、高温半田リフロー時に電極箔やリード線部分が酸により腐食反応が進み信頼性が低下する。
また、駆動用電解液の電解質として、酸解離定数ｐＫａが９を超える酸成分を用いた場合、イオン化の定数が少ないため電気伝導度が低くなる。
電解液の溶媒としては非プロトン性溶媒、例えば、ラクトン類（γ−ブチロラクトン、α−バレロラクトン、γ−バレロラクトン等）、カーボネート系（エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ジエチレンカーボネート、スチレンカーボネート、ジメチルカーボネート等）、ニトリル系（アセトニトリル、３−メトキシプロピオニトリル等）、フラン系（２，５−ジメトキシテトラヒドロフラン等）、スルホラン系（スルホラン、３−メチルスルホラン、２，５−ジメチルスルホラン等）、エーテル系（メチラール、１，２−ジメトキジエタン、１−エトキシ−２−メトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン等）、アミド系（Ｎ−メチルホルムアミド、Ｎ，Ｎ−ジメチルホルムアミド、Ｎ−メチルアセトアミド、Ｎ−メチルピロジリノン等）が挙げられ、これらの溶媒を用いることで、低ＥＳＲ化と高温での特性安定化を図ることができる。
また、上記電解質の塩基成分として、三級アミン化合物、イミダゾリウム化合物、イミダゾリニウム化合物、ピリジニウム化合物などが挙げられる。これらの塩基成分を用いることで、高電導度化と高温での特性の安定化を図ることができる。
以下、本一実施の形態について実施例を用いて詳細に説明する。
（実施例１）
まず、エッチング処理によりアルミニウム箔の表面を粗面化した後に陽極酸化処理により誘電体酸化皮膜（化成電圧２２Ｖ）を形成したアルミニウム箔からなる陽極箔（厚さ１００μｍ）とセルロース繊維からなるセパレータ（厚さ４０μｍ、密度０．４ｇ／ｃｍ3）と、アルミニウム箔をエッチング処理した陰極箔（厚さ４０μｍ）とセパレータ（厚さ４０μｍ）とを順次重ね合わせて巻回することによりコンデンサ素子を得た。この時の巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．５とした。巻取りテンションについては、上記比率Ｂ／Ａが０．５となるように調整し、リード端子の形状については、リード端子の端面に鋭角な突出部分がないように曲面形状をもったリード端子を用いた。
まず、エッチング処理によりアルミニウム箔の表面を粗面化した後に陽極酸化処理により誘電体酸化皮膜（化成電圧２２Ｖ）を形成したアルミニウム箔からなる陽極箔（厚さ１００μｍ）とセルロース繊維からなるセパレータ（厚さ４０μｍ、密度０．４ｇ／ｃｍ3）と、アルミニウム箔をエッチング処理した陰極箔（厚さ４０μｍ）とセパレータ（厚さ４０μｍ）とを順次重ね合わせて巻回することによりコンデンサ素子を得た。この時の巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．５とした。巻取りテンションについては、上記比率Ｂ／Ａが０．５となるように調整し、リード端子の形状については、リード端子の端面に鋭角な突出部分がないように曲面形状をもったリード端子を用いた。
次に実施例および比較例にて用いる駆動用電解液の一覧を（表１）に示す。
本実施例１においては、（表１）に示す駆動用電解液Ａ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、フタル酸１，２，３，４−トテラメチルイミダゾリニウムを２５重量％）を用いて、前記コンデンサ素子に含浸させた。この駆動用電解液Ａの酸解離定数ｐＫａは８．４０である。次に、前記コンデンサ素子を有底筒状のアルミニウムの金属ケースに挿入後、この金属ケースの開口部を、樹脂加硫ブチルゴムからなる封止部材でカーリング処理にて封止することによりアルミ電解コンデンサを作製した。
（実施例２）
前記実施例１において、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．６５にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．６５にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（実施例３）
前記実施例１において、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．８０にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．８０にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（実施例４）
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｂ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、アミノ安息香酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは６．７９）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｂ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、アミノ安息香酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは６．７９）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（比較例１）
前記実施例１において、巻取りテンションを緩和および、セパレータ密度１．０ｇ／ｃｍ3を用い、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．８５にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、巻取りテンションを緩和および、セパレータ密度１．０ｇ／ｃｍ3を用い、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．８５にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（比較例２）
前記実施例１において、リード端子に鋭角な端子形状を用いて、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．４５にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、リード端子に鋭角な端子形状を用いて、巻回前の第一、第二のセパレータ厚み合計Ａと巻回後の第一、第二のセパレータ厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．４５にした以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（比較例３）
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｃ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、蓚酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは４．８６）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｃ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、蓚酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは４．８６）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（比較例４）
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｄ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、コハク酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは９．２４）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｄ（γ−ブチロラクトンを７５重量％、コハク酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは９．２４）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。
（比較例５）
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｅ（エチレングリコールモノメチルエーテルを７５重量％、フタル酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは８．４０）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。なお、エチレングリコールモノメチルエーテルはプロトン性溶媒である。
前記実施例１において、（表１）に示す駆動用電解液Ｅ（エチレングリコールモノメチルエーテルを７５重量％、フタル酸１，２，３，４−テトラメチルイミダゾリニウムを２５重量％、酸解離定数ｐＫａは８．４０）を用いた以外は前記実施例１と同様にしてアルミ電解コンデンサを作製した。なお、エチレングリコールモノメチルエーテルはプロトン性溶媒である。
以上の実施例１〜４と比較例１〜５のアルミ電解コンデンサを各２０個作製し、その初期特性と寿命試験（１０５℃、１６Ｖ負荷、２０００時間）及び高温半田リフロー試験を行った結果を（表２）に示す。なお、アルミ電解コンデンサのサイズは直径１０ｍｍ、長さ１０ｍｍとし、定格電圧は１６Ｖで各コンデンサ素子を同一空隙率にするようなコンデンサ設計とした。試験温度は１０５℃中でリップル負荷試験を行った。
前記（表２）から明らかなように、本実施例１〜４のアルミ電解コンデンサは、巻回前のセパレータの厚み合計Ａと巻回後のセパレータの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが０．５〜０．８のものを用いることにより、初期特性、高温半田リフロー後の特性、寿命試験後の特性（高温劣化特性）が比較例１〜５に比べて優れていることがわかる。
比較例１のアルミ電解コンデンサは、セパレータの厚み合計の比率Ｂ／Ａが０．８より大きいため、初期及び寿命特性が大きく悪化し、比較例２のアルミ電解コンデンサは、セパレータの厚み合計の比率Ｂ／Ａが０．５未満のものであるためショート発生率が悪くなっていることがわかる。
また、比較例３のアルミ電解コンデンサのように酸解離定数ｐＫａが５未満の駆動用電解液では、酸によるセパレータの劣化が大きくなるため、高温半田リフローや寿命試験後の耐ショート性が悪くなり、比較例４のアルミ電解コンデンサのように、酸解離定数ｐＫａが９より大きい駆動用電解液では、駆動用電解液の電導度が低くなるため、ＥＳＲ特性が悪くなっていることがわかる。
さらに、比較例５のアルミ電解コンデンサでは、プロトン性溶媒を駆動用電解液に用いたため、熱安定性が悪くなるため、高温半田リフローや寿命試験においてコンデンサ特性が悪くなっていることがわかる。
このように、本発明のアルミ電解コンデンサは、巻回前の第一、第二のセパレータの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．５〜０．８とすることにより巻回前と巻回後のセパレータ厚みの変化率が少ないので、陽極リード線と陰極リード線のセパレータ接触部分によるストレスが抑制され、耐ショート性、ＥＳＲ特性および高温信頼性に優れたアルミ電解コンデンサを実現することができるものである。
本発明は、耐ショート性にすぐれた高容量、長寿命、低ＥＳＲ特性に優れたアルミ電解コンデンサであり、ＡＶ機器やパソコン等のデジタル回路等の小型化、高性能化の要求に対応することができる。
１ 陽極箔
２ 陰極箔
３ａ，３ｂ セパレータ
５ 陽極リード線
６ 陰極リード線
７ 封口材
８ 金属ケース
９ コンデンサ素子
２ 陰極箔
３ａ，３ｂ セパレータ
５ 陽極リード線
６ 陰極リード線
７ 封口材
８ 金属ケース
９ コンデンサ素子
Claims (3)
- 陽極箔と、第一のセパレータと、陰極箔と、第二のセパレータを順次重ねて巻回したコンデンサ素子と、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させると共に金属ケースに収納した後、金属ケースの開放端を封口材で封止したアルミ電解コンデンサであって、前記巻回前の第一、第二のセパレータの厚み合計Ａと、巻回後の第一、第二のセパレータの厚み合計Ｂの比率Ｂ／Ａが、０．５〜０．８としたことを特徴とするアルミ電解コンデンサ。
- 前記駆動用電解液の電解質として、酸解離定数ｐＫａが５〜９の酸成分を用いたことを特徴とする請求項１に記載のアルミ電解コンデンサ。
- 前記駆動用電解液の溶媒として、非プロトン性溶媒を主溶媒として用いたことを特徴とする請求項２に記載のアルミ電解コンデンサ。
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