JP2009111240A

JP2009111240A - 電解コンデンサ

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Publication number: JP2009111240A
Application number: JP2007283288A
Authority: JP
Inventors: Kazuya Yamanaka; 和也山中; Kentaro Kato; 健太郎加藤
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2007-10-31
Filing date: 2007-10-31
Publication date: 2009-05-21
Anticipated expiration: 2027-10-31
Also published as: JP5004756B2

Abstract

【課題】１５０℃雰囲気中でも、高耐電圧特性および長寿命特性を有する電解コンデンサを提供すること。
【解決手段】本電解コンデンサでは、外装ケース３００側の凹周面３０１と封口体４００の凹周面４０５とが嵌合して封口体４００が保持されている。それゆえ、１５０℃雰囲気中にて、本電解コンデンサを使用した場合に電解液の蒸散でコンデンサ内部の圧力が上昇するが、封口体４００が外装ケース３００と接している部分を押し上げて開口するようなことはなく、十分な気密性がとれる。このように、気密性を確保できることによって、電解液が外装ケース３００の開口部から蒸散していくドライアップが進行することはない。その結果、ドライアップ進行に伴う機能低下や特性不良は生じない。
【選択図】図２

Description

本発明は、電解コンデンサに関し、特に、高温雰囲気中でも、高耐電圧特性および長寿命特性を有する広温度範囲で使用可能な基板自立形電解コンデンサに関するものである。

電解コンデンサは、アルミニウム、タンタルおよびニオブ等の弁金属と呼ばれる金属を電極に使用して、陽極酸化することで得られる酸化皮膜層を誘電体として利用するコンデンサである。

電解コンデンサの中でも基板自立形の電解コンデンサは、図４および図５に示すような構造を有している。

具体的には、エッチング処理および酸化皮膜形成処理をした陽極箔１と陰極箔２とはセパレータ３を介して巻回され、素子止めテープ６で固定したコンデンサ素子７を形成する。このコンデンサ素子７は電解液を含浸した後、有底筒状の外装ケース１２に収納される。

外装ケース１２の開口部には、封口体が装着され、該開口部は絞り加工により密閉された構造をしている。封口体は、ベークライト１０に弾性部材１１を貼り合わせてなる。なお、電解コンデンサは外装ケース１２にコンデンサ素子７を固定する素子固定剤１５を有していてもよい。

封口体（ベークライト１０および弾性部材１１）の外端面には、陽極端子８および陰極端子９が形成され、これらの端子８，９の下端部は、コンデンサ素子７から引き出された陽極タブ端子４および陰極タブ端子５が電気的に接続されている。

ここで、陽極タブ端子４については、化成処理が施されたものが使用されるが、陰極タブ端子５については、化成処理が施されていないものが使用される。いずれのタブ端子４，５についても、表面加工の施されていない弁金属箔が用いられている。

基板自立形電解コンデンサの封口は、封口体の弾性部材１１と、外装ケース１２をカーリングした部分とでなされている。

ところで、近年、電解コンデンサの使用環境温度が高温化している。そこで、１５０℃雰囲気中で使用可能な電解コンデンサとして、面実装形およびリード線形の電解コンデンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１０９８６０号公報

しかしながら、１５０℃雰囲気中にて、図５に示す基板自立形の電解コンデンサを使用した場合、電解液の蒸散でコンデンサ内部の圧力が上昇し、封口体が外装ケースと接している部分を押し上げることによって開口してしまい、気密性がとれなくなってしまう。このように、気密性が確保できなくなると、電解液が開口部から蒸散していくドライアップが進行し、それに伴う機能低下や特性不良に至ることがある。

本発明は、上記技術的課題に鑑みなされたもので、高温雰囲気（例えば、１５０℃雰囲気）中でも、高耐電圧特性および長寿命特性を有する電解コンデンサの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電解コンデンサは、セパレータを介して弁金属の陽極箔と陰極箔を重ね合わせ巻回してなるコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収納する有底円筒状の外装ケースと、前記外装ケースの開口部を封口する封口体とを備える電解コンデンサであって、前記外装ケースの内側面には、凸周面が形成され、前記封口体は、少なくとも外周端面と前記外装ケースの開口を臨む表面とが弾性部材で覆われた芯材を含み、かつ外周部に凹周面が形成され、前記凸周面と前記凹周面との嵌合によって前記封口体が前記外装ケースに保持されている。

ここで、上記電解コンデンサにおいて、前記凸周面および前記凹周面は、前記外装ケースの内側面と前記封口体の外側面とを密着させた状態で前記外装ケースの外側面を前記封口体に向けて押し込むことによって形成される。

なお、上記電解コンデンサにおいて、前記外装ケースの外側面の前記封口体に対する押し込み長さ（以下、単に「押し込み長さ」という）は、前記外装ケースの開口部の内径の２〜６％に設定され、前記外装ケースの外側面を前記封口体に向けて凸状に押し込むことによって形成された窪み部の高さ方向（コンデンサの立設方向）における幅（以下、単に「凹幅」という）は、前記芯材の前記高さ方向における厚さの３０〜７０％に設定されていることが好ましい。これは、押し込み長さが外装ケースの開口部の内径の２％よりも小さく、かつ凹幅が芯材の厚さの３０％よりも小さい場合には、封口体の凹周面への押し込み力が弱いため、外装ケース側の凸周面と封口体側の凹周面との嵌合が弱く、コンデンサ内部の圧力上昇に耐えられなくなり、封口体が外装ケースと接している部分を押し上げて開口してしまうからである。逆に押し込み長さが外装ケースの開口部の内径の６％よりも大きく、かつ凹幅が芯材の前記高さ方向における厚さの７０％より大きい場合には、封口体の凹周面への押し込み力が強いため、芯材が凹周面への押し込み力に耐えられず、芯材が割れてしまい、封口体として機能しなくなるからである。

高温雰囲気（例えば、１５０℃雰囲気）中にて、電解コンデンサを使用した場合、電解液の蒸散でコンデンサ内部の圧力が上昇する。このとき、外装ケース側の凸周面と封口体側の凹周面との嵌合によって封口体が外装ケースに保持されているので、封口体が外装ケースと接している部分を押し上げて開口するようなことはなく、十分な気密性がとれるようになる。このように、気密性を確保できることによって、電解液が外装ケースの開口部から蒸散していくドライアップが進行することはない。その結果、ドライアップ進行に伴う機能低下や特性不良を生じることはない。

発明を実施するための最良形態

以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。

図１を参照して、本実施の形態に係る電解コンデンサ１００は、基板に対して自立可能な基板自立形アルミニウム電解コンデンサであって、主として、コンデンサ素子２００、外装ケース３００および封口体４００を備えている。

コンデンサ素子２００は、図４に示す例と同様に、セパレータを介してアルミニウムの陽極箔と陰極箔を重ね合わせ円筒形に巻回してなる。セパレータからは、陽極タブ端子２０１および陰極タブ端子２０２が突出している。このコンデンサ素子２００に駆動用電解液が含浸される。

外装ケース３００は、アルミニウム等の軽金属を素材として作製されており、その内部に、上記のコンデンサ素子２００を収納できるように有底円筒形状に形成されている。この外装ケース３００の内側面には、凸周面３０１が形成される。この凸周面３０１は、封口体４００を外装ケース３００の開口部に装着して固定する際の絞り加工時に、外装ケース３００の内部に向かって凸状に折れ曲がることによって生じる。

封口体４００は、外装ケース３００の開口部を封口するための部材であって、芯材としてのベークライト（以下において、「芯材」と称することもある）４０１と、その全面を覆う弾性部材４０２とからなる。すなわち、封口体４００に含まれるベークライト４０１は、少なくとも外周端面と外装ケース３００の開口を臨む表面（上面）とが弾性部材で覆われている。この封口体４００には、一対のリベット４０３，４０４が挿通されている。これら一対のリベット４０３，４０４は、ワッシャ５０１，５０２を介して、コンデンサ素子２００の陽極タブ端子２０１および陰極タブ端子２０２にそれぞれ接続される。各リベット４０３，４０４の頭部の各々には、陽極端子９０１および陰極端子９０２が電気的に導通するように嵌め込まれる。

ベークライト４０１は、厚肉の円形形状をなしている。弾性部材４０２は、例えば、スチレンブタジエンゴムやブチルゴムやエチレンプロピレンゴム等を素材として作製されている。この弾性部材４０２で覆われた封口体４００の外側面（外周部）には、図２によく示されているように、凹周面４０５が形成される。この凹周面４０５は、封口体４００を外装ケース３００の開口部に装着して固定する際に、外装ケース３００の内側面と封口体４００の外側面とを密着させた状態で外装ケース３００の外側面を封口体４００に向けて押し込むことによって生じる。封口体４００は、このような封口体４００の凹周面４０５と外装ケース３００の凸周面３０１との嵌合と、外装ケース３００の開口端部の巻き締め３０２と、横締め部３０３による固定により、外装ケース３００に保持される。

なお、図１において、６００は素子止めテープ、７００は素子固定部材、８００は外装スリーブである。素子固定部材７００は、例えば、ゴム等を素材として作製された環状部材である。外装スリーブ８００は、熱収縮性を有する材料を素材して作製されている。

ここで、本アルミニウム電解コンデンサ１００の製造方法について説明する。

（エッチング工程）
エッチング液（塩酸等の強酸性の水溶液）中で、直流電圧や交流電圧により電気化学的にアルミニウム箔の表面を凹凸にして、表面積を大きくする。

（化成工程）
化成液（硼酸アンモニウム等の弱酸性の水溶液）中で直流電圧を印加し、エッチング箔表面に誘電体となるアルミニウム酸化皮膜を形成する。

（加締・巻取工程）
両電極箔間にセパレータを挿入して円筒形のコンデンサ素子２００に巻取りながら、電極引出リード材を陽極箔および陰極箔各々に接続する。最後に、巻き終わりを素子止めテープ６００で止めると共に、コンデンサ素子２００の下端部外周面に素子固定部材７００を嵌め込む。電極引出リード材と電極箔との接続方法としては、針穴加締方法やコールド加締（冷間圧着）等を例示することができる。

（含浸工程）
減圧や加圧等によりコンデンサ素子２００に電解液をしみ込ませる。このときの電解液含浸時間はコンデンサ素子２００のサイズや電解液の種類によって異なるが、一般的に素子サイズが大きくなるほど含浸時間も長くなる。

（組立工程）
電解液含浸済みのコンデンサ素子２００と封口体４００とを接合させた後、外装ケース３００に入れ、封止して気密を保持する。その後、外装スリーブ８００で被覆する。具体的には、コンデンサ素子２００の陽極タブ端子２０１および陰極タブ端子２０２の各々を封口体４００に挿通された一対のリベット４０３，４０４にワッシャ５０１，５０２を介して接続し、コンデンサ素子２００および封口体４００の両者を接合する。リベット４０３，４０４の頭部には、それぞれ陽極端子９０１および陰極端子９０２が嵌め込まれる。そして、外装ケース３００の開口部に弾性部材４０２で覆われた封口体４００を装着して外装ケース３００の端部において巻き締め（上部カーリング）を行う。また、封口体４００に対してコンデンサ素子２００側において外装ケース３００の横締めを行うとともに、外装ケース３００の外側面を封口体４００に向けて凸状に押し込むことで、外装ケース３００に対して絞り加工を施す。この絞り加工により、カーリング部３０２と横締め部３０３とで高さ方向（基板に対するコンデンサ１００の立設方向）において封口体４００が挟持されながら、外装ケース３００側面（凸周面３０１）から封口体４００の外側面に押し込みが入って弾性部材４０２が凹形に弾性変形するので、封口体４００（弾性部材４０２）の外側面には凹周面４０５が形成されることになる。この封口体４００の凹周面４０５と外装ケース３００の凸周面３０１との凹凸嵌合によって封口体４００が外装ケース３００に強固に固定される。つまり、封口体４００は、（１）上部カーリング部３０２と横締め部３０３とによって外装ケース３００の開口部が密閉され、この封口体４００の移動が規制された状態で、（２）凸周面３０１と凹周面４０５との嵌合によって外装ケース３００に確実に固定される。その結果として、外装ケース３００の開口部が強固に密閉される。次に、スリーブ８００の被覆を行なう。最後に、スリーブ８００を熱収縮させる。

（エージング工程）
高温下で本アルミニウム電解コンデンサ１００（製品）に直流電圧を印加し、箔の切断や巻取りによって損傷した酸化皮膜の修復を行う。

上記構成において、一般に、１５０℃雰囲気中にて、アルミニウム電解コンデンサを使用した場合、電解液の蒸散でコンデンサ内部の圧力が上昇する。このとき、本アルミニウム電解コンデンサ１００では、カーリング部３０２および横締め部３０３によって封口体４００が外装ケース３００に保持されるだけでなく、外装ケース３００側面から封口体４００の外側面に押し込みを入れて封口体４００が外装ケース３００に保持される。すなわち、外装ケース３００側の凸周面３０１と封口体４００側の凹周面４０５との嵌合によって封口体４００が外装ケース３００に保持される。それゆえ、封口体４００が外装ケース３００と接している部分を押し上げて開口するようなことはなく、高温環境下においても十分な気密性がとれる。このように、気密性を確保できることによって、電解液が外装ケース３００の開口部から蒸散していくドライアップが進行することはない。その結果、ドライアップ進行に伴う機能低下や特性不良は生じない。

以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。

上述したように、セパレータを介して陽極箔と陰極箔を重ね合わせ、巻回した基板自立形アルミニウム電解コンデンサ素子２００に駆動用電解液を含浸した後、このコンデンサ素子２００を外装ケース３００内に封口体４００と共に挿入し、直径３５．０ｍｍ（内径３４．０ｍｍ）、長さ５０．０ｍｍ、定格電圧４００Ｖ、静電容量１５０μＦの電解コンデンサ１００を作製し、エージング処理を行った。なお、封口体４００は、直径２９．５ｍｍ、厚さ２．５ｍｍのベークライト板の上下面（外装ケース３００の開口を臨む表面およびコンデンサ素子２００を臨む表面）および外周端面を弾性部材で覆ったものを使用した。弾性部材の厚みは、ベークライト板の上下面が各々０．２５ｍｍ、外周端面が２ｍｍである。

下記に示す実施例１〜９に係るアルミニウム電解コンデンサ１００は、上述したように、外装ケース３００側の凸周面（絞り部）３０１と封口体４００側の凹周面４０５との押し込み嵌合によって封口体４００を外装ケース３００に保持した（換言すると、封口体４００を外装ケース３００側面より凹形に押し込んだ形状にした）ものである。

（実施例１）
本実施例１では、図２に示す外装ケース３００の外側面の封口体４００に対する押し込み長さＬおよび外装ケース３００の外側面を封口体４００に向けて凸状に押し込むことによって形成された窪み部３０４の高さ方向における幅（凹幅）Ｗを共に０．５ｍｍに設定した。

（実施例２）
本実施例２では、上記押し込み長さＬを０．５ｍｍに設定すると共に上記凹幅Ｗを１．０ｍｍに設定した。

（実施例３）
本実施例３では、上記押し込み長さＬを０．５ｍｍに設定すると共に上記凹幅Ｗを１．５ｍｍに設定した。

（実施例４）
本実施例４では、上記押し込み長さＬを１．０ｍｍに設定すると共に上記凹幅Ｗを０．５ｍｍに設定した。

（実施例５）
本実施例５では、上記押し込み長さＬおよび上記凹幅Ｗを共に１．０ｍｍに設定した。

（実施例６）
本実施例６では、上記押し込み長さＬを１．０ｍｍに設定すると共に上記凹幅Ｗを１．５ｍｍに設定した。

（実施例７）
本実施例７では、上記押し込み長さＬを１．５ｍｍに設定すると共に上記凹幅Ｗを０．５ｍｍに設定した。

（実施例８）
本実施例８では、上記押し込み長さＬを１．５ｍｍに設定すると共に上記凹幅Ｗを１．０ｍｍに設定した。

（実施例９）
本実施例９では、上記押し込み長さＬおよび上記凹幅Ｗを共に１．５ｍｍに設定した。

（従来例）
従来例では、実施例１〜９のように、封口体４００を外装ケース３００側面より凹形に押し込まない形状とている。

上記の実施例１〜９および従来例も試料数は各条件で１０個とした。これらの試料コンデンサに、１５０℃の恒温槽中で定格電圧（４００ＶＤＣ）を４０００時間印加した後、静電容量、ｔａｎδおよび漏れ電流を測定し、その結果を表２に示す。

表２より明らかなように、従来例は、１０００時間以内で封口部が開放してしまい、電解液のドライアップで電気特性の測定が不能となった。一方、実施例１〜９では、封口体が開放することなく、静電容量、ｔａｎδおよび漏れ電流に関しては、ドライアップ進行に伴う機能低下や特性不良は生じなかった。また、実施例１〜４および実施例７は、上記の凹形の押し込みが封口体４００を押し上げる力よりも弱かったため、２０００時間で封口部が開放してしまい、電解液のドライアップで電気特性の測定が不能となった。これに対して、実施例５および６ならびに実施例８および９は、上記の凹形の押し込みが封口体４００を押し上げる力よりも強かったため、封口部が開放することはなく、４０００時間後であっても電解液のドライアップが防止され、電気特性の測定が可能となった。その結果、静電容量、ｔａｎδおよび漏れ電流に関しては、ドライアップ進行に伴う機能低下や特性不良は生じなかった。

このように、上記の封口体４００（弾性部材４０２）の凹周面４０５への押し込み長さＬおよび封口体４００の凹周面４０５の幅（凹幅）Ｗが共に１ｍｍ以上あれば、１５０℃雰囲気中でも、長寿命特性を満足することができることが明らかになった。但し、上記の測定条件以下の温度であれば、何れの実施例であっても本発明の目的を実現することは可能である。

また、上記した実施例に示すコンデンサ形状に限定されず、他の形状においても以下に示すように押し込み長さＬおよび凹幅Ｗを設定することで、高温雰囲気中における封口部の開放を防止することができる。すなわち、押し込み長さＬを外装ケース３００の開口部の内径の２〜６％に設定すると共に、凹幅Ｗを芯材４０１の高さ方向における厚さの３０〜７０％に設定することにより、高温雰囲気中における封口部の開放を防止することができる。

このように押し込み長さＬおよび凹幅Ｗを設定するのは、次のような理由による。押し込み長さＬが外装ケース３００の開口部の内径の２％よりも小さく、かつ凹幅が芯材４０１の厚さの３０％よりも小さい場合には、凹周面４０５への押し込み力が弱いため、凸周面３０１と凹周面４０５との嵌合が弱く、コンデンサ内部の圧力上昇に耐えられなくなり、封口体４００が外装ケース３００と接している部分を押し上げて開口してしまうからである。逆に、押し込み長さＬが外装ケース３００の開口部の内径の６％よりも大きく、かつ凹幅が芯材４０１の高さ方向における厚さの７０％より大きい場合には、凹周面４０５への押し込み力が強いため、芯材４０１が凹周面４０５への押し込み力に耐えらず、芯材４０１が割れしまい、封口体として機能しなくなるからである。

また、上記実施の形態では、アルミニウムを弁金属としているが、弁金属はこれに限定されず、タンタルおよびニオブ等の金属であってもよい。

また、上記実施の形態では、芯材４０１の表面の全面（上下面および外周端面）が弾性部材４０２で覆われた封口体４００を用いているが、封口体の構成はこれに限定されない。例えば、図３に示す封口体４００Ａを用いてもよい。

図３は本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの変形例を示す図である。図３を参照して、封口体４００Ａは、外周端面と外装ケース３００の開口を臨む表面（上面）とが弾性部材４１２で覆われた芯材４１１を有し、芯材４１１の外周部に凹周面４１５が形成されている。つまり、芯材４１１がコンデンサ素子を臨む表面（下面）は弾性部材で覆われていない。

このように構成した場合でも、封口体４００Ａの凹周面４１５と外装ケース３００の凸周面３０１との嵌合と、外装ケース３００の開口端部の巻き締め（上部カーリング）３０２と、横締め部３０３による固定により、高温環境下でも十分な気密性を確保することができる。しかも、芯材４１１の下面に対する弾性部材による被覆を不要とすることができる。

なお、本発明は上記実施の形態（実施例）に限定されるものではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲内での種々の設計変更および修正を加え得ることは勿論である。

本発明では、ドライアップ進行に伴う機能低下や特性不良は生じないゆえ、高温雰囲気中でも高耐電圧特性および長寿命特性を有する広温度範囲で使用可能な基板自立形電解コンデンサとして有用である。

本発明の実施の形態に係るアルミニウム電解コンデンサの構成を示す断面図である。図１のＸ部を拡大して示す図である。本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの変形例を示す図である。電解コンデンサで使用されるコンデンサ素子の分解斜視図である。一般的な電解コンデンサの構成を示す図である。

符号の説明

１００アルミニウム電解コンデンサ
２００コンデンサ素子
３００外装ケース
３０１凹周面
３０４窪み部
４００，４００Ａ封口体
４０１，４１１ベークライト（芯材）
４０２，４１２弾性部材
４０５，４１５凹周面

Claims

セパレータを介して弁金属の陽極箔と陰極箔を重ね合わせ巻回してなるコンデンサ素子と、
前記コンデンサ素子を収納する有底円筒状の外装ケースと、
前記外装ケースの開口部を封口する封口体と、を備える電解コンデンサであって、
前記外装ケースの内側面には、凸周面が形成され、
前記封口体は、少なくとも外周端面と前記外装ケースの開口を臨む表面とが弾性部材で覆われた芯材を含み、かつ外周部に凹周面が形成され、
前記凸周面と前記凹周面との嵌合によって前記封口体が前記外装ケースに保持されていることを特徴とする電解コンデンサ。
前記凸周面および前記凹周面は、
前記外装ケースの内側面と前記封口体の外側面とを密着させた状態で前記外装ケースの外側面を前記封口体に向けて押し込むことによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の電解コンデンサ。
前記外装ケースの外側面の前記封口体に対する押し込み長さは、
前記外装ケースの開口部の内径の２〜６％に設定され、
前記外装ケースの外側面を前記封口体に向けて凸状に押し込むことによって形成された窪み部の高さ方向における幅は、
前記芯材の前記高さ方向における厚さの３０〜７０％に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の電解コンデンサ。