JP2011029449A - コンデンサ用電極体およびその製造方法、ならびにコンデンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】コンデンサのさらなる低ＥＳＲ化を図る。
【解決手段】コンデンサ用の陽極体２は、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる陽極用基材４と、陽極用基材４上に設けられた多孔質層６とを含む。多孔質層６は、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる金属粒子が多数結合してなる二次粒子１８からなる。陽極用基材４の表面には、微細凹凸が形成されている。具体的には、陽極用基材４の表面複数の溝２０が併設されている。溝２０において、多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙が存在している。この空隙は後述する導電性高分子層１４によって充填されている。
【選択図】図１
【解決手段】コンデンサ用の陽極体２は、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる陽極用基材４と、陽極用基材４上に設けられた多孔質層６とを含む。多孔質層６は、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる金属粒子が多数結合してなる二次粒子１８からなる。陽極用基材４の表面には、微細凹凸が形成されている。具体的には、陽極用基材４の表面複数の溝２０が併設されている。溝２０において、多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙が存在している。この空隙は後述する導電性高分子層１４によって充填されている。
【選択図】図１
Description
本発明は、コンデンサ用電極体およびその製造方法、ならびにコンデンサに関する。
パソコン、携帯電話等に代表される電子機器の小型化、動作周波数の高周波化に伴い、これらの電子機器に搭載されるコンデンサには、小型大容量化、低ＥＳＲ（等価直列抵抗）化の要求がますます高くなっている。このような要求に対応することができるコンデンサとして導電性高分子を固体電解質として用いる固体電解コンデンサが開発されている。
一般に、体積当たりの静電容量が大きなコンデンサとして、整流作用を有する陽極酸化が可能なアルミニウム（Ａｌ）、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）等の弁作用金属の粉末を加圧成形し焼成して得られた多孔質ペレットを陽極体とし、この陽極体の表面にこれらの金属酸化物からなる誘電体層を形成した固体電解コンデンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。このような陽極体では、使用される粉末にサブミクロンレベルの粉末を利用することにより、表面積の非常に大きな陽極体が得られ、これによりコンデンサの大容量化を図ることができる。
陽極体の表面積を増加させるため、陽極体の形成に用いられる弁作用金属の粉末の粒径は小さくなる傾向にある。弁作用金属の粉末の粒径が小さくなるにつれて、弁作用金属の粉末の成形、焼成後において陽極体が存在しない隙間が減少する。特に、陽極体が堆積形成される陽極用基材と陽極体との間において隙間が減少すると、陽極用基材の表面近傍に陰極体が形成されにくくなるため、低ＥＳＲ化を阻む要因となっていた。
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コンデンサのさらなる低ＥＳＲ化を図ることができる技術の提供にある。
本発明のある態様は、コンデンサ用電極体である。当該コンデンサ用電極体は、表面に凹凸が形成された、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる基材と、基材の表面上に設けられ、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる多孔質層と、を備え、基材の表面の凹部において多孔質層と基材との間に空隙が形成されていることを特徴とする。
この態様によれば、コンデンサのさらなる低ＥＳＲ化が可能なコンデンサ用電極体を得ることができる。
本発明の他の態様は、コンデンサ用電極体の製造方法である。当該製造方法は、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる基材の表面に凹凸を形成する工程と、基材に、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる金属粒塊で構成される多孔質層を設けて電極体を形成する電極体形成工程と、を備え、前記基材の表面の凹部において前記多孔質層と前記基材との間に空隙が形成されることを特徴とする。
本発明によれば、コンデンサのさらなる低ＥＳＲ化を図ることができる。
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極体２と、陽極体２の表面に形成された誘電体層１０と、誘電体層１０を挟んで陽極体２と反対側に形成された陰極体１２とを備える。
図１は、実施の形態１に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極体２と、陽極体２の表面に形成された誘電体層１０と、誘電体層１０を挟んで陽極体２と反対側に形成された陰極体１２とを備える。
陽極体２は、弁作用金属（ｖａｌｖｅ ｍｅｔａｌ）およびその合金の少なくとも一方からなる陽極用基材４（本発明の基材に相当）と、陽極用基材４上に設けられた多孔質層６とを含む。多孔質層６は、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる金属粒子（一次粒子）８の２次粒子１８が多数結合してなる金属粒塊からなり、２次粒子１８間には複数の隙間９が形成されている。２次粒子１８は、直径約５０ｎｍ〜１０μｍの金属粒子８（図２参照）が複数個集合して形成された直径約１０μｍ〜１００μｍの多孔質の集合体である。陽極用基材４には、薄膜（箔）やリード線が含まれ、また複数の金属粒子８が結合して膜状構造となったものも含まれる。また、陽極用基材４には、外部引き出し用の陽極端子（図示せず）が連結されている。陽極用基材４の厚さは、陽極用基材４が金属の薄膜であった場合、例えば約１００μｍである。また、多孔質層６の厚さは、たとえば約５００μｍである。
ここで、弁作用金属とは、電解化成処理（陽極酸化）等により極めて緻密で耐久性を有する誘電体酸化皮膜を表面に形成し得る金属をいう。弁作用金属としては、タンタル（Ｔａ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等が挙げられる。また、弁作用金属の合金としては、上述の弁作用金属同士の合金や、上述の弁作用金属と他の金属との合金等が挙げられる。本実施形態では、陽極用基材４および金属粒子８を構成する金属としてＴａを用いた。なお、陽極用基材４および金属粒子８は、異なる金属で構成されていてもよい。
陽極用基材４の表面には、微細凹凸が形成されている。具体的には、陽極用基材４の表面に複数の溝２０が併設されている。溝２０において、多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙が存在している。この空隙側に面する陽極用基材４の表面は後述する誘電体層１０および導電性高分子層１４によって覆われている。溝２０に空隙を形成するという観点から、溝２０の幅は１〜５０μｍの範囲が好ましい。したがって、２次粒子１８は溝２０に入り込みにくくなるため、溝２０において、多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙をより確実に形成することができる。また、溝２０の深さは１〜１０μｍの範囲が好ましい。
誘電体層１０は、陽極体２の表面に形成された酸化被膜であり、たとえば電解化成処理により形成される。誘電体層１０は、陽極用基材４および多孔質層６の露出している表面、すなわち、金属粒子８同士、または金属粒子８と陽極用基材４とが接する領域以外の領域に形成されている。したがって、陽極用基材４の表面に形成された溝２０の内面は誘電体層１０に被覆されている。
陰極体１２は、導電性高分子層１４と、導電性高分子層１４上に積層された陰極用基材１６とを含む。導電性高分子層１４は、電解質層として機能する。導電性高分子層１４としては、導電性を有する高分子材料を含むものであれば特に限定されないが、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性ポリマーや、ＴＣＮＱ（７，７，８，８−テトラシアノキノジメタン）錯塩等の材料を含むものが好適に用いられる。陰極用基材１６は、たとえば導電性高分子層１４上に積層されたカーボンペースト層１６ａと、カーボンペースト層１６ａ上に積層された銀ペースト層１６ｂからなる。陰極用基材１６には、外部引き出し用の陰極端子（図示せず）が連結されている。
（コンデンサ用電極体およびコンデンサの製造工程）
続いて、実施の形態１に係るコンデンサ１の製造方法について図２および図３を参照して説明する。図２（Ａ）乃至（Ｄ）および図３（Ａ）乃至（Ｃ）は、実施の形態１に係るコンデンサの製造方法を示す工程断面図である。
続いて、実施の形態１に係るコンデンサ１の製造方法について図２および図３を参照して説明する。図２（Ａ）乃至（Ｄ）および図３（Ａ）乃至（Ｃ）は、実施の形態１に係るコンデンサの製造方法を示す工程断面図である。
まず、図２（Ａ）に示すように、弁作用金属であるタンタル箔からなる陽極用基材４を準備する。
次に、図２（Ｂ）に示すように、ブレード加工などの機械加工、またはレーザ加工により陽極用基材４の表面を削ることにより、複数の溝２０を形成する。これにより、溝２０の表面に微細凹凸が形成される。溝２０の幅は、上述したように１〜５０μｍの範囲が好ましい。
次に、図２（Ｃ）に示すように、陽極用基材４の表面に、Ｔａからなる金属粒子８が複数個集合した２次粒子１８を吹き付ける。２次粒子１８の内部には、各金属粒子８間に約０．０１μｍ〜１μｍの大きさの隙間１９が形成されている。この隙間１９は、金属粒子８同士が接触することにより、金属粒子８の形状や大きさに依存して生じたものである。本実施の形態では、コールドスプレー法により、２次粒子１８を陽極用基材４に吹き付ける。コールドスプレー法とは、材料粒子あるいは材料粉末を所定の高温・高速の流れにして被覆対象物の表面に吹き付けて、被覆対象物の表面に材料粒子を堆積させて、被覆対象物をコーティングする加工法である。
コールドスプレー法は、吹き付ける際の材料粒子の温度が材料粒子の融点および軟化点以下の低い温度であることと、流れの速度が音速から超音速と非常に高速であるという特徴を有する。そのため、コールドスプレー法を用いた場合には、陽極用基材４と２次粒子１８との間、および２次粒子１８同士間で高い密着強度を有する多孔質層６を形成することができる。そして、これにより単位体積当たりの表面積を増やすことができ、従来の固体電解コンデンサの構造と同じ厚さであれば大容量化が可能であり、同じ容量を得ようとするならば低背化が可能である。さらに、コールドスプレー法では、材料粒子が固体の状態のまま溶けることなく皮膜になるため、酸化や熱による変質が少ない。
図４は、コールドスプレー装置の概略図である。コールドスプレー装置１００は、基材把持部１０１と、ノズル１０２と、材料供給部１０４と、ガス供給部１０６と、ヒータ１０８とを備える。
基材把持部１０１は、陽極用基材４を把持する部材であり、基材把持部１０１が陽極用基材４を把持した状態で、陽極用基材４を加熱しながらノズル１０２に対して相対移動させることができる。材料供給部１０４は、ノズル１０２に２次粒子１８を供給し、ガス供給部１０６は、加圧された気体をノズル１０２に供給する。ガス供給部１０６からノズル１０２に向けて送り出された気体は、ヒータ１０８にて加熱されてノズル１０２に送られる。ノズル１０２に供給された２次粒子１８は、ガス供給部１０６から供給された気体の圧力によりノズル１０２から噴射される。なお、基材把持部１０１に対して、ノズル１０２を相対移動させる構成であってもよい。
図２（Ｃ）に戻り、ノズル１０２から噴射された２次粒子１８は、基材把持部１０１（図４参照）に載置された陽極用基材４に吹き付けられる。２次粒子１８を構成する金属粒子８は、陽極用基材４に衝突すると陽極用基材４の表面に結合する。そして、基材把持部１０１が陽極用基材４をノズル１０２に対して相対移動させ、これにより陽極用基材４の所定領域全面に２次粒子１８が吹き付けられる。
このとき、２次粒子１８は、陽極用基材４の表面に設けられた溝２０に入り込みにくいため、溝２０に空隙が形成される。
図２（Ｄ）に示すように、２次粒子１８の吹き付けにより、多孔質層６が陽極用基材４の表面に形成される。多孔質層６は、２次粒子１８が網目状に結合した構造を有しており、２次粒子１８間には隙間９が形成されている。多孔質層６の厚さは、たとえば約５００μｍである。隙間９は、２次粒子１８同士が接触することにより、２次粒子の形状や大きさに依存して生じたものであり、その大きさは約０．０１μｍ〜約１μｍである。上述したように、２次粒子１８は溝２０に入り込みにくいため、溝２０において、多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙３０が形成される。
次に、図３（Ａ）に示すように、陽極体２の表面を酸化して誘電体層１０を形成する。陽極用基材４および金属粒子８はＴａからなるため、誘電体層１０は、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）からなる酸化皮膜である。本実施の形態では、陽極体２を電解化成処理して誘電体層１０を形成する。具体的には、陽極体２を０．０１〜１．０質量％のリン酸水溶液の電解液中において定電圧で陽極酸化し、その表面に酸化タンタルからなる酸化皮膜を形成することによって、陽極用基材４の露出する表面および金属粒塊の表面に誘電体層１０を形成する。したがって、溝２０の内面も誘電体層１０によって被覆される。
次に、図３（Ｂ）に示すように、誘電体層１０上に、誘電体層１０の表面を覆うように、すなわち陽極体２の多孔質部分の隙間９、隙間１９および溝２０における空隙３０を埋めるようにして、化学酸化重合により導電性高分子層１４を形成する。具体的には、３，４−エチレンジオキシチオフェン、Ｐ−トルエンスルホン酸鉄（ＩＩＩ）、１−ブタノールからなる化学重合液に陽極体２を浸漬した後、大気中で熱処理し、誘電体層１０上にポリチオフェン層を形成することによって、導電性高分子層１４を形成する。化学重合液による陽極体２の浸漬、熱処理工程は複数回繰り返して行われる。導電性高分子層１４としては、ポリチオフェン層以外に、ポリピロール、ポリアニリン等の導電性高分子からなる層やＴＣＮＱ錯塩からなる層等が挙げられる。また、導電性高分子層１４は、酸化剤である硫酸０．１モル／リットルに２０分間浸漬させた後、３０℃の気化した導電性高分子のピロールに５０分間晒すことにより重合して形成してもよいし、上述した方法を組み合わせて形成してもよい。
次に、図３（Ｃ）に示すように、導電性高分子層１４上に、カーボンペースト層１６ａと、銀ペースト層１６ｂとがこの順に積層されて陰極用基材１６が形成される。これにより、導電性高分子層１４と陰極用基材１６とを含む陰極体１２が形成される。そして、陽極用基材４に陽極端子（図示せず）がたとえば導電性接着剤を介して連結され、陰極用基材１６に陰極端子（図示せず）がたとえば導電性接着剤を介して連結される。
以上の工程により、実施の形態１に係るコンデンサ１を製造することができる。
以上説明した構成による作用効果を総括すると、実施の形態１に係るコンデンサ用電極体およびコンデンサの製造方法では、陽極用基材４にコールドスプレー法により２次粒子１８を吹き付けて、多孔質の陽極体２を形成している。そのため、陽極体の単位体積当たりの表面積を増大させることができ、コンデンサの大容量化が可能となる。
さらに、溝２０において多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙３０が形成されており、この空隙３０側に面する陽極用基材４の表面は、誘電体層１０および導電性高分子層１４で覆われている。これにより、陽極用基材４の表面近傍と陰極用基材１６との間における導電経路がより密に形成されるため、コンデンサの低ＥＳＲ化を図ることができる。
また、本実施の形態に係るコンデンサの製造方法では、機械加工またはレーザ加工により陽極用基材４の表面に溝２０が一様に形成されているため、陽極用基材４の全面においてばらつきなく低ＥＳＲ化を図ることができる。
（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極用基材４の表面に形成された微細凹凸の形態が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成を備える。
図５は、実施の形態２に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極用基材４の表面に形成された微細凹凸の形態が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成を備える。
本実施の形態では、微細凹凸の凸部は針状であり、陽極用基材４の表面に複数の細孔２２が形成されている。細孔２２の径は好ましくは０．０１〜５０μｍである。細孔２２には２次粒子１８が入り込みにくくなっており、細孔２２において、陽極用基材４と多孔質層６との間には空隙が形成されている。この空隙側に面する陽極用基材４の表面には誘電体層１０が形成されており、誘電体層１０の表面を覆うように導電性高分子層１４が形成されている。
陽極用基材４の表面に細孔２２を形成する手段としては、直流エッチングが挙げられる。直流エッチング用のエッチング液は、一般的に用いられるものであればよい。直流エッチングにおけるエッチング時間、印加電圧等の条件を調節することにより、上述した範囲の細孔２２を形成することが可能である。
（実施の形態３）
図６は、実施の形態３に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極用基材４の表面に形成された微細凹凸の形態が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成を備える。
図６は、実施の形態３に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極用基材４の表面に形成された微細凹凸の形態が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成を備える。
本実施の形態では、陽極用基材４の表面が海綿状の多孔質面２４となっている。海綿状の多孔質面２４の細孔には、２次粒子１８が入り込みにくくなっており、この細孔において陽極用基材４と多孔質層６との間に空隙が形成されている。この空隙側に面する陽極用基材４の表面には誘電体層１０が形成されており、誘電体層１０の表面を覆うように導電性高分子層１４が形成されている。
陽極用基材４の表面に海綿状の多孔質面２４を形成する手段としては、交流エッチングが挙げられる。交流エッチング用のエッチング液は、一般的に用いられるものであればよい。交流エッチングにおけるエッチング時間、印加電圧、交流の周波数等の条件を調節することにより、海綿状の多孔質面２４を形成することが可能である。
（実施の形態４）
図７は、実施の形態４に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極用基材４の表面に形成された微細凹凸の形態が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成を備える。
図７は、実施の形態４に係るコンデンサの構成を示す概略断面図である。本実施の形態に係るコンデンサ１は、陽極用基材４の表面に形成された微細凹凸の形態が異なる以外は、実施の形態１と同様な構成を備える。
本実施の形態では、陽極用基材４の表面に微小突起４０を形成することにより微細凹凸が得られている。隣接する微小突起４０の間が凹部２１となっている。凹部２１の幅、深さは、それぞれ１〜５０μｍ、１〜１０μｍの範囲が好ましい。この凹部２１には２次粒子１８が入り込みにくくなっており、凹部２１において陽極用基材４と多孔質層６との間には空隙が形成されている。この空隙側に面する陽極用基材４の表面には誘電体層１０が形成されており、誘電体層１０の表面を覆うように導電性高分子層１４が形成されている。
陽極用基材４の表面に微小突起４０を形成する手段としては、スパッタ法、ＣＶＤ法などの成膜手段が挙げられる。微小突起４０に用いられる材料は、陽極用基材４と同じでもよいが、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方であれば、陽極用基材４と異なっていてもよい。
以上説明した実施の形態２乃至４に係るコンデンサにおいては、実施の形態１と同様に、陽極用基材４の表面に設けられた凹部において多孔質層６と陽極用基材４との間に空隙が形成されており、この空隙側に面する陽極用基材４の表面には誘電体層１０が形成されており、誘電体層１０の表面を覆うように導電性高分子層１４が形成されている。これにより、陽極用基材４の表面近傍と陰極用基材１６との間における導電性高分子層１４による導電経路がより密に形成されるため、コンデンサの低ＥＳＲ化を図ることができる。
１ コンデンサ、２ 陽極体、４ 陽極用基材、１０ 誘電体層、１２ 陰極体、１４ 導電性高分子層、１６ 陰極用基材、１６ａ カーボンペースト層、１６ｂ 銀ペースト層、１８ ２次粒子、２０ 溝、２１ 凹部、２２ 細孔、２４ 多孔質面、３０ 空隙、４０ 微小突起、１００ コールドスプレー装置、１０１ 基材把持部、１０２ ノズル、１０４ 材料供給部、１０６ ガス供給部、１０８ ヒータ
Claims (10)
- 表面に凹凸が形成された、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる基材と、
前記基材の表面上に設けられ、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる多孔質層と、を備え、
前記基材の表面の凹部において前記多孔質層と前記基材との間に空隙が形成されていることを特徴とするコンデンサ用電極体。 - 前記凹部は溝状である請求項１に記載のコンデンサ用電極体。
- 溝の幅が１〜５０μｍである請求項２に記載のコンデンサ用電極体。
- 前記凹凸は多孔質状である請求項１に記載のコンデンサ用電極体。
- 孔の径が０．０１〜５０μｍである請求項４に記載のコンデンサ用電極体。
- 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のコンデンサ用電極体からなる陽極体と、
前記陽極体の表面に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の表面を覆うように形成された陰極体と、
を備え、
前記凹部において、前記空隙側に面する前記陽極体の表面は、前記誘電体層および前記陰極体に覆われていることを特徴とするコンデンサ。 - 弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる基材の表面に凹凸を形成する工程と、
前記基材に、弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる金属粒塊で構成される多孔質層を設けて電極体を形成する電極体形成工程と、
を備え、
前記基材の表面の凹部において前記多孔質層と前記基材との間に空隙が形成されることを特徴とするコンデンサ用電極体の製造方法。 - 前記凹凸を形成する工程は、直流エッチングまたは交流エッチングである請求項７に記載のコンデンサ用電極体の製造方法。
- 前記凹凸を形成する工程は、前記基材の表面に溝を形成する機械加工である請求項７に記載のコンデンサ用電極体の製造方法。
- 前記凹凸を形成する工程は、前記基材の表面に弁作用金属およびその合金の少なくとも一方からなる導電材料を成膜する工程である請求項７に記載のコンデンサ用電極体の製造方法。
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