JP2011192886A - 電極箔およびコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】電極箔の漏れ電流を低減することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため本発明は、基材１８と、この基材１８上に形成され、内部に空隙を有する粗膜層１９と、を備え、この粗膜層１９は、少なくとも基材１８上に形成された第一粗膜層１９Ａを有し、この第一粗膜層１９Ａは、基材１８の表面に複数の金属微粒子２０が積み重なり、基材１８表面から湾曲して伸びるように形成された柱状体２１が複数並んで構成されたものとした。これにより本発明は、粗膜層１９の表面積を更に拡大し、コンデンサ６の大容量化を実現できる。
【選択図】図３

Description

本発明は電極箔およびコンデンサに関するものである。

コンデンサとしては、パーソナルコンピュータのＣＰＵ周りに使用される低ＥＳＲの固体電解コンデンサや、電源回路の平滑用などに使用されるアルミ電解コンデンサなどが挙げられる。これらのコンデンサには、小型大容量化が強く望まれている。

例えば従来の固体電解コンデンサは、表面に誘電膜が形成された電極箔（陽極箔）と、誘電膜上に形成された導電性高分子からなる固体電解質層と、この固体電解質層上に形成された陰極層とを有している。そして近年コンデンサの大容量化を目的に、図７に示すように、弁作用金属箔からなる基材１と、この基材１上に蒸着によって形成され、内部に空隙を有する粗膜層２とを備えた電極箔３が検討されている。

この粗膜層２は、基材１の表面に金属微粒子４が積み重なり、基材１の表面から伸びるように形成されたツリー状、あるいは海ぶどう状の柱状体５が、複数集まったものである。

粗膜層２の表面積は、複数の金属微粒子４が積み重なるほど大きくなり、大容量化を実現できる。

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が知られている。

特開２００８−２５８４０４号公報

この電極箔３では、これ以上大容量化する事が難しい。

すなわち、電極箔３の大容量化を図るには、金属微粒子４の重畳数を増やし、粗膜層２の総表面積を大きくすればよいが、重畳するほど粗膜層２が厚膜化し、コンデンサの小型化が図れなくなる。また柱状体５は、高さが増すと垂直方向からの応力負荷に対して強度が低下してしまうことがある。

また金属微粒子４の粒径を小さくすれば粗膜層２の総表面積を大きくすることができるが、粗膜層２の機械的強度が低下し、また金属微粒子４間の接続部分が絶縁化され易くなり、結局電極箔３の高容量化に寄与しなくなる。

以上のように電極箔３をこれ以上大容量化することは、難しい課題である。

そこで本発明は、電極箔をさらに大容量化する事を目的とする。

そしてこの目的を達成するため本発明は、基材と、この基材上に形成され、内部に空隙を有する粗膜層と、を備え、この粗膜層は、少なくとも基材上に形成された第一粗膜層を有し、この第一粗膜層は基材の表面に複数の金属微粒子が積み重なり、基材の表面から湾曲して伸びるように形成された柱状体が複数並んで構成されたものとした。

これにより本発明は、電極箔をさらに大容量化することができる。

その理由は、金属微粒子を湾曲するように積み重ねることによって、粗膜層の厚みが薄くても金属微粒子の重畳数を増やせるからである。

これにより本発明は、粗膜層の総表面積を拡大し、結果として電極箔をさらに大容量化できる。

本発明の実施例１におけるコンデンサの斜視図 （ａ）同コンデンサに使用されるコンデンサ素子の平面図、（ｂ）図２（ａ）の断面図（Ｘ−Ｘ断面） 本発明の実施例１における電極箔の模式断面図 同電極箔を５００倍にしたＳＥＭ写真 本発明の実施例１における電極箔の製造装置の模式図 本発明の実施例１の別の例におけるコンデンサの一部切欠斜視図 従来の電極箔の模式断面図

（実施例１）
以下、本実施例における電極箔と、この電極箔を用いたコンデンサについて説明する。本実施例のコンデンサは、陰極材料として導電性高分子材料を用いた積層型の固体電解コンデンサである。

図１は本実施例のコンデンサ６の斜視図であり、矩形状の複数枚のコンデンサ素子７を積層したものである。図２（ａ）、（ｂ）はコンデンサ素子７の平面図および断面図である。

図２（ｂ）に示すように、コンデンサ素子７は、表面に誘電膜８が形成された電極箔９（陽極箔）と、誘電膜８を形成した後に、電極箔９を押圧するように設けられ、電極箔９を陽極電極部１０と陰極形成部に分離する絶縁性のレジスト部１１と、陰極形成部の誘電膜８上に形成された陰極電極部１２とを有している。陰極電極部１２は、誘電膜８上に形成された導電性高分子からなる固体電解質層１３と、この固体電解質層１３上に形成されたカーボン層および銀ペースト層からなる陰極層１４とから構成される。

そして図１に示すように、コンデンサ素子７は複数枚積層され、夫々の陽極電極部１０を陽極端子１５にレーザー溶接によって接続する。

また陰極電極部１２には陰極端子１６が接続され、陰極端子１６には、コンデンサ素子７の搭載部分の両側面を上方に折り曲げた折り曲げ部１６Ａが形成されている。陰極端子１６の素子搭載部分とコンデンサ素子７の陰極電極部１２間、折り曲げ部１６Ａと陰極電極部１２間、ならびに各コンデンサ素子７の陰極電極部１２間は、それぞれ導電性接着材で接合できる。

陽極端子１５と陰極端子１６は、夫々一部が外表面に露呈する状態で、上記複数枚のコンデンサ素子７とともに絶縁性樹脂からなる外装体１７で一体に被覆される。この外装体１７から表出した陽極端子１５と陰極端子１６の一部を外装体１７に沿って底面へと折り曲げると、コンデンサの底面に陽極端子１５と陰極端子１６を形成した面実装型のコンデンサ６となる。

そして本実施例では、電極箔９は、図２（ｂ）に示すように、基材１８と、この基材１８上に形成された粗膜層１９を有している。粗膜層１９は、本実施例のように基材１８の両面に形成してもよく、あるいは片面に形成してもよい。

また粗膜層１９は、図３の模式図、あるいは図４のＳＥＭ写真に示すように、基材１８上に形成された第一粗膜層１９Ａと、この第一粗膜層１９Ａ上に形成された第二粗膜層１９Ｂとの二層構造である。本実施例では、第一粗膜層１９Ａ、第二粗膜層１９Ｂはそれぞれ基材１８の両面に形成した。なお、粗膜層１９は一層の粗膜層で構成してもよく、三層以上で構成してもよい。

第一粗膜層１９Ａは、基材１８の表面に複数の金属微粒子２０が積み重なり、基材１８の表面から湾曲して伸びるように形成された柱状体２１が、複数集まったものである。

第二粗膜層１９Ｂは、第一粗膜層１９Ａ上に複数の金属微粒子２０が積み重なり、第一粗膜層１９Ａ上から湾曲して伸びるように形成された柱状体２１が、複数並んだものである。

本実施例では、柱状体２１は、金属微粒子２０が基材１８から斜め上方にやや湾曲しながら積み重なり、中間に近い部分で屈曲して向きを変え、さらに斜め上方に向かって湾曲しながら積み重なっている。このように本実施例では、柱状体２１の中間部分で屈曲させているが、その他根元に近い部分で屈曲させてもよく、あるいは先端側から湾曲させてもよい。

これらの柱状体２１は、図３、図４に示すように、それぞれ複数の金属微粒子２０を不規則に連ならせ、枝分かれさせた海ぶどう型、あるいはツリー型であってもよい。このように枝分かれさせた場合も、柱状体２１が全体的に湾曲していればよい。なお、本実施例では、それぞれの金属微粒子２０が原形を維持しながら、枝分かれするような群構造となっているため、より表面積を大きくできるとともに、機械的強度を高めることができる。

また本実施例では、第一粗膜層１９Ａの柱状体２１は、それぞれ同方向に湾曲している。すなわち、夫々の柱状体２１は、ほぼ並行に湾曲している。同様に、第二粗膜層１９Ｂの柱状体２１も、それぞれ同方向に湾曲している。

また本実施例では、第一粗膜層１９Ａと第二粗膜層１９Ｂの湾曲方向も同じとした。したがって、粗膜層１９全体の基材１８に対する垂直断面は、Ｍ（エム）の字が並行に整列したようになっている。なお、第一粗膜層１９Ａと第二粗膜層１９Ｂとの湾曲方向を１８０度変えれば、粗膜層１９の垂直断面はＳの字が整列したようになる。この場合も、電極箔９の大容量化に寄与する。

さらに本実施例では、基材１８の表面及び裏面に形成した粗膜層１９は、同じ方向に湾曲している。すなわち、基材１８の表面に形成した粗膜層１９と、裏面に形成した粗膜層１９とは、基材１８に対してほぼ線対称形となっている。

そして本実施例では、金属微粒子２０の平均粒子径は、０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下である。この平均粒子径は、例えば粗膜層１９の水平断面、あるいは垂直断面を移したＳＥＭ写真によって測定できる。

また粗膜層１９は多数の空孔を備え、この空孔径の最頻値は、金属微粒子２０の平均粒子径とほぼ同様で、０．０１μｍ以上０．２０μｍ以下である。空孔径は、水銀圧入法によって計測することができ、これによって得た空孔径の分布のピーク値を空孔径の最頻値とした。この空孔によって、粗膜層１９の空隙率は５０〜８０％程度となる。

また本実施例では、基材１８の厚みが２０〜３０μｍ、第一粗膜層１９Ａの厚みが５０μｍ、第二粗膜層１９Ｂの厚みが５０μｍとした。厚みはこれに限らないが、第一粗膜層１９Ａ、第二粗膜層１９Ｂの厚みの和は、２０μｍ以上の厚膜とする。単層の場合、あるいは二層以上の場合は、粗膜層１９の総厚みを片面で２０μｍ以上とし、大容量化を図る。

基材１８は、本実施例ではアルミニウム箔を用いたが、アルミニウム以外にも、アルミニウム合金やチタン、ニオブ、タンタルなど、種々の弁金属を初めとする金属材料やその合金材料など、種々の導電性材料を用いることができる。

金属微粒子２０も、基材１８と同様に、アルミニウムを用いたが、その他の弁金属材料や合金材料等を用いることが出来る。

金属微粒子２０と基材１８とは、異なる材料であってもよいが、本実施例のように、同じ材料で形成する方が好ましい。蒸着工程における金属微粒子２０の潜熱で基材１８が適度に軟化するため、基材１８の形状を維持しつつ、基材１８と金属微粒子２０との密着性を高めることができるからである。また本実施例では、金属微粒子２０及び基材１８のいずれもアルミニウムからなり、比較的融点が低いため、生産性を高めることが出来る。

なお、金属微粒子２０の一部は酸化物あるいは窒化物で構成されていてもよい。すなわち、粗膜層１９が全体として導電性を有していればよいため、一部の金属微粒子２０が酸化物や窒化物からなるものであってもよい。

さらに本実施例では、誘電膜８は金属微粒子２０を陽極化成して形成するため、酸化アルミニウムで構成されているが、蒸発やスパッタなどを用いて、ジルコニウム、シリコン、タンタル、ニオブなどの金属の酸化物や、窒化物などの化合物で形成することもできる。

図５は本実施例で用いた粗膜層１９を形成するための蒸着装置２２の模式図である。

この蒸着装置２２は、真空ポンプと連結された真空槽内に基材１８を供給する巻き出しローラー２３と、この巻き出しローラー２３から移送された基材１８を巻き取る巻き取りローラー２４と、巻き出しローラー２３と巻き取りローラー２４との間で、基材１８と対向する位置に設けられた蒸着用ボート２５と、この蒸着用ボート２５に蒸着材料を供給する供給部２６とを備えている。

基材１８は巻き出しローラー２３から巻き取りローラー２４へと、水平に、所定方向（矢印Ｐ方向）に移送される。そして蒸着用ボート２５はその両端が図示しない電源に繋がれ、抵抗加熱によって発熱する。発熱した蒸着用ボート２５からは、金属微粒子２０が蒸発し、移送中の基材１８の表面に積み重なっていく。

この時、本実施例では、基材１８をゆっくりと矢印Ｐ方向（水平方向）に移送させながら蒸着するため、蒸着用ボート２５から基材１８へと斜め方向Ｑ１、垂直方向Ｑ２、斜め方向Ｑ３に蒸発した金属微粒子２０が、粒子の原形を維持しながら、順に積層していく。したがって、柱状体２１は湾曲構造となるのである。

なお、本実施例では、金属微粒子２０が装置に付着するのを防ぐ為、蒸着用ボート２５と基材１８との間に遮蔽板２７を配置し、蒸着したい領域にのみ、遮蔽板２７に開口部２８をあけている。

また本実施例では、仕切り板２９で蒸着領域３０Ａ、３０Ｂに区切り、蒸着領域３０Ａで第一粗膜層１９Ａを、蒸着領域３０Ｂで第二粗膜層１９Ｂを、それぞれ形成した。したがって、蒸着領域３０Ａ、３０Ｂ毎に、蒸着用ボート２５、供給部２６を配置している。

以下、本実施例の製造方法について説明する。

本実施例では、抵抗加熱式蒸着法によって、下記のように粗膜層１９を形成した。
（１）基材１８を巻き取った巻き出しローラー２３を真空槽内に配置して０．０１〜０．００１Ｐａの真空に保つ。
（２）基材１８周辺に酸素ガスに対してアルゴンガスの流量を２〜６倍にした不活性ガスを流入して基材１８周辺の圧力を１０〜３０Ｐａの状態にする。
（３）基材１８の温度を１５０〜３００℃の範囲に保つ。
（４）供給部２６から蒸着用ボート２５にアルミニウムを供給し、金属微粒子２０を蒸発させる。
（５）基材１８を巻き出しローラー２３から巻き取りローラー２４側へと移送させながら、蒸着領域３０Ａで基材１８の表面に金属微粒子２０を積み重ね、第一粗膜層１９Ａを形成する。
（６）続いて基材１８を次の蒸着領域３０Ｂへと移送させ、所定方向（矢印Ｐ方向）に移送させながら第一粗膜層１９Ａ上に第二粗膜層１９を形成する。

以上のプロセスで、基材１８の一面に粗膜層１９を形成できる。基材１８を反転させ、同様の方法で基材１８を移送させながら蒸着すれば、基材１８の裏面にも同様に粗膜層１９を形成する。

なお、第一粗膜層１９Ａと第二粗膜層１９Ｂとの湾曲方向を変える場合は、蒸着領域３０Ａ、３０Ｂで、基材１８の移送方向を１８０度逆向きにすればよい。

以下、本実施例の誘電膜８の形成方法について説明する。

本実施例では、上記のように粗膜層１９を蒸着により形成した後、化成電圧５Ｖ、保持時間２０分、７％アジピン酸アンモニウム水溶液、７０℃、０．０５Ａ／ｃｍ²で化成を行い、インピーダンスアナライザーを用い、８％ホウ酸アンモニウム水溶液、３０℃、測定面積１０ｃｍ²、測定周波数１２０Ｈｚの条件下で静電容量を測定した。誘電膜８の膜厚は、０．０１μｍ程度である。

本実施例では、電極箔９の単位体積あたりの静電容量は３５〜５０μＦ／ｃｍ²／μｍとなった。また粗膜層１９の単位体積あたりの表面積は、５．０×１０⁴ｃｍ²／ｃｍ³〜１２．０×１０⁴ｃｍ²／ｃｍ³であった。なお、この静電容量および表面積の値は、電極箔９を上記条件で化成して誘電膜８を形成した後の値である。

一方で、図７に示すような、従来の電極箔３の場合は、単位体積あたりの静電容量は２５〜３０μＦ／ｃｍ²／μｍ程度であった。この粗膜層２の単位体積あたりの表面積は、４．０×１０⁴ｃｍ²／ｃｍ³程度であった。

以上のように本実施例では、金属微粒子２０を湾曲するように積み重ねることによって、重畳数を増大でき、粗膜層１９の厚みが薄くてもその総表面積をさらに拡大できる。そしてその結果、電極箔９の大容量化を実現できる。

また本実施例では、粗膜層１９を、それぞれ湾曲している柱状体２１からなる第一粗膜層１９Ａと第二粗膜層１９Ｂとの積層体とすることによって、一層で構成する場合よりも湾曲する回数が多くなり、積み重なる金属微粒子２０の数を更に増大させ、粗膜層１９の表面積を拡大できる。

また粗膜層１９の厚みが同じ条件下では、粗膜層１９を一層で構成しようとすると、柱状体２１を極端に屈曲させカーブを急角度にしなければ、金属微粒子２０の重畳数を大幅に増やすことはできない。しかし複数の粗膜層で構成する場合、緩やかに屈曲させた柱状体２１を積み重ねればよいため、粗膜層１９全体の機械的強度を高めることができる。

また本実施例では、第一粗膜層１９Ａと第二粗膜層１９Ｂの柱状体２１を同じ方向に湾曲させているため、第一粗膜層１９Ａ及び第二粗膜層１９Ｂの界面では、金属微粒子２０間の接触面積が大きくなる。したがって、第一粗膜層１９Ａ及び第二粗膜層１９Ｂ間の結合強度が増し、粗膜層１９の機械的強度をさらに高めることができる。

なお、本実施例では、粗膜層１９を第一粗膜層１９Ａ及び第二粗膜層１９Ｂの二層構造としたが、三層以上の構造であってもよい。また第一粗膜層１９Ａのみの構成でもよい。いずれの場合も、金属微粒子２０を湾曲するように積み重ねていくことによって、粗膜層１９の表面積を大きくすることができる。

また本実施例では、粗膜層１９を基材１８の両面に形成したが、片面に形成してもよいものとする。

更に本実施例では、コンデンサ６として積層型の固体電解コンデンサ６を例に挙げたが、その他巻回型のコンデンサの陽極箔あるいは陰極箔として用いることができる。

例えば、図６は巻回型のコンデンサを示す。このコンデンサ３１は、表面に誘電膜が形成された陽極箔３２と、陰極箔３３とを、間にセパレータ３４を介して巻回したコンデンサ素子３５と、コンデンサ素子３５に含浸させた、導電性高分子や有機半導体、電解液、あるいはこれらの複合材料などの陰極材料と、コンデンサ素子３５の陽極箔３２と電気的に接続された陽極端子３６と、陰極箔３３と電気的に接続された陰極端子３７と、コンデンサ素子３５を収容するケース３８と、陽極端子３６および陰極端子３７の一部が外部に露出するようにケース３８を封止する封止部３９とを備えている。

陽極箔３２または陰極箔３３のいずれか一方あるいは双方として、図３、図４に示すような電極箔９を用いることができ、これによりコンデンサ３１の大容量化を実現できる。

なお、陽極箔３２として用いる場合は、粗膜層の表面に誘電膜を形成する。陰極箔３３として用いる場合は、誘電膜の形成は任意である。

以上のように電極箔９を図の巻回型のコンデンサ３１に用いた場合も大容量化を実現できる。

本発明による電極箔は、小型大容量のコンデンサに有用である。

６ コンデンサ
７ コンデンサ素子
８ 誘電膜
９ 電極箔（陽極箔）
１０ 陽極電極部
１１ レジスト部
１２ 陰極電極部
１３ 固体電解質層
１４ 陰極層
１５ 陽極端子
１６Ａ 折り曲げ部
１７ 外装体
１８ 基材
１９ 粗膜層
１９Ａ 第一粗膜層
１９Ｂ 第二粗膜層
２０ 金属微粒子
２１ 柱状体
２２ 蒸着装置
２３ 巻き出しローラー
２４ 巻き取りローラー
２５ 蒸着用ボート
２６ 供給部
２７ 遮蔽板
２８ 開口部
２９ 仕切り板
３０Ａ 蒸着領域
３０Ｂ 蒸着領域
３１ コンデンサ
３２ 陽極箔
３３ 陰極箔
３４ セパレータ
３５ コンデンサ素子
３６ 陽極端子
３７ 陰極端子
３８ ケース
３９ 封止部

Claims (7)

1. 基材と、この基材上に形成され、内部に空隙を有する粗膜層と、を備え、
   この粗膜層は、少なくとも前記基材上に形成された第一粗膜層を有し、
   この第一粗膜層は、前記基材の表面に複数の金属微粒子が積み重なり、前記基材の表面から湾曲して伸びるように形成された柱状体が複数並んで構成された、電極箔。
2. 前記粗膜層の単位体積あたりの表面積は、５．０×１０⁴ｃｍ²／ｃｍ³以上である、請求項１に記載の電極箔。
3. 前記複数の柱状体は、それぞれ同方向に湾曲している、請求項１に記載の電極箔。
4. 前記粗膜層は、前記第一粗膜層上に、内部に空隙を有する第二粗膜層を有し、
   この第二粗膜層は、前記第一粗膜層上に複数の金属微粒子が積み重なり、前記第一粗膜層上から湾曲して伸びるように形成された柱状体が複数並んで構成された、請求項１に記載の電極箔。
5. 前記第二粗膜層を構成する複数の柱状体は、それぞれ同方向に湾曲している、請求項４に記載の電極箔。
6. 表面に誘電膜が形成された陽極箔と、この陽極箔の前記誘電膜上に形成された固体電解質層と、この固体電解質層上に形成された陰極層と、を有するコンデンサ素子と、
   前記陽極箔および前記陰極層とそれぞれ接続された陽極端子および陰極端子と、
   これらの陽極端子および陰極端子の一部が外部に露出するように前記コンデンサ素子を被覆する外装体と、を備え、
   前記陽極箔は、
   基材と、この基材上に形成され、内部に空隙を有する粗膜層と、を備え、
   この粗膜層は、少なくとも前記基材上に形成された第一粗膜層を有し、
   この第一粗膜層は、前記基材の表面に複数の金属微粒子が積み重なり、前記基材の表面から湾曲して伸びるように形成された柱状体が複数並んで構成された、コンデンサ。
7. 表面に誘電膜が形成された陽極箔と、陰極箔とを、間にセパレータを介して積層または巻回したコンデンサ素子と、
   このコンデンサ素子に含浸させた陰極材料と、
   前記陽極箔および陰極箔とそれぞれ接続された陽極端子および陰極端子と、
   前記コンデンサ素子を収容するケースと、
   前記陽極端子および前記陰極端子の一部を外部に露出させた状態で前記ケースを封止する封止部と、を備え、
   前記陽極箔および陰極箔の少なくともいずれか一方は、
   基材と、この基材上に形成され、内部に空隙を有する粗膜層と、を備え、
   この粗膜層は、少なくとも前記基材上に形成された第一粗膜層を有し、
   この第一粗膜層は、前記基材の表面に複数の金属微粒子が積み重なり、前記基材の表面から湾曲して伸びるように形成された柱状体が複数並んで構成された、コンデンサ。