JP2012044069A - 電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐振動性および絶縁性の向上を簡単な製造方法により実現し得る電解コンデンサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】電解紙（セパレータ）４を介して弁金属の陽極箔２と陰極箔３とを重ね合わせて巻回してなるコンデンサ素子１０と、コンデンサ素子１０をその巻回端面１０ａ側から挿入して収納する有底円筒状の外装ケース５と、外装ケース５の開口部を封口する弾性封口材７とを有するアルミニウム電解コンデンサ１であって、コンデンサ素子１０と外装ケース５との間に、コンデンサ素子１０の外周部１０ｂの少なくとも一部と巻回端面１０ａとを覆うシート状の絶縁シート２０または袋状の絶縁袋４０、４１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は電解コンデンサおよびその製造方法に関し、陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回されたコンデンサ素子を有する巻回形の電解コンデンサおよびその製造方法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。

アルミニウムを電極に使用したアルミニウム電解コンデンサは、エッチング処理および酸化皮膜形成処理が施された陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回され、素子止めテープによって固定されてコンデンサ素子が形成されている。このコンデンサ素子は駆動用電解液が含浸された後、有底筒状外装ケースに収納される。

さらに、外装ケース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成を有する。

基板自立タイプのアルミニウム電解コンデンサは、この封口体の外端面に陽極端子および陰極端子が形成され、これらの端子の端部は、コンデンサ素子から引き出された陽極タブ端子および陰極タブ端子が各々電気的に接続されている。また、リード線タイプのアルミニウム電解コンデンサは、コンデンサ素子から引き出された陽極タブ端子および陰極タブ端子と電気的に接続されたリード端子が、封口体に設けられた挿通孔を通して外部に引き出されている。

ところで、従来の電解コンデンサとしては、コンデンサ素子の巻きほぐれを防止することを目的として、コンデンサ素子を樹脂材により被覆する構成（特許文献１参照）、または、コンデンサ素子の外周面に熱収縮性テープ層を設ける構成（特許文献２参照）が考えられている。

また、金属の外装ケースとコンデンサ素子との間の絶縁性を確保することを目的として、外装ケースの内底部に絶縁紙を敷く構成（特許文献３参照）が考えられている。

また、コンデンサ素子と外装ケースとの間に樹脂ケースを設け、この樹脂ケースを外装ケース開口部のキャップに接着することにより、耐振動性を向上させる構成（特許文献４参照）が考えられている。

特開２００８−２７７３４８号公報 特開２００８−２５１８３７号公報 特開平０９−２４６１１７号公報 特開２００６−２４５４２０号公報

このように、従来の電解コンデンサとして、コンデンサ素子と外装ケースとの間に、絶縁性または耐振動性を向上させる部材を介挿する種々の構成が考えられている。

しかしながら、簡単な製造方法により、絶縁性および耐振動性の両立を実現する点においては未だ不十分であり、改善の余地が残されていた。

本発明は、耐振動性および絶縁性の向上を簡単な製造方法により実現し得る電解コンデンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の電解コンデンサは、セパレータを介して弁金属の陽極箔と陰極箔とを重ね合わせて巻回してなるコンデンサ素子と、コンデンサ素子をその巻回端面側から挿入して収納する有底円筒状の外装ケースと、外装ケースの開口部を封口する封口体とを有する電解コンデンサであって、コンデンサ素子と外装ケースとの間に、コンデンサ素子の外周部の少なくとも一部と巻回端面とを覆うシート状または袋状の絶縁材を備えることを特徴としている。

この構成によれば、コンデンサ素子と外装ケースとの間にシート状または袋状の絶縁材を介挿させることにより、外装ケース内の隙間を小さくして耐振動性を向上させるとともに、コンデンサ素子と外装ケースとの間の絶縁性を確保した電解コンデンサを容易に製造することができる。

また、上記電解コンデンサにおいて、絶縁材は、熱収縮性を有する樹脂材としてもよい。

この構成によれば、絶縁材として熱収縮性を有する樹脂材を用いることにより、当該樹脂材が熱収縮によりコンデンサ素子に密着するため、コンデンサ素子の巻きほぐれの発生を防止することができる。

また、上記電解コンデンサにおいて、外装ケースは、底部に弁を有し、絶縁材は、外装ケースの底部とコンデンサ素子の巻回端部との間に介挿される領域に孔部または切れ目を有する構成としてもよい。

この構成によれば、外装ケースの弁が作動した場合、樹脂材に設けられた孔部または切れ目を介して外装ケースの内圧を外部に逃がすことができる。

また、本発明の電解コンデンサの製造方法は、セパレータを介して弁金属の陽極箔と陰極箔とを重ね合わせ巻回してなるコンデンサ素子と、コンデンサ素子を収納する有底円筒状の外装ケースとを有する電解コンデンサの製造方法であって、コンデンサ素子を外装ケースの開口部からシート状または袋状の絶縁材を介して外装ケース内に挿入する工程を備えることを特徴とする。

この方法によれば、シート状または袋状の絶縁材を介してコンデンサ素子を外装ケース内に挿入するだけの簡単な工程によって、絶縁性および耐振動性のある電解コンデンサを容易に製造することができる。

本発明によると、耐振動性および絶縁性の向上を簡単な製造方法により実現し得る電解コンデンサおよびその製造方法を提供することができる。

本発明による電解コンデンサの構成を示す断面図である。 本発明によ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。 本発明による電解コンデンサで使用される樹脂シートを示す平面図である。 本発明による電解コンデンサの組立工程の説明に供する斜視図である。 本発明による電解コンデンサの製造フローチャートである。 比較例による電解コンデンサの弁作動後の状態を示す写真である。 比較例による電解コンデンサの弁作動後の状態を示す斜視図である。 本発明による電解コンデンサの弁作動後の状態を示す写真である。 本発明による電解コンデンサの弁作動後の状態を示す斜視図である。 本発明による電解コンデンサで使用される樹脂シートの変形例を示す平面図である。 本発明による電解コンデンサで使用される樹脂袋を示す斜視図である。 本発明による電解コンデンサで使用される樹脂袋を示す斜視図である。

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に示すように、本実施形態のアルミニウム電解コンデンサ１は、コンデンサ素子１０と、弾性封口材７と、外装ケース５とを備える。

図２に示すように、コンデンサ素子１０は、陽極箔２と、陰極箔３とがセパレータ（電解紙）４を介して巻回された巻回部を構成している。

陽極箔２と陰極箔３には平坦状のリードタブ（図示省略）がそれぞれ接続されており、このリードタブを介して陽極箔２および陰極箔３からそれぞれリード部６が引き出されている。２つのリード部６は、コンデンサ素子１０の一方の端面から導出されており、各リード部６は、リードタブの先端に連結された丸棒状の接続部６ａと、接続部６ａの先端部に溶接されたリード線６ｂとから構成されている。

陽極箔２は、アルミニウム、タンタル、ニオブなどの弁作用金属で形成されている。陽極箔２の表面は、エッチング処理により粗面化されるとともに、陽極酸化（化成）による陽極酸化皮膜（図示せず）が形成されている。

また、陰極箔３も、陽極箔２と同様にアルミニウムなどで形成され、その表面は粗面化されるとともに自然酸化皮膜（図示せず）が形成されている。

また、セパレータ４には駆動用電解液が保持されている。これにより、陽極箔２とセパレータ４との間に駆動用電解液が保持され、陰極箔３とセパレータ４との間にも駆動用電解液が保持されている。駆動用電解液は、コンデンサ素子を駆動用電解液中に含浸させることにより保持される。

図１に示すように、コンデンサ素子１０は、有底円筒状に形成された外装ケース５に収納されている。外装ケース５は、アルミニウムなどにより形成されている。

外装ケース５の開口部は、２つのリード部６が外部に引き出された状態で、弾性封口材（封口体）７によって封止されている。弾性封口材７は、外装ケース５の開口部に形成された巻き締め部５ａによって圧縮された状態で配置されている。なお、外装ケース５の底部には、弁（図示せず）が設けられており、内圧が上昇した際に、当該弁が割れて内圧を外部に逃がすようになっている。

弾性封口材７には、２つのリード部６（接続部６ａ）がそれぞれ貫通される２つの貫通孔７ａが形成されている。弾性封口材７に力が作用していない無負荷状態での貫通孔７ａの径は、接続部６ａの外径よりも若干小さい。

弾性封口材７は、ゴムまたは熱可塑性エラストマーを基材とする組成物により形成されている。弾性封口材７を構成するゴムとしては、具体的には、ＥＰＴ（エチレンプロピレンターポリマー）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンモノマー共重合体）、ＩＩＲ（イソプレンイソブチレンラバー）などが用いられる。

図１に示すように、外装ケース５とコンデンサ素子１０との間には、樹脂材からなる樹脂シート２０が設けられている。この樹脂シート２０は、熱により収縮する熱収縮性と、絶縁性と、耐熱性とを有しており、また環境性の良い材質により形成されている。具体的には、樹脂シート２０として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリオレフィン、ＰＥＴ、テフロン（登録商標）、シリコーンゴム、ポリオレフィン、ポリフッ化ビリニデン、フッ化ポリマー、フッ化エラストマーまたはエラストマーなどを用いることができる。

樹脂シート２０は、コンデンサ素子１０の外周部１０ｂの少なくとも一部および底部（巻回端面）１０ａを覆った状態で熱収縮させることで、コンデンサ素子１０の外周部１０ｂおよび底部１０ａに密着し、巻きほぐれを防止するようになっている。本実施の形態の場合、樹脂シート２０は、コンデンサ素子１０の底部１０ａから３ｍｍの高さまで外周部１０ｂを覆うようになっている。

図３に示すように、樹脂シート２０の形状は、平面状に拡げた状態では、円板形状を有しており、その中心部に円形の孔部２１が形成されている。図４は、樹脂シート２０によってコンデンサ素子１０の底部１０ａおよび外周部１０ｂを包み込む工程を示す斜視図である。この工程においては、まず、樹脂シート２０を外装ケース５の開口部の上方に配置するとともに、樹脂シート２０の孔部２１を中心とした領域上にコンデンサ素子１０の底部１０ａを載せ（図４（Ａ））、樹脂シート２０とともにコンデンサ素子１０を外装ケース５内に挿入する。この場合、樹脂シート２０は、コンデンサ素子１０の底部１０ａの形状に沿って折れ曲がりながら外装ケース５へ挿入される（図４（Ｂ））。この結果、外装ケース５に挿入されたコンデンサ素子１０の底部１０ａおよび外周部１０ｂは、樹脂シート２０によって包み込まれた状態となる。

この状態においては、樹脂シート２０はコンデンサ素子１０に密着していないが、後述するエージング工程において加熱されることにより、樹脂シート２０が熱収縮し、図１に示したように、コンデンサ素子１０に密着した状態となる。この状態においては、外装ケース５とコンデンサ素子１０との間に樹脂シート２０が介挿された状態となり、コンデンサ素子１０と外装ケース５との間が絶縁されるとともに、コンデンサ素子１０の巻きほぐれが防止される。

なお、図４に示すように、平面状の樹脂シート２０を用い、コンデンサ素子１０を外装ケース５内に挿入する際に樹脂シート２０をコンデンサ素子１０と外装ケース５との間に介挿するようにしたことにより、樹脂シート２０に対するコンデンサ素子１０の位置がずれても、樹脂シート２０が装着されないといった不都合を回避することができる。すなわち、平面状の樹脂シート２０を用い、コンデンサ素子１０を外装ケース５内に挿入する際に、樹脂シート２０がコンデンサ素子１０の底部１０ａおよび外周部１０ｂを包み込むようにすることで、位置ずれによる不良の発生を防止することができる。さらに、平面状の樹脂シート２０において、コンデンサ素子１０を載せる箇所に予め折り目をつけておくことで、位置ずれによる不良の発生をより防止することができる。

次に、本実施の形態の電解コンデンサの製造方法について説明する。図５は、本実施の形態に係る電解コンデンサの製造工程を示すフローチャートである。

（エッチング工程）
電極の実効表面積を大きくするために、陽極箔２および陰極箔３を形成するためのアルミニウム箔などの表面にエッチング処理を施して粗面化する（ステップＳ１０１）。

（化成工程）
粗面化された陽極箔２に化成処理を施して酸化皮膜を形成する（ステップＳ１０２）。

（巻取工程）
酸化皮膜が形成された陽極箔２および陰極箔３にそれぞれ電極タブを介してリード部６（接続部６ａ）を接続するとともに、これら陽極箔２と陰極箔３とをセパレータ４を介して巻回し、円筒状のコンデンサ素子１０を形成する（ステップＳ１０３）。ここで、セパレータ４としては、マニラ紙、ヘンプ紙、クラフト紙など、またはそれらにガラス繊維や化学合成繊維を混抄したものを用いることができる。コンデンサ素子１０の外周は、素子止めテープ（図示せず）により固定される。

（含浸工程）
減圧や加圧等によりコンデンサ素子１０に駆動用電解液を含浸させる（ステップＳ１０４）。この時の含浸時間は、コンデンサ素子１０のサイズや駆動用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。その後、必要に応じて過剰な駆動用電解液を遠心分離機や吸引機にてある一定量取り除く。

（組立工程）
弾性封口材７の貫通孔７ａに、コンデンサ素子１０から導出されたリード部６を挿通し、コンデンサ素子１０に弾性封口材７を取り付ける。次に、図３に示した樹脂シート２０によってコンデンサ素子１０を包み込みながら、当該コンデンサ素子１０を外装ケース５に収納する（図４）。そして、外装ケース５の開口部に巻き締め加工を施し、外装ケース５の開口部を弾性封口材７で封止する（ステップＳ１０５）。
この組立工程において、図４について上述したように、コンデンサ素子１０の底部１０ａおよび外周部１０ｂは、樹脂シート２０によって覆われた状態となる。

（エージング工程）
上述の組立工程において作製されたアルミニウム電解コンデンサ１に対して、高温雰囲気下で所定の電圧を印加し、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（ステップＳ１０６）。このエージング工程において、アルミニウム電解コンデンサ１が加熱されることにより、コンデンサ素子１０を包み込む樹脂シート２０は、熱収縮してコンデンサ素子１０に密着する。これにより、コンデンサ素子１０の巻きほぐれを防止することができる。

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。

実施例においては、コンデンサ素子１０の底部１０ａから３ｍｍの高さまで、当該コンデンサ素子１０の外周部１０ｂを覆う樹脂シート２０を用い、図５に示した製造工程により、定格４５０Ｖ−４７μＦのアルミニウム電解コンデンサ１を作製した。当該アルミニウム電解コンデンサ１のサイズは、直径１２．５ｍｍ、長さ４０ｍｍである。

この仕様のアルミニウム電解コンデンサ１のテスト品を５個作製し、過電圧試験を行った。過電圧試験は、アルミニウム電解コンデンサに対して、電圧６７５Ｖ（定格電圧の１．５倍）、電流１Ａを印加し、弁作動後さらに１分間経過するまで印加し続け、ショートの有無を確認する試験である。この過電圧試験の結果を表１に示す。

表１から以下のことがわかる。本発明の実施例の樹脂シート２０を用いたアルミニウム電解コンデンサ１は、いずれも弁が割れて正常に作動し、樹脂シート２０が弁の割れ目から飛び出すこともなく、短絡故障も発生しなかった。因みに、短絡故障とは、電極間が短絡してスパークしたり、破裂したりする状態を意味する。これらの結果より、テスト品１〜５について、アルミニウム電解コンデンサとして合格の総合判定を得ることができた。

図６は、比較例として作製した孔部２１が形成されていない絶縁紙を外装ケースの内底面に敷いたアルミニウム電解コンデンサの弁作動状態を示す外装ケースの外観写真であり、図７は、その状態を示す斜視図である。図６および図７に示すように、孔部２１が形成されていない絶縁紙を外装ケースの内底部に敷いただけの構成では、外装ケース５の底部５ｂにおいて、作動して割れた弁３０の間から、絶縁紙３１（図７）が一部飛び出していることが分かる。

図８は、本実施例の孔部２１を有する樹脂シート２０を用いたアルミニウム電解コンデンサ１の弁作動状態を示す外装ケースの外観写真であり、図９は、その状態を示す斜視図である。図８および図９に示すように、孔部２１が形成されている樹脂シート２０を用いた場合、弁３０が作動しても、その割れ目から樹脂シート２０が全く飛び出さない結果が得られた。

樹脂シート２０が弁の割れ目から飛び出すと、内部の駆動用電解液によりアルミニウム電解コンデンサを搭載した回路基板が汚れて回路をショートさせるおそれがあるが、本実施例においては、弁が作動しても、弁の割れ目から樹脂シート２０が飛び出さないことにより、回路が汚れてショートすることを防止することができる。

以上説明したように、本実施の形態に係るアルミニウム電解コンデンサ１においては、樹脂シート２０を用いてコンデンサ素子１０と外装ケース５との間を絶縁するとともに、樹脂シート２０によってコンデンサ素子１０の外周部１０ｂを覆う構成としたことにより外装ケース５とコンデンサ素子１０との間の絶縁性を確保しながら、コンデンサ素子１０の巻きほぐれを防止することができる。

また、樹脂シート２０は、コンデンサ素子１０の外周部１０ｂと外装ケース５との間に介挿されることにより、その分、コンデンサ素子１０と外装ケース５との間の隙間が小さくなる。この場合、コンデンサ素子１０と外装ケース５との間の空間率（隙間を外装ケース５の容積で除した値）が低減する。コンデンサ素子１０と外装ケース５との間の空間率が低減すると（隙間が小さくなると）、電解コンデンサ１に外部から振動が与えられた場合、外装ケース５内でのコンデンサ素子１０の揺れ幅を小さくすることができる。

外装ケース５内でのコンデンサ素子１０の揺れ幅が大きいと、コンデンサ素子１０から外部への接続のために引き出されているリード部６とコンデンサ素子１０との接続部（リードタブ）が金属疲労で破断し易くなるが、本実施の形態の場合、コンデンサ素子１０の揺れ幅が小さくなることにより、リード部６とコンデンサ素子１０との接続部（リードタブ）は破断し難くなる。これにより、電解コンデンサ１の耐振動性を向上させることができる。

また、樹脂シート２０を用いて、コンデンサ素子１０を外装ケース５内に挿入する際に、コンデンサ素子１０とともに樹脂シート２０を挿入してコンデンサ素子１０を包み込むようにしたことにより、簡単な製造方法によって、樹脂シート２０をコンデンサ素子１０と外装ケース５との間に組み込むことができる。

なお上述の実施の形態においては、樹脂シート２０の中心部に円形の孔部２１を形成する場合について述べたが、孔部２１の形状はこれに限られるものではなく、例えば、四角形形状、その他の多角形形状または楕円形状等、種々の形状を適用することができる。また、孔部２１に代えて、切れ目を形成するようにしてもよい。図１０（Ａ）は、樹脂シート２０に一本の切れ目２２を形成した例を示し、図１０（Ｂ）は樹脂シート２０に複数の切れ目２３を形成した例を示す。切れ目の数は、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示す数に限らず、種々の数を適用することができる。

また上述の実施の形態においては、円形の樹脂シート２０を用いる場合について述べたが、樹脂シート２０の形状はこれに限られるものではなく、四角形形状、その他の多角形形状または楕円形状等、種々の形状を適用することができる。

また上述の実施の形態においては、平面状の樹脂シート２０を用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、絶縁性を有する袋状の樹脂材（以下、樹脂袋と呼ぶ）を用いるようにしてもよい。

図１１は、樹脂袋の一例を示す斜視図である。図１１に示す樹脂袋４０は、有底円筒形状の袋状に形成されており、上部の開口部４０ａは、底部４０ｂよりも大きく形成されている。このように、開口部４０ａが大きく形成されていることにより、組立工程においてコンデンサ素子１０を樹脂袋４０に挿入し易くすることができる。この樹脂袋４０として、上述した樹脂シート２０と同様に熱収縮性を有する材料を用いることにより、エージング工程における加熱処理によって、コンデンサ素子１０に密着し、コンデンサ素子１０の巻きほぐれを防止することができる。

また、図１２は、樹脂袋の他の例を示す斜視図である。図１２に示す樹脂袋４１は、有底円筒形状の袋状に形成されており、上部の開口部４１ａと底部４１ｂとは略同じ大きさに形成されている。このようにしても、コンデンサ素子１０を樹脂袋４１に挿入する際の位置決めを正確に行うことにより、コンデンサ素子１０を樹脂袋４１内に挿入することができる。この樹脂袋４１は、上述した樹脂シート２０と同様に熱収縮性を有する材料を用いることにより、エージング工程における加熱処理によって、コンデンサ素子１０に密着し、コンデンサ素子１０の巻きほぐれを防止することができる。

また上述の実施の形態においては、熱収縮性を有する樹脂シート２０または樹脂袋４０、４１を用いる場合について述べたが、これに限られるものではなく、熱収縮性を持たない樹脂材または絶縁紙等、要は絶縁性を有する材料であれば、他の種々の材料を用いることができる。この場合、絶縁性を有する材料を用いることでコンデンサ素子１０と外装ケース５との間の絶縁を図ることができるとともに、当該絶縁性を有する材料によってコンデンサ素子１０と外装ケース５との間の隙間を小さくして、電解コンデンサ１の耐振動性の向上を図ることができる。

また上述の実施の形態においては、コンデンサ素子１０の外周部１０ｂを、コンデンサ素子１０の底部（巻回端面）１０ａから３ｍｍの高さまで樹脂シート２０または樹脂袋４０、４１によって覆う場合について述べたが、これに限られるものではなく、覆う高さは種々の高さを適用することができる。

なお、電解コンデンサの製造工程は、上述の本実施の形態に限られるものではなく、公知の電解コンデンサの製造工程を用いることができるのはいうまでもない。

１ アルミニウム電解コンデンサ
２ 陽極箔
３ 陰極箔
４ セパレータ
５ 外装ケース
５ａ 巻き締め部
５ｂ 底部
６ リード部
７ 弾性封口材
１０ コンデンサ素子
１０ａ 底部（巻回端面）
１０ｂ 外周部
２０ 樹脂シート
２１ 孔部
２２、２３ 切れ目
３０ 弁
４０、４１ 樹脂袋
４０ａ、４１ａ 開口部
４０ｂ、４１ｂ 底部

Claims (4)

1. セパレータを介して弁金属の陽極箔と陰極箔とを重ね合わせて巻回してなるコンデンサ素子と、
   前記コンデンサ素子をその巻回端面側から挿入して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
   を有する電解コンデンサであって、
   前記コンデンサ素子と前記外装ケースとの間に、前記コンデンサ素子の外周部の少なくとも一部と前記巻回端面とを覆うシート状または袋状の絶縁材を備えることを特徴とする電解コンデンサ。
2. 前記絶縁材は、熱収縮性を有する樹脂材であることを特徴とする請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 前記外装ケースは、底部に弁を有し、
   前記絶縁材は、前記外装ケースの前記底部と前記コンデンサ素子の前記巻回端部との間に介挿される領域に孔部または切れ目を有することを特徴とする請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
4. セパレータを介して弁金属の陽極箔と陰極箔と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を有する電解コンデンサの製造方法であって、
   前記コンデンサ素子を前記外装ケースの開口部からシート状または袋状の絶縁材を介して前記外装ケース内に挿入する工程を備えることを特徴とする電解コンデンサの製造方法。

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