JP2019004087A - 電解コンデンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】等価直列抵抗（ＥＳＲ）を低減させながら静電容量の低下および耐電圧の低下を抑制可能にする小形の電解コンデンサを提供することを目的とする。【解決手段】電解コンデンサは、弁金属の陽極箔５と陰極箔６とを多孔質のセパレータ体７を介して巻回してなるコンデンサ素子２と、当該コンデンサ素子２を収納する有底円筒状の外装ケースと、当該外装ケースの開口部を封止する弾性封口材とを備えている。セパレータ体７は、導電性高分子を保持した状態で圧縮されている。【選択図】図２

Description

本発明は、導電化されたセパレータ体を有する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、小形化および高周波領域における低インピーダンス化の要請に伴い、導電性処理をしたセパレータが使用されている。このセパレータには、例えば、マニラ紙またはクラフト紙が使用されている。これらセパレータへの導電性処理は、酸化剤を含む溶液および導電性高分子単量体溶液の順に当該セパレータを浸漬または塗布し、化学的に酸化重合させて導電性高分子をセパレータに付着させている。

導電性処理後のセパレータは、誘電体酸化皮膜を形成したリードを取り付けたアルミニウム陽極箔およびアルミニウム陰極箔とともに巻回されてコンデンサ素子を形成する。当該コンデンサ素子は、アルミニウムケースに収納され、ゴムなどの封口体からリードが引き出される。その後にケース開口が封止されて電解コンデンサが完成する（特許文献１を参照）。

特開昭６４−９０５１７号公報

セパレータの導電性処理による低インピーダンス化に伴って、等価直列抵抗（以下、適宜に「ＥＳＲ」と称す）も低減する。セパレータを低インピータンスおよび低ＥＳＲにするために、マニラ紙のような空隙を多く有する低密度なセパレータを使用することが有効である一方で、耐電圧が低下するといった問題がある。当該問題は、セパレータの厚みを厚くすることにより解決されることが知られている。しかしながら、厚みを増やした導電性処理後のセパレータを使用した場合、巻回型のコンデンサの静電容量は、箔面積に依存するので、巻数の増加に伴って大形化し、小形で高容量な電解コンデンサを製造することができない。すなわち、従来の電解コンデンサは、小形化に伴って、低ＥＳＲを維持しながら静電容量および耐電圧の低下を抑制することが困難となっていた。

本発明は、低ＥＳＲを維持しながら静電容量および耐電圧の低下を抑制可能な小形の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。

本発明は、以下のような電解コンデンサおよびその製造方法を提供する。

すなわち、本発明の電解コンデンサは、下記の構成を有する。
弁金属の陽極箔と陰極箔とを多孔質のセパレータ体を介し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止する封口体と、を備えた電解コンデンサであって、
前記セパレータ体は、導電性高分子を保持した状態で圧縮されていることを特徴とする。

また、本発明の電解コンデンサの製造方法は、弁金属の陽極箔と陰極箔とを多孔質のセパレータ体を介して巻回してなる電解コンデンサの製造方法であって、
前記セパレータ体に導電性高分子を保持させる導電性処理工程と、
前記導電性処理工程後の前記セパレータ体を所定の厚みに圧縮する圧縮工程と、
圧縮された前記セパレータ体を介して前記陽極箔および前記陰極箔を巻回する巻回工程とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、多孔質のセパレータ体は、圧縮によって薄化および高密度化されている。未圧縮のセパレータと圧縮後のセパレータを同じ回数で巻回した場合を比較すると、圧縮後のセパレータの直径が、未圧縮のセパレータよりも小さくなる。したがって、セパレータの巻数を増加させて電極箔の面積を拡張することにより、電解コンデンサの小形化による静電容量の低下が抑制される。しかも、セパレータ体は導電性高分子を保持した状態で圧縮され、圧縮前後でＥＳＲを大きく変化させることなく、低ＥＳＲを維持することができる。さらに、セパレータを圧縮により高密度することで、セパレータの厚みを増加させるのと同等の効果を得ることができ、耐電圧の低下を抑制することができる。したがって、低ＥＳＲを維持しながら静電容量および耐電圧の低下を抑制可能な小形の電解コンデンサを提供することができる。

上記構成において、前記セパレータ体は、導電性高分子を保持した状態で圧縮された複数のセパレータを重ね合わせてもよい。この場合、電解コンデンサの製造方法において、前記巻回工程では、前記導電性処理工程および前記圧縮工程が実行された前記複数のセパレータを重ね合せた状態で前記陽極箔と前記陰極箔との間に介挿し、巻回することが好ましい。

この構成によれば、導電性高分子を保持した状態で圧縮されたセパレータを単層とする場合に比べて、当該セパレータを多層に重ね合わせることにより、上記した電解コンデンサの電気的諸特性を満足させながら、電解コンデンサの小形化を好適に実現することができる。

また、上記構成において、前記セパレータ体は、加水分解性を有しない布帛であることが好ましい。

この構成によれば、導電性処理において、例えば、導電性高分子分散体溶液にセパレータを浸漬させたとき、布帛は微細空隙を保ち続けるので、導電性高分子が空隙に確実に保持され、ひいては固体電解質層を精度よく形成することができる。

また、前記導電性処理工程では、導電性高分子を分散させた分散体溶液に前記セパレータ体を浸漬後、乾燥して当該セパレータ体に導電性高分子を保持させることが好ましい。

上記方法によれば、導電性の向上を図ることができる。

本発明の電解コンデンサおよびその製造方法によれば、低ＥＳＲを維持しながら静電容量および耐電圧の低下を抑制することができる。

本発明の電解コンデンサの構成を示す断面図である。 本発明の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。 本実施形態に係るセパレータ体の製造工程を示すフローチャートである。 本実施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。

以下、本発明の実施形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。

＜電解コンデンサ＞
図１に示すように、本実施形態の電解コンデンサ１は、コンデンサ素子２と、弾性封口材３と、外装ケース４とを備える。なお、弾性封口材３は、本発明の封口体に相当する。

図２に示すように、コンデンサ素子２は、陽極箔５と陰極箔６をセパレータ体７を介して巻回した後に、その端部が巻止めテープ８（図１を参照）によって固定されている。

陽極箔５と陰極箔６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５および陰極箔６からそれぞれリード部９が引き出されている。２つのリード部９は、コンデンサ素子２の一方の端面から導出されている。各リード部９は、リードタブの先端に連結された丸棒状の接続部９Ａと、この接続部９Ａの先端部に溶接されたリード線９Ｂとから構成されている。

陽極箔５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５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）による酸化皮膜が形成されている。

また、陰極箔６も、陽極箔５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、自然酸化皮膜が形成されている。なお、陰極箔６には、酸化皮膜を形成した箔、チタン、窒化チタン等を表面に蒸着した箔、カーボンやチタン等を担持した箔を用いることもできる。

セパレータ体７は、導電性処理をしたマニラ系の多孔質基材を所定の厚みに圧縮したものが用いられ、コンデンサの特性に応じて単層および多層のいずれかに設定される。セパレータ体７は、圧縮した単層のセパレータで構成してもよいし、圧縮した複数層のセパレータを重ね合わせて構成してもよい。多層の場合、例えば、同じ特性のセパレータの組み合わせであってもよいし、または、陽極箔５側のセパレータと陰極箔６側のセパレータを異なる特性のものにしてもよい。なお、多層構造の場合、二層に限定されず、二層以上であってもよい。また、セパレータ体７は、加水分解性を有しない布帛であり、例えば、天然繊維の不織布、合成繊維の不織布、フィブリル状耐熱性合成繊維、ナイロン・ポリアクリルニトリルのナノ繊維などが用いられる。

さらに、セパレータ体７は、導電性処理により内部の微細な空隙に導電性高分子を保持した固体電解質層を有している。導電性高分子は、導電性高分子分散体溶液にコンデンサ素子２を浸漬することにより、セパレータ体７の空隙に当該導電性高分子分散体溶液が含浸され、乾燥により溶液中の溶媒を気化させることにより、セパレータ体７に保持される。

導電性高分子としては、導電性および耐熱性に優れたポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、またはポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）などを化学酸化重合や電解重合によって形成する。

本実施形態では、導電性処理したセパレータ体７は、圧縮前の厚みから半分程度に圧縮されている。例えば、後述する実施例に示すように、セパレータ体７の圧縮は、マニラ系セパレータとしてニッポン高度紙工業（株）製のＭＲ５Ｄ３９０に導電性処理をした後に、ステンレス板で挟み込んだ状態で圧延装置によって圧縮している。セパレータ体７の単位面積当たりに約２７０ＭＮ／ｍ²の圧力を加え、圧縮前の厚み９０μｍから５０μｍの厚みまで圧縮している。すなわち、セパレータ体７は、圧縮前の厚みから約４４％程度の厚みまで圧縮されている。このとき、圧縮前と圧縮後のセパレータ体７の単位面積当たりの密度を比較すると、圧縮前の密度が０．６ｇ／ｃｍ³であるのに対し、圧縮直後の密度は１．１ｇ／ｃｍ³であった。すなわち、圧縮直後の密度は、圧縮前に比べて約２倍まで高密度化されている。なお、圧縮後の厚みおよび密度は、使用するセパレータ体７の特性および製造対象のコンデンサの特性に応じて適宜に設定変更される。

さらに、圧縮したセパレータ体７は、後述する電解コンデンサの製造過程で、コンデンサ素子２の形状で駆動用電解液に浸漬され、駆動用電解液が、セパレータ体７に含浸される。このとき、コンデンサ素子２は、巻止めテープ８によって外周を固定されているので、素子形状が保たれた状態でセパレータの空隙が可能な範囲で膨潤している。すなわち、セパレータ体７の圧縮直後に比べて繊維密度が僅かに低下している。したがって、セパレータの圧縮による高密度化が耐電圧の向上に寄与し、セパレータの電解液による膨潤がＥＳＲの低減に寄与する。

外装ケース４は、アルミニウムなどの金属により形成されている。外装ケース４の開口部は、図１に示すように、陽極箔および陰極箔の各リード部９が外部に引き出された状態で、弾性封口材３によって封止されている。弾性封口材３は、外装ケース４の開口部に形成された巻き締め部１１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４の底部には、弱体部である圧力弁が設けられており、内圧が上昇した際に、当該圧力弁が開弁して内圧を外部に逃がすようになっている。

弾性封口材３には、陽極および陰極の接続部９Ａのそれぞれが貫通する２つの貫通孔が形成されている。弾性封口材３に力が作用していない無負荷状態での貫通孔の内径は、接続部９Ａの外径よりも若干小さい。

弾性封口材３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３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。

次に、本実施形態の電解コンデンサ１の製造方法について、図３に示すフローチャートに沿って説明する。

先ず、セパレータ体７の製造方法について説明する。

先ず、セパレータ基材に導電性処理をする（Ｓ１：導電性処理工程）。所定時間かけて導電性高分子分散体溶液にセパレータ基材を浸漬する。

導電性処理されたセパレータ基材を乾燥させる。例えば、セパレータ基材を、ヒータの熱やファンの熱風などにより、脱水・乾燥させる。

セパレータ基材に含浸した導電性高分子分散体溶液が乾燥によって溶媒が気化し、導電性高分子が残り、セパレータ基材の空隙内に導電性高分子が保持されて固体電解質層を形成する。

乾燥処理されたセパレータ基材を圧延装置によって所定の厚みまで圧縮する（Ｓ２：圧縮処理工程）。

上記ステップＳ１〜Ｓ２により、セパレータ体７が完成する。

次に、図４のフローチャートに沿って、本実施形態に係る電解コンデンサ１の製造工程を説明する。

先ず、図４に示すステップＳ１１〜Ｓ１４からなるコンデンサ素子作製工程Ｓ１０により、コンデンサ素子２を作製する。

先ず、陽極箔５および陰極箔６となる箔基材（アルミニウム箔）をエッチング液（塩酸などの強酸性の水溶液）に浸し、直流電圧や交流電圧を印加することにより、箔基材の表面に電気化学的に凹凸を形成し、箔基材の表面積を拡大した後、洗浄する（Ｓ１１：エッチング工程）。これにより陰極箔６が完成する。

Ｓ１１の後、陽極箔５となる箔基材を化成液（硼酸アンモニウムなどの弱酸性の水溶液）に浸し、直流電圧を印加することにより、箔基材の表面に誘電体となる酸化皮膜を形成する（Ｓ１２：化成工程）。これにより、陽極箔５が完成する。

Ｓ１２の後、両電極箔間に、図２に示すセパレータ体７を介して円筒形のコンデンサ素子２に巻取りながら、リード部９を陽極箔５および陰極箔６の各々に接続する。なお、セパレータ体７は、上述した製造方法により導電化されたものである。当該セパレータ体７の巻き終わりの部分を巻止めテープ８で止める（Ｓ１３：巻回工程）。なお、リード部９と電極箔５，６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）などを例示することができる。

Ｓ１３の後、減圧や加圧などにより、コンデンサ素子２に駆動用電解液を含浸させる（Ｓ１４：含浸工程）。このときの含浸時間は、駆動用電解液の種類などにもよるが、一般的に、コンデンサ素子２のサイズが大きくなるほど長くなる傾向にある。含浸工程の後、過剰な電解液を遠心分離機などで取り除いてもよい。

上記工程Ｓ１１〜Ｓ１４により、コンデンサ素子２が完成する。

Ｓ１０の後、電解コンデンサ１の各構成部材を組み立てる（Ｓ１５：組立工程）。具体的には、先ず、外装ケース４にコンデンサ素子２を収容する。その後、弾性封口材３に形成された２つの貫通孔のそれぞれにリード部９を貫通させる。すなわち、外装ケース４からリード部９を引き出した状態で、外装ケース４の開口部に弾性封口材３を装着する。そして、開口部の周縁を絞り加工することによって外装ケース４が、弾性封口材３により密閉される。さらにその後、外装ケース４を外装スリーブで被覆する。これにより、電解コンデンサ１が完成する。

本実施形態では、さらに、Ｓ１５の後、高温下で電解コンデンサ１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（Ｓ１６：エージング工程）。

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。

実験結果に示すように、同じセパレータ基材に導電性処理をしたセパレータ（比較例２、実施例）と未処理のセパレータ（比較例１）を使用し、コンデンサ素子構造の異なる複数組の電解コンデンサを作製し、エージング処理を行った。各比較例および実施例で使用する電解コンデンサの特性は、コンデンサ素子を外装ケース内に弾性封口材とともに挿入した、直径３０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、定格電圧４００Ｖ、静電容量９０μＦである。

なお、比較例２と実施例におけるセパレータの導電性処理は、導電性高分子ＰＥＤＯＴ分散液にセパレータを浸漬して行った。なお、浸漬処理後に、セパレータ体の乾燥処理も行っている。

セパレータ体として、マニラ系セパレータを使用した。具体的には、セパレータ体としてニッポン高度紙工業（株）製のＭＲ５Ｄ３９０（膜厚９０μｍ）の単層のセパレータを２枚使用し、同じ特性のセパレータを重ね合わせた二層構造にした。このセパレータ体を使用して３種類の電解コンデンサを作製した。３種類の電解コンデンサは、比較例１（導電性未処理・未圧縮品）、比較例２（導電性処理・未圧縮品）、および実施例（導電性処理・圧縮品）である。実施例のセパレータ体は、膜厚９０μｍから５０μｍになっている。これらセパレータを使用した電解コンデンサの測定結果は、以下の表１に示されている。

実施例は、比較例１と比較し、ＥＳＲが大きく改善している。さらに、実施例は比較例２と比較し、ＥＳＲがほぼ同等でありながら、耐電圧の低下も抑えられ５００Ｖ以上の高い値を示し、かつコンデンサ素子の直径は、１９ｍｍとなり、３ｍｍ以上も小さくなっている。換言すれば、電解コンデンサの小形化が可能である。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。例えば、本実施例では、同じ特性のセパレータを重ね合わせた二層構造にしたが単層および三層構造以上の構造にしても同様の効果が得られる。

なお、上述の実施形態においては、本発明を基板自立タイプの電解コンデンサに適用したが、チップ形の電解コンデンサに適用しても同様の効果が得られる。

また、本発明は導電性高分子（固体電解質）をセパレータに保持させるとともに、コンデンサ素子に駆動用電解液を含浸させた電解コンデンサ（いわゆるハイブリッド電解コンデンサ）に好適に用いられるが、導電性高分子をセパレータに保持させた固体電解コンデンサにも用いることができる。

１ 電解コンデンサ
２ コンデンサ素子
３ 弾性封口材
４ 外装ケース
５ 陽極箔
６ 陰極箔
７ セパレータ体
８ 巻止めテープ
９ リード部

Claims (6)

1. 弁金属の陽極箔と陰極箔とを多孔質のセパレータ体を介し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止する封口体と、を備えた電解コンデンサであって、
   前記セパレータ体は、導電性高分子を保持した状態で圧縮されている
   ことを特徴とする電解コンデンサ。
2. 前記セパレータ体は、導電性高分子を保持した状態で圧縮された複数のセパレータを重ね合わせてなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 前記セパレータ体は、加水分解性を有しない布帛である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電解コンデンサ。
4. 弁金属の陽極箔と陰極箔とを多孔質のセパレータ体を介して巻回してなる電解コンデンサの製造方法であって、
   前記セパレータ体に導電性高分子を保持させる導電性処理工程と、
   前記導電性処理工程後の前記セパレータ体を所定の厚みに圧縮する圧縮工程と、
   圧縮された前記セパレータ体を介して前記陽極箔および前記陰極箔を巻回する巻回工程と、
   を備えたことを特徴とする電解コンデンサの製造方法。
5. 前記セパレータ体は、導電性高分子を保持した状態で圧縮された複数のセパレータからなり、
   前記巻回工程では、前記導電性処理工程および前記圧縮工程が実行された前記複数のセパレータを重ね合せた状態で前記陽極箔と前記陰極箔との間に介挿し巻回する
   ことを特徴とする請求項４に記載の電解コンデンサの製造方法。
6. 前記導電性処理工程では、導電性高分子を分散させた分散体溶液に前記セパレータ体を浸漬後、乾燥して当該セパレータ体に導電性高分子を保持させる
   ことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の電解コンデンサの製造方法。

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