JP3979104B2 - 電解コンデンサ駆動用電解液およびそれを用いた電解コンデンサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電解コンデンサ駆動用電解液およびそれを用いた電解コンデンサに関するものであり、特に高温負荷特性の改善に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
図1は電解コンデンサの構成を示す一部切欠いた斜視図である。同図において、アルミニウム箔をエッチング処理により実効表面積を拡大した表面に陽極酸化により誘電体酸化皮膜を形成した陽極箔11と、アルミニウム箔をエッチング処理した陰極箔12とをセパレータ13を介して巻回することによりコンデンサ素子19を構成し、このコンデンサ素子19の陽極箔11および陰極箔12にそれぞれ引き出し用の陽極リード15、陰極リード16を接続し、このコンデンサ素子19に駆動用電解液14を含浸させて、このコンデンサ素子19をアルミニウムケース18内に挿入し、封口体17で封止することにより電解コンデンサが構成されている。
【0003】
上記駆動用電解液14は、有機溶媒と溶質として硼酸もしくは硼酸アンモニウムが用いられているが、これらは比較的化成性が良好であることから高圧用として長期にわたって使用されている。しかし、硼酸もしくは硼酸アンモニウムは、分子内に縮合水を有するため、高温でも特に100℃以上で使用する電解コンデンサに用いることはできなかった。
【0004】
そこで駆動用電解液14の溶質として、アゼライン酸、ブチルオクタン二酸(特公昭60−13293号公報)、5,6−デカンジカルボン酸(特公昭63−15738号公報)、側鎖を有する二塩基酸(特開平2−145539号公報)等の二塩基酸及びそれらの塩を用いた非水系の駆動用電解液14が知られている。これら有機カルボン酸は、電解液中の水分を低減できるため、100℃以上の環境下でも水分による内圧上昇による電解コンデンサの開弁を抑制することができるとされている。
【0005】
また、駆動用電解液14の火花発生電圧および化成性を改善する目的でポリエチレングリコール(特公平3−76776号公報)、ポリグリセリン(特公平7−70443号公報)、ポリビニルアルコール(特公平7−22087号公報)、アルキレンブロックポリマー(特開平2−312218号公報)等の界面活性剤を添加することも知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年高調波対策回路や車両用に用いられる電解コンデンサは、高温度での負荷特性が従来の電解コンデンサ以上に求められ、その要求を満足させるためには、上記従来の駆動用電解液14に使用していた有機カルボン酸もしくはその塩に界面活性剤を添加した駆動用電解液14や、硼酸もしくは硼酸アンモニウムとの組み合わせの駆動用電解液14では、更なる高耐圧化、高耐熱性、長寿命の点で満足することができないという課題があった。
【0007】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、高耐圧化、高耐熱性、長寿命に寄与できる駆動用電解液を提供し、この駆動用電解液を用いて高温度での負荷特性を向上させた電解コンデンサを得ることができる電解コンデンサ駆動用電解液およびそれを用いた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。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明の請求項1に記載の発明は、溶媒としてエチレングリコールを用い、溶質として有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種以上を有し、かつポリビニルピロリドンと硼酸エステルとを含み、この硼酸エステルの添加量を1.0〜15重量%の範囲としたものであり、硼酸エステルは分子内に硼酸を有して縮合水が無いため、電解コンデンサの内圧上昇を抑制することができ、また、ポリビニルピロリドンは耐熱性を有し、水への溶解性が高く、有機溶媒に溶解し難いため、電解液中で適度な溶解分散効果によりエチレングリコールや有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムなどの作用を有効に発揮させることができることから、電解液の電導度を低下させることなく高温度での負荷特性を向上させることができ、また、火花発生電圧を飛躍的に向上させることができるという作用を有する。
【0009】
請求項2に記載の発明は、特に硼酸エステルが(化4)、(化5)、(化6)で示される少なくとも1種を含むもので、硼酸エステルの分子内に硼酸を含んでおり、また、置換基を変えることにより、電解液の粘度を適度に調整することができ、火花発生電圧を向上させることができるという作用を有する。
【0010】
【化4】
【0011】
【化5】
【0012】
【化6】
【0013】
なお、硼酸エステルの添加量が1.0重量%未満では更なる火花発生電圧の向上を図ることはできず、20重量%を越えると電解液の粘性が高くなりすぎて電導度を低下してしまう。
【0014】
請求項3に記載の発明は、特に、ポリビニルピロリドンの分子量を1000〜1000000の範囲とするもので、また、請求項4に記載の発明は、ポリビニルピロリドンの添加量を0.1〜5.0重量%の範囲とするものであり、使用可能な添加量と分子量範囲を規定することにより最適化を図ることができるという作用を有する。
【0015】
請求項5に記載の発明は、特に、有機酸が1,7−オクタンジカルボン酸、アゼライン酸、安息香酸、セバシン酸の少なくとも1種としたものであり、陽極箔の化成性が良好となるため、請求項1に記載の発明の作用を更に向上させることができるという作用を有する。
【0016】
請求項6に記載の発明は、溶媒としてエチレングリコールを、溶質として有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種以上有するとともに、ポリビニルピロリドンと硼酸エステルとを含み、この硼酸エステルの添加量を1.0〜15重量%の範囲とした駆動用電解液を用いた電解コンデンサとするもので、高耐圧化、高耐熱性、長寿命に寄与できる駆動用電解液を用いることにより、高温度での負荷特性を向上させた電解コンデンサを得ることができるという作用を有する。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
【0018】
(実施の形態1)
本実施の形態1の駆動用電解液は、溶媒としてエチレングリコールを用い、溶質として有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種以上を有し、かつ硼酸エステルとポリビニルピロリドンとを含むものを用いることにより、火花発生電圧が向上し、高耐圧化、高耐熱性、長寿命に寄与できる駆動用電解液を得ることができることから、この駆動用電解液を用いた電解コンデンサは高温度での負荷特性を向上させることができる。
【0019】
特に定格電圧が450WV以上の電解コンデンサにおいて高耐圧化、高耐熱性、長寿命の電解コンデンサを提供することができるものである。
【0020】
以下、具体的な実施例を用いて詳細に説明をする。
【0021】
(実施例1〜9)
まず、(表1)に(化4)、(化5)、(化6)で示される硼酸エステルの具体的な事例を列記する。
【0022】
【表1】
【0023】
(表1)に示すように、本実施例の(化4)、(化5)、(化6)で示される硼酸エステルは、置換基をあらゆる形で選択できるため、粘度や融点等の物理的特性をその駆動用電解液の用途に応じて自由に選択できるものである。
【0024】
なお、上記(表1)で示した構造式は、本実施例の(化4)、(化5)、(化6)で示した構造の一部を示すものであり、(表1)以外にもあらゆる構造を有することができるものである。
【0025】
次に、溶媒にエチレングリコールを用い、溶質として有機酸塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種と、(表1)で示した硼酸エステルとポリビニルピロリドンとを用いた駆動用電解液の特性を(表2)に示す。
【0026】
【表2】
【0027】
(表2)において、実施例1〜4は溶質として有機酸塩を用いたもの(比較例1と対比)、実施例5および6は硼酸および/または硼酸アンモニウムを用いたもの(比較例2と対比)、実施例7〜9は有機酸塩と硼酸または硼酸アンモニウムを用いたもの(比較例3と対比)で、これら各実施例の駆動用電解液は各比較例の駆動用電解液に比べて高い火花発生電圧を得ることができる。
【0028】
また、比較例4は有機酸塩と硼酸アンモニウムに硼酸エステルを、比較例5は有機酸塩と硼酸アンモニウムにポリビニルピロリドンをそれぞれ加えたものであるが、実施例7〜9の方が高い火花発生電圧を得ることができる。
【0029】
また、上記実施例9と比較例3の火花発生電圧の特性を図2に示す。図2から明らかなように、実施例9は比較例3に比べて化成皮膜の修復性が良好であるために、化成性が良好で高い火花発生電圧を得ることができるものである。
【0030】
(実施例10〜17)
溶媒にエチレングリコールを用い、溶質として1,7−オクタンジカルボン酸2アンモニウムおよび硼酸アンモニウムと、(表1)で示した硼酸エステルとポリビニルピロリドンとを用いた駆動用電解液において、硼酸エステルとポリビニルピロリドンの添加量について説明する。
【0031】
(表3)に硼酸エステルとポリビニルピロリドンの分子量およびその添加量を変化させたときの駆動用電解液の組成と火花発生電圧の結果を示す。
【0032】
【表3】
【0033】
(表3)において、実施例10〜12はポリビニルピロリドンの分子量を変化させたもの(添加量は一定)、実施例13〜17はポリビニルピロリドンの分子量と添加量を変化させ、また、ポリビニルピロリドンの添加量に合わせて硼酸エステルの添加量を変化させたときのものである。
【0034】
上記実施例10〜12から、ポリビニルピロリドンの分子量が大きくなると火花発生電圧を高くすることができる。しかし、上記(表1)からでも火花発生電圧が高くなると電導度は低下するので、駆動用電解液の組成の最適化が必要である。
【0035】
また、上記実施例13〜17から、ポリビニルピロリドンの分子量が小さいときは添加量を多くし、ポリビニルピロリドンの分子量が大きいときは添加量を少なくしても火花発生電圧をほぼ同等の値にすることができる。
【0036】
一般に重合物の溶解度は、分子量が高くなるにつれて溶媒中に溶解しにくくなるため、ポリビニルピロリドンの分子量は1000〜1000000の範囲が好ましい。そして、その添加量は0.1〜5.0重量%の範囲が最適である。
【0037】
さらに、硼酸エステルについても、その添加量に応じて火花発生電圧を向上させることも可能であるが、添加量が多過ぎた場合、駆動用電解液の粘度が極端に上昇し、電導度が低下して駆動用電解液としての機能を果たすことができなくなるため、その添加量は1.0〜20重量%の範囲が好ましい。
【0038】
(実施の形態2)
上記実施の形態1の各実施例の駆動用電解液を用いて電解コンデンサを作製し、その寿命試験について説明をする。
【0039】
本実施の形態2で用いた電解コンデンサは図1と同様の構成を有している。
【0040】
まず、上記(表2)で示した実施例2と比較例1の駆動用電解液を用いて電解コンデンサを各20個用意し、寿命試験を行った結果を(表4)に示す。ここで使用した電解コンデンサの定格は、いずれも450WV33μFであり、その試験温度は105℃で行った。
【0041】
【表4】
【0042】
(表4)から明らかなように、実施例2の駆動用電解液を用いた電解コンデンサは、火花発生電圧が高いという特徴から製品作製段階であるエージング工程および寿命試験を通じてショート・パンク等の不具合も生じず、寿命試験後の容量変化率、tanδ、漏れ電流(LC)、外観変化のどの特性においても変化が少なく信頼性の高い電解コンデンサを得ることができる。
【0043】
次に、上記(表2)で示した実施例8と比較例3の駆動用電解液を用いて電解コンデンサを各20個用意し、寿命試験を行った結果を(表5)に示す。ここで使用した電解コンデンサの定格は、いずれも500WV22μFであり、その試験温度は105℃で行った。
【0044】
【表5】
【0045】
(表5)から明らかなように、実施例8の駆動用電解液は、火花発生電圧が高いという特徴からそれを用いた電解コンデンサは、500Vで評価したにもかかわらず製品作製段階であるエージング工程および寿命試験を通じてショートパンク等の不具合も生じず、試験後の容量変化率、tanδ変化、漏れ電流(LC)、外観変化のどの特性においても変化が少なく信頼性の高い電解コンデンサを得ることができるものである。
【0046】
次に、上記(表3)で示した実施例16と比較例3〜5の駆動用電解液を用いて電解コンデンサを各20個用意し、高温安定性を確認するために、試験温度を125℃中で寿命試験を行った結果を(表6)に示す。ここで使用した電解コンデンサの定格は、いずれも500WV10μFを用いて実施した。
【0047】
【表6】
【0048】
(表6)から明らかなように、実施例16の駆動用電解液は、火花発生電圧が高いという特徴からそれを用いた電解コンデンサは、125℃という高温度環境下で評価したにもかかわらず、寿命試験後もショートパンク等の不具合も生じず、試験後の容量変化率、tanδ変化、漏れ電流(LC)、外観変化のどの特性においても変化が少なく信頼性の高い電解コンデンサを得ることができるものである。
【0049】
なお、実施の形態1で用いた有機酸塩としてアンモニウム塩を使用したが、このアンモニウム塩以外にアミン塩、アミジン系塩等が使用できる。その有機酸および/またはその塩は、単独はもちろん、使用用途に応じて2種以上の混合でも問題なく、本実施の形態と同様の効果が得られるものである。
【0050】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、溶媒としてエチレングリコールを用い、溶質として有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種以上を有し、かつポリビニルピロリドンと硼酸エステルとを含み、この硼酸エステルの添加量を1.0〜15重量%の範囲としたものであり、硼酸エステルは分子内に硼酸を有して縮合水が無いため、電解コンデンサの内圧上昇を抑制することができ、また、ポリビニルピロリドンは耐熱性を有し、水への溶解性が高く、有機溶媒に溶解し難いため、電解液中で適度な溶解分散効果によりエチレングリコールや有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムなどの作用を有効に発揮させることができることから、電解液の電導度を低下させることなく高温度での負荷特性を向上させることができ、また、火花発生電圧を飛躍的に向上させることができる。
【0051】
また、上記駆動用電解液を用いた電解コンデンサは125℃という高温度環境下でも高耐圧で、長時間特性の安定した電解コンデンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施の形態および従来の電解コンデンサの構成を示す一部切欠いた斜視図
【図2】 本発明の実施の形態1による実施例9と比較例3における駆動用電解液の化成性を示す特性図
【符号の説明】
11 陽極箔
12 陰極箔
13 セパレータ
14 駆動用電解液
15 陽極リード
16 陰極リード
17 封口体
18 アルミニウムケース
19 コンデンサ素子
Claims (6)
- 溶媒としてエチレングリコールを用い、溶質として有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種以上を有し、かつポリビニルピロリドンと硼酸エステルとを含み、この硼酸エステルの添加量を1.0〜15重量%の範囲とした電解コンデンサ駆動用電解液。
- ポリビニルピロリドンの分子量が1000〜1000000の範囲である請求項1に記載の電解コンデンサ駆動用電解液。
- ポリビニルピロリドンの添加量が0.1〜5.0重量%の範囲である請求項1に記載の電解コンデンサ駆動用電解液。
- 有機酸が1,7−オクタンジカルボン酸、アゼライン酸、安息香酸、セバシン酸の少なくとも1種である請求項1に記載の電解コンデンサ駆動用電解液。
- 溶媒としてエチレングリコールを、溶質として有機酸および/またはその塩、硼酸、硼酸アンモニウムの少なくとも1種以上有するとともに、ポリビニルピロリドンと硼酸エステルとを含み、この硼酸エステルの添加量を1.0〜15重量%の範囲とした電解コンデンサ用電解液を用いた電解コンデンサ。
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