JP4566156B2 - 電解コンデンサ製造における電解液の含浸方法および含浸装置 - Google Patents

Description

本発明は電解コンデンサ製造において、コンデンサ素子に電解液を含浸する方法およびこの方法を実施する装置に関するものである。

電解コンデンサは、高純度アルミニウム箔をエッチングしてその表面積を拡大し、表面を陽極酸化して誘電体化した陽極箔と、この陽極箔と対向して配置した、エッチングされた陰極箔との間にセパレータ（電解紙、隔離紙など）を介在させて巻回した構造のコンデンサ素子に、電解液を含浸し、これをケースに封入したものである。

電解液の含浸は製造される電解コンデンサの電気特性や信頼性に大きな影響を及ぼすため、電解コンデンサ製造において最も重要な工程の一つである。コンデンサ素子に含浸する電解液の量は多い程電解コンデンサの寿命が長くなり望ましいといえる。しかしながら、多過ぎると製造されるコンデンサの実際の使用において電解液の漏れや素子封入ケースの膨張といった不具合が発生することがあり、極端な場合には素子封入ケースに予め設けた安全弁を作動させてしまうという問題が生じる。また、電解液の含浸量にバラツキがあると製造される同一種のコンデンサ製品間に寿命のバラツキが生ずるという問題のほか、耐熱性にもバラツキが生じ、表面実装タイプのコンデンサにおいてはリフロー時に、コンデンサケースの膨張という不具合が生じることがある。

含浸する電解液の量と同様に重要なことは、エッチングして電極箔表面に形成した微細な凹凸、すなわちピット内に電解液が十分侵入しているかどうかという点である。これはコンデンサの電気的性能に大きく影響する。電極箔のピット内に電解液が十分侵入していないと電極表面と電解液とが接触していない、空孔部分が形成され、電解コンデンサのｔａｎδや等価直列抵抗（ＥＳＲ）が増加し、満足のいく電気特性が得られなかった。

上記した技術的意義をもつ電解液の含浸方法として、現在、真空含浸法が広く利用されている。真空含浸法はコンデンサ素子を容器に入れて排気し、その中に電解液を入れて素子を完全に覆った後、容器を大気圧に戻して行う方法である。この方法の具体例としては、たとえば、複数のコンデンサ素子のリード線をクランプ冶具で挟持、あるいはテーピングして貼着し、コンデンサ素子を含浸槽内に搬送し、この含浸槽を真空状態にした後、含浸槽内に電解液を供給してコンデンサ素子に含浸させる方法がある（例えば特許文献１参照）。

このような真空含浸法は電解液を急速に素子に含浸させることができるので、工業的生産における量産効果に優れているという特徴をもっている。また、真空含浸法は減圧してから大気圧に戻して含浸を行うため、電解液が電極箔のピットの奥まで侵入し、後述する定量含浸法に比べて優れた電気特性をもった電解コンデンサをつくることができるという特徴を有している。この反面、この方法は含浸する電解液量を一定にコントロールすることが難しい。また脱液工程によりある程度電解液量をコントロールできるが、脱液量を一定にすることが難しいため電解液量のバラツキが生じてしまう。このためコンデンサ素子に含浸して素子封入ケースに取り込まれる電解液の量に大きなバラツキが生じ、製造される同一種類の電解コンデンサ製品間において製品寿命のバラツキとなって現われるという問題がある。また、真空含浸法は、実際の工業的生産の場においては素子に含浸する電解液の量が過多になりがちで、叙述した液漏れやケースの膨張といった問題が内在しやすい。

また定量含浸法と称される含浸する電解液の量を一定にするための方法がある。この方法は素子封入ケースに規定量の電解液を入れ、この中にコンデンサ素子を挿入して浸漬し、素子に電解液が含浸するのを待つというものである。しかしこの方法は電解液の入った素子封入ケースにコンデンサ素子を挿入した際、ポンピング現象などによりケースと素子の間隙から電解液が飛び出すことがあり、必ずしもケースに入れた規定量の電解液を確実に素子に含浸させることにはならないという問題がある。また電解液が溢れ出すことによりコンデンサの製造におけるコストおよび環境面での問題もある。この解決方法として、電解液の体積とコンデンサ素子の体積と封口体の体積の和よりも素子封入用ケースの体積を大きくするという方法が提案されているが（特許文献２参照）、素子封入ケースを大きくしなければならない点で、近年の電解コンデンサの小型化の要求を満足することにはならない。

さらにこの方法は電解液の含浸を自然に任せるので、含浸に時間がかかるという問題がある。また、真空含浸法に比べ電極箔表面のピット内に十分電解液を侵入させることが難しく、同じ量の電解液を使用しても、製造されるコンデンサの間で電気的特性に優劣が生じやすいという問題がある。特に高い粘度の電解液ではこの現象が顕著となる。

特開２０００−３５７６３９号公報 特開平９−２１３５９１号公報

本発明は従来の定量含浸法や真空含浸法の上記した種々の問題点を解決した改良した電解液の含浸方法および装置を提供しようとするものである。

すなわち、本発明は、素子封入ケースの寸法を大きくすることなしに、規定量の電解液を過不足なく、確実にコンデンサ素子に含浸する方法を提供することを目的としている。これによって、ケースに取り込む電解液が過多にならずまた素子に含浸する電解液の量のバラツキが少ない信頼性に優れ、しかも電気的特性においても従来の真空含浸法によって得られるものと同等の特性を有する電解コンデンサを提供しようとするものである。

上記した課題を解決するため、請求項１に記載した電解コンデンサ製造における電解液の含浸方法は陽極箔と陰極箔とその間にセパレータを介在させて巻回したコンデンサ素子を、規定量の電解液を入れた素子封入用のケースに挿入して素子に電解液を含浸させる電解コンデンサ製造における電解液の含浸方法であって、前記ケース内の電解液が溢れ出さない限度でコンデンサ素子の一部を電解液に浸漬し、素子に電解液を吸収させる第１の含浸工程と、前記素子をケース内に完全に収容して残余の電解液を素子に吸収させる第２の含浸工程とを含んで構成され、少なくとも前記２つの含浸工程のいずれかにおいて、含浸を減圧状態の雰囲気で行った後大気圧雰囲気に戻す減圧工程を含んでいることを特徴とする。

請求項２に記載の含浸方法は、請求項１に記載の方法において第１の含浸工程を実施する前に、コンデンサ素子と規定量の電解液を入れたケースとを減圧雰囲気下に置くことを特徴とする。

請求項３に記載の含浸方法は、請求項１または請求項２に記載する含浸方法において減圧工程を第１の含浸工程で実施することを特徴とする。

請求項４に記載の含浸方法は、請求項１または請求項２に記載する含浸方法において減圧工程を第２の含浸工程で実施することを特徴とする。

請求項５に記載の含浸方法は、請求項１または請求項２に記載する含浸方法において減圧工程を第１の含浸工程および第２の含浸工程で実施することを特徴とする。

請求項６に記載の含浸方法は、請求項１ないし請求項５いずれか一つに記載する含浸方法において、減圧工程を複数回繰り返し実施することを特徴とする。

請求項７は、請求項１ないし請求項６いずれか一つに記載する含浸方法を実施するための手段を備えたことを特徴とする電解コンデンサ製造における電解液の含浸装置である。

本発明の含浸方法によれば、コンデンサ素子への電解液の含浸が、素子封入ケースから電解液が溢れ出さない限度でコンデンサ素子の一部を浸漬して行う予備的な含浸工程（第１の含浸工程）を経て行うので、この予備的含浸によってケース中の電解液の液面を低下させることができる。したがって、この状態でコンデンサ素子をケースに完全に収容しても、電解液が溢れ出すことを防止することができる。さらに電解液がケース外に溢れ出すことを防止できるのでコンデンサの製造におけるコストおよび環境面での問題を解決することができる。

このように本発明の含浸方法によれば、素子封入ケースに入れた規定量の電解液を、溢れ出させることなく、その全量を確実にコンデンサ素子に含浸させることができるので、ケースの寸法を大きくすることなしに、電解液含浸量のバラツキの少ない電解コンデンサを製造することができる。

また、本発明の方法は、電解液の含浸工程において、含浸を減圧状態の雰囲気で行った後、大気圧雰囲気に戻すという減圧工程を含んでいるので、電解液の含浸は急速に行われかつ電極箔のピットの奥まで電解液を侵入させることができる。この結果、定量含浸法の利点を生かしながら、真空含浸法で得られるものと同じ電気的特性をもつ電解コンデンサを製造することができる。

以下、本発明に係る電解コンデンサ製造における電解液の含浸方法の実施の形態を、図面を参照して説明する。図１の（ａ）ないし（ｆ）は本発明の含浸方法を示す概念図である。

この図において１はコンデンサ素子を封入するためのケースであり、このケース１を、台７に固定された断面が凹状の保持具８に嵌めこみ、設置する（ａ図）。素子封入ケース１は電解コンデンサにおいて通常用いられるアルミニウムやアルミニウム合金からつくられており、有底筒状の形をしている。

ケース１に規定量の電解液２を注入し、電解液２に浸漬させないようにコンデンサ素子３を配置する（ｂ図）。

電解液の粘度が高い場合には、電解液の注入に際して電解液注入器具にヒーターを取り付けたり円滑な含浸を行うため保持具８にヒーターを取付けて加温も可能である。

コンデンサ素子３はアルミニウム箔をエッチングして拡面処理し、さらに陽極酸化によって誘電体皮膜を形成した陽極箔とアルミニウム箔をエッチングして拡面処理を行った陰極箔との間に天然繊維あるいは合成繊維のセパレータを介して巻回して構成する。陽極箔および陰極箔には、それぞれ外部引出し用のリード端子４および５が取り付けられている。またコンデンサ素子３には封口体６が装着されている。封口体の装着は、封口体６に形成した一対の穴にリード端子４および５を通して行われる。封口体装着のタイミングは電解液の含浸作業が終了した後でもよい。本発明で用いられるリード端子や封口体は、電解コンデンサの製造において通常使用しているものがそのまま使用できる。

コンデンサ素子３の配置は、１対のリード端子４、５を、たとえば素子の運搬保持具に付設したチャックに挟持しあるいはテーピング材に貼着して行うことができる。

次に、容器９を覆せ（ｃ図）、容器内を排気して減圧する。排気は容器に設けた排気口１０から真空ポンプを用いて行う。減圧することによって、コンデンサ素子に含まれる水分および電解液中の水分が容易に蒸発する。これによりコンデンサ素子に含まれる水分および電解液中の水分を減少させることができるので、コンデンサ内に水分が入ることによる電気特性への影響を少なくすることができる。容器９内部の減圧は、上記したように水分除去が目的であり、迅速な水分除去のためには減圧の程度はできるだけ低いことが望ましい。効率的な生産を考慮すると好ましくは１０〜５０mmHg、さらに好ましくは１０〜３０mmHgである。

次に、コンデンサ素子を電解液に浸漬して含浸を行う。本発明方法では、電解液の含浸は２つの工程に分けて実施する。先ず、予備的な含浸を行う第１の工程では、ケース１内の電解液２が溢れ出さない限度で、コンデンサ素子３の一部を電解液２に浸漬し、電解液を吸収させる（ｄ図およびｅ図）。次いで、第２の含浸工程ではコンデンサ素子３を、ケース１の底面に接するまで完全に挿入し、残余の電解液２を素子３に吸収させる（ｆ図）。

本発明の方法では上記した第１の含浸工程と第２の含浸工程の少なくともいずれか一方の工程は、容器９内部を排気して減圧雰囲気で含浸を行い、次いでこの雰囲気を大気圧下に戻すという減圧処理の工程を含んで構成される。こうすることによって素子への電解液の含浸速度を速めることができかつ電極箔のピットの奥まで電解液を侵入させることができる。したがって、より好ましくは第１及び第２の含浸工程のそれぞれにおいて、上記した減圧処理を行うことが望ましい。

減圧の程度は、電解液の粘度によって適宜選択する。含浸工程の効率を考慮すると、減圧の程度は好ましくは５〜１００mmHg、さらに好ましくは５〜４０mmHgである。

含浸処理の終了後、容器９を外し、ケース１の上部の封口体６と対応する部分を絞り加工してケース１の開口部を封口する。

巻回構造のアルミニウム電解コンデンサ（３５WV、２００μＦ、φ８×１０Ｌ）を、通常実施される下記の手順で作成し、その電気的性能および電解液の含浸量を測定した。比較のため、従来の含浸法で作成した電解コンデンサについても同様の測定を行った。
〔コンデンサ素子〕
高純度のアルミニウム箔を電気化学的にエッチング処理し、化成処理して表面に酸化皮膜を形成して陽極箔をつくった。また、別のアルミニウム箔にも、同じくエッチング処理を施し、陰極箔をつくった。陽電極と陰電極にそれぞれ電極引出し用のリード線を取り付けた後、両電極箔の間にセパレータを挟んで巻回し、コンデンサ素子を作成した。
〔電解液〕
表１に示した組成の電解液を使用した。

〔コンデンサ素子と電解液の水分除去〕
コンデンサ素子封入用のケースとして円筒形の有底アルミニウムケースに、目標値１６０mgの電解液を注入し、チャックでコンデンサ素子のリード端子部を固定して上記した素子封入ケースに挿入し、電解液に浸漬しない位置で保持した。上から容器を被せ、素子と電解液の入ったケースを密閉した空間に置き、真空ポンプを用いて排気し、容器内を３０mmHgの減圧状態にして水分除去を行った。
〔含浸処理〕
実施例１の含浸方法
上記した減圧状態を維持したまま、電解液がケースから溢れ出さない限度で、コンデンサ素子の下方部分を電解液に浸漬し、この状態で容器内の雰囲気を大気圧に戻して、素子に電解液を吸収させた。次に、コンデンサ素子をケースの底まで完全に挿入し、残った電解液を自然吸収させた。

実施例２の含浸方法
コンデンサ素子および電解液の上記した減圧、水分除去を行った後、容器内の圧力を一旦大気圧の状態に戻してから、ケースから電解液が溢れ出さない限度でコンデンサ素子の下方部を電解液に浸漬した。次に排気し、容器内を４０mmHgまで減圧して、この減圧状態を維持しながらコンデンサ素子をケースの底まで完全に挿入し、容器内の圧力を大気圧に戻して含浸を終えた。

比較例１の含浸方法
リード端子をテーピングによって固定してコンデンサ素子を含浸槽に入れ、真空ポンプを用いて含浸槽内を３０mmHgまで減圧した。次に電解液槽から電解液を含浸槽内に注入し、減圧を解除して含浸槽内を大気圧に戻し電解液の含浸を行った。次いで、脱液処理により電解液量が１６０mgとなるようにし、電解液を含浸した素子を封入ケースに入れた。

比較例２の含浸方法
素子封入ケースに目標値１６０mgの電解液を注入し、リード端子をチャックで固定してコンデンサ素子を容器内に挿入し、電解液を自然含浸させた。
〔素子封入ケースの封口〕
封口体に設けた１対の貫通孔のそれぞれにリード端子を通して封口体をコンデンサ素子を装着し、封口体が位置するケース上部を絞り加工してケースを封口した。

以上のようにして、３５WV、２００μＦの巻回構造アルミニウム電解コンデンサ（φ８×１０Ｌ）を作成した。
〔電気性能の比較試験〕
本発明に係る電解液の含浸法によって作成した電解コンデンサ（実施例１および実施例２）の電気性能を試験し、従来の含浸方法で作成した電解コンデンサ（比較例１および比較例２）のものと比較した。測定は負荷前および高温電圧負荷後（１０５℃、３５Ｖ、時間１０００時間）の２通りで行った。なお、コンデンサ特性の測定は全て２５℃で行った。容量とＴａｎδ値は１２０Hzで測定し、ＥＳＲ値は１０KHzで測定した。またＬＣ（漏れ電流）は３５Ｖ印加１分後の電流値を測定した。この結果を表２に示す。

表２に示すデータから判るように、本発明の含浸方法によって作成した電解コンデンサ（実施例１および実施例２）は、従来の真空含浸法によって作成した電解コンデンサ（比較例１）と比較して、負荷前および高温負荷後ともに静電容量、Ｔａｎδ、漏れ電流およびＥＳＲ値が、同等またはそれ以上の特性を示している。比較例２の定量含浸法によって作成した電解コンデンサと比べると、ＴａｎδおよびＥＳＲ値が低くなっている。特に、高温電圧負荷後の比較例２のＴａｎδおよびＥＳＲ値の変化は実施例１および実施例２の場合よりも大きい。
〔電解液含浸量のバラツキ試験〕
本発明方法によって作成した電解コンデンサ（実施例１および実施例２）の電解液の含浸量を測定し、従来の方法によって作成した電解コンデンサ（比較例１および比較例２）のものと比較した。この結果を表３に示した。なお、電解液の含浸量の測定は次のようにして行った。

あらかじめ個々のコンデンサ素子、アルミケース、封口ゴムの重量を測定した後含浸装置に投入し、個々のコンデンサ重量を測定した。個々のコンデンサ重量から個々の材料の重量を引いて電解液量とした。

表３に示す結果から、従来の真空含浸法によって作成された電解コンデンサでは、電解液の含浸量のバラツキが大きいことがわかる。電解液量におけるバラツキは、電解コンデンサの寿命特性のバラツキとなって表われる。また、表面実装型電解コンデンサの場合には、耐熱性のバラツキを招き、外観不良（ケースの膨張）の原因となる。本発明に係る実施例１および実施例２の電解コンデンサにおいては電解液量のバラツキが小さいので、安定した寿命特性および耐熱性を得ることができる。

本発明の電解液の含浸方法を説明するための概念図である。

符号の説明

１ コンデンサ素子封入ケース
２ 電解液
３ コンデンサ素子
９ 容器
１０ 排気口

Claims (7)

1. 陽極箔と陰極箔とその間にセパレータを介在させて巻回したコンデンサ素子を、規定量の電解液を入れた素子封入用のケースに挿入して素子に電解液を含浸させる電解コンデンサ製造における電解液の含浸方法であって、前記ケース内の電解液が溢れ出さない限度でコンデンサ素子の一部を電解液に浸漬し、素子に電解液を吸収させる第１の含浸工程と、前記素子をケースに完全に収容して残余の電解液を素子に吸収させる第２の含浸工程とを含んで構成され、少なくとも前記２つの含浸工程のいずれかにおいて、含浸を減圧状態の雰囲気で行った後大気圧雰囲気に戻す減圧工程を含んでいることを特徴とする電解コンデンサ製造における電解液の含浸方法。
2. 第１の含浸工程を実施する前に、コンデンサ素子と規定量の電解液を入れたケースとを減圧雰囲気下に置くことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 減圧工程を第１の含浸工程で実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
4. 減圧工程を第２の含浸工程で実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
5. 減圧工程を第１の含浸工程および第２の含浸工程で実施することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の方法。
6. 減圧工程を複数回繰り返し実施することを特徴とする請求項１ないし請求項５いずれか一つに記載の方法。
7. 請求項１ないし請求項６いずれか一つに記載する含浸方法の実施手段を備えたことを特徴とする電解コンデンサ製造における電解液の含浸装置。

Images