JP4697402B2

JP4697402B2 - 電解コンデンサ

Info

Publication number: JP4697402B2
Application number: JP2005105196A
Authority: JP
Inventors: 宏次芦野; 光夫神田; 洋生山本
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2005-03-31
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-03-31
Also published as: JP2006286959A

Description

本発明は、各種電子機器に利用されるアルミ電解コンデンサに関するものである。

電解コンデンサは、引出端子が接続され、アルミニウムなどの皮膜形成性金属箔の表面をエッチング処理され、その表面に酸化皮膜を形成した陽極箔と、同じく引出端子が接続され、アルミニウムなどの皮膜形成性金属箔よりなる陰極箔とを、両者の間に電気絶縁性の電解紙などからなるセパレータを介して巻回または積層してコンデンサ素子を構成し、このコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸するとともに、アルミニウムよりなる有底筒状の外装ケースに収納して開口部をゴムや樹脂材からなる封口部材に封口したものが知られている。

この様な電解コンデンサでは、電極箔に接続される引出端子や該引出端子と電極箔との接続部には角部が存在し、電極箔を巻回又は積層してコンデンサ素子を形成する際には、前記角部の接触によりセパレータが損傷し、さらには巻回又は積層時の応力により、セパレータを突き破って対向する電極箔と接触してショート不良を生じる可能性があった。この対策として、セパレータにおける引出端子と対応する部位に宛て紙を貼り付けたコンデンサ素子構造が提案されている（特許文献１）。これによると引出端子と対応するセパレータの部位が宛て紙により二重構造となり、セパレータの破れによるショート不良が防止される。

実開平６−８６３２７号公報

しかしながら、各種装置の小形化、高性能化の要求が高まっており、電解コンデンサにも小形化、高性能化が求められている。特に近年、サーボモータの普及に伴いこのサーボモータの制御用に電解コンデンサが多く使用されるようになってきている。このサーボモータでは、電解コンデンサは主に低周波数領域で多く使用され、この低周波領域においては、電解コンデンサに数Ｈｚ〜数十Ｈｚの充放電が繰り返されることとなり、従来のセパレータに宛て紙を貼り付けた電解コンデンサでは、低周波領域でＥＳＲ特性が悪化するという問題があった。

そこで、本発明は、上記の従来の問題を解消するために提案されたもので、電解コンデンサにおけるセパレータの破れによるショート不良を確実に防止できるとともに、低周波領域でのＥＳＲを改善して信頼性の高い電解コンデンサを提供することを目的としている。

本発明者らは、セパレータに貼り付ける絶縁紙及び粘着材を調査し鋭意研究した結果、従来の電解コンデンサでは、宛て紙をセパレータに貼り付けるための粘着材成分がＥＳＲ特性を悪化させる要因であることをつきとめ、さらに研究を重ね、粘着材を構成する背面剥離材が駆動用電解液中のイオンの透過を阻害し、これにより電解コンデンサのＥＳＲ特性を低下させていることを見出し、所望のセパレータへの絶縁紙の貼り付け状態を維持しつつ、いかに粘着材の塗布量を減らすかを検討した。

絶縁紙を構成する電解紙は、高密度紙と低密度紙からなり、密度の違いによりそれぞれ異なる表面状態であり、低密度紙側は繊維間が広いため表面が粗く凹凸状であるのに対し、高密度紙側は繊維間が狭く表面もほぼ平坦状である。従来では、コンデンサ素子を形成する際の巻回又は積層工程にて位置ずれを生じない程度の貼り付け強度を有する粘着材を絶縁紙の表面に容易に形成できることから絶縁紙の低密度紙側の表面に粘着材が形成されている。しかしながら、前記粘着材は、凹凸内に入り込んでしまうため、比較的その塗布量は多くなってしまい、ＥＳＲ特性を悪化させていることがわかった。

そこで、本発明の電解コンデンサは、引出端子がそれぞれに接続された陰極箔と陽極箔との間にセパレータを介在したコンデンサ素子を備えた電解コンデンサにおいて、前記セパレータは、引出端子と対応する部位に絶縁紙が配置され、この絶縁紙は低密度紙及び高密度紙の２重紙からなり、前記高密度紙側に形成された粘着材を介して前記セパレータに貼着されていることを特徴としている。

これによると、絶縁紙の高密度側の面に粘着材を形成することで、少ない塗布量にて所望の貼り付け強度が得られた。これは、電解紙の低密度側は、表面が凹凸状態であり、塗布された粘着材が前記凹凸内に入り込むため、粘着材の塗布量が多くなってしまうのに対し、電解紙の高密度側の面では、表面がほぼ平坦状であるため、該表面に最小限の粘着材の塗布量にて薄く形成することができ、従って電解液中のイオン透過の阻害が低減され、ＥＳＲ特性は大幅に改善される。
特に低周波領域では、駆動用電解液中のイオンの移動量が大きいため、前記絶縁紙を通過するイオンも多くなり、従って絶縁紙への粘着材の形成構造を変えることで、前記駆動用電解液中のイオンを阻害することなく円滑に移動させることができ、低周波領域で良好なＥＳＲ特性が得られると考えられる。

また、前記絶縁紙は、セパレータと引出端子との間に配置されていることを特徴としている。これによると、引出端子の角部が直接セパレータに触れることがなく、常に絶縁紙と接触しているため、セパレータの性能を維持できる。また引出端子には、絶縁紙の低密度紙側の凹凸状である表面が直に接し、この凹凸には駆動用電解液が満たされて保持されやすいことから、電解コンデンサのさらなるＥＳＲ特性の向上が得られる。

また、前記粘着材は、絶縁紙の表面が線状、波線状、点状などのように間欠的に形成されていることを特徴としている。これによると、粘着材の塗布量及び塗布面積が減り、駆動用電解液中のイオン透過を阻害する領域が減少するため、電解コンデンサのＥＳＲ特性が改善される。

以上のように、本発明によれば、セパレータの引出端子と対応する部位に絶縁紙が配置され、この絶縁紙は、低密度紙及び高密度紙の２重紙からなり、前記高密度紙側に形成された粘着材を介して前記セパレータに貼着されることで、引出端子によるセパレータの損傷やショート不良を防止するとともに、前記粘着材の塗布量を減らすことができ、電解コンデンサの低周波領域におけるＥＳＲ特性を改善することができる。

この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１に示すように、陽極側電極箔はアルミニウム等の弁作用金属からなり、エッチング処理により表面が粗面化されるとともに、その表面に酸化皮膜層が形成されている。陰極箔３は、陽極箔２と同様にアルミニウム等の弁作用金属からなり、エッチング処理により表面が粗面化されている。これら両極の電極には、アルミニウムからなる陽極側の引出端子４と、同じくアルミニウムからなる陰極側の引出端子がそれぞれステッチ、コールドウェルド、超音波溶接等の接続手法により電気的に接続されている。この引出端子４、５は、電極箔に接続される偏平部と外部接続用の引出部を有するものや、帯状体から構成され一方が電極箔に接続され、他方が外部引き出し用の別途封口体に設けられた外部端子に接続されるものがある。

陰極箔３と陽極箔２の間に介在されるセパレータ６は電気絶縁性であり、マニラ麻紙、クラフト紙、エスパルト紙或いはこれらの混抄紙や、合成繊維や不織布あるいはこれらの混抄紙などからなる。巻回型のコンデンサ素子１では、それぞれ１以上の引出端子４、５が接続された陰極箔３及び陽極箔２を所定長さの帯状体から構成し、前記陰極箔３と陽極箔２の間にセパレータ６を介在して巻回して構成される。また、積層型のコンデンサ素子１では、それぞれ引出端子４、５が接続された陰極箔３及び陽極箔２を所定長さの平板状体から構成し、前記陰極箔３と陽極箔２とを間にセパレータ６を介在して交互に積み重ねて構成される。これらのコンデンサ素子には駆動用電解液が含浸されるとともにアルミニウムなどからなる有底筒状の金属ケースに収納され、開口部が弾性体や、弾性体と硬質体との複合部材からなる封口体によって加締め封口される。

ここで、前記セパレータ６は、陽極箔２と陰極箔３に介在された際に各電極箔に接続された陽極側の引出端子４および／または陰極側の引出端子５に対応する部位に、絶縁紙７が粘着材を介して接続されている。絶縁紙７は、低密度紙１０と高密度紙９の２重紙から構成され、それぞれ電気絶縁性であり、マニラ麻紙、クラフト紙、エスパルト紙、サイザル麻紙、ヘムプ紙、キュプラ、レーヨン、コットン或いはこれらの混抄紙より選択して用いられる。高密度紙９としては、主にクラフト紙、低密度紙１０としては、マニラ麻紙、エスパルト紙が好適に用いられる。本発明では、絶縁紙７を構成する高密度紙９の密度は、粘着材の塗布量を低減可能となる表面形状とするため０．６０ｇ／ｃｍ^３以上が好ましく、低密度紙１０の密度は、前記高密度紙９の密度に対し低いものを適宜用いることができる。この絶縁紙７を貼り付ける粘着材８は、フェノール系、エポキシ系、シアノアクリレート系、ポリイミド系、アクリル系、シリコーン系、ゴム系、あるいはホットメルト系などが挙げられる。なかでも、ポリプロピレンやポリビニルアルコールが好適に用いられる。

この粘着材８は、塗布等により絶縁紙７の高密度紙９の面に形成されるが、形成方法としてはドクターブレード法が好ましい。具体的には、図３に示すように粘着材８が入った槽１３内に、回転ローラー１１を浸漬し、このローラーを回転することで、その表面に食刻により任意に設けられた凹部１４内に粘着材８が保持されて移送され、回転ローラー１１の一部に設けられたドクター刃１２により、余分な粘着材８を削ぎ落とし、粘着材８を適量として回転ローラー１１と弾性ローラー１５の間に絶縁紙７を通過させることで、絶縁紙７表面に粘着材８を形成する。なお、前記回転ローラー１１と弾性ローラー１５との間に絶縁紙７の代わりに他の基材を通過させ、この基材の表面に粘着材８を貼り付け、この基材と絶縁紙７を張り合わせて、前記粘着材８を絶縁紙７の表面に転写させることもできる。前記回転ローラー１１の凹部１４により、絶縁紙７表面に形成される粘着材８は、間欠的に形成され、粘着材８の塗布量を低減できるとともに、電解液の絶縁紙７への浸透を良好とする。前記回転ローラー１１の表面の凹部１４を任意に形成することにより、絶縁紙７へ粘着材８を任意に形成できる。この絶縁紙７への粘着材８の形成形状は、図２の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、線状、波線状、点状に形成できる。

絶縁紙７は、図１の（ａ）に示すように、電極箔に接続された引出端子４、５を覆うように、引出端子４、５と対向する他極の電極箔との間が２重になるようにセパレータ６に貼り付けられる。絶縁紙７は、セパレータ６の両面に貼り付けても良く、また一方の面にのみ貼り付けても良い。電解コンデンサの定格電圧が高い場合は、電極箔間の絶縁を確保するため、絶縁紙７をセパレータ６の両面に貼り付けることもあるが、その分コンデンサ素子１が大型化してしまうため、セパレータ６の一方の面にのみ絶縁紙７を設ける方が好ましい。また、絶縁紙７は、セパレータ６の電極箔に接続された引出端子４、５側の面に貼り付けられることが好ましい。これは、絶縁紙７によりセパレータ６が保護され、セパレータ６の損傷などにより本来セパレータ６が持つ耐電圧特性や絶縁性を損なうこと防止できるからである。また、前記絶縁紙７は、低密度紙１０側の面が引出端子４、５に当接するため、低密度紙１０側の凹凸には駆動用電解液が満たされて保持された状態を持続するため、電解コンデンサの電気的特性を維持できる。

ここで、セパレータ６へ貼り付けられた絶縁紙７の剥離強度について検討する。これは、セパレータ６を電極箔とともに巻回又は積層装置により素子化される際に絶縁紙７の位置ずれが生じない程度の貼り付け強度を検討し、これにより粘着材８の塗布量の最適化を図るものである。従来は、絶縁紙７の低密度紙１０側の面に粘着材８が形成されかつ全面に塗布されたものであり、この剥離強度は約７０〜１５０ｇ／ｃｍ^２であった。ここで必要となる粘着状態を維持できる剥離強度を検討した結果、５〜３０ｇ／ｃｍ^２であることが判明し、この強度を得られる範囲で粘着材８の塗布量を低減することが好ましいことがわかった。

次に、本発明における電解コンデンサについて具体的に説明する。なお、本発明の範囲はこれらの実施例により限定される物ではなく、実施例中の材料、使用量、割合、操作などは、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。

（実施例１）
陽極箔２として、アルミニウムの表面をエッチング処理及び化成処理して表面にエッチング層及び酸化皮膜層を形成した帯状の金属箔を、陰極箔３としてアルミニウムよりなる金属箔の表面をエッチング処理してエッチング層を形成した帯状の金属箔を用いた。陰極箔３及び陽極箔２には、帯状の引出端子４、５の一端が超音波溶接により接続されている。前記陰極箔３と陽極箔２の間には、クラフト紙からなるセパレータ６が介在され、該セパレータ６の陽極側の引出端子４と対応する部位に、密度が０．８５ｇ／ｃｍ３である高密度のクラフト紙と密度が０．３０ｇ／ｃｍ３である低密度のマニラ麻紙を貼り合わせた絶縁紙７が、該絶縁紙７の高密度紙９側の表面にドクターブレード法により線状に塗布されたアクリル系粘着材８により貼り付けられている。粘着材８の塗布面積は、陽極箔２の箔面積に対して３％となるように形成されている。なお、前記絶縁紙７は、セパレータ６の陽極側の引出端子側の面に貼り付けられている。前記陽極箔２と陰極箔３は巻回されてコンデンサ素子１を形成し、駆動用電解液が含浸されるとともに、アルミニウムよりなる有底筒状の外装ケースに収納され、開口端をゴムよりなる封口体にて封止される。この実施例１の電解コンデンサは、陽極箔２の面積が８８０ｃｍ^２、絶縁紙７面積が合計６５ｃｍ^２（陽極側の引出端子２箇所：３２．５ｃｍ^２×２、陰極側の引出端子には絶縁紙無し）、粘着材８の合計面積は２６ｃｍ^２（絶縁紙４箇所：１３．０ｃｍ^２×２）である。

（比較例１）
実施例１の電解コンデンサにおいて、絶縁紙７のうち、アクリル系粘着材８を、高密度のクラフト紙の表面に代えて、低密度のマニラ麻紙の表面にアクリル系粘着材８を間欠的に塗布したものであり、粘着材８の塗布面積は、陽極箔２の箔面積に対して３％としたものである。

（従来例１）
実施例１の電解コンデンサにおいて、絶縁紙７のうち、アクリル系粘着材８を、高密度のクラフト紙の表面に代えて、低密度のクラフト紙の表面ほぼ全面に渡ってアクリル系粘着材８を塗布したものであり、粘着材８の塗布面積は、陽極箔２の箔面積に対して１５％としたものである。

本発明の実施例１、比較例１、従来例１をそれぞれ１０個作成し、２０℃、４０℃条件での周波数毎のＥＳＲ特性を測定した。なお、図４は周波数領域における２０℃でのＥＳＲ特性を示すグラフであり、図５は周波数領域における４０℃でのＥＳＲ特性を示すグラフである。

図４及び図５より、本発明の実施例１の電解コンデンサは、低周波領域でのＥＳＲ特性が大幅に改善されていることが分かる。これは、絶縁紙７へ粘着材８を間欠的に塗布し、かつ前記絶縁紙７の平坦側の表面に粘着材８を塗布することで、粘着材８の塗布量を低減することができたと考えられる。

次に、同じく本発明の各実施例、比較例、従来例をそれぞれ５０個作成し、２０℃、１２０Ｈｚ条件でのＥＳＲ、ＣＡＰ、ｔａｎδを測定し、各試料の特性分布を検討した。なお、図６は２０℃、１２０ＨｚでのＣＡＰを示すグラフであり、図７は２０℃、１２０ＨｚでのＥＳＲ特性を示すグラフであり、図８は２０℃、１２０Ｈｚでのｔａｎδを示すグラフである。

図６、図７及び図８より、本発明の実施例１の電解コンデンサは、ＥＳＲ特性、ＣＡＰ及びｔａｎδ値全て良好な結果が得られた。実施例１の電解コンデンサは、従来例１の電解コンデンサと比較しても、ＥＳＲ特性は、約３７％改善され、ＣＡＰは約５％、ｔａｎδ値は約３０％も改善された。同じく比較例１の電解コンデンサと比較しても、ＥＳＲ特性は約１０％、ＣＡＰは約５％、ｔａｎδ値は約６％改善された。

さらに実施例１、従来例１、比較例１の電解コンデンサの各試料の特性分布を検討すると、ＥＳＲ、ＣＡＰ及びｔａｎδ全てにおいて、実施例１の電解コンデンサは、従来例１及び比較例１の電解コンデンサと比較して、バラツキが極めて小さく、従って信頼性の高い製品を実現できる。具体的には実施例１の電解コンデンサの標準偏差は、比較例１の電解コンデンサに対して、ｔａｎδにおいては約３０％、ＣＡＰにおいては約２０％改善されている。

次に、電解コンデンサの絶縁紙７に塗布された粘着材８の塗布面積を一定とし、陽極箔２の箔面積を代えてＥＳＲ特性を測定した。
ここで、絶縁紙７としてマニラ麻紙を用い、絶縁紙７の平坦側の面にアクリル系粘着材８を間欠的に塗布したものである。陽極箔２の箔面積を１０ｃｍ^２〜２００ｃｍ^２の間で代え、絶縁紙７の面積を３ｃｍ^２とし、該絶縁紙７の平坦側の面に塗布された粘着材８の塗布面積を２ｃｍ^２とした。２０℃、１２０ＨｚでのＥＳＲを測定した。なお、図９は陽極箔面積に対する粘着材の面積とＥＳＲ特性を示すグラフである。

図９より、絶縁紙７に塗布される粘着材８の塗布面積が小さいほど低周波領域でのＥＳＲが良好であることがわかる。特に粘着材８の塗布面積が６％を越えると急激に悪化することが分かり、６％以下であれば良好な結果がえられ、塗布面積が小さいほど好ましいが、３％以下であればＥＳＲの上昇が余り見られず、またセパレータ６への絶縁紙７の貼り付け強度を考慮すると、粘着材８の塗布面積は０．５％以上が好ましい。

本発明の実施の形態における電解コンデンサの巻回状態を示す斜視図である。（ａ）は、本発明の実施の形態における陽極箔、陽極引出端子、セパレータ及び絶縁紙の配置状態を示す断面図である。（ｂ）は、本発明の実施例の形態におけるセパレータに貼り付けられる絶縁紙を示す図面である。（ｃ）は、本発明の他の実施の形態におけるセパレータに貼り付けられる絶縁紙を示す図面である。本発明の実施例における絶縁紙への粘着材の形成工程を示す図面である。周波数領域における２０℃でのＥＳＲ特性を示すグラフである。周波数領域における４０℃でのＥＳＲ特性を示すグラフである。２０℃、１２０ＨｚでのＣＡＰを示すグラフである。２０℃、１２０ＨｚでのＥＳＲ特性を示すグラフである。２０℃、１２０Ｈｚでのｔａｎδを示すグラフである。陽極箔面積に対する粘着材の面積とＥＳＲ特性を示すグラフである。

符号の説明

１コンデンサ素子
２陽極箔
３陰極箔
４陽極側の引出端子
５陰極側の引出端子
６セパレータ
７絶縁紙
８粘着材
９高密度紙
１０低密度紙
１１回転ローラー
１２ドクター刃
１３槽
１４食刻凹部
１５弾性ローラー

Claims

引出端子がそれぞれに接続された陰極箔と陽極箔との間にセパレータを介在したコンデンサ素子を備えた電解コンデンサにおいて、前記セパレータは、引出端子と対応する部位であって引出端子との間に絶縁紙が配置され、この絶縁紙は低密度紙及び高密度紙の２重紙からなり、前記高密度紙側に形成された粘着材を介して前記セパレータに貼着された電解コンデンサ。
前記粘着材は、絶縁紙の表面に間欠的に形成されている請求項１に記載の電解コンデンサ。