JP4986773B2 - 積層型固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、新規な構成の積層型固体電解コンデンサに関する。

従来、固体電解コンデンサとしては、アルミニウム、タンタルなどの弁作用金属を陽極とし、その陽極上に形成した酸化皮膜層を誘電体とし、その上に固体電解質層を形成して陰極を構成したものが多く使われている。固体電解質としては二酸化マンガン、ＴＣＮＱ錯体、導電性高分子などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

近年、電子機器の小型・高周波化が進み、コンデンサに対しても高周波領域での低ＥＳＲ・ＥＳＬ化が要求されるようになり、高導電率の導電性高分子を固体電解質に用いた固体電解コンデンサが商品化されている。この固体電解コンデンサは、二酸化マンガンを用いた固体電解コンデンサに比べてＥＳＲが低いという特徴があるため、広く利用されており、また、さまざまな改良がなされている（例えば、特許文献２参照）。

一般に、積層型固体電解コンデンサは、弁作用金属箔表面をエッチングし、多孔質体を形成した後、その表面に誘電体となる酸化皮膜層を形成した陽極素子と、酸化皮膜層上に形成された固体電解質層、カーボン層、銀層からなる陰極部とで構成された単板コンデンサ素子を、導電性接着剤を介して複数枚積層して構成されるため、低背化・低ＥＳＲ化が期待できるものである。

図１、図２は、積層型固体電解コンデンサの積層される前の単板コンデンサ素子の基本構成を説明する図で、図１はその外観斜視図、図２はその詳細構成を示す断面図である。
図において、１はアルミニウム・タンタルなどの弁作用金属からなる陽極素子、２はその弁金属の酸化皮膜層で誘電体を構成する層、３はこの酸化皮膜層の表面に形成された陰極部を構成する固体電解質層で、例えば、ポリピロール、ポリアニリン、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）などの導電性高分子を含む電解質を化学重合もしくは電解重合によって形成した層である。４および５は陰極引出し層で、４はカーボン層、５は銀層である。
６は弁作用金属板の陽極部を構成する層で、この陽極部６と陰極部３・４・５（これら陰極部全体をＲで示す）との間は、絶縁性マスキング部材７によって完全に絶縁隔離され、１個の単板コンデンサ素子Ｃを構成する。

本出願人は、このような単板コンデンサ素子を利用する積層型固体電解コンデンサの積層構造として、単板コンデンサ素子を陽極部が陰極部を中心として対向するように交互に積層する新規な構成のコンデンサを開発し、陽極電位を左右の端子板から複数に分岐して引き出すこと（多端子型積層構造）によって磁界の打ち消し合い効果をもたらし、ＥＳＬを下げる構造（以下多端子構造）を提案した（特許文献３参照）。

上記多端子型の積層コンデンサの構造は、図３に示すように、陰極部Ｒを中心として陽極部６、６’を互いに対向するように交互に積層しているため、陰極部は積層枚数分だけの厚さとなるが、陽極側は１枚おきになるので、各陽極を外部端子（陽極電位取り出し用端子板）８、８’に接続する際、図３のＳに示すように陽極部（図１の６の部分）が下方へ折れ曲がることになる。この折れ曲がりの程度は積層枚数が多くなる程大きくならざるを得ないことは明らかである。尚Ｂは導電性接着剤で、各陰極間と陰極端子板とを電気的に接合する層である。前記折り曲げられた各陽極と陽極端子板との接合は抵抗溶接で行なっている。
本発明者等の研究によれば、この陽極の曲がりは陽極組織の歪を生じることになり、この歪の影響によってコンデンサの漏れ電流特性が悪化することがわかった。

特に、コンデンサの大容量化のニーズに対応するためには、積層枚数を増やす必要があるが、枚数が増えるほど前記のように曲がりが大きくならざるを得ず、結果的に漏れ電流特性の劣化が顕著になるという問題がある。即ちこれが積層枚数を増やすことによる大容量化を困難にしていた。

特許第２９６９６９２号公報 特開２００３-４５７５３号公報 特開２００７-１１６０６４号公報

本発明者等は、上記開発成果を更に発展させ、漏れ電流不良が少なく、且つ大容量化に対応可能な、低ＥＳＲ・ＥＳＬ積層型固体電解コンデンサを提供したものである。

上記課題を解決するために、本発明は、表面に誘電体となる酸化皮膜層を有する平板状の弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に固体電解質層を含む陰極部を形成した単板コンデンサ素子を複数枚、その陽極部が陰極部を中心として互い違いに対向するように積層し、これら積層体の底面に陽極電位取り出し用の陽極端子板を備えた積層型固体電解コンデンサにおいて、陽極端子板から略垂直方向に延長された衝立部を、陽極端子板上に並列的に複数個設け、各単板コンデンサ素子の陽極部を水平状態のまま、陽極部の端面のうち陰極部からの突出方向側の端面のみを複数個の衝立部のそれぞれに溶接により接合したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサを提供する。

又、本発明は、複数個の衝立部と陽極部の突出方向側の端面とをレーザー溶接により接合したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサを提供する。

尚本明細書では、矩形状の単板コンデンサ素子を積層した場合、その陽極側の端面即ち図１の矩形の短辺の側を「積層体の端面」と呼称する。従って本発明のように陽極が互い違いに左右に対向するように積層した場合はその左右の端面が積層体の端面である。

本発明の多端子積層型固体電解コンデンサでは、積層された単板コンデンサ素子の陽極部を、曲がりなどによる歪みを一切与えることなく、陽極端子部材と接合できるので、漏れ電流不良を少なくすることができるとともに、積層枚数を多くしても、単板コンデンサ素子の陽極部の曲がりによる歪みは一切発生しないので、大容量化への対応も可能となる。

次に、本発明の実施例について前記［０００７］項で述べた図３の例と対比しながら説明する。
（実施例１）
まず、公知の方法でアルミニウム箔を粗面化した後、陽極酸化処理を行い、酸化皮膜層２を形成し、これを幅（ｗ）１１ｍｍ、長さ（ｌ）１１ｍｍの寸法に裁断した。さらに、這い上がり防止剤によってマスキング層７を形成し、その後、露出した端面部に陽極酸化処理による酸化皮膜層を形成し、次に、固体電解質層３と、カーボン層４、銀層５からなる陰極部を順次形成して、単板のコンデンサ素子を４枚作製した。
続いて、陰極端子板と単板のコンデンサ素子の陰極部Ｒとを導電性接着剤８を介して接続した。さらに、コンデンサ素子の陰極部Ｒが重なり、陽極部が陰極部Ｒの両側になるよう、単板のコンデンサ素子を交互に積層し、重ね合わせた陰極部Ｒ同士を導電性接着剤により接続した。

図４は実施例１の側断面図で、１１、１１’は陽極端子板８、８’上に各コンデンサ素子の端面（陽極が突きだしている側の面）に沿って垂直方向に延長された衝立部で、本発明の要部を構成する部分である。
この衝立部は、陽極端子板８の一部を折り曲げて形成してもよく、実施例１では図４の点線に示すように端子板を長めに切断し、矢印のように垂直に折り曲げて形成した。なお、この衝立部１１の高さは最上層の陽極部の位置まで延長されていることが必要である。
本実施例ではこの衝立部１１は陽極端子板８と同じ材料、即ち銅板にニッケル金メッキを施した抵抗値の低い材料を用いたが、加工性のよい銅・銀など別部材を溶接して取り付けてもよい。

図５は上記衝立部の構造を示す斜視図で（反対側の部分は省略した）、端子板から延長された衝立部１１は、各陽極６、６’の長手方向の端面と直接接する位置にある。図５に示すように、この衝立部１１を軽く矢印方向に押し付けた状態で両者を溶接により接合した。この方法により、陽極電位を端子板８、８’から効率よく取り出すことができる。即ち従来のように各陽極を下方に折り曲げて端子板の上面に押し付けて接合する必要がないので、単板コンデンサ素子にストレスがかかるおそれが少なく、素子の電気特性の劣化が防止できる。

なお、本実施例では、上記接合を点線丸印の部分（図５の手前の端面で４カ所、奥の端面で４カ所の計８カ所）でレーザー溶接により接合した。
これらの接合は抵抗溶接など他の溶接手段でも可能であるが、［０００７］項でも述べたように陽極に曲がりや歪を与えないことが重要であるので、強い圧接負荷がかからない溶接手段としてレーザー溶接を採用したもので、この方法による効果も確認できた。（後述の表１の実施例１参照）
その後、図７の積層型固体電解コンデンサの完成品の側断面図に示すように、各端子板の外部回路との接続面だけを除いて積層部全体をモールドで覆って樹脂外装し、本発明に係る定格電圧が２．５Ｖ、定格容量が１０００μＦの固体電解コンデンサを１０００個作製した。

（実施例２）
図６は、実施例１における衝立部を左右２カ所１１ａ、１１ｂに分けて設けた第２の実施例で、図６に示すように、陽極端面との接合を点線丸印の８カ所(前面と奥面とで計１６カ所)においてレーザー溶接により接合した以外は実施例１と同様の方法で定格電圧が２．５Ｖ、定格容量が１０００μＦの固体電解コンデンサを１０００個作製した。
このように衝立部を複数にした場合は、漏れ電流特性低減の効果が実施例１の場合よりやや向上することが認められた。（後述の表１の実施例２参照）

（従来例）
図８に示すように、陽極端子板に衝立部を設けず、積層した各コンデンサ素子の陽極部を歪曲させて、レーザー溶接により陽極端子板と接合した以外は、実施例１と同様の方法で定格電圧が２．５Ｖ、定格容量が１０００μＦの固体電解コンデンサを１０００個作製した。

次に表１に、実施例１及び２の完成品についての漏れ電流（μＡ）、漏れ電流不良率（％）を実測した結果を、従来例（図８の例）の結果と比較して示す。
尚、漏れ電流値は定格電圧２．５Ｖを印加した１分後の値を測定したもので、良品１００個の試作品について実測した値の平均値を示し、漏れ電流不良率は、１０００個の製品より漏れ電流不良品を選別し、算出した結果である。

上記表１から明らかなように、陽極端子板から衝立部を積層体の端面に沿って垂直に植立し、各陽極の端面に直接突き当てて溶接する構成を採用したことにより、陽極の曲がりが一切なくなり歪も極めて小さくなるので、コンデンサとしての漏れ電流が大幅に減少すると共に、漏れ電流不良率も大きく改善できた。

また図９は、実施例１の製品と実施例２の製品の温度サイクル試験でのＥＳＲ値（ｍΩ）の変化を測定したグラフである。なお、温度サイクル試験とは、製品を−５５℃と＋１２５℃の雰囲気中に３０分間ずつ交互に５回投入し、温度変化の負荷をかける試験である。
グラフから判るように、実施例２は、実施例１と比較し、単板コンデンサ素子陽極部と陽極端子板との接合箇所が多いため、温度サイクル回数の増加によるＥＳＲの劣化がより少なく性能の安定性も高いことが実証された。

尚、表１からも判るように、衝立部を２つに分けて陽極電位を取り出す構造（実施例２の構造）が漏れ電流特性の改善に有効であるが、陽極面との溶接箇所が増えるなど加工上の問題もあるので、衝立部の構造は、その材料、厚さ、加工性、全体のコンパクト性などの関係を勘案して、最も効率の高い設計を採用すればよい。
勿論溶接箇所を多くして電気的接続をより緻密にすればＥＳＲ特性もより向上する。

以上、本発明実施例の積層型固体電解コンデンサは、その漏れ電流、および漏れ電流不良率を従来例の積層型固体電解コンデンサと較べて大きく低減できた。即ち本発明により、同じ定格電圧・容量で、より低い漏れ電流値の積層型固体電解コンデンサを提供できることが実証された。

また、実施例２の積層型固体電解コンデンサの温度サイクル試験におけるＥＳＲの変化は、実施例１に比べ、小さい。即ち、実施例２のものは、単板コンデンサ陽極部と陽極端子板との接合箇所が多く、より接合が緻密になるので、安定且つ優れたＥＳＲ特性を有することも実証された。

また、実施例２は、陽極端子板の衝立部を２つに分離した例であるが、３つ以上に分かれていても同じ効果が得られるのは当然である。

尚実施例は、固体電解質として導電性高分子を用いた例を示したが、二酸化マンガンを用いても同じ効果が得られる。またこの例では弁作用金属としてアルミニウムの場合について説明したが、タンタルやニオブ箔、またはその焼結体を用いても同じ効果が得られる。

さらに実施例では、いずれも４枚の単板コンデンサ素子の積層例について説明したが、積層枚数を増やすことで、その効果はより顕著になることは当然であり、また実施例は３端子構造のものについて説明したが、２端子構造や、端子数を増やした場合でも同様の効果が得られる。

本発明に使用される単板コンデンサ素子の外観斜視図 図１の単板コンデンサ素子の構成を示す側断面図 積層型固体電解コンデンサの従来の構成（比較例）を示す側断面図 本発明実施例の積層型固体電解コンデンサの構成を示す側断面図 実施例１の衝立部の構造を説明するための斜視図で後方部分を一部省略した図 実施例２の衝立部の構造を説明する斜視図で、図５に対応する図 実施例１の完成品の側断面図 従来例の図７に対応する側断面図 実施例１、２の完成品の温度サイクル試験の結果を示すグラフ

符号の説明

Ｒ コンデンサ素子の陰極部
Ｂ 導電性接着剤
１ 弁作用金属薄板
２ 酸化皮膜層
３ 固体電解質層
４ カーボン層
５ 銀層
６ コンデンサ素子の陽極部
７ マスキング層
８、８’ 陽極端子板
９ 陰極端子板
１０ 樹脂モールド
１１ 陽極端子板に形成された衝立部

Claims (2)

1. 表面に誘電体となる酸化皮膜層を有する平板状の弁作用金属板の一方側に陽極部を、他方側に固体電解質層を含む陰極部を形成した単板コンデンサ素子を複数枚、その陽極部が陰極部を中心として互い違いに対向するように積層し、これら積層体の底面に陽極電位取り出し用の陽極端子板を備えた積層型固体電解コンデンサにおいて、
   前記陽極端子板から略垂直方向に延長された衝立部を、前記陽極端子板上に並列的に複数個設け、
   前記各単板コンデンサ素子の前記陽極部を水平状態のまま、前記陽極部の端面のうち前記陰極部からの突出方向側の端面のみを前記複数個の衝立部のそれぞれに溶接により接合したことを特徴とする積層型固体電解コンデンサ。
2. 前記複数個の衝立部と前記陽極部の前記突出方向側の端面とをレーザー溶接により接合したことを特徴とする請求項１に記載の積層型固体電解コンデンサ。