JP5054573B2 - 固体電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、導電性高分子を電解質に用いた固体電解コンデンサに関するものである。

電解コンデンサは、アルミニウムやタンタルやニオブ等の弁作用金属からなる陽極箔を備えており、陽極箔の表面には、誘電体となる酸化皮膜が形成されている。この酸化皮膜からの電気的な引き出しは、酸化皮膜に接触している導電性を有する電解質によって行われ、電解コンデンサにおける真の陰極は、この電解質が担っている。この真の陰極として機能する電解質は、電解コンデンサの電気特性に大きな影響を及ぼすため、様々な種類の電解質が採用された電解コンデンサが提案されている。

このような電解コンデンサのうち、固体電解コンデンサは、例えば、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電解質として用いるものであり、液状の電解質を用いた電解コンデンサと比較して、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低く、高周波領域におけるインピーダンス特性に優れている。

固体電解コンデンサのうち、巻回型の固体電解コンデンサは、酸化皮膜が形成された陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回され、このセパレータに導電性高分子からなる固体電解質層が保持されたコンデンサ素子を備えており、このコンデンサ素子が有底筒状のケースに収納され、さらに、その開口部が、電極箔に接続されたリード線が貫通されたゴム製の封口材により封止された構造を有する（例えば、特許文献１参照）。

一般に、電解コンデンサの外装ケースの材料としては、特に、電解質が液状のものでは、電解液が外装ケースの材料となる金属と反応することを防止する必要があるため、純度の高いアルミニウム材料（例えば、ＪＩＳ Ａ１０７０）が用いられてきた。また、マンガンまたはマグネシウムと、アルミニウムとの合金を用いた外装ケースも検討されている（例えば、特許文献２参照）。

近年、導電性高分子を電解質に用いた固体電解コンデンサには、等価直列抵抗（ＥＳＲ）が低いだけでなく、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）も低いことが求められている。
しかしながら、上述したように固体電解コンデンサの外装ケースには、アルミニウム材料が用いられており、このような外装ケースは磁界を通しやすいため、コンデンサ素子が外装ケースの外部の磁界の影響を受けて、ＥＳＬが高くなっていた。

上記のような外装ケースへの外部からの磁界の影響を抑え、コンデンサ素子のＥＳＬを低減するための手段として、
１）コンデンサ素子の外表面またはケースの内表面の少なくとも底面部に不規則な凹凸状を有する反磁性体金属よりなる網状シートを装着せしめる構成（例えば、特許文献３）、
２）反磁性体物質の磨砕粉と常磁性体の磨砕粉との混合粉体を含有し成形したケースにコンデンサ素子を収納する構成（例えば、特許文献４）
３）コンデンサ素子とケースとの間に、反磁性体材料（錫ケース、錫箔等）を介在させる構成（例えば、特許文献５）
が提案されている。

特開平２００１−１８９２４２号公報 特開２００１−２８４１８１号公報 実開昭５６−１３９２３６号公報 実開昭５６−１３７４４５号公報 実開昭５５−１２０１５３号公報

しかしながら、これらはいずれも構成が複雑であり、部材の製造・加工、製品組立に工数を要し、コスト高になるという問題があった。また、上記特許文献３〜５はいずれも液体電解質を使用するものであり、固体電解質を使用する場合とは違って、ケースと液体電解質との化学反応が発生するという、別の問題も考慮する必要があった。

そこで、本発明は、上記のような問題を解決し、導電性高分子を電解質に用いた固体電解コンデンサにおいて、簡易に製造可能で、かつ、低コストでありながら、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ）を低減できる固体電解コンデンサを提供することを目的とする。

本発明の固体電解コンデンサは、表面に酸化皮膜が形成された陽極箔と、陰極箔とがセパレータを介して巻回され、前記セパレータに導電性高分子からなる固体電解質層が保持されたコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子が収納される外装ケースと、を備えた固体電解コンデンサであって、前記外装ケースが、反磁性体金属である金もしくは銀を含有するアルミニウム合金で形成されていることを特徴とする。

前記導電性高分子は、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、および、ポリエチレンジオキシチオフェンの何れかであることが好ましい。

本発明の固体電解コンデンサにおいて、反磁性体金属である金もしくは銀を含有するアルミニウム合金で形成されている外装ケースは、アルミニウムで形成された外装ケースよりも磁界を通しにくいため、コンデンサ素子が外装ケース外部の磁界の影響を受けにくくなる。そのため、固体電解コンデンサのＥＳＬを低下させることができる。このように、本発明の固体電解コンデンサは、簡易に製造可能で、かつ、低コストでありながら、ＥＳＬを低減できる。

金、銀は、材料コストが高くなるが、亜鉛、錫と比べて磁界を通しにくいので、アルミニウムを母材金属とする合金とすることで、低コストでありながら固体電解コンデンサのＥＳＬをより低減することができる。

また、前記導電性高分子が、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、および、それらの誘導体のいずれか１種であることにより、固体電解質層の導電性および耐熱性が高くなる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。
図１に示すように、本実施形態の固体電解コンデンサ１は、コンデンサ素子２と、外装ケース３とを備える。なお、図１では、コンデンサ素子２の内部構造を省略して表示している。

図２に示すように、コンデンサ素子２は、陽極箔２１と陰極箔２２とがセパレータ２３を介して巻回された構造を有する。陽極箔２１および陰極箔２２にはリードタブ（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２１および陰極箔２２からそれぞれリード線２５ａ、２５ｂが引き出されている。

陽極箔２１は、アルミニウム等の弁作用金属で形成されている。図３に示すように、陽極箔２１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）による陽極酸化皮膜２１ａが形成されている。
また、陰極箔２２も、陽極箔２１と同様にアルミニウム等で形成されており、その表面は粗面化されるとともに自然酸化皮膜２２ａが形成されている。

また、図３に示すように、コンデンサ素子２のセパレータ２３は、導電性高分子からなる固体電解質層２４を保持している。つまり、陽極箔２１とセパレータ２３との間、および、陰極箔２２とセパレータ２３との間には、固体電解質層２４が形成されている。
固体電解質層２４の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、および、ポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）等を用いることができ、このような導電性高分子は、モノマーの化学重合により生成される。

図１に示すように、外装ケース３は、有底筒形状に形成されており、コンデンサ素子２を収納している。また、外装ケース３は、銅または亜鉛等の反磁性体金属で形成されている。特に、銅を用いることが好ましい。
また、錫単体は融点が低い（２３２℃）ので、はんだ耐熱性の面で、適用難である。一方、銅、亜鉛は融点が高いので、この点においても銅または亜鉛を用いることが好ましい。

また、外装ケース３の内側には、例えば、セラミック、金属酸化物、または樹脂等で形成された絶縁層を設けてもよい。

外装ケース３の開口部は、封口材４によって封止されている。封口材４は、樹脂やゴム等で形成されている。コンデンサ素子２のリード線２５ａ、２５ｂは、封口材４に形成された貫通孔を介して、外装ケース３から引き出されている。

上記の固体電解コンデンサ１によると、銅等の反磁性体金属で形成された外装ケース３は、アルミニウムで形成された外装ケースよりも磁界を通しにくいため、コンデンサ素子２が外装ケース３の外部の磁界の影響を受けにくくなる。そのため、固体電解コンデンサ１のＥＳＬを低下させることができる。このように、固体電解コンデンサ１は、簡易に製造可能で、かつ、低コストでありながら、ＥＳＬを低減できる。

また、反磁性体金属として銅を用いた場合、銅はアルミニウムよりも熱伝導率が高いため、アルミニウム製の外装ケースを用いた場合に比べて、放熱性が優れている。これにより、固体電解コンデンサ１の許容リプル電流を大きくとることができる。

また、液状の電解質を用いた電解コンデンサに、銅製の外装ケースを使用すると、銅が電解液中に溶出し、局部電池が形成されて電極箔が破損されるが、固体電解コンデンサでは、このような問題が生じることがない。

なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
上記実施形態では、外装ケース３は、単体の反磁性体金属で形成されているが、反磁性体金属を含有する金属で形成されていてもよい。具体的には、金、銀、亜鉛、または錫のいずれか１種の反磁性体金属と、アルミニウムとの合金で形成されていてもよい。また、上記の反磁性体金属とアルミニウムとの共晶体で形成されていてもよい。
外装ケース３が金または銀とアルミニウムとの合金で形成されている場合、これら合金は単体のアルミニウムよりも熱伝導率が高いため、アルミニウム製の外装ケースを用いた場合に比べて、放熱性が優れており、許容リプル電流を大きくとることができる。
また、金、銀は、材料コストが高くなるが、亜鉛、錫と比べて磁界を通しにくいので、アルミニウムを母材金属とする合金とすることにより、低コストでありながら固体電解コンデンサのＥＳＬをより低減することができる。ただし、アルミニウムに対する配合比を極力押さえることが必要である。

次に、本発明の具体的な実施例を従来例と合わせて説明する。

［実施例１、２］
実施例１、２の固体電解コンデンサを以下のような工程で作製した。
まず、アルミニウム等の金属箔の表面をエッチングにより粗面化してから、酸化皮膜層を形成し、所定の寸法に裁断して、陽極箔とした。また、同様に、アルミニウム等の金属箔の表面をエッチングにより粗面化し、所定の寸法に裁断して、陰極箔とした。この陽極箔と陰極箔にそれぞれリードタブを介してリード線を接続してから、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成した。

次に、このコンデンサ素子に以下の重合前処理を行った。アジピン酸二アンモニウム水溶液中で、上記素子に電圧を印加して修復化成を行い、さらに、このコンデンサ素子を加熱してセパレータを炭化させた。

続いて、上記の重合前処理済みのコンデンサ素子を、ｐ−トルエンスルホン酸鉄溶液（酸化剤溶液）に浸漬した後、１００℃で３０分間加熱して乾燥させた。そして、３，４−エチレンジオキシチオフェンを溶媒に溶解した溶液（モノマーと溶媒の重量比 １:１）にコンデンサ素子を浸漬した後、コンデンサ素子を引き上げ、１００℃で６０分間加熱し、化学重合によりＰＥＤＯＴからなる固体電解質層を形成した。

このようにして得られたコンデンサ素子を各々、表１に示す金属製の外装ケース、すなわち、アルミニウム−金合金、アルミニウム−銀合金製の外装ケースに収納し、開口部をゴムパッキング等により封止してから、１２５℃雰囲気下でエージング処理を行い、固体電解コンデンサを作製した。
この固体電解コンデンサの定格電圧は４Ｖ、定格静電容量は５６０μＦである。また、外装ケースは、直径が８ｍｍ、長さが９ｍｍである。

（参考例１〜４）
参考例として、実施例と同様の手順で得られたコンデンサ素子を、表１に示す金属製の外装ケース、すなわち、銅、亜鉛、アルミニウム−錫合金、アルミニウム−亜鉛合金製の外装ケースに収納して、固体電解コンデンサを作製した。
（従来例）
従来例では、外装ケースとして、アルミニウムで形成されたものを用いた点以外は、上記実施例１〜６と同様の手順で固体電解コンデンサを作製した。

上記の実施例１、２、参考例１〜４および従来例の固体電解コンデンサについて、静電容量、ＥＳＲ、ＥＳＬ、漏れ電流（ＬＣ）、および１０５℃雰囲気下で固体電解コンデンサの温度が２０℃上昇するときの許容リプル電流を測定した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１、２の固体電解コンデンサは、それぞれ、反磁性体金属である金を含むアルミニウム−金合金と、反磁性体金属である銀を含むアルミニウム−銀合金を外装ケースに用いているので、アルミニウム（単体）を用いた従来例の固体電解コンデンサに比べて、ケース外部の磁界の影響を受けにくく、ＥＳＬが低くなっていることが分かる。また、アルミニウム（単体）を用いた従来例の固体電解コンデンサに比べて、熱伝導率が高く、許容リプル電流を大きくとれることが分かる。

なお、上記実施例においては、固体電解質層の導電性高分子としてＰＥＤＯＴを用いたが、ポリアニリン、ポリピロールまたはポリチオフェンを用いた場合にも同様の効果が得られる。

また、上記実施例では、酸化剤とモノマーをコンデンサ素子に別々に含浸させて固体電解コンデンサを作製しているが、酸化剤とモノマーとの混合溶液をコンデンサ素子に含浸させた場合にも同様の効果が得られる。

本発明の固体電解コンデンサの外観および内部構造を示す概略図である。 本発明によるコンデンサ素子の分解斜視図である。 本発明による固体電解コンデンサの積層構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１ 固体電解コンデンサ
２ コンデンサ素子
２１ 陽極箔
２１ａ 陽極酸化皮膜
２２ 陰極箔
２２ａ 自然酸化皮膜
２３ セパレータ
２４ 固体電解質層
２５ａ リード線（陽極）
２５ｂ リード線（陰極）

Claims (2)

1. 表面に酸化皮膜が形成された陽極箔と、陰極箔とがセパレータを介して巻回され、前記セパレータに導電性高分子からなる固体電解質層が保持されたコンデンサ素子と、
   前記コンデンサ素子が収納される外装ケースと、
   を備えた固体電解コンデンサであって、
   前記外装ケースが、反磁性体金属である金もしくは銀を含有するアルミニウム合金で形成されていることを特徴とする固体電解コンデンサ。
2. 前記導電性高分子が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、および、ポリエチレンジオキシチオフェンのいずれかであることを特徴とする請求項１に記載の固体電解コンデンサ。

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