JP5146677B2 - 積層型電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、積層型電解コンデンサに関するものである。

従来、電解コンデンサのコンデンサ素子構成は、巻回型が主流であった。しかしながら、このような巻回型電解コンデンサは構造上小型化に限界があるため、コンデンサ素子を巻回型から積層型に代えることで電解コンデンサの小型化が進められていた。

たとえば、エッチングによる拡面処理および陽極酸化による誘電体酸化皮膜を形成したアルミニウム電極箔と、駆動用電解液を含浸したセパレータを交互に重ね合わせ、各電極箔の接続部を溶接などにより接続して、外装ケースに収納することにより得られる、電子機器の小型化に対応した積層型電解コンデンサが知られている（たとえば特許文献１参照）。

しかしながら、このような積層型電解コンデンサのコンデンサ素子の製造において、コンデンサ素子の小型化を図れば図る程、両電極およびセパレータ紙を高精度に重ね合わせる必要が生じるものの、電極箔とセパレータを交互に重ね合わせる際、外装ケースに収納する際又は樹脂モールドする際などに電極箔と接続部との位置がずれてしまったり、電極箔とセパレータとの位置がずれてしまったりして、電極箔がセパレータからはみ出てショートが発生する可能性が存在した。これらを防止するため、電極箔とセパレータとの位置調整を数度にわたり行う必要が生じ、製造工程が煩雑化してしまうという問題点があった。

そして、積層型のコンデンサ素子は、断面形状が四角状、または長円状の外装ケースに収納され、その開口端部を封口して形成される。

一般に電解コンデンサは、電解コンデンサの使用中に内圧が上昇し、外装ケースが膨らんでしまう場合がある。そして、外装ケースの断面形状が四角状、長円状の外装ケースを用いた場合には、外装ケースの中で膨らむ箇所は、機械的強度の弱い外装ケースの平坦部である。そして、積層型のコンデンサ素子を素子巻きテープで固定していた場合には、外装ケースが膨らむことに伴って、積層型のコンデンサ素子も変形する。この変形は断面形状が四角状に形成されていたコンデンサ素子の中央分がより膨らんで、コンデンサ素子の断面形状が楕円型に近づいていく。この結果、コンデンサ素子の中央部では、コンデンサ素子を構成する電極箔同士の極間距離も離れてしまい、電解コンデンサの経時的なＥＳＲの上昇が発生する場合があった。

このような問題点を解決するため、電極箔とセパレータとを接着剤を用いて固定する方法が従来提案されていた。しかしながらこのような方法では駆動用電解液の伝導度等を阻害することとなり、ＥＳＲが上昇してしまうなどコンデンサの電気特性を著しく悪化させるという問題があった。

そこで、イオン伝導性接着剤で構成要素を相互に接着して積層型の電解コンデンサを構成する方法により、駆動用電解液の特性を損ねることがなく、かつ作業性の良い方法で、優れた積層型の電解コンデンサを得ることが出来る方法が従来提案されていた（たとえば特許文献２参照）。しかしながら、このようなイオン伝導性接着剤では、イオン伝導性接着剤により伝導度の低下を抑えているものの、電極箔上にはイオン伝導性接着剤層が残存しているため、電極箔に駆動用電解液が非接触状態となってしまう。その結果、伝導性の優れた駆動用電解液、例えば水を含むものなどを用いた場合は、依然、駆動用電解液の伝導度等を少なからず阻害することとなり不都合であった。またこのイオン伝導性接着剤層を設けるにおいては、電極箔とセパレータを重ね合わせて該イオン伝導性接着剤層を加熱硬化するなどの工程が新たに必要となり、工程の複雑化を招き、さらにはセパレータ と電極箔の間の接着剤層の厚み分、製品の小型化に悪影響を与えてしまうという問題点があった。
特開昭５６−１３５９２３号公報（請求項１） 特開平５−２９９３０５号公報（第０００５段落及び第００５２段落）

そこで、この発明では、積層型電解コンデンサにおいて、コンデンサ素子を積層する際に、電極箔とセパレータとの位置ずれを起こすことが無く、かつＥＳＲの低減を図ることのできる積層型電解コンデンサを提供することを目的とする。

この出願の請求項１に係る発明では、陽極箔と陰極箔をセパレータを介して交互に積層したコンデンサ素子の陽極箔およびセパレータに貫通孔を形成し、この貫通孔の部分で陰極箔同士を接合した積層型電解コンデンサとした。

請求項２にかかる発明では、請求項１に記載した積層型電解コンデンサにおいて、陽極箔に形成された貫通孔がセパレータの貫通孔よりも大きいことを特徴とする。

この出願の請求項３に係る発明では、陽極箔と陰極箔をセパレータを介して交互に積層したコンデンサ素子の陰極箔およびセパレータに貫通孔を形成し、この貫通孔の部分で陽極箔同士を接合した積層型電解コンデンサとした。

請求項４に係る発明は、請求項３に記載した積層型電解コンデンサにおいて、陰極箔に形成された貫通孔がセパレータの貫通孔よりも大きいことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項３または請求項４に記載の積層型電解コンデンサにおいて、接合した陽極箔のうち一枚の陽極箔に電極引き出し端子を接合したことを特徴とする。

この発明では次の効果を奏する。
（１）積層型電解コンデンサにおいて、陽極箔または陰極箔が接合されるため、コンデンサ素子の中での陽極箔、陰極箔とセパレータの相対的な位置のずれが発生することがない。
（２）また、積層型電解コンデンサのコンデンサ素子の各電極間距離が一定に維持されるため、電解コンデンサの使用中に外装ケースが膨らんだとしても、電極間距離が広くなることに伴うＥＳＲの上昇が防止される。
（３）各電極箔同士の導電経路が増大するために、電解コンデンサ全体としてのＥＳＲの低減を図ることができる。
（４）接合した陽極箔のうち一枚の陽極箔に電極引き出し端子を接合したことで、枚数が多くなるほど接続することが困難となる陽極箔の電極引き出し端子の枚数を減らすことができ、陽極箔の電極引き出し部分での接続工程が容易なものとなる。

この発明の積層型電解コンデンサの第１の実施の形態について図面とともに説明する。
（第1の実施形態）
この電解コンデンサは陽極箔と陰極箔をセパレータを介して積層して構成されてコンデンサ素子を有する。

陽極箔はアルミニウム箔をエッチングによる拡面処理を施した後、その表面に誘電体酸化皮膜を形成したものである。誘電体酸化皮膜は、陽極酸化によって形成され、その耐電圧は設計仕様に応じて、１０Ｖ〜数百Ｖもの広範囲にわたって形成することができる。また、陰極箔はアルミニウム箔をエッチングによる拡面処理を施したものであり、必要に応じて２〜５Ｖ程度での陽極酸化処理により酸化皮膜を形成することもある。

これらの陽極箔１と陰極箔２は矩形状で同じ大きさに裁断する。また、各電極箔には引き出し用の突片１１、２１が接続される。この突片１１，２１は矩形状に形成された陽極箔１１、陰極箔２１のそれぞれの一辺より導出され、一辺の中心位置よりどちらか一方にずらして導出されている（図１ａ参照）。

セパレータ３は、天然繊維、合成繊維からなる紙、不織布を用いることができる。このセパレータも所定の大きさに裁断されるが、電極箔よりもやや大きな面積、たとえば、各電極箔よりも縦横ともそれぞれ２ｍｍ程度のマージンを有する大きさとなるように裁断を行う（図１ａ参照）。

また、陽極箔１には直径３ｍｍ程度の貫通孔１２が複数個に形成されており、さらにセパレータ３にも陽極箔に形成した貫通孔と同じ位置に貫通３２孔が形成されている。このセパレータの貫通孔３２は陽極箔１に形成された貫通孔１２と中心が同一で、やや径小に形成される（図１ａ参照）。例えばセパレータに形成される貫通孔３２は直径が２ｍｍ程度の貫通孔とする。この陽極箔１とセパレータに３形成される貫通孔１２、３２の個数は任意であるが、貫通孔を多く形成し、後に説明するコールドウェルドで陰極箔同士を接合することで、積層された陰極箔同士の導電経路が増加するため、電解コンデンサ全体として低いＥＳＲとなることが期待される。一方で、陽極箔１に貫通孔１２を形成すると陽極箔１の面積が減少し、電解コンデンサ全体としての静電容量は減少してしまう。従って、電解コンデンサとして必要とされる静電容量、ＥＳＲ特性を勘案しながら、適宜設計すれば良い。

これらの陽極箔１、陰極箔２、セパレータを３、下からセパレータ３、陰極箔２、セパレータ３、陽極箔１、セパレータ３、・・・の順番で積層していく（図２参照）。このとき陽極箔と陰極箔の周囲にはセパレータが１ｍｍ程度の長さではみ出すように積層するとともに、陽極箔とセパレータに形成した貫通孔が重なりあうように積層する。このようにセパレータが電極箔よりもはみ出した構造、言い換えれば、電極箔がセパレータから突出しない構造とすることで、コンデンサ素子の側面での絶縁を図ることができる。なお陽極箔と陰極箔に接続した突片はそれぞれの電極箔から導出された突片同士が重なりあうように導出する（図１ｂ参照）。

このように陽極箔、陰極箔、セパレータを積層した場合、陽極箔に形成された貫通孔の大きさがセパレータに形成された貫通孔よりも大きく形成されているため、陽極箔と陰極箔の短絡が防止されるようになる。

そして、所定枚数を積層した後に、陽極箔とセパレータの貫通孔部分にてコールドウェルドによって、陰極箔同士を接合する（図２中のＣＷ：コールドウェルドポイント、図３ａ及びｂ参照）。このコールドウェルドは０．５ｍｍ×０．５ｍｍ程度の領域で接合することが可能であり、陰極箔の場合には、１０枚程度を積層した状態で接合することが可能である。

このような電極箔とセパレータの積層を繰り返し、所定枚数を積層して積層型のコンデンサ素子を得る。このように最終的に完成した積層型のコンデンサ素子においては、最外層に配置されるセパレータには貫通孔は形成されていなくても良い（図２参照）。なお、図１においては、最外周に配置されたセパレータ３には貫通孔が形成された例を示している。

そして、コンデンサ素子の側面に突出したそれぞれの突片同士をコールドウェルド、超音波溶接、摩擦攪拌溶接等に方法で接合し、さらに外部接続リード線４，４を取付ける。この素子に駆動用の電解液を含浸し、外装ケース５に収納して、外装ケース５の開口部を封口部材６にて封口して電解コンデンサを得る（図１ｃ参照）。

このような電解コンデンサでは、陰極箔同士をコールドウェルドで接続しているため、コンデンサ素子内部での電極箔のずれが発生しない。これは積層した電極箔同士のずれが発生しないことと、積層方向への電極間距離の変化を防止できることになる。また、陰極箔同士が接続されているために、集電のための電流経路が多くなり、電解コンデンサのＥＳＲの低減を図ることができる。
（第二の実施形態）
この発明の積層型電解コンデンサの第二の実施の形態について図４とともに説明する。

この電解コンデンサは陽極箔と陰極箔をセパレータを介して積層して構成されてコンデンサ素子を有する。

陽極箔１、陰極箔２は第２の実施形態と同様のものを用い、これらの陽極箔１と陰極箔２は矩形状で同じ大きさに裁断する。また、各電極箔１，２に突片１１、２１が形成されていることも第１の実施形態と同様である（図４ａ参照）
セパレータは第１の実施形態で示した材質、形状と同様であり、天然繊維、合成繊維からなる紙、不織布を用いることができる。このセパレータも所定の大きさに裁断されるが、電極箔よりもやや大きな面積、たとえば、各電極箔よりも縦横ともそれぞれ２ｍｍ程度のマージンを有する大きさとなるように裁断を行う。

また、陰極箔２には直径３ｍｍ程度の貫通孔２２が複数個に形成されており、さらにセパレータ３にも陰極箔２に形成した貫通孔２２と同じ位置に貫通孔３２が形成されている。このセパレータ３の貫通孔３２は陰極箔２に形成された貫通孔２２と中心が同一で、やや径小に形成される。例えばセパレータ３に形成する貫通孔３２は直径２ｍｍ程度の貫通孔とする。この貫通孔の形成個数は任意である（図４ａ参照）。

これらの陽極箔１、陰極箔２、セパレータ３を、下からセパレータ３、陰極箔２、セパレータ３、陽極箔１、セパレータ３、・・・の順番で積層していく。このとき陽極箔１と陰極箔２の周囲にはセパレータ３が１ｍｍ程度の長さではみ出すように積層するとともに、陰極箔２とセパレータ３に形成した貫通孔２２、３２が重なりあうように積層する。また陽極箔と陰極箔に接続した突片はそれぞれの電極箔から導出された突片同士が重なりあうように導出する（図４ｂ参照）。

そして、所定枚数を積層した後に、陰極箔２の貫通孔２２の部分でコールドウェルドによって、陽極箔１同士を接合する。陽極箔１に形成されている誘電体酸化皮膜はセラミック質であり、硬度は高いが脆い構造となっている。特に高い電圧で陽極酸化により誘電体酸化皮膜を形成した陽極箔の場合には、誘電体酸化皮膜層の厚さが厚いものとなり、硬度が高いが脆い構造であるという傾向が顕著となる。このため、数枚の陽極箔を同時にコールドウェルドで接続することは困難であるが、２〜３枚程度の枚数であれば誘電体酸化皮膜層の厚さが厚い陽極箔でもコールドウェルドでの接続可能である。

このように陽極箔同士をコールドウェルド接続する場合の応用例としては、陽極箔一枚ごとに突片（電極引き出し端子）を取り付けるのではなく、コールドウェルドで接続した陽極箔同士を一つの陽極箔ユニットとして、その陽極箔ユニットから一枚の突片（電極引き出し端子）を引き出すこともできる。このようにすると、陽極箔からの突片の引き出し枚数を減らすことができ、後に陽極箔の突片同士を接続することが容易になる。

このような電極箔とセパレータの積層とコールドウェルドを繰り返して所望の枚数を積層したコンデンサ素子を得る。

そして、陽極箔１、陰極箔２の突片１１、２１（電極引き出し端子）同士を接合し、さらに外部接続リード線４，４を取付ける。このコンデンサ素子に駆動用の電解液を含浸し、外装ケース５に収納して、外装ケース５の開口部を封口部材６にて封口して電解コンデンサを得る（図４ｃ参照）。

このような電解コンデンサでは、陽極箔同士をコールドウェルドで接続しているため、コンデンサ素子内部での電極箔のずれが発生しない。また、陽極箔同士が接続されているために、集電のための電流経路が多くなり、電解コンデンサのＥＳＲの低減を図ることができる。
（第３の実施形態）
この第３の実施形態は、第２の実施形態の陽極箔同士を接続した積層型電解コンデンサの別の実施形態である。

陽極箔１、陰極箔２は第２の実施形態と同様のものを用い、これらの陽極箔１と陰極箔２は矩形状で同じ大きさに裁断する。そして、さらに各電極箔は矩形状に形成した角の一つを四角状に除去する（図５ａ参照）。

セパレータ３は第１の実施形態、第２の実施形態で使用したものと材質は同じであり、天然繊維、合成繊維からなる紙、不織布を用いることができる。このセパレータも所定の大きさに裁断されるが、電極箔よりもやや大きな面積、たとえば、各電極箔よりも縦横とも２ｍｍ程度のマージンを有する大きさとなるように裁断を行う。さらにセパレータは矩形状に形成した角の二つを四角状に除去する（図５ａ参照）。

また、陰極箔には直径３ｍｍ程度の貫通孔が複数個に形成されており、さらにセパレータにも陽極箔に形成した貫通孔と同じ位置に貫通孔が形成されている。このセパレータの貫通孔は陽極箔に形成された貫通孔と中心が同一で、やや径小に形成される。例えば２ｍｍ程度の貫通孔とする。この貫通孔の形成個数は任意である。

これらの陽極箔、陰極箔、セパレータを、下からセパレータ３、陰極箔２、セパレータ３、陽極箔１、セパレータ３、・・・の順番で積層していく。このとき陽極箔１と陰極箔２の周囲にはセパレータ３が１ｍｍ程度の長さではみ出すように積層するとともに、陽極箔１とセパレータ３に形成した貫通孔１２、３２が重なりあうように積層する。またセパレータに形成した角部には、それぞれの角部に陽極箔のみ、または陰極箔のみが交互に積層するように、電極箔の四角状に除去した角部が交互の位置となるように電極箔を積層する。

このように積層すると、積層されたコンデンサ素子の一方の角部は陽極箔のみ、他方の角部には陰極箔のみが積層された構造となる。

そして、所定枚数を積層した後に、陰極箔２の貫通孔２１の部分でコールドウェルドによって、陽極箔１同士を接合する。さらに積層とコールドウェルドを繰り返して所望の枚数を積層したコンデンサ素子を得る。

そして、コンデンサ素子の角部に電極引き出し端子を取付ける。この電極引き出し端子は、この第３の実施形態の場合には、陽極箔はコールドウェルドによって接続されているため、コールドウェルドで接続した陽極箔同士を一つの陽極箔ユニットとして、その陽極箔ユニットごとに一枚の電極引き出し端子７を取付ければよい。また、電極箔を積層する以前に予め電極引き出し端子７を接続したものであっても良い。この場合には従来より知られるステッチ法等により電極引き出し端子７を陽極箔に接続することができる。また、陰極箔同士は導通した状態とはなっていないため、陰極箔の角部をコールドウェルドによって、数枚の陰極箔を同時に接合する。このコールドウェルドの際に、陰極箔の間に電極引き出し端子（例えばアルミニウム平角線）を挟んでおいて、同時に接続し、電極引き出し端子７を導出することも可能である。

そして、このコンデンサ素子に駆動用の電解液を含浸し、外装ケース５に収納して、外装ケース５の開口部を封口部材６にて封口して電解コンデンサを得る。

（第４の実施形態）
次にこの発明の第４の実施形態について説明する。

この第４の実施形態は、前述してきた陽極箔同士を接合することと、陰極箔同士を接合することを複合的に用いたものである。

すなわち、図６、図７に示すように、陽極箔１、陰極箔２、セパレータ３に形成する貫通孔として、陽極箔１と陰極箔２にそれぞれ形成する貫通孔１２、２２の位置をずらして形成する。このように、電極箔に形成する貫通孔の位置を非対称の位置に形成する場合には、突片１１、２１を中心からずらして形成し、突片とは離して貫通孔を形成すると良い。そしてセパレータに形成する貫通孔３２は、陽極箔１と陰極箔２にそれぞれ形成した貫通孔１２、２２の両方に対応する位置に形成する。そして、セパレータ、陽極箔、セパレータ、陰極箔、セパレータ、陽極箔と積層し、陰極箔に形成した貫通孔の位置で陽極箔同士をコールドウェルドにて接続し、これを一つの陽極箔ユニットとする。また、この陽極箔ユニットからは、一枚の陽極箔に電極引き出し端子としての突片が形成されている（図７ａ、ｂ参照）。

そして、このセパレータ、陰極箔、セパレータ、陽極箔ユニット、セパレータ・・・の順に積層する。さらに、陽極箔に形成した貫通孔の位置で陰極箔同士をコールドウェルドにて接続して積層型のコンデンサ素子を作成する（図７ｃ参照）
さらに、コンデンサ素子の側の側面に突出したそれぞれの突片同士をコールドウェルド、超音波溶接、摩擦攪拌溶接等に方法で接合し、さらに電極引き出しリード４，４を取付ける。この素子に駆動用の電解液を含浸し、外装ケース５に収納して、外装ケースに開口部を封口部材６にて封口して電解コンデンサを得る（図６ｃ参照）。

この第４の実施形態では、２枚の陽極箔の間に、セパレータと陰極箔を挟み込んで陽極箔同士を接続した陽極を予め複数個用意し、さらにこの陽極箔ユニットをセパレータと陰極箔を交互に積層することで、陽極箔同士、陰極箔同士をそれぞれコールドウェルド接続した積層型コンデンサ素子を得ることができる。

この発明の第１の実施形態を示す図面で、（ａ）は陽極箔、陰極箔、セパレータを示す図面、（ｂ）は積層状態を示す図面、（ｃ）は完成した積層型電解コンデンサを示す断面図である。 この発明の第１の実施形態のコンデンサ素子の積層状態を説明する斜視図である。 この発明の第１の実施形態のコンデンサ素子をコールドウェルドする工程を説明する図面である。 この発明の第２の実施形態を示す図面で、（ａ）は陽極箔、陰極箔、セパレータを示す図面、（ｂ）は積層状態を示す図面、（ｃ）は完成した積層型電解コンデンサを示す断面図である。 この発明の第３の実施形態を示す図面で、（ａ）は陽極箔、陰極箔、セパレータを示す図面、（ｂ）は積層状態を示す図面、（ｃ）は完成した積層型電解コンデンサを示す断面図である。 この発明の第４の実施形態を示す図面で、（ａ）は陽極箔、陰極箔、セパレータを示す図面、（ｂ）は積層状態を示す図面、（ｃ）は完成した積層型電解コンデンサを示す断面図である。 この発明の第４の実施形態のコンデンサ素子の積層状態を説明する斜視図である。

符号の説明

１：陽極箔
１１：突片
１２：貫通孔
１３：切欠き部
２：陰極箔
２１：突片
２２：貫通孔
２３：切欠き部
３：セパレータ
３２：貫通孔
３３：切欠き部
４：外部接続リード線
５：外装ケース
６：封口部材
７：電極引き出し端子
１０１：陽極箔ユニット
ＣＷ：コールドウェルドポイント

Claims (5)

1. 陽極箔と陰極箔をセパレータを介して交互に積層したコンデンサ素子の陽極箔およびセパレータに貫通孔を形成し、この貫通孔の部分で陰極箔同士を接合した積層型電解コンデンサ。
2. 陽極箔に形成された貫通孔がセパレータの貫通孔よりも大きい請求項１に記載の積層型電解コンデンサ。
3. 陽極箔と陰極箔をセパレータを介して交互に積層したコンデンサ素子の陰極箔およびセパレータに貫通孔を形成し、この貫通孔の部分で陽極箔同士を接合した積層型電解コンデンサ。
4. 陰極箔に形成された貫通孔がセパレータの貫通孔よりも大きい請求項３に記載の積層型電解コンデンサ。
5. 接合した陽極箔のうち少なくとも一枚の陽極箔に電極引き出し端子を接合した請求項３または請求項４に記載の積層型電解コンデンサ。