JP5208843B2 - 電解コンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面に酸化皮膜が形成された陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回し、このセパレータに電解質層を保持させた電解コンデンサの製造方法に関するものである。

電解コンデンサは、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属からなり、表面に多数のエッチングピットや微細孔が形成された陽極体(陽極箔または焼結体)を備えており、陽極体の表面には、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ており、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。

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、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高周波領域におけるインピーダンス特性に優れている。

また、固体電解コンデンサとしては、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、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有する巻回型の固体電解コンデンサが知られている(例えば、特許文献１参照)。
ここで、セパレータは、紙繊維等の多孔質体であって、固体電解質層は、セパレータの孔の内部と、セパレータの外側(セパレータと陽極箔との間、およびセパレータと陰極箔との間)に存在している。

固体電解質層を形成するために、固体電解質層となる電解質溶液を保持容器に溜め、そこにコンデンサ素子を浸漬することによって、コンデンサ素子内に電解質溶液を含浸させる方法が知られている（例えば特許文献２、３参照）。

特開２００１−１８９２４２号公報 特開２００７−３１８１７０号公報 特開２００１−３３８８４５号公報

上記の方法では、コンデンサ素子に必要な量の電解質溶液を保持容器に溜め、当該電解質溶液内にコンデンサ素子を浸漬し、電解質溶液を含浸させたとしても、保持容器の隅に電解質溶液が残存することとなり、コンデンサ素子内への含浸が不十分となる。このため、保持容器に必要量よりも多くの電解質溶液を溜めておく必要がある。しかしながら、保持容器に溜められた電解質溶液の量が逆に多すぎる場合には、コンデンサ素子の底面に余剰の電解質溶液が堆積された状態で電解質固形物が形成されることがある。このように、コンデンサ素子の底面に多くの電解質固形物が形成されるとコンデンサ素子がケースに収まらなくなる。一方で、保持容器に溜められた電解質溶液の量が少なすぎる場合には、上記したように、コンデンサ素子内への含浸が不十分となるため、固体電解コンデンサの電気特性が低下することがある。

本発明は、上記技術的課題に鑑みなされたもので、電解コンデンサの安定生産を図ると共に、電解コンデンサの電気特性の安定化を図ることができる、電解コンデンサの製造方法の提供を目的とする。

本発明の電解コンデンサの製造方法は、表面に陽極酸化皮膜が形成された陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回することにより、コンデンサ素子を形成するコンデンサ素子形成工程と、メラニン系スポンジ、シリコン系スポンジおよびウレタン系スポンジの少なくとも１種を含んでなる多孔質弾性材料が底部に設置された保持容器に電解質溶液を供給し、前記多孔質弾性材料の上端面が前記保持容器に供給された前記電解質溶液の液面より高くなるように、前記電解質溶液を前記多孔質弾性材料の全域に保持させる供給工程と、前記コンデンサ素子の巻回された陽極箔、陰極箔およびセパレータの幅方向における一方端部が露出している面を、前記電解質溶が保持されている前記多孔質弾性材料の上端面に接触させることによって、前記コンデンサ素子の毛細管効果で当該コンデンサ素子内に前記電解質溶液を含浸させる含浸工程と、必要量の前記電解質溶液が前記コンデンサ素子に含浸されると、前記コンデンサ素子を前記多孔質弾性材料の上端面から離隔させるとともに、前記コンデンサ素子に含浸されることによって減少した量の前記電解質溶液を前記保持容器に補充する補充工程とを備えていることを特徴とする。

この構成によると、多孔質弾性材料が保持する電解質溶液を、コンデンサ素子の毛細管効果によって、必要な量のみコンデンサ素子に含浸させることができるため、余剰の電解質溶液がコンデンサ素子の底面に堆積して電解質固形物が形成されるのを抑制することができる。このため、電解コンデンサの安定生産を図ると共に、電解コンデンサの電気特性の安定化を図ることができる。

本発明の固体電解コンデンサの製造方法は、余剰の電解質溶液がコンデンサ素子の底面に堆積して電解質固形物が形成されるのを抑制することができる。また、必要量の電解質溶液をコンデンサ素子に確実に含浸させることができる。このため、電解コンデンサの安定生産を図ると共に、電解コンデンサの電気特性の安定化を図ることができる。

本発明の実施形態に関する電解コンデンサにおけるコンデンサ素子の分解斜視図である。 図１に示すコンデンサ素子の構造を模式的に示した図である。 図１に示すコンデンサ素子の製造工程を示すフローチャートである。 図３に示す電解質溶液含浸工程のうち、多孔質弾性材料を電解質溶液に浸漬させる工程を説明するための図である。 図３に示す電解質溶液含浸工程のうち、電解質溶液を保持した多孔質弾性材料にコンデンサ素子を接触・含浸させる工程を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態の電解コンデンサの製造方法によって製造された巻回型固体電解コンデンサ１は、コンデンサ素子６と、このコンデンサ素子６を収納する外装ケース（図示省略）と、外装ケースの開口部を封止する封口材（図示省略）とから構成されている。

図１に示すように、コンデンサ素子６は、陽極箔２と陰極箔３とがセパレータ４を介して巻回された構造を有する。

陽極箔２は、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属で形成されている。図２に示すように、陽極箔２の表面は、エッチング処理により粗面化（エッチングピット形成）されるとともに、陽極酸化（化成）による陽極酸化皮膜２ａが形成されている。
また、陰極箔３も陽極箔２と同様にアルミニウム等の弁作用金属からなり、その表面が粗面化されるとともに自然酸化皮膜３ａが形成されている。

陽極箔２および陰極箔３にはそれぞれリードタブ（図示省略）が接続されており、図１に示すように、陽極箔２および陰極箔３からはこのリードタブを介してリード線５がそれぞれ引き出されている。

セパレータ４は、多孔質体であって、具体的には、マニラ紙やヘンプ紙等の紙繊維や、これらの紙繊維にガラス繊維、樹脂繊維が混抄されたものが用いられている。

また、図２に示すように、セパレータ４は、導電性高分子からなる固体電解質層７を保持している。
固体電解質層７は、多孔質体であるセパレータ４内部に存在する内部層（図示せず）と、セパレータ４と電極箔(陽極箔２、陰極箔３)との間に形成されている２つの外部層（図示せず）とから構成されている。

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、またはポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）等が用いられ、これらは、モノマーの化学酸化重合、または、ポリマー溶液もしくはポリマー分散液から溶媒を除去することにより形成されている。

次に、巻回型固体電解コンデンサ１の製造方法について、図３のフローチャートを参照して説明する。
まず、陽極箔２および陰極箔３を構成する金属箔の表面にエッチング処理を施して粗面化する（エッチング）。その後、粗面化された陽極箔２の表面に化成処理を施すことで陽極酸化皮膜２ａが形成され、陰極箔３には、耐水性処理および／または熱処理にて自然酸化皮膜３ａが形成される（酸化皮膜形成）。

そして、陽極箔２と陰極箔３とを所定の寸法に裁断後、それぞれにリードタブを介してリード線５を接続するとともに、陽極箔２と陰極箔３とをセパレータ４を介して巻回し、円柱状のコンデンサ素子６を作製する（電極箔巻回）。
その後、アジピン酸アンモニウム水溶液中で、コンデンサ素子６に電圧を印加して素子化成（切り口化成）を行った後、コンデンサ素子６を加熱して、セパレータ４の炭化処理を行う（切り口化成・炭化処理）。

次に、コンデンサ素子６に、モノマーと酸化剤との混合溶液である電解質溶液を含浸する（電解質溶液含浸）。電解質溶液には、ドーパントを添加する。また、ドーパントを添加する代わりに、ドーパントを兼ねる酸化剤を用いてもよい。
コンデンサ素子６に電解質溶液を含浸する含浸工程について、図４および図５を参照しつつ説明する。まず、図４（ａ）に示すように、容器１１の底部に、多孔質弾性材料１２が設置されている。そして、図４（ｂ）に示すように、多孔質弾性材料１２の上端面が、電解質溶液１３の液面より高くなるように、容器１１内に電解質溶液１３を供給する。
多孔質弾性材料１２の構造としては、液体に対する毛細管現象を有し、電解質溶液１３を保持できる空孔率があり、コンデンサ素子６にストレスを与えない程度の弾性力を有するものが好ましい。具体的には、多孔質弾性材料１２がメラニン系スポンジ、シリコン系スポンジおよびウレタン系スポンジの少なくとも１種を含んでいることが好ましい。
多孔質弾性材料１２の一部が電解質溶液１３に浸漬されることによって、多孔質弾性材料１２の多孔質部の毛細管現象により、多孔質弾性材料１２の全域に電解質溶液１３が保持される。つまり、多孔質弾性材料１２が、容器１１に保持される電解質溶液１３の液面よりも高い位置で、電解質溶液１３を保持している。

つづいて、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、コンデンサ素子６の底面（巻回された陽極箔２、陰極箔３およびセパレータ４の幅方向に関する一方端部が露出している面）を、電解質溶液１３が保持されている多孔質弾性材料１２の上端面に接触させる。このとき、多孔質弾性材料１２に保持された電解質溶液１３が、コンデンサ素子６の毛細管現象によって、コンデンサ素子６内に吸い上げられ、コンデンサ素子６に含浸される。なお、コンデンサ素子６の毛細管現象は、巻回された陽極箔２、陰極箔３およびセパレータ４が形成する隙間と、セパレータ４が有する繊維構造によって発生する。

図５（ｃ）に示すように、必要量の電解質溶液１３がコンデンサ素子６に含浸されると、コンデンサ素子６を多孔質弾性材料１２の上端面から離隔させると共に、コンデンサ素子６に含浸されることによって減少した量の電解質溶液１３を容器１１に補充する。つまり、容器１１の電解質溶液１３の保持量を一定にする。これにより、次のコンデンサ素子６に電解質溶液１３を含浸させることが可能となる。

次に、図３に示すように、コンデンサ素子６を所定の温度で一定時間加熱し、モノマーを酸化剤によって化学重合させて導電性高分子を形成する（重合）。これにより、陽極箔２と陰極箔３との間に、セパレータ４によって保持された固体電解質層７が形成される（図２参照）。

以上の工程により得られた固体電解質層７を有するコンデンサ素子６を、外装ケースに収納して、開口部を封口材で封止する（組立工程）。最後に、高温雰囲気下において、所定の電圧(例えば、定格電圧)を印加してエージング処理を行い、巻回型固体電解コンデンサ１の製造工程を完了する。
このエージング処理により、陽極酸化皮膜２ａが再化成されて修復される。

なお、前記実施形態では、コンデンサ素子６に、モノマー溶液と酸化剤溶液との混合溶液である電解質溶液１３を含浸させ、化学酸化重合により導電性高分子からなる固体電解質層７を形成しているが、コンデンサ素子６を、予め重合した導電性高分子が分散された電解質溶液を含浸させた後、溶媒を蒸発させて、セパレータ４に固体電解質層７を保持させてもよい。
予め重合した導電性高分子が分散された溶液の具体例としては、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ分散液が挙げられる。

次に、本発明のより具体的な実施例を従来例、比較例と合わせて説明する。なお、以下に説明する実施例および従来例、比較例では、固体電解コンデンサの製造方法において、コンデンサ素子にモノマーと酸化剤との混合溶液である電解質溶液を含浸させる含浸工程のみが異なっており、その他の工程は全て同じである。
以下、含浸工程についてのみ説明する。なお、固体電解コンデンサの定格は、１０Ｖ−１０μＦである。

［実施例］多孔質弾性材料を使用。電解質溶液の液面より高い位置で含浸。
実施例においては、多孔質弾性材料の上端が容器内に保持した電解質溶液の液面より高くなるように多孔質弾性材料を浸漬し、これにコンデンサ素子を接触させることによって、コンデンサ素子に電解質溶液を含浸させた。

（従来例）多孔質弾性材料を使用しない。
従来例においては、容器が保持した電解質溶液にコンデンサ素子を浸漬することによって、コンデンサ素子に電解質溶液を含浸させた。

（比較例）多孔質弾性材料を使用。電解質溶液の液面と同じ高さで含浸。
比較例においては、多孔質弾性材料の上端が容器内に保持した電解質溶液の液面と同じ高さになるように多孔質弾性材料を浸漬し、これにコンデンサ素子を接触させることによって、コンデンサ素子に電解質溶液を含浸させた。

上記の実施例および従来例、比較例について、容量（Ｃａｐ）、損失（ｔａｎδ）、等価直列抵抗（ＥＳＲ）の初期特性を測定した結果と、コンデンサ素子の底面に生成された重合突起物の数とを示す。測定数はそれぞれ２０個とする。電気特性は、平均値と標準偏差を記し、コンデンサ素子の底面に生成された重合突起物の発生数は、２０個作製した際の発生個数で記す。

表１から明らかなように、実施例で作製した固体電解コンデンサは、従来例と比較例の固体電解コンデンサと比較し、電気特性が改善され、ばらつきも小さく安定した電気特性が得られている。

また、コンデンサ素子底面に生成された重合突起物の発生数から、コンデンサ素子に余剰に電解質溶液が含浸されず、安定したコンデンサ素子を製造することができていることが分かる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではない。上記実施例では固体電解コンデンサの製造方法で用いたが、駆動用電解液を使用するアルミニウム電解コンデンサにおいても、本発明の方式を用いることにより、定量含浸することができ、有効である。

また、上記実施例では、ＰＥＤＯＴを固体電解質に用いたが、公知の導電性高分子（ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン）を用いても同様の効果が得られる。

さらに、上記実施例では、酸化剤とモノマーとを混合調合した電解質溶液をコンデンサ素子に含浸する方法を採用したが、酸化剤とモノマーをコンデンサ素子に別々に含浸する方法を採用しても同様の効果が得られる。

１ 巻回型固体電解コンデンサ
２ 陽極箔
２ａ 陽極酸化皮膜
３ 陰極箔
３ａ 自然酸化皮膜
４ セパレータ
５ リード線
６ コンデンサ素子
７ 固体電解質層
１１ 容器
１２ 多孔質弾性材料
１３ 電解質溶液

Claims (1)

1. 表面に酸化皮膜が形成された陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回することにより、コンデンサ素子を形成するコンデンサ素子形成工程と、
   メラニン系スポンジ、シリコン系スポンジおよびウレタン系スポンジの少なくとも１種を含んでなる多孔質弾性材料が底部に設置された保持容器に電解質溶液を供給し、前記多孔質弾性材料の上端面が前記保持容器に供給された前記電解質溶液の液面より高くなるように、前記電解質溶液を前記多孔質弾性材料の全域に保持させる供給工程と、
   前記コンデンサ素子の巻回された陽極箔、陰極箔およびセパレータの幅方向における一方端部が露出している面を、前記電解質溶液が保持されている前記多孔質弾性材料の上端面に接触させることによって、前記コンデンサ素子の毛細管効果で当該コンデンサ素子内に前記電解質溶液を含浸させる含浸工程と、
   必要量の前記電解質溶液が前記コンデンサ素子に含浸されると、前記コンデンサ素子を前記多孔質弾性材料の上端面から離隔させるとともに、前記コンデンサ素子に含浸されることによって減少した量の前記電解質溶液を前記保持容器に補充する補充工程と
   を備えていることを特徴とする電解コンデンサの製造方法。

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