JP6106418B2 - 電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、静電容量の向上及びＥＳＲの低下を実現できる電解コンデンサに関する。

電解コンデンサは、一般的に、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回又は積層してコンデンサ素子とし、このコンデンサ素子に電解液を含浸してケース等に収納し、封口を行なうことにより製造される。陽極箔には、アルミニウム等の弁金属の箔に化学的あるいは電気化学的なエッチングにより拡面処理が施され、この拡面処理した箔の表面に化成処理をすることにより酸化被膜層が形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−５０４９２号公報

近年、アルミニウム等の弁金属の箔に施すエッチングの効率を向上させ、箔の表面積を従来よりも拡大させることによって静電容量を向上させることが行われている。しかしながら、このような電解コンデンサにおいても、静電容量が未だ十分ではなく、ＥＳＲ（等価直列抵抗）の低下と共に更なる静電容量の向上が望まれていた。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、静電容量の向上及びＥＳＲの低下を実現できる電解コンデンサを提供することにある。

本発明者等は、前記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、アルミニウム箔からなる陽極体の代わりに、アルミニウム粉末を所定形状に成型して焼結した陽極体を用いることにより、電解コンデンサの静電容量を向上でき、かつＥＳＲを低下できることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、陽極端子を有するとともに、弁金属の粉末の焼結体からなる陽極体と、前記陽極体の表面を被覆するように形成されたセパレータと、前記セパレータを被覆するように配置され、表面にチタン（Ｔｉ）層を形成したアルミニウム粉末を用いた陰極体と、を備えたコンデンサ素子に、電解液を含浸したことを特徴とする。

本発明によれば、静電容量の向上及びＥＳＲの低下を実現できる電解コンデンサを提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電解コンデンサを示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態におけるコンデンサ素子を示す断面図である。 第２の実施形態の変形例におけるコンデンサ素子を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態において用いた陽極体を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態におけるコンデンサ素子を示す断面図であり、（ａ）は全体図、（ｂ）は（ａ）の一部拡大図である。 第３の実施形態の変形例において用いた陽極体を示す断面図である。

［第１の実施形態］
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を参照して具体的に説明する。
（電解コンデンサの構造）
図１に、本実施形態の電解コンデンサの構造を示す。この電解コンデンサ１０は、アルミニウム粉末を円柱状に焼結した陽極体１の一方の端部に陽極端子２を植設するとともに、陽極体１の外周面にセパレータ３を１周巻回し、セパレータ３の外周面に、一端に陰極端子(図示せず)を有する陰極体４を陰極端子が陽極端子２の植設側とは反対側になるように配置し１周巻回してコンデンサ素子５とし、コンデンサ素子５に図示しない電解液を含浸して両端が開口した筒状のケース６に挿入し、ケース６の開口を封口ゴム７で封口したものである。

次に、この電解コンデンサ１０の各構成部分について、製造手順の一例に従って説明する。
まず、アルミニウム粉末を円柱状の空間を有する金型に入れプレスして円柱状の成型体を製造し、その一方の端部に陽極端子２を植接した後、焼結して陽極体１を形成する。

（アルミニウム粉末)
アルミニウム粉末は、例えば、アルミニウム純度９９．８重量％以上の純アルミニウム粉末を用いることが好ましい。また、アルミニウム合金粉末を用いても良く、例えば、珪素（Ｓｉ）、鉄（Ｆｅ）、銅（Ｃｕ）、マンガン（Ｍｎ）、マグネシウム（Ｍｇ）、クロム（Ｃｒ）、亜鉛（Ｚｎ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、ガリウム（Ｇａ）、ニッケル（Ｎｉ）、ホウ素（Ｂ）及びジルコニウム（Ｚｒ）等の元素を１種以上含むアルミニウム合金粉末でもよい。アルミニウム合金中のこれらの元素の含有量は、それぞれ１００重量ｐｐｍ以下、特に５０重量ｐｐｍ以下とすることが好ましい。また、アルミニウム粉末またはアルミニウム合金粉末表面にチタン（Ｔｉ）層を形成してもよい。粉末体表面のチタン（Ｔｉ）層は、電解コンデンサ使用中に発生する水素ガスを吸蔵する効果が期待される。特に、表面にチタン（Ｔｉ）層を形成したアルミニウム粉末を用いることで、後述する焼結体内部の空隙表面にチタン（Ｔｉ）層を確実に形成することができ、水素ガスの吸蔵効果が期待できる。層の厚みは、期待される効果を考慮して適宜設定することができる。なお、後述する焼結体の成形工程後に、該焼結体外表面にチタン（Ｔｉ）層を形成してもよい。

前記粉末の形状は、特に限定されず、球状、不定形状、鱗片状、繊維、貫通孔を有する気泡体状等のいずれも好適に使用できる。特に、球状粒子からなる粉末が好ましい。球状粒子からなる粉末の平均粒径は、１μｍ以上８０μｍ以下、特に、１μｍ以上３０μｍが好ましい。平均粒径が１μｍより小さいと、所望の耐電圧が得られないおそれがある。また、８０μｍより大きいと、所望の静電容量が得られないおそれがある。なお、粉末の平均粒径は、レーザー回折式粒度分布測定器により測定することができる。

また、前記粉末は、公知の製造方法によって得ることができる。例えば、アトマイズ法、メルトスピニング法、回転円盤法、回転電極法、その他の急冷凝固法等が挙げられるが、工業的生産にはアトマイズ法、特に、ガスアトマイズ法が好ましい。

（アルミニウム粉末の成型）
アルミニウム粉末の成型法は特に制限されるものではないが、乾式で成型するには冷間プレス成型、ＣＩＰ(Cold IsostaticPress：冷間静水圧)成型等の方法を採用することができる。湿式で成型するには、後述するようにバインダや溶剤と混合（混合したものを便宜上「ペースト状組成物」という）して、泥漿鋳込成型、射出成型、押出成型等の方法を採用することができる。その他、ホットプレス、真空ホットプレス等を採用することもできる。

湿式成型する際に用いる樹脂バインダとしては、例えば、カルボキシ変性ポリオレフィン樹脂、酢酸ビニル樹脂、塩化ビニル樹脂、塩酢ビ共重合樹脂、ビニルアルコール樹脂、ブチラール樹脂、フッ化ビニル樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、尿素樹脂、フェノール樹脂、アクリロニトリル樹脂、ニトロセルロース樹脂、パラフィンワックス、ポリエチレンワックス等の合成樹脂又はワックス、タール、にかわ、ウルシ、松脂、ミツロウ等の天然樹脂又はワックスを用いることができる。これらのバインダは、それぞれ分子量、樹脂の種類等により、加熱時に揮発するものと、熱分解によりその残渣がアルミニウム粉末とともに残存するものとがあり、所望の静電特性等に応じて使い分けすることができる。また、溶剤も公知のものが使用できる。例えば、水のほか、エタノール、トルエン、ケトン類、エステル類等の有機溶剤を使用することができる。ペースト状組成物には必要に応じて、焼結助剤、界面活性剤等が含まれていてもよい。これらはいずれも公知又は市販のものを使用することができる。湿式成型後、必要に応じて、２０℃以上３００℃以下の範囲内の温度で乾燥させてもよい。

成型体の大きさは、特に限定されないが、円柱形の場合は、直径１ｍｍφ〜１００ｍｍφ程度、長さ３０〜２００ｍｍ程度が好ましい。

（焼結体の形成）
次に、成型体を焼結して焼結体とする。焼結体は、前記のアルミニウム粉末が緻密化して焼結粒子となり、これらの焼結粒子同士が空隙を維持しながら繋がった構造を有していると推定される。焼結温度は、５６０℃以上６６０℃以下とすることが望ましい。焼結時間は、焼結温度等により異なるが、通常は５〜２４時間程度の範囲内で適宜決定することができる。焼結雰囲気は、酸化防止の観点から真空雰囲気又は還元性雰囲気とすることが好ましい。また、圧力条件については、常圧、減圧又は加圧のいずれでもよい。

なお、前記ペースト状組成物中に樹脂バインダ等の有機成分が含有している場合は、焼結に先立って予め１００℃以上から６００℃以下の温度範囲で保持時間が５時間以上の加熱処理（脱脂処理）を行なうことが好ましい。加熱処理雰囲気は、特に限定されず、例えば、真空雰囲気、不活性ガス雰囲気又は酸化性ガス雰囲気中のいずれでもよい。また、圧力条件も、常圧、減圧又は加圧のいずれでもよい。

なお、焼結体を構成する粉末の粒径を異ならせてもよい。例えば、焼結体の内側に粒径が大きい粉末を配置し、焼結体の外側（焼結体表層側）に粒径が小さい粉末を配置することによって、電解液の保持量が向上する。つまり、焼結体の内部に粒径が大きい粉末を配置することによって、粒径間の空隙が大きくなり、電解液の含浸性向上と電解液を多く保持することが可能となり、一方、焼結体表層側に粒径の小さい粉末を配置させることで、空隙を小さくし、電解液を焼結層の外へ流出することを防ぐことができる。

（陽極酸化処理）
次に、アルミニウム焼結体に陽極酸化処理を施して、アルミニウム焼結粒子の表面に誘電体膜となる酸化被膜を形成し、陽極体１を作成する。陽極酸化処理条件は特に限定されないが、通常は濃度０．０１モル以上５モル以下、温度３０℃以上１００℃以下のホウ酸溶液中で、１０ｍＡ／ｃｍ^２以上４００ｍＡ／ｃｍ^２程度の電流を５分以上印加すればよい。なお、過剰なシュードベーマイト皮膜が発生する場合は、化学的処理にて残存シュードベーマイト皮膜の除去処理を施し、粉末積層部内の空隙目詰まりを防止してもよい。

（電解コンデンサの作製）
次に、図１に示すように、酸化被膜を形成した円柱状の陽極体１に、セパレータ３と陰極体４を順に１周づつ巻回してコンデンサ素子５を形成する。セパレータ３は、マニラ紙、クラフト紙、ガラスセパレータなど、またはビニロン、ポリエステルなどの合成繊維からなる不織布、さらには多孔質セパレータを用いることができる。陰極体４は、アルミニウム箔を好適に用いることができる。なお、陰極体４には予め陰極端子（図示せず）が接続されており、陽極端子２とは逆方向に引き出されている。

さらに、コンデンサ素子５に、図示しない電解液を含浸させる。コンデンサ素子５に含浸させる電解液には、使用されるアルミニウム電解コンデンサの性能によって種々のものがあるが、エチレングリコールを用いたものや、γ−ブチロラクトンに四級アンモニウム塩を溶解したもの等、公知の種々の電解液を用いることができる。

続いて、コンデンサ素子５を筒状のケース６に挿入する。ケース６は、両端に開口を有する筒状体であり、ケース６にコンデンサ素子５を挿入後、端子用の貫通孔を有する封口ゴム７にて封止して、電解コンデンサ１０を作製する。

(効果)
（１）本実施形態によれば、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介在させて巻回した従来例の巻回型コンデンサ素子で同じ寸法を有するものと比較して、約１．４倍の大きな静電容量を得ることができる。これは、従来例の巻回型コンデンサ素子に比べ、静電容量の大きさに影響する陽極体１の面積をその分大きく得ることができるためと考えられる。

即ち、陽極体１の外周に、セパレータ３及び陰極体４を順に１周巻きつけるだけであり、陰極体４とセパレータ３の体積を従来の巻回型素子に比べて小さくできる。このため、コンデンサ素子５における陽極体１の占める割合を相対的に大きくすることができるため、静電容量の向上が可能となる。

（２）アルミニウム焼結粒子が形成されることにより、陽極体１の全体の空隙が電解液を保持するために必要な空隙として最適化できる。

（３）同様に、アルミニウム焼結粒子は、焼結体内の粒子径を変化させることにより、内部空隙形状を自由に設定できる。例えば、焼結体の内部の粒子径を焼結体表面の粒子径より大きくすることで、粒子間に形成される空隙を大きくでき、より多くの電解液を保持できる。また、焼結体表面の粒子径を小さくすることで、表面の空隙を小さくし、電解液を焼結層に閉じ込めることができ、コンデンサの長寿命化に寄与することができる。

［第２の実施形態］
図２に、本発明の第２の実施形態におけるコンデンサ素子の断面図を示す。このコンデンサ素子２０は、中空状の焼結体からなる陰極体を長さ方向に２分割して陰極体４ａ，４ｂとし、これらの陰極体４ａ，４ｂを長さ方向に同様に２分割したセパレータ３ａ，３ｂを介して陽極体１に被せるように配置したものである。

本実施形態によれば、陽極体１の周囲にセパレータ３ａ，３ｂ及び陰極体４ａ，４ｂを容易に配置することができる。

また、本実施形態の変形例として、図３に示すように、２分割せずに連続したセパレータ３’を用いてコンデンサ素子３０を形成することもできる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態では、陽極体について、図４に示すように、周面から中心部に向かう複数の溝１１を形成した歯車状の陽極体１２を用いたことを特徴としている。
図５に、本実施形態における陽極体１２の表面にセパレータ３及び陰極体４を形成したコンデンサ素子４０の断面図を示す。このような歯車状の陽極体１２を用いることで、陽極体１２の表面積が大きくなり、陽極体１２と陰極体４とが対向する面積が大きくなるため、ＥＳＲの低減を図ることができる。

また、本実施形態の変形例として、図６に示すように、複数の切り込み２１を形成したすき歯状の陽極体２２を用いることによっても、陽極体２２と陰極体とが対向する面積が大きくなり、ＥＳＲの低減を図ることができる。

［その他の実施形態］
第１の実施形態では、陽極端子２と陰極端子（図示せず）の引き出し方向を逆としたが、同一方向に引き出す構造としてもよい。その場合、筒状のケース６の一端を有底とし、他端の開口から陽極端子２及び陰極端子を引き出す構造とすることができる。

第１の実施形態では陰極体４としてアルミニウム箔を用いたが、陽極体１と同様にアルミニウム焼結体としてもよい。つまり、陽極体１の周囲にセパレータ３を介在させて陰極体となる焼結体を配置してもよい。なお、陰極体として焼結体を用いる場合、アルミニウム等の弁金属の粉末や、アルミニウム等の弁金属の粉末にカーボンナノチューブを混ぜたものを焼結させて作製してもよい。カーボンナノチューブを混ぜることで陰極体の抵抗が下がり、ＥＳＲを低減させることができる。

また、ケース６の開口部から陰極端子を引き出す構造ではなく、ケースの内面と陰極体とを接触又は接続させ、外部との接続手段を施したケースを用いて、外部と接続を行なう構造としてもよい。つまり、ケースの側面に板状若しくは棒状の外部端子を接続してもよく、ケースの側面にはんだ付与層を形成し外部と直接接続させる構造としてもよい。

上記実施形態では陽極体１を円柱状に形成したが、板状や多角形状、中空状等の他の形状としてもよい。

上記実施形態では、陽極体としてアルミニウム粉末を用いる例を示したが、アルミニウム以外のタンタル、ニオブ、チタン等の他の弁金属の粉末を用い、これを焼結して陽極体１や陰極体４とすることもできる。

第１の実施形態では、円柱状の陽極体１の外周にセパレータ３及び陰極体４を順に巻きつける巻回型の例を示したが、陽極体１を板状としてセパレータ３及び陰極体４を積層する積層型の電解コンデンサ１０とすることもできる。

上記実施形態における円柱状の陽極体１の長手方向に沿って貫通構造を形成することもできる。陽極体１をなすアルミニウム焼結体に貫通構造を形成することにより、電解液がその貫通構造に含浸されるため、電気の通り道が形成されて抵抗を低くすることが可能になる。

また、上記実施形態では、アルミニウム粉末を焼結してアルミニウム焼結体としたが、金属発泡体等の多孔質の金属体にアルミニウム粉末を含浸させて焼結して、焼結体を形成してもよい。つまり、所望の大きさに成形した網目構造の金属体に、アルミニウム粉末を浸漬して焼結させることで焼結体を形成する。このようにすることで、焼結体の強度が向上する。また、アルミニウム粉末を金型に投入しプレスし所定の形状に形成する方法に対し、金型が不要で、異形状の電極体の形成が容易に加工でき、また複雑な形状でも形成ができる。

さらに、ペースト状組成物を用いて陽極体１を形成する場合、一度に塗布できる厚みは、スラリーの粘度に制限されるため、厚い陽極体１を形成する場合は、数度にわたって塗布と焼結を繰返す必要があるが、多孔質の金属体にアルミニウム粉末を含浸させて焼結する方法では、その作業も省略できコストが大幅に低減できる。

また、金属発泡体ベースのネットワーク構造を形成することにより、ＥＳＲを低下させることができる。

１…陽極体
２…陽極端子
３、３ａ、３ｂ、３’…セパレータ
４、４ａ、４ｂ…陰極体
５…コンデンサ素子
６…ケース
７…封口ゴム
１０…電解コンデンサ
１１…溝
１２…陽極体
２０…コンデンサ素子
２１…切り込み
２２…陽極体
３０…コンデンサ素子
４０…コンデンサ素子

Claims (7)

1. 陽極端子を有するとともに、弁金属の粉末の焼結体からなる陽極体と、前記陽極体の表面を被覆するように形成されたセパレータと、前記セパレータを被覆するように配置され、表面にチタン（Ｔｉ）層を形成したアルミニウム粉末を用いた陰極体と、を備えたコンデンサ素子に、電解液を含浸したことを特徴とする電解コンデンサ。
2. 前記陽極体は、アルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を焼結して形成されていることを特徴とする請求項１記載の電解コンデンサ。
3. 前記陽極体は、多孔質金属体にアルミニウム粉末又はアルミニウム合金粉末を焼結して形成されていることを特徴とする請求項１記載の電解コンデンサ。
4. 前記陽極体は円柱状に形成され、前記陽極体の外周に前記セパレータ及び前記陰極体を順に配置することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の電解コンデンサ。
5. 前記陽極体は、周面から中心部に向かう複数の溝が形成された歯車状の陽極体であり、前記陽極体の外周に前記セパレータを外周形状に沿って配置し、さらに前記陰極体を外周形状に沿って配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電解コンデンサ。
6. 前記陽極体は、複数の切り込みを有するすき歯状の陽極体であり、前記陽極体の外周に前記セパレータを外周形状に沿って配置し、さらに前記陰極体を外周形状に沿って配置することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の電解コンデンサ。
7. 前記陰極体は、前記陽極体の外周形状に沿った分割可能な形状であり、前記陽極体と前記陰極体の間に適合するように前記セパレータを配置することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の電解コンデンサ。

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