JP6847583B2 - 円筒状ハウジング内の薄型マルチアノードアセンブリ - Google Patents
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Description
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる、2015年3月13日に出願した米国特許出願第14/657,266号の優先権を主張する。
それにも関わらず、特にコンデンサアセンブリが複数のコンデンサ素子を含む場合に、高いリップル電流の環境に曝露された際に改善されたESRおよび放熱能力を有し、高温および高電圧において信頼性をもって作動することができるコンデンサアセンブリに対するニーズが目下存在する。
本発明のその他の特徴および態様を、以下にさらに詳細に説明する。
本発明の最良の形態を含む、当業者を対象とした本発明の完全かつ実施可能な開示を、添付した図面を参照して本明細書の残りの部分でさらに詳細に説明する。
本考察は例示的な実施形態の説明に過ぎず、本発明のより広い態様を限定することを意図していないこと、このより広い態様が例示的な構成において具体化されることは、当業者には理解されるべきである。
ここで本発明の種々の実施形態をより詳細に説明する。
A.アノード
コンデンサ素子のそれぞれのアノードは一般にバルブ金属粉末から形成される。粉末は1グラムあたり約2,000μF*V(「μF*V/g」)〜約500,000μF*V/gの比電荷を有し得る。当技術分野において公知のように、比電荷はキャパシタンスと用いた電解酸化電圧との積を電解酸化前の電極体の質量で割ることによって決定することができる。ある実施形態においては、粉末は高い比電荷、たとえば、約70,000μF*V/g以上、いくつかの実施形態においては約80,000μF*V/g以上、いくつかの実施形態においては約90,000μF*V/g以上、いくつかの実施形態においては約100,000〜約400,000μF*V/g、いくつかの実施形態においては約150,000〜約350,000μF*V/gを有し得る。言うまでもなく、粉末は低い比電荷、たとえば、約70,000μF*V/g以下、いくつかの実施形態においては約60,000μF*V/g以下、いくつかの実施形態においては約50,000μF*V/g以下、いくつかの実施形態においては約2,000〜約40,000μF*V/g、いくつかの実施形態においては約5,000〜約35,000μF*V/gも有し得る。
誘電体も、コンデンサアセンブリ中のコンデンサ素子のそれぞれのアノード体を覆うまたは被覆する。焼結されたアノードをアノード酸化(「電解酸化」)することによって誘電体が形成され、それにより、誘電体層がアノード体の上および/または中に形成される。たとえば、タンタル(Ta)アノード体が五酸化タンタル(Ta2O5)に電解酸化される。典型的には、アノード体を電解質に浸漬するなどして最初に溶液をアノード体に適用することによって電解酸化が実施される。溶媒、たとえば水(たとえば脱イオン水)が一般に用いられる。イオン伝導率を増大させるために、溶媒中で解離してイオンを形成することができる化合物を用い得る。そのような化合物の例としては、たとえば、酸、たとえば、電解質に関連して下に記すような酸が挙げられる。たとえば、酸(たとえばリン酸)は電解酸化溶液の約0.01質量%〜約5質量%、いくつかの実施形態においては約0.05質量%〜約0.8質量%、いくつかの実施形態においては約0.1質量%〜約0.5質量%を構成し得る。所望であれば、酸のブレンドを用いてもよい。
電解酸化溶液に電流を流すことによって誘電体層が形成される。化成電圧の値によって誘電体層の厚みが調整される。たとえば、必要な電圧に達するまで、電力供給を最初に定電流モードに設定してよい。その後、アノード体の全表面にわたって所望の厚みの誘電体が形成されることを確実にするために、電力供給を定電圧モードに切り換えてよい。言うまでもなく、他の公知の方法、たとえば、パルス定電圧法またはステップ定電圧法を用いてもよい。アノード酸化が起こる電圧は、典型的には約4〜約400V、いくつかの実施形態においては約9〜約200V、いくつかの実施形態においては約20〜約150Vの範囲である。酸化の間、電解酸化溶液は約30℃以上、いくつかの実施形態においては約40℃〜約200℃、いくつかの実施形態においては約50℃〜約100℃の高温に保ってよい。アノード酸化は周囲温度またはそれ以下で行なってもよい。得られる誘電体層は、アノード体の表面上およびその空孔の内部に形成され得る。
上記のように、固体電解質は、一般にコンデンサのカソードとして機能する誘電体を覆う。いくつかの実施形態においては、固体電解質は二酸化マンガンを含んでよい。固体電解質が二酸化マンガンを含む場合には、二酸化マンガン固体電解質は、たとえば硝酸マンガン(Mn(NO3)2)の熱分解によって形成し得る。そのような手法は、たとえばSturmerらの米国特許第4945452号に記載されており、この文献は全ての目的のため、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
TはOまたはSであり、
Dは置換されていてもよいC1−C5アルキレン基(たとえばメチレン、エチレン、n−プロピレン、n−ブチレン、n−ペンチレン等)であり、
R7は直鎖状または分枝状の、置換されていてもよいC1−C18アルキル基(たとえばメチル、エチル、n−またはイソ−プロピル、n−、イソ−、sec−またはtert−ブチル、n−ペンチル、1−メチルブチル、2−メチルブチル、3−メチルブチル、1−エチルプロピル、1,1−ジメチルプロピル、1,2−ジメチルプロピル、2,2−ジメチルプロピル、n−ヘキシル、n−ヘプチル、n−オクチル、2−エチルヘキシル、n−ノニル、n−デシル、n−ウンデシル、n−ドデシル、n−トリデシル、n−テトラデシル、n−ヘキサデシル、n−オクタデシル等);置換されていてもよいC5−C12シクロアルキル基(たとえばシクロペンチル、シクロヘキシル、シクロヘプチル、シクロオクチル、シクロノニル、シクロデシル等);置換されていてもよいC6−C14アリール基(たとえばフェニル、ナフチル等);置換されていてもよいC7−C18アラルキル基(たとえばベンジル、o−、m−、p−トリル、2,3−、2,4−、2,5−、2−6、3−4−、3,5−キシリル、メシチル等);置換されていてもよいC1−C4ヒドロキシアルキル基、またはヒドロキシル基であり、
qは0〜8、いくつかの実施形態においては0〜2の整数、一実施形態においては0であり、
nは2〜5,000、いくつかの実施形態においては4〜2,000、いくつかの実施形態においては5〜1,000である]
有するものである。「D」基または「R7」基の置換基の例としては、たとえばアルキル、シクロアルキル、アリール、アラルキル、アルコキシ、ハロゲン、エーテル、チオエーテル、ジスルフィド、スルホキシド、スルホン、スルホネート、アミノ、アルデヒド、ケト、カルボン酸エステル、カルボン酸、カーボネート、カルボキシレート、シアノ、アルキルシランおよびアルコキシシラン基、カルボキシルアミド基等が挙げられる。
T、D、R7、およびqは上で定義している。特に好適なチオフェンモノマーは、「D」が置換されていてもよいC2−C3アルキレン基であるモノマーである。たとえば、一般構造:
を有する、置換されていてもよい3,4−アルキレンジオキシチオフェンを用いてよい。特定の一実施形態においては、「q」は0である。3,4−エチレンジオキシチオフェンの1つの市販の好適な例はClevios(商標)Mの表示のもとにHeraeus Cleviosから入手可能である。その他の好適なモノマーは、Blohmらの米国特許第5111327号、およびGroenendaalらの第6635729号にも記載されている。たとえば上記のモノマーのダイマーまたはトリマーである、これらのモノマーの誘導体も用いることができる。モノマーのより高分子量の誘導体、即ちテトラマー、ペンタマー等は本発明における使用に好適である。誘導体は同一の、または異なったモノマー単位から作成することができ、純粋な形態および相互の、および/またはモノマーとの混合物として用いられる。これらの前駆体の酸化形または還元形も用いることができる。
用いる場合には、分散液中および得られる層におけるそのような対イオン対導電性ポリマーの質量比は、典型的には約0.5:1〜約50:1、いくつかの実施形態においては約1:1〜約30:1、いくつかの実施形態においては約2:1〜約20:1である。導電性ポリマーの質量は、重合中に完全な転化が起こると仮定して、上記の質量比を参照し、用いたモノマーの計量に対応する。導電性ポリマーおよび対イオンに加えて、分散液は1つまたは複数のバインダー、分散剤、充填剤、接着剤、架橋剤等を含んでもよい。
必要ではないが、アノード体に外部ポリマーコーティングを適用して、コンデンサアセンブリ中のコンデンサ素子のそれぞれの固体電解質を覆ってもよい。外部ポリマーコーティングは一般に、より詳細に上述したような予め重合した導電性粒子の分散液から形成された1つまたは複数の層を含む。外部コーティングはコンデンサ本体の周縁領域にさらに浸透し、誘電体への接着を高め、機械的により強固な部分をもたらすことができ、それにより等価直列抵抗および漏洩電流を低減することができる。所望であれば、固体電解質への接着程度を増大させるために、外部ポリマーコーティングに架橋剤を用いることもできる。典型的には、架橋剤は外部コーティングに用いる分散液を適用する前に適用される。好適な架橋剤はたとえばMerkerらの米国特許公開第2007/0064376号に記載されており、たとえばアミン(たとえばジアミン、トリアミン、オリゴマーアミン、ポリアミン等)、Mg、Al、Ca、Fe、Cr、Mn、Ba、Ti、Co、Ni、Cu、Ru、CeまたはZnの塩または化合物等の多価金属カチオン、ホスホニウム化合物、スルホニウム化合物等を含む。
所望であれば、コンデンサ素子は当技術分野において公知の他の層を含んでもよい。たとえば、誘電体と固体電解質との間に、保護コーティング、たとえば、比較的絶縁性のレジン材料(天然または合成)、たとえばシェラック樹脂から作られるものを形成してもよい。これらのおよびその他の保護コーティング材料は、Fifeらの米国特許第6674635号により詳細に記載されている。所望であれば、部品にはそれぞれ炭素層(たとえばグラファイト)および銀層を適用してもよい。銀コーティングは、たとえばコンデンサのはんだ付け可能な導電体、接触層、および/または集電体として作用し、炭素コーティングは銀コーティングの固体電解質との接触を制限することができる。そのようなコーティングは固体電解質の一部または全部を覆ってよい。
上記のように、複数のコンデンサ素子は金属の円筒状ハウジング内に密閉シールされ、本発明のコンデンサアセンブリを形成している。金属の円筒状ハウジング内に密閉シールされたコンデンサ素子の数は2〜約50、いくつかの実施形態においては3〜約25、いくつかの実施形態においては4〜約20の範囲であってよい。いくつかの実施形態においては、密閉シールは使用中の固体電解質の酸化を阻止するために、少なくとも1種の不活性ガスを含むガス雰囲気の存在下に存在してもよい。不活性ガスとしては、たとえば窒素、ヘリウム、アルゴン、キセノン、ネオン、クリプトン、ラドン等、ならびにそれらの混合物が挙げられる。典型的には、不活性ガスはハウジング内の雰囲気の大部分、たとえば約50質量%〜100質量%、いくつかの実施形態においては約75質量%〜100質量%、いくつかの実施形態においては雰囲気の約90質量%〜約95質量%を構成する。所望であれば、比較的少量の非不活性ガス、たとえば二酸化炭素、酸素、水蒸気等を用いてもよい。しかしその場合には、非不活性ガスは典型的にはハウジング内の雰囲気の15質量%以下、いくつかの実施形態においては10質量%以下、いくつかの実施形態においては約5質量%以下、いくつかの実施形態においては約1質量%以下、いくつかの実施形態においては約0.01質量%〜約1質量%を構成する。たとえば、水分含量(相対湿度として表現される)は約10%以下、いくつかの実施形態においては約5%以下、いくつかの実施形態においては約1%以下、いくつかの実施形態においては約0.01〜約5%であってよい。
図8は、本発明によって企図されるさらに別の実施形態を示す。ここでコンデンサアセンブリ300は中心軸Cの周囲に配列された3つのコンデンサ素子20a、20bおよび20cを含み、アノードリード6a、6bおよび6cは中心軸Cにおいて互いに対面し、接続部35(たとえばはんだ)を介して互いに結合しており、この接続部35は、任意の好適な接続部、たとえば、金属ワイヤまたはテープである導電部材であってよい接続部37を介してアノード終端部135に結合している。一実施形態においては、接続部37は銅テープであってよい。アノードリード6aはy方向に平行で、アノードリード6bおよび6cと概して直角に配列され、アノードリード6bおよび6cはx方向に平行に配列され、接続部37と概して直角であるように示されているが、これは要求されておらず、コンデンサ素子20a、20bおよび20cは中心軸Cの周囲の任意の位置に配列され得ることを理解されたい。
上で考察したようにコンデンサ素子20をベース123に接続した後、コンデンサ素子20を樹脂またはカプセル化材料で被覆してもよい。さらに、蓋125も樹脂またはカプセル化材料で被覆してよい。特定の一実施形態においては、カプセル化材料は熱伝導性材料であってよい。たとえば図10を参照して、蓋125の内表面145の少なくとも一部をカプセル化材料143で被覆し、その後でカプセル化材料143を硬化させてもよい。蓋125の内表面145の少なくとも一部にカプセル化材料143が存在することにより、本発明のコンデンサアセンブリの熱を放散する能力を促進することができる。一方、図11を参照して、コンデンサ素子をコンデンサアセンブリ100のベース123に接続した後、カプセル化材料143をコンデンサ素子の周囲に配置して(図示せず)、コンデンサ素子をカプセル化材料143によって少なくとも部分的にカプセル化し、その後でカプセル化材料143を硬化させてもよい。さらに、いくつかの実施形態においては、コンデンサ素子をカプセル化材料143で完全にカプセル化してもよい。そのようにしてコンデンサ素子をカプセル化材料143でカプセル化することによって、本発明のコンデンサアセンブリの熱を放散する能力をさらに促進することができる。
所望の方法によっていったん組み立てて接続すれば、得られるパッケージを上述のように密閉シールする。再び図1を参照し、たとえばコンデンサ素子をハウジング内に位置付けた後、ハウジングにはベース123の上面に設けた蓋125を含めてもよい。所望であれば、シールを良好にするために蓋にフランジ127を含ませてもよい。いったん所望の位置に設置すれば、溶接(たとえば抵抗溶接、レーザー溶接等)、はんだ付け等の公知の手法を用いて蓋125をベース123に密閉シールする。いくつかの実施形態においては、密閉シールは上述のように不活性ガスの存在下に行なわれ、したがって得られるアセンブリには、反応性ガス、たとえば、酸素または水蒸気が実質的に存在しない。
試験手順
等価直列抵抗(ESR)
等価直列抵抗は、ケルビンリードを備えたAgilent E4980A Precision LCR Meterを用いて、DCバイアスを2.2V、ピークツーピーク正弦波信号を0.5Vとして測定することができる。動作周波数は100kHz、温度は23℃±2℃であった。
キャパシタンス(CAP)
キャパシタンスは、ケルビンリードを備えたAgilent E4980A Precision LCR Meterを用いて、DCバイアスを2.2V、ピークツーピーク正弦波信号を0.5Vとして測定した。動作周波数は120Hzであった。
漏洩電流は、漏洩電流を測定するKeithley 2410 Source Meterを用いて、最小60秒後に適切な電圧(25℃〜85℃についてはUr、125℃についてはUrの60%、および150℃についてはUrの50%)で用いて測定した。
リップル電流
リップル電流は、GoldStar GP505電源、Agilent 33210A信号発生器、Pt100熱電対を備えたAlmemo 2590−9データロガー、およびFluke 80iオシロスコープを用いて測定した。適切な値のリップル電流がコンデンサを通過する場合、AC信号および10VのDCバイアスに関して動作周波数は20kHzであった。リップル電流の増大とともに温度も上昇した。温度はサーモカメラでモニターした。
試験の後、キャパシタンスが103.6μF、ESRが16.2mΩと決定した。漏洩電流およびリップル電流の試験結果の概要を以下に示す。
7 絶縁材料
20 コンデンサ素子
21 コンデンサ素子の対
23 主表面
25 第1の副表面
27 第2の副表面
33 コンデンサ素子ブロック
35 接続部
37 接続部
100 コンデンサアセンブリ
123 ベース
125 蓋
127 フランジ
129 取り付け穴
131 取り付け穴
135 アノード終端部
139 絶縁材料
141 下側表面
143 カプセル化材料
145 蓋の内表面
200 コンデンサアセンブリ
300 コンデンサアセンブリ
526 空間
HH z方向におけるハウジングの全体の高さ
DL x方向における円筒状金属ハウジングの蓋の直径
LB y方向における円筒状金属ハウジングのベースの長さ
WB y方向における円筒状金属ハウジングのベースの幅
C 中心軸
Claims (21)
- 複数のコンデンサ素子であって、それぞれが焼結多孔質アノード体、前記アノード体を覆う誘電体層、および前記誘電体層を覆う固体電解質を含み、それぞれのコンデンサ素子からアノードリードが伸長している、複数のコンデンサ素子と、
蓋およびベースを含む金属の円筒状ハウジングであって、前記蓋がx方向の直径を有し、前記金属の円筒状ハウジングがz方向の高さを有し、直径対高さの比が約1.5〜約20の範囲であり、前記金属の円筒状ハウジングが密閉シールされており、前記複数のコンデンサ素子が内部でz方向に沿って延びる中心軸の周囲に単一の平面で配列された内部キャビティを画定している、金属の円筒状ハウジングと
を含み、
各コンデンサ素子の前記アノードリードは、前記中心軸に向け伸長し、単一の接続ワイヤに結合しており、前記単一の接続ワイヤは、アノード終端部に結合しており、前記アノード終端部は、前記ベースを通して伸長する、コンデンサアセンブリ。 - 前記内部キャビティが不活性ガスを含むガス雰囲気を有する、請求項1に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記コンデンサ素子が前記中心軸の周囲にラジアル構成で配列されている、請求項1または2に記載のコンデンサアセンブリ。
- 第1のコンデンサ素子と第2のコンデンサ素子の複数の対が前記中心軸の周囲に配列されている、請求項1から3までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記第1のコンデンサ素子が第1のアノードリードを有し、前記第2のコンデンサ素子が第2のアノードリードを有し、前記対における前記第1のアノードリードと前記第2のアノードリードが導電部材を介して接続されている、請求項4に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記アノードリードがはんだ付けによって前記接続ワイヤに結合している、請求項1に記載のコンデンサアセンブリ。
- さらに絶縁材料が前記ベースと前記アノード終端部との間に配置されている、請求項1に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記固体電解質が前記ベースに接続されている、請求項1から7までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記固体電解質が導電性接着剤によって前記ベースに接続されている、請求項8に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記コンデンサアセンブリが2〜約50個のコンデンサ素子を含む、請求項1から9までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記ハウジングのz方向の高さが約3mm〜約30mmの範囲である、請求項1から10までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記アノード体がタンタル、ニオブ、またはそれらの導電性酸化物を含む粉末から形成されている、請求項1から11までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記固体電解質が導電性ポリマーまたは二酸化マンガンを含む、請求項1から12までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記導電性ポリマーが置換ポリチオフェンである、請求項13に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記置換ポリチオフェンがポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)である、請求項14に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記固体電解質が複数の予め重合した導電性ポリマー粒子を含む、請求項1から15までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 約10アンペア以上の最大リップル電流を有する、請求項1から16までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 約20mΩ未満の等価直列抵抗を有する、請求項1から17までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- カプセル化材料が少なくとも部分的に前記複数のコンデンサ素子をカプセル化しているか、前記蓋の少なくとも内表面に配置されているか、またはその組み合わせである、請求項1から18までのいずれか1項に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記カプセル化材料が熱伝導性である、請求項19に記載のコンデンサアセンブリ。
- 前記カプセル化材料が約1W/m・K以上の熱伝導率を有する、請求項20に記載のコンデンサアセンブリ。
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