JP6890234B2 - 電解コンデンサ - Google Patents

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Description

本開示は、電解コンデンサに関し、特に積層された複数のコンデンサ素子を備える電解コンデンサに関する。
電子機器の高機能化に伴い、高容量の電解コンデンサが求められている。そこで、特許文献１のように、シート状の複数のコンデンサ素子を積層して形成されたコンデンサ素子群を用いる電解コンデンサが提案されている。
コンデンサ素子は、シート状の陽極体の表面に形成される誘電体層と、誘電体層の表面に形成される固体電解質層と、固体電解質層の表面に形成される陰極引出層とを備える。誘電体層は、陽極体の表面の全面または一部に形成される。固体電解質層および陰極引出層は、誘電体層の表面の一部を覆うように形成される。陽極体の一部と、誘電体層と、固体電解質層と、陰極引出層とは、コンデンサ素子の陰極部を構成する。固体電解質層および陰極引出層が形成されていない陽極体（さらには誘電体層）の残部は、陽極部を構成する。コンデンサ素子群に含まれる各コンデンサ素子の陽極部どうしは互いに接合されて、電気的に接続される。
特開２００４−３１９７９５号公報
陰極部には固体電解質層および陰極引出層が形成されているため、陰極部は陽極部より厚い。そのため、複数のコンデンサ素子を積層して、各陽極部を接合する際、陽極部と陰極部との境界において、コンデンサ素子にストレスがかかる。これにより、得られる電解コンデンサの漏れ電流が増大する場合がある。あるいは、積層されたコンデンサ素子どうしに、ズレが生じる場合がある。このような不具合は、陽極部の長さ（陽極部と陰極部との境界に垂直な方向の長さ）が短い場合に、より顕著になる。
本開示の電解コンデンサは、第１端辺および前記第１端辺の反対側の第２端辺を有するシート状の陽極体、前記陽極体の表面に形成された誘電体層、前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層、および、前記固体電解質層の表面に形成された陰極引出層、をそれぞれ有する複数のコンデンサ素子が積層されたコンデンサ素子群と、前記陽極体に電気的に接続する陽極端子と、前記コンデンサ素子群を覆い、前記陽極端子の一部を露出させる外装体と、を備え、前記陽極体が、前記第１端辺側にある第１領域と、前記第２端辺側にある第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との境界と、を備え、前記固体電解質層が、前記第１領域に対応する前記誘電体層の表面に形成されており、前記第２領域が、前記第２端辺に沿う方向の長さを短くする括れ部と、隣接する前記コンデンサ素子どうしを接合する接合部と、を備え、前記接合部が、前記括れ部と前記第２端辺との間に配置されており、前記第２端辺に沿う方向および前記陽極体の厚さ方向の両方に対して垂直な方向に延びて、かつ、前記陽極体を等分する中心線と、括れ部を形成する切り欠き端辺との最短距離Ｗ１が、前記接合部と前記中心線との最短距離Ｗ２よりも短い。
本開示の電解コンデンサによれば、陽極部と陰極部との境界にかかるストレスを低減することができる。その結果、信頼性が向上する。
本開示の実施形態に係る電解コンデンサを模式的に示す断面図である。 本開示の実施形態に係るコンデンサ素子を模式的に示す断面図である。 本開示の実施形態に係る陽極体を模式的に示す上面図である。 図３に示す陽極体の要部を拡大して示す上面図である。
電解コンデンサは、複数のコンデンサ素子が積層されたコンデンサ素子群と、陽極端子と、コンデンサ素子群を覆う外装体と、を備える。コンデンサ素子は、シート状の陽極体と、陽極体の表面に形成された誘電体層と、誘電体層の表面に形成された固体電解質層と、固体電解質層の表面に形成された陰極引出層と、を有する。陽極体は、第１端辺側にある第１領域と、第１端辺の反対側の第２端辺側にある第２領域と、第１領域と第２領域との境界と、を備えており、誘電体層は、第１領域の表面に形成される。
以下、図面を参照しながら、本実施形態に係る電解コンデンサ、コンデンサ素子および陽極体の構成について詳細に説明する。図１は、本実施形態に係る電解コンデンサ２００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係るコンデンサ素子１００を模式的に示す断面図である。図３は、陽極体１０を模式的に示す上面図である。図４は、図３に示す陽極体１０の要部を拡大して示す上面図である。
（電解コンデンサ）
電解コンデンサ２００は、例えば図１に示すように、複数のコンデンサ素子１００が積層されたコンデンサ素子群を備える。図１に示す電解コンデンサ２００は、積層された複数のコンデンサ素子１００（１００Ａ〜１００Ｃ）を含むコンデンサ素子群を備えており、コンデンサ素子群は、外装体２０１により封止されている。少なくとも一つのコンデンサ素子１００の第２領域Ｒ２（図２参照）には、陽極端子２０２が電気的に接続されている。さらに、少なくとも一つのコンデンサ素子１００の陰極引出層４０（図２参照）には、陰極端子２０３が電気的に接続されている。
積層された複数のコンデンサ素子１００は、例えば、各コンデンサ素子１００の第２領域Ｒ２の所定の位置で、レーザ溶接や抵抗溶接、針かしめ、ろう接等によって接合されて、互いに電気的に接続される。つまり、各コンデンサ素子１００の第２領域Ｒ２には、隣接するコンデンサ素子１００どうしを接合する接合部１２（図３参照）が形成されている。なお、隣接するコンデンサ素子１００どうしは、他の導電部材（例えば、金属板、金属片等）を介して接合されていてもよい。図１のコンデンサ素子群は、コンデンサ素子１００を３つ備えているが、配置されるコンデンサ素子１００の数は限定されない。
（コンデンサ素子）
コンデンサ素子１００は、例えば図２に示すように、シート状の陽極体１０と、陽極体１０の表面の少なくとも一部に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０の表面の少なくとも一部に形成された固体電解質層３０と、固体電解質層３０の表面の少なくとも一部に形成された陰極引出層４０と、を有する。このようなコンデンサ素子１００もまた、シート状である。
陽極体１０は、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２とを備えている。誘電体層２０は、少なくとも第１領域Ｒ１の表面に形成されている。第１領域Ｒ１と誘電体層２０と固体電解質層３０と陰極引出層４０とは、コンデンサ素子１００の陰極部１００Ｎを構成する。第２領域Ｒ２は、コンデンサ素子１００の陽極部１００Ｐを構成する。つまり、第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との境界ＬＢは、コンデンサ素子１００の陽極部１００Ｐと陰極部１００Ｎとの境界であり得る。言い換えれば、境界ＬＢは、固体電解質層３０の有無によって区分けすることができる。陽極体１０のうち、固体電解質層３０が形成されている領域が第１領域Ｒ１であり、それ以外の領域が第２領域Ｒ２である。図３および図４に、境界ＬＢを破線で示す。
（陽極体）
陽極体１０は、導電性材料として弁作用金属を含むシートである。弁作用金属としては、チタン、タンタル、アルミニウムおよびニオブ等が挙げられる。陽極体１０は、一種、または二種以上の上記弁作用金属を含んでいてもよい。陽極体１０は、合金または金属間化合物の形態で、弁作用金属を含んでいてもよい。陽極体１０の厚みは特に限定されず、例えば、１５μｍ以上、３００μｍ以下である。
陽極体１０の第１領域Ｒ１は、第１端辺１０１側に配置されている。第１領域Ｒ１の表面はエッチングされていることが好ましい。静電容量が増大するためである。第２領域Ｒ２は、第１端辺１０１に対向する第２端辺１０２側に配置されている。第２領域Ｒ２は、エッチングされていてもよいし、エッチングされていなくてもよい。
固体電解質層３０および陰極引出層４０を備える陰極部１００Ｎは、陽極部１００Ｐよりも厚い。そのため、複数のコンデンサ素子１００を積層して、第２領域Ｒ２の所定の位置で互いに接合する際、コンデンサ素子１００は、通常、境界ＬＢ、さらには境界ＬＢと第２端辺との間において折り曲げられる。よって、陽極体１０の境界ＬＢの近傍にはストレスがかかり易い。境界ＬＢと第２端辺１０２との間の距離Ｌ（図３参照）が十分長い場合には、上記ストレスの程度は小さい。しかし、距離Ｌを十分に長くすることは、容量密度が小さくなるため、望ましくない。
本実施形態では、第２領域Ｒ２に、第２端辺１０２に沿う方向（第２端辺１０２に平行な方向）の長さを短くする括れ部１１が配置される。複数のコンデンサ素子１００の第２領域Ｒ２どうしを接合する際、括れ部１１と第２端辺１０２との間の領域は、括れ部１１の端部（後述する、繋ぎ部１１０Ｅ近傍）から、第２端辺１０２に沿う方向とは異なる方向Ｔに延びる線上を起点として、コンデンサ素子群の厚み方向に折れ曲がり易くなる。方向Ｔは、例えば、第２端辺１０２に沿う方向および陽極体１０の厚さ方向の両方に垂直な方向（図３参照）である。
つまり、コンデンサ素子群における第１領域Ｒ１に対応する領域の厚みＴｎ（図１参照）と第２領域Ｒ２に対応する領域の厚みＴｐとの厚みの差Ｔｄは、境界ＬＢから括れ部１１までの領域における第２端辺１０２に沿う方向に延びる線、および、括れ部１１と第２端辺１０２との間の領域における方向Ｔに延びる線を起点とする、コンデンサ素子群の厚み方向への複数の折れ曲がりにより、吸収される。そのため、境界ＬＢにかかる上記ストレスが緩和される。特に、上記距離Ｌが、上記厚みの差Ｔｄの０．４〜３倍である場合、なかでも、０．８〜２倍である場合、上記ストレスの低減効果は高い。
厚みＴｎは、例えば、第１領域Ｒ１に対応するコンデンサ素子群の領域における、積層方向の任意の５点の厚みの平均値である。第１領域Ｒ１に対応する任意の５点は、陽極体１０を等分する第２端辺１０２に垂直な方向の中心線ＬＣ上に位置し、かつ、境界ＬＢ近傍を避けるように選択されることが好ましい。厚みＴｐは、最外に位置する２つのコンデンサ素子１００（図１では、コンデンサ素子１００Ａおよび１００Ｃ）の各接合部１２の中心を結んだ長さである。積層方向とは、例えば、第１領域Ｒ１の表面に対する法線方向である。
括れ部１１は、第２領域Ｒ２の一部を第２端辺１０２の方向に沿って切欠くことにより形成されており、括れ部１１を形成する切り欠き端辺１１０のすべては、第２領域Ｒ２に配置されている。
ここで、上記ストレスを低減するには、括れ部１１における括れの程度と接合部１２の位置との関係が重要である。すなわち、中心線ＬＣを基準として、括れ部１１が接合部１２よりも中心線ＬＣ近くまで括れていることにより、上記ストレスは低減される。具体的には、中心線ＬＣと切り欠き端辺１１０との最短距離Ｗ１が、接合部１２と中心線ＬＣとの最短距離Ｗ２よりも短くなるように、括れ部１１を設ける。特に、距離Ｌが短い場合（例えば、距離Ｌ＜最短距離Ｗ１の場合）、最短距離Ｗ１は小さいほど、上記ストレスが低減され易い。
なお、図３では、括れ部１１は、中心線ＬＣを挟んで互いに対向する位置に２箇所配置されているが、これに限定されない。例えば、括れ部１１は１箇所であってもよいし、中心線ＬＣに対して非対称に配置されてもよい。特に、括れ部１１は、上記ストレスが低減され易い点で、中心線ＬＣを挟んで対向する位置に２箇所、配置されることが好ましい。
括れ部１１は、境界ＬＢの近傍に配置されることが好ましい。これにより、括れ部１１と第２端辺１０２との間の領域が広くなるため、厚み差Ｔｄは、方向Ｔに沿った線を起点とする折れ曲がりによって吸収され易くなる。よって、境界ＬＢ近傍にかかるストレスがさらに抑制される。例えば、切り欠き端辺１１０の一方の端部（第１端部１１０Ａ。図４参照）が、第１端辺１０１と交わる第４端辺１０４に接続し、切り欠き端辺１１０の他方の端部（第２端部１１０Ｂ）が、第２端辺１０２と交わる第３端辺１０３に接続する場合、第１端部１１０Ａと境界ＬＢとの距離Ｄ１は、第１端部１１０Ａと第２端辺１０２との距離Ｄ２よりも短いことが好ましい。距離Ｄ１とＤ２との比：Ｄ１／Ｄ２は、０．０１〜１．２５であることが好ましい。特に、距離Ｄ１は、距離Ｄ２よりも短いことが好ましい。つまり、比：Ｄ１／Ｄ２は、０．０１以上、１未満であることが好ましい。
距離Ｄ１は、第１端部１１０Ａと境界ＬＢとの間の最短距離である。同様に、距離Ｄ２は、第１端部１１０Ａと第２端辺１０２との間の最短距離である。陽極体１０が丸角であって、第２端辺１０２と第３端辺１０３との境界が明確でない場合、図４に示すように、第２端辺１０２の延長線を引いて、この延長線と第１端部１１０Ａとの最短距離をＤ２とする。
括れ部１１における第２端辺１０２に沿う方向の陽極体１０の幅は、第２端辺１０２の幅Ｗ５に対して小さいほど望ましい。陽極体１０が、方向Ｔに沿った線を起点として折れ曲がり易くなるためである。一方、陽極体１０の強度維持の観点から、括れ部１１の上記幅は、第２端辺１０２の幅Ｗ５に対して過度に小さくないことが望ましい。これらを考慮すると、括れ部１１における第２端辺１０２に沿う方向の陽極体１０の最小幅Ｗ４と第２端辺１０２の幅Ｗ５との比：Ｗ４／Ｗ５は、０．２５〜０．５であることが好ましい。なお、陽極体１０が丸角である場合、図３に示すように、２本の第３端辺１０３の延長線を引いて、これらの延長線の間の最短距離をＷ５とする。
括れ部１１の形状は特に限定されない。特に、切り欠き端辺１１０は、図４に示すように、第２端辺１０２側に、第２端辺１０２に沿う方向の第１直線部１１０Ｃを備えることが好ましい。これにより、括れ部１１と第２端辺１０２との間の領域を広くすることができるため、接合部１２を配置し易くなる。さらに、この場合、括れ部１１と第２端辺１０２との間の領域は、方向Ｔに延びる線を起点として折れ曲がり易くなる。これにより、厚み差Ｔｄはさらに吸収され易くなる。
切り欠き端辺１１０は、境界ＬＢ側にも第２端辺１０２に沿う方向の第２直線部１１０Ｄを備えることが好ましい。括れ部１１と第２端辺１０２との間の領域を広くできるためである。すなわち、好ましい切り欠き端辺１１０の形状は、例えば、第２端辺１０２に沿う第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとを備えるＵ字型である。第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとを繋ぐ繋ぎ部１１０Ｅの形状は特に限定されず、直線であってもよいし、曲線を含んでいてもよい。
第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとの距離Ｌ１と、境界ＬＢと第２直線部１１０Ｄとの距離Ｌ２との比：Ｌ２／Ｌ１は、０．１〜４であることが好ましく、０．１〜０．５であることがより好ましい。括れ部１１が、境界ＬＢに近接して配置される場合、第２直線部１１０Ｄおよび十分に長い距離Ｌ１により、第２領域Ｒ２は、第２端辺に沿う方向に多段階で（あるいは緩やかに）折れ曲がることができる。そのため、上記ストレスは低減される。また、この場合、切り欠き端辺１１０の形状が非常にシンプルであるため、生産性にも優れる。例えば、陽極体１０を打ち抜いて括れ部１１を形成する場合、打ち抜きに用いられる刃の形状もシンプルになって、括れ部１１を精度よく形成することができる。
切り欠き端辺１１０の形状が、第１直線部１１０Ｃと第２直線部１１０Ｄとを備えるＵ字型である場合、第１直線部１１０Ｃと第２端辺１０２との距離Ｌ３と、境界ＬＢと第２直線部１１０Ｄとの距離Ｌ２との比：Ｌ２／Ｌ３は、０．１〜１．７であることが好ましく、０．１〜０．３であることがより好ましい。これにより、第１直線部１１０Ｃと第２端部１０２との間の領域に、陽極端子２０２を接続するのに十分な面積を確保することができる。
距離Ｌ１は平均値であり、第１直線部１１０Ｃの任意の３点から第２直線部１１０Ｄに向かって、それぞれ第１直線部１１０Ｃに垂直な線を引いたときの当該線の長さの平均値である。距離Ｌ、Ｌ２およびＬ３も平均値であり、同様にして算出すればよい。
陽極端子２０２は、接合部１２に対応する位置、つまり、括れ部１１と第２端辺１０２との間に配置される。特に、陽極端子２０２は、第２端辺１０２と交わる第３端辺１０３の近傍に配置されることが好ましい。この領域は、折れ曲がりの起点になり難いためである。ここで、陽極端子２０２とは、図１に示すように、コンデンサ素子１００と外部とを接続する陽極リード２０２Ｂ、および、陽極リード２０２Ｂに電気的に接続するかしめ部材２０２Ａの少なくとも一方である。かしめ部材２０２Ａは、例えば、複数のコンデンサ素子１０をかしめるために用いられる。
括れ部１１における切り欠きの深さ（中心線ＬＣに垂直な方向の長さ）は、陽極端子２０２の中心線ＬＣに垂直な方向の長さよりも深いことが好ましい。つまり、切り欠き端辺１１０と中心線ＬＣとの最短距離Ｗ１は、陽極端子２０２と中心線ＬＣとの最短距離Ｗ３よりも短いことが好ましい。方向Ｔに延びる線を起点とする折れ曲がりが、陽極端子２０２が配置される領域にかかり難くなるため、接続信頼性が確保され易くなる。
（誘電体層）
誘電体層２０は、第１領域Ｒ１の表面を、化成処理等により陽極酸化することにより形成される。陽極酸化は、公知の方法により形成され得る。なお、誘電体層２０はこれに限定されず、誘電体として機能する絶縁性の層であればよい。誘電体層２０は、少なくとも第１領域Ｒ１の表面に形成される。
（固体電解質層）
固体電解質層３０は、誘電体層２０の表面の少なくとも一部に形成される。固体電解質層３０は、例えば、マンガン化合物や導電性高分子を含む。導電性高分子として、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリンおよびこれらの誘導体などを用いることができる。
導電性高分子を含む固体電解質層３０は、例えば、原料となるモノマーを誘電体層２０上で化学重合および／または電解重合することにより、形成することができる。あるいは、予め重合された導電性高分子を含む液体を誘電体層２０に塗布することにより、形成することができる。
（陰極引出層）
陰極引出層４０は、固体電解質層３０の表面の少なくとも一部に形成される。陰極引出層４０は、例えば、カーボン層と、カーボン層の表面に形成された金属（例えば、銀）ペースト層と、を有している（いずれも図示せず）。このような陰極引出層４０は、カーボンペーストおよび銀ペーストを順次、塗布することにより形成される。
（陽極端子）
各コンデンサ素子１００は、図１に示すように、第２領域Ｒ２において接合されるとともに、かしめ部材２０２Ａによりかしめられていてもよい。これにより、積層された各コンデンサ素子１００どうしの接続信頼性が向上する。かしめ部材２０２Ａには、陽極リード２０２Ｂが電気的に接続されている。この場合、陽極端子２０２は、かしめ部材２０２Ａと、かしめ部材２０２Ａと電気的に接続する陽極リード２０２Ｂと、を備える。陽極リード２０２Ｂの一部は、外装体２０１から露出している。かしめ部材２０２Ａと陽極リード２０２Ｂとは一体化されていてもよいし、別体でもよい。
かしめ部材２０２Ａは、最外に位置する２つのコンデンサ素子（図４では、コンデンサ素子１００Ａおよび１００Ｃ）の第２領域Ｒ２にそれぞれ接合している。例えば、複数のコンデンサ素子をレーザ溶接により接合した後、かしめ部材２０２Ａを当該溶接部に対応する位置でコンデンサ素子群を挟み込むように配置する。次いで、この状態で、さらにレーザ溶接することにより、かしめ部材２０２Ａとコンデンサ素子群とは接合される。かしめ部材２０２Ａは、例えば平板状の部材を曲げ加工することにより得られる。
陽極リード２０２Ｂは、かしめ部材２０２Ａを介して、各コンデンサ素子１００の第２領域Ｒ２と電気的に接続している。陽極リード２０２Ｂとかしめ部材２０２Ａとは一体化していてもよい。かしめ部材２０２Ａおよび陽極リード２０２Ｂの材質は、導電性を有するものであれば、特に限定されない。
（外装体）
外装体２０１は、例えば、絶縁性の樹脂により形成される。絶縁性の樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、ポリイミド、ポリアミドイミド、不飽和ポリエステル等が挙げられる。
（陰極端子）
陰極端子２０３は、陰極引出層４０と電気的に接続している。陰極端子２０３の材質も、導電性を有するものであれば、特に限定されない。陰極端子２０３は、例えば、上記のような導電性接着剤２０４を介して、陰極引出層４０に接合している。
本開示に係る電解コンデンサは、信頼性に優れるため、様々な用途に利用できる。
１０：陽極体
１０１：第１端辺
１０２：第２端辺
１０３：第３端辺
１０４：第４端辺
１１：括れ部
１１０：切り欠き端辺
１１０Ａ：第１端部
１１０Ｂ：第２端部
１１０Ｃ：第１直線部
１１０Ｄ：第２直線部
１１０Ｅ：繋ぎ部
１２：接合部
２０：誘電体層
３０：固体電解質層
４０：陰極引出層
１００、１００Ａ〜１００Ｃ：コンデンサ素子
１００Ｐ：陽極部
１００Ｎ：陰極部
２００：電解コンデンサ
２０１：外装体
２０２：陽極端子
２０２Ａ：かしめ部材
２０２Ｂ：陽極リード
２０３：陰極端子
２０４：導電性接着剤

Claims (4)

  1. 第１端辺および前記第１端辺の反対側の第２端辺を有するシート状の陽極体、前記陽極体の表面に形成された誘電体層、前記誘電体層の表面に形成された固体電解質層、および、前記固体電解質層の表面に形成された陰極引出層、をそれぞれ有する複数のコンデンサ素子が積層されたコンデンサ素子群と、
    前記陽極体に電気的に接続する陽極端子と、
    前記コンデンサ素子群を覆い、前記陽極端子の一部を露出させる外装体と、
    を備え、
    前記陽極体が、前記第１端辺側にある第１領域と、前記第２端辺側にある第２領域と、前記第１領域と前記第２領域との境界と、を備え、
    前記固体電解質層が、前記第１領域に対応する前記誘電体層の表面に形成されており、
    前記第２領域が、前記第２端辺に沿う方向の長さを短くする括れ部と、隣接する前記コンデンサ素子どうしを接合する接合部と、を備え、
    前記接合部が、前記括れ部と前記第２端辺との間に配置されており、
    前記第２端辺に沿う前記方向および前記陽極体の厚さ方向の両方に対して垂直な方向に延びて、かつ、前記陽極体を等分する中心線と、前記括れ部を形成する切欠き端辺との最短距離Ｗ１が、前記接合部と前記中心線との最短距離Ｗ２よりも短く、
    前記境界と前記第２端辺との距離Ｌが、前記コンデンサ素子群の前記第１領域における積層方向の厚みと、前記第２領域における積層方向の厚みとの差Ｔｄの０．４〜３倍である電解コンデンサ。
  2. 前記陽極端子が、前記第２領域に接続されており、
    前記最短距離Ｗ１が、前記陽極端子と前記中心線との最短距離Ｗ３よりも短い、請求項１に記載の電解コンデンサ。
  3. 前記括れ部の前記第２端辺に沿う方向の長さＷ４と前記第２端辺の幅Ｗ５との比：Ｗ４／Ｗ５が、０．２５〜０．５である、 請求項１または２に記載の電解コンデンサ。
  4. 前記切り欠き端辺が、前記第２端辺に近い側に、前記第２端辺に沿う前記方向に延びる第１直線部を備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電解コンデンサ。
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