JPWO2014157425A1 - 電解コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、加締めによっても剥離が抑制された樹脂層と金属との密着性に優れたポリエステル樹脂被覆金属ケースを用いた電解コンデンサを提供することにある。金属ケースにコンデンサ素子及び封口部材を収納し、金属ケースの側面及び開口端面を加締めによって封止した電解コンデンサにおいて、前記金属ケースは、その外表面にポリエステル樹脂層が形成され、加締められた側面の金属ケースの厚みを、底面の金属ケースの厚みの１／２以上とすることで、ポリエステル樹脂層の金属ケースからの剥離が抑制でき、絶縁性を確保した信頼性の高い電解コンデンサを実現できる。

Description

本発明は、外装ケースとして用いられる金属ケースを改良した電解コンデンサ及びその製造方法に関する。

従来の電解コンデンサでは、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子には駆動用電解液が含浸され、アルミニウム等の金属ケースに収納され、金属ケースの開口端を封口部材にて封止されて電解コンデンサが形成される。

電解コンデンサの金属ケースの絶縁を図るため、従来から例えばポリ塩化ビニル樹脂などの収縮チューブを電解コンデンサに被覆して使用するものがあるが、高温リフロー時に収縮チューブの影響によって劣化するなどの現象があった。

この収縮チューブに代えて金属ケースの材料となる金属板（アルミニウム板）に樹脂層を被覆した板材を絞り加工により金属ケースを形成することも検討されている（特許文献１）。しかしながら、このような樹脂被覆された金属ケースでは樹脂層とアルミニウム面との密着性が悪いと、金属ケースの封止処理である加締め処理の際に、樹脂層がアルミニウム面から剥離してしまうことがある。金属ケースの樹脂層は主に電解コンデンサの金属ケースの絶縁を担っているが、金属板より剥離すると、樹脂層にピンホールが発生し易くなり、絶縁性が低下するおそれがある。

特開平９−２７５０４３号公報

そこで本発明は、加締めによっても剥離が抑制されたポリエステル樹脂層と金属との密着性に優れた樹脂被覆金属ケースを用いた電解コンデンサ及びその製造方法を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明の電解コンデンサは、金属板の外表面にポリエステル樹脂層を形成した金属ケースにコンデンサ素子及び封口部材を収納し、金属ケースの側面及び開口端面を加締めによって封止した電解コンデンサにおいて、前記金属ケースは、その外表面にポリエステル樹脂層を備え、加締めた側面の金属ケースの厚みを、底面の金属ケースの厚みの１／２以上とすることを特徴としている。

また、前記加締められた側面の金属ケースの内周径は、加締められていない側面の金属ケースの内周径の８５〜９５％の範囲としたことを特徴としている。

また、前記加締めた金属ケースの側面のポリエステル樹脂層が、金属ケースの加締め後に加わる１００℃以上の温度に晒されても剥離しないことを特徴としている。

また、本発明の電解コンデンサの製造方法は、金属ケースにコンデンサ素子及び封口部材を収納し、金属ケースの側面及び開口端面を加締めによって封止した電解コンデンサの製造方法において、前記金属ケースは、その外表面にポリエステル樹脂層を備え、加締める側面の金属ケースの厚みを、底面の金属ケースの厚みの１／２以上と設定して加締めることを特徴としている。

また、前記金属ケースは、加締め前に、金属ケースの外表面の温度が１４０〜２００℃となる熱処理が施されていることを特徴としている。

本発明の電解コンデンサ及びその製造方法によれば、次の何れかの効果が得られる。

（1）加締めによる金属ケースの側面の厚みを制御することで、金属ケースと樹脂層との密着性が向上し、加締め後の樹脂層の剥離を抑制することができる。樹脂層の剥離を抑制により、金属ケースの絶縁性が確保され、信頼性の高い電解コンデンサを実現できる。

（2）加締めによる金属ケースの側面の加締め部の寸法を制御することで、金属ケースと樹脂層と剥離を抑制することができる。

（3）加締め前に熱処理することで、金属ケースと樹脂層との密着性が向上し、加締め後の樹脂層の剥離を抑制することができる。

（4）金属ケースの加締め後に加わる熱雰囲気（例えばエージングやはんだ高温リフロー）に晒されても、樹脂層の剥離を抑制することができる。

実施例のケース収納前のコンデンサ素子の一例を示す図である。 金属ケースの製造工程を示す図であり、（ａ）は絞り加工前の樹脂層を被覆した金属板、（ｂ）は金属ケースを示す図である。 従来の電解コンデンサの製造工程を示す断面図である。 実施例の電解コンデンサの製造工程を示す断面図である。 実施例の電解コンデンサの金属ケースを示す断面図である。

本発明に係る電解コンデンサを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る電解コンデンサ１につき、図１から図５を参照して説明する。図１に示すように、実施例に係る電解コンデンサ１は、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回したコンデンサ素子２と、該コンデンサ素子２及び電解質を収納する有底筒状の金属ケース３と、該金属ケース３を封止する封口部材４とを備えている。

陽極箔はアルミニウム等の弁作用金属からなり、エッチング処理により表面が粗面化されるとともに、その表面に酸化皮膜層が形成されている。陰極箔は、陽極箔と同様にアルミニウム等の弁作用金属からなり、エッチング処理により表面が粗面化されている。これら両極の電極には、アルミニウム等の陽極側の引出端子５と、同じくアルミニウム等の陰極側の引出端子５がそれぞれステッチ、コールドウェルド、超音波溶接等の接続手法により電気的に接続されている。この引出端子５は、電極箔に接続される偏平部と外部接続用の引出部（ＣＰ線）を有するものや、帯状体から構成され一方が電極箔に接続され、他方が外部引き出し用の別途封口部材４に設けられた外部端子に接続されるものがある。

陽極箔及び陰極箔の間に介在されるセパレータは電気絶縁性であり、マニラ麻紙、クラフト紙、エスパルト紙、サイザル麻紙、ヘムプ紙、キュプラ、レーヨン、コットン或いはこれらの混抄紙や、合成繊維や不織布あるいはこれらの混抄紙などからなる。

コンデンサ素子２には、電解質として、駆動用電解液や固体電解質がコンデンサ素子内に含有されるとともにアルミニウムなどからなる有底筒状の金属ケース３に収納され、金属ケース３の開口部がゴム（例えば、ブチルゴム）などの弾性材料からなる封口部材４によって加締め封止される。封止としては、金属ケース３の開口端面の加締め７と金属ケース３の側面の加締め８によって金属ケース３と封口部材４が密着し、電解コンデンサ１の封止がなされる。

駆動用電解液としては、電解コンデンサ用の既存の駆動用電解液を使用することができ、例えば、γブチロラクトン、エチレングリコール、スルホラン、ジメチルホルムアミド、水及びそれらの混合溶媒等が挙げられる。また溶質として、有機酸や無機酸と塩として、アンモニウム塩、四級アンモニウム塩、四級化アミジニウム塩、アミン塩等が挙げられる。

固体電解質としては、固体電解コンデンサ用の既存の導電性高分子を使用することができ、例えば、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン又はそれらの誘導体などが挙げられる。特には、３，４−エチレンジオキシチオフェン、３−アルキルチオフェン、３−アルコキシチオフェン、３−アルキル−４−アルコキシチオフェン、３，４−アルキルチオフェン、３，４−アルコキシチオフェンなどが好適である。

金属ケース３は、図２の（ａ）に示すように、アルミニウムなどの金属材料の金属板（アルミニウム板１０）の表面にポリエステル樹脂層６が形成された積層体９を準備し、図２の（ｂ）に示すように、この積層体９を金属板側から絞り加工することで、外表面にポリエステル樹脂層６を備えた有底筒状の金属ケース３を形成することができる。

アルミニウム板１０とは、純アルミ又はアルミ合金の板状体を意味し、具体的には純アルミ系の１０００系、ＡＬ−Ｍｎ系の３０００系合金、ＡＬ−Ｍｇ系の５０００系合金の板状体があげられる。これらアルミニウム板１０はこれら例示したものに限定されるものではない。特に、ポリエステル樹脂の被覆性を考慮すると、１０００系又は３０００系のものが好ましい。

アルミニウム板１０の厚さは、０．１〜１ｍｍがよく、０．２〜０．８ｍｍが好ましい。０．１ｍｍより薄いと、上記ポリエステル樹脂を被覆することが困難となる。一方、１ｍｍより厚いと、絞り加工性が悪化してしまう。

アルミニウム板１０は、溶体化処理、時効処理などの種々の調質処理や前処理を施したものであっても良い。上記前処理は特に限定されず、アルミニウム板１０の表面に付着した油を除去し、表面の不均質な酸化物の皮膜を除去することができる処理であれば良い。例えば、弱アルカリ性の樹脂液による脱脂処理を施したのち、水酸化ナトリウム水溶液でアルカリエッチングをした後、硝酸水溶液でデスマット処理を行う処理や、脱脂処理後に酸洗浄を行う処理等が適宜採用される。また、脱脂と同時に積極的にエッチングしてアルミニウム板１０の表面が着色しない程度に粗面化し、アンカー効果を向上させることもできるし、また粗面化していないプレーン表面を備えたものでもよい。

アルミニウム板１０に被覆されるポリエステル樹脂としては、ポリエチレンテレフタレート、エチレンテレフタレート単位を主体とし、共重合成分がイソフタル酸、ナフタレンジカルボン酸或いはネオペンチルグリコール等である共重合ポリエステル、ブチレンテレフタレート単位を主体としたポリエステル、ポリエチレンナフタレート、及びこれらをブレンドした複合樹脂からなるフィルムがあげられ、特にはポリエチレンテレフタレートが好ましい。

なお、ポリエステル樹脂層６には必要に応じて、安定剤、酸化防止剤、帯電防止剤、顔料、滑剤、腐食防止剤などの添加剤を添加することができる。

ポリエステル樹脂層６の厚さは、３μ〜１００μｍであることが好ましく、より好ましくは５〜１５μｍである。３μｍ未満の場合はポリエステル樹脂層６を均一に積層することが極めて困難であり、さらに、得られた樹脂被覆アルミニウム板１０を絞り加工した際に樹脂層に亀裂を生じやすく、耐食性、電気絶縁性が著しく劣化する場合がある。一方、１００μｍを越えると経済的に不利となる。

この発明にかかるポリエステル樹脂を被覆したアルミニウム板１０（積層体９）の製造方法は特に限定されるものでないが、あらかじめ製膜したポリエステル樹脂を、加熱炉、誘導加熱ロール、熱媒加熱ロール等でポリエステル樹脂の融点以上の温度に加熱したアルミニウム板１０にラミネートロールにより熱融着する方法、或いは加熱溶融させたポリエステル樹脂をアルミニウム板１０上に押し出し被覆する方法等、公知の方法により作成することができる。

ポリエステル樹脂を被覆したアルミニウム板１０の成形加工程度によっては密着性が十分ではなく、また使用環境によっては耐食性が不足する等の場合もある。このような場合、ポリエステル樹脂とアルミニウム板１０の間に、アミノ基、エポキシ基、アクリル基などの官能基を持つシランカップリング剤層などのプライマー層や、アクリル基、ウレタン基、エポキシ基、ポリエステル基などの官能基を持つ接着剤層を順次、或いは各々個別に介在させて積層することにより、必要とする加工性や耐食性を得ることができる。

このように絞り加工によって形成した金属ケース３を封止のために加締めると、金属ケース３を構成するアルミニウム板１０の変形に対してのアルミニウム板１０の表面の追随性がよくないため、加締め時にポリエステル樹脂層６とアルミニウム板１０との密着性に影響を与える。この加締め時においては、ポリエステル樹脂層６がアルミニウム板１０から剥離は生じにくいものの、後工程のエージング処理や電解コンデンサ１の実装処理であるはんだリフロー処理の際に、１００度を超える温度雰囲気に晒されると、ポリエステル樹脂層６がアルミニウム板１０から剥離してしまう問題がある。

図３に示すとおり、絞り加工された金属ケース３の側面を加締めると側面のアルミニウム板１０が内側に伸びるとともにその厚みが減少していく。金属ケース３の側面に被覆されたポリエステル樹脂層６も同様に引き伸ばされることになり、側面におけるアルミニウム板１０とポリエステル樹脂層６との密着性に影響を与える。これは金属ケース３の側面のアルミニウム板１０が加締め８によって引き伸ばされ、その厚みが減少するほど、密着性への影響は大きくなる傾向となる。このような状況下において、１００度を超える温度雰囲気に晒されると、引き伸ばされたポリエステル樹脂が凝集して剥離１１が生じ、金属ケース３の側面にアルミニウム板１０が露出してしまうことになる。

そこで、本発明者らは、鋭意検討したところ、この引き伸ばされる金属ケース３の側面の加締め８の厚みを制御することで、ポリエステル樹脂層６の金属板からの剥離が抑制できることをつきとめた。つまり、図４に示すように、金属ケース３の側面の加締め８のアルミニウム板１０の厚み（Ｔ２）を、金属ケース３の底面のアルミニウム板１０の厚み（Ｔ１）の１／２以上とすることで、ポリエステル樹脂層６の剥離を抑制できることが分かった。金属ケース３は、アルミニウム板１０とポリエステル樹脂層６との積層体９を絞り加工したものであり、金属ケース３の高さによってアルミニウム板１０の底面の厚み（Ｔ１）と側面の厚み（Ｔ２）が変わる。ケース寸法が高いほど、側面のアルミニウム板１１の厚み（Ｔ２）が小さくなる傾向となり、底面の厚み（Ｔ１）と側面の厚み（Ｔ２）の差が広がる。特に金属ケース３の直径寸法より金属ケース３の高さ寸法を大きくした場合、金属ケース３の側面の伸びが多くなり、この状態で側面を加締めることで、加締められた金属ケース３の側面の厚み（Ｔ２）がさらに小さくなり、ポリエステル樹脂層６の追従が足りず剥離しやすい状況となる。つまり、金属ケース３の底面のアルミニウム板１０の厚み（Ｔ１）と側面の加締め８のアルミニウム板１０の厚み（Ｔ２）には関連性があり、特定の範囲に設定することで、つまり、側面の加締め８の厚み（Ｔ２）を底面の厚み（Ｔ１）の１／２以上とすることで、ポリエステル樹脂層６の剥離を抑制することができる。加締め８の厚みは、金属ケース３の側面の加締めによって薄肉化された金属板（アルミニウム板１０）の部位であって、最も厚みが薄い部位を示している。

また、ポリエステル樹脂層６の金属板（アルミニウム板１０）からの剥離を抑制するためには、金属ケース３の側面の加締め深さを検討することができる。通常側面の加締め８は、円盤状の加締めコマを金属ケース３の側面に押し当てて加締めることになるが、この加締め深さを制御することで、ポリエステル樹脂層６のアルミニウム板１０からの剥離を抑制できる。つまり、図４に示すように、金属ケース３の側面の加締め８の内周径（Ｔ４）を金属ケース３の加締められていない内周径（Ｔ３）の８５〜９５％の範囲に設定し、金属ケース３の側面の伸びを小さくしてポリエステル樹脂層６の剥離を抑制するとともに電解コンデンサ１の封止性を維持することができる。

また、さらにポリエステル樹脂層６の金属板（アルミニウム板１０）からの剥離を抑制するために、絞り加工後の有底筒状の金属ケース３を、その外表面が１４０〜２００℃となるように高温雰囲気にて熱処理すると好ましい。図５に示すとおり、ポリエステル樹脂層６を表面に形成したアルミニウム板１０を絞り加工することで、有底筒状の金属ケース３を成形する。この金属ケース３を、その外表面が１４０〜２００℃となるように高温雰囲気にて熱処理を行う。例えば金属ケース３を高温雰囲気とした高温槽の中に入れ、金属ケース３の外表面の温度が１４０〜２００℃となるように熱処理を行う。熱処理時間は金属ケース３の外表面の温度が１４０〜２００℃の範囲内とした処理時間として、３０分以上が好ましい。この熱処理によって、絞り加工によって金属ケース３の側面が伸びこれに追従するポリエステル樹脂層６が引き伸ばされた状態を緩和し、改めて金属ケース３と密着した状態となる。このように密着性が向上しているため、封止工程となる金属ケース３の側面の加締め８をより強くしても、またその後の高温雰囲気（エージングやはんだリフロー工程など）に晒されても、ポリエステル樹脂層６がアルミニウム板１０から剥離することがなく、金属ケース３の絶縁性を確保できる。なお、前記熱処理の温度が１４０℃未満であると、ポリエステル樹脂層６とアルミニウム板１０との密着性が改善されず、また２００℃を超えると、ポリエステル樹脂層６自体の劣化が生じ、絶縁性への影響が生じる。

以上のとおり、実施例に係る電解コンデンサ１においては、ポリエステル樹脂層６と金属板（アルミニウム板１０）との密着性が向上し、金属ケース３の側面の加締め後に熱雰囲気に晒されてもポリエステル樹脂層６が剥離することがなく絶縁性を確保することができ、信頼性の高い電解コンデンサ１を実現できる。

１ 電解コンデンサ
２ コンデンサ素子
３ 金属ケース
４ 封口部材
５ 引出端子
６ ポリエステル樹脂層
７ 開口端面の加締め
８ 側面の加締め
９ 積層体
１０ アルミニウム板
１１ 剥離

Claims (5)

1. 金属ケースにコンデンサ素子及び封口部材を収納し、金属ケースの側面及び開口端面を加締めによって封止した電解コンデンサにおいて、
   前記金属ケースは、その外表面にポリエステル樹脂層を備え、加締めた側面の金属ケースの厚みを、底面の金属ケースの厚みの１／２以上とした電解コンデンサ。
2. 前記加締めた側面の金属ケースの内周径は、加締めていない側面の金属ケースの内周径の８５〜９５%の範囲とした請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 前記加締めた金属ケースの側面のポリエステル樹脂層が、金属ケースの加締め後に加わる１００℃以上の温度に晒されても剥離しない請求項１乃至３いずれかに記載の電解コンデンサ。
4. 金属ケースにコンデンサ素子及び封口部材を収納し、金属ケースの側面及び開口端面を加締めによって封止した電解コンデンサの製造方法において、
   前記金属ケースは、前記金属ケースは、その外表面にポリエステル樹脂層を備え、加締める側面の金属ケースの厚みを、底面の金属ケースの厚みの１／２以上と設定して加締める電解コンデンサの製造方法。
5. 前記金属ケースは、加締め前に、その外表面が１４０〜２００℃となるような熱処理が施されている請求項４に記載の電解コンデンサの製造方法。