JP5370188B2 - 陽極酸化膜の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、弁金属の陽極酸化膜の製造方法と、陽極酸化膜を備える電解コンデンサに関する。

従来、電解コンデンサでは、陽極酸化法等によって基材層の表面を酸化することで陽極酸化膜を形成している。そして、コンデンサとして機能させる場合には、陽極酸化膜を誘電体として用いて、基材層を正極側として用いる。通常、基材層には弁金属を用いる。基材層の材質としてはタンタルやアルミニウムが安定性の面で優れている。そのため、電解コンデンサの正極側にはタンタルやアルミニウムが用いられる。

電解コンデンサの静電容量は、誘電体の比誘電率が大きいほど大きくなる。したがって、陽極酸化膜としては、酸化タンタルや酸化アルミニウムよりも比誘電率の大きいチタンが望ましい。ところが酸化チタンを基材層の表面に形成した電解コンデンサでは、漏れ電流が大きいといった問題が生じている。

例えば特許文献１では、電解コンデンサの正極側として用いるチタンの表面処理方法が記載されている。特許文献１記載の方法では、まずチタン基板を準備する。そして、チタンの表面を脱脂するため、超音波洗浄を行う。そして、陽極酸化処理を行っている。

特開２００７−１９１８２号公報

チタンは大気中に放置すると表面に容易に自然酸化膜が形成される。したがって、洗浄工程において自然酸化膜を除去したとしても、大気中で即座に自然酸化膜が形成される。

漏れ電流の原因は、基材層の表面に形成される自然酸化膜中の結晶性酸化物のためと考えられている。自然酸化膜中には、結晶性酸化物の生成を促す核のようなものがある。それが陽極酸化による陽極酸化膜の成長過程で成長し、結晶性酸化物が形成すると考えられている。

図６に従来の陽極酸化膜の製造過程を示す断面図を示す。図６（Ａ）のように、基材層１の表面には自然酸化膜２が形成されている。この基材層１を陽極酸化すると、図６（Ｂ）のように、自然酸化膜２の上に陽極酸化膜４が形成される。この自然酸化膜２が結晶性酸化物の生成を促す核となり、漏れ電流の原因となると推測される。

本発明は、かかる課題に鑑みなされたものであって、自然酸化膜を形成させず、漏れ電流を抑制する陽極酸化膜の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る陽極酸化膜の製造方法は、弁金属で構成される基材層の表面に形成された自然酸化膜を溶液中で除去する工程と、前記溶液中で、前記自然酸化膜が除去された基材層の表面にめっきで保護膜を形成する工程と、前記保護膜が形成された基材層に陽極酸化用溶液中で電圧を印加して、前記保護膜を除去すると共に、前記基材層の表面に陽極酸化膜を形成する工程と、を備えることを特徴としている。

本発明では、自然酸化膜の除去とめっきによる保護膜の形成を同一の溶液中で行う。したがって、新たな自然酸化膜を形成させずに保護膜を形成できる。また、安価に保護膜を形成することが可能である。

また、本発明に係る陽極酸化膜の製造方法は、前記自然酸化膜を電解研磨法で除去することを特徴としている。

かかる場合には、簡易に自然酸化膜を除去することが可能となる。

また、本発明に係る陽極酸化膜の製造方法は、前記弁金属がチタンであることを特徴としている。

チタンは強固な自然酸化膜が形成されるため、本発明は特に有効である。

また、本発明に係る陽極酸化膜の製造方法は、前記保護膜の材質がニッケル、すず、コバルト、亜鉛、鉄、銅のいずれか一種であることを特徴としている。

かかる元素は電解めっきが可能であり、陽極酸化時に溶解する性質を有する。

本発明では、自然酸化膜の除去とめっきによる保護膜の形成を同一の溶液中で行う。したがって、基材層表面に新たな自然酸化膜を形成させずに保護膜を形成できる。また、基材層に保護膜が形成された状態で電圧を印加することにより、保護膜を除去すると共に基材層に陽極酸化膜を形成する。これにより、自然酸化膜を形成させずに、漏れ電流を抑制できる陽極酸化膜を作製することができる。

実施形態１に係る陽極酸化膜の製造方法において、基材層を用意する工程と基材層を溶液中に浸漬する工程を示す断面図である。 実施形態１に係る陽極酸化膜の製造方法において、自然酸化膜を除去する工程と保護膜を形成する工程を示す断面図である。 実施形態１に係る陽極酸化膜の製造方法において、保護膜を除去する工程を示す断面図である。 実施形態１に係る陽極酸化膜の製造方法において、陽極酸化膜を形成する工程を示す断面図である。 本発明に係る電解コンデンサを示す断面図である。 従来の陽極酸化膜の製造過程を示す断面図である。

以下において、本発明を実施するための形態について説明する。

（実施形態１）
図１〜図４は、本発明に係る陽極酸化膜の製造方法の工程を示す断面図である。

まず、図１（Ａ）のように、基材層１を用意する。基材層１は弁金属で構成されている。弁金属は、例えばタンタル、チタン、ジルコニウム、アルミニウム、ニオブ等が挙げられる。基材層１の表面には自然酸化膜２が形成されている。基材層１の材質がチタンの場合には、自然酸化膜２として酸化チタンが形成される。

次に、図１（Ｂ）のように、自然酸化膜２が形成された基材層１を溶液１２中に浸漬して、自然酸化膜２を除去する。本実施形態の自然酸化膜２の除去には、例えば電解研磨法を用いる。この電解研磨法では、基材層１を陽極、適切な形状を有する別の電極１３を陰極とし、適切な溶媒中で通電することにより、簡易に自然酸化膜２が除去される。その結果、図２（Ｃ）のように、基材層１の表面に形成された自然酸化膜２は除去される。なお、電解研磨法の条件は、形成されている自然酸化膜の厚みや膜質等により適宜選択することができる。

そして、図２（Ｄ）のように、自然酸化膜２（図１参照）が除去された基材層１の表面に保護膜３を形成する。本発明では自然酸化膜２の除去と保護膜３の形成を同一の溶液中で連続して行うことで、自然酸化膜２の除去と保護膜３の形成との間に基材層１の表面が大気に曝されることがない。したがって、新たな自然酸化膜を形成させずに保護膜３を形成できる。

保護膜３は例えばめっきで形成されることが好ましい。かかる場合には、保護膜３を安価に形成することができる。本実施形態では、電解研磨法で印加した電圧の極性を逆にすることで、清浄な表面が確保された基材層１上にめっきによる保護膜３を形成することができる。保護膜３の材質は、ニッケル、すず、コバルト、亜鉛、鉄、銅のいずれか１種であることが好ましい。これらの元素は、電解めっきが容易であるためである。

溶液１２は、保護膜３として形成する元素のハロゲン塩を溶媒に溶解させたものが好ましい。溶媒には、溶液中で基材層１の酸化を防ぐため、有機溶媒が好ましい。溶媒の例としては、エタノールやＩＰＡ等が挙げられる。

そして、基材層１の洗浄後に、図３（Ｅ）のように、保護膜３が形成された基材層１に陽極酸化用溶液１５中で電圧を印加する。具体的には、基材層１を陽極とする。一方で、電極１３を陽極酸化用溶液１５中に陰極として挿入しておく。電極１３の材質の例としては、チタンや白金やステンレス等が挙げられる。また、陽極酸化用溶液１５の例としては、リン酸溶液や、ほう酸溶液、アジピン酸アンモニウム溶液が挙げられる。

基材層１と電極１３とは、電源１４と電気的に接続されている。そして、基材層１と電極１３とに電圧を印加することで、図３（Ｆ）のように、保護膜３は陽極酸化用溶液１５中に溶解する。そして、電圧を印加し続けることで、保護膜３を除去すると共に、図４（Ｇ）のように、基材層１の表面に陽極酸化膜４を形成する。すなわち、保護膜３の除去と基材層１の陽極酸化とを連続して行う。

上述のように、保護膜３が溶解して基材層１が陽極酸化用溶液１５中に露出すると、基材層１が露出した部分では基材層１の酸化が始まり、陽極酸化膜４が形成され始める。陽極酸化膜４は絶縁性が高く電流が流れにくい。したがって基材層１の上の保護膜３の残っている部分に優先的に電流が流れ、保護膜３の溶解反応が更に進む。このような原理で、保護膜３は残存することなくすべて溶解し、引き続いて陽極酸化膜４が形成されると考えられる。

なお、陽極酸化用溶液１５のｐＨ等の条件は、保護膜の材質、厚みにより適宜選択することができる。通常、保護膜３の表面には保護膜の酸化膜が形成される。したがって、保護膜３は酸化膜部分と金属膜部分に分けられる。酸化膜部分はｐＨを調節することにより、容易にイオンとして陽極酸化用溶液１５中に溶解させることができる。例えば、亜鉛の酸化物はｐＨ５以下およびｐＨ１５以上、鉄の酸化物はｐＨ２以下、銅の酸化物はｐＨ４以下で溶解する。また、金属膜部分は標準電極電位よりも貴の電位を印加することで、陽極酸化用溶液１５中に溶解する。一方、基材層１に形成された陽極酸化膜４はｐＨの全範囲で溶解しない。したがって、陽極酸化膜４は陽極酸化用溶液中１５でも安定して形成される。

また、本発明は、上記の製造方法で製造された陽極酸化膜を用いた電解コンデンサにも向けられる。図５は、本発明に係る電解コンデンサ２０を示す断面図である。電解コンデンサ２０は、基材層１と、陽極酸化膜４と、電解質２１と、導電層２２と、樹脂２３と、端子２４、２５と、を備えている。基材層１は端子２４と電気的に接続されており、電解コンデンサの正極側として用いられる。また、陽極酸化膜４は基材層１の表面に形成されており、誘電体として用いられる。そして負極側となる電解質２１は、陽極酸化膜４と導電層２２との間に形成される。電解質２１の例としては電解紙に電解液を含浸させたものや、導電性高分子等が挙げられる。導電層２２は電解質２１から電気を取り出すために、陽極酸化膜４の基材層１と逆側の表面側に形成される。導電層２２は、例えば導電性ペーストと炭素ペーストとの二層構造となっている。導電層２２は端子２５と電気的に接続される。樹脂２３は基材層１、陽極酸化膜４、電解質２１および導電層２２を覆うように形成される。そして、端子２４および２５は樹脂２３の外部に引き出されている。そして端子２４および２５の間で容量が形成される構造となっている。

以上、本発明がこの内容に限定されることはなく、発明の趣旨を損なわない範囲で、適宜変更を加えることができる。

（実験例１）
以下は、基材層としてチタンを用いて、保護膜として亜鉛を用いて、陽極酸化膜の形成を行った実験例である。

まず、５×１ｃｍのチタン基板を真空雰囲気８００℃で５時間熱処理した。そしてアセトンで脱脂処理した。その後、１７０ｇ／Ｌの割合で塩化亜鉛を溶解させたエチレングリコール液中で、電解研磨処理を行った。この時の陰極はチタン板であり電解条件は２０Ｖ、５分間の条件であった。その後、印加電圧の極性を逆にして、０．３Ａの電流を流して亜鉛めっきを行った。亜鉛のめっき条件は、表１の条件１〜４ととおりとした。また、比較のため、保護膜を形成しない条件を条件５とした。

その後、保護膜が形成されたチタン基板を洗浄した。そして、０．１ｍｏｌ／Ｌのリン酸溶液（ｐＨ１．５）中で保護膜が形成されたチタン基板に電圧を印加して、亜鉛の保護膜を除去した。この時、電流は０．０５Ａ一定になるように電圧を印加した。また、この時の陰極にはチタン板を用いた。亜鉛の保護膜がほぼ完全に溶解し、チタン基板の陽極酸化が始まった時点で、電圧が上昇した。上昇した電圧が１５Ｖに到達した後、電圧を１５V一定にして１０分間保持した。このようにして、陽極酸化膜を形成した。

上記のように作成した各条件の試料の漏れ電流を計測した。具体的には、１５０ｇ／Ｌのアジピン酸アンモニウム溶液（ｐＨ６．７）中で、陽極酸化膜の形成時と同様に各試料と陰極とを電源に接続して、１０Ｖの電圧を印加した。そして、１５分後の電流値を漏れ電流値とした。この時陰極にはチタン板を用いた。表１に実験条件と漏れ電流値を示す。

表１より、保護膜を形成した条件１〜４は、条件５に比べて、漏れ電流が著しく低減していることが分かる。すなわち、亜鉛の保護膜を形成することで、チタン基板表面への自然酸化膜の生成を防ぐことができる。したがって結晶性酸化物の生成を抑制することができ、漏れ電流を抑制することができたと考えられる。

１ 基材層
２ 自然酸化膜
３ 保護膜
４ 陽極酸化膜
１１ 槽
１２ 溶液
１３ 電極
１４ 電源
１５ 陽極酸化用溶液
２１ 電解質
２２ 導電層
２３ 樹脂
２４、２５ 端子

Claims (4)

1. 弁金属で構成される基材層の表面に形成された自然酸化膜を溶液中で除去する工程と、
   前記溶液中で、前記自然酸化膜が除去された基材層の表面にめっきで保護膜を形成する工程と、
   前記保護膜が形成された基材層に陽極酸化用溶液中で電圧を印加して、前記保護膜を除去すると共に、前記基材層の表面に陽極酸化膜を形成する工程と、
   を備える、陽極酸化膜の製造方法。
2. 前記自然酸化膜を電解研磨法で除去する、請求項１に記載の陽極酸化膜の製造方法。
3. 前記弁金属がチタンである、請求項１または２に記載の陽極酸化膜の製造方法。
4. 前記保護膜の材質がニッケル、すず、コバルト、亜鉛、鉄、銅のいずれか一種である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の陽極酸化膜の製造方法。

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