JP6284036B2 - 電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、コンデンサ素子の内部構造を改良した電解コンデンサに関する。

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の電解液が含浸され、アルミニウム等の外装ケースに収納され、外装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。

この種の電解コンデンサでは、使用時にコンデンサ素子の内部にて漏れ電流が発生し、それに伴い電解液成分の電気分解などにより、水素を中心としたガスが発生する場合がある。電解コンデンサは密閉された構造であるため、内部でガスが発生すると内圧が上昇して封口部材や外装ケースの変形、最後には破裂してしまうおそれもある。そのため、電解コンデンサでは外装ケースの底面に数条の溝を設けて機械的脆弱部とし、内圧が上昇した時にはこの機械的脆弱部に応力を集中させ、外装ケースを溝に沿って破断させて、内圧の上昇を開放する圧力弁が採用されている（例えば、特許文献１参照）。

また、封口部材に貫通孔を設け、その貫通孔をゴムなどの弾性部材で閉塞しておいて、電解コンデンサの内圧が上昇したときには、弾性部材が破断して内圧の上昇を開放する圧力弁も採用されている。

特開２００１−２４４１５４号公報

ところで、新興国では電圧が安定しないために電圧が変化した時にも電子部品が駆動し続けることが求められており、このような電圧の不安定な状態、特に電解コンデンサに定格電圧を超えて過電圧が印加される場合があり、このような過電圧の印加によりコンデンサ素子の内部においてショートが発生する場合がある。このようにショートが発生すると、圧力弁の動作への影響があり、つまり圧力弁の動作がショートの発生の有無により、その圧力弁の動作電圧にバラツキが生じてしまう。

そこで本発明は、コンデンサ素子内部でのショートを防止し、所望電圧領域において確実に圧力弁を動作させ、信頼性の高い電解コンデンサ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、
引出端子が接続された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を外装ケースに収納した電解コンデンサにおいて、
少なくとも陽極箔の外周側の面に隣接するセパレータの内周側の面に、素子内部より発生したガスを放出するガス放出経路を形成したことを特徴としている。

また、前記陽極箔は、２５０Ｖ以上の耐電圧を有することを特徴としている。

また、前記陽極箔は、陰極箔の厚みの４倍以上の厚みを有することを特徴としている。

また、前記陽極箔には、その外周側に引出端子が接続されていることを特徴としている。

また、陽極箔に接続された引出端子と対向するセパレータの間に、ガス放出経路を形成したあて紙が配置されていることを特徴としている。

さらに陰極箔の内周側に引出端子が接続され、この引出端子と、前記陽極箔の外周側に接続された引出端子との間に前記あて紙が配置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によれば、次の何れかの効果が得られる。

（１）コンデンサ素子の内部に発生したガスをコンデンサ素子の端面より放出することができ、コンデンサ素子の内部での陽極箔、陰極箔又はそれらの引出端子間の接触やセパレータの絶縁低下によるショートを抑制できる。

（２）コンデンサ素子が樽状に膨れるなどなどのコンデンサ素子の変形を防ぐことで、コンデンサ素子内部での陽極箔、陰極箔又はそれらの引出端子間の接触やセパレータの絶縁低下によるショートを抑制できる。

（３）少なくとも陽極箔の外周側に、ガス放出経路を設けることで、コンデンサ素子の内部で発生したガスが、コンデンサ素子の内部に留まりにくく、コンデンサ素子の端面より外部に放出される。特に陽極箔は陰極箔に比べて硬く、巻回された場合であってもその復元力によってコンデンサ素子の外周側に作用しやすいため、本願構成を陽極側に適用することが好ましい。

（４）交流エッチングによりトンネル状のエッチングピットが形成される中高圧用途の陽極箔では硬度が高く、前述の陽極箔の巻回復元力も強いものとなる。特に２５０Ｖ以上の耐電圧を有する陽極箔では、金属箔の表面に形成される酸化皮膜層の厚みも０．３μｍ以上となり、陽極箔の硬度が高く、巻回復元力による陽極箔の外側への作用が顕著となるものであり、このような２５０Ｖ以上の耐電圧を有する陽極箔に用いるのが好適である。

（５）コンデンサ素子の内部でのショートを抑制することで、所定の電圧領域において確実に圧力弁を動作させることができ、信頼性の高い電解コンデンサを提供できる。

（６）陽極箔の外周側に引出端子が接続されているため、陽極箔とセパレータとの間に間隙を確保でき、コンデンサ素子の内部で発生したガスが、効率よくコンデンサ素子の端面から放出される。また、コンデンサ素子の内部で発生したガスにより、陽極箔が外周側に押圧されても、引出端子が陽極箔の外周側に接続されているため、引出端子が陽極箔の内周側に配置されている場合と比べて、陽極箔が引出端子により傷つきにくく、信頼性の高い電解コンデンサが得られる。

（７）陽極箔に接続された引出端子にガス放出経路を形成したあて紙を配置してもよい。

（８）陰極箔の内周側に引出端子が接続され、この引出端子と、前記陽極箔の外周側に接続された引出端子に対向するように陽極箔と陰極箔の間に前記あて紙を配置することで、１枚のあて紙にて両引出端子を覆うことが可能となる。

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。 変形例１の（ａ）は、コンデンサ素子の上面視図であり、（ｂ）は、コンデンサ素子を展開した展開図である。 変形例２の（ａ）は、コンデンサ素子の上面視図であり、（ｂ）は、コンデンサ素子を展開した展開図である。

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につき、図１から図３を参照して説明する。図１に示すように、陽極箔２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３は、陽極箔２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４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４、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に設けられた外部端子に接続されるものがある。

陽極箔２及び陰極箔３の間に介在されるセパレータ６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、ヘンプ紙、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り、一重のものや、高密度の素材（高密度紙）９と低密度の素材（低密度紙）１０を重ね合わせた二重構造のものが挙げられる。高密度紙９としては、主にクラフト紙、低密度紙１０としては、マニラ麻紙、エスパルト紙が好適に用いられる。低密度紙１０としては、その密度が０．３〜０．５ｇ／ｃｍ^３が好ましく、また高密度紙９としては、その密度が０．７〜０．９ｇ／ｃｍ^３が好ましい。特に後述するコンデンサ素子１の内部で発生するガスの放出経路として低密度紙１０を用いる場合は、その低密度紙１０の密度を上記０．３〜０．５ｇ／ｃｍ^３の範囲とすることが好ましい。

コンデンサ素子１では、それぞれ１以上の引出端子４、５が接続された陽極箔２及び陰極箔３を所定長さの帯状体から構成し、前記陽極箔２及び陰極箔３の間にセパレータ６を介在して巻回して構成される。このコンデンサ素子１には駆動用電解液が含浸されるとともにアルミニウムなどからなる有底筒状の外装ケース８に収納され、開口部が弾性体や、弾性体と硬質体との複合部材からなる封口部材１１によって加締め封口される。

ここで、このような巻回型のコンデンサ素子１を用いた電解コンデンサにおいて、定格電圧を超えて過電圧が印加された場合には、コンデンサ素子１の内部にガスが発生する。コンデンサ素子１は巻き止めテープによって一定の均定力で巻回保持されているものの内部ガスによって外周側に膨れる作用が生じる。これはコンデンサ素子１の中心付近においては、発生したガスがコンデンサ素子１の端面より放出されにくいため、陽極箔２と陰極箔３を外周側に押圧することによって生じる。つまり、コンデンサ素子１が樽状に変形することになる。このようにコンデンサ素子１の中心付近が膨らむことで、コンデンサ素子１を構成する陽極箔２や陰極箔３が外周側に作用し、特に硬い陽極箔２や角部を有する引出端子４、５が対向するセパレータ６を押圧し、セパレータ６を突き破って対向する他方の電極等と接触もしくはセパレータ６の絶縁低下を起こしてショートに至ると考えられる。

通常、陽極箔２や陰極箔３の外周側に面するセパレータ６は、内部ガスが発生した際の陽極箔２や陰極箔３の外側への膨れの作用によるセパレータ６の押圧に対して、セパレータ６の高密度側の面を陽極箔２や陰極箔３の外周側に対向させることで、セパレータ６の強度や絶縁性を高め、ショートの抑制を図っている。しかしながら、定格電圧を超えて電圧が印加された場合には、陽極箔２や陰極箔３の外周側への膨れにより、セパレータ６の高密度側の面と密着することで、発生した内部ガスがコンデンサ素子１の内部に留まりコンデンサ素子１の端面から放出されにくいことが分かった。
特に陽極箔２は巻回後のその復元力によってコンデンサ素子１の外周側に作用しやすいため、上記の現象が生じやすくなる。また、陽極箔２は、その硬度によって復元力が変わり、内部ガスがコンデンサ素子１から放出されにくいのは、特に交流エッチングによりトンネル状のエッチングピットが形成される中高圧用途の陽極箔２である。これは、エッチング手法によるエッチングピットの状態と化成処理により形成される酸化皮膜の状況に依存する。特に２５０Ｖ以上の耐電圧を有する陽極箔２では、金属箔の表面に形成される酸化皮膜層の厚みも０．３μｍ以上となり、陽極箔２の硬度が高く、復元力による陽極箔２の外側への作用が顕著となる。
また、陽極箔２と陰極箔３との厚みによってもガスが放出されにくい場合がある。特に、陽極箔２の厚みが、陰極箔３の厚みの４倍以上の場合、陽極箔の巻回復元力が陰極箔に対して極めて高く陽極箔２とセパレータの密着度合いが高まるためと考えられる。陽極箔２の厚みは、９０〜１２０μｍ、陰極箔３の厚みは、１５〜３０μｍとなる。

このため、実施例では、コンデンサ素子１の内部で発生した内部ガスが、陽極箔２及び陰極箔３の外周側と隣接するセパレータ６の面にガスの放出経路を設けている。このガス放出経路としては、例えば陽極箔２及び陰極箔３の外周側の面に隣接するセパレータ６の内周側の面にコンデンサ素子１の端面に通じる凹凸面、エンボス加工や溝加工を施し、内部ガスをコンデンサ素子１の軸方向を通過して端面より放出させることができる。また、このような物理的な加工をセパレータに施す以外にも、セパレータ６を低密度と高密度の二重構造とし、低密度側の面を陽極箔２及び陰極箔３の外周側に面するように配置することもできる。セパレータ６の低密度側の面によって、内部ガスがコンデンサ素子１の端面より開放される。特に好ましいのは、低密度紙の繊維が素子巻回方向に配向していないように形成されていることが好ましい。低密度紙においてその繊維が素子巻回方向に配向しているとガスの放出がされにくくなる。このようにガス放出経路を設けることで、コンデンサ素子１が樽状に膨らむことを抑え、コンデンサ素子１のショートを防止することができる。したがって、電解コンデンサの圧力弁の動作が安定し、信頼性の高い電解コンデンサを提供することができる。

次に本実施例の変形例１の電解コンデンサについて説明する。図２の（ａ）はコンデンサ素子１の上面視図を示し、図２の（ｂ）は、図２の（ａ）のコンデンサ素子１を展開した状態を示す図である。図２の（ａ）に示すように、コンデンサ素子１は、それぞれ引出端子４、５が接続された陽極箔２と陰極箔３とをセパレータ６を介して巻回して形成されている。この陽極側の引出端子４及び陰極側の引出端子５が接続されている部位を展開したものが図２の（ｂ）である。図２の（ｂ）において、図面の下側はコンデンサ素子１の内周側（中心側）Ｘ、図面の上側がコンデンサ素子１の外周側Ｙを示す。陽極箔２は、コンデンサ素子１の外周側Ｙの面に陽極側の引出端子４が接続されており、陰極箔３は、コンデンサ素子１の内周側Ｘの面に陰極側の引出端子５が接続されている。またコンデンサ素子１の内周側Ｘより、陽極箔２（交流エッチング：化成電圧２５０Ｖ）、二重構造のセパレータ６、陰極箔３、二重構造のセパレータ６の順で配置されている。ここで、セパレータ６は、高密度（高密度紙９）低密度（低密度紙１０：素子巻回方向に繊維が配向していない形態）の二重構造とし、陽極箔２及び陰極箔３のコンデンサ素子１の外周側Ｙの面にそれぞれセパレータ６の低密度紙１０が配置されている。

このように、陽極箔２のコンデンサ素子１の外周側Ｙの面にセパレータ６の低密度紙１０が配置されているため、硬度が高い陽極箔２を用いた場合であっても、コンデンサ素子１の内部に発生したガスが、この低密度紙１０を通じて効率よくコンデンサ素子の端面から放出される。また、陽極箔２のコンデンサ素子１の外周側Ｙの面に陽極側の引出端子４が接続されており、引出端子４の厚みがあるため、陽極箔２とセパレータ６との間に隙間を確保でき、コンデンサ素子１の内部に発生したガスが、さらに効率よくコンデンサ素子１の端面から放出される。また、陽極側の引出端子４が陽極箔２の内周側Ｘに配置されている場合は、コンデンサ素子１の内部に発生したガスにより、陽極箔２が外周側Ｙに押圧されると、陽極側の引出端子４も外周側Ｙに押圧することになるが、この場合は引出端子４が陽極箔の内周側Ｘに設置されているため、引出端子４の角部が陽極箔２を押圧し、硬くて脆弱な陽極箔の面を傷をつける可能性があるが、変形例１では、陽極側の引出端子４は陽極箔２の外周側Ｙに配置されているため、前述の様な陽極箔２の損傷等はなく信頼性の高い電解コンデンサが得られる。なお、変形例１では、陰極側の引出端子５は、陰極箔３の内周側Ｘに形成しているが、陰極箔３自体は陽極箔２に比べて薄く弾性を有しているため、コンデンサ素子１の内部に発生したガスにより、陰極側の引出端子５によって押圧されてもその影響を低い。

次に本実施例の変形例２の電解コンデンサについて説明する。図３の（ａ）はコンデンサ素子１の上面視図を示し、図３の（ｂ）は、図３の（ａ）のコンデンサ素子１を展開した状態を示す図である。変形例２では、コンデンサ素子１の陽極箔２のコンデンサ素子１の外周側Ｙの面に接続された引出端子４と陰極箔３のコンデンサ素子１の内周側Ｘの面に接続された引出端子５との間にセパレータ６とともにあて紙７が配置されている以外は、変形例１と同様である。

あて紙７は陽極側の引出端子４とセパレータ６との間又は陰極側の引出端子５とセパレータ６の間に挟み込まれて入ればよい。また、あて紙７は粘着材を介してセパレータ６に配置されていてもよい。この変形例２では、あて紙７は、粘着材を介してセパレータ６の陽極箔側の面に配置されている。このあて紙７を貼り付ける粘着材としては、フェノール系、エポキシ系、シアノアクリレート系、ポリイミド系、アクリル系、シリコーン系、ゴム系、あるいはホットメルト系などが挙げられる。なかでも、ポリプロピレンやポリビニルアルコールが好適に用いられる。また、あて紙７は、前述のセパレータの素材と同様であり、一重のものや、低密度の素材と高密度の素材を重ね合わせた二重構造のものが用いられる。このあて紙７にもコンデンサ素子１の内部で発生したガスを放出するためのガス放出経路を形成するとよい。ガス放出経路としては前述したように凹凸加工、エンボス加工や溝加工を施すことができ、またあて紙７を低密度と高密度の二重構造とし、低密度側を陽極箔の外周面に配置することもできる（図３の（ｂ）参照）。

なお、変形例２においては、図３の（ｂ）に示すように、セパレータ６に粘着材を介してあて紙７が貼り付けられている。特に陽極箔２と陰極箔３との対向する面（陽極箔の外周側Ｙの面と陰極箔の内周側Ｘの面）にそれぞれ陽極側の引出端子４と陰極側の引出端子５が接続されており、この両極の引出端子４、５に対向するように、つまり両極の引出端子４、５と重なるように連続した帯状のあて紙７がセパレータ６に配置されている。変形例１による作用に加え、変形例２では、さらに内部ガスによるコンデンサ素子１の外周側Ｙへの膨れにより、両極の引出端子４、５によるセパレータ６への押圧をあて紙７が保護し、ショートの発生を抑えることができる。また、両極の引出端子４、５に対向するようにあて紙７を配置することで、引出端子毎に個別にあて紙を配置することなく、あて紙自体を１枚とすることができ、構造の簡略化を図ることができる。

１ コンデンサ素子
２ 陽極箔
３ 陰極箔
４ 陽極側の引出端子
５ 陰極側の引出端子
６ セパレータ
７ あて紙
８ 外装ケース
９ 高密度紙
１０ 低密度紙
１１ 封口部材

Claims (6)

1. 引出端子が接続された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を外装ケースに収納した電解コンデンサにおいて、
   少なくとも陽極箔の外周側の面に隣接するセパレータの内周側の面に、素子内部より発生したガスを放出するガス放出経路を形成した電解コンデンサ。
2. 前記陽極箔は、２５０Ｖ以上の耐電圧を有する請求項１に記載の電解コンデンサ。
3. 前記陽極箔は、陰極箔の厚みの４倍以上の厚みを有する請求項１又は２に記載の電解コンデンサ。
4. 前記陽極箔には、その外周側に引出端子が接続されている請求項１ないし３に記載の電解コンデンサ。
5. 陽極箔に接続された引出端子と対向するセパレータの間に、ガス放出経路を形成したあて紙が配置されている請求項４に記載の電解コンデンサ。
6. さらに陰極箔の内周側に引出端子が接続され、この引出端子と、前記陽極箔の外周側に接続された引出端子との間に前記あて紙が配置されている請求項４又は５に記載の電解コンデンサ。

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