JP6433216B2 - アルミニウム電解コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、アルミニウム電解コンデンサに関するものである。特に、セパレータに特徴のあるアルミニウム電解コンデンサに関するものである。

従来、アルミニウム電解コンデンサは、アルミニウム箔を陽極と陰極とし、セパレータを介して巻回または積層してコンデンサ素子として、電解液とともに封口板付きケースに収納していた。このコンデンサ素子から電極を引き出すために陽極と陰極に、アルミニウム箔からなる引き出しリードタブの片端を接続し、また、引き出しリードタブのもう一方の片端には、封口板に設けた外部端子と接続していた。
アルミニウム電解コンデンサは、セパレータとして一般的に電解紙を使用しているが、電解紙中に電解液を含浸させているために、コンデンサとしてＥＳＲ（等価特列抵抗）が増加しやすい。そのため、セパレータとしては密度を低くすることは考えられるが、そのために耐電圧が低下しやすくなる。特許文献１には、耐電圧を維持しながら、ＥＳＲを改善するために、低密度層と高密度層の複層紙をセパレータに使用することが記載されている。また、特許文献２には、陽極箔側から順に低密度層、高密度層の第１の複層紙と、低密度層、高密度層の第２の複層紙とを２枚重ねてセパレータに使用することにより、陽極側に近い高密度層には、両側から低密度層を設けることになり、十分な電解液を供給でき、ＥＳＲの増加を抑制することができ、高密度層を分けて設けることにより一方の高密度層の欠陥部分を補強することができることが記載されている。

特開平６−１６８８４８号公報 特開２００９−６４９５９号公報

解決しようとする問題点は、アルミニウム電解コンデンサの耐電圧を維持しながらＥＳＲの低減を図り、併せてセパレータを薄くして小型化を達成することを課題とする。

上記課題を解決するために、下記のアルミニウム電解コンデンサを提供する。
（１）陽極箔と陰極箔との間をセパレータで介したアルミニウム電解コンデンサであって、前記セパレータは、低密度層及び高密度層を有する複層紙と、低密度層の密度と高密度層の密度との中間密度である単層紙と、を備え、複層紙及び単層紙は、陽極箔から陰極箔に向かって複層紙、単層紙の順で配置され、低密度層及び高密度層は、陽極箔から単層紙に向かって低密度層、高密度層の順で配置され、複層紙及び単層紙の大きさは、陽極箔及び陰極箔よりも大きい、ことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
（２）複層紙の低密度層の密度が、０．２０ｇ／ｃｍ^３以上、０．５０ｇ／ｃｍ^３未満で、複層紙の高密度層の密度が、０．７５ｇ／ｃｍ^３以上、１．００ｇ／ｃｍ^３未満で、中間密度の単層紙の密度が、０．５０ｇ／ｃｍ^３以上、０．７５ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする（１）のアルミニウム電解コンデンサを提供することである。

本発明のセパレータは、陽極箔側から順に低密度層、高密度層の複層紙と、その複層紙の低密度層と高密度層の密度の中間密度である単層紙との組み合わせのため、アルミニウム電解コンデンサの耐電圧を維持しながらＥＳＲの低減を図り、併せてセパレータを薄くして小型化を達成することができる。

本発明に係るアルミニウム電解コンデンサのコンデンサ素子の構成を示していて、巻回途中の状態を模式的に示している。 本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの、コンデンサ素子に巻き込ませた陽極箔、セパレータ、そして陰極箔の積層部分の部分端面図を模式的に示している。

本発明の陽極箔は、アルミニウム電解コンデンサに使用される一般的な陽極箔で、厚さ５０μｍから１５０μｍ程度のアルミニウム箔等を、酸水溶液中、その表面をエッチング処理し、直径が０．１μｍから２μｍ程度のエッチングピットを設けた後、ホウ酸アンモニウム等の水溶液中で、定格電圧の１．５倍程度の電圧を印加して化成し、コンデンサとしての耐圧性の陽極酸化皮膜を形成する。化成後、引き出しリードタブを取り付け、陽極箔としたものが使用できる。

本発明の陰極箔は、アルミニウム電解コンデンサ使用される一般的な陰極箔で、厚さ２０μｍから１００μｍ程度のアルミニウム箔等を酸水溶液中に浸漬し、その表面をエッチング処理し、引き出しリードタブを取り付け、陰極箔としたものが使用できる。

本発明のセパレータは、陽極箔と、陰極箔とを物理的に分けると共に、電解液を保持する役目をする多孔質シートで、マニラ紙、ヘンプ紙、クラフト紙などの従来から使用されてきた電解紙を主材料としたものが使用できる。大きさはコンデンサの大きさにより選定されるが、おおよそ幅は、陽陰極箔幅より広く、１ｃｍから３０ｃｍ程度で、長さは数ｃｍから数ｍほどのもの、トータル厚さは数１０μｍから数１００μｍほどのものである。

本発明の複層紙は、相対的に繊維が密な高密度な層と、相対的に繊維が粗な低密度な層とが積層されたセパレータ用の紙で、紙製造中の抄き合わせ工程中に複層させることができる。
高密度層は、密度が０．７５ｇ／ｃｍ³以上、１．００ｇ／ｃｍ³未満、好ましくは０．８０ｇ／ｃｍ³〜０．９５ｇ／ｃｍ³で、厚さが５μｍ〜５０μｍ、好ましくは２０μｍ〜４０μｍであり、低密度層は、密度が０．２０ｇ／ｃｍ³以上、０．５０ｇ／ｃｍ³未満、好ましくは０．３０ｇ／ｃｍ³〜０．４５ｇ／ｃｍ³で、厚さが５μｍ〜６０μｍ、好ましくは１０μｍ〜３０μｍである。
複層紙に使用する原材料には特に限定はなく、高密度層に使用する原材料には、針葉樹木材繊維のクラフトパルプが使用できる。一方、低密度層に使用する原料としては、マニラ麻パルプ、サイザル麻パルプ、エスパルトパルプ、コットンリンターパルプ等が使用できる。
また、複層紙は、陽極箔側を低密度層とすることにより、陽極箔の耐圧性の陽極酸化皮膜に電解液を供給しやすくすることができ、この皮膜に欠陥が生じた場合、迅速に修復することができる。

本発明の中間密度の単層紙は、密度が、上記複層紙の高低密度の中間のセパレータ用の紙で、セパレータとして、複層紙とともに重ね合わされて用いられる。
単層紙の密度は、０．５０ｇ／ｃｍ³以上、０．７５ｇ／ｃｍ³未満、好ましくは０．５５ｇ／ｃｍ³〜０．６５ｇ／ｃｍ³で、厚さは、５μｍ〜５０μｍ、好ましくは２０μｍ〜４０μｍである。
単層紙に使用する原材料には特に限定はなく、比較的低密度の針葉樹木材繊維のクラフトパルプや、比較的高密度のマニラ麻パルプ、サイザル麻パルプ、エスパルトパルプ、またはコットンリンターパルプ等が使用できる。
中密度である単層紙は、複層紙の高密度層側に重ね合わせる。そうすることにより、複層紙の高密度層に対して、その欠陥部分のカバーと併せて電解液の供給が容易で、耐電圧の低下とＥＳＲの増加を同時に抑制することができる。
また、複層紙と単層紙とを重ねた場合は、複層紙を二枚重ねた場合と比べ、セパレータの厚さが薄くなりやすく、小型化になりやすい。また、高密度層が二つ無いので、電荷移動の障害が少なくなり、よりＥＳＲ低減に寄与することできる。

本発明のアルミニウム電解コンデンサは、通常のアルミニウム電解コンデンサと同様で、陰陽極箔を適当な幅に裁断した後、引き出しリードタブを接続し、紙などのセパレータと共に捲回されたコンデンサ素子を、上面が開口したアルミニウム等の金属材からなり、外観的に円筒状や楕円筒状に形成されているケース内に収容し、封口板で封口したものである。また、引き出しリードタブのもう一方の片端には、封口板に設けた外部端子と接続していた。ケースには絶縁性チューブを被覆する場合もある。

以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサのコンデンサ素子の構成を示していて、捲回途中の状態を模式的に示している。
コンデンサ素子は、陽極箔１と陰極箔２を適当な幅に裁断した後、引き出しリードタブ３を接続し、陽極箔１と陰極箔２の幅よりも広い幅のセパレータ４と共に捲回される。セパレータ４は、陽極箔側順にから低密度層５ａ、高密度層５ｂの第１の複層紙５と、単層紙６をかさねて捲回される。

図２は、本発明に係るアルミニウム電解コンデンサの、コンデンサ素子に巻き込んだ陽極箔、セパレータ、そして陰極箔の積層部分の部分端面図を模式的に示している。セパレータは、陽極箔１側順にから低密度層５ａ、高密度層５ｂの第１の複層紙５と、単層紙６を重ねて捲回する。

以下、本発明を実施例に基づいて説明する。なお、実施例は、定格４００Ｖ、５６００μＦの電解コンデンサを製造する場合について説明する。

（実施例１）
先ず、陽極箔は厚さ１００μｍのアルミニウム箔を処理して製造する。すなわち、このアルミニウム箔を直流エッチング法によって０．７μＦ／ｃｍ^２になるように粗面化する。粗面化後、純水中でボイルする。ボイル後、ホウ酸の化成液中において、６５０Ｖの化成電圧をかけて化成し、化成膜を形成する。化成処理後、安定化させるために、リン酸処理をし、その後、幅１２０ｍｍ、長さ８０００ｍｍの大きさに切断して、陽極箔とする。
また、陽極用リードタブには化成処理をしない厚さ１５０μｍ、幅１０ｍｍ、長さ１６０ｍｍのアルミニウム箔を用いる。そしてこの陽極用リードタブの、１００ｍｍの長さの部分を陽極箔に２０００ｍｍおきに４枚、コールドウェルにより接続する。
陰極箔は、厚さ６０μｍのアルミニウム箔を塩酸と硫酸の混合酸からなる水溶液中に浸漬し、その表面を電解エッチング処理し、平均直径０．８μｍのエッチングピットを設け、２００μＦ／ｃｍ^２になるように粗面化し、その後、リン酸処理をする。リン酸処理後、幅１２０ｍｍ、長さ８３００ｍｍの大きさに切断する。
陰極用リードタブは、アルミニウム箔を長さ１５０μｍ、幅１０００ｍｍに圧延し、次いで焼なまし、５００ｍｍの幅に切断した後、さらに幅１０ｍｍの大きさに切断して製造する。そしてこの陰極用リードタブを陰極箔に２０００ｍｍ間隔で４枚をコールドウェルにより接続する。
セパレータとしては、幅１３０ｍｍのものを使用し、低密度層がヘンプ麻パルプを使用した厚さ３０μｍ、密度０．３７ｇ／ｃｍ³で、高密度層がクラフトパルプを使用した厚さ４０μｍ、密度０．８８ｇ／ｃｍ³の複層紙と、厚さ３０μｍ、密度０．６０ｇ／ｃｍ³のヘンプ麻パルプを使用した単層紙とを、陽極箔側から順に低密度層、高密度層の複層紙と、単層紙と重ねて用いた。
このセパレータを介して陽極箔と陰極箔とを積層して巻回し、コンデンサ素子を形成した。その後、電解液を含浸した。
電解液を含浸後、コンデンサ素子から引き出した陽極用リードタブ及び陰極用リードタブを、各々封口板に貫通して設けた陽極端子及び陰極端子に接続した。接続後、予め硬化前の固定剤を底の方に充填したケースにコンデンサ素子を収納した。収納後、固定剤を硬化するとともに、封口板をケースの端に取り付けて、ケースを密閉した。なお、封口板には防爆弁が取り付けられている。ケースを密閉後、温度８５℃の雰囲気中に放置して４２５Ｖの電圧を加えてエージング処理した。エージング処理後、ケースに絶縁性のチューブを被覆した。

（実施例２）
電解紙として、単層紙にヘンプ麻パルプを使用した厚さ３０μｍ、密度０．５５ｇ／ｃｍ³を用いた以外実施例１と同様に製作した。
（実施例３）
電解紙として、単層紙にヘンプ麻パルプを使用した厚さ３０μｍ、密度０．７５ｇ／ｃｍ³を用いた以外実施例１と同様に製作した。
（比較例１）
電解紙として低密度層がヘンプ麻パルプを使用した厚さ３０μｍ、密度０．３７ｇ／ｃｍ³で、高密度層がクラフトパルプを使用した厚さ４０μｍ、密度０．８８ｇ／ｃｍ³の第１と第２複層紙に用いた以外実施例１と同様に製作した比較例１とともに下記の方法で測定し、結果を表１に示す。

〔測定方法〕
低電流で電圧を徐々に昇圧していき、短絡の起きた電圧を破壊電圧とした。電解コンデンサの容量、ＥＳＲ（等価直列抵抗）は、２０℃、１２０Ｈｚの周波数でＬＣＲメータによって測定した。なお、電解コンデンサの容量は、比較例１に対しての増加率で示した。

表１の結果より、実施例は比較例と同様な破壊電圧を維持しながら、比較例と比べＥＳＲの低減を図り、セパレータを薄くしているので小型化を達成することができる。

１…陽極箔、２…陰極箔、３…引き出しリードタブ、４…セパレータ、５…複層紙、５ａ…低密度層、５ｂ…高密度層、６…単層紙

Claims (2)

1. 陽極箔と陰極箔との間をセパレータで介したアルミニウム電解コンデンサであって、
   前記セパレータは、
   低密度層及び高密度層を有する複層紙と、
   前記低密度層の密度と前記高密度層の密度との中間密度である単層紙と、
   を備え、
   前記複層紙及び前記単層紙は、前記陽極箔から前記陰極箔に向かって前記複層紙、前記単層紙の順で配置され、
   前記低密度層及び前記高密度層は、前記陽極箔から前記単層紙に向かって前記低密度層、前記高密度層の順で配置され、
   前記複層紙及び前記単層紙の大きさは、前記陽極箔及び前記陰極箔よりも大きい、ことを特徴とするアルミニウム電解コンデンサ。
2. 前記複層紙の前記低密度層の密度が、０．２０ｇ／ｃｍ^３以上、０．５０ｇ／ｃｍ^３未満で、前記複層紙の前記高密度層の密度が、０．７５ｇ／ｃｍ^３以上、１．００ｇ／ｃｍ^３未満で、中間密度の前記単層紙の密度が、０．５０ｇ／ｃｍ^３以上、０．７５ｇ／ｃｍ^３未満であることを特徴とする請求項１のアルミニウム電解コンデンサ。

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