(57)【要約】【課題】  周波数特性に優れ、大容量化、薄型化が可能であり、耐ショート性を備える積層型固体電解コンデンサを提供する。【解決手段】  積層型固体電解コンデンサ（１００）は、弁作用を有する金属からなる陽極箔（１３）と、炭化物粒子（１７）を保持するウィスカが表面に形成された陰極箔（１１）とが順に積層され、陽極箔（１３）と陰極箔（１１）との間に導電性高分子からなる固体電解質層（１６）が形成されていることを特徴とする。【選択図】        図５
2011223042.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
弁作用を有する金属からなる陽極箔と、炭化物粒子を保持するウィスカが表面に形成された陰極箔とが順に積層され、
前記陽極箔と前記陰極箔との間に導電性高分子からなる固体電解質層が形成されていることを特徴とする積層型固体電解コンデンサ。
【請求項２】
前記陽極箔の引き出し部は、前記陽極箔と一体の一枚箔からなることを特徴とする請求項１記載の積層型固体電解コンデンサ。
【請求項３】
前記陰極箔の引き出し部は、前記陰極箔と一体の一枚箔からなることを特徴とする請求項１または２記載の積層型固体電解コンデンサ。
【請求項４】
前記陰極箔、前記固体電解質層および前記陽極箔からなる単位素子は、複数積層されており、
前記陽極箔の引き出し部のそれぞれおよび前記陰極箔の引き出し部のそれぞれは、溶接により接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の積層型固体電解コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、積層型固体電解コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のデジタル化に伴って、電解コンデンサについても大容量化、小型化および高周波領域でのインピーダンスの低下化が要求されている。固体電解コンデンサは、電解コンデンサの中でも周波数特性が優れていることから注目されている。固体電解コンデンサには、巻回型固体電解コンデンサ、積層型固体電解コンデンサ等がある。
【０００３】
従来の積層型固体電解コンデンサは、弁作用を有するアルミ箔を備えるとともに、化学重合法、電解重合法等により形成されたポリピロールからなる電解質層を備える。しかしながら、ポリピロールからなる電解質層は、アルミ箔表面上に均一に形成されず、もろいという欠点を有する。そのため、上記積層型固体電解コンデンサは、漏れ電流の増加、ショート等の問題を有している。
【０００４】
そこで、あらかじめ二酸化マンガン等のプレコート層を形成し、その後にポリピロールを形成する方法が提案された（例えば、特許文献１参照）。しかしながら、特許文献１の技術では、プレコート層と電解質層との界面において抵抗が発生することによってＥＳＲ（等価直列抵抗）が増加する。したがって、満足できる特性を得ることはできなかった。
【０００５】
そこで、陰極箔と陽極箔との間にセパレータを設け、電解質層として加圧加熱重合法により形成されたＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）を用いる技術が提案された（例えば、特許文献２参照）。特許文献２の技術に係る固体電解コンデンサを積層することにより、大容量化が可能である。また、グラファイト層と銀ペースト層とからなる陰極層を備える技術が提案された（例えば、特許文献３および特許文献４参照）。特許文献３および特許文献４の技術によれば、高周波特性を解決することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２９９１８３号公報
【特許文献２】特開２００２−７５７９２号公報
【特許文献３】特開２００５−０３９０４０号公報
【特許文献４】特開２００５−０７２１０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の技術に係る固体電解コンデンサにおいては、電極箔と引き出しリードとが電気的に接続されていることから、接続抵抗を無視できない。また、積層化することにより大容量化されても、電極箔の積層数分の引き出しリードを取り付ける必要がある。したがって、接続抵抗が増大する。その結果、高周波域での特性が悪化する。また、積層数の増加に伴って薄型化が困難となる。
【０００８】
さらに、特許文献３および特許文献４に係る固体電解コンデンサにおいては、陽極酸化皮膜は完全無欠陥ではないことから、グラファイト層および銀ペースト層においてショートするおそれがある。
【０００９】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、周波数特性に優れ、大容量化、薄型化が可能であり、耐ショート性を備える積層型固体電解コンデンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係る積層型固体電解コンデンサは、弁作用を有する金属からなる陽極箔と、炭化物粒子を保持するウィスカが表面に形成された陰極箔とが順に積層され、陽極箔と陰極箔との間に導電性高分子からなる固体電解質層が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本発明に係る積層型固体電解コンデンサにおいては、陽極箔と陰極箔とが固体電解質層を介して積層されていることから、陽極箔と陰極箔とが直接接触することが防止される。したがって、耐ショート性が向上する。また、陰極箔を構成する金属と固体電解質層とは、直接的に接触するのではなくウィスカによって保持された炭化物粒子を介して接触することになる。それにより、陰極箔と固体電解質層との密着性が向上する。さらに、通常の酸化皮膜のエッチングピットよりも炭化物粒子同士の空隙の方が広くなるため、固体電解質層が効率よく形成される。それにより、陰極箔と固体電解質層との界面抵抗が減少し、ｔａｎδ（誘電損失）およびＥＳＲが低下する。その結果、積層型固体電解コンデンサの周波数特性が向上する。また、積層型固体電解コンデンサへの通電時には、陰極箔、炭化物粒子および固体電解質層が導通することになる。それにより、炭化物粒子および固体電解質層は、積層型固体電解コンデンサの陰極としての容量に影響を及ぼさず、陽極側の静電容量が積層型固体電解コンデンサの合成容量となる。その結果、積層型固体電解コンデンサの容量達成率が大幅に向上する。さらに、積層型固体電解コンデンサの容量が増大することから、積層数を低減させることができる。それにより、積層型固体電解コンデンサを薄型化することができる。
【００１２】
陽極箔の引き出し部は、陽極箔と一体の一枚箔からなっていてもよい。また、陰極箔の引き出し部は、陰極箔と一体の一枚箔からなっていてもよい。この場合、引き出し部における接続抵抗が存在しない。それにより、各極箔のそれぞれにリードを設ける場合に比較して、電気抵抗を抑制することができる。
【００１３】
陰極箔、固体電解質層および陽極箔からなる単位素子は、複数積層されており、陽極箔の引き出し部のそれぞれおよび陰極箔の引き出し部のそれぞれは、溶接により接続されていてもよい。この場合、電気抵抗をより効果的に抑制することができる。それにより、本発明に係る積層型固体電解コンデンサの高周波特性がさらに向上する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、周波数特性が向上し、容量達成率が大幅に向上し、薄型化が可能であり、耐ショート性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る積層型固体電解コンデンサの一例を示す模式的外観図である。
【図２】コンデンサ素子の詳細を説明するための図である。
【図３】コンデンサ素子の他の例を示す模式的平面図である。
【図４】コンデンサ素子の他の例を示す模式的平面図である。
【図５】陰極箔、セパレータおよび陽極箔の模式的断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。
【００１７】
図１は、本発明の一実施の形態に係る積層型固体電解コンデンサの一例である積層型固体電解コンデンサ１００を示す模式的外観図である。図１に示すように、積層型固体電解コンデンサ１００は、コンデンサ素子１０、陰極端子３０および陽極端子４０を備える。コンデンサ素子１０の外装は、樹脂２０によりモールドされている。以下、コンデンサ素子１０の詳細について説明する。
【００１８】
図２は、コンデンサ素子１０の詳細を説明するための図である。図２（ａ）はコンデンサ素子１０の模式的断面図であり、図２（ｂ）はコンデンサ素子１０の模式的平面図である。図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、コンデンサ素子１０は、陰極箔１１上にセパレータ１２および陽極箔１３が順に積層された単位素子が複数積層された構造を有し、単位素子間にもセパレータ１２が積層されている。このような構成により、陰極箔１１と陽極箔１３とが直接接触することが防止される。したがって、コンデンサ素子１０の耐ショート性が向上する。
【００１９】
陰極箔１１、セパレータ１２および陽極箔１３は、平板状である。陰極箔１１、セパレータ１２および陽極箔１３の形状は、特に限定されず、矩形であっても円形であってもよい。各陰極箔１１にはそれぞれ引き出し部１１１が一体的に形成されており、各陽極箔１３にはそれぞれ引き出し部１３１が一体的に形成されている。陰極箔１１および引き出し部１１１と陽極箔１３および引き出し部１３１とは、それぞれ一体の一枚箔からなる。それにより、引き出し部１１１，１３１における接続抵抗が存在しない。その結果、各極箔のそれぞれにリードを設ける場合に比較して、電気抵抗を抑制することができる。
【００２０】
また、各引き出し部１１１は溶接部１１２によって接続されており、各引き出し部１３１は溶接部１３２によって接続されている。溶接部１１２，１３２は、レーザ溶接、抵抗溶接、超音波溶接等により形成されている。それにより、電気抵抗をより効果的に抑制することができる。その結果、本実施の形態に係る積層型固体電解コンデンサ１００の高周波特性が向上する。なお、溶接部１１２によって接続された複数の引き出し部１１１によって陰極端子３０が形成され、溶接部１３２によって接続された複数の引き出し部１３１によって陽極端子４０が形成される。
【００２１】
引き出し部１１１の両面の陰極箔１１側の端部および引き出し部１３１の両面の陽極箔１３側の端部には、絶縁層１４が形成されている。それにより、セパレータ１２から後述する導電性高分子が染み上がることが防止される。絶縁層１４は、例えば、シリコン樹脂やエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリイミド樹脂等の絶縁性を備えた合成樹脂からなる。
【００２２】
なお、引き出し部１１１，１３１が設けられる場所および数量は特に限定されない。例えば、引き出し部１１１，１３１は、陰極箔１１および陽極箔１３において複数設けられていてもよい。また、図２においては引き出し部１１１および引き出し部１３１がコンデンサ素子１０を挟んで反対側に設けられているが、いずれか一方の側に設けられていてもよい。ただし、引き出し部１１１，１３１を溶接する際に、互いに重複しないように配置する必要がある。引き出し部１１１，１３１の個数が多くなれば、外部との接触抵抗はさらに低減される。
【００２３】
図３および図４は、コンデンサ素子１０の他の例であるコンデンサ素子１０ａおよびコンデンサ素子１０ｂを示す模式的平面図である。図３に示すように、コンデンサ素子１０ａにおいては、引き出し部１１１が陰極箔１１の一辺に１つ形成され、引き出し部１３１が陽極箔１３の他辺に２つ形成されている。また、図４に示すように、コンデンサ素子１０ｂにおいては、引き出し部１１１が陰極箔１１の一辺に２つ形成され、引き出し部１３１が陽極１３の他辺に２つ形成されている。このように、本発明においては、引き出し部１１１，１３１が設けられる場所および数量は特に限定されない。
【００２４】
続いて、コンデンサ素子１０の材質等について説明する。図５は、陰極箔１１、セパレータ１２および陽極箔１３の模式的断面図である。図５に示すように、陰極箔１１とセパレータ１２との隙間および陽極箔１３とセパレータ１２との隙間に、固体電解質層として機能する導電性高分子層１６が形成されている。
【００２５】
陰極箔１１は、アルミニウム、銅、鉄、ニッケル等の金属からなり、本実施の形態においてはアルミニウム箔から構成される。陰極箔１１の膜厚は、例えば、３０μｍ程度である。陰極箔１１の表面には、炭化物の蒸着処理または物理的吸着処理が施されている。その結果、炭化物粒子１７が陰極箔１１の表面に吸着している。
【００２６】
このように、陰極箔１１を構成する金属と導電性高分子層１６とは、直接的に接触するのではなく有機物である炭化物粒子１７を介して接触することになる。それにより、陰極箔１１と導電性高分子層１６との密着性が向上する。また、通常の酸化皮膜のエッチングピットよりも炭化物粒子１７同士の空隙の方が広くなるため、導電性高分子層１６が効率よく形成される。それにより、陰極箔１１と導電性高分子層１６との界面抵抗が減少し、ｔａｎδおよびＥＳＲが低下する。その結果、積層型固体電解コンデンサ１００の周波数特性が向上する。
【００２７】
さらに、積層型固体電解コンデンサ１００への通電時には、陰極箔１１、炭化物粒子１７および導電性高分子層１６が導通することになる。それにより、炭化物粒子１７および導電性高分子層１６は、積層型固体電解コンデンサ１００の陰極としての容量に影響を及ぼさず、陰極側の静電容量が積層型固体電解コンデンサ１００の合成容量となる。その結果、積層型固体電解コンデンサ１００の容量達成率が大幅に向上する。また、積層型固体電解コンデンサ１００の容量が増大することから、単位素子の積層数を低減させることができる。それにより、積層型固体電解コンデンサ１００を薄型化することができる。なお、単位素子の積層数を調整することにより、任意の容量に設定することができる。
【００２８】
炭化物粒子１７は、炭素を含む素材であれば特に限定されない。炭化物粒子１７としては、例えば、カーボン、グラファイト、窒化炭素、炭化物、炭化化合物等を用いることができる。炭化物粒子１７が吸着する層の厚さは、０．１μｍ〜５μｍ程度であることが好ましく、１μｍ〜２μｍ程度であることがより好ましい。炭化物粒子が吸着する層の厚さを上記範囲に設定することにより、合成容量が増加するからである。なお、炭化物粒子１７は、陰極箔１１の表面に形成されるウィスカによって保持されていてもよい。
【００２９】
陽極箔１３は、表面に誘電体酸化皮膜１８が形成された弁金属からなる。陽極箔１３に用いられる弁金属としては、アルミニウム等の金属があげられる。陽極箔１３の膜厚は、例えば、１００μｍ程度である。誘電体酸化皮膜１８は、陽極箔１３の表面にエッチング処理および化成酸化処理を施すことによって形成することができる。
【００３０】
なお、陽極箔１３は、誘電体酸化皮膜が形成された弁金属を所定の形状に抜き取ることによって形成することができる。この抜き取りの際、陽極箔１３の端面において弁金属が露出し、誘電体酸化皮膜の欠損が発生する。したがって、露出した弁金属上に酸化皮膜を新たに形成する必要がある。例えば、抜き取り後に化成処理および熱処理を数回施すことによって、弁金属の露出部に誘電体酸化皮膜を新たに形成することができる。この化成処理は、アジピン酸アンモニウム濃度０．５％〜２％を主体とした化成液を用いて誘電体酸化皮膜１８の化成電圧値に近似した電圧で行われる。また、熱処理は、２００℃〜２８０℃の温度範囲で行われる。
【００３１】
セパレータ１２は、ＰＥＴ繊維、アクリル繊維等の高分子繊維を単独または混紗した合成繊維を主体とする。導電性高分子層１６は、セパレータ１２に重合性モノマー及び酸化剤を適量含侵させることにより形成することができる。導電性高分子層１６は、例えば、ポリエチレンジオキシチオフェン等の重合性物質からなる。導電性高分子層１６としてポリエチレンジオキシチオフェンを用いた場合には、導電性高分子層１６の固有抵抗が低減し、ＥＳＲが低減する。このポリエチレンジオキシチオフェンからなる導電性高分子層１６は、例えば、３，４エチレンジオキシチオフェン等の重合性モノマー及び酸化剤により重合させることにより形成することができる。
【００３２】
重合性モノマーの代わりに、重合性モノマーと揮発溶液とを１：１〜１：３の体積比で混合したモノマー溶液を用いることもできる。この揮発性溶液としては、炭素数１以上の有機溶媒であって、ペンタン等の炭化水素類、テトラヒドロフラン等のエーテル類、ギ酸エチル等のエステル類、アセトン等のケトン類、メタノール等のアルコール類、アセトニトリル等の窒素化合物等を用いることができ、これらの混合溶媒を用いることもできる。特に、メタノール、エタノール、アセトン等を用いることが好ましい。
【００３３】
酸化剤としては、エタノール、ブタノール等のアルコール等の炭素数１以上の有機溶媒を用いることができる。この場合、酸化剤分子が分散し、上記重合性モノマーの重合反応が促進される。その結果、重合時間の短縮化が図れる。また、ｐ−トルエンスルホン酸第２鉄、ドデシルベンゼンスルホン酸第２鉄、メトキシベンゼンスルホン酸第２鉄およびアルキルベンゼンスルホン酸第２鉄のうち１種類以上を溶解したアルコール溶液を用いることができる。この場合、アルコール溶媒と酸第二鉄との比率は任意でよいが、４０％〜７０％溶液を用いることが好ましい。酸化剤濃度が高くなることから、上記重合性モノマーの重合反応においてより緻密で収量が大きい高分子が形成されるからである。それにより、導電性高分子層１６は導電性に優れる性質を持つ。その結果、ＥＳＲを低下させることができる。また、重合性モノマーと酸化剤との配合比は、１：１〜１：６の範囲が好ましい。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明に係る積層型固体電解コンデンサ１００を作製し、その特性を調べた。
【００３５】
（実施例１）
実施例１においては、図１の積層型固体電解コンデンサ１００を作製した。陰極箔１１には、膜厚が３０μｍであり、表面に炭化物粒子１７が保持され、炭化物粒子１７が保持される層厚が２μｍであるものを用いた。セパレータ１２には、合成繊維を主体としたものを用いた。陽極箔１３には、膜厚が１００μｍであり、エッチング処理および化成処理が施されたアルミニウム箔を用いた。陰極箔１１および陽極箔１３は、所定の大きさになるように抜き取った。陰極箔１１および陽極箔１３の有効面積は、１４ｍｍ×１０ｍｍである。
【００３６】
次に、陽極箔１３に対してアジピン酸アンモニウム濃度０．５％〜２％を主体とした化成液を用いて陽極箔１３の酸化皮膜の化成電圧値に近似した電圧で化成処理を施し、２００℃〜２８０℃の温度範囲で熱処理を施した。次いで、陰極箔１１および陽極箔１３に絶縁層１４を形成した。次に、陰極箔１１、セパレータ１２および陽極箔１３を順に積層させた単位素子を、単位素子間にセパレータ１２を積層させつつ、１０素子分、積層させた。
【００３７】
次いで、セパレータ１２に純モノマーおよびＰ−トルエンスルホン酸第２鉄をエタノール溶媒に溶解させた６０％の酸化剤を含侵させ、徐々に加熱して導電性高分子層１６を形成した。次に、レーザ溶接により、溶接部１１２，１３２を形成した。次いで、コンデンサ素子１０の外装に樹脂２０によりモールドした。その後、コンデンサ素子１０に電圧処理を施した。それにより、積層型固体電解コンデンサ１００を完成させた。なお、実施例１に係る積層型固体電解コンデンサの容量は、２．５Ｖ１５００μＦである。
【００３８】
（比較例１，２）
比較例１においては、引き出し部１１１，１３１を有さない実施例１の積層型固体電解コンデンサを作製した。各陰極箔および各陽極箔には、それぞれ引き出しリードを取り付けた。各陰極箔には、従来の化成箔を用いた。比較例２においては、実施例１の陽極箔１３と同様の陽極箔を備え、陰極箔およびセパレータを有しない従来型の積層型固体電解コンデンサを作製した。なお、比較例１，２に係る積層型固体電解コンデンサの容量は、２．５Ｖ１５００μＦである。
【００３９】
（分析）
実施例１及び比較例１，２の積層型固体電解コンデンサの静電容量、ｔａｎδ、漏れ電流およびＥＳＲの値を表１に示す。実施例１及び比較例１，２の固体電解コンデンサはそれぞれ３０個ずつ作製されており、表１の各値はそれらの平均値を示している。
【００４０】
【表１】
2011223042.tif 000003
【００４１】
表１に示すように、実施例１の固体電解コンデンサにおいては、比較例１，２の固体電解コンデンサに比較して、静電容量が大幅に増加し、ｔａｎδ、漏れ電流およびＥＳＲが大幅に低減している。これは、炭化物粒子および導電性高分子層の密着性が向上し、炭化物粒子同士の広い空隙における導電性高分子層の形成状態が良好であることから、界面抵抗が減少したためであると考えられる。また、引き出し部１１１，１３１が陰極箔１１および陽極箔１３と一体的に形成されていることにより、接触抵抗が大幅に低減したからであると考えられる。
【００４２】
さらに、陰極箔、炭化物粒子および導電性高分子層が導通化していることから、炭化物粒子および導電性高分子層が存在することが陰極としての容量に影響を及ぼさない。それにより、陽極側の静電容量が積層型固体電解コンデンサの合成容量となる。その結果、実施例１の積層型固体電解コンデンサの容量達成率が大幅に向上したため、上記特性が得られたと考えられる。
【符号の説明】
【００４３】
１０，１０ａ，１０ｂ  コンデンサ素子
１１  陰極箔
１２  セパレータ
１３  陽極箔
１４  絶縁層
１６  導電性高分子層
１７  炭化物粒子
１８  陽極酸化皮膜
１００  積層型固体電解コンデンサ
１１１，１３１  引き出し部
１１２，１３２  溶接部
【図１】
2011223042.tif 000004
【図２】
2011223042.tif 000005
【図３】
2011223042.tif 000006
【図４】
2011223042.tif 000007
【図５】
2011223042.tif 000008