(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層が表面に形成された陽極部材と陰極部材とが巻回された巻回体と、
前記巻回体内に形成された、導電性高分子を含む固体電解質層と、
前記固体電解質層が形成されている前記巻回体に含浸された電解液と
を有したコンデンサ素子を備え、
前記固体電解質層は、前記導電性高分子の粒子が分散した分散液又は前記導電性高分子が溶解した溶液を前記巻回体に含浸させた後、前記巻回体に含浸した前記分散液又は前記溶液を乾燥させることにより形成されたものであり、
前記巻回体内に形成された前記固体電解質層に対する、前記巻回体に含浸された前記電解液の体積比率は、１．２７以上２．５４以下である、電解コンデンサ。
【請求項２】
前記コンデンサ素子は、前記固体電解質層及び前記電解液が何れも存在しない空隙を有し、
前記固体電解質層が形成される前の前記巻回体に含浸し得る前記電解液の最大容積に対する、前記空隙の体積比率は、０．０４以上０．３８以下である、請求項１に記載の電解コンデンサ。
【請求項３】
前記巻回体内に形成された前記固体電解質層に対する、前記巻回体に含浸された前記電解液の体積比率は、１．６９以上２．５４以下である、請求項１又は２に記載の電解コンデンサ。
【請求項４】
誘電体層が表面に形成された陽極部材と陰極部材とが巻回された巻回体と、
前記巻回体内に形成された、導電性高分子を含む固体電解質層と、
前記固体電解質層が形成されている前記巻回体に含浸された電解液と、を有するコンデンサ素子を備える電解コンデンサの製造方法であって、
導電性高分子の粒子が分散した分散液又は導電性高分子が溶解した溶液を前記巻回体に含浸させた後、前記巻回体に含浸した前記分散液又は前記溶液を乾燥させることにより、前記固体電解質層を形成し、
前記巻回体内に形成された前記固体電解質層に対する、前記巻回体に含浸する前記電解
液の体積比率を、１．２７以上２．５４以下とする、電解コンデンサの製造方法。
【請求項５】
前記コンデンサ素子は、前記固体電解質層及び前記電解液が何れも存在しない空隙を有し、
前記固体電解質層が形成される前の前記巻回体に含浸し得る前記電解液の最大容積に対する、前記空隙の体積比率を、０．０４以上０．３８以下とする、請求項４に記載の電解コンデンサの製造方法。
【請求項６】
前記巻回体内に形成された前記固体電解質層に対する、前記巻回体に含浸する前記電解液の体積比率を、１．６９以上２．５４以下とする、請求項４又は５に記載の電解コンデンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解コンデンサに関し、特にコンデンサ素子が固体電解質及び電解液を何れも含む電解コンデンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の高性能化に伴い、電子機器に搭載するコンデンサとして、静電容量が大きく且つ等価直列抵抗（ＥＳＲ）が小さいものが必要となっている。そして、この様なコンデンサとして、巻回タイプの固体電解コンデンサが多く用いられている。この固体電解コンデンサが備えるコンデンサ素子は、誘電体層が表面に形成された陽極箔と陰極箔とが巻回された巻回体を有している。そして、巻回体には、導電性高分子を含む固体電解質層が形成されている。【０００３】
従来、巻回体への固体電解質層の形成には、電解重合法や化学重合法等の重合法が用いられていた。具体的には、巻回体を、導電性高分子を形成するための重合液に浸漬させることにより、重合液を、巻回体内に存在する隙間に浸透させる。その後、重合液中のモノマーを重合させることにより、巻回体内に導電性高分子を生成する。しかし、重合液を用いた固体電解質層の形成方法は、固体電解コンデンサの製造過程を煩雑にする。【０００４】
そこで、巻回体への固体電解質層の形成方法として、次の様な手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。先ず、導電性高分子の粒子が分散した分散液又は導電性高分子が溶解した溶液を巻回体に含浸させることにより、分散液又は溶液を、巻回体内に存在する隙間に浸透させる。その後、巻回体に含浸した分散液又は溶液を乾燥させる。これにより、巻回体内に固体電解質層が形成される。【０００５】
更に、分散液又は溶液を用いた固体電解質層の形成方法により作製される電解コンデンサについて、その特性を向上させるべく、固体電解質層の形成に加えて電解液を巻回体に含浸させることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−１０６５７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、コンデンサ素子が固体電解質及び電解液を何れも含む電解コンデンサについて、未だ、その特性の最適化には至っていない。【０００８】
そこで本発明の目的は、コンデンサ素子が固体電解質及び電解液を何れも含む電解コンデンサにおいて、その特性を最適化することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る電解コンデンサは、コンデンサ素子を備え、このコンデンサ素子は、巻回体と、導電性高分子を含む固体電解質層と、電解液とを有する。ここで、巻回体は、誘電体層が表面に形成された陽極部材と陰極部材とが巻回されたものである。固体電解質層は、巻回体内に形成され、電解液は、固体電解質層が形成されている巻回体に含浸されている。電解液には、電解質を含んだものに限らず、電解質を含まない非水溶媒が含まれる。そして、巻回体内に形成された固体電解質層に対する、巻回体に含浸された電解液の体積比率は、１．２７以上２．５４以下である。【００１０】
上記電解コンデンサの好ましい具体的構成において、コンデンサ素子は、固体電解質層及び電解液が何れも存在しない空隙を有し、固体電解質層が形成される前の巻回体に含浸し得る電解液の最大容積に対する、空隙の体積比率は、０．０４以上０．３８以下である。【００１１】
上記電解コンデンサにおいて、固体電解質層は、導電性高分子の粒子が分散した分散液又は導電性高分子が溶解した溶液を巻回体に含浸させた後、巻回体に含浸した分散液又は溶液を乾燥させることにより形成されたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る電解コンデンサは、その特性が最適化されたものとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態に係る電解コンデンサを概念的に示した縦断面図である。
【図２】電解コンデンサの製造方法を示したフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［１］電解コンデンサの構成
図１は、本発明の実施形態に係る電解コンデンサを概念的に示した縦断面図である。図１に示す様に、電解コンデンサは、コンデンサ本体１０と、このコンデンサ本体１０が搭載された座板５０とから構成されている。コンデンサ本体１０は、コンデンサ素子１と、コンデンサ素子１が収納された有底筒状の外装ケース２と、外装ケース２の開口部２１に嵌挿された封口部材３とから構成されている。
【００１５】
コンデンサ素子１は、巻回体１１と、陽極リードタブ端子１２と、陰極リードタブ端子１３とを有している。巻回体１１は、表面に誘電体層が形成された陽極箔と、陰極箔と、セパレータとを重ね合わせて巻回されたものである。ここで、陽極箔及び陰極箔の各々は、アルミニウム、タンタル、ニオブ等の弁作用金属から形成されている。又、セパレータは、巻回体１１において陽極箔と陰極箔との間に介在する様に、陽極箔と陰極箔とに重ねられている。尚、巻回体１１は、箔に限定されない様々な形態の陽極部材及び陰極部材が巻回されたものであってもよい。
【００１６】
陽極箔と陰極箔との間には、導電性高分子を含んだ固体電解質層が形成されている。固体電解質層は、導電性高分子の粒子が分散した分散液を巻回体１１に含浸させた後、巻回体１１に含浸した分散液を乾燥させることにより形成されたものである。尚、固体電解質層は、導電性高分子が溶解した溶液を巻回体１１に含浸させた後、巻回体１１に含浸した溶液を乾燥させることにより形成されたものであってもよい。
【００１７】
導電性高分子は、高い導電率を有していることが好ましい。その様な導電性高分子として、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリフラン、及びこれらの誘導体が挙げられる。これらの中でも、ポリチオフェンの誘導体であるポリエチレンジオキシチオフェン（ＰＥＤＯＴ）は、高い導電率に加えて高い自己修復機能を有しているので、導電性高分子として特に好ましい。尚、固体電解質層には、これらの導電性高分子に限定されない様々な導電性高分子から選択される１種又は複数種の導電性高分子が含まれていてもよい。又、導電性高分子は、ドーパントを含んでいることが好ましい。ドーパントとして、ｐ−トルエンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸などを用いることが出来る。
【００１８】
更に、巻回体１１には、電解液が含浸されており、この電解液は、巻回体１１の内部に存在する隙間を埋めると共に、誘電体層及び固体電解質層に接触している。本実施形態の電解コンデンサに用いられる電解液には、電解質を含んだものに限らず、電解質を含まない非水溶媒が含まれる。但し、電解液として用いられる非水溶媒は、誘電体層の損傷部分を修復する修復作用を発揮し得るものであり、且つ、非水溶媒に接触した導電性高分子を劣化させないものであることが好ましい。その様な非水溶媒として、例えば、γ−ブチロラクトン（沸点２０４℃）、スルホラン（沸点２８５℃）、エチレングリコール（沸点１９７．３℃）、プロピレンカーボネート（沸点２４０℃）等が挙げられる。尚、非水溶媒には、これらの溶媒に限らず、修復作用を発揮し得る種々の溶媒から選択される１種又は複数種の溶媒が含まれていてもよい。
【００１９】
ここで、巻回体１１内に形成された固体電解質層に対する、巻回体１１に含浸された電解液の体積比率Ｒ１は、１．２７以上２．５４以下であることが好ましい。特に好ましくは、体積比率Ｒ１は、２．１２以上２．５４以下である。又、コンデンサ素子１は、巻回体１１内に、固体電解質層及び電解液が何れも存在しない空隙を有している。そして、固体電解質層が形成される前の巻回体１１に含浸し得る電解液の最大容積に対する、空隙の体積比率Ｒ２は、０．０４以上０．３８以下であることが好ましい。
【００２０】
ここで、固体電解質層が形成される前の巻回体１１に含浸し得る電解液の最大容積に対する、巻回体１１に形成された固体電解質層の体積比率Ｒｐ、及び巻回体１１に含浸された電解液の体積比率Ｒｅを用いて、上記体積比率Ｒ１及びＲ２はそれぞれ、下掲の式（１）及び（２）により表される。
【００２１】
【数１】
0006547133.tif 000002
【００２２】
陽極リードタブ端子１２は陽極箔に電気的に接続され、陰極リードタブ端子１３は陰極箔に電気的に接続されている。そして、陽極リードタブ端子１２及び陰極リードタブ端子１３は、巻回体１１の巻回端面１１ａから引き出されている。尚、陽極箔に接続される陽極リードタブ端子１２の本数は、１本に限らず複数本であってもよい。又、陰極箔に接続される陰極リードタブ端子１３の本数は、１本に限らず複数本であってもよい。
【００２３】
陽極リードタブ端子１２及び陰極リードタブ端子１３は、封口部材３を貫通している。これにより、コンデンサ素子１が封口部材３に固定されると共に、陽極リードタブ端子１２のリード部１２１と陰極リードタブ端子１３のリード部１３１とが、外装ケース２の外部へ引き出されている。又、リード部１２１及び１３１の各々は、座板５０を貫通すると共に、先端を含んだ一部分が座板５０の下面５０ａに沿う様にＬ字状に屈曲している。そして、リード部１２１及び１３１のうち座板５０の下面５０ａに沿った部分により、電解コンデンサの外部端子が形成されている。
【００２４】
外装ケース２は、アルミニウム等の金属材料から形成されている。外装ケース２の開口部２１には、これに横絞り加工を施すことにより、外装ケース２に封口部材３を固定するための絞り部２２が形成されている。本実施形態においては更に、外装ケース２の開口端部にカール処理が施されている。尚、外装ケース２は、金属材料に限らず、電気絶縁性材料を含む種々の材料から形成されていてもよい。
【００２５】
封口部材３は、ゴム等の弾性材料から形成されている。絞り部２２は、封口部材３をその周囲から内側へ向けて圧縮している。これにより、封口部材３は、弾性変形すると共に、その側周面３ａが外装ケース２の内周面２ａに密着している。この様にして、外装ケース２の開口部２１が、封口部材３により封止されている。尚、外装ケース２の開口部２１は、封口部材３の嵌挿に代えて開口部２１に樹脂材が充填されることにより、この樹脂材によって封止されていてもよい。
【００２６】
本実施形態の電解コンデンサによれば、電気特性及び信頼性を向上させることが出来る。具体的には、固体電解質層に対する電解液の体積比率Ｒ１が１．２７以上である場合、誘電体層の表面が電解液で覆われ易くなる。このため、誘電体層の損傷部分が修復され易くなり、その結果、電解コンデンサの静電容量及びＥＳＲの変化率が著しく向上すると共に、耐電圧が大きくなる。一方、体積比率Ｒ１が１．２７未満である場合、誘電体層の表面への電解液の到達が、固体電解質層によって阻害される。その原因として、電解液量に対して導電性高分子量が多くなり、誘電体層の表面が厚い固体電解質層で覆われることや、導電性高分子が電解液を吸収することが考えられる。ここで、単に電解液の量が多ければよいというものではなく、導電性高分子の量との関係でどの程度の電解液の量が好ましいかという点が重要であることは、注目すべきことである。
【００２７】
体積比率Ｒ１が２．５４以下である場合、電解コンデンサには、リフロー後の液漏れ不良が生じず、その一方で、体積比率Ｒ１が２．５４より大きい場合、その様な液漏れ不良が生じ易くなる。
【００２８】
空隙の体積比率Ｒ２が０．０４以上である場合、巻回体１１中に適度な隙間ができるので、ヒートサイクルで導電性高分子及び電解液に膨張と収縮とが繰り返し生じた場合でも、適度な空間によって膨張及び収縮が吸収される。即ち、膨張及び収縮に対する緩衝作用が得られる。よって、導電性高分子が誘電体層から剥離し難くなる。一方、体積比率Ｒ２が０．０４未満である場合、膨張及び収縮に対する緩衝作用を得ることは難しく、従って、導電性高分子が誘電体層から剥離し易くなる。
【００２９】
体積比率Ｒ２が０．３８以下である場合、所望の電気特性を得るために必要な量の電解液及び導電性高分子が占める容積が、巻回体１１内に確保される。一方、体積比率Ｒ２が０．３８より大きい場合、所望の電気特性を得るために必要な量の電解液及び導電性高分子が占める容積を、巻回体１１内に確保することが難しくなる。
【００３０】
［２］電解コンデンサの製造方法
図２は、本実施形態に係る電解コンデンサの製造方法を示したフローチャートである。本実施形態の製造方法では、巻回工程と、再化成処理工程と、固体電解質層形成工程と、電解液含浸工程と、封止工程とが、この順に実行される。
【００３１】
巻回工程では、陽極箔、陰極箔、及びセパレータを巻芯に巻き付けることにより、巻回体１１を形成する。そして、巻回体１１の型崩れを防止するべく、巻回体１１の最外周面に巻止めテープを巻き付ける。陽極リードタブ端子１２及び陰極リードタブ端子１３は、巻回前又は巻回途中で、陽極箔及び陰極箔にそれぞれ取り付けられる。尚、陽極箔は、表面に誘電体層が形成された金属箔を所定形状に切断することにより形成される。よって、切断面には、陽極箔を構成する金属の一部が露出している。
【００３２】
再化成処理工程では、巻回体１１に対して再化成処理を施す。これにより、陽極箔の露出面（切断面）に誘電体層が形成されると共に、誘電体層の損傷部分が修復される。
【００３３】
固体電解質層形成工程では、先ず、導電性高分子の粒子が分散した分散液又は導電性高分子が溶解した溶液を準備する。導電性高分子として、例えば、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフラン、又はこれらの誘導体を用いることが出来る。これらの中でも、ポリチオフェンの誘導体であるポリエチレンジオキシチオフェンは、高い導電率に加えて高い自己修復機能を有しているので、導電性高分子として特に好ましい。尚、導電性高分子として、これらに限定されない様々な導電性高分子から選択される１種の導電性高分子を用いてもよいし、複数種の導電性高分子を組み合わせて用いてもよい。又、導電性高分子は、ドーパントを含んでいることが好ましい。ドーパントとして、ｐ−トルエンスルホン酸、ポリスチレンスルホン酸などを用いることが出来る。
【００３４】
次に、準備した分散液又は溶液を巻回体１１に含浸させることにより、分散液又は溶液を、巻回体１１内に存在する隙間にセパレータを通じて浸透させる。その後、巻回体１１に含浸した分散液又は溶液を乾燥させる。これにより、巻回体１１内に固体電解質層が形成される。尚、固体電解質層形成工程において、分散液又は溶液の含浸と乾燥とを複数回繰り返し実行してもよい。
【００３５】
電解液含浸工程では、先ず、巻回体１１に含浸させるための電解液を準備する。巻回体１１に含浸させる電解液には、電解質を含んだものに限らず、電解質を含まない非水溶媒が含まれる。但し、電解液として用いられる非水溶媒は、誘電体層の損傷部分を修復する修復作用を発揮し得るものであり、且つ、非水溶媒に接触した導電性高分子を劣化させないものであることが好ましい。その様な非水溶媒として、例えば、γ−ブチロラクトン、スルホラン、エチレングリコール、プロピレンカーボネート等が挙げられる。尚、電解液として、これらの非水溶媒に限らず、修復作用を発揮し得る種々の非水溶媒から選択される１種の非水溶媒を用いてもよし、複数の非水溶媒を組み合わせて用いてもよい。
【００３６】
次に、準備した電解液を外装ケース２に注入する。このとき、外装ケース２には、所定量の電解液が注入される。その後、外装ケース２に巻回体１１を挿入することにより、巻回体１１に電解液を含浸させる。これにより、電解液が、巻回体１１内に存在する隙間にセパレータを通じて浸透し、その結果、巻回体１１内に存在する隙間が電解液によって埋められると共に、誘電体層及び固体電解質層に電解液が接触する。これにより、コンデンサ素子１が完成する。
【００３７】
尚、巻回体１１への電解液の含浸は、次の様に行われてもよい。即ち、外装ケース２に巻回体１１を挿入する前に、巻回体１１に所定量の電解液を注入することにより、巻回体１１に電解液を含浸させてもよい。
【００３８】
固体電解質層形成工程及び電解液含浸工程では、巻回体１１内に形成される固体電解質層に対する、巻回体１１に含浸される電解液の体積比率Ｒ１が、１．２７以上２．５４以下となる様に、固体電解質層の形成及び電解液の含浸が行われることが好ましい。特に好ましくは、体積比率Ｒ１は、２．１２以上２．５４以下である。又、電解液含浸工程では、巻回体１１内に、固体電解質層及び電解液が何れも存在しない空隙が形成される様に、巻回体１１に電解液を含浸させることが好ましい。ここで、固体電解質層を形成する前の巻回体１１に含浸し得る電解液の最大容積に対する、空隙の体積比率Ｒ２が、０．０４以上０．３８以下となる様に、巻回体１１に電解液を含浸させることが、特に好ましい。
【００３９】
封止工程では、外装ケース２にコンデンサ素子１が収納された状態で、外装ケース２の開口部２１を封口部材３によって封止する。これにより、コンデンサ本体１０が完成する。その後、コンデンサ本体１０を座板５０に搭載することにより、図１に示された電解コンデンサが完成する。尚、封止工程では、外装ケース２の開口部２１に樹脂材を充填することにより、この樹脂材によって開口部２１を封止してもよい。
【００４０】
尚、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。例えば、固体電解質層に含まれる導電性高分子は、重合法により形成されてもよい。
【実施例】
【００４１】
本発明者は、上記実施形態の例として、次の条件で電解コンデンサ（定格電圧１００Ｖ、定格静電容量１５μＦ）を作製した。即ち、陽極箔及び陰極箔としてアルミニウム箔を用い、これらをセパレータと共に巻回した。導電性高分子としてポリエチレンジオキシチオフェンを用い、ポリエチレンジオキシチオフェンの粒子が分散した分散液を陽極箔と陰極箔との間に含浸させた後、その分散液を乾燥させることにより、固体電解質層を形成した。又、電解液として、γブチロラクトンとスルホランとジカルボン酸とを含む電解液を用いた。そして、上述した電解液の体積比率Ｒ１及び空隙の体積比率Ｒ２が、次の様な値となる４種類の電解コンデンサ（実施例１〜４）を作製した：（Ｒ１，Ｒ２）＝（１．２７，０．３８）、（１．６９，０．２７）、（２．１２，０．１５）、（２．５４，０．０４）。【００４２】
更に、本発明者は、実施例１〜４との比較のために、上述した電解液の体積比率Ｒ１及び空隙の体積比率Ｒ２が、次の様な値となる３種類の電解コンデンサ（比較例１〜３）を作製した：（Ｒ１，Ｒ２）＝（０，０．７３）、（０．８５，０．５０）、（２．９６，０）。尚、他の条件は実施例１〜４と同じである。【００４３】
本発明者は、実施例１〜４及び比較例１〜３の電解コンデンサをそれぞれ２０個ずつ用意した。そして、これらの電解コンデンサについて、電気特性として、静電容量及び等価直列抵抗（ＥＳＲ）の変化率、並びに耐電圧を測定した。又、電解コンデンサについて、リフロー後の液漏れ不良の有無を確認した。表１には、それらの測定及び確認の結果が示されている。【００４４】
【表１】
0006547133.tif 000003
【００４５】
尚、電解コンデンサの測定条件として、静電容量については測定周波数を１２０Ｈｚとし、ＥＳＲについては測定周波数を１００ｋＨｚとした。そして、初期の静電容量Ｃ（０）及びＥＳＲ（０）と、測定開始から１０５℃の環境下で３０００時間経過後の静電容量Ｃ（3000）及びＥＳＲ（3000）とを測定し、下掲の式（３）及び（４）に従って、静電容量及びＥＳＲの変化率をそれぞれ求めた。又、耐電圧の測定は、電解コンデンサに印加する電圧を１Ｖ／ｓの速度で上昇させながら行い、電解コンデンサに５００ｍＡの電流が流れたときの電圧を、耐電圧として測定した。【００４６】
【数２】
0006547133.tif 000004
【００４７】
表１に示す結果から、比較例１及び２に比べて、実施例１〜４では、静電容量及びＥＳＲの変化率が著しく向上し、又、耐電圧が著しく大きくなることが分かった。これにより、上述した電解液の体積比率Ｒ１の好ましい範囲の下限値が１．２７であることが確かめられた。又、上述した空隙の体積比率Ｒ２の好ましい範囲の上限値が０．３８であることが確かめられた。【００４８】
又、表１に示す結果から、リフロー後の液漏れ不良が、比較例３では発生するのに対し、実施例１〜４では発生しないことが分かった。これにより、上述した電解液の体積比率Ｒ１の好ましい範囲の上限値が２．５４であることが確かめられた。又、上述した空隙の体積比率Ｒ２の好ましい範囲の下限値が０．０４であることが確かめられた。
【符号の説明】
【００４９】
１  コンデンサ素子
２  外装ケース
２ａ  内周面
３  封口部材
３ａ  側周面
１０  コンデンサ本体
１１  巻回体
１１ａ  巻回端面
１２  陽極リードタブ端子
１３  陰極リードタブ端子
２１  開口部
２２  絞り部
５０  座板
５０ａ  下面
１２１、１３１  リード部
Ｒ１、Ｒ２、Ｒｅ、Ｒｐ  体積比率
【図１】
0006547133.tif 000005
【図２】
0006547133.tif 000006