(57)【要約】【課題】セパレーターの厚みを増大させることなくその耐電圧特性を確保することができ、インピーダンス特性に優れ、しかも電解液保持量の向上によりコンデンサ寿命を改善することを可能とする。【解決手段】球状セルロースを片面もしくは両面に付着させたコンデンサ用セパレーターであって、球状セルロースの直径は２〜１５μｍであり、アルカリ金属含有量が１重量％以下であり、好ましくは球状セルロースにゼオライトもしくはヒドロキシアパタイトの少なくとも１種を付着させる。また、セパレーター上に付着させた球状セルロースを含む層の厚さは２〜４０μmである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
球状セルロースを片面もしくは両面に付着させたコンデンサ用セパレーター。
【請求項２】
前記球状セルロースの直径が２〜１５μｍである請求項1記載のコンデンサ用セパレーター
【請求項３】
前記球状セルロース中のアルカリ金属含有量が1重量％以下である請求項1または2に記載のコンデンサ用セパレーター
【請求項４】
前記球状セルロースにゼオライトもしくはヒドロキシアパタイトの少なくとも１種を付着させた請求項３に記載のコンデンサ用セパレーター。
【請求項５】
球状セルロースを含む層の厚さが２〜４０μmであることを特徴とする請求項４に記載のコンデンサ用セパレーター。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれかに記載のセパレーターを介在させてなるコンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサおよびそのセパレーターにかかり、その耐電圧特性を落とすことなく、インピーダンス特性に優れ、しかも電解液保持量の向上によりコンデンサ寿命を改善するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にコンデンサ、特に電解コンデンサは以下のような構成を取っている。すなわち、帯状に形成された高純度のアルミニウム箔を化学的あるいは電気化学的にエッチングを行って拡面処理するとともに、拡面処理したアルミニウム箔をホウ酸アンモニウム水溶液等の化成液中にて化成処理することによりアルミニウム箔の表面に酸化皮膜層を形成させた陽極箔と、同じく高純度のアルミニウム箔を拡面処理した陰極箔を、セパレーターを介して巻回してコンデンサ素子が形成される。そしてこのコンデンサ素子には駆動用の電解液が含浸され、金属製の有底筒状の外装ケースに収納される。さらに外装ケースの開口端部は弾性ゴムよりなる封口体が収納され、さらに外装ケースの開口端部を絞り加工により封口を行い、電解コンデンサを構成する。
【０００３】
そして、小型、低圧用の電解コンデンサの、コンデンサ素子に含浸される電解液としては、従来から、エチレングリコールを主溶媒とし、アジピン酸、安息香酸などのアンモニウム塩を溶質とするもの、または、γ−ブチロラクトンを主溶媒とし、フタル酸、マレイン酸などの四級化環状アミジニウム塩を溶質とするもの等が知られている。
【０００４】
これら従来の電解コンデンサはセパレーター中に電解液を含浸させているため、コンデンサとしてのインピーダンス特性、特に等価直列抵抗（以下ＥＳＲと略する）が高くなり易く、又使用中にも経時劣化するおそれがある。そのためインピーダンス特性を良くするために電解液の抵抗を下げることや、セパレーターを薄くするか密度を低くすることが考えられる。しかしながら、電解液の抵抗値を下げると、アルミニウム箔に対して腐蝕性を与える原因となり、一方、セパレーターを薄くすることや密度を低くすると、コンデンサ素子をエージングする際にショート不良率が増大し、仮にショートしなかった場合でも製品化されて市場に出された後のショート不良率が高くなる問題点がある。
【０００５】
そこで、インピーダンス特性を良くするためにセパレーターについては構成する繊維の形状や配向性が検討されてきた。同一厚さ、同一密度の場合、電解紙中の空隙がセパレーターの表面から裏面に対して効率良く貫通していることが望ましい。そのためセパレーターの原料には繊維径ができるだけ小さく、かつ、円形に近いことの２点が求められている。
また、同一厚さで耐電圧特性を持たせるためには、セパレーターの繊維ができるだけ高密度であることが望ましいが、密度を高くすると、ＥＳＲが極端に低下する。特に中高圧用のコンデンサでは耐電圧確保のため、セパレーターの繊維を緻密にすることで対応しており、インピーダンス特性を低下させていた。
【０００６】
上記の問題点から、特開平５−２９１０８０号公報に示されているように、セパレーターに有機微粉末としてセルロース微粉末を混抄内添することが提案されている。また、特開平５−２５１２７５号公報に示されているように、陽極箔、陰極箔およびセパレーターの少なくとも一つにヒドロキシエチル（アルキル）セルロースを付着させることが提案されている。（特許文献１，２）
また、特開２００３−１００５５８号公報にはインピーダンス特性およびショート不良率を改善する方法として、コンデンサ素子となった形態においてセルロース繊維の局在化、偏在化を防止するために、電解液中で可溶のバインダーでセルロース繊維を固着する方法が提案されている。（特許文献３）
【特許文献１】特開平５−２９１０８０号公報
【特許文献２】特開平５−２５１２７５号公報
【特許文献３】特２００３−１００５５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献1に提案されている方法では、コンデンサ素子巻回時にそのセルロース微粉末が脱落しやすいため、その脱落した空隙部がコンデンサ耐電圧を低下させる原因となっている。また、特許文献２で提案されているヒドロキシエチル（アルキル）セルロースの粉末をセパレーターに塗布することについては、セルロースとの付着性が悪く、塗布の作業性が悪いことと、また粉末の大きさが４２メッシュ（３５５μｍ以下）の金網を通過する微粉末のため、中高圧用コンデンサのセパレーター厚みが１５〜９０μｍであることに対して大幅な厚み増加となることからインピーダンス特性が低下することと、均一な厚みを有する塗布層を形成することが困難なことから、陽極箔と陰極箔との電極間隔のバラツキが大きくなるため、コンデンサの耐電圧特性が低下してしまう。
また、特許文献３に提案されている方法では、電解コンデンサにおける耐電圧確保とインピーダンス特性の改善については、まだ不十分である。
【０００８】
本発明は、これらの問題点を改善するもので、セパレーターの厚みを増大させることなくその耐電圧特性を確保することができ、インピーダンス特性に優れ、しかも電解液保持量の向上によりコンデンサ寿命を改善することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の目的を達成するために、球状セルロースを片面もしくは両面に付着させたコンデンサ用セパレーターである。
【００１０】
上記のようなセパレーターを用いてコンデンサ素子とした形態において、球状セルロースの層が、セパレーターに均一な耐電圧を有する層を形成することができるので、セパレーターの薄箔化を促進しても、ショート不良率を少なくすることができる。
【００１１】
また、球状セルロースは、ヒドロキシエチル（アルキル）セルロース等の繊維状のセルロースに比べ、その形状が球形に近く、かつ粒径が小さく、その粒径が揃っている。このため、球状セルロースを低密度のセパレーターに使用することにより、イオンがセパレーター内を通過する場合に、球状セルロースの外側を短距離でかつ直線的に通過しやすくなる。その結果として繊維が高密度のセパレーターに比べ、その妨げが少なくなるためにイオンが通過しやすくなり、良好なイオン透過性を保持することができ、インピーダンス特性の悪化が少なくなる。
【００１２】
また、球状セルロースは、一般のセルロースと同様に電解液との親和性がよく、多孔性で内部に多くの空隙があるため電解液が入り込みやすく、電解液の保持性が良好である。そのため、過電圧印加時における発熱においても球状セルロース内部に保持された電解液の蒸散が低減されることから、コンデンサの電解液保持量の向上によりコンデンサ寿命を改善することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のコンデンサ用セパレーターによれば、コンデンサの耐電圧を落とすことなく、インピーダンス特性に優れ、しかも電解液保持量の向上により高温寿命特性の良好なコンデンサを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明のコンデンサ用セパレーターは、球状セルロースを片面もしくは両面に付着させたコンデンサ用セパレーターであって、球状セルロースの直径は２〜１５μｍであり、アルカリ金属含有量が１重量％以下であり、好ましくは球状セルロースにゼオライトもしくはヒドロキシアパタイトの少なくとも１種を付着させる。
また、セパレーター上に付着させた球状セルロースを含む層の厚さは２〜４０μmである。
【００１５】
さらに、本発明のコンデンサ用セパレーターと陽極箔と陰極箔を巻回してなるコンデンサ素子に駆動用電解液を含浸し、このコンデンサ素子を外装ケースに収納し、ケースの開口部を封口部材で封口して電解コンデンサとする。
【００１６】
セパレーターに球状セルロースを付着させる層厚については、コンデンサ製品の必要特性に応じて定めればよいが、薄すぎるとコンデンサ製品の耐電圧特性が低下することと、電解液保持量向上が期待できなくなる。逆に付着する層厚が厚すぎると、コンデンサの外装ケースに入るコンデンサ素子サイズが決まっているため、コンデンサ素子の電極面積を下げざるを得ず、コンデンサの静電容量が低下してしまう。そのため、球状セルロースを付着させる層厚は２〜４０μｍの範囲が最適である。
なお、本発明に使用されるセパレーターの厚みについては、通常１５〜７０μｍである。
【００１７】
本発明に使用されるセパレーターは、低ＥＳＲ化が要求される低密度のセパレーターで、その片面もしくは両面に球状セルロースを付着させている。このようなセパレーターは繊維間隔が疎らで空間が多いとともに繊維間隔のバラツキが大きくなっている。上記のセパレーターの表面に球状セルロースを塗布などにより付着させると、セパレーターの繊維間隔にくらべ粒径が小さい場合は、球状セルロースはその一部がセパレーターの繊維間の空隙部分に介在していく。また、粒径が大きい場合は、球状セルロースはセパレーターの表面に付着するか、または、一部がセパレーター表面の繊維間の凹部に留まるようになる。
その結果、セパレーターに存在していた繊維間の空間部分を埋めるように球状セルロースに入っていくとともに、セパレーターの表面が球状セルロースにより効率的に覆われる。このことから、球状セルロースの層が、セパレーターに均一な耐電圧を有する層を形成することができるので、セパレーターの単位体積あたりの密度を上げることなく、耐電圧特性を保持したセパレーターを得ることができる。
【００１８】
本発明に使用されるセパレーターの材質については、セルロース繊維、合成高分子製の連通多孔質基材、非木材パルプ繊維などが好ましい。
【００１９】
また、セパレーターの密度については、中心密度域が０．３〜０．６ｇ／ｃｍ3を使用するのが好ましい。０．３ｇ／ｃｍ3未満であるとセパレーターを構成する繊維が少なくなるとともに、細くなるため強度が弱くなり、コンデンサの巻回に耐えられなくなる。
０．６ｇ／ｃｍ3を超えると、セパレーターの繊維間が密でイオン透過率が悪い上に、さらにセパレーター上に球状セルロースを付着させるとコンデンサのＥＳＲを急激に悪化させる。
【００２０】
球状セルロースの粒径については、使用されるセパレーターの繊維間隔およびその箔厚との関係から２〜１５μｍが好ましい。２μm未満であると、セパレーターの繊維間の特に疎らとなった空間部分を埋められないため、コンデンサ製品の耐電圧の改善効果が少なくなる。また、粒径が小さいと、単位体積あたりの電解液の保持量が低下し寿命延長効果も低下する。１５μｍを超えると付着層厚が厚くなりやすいためにＥＳＲが低下する。そのため、球状セルロースの粒径は２〜１５μｍの範囲が最適であり、この範囲外では良好なコンデンサ特性が得られない。
【００２１】
また、球状セルロースは電解液に溶出するような不純物を含まず、電解液に対して安定であり、コンデンサに組み込んだ際に、熱、圧力等のストレスによる経時的な変質の起こらないものである必要がある。アルカリ金属含有量が１重量％を超えると、コンデンサの耐電圧が低下する場合があり、エージング時のショートが多発する。
【００２２】
また、本発明は、球状セルロースにゼオライトもしくはヒドロキシアパタイトの少なくとも１種を付着させることにより、球状セルロースの電解液との親和性を更に高めることが可能であることから、コンデンサの高温寿命試験において、電解液保持量の向上によるコンデンサ寿命の延長を図ることができる。
【００２３】
本発明におけるセパレーターに球状セルロースを付着する方法については、電解液に可溶なバインダーを使用して付着する方法がある。この場合は、各種のイオン性および非イオン性のバインダーを用いるものであるが、そのうち特に、ポリビニルアルコール、ポリアクリルアミド、ポリアクリル酸などの水溶性ポリマーを用いたものが優れた球状セルロースの付着性を保持するとともに、コンデンサにおいて良好な特性を有することができる。
また、球状セルロースをイソプロピルアルコールや水で混錬してセパレーターに付着させた場合、セルロース自体の水素結合力でセパレーターに付着させることができるが、この場合は付着力が弱い。
電解液に不溶なバインダーでは、セパレーターの表面に電解液が浸透していかない膜を作ってしまうため、コンデンサのＥＳＲが増大することから不適である。
【００２４】
本発明に使用される陽極箔と陰極箔並びに電解液については、通常コンデンサに使用される電極箔であればよい。また、電解液は多価アルコール系溶媒、アミド系溶媒、有機溶剤および水のいずれか一つ以上を含む電解液であることの他は限定がない。
【００２５】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【実施例】
【００２６】
実施例で使用した球状セルロースの内容を表１に示す。
本実施例で使用した球状セルロースは、水／油型ビスコースエマルジョン系の球状セルロースである。
また、ゼオライトの付着条件については、粒子径0.1μm以下の人工ゼオライトを球状セルロース表面に、重量比１／４０で直接結晶化させた。
【００２７】
【表１】
2007103540.tif 000002
【００２８】
表２に具体的な実施例および比較例について、電解コンデンサを作成して製品試験を行った。コンデンサの定格は５０ＷＶ−１００μＦである。
【００２９】
[高温寿命試験]
これらの電解コンデンサに定格電圧を印加し、１２５℃で１０００時間の高温寿命試験を行った。その試験結果を表２に示す。試験数は２０個として、特性は２０個のコンデンサの平均値で示した。
使用したセパレーターの箔厚は３０μｍ。球状セルロースとバインダーであるポリビニルアルコールとの重量比は1／２０の割合で混合し、ドクターブレード法を用いてセパレーターの片面（但し、実施例５は両面）に一定厚みとなるようにすり込んだ。減圧乾燥法にて乾燥した後に所定の幅にスリットし、コンデンサ素子に巻き込んで電解コンデンサを作成した。
なお、比較例のセパレーター箔厚は３０μｍで実施例と同じ、従来例のセパレーター箔厚は４０μｍのものを使用した。また、比較例１の層厚はバインダーのみを付着して所定の厚みとした。
【００３０】
【表２】
2007103540.tif 000003
【００３１】
（表２）から明らかなように、本発明の球状セルロースを用いた実施例１は比較例1に比べて、高温寿命試験後のＥＳＲの変化が大幅に低減されている。また、エージングショート率も低くなっており、球状セルロースを付着することにより良好な耐電圧特性を保持することができる。
【００３２】
ゼオライトを用いた実施例２は高温寿命試験後のΔＣＡＰが低くなっている。
また、球状セルロースにゼオライトを付着させた実施例２および4において、高温寿命試験後のＥＳＲが初期に比べ同等か、または低くなっており、寿命特性の向上に効果があることがわかる。
なお、ゼオライトに代わり、ヒドロキシアパタイトを用いた条件でも同一の結果が得られている。
【００３３】
実施例３と従来例の比較において、セパレーターの箔厚が同一の場合は、従来例のエージングショート率が高いことから、球状セパレーターを使用したことにより耐電圧特性が向上していることがわかる。
また、高温寿命試験後において、従来例に比べＥＳＲも低くなっており、インピーダンス特性に優れていることがわかる。
【００３４】
セパレーターの両面に球状セルロースを付着させた実施例５は、片面に付着した実施例１と比べ、ほぼ同等のコンデンサ特性を示している。
【００３５】
球状セルロースの付着層厚が薄い比較例２において、エージングショート率が高くなっていることから、付着量が少ないと耐電圧特性に効果が少ないことがわかる。また、付着層厚が厚い比較例３は、同じ球状セルロースでありながら実施例２に比べ初期のＥＳＲが高くなっている。
【００３６】
比較例４においてアルカリ金属含有量が１重量％を超えるとエージングショート率が高くなっており、アルカリ金属含有量が１重量％以下の球状セルロースを用いる効果が明らかである。
【００３７】
球状セルロースの粒径が小さい比較例５は、実施例１に比べ高温寿命試験後のＥＳＲの変化率が大きくなっている。また、エージングショート率が高くなっている。
球状セルロースの粒径が大きい比較例６は、実施例１に比べ初期のＥＳＲが高くなっている。