JP2013128100A - コンデンサ用封止部材と、コンデンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】封止部材の封止性を安定して高めることを目的とする。
【解決手段】コンデンサ用封止部材は弾性材料で構成され、軸方向に伸びた円柱状の形状を有し、この軸方向に垂直な断面は円形である。また軸方向に平行に一対の貫通孔が設けられている。封止部材の軸方向に垂直な断面における貫通孔の形状は、封止部材の円周に向けて突出した第一の弧と、封止部材の中心に向けて突出し、第一の弧よりも曲率が小さい第二の弧とで構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は各種電子機器、電気機器、産業機器、自動車用機器等に使用されるコンデンサの中で、特に電解液を用いたコンデンサおよびこれに用いられる封止部材に関するものである。

図４はこの種の従来のコンデンサ１の一例としてのアルミ電解コンデンサの構成を示した一部切り欠き斜視図である。このコンデンサ１は、正負一対の電極箔２、３を、セパレータ４を介して巻回したコンデンサ素子５と、このコンデンサ素子５および電解液を収容した有底筒状のケース６と、このケース６の開口部を封止した封止部材７と、正負の電極箔２、３とそれぞれ接続されたリード端子８、９と、を備えている。

封止部材７には垂直方向に二つの孔１０が設けられ、これらの孔１０にそれぞれのリード端子８、９が挿入される。リード端子８、９や孔１０の水平断面形状は、円形が一般的である。

封止部材７は、ケース６の開口部近傍６Ａの絞り加工と開口端６Ｂのカーリング加工により押圧され、ケース６の開口部を封止している。

封止部材７としては、一般的に電解液の漏れを抑制するため、封止性の高いゴム材が用いられる。

ここで液漏れはリード端子８、９と封止部材７の孔１０との界面から発生することが多い。したがって従来から、リード端子８、９と封止部材７の孔１０との密着性を高め、より長期信頼性を高める構成が検討されている。

なお、上記技術に関連する技術文献として、下記特許文献１、２が挙げられる。

特公昭６０−０３６０９４号公報 特開昭６０−２２４２１２号公報

近年、各種電子機器等の品質の高信頼化や、使用する電子部品の配置変更による小型化が進展してきており、コンデンサに対しても、より長寿命化、高耐熱化していくことを求められてきている。

しかし、上記従来のコンデンサ１では、より長寿命化、高耐熱化していくと、リード端子８、９と封止部材７の孔１０との密着性が不足し、リード端子８、９と封止部材７の孔１０との界面から液漏れが発生してしまうという恐れがあった。

この液漏れの主な理由として、コンデンサ１が、長期間に渡って、高温度等の苛酷な環境下に晒された場合など（例えば、コンデンサが、自動車のエンジンルーム内に設置される電子機器に使用され、１３５〜１５０℃付近の高温環境下に晒される場合）、ゴム材からなる封口部材７自身の特性劣化が進行し、ケース６の開口部近傍６Ａの絞り加工により封口部材７に発生していた応力が減少してしまうことが挙げられる。また、孔１０の内壁との接触位置によって、リード端子８、９が受ける応力負荷が異なっており、初期的に応力負荷がかかりにくい箇所で液漏れが発生しやすいことが判明した。

ここで、図４に示す従来のコンデンサ１において、ケース６の開口部近傍６Ａを絞り加工した際の、リード端子８、９と封止部材７の接触位置と応力負荷との関係をシミュレーションで算出した結果を（表１）に示した。

なお、シミュレーション時のパラメータとしては、封止部材７の弾性率、ポアソン比、リード端子８、９のヤング率、ポアソン比、絞り加工前後の実際のケース６の形状変化等が挙げられる。従来の封止部材７として、孔１０は真円形状とした。

また、図３は、リード端子８、９と封止部材７の接触面における応力を算出した算出位置を示す。

（表１）に示すように、リード端子８、９と封止部材７の接触面、すなわちリード端子８、９と孔１０の内壁との接触位置によって、応力負荷は異なり、封止部材７の外側に最も近い算出位置Ｎｏ．１、６において大きく、封止部材７の内側（中心側）に最も近い算出位置Ｎｏ．５、１０において小さいことが分かる。

つまり、従来の封止部材７では、絞り加工時に外側から大きな応力が掛かり、封止部材７が大きく歪むため、リード端子８、９は孔１０内で、外側から大きな接触面圧を受ける。一方で、内側では封止部材の歪が小さいため、応力負荷が小さくなる。これにより孔１０の内壁との接触位置（外側か内側か）によって応力負荷が不均一になり、リード端子８、９と孔１０との密着性が不安定になる。

そこで本発明は、孔１０の内壁との接触位置による応力負荷のばらつきを低減し、リード端子と封止部材との密着性を安定して向上させることを目的とする。

この目的を達成するため本発明は、弾性材料で構成され、軸方向に伸びた円柱状の形状を有し、前記軸方向に垂直な断面は円形であり、前記軸方向に平行に一対の貫通孔が設けられ、前記一対の貫通孔のそれぞれの、前記軸方向に垂直な断面の形状は、前記円形の円周に向けて突出した第一の弧と、前記円形の中心に向けて突出し、前記第一の弧よりも曲率が小さい第二の弧とで構成された、コンデンサ用封止部材としたものである。

これにより本発明は、孔の内壁との接触位置による応力負荷のばらつきを低減し、リード端子と孔との密着性を安定して向上させることができる。

その理由は、孔の水平断面形状を、外側より内側を小さくすることにより、内側における応力負荷を増やすことができるからである。

これにより本発明は、孔の内壁との接触位置による応力負荷のばらつきを低減し、リード端子と孔との密着性を安定して向上させることができる。

本発明の実施の形態におけるコンデンサの一部切り欠き斜視図 （ａ）本発明の実施の形態における封止部材の軸方向に垂直な断面図、（ｂ）同封止部材の軸方向に平行な断面図 従来のリード端子と封止部材の接触面における応力を算出した位置を示す図 従来のコンデンサの一部切り欠き斜視図

本発明の実施の形態における封止部材及びこれを用いたコンデンサの製造方法について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の実施の形態におけるコンデンサの一例である、電解コンデンサ（以下、コンデンサ）１１の一部切り欠き斜視図である。コンデンサ１１は、コンデンサ素子１５と、図示しない電解液と、ケース１６と、封止部材１７とを有する。

コンデンサ素子１５は正極である電極箔１２と、負極である電極箔１３と、セパレータ１４と、一対のリード端子１８、１９とを有する。セパレータ１４は電極箔１２と電極箔１３の間に介在し、電極箔１３は電極箔１２に対向している。リード端子１８、１９はそれぞれ、電極箔１２、１３に接続されている。リード端子１８、１９は互いに所定の間隔で平行に延出している。電解液はコンデンサ素子１５に含浸している。なお図１の構成ではセパレータ１４を介して電極箔１２、１３が巻回されているが、この構成に限定されない。筒状のケース１６は開口部と底とを有する。ケース１６はコンデンサ素子１５と電解液とを収容している。封止部材１７はケース１６の開口部を封止している。リード端子１８、１９は封止部材１７を貫通して外部に引き出されている。

次に、各構成部材について詳細に説明する。電極箔１２、１３には、例えばエッチング処理によって実効表面積を拡大させたアルミニウム箔を用いる。電極箔１２の表面にはさらに、化成処理によって誘電体酸化皮膜が形成されている。セパレータ１４には、セルロース、クラフト、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンサルファイド、ナイロン、芳香族ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、レーヨン、ガラス質等を含有する不織布を用いることができる。リード端子１８、１９は電極箔１２、１３との接続性を考慮してアルミ線材で形成されている。

電解液の溶媒には、水、エチレングリコール、γブチロラクトン、スルホランなどを用いることができる。また、電解質としてホウ酸やアジピン酸やフタル酸などを用いることができる。

ケース１６はアルミやステンレスなどの金属で形成できる。封止部材１７は、ブチルゴムやシリコンゴムやフッ素ゴムやエチレンプロピレンゴムやニトリルゴムなどのゴム材からなり、円柱状の形状を有している。すなわち、封止部材１７は弾性材料で構成され、軸方向に垂直な断面は円形である。例えば、ケース１６の直径は６．３ｍｍ、高さは７．３ｍｍである。また封止部材１７の厚みは１．５ｍｍ程度である。

次に、封止部材１７についてさらに詳細に説明する。図２（ａ）はコンデンサ１１における封止部材１７の軸方向に垂直な断面図である。図２（ｂ）は封止部材１７の軸方向に平行な断面図である。図２（ａ）、図２（ｂ）は封止部材１７の圧縮前の状態を示している。封止部材１７には、予めリード端子１８、１９を挿入するための貫通孔（以下、孔）２０Ａ、２０Ｂが形成されている。孔２０Ａ、２０Ｂは封止部材１７の軸方向に平行に、封止部材１７を貫通している。

封止部材１７は、例えば以下のようにして作製することができる。まず未架橋のゴムシートに孔２０Ａ、２０Ｂと同形状のピンを立て、あるいはピンを立てた金型内に未架橋のゴム材を充填し、その後押圧成型する。そして、金型ごと加熱して架橋させ、所望の形状に打ち抜き加工する。ピンによって孔２０Ａ、２０Ｂが形成される。なお、リード端子１８、１９の、孔２０Ａ、２０Ｂに挿入される部分は円柱形状であり、その中心軸が挿入時の軸中心（挿入軸２１）となる。

図２（ａ）、図２（ｂ）において、リード端子１８、１９の挿入軸２１から外側へ向けて孔２０Ａ、２０Ｂの内壁に至るまでの長さをｄ１とする。またリード端子１８、１９の挿入軸２１から内側へ向けて孔２０Ａ、２０Ｂの内壁に至るまでの長さをｄ２とする。このとき、封止部材１７の軸方向に垂直な断面における孔２０Ａ、２０Ｂでは、ｄ１より、ｄ２の方が短い。

より具体的には、孔２０Ａ、２０Ｂの内壁は、挿入軸２１を通り孔２０Ａ、２０Ｂが並列する方向に対して垂直な線Ｌ１に対し、封止部材１７の外側に近い側が半円である。一方、内側（封止部材１７の断面の中心）に近い形状は半円の弧よりも短い弧で形成されている。すなわち孔２０Ａ、２０Ｂのそれぞれの、封止部材１７の軸方向に垂直な断面の形状は、第一の弧２２と、第一の弧２２よりも曲率が小さい第二の弧２３とで構成されており、この第一の弧２２と第二の弧２３とが円滑に接続されている。第一の弧２２は封止部材１７の断面の円形の円周に向けて突出し、第二の弧は円形の中心に向けて突出している。

なおリード端子１８、１９の挿入軸２１に垂直な断面の形状は円形であり、その直径は、孔２０Ａ、２０Ｂの外側の半円（第一の弧２２）よりやや大きい。

次に、コンデンサ１１の製造方法を簡単に説明する。まず、コンデンサ素子１５を準備する。コンデンサ素子１５は前述のように電極箔１２、１３とセパレータ１４とリード端子１８、１９とを有する。負極である電極箔１３は、正極である電極箔１２に対向している。セパレータ１４は電極箔１２、１３の間に介在している。リード端子１８、１９はそれぞれ電極箔１２、１３に接続されている。

コンデンサ素子１５を作製するには、まず電極箔１２、１３にそれぞれリード端子１８、１９を接続する。この状態の電極箔１２、１３の間にセパレータ１４を挿入する。これらを巻回軸に沿って巻き取り、外周をテープなどで固定し、巻回軸を取り外すことで巻回型のコンデンサ素子１５を作製することができる。

次にコンデンサ素子１５に電解液を含浸させ、ケース１６にコンデンサ素子１５と電解液とを収容する。この際、多量の電解液にコンデンサ素子１５を浸してから引き上げてケース１６にコンデンサ素子１５を挿入する。あるいは、ケース１６内に予め電解液を注入しておき、その後にケース１６にコンデンサ素子１５を挿入してもよい。逆にケース１６にコンデンサ素子１５を挿入した後に電解液を注入してもよい。

そして封止部材１７の孔２０Ａ、２０Ｂにそれぞれリード端子１８、１９を挿入するとともに、封止部材１７をケース１６の開口部に配置する。その後、ケース１６の開口部付近の外周を内側に向けて絞り加工して内側に突出する開口部近傍１６Ａを形成する。これにより封止部材１７を径方向に圧縮してケース１６の開口部を封止する。またケース１６の開口端１６Ｂをカーリング加工する。この加工により、コンデンサ素子１５をケース１６内に確実に封止する。

以上のように、封止部材１７及びこれを用いたコンデンサ１１では、リード端子１８、１９と封止部材１７に設けられた孔２０Ａ、２０Ｂの内壁との接触位置による応力負荷のばらつきを低減することができる。そのためリード端子１８、１９と孔２０Ａ、２０Ｂの内壁との密着性を安定して向上させることができる。コンデンサ１１が、長期間に渡って、高温度等の苛酷な環境下に晒された場合には、封止部材１７の材料劣化が進行し、ケース１６の開口部近傍１６Ａにより封止部材１７に発生していた応力が減少する。このような場合でも、封止部材１７には局部的に応力負荷が弱い箇所がない。そのため、電解液の液漏れ発生を抑制することができる。

一方、図４に示す従来の封止部材７を用いたコンデンサ１では、リード端子８、９と封止部材７に設けられた孔１０の内壁との接触位置による応力負荷のばらつきがある。そのため、応力負荷の小さい方に十分な応力負荷を与えようとすると、絞り加工を深くする必要がある。その結果、ケース６の開口部近傍６Ａに破断を生じたり、封止部材７に亀裂を生じたりしてしまう虞がある。また、孔１０の直径を小さくして、応力負荷の小さい方に十分な応力負荷を与えようとすると、リード端子８、９を孔１０に挿入しにくくなったり、封止部材７に亀裂を生じたりする虞がある。

以下、具体的な実施例について説明をする。

（実施例）
本実施の形態におけるコンデンサの実施例として、定格電圧３５Ｖ、初期静電容量３３μＦ（許容公差±２０％）の電解コンデンサ（直径６．３ｍｍ、高さ５．８ｍｍ）を作製する。

まず、図１に示すように、所定の幅と長さを有する電極箔１２と、電極箔１３と、セパレータ１４とを用意する。そして、リード端子１８、１９の一方の端部をそれぞれ電極箔１２、１３に針カシメ等によって接続する。その後、電極箔１２、１３の間にセパレータ１４を介在させてロール状に捲回し、その外周側面を絶縁テープで捲き止めて固定して略円筒形のコンデンサ素子１５を形成する。

電極箔１２としては、純度９９．９９％以上のアルミニウム箔を用いる。このアルミニウム箔にエッチング処理を施してその表面積を拡大し、さらに、陽極酸化処理を施し、誘電体である酸化アルミニウム層（陽極酸化皮膜）を形成する。このように処理したアルミニウム箔を方形状に裁断して所定の投影面積となるように調整して電極箔１２を予め作製する。

電極箔１３としては、純度９９．９９％以上のアルミニウム箔を用いる。このアルミニウム箔にエッチング処理を施してその表面積を拡大し、さらに、化成処理（化成電圧２Ｖ）を施し、アルミニウム箔の表面に酸化アルミニウム層を形成する。このように処理したアルミニウム箔を方形状に裁断し、その投影面積が電極箔１２に対向する所定の面積となるように調整して電極箔１３を予め作製する。

セパレータ１４としては、厚み４０μｍのセルロース紙を用いる。このセルロース紙を電極箔１２と電極箔１３との接触を防止できる所定の面積となるように裁断してセパレータ１４を予め準備する。

次に、ゴム材で形成された封止部材１７に設けられた孔２０Ａ、２０Ｂにコンデンサ素子１５から引出されたリード端子１８、１９をそれぞれ挿通させ、コンデンサ素子１５に封止部材１７を装着する。

リード端子１８、１９は、アルミニウムを含む金属製の引き出し電極と、この引き出し電極の第１端に、錫メッキを有する金属ワイヤを溶接した構成を有する。また、引き出し電極としては、直径０．８ｍｍの丸棒状のアルミニウム線を用い、この引き出し電極の第２端を偏平状に加工する。丸棒状のアルミニウム線の部分を孔２０Ａ、２０Ｂに配置するようにし、偏平状に加工した部分を電極箔１２、１３に接続する。

封止部材１７は、ブチルゴムを主体としたゴム材で形成されている。封止部材１７の軸方向に垂直な断面における孔２０Ａ、２０Ｂの形状は、図２（ａ）に示す形状である。すなわち、リード端子１８、１９の挿入軸２１、すなわちリード端子１８、１９の中心軸から外側へ向けて孔２０Ａ、２０Ｂの内壁に至るまでの長さｄ１を０．３５ｍｍ、挿入軸２１から内側へ向けて孔２０Ａ、２０Ｂの内壁に至るまでの長さｄ２を０．２５ｍｍとしている。また孔２０Ａ、２０Ｂの内壁は、挿入軸２１を通り孔２０Ａ、２０Ｂの並列方向に対し垂直な線Ｌ１に対し、封止部材１７の外側に近い側が半円であり、内側（中心）に近い形状は半円の弧よりも短い弧で形成している。またリード端子１８、１９の垂直断面形状は円形状であり、挿入軸２１を中心とした外側の半円は、孔２０Ａ、２０Ｂの外側の半円よりやや大きい相似形である。

一方、電解液を準備し、この電解液をケース１６内に予め注入しておく。電解液は、溶質としてはフタル酸エチルジメチルアミン塩を含み、溶媒としてγ−ブチロラクトン、スルホランを含んでいる。

そして、ケース１６内にコンデンサ素子１５を挿入してコンデンサ素子１５に電解液を含浸させると共に、コンデンサ素子１５に装着した封止部材１７をケース１６の開口部に配置する。

次に、ケース１６の開口部付近の外周側面からケース１６を巻き締めて開口部近傍１６Ａを形成し、封止部材１７に圧縮応力を発生させることによってケース１６の開口部を封止する。

その後、外部に導出されたリード端子１８、１９間に所定の電圧を印加して再化成を行い、実施例の電解コンデンサを作製する。

（比較例）
比較例の電解コンデンサは、実施例と比較して封止部材が異なる。すなわち比較例で用いた封止部材７では、図４に示すように、封止部材７の軸方向に垂直な断面における孔１０の形状は、真円形状である。そしてリード端子８、９の挿入軸、すなわちリード端子８、９の中心軸から外側へ向けて孔１０の内壁に至るまでの長さは０．３５ｍｍである。リード端子８、９の挿入軸から内側へ向けて孔１０の内壁に至るまでの長さも０．３５ｍｍである。これ以外は実施例と同様とし、定格電圧３５Ｖ、初期静電容量３３μＦの電解コンデンサを作製している。

次に、実施例および比較例の電解コンデンサを各３０個ずつ作製し、高温負荷試験も実施した結果を説明する。高温負荷試験では、各電解コンデンサに定格電圧を印加しながら１４５℃で１０００時間放置している。この試験の前後において、リード端子と封止部材の孔との界面からの液漏れを目視で調べ、液漏れが発生した個数を（表２）に示している。

（表２）からわかるように、実施例の電解コンデンサでは、高温負荷試験後において、３０個全てにおいて液漏れは発生していない。これに対し、比較例に示す従来の電解コンデンサでは、高温負荷試験後において、３０個中２０個が、リード端子８またはリード端子９と封止部材７の孔１０との界面から液漏れしている。

この試験結果から、実施例および比較例の電解コンデンサ共に、初期的にはリード端子と封止部材の孔との界面からの液漏れを抑制できることがわかる。しかしながら、比較例の電解コンデンサでは、高温環境下に晒されて封止部材７が劣化すると、封止部材７の応力負荷が減少し、その影響を受けて液漏れが発生し易いことがわかる。比較例の電解コンデンサは、封止部材７の孔１０の内壁とリード端子８、９の接触位置によって応力負荷が不均一である。そのため、局部的に応力負荷が弱い箇所から電解液の液漏れを生じている。

一方、実施例の電解コンデンサでは、孔２０Ａ、２０Ｂの形状を上記構成とすることで、封止部材１７の軸方向に垂直な断面における孔２０Ａ、２０Ｂが、外側より内側が小さくなっている。この形状により、内側における封止部材１７の歪が大きくなり、リード端子１８、１９の接触面圧を増やすことができる。そのため、孔２０Ａ、２０Ｂの内壁との接触位置による応力負荷のばらつきが低減され、局部的に応力負荷が弱い箇所をなくすことができる。その結果、実施例の電解コンデンサは、高温環境下に晒されて封止部材１７が劣化し、封止部材１７の応力負荷が減少しても、液漏れの発生が防止できる。

本発明によるコンデンサは、封止部材による封止性を高めることにより、電解液の液漏れおよびドライアップを抑制することができるという効果を有し、特に、高温環境下での使用が要求される分野のコンデンサとして有用である。

１１ コンデンサ
１２ 電極箔
１３ 電極箔
１４ セパレータ
１５ コンデンサ素子
１６ ケース
１６Ａ 開口部近傍
１６Ｂ 開口端
１７ 封止部材
１８ リード端子
１９ リード端子
２０Ａ 孔
２０Ｂ 孔
２１ 挿入軸
２２ 第一の弧
２３ 第二の弧

Claims (3)

1. 弾性材料で構成され、軸方向に伸びた円柱状の形状を有し、前記軸方向に垂直な断面は円形であり、
   前記軸方向に平行に一対の貫通孔が設けられ、
   前記一対の貫通孔のそれぞれの、前記軸方向に垂直な断面の形状は、前記円形の円周に向けて突出した第一の弧と、前記円形の中心に向けて突出し、前記第一の弧よりも曲率が小さい第二の弧とで構成された、
   コンデンサ用封止部材。
2. 正極と、前記正極に対向した負極と、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、前記正極と前記負極とにそれぞれ接続され、互いに所定の間隔で平行に延出した一対のリード端子と、を含むコンデンサ素子を準備するステップと、
   前記コンデンサ素子に電解液を含浸するステップと、
   開口部と底とを有する筒状のケースに前記コンデンサ素子と前記電解液とを収容するステップと、
   弾性材料で構成され、軸方向に伸びた円柱状の形状を有し、前記軸方向に平行に一対の貫通孔が設けられた封止部材の前記一対の貫通孔にそれぞれ、前記一対のリード端子を挿入するとともに、前記封止部材を前記ケースの前記開口部に配置するステップと、
   前記ケースの外周を内側に向けて絞り加工することで前記封止部材を径方向に圧縮して前記ケースの前記開口部を封止するステップと、を備え、
   前記封止部材の圧縮前の状態において、前記一対の貫通孔のそれぞれの、前記軸方向に垂直な断面では、前記リード端子の挿入軸から外側に向けて前記孔の内壁に至るまでの長さより、前記リード端子の挿入軸から内側へ向けて前記孔の内壁に至るまでの長さの方が短い、
   コンデンサの製造方法。
3. 正極と、前記正極に対向した負極と、前記正極と前記負極との間に介在するセパレータと、前記正極と前記負極とにそれぞれ接続され、互いに所定の間隔で平行に延出した一対のリード端子と、を含むコンデンサ素子を準備するステップと、
   前記コンデンサ素子に電解液を含浸するステップと、
   開口部と底とを有する筒状のケースに前記コンデンサ素子と前記電解液とを収容するステップと、
   弾性材料で構成され、軸方向に伸びた円柱状の形状を有し、前記軸方向に垂直な断面は円形であり、前記軸方向に平行に一対の貫通孔が設けられた封止部材の前記一対の貫通孔にそれぞれ、前記一対のリード端子を挿入するとともに、前記封止部材を前記ケースの前記開口部に配置するステップと、
   前記ケースの外周から内側に向けて溝を形成することで前記封止部材を径方向に圧縮して前記ケースの前記開口部を封止するステップと、を備え、
   前記封止部材の圧縮前の状態において、前記一対の貫通孔のそれぞれの、前記軸方向に垂直な断面の形状は、前記円形の円周に向けて突出した第一の弧と、前記円形の中心に向けて突出し、前記第一の弧よりも曲率が小さい第二の弧とで構成された、
   コンデンサの製造方法。

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