JP2009016587A - キャパシタ - Google Patents

Abstract

【課題】自動車用等に使用されるキャパシタに関し、封口ゴムの封止能力が高く、駆動用電解液の漏液を抑止する、高信頼性のキャパシタを提供することを目的とする。
【解決手段】キャパシタ素子１を駆動用電解液と共に有底筒状のステンレスケース２内に収納し、このステンレスケース２の開口部を封口ゴム４を介して端子板３で封止したキャパシタにおいて、前記ステンレスケース２の外側から前記封口ゴム４を圧縮するように絞ると共に、前記ステンレスケース２開口部の端部をステンレスケース２の内径側へカーリングして断面円弧状のカール部２ｃを形成し、このカール部２ｃの先端との当接部に封口ゴム４より弾性率の大きい材料からなる補助リングを配置したことを特徴としたキャパシタとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種電子機器や車載用等に使用されるキャパシタに関するものである。

図３はこの種の従来のキャパシタの構成を示した断面図、図４は同キャパシタの封口部の断面拡大図である。

図３において、４１は略円筒形状のキャパシタ素子を示しており、このキャパシタ素子４１は、アルミニウム箔からなる集電体上に分極性電極層を有した正負一対の電極をその間にセパレータを介在させて積層し、中心部に中空部４１ａを有するように巻回され略円筒形状となっている。また、前記正負一対の電極（以下、正の電極を陽極、負の電極を陰極とする）は、巻回方向と垂直方向に互いにずれており、略円筒形状のキャパシタ素子４１の上部端面から陽極、下部端面から陰極をそれぞれ取り出せるように構成されている（図３において上下方向）。

また、４２はアルミニウム製の有底円筒形状の金属ケースを示しており、この金属ケース４２は、内底面中央部に設けた突起部４２ａをキャパシタ素子４１の中空部４１ａに嵌め込み、キャパシタ素子４１の下部端面が金属ケース４２の内底面に接するようにしてキャパシタ素子４１を収納している。このキャパシタ素子４１の下部端面と金属ケース４２の内底面とが接合部４２ｂでレーザー溶接等の手段によって機械的かつ電気的に接合された構成となっている。

また、４３はアルミニウム製で円板状に形成した端子板を示しており、この端子板４３は、下面中央部に設けた突起４３ａをキャパシタ素子４１の中空部４１ａに嵌め込むようにして金属ケース４２の開口部に配置され、金属ケース４２の外周面に全周に渡って施された凹状の絞り加工によって金属ケース４２の内周面に形成された凸部４２ｃに後述する絶縁リング４４を介して接触させて位置決めされている。

また、端子板４３下面とキャパシタ素子４１の上部端面とが接合部４３ｂで端子板４３の外部に露出した表面よりレーザー溶接等の手段によって機械的かつ電気的に接合された構成となっている。

また、この端子板４３は外部に露呈した表面の中央部に設けられた突起４３ｃを外部端子としている。

また、４４はリング状の絶縁リングを示しており、この絶縁リング４４は、端子板４３の外周面と金属ケース４２の内周面との間、及び端子板４３の下面周縁部と金属ケース４２の内周側面に形成された凸部４２ｃの上端との間に挟まり込むように配設されている。

また、図４において、４５は絶縁性のゴムからなるリング状の封口ゴムを示しており、
この封口ゴム４５は、端子板４３の上部表面周縁に配置されており、端子板４３上面に設けた突起部４３ｄが封口ゴム４５の位置ずれを抑制している。

また、４２ｄは金属ケース４２の開口部端部を金属ケース４２の内径側へ巻き込むように加工（一般にカーリング加工と呼ばれている）して形成された断面円弧状のカール部を示しており、このカール部４２ｄの先端部４２ｅは、前記封口ゴム４５の上面に食い込むように配置されている。これによって、封口ゴム４５を端子板４３上面と先端部４２ｅとの間で圧縮し、またさらに、先端部４２ｅと相対する端子板４３の上面に設けた突起部４３ｅによって、封口ゴム４５をより局部的に圧縮する構成になっている。

これによって発生する封口ゴム４５の応力を利用して気密性を確保し、駆動用電解液の漏液を防止している。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００６−３２４６４１号公報

上記従来のキャパシタでは、アルミニウム箔からなる集電体上に分極性電極層を有した正負一対の電極としていたが、パワー密度およびエネルギー密度向上を図るために、正極にアルミニウム箔、負極に銅箔を用い、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする電極材料とリチウム塩が溶質である有機電解液などを用いることによるキャパシタを考えた。

しかし、このキャパシタでは正極にアルミニウム箔、負極に銅箔を用いるために、上記従来のキャパシタのように金属ケースにアルミニウムを用いると、負極の銅箔との間に電池反応による腐食が発生してしまうので、金属ケースは主にステンレス鋼からなるものを主な材料としていた。

このようにアルミニウム以外の材料で金属ケースとした場合には封口ゴムでの封止の際に上記従来のキャパシタのように金属ケースの開口端の延長線が金属ケースの底面と交差するように金属ケースのカーリング加工を大きくすることができず、金属ケース内の圧力が上昇して、端子板に外部方向に押される圧力が極めて大きく発生してしまうと、封口ゴムが変形してしまい、最悪の場合には封止が機能しないという課題を有していた。

本発明は前記従来の課題を解決し、安定した封止性能を有するキャパシタを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明は、活性炭を主体とする分極性電極材料をアルミニウム箔からなる正極集電の露出部分が残るように塗布した正極と、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする電極材料を銅箔からなる負極集電体の露出部分が残るように塗布した負極と、をセパレータを介在させて前記正極集電体の露出部分と前記負極集電体の露出部分が夫々突出するように巻回したキャパシタ素子と、このキャパシタ素子をリチウム塩が溶質である有機電解液とともに収容し、前記負極集電体の突出部分を内底面に接合した有底筒状のステンレスケースと、このステンレスケースの開口部に封口ゴムを介して前記正極集電体の突出部分を接合した端子板を備え、前記封口ゴムを圧縮するように前記ステンレスケースの外側から絞るとともに、前記ステンレスケースの開口部端部をステンレスケースの内径側へカーリングして断面円弧状のカール部を形成し、このカール部と前記封口ゴムに前記封口ゴムより弾性率の大きい材料からなり、前記ステンレスケースの開口部端部に接する補助リングを備えた構成のものである。

以上のように本発明によるキャパシタは、カール部の先端部と封口ゴムとの当接部に封口ゴムより弾性率の大きい材料からなる補助リングを配置していることにより、ステンレスケース内の圧力上昇時に封口ゴムがカール部側へ押されて封口ゴムに応力が発生しても、補助リングがあるためにカール先端が封口ゴムに食い込むことがなく封口ゴムの変形を抑制することができ、封止性能が安定し、また、カール先端が封口ゴムに食い込むことがないのでキャパシタ素子の端面と接合するステンレスケースの内底面と端子板底面の距離の間の変化量を抑制することができるのでキャパシタの電気的特性を安定させることができるというものである。

これにより駆動用電解液が漏液することがなく、電気的特性が安定した高信頼性のキャパシタを実現することができるという効果が得られるものである。

（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態１におけるキャパシタの断面図、図２は同キャパシタの封口部の断面拡大図である。

図１において、１は略円筒形状のキャパシタ素子を示しており、このキャパシタ素子１は、活性炭を主体とする分極性電極材料をアルミニウム箔からなる正極集電体に塗布したものを正極として、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする電極材料を銅箔からなる負極集電体に塗布したものを負極とした正負一対の電極をその間にセパレータを介在させて巻回したものである（以上、全て図示せず）。

このとき、まず、正負極のそれぞれは分極性電極材料を集電体に塗布される際に、集電体の一辺に露出部分が残るように塗布され、そして次にセパレータを介在させて巻回する際にはこの露出部分が突出するように巻回する。

キャパシタ素子１は中心部に中空部１ａを有するように巻回されたものであり、略円筒形状となっている。

また、前記正負一対の電極は、巻回方向と垂直方向に互いにずらされており、略円筒形状のキャパシタ素子１の上部端面に正極、下部端面に負極を上記の露出部分からそれぞれ取り出せるように構成されている（図１において上下方向）。

また、２は有底円筒形状のステンレスケースを示しており、このステンレスケース２は、キャパシタ素子１の下部端面がステンレスケース２の内底面に接するようにしてキャパシタ素子１を収納しており、このステンレスケース２の内底面とキャパシタ素子１の下部端面とが接合部３ｂでレーザー溶接等の手段によって機械的かつ電気的に接合された構成となっている。

また、このときステンレスケース２の外表面にレーザー溶接等の手段によって外部端子を別途取り付けてもよい。

ここで、ステンレスケース２の材料は、イオン化傾向が正極の集電体であるアルミニウムより小さく、負極の集電体である銅より大きいものを用いることとし、本実施の形態においては、主にステンレス鋼からなる材料を用いた。

なお、ステンレスケース２の内底面にニッケル層を施し（図示せず）、このニッケル層とキャパシタ素子１の下部端面を接合する構成としてもよい。これにより負極の集電体である銅に、よりイオン化傾向を近づけることができるため、より信頼性の向上を図ることができる。さらにニッケル層を介した接合とすることによりステンレスケースの材料選定範囲を広くすることができるため、より封止工法に合った材料選定が可能となることで、封止の信頼性を向上させることができ、また、ステンレスケース材料のコストダウンが可能となるものである。

また、ステンレスケース２の内底面中央部に突起部を追加して設け（図示せず）、この突起部をキャパシタ素子１の中空部１ａに嵌め込むようにしてキャパシタ素子１の固定を補助してもよい。

また、３はアルミニウム製で円板状に形成した端子板を示しており、この端子板３は、下面がステンレスケース２に収納されているキャパシタ素子１の上部端面に接するようにステンレスケース２の開口部内に配置されており、端子板３の外周面となる保持部３ａとステンレスケース２内周面との間は後述する封口ゴム４によって絶縁されている。

そして、端子板３下面とキャパシタ素子１の上部端面とが接合部３ｂで端子板３の外部に露出した表面よりレーザー溶接等の手段によって機械的かつ電気的に接合された構成となっている。

また、端子板３の下面中央部に別の突起部を追加して設けてもよく（図示せず）、この突起部をキャパシタ素子１の中空部１ａに嵌め込むようにすればステンレスケース２内のキャパシタ素子１の固定を補助することができる。

なお、端子板３の外部に露出した表面にレーザー溶接等の手段によって外部端子（図示せず）を別途取り付けてもよい。

４は絶縁性のゴムからなるリング状の封口ゴムを示しており、この封口ゴム４は、端子板３の上面に垂直方向に設けた保持部３ａと端子板３の下端周縁に水平方向に設けたフランジ部３ｃの両方に接するように嵌め込まれている。なお、封口ゴム４の材料としてはブチルゴム（イソブチレンイソプレンゴム）等を用いている。

また、封口ゴム４は、ステンレスケース２の外周面の全周に渡って施された凹状の絞り加工によってステンレスケース２の内周面に形成された絞り加工部２ｂと端子板３に設けた保持部３ａとの間で圧縮されており、これによってステンレスケース２の開口部が封止され、気密性が確保されている。

また、２ｃはステンレスケース２の開口部端部をステンレスケース２の内径側へ巻き込むように加工（一般にカーリング加工と呼ばれている）して形成された断面円弧状のカール部を示している。

５は封口ゴム４の上面に備えられた補助リングであり、この補助リング５は封口ゴム４より弾性率の大きい材料からなるものであり、ステンレスケース２のカール部２ｃとの当接部に配置されるものである。

このとき、補助リング５はステンレスケース２の開口部端部であるカール部２ｃの端部に接することとなる。

このように、封口ゴム４の上面に補助リング５を備えることが本発明における技術的特徴のひとつであって、このような構成において、ステンレスケース２内の圧力上昇により封口ゴム４がカール部２ｃ側へ押され、封口ゴム４に発生する応力がカール部２ｃに集中するような場合では、カール部２ｃとの当接部に配置されている補助リング５に応力がかかり、この補助リング５は封口ゴム４の弾性率より大きい材料であるので、封口ゴム４に比べ、変形も少なくなるために、封口ゴム４の変形による封止性能の低下を抑制することができることとなり、封止能力を高め信頼性の向上を図ることができるものである。

また、さらに補助リング５の内周面と端子板３の外周面を密着させることにより、製品内圧が上昇した際も補助リング５内に発生する応力分布の幅をより安定させることができるためより封止の信頼性を図ることができるものである。

なお、補助リング５の材質としては、例えば変性ポリプロピレン（変性ＰＰ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、フッ化エチレンプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレン−テトラフルオロエチレン共重合体（ＥＴＦＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）など封口ゴム４よりヤング率の高い材料であればよい。

また、ステンレスケース２開口部の封止における気密性は、ステンレスケース２の外周面の全周に渡って施された凹状の絞り加工によってステンレスケース２の内周面に形成された絞り加工部２ｂと端子板３に設けた保持部３ａとの間で封口ゴム４を圧縮することによって確保されており、カール部２ｃはステンレスケース２内の圧力が上昇した場合に封口ゴム４にかかる圧力で封口ゴム４が外部へ押し出されないようにカール部２ｃの先端を補助リング５へ当接させればよい。

従来であれば、アルミニウムなどの加工性に富んだ材料でステンレスケースのカール部を形成していたので、カール部の断面円弧状は開口端の延長線がこの金属ケースの底面と交差するようなカール部を形成することができ、封口ゴムに対しても上方から押さえることが可能であったところ、本実施の形態では、アルミニウムより加工性の乏しい材料であって、カール部２ｃの先端の延長線がステンレスケース２の底面と同一である面と交差しないような場合であっても、ステンレスケース２内の圧力上昇によって、カール部２ｃの先端が補助リング５へ接する状態になれば、補助リング５によって封口ゴム４の変形による封止性能の低下を抑制することができることとなるものである。

この結果、封止能力を高め、信頼性の向上という効果を奏するものである。

そもそも、従来であれば、キャパシタ素子の集電体はアルミニウム箔などを用いていたので、ステンレスケースもアルミニウムを材料としてよいものであったが、本実施の形態のように負極に銅箔を用いる場合に、従来のようにステンレスケースをアルミニウムとすると、負極とステンレスケースの接合部では、電池反応などによる腐食が発生してしまうものであった。

そこで、本実施の形態によれば、ステンレスケース２の材料を、イオン化傾向が正極の集電体であるアルミニウムより小さく、負極の集電体である銅より大きいものを用いることとしているので、上述した電池反応などによる腐食の発生を抑制することができるようになるものである。

本発明によるキャパシタは、カール部の先端との当接部に封口ゴムより弾性率の大きい材料からなる補助リングを配置していることにより、ステンレスケース内の圧力上昇時に封口ゴムがカール部側へ押されても、封口ゴムの変形を抑制し、これによって駆動用電解液が漏液することがない高信頼性のキャパシタを実現することができるようになるという効果を有し、各種電子機器や車載用のキャパシタ等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるキャパシタの断面図 本発明の実施の形態１におけるキャパシタの封口部の断面拡大図 従来のキャパシタの断面図 従来のキャパシタの封口部の断面拡大図

符号の説明

１ キャパシタ素子
１ａ 中空部
２ ステンレスケース
２ｂ 絞り加工部
２ｃ カール部
３ 端子板
３ａ 保持部
３ｂ 接合部
３ｃ フランジ部
４ 封口ゴム
５ 補助リング

Claims (3)

1. 活性炭を主体とする分極性電極材料をアルミニウム箔からなる正極集電体の一辺に露出部分が残るように塗布した正極と、リチウムイオンを吸蔵、脱離しうる炭素材料を主体とする電極材料を銅箔からなる負極集電体の一辺に露出部分が残るように塗布した負極と、をセパレータを介在させて前記正極集電体の露出部分と前記負極集電体の露出部分がそれぞれ突出するように巻回したキャパシタ素子と、
   このキャパシタ素子をリチウム塩が溶質である有機電解液とともに収容し、前記負極集電体の突出部分を内底面に接合した有底筒状のステンレスケースと、
   このステンレスケースの開口部に封口ゴムを介して前記正極集電体の突出部分を接合した端子板を備え、
   前記封口ゴムを圧縮するように前記ステンレスケースの外側から絞るとともに、
   前記ステンレスケースの開口部端部をステンレスケースの内径側へカーリングして断面円弧状のカール部を形成し、
   このカール部と前記封口ゴムに前記封口ゴムより弾性率の大きい材料からなり、前記ステンレスケースの開口部端部に接する補助リングを備えたことを特徴とするキャパシタ。
2. 有底筒状のステンレスケースの内底面にニッケル層を備えたことを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ。
3. 前記ステンレスケースの開口部端部におけるカール部を延長した延長線が前記ステンレスケースの底面と同一である面とは交差しないことを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ。

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