JP2009135335A - コンデンサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストで高電圧化を図り得る電気二重層コンデンサユニットの提供を目的とする。
【解決手段】複数の電気二重層コンデンサ１，２，３と、これら電気二重層コンデンサ１，２，３の各封口部全体を封止するための封止手段とを備えているコンデンサユニットであって、封止手段は、電気二重層コンデンサ１，２，３を同一平面上で連結してユニット化するために、回路基板４、および回路基板４の平面形状に対応する形状をなす凹部５１が形成されたケース５を含み、回路基板４には、その裏面に複数の電気二重層コンデンサ１，２，３の各封印部が接するように当該電気二重層コンデンサ１，２，３が直列に接続され、ケース５は、回路基板４の表面全体を覆うようにその凹部５１が当該回路基板４に嵌合されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、簡易的に電気二重層コンデンサの高耐電圧化を図るためのコンデンサユニットに関するものである。特に、本発明は、複数の円筒巻回型電気二重層コンデンサを回路基板にて直列化し、その上から有底形状の円筒型樹脂ケースを下部に対して凹となるように嵌合させて円筒型としたコンデンサユニットに関するものである。

電気二重層コンデンサとは、固体と液体との異なる２層が接する面に電荷を蓄える『電気二重層』という、現象を動作原理としたコンデンサのことであり、急速充放電が可能であること、充放電の繰り返しに対し安定なため極めて長寿命であること、および有害な重金属を使用しておらず環境汚染の心配がないこと等の特徴がある。

かかる電気二重層コンデンサは、アルミニウム電解コンデンサと比べて大容量の充放電ができる。そのため、携帯情報機器や電気自動車、各種補助電源および深夜電力貯蔵等、幅広い産業分野において有望である。

ところが、有機系電解液を用いた電気二重層コンデンサの耐電圧は、一般的には、２．５Ｖ〜２．７Ｖが限界であり、それ以上の電圧で使用した場合、電解液の電気分解が加速し、静電容量の減少および内部抵抗の上昇を招き、著しい電気特性の劣化に繋がる。その他に、内部ガス発生による内圧上昇で製品が膨張してしまう等、製品寿命を加速的に縮めてしまう。そのため、電気二重層コンデンサの構造面からの高耐電圧化が望まれている。

この高耐圧化の１つの手段として、１対の分極性電極を電解質溶液中にセパレータを介して対向させて正極および負極を構成したものを１セルとし、それを複数の陽極箔と陰極箔とを交互に積層し、その間にセパレータや導電性ゴムを間に介在させて構成させることによって、直列構造とした積層型電気二重層コンデンサユニットとしたものや、導電性ゴムシートを間に介して複数のコンデンサ素子同士を面接触させて直列に接続させ、金属ケース内に収納した電気二重層コンデンサユニット等を例示することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−２０８３７８号公報

しかしながら、特許文献１等で提案された技術では、以下の問題点が指摘されている。

第１に、接続箇所に導電性ゴム等が用いられているため、接触抵抗が大きく、結果的に等価直列抵抗（ＥＳＲ）が高くなってしまう。

第２に、同ケース内で複数のセルを有していることから、セル同士が近接しており、短絡しやすい。そのため、互いの極間の絶縁を確実に行う必要がある。つまり、複数のセル同士が電解液によって短絡することを未然に防がなければならず、電解液の含浸量についても考慮しなければならない。そこで、セル同士の短絡を防止するために電解液量を少なくすると、電解液の含浸が不十分となり、静電容量の出現率が下がったり、または内部抵抗の上昇を招いたりする要因となる。また、上記の短絡を防ぐため、電解液の電解質として、固体電解質やゲルからなる電解質が用いられることもあるが、いずれの電解質を用いても等価直列抵抗の増加を招くことは不可避である。さらに、この構造のものは、同一ケース内に複数素子を封入しており、各セルにおける電圧バランスの平衡を保つバランス回路を組み込むことが困難であるため、各セルの過電圧保護に対する配慮が必要となる。

本発明は、上記技術的課題に鑑みなされたもので、簡易かつ低コストで高電圧化を図り得る電気二重層コンデンサユニットの提供を目的とする。

一般に、単位キャパシタの耐電圧は、その構成要素である電解液（電解質およびその溶媒）の電気分解電圧で決まり、水溶液系電解液の場合には約１．２Ｖであり、有機系電解液の場合には２．８〜３．０Ｖである。溶媒分解電圧以上の電圧を印加すると、コンデンサは破壊される。そのため、用途によって高電圧を要求される場合には、複数個の単位キャパシタが直列接続される。

そこで、上記目的を達成するため、本発明に係るコンデンサユニットは、炭素材料を賦活することにより形成された細孔を有する一対の分極性電極材の間にセパレータを介在させて巻回したコンデンサ素子を電解液に含浸してケースに収納し、前記分極性電極材から導出された一対の電極端子を有する複数の電気二重層コンデンサと、前記複数の電気二重層コンデンサの各封口部全体を覆い、封止するための封止手段と、を備えてなるコンデンサユニットであって、上記封止手段は、上記複数の電気二重層コンデンサを同一平面上で連結してユニット化するために、回路基板、および前記回路基板の平面形状に対応する形状をなす凹部が形成された絶縁樹脂製の有底筒状ケースを含み、上記回路基板には、その一方の面に上記複数の電気二重層コンデンサの各封口部が接するように当該複数の電気二重層コンデンサが直列または直並列に接続され、上記ケースは、上記回路基板の他方の面全体を覆うようにその凹部が当該回路基板に嵌合されている。

上記構成において、回路基板およびケースの嵌合により電気二重層コンデンサのユニット化を図っている。そのため、コンデンサユニットの耐電圧および耐振動性が向上すると共に、ユニット化作業が簡素化される。

また、上記コンデンサユニットは、上記回路基板において直列に接続された各電気二重層コンデンサにバランス抵抗が並列に接続されている。

なお、上記バランス抵抗の抵抗値は、任意であるが、電気二重層コンデンサ単機の抵抗値に比べ十分大きいことが望ましい。

さらに、上記コンデンサユニットは、上記複数の電気二重層コンデンサが直列に接続された回路基板の他方の面には、当該各電気二重層コンデンサの封口部から引き出された引き出しリードに接続されるユニット端子が植立され、このユニット端子の径寸法は、上記引き出しリードの径寸法よりも大に設定されている。

なお、上記ユニット端子の材質としては、鉄および銅等の安価で導電性の高い金属であることが望ましい。

本発明によれば、高耐電圧で等価直列抵抗が低く、複雑な作業工程がないため安価で、かつ、耐振動性に優れた取り扱いの簡単な、電気二重層コンデンサユニットを提供することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について、添付図面に基づき詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係るコンデンサユニットの構成を簡略化して示す図であって、同図（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は断面図である。

図１を参照して、本実施の形態に係るコンデンサユニットは、３個の電気二重層コンデンサ１，２，３を回路基板４にて直列化してユニット化し、この回路基板４上に凹型のケース５を嵌合させることによって、高耐電圧化されている。加えて、本コンデンサユニットでは、回路基板４上で直列に接続された各電気二重層コンデンサ１，２，３にバランス抵抗６，７，８が並列に設置されている。

電気二重層コンデンサ１，２，３は、各々、炭素材料を賦活することにより形成された細孔を有する分極性電極材、および電解質を含み電極部材を浸漬するコンデンサ用電解質溶液からなる。具体的には、各電気二重層コンデンサ１，２，３は、一対の帯状の正負極を２枚のセパレータを介して円筒型に巻回した電気二重層コンデンサ素子に減圧や加圧等により電解液が含浸され、この電解液含浸済みの電気二重層コンデンサ素子と封口材とを接合した後、アルミケースに入れて封口材にて封止することで、気密が保持され、その後外装材により被覆されている。

本コンデンサユニットでは、３個の電気二重層コンデンサ１，２，３の各封口部全体を覆うための封止手段として、３個の電気二重層コンデンサ１，２，３を同一平面上で連結してユニット化するために、上記の回路基板４およびケース５を備えている。

本実施の形態では、３個の電気二重層コンデンサ１，２，３を直列化するに際し、図２に示すような回路基板４が用いられる。図２は回路基板の構成を示す図であって、同図（Ａ）は平面図、同図（Ｂ）は断面図である。

図２に示すように、回路基板４は、その平面形状が円形をなしており、主として、電気的に絶縁された絶縁基板部４１、および導電性を持つ４つの回路パターン部４２，４３，４４，４５で構成されている。

回路パターン部４２，４３，４４，４５は、各々、図２（Ａ）に示すように、回路基板４の表面上において所定の回路設計に基づき固着形成されている。

第１の回路パターン部４２は、第１の電気二重層コンデンサ１および第３の電気二重層コンデンサ２で共用される共通回路パターン部である。第２の回路パターン部４３は、第２の電気二重層コンデンサ２および第３の電気二重層コンデンサ３で共用される共通回路パターン部である。第３の回路パターン部４４は、第１の電気二重層コンデンサ１専用の回路パターン部である。第４の回路パターン部４５は、第２の電気二重層コンデンサ２専用の回路パターン部である。

第１の回路パターン部４２および第２の回路パターン部４３同士は、回路基板４の中心線を挟んで対向配置されており、その平面形状は、当該中心線に沿って一直線状に延びる短冊形とされている。第１の回路パターン部４２では、その一端部に第１の電気二重層コンデンサ１の陽極引き出しリード棒１２が挿入されるスルーホール４２１が形成されている一方、他端部には第３の電気二重層コンデンサ３の陰極引き出しリード棒３１が挿入されるスルーホール４２２が形成されている。第２の回路パターン部４３では、その一端部に第２の電気二重層コンデンサ２の陰極引き出しリード棒２１が挿入されるスルーホール４３１が形成されている一方、他端部には第３の電気二重層コンデンサ３の陽極引き出しリード棒３２が挿通されるスルーホール４３２が形成されている。

第３の回路パターン部４４および第４の回路パターン部４５同士は、第１の回路パターン部４２および第２の回路パターン部４３を挟んで対向配置されており、その平面形状は、Ｌ字形とされている。第３の回路パターン部４４では、その回路基板４の縁部寄りの一端部に第１の電気二重層コンデンサ１の陰極引き出しリード棒１１が挿通されるスルーホール４４１が形成されている一方、第１の回路パターン部４２寄りの他端部にユニット端子９が植立されている。第４の回路パターン部４５では、その回路基板４の縁部寄りの一端部に第２の電気二重層コンデンサ２の陽極引き出しリード棒２２が挿通されるスルーホール４５１が形成されている一方、第２の回路パターン部４３寄りの他端部にユニット端子１０が植立されている。

再び図１を参照して、第１の回路パターン部４２のスルーホール４２１および第３の回路パターン部４４のスルーホール４４１に挿通された第１の電気二重層コンデンサ１の陽極引き出しリード棒１２と陰極引き出しリード棒１１との間には、第１のバランス抵抗６が接続されている。第２の回路パターン部４３のスルーホール４３１および第４の回路パターン部４５のスルーホール４５１に挿通された第２の電気二重層コンデンサ２の陰極引き出しリード棒２１と陽極引き出しリード棒２２との間には、第２のバランス抵抗７が接続されている。第１の回路パターン部４２のスルーホール４２２および第２の回路パターン部４３のスルーホール４３２に挿通された第３の電気二重層コンデンサ３の陰極引き出しリード棒３１と陽極引き出しリード棒３２との間には、第３のバランス抵抗８が接続されている。これらバランス抵抗６，７，８の抵抗値は、任意であるが、電気二重層コンデンサ単体の抵抗値に比べ十分大きいことが好ましい。

ユニット端子９，１０は、第１〜第３の電気二重層コンデンサ１，２，３が直列に接続された回路基板４の表面上において回路パターン部４２，４３，４４，４５を介して当該各電気二重層コンデンサ１，２，３の封印部から引き出された引き出しリード棒１１，１２，２１，２２，３１，３２に接続される端子であって、鉄および銅等の安価で導電性の高い金属を素材として作製されている。これら回路基板４上に直立する一対のユニット端子９，１０の径寸法は、上記の引き出しリード棒１１，１２，２１，２２，３１，３２の径寸法よりも大に設定されている。

ケース５は、絶縁性を有する樹脂を素材して作製された有底円筒状のケースであり、その内面側には、回路基板４の外郭形状にほぼ合致した形状を有する円形状の凹部５１が形成されている。この凹部５１は、回路基板４の表面全体を覆うように当該回路基板４に嵌合される。また、ケース５には、上記回路基板４上に植立された各ユニット端子９が挿通されるユニット端子挿通孔５２，５３が形成されている。

図３に３個の電気二重層コンデンサ１，２，３を回路基板４上で直列接続する際の配置状態を示す。主に図３を参照して、本コンデンサユニットの組立手順について説明する。

第１の電気二重層コンデンサ１の陽極引き出しリード棒１２を第１の電気二重層コンデンサ１および第３の電気二重層コンデンサ３共通の第１の回路パターン部４２のスルーホール４２１に通し、陰極引き出しリード棒１１を第１の電気二重層コンデンサ１専用の第３の回路パターン部４４のスルーホール４４１に通す。第２の電気二重層コンデンサ２の陰極引き出しリード棒２１を第２の電気二重層コンデンサ２および第３の電気二重層コンデンサ３共通の第２の回路パターン部４３のスルーホール４３１に通し、陽極引き出しリード棒２２を第２の電気二重層コンデンサ２専用の第４の回路パターン部４５のスルーホール４５１に通す。第３の電気二重層コンデンサ３の陰極引き出しリード棒３１を第１の電気二重層コンデンサ１および第３の電気二重層コンデンサ３共通の第１の回路パターン部４２のスルーホール４２２に通し、陽極引き出しリード棒３２を第２の電気二重層コンデンサ２および第３の電気二重層コンデンサ３共通の第２の回路パターン部４３のスルーホール４３２に通す。その後、回路基板４上のスルーホール４２１，４２２，４３１，４３２，４４１，４５１をはんだ付けにより固定し、３個の電気二重層コンデンサ１，２，３を直列構造とする。このとき、回路基板４からはみ出した上記の各引き出しリード棒１１，１２，２１，２２，３１，３２については切除する。なお、ここで用いる３個の電気二重層コンデンサ１，２，３は、電気特性的において極力近似したものを用いるのが好ましい。

次に、上記の電気二重層コンデンサ１，２，３各々にバランス抵抗６，７，８を並列に設置する。

最後に、図１に示すように、回路基板４の上方よりケース５の凹部５１を回路基板４に嵌め込む。このとき、ユニット端子９，１０は、ケース５のユニット端子挿通孔５２，５３に挿通される。

上記のように、本実施の形態では、回路基板４およびケース５両者の嵌合により電気二重層コンデンサ１，２，３のユニット化を図っているため、コンデンサユニットの耐電圧および耐振動性が向上すると共に、ユニット化作業が簡素化される。

特に、回路基板４上に植立されたユニット端子９，１０の径寸法を電気二重層コンデンサ１，２，３の各引き出しリード棒１１，１２，２１，２２，３１，３２の径寸法よりも大きくしているので、面実装を行う際に、低抵抗化の特徴を損なうことなく、耐振動性に優れたコンデンサユニットを提供できる。

以下に、本発明の実施例を示す。上述した電気二重層コンデンサ３個を直列にしたユニットについて、５．５Ｖの電圧で１４０ｍＡの充放電電流により充放電を５回行って電気特性の平均値を算出した。また、比較例として、同サイズの積層型電気二重層コンデンサで特性確認を行った。なお、実施例および比較例共に、使用部材は汎用的に使用されるものを用いて作製した。その結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例による電気二重層コンデンサユニットは、比較例の積層型電気二重層コンデンサより等価直列抵抗が小さい値を示すことが分かる。

上記実施例では、静電容量と等価直列抵抗について比較したが、メモリバックアップ用途などで特に重要視される自己放電特性についても比較を行った。５．５Ｖで８時間充電後のコンデンサ端子間電圧を測定した結果を表２に示す。

表２から明らかなように、自己放電特性を有する実施例では、積層型電気二重層コンデンサに比べて長時間高い電圧を保持している結果が得られ、本実施品の方が自己放電特性について優位性が見られることが確認できた。

上記の比較結果からも分かるように、本発明によれば、積層型電気二重層コンデンサに比べ等価直列抵抗が低く、良好な自己放電特性を有する電気二重層コンデンサユニットを実現することができる。また、積層型電気二重層コンデンサと異なり、同一ケース内に収納していないので、任意にバランス回路を設置できるため、各製品間の電圧バランスの平衡を保つことも可能で、高電圧化に対し安定した信頼性も期待できる。さらに、各電気二重層コンデンサを直列接続する回路基板に、各コンデンサの外部引き出しリード棒の径より大きなユニット端子を設けることで、面実装を行う際に、低抵抗化の特徴を損なうことなく、耐振動性に優れたコンデンサユニットを提供できることが確認された。

なお、本発明は上記実施の形態（実施例）に限定されるものではない。例えば、上記の実施の形態（実施例）では、回路基板の一方の面に、複数の円柱形の電気二重層コンデンサを直列に接続したが、静電容量を増やすために直並列接続してもよく、複数の楕円形のコンデンサを直列または直並列に接続しても同様の効果が得られる。その他、本明細書に添付の特許請求の範囲内での種々の設計変更および修正を加え得ることは勿論である。

本発明は、簡易かつ低コストで高電圧化を図り得るゆえ、電気二重層コンデンサユニットとして有用である。

本発明の実施の形態に係るコンデンサユニットの構成を簡略化して示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 回路基板の構成を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。 複数の電気二重層コンデンサを回路基板上で直列接続する際の配置状態を示す図であって、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は断面図である。

符号の説明

１，２，３ 電気二重層コンデンサ
１１，１２，２１，２２，３１，３２ 引き出しリード棒
４ 回路基板
５ ケース
５１ 凹部
６，７，８ バランス抵抗
９，１０ ユニット端子

Claims (3)

1. 炭素材料を賦活することにより形成された細孔を有する一対の分極性電極材の間にセパレータを介在させて巻回したコンデンサ素子を電解液に含浸してケースに収納し、前記分極性電極材から導出された一対の電極端子を有する複数の電気二重層コンデンサと、前記複数の電気二重層コンデンサの各封口部全体を覆い、封止するための封止手段と、を備えてなるコンデンサユニットであって、
   上記封止手段は、
   上記複数の電気二重層コンデンサを同一平面上で連結してユニット化するために、回路基板、および前記回路基板の平面形状に対応する形状をなす凹部が形成された絶縁樹脂製の有底筒状ケースを含み、
   上記回路基板には、その一方の面に上記複数の電気二重層コンデンサの各封口部が接するように当該複数の電気二重層コンデンサが直列または直並列に接続され、
   上記ケースは、
   上記回路基板の他方の面全体を覆うようにその凹部が当該回路基板に嵌合されていることを特徴とするコンデンサユニット。
2. 上記回路基板において直列に接続された各電気二重層コンデンサにバランス抵抗が並列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサユニット。
3. 上記複数の電気二重層コンデンサが直列に接続された回路基板の他方の面には、当該各電気二重層コンデンサの封口部から引き出された引き出しリードに接続されるユニット端子が植立され、
   このユニット端子の径寸法は、上記引き出しリードの径寸法よりも大に設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載のコンデンサユニット。

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