JP2009200161A - 電気二重層コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 リフロー半田付けの加熱時に、電気二重層コンデンサ素子が熱膨張し外装ケースを変形させない電気二重層コンデンサを提供する。
【解決手段】 電気二重層コンデンサ素子２と、正極リード端子２７が接続された正極電極板１７及び負極リード端子２４が接続された負極電極板１４とを、ステンレス製の外装ケース６に収容して封止した電気二重層コンデンサにおいて、正極電極板１７の電気二重層コンデンサ素子２と接する面に凹凸部３７を設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、電気二重層コンデンサに関し、特に電気二重層コンデンサの構造に関するものである。

電気二重層コンデンサの従来の構造について図面を用いて説明する。図１０は、従来の電気二重層コンデンサの断面図である。電気二重層コンデンサセル１が積層された電気二重層コンデンサ素子２と、正極リード端子２３が接続された正極電極板１３及び負極リード端子２４が接続された負極電極板１４が外装ケース６に収容され、開口部が封止されている。

次に、電気二重層コンデンサを構成する各部について詳しく説明する。図８は、電気二重層コンデンサセルの断面図である。電気二重層コンデンサセル１は、ガスケット２１、２枚の集電体１１、一対の分極性電極４１、セパレータ３１から構成されている。ガスケット２１の形状はリング状であり、材質は非導電性ゴム材である。集電体１１の形状は円板状であり、材質は導電性ゴム材である。分極性電極４１の形状は円板状であり、水溶液系電解液（希硫酸等）を含浸させた活性炭電極で構成されている。セパレータ３１の形状は円板状であり、材質は非導電性の多孔質フィルムである。

図７は、電気二重層コンデンサ素子の断面図である。電気二重層コンデンサ素子２は、図８に示した電気二重層コンデンサセル１を積層した構造である。図７では電気二重層コンデンサセル１が４層積層されている。

図９は、従来の正極電極板リード端子の斜視図である。正極電極板リード端子３は、円板状の正極電極板１３に正極リード端子２３が接続されている。図１０に示した負極電極板リード端子４の形状も正極電極板リード端子３と同様の形状であり、円板状の負極電極板１４に負極リード端子２４が接続された構造である。但し、負極電極板１４には正極リード端子２３用の貫通孔３４が設けられている。

ここで前述の図１０に示した従来の電気二重層コンデンサの構造について詳しく説明する。絶縁ケース５は、円形底面を有する箱型ケースで円形底面には貫通孔１５を有している。この貫通孔１５に正極電極板リード端子３の正極リード端子２３を挿通し、絶縁ケース５に正極電極板リード端子３を収容する。次に、正極電極板１３に電気二重層コンデンサ素子２を積層して絶縁ケース５に収容する。さらに、絶縁ケース５の外部底面に負極電極板リード端子４が配置される。ここで負極電極板１４には上記のように貫通孔３４を有しており、この貫通孔３４に正極電極板リード端子３の正極リード端子２３を挿通し、負極電極板１４と正極リード端子２３は、絶縁ケース５の底面で絶縁された構造になっている。

外装ケース６は、円形底面の箱型ケースで材質はステンレスである。正極電極板リード端子３と、電気二重層コンデンサ素子２が収納され、底面を介して負極電極板リード端子４が設けられた絶縁ケース５は、外装ケース６に正極リード端子２３と、負極リード端子２４のみを外装ケース６の外側に突出するように配置されて収容される。外装ケース６の開口部にて、負極電極板１４を内側に巻き込むようにかしめて、外装ケース６内に正極電極板リード端子３と、電気二重層コンデンサ素子２と負極電極板リード端子４が封止される。外装ケース６内では電気二重層コンデンサセル１の積層方向に加圧された状態で電気二重層コンデンサ素子２が保持されている。

電気二重層コンデンサは、各種電子機器に搭載されるが、リフローにて実装基板に半田付けされることがほとんどである。そこで、電気二重層コンデンサに要求される条件としてリフロー半田時に加熱されても変形することのないことが重要である。

上記の様に電気二重層コンデンサ素子を所定の形状のステンレス製外装ケースに収容した表面実装対応電気二重層コンデンサの例としては、特許文献１が開示されている。ところが、リフロー半田付けの加熱時に、電気二重層コンデンサセルが積層方向に熱膨張し、外装ケースと負極電極板がかしめ封口された部分を押し広げる力が大きくなると、電気二重層コンデンサが変形してしまうという問題があった。

特開２００６−３４４８０８号公報

本発明は、リフロー半田付けの加熱時に、電気二重層コンデサ素子が熱膨張し外装ケースを変形させることのない電気二重層コンデンサを提供することである。

本発明は、水溶液系電解液を含んだ炭素材料よりなる分極性電極と集電体の対が、セパレータと前記セパレータの周縁部に位置するガスケットを介して対向して配置された電気二重層コンデンサセルを、複数積層した電気二重層コンデンサ素子と、正極リード端子が接続された正極電極板及び負極リード端子が接続された負極電極板とを、ステンレス製外装ケースに収容して封止した電気二重層コンデンサであって、前記電気二重層コンデンサ素子と接する前記正極電極板もしくは前記負極電極板の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする電気二重層コンデンサである。

本発明は、前記凹凸部の表面粗さが、最大高さＲｍａｘについて１００〜１０００μｍとしたことを特徴とする上記の電気二重層コンデンサである。

本発明は、前記凹凸部の範囲は円形状もしくはリング状をなすことを特徴とする上記の電気二重層コンデンサである。

電気二重層コンデンサをリフロー半田付けする場合に、電気二重層コンデンサ素子が電気二重層コンデンサセルの積層方向に熱膨張しても、正極電極板の電気二重層コンデンサ素子と接する面に凹凸部を設けることにより電気二重層コンデンサ素子と正極電極板に隙間があるので、外装ケースに負極電極板のかしめ封口された部分が押し広げられるような力が働くことを防止し、熱膨張による変形が起こらない電気二重層コンデンサを提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態の正極電極板リード端子の斜視図である。本発明の第１の実施の形態の正極電極板リード端子７は、第１の実施の形態の正極電極板１７に正極リード端子２７が接続されている。第１の実施の形態の正極電極板１７は、中央部に円状に凹凸部３７を有している。

ここで、凹凸部３７につき、日本工業規格（ＪＩＳ）に規定される表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ−０６０１）に準ずる最大高さＲｍａｘとして、Ｒｍａｘは断面曲線の谷から最大の高さであり、１００〜１０００μｍとすることが望ましい。電気二重層コンデンサ素子の厚みは３ｍｍ以上であり、リフロー半田付けの加熱時による電気二重層コンデンサ素子の熱膨張は１００μｍ以上であるので、この熱膨張を吸収できるように１００μｍ以上が望ましい。さらに大きければ熱膨張を吸収できるが電気二重層コンデンサの高さが大きくなるため、大きくとも１０００μｍ以下とすることが望ましい。ここでリフロー半田付けの加熱は、部品上部温度にて予熱温度１６０℃、１２０秒後に、加熱しピーク温度２３５℃、１０秒以内の条件である。

図２は、本発明の第１の実施の形態の電気二重層コンデンサの断面図である。図１０で説明した従来の電気二重層コンデンサと同様に、絶縁ケース５の貫通孔１５に本発明の第１の実施の形態の正極電極板リード端子７の正極リード端子２７を挿通させて本発明の第１の実施の形態の正極電極板１７を収容し、電気二重層コンデンサセル１を積層した電気電気二重層コンデンサ素子２を積層して収容する。絶縁ケース５の底面を介して負極電極板リード端子４が配置される。外装ケース６の開口部にて、負極電極板１４を内側に巻き込むようにかしめて、外装ケース６内に本発明の第１の実施の形態の正極電極板リード端子７と、電気二重層コンデンサ素子２と負極電極板リード端子４が封止される。

図２において、正極電極板１７に設けた凹凸部３７は、電気二重層コンデンサ素子２の最下部の電気二重層コンデンサセル１の集電体１１と接している。凹凸部３７は、正極電極板１７の中央部に設けているので、最下部の電気二重層コンデンサセル１の両端に位置するガスケット２１の内側、すなわち分極性電極４１の部分で集電体１１と接している。

本発明の第１の実施の形態の正極電極板１７に、電気二重層コンデンサ素子２を積層すると凹凸部３７を有しているので、正極電極板１７と電気二重層コンデンサ素子２の間には隙間１０が生じる。但し、正極電極板１７と電気二重層コンデンサ素子２の間の電気的な導通は確保されている。

本発明の第１の実施の形態の電気二重層コンデンサによれば、リフロー半田付けの加熱時に、電気二重層コンデンサ素子２が電気二重層コンデンサセル１の積層方向に熱膨張しても、隙間１０があるので、外装ケース６に押し広げる力が加わらなくなり、電気二重層コンデンサが変形することを防ぐ事ができる。

図３は、本発明の第２の実施の形態の正極電極板リード端子の斜視図である。本発明の第２の実施の形態の正極電極板リード端子８は、第２の実施の形態の正極電極板１８に正極リード端子２８が接続されている。第２の実施の形態の正極電極板１８は、中央部に円状の凹凸部３８とその周りにリング状の凹凸部４８を有している。凹凸部３８,４８は、本発明の第１の実施の形態と同様に表面粗さの最大高さＲｍａｘとして、Ｒｍａｘは１００〜１０００μｍとすることが望ましい。

図４は、本発明の第２の実施の形態の電気二重層コンデンサの断面図である。図１０で説明した従来の電気二重層コンデンサと同様に、絶縁ケース５の貫通孔１５に本発明の第２の実施の形態の正極電極板リード端子８の正極リード端子２８を挿通させて本発明の第２の実施の形態の正極電極板１８を収容し、電気二重層コンデンサ素子２を積層して収容する。絶縁ケース５の底面を介して負極電極板リード端子４が配置される。外装ケース６の開口部で、負極電極板１４を内側に巻き込むようにかしめて、外装ケース６内に本発明の第２の実施の形態の正極電極板リード端子８と、電気二重層コンデンサ素子２と負極電極板リード端子４が封止される。

図４において、正極電極板１８に設けた凹凸部３８，４８は、電気二重層コンデンサ素子２の最下部の電気二重層コンデンサセル１の集電体１１と接している。凹凸部３８は正極電極板１８の中央部に、凹凸部４８は凹凸部３８の周りに設けているので、最下部の電気二重層コンデンサセル１の両端に位置するガスケット２１の内側、すなわち分極性電極４１の部分で集電体１１と接している。

本発明の第２の実施の形態の正極電極板１８に、電気二重層コンデンサ素子２を積層すると凹凸部３８，４８を有しているので、正極電極板１８と電気二重層コンデンサ素子２の間には隙間１０が生じる。もちろん第１の実施の形態と同様に電気的な接続は確保される。本発明の第２の実施の形態の電気二重層コンデンサによれば、リフロー半田付けの場合に、電気二重層コンデンサ素子２が電気二重層コンデンサセル１の積層方向に熱膨張したとしても、隙間１０があるので、外装ケース６に押し広げられる力が加わらなくなり、変形するようなことは防止できる。本発明の第２の実施の形態の正極電極板１８は、円形状の凹凸部３８とその周りにリング状の凹凸部４８があるので、本発明の第１の実施の形態の正極電極板１７と比べて、電気二重層コンデンサ素子２と接する面積も増えてより安定して絶縁ケース５内に収容でき、電気的な接続も十分に確保できる。

図５は、本発明の第３の実施の形態の正極電極板リード端子の斜視図である。本発明の第３の実施の形態の正極電極板リード端子９は、第３の実施の形態の正極電極板１９に正極リード端子２９が接続されている。第３の実施の形態の正極電極板１９は、外周に沿って凹凸部３９を有している。凹凸部３９は、本発明の第１，２の実施の形態と同様に表面粗さの最大高さＲｍａｘとして、Ｒｍａｘは１００〜１０００μｍとすることが望ましい。

図６は、本発明の第３の実施の形態の電気二重層コンデンサの断面図である。図１０で説明した従来の電気二重層コンデンサと同様に、絶縁ケース５の貫通孔１５に本発明の第３の実施の形態の正極電極板リード端子９の正極リード端子２９を挿通させて本発明の第３の実施の形態の正極電極板１９を収容し、電気二重層コンデンサ素子２を積層して収容する。絶縁ケース５の底面を介して負極電極板リード端子４が配置される。外装ケース６の開口部で、負極電極板１４を内側に巻き込むようにかしめて、外装ケース６内に本発明の第３の実施の形態の正極電極板リード端子９と、電気二重層コンデンサ素子２と負極電極板リード端子４が封止される。

図６において、正極電極板１９に設けた凹凸部３９は、電気二重層コンデンサ素子２の最下部の電気二重層コンデンサセル１の集電体１１と接している。凹凸部３９は、正極電極板の外周に沿って設けているので、最下部の電気二重層コンデンサセル１の両端に位置するガスケット２１の部分で集電体１１と接している。

本発明の第３の実施の形態の正極電極板１９に、電気二重層コンデンサ素子２を積層すると凹凸部３９を有しているので、正極電極板１９と電気二重層コンデンサ素子２の間には隙間１０が生じる。もちろん第１、第２の実施の形態と同様に電気的な接続は確保される。本発明の第３の実施の形態の電気二重層コンデンサによれば、リフロー半田付けの場合に、電気二重層コンデンサ素子２が電気二重層コンデンサセル１の積層方向に熱膨張したとしても、隙間１０があるので、外装ケース６に押し広げられる力が加わらなくなり、変形するようなことを防止できる。

なお、通常は電気二重層コンデンサ素子２と直接に接する電極板を正極電極板とするため、凹凸部を正極電極板に設けると説明を進めてきたが、本発明では凹凸部を電気二重層コンデンサ素子と直接に接する電極板に設けることにより効果が得られることは明白であり、この凹凸部がある電極板に接続されたリード端子を負極としてもかまわない。

電極板の凹凸部は、導電性を持たせる必要があるので、不活性ガス雰囲気中でレーザーを板面に照射して荒らすことにより設けることができる。また、凹凸部と同程度の粒径の導電性の金属粒を溶着もしくは半田付けすることにより凹凸部を形成しても良い。また、薄板なので裏面からのプレスにより表面に凹凸部を設けることもできる。

本発明の実施例について以下に説明する。本発明の実施の形態の正極電極板リード端子を製造するために、φ５．５ｍｍ、厚み０．３ｍｍのステンレスＳＵＳ４３０材からなる正極電極板にφ０．７ｍｍの正極リード端子を設けて正極電極板リード端子を作製し、Ｎｉストライクメッキ、銅下地メッキ、Ｓｎリフローメッキを順番に施した。次に、正極電極板の表面を不活性ガス雰囲気中でレーザー処理により凹凸部を設けた。ここで、第２の実施の形態の正極電極板となるように凹凸部を設けた。即ち、図３において円板状の正極電極板１８の中心部に凹凸部３８を形成して、その周りに外径φ４ｍｍ、内径φ３ｍｍのリング状の凹凸部４８を形成し、凹凸部３８，４８の最大高さＲｍａｘは１００μｍとした。

電気二重層コンデンサセルは、図８においてφ５．５ｍｍの導電性ゴムからなり厚み０．２ｍｍの２枚の集電体１１と、希硫酸等を含浸させた活性炭電極からなる分極性電極４１と、φ４．７ｍｍの多孔質フィルムからなるセパレータ３１と、内径がφ４．０ｍｍで外径が５．５ｍｍのリング形状で厚みは０．５ｍｍの非導電性ゴムからなるガスケット２１を用いて作製した。この電気二重層コンデンサセル１を４層積層して図７の様な厚み３ｍｍの電気二重層コンデンサ素子２を作製した。

次に、図４に示した内径φ５．６ｍｍ、外径６．２ｍｍのポリアミド樹脂からなり深さ３ｍｍの絶縁ケース５内に、上記のように作製した正極電極板リード端子を貫通孔１５に挿入して、さらに電気二重層コンデンサ素子２を積層して収容した。負極電極板リード端子を正極電極板リード端子と同様に作製し、表面に凹凸を設けずに、絶縁ケース５の底面を介して配置した。ステンレス製の内径φ６．３ｍｍ、外径φ６．８ｍｍ、深さ３．５ｍｍの外装ケース６内に収容して、外装ケースの開口部で内側に巻き込むようにかしめ、本発明の電気二重層コンデンサを作製した。

比較例として、同様にステンレス材で正極電極板に正極リード端子を設けて正極電極板リード端子を作製し、Ｎｉストライクメッキ、銅下地メッキ、Ｓｎリフローメッキを順番に施し、表面に凹凸を設けずに正極電極板リード端子を作製した。上記の実施例と同様に作製した電気二重層コンデンサ素子と、凹凸を設けずに作製した正極電極板リード端子を絶縁ケースに収容し、絶縁ケースの底面を介して負極電極板リード端子を配置して、ステンレス製の外装ケース内に収容して、外装ケースの開口部で内側に巻き込むようにかしめ、従来の電気二重層コンデンサを作製した。

上記のようにして本発明および比較例の方法で作製した電気二重層コンデンサをそれぞれ１００個作製し、リフロー半田付けを実施した。ここでリフロー半田付けの加熱温度は、部品上部温度にて予熱温度１６０℃、１２０秒後に、加熱し、ピーク温度２３５℃、１０秒以内の条件である。外装ケースの変形による不良数を比較した結果を表１に示す。

表１より、本発明によれば、リフロー半田の加熱時の外装ケースの変形による不良数を比較例と比較して半数以下とすることができた。

また、作製した電気二重層コンデンサの１ｋＨｚの周波数における等価直列抵抗（ＥＳＲ）を測定した。本発明および比較例の方法で作製した電気二重層コンデンサの等価直列抵抗（ＥＳＲ）を表２に示す。

表２より、本発明による電気二重層コンデンサは、等価直列抵抗値を比較例と比べて低い値が得られた。比較例によれば、正極電極板に凹凸部がないので、電気二重層コンデンサ素子が熱膨張すれば、外装ケースを押し広げるほどの力が生じなくとも、電気二重層コンデンサ素子と正極電極板の間がわずかでも拡げられ、正極電極板を積層方向に圧着する力が弱まってしまう。ところが、本発明によれば正極電極板に凹凸部があるので電気二重層コンデンサ素子との接触が保たれて等価直列抵抗値は低下する。

本発明の第１の実施の形態の正極電極板リード端子の斜視図。 本発明の第１の実施の形態の電気二重層コンデンサの断面図。 本発明の第２の実施の形態の正極電極板リード端子の斜視図。 本発明の第２の実施の形態の電気二重層コンデンサの断面図。 本発明の第３の実施の形態の正極電極板リード端子の斜視図。 本発明の第３の実施の形態の電気二重層コンデンサの断面図。 電気二重層コンデンサ素子の断面図。 電気二重層コンデンサセルの断面図。 従来の正極電極板リード端子の斜視図。 従来の電気二重層コンデンサの断面図。

符号の説明

１ 電気二重層コンデンサセル
２ 電気二重層コンデンサ素子
３、７、８、９ 正極電極板リード端子
４ 負極電極板リード端子
５ 絶縁ケース
６ 外装ケース
１０ 隙間
１１ 集電体
１３、１７、１８、１９ 正極電極板
１４ 負極電極板
１５、３４ 貫通孔
２１ ガスケット
２３、２７、２８、２９ 正極リード端子
２４ 負極リード端子
３１ セパレータ
３７、３８、３９、４８ 凹凸部
４１ 分極性電極

Claims (3)

1. 水溶液系電解液を含んだ炭素材料よりなる分極性電極と集電体の対が、セパレータと前記セパレータの周縁部に位置するガスケットを介して対向して配置された電気二重層コンデンサセルを、複数積層した電気二重層コンデンサ素子と、正極リード端子が接続された正極電極板及び負極リード端子が接続された負極電極板とを、ステンレス製外装ケースに収容して封止した電気二重層コンデンサであって、前記電気二重層コンデンサ素子と接する前記正極電極板もしくは前記負極電極板の表面に凹凸部を設けたことを特徴とする電気二重層コンデンサ。
2. 前記凹凸部の表面粗さが、最大高さＲｍａｘについて１００〜１０００μｍとしたことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサ。
3. 前記凹凸部の範囲は円形状もしくはリング状をなすことを特徴とする請求項１に記載の電気二重層コンデンサ。

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