JP2022121989A

JP2022121989A - コンデンサ

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Publication number: JP2022121989A
Application number: JP2021019022A
Authority: JP
Inventors: 雄樹田中; Yuki Tanaka; 和宏長原; Kazuhiro Nagahara; 良弥小関; Yoshiya Koseki
Original assignee: Nippon Chemi Con Corp
Current assignee: Nippon Chemi Con Corp
Priority date: 2021-02-09
Filing date: 2021-02-09
Publication date: 2022-08-22

Abstract

【課題】本開示は、たとえばカーボン層が形成された陰極箔を含むコンデンサに適するセパレータ、またはこのセパレータを含むコンデンサを提供することを目的とする。【解決手段】コンデンサ（２）は、陽極箔（１２）、陰極箔（１４）、および前記陽極箔と前記陰極箔の間に配置されたセパレータ（１６）を含む。前記陰極箔はカーボン層（２０）を含み、前記セパレータに付着するカーボン（２６）が３７．５μｇ／ｃｍ2未満である。【選択図】図１

Description

本開示は、カーボン層が形成された陰極箔を含むコンデンサに関する。

電解コンデンサは、陽極箔と、陰極箔と、陽極箔および陰極箔の間に配置されたセパレータとを含み、電気を蓄えることが可能である。このような電解コンデンサにおいて、カーボン層が陰極箔に形成されることが知られている（たとえば、特許文献１）。カーボン層は、たとえば陰極箔の静電容量を高めるという作用を有する。

特開２００６－８０１１１号公報

ところで、電解コンデンサなどのコンデンサでは、陽極箔と陰極箔との間のショートを防止する必要がある。多量のカーボンが陰極箔から離脱すると、セパレータの絶縁機能への悪影響が懸念される。特許文献１には斯かる課題の開示や示唆はなく、特許文献１に開示された構成では斯かる課題を解決することができない。

そこで、本開示は、たとえばカーボン層が形成された陰極箔を含むコンデンサに適するセパレータ、またはこのセパレータを含むコンデンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本開示の一側面によれば、コンデンサは、陽極箔、陰極箔、および前記陽極箔と前記陰極箔の間に配置されたセパレータを含む。前記陰極箔はカーボン層を含み、前記セパレータに付着するカーボンが３７．５μｇ／ｃｍ²未満である。

上記コンデンサにおいて、前記カーボンの付着量は、０．３７５μｇ／ｃｍ²以上３７．５μｇ／ｃｍ²未満でもよい。

上記コンデンサにおいて、前記カーボンは、前記陰極側表面にのみ付着してもよい。

上記コンデンサにおいて、前記カーボンは、前記陰極側表面の全体に配置されてもよく、または前記陰極側表面に部分的に配置されてもよい。

本開示の上記側面によれば、次のいずれかの効果が得られる。

(1) セパレータへのカーボンの付着量が３７．５μｇ／ｃｍ²未満とすることで、陰極箔から離脱する離脱カーボンがセパレータの内部に侵入することが抑制され、コンデンサの絶縁性を維持できる。

(2) 陰極箔から離脱する離脱カーボンがセパレータの内部に侵入しにくく、陰極箔とセパレータの間に留められ易くなる。カーボンの移動が規制され、コンデンサの性能変動が小さくなるという効果が得られ易い。

実施の形態に係るコンデンサの一例を示す図である。実験試料および導通抵抗の測定を示す図である。実験試料の導通抵抗値の表である。実験試料の導通抵抗値のグラフである。図４に示す範囲Ｖの拡大図である。

図１は、実施の形態に係るコンデンサの一例を示している。図１において、コンデンサの外装ケース、封口部材および電解質は省略されている。図１のＢは、図１のＡに示す範囲ＩＢ部分の拡大図である。図１に示す構成は一例であって、斯かる構成に本開示の技術が限定されるものではない。

コンデンサ２は電子部品の一例であり、たとえば電解コンデンサである。コンデンサ２はコンデンサ素子４と、端子リード６と、外装ケースと、封口部材とを含んでいる。端子リード６は、コンデンサ素子４に接続され、コンデンサ素子４の一端面から突出している。コンデンサ素子４および端子リード６の一部は外装ケースの内部に挿入される。外装ケースの開口部に封口部材が設置されて、外装ケースの内部が密封される。つまり、コンデンサ素子４および端子リード６の一部は外装ケースの内部に密封される。端子リード６は、封口部材の貫通孔を貫通し、封口部材から突出する。

コンデンサ素子４は、陽極箔１２と、陰極箔１４と、セパレータ１６と、電解質とを含む。陽極箔１２および陰極箔１４は、それぞれ異なる端子リード６に接続されている。セパレータ１６が陽極箔１２と陰極箔１４の間に配置されるように、陽極箔１２、陰極箔１４およびセパレータ１６は重ねられるとともに巻回されて、巻回素子が形成される。この巻回素子がコンデンサ素子４を形成する。コンデンサ素子４内の空隙やセパレータ１６には、電解質が充填されている。電解質は、電解液またはゲル電解質でもよく、電解液およびゲル電解質を含んでもよく、電解液またはゲル電解質と固体電解質とを含んでもよい。固体電解質は、たとえば導電性高分子を含む。

陽極箔１２は、コンデンサ２の陽極側の電極を構成する。陽極箔１２は、たとえば、タンタル箔、アルミニウム箔などの弁作用金属箔であって、たとえば帯状の箔である。陽極箔１２の表面は、たとえばエッチングにより形成された凹凸を有するとともに、たとえば化成処理により形成された誘電体酸化皮膜を含んでいる。エッチングにより形成された凹凸は、たとえば多孔質構造を有している。

陰極箔１４は、コンデンサ２の陰極側の電極を構成する。陰極箔１４は、たとえば帯状の箔であって、本体箔１８とカーボン層２０とを含んでいる。本体箔１８は、たとえば、アルミニウム箔、タンタル箔、ニオブ箔、チタン箔、ハフニウム箔、ジルコニウム箔、亜鉛箔、タングステン箔、ビスマス箔、アンチモン箔などの弁作用金属箔である。本体箔１８の表面は、たとえばエッチングにより形成された凹凸を有し、本体箔１８の表面積が拡大されている。本体箔１８の表面は、たとえばトンネル状または海綿状のエッチングピットを含んでもよく、このトンネル状または海綿状のエッチングピットが凹凸を形成してもよい。

カーボン層２０は、たとえば本体箔１８の両面に配置されている。カーボン層２０は、本体箔１８の一面にのみ配置されてもよい。カーボン層２０は、本体箔１８の凹凸と密着している。つまり、カーボン層２０が本体箔１８の外側に配置され、陰極箔１４は本体箔１８およびカーボン層２０による二層構造または本体箔１８の両面にカーボン層２０を配置した三層構造を有している。カーボン層２０は、主材として炭素材を含み、さらに、添加剤としてバインダーおよび分散剤を含む。

炭素材は、たとえば球状炭素である。球状炭素は、それぞれ活物質として機能する。そのため、カーボン層２０は、球状炭素による電気二重層活物質層を含み、陰極箔１４の静電容量を増加させる。

球状炭素は、たとえば、ケッチェンブラック、アセチレンブラック、チャネルブラック、サーマルブラックなどのカーボンブラックを含む。

炭素材は、記述の球状炭素と黒鉛とを含む混合物でもよい。黒鉛は、たとえば天然黒鉛、人造黒鉛、または黒鉛化ケッチェンブラックなどであり、鱗片状、鱗状、塊状、土状、球状または薄片状などの形状を有する。黒鉛は、鱗片状または薄片状であることが好ましく、黒鉛の短径と長径とのアスペクト比が１：５～１：１００の範囲であることが好ましい。既述のアスペクト比を有する鱗片状または薄片状の黒鉛は、たとえばエッチングピットに球状カーボンを押し込み、カーボン層２０の一部がエッチングピットの内部にまで形成できる。そのため、アンカー効果により、カーボン層２０が強固に本体箔１８に密着できる。

黒鉛の平均粒径が６μｍ以上１０μｍ以下であると、高温環境負荷による静電容量の低下を抑制できるなどの効果が得られる。また、黒鉛の平均粒径が６μｍ以下であると、高温環境負荷による静電容量の低下を抑制しつつ、コンデンサ２の静電容量を増加させることができる。また、黒鉛の平均粒径が６μｍ以下であると、黒鉛をカーボン層２０内に留め置き易くなり、バインダーの添加量を抑制できる。バインダーの添加量の抑制により、炭素材の比率が増加する。そのため、陰極箔１４の電気抵抗を低減でき、コンデンサ２の等価直列抵抗（ＥＳＲ）を低減できる。なお、記述の平均粒径の数値はメジアン径、所謂Ｄ５０に基づく数値である。

炭素材が黒鉛と球状炭素の混合物である場合において、黒鉛と球状炭素の併用による作用を得るため、黒鉛と球状炭素の混合物に対する黒鉛の質量比〔黒鉛の質量／（黒鉛の質量＋球状炭素の質量）〕は、たとえば２５％以上９０％以下の範囲である。

バインダーは、たとえばスチレンブタジエンゴム、ポリフッ化ビニリデンまたはポリテトラフルオロエチレンであって、黒鉛と球状炭素を結合させる。分散剤は、たとえばカルボキシメチルセルロースナトリウムである。カーボン層２０は、たとえば球状炭素が分散された水溶液から作製される。分散剤は、球状炭素を水溶液に分散させることができる。

セパレータ１６は、陽極箔１２と陰極箔１４の間に配置され、陽極箔１２と陰極箔１４の間の短絡を防止する。セパレータ１６は、陽極箔１２に接触する陽極側表面２２－１と、陰極箔１４に接触する陰極側表面２２－２とを有し、セパレータ本体２４とカーボン２６とを含む。

セパレータ本体２４は、絶縁材料であって、クラフト、マニラ麻、エスパルト、ヘンプ、レーヨン、セルロース、これらの混合材などのセパレータ部材を含む。セパレータ本体２４は、たとえば市販のセパレータでもよい。

カーボン２６は陰極側表面２２－２に付着する。つまり、陰極側表面２２－２は、セパレータ本体２４の陰極箔１４側の表面とカーボン２６とを含んでいる。カーボン２６は、たとえばセパレータ本体２４の表面の複数の小さな隙間に挟まって、陰極側表面２２－２に点在している。カーボン２６は、たとえばセパレータ本体２４の陰極箔１４側の表面の全体を覆い、陰極側表面２２－２の全体に配置されてもよい。つまり、カーボン２６は、陰極側表面２２－２に部分的に配置されてもよく、陰極側表面２２－２の全体に配置されてもよい。隙間に挟まっているカーボン２６は、セパレータ本体２４の隙間を塞ぎ、たとえば陰極箔１４から離脱した離脱カーボンがセパレータ１６の内部に侵入することを抑制できる。セパレータ本体２４の表面を覆うカーボン２６は、たとえば離脱カーボンがセパレータ１６の内部に侵入することを抑制できる。カーボン２６の付着量は、カーボン２６がセパレータ本体２４の表面の隙間の一部を塞ぐために必要な量であればよく、たとえば０．３７５μｇ／ｃｍ²以上であることが好ましい。また、カーボン２６の付着量は、以下に示す実験の結果から、たとえば３７．５μｇ／ｃｍ²未満であることが好ましい。単位「μｇ／ｃｍ²」は、セパレータ１６の１平方センチメートルあたりに付着しているカーボン２６の質量を表す。カーボン２６が３７．５μｇ／ｃｍ²未満であると、セパレータ本体２４の種類、密度または厚さに関わらず、電極間のショート抑制効果が期待できる。カーボン２６が３７．５μｇ／ｃｍ²以上であると、一部の種類、密度または厚さにおいて、セパレータ本体２４として適用が好ましくないセパレータが発生する。

セパレータ１６に付着しているカーボン量は、たとえば次に示す方法により特定することができる。すなわち、コンデンサ２から取り出されたセパレータ１６をたとえばエタノールで洗浄して、セパレータ１６から電解液を除去する。電解液が除去されたセパレータ１６を乾燥させる。乾燥したセパレータ１６をたとえば熱重量分析（ＴＧＡ）または熱重量－示差熱分析（ＴＧ－ＤＴＡ）などの既存の分析法で熱分析して、カーボン２６の付着量（重量または質量）を特定する。得られた重量または質量をセパレータ１６の分析された面積で除することで、セパレータ１平方センチメートルあたりのカーボン量を特定できる。

端子リード６は、たとえば導電性のよい金属で形成されている。一方の端子リード６は陽極側端子であって、陽極箔１２にたとえば冷間圧接やステッチ接続により接続されている。他方の端子リード６は陰極側端子であって、陰極箔１４にたとえば冷間圧接やステッチ接続により接続されている。

封口部材は、たとえば絶縁性ゴムで形成されている。封口部材は端子リード６に対応する位置に挿通孔を有している。コンデンサ素子４の端子リード６が封口部材の挿通孔を貫通し、コンデンサ２の外側に露出している。

外装ケースは、たとえば有底筒状のアルミニウムケースである。

〔コンデンサの製造工程〕

コンデンサ２の製造工程は、本開示のコンデンサの製造方法の一例であって、たとえば陽極箔１２の作製工程、陰極箔１４の作製工程、セパレータ１６の作製工程、コンデンサ素子４の作製工程、コンデンサ素子４の封入工程を含む。

陽極箔１２の作製工程では、タンタル箔、アルミニウム箔などの弁作用金属箔の表面をエッチングして、弁作用金属箔の表面に凹凸を形成する。エッチング処理後の弁作用金属箔を化成処理して、弁作用金属箔の表面に誘電体酸化皮膜を形成する。弁作用金属箔は、たとえば、塩酸、食塩などの塩化物水溶液に浸された弁作用金属箔に電流を印加することにより、エッチングされる。印加される電流は、直流でもよく、交流でもよい。弁作用金属箔は、たとえば、ホウ酸アンモニウム、硼酸アンモニウム、リン酸アンモニウム、アジピン酸アンモニウムなどの溶液を含む電解液に浸された弁作用金属箔に電圧を印加することにより、化成される。化成された弁作用金属箔を裁断して、陽極箔１２が作製される。

陰極箔１４の作製工程では、アルミニウム箔、タンタル箔、ニオブ箔、チタン箔、ハフニウム箔、ジルコニウム箔、亜鉛箔、タングステン箔、ビスマス箔、アンチモン箔などの弁作用金属箔の表面をエッチングして、弁作用金属箔の表面に凹凸を形成する。陰極箔１４側のエッチングは、陽極箔１２側のエッチングと同じでもよく、異なっていてもよい。エッチング処理後の弁作用金属箔にカーボン層２０を形成し、カーボン層２０が形成された弁作用金属箔を裁断して、陰極箔１４が作製される。

カーボン層２０は次のように作製される。既述の炭素材、バインダーおよび分散剤を希釈液に加え、ミキサー、ジェットミキシング（噴流衝合）、超遠心処理、超音波処理などの分散処理によりこれらを混合して、スラリーを形成する。バインダーは、たとえば炭素材の結合のために必要な量だけ添加され、分散剤は、たとえば炭素材の分散のために必要な量だけ添加される。そのため、バインダーおよび分散剤の添加量は、炭素材の添加量よりも微量である。炭素材として黒鉛を用いる場合、黒鉛は、ビーズミル、ボールミルなどの粉砕機により粉砕して、黒鉛の平均粒径が、希釈液への添加前に調整されていてもよい。

希釈液は、たとえばアルコール、炭化水素系溶媒、芳香族系溶媒、アミド系溶媒、水およびこれらの混合物などである。アルコールは、たとえばメタノール、エタノールまたは２－プロパノールである。アミド系溶媒は、たとえばＮ－メチル－２－ピロリドン（ＮＭＰ）またはＮ，Ｎ－ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）である。

スラリーをエッチング処理後の弁作用金属箔に塗布する。スラリーを乾燥させた後、スラリーをプレスする。プレスにより、炭素材が整列される。炭素材が黒鉛を含む場合、プレスにより、黒鉛が整列されるとともに、黒鉛が弁作用金属箔の凹凸に沿うように変形する。また、黒鉛が凹凸に圧接されるときに球状炭素が弁作用金属箔の細孔の内部に押し込まれる。これにより、スラリーが弁作用金属箔に密着し、本体箔１８に密着するカーボン層２０が得られる。

セパレータ１６の作製工程では、記述のセパレータ部材を裁断して、セパレータ１６が作製される。なお、セパレータ１６へのカーボン２６の付着は、たとえばセパレータ１６が陰極箔１４に接触後に発生すればよい。

コンデンサ素子４の作製工程では、端子リード６を陽極箔１２および陰極箔１４にそれぞれ接続する。第１のセパレータ１６を陽極箔１２および陰極箔１４の間に配置するとともに第２のセパレータ１６を陽極箔１２または陰極箔１４の外側に配置する。陽極箔１２、陰極箔１４、第１および第２のセパレータ１６を巻回して、コンデンサ素子４が作製される。

コンデンサ素子４の封入工程では、電解液などの電解質が含浸されたコンデンサ素子４が外装ケースの内部に挿入され、その後外装ケースの開口部に封口部材が取り付けられて、コンデンサ２が作製される。

〔実験例〕

カーボン２６の付着量の好ましい範囲を確認するため、カーボン２６が付着した実験セパレータ３２（図２）の導通抵抗を確認した。

カーボン２６が付着した実験セパレータ３２を作製するため、表１に示す固形分濃度を有するスラリー１～１０を準備する。スラリー１～１０の成分は、以下の通りである。
カーボン：カーボンブラックの粉末
バインダー：スチレンブタジエンゴム
分散剤：カルボキシメチルセルロースナトリウム水溶液
希釈液：純水
バインダーおよび分散剤の添加量は、カーボンの添加量に対して十分に少ない。そのため、スラリー１～１０の固形分の量は、カーボンの量と等しいとみなすことができる。

実験セパレータ３２の１センチメートル角の表面に、スラリー１～１０の何れかを１０μＬ（マイクロリットル）均等に滴下し、実験セパレータ３２およびスラリーを８０℃に加熱して、カーボン２６が付着した実験セパレータ３２を得る。実験セパレータ３２は、表２に示すセパレータＳ１～Ｓ１８（ニッポン高度紙工業株式会社製）の何れかである。スラリー１～１０の固形分濃度が低いので、スラリー１～１０の比重は水の比重と等しいとみなすことができる。そのため、セパレータに１０μＬの各スラリー１～１０を滴下したときのカーボン付着量ＣＡは、表１に示す量とみなすことができる。

なお、セパレータの材質は以下の通りである。
セパレータＳ１～Ｓ６：クラフト
セパレータＳ７：（高密度側）クラフトの抄紙
（低密度側）コットンリンターとヘンプの混抄紙
セパレータＳ８：マニラ麻とエスパルトの混抄紙
セパレータＳ９：マニラ麻
セパレータＳ１０～Ｓ１３：マニラ麻とエスパルトの混抄紙
セパレータＳ１４：ナイロン繊維とフィブリル化アクリル繊維の混抄紙
セパレータＳ１５～Ｓ１８：特殊レーヨン
なお、セパレータＳ７のクラフトの抄紙と、セパレータＳ１４の混抄紙の陽極箔対向面には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）が塗工されている。

図２は、導通抵抗の測定例を示している。図２において、クリップによる固定が省略されている。

カーボン２６が付着している実験セパレータ３２を上下から二枚の銅箔３４の間に挟み、実験セパレータ３２および銅箔３４を二枚のスライドガラス３６で挟み、スライドガラス３６をクリップで固定して、実験試料３８を得る。二枚の銅箔３４が互いに直接接触しないように、実験セパレータ３２は少なくとも一枚の銅箔３４の外側に突出している。

絶縁抵抗計を二枚の銅箔３４に接続して、実験試料３８の抵抗値（導通抵抗値）を測定する。実験セパレータ３２のみが銅箔３４の間に配置されている部分では、抵抗値は計測の範囲外、たとえば５００ＭΩ（メガオーム）以上になる。そこで、実験試料３８の抵抗値を測定することで、カーボン２６がセパレータの絶縁性に与える影響を把握できる。

図３は、実験試料の導通抵抗値の表を示している。図４は、実験試料の導通抵抗値のグラフを表し、図５は、図４に示す範囲Ｖの拡大図である。図４および図５では、各セパレータＳ１、Ｓ８～Ｓ１０、Ｓ１４～Ｓ１７を含む実験試料３８の導通抵抗値が示されている。図３において「O.R.」は、導通抵抗値が５００ＭΩを超え、計測の範囲外を示す「out of range」の省略標記である。また図３において、たとえば１ＭΩ、１００ＭΩは、それぞれ「1.00. E+06」、「1.00. E+08」と表されている。

本実験例では、図３に示されている表から、カーボン２６の付着量ＣＡが３７．５μｇ／ｃｍ²未満であると、すべての実験試料３８の導通抵抗値が１００ＭΩ以上になることが解った。また、図４および図５に示されているグラフから、カーボン２６の付着量が３７．５μｇ／ｃｍ²以上になると、導通抵抗値が低下する実験セパレータ３２があることが解った。したがって、本実験例によれば、カーボン２６の付着量は、たとえば３７．５μｇ／ｃｍ²未満であることが好ましく、３７．５μｇ／ｃｍ²未満とすることで、電極の大きなショート抑制効果が期待できる。

上記実施の形態によれば、たとえば以下の効果が得られる。

(1) セパレータ１６の陰極側表面２２－２へのカーボンの付着量が３７．５μｇ／ｃｍ²未満であるので、陰極箔１４からの離脱カーボンがセパレータ１６に侵入しにくい。カーボンがセパレータ１６の内部に侵入することが抑制され、コンデンサ２の絶縁性を維持できる。

(2) 離脱カーボンがセパレータ１６に侵入しにくく、陰極箔１４とセパレータ１６の間に留められ易くなる。カーボンの移動が規制され、コンデンサ２の性能変動が小さくなるという効果が得られ易くなる。

(3) 陰極箔１４のカーボン層２０が直接セパレータ１６に接触するため、陰極箔１４の抵抗の低下によりコンデンサ２の等価直列抵抗が低下するという効果が得られ易くなる。

以上説明した実施の形態について、その特徴事項や変形例を以下に列挙する。

(1) 上記実施の形態では、コンデンサ素子４は巻回素子である。しかしながら、コンデンサ素子４は、たとえば平坦な複数の陽極箔、陰極箔およびセパレータが積層された積層素子でもよい。

(2) 陽極箔１２、陰極箔１４、セパレータ１６、外装ケース、封口部材および電解質の素材は上記実施の形態で記述したものに限定されない。これらの素材は、アルミ電解コンデンサまたは類似のコンデンサで採用されている他の素材でもよい。たとえば、アルミニウム製のタブ形状の引出端子を超音波接続した陽極箔と陰極体との間にセパレータを挟んでこれらを巻回してコンデンサ素子を形成してもよい。外部端子を取り付けたフェノール積層板を封口部材として用いてもよく、前述のコンデンサ素子に電解液を含浸させた後、コンデンサ素子から導出した引出端子を封口部材の外部端子に接続してもよく、コンデンサ素子および封口部材を外装ケースに挿入して、封口部材で封止した構造としてもよい。また、カーボン層２０の素材は上記実施の形態で記述したものに限定されない。カーボン層２０を形成する素材は、任意の導電性部材でもよい。

以上説明したように、本開示の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本開示は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、または明細書に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本開示の範囲に含まれることは言うまでもない。

本開示の技術は、カーボンなどの導電性部材を含む電極の絶縁に用いることができ、有用である。

２コンデンサ
４コンデンサ素子
６端子リード
１２陽極箔
１４陰極箔
１６セパレータ
１８本体箔
２０カーボン層
２２－１陽極側表面
２２－２陰極側表面
２４セパレータ本体
２６カーボン

Claims

陽極箔、陰極箔、および前記陽極箔と前記陰極箔の間に配置されたセパレータを含むコンデンサであって、
前記陰極箔はカーボン層を含み、
前記セパレータに付着するカーボンが３７．５μｇ／ｃｍ²未満であることを特徴とするコンデンサ。
前記カーボンの付着量は、０．３７５μｇ／ｃｍ²以上３７．５μｇ／ｃｍ²未満であることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサ。
前記カーボンは、前記陰極側表面にのみ付着していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンデンサ。
前記カーボンは、前記陰極側表面の全体に配置され、または前記陰極側表面に部分的に配置されることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のコンデンサ。