JP5786842B2 - キャパシタ - Google Patents

Description

この発明は、キャパシタに関する。特に容器を気密に保つ封止構造を有するキャパシタに関する。

キャパシタには素子全体を容器の内部に封入するものがあり、例えば、電解キャパシタや、電気二重層キャパシタ従来から知られている。
図５に示すように、例えば特許文献１には従来の電気二重層キャパシタの構造が開示されている。
キャパシタ９１は、有底円筒状のアルミニウム製容器９３の内部に、素子９２が配置され電解液が封入された構造をしている。
素子９２は、表面に活性炭などの分極性電極層が形成された帯状の正極、電解液が含浸されたセパレータ、および負極のシートが巻き回して形成されたものである。
素子９２の正極と負極にはそれぞれリード線が接続され、金属端子９４、９４と接続されている。
金属端子９４、９４は、その一端が容器９３の内部において素子と接続され、中央部分が円盤状の樹脂製封止部材９８に埋設され、他端が容器９３の外部に突出し、容器の内外の電気的接続をするものである。
容器９３の開口部はこの封止部材９８によって蓋がされている。そして、容器９３の一部をかしめることにより気密に封止して、容器９３内への外部からの不純物の混入を防止するとともに、電解液９６が外部に漏洩しないようにしている。

特開２００８−２５８２２１号公報

しかしながら、従来例に係る構造は、容器に金属、封止部材に樹脂というように異なる材料を利用しており、これらの部材間に生じる隙間をなくすことはできず、酸素や水が容器の内部に混入することを完全に防止することができなかった。
特に、この種の電気二重層キャパシタのうち、特に非水系の電解液を用いる電気二重層キャパシタでは、電解液中に水が混入してしまうと、その水が電極と化学反応して酸素などの不所望なガス発生の要因となっていた。

以上により、本発明は、容器の外部より不純物が混入することがない、信頼性の高い封止構造を持つキャパシタを提供するものである。

上記課題を解決するため、本発明は容器内に一対の電極が配置され、 該電極間に誘電体が配置され、 該容器に形成された封止部より該一対の電極の各々に電気的に接続された金属端子が容器外に導出されるキャパシタにおいて、 前記容器はガラス材料より構成され、前記容器の内部空間が有機溶媒に所定の溶質を溶解した非水系の電解液で満たされ、前記封止部は容器の一部であるガラス材料より構成され該容器が封止されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記一対の電極は、正極性の分極性電極と負極性の分極性電極であり、これらの電極の間に配置されたセパレータと、を備えた電気二重層キャパシタを構成していることを特徴とする。

また、本発明は、前記金属端子は前記容器の内部から伸びる第１の金属リードと、金属箔と、該容器の外部に伸びる第２の金属リードよりなり、該金属箔が前記封止部に埋設されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記容器は管形状であり、前記封止部は容器の管軸方向の少なくとも一方の端部に形成したものであることを特徴とする。

また、本発明は、前記封止部は該容器の管軸方向の両端部に形成され、一方の端部より一方の端子が容器外に突出し、他方の端部より他方の端子が容器外に突出していることを特徴とする。

本発明のキャパシタによれば、封止部が容器の一部であるガラスを一旦溶融させて加工し、開口が溶け合って固まり閉じた状態となっているため、封止部材と容器間に間隙が生じることはない。
また、ガラスは一端溶融して液体状となり金属製の端子の周囲に密着するため、封止部材と金属端子間でも間隙が生じにくく、気密性が高くて気体、液体などが外部から進入したり、内部から外部に漏れることがない。

また、本発明によれば、容器の内部空間に電解液や不活性ガスを封入しているキャパシタであっても、これが外部に漏れてキャパシタの機能が損なわれるのを防ぐことができる。

また、本発明によれば、金属端子が容器の内部から伸びる第１の金属リードと、金属箔と、容器の外部に伸びる第２の金属リードから構成されていることにより、封止部の機密性が高い構造となっている。

また、本発明によれば、容器は管形状であり、前記封止部は容器の管軸方向の少なくとも一方の端部に形成したものであるので、容器を構成する材料の管軸方向の端部だけを加工して封止部を形成することができるため、簡便に製造することができる。

また、本発明によれば、前記封止部は該容器の管軸方向の両端部に形成され、一方の端部より一方の端子が容器外に突出し、他方の端部より他方の端子が容器外に突出しているので、端子４、５を離間させることができ、これらの絶縁を保持することができるし、封止部は一端子について一端ずつ封止すればよく、二端子まとめて封止するよりも作業が簡便である。

本発明にかかるキャパシタを管軸方向で切断した断面図を示す。 本発明にかかるキャパシタを、容器の管軸に対して垂直な面で切断した断面図である。 本発明にかかる素子の電気二重層キャパシタとしての構成を示す模式図である。 本発明にかかる素子の第２の実施形態を示す図である。 本発明にかかる素子の第３の実施形態を示す図である。 本発明にかかるキャパシタの第１の製造方法を示す工程図である。 本発明にかかるキャパシタの第２の製造方法を示す工程図である。 従来例にかかるキャパシタの構成を示す図である。

図１に、本発明にかかるキャパシタを管軸方向で切断した断面図を示す。
キャパシタ１は、ガラス製の管状の容器３を有している。容器３の中心には、素子２が長手方向に沿って配置されている。
容器３の管軸方向の両端は封止され、内部には電解液１４が充填され密封されている。以下に、各構成について具体的に説明する。

容器２は、例えばガラス材料よりなる。管の断面形状については、円形状、楕円形状、矩形状など、いずれの形状でもよい。
容器２はガラス材料より構成されており、例えば石英ガラス、アルミノシリケートガラス、コバールガラス、ソーダライムガラスなどである。

電解液１４は、有機溶媒系の電解液であり、例えばプロピレンカーボネート、エチレン
カーボネート等の有機溶媒に所定の溶質を溶解した非水系の電解液である。

容器３の両端の封止部７、８は、容器１１を構成するガラス管の両端を溶かして変形させ、封止をしたものである。例えば、容器３の両端部をバーナーなどで適度に熱して、その一部が溶融し軟化した後、この両端を上下から圧潰することで形成される。この圧潰された封止部７、８は平坦な形状に成型される。

容器３の紙面左側の端部は、素子２の正極と接続された端子４が外部に導出される封止部７であり、紙面右側の端部は、素子２の負極と接続された端子５が外部に導出されるための封止部８である。
この封止部７、８は、封止用の別部材を用いて蓋としたような構成ではなく、管状の容器３の端部のガラスを軟化させて加工し、端部の開口が溶け合って固まり、閉じた状態となっている。そのため、まず、封止部材と容器間に間隙が生じることはない。
そして、ガラスは溶融して金属製の端子に密着するため、封止部材と端子間でも間隙が生じにくく、気密性が高くて液体などが漏れることがない。
具体的には、端子を構成するリードが直径０．３ｍｍφ以下などの細い金属線であれば封止の気密性には問題ない。

封止部７内には、金属箔４ｂが埋設されている。金属箔４ｂの右側の表面上には、容器３の内部から伸びる、素子２の正極に接続された第１の金属リード４ａが、溶接等により接合されている。
金属箔４ｂの左側には、容器３の外部に突出する第２の金属リード４ｃが、同じく溶接等により接合されている。
すなわち、容器３の内外の電気的な接続は 第１の金属リード４ａ、金属箔４ｂ、第２の金属リード４ｃを介して行われている。
金属箔４ｂは、その表面において封止部のガラスと良好に密着し、気密性を高めており、また箔の厚みが例えば数十μｍと薄いため、ガラスと金属の熱膨張係数の差が大きい場合でも応力を非常に小さくすることができる。また、ガラス封止部の内部において塑性変形して応力を吸収することにより、封止部に発生する熱応力を緩和している。
このように、２つの金属リードの中間部材として金属箔を用い、それをガラス封止部の内部に埋設することにより、端子の寸法が太い場合や、ガラスと金属の熱膨張係数の差が大きい場合でも、熱応力を緩和して亀裂などが生じることを防ぐことができる
これらの金属リード、金属箔としては電解液に対する耐腐食性の高い材料が適している。例えば、チタン、モリブデン、若しくはコバール、又はこれらの材料が表面にコーティングされた金属である。

同様に他方の封止部８内にも金属箔５ｂが埋設されている。
金属箔５ｂには、素子２の負極と接続された第１の金属リード５ａと、第２の金属リード５ｃが溶接等により接合されている。
封止部７、８を容器３の管軸方向の両端に形成しているので、端子４、５を離間させることができ、これらの絶縁を保持することができる。

図２は、図１に示した本発明にかかるキャパシタを、容器の管軸に対して垂直な面で切断した断面図である。
この図に示すように、容器３は断面が円形となる円管状容器であり、内部に電解液１４を満たし、素子２を備えている。
素子２は、管の円周方向に巻回された帯状の正極性の分極性電極２１と、セパレータ２３と、同じく帯状の負極性の分極性電極２２を備えている。

図３は、素子２の電気二重層キャパシタとしての構成を示す模式図である。
素子２は、図２に示したものと同様に正極性の分極性電極（正極）２１と、セパレータ２３と、負極性の分極性電極（負極）２２と、電解液１４とから構成されている。
分極性電極は例えばカーボンなどであり、アルミニウムなどの金属の表面にカーボン層をコーティングして形成されている。その場合、アルミニウムは導電性が高く集電電極の役割を、カーボンは電極の表面積を増やし、分極性電極層としての役割を担っている。

正極２１と負極２２の間にはセパレータ２３が配置されるとともに、電極間およびセパレータに電解液１４が含浸され充填されている。セパレータ２３は、不織紙や多孔質樹脂シートであり、分極性電極同士を電気的に絶縁しつつキャパシタの内部抵抗を低減させる役割がある。
セパレータを選定する際の主な基準は、（１）内部抵抗低減のため極力薄いこと、（２）同時に密度が小さいこと、（３）電解液とのぬれ性がよいこと、（４）電解液に対する安定性があること、（５）酸化還元反応の原因となる不純物を含まないこと、（６）熱的安定性に優れていること、である。
具体的な例としては、日本板硝子（株）製の、ポリオレフィンと無機フィラーからなるもので、厚みが４０〜１１０μｍ、空間率が４０〜８０％、透過量が２００００〜１００ｓｅｃ／１００ｃｃ、最大孔径が１μｍ以下（平均０．１μｍ）のものが好適に用いられる。

このように素子２は、一対の正極２１、負極２２、およびセパレータ２３、により電気二重層キャパシタを構成している。
なお、素子２の構成を、所定の電解コンデンサ用正極、負極、セパレータ、電解液とすることにより、電解コンデンサを構成することもできる。

以上のように、容器３の封止部７、８がガラスで形成されていることにより、容器と封止部材とが同一部材により一体に形成され、電解液が漏れるということが無い。
これにより、簡易かつ小型な構造で大容量な機能を有し、かつ、電界液が漏洩することがない、信頼性の高い封止部を持つキャパシタを提供することができる。

また、本発明は電解液を封入しない種類のキャパシタについても適用することができる。
例えば、オイルコンデンサなど絶縁油を含浸した紙を誘電体としたものの他、フィルムコンデンサ、紙コンデンサ、真空コンデンサ、ガス封入コンデンサ、セラミックコンデンサなど、電極が極性を持たず、電解液を封入しない種類のキャパシタである。
これらのキャパシタは、本発明のようにガラス製容器の内部に素子を配置してガラス封止部を設けて封止することにより、電極の劣化の原因となる酸素や水に曝すことなく使用することができる。

さらに、キャパシタに印加する電圧が高圧になった場合は、誘電体を介さず電極間で放電が生じるおそれがある。その場合に、容器内に電解液や不活性ガスを封入して空中での不所望な放電を防止ことがある。
本発明によれば、容器の内部空間に電解液や不活性ガスを封入しているキャパシタであっても、これが外部に漏れてキャパシタの機能が損なわれるのを防ぐことができる。

本発明にかかるキャパシタの素子は、他の形態により実施することもできる。
図４（Ａ）および（Ｂ）には、素子２についての第２の実施形態を示す。この図は素子２以外の構成は図２に示したものと同様であるから説明を省略する。
図２においては、素子２が帯状の多層体２０を渦巻き状に巻き回した構造を備えるキャパシタを示している。
この多層体２０は、図４（Ｂ）に示すように、例えばアルミニウム箔である集電体２１ａの表面に、例えばカーボンである分極性電極層２１ｂを設けた正極２１、第１のセパレータ２３a、集電体２２ａの表面に分極性電極層２２ｂを設けた負極２２、第２のセパレータ２３b、から構成されている。
このように、素子２を渦巻き状の多層構造とすることにより、容器内の空間を効率よく利用してキャパシタの面積を増加させ、電気容量を著しく向上させることができる。
さらに、渦巻き状とすることにより、キャパシタは第１のセパレータ２３ａを挟んだ正極２１、負極２２間だけではなく、第２のセパレータ２３ｂを挟んだ正極２１、負極２２間にも形成されるため、電気容量が著しく向上する。

図５には、素子２についての第３の実施形態を示す。この図において、素子２以外の構成は図１（Ｂ）に示したものと同様であるから説明を省略する。
素子２は、第１の実施形態と同じ構成である第１の素子２aと、同じく第２の素子２ｂと、第１の素子２ａと、第２の素子２ｂとを電気的に直列関係に接続する金属リード１５と空構成されている。
このように、１の容器３内部で複数の素子を直列的に接続することにより素子の電圧を向上させることができる。

また、本発明にかかるキャパシタは、第２の実施形態と第３の実施形態とを組み合わせて使用することもできる。

次に、本発明のキャパシタの第一の製造方法について説明する。
図６（Ａ）〜（Ｄ）は、第一の製造方法を説明する工程図である。
図６（Ａ）において、キャパシタ１の容器３となるガラス管３´の内部に素子２が配置されている。
素子２の両端には、第１の金属リード４ａ、金属箔４ｂ、第２の金属リード４ｂからなる端子４と、第２の金属リード５ａ、金属箔５ｂ、第２の金属リード５ｂからなる端子５が設けられている。
ガラス管３´の端子４、５に対応する位置をバーナー等により加熱して、軟化、溶融させる。

そして、図６（Ｂ）に示すように、溶融したガラス管３´の一部を、例えば圧潰して容器３の内部空間を密閉する。これにより封止部７、８が容器３の両端に形成される。

その後、容器３の外周面の適当な箇所に、例えばガラス製細管である枝管部２８ａを形成する。この枝管部２８ａより容器３内部に電解液１４を導入する。なお、電解液を用いないキャパシタの場合は、電解液１４の代わりに不活性ガス等のガスを導入する。

容器３の内部空間に電解液１４が充填された後、枝管部２８を加熱させて溶融させ、これを閉じる。容器３の外周面には枝管残存部２８ｂが形成される。
以上の工程により、本発明のキャパシタを製造することができる。容器３をガラス管３´を材料とすることにより、管軸方向の端部だけを加工して封止部を形成することができるため、簡便に製造することができる。
また、封止部を容器の管軸方向の両端にする場合には、一端子について一端ずつ封止すればよく、二端子まとめて封止するよりも作業が簡便である。

また、上記以外の方法でも本発明のキャパシタを製造することができる。続いて、本発明のキャパシタの第二の製造方法について説明する。
図７（Ａ）〜（Ｃ）は第二の製造方法について説明する工程図である。
図７（Ａ）において、容器３にはあらかじめ一端が封止され封止部７が形成され、内部に素子２が配置されている。
素子２には金属リード１７が接続され、金属リード１７は、例えばモリブデン、コバール、またはチタンである筒状金属端子１９に接続されている。
筒状金属端子１９は、容器の管軸方向の一端において、容器３を構成するガラスの一部によって形成された封止部１８に埋設されている。
この筒状金属端子１９を介して、電解液１４を容器３の内部に導入する。

図７（Ｂ）のように、容器３の内部に電解液１４を充填した後、筒状金属端子１９の上端をプレス手段３０により圧接して密封する。筒状金属端子の封止部１９ａにより、容器の内外の気密が保たれる。
以上の工程によっても、本発明のキャパシタを製造することができる。この方法を用いた場合は、第１の製造方法を用いた場合に必然的に生じてしまう枝管残存部２８ｂが残すことなく製造でき、封止時に酸素などの不所望な気体が混入することもない。

１ キャパシタ
２ 素子
２ａ 第１の素子
２ｂ 第２の素子
３ 容器
４ 端子
４ａ 第１の金属リード
４ｂ 金属箔
４ｃ 第２の金属リード
５ 端子
５ａ 第１の金属リード
５ｂ 金属箔
５ｃ 第２の金属リード
７ 封止部
８ 封止部
１４ 電解液
１５ 金属リード
１７ 金属リード
１８ 封止部
１９ 筒状金属端子
１９ａ 封止部
２０ 多層体
２１ 正極性の分極性電極（正極）
２１ａ 集電体
２１ｂ 分極性電極層
２２ 負極性の分極性電極（負極）
２２ａ 集電体
２２ｂ 分極性電極層
２３ セパレータ
２３ａ 第１のセパレータ
２３ｂ 第２のセパレータ
２９ａ 枝管部
２９ｂ 枝管残存部
３０ プレス手段
９０ キャパシタ
９２ 素子
９３ 容器
９４ 端子
９６ 電解液
９８ 封止部材

Claims (5)

1. 容器内に一対の電極が配置され、
   該電極間に誘電体が配置され、
   該容器に形成された封止部より該一対の電極の各々に電気的に接続された金属端子が容
   器外に導出されるキャパシタにおいて、
   前記容器はガラス材料より構成され、
   前記容器の内部空間が有機溶媒に所定の溶質を溶解した非水系の電解液で満たされ、
   前記封止部は容器の一部であるガラス材料より構成され該容器が封止されていることを
   特徴とするキャパシタ。
2. 前記一対の電極は、
   正極性の分極性電極と負極性の分極性電極であり、
   これらの電極の間に配置されたセパレータと、を備えた
   電気二重層キャパシタを構成していることを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ。
3. 前記金属端子は前記容器の内部から伸びる第１の金属リードと、金属箔と、該容器の外
   部に伸びる第２の金属リードよりなり、
   該金属箔が前記封止部に埋設されていることを特徴とする請求項１または２に記載のキャパシタ。
4. 前記容器は管形状であり、
   前記封止部は容器の管軸方向の少なくとも一方の端部に形成したものであることを特徴と
   する請求項１ないし３のいずれか1つに記載のキャパシタ。
5. 前記封止部は該容器の管軸方向の両端部に形成され、
   一方の端部より一方の端子が容器外に突出し、
   他方の端部より他方の端子が容器外に突出していることを特徴とする請求項４に記載の
   キャパシタ。

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