JP5971943B2 - コンデンサ - Google Patents

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Description

本発明はコンデンサ、特に外装ケース内部に電解液を含有するコンデンサに関するものである。
外装ケース内部に電解液を含有するコンデンサには、電解コンデンサや電気二重層コンデンサがある。
電解コンデンサはアルミニウム、タンタルおよびニオブ等の弁金属と呼ばれる金属を電極に使用して、陽極酸化することで得られる酸化皮膜層を誘電体として利用するコンデンサである。
電気二重層コンデンサは、電極（分極性電極）と電解液の界面において、極めて短い距離で電荷が配列される現象（電気二重層）を利用したコンデンサである。
アルミニウムを電極に使用したアルミニウム電解コンデンサは、エッチング処理および酸化皮膜形成処理が施され、電極引き出し端子が取り付けられた陽極箔と陰極箔とがセパレータを介して巻回され、素子止めテープによって固定されてコンデンサ素子が形成されている。このコンデンサ素子は駆動用電解液が含浸された後、有底筒状外装ケースに収納され、場合によっては固定材を用いてケース内に固定される。
さらに、外装ケースの開口部には封口体が装着され、該開口部は、絞り加工により密閉された構成を有する。
基板自立タイプのアルミニウム電解コンデンサは、この封口体の外端面に陽極端子および陰極端子が形成され、これらの端子の端部は、コンデンサ素子から引き出された陽極タブ端子および陰極タブ端子が電気的に接続されている。また、リード線タイプのアルミニウム電解コンデンサは、コンデンサ素子から引き出された陽極タブ端子および陰極タブ端子と電気的に接続されたリード端子が、封口体に設けられた挿通孔を通して外部に引き出されている。
電気二重層コンデンサのコンデンサ素子は、アルミニウム等の金属箔からなる集電体の上に分極性電極層が形成され、電極引き出し端子が取り付けられた陽極箔および陰極箔を、セパレータを介して巻回することによって得られる。電気二重層コンデンサは、このようなコンデンサ素子が、電解液を含浸した状態で、アルミニウム等からなる有底筒状のケースに収納されたものである。このように、電気二重層コンデンサは、電極の構造が異なるだけで、アルミニウム電解コンデンサと同様の構造を有している。
上記のような内部に電解液を含有するコンデンサは、過電圧や過リプル電流など異常ストレスが印加されると電解液が分解されてガスが発生する。このガス発生によりコンデンサの内部圧が高まるとコンデンサが破裂するため、有底円筒状の外装ケースの底部に弱体部を設け、内部圧の上昇に伴って作動して内部圧を外部に逃がす安全装置（圧力弁）としている。
この圧力弁が作動する圧力は弱体部の厚さにより所望の圧力に設定できるが、作動圧が高いほど開弁する範囲がより広くなり、開弁後の外装ケースの底部が大きく変形してしまう問題があった。そこで、外装ケースの底面部に側壁部より厚く成形された厚肉部が形成され、この厚肉部の範囲内に薄肉部を形成するとともに、さらに薄肉部に弱体部となる線状溝を形成することで、開弁範囲を薄肉部に制限する技術が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００１−３０７９６７号公報
しかしながら、従来の安全装置においては、外装ケース底面の内部に形成された弱体部と、薄肉部のケース内側とが略平行に形成されているため、内部圧の上昇に伴う圧力が弱体部全体にかかり、薄肉部も大きく変形することになり、外装ケース底面の変形高さの低減を図る点において未だ不十分であった。
本発明は、上記課題を解決するものであり、圧力弁の作動性及び作動時における弁変形の安定化を図ることができるコンデンサを提供することを目的とするものである。
本発明は、セパレータを介して陽極箔と陰極箔とを重ね合わせて巻回し、電解液を含浸してなるコンデンサ素子と、前記コンデンサ素子を収納する有底円筒状の外装ケースと、前記外装ケースの開口部を封口する封口体と、を備えたコンデンサであって、前記外装ケースの内底部には、前記内底部の中央部領域を前記内底部の最深部として、前記中央部領域から放射状に拡がる第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面の外縁部に続く前記第１の傾斜面よりも急峻な第２の傾斜面とを有する凹部が形成され、前記凹部内に弱体部が形成され、かつ前記外装ケースの前記内底部の外側に溝部が形成されていて、前記凹部の外周には前記コンデンサ素子と当接する面が平坦な肉厚部が形成され、前記コンデンサ素子における前記内底部に対向する面の外縁部が、前記肉厚部に当接して、前記内底部と前記コンデンサ素子との間に空間が形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、第１の傾斜面及び第２の傾斜面からなる凹部を外装ケースの内底部に設けることにより、外装ケースの内圧上昇に伴う当該外装ケースの底部の変形の起点を、底面部全体ではなく、凹部のみとすることができる。これにより、内圧上昇に伴って底部を変形させる際に、当該底部の変形量を抑え、変形高さの低減を図ることができる。また、変形の起点が凹部のみとなることにより、所望とする内圧での変形の安定化を図ることができる。
また、本発明のコンデンサにおいて、前記最深部には、前記外装ケースの内径の３％〜２８％の範囲内の直径を有する平坦部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明のコンデンサにおいて、前記第１の傾斜面の傾斜角度は、前記内底部の配置面である水平面に対して、０．５°〜２．０°の範囲内の角度であることを特徴とする。
また、本発明のコンデンサにおいて、前記外装ケースの内底部の縁部分の長さは、前記外装ケースの径の１１％〜２９％の範囲内の長さであることを特徴とする。
また、本発明のコンデンサにおいて、前記外装ケースの内底部の肉厚部の厚みは、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚みであることを特徴とする。
これらの構成にすることで、作動圧と変形量のバラツキをより低減することができる。
本発明のコンデンサによると、圧力弁の作動性及び作動時における弁変形の安定化を図ることができる。
本発明のコンデンサの構成を示す斜視図及び部分的断面図である。 本発明のコンデンサの構成を示す平面図及び拡大断面図である。 本発明のコンデンサの弁作動前の状態を示す断面図である。 本発明のコンデンサの弁作動後の状態を示す断面図である。 従来のコンデンサの弁作動前の状態を示す断面図である。 従来のコンデンサの弁作動後の状態を示す断面図である。 本発明の他の実施の形態による凹部の構成を示す拡大断面図である。 本発明の他の実施の形態による溝部の構成を示す平面図である。
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（ａ）、（ｂ）に示すように、本実施の形態に係るコンデンサ１において、コンデンサ素子６は、弁金属の陽極箔８と陰極箔７との間にセパレータである電解紙９を介在させて巻回し、巻き終わり部分に巻き止めテープ５を貼り付けることによって構成され、さらにこのコンデンサ素子６には、図示しない駆動用電解液が含浸されている。
外装ケースである金属ケース４は、上記コンデンサ素子６を収納する有底円筒状の金属ケースであり、封口体である封口端子板２は、上記コンデンサ素子６から引き出された外部引き出し用のリードタブ３が接続される一対の端子１１を備えている。
封口端子板２は金属ケース４の開口部に配設され、金属ケース４の開放端をカーリングすることにより封止するものであり、これによりコンデンサの気密性を確保するように構成されている。
図２に示すように、金属ケース４の底部には圧力弁２０が設けられている。圧力弁２０は、金属ケース４の内底部に形成された平面視円形の凹部２１と、金属ケース４の底部の外面側に形成された十字状の溝部３１とによって構成される。
図２（ａ）に示すように、凹部２１は、金属ケース４の内底部において、所定の径でなる平面視略円形の凹状に形成されている。図２（ｂ）に示すように、凹部２１は、周縁部に２つの変曲点Ｐ１及びＰ２を有する傾斜面によって形成されている。具体的には、金属ケース４の内底部において、中央部領域（内底部の最深部）に形成された平面視略円形の平坦部２４から放射状に拡がる第１の傾斜面２２と、当該第１の傾斜面２２の外縁に続く第２の傾斜面２３によって凹部２１が形成されている。第１の変曲点Ｐ１は、第１の傾斜面２２の外縁を形成し、第１の傾斜面２２の緩やかな傾斜と、これよりも急峻な第２の傾斜面２３の傾斜との境界をなすものである。第２の変曲点Ｐ２は、第２の傾斜面２３の外縁をなすものである。第１の変曲点Ｐ１及び第２の変曲点Ｐ２によって、急峻な第２の傾斜面２３からなる段差部が形成される。
なお、本発明において、第１の傾斜面２２は、平面に限られるものではなく、第１の変曲点Ｐ１から内底部の中央部領域（平坦部２４）にかけて次第に斜度が緩やかになる曲面状の傾斜面としてもよい。
内底部の中央部領域に設けられた平坦部２４の直径は、金属ケース４の内径の３％〜２８％の範囲で形成されている。
３〜２８％の範囲にすることで、内部に弱体部を有する凹部２１を備えた構成による効果（金属ケース４の内圧上昇に伴う当該金属ケース４の底部の変形量を抑え、変形高さの低減を図ることができるという効果）に加えて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができ、また、本発明の重要な要素である第２の傾斜面２３の長さを十分に得ることができる。
また、第１の傾斜面２２の傾斜角度は、図２（ｂ）における水平面（内底部の配置面である水平面）に対して、０．５°〜２．０°の範囲が適切である。０．５〜２．０°の範囲とすることで、本発明で重要な要素である第１の傾斜面２２の角度を十分に得ることができる。また、内部に弱体部を有する凹部２１を備えた構成による効果（金属ケース４の内圧上昇に伴う当該金属ケース４の底部の変形量を抑え、変形高さの低減を図ることができるという効果）に加えて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができる。
また、金属ケース４の内底部の縁部分の長さＬ１１は、金属ケース４の径の１１％〜２９％が適切である。１１〜２９％の範囲とすることで、底面肉厚部の長さを十分に確保することができるため、弁膨張抑制効果が得られる。また、内部に弱体部を有する凹部２１を備えた構成による効果（金属ケース４の内圧上昇に伴う当該金属ケースの底部の変形量を抑え、変形高さの低減を図ることができるという効果）に加えて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができる。
また、金属ケース４の内底部の肉厚部の厚みＴ１１は、金属ケース４の大きさに関係なく、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍが適切である。０．５〜１．０ｍｍの範囲とすることで、底面肉厚部の厚みを十分に確保することができるため、弁膨張抑制効果が得られる。また、内部に弱体部を有する凹部２１を備えた構成による効果（金属ケース４の内圧上昇に伴う当該金属ケース４の底部の変形量を抑え、変形高さの低減を図ることができるという効果）に加えて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができる。
以上のように、本実施の形態においては、圧力弁２０の凹部２１として、急峻な傾斜面（段差を形成する急峻な第２の傾斜面２３）と、内底部の中央部領域へと延びる緩やかな傾斜面（第１の傾斜面２２）を有する構成としたことにより（図３）、金属ケース４の内圧上昇に伴う当該金属ケース４の底部の変形の起点を、内底部全体ではなく、凹部２１のみとし、変形状態を略一定の状態に制御することができる（図４）。
この点について、従来のコンデンサ１００では（図５）、金属ケース４の底面部に本実施形態のような２つの傾斜面（第１の傾斜面２２及び第２の傾斜面２３）を有する凹部２１が設けられていないことにより、金属ケース４の内圧上昇に伴う当該金属ケース４の底部の変形の起点が底面全体となり（図６）、底部の変形高さが高くなる問題があったが、本実施の形態のコンデンサ１（図３、図４）では、この点が改善され、圧力弁２０が開口したときの変形量を抑え、変形高さの低減を図ることができる。
また、変形の起点が凹部２１のみとなることにより、所望とする弁作動圧での作動性の安定化を図ることができる。
なお、上述の実施の形態においては、図２に示したように、急峻な第２の傾斜面２３によって一段の段差を有する凹部２１を金属ケース４の内底部に形成する場合について述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図７に示すように、急峻な傾斜面２６を追加形成することにより、傾斜面２３及び２６によって二段形状の凹部を構成するようにしてもよい。さらに、段数はこれに限られず、三段以上とすることもできる。
また、上述の実施の形態においては、十字状の溝部３１を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限られるものではなく、例えば、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、要は、弱体部が金属ケース４の底部の略中央部に配置される構成であれば、種々の形状の溝部３１を適用することができる。
以下に実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。
まず、上述の実施の形態において説明した金属ケース４（一段形状（図２））と、図７に示した二段形状の凹部を有する金属ケース４と、凹部２１が形成されていない従来形状の金属ケースとについて、油圧試験を行った。
油圧試験は、溝部３１及び一段形状（図２）の凹部２１を有する圧力弁２０が設けられた実施形状（実施例（一段））、溝部３１及び二段形状（図７）の凹部２１を有する圧力弁２０が設けられた実施形状（実施例（二段））、溝部３１のみからなる圧力弁が設けられた従来形状（従来例）の各金属ケースに対して、圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さを測定した。測定結果を表１に示す。
表１から以下のことがわかる。本発明の実施形態に係る金属ケース４では、従来形状と比較して、弁作動圧は同等を維持しながら、油圧による急激な変形について、金属ケース４の底部の変形高さを抑制することができた。
次に、上述の実施の形態において説明した金属ケース４（一段形状（図２））と、図７に示した二段形状の凹部を有する金属ケース４と、凹部２１が形成されていない従来形状の金属ケースとについて、信頼性試験を行った。
信頼性試験は、溝部３１及び一段形状（図２）の凹部２１を有する圧力弁２０が設けられた実施形状（実施例（一段））、溝部３１及び二段形状（図７）の凹部２１を有する圧力弁２０が設けられた実施形状（実施例（二段））、溝部３１のみからなる圧力弁が設けられた従来形状（従来例）の各金属ケースに対して、リプル電流の印加による信頼性試験を２０００時間行い、圧力弁の変形高さを測定した。測定結果を表２に示す。
表２から以下のことがわかる。本発明の実施形態に係る金属ケース４では、従来形状と比較して、弁作動圧は同等を維持しながら、長期信頼性試験による緩やかな変形について、金属ケース４の底部の変形高さを抑制することができた。
次に、金属ケース４の内底部の中央部領域に設けられた平坦部２４（図２（ｂ））の直径が、金属ケース４の内径の３％〜２８％の範囲内である１０％で形成されている場合の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さと、３％〜２８％の範囲外である、１％で形成された場合及び３５％で形成された場合の各々の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さを測定し、測定結果の標準偏差を求めた。測定結果を表３に示す。
表３から以下のことがわかる。金属ケース４の内底部の中央部領域に設けられた平坦部２４（図２（ｂ））の直径が、金属ケース４の内径の３％〜２８％の範囲内である１０％で形成されている場合、この範囲外で形成されている場合に比べて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができた。
次に、第１の傾斜面２２の傾斜角度が、図２（ｂ）における水平面に対して、０．５°〜２．０°の範囲内である１．０°で形成されている場合の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さと、０．５°〜２．０°の範囲外である、０．１°で形成された場合及び３．０°で形成された場合の各々の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さを測定し、測定結果の標準偏差を求めた。測定結果を表４に示す。
表４から以下のことがわかる。第１の傾斜面２２の傾斜角度が、図２（ｂ）における水平面に対して、０．５°〜２．０°の範囲内である１．０°で形成されている場合、この範囲外で形成されている場合に比べて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができた。
次に、金属ケース４の内底部の縁部分の長さＬ１１（図２（ｂ））が、金属ケース４の径の１１％〜２９％の範囲内である２０％で形成された場合の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さと、１１％〜２９％の範囲外である、５％で形成された場合及び３５％で形成された場合の各々の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さを測定し、測定結果の標準偏差を求めた。測定結果を表５に示す。
表５から以下のことがわかる。属ケース４の内底部の縁部分の長さＬ１１（図２（ｂ））が、金属ケース４の径の１１％〜２９％の範囲内である２０％で形成されている場合、この範囲外で形成されている場合に比べて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができた。
次に、金属ケース４の内底部の肉厚部の厚みＴ１１が、金属ケース４の大きさに関係なく、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内である０．７ｍｍで形成された場合の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さと、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲外である、０．２ｍｍで形成された場合及び１．５ｍｍで形成された場合の各々の圧力弁の作動圧及び作動時（開口時）の変形高さを測定し、測定結果の標準偏差を求めた。測定結果を表６に示す。
表６から以下のことがわかる。金属ケース４の内底部の肉厚部の厚みＴ１１が、金属ケース４の大きさに関係なく、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内である０．７ｍｍで形成されている場合、この範囲外で形成されている場合に比べて、作動圧と変形量のバラツキを低減することができた。
上述の実施の形態においては、電解コンデンサについて説明したが、電気二重層コンデンサの外装ケースに用いても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
また、上述の実施の形態においては、急峻な第２の傾斜面によって一段の段差を有する凹部を金属ケースの内底部に形成する場合について述べたが、例えば、急峻な傾斜面を追加形成することにより、二段形状の凹部を構成するようにしてもよく、さらに、段数はこれに限られず三段以上としてもよい。
さらに、上述の実施の形態においては、十字状の溝部を形成する場合について述べたが、例えば、弱体部が金属ケースの底部の略中央部に配置される構成であれば、種々の形状の溝部を適用してもよい。
１ コンデンサ
２ 封口端子板（封口体）
３ リードタブ
４ 金属ケース（外装ケース）
５ 巻き止めテープ
６ コンデンサ素子
７ 陰極箔
８ 陽極箔
９ 電解紙（セパレータ）
１１ 端子
２０ 圧力弁
２１ 凹部
２２ 第１の傾斜面
２３ 第２の傾斜面
２４ 平坦部
３１ 溝部
Ｐ１、Ｐ２ 変曲点

Claims (5)

  1. セパレータを介して陽極箔と陰極箔とを重ね合わせて巻回し、電解液を含浸してなるコンデンサ素子と、
    前記コンデンサ素子を収納する有底円筒状の外装ケースと、
    前記外装ケースの開口部を封口する封口体と、を備えたコンデンサであって、
    前記外装ケースの内底部には、
    前記内底部の中央部領域を前記内底部の最深部として、前記中央部領域から放射状に拡がる第１の傾斜面と、前記第１の傾斜面の外縁部に続く前記第１の傾斜面よりも急峻な第２の傾斜面とを有する凹部が形成され、
    前記凹部内に弱体部が形成され、かつ前記外装ケースの前記内底部の外側に溝部が形成されていて、
    前記凹部の外周には前記コンデンサ素子と当接する面が平坦な肉厚部が形成され、
    前記コンデンサ素子における前記内底部に対向する面の外縁部が、前記肉厚部に当接して、前記内底部と前記コンデンサ素子との間に空間が形成されていることを特徴とするコンデンサ。
  2. 前記最深部には、前記外装ケースの内径の３％〜２８％の範囲内の直径を有する平坦部が設けら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。
  3. 前記第１の傾斜面の傾斜角度は、前記内底部の配置面である水平面に対して、０．５°〜２．０°の範囲内の角度であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のコンデンサ。
  4. 前記外装ケースの内底部の縁部分の長さは、前記外装ケースの径の１１％〜２９％の範囲内の長さであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載のコンデンサ。
  5. 前記外装ケースの内底部の肉厚部の厚みは、０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内の厚みであることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載のコンデンサ。
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