JPS594845B2 - 電解コンデンサ構成要素の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高い静電エネルギーを有する電解コンデンサー
の構成要素を製造する方法に関する。

従来高い静電エネルギーを有する電解コンデンサーは高
い単位体積当りの静電容量が必要とされる場合に用いら
れ、これらのコンデンサーの誘電体としては優れた絶縁
特性を持ったアルミニウム、タンタル、チタン等の酸化
物が使用されている。

前記誘電体により高い単位体積当りの静電容量を持たせ
ているのが現状の電解コンデンサーである。

当業者においてはコンデンサーの陽極電極の表面を、例
えばアルミ箔を小孔の多いものとする方法等の別の方法
によって増大し高い静電エネルギーを有するコンデンサ
ーを開発することを考えている。

然し単位面積当りの陽極表面に関し他の幾何学的要因に
ついては説明されていないが、これらについては後に分
る様に大変重要な部分である。

前記幾何学的要因の効果、規則的なコンデンサー構成要
素の配列による利点については考慮されていなかった。

興味あるものとしてドイツ連邦共和国公告公報第１，４
６４，８１６号がある。

本公告公報に開示するコンデンサーにおいては、複数本
の金属フィラメントがそれぞれガラス・チューブ内に配
列されていて、いわゆる円筒状コンデンサーが次のよう
に形成される。

すなわち、該金属フィラメントの各一端はそれぞれ相互
に接続して該コンデンサーの一方の電極を構成し、そし
て該金属フィラメントをそれぞれ内包する円筒状のガラ
ス・チューブ群は、筐体内に相互に平行に並べて配列さ
れる。

つまり束ねられる。

このガラス・チューブ群の各各の外側表面は金属層によ
って被われ、これら外側金属層は相互に電気的に接続さ
れて、該コンデンサーのもう一方の電極を構成する。

本公告公報のコンデンサーは、本発明のように電解液を
利用することは意図しておらず、単に小さいガラス・チ
ューブをもって形成されるに止まる。

然し、本発明で言及するコンデンサーが、複数のコンデ
ンサー構成要素を一定の方向に平行に配列する、という
点において本公告公報のコンデンサーへ幾分近似してい
ると思われる。

両者におけるコンデンサーの根本的な差は次の点にある
。

すなわち、本公告公報のコンデンサーにおいてはその誘
電体層の厚さを自由に調整して最適値に適合させること
ができないことである。

その理由は、ガラス・チューブの厚さを変えるというこ
とが、後述する本発明の如く最高動作電圧に応じて調整
された最適な膜厚の酸化皮膜を自由に得るというような
具合に簡単には行かないからである。

又、機械的にもある程度の強度を得たいという要求もあ
り、さらにガラス・チューブの装填技術等の限界からし
ても、そう簡単にその厚みを変えるかけには行かない。

又、コンデンサーにおける前記もう一方の電極を形成す
るために、本公告公報のコンデンサーではガラス・チュ
ーブの外側金属層群を電気的に相互に接続しなければな
らないが、本発明のコンデンサーにおいては電解液それ
自身が該もう一方の電極をなすという利点が期待される
。

然し、本発明ではコンデンサー構成要素（フィラメント
）にのみ言及し、完成されたコンデンサーの一部をなす
電解液には余り言及しない。

規則的な幾何学的形体すなわち円筒形の場合にあっては
その半径ｒ１が特別な方法によって最高動作電圧Ｕおよ
び誘電体の許容破壊電界強度Ｅｍとの関係式の中に含ま
れなければならない。

単位体積当りの静電容量または静電エネルギーの点から
見れば前記３つの要因（ｒｌ、ＵおよびＥｍ）の間にお
いて相互の最適な関係を決定することは重要なことであ
るが、前記単位面積当りの表面に関しては重要なことで
はない。

後に示す数学的証明およびグラフによる表現によっても
明らかなように単位面積当りの表面をある限界をも超え
て増大させることは単位体積当りの容量を高めることに
はならずむしろ急激に低下させてしまうこととなる。

本発明は前記要因を各々説明することにより前記要因に
より従来の静電エネルギーの数倍の静電エネルギーが得
られるような電解コンデンサーの構成要素である前記フ
ィラメントを提供する。

本発明は特に、前記ドイツ連邦共和国公告公報箱１，４
６４，８１６号に開示されたフィラメント形コンデンサ
ー（フィラメントがガラス・チューブ内に埋め込まれる
）と一般的な電解コンデンサーとの組合せによって、単
位体積当りの蓄積静電エネルギーをより増大せんとする
こと、具体的には効率の高い電荷の貯蔵源を形成するこ
とを目的とするものである。

上記目的を達成するために本発明は、各々が均一な円形
横断面を有する複数本の導電性のフィラメントを各該フ
ィラメントの軸が相互に平行になるように且つ相互に近
接するように配列し、該複数本のフィラメントの各一端
を相互に接続し、電解コンデンサーの予め定めた最高動
作電圧において各該フィラメントの表面を酸化しその酸
化皮膜の膜厚が（ｒ２−ｒ、）になるようにする電解コ
ンデンサー構成要素の製造方法であって、ここにｒｌは
各前記フィラメントの半径、ｒ２は前記酸化皮膜の膜厚
を含む各該フィラメントの半径であり、該半径ｒ１は前
記の予め定めた最高動作電圧をＵ、前記酸化皮膜に固有
な既知の許容破壊電界強度をこにＸは２を最適値とする
正の実数であり、実記ることを特徴とするものである。

なお、上記式前述の電荷の貯蔵源は内側円筒の半径ｒ１
を調整して得ることができる。

すなわち半径ｒ、と最高動作電圧Ｕおよび誘電体そのも
のの許容破壊電界強度Ｅｍとの関係において半径ｒ１は
次式において最大値が得られる。

以下これについて説明する。

一般に同軸円筒形コンデンサーの静電容量Ｃは次式によ
って計算される。

ここにｒ２は外側円筒の半径、ｒｌは内側円筒の半径（
ともに第１図参照）、ｌは円筒の長さ、ε、は比誘電率
、ε。

は真空の誘電率である。単位体積当りの静電容量Ｃｆは
次式によって得られる。

ここに■はＶ＝ｒ、ｇＡで与えられる円筒の体積である
。

従って次式が得られる。同軸円筒形コンデンサーにおけ
る電界強度Ｅ（任意の半径ｒにおいて、ただしｒ１≦ｒ
≦ｒ２）は一般的に で表わされ、そしてその最大電界強度Ｅｍは、ｒ”ｒｌ
の場合、すなわちフィラメント自身の最外径において得
られるから となる。

そして、誘電体が電気的ストレスを受けて実際に破壊す
るのは、該誘電体自身のもつ前記許容破壊電界強度Ｅｍ
であるから、その数式上の最大電界強度Ｅｍ′とこの許
容破壊電界強度Ｅｍとは１対１に対応することになる。

すなわち、Ｅｍ′＝Ｅ である。

かくしてを得る。

なお許容破壊電界強度Ｅｍは、誘電体単体ごとにそれぞ
れ実験を通して測定されており既知の一定値である（例
えば後述するＥｍ＝１０．０００ ［ｋＶ／ｃｒｒＬ）
、Ｅｍ＝１２，５００〔ｋ■／ｃｒｒＬ〕の如くである
）。

これよりとなるので が得られる。

このうち定数部をＫとして取り出せば であり前記式を書き直すと ることが明らかである。

これに基づきＣｆの極値を決定しその時の位置設定をす
ることができる。

従って ここでＣｆをｒｌについて微分すると ＣｆはＣ１＝Ｏの時極値となり前式においてに＼０であ
るので次式より極値が得られる。

すなわちより 従って これより当初の式 が得られる。

単位体積当りの静電容量の最大値は前式により決まるｒ
ｌの値のとき得られる。

本発明に基づく製造方法は大路次のようである。

基礎となる金属フィラメント００１の表面には該基礎と
なる金属の酸化物（酸化皮膜）よりなる誘電体００２が
電気化学的に付着する。

コンデンサー内においては独立に平行して固定され各一
端が相互に接続されたコンデンサー構成要素が電解液０
０３によって取り囲まれる。

第３図における点線５の特性は、従来のコンデンサー（
大量生産による）の最も高い単位体積当りの静電エネル
ギーを示す。

第３図のグラフ中の水平な点線５の特性は、従来の一般
的なコンデンサーにおいて得られる最高の単位体積当り
の静電エネルギー（Ｗ５／Ｃｒ１ｔ）を示す。

そして他の曲線Ｌ２，３および４の各特性は、前記点線
５の特性よりも十分高い単位体積当りの静電エネルギー
を有していることを示す。

この場合、横断面半径ｒのうちのある半径（ｒｌ）にお
いて、これらの曲線１．２，３および４はいず点線５の
レベルよりも高いレベルにあることになる。

従ってこのような高いレベルにある範囲内において本発
明の電解コンデンサーは従来の電解コンデンサーよりも
高い単位体積当りの静電エネルギーを有することになる
。

このときの半径ｒ１ができる。

つまりその式の中の数値「２」を含むある範囲の数値Ｘ
（正の実数）を用いて、ｒ１＝てさらに、考察すると、
次のとおりである。

単位体積当りの静電エネルギーは であり、このＣｆに前記の なる関係を代入すると、 なる関係が得られる。

この分数式を約分すると、となる。

式に代入すると、 となり、これを約分すると、 が得られる。

この式に前記のを代入すると、 を得る。

この式に前記のを再び代入すると、 を得る。

これを約分すると、となる。

このＷｆの式において、パラメータＸを除く他の要素は
既知の一定値であるが、Ｅｍについては例えばアルミニ
ウムの酸化皮膜の場合１０．０００ｋＶ／ｎ程度である
。

タン−タルの酸化皮膜ならば６，０００ ｋＶ／ｍ位で
ある。

ここで、Ｅｍの例として、１０．０００ ｋＶ／ ｃｍ
。

あるいは１２，５００ｋＶ／Ｇ７１を選び前記Ｘの値を
種々変化させてＷｆの値をプロットすると、そのカーブ
は第３図の曲線１．２，３又は４の如く逆上−字形とな
り、ある２つのＸの値において第３図の点線５の直線と
一致する。

すなわち、これらの一致した２つの値の間にあるパラメ
ータＸにおいて、本発明に係るコンデンサー構成要素の
単位体積当りの静電エネルギーは従来のそれ（第３図の
点線５）より高くなる。

ここで、前記のＷｆの一例として１．５Ｗ５／ｉ（従来
において最も高いとされていた単位体積当りの静電エネ
ルギー（アルミニウム酸化皮膜の場合））を選択し、Ｅ
ｍとしてＥｍ＝１０，０００ｋＶ／ｃｍを選択すると、
ここに得られるパラメータＸはｘ ＝ ０．５およびｘ
＝６０となる。

構造上の配置について第２図は該構造の横断面図を、第
４図はその縦断面図を示す。

例１ アルミ電解コンデンサーの場合その定格電圧は通常、最
大４５０〔■〕位であるが、本例の場合は実用的な定格
電圧３００〜３２０ ＥＶ〕の場合を想定した。

このときの最高動作電圧は３６０ ■）である。

誘電体の許容破壊電界強度はＥｍ＝１０，０００〔ｋＶ
／／ｃｒｔ′Ｌ〕程度と想定されるが、この値は製造さ
れた物質の純度およびその製造技術によって変動するも
のである。

ε、＝１０ 上記の値を基として電解コンデンサーのフィラメントの
寸法および単位体積当りの容量の最大値を得ることが出
来る。

Ｘ１０−４ ［σ〕が得られる。

この場合内側円筒の半径ｒ１に付着する絶縁層の最小厚
さは理論的に該円筒の外側半径ｒ２を表わす次式から導
出されよう。

より 静電エネルギーについては より として得られる。

この値の２０係は無駄な部分として差引かれ前記フィラ
メントを取り囲む電解液に注がれる。

１６．２−１６．２Ｘ０．２＝１２．９６より事実上の
単位体積当りの静電エネルギーは１３ ＣＷｓｅｃ／ｃ
ｒ１０である（曲線２）。

例２ 前記誘電体の特性はそのままとする（第３図曲線１）の
で Ｅ ＝ １０．０００ ＣｋＶ／ｃｍ、１ε、＝１０ である。

ただし本例においては上記例１の場合以外の任意の一例
として最高動作電圧がＵ＝１００ＣＶ）の場合を例にと
るものとする。

第３図の曲線１は上記のとおり最高動作電圧をＵ＝１０
０（”Ｖ）に低下させた場合（曲線２は最高動作電圧Ｕ
＝３６０（Ｖ）の場合である）について、半径ｒ１と単
位体積当りの静電エネルギーＷｆとの間の関係について
示す。

この曲線１から明らかなことは、最高動作電圧を低下さ
せると、Ｗｆ対ｒ４の関係が尖鋭になる（曲線１が鋭角
的な逆上−字形となる）ことである。

又、単位体積当りの静電からして、最高動作電圧を低下
させると犬になる。

ところが、曲線１からすると単位体積当りの静電エネル
ギーＷｆは曲線２のときと大差がないことを示している
。

なお、そのようなＷｆ対ｒ１の鋭角た場合に生じている
。

又、このような、半径１１合において、単位面積当りの
表面を犬にしたとしても、単位体積当りの静電容量なら
びに静電エネルギーは低い値を示す。

さらにある限界を超えると電界の不均一性による損失電
流、すなわちコンデンサーの両端子間に流れる抵抗性の
直流電流成分（オーミックカーレント）（これは本来理
想的には零であるべきである）が増加し全面破壊を招く
。

例３ 許容破壊電界強度としてＥｍ＝１２，５００〔ｋ■／ｃ
ｆｒＬ〕の誘電体を用い、ε、＝１０、Ｕ＝３６０■〕
としたとき第３図の曲線４によりその変化を示す。

例４ Ｅｍ＝１２，５００ＣｋＶ／ｃＩｎ〕 ε、＝１０ Ｕ＝ＩＱＯ（Ｖ、１ とすると、低減された電圧は曲線３に示す鋭い曲線を生
じさせる。

以上列挙した例によれば、単位体積当りの静電エネルギ
ーを増大させることについて、コンデンサー構成要素の
単位面積当りの表面の大小は決定要因とはならないこと
が分る。

例えばｒ１＝５（μｍ〕のコンデンサー構成要素であっ
て上記例４の諸元を具備するコンデンサーについてみる
とぐ第３図の曲線３のｒ１＝［５μｍ〕の点に相当）、
このような場合にあっても１．５Ｗｓｅｃ／ｃｒ１以上
の静電エネルギーは確保されている。

この１．５ Ｗｓｅｃ／ｃｒ！なる静電エネルギーは従
来のコンデンサーにおける最高の静電エネルギー（第３
図の点線５）に相当するものである。

そしてもし前記ｒ１＝（５μｍ〕を保持したまま、最高
動作電圧をＵ＝１００ ＣＶ） （曲線１）からＵ＝３
６０凹（曲線２）に引き上げたとすると、第３図のグラ
フに示すとおり、単位体積当りの静電エネルギーは３倍
強（約４．５ Ｗｓｅｃ／ｉ）に簡単に引き上げられる
。

このことから、フィラメントの半径ｒ１が与えられたと
すると、単位体積当りの静電エネルギーは、最高動作電
圧Ｕの変化に応じて変化することが分る。

又、一定の最高動作電圧Ｕが与えられたとすると、単位
体積当りの静電エネルギーはｒｌの値に応じて変化する
ことが分る。

以上述べた方法は小さい体積の中に高いエネルギーを蓄
えるのに適しているのでそのような特性が要求される装
置を製造するに適する。

またより高い誘電率を有する誘電体を用いれば酸化鉛蓄
電池の静電エネルギーレベルに匹敵する程のレベルに達
することができよう。

【図面の簡単な説明】

第１図は真空を誘電体どする一同軸円筒形コンデンサー
の平面図、第２図は本発明の電解コンデンサー構成要素
を用いたコンデンサーの構造の横断面図、第３図は半径
ｒ１と静電エネルギーとの関係図、第４図は本発明の電
解コンデンサー構成要素を用いたコンデンサーの構造の
縦断面図、である。 図において００１は内側円筒である金属フィラメント、
００２は誘電体、００３は電解液である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 各々が均一な円形横断面を有する複数本の導電性フ
   ィラメントを各該フィラメントの軸が相互に平行になる
   ように且つ相互に近接するように配夕１ル、該複数本の
   フィラメントの各一端を相互に接続し、電解コンデンサ
   ーの予め定めた最高動作電圧において各該フィラメント
   の表面を酸化しその酸化皮膜の膜厚が（ｒ２−ｒｌ）に
   なるようにする電解コンデンサー構成要素の製造方法で
   あって、ここにｒｌは各前記フィラメントの半径ｒ２は
   前記酸化皮膜の膜厚を含む各該フィラメントの半径であ
   り、該半径ｒ１は前記の予め定めた最高動作電圧をＵ、
   前記酸化皮膜に固有な既知の許容破壊型められ、ここに
   Ｘは２を最適値とする正の実数で定まる値とすることを
   特徴とする電解コンデンサー構成要素の製造方法。