(57)【要約】【課題】巻回型の電気二重層キャパシタの耐振性を向上し、振動が加わる用途にも使用可能とすること。【解決手段】金属ケース３の内部に配置した保持板６とキャパシタ素子１の底面部が接触した構造にすることで、キャパシタ素子１と保持板６との間の摩擦により、キャパシタ素子１が金属ケース３の中で動くことが、極めて少なくなり、電気二重層キャパシタの耐振性を向上することができる。【選択図】　図１
2004072016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分極性電極を設けた正負一対の集電体を、セパレータを介して渦巻状に巻回したキャパシタ素子を、電解液とともに金属ケースに収納した電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときのいずれかの底面を、前記金属ケースの内部に配置した保持板と接触させた構造であることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
【請求項２】
前記保持板は、少なくとも一部が、前記金属ケースの内周と底面のいずれかに接触した状態で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項３】
前記保持板は、少なくとも一部が、前記金属ケースの内周面と、前記金属ケースの内周面に環状に配置された凸部に接触した状態で配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項４】
前記保持板は、前記キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときの側面に、少なくとも一部が接触する保持壁を有することを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電気二重層キャパシタ。
【請求項５】
前記保持板は、金属材料、セラミックス材料、有機物または無機物の高分子材料の少なくともいずれかの、電解液に対して不溶である材質から構成されることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の電気二重層キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気二重層キャパシタに関わり、特に耐振性が向上した巻回型の電気二重層キャパシタに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電気二重層キャパシタは、電荷を有する固体とそれに接触する電解液の界面に形成される、厚さ数ｎｍ程度の電気二重層を、誘電体として利用したものである。電気二重層の容量は、１ｃｍ２あたり数十μＦであるが、表面積が数千ｍ２にも及ぶ活性炭を電極として用いることにより、数百〜数千Ｆの極めて大きな容量を得ることが可能である。
【０００３】
そして、電気二重層キャパシタは、下記のように電池とコンデンサの中間のような特徴を有し、実用に供されるとともに、さらなる性能向上のための検討がなされている。
（１）充放電サイクルに伴う容量の劣化が少ない。
（２）一般的な電池に比較して、起動後に瞬時に大きな出力を取り出せる。
【０００４】
現用の電気二重層キャパシタで、小型のものは、表面に活性炭を主とする分極性電極層を形成した一対の分極性電極の間に、ポリプロピレン不織布などからなるセパレータを挟んで素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、キャップとガスケットにより金属容器に密封したコイン型の構造をとっている。
【０００５】
この他に比較的大容量のものとして、シート状の分極性電極、集電体、セパレータを積層して渦巻状に巻き回してキャパシタ素子とし、この素子に電解液を含浸させ、金属容器に収容し、容器の開口部をキャップで密閉して構成した、巻回型の電気二重層キャパシタが製造されている。これらの電気二重層キャパシタは、主にＩＣメモリのバックアップやアクチュエータのバックアップに使用されている。
【０００６】
これらの電気二重層キャパシタを構成する分極性電極は、大表面積を有する活性炭を主とするものであり、巻回型のキャパシタでは活性炭粉末などをＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などをバインダとして混練し、シート状に形成したものが、またコイン型では上記シート状活性炭もしくは活性炭繊維布が用いられている。
【０００７】
従来の巻回型の電気二重層キャパシタの構造について、図４、図５を用いて説明する。図４は、従来のキャパシタ素子の構成を示すため、キャパシタ素子の断面の一部を拡大した図であり、図５は、従来の巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図である。
【０００８】
図４に示したように、キャパシタ素子１は、アルミニウムエッチング箔などからなる正極集電体８および負極集電体９に、活性炭粉末、導電材およびバインダを混練した電極材を塗布することで、正極分極性電極１０と負極分極性電極１１の層を形成し、しかる後、分極性電極を塗布していない集電体の露出面に、正極リード端子１２、負極リード端子１３を、それぞれかしめにより接続し、その後、セパレータ１４を挟んで正極集電体８と負極集電体９に塗布した各分極性電極の層を対向させ、かつ、その一方の露出面にセパレータ１４を配置して巻き回した構造となっている。
【０００９】
また、図５に示したように、巻回型の電気二重層キャパシタは、図４に構造を示したキャパシタ素子１に粘着テープ２を巻き付けて、形状を固定した上で電解液を含浸し、キャパシタ素子１から引き出された正極リード端子１２、負極リード端子１３を、ゴムキャップ５に貫通させ、しかる後に、該ゴムキャップを金属ケース３の開口部に組み込み、開口部にカーリング加工を施して封止した構造となっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示したような、巻回型電気二重層キャパシタにおいて、問題となるのは、キャパシタ素子１に接続されている正極リード端子１２、負極リード端子１３が、ゴムキャップ５に固定されている以外に、金属ケース３の内部に、キャパシタ素子１を固定する機構が備えられていないことである。
【００１１】
このため、特に図５における横方向に振動や衝撃が加わった場合、正極リード端子１２、負極リード端子１３が十分な強度を具備していないと、破壊に至る可能性がある。また、振幅が小さくとも、振動が定常的に加わる場合では、金属疲労による破壊が起こる可能性もある。そして、キャパシタ素子１のサイズの増大に伴い、このような可能性が増加する。
【００１２】
リード端子に十分な機械的な強度を付与するには、リード端子の径を大きくするか、材質を考慮する必要があるが、小型化やコストの面で必ずしも対応できないことが多い。このために、従来の構造の巻回の型電気二重層キャパシタは、たとえば玩具のように、定常的に振動や衝撃が負荷される用途には、適合しないものであった。
【００１３】
従って、本発明の技術的な課題は、前記巻回型の電気二重層キャパシタの、衝撃や振動に対する信頼性を向上し、その用途を拡大することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記の課題解決のため、従来の巻回型の電気二重層キャパシタにおける、キャパシタ素子に対し、新たに簡便な構造の固定機構を導入することを検討した結果なされたものである。
【００１５】
即ち、本発明は、分極性電極を設けた正負一対の集電体を、セパレータを介して渦巻状に巻回したキャパシタ素子を、電解液とともに金属ケースに収納した巻回型電気二重層キャパシタにおいて、前記キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときのいずれかの底面を、前記金属ケースの内部に配置した保持板と接触させた構造であることを特徴とする電気二重層キャパシタである。
【００１６】
また、本発明は、前記保持板の少なくとも一部が、前記金属ケースの内周と底面のいずれかに接触した状態で配置されていることを特徴とする、前記の電気二重層キャパシタである。
【００１７】
また、本発明は、前記保持板の少なくとも一部が、前記金属ケースの内周面と、前記金属ケースの内周面に環状に配置された凸部に接触した状態で配置されていることを特徴とする前記の電気二重層キャパシタである。
【００１８】
また、本発明は、前記保持板が、前記キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときの側面に、少なくとも一部が接触する保持壁を有することを特徴とする前記の電気二重層キャパシタである。
【００１９】
また、本発明は、前記保持板が、金属材料、セラミックス材料、有機物または無機物の高分子材料の少なくともいずれかの、電解液に対して不溶である材質から構成されることを特徴とする、前記の電気二重層キャパシタである。
【００２０】
本発明の巻回型の電気二重層キャパシタにおいては、キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときの、いずれかの底面近傍を、金属ケース内に配置した保持板に接触することで、金属ケース内部におけるキャパシタ素子の位置が固定されるため、キャパシタ素子を巻き回した軸方向に、垂直な方向から外力が加わっても、キャパシタ素子と金属ケースの相対的な位置関係が変わらない、即ち、金属ケースの中で、キャパシタ素子が動くことが極めて少ない。
【００２１】
このため、本発明の巻回型の電気二重層キャパシタは、従来の製品に比較して、格段に優れた耐振性を有し、高い信頼性を発現する。
【００２２】
また、一般に高分子材料は、分子を構成する化学結合が共有結合であるため、化学的には高い安定性を有する。従って、本発明の保持板としての使用に適しているが、キャパシタ素子には、電解液が含浸されているため、適切な材質を選択しないと、保持板が電解液を構成する溶媒を吸収して膨潤したり、甚だしい場合は、溶解したりするので、溶媒に不溶な材質を選択する必要がある。
【００２３】
従来の電気二重層キャパシタの電解液に使用されてきた電解質の代表的なものには、四級アンモニウム四フッ化ホウ素塩、六フッ化リン酸塩、過塩素酸塩などが挙げられ、溶媒の代表的なものには、プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジメチルカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメトキシエタン、γ−ブチロラクトン、スルホラン、ジメチルホルムアミドなどが挙げられる。
【００２４】
そして、ここに挙げた、溶媒に不溶な高分子材料としては、ポリエチレンを代表とするポリオレフィン類などが挙げられるので、これらポリオレフィンを保持板に用いることができる。また、前記溶媒に不溶な、石英ガラス、酸化アルミニウムなどのセラミックス材料も保持板に用いることができる。さらに、前記高分子材料と前記セラミックス材料を組み合わせて用いることもできる。
【００２５】
また、本発明に用いる保持板には、キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときの側面に、少なくとも一部が接触する保持壁を設けることも可能であるが、保持板と保持壁は一体に成形することも可能であり、別個の部材の組立てにより構成してもよい。そして、これらを構成する材料についても、電解液に不溶な材料を用いる必要があることは勿論である。
【００２６】
また、本発明に用いる保持板を金属ケース底部近傍に配置する場合は、金属ケース内周面に環状に配置された凸部に、接触した状態に配置することで、保持板と金属ケース底面との間に支持部材を設ける必要がなくなるので、保持板の形状を簡略化することが可能となる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。
【００２８】
本発明は、前記のように、巻回型の電気二重層キャパシタにおいて、キャパシタ素子の形状を円柱と見なしたときのいずれかの底面を、金属ケース内に配置した保持板に接触させることで、キャパシタ素子が動かないようにするものである。従って、本発明に用いる保持板は、金属ケースの底部に配置してもよいし、ゴムキャップ近傍に配置しても同等の機能を発現し得る。
【００２９】
保持板の形状としては、金属ケースの内径とほぼ同じ外径の円盤状でもよいし、金属ケースの内径よりも小さな外径の円盤に突起を設けた形状でもよい。また、保持板に保持壁を設けることで、キャパシタ素子を固定する機能を向上することが可能である。
【００３０】
【実施例】
次に、具体的な実施例について、図を参照しながら説明する。なお、本発明は、これらの実施例のみに限定されるものではない。また、本発明では、リード端子型のキャパシタを用いて説明するが、この形状に限定されるものではなく、ねじ端子型を用いてもよい。
【００３１】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例に係る、巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図である。図１において、１はキャパシタ素子、２は粘着テープ、３は金属ケース、５はゴムキャップ、６は保持板、１２は正極リード端子、１３は負極リード端子である。キャパシタ素子１の構成は、図４に示した従来のキャパシタ素子１と同一である。
【００３２】
金属ケース３の底部には、ポリプロピレン製の保持板を予め配置した。この保持板は、外径が金属ケースの内径とすきまばめとなる円盤で、脚状の支持部材を設けてある。ここでは、材料としてポリプロピレンを用いたが、ＰＴＦＥのようなフッ素樹脂、アルミニウムなどの金属材料、酸化アルミニウムなどのセラミックス材料を用いてもよい。次いで、キャパシタ素子１を挿入し、キャパシタ素子１を保持板６に接触させた。
【００３３】
キャパシタ素子１に電解液を滴下し、ゴムキャップ５を介して封口して巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。ここでは、１ｍｏｌ／ｄｍ３の濃度で、プロピレンカーボネートにテトラメチルチルアンモニウムテトラフルオロホウ酸塩を溶解させた電解液を用いた。このような構成の巻回型の電気二重層キャパシタは、金属ケース３内のキャパシタ素子１が保持板６と接触しており、キャパシタ素子１と保持板６との間の摩擦のために、極めて動き難くなるため、振動に対する信頼性を向上させることができる。
【００３４】
（実施例２）
図２は、本発明の第２の実施例に係る、巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図である。キャパシタ素子１は、実施例１と同一のもの、即ち、図４に示した従来のキャパシタ素子と同じものである。本実施例では、金属ケース３の外周から、環状の絞り加工を施すことで、内周面に環状の凸部４を設けてある。
【００３５】
そして、ここでは、円盤状でアルミニウム製の保持板６を、環状の凸部４に配置した。本実施例でも、保持板６の外径は、金属ケース３の内径とすきまばめとなる寸法に設定した。次いで、キャパシタ素子１を挿入し、キャパシタ素子１を保持板６に接触させた。このキャパシタ素子１に、実施例１と同一の電解液を滴下し、ゴムキャップ５を介して封口して巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。
【００３６】
本実施例においても、実施例１と同様に、キャパシタ素子１は保持板６と接触しており、キャパシタ素子１と保持板６との間の摩擦により、極めて動き難くなっていて、振動に対する信頼性を向上させることができる。
【００３７】
（実施例３）
図３は、本発明の第３の実施例に係る、巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図である。本実施例においても、キャパシタ素子１は、実施例１と同一のもの、即ち、図４に示した従来のキャパシタ素子と同じものである。また、金属ケース３の内周面には、実施例２と同様の環状の凸部４が設けてある。
【００３８】
本実施例の保持板６は、ポリプロピレン製で、環状の保持壁７が保持板６と一体に設けられている。保持板６の外径と金属ケース３の内径、保持壁７の内径とキャパシタ素子１の外径は、それぞれ、すきまばめとなるように寸法が設定されている。
【００３９】
そして、保持板６を環状の凸部４に配置した。次いで、キャパシタ素子１を保持壁７の内側に嵌合させ、キャパシタ素子１の底面と側面を、それぞれ、保持板６と保持壁７に接触させた。このキャパシタ素子１に電解液を滴下し、ゴムキャップ５を介して封口して巻回型の電気二重層キャパシタを製作した。ここでも電解液は、実施例１の場合と同じものを用いた。
【００４０】
本実施例のキャパシタ素子には、第１の実施例と第２の実施例に示した以外に、保持壁による固定機能が付加されるので、キャパシタ素子は、金属ケース内で、さらに強固に固定される。このため、振動に対する信頼性をさらに向上し得る。
【００４１】
なお、ここに示した実施例では、いずれも保持板を金属ケースの底部に配置したが、ゴムキャップ側、あるいは金属ケース底部とゴムキャップ側の両方に配置しても、同様の効果が得られる。但し、ゴムキャップでリード端子が固定されているので、保持板をゴムキャップ側のみに配置した場合は、その効果がある程度低下するのは避けられない。
【００４２】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明によれば、金属ケースの内部に配置した保持板、あるいは保持板と保持壁の両方によって、キャパシタ素子の金属ケースにおける位置が固定されるので、キャパシタ素子が極めて動き難くなる。このような構造を採用することで、振動に起因するリード端子部の変形や亀裂による、等価直列抵抗上昇などのキャパシタ特性の劣化を防ぐことができる。
【００４３】
従って、本発明による巻回型の電気二重層キャパシタは、たとえば、玩具のように常時振動が加わるような用途にも使用することができ、従来に比較してその用途を拡大し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例に係る巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図。
【図２】第２の実施例に係る巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図。
【図３】第３の実施例に係る巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図。
【図４】従来のキャパシタ素子の構成を示すため、キャパシタ素子の断面の一部を拡大した図。
【図５】従来の巻回型の電気二重層キャパシタの内部を模式的に示した図。
【符号の説明】
１　　キャパシタ素子
２　　粘着テープ
３　　金属ケース
４　　凸部
５　　ゴムキャップ
６　　保持板
７　　保持壁
８　　正極集電体
９　　負極集電体
１０　　正極分極性電極
１１　　負極分極性電極
１２　　正極リード端子
１３　　負極リード端子
１４　　セパレータ
【図１】
2004072016.tif 000003
【図２】
2004072016.tif 000004
【図３】
2004072016.tif 000005
【図４】
2004072016.tif 000006
【図５】
2004072016.tif 000007