(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気二重層コンデンサに、この電気二重層コンデンサの耐電圧を越えない電圧を出力する定電圧回路を結合し、この定電圧回路は、充電入力電圧の入力端子と放電出力電圧の出力端子を兼用した＋側端子に、充電入力電圧として放電出力電圧より所定以上高い電圧を印加するための閾値をもったツェナーダイオードを介して制御部としてのトランジスタのコレクタと定電流素子のアノードを接続し、前記トランジスタのエミッタを、検出端としての抵抗と前記電気二重層コンデンサを介して−側コモン端子に接続し、前記定電流素子のカソードを、前記トランジスタのベースと３端子ツェナーダイオードのカソードに接続し、この３端子ツェナーダイオードのアノードを前記−側コモン端子に接続し、この３端子ツェナーダイオードのリファレンス端子を、前記トランジスタのエミッタと前記検出端としての抵抗との接続点に接続してなり、前記検出端としての抵抗と電気二重層コンデンサの接続点から取り出した出力端子と前記−側コモン端子との間にＤＣ−ＤＣコンバータを接続し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に逆流防止用ダイオードを介して前記＋側端子に接続することにより、前記＋側端子と前記−側コモン端子との２端子型としたことを特徴とする耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサ。
【請求項２】
電気二重層コンデンサの耐電圧に適応するため、検出端としての抵抗と前記電気二重層コンデンサとの間に１又は複数のダイオードを介在してなることを特徴とする請求項１記載の耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサ。
【請求項３】
電気二重層コンデンサの耐電圧に適応するため、検出端としての抵抗と前記電気二重層コンデンサとの間にツェナーダイオードを介在してなることを特徴とする請求項１記載の耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサ。
【請求項４】
電気二重層コンデンサの耐電圧に適応するため、検出端としての抵抗と前記電気二重層コンデンサとの間に可変抵抗を介在してなることを特徴とする請求項１記載の耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサ。
【請求項５】
定電圧回路とＤＣ−ＤＣコンバータとの電子回路を組み込んだアダプタケースを電気二重層コンデンサの容器に嵌合固着し、アダプタケースの他端から、＋側端子と−側コモン端子との２端子を外部に突出させてなることを特徴とする請求項１記載の耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、簡単な電気回路又は電子素子を付加することによって耐電圧の高い電気二重層コンデンサとなり得る耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電解液である電気の導体は、分解電圧以下では誘電体の役割をする。この現象を利用したものに電気二重層コンデンサ１０がある。
この電気二重層コンデンサ１０は、具体的には、図６において、活性炭をアルミニウム箔に塗った分極性＋電極１３、電解液を含浸したセパレータ１５、分極性＋電極１３と同様の分極性−電極１４、さらに前記と同一のセパレータ１５を順次重ね合わせて円柱状に巻きつけ、これを封口ゴム１７とともに円筒状アルミニウム容器１２内に収納し、前記電極１３、１４に接続したリード線１８、１９を前記円筒状アルミニウム容器１２の封口ゴム１７から導出してなるものである。全体の形状は、円筒状以外に構成したものもある。
【０００３】
この電気二重層コンデンサ１０は、大容量のコンデンサを小型に作れること、短時間で充電できること、寿命をきわめて長くできることなどの利点を有する。しかし、耐電圧が１〜２．５Ｖと低いという問題点がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
耐電圧を２倍にするには、図５（ａ）に示すように、端子Ａ、Ｂ間に同一定格の電気二重層コンデンサ１０を２個直列接続した直列回路１１とすればよい。
しかし、これでは、容量が半分になってしまう。耐電圧をｎ倍にする場合も同様である。
【０００５】
耐電圧が２倍で、容量に変化のないようにするには、図５（ｂ）に示すように、まず、電気二重層コンデンサ１０を２個直列接続した直列回路１１を２個作り、これら２個の直列回路１１を端子Ａ、Ｂ間に並列接続すればよい。
しかし、これでは、電気二重層コンデンサ１０を４個も使用しなければならない。耐電圧をさらにあげるには、電気二重層コンデンサ１０の数がますます多くなるという問題点があった。
【０００６】
本発明は、コンデンサの数を増やすことなく、汎用の安価な半導体素子などを使用して、コンデンサの容量に変化がなく、しかも、目的の耐圧の電気二重層コンデンサを安価に得ることを目的とするものである。
【０００７】
本発明は、電気二重層コンデンサに、この電気二重層コンデンサの耐電圧を越えない電圧を出力する定電圧回路を結合し、この定電圧回路は、充電入力電圧の入力端子と放電出力電圧の出力端子を兼用した＋側端子に、充電入力電圧として放電出力電圧より所定以上高い電圧を印加するための閾値をもったツェナーダイオードを介して制御部としてのトランジスタのコレクタと定電流素子のアノードを接続し、前記トランジスタのエミッタを、検出端としての抵抗と前記電気二重層コンデンサを介して−側コモン端子に接続し、前記定電流素子のカソードを、前記トランジスタのベースと３端子ツェナーダイオードのカソードに接続し、この３端子ツェナーダイオードのアノードを前記−側コモン端子に接続し、この３端子ツェナーダイオードのリファレンス端子を、前記トランジスタのエミッタと前記検出端としての抵抗との接続点に接続してなり、前記検出端としての抵抗と電気二重層コンデンサの接続点から取り出した出力端子と前記−側コモン端子との間にＤＣ−ＤＣコンバータを接続し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力側に逆流防止用ダイオードを介して前記＋側端子に接続することにより、前記＋側端子と前記−側コモン端子との２端子型としたことを特徴とする耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサである。
【０００８】
このような構成において、充電端子から定電流素子のアノードとトランジスタのコレクタに電圧が印加され、定電流素子では、定電流化した電流がトランジスタのベース電流として流入し、トランジスタのコレクタ電流が抵抗を経て電気二重層コンデンサに流入し、充電する。
【０００９】
前記抵抗の両端に発生した電位は、３端子ツェナーダイオードのリファレンス端子とアノード間に加わるが、この電位が３端子ツェナーダイオードのリファレンス電圧と等しくなったとき、３端子ツェナーダイオードが導通して３端子ツェナーダイオードのカソードから、求める定電流動作を行うための制御動作をトランジスタのベースに与え、電気二重層コンデンサへ流す電流を定電流化する。
出力端子の直流電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣでチョッピングされ、昇圧用チョークコイルで昇圧された後、脈流波が平滑化されて出力する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づき説明する。
図１は、本発明による耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサの第１実施例を示すもので、電気二重層コンデンサ１０の充電電圧入力側には、定電圧回路２０が接続され、放電電圧出力側には、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７が接続され、また、端子２３とコモン端子２５を具備した２端子型として構成されている。これら２端子のうち、端子２３は、充電モード時の入力端子と、放電モード時の出力端子を兼用している。
【００１１】
前記定電圧回路２０は、端子２３からツェナーダイオード２９を介して制御部としてのトランジスタ２２のコレクタに接続されるとともに、定電流部としての定電流素子２１のアノードに接続され、前記トランジスタ２２のエミッタには、電圧検出端としての抵抗２６が接続され、さらに、前記電気二重層コンデンサ１０の＋側に接続され、前記定電流素子２１のカソードは、前記トランジスタ２２のベースに接続されるとともに、検出部としての３端子ツェナーダイオード３０のカソードに接続され、この３端子ツェナーダイオード３０のアノードは、前記電気二重層コンデンサ１０の−側に接続されるとともに、前記コモン端子２５に接続され、前記３端子ツェナーダイオード３０のリファレンス端子は、前記トランジスタ２２のエミッタと前記抵抗２６の接続点に接続され、前記３端子ツェナーダイオード３０のカソードとリファレンス端子との間には、発振防止用コンデンサ３１が挿入されてなるものである。
【００１２】
前記ＤＣ−ＤＣコンバータ２７は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３を主体とし、限流動作用抵抗３４、昇圧用チョークコイル３５、整流用ショットキーダイオード３６及び平滑化用電解コンデンサ３７を具備し、前記抵抗２６と電気二重層コンデンサ１０の接続点から取り出した出力端子２４は、前記限流動作用抵抗３４と昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３の１番端子と前記昇圧用チョークコイル３５に接続され、前記整流用ショットキーダイオード３６のカソードと昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３の８番端子の接続点は、逆流防止用ダイオード３２を介して前記コモン端子２５に接続されてなるものである。
【００１３】
このような構成による作用を説明する。
端子２３に所定の電圧Ｖｉ（例えば７Ｖ）を印加する。この電圧Ｖｉが、ツェナーダイオード２９のツェナー電圧Ｖｚよりも高く、かつ、このツェナーダイオード２９のアノード側の閾値を越えた電圧が所定値（例えば２Ｖ）以上のとき、定電圧回路２０と電気二重層コンデンサ１０は、充電モードとして動作を開始する。
ツェナーダイオード２９を通過した電圧Ｖｄが定電流素子２１のアノードとトランジスタ２２のコレクタに印加され、定電流素子２１では、定電流化した電流がトランジスタ２２のベース電流Ｉｂとして流入し、ｈFE倍された電流がトランジスタ２２のコレクタ電流Ｉｃとして抵抗２６を経て電気二重層コンデンサ１０に流入し、この電気二重層コンデンサ１０に充電する。
【００１４】
前記コレクタ電流Ｉｃは、ベース電流Ｉｂの安定度と周囲温度により安定化する。
すなわち、前記抵抗２６の両端に発生した電位Ｖａは、３端子ツェナーダイオード３０のリファレンス端子とアノード間に加わるが、この電位Ｖａが３端子ツェナーダイオード３０のリファレンス電圧Ｖｒ（例えば２．５Ｖ）と等しくなったとき、３端子ツェナーダイオード３０が導通して３端子ツェナーダイオード３０のカソードから、求める定電流動作を行うための制御動作をトランジスタ２２のベースに与え、そのベース電流量Ｉｂを制御し、電気二重層コンデンサ１０へ流す電流を定電流化する。
【００１５】
電気二重層コンデンサ１０の＋側の出力端子２４の出力電圧Ｖｃが所定電圧、例えば、１．５Ｖ以上になると、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３が正常な動作を開始する。出力端子２４の直流電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３でチョッピングされ、昇圧用チョークコイル３５で昇圧された後、３番の出力端子から整流用ショットキーダイオード３６を経て、のこぎり波、矩形波などの脈流波が出力し、これが平滑化用電解コンデンサ３７で平滑化されて逆流防止用ダイオード３２から端子２３へ送られる。
【００１６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力電圧Ｖｏは、充電モード時の印加電圧Ｖｉより低く、例えば５Ｖに設定されており、充電電圧Ｖｉの印加が停止したときに、逆流防止用ダイオード３２を介して端子２３から出力する。
なお、逆流防止用ダイオード３２は、充電モードのとき、充電電圧Ｖｉが昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３の８番端子に印加されないようにするための保護素子として作用する。すなわち、充電モードのときに印加される充電電圧Ｖｉは、逆流防止用ダイオード３２のカソードに逆バイアスがかかり、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３の出力を停止させるスイッチ素子として作用する。
【００１７】
以上の図１に示す実施例では、端子２３とコモン端子２５の２端子とし、充電時には、端子２３から放電電圧を取り出せないようになっており、充電と放電のタイミングを必要としている。すなわち、２端子型には、つぎのような性質を有する。
（１）充電モード時には、放電モードは作動しない。
（２）充電時と放電時では、負荷回路に供給する出力電圧に違いが生じる。
（３）充電電圧は、放電出力電圧より常に一定電圧、実施例では、２Ｖ高い。
【００１８】
しかるに、図２に示す本発明の第２実施例では、充電のための端子２３と放電電圧出力のための出力端子２８とを別個に設け、コモン端子２５と合わせて３端子としたものである。この端子２３は、ツェナーダイオード２９を介することなく直接トランジスタ２２と定電流素子２１に接続しており、また、出力端子２８は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力端子に逆流防止用ダイオード３２を介在することなく直接接続している。
【００１９】
この図２に示す第２実施例の作用を説明する。
端子２３には、３〜５０Ｖの範囲の電圧Ｖｉが常時印加される。
この電圧Ｖｉが定電流素子２１のアノードとトランジスタ２２のコレクタに印加され、定電流素子２１では、定電流化した電流がトランジスタ２２のベース電流Ｉｂとして流入し、ｈＦＥ倍された電流がトランジスタ２２のコレクタ電流Ｉｃとして抵抗２６を経て電気二重層コンデンサ１０に流入し、この電気二重層コンデンサ１０に充電する。
【００２０】
前記抵抗２６の両端に発生した電位Ｖａが３端子ツェナーダイオード３０のリファレンス電圧Ｖｒと等しくなったとき、３端子ツェナーダイオード３０が導通して３端子ツェナーダイオード３０のカソードから、求める定電流動作を行うための制御動作をトランジスタ２２のベースに与え、ベース電流量Ｉｂをブリーダー動作し、電気二重層コンデンサ１０へ流す電流を定電流化する。
【００２１】
出力端子２４の出力電圧Ｖｃが所定電圧以上になると、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３が正常な動作を開始し、直流電圧は、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３でチョッピングされ、昇圧用チョークコイル３５で昇圧された後、平滑化用電解コンデンサ３７で平滑化されて出力端子２８から出力する。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２７の出力電圧Ｖｏは、充電モード時であっても出力する。
【００２２】
以上の図２に示す３端子型の第２実施例では、つぎのような性質を有する。
（１）充電時と放電時の区別なく同時に作動できる。ただし、起動時には、電気二重層コンデンサ１０に、昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ３３が駆動できる電圧、例えば、１．５Ｖ以上に充電されていることが必要である。
（２）充電電圧は、３〜５０Ｖの非安定の変動電圧であっても充電できる。
（３）出力端子２８に接続された負荷回路には、常に一定の出力電圧を供給できる。
（４）充電電圧が上下に変動しても放電電圧は安定である。
【００２３】
前記図１及び図２に示す例では、電気二重層コンデンサ１０の耐電圧を２．５Ｖとしたが、これらの回路をそのまま利用してさらに耐電圧の低い電気二重層コンデンサ１０を用いる場合を、図３（ａ）（ｂ）（ｃ）により説明する。
図３（ａ）は、抵抗２６と電気二重層コンデンサ１０の＋側との間に閾値電圧が０．６Ｖのダイオード３８を２個直列に挿入した例を示している。このようにすれば、２．５−０．６−０．６＝１．３Ｖの耐電圧の電気二重層コンデンサ１０に適応させることができる。
図３（ｂ）は、抵抗２６と電気二重層コンデンサ１０の＋側との間にツェナー電圧Ｖｚが１．０Ｖのツェナーダイオード３９を１個挿入した例を示している。このようにすれば、２．５−１．０＝１．５Ｖの耐電圧の電気二重層コンデンサ１０に適応させることができる。
図３（ｃ）は、抵抗２６と電気二重層コンデンサ１０の＋側との間に可変抵抗４０を挿入した例を示している。このようにすれば、この可変抵抗４０の抵抗値の調整により目的の耐電圧の電気二重層コンデンサ１０に適応させることができる。
【００２４】
図４は、図１ないし図３に示すような定電圧回路２０とＤＣ−ＤＣコンバータ２７とからなる電子回路を電気二重層コンデンサ１０に一体に組み込んで１つの電子素子としてまとめ上げた例を示している。
この図４において、４１は、電気二重層コンデンサ１０の円筒状アルミニウム容器１２の直径よりもやや小さな円板状をなす配線基板で、この配線基板４１の一側面（図中下面）には、プリント配線が施されるとともに、図１または図２に示す回路に必要な各種の回路素子４２が搭載されて、定電圧回路２０とＤＣ−ＤＣコンバータ２７の電子回路が構成されている。この配線基板４１と略同様の形状の端子基板４３には、図１に示す回路構成の場合は、端子２３とコモン端子２５の２端子が、また、図２に示す回路構成の場合は、端子２３、コモン端子２５、出力端子２８の３端子が取り付けられている。
【００２５】
この配線基板４１は、リン青銅にニッケルめっきした円筒形の保持枠４４の上縁部４５に内側から嵌め込まれ、すり割４７から切り起こした折り込み爪４６で保持され、また、端子基板４３を配線基板４１に所定間隔を持って向いあわせて、保持枠４４のばね部４８の延長片で保持される。
これら配線基板４１、端子基板４３、保持枠４４の組み立てられたものが、円筒状アルミニウム容器１２の外周に嵌合する大きさの円筒状のアダプタケース５２の内側に嵌合されると、前記端子基板４３がアダプタケース５２の巻き込み部４９に当接し、また、保持枠４４の上縁部４５の上面にアダプタケース５２の折り込み爪５３を折り込んで固定する。このようにして、アダプタケース５２の巻き込み部４９側から２端子又は３端子が外方に突出する。
【００２６】
このようにして電子回路の組み込まれたアダプタケース５２は、その上端の開口した圧着部５０側を、電気二重層コンデンサ１０の円筒状アルミニウム容器１２に下方から嵌め込む。圧着部５０には、円筒状アルミニウム容器１２の凹溝５４と一致する個所に放熱孔５１が形成されており、この放熱孔５１のある外周部分を絞り込むことにより、円筒状アルミニウム容器１２にアダプタケース５２が一体に固着される。このとき、電気二重層コンデンサ１０のリード線１８とリード線１９が配線基板４１の配線部に差し込まれ、端子基板４３に穿設された孔から半田などで接続される。
このように、従来の電気二重層コンデンサ１０のリード線側に、電子回路を内蔵したアダプタケース５２を嵌め込み固着することにより、電気二重層コンデンサ１０のみと外観がほとんど同一形状であって、しかも耐電圧を高めた電気二重層コンデンサが得られる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、電気二重層コンデンサ１０に、制御部としてのトランジスタ２２、定電流素子２１、検出端としての抵抗２６、３端子ツェナーダイオード３０からなる定電圧回路２０を接続したので、汎用の安価な半導体素子などを使用して、１〜２．５Ｖの低耐圧のものを、少なくとも３〜５０Ｖの高耐圧の電気二重層コンデンサにグレードアップすることができる。また、充電時に印加する電圧変動による発熱が少ない。特に、定電流素子２１によって発熱が安定し、熱損失が少ない。さらに、抵抗２６による発熱が多少あったとしても一定値であり、安定している。
【００２８】
本発明によれば、電気二重層コンデンサ１０に、制御部としてのトランジスタ２２、定電流素子２１、検出端としての抵抗２６、３端子ツェナーダイオード３０からなる定電圧回路２０の他に、ＤＣ−ＤＣコンバータ２７を接続することにより、安定した放電電圧を出力できる。
【００２９】
本発明の耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサを、２端子型とすることにより、つぎのような性質を有する。
（１）充電モード時には、放電モードは作動しない。
（２）充電時と放電時では、負荷回路に供給する出力電圧に違いが生じる。
（３）充電電圧は、放電出力電圧より常に一定電圧、実施例では、２Ｖ高い。
【００３０】
検出端としての抵抗２６と電気二重層コンデンサ１０との間に、１又は複数のダイオード３８、ツェナーダイオード３９又は可変抵抗４０を介在することにより、耐電圧の異なる電気二重層コンデンサ１０に適応できる。
【００３１】
定電圧回路２０とＤＣ−ＤＣコンバータ２７との電子回路を組み込んだアダプタケース５２を電気二重層コンデンサ１０の円筒状アルミニウム容器１２に嵌合固着し、アダプタケース５２の他端から端子２３とコモン端子２５との２端子又は端子２３とコモン端子２５と出力端子２８の３端子を外部に突出させることにより、外観が従来の１個の電気二重層コンデンサ１０のみとほとんど変わることなく、しかも耐電圧の高い電気二重層コンデンサ１０が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサの第１実施例を示す電気回路図である。
【図２】本発明による耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサの第２実施例を示す電気回路図である。
【図３】耐電圧の異なる電気二重層コンデンサ１０に適応できるようにするための実施例を示すもので、（ａ）は、ダイオード３８を挿入した例を示す電気回路図、（ｂ）は、ツェナーダイオード３９を挿入した例を示す電気回路図、（ｃ）は、可変抵抗４０を挿入した例を示す電気回路図である。
【図４】本発明による耐電圧対策を施した電気二重層コンデンサに電子回路を組み込んだアダプタケース５２を嵌合固着した例を示す一部切り欠いた正面図である。
【図５】（ａ）は、電気二重層コンデンサ１０の耐電圧を２倍とした場合の電気回路図、（ｂ）は、容量はそのままで、耐電圧を２倍とした場合の電気回路図である。
【図６】一般的な電気二重層コンデンサ１０の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０…電気二重層コンデンサ、１１…直列回路、１２…円筒状アルミニウム容器、１３…分極性＋電極、１４…分極性−電極、１５…セパレータ、１７…封口ゴム、１８…リード線、１９…リード線、２０…定電圧回路、２１…定電流素子、２２…制御部としてのトランジスタ、２３…端子、２４…出力端子、２５…コモン端子、２６…検出端としての抵抗、２７…ＤＣ−ＤＣコンバータ、２８…出力端子、２９…ツェナーダイオード、３０…３端子ツェナーダイオード、３１…発振防止用コンデンサ、３２…逆流防止用ダイオード、３３…昇圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ用ＩＣ、３４…限流動作用抵抗、３５…昇圧用チョークコイル、３６…整流用ショットキーダイオード、３７…平滑化用電解コンデンサ、３８…ダイオード、３９…ツェナーダイオード、４０…可変抵抗、４１…配線基板、４２…回路素子、４３…端子基板、４４…保持枠、４５…上縁部、４６…折り込み爪、４７…すり割、４８…ばね部、４９…巻き込み部、５０…圧着部、５１…放熱孔、５２…アダプタケース、５３…折り込み爪、５４…凹溝。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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