(57)【要約】【課題】単位体積あたりの容量が大きいキャパシタ型の蓄電池を提供する。【解決手段】本発明に係るキャパシタ型蓄電池は、絶縁シート１０と、絶縁シート１０の上面に設けられた上部導電膜１２と、絶縁シート１０の下面に設けられた下部導電膜１１と、上部導電膜１２に接続された上部接続端子２１と、下部導電膜１１に接続された下部接続端子２２とを具備する。平面的なレイアウトにおいて、上部接続端子２１は下部接続端子２２と重なる位置に配置され、少なくとも一方の端部１ａを除いた部分の平面形状が長方形であり、長手方向において、上部接続端子２１及び下部接続端子２２から他方の端１ｂまでの長さｌ＝ｎλ／２である。ただしｎ＝整数、λ＝絶縁シート１０中における入力周波数での電磁波の波長。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁シートと、
前記絶縁シートの上面に設けられた上部導電膜と、
前記絶縁シートの下面に設けられた下部導電膜と、
前記上部導電膜に接続された上部接続端子と、
前記下部導電膜に接続された下部接続端子と、
を具備し、
平面的なレイアウトにおいて、前記上部接続端子は前記下部接続端子と重なる位置に配置され、
平面形状が略長方形であり、長手方向において、前記上部接続端子及び前記下部接続端子から一端までの長さｌ＝ｎλ／２である、キャパシタ型蓄電池。
ただしｎ＝整数、λ＝前記絶縁シート中における入力周波数での電磁波の波長。
【請求項２】
前記絶縁シートは、絶縁性の基材中に導電粉体を分散させたものである請求項１に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項３】
前記導電粉体の平均粒径が２０〜１００００ｎｍである請求項２に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項４】
前記導電粉体は金属粉体である請求項２又は３に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項５】
前記金属粉体は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕからなる群から選ばれた少なくとも一つ、または前記群から選ばれた少なくとも２つからなる合金を含む請求項４に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項６】
前記上部接続端子及び前記下部接続端子は、前記上部導電膜及び下部導電膜の他端に接続している請求項１〜５のいずれか一項に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項７】
平面形状において、
前記上部導電膜及び下部導電膜は、前記他端が前記長方形の部分と比較して短辺方向の幅が狭く、
前記他端近傍において、前記長手方向の辺が前記長方形の延伸方向に対して３０°以下の角度で斜めになっている請求項６に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項８】
長手方向に沿ってロール状に巻かれている請求項１〜７のいずれか一項に記載のキャパシタ型蓄電池。
【請求項９】
平面形状において短辺方向の幅がλ／２０以下である請求項１〜８のいずれか一項に記載のキャパシタ型蓄電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、キャパシタ型の蓄電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の蓄電池は電解質を用いるものが大半である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
蓄電池に電解質を用いる場合、充電に時間を要する。また、電解質の劣化が生じるため、蓄電池の寿命が短い。また、高出力電圧を実現するためには、複数の蓄電池を直列に接続する必要があった。これに対し、キャパシタを蓄電池として使用した場合、充電時間が短く、寿命が長く、かつ高出力電圧を実現できる。しかし、キャパシタを蓄電池として使用する場合、その単位体積あたりの容量を大きくする必要がある。
【０００４】
本発明は上記のような事情を考慮してなされたものであり、その目的は、単位体積あたりの容量が大きいキャパシタ型の蓄電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するため、本発明に係るキャパシタ型蓄電池は、絶縁シートと、
前記絶縁シートの上面に設けられた上部導電膜と、
前記絶縁シートの下面に設けられた下部導電膜と、
前記上部導電膜に接続された上部接続端子と、
前記下部導電膜に接続された下部接続端子と、
を具備し、
平面的なレイアウトにおいて、前記上部接続端子は前記下部接続端子と重なる位置に配置され、
平面形状が略長方形であり、長手方向において、前記上部接続端子及び前記下部接続端子から一端までの長さｌ＝ｎλ／２である。ただしｎ＝整数、λ＝前記絶縁シート中における入力周波数での電磁波の波長。
【０００６】
前記絶縁シートは、例えば絶縁性の基材中に導電粉体を分散させたものである。前記導電粉体の平均粒径は、例えば２０〜１００００ｎｍである。前記導電粉体は、例えば金属粉体である。この場合、前記金属粉体は、例えば、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕからなる群から選ばれた少なくとも一つ、または前記群から選ばれた少なくとも２つからなる合金を含む。
【０００７】
前記上部接続端子及び前記下部接続端子は、例えば前記上部導電膜及び下部導電膜の他端に接続している。この場合、平面形状において、前記上部導電膜及び下部導電膜は、前記他端が前記長方形の部分と比較して短辺方向の幅が狭くなっているのが好ましい。そして前記他端近傍において、前記長手方向の辺が前記長方形の延伸方向に対して３０°以下の角度で斜めになっているのが好ましい。
【０００８】
長手方向に沿ってロール状に巻かれているのが好ましい。また平面形状において短辺方向の幅がλ／２０以下であるのが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、単位体積あたりの容量が大きいキャパシタ型の蓄電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１（Ａ）は本発明の第１の実施形態に係るキャパシタ型の蓄電池の側面図であり、図１（Ｂ）は蓄電池の端部の平面図である。この蓄電池は、蓄電シート１をロール状に巻き取ったものであるが、図１（Ｂ）は説明の為、蓄電シート１をロール状に巻き取る前の状態を示している。蓄電シート１は、絶縁シート１０の下面に導電膜１１を形成し、上面に導電膜１２を形成したものである。導電膜１２上には絶縁スペーサー膜１３が形成されており、蓄電シート１は、絶縁スペーサー膜１３をスペーサーとしてロール状に巻き取られている。導電膜１１，１２は、例えばＡｌ又はＭｇにより形成されている。
【００１１】
蓄電シート１の一方の端部１ａでは導電膜１１、１２が露出している。この露出している部分に、導電膜１１，１２に交流の電圧を与えるための端子２１、２２がそれぞれ接続されている。平面的なレイアウトにおいて、端子２１，２２は略同じ位置に配置されている。蓄電シート１は端部１ａを除いて長方形であり、長方形の長辺方向に巻き取られている。端部１ａの端は、図１（Ｂ）に示すように蓄電シート１の長方形の部分と比較して短辺方向の幅が狭い。そして端部１ａは、端から離れるに従って幅が徐々に広がっている。図１（Ｂ）に示す例において、端部１ａの長手方向の辺は直線であり、θ≦３０°である。すなわち端部１ａの長手方向の辺は、蓄電シート１の長方形部分の延伸方向に対して３０°以下の角度で斜めになっている。このようにすると、後述する定在波にサイドローブのような雑音が混ざり難くなる。端部１ａの長さは、例えば５０ｍｍ以下である。
【００１２】
端子２１，２２間には周波数ωの交流電力が入力される。周波数ωでの絶縁シート１０における電磁波の波長をλとした場合、蓄電シート１は、端子２１，２２から端部１ｂまでの長さｌがｎλ／２（ｎは整数）である。このため、入力された交流電圧は蓄電シート１内で共振状態となる。なお、蓄電シート１の長方形部分の幅ｗは、好ましくはλ／２０以下、さらに好ましくはλ／１６０以下である。また、蓄電シート１の特性インピーダンスＺ0は、１Ω以下、好ましくは１×１０−３Ω以下である。また交流電力の周波数ωは、好ましくは１ＭＨｚ以下である。
【００１３】
図２（Ａ）及び（Ｂ）は絶縁シート１０の構造を説明する為の断面図である。複数の導電粉体１４が内部に分散された絶縁物１５をシート状に加工することにより、絶縁シート１０が形成されている。絶縁物１５は、例えばPPC(ポリエステルポリカーボネート)、PET(ポリエチレンテレフタレート)、ポリイミド、ポリスチレンなどの有機であってもよいし、ほう珪酸ガラスやソーダライムガラスなどの無機であってもよい。絶縁物１５が有機の場合、蓄電シート１をロール状にしやすい。一方、絶縁物１５が無機の場合、蓄電シート１の耐電圧が高くなる。
【００１４】
絶縁シート１０において、導電粉体１４の含有率は、例えば４０〜８０容量％である。導電粉体１４の形状は、図２（Ａ）に示すように粒子状（略球形、略楕円球を含む）であっても良いし、図２（Ｂ）に示すように鱗片状（シート片状）であっても良い。導電粉体１４が粒子状である場合、導電粉体１４の長径の平均値は、例えば２０〜１００００ｎｍ、好ましくは２０〜１０００ｎｍである。また導電粉体１４が鱗片状である場合、その大きさは例えば１５０メッシュ〜３００メッシュである。導電粉体１４は例えば金属である。具体的には導電粉体１４は、Ｆｅ、Ａｌ、Ｎｉ、Ａｇ，Ｍｇ、Ｃｕからなる群から選ばれた少なくとも一つ、またはこの群から選ばれた少なくとも２つの合金である。
なお、絶縁スペーサー膜１３も絶縁シート１０と同様の構造を有している。
【００１５】
上記した構造を有する蓄電池において、端子２１，２２に所定の電位差を与えると、導電膜１１、絶縁シート１０、及び導電膜１２の積層構造がキャパシタとして機能するため、蓄電池に電荷が蓄積される。端子２１，２２の電位差すなわち蓄電池の動作電圧の上限値は、絶縁シート１０の厚み方向の絶縁物１５の累積厚さとその絶縁耐圧で定まる。
【００１６】
また、絶縁シート１０を大面積にした場合、絶縁シート１０に欠陥が生じる可能性が高くなるが、端子２１，２２の電位差を大きくすると、欠陥が存在する部分で放電が生じる。この放電により、欠陥を有する部分上に位置する導電膜１１または１２が蒸発するため、欠陥を有する部分が蓄電池の動作に影響を与えないようにすることができる。
【００１７】
なお、蓄電シート１を図１のようにロール状に巻き取った状態において、相対的に上に位置する蓄電シート１の導電膜１１と下に位置する蓄電シート１の導電膜１２の相互間には、絶縁シート１０と同じ構造を持つ絶縁スペーサー膜１３が配置されている。このため、導電膜１１，１２相互間の絶縁は確保され、かつこの相互間も容量素子として機能する。
【００１８】
次に、図１及び図２に示した蓄電池の製造方法の一例について説明する。まず、ポリイミドやポリスチレンなどのワニス（絶縁物１５）の中に導電粉体１４を分散し、このワニスをシート状に加工する。これにより、絶縁シート１０及び絶縁スペーサー膜１３が形成される。絶縁シート１０及び絶縁スペーサー膜１３の厚みは、好ましくは５〜１００μmである。次いで絶縁シート１０の表裏面をスパッタなどの方法で導電膜１１，１２を形成する。導電膜１１，１２の厚みは、好ましくは０．５〜１０μmである。なお、導電膜１１，１２はラミネート積層法、化学的気相法又は液相法により形成されても良い。
【００１９】
次いで、絶縁膜１２上に絶縁スペーサー膜１３を配置する。次いで、蓄電シート１をロール状に巻き取り、その後、導電膜１１，１２に端子２１、２２を超音波はんだ等の方法で応力が加わりにくい構造で接続する。
【００２０】
次に、蓄電シート１の容量が高い理由を説明する。後述するように蓄電シート１の特性インピーダンスＺ０は小さい為、端部１ａから入力されて長辺方向を伝送する電圧Ｖ０は、下記（１）式で示される。
Ｖ０＝Ｖ×Ｚｏ／Ｚ…（１）
ただし、Ｚ：蓄電シート１の入力インピーダンス、Ｖ：交流の入力電圧
【００２１】
一方、上記したように、蓄電シート１は、端子２１，２２から端部１ｂまでの長さｌがｎλ／２（ｎは整数）である。このため、入力された交流電力は蓄電シート１の中で共振状態となり、蓄電シート１の端部１ｂで全反射して戻ってくる。戻ってきた交流電力は、入力端である端部１ａでインピーダンス不整合反射（反射率：（Ｚ−Ｚ０）／（Ｚ＋Ｚ０））を起こし、継続して入力された交流電力と合成される。この合成及び反射を繰り返すことにより、長辺方向を伝送する電圧Ｖ０は、一定時間後に入力電圧Ｖに到達する。
【００２２】
そして、入力された交流電力は蓄電シート１内で共振状態となるため、入力された交流電力量Ｕがそのまま蓄電される。交流電力量Ｕは下記（２）式で求められる。
Ｕ＝＝１／２ｔ×Ｖ２／Ｚ０…（２）
ただしｔ：真空中で電磁波が長さｌを通過するのに必要な時間。
このため、蓄電シート１に蓄積される電力量を求める為には、蓄電シート１の特性インピーダンスＺｏを求める必要がある。
【００２３】
蓄電シート１の特性インピーダンスＺｏは、下記（３）式で近似することができる。
Ｚ０＝ｄ／ｗ×√（μ０μω）／ε０εω）…（３）
ただし、ｄ＝絶縁シート１０の厚さ、ｗ＝蓄電シート１の幅、μ０：真空中の透磁率、μω：周波数ωにおける蓄電シート１の比透磁率、ε０：真空中の誘電率、εω：周波数ωにおける蓄電シート１の誘電率。
このため、蓄電シート１の特性インピーダンスＺｏを求めるためには、μω及びεωを求める必要がある。
【００２４】
Ｄｒｏｕｄｅの誘電関数式及び磁率関数式によれば、εω及びμωは以下の（４）式〜（７）式で表される。
εω＝１−（ωｅｐ／ω）…（４）
ωｅｐ≡（ｎｅｅ２）／（ε０ｍ）…（５）
μω＝１−（ωｍｐ／ω）…（６）
μｍｐ≡（ｎｐχ２）／（μ０ｍ）…（７）
ただし、ｎｅ：蓄電シート１の自由電子の密度、ｎｐ：蓄電シート１の不対電子の密度、ｅ：電子の電荷、ｍ：電子の質量、χ：不対電子のスピン磁率。
【００２５】
ここで、図３に示すように、絶縁物１５中に半径１０００ｎｍのＦｅの球状粒子からなる導電粉体１４が１個／１２５μｍ３の密度で均等に分散されている場合を考える。
【００２６】
Ｆｅが１原子あたり一つの自由電子を保有している場合、鉄の自由電子の密度は8.4×1022個/cm3となる。そして鉄の表面における自由電子密度はその2/3乗、すなわち1.9×1015個/cm2となる。ただし、表面吸着原子に自由電子がトラップされるため、表面の自由電子密度はこの値より低くなる。このトラップによる自由電子の減少率が10-10であると仮定した場合、鉄の表面における自由電子の密度は1.9×105個/cm2になる。
【００２７】
導電粒子の半径は1μm=1×10-5cmであるが、その表面積は4π(1×10-5)2=12.6×10-10cm2となるため、１粒子あたりの自由電子量は2.39×10-4個となる。絶縁物１５中の導電粉体１４の密度は１個／１２５μｍ３であるため、絶縁シート１０中の自由電子の密度ｎｅ=1.9×1017個/m3になる。
【００２８】
電子の質量ｍ=9.11×10-31kg、電子の電荷量ｅ=1.6×10-19C、真空中の誘電率ε0=8.85×10-12F/mである。これらの値と、ｎｅ=1.9×1017個/m3を式（５）に代入すると、ωep2=1.9×1017×(1.6×10-19)2/(8.85×10-12×9.1×10-31)=0.038×1022、ωep=1.9×1010/sとなる。このように、ωepはマイクロ波領域の周波数となる。
【００２９】
ここで、ω＝60Hz（商用周波数）とすると、式（４）により、εω=1-(1.9×1010)2/(2π×60)2=1-2.54×1015=-2.54×1015となり、εr＜-107レベルのマイナスで大きな値である。理論的に大きな値が実現できるが、ここで工業化することを考え、さらに5桁ほどの劣化を考え、εω=-1010とする。
【００３０】
一方、μωを−１０と仮定する。この値は、以下の理由により妥当である。鉄の表面における自由電子密度は、上記したように1.9×1015個/cm2である。これらのうち、不対電子の発生確率を10-1５とすると、鉄の表面における不対電子の密度ｎｐは1.9個/cm2になる。そして、磁束量子χ=2.07×10-10[Wb]、真空中の透磁率μ0=1.25×10-6[N/A-2]のため、式（７）により、ωmp2=1.9×1010×(2.07×10-15)2/(1.25×10-6×9.1×10-31)=7.16×1016/s2、ωep=2.67×108/sという高周波数となる。
【００３１】
ここで、ω＝60Hz（商用周波数）とすると、μω=1-(2.67×108)2/(2π×60)2=1-5.02×1011 =-5.02×1011が得られる。このことから、μω=-10としても、この値が十分可能な値であることが分かる。
【００３２】
εω=-1010である場合、周波数６０Ｈｚでの蓄電シート１における電磁波の波長λ＝3×108/√-10×-1010=１５．８mとなる。このため、蓄電シート１の最小長さλ０．５＝７．９ｍになる。
【００３３】
そしてｗ＝λ／４０＝０．３９５ｍ、ｄ＝１００μｍ＝０．１×１０−３ｍとして、これらの値、μω=-10、及びεω=-1010を式（７）に代入することにより、Ｚ0=3.95×10-3√377×10-9=2.425×10-9Ωが得られる。伝送時間t=0.5/60Hz=8.3msのため、商用電圧100Vとすると、式（２）より、Ｕ＝1.7×1010[J]（ [Ws]）=4.7×106[Wh]が得られる。乗用自動車の60リッターガソリンが500kWhのエネルギのため、その一桁も大きいエネルギ蓄積量となる。
【００３４】
なお、上記した計算例では商用電圧を用いたが、絶縁シート１０の厚みｄ=100μmとしたため、無機物及び有機物のいずれを絶縁シート１０の基材となる絶縁物１５として使用した場合でも耐電圧1000Vは十分可能である。従って、蓄電シート１は安定であり、かつ高信頼度を有する。
【００３５】
以上、本実施形態によれば、蓄電シート１は、端子２１，２２から端部１ｂまでの長さｌがｎλ／２（ｎは整数）である。このため、入力された交流電力は蓄電シート１の中で共振状態となり、入力された交流電力量Ｕがそのまま蓄電される。従って、単位体積あたりの容量が大きくなる。
【００３６】
また、絶縁シート１０として、絶縁物１５中に導電粉体１４を分散させたものを用いている為、蓄電シート１の特性インピーダンスＺ0は小さくなる。従って、蓄電シート１の単位体積あたりの容量はさらに大きくなる。
【００３７】
図４は、本発明の第２の実施形態に係る蓄電池の構成を説明するための平面図である。本図において蓄電シート１はロール状に巻き取られていないが、実際に使用する際にはロール状に巻き取られる。本実施形態に係る蓄電池は、一組の端子２１，２２に２つの蓄電シート１を接続した構成である。本図に示す例において、２つの蓄電シート１は同一の直線上に配置されているが、これに限定されない。平面的なレイアウトにおいて、端子２１，２２は略同じ位置に配置されている。２つの蓄電シート１は、端子２１，２２から端部１ｂまでの長さｌが、それぞれｎλ／２、ｍλ／２（ｎ，ｍは整数）である。なお、ｎ＝ｍであってもよい。２つの蓄電シート１は、端子２１，２２の間の部分で繋がっていても良いが、分離していても良い。
本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】（Ａ）は第１の実施形態に係るキャパシタ型の蓄電池の側面図、（Ｂ）は蓄電池の端部の平面図。
【図２】（Ａ）及び（Ｂ）は絶縁シート１０の構造を説明する為の断面図。
【図３】絶縁シート１０中に導電粉体１４が分散している様子を示す模式図。
【図４】第２の実施形態に係る蓄電池の構成を説明するための平面図。
【符号の説明】
【００４０】
１…蓄電シート、１ａ，１ｂ…端部、１０…絶縁シート、１１，１２…導電膜、１３…絶縁スペーサ−膜、１４…導電粉体、１５…絶縁物、２１，２２…端子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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