JP2012104621A - コンデンサ及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】コンデンサの低抵抗化、接続構造の堅牢化とともに、接続工程の簡略化を図ることにある。
【解決手段】コンデンサ素子(4)の素子端面(5)に前記コンデンサ素子から導出された電極張出し部(陽極部6、陰極部8)と、電極張出し部に設置され、溶接始点(18S)から溶接終点(18E)に至る溶接ライン(18)に連続照射されるビーム出力を段階的又は連続的に異ならせたビーム照射により電極張出し部(陽極部6、陰極部8)に接続された集電板(陽極集電板12、陰極集電板16)とを備えている。
【選択図】図1

Description

本発明は、コンデンサ素子と外部端子との接続に関し、例えば、コンデンサ素子と外部端子の接続に集電板を用いた電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ及びその製造方法に関する。
電気二重層コンデンサ又は電解コンデンサでは、素子と外部端子とを電気的に接続することが必要である。この電気的な接続により、素子側の内部抵抗の低減や、接続部分の接触抵抗を低減させる対策が施されている。
このような電気的接続に関し、素子の端面に集電端子を設けること(例えば、特許文献1)、巻回素子の一方の端面に陽極集電板、他方の端面に陰極集電板を設けること(例えば、特許文献2)、巻回素子の端面に露出した集電箔を覆って集電板を備え、集電板と集電箔とを溶接接続すること(例えば、特許文献3)、また、集電板を外装ケースと素子との接続や外部端子との接続に用いること(例えば、特許文献4)が知られている。
特開平11−219857公報 特開2001−068379公報 特開2007−335156公報 特開2010−093178公報
ところで、巻回型素子の各端面に集電体を備える構成では、巻回素子を外装する外装部材に陽極側及び陰極側の外部端子を隣接して設置した場合には、各外部端子と集電体との間に接続距離を確保する必要がある。また、巻回型素子では、内側部分と外側部分との間で内部抵抗の分布が異なるため、その対策が必要となり、素子と集電体との接続に注意を払う必要がある。また、集電体を用いた構造では素子の内部抵抗を低減できるが、外部端子と素子との間に介在する集電体に製造途上で加わる応力によっては接続の信頼性低下や接続抵抗が大きくなる場合がある。
また、このような集電体を用いる場合、コンデンサ素子から引き出された電極体の張り出し部が多いほど内部抵抗が下がるので、内部抵抗を低下させるにはその張出し部を多くすればよい。このような張出し部に集電体を溶接する場合、溶接条件によっては、厚みの薄い張り出し部には均一に熱が伝わりにくく、加熱にムラを生じると、均一な溶融状態が得られず、内部抵抗の低下が得られない、溶接部分の機械的強度が低下する等の課題があった。
斯かる要求や課題について、特許文献1〜4にはその開示や示唆はなく、それを解決する構成等についての開示や示唆はない。
そこで、本発明の目的は、上記課題に鑑み、コンデンサの低抵抗化、接続構造の堅牢化とともに、接続工程の簡略化を図ることにある。斯かる目的を詳細に述べれば、電極張出し部と集電板との接続の安定化を図り、コンデンサ素子の低抵抗化とともに、接続強度を高めたコンデンサを提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明のコンデンサは、コンデンサ素子の素子端面に前記コンデンサ素子から導出された電極張出し部と、前記電極張出し部に設置され、溶接始点から溶接終点に至る溶接ラインに連続照射されるビーム出力を段階的又は連続的に異ならせたビーム照射により前記電極張出し部に接続された集電板とを備えている。
上記目的を達成するためには、上記コンデンサにおいて、前記集電板は、前記溶接ラインに照射される前記ビーム出力が前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定されて前記電極張出し部に接続されてもよい。
上記目的を達成するため、本発明のコンデンサの製造方法は、前記コンデンサ素子から導出した電極張出し部を前記コンデンサ素子の素子端面に形成する工程と、前記電極張出し部に集電板を設置し、該集電板に溶接始点から溶接終点に至る溶接ラインを設定し、この溶接ラインに連続照射されるビーム出力を段階的に又は連続的に異ならせたビーム照射により前記電極張出し部に集電板を接続する工程とを含んでいる。
上記目的を達成するためには、上記コンデンサの製造方法において、前記集電板に照射する前記ビーム出力は、前記溶接ラインの前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定するとよい。
上記目的を達成するためには、上記コンデンサの製造方法において、前記集電板に照射する前記ビーム出力は、前記溶接ラインの前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定し、前記溶接始点から前記溶接終点に段階的又は連続的に減衰させるとよい。
上記目的を達成するためには、上記コンデンサの製造方法において、前記ビームは、ファイバーレーザビームであってもよい。
本発明のコンデンサ又はその製造方法によれば、次の何れかの効果が得られる。
(1) コンデンサ素子の素子端面に引き出された電極張出し部と、外部端子との間に集電板を備えて接続したので、コンデンサ素子の低抵抗化を図ることができる。
(2) コンデンサ素子の素子端面に引き出された電極張出し部と、外部端子との間に集電板を備えた接続構造であるから、コンデンサ素子の電極張出し部と外部端子との接続構造を堅牢化できる。
(3) 上記構造により、集電板を介在させて外部端子とコンデンサ素子の電極張出し部との接続が簡易化でき、接続工程の簡略化を図ることができる。
(4) 集電板やコンデンサ素子の電極張出し部の形状等に応じて、溶接ラインに対するビーム出力を段階的又は連続的に異ならせること、さらには前記溶接ラインの前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定することで、集電板や電極張出し部との接続性を向上させることができ、安定した溶接接続を実現できる。
(5) 集電板とコンデンサ素子の電極張出し部とのビーム溶接の始点から終点に至る溶接ラインに対するビーム出力を段階的又は連続的に減衰させたので、集電板及び電極張出し部に加えられる溶接エネルギーを均一化でき、接続性を向上させることができ、安定した溶接接続を実現できる。
(6) ファイバーレーザビームを用いれば、ビーム出力を容易に調整でき、所望のビーム出力に連続的又は段階的に減衰させることができ、ビーム照射の連続化により、溶接ムラの発生を防止できる。
そして、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面及び各実施の形態を参照することにより、一層明確になるであろう。
第1の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの一例を示す平面図である。 図1に示す電気二重層コンデンサのII−II線断面図である。 電気二重層コンデンサを示す分解斜視図である。 一部を分解したコンデンサ素子の一例を示す斜視図である。 コンデンサ素子の電極、セパレータの大小関係及び配置を示す図である。 第2の実施の形態に係る電気二重層コンデンサの製造工程の一例を示すフローチャートである。 電極部の成形前後を示す図である。 集電板の一例を示す図である。 コンデンサ素子の電極部と集電板の溶接を示す図である。 溶接ライン、レーザ出力及び出力波形を示す図である。 コンデンサ素子、集電板及び外部端子の接続状態を示す図である。 第3の実施の形態に係るコンデンサ素子の電極部と集電板の溶接を示す図である。 溶接ライン、レーザ出力及び出力波形を示す図である。
〔第1の実施の形態〕
第1の実施の形態は、コンデンサ素子の電極張出し部に集電板がレーザ溶接により接続されたコンデンサであって、レーザ照射(ビーム照射の一例)の始点から終点に至る溶接ライン上でレーザ出力(ビーム出力の一例)を段階的又は連続的に異ならせたレーザ溶接を用いている。
このコンデンサについて、図1、図2及び図3を参照する。図1は封口側から見た電気二重層コンデンサの一例、図2は図1のII−II線断面、図3は分解した電気二重層コンデンサの各部材の一例を示している。図1〜図3に示す構成は一例であって、斯かる構成に本発明は限定されない。
この電気二重層コンデンサ(以下、単に「コンデンサ」と称する。)2は、本発明のコンデンサの一例である。図1及び図2に示すコンデンサ2では、コンデンサ素子4の同一の素子端面5に陽極部6と陰極部8が形成されている。素子端面5は、コンデンサ素子4のセパレータ40、42(図4)で覆われている。陽極部6及び陰極部8は、コンデンサ素子4の電極体で構成された電極張出し部の一例である。
陽極部6には陽極端子10が陽極集電板12を介在させて接続され、また、陰極部8には陰極端子14が陰極集電板16を介在させて溶接接続部15で接続されている。これらの接続にはビーム照射による溶接として例えば、レーザ溶接や電子ビーム溶接が用いられ、溶接ライン18(図3)はレーザ照射接続部である。この実施の形態では、溶接ライン18には始点18Sと終点18Eが設定され、溶接ライン18に照射されたレーザ出力が始点18Sから終点18Eに向かって段階的又は連続的に異ならせてレーザ溶接が行われている。また、陽極端子10及び陰極端子14は外部端子の一例である。
コンデンサ素子4は円筒体であって、一方の素子端面5より、陽極体60(図4)を引き出して陽極部6が形成され、陰極体80(図4)を引き出して陰極部8が形成されている。陽極部6と陰極部8との間には素子端面5上に絶縁間隔19が設定されて絶縁されているとともに、この絶縁間隔19の位置で陽極集電板12と陰極集電板16の間にも絶縁間隔21が設定されている。また、コンデンサ素子4の周囲には保持テープ23が巻回され、陽極体60や陰極体80の巻き戻りが防止されている。
コンデンサ素子4の外装部材として外装ケース20及び封口板22が備えられ、外装ケース20は例えばアルミニウム等の成形性のある金属材料からなる成形体である。封口板22は外装ケース20の開口部を閉止し、空間部24の気密性を保持する手段であるとともに、陽極端子10及び陰極端子14を固定する固定部材であり、コンデンサ素子4の支持部材を構成する。この実施の形態では、封口板22にベース部26と、封止部28とが備えられる。ベース部26は絶縁材料である例えば、合成樹脂で形成され、陽極端子10及び陰極端子14が固定されるとともに、絶縁されている。封止部28は密閉性の高い材料例えば、ゴム環で構成されている。
この封口板22は、外装ケース20の開口部30(図3)に挿入されるとともに、開口部30側の中途部に形成された加締め段部32に位置決めされている。外装ケース20の開口端部34及びその近傍がカーリング処理により加締められ、封止部28に食い込ませられている。これにより、外装ケース20が強固に封止されている。そして、封口板22のベース部26には、図2及び図3に示すように、透孔36が形成されるとともに、薄ゴムからなる圧力開放機構38が形成されている。この実施形態では、陽極集電板12と接続された陽極部6、及び陰極集電板16と接続された陰極部の外周部には絶縁手段17が設置されている。この絶縁手段17によってコンデンサ素子2と外装ケース20との絶縁が図られている。この絶縁手段17には例えば、絶縁紙や絶縁テープ等の絶縁材料を用いればよい。
次に、コンデンサ素子4について、図4及び図5を参照する。図4は一部を分解して示したコンデンサ素子、図5はコンデンサ素子の電極、セパレータの大小関係及び配置を示している。
このコンデンサ素子4は、図4に示すように、陽極体60と、陰極体80と、セパレータ40、42とを備え、陽極体60と陰極体80との間には両者間を絶縁するセパレータ40、42のそれぞれが挟み込まれて巻回され、円筒状の巻回素子を構成している。陽極体60及び陰極体80にはベース材44に例えば、アルミニウム箔が用いられ、このベース材44の両面に活性炭等の活物質及び結着剤等を含む分極性電極46とともに未塗工部48が形成されている。未塗工部48は分極性電極46が形成されていない部分であって、陽極部6又は陰極部8に加工する部分である。
また、このコンデンサ素子4では、同一端面側に形成された陽極部6と陰極部8との間には一定幅で既述の絶縁間隔19を形成するための絶縁間隔25が設けられている。この絶縁間隔25は、成形前の直立状態にある陽極部6及び陰極部8の対向間隔である。陽極部6は例えば、陽極体60のベース材44で形成され、同様に陰極部8も陰極体80のベース材44で形成されている。陽極体60及び陰極体80がアルミニウムで形成される場合、陽極部6及び陰極部8は、分極性電極46を形成していないアルミニウム面を露出させたベース部44の部分即ち、既述の未塗工部48の一部で形成される。
陽極部6又は陰極部8が形成される幅は、絶縁手段であるセパレータ40、42の幅より縁部側に突出させて配置され、各陽極部6又は陰極部8の円弧長に対応する長さLに形成されている。各陽極部6又は陰極部8は、陽極集電板12又は陰極集電板16との接続前に、図2(又は図7のB)に示すように、加工してコンデンサ素子4の素子端面に密着状態に形成される。
このコンデンサ素子4について、図5に示すように、陽極体60及び陰極体80の幅W1 、セパレータ40、42の幅をW2 、分極性電極46の幅をW3 、既述の未塗工部48の幅をW4 、セパレータ40、42から露出する陽極部6及び陰極部8の幅をW5 、幅W4 のセパレータ40、42が重なり部分の幅をW7 、素子端面5と反対側の素子端面の形成幅をW6 、陽極部6及び陰極部8の折り幅をW8 とすると、一例としてこれらの大小関係は、
1 >W2 >W3 >W4 >W5 >W8
であり、また、W6 =W7 に設定される。幅W5 には折り幅W8 から内側に屈曲させるための折り目線50が形成されている。
これらの幅W1 、W2 、W3 、W4 、W5 、W6 、W7 、W8 を例示すれば、W1 =100〔mm〕、W2 =99〔mm〕、W3 =89〔mm〕、W4 =11〔mm〕、W5 =6〔mm〕、W6 =W7 =W8 =5〔mm〕である。
このような配置からコンデンサ素子4の素子端面5は、コンデンサ素子4から露出したセパレータ40、42の縁部によって形成される。そして、素子端面5から一定の幅を持って形成される折り目線までの寸法は0.5〔mm〕〜3〔mm〕が好ましく、また、素子端面5からの陽極部6及び陰極部8の張り出し長寸法(W5 )は、3〔mm〕〜10〔mm〕とすることが好ましい。
このコンデンサ2について、特徴事項や利点を以下に列挙する。
(1) コンデンサ素子4の素子端面5には電極張出し部である陽極部6と陰極部8とが形成され、陽極部6には陽極集電板12、陰極部8には陰極集電板16が重ねられて溶接により接続され、コンデンサ素子4及び電気二重層コンデンサ2の低抵抗化が図られている。
(2) コンデンサ素子4の素子端面5に陽極部6及び陰極部8が平坦化され、陽極集電板12、陰極集電板16を介して陽極端子10及び陰極端子14が接続されているので、これら接続等に用いられる空間部24を狭小化でき、該空間部が電気二重層コンデンサ2に閉める割合を小さくでき、しかも接続の強化、接続の信頼性向上を図ることができる。
(3) コンデンサ素子4の陽極部6と陽極集電板12、陰極部8と陰極集電板16とを備えた接続構造であるから、接続の簡略化とともに、接続構造の堅牢化を図ることができる。
(4) 上記構造により、陽極集電板12、陰極集電板16を介在させて封口板22にある陽極端子10及び陰極端子14の接続が容易化でき、接続工程を簡略化とともに、接続処理を短時間で行うことができ、製造コストの低減を図ることができる。
(5) 陽極集電板12、陰極集電板16やコンデンサ素子4の陽極部6、陰極部8の形状に応じて、溶接ラインに対するビーム出力を段階的又は連続的に異ならせることで、陽極集電板12、陰極集電板16や陽極部6、陰極部8との接続性を向上させることができ、安定した溶接接続を実現できる。
〔第2の実施の形態〕
第2の実施の形態は、コンデンサ素子4の素子端面5に陽極部6と陰極部8を形成し、陽極部6に陽極集電板12を、陰極部8に陰極集電板16をそれぞれ溶接して接続する工程を含む電気二重層コンデンサ2の製造方法を開示している。接続工程では、集電板に溶接始点から溶接終点に至る溶接ラインを設定し、この溶接ラインに照射されるビーム出力を段階的及び連続的に異ならせてビーム照射を行っている。
この製造工程について、図6、図7、図8、図9、図10及び図11を参照する。図6は電気二重層コンデンサの製造工程の一例、図7は電極部の成形前及び成形後の一例、図8は集電板の一例、図9は集電板の溶接の一例、図10は溶接ライン、レーザ出力及びレーザ出力波形の一例、図11は集電板と外部端子の接続処理の一例を示している。
このコンデンサ2の製造工程は、本発明のコンデンサの製造方法の一例であって、この製造工程には、図6に示すように、コンデンサ素子4の形成工程(ステップS11)、電極部の形成工程(ステップS12)、第1の接続工程(電極部と集電板の溶接工程)(ステップS13)、第2の接続工程(集電板と外部端子の溶接工程)(ステップS14)、電解液含浸及び封入工程(ステップS15)が含まれる。
(1) コンデンサ素子4の形成工程(ステップS11)
このコンデンサ素子4の形成工程には、電極体の形成工程及びコンデンサ素子4の巻回工程が含まれる。電極体の形成工程では、陽極側又は陰極側の電極体として陽極体60、陰極体80が形成される。これら陽極体60及び陰極体80には、ベース材44に例えば、アルミニウム箔が用いられる。ベース材44は同一幅の帯状体であって、このベース材44の両面に活性炭等の活物質及び結着剤等を含む分極性電極46を形成する。この分極性電極46の形成の際、ベース材44には、一方の縁部側に一定幅の未塗工部48が形成され、この未塗工部48は分極性電極42の非形成部分である。この未塗工部48が既述の電極張出し部であり、この未塗工部48で陽極部6又は陰極部8が形成される。
陽極体60には巻回方向に幅の異なる複数の陽極部6が形成され、図7に示すように、陰極体80には幅の異なる複数の陰極部8が形成される。各陽極部6はコンデンサ素子4の素子端面5に半周毎に引き出されるように異なる間隔で形成する。また、各陰極部8もコンデンサ素子4の素子端面5に半周毎に引き出され、陽極部6と陰極部8との間には既述の絶縁間隔19が設定される。
コンデンサ素子4の巻回工程では、図示しない巻軸が用いられ、図4に示すように、陽極体60及び陰極体80が、これらの間にセパレータ40、42を介在させて巻回され、巻回素子であるコンデンサ素子4が形成される。このコンデンサ素子4の一方の素子端面5には、既述の通り、半周毎に陽極部6と陰極部8とが形成されている。
陽極部6又は陰極部8の形成部は、絶縁手段であるセパレータ40、42の幅より大きく設定され、各陽極部6又は陰極部8の円弧長に対応する長さLに形成されている。素子端面5は、コンデンサ素子4の端面に露出するセパレータ40、42の縁部によって形成される。
(2) 電極部の形成工程(ステップS12)
この電極部の形成工程では、陽極集電板12又は陰極集電板16との接続前に、陽極部6又は陰極部8をコンデンサ素子4の素子端面5上に成形加工する。
既述の工程で巻回されたコンデンサ素子4の素子端面5には図7のAに示すように、電極張出し部としての陽極部6と陰極部8が立設されている。これら陽極部6と陰極部8との間には所定幅の絶縁間隔25が設定されている。この絶縁間隔25の幅Waは、折り曲げられた陽極部6と陰極部8との絶縁間隔19の幅Wbより広く(Wa>Wb)設定されている。また絶縁間隔25の幅Waと前述の陽極部6及び陰極部8の折り幅をW8 の大小関係は、Wa>W8 である。この絶縁間隔25の中心にY軸、このY軸と直交方向にX軸を取り、X軸を中心に左右に角度θ1 、θ2 (>θ1 )を設定して区画する。角度θ1 でコンデンサ素子4の巻回中心部(巻芯部)52を中心に放射状方向に複数の切込み54を入れ、各切込み54により陽極部6及び陰極部8をそれぞれ複数の例えば、3区分に区画された区画部6A、6B、6Cが陽極部6側に形成されている。同様に、複数の陰極部8側にも複数の区画部8A、8B、8Cが形成されている。角度θ1 を例えば、33〔°〕に設定すれば、区画部6A、8Aは2θ1 =66〔°〕となり、区画部6Aを挟んで形成された区画部6B、6C又は区画部8Aを挟んで形成された区画部8B、8Cの角度θ2 は、θ2 =57〔°〕に設定されている。各区画部の区分角度は同一角度でもよいし、異なってもよい。
切込み54の深さは例えば、張出し長を陽極部6と陰極部8の高さh1 に設定され、陽極部6の区画部6A、6B、6C、陰極部8の区画部8A、8B、8Cを中途部で屈曲させ、コンデンサ素子4の巻芯方向に押し倒して圧縮成形することにより、図7のBに示すように、各区画部6A、6B、6C、陰極部8の区画部8A、8B、8Cに成形される。この実施の形態では、各区画部6B、6C及び区画部8B、8Cが溶接部分に設定されている。そこで、区画部6A、8Aの突出高さh2 が各区画部6B、6C、8B、8Cの高さh3 より高く設定され、区画部6A、6B、6C及び陰極部8の区画部8A、8B、8Cの高さを陽極集電板12及び陰極集電板16の屈曲形状に対応させている。なお、コンデンサ素子4の陽極部6及び陰極部8は、この様にコンデンサ素子4の中心方向に向かって陽極部6及び陰極部8全体を圧縮成形することで、高さ寸法を抑制している。この実施の形態では、陽極部6の区画部6B、6Cを圧縮形成して、安定した平坦状の接続面(即ち、溶接面)を形成し、その後非接続面である区画部6Aを圧縮成形し、区画部6A−6B間、区画部6A−6C間の重なりによって生じる境界部の高さ寸法が抑制されている。
各陽極部6及び各陰極部8の成形工程において、コンデンサ素子4の巻回後、素子端面5に露出する陽極部6、陰極部8は、巻回中心部52を中心にして対向方向に折り曲げられた状態で対向している。そこで、図7のBに示すように、巻回中心部52側に折り曲げ、既述の区画部6A、8Aを形成する。これら陽極部6及び陰極部8の折り曲げは既述の折り目線50(図5)で行う。
この折り目50はキズではなくケガキ線であって、陽極部6及び陰極部8の折り曲げ時の座屈を防止することができる。この折り目線50は溝であり、断面形状は三角、四角又は湾曲(R)であってもよい。この折り目線50の形成には例えば、プレス、レーザ、切削等の方法を用いればよい。折り目線50は図5に示すように1本であってもよいが、未途工部48の幅に応じて複数本としてもよい。折り目線50の形成面部は、未塗工部48の片面でもよいが、両面であってもよい。一例としての折り目線50は、素子端面5の巻回中心部52に対向する面が谷折りになるように形成されている。
(3) 第1の接続工程(ステップS13)
この接続工程では、コンデンサ素子4の素子端面5に形成された陽極部6に陽極集電板12、陰極部8に対して陰極集電板16の各接続を行う。
陽極部6に接続される陽極集電板12、陰極部8に接続される陰極集電板16は、図8のAに示すように、電極材料と同一の例えば、アルミニウム板で形成され、既述の陽極部6の区画部6A、6B、6C(図7)を覆い、区画部6B、6Cとのレーザ溶接面積を持ち、且つ陽極端子10とのレーザ溶接面積を持つ形状及び面積を備えている。この実施の形態では、コンデンサ素子4の素子端面5の2分の1の大きさであって、既述の絶縁間隔21が確保される形状として、ほぼ半円形板である。
陽極集電板12又は陰極集電板16には、弦側中心部にコンデンサ素子4の巻回中心部52に対応して円弧状切欠部58が形成され、その弧側には、X軸を中心にX軸と直交方向に直線状に切り落とされた接続面部61が形成されている。また、この陽極集電板12又は陰極集電板16には、円弧状切欠部58を中心即ち、X軸を中心に左右に角度θ1 を持って直角に屈曲させた段部62を以て円弧状の端子接続部12A(16A)及び素子接続部12B、12C(16B、16C)が形成されている。各端子接続部12A及び素子接続部12B、12Cは、それぞれ平坦面に形成され、段部62を挟んで平行面を構成している。端子接続部12A(16A)の下面にはコンデンサ素子4の区画部6A(8A)が設置され、素子接続部12B、12C(16B、16C)の下面にはコンデンサ素子4の区画部6B、6C(8B、8C)が設置される。
この陽極集電板12において、端子接続部12Aの高さをh4 、陽極集電板12の厚さをt、端子接続部12Aの内側の高さをh5 とすると、
5 =h4 −t≧h2 −h3 ・・・(1)
に設定されている。従って、端子接続部12Aの内側の高さをh5 は、区画部6A、8Aの突出高さh2 と各区画部6B、6C、8B、8Cの高さh3 との差分Δh(≧h2 −h3 )を吸収し、陽極集電板12が各区画部6B、6Cに密着し、且つ区画部6Aを収納して設置される。なお、陽極集電板12の厚さtは、陽極集電板12の素子接続部12B、12Cと端子接続部12Aの部位で厚さを変更することもできる。例えば、端子接続部12Aの厚みを素子接続部12B、12Cに比べて厚く設定(1.2倍以上)することができ、これによると陽極部6とのレーザ溶接の際に素子接続部12B、12Cに生じる発熱が所定厚みを有する端子接続部12Aによって吸収され、レーザ溶接の接続精度が向上する。このような構成及び他の部材との関係については、陰極集電板16についても同様である。
次に、陽極集電板12及び陰極集電板16は図9に示すように、コンデンサ素子4の一端面に巻回中心部52を中心にし、且つ巻回中心部52に円弧状切欠部58を合わせて配置され、陽極部6と陰極部8との間の絶縁間隔19に対応する絶縁間隔21が設定されている。陽極集電板12には、端子接続部12Aの下面側にコンデンサ素子4の陽極部6の区画部6A、陽極集電板12の素子接続部12B、12Cの下面側にコンデンサ素子4の陽極部6の区画部6B、6Cが位置決めされて密着させられる。そして、溶接ライン18に示すように、コンデンサ素子4の周縁方向から巻芯方向に向かうレーザ照射により、区画部6B、6C及び素子接続部12B、12Cを部分的又は全面的に溶融させ、接続している。このような接続は陰極集電板16側でも同様である。なお、陽極部6と陰極部8との間の絶縁間隔19の幅をWbとし、陽極集電板12と陰極集電板16との間の絶縁間隔21の幅をWcとし、少なくとも巻回中心部52付近における大小関係をWb>Wcとしている。このように、陽極集電板12と陰極集電板16との間の絶縁間隔21の幅Wcを小さくすることで、素子端面に圧縮成形された陽極部6及び陰極部8の各区画部(特に各区画部の巻回中心部52付近)が各集電板によって覆われるため、レーザ照射により陽極部8及び陰極部8が各集電板と確実に溶接される。なお、陽極部6と陰極部8との間の絶縁間隔19の幅Wbは、3〔mm〕〜15〔mm〕に設定している。
レーザ照射の部位は、この実施の形態では、陽極集電板12及び陰極集電板16の段部62で隔てた素子接続部12B、12Cの各2箇所即ち、溶接ライン18は、レーザ照射接続部である。この場合、レーザ照射部である溶接ライン18に付した矢印〔I〕、〔II〕、〔III 〕及び〔IV〕で示すように、レーザ照射を行う。このレーザ照射は、シールドガスにアルゴンガス、ヘリウムガス等の不活性ガスを用いてコンデンサ素子4をシールドし、コンデンサ素子4に対するレーザ熱やスパッタの影響を回避する。各溶接ライン18において、18Sは溶接始点、18Eは溶接終点である。溶接始点18Sは、レーザビームの照射開始位置であり、溶接終点18Eはレーザビームの照射終点位置である。
〔I〕このレーザ照射は、コンデンサ素子4の外周側より、溶接ライン18に沿って素子中心方向に向かって直線状に一方の陽極集電板12の素子接続部12Bに照射する。
〔II〕次に、巻回中心部52を隔てて対向する他方の陰極集電板16の素子接続部16Bに素子中心側より、素子外周方向に向かって直線上にレーザ照射することにより、一連の動作にて溶接される。
〔III 〕また、同じく、レーザ照射は、コンデンサ素子4の外周側より、素子中心方向に向かって直線状に一方の陽極集電板12の素子接続部12Cに照射する。
〔IV〕巻回中心部52を隔てて対向する他方の陰極集電板16の素子接続部16Cにコンデンサ素子4の巻回中心部52側より素子外周側に向かって直線上にレーザを照射する一連の動作にて溶接される。
このようなレーザ照射において、〔I〕及び〔II〕の一連の動作を2回繰り返し、又は、レーザ照射の〔I〕ないし〔IV〕の一連の動作を2回繰り返し、近傍に溶接部を配することで接続抵抗を更に低減することも可能である。レーザ照射の〔I〕及び〔II〕の一連の動作にて接続することも可能であるが、陽極集電板12、陰極集電板16の各素子接続部12B、12Cを、それぞれ素子中心部52側より素子外周側に向かって直線上に照射する等、個別に接続することもできる。
このように、巻回中心部52を隔てて直線状にレーザ照射する一連の動作にて、陽極部6と陽極集電板12、陰極部8と陰極集電板16とが接続される。つまり、陽極部6及び陰極部8と各集電板12、16とを巻回中心部52を隔ててコンデンサ素子4の直径方向に向かう溶接ライン18を設定して溶接するので、陽極部6及び陰極部8と各集電板12、16との接続のための溶接の時間短縮を図ることができ、製造工程の簡略化を図ることができる。
このレーザ照射による溶接について、図10を参照すると、図10のAは、陽極集電板12又は陰極集電板16上の溶接ライン18である。この溶接ライン18の溶接始点18Sと溶接終点18Eとの間を区間a、b、c及び溶接終点18E外に区間dを設定している。
このレーザ溶接には、ビーム照射手段の一例としてファイバーレーザ照射装置64が用いられ、溶接ライン18はレーザ照射による溶接部である。この場合、アルゴンガス又はヘリウムガス等のシールドガスが使用され、溶接処理が行われる。
このレーザ照射装置64のレーザ照射では、一定の照射速度で、溶接ライン18にビーム出力を段階的及び連続的に異ならせている。この実施の形態では、図10のBに示すように、レーザ出力Pが区間aではレーザ出力Pa、区間bではレーザ出力Pb(<Pa)の一定値に設定され、区間cではレーザ出力Pbからレーザ出力Pc(<Pb)に減衰させている。区間aのレーザ出力Paは最も高い値に設定され、一例として50W〜3000〔W〕である。区間bのレーザ出力Pbはレーザ出力Paより小さく、レーザ出力Paの90%以下のレーザ出力としている。また、区間cのレーザ出力Pcはレーザ出力Pbより小さい値であって、レーザ出力Paの80%以下のレーザ出力としている。この場合、図10のBは横軸を距離〔mm〕で表している。
溶接始点18Sで照射するレーザ出力Paが最も高い値に設定され、その照射区間aは区間bより短い時間に設定されている。区間aの後、レーザ出力Pbのレーザ照射の区間bは最も長く設定されている。また、区間cは区間bより短い時間に設定され、この区間cにおいて、レーザ出力Pbをレーザ出力Pcに直線的に減衰させている。このように溶接始点及び溶接終点近傍において、レーザ出力を減衰させるとよい。つまり少なくともレーザ出力の減衰が2区間以上あることが好ましい。
溶接ライン18に対するレーザ走査の速度は、一定速度であって、例えば、300〔mm/秒〕〜3000〔mm/秒〕から選択される一定速度とすればよいが、区間に応じて走査速度を変更してもよい。
(4) 第2の接続工程(ステップS14)
次に、陽極集電板12及び陰極集電板16が接続されたコンデンサ素子4には、図11に示すように、封口板22にある陽極端子10、陰極端子14が位置決めされる。陽極端子10及び陰極端子14には端子側接続面70が形成され、この端子側接続面70は、陽極集電板12及び陰極集電板16にある接続面部61と同一面を形成する側壁面である。そこで、これら接続面部61及び端子側接続面70を合致させ、レーザー照射により、接続面部61及び端子側接続面70間を溶着させることができる。
ここで、コンデンサ素子4と封口板22との間隔(距離)を長く取ると、その分抵抗が増えてしまうとともに、電気二重層コンデンサ2の高さ寸法が大きくなってしまうため、コンデンサ素子4と封口板22との間隔(距離)を極力短くしている。このような小スペースにおいて、陽極端子10及び陰極端子14と、陽極集電板12及び陰極集電板16とを接続するために、既述の通り、接続面部61及び端子側接続面70を一致した共通の面部とし、この部位に局所的に溶接可能なレーザ照射72にて溶接することで溶接の簡易化及び強化が図られている。ここで、陽極集電板12及び陰極集電板16、陽極端子10及び陰極端子14の厚み(接続面部61及び端子側接続面70の高さ寸法)は、それぞれ0.5〔mm〕〜5〔mm〕の範囲で設定されており、これによると、レーザ溶接が可能な寸法で且つ内部抵抗が増大され難く、また、電気二重層コンデンサ2の高さ寸法を短くすることができる。
また、接続面部61及び端子側接続面70は、レーザ照射の際に他の部材(陽極部6や陰極部8)への過剰なストレスを防ぐためにも、コンデンサ素子4の外周面近傍に設置されることが好ましく、具体的には、コンデンサ素子4の外周面より、例えば、10〔mm〕以内とすることが好ましい。
また、陽極集電板12、陰極集電板16において、コンデンサ素子4の陽極部6及び陰極部8との接続領域と、陽極端子10と陰極端子14との接続領域とが異なる位置に設定されているので、各電極部と集電板、各外部端子と集電板との接続を安定化させることができ、コンデンサ素子の低抵抗化とともに接続の強化を図ることができる。
従って、コンデンサ素子4の陽極部6には陽極集電板12を介して外部端子である陽極端子10がレーザ照射72を以て接続され、また、コンデンサ素子4の陰極部8には陰極集電板16を介して外部端子である陰極端子14がレーザ照射を以て接続され、コンデンサ素子4に外部端子が形成される。
このように、コンデンサ素子4の陽極部6及び陰極部8と陽極集電板12及び陰極集電板16との接続部位と、陽極端子10と陰極端子14と陽極集電板12及び陰極集電板16との接続部位が別途設定されているので、レーザ溶接時の接続の安定性が向上させることができる。
なお、コンデンサ素子4の最外周では、陽極部6及び陰極部8の圧縮成形時にずれ等が生じても、陽極部6及び陰極部8が外装ケース20に接触しないように、陽極部6と陽極集電板12及び陰極部8と陰極集電板16の外周面に絶縁紙や絶縁テープ等の絶縁手段17を設置すれば、該陽極部6及び陰極部8に加え、陽極端子10、陰極端子14、陽極集電板12、陰極集電板16を覆うように外周に沿って設置され外装ケース20との絶縁をより強化することができる。
(7) 電解液含浸及び封入工程(ステップS15)
コンデンサ素子4は、電解液を含浸した後、外装ケース20に収容し、外装ケース20の開口端部34のカーリング処理により封止し、製品である電気二重層コンデンサ2(図1)が完成する。
このような製造工程によれば、既述のコンデンサ2を容易に製造でき、端子接続工程の簡略化を図ることができ、第1の実施の形態で述べた通りの効果を有するコンデンサを実現できる。
以上説明した第2の実施の形態のコンデンサ2の製造方法について、特徴事項や利点を以下に列挙する。
(1) コンデンサ素子4の一端面側に陽極体60のベース材44で陽極部6、陰極体80のベース材44で陰極部8が形成され、陽極部6と陽極端子10とが陽極集電板12を介して接続され、陰極部8と陰極端子14とが陰極集電板16を介して接続されるので、端子接続のシンプル化が図られている。しかも、接続を容易化することができる。
(2) 外装ケース20の空間部24内に接続部の占める空間専有率が極めて低い。
(3) 外装部材である封口板22には、コンデンサ素子4が強固に支持されている。即ち、陽極端子10及び陰極端子14に陽極集電板12、陰極集電板16を介してコンデンサ素子4の陽極部6及び陰極部8のレーザ溶接により、強固に固定されるので、コンデンサ素子4の支持強度が高められている。この結果、機械的に堅牢な支持構造が構成され、製品の耐震性を高めることができる。
(4) 巻回素子であるコンデンサ素子4に巻回されている陽極体60から複数の側縁部を集合させて陽極部6が形成され、この陽極部6を陽極集電板12にレーザ溶接し、同様に、陰極体80から複数の側縁部を集合させて陰極部8が形成され、この陰極部8を陰極集電板16にレーザ溶接しているので、コンデンサ素子4及び電気二重層コンデンサ2の低抵抗化を図ることができ、等価直列抵抗の低い製品を提供できる。
(5) 陽極集電板12及び陰極集電板16を用いたので、コンデンサ素子4にタブを接続する必要がない。
(6) 陽極集電板12又は陰極集電板16と外部端子(陽極端子10又は陰極端子14)との側面の同一面化しているので、両者に対するレーザ照射を安定でき、接続の完全化及び信頼性を高めることができる。
(7) レーザ照射時にシールドガスを用いるので、レーザ熱や、飛翔するスパッタからコンデンサ素子4を防護でき、コンデンサ素子4及び製品であるコンデンサ2の特性劣化を防止でき、信頼性を向上させることができる。
(8) 電極箔からの張出し部が多いほど内部抵抗が下がるので、張出し部を多くすると巻回、積層した際に、張出し部が複数重なることになり、精度良く折り曲げるのは困難であるが、また、巻回素子においては、円周上に連続した張出し部を設けた場合は、折り曲げた際にシワが発生しやすく、集電板との接続が困難となるのに対し、既述のように、張り出し部を精度良く折り曲げることで、集電板との接続を安定させ、低抵抗のコンデンサを提供することができる。
(9) 折り目位置を素子端面から所定寸法離間させることで、集電板とのレーザ溶接の際に、素子側へのレーザ熱やスパッタが飛ぶことがなく、素子への影響が少なくてすむ。
(10) コンデンサ素子を形成する前に予め張り出し部に折り目を形成することで、折り目の形成が容易となる。
(11) 電極箔(未塗工部)に折り目を付け、その後、電極箔の端部を切り出して、張り出し部とすることで、電極張出し部でずれることがないという効果も得られる。
(12) 陽極集電板12又は陰極集電板16とコンデンサ素子4の陽極部6又は陰極部8とのレーザ溶接の始点18Sから終点18Eに至る溶接ライン18に対するレーザ出力を段階的及び連続的に減衰させたので、集電板及び電極張出し部に加えられる溶接エネルギーを均一化でき、接続性を向上させることができる。
レーザ照射の始点18Sではレーザ出力を高く設定し、高いレーザ出力エネルギーでレーザ照射を行う。レーザ照射を受けた陽極集電板12又は陰極集電板16及び陽極部6又は陰極部8の溶接ライン18及びその近傍部が加熱される。即ち、レーザ照射を溶接ライン18に沿って行えば、レーザ照射の走査に応じて加熱がその走査とともに連鎖状態で移動するので、レーザ出力を同一に設定しなくても、連鎖的に溶融状態となる。このため、レーザ出力を段階的及び連続的(上記実施の形態)、段階的又は連続的に減衰させても、溶接部に加わるレーザ照射による熱エネルギーは均一化する。このため、陽極集電板12又は陰極集電板16と陽極部6又は陰極部8との接続性が向上する。
仮に、レーザ出力を一定に維持した場合には、熱エネルギーが過度となる場所が生じ、電極張出し部を形成している電極が薄いことから、過度の熱エネルギーの集中で溶融ムラを生じ、集電板と電極張出し部との接続性が不安定化するが、斯かる不都合をレーザ出力の減衰によって回避できる。
〔第3の実施の形態〕
第3の実施の形態は、陽極部6に対する陽極集電板12の各溶接箇所、陰極部8に対する陰極集電板16の各溶接箇所の隣接箇所に複数の溶接ラインを設定し、溶接を多重化した電気二重層コンデンサ2の製造方法を開示している。この実施の形態においても、接続工程では、集電板に溶接始点から溶接終点に至る溶接ラインを設定し、この溶接ラインに照射されるビーム出力を段階的及び連続的に異ならせてビーム照射を行う。
このコンデンサ2の製造工程について、図12及び図13を参照する。図12及び図13は集電板の溶接の一例を示している。
第2の実施の形態のように、レーザ照射の〔I〕ないし〔IV〕の連続動作について、同一箇所を連続してレーザ照射するのではなく、レーザ溶接を〔I〕から〔IV〕で行い、その後、再び〔I’〕から〔IV’〕にレーザ照射すれば、同一箇所のレーザ照射に時間間隔を設けることができ、この結果、レーザ照射箇所の冷却化を図ることができ、レーザ溶接による接続の安定化が図られる。
また、同一箇所に時間間隔を設けて複数回のレーザ照射を行うことも可能であるが、1回目のレーザ溶接を〔I〕から〔IV〕で行い、再びレーザ溶接を〔I〕から〔IV〕で行うので、冷却間隔を取りながら、レーザ照射を連続的に行うことができ、レーザ照射による溶接時間の短縮化を図ることができる。
そして、この実施の形態では、図13のAに示すように、各溶接箇所に複数の溶接ライン181、182が設定されている。図12に示して説明すると、溶接ライン18は、レーザ溶接を〔I〕から〔IV〕で行い、冷却間隔を取って、〔IV’〕から〔I’〕にレーザ照射されている。溶接ライン181、182の間隔をW9 とすれば、間隔W9 は例えば、3〔mm〕以内に設定され、また溶接ライン181、182は一部重複してもよい。各溶接ライン181、182は、既述のファイバーレーザ照射装置64により個別に溶接されることは既述の通りであり、それぞれ始点18S、終点18Eが設定され、溶接走査方向に応じて既述の区間a、b、c、dが設定されている。溶接ライン181と溶接ライン182とでは溶接走査方向が反対方向である。このような溶接ライン181、182について、各区間a、b、cに対するレーザ出力は図13のBに設定されている。
このような溶接処理によっても、上記実施の形態と同様の効果が得られる。
〔他の実施の形態〕
(1) 上記実施の形態では、コンデンサ素子として巻回素子を例示したが、巻回素子に限定されない。積層型素子や固体素子であってもよい。
(2) 上記実施の形態では、コンデンサ素子の素子端面の一方(同一面)に陽極部6及び陰極部8を備えて外部端子に接続する構成を開示しているが、一方の素子端面に陽極部、他方の素子端面に陰極部を備える構成としてもよい。
(3) 上記実施の形態では、電気二重層コンデンサ2を例示したが、本発明はこれに限定されない。同一の構造及び方法は、電解コンデンサにも同様に適用でき、同様の効果が得られる。
(4) 上記実施の形態では、集電体として陽極集電板12、陰極集電板16を例示したが、本発明は上記実施の形態に限定されない。また、接続面部61と端子側接続面70とを同一面を形成する側壁面(フラット面)としたが、外部端子の形状に合致する形状として、曲面であってもよい。
(5) 上記実施の形態では、陽極部と陰極部との間に絶縁間隔を設置しているが、この絶縁間隔に絶縁シート等の絶縁部材を設置してもよい。
(6) 上記実施の形態では、レーザ照射によるレーザ溶接を例示したが、これに限定されない。電子ビーム溶接でも同様に、ビーム出力を区間において制御してもよい。
(7) 上記実施の形態では、レーザ出力を段階的に減衰させた後、連続的に減衰させる形態を例示しているが、これに限定されない。レーザ出力を段階的に低減させてもよいし、レーザ出力を連続的に低下させてもよい。
(8) 上記実施の形態では、陽極部6及び陰極部8を半円形状に形成したが、本発明はこれに限定されない。実施の形態で示した陽極部6の区画部6A、6B、6C、陰極部8の区画部8A、8B、8Cのうち、陽極集電板12と陰極集電板16と接続する区画部6B、6C及び8B、8Cのみ張り出して形成し、陽極部の6A及び陰極部の8Aは張り出さなくてもよい。
(9) 上記実施の形態では、陽極外部端子部材として陽極端子10を用い、陰極外部端子部材として陰極端子14を例示したが、本発明は上記実施の形態に限定されない。外部端子部材としては、別途薄板状のアルミニウム等からなる接続板が接続された外部端子であってもよい。この場合、陽極接続板は陽極端子10にレーザ溶接により接続された後、コンデンサ素子4側の陽極集電板12に接続される。同様に、陰極接続板は陰極端子14にレーザ溶接により接続された後、コンデンサ素子4側の陰極集電板16に接続される。このような陽極接続板及び陰極接続板を用いた構成では、外部端子である陽極端子10、陰極端子14とコンデンサ素子4側に接続された陽極集電板12、陰極集電板16との接続が広範囲に行われ、接続抵抗を低減でき、しかも接続強度を高めることができる。
(10)上記実施の形態では、集電板の異なる位置として3分割された区分により、陽極部6及び陰極部10との素子接続領域である区画部12B、12C又は16Bと、16C、端子接続領域である区画部12A又は16Aとが集電板の表裏面に設定され、水平方向に異なる位置に設定しているが、これに限定されない。集電板の一部に素子接続領域(レーザ照射接続部18)を設定し、その他の部位に端子接続領域(溶接接続部15)を設定してもよい。即ち、集電板の表裏面で溶接位置が異なれば、素子接続領域と端子接続領域が近接していてもよい。つまり、素子接続領域である区画部12Bにおいてレーザ照射接続部18と集電板の表裏面で溶接位置が重ならない部位に溶接接続部15を設定してもよい。
以上説明したように、本発明の最も好ましい実施の形態等について説明したが、本発明は、上記記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載され、又は発明を実施するための形態に開示された発明の要旨に基づき、当業者において様々な変形や変更が可能であることは勿論であり、斯かる変形や変更が、本発明の範囲に含まれることは言うまでもない。
本発明のコンデンサ及びその製造方法は、端子接続構造や接続工程の簡略化とともに接続性の向上に寄与し、生産性や信頼性を高めることができ、有益である。
2 電気二重層コンデンサ
4 コンデンサ素子
5 素子端面
6 陽極部
6A、6B、6C 区画部
8 陰極部
8A、8B、8C 区画部
10 陽極端子
60 陽極体
80 陰極体
12 陽極集電板
12A 端子接続部
12B、12C 素子接続部
14 陰極端子
16 陰極集電板
16A 端子接続部
16B、16C 素子接続部
18、181、182 溶接ライン
18S 溶接始点
18E 溶接終点
19、21、25 絶縁間隔
20 外装ケース
22 封口板
23 保持テープ
24 空間部
26 ベース部
28 封止部
30 開口部
32 加締め段部
34 開口端部
36 透孔
38 圧力開放機構
40、42 セパレータ
44 ベース材
46 分極性電極
48 未塗工部
64 ファイバーレーザ照射装置

Claims (6)

  1. コンデンサ素子の素子端面に前記コンデンサ素子から導出された電極張出し部と、
    前記電極張出し部に設置され、溶接始点から溶接終点に至る溶接ラインに連続照射されるビーム出力を段階的又は連続的に異ならせたビーム照射により前記電極張出し部に接続された集電板と、
    を備えることを特徴とするコンデンサ。
  2. 前記集電板は、前記溶接ラインに照射される前記ビーム出力が前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定されて前記電極張出し部に接続さ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. 前記コンデンサ素子から導出した電極張出し部を前記コンデンサ素子の素子端面に形成する工程と、
    前記電極張出し部に集電板を設置し、該集電板に溶接始点から溶接終点に至る溶接ラインを設定し、この溶接ラインに連続照射されるビーム出力を段階的又は連続的に異ならせたビーム照射により前記電極張出し部に集電板を接続する工程と、
    を含むコンデンサの製造方法。
  4. 前記集電板に照射する前記ビーム出力は、前記溶接ラインの前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定したことを特徴とする請求項3に記載のコンデンサの製造方法。
  5. 前記集電板に照射する前記ビーム出力は、前記溶接ラインの前記溶接始点を前記溶接終点より高く設定し、前記溶接始点から前記溶接終点に段階的又は連続的に減衰させることを特徴とする請求項3又は4に記載のコンデンサの製造方法。
  6. 前記ビームは、ファイバーレーザビームであることを特徴とする、請求項1又は2に記載のコンデンサ、請求項3、4又は5に記載のコンデンサの製造方法。
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