JP2009054966A

JP2009054966A - セラミック端子およびセラミックス−アルミニウムの接合体の製造方法

Info

Publication number: JP2009054966A
Application number: JP2007222899A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Kodama; 智児玉
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2007-08-29
Filing date: 2007-08-29
Publication date: 2009-03-12
Anticipated expiration: 2027-08-29
Also published as: JP4874197B2

Abstract

【課題】電解液の液漏れを生じ難い蓄電素子用端子を提供すること。
【解決手段】セラミック端子は、一方表面１ａから他方表面１ｂにかけて貫通孔１ｃが設けられたセラミック基体１と、セラミック基体１の両表面１ａ，１ｂから突出するように貫通孔１ｃに挿着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る端子体２と、端子体２と電気的に接続されないようにセラミック基体１に接合されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る封止板３とを具備し、端子体２または封止板３は、セラミック基体１の表面に、チタン層５を介して被着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金の金属層４に固相接合されている。電解液に腐食されにくいセラミックス，チタン，アルミニウムから成り、これらが低温で固相接合されているので、接合部劣化も少ない。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体電解質を用いる大型アルミニウム電解コンデンサ，電気二重層キャパシタまたは電池等の蓄電素子容器に使用されるセラミック端子およびその製造に用いられるセラミックスとアルミニウムとの接合方法に関する。

従来、蓄電素子に用いられる端子として、図５に示すような、アルミニウムから成る端子体１１を筒状のセラミック材１２に挿通し、このセラミック材１２の外周面を金属製の封止板１５に固定したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

セラミック材１２の端子体１１および封止板１５との接合部表面にはタングステンやモリブデンを主成分とするメタライズ層１３を焼き付けておき、このメタライズ層１３を介して端子体１１とセラミック材１２とを、またはセラミック材１２と封止板１５とをアルミニウム合金ろう材１４でろう付けして固定してある。
特開２０００−５８０３２号公報

しかしながら、タングステンまたはモリブデンは、蓄電素子に使用される電解液に溶解し、封止部分が劣化して電解液が液漏れしてしまう場合がある。

また、アルミニウムろう材１４を使用して高温にてろう付けする場合、接合されるアルミニウム端子体１１の熱膨張がセラミック材１２の熱膨張と比較して非常に大きいため、接合後の冷却時に接合部に大きな引張応力が働き、セラミック材１２にクラックが生じてしまう場合がある。その回避方法として端子体１１の中心部に空洞等を設けて熱収縮時の応力を緩和する方法もあるが、通電体として所定の電流容量が必要なために、これらの空洞を具備することにより必要以上に端子体１１の外径が大きくなり、それゆえ大型の端子になってしまうという問題点等があった。

前記従来の課題を解決するために、本発明のセラミック端子は、一方表面および該一方表面と対向する他方表面を有し、前記一方表面から前記他方表面にかけて貫通孔が設けられたセラミック基体と、該セラミック基体の前記両表面から突出するように前記貫通孔に挿着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る端子体と、前記端子体が挿通される貫通穴を有し、前記端子体と電気的に接続されないように前記セラミック基体に接合されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る封止板とを具備したセラミック端子において、前記セラミック基体の表面に、チタン層を介して被着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金の金属層が形成されており、前記端子体および前記封止板の少なくとも一方は、前記金属層に固相接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック端子は、好ましくは、前記端子体は棒状の外周面に鍔状に設けられた突出部を有し、該突出部が前記セラミック基体の一方表面または他方表面に接合されていることを特徴とするものである。

また、本発明のセラミック端子は、好ましくは、前記端子体および前記封止板は、前記セラミック基体の前記一方表面および前記他方表面のうち、同じ側の前記表面に接合されていることを特徴とする
また、本発明のセラミック端子は、好ましくは、前記端子体または前記封止板は、超音波圧接もしくは摩擦圧接を用いた前記固相接合によって前記金属層に接合されていることを特徴とする。

また、本発明のセラミックス−アルミニウム接合体の製造方法は、所定形状のセラミック基体を準備する工程と、該セラミック基体の表面にコールドスプレー法を用いてチタン層を形成する工程と、該チタン層の表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を溶着させる工程とを有することを特徴とするものである。

本発明のセラミック端子によれば、セラミック基体の表面に、チタン層を介して被着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金の金属層が形成されており、端子体および封止板の少なくとも一方は、金属層に固相接合されていることから、セラミック基体と端子体または封止板は、電解液に溶解しにくいチタン層およびアルミニウムもしくはアルミニウム合金を介して低温で固相接合されるので、電解液の液漏れを生じ難いセラミック端子とできる。

本発明のセラミック端子において、端子体は棒状の外周面に鍔状に設けられた突出部を有し、この突出部がセラミック基体の一方表面または他方表面に接合されている場合、突出部をセラミック基体に当接させて接合できるので、位置精度を保って容易に接合作業をすることができる。

本発明のセラミック端子において、端子体および封止板は、セラミック基体の一方表面および他方表面のうち、同じ側の表面に接合されている場合、端子体および封止板をセラミック基体の同じ側の表面に接合すればよく、チタン層および金属層も同じ側の表面に形成すればよいので、工程短縮を図ることができ、生産性を向上させることができる。

本発明のセラミック端子において、端子体または封止板は、超音波圧接もしくは摩擦圧接を用いた固相接合によって金属層に接合されている場合、端子体または封止板と金属層とを比較的低温で接合することができ、端子体の変形を小さくすることができる。また、金属層と端子体または封止板とがアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる同質の材質同士を接合することになるので、熱膨張係数差が小さく、接合部の接合劣化を減らすことができる。

本発明のセラミックス−アルミニウム接合体の製造方法によれば、所定形状のセラミック基体を準備する工程と、このセラミック基体の表面にコールドスプレー法を用いてチタン層を形成する工程と、このチタン層の表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を溶着させる工程とを有することから、真空蒸着等によらず常圧大気中において容易にチタン層を形成できる。また、比較的低温でチタン層を形成できるため、チタン層表面の酸化を少なくできる。

以下、本発明のセラミック端子およびその製造方法を添付図面に基づき詳細に説明する。図１は本発明のセラミック端子の実施の形態の一例を示す斜視図であり、図１（ａ）はセラミック端子を上方から見た斜視図、図１（ｂ）は下方から見た斜視図である。図２は図１のＡ−Ａ’線における断面図である。図３は本発明のセラミック端子の実施の形態の他の例を示す斜視図であり、図３（ａ）はセラミック端子を上方から見た斜視図、図３（ｂ）は下方から見た斜視図である。また、図４は本発明のセラミック端子を用いたアルミ電解コンデンサの実施の形態の一例を示す断面図である。

これら図において、１は一方表面１ａおよびこの一方表面１ａと対向する他方表面１ｂを有し、一方表面１ａから他方表面１ｂにかけて貫通孔１ｃが設けられたセラミック基体、２はセラミック基体１の両表面１ａ，１ｂから突出するように貫通孔１ｃに装着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る端子体、３は端子体２が挿通される貫通穴３ａを有し、端子体２と電気的に接続されないようにセラミック基体１に接合されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る封止板、４はセラミック基体１の表面１ａ，１ｂにチタン層５を介して被着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金の金属層を示す。

セラミック基体１の貫通孔１ｃ内に挿入され接合される端子体２は、導電性が必要であり、また、電解液に浸漬されるため、電気化学的に安定である必要がある。このため、当該端子体２は、耐食性に優れるアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る。アルミニウム合金としては、ケイ素（Ｓｉ）等の混合元素量が少なく、アルミニウム純度の高いＪＩＳＨ４０００：２００６、ＪＩＳＨ４０４０：２００６に掲載されている合金番号１０００番台のものが好ましい。

端子体２は棒状の外周面に鍔状に設けられた突出部２ａを有し、該突出部２ａがセラミック基体１の一方表面１ａまたは他方表面１ｂに接合されるようにしてある。これによって、端子体２の突出部２ａとセラミック基板１とを間に挟んで圧力を加えながら固相接合することができ、端子体２とセラミック基板１の一方表面１ａまたは他方表面１ｂとを密閉度を保つように接合することができ、電解液の液漏れを生じ難い。

また、突出部２ａをセラミック基体１の一方表面１ａまたは他方表面１ｂに当接させて接合すればよいので、端子体２の軸方向の位置精度を向上することができる。さらに、端子体２の軸方向の厚みの薄い突出部２ａとすることで、セラミック基体１と端子体２との接合部に生じる熱応力等の応力を、突出部２ａが変形することによって緩和する効果を生じ、セラミック基体１が破損し難くなる。

なお、図１，図２，図３においては、セラミック基体１の一方表面１ａと突出部２ａの下面とを接合しているが、セラミック基体１の他方表面１ｂ側に突出部２ａの上面を接合し、一方表面１ａ側に封止板３を接合するようにしてもよい。また、一方表面１ａおよび他方表面１ｂは平面である方が作業を容易に行なえるので好ましいが、これに限ることはなく、例えば、一方表面１ａがすり鉢状の曲面等になっていてもよい。

また、端子体２および封止板３は、セラミック基体１の一方表面１ａおよび他方表面１ｂのうち、同じ側の表面１ａ，１ｂに接合されていてもよい。すなわち、図１，図２，図４において端子体２がセラミック基体１の一方表面１ａ側に接合され、封止板３が他方表面１ｂ側に接合されているが、図３のように、端子体２を一方表面１ａの中央部側貫通孔１ｃ開口の周囲に接合し、封止板３を一方表面１ａの外周部に接合したり、端子体２および封止板３を他方表面１ｂ側に接合したりしてもよい。これによって、端子体２および封止板３が同一平面１ａ，１ｂ内に接合されるので、高さ方向のサイズをコンパクトにすることができる。また、セラミック基体１の同一面１ａ，１ｂ側にチタン層５および金属層４を形成することができるので、製造工程が簡略化できる。

端子体２または封止板３は、超音波圧接もしくは摩擦圧接を用いた固相接合によって金属層４に接合される。かかる固相接合を用いることにより、接合を比較的低温で行なうことができ、熱膨張に伴う熱応力を小さくできて応力腐食が生じ難い。また、端子体２または封止板３とセラミック基体１の金属層４とをアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるものとすれば、同質の材質同士の接合とすることができるので、熱膨張係数差によって接合部に生じる応力が小さくなり、応力による接合部の劣化を減らすことができる。そのため、ロウ付け接合のように、端子体の中心部に空洞等を設けるなどの応力緩衝形状にする必要がなく、端子をコンパクトにする事ができる。

超音波接合法は、より詳細には例えば次のようにして実施される。すなわち、接合対象物である金属層４を有するセラミック基体１と端子体２とを、金属層４と端子体２の突出部２ａとが接するようにして超音波振動の媒体となるチップを有するホーン（角状固定台）とアンビル（金敷き）との間にセットし、チップを介して例えば３０〜５０Ｎ程度の圧力を垂直に加えながら１５〜３０ｋＨｚの水平方向の超音波振動をセラミック基体１と端子体２または封止板３それぞれの接触面に加えることにより行われる。また、チップの形状を円周に沿った円状として垂直方向の圧力を大きくすることにより、一定長さの接合を短時間で行なってもよい。

摩擦圧接法は、接合する被接合材同士を相対的に高速回転させて、被接合材の接合面同士を擦り合わせ、接合面に発生した摩擦熱で接合面が軟化状態に達した時点で回転を急停止させるとともに、被接合材同士を押し付けて接合する方法である。

具体的には例えば次のようにして実施される。すなわち、接合対象物である金属層４を有するセラミック基体１と端子体２とを、金属層４と端子体２の突出部２ａとが接するように、セラミック基体１を固定軸に、そして端子体２を圧接機の回転軸にそれぞれ治具を用いて固定し、端子体２を２０００〜４０００ｒｐｍの回転速度において回転させながら金属層４に対して摩擦圧力１０〜２０Ｍｐａを加え、約５〜２０秒で摩擦熱により接合面が軟化した後、回転を急停止させ、その直後に突出部２ａと金属層４との間に１５０〜２５０Ｍｐａの圧力を加えることにより接合させる。また、セラミック基体１と封止板３に関しても、封止板３を固定軸側に、セラミック基体と端子体２の接合体を回転軸側にして、同様の手順によって接合が行われる。

超音波接合法および摩擦圧接法では、超音波振動や摩擦圧力が印加される初期段階において接合部表面の酸化被膜や汚れが接合部の外側方向に押し出されるとともに、セラミック基体１の金属層４および端子体２または封止板３のアルミニウム結晶粒同士が原子間距離になるまで接近することによって原子間に相互引力が作用して強固な接合を得る。さらに、アルミニウム中に他の金属がほとんど拡散することがなく、よって電解液に対してさらに耐腐食性のある接合部を形成することができる。なお、摩擦圧接法においては、被接合物を回転させるので、被接合部が回転対称である場合に好適である。一方、超音波接合法では、被接合部の形状によらず行なうことができ、汎用性がある点で、摩擦圧接法より好ましい。

このような本発明のセラミック端子は、所定形状のセラミック基体１を準備する工程と、該セラミック基体１の表面にコールドスプレー法を用いてチタン層５を形成する工程と、該チタン層５の表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を溶着させて金属層４を形成する工程とを経て製造するのがよい。チタン層５の形成方法としてコールドスプレー法を用いることにより、真空蒸着等のような真空中での成膜処理が不要で、常圧大気中でチタン層５を形成することができるので、低コストで容易にチタン層５を形成できる。また、形成温度が比較的低温であるため、チタン層５表面の酸化も少なくできる。

ここで、コールドスプレー法とは、材料粉末の融点または軟化点よりも低い温度のガスを先細末広型のラバールノズルにより超音速流にして、その流れの中にチタンの材料粒子を投入し、固相状態のまま基材に高速で衝突させて、塑性変形をさせながら基材上に堆積させて皮膜を形成する技術である。この技術によると、皮膜や基材に溶射法ほどの熱が加わらずかつ皮膜は圧縮性の残留応力を帯びるため、密着強度が高く剥がれにくいものにできると言う特徴がある。また、アルミニウムもしくはアルミニウム合金を溶融させてチタン層５表面に均一に濡れ広がらせるためには、チタン層５表面が酸化されないようにするのが好ましい。真空蒸着等の薄膜処理でチタン層５を形成させた場合、真空炉から取り出し後から表面の酸化が進行し、濡れ性が劣化するという問題がある。しかしながらコールドスプレー法であれば、約４００℃までは水素が結合していることにより酸化を抑制できる水素化チタンの粉末を使用してチタン層５を形成する事が可能であり、チタン層５形成後の酸化を抑制する事が出来るため、均一なアルミニウムもしくはアルミニウム合金の濡れを得る事ができる。

セラミック基体１は、例えばアルミナセラミックス等の電気絶縁性に優れるセラミックスからなる円筒状等の筒状のものであり、円柱状または多角柱状の外周面を有するとともに円柱状または多角柱状の貫通孔１ｃを両端面１ａ，１ｂ間に有している。セラミック基体１は、端子体２と封止板３とを電気的に絶縁するとともにこれらを保持する機能を有している。

このようなセラミック基体１は、例えばアルミナセラミックスから成る場合、酸化アルミニウム（アルミナ：Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化珪素（ＳｉＯ_２）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等の原料粉末に適当な有機バインダを添加して調整した原料粉末を、所定形状のプレス型内に充填するとともに、これを所定圧力でプレスして成形し、しかる後得られた成形体を大気中にて約１６００℃の温度で焼成することにより製作される。

セラミック基体１の一方表面１ａもしくは他方表面１ｂの少なくとも一面の端子体２または封止板３が接合される接合部には、チタン層５（一方主面側のチタン層５ａ、他方主面側のチタン層５ｂ）が形成され、その上にアルミニウムが溶融被覆された、金属層４（一方主面側の金属層４ａ、他方主面側の金属層４ｂ）が形成される。これらの金属層４は、端子体２と接合される金属層４ａがセラミック基体１の一方表面１ａの内周側に形成され、また封止板３と接合される金属層４ｂが、一方表面１ａもしくは他方表面１ｂの外周側に形成される。セラミック基体１上のチタン層５ａ，５ｂは、コールドスプレー法にて厚さ１〜１０μｍ程度に形成される。チタン層５を形成しない部分はマスキングを行なうことによって所望の形状のチタン層５を形成する事が出来る。

金属層４ａ，４ｂは、チタン層５ａ，５ｂの表面に、それぞれチタン層５ａ，５ｂと略同一外径寸法のアルミニウムまたはアルミニウム合金製の金属板を乗せ、その上にカーボン製の治具を乗せ、カーボン治具の荷重をかけながらアルミニウムの融点温度に近い６７０〜６９０℃の真空雰囲気にてアルミニウムを溶融させることによってチタン層５のチタンと反応させて接合されたものである。金属板へのチタンの拡散が２００μｍ以下となるように接合するのが好ましい。カーボン治具は、板材の外周部にアルミニウム板の厚みよりも低い突起を設けることによって内側に凹部を有するもので、この凹部にアルミニウム板を収容できる形状の治具である。突起部があることにより金属層４の厚みを一定に保つ事ができ、さらにカーボン治具の平面で溶融したアルミニウムを整形する事により、その表面を平坦にする事ができる。

金属層４ａ，４ｂならびに端子体２、封止板３は、容器内に納められる電解液に浸漬されるため、高起電力状態において電気化学的に安定である必要があることから、耐食性に優れるアルミニウムもしくはアルミニウム合金からなる。また、端子体２と封止板３は、それぞれ金属層４ａ、４ｂと平面接触できる箇所を有し、好ましくは金属層４ａ，４ｂの幅の２／３以上接触する寸法のものとする。

上記のように形成された、金属層４を有するセラミック基体１の外周部を機械的に固定し、機械的に固定した端子体２の鍔部２ａをメタライズ層４ａ表面に当て、超音波圧接を行なう。続いて、同様の手順で機械的に固定した封止板３をメタライズ層４ｂ表面に当てて超音波圧接を行ない、セラミック基体１と端子体２ならびに封止板３が、メタライズ層４ａ、４ｂを介して接合される。

そして、図４に示すように、セラミック端子の端子体２は蓄電用電極板６から引き出された金属部と接合され、その後、封止板３は電解液容器の容器７の略円形の開口にその端部が接合されて蓄電素子が完成する。

以上のように、本発明にかかるセラミック端子は、セラミック基体１表面の金属層４を電解液に溶解しない材料で構成すると同時に、その金属層４と端子体２ならびに封止板３を低温で接合させることにより、端子体２ならびにセラミック接合体のサイズをコンパクトなものにすることができ、電解液の液漏れを効果的に防ぐ事ができるので、例えば大型アルミ電解コンデンサや電気二重層キャパシタ、電池等、電解質として液体を使用する蓄電素子などの用途に好適である。

本発明のセラミック端子の実施の形態の一例を示す斜視図である。本発明のセラミック端子の実施の形態の一例を示す断面図である。本発明のセラミック端子の実施の形態の他の例を示す斜視図である。本発明のセラミック端子を用いたアルミ電解コンデンサの実施の形態の一例を示す断面図である。従来のセラミック端子の例を示す断面図である。

符号の説明

１：セラミック基体
２：端子体
３：封止板
４：金属層
５：チタン層
６：蓄電用電極版
７：容器

Claims

一方表面および該一方表面と対向する他方表面を有し、前記一方表面から前記他方表面にかけて貫通孔が設けられたセラミック基体と、該セラミック基体の前記両表面から突出するように前記貫通孔に挿着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る端子体と、前記端子体が挿通される貫通穴を有し、前記端子体と電気的に接続されないように前記セラミック基体に接合されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金から成る封止板とを具備したセラミック端子において、前記セラミック基体の表面に、チタン層を介して被着されたアルミニウムもしくはアルミニウム合金の金属層が形成されており、前記端子体および前記封止板の少なくとも一方は、前記金属層に固相接合されていることを特徴とするセラミック端子。
前記端子体は棒状の外周面に鍔状に設けられた突出部を有し、該突出部が前記セラミック基体の一方表面または他方表面に接合されていることを特徴とする請求項１記載のセラミック端子。
前記端子体および前記封止板は、前記セラミック基体の前記一方表面および前記他方表面のうち、同じ側の前記表面に接合されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のセラミック端子。
前記端子体または前記封止板は、超音波圧接もしくは摩擦圧接を用いた前記固相接合によって前記金属層に接合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のセラミック端子。
所定形状のセラミック基体を準備する工程と、該セラミック基体の表面にコールドスプレー法を用いてチタン層を形成する工程と、該チタン層の表面にアルミニウムもしくはアルミニウム合金を溶着させる工程とを有するセラミックス−アルミニウム接合体の製造方法。