JP2010131652A - 金属箔の接続方法及びコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、溶接部と金属箔との間にボイド等が生じることを防止できる金属箔の接続構造を提供すること。
【解決手段】積層された複数の金属箔３同士の端面３ａにレーザ光線４を照射して互いに接続する金属箔の接続方法であって、金属箔３にレーザ光線を照射して金属箔３を溶融させるとともに、この溶融部３ｂを押圧部材５により押圧する。
【選択図】図２

Description

本発明は、積層された複数の金属箔同士の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する金属箔の接続方法及びコンデンサに関する。

従来のコンデンサでは、その製造時において、複数の積層されたアルミ箔リード（金属箔）の束を銅板治具により挟みこんで、アルミ箔リードの束の先端を切断して端面を揃えてからレーザ光線を用いてアルミ箔リードの束を互いに溶接している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−５０５５６号公報（第３頁、第１図）

しかしながら、特許文献１に記載のコンデンサにあっては、その製造時において、アルミ箔リード（金属箔）の束の端面にレーザ光線を照射した際に、レーザ光線により溶融された溶接部が冷却される過程で収縮されるため、この収縮により溶接部がアルミ箔から引きちぎられるようになる。そのため図７に示すように、溶接部とアルミ箔との間にボイド（亀裂）などが生じてしまい、このボイド等により積層されたアルミ箔同士に、電気的に未接続な部位が生じてしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、金属箔にボイド等が生じることを防止できる金属箔の接続構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の金属箔の接続方法は、
積層された複数の金属箔同士の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する金属箔の接続方法であって、
前記金属箔にレーザ光線を照射して金属箔を溶融させるとともに、この溶融部を押圧部材により押圧することを特徴としている。
この特徴によれば、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して、金属箔の端面が溶融した際に、この溶融部を押圧部材にて押圧することで、溶融した金属箔が収縮する際に生ずるボイドを抑制し、溶接部にボイド等が生じないようになる。

本発明の請求項２に記載の金属箔の接続方法は、請求項１に記載の金属箔の接続方法であって、
前記押圧部材は、前記金属箔同士の端面を押圧する押圧面と、該押圧面から突出される突起部と、を有し、該突起部により前記金属箔同士の端面の一部を押圧した状態で、前記レーザ光線の照射を前記金属箔同士の端面と前記突起部とに照射し、該レーザ光線の照射により前記突起部を溶融させて前記押圧面を前記金属箔同士の端面に当接させ、前記レーザ光線の照射により溶融した金属箔同士の端面が押圧されることを特徴としている。
この特徴によれば、突起部により押圧部材の押圧面と金属箔同士の端面との間の間隙を形成して、この間隙によりレーザ光線を金属箔同士の端面に照射でき、かつ突起部を金属箔同士の端面に押圧した状態を維持しつつ、レーザ光線により突起部を溶融させると、押圧部材の押圧面が瞬時に金属箔同士の端面に当接し、レーザ光線により溶融した金属箔が冷却される前に押圧されるようになる。

本発明の請求項３に記載の金属箔の接続方法は、請求項１に記載の金属箔の接続方法であって、
前記押圧部材は、前記レーザ光線を透過する透過性を有する材質で形成されており、該押圧部材を介して前記レーザ光線が前記金属箔同士の端面に照射されることを特徴としている。
この特徴によれば、押圧部材により金属箔同士の端面を押圧しつつ、同時にレーザ光線を押圧部材を透過させて金属箔同士の端面に照射し、該端面を溶融させることができ、この金属箔の溶融された溶融部が膨張して金属箔同士の端面から膨出されずに済むようになり、金属箔同士の端面を平坦面とすることができる。

本発明の請求項４に記載の金属箔の接続方法は、請求項１ないし３のいずれかに記載の金属箔の接続方法であって、
前記レーザ光線を前記金属箔同士の端面に対して斜め方向から照射させることを特徴としている。
この特徴によれば、いちどに広い範囲の金属箔同士の端面を溶接できるようになる。

本発明の請求項５に記載のコンデンサは、
請求項１ないし４のいずれかに記載の金属箔の接続方法により製造されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、金属箔にボイド等が存在しない電気的に安定した積層構造を備えたコンデンサを製作することができる。

本発明の請求項６に記載のコンデンサは、請求項５に記載のコンデンサであって、
前記押圧部材をコンデンサ用リード端子としたことを特徴としている。
この特徴によれば、押圧部材を金属箔に接続させることで、接続後に押圧部材をリード端子として利用することもできる。

本発明に係る金属箔の接続方法を実施するための最良の形態を実施例に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、実施例１におけるコンデンサ素子を示す斜視図であり、図２は、レーザ光線が照射されるアルミニウム箔を示す側面図であり、図３は、溶接部が形成されたアルミニウム箔を示す拡大側面図であり、図４は、押圧力と溶接割合との関係を示すグラフであり、図５は、実施例１における金属箔の接続方法により形成された溶接部を示す画像である。

図１の符号１は、電解コンデンサ等に用いられる本発明の適用されたコンデンサ素子である。このコンデンサ素子１は、複数枚の本実施例における金属箔としてのアルミニウム箔２が積層されて形成されており、陽極用のアルミニウム箔は、エッチング処理によって拡面化され、その上に酸化皮膜層が設けられ、陰極用のアルミニウム箔は、エッチング処理によって拡面化されている。尚、陽極アルミニウム箔２と陰極アルミニウム箔２とが交互に積層されており、陽極箔用のアルミニウム箔２と陰極箔用のアルミニウム箔２との間には、セパレータ（図示略）が配置されている。

図１に示すように、各々のアルミニウム箔２には、タブ部３が形成されており、陽極箔用のタブ部３同士が束ねられるとともに、陰極箔用のタブ部３同士が束ねられている。陽極用のタブ部３は、表面に設けられた酸化皮膜層が除去され、又は予め無いように形成されると好ましい。積層されたタブ部３の束を前後両面から挟持部材（図示略）が挟持し、タブ部３の束を前後方向（積層方向）から押圧して、積層されたタブ部３同士の間の隙間をなくす。そして、タブ部３の束の端面３ａ（上端縁）は、タブ部３同士が束ねられた後に、必要に応じてその先端部を研磨、研削または切断等の手法にて平面状に揃えられる。

尚、本実施例では、純度９９．９９％のアルミニウムで形成されたアルミニウム箔２を用いており、その厚さは、０．０３ｍｍ（３０μｍ）となっている。このアルミニウム箔２を４０枚程度積層してコンデンサ素子１を構成する。なお、アルミニウム箔２の厚さは、０．０２〜０．２mmが好ましい。

タブ部３の束の端面３ａには、レーザ光線４が照射されて、アルミニウム箔２同士を互いに接続する溶接部３ｂ（溶融部と同一）が形成される。尚、本実施例では、光ファイバにより伝送ができるＮｄ：ＹＡＧレーザ（ファイバコア径０．６ｍｍ，ＳＩ型）を用いている。本実施例におけるレーザ光線４の使用条件は、レーザエネルギー（Ｅ）は２Ｊ≦Ｅ≦１０Ｊ、パルス幅（τ）は２ｍｓ≦τ≦１０ｍｓの範囲となっている。レーザ光線４のパルス回数は照射範囲に応じて１回から複数回と適宜変更できる。

図２に示すように、レーザ光線４は斜め方向からタブ部３の束の端面３ａに照射されるようになっている。レーザ光線４とタブ部３の束の端面３ａとのなす角度はレーザ光線４の出力に応じて適宜変更できるが、端面３ａに対してレーザ光線４を２０〜６０度で照射することが好ましい。

また、タブ部３に形成された溶接部３ｂには、本実施例における押圧部材としてのリード端子５がレーザ光線４により溶接される。このリード端子５は、断面視で矩形状をなす線状部材に形成されており、アルミニウム箔２と同一の材質であるアルミニウムを用いて形成されている。尚、リード端子５は、前述したレーザ光線４により溶接部３ｂが形成される際に、同時に溶接されるようになっている。

次に、溶接部３ｂの形成とリード端子５の溶接方法について詳述する。図２に示すように、溶接前のリード端子５は、その先端にタブ部３の束の端面３ａを押圧するための押圧面５ａが形成されており、この押圧面５ａの縁部（一部）から突出されて形成された突起部５ｂが形成されている。

先ず、リード端子５は、突起部５ｂをタブ部３の束の端面３ａの一部に当接させた状態で、タブ部３の束の端面３ａに向かって移動する方向に所定の押圧力（Ｎ）を加える。尚、リード端子５は図示しない押圧装置によりタブ部３の束の端面３ａに向かって押圧される。図２に示すように、突起部５ｂがタブ部３の束の端面３ａに当接されることによって、リード端子５の押圧面５ａとタブ部３の束の端面３ａとの間に所定の間隙６が形成される。そして、この間隙６を介してレーザ光線４をリード端子５の突起部５ｂとタブ部３の束の端面３ａに照射する。

レーザ光線４が照射されたタブ部３の束の端面３ａは溶融されて溶接部３ｂが形成されるとともに、レーザ光線４が照射されたリード端子５突起部５ｂは溶融されて軟化・溶融される。そして、リード端子５は加えられている押圧力によりタブ部３の束の端面３ａに向かって移動され、リード端子５の押圧面５ａがタブ部３の束の端面３ａ、すなわち溶融された溶接部３ｂに当接される。

溶接部３ｂ及び突起部５ｂの溶融とほぼ同時に、リード端子５の押圧面５ａが溶接部３ｂに当接されるため、溶接部３ｂが溶融された状態で冷却される前に、溶接部３ｂがリード端子５の押圧面５ａにより押圧される。そのため図７の画像に示すように溶融された溶接部３ｂがその表面張力によって金属箔同士の端面から膨出されずに済むようになり、タブ部３から引きちぎられることがなく、図５の画像に示すように、溶接部３ｂとタブ部３との間にボイド等が生じないようになる。

なお、この突起部５ｂにレーザ光線４が照射された際には、突起部５ｂが溶融してその一部が金属線の溶接部３ｂに取り込まれ、上記溶接部３ｂとタブ部３との間のボイド等の抑制に寄与している。さらには、このレーザ光線４の出力エネルギー、照射角度さらにはリード端子５の押圧力を適宜設定することで、レーザ光線４の照射時に溶接部３ｂ及び突起部５ｂを溶融させるとともに、さらにこのレーザ光線４による溶接部３ｂからのプルームによって、溶接部３ｂに当接されたリード端子５の押圧面５ａを部分溶融させ、これにより、前記溶接部３ｂとリード端子５との接続を良好にならしめることができる。

本実施例では、リード端子５に加える押圧力（Ｎ）が弱いと不良な溶接状態の割合が多くなるため、リード端子５に加える押圧力（Ｎ）を０〜２．２３（Ｎ）の範囲で様々に変えて実験を行った。尚、この実験では、純度９９．９９％のアルミニウムで形成されたリード端子５を用いて、その直径が０．５ｍｍのものを使用している。

図３に示すように、この実験における溶接部３ｂの良否の評価方法として、アルミニウム箔２の本来の厚さを（ｔ）とし、レーザ光線４によりアルミニウム箔２が溶融されて形成された溶接部３ｂの厚さを（Ｌ）とし、溶融された溶接部３ｂが冷却される過程で収縮する際に、この溶接部３ｂに引っ張られることで、アルミニウム箔２が薄くなった半溶融領域であるくびれ部３ｃの厚さを（ｉ）として評価を行った。

実験の結果、くびれ部３ｃの厚さ（ｉ）がｉ＜０．８ｔとなっている溶接状態が不良なアルミニウム箔２と、くびれ部３ｃの厚さ（ｉ）がｉ≧０．８ｔとなっている溶接状態が良好なアルミニウム箔２とが形成された。

図４は、溶接部３ｂにより互いに溶接されたタブ部３の枚数を、押圧面５ａにより押圧された部位で割った値を溶接割合とし定義する。これは、押圧面５ａにより押圧されて良好な溶接状態（ｉ≧０．８ｔ）となっているタブ部３の枚数の合計の厚さ範囲を、押圧面５ａにより押圧された部位の範囲で割った値である。

図４に示すように、リード端子５に加える押圧力（Ｎ）が１．０〜１．５（Ｎ）の間で溶接割合が増加し、約１．５（Ｎ）以上でほぼ１００％の溶接割合となる。この実験結果により約１．５（Ｎ）以上の押圧力（Ｎ）をリード端子５に加えるとよいことが分かる。

以上、実施例１における金属箔の接続方法では、レーザ光線４の照射と同時またはその後に、レーザ光線４の照射によりアルミニウム箔２が溶融されて形成される溶接部３ｂを、リード端子５（押圧部材）により押圧することで、複数の積層されたアルミニウム箔２の端面３ａにレーザ光線４を照射して互いに接続する際に、レーザ光線４の照射により溶融された溶接部３ｂが冷却される過程で収縮されても、溶接部３ｂがリード端子５により押圧されて、溶接部３ｂがアルミニウム箔２から引きちぎられることを防止でき、溶接部３ｂとアルミニウム箔２との間にボイド等が生じないようになる。

また、リード端子５は、アルミニウム箔２同士の端面３ａを押圧する押圧面５ａと、この押圧面５ａから突出される突起部５ｂと、を有し、この突起部５ｂによりアルミニウム箔２同士の端面３ａの一部を押圧した状態で、レーザ光線４の照射をアルミニウム箔２同士の端面３ａと突起部５ｂとに照射し、レーザ光線４の照射により突起部５ｂが溶融されて押圧面５ａがアルミニウム箔２同士の端面３ａに当接し、溶接部３ｂが押圧されることで、突起部５ｂによりリード端子５の押圧面５ａとアルミニウム箔２同士の端面３ａとの間の間隙６を形成して、この間隙６によりレーザ光線４をアルミニウム箔２同士の端面３ａに照射でき、かつ突起部５ｂをアルミニウム箔２同士の端面３ａに押圧した状態を維持しつつ、レーザ光線４により突起部５ｂを溶融させると、リード端子５の押圧面５ａが瞬時にアルミニウム箔２同士の端面３ａに当接し、レーザ光線４により溶融された溶接部３ｂが冷却される前に押圧されるようになる。また、同時にリード端子５がアルミニウム箔２に接続されるため、リード端子５を押圧部材として利用することができる。

また、レーザ光線４をアルミニウム箔２同士の端面３ａに対して斜め方向から照射させることで、いちどに広い範囲のアルミニウム箔２同士の端面３ａを溶接できるようになる。

また、本実施例における金属箔の接続方法では、複数の積層されたアルミニウム箔２の端面３ａにレーザ光線４を照射して互いに接続する際に、溶接部３ｂとアルミニウム箔２との間にボイド等が存在しないコンデンサを製作することができる。

次に、実施例２に係る金属箔の接続方法につき、図６を参照して説明する。尚、前記実施例１に示される構成部分と同一構成部分に付いては同一符号を付して重複する説明を省略する。図６は、実施例２におけるレーザ光線が照射されるアルミニウム箔を示す側面図である。

図６に示すように、実施例２における押圧部材７は、耐熱ガラス等のレーザ光線４を透過する透過性部材で形成されている。押圧部材７は矩形状をなすブロック体として形成され、タブ部３の束の端面を押圧する押圧面７ａが形成されている。尚、押圧部材７は、図示しない押圧装置によりタブ部３の束の端面３ａに向かって押圧される。

この押圧部材７を介してレーザ光線４は垂直方向又は斜め方向からタブ部３の束の端面３ａに照射されるようになっている。この押圧部材７はレーザ光線４が有する波長の光を透過できるとともに、レーザ光線４により溶融された溶接部３ｂから伝導される熱にも耐えられるようになっている。この押圧部材としては、例えば石英ガラス、シリカガラスや耐熱結晶化ガラス等の耐熱ガラスやレーザ光線透過樹脂等があげられるが、なかでも耐熱性の高いものが好ましい。

タブ部３の束の端面３ａに溶接部３ｂを形成する際には、揃えられた先ず、タブ部３の束の端面３ａに押圧部材７の押圧面７ａを当接させる。この状態で押圧部材７を介してレーザ光線４をタブ部３の束の端面３ａに照射する。

実施例２では、溶接部３ｂが溶融される時に、押圧部材７の押圧面７ａが溶接部３ｂに当接されているため、溶接部３ｂが加熱されて膨張されても、溶接部３ｂがタブ部３から引きちぎられることを防止でき、溶接部３ｂとタブ部３との間にボイド等が生じないようになる。その後、押圧部材７は必要に応じて取り外され、この溶接部３ｂには、別途リード端子等が接続されることになる。

以上、実施例２における金属箔の接続方法では、押圧部材７は、レーザ光線４を透過する透過性を有する材質で形成されており、この押圧部材７を介してレーザ光線４がアルミニウム箔２同士の端面３ａに照射されることで、押圧部材７によりアルミニウム箔２同士の端面３ａを押圧しつつ、押圧部材７を透過したレーザ光線４によりアルミニウム箔２同士の端面を溶融させて溶接部３ｂを形成でき、溶接部３ｂがその表面張力によってアルミニウム箔２同士の端面３ａから膨出されずに済むようになり、アルミニウム箔２同士の端面３ａを平坦面とすることができる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、実施例１では、押圧部材としてアルミニウムを例示したが、これに限らず、鉄、銅、タンタル、ステンレス、モリブデン、タングステン、ニッケル等の金属材料やセラミックス、硬質樹脂など、各種の高融点材料を用いることができる。

また、前記各実施例では、コンデンサとして電解コンデンサ及び固体電解コンデンサを例示してこの電解及び固体コンデンサのコンデンサ素子に本発明が適用されるように説明してきたが、これに限らず、電気２重層コンデンサ、電気化学キャパシタなどの各種コンデンサ、キャパシタに適用でき、更には、電池にも適用できる。

また、前記各実施例では、溶接部３ｂを形成するためにＮｄ：ＹＡＧレーザを用いていたが、その他にも炭酸ガスレーザ、ファイバーレーザーやダイオードレーザなどを用いることもできる。

また、前記実施例２に示した押圧部材７として、この押圧部材７の底面側に押圧部材７を保護するとともに、レーザ光線を照射後に取り外し可能な薄い別体からなる透過材料を配しても良い。

実施例１におけるコンデンサ素子を示す斜視図である。 レーザ光線が照射されるアルミニウム箔を示す側面図である。 溶接部が形成されたアルミニウム箔を示す拡大側面図である。 押圧力と溶接割合との関係を示すグラフである。 実施例１における金属箔の接続方法により形成された溶接部を示す画像である。 実施例２におけるレーザ光線が照射されるアルミニウム箔を示す側面図である。 従来の金属箔の接続方法により形成された溶接部を示す画像である。

符号の説明

１ コンデンサ素子
２ アルミニウム箔（金属箔）
３ タブ部
３ａ 端面
３ｂ 溶接部
３ｃ くびれ部
４ レーザ光線
５ リード端子（押圧部材）
５ａ 押圧面
５ｂ 突起部
６ 間隙
７ 押圧部材
７ａ 押圧面

Claims (6)

1. 積層された複数の金属箔同士の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する金属箔の接続方法であって、
   前記金属箔にレーザ光線を照射して金属箔を溶融させるとともに、この溶融部を押圧部材により押圧することを特徴とする金属箔の接続方法。
2. 前記押圧部材は、前記金属箔同士の端面を押圧する押圧面と、該押圧面から突出される突起部と、を有し、該突起部により前記金属箔同士の端面の一部を押圧した状態で、前記レーザ光線の照射を前記金属箔同士の端面と前記突起部とに照射し、該レーザ光線の照射により前記突起部を溶融させて前記押圧面を前記金属箔同士の端面に当接させ、前記レーザ光線の照射により溶融した金属箔同士の端面が押圧されることを特徴とする請求項１に記載の金属箔の接続方法。
3. 前記押圧部材は、前記レーザ光線を透過する透過性を有する材質で形成されており、該押圧部材を介して前記レーザ光線が前記金属箔同士の端面に照射されることを特徴とする請求項１に記載の金属箔の接続方法。
4. 前記レーザ光線を前記金属箔同士の端面に対して斜め方向から照射させることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金属箔の接続方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の金属箔の接続方法により製造されることを特徴とするコンデンサ。
6. 前記押圧部材をコンデンサ用リード端子としたことを特徴とする請求項５に記載のコンデンサ。