JP2014112543A - 端子付電気化学セル - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性に優れ且つリフローハンダ付が可能であり、基板上に表面実装する際、占有スペースが最小限である端子付電気化学セルを提供する。
【解決手段】端子付電気化学セルは、２つのセルケースを有するボタン型或いはコイン型の電気化学セルと、２つのセルケースにそれぞれ溶接された２つの端子を備えている。２つの端子の一方は２つのセルケースの一方に溶接されたＡ面と該Ａ面と連続するセル高さ方向のＢ面と該Ｂ面と連続し且つＡ面と略平行なハンダ付け用のＣ面を有しており、２つの端子の他方は２つのセルケースの他方に溶接された面と該面と連続するハンダ付け用の面を有している。
【選択図】なし

Description

本発明は、ボタン型あるいはコイン型電気化学セルに係り、回路基板上に表面実装する為の端子を有する端子付電気化学セルに関する。

近年、携帯電話等のモバイル機器の小型化、薄型化、高機能化は目覚しく、それに伴い機器に搭載される部品についても高密度化、高機能化が急速に進展している。

また、これら部品をプリント基板上に搭載する方法も表面実装化が一層進んでおり、特にハンダ付けプロセスについては、多くの電子部品を高密度に且つ一括してハンダ付可能な方法として、ハンダをあらかじめ基板上に印刷した後、ハンダの融点以上の温度に設定されたリフロー熱源によりハンダ付けを行う方法（以下リフローハンダ付という）が多く採用されている。

一方、これらモバイル機器には様々な電池が用いられている。例えば、主電源としてアルカリ電池やリチウム電池などの１次電池、あるいはリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの各種２次電池が用いられており、これら電池は必要に応じて機器使用者が電池交換および／又は再充電している。主電源用途以外にも、メモリーバックアップやリアルタイムクロックのバックアップ用途などにも各種１次あるいは２次電池が用いられており、これら用途電池は予め機器に組み込まれている場合が殆どである。

従来これらの電池を機器に実装する場合には、電池自身が高温に対する耐性が乏しいため、前述したようなリフローハンダ付けは不可能であり、電池以外の部品をリフローハンダ付した後手作業にてハンダ付け、あるいはホルダをリフローハンダ付後、手作業にて電池を該ホルダに装着しており、作業の効率面において問題を有していた。

かかる状況下、リフローハンダ付けを可能にする電池の研究が鋭意なされており、例えば特開平８−１７４７０号公報、及び特開平８−３０６３８４号公報で開示されているように、リフローハンダ付けが可能である電池が開発されている。

一般的な電子部品の多くが方形状であるのに対し、これら電池形状は略コイン型或いはボタン型であるため、基板上に表面実装する際のデッドスペースが多いことに加え、基板に表面実装するための端子が占有するスペースが大きいという問題点を有している。特に電子機器の小サイズ化が著しい最近では上記問題の解決が強く望まれている。

本発明者らは上述の実状を鑑み鋭意研究を続けた結果、本発明を完成したものである。本発明の目的は、耐熱性に優れ且つリフローハンダ付が可能であり、基板上に表面実装する際、占有スペースが最小限である端子付電気化学セルを提供するにある。

上記目的は、正極と負極となる２つのセルケースを有し、非プロトン性溶媒を用いた電解液を備え、リフローハンダ付けが可能である所定高さのボタン型或いはコイン型の電気化学セルと、該電気化学セルを基板上に表面実装するために２つのセルケースにそれぞれ溶接された２つの端子とを備えた端子付電気化学セルにおいて、前記２つのセルケースの一方は、前記電気化学セルを基板上に表面実装するときに該基板に近接しないセルケースであり、前記２つのセルケースの他方は、前記電気化学セルを基板上に表面実装するときに該基板に近接するセルケースであり、前記２つの端子の一方は、前記２つのセルケースの一方に溶接されたＡ面と、該Ａ面と連続するセル高さ方向のＢ面と、該Ｂ面と連続し且つＡ面と略平行なハンダ付け用のＣ面とを有しており、前記２つの端子の他方は、前記２つのセルケースの他方に溶接された面と、該面と連続するハンダ付け用の面とを有しており、前記２つのセルケースのうちの直径が大きい方のセルケースに外接する正方形を描いたとき、前記２つの端子の一方における前記Ａ面と前記Ｂ面との境界部は前記外接正方形よりも外側に突出しておらず、前記２つの端子の一方における前記Ｃ面は前記外接正方形の２辺に略平行な２辺を有していると共に、前記２つの端子の他方における前記ハンダ付け用の面は前記外接正方形の２辺に略平行な２辺を有している、ことを特徴とする端子付電気化学セルにより達成される。

本発明に係る端子付電気化学セルの参考例１の図面である。上から順番に、上面図、側面図、底面図を示す。斜線部分は基板に接地するためのハンダメッキが着く面を示す。 本発明に係る端子付電気化学セルの実施例１の図面である。上から順番に、上面図、側面図、底面図を示す。斜線部分は基板に接地するためのハンダメッキが着く面を示す。 本発明に係る端子付電気化学セルの実施例２の図面である。上から順番に、上面図、側面図、底面図を示す。斜線部分は基板に接地するためのハンダメッキが着く面を示す。 従来の端子付電気化学セルを示す図である。上から順番に、上面図、側面図、底面図を示す。斜線部分は基板に接地する面を示す。

本発明において、基板に近接しないセルケースに溶接される端子１は、該セルケースフラット面に接し且つ平行であるＡ面、およびＡ面と連続し且つ同一平面状にないセル厚み方向に面するＢ面、およびＢ面とは連続しかつ同一平面状になく、前述Ａ面と略平行なＣ面の３面を有する。

該端子の形状は特に限定されるものではなく、例えば、Ａ−Ｂ−Ｃ全てを含む断面が略コの字型形状であるものが挙げられる。このとき、断面上のＡ面とＣ面の長さの同異は特に問わない。また、Ｂ面の垂直高さは該セルの肩高さより大きいことが好ましく、更にはセル高さよりも大きいことが好ましいが、高すぎる場合、端子付電気化学セルの全高が大きくなってしまう。Ｂ面の垂直高さは、寸法上のバランス、ハンダ付け強度等を考慮した場合、基板に近接するセルケースに溶接される端子の段差＋セル厚み±２００μｍ程度であるのが好ましい。

本発明において、基板に近接するセルケースに溶接される端子２は、セルケースに溶接される面と基板に接地される面の間に少なくともひとつの段差を有することが好ましい。端子の段差とは端子２の接地面とセルケースに溶接される面との垂直距離のことをいう。

段差の寸法は特に限定されないが、２００〜５００μｍとするのが以下に述べる理由より好都合である。段差が２００μｍより小さい場合には基板に近接しないセルケースと該セルケースに溶接される端子のＣ面の距離が短い為に、リフローハンダ付け作業後、基板に近接しないセルケースと該セルケースに溶接される端子のＣ面が直接接触することによる短絡、或いは一旦溶融したハンダを介して短絡してしまう可能性が高くなる。

また、５００μｍ以上の場合には端子付電気化学セルの高さ寸法が大きくなってしまうため好ましくない。該端子が段差を有さない場合は、もう一方の基板に近接しないセルケースに溶接される端子のＣ面が、基板と基板に近接するセルケースの間の空隙部に入ることが出来ないため、結果的に端子付電気化学セルが基板上で占める面積が大きくなってしまう。

本発明において、端子１と端子２の位置関係は特に問わない。端子間での短絡を防止するためには、端子１と端子２が１８０度の角度を成す様に配置するのが好ましいが、基板のスペース形状によっては、例えば端子１と端子２が９０度の角度を成す様に配置をしても構わない。この場合、端子１とコの字型の開口部は閉じていても良く、いわゆる略ロの字型を採ることも可能である。

本発明において用いられる端子材料は、一般に用いられる金属材料であれば特に限定はされないが、各種のステンレス材、ニッケル材、ニッケル−鉄合金、銅などが好ましく用いられる。端子の厚みは特に限定されないが、通常５０〜３００μｍの厚みである場合が溶接条件を設定しやすく好ましい。また、少なくとも端子が基板に接地する面には基板と端子付電気化学セルの充分な接着強度を持たせるためにハンダ等のメッキがなされている。

本発明において、基板に近接しないセルケースに溶接される端子１の少なくともＢ面が開口部を持つ場合、端子付電気化学セルが基板に表面実装される場合の占有する面積をより小さくすることが可能にある。該開口部の垂直高さＬｂは、少なくとも正極セルケース及び負極セルケースの直径が大きい方のセルケースの高さに対しＬｂ＞Ｈであれば良いが、好ましくはセル高さＨｃに対し、Ｌｂ＞Ｈｃであるのが好ましい。この場合、Ｂ面の開口部とセル中心からの距離Ｒｂはセル単体の半径Ｒ以下に出来るため、端子付電気化学セルが基板上で占める面積を小さくすることが出来る。

また、開口部はＡ面および／あるいはＣ面に連続する開口部でも良い。この場合、さらにＡ面および／あるいはＣ面のＢ面側でないもう一方の端部は、それぞれ閉じていなくてもよい。Ｃ面のＢ面側でないもう一方の端部が閉じていない場合は、基板に接する部位の面積は減少するが、３点接地になるために強度を低下させること無くリフローハンダ付けが可能である。

本発明における発電素子は、電気化学エネルギーを蓄え外部にエネルギーを取り出すことが可能であれば特に限定されず１次、２次の種は問わないが、リフローハンダ付け処理を考慮すると電解液が非プロトン性溶媒からなる有機電解質電池であることが好ましい。

例えば、正極に二酸化マンガン、負極に金属リチウムを用いたリチウム一次電池や、正極にマンガン酸化物、負極にリチウムアルミ合金や珪素酸化物を用いたマンガン−リチウム合金系やマンガン−珪素酸化物系などの３Ｖ級電池、正・負極に活性炭の如き多孔質炭素材やポリアセン系有機半導体を用いた有機系キャパシタ、その他ニオブ酸化物−リチウム合金系、マンガン酸化物−チタン酸リチウム系などが挙げられる。

本発明における発電素子の形状は特に限定されず、例えば、タブレット状に成形した正極及び負極電極を電解液を含浸したセパレータを介して対向させたものがあげられる。この場合、セパレータに接していないもう一方の電極面を缶に接着する場合が多い。

また該発電素子は、箔やメッシュなどの集電体に成形した帯状正極及び負極電極をセパレータを介して巻回したものでもよく、帯状電極の最外周部を正極セルケースおよび／または負極セルケース内面に直接接触させて密閉するのが作業上簡便である。

本発明で用いられる正極セルケース及び負極セルケースは、一般に電池に用いられる金属材料であれば特に限定されないが、好ましくは耐食性、耐孔食性等に優れている各種ステンレス材である。

また、これら正極セルケース及び負極セルケースは短絡することなく発電素子を外雰囲気と遮断し、気密性、液密性を保持する為にガスケットを介してかしめ等プレスを行うのが通常である。

ガスケット材に用いる材料としては、例えばポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイド、フッ素樹脂等が挙げられ、成形性を良くするために必要に応じてガラス繊維を添加して成形したものを用いても良い。

以下、図面により本発明の実施の一例を説明する。但し、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（参考例１）
図１は正極及び負極の主成分がポリアセン系有機半導体である有機系キャパシタを発電素子に用いた直径４．８ｍｍ、高さ１．４ｍｍコイン型セルに端子を溶接した参考例である。

端子付電気化学セルの総高さは１．７ｍｍであった。発電素子は例えば特願平７−１３７１８４の実施例に開示されている方法にて作製した。端子は厚みが１００μｍのＳＵＳ３０４材をプレス成形により作製したものを用いた。セルへの端子の溶接ＹＡＧレーザー溶接機により行なった。この場合、基板上においてセル本体のみが占める面積を１００とした場合、端子付電気化学セルが占める面積比は１１０であった。

（実施例１）
図２は参考例１と同様に発電素子としてポリアセン系有機半導体からなる有機性キャパシタを発電素子に用いた実施例である。この場合、基板上においてセル本体のみが占める面積を１００とした場合、端子付電気化学セルが占める面積比は１０３％であった。

（実施例２）
図３は参考例１と同様に発電素子としてポリアセン系有機半導体からなる有機系キャパシタを発電素子に用いた別の実施例である。端子１と端子２は９０度の角度を成して配置されている。この場合、基板上においてセル本体のみが占める面積を１００とした場合、端子付電気化学セルが占める面積比は１０６％であった。

（比較例１）
図４は従来形状の端子を溶接した端子付電気化学セルの一例である。この場合、基板上においてセル本体のみが占める面積を１００とした場合、端子付電気化学セルが占める面積比は１３７％であった。

以上の結果から分かるように、比較例１に示した端子付電気化学セルにおいては、ハンダ付け強度を低下させることなく端子の占有面積を小さくすることが出来ないため、例えセルサイズを小さくしてもその効果を生かすことが出来なかった。それに対し、実施例１及び２と参考例１の場合、端子付電気化学セルが基板上で占める面積を小さくすることが可能となる。特に基板に近接しないセルケースに溶接される略コの字型端子の少なくともＢ面が開口部を有している場合、その効果は特に大きく、小型化、集積化する電気製品を含め多くの電気製品に有効に利用可能である。

１…正極セルケース、２…負極セルケース、３…端子１、４…端子２、５…ガスケット、６…端子１−Ａ面、７…端子１−Ｂ面、８…端子１−Ｃ面、９…ハンダメッキ部。

Claims (6)

1. 正極と負極となる２つのセルケースを有し、非プロトン性溶媒を用いた電解液を備え、リフローハンダ付けが可能である所定高さのボタン型或いはコイン型の電気化学セルと、該電気化学セルを基板上に表面実装するために２つのセルケースにそれぞれ溶接された２つの端子とを備えた端子付電気化学セルにおいて、
   前記２つのセルケースの一方は、前記電気化学セルを基板上に表面実装するときに該基板に近接しないセルケースであり、
   前記２つのセルケースの他方は、前記電気化学セルを基板上に表面実装するときに該基板に近接するセルケースであり、
   前記２つの端子の一方は、前記２つのセルケースの一方に溶接されたＡ面と、該Ａ面と連続するセル高さ方向のＢ面と、該Ｂ面と連続し且つＡ面と略平行なハンダ付け用のＣ面とを有しており、
   前記２つの端子の他方は、前記２つのセルケースの他方に溶接された面と、該面と連続するハンダ付け用の面とを有しており、
   前記２つのセルケースのうちの直径が大きい方のセルケースに外接する正方形を描いたとき、前記２つの端子の一方における前記Ａ面と前記Ｂ面との境界部は前記外接正方形よりも外側に突出しておらず、前記２つの端子の一方における前記Ｃ面は前記外接正方形の２辺に略平行な２辺を有していると共に、前記２つの端子の他方における前記ハンダ付け用の面は前記外接正方形の２辺に略平行な２辺を有している、
   ことを特徴とする端子付電気化学セル。
2. 前記２つの端子の一方における前記Ｃ面の少なくとも一部は、前記２つのセルケースのうちの直径が大きい方のセルケースよりも外側に突出している、
   ことを特徴とする請求項１に記載の端子付電気化学セル。
3. 前記２つの端子の一方における前記Ｃ面の少なくとも一部は、前記外接正方形の２辺に略平行な２辺を有する角部である、
   ことを特徴とする請求項２に記載の端子付電気化学セル。
4. 前記２つの端子の一方における前記Ｃ面は、前記外接正方形よりも外側に突出していない、
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の端子付電気化学セル。
5. 前記２つの端子の他方における前記ハンダ付け用の面は、前記外接正方形よりも外側に突出していない、
   ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の端子付電気化学セル。
6. 前記２つの端子の他方は、前記２つのセルケースの他方に溶接された面と、前記ハンダ付け用の面との間に、少なくとも１つの段差を有している、
   ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の端子付電気化学セル。

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