JP4154270B2

JP4154270B2 - コンデンサの製作方法

Info

Publication number: JP4154270B2
Application number: JP2003098740A
Authority: JP
Inventors: 欣也青田; 久宣岡村; 晃二佐藤; 正寿稲垣; 博司岡崎; 清治山口
Original assignee: Hitachi AIC Inc; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi AIC Inc; Hitachi Ltd
Priority date: 2003-04-02
Filing date: 2003-04-02
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2023-04-02
Also published as: JP2004311474A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンデンサの製作方法に係り、特にリードタブと端子又は電極箔との接合方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、陽極箔と陰極箔とをセパレータを介して巻回した電解コンデンサにおいて、コンデンサ素子の陽極リードタブもしくは陰極リードタブと端子の接合は、リベット接合により行われている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
また、コンデンサ用電極箔においては、電極箔をリードタブに接合し、リードタブを通じて電気的接触を得ているが、リードタブを電極箔と接合する際に、コールドウェルドとよばれる物理的に圧力を加える圧着の方法で接続が行われている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３０９９３７４号公報（請求項１、［０００６］）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
近年、コンデンサの大容量化にともない、大電流に対応したコンデンサの接合構造が望まれている。この課題に対して、リベット接合は、機械的な締結であるため、どうしても接続抵抗が発生してしまい適合しにくい。また、リードタブには、表裏面にアルミニウムの酸化皮膜を０.２〜０.７μｍ程度の厚さで付与した化成箔と呼ばれる材質が多く用いられるようになってきており、近年、この厚さはしだいに厚くなる傾向にある。アルミニウムの酸化皮膜であるアルミナは絶縁物であるため、酸化皮膜は薄いが、リードタブと端子の接触抵抗を増大させる要因となる。この接触抵抗をなくすには、金属学的に接合すれば良いが、アーク溶接，レーザ溶接等の溶融溶接ではリードタブが溶断しやすく安定して接合することができない。
【０００６】
本発明の目的は、コンデンサ素子におけるリードタブと端子の接合及びリードタブと電極箔との接合において、機械的特性を確保して、かつ、接続抵抗をなくす接合方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、リードタブを端子及び電極箔へ接続する工程を含むコンデンサの製作方法において、リードタブと端子との接合を、端子の上にリードタブを重ね、更にその上に押さえ板を重ね、ショルダの先端にピンを有する回転ツールを用いて、リードタブと端子と押さえ板とを摩擦攪拌接合により固相接合することにある。
【０００８】
端子には予め突起部を設けておき、一方リードタブ及び押さえ板にはそれぞれ孔を設けておき、これらの孔を端子の突起部へはめ込み、その状態で摩擦攪拌接合を行うことが望ましい。この場合、突起部をかしめてリベット接合してもよい。
【０００９】
又、端子にＬ字型の凹みを設けておき、その凹みにリードタブ及び押さえ板を配置し、Ｌ字型の壁の部分で端子とリードタブ及び押さえ板を摩擦攪拌接合により突合せ接合するようにしてもよい。
【００１０】
本発明は又、リードタブと電極箔との接合を、電極箔の上にリードタブを重ね、これらをショルダの先端にピンを有する回転ツールを用いて摩擦攪拌接合することにある。
【００１１】
電極箔が、心材とその表裏面に形成された酸化皮膜とからなる場合には、回転ツールのピンをリードタブ側から電極箔の心材まで押し込み、心材裏面の酸化皮膜にはピンを押し込まないようにして摩擦攪拌接合を行うことが望ましい。
【００１２】
なお、本発明において、電極箔との用語は、特に断らない限り陽極箔または陰極箔のいずれか又は両方を意味する。
【００１３】
押さえ板は、平らな板よりなり、またリードタブより厚いことが望ましい。
【００１４】
摩擦攪拌接合は、被加工物より実質的に硬い材質で形成され、大径のショルダの先端に小径のピンを備えた回転ツールを、二つの被加工物の接合部に回転させながら圧入して、接合方向に沿って移動させて接合部を塑性流動させる固相接合である。この方法は、例えば特許２７１２８３８号公報あるいは特表平０９−
５０８０７３号公報などに記載されている。
【００１５】
摩擦攪拌接合は、固相接合であり、リードタブを溶断させることなく、かつ、接続抵抗をなくして接合できる。しかし、この摩擦攪拌接合をコンデンサのリードタブと端子の接合に適用するためには、次の課題がある。ひとつは、リードタブが薄いために、接合ツールの回転による摩擦力でリードタブが断線してしまうことである。もう一つは、重ね接合ではせん断荷重に弱く、接合部の機械的強度を確保できる構造にする必要があることである。
【００１６】
近年、電極箔はコンデンサをより小型化する目的で表面をさらに粗面化処理したのち陽極酸化処理を施して、有効表面積をより拡大している。そのため、表面には脆くて、硬い酸化皮膜が厚く形成される。このため、従来の圧着法では、圧着力により、この厚くて脆い酸化皮膜にクラックが生じるため、リードタブと電極箔の接合が困難で、コンデンサとして組み立てる際の隘路事項になっている。本発明は、これらの問題を考慮してなされたものである。
【００１７】
本発明において、押さえ板の厚さは、回転ツールのショルダ径の１／１０以上であることが望ましい。
【００１８】
本発明の方法は、リードタブが複数枚の場合に特に有効である。
【００１９】
また、リードタブと電極箔との接合において、電極箔が心材の表裏面に酸化皮膜を形成したものからなる場合には、リードタブには、電極箔の表面に形成された酸化皮膜の厚さより１.５倍以上厚いものを用いることが望ましい。そして、ピンを電極箔の表面の酸化皮膜と心材まで圧入し、心材裏面の酸化皮膜には圧入しないで接合することが望ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
実施例１
図１は本発明の実施形態の一例を示すもので、コンデンサ素子の端子とリードタブとの接合部の接合後の断面図である。ここでは、陽極リードタブ及び陰極リードタブを含めてリードタブと総称する。図１はリードタブ２が３枚の場合を示した。このリードタブ２の枚数はコンデンサの容量などの特性によって製品により異なる。端子３の上にリードタブ２が３枚配置され、その上に平板部材よりなる押さえ板１２が配置され、リベット１３で機械的に固定されて接合強度が確保されている。さらに、摩擦攪拌接合により押さえ板１２，リードタブ２，端子３の一部が攪拌され、攪拌部１０が形成され、固相接合されて接続抵抗のない接合になっている。以下にその手順を示す。なお、図１中の符号９は容器の一部分を示している。
【００２１】
図２は電解コンデンサの概略構造を示した断面図である。コンデンサ素子１から正極と負極の両極のリードタブ２が引き出されて、そのリードタブ２が端子３に接合される構造である。陽極箔及び陰極箔は、図示はされていないが、いずれもセパレータを介して巻回されている。コンデンサ素子１は電解液に浸漬され、電解液が漏れないよう容器９に封入されて、外部に対し封止されている。このリードタブ２と端子３の接合手順を次に示す。
【００２２】
図３には、リードタブと端子の接合前の斜視図を示した。端子３には突起部４が形成されており、この突起部４にリードタブ２及び押さえ板１２が挿入できるように、リードタブ２および押さえ板１２にはそれぞれ丸い孔５が設けられている。また、後述するが、ツール圧入孔１１もそれぞれに設けられている。
【００２３】
図４には、リードタブと端子の接合前のセット状況を斜視図で示した。孔５に突起部４を嵌め込んだ状態であり、さらに突起部４を押圧してリベット１３結合されている。このリベット結合は接合強度を確保するためのものであり、攪拌部１０に応力が加わらないようにするために、コンデンサ素子側にリベット結合することが望ましい。
【００２４】
図５には摩擦攪拌接合前の斜視図を、図６には摩擦攪拌接合中の斜視図を、図７には摩擦攪拌接合後の斜視図を示した。なお、リードタブ２と端子３はともにアルミニウムであり、リードタブ２の厚さは１００μｍである。また、リードタブ２の表裏面の酸化皮膜は０.５μｍのものを用いた。押さえ板１２は厚さ０.５mmで、材質はアルミニウムである。回転ツール６は大径のショルダ７と先端の小径のピン８により構成されている。この回転ツール６の材質は工具鋼であり、ショルダ７の径はφ４mm、ピン８の径はφ１mmである。ピン８の長さは１mmである。この回転ツール６を１５,０００rpmで回転させながら、押さえ板１２およびリードタブ２に設けられたツール圧入孔１１に圧入する。圧入量はピン８の長さと同じ１mmである。ツール圧入孔１１の径は、ピン８の径と同じであることが望ましい。ツール圧入孔１１はなくてもよいが、ない場合にはピン８の圧入によりバリが排出される場合がある。回転ツール６を圧入後は、接合方向に３００mm／min の移動速度で距離１mmたけ移動した後、回転ツール６を引抜く。接合方向に移動させずに、回転ツール６を１mm圧入して、そのまま引抜いてもよい。
【００２５】
本実施例では、リードタブ２と端子３の接続抵抗は目標とした０.００１Ω 以下になり、実用上まったく問題ないレベルまで低くすることができた。
【００２６】
本発明では、特に、押さえ板１２の板厚が重要である。摩擦攪拌接合ではショルダ７の回転により押さえ板１２に回転方向の摩擦力が作用する。ショルダ７の直径が大きいほど、この摩擦力は大きくなる。この摩擦力が大きすぎると、押さえ板１２が破断する。そのため、押さえ板１２の厚さを厚くしておくことが有効である。特に、複数のリードタブ２を接合する場合には、押さえ板１２の厚さが非常に重要である。表１に各種押さえ板１２の厚さと押さえ板１２の破断状況を示した。接合条件は本実施例と同じである。その結果、押さえ板１２の厚さは２００μｍ以上であることが、押さえ板１２の破断防止に有効であることがわかった。この結果より、ショルダ７の直径は３mmであるので、押さえ板１２の厚さは、ショルダ７の径の１／２０以上であることが、破断することなく接合できる厚さである。また、ショルダ７の直径が６mmの場合も同様の実験をして、押さえ板１２の厚さが３００μｍ以上ならば接合できることを確認した。
【００２７】
【表１】

【００２８】
実施例２
図８は第２の実施例における、コンデンサ素子の端子とリードタブとの接合部の接合前の断面図を示す。実施例１と異なる点は、端子３に凹部を設け、そこにリードタブ２が配置されている点である。リードタブ２の上には押さえ板１２が配置されている。
【００２９】
図９は、第２の実施例における接合後の断面図を示している。接合はリードタブ２の端部と押さえ板１２の端部を端子３と突合せ接合する構造である。突合せ継手は接合部にせん断荷重が加わっても、接合強度が確保でき、リベット結合をなくすことができる。
【００３０】
実施例３
図１０は第３の実施例における、コンデンサ素子の端子とリードタブとの接合部の接合後の断面図を示す。実施例１と異なる点は、リベット結合をしていない点である。ただし、リードタブと押さえ板１２にそれぞれ設けられた孔５を突起部４に挿入する構造は同じである。本実施例は、リードタブ２の枚数が少なく、かつ、機械的強度がそれほど要求されない場合に有効である。
【００３１】
実施例４
図１１は第４の実施例における、コンデンサ素子の端子とリードタブとの接合部の接合後の断面図を示す。実施例１と異なる点は、リベット結合および突起部４がないことである。端子３の上にリードタブ２が配置され、その上に押さえ板１２が配置され、端子とリードタブと押さえ板の３者が摩擦攪拌接合により固相接合された構造である。本実施例は、リードタブ２の枚数が少なく、かつ、機械的強度がそれほど要求されない場合に有効である。
【００３２】
実施例５
図１２は第５の実施例における接合後の断面図を示す。継手の構造はリードタブ２と陽極箔２０の重ね接合である。なお、陽極箔の表裏面にはコンデンサの容量を大きくするため陽極酸化処理が施されている。特に、近年、アルミニウム電解コンデンサの容量を大きくするために陽極箔の表裏面にピットを設けてから陽極酸化処理が施されているため、厚い酸化皮膜が陽極箔の表裏面に形成されている。陽極箔２０は、全体の厚さが１００μｍであり、このうち、表面側酸化皮膜２２の厚さは４０μｍ、裏面側酸化皮膜２３の厚さは４０μｍ、残りの酸化されていない残芯アルミニウム２４の厚さは２０μｍである。また、リードタブ２はアルミニウムであり、厚さはここでは２００μｍのものを用いた。本実施例では攪拌部１０はリードタブ２，表面側酸化皮膜２２，残芯アルミニウム２４の領域で形成され、裏面側酸化皮膜２３は攪拌されないことが特徴である。このようにするのは、裏面側酸化皮膜２３まで攪拌部１０を形成すると、陽極箔２０が脆いために破断してしまうためである。
【００３３】
図１３に第５の実施例における接合中の断面図を示す。回転ツール６は、ショルダ７の径がφ０.９mm 、ピンの径がφ０.３mmである。ピンの長さは０.２５mmである。回転ツール６はリードタブ２側から接合部に圧入され、かつ、ピン８は裏面側酸化皮膜２３には圧入しないことが特徴である。この理由は、回転ツール６により攪拌する領域の酸化皮膜の割合をできるだけ少なくする必要があるからである。酸化皮膜はアルミニウムの酸化物であるアルミナで構成されている。このアルミナは脆くて硬い物質であるため、回転ツール６により塑性流動できない。リードタブ２および残芯アルミニウム２４はアルミニウムであるため塑性流動する。したがって、リードタブ２と陽極箔２０を摩擦攪拌接合するには、攪拌部でのアルミニウムの割合を高くする必要がある。そのため、回転ツール６はリードタブ２側から圧入して、かつ、裏面側酸化皮膜２３を攪拌しないことが有効である。また、リードタブ２の厚さは表面側酸化皮膜２２の厚さよりも厚くすることが有効である。種々の実験結果からリードタブの厚さは、表面側酸化皮膜の厚さの２倍以上にすることが欠陥のない接合をするのに有効であることがわかった。本実施例の場合は表面側酸化皮膜２２の厚さは４０μｍであるので、リードタブ２の厚さは８０μｍ以上が望ましい。なお、接合条件は、回転ツール６の回転数が３０,０００rpm、回転ツール６の移動速度が６００mm／min である。
【００３４】
表２は各種リードタブの厚さと欠陥の有無の関係を示す。本実施例の陽極箔２０をリードタブ２の厚さを変えて接合実験したものである。その結果、リードタブの厚さが６０μｍ以下では攪拌部にクラックが発生して接合できないが、厚さ８０μｍ以上ではクラックの発生は見られず接合が可能であった。これは、攪拌部１０における酸化物、すなわちアルミナの割合が少ないほど良好な接合ができることを示している。
【００３５】
【表２】

【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、リードタブと端子との接合又はリードタブと電極箔との接合において、機械的強度を確保して、かつ接触抵抗のない信頼性のある接合部が得られる。
【００３７】
また、リードタブと電極箔を接合する場合に、クラックのない良好な接合部を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態の一例を示した接合後の断面図である。
【図２】電解コンデンサの概略構造を示した断面図である。
【図３】リードタブと端子の接合前の斜視図である。
【図４】リードタブと端子の接合前のセット状況を示す斜視図である。
【図５】摩擦攪拌接合前の斜視図である。
【図６】摩擦攪拌接合中の斜視図である。
【図７】摩擦攪拌接合後の斜視図である。
【図８】第２の実施例における接合前の断面図である。
【図９】第２の実施例における接合後の断面図である。
【図１０】第３の実施例における接合部の断面図である。
【図１１】第４の実施例における接合部の断面図である。
【図１２】第５の実施例における接合後の断面図である。
【図１３】第５の実施例における接合中の断面図である。
【符号の説明】
１…コンデンサ素子、２…リードタブ、３…端子、４…突起部、５…孔、６…回転ツール、７…ショルダ、８…ピン、９…容器、１０…攪拌部、１１…ツール圧入孔、１２…押さえ板、１３…リベット、２０…陽極箔、２２…表面側酸化皮膜、２３…裏面側酸化皮膜、２４…残芯アルミニウム。

Claims

端子の上にリードタブを重ね、更にその上に押さえ板を重ね、前記リードタブと前記端子及び前記押さえ板を、ショルダの先端にピンを有する回転ツールを用いて摩擦攪拌接合することにより固相接合することを特徴とするコンデンサの製作方法であって、
前記端子に突起部を設け、前記リードタブ及び前記押さえ板にそれぞれ孔を設けて、この孔を前記突起部へはめ込み、前記突起部をかしめてリベット接合を行ってから、リベット接合に対しコンデンサ素子の反対側に前記回転ツールを用いて摩擦攪拌接合を行うことを特徴とするコンデンサの製作方法。
請求項１において、前記リードタブはツール圧入孔を有することを特徴とするコンデンサの製作方法。