JP4267401B2

JP4267401B2 - 電子機器

Info

Publication number: JP4267401B2
Application number: JP2003288124A
Authority: JP
Inventors: 和義本田; 禎之岡崎; 毅一郎大石; 誠高橋; より子 ▲高▼井
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-08-06
Filing date: 2003-08-06
Publication date: 2009-05-27
Anticipated expiration: 2023-08-06
Also published as: JP2005056761A

Description

本発明はエネルギーデバイスとしてのシート状電池を用いた電子機器に関する。

電子機器の小型高性能化がとどまることなく進んでいる。機器の小型高性能化にはこれを構成する半導体集積回路、モジュール、チップ部品、多層基板、フラットケーブル等の各種デバイスの小型高性能化が必須である。電池に代表されるエネルギーデバイスもこの例に漏れず、電子機器の小型化と歩みを共にして小型高性能化が図られている。

小型高性能エネルギーデバイスの中でも代表的なリチウムイオン２次電池は、負極集電体、負極活物質、電解質、セパレーター、正極活物質、正極集電体を主な構成要素とする。リチウムイオン２次電池の小型高性能化は、正極及び負極の活物質の高エネルギー密度化、正極及び負極の集電体の薄型化、電解質の高性能化、セパレーターの薄型化などと、電池の高エネルギー密度化と、これらと表裏一体となって困難度が増大する安全性の確保とを並行して進めることによって実現できる。これにより、例えば高性能モバイル機器の小型化や長時間駆動が可能となっている。

モバイル機器に要求される小型軽量化の中でも薄型化は重要な項目のひとつであり、そのためにエネルギーデバイスの薄型化が進められている。電解液を使用する液型リチウムイオン２次電池では漏液対策が必須であるため、薄型化には困難が伴う。そこで、固体系の電解質を用いた薄型電池が有望であるる。このような薄型電池の代表例としてポリマー電池が挙げられるが、その他に薄膜タイプのリチウムイオン２次電池を挙げることが出来る。薄膜リチウムイオン２次電池は、一般に、正極集電体層、正極活物質層、固体電解質層、負極活物質層、負極集電体層をこの順に備えた電池構成層（電池セル）を有する。電池構成層の各層は、通常、蒸着などの真空薄膜プロセスにより順に形成される。

シート状の電池は機器の薄型化に非常に有効であり、今後の電子機器において重要なデバイスとなりつつある。

例えば、特許文献１には、有機ＥＬディスプレイ、複数のＩＣチップ、通信用アンテナコイル、入力用キースイッチ、シート状電池などを少なくとも有する、非常に薄型で薄暗い場所でも視認性の高い携帯情報端末が開示されている。これによると、有機ＥＬディスプレイの透明基板をポリマーを主成分としたものとし、ＩＣチップを薄型にする等により曲げに対して容易に破壊しない携帯情報端末を得ることが出来る。また、透明基板、及び携帯情報端末のコアとなる支持基板あるいは多層配線基板の構成材料として高防水性の材料を用い、これらにより有機ＥＬディスプレイを封止することにより、ディスプレイの吸湿劣化が防止でき、高信頼性となると記載されている。
特開２００２−３６６０５９号公報

このようにシート状電池を用いることにより、モバイル機器等の薄型軽量化を図ることが出来るが、電池がシート形状をしているが故に、電子機器内部における占有面積が大きく、他のデバイスや配線基板の配置に関して制約が大きいという課題がある。特に高周波機器を想定する場合には冗長な配線は機器の信頼性を損なう可能性がある。シート電池の薄型特性を活かしながらこのようなデメリットを排除するための対策が必要である。

本発明は、同時に使用される各種部品の配置に関する制約が低減されたシート状電池を使用することにより、薄型化と高性能化とが実現された電子機器を提供することを目的とする。

本発明の電子機器は、少なくとも、正極集電体層と、負極集電体層と、電極活物質層と、電解質層とが積層されたシート状電池と、前記積層方向に前記シート状電池を貫通する貫通孔と、前記貫通孔に配置された光学デバイスと、前記シート状電池の両側に配置された光学部品とを備え、前記光学部品が前記光学デバイスを介して相互に接続されている。

本発明の電子機器によれば、シート状電池が貫通孔を備え、貫通孔に光学デバイスが配置されているので、薄型でありながら、電子機器を構成する各種部品の配置の自由度が向上する。また、冗長な配線を少なくすることができるので、高周波動作の信頼性が向上する。従って、薄型で高性能な電子機器を実現できる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

（実施の形態１）
本発明のシート状電池を説明する。図１は本発明のシート状電池の構成の一例を模式的に示す断面図である。本実施の形態のシート状電池は、基板１０と、この上に形成された電池セル２０とを備える。電池セル２０は、負極集電体層２３、負極活物質層２４、固体電解質層２５、正極活物質層２６、正極集電体層２７をこの順に備える。

基板１０としては、例えばポリイミド（ＰＩ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やその他の高分子フィルム、又はステンレス金属箔、又はニッケル、銅、アルミニウムやその他の金属元素を含む金属箔などの可撓性を有する材料を用いることが出来る。更に、各種形状のシリコン、ガラス、セラミック、プラスチックなどを用いることも出来、本発明では基板の材質や形状に特に限定はない。

負極集電体層２３としては、例えばニッケル、銅、アルミニウム、白金、白金−パラジウム、金、銀、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）で代表される金属を用いることが出来る。シート状電池の最終形態によっては、負極側に基板１０を配置し、且つ基板１０として導電性材料を用いる場合には、負極集電体層２３を省略し、基板１０を負極集電体層２３としても機能させることができる。

負極活物質層２４には、例えば金属リチウム、非晶質シリコン、グラファイトなどを用いることが出来る。但し、本発明の負極活物質層２４の材料は上記に限定されず、その他の材料を用いることも出来る。なお、正極活物質層２６から放出された金属イオンを負極集電体層２３上に堆積させて負極活物質層２４を形成しても良く、その場合にはシート状電池の形成初期段階では負極活物質層２４を省略することが可能である。

固体電解質層２５としては、イオン伝導性があり、電子伝導性が無視できるほど小さい材料を用いることが出来る。特にシート状電池がリチウムイオン２次電池である場合には、リチウムイオンが可動イオンであるため、Ｌｉ₃ＰＯ₄や、Ｌｉ₃ＰＯ₄に窒素を混ぜて（あるいはＬｉ₃ＰＯ₄の元素の一部を窒素で置換して）得られる材料（ＬｉＰＯＮ：代表的な組成はＬｉ_2.9ＰＯ_3.3Ｎ_0.36）などからなる固体電解質はリチウムイオン伝導性に優れるので好ましい。同様に、Ｌｉ₂Ｓ−ＳｉＳ₂、Ｌｉ₂Ｓ−Ｐ₂Ｓ₅、Ｌｉ₂Ｓ−Ｂ₂Ｓ₃などの硫化物からなる固体電解質も有効である。更にこれらの固体電解質にＬｉＩなどのハロゲン化リチウムや、Ｌｉ₃ＰＯ₄等のリチウム酸素酸塩をドープした固体電解質も有効である。本発明の固体電解質層２５の材料は上記に限定されず、その他の材料を固体電解質層２５として用いることも出来る。電解質として固体電解質を用いることにより、従来の液型電解質で必須の液漏れ対策が不要となり、シート状電池の小型化、薄型化が容易になる。

正極活物質層２６としては、例えばコバルト酸リチウム、ニッケル酸リチウムなどを用いることが出来る。但し、本発明の正極活物質層２６の材料は上記に限定されず、その他の材料を用いることも出来る。

正極集電体層２７としては、例えば負極集電体層２３と同様にニッケル、銅、アルミニウム、白金、白金−パラジウム、金、銀、チタン、ＩＴＯ（インジウム−スズ酸化物）で代表される金属を用いることが出来る。シート状電池の最終形態によっては、正極側に基板１０を配置し、且つ基板１０として導電性材料を用いる場合には、正極集電体層２７を省略し、基板１０を正極集電体層２７としても機能させることができる。

電池セル２０を構成する各層は後述する方法により基板１０上に順に積層される。基板１０への積層順序は、図１のように負極集電体層２３側から始めてもよいが、正極集電体層２７側から始めてもよい。また、基板１０上に電池セル２０を積層後、基板１０を剥離し除去した後、シート状電池を形成しても良い。

また、図１のシート状電池では電池セル２０を１つのみ備えるが、電池セル２０を所望する数だけ積層しても良い。この場合、各電池セル２０間には、絶縁性を有する材料（絶縁層４２又は絶縁性の基板１０等）を配することが好ましい。

また、必要に応じて例えば活物質層２４，２６を多層構造にして充放電特性を改良したり、各層間に界面層を設けて接着強度を高めたり、ＰＴＣ保護素子層を配置して安全性を高めたりすることは、これまでにエネルギーデバイスで提案されてきたのと同様に本発明のシート状電池においても同様に適用することができる。

本発明のシート状電池は、所望する位置に、開口３７、貫通電極３８、及び光学デバイス３９のうちのいずれか一つを備える。

開口３７は、電池セル２０を構成する各層の積層方向にシート状電池を貫通する。開口３７の形状や大きさに特に制限は無いが、開口３７を利用して各種部品を配置するのに必要な形状と大きさを有することが好ましい。開口３７の形状及び大きさを適切に設定することにより、エネルギーデバイスとしての容量減少を小さく抑えることができる。また、開口３７の位置は、開口３７内に配置される部品の種類やシート状電池を用いて構成される電子機器の形態に応じて適切に設定されることが好ましい。

貫通電極３８は、その名の通り、電池セル２０を構成する各層の積層方向にシート状電池を貫通することにより、シート状電池の両面に電極を提供し、かつシート状電池の表裏面間を電気的に導通させるものである。貫通電極３８を介して電池セル２０の正極と負極とが短絡するのを防止するために、貫通電極３８は正極集電体層２７、負極集電体層２３、及び電極活物質層２４，２６のいずれとも直接接続されないことが必要である。貫通電極３８の材質は、信頼性、加工性、低抵抗性の点で、金、銅、ニッケル、アルミニウム、インジウム、亜鉛やこれらを含む合金等を用いることが出来るが、他の金属材料を使用することもできる。メッキやはんだを用いてもよい。また、金属材料ではなく、各種導電ペースト材料を用いることも出来る。図１に示した貫通電極３８は、金属材料からなる中空円筒状のパイプ３８ｂを電池セル２０に形成した貫通孔に挿入した後、パイプ３８ｂの両端を圧縮加工して変形させて貫通孔内に固定し、更に、パイプ３８ｂの中空内に導電ペースト３８ｃを詰め込んで形成されている。中空パイプ３８ｂを用いることにより両端の加工が容易である。もちろん、中実の金属リベットなどを用いてもよい。貫通電極３８を利用して電気的に接続される部品は特に制限はなく、チップ形状やシート形状の各種面実装電子部品、ヒューズやＰＴＣ素子などの保護部品、半導体チップや半導体用インターポーザー、スイッチなどの機構電子部品、タッチパネル、キーボードなどの入力用部品、バックライトやＣＣＤなどの光学部品などを例示でいるが、これらに限定されるものではない。

光学デバイス３９は、電池セル２０を構成する各層の積層方向にシート状電池を貫通し、シート状電池の両面間で光学情報を授受を可能にする。授受される光学情報としては、例えば、可視領域や不可視領域の照光や反射光、光通信情報など、特に制限はない。また、光学情報の授受としては、単なる授受の他、光学フィルタ動作、レーザー光ガイドなどの様々な形態が可能である。従って、光学デバイス３９としてはその目的に応じたものを選択する必要があり、例えばガラス又はプラスチックファイバー、多層光学薄膜、金属ゲルマニウム、偏向子、検光子、液晶などであるが、これらの例に制限されるものではない。

次に本発明のシート状電池の製造方法の一例について述べる。本発明のシート状電池の製造方法における一工程に使用される製造装置の構成を図２に模式的に示す。

真空槽１は隔壁１ｂにより上下に２つの部屋に分割されている。上側の部屋（搬送室）１ｃには、巻き出しロール１１、搬送ローラ１２ａ、円筒状のキャン１３、搬送ローラ１２ｂ、巻き取りロール１４が配置されている。隔壁１ｂより下側の部屋（薄膜形成室）１ｄには、成膜源（ソース）２、パターンマスク４が配置されている。薄膜形成室１ｄには真空槽１内を所定の真空度に維持するための排気ポンプ１ａが接続されている。隔壁１ｂの中央には開口１ｅが設けられ、開口１ｅを塞ぐようにパターンマスク４が設けられている。キャン１３の下面は、開口１ｅ及びパターンマスク４に形成された開口を介して薄膜形成室１ｄ側に露出している。

巻き出しロール１１から巻き出された可撓性の長尺の基板１０は、搬送ローラ１２ａ、キャン１３、搬送ローラ１２ｂにより順に搬送されて、巻き取りロール１４に巻き取られる。ここで、キャン１３の外周面に沿って走行中に、成膜源２から蒸発した蒸発粒子（原子、分子、又はクラスター）がパターンマスク４の開口を通過して基板１０に付着し薄膜６を形成する。薄膜６が形成された基板１０は巻取りロール１４に巻取られる。

薄膜６の成膜方法としては、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、レーザーアブレーション法などを一例とする各種薄膜プロセスを用いることが出来る。

真空槽１中に複数の成膜源２を設置して、基板１０が巻き出しロール１１から巻き出され巻き取りロール１４に巻き取られるまでの１走行過程中に電池セル２０を構成する複数層を形成しても良い。基板１０の走行とその途中で行われる成膜とを必要な回数だけ繰り返す事により、基板１０上に、正極集電体層２７、正極活物質層２６、固体電解質層２５、負極活物質層２４、負極集電体層２３がこの順、あるいはこれとは逆順に積層された電池セル２０を形成できる。電池セル２０が形成された基板１０は巻取りロール１４上に積層体シートとして巻き取られる。巻き取られた積層体シートを展開することでシート状の電池を得ることが出来る。

シート状電池に対して充放電を行うために、負極集電体２３及び正極集電体２７にそれぞれ電気的に接続された外部電極を形成することが好ましい。このとき、シート状電池の正極と負極とが直接接続されることがないようにする必要がある。そこで、成膜の際に成膜位置を調節する必要があり、パターンマスク４はその一例である。パターンマスク４にはスリット状の開口が設けられており、このパターンマスク４を介して成膜することにより、薄膜の形成位置がその開口位置によって制限される。電池セル２０を構成する各層の形成時にパターンマスク４の開口位置や開口幅を変更することによって、各層ごとに所望するパターンで成膜できる。また、例えばパターンマスク４に、基板１０の走行方向を長手方向とする多条のスリット状の開口を設けることにより、基板１０の幅方向に複数条の電池セル２０を形成することも出来る。

電池セル２０を構成する各層の製造方法として、真空薄膜プロセスを用いた方法を説明したが、本発明はこれに限定されず、リチウムイオン２次電池で広く実施されているペースト塗工法等の湿式プロセスによっても製造できる。

開口３７、貫通電極３８、光学デバイス３９の形成においては孔の端面の処理が重要である。即ち、孔の内壁面の処理が適切でないと、正負の集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６が短絡し、シート状電池内の蓄積エネルギーの逸失や、シート状電池の過熱や発火につながる危険がある。これを防止するために孔の形成は慎重に行う必要がある。

孔形成の一方法は以下の通りである。孔形成予定位置を含めて全面に電池セル２０を形成した後、ドリル、レーザー、エッチングその他の方法で貫通孔を形成する。次いで、例えばプラズマや化学溶液処理により、孔の内壁面に露出した集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６の露出部分を絶縁処理する。これにより、集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６が短絡し、シート状電池内の蓄積エネルギーの逸失や、シート状電池の過熱や発火につながる危険を防止することが出来る。

孔形成の別の方法では、集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６が孔の内壁面から後退するように、孔形成予定位置よりやや大きな領域をマスキングして集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６を形成する。マスキングは、薄膜プロセスでは、マスキングテープによる方法の他、半導体プロセスなどで広く実施されているレジスト方式や、フィルムコンデンサで実績のあるオイルマスキング方式などを応用して適応することが出来る。また、塗工プロセスでは、マスキングテープによる方法やスクリーン印刷方式などを用いることが出来る。集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６は孔が形成される領域よりも大きな領域をマスクして形成し、電解質層２５は孔とほぼ一致した領域をマスクして形成する。これにより、貫通孔を形成できる。あるいは、電解質層２５についてはマスクすることなく全面に成膜し、その後、ドリル、レーザー、エッチングその他の方法で集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６のマスキング領域よりも小さな貫通孔を形成しても良い。このようにすることにより、孔の内壁面に集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６が露出することがない。従って、集電体層２３，２７や電極活物質層２４，２６が短絡し、シート状電池内の蓄積エネルギーの逸失や、シート状電池の過熱や発火につながる危険を防止することが出来る。

以上のようにして安全に配慮して形成された貫通孔は、そのまま開口３７として用いることができる。また、この貫通孔に貫通電極３８や光学デバイス３９を設置しても良い。このとき、必要に応じて、貫通電極３８や光学デバイス３９と貫通孔の内壁面との間や貫通孔の周縁に有機物あるいは無機物の絶縁剤４１を付与してもよい。また、絶縁剤４１に代えて、又はこれとともに、保護剤、防湿剤、補強剤を付与してもよい。

本発明のシート状電池は、図１のように単一の電池セル２０を有する構成であってもよいが、複数の電池セル２０が直列あるいは並列に接続された構成であってもよい。複数の電池セル２０を用いる場合、シート状の電池セル２０の個片を積層してもよく、扁平シート状の電池セル２０を巻回しても良い。また、基板１０上に複数の電池セル２０を分割して形成するなどにより、同一平面上に複数の電池セル２０を備えていてもよい。これら複数の電池セル２０を直列接続又は並列接続する方法は、例えば各電池セル２０の集電体間の電気的接続順序と接続方法を選択することにより容易に実現することが出来る。集電体間の接続には直接積層、溶接、はんだ付け、かしめ、ワイヤーボンディング、ビア接続など様々な方法が製品形態と目的に応じて選択して用いられる。

図１に示すように、電池セル２０の外表面には、必要に応じて絶縁層４２を形成しても良い。絶縁層４２を形成することにより、シート状電池の表面に配線パターン４０（図４参照）を形成したり、他の部品を実装したり、治具などとで固定したりする場合に、短絡や漏電を防止できる。基板１０の外表面にも同様に絶縁層４２を形成しても良いが、基板１０が絶縁性材料からなる場合には、基板１０を絶縁層４２として機能させることにより、基板１０上の絶縁層４２を省略できる。絶縁層４２の材料は特に限定はなく、例えば有機又は無機の絶縁性材料を用いることができ、その形成方法も特に限定はなく、例えば、塗布、蒸着、転写などを用いることができる。

シート状電池は必要に応じて加温プレス処理をしても良い。

また、負極集電体２３及び正極集電体２７には、それぞれ外部電極（図示せず）が接続されることが好ましい。外部電極を介してシート状電池に対して充放電を行うことができる。外部電極の材料としては、ニッケル、亜鉛、スズ、はんだ合金、導電性樹脂などの各種導電材料を用いることが出来る。外部電極の形成方法としては、溶接、溶射、メッキ、塗布などを用いることが出来る。

また、シート状電池を保護材（図示せず）で覆うことも可能である。ポリマー電池で提案されている各種ラミネート包装材を用いたり、保護用樹脂の塗布やディッピングを施すことにより、エネルギーデバイスの信頼性が向上する。

なお、本発明のシート状電池は各種機器に適用可能であるが、個々の機器に対応して貫通電極３８の配置を変更することは、設計及び生産の切替コストや、客先納期及び生産者在庫の点で、経済的ではない。この課題に対し、貫通電極３８を格子点状に配置し、一定の規格品として生産することは、設計コストのユーザーへの転嫁を防止し、納期を短縮できる点で意義が大きい。

以上のように、本発明のシート状電池は、貫通電極３８及び光学デバイス３９を備えるので、シート状電池の両面に配置される電子部品や光学部品を冗長な配線を介することなく効率的に接続することが出来る。配線長を短くすることは、使用部材のコストダウンや、体積減少、機器トラブル要因の低減に有効である。また、特にシート状電池が高周波機器に使用される場合には、配線長の短縮化は浮遊インダクタンスの悪影響を防止するのに有効であり、誤動作を防止することが可能なる。また、従来、冗長な配線を避ける為に必然であった、電子部品及び光学部品などの配置上の制約を大幅に削減でき、各種部品の配置の自由度が向上する。

（実施例１）
シート状電池に関する一実施例を示す。

厚さ５０μｍのＰＥＮ基板１０上に正極集電体層２７、正極活物質層２６、固体電解質層２５、負極活物質層２４、負極集電体層２３、及び絶縁層４２をこの順に形成した。

正極集電体層２７としてアルミニウムを蒸着法で厚さ０．５μｍ形成し、正極活物質層２６としてコバルト酸リチウムをスパッタ法で厚さ５μｍ形成し、固体電解質層２５としてリン酸リチウム系材料をスパッタ法で厚さ２μｍ形成し、負極活物質層２４として金属リチウムを蒸着法で厚さ２μｍ形成し、負極集電体層２３としてニッケルを蒸着法で厚さ２μｍ形成した。負極集電体層２３上に、さらに絶縁層４２としてアクリル樹脂を蒸着法で厚さ２０μｍ形成し、硬化させた。

このとき、マスキング法により各層の形成領域を図３のように制限した。図３は、基板１０上の各層の形成領域を示した透視図である。基板１０の外寸法は約７０ｍｍ×７０ｍｍとした。基板１０の領域３７ｂの位置には、３０ｍｍ×３０ｍｍの貫通孔を予め形成しておいた。図３に示すように、シート状電池の左側端に正極集電体層２７を露出させ、右側端に負極集電体層２３を露出させた。

３７ａは、正極集電体層２７、正極活物質層２６、負極活物質層２４、負極集電体層２３を形成する際のマスキング領域、３７ｂは、固体電解質層２５及び絶縁層４２を形成する際のマスキング領域である。これらの領域３７ａ，３７ｂのマスキングはメタルマスクを用いて行った。マスキング領域３７ａに対しては３６ｍｍ×３６ｍｍのメタルマスクを使用し、マスキング領域３７ｂに対しては３０ｍｍ×３０ｍｍのメタルマスクを使用した。このようにして開口３７のための約３０ｍｍ×３０ｍｍの貫通孔を１つ形成した。この貫通孔の内壁面は、正極集電体層２７、正極活物質層２６、負極活物質層２４、負極集電体層２３が露出せず、固体電解質層２５又は絶縁層４２で覆われていた。

なお、メタルマスクを使用する際にはメタルマスクを支持するアームによって非成膜領域が形成されないように、アームを出来るだけ細くすると共に、アームと成膜面とを可能な限り離間させた。具体的には、アームをメタルマスク面に対して垂直にメタルマスクに接続し、メタルマスクから約１００ｍｍ以上離れたところでメタルマスク面に対して略平行に屈曲させた。

３８ａ，３９ａは、正極集電体層２７、正極活物質層２６、負極活物質層２４、負極集電体層２３を形成する際のマスキング領域である。これらの領域のマスキングは、最終的に得ようとする貫通孔の直径より２ｍｍ大きな直径を有するマスキングテープを用いて行った。固体電解質層２５及び絶縁層４２を形成する際にはマスキングを行わなかった。これにより、領域３８ａ，３９ａ内には固体電解質層２５及び絶縁層４２のみが形成された。絶縁層４２を成膜後、領域３８ａ，３９ａ内に、精密ドリル加工にて、それぞれに使用したマスキングテープの直径より２ｍｍ小さな貫通孔を形成した。形成した貫通孔の内壁面には、正極集電体層２７、正極活物質層２６、負極活物質層２４、負極集電体層２３は露出していなかった。これにより、格子点状に配置された９つの領域３８ａ内にそれぞれ直径約１．５ｍｍの貫通電極３８のための貫通孔を形成した。また、２つの領域３９ａ内にそれぞれ直径約４ｍｍの光学デバイス３９のための貫通孔を形成した。

こうして形成した基板１０から絶縁層４２までを含む２枚の積層体シートを、開口３７、貫通電極３８、光学デバイス３９のための各貫通孔の位置を合わせて重ね合わせた。それぞれの正極集電体層２７同士、負極集電体層２３同士の間に配線を施し、はんだ接続して外部電極を形成した。その後、直径約１．５ｍｍの９つの貫通孔のそれぞれに金の細棒を挿入し両端を注意深く変形させてつぶしてリベット形状にして貫通電極３８を形成した。次いで、直径約４ｍｍの２つの貫通孔のうちの一方の貫通孔内に、光学デバイス３９として直径０．３ｍｍ、長さ１００ｍｍの光ファイバーを２５本束ねたものを挿入し、貫通孔との隙間に接着剤を付与して貫通孔の周縁と固定した。他方の貫通孔内には、光学デバイス３９として直径４ｍｍのガラスレンズ付き鏡筒を嵌め込んで、その周囲に接着剤を薄く付与して貫通孔の周縁と固定した。約３０ｍｍ×３０ｍｍの貫通孔は開口３７として利用できる。開口３７内には、例えば偏向フィルタを嵌め込むことができた。

（実施の形態２）
本発明のエネルギーデバイスを用いた電子機器を説明する。図４は本発明の電子機器の構成の一例を模式的に示す断面図である。本発明の電子機器は、実施の形態１で説明したシート状電池をエネルギーデバイスとして用いて構成される。図４において、実施の形態１で説明した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付してそれらについての詳細な説明を省略する。

図４において、４０は配線パターンである。シート状電池の一方又は両方の外表面に配線パターン４０を形成することにより、電子機器の更なる薄型高機能化を図ることが出来る。即ち、シート状電池の表面あるいは裏面は、配線パターン４０を形成するのに良好な大面積を有しており、シート状電池の貫通電極３８のみならず、配線パターン４０をも利用して、シート状電池の片面又は両面に電子部品などを高密度に実装することが出来る。従って、別個の配線基板の使用を少なく、あるいは省略でき、電子機器の小型化、薄型化、軽量化が実現できる。

配線パターン４０は、従来の配線基板の表面に形成される配線層と同様の周知の材料及び方法で形成できる。配線パターン４０を形成する場合には、配線間の短絡を防止するために、シート状電池の表面に絶縁層４２を設け、その表面上に形成することが好ましい。なお、基板１０が絶縁性材料からなる場合には、基板１０上に直接配線パターン４０を形成できる。

配線パターン４０を絶縁層４２又は絶縁性の基板１０を介してシート状電池の表面に形成することにより、シート状電池と配線パターン４０上に実装された電子部品などとの間で熱の授受が行われる。一般に固体電解質を用いた電池には低温条件下で電池容量が低下するという課題がある。シート状電池が固体電解質を用いた２次電池の場合には実装された電子部品などが発生する熱がシート状電池に伝わるので、電子機器が寒冷な環境下で用いられる場合でも固体電解質を用いたシート状電池は比較的良好な電池動作を行うことが出来る。

図４において、３１は、配線パターン４０又は貫通電極３８と電気的に接続された各種電子部品であり、例えば半導体チップ、チップ抵抗、チップコンデンサなどである。３２は、配線パターン４０又は貫通電極３８と電気的に接続されたシートデバイスであり、例えば各種電子部品が実装された配線基板である。３３は、光学デバイス３９と接続された光学部品であり、例えば、半導体レーザ、受光素子、光学フィルタなどである。光学部品３３は配線パターン４０又は貫通電極３８と電気的に接続されていてもよい。電子部品３１、シートデバイス３２、光学部品３３は、シート状電池の表面に実装されていてもよいし、他の基板などに搭載されたていてもよい。シート状電池に実装する場合の実装方法としては、図４に示すようにバンプなどの接続端子４４と導電性接着剤４５を介した実装方法の他、周知の方法を用いることができる。

本発明の電子機器では、シート状電池の両側に配置された電子部品３１やシートデバイス３２を貫通電極３８を介して相互に接続することができる。また、シート状電池の両側に配置された光学部品３３を光学デバイス３９を介して相互に接続することができる。これにより、電子部品３１、シートデバイス３２、光学部品３３、及びシート状電池の配置の自由度が向上し、これらを高効率に配置することが出来るので、電子機器の小型化、軽量化、薄型化、フレキシブル化を実現できる。また、シート状電池の両側に配置された電子部品３１、シートデバイス３２、及び光学部品３３を接続するための配線を省略又は短縮化できる。

更に、シート状電池の片面又は両面に配線パターン４０を形成すれば、貫通電極３８及び／又は配線パターン４０に電子部品３１、シートデバイス３２、及び光学部品３３等を接続できる。これにより、シート状電池を基板材料として取り扱うことが出来て、シート状電池の近傍に電子部品３１、シートデバイス３２、及び光学部品３３等を高密度に実装することが出来る。従って、電子機器の更なる小型化、軽量化、薄型化、フレキシブル化を実現できる。

更に、本発明の電子機器は、シート状電池の異常動作を感知して回路の切断などを行う保護素子を備えることが好ましい。この場合、保護素子を出来るだけ電池近傍に配置すると、瞬時に異常を感知でき、機器全体への被害を最小に抑えることができる。特に感温性の保護素子は電池近傍に配置されることが有利であることは言うまでも無い。例えば、保護素子をシート状電池の表面に実装すると、異常昇温などの検知が容易になる。従って、配線パターン４０又は貫通電極３８と電気的に接続されてシート状電池の表面に実装される電子部品３１の中に保護素子が含まれていることが好ましい。

３４は、開口３７内に配置された各種部品であり、その種類は特に限定はない。例えば液晶やＥＬなどの表示デバイスで代表される電子部品を例示できる。この他、スイッチ、印字ヘッド、モーターなどの機構部品、ＣＰＵやメモリなどの半導体チップ、レンズ、バックライト、ＣＣＤ、フィルタ、偏向子、検光子、ミラーなどの光学部品を開口３７内に配置することも可能である。更に、開口３８を貫通して導電ケーブルや光ファイバーなどを引き回すことも可能である。開口３７の位置と大きさは、そこに配置する部品の種類に応じて適切に設定することが好ましい。例えば、電子機器において相対的に中央に配置されるのが好ましい部品や、厚みが比較的大きな部品は、この開口３７内に配置することにより、電子機器の薄型化や、操作性及び意匠的価値の向上などを実現できる。また、シート状電池と各種部品との干渉を避けるための配置上の制約が解消され、電子機器内でのシート状電池と各種部品との配置の自由度が格段に向上する。

（実施例２）
電子機器に関する一実施例を示す。

厚さ２５μｍのポリイミド基板１０上に、実施例１と同じ材料を用いて同様の方法により、厚さ１μｍの正集電体層２７、厚さ４μｍの正極活物質層２６、厚さ２μｍの固体電解質層２５、厚さ２μｍの負極活物質層、厚さ１μｍの負極集電体層、及び厚さ５０μｍの絶縁層４２をこの順に形成した。

基板１０の外寸法は約１００ｍｍ×６０ｍｍとし、開口３７の形成予定領域に約３０ｍｍ×３０ｍｍの貫通孔を予め形成しておいた。実施例１と同様にマスキングを行い、シート状電池の左側端に正極集電体層２７を露出させ、右側端に負極集電体層２３を露出させた。開口３７のための約３０ｍｍ×３０ｍｍの貫通孔を１つ、貫通電極３８のための直径約１．５ｍｍの貫通孔を格子点状に８つ、光学デバイス３９のための直径約６ｍｍの貫通孔を２つ、実施例１と同様の手法により形成した。このような基板１０から絶縁層４２までを含む第１の積層体シートを２９枚作成した。

基板１０の厚さを７５μｍとし、基板１０の電池セル２０が形成されていない面に所望の配線パターン４０が印刷された以外は上記第１の積層体シート同様の第２の積層体シートを１枚作成した。

更に、一方の面に所望の配線パターン４０が印刷された、厚さ５０μｍ、外寸法が約１００ｍｍ×６０ｍｍポリイミド基板を１枚作成した。開口３７の形成予定領域に約３０ｍｍ×３０ｍｍの１つの貫通孔を、貫通電極３８の形成予定位置に直径約１．５ｍｍの８つの貫通孔を、光学デバイス３９の取り付け予定位置に直径約６ｍｍの２つの貫通孔を、それぞれ形成した。このポリイミド基板の他方の面には電池セル２０や絶縁層４２は形成されていない。

定盤上に、第２の積層体シートを、配線パターン４０側の面を下にして載置し、その上に、２９枚の第１の積層体シートを基板１０を下側にして順に積層し、最後に、厚さ５０μｍのポリイミド基板を、配線パターン４０側の面を上にして積層した。この際、開口３７、貫通電極３８、光学デバイス３９のための各貫通孔の位置を合わせた。それぞれの正極集電体層２７同士、負極集電体層２３同士の間に配線を施し、はんだ接続して外部電極を形成した。その後、直径約１．５ｍｍの８つの貫通孔のそれぞれに金の細棒を挿入し両端を注意深く変形させてつぶしてリベット形状にして貫通電極３８を形成した。次いで、直径約６ｍｍの２つの貫通孔のうちの一方の貫通孔内に、光学デバイス３９として直径０．２ｍｍ、長さ１００ｍｍの光ファイバーを１５本束ねたものを挿入し、貫通孔との隙間に接着剤を付与して貫通孔の周縁と固定した。他方の貫通孔には、光学デバイス３９として直径６ｍｍのＣＣＤ付き鏡筒を嵌め込んで、その周囲に接着剤を薄く付与して貫通孔の周縁と固定した。約３０ｍｍ×３０ｍｍの貫通孔は開口３７として利用し、その中に小型の表示素子を嵌め込んだ。ＣＣＤで撮影した映像が表示素子に表示されるように、必要な電子部品や光学部品をシート状電池の両面に配置した。これらを軟質樹脂の筐体内に納めた。配線パターン４０を極力活用して各種部品を表面実装すると共に、全ての貫通電極３８を利用して回路を構成した。筐体内部のシート状電池に実装された光源からの光を光学デバイス３９として配置された光ファイバーを用いて筐体表面に設置された動作表示ランプに導いて点灯させた。

このようにして得られた電子機器は、動作時間が数分ではあるが、撮影した動画像を表示素子に表示できることを確認した。また、薄型であるが、わずかな曲げを加えても動作することも確認した。

本発明のシート状電池及び電子機器の利用分野は特に限定されないが、薄型、軽量の小型携帯機器などに利用することができる。特に、シート状電池が固体電解質を用いたリチウムイオン２次電池とした場合に、本発明の効果が顕著に発揮される。

本発明のシート状電池の一例を示す概略断面図である。本発明のシート状電池を製造するための装置の一例を示した概略断面図である。本発明の実施例１において、各薄膜層の形成パターンを示した投影図である。本発明の電子機器の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１・・・真空槽
２・・・成膜源
４・・・パターンマスク
６・・・薄膜
１０・・・基板
１１・・・巻出しロール
１２ａ・・搬送ローラ
１２ｂ・・搬送ローラ
１３・・・キャン
１４・・・巻取りロール
２０・・・電池セル
２３・・・負極集電体層
２４・・・負極活物質層
２５・・・固体電解質層
２６・・・正極活物質層
２７・・・正極集電体層
３１・・・電子部品
３２・・・シートデバイス
３３・・・光学部品
３４・・・部品
３７・・・開口
３８・・・貫通電極
３８ｂ・・中空パイプ
３８ｃ・・導電ペースト
３９・・・光学デバイス
４０・・・配線パターン
４１・・・絶縁剤
４２・・・絶縁層
４４・・・接続端子
４５・・・導電性接着剤

Claims

少なくとも、正極集電体層と、負極集電体層と、電極活物質層と、電解質層とが積層されたシート状電池と、
前記積層方向に前記シート状電池を貫通する貫通孔と、
前記貫通孔に配置された光学デバイスと、
前記シート状電池の両側に配置された光学部品とを備え、
前記光学部品が前記光学デバイスを介して相互に接続されている電子機器。
前記電解質層が固体電解質からなる請求項１に記載の電子機器。
前記シート状電池がリチウムイオン電池である請求項１に記載の電子機器。