JP4442173B2 - 積層電子部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、一部に接続部を有する電極箔を電気絶縁性セパレータを介して交互に積層して成る積層素子を、有底筒状の外装ケースに収納するとともに、前記接続部をそれぞれ正極外部端子並びに負極外部端子に接続し、該外装ケースの開放端を封口部材により封口する積層電子部品の製造方法に関するものである。

積層電子部品としては、例えば積層電解コンデンサなどがあり、アルミニウム等の弁作用金属箔に、エッチング処理および化成処理を施した陽極箔と、エッチング処理のみを施した陰極箔とをセパレータを介して積層して形成され、これら積層された陽極箔や陰極箔は、電気的に内部端子に接続させるために、溶接等により、その突出部の接続部において、積層された各金属箔が一体化される。

これら化成処理による酸化皮膜をその表面に有する金属箔の積層体を一体化するための方法としては、従来より、超音波溶接やコールドウェルド、ステッチ等があるが、電気的、機械的な接続状態としては不十分であるため、これら金属箔の積層体を一体化するための方法として、近年においては、回転するスターロッド２０の先端に設けられたプローブを金属箔の積層体に圧入した状態で移動することにより溶接を行う摩擦撹拌溶接が検討されてきている。（例えば、特許文献１）

特開２００３−１２６９７２号公報（第３頁、第２図）

これらのコンデンサにおいては、電子部品の小型化要求と同様に小型化が求められているが、これら小型化を図る場合には、外装ケースに収納されるコンデンサ素子の収納効率を向上させることが考えられる。

摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）装置において、実際に摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）を行うためのスターロッドの大きさは、溶接する電極箔の接続部が積層された積層体の厚みや積層される電極箔の枚数に基づいて設定され、これら積層体の厚みや積層枚数が増えるほどスターロッドの径の大きさも大きくなる。更には、電極箔の表面には、エッチング層や化成処理としてバリア型陽極酸化処理による陽極酸化皮膜が設けられているが、特に陽極酸化皮膜は絶縁性で、硬くかつ融点が非常に高く、また電解コンデンサにおける耐電圧に作用するため厚く形成されているため、摩擦攪拌溶接では、この酸化皮膜を効率よく攪拌して分散させなければならず、スターロッドの径は更に大きくなる。

このため、これらのスターロッドの径が大きくなることに合わせて、当然ながら電極箔の接続部の大きさも大きくする必要があるため、これらコンデンサの静電容量に寄与しないこれら接続部の大きさが大きくなり、コンデンサ素子の収納効率が低下して、同一の静電容量のコンデンサでも、従来のものより摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）を実施した製品においては、コンデンサの大きさが大きくなってしまう場合があり、前述した小型化の要求に答えられない場合があるという問題があった。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、摩擦撹拌溶接（ＦＳＷ）にて電極箔の接続部を接続したコンデンサ素子を用いたコンデンサにおいて、コンデンサの大きさが大きくなってしまうことを解消し、小型化を達成することのできる積層電子部品の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の積層電子部品の製造方法は、一部を接続部とした電極箔を電気絶縁性セパレータを介して交互に積層し、該積層された前記各電極箔の各々の接続部を、摩擦撹拌溶接にて電気的、機械的に接続、結束して成る積層素子を、有底筒状の外装ケースに収納するとともに、前記接続部をそれぞれ正極外部端子並びに負極外部端子に接続し、該外装ケースの開放端を封口部材により封口する積層電子部品の製造方法において、
前記各電極箔の各々の接続部を積層して積層体を形成し、前記金属箔を弁作用金属とし、該弁作用金属と同種の金属から成り、該電極箔よりも大きな厚みを有する補強基材を前記積層体に当接配置し、該補強基材の一部を積層体とともに摩擦攪拌溶接にて溶接し、摩擦撹拌溶接された溶接接合部の少なくとも一部を有するように電極箔側の一部を残して切断すると共に、前記補強基材を外部端子と接続することを特徴としている。
この特徴によれば、各電極箔の各々の接続部が積層されて摩擦撹拌溶接された積層体を、溶接接合部の少なくとも一部を有するように電極箔側の一部を残して切断することで、コンデンサの静電容量に寄与しないこれら接続部の大きさを小さくでき、コンデンサ素子の収納効率を向上できることで、コンデンサの大きさが大きくなってしまうことを解消し、小型化を達成することができる。また積層された各電極箔が、電極箔よりも厚みの大きな補強基材にて担持或いは挟持されるようになり、摩擦撹拌溶接における施工性を高めることができるとともに、摩擦攪拌溶接により前記補強基材の一部が積層体と接合しているため強固な接続部を形成することができる。また、摩擦攪拌溶接の実施側に前記補強基材を配置すると、該補強基材により、プローブを積層体に圧入する際のプローブの回転による積層体の変形、破断を防止することが可能となる。更に補強基材が内部電極となるため、これら内部電極と切断された積層体との接続を実施する工程を省くことができる。例えば、摩擦攪拌溶接にて接続された補強基材および積層体を切断した際に、該補強基材の一部が電極箔の突出方向とは異なる方向に延在するように予め形成し、つまり切断後に残存する補強基材の一部から切断面以外の方向に延在されている補強基材を用いれば、電極箔は該補強基材の延在した部分を介して外部端子と容易に接続することができる。

本発明の実施例を以下に説明する。

本実施例の積層電子部品として、積層電解コンデンサを例示する。図１に示すように、積層コンデンサ素子（以下コンデンサ素子と略記する）５を収納可能な有底四角筒状とされた外装ケ−ス２の開口を、外部端子４が貫通して形成された封口部材３にて封口した一般的なコンデンサと同様の外観を有している。

前記本実施例にて用いた前記外装ケ−ス２は、前記コンデンサ素子に使用した陽極箔７並びに陰極箔８としてアルミニウムを使用していることから、有底四角筒状にアルミニウムにて形成されている。尚、本実施例では、使用するコンデンサ素子を四角状としていることから、外装ケ−ス２も四角筒状としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら使用するコンデンサ素子が巻回にて積層された円筒状のものであれば、外装ケ−スも円筒状のものとすれば良い。

この外装ケ−ス２内部に収納されるコンデンサ素子５は、図２に示すように、その表面に拡面処埋であるエッチング処理によるエッチング処理層および該エッチング処理層の上にバリア型陽極酸化処理による陽極酸化皮膜が形成されたアルミニウム箔である陽極箔７と、拡面処埋であるエッチング処理によるエッチング処理層が形成された陰極箔８とが、該陽極箔７と陰極箔８との間に電気絶縁性セパレータとしての電解紙９を介在させて積層して形成したもので、四角柱状に形成されている。尚、該積層されたコンデンサ素子５の側部外周には、積層後における位置ずれを防止するために、図示しない固定テープが巻かれている。

また、該コンデンサ素子５には所定の電解液が含浸され、前記電解紙９に電解液が保持され、該電解液が前記陽極箔７と前記陰極箔８と接触した状態を形成するようにされており、本実施例では、０．１ｍｍのものを使用している。

本実施例において陽極箔７と陰極箔８として用いたアルミニウム箔は、厚さが陽極箔７が約１００μｍ程度、陰極箔８が５０μｍ程度のもので、集電極としての機能を果たすとともに、前記積層等において必要とされる適宜な機械的強度を有していて、前記陽極箔７の表面は、表面積を拡大するための拡面処理であるエッチング処理された後、均一な酸化皮膜を形成するための化成処理が実施され、接続部であるリ−ドタブ１２ａが、打ち抜きによって各陽極箔７の外周に、その端辺中心部よりオフセットされた位置に突出形成されるようになっており、これら形成されたリ−ドタブ１２ａにもエッチング層並びに酸化皮膜層を有している。尚、陰極箔８は、表面積を拡大するための拡面処理であるエッチング処理された後、接続部であるリ−ドタブ１２ｂが、打ち抜きによって各陰極箔８の外周に、その端辺中心部よりオフセットされた位置に突出形成されるようになっており、該リ−ドタブ１２ｂにもエッチング処理によるエッチング層を有している。

このように本実施例では、陽極箔７と陰極箔８としてアルミニウム箔を使用しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら陽極箔７と陰極箔８としては、弁作用金属であるタンタルやチタンを使用しても良い。

このようにして打ち抜き形成された陽極箔７と陰極箔８は、図２に示すように前記電解紙９を介して積層される陽極箔７と陰極箔８のリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの位置が互い違いとなるように、コンデンサ素子５の一方の積層端面より導出されるように積層される。

これら積層により形成された前記コンデンサ素子５の各陽極箔７と各陰極箔８のリ−ドタブ１２ａ，１２ｂは、それぞれの電極のリ−ドタブ１２ａとリ−ドタブ１２ｂ毎に集束、積層されて積層体２８とされるとともに、図４に示すように、該積層体２８に断面視が略コ字状であって、対向する面の一方の長さ寸法が長尺とされ、該長尺の面の先端部に外部端子４と接続される内部電極１３ａ，１３ｂが、コ字状の折曲げ方向と逆方向に折曲げ形成された補強基材４１が装着される。尚、この際、補強基材４１と積層体２８とを、積層体２８の積層方向の上下方向にプレス等により加圧して、加締めにより仮固定するようにしても良い。

そして、この補強基材４１が装着された積層体２８を、加工盤１６上にて、積層体２８の積層方向の上面となる補強基材４１の背面側から回転するスターロッド２０の先端に設けられたプローブ２１が所定深さまで圧入され、該圧入されたプローブ２１が、図４および図５に示すように、コンデンサ素子５側からリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの導出方向に向けて移動されることにより摩擦撹拌溶接が実施されることで、接続部１４が形成され、補強基材４１とリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとが、電気的並びに機械的に接合される。尚、プローブ２１は積層体２８の下側に位置する補強基材４１にも圧入されることが望ましく、このようにすることで、積層体２８の下側に位置する補強基材４１も強固に溶接にて積層体２８に接続、一体化され、後述する切断によってこれら積層体２８の下側に位置する補強基材４１の一部が脱落することを回避できるようになる。

この摩擦撹拌溶接においては、前記圧入したプローブ２１が回転することにより、補強基材４１並びにリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとの摩擦熱並びに加工熱が生じ、該摩擦熱並びに加工熱によって補強基材４１やリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとを構成する金属であるアルミが昇温、軟化されるとともに、該プローブ２１による回転により該軟化したアルミが撹拌されることで、その表面に存在する酸化皮膜やエッチング層が破壊されてアルミの地金同士が軟化した状態で接触するようになり、該プローブ２１の移動に伴って、その移動方向の後方位置にて固化することで、補強基材３１と積層体２８を構成するリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとが強固に固相接続されるようになる。なお、実施例では、プローブを圧入して移動することで摩擦攪拌溶接を行っているが、プローブを圧入して一定時間回転させた後引き抜いて摩擦攪拌溶接を行うこともできる。

これら摩擦撹拌溶接においては、前記スターロッド２０に前記プローブ２１が先行するように、２〜５度の傾斜角θを設けるようにするのが好ましいが、これら傾斜角θは、使用する補強板１５の厚みや接続するリ−ドタブ１２ａまたはリ−ドタブ１２ｂの枚数やスターロッド２０の回転数、並びに圧入する量等から適宜に選択すれば良い。

また、プローブ２１の形状等も使用する補強板１５の厚みや接続するリ−ドタブ１２ａまたはリ−ドタブ１２ｂの枚数やスターロッド２０の回転数、並びに圧入する量等から適宜に選択すれば良い。

また、スターロッド２０の回転数、並びにプローブ２１を圧入する量や、移動速度等も、使用する補強板１５の厚みや接続するリ−ドタブ１２ａまたはリ−ドタブ１２ｂの枚数等から適宜に選択すれば良い。

これら補強基材４１の材質としては、前記陽極箔７と陰極箔８並びにリ−ドタブ１２ａまたはリ−ドタブ１２ｂとして用いたアルミニウムと同一の金属であるアルミニウムを用いており、このようにすることは、これら補強基材４１として異なる金属を使用した場合に、アルミニウムとの合金形成能が良好でなく、良好な接合強度が得られない不都合や、アルミニウムや異なる金属が他方の金属に拡散することによる接合部の劣化や、電池形成等によるアルミニウム或いは補強基材４１として使用した金属の腐食が生じる等問題を回避できることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらの問題を回避できる場合には、補強基材４１として前記陽極箔７と陰極箔８並びにリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとして用いた金属と異なる金属を使用しても良い。

また、これら補強基材４１の厚みとしては、前記リ−ドタブ１２ａ，１２ｂのアルミニウム箔よりも高い機械的強度を有するように、これらアルミニウム箔の厚みよりも厚く、且つその厚みが著しく厚くなると、摩擦撹拌溶接に要する加工時間が長いものになってしまうことから、具体的に、その厚みとしては０．２ｍｍから１．０ｍｍの範囲が例示される。

そして、このようにして摩擦撹拌溶接により接続部１４を形成して補強基材４１と積層体２８とを接続、一体化した後に、図５に示すように、該接続部１４の一部を有するとともに、陽極箔７と陰極箔８側となるコンデンサ素子５側の一部を残して切断線にて切断され、先端部が切除される。（図６（ａ）参照）

なお、本実施例では、プローブをリードタブのコンデンサ素子５側に圧入しリードタブの導出方向に向けて移動しているが、これは、前記移動の後にプローブを引き抜くことで生じる抜き穴の近傍は他の溶接部に比べて接続性が劣るため、該抜き穴を切断して除去できる範囲に配置しているが、プローブの移動をリードタブのコンデンサ素子側に向かって行うこともできる。

そして、該切断の後、図６に示すように、切断により残った内部電極１３ａ，１３ｂを先端に有する補強基材４１の残存部分を、図６（ｂ）に示すように、内部電極１３ａ，１３ｂがリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの導出方向の前方に位置するように折曲げ加工した後、該内部電極１３ａ，１３ｂに外部端子４の内方先端にワッシャー４３をはめ込んで加締めて接続することで、外部端子４とコンデンサ素子５とが導通接続された後、前記外装ケース２に収納され封口部材３により該外装ケース２の開口が封口、密閉されて積層電解コンデンサとされる。

次いで、本発明の他の実施例を図７並びに図８に基づいて説明する。本実施例２では、前記実施例１において補強基材４１が積層体２８の積層方向上下位置に配置されているともに、補強基材４１の延在方向が、接続部であるリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの突出（導出）方向とは１８０度異なる方向としていたのに対し、本実施例２では、補強基材を積層体２８の内部に介在させるとともに、補強基材の延在方向が、接続部であるリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの突出（導出）方向に対して９０度方向とした例を示す。

具体的には、本実施例２では、図７に示す補強基材５０を使用している。この補強基材５０は、側面視Ｌ字状の平面板にて形成されており、前記リ−ドタブ１２ａ，１２ｂとほぼ同じ幅を有し、積層体２８内にリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとともに積層されて摩擦撹拌溶接にて接続、一体化されて積層体２８を補強する接続補強部５１と、先端部が折曲げ加工されるとともに、外部端子４を挿通して接続するための接続孔５３が設けられた比較的長尺の内部電極部５２と、これら内部電極部５２と接続補強部５１とを連結する連結部５４を有している。

この補強基材５０は、図８に示すように、接続補強部５１が積層体２８にリ−ドタブ１２ａ，１２ｂともに積層された後、前述の実施例１と同様にコンデンサ素子５側からリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの導出方向に向けて摩擦撹拌溶接が実施される。そして、該接続部１４の一部を有するとともに、陽極箔７と陰極箔８側となるコンデンサ素子５側の一部を残して切断線にて切断され、先端部が切除される。

そして、該切断の後、折曲げ線にて連結部５４を折り曲げて、接続孔５３が設けられた折曲げ先端部がリ−ドタブ１２ａ，１２ｂの導出方向の前方に位置するように９０度折曲げ加工した後、接続孔５３に外部端子４の内方先端にワッシャー４３をはめ込んで加締めて接続することで、外部端子４とコンデンサ素子５とが導通接続する。

尚、この本実施例２の補強基材５０を使用する場合において、前記接続補強部５１が積層された積層体２８に、断面視コ字状や断面視ロ字状の個別の補強部材を装着して摩擦撹拌溶接を実施するようにしても良い。また、この実施例２の補強基材の接続補強部５１はリードタブ１２ａ，１２ｂの積層体内に配置されているが、これは積層体の最上面、最下面、中間位置などがあり、また、前記積層体内に補強基材を複数配置して、内部電極部を複数導出させることもできる。

また、本実施例２では、補強基材として図７に示すような形状の補強基材５０としており、このようにすることは板状の基材を加工することで、容易に補強基材５０を製作できることから好ましいが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば前記した切断後の折曲げ加工や、摩擦撹拌溶接時における補強基材の配置安定性を考慮して、図９に示すように、内部電極部５２’を連結部５４に対して直交するように設けた補強基材５５とすることで、切断後の折曲げ加工を必要とせず、且つ、該内部電極部５２’の側面全体が、加工盤１６に当接する積層位置に内部電極部５２を積層体２８内に積層するようにして、摩擦撹拌溶接時における補強基材５５の配置安定性を向上させて、摩擦撹拌溶接の作業性を向上できるようにしても良い。

以上、前記各実施例のようにすれば、積層体２８を、溶接接合部である接続部１４の少なくとも一部を有するように電極箔側となるコンデンサ素子５側の一部を残して切断することで、コンデンサの静電容量に寄与しない陽極箔７並びに陰極箔８の接続部であるリ−ドタブ１２ａ，１２ｂが積層された積層体２８の大きさを小さくでき、コンデンサ素子の収納効率を向上できることで、コンデンサの大きさが大きくなってしまうことを解消し、摩擦撹拌溶接を実施した場合でも小型化を達成することができる。

以上、本発明を図面に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲での変更や追加があっても、本発明に含まれることは言うまでもない。

例えば前記各実施例では、補強部材４１、５０、５５を積層体２８とともに摩擦撹拌溶接にて接続、一体化し、該補強部材４１、５０、５５に外部端子４を接続するようにして、補強部材４１、５０、５５が内部電極を兼ねるようにしているが、本発明はこれに限定されるものではなく、補強部材と内部電極とを個別として設け、摩擦撹拌溶接にて接続、一体化された補強部材と積層体２８とに、個別の内部電極を取付けるようにしても良い。

また、前記各実施例では、補強部材４１、５０、５５を用いているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これら補強基材を設けずに、積層体２８を摩擦撹拌溶接にて接続、一体化した後、該積層体２８を切断して先端部分を切除し、該切断後の積層体２８に内部電極を取付けるようにしても良い。

また、前記実施例では、通常の積層電解コンデンサを例に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、負極板と正極板とをセパレータを介して積層してなる電池や、前記陽極箔７と陰極箔８をアルミニウム箔の両面に活性炭シートを配置した分極性電極箔とした電気２重層コンデンサとしても、本発明を適用できることは言うまでもない。

また、前記実施例では、積層体のリードタブ１２ａ，１２ｂの上面に配された補強基材３１の背面側から摩擦攪拌溶接を実施するようにしているが、このほかにも前記積層体２８のリードタブ１２ａ，１２ｂの導出方向の先端側となる面に対してプローブ２１を圧入して移動することで摩擦攪拌溶接を実施することもでき、この場合も溶接接合部の一部を有するように電極箔側の一部を残して切断することでコンデンサの小形化が図れる。また、プローブ２１を圧入して移動する際に生じるバリは、該リードタブ１２ａ，１２ｂの先端面より発生するため、前記切断時にバリもともに切断して除去できるため、バリ除去工程を省くことができる。なお、前記リードタブ１２ａ，１２ｂの導出方向の先端側となる面に補強基材を配してプローブ２１を圧入・移動することで該リードタブ１２ａ，１２ｂの該プローブ２１による変形、破断を低減して摩擦攪拌溶接を行うこともできる。

また、各実施例では、陰極箔８および陽極箔７から突出形成されたリードタブ１２ａ、１２ｂを接続部として、複数積層して摩擦攪拌溶接を実施しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、陰極箔８と陽極箔７とを一部ずらして積層または巻回し、該各電極箔のずらした部分を接続部として摩擦攪拌溶接を実施したものにも適用できる。

また、前記実施例では、リ−ドタブ１２ａ，１２ｂもエッチング処理や化成処理（リ−ドタブ１２ａのみ）を実施しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、これらリ−ドタブ１２ａ，１２ｂとなるアルミニウム箔の部分を、予めマスキングしたり、または形成されたエッチング層や酸化皮膜層を研磨などにて除去して、これらエッチング処理や化成処理によるエッチング層や酸化皮膜を形成しないようにしたものにも、本発明を適用できることは言うまでもない。

本発明の実施例１における積層電解コンデンサを示す一部破断斜視図である。 本発明の実施例１にて用いたコンデンサ素子の構成を示す図である。 本発明の実施例１にて用いたコンデンサ素子を示す外観斜視図である。 本発明の実施例１における摩擦撹拌溶接の実施状況を側方から見た図である。 本発明の実施例１における摩擦撹拌溶接の実施状況を上方から見た図である。 本発明の実施例１における折曲げ加工状況を示す図である。 本発明の実施例２に用いた補強基材を示す図である。 本発明の実施例２における摩擦撹拌溶接の実施状況を上方から見た図である。 本発明のその他の形態の補強基材を示す図である。

符号の説明

１ 積層電解コンデンサ
２ 外装ケース
３ 封口部材
４ 外部端子
５ コンデンサ素子
７ 陽極箔
８ 陰極箔
９ 電気絶縁性スペーサ
１２ａ リードタブ（陽極）
１２ｂ リードタブ（陰極）
１３ａ 内部電極（陽極）
１３ｂ 内部電極（陰極）
１４ 接続部
１６ 加工盤
２０ スターロッド
２１ プローブ
４１ 補強基材
５０ 補強基材
５１ 接続補強部
５２ 内部電極部
５３ 接続孔
５４ 連結部
５５ 補強基材

Claims (1)

1. 一部を接続部とした電極箔を電気絶縁性セパレータを介して交互に積層し、該積層された前記各電極箔の各々の接続部を、摩擦撹拌溶接にて電気的、機械的に接続、結束して成る積層素子を、有底筒状の外装ケースに収納するとともに、前記接続部をそれぞれ正極外部端子並びに負極外部端子に接続し、該外装ケースの開放端を封口部材により封口する積層電子部品の製造方法において、
   前記各電極箔の各々の接続部を積層して積層体を形成し、前記金属箔を弁作用金属とし、該弁作用金属と同種の金属から成り、該電極箔よりも大きな厚みを有する補強基材を前記積層体に当接配置し、該補強基材の一部を積層体とともに摩擦攪拌溶接にて溶接し、摩擦撹拌溶接された溶接接合部の少なくとも一部を有するように電極箔側の一部を残して切断すると共に、前記補強基材を外部端子と接続することを特徴とする積層電子部品の製造方法。

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