JP4993873B2 - セラミック容器およびこれを用いた電池または電気二重層キャパシタ、ならびに電気回路基板 - Google Patents

セラミック容器およびこれを用いた電池または電気二重層キャパシタ、ならびに電気回路基板 Download PDF

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Description

本発明は、充電式電池または電気二重層キャパシタ等に使用されるセラミック容器およびこれを用いた電池または電気二重層キャパシタに関し、より詳しくは薄型の携帯電話等の小型電子機器に用いられる電池、または半導体メモリーのバックアップ電源、薄型の電子機器の予備電源等に用いられる電気二重層キャパシタと、それらに用いられるセラミック容器に関する。
近年、携帯電話や携帯型コンピュータ、カメラ一体型ビデオテープレコーダー等に代表される携帯機器が目覚ましく発達するとともに、より一層の小型化、軽量化がこれら携帯機器に求められている。そして、これらの携帯機器の電源としての電池の需要も増加の一途をたどるとともに、電池のエネルギー密度を高めることによる小型軽量化の研究が活発に行われている。特に、リチウム電池は、原子量が小さくかつイオン化エネルギーが大きなリチウムを用いる電池であることから、高エネルギー密度を得ることができて小型軽量化が図れ、さらに再充電が可能な電池とできることより盛んに研究され、現在に至っては携帯機器の電源をはじめとする広範囲な用途に用いられるようになってきた。
また、繰り返し充放電が可能な二次電池は、携帯機器などに使用される場合にはコイン型電池が賞用され、その構造は正電極板と負電極板とを絶縁シートから成るセパレータを介して電槽缶内に収容し、そこに電解液が注入されて封口された構造とされている。
リチウム電池の正電極板の材料としての正極活物質には、例えば金属酸化物に導電材を添加したものが一般的に使用される。この正極活物質としては例えばコバルト酸リチウム(LiCoO)やマンガン酸リチウム(LiMn)などが使用され、また、導電材としては例えばアセチレンブラック(AB)や黒鉛などが使用され、ポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどのバインダを添加、混合してスラリー状となし、これを周知のドクターブレード法を用いてシート状に成形し、次いでこのシートを例えば円形状に裁断して作製される。
電池の負極活物質には、例えばチタン酸リチウム(LiTi12)などのリチウムチタン複合酸化物やグラファイトまたは非晶質炭素などの活物質をポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどの樹脂で固めたものが使用され、電池の負電極板は、正電極板と同様に負極活物質にポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどのバインダを添加、混合してスラリー状となし、これを周知のドクターブレード法を用いてシート状に成形し、次いでこのシートを例えば円形状に裁断して作製される。
リチウム電池においては、このLiCoOやLiMnなどから成る正極活物質の充放電電圧が約4Vであり、これに対して複合材料や炭素材料などから成る負極活物質の充放電電圧は0V付近であることから、これらの正極活物質と負極活物質と電解液とを組み合わせることによって約3.5Vの高放電電圧を達成している。
そして、このようにして作製された正電極板を予めカーボンペーストを介して一方の電槽缶内に戴置し、また、負電極板についても同様に他方の電槽缶の底面にカーボンペーストを介して載置し、これらを加熱することによって正電極板および負電極板をそれぞれの電槽缶の底面に固定し、次いで耐熱温度が約150℃のポリオレフィン繊維製の不織布やポリオレフィン製の微多孔膜などからなるセパレータを介してこれら正電極版および負電極板を対置し、次いで電解液を注入し、最後に上方から圧力をかけながら上側の一方の電槽缶の縁と下側の他方の電槽缶の縁とを互いにかしめることで接合し、電池要素が容器内に配置収納されたコイン型のリチウム電池を得る。
また、電気二重層キャパシタは、異なる2つの相(例えば固体電極と電解液)が接触する界面において極めて短い距離を隔てて正負の電荷が対向して配列した状態のものであり、その正極材および負極材に用いられる黒鉛(グラファイト),ホウ素化黒鉛,活性炭,コークス等の炭素材料の表面に形成される電解液中のイオンの吸着層、すなわち正極材および負極材に用いられるグラファイト等の炭素材料の表面に形成される電気二重層のイオンの静電的な吸着および脱着作用を利用して電気エネルギーを充電したり、放電したりすることができる電気素子である。電気二重層キャパシタの内部は、ポリオレフィン繊維製の不織布やポリオレフィン製の微多孔膜などからなるセパレータを隔てて配置された炭素材料から成る2つの分極性電極と、電解液とから構成され、その電解液の違いにより有機溶液系と水溶液系の2種類に分類される。
このように電気二重層キャパシタは上記2つの分極性電極と電解液との界面に形成される電気二重層への電荷の蓄積を利用するものであるから、耐電圧を超えて電解液の電気分解が発生しない限りにおいては分極性電極の表面積に対応した極めて大きな電荷を蓄積することができる。
特に、有機溶液系を用いた電気二重層キャパシタは、硫酸水溶液などの水溶液を電解液に用いた水溶液系電気二重層キャパシタに比して駆動電圧を2〜4倍にすることができ、蓄え得る電気エネルギーEは、電圧をV、容量をCとすると、E=CV/2で表わされることから大きなエネルギー密度を得ることができる。このコイン型の電気二重層キャパシタの作製手順は先述のコイン型リチウム電池の説明で詳述したものと同様である
そして、近年、図9に示すような、正電極板,負電極板およびセパレータから成る電池要素または電気二重層キャパシタ要素と電解液とをセラミック基体に収容した薄型の二次電池または電気二重層キャパシタが提案されている。
この従来の二次電池Fまたは電気二重層キャパシタFは、メタライズ層12bが凹部の底面に形成されたアルミナ質焼結体等からなるセラミック基体11と、鉄(Fe)−ニッケル(Ni)−コバルト(Co)合金等の金属から成る蓋体14とで基本的に構成される容器内に、電解液B−4が含侵されたセパレータB−3を正電極板B−1または分極性電極B−1と負電極板B−2または分極性電極B−2との間に挟んだ状態でメタライズ層12bと蓋体14との間に配置した密閉型構造とされている。メタライズ層12bおよび蓋体14における充放電はセラミック基体11の下面に形成された第一、および第二の電極C,Dを介して行われる(例えば、下記の特許文献参照)。
特開2004−227959号公報(第4−6頁、図1)
図9に示されるセラミック基体11を用いた電池Fまたは電気二重層キャパシタFは、セラミックスが耐薬品性に優れているため、セラミック基体11が有機溶剤や酸等を含む電解液B−4に侵され難く、電解液B−4中にセラミック基体11から溶け出した不純物が混入して電解液B−4を劣化させることもなく、電池Fまたは電気二重層キャパシタFの性能を良好に維持することができる。
しかしながら、セラミック基体11をパッケージに用いた電池Fまたは電気二重層キャパシタFではセラミック基体11の厚みを薄くすることにより薄型化が実現できるのであるが、この薄さであっても近年の電気回路装置の薄型化要求に対しては不十分であり、よってさらなる薄型化が望まれている。しかしながら、このセラミック基体の厚みをさらに薄くするとセラミック基体の抗折強度が小さくなってしまうために厚みを薄くすることには限界があった。
従って、本発明は上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、携帯用機器に求められる薄型化を実現させる手段として、電池またはキャパシタが電気回路基板に実装されたときにこの電気回路基板の表面からの突出高さを小さくすることができるセラミック容器およびこれを用いた高性能の電池または電気二重層キャパシタを提供することにある。
本発明のセラミック容器は、電池要素または電気二重層キャパシタ要素が内部に収容される凹部を上面に有するとともに、下面外周部の少なくとも一部が外周面を後退させるよう切り欠かれた切り欠きを有するセラミック基体と、前記凹部の底面に形成された第一のメタライズ層と、前記凹部の開口部よりも外方に位置する前記セラミック基体の上面に形成された第二のメタライズ層と、一端が前記第一のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記セラミック基体の下面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第一の電極と、前記第一の電極と電気的に独立して設けられ、一端が前記第二のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記セラミック基体の下面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第二の電極とを具備することを特徴とする。

また、本発明のセラミック容器において、好ましくは、前記第一の電極および前記第二の電極の導出部は、略同一平面内に存在することを特徴とする。

さらに、本発明のセラミック容器において、好ましくは、前記第一のメタライズ層と前記第一および第二の電極の導出部とが略同一平面内に存在することを特徴とする。
また、本発明のセラミック容器は、電池要素または電気二重層キャパシタ要素が内部に収容される凹部を上面に有するとともに、前記凹部の開口部よりも外方の上面外周部に、該上面外周部の少なくとも一部が外周面を後退させるように切り欠かれた切り欠きを有するセラミック基体と、前記凹部の底面に形成された第一のメタライズ層と、前記凹部の開口周囲に形成された第二のメタライズ層と、一端が前記第一のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記セラミック基体の上面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第一の電極と、該第一の電極と電気的に独立して設けられ、一端が前記第二のメタライズ層に電気的に接続されるとともに他端が前記セラミック基体の上面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第二の電極とを具備することを特徴とする。

本発明のセラミック容器において、好ましくは、前記第一の電極および前記第二の電極の導出部は、略同一平面内に存在することを特徴とする。

また、本発明の電池は、上記本発明のセラミック容器と、前記第一のメタライズ層の上面に載置されて電気的に接続された正電極板と、該正電極板の上面に電解液を含浸したセパレータを介して密着するように載置された負電極板と、前記凹部を塞ぐようにして前記セラミック基体の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、導電材を介して前記第二のメタライズ層に接続されるとともに前記負電極板に当接されて電気的に接続された蓋体とを具備していることを特徴とする。
また、本発明の電気二重層キャパシタは、上記本発明のセラミック容器と、前記第一のメタライズ層の上面に載置されて電気的に接続された第一の分極性電極と、該第一の分極性電極の上面に電解液を含浸したセパレータを介して密着するように載置された第二の分極性電極と、前記凹部を塞ぐようにして前記セラミック基体の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、導電材を介して前記第二のメタライズ層に接続されるとともに前記第二の分極性電極に当接されて電気的に接続された蓋体とを具備していることを特徴とする。
また、本発明の電気回路基板は、上記本発明の電池または電気二重層キャパシタが実装された電気回路基板であって、該電気回路基板に設けられた開口部の周縁に前記切り欠き部が掛止されるように前記開口部に前記セラミック基体を嵌め込むとともに、前記第一の電極の導出部と前記第二の電極の導出部とが前記開口周縁部に設けられた配線導体にそれぞれ電気的に接続されるようにして実装されていることを特徴とする。
本発明のセラミック容器は、電池要素または電気二重層キャパシタ要素が内部に収容される凹部を上面に有するとともに、下面外周部に切り欠きを有するセラミック基体と、凹部の底面に形成された第一のメタライズ層と、凹部の開口部よりも外方に位置するセラミック基体の上面に形成された第二のメタライズ層と、一端が第一のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記切り欠きの内面に導出された第一の電極と、前記第一の電極と電気的に独立して設けられ、一端が前記第二のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記切り欠きの内面に導出された第二の電極とを具備することから、このセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタを電気回路基板に設けられた貫通孔に、セラミック容器の下面底部を収めるように嵌め込むとともに、切り欠きの内面に導出された第一および第二の電極を貫通孔の周囲で電気回路基板に電気的に接続することによって搭載することを可能とし、電池または電気二重層キャパシタの電気回路基板の表面からの突出高さを貫通孔に嵌め込まれた分低くすることができ、電気回路基板の薄型化を実現することができる。
また、本発明のセラミック容器は、上記構成において好ましくは、第一の電極および第二の電極の導出部は、略同一平面内に存在するとともにセラミック基体の下面と略平行に配置されていることから、このセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタを、平板状の電気回路基板の貫通孔に嵌め込んで、貫通孔の周囲で電気回路基板に電気的に接続することが容易である。
さらに、本発明のセラミック容器は、上記構成において好ましくは、第一のメタライズ層と第一および第二の電極の導出部とが略同一平面内に存在することから、第一のメタライズ層から第一の電極の導出部までをセラミックグリーンシートの同一面となる面に厚膜形成方法によって容易に形成することができ、生産性のよいものとなる。
また、本発明のセラミック容器は、電池要素または電気二重層キャパシタ要素が内部に収容される凹部を上面に有するとともに、凹部の開口部よりも外方の上面外周部に切り欠きを有するセラミック基体と、凹部の底面に形成された第一のメタライズ層と、凹部の開口周囲に形成された第二のメタライズ層と、一端が第一のメタライズ層に電気的に接続され、他端が切り欠きの内面に導出された第一の電極と、第一の電極と電気的に独立して設けられ、一端が第二のメタライズ層に電気的に接続されるとともに他端が切り欠きの内面に導出された第二の電極とを具備することから、セラミック容器の上面が下側になるようにして、このセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタを電気回路基板に設けられた貫通孔に、セラミック容器の上部を収めるように嵌め込むとともに、切り欠きの内面に導出された第一および第二の電極を貫通孔の周囲で電気回路基板に電気的に接続することによって搭載することを可能とし、電池または電気二重層キャパシタの電気回路基板の表面からの突出高さを貫通孔に嵌め込まれた分低くすることができ、電気回路基板の薄型化を実現することができる。
また、セラミック容器の上面が下側になるようにして、このセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタを電気回路基板に搭載することができるので、セラミック容器の凹部を塞ぐための蓋体が電気回路基板の表面に露出することがない。その結果、蓋体を金属等の導電性材料で形成しても電気回路基板に電子部品を実装する際に電子部品と蓋体とが接触して電気的短絡を生じてしまうのを確実に防止することができる。
本発明のセラミック容器において、好ましくは、第一の電極および第二の電極の導出部は、略同一平面内に存在するとともにセラミック基体の上面と略平行に配置されていることから、このセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタを、平板状の電気回路基板の貫通孔に嵌め込んで、貫通孔の周囲で電気回路基板に電気的に接続することが容易である。
また、本発明の電池は、上記本発明のセラミック容器と、第一のメタライズ層の上面に載置されて電気的に接続された正電極板と、この正電極板の上面に電解液を含浸したセパレータを介して密着するように載置された負電極板と、凹部を塞ぐようにしてセラミック基体の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、導電材を介して第二のメタライズ層に接続されるとともに負電極板に当接されて電気的に接続された蓋体とを具備していることから、上記本発明のセラミック容器によって、薄型の電気回路基板とすることができるとともに、電気回路基板への実装が容易なので、電気回路基板の生産性が高いものとなる。
また、本発明の電気二重層キャパシタは、上記本発明のセラミック容器と、第一のメタライズ層の上面に載置されて電気的に接続された第一の分極性電極と、この第一の分極性電極の上面に電解液を含浸したセパレータを介して密着するように載置された第二の分極性電極と、凹部を塞ぐようにしてセラミック基体の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、導電材を介して第二のメタライズ層に接続されるとともに第二の分極性電極に当接されて電気的に接続された蓋体とを具備していることから、上記本発明のセラミック容器によって薄型の電気回路基板とすることができるとともに、電気回路基板への実装が容易なので、電気回路基板の生産性が高いものとなる。
また、本発明の電気回路基板は、上記本発明の電池または電気二重層キャパシタが実装された電気回路基板であって、電気回路基板に設けられた開口部の周縁に切り欠き部が掛止されるように開口部にセラミック基体を嵌め込むとともに、第一の電極の導出部と第二の電極の導出部とが開口周縁部に設けられた配線導体にそれぞれ電気的に接続されるようにして実装されていることから、電気回路基板の所定の位置に正確かつ容易に電池または電気二重層キャパシタを実装でき、電池の実装の作業効率を効率の良いものとすることができるとともに、近年の携帯用機器に求められる薄型化を実現させることができる電気回路基板となる。
本発明のセラミック容器およびこれを用いた電池または電気二重層キャパシタ、ならびに電気回路基板について以下に詳細に説明する。図1は本発明のセラミック容器の実施の形態の一例を示す断面図を示し、図2は図1のセラミック容器の平面図を示し、さらに図3は図1のセラミック容器の要部拡大断面図を示す。また、図4は本発明のセラミック容器の実施例を示す下面側から見た斜視図を示し、図5は本発明のセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタの断面図を示す。図6は本発明のセラミック容器の他の実施例を示す断面図を示し、図7は図6のセラミック容器の平面図を示し、図8は本発明のセラミック容器を用いた電池または電気二重層キャパシタが実装された電気回路基板を断面図で示す。なお、図2および図4ならびに図7において、メタライズ層等の導電性部分を解りやすく示すためにハッチングを付した。そして、これらの部分は断面を示すものではない。
図1〜図5に示す実施の形態において、1はセラミック基体、1aはセラミック基体1の上面に形成された凹部、1bは凹部1aの底面を取り囲み凹部1aを形成する側壁、1cはセラミック基体1の底部、1dはセラミック基体1の下面外周部に形成された切り欠き、2は凹部1aの底面に形成された第一のメタライズ層、3は凹部1aの開口部よりも外方、すなわち凹部1aの周囲に位置するセラミック基体1の上面に形成された第二のメタライズ層、4は一端が第一のメタライズ層2に電気的に接続され、他端が切り欠き1dの内面に導出された第一の電極、4aは切り欠き1dの内面に導出された第一の電極4の導出部、5は第一の電極4と電気的に独立して設けられ、一端が第二のメタライズ層3に電気的に接続され、他端が切り欠き1dの内面に導出された第二の電極、5aは切り欠き1dの内面に導出された第二の電極5の導出部、Aは本発明のセラミック容器、Bは本発明の電池または電気二重層キャパシタである。なお、それぞれの図において同一の部位を示す部位には同じ符号を付している。以下、図1〜図5に示す実施の形態を本発明の第一の実施の形態として説明する。
図6〜図8に示す実施の形態において、1はセラミック基体、1aはセラミック基体1の上面に形成された凹部、1bは凹部1aの底面を取り囲み凹部1aを形成する側壁、1cはセラミック基体1の底部、1dはセラミック基体1の凹部1aの開口部よりも外方の上面外周部に形成された切り欠き、2は凹部1aの底面に形成された第一のメタライズ層、3は凹部1aの開口部よりも外方、すなわち凹部1aの周囲に位置するセラミック基体1の上面に形成された第二のメタライズ層、4は一端が第一のメタライズ層2に電気的に接続され、他端が切り欠き1dの内面に導出された第一の電極、4aは切り欠き1dの内面に導出された第一の電極4の導出部、5は第一の電極4と電気的に独立して設けられ、一端が第二のメタライズ層3に電気的に接続され、他端が切り欠き1dの内面に導出された第二の電極、5aは切り欠き1dの内面に導出された第二の電極5の導出部、Aは本発明のセラミック容器、Bは本発明の電池または電気二重層キャパシタである。なお、それぞれの図において同一の部位を示す部位には同じ符号を付している。以下、図6〜図8に示す実施の形態を本発明の第二の実施の形態として説明する。
まず、本発明のセラミック容器Aの第一の実施の形態について以下に詳細に説明する。
本発明のセラミック容器Aは、例えば図1および図2に示されるように、直方体状のセラミック基体1の上面に直方体状の凹部1aが形成され、セラミック基体1の下面外周部、すなわち底部1cの対向する2辺の一部または辺の全部が後退するように切り欠かれ、上面が側壁1bの下端に覆われた切り欠き1dがそれぞれ形成されており、このそれぞれの切り欠き1dの内面、図1においては側壁1bの下面に、第一の電極4および第二の電極5が導出されている。
なお、セラミック基体1および凹部1a等の形状は直方体に限ることはなく、多角柱状または円柱状等の形状としてもよい。また、図1において、切り欠き1dは、側壁1bの下面と底部1cの側面とで構成されているが、これに限ることはなく、側壁1bの下面外周部までさらに切り欠いて段差の大きな切り欠き1dとしたり、底部1cの下面外周部のみを切り欠いて段差の小さい切り欠き1dとしたりしてもよい。
このようにセラミック容器Aを構成することにより、このセラミック容器Aを用いた電池Bまたは電気二重層キャパシタBを実装する電気回路基板100に、セラミック容器Aの切り欠き1dが除かれた底部1cの横断面形状に対応する矩形状の貫通孔を設けておき、この貫通孔に、セラミック容器Aの底部1cを収めるように嵌め込んで実装することができるので、電池Bまたは電気二重層キャパシタBの電気回路基板100の表面からの突出高さを貫通孔に嵌め込まれた高さ分低くすることができ、また、実装時にセラミック容器Aが貫通孔の位置に固定されるので、実装性のよい電池Bまたは電気二重層キャパシタBとすることができる。
さらに、切り欠き1dの内面、すなわち切り欠き1dが電気回路基板100に当接する部位に導出された第一および第二の電極4,5を貫通孔の周囲で電気回路基板100に設けられた接続電極と半田付け等により接合することによって、電池Bまたは電気二重層キャパシタBを電気回路基板100に電気的に接続するとともに固定させて搭載することを可能とし、電気回路基板100の薄型化および電気回路基板100の量産性に優れる電池Bまたは電気二重層キャパシタBを実現することができる。
また、本発明のセラミック容器Aにおいて、図1に示されるように、第一の電極4および第二の電極5の導出部4a,5aは、セラミックグリーンシートの同じ高さの面に形成されてほぼ同一平面内に存在するように、セラミック基体1の下面とほぼ平行に配置されているのがよく、これにより、セラミック容器Aを用いた電池Bまたは電気二重層キャパシタBを、平板状の電気回路基板100の貫通孔に嵌め込んで、貫通孔の周囲の電気回路基板100の表面に電気的に接続することが容易となる。
すなわち、切り欠き1dは、第一の電極4の導出部4aおよび第二の電極5の導出部5aの高さが同じとなるように形成されており、これによって平板状の電気回路基板100の表面に接続電極が形成されている場合に、セラミック容器Aを貫通孔に嵌め込むことによって、導出部4a,5aがそれぞれの接続電極に当接する位置にくるので、電気回路基板100と電気的に接続しやすく、固定が容易となる。
また、本発明のセラミック容器Aは、第一および第二の電極4,5が側壁1bの下面に形成され、これによって第一のメタライズ層2と第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aとがセラミックグリーンシートが積層されて略同一平面内に存在するようにされるとさらによく、第一のメタライズ層2から第一の電極4の導出部4aまでをセラミックグリーンシートの同一平面となる面に厚膜形成方法によって最短距離で容易に形成することができる。第一のメタライズ層2と第一および第二の電極4,5を形成するための金属ペースト層の厚みやグリーンシート積層時のグリーンシートの変形等により第一のメタライズ層2と第一および第二の電極4,5とは完全な同一面にはならなくても、電気回路基板100との接続が問題ない範囲で略同一平面内になり、下面が電気回路基板100の貫通孔の反対側の面から必要以上に飛び出したりしないように略平行であればよい。
第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aは、図1,図2および図4(a)に示されるように、セラミック基体1の底部1cにおいて相対する2辺が後退するように切り欠かれ、第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aがそれぞれの相対する切り欠き1dの内面(天面)に導出されている形態とされる他、図4(b)に示されるように、底部1cの1辺が後退するように切り欠かれ、その切り欠き1dの内面に第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aが導出される形態、図4(c)に示されるように、底部1cのそれぞれ相対する2辺の一部が切り欠かれ、切り欠き1dの内面に第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aがそれぞれ導出される形態、または、図4(d)に示されるように、底部1cの全周にわたって各辺が後退するように切り欠かれ、そのうちの相対する切り欠き1dの内面に第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aが導出される形態のいずれでもよい。
なお、導出部4a,5aが互いに相対する辺に設けられた切り欠き1dの内面にそれぞれ形成される図4(a),図4(c),図4(d)の形態の方が、導出部4a,5aを半田付けすることにより電池Bまたは電気二重層キャパシタBの固定を兼ねる形態とする点では好ましく、貫通孔に嵌め込んで固定させる点では図4(a),図4(c),図4(d)の形態が固定させやすさの点で好ましく、さらに、電気回路基板100の強度を確保する点で、接続電極周囲の当接面が広く取れる図4(a),図4(d)が好ましい。
また、切り欠き1dは、側壁1bの下方に形成され、凹部1aの下方には形成されないようにするのが、凹部1aの容積を十分に取るために好ましい。
このようなセラミック基体1は、アルミナ(Al)質焼結体やムライト(3Al・2SiO)質焼結体,窒化アルミニウム(AlN)質焼結体,ガラスセラミックス等のセラミックスから成り、例えばセラミック基体1がアルミナ質焼結体から成る場合、以下のようにして作製される。すなわち、酸化アルミニウム(Al),酸化珪素(SiO),酸化マグネシウム(MgO),酸化カルシウム(CaO)等の原料粉末に適当な有機バインダ,溶剤等を添加混合してスラリー状の絶縁ペーストと成す。この絶縁ペーストをドクターブレード法やカレンダーロール法によってセラミックグリーンシート(以下、グリーンシートとも称す)と成し、所要の大きさに切断する。次に、その中から選ばれた複数のグリーンシートにおいて凹部1a、切り欠き1d、および第二の電極5の一部が表面に形成される溝(キャスタレーション)を形成するために適当な打ち抜き加工を施す。
そして、これらのグリーンシートにタングステン(W)等の金属粉末を主成分とする金属ペーストを所定の部位に印刷塗布して第一および第二のメタライズ層2,3、第一および第二の電極4,5、となる金属ペースト層を形成する。第一および第二の電極4,5の導出部4a,5aは、側壁1bとなるグリーンシートの下面にスクリーン印刷法で形成される。なお、側壁1bが複数のグリーンシートからなる場合には、最下層となるグリーンシートの下面に第一および第二の電極4,5となる金属ペースト層が印刷されることになる。
また、第二の電極5の一部が側壁1bの溝の内面に形成された、いわゆるキャスタレーション導体とされる場合には、側壁1bとなるグリーンシートの所定の位置に予めスルーホールを形成し、この内面に金属ペーストを塗布しておく。そして、これらの金属ペースト層を形成したグリーンシートをスルーホールの中央で分断するように所定形状に裁断した後、積層してグリーンシート積層体が作製される。
そして、側壁1bとなるグリーンシートの下面に形成された第一の電極4と底部1cの上面に形成された第一のメタライズ層2とは、これらが焼成される前の積層段階で互いに例えば85℃程度の温度下、4〜5MPaの圧力で物理的に接合されることで、焼成後に電気的に接続された状態となり、よって第一のメタライズ層2から第一の電極4の導出部4aに至る導電経路が構成されることになる。このとき、同時に凹部1aの底面の外縁に沿ってアルミナコート層8となる上記スラリー状の絶縁ペーストを塗布しておくと、側壁1bの下面と底部1cの上表面とが気密な接合状態を形成することを可能とし、側壁1bと底部1cとの接合距離が短くても凹部1aを気密に保持することができる接合を容易に実現することができる。このようにして得られたグリーンシート積層体を還元雰囲気下において約1600℃の温度で焼成することによってセラミック基体1が作製される。
セラミック基体1は有機溶剤や酸等を含む電解液B−4に侵され難く、従って電解液B−4中にセラミック基体1から溶け出した不純物が混入して電解液B−4をほとんど劣化させることがない。このため電池性能を良好に維持することができるセラミック容器Aを得ることができる。また、セラミック基体1をAlN質焼結体から成るものとした場合には、作動時の熱を効率よく外部に放散させることができるので、電解液B−4が熱変性することがほとんど無く、信頼性の高いセラミック容器Aとすることができる。
また、気密性に優れるとともに耐熱性に優れるセラミック基体1によって電解液B−4が収容されているため、温度サイクル試験に曝された場合でもセラミック基体1に隙間が生じて電解液B−4が漏れることはない。また、セラミック基体1によって気密性が良好に維持されるので、電池性能を劣化させる水分や酸素等が外部から電解液B−4中に浸入するのを有効に抑制することができる。
そして、このようにして作製されたセラミック基体1に形成されたこれらの第一および第二のメタライズ層2,3、第一および第二の電極4,5の露出した表面には、耐食性に優れかつ半田との濡れ性に優れる金属、具体的には厚さ1〜12μmのニッケル(Ni)層を被着させておくとよい。またさらに厚さ0.3〜5μmの金(Au)層からなる金属めっき層をめっき法等により順次被着させておいてもよい。
Ni層の厚さが1μm未満であれば、メタライズから成る各導体層の酸化腐蝕を防止したり各導体層から金属成分が溶出したりするのを有効に抑制するのが困難になって電池性能が劣化し易く成る。また、Ni層の厚さが12μmを超えると、めっき形成に多大の時間がかかることになり量産性が低下し易くなるとともに電気抵抗が大きくなり易い。
また、Au層の厚さが0.3μm未満であれば、均一な厚さのAu層を形成するのが困難となり、Au層が極めて薄い部位やあるいはAu層が形成されていない部位が生じ易く、酸化腐食の防止効果や半田との濡れ性が低下し易くなる。またAu層の厚さが5μmを超えると、めっき形成に多大の時間がかかることになり量産性が低下し易くなる。
特にセラミック容器Aの内部に形成された第一および第二のメタライズ層2,3の表面に被着されたAuめっき層は、酸性の電解液B−4に侵されにくい性質を有しているので、充放電による電圧で容易に第一および第二のメタライズ層2,3の金属主成分であるW等が電解液B−4中に溶出するのを有効に抑制する作用をなす。また、第一および第二の電極4,5に被着されたNiおよびAuめっき層は、半田との濡れ性を良くする作用をなすので、電気回路基板100の表面の接続電極等の配線導体との接合強度がより強固なものとなる。
このように第一および第二の電極4,5が電気回路基板100に形成された貫通孔の周囲に配設されている接続電極に半田を介して直接接合されるようにできることから、本発明のセラミック容器Aによれば、外部接続端子部材等を用いることなく電気回路基板100の表面の接続電極に表面実装によって容易に接続することが可能となり、量産性に優れたものとなる。さらに、表面実装を行う場合は、半田プリフォームを用いることにより、均質な接合を実現することができる。
なお、第一のメタライズ層2は、アルミナコート層8の内側より内側に延在されており、その延在部から凹部1aの底面にかけて、周知のスパッタリング法や蒸着法等によりアルミニウムなどの導電層7を被着させておくとよい。また、第二のメタライズ層3の表面にもスパッタリング法等により導電層7を被着させておくとよい。
アルミニウムからなる導電層7は、電解液B−4に腐食されにくいことから、導電層7はその下にある第一のメタライズ層2および第二のメタライズ層3を保護し、これらが電解液B−4によって腐食されるのを防止する作用をなすとともに、電池要素や電気二重層キャパシタ要素の集電体として機能する。
この導電層7は第一のメタライズ層2とアルミナコート層8上から凹部1aの底面にかけて、および第二のメタライズ層3の表面から側壁1bの上面にかけて形成される。この導電層7は周知のスパッタリング法や、蒸着法で形成され、ステンレスや鉄−ニッケル合金等からなるマスクを導電層7を被着させたくない部位を覆うように予め配置しておくことにより、所定の部位に被着させて形成される。
そして、導電層7がこのようにして形成されることにより、これら第一および第二のメタライズ層2,3を覆うことができ、電解液B−4によるこれら第一および第二のメタライズ層2,3の腐食を防止することができる。
次に、本発明の第二の実施の形態のセラミック容器Aは、例えば図6および図7に示されるように、直方体状のセラミック基体1の上面に直方体状の凹部1aが形成され、凹部1aの開口部よりも外方の上面外周部、すなわち凹部1aの対向する2辺の一部または辺の全部が後退するように切り欠かれた切り欠き1dがそれぞれ形成されており、このそれぞれの切り欠き1dの内面、図6においては切り欠き1dの下面に、第一の電極4および第二の電極5が導出されている。なお、セラミック基体1および凹部1a等の形状は直方体に限ることはなく、多角柱状または円柱状等の形状としてもよい。
また、図6において、切り欠き1dは、側壁1bの上面側に形成されているが、これに限ることはなく、底部1cに達する側壁1bの下側までさらに切り欠いて段差の大きな切り欠き1dとしてもよい。
このようにセラミック容器Aを構成することにより、このセラミック容器Aを用いた電池Bまたは電気二重層キャパシタBを実装する電気回路基板100に、セラミック容器Aを上下逆、すなわち上面側が下側になる位置にすれば(図8参照)、第一の実施の形態例のセラミック容器Aと同様に、電気回路基板100の貫通孔に、セラミック容器Aの切り欠き1dが除かれた側壁1bを収めるように嵌め込んで実装することができるので、電池Bまたは電気二重層キャパシタBの電気回路基板100の表面からの突出高さを貫通孔に嵌め込まれた高さ分低くすることができ、また、実装時にセラミック容器Aが貫通孔の位置に固定されるので、実装性のよい電池Bまたは電気二重層キャパシタBとすることができる。
このように、第一の実施の形態例のセラミック容器Aにおける切り欠き1dは、セラミック基体1の上面側に設けてもよく、第一の実施の形態例のセラミック容器Aと同じように機能させることができる。なお、第二の実施の形態のセラミック容器Aにおける切り欠き1dの形状やセラミック容器Aの他の部分の形態例等は、第一の実施の形態例のセラミック容器Aと共通するので、説明は省略する。
なお、図6,7に示すように、第二のメタライズ層3に金属枠体9が接合されている場合、蓋体6をFe−Ni−Co合金やFe−Ni合金等の金属で形成することにより、金属枠体9に金属製の蓋体6を抵抗溶接法、例えばシーム溶接法によって気密に接合することができる。すなわち、凹部1a内部を抵抗溶接法によって容易に気密封止させることが可能となる。そして、金属枠体7を介して蓋体6を封止させることにより、半田やカーボン粒子を含有する導電性樹脂等の導電材で蓋体6を封止させる場合に比べて、格段に作業効率に優れたものとなる。また、セラミック基体1に変形が発生していてもこの変形を金属枠体9で吸収することができるという作用効果がある。これは、上記第一の実施の形態例のセラミック容器Aにも適用可能である。金属枠体9が接合されている形態においては、金属枠体9の第二のメタライズ層3との接合面を除く露出表面にも導電層7が被着されているのがよい。
次に、本発明の電池Bまたは電気二重層キャパシタBについて以下に詳細に説明する。図5は本発明の電池Bまたは電気二重層キャパシタBの実施の形態の一例を示す断面図であり、B−1は正電極板(または第一の分極性電極)、B−2は負電極板(または第二の分極性電極)、B−3はセパレータ、B−4は電解液、6は蓋体、Bは本発明の電池または電気二重層キャパシタである。なお、図1乃至図4と同じ部位には同じ符号を付している。
本発明の電池Bは、図5に示すように、第一のメタライズ層2または第一のメタライズ層2および導電層7の上面に載置されて電気的に接続された正電極板B−1と、この正電極板B−1の上面に電解液B−4を含浸したセパレータB−3を介して密着するように載置された負電極板B−2と、電解液B−4とから成る電池要素と、本発明のセラミック容器Aと、凹部1aを塞ぐようにしてセラミック基体1の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、半田や炭素粒子が樹脂に含有されたカーボンペースト等の導電材を介して第二のメタライズ層3に接続されるとともに負電極板B−2に当接されて電気的に接続された蓋体6とを具備している。
また、本発明の電気二重層キャパシタBは、第一のメタライズ層2または第一のメタライズ層2および導電層7の上面に載置されて電気的に接続された第一の分極性電極B−1と、この第一の分極性電極B−1の上面に電解液B−4を含浸したセパレータB−3を介して密着するように載置された第二の分極性電極B−2と、電解液B−4とから成る電気二重層キャパシタ要素と、本発明のセラミック容器Aと、凹部1aを塞ぐようにしてセラミック基体1の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、半田や炭素粒子が樹脂に含有されたカーボンペースト等の導電材を介して第二のメタライズ層3に接続されるとともに第二の分極性電極B−2に当接されて電気的に接続された蓋体6とを具備している。
これにより、本発明の電池Bまたは電気二重層キャパシタBは、上記本発明のセラミック容器Aを具備しているので、気密信頼性が高く、電解液B−4中に不純物がほとんど溶出することのない、安定した充放電が行なえるとともに薄型の電気回路基板100とすることができる電池Bまたは電気二重層キャパシタBとすることができる。
本発明の電池Bの正電極板B−1は、LiCoOやLiMn等から成る正極活物質およびアセチレンブラックや黒鉛等の導電材を含む板状やシート状のものであり、また、負電極板B−2はコークスや炭素繊維等の炭素材料から成る負極活物質を含む板状やシート状のものである。
正電極板B−1は、上記正極活物質に上記導電材を加えたものに、ポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどのバインダを添加、混合してスラリー状となし、これを周知のドクターブレード法やローラー成形法を用いてシート状に成形し、次いでこのシートを例えば多角形状や円形状に裁断して作製される。
同様にして負電極板B−2は、上記負極活物質にポリテトラフルオロエチレンやポリフッ化ビニリデンなどのバインダを添加、混合してスラリー状となし、これを周知のドクターブレード法やローラー成形法を用いてシート状に成形し、次いでこのシートを例えば多角形状や円形状に裁断して作製される。
また、セパレータB−3は、ポリオレフィン繊維製の不織布やポリオレフィン製の微多孔質膜などからなり、電解液B−4が含浸されるとともに正電極板B−1と負電極板B−2との間に配置されることにより、正電極板B−1と負電極板B−2とが直接接触することを防止するとともに正電極板B−1と負電極板B−2との間の電解液B−4の移動を可能として電流が流れることを可能とする。
電解液B−4は、例えば四フッ化ホウ酸リチウム等のリチウム塩や塩酸,硫酸,硝酸等の酸をジメトキシエタンやプロピレンカーボネート等の有機溶媒に溶解したものが用いられる。
本発明の電気二重層キャパシタBの第一の分極性電極B−1および第二の分極性電極B−2は、例えばフェノール樹脂繊維(ノボロイド繊維)を炭化賦活して得られるものであり、賦活はこの繊維を800〜1000℃の高温雰囲気下で高温水蒸気などの賦活ガスに接触させることにより行われ、炭化物中の揮発成分、あるいは炭素原子の一部をガス化し、主に1〜10nmの微細構造を発達させ内部表面積を1×10/kg以上にまでする工程で作製される。本発明の電気二重層キャパシタBは、第一および第二の電極4,5における極性はなく、第一の電極4側を陽極、第二の電極5側を陰極として使用できるし、その逆の極性でも使用できる。
電気二重層キャパシタBの電解液B−4は、例えば6フッ化リン酸リチウム(LiPF)などのリチウム塩や、テトラエチルアンモニウムテトラフルオロボレート((CNBF)などの第4級アンモニウム塩をプロピレンカーボネート(PC)やスルホラン(SLF)などの溶媒中に溶解したものである。
また、セパレータB−3には、例えばガラス繊維やポリフェニレンサルファイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド等の耐熱性を有する多孔質の樹脂等が用いられる。
そして電解液B−4を、分極性電極B−1,B−2、セパレータB−3をセラミック容器1内に収納した後、例えばシリンジなどの注入手段を用いて凹部1aの上面からセラミック容器Aの内部に注入し、注入後に側壁1bの上面に蓋体6を気密に溶接接合することによって、セラミック容器Aの内部が気密に封止された電気二重層キャパシタBを得ることができる。
このような電池Bまたは電気二重層キャパシタBの電解液B−4は、腐食性や溶解性の高いものであるが、本発明のセラミック容器Aによれば、セラミック基体1は有機溶剤や酸等を含む電解液B−4に侵され難く、また、電解液B−4中にセラミック容器Aから溶け出した不純物が混入して電解液B−4を劣化させることもなく、電池性能を良好に維持することができる。
蓋体6は、アルミナ質焼結体等から成り、蓋体6の下面のセラミック基体1と接合される部位にメタライズ層を形成しておき、また、セラミック基体1の上面の凹部1aの周囲にも第二のメタライズ層3を形成しておき、これらのメタライズ層同士を半田やカーボン粒子を含有する導電性樹脂等の導電材で接続させるとともに、セラミック基体1の上面に凹部1aを覆うように蓋体6が取着されることによって、セラミック基体1の凹部1aを気密に保つ。
次に、本発明の電気回路基板は、上記本発明の電池Bまたは電気二重層キャパシタBが実装された電気回路基板100であって、電気回路基板100に設けられた開口部101の周縁に切り欠き部1dが掛止されるように開口部101にセラミック基体1を嵌め込むとともに、第一の電極4の導出部4aと第二の電極5の導出部5aとが開口周縁部に設けられた配線導体(第一の配線導体104および第二の配線導体105)にそれぞれ電気的に接続されるようにして実装されている。
すなわち、本発明の電池Bまたは電気二重層キャパシタBの第二の実施の形態を用いて説明すれば、図8に示されるように、セラミック基体1の切り欠き1dに第一の導体層4および第二の導体層5が互いに独立して設けられていることより、セラミック基体1の上面が下側になるようにして、電池Bまたは電気二重層キャパシタBを電気回路基板100に設けられた開口部101の周縁に切り欠き部1dが掛止されるように開口部101にセラミック基体1を嵌め込むとともに、第一の電極4の導出部4aと第二の電極5の導出部5aとが開口周縁部に設けられた第一の配線導体104および第二の配線導体105にそれぞれ電気的に接続されるようにして実装されている。
電気回路基板100は、この構成により、電気回路基板100の所定の位置に正確かつ容易に電池Bまたは電気二重層キャパシタBを実装でき、電池Bまたは電気二重層キャパシタBの実装の作業効率を効率の良いものとすることができるとともに、近年の携帯用機器に求められる薄型化を実現させることができる電気回路基板100となる。その結果、電気回路基板100を小型化できるとともに量産性の向上および製造コストの削減を図ることができる。
また、図8に示される電気回路基板100においては、セラミック基体1の上面が下側になるようにして、電池Bまたは電気二重層キャパシタBを電気回路基板100に実装することができるので、セラミック基体1の凹部1aを塞ぐための蓋体6が電気回路基板100の表面に露出することがない。その結果、蓋体6を金属等の導電性材料で形成しても電気回路基板100に電子部品を実装する際に電子部品と蓋体6とが接触して電気的短絡を生じてしまうのを確実に防止することができる。
図示しないが、電気回路基板100に本発明の電池Bまたは電気二重層キャパシタBの第一の実施の形態のものを実装する場合は、蓋体6が電気回路基板100の表面に露出することとなるので、電気回路基板100に電子部品を実装する際に電子部品と蓋体6とが接触して電気的短絡を生じてしまうのを確実に防止するために、蓋体6をセラミックス等の絶縁体で形成し、下面のみにメタライズ層を形成した導電性の形態とするのが好ましい。
なお、本発明は上記実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、本発明ではセラミック容器Aのセラミック基体1の材質がアルミナ質焼結体として説明したが、窒化アルミニウム(AlN)質焼結体やガラスセラミックス等の他のセラミックスから成っていてもよく、AlN質焼結体から成る場合には作動時の熱を効率よく外部に放散させることができる。
本発明のセラミック容器の実施の形態の一例を示す断面図である。 図1のセラミック容器の平面図である。 図1のセラミック容器の要部拡大断面図である。 本発明のセラミック容器の実施の形態の例を示す下面側斜視図である。 本発明の電池または電気二重層キャパシタの実施の形態の一例を示す断面図である。 本発明のセラミック容器の実施の形態の他の例を示す断面図である。 図6のセラミック容器の平面図である。 本発明の電気回路基板の実施の形態の一例を示す断面図である。 従来の電池または電気二重層キャパシタの例を示す断面図である。
符号の説明
1:セラミック基体
1a:凹部
1b:側壁
1c:底部
1d:切り欠き
2:第一のメタライズ層
3:第二のメタライズ層
4:第一の電極
4a:第一の電極の導出部
5:第二の電極
5a:第二の電極の導出部
6:蓋体
7:導電層
8:アルミナコート層
100:電気回路基板
101:開口部
104:第一の配線導体
105:第二の配線導体
A:セラミック容器
B:電池または電気二重層キャパシタ
B−1:正極活物質または第一の分極性電極
B−2:負極活物質または第二の分極性電極
B−3:セパレータ
B−4:電解液

Claims (8)

  1. 電池要素または電気二重層キャパシタ要素が内部に収容される凹部を上面に有するとともに、下面外周部の少なくとも一部が外周面を後退させるよう切り欠かれた切り欠きを有するセラミック基体と、前記凹部の底面に形成された第一のメタライズ層と、前記凹部の開口部よりも外方に位置する前記セラミック基体の上面に形成された第二のメタライズ層と、一端が前記第一のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記セラミック基体の下面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第一の電極と、前記第一の電極と電気的に独立して設けられ、一端が前記第二のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記セラミック基体の下面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第二の電極とを具備することを特徴とするセラミック容器。
  2. 前記第一の電極および前記第二の電極の導出部は、略同一平面内に存在することを特徴とする請求項1記載のセラミック容器。
  3. 前記第一のメタライズ層と前記第一および第二の電極の導出部とが略同一平面内に存在することを特徴とする請求項1または請求項2記載のセラミック容器。
  4. 電池要素または電気二重層キャパシタ要素が内部に収容される凹部を上面に有するとともに、前記凹部の開口部よりも外方の上面外周部に、該上面外周部の少なくとも一部が外周面を後退させるように切り欠かれた切り欠きを有するセラミック基体と、前記凹部の底面に形成された第一のメタライズ層と、前記凹部の開口周囲に形成された第二のメタライズ層と、一端が前記第一のメタライズ層に電気的に接続され、他端が前記セラミック基体の上面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第一の電極と、該第一の電極と電気的に独立して設けられ、一端が前記第二のメタライズ層に電気的に接続されるとともに他端が前記セラミック基体の上面と略平行な前記切り欠きの内面に導出された第二の電極とを具備することを特徴とするセラミック容器。
  5. 前記第一の電極および前記第二の電極の導出部は、略同一平面内に存在することを特徴とする請求項4記載のセラミック容器。
  6. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のセラミック容器と、前記第一のメタライズ層の上面に載置されて電気的に接続された正電極板と、該正電極板の上面に電解液を含浸したセパレータを介して密着するように載置された負電極板と、前記凹部を塞ぐようにして前記セラミック基体の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、導電
    材を介して前記第二のメタライズ層に接続されるとともに前記負電極板に当接されて電気的に接続された蓋体とを具備していることを特徴とする電池。
  7. 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載のセラミック容器と、前記第一のメタライズ層の上面に載置されて電気的に接続された第一の分極性電極と、該第一の分極性電極の上面に電解液を含浸したセパレータを介して密着するように載置された第二の分極性電極と、前記凹部を塞ぐようにして前記セラミック基体の上面に接合されるとともに少なくとも下側主面が導電性とされ、導電材を介して前記第二のメタライズ層に接続されるとともに前記第二の分極性電極に当接されて電気的に接続された蓋体とを具備していることを特徴とする電気二重層キャパシタ。
  8. 請求項6または請求項7記載の電池または電気二重層キャパシタが実装された電気回路基板であって、該電気回路基板に設けられた開口部の周縁に前記切り欠き部が掛止されるように前記開口部に前記セラミック基体を嵌め込むとともに、前記第一の電極の導出部と前記第二の電極の導出部とが前記開口周縁部に設けられた配線導体にそれぞれ電気的に接続されるようにして実装されていることを特徴とする電気回路基板。
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