JP5816784B2 - 電解コンデンサの製造方法 - Google Patents

Description

本発明はアルミ電解コンデンサに係るものであり、特に金属箔とリード端子との接続部に関する。

電解コンデンサは、弁金属からなる金属箔（陽極箔または陰極箔）の一端にそれぞれリード端子を接続した後に、セパレータを挟んで巻回、あるいは積層してコンデンサ素子を形成し、このコンデンサ素子を外装体に電解液とともに封止するとともに、リード端子の一部を外部へ露出させた構造となっている。

このリード端子と金属箔との接続は、リード端子の一端に形成されたタブを金属箔に重ね合わせた後、タブと金属箔に針状の金型を用いて複数個所の貫通穴を形成し、裂けた金属箔の端部を利用して機械的に接合させていた。

このようにタブと金属箔に貫通穴を設けて機械的に接合させる場合、小型・高容量化を目的として金属箔を薄くする、あるいは金属箔の表面積を大きくした際、貫通孔周辺に破れが生じやすく、接合部の強度が低下するという課題があった。

この課題を解決するために、針状の金型を用いず、レーザ等を用いて金属箔とタブを直接溶着する方法が提案されている。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば特許文献１が知られている。

特開平０７−２１１５９８号公報

上述したレーザ溶接による接続方法では、レーザ光をタブ上に集光することで、タブとその直下の金属箔を溶融し接合する。この際、レーザ光のスポット径はタブの幅より小さいため、溶融時に混入した気泡が外部へ抜けることがなく残留し、接合強度の低下や溶着部の抵抗が増大するなどの課題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、レーザ溶接をする際、溶着部に気泡が残留することがなく、溶着部の抵抗が小さく、かつ接合強度の高い、リード端子と金属箔との接合を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、弁金属からなる金属箔と、この金属箔と接続されたリード端子と、前記金属箔を浸す電解液と、これら金属箔と電解液を収納するとともに前記リード端子の一部を露出させた外装体と、を少なくとも含み、前記リード端子は、金属箔と溶着させるタブと、このタブから延出されたリード部とからなり、前記タブの一面に前記金属箔との溶着部の少なくとも一部を跨いで端部に達する溝部を設けた電解コンデンサである。

以上のように本発明によれば、レーザ溶接する際に溶着部に巻き込んだ気泡を外部に確実に排出することができるので、金属箔とリード端子との抵抗が小さく、信頼性に優れた電解コンデンサを提供することができる。

本実施の形態の電解コンデンサの内部構造を説明する一部切欠斜視図 （ａ）〜（ｃ）本実施の形態のリード端子を説明する斜視図 （ａ）〜（ｄ）本実施の形態の電解コンデンサの製造方法を説明する工程図 本実施の形態のレーザ光照射後の金属箔の状態を説明する拡大断面図 本実施の形態のレーザ光照射条件を説明する図 本実施の形態の溶接時のレーザ光照射条件を説明する図 本実施の形態の溶着部の状態を説明する拡大断面図

以下、本発明の一実施の形態の電解コンデンサについて説明する。

図１は、本発明の一実施の形態を説明する電解コンデンサの内部構造を説明する一部切欠斜視図である。

アルミニウムなどの弁作用金属からなる金属箔１を、エッチングや蒸着等によりその表面を粗面化して増大させた後、陽極酸化により誘電体酸化皮膜を形成し、陽極箔とする。この陽極箔とそれに対極させる陰極箔には、リード端子２がそれぞれ接続されており、これら陽極箔と、陰極箔とをセパレータを挟んで対向させ巻回することでコンデンサ素子とする。

このコンデンサ素子を、アルミニウムからなる有底筒状の金属ケース３内に、電解液４とともに収納し、コンデンサ素子を電解液４で含浸させる。金属ケース３の開口部には、内部の電解液４の蒸発を防止するための封口部材５を圧入、かしめ等で装着するとともに、この封口部材５よりリード端子２の一部を突出させている。これら突出しているリード部２ａが外部接続用の端子となる。

本実施の形態では、金属ケース３、封口部材５を含めて外装体６としているが、電解液４を導電性固体高分子材料とすることで、封口部材５を用いず、樹脂成形等により電解液４の封止と外装体６の形成を一括で行っても良い。

次に本願発明の特徴であるリード端子の詳細について説明する。

図２（ａ）〜（ｃ）は、本実施の電解コンデンサに用いられるリード端子の一実施例を説明するための斜視図である。

本実施の形態のリード端子２は、軟鋼線やりん青銅銅線、硬銅線を心材とし、銅めっきや錫めっきを施したＣＰ線からなるリード部２ａと、陽極箔や陰極箔などの金属箔１と同じ材料（本実施の形態ではアルミニウム）からなるタブ２ｂとから構成されている。タブ２ｂの一面には、溝部７が設けられており、図２（ａ）は、矩形形状のタブ２ｂの対角線上に溝部７を設けたものである。図２（ｂ）は、タブ２ｂの短辺の略中央から長辺に平行に溝部７を設けたものであり、図２（ｃ）は、反対に短辺に対して平行に二本の溝部７を設けた一例である。これら溝部７は、その終端の少なくとも一方がタブ２ｂの端部に達するように設けられている。

この溝部７が設けられた一面は、金属箔１との接合面となり、この接合面を金属箔１に重ね合わせて押圧し、溝部７が形成された面に対して裏面側よりレーザ光や電子ビーム等を照射する。このとき、レーザ光または電子ビーム等の熱源の照射点をＡ（図中の斜線部であり、後の溶着部に相当）とすると、溝部７はこの照射点Ａの少なくとも一部を跨ぐように設けられている。

ここで溝部７を設ける効果について説明する。

平板状の金属どうしを面で接触させて溶着または溶接する場合、界面には若干の空隙が必要となる。これは、界面に空隙無く、完全に面接触した場合、熱容量が大きくなることで、一面から照射した熱源のみでは溶融に十分な加熱が難しくなるためである。界面に若干の空隙を設けることにより、熱源を照射した側の金属を先に溶融させ、その溶融金属を他方の金属に接触させることで溶着または溶接を行うことができる。

タブ２ｂの一面に溝部７を設けない場合、金属箔１とタブ２ｂとを押圧により位置決めした際、完全に密着させることができないため、接合界面には若干の空隙が偏在することになる。この空隙は閉鎖空間であるため、熱源が照射されると、この空隙内の空気が一気に熱膨張することで溶融した金属が周囲に飛散して（スプラッシュ現象）十分な接合強度が得られない。

上記の課題に対し本実施の形態では、接合面に溝部７を設けるとともに、その溝部７の終端の少なくとも一方がタブ２ｂの端部まで達するように設けられている。タブ２ｂの裏面側より照射されたレーザ光や電子ビームなどにより、タブ２ｂの一部が溶融し、空隙内に溶融した金属が落下、充填され、金属箔１と確実に溶着される。そして、溝部７が熱源の照射点（図１のＡ）の少なくとも一部を跨いでタブ２ｂの端部まで達していることから、タブ２ｂの一部が溶融し空隙内に落下する際に巻き込んだ気泡やガスは、加熱による空気の膨張等により流れが生じ、この溝部７を通じて確実に外部へ排出されるものである。

このように本実施の形態のリード端子２を用いることにより、リード端子２と金属箔１との溶着部（溶接部）に気泡の混入が無く、接続抵抗が小さく、かつ接合強度の高い安定した接続を実現することができる。

さらに、金属箔１とリード端子２との接続抵抗が小さくなるので、電解コンデンサの等価直列抵抗（Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ、以降「ＥＳＲ」と記す）を小さくすることができる。

なお、図２（ａ）〜（ｃ）は本実施の形態の一例であり、溝部７は直線であっても折れ曲がり部を有する直線や曲線でもよく、熱源の照射点に溝部７の一部がかかり、溝部７の終端の少なくとも一方がタブ２ｂの端部に達していれば同じ効果が得られるものである。

また、溝部７の深さは、タブ２ｂの厚みに対して最大でも十分の一以下とすることが望ましい。それ以上の深さで溝部７を形成すると、タブ２ｂ自身の強度が低下し、搬送あるいは位置決め時に折れや曲がりが生じやすくなる。また、溶着時に照射点直下の空隙が大きくなり、溶着部に陥没が生じて接続強度が低下しやすくなるためである。

また、溝部７の断面形状は、台形、矩形などの角部を有するものや、半円形やこれらの組合せとなるが、溝部７の底部を半円形状とすることが望ましい。半円形状とすることにより、溝部７の底部全体が均一に加熱され、安定して溶融金属を金属箔１へ落下、充填しやすくなる。

なお、本実施の形態の溝部７は、研削やエンドミル等を用いた切削、プレス成型等を用いて形成する。プレス成型を用いることにより、金型等を用いてタブ２ｂの外形を整える際に同時に溝部７を形成することが可能となるため生産性を高めることができる。さらに、プレス成型では、溝部７を形成した裏面に、溝部７に対応する凸部を形成することも可能である。この裏面側の凸部をカメラ等で認識することにより、確実に溝部７に照射点を合致させることができ、歩留まり向上など生産性を高めることができる。また、研削や切削を用いる場合は、溝部７の周辺にばりが生じることがなく、形状精度の高い溝部７を形成することができる。

次に本実施の形態の電解コンデンサの製造方法に関して、説明する。

図３は、特に金属箔１とリード端子２との接合に関する工程図である。

まず初めに、アルミニウムなどの弁金属箔をエッチングあるいは蒸着することで粗化して表面積を大きくした後、化成処理を施して酸化アルミニウムなどの化成皮膜を形成する。この化成皮膜を形成した金属箔１を、図３（ａ）に示すごとく、ステージ８上に搬送し載置する。このステージ８の表面には、金属箔１の幅に合わせた浅い溝が形成されており、この溝により金属箔１は位置決めされる。

ステージ８上に載置された後、さらに押さえブロック９で金属箔１を押圧し、ステージ８とともに挟持して固定する。押さえブロック９にはレーザ光１０を照射するための貫通孔１１が設けられており、この押さえブロック９の貫通孔１１に対向してステージ８にも貫通孔もしくは凹部１２が設けられている。したがって、レーザ光１０の照射点１０ａでは、金属箔１の直下にステージ８は無く、周縁部を固定されて懸架された状態となっている。この状態で、押さえブロック９上から貫通孔１１の底部の金属箔１上にレーザ光１０を照射、表面の一部を溶融させて化成皮膜を除去し、下地のアルミニウムを露出させる。

図４は、上記工程にてレーザ光１０を照射した照射点付近（図３の円１３）での金属箔を模式的に示した拡大断面図である。

レーザ光１０を照射することにより、表面の化成皮膜１４ａは溶融、昇華し、下地のアルミニウム１５が露出する。さらに、レーザ光１０による加熱で、下地のアルミニウム１５は溶融して下層の化成皮膜１４ｂへ拡散し、金属箔１の裏面にも下地のアルミニウム１５が一部露出する（円１６で囲った部分）。このように、レーザ光１０の照射面のみでなく、裏面側にも下地のアルミニウム１５を露出させることにより、この露出部を認識することで、次工程でのリード端子２との位置合わせを高い精度で簡単に行うことができる。また、照射面側には、化成皮膜が除去されて一定深さの空隙１７が生じる。この空隙１７を利用することにより、接続強度の高い溶着を行うことができる。

なお、レーザ光１０の照射は連続照射でなく、図５に示すように、一定のデューティー比（照射と非照射の時間比率）でパルス照射とするとともに、レーザ光１０のパワーも除々に高くすることで金属箔１の穴あきを防ぎながら化成皮膜１４ａを除去するものである。

次に図３（ｂ）に示すごとく、一旦押さえブロック９を上昇させて金属箔１の固定を解除した後、リード端子２を金属箔１上に搬送し、リード端子２のタブ２ｂを位置決めする。このとき、溝部７を設けたタブ２ｂの一面を下方として金属箔１と対向させるとともに、前工程で化成皮膜１４ａを除去した部位１７（後の溶着部）の少なくとも一部が、タブ２ｂの溝部７を跨ぐように位置決めするものである。

なお、タブ２ｂの溝部７をプレス成型で形成することにより、レーザ光１０の照射面に溝部７に対応した凸部を形成することができる。この凸部をカメラ等で認識することにより、化成皮膜１４ａを除去した部位１７と溝部７とを容易に位置合わせすることができる。

次に図３（ｃ）に示すごとく、押さえブロック９を下降させ、タブ２ｂと金属箔１とをステージ８で挟持、固定する。

そして最後に図３（ｄ）に示すごとく、押さえブロック９の貫通孔１１の底面のタブ２ｂにレーザ光１０を照射して溶着、溶接を行う。

なお、レーザ光１０のパワーは、図６に示すごとく、一定時間をかけてピーク値まで上昇させて所定時間ピーク値を維持する。これは、レーザ光１０の照射直後に、急加熱による溶融物のスプラッシュを防止するためである。さらに、ピーク値を所定時間維持した後、一定時間をかけてパワーを下げる。これは、照射点の過熱による空隙（ポロシティ）の発生を防止するためである。上述したレーザ光１０のパワーの調整は、レーザ素子への供給電圧等で制御してもよいし、レーザ光源またはフォーカス用の光学部品(レンズ等)を上下動することで焦点位置を移動させてもよい。すなわち、高いパワーを必要とする際は、レーザ光１０の焦点位置近傍を利用し、逆に低いパワーを必要とする際は、敢えて焦点をずらして（デフォーカス）レーザ光１０を照射する。

上記の条件で溝部７に対応するタブ２ｂの裏面側からレーザ光１０を照射することにより、溝部７の底部のタブ２ｂが溶融し、下方の金属箔１上に落下、前工程で化成皮膜１４ａを除去した部位１７に溶融した金属が充填されることにより、図７に示すようにタブ２ｂと金属箔１が機械的かつ電気的に接続される。

図７は、図３（ｄ）の接続部（円１８で囲った部分であり溶着部に相当）を模式的に示した拡大断面図である。

図７に示すように、タブ２ｂ上の照射点（図２の点Ａに相当）では、溝部７の空隙と、予め金属箔１上の化成皮膜１４ａを除去したことによる空隙１７に対応する新たな凹部１９が形成される。タブ２ｂと金属箔１との溶着は、主に金属箔１上の化成皮膜１４ａを除去した空隙１７を利用するものであり、溝部７はレーザ光１０の照射により急激に加熱、膨張した空気またはガスを外部へ排出するためのものである。そのため、タブ２ｂに形成する溝部７は、タブ２ｂの強度を低下させない程度でよく、タブ２ｂの厚みに対して概ね十分の一以下となるように浅く形成することが望ましい。

上述した製造方法を用いることにより、レーザ光１０の照射で急激に熱せられた空気は膨張し、金属箔１との接合面に形成されたタブ２ｂの溝部７を介して外部へ排出される。このときに、溶融部に気泡等が混入した場合であっても、空気の流れに沿って外部へ排出されるため、図７に示す接続部（溶着部）に気泡が残留することがない。したがって、タブ２ｂと金属箔１とを高い接合強度で接続することができるとともに、気泡等が残留しないので、接続抵抗を小さくすることができる。その結果、信頼性が高く、ＥＳＲの小さい電解コンデンサを供給することができる。

さらに、従来の針状の金型を用いる接合方式と比較して、金属箔１にかかる負荷を小さくすることができるので、密着強度の低い蒸着などの堆積技術により表面積を大きくした金属箔１や薄い箔であっても破損することなく、確実に高い接合強度で接続することができる。その結果、同じサイズで比較した場合、高容量の電解コンデンサを実現することができる。

上記は、熱源としてレーザ光を用いた例であるが、特にレーザ光のみに限定するものではなく、電子ビームなどの熱源を用いても同様の効果を得られるものである。また、複数個所へ熱源を同時に照射する際は、マルチレンズを用いた熱源を選択することで、生産性を高めることができる。

また、上記はいわゆる巻回型の電解コンデンサの例であるが、同様の溶着、溶接を行うことにより積層型の電解コンデンサにも適用可能である。

本発明の電解コンデンサは、リード端子と陽極箔または陰極箔との接続抵抗が低くかつ接合強度を高くすることができるので、高信頼性の電解コンデンサに有用である。

２ リード端子
２ａ リード部
２ｂ タブ
７ 溝部

Claims (2)

1. 表面に化成皮膜を有する金属箔と、
   前記金属箔と接続されるリード端子と、を含む電解コンデンサの製造方法であって、
   前記リード端子は、前記金属箔と接続するタブと、前記タブから延出されたリード部と、を含み、
   前記タブの一方の面には、前記金属箔との接続部の少なくとも一部を跨いで端部に達する溝部が設けられ、
   前記タブの前記溝部が設けられた面と前記金属箔とが対向した状態で、前記溝部が設けられていない前記タブの他方の面側よりレーザ光を照射することで、前記金属箔と前記リード端子とを接続すること、を特徴とする電解コンデンサの製造方法。
2. 前記タブの前記溝部が設けられた面と前記金属箔とを対向させる前に、前記金属箔における前記タブとの対向面にレーザ光を照射し、前記金属箔の表面の化成皮膜の少なくとも一部を除去すること、を特徴とする請求項１に記載の電解コンデンサの製造方法。
   

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