JPH02158066A - 密封端子及び密封電気化学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は電子・電気分野における部品・ユニット・機器
などの密封外装体の導入端子として利用される密封端子
および密封電気１ヒ学素子に関するものである。

従来の技術 従来から電子・電気分野における部品・ユニット・機器
などの密封外装体の導入端子としては密対端子あるいは
ハーメチックシールと呼ばれるものが多く使用されてき
た。これらは外環金属とリード端子が絶縁ガラスを介し
て気密かつ一体に構成され、外環金属が他の金属容器体
と溶接などの方法で一体に構成されて密封容器を構成し
、リード端子がこの密封容器を貫通する電気導通部を構
成する基本構造をなすものである。

このような密封端子の最も重要な技術は金属とガラスを
気密かつ強固に接合する技術であり、従来、この技術に
は整合封止法と圧縮封止法の２方式がある。整合封止法
はガラスの軟化温度から使用最低温度に至る広い温度範
囲においてほぼ一致した熱膨張係数の材料を使用して高
温のガラスの融着温度から使用温度に至る温度変化の間
にガラスの亀裂・破損を防止する方法で、具体的には外
環金属と端子にＦｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金、ガラスに硼硅酸
ガラス（各材料の熱膨張係成約５０Ｘ１０７／℃）を使
用し、約１０００°Ｃで融着せしめる方法が知られてい
る。また、圧縮封止法はガラスが圧縮力に対して大きな
強度を有する性質を利用し、ガラスと金属の融着時の高
温から使用温度に至る温度低下の過程で外環金属の熱膨
張係数をガラスのそれより大きくなるように材料を選択
し、使用温度においてカラスに圧縮応力が加わるように
設計された方法で具体的には（イ）外環金属にＳ−１０
Ｃ相当の鉄、ガラスにソーダガラス（熱膨張係数９０−
１１０ＸＩＯ−７／’Ｃ）　、端子にＦｅ−Ｎｉ合金な
どを使用した鉄封止法、（ロ）外環金属にＮｉ４２％の
Ｆｅ−Ｎｉ合金、ガラスに硼硅酸カラス２端子にＦｅ　
５４％Ｎｉ２８％Ｃ０１８％のＫＯＶＡＲ合金を使用し
た４２合金封止法が広く用いられている。

電気二重層キャパシタおよび電池などの電気１ヒ学素子
はメモリーバックアップ電源あるいは各種のコードレス
機器の電源などに実用されており、内部に電解液を使用
し、金属容器体をポリプロピレンなどのガスケットを介
してかしめる外装構成を実施していた。この外装構成は
基本的に不完全密閉であるが比較的穏和な環境条件下で
は充分実用に耐えることができるが、シビアな環境条件
下ではガスケット内部あるいはガスケットと金属容器体
の界面から外部の水分・炭酸ガスなどが内部に浸入しあ
るいは内部の水分・電解液が外部に漏出することにより
、みずから特性劣化を生じたり漏出電解液が機器を故障
せしめたりする欠点が残されていた。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、上記の従来技術には次の（ｉ）〜（ｉｖ
）に記載するような問題があった。

（ｉ）従来技術で使用可能な金属は鉄系金属に限られ、
他の金属特に１０００℃前後の融着温度より低い融点を
持つ金属例えば加工性・軽量性・電気化学的安定性・熱
伝導性などに優れた特徴を有するアルミ（融点６６０．
２°Ｃ）を使用することはできなかった。

（ｉｉ）ガラスの軟化点温度がら使用最低温度に至る温
度範囲においてガラスとガラスに融着する金属が限られ
た熱膨張係数の相対関係にあることが必須条件であるた
め、この条件を満足する材料はおのずから限定された。

このため例えば電気伝導性・加工性・半田付は性などに
特徴を有し電気導通体として広く実用されている銅など
を使用することができなかった。

（ｉｉｉ）従来技術における融着温度は１０００°Ｃ前
後と極めて高温で、その上金属部の酸化を、防止するた
め還元ガスなどの特殊な雰囲気を要したため、融着に使
用する設備に高価な設備を必要とし、併せて高価なエネ
ルギ費用と雰囲気ガス費用を要した。さらに使用材料に
有害な熱衝撃を与えることなく極めて高温の融着温度に
昇温し、あるいは降温するために長時間を要したため低
い生産性を余儀なくされた。このようなコスト要因のた
めに供給される密封端子自体が高価であった。

（ｉｖ）電池などの電気化学素子の外装を完全密閉式に
ることにより、素子自体の劣化や漏液による機器損傷な
どを絶無に改善する要望は以前がら存在したが、従来の
密封端子は金属部材料が限定されてこれらの素子に好適
な材料を使用することができない点、リード端子の接合
強度が弱いために使用中に受ける外力で密封性が破壊す
る可能性が大きくこの場合に極度に悪い状況が発生する
ことを防止し得ない点、高価な点などにより実現しなか
った。

課題を解決するための手段 上記の問題点を解決するための本発明の請求項１の発明
は、少なくとも１対の金属体が少なくとも一部にガラス
質を含む絶縁体を介して気密かつ一体に構成され、かつ
相互に電気絶縁状態に接合されてなるとともに、前記金
属体の少なくとも一方が膜状金属体からなることを特徴
とする請求項５の発明の電気化学素子は少なくとも１対
の金属体が少なくとも一部にガラス質を含む絶縁体と気
密かつ一体に構成され相互に電気絶縁状態に接合されて
なるとともに、前記金属体の少なくとも一方が膜状金属
体からなる密封端子により構成されたことを特徴とする 請求項６の発明の電気化学素子は少なくとも正極金属体
と負極金属体が少なくとも一部にガラス質を含む絶縁体
と気密かつ相互に電気絶縁状態に接合されて容器を構成
するとともに、少なくとも前記正極金属体の電解液接触
面がアルミニウムよりなり、ステンレスなどの表面に膜
状アルミニウムを形成したクラツド材よりなることを特
徴とする。

本発明によれば、ガラスと金属との接合面に膜状金属体
を用いることによりその金属固有の他の性質を変化させ
ることなく熱膨張係数を望ましい状態に変化させて使用
する方法により使用材料選択の範囲を大きく拡大し、従
来使用し得なかった材料をも使用可能となる。

又、低温度で融着可能な低軟化点ガラスを使用すること
により、アルミなどの低融点金属（アルミの融点６６０
．２℃）を使用可能となる。

更に、ガラスと金属の接合面を形成する温度を低温化す
ることにより、ガラスおよびガラスと金属の接合界面を
破壊せしめない熱ＩＳｊ張係数の相互関係を必要とする
温度範囲を大きく縮小し、低融点金属を膜状として使用
することにより比較的低温の融着温度で強い融着界面を
形成することが可能になる。

実施例 実施例１ 第１図および第２図により実施例１を説明する。

１は実施例１め密封端子である。この密封端子は例えば
半導体などの封入部２、導通［３、ケース４により第１
図に示したように用いられる。第２図は第１図の密封端
子１の部分拡大図で、５は外環金属で５ｔＪＳ３０４に
アルミをクラッドした金属材よりなり５Ａが５ＵＳ３０
４部を５Ｂがアルミ部を示す、６は絶縁ガラス部で軟化
点３８０°Ｃ１熱膨張係数６７．５Ｘ１０−７／℃の酸
化鉛系ガラスからなる。７はリード端子で５ＵＳ３０４
にアルミを溶融メッキした金属材よりなり、７Ａが５Ｌ
ＪＳ３０４部を７Ｂがアルミ部を示す。この密封端子は
融着作業温度５００℃に１５分間維持した後一定の勾配
で徐冷用することにより、絶縁ガラス６が外環金属５の
アルミ部５Ｂおよびリード端子７のアルミ部７Ｂに対し
て気密かつ強固に融着する。

アルミ自体の熱膨張係数は２５０Ｘ１０−７／”Ｃであ
るか、５ＬＪＳ３０４をベース材とし５０μｍのアルミ
クラツド材とすることによりアルミ面の熱膨弓長（糸数
は１８９Ｘ１０−７／°Ｃを示し、アルミ自体の緒特性
を維持しながら熱膨張係数を変化させ得たことを示すも
のである。

上記の実施例１におけるリード端子の引張強度は従来技
術による市販品においては約２Ｋｇであるに対して本実
施例では３．８Ｋｇ以上に達した。

また、融着温度５００℃使用金属５ＵＳ３０４とアルミ
の場合、空気雰囲気のままで５ＵＳ３０４の表面酸化に
より美しい黄金色を呈する。しかし、溶接などに悪影響
をもたらすことなく、むしろ外観的な負加価値増大効果
がある。

実施例２ 第３図と第４図により実施例２を説明する。

この実施例はコイン型電気二重層キャパシタあるいはコ
イン型電池などの電気化学素子用の密封端子であり、第
３図にコイン型電気二重層キャパシタの場合の構成を示
した。８は密封端子で密封蓋９との間で溶接部１０にて
溶接されて気密な外装ケースを構成している。１１は正
極側内部電極、１２は負極側内部電極でともに活性炭を
主材とし、１３はセパレータで多孔質ポリマを主材とし
てなり、かつこれらは図示するように構成されプロピレ
ンカーボネートを主材とする電解液を含浸してなる。第
４図は密封端子８の部分拡大図で、１４は外環金属で５
ＵＳ３０４とアルミを冷間圧接してなるクラツド材より
なり、１４ＡはＳＵＳ部を１４Ｂはアルミ部（厚さ５０
μｍ）を示す、１５は実施例１と同様の軟化点３８０℃
の低軟化点ガラスからなる絶縁ガラス、１６はリード端
子で５ＵＳ３０４とアルミを冷間圧接してなるクラツド
材よりなり、１６Ａが５ＬＩＳ部を１６Ｂはアルミ部（
厚さ５０μｍ）を示す、絶縁ガラス１５は外環金属１４
のアルミ部１４Ａならびにリード端子１６のアルミ部１
６Ｂに５００℃の融着温度で気密に融着されている。な
お、外環金属１４は密封蓋９と気密に溶接されて、この
電気二重層キャパシタの負極外部端子を構成し、リード
端子１６は正極外部端子を構成する。

上記実施例の構造においては内部圧力のほぼすべてが絶
縁ガラス部に加わるため、特に絶縁ガラス部の強度が充
分大きくなければならない、実施例１のガラスと同じガ
ラスを使用し金属部の材質を変１ヒさせた場合の強度に
ついて具体的な数値を次に示す。

（ａ）金属部が５ＵＳ３０４の場合：破壊強度７．３Ｋ
ｇ この場合の強度が低い理由は、５００℃の融着温度では
鉄あるいはクロムの拡散層の発達が浅いためと考えられ
る。

（ｂ）金属部が５ＵＳ３０４／アルミクラツドの場合：
破壊強度８０Ｋｇ この強度は実施例の用途に対して充分な強度である。こ
れは融着界面における熱ｗ３張係数の関係が良好である
ことと、融着界面の拡散層が充分な深さに達しているこ
とを示すものである。

（ｃ）金属部がアルミの場合：破壊強度２３　Ｋこの場
合に強度が低い理由は、まづ、ガラスと金属の熱膨張係
数の差が大きすぎることによる点と、アルミの剛性が低
いためアルミが変形することによりガラス部への力のか
かり方がガラスの局部に集中してこの部分がまず破壊す
ることによる点の両方が作用しているものと考えられる
。

また、融着温度５００°Ｃ使用金ｇｓＵｓ３０４とアル
ミの場合、空気雰囲気のままで５ＵＳ３０４の表面酸化
により美しい黄金色を呈する。しかし、溶接などに悪影
響をもたらすことなく、むしろ外観的な負加価値増大効
果もある。

更に、電解液に接触する材料が電圧印加のもとて腐食・
ガス発生などの欠点を生じないような電気化学的安定性
を必要とする。このため正に電荷するリード端子１６が
５ＵＳ３０４からなる場合の電気化学的安定領域の上限
は２．０ｖであり。

アルミの場合は２．８ｖが可能である。即ち、５ＵＳ３
０４では２．Ｏｖ充電が限度であるが、アルミでは２．
８Ｖ充電が可能であることを示している。従って、正極
にアルミを使用することの高電圧充電性・高容量性・小
型軽量性は極めて太きい。併せて密封端子の完全密閉性
により外部の水分が内部へ浸入することを完全に防止し
、電解液の外部への漏出を完全に防止し得るものである
。

実施例３ 第５図と第６図により実施例３を説明するにの実施例に
用いた密封端子は実施例２と同様にコイン型の電気化学
素子などに適した構成をなしており、以下にニッケルー
カドミウム蓄電池に使用した実施例を示す。密封端子１
７とケース１８は溶接部１９で溶接されて気密な容器体
を構成する。２０は正極板で水酸化ニッケルを主材とし
適当な導電材を加えて構成されケース１８に電気的に接
続している。２１は負極板でカドミウムを主材とし多孔
質ニッケルからなる負極ケース２２の内部に成形されて
なる。２３はセパレータでポリプロピレンなどの有機高
分子を主材とする多孔質シートからなる。電解液は苛性
カリ水溶液を用い正極板２０・負極板２トセバレータ２
３に含浸されており、２４はスプリングで内部充填物と
外部端子の接続を確保するために用いられる。密封端子
１７は中心部に小孔を有するＳＵＳ基板２５と、小孔の
内面を含むＳＵＳ基板２５の表面（溶接部１９を除く）
に構成する絶縁ガラス部２６と、絶縁ガラス部２６の表
面にバターニングされて構成するニッケルからなるリー
ド端子部２７と、小孔の空隙部を気密に充填する半田（
作業温度２５０℃〉・低軟化点ガラス（作業温度５００
℃）などからなる密封部２８、これらから構成されてい
る。なお、絶縁ガラス２６は軟化温度７５２℃、熱膨張
係数１３５Ｘ１０−７：／”Ｃの硼砂酸系ガラスを用い
、５ＵＳ４３０からなるＳＵＳ基板２１表面に９００℃
の温度で融着させたものである。また、リード端子部２
７は無電解メッキ法あるいは印刷焼付は法などにより作
成され、２７Ａはリード端子部２７の内面部、２７Ｂは
同じく外面部、２７Ｃは同じくスルホール部を示す。

上記のニッケルーカドミウム蓄電池においては、外装容
器の密封化により外部の水分および炭酸ガスが内部に浸
入して電解液を希釈あるいは変質させて特性を劣化させ
たり、外部に電解液が漏出して機器を腐食あるいは絶縁
不良を発生する欠点を完全に防止し得た。

又、絶縁ガラスの表面に膜状金属を形成せしめるため、
膜状金属は絶縁ガラスの表面に添う構成をなしており、
絶縁ガラスと膜状金属の間に引張り方向の外力が大きく
働く可能性は実用的には考え難く、従って、無電解メッ
キによる界面形成においても実用上充分な強度を有して
いると言える。

以上の実施例から明らかなように、密封端子に膜状金属
を用いることによりその金属の本来有する物理的・化学
的・電気的性質を変化させることなく密封端子の融着界
面の熱膨張係数を大きく変化させて用いることが可能に
なり、金属部材料の選択の自由度が大きく拡大された０
例えば、バルクのアルミニウムにおける熱膨張係数は２
４０×１０−７／’Ｃであるが、５ＵＳ３０４にクラッ
ドした５０μｍの膜状アルミニウムとした場合は熱膨張
係数を１８９　Ｘ　１０−Ｔ／”Ｃに縮小して使用する
ことができる。もし、この熱ｍ張係数より大きなものが
必要な場合は、５ＵＳ３０４より熱膨張係散大なるベー
ス材を用いる方法とクラツド材の厚さを増す方法を適切
に用いることにより望ましい結果が得られる。また、上
記の熱膨張係数より小なるものが必要な場合は、上記の
方法を逆に応用することにより同様に望ましい結果を得
ることができる。

又、膜状金属の形成方法は上記のクラッド法の池に種々
の既知の方法が利用可能である。特に絶縁ガラス上にニ
ッケルまたは銅などをを無電解メッキで膜状金属に形成
することにより、あるいはこの無電解メッキにさらに電
解メッキを施す方法で膜状金属を構成することにより、
絶縁ガラスの軟化点以上の高温で金属に融着させる必要
がなくなった。また、熱膨張係数のマツチングを必要と
する温度範囲が大きく縮小された。

更に、ガラスと金属の融着強度は両者の融着界面に形成
される拡散層に大きく支配される０例えば、鉄系金属と
ガラスの融着界面には鉄のガラス部への拡散層が形成さ
れ、これが最適状態の深さに成長するに必要な融着温度
は１０００℃前後とされている。この融着温度を低下さ
せた場合は浅い拡散層を形成するにとどまり融着部の強
度は低いものしか得られない。しかし、金属部に比較的
低融点の金属例えばアルミニウムを使用した場合は６０
０℃以下の低温でも充分な拡散層を形成することが可能
であり、低温度の融着て強固な融着部を形成することが
可能である。即ち、単に低軟化点ガラスを使用し鉄系金
属と低い温度で融着しても低い強度しか得られないが、
融着面に膜状アルミニウムを使用することにより良好な
熱膨張係数関係と例えば６００℃以下の融着温度でも充
分な強度の両方を実現し得る。

発明の効果 以上のように構成される本発明によれば、金属を膜状構
造体として使用することによりその金属が本来持つ熱膨
張係数を変化させることができ、併せて低軟化点ガラス
の使用により、５００℃程度の低温融着条件でも充分強
固な融着界面の密封端子を得るができる。

又、ガラスに融着するに好ましい性質を備えた金属を膜
状構造とし、ケースとの接合性の良い金属をベース材と
して使用することにより、例えばアルミの接合性・剛性
・表面硬度の不足などをベース材５ＵＳ３０４により完
全に解消する。

更に、融着温度を大きく低減することにより、融着炉は
発熱体から断熱材料に至るまで簡易で安価な設備で充分
となり、エネルギ費用も低減することができた。併せて
、特殊な雰囲気ガスを不要化あるいは簡易化することが
でき、さらに、昇温・降温に要する時間を大幅に短縮す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例１の密封端子の応用例の縦断面
図、第２図は本発明の実施例１の要部縦断面図、第３図
は本発明実施例２の縦断面図、第４図は本発明の実施例
２の要部縦断面図、第５図は本発明実の流側３の縦断面
図、第６図は本発明の実施例３の要部縦断面図である。 １・・・密封端子、５・・・外環金属、６・・絶縁ガラ
ス部、７・・・リード部。 ５−・−外環１ｌ１ ６−４１！　　　ｓ　　　ｙｊ　　　ラ　　ス　含β７
−−−　　　リ　　　−　　　ド　　ｍｌ　　子図 ！４−−−　外　ｆｆｉ　鼠　胤 １５　−一　　絶　ａ　　ガ　　フ　　ス１６−−リー
ド創納子

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）少なくとも１対の金属体が少なくとも一部にガラ
   ス質を含む絶縁体を介して気密かつ一体に構成され、か
   つ相互に電気絶縁状態に接合されてなるとともに、前記
   金属体の少なくとも一方が膜状金属体からなることを特
   徴とする密封端子。
2. （２）膜状金属体がガラス質の軟化温度より高い融点の
   金属からなる請求項１記載の密封端子。
3. （３）膜状金属体がステンレス鋼の表面に冷間圧接法な
   どにより形成されたアルミニウムからなり、ガラス質が
   ６６０℃以下の軟化温度である請求項１記載の密封端子
   。
4. （４）膜状金属体が絶縁体表面に無電解メッキあるいは
   無電解メッキと電解メッキにより形成されてなる請求項
   １記載の密封端子。
5. （５）少なくとも１対の金属体が少なくとも一部にガラ
   ス質を含む絶縁体と気密かつ一体にかつ相互に電気絶縁
   状態に接合されてなるとともに、前記金属体の少なくと
   も一方が膜状金属体からなる密封端子により構成された
   ことを特徴とする密封電気化学素子。
6. （６）少なくとも正極金属体と負極金属体が少なくとも
   一部にガラス質を含む絶縁体と気密かつ相互に電気絶縁
   状態に接合されて容器を構成するとともに、少なくとも
   前記正極金属体の電解液接触面がアルミニウムよりなり
   、ステンレスなどの表面に膜状アルミニウムを形成した
   クラッド材よりなることを特徴とする密封電気化学素子
   。