JP2013122973A - 金属箔の接続構造及びその接続方法及びコンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光線の照射による溶融物の飛散を防止して、残留凝固部により複数の金属箔を確実に接続することができる金属箔の接続構造を提供する。
【解決手段】積層された複数の金属箔２の端面２ａにレーザ光線５の照射対象となる被照射部が形成され、被照射部にレーザ光線５を照射することにより形成されたレーザ接続部６を備えた金属箔の接続構造であって、レーザ光線５を照射により金属箔２の積層方向に連続してレーザ接続部６が形成され、レーザ接続部６の始端および終端には、レーザ光線５が照射されることで形成された穴部７が設けられ、穴部７に残留凝固部９が保持される。
【選択図】図５

Description

本発明は、積層された複数の金属箔同士の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する金属箔の接続構造及びその接続方法及びコンデンサに関する。

従来のコンデンサでは、その製造時において、複数の積層されたアルミ箔リード（金属箔）の束を銅板治具により挟みこんで、アルミ箔リードの束の先端を切断して端面を揃えてからレーザ光線を用いてアルミ箔リードの束を互いに溶接している（例えば、特許文献１参照）。

特開平１０−５０５５６号公報（第３頁、第１図）

特許文献１に記載のコンデンサにあっては、その製造時において、アルミ箔（金属箔）の束の端面にレーザ光線を照射した際に、レーザ照射により溶融された溶融物が、複数のアルミ箔の間に残留して凝固された残留凝固部となることで、互いのアルミ箔が接続されるようになっている。しかしながら、レーザ照射によるエネルギーにより溶融物が飛散してしまい、残留凝固部が形成されずに、例えばボイドが生じるなど、積層されたアルミ箔同士に、電気的に未接続な部位が生じてしまうという問題がある。

本発明は、このような問題点に着目してなされたもので、レーザ光線の照射による溶融物の飛散を防止して、残留凝固部により複数の金属箔を確実に接続することができる金属箔の接続構造及びその接続方法及びコンデンサを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために、本発明の金属箔の接続構造は、
積層された複数の金属箔の端面にレーザ光線の照射対象となる被照射部が形成され、該被照射部に前記レーザ光線を照射することにより形成されたレーザ接続部を備えた金属箔の接続構造であって、
前記レーザ光線を照射により前記金属箔の積層方向に連続して前記レーザ接続部が形成され、該レーザ接続部の始端および終端には、前記レーザ光線が照射されることで形成された穴部が設けられ、該穴部に残留凝固部が保持されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の金属箔同士の接続作業に用いるレーザ光線を利用して穴部を形成し、レーザ光線の照射点から溶融物が飛散されたときに、その飛散された溶融物が穴部に保持されて残留凝固部が形成されるため、レーザ光線の照射による溶融物の飛散を防止して、残留凝固部により複数の金属箔を確実に接続することができる。

本発明の金属箔の接続構造は、
前記レーザ接続部は、該複数の金属箔の積層方向に延びて前記レーザ光線の照射により形成される加工溝を有することを特徴としている。
この特徴によれば、金属箔の枚数が多数であっても、その全ての端面にレーザ光線を照射することができ、互いの金属箔同士を電気的に接続できる。

本発明の金属箔の接続構造は、
前記レーザ光線の照射により飛散された溶融物が前記加工溝の内壁に残留して前記複数の金属箔の積層方向に連続する残留凝固部が形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の金属箔の積層方向に連続する残留凝固部により互いの金属箔同士を電気的に接続できる。

本発明の金属箔の接続構造は、
前記積層された複数の金属箔を金属板により両面側から挟み込むことで、該複数の金属箔と該金属板とで前記被照射部が構成され、該金属板の端面に前記穴部が形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の金属箔を挟み込む強度を有する所定厚みの金属板により被照射部の形状を維持できるようになり、かつこの金属板にレーザ光線の照射を行うことで、穴部を形成し易くなる。

本発明の金属箔の接続方法は、
積層された複数の金属箔の端面のレーザ光線の照射対象となる被照射部に対してレーザ光線を積層方向に走査しながら照射し、前記複数の金属箔を互いに接続する金属箔の製造方法であって、
前記被照射部に前記レーザ光線によって穴部を設け、該レーザ光線を前記穴部より積層方向に走査しながら照射することで連続したレーザ接続部を形成するとともに、少なくとも前記穴部に残留凝固部が保持されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の金属箔同士の接続作業に用いるレーザ光線を利用して穴部を形成し、レーザ光線の照射点から溶融物が飛散されたときに、その飛散された溶融物が穴部に保持されて残留凝固部が形成されるため、レーザ光線の照射による溶融物の飛散を防止して、残留凝固部により複数の金属箔を確実に接続することができる。

本発明の金属箔の接続方法は、
前記積層された複数の金属箔を金属板により両面側から挟み込むことで、該複数の金属箔と該金属板とで前記被照射部が構成され、該金属板の端面に前記穴部が形成されることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の金属箔を挟み込む強度を有する所定厚みの金属板により被照射部の形状を維持できるようになり、かつこの金属板にレーザ光線の照射を行うことで、穴部を形成し易くなる。

本発明の金属箔の接続方法は、
前記レーザ光線の前記被照射部に対する照射角度は、該レーザ光線の走査方向に対して前傾から後傾の範囲内の任意の角度に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、レーザ光線の照射により積層方向に並んだ複数の金属箔を同時に溶融させることができ、互いの金属箔同士の電気的な接続を効率的に行うことができる。

本発明の金属箔の接続方法は、
前記レーザ光線の前記被照射部に対する照射角度は、該レーザ光線の走査方向に対して後傾の角度に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、レーザ光線の照射点から飛散する溶融物がレーザ光線により形成された穴部に向かって飛散されるようになり、互いの金属箔同士の電気的な接続を効率的に行うことができる。

本発明の金属箔の接続方法は、
前記レーザ光線の焦点は、前記被照射部の表面に設定されることを特徴としている。
この特徴によれば、被照射部の表面の溶融が素早くなされるようになり、該表面の溶融熱が深部にまで即座に伝導され、レーザ光線が深部に進入し易くなり、レーザ光線の照射による互いの金属箔同士の電気的な接続を効率的に行うことができる。

実施例におけるコンデンサ素子を示す斜視図である。 アルミニウム箔にレーザ光線を照射している状態を示す斜視図である。 レーザ光線により穴部を形成したアルミニウム箔を示す断面図である。 レーザ光線の走査開始時のアルミニウム箔を示す断面図である。 レーザ光線の走査終了時のアルミニウム箔を示す断面図である。 図５における加工溝を示すＡ−Ａ断面図である。 レーザ接続部を示す画像図である。 変形例１におけるレーザ光線の走査開始時のアルミニウム箔を示す断面図である。 レーザ光線の走査終了時のアルミニウム箔を示す断面図である。 変形例２におけるレーザ光線の走査開始時のアルミニウム箔を示す断面図である。 レーザ光線の走査終了時のアルミニウム箔を示す断面図である。 （ａ）はレーザ光線を傾斜させないで溶接した際のレーザ接続部を示す画像図である。（ｂ）はレーザ光線を後傾させて溶接した際のレーザ接続部を示す画像図である。（ｃ）はレーザ光線を前傾させて溶接した際のレーザ接続部を示す画像図である。

本発明に係る金属箔の接続構造及びその接続方法及びコンデンサを実施するための形態を実施例に基づいて以下に説明する。

実施例に係る金属箔の接続構造及びその接続方法及びコンデンサにつき、図１から図１２を参照して説明する。電解コンデンサ等に用いられる本発明の適用されたコンデンサ素子である。このコンデンサ素子１は、複数枚のアルミニウム箔２（金属箔）が積層されて形成されており、陽極用のアルミニウム箔は、エッチング処理によって拡面化され、その上に酸化皮膜層が設けられ、陰極用のアルミニウム箔は、エッチング処理によって拡面化されている。

なお、陽極アルミニウム箔２と陰極アルミニウム箔２とが交互に積層されており、陽極箔用のアルミニウム箔２と陰極箔用のアルミニウム箔２との間には、セパレータ（図示略）が配置されている。

図１に示すように、各々のアルミニウム箔２には、タブ部３が形成されており、陽極箔用のタブ部３同士が束ねられるとともに、陰極箔用のタブ部３同士が束ねられている。陽極用のタブ部３は、表面に設けられた酸化皮膜層が除去され、又は予め無いように形成されると好ましい。そして、積層されたタブ部３の束を前後両面からアルミニウム板４（金属板）が挟持し、タブ部３の束を前後方向（積層方向）から押圧して、積層されたタブ部３同士の間の隙間をなくすようにする。

そして、タブ部３（アルミニウム箔２）の束の上端側の端面２ａ（被照射部）は、必要に応じてその先端部を研磨、研削または切断等の手法にて平面状に揃えられる。また、タブ部３の束、即ち積層されたアルミニウム箔２を前後両面から挟持するアルミニウム板４のうち、一方のアルミニウム板４には、コンデンサ素子１を収納する外装ケース（図示略）の外部に導出される外部端子部４ｂが延設されている。

なお、本実施例では、純度９９．９９％のアルミニウムで形成されたアルミニウム箔２を用いており、タブ部３の厚さは、０．０３ｍｍ（３０μｍ）となっている。このアルミニウム箔２を３０枚程度積層してコンデンサ素子１を構成する。また、アルミニウム板４の厚さは、１ｍｍとなっている。

また、後述するように、アルミニウム箔２の端面２ａには、レーザ光線５が照射されて、アルミニウム箔２同士を互いに接続するレーザ接続部６が形成される。なお、本実施例では、Ｑｓｗ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザ（パルス発振）を用いている。なお、本実施例におけるレーザ光線５の使用条件は、レンズ焦点距離３０ｍｍ、発振周波数１〜５ｋＨｚ、ピーク出力１１ｋＷ、走査速度１〜１０ｍｍ／ｓとなっている。さらに、レーザ光線５の焦点は、アルミニウム箔２の端面２ａ（表面）に設定されている。

なお、レーザ光線５の焦点がアルミニウム箔２の端面２ａに設定されることで、アルミニウム箔２の端面２ａ（表面）の溶融が素早くなされるようになり、この端面２ａ（表面）の溶融熱が深部にまで即座に伝導され、レーザ光線５が深部に進入し易くなり、レーザ光線５の照射による互いのアルミニウム箔２同士の電気的な接続を効率的に行うことができる。

図２に示すように、アルミニウム板４及びアルミニウム箔２の端面２ａ，４ａには、直線状のレーザ接続部６が複数条形成されることで、アルミニウム板４及びアルミニウム箔２同士が互いに接続される。１条のレーザ接続部６は、アルミニウム箔２が積層された積層方向に延設されており、一方のアルミニウム板４から他方のアルミニウム板４まで連続的に形成されている。このようにすることで、アルミニウム箔２の枚数が多数であっても、その全ての端面２ａにレーザ光線５を照射することができ、互いのアルミニウム箔２同士を電気的に接続できる。

図３に示すように、レーザ接続部６を形成する際には、先ず、レーザ光線５を一方のアルミニウム板４の端面４ａに照射する。このレーザ光線５の照射点の直径は、アルミニウム板４の端面４ａの幅よりも小さい寸法となっており、アルミニウム板４の端面４ａにピンポイントで照射される。また、レーザ光線５の照射方向は、アルミニウム板４の端面４ａに対して垂直をなすようにする。このレーザ光線５を１秒ほど照射してアルミニウム板４に穴部７を形成する。この最初に形成される穴部７がレーザ接続部６の始端となる。

なお、複数のアルミニウム箔２を挟み込む強度を有する所定厚みのアルミニウム板４により端面４ａの形状を維持できるようになり、かつこの所定厚みを有するアルミニウム板４にレーザ光線５の照射を行うことで、穴部７を形成し易くなっている。

図４に示すように、レーザ光線５の照射点をアルミニウム箔２の積層方向に移動させる。なお、このときのレーザ光線５の走査速度（相対移動速度）は、前述の通り、１〜１０ｍｍ／ｓとなっており、アルミニウム箔２の厚さや大きさ等により適宜変更される。なお、本実施例では、アルミニウム箔２を固定してレーザ光線５の照射点を移動させるようにしているが、レーザ光線５の照射点を固定してアルミニウム箔２を移動させるようにしてもよい。

また、パルス発振によるレーザ光線５の照射によりアルミニウムが段階的に溶融された溶融物８が発生して飛散するようになる。この溶融物８は、大きさが５〜１０μｍ程度の微細な飛散粒子となっている。この溶融物８は、先に形成された穴部７に向かって飛散されるようになり、この穴部７内に保持され、その後、溶融物８が凝固されて穴部７の内壁に付着して残留凝固部９を形成する。

また、レーザ光線５の照射点の移動に伴い、アルミニウム箔２の積層方向に沿って加工溝１０が形成される。この加工溝１０は、前述の穴部７よりも、深さが若干浅く、かつ幅も若干小さいスリット状をなしている。なお、加工溝１０が形成される際にも、パルス発振によるレーザ光線５の照射により段階的に溶融物８が発生して飛散するようになり、この溶融物８は、加工溝１０の内壁に付着して残留凝固部９を形成する（図６参照）。

図５に示すように、レーザ光線５の照射点が他方のアルミニウム板４の端面４ａにまで移動されると、このレーザ光線５を１秒ほど照射してアルミニウム板４に穴部７を形成する。この最後に形成される穴部７がレーザ接続部６の終端となる。本実施例では、始端と終端に形成された穴部７と加工溝１０とでレーザ接続部６が構成される。

図６に示すように、加工溝１０の内壁に沿って積層方向に連続的に残留凝固部９が付着することで、複数のアルミニウム箔２の積層方向に連続する残留凝固部９により互いのアルミニウム箔２同士を電気的に接続できる。なお、前記加工溝１０及び始端の穴部７には、残留凝固部９のない空間部が形成されている。

このように本発明では、複数のアルミニウム箔２同士の接続作業に用いるレーザ光線５を利用して穴部７を形成し、レーザ光線５の照射点から溶融物８が飛散されたときに、その飛散された溶融物８が穴部７に保持されて残留凝固部９が形成されるため、レーザ光線５の照射による溶融物８の飛散を防止して、残留凝固部９により複数のアルミニウム箔２を確実に接続することができる。なお、飛散された溶融物８を穴部７及び加工溝１０の内壁に効率的に付着させるには、アルゴンガスやヘリウムガスなどのアシストガスをレーザ光線５の照射の際に使用しない方が好ましい。

図７は、レーザ光線５の使用条件として発振周波数が１ｋＨｚとしたときのレーザ接続部６の表面と断面の状態を示す画像である。始端と終端に穴部７が形成され、これら穴部７の間に連続して残留凝固部９が一様に形成されていることが分かる。また、レーザ光線５の使用条件として、発振周波数が１ｋＨｚの場合では、走査速度を１ｍｍ／ｓにすると最も間隙（ボイド）が少なく良好な残留凝固部９を形成できる。また、このときの残留凝固部９の深さは約７８０μｍであった。

なお、レーザ光線５の使用条件として、発振周波数が３ｋＨｚの場合では、走査速度を３ｍｍ／ｓにすると良好な残留凝固部９を形成でき、発振周波数が５ｋＨｚの場合では、走査速度を５ｍｍ／ｓにすると良好な残留凝固部９を形成できる。

前述した実施例では、レーザ光線５の照射方向を、アルミニウム板４及びアルミニウム箔２の端面２ａに対して垂直をなすようにしているが、レーザ光線５の照射方向は、レーザ光線５の走査方向に対して前傾から後傾の範囲内の任意の角度に変更することもできる。

例えば、図８の変形例１に示すように、レーザ光線５の照射方向を垂直から後傾させる。なお、後傾させたときの傾斜角度θは、約３０度となっている。そして、レーザ光線５を１秒ほど照射して一方のアルミニウム板４に始端の穴部７を形成する。

図９に示すように、レーザ光線５の照射方向を後傾させた状態を維持しつつ、レーザ光線５の照射点をアルミニウム箔２の積層方向に移動させる。このときレーザ光線５の照射点から飛散する溶融物８がレーザ光線５により形成された穴部７に向かって飛散されるようになる。特に、変形例１では、レーザ光線５の照射方向が後傾されているため、溶融物８が下向きに飛散されるようになり、穴部７や加工溝１０の上方の開口から外部に溶融物８が飛散されることが防止され、互いのアルミニウム箔２同士の電気的な接続を効率的に行うことができる。そして、レーザ光線５を１秒ほど照射して他方のアルミニウム板４に終端の穴部７を形成し、レーザ接続部６が形成される。

また、図１０の変形例２に示すように、レーザ光線５の照射方向を垂直から前傾させる。なお、前傾させたときの傾斜角度θは、約３０度となっている。そして、レーザ光線５を１秒ほど照射して一方のアルミニウム板４に始端の穴部７を形成する。

図１１に示すように、レーザ光線５の照射方向を前傾させた状態を維持しつつ、レーザ光線５の照射点をアルミニウム箔２の積層方向に移動させる。このときレーザ光線５の照射点から飛散する溶融物８がレーザ光線５により形成された穴部７に向かって飛散されるようになる。そして、レーザ光線５を１秒ほど照射して他方のアルミニウム板４に終端の穴部７を形成し、レーザ接続部６が形成される。

なお、レーザ光線５の照射方向を、レーザ光線５の走査方向に対して傾けることで、レーザ光線５の照射により積層方向に並んだ複数の隣り合うアルミニウム箔２を同時に溶融させることができ、互いのアルミニウム箔２同士の電気的な接続を効率的に行うことができる。

図１２（ａ）は、前記実施例に対応したレーザ光線５を傾斜させないで溶接した際のレーザ接続部を示す画像図である。図１２（ｂ）は、前記変形例１に対応したレーザ光線５を後傾させて溶接した際のレーザ接続部を示す画像図である。図１２（ｃ）は、前記変形例２に対応したレーザ光線５を前傾させて溶接した際のレーザ接続部を示す画像図である。

図１２に示すように、残留凝固部９（加工溝１０）の深さは、レーザ光線５を傾斜させない図１２（ａ）が最も深く、図１２（ｂ）及び図１２（ｃ）では、レーザ光線５を傾斜させた分だけ浅くなっていることが分かる。また、残留凝固部９の状態は、レーザ光線５を後傾させた図１２（ｂ）が最も隙間（ボイド）が無く良好であり、残留凝固部９の上端部がアルミニウム箔２の表面よりも低い位置に形成される。この結果からレーザ光線５を後傾させることによって、飛散する溶融物８の飛散方向がアルミニウム箔２の内部側（斜め下方側）に向かうようになり、密な残留凝固部９が形成されることが分かる。

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、コンデンサとして電解コンデンサ及び固体電解コンデンサを例示してこの電解及び固体コンデンサのコンデンサ素子に本発明が適用されるように説明してきたが、これに限らず、電気２重層コンデンサ、電気化学キャパシタなどの各種コンデンサ、キャパシタに適用でき、さらに電池にも適用できる。また、その他、積層した金属箔の接続に適用できる。

また、前記実施例では、レーザ接続部６を形成するためにＱｓｗ−Ｎｄ：ＹＡＧレーザを用いていたが、その他にも炭酸ガスレーザ、ファイバーレーザーや半導体レーザなどを用いることもできる。

１ コンデンサ素子
２ アルミニウム箔
２ａ 端面
３ タブ部
４ アルミニウム板
４ａ 端面
４ｂ 外部端子部
５ レーザ光線
６ レーザ接続部
７ 穴部
８ 溶融物
９ 残留凝固部
１０ 加工溝

Claims (10)

1. 積層された複数の金属箔の端面にレーザ光線の照射対象となる被照射部が形成され、該被照射部に前記レーザ光線を照射することにより形成されたレーザ接続部を備えた金属箔の接続構造であって、
   前記レーザ光線を照射により前記金属箔の積層方向に連続して前記レーザ接続部が形成され、該レーザ接続部の始端および終端には、前記レーザ光線が照射されることで形成された穴部が設けられ、該穴部に残留凝固部が保持されることを特徴とする金属箔の接続構造。
2. 前記レーザ接続部は、該複数の金属箔の積層方向に延びて前記レーザ光線の照射により形成される加工溝を有することを特徴とする請求項１に記載の金属箔の接続構造。
3. 前記レーザ光線の照射により飛散された溶融物が前記加工溝の内壁に残留して前記複数の金属箔の積層方向に連続する残留凝固部が形成されることを特徴とする請求項２に記載の金属箔の接続構造。
4. 前記積層された複数の金属箔を金属板により両面側から挟み込むことで、該複数の金属箔と該金属板とで前記被照射部が構成され、該金属板の端面に前記穴部が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の金属箔の接続構造。
5. 積層された複数の金属箔の端面のレーザ光線の照射対象となる被照射部に対してレーザ光線を積層方向に走査しながら照射し、前記複数の金属箔を互いに接続する金属箔の製造方法であって、
   前記被照射部に前記レーザ光線によって穴部を設け、該レーザ光線を前記穴部より積層方向に走査しながら照射することで連続したレーザ接続部を形成するとともに、少なくとも前記穴部に残留凝固部が保持されることを特徴とする金属箔の接続方法。
6. 前記積層された複数の金属箔を金属板により両面側から挟み込むことで、該複数の金属箔と該金属板とで前記被照射部が構成され、該金属板の端面に前記穴部が形成されることを特徴とする請求項５に記載の金属箔の接続方法。
7. 前記レーザ光線の前記被照射部に対する照射角度は、該レーザ光線の走査方向に対して前傾から後傾の範囲内の任意の角度に設定されることを特徴とする請求項５または６に記載の金属箔の接続方法。
8. 前記レーザ光線の前記被照射部に対する照射角度は、該レーザ光線の走査方向に対して後傾の角度に設定されることを特徴とする請求項７に記載の金属箔の接続方法。
9. 前記レーザ光線の焦点は、前記被照射部の表面に設定されることを特徴とする請求項５ないし８のいずれかに記載の金属箔の接続方法。
10. 請求項１ないし４のいずれかに記載の金属箔の接続構造を備えることを特徴とするコンデンサ。