JP2010135651A - 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】複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、溶接部と金属箔との間にボイド等が生じることを防止できる金属箔の接続構造を提供すること。
【解決手段】積層された複数の金属箔３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であって、レーザ光線の照射により金属箔３が溶融されて形成される溶接部３ｂの厚さＬが０＜Ｌ≦０．２ｍｍとなっている。
【選択図】図３

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）

しかしながら、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、アルミ箔リード（金属箔）の束の端面にレーザ光線を照射した際に、レーザ光線により溶融された溶接部が冷却される過程で収縮されるため、この収縮により溶接部がアルミ箔から引きちぎられるようになる。そのため図５に示すように、溶接部とアルミ箔との間にボイド（亀裂）などが生じてしまい、このボイド等により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、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、溶接部と金属箔との間にボイド等が生じることを防止できる金属箔の接続構造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、本発明の請求項１に記載の金属箔の接続構造は、
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であって、
前記レーザ光線の照射により前記金属箔が溶融されて形成される溶接部の厚さＬが０＜Ｌ≦０．２ｍｍとなっていることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、溶接部の厚さＬが０＜Ｌ≦０．２ｍｍであれば、実験で確認されるように、溶接部と金属箔との間にボイド等が生じることを防止できる。

本発明の請求項２に記載の金属箔の接続構造は、
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であって、
前記金属箔の厚さをｔとした場合に、前記レーザ光線の照射により前記金属箔が溶融されて形成される溶接部の厚さＬが０＜Ｌ≦（２０／３）ｔとなる関係式が成立することを特徴としている。
この特徴によれば、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、金属箔の厚さをｔとした場合に、溶接部の厚さＬが０＜Ｌ≦（２０／３）ｔの関係であれば、実験で確認されるように、溶接部と金属箔との間にボイド等が生じることを防止できる。

本発明の請求項３に記載のコンデンサは、
請求項１または２に記載の金属箔の接続構造を備えることを特徴としている。
この特徴によれば、複数の積層された金属箔の端面にレーザ光線を照射して互いに接続する際に、溶接部と金属箔との間にボイド等が存在しない金属箔の接続構造を備えたコンデンサを製作することができる。

本発明の請求項４に記載の金属箔の接続方法は、
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方法であって、
前記レーザ光線が前記複数の金属箔同士の端面に対して斜め方向から照射され、前記レーザ光線と前記複数の金属箔同士の端面とのなす角度αが２０°≦α≦６０°となっていることを特徴としている。
この特徴によれば、金属箔同士の端面を加熱するレーザ光線の加熱効率を維持しつつ、一度に広い範囲の金属箔同士の端面を溶接できるようになる。

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最良の形態を実施例に基づいて以下に説明する。

本発明の実施例を図面に基づいて説明すると、先ず図１は、本実施例におけるコンデンサ素子を示す斜視図であり、図２は、レーザ光線が照射されるアルミニウム箔を示す側面図であり、図３は、溶接部が形成されたアルミニウム箔を示す拡大側面図であり、図４は、レーザパワーと溶接部の厚さとの関係を示すグラフである。

図１の符号１は、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、複数枚の本実施例における金属箔としてのアルミニウム箔２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。尚、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。積層されたタブ部３の束を前後両面から挟持部材（図示略）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。そして、タブ部３の束の端面３ａ（上端縁）は、タブ部３同士が束ねられた後に、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。

尚、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、その厚さは、０．０３ｍｍ（３０μｍ）となっている。このアルミニウム箔２を４０枚程度積層してコンデンサ素子１を構成する。

タブ部３の束の端面３ａには、レーザ光線４が照射されて、アルミニウム箔２同士を互いに接続する溶接部３ｂが形成される。尚、本実施例では、光ファイバにより伝送ができるＮｄ：ＹＡＧレーザ（ファイバコア径０．６ｍｍ，ＳＩ型）を用いている。本実施例におけるレーザ光線４の使用条件は、レーザパワー（Ｅ）は２Ｊ≦Ｅ≦１０Ｊ、パルス幅（τ）は２ｍｓ≦τ≦１０ｍｓの範囲となっている。レーザ光線４のパルス回数は照射範囲に応じて１回から複数回と適宜変更できる。

図２に示すように、レーザ光線４は斜め方向からタブ部３の束の端面３ａに照射されるようになっている。レーザ光線４とタブ部３の束の端面３ａとのなす角度（α）はレーザ光線４の出力に応じて適宜変更できる。

本実施例では、レーザ光線４のレーザパワー（Ｅ）を様々に変えて金属箔の接続方法の実験を行った。尚、この実験では、レーザ光線４とタブ部３の束の端面３ａとのなす角度（照射角度）（α）及びパルス幅（τ）は一定にしているとともに、パルス回数は１回としている。

図３に示すように、この実験における溶接部３ｂの良否の評価方法として、アルミニウム箔２の本来の厚さを（ｔ）とし、レーザ光線４によりアルミニウム箔２が溶融されて形成された溶接部３ｂの厚さを（Ｌ）とし、溶融された溶接部３ｂが冷却される過程で収縮する際に、この溶接部３ｂに引っ張られることで、アルミニウム箔２が薄くなった半溶融領域であるくびれ部３ｃの厚さを（ｉ）として評価を行った。

実験の結果、くびれ部３ｃの厚さ（ｉ）がｉ＜０．８ｔとなっている溶接状態が不良なアルミニウム箔２と、くびれ部３ｃの厚さ（ｉ）がｉ≧０．８ｔとなっている溶接状態が良好なアルミニウム箔２とが形成された。

図４は、レーザパワー（レーザ光線４の出力）と、レーザ光線４により形成される溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）と、の関係を示すグラフである。図４のグラフにおける○印はｉ≧０．８ｔで溶接状態が良好な実験結果を示し、△印は０．５ｔ≦ｉ＜０．８ｔで溶接状態がやや良い実験結果を示し、×印はｉ＜０．５ｔで溶接状態が不良な実験結果を示している。

図４のグラフに示すように、いずれの実験結果でもレーザ光線４により形成された溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が約０．１ｍｍ以下、特に溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が約０．０５ｍｍである場合が良好な溶接状態となっている。これはアルミニウム箔２の厚さ（ｔ）のおよそ２倍前後の厚さ（Ｌ）となっている。尚、溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が約０．２ｍｍを超えた場合には、不良な溶接状態の溶接部３ｂしか形成されなかった。

すなわち溶接部３ｂとアルミニウム箔２との間にボイド等が生じることを防止するめには、レーザ光線４により形成される溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０．２ｍｍ以下（０＜Ｌ≦０．２ｍｍ）であることが実験結果より確かめられた。

以上の実験結果からアルミニウム箔２の厚さ（ｔ）を０．０３ｍｍとした場合に、溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０＜Ｌ≦０．２ｍｍとなる関係式が成立する場合に良好な溶接状態となる。すなわちアルミニウム箔２の厚さを（ｔ）とした場合に、溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０＜Ｌ≦（２０／３）ｔとなる関係式が成立する場合に良好な溶接状態となる。なお、アルミニウム箔２の厚さは、０．０２〜０．２mmにおいては、上記関係式に則り良好な接続状態が得られる。

また、図２に示すように、レーザ光線４はタブ部３の束の端面３ａの法線Ｈに対して傾斜された状態でタブ部３の束の端面３ａに照射されるようになっている。更に、レーザ光線４とタブ部３の束の端面３ａとのなす角度（照射角度）（α）を様々に変えて実験を行った。

その実験の結果、レーザ光線４の照射角度（α）が９０°の場合、すなわちタブ部３の束の端面３ａに対して法線方向（垂直方向）からレーザ光線４を照射した場合には、タブ部３の束の端面３ａに形成される溶接部３ｂの中央付近が深く（厚く）溶融されて、中央付近の厚さ（Ｌ）が大きな溶接部３ｂが形成されてしまい、溶接状態が不良な部位が増加してしまう傾向にある。

レーザ光線４の照射角度（α）を２０°≦α≦６０°の範囲、すなわちタブ部３の束の端面３ａに対して斜め方向からレーザ光線４を照射した場合には、一度に広い範囲の溶接部３ｂが形成されるようになり、タブ部３の束の端面３ａに形成される溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が平均化して、薄くて溶接状態が良好な溶接部３ｂを形成することができる。また、レーザ光線４とタブ部３の束の端面３ａとのなす角度（α）を変更することで、レーザ光線４の出力を変更せずに、レーザ光線４がタブ部３の束の端面３ａに加える熱量を適宜変更することもできる。

以上、本実施例における金属箔の接続方法では、レーザ光線４の照射によりアルミニウム箔２が溶融されて形成される溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０＜Ｌ≦０．２ｍｍとなっていることで、複数の積層されたアルミニウム箔２の端面３ａにレーザ光線４を照射して互いに接続する際に、溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０＜Ｌ≦０．２ｍｍであれば、前述した実験で確認されるように、溶接部３ｂとアルミニウム箔２との間にボイド等が生じることを防止できる。

また、アルミニウム箔２の厚さを（ｔ）とした場合に、レーザ光線４の照射によりアルミニウム箔２が溶融されて形成される溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０＜Ｌ≦（２０／３）ｔとなる関係式が成立することで、複数の積層されたアルミニウム箔２の端面３ａにレーザ光線４を照射して互いに接続する際に、アルミニウム箔２の厚さを（ｔ）とした場合に、溶接部３ｂの厚さ（Ｌ）が０＜Ｌ≦（２０／３）ｔの関係であれば、前述した実験で確認されるように、溶接部３ｂとアルミニウム箔２との間にボイド等が生じることを防止できる。

また、本実施例の金属箔の接続構造では、複数の積層されたアルミニウム箔２の端面３ａにレーザ光線４を照射して互いに接続する際に、溶接部３ｂとアルミニウム箔２との間にボイド等が存在しない金属箔の接続構造を備えたコンデンサを製作することができる。

また、レーザ光線４が複数のアルミニウム箔２同士の端面３ａに対して斜め方向から照射され、レーザ光線４と複数のアルミニウム箔２同士の端面とのなす角度（α）が２０°≦α≦６０°となっていることで、アルミニウム箔２同士の端面３ａを加熱するレーザ光線４の加熱効率を維持しつつ、いちどに広い範囲のアルミニウム箔２同士の端面３ａを溶接できるようになる。

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、更には、電池にも適用できる。

また、前記実施例では、溶接部３ｂを形成するために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ダイオードレーザなどを用いることもできる。

本実施例におけるコンデンサ素子を示す斜視図である。 レーザ光線が照射されるアルミニウム箔を示す側面図である。 溶接部が形成されたアルミニウム箔を示す拡大側面図である。 レーザパワーと溶接部の厚さとの関係を示すグラフである。 従来の金属箔の接続方法により形成された溶接部を示す画像である。

符号の説明

１ コンデンサ素子
２ アルミニウム箔（金属箔）
３ タブ部
３ａ 端面
３ｂ 溶接部
３ｃ くびれ部
４ レーザ光線
Ｈ 法線

Claims (4)

1. 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であって、
   前記レーザ光線の照射により前記金属箔が溶融されて形成される溶接部の厚さＬが０＜Ｌ≦０．２ｍｍとなっていることを特徴とする金属箔の接続構造。
2. 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であって、
   前記金属箔の厚さをｔとした場合に、前記レーザ光線の照射により前記金属箔が溶融されて形成される溶接部の厚さＬが０＜Ｌ≦（２０／３）ｔとなる関係式が成立することを特徴とする金属箔の接続構造。
3. 請求項１または２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。
4. 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方法であって、
   前記レーザ光線が前記複数の金属箔同士の端面に対して斜め方向から照射され、前記レーザ光線と前記複数の金属箔同士の端面とのなす角度αが２０°≦α≦６０°となっていることを特徴とする金属箔の接続方法。