(57)【要約】【課題】小型化、低コスト化を図り、接続信頼性を高める。【解決手段】正極端子１２と負極端子１５とを有する電池素子４と、正極端子１２及び負極端子１５を外部に導出させるように電池素子４を収納する外装材５とを有するポリマー電池２と、端子１２、１５がそれぞれ接続される接続ランド部１８を有する回路基板３とを備え、端子１２、１５の外部に導出する部分が接続ランド部１８に直接接続されていることにより、ポリマー電池２と回路基板３との間の距離が短くなって小型化が図れ、直接接続により余分な部品を用いないので低コスト化が図れ、接続箇所が少なくなって接続信頼性が高まる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池を、回路基板に接続させる電池と基板との接続方法において、
正極端子を有する正極と負極端子を有する負極とがセパレータを介して積層された電池素子が、上記正極端子及び上記負極端子が外部に導出されるように外装材に収容されることで作製される上記電池の上記正極端子及び上記負極端子の外部に導出する部分を、それぞれ上記回路基板の接続部に直接接続することを特徴とする電池と基板との接続方法。
【請求項２】
上記電池の上記正極端子及び上記負極端子の外部に導出する部分を、それぞれ上記回路基板の接続部に超音波溶接で直接接続することを特徴とする請求項１記載の電池と基板との接続方法。
【請求項３】
上記電池の上記正極端子及び上記負極端子の外部に導出する部分を、上記正極端子及び上記負極端子の主面に対して略平行な方向に振動する超音波による超音波溶接で、それぞれ上記回路基板の接続部に直接接続することを特徴とする請求項２記載の電池と基板との接続方法。
【請求項４】
上記正極端子は、アルミニウムを含有し、上記負極端子は、ニッケルを含有し、上記回路基板の接続部は、銅を含有していることを特徴とする請求項１記載の電池と基板との接続方法。
【請求項５】
正極端子を有する正極と負極端子を有する負極とがセパレータを介して積層された電池素子と、上記正極端子及び上記負極端子を外部に導出させるように上記電池素子を収納する外装材とを有する電池と、
上記正極端子及び上記負極端子が接続される接続部を有する回路基板とを備え、
上記電池の上記正極端子及び上記負極端子の外部に導出する部分は、それぞれ上記回路基板の接続部に直接接続されていることを特徴とする電池ユニット。
【請求項６】
上記電池の上記正極端子及び上記負極端子の外部に導出する部分は、それぞれ上記回路基板の接続部に超音波溶接で直接接続されていることを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【請求項７】
上記正極端子は、アルミニウムを含有し、上記負極端子は、ニッケルを含有し、上記回路基板の接続部は、銅を含有していることを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【請求項８】
上記外装材がラミネートフィルムからなることを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【請求項９】
上記電池は、上記電池素子が電解質塩を含有する固体電解質を備えるポリマー電池であることを特徴とする請求項５記載の電池ユニット。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池を回路基板に好適に接続させる電池と基板との接続方法、並びに電池が回路基板に好適に接続された電池ユニットに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年においては、例えばノート型コンピュータ、携帯端末装置（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔｓ）、携帯型電話機、カメラ一体型ＶＴＲ（Ｖｉｄｅｏ  Ｔａｐｅ  Ｒｅｃｏｒｄｅｒ）等の携帯用電子機器の電源として、リチウムイオンを正極と負極との間で移動させることで充放電反応が行われ、軽量で高エネルギー密度なリチウムイオン二次電池の開発が進められている。
【０００３】
このリチウムイオン二次電池では、上述した携帯用電子機器に搭載されることから更なる小型化、軽量化が求められており、例えば金属製外装容器の代わりにフィルム状の外装材を用い、非水電解液の代わりに固体電解質を用いることで更なる小型化、軽量化を図ることができる。
【０００４】
具体的に、リチウムイオン二次電池においては、例えばフィルム状の外装材として熱融着が可能な高分子フィルムと金属箔とが積層されたラミネートフィルム等を用い、固体電解質として非水電解液を高分子マトリックスに含有させたゲル状電解質等を用いる。
【０００５】
そして、このようなラミネートフィルムとゲル状電解質とを用いたリチウムイオン二次電池は、一般的にポリマー電池と呼ばれている。そして、図５に示す電池ユニット１００に構成されて上述した電子機器等に搭載される。
【０００６】
電子機器に搭載される電池ユニット１００は、発電要素となるポリマー電池１０１と、このポリマー電池１０１が接続される回路基板１０２とを備えている。
ポリマー電池１０１は、図示しない正極及び負極等により充放電が行われる電池素子１０３が外装材１０４に収納され、電池素子１０３から正極端子１０５と負極端子１０６とが外装材１０４の外部にそれぞれ導出された構成となっている。このポリマー電池１０１においては、電池電位による不具合が起きることが無いように、正極端子１０５にはアルミニウム等からなる導電性金属を用い、負極端子１０６にはニッケル等からなる導電性金属を用いている。
【０００７】
回路基板１０２は、例えば過充電保護や充放電制御等を目的とする図示しない電子回路と、この電子回路等に電気等を供給するための端子等が接続される接続ランド１０７とを有している。そして、回路基板１０２においては、接続ランド１０７に、例えばニッケル等の導電性金属からなる中継タブ１０８を介して正極端子１０５及び負極端子１０６がそれぞれ接続され、ポリマー電池１０１から電気が供給されることになる。この回路基板１０２においては、電気伝導性に優れ、廉価であることから接続ランド１０７には銅等からなる導電性金属を用いている。
【０００８】
上述した構成の電池ユニット１００においては、アルミニウム等からなる正極端子１０５と銅等からなる接続ランド１０７とを例えばはんだ付けや抵抗溶接等で直接接続することが困難であることから、上述したニッケル等からなる中継タブ１０８を介して正極端子１０５と接続ランド１０７とを接続させている。具体的に、接続ランド１０７と中継タブ１０８とを例えばリフロー処理によるはんだ付けで接続させた後に、接続ランド１０７に接続された中継タブ１０８に正極端子１０５を抵抗溶接等で接続している。
【０００９】
一方、ニッケル等からなる負極端子１０６は、接続ランド１０７にはんだ付け等で直接接続できるが、リフロー処理を施すとポリマー電池１０１が熱により劣化してしまうことから、リフロー処理により接続ランド１０７に接続された中継タブ１０８に抵抗溶接等で接続されている。
この電池ユニット１００では、ポリマー電池１０１と回路基板１０２との接続に中継タブ１０８を介することで、ポリマー電池１０１と回路基板１０２との間の距離が中継タブ１０８の分長くなることから、小型化することが困難になる。このため、この電池ユニット１００では、例えば電子機器等に収納する際に、大きなスペースが必要となり、搭載される電子機器まで大型化させてしまう。
【００１０】
また、この電池ユニット１００では、中継タブ１０８を回路基板１０２の接続ランド１０７にリフロー処理ではんだ付けする際に２６０℃程度の熱で５秒以上加熱されることから、リフロー処理時の熱で回路基板１０２が劣化してしまうことがある。
【００１１】
さらに、この電池ユニット１００では、ポリマー電池１０１と回路基板１０２とを接続するための接続箇所が４箇所と多く、リフロー処理や溶接加工等、接続に係る工程数が多いことから、製造時の歩留まりが低下してしまう。さらにまた、この電池ユニット１００では、ポリマー電池１０１と回路基板１０２とを接続するための接続箇所が多いことから、全ての接続箇所の接続信頼性を維持していくのに多くの検査工程が必要となり、製造歩留まりが更に低下することになる。
【００１２】
このような問題を解決する手段としては、ポリマー電池と回路基板とを、中継タブではなく、例えば接続ランドに配置した例えば圧着端子等で正極端子及び負極端子をかしめて固定することで接続させることが提案されている。（例えば、特許文献１を参照。）
【特許文献１】
特開２００２−５６８３４号公報（第３−４頁、第１９図）
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した圧着端子等を用いた接続方法では、ポリマー電池と回路基板との間の距離を短くできるものの、溶接工程等の他に圧着端子のかしめ工程等が増えることから、製造歩留まりを向上させることが困難である。
【００１４】
また、この接続方法では、正極端子及び負極端子と圧着端子との接続が接触により行われており、溶接による接続に比べると接続信頼性が低くなることから、例えば振動等、外部からの衝撃で圧着端子のかしめが緩まってポリマー電池と回路基板との接続が途切れてしまうことがある。
【００１５】
そこで、本発明は、このような従来の実情に鑑みて提案されたものであり、電池と回路基板との接続信頼性及び製造時の歩留まりを向上させ、小型化、低コスト化を図ることが可能な電池と基板との接続方法、並びに電池ユニットを提供することを目的としている。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成する本発明に係る電池と基板との接続方法は、電池を、この電池が接続される回路基板に接続させる方法であって、正極端子を有する正極と負極端子を有する負極とがセパレータを介して積層された電池素子が、正極端子及び負極端子が外部に導出されるように外装材に収容されることで作製される電池の正極端子及び負極端子の外部に導出する部分を、それぞれ回路基板の接続部に直接接続することを特徴としている。
【００１７】
この電池と基板との接続方法では、電池の正極端子及び負極端子の外部に導出する部分をそれぞれ回路基板の接続部に直接接続することにより、電池と回路基板との間の距離を短くできると共に、電池と回路基板との接続させるための溶接個所が正極端子及び負極端子でそれぞれ一箇所と少なくなり製造歩留まりを向上できる。
【００１８】
また、この電池と基板との接続方法は、電池の正極端子及び負極端子の外部に導出する部分を、それぞれ回路基板の接続部に超音波溶接で直接接続させていることを特徴としている。
【００１９】
これにより、この電池と基板との接続方法では、従来のようなリフロー処理等で回路基板が加熱されて起こる熱による回路基板の劣化を防止できると共に、電池の端子と回路基板の接続部との接続を圧着端子等で行うのに比べて接続信頼性が高い接続を行える。
【００２０】
上述した目的を達成する本発明に係る電池ユニットは、正極端子を有する正極と負極端子を有する負極とがセパレータを介して積層された電池素子と、正極端子及び負極端子を外部に導出させるように電池素子を収納する外装材とを有する電池と、正極端子及び負極端子が接続される接続部を有する回路基板とを備え、電池の正極端子及び負極端子の外部に導出する部分が、それぞれ回路基板の接続部に直接接続されていることを特徴としている。
【００２１】
この電池ユニットでは、電池の正極端子及び負極端子の外部に導出する部分が、それぞれ回路基板の接続部に直接接続されていることにより、電池と回路基板との間の距離を短くでき、小型化できる。
【００２２】
また、この電池ユニットは、電池の正極端子及び負極端子の外部に導出する部分が、それぞれ回路基板の接続部に超音波溶接で直接接続されていることを特徴としている。
【００２３】
これにより、この電池ユニットでは、従来のようなリフロー処理等で回路基板が加熱されて起こる熱による回路基板の劣化を防止できると共に、電池と回路基板との接続を圧着端子で行うのに比べて電池と回路基板とを接続した際の接続信頼性を向上できる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した電池と基板との接続方法、並びに電池ユニットについて、図１に示す電池ユニット１を参照にして説明する。
【００２５】
この電池ユニット１は、発電要素となるポリマー電池２と、このポリマー電池２が接続される回路基板３とによって構成されている。
【００２６】
電池ユニット１においてポリマー電池２は、例えばリチウムイオン二次電池等の非水電解質電池であり、充放電といった電池反応が行われる電池素子４と、この電池素子４を封入するフィルム状の外装材５とを有している。
【００２７】
ポリマー電池２において電池素子４は、図２に示すように、帯状の正極６と、帯状の負極７との間に有機高分子や電解質塩を含有させた固体電解質８とセパレータ９とを介在させた状態で、電極の長手方向に捲回することで発電素子として機能する。
【００２８】
正極６は、正極活物質と結着剤とを含有する正極合剤塗液を正極集電体１０上に塗布、乾燥、加圧することにより、正極集電体１０上に正極合剤層１１が圧縮形成された構造となっている。正極６には、正極端子１２が正極集電体１０の所定の位置に、正極集電体１０の幅方向に突出するように接続されている。この正極端子１２には、例えばアルミニウム等の導電性金属からなる短冊状金属片等を用いる。
【００２９】
正極活物質には、比較的に電池容量を大きくできる例えばＬｉｘＭＯ２（式中ＭはＣｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ａｌ、Ｖ、Ｔｉ等による一種以上の遷移金属を表し、ｘは０．５以上、１．１０以下の範囲である。）で示されるリチウム複合酸化物等を使用する。このリチウム複合酸化物を構成する遷移金属Ｍとしては、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ等が好ましい。このようなリチウム複合酸化物の具体例としては、ＬｉｘＣｏＯ２、ＬｉｘＮｉＯ２、ＬｉｘＮｉｙＣｏ１−ｙＯ２（式中、０＜ｙ＜１である。）、ＬｉＭｎ２Ｏ４等を挙げることができる。また、正極活物質としては、安価で結晶構造が安定しているものとして、例えばＬｉｘＭｙＰＯ４（式中ＭはＦｅ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｖ、Ｍｏ、Ｔｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｇａ、Ｍｇ、Ｂ、Ｎｂ、ＳｎＣａ、Ｓｒのうち何れか一種以上であり、０．５≦ｘ≦１．１であり、０．５≦ｙ≦１である。）で示される化合物等が挙げられ、具体的にＬｉＦｅＰＯ４等を用いる。さらに、正極活物質としては、例えばＴｉＳ２、ＭｏＳ２、ＮｂＳｅ２、Ｖ２Ｏ５等の金属硫化物あるいは酸化物も使用することができる。
【００３０】
正極６では、正極合剤層１１の結着剤として、非水電解質電池の正極合剤に用いられる例えばポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジンやポリテトラフルオロエチレン等といった結着剤を用いることができる他に、正極合剤層１１に例えば導電材として炭素質材料等を添加したり、公知の添加剤等を添加したりすることができる。正極６では、正極集電体１０に、例えばアルミニウム等の導電性金属からなる箔状金属や網状金属等を用いる。
【００３１】
負極７は、負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を負極集電体１３上に塗布、乾燥、加圧することにより、負極集電体１３上に負極合剤層１４が圧縮形成された構造となっている。負極７には、負極端子１５が負極集電体１３の所定の位置に、負極集電体１３の幅方向に突出するように接続されている。この負極端子１５には、例えばニッケルや銅等の導電性金属からなる短冊状金属片等を用いる。
【００３２】
負極活物質には、リチウム対して２Ｖ以下の電位を有し、リチウムをドープ・脱ドープする材料を用いる。具体的には、例えばリチウム、リチウム合金、又はリチウムイオンをドープ・脱ドープできる炭素質材料等が用いられる。リチウムイオンをドープ・脱ドープできる炭素質材料としては、例えば２０００℃以下の比較的低い温度で焼成して得られる低結晶性炭素材料、結晶化しやすい原材料を３０００℃付近の高温で焼成した人造黒鉛等の高結晶性炭素材料等を用いることが可能である。具体的には、熱分解炭素類、コークス類、黒鉛類、ガラス状炭素繊維、有機高分子化合物焼成体、炭素繊維、活性炭等の炭素質材料を用いることが可能である。コークス類としては、例えばピッチコークス、ニードルコークス、石油コークス等がある。なお、有機高分子化合物焼成体とは、フェノール樹脂、フラン樹脂等を適当な温度で焼成し、炭素化したものである。
【００３３】
また、負極活物質としては、上述した炭素質材料の他に、例えばリチウムと化合可能な元素又はこの元素の化合物等を用いることもできる。具体的には、例えば化学式ＤｓＥｔＬｉｕ（Ｄはリチウムと化合可能な金属元素及び／又は半導体元素の一種以上であり、Ｅはリチウム及びＤ以外の金属元素及び／又は半導体元素の一種以上であり、ｓは０より大きく、ｔ及びｕは０以上である。）等で示される化合物としてＳｉＢ４、ＳｉＢ６、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｓｎ、Ｎｉ２Ｓｉ、ＴｉＳｉ２、ＭｏＳｉ２、ＣｏＳｉ２、ＮｉＳｉ２、ＣａＳｉ２、ＣｒＳｉ２、Ｃｕ５Ｓｉ、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ２、ＮｂＳｉ２、ＴａＳｉ２、ＶＳｉ２、ＷＳｉ２、ＺｎＳｉ２等が挙げられ、これらのうち何れか一種以上を用いる。そして、これらの化合物は、上述した炭素質材料に一種以上を混合させて用いることもでき、この場合、炭素質材料が導電材として機能することになる。
【００３４】
また、上述した炭素質材料や化合物の他に、負極活物質として、例えばポリアセチレン、ポリピロール等の高分子や酸化鉄、酸化ルテニウム、酸化モリブデン、酸化タングステン、酸化チタン、酸化スズ等といった比較的電位が卑であり、リチウムのドープ・脱ドープが可能な酸化物や、これら酸化物の酸素を窒素で置換した窒化物等を使用することもできる。
【００３５】
負極７では、負極合剤層１１の結着剤として、非水電解質電池の負極合剤に用いられる例えばポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジンやポリテトラフルオロエチレン等といった結着剤を用いることができる。負極７では、負極集電体１３に、例えば銅等の導電性金属からなる箔状金属や網状金属等を用いる。
【００３６】
固体電解質８は、正極６と負極７との間で例えばリチウムイオン等の授受を行うものである。このため、この固体電解質８には、リチウムイオン導電性を有する有機固体電解質を用いる。この有機固体電解質としては、電解質塩とそれを含有させる有機高分子とによって構成される高分子固体電解質や、非水電解液を高分子マトリックスに含有させたゲル状電解質等を用いることができる。そして、固体電解質８は、正極６及び負極７の表面に、有機固体電解質を含有する電解質溶液を塗布し、固化することで電解質層として形成される。
【００３７】
固体電解質８においては、通常、非水電解質電池に用いられる電解質塩を使用することができる。具体的には、ＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４、ＬｉＡｓＦ６、ＬｉＣｌＯ４、ＬｉＢ（Ｃ６Ｈ５）４、ＣＨ３ＳＯ３Ｌｉ、ＣＦ３ＳＯ３Ｌｉ、ＬｉＣ４Ｆ９ＳＯ３、ＬｉＮ（ＳＯ２ＣＦ３）２、ＬｉＮ（ＳＯ２Ｃ２Ｆ５）２、ＬｉＣ（ＳＯ２ＣＦ３）３、ＬｉＡｌＣｌ４、ＬｉＳｉＦ６、ＬｉＣｌ、ＬｉＢｒ等が挙げられ、これらのうちの一種又は複数種を混合して用いる。特に、電解質塩としては、酸化安定性の点で優れているＬｉＰＦ６、ＬｉＢＦ４を用いる。
【００３８】
そして、固体電解質８では、高分子固体電解質の電解質塩を含有させる有機高分子として例えばポリ（エチレンオキサイト）や同架橋体等のエーテル系高分子、ポリ（メタクリレート）エステル系高分子、アクリレート系高分子等を単独又は分子中に共重合、混合して用いることができる。
【００３９】
固体電解質８においては、ゲル状電解質の場合、上述した電解質塩を溶解させて非水電解液にさせる非水溶媒には比較的誘電率が高い溶媒を用いる。この場合、非水電解液は可塑剤として機能することになる。具体的に、非水溶媒としては、例えばエチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、γ−ブチルラクトン、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、１，２−ジメトキシエタン、１，２−ジエトキシエタン、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、１，３−ジオキソラン、４−メチル−１、３−ジオキソラン、ジエチルエーテル、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、プロピオニトリル、酢酸エステル、酪酸エステル、プロピオン酸エステル等が挙げられ、これらのうちの一種又は複数種を混合して用いる。
【００４０】
そして、固体電解質８では、ゲル状電解質の非水電解液を含有させる高分子マトリックスとして非水電解液を吸収してゲル化するものであれば種々の高分子が利用できる。具体的には、例えばポリ（ビニリデンフルオロライド）や、ポリ（ビニリデンフルオロライド−ｃｏ−ヘキサフルオロプロピレン）等のフッ素系高分子、ポリ（エチレンオキサイド）や、これの架橋体等のエーテル系高分子、ポリ（アクリロニトリル）等が挙げられ、これらのうち何れか一種又は複数種を混合して用いる。
【００４１】
セパレータ９は、正極６と負極７とを離間させるものであり、この種の非水電解質電池の絶縁性多孔質膜として通常用いられている公知の材料を用いることができる。具体的には、例えばポリプロピレン、ポリエチレン等の高分子フィルムが用いられる。また、リチウムイオン伝導度とエネルギー密度との関係から、セパレータ９の厚みはできるだけ薄い方が好ましく、その厚みを３０μｍ以下の厚みにして用いる。これにより、ポリマー電池２では、正極６と負極７との間のリチウムイオン電導度を良好にでき、高いエネルギー密度が得られる。
【００４２】
以上のような構成の電池素子４を封入する外装材５は、例えば樹脂層と金属層とがラミネート加工等で貼り合わされて二層以上に複合化されたラミネートフィルムであり、電池素子４と対向する面が樹脂層になるようにされている。樹脂層としては、正極端子１２及び負極端子１５に対して接着性を示すものであれば材料は特に限定されないが、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、変性ポリエチレン、変性ポリプロピレン及びこれらの共重合体、ポリオレフィン樹脂等といった有機樹脂材料が大気中の水分の透過性を低くできて気密に優れることから用いられる。金属層としては、例えば箔状、板状等に成形されているアルミニウム、ステンレス、ニッケル、鉄等が用いられる。また、外装材５においては、ポリマー電池２の外周層となる層に例えばナイロン等からなる樹脂層を備えることにより、破れや突き刺し等に対する強度を向上させることができる。
【００４３】
このような構成のポリマー電池２は次のようにして製造される。先ず、正極６を作製する。正極６を作製する際は、上述した正極活物質と導電材と結着剤とを含有する正極合剤塗液を調製し、この正極合剤塗液を例えばアルミニウム箔等からなる正極集電体１０上に未塗工部を設けるように均一に塗布、乾燥、加圧することで正極合剤層１１を圧縮形成し、所定の寸法に裁断する。次に、正極集電体１０が露出する未塗工部に正極端子１２を例えば超音波溶接や、スポット溶接等により接続する。このようにして、帯状の正極６が作製される。
【００４４】
次に、負極７を作製する。負極７を作製する際は、上述した負極活物質と結着剤とを含有する負極合剤塗液を調製し、この負極合剤塗液を例えば銅箔等からなる負極集電体１３上に未塗工部を設けるように均一に塗布、乾燥、加圧することで負極合剤層１４を圧縮形成し、所定の寸法に裁断する。次に、負極集電体１３が露出する未塗工部に負極端子１５を例えば超音波溶接や、スポット溶接等により接続する。このようにして、帯状の負極７が作製される。
【００４５】
次に、以上のように作製された正極６の正極合剤層１１の主面、及び負極７の負極合剤層１４の主面に固体電解質８をそれぞれ層状に形成する。固体電解質８を形成する際は、電解質塩を非水溶媒に溶解させて非水電解液を調製する。次に、この非水電解液と、有機高分子又はマトリックス高分子と、必要に応じて希釈溶剤としての非水溶媒とを混合撹拌してゾル状態の電解質溶液を作製し、この電解質溶液を正極６の正極合剤層１１の主面、及び負極７の負極合剤層１４の主面にそれぞれ塗布して高分子固体電解質層を形成する。希釈溶剤を用いた場合は、その非水溶媒を揮発させてゲル電解質層を形成する。このようにして正極６上及び負極７上に固体電解質８を電解質層としてそれぞれ形成させる。
【００４６】
次に、以上のように固体電解質８が主面上に形成された正極６及び負極７を電解質層が対向するように、セパレータ９を介して長尺方向に多数回、扁平状に捲回して電池素子４を作製する。また、電池素子４においては、捲回軸方向の一方端面から正極端子１２及び負極端子１５を突出させる。
【００４７】
次に、電池素子４に備わる正極端子１２と負極端子１５とを外部に導出しつつ、外装材５の内部に電池素子４を収納する。このとき、電池素子４は、正極端子１２及び負極端子１５と、外装材５との間に接着性を示すプロピレン等からなる樹脂片１６をあてがうようにして、外装材５に収納させる。これにより、ポリマー電池２では、正極端子１２及び負極端子１５と外装材５における金属層とが短絡することや、気密性が低下すること等が防止される。
【００４８】
次に、電池素子４を内部に収納した外装材５の周縁部を例えばヒートシール等で張り合わせることにより、電池素子４が外装材５に封入される。このようにして、ポリマー電池２が製造される。
【００４９】
電池ユニット１において回路基板３は、絶縁性材料等からなるベース基板１７と、ベース基板１７の主面上に形成される接続ランド部１８と、接続ランド部１８と共にベース基板上に配置される電子回路部１９とを有している。
【００５０】
ベース基板１７は、例えばフェノール樹脂、ポリオレフィン樹脂等の有機材料、セラミック等の無機材料、或いはガラスエポキシ等の有機材料と無機材料の混合体等の絶縁性材料によって形成されている。
【００５１】
接続ランド部１８は、ポリマー電池２の正極端子１２及び負極端子１５がそれぞれ接続されることから、例えば銅や金等といった導電性金属で形成されている。そして、この接続ランド部１８は、回路基板３の主面３ａ上に、例えばめっきや蒸着等といった成膜技術で導電性金属を所定の形状に成膜させることで形成される。この接続ランド部１８では、例えば銅等の廉価な材料で形成させることにより、低コスト化が図れ、優れた電気伝導性が得られる。
【００５２】
電子回路部１９は、少なくとも例えばポリマー電池２に対して過充電保護や充放電制御を行う電子回路である。具体的には、例えば半導体チップやＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ−ｓｃａｌｅ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｃｉｒｃｕｉｔ）チップ等の電子回路である。この電子回路部１９は、ベース基板１７の内層に形成された図示しないパターン配線等により接続ランド部１８と電気的に接続されている。そして、この電子回路部１９は、接続ランド部１８に接続された正極端子１２及び負極端子１５を介してポリマー電池２より電気が供給されて機能することになる。
【００５３】
そして、この電池ユニット１は、ポリマー電池２が回路基板３に直接接続された構成になっている。具体的に、電池ユニット１は、ポリマー電池２の正極端子１２及び負極端子１５の外装材５より外部に導出する部分が、回路基板３の接続ランド部１８に、超音波溶接でそれぞれ直接接続されている。
【００５４】
これにより、この電池ユニット１では、従来のようなポリマー電池と回路基板との接続に中継タブを用いた場合に比べ、ポリマー電池２と回路基板３との間の距離が短くなって小型化が図れる。
【００５５】
また、この電池ユニット１では、従来のような溶接タブを用いた場合に比べ、溶接個所が正極端子１２及び負極端子１５でそれぞれ一箇所づつと少ないのでポリマー電池２と回路基板３との接続信頼性を向上できる。
【００５６】
さらに、この電池ユニット１では、従来のようなポリマー電池と回路基板との接続に圧着端子を用いた場合に比べ、ポリマー電池２と回路基板３との接続信頼性を向上できる。
【００５７】
さらにまた、この電池ユニット１では、ポリマー電池２と回路基板３との接続が超音波溶接で行われることで、従来のようなリフロー処理等で回路基板が加熱されることで起こる熱による回路基板の劣化を防止できる。
【００５８】
そして、以上で説明した電池ユニット１は、図３及び図４に示す超音波溶接機３０（アルテクス社製：型式４０ＭＰ）により、ポリマー電池２と回路基板３とが超音波溶接で直接接続されることで作製される。
【００５９】
この電池ユニット１を作製するのに用いる超音波溶接機３０について説明する。この超音波溶接機３０は、超音波を発振する起振ユニット３１と、この起振ユニット３１に接続されたホーン部３２と、回路基板３を載置させるアンビル部３３と、ポリマー電池２を載置させる受台３４と、ホーン部３２を溶接個所に押しつけるように駆動させる駆動部３５と、装置全体を制御する制御コンピュータ３６とを有している。
【００６０】
起振ユニット３１は、例えば電気が供給されることで所定の振幅の超音波を発振する発振子等を備えている。
【００６１】
ホーン部３２は、被溶接物に起振ユニット３１で発振した超音波を伝える溶接チップ３７が脱着自在に設けられている。これにより、様々な種類の溶接チップ３７を付け替えて使用することができる。また、溶接チップ３７が脱着自在でなく、ホーン部３２と溶接チップ３７とが一体形成された構成になっていてもよい。
【００６２】
そして、溶接チップ３７は、被溶接物と相対する主面３７ａに所定の形状の凹凸パターンが設けられ、被溶接物に主面３７ａが接触した際に、凹凸パターンが被溶接物に食い込むようにされている。本実施の形態の場合、溶接チップ３７は、正極端子１２の一主面１２ａ及び負極端子１５の一主面１５ａに押し付けられることになり、主面３７ａの凹凸パターンが正極端子１２及び負極端子１５のそれぞれの一主面１２ａ、１５ａに食い込むことになる。溶接チップ３７において、主面３７ａの面積は、２ｍｍ×４ｍｍ程度になっている。
【００６３】
アンビル部３３は、載置された回路基板３を適切に固定するために、回路基板３と相対する主面３３ａに所定の形状の凹凸パターンが設けられている。
【００６４】
受台３４は、アンビル部３３に載置された回路基板３の溶接ランド部１８が形成された主面３ａと、ポリマー電池２の正極端子１２の一主面１２ａとは反対側の他主面１２ｂ及び負極端子１５の一主面１５ａとは反対側の他主面１５ｂとが同じ高さになるように、ポリマー電池２を載置させている。
【００６５】
駆動部３５は、アンビル部３３の主面３３ａに対して図３及び図４中矢印Ａで示す略垂直方向に駆動させる手段である。
【００６６】
そして、駆動部３５は、ホーン部３２をアンビル部３３の主面３３ａに対して略垂直方向に駆動させることで、ホーン部３２に設けられた溶接チップ３７の主面３７ａを、アンビル部３３の主面３３ａ上に回路基板３を介して載置された正極端子１２の一主面１２ａ又は負極端子１５の一主面１５ａに所定の圧力で押し付ける。この超音波溶接機３０においては、駆動部３５を駆動させた際の溶接チップ３７の主面３７ａが溶接個所に押し付けられる圧力を二段階に変化させることができる。
【００６７】
制御コンピュータ３６は、外部より供給された電力で装置全体を制御し、各種溶接条件を入力する入力部３８や、起振ユニット３１や駆動部３５を制御する図示しない制御部等を備えている。
【００６８】
入力部３８は、超音波溶接機３０における各種溶接条件を使用者が入力するためのスイッチや溶接開始スイッチ等を備えている。そして、この入力部３８は、使用者により入力された溶接条件を操作信号として例えば制御部等に例えばインターフェース等を介して出力する。
【００６９】
制御部は、例えば中央演算処理装置（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：以下、ＣＰＵという。）等を備えており、入力部３８から送信された操作信号に従って超音波溶接機３０全体を制御する。この制御部は、入力部３８で入力された溶接条件に基づく操作信号を例えば起振ユニット３１や駆動部３５等にインターフェース等を介して出力する。具体的に、制御部は、超音波の振幅や発振時間等の条件を操作信号にして起振ユニット３１に出力し、ホーン部３２の溶接チップ３７が溶接個所に押し付けられる圧力や押し付けられている時間等の条件を操作信号にして駆動部３５に出力する。
【００７０】
以上のような構成の超音波溶接機３０を用いてポリマー電池２と回路基板３とを接続する際は、先ず、アンビル部３３の主面３３ａ上に回路基板３を置載し、受台３４上にポリマー電池２を置載する。このとき、ポリマー電池２は、受台３４上に、回路基板３の主面３ａ上に形成された接続ランド部１８に、正極端子１２及び負極端子１５がそれぞれ相対するように置載される。
【００７１】
次に、超音波溶接機３０においては、使用者によって制御用コンピュータ３６の入力部３８に例えば超音波の振幅、溶接個所を加圧する圧力、加圧時間等の溶接条件を入力する。具体的に、本実施の形態では、超音波の振幅５μｍ、一段階目の溶接個所を加圧する圧力２０Ｎ、一段階目の加圧時間０．０５秒、二段階目の溶接個所を加圧する圧力３０Ｎ、一段階目の加圧時間０．１秒といった溶接条件を入力した。
【００７２】
次に、超音波溶接機３０においては、使用者が入力部３８の入力開始スイッチをオンにする。ここでは、正極端子１２と接続ランド部１８との超音波接続について説明する。
【００７３】
これに伴い、超音波溶接機３０においては、駆動部３５が駆動してホーン部３１の溶接チップ３７の主面３７ａが、正極端子１２の一主面１２ａに一段階目の圧力で押し付けられると共に、起振ユニット３１で発振された振幅５μｍの超音波がホーン３１及び溶接チップ３７を介して正極端子１２に、一段階目の加圧時間の間だけ伝えられる。
【００７４】
このとき、正極端子１２と接続ランド部１８とが接する両界面では、超音波により互いに擦れ合って摩擦が生じ、表面の汚れや酸化皮膜等が除去される。
【００７５】
そして、超音波溶接機３０においては、一段階目の溶接時間の終了に続けて、溶接チップ３７の主面３７ａが、正極端子１２の一主面１２ａに二段階目の圧力で押し付けられると共に、振幅５μｍの超音波が正極端子１２に、二段階目の加圧時間の間だけ伝えられる。
【００７６】
このとき、酸化皮膜等が除去された正極端子１２と接続ランド部１８とが接する両界面では、一段階目より大きな圧力で押し付けられることで摩擦が大きくなって塑性変形が起こり新生金属面同士の密着が行われる。具体的には、摩擦熱に伴う局部的な温度上昇により金属原子の拡散や再結晶が促進されて正極端子１２と接続ランド部１８とが強固に直接接続されることになる。なお、負極端子１５と接続ランド部１８との超音波溶接による直接接続も同様のようにして行われる。以上のようにして、ポリマー電池２と回路基板３とが接続されて電池ユニット１が作製される。
【００７７】
以上で説明したポリマー電池２と回路基板３との接続方法では、従来、アルミニウム等からなる正極端子を銅等からなる接続ランド部に直接接続することが困難であったのが、上述した超音波溶接機３０を用いることにより、容易に、正極端子１２及び負極端子１５を接続ランド部１８に直接接続することができる。
【００７８】
これにより、この接続方法では、ポリマ−電池２と回路基板３との間の距離が短くなって小型化が図られた電池ユニット１を作製できる。
【００７９】
また、この接続方法では、ポリマー電池２と回路基板３との接続させるための溶接個所を、従来のような中継タブを用いた場合に比べて大幅に少なくできることから、溶接工程が少なくなって電池ユニット１を製造する際の歩留まりを向上できる。
【００８０】
さらに、この溶接方法では、ポリマー電池２と回路基板３との接続に中継タブのような余計な部品を必要としないことから、低コスト化が図られた電池ユニット１を作製できる。
【００８１】
さらにまた、この接続方法では、ポリマー電池２や回路基板３を加熱させずに超音波溶接により直接接続できることから、従来のようなリフロー処理で加熱されて起こる回路基板の劣化を防止できる。さらにまた、この接続方法では、従来のようなポリマー電池と回路基板の接続を圧着端子等で行うのに比べ、ポリマー電池２と回路基板３との接続の接続信頼性が高められた電池ユニット１を作製できる。
【００８２】
上述したポリマー電池２と回路基板３との接続方法において、起振ユニット３１で発生し、ホーン部３２及び溶接チップ３７を介して正極端子１２に伝えられる超音波は、図３及び図４中矢印Ｂで示す正極端子１２の主面１２ａに対して略平行な方向の振動、いわゆる横振動の超音波である。なお、ここでは、正極端子１２と接続ランド部１８との接続について説明する。
【００８３】
正極端子１２に伝えられる超音波が正極端子１２の主面１２ａに対して略垂直な方向の振動、いわゆる縦振動の超音波の場合、正極端子１２と接続ランド部１８とが接する両界面に超音波による摩擦を生じさせることが困難になり、正極端子１２と接続ランド部１８との接続強度が弱くなることがある。また、この場合、縦振動の超音波が正極端子１２の下方にある回路基板３に過剰に伝わって、回路基板３が劣化することがある。
【００８４】
したがって、ポリマー電池２と回路基板３との接続方法においては、正極端子１２に伝えられる超音波を横振動にすることにより、回路基板３が劣化することなく正極端子１２と接続ランド部１８とを適切な溶接強度で直接接続できる。
【００８５】
具体的には、正極端子１２と接続ランド部１８に対して略垂直に引っ張った際の引っ張り強度、すなわち正極端子１２を引っ張って溶接ランド部１８から外れる強度が、中継タブをリフロー処理で接続ランド部にはんだ溶接したときと同等の３Ｎ以上になる。
【００８６】
なお、負極端子１５に伝えられる超音波を横振動にした場合も同様の作用効果が得られ、負極端子１５と接続ランド部１８とを適切な溶接強度で直接接続できる。この場合も、溶接ランド部１８に溶接した負極端子１５を引っ張った際の引っ張り強度は３Ｎ以上になる。
【００８７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、電池と回路基板とを超音波溶接で直接接続することにより、小型化、低コスト化が図られ、電池と回路基板との接続信頼性が高められた電池ユニットを歩留まり良く製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した電池ユニットの一部を透視して示す斜視図である。
【図２】同電池ユニットにおけるポリマー電池の内部構造を示す縦断面図である。
【図３】同電池ユニットにおけるポリマー電池と回路基板との接続に用いた超音波溶接機を示しており、ポリマー電池と回路基板とが載置された状態を示す斜視図である。
【図４】同超音波溶接機の一部を示しており、ポリマー電池と回路基板とが載置された状態を模式的に示す側面図である。
【図５】従来の電池ユニットの一部を透視して示す斜視図である。
【符号の説明】
１  電池ユニット、２  ポリマー電池、３  回路基板、４  電池素子、５  外装材、６  正極、７  負極、８  固体電解質、９  セパレータ、１０  正極集電体、１１  正極合剤層、１２  正極端子、１３  負極集電体、１４  負極合剤層、１５  負極端子、１６  樹脂片、１７  ベース基板、１８  接続ランド部、１９  電子回路部、３０  超音波溶接機、３１  起振ユニット、３２  ホーン部、３３  アンビル部、３４  受台、３５  駆動部、３６  制御用コンピュータ、３７  溶接チップ、３８  入力部
【図１】
2004171893.tif 000003
【図２】
2004171893.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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