JP4766239B2

JP4766239B2 - セラミック電子部品及びその製造方法

Info

Publication number: JP4766239B2
Application number: JP2005299172A
Authority: JP
Inventors: 幸彦白川; 春一大滝
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-10-13
Filing date: 2005-10-13
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-10-13
Also published as: JP2007109883A

Description

本発明は、セラミック電子部品及びその製造方法に関する。

セラミック電子部品において、その電極に金属片を接合しなければならない場合があり、そのような場合の接合手段として、はんだによる接続のほか、例えば、特許文献１に記載されているようなレーザ溶接の適用が考えられる。レーザ溶接によれば、セラミック素体が比較的厚い場合には、レーザの出力パワーをあげ、短時間で、効率よく、金属片を電極に溶接することができる。

しかし、セラミック素体が、２〜３ｍｍ以下の薄いセラミック電子部品になると、セラミック素体に損傷、破損、破壊などのダメージを与えることなく、金属片を電極にレーザ溶接することが、極めて困難になる。

レーザの出力パワーを低減させれば、セラミック素体に損傷、破損、破壊などのダメージが発生するのを回避することは可能であるが、そうすると、接合が不完全になり、接合の信頼性が低下するとともに、作業効率が低下してしまうなどの問題点を生じる。
特開平９−２１３２３０号公報

本発明の課題は、セラミック素体に損傷、破損、破壊などのダメージをあたえることなく、その電極に金属片を強固に接合した高信頼度のセラミック電子部品を提供することである。

本発明の更にもう一つの課題は、上述したセラミック電子部品を製造するのに適した製造方法を提供することである。

上述した課題を解決するため、本発明に係るセラミック電子部品は、セラミック素子と、金属片とを含む。前記セラミック素子は、セラミック素体の少なくとも一面に、電極を有している。前記金属片は、前記セラミック素子の前記電極に、レーザ溶接によって接合されている。

上述したセラミック素子上でのレーザ溶接は、セラミック素体に損傷、破損、破壊などのダメージを与えることなく、金属片を電極にレーザ溶接することが、極めて困難であることは前述したとおりである。

本発明者等は、この問題点を解決すべく、鋭意研究した結果、電極及び金属片の溶融比率が接合の良否に直接的に関与し、溶融比率が大きくなるほどに、セラミック素体に、損傷、破損又は破壊などのダメージを与える危険性が増大することを見出した。

溶融比率は、電極の厚みＴ１と、金属片の厚みＴ２との比で定まるから、セラミック素体に、損傷、破損又は破壊などのダメージを与えることなく良好な接合を実現するために、金属片の厚みＴ２をどのように選択するかが、極めて重要になる。

実験によると、前記金属片の厚みＴ２は、前記電極の厚みＴ１の２０倍以下であれば、セラミック素体に破壊、損傷をあたえることなく、その電極に金属片を確実に接合できることが分かった。

前記金属片の厚みＴ２が、前記電極の厚みＴ１の１０倍以下であれば、更に好ましい。この範囲であれば、電極及び金属片の溶融比率が更に近似することになるので、一層、セラミック素体に破壊、損傷を与えにくくなる。

本発明は、セラミック素体の厚みが２ｍｍ以下のセラミック電子部品において、セラミック素体の破壊、損傷を防止するのに有効である。このような薄型のセラミック素子では、セラミック素体の機械的強度が極めて低いために、溶融率の違いによる損傷、破損又は破壊などのダメージを受け易いものであるところ、本発明の適用により、そのような薄いセラミック素体の場合でも、上述した問題点を回避し得る。

本発明が適用されるセラミック電子部品の具体例あるいは代表例は、リングバリスタである。リングバリスタには、小型直流モータの整流子に発生するノイズを吸収するノイズ吸収素子としての重要な用途があるが、その場合に、リングバリスタの電極に、金属薄板でなる金属片を接合し、この金属片に、整流子接続片(ライザ）を接続する構造を採用することがある。このような場合に、リングバリスタの電極に対する金属片の接合に当たって、本発明が適用できる。もっとも、本発明は、リングバリスタに限定されるものではない。

本発明は、更に、上述したセラミック電子部品を製造するのに適した製造方法を開示する。

以上述べたように、本発明によれば、セラミック素体に破壊、損傷をあたえることなく、その電極に金属片を強固に接合した高信頼度のセラミック電子部品を提供することができる。

本発明の他の特徴及びそれによる作用効果は、添付図面を参照し、実施例によって更に詳しく説明する。

図１はセラミック電子部品の具体的一例としてのリングバリスタの平面図、図２は図１に示したリングバリスタの拡大部分断面図である。図示のリングバリスタは、バリスタ素子４０と、金属片(タブ）５１〜５３とを含む。バリスタ素子４０は、小型直流モータの回転軸を通す中心孔４５を有して、円環状などの適当な形状に成形されたバリスタ素体４１の一面に、小型直流モータの電機子極数に対応させた複数の電極４２〜４４を設けた構造となっている。電極４２〜４４は、相互間に絶縁ギャップＧ１〜Ｇ３が設けられている。図示では、３個の電極４２〜４４が図示されているだけであるが、その個数は、小型直流モータの電機子極数に応じて選択されるものである。

金属片５１〜５３は、電気伝導性の良好な金属材料、典型的には、Ｃｕを主成分とする薄板によって構成する。金属片５１〜５３は、後で、ライザに接続されるので、それに適した構造を付与する。例えば、図の場合は、金属片５１〜５３の外端部を、バリスタ素子４０の外周よりも外側に突出させ、この外端部を、ライザ接続の際に利用するようになっている。

金属片５１〜５３は、セラミック素子４０の電極４２〜４４に、レーザ溶接２１〜２３によって接合されている。レーザ溶接２１〜２３は、金属片５１〜５３のそれぞれの面内において、間隔をおいて、複数点在させることが好ましい。金属片５１〜５３は、銅を主成分とするものが、その導電性の観点から望ましい。銅そのものであってもよいし、銅合金であってもよいし、表面にメッキ膜などを有するものであってもよい。金属片５１〜５３が、銅を主成分とする場合、使用するレーザとしては、ＹＡＧレーザ(波長１０６４
ｎｍ）よりは、波長の短い緑色レーザ(波長６３２ｎｍ）が適している。

更に、金属片５１〜５３と電極４２〜４４との間に、導電性接着剤層を有していてもよい。レーザ溶接２１〜２３は、複数点で行っても、スポット状にならざるを得ないので、導電性接着剤層を補助的に用いることにより、レーザ溶接の足らざるところを埋め合わせることができる。

レーザ溶接２１〜２３に当たっては、図３に図示するように、レーザ装置の照射ヘッド１を、金属片５１〜５３の表面に向け、所定の波長、エネルギー及び出射径をもって、レーザＬＡを、金属片５１〜５３に照射する。

上述したセラミック素子４０上でのレーザ溶接２１〜２３は、電極４２〜４４及び金属片５１〜５３の溶融比率が接合の良否に直接的に関与し、溶融比率が異なるほどに、セラミック素体４１に、損傷、破損又は破壊などのダメージを与える危険性が増す。溶融比率は、電極４２〜４４の厚みＴ１と、金属片５１〜５３の厚みＴ２との比で定まる。したがって、セラミック素体４１に、損傷、破損又は破壊などのダメージを与えることなく良好な接合を実現するために、金属片５１〜５３の厚みＴ２をどのように選択するかは、極めて重要である。

実験によると、金属片５１〜５３の厚みＴ２は、電極４２〜４４の厚みＴ１の２０倍以下であれば、セラミック素体４１に破壊、損傷を与えることなく、その電極４２〜４４に金属片５１〜５３を確実に接合できることが分かった。

金属片５１〜５３の厚みＴ２が、電極４２〜４４の厚みＴ１の１０倍以下であれば、更に好ましい。この範囲であれば、電極４２〜４４及び金属片５１〜５３の溶融比率が更に近似することになるので、セラミック素体４１に破壊、損傷を与えにくくなる。電極４２〜４４の厚みＴ１が１０μｍ前後の典型的な例では、前記厚みＴ２は１００μｍ以下、好ましくは７０μｍ以下、更に好ましくは５０μｍ以下である。厚みＴ２の下限値は、当該金属片５１〜５３の果たすべき機能によって定まる。一般的には、１０μｍ以上の厚みは必要である。

本発明は、セラミック素体４１の厚みＴ０(図２、図３参照）が２ｍｍ以下のセラミック電子部品において、セラミック素体４１の破壊、損傷を防止するのに有効である。このような薄型のセラミック素子４０では、セラミック素体４１の機械的強度が極めて低いために、溶融率の違いによる損傷、破損又は破壊などのダメージを受け易いものであるところ、本発明を適用することにより、そのような薄いセラミック素体４１の場合でも、上述した問題点を回避し得る。

次に実施例を挙げて具体的に説明する。
実施例１
リングバリスタの電極４２〜４４に、金属片５１〜５３を重ね、レーザ装置を用いて溶接した。レーザ装置、リングバリスタの電極４２〜４４、及び、金属片５１〜５３に関する条件は、下記のとおりである。
＜レーザ装置＞
装置及び光ファイバ：ＭＬ−８０５０Ａ、ＳＩタイプ Φ０．３
出射ユニット：標準出射ユニットｆ６０ｆ６０(結像比１：１）
溶接条件：０．８ｋＷ×０．５ｍｓ矩形波
加工点出力エネルギー０．３Ｊ
加工点出力エネルギーは、金属片の厚みに応じて０．３Ｊ〜１．０Ｊの範囲で適時最適な値に設定した。
＜セラミック電子部品＞
図１に示したリングバリスタであって、電極４２〜４４は、厚みＴ１が１０μｍの銅パターンである。
＜金属片５１〜５３＞
厚みＴ２が５０μｍの銅箔で構成した。
実施例２
厚みＴ２が７０μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例１と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
実施例３
厚みＴ２が１００μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例１と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
実施例４
厚みＴ２が２００μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例１と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
比較例１
厚みＴ２が２５０μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例１と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。

実施例５
厚みＴ１が５μｍの電極４２〜４４、厚みＴ２が５０μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例１と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
実施例６
厚みＴ２が７０μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例５と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
実施例７
厚みＴ２が１００μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例５と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
比較例２
厚みＴ２が１５０μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例５と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。

実施例８
厚みＴ１が１５μｍの電極４２〜４４、厚みＴ２が１００μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例１と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
実施例９
厚みＴ２が１５０μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例８と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
実施例１０
厚みＴ２が３００μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例８と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。
比較例３
厚みＴ２が５００μｍの銅箔による金属片５１〜５３を用いたほかは、実施例８と同様にして、金属片５１〜５３を電極４２〜４４にレーザ溶接２１〜２３した。

表１は、上述した実施例１〜１０及び比較例1〜３によって得られたリングバリスタについて、その外観の良否、接合強度及びセラミック素体４１に対するダメージの有無を調べた結果を示している。

外観の良否は、リングバリスタの溶接外観を目視によって評価したもので、非常に綺麗な溶接仕上がりを○印で表示し、一部の溶接点の仕上がりが悪いものを△、全ての溶接点の仕上がりの悪いものを×印で表示してある。

接合強度は、金属片５１〜５３を引き剥がしたとき、電極４２〜４４を構成する銅パターンが、金属片５１〜５３と一緒に引き剥がれた場合を、金属片５１〜５３が強固に電極４２〜４４に接合されていると評価し、○印とし、一部の溶接点が金属片と一緒に引き剥がされなかった場合を△として表示してある。電極４２〜４４を構成する銅パターンが金属片５１〜５３と一緒に引き剥がされなかった場合は、×印として表示してある。

セラミック素体４１に対するダメージは、セラミック素体４１にレーザ穴があるか否かを目視によって観察することによって評価した。レーザ穴が確認できなかった場合を○で表示し、確認できた場合を×で表示してある。

表１に示すように、比較例１〜３は、溶接仕上がりが悪く、金属片５１〜５３を引き剥がしたとき、金属片５１〜５３が、電極４２〜４４から分離して引き剥がされた。また、セラミック素体４１には、レーザ照射に対応する部分にレーザ穴が観察された。

これに対して、実施例１〜３、５〜９の何れも、非常に綺麗な溶接仕上がりを示した。また、金属片５１〜５３を引き剥がしたところ、電極４２〜４４を構成する銅パターンが、金属片５１〜５３と一緒に引き剥がれ、電極４２〜４４を構成する銅パターンに対して、金属片５１〜５３が強固に接合されていることが確認された。更に、セラミック素体４１には、レーザ穴が確認できなかった。

更に、実施例４は、実施例１〜３、５〜９との対比において、接着強度は劣るものの、外観、素子ダメージの評価については、遜色ない結果が得られた。又、実施例１０は、実施例１〜３、５〜９と比較すると外観、接合強度、素地全ての点で評価は多少劣るものの、比較例１〜３と比較すると外観、接合強度、素地ダメージの全てにおいて良好な評価が得られた。

表１から明らかなように、電極厚みに対し、金属片厚みが２０倍以下の場合、実用上問題のない接合が得られ、特に１０倍以下であれば接合強度のバラツキもなく好ましい。

また、金属片厚みが１００μｍを超える厚みにすると溶接の最適条件範囲が狭くなる傾向があり、全ての接合点に均一な溶接を行うためには金属片を１００μｍ以下にすることがより好ましい。

レーザ溶接２１〜２３に用いられるレーザは、溶接すべき金属片５１〜５３及び電極４２〜４４の材質に対応させて選択する必要がある。金属片５１〜５３及び電極４２〜４４が、銅を主成分とするものである場合、ＹＡＧレーザよりも波長の短い緑色レーザが適している。以下にＹＡＧレーザと緑色レーザ（ＹＡＧ−ＳＨＧ）を用いた実験結果を示す。

表２に示すように、波長１０６４ｎｍのＹＡＧレーザを用いた場合、出力エネルギーを調整しても、もともと、銅はＹＡＧレーザの基本波吸収率が低いために、金属片５１〜５３を電極４２〜４４に接合するまでには到らず、無理に出力エネルギーを上げると、セラミック素体４１に穴を生じさせてしまうなどの問題点を生じる。

これに対して、波長６３２ｎｍの緑色(Ｇｒｅｅｎ）レーザを用いると、この波長に対する銅の吸収率がＹＡＧレーザの吸収率の５倍程度にも達するため、セラミック素体４１に穴を発生させることなく、金属片５１〜５３と電極４２〜４４とを接合することができる。

次に、本発明の主題ではないが、本発明に係るセラミック電子部品の範疇に入るリングバリスタの使用例である小型直流モータについて、図４を参照して説明する。

図４は本発明に係るリングバリスタをノイズ吸収素子として用いた小型直流モータの一部を示す部分断面図である。小型直流モータ６は、外装体６１の内側に、固定子（界磁）６２が設けられており、固定子６２の内側に電機子６３が配置されている。電機子６３に取り付けられた回転軸６４には、電機子６３の極数に応じて分割された複数の整流子片６５が、同軸状に配置されている。電機子６３は、絶縁物６６によって、回転軸６４から絶縁されている。

整流子片６５のぞれぞれは、電機子６３の側の一端において、回転直径の方向に立ち上がるライザ６７を有しており、このライザ６７に電機子巻線６８が、接合材付け６９などの手段によって接続されている。

ライザ６７の電機子６３と対向する面とは反対側の面には、ノイズ吸収素子４が、対面する状態で装着されている。ノイズ吸収素子４は、図１、図２に示したリングバリスタである。整流子片に連なるライザ６７は、この金属片５１〜５３に接続されている。

金属片５１〜５３と電極４２〜４４とは、レーザ溶接２１〜２３によって接合されているから、ノイズ吸収素子４は、ライザ６７に対して、傾斜を生じることなく、平行状態で接合されることになる。

以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を具体的に説明したが、本発明の基本的技術思想及び教示に基づいて、当業者であれば、種々の変形態様を採り得ることは自明である。

本発明に係るリングバリスタの平面図である。図１に示したリングバリスタの拡大部分断面図である。本発明に係るリングバリスタの製造方法を説明する図である。本発明に係るリングバリスタをノイズ吸収素子として用いた小型直流モータの一部を示す部分断面図である。

符号の説明

２１〜２３レーザ溶接
４リングバリスタ
４２〜４４電極
５１〜５３金属片

Claims

セラミック素子と、複数の金属片とを含み、モータのためのノイズ吸収素子として用いられるリングバリスタでなるセラミック電子部品であって、
前記セラミック素子は、前記モータの回転軸を通す中心孔を有するリング状のバリスタ素子であって、セラミック素体の少なくとも一面に、前記モータの電機子極数に対応させた複数の電極を有しており、
前記電極のそれぞれは、相互間に絶縁ギャップを有して、前記中心孔の周りに配置されており、
前記金属片のそれぞれは、銅を主成分とする薄板によって構成され、一面が前記セラミック素子の前記電極のそれぞれにレーザ溶接によって接合されており、
前記金属片のそれぞれの他面は、前記モータの整流子片から回転直径の方向にのびるライザに対面する状態で接続される面であり、
前記金属片の厚みＴ２は、前記電極の厚みＴ１の１０倍以下で、１００μｍ以下であり、
前記セラミック素体の厚みは、２ｍｍ以下である、
セラミック電子部品。
請求項１に記載されたセラミック電子部品であって、更に、前記金属片と前記電極との間に、導電性接着剤層を有する、セラミック電子部品。
請求項１又は２に記載されたセラミック電子部品を製造する方法であって、
前記セラミック素体の少なくとも一面に電極を有する前記セラミック素子の前記電極面上に、前記金属片を配置し、
次に、前記金属片に緑色レーザを照射して、前記金属片を前記電極に溶接する、
工程を含む、製造方法。
ノイズ吸収素子と、整流子片と、電機子とを有するモータであって、
前記ノイズ吸収素子は、請求項１又は２に記載されたセラミック電子部品でなり、
前記整流子片は、前記電機子の側の一端において、回転直径の方向にのびるライザを有しており、前記ライザには前記電機子の巻線が接続されており、
前記セラミック電子部品は、前記金属片の前記他面が、前記ライザの前記電機子と対向する面とは反対側の面に、対面する状態で接合されている、
モータ。