JP2009104793A - 電池用端子構造 - Google Patents

Abstract

【課題】インサート成形部と金属端子とが剥がれにくい電池用端子構造、及び電池を提供する。
【解決手段】箱状になった電池ケース１１と、電池ケース１１の端部を覆う蓋体１３と、蓋体１３に貫通して取り付けられ、一端を電池ケース１１内部に、他端を電池ケース１１外部に突出させる金属製の電極端子１２と、インサート樹脂成形により電極端子１２と蓋体１３とを接続するインサート成形部１４と、を備えた電池用端子構造において、電池ケース１１外部側に突出する電極端子１２の周囲を囲むインサート成形部１４の突出部１４ａの樹脂層の厚みを薄くし、電極端子１２の変形に追従可能な厚みとする。
【選択図】図２

Description

本発明は車両に搭載する電池の端子構造の技術に関する。詳しくは、電池用の端子構造にインサート樹脂成形技術を用いて接続端子と蓋体を繋ぐ樹脂の形状を工夫することで、電池寿命を延ばすことが可能となる技術である。

リチウムイオン電池などの電池は、ポータブル機器や携帯機器などの電源として、また、電気自動車やハイブリッド自動車などの電源として注目されている。
この電池のコネクタ部分には、金属端子を樹脂で包囲するようにインサート成形によって成形されているものがある。このようなコネクタは、樹脂部と樹脂部に包囲されて露出する金属端子とを備えている。
インサート成形によってコネクタ部分にシール機能を持たせる場合、成形後の製品には金属端子と樹脂部との剥がれが無いことが重要となる。この部分に接着、密着不良が発生すると、シール性が減少し、内容物を解放させてしまう虞がある。また、外部からの水分の侵入の虞がある。非水系の溶媒を用いた電池では、溶媒の気化ガスの可燃性が高い。よって、シール機能の低下は、発煙、発火に結びつく虞があり、確実にシールすることが望まれている。

特許文献１には、コネクタの樹脂部と金属端子の間に界面隙間に追従可能な充填材を装填することで、界面隙間への水分の侵入などを防ぐ技術が開示されている。
充填材には、アクリル系かエポキシ系のゲル状物質を採用している。
特許文献２には、金属端子の表面をケミカルエッチングして、インサート成形する技術が開示されている。金属端子の表面にケミカルエッチングを施すことで、樹脂と金属端子との密着性を向上させることが可能である。
特許文献３には、金属端子の表面を例えばサンドブラストの様な物理的方法で荒らし、インサート成形する技術が開示されている。特許文献２同様に金属端子の表面に凹凸を付けることで、樹脂と金属端子との密着性を向上させることが可能である。

特開平１０−１００１９１号公報 特開２００１−２２５３５２号公報 特開２００１−２２５３４６号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３の方法でも、以下のような課題があると考えられる。
特許文献１の方法では、金属端子と樹脂部との界面隙間にゲル状物質による充填材を注入する工程が必要となるため、製造コストが高くなる虞がある。
また、特許文献２及び特許文献３の方法では、外部応力あるいは内部の残留応力によって樹脂にクラックが発生し、コネクタのシール性の低下する虞がある。

図５に、従来用いられてきた電池の斜視図を示す。
電池１００は、ボディ１０１の端部に蓋体１０３を備え、蓋体１０３には金属端子１０２がインサート成形されて、金属端子１０２と蓋体１０３を樹脂部１０４によって接続されている。
この樹脂部１０４は、電池１００を組電池として用いる場合に図示しないバスバの位置決めに用いていることが多く、矩形になっていることが多い。その結果、金属端子１０２に対して樹脂部１０４の剛性が大きくなる。
そして、電池１００を組み付ける際に、金属端子１０２に外力がかかると、樹脂部１０４から金属端子１０２が剥離してしまったり、樹脂部１０４にクラックが発生してしまったりする虞がある。金属端子１０２と樹脂部１０４の密着性は、特許文献１乃至特許文献３に記載のように、電池１００の内部液の漏れ等に直結するため、剥離やクラックは電池１００の製品寿命を短くしてしまう虞がある。

そこで、本発明はこのような課題を解決するために、インサート成形部と金属端子とが剥がれにくい電池用端子構造を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明による電池用端子構造は以下のような特徴を有する。
（１）箱状になった電池ケースと、前記電池ケースの解放面側を覆う蓋体と、前記蓋体に貫通して取り付けられ、一端を前記電池ケース内部に収納し、他端を前記電池ケース外部に突出させる金属製の端子と、インサート樹脂成形により前記端子と前記蓋体とを接続するインサート成形部と、を備えた電池用端子構造において、
前記電池ケース外部側に突出する前記端子の周囲を囲む前記インサート成形部の突出部の樹脂層の厚みを薄くし、前記端子の変形に追従可能な厚みとしていることを特徴とする。

（２）（１）に記載の電池用端子構造において、
前記突出部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されていることを特徴とする。

（３）（１）又は（２）に記載の電池用端子構造において、
前記電池ケース内部に収納される前記端子の周囲を囲む前記インサート成形部の被収納部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されていることを特徴とする。

（４）（１）乃至（３）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
前記テーパ処理されたテーパ面は、前記端子との界面となす角度が３０〜４５度とされることを特徴とする。

（５）（１）乃至（４）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
前記Ｒ処理されたＲ処理面は、前記端子の界面側に凹んでおり、前記Ｒ処理面の半径を３〜１０ｍｍとされることを特徴とする。
（６）（１）乃至（５）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
前記インサート成形部にアニール処理を施すことを特徴とする。

（７）（１）乃至（６）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
前記端子が銅、又はアルミニウムであり、前記インサート成形部がＰＰＳよりなることを特徴とする。
（８）（１）乃至（７）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
前記端子の板厚が１〜１．５ｍｍであり、前記突出部の厚みが５ｍｍ以下であることを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明による電池は以下のような特徴を有する。
（９）（１）乃至（８）のいずれか１つに記載の電池用端子構造を用いたことを特徴とする。

このような特徴を有する本発明による電池用端子構造により、以下のような作用、効果が得られる。
まず、（１）に記載される発明は、箱状になった電池ケースと、電池ケースの解放側を覆う蓋体と、蓋体に貫通して取り付けられ、一端を電池ケース内部に、他端を電池ケース外部に突出させる金属製の端子と、インサート樹脂成形により端子と蓋体とを接続するインサート成形部と、を備えた電池用端子構造において、インサート成形部が端子の周囲を囲み、電池ケース外部に突出する突出部の樹脂層の厚みを薄くし、端子の変形に追従可能な厚みとしているので、金属製の端子に対して外部応力が加えられた場合にも、インサート成形部の突出部が端子に追従可能に薄く成形されることで、端子に追従して変形し易い。よって、剥がれが生じたりクラックが発生したりするといったことが起こりにくくなる。すなわち、インサート成形部と金属端子とが剥がれにくい電池用端子構造を提供することが可能である。

また、（２）に記載される発明は、（１）に記載の電池用端子構造において、突出部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されていることで、より突出部が端子から剥がれにくくなり、電池内部からの漏れを防止する効果がある。すなわち、インサート成形部と金属端子とが剥がれにくい電池用端子構造を提供することが可能である。
インサート成形部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されていると、剥離やクラックの起点となる端子と突出部の先端との接合部分で、突出部の先端の剛性がより低いので、端子に力が加わった際にも、より剥離やクラックが発生しにくくなる。剥離やクラックの発生は、インサート成形部の成形時に収縮することで、その起点ができやすい。突出部の先端が細くなっていることで、より収縮の影響は受けにくくなるので、その起点を生じにくくすることが可能である。

また、（３）に記載される発明は、（１）又は（２）に記載の電池用端子構造において、電池ケース内部に収納される端子の周囲を囲むインサート成形部の被収納部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されているので、インサート成形部の成形時に端子とインサート成形樹脂との界面で、インサート成形樹脂の熱収縮による剥離やクラックの発生を緩和することが可能である。

また、（４）に記載されるように、（１）乃至（３）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、テーパ処理されたテーパ面は、端子との界面となす角度が３０〜４５度とされる、あるいは（５）に記載されるように、（１）乃至（４）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、Ｒ処理されたＲ処理面は、端子の界面側に凹んでおり、Ｒ処理面の半径を３〜１０ｍｍとされることで、効果的なシール性能を発揮することが可能である。

また、（６）に記載される発明は、（１）乃至（５）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、インサート成形部にアニール処理を施すことで、インサート成形部に残留する応力を軽減するので、端子とインサート成形部の剥がれやクラックの発生を緩和することが可能である。

また、（７）に記載される発明は、（１）乃至（６）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、端子が銅、又はアルミニウムであり、インサート成形部がＰＰＳよりなる。また、（８）に記載される発明は、（１）乃至（７）のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、端子の板厚が１〜１．５ｍｍであり、突出部の厚みが５ｍｍ以下である。これは、後述及び図４に記載の実験結果から求められる最適値であり、端子とインサート成形部の剥がれやクラックの発生を緩和することが可能である。
なお、端子やインサート成形部に用いられる樹脂については、別の素材を用いても良いが、その際には再度実験を行い、最適値を求める必要がある。

また、このような特徴を有する本発明による電池により、以下のような作用、効果が得られる。
（９）に記載される発明は、（１）乃至（８）のいずれか１つに記載の電池用端子構造を用いているので、漏れが最も発生しやすい端子とインサート成形部の界面の密着性が高い電池を提供することが可能となり、製品電池の寿命を伸ばすことが可能である。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
まず、本実施形態の構成を説明する。
図１に、本実施形態の電池１０の斜視図を示す。
電池１０は、電池ケース１１と、電極端子１２、蓋体１３、及びインサート成形部１４からなっている。
電池ケース１１は、箱状であり６面のうち１面が開口部になっている、略直方体の形状をしており、内部に電解液等の内容物が満たされている。
電極端子１２は、銅、アルミニウムなどの金属の板材を用いて形成され、それぞれ正極又は負極として働く。蓋体１３は、電極端子１２が貫通する孔が設けられた板材であり、電極端子１２が貫通して設けられている。電極端子１２と蓋体１３を接続するインサート成形部１４は、インサート樹脂成形によって形成されている。
インサート成形部１４がインサート成形された後、熱風炉などに入れられてアニール処理が施される。

図２に、インサート成形部１４の断面図を示す。図１のＡＡ断面に相当する。
インサート成形部１４の断面は、図２に示す通り突出部１４ａ、及び突出部１４ａの先端に施されたテーパ面１４ｂ、そして被収納部１４ｃ及びＲ加工部１４ｄからなる。
このインサート成形部１４は、電極端子１２を蓋体１３の電極挿入孔１３ａに挿入した状態で図示しない金型に固定し、被収納部１４ｃ側から樹脂を供給してインサート成形を行うことで形成する。インサート成形部１４の材質は、ＰＰＳ等の耐食性、耐薬品性の高い樹脂が用いられる。また、電池１０使用時には６５度程度までは温度が上昇することが考えられるため、ある程度の耐熱性が求められる。

インサート成形部１４に形成された電池ケース１１の外側となる突出部１４ａは、電極端子１２の周囲を囲むように肉薄に形成され、その先端にはテーパ面１４ｂが形成されている。突出部１４ａの厚みは、電極端子１２の厚みが１ｍｍ〜１．５ｍｍ程度に対して、片側１．５ｍｍ程度であり、電極端子１２の周囲を囲むように形成されている。
また、テーパ面１４ｂの角度は、電極端子１２とテーパ面１４ｂとの界面から３０〜４５度程度に設定されている。したがって、角度θは４５〜６０度程度である。
一方、電池ケース１１の内部に挿入される電極端子１２の他端の周囲にもインサート成形部１４が電池１０の内側に収納される被収納部１４ｃが形成され、その先端にはＲ加工部１４ｄが設けられている。Ｒ加工部１４ｄは電極端子１２側に抉れるように形成され、その半径は３〜１０ｍｍ程度である。
蓋体１３に設けられた電極挿入孔１３ａの周囲には、蓋体凸部１３ｂが形成されている。

本実施形態はこのように構成されるので、以下に説明するような作用効果を奏する。
電池１０の電池ケース１１に格納される内容物は、蓋体１３によって確実に封入されている必要がある。ここで、蓋体１３の電極挿入孔１３ａに挿入される電極端子１２とのシール性が問題となるが、突出部１４ａを設け、電極端子１２を囲むインサート成形部１４の突出部１４ａの樹脂層の厚みを薄くすることで、電極端子１２にかかる応力による変形に追従可能となる。
電池１０は単体で用いられることもあるが、自動車などに搭載される場合は電池１０を複数接続して組電池として用いるケースも多い。
図３に、電池１０を組電池２０として構成している様子を表す立体斜視図を示す。
組電池２０は、電池１０を複数個直列に接続することで、大きな出力を得ることができる。電池１０の電極端子１２をバスバ１５で接続することで、隣り合う電池１０を電気的に接続する。バスバ１５には銅やアルミニウムなどの導電性の高い金属が用いられる。

このように、隣り合う電池１０同士を電極端子１２で接続する際に、電極端子１２の位置決め公差、電池１０の位置決め公差等が累積して、電極端子１２同士が所定の間隔よりも広くなってしまうことも考えられる。電極端子１２はバスバ１５によって接続されているが、バスバ１５の製品公差なども含め、結果的に、電池１０同士を接続する際に電極端子１２に応力がかかってしまうことがある。
また、インサート成形部１４は前述したようにインサート成形で形成されるが、インサート成形部１４は成形後、若干熱収縮を起こすことが確認されている。このため、インサート成形部１４が冷却される過程で、電極端子１２から剥がれるような力が働く。
このため、インサート成形部１４と電極端子１２の界面を引き剥がそうとする力が働くことになる。

従来の電池１００は、図５に示すように、樹脂部１０４が矩形となっている。これは、図３に示すように組電池２０とする場合にバスバ１５の位置決めを行うために都合が良く、金型をより簡単に製造できる等という理由から、このような矩形形状が採用されていた。しかし、図５に示す金属端子１０２に外力がかかる場合や、樹脂部１０４成形時に収縮した場合、樹脂部１０４の剛性が高いために、金属端子１０２と樹脂部１０４の界面剥離やクラックなどが生じる虞があった。
しかし、図２に示すように突出部１４ａを肉薄に形成したことで、電極端子１２に対する追従性が向上し、界面剥離やクラックの発生を抑えることが可能となった。

また、突出部１４ａを肉薄にすることで、インサート成形部１４をインサート成形する際に巣を生じるリスクが軽減され、インサート成形部１４の体積が減ったことで材料を減らすことができ、コストダウンに貢献する。
さらに、突出部１４ａの先端にテーパ処理が施され、テーパ面１４ｂが形成されていることで、突出部１４ａの先端にいくほど突出部１４ａの厚みを薄くでき、電極端子１２との界面剥離がより起こりにくくなっている。
電池１０を使用する上で、外部環境及び電池１０の発熱により−４０℃〜６５℃程度の温度変動が予想される。自動車に搭載した場合には、自動車使用時には電池１０も発熱し、使用しない際には外気温と同じ温度まで冷えるというサイクルを繰り返すことになる。

このような熱サイクルによって、電極端子１２とインサート成形部１４は剥離する虞がある。これは、電極端子１２とインサート成形部１４の材質が異なるために熱膨張率が異なり、インサート成形部１４の方が電極端子１２よりもより伸縮するためである。
しかし、この場合にもインサート成形部１４の突出部１４ａを薄く形成し、テーパ面１４ｂを設けていることで、電極端子１２に突出部１４ａが密着する力よりも熱膨張等によって発生する力が弱くなり、界面剥離やクラックの発生を抑えることが可能である。

また、インサート成形部１４の被収納部１４ｃに設けたＲ加工部１４ｄによっても、被収納部１４ｃ側の剥離を抑制することができる。被収納部１４ｃ側は外力が作用しにくいが熱膨張等の影響は受ける。このため、Ｒ加工を施してＲ加工部１４ｄを設けることで、剥離防止に寄与する。
また、電池ケース１１内の溶媒が電極端子１２を腐食して電池ケース１１外に漏れ出そうとする作用に対しても、電極端子１２がインサート成形部１４に密着する距離が長いほど漏れを抑制する効果が高まるので、Ｒ加工部１４ｄを設けることでより漏れにくくなる効果が得られる。

図４に、シール部の熱衝撃試験の評価結果の表を示す。
熱衝撃試験は、−４０℃×１時間〜６０℃×１時間を１サイクルとして、２５００サイクル行い断面観察による隙間の長さ測定、漏れ検査を行った。漏れ検査の方法は、Ｈｅ漏れ量測定による。
剥がれ評価基準は、隙間０ｍｍは○、隙間１〜３ｍｍは△、隙間４ｍｍ以上は×として評価している。また、リーク評価基準は、１．０×１０^−８Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下は○、１．０×１０^−５〜１．０×１０^−７Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃは△、１．０×１０^−４Ｐａ・ｍ^３／ｓｅｃ以下は×として評価している。
この結果から、インサート成形部１４のテーパ面１４ｂの角度は４５〜６０度が剥がれ、漏れ共に良い結果が得られている。また、インサート成形部１４のＲ加工部１４ｄの半径３〜１０ｍｍの間が剥がれ、漏れ共に良い結果が得られている。

このように、インサート成形部１４は、突出部１４ａを設けるだけでなく、テーパ面１４ｂを設け、角度θを４５〜６０度とすることで、漏れや剥離に対して効果がある。角度θが４５〜６０度であるので、インサート成形部１４と電極端子１２の界面からの角度は、３０〜４５度であることになる。
また、被収納部１４ｃにもＲ加工部１４ｄを設け、半径を３〜１０ｍｍ程度とすることで、漏れや剥離に対して効果がある。
ただし、電極端子１２の材質として、銅又はアルミニウムを用い、インサート成形部１４にＰＰＳを用いた場合の結果であるので、材質を変更すれば別途テストを行う必要がある。材質によって特性が変わる可能性があるためである。

このように、本実施例によって電極端子１２とインサート成形部１４の密着性が高まり、漏れ、剥離等が発生しにくくなるので、電池ケース１１の内容物が外部に解放したり、外部で発生した水分が内部に侵入したりすることを防ぐことができる。すなわち電池１０の寿命を延ばすことに貢献する。
とくに、非水系の溶媒を電池１０に用いている場合には、電池１０内の気化ガス（溶媒）に可燃性が高い場合が多いため、シール機能の低下によって、発煙、発火に至る虞がある。よって、本実施例の電池１０に用いたような電子用端子構造は有効であるといえる。

以上、本実施例に則して発明を説明したが、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で構成の一部を適宜変更することにより実施することもできる。
例えば、本実施例では、材質を例示している箇所があるが、設計の範囲内でこれを変更することを妨げない。
また、インサート成形部１４の備えるテーパ面１４ｂ及びＲ加工部１４ｄについては、突出部１４ａにＲ加工処理をしても良いし、被収納部１４ｃにテーパ面を形成しても同等の効果が期待できるため、これを妨げない。
また、電極端子１２の表面を特許文献２に記載されるケミカルエッチングする手法や、特許文献３に記載されるサンドブラストする手法などを用いて、インサート成形部１４との密着性をより高めることを妨げない。

本実施形態の、電池１０の斜視図を示している。 本実施形態の、インサート成形部１４の断面図を示している。 本実施形態の、電池１０を組電池２０として構成している様子を表す立体斜視図を示している。 本実施形態の、インサート成形部１４のシール性についての熱衝撃試験の評価結果の表を示している。 従来技術の、電池１００の斜視図を示している。

符号の説明

１０ 電池
１１ ケース
１２ 電極端子
１３ 蓋体
１３ａ 電極挿入孔
１３ｂ 蓋体凸部
１４ インサート成形部
１４ａ 突出部
１４ｂ テーパ面
１４ｃ 被収納部
１４ｄ Ｒ加工部
１５ バスバ
２０ 組電池
θ 角度

Claims (5)

1. 箱状になった電池ケースと、
   前記電池ケースの解放面側を覆う蓋体と、
   前記蓋体に貫通して取り付けられ、一端を前記電池ケース内部に収納し、他端を前記電池ケース外部に突出させる金属製の端子と、
   インサート樹脂成形により前記端子と前記蓋体とを接続するインサート成形部と、を備えた電池用端子構造において、
   前記電池ケース外部側に突出する前記端子の周囲を囲む前記インサート成形部の突出部の樹脂層の厚みを薄くし、前記端子の変形に追従可能な厚みとしていることを特徴とする電池用端子構造。
2. 請求項１に記載の電池用端子構造において、
   前記突出部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されていることを特徴とする電池用端子構造。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電池用端子構造において、
   前記電池ケース内部に収納される前記端子の周囲を囲む前記インサート成形部の被収納部の先端にテーパ処理又はＲ処理が施されていることを特徴とする電池用端子構造。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
   前記テーパ処理されたテーパ面は、前記端子との界面となす角度が３０〜４５度とされることを特徴とする電池用端子構造。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載する電池用端子構造において、
   前記Ｒ処理されたＲ処理面は、前記端子の界面側に凹んでおり、前記Ｒ処理面の半径を３〜１０ｍｍとされることを特徴とする電池用端子構造。

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