JP2013151024A - 電池の安全弁製造方法及び製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】環状薄肉部を精度良く成形できると共に、環状薄肉部を形成する際の加工負荷をパンチ及びダイに分散でき、金型の寿命を長くすることができる電池の安全弁製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】ステンレス鋼製の金属板を用い、互いに対向するようにパンチ２１及びダイ２２に設けられた環状突部２３を蓋体１の両面に同時に押し付けることにより、安全弁の縁部を構成する環状薄肉部を蓋体１に形成する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電池の安全弁製造方法及び製造装置に関し、特に、ステンレス鋼製の金属板を用い、互いに対向するようにパンチ及びダイに設けられた環状突部を金属板の両面に同時に押し付けることにより、安全弁の縁部を構成する環状薄肉部を金属板に形成することで、環状薄肉部を精度良く成形できると共に、環状薄肉部を形成する際の加工負荷をパンチ及びダイに分散でき、金型の寿命を長くすることができるようにするための新規な改良に関するものである。

一般に、密閉した電池ケース内に電解液を収容する電池には、電池ケース内の圧力が上昇して爆発することを防止するために、電池ケース内の圧力が所定値を超えた場合に開裂して電池ケース内の圧力を外部へと開放する安全弁が設けられる。従来用いられているこの種の電池の安全弁製造方法としては、例えば下記の特許文献１等に示されている方法を挙げることができる。

すなわち、従来方法では、環状突部が形成された刻印パンチと平面状のダイとの間に電池用ケースの蓋体となる金属板を配置して、平面状のダイにより金属板を支持しつつ、刻印パンチの環状突部を金属板に押し当てることにより、安全弁の縁部を構成する環状薄肉部を金属板に形成している。電池ケース内の圧力が所定値を超えた場合、他の部分よりも肉厚が薄くされている環状薄肉部が裂けることにより、安全弁全体が開裂される。

特開２００７−１４１５１８号公報

上述のように、環状薄肉部は、電池ケース内の圧力が所定値を超えた場合に最先に裂けるべき部分であり、その肉厚は例えば０．０１０ｍｍ程度まで薄くされる。すなわち、このような環状薄肉部を形成するためのパンチ及びダイも極めて繊細なものである。
上記のような従来の電池の安全弁製造方法では、平面状のダイにより金属板を支持しつつ、刻印パンチの環状突部を金属板に押し当てることにより、環状薄肉部を金属板に形成する構成であるので、実質的に刻印パンチの環状突部のみで金属を変形させて環状薄肉部を形成している。
従来、安全弁を成形する金属板にはアルミニウム等の軟質金属が使用されていたが、近年では、電池用ケースの耐食性や強度を向上させるために、ステンレス鋼を用いることが提案されている。
金属板がアルミニウムの場合、軟質であるため環状薄肉部を精度良く加工でき、また金型への負荷も小さいため、問題なく加工できていたが、ステンレス鋼の場合は、強度が高く硬質の材料であるため、安全弁の環状薄肉部を従来方法により加工しようとすると、加工中に割れが発生し易く、また加工硬化により薄肉部を精度良く加工できないという問題がある。
さらに、従来方法には、環状薄肉部を形成する際の負荷が刻印パンチの環状突部に集中してしまうため、金型の寿命が短くなるという問題もある。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、環状薄肉部を精度良く成形できると共に、環状薄肉部を形成する際の加工負荷をパンチ及びダイに分散でき、金型の寿命を長くすることができる電池の安全弁製造方法及び製造装置を提供することである。

本発明に係る電池の安全弁製造方法は、電池の電池ケースを構成するステンレス鋼製の金属板をパンチとダイとの間に配置して、互いに対向するようにパンチ及びダイに設けられた環状突部を金属板の両面に同時に押し付けることにより、安全弁の縁部を構成する環状薄肉部を金属板に形成することを特徴とする。

また、環状突部を金属板の両面に押し付ける際に、環状突部の外周側において拘束手段により金属板を拘束する。
また、環状薄肉部の形成は、パンチ及びダイの組毎に先端幅が異なる複数組の環状突部を用い、先端幅が大きな順に環状突部を金属板の両面に同時に押し付ける複数のコイニング工程により行う。
また、各コイニング工程における金属板の潰し率を７０％以下とする。

本発明に係る電池の安全弁製造装置は、複数組のパンチ及びダイと、互いに対向するようにパンチ及びダイに設けられ、パンチ及びダイの組毎に異なる先端幅を有する複数組の環状突部と、各パンチ及びダイの環状突部の外周側に配置された拘束手段とを備え、電池の電池ケースを構成するステンレス鋼製の金属板を拘束手段により環状突部の外周側において拘束しつつ、先端幅が大きな順に金属板の両面に対して環状突部を同時に押し付けることにより、安全弁の縁部を構成する環状薄肉部を金属板に形成するように構成されている。

本発明の電池の安全弁製造方法及び製造装置によれば、互いに対向するようにパンチ及びダイに設けられた環状突部をステンレス鋼製の金属板の両面に同時に押し付けることにより、安全弁の縁部を構成する環状薄肉部を金属板に形成するので、１つの環状突部による金属板の加工量を小さくでき、１つの環状突部に掛る加工負荷を小さくできる。すなわち、加工中の割れや加工硬化を抑制できるため、環状薄肉部を精度良く成形できると共に、環状薄肉部を形成する際の加工負荷をパンチ及びダイに分散でき、金型の寿命を長くすることができる。

本発明の実施の形態１による二次電池の安全弁を示す斜視図である。 図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図である。 図２の領域ＩＩＩの拡大図である。 図１の安全弁を製造するための安全弁製造装置を示す構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による二次電池の安全弁２を示す斜視図である。図において、二次電池の電池ケースを構成する金属板である蓋体１には、電池ケースの内部圧力が所定値を超えた場合に開裂して内部圧力を外部に開放する二次電池の安全弁２が設けられている。この安全弁２には、環状薄肉部３と屈曲部４とが設けられている。

環状薄肉部３は、安全弁２の縁部を構成する長円形の溝であり、蓋体１内の他の板面に比して肉厚が薄くされている部分である。この環状薄肉部３は、電池ケースの内部圧力が所定値を超えた場合に最先に裂けて、安全弁２全体を開裂させるものである。なお、環状薄肉部３の外形は、閉じられた外縁を有するものであればよく、例えば真円形や多角形等でもよい。屈曲部４は、環状薄肉部３の内周側に位置する板面であり、蓋体１の板厚方向１ａに沿って蓋体１の板厚方向１ａに沿って曲げ変形された部分である。

環状薄肉部３の外周側の蓋体１の板面（以下、外周側板面１０と呼ぶ）は、平坦に形成されている。外周側板面１０の外縁には、外周側板面１０から板厚方向１ａに沿って立設された側壁部１１が設けられており、側壁部１１の先端には、側壁部１１から略直角に屈曲されたフランジ部１２が設けられている。これ以降、側壁部１１が立設された方向の蓋体１の端面を表面１３と呼び、逆側の蓋体１の端面を裏面１４と呼ぶ。

次に、図２は図１の線ＩＩ−ＩＩに沿う断面図であり、図３は図２の領域ＩＩＩの拡大図である。図２に示すように、環状薄肉部３は、蓋体１の表面１３及び裏面１４の両面に形成された一対の凹部３０によって構成されている。後に図を用いて詳しく説明するが、凹部３０は、互いに対向するように設けられた環状突部２３を蓋体１の両面に同時に押し付けるプレス加工により形成されるものである（図４参照）。

凹部３０についてより詳細に見ると、凹部３０には、図３に示すように、環状薄肉部３内において肉厚が最も薄くされた最薄部３０ａと、外周側板面１０から最薄部３０ａに向けて徐々に肉厚が薄くされた第１〜第３段部３０ｂ〜３０ｄとが設けられている。後に図を用いて詳しく説明するが、最薄部３０ａ及び第１〜第３段部３０ｂ〜３０ｄは、先端幅が異なる複数組の環状突部２３が先端幅の大きな順に蓋体１の両面に同時に押し付けられる複数のコイニング工程（多段コイニング）により形成される（図４の（ａ）〜（ｄ）参照）。このように、外周側板面１０から最薄部３０ａに向けて徐々に肉厚が薄くされた複数の段部３０ｂが凹部３０に設けられることで、最薄部３０ａの位置を容易に特定でき、環状薄肉部３の厚みを検査する品質検査の効率を向上できるようにされている。

図２に戻り、屈曲部４には、第１突出部４ａと第２突出部４ｂとが設けられている。第１突出部４ａは、環状薄肉部３の外周側における蓋体１の表面１３よりも板厚方向１ａに沿って突出されている。第２突出部４ｂは、環状薄肉部３の外周側における蓋体１の裏面１４よりも板厚方向１ａに沿って突出されている。すなわち、屈曲部４は、蓋体１の表面方向又は裏面方向の一方向にだけでなく、表面方向及び裏面方向の両方向に向けて曲げ変形された断面波形に形成されている。後に図を用いて詳しく説明するが、屈曲部４は、外周側板面１０を拘束しつつ前述のプレス加工が行われることで形成されるものであり、凹部３０の形成により生じる肉余りを吸収した部分である。このように、環状薄肉部３の内周部に屈曲部４が形成されることで、凹部３０の形成により生じる肉余りが外周側板面１０に作用することを回避でき、当該肉余りが蓋体１の外形に影響を及ぼすことを回避できる。また、屈曲部４が断面波形に形成されることで、外周側板面１０に対する屈曲部４の突出量を小さく抑えつつ、屈曲部４の表面積を大きくできる。屈曲部４の表面積を大きくすることで、蓋体１が用いられる電池ケースの内部圧力をより大きく安全弁２に作用させることができる。また、外周側板面１０に対する屈曲部４の突出量を小さくできることで、他の部材が屈曲部４に接する可能性を小さくでき、安全弁２が破損する可能性を低くできる。

次に、図４は、図１の安全弁２を製造するための安全弁製造装置を示す構成図であり、図４の（ａ）〜（ｄ）はその安全弁製造装置を用いた安全弁製造方法の第１〜第４コイニング工程を示している。図４に示すように、安全弁製造装置２０は、第１〜第４コイニング工程でそれぞれ用いられる複数組のパンチ２１及びダイ２２と、各パンチ２１及びダイ２２に設けられた複数組の環状突部２３と、各パンチ２１及びダイ２２の側部にそれぞれ設けられた拘束手段２４とを有している。

環状突部２３は、互いに対向するように各パンチ２１及びダイ２２に設けられた突起体である。図４では断面しか示さないが、環状突部２３は、環状薄肉部３（図１参照）の形状に沿うように、各パンチ２１及びダイ２２の中央端面２１ａ，２２ａからパンチ２１及びダイ２２の外縁に沿って環状に形成されている。各環状突部２３は、パンチ２１及びダイ２２の組毎に異なる先端幅を有している。各パンチ２１及びダイ２２における環状突部２３の内周側には、環状突部２３を側壁とし中央端面２１ａ，２２ａを底面とする中央凹部２５が形成されている。

拘束手段２４は、パンチ２１の側部に配置されたブランクホルダ２４ａと、ダイ２２の側部に配置されたダイホルダ２４ｂと、ブランクホルダ２４ａに接続された付勢部材２４ｃとを有している。ブランクホルダ２４ａ及び付勢部材２４ｃは、パンチ２１と一体に変位される。付勢部材２４ｃは、例えばコイルバネ等により構成されており、ブランクホルダ２４ａをダイホルダ２４ｂに向けて付勢するものである。すなわち、拘束手段２４は、パンチ２１がダイ２２に向けて変位された際に、パンチ２１とダイ２２との間に配置された蓋体１を環状突部２３の外周側において拘束（挟持）するものである。

次に、図４の安全弁製造装置を用いた安全弁製造方法について説明する。図１〜図３に示す安全弁２を蓋体１に形成する場合、図４の（ａ）〜（ｄ）に示す第１〜第４コイニング工程を順に行う。

第１コイニング工程では、最も大きな先端幅を有する環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２が用いられ、側壁部１１及びフランジ部１２が設けられた状態の蓋体１がパンチ２１とダイ２２との間に配置された後に、パンチ２１がダイ２２に向けて変位される。これにより、環状突部２３の外周側において蓋体１が拘束手段２４により拘束されつつ、蓋体１の両面（表面及び裏面１３，１４）に対して環状突部２３が同時に押付けられる。

この第１コイニング工程により、図３に示す第１段部３０ｂが形成される。ここで、第１段部３０ｂの形成により肉余りが生じるが、環状突部２３の外周側において蓋体１が拘束手段２４により拘束されているので、肉余りは第１段部３０ｂの内周側にのみ逃げる。すなわち、第１段部３０ｂの形成により生じた肉余りは、第１段部３０ｂの内周側の板面が、増肉されつつ、パンチ２１及びダイ２２の中央凹部２５内で曲げ変形されることで、吸収される。これにより、第１段部３０ｂの形成により生じた肉余りが第１段部３０ｂの外周側の板面に作用することが防止され、蓋体１の外形が変形することを防止できる。

第２コイニング工程では、第１コイニング工程で用いられた環状突部２３よりも小さな先端幅の環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２が用いられ、第１段部３０ｂの底部に対して環状突部２３が押付けられることで第２段部３０ｃが形成される。この第２段部３０ｃの形成により生じる肉余りについても、第２段部３０ｃの内周側の板面が増肉及び曲げ変形されることで吸収される。

同様に、第３コイニング工程では、第２コイニング工程で用いられた環状突部２３よりも小さな先端幅の環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２が用いられ、第２段部３０ｃの底部に対して環状突部２３が押付けられることで第３段部３０ｄが形成される。また、第４コイニング工程では、第３コイニング工程で用いられた環状突部２３よりも小さな先端幅の環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２が用いられ、第３段部３０ｄの底部に対して環状突部２３が押付けられることで最薄部３０ａが形成される。これら第３段部３０ｄ及び最薄部３０ａの形成により生じる肉余りについても、第３段部３０ｄ及び最薄部３０ａの内周側の板面が増肉及び曲げ変形されることで吸収される。

すなわち、第１〜第４コイニング工程を通して、蓋体１をパンチ２１とダイ２２との間に配置して、互いに対向するようにパンチ２１及びダイ２２に設けられた環状突部２３を蓋体１の両面に同時に押し付けることにより、環状薄肉部３を蓋体１に形成される。このように、互いに対向するように設けられた環状突部２３を蓋体１の両面に対して同時に押し付けることにより環状薄肉部３が形成されるように構成することで、従来技術のように蓋体の片面に対して環状突部を押し付ける場合に比べて、１つの環状突部２３による蓋体１の加工量を小さくでき、１つの環状突部２３に掛る加工負荷を小さくできる。すなわち、ステンレス鋼製の金属板を用いて環状薄肉部３を形成する際、加工中の割れや加工硬化を抑制できるため、環状薄肉部３を精度良く成形できると共に、加工負荷をパンチ２１及びダイ２２に分散でき、金型の寿命を長くすることができる。また、先端幅が大きな順に複数組の環状突部２３を蓋体１の両面に押し付ける多段コイニングにより環状薄肉部３を形成するので、環状薄肉部３に最薄部３０ａ及び第１〜第３段部３０ｂ〜３０ｄを形成でき、第１〜第３段部３０ｂ〜３０ｄを利用して環状薄肉部３の品質検査の効率を向上できる。

次に、実施例を挙げる。本発明者は、公称板厚０．８ｍｍのＳＵＳ４３０の鋼板を素材として、プレス加工により側壁部１１及びフランジ部１２が設けられた状態の蓋体１に対して、図４に示す第１〜第４コイニング工程を施すことで、安全弁２を蓋体１に形成した。なお、環状薄肉部３の形状は長辺を１５ｍｍとし短辺を１０ｍｍとする長円形とし、最薄部３０ａの肉厚は０．０１５ｍｍとした。また、第１コイニング工程では、先端幅が１．５ｍｍの環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２を用い、第２コイニング工程では、先端幅が１．０ｍｍの環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２を用い、第３コイニング工程では、先端幅が０．５ｍｍの環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２を用い、第４コイニング工程では、先端が６０°の三角断面形状で先端Ｒを０．２Ｒとした環状突部２３が設けられたパンチ２１及びダイ２２を用いた。さらに、第１〜第４コイニング工程を通して、パンチ２１及びダイ２２の中央凹部２５の深さは、公称板厚分の０．８ｍｍとした。

このような条件において、第１〜第４コイニング工程における蓋体１の潰し率［％］を下記の表１に示す実施例Ａ〜Ｋように変更し、蓋体１の潰し率と金型の破損との関係を調べた。なお、潰し率［％］とは、各コイニング工程において蓋体１の板面をどの程度潰すかを示すものであり、｛（前工程の板厚−後工程の板厚）÷前工程の板厚｝×１００で求められる数値である。なお、第１コイニング工程の潰し率を求めるときの前工程の板厚は、素材として用いられる鋼板の公称板厚である。

表１の実施例Ａ，Ｅ〜Ｈ，Ｊ，Ｋに示すように、潰し率を７０％以下に抑えてコイニング工程を実施したところ、２０００ショット後にもパンチ２１及びダイ２２の環状突部２３にクラックは発生しないことが確認できた。これに対して、実施例Ｂ〜Ｄ，Ｉに示すように、蓋体１の潰し率が７０％を超えるコイニング工程を含む多段コイニングを実施すると、実施回数が２０００ショットに届く前に、潰し率が７０％を超えるコイニング工程のタイミングでパンチ２１の環状突部２３にクラックが発生することが判明した。従って、各コイニング工程における蓋体１の潰し率は７０％以下とすることが好ましい。なお、上述の条件にて形成した安全弁２は、割れが発生することなく所望の環状薄肉部３が得られ、０．６〜０．８ＭＰａの圧力範囲で安定して作動した。

このような電池の安全弁製造方法では、ステンレス鋼製の金属板からなる蓋体１をパンチ２１とダイ２２との間に配置して、互いに対向するようにパンチ２１及びダイ２２に設けられた環状突部２３を蓋体１の両面に同時に押し付けることにより、安全弁２の縁部を構成する環状薄肉部３を蓋体１に形成するので、従来技術のように蓋体の片面に対して環状突部を押し付ける場合に比べて、１つの環状突部２３による蓋体１の加工量を小さくでき、１つの環状突部２３に掛る加工負荷を小さくできる。これにより、環状薄肉部３を形成する際、加工中の割れや加工硬化を抑制できるため、環状薄肉部を精度良く成形できると共に、加工負荷をパンチ２１及びダイ２２に分散でき、金型の寿命を長くすることができる。

また、環状突部２３を蓋体１の両面に押し付ける際に、環状突部２３の外周側において拘束手段２４により蓋体１を拘束するので、環状薄肉部３を形成する際に生じる肉余りを環状突部２３の内周側のみに逃がすことができ、当該肉余りが蓋体１の外形に影響を及ぼすことを回避できる。

さらに、パンチ２１及びダイ２２の組毎に先端幅が異なる複数組の環状突部２３を用い、先端幅が大きな順に蓋体１の両面に環状突部２３を押し付ける複数のコイニング工程により環状薄肉部３を形成するので、１つの環状突部２３に掛る加工負荷をさらに小さくでき、金型の寿命をさらに向上できる。また、外周側板面１０から最薄部３０ａに向けて徐々に肉厚が薄くされた複数の段部３０ｂを環状薄肉部３に設けることができ、この段部３０ｂを利用して最薄部３０ａの位置を容易に特定でき、環状薄肉部３の厚みを検査する品質検査の効率を向上できる。

さらにまた、各コイニング工程における蓋体１の潰し率を７０％以下とするので、パンチ２１及びダイ２２の環状突部２３に破損が生じる可能性をさらに低減でき、金型の寿命をより確実に長くできる。

また、このような電池の安全弁製造装置では、電池の電池ケースを構成するステンレス鋼製の蓋体１を拘束手段２４により環状突部２３の外周側において拘束しつつ、先端幅が大きな順に蓋体１の両面に対して環状突部を同時に押し付けることにより、安全弁２の縁部を構成する環状薄肉部３を蓋体１に形成するように構成されているので、上述の電池の安全弁製造方法と同様に、環状薄肉部３を形成する際に生じる肉余りが蓋体１の外形に影響を及ぼすことを回避しつつ、環状薄肉部３を形成する際、加工中の割れや加工硬化を抑制できるため、環状薄肉部３を精度良く成形できると共に、加工負荷をパンチ２１及びダイ２２に分散でき、金型の寿命を長くすることができる。

また、このような電池の安全弁２では、環状薄肉部３は、互いに対向する環状突部が電池の電池ケースを構成するステンレス鋼製の金属板の両面に同時に押し当てられるプレス加工により、蓋体１の両面に形成された一対の凹部から構成され、屈曲部４は、環状薄肉部３の内周側に設けられ、プレス加工の作用により板厚方向に沿って曲げ変形されているので、当該安全弁２を形成する際に、加工中の割れや加工硬化を抑制できるため、環状薄肉部３を精度良く成形できると共に、環状薄肉部３を形成する際の加工負荷をパンチ２１及びダイ２２に分散でき、金型の寿命を長くすることができる。

また、環状薄肉部３には、環状薄肉部３内において肉厚が最も薄くされた最薄部３０ａと、外周側板面１０から最薄部３０ａに向けて徐々に肉厚が薄くされた第１及び第３段部３０ｂ〜３０ｄとが設けられているので、段部３０ｂを利用して最薄部３０ａの位置を容易に特定でき、環状薄肉部３の厚みを検査する品質検査の効率を向上できる。

１ 蓋体（金属板）
２ 安全弁
３ 環状薄肉部
４ 屈曲部
１０ 外周側板面
２０ 安全弁製造装置
２１ パンチ
２２ ダイ
２３ 環状突部
２４ 拘束手段
３０ 凹部
３０ａ 最薄部
３０ｂ〜３０ｄ 第１〜第３段部

Claims (5)

1. 電池の電池ケースを構成するステンレス鋼製の金属板（１）をパンチ（２１）とダイ（２２）との間に配置して、互いに対向するように前記パンチ（２１）及びダイ（２２）に設けられた環状突部（２３）を前記金属板（１）の両面に同時に押し付けることにより、安全弁（２）の縁部を構成する環状薄肉部（３）を前記金属板（１）に形成することを特徴とする電池の安全弁製造方法。
2. 前記環状突部（２３）を前記金属板（１）の両面に押し付ける際に、前記環状突部（２３）の外周側において拘束手段（２４）により前記金属板（１）を拘束することを特徴とする請求項１記載の電池の安全弁製造方法。
3. 前記環状薄肉部（３）の形成は、前記パンチ（２１）及びダイ（２２）の組毎に先端幅が異なる複数組の環状突部（２３）を用い、前記先端幅が大きな順に前記環状突部（２３）を前記金属板（１）の両面に同時に押し付ける複数のコイニング工程により行うことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電池の安全弁製造方法。
4. 各コイニング工程における前記金属板（１）の潰し率を７０％以下とすることを特徴とする請求項３記載の電池の安全弁製造方法。
5. 複数組のパンチ（２１）及びダイ（２２）と、
   互いに対向するように前記パンチ（２１）及びダイ（２２）に設けられ、前記パンチ（２１）及びダイ（２２）の組毎に異なる先端幅を有する複数組の環状突部（２３）と、
   各パンチ（２１）及びダイ（２２）の前記環状突部（２３）の外周側に配置された拘束手段（２４）と
   を備え、
   電池の電池ケースを構成するステンレス鋼製の金属板（１）を前記拘束手段（２４）により前記環状突部（２３）の外周側において拘束しつつ、前記先端幅が大きな順に前記金属板（１）の両面に対して前記環状突部（２３）を同時に押し付けることにより、前記安全弁（２）の縁部を構成する環状薄肉部（３）を前記金属板（１）に形成するように構成されていることを特徴とする電池の安全弁製造装置。

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