JP2018167352A

JP2018167352A - 金型

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Publication number: JP2018167352A
Application number: JP2017066017A
Authority: JP
Inventors: 武史久津輪; Takeshi Kutsuwa; 英二松本; Eiji Matsumoto; 哲也山▲崎▼; Tetsuya Yamazaki; 航志湯浅; Koshi Yuasa
Original assignee: Yasunaga Corp
Current assignee: Yasunaga Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2018-11-01
Also published as: WO2018180790A1

Abstract

【課題】優れた耐久性を備え、貫通孔形成に関するコストを低減することができる金型を提供すること。【解決手段】厚み５〜４０μｍの金属箔に対して複数の貫通孔を形成するための金型であって、硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなり、前記複数の突出部の表面を覆う被覆層と、を有すること。【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池等の電極に用いられる集電箔に対して貫通孔を形成するための金型に関する。

従来から、二次電池の電極に用いられる集電箔に対して、多数の貫通孔を形成することが知られている。例えば、特許文献１においては、多数の微細突起が表面に形成された成形ロール及び受けロールの間に金属箔を挟持させ、２つのロールを回転させることによって当該金属箔を２つのロール間を通過させて貫通孔を形成している。

一方で、被接触物に対して貫通孔を形成するための一般的な金型としては、略平板状であってその表面に複数の突起（凹凸）が形成された金型も知られている。例えば、特許文献２には、一般的な電鋳技術を用いて、所要の凹凸パターンを表面に備える金型の製造方法が開示されている。

特許５９５３５９７号公報特開２０１３−１４２１９２号公報

しかしながら、金型の突起を被接触物に接触させて貫通孔を形成すると、突起と被接触物との間に生じる摩擦力等により、当該突起が摩耗することになる。特に、突起の先端部分の摩耗が激しく、突起が摩耗することによって被対象物に対する貫通孔形成の精度が悪化することになる。また、金型の突起が摩耗すると金型自体を交換する必要があり、金型のコスト、及びメンテナンス費用が増加することになる。このため、金属箔への貫通孔形成自体のコスト低減を図るためにも、金型の耐久性が強く要求されている。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた耐久性を備え、貫通孔形成に関するコストを低減することができる金型を提供することにある。

上述した目的を達成するため、本発明の第１の態様は、厚み５〜４０μｍの金属箔に対して複数の貫通孔を形成するための金型であって、硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなり、前記複数の突出部の表面を覆う被覆層と、を有することである。

第１の態様に係る金型は、硬度ＨＶ６５０以下の金属から形成されているため、全体としての厚みを５００μｍ程度にすることができ、反りが防止されている。複数の突出部の表面に、突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなる被覆層が形成されているため、金属箔に開口を形成するための加工面がより硬度な材料によって覆われることになり、突出部の摩耗を防止することができ、金型自体の耐久性をより向上させることができる。また、突出部と被覆層との密着性を向上させることができ、金型の使用時における被覆層の剥離を防止することができる。

本発明の第２の態様によれば、上記本発明の第１の態様において、前記平板部の表面における前記突出部の形成密度は１６個／ｍｍ^２以上であることである。これにより、金属箔の一定の領域に対して多数の貫通孔を形成する場合であっても、金属箔の一定の領域に対して金型の接触する回数が低減されることになり、より多くの貫通孔が同時に形成され、二次電池の集電箔としての信頼性を維持することができる。

本発明の第３の態様によれば、上記本発明の第１又は２の態様において、前記突出部の高さは前記金属箔の厚みの１．５倍以上であることである。これにより、厚み５〜４０μｍの金属箔に対して形成される貫通孔の開口径が１０μｍ程度を維持することができ、当該金属箔を二次電池の集電箔に使用する場合には、当該貫通孔を介して電解液をスムーズに通すことができ、二次電池の性能を向上することができる。

本発明の第４の態様によれば、上記本発明の第１乃至３のいずれかの態様において、前記金属箔を２つの金型によって挟む際に、一方の金型の前記突出部に対して対向する位置に陥没した受け部が形成されていることである。これにより、２つの金型によって金属箔を挟むことによって貫通孔を形成する場合であっても、一方の金型の突出部が他方の金型に接触することが防止され、金型の突出部の摩耗を防止することができる。

本発明によれば、優れた耐久性を備え、貫通孔形成に関するコストを低減することができる金型を提供することができる。

実施例に係る金型の斜視図である。実施例に係る金型の正面図である。実施例に係る金型の使用状態を示す概略図である。実施例に係る金型の突起部の拡大側面図である。図２における線Ｖ-Ｖに沿った金型の拡大断面図である。変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の金型について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例及び変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明に係る金型を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部分の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例及び変形例で用いる一部の数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。

＜実施例＞
先ず、図１乃至図５を参照し、本実施例に係る金型及びその使用状態について詳細に説明する。ここで、図１は、本実施例に係る金型の斜視図であり、図２は、本実施例に係る金型の正面図である。また、図３は、本実施例に係る金型の使用状態を示す概略図である。更に、図４は、本実施例に係る金型に形成された突起部の拡大側面図である。そして、図５は、図２における線Ｖ-Ｖに沿った金型の拡大断面図である。

図１及び図２から分かるように、本実施例に係る金型１０は、直方体状の平板部１１、平板部１１の第１表面１１ａ側に形成された複数の突起部１２、平板部１１の第１表面１１ａ側に形成された複数の受け部１３を有している。ここで、突起部１２は、平板部１１の第１表面１１ａから突出し、被加工物を貫通する部分となる。一方、受け部１３は、平板部１１の第１表面１１ａから陥没した開口である。なお、本実施例に係る金型１０において、平板部１１の第２表面１１ｂは、金型１０を担持するための治具を取り付けるために平坦な形状を備えているが、各種の治具又は支持部材を接続するために凹凸等が形成されていてもよい。

また、図１及び図２に示すように、本実施例に係る金型１０は、平板部１１の第１表面１１ａ上に被覆層２０が積層されている。すなわち、金型１０の突起部１２及び受け部１３の表面、並びにその他の平坦な表面は、被覆層２０によって被覆されている。

図３に示すように、被加工物である金属箔３０に複数の貫通孔を形成する場合には、本実施例に係る金型１０を２つ準備し、準備した２つの金型１０によって金属箔３０を挟むことになる。従って、一方の金型１０の突起部１２に対して対向する位置に、他方の金型１０の受け部１３が配置されることになる。換言するならば、平板部１１の第１表面１１ａには、金属箔３０を２つの金型１０によって挟む際に、一方の金型１０の突起部１２に対して対向する位置に陥没した受け部１３が形成されていることになる。そして、金属箔３０を２つの金型１０によって挟むことにより、突起部１２と金属箔３０が接触して、金属箔３０に複数の貫通孔が同時に形成されることになる。なお、図３においては、説明及び図示の便宜用の上ため、平板部１１の第１表面１１ａ上に形成されている被覆層２０は省略している。

本実施例に係る金型１０の加工対象は、厚みが５〜４０μｍの金属箔３０である。当該金属箔３０は、例えば、二次電池の集電箔に使用されるものである。また、金属箔３０としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル（これらの合金含む）又はステンレス等が用いられることになる。

金型１０（被覆層２０以外の部分）は、突起部１２及び受け部１３に対応する凹凸が形成された樹脂材料からなる母型に対して、一般的な電鋳技術を施して形成される。このため、平板部１１及び突起部１２は、同一の金属によって一体的に形成されている。金型１０は、強度の観点からその厚みが約５００μｍになること、及び金型１０自体の反りを考慮して、硬度ＨＶ６５０以下の金属から形成されている。すなわち、硬度ＨＶ６５０を超える金属については、金型１０の形状等を考慮すると、本実施例に係る金型１０の構成部材として用いることができない。本実施例においては、ニッケル及びコバルトを所望の混合比で合成したものを電鋳材料として使用し、ＨＶ６００（公称値）のニッケルコバルト合金（ＮｉＣｏ）から金型１０が形成されている。なお、当該電鋳材料は、形成される金型１０の硬度がＨＶ６５０以下であれば、ニッケル、銅、鉄、又はニッケルモリブデン合金（ＮｉＭｏ）等の他の金属を単体又は混合して使用してもよい。

また、図１及び図２に示すように、突起部１２はマトリックス状（４行×４列）に並んで合計１６個形成されている。同様に、受け部１３も、マトリックス状（４行×４列）に並んで合計１６個形成されている。そして、突起部１２と受け部１３とは、一方向（図２における長手方向）において、交互に配設されている。このような形状から、本実施例においては、金属箔３０を２つの金型１０によって挟むと、合計３２個の貫通孔が同時に形成されることになる。

ここで、突起部１２同士の間隔、及び受け部１３同士の間隔は、２５０μｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以下であることがより好ましい。すなわち、突起部１２及び受け部１３の形成密度は、１６個／ｍｍ^２以上であることが好ましく、１００個／ｍｍ^２以上であることがより好ましい。ここで、金属箔３０を二次電池の集電箔に使用する場合には、より多くの貫通孔が形成されていることが望ましくなるが、金属箔３０の一定の領域を２つの金型１０によって複数回挟むことによって貫通孔を多数形成すると、金属箔３０にシワができやすく、結果破れやすくなってしまう等、集電箔としての信頼性が低下することになる。また、金属箔３０を金型１０によって挟む際の位置決め精度が低いと、金属箔３０に形成される貫通孔の間隔が異なり、場合によっては隣接する貫通孔同士が連通する恐れがある。このために、本実施例においては、突起部１２及び受け部１３の形成密度は、１６個／ｍｍ^２以上とすることにより、金属箔３０の一定の領域を２つの金型１０によって挟む回数を低減しつつも、より多くの貫通孔を同時に形成し、集電箔としての信頼性を維持できるようにしている。

なお、突起部１２及び受け部１３の数量及び配置関係は、上述した内容に限定されることなく、金属箔３０に形成する貫通孔の数量及び形成箇所に応じて適宜変更することができる。例えば、突起部１２及び受け部１３を、図２の短辺方向においても交互に配置するようにしてもよい。

更に、突起部１２の高さは、被加工物である金属箔３０の厚みの１．５倍以上であることが好ましく、２〜３倍とすることがより好ましい。ここで、突起部１２の高さは金属箔３０の厚みによって調整されるものの、金属箔３０を二次電池の集電箔に使用する場合には、突起部１２の高さを２０μｍ以上とすることが特に好ましくなる。このように設定する理由としては、金属箔３０を二次電池の集電箔に使用する場合には、電解液をスムーズに通すために、集電箔に形成された貫通孔の開口径が１０μｍ程度になることが望ましくなるためである。

図４に示すように、突起部１２は、平板部１１側に位置する突出部１２ａ、及び突起部１２の先端に位置し且つ凸曲面状をなす頂部１２ｂから構成されている。突出部１２ａの形状は円錐台状であり、頂部１２ｂの形状は半球状である。なお、図４においては、図示及び説明の便宜上のため、被覆層２０を省略している。

突出部１２ａは、平板部１１の第１表面１１ａに直交する方向に対して傾斜している傾斜側面１２ｃを含んでいる。第１表面１１ａに直交する方向に対する傾斜側面１２ｃの傾斜角度（以下、抜き勾配とも称する）θは、５度以上（例えば、９度）としても良い。このような傾斜角度θを設定することにより、２つの金型１０によって金属箔３０を挟み且つ貫通孔を形成した後に、２つの金型１０を互いに離間するように移動することで、金型１０から金属箔３０を容易に取り外すことができる。換言すると、厚みが５〜４０μｍの金属箔３０に対して、傾斜側面１２ｃの傾斜角度が５度以上に設定することにより、金属箔３０を引き破った突起部１２を金属箔３０から引き抜く際に、突起部１２が金属箔３０に引っかかることが低減される。このような突起部１２の引っかかりが低減されることにより、金属箔３０の破れが防止され、更には傾斜側面１２ｃの摩擦損傷が防止されることになり、金型１０の耐久性向上につながることになる。

また、突出部１２ａの上面の直径２ｒ（すなわち、頂部１２ｂの直径２ｒ）は、被加工物である金属箔３０の厚みの５０％以上としても良い。すなわち、本実施例における金属箔３０の最小厚みは５μｍであるため、突出部１２ａの上面の直径２ｒは２．５μｍ以上となる。ここで、突出部１２ａの上面の直径２ｒと、被加工物である金属箔３０の厚みとの関係は、突出部１２ａの上面の表面積が５μｍ^２以上であることと同義である。これは、突出部１２ａの上面の直径２ｒは２．５μｍ以上であることから、突出部１２ａの上面の最小表面積を算出した結果に基づいている。

このような突出部１２ａの上面の直径２ｒを設定することにより、厚みが５〜４０μｍの金属箔３０に対して、突出部１２ａの先端（すなわち、頂部１２ｂの形成面側）の摩耗が防止されることになる。なお、突出部１２ａを形成するための精度（母型の形成精度）を考慮すると、突出部１２ａの上面の表面積が２０μｍ^２以上であることがより好ましい。

頂部１２ｂは、突出部１２ａの上面に形成されているものの、頂部１２ｂと突出部１２ａとの間には段差が存在していない。すなわち、突出部１２ａの傾斜側面１２ｃに対して、頂部１２ｂの凸曲面が平滑に連続している。このような頂部１２ｂの形状により、頂部１２ｂの直径２ｒは突出部１２ａの上面の直径２ｒと同一であり、頂部１２ｂは直径２．５μｍ以上の半球体となる。ここで、突起部１２が金属箔３０を突き破る際には、突起部１２の先端に係る力は、突起部１２の延在方向（すなわち、第１表面１１ａに直交する方向）生じるだけでなく、金属箔３０が伸びる力とシワが形成される力とが複雑に作用し、突起部１２の延在方向に直交する方向にも力が生じることになる。このため、上記のような半球状の頂部１２ｂを設け、金属箔３０の加工時における突起部１２の先端にかかる応力を分散させ、突起部１２の摩耗を防止することが図られている。

図５に示すように、受け部１３である開口の形状は、突起部１２に対応しており、円錐台部及び半球部から構成された形状である。ただし、受け部１３の寸法は、突起部１２と比較して全体的に大きくなっている。これは、被加工物である金属箔に貫通孔を形成する際に、受け部１３に対する他の金型の突起部の接触を防止するためである。このような受け部１３の形状及び寸法により、金属箔３０の加工時においても、一方の金型１０の突起部１２が他方の金型１０の受け部１３に接触することがなくなり、突起部１２の破損が防止され、金型１０自体の寿命向上を図ることができる。

なお、受け部１３の形状は、上述したものに限定されることなく、他の金型の突起部が接触しないようにすることができれば他の形状であってもよい。例えば、本実施例の場合でれば、受け部１３の形状を円柱状にしてもよい。

更に、図５に示すように、本実施例に係る金型１０は、第１表面１０ａ上に被覆層２０が形成されている。すなわち、金型１０においては、平板部１１の平坦な面（突起部１２及び受け部１３の非形成面）、突起部１２の表面（傾斜側面１２ｃ及び頂部１２ｂの凸曲面）、及び受け部１３の表面は、被覆層２０によって保護されている。例えば、被覆層２０の層厚は、数μｍであるが、金属箔３０の材料、厚みや被覆層２０の材料に応じて適宜変更することができる。

被覆層２０は、平板部１１及び突起部１２の材料と同一の金属を主材料とし、且つ平板部１１及び突起部１２の材料よりも高い硬度を備える合金から構成されている。例えば、平板部１１及び突起部１２がニッケルコバルト合金である場合には、ニッケルを主材料とする合金としてニッケルボロン（ＮｉＢ）合金を用いて被覆層２０を形成してもよい。この場合に、被覆層２０は無電解メッキによって第１表面１１ａ上に形成されることになる。

平板部１１及び突起部１２の材料と同一の金属を主材料として被覆層２０を形成することにより、電鋳材料（すなわち、平板部１１及び突起部１２）と積層材料（すなわち、被覆層２０）との密着性を向上させることができ、金型１０の使用時における被覆層２０の剥離を防止することができる。また、金型１０自体の加工面が、より硬度な材料の被覆層２０によって覆われていることにより、突起部１２の摩耗を防止することができ、金型１０自体の耐久性をより向上させることができる。

本実施例に係る金型１０の製造方法の一例を以下に説明する。先ず、母型となる材料に対して公知の技術によって、突起部１２及び受け部１３に対応する凹凸を当該材料の表面に形成する。凹凸の形成方法としては、例えば、材料表面を切削等の機械的加工であってもよく、エッチング等の化学的加工であってもよく、レーザ照射によるものであってもよい。なお、当該凹凸は、上述した突起部１２及び受け部１３の各種形状及び寸法を実現できるように、非常に高精度且つ微細な加工が必要となる。

続いて、凹凸が形成された母型に一般的な電鋳技術を施して、当該母型に対応する金属の型（すなわち、平板部１１、突起部１２及び受け部１３が形成された状態の中間体）が形成される。そして、当該母型から当該型を離間し、当該型の表面（すなわち、第１表面１１ａ）に無電解メッキを施して、当該型の表面に被覆層２０を積層する。これにより、金型１０の製造が完了する。

電鋳材料としてニッケル（Ｎｉ）及びコバルト（Ｃｏ）を用い、積層材料としてニッケル（Ｎｉ）及びボロン（Ｂ）を用いてＮｉＣｏ＋ＮｉＢの金型１０を製造し、１５μｍのアルミ箔に対して複数の貫通孔を同時形成する耐久性実験を行った。

金型１０の耐久性は、本実施例同様、使用前後に突起部１２の高さ及び形状の変化を比較することによって評価した。表１に示すとおり、１２０万回使用後においても、使用前の９８．６％を維持しており、また、形状の変化も見られなかった。

(表１)

＜変形例＞
上記実施例においては、突起部１２が円錐台状の突出部１２ａ及び半球状の頂部１２ｂから構成されていたが、突起部の形状はこれに限定されることなく、例えば、図６乃至図８に示すような形状であってもよい。ここで、図６乃至図８は、変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。

図６に示すように、金型１０の変形例として、円錐台状の突起部３２が形成されてもよい。すなわち、上記実施例における頂部１２ｂがなく、突出部１２ａのみが形成されているものと同一である。このような場合であっても、突起部３２の傾斜側面の傾斜角度θを５度以上に設定しても良く、厚みが５〜４０μｍの金属箔３０に対して、突起部３２が金属箔３０に引っかかることが低減され、金属箔３０の破れの防止及び金型１０の耐久性向上を図ることができる。また、突起部３２の上面の表面積を２０μｍ^２以上に設定し、且つ突起部３２の上面の直径２ｒを被加工物である金属箔３０の厚みの５０％以上に設定しても良く、これによって突起部３２の先端の摩耗が防止されることになる。

また、図７に示すように、金型１０の他の変形例として、三角錐台状の突起部４２が形成されてもよい。すなわち、金属箔３０を突き破る部分の形状は円錐台に限定されることなく、各種の角錐台であってもよいことになる。このような場合であっても、突起部４２の傾斜側面の傾斜角度θを５度以上に設定しても良く、厚みが５〜４０μｍの金属箔３０に対して、突起部４２が金属箔３０に引っかかることが低減され、金属箔３０の破れの防止及び金型１０の耐久性向上を図ることができる。また、突起部４２の上面の面積を２０μｍ^２以上に設定しても良く、これによって突起部４２の先端の摩耗が防止されることになる。更に、複数の突起部４２のそれぞれが、三角錐台状の形状又はその他の角錐台状の形状を備える場合は、直線的な機械加工でも容易に突起部４２を形成することが可能となる。

更に、図８に示すように、金型１０の他の変形例として、四角錐体の側辺を面取りした形状を備える突起部５２が形成されてもよい。このような面取り加工を施すことにより、突起部５２の側面に尖った部分がなくなり、突起部５２自体の摩耗が防止されることになる。すなわち、図７に示すような角が存在する突起部４２と比較して、金型１０の更なる耐久性の向上が図られることになる。

なお、図７及び図８に示す変形例においても、凸曲面状をなす頂部を設けてもよい。これにより、金属箔３０の加工時に、突起部４２，５２の先端にかかる応力を分散することができ、突起部４２，５２の摩耗を更に防止することができる。また、上記実施例及び変形例においては、１つの金型に突起部及び受け部を形成していたが、一方の金型に突起部のみを形成し、他方の金型に受け部のみを形成し、これらの２つの金型を使用して金属箔３０に複数の貫通孔を同時に形成してもよい。

１０金型
１１平板部
１１ａ第１表面
１１ｂ第２表面
１２突起部
１２ａ突出部
１２ｂ頂部
１２ｃ傾斜側面
１３受け部
２０被覆層
３０金属箔

Claims

厚み５〜４０μｍの金属箔に対して複数の貫通孔を形成するための金型であって、
硬度がＨＶ６５０以下の金属からなる平板部と、
前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、
前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなり、前記複数の突出部の表面を覆う被覆層と、を有する金型。
前記平板部の表面における前記突出部の形成密度は、１６個／ｍｍ^２以上である請求項１に記載の金型。
前記突出部の高さは、前記金属箔の厚みの１．５倍以上である請求項１又は２に記載の金型。
前記平板部の表面には、前記金属箔を２つの金型によって挟む際に、一方の金型の前記突出部に対して対向する位置に陥没した受け部が形成されている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金型。