JP5623089B2

JP5623089B2 - 電池用封口板と前記封口板の製造方法及び製造金型

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Publication number: JP5623089B2
Application number: JP2010016966A
Authority: JP
Inventors: 啓藤井; 敏弘小田垣
Original assignee: FUJI SPRINGS CO., INC.
Current assignee: FUJI SPRINGS CO., INC.
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2014-11-12
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: JP2011154957A

Description

この発明は、厚板に薄膜成形による防爆弁を形成した電池用封口板と前記封口板の製造方法及び製造金型に関するものである。

電池用蓋（封口板）には、一般的に防爆弁が取り付けられている。特に、リチウムイオン電池などの密閉型２次電池には必須である。また、封口板は、製造コストを下げるため、薄膜をプレスにて一体成形する仕様が現在の主流になりつつある。

従来、このような封口板のプレスの方法として、例えば、特許文献１に示すものがある。
このものは、上金型（パンチ）と下金型（ダイ）にポケットと肉止めを形成した金型で封口板をプレスするというものである。
すなわち、プレスで印圧が進むと、平板であった基材が圧縮されて密度が高くなる部位と、応力により変形して増肉する部位ができる。そのため、基材に疎密な部分ができてメタルフローが波状的に起きるため、断面に微小割れを生じて内部破断（亀裂）を起こしてしまう。
そこで、このものでは、金型のポケットで弁部（薄膜部分）からの基材のメタルフローを収容し、そのポケットに収容したメタルフローを肉止めによりストップさせてポケットに吸収させる。こうすることで、基材の密度に疎密な部分ができにくいようにして、微小割れや内部破断が起きないようにしたものである。

特開２００６−３５１２３４号公報

しかしながら、上記のものでは、基材が厚板の場合、薄膜の成形が困難であるという問題がある。
例えば、厚さｔ＝０．８〜１．０ｍｍの薄板での薄膜成形は良好であるが、厚さｔ＝１．２〜２．０ｍｍの厚板では良好なメタルフローが得られず、亀裂が発生する。
これは、薄膜の成形初期に上金型（パンチ）の進入による亀裂が発生すると、薄膜部の余肉は外へ移動しにくくなる。次に、前記金型の印圧が掛かって、余肉を無理に移動させると、厚板の厚さのためにスムースな移動が困難となり、各部に更なる亀裂を生じる。このため、良好なメタルフローを実現できない。
このような単純な圧縮加工のみでは、均一化された薄膜成形は実現できず、例えば、図１３（ａ）、（ｂ）のように、薄膜１の中央部分の厚さが厚くなる傾向を強く示す（これは下金型（ダイ）の形状に関わらない）。また、金型にも多くの重負荷が生じ、破損のリスクが高くなる。
さらに、形状が外観上まとまっていたとしても良好なメタルフローは得られず、断面観察を行うと、例えば、図１４のように、至るところに亀裂２が発生する。

そのため、防爆弁を別パーツとして基材に溶接などで取り付ける方法が用いられているが、その取り付けは難しく、組み立て工数が増えるためコストアップになる問題があった。

そこで、この発明の課題は、厚板を基材として封口板に弁を成形した際に、内部の亀裂を排除できるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、基材をプレスにより薄膜に成形した弁部からの立ち上がりをテーパー形状に成形し、前記プレスによるメタルフローを弁部から外向きに移動させた構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、プレスにより凹設された弁部の立ち上がりをテーパー状に成形する際、弁部を押し広げるようにして成形する。そのため、押し広げた上部の余肉は、横方向へ移動するメタルフローを横方向と斜め上方（テーパーに沿って）へ向きを変えて移動させる。その結果、メタルフローの弁部（薄膜部）の外への移動を容易にする。このため、スムースな移動により亀裂を発生しにくい。また、このとき、弁部を形成する薄膜部分は、引っ張るように伸ばしながら圧縮を受けることになり、均一な薄膜を少ない負荷で成形することが可能となり、亀裂の無い連続したメタルフローを得ることができる。

また、このとき、上記弁部の周囲に、弁部成形時の余肉でもって突部を形成した構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、脆弱な弁部周辺を肉付けして保護及び補強することができる。

このとき、基材をプレスにより薄膜に成形して弁部を形成し、その際、弁部からの立ち上がりをテーパー形状に成形して、前記プレスによるメタルフローを弁部から外向きに移動させるという方法を採用することができる。

このような方法を採用することにより、弁部の余肉を、横方向と斜め上方（テーパーに沿って）へ向きを変え移動させて、メタルフローの弁部の外への移動を容易にする。また、このとき、弁部を形成する薄膜部分は、引っ張るように伸ばしながら圧縮を受けることになるため、均一な薄膜を少ない負荷で成形することが可能となり、亀裂の無い連続したメタルフローを得ることができる。

また、弁部を成形する上金型を基材に圧印する圧印部とその上方に形成された制動部の上下構造とし、弁の立ち上がりを成形する圧印部周囲のテーパー角度に対し、制動部周囲のテーパー角度を深くすることにより、成形時のメタルフローの移動スピードを緩やかにして、撓みの大きな基材に対応するようにした構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、撓みの大きな基材では、成形初期に上金型の圧印部が進入すると、圧印部は弁の立ち上がりを成形するテーパーにより、スムースに成形を始めることができるため亀裂を発生しない。次に、成形が進み基材が撓んで、テーパー角度の小さな圧印部を越えて上昇すると、その上昇を角度の大きな制動部のテーパーが押さえて強くブレーキをかけ、薄肉化するスピードを落としながら形状を整えて弁部の成形を行う。

また、このとき、上記圧印部周囲のテーパー角度に対し、制動部周囲のテーパー角度を浅くして成形時のメタルフローの移動スピードを落として成形するようにして撓みの少ない基材に対応するようにした構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、初期の成形時は制動部に比べてテーパー角度を深く（鈍角）した上金型の圧印部で加工を開始する。このとき、撓みの少ない基材では、成形と同時に余肉が横方向へスライドするように逃げ出す。すると、横方向の移動が促進されすぎて薄膜部周辺の肉量が不足するため、上方のテーパー角度の浅い（鋭角）制動部で余肉の移動速度を落とし、最終形状を整えて弁部の成形を行う。

この発明は、上記のような構成を採用したことにより、厚板を基材として亀裂の無い封口板を成形できる。

実施形態の斜視図実施形態の断面図実施形態の作用説明図実施形態の作用説明図（ａ）金型の外観図、（ｂ）実施形態の作用説明図（ａ）金型の外観図、（ｂ）実施形態の作用説明図（ａ）〜（ｄ）実施例１の断面図図７（ｃ）の作用説明図（ａ）〜（ｇ）実施例２の断面図（ａ１）〜（ｃ４）実施例３の断面図、平面図、一部切欠断面図、斜視図（ａ１）〜（ｃ２）実施例３の断面図、平面図、一部切欠断面図、斜視図（ａ１）〜（ｃ４）実施例３の断面図、平面図、一部切欠断面図、斜視図（ａ）従来例の断面図、（ｂ）従来例の断面図従来例の作用説明図

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
図１に、本願発明の封口板１０を示す。但し、図１のものは、補助成形による刻印などを成形していないものである。

前記封口板１０は、厚みｔ１．２〜２．０のアルミ合金製の厚板を基材１１として成形したもので、周囲にフランジを設けて大型の電池ケース（例えば、電気自動車、ハイブリッド自動車の車載用）の開口に接合できるようにしたものである。
そのため、前記封口板１０は、図２に示すように、基材１１をプレスにより薄膜に成形した弁部１２の立ち上がり１３をテーパー形状に成形して亀裂の発生を無くしたものである。
この成形には、スムースな余肉の移動が重要であり、図３に示すように、先端にテーパーを形成した上金型（パンチ）２０によって、両側へ押し広げる（押し出す）イメージの成形を行う。
このような成形を行うと、メタルフローを弁部１２から外向きに容易に移動できる。例えば、図３の黒い矢印のように、押し広げた余肉の上部で横方向へ移動するメタルフロー１６を横方向と斜め上方（テーパーに沿って）へ向きを変えて移動させる。このように、余肉の向きを変えることで、弁部１２から外向きに移動させることが容易にできる。
また、このとき、弁部１２の薄膜は、引っ張るように伸ばしながら圧縮を受けることになり、均一な薄膜を少ない負荷で成形することが可能である。
その結果、図４に示す通り、安定した薄膜成形が可能となり、破断の無いメタルフロー１６が得られるのである。
このように、弁部１２の立ち上がりをテーパー形状に成形することにより、内部の亀裂を排除した封口板１０と防爆弁を厚板に一体式で成形できる。

次に、上記封口板１０を成形する金型と製造方法について述べる。
基材（元材）１１は、厚みが、１．４ｍｍ程度を境にして、薄膜成形時の衝撃による撓みに変化がある。そのため、金型は、基材の厚さを考慮せずに同じ形状のものを使用すると、１．４ｍｍ程度を境として、成形の安定性と金型の耐久性を両立させることができないことがわかった。
そのため、基材１１の厚みが、１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの場合と、１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの場合に分けて、使用する金型とその作用について説明する。

図５（ａ）は、基材（元材）１１の厚みが１．０ｍｍ〜１．５ｍｍのものを成形する場合の上（パンチ）金型２０の形状を示す。
前記上金型２０は、基材１１に圧印する圧印部２１とその上部の制動部２２の上下構造となっており、弁部１２の立ち上がりを形成する圧印部２１のテーパー（鋭角）２１ａに対し、上方の制動部２２の側面のテーパー２２ａの角度を深く（鈍角）した構造となっている。

このような形状の上金型２０では、成形時の衝撃によって基材（板）１１が上側に変形することを利用する。
しかし、この場合、基材（板）１１の厚みは比較的薄いことから、その薄い分、基材１１の変化が速く、薄膜の範囲が想定より広がる。そのため、本来の電池の封口板（蓋）１０としての機能（強度面）が不足する。そこで、図５（ｂ）の（ハ）のように、側面のテーパー２２ａの鈍角の部分で強くブレーキをかけ、薄肉化するスピードを落としながら形状を整える。

すなわち、図５（ｂ）の（イ）の成形初期は、基材（板）１１への上金型２０の圧印部２１の進入になる。このとき、上金型２０の圧印部２１は、側面のテーパー２１ａの角度を鋭角としてあるので、スムースに基材１１へ進入し、亀裂を発生させることは無い。次に、余肉は、図５（ｂ）の（ロ）のように、基材（元材）１１の撓みを利用しながら斜め上方へ移動を開始する。
ところが、このままの成形では、スムース過ぎる余肉の移動により、逆に弁部（薄膜）１２の周囲の肉量まで不足する。そのため、封口板（蓋）１０自体の強度に影響が発生するばかりか、保護もできない状態となる。このとき、上金型２０の制動部２２が斜め上方へ移動する余肉と接触して余肉の進出を制止するのである。ここで、制動部２２は、圧印部２１のテーパー２１ａに対して僅かではあるが、鈍角となる角度を設けてある。その結果、余肉を完全にストップさせることはなく、余肉のスピードを規制して移動を緩やかにして成形を完了させる（図５（ｂ）の（ハ））。
このように余肉のスピードを制動部２２のテーパー２２ｂの角度でもって遅らせるようにしたので、成形の安定性と金型の耐久性を両立させることができる。

一方、基材（元材）１１の厚みが１．５ｍｍ〜２．０ｍｍのものを成形する場合に使用する金型は、図６（ａ）に示すように、図５（ａ）に示した上金型２０に比べて圧印部２１のテーパー（鈍角）２１ｂに対して、制動部２２のテーパー２２ｂの角度を浅くした（鋭角）形状となっている。

このような形状の上金型２０は、基材（元材）１１の厚みが１．５ｍｍ〜２．０ｍｍになると、図６（イ）のように、撓みも少なく、成形と同時に、図６（ロ）のように、余肉は横方向へスライドするように逃げ出す。この習性を利用して、成形の初期は、制動部２２に比べて角度の浅い鈍角の圧印部２１のテーパー２１ｂで成形を開始する。そして、加工硬化が進行するのにしたがって、図６（ハ）のように、圧印部２１に比べて角度の深い制動部２２のテーパー２２ｂで成形する。

つまり、成形初期は撓みが少ないため、そのまま横方向へ移動を始める余肉の習性を利用して、圧印部２１の鈍角のテーパー２１ｂで加工を開始し、移動を促進してやることでスムースな成形へと繋げるのである。
ここで、先の厚みが１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの場合と同様に、スムースな移動が促進され過ぎると、弁部（薄膜）１２の周辺の肉量が不足してしまう。そのため、途中でスピードを落とす必要がある。また、このとき、加工硬化も始まるので、成形途中からは上金型２０に対する負荷も増大する。
そこで、上金型２０のテーパー２１ｂの角度の深い圧印部２１からテーパー２２ｂの角度の浅い制動部２２へ途中から切り換えるのはこのためであり、厚さの増した基材（元材）１１を加工するのに必要な対策である。このような角度を採用すると、余肉の逃げ出すスピードも落ちて、図６（ｂ）の（ニ）のように、スムースに最終形状を整えることが可能になる。

この実施例１は、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、弁部１２の立ち上がり１３のテーパー形状を示すものである。
図７（ａ）は、基材１１の端面まで、テーパーを形成したものである。図７（ｂ）は、実施形態で述べたもので、テーパーを途中で垂直に切り替えたもの、図７（ｃ）は、テーパーの角度を途中で深く切り替えたものであるが、特に、図８に示すように、メタルフロー１６をテーパーにより沿わせることができるので、亀裂を生じ難いと考えられる。図７（ｄ）は、テーパーを途中でＲに切り替えたものである。
これらは、全て厚板に適用した際、亀裂を生じないと考えられる。

実施例２は、図９（ａ）〜（ｇ）に示すように、上金型２０と下金型３０の寸法の違ったものを使用して、厚板に成形を行ったもので、上下の金型２０、３０の寸法の違いが亀裂の発生に影響するかを検討したものである。
図９（ａ）は、上下金型２０、３０の寸法Ａ、Ｂが同じで、弁部１２の内外の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
図９（ｂ）は、上下金型２０、３０の寸法Ａ、Ｂが同じで、弁部１２の外側の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
図９（ｃ）は、図９（ａ）は、上下金型２０、３０の寸法をＡ＞Ｂとし、弁部１２の外側の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
図９（ｄ）は、上下金型２０、３０の寸法をＡ＞Ｂとし、弁部１２の内外側の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
図９（ｅ）は、上下金型２０、３０の寸法をＡ＜Ｂとし、弁部１２の内外側の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
図９（ｆ）は、上下金型２０、３０の寸法をＡ＜Ｂとし、弁部１２の外側の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
図９（ｇ）は、上金型２０のみで弁部１２の外側の立ち上がり１３をテーパーとしたものである。
いずれの場合も亀裂を生じないことが確認できた。

実施例３は、図１０〜図１２に示すように、厚板に亀裂を生じないように形成した弁部１２の周囲に、突部（リブ）４０を成形したものを示す。
このようにリブ４０を設けることで、脆弱な弁部１２周辺を肉付けして、弁部１２の保護と補強を行うものである。
図１０（ａ１）〜（ａ４）は、リブ４０を弁部１２の内側に設けたものである。
図１０（ｂ１）〜（ｂ４）は、リブ４０を弁部１２の外側の側部に設けたものである。
図１０（ｃ１）〜（ｃ４）は、（ｂ１）〜（ｂ４）のリブ４０を弁部１２から離して設けたものである。
図１１（ａ１）〜（ａ３）は、リブ４０を弁部１２の側部に沿って設けたものである。
図１１（ｂ１）〜（ｂ４）は、リブ４０を弁部１２の内外の全周に亘って設けたもので、全周に亘って設けたリブ４０を弁部１２から離し、かつ、リブ４０を分離したものである。
図１１（ｃ１）〜（ｃ２）は、図１１（ｂ１）〜（ｂ４）のリブ４０を弁部１２の外側のみに設けたものである。
図１２（ａ１）〜（ａ３）は、図１１（ｂ１）〜（ｂ４）のリブ４０を弁部１２に接近させて設けたものである。
図１２（ｂ１）〜（ｂ２）は、図１１（ｃ１）〜（ｃ２）のリブ４０を弁部１２に接近させて設けたものである。
図１２（ｃ１）〜（ｃ４）は、リブ４０を弁部１２の内外に全周に亘って設けたものである。

１０封口板
１１基材
１３立ち上がり
２０上金型
２１圧印部
２１ａテーパー
２１ｂテーパー
２２制動部
２２ａテーパー
２２ｂテーパー
４０リブ

Claims

基材（１１）をプレスにより薄膜に成形した弁部（１２）からの立ち上がりをテーパー形状に成形し、前記プレスによるメタルフローを弁部（１２）から外向きに移動させて弁部（１２）の成形を行う上金型（２０）を、基材（１１）に圧印する圧印部（２１）と、その上方に形成された制動部（２２）の上下構造とし、弁部（１２）の立ち上がりを形成する圧印部周囲のテーパー角度（２１ａ）に対し、制動部周囲のテーパー角度（２２ａ）を深くすることにより、成形時のメタルフローの移動を緩やかにして、撓みの大きな厚み１．０ｍｍ〜１．５ｍｍの基材（１１）に対応するようにした電池用封口板の製造金型。
基材（１１）をプレスにより薄膜に成形した弁部（１２）からの立ち上がりをテーパー形状に成形し、前記プレスによるメタルフローを弁部（１２）から外向きに移動させて弁部（１２）の成形を行う上金型（２０）を、基材（１１）を圧印する圧印部（２１）と、その上方に形成された制動部（２２）の上下構造とし、弁部（１２）の立ち上がりを形成する圧印部周囲のテーパー角度（２１ｂ）に対し、制動部周囲のテーパー角度（２２ｂ）を浅くして成形時のメタルフローの移動スピードを途中で落として成形するようにして、撓みの少ない厚み１．５ｍｍ〜２．０ｍｍの基材（１１）に対応するようにした電池用封口板の製造金型。