JP4958163B2 - アルカリ乾電池 - Google Patents

Description

本発明は、筒形アルカリ乾電池の封止技術に関する。

〈筒形アルカリ乾電池の全体概略構造〉
従来の筒形アルカリ乾電池の基本構造は、例えば特許文献１に記載されており、公知である。そこでは、図９に示すように、正極端子を兼ねる有底円筒状の外装缶１の内部（セル室Ｃ）に、正極２および負極４と、これらの間に配置されるセパレータ３と、負極４に挿入される釘状の負極集電棒５と、セパレータ３および正極２に含浸される電解液（図示せず）とを収容し、セル室Ｃ内の電解液が外部に漏れ出ないように外装缶１の開口端部１ａを封口した構成とされている。

〈外装缶の缶厚み〉
筒形アルカリ乾電池の一つである単三形アルカリ乾電池の外径はＪＩＳ規格では１3.５〜１4.５mmと定められているが、電池を使用する機器の電池ホルダの寸法が統一されていて、外径は１4.０±0.１mmが事実上の標準となっている。外径が制限されている中で、アルカリ乾電池の内容積（セル容積）を増やして放電容量のアップを図るには、外装缶の缶厚みを減らせば良い。しかし、アルカリ乾電池で一般に使用されているキルド鋼板（アルミキルド鋼板）製の外装缶の缶厚みを薄くすると、加工しにくくなったり、外装缶の輸送過程や電池組み立て時の搬送工程で外装缶が変形したりするなどの問題が起こりやすくなる。このため、現在国内で販売されている単三形アルカリ乾電池の外装缶の缶厚みは、最も薄いものでも0.１８mmとなっている。

〈封口部分の構造〉
筒形アルカリ乾電池における封口部分には、図１０に拡大して示すように、内圧の異常上昇防止用つまり防爆用の安全弁機構を有する樹脂製封口体６と、これを内周から支える支持手段１０７と、図中の上方に向けて凸状（ハット状）に形成された負極端子板（負極端子）２０７とが装着されている。このうち、樹脂製封口体６は、負極集電棒５を保持するボス部６１と、外装缶１の内周面と接する外周部６２と、一部に防爆用の薄肉部分（安全弁の作動点）６３ａが設けられてボス部６１と外周部６２とを連結する連結部６３とで構成されている。そして、電池の内圧つまりセル室Ｃ内の圧力が所定レベル以上に上昇したときに、連結部６３が例えば図中の鎖線で示すように膨張変形し、さらに内圧が上昇したときに図１１に示すように防爆用の薄肉部分６３ａが破断する（すなわち安全弁が作動する）ことにより、内圧を外部に逃がすようになっている。また、樹脂製封口体６は、セル室Ｃの上方を封鎖して電解液の漏出を防止するとともに、正極集電体となる外装缶１と負極集電体端子である負極端子板２０７との間を電気的に絶縁する。なお、図１０および図１１において符号１０７ｆおよび２０７ｆは、セル室Ｃ内で発生したガスを外部に放出するためのガス抜き孔をそれぞれ示している。

このような樹脂製封口体６は、これの外周部６２が支持手段１０７と外装缶１との間に位置した状態で外装缶１の開口端部１ａの周縁部分とともに内側に締め付けられてかしめられることによって、外装缶１の開口端部１ａ内に装着される（このような封口方法を、この明細書では「横締めによる封口」または「横締め封口」という）。その場合、かしめる力が弱ければ、最初のうちは電池内部の電解液（水酸化カリウムを主成分とする強アルカリ液）が漏れ出なかったとしても、その後の温度変化などによって封口体６と外装缶１との間の密着性が低下し、やがては電池内部の電解液が封口体６と外装缶１との境界部分から外部に浸み出してくる。そこで、従来の筒形アルカリ乾電池においては、封口体６を内周から支える支持手段１０７として、所要の厚み（通常、0.６〜0.７５mm程度）を有する金属ワッシャ（中央部に孔を有する円盤状の金属板）が使用されており、封口体６の外周部６２を締め付ける際にその内側から金属ワッシャでしっかりとバックアップすることによって、外装缶１の開口端部１ａとともに封口体６の外周部６２を外側から十分な力でかしめることができるようにしている。

特開平８−２２２１８９号公報

アルカリ乾電池を組み立てる際、先に述べたように樹脂製封口体６は、これに負極集電棒５や負極端子板２０７などを組み付けた後、外装缶１の開口端部１ａ内に挿入され、その状態で封口体６の外周部６２が外周から外装缶１、内周から金属ワッシャ（金属板）１０７により締め付けられて、かしめられることにより、外装缶１の開口端部１ａ内に装着される。このとき封口体樹脂が変形し、その弾性力で封口体６の外周部６２が外装缶１の内面に押し当てられて密着する。

ところが、連結部６３の厚みが比較的薄く、しかもその外周部６２側の部分とボス部６１側の部分との肉厚差があまり大きくない従来の封口体構造では、横締めによる封口時に封口体６あるいはその連結部６３が全体的に大きく変形し、連結部６３における防爆用の薄肉部分（安全弁の作動点）６３ａに負担がかかりすぎる、つまり当該薄肉部分６３ａに応力がかかり過ぎるという問題がある。

加えて、樹脂製封口体６を備えたアルカリ乾電池において、安全弁が正常に作動すると、内部のガスは金属ワッシャ１０７や負極端子板２０７に設けられたガス抜き孔１０７ｆ、２０７ｆを通って外部に抜ける。安全弁は、電池の内圧上昇により封口体６の連結部が上方に撓み、内圧が所定圧以上となったときに、連結部６３に設けられている防爆用の薄肉部分６３ａが剪断されることにより作動する。

しかし、従来の封口体構造によると、連結部６３の厚みが比較的薄く、しかもその外周部６２側の部分とボス部６１側の部分とであまり大きな肉厚差が無かったため、例えば短絡発熱時においては封口体樹脂が軟化し、その結果、安全弁が作動する前に連結部６３が伸びて金属ワッシャ１０７のガス抜き孔１０７ａを塞いでしまったり、また支持手段に金属ワッシャでは負極端子板２０７を使用した場合には負極端子板２０７に接触したりして、内部のガスがスムーズに抜けないという問題が生じる。さらに、過放電放置時には、安全弁が正常に作動せずに封口体６が破裂し、これに伴って内容物が飛散したり大きな破裂音が生じたりする。

本発明は、アルカリ乾電池において、横締め封口時に防爆用の薄肉部分に作用する応力を低減させることにより、安全弁として機能する当該薄肉部分の信頼性を向上させることを目的とする。
本発明の他の目的は、アルカリ乾電池において、樹脂製封口体の形状を変更することにより、安全弁が正常に作動するようにして、短絡発熱時や過放電放置時における安全性を向上させることにある。

〈請求項１に係る発明〉
樹脂製封口体の支持手段に負極端子板を使用したアルカリ乾電池において、これの横締め封口時に樹脂製封口体に設けられた防爆用の薄肉部分に負担がかかるのは、従来の封口体では、連結部の肉厚が防爆用の薄肉部分以外は比較的一様で、連結部に作用する応力を当該連結部全体で受ける構造となっており、結果的に防爆用の薄肉部分に応力が集中する構造となっていたからであると思われる。

そこで、本発明では、樹脂製封口体の支持手段に負極端子板を使用したアルカリ乾電池において、封口体の連結部に横締め封口時における応力の一部を吸収する相対的に薄肉状の応力吸収部を設けることより、防爆用の薄肉部分への応力集中を防止する。具体的には、本発明は、図１に示すように有底円筒状の外装缶１の内部に、正極２および負極４と、これらの間に配置されるセパレータ３と、電解液（図示せず）とを収容し、外装缶１の開口端部１ａ内に、樹脂製封口体６とこれを内周から支える支持手段とを装着して、外装缶１と支持手段とで樹脂製封口体６を締め付けることにより外装缶１の開口端部１ａを封口したアルカリ乾電池において、以下の構成としたものである。

すなわち、まず放電容量の増大を図るために、図２に拡大して示すように前記支持手段として、負極端子板を兼ねた１枚の金属板７（負極端子板７）を使用する。その上で、前記樹脂製封口体６については、負極４の中心部に挿入される負極集電棒５を保持するボス部６１と、前記負極端子板（支持手段７）によって内周から支えられて外装缶１の内周面と接する外周部６２と、ボス部６１と外周部６２とを連結する連結部６３とを具備した構成とする。この樹脂製封口体６の連結部６３には、前記ボス部６１側の付け根部分に防爆用の薄肉部分６３ａを設ける。そして、横締め封口時における防爆用の薄肉部分６３ａへの負担を軽減するために、連結部６３における前記外周部６２側の付け根部分に、外装缶１の開口端部１ａを封口すべく樹脂製封口体６を締め付けたときに前記防爆用の薄肉部分６３ａに応力が集中しないように当該連結部６３に作用する応力の一部を吸収する応力吸収部６３ｃを設ける。この応力吸収部６３ｃは、これの直ぐ内周側に位置する部分６３ｄに比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ前記内周側に位置する部分６３ｄとの間に段差を有するように形成する。

短絡発熱等による高温時や過放電放置時に樹脂製封口体における安全弁が正常に作動しないのは、安全弁が作動する前、すなわち連結部における防爆用の薄肉部分が破断する前に、封口体の連結部がドーム状に大きく膨らみ、その状態で金属ワッシャあるいは負極端子板（金属ワッシャを設けない場合）に接触してしまうからであると考えられる。つまり、本来ならば金属ワッシャあるいは負極端子板に接触する前に封口体の連結部における防爆用の薄肉部分が破断しなければならないのに、封口体の連結部の肉厚が全体的に比較的薄い等の形状上あるいは構造上の理由により連結部がドーム状に変形し、薄肉部分の破断が起こる前にドーム状となった連結部が破裂してしまうのである。

〈請求項２、３に係る各発明〉
請求項２および３に係る各発明は、安全弁の信頼性をより一層向上させようとするものである。すなわち、前記のようなボス部６１と外周部６２と連結部６３とを具備した樹脂製封口体６を有するアルカリ乾電池において、樹脂製封口体６の連結部６３における前記ボス部６１側の付け根部分に、これを取り囲んでいる直ぐ外側の第１肉厚部分６３ｂに比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ第１肉厚部分６３ｂとの間に段差を有するように形成された防爆用の薄肉部分６３ａを設けたこと、および連結部６３における前記外周部６２側の付け根部分に、外装缶１の開口端部１ａを封口すべく樹脂製封口体６を締め付けたときに前記防爆用の薄肉部分６３ａに応力が集中しないように当該連結部６３に作用する応力の一部を吸収する応力吸収部６３ｃを設け、この応力吸収部６３ｃを、これの直ぐ内周側に位置する第２肉厚部分６３ｄに比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ第２肉厚部分６３ｄとの間に段差を有するように形成したことを特徴とするものである。

この場合、第１肉厚部分６３ｂの肉厚を0.４〜0.５mmとし、第２肉圧部分６３ｄの肉厚を第１肉厚部分６３ｂの肉厚の2.５〜3.０倍に設定するのが望ましい（請求項３）。樹脂製封口体６の支持手段に負極端子板７を使用した単三形アルカリ乾電池においては、封口体６の連結部６３が負極端子板７に接触するまでの撓み量（変位量）は1.２mmである。樹脂製封口体（例えば６，６ナイロン製封口体）６において、第１肉厚部分６３ｂおよび第２肉厚部分６３ｄの各肉厚を前記のように比較的厚目に設定しておくと、温度１５０〜２００℃の条件で連結部６３の撓み量を1.２mm以下、連結部６３の内部応力を１００mmＮｓ（従来構造の約６０％）以下にすることができる。これにより、高温時（１５０〜２００℃）に防爆用の薄肉部分６３ａが破断する前に封口体６がドーム状に膨らんで負極端子板７に接触したり過放電放置時に封口体６が破断したりする事態を防止できる。

本発明のアルカリ乾電池においては、以下に述べるように、樹脂製封口体６の形状ないし構造を改良したことによって、封口体６の連結部６３に設けた防爆用の薄肉部分６３ａにより構成される安全弁を確実かつ正常に作動させることができ、その信頼性や安全性を高めることができる。

まず、図２に示すように、封口体６の連結部６３における外周部６２側の付け根部分に応力吸収部６３ｃを設け、この応力吸収部６３ｃで、横締め封口時に連結部６３に作用する応力の一部を吸収するようにしたことにより、横締め封口時における防爆用の薄肉部分６３ａへの応力集中を防止できる。これにより、安全弁の作動圧が変動することを抑制でき、そのぶんだけ安全弁の信頼性を高めることができる。

次に、封口体６の連結部６３におけるボス部６１側の付け根部分に、これを取り囲んでいる直ぐ外側の部分（第１肉厚部分）６３ｂに比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ前記第１肉厚部分６３ｂとの間に段差を有するように形成された防爆用の薄肉部分６３ａを設けたことにより、短絡高温時や過放電放置時において当該薄肉部分６３ａが確実に剪断されるようになる。すなわち、短絡時の発熱による封口体樹脂の軟化と電池内圧の上昇とにより連結部６３の変形が起きる場合には、防爆用の薄肉部分６３ａに応力が集中することにより、連結部６３のドーム状変形による負極端子板７への接触が起こる前に薄肉部分６３ａが剪断破壊されて内圧が開放される。また、過放電放置時には発熱による封口体樹脂の軟化は生じないが、内圧の上昇により連結部６３に応力が作用するから、この場合も上記の薄肉部分６３ａへの応力集中により、連結部６３の破断が起こる前に薄肉部分６３ａが剪断破壊されて内圧が開放される。こうして短絡高温時や過放電放置時に安全弁が正常の作動することにより、封口体６の連結部６３が破裂することなく内圧が開放されるから、連結部６３の破裂により生じる内容物の飛散や破裂音の発生を防止することができる。

特に、封口体６の連結部６３における第１肉厚部分６３ｂから第２肉厚部分６３ｄに至る部分を、前者から後者に行くに従って肉厚が連続的に厚くなるように形成し、第１肉厚部分６３ｂの肉厚を0.４〜0.５mm、第２肉圧部分６３ｄの肉厚を第１肉厚部分６３ｂの肉厚の2.５〜3.０倍とした場合には、このような連結部６３の厚肉形状と、第１肉厚部分６３ｂとの間に所定の段差を有する防爆用の薄肉部分６３ａの構造とが相まって、高温短絡時や過放電放置時における封口体６の破裂を確実に防止することが可能となる。

図１は、本発明を単三形アルカリ乾電池（以下、単にアルカリ乾電池または電池ともいう）に適用した例を示したものである。このアルカリ乾電池は、正極端子を兼ねる有底円筒状の外装缶１と、この外装缶１内（セル室Ｃ内）に収容された円筒状の正極２と、この正極２の中空部内に配置されたコップ状の不織布からなるセパレータ３と、このセパレータ３内に充填されたペースト状の負極４と、この負極４内に挿入された釘状の負極集電棒（負極集電体）５と、セパレータ３および正極２に含浸された水酸化カリウム水溶液を主成分とする電解液（図示せず）とを有し、外装缶１の開口端部１ａ側を封口した構成である。外装缶１の底部には、凸状の正極端子部分１ｂが形成されている。ここで、図１中の符号Ａは外装缶１の封口部分を示し、符号Ｂは外装缶１の胴部分を示す。さらに詳しくは、図１に示した状態において、外装缶１の封口部分Ａとは、グルーブによる変形で外装缶１の外形がもとの寸法より小さくなる部分から上の部分を指し、胴部分Ｂとはそれより下の部分を指す。

そして、本発明を適用した上記のアルカリ乾電池においては、外装缶の胴部分Ａにおける缶厚み（肉厚）が0.１８mm以下とされ、かつ封止部分Ｂにおける缶厚みが胴部分Ａにおける缶厚みの1.４倍以上に設定されている。

外装缶１内に収容された円筒状の正極２は、二酸化マンガンと黒鉛（導電材料）との混合物で構成されている。上記のアルカリ乾電池においては、この二酸化マンガンと黒鉛（導電材料）とを混合して正極２を成形する際に、水酸化カリウム濃度を高めたアルカリ電解液が用いられている。これは、水酸化カリウム濃度を高めたアルカリ電解液を用いて正極２を成形することで、正極２となる成形体の強度を高めることができるからである。その結果、二酸化マンガンや黒鉛（導電材料）を結合するためのバインダー（結合剤樹脂）を使用する必要がなくなり、その分だけ放電特性に関係する材料の充填率を高めることができるので、電池の放電特性が改善されることとなる。また、外装缶１内に収容された正極２の強度が高まることで、外装缶１に上記のような肉厚の薄い鋼板を使用した場合であっても外力による変形を受けにくくなる。

外装缶１の開口端部１ａ内、すなわち封口部分Ａ内には、防爆用の安全弁機構を有する例えばポリアミドやポリプロピレン等の樹脂（図示例では６，６ナイロン）からなる封口体６と、これを内周から支える支持手段であり且つ負極端子板を兼ねた一枚の金属板７（負極端子板７）と、外装缶１の開口端部１ａと負極端子板７との間を電気的に絶縁する鍔付き短筒状の樹脂体からなる絶縁板８とが装着されている。

封口体６は、図２に拡大して示すように、負極集電棒５が挿通される孔６１ａを有するボス部６１と、外装缶１の内周面と接する外周部６２と、ボス部６１と外周部６２とを連結し且つ前者から後者に至る面を封鎖する連結部６３とで構成されている。そして、この封口体６によって、電池活物質の収容されているセル室Ｃを閉じてセル室Ｃ内の電解液の外部への漏出を防止し、かつ負極端子板７と外装缶１との間を前記の絶縁板８とともに電気的に絶縁するようになっている。

封口体６の連結部６３におけるボス部６１側の付け根部分には、防爆用の安全弁機構を構成する薄肉部分６３ａが設けられている。この薄肉部分６３ａは、電池の内圧が所定レベル以上に上昇したときに連結部６３が図中の上方側に変形し、さらに内圧が上昇したときに当該薄肉部分６３ａが破断することにより、内圧の一部を負極端子板７の後述するガス抜き孔を介してセル室Ｃ外に開放する機能を果たすものである。ところが、従来の封口体では、防爆用の薄肉部分とこれの直ぐ外側の部分との間の肉厚があまり大きくなく、しかも連結部の肉厚が比較的薄く且つ一様であったために、高温短絡時に薄肉部分が破断する前にドーム状に膨張したまま負極端子板に接触してガス抜き孔を塞いでしまったり、過放電放置時に薄肉部分が剪断されるよりも前にドーム状に膨らんだ連結部が破裂したりする可能性が全くないとは言い切れなかった。そこで、このような問題が生じないようにするため、本発明のアルカリ乾電池に備えられた封口体６では、連結部６３に設けた防爆用の薄肉部分６３ａが、これを取り囲んでいる直ぐ外側の部分（第１肉厚部分）６３ｂに比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ第１肉厚部分６３ｂとの間に所定の段差を有するように形成されている。

封口体６の連結部６３における外周部６２側の付け根部分には、比較的薄肉の応力吸収部６３ｃが設けられている。この応力吸収部６３ｃは、これの直ぐ内周側に位置する部分（第２肉厚部分）６３ｄに比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ第２肉厚部分６３ｄとの間に段差を有するように形成されている。これにより、外装缶１の開口端部１ａを封口すべく封口体６を締め付けたときに連結部６３に作用する応力の一部を吸収して、防爆用の薄肉部分６３ａへの応力集中を防止する。

封口体６の連結部６３における第１肉厚部分６３ｂから第２肉厚部分６３ｄに至る部分は、第１肉厚部分６３ｂから第２肉厚部分６３ｄに行くに従って肉厚が連続的に厚くなるように形成されている。図示例の封口体６では、第１肉厚部分６３ｂの肉厚は0.４〜0.５mmであり、第２肉圧部分６３ｄの肉厚は第１肉厚部分６３ｂの肉厚の2.５〜3.０倍とされている。そして、このような連結部６３の形状と、従来のものと比べた場合の連結部６３の厚肉化と、第１肉厚部分６３ｂとの間に所定の段差を有する防爆用の薄肉部分６３ａの構造とが相まって、上述した高温短絡時や過放電放置時における不具合をさらに確実に防止できるようになっている。

封口体６のボス部６１においては、負極集電棒５が挿通された孔６１ａの図２中の上端部分が、これ以外の孔部分の内径よりも大きな内径を有する大径孔部分６１ｂとされており、負極集電棒５を挿通セットした図示状態において負極集電棒５の大径端部５ａがボス部６１の大径孔部分６１ｂに嵌合して、当該大径端部５ａの上端がボス部６１の上端面から僅かに突出した状態またはそれと略面一の状態となっている。図２においてボス部６１の周壁部分は外周部６２のそれに比べて肉厚が厚くされているが、これは、封口時に外周部６２がかしめられて変形する部分であるのに対し、ボス部６１はこれに挿通された負極集電棒５とともに負極端子板７の中央部分の裏面側にあってこの部分が外力によって内側にへこんだりしないように負極端子板７を裏面側から支える役目をも持っているからである。

一方、負極端子板７は、一枚の鋼板で構成されており、図３および図４に単体で示すように、凸状に形成された中央部の端子面７７と、この端子面７７を垂直に貫く方向から見て端子面７７を取り囲むように形成された外周部の鍔面７８と、端子面７７の外周から鍔面７８の内周に至る円筒状の端子面側面７９とからなる。このうち端子面７７には、これの中心部を取り囲むように僅かに凹んだ平面視で円形の凹み７７ａが形成されており、この凹み７７ａが取り囲んでいる中央部分の裏面側に負極集電棒５の大径端部５ａがスポット溶接等により接合されている（図２参照）。

負極端子板７における鍔面７８は、内周側の平坦部７８ａと、封口体６をかしめる際にこれの外周部６２を内周からしっかりと支える目的で当該負極端子板７の全周にわたって設けられた外周側の湾曲部７８ｂとからなる。内周側の平坦部７８ａは、図４に示した厚み方向の断面において、外周側の湾曲部７８ｂに比べて相対的に平坦な形状を有する。そして、この平坦部７８ａが端子面７７ａに対して、外側に下る方向に４度以上傾斜した構造とされていることにより、封口工程での負極端子板７の変形による高さ方向寸法のばらつきを低減させるようになっている。なお、図示例は、鍔面平坦部７８ａと端子面７７とのなす角度α、すなわち鍔面平坦部７８ａの外周端（湾曲部７８ｂ側）にある変曲点と内周端（端子面側面側７９側）にある変曲点とを結ぶ平面と、端子面７７とのなす角度αを８度としたものである。

負極端子板７の外周側に設けられた湾曲部７８ｂは、負極端子板７をこれの中心を通って厚み方向に切断したときの断面において、平均曲率半径が１mm以下で、かつ９０度より大きい角度範囲にわたってほぼＣ字状または弧状に湾曲形成されており、しかもその外周側が、すでに説明した意味において９０度より大きい角度範囲にわたって封口体６の外周部６２の内周側と接触している。そして、この接触部分において封口体６の外周部６２が、これの内周側に位置する負極端子板７の湾曲部７８ｂと、外周側に位置する外装缶１の開口端部１ａとでかしめられて締め付けられていることにより、図２に示したように封口体６が外装缶１の開口端部１ａ内の所定位置に装着され、この状態でセル室Ｃ内の上方が封口されるとともに、封口体６の連結部６３と負極端子板７との間に安全弁（薄肉部分６３ａ）の動作を確保するための所要の空間が形成された構造となっている。なお、図３および図４中の符号７ｆはセル室内で発生したガスを安全弁の作動時に外部に逃がすためのガス抜き孔を示す。

なお、上記の湾曲部７８ｂが設けられている角度範囲とは、負極端子板７の他の例を示す図５に記載したように、湾曲部７８ｂを、上記の平均曲率半径ｒを半径として有する仮想的な円で近似したときに、この円の中心Ｏを基準として湾曲部７８ｂの両端がなす角度θ₁ を意味する。湾曲部７８ｂと封口体６とが接触している部分の角度範囲も同様に、湾曲部７８ｂを、上記の平均曲率半径ｒを半径として有する仮想的な円で近似したときに、この円の中心Ｏを基準として、封口体６と接触している湾曲部７８ｂの当該接触部分の両端がなす角度θ₂ を意味する。

一方、鍔付き短筒状の樹脂体からなる絶縁板８は、封口体６が装着された後に、負極端子板７の端子面７７と外装缶１の開口端および封口体６の外周部６２の一端との間に形成された隙間部分に、当該絶縁板８における短筒部分８ａを嵌め込むことで図示した所定位置に取り付けられており、これによって負極端子板７と外装缶１との間を電気的に絶縁している。

なお、負極端子板（金属板）７の外周側に設ける湾曲部７８ｂは、先に述べた平均曲率半径ｒと角度範囲θ₁ ・θ₂ の条件を満たしてさえいれば、その曲げ方や曲げ方向は問わない。負極端子板７の端子面７ａと同じ方向もしくは同じ側に凸となるように湾曲部７８ｂを形成することができる（図５参照）。負極端子板７の半径方向の外方に向けて凸となるように湾曲部７８ｂを形成してもよい。負極端子板７の外周部を端子面７７の突出方向とは反対側の方向にいったん曲げ、そこからさらに逆向きに湾曲させて外周側が封口体６の外周部６２と所定状態で接するように湾曲部７８ｂを形成してもよい。また、負極端子板７には、例えば電池を落としたときや端子面７７を外部から強く押したときにも簡単にはへこまないようにしたり、封口体６のかしめ時に負極端子板７全体が変形しないようにしたりする目的で、中央部に設けた凹み７７ａと同じような凹凸を同心円状に設けてもよい。

以下において本発明の実施例を説明するが、もちろん本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

〈実施例〉
本発明に係る樹脂製封口体の効果を確認するために、単三形アルカリ電池に使用する樹脂製封口体について、以下の実験を行った。この実験では、実施例として図６に示すような６，６ナイロン製の封口体を使用し、比較例として図７に示すような６，６ナイロン製の封口体を使用した。これらの図に記載した肉厚寸法の単位はmmである。

１． 実験で使用した解析装置：
３ＤＣＡＤ Ｐｒｏ−Ｅｎｇｉｎｅｅｒおよび構造解析ソフトＰｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａ（日本パラメトリックテクノロジー社製）を使用した。

２． 実施条件：
座標軸はｒ（封口体の半径方向）、θ（封口体の周方向）、ｚ（ボス部の軸方向）の極座標を使用した。
（１） 拘束条件（図８参照）；
負極集電棒の圧入を考慮し、封口体ボス部の内径をｒ外方向に0.０５mm強制変位させた。
スピニング封口時の横締めを考慮し、封口体外径をｒ内方向に0.１９mm強制変位させた。
封口体ボス部上面はｚ方向固定、ｒ方向・θ方向フリーとした。
負極端子板との接触部面はｚ方向固定、ｒ方向・θ方向フリーとした。
（２） 荷重条件；
封口体下面を6.５ＭＰａ、7.０ＭＰａ、7.５ＭＰａで全面押圧した。
（３） 温度条件；
常温（２３℃）および高温（１５０℃）でそれぞれ測定した。
（４） 寸法パラメータ；
図８に示したＤ部段差寸法（第１肉厚部分の肉厚）については、それぞれ0.２５mm、0.３５mm、0.４５mmであるものを用意し、いずれが最適形状であるかを検討した。

３． 測定および結果
電池内圧が上昇し、連結部の薄肉部分が破断する直前の変位および応力分布を調べた。その結果、以下のことが分かった。
（１） スピニング封口を考慮した場合の横締め時の変位・応力分布
変位；
実施例および比較例のいずれの封口体においても、最大変位は連結部における外周部側で起こっていた。
応力；
実施例の封口体では、連結部における外周部側の付け根部分に設けた応力吸収部で応力集中が起こっており、連結部には顕著な応力分布が見られなかった。これに対して比較例の封口体では逆に顕著な応力集中は無く、連結部全体で応力を受け、連結部が全体的に変形しているのが見られた。また、応力吸収部を設けなかった比較例の封口体では、連結部におけるボス部側の付け根部分に設けた防爆用の薄肉部分に応力が集中することが確認された。

（２） 常温（２３℃）にて内圧6.５ＭＰａ作用時の変位・応力分布
変位；
実施例の封口体では連結部中央から更にボス部側に最大変位0.２４mmが起こり、比較例の封口体では連結部のほぼ中央に最大変位0.４８mmが起こった。
応力；
実施例および比較例とも最大応力は連結部における防爆用の薄肉部分に起こっていた。比較例の封口体では、連結部の上面に設けられたリブの付け根部分にも応力が分散する傾向があった。

（３） 高温（１５０℃）にて内圧6.５ＭＰａ作用時の変位・応力分布
変位；
常温時と同様、実施例の封口体では連結部中央から更にボス部側に最大変位0.９１mmが起こり、比較例の封口体では連結部のほぼ中央に最大変位1.９０mmが起こった。
応力；
実施例および比較例とも最大応力は連結部における防爆用の薄肉部分に起こっていた。比較例の封口体では、連結部の上面に設けられたリブの付け根部分にも応力が分散し、さらにくびれ形状に変形する傾向があった。

（４） 内圧上昇（安全弁作動圧増加）と連結部最大変位との関係
比較例の封口体では、安全弁作動圧最大6.５ＭＰａにおいて高温時連結部最大変位が1.９mmとなった。これに対し、実施例の封口体では、内圧（安全弁作動圧）を7.５ＭＰａまで増加しても連結部最大変位が1.１３mmであり、高温時においても負極端子板との接触を回避防止できることが確認された。

（５） 第１肉厚部分の肉厚と変位の関係
内圧（最大安全弁作動圧）設定に依存することであるが、高温時に負極端子板との接触を防止ために連結部の最大変位を1.２mm以下にするには、第１肉厚部分の肉厚を0.４５mmとする必要があることが確認できた。

４． 評価
以上の結果から次のような評価を行うことができる。
（１） スピニング封口を考慮した場合の横締め時の変位・応力分布に関して
実施例の封口体では連結部に横締めによる応力を吸収する応力吸収部を設けたので、防爆用の薄肉部分への負担を軽減することができる。

（２） 内圧6.５ＭＰａ作用時の変位・応力分布に関して
常温時（２３℃）においては、実施例および比較例のいずれの封口体も安全弁が作動できる変位量である（封口体の連結部が負極端子板に接触するまでの変位量は1.２mm）。しかし、高温時（１５０℃）においては、比較例の封口体で連結部の最大変位量が1.９mmであり、安全弁が作動する前に封口体が負極端子板に接触する。また、連結部のくびれ形状から、連結部の肉厚の薄さにより伸びが生じると考えられる。これらの点から、高温時に安全弁が作動せず、封口体がドーム状になるものが存在すると考えられる。これに対して実施例の封口体では、連結部の最大変位量が0.９１mmであり、封口体が負極端子板に接触する前に安全弁が作動すると推定できる。

（３） 過放電放置時の封口体陥没破断に関して
過放電放置時の封口体陥没破断の主要因として、封口体連結部の薄肉と薄肉に伴う連結部の変形量が大きい点が挙げられるが、上記の実験結果から、比較例に比べて連結部を厚肉化した実施例の封口体によれば連結部の変形量を減少させることができる。また、連結部の内部応力について実施例の封口体と比較例の封口体とを比較すると、実施例の封口体では比較例の封口体の約６０％の内部応力に抑えることができる。したがって、実施例の封口体では、このような連結部の内部応力の低減によっても過放電放置時の封口体破断を解消することができる。

（４） 安全弁作動圧の改善および封口体の形状に関して
上記の実験では封口体連結部の変位・応力分布は主に連結部の肉厚に依存すると考え、Ｄ部段差寸法（第１肉厚部分の肉厚）をパラメータとして解析を行った。封口体連結部が負極端子板に接触するまでの変位量が1.２mmであることを考慮すると、安全弁作動圧が最大6.５ＭＰａである現行封口体（比較例）の仕様ではＤ部段差寸法を0.３５mmまで薄くすることができるが、安全弁作動圧最大設定値を7.０ＭＰａにすることは不可能である。安全弁作動圧最大設定値を改善するには、実施例の封口体におけるようにＤ部段差寸法を0.４５mmにする必要がある。

以上のように、本発明によれば、樹脂製封口体を備えたアルカリ乾電池において、横締め封口時に封口体における防爆用の薄肉部分への応力集中を回避することができ、薄肉部分の負担を軽減することができる。

また、本発明によれば、樹脂製封口体を備えたアルカリ乾電池において、封口体の破裂、これに伴う内容物の飛散および大きな破裂音の発生、封口体によるガス抜き孔の閉塞を防止でき、安全弁の信頼性、ひいては安全性を高めることができる。

本発明を適用したアルカリ乾電池の全体構造を示す断面図である。 図１の単三形アルカリ乾電池の封口部分を拡大して示す部分拡大図である。 本発明で用いられる負極端子板（金属板）の一例を示す平面図である。 図３の負極端子板の断面構造を示す縦断面図である。 負極端子板の他の一例を示すもので、その周辺部分の構造を一部省略および簡略化して示す断面図である。 本発明の実施例で用いた樹脂製封口体の構造を示す縦断面図である。 比較例で用いた樹脂製封口体の構造を示す縦断面図である。 本発明の実施例において行った実験条件を記載した説明図である。 従来のアルカリ乾電池（単三形アルカリ乾電池）の一般的な構造を示す断面図である。 図９のアルカリ乾電池における封口部分を拡大して示す部分拡大図である。 従来のアルカリ乾電池（単三形）において封口体の連結部が金属板（金属ワッシャ）のガス抜き孔を塞いだ状態を示す模式図である。

符号の説明

１ 外装缶
１ａ 外装缶の開口端部
２ 正極
３ セパレータ
４ 負極
５ 集電棒
６ 樹脂製封口体
６１ ボス部
６２ 外周部
６３ 連結部
６３ａ 防爆用の薄肉部分
６３ｂ 第１肉厚部分
６３ｃ 応力吸収部
６３ｄ 第２肉厚部分
７ 負極端子板（金属板、支持手段）

Claims (3)

1. 有底円筒状の外装缶の内部に、正極および負極と、これらの間に配置されるセパレータと、電解液とを収容し、外装缶の開口端部内に、樹脂製封口体とこれを内周から支える支持手段とを装着して、外装缶と支持手段とで樹脂製封口体を締め付けることにより外装缶の開口端部を封口したアルカリ乾電池であって、
   前記支持手段として、負極端子板を兼ねた１枚の金属板が使用されており、
   前記樹脂製封口体は、負極の中心部に挿入される負極集電棒を保持するボス部と、前記支持手段によって内周から支えられて外装缶の内周面と接する外周部と、ボス部と外周部とを連結する連結部とを具備してなり、
   この樹脂製封口体の連結部には、前記ボス部側の付け根部分に防爆用の薄肉部分が設けられているとともに、前記外周部側の付け根部分に、外装缶の開口端部を封口すべく樹脂製封口体を締め付けたときに前記防爆用の薄肉部分に応力が集中しないように当該連結部に作用する応力の一部を吸収する応力吸収部が設けられており、
   この応力吸収部は、これの直ぐ内周側に位置する部分に比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ前記内周側に位置する部分との間に段差を有するように形成されていることを特徴とするアルカリ乾電池。
2. 有底円筒状の外装缶の内部に、正極および負極と、これらの間に配置されるセパレータと、電解液とを収容し、外装缶の開口端部内に、樹脂製封口体とこれを内周から支える支持手段とを装着して、外装缶と支持手段とで樹脂製封口体を締め付けることにより外装缶の開口端部を封口したアルカリ乾電池であって、
   前記支持手段として、負極端子板を兼ねた１枚の金属板が使用されており、
   前記樹脂製封口体は、負極の中心部に挿入される負極集電棒を保持するボス部と、前記支持手段によって内周から支えられて外装缶の内周面と接する外周部と、ボス部と外周部とを連結する連結部とを具備してなり、
   この樹脂製封口体の連結部には、前記ボス部側の付け根部分に、これを取り囲んでいる直ぐ外側の第１肉厚部分に比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ第１肉厚部分との間に段差を有するように形成された防爆用の薄肉部分が設けられているとともに、前記外周部側の付け根部分に、外装缶の開口端部を封口すべく樹脂製封口体を締め付けたときに前記防爆用の薄肉部分に応力が集中しないように当該連結部に作用する応力の一部を吸収する応力吸収部が設けられており、
   この応力吸収部は、これの直ぐ内周側に位置する第２肉厚部分に比べて肉厚が不連続に薄くなるように且つ第２肉厚部分との間に段差を有するように形成されており、
   連結部における第１肉厚部分から第２肉厚部分に至る部分は、第１肉厚部分から第２肉厚部分に行くに従って肉厚が連続的に厚くなるように形成されていることを特徴とするアルカリ乾電池。
3. 第１肉厚部分の肉厚は0.４〜0.５mmであり、第２肉圧部分の肉厚は第１肉厚部分の肉厚の2.５〜3.０倍に設定されている請求項２記載のアルカリ乾電池。

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