(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、発電要素が収納されるとともに、当該電極缶の開口を上方として、当該開口に、周囲に縁部が形成された伏せた皿状の負極端子板が、封口ガスケットを介してかしめられて、前記電極缶が気密シールされているアルカリ電池であって、
前記皿状の負極端子板の底面外周と前記縁部とを連続する扁平な円筒状部分の周側面に、前記電池缶の内外を連絡する複数のガス抜き孔が形成されているとともに、当該負極端子板の前記周側面に嵌着されるリング状のワッシャーを備え、
前記ワッシャーは、中空円筒状の胴部と、当該胴部の上端面に一体的に形成されたフランジ部とから構成され、
前記ワッシャーが前記負極端子板の前記周側面に嵌着された状態で、前記胴部は、内面が当該周側面において前記ガス抜き穴が形成されている上下方向の高さの領域接し、
前記胴部の円筒側面には、周方向の幅が一定で下端から上方に向けて矩形状に切り欠いた切欠部が形成され、
前記複数のガス抜き孔は、前記切欠部を除く前記胴部の円筒側面によって、総開口面積の２５％以上６０％以下が覆われていないこと、
を特徴とするアルカリ電池。
【請求項２】
請求項１において、前記切欠部の面積が、前記胴部の前記円筒側面の総面積の１５％以上３９％以下であるとともに、当該切欠部の下端から上端までの高さが、前記胴部の高さの３０％以上６５％以下であることを特徴とするアルカリ電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はアルカリ電池に関し、とくに、アルカリ電池の安全性向上技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１に本発明の対象となるアルカリ電池の一般的な構造を示した。当該図は、ＬＲ６型の円筒形アルカリ電池１であり、図１（Ａ）は、円筒軸１００の延長方向を縦方向としたときの縦断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）における円１１０内の拡大図である。このアルカリ電池１は、有底筒状の金属製電池缶（正極缶）２、環状に成形された正極合剤３、この正極合剤３の内側に配設された有底円筒状のセパレーター４、亜鉛合金を含んでセパレーター４の内側に充填される負極ゲル５、この負極ゲル５中に挿入された負極集電子６、皿状の金属製負極端子板１０、封口ガスケット７などにより構成される。この構造において、正極合剤３、セパレーター４、負極ゲル５が、電解液の存在下でアルカリ電池１の発電要素を形成する。
【０００３】
正極缶２は、電池ケースを兼ねるとともに、正極合剤３に直接接触することにより、正極集電体を兼ねる。また、正極缶２の底面には正極端子８が形成されている。負極端子板１０は、皿の開口周縁にフランジ状の縁部１３が形成された形状で、正極端子８を下方としたとき、その皿を伏せた状態で正極缶２の開口にガスケット７を介してかしめられている。また、負極ゲル５中に挿入された棒状の金属製負極集電子６の上端は、皿状の負極端子板７の底１１の内面１１ｉに溶接されて立設固定されている。なお、負極端子板１０、負極集電子６および封口ガスケット７は、封口体としてあらかじめ一体に組み合わせられており、封口ガスケット７の外周部が正極缶２の開口縁部と負極端子板７の周縁部との間にかしめられるなどして挟持されて正極缶２が気密シールされる。また、正極缶２の周囲には熱収縮フィルムからなる外装ラベル９が被装される。
【０００４】
ところで、封口ガスケット７には、部分的に肉薄となっている薄肉部が形成されており、電池内部におけるガスの発生などにより内圧が上昇すると、その薄肉部が先行破断するようになっている。そして、負極端子板１０の縁部１３と皿の底１１とを連続する扁平な円筒の周側面１４には、正極缶２の内外を連絡するガス抜き孔１２が形成されている。それによって、ガスケット７の薄肉部が破断した際、電池１内部のガスがこのガス抜き孔１２から排気され、内圧が開放されるようになっている。すなわち、封口ガスケット４の薄肉部と負極端子１０のガス抜き孔１２とによって、電池１の破裂を防止する防爆安全機構が構成されている。特に、単３型や単４型などの比較的小さなサイズのアルカリ電池には、排気に伴ってガス抜き孔１２から電解液が飛散することを防止するためのリング状のワッシャー２０が、負極極端子板１０の前記周側面１４の外周に環装されている（非特許文献１参照）。
【０００５】
図２にワッシャー２０の概略図を示した。図２（Ａ）は、アルカリ電池１における正極端子８側を下方としたときに、ワッシャー２０を上方から見たときの斜視図を示している。また、（Ｂ）（Ｃ）、および（Ｄ）は、それぞれ、上方からの平面図、下方からの平面図、および側面図を示している。ワッシャー２０の概略形状はリング状であるが、具体的には、扁平な中空円筒状の胴部２１の上端面にフランジ部２２を設けた形状である。そして、ワッシャー２０は、上下を貫通する中空部２３を負極端子板１０の皿の周側面１４の外周に嵌着することで、胴部２１がガス抜き孔１２を覆った状態で固定される。また、フランジ部２２が負極端子板１０の底１１の周縁と正極缶２の開口とを覆う。それによって、ガス抜き孔１２からの電解液が直接電池１の外に飛散するのを防止している。なお、ワッシャー２０は、電池１の外装ラベル９を正極缶２の周囲に熱収縮させて被装する際、フランジ部２２の上端面２４の周縁が当該外装ラベル９に被装されており、負極端子板１０の周側面１４との嵌め合いに加え、この外装ラベルによっても固定されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ＦＤＫ株式会社、”アルカリ電池のできるまで”、[online]、[平成２２年８月４日検索]、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.fdk.co.jp/denchi_club/denchi_story/arukari.htm＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述したように、ワッシャーは、アルカリ乾電池の防爆安全機構が動作した際に、負極端子板に設けられにガス抜き孔から電解液が飛散するのを防止するために設けられている。しかし、何らかの原因で電池缶内部にてガスが爆発的に発生すると、ガス抜き孔より噴出する電解液の圧力でワッシャー自体が飛散し、電池が組み込まれていた機器を破損させる可能性がある。したがって本発明の目的は、電池缶の内圧が急激に上昇しても、負極端子板に環装されているワッシャーが飛散せず、高い安全性を備えたアルカリ電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するための本発明は、一方の電極を兼ねる有底円筒状の電極缶内に、発電要素が収納されるとともに、当該電極缶の開口を上方として、当該開口に、周囲に縁部が形成された伏せた皿状の負極端子板が、封口ガスケットを介してかしめられて、前記電極缶が気密シールされているアルカリ電池であって、
前記皿状の負極端子板の底面外周と前記縁部とを連続する扁平な円筒状部分の周側面に、前記電池缶の内外を連絡する複数のガス抜き孔が形成されているとともに、当該負極端子板の前記周側面に嵌着されるリング状のワッシャーを備え、
前記ワッシャーは、中空円筒状の胴部と、当該胴部の上端面に一体的に形成されたフランジ部とから構成され、
前記ワッシャーが前記負極端子板の前記周側面に嵌着された状態で、前記胴部は、内面が当該周側面において前記ガス抜き穴が形成されている上下方向の高さの領域接し、
前記胴部の円筒側面には、周方向の幅が一定で下端から上方に向けて矩形状に切り欠いた切欠部が形成され、
前記複数のガス抜き孔は、前記切欠部を除く前記胴部の円筒側面によって、総開口面積の２５％以上６０％以下が覆われていないこと、
を特徴とするアルカリ電池としている。
【０００９】
また、前記切欠部の面積が、前記胴部の前記円筒側面の総面積の１５％以上３９％以下であるとともに、当該切欠部の下端から上端までの高さが、前記胴部の高さの３０％以上６５％以下であることを特徴とするアルカリ電池としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のアルカリ電池によれば、電池缶の内圧が急激に上昇しても、負極端子板に環装されているワッシャーが飛散せず、高い安全性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】一般的なアルカリ電池の構成を示す図である。
【図２】一般的なアルカリ電池に装着されているワッシャーの概略図である。
【図３】本発明の実施例に掛かるアルカリ電池に装着されている胴部に切欠部を備えたワッシャーの概略図である。
【図４】アルカリ電池の負極端子板に設けられたガス抜き孔の位置を示す図である。
【図５】上記ガス抜き孔と上記切欠部との位置関係を示す図である。
【図６】ワッシャーにおける上記切欠部の形成領域を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の一実施形態に係るアルカリ電池の基本的な構造は、図１に示した一般的なアルカリ電池１と同様である。しかし、ワッシャーの構造が従来のワッシャー２０とは異なっており、正極缶２の内圧が爆発的に上昇したとしても、ワッシャーが飛散することなく、高い安全性を備えている。
【００１３】
＝＝＝ワッシャーの構造＝＝＝
図３に、本発明の一実施形態に係るアルカリ電池に装着されているワッシャー２０ａの概略構造を示した。図３（Ａ）は、当該ワッシャー２０ａを上方から見たときの斜視図であり、（Ｂ）と（Ｃ）は、それぞれ、側面図と下方からの平面図である。図示したように、円筒状の胴部２１の外周が、その円筒軸１０１を中心とした角度θの角度領域で切り欠かれている。そして、本実施例のアルカリ電池は、ワッシャー２０ａの胴部２１に切欠部２５が形成されているため、負極端子板１０のガス抜き孔１２が完全に覆われず、防爆安全機構か動作したときにワッシャー２０ａの胴部２１の内側に掛かる圧力の一部が開放され、その結果、ワッシャー２０ａ自体の飛散を防止することができる、というものである。しかしながら、切欠部２５の形成領域が小さすぎれば、ガス抜き孔１２から噴出する電解液の圧力を十分に開放できず、ワッシャー２０ａの飛散を防止することができない。また、形成領域が大きすぎると、ワッシャー２０ａの胴部２１と負極端子板１０との嵌め合い強度やワッシャー２０ａ自体の強度が不足して、はやり飛散する可能性がある。そこで、切欠部２５の形成領域の最適化を試みた。
【００１４】
＝＝＝ガス抜き孔の開口率＝＝＝＝
ワッシャー２０ａの切欠部２５の形成領域を最適化するためには、その最適化された状態を定量的に規定する必要がある。そこで、胴部２１によってガス抜き孔１２が遮蔽されていない割合、すなわち切欠部２５があることによるガス抜き孔１２の開口率をパラメーターとして規定することとした。それによって、一つのガス抜き孔１２の開口面積やガス抜き孔１２の数などの不確定要素に左右されずに、切欠部２５の形成領域と防爆安全機構が作動したときのワッシャー２０ａの飛散の有無との関係を正確に求めることができる。
【００１５】
そこで、ワッシャー２０ａが装着されていないＬＲ６型アルカリ電池を多数用意し、切欠部２５の形成領域が異なるワッシャー２０ａを作製し、そのワッシャー２０ａを当該アルカリ電池に装着してサンプルとした。なお、アルカリ電池は、負極端子板１０のガス抜き孔１２の数が２、３、および４個の３種類を用意した。
【００１６】
図４に、４箇所にガス抜き孔１２がある負極端子板（以下、四つ孔端子板）１０の一例を示した。図４（Ａ）は、四つ孔端子板１０を上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の四つ孔端子板１０のａ−ａ矢視断面をワッシャー２０ａが装着された状態で示している。図示したように、四つ孔端子板１０の周側面１３に内外を連絡するガス抜き孔１２が９０゜の角度間隔で形成されている。
【００１７】
ところで、ガス抜き孔１２の開口率は、確かに、ワッシャー２０ａの切欠部２５の開口面積が最適化された状態を定量的に規定するためのパラメーターとして好適である。しかし、実際には、切欠部２５の形成領域をガス抜き孔１２の開口面積から直接決定し、その上で、ワッシャー２０ａを製造することは難しい。また、ガス抜き孔１２と切欠部２５との相対位置を厳密に規定していては、製造コストが増加する。したがって、切欠部２５の形成領域を直接決定できる別のパラメーターを規定し、そのパラメーターを指定することで、ガス抜き孔１２の開口率が求められるようにしておくことが好ましい。もちろん、アルカリ電池には種々のサイズがあるため、切欠部２５の幅や開口面積などの絶対的な数値を上記別のパラメーターとして採用することはできない。そこで、その切欠部２５の形成領域とガス抜き孔１２の開口率との関係を定義するために、図３に示したように、円筒状の胴部２１の全周に対する切欠部２５の角度範囲（以下、切欠角度）θを切欠部２５の形成領域を規定するパラメーターとした。それによって、例えば、切欠部２５の切欠角度が３６０゜であれば、全てのガス抜き孔１２が胴部２１で遮蔽されていない場合となり、開口率は１００％となる。また、四つ孔端子板１０では、二つのガス抜き孔１２が胴部２１によって完全に覆われたときに５０％の開口率となり、このときの切欠角度θは１８０゜となる。しかし、ガス抜き孔１２は、負極端子板１０の周側面１４の周方向と上下方向に幅を持つ開口領域を有し、一つのガス抜き孔１２の開口面積の一部が胴部２１によって覆われることもある。そのため、切欠角度θとガス抜き孔１２の開口率との関係を測定することとした。
【００１８】
表１に、四つ孔端子板における切欠角度θとガス抜き孔１２の開口率との関係を示した。
【表１】
0005588806.tif 000002
【００１９】
表１に示したように、図４に例示した四つ孔端子板１０では、θ＝１０゜で一つのガス抜き孔１２に相当する角度となる。すなわち、切欠角度θとガス抜き孔１２の開口率との関係を測定する際には、図５に示したように、一つのガス抜き孔１２に接する線１２０をθ＝０゜として、ガス抜き孔１２を開口させない方向に切欠角度θを増していくようにする。したがって、当該図５に示したθ＝１７０゜の切欠部２５では、一つのガス抜き孔１２に相当する開口率となる。
【００２０】
同様にして、ガス抜き孔１２の大きさが同じで、二つのガス抜き孔１２がある負極端子板（二つ孔端子板）と、三つのガス抜き孔１２がある負極端子板（三つ孔端子板）についても、切欠角度θと開口率との関係を測定した。
【００２１】
表２に、二つ孔端子板における角度θとガス抜き孔１２の開口率との関係を示した。
【表２】
0005588806.tif 000003
【００２２】
表３に、三つ孔端子板における角度θとガス抜き孔１２の開口率との関係を示した。
【表３】
0005588806.tif 000004
【００２３】
＝＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の第１の実施例に係るアルカリ電池は、ワッシャー２０ａの切欠部２５の形成領域によってガス抜き孔１２の開口面積を制御することで、ワッシャー２０ａの飛散を防止するものである。そこで、切欠部２５の形成領域が異なるワッシャー２０ａを装着したＬＲ６型のアルカリ電池をサンプルとして作製した。具体的には、切欠角度θの値が異なるワッシャー２０ａを装着したアルカリ電池をサンプルとして作製した。そして、各サンプルを、防爆安全機構が作動するまで充電状態で放置する充電試験を行い、防爆安全機構が作動した際に、ワッシャー２０ａの飛散状態を確認した。また、切欠角度θが同じワッシャー２０ａを装着した同じアルカリ電池を４０個作製し、同じワッシャー２０ａを装着した４０個のサンプルのうち、一つでもワッシャー２０ａの飛散が確認された場合には、そのワッシャー２０ａの切欠部２５の形成領域は不適当であると判断した。そして、合格判定となったワッシャー２０ａを装着したサンプルを本発明の第１の実施例とした。
【００２４】
表４に、四つ孔端子板における切欠角度θとワッシャー２０ａが飛散したサンプルの個数との関係を示した。
【表４】
0005588806.tif 000005
【００２５】
表５に、二つ孔端子板における切欠角度θとワッシャー２０ａが飛散したサンプルの個数との関係を示した。
【表５】
0005588806.tif 000006
【００２６】
表６に、三つ孔端子板における切欠角度θとワッシャー２０ａが飛散したサンプルの個数との関係を示した。
【表６】
0005588806.tif 000007
【００２７】
表４より、四つ孔端子板では、８９゜≦θ≦２６４の範囲でワッシャー２０ａの飛散がなかった。同様に、表５および表６より、二つ孔端子板および三つ孔端子板では、１７５゜≦θ≦３５２゜および１１８゜≦θ≦２３８゜の範囲でワッシャー２０ａの飛散がなかった。そして、これらの結果を、表１〜表３に示したこれら切欠部２５の切欠角度θとガス抜き孔１２の開口率との関係に当てはめると、負極端子板１０のガス抜き孔１２の数に依らず、その開口率が２５％以上、６０％以下では、防爆安全機構の作動時にワッシャー２０ａの飛散が見られず高い安全性が確認された。もちろん、ガス抜き孔１２の開口率でワッシャー２０ａの飛散の有無を評価しているので、一つのガス抜き孔１２の開口面積にも依存しない。
【００２８】
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
切欠部２５は、円筒状の胴部２１の側面を切り欠いて形成したものである。しかし、切欠部２５を胴部２１の全高に亘って切り欠いた場合、ワッシャー２０ａ自体の強度が不足し、却って飛散しやすくなる可能性がある。また、胴部２１は、負極端子板１０に嵌着されることから、その嵌め合い強度が不足して、不用意に脱落する可能性もある。そこで、図６に示したように、胴部２１自体の高さをＨａ、切欠部２５の高さをＨｂとしたときに、その切欠部２５の高さＨｂを胴部２１の高さＨａに対して可能な限り小さくしたい、という要望がある。そして、本発明の第２の実施例に係るアルカリ電池は、第１の実施例にて規定したガス抜き孔１２の開口率を厳守するとともに、切欠部２５の形成領域によって負極端子板１０との嵌め合いの強度を制御することで、ワッシャー２０ａの飛散を確実に防止するものである。そこで、第１の実施例のサンプル、すなわち、上述した充電試験によってワッシャー２０ａが飛散しなかったサンプルに使用したワッシャー２０ａと同じ切欠角度θで、その切欠部２５の高さＨｂを変えた種々のワッシャー２０ａをアルカリ電池に装着した。
【００２９】
なお、ここで作製したサンプルは、ワッシャー２０ａの強度不足や脱落の可能性を考慮し、Ｈｂの上限値を、胴部２１の高さＨａを１００％としたときの６５％とした。また、切欠部２５の形成領域が同じワッシャー２０ａを装着したサンプルを４０個作製し、各サンプルに対して充電試験を行った。そして、ワッシャー２０ａの飛散の有無を確認し、４０個のサンプルのワッシャー２０ａが飛散したサンプルが一つも無かった場合、そのサンプルに使用したワッシャー２０ａを備えたアルカリ電池を本発明の第２の実施例とした。
【００３０】
表７に、四つ孔端子板１０における切欠角度θと、胴部２１の高さＨａに対する切欠部２５の高さＨｂの割合（％）と充電試験による合否判定の結果を示した。
【表７】
0005588806.tif 000008
【００３１】
表８に、二つ孔端子板における切欠角度θと、胴部２１の高さＨａに対する切欠部２５の高さＨｂの割合Ｈｂ/Ｈａ（％）と充電試験による合否判定の結果を示した。
【表８】
0005588806.tif 000009
【００３２】
表９に、三つ孔端子板における切欠角度θと、胴部２１の高さＨａに対する切欠部２５の高さＨｂの割合（％）と充電試験による合否判定の結果を示した。
【表９】
0005588806.tif 000010
【００３３】
表７〜表９では、合格判定とされたサンプルを「○」、不合格判定となったサンプルを「×」で示している。そして、表７〜表９より、切欠部２５の高さＨｂが、胴部２１の高さＨａに対して２５％以下のサンプルでは、合格と判定されたものがなかった。したがって、胴部２１の高さＨａに対する切欠部２５の高さＨｂの割合は、上記上限値と合わせて、３０％以上、６５％以下と規定することができる。
【００３４】
また、第１の実施例における切欠角度θの範囲の上限に近いほど、切欠部２５の高さＨｂが小さくても合格する傾向が見て取れた。そこで、その傾向を定量評価するために、第二の実施例のサンプルについて、胴部２１外周の総表面積に対する切欠部２５の開口面積との割合（切欠部面積比）と、胴部２１の高さＨａに対する切欠部の高さＨｂの割合との関係に置き換えてみた。
【００３５】
表１０に、四つ孔端子板を対象とした第二の実施例のワッシャー２０ａの切欠部２５の面積比と高さの範囲を示した。
【表１０】
0005588806.tif 000011
【００３６】
表１１に、二つ孔端子板を対象とした第二の実施例のワッシャー２０ａの切欠部２５の面積比と高さの範囲を示した。
【表１１】
0005588806.tif 000012
【００３７】
表１２に、三つ孔端子板を対象とした第二の実施例のワッシャー２０ａの切欠部２５の面積比と高さの範囲を示した。
【表１２】
0005588806.tif 000013
【００３８】
上記表１０〜表１２は、表７〜表９と同様に、各行が切欠角度θであり、各列が胴部２１の高さＨａに対する切欠部２５の高さの割合となっている。そして、表１〜表３に示したように、切欠角度θは、ガス抜き孔１２の開口率に対応づけされている。したがって、行列の各交点に示された切欠部面積比の数値（％）は、この開口率（％）と切欠部２５の高さの割合（％）を乗算した値を百分率で表した数値となる。すなわち、切欠部面積比をα（％）、ガス抜き孔１２の開口率をａ（％）、胴部２１の高さＨａに対する切欠部Ｈｂの高さの割合をＨ（％）とすると、切欠部面積比をα（％）は、次式で表される。  
α＝（ａ×Ｈ）／１００
【００３９】
そして、表７〜表９の結果と表１０〜表１２に示した切欠部面積比の数値とを照合すると、胴部２１に対する切欠部２５の面積比が１５．０％〜３９．０％の範囲にあるサンプルが合格判定されていたことが分かった。したがって、ワッシャー２０ａの切欠部２５は、胴部２１の総表面積に対して１５％以上３９％以下であり、かつ、その高さが胴部２１の高さの３０％以上６５％以下であることが望ましい。
【符号の説明】
【００４０】
１  アルカリ電池、２  電池缶（正極缶）、３  正極合剤、４  セパレーター、
５  負極ゲル、６  負極集電子、７  ガスケット、８  正極端子、
１０  負極端子板、１１  負極端子板の底、１２  ガス抜き孔、
１３  負極端子板の縁部、１４  負極端子板の周側面、
２０，２０ａ  ワッシャー、２１  胴部、２２  フランジ部、２５切欠部、
Ｈａ  胴部の高さ、Ｈｂ  切欠部の高さ、θ  切欠部の切欠角度
【図１】
0005588806.tif 000014
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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