(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム,マグネシウム又はそれら各々の合金からななり,袋状ケース本体と蓋とを有する軽量ケースの製造方法において,前記ケース本体と蓋との一方の接合部近傍に突起部が設けられ,該突起部に治具を当設し,前記ケース本体と蓋とを回転ツールの挿入による荷重を支えながら摩擦攪拌接合法によって金属的に接合することを特徴とする軽量ケースの製造方法。
【請求項２】
請求項１において,前記摩擦攪拌接合法は,水,オイル又は不活性ガスのいずれかの冷却剤の中で,又は接合部の近傍に前記冷却剤によって強制的に冷却しながら前記接合することを特徴とする軽量ケースの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２において,前記ケース本体と蓋とを互いにかしめた後に前記接合することを特徴とする軽量ケースの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかにおいて,前記ケース本体及び蓋の肉厚がいずれも０．１〜１ｍｍであることを特徴とする軽量ケースの製造方法。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかにおいて,前記ケース本体及び蓋の少なくとも一方が深絞り成形又はプレス成形により作製されていることを特徴とする軽量ケースの製造方法。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれかにおいて,前記ケース本体及び蓋の少なくとも一方が圧延成形又は射出成形により作製されていることを特徴とする軽量ケースの製造方法。
【請求項７】
袋状ケース本体と蓋とを有する軽量ケースからなる電池ケースの製造方法において,前記軽量ケースを請求項１〜６のいずれかに記載の軽量ケースの製造方法によって作製することを特徴とする電池ケースの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は,新規な軽量ケースの製造方法及び電池ケースの製造方法に関する．
【０００２】
【従来の技術】
近年，携帯電話，ノート型パソコン等のモバイル機器やAV機器のなどの電子機器の小型，軽量，薄型化にともない，それらの駆動用電源として小型，軽量かつ高エネルギー密度のリチウムイオン二次電池の需要が急増し，特に薄型電池へのニーズが非常に高い。
【０００３】
薄型電池には，この他にニッケルカドミウム電池，ニッケル水素電池などがある．特開平11-104866に示されるように，これらの電池ケースはケースと蓋をレーザー溶接して密閉している。このとき生産性の問題や，特にリチウムイオン二次電池の場合，有機電解液への引火の恐れがあり，レーザー溶接には施工上の問題点があった。
【０００４】
例えば電池ケース及び蓋の素材には，ステンレス鋼やアルミニウムなどが使用されている。特にリチウムイオン二次電池などには，アルミニウムが多用されている。電池ケースの製造方法は，まず電極及び電解液などのケースに充填した後，ケースに蓋をはめ込み，レーザー溶接で接合する。このとき溶け込み不良や溶着部にルート割れを発生しやすく，密閉度不良を起こすことになる。さらに溶接時の熱的影響により電解液への引火や不純物の混入が問題となった。また特開平11-67161号公報に示されるように，ろう材を用いての接合もあるが，ろう材のケース内への混入により内容物と反応を起こし，電池性能を低下することが問題である。さらにレーザー溶接設備はコストが高く問題である。
【０００５】
又、特開平11-300481号公報及び特開平11-300482号公報に示されるように,半導体製造装置用真空チャンバとして平板の平板面と平板の端面とを摩擦攪拌接合によって接合することが示されている。しかし、これらの公報には接合時にかかる荷重に対して全く考慮されていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は,ケース本体と蓋との接合時にケースの内容物に熱的悪影響を与えず,内容物への不純物流入がなく,さらに密封性の高い軽量ケースの製造方法及び電池ケースの製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は,アルミニウム,マグネシウム又はそれらの各々の合金からなる軽量ケースの製造方法において,ケース本体と蓋とが摩擦攪拌接合法により金属的に接合する際,前記ケース本体と蓋との一方の接合部近傍に治具によって前記回転ツールによる荷重を支える突起部が設けられており,該突起部に治具を当設し,前記ケース本体と蓋とを回転ツールの挿入による荷重を支えながら摩擦攪拌接合法によって金属的に接合することを特徴とする。
【０００８】
本発明は、前述の如く、接合部材の一方に回転ツールの挿入による荷重を支える突起を設け、治具をその突起に引っかけて荷重を支えるおおようにしたものである。突起は、荷重方向に対して直角方向に伸びており、荷重を支える面は、荷重に対して水平な面で接するようにするのが良い。
【０００９】
前記摩擦攪拌接合法は，実質的に接合する金属よりも硬い材質の回転ツールを前記接合部に挿入し，このツールを回転させながら接合する金属に対して相対的に移動することにより，前記ツールと接合材との間で発生する摩擦熱と塑性流動を利用して接合する方法である。つまり，前記ツールと接合材との摩擦熱による塑性流動現象を利用したもので，アーク溶接やレーザー溶接のように接合材を溶かして溶接するものではない．さらに，この摩擦攪拌接合法は，従来の摩擦接合法のように加工物同士を回転させてその摩擦熱による接合方法とは異なり，加工物を接合線長方向，つまり長手方向に連続的に接合材の融点以下の温度で接合できる特徴がある。
【００１０】
前記接合方法は，接合する金属の融点以下の低温で接合できる。このため接合部周辺の温度は，例えばレーザー溶接などの方法に比較して低温であり，ケースの内容物への熱的影響は少ない。またケース内部に有機電解液などがある場合，低温での接合により引火等の危険を回避でき，部品の品質はもとより，作業環境，安全性にも優れる．さらに接合部は溶解しないため，接合部からケース内部への不純物の流入が避けられ，部品の性能向上が図れる。
【００１１】
本発明は，アルミニウムまたはアルミニウム合金（以下アルミニウムという）あるいはマグネシウムまたはマグネシウム合金（以下マグネシウムという）からなる軽量ケースにおいて，ケース本体および蓋の密閉は摩擦攪拌接合法により金属的に接合して作製されたことを特徴とし、前記ケース本体および蓋の肉厚tはいずれも0.1≦t≦1(mm)が好ましい。前記アルミニウムまたはアルミニウム合金は深絞り成形またはプレス成形により作製されている．また前記アルミニウムまたはアルミニウム合金は，接合後，溶体化処理と時効硬化熱処理を施してもよい．前記マグネシウムまたはマグネシウム合金は圧延成形，プレス成形または射出成形のいずれかにより作製されている。
【００１２】
本発明は，アルミニウムまたはアルミニウム合金あるいはマグネシウムまたはマグネシウム合金からなる軽量ケースの製造方法において，ケース本体および蓋の密閉を摩擦攪拌接合法により金属的に接合することを特徴とする軽量ケースの製造方法にある。前記接合は，大気中はもちろんのこと，水，オイルまたは不活性ガスのいずれかの冷却剤の中で，または接合部の近傍または全体に前記冷却剤をかけながら接合してもよい。
【００１３】
しかし従来の摩擦攪拌接合法は，1mmを超える肉厚材の大型構造物を対象としており，本発明の軽量ケースのごとき薄肉材にそのまま適用しても，ツールから受ける荷重が大きく，接合材にザクツなどの変形が生じ，実効的な接合ができない。このため部材の溶接部以外の部分に加わる応力を適切に分散する必要がある。また摩擦攪拌接合法において重要なことは，接合部の隙間が極力少ない状態で接合することにある。
【００１４】
本発明は，機械加工により前記ケース本体および蓋のいずれかに凸部を設けた後に接合を実施することを特徴とする軽量ケースの作製方法にある。すなわちケース本体または蓋に肉厚部を設け，部材の溶接部以外の部分に加わる応力の低減を図る。また本発明は，前記ケース本体と蓋をかしめた後に接合を実施することを特徴とする軽量ケースの作製方法にある。すなわち、かしめによる位置決めを行い，接合部の隙間を小さくする。さらに本発明は，前記ケース本体と蓋を所定の冶具にセットして接合を実施することを特徴とする軽量ケースの作製方法にある．すなわち冶具を配置することにより，ケース本体および蓋の接合部以外の部分に加わる応力を低減する。
【００１５】
これらの対策により，従来困難とされてきた薄型物の摩擦攪拌接合を可能とし，たとえば電池ケースの接合に適用する．すなわち近年のモバイル通信機器分野の著しい市場拡大を念頭に入れ，ニッケルカドミウム電池，ニッケル水素電池の他に，特に最近需要が急増しているリチウムイオン二次電池ケースに適用する。
【００１６】
本発明は，精密度や密閉度の高い精密電気部品，精密機械部品，ハウジング等に用いられる金属製ケースに関するものであり，特にリチウムイオン二次電池などの高性能電池ケース，中でもアルミニウムやアルミニウム合金，マグネシウムやマグネシウム合金の薄板または箔を用いた電池ケースにおいて有効である。
【００１７】
本発明に係る蓋は,アルミニウム,マグネシウム又はそれら各々の合金からななり平板の外周部に平板面上に外周部に沿って突起が設けられている。
【００１８】
更に,本発明に係るケース本体は,アルミニウム,マグネシウム又はそれら各々の合金からななり,袋状ケースの開口部端部の外周面に沿って突起が設けられている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図1は、アルミニウム製またはマグネシウム製のケース本体と蓋とを摩擦攪拌接合により接合するケースの斜視図である。本発明の実施例として用いたケース本体1および蓋2の材質は，アルミニウムとして3003(Al-Mn系)，5083(Al-Mg系)，6N01(Al-Mg-Si系)の3種，マグネシウムとしてAZ31B，AZ91Dの2種とした．ここでケース本体1の形状は角型であり，およそ厚さ0.5mm，内面サイズ5×32×48mmであり，コーナー部1Rである。また蓋2はおよそ厚さ1mmであり，ケース本体1と同材質の板状体である．蓋2をケース本体１に圧入に近い状態で挿入させた後，回転ツール3を用いて摩擦攪拌接合して金属的に接合する。
【００２０】
図2は接合部周辺の拡大図である。前記摩擦攪拌接合に用いる回転ツール3は，前記ケース本体1および蓋2より硬い例えば工具鋼のような金属製である。前記回転ツール3は先端のネジが形成されたピン部6と前記ピン部6より太いショルダ部7からなっている．前記ピン部6の全部の長さが接合部に回転した状態で挿入され，ショルダ部7もわずかに挿入される。接合は回転ツール3を回転方向4に回転させながら，接合方向5に沿って実施する。このとき前記ケース本体1および蓋2は，回転ツール3により生じる摩擦熱と塑性流動現象によって接合される。また接合を確実にするため，冶具１０を用いて接合対象物を固定した。図3に示す様に前記接合方法によって得られる接合部8は，接合欠陥もなく，かつ平滑である。なお本実施例では，ツール回転数20000rpm，接合速度は1000mm/minとした。冶具１０は蓋２の外周上面に設けられたリング状の突起１３の内周に沿って接しており、回転ツール３の荷重を支えるように固定され、摩擦攪拌接合が行われる。突起１３は接合後に切削又は切断して除くことができる。
【００２１】
図4および図5は蓋2の端部にテーパーを設け，接合する構造を示す断面図である。図４は図２と同様のリング状の突起１３が設けられ、同様の治具１３によって固定されて接合される。図５は袋状のケース本体１の開口端の外周面のリング状の突起１３が設けられたもので、ケース本体１はその外周に沿った治具１３の空洞部内に挿入されて前述と同様に接合される。接合後、突起１３は前述と同様に除去することが出来る。
【００２２】
本実施例により得た5種類のケースの水中気密試験結果を表1に示す。なお試験条件は5kg/cm2のN2ガスを圧入し，常温にて240時間放置後，ガス漏れを検査した。また比較材として，従来法であるレーザー溶接により作製したケースも併せて試験した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
その結果，本発明のケースは気密性に優れており，割れなどは発生しなかった．一方，レーザー溶接により作製したケースでは，一部もれが発生した。
【００２５】
（実施例２）
リチウムイオン二次電池のように，電池そのものの軽量性が優れている場合，そのケース自体の重量も極力薄肉化，軽量化が望まれる。しかし本発明のごとき摩擦攪拌接合によりケース本体と蓋を接合する場合，回転ツール3を接合部に押し付けることにより発生する力により，ケースの変形等が生じる可能性があり，接合部の形状の調整，局部的な肉厚化，適切な冶具の使用により，ケースの変形を防止する必要がある。
【００２６】
図6は，ケース本体1に蓋2を圧入した後，上部から回転ツール3を挿入して接合した例である．この場合，回転ツール3の押し付け力が大きくなると，ケース本体1にザクツが生じることがある。図６での接合は図５と同様に行われる。
【００２７】
図7は、ケース本体1と蓋2の隅に傾斜を設けることにより押し付け力を分散し，ケース本体のザクツを防止した接合部の断面図である．図７での接合は図２と同様に行われる。
【００２８】
図8又は図9は、ケース本体に凸部9を設けることにより，ザクツを防止した。前記凸部9は，ケース本体をプレス成形または鋳造するときに形成した。これらの接合は図５と同様に行われる。
【００２９】
図10又は図11は、ケース本体1および蓋2を冶具10により固定して支えることにより，ザクツの防止とケースの寸法精度の向上を図った構造を有する断面図である。
【００３０】
（実施例３）
リチウムイオン二次電池ケースの如き薄肉ケースの場合，ケース本体と蓋の接合はより少ない工程で実施することが望ましい。しかし薄肉に伴い寸法精度の確保が課題であり，本発明では冶具とかしめを用いた位置決めと回転ツール押し付け力の分散を試みた。
【００３１】
図12及び図13は、かしめを実施した後，摩擦攪拌接合する例を示す断面図である。この場合，かしめ部11の隅を回転ツール3により接合する。さらに図14に示すように，ケース本体1と蓋2を冶具10を用いてかしめてかしめ部11を形成させ，冶具10で固定したまま回転ツール3で接合した。これにより薄板であるケース本体1の波うちを抑制でき，接合条件を安定化することが可能となることがわかった。
【００３２】
図15は、その他の接合方法として、蓋2の端部にテーパー12を設ける方法や，図16は、蓋2の端部に凸部を，またケース本体１の上部内面に凹部を設け，これらをかしめることによりかしめ部11を設けて接合する方法も併せて実施した断面図である。いずれの場合も良好な接合が実施された。
【００３３】
図１７は、ケース本体１に前述よ同様にリング状の突起１３を有し、その突起１３の上に平板状の蓋２を載せて前述と同様にその突起部側を接合したものである。（ａ）は斜視図、（b）は断面図である。接合部８は、接合の場所によって接合後にその突起１３を切断又は切削することが出来る。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば，特に、リチウムイオン二次電池ケースにおいて、ケース本体と蓋とを確実に摩擦攪拌接合により接合することができ、それにより電池内容物に熱的影響を与えず，低歪みでかつ密封性の高い製品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の軽量ケースの斜視図である。
【図２】本発明の接合部を示す断面図である。
【図３】本発明の接合部を示す断面図である。
【図４】本発明の接合部を示す断面図である。
【図５】本発明の接合部を示す断面図である。
【図６】本発明の接合部を示す断面図である。
【図７】本発明の接合部を示す断面図である。
【図８】本発明の接合部を示す断面図である。
【図９】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１０】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１１】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１２】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１３】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１４】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１５】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１６】本発明の接合部を示す断面図である。
【図１７】本発明の接合部を示す断面図である。
【符号の説明】
1…ケース本体，2…蓋，3…回転ツール，4…回転方向，5…接合方向，6…ピン部，7…ショルダ部，8…接合部，9…凸部，10…冶具，11…かしめ部，12…テーパー部、１３…突起。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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