(57)【要約】  【課題】    誤使用時に電池に流れる逆電流により起こる不具合を防止することができる乾電池を提供する。  【解決手段】    ダイオード板９ａを、乾電池の負極端子板７の内側と、集電ピン８の端面との間に電池極性に対して順方向に備える。すなわち、ダイオード板９ａのアノードが負極端子板７と接続されて、そのカソードは集電ピン８の端面と接続されている。ダイオード板９ａを備えることで、ダイオードの有する整流効果により、乾電池の逆電流を遮断することができる。したがって、乾電池を充電器にセットする、あるいは逆装填するといった誤使用により生じる乾電池の不具合を防止することができる。【選択図】  図１  
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオード素子、もしくはダイオード層が負極端子と負極集電子との間に順方向に備えられていることを特徴とする乾電池。
【請求項２】
ダイオード素子、もしくはダイオード層が負極端子の表面に順方向に備えられていることを特徴とする乾電池。
【請求項３】
ダイオード素子、もしくはダイオード層が正極端子の表面に順方向に備えられていることを特徴とする乾電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイオード素子、もしくはダイオード層を備える乾電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、小型の携帯用電子機器の発達にともない、電池の需要が急速に伸びている。そのような中で、高性能化を目指しつつ、一方で安全性が十分に確保された電池の設計を行うことが重要となってきている。
【０００３】
従来、安全機構として、二次電池などには、ＰＴＣ（Positive  Temperature  Coefficient）素子が備えられている（例えば、特許文献１参照）。ＰＴＣ素子は、正常な温度、電流では極めて小さな抵抗であるが、過剰な電流が流れた場合、あるいは高温になった場合に抵抗値が増大し、電池に流れる電流を制限する性質を有する。したがって、ＰＴＣ素子を電池に備えることによって、例えば外部短絡が生じたときでも、一定温度に達すると、ＰＴＣ素子が働き、電池の電流を停止させるため、電池に過電流が流れることを防ぐことができる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２５９４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら乾電池において、例えば乾電池を充電器にセットする、あるいは乾電池を３個以上直列に使用する電子機器において１本だけ逆に装填する（逆装填）、といった誤使用により生じてしまう不具合を防ぐ安全対策は十分とはいえない。乾電池を充電器にセットする、あるいは逆装填するといった誤使用により、乾電池には逆電流が流れ、乾電池は充電状態になる。充電状態になった乾電池は、電池内部でガスが発生し、その後、漏液や破裂といった不具合が生じてしまうため、非常に危険である。
【０００６】
したがって、この発明の目的は、誤使用時に電池に流れる逆電流により起こる不具合を防止することができる乾電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、この発明の第１の態様は、ダイオード素子、もしくはダイオード層が負極端子と負極集電子との間に順方向に備えられていることを特徴とする乾電池である。
【０００８】
この発明の第２の態様は、ダイオード素子、もしくはダイオード層が負極端子の表面に順方向に備えられていることを特徴とする乾電池である。
【０００９】
この発明の第３の態様は、ダイオード素子、もしくはダイオード層が正極端子の表面に順方向に備えられていることを特徴とする乾電池である。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、ダイオード素子、もしくはダイオード層を乾電池の負極端子と負極集電子との間、負極端子の表面、または正極端子の表面に順方向に備えることで、ダイオードの有する整流効果により、乾電池の逆電流を遮断することができる。したがって、乾電池を充電器にセットする、あるいは逆装填するといった誤使用が生じても、逆電流が流れることを防止でき、乾電池の不具合を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、この発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。図１を参照して、この発明の第１の実施形態について説明する。図１Ａは、この発明の第１の実施形態による乾電池の一構成例を示す縦断面図である。
【００１２】
第１の実施形態による電池は円筒型のアルカリ乾電池であり、電池缶１と、正極部２と、セパレータ３と、負極合剤４と、封口部材５と、ワッシャー６と、負極端子板７と、集電ピン８と、ダイオード素子もしくはダイオード層とを備えている。第１の実施形態では、ダイオード素子として、ショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板９ａが、一例として使用されている。図１Ｂは第１の実施形態による乾電池の負極側の部分拡大図である。図１Cは、従来のアルカリ乾電池の負極側の部分拡大図であり、第１の実施形態による乾電池の負極側の部分拡大図である１Bと、電池構成を比較するために示す。
【００１３】
電池缶１は、例えば鉄にニッケルめっきが施された金属板をプレス加工して形成したものであり、電池缶１の下部には、正極端子が位置している。電池缶１の外表面は、外装ラベルによって覆われている。図１では外表面を図示しない。
【００１４】
正極部２は、正極合剤を中空円筒状に成形した正極ペレットからなる。正極合剤には、正極活物質、例えば二酸化マンガン（ＭｎＯ2）と、水酸化カリウム(以下、KOH)水溶液を使用した電解液と、導電剤である黒鉛粉末とが含まれる。
【００１５】
セパレータ３は、中空円筒状をしており、正極部２の内側に配置される。セパレータ３は、内部短絡の防止と両電極の間隔保持のために使用されており、例えばポリビニルアルコール、レーヨン、ポリオレフィンといった吸液性、保湿性、耐アルカリ性に優れた不織布が、セパレータ３として用いられる。
【００１６】
負極合剤４は、負極活物質である粒状亜鉛（Ｚｎ）と電解液とゲル化剤とからなる。ゲル化剤は負極活物質および電解液を均一に分散させる目的で使用されている。
【００１７】
正極部２と負極合剤４とセパレータ３とが内部に収納された電池缶１の開口部には、プラスチック材からなる封口部材５が、この開口部を封口するために嵌合されている。更に封口部材５を覆うように、ワッシャー６と負極端子板７とが、取り付けられている。
【００１８】
集電ピン８は、黄銅製で釘状であり、封口部材５の中央部の貫通孔に圧入されて負極合剤４に達していることで、負極の集電が確保されている。また、正極の集電は、正極部２と電池缶１とが接続していることで確保されている。
【００１９】
負極端子板７の内側と、集電ピン８の端面との間には、ダイオード板９ａが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ａのアノードが負極端子板７と接続されて、そのカソードは集電ピン８の端面と接続されている。第１の実施形態による乾電池で一例として使用しているショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板９ａは、例えば以下のような方法で作製される。
【００２０】
［半導体基板作製］
Ｓｂ、Ｐ、Ａｓなどが高濃度にドープされたＮ+形のシリコン単結晶を、薄い板状に切り出し、表面を研磨して、厚さ約300μｍ程度とする。
【００２１】
［エピタキシャル成長］
シラン化合物とリン化合物を高温で分解反応させ、上述した半導体基板上にＮ-層を成長させる。
【００２２】
［酸化］
酸化雰囲気中で、Ｎ-層の表面にＳｉＯ2酸化膜を形成させる。
【００２３】
［アノードパターニング］
フォトレジスト法を用い、酸化膜表面にアノード領域をパターニングする。その後、このフォトレジストをマスクにして、アノード領域内の酸化膜をエッチング除去する。さらに、フォトレジストも除去する。
【００２４】
［アノード拡散］
パターニングされた部分に、約1200℃でＢを熱拡散させ、Ｐ層を形成させる。
【００２５】
［アノード電極パターニング］
アノード拡散の際に、形成したＰ層の上部にはＳｉＯ2酸化膜が形成されるので、これを上記アノードパターニングと同様の方法で除去する。
【００２６】
［バリアメタル層形成］
バリアメタルとなるＭｏをスパッタリングする。
【００２７】
［電極用メタル層形成］
電極用メタルとなるＡｕをスパッタリングする。
【００２８】
［熱処理］
バリアメタル層と、電極用メタル層とのオーミックコンタクトを完全にするため、不活性雰囲気中で、４５０℃で１時間の熱処理を行う。
【００２９】
以上の工程によって作製されたショットキバリア型ダイオードを、直径約7ｍｍの円形状に切り出し、はんだ付けにより設置する。
【００３０】
図２は、乾電池を逆装填したときの一例を示す回路図である。図２では、直列に接続された乾電池４本のうち１本が逆装填されており、乾電池２２は乾電池２１に対して逆装填した乾電池である。参照符号２３は４０Ωの抵抗を示し、参照符号２４は逆装填した乾電池２２の端子電圧を測るための電圧計を示す。
【００３１】
図３は、第１の実施形態による乾電池を、図２の乾電池２２のように逆装填した時の、乾電池の端子電圧の変化を示す測定結果である。図３には、比較として、図１Ｃで記載した従来のアルカリ乾電池の、同条件での端子電圧の変化も示す。測定結果３１で示すように、従来のアルカリ乾電池は、電圧が上昇し続け、最終的には漏液が生じたのに対し、測定結果３２で示すように、第１の実施形態による乾電池は、電圧が上がることなく、漏液も生じなかった。
【００３２】
一般的に、アルカリ乾電池使用機器は、直列使用で８本直列が最多の条件と考えられる。したがって、ダイオード板９ａの特性としては下記の特性が望ましいと考えられる。
逆方向耐電圧：約１０Ｖ
逆方向漏れ電流：約５０ｍＡ
順方向ピーク電流：３Ａ
静的抵抗値：小さいほど良い
ピーク順電圧：０．１Ｖ以下
【００３３】
第１の実施形態による乾電池および従来の乾電池を、１００ｍＡの定電流で０．９Ｖまで放電させたときの放電時間を測定した結果、ダイオード板９ａを備えてない従来の乾電池の放電時間が２１．５時間であったのに対し、第１の実施形態による乾電池の放電時間は２１．２時間であり、両電池にそれほど差はなかった。基本的にダイオード素子は抵抗体であるため、放電時間が短くなるが、第１の実施形態による乾電池では、放電時間の低下がほとんどない。
【００３４】
図３から分かるように、この発明の第１の実施形態によれば、乾電池の負極端子板７の内側と、集電ピン８の端面との間にダイオード板９ａを備えることによって、乾電池に流れる逆電流（充電電流）を遮断することができる。この効果はダイオードのもつ整流作用によるものであると考えられる。
【００３５】
次に、図４を参照して、この発明の第２の実施形態について説明する。図４Ａは、この発明の第２の実施形態による乾電池の一構成例を示す縦断面図である。なお、第１の実施形態による乾電池と対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
【００３６】
第２の実施形態による乾電池は円筒型のアルカリ乾電池であり、電池缶１と、正極部２と、セパレータ３と、負極合剤４と、封口部材５と、ワッシャー６と、負極端子板７と、集電ピン８と、ダイオード素子もしくはダイオード層とを備えている。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態では、ダイオード素子として、ショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板９ｂが、一例として使用されている。また、図４Ｂは第２の実施形態による乾電池の負極側の部分拡大図である。図４Ｃは、従来のアルカリ乾電池の負極側の部分拡大図であり、第２の実施形態による乾電池の負極側の部分拡大図である図４Ｂと、電池構成を比較するために示す。
【００３７】
負極端子板７の表面には、ダイオード板９ｂが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｂのカソードが負極端子板７の表面に接続され、そのアノードが表面に露出している。ダイオード板９ｂの製法および特性は、上述した通りである。
【００３８】
第１の実施形態による乾電池と同様に、第２の実施形態による乾電池を、図２の乾電池２２のように逆装填した時も、図３の測定結果３２に示されたように、電池の電圧が上がることなく、従来の乾電池にみられたような漏液も生じなかった。
【００３９】
この発明の第２の実施形態によれば、乾電池の負極端子板７の表面に、ダイオード板９ｂを備えることによって、乾電池に流れる逆電流（充電電流）を遮断することができる。この効果はダイオードのもつ整流作用によるものであると考えられる。
【００４０】
次に、図５を参照して、この発明の第３の実施形態について説明する。図５Ａは、この発明の第３の実施形態による乾電池の一構成例を示す縦断面図である。なお、第１の実施形態と対応する部分には同一の参照符号を付して示す。
【００４１】
第３の実施形態による乾電池は円筒型のアルカリ乾電池であり、電池缶１と、正極部２と、セパレータ３と、負極合剤４と、封口部材５と、ワッシャー６と、負極端子板７と、集電ピン８と、ダイオード素子もしくはダイオード層とを備えている。第１の実施形態と同様に、第３の実施形態では、ダイオード素子として、ショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板９ｃが、一例として使用されている。また、図５Ｂは第３の実施形態による乾電池の正極側の部分拡大図である。図５Ｃは、従来のアルカリ乾電池の正極側の部分拡大図であり、第３の実施形態による乾電池の正極側の部分拡大図である図５Ｂと、電池構成を比較するために示す。
【００４２】
電池缶１の下部に位置している正極端子の表面には、ダイオード板９ｃが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｃのアノードが正極端子の表面に接続され、そのカソードが表面に露出している。ダイオード板９ｃの製法および特性は、上述した通りである。
【００４３】
第１の実施形態による乾電池と同様に、第３の実施形態による乾電池を、図２の乾電池２２のように逆装填した時も、図３の測定結果３２に示されたように、電池の電圧が上がることなく、従来の乾電池にみられたような漏液も生じなかった。
【００４４】
この発明の第３の実施形態によれば、乾電池の正極端子の表面にダイオード板９ｃを備えることによって、乾電池に流れる逆電流（充電電流）を遮断することができる。この効果はダイオードのもつ整流作用によるものであると考えられる。
【００４５】
この発明を捲回型電池に適用した他の実施形態について、以下に説明する。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃは、この発明の他の実施形態の縦断面図であり、負極電極６１と、正極電極６２と、セパレータ６３と、絶縁板６４と、負極缶６５と、負極リード６６と、正極リード６７と、正極端子６８と、安全弁装置６９と、封口部材７０とダイオード素子もしくはダイオード層とを備えている。図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃに記載の捲回型電池では、第１の実施形態と同様に、ダイオード素子として、ショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板９ｄ、９ｅ、９ｆが使用されている。ダイオード板９ｄ、９ｅ、９ｆの製法および特性は、上述した通りである。
【００４６】
図６Ａに示す捲回型電池では、正極端子６８の内側と安全弁装置６９との間に、ダイオード板９ｄが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｄのカソードが正極端子６８と接続され、そのアノードは安全弁装置６９と接続されている。
【００４７】
図６Ｂに示す捲回型電池では、正極端子６８の表面に、ダイオード板９ｅが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｅのアノードが正極端子の表面に接続され、そのカソードが表面に露出している。
【００４８】
図６Ｃに示す捲回型電池では、負極缶６５の下部に位置している負極端子の表面に、ダイオード板９ｆが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｆのカソードが負極端子の表面に接続され、そのアノードが表面に露出している。
【００４９】
図７Ａ、図７Ｂは、この発明をコイン型電池に適用したさらに他の実施形態の縦断面図であり、正極缶７１と、正極７２と、負極カップ７３と、負極７４と、セパレータ７５と、封口ガスケット７６と、ダイオード素子もしくはダイオード層とを備えている。図７Ａ、図７Ｂに記載のコイン型電池では、第１の実施形態と同様に、ダイオード素子として、ショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板９ｇ、９ｈが使用されている。
【００５０】
図７Ａに示すコイン型電池では、負極カップ７３の表面に、ダイオード板９ｇが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｇのカソードが負極カップ７３の表面に接続され、そのアノードが表面に露出している。
【００５１】
図７Ｂに示すコイン型電池では、正極缶７１の表面にダイオード板９ｈが電池極性に対して順方向に設けられている。すなわち、ダイオード板９ｈのアノードが正極缶７１の表面に接続され、そのカソードが表面に露出している。
【００５２】
以上、この発明の実施形態について説明したが、この発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。例えば、この発明の実施形態では、ショットキバリア型ダイオードの構成のダイオード板を使用した乾電池を一例に示したが、例えば、ＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）法などを用いて直接形成されたダイオード層や、ＰＮ接合型ダイオードなど、他のダイオードを用いても同様の効果が得られる。但し、ダイオードが乾電池の性能に影響を与えないためにも、静的抵抗値が小さいダイオードが好ましい。
【００５３】
この発明は、角型電池といった形状の違った電池にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】この発明の第１の実施形態による乾電池の縦断面図および負極側の部分拡大図、並びに従来の乾電池の負極側の部分拡大図である。
【図２】乾電池を逆装填した場合を示す回路図である。
【図３】この発明の乾電池、および従来の乾電池における、逆装填状態での端子電圧の変化をそれぞれ示す測定結果である。
【図４】この発明の第２の実施形態による乾電池の縦断面図および負極側の部分拡大図、並びに従来の乾電池の負極側の部分拡大図である。
【図５】この発明の第３の実施形態による乾電池の縦断面図および正極側の部分拡大図、並びに従来の乾電池の正極側の部分拡大図である。
【図６】この発明の他の実施形態による捲回型電池の縦断面図である。
【図７】この発明の他の実施形態によるコイン型電池の縦断面図である。
【符号の説明】
【００５５】
１・・・電池缶
２・・・正極部
３・・・セパレータ
４・・・負極合剤
７・・・負極端子板
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、９ｇ、９ｈ・・・ダイオード板
【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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