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1. (WO2018180790) 金型
Document

明 細 書

発明の名称 金型

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003  

先行技術文献

特許文献

0004  

発明の概要

発明が解決しようとする課題

0005   0006  

課題を解決するための手段

0007  

発明の効果

0008  

図面の簡単な説明

0009  

発明を実施するための形態

0010   0011   0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045  

符号の説明

0046  

請求の範囲

1   2   3   4  

図面

1   2   3   4   5   6   7   8  

明 細 書

発明の名称 : 金型

技術分野

[0001]
 本発明は、二次電池等の電極に用いられる集電箔に対して貫通孔を形成するための金型に関する。

背景技術

[0002]
 従来から、二次電池の電極に用いられる集電箔に対して、多数の貫通孔を形成することが知られている。例えば、特許文献1においては、多数の微細突起が表面に形成された成形ロール及び受けロールの間に金属箔を挟持させ、2つのロールを回転させることによって当該金属箔を2つのロール間を通過させて貫通孔を形成している。
[0003]
 一方で、被接触物に対して貫通孔を形成するための一般的な金型としては、略平板状であってその表面に複数の突起(凹凸)が形成された金型も知られている。例えば、特許文献2には、一般的な電鋳技術を用いて、所要の凹凸パターンを表面に備える金型の製造方法が開示されている。

先行技術文献

特許文献

[0004]
特許文献1 : 特許5953597号公報
特許文献2 : 特開2013-142192号公報

発明の概要

発明が解決しようとする課題

[0005]
 しかしながら、金型の突起を被接触物に接触させて貫通孔を形成すると、突起と被接触物との間に生じる摩擦力等により、当該突起が摩耗することになる。特に、突起の先端部分の摩耗が激しく、突起が摩耗することによって被対象物に対する貫通孔形成の精度が悪化することになる。また、金型の突起が摩耗すると金型自体を交換する必要があり、金型のコスト、及びメンテナンス費用が増加することになる。このため、金属箔への貫通孔形成自体のコスト低減を図るためにも、金型の耐久性が強く要求されている。
[0006]
 本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、優れた耐久性を備え、貫通孔形成に関するコストを低減することができる金型を提供することにある。

課題を解決するための手段

[0007]
 上述した目的を達成するため、本発明の金型は、厚み5~40μmの金属箔に対して複数の貫通孔を形成するための金型であって、硬度がHV650以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなり、前記複数の突出部の表面を覆う被覆層と、を有することである。

発明の効果

[0008]
 本発明によれば、優れた耐久性を備え、貫通孔形成に関するコストを低減することができる金型を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0009]
[図1] 実施例に係る金型の斜視図である。
[図2] 実施例に係る金型の正面図である。
[図3] 実施例に係る金型の使用状態を示す概略図である。
[図4] 実施例に係る金型の突起部の拡大側面図である。
[図5] 図2における線V-Vに沿った金型の拡大断面図である。
[図6] 変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。
[図7] 変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。
[図8] 変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。

発明を実施するための形態

[0010]
 以下、図面を参照しながら、本発明の金型について詳細に説明する。なお、本発明は以下に説明する内容に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲において任意に変更して実施することが可能である。また、実施例及び変形例の説明に用いる図面は、いずれも本発明に係る金型を模式的に示すものであって、理解を深めるべく部分的な強調、拡大、縮小、又は省略等を行っており、各構成部分の縮尺や形状等を正確に表すものとはなっていない場合がある。更に、実施例及び変形例で用いる一部の数値は、いずれも一例を示すものであり、必要に応じて様々に変更することが可能である。
[0011]
<実施例>
 先ず、図1乃至図5を参照し、本実施例に係る金型及びその使用状態について詳細に説明する。ここで、図1は、本実施例に係る金型の斜視図であり、図2は、本実施例に係る金型の正面図である。また、図3は、本実施例に係る金型の使用状態を示す概略図である。更に、図4は、本実施例に係る金型に形成された突起部の拡大側面図である。そして、図5は、図2における線V-Vに沿った金型の拡大断面図である。
[0012]
 図1及び図2から分かるように、本実施例に係る金型10は、直方体状の平板部11、平板部11の第1表面11a側に形成された複数の突起部12、平板部11の第1表面11a側に形成された複数の受け部13を有している。ここで、突起部12は、平板部11の第1表面11aから突出し、被加工物を貫通する部分となる。一方、受け部13は、平板部11の第1表面11aから陥没した開口である。なお、本実施例に係る金型10において、平板部11の第2表面11bは、金型10を担持するための治具を取り付けるために平坦な形状を備えているが、各種の治具又は支持部材を接続するために凹凸等が形成されていてもよい。
[0013]
 また、図1及び図2に示すように、本実施例に係る金型10は、平板部11の第1表面11a上に被覆層20が積層されている。すなわち、金型10の突起部12及び受け部13の表面、並びにその他の平坦な表面は、被覆層20によって被覆されている。
[0014]
 図3に示すように、被加工物である金属箔30に複数の貫通孔を形成する場合には、本実施例に係る金型10を2つ準備し、準備した2つの金型10によって金属箔30を挟むことになる。従って、一方の金型10の突起部12に対して対向する位置に、他方の金型10の受け部13が配置されることになる。換言するならば、平板部11の第1表面11aには、金属箔30を2つの金型10によって挟む際に、一方の金型10の突起部12に対して対向する位置に陥没した受け部13が形成されていることになる。そして、金属箔30を2つの金型10によって挟むことにより、突起部12と金属箔30が接触して、金属箔30に複数の貫通孔が同時に形成されることになる。なお、図3においては、説明及び図示の便宜用の上ため、平板部11の第1表面11a上に形成されている被覆層20は省略している。
[0015]
 本実施例に係る金型10の加工対象は、厚みが5~40μmの金属箔30である。当該金属箔30は、例えば、二次電池の集電箔に使用されるものである。また、金属箔30としては、例えば、銅、アルミニウム、チタン、ニッケル(これらの合金含む)又はステンレス等が用いられることになる。
[0016]
 金型10(被覆層20以外の部分)は、突起部12及び受け部13に対応する凹凸が形成された樹脂材料からなる母型に対して、一般的な電鋳技術を施して形成される。このため、平板部11及び突起部12は、同一の金属によって一体的に形成されている。金型10は、強度の観点からその厚みが約500μmになること、及び金型10自体の反りを考慮して、硬度HV650以下の金属から形成されている。すなわち、硬度HV650を超える金属については、金型10の形状等を考慮すると、本実施例に係る金型10の構成部材として用いることができない。本実施例においては、ニッケル及びコバルトを所望の混合比で合成したものを電鋳材料として使用し、HV600(公称値)のニッケルコバルト合金(NiCo)から金型10が形成されている。なお、当該電鋳材料は、形成される金型10の硬度がHV650以下であれば、ニッケル、銅、鉄、又はニッケルモリブデン合金(NiMo)等の他の金属を単体又は混合して使用してもよい。
[0017]
 また、図1及び図2に示すように、突起部12はマトリックス状(4行×4列)に並んで合計16個形成されている。同様に、受け部13も、マトリックス状(4行×4列)に並んで合計16個形成されている。そして、突起部12と受け部13とは、一方向(図2における長手方向)において、交互に配設されている。このような形状から、本実施例においては、金属箔30を2つの金型10によって挟むと、合計32個の貫通孔が同時に形成されることになる。
[0018]
 ここで、突起部12同士の間隔、及び受け部13同士の間隔は、250μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましい。すなわち、突起部12及び受け部13の形成密度は、16個/mm 以上であることが好ましく、100個/mm 以上であることがより好ましい。ここで、金属箔30を二次電池の集電箔に使用する場合には、より多くの貫通孔が形成されていることが望ましくなるが、金属箔30の一定の領域を2つの金型10によって複数回挟むことによって貫通孔を多数形成すると、金属箔30にシワができやすく、結果破れやすくなってしまう等、集電箔としての信頼性が低下することになる。また、金属箔30を金型10によって挟む際の位置決め精度が低いと、金属箔30に形成される貫通孔の間隔が異なり、場合によっては隣接する貫通孔同士が連通する恐れがある。このために、本実施例においては、突起部12及び受け部13の形成密度は、16個/mm 以上とすることにより、金属箔30の一定の領域を2つの金型10によって挟む回数を低減しつつも、より多くの貫通孔を同時に形成し、集電箔としての信頼性を維持できるようにしている。
[0019]
 なお、突起部12及び受け部13の数量及び配置関係は、上述した内容に限定されることなく、金属箔30に形成する貫通孔の数量及び形成箇所に応じて適宜変更することができる。例えば、突起部12及び受け部13を、図2の短辺方向においても交互に配置するようにしてもよい。
[0020]
 更に、突起部12の高さは、被加工物である金属箔30の厚みの1.5倍以上であることが好ましく、2~3倍とすることがより好ましい。ここで、突起部12の高さは金属箔30の厚みによって調整されるものの、金属箔30を二次電池の集電箔に使用する場合には、突起部12の高さを20μm以上とすることが特に好ましくなる。このように設定する理由としては、金属箔30を二次電池の集電箔に使用する場合には、電解液をスムーズに通すために、集電箔に形成された貫通孔の開口径が10μm程度になることが望ましくなるためである。
[0021]
 図4に示すように、突起部12は、平板部11側に位置する突出部12a、及び突起部12の先端に位置し且つ凸曲面状をなす頂部12bから構成されている。突出部12aの形状は円錐台状であり、頂部12bの形状は半球状である。なお、図4においては、図示及び説明の便宜上のため、被覆層20を省略している。
[0022]
 突出部12aは、平板部11の第1表面11aに直交する方向に対して傾斜している傾斜側面12cを含んでいる。第1表面11aに直交する方向に対する傾斜側面12cの傾斜角度(以下、抜き勾配とも称する)θは、5度以上(例えば、9度)としても良い。このような傾斜角度θを設定することにより、2つの金型10によって金属箔30を挟み且つ貫通孔を形成した後に、2つの金型10を互いに離間するように移動することで、金型10から金属箔30を容易に取り外すことができる。換言すると、厚みが5~40μmの金属箔30に対して、傾斜側面12cの傾斜角度が5度以上に設定することにより、金属箔30を引き破った突起部12を金属箔30から引き抜く際に、突起部12が金属箔30に引っかかることが低減される。このような突起部12の引っかかりが低減されることにより、金属箔30の破れが防止され、更には傾斜側面12cの摩擦損傷が防止されることになり、金型10の耐久性向上につながることになる。
[0023]
 また、突出部12aの上面の直径2r(すなわち、頂部12bの直径2r)は、被加工物である金属箔30の厚みの50%以上としても良い。すなわち、本実施例における金属箔30の最小厚みは5μmであるため、突出部12aの上面の直径2rは2.5μm以上となる。ここで、突出部12aの上面の直径2rと、被加工物である金属箔30の厚みとの関係は、突出部12aの上面の表面積が5μm 以上であることと同義である。これは、突出部12aの上面の直径2rは2.5μm以上であることから、突出部12aの上面の最小表面積を算出した結果に基づいている。
[0024]
 このような突出部12aの上面の直径2rを設定することにより、厚みが5~40μmの金属箔30に対して、突出部12aの先端(すなわち、頂部12bの形成面側)の摩耗が防止されることになる。なお、突出部12aを形成するための精度(母型の形成精度)を考慮すると、突出部12aの上面の表面積が20μm 以上であることがより好ましい。
[0025]
 頂部12bは、突出部12aの上面に形成されているものの、頂部12bと突出部12aとの間には段差が存在していない。すなわち、突出部12aの傾斜側面12cに対して、頂部12bの凸曲面が平滑に連続している。このような頂部12bの形状により、頂部12bの直径2rは突出部12aの上面の直径2rと同一であり、頂部12bは直径2.5μm以上の半球体となる。ここで、突起部12が金属箔30を突き破る際には、突起部12の先端に係る力は、突起部12の延在方向(すなわち、第1表面11aに直交する方向)生じるだけでなく、金属箔30が伸びる力とシワが形成される力とが複雑に作用し、突起部12の延在方向に直交する方向にも力が生じることになる。このため、上記のような半球状の頂部12bを設け、金属箔30の加工時における突起部12の先端にかかる応力を分散させ、突起部12の摩耗を防止することが図られている。
[0026]
 図5に示すように、受け部13である開口の形状は、突起部12に対応しており、円錐台部及び半球部から構成された形状である。ただし、受け部13の寸法は、突起部12と比較して全体的に大きくなっている。これは、被加工物である金属箔に貫通孔を形成する際に、受け部13に対する他の金型の突起部の接触を防止するためである。このような受け部13の形状及び寸法により、金属箔30の加工時においても、一方の金型10の突起部12が他方の金型10の受け部13に接触することがなくなり、突起部12の破損が防止され、金型10自体の寿命向上を図ることができる。
[0027]
 なお、受け部13の形状は、上述したものに限定されることなく、他の金型の突起部が接触しないようにすることができれば他の形状であってもよい。例えば、本実施例の場合でれば、受け部13の形状を円柱状にしてもよい。
[0028]
 更に、図5に示すように、本実施例に係る金型10は、第1表面10a上に被覆層20が形成されている。すなわち、金型10においては、平板部11の平坦な面(突起部12及び受け部13の非形成面)、突起部12の表面(傾斜側面12c及び頂部12bの凸曲面)、及び受け部13の表面は、被覆層20によって保護されている。例えば、被覆層20の層厚は、数μmであるが、金属箔30の材料、厚みや被覆層20の材料に応じて適宜変更することができる。
[0029]
 被覆層20は、平板部11及び突起部12の材料と同一の金属を主材料とし、且つ平板部11及び突起部12の材料よりも高い硬度を備える合金から構成されている。例えば、平板部11及び突起部12がニッケルコバルト合金である場合には、ニッケルを主材料とする合金としてニッケルボロン(NiB)合金を用いて被覆層20を形成してもよい。この場合に、被覆層20は無電解メッキによって第1表面11a上に形成されることになる。
[0030]
 平板部11及び突起部12の材料と同一の金属を主材料として被覆層20を形成することにより、電鋳材料(すなわち、平板部11及び突起部12)と積層材料(すなわち、被覆層20)との密着性を向上させることができ、金型10の使用時における被覆層20の剥離を防止することができる。また、金型10自体の加工面が、より硬度な材料の被覆層20によって覆われていることにより、突起部12の摩耗を防止することができ、金型10自体の耐久性をより向上させることができる。
[0031]
 本実施例に係る金型10の製造方法の一例を以下に説明する。先ず、母型となる材料に対して公知の技術によって、突起部12及び受け部13に対応する凹凸を当該材料の表面に形成する。凹凸の形成方法としては、例えば、材料表面を切削等の機械的加工であってもよく、エッチング等の化学的加工であってもよく、レーザ照射によるものであってもよい。なお、当該凹凸は、上述した突起部12及び受け部13の各種形状及び寸法を実現できるように、非常に高精度且つ微細な加工が必要となる。
[0032]
 続いて、凹凸が形成された母型に一般的な電鋳技術を施して、当該母型に対応する金属の型(すなわち、平板部11、突起部12及び受け部13が形成された状態の中間体)が形成される。そして、当該母型から当該型を離間し、当該型の表面(すなわち、第1表面11a)に無電解メッキを施して、当該型の表面に被覆層20を積層する。これにより、金型10の製造が完了する。
[0033]
 電鋳材料としてニッケル(Ni)及びコバルト(Co)を用い、積層材料としてニッケル(Ni)及びボロン(B)を用いてNiCo+NiBの金型10を製造し、15μmのアルミ箔に対して複数の貫通孔を同時形成する耐久性実験を行った。
[0034]
 金型10の耐久性は、本実施例同様、使用前後に突起部12の高さ及び形状の変化を比較することによって評価した。表1に示すとおり、120万回使用後においても、使用前の98.6%を維持しており、また、形状の変化も見られなかった。
[0035]
[表1]


[0036]
<変形例>
 上記実施例においては、突起部12が円錐台状の突出部12a及び半球状の頂部12bから構成されていたが、突起部の形状はこれに限定されることなく、例えば、図6乃至図8に示すような形状であってもよい。ここで、図6乃至図8は、変形例に係る金型の突起部の拡大斜視図である。
[0037]
 図6に示すように、金型10の変形例として、円錐台状の突起部32が形成されてもよい。すなわち、上記実施例における頂部12bがなく、突出部12aのみが形成されているものと同一である。このような場合であっても、突起部32の傾斜側面の傾斜角度θを5度以上に設定しても良く、厚みが5~40μmの金属箔30に対して、突起部32が金属箔30に引っかかることが低減され、金属箔30の破れの防止及び金型10の耐久性向上を図ることができる。また、突起部32の上面の表面積を20μm 以上に設定し、且つ突起部32の上面の直径2rを被加工物である金属箔30の厚みの50%以上に設定しても良く、これによって突起部32の先端の摩耗が防止されることになる。
[0038]
 また、図7に示すように、金型10の他の変形例として、三角錐台状の突起部42が形成されてもよい。すなわち、金属箔30を突き破る部分の形状は円錐台に限定されることなく、各種の角錐台であってもよいことになる。このような場合であっても、突起部42の傾斜側面の傾斜角度θを5度以上に設定しても良く、厚みが5~40μmの金属箔30に対して、突起部42が金属箔30に引っかかることが低減され、金属箔30の破れの防止及び金型10の耐久性向上を図ることができる。また、突起部42の上面の面積を20μm 以上に設定しても良く、これによって突起部42の先端の摩耗が防止されることになる。更に、複数の突起部42のそれぞれが、三角錐台状の形状又はその他の角錐台状の形状を備える場合は、直線的な機械加工でも容易に突起部42を形成することが可能となる。
[0039]
 更に、図8に示すように、金型10の他の変形例として、四角錐体の側辺を面取りした形状を備える突起部52が形成されてもよい。このような面取り加工を施すことにより、突起部52の側面に尖った部分がなくなり、突起部52自体の摩耗が防止されることになる。すなわち、図7に示すような角が存在する突起部42と比較して、金型10の更なる耐久性の向上が図られることになる。
[0040]
 なお、図7及び図8に示す変形例においても、凸曲面状をなす頂部を設けてもよい。これにより、金属箔30の加工時に、突起部42,52の先端にかかる応力を分散することができ、突起部42,52の摩耗を更に防止することができる。また、上記実施例及び変形例においては、1つの金型に突起部及び受け部を形成していたが、一方の金型に突起部のみを形成し、他方の金型に受け部のみを形成し、これらの2つの金型を使用して金属箔30に複数の貫通孔を同時に形成してもよい。
[0041]
<本発明の態様>
 本発明の第1の態様は、厚み5~40μmの金属箔に対して複数の貫通孔を形成するための金型であって、硬度がHV650以下の金属からなる平板部と、前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなり、前記複数の突出部の表面を覆う被覆層と、を有することである。
[0042]
 第1の態様に係る金型は、硬度HV650以下の金属から形成されているため、全体としての厚みを500μm程度にすることができ、反りが防止されている。複数の突出部の表面に、突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなる被覆層が形成されているため、金属箔に開口を形成するための加工面がより硬度な材料によって覆われることになり、突出部の摩耗を防止することができ、金型自体の耐久性をより向上させることができる。また、突出部と被覆層との密着性を向上させることができ、金型の使用時における被覆層の剥離を防止することができる。
[0043]
 本発明の第2の態様によれば、上記本発明の第1の態様において、前記平板部の表面における前記突出部の形成密度は16個/mm 以上であることである。これにより、金属箔の一定の領域に対して多数の貫通孔を形成する場合であっても、金属箔の一定の領域に対して金型の接触する回数が低減されることになり、より多くの貫通孔が同時に形成され、二次電池の集電箔としての信頼性を維持することができる。
[0044]
 本発明の第3の態様によれば、上記本発明の第1又は2の態様において、前記突出部の高さは前記金属箔の厚みの1.5倍以上であることである。これにより、厚み5~40μmの金属箔に対して形成される貫通孔の開口径が10μm程度を維持することができ、当該金属箔を二次電池の集電箔に使用する場合には、当該貫通孔を介して電解液をスムーズに通すことができ、二次電池の性能を向上することができる。
[0045]
 本発明の第4の態様によれば、上記本発明の第1乃至3のいずれかの態様において、前記金属箔を2つの金型によって挟む際に、一方の金型の前記突出部に対して対向する位置に陥没した受け部が形成されていることである。これにより、2つの金型によって金属箔を挟むことによって貫通孔を形成する場合であっても、一方の金型の突出部が他方の金型に接触することが防止され、金型の突出部の摩耗を防止することができる。

符号の説明

[0046]
 10  金型
 11  平板部
 11a  第1表面
 11b  第2表面
 12  突起部
 12a  突出部
 12b  頂部
 12c  傾斜側面
 13  受け部
 20  被覆層
 30  金属箔


請求の範囲

[請求項1]
 厚み5~40μmの金属箔に対して複数の貫通孔を形成するための金型であって、
 硬度がHV650以下の金属からなる平板部と、
 前記平板部の材料と同一の金属からなり、前記平板部の表面から突出するように一体的に形成された錐台状の複数の突出部と、
 前記突出部の材料と同一の金属を主材料とし、且つ前記突出部の材料よりも高い硬度を備える合金からなり、前記複数の突出部の表面を覆う被覆層と、を有する金型。
[請求項2]
 前記平板部の表面における前記突出部の形成密度は、16個/mm 以上である請求項1に記載の金型。
[請求項3]
 前記突出部の高さは、前記金属箔の厚みの1.5倍以上である請求項1又は2に記載の金型。
[請求項4]
 前記平板部の表面には、前記金属箔を2つの金型によって挟む際に、一方の金型の前記突出部に対して対向する位置に陥没した受け部が形成されている請求項1乃至3のいずれか1項に記載の金型。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]

[ 図 8]