JP2005199381A - 打ち抜き加工方法及び打ち抜き装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加工物の塗膜の脱落、粉塵の発生、集電体を構成する金属箔の曲がりの低減を実現できる簡易な構成の打ち抜き装置及び打ち抜き加工方法を提供すること。
【解決手段】ダイ５、７とパンチ３とを備える打ち抜き金型１を用い、ダイに被加工物９を固定しパンチで被加工物を打ち抜き加工する方法及び装置であって、シート部材１７を介して被加工物をパンチにより打ち抜くことにより、被加工物に加わる加工力が緩和され、被加工物の切断面に箔の曲がりが発生することを防止するとともに、被加工物の塗膜が脱落することを防止し、打ち抜き加工により生じる粉塵等が金型へ付着することを防止する。
【選択図】図１

Description

本発明はシート状材料の打ち抜き加工に関し、主に電子機器等に使用される部品の打ち抜き加工方法及び打ち抜き装置に関する。

携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等の電子機器の電力源としてリチウムイオン二次電池、ポリマー電池等の二次電池が使用されている。また、携帯機器の電源バックアップや、プリンタ、リモコン、メモリカード、ゲーム機等のメモリ・時計機能の電源バックアップや瞬時電圧低下補償装置として、さらに、ハイブリッド車用の補助電源、コジェネレーション等の用途として電気二重層キャパシタが使用されている。

二次電池及び電気二重層キャパシタには、電極巻回型と電極積層型とがあるが、電極巻回型の立体型と比べ電極積層型はその厚さを薄くできる。そのため、省スペースが要求される用途としては、電極積層型が広く利用されている。

電極積層型の二次電池は、正極及び負極がセパレータを挟むように積層してなる積層体を作製し、当該積層体に電解液を含浸させた状態でアルミラミネートの外装体に収納し、封止して製造される。

一方、電極積層型の電気二重層キャパシタは、電極積層型の二次電池と同様の工程で製造され、セパレータを介して分極性電極が対向するように積層してなる積層体を作製し、当該積層体を電解液に含浸させた状態でアルミラミネートの外装体に収納し、封止して製造される。さらに、ハイブリッド車用の補助電源、コジェネレーション等としては、上記のように作製した電気二重層キャパシタを複数直列に連結し利用される。

上記した二次電池や電気二重層キャパシタに用いられている電極はシート状の材料を小片に打ち抜いて作製された物である。以下に電極を作製する方法について説明する。

図５は、従来の打ち抜き装置の断面図である。打ち抜き装置の構成要素である打ち抜き金型は、パンチ１０３及びダイ１０５，１０７からなり、パンチ１０３は、ダイ１０５、１０７に対して昇降可能である。また、ダイ１０５、１０７に形成された開口部１３３に所定のクリアランスでパンチ１０３が侵入できるようにダイ１０５、１０７及びパンチ１０３が寸法付けされている。

上記構成において、ダイ１０５、１０７上に電極材料である被加工物１０９を置き、パンチ１０３を矢印１３１の方向に降下させると、被加工物１０９からパンチ１０３の外周とほぼ同寸法及び同形状の電極片が成形される。

ところで、被加工物１０９として、アルミ箔や銅箔に活物質を塗布したものが一般的に使用されている。活物質としては、活性炭、カーボン、コバルト酸リチウム等を用いるが、これらは非常に脆く、打ち抜き加工の際に切断面の塗膜（活物質）が脱落したり、脱落した塗膜が粉塵となって金型に付着するコンタミナント（粉塵）となっていた。コンタミナントとなった活物質は、パンチ１０３とダイ１０５、１０７との間の摩耗を促進させるという不具合がある。

また、被加工物１０９の粉塵が金型表面に付着するとパンチ１０３とダイ１０５、１０７との間で焼き付きが生じてしまい、打ち抜き金型の破損等を引き起こす恐れがある。

さらに、上記したように活物質が脱落すると、電極出力の低下につながり、最終製品の性能を確保できない恐れがある。

また、被加工物の切断面の箔の曲がり、すなわちばりが塗膜の厚み寸法を超えて厚み方向に突出すると、電極間に配置されるセパレータを突き破り他の電極と接触してショートを引き起こしてしまう恐れがある。

そこで、上記不具合を解消するため様々な打ち抜き装置が提案されている。
図６は、トムソン刃を用いて電極を切断する打ち抜き装置の部分断面図である。打ち抜き装置は、電極材料である被加工物２０８を載置するための支持台２０５と、支持台２０５に対して上下方向に移動可能な昇降部材２０１とを備えている。昇降部材２０１の支持台２０５に対向する面には被加工物２０８を裁断するためのトムソン刃２０３が装着されるとともに、被加工物２０８を押圧するための押さえ板２１１がスプリング２１３を介して装着されている。

押圧部材２０３が被加工物２０８に接触していない状態では、トムソン刃２０３の刃先部と、押圧部材２１１の被加工物２０８に対向する面とはほぼ面一である。押圧部材２０３が被加工物２０８に接触し、さらに昇降部材２０１を降下させると、押圧部材２１１に連結されているスプリングが縮むため押圧部材自体は降下しないが、トムソン刃２０３は降下する。そうすると、押圧部材２１１により被加工物２０８により付勢された状態で、トムソン刃２０３が被加工物２０８を裁断する。

図７は、ファインブランキングプレス装置の断面図である。ファインブランキングプレス装置は、被加工物３０８を上下方向に挟んで配置されるパンチ３０３及びダイ３０５、３０７とを備える。さらに、被加工物に３０８に関してダイ３０５、３０７と対向する位置に、板押さえ部材３３１、３３３が配置され、この板押さえ部材により被加工物３０８に押圧力が付加される。また、被加工物３０８に関してパンチ３０３に対向する位置に逆さ押さえ３３５が配置されている。

上記構成において、被加工物３０８の内部に高い圧縮応力を生じさせ裁断加工を行うものである。具体的３０８には、被加工物をダイ３０５、３０７上に配置する。板押さえ部材３３１、３３３の被加工物３０８に接触する面に設けられた突起すなわちＶリング３１１により被加工材３０８を押圧し、ダイ３０５、３０７との間で被加工材３０８を圧接固定する。さらに、パンチ３０３と逆押さえ部材３３５とで被加工物３０８を上下方向に挟み込んだ状態にし、パンチ３０３及び逆さ押さえ３３５をともに下方に移動し、被加工物３０８を所定形状に剪断加工する。最後に、パンチ３０３と逆さ押さえ３３５から解放されて打ち抜き製品を得る（非特許文献１参照。）。

さらに、他の打ち抜き装置として、切断面に発生するばりを小さくすることを目的とし、上記ファインブランキングプレス装置に類似する構成を備える装置が提案されている（特許文献２参照。）。

特開２００３−３１７７０９号公報（段落番号〔００１１〕） 特開２００２−１２６８２８号公報（段落番号〔００３２〕〜段落番号〔００３７〕、第２図） "ファインブランキングの概要"、[online]、森鉄工株式会社、[平成１５年１２月１０日検索]、インターネット＜URL:http://www.moriiron.com/japan/products/fb/fb outline.html＞

上記特許文献１及び２の電極打ち抜き装置及び非特許文献１に記載されたファインブランキングプレス装置は、図５の打ち抜き装置を使用することに伴う不具合を解消し、生産効率や製品の品質を向上させるという利点がある。しかしながら、パンチ及びダイの他に種々の構成要素が必要となり打ち抜き装置の構造が複雑になる。図６の打ち抜き装置は、スプリング２１３、押圧部材２１１等を備える必要があるため装置の構造が複雑化するとともに装置の価格が上昇する。

また、図７のファインブランキングプレス装置では、逆さ押さえ３３５，板押さえ部材３３１、３３３等が必要なうえ、裁断工程において、各構成要素を同期させて駆動するための機構が必要となる。また、ファインブランキングプレス装置では、加工材料の裁断される部分の周縁部にそって広い領域を押さえ込む必要があるとともに、その押さえ込まれる領域に傷をつけるので材料の無駄が生じ材料歩留まりが悪くなる。

従って、上記打ち抜き装置やファインブランキングプレス装置は、同一製品の大量生産には向いているが、多岐に亘る形状や寸法の製品を比較的少量生産する場合には適さない。

本発明の目的は、図６のような打ち抜き装置や、図７のファインブランキングプレス装置のように構造を複雑化させることなく、さらに、図５の打ち抜き装置を用いて打ち抜き加工する際に生じる切断面の塗膜の脱落、脱落した塗膜が粉塵となって金型への付着を防止することが可能な打ち抜き加工方法及び打ち抜き装置を提供することを目的とする。また、打ち抜きされた小片の切断面の箔の曲がり、打ち抜き切断面の箔の曲がりを抑えることができる打ち抜き加工方法及び打ち抜き装置を提供することを目的とする。

本発明者等は、鋭意研究の結果次のような事実を認識するに至った。すなわち、表面が粉っぽいパサパサ（乾燥）した物体をまな板の上に載せ、その物体を包丁で切断すると、切断面（切断方向に垂直な方向に延在する面）の縁部が欠けたり、粉塵が舞い上がったりすることがある。しかしながら、その物体を紙で包んでから包丁で切断すると、切断面の欠けが減少するとともに、粉塵が舞い上がることを防止できる。

そこで、発明者等は上記手法をシート状の被加工物の打ち抜き作業に応用することとした。すなわち、発明者等は、被加工物をパンチ等により打ち抜き加工を行う際、被加工物をダイに固定した後、パンチにより被加工物を直接打ち抜くのではなく、シート部材を介して被加工物を打ち抜くこととした。

具体的には、本発明の打ち抜き加工方法の第１の態様によれば、ダイとパンチとを備える打ち抜き金型を用い、ダイに被加工物を固定しパンチで被加工物を打ち抜き加工する方法であって、パンチによりシート部材を介して被加工物を打ち抜く方法である。

上記打ち抜き加工方法により、パンチとダイとからなる打ち抜き金型を用いて、シート部材を介して被加工物をパンチにより打ち抜くと、被加工物に加わる加工力が緩和されるため、被加工物の切断面に箔の曲がりが発生することを防止できるとともに、被加工物の塗膜が脱落することを防止できる。また、シート部材を介してパンチが被加工物を打ち抜くため、被加工物の打ち抜き加工により生じる粉塵等が金型へ付着することを防止できる。

本発明の打ち抜き加工方法の第２の態様は、リール状に巻回されるシート部材及び被加工物を同期させて打ち抜き金型に間欠的に供給する工程と、打ち抜き金型を通過したシート部材及び被加工物をリール状に巻き取る工程とを有し、シート部材が被加工物に接触した状態で前記打ち抜き金型に供給される。

上記打ち抜き加工方法の第２の態様では、互いに接触したリール状のシート部材及び被加工物が同期した状態で打ち抜き金型に送られるので、打ち抜き加工の際には、常に未使用のシート部材を介して被加工物の打ち抜き作業が行われる。よって、被加工物に加わる加工力を確実に緩和できる。

本発明の打ち抜き装置は、ダイとパンチとを有し被加工物を打ち抜き加工するための打ち抜き金型を備える打ち抜き装置であって、打ち抜き金型にシート部材を供給するためのシート供給手段を備え、シート供給手段は、被加工物とパンチとの間にシート部材を供給する構成である。

上記構成により、シート部材を介して被加工物をパンチにより打ち抜くと、被加工物に加わる加工力が緩和されるため、被加工物の切断面に曲がりが発生することを防止できるとともに、被加工物の塗膜が脱落することを防止できる。また、シート部材を介してパンチが被加工物を打ち抜くため、被加工物の打ち抜き加工により生じる粉塵等が金型へ付着することを防止できる。

本発明によれば、パンチとダイとからなる構成の打ち抜き金型を用い、ダイに固定された被加工物に対してシート部材を介在させパンチにより打ち抜くという簡易な構成で、被加工物の塗膜の脱落や、切断面の湾曲、打ち抜き作業で生じる粉塵の金型への付着、粉塵に起因する金型の摩耗を防止することができる。

例えば、電気二重層キャパシタの電極を作製する場合、その電極表面積を実質的に大きくするために表面に活性炭からなる層を設けているのであるが、本発明によれば、パンチの様な表面の硬い部材により直接加圧されないことから、活性炭形成時の状態を維持した電極が容易に得られる。従って、所望の特性を有するキャパシタ等を簡単かつ安定して得ることができる。

以下、図面を参照して本発明の打ち抜き方法及び打ち抜き装置の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明による打ち抜き方法を適用した打ち抜き装置の構成図である。打ち抜き装置の構成要素である打ち抜き金型１は、ダイ５、７と、ダイ５、７に対向して配置されたパンチ３からなる。パンチ３は、不図示の駆動手段により昇降可能（図中上下方向）になっていて、ダイ５、７に対して近づいたり離れたりする。また、不図示の送り装置により巻回されたリール状の被加工物９が矢印２９方向に搬送される。その被加工物の搬送方向に沿って打ち抜き金型１の上流側には第１ガイドローラ２１、２３、そして下流側には第２ガイドローラ２５、２７が配置されている。

さらに、被加工物９の上面側には同じく巻回されたリール状のシート部材１７が矢印２９方向に搬送される。ローラ４１に巻回されたシート部材の一端部がシート供給部材である第１ガイドローラ２１、２３により打ち抜き金型１内に導入され、さらに、第２ガイドローラ２５、２７により巻き取り用ローラ４３に案内され巻き取られる。

なお、被加工物９及びシート部材１７の矢印２９方向への搬送速度は、ほぼ同じ速度になるように従来より知られる方法で同期されている。すなわち、加工力を緩和するため、常に未使用のシート部材１７をパンチ３により打ち抜き加工がなされることとした。また、シート部材１７が被加工物９に接触した状態で被加工物９をパンチ３により打ち抜くことが望ましい。シート部材１７単独でパンチ３が当接した際に破断してしまうと、被加工物９に対するパンチ３の加工力を緩和する目的が達成できない場合があるからである。

図２は、打ち抜き金型１の一部を拡大した断面図である。ダイ５、７の上面には、打ち抜き加工がなされる被加工物９が配置される。さらに、被加工物９の上面にはシート部材１７が配置される。

また、パンチ３は、ダイ５、７に形成された開口部３３に収容されるように寸法づけされ、パンチ３が開口部３３内に侵入した時にパンチの外周面及び開口部の内周面とが摩耗しないように所定のクリアランスが設けてある。

図３は、被加工物９の長手方向に沿った拡大断面図である。被加工物９は、集電体１１と厚み方向に対向する面それぞれに塗布された塗膜１３、１５とからなる３層構造である。集電体１１の材料は、その電極の用途により異なる。例えば、二次電池の場合には、正極用にアルミニウム箔、負極用に銅箔等を集電体として使用する。塗膜１３、１５は、樹脂等を介在させ集電体１１の厚み方向に対向する各面に塗布される。塗膜１３、１５の材料としては、例えば正極電極には活物質であるコバルト酸リチウムを、そして負極電極には活物質であるカーボンを用いる。

上記構成の打ち抜き装置を用いた打ち抜き加工方法について説明する。被加工部材９及びシート部材１７が、第１ガイドローラ２１、２３により打ち抜き金型１内に案内されると、パンチ３がダイ５、７の方向（図２の矢印３１方向）に下降する。パンチ３の当接面３ａがシート部材１７に当接した状態で被加工物９を打ち抜く。

打ち抜かれた小片は、開口部３３を介して打ち抜き金型１の外部に排出される。小片が打ち抜かれ、金型１を通過した被加工物９は、第２ガイドローラ２５、２７を介して不図示の巻き取りローラに巻回される。同様に、金型１を通過したシート部材９も第２ガイドローラ２５、２７により巻き取りローラ４３に案内され、巻回される。

なお、上記実施の形態においては、シート部材１７を被加工物９上のみに配置させてパンチ３により打ち抜き加工を行うものとしたが、別のシート部材を被加工部９とダイ５、７との間に配置する構成とすることも可能である。被加工物９の両面に塗膜１３、１５が塗布されている場合には、塗膜１３、１５の両面の脱落や、切断面の湾曲、打ち抜き作業で生じる粉塵の金型への付着、粉塵に起因する金型の摩耗を防止することができるからである。

また、打ち抜き工程の処理効率を上げるために、リール状の被加工物及びリール状のシート部材を使用したが、予め所定寸法に切断された被加工物にシート部材を介して打ち抜き加工することも可能であることは言うまでもない。

以下において本発明の実施例を比較例と共に説明する。

本発明の打ち抜き装置により作製した電極片（実施例）と従来の打ち抜き装置により作製した電極片（比較例）の切断面を比べる。

作製したのはキャパシタ用の電極である。被加工部材である電極用材料は、アルミニウム箔を集電体として、活物質として活性炭を用いた。活性炭は、電極用材料の表面及び裏面に樹脂等を介して塗布されている。また、電極用材料は、リール状に巻回されている長尺状材料である。作製した電極片は、寸法４７ｍｍ×５２ｍｍである。

アルミニウム箔は圧延したものであり、その厚さは４０μｍである。活性炭の塗布厚みは１４５μｍである。すなわち、電極用材料の厚さは、３３０μｍである。他方、電極用材料の上面に重ね合わされるシート部材である紙は、長尺状のもので巻回されたリール状のものである。紙の寸法は、幅が５７ｍｍ、厚さが６０μｍ、長さが５０ｍである。電極片のサンプルは、連続的に１００枚作製した。

図４は、本発明の打ち抜き装置と従来の打ち抜き装置を用いて作製した電極の断面を示す。図中Ａ部分は、本発明の打ち抜き装置により作製された電極を２枚重ねた状態の断面である。また図中Ｂ部分は、従来の打ち抜き方法により作製された電極を２枚重ねた状態の断面である。その結果をまとめたものが表１である。

図４に示されるように、従来の打ち抜き装置により作製した電極の集電体１１Ｂは、湾曲している。また、塗膜の一部１３Ｂが欠けている。本発明の打ち抜き装置により作製した電極の集電体１１Ａはほぼ水平に延在している。また、断面の縁に欠けも見られない。

上記実施例では、作製する電極を、アルミニウム箔に活性炭を塗布したものとしたが、材料をこれに限定されないことは言うまでもない。例えば、銅箔にカーボンを塗布したものや、アルミニウム箔にコバルト酸リチウムを塗布したものででも同様の結果が得られる。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施例は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

本発明の打ち抜き装置の構成図である。 図１に示す打ち抜き金型の部分断面図である。 図１の被加工物の部分拡大断面図である。 本発明の打ち抜き方法及び従来の打ち抜き方法それぞれにより作製した電極の断面図である。 従来の打ち抜き装置の部分断面図である。 別の従来の打ち抜き装置の部分断面図である。 ファインブランキングプレス装置の部分断面図である。

符号の説明

１ 金型
３ パンチ
５、７ ダイ
９ 被加工物
１１ 集電体
１３、１５ 塗膜
１７ シート部材
２１、２３ 第１ガイドローラ
２５、２７ 第２ガイドローラ
４１ ローラ
４３ 巻き取り用ローラ

Claims (3)

1. ダイとパンチとを備える打ち抜き金型を用い、前記ダイに被加工物を固定し前記パンチで被加工物を打ち抜き加工する方法であって、前記パンチによりシート部材を介して前記被加工物を打ち抜くことを特徴とする打ち抜き加工方法。
2. リール状に巻回される前記シート部材及び前記被加工物を同期させて打ち抜き金型に間欠的に供給する工程と、前記打ち抜き金型を通過した前記シート部材及び前記被加工物をリール状に巻き取る工程と、を有し、前記シート部材と前記被加工物とが接触した状態で前記打ち抜き金型に供給されることを特徴とする請求項１に記載の打ち抜き加工方法。
3. ダイとパンチとを有し被加工物を打ち抜き加工するための打ち抜き金型を備える打ち抜き装置であって、前記打ち抜き金型にシート部材を供給するためのシート供給手段を備え、前記シート供給手段は、前記被加工物と前記パンチとの間に前記シート部材を供給することを特徴とする打ち抜き装置。
   

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