JP4679674B2

JP4679674B2 - 単３形電池

Info

Publication number: JP4679674B2
Application number: JP2010530207A
Authority: JP
Inventors: 泰史住廣
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2010-04-05
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2030-04-05
Also published as: WO2011004522A1; JPWO2011004522A1; US20110171520A1

Description

本発明は、形状がＪＩＳ規格で定められた単３形（ＩＥＣ規格ではＬＲ６、ＡＮＳＩ規格ではＡＡ）の電池に関する。

今日、単３形の電池は、アルカリ乾電池、マンガン乾電池などが主に製造販売されている。この種の単３形の電池は、日用品から玩具、ホビー用品、ゲーム機器、携帯用音楽再生装置、電子機器の主電源として、今日幅広く普及しており、機器に使用して長持ちすることが所望されている。

機器の駆動時間を長くするには、電池の容量を大きくする必要があるが、そのためには、電池の発電要素である正極、負極材料の高容量化を図る他に、ＪＩＳ規格で定められた範囲内で電池の寸法を大きくして、電池容積の増大を図ることが志向されている（例えば、特許文献１を参照）。特に、ＪＩＳ規格により、形状が細長い円筒状に定められた単３形の電池においては、電池の外径寸法が電池の高容量化に大きく寄与する。

図５は、一般的な円筒状の単３形電池１００の外周面に沿った断面図である。単３形の電池１００の外径は、内部に発電要素１０２を収納した電池ケース１０１の外径Ｒと、電池ケース１０１の外周面を被覆して絶縁を確保する外装ラベル１０３の厚さＴによって決定され、外装ラベル１０３が重なった部分を含んで最大外径となる。すなわち、電池ケース１０１の外径Ｒに、外装ラベル１０３の３枚分の厚さ３Ｔを加えた寸法（Ｒ＋３Ｔ）が、電池１００の最大外径となる。なお、ＪＩＳ規格で定められた単３形電池の外径は、最大で１４．５ｍｍである。

特表２００２−５３２８５１号公報

しかしながら、従来の単３形の電池の最大外径は、アルカリ乾電池においては、１４．０〜１４．２ｍｍ、マンガン乾電池においては、１３．８〜１４．１ｍｍに止まっているのが実情である。これは、最大外径を大きくした単３形電池を電子機器に装填したとき、種々の装填不具合が生じることによる。

本発明は、電池の最大外径を大きくしても、電子機器への装填不具合の生じない、高容量の単３形電池を提供することを目的とする。

本発明の一側面における単３形電池は、発電要素が有底円筒形の電池ケース内に収容された単３形電池であって、電池ケースの底面中央部の一部が突出して形成された凸部で正極端子が構成されており、電池ケースの開口部は、電池ケースの開口端部をかしめることによって、負極端子板で密閉されており、電池の最大外径をＬ（ｍｍ）、電池ケースの正極端子側の肩部の円弧の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、１４．２０≦Ｌ≦１４．３５，及びｒ≧Ｌ−１３．９を満たすことを特徴とする。

このような構成により、単３形電池の最大外径を大きくしても、電池を電子機器にスムーズに装填できるため、正極端子が電子機器側の端子に接触しないことによる非通電の生じない、高容量の単３形電池を実現することができる。

本発明の他の側面において、上記電池ケースの外周面は、絶縁性の外装ラベルで被覆されており、電池ケースの正極端子側の肩部の円弧の半径（ｒ）は、０．５ｍｍ以上であって、凸部の平面と、外装ラベルの平面との距離は、１．４８〜１．６０ｍｍの範囲にある。これにより、電子機器への装填不具合の生じない、より高容量化を図った単３形電池を実現することができる。

本発明によれば、電池の最大外径を大きくしても、電子機器への装填不具合の生じない、高容量の単３形電池を提供することができる。

本発明の一実施形態における単３形の電池の構成を示した半断面図である。（ａ）は、非通電となった電池が電池ホルダに装填された状態を示した図で、（ｂ）は、電池の正極端子側肩部を拡大した拡大図である。電池の最大外径及びケース肩部の円弧の半径と、装填時の非通電との関係を示したグラフである。（ａ）〜（ｃ）は、正極端子の形状の変形例を示した部分断面図である。一般的な円筒状単３形電池の外周面に沿った断面図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。また、本発明の効果を奏する範囲を逸脱しない範囲で、適宜変更は可能である。さらに、他の実施形態との組み合わせも可能である。

図１は、本発明の一実施形態における単３形のアルカリ乾電池１０の構成を模式的に示した半断面図である。なお、本実施形態における電池は、外径がＪＩＳ規格で定められた単３形（ＩＥＣ規格ではＬＲ６、ＡＮＳＩ規格ではＡＡ）の電池である。

図１に示すように、電池１０の発電要素（正極２、負極３、及びセパレータ４）が、正極端子３０を兼ねた有底円筒形の電池ケース１内に収容され、電池ケース１の開口部は、ガスケット５、負極集電体６、及び負極端子板７を一体化した封口体９によって密閉されている。また、電池ケース１の外周面は、絶縁性の外装ラベル８で被覆されている。

本願発明者は、最大外径の大きさを変えた電池１０を作製し、これらを、単３形電池を電源として使用している機器に装填して、装填時における不具合を検証した。かかる検証には、日用品から玩具、ホビー用品、ゲーム機器、携帯用音楽再生装置、電子機器に至る５０機種の機器を用いた。

ここで、電池１０の総高を５０．２０ｍｍ、外装ラベル８の厚み（Ｔ）を０．０７ｍｍとし、電池ケース１の外径（Ｒ）を１３．９０ｍｍから１４．１５ｍｍまで０．０５ｍｍずつ変えた電池Ａ〜電池Ｆを作製した。

表１は、その結果を示した表である。電池１０の最大外径（Ｒ＋３Ｔ）が１４．１６ｍｍ以下の電池Ａ及び電池Ｂでは、機器装填時に非通電となった電池はなかったが、最大外径が１４．２１ｍｍ以上の電池Ｃ〜電池Ｆでは、機器装填時に非通電となった電池が生じた。この非通電は、電池ケース１の底面中央部に形成された凸部で構成された正極端子３０が、機器側の端子に接触していないことによるものであった。

図２（ａ）は、非通電となった電池１０が機器側に設けられた電池ホルダ４０に装填された状態を示した図で、図２（ｂ）は、電池１０の正極端子３０側肩部２０の部分を拡大して示した拡大図である。

電池１０の最大外径が大きくなると、電池１０の外周部と電池ホルダ４０との隙間が狭くなるため、図２（ａ）に示すように、電池１０が少し傾いて装填されると、電池１０の肩部２０が電池ホルダ４０の内壁と接触した状態になる。このとき、図２（ｂ）に示すように、電池ホルダ４０の内壁と接触した電池１０の肩部２０には、負極端子に接触するバネ５０から受ける力Ｆ _２と、電池ホルダ４０の内壁から受ける抗力Ｆ _１と、電池１０の外周部と電池ホルダ４０の内壁との摩擦力Ｆ３とが働く。ここで、摩擦力Ｆ３がバネ５０から受ける力Ｆ２よりも大きいと、電池１０は傾いた状態のままで電池ホルダ４０に装填される。その結果、正極端子３０が、電池ホルダ４０側の端子に接触することができず、非通電となる。

ところで、電池ケース１には、正極端子３０側の肩部２０の他に、図１に示したように、電池ケース１の開口端部をガスケット５を挟んで内方に折り曲げられた円弧状のかしめ部６０がある。一方、正極端子３０側の肩部２０の円弧は、大きな電池容積を確保するためには、その半径は小さい方がよい。それ故に、正極端子３０側肩部２０の円弧の半径は、かしめ部６０の半径よりも通常は小さい。

そこで、本願発明者は、電池１０の外周部と電池ホルダ４０の内壁との摩擦力Ｆ_３が、正極端子３０側肩部２０の円弧の大きさで規制されていることを想定して、正極端子３０側肩部２０の円弧の大きさを変えた電池を作製して、表１と同様に、単３形電池を電源として使用している機器に装填して、装填時における不具合を検証した。

ここで、表１に示した機器装填時に非通電が生じた電池のうち、最大外径が１４．２１ｍｍ、１４．３１ｍｍの電池Ｃ及び電池Ｅを基準（肩部２０の円弧の半径が０．３ｍｍ）に選び、それぞれ、電池ケース１の正極端子３０側肩部２０の円弧の半径（ｒ）を、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍの範囲に変えた電池Ｃ、Ｅ、Ｇ〜Ｌを作製した。

表２は、その結果を示した表である。最大外径が１４．２１ｍｍの電池の場合、ケース肩部２０の円弧の半径が０．４ｍｍ以上の電池Ｇ〜Ｉでは、非通電の電池は生じなかった。それに対して、最大外径が１４．３１ｍｍの電池の場合、ケース肩部２０の円弧の半径が０．５ｍｍ以上の電池Ｋ〜Ｌでは、非通電の電池は生じなかった。

この結果から、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）を大きくすることによって、電池１０の外周部と電池ホルダ４０の内壁との摩擦力Ｆ_３が低減され、これにより、電池１０の電池ホルダ４０への装填がスムーズになり、正極端子３０が機器側の端子に接触できたものと考えられる。

一方、電池１０の最大外径がより大きくなると、電池１０の外周部と電池ホルダ４０との隙間がより狭くなるため、図２（ａ）に示した電池１０の傾斜角がより小さくなる。そのため、電池ケース１の肩部２０による摩擦力Ｆ_３の低減効果が発揮されにくくなる。その結果、ケース肩部２０の円弧の半径が同じ大きさの電池Ｇ及び電池Ｊであっても、最大外径が小さい方の電池Ｇでは、非通電は生じなく、最大外径が大きい方の電池Ｊでは、非通電が生じたものと考えられる。

以上の知見から、電池１０の最大外径と、電池ケース１の肩部２０の円弧の半径とを最適な範囲に設定することによって、電池１０の外周部と電池ホルダ４０の内壁との摩擦力Ｆ_３を低減することができ、これにより、電池１０を電池ホルダ４０にスムーズに装填することが可能となる。

図３は、電池１０の最大外径（Ｒ＋３Ｔ）と、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）とをそれぞれ変えて作製した各電池について、表１と同様に、装填時における不具合を検証した結果を示したグラフである。ここで、黒丸印は、５０機種中、非通電の生じなかった電池、×印は、非通電の生じた電池をそれぞれ示す。なお、最大外径が１４．４０ｍｍの電池１０では、電池ホルダ４０に装填できない電池もあった。

図３に示した直線Ａは、Ｌ＝Ｒ＋３Ｔとしたとき、ｒ＝Ｌ−１３．９と近似できる。従って、電池１０を電池ホルダ４０にスムーズに装填させて、正極端子３０が電池ホルダ４０と非通電とならないためには、電池１０の最大外径をＬ（ｍｍ）と、電池ケース１の正極端子３０側肩部２０の円弧の半径をｒ（ｍｍ）とを、以下の式（１）を満たす範囲に設定すればよい。

ｒ≧Ｌ−１３．９・・・（１）
なお、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）を大きくし過ぎると、電池容積が減少するため、高容量化の観点で好ましくない。従って、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）は、１．２ｍｍ以下にすることが好ましい。

また、電池１０の最大外径（Ｌ）についても、高容量化の観点から、１４．２０ｍｍ以上にすることが好ましい。さらに、電池１０を電池ホルダ４０に確実に装填するためには、電池１０の最大外径（Ｌ）は、１４．３５ｍｍ以下にすることが好ましい。

上述した電池１０の最大外径を鑑みると、電池ケース１の外径は１４．１５ｍｍ以下にすることが好ましい。そして、高容量化の観点から、電池ケース１の外径は１３．９５ｍｍより大きくすればよく、好ましくは１４．００ｍｍ以上、さらに好ましくは１４．０５ｍｍ以上とすればよい。

ここで、ケース肩部２０の円弧は、必ずしも一定の曲率をなすものでなくてもよい。本発明における「円弧の半径」は、ケース肩部２０がなす円弧状の任意の３点（若しくはそれ以上）における曲率半径の平均値をいう。

また、外装ラベル８の表面に、耐摩耗性と潤滑性を付与するニスなどの保護層を設けることによって、電池１０をよりスムーズに機器に装填することができる。なお、保護層は紫外線硬化型のニスが、コーティング作業において容易である点で好ましい。

ところで、電池ホルダ４０に逆接防止機構が設けられている場合、電池１０が電池ホルダ４０に傾いて装填されても正極端子３０の非通電が生じないよう、正極端子３０の凸部の高さをある程度高くしている。

一方、本発明においては、電池１０の最大外径を大きくしても、機器装填時の非通電が生じない効果を奏するが、これは、電池１０の傾きが小さく機器に装填されることを意味する。

そこで、正極端子３０を構成する凸部の高さを小さくしても、機器装填時の非通電が生じない効果を奏することを検証するために、正極端子３０を構成する凸部の高さを変えた電池を作製して、表１と同様に、単３形電池を電源として使用している機器に装填して、装填時における不具合を検証した。

表３は、その結果を示した表である。表３に示すように、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）を０．５ｍｍに設定した場合、正極端子３０の凸部の高さ（Ｄ）が１．４８ｍｍ以上の電池Ｋ〜Ｏでは、非通電の電池は生じなかった。なお、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）が０．５ｍｍを超える電池は、電池１０の外周部と電池ホルダ４０の内壁との摩擦力Ｆ３を低減する効果はより発揮されると考えられる。従って、ケース肩部２０の円弧の半径（ｒ）が０．５ｍｍ以上、正極端子３０を構成する凸部の高さ（Ｄ）が１．４８〜１．６０ｍｍの範囲において、非通電の生じない高容量の電池を実現することができる。

なお、正極端子３０は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すような形状のものもあるが、本発明における正極端子３０の凸部の高さ（Ｄ）は、図４（ａ）〜（ｃ）に示す寸法をいう。すなわち、図４（ａ）、（ｂ）に示す形状のものでは、正極端子３０の凸部平面と外装ラベル８の平面との距離、図４（ｃ）に示す形状のものでは、正極端子３０の凸部平面と中間段差部３１の平面との距離をいう。

ここで、正極端子３０が、図４（ａ）、（ｂ）に示す形状の電池においては、外装ラベル８の厚みを、０．０５〜０．１０ｍｍの範囲にすることが好ましい。外装ラベル８の厚みが０．１０ｍｍより厚いと、正極端子３０の凸部の高さ（Ｄ）が上記範囲にある場合、電池ケース１の実質的な長さが短くなるため、電池容積が小さくなる。また、外装ラベル８の厚みが０．０５ｍｍより薄いと、外装ラベル８の強度が低くなって、電池の装填時に外装ラベル８が破れるおそれがある。

また、図４（ｂ）に示す形状の電池においては、外装ラベル８の厚みは正極端子３０の中間段差部３１の高さより薄く、外装ラベル８が２枚重なった部分（外装ラベル８の厚さの２倍に相当）の厚さは正極端子３０の中間段差部３１の高さより厚くすることが好ましい。このようにすると、機器に電池を装填する際に、多少の抵抗（ひっかり等）がある場合であっても、外装ラベル８の２枚重なった部分の外側の一枚分が捲れても、正極端子３０の中間段差部３１の高さより薄い内側の一枚分が無傷で残すことができる。すなわち、無理に機器に電池を装填しようとしても外装ラベル８が破れないという予期せぬ効果をもたらす。例えば、外装ラベル８の厚さを０．０８ｍｍとし、正極端子３０の中間段差部３１の高さを０．１５ｍｍとすればよい。

以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、アルカリ乾電池について説明したが、電池ケース１に収納する発電要素の材料の選択によって、単３形のマンガン乾電池やリチウム電池、ニッケル水素蓄電池等にも本発明を適用することも勿論可能である。

また、上記実施形態においては、電池ケースを一方の電極端子を兼ねた構成にしていたが、電池ケースの底部を略平面状に成形した後、電極端子を溶接等により一体化したものであってもよい。

本発明は、高容量な単３形の電池として、あらゆる機器の電源に好適に用いられる。

１電池ケース
２正極
３負極
４セパレータ
５ガスケット
６負極集電体
７負極端子板
８外装ラベル
９封口体
１０電池
２０肩部
３０正極端子
３１中間段差部
４０電池ホルダ
５０バネ
６０かしめ部

Claims

発電要素が有底円筒形の電池ケース内に収容された単３形電池であって、
前記電池ケースの底面中央部に形成された凸部で正極端子が構成されており、
前記電池ケースの開口部は、該電池ケースの開口端部をかしめることによって、負極端子板で密閉されており、
前記電池の最大外径をＬ（ｍｍ）、前記電池ケースの前記正極端子側の肩部の円弧の半径をｒ（ｍｍ）としたとき、以下の式を満たす、単３形電池。
１４．２０≦Ｌ≦１４．３５、
ｒ≧Ｌ−１３．９
前記電池ケースの前記正極端子側の肩部の円弧の半径（ｒ）は、１．２ｍｍ以下である、請求項１に記載の単３形電池。
前記電池ケースの外周面は、絶縁性の外装ラベルで被覆されており、
前記電池ケースの前記正極端子側の肩部の円弧の半径（ｒ）は、０．５ｍｍ以上であって、
前記凸部の平面と、前記外装ラベルの平面との距離は、１．４８〜１．６０ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の単３形電池。
前記電池ケースの外径は、１３．９５〜１４．１５ｍｍの範囲にある、請求項１に記載の単３形電池。
前記電池ケースの外径は、１４．００ｍｍ以上である、請求項４に記載の単３形電池。
前記電池ケースの外径は、１４．０５ｍｍ以上である、請求項４に記載の単３形電池。
前記電池は、アルカリ電池である、請求項１に記載の単３形電池。