面状ばね及びこれを用いた安全弁
【課題】極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させると共に、ガス逸散後に自己復帰することができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁及び該安全弁に用いる面状ばねを提供する。
【解決手段】面状かつ枠状に形成された基部２０と、該基部２０の面方向内側に、複数のばね素子部２６を介して弾性的に支持される荷重受け部２２と、を一体的に有している。荷重受け部２２に荷重が入力された際に、該荷重受け部２２は基部２０に対して瞬時に、かつ弾性的に変位し、荷重がなくなると元の状態に自己復帰する。
【解決手段】面状かつ枠状に形成された基部２０と、該基部２０の面方向内側に、複数のばね素子部２６を介して弾性的に支持される荷重受け部２２と、を一体的に有している。荷重受け部２２に荷重が入力された際に、該荷重受け部２２は基部２０に対して瞬時に、かつ弾性的に変位し、荷重がなくなると元の状態に自己復帰する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面状ばね及びこれを用いた安全弁であって、リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池のような二次電池、アルミ電解コンデンサ、電気二重層キャパシタのようなコンデンサ及び電気量記憶素子のようなセンサ等の電気化学素子に用いられるものに係り、特に、電気化学素子の通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに、電解液を容器内に残しつつ該容器外に瞬時に逸散させるために用いる面状ばね及びこれを用いた自己復帰型の安全弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、防爆安全弁は、主に二次電池やコンデンサに用いられていた。特許文献７の図９に示されるように、アルミ電解コンデンサや電気二重層キャパシタの場合、代表的な防爆安全弁の構造は、アルミニウム金属ケース１２１の底面１２３に十字の段押し加工１２４を施し、他の部分よりもケース厚みを薄くしておくというものであり、安全限界に達すると段押し加工部分が破壊されるようになっている。
【０００３】
従来の電池用防爆安全装置としては、例えばステンレス鋼板を用いるもの（特許文献１参照）、ニッケルの箔板を用いるもの（特許文献２参照）が開示されている。特許文献２に記載の大型の据え置き型密閉鉛蓄電池では、電池周辺部の酸霧による腐食を防止するため触媒栓を用いて、充放電時に発生する水素ガスと酸素ガスを、触媒を用いて水に戻し、電池内部のガス圧の上昇を防止している。
【０００４】
また、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ)のフイルムを延伸して製造した連続気泡を有する多孔質膜を用いた構造が開示されている（特許文献３参照）。
【０００５】
更に、自己復帰型調圧機能を有する構造が開示されている（特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７）。特許文献６の図１には、ガス進入口１０Ａ（ガス逸散口）を有する弁室１０Ｂ（ガス通過部）内に、球弁２０と、該球弁２１をガス進入口１０Ａに押圧付勢するバネ体２１とが設けられた構造が開示されている。また、特許文献７の図８には、電池の容器の内部圧力が加熱や過電流によって異常に高くなったときにおける該電池の爆発による事故を防ぐ目的で、所定の圧力で破損してガス抜きを行う構造も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−７９９６５号公報
【特許文献２】特開平１０−１７２５２９号公報
【特許文献３】特開平５−１５９７６５号公報
【特許文献４】特開平８−２５９８５４号公報
【特許文献５】特開平１１−１４５０１５号公報
【特許文献６】特開平１１−３３９７４６号公報
【特許文献７】特開２００４−２２１１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したアルミ金属ケースに段押し部を設ける方法は、低コストであるが、破壊時の圧力にばらつきが大きく、信頼性が悪いと考えられる。
【０００８】
特許文献１に係る金属の箔帯を用いる安全弁では、安全弁が作動すると爆発は防止されるが、電池、コンデンサのような電気化学素子は安楽死することとなり、以後使用できない。
【０００９】
また、特許文献２に係る触媒栓は、安全ではあるが、高価で形状が大きく、触媒栓だけで小型電池以上に体積を要する。従って、小型の電気化学素子に応用することが不可能である。
【００１０】
更に、特許文献３に係るフッ素樹脂の多孔質フイルムは、機械的強度、信頼性、歩留まりの点で課題を有し、通常使用時におけるガスの逸散時に、ガスだけでなく電解液が同時に噴出する課題を有していた。またこの構造では、多孔度の均一化が困難で液が流失したり、歩留まりが悪く、Ｈ２Ｏ不透過機能が不完全である等の実用化の上で課題が多い。
【００１１】
特許文献４〜７に記載の構造では、コイルばねのアスペクト比が大きく、小型化が困難で、取付けのために比較的大きな空間が必要である。また１５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の高圧用のコイルばねと比較して、３〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の低圧用のコイルばねの場合には、ばね精度が悪く、低圧駆動が困難である。このため、小型で、２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２の低圧作動が可能で、かつ応答速度が速い自己復帰型安全弁は、電気二重層キャパシタのようなアルミ缶体用としては、実用化されていないのが現状である。
【００１２】
また特許文献７に記載の安全弁は、ガス透過性安全弁であるが、ガス透過安全弁用フイルムの単位時間当たりのガス透過量が少なく、大型の電気化学素子（大型電気二重層キャパシタ）に適用するには課題が残されている。
【００１３】
更に、近年は、携帯電話、パソコン及びＰＤＡ等の電子機器が小型化されるに伴い、これらの電気化学素子が超小型化されている。加えて、製造時のハンダリフロー時の耐熱特性や携帯機器の使用環境条件が厳しくなり、これらに使用される電気化学素子のガス発生問題が深刻化しつつある。
【００１４】
また、ＨＥＶ車（ハイブリットカー）の実用化に伴い、ＨＥＶ車が寒冷地で使用されるようになり、ＨＥＶ車の低温対策として、ニッケル水素電池と併用される大容量の電気二重層キャパシタが実用化されている。これらの電気化学素子に対しては、＋６０〜−３０℃の温度サイクル試験が要請されており、ガス発生対策が急務である。
【００１５】
更に、２００７年度に入り、トヨタ自動車株式会社、ダイハツ工業株式会社が、Brake by wireの用途から、エンジンや触媒アシストに電気二重層キャパシタを実用化している。また、株式会社リコーが、業務用高速複写機に大型電気二重層キャパシタを実用化している。このような大型で、大電流用途には、缶体に大型のアルミ缶が使用されるため、軽量、より小型化が期待され、低圧駆動で、アスペクト比の小さい、小型で、瞬時ガス逸散可能な自己復帰型安全弁の開発が急務になっている。
【００１６】
本発明は、上記事実を考慮して、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させると共に、ガス逸散後に自己復帰することができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁及び該安全弁に用いる面状ばねを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明（面状ばね）は、面状かつ枠状に形成された基部と、該基部の面方向内側に、複数のばね素子部を介して弾性的に支持される荷重受け部と、を一体的に有している。
【００１８】
請求項１に記載の面状ばねでは、面状かつ枠状に形成された基部と、該基部の面方向内側に、複数のばね素子部を介して弾性的に支持される荷重受け部とを一体的に有しているので、荷重受け部に荷重が入力された際に、該荷重受け部は基部に対して瞬時に、かつ弾性的に変位し、荷重がなくなると元の状態に自己復帰する。
【００１９】
従って、この面状ばねを安全弁に適用することで、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に対象容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときにガス逸散口を開いて該容器外に瞬時に逸散させると共に、ガス逸散後に自己復帰してガス逸散口を閉じることができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁を得ることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の面状ばねにおいて、前記基部、前記ばね素子部及び前記荷重受け部の少なくとも１箇所には、該荷重受け部に所定以上の荷重が作用した際に壊裂する壊裂部が設けられている。
【００２１】
請求項２に記載の面状ばねでは、荷重受け部に所定以上の荷重が作用した際に、基部、ばね素子部及び荷重受け部の少なくとも１箇所に設けられた壊裂部が壊裂する。従って、この面状ばねを安全弁に適用することで、対象容器内に過大な圧力が生じた場合に、該圧力を瞬時に逸散させることができる。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の面状ばねにおいて、前記基部の外形寸法をＸとし、前記ばね素子部の弾性変形による前記基部の厚さ方向の一方における前記荷重受け部の変位可能寸法をＹとすると、アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５である。
【００２３】
請求項３に記載の面状ばねでは、基部の外形寸法をＸとし、ばね素子部の弾性変形による基部の厚さ方向の一方における荷重受け部の変位可能寸法をＹとすると、アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５であるので、面状ばねを小型化しつつ、荷重入力時における荷重受け部の変位の応答精度を高めることができる。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の面状ばねにおいて、前記面状ばねは、Ｎｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ−Ｎｉ−Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作されている。
【００２５】
請求項４に記載の面状ばねでは、面状ばねは、Ｎｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ／Ｎｉ／Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作されているので、ばね特性、耐食性、信頼性を高めることができる。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の面状ばねにおいて、前記面状ばねの厚さは、１〜１００μｍである。
【００２７】
請求項５に記載の安全弁では、面状ばねの厚さは、１〜１００μｍであるので、機械的強度を確保しつつ、製作コストを抑制することができる。
【００２８】
請求項６の発明（安全弁）は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の面状ばねと、前記面状ばねによりガス逸散孔に押圧付勢される弁体と、を有している。
【００２９】
請求項６に記載の安全弁では、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の面状ばねと、面状ばねによりガス逸散孔に押圧付勢される弁体とを有しているので、面状ばねが適宜弾性変形することによって、該安全弁が取り付けられた容器の通常使用時の調圧を行うことができる。壊裂部を有する面状ばねでは、面状ばねの荷重受け部材に所定以上の荷重が作用した際には、該壊裂部が壊裂することで、容器内の圧力を逸散させることができる。
【００３０】
請求項７の発明（電気化学素子）は、請求項６に記載の安全弁を有している。
【００３１】
請求項７に記載の電気化学素子では、請求項６に記載の安全弁を有しているので、通常使用時に該電気化学素子の容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させることができる。安全弁に壊裂部を有する面状ばねが用いられている場合、容器内に過大な圧力が生じた際に、該壊裂部が壊裂することで、該圧力を瞬時に逸散させることができる。このため、電気化学素子の信頼性や安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載の面状ばねによれば、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させることができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁を得ることができる、という優れた効果が得られる。
【００３３】
請求項２に記載の面状ばねによれば、対象容器内に過大な圧力が生じた場合に、該圧力を瞬時に逸散させることが可能な安全弁を得ることができる、という優れた効果が得られる。
【００３４】
請求項３に記載の面状ばねによれば、面状ばねを小型化しつつ、荷重入力時における荷重受け部の変位の応答精度を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【００３５】
請求項４に記載の面状ばねによれば、ばね特性、耐食性、信頼性を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【００３６】
請求項５に記載の安全弁によれば、機械的強度を確保しつつ、製作コストを抑制することができる、という優れた効果が得られる。
【００３７】
請求項６に記載の安全弁によれば、安全弁が取り付けられた容器の通常使用時の調圧を行うことができる、という優れた効果が得られる。
【００３８】
請求項７に記載の電気化学素子によれば、電気化学素子の耐久性や安全性を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１及び図２は、面状ばねの第１構成例に係り、図１は、面状ばねを示す正面図である。
【図２】面状ばねの外形寸法に対する荷重受け部の変位可能量を示す側面図である。
【図３】第２構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図４】第３構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図５】第４構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図６】壊裂部の構成を示す、要部拡大図である。
【図７】第５構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図８】壊裂部の構成を示す、要部拡大図である。
【図９】第６構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１０】壊裂部の構成を示す、要部拡大図である。
【図１１】第７構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１２】第８構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１３】第９構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１４】第１０構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１５】第１１構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１６】面状ばねの厚さと応答作動圧力との関係を示す線図である。
【図１７】第１２構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１８】第１３構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１９】第１４構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図２０】第１５構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図２１】第１６構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図２２】各種電鋳金属の応力とひずみの関係を示す線図及び表である。
【図２３】フォトエレクトロフォーミングにおいて、レジストにより制御したパターンと電鋳金属を示す模式図である。
【図２４】電鋳で製作したばね素子部の幅寸法及び厚さ寸法を示す拡大斜視図である。
【図２５】電気化学素子の缶体の弁座に取り付けられた安全弁を示す断面図である。
【図２６】皿ばねを示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
［面状ばね］
（第１構成例）
図１において、第１構成例に係る面状ばね１は、基部２０と、荷重受け部２２とを一体的に有している。
【００４１】
基部２０は、面状かつ枠状に形成されており、例えば円環状かつ平面状に形成されている。なお基部２０の外形形状は円形に限られるものではなく、多角形や楕円形等であってもよい。
【００４２】
荷重受け部２２は、基部２０の面方向内側に、複数のばね素子部２６を介して弾性的に支持されている。具体的には、荷重受け部２２は、例えば基部２０の中央部に位置している。また荷重受け部２２の中央には、後述する安全弁４０の弁体４２（図２５）が嵌合するように、貫通孔２２Ａが形成されている。これにより、荷重受け部２２は円環状となっている。また、面状ばね１において、基部２０、荷重受け部２２及びばね素子部２６の何れでもない領域は、孔部３０とされている。
【００４３】
ばね素子部２６は、荷重受け部２２の外周縁と基部２０の内周縁とを連結するように該基部２０の半径方向に延び、該基部２０の周方向の６箇所に配置されている。換言すれば、各ばね素子部２６は、６０°間隔で均等に配置されている。各ばね素子部２６は、例えば基部２０の面方向、かつ該基部２０の半径方向と直交する方向に振幅を有する正弦波状に形成されている。
【００４４】
基部２０、ばね素子部２６及び荷重受け部２２の少なくとも１箇所には、該荷重受け部２２に所定以上の荷重が作用した際に壊裂する壊裂部２８が設けられている。第１構成例では、例えば荷重受け部２２に壊裂部２８が設けられている。この壊裂部２８は、局部的に幅狭に形成されたくびれ部として構成され、荷重受け部２２の周方向の例えば２箇所に形成されている。なお、壊裂部２８の構造は、後述する第２構成例から第１６構成例のように、応用品（電気化学素子等）の圧力や壊裂応答速度に応じて、適宜変更される。
【００４５】
図２に示されるように、面状ばね１は、基部２０の外形寸法（外径）をＸとし、ばね素子部２６の弾性変形による基部２０の厚さ方向の一方における荷重受け部２２の変位可能寸法をＹとすると、アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５となっている。ここで、アスペクト比の下限値を０．１としたのは、この値未満では、荷重受け部２２時に荷重受け部２２が変位する際の応答精度が劣るようになるからである。また、アスペクト比の上限値を０．５としたのは、この値を超えると、面状ばね１の形状が大きくなるからである。従って、このようにアスペクト比を設定することで、面状ばね１を小型化しつつ、荷重入力時における荷重受け部２２の変位の応答精度を高めることができる。なお、図２においては、荷重受け部２２の変位方向が、基部２０の厚さ方向の上方となっているが、下方にも同様に変位可能である。
【００４６】
また、面状ばね１の厚さＺは、１〜１００μｍである。ここで、厚さＺの下限値を１μｍとしたのは、この値を下回ると、面状ばね１の機械的強度を確保することが難しくなるからである。また上限値を１００μｍとしたのは、この値を上回ると、面状ばね１の製作コストが高くなるからである。従って、このように面状ばね１の厚さＺを設定することで、面状ばね１の機械的強度を確保しつつ、製作コストを抑制することができる。なお、この厚さＺの範囲の妥当性については、後述する第１１構成例で改めて説明する。
【００４７】
面状ばね１は、ばね特性、耐食性及び信頼性の確保を考慮して、例えばＮｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ／Ｎｉ／Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作される。これに加えて、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｍｎ等の磁性元素を添加することも可能である。面状ばね１の製法については、後に詳述する。なお、面状ばね１の材質は、金属には限られず、ばね性を有するものであればどのような材料を用いてもよい。例えば、ばね性を有する高分子材料やセラミックスであってもよい。
【００４８】
（第２構成例）
図３において、第２構成例に係る面状ばね２では、壊裂部２８が、荷重受け部２２の周方向の６箇所に形成されている。ばね素子部２６も、基部２０の周方向の６箇所に配置されており、隣り合うばね素子部２６間に、壊裂部２８がそれぞれ形成されている。他の部分については、第１構成例と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
（第３構成例）
図４において、第３構成例に係る面状ばね３では、隣り合うばね素子部２６間において、例えば荷重受け部２２の外周に開口する切欠き２２Ｂが、該荷重受け部２２の周方向の６箇所に形成されている。ばね素子部２６も、基部２０の周方向の６箇所に配置されており、隣り合うばね素子部２６間に、切欠き２２Ｂがそれぞれ形成されている。切欠き２２Ｂは、荷重受け部２２の周方向において部分的に幅広となっており、これにより荷重受け部２２に形成されるくびれ部が、壊裂部２８となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５０】
（第４構成例）
図５において、第４構成例に係る面状ばね４では、荷重受け部２２の中央に貫通孔２２Ａが設けられており、かつ荷重受け部２２の外周に開口する切欠き２２Ｂが、該荷重受け部２２の周方向におけるばね素子部２６の両側にそれぞれ形成されている。図６に示されるように、この切欠き２２Ｂは、荷重受け部２２の周方向におけるばね素子部２６の両側に一対形成され、該荷重受け部２２の中心側に向かって互いに接近するように延びて終端している。これにより荷重受け部２２に形成されるくびれ部が、壊裂部２８となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５１】
（第５構成例）
図７において、第５構成例に係る面状ばね５では、基部２０の内周に開口する切欠き２０Ｂが、該基部２０の周方向におけるばね素子部２６の両側にそれぞれ形成されている。図８に示されるように、この切欠き２０Ｂは、基部２０の周方向におけるばね素子部２６の両側に一対形成され、該基部２０の半径方向外側に向かって互いに接近するように延びて終端している。これにより基部２０に形成されるくびれ部が、壊裂部２８となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５２】
（第６構成例）
図９，図１０において、第６構成例に係る面状ばね６では、壊裂部２８がばね素子部２６に設けられている。この壊裂部２８は、正弦波状のばね素子部２６における、例えば湾曲部の外周側に切欠き状にそれぞれ形成されている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５３】
（第７構成例）
図１１において、第７構成例に係る面状ばね７では、ばね素子部２６が、荷重受け部２２の中心部を中心として同心円状となる周方向部２６Ａと、荷重受け部２２、各周方向部２６Ａ及び基部２０を連結するように該基部２０の半径方向に延び、該基部２０の周方向の８箇所に配置される径方向部２６Ｂとを有して構成されている。各径方向部２６Ｂは、４５°間隔で均等に配置されている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５４】
（第８構成例）
図１２に示されるように、第８構成例に係る面状ばね８は、第７構成例に係る面状ばね７において、ばね素子部２６における径方向部２６Ｂを、基部２０の周方向の４箇所に配置したものである。径方向部２６Ｂは、４５°間隔で均等に配置されている。他の部分については、第７構成例と同様である。
【００５５】
（第９構成例）
図１３に示されるように、第９構成例に係る面状ばね９では、第８構成例に係る面状ばね８において、同心円状の孔部３０の周方向の位相を、径方向において１つおきに４５°ずらしたものである。これに伴い、径方向部２６Ｂは、基部２０の径方向において、断続的に配置されている。
【００５６】
（第１０構成例）
図１４において、第１０構成例に係る面状ばね１０では、ばね素子部２６が、径方向部２６Ｂと周方向部２６Ａとを交互に形成することで構成されている。このばね素子部２６は、基部２０の周方向の４箇所に設けられている。このようにばね素子部２６を構成することで、該ばね素子部２６の長さをより多く確保して、荷重受け部２２に入力される荷重に対する感度を高めると共に、基部２０の厚さ方向への荷重受け部２２の変位可能寸法Ｙ（図２）をより大きく設定できるようになっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５７】
（第１１構成例）
図１５に示されるように、第１１構成例に係る面状ばね１１は、第１０構成例に係る面状ばね１０において、ばね素子部２６を、基部２０の周方向の８箇所に設けたものである。
【００５８】
ここで、Ｎｉが４０％、Ｐｄが６０％の合金を材料に用いて、図１５に示される寸法の面状ばね１１を電鋳により製作し、該面状ばね１１の厚さと応答作動圧力との関係について試験を行ったので、その結果について説明する。試験結果は、表１及び図１６に示す通りである。この試験によれば、面状ばね１１の厚さを１〜１００μｍの範囲に設定することで、厚さと応答作動圧力との関係が直線的になり、優れたばね特性が得られることがわかる。
【００５９】
【表１】
【００６０】
（第１２構成例）
図１７において、第１２構成例に係る面状ばね１２では、ばね素子部２６が、径方向部２６Ｂと周方向部２６Ａとを交互に形成すると共に、基部２０の径方向において隣り合う周方向部２６Ａ間に、径方向部２６Ｂに連結される環状部２６Ｃを形成することで構成されている。このばね素子部２６は、基部２０の周方向の８箇所設けられている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００６１】
（第１３構成例）
図１８において、第１３構成例に係る面状ばね１３では、各々のばね素子部２６が台形の折れ線状に形成されている。このばね素子部２６は、２本で１組をなし、基部２０の周方向に８組設けられている。１組のばね素子部２６は、基部２０の半径方向を中心軸として略線対称となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００６２】
（第１４構成例）
図１９に示されるように、第構成例に係る面状ばね１４は、第１３構成例に係る面状ばね１３において、ばね素子部２６を、基部２０の周方向に１０組設けたものである。
【００６３】
（第１５構成例）
図２０において、第構成例に係る面状ばね１５では、各々のばね素子部２６が周方向部２６Ａと径方向部２６Ｂとを有する折れ線状に形成されている。このばね素子部２６は、２本で１組をなし、基部２０の周方向に８組設けられている。１組のばね素子部２６は、基部２０の半径方向を中心軸として略線対称となっている。１組のばね素子部２６の間には、略十字形の孔部３０が形成されている。また隣り合う２組のばね素子部２６の間には、略Ｈ形の孔部３０が形成されている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００６４】
（第１６構成例）
図２１に示されるように、第構成例に係る面状ばね１６は、第１構成例に係る面状ばね１において、正弦波状のばね素子部２６が、基部２０の周方向の１８箇所に設けられている。荷重受け部２２に貫通孔２２Ａが形成されていない点を除き、他の構成は第１構成例と同様である。
【００６５】
（他の構成例）
面状ばねの構成は、上記した第１構成例から第１６構成例に限られるものではなく、用途や使用条件に応じて適宜構成を変更することが可能である。
【００６６】
また第７構成例から第１６構成例において、荷重受け部２２に、第１構成例における貫通孔２２Ａに相当する形状を設けてもよい。また第７構成例から第１６構成例に、第１構成例から第６構成例に係る壊裂部２８を適宜組み合わせることも可能である。
【００６７】
上記各構成例では、面状ばねの形状を平面状としたが、これに限られず、凹凸面や円弧面等を含んでいてもよい。特に、第７構成例から第１６構成例のように、荷重受け部２２に貫通孔２２Ａを設けない場合には、後述する弁体４２（図２５）に対応する凹面を設けてもよい。また、壊裂部２８を設けない構成としてもよい。
【００６８】
［面状ばねの製法］
本実施形態に係る面状ばね１〜１６の製法を述べる。本実施形態では、面状ばねの製法として、面状ばねシートを金型で打ち抜くことも容易に考えられるが、微圧で正確な作動を求められる電気化学素子用には、圧延によるばね材料では精度が得られない。本実施形態では、電鋳法で生産する。
【００６９】
本実施形態の最も重要な部分は面状ばねであり、この部分の要求される要素は三次元的に小型で機械的機能を充分発揮しなければならないものである。そのため具体的には機械的性質の安定性、形状寸法の高精度、耐食などの化学的安定性が要求される。従来のコイルばねを利用した１５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２程度のものは、ばねの強度の安定性、コイルばねの太さの精度のばらつきなどから、特に圧力が小さく、また細かく制御するばねには不向きである。このような背景の中で、極めて微妙な圧力を感知し反応するばね、特に３〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の微小な圧力に対して小型で素早く正確に反応するばねが求められている。
【００７０】
従来のコイルばねのような構造では、小型化ができず、また微小な強度を微妙な動作で伝えるなどの機能に劣るなど、物性的にも無理であった。この問題を解決する方法として電鋳法による面状ばねの製作が最適である。電鋳技術は、電解により金属素材を析出させる技術であり、素材の厚さを電解時間で正確に制御できる。従って、電鋳技術は、いろいろな種類の厚さを容易に、また大量に製作できる技術である。そして電鋳技術で製作された金属素材の種類は、応力の問題からクロム以外の電解できる金属ならば殆がその対象になり、合金、アモルファス金属などを含めその種類は豊富である。
【００７１】
電鋳金属の特徴は一般金属材料とは異なる有益な性質も有している。それは一般金属材料では溶解、圧延の工程で製造されるため結晶粒界での不純物やガスの巻き込みがあるのが一般的である。このため圧延材で作られる素材は厳密に言えば物性的にはばらつきがあり、これ等がばね材として使われており、特に小型のばねなど微小で微妙な力を感知しようとする機能には不向きである。特に微小なコイルばね部品などで問題になっている。
【００７２】
一方、電鋳による金属材料は一般的な金属素材とは異なり、金属粒子間での不純物やガスピットなど無く、必要によっては上記に述べたごとく合金やアモルファス金属も電鋳により簡単に製作できる。そして、その都度材料の物性を加味して電鋳金属の選択をし、なおかつ同一金属においても物理的、化学的性質を制御できる。
【００７３】
図２２にその一例を示す。このグラフは電解条件、合金の組成、電解液の有機物添加剤により機械物性を変えられることを示している。そして、この性質は安定なものであることが確認されている。以上のように、電鋳材料の信頼性は極めて高く、ばね材として最適な物性を有する材料を選択できる。特にここで掲げるパラジウムニッケル（Ｎｉ−Ｐｄ）合金、パラジウムコバルト（Ｐｄ−Ｃｏ）合金、パラジウムニッケルコバルト（Ｐｄ−Ｎｉ−Ｃｏ）三元合金などはマイクロばねには最も望ましい材料である。とりわけ本実施形態の面状ばねとしての素材、及び製作における小型化に対しても最適な金属材料である。
【００７４】
微妙に作動するばねの形状にするには、金属素材を例えば本実施形態に係る面状ばね形状にしなくてはならない、そのためには一般的にはフォトリソグラフィーを使う。この手法は電鋳技術とフォトリソグラフィーを併せたいわゆるフォトエレクトロフォーミングとして知られている方法が使われる。図２３に示されるように、電鋳方法で電着させようとする平面導体基板３２に、あらかじめフォトレジスト３４で電着を阻止するパターニングを写真技術で行い、その後電鋳で所望の金属３６を電着し必要な厚さに到達したときに剥離することで、必要な厚さの金属材料を用いて、上記した多様な各構成例のように、要求通りの形状とばね性を有した面状ばねを得られることになる。フォトエレクトロフォーミングで作られる寸法形状は、フォトレジスト３４の厚さが十分にあればサイドへの拡がりも無く、また電鋳法と比較されるエッチング手法で製作したときに生じるサイドエッチの現象もないため、極めて精度の高い寸法を保持できる。無論、本実施形態に係る面状ばねの形は、プレスなどの機械加工でもできるのであるが、その際はプレスなどによる加工応力によるばね特性や物性に影響を与えないよう配慮が必要である。
【００７５】
このフォトエレクトロフォーミングの作られた面状ばねの性能は、電鋳金属の素材の選択により面状ばねの機械的物性が決定され、面状ばねの平面的な形や材質の厚さなどが実質的なばねとして働く、例えば図１におけるばね素子部２６の強さに代表される性能、機能を支配する。そしてばね形状の断面積などが最終的に設計され、決定される。本実施形態の面状ばねの強さは、該面状ばねが微妙に制御されたばねである必要性から、上記の製作プロセスを容易に制御できることが重要であり、フォトエレクトロフォーミングは製造法として最適な手法である。
【００７６】
図２４に示されるように、ばねの強度に影響を与える実質的なばねの断面寸法、即ちばねの断面積は、ばね素子部２６の幅寸法と厚さ寸法を掛けて算出されるわけであるが、幅寸法については加工技術にフォトリソグラフィー技術を用いることで正確に制御でき、厚さ寸法については、電解の時間で決定されるため極めて正確に制御でき、何れもミクロンオーダーの正確さである。そのため極めて精度の高い本実施形態の面状ばねが製作できる。その結果、微小な圧力を微妙な変動要素に変化させること可能な面状ばねをフォトエレクトロフォーミングで作ることができる。
【００７７】
［安全弁］
図２５において、安全弁４０は、自己復帰型の安全弁であり、例えば電気化学素子４４の缶体４８におけるガス逸散孔４６の周囲の弁座５０に取り付けられている。この安全弁４０は、例えば第７構成例に係る面状ばね７（図１１）と、該面状ばね７によりガス逸散孔（圧力開放口）に押圧付勢される弁体４２とを有している。面状ばね７は、３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２の微圧にも正確に機能するように設定されている。面状ばね７の荷重受け部２２は、例えば球体である弁体４２に対応して、球面状に形成されている。
【００７８】
弁体４２の形状は、球体に限られず、面状等であってもよいが、ガス逸散孔４６との接触部に、ガスの逸散が容易となるように、凹凸の波形を表面に形成しておくことが望ましい。また弁体４２は弾性体で構成されている。その材質には、これまでに実用化されているＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ブチルゴム、フッ素ゴム、アクリル系ゴム等の、耐薬品性のプラスチックスを使用することが可能である。
【００７９】
なお、弁体４２は弾性体には限られず、剛体であってもよい。その場合には、ガス逸散孔４６における弁体４２との当接部に、密閉性を高めるための弾性体を配置することが望ましい。また、剛体の表面に弾性体をコーティングして弁体４２を構成してもよい。
【００８０】
凹形状の弁座５０には、内径が弁体４２よりも大径のリング状のガスケット５２が嵌めこまれている。弁体４２は、ガス逸散孔４６よりも大径に構成され、該ガス逸散孔４６を塞ぐように配置されている。ガスケット５２上には、面状ばね７の基部２０が載置され、荷重受け部２２は弁体４２に被さるように配置されている。面状ばね７は、弁座５０にはめ込まれる皿ばね５４により固定されている。図２６に示されるように、皿ばね５４は、面状ばね７の荷重受け部２２と干渉しないように、該面状ばね７の基部２０と同等の大きさの円環状に構成されており、外周には複数の突起部５６が斜め上方に折曲げ形成されている。皿ばね５４は、この突起部５６において、弁座５０の壁部に嵌合している。
【００８１】
この安全弁４０では、通常使用時には、電気化学素子４４の缶体４８内のガス発生量に応じて、面状ばね７が弾性変形することで、弁体４２が上下して、電気化学素子４４の缶体４８内の圧力を設定内に調圧することができる。また異常時に、缶体４８内に大量のガスが発生し、該缶体４８内に過大な圧力が生じた際には、面状ばね７における壊裂部（図示せず）が壊裂することでガス逸散孔４６を開き、該圧力を瞬時に逸散させることができる。これにより、電気化学素子４４の爆発を防止することができる。
【００８２】
このように、本実施形態に係る安全弁４０は、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させることができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することができる。また対象容器内に過大な圧力が生じた場合には、該圧力を瞬時に逸散させることが可能である。
【００８３】
［電気化学素子］
通常、自動車や複写機、ロボットのような産業機器には、５０〜１９００Ｆ／缶の中〜大型の有底アルミ缶から成る電気二重層キャパシタが使用される。アルミ缶体には、一対の活性炭を主成分とする分極性電極がセパレータを介して、有機系電解液と共に収納されている。そしてこの有底アルミ缶体の開口部に、本実施形態に係る面状ばねを用いた自己復帰型の安全弁を装備した封口体を設けることで、電気二重層キャパシタが構成される。
【００８４】
この構成によれば、電気二重層キャパシタの内部の圧力が予定の圧力に成れば、瞬時に面状ばねからなる自己復帰型安全弁が作動し、内部で発生したガスを外部に逸散させ、内部のガス圧を正常に戻すことが可能である。
【００８５】
また本実施形態に係る安全弁は、上記したように、従来よりも低圧の内部ガス圧で作動し、その応答速度が速く、薄型化や小型化が可能である。また電鋳法により面状ばねを製作することで、高精度の面状ばねを得ることができ、かつ該面状ばねを低価格で量産することが可能である。従って、本実施形態に係る面状ばね及び安全弁は、業務用複写機、ロボットのような産業機器や自動車のような重量効率や空間効率、コストダウンの要請に貢献することが可能であり、その工業的価値は極めて大なるものである。
【００８６】
（試験例）
本実施形態に係る安全弁４０を電気二重層キャパシタに用いて、その特性を確認した。電気二重層キャパシタの構成としては、分極性電極として活性炭を用い、アセチレンブラック及び水系のＳＲＢ系バインダーによりスラリーを作製し、２０μｍのＡｌ集電体上に、乾燥厚みで２０μｍになるように塗布してこれを乾燥させ、内径３５ｍｍの５００ｍｍのＡｌ缶に収納した。電解液として、溶媒であるプロピレンカーボネート(ＰＣ)と、テトラエチルアンモンニュームテトラフルオロボレート(ＴＥＡＢＦ４)との１ｍｏｌ/Ｌ（リットル）濃度の溶質からなる有機系電解液を用いた。実施例１及び実施例２には、図２５に示される本実施形態に係る自己復帰型の安全弁４０を用い、従来例１及び従来例２には、コイル型自己復帰安全弁を用いた。
【００８７】
試験としては、まずガス発生が大きく、加速寿命試験の可能な７０℃で、３．０Ｖ印加で、１０００時間の耐久試験を行った。また電気化学素子内でのガス発生の多い異常使用条件として、７０℃で、３．３Ｖで、１００時間の耐久試験を行った。表２に、各実施例及び各従来例に係る電気二重層キャパシタの電気化学素子の耐久特性の比較を示す。
【００８８】
まず、ガス発生が大きく、加速寿命試験の可能な７０℃での３．０Ｖ印加試験の結果、従来例１では容量変化率が大きく、また内部抵抗も増加し、缶体の膨れや、電解液の漏液が激しいものであった。しかし、実施例１では、特に、異常が無かった。またガス発生を着実に缶体外に逸散させていたため、缶体の膨れや電解液の漏液はなく、特性的にも異常は無く、素晴らしい特性を示した。
【００８９】
一方、異常使用条件として、７０℃で、３．３Ｖで、１００時間の耐久試験の結果、従来例２では、６３時間経過後に爆発し、缶体が破損した。しかし、実施例２では、着実に異常ガス発生のガスを缶体外に逸散させていたため、１００時間経過後も缶体の異常は、観られず、その後の試験継続が可能であった。
【００９０】
【表２】
【００９１】
試験例では、有機系の電解液を使用した電気二重層キャパシタの実施例を示したが、ここでその他の電気化学素子の応用例の効果を、一般論として説明する。
【００９２】
（ニッケル水素電池の場合）
ニッケル水素電池の場合は、特に、水素ガスの発生が電池のサイクル特性を劣化させたり、５０℃以上の耐熱性に弱いために電池の爆発の危険がある。従来例のコイルばねは、応答圧力が８〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２のものが市販されている。また、このばね圧での応答速度は、１５０〜８００msec／回である。本実施形態に係る面状ばねでは、３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２の微圧駆動が可能であるため、応答速度は、２０〜１００msec／回が可能である。
【００９３】
このため安全弁の開口時に、外部空気の流入が少なくなり、外気からのＣＯ２、Ｈ２Ｏの影響を著しく減少させることが可能になる。
【００９４】
（リチウムイオン電池の場合）
リチウムイオン電池は、電気二重層キャパシタと同様にエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）のような有機系溶媒とＬｉＰＦ６（６フッ化燐酸リチウム）塩を溶質に用いるため、安全弁の開閉動作時に外部空気中のＨ２Ｏの影響が大である。しかしながら、本実施形態に係る安全弁では、面状ばねの応答圧力が低く、応答速度が速いため、著しく短時間で弁の開閉を行うことができ、リチウムイオン電池に対しても極めて有効である。
【符号の説明】
【００９５】
１ 面状ばね
２ 面状ばね
３ 面状ばね
４ 面状ばね
５ 面状ばね
６ 面状ばね
７ 面状ばね
８ 面状ばね
９ 面状ばね
１０ 面状ばね
１２ 面状ばね
１３ 面状ばね
１４ 面状ばね
１５ 面状ばね
１６ 面状ばね
２０ 基部
２２ 荷重受け部
２６ ばね素子部
２８ 壊裂部
４０ 安全弁
４２ 弁体
４４ 電気化学素子
４６ ガス逸散孔
Ｘ 基部の外形寸法
Ｙ 変位可能寸法
【技術分野】
【０００１】
本発明は、面状ばね及びこれを用いた安全弁であって、リチウム二次電池、ニッケル水素二次電池のような二次電池、アルミ電解コンデンサ、電気二重層キャパシタのようなコンデンサ及び電気量記憶素子のようなセンサ等の電気化学素子に用いられるものに係り、特に、電気化学素子の通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに、電解液を容器内に残しつつ該容器外に瞬時に逸散させるために用いる面状ばね及びこれを用いた自己復帰型の安全弁に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、防爆安全弁は、主に二次電池やコンデンサに用いられていた。特許文献７の図９に示されるように、アルミ電解コンデンサや電気二重層キャパシタの場合、代表的な防爆安全弁の構造は、アルミニウム金属ケース１２１の底面１２３に十字の段押し加工１２４を施し、他の部分よりもケース厚みを薄くしておくというものであり、安全限界に達すると段押し加工部分が破壊されるようになっている。
【０００３】
従来の電池用防爆安全装置としては、例えばステンレス鋼板を用いるもの（特許文献１参照）、ニッケルの箔板を用いるもの（特許文献２参照）が開示されている。特許文献２に記載の大型の据え置き型密閉鉛蓄電池では、電池周辺部の酸霧による腐食を防止するため触媒栓を用いて、充放電時に発生する水素ガスと酸素ガスを、触媒を用いて水に戻し、電池内部のガス圧の上昇を防止している。
【０００４】
また、フッ素樹脂（ＰＴＦＥ)のフイルムを延伸して製造した連続気泡を有する多孔質膜を用いた構造が開示されている（特許文献３参照）。
【０００５】
更に、自己復帰型調圧機能を有する構造が開示されている（特許文献４、特許文献５、特許文献６、特許文献７）。特許文献６の図１には、ガス進入口１０Ａ（ガス逸散口）を有する弁室１０Ｂ（ガス通過部）内に、球弁２０と、該球弁２１をガス進入口１０Ａに押圧付勢するバネ体２１とが設けられた構造が開示されている。また、特許文献７の図８には、電池の容器の内部圧力が加熱や過電流によって異常に高くなったときにおける該電池の爆発による事故を防ぐ目的で、所定の圧力で破損してガス抜きを行う構造も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５９−７９９６５号公報
【特許文献２】特開平１０−１７２５２９号公報
【特許文献３】特開平５−１５９７６５号公報
【特許文献４】特開平８−２５９８５４号公報
【特許文献５】特開平１１−１４５０１５号公報
【特許文献６】特開平１１−３３９７４６号公報
【特許文献７】特開２００４−２２１１２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したアルミ金属ケースに段押し部を設ける方法は、低コストであるが、破壊時の圧力にばらつきが大きく、信頼性が悪いと考えられる。
【０００８】
特許文献１に係る金属の箔帯を用いる安全弁では、安全弁が作動すると爆発は防止されるが、電池、コンデンサのような電気化学素子は安楽死することとなり、以後使用できない。
【０００９】
また、特許文献２に係る触媒栓は、安全ではあるが、高価で形状が大きく、触媒栓だけで小型電池以上に体積を要する。従って、小型の電気化学素子に応用することが不可能である。
【００１０】
更に、特許文献３に係るフッ素樹脂の多孔質フイルムは、機械的強度、信頼性、歩留まりの点で課題を有し、通常使用時におけるガスの逸散時に、ガスだけでなく電解液が同時に噴出する課題を有していた。またこの構造では、多孔度の均一化が困難で液が流失したり、歩留まりが悪く、Ｈ２Ｏ不透過機能が不完全である等の実用化の上で課題が多い。
【００１１】
特許文献４〜７に記載の構造では、コイルばねのアスペクト比が大きく、小型化が困難で、取付けのために比較的大きな空間が必要である。また１５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の高圧用のコイルばねと比較して、３〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の低圧用のコイルばねの場合には、ばね精度が悪く、低圧駆動が困難である。このため、小型で、２〜５ｋｇｆ／ｃｍ２の低圧作動が可能で、かつ応答速度が速い自己復帰型安全弁は、電気二重層キャパシタのようなアルミ缶体用としては、実用化されていないのが現状である。
【００１２】
また特許文献７に記載の安全弁は、ガス透過性安全弁であるが、ガス透過安全弁用フイルムの単位時間当たりのガス透過量が少なく、大型の電気化学素子（大型電気二重層キャパシタ）に適用するには課題が残されている。
【００１３】
更に、近年は、携帯電話、パソコン及びＰＤＡ等の電子機器が小型化されるに伴い、これらの電気化学素子が超小型化されている。加えて、製造時のハンダリフロー時の耐熱特性や携帯機器の使用環境条件が厳しくなり、これらに使用される電気化学素子のガス発生問題が深刻化しつつある。
【００１４】
また、ＨＥＶ車（ハイブリットカー）の実用化に伴い、ＨＥＶ車が寒冷地で使用されるようになり、ＨＥＶ車の低温対策として、ニッケル水素電池と併用される大容量の電気二重層キャパシタが実用化されている。これらの電気化学素子に対しては、＋６０〜−３０℃の温度サイクル試験が要請されており、ガス発生対策が急務である。
【００１５】
更に、２００７年度に入り、トヨタ自動車株式会社、ダイハツ工業株式会社が、Brake by wireの用途から、エンジンや触媒アシストに電気二重層キャパシタを実用化している。また、株式会社リコーが、業務用高速複写機に大型電気二重層キャパシタを実用化している。このような大型で、大電流用途には、缶体に大型のアルミ缶が使用されるため、軽量、より小型化が期待され、低圧駆動で、アスペクト比の小さい、小型で、瞬時ガス逸散可能な自己復帰型安全弁の開発が急務になっている。
【００１６】
本発明は、上記事実を考慮して、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させると共に、ガス逸散後に自己復帰することができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁及び該安全弁に用いる面状ばねを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
請求項１の発明（面状ばね）は、面状かつ枠状に形成された基部と、該基部の面方向内側に、複数のばね素子部を介して弾性的に支持される荷重受け部と、を一体的に有している。
【００１８】
請求項１に記載の面状ばねでは、面状かつ枠状に形成された基部と、該基部の面方向内側に、複数のばね素子部を介して弾性的に支持される荷重受け部とを一体的に有しているので、荷重受け部に荷重が入力された際に、該荷重受け部は基部に対して瞬時に、かつ弾性的に変位し、荷重がなくなると元の状態に自己復帰する。
【００１９】
従って、この面状ばねを安全弁に適用することで、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に対象容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときにガス逸散口を開いて該容器外に瞬時に逸散させると共に、ガス逸散後に自己復帰してガス逸散口を閉じることができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁を得ることができる。
【００２０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の面状ばねにおいて、前記基部、前記ばね素子部及び前記荷重受け部の少なくとも１箇所には、該荷重受け部に所定以上の荷重が作用した際に壊裂する壊裂部が設けられている。
【００２１】
請求項２に記載の面状ばねでは、荷重受け部に所定以上の荷重が作用した際に、基部、ばね素子部及び荷重受け部の少なくとも１箇所に設けられた壊裂部が壊裂する。従って、この面状ばねを安全弁に適用することで、対象容器内に過大な圧力が生じた場合に、該圧力を瞬時に逸散させることができる。
【００２２】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の面状ばねにおいて、前記基部の外形寸法をＸとし、前記ばね素子部の弾性変形による前記基部の厚さ方向の一方における前記荷重受け部の変位可能寸法をＹとすると、アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５である。
【００２３】
請求項３に記載の面状ばねでは、基部の外形寸法をＸとし、ばね素子部の弾性変形による基部の厚さ方向の一方における荷重受け部の変位可能寸法をＹとすると、アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５であるので、面状ばねを小型化しつつ、荷重入力時における荷重受け部の変位の応答精度を高めることができる。
【００２４】
請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の面状ばねにおいて、前記面状ばねは、Ｎｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ−Ｎｉ−Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作されている。
【００２５】
請求項４に記載の面状ばねでは、面状ばねは、Ｎｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ／Ｎｉ／Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作されているので、ばね特性、耐食性、信頼性を高めることができる。
【００２６】
請求項５の発明は、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の面状ばねにおいて、前記面状ばねの厚さは、１〜１００μｍである。
【００２７】
請求項５に記載の安全弁では、面状ばねの厚さは、１〜１００μｍであるので、機械的強度を確保しつつ、製作コストを抑制することができる。
【００２８】
請求項６の発明（安全弁）は、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の面状ばねと、前記面状ばねによりガス逸散孔に押圧付勢される弁体と、を有している。
【００２９】
請求項６に記載の安全弁では、請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の面状ばねと、面状ばねによりガス逸散孔に押圧付勢される弁体とを有しているので、面状ばねが適宜弾性変形することによって、該安全弁が取り付けられた容器の通常使用時の調圧を行うことができる。壊裂部を有する面状ばねでは、面状ばねの荷重受け部材に所定以上の荷重が作用した際には、該壊裂部が壊裂することで、容器内の圧力を逸散させることができる。
【００３０】
請求項７の発明（電気化学素子）は、請求項６に記載の安全弁を有している。
【００３１】
請求項７に記載の電気化学素子では、請求項６に記載の安全弁を有しているので、通常使用時に該電気化学素子の容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させることができる。安全弁に壊裂部を有する面状ばねが用いられている場合、容器内に過大な圧力が生じた際に、該壊裂部が壊裂することで、該圧力を瞬時に逸散させることができる。このため、電気化学素子の信頼性や安全性を高めることができる。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載の面状ばねによれば、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させることができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することが可能な安全弁を得ることができる、という優れた効果が得られる。
【００３３】
請求項２に記載の面状ばねによれば、対象容器内に過大な圧力が生じた場合に、該圧力を瞬時に逸散させることが可能な安全弁を得ることができる、という優れた効果が得られる。
【００３４】
請求項３に記載の面状ばねによれば、面状ばねを小型化しつつ、荷重入力時における荷重受け部の変位の応答精度を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【００３５】
請求項４に記載の面状ばねによれば、ばね特性、耐食性、信頼性を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【００３６】
請求項５に記載の安全弁によれば、機械的強度を確保しつつ、製作コストを抑制することができる、という優れた効果が得られる。
【００３７】
請求項６に記載の安全弁によれば、安全弁が取り付けられた容器の通常使用時の調圧を行うことができる、という優れた効果が得られる。
【００３８】
請求項７に記載の電気化学素子によれば、電気化学素子の耐久性や安全性を高めることができる、という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１及び図２は、面状ばねの第１構成例に係り、図１は、面状ばねを示す正面図である。
【図２】面状ばねの外形寸法に対する荷重受け部の変位可能量を示す側面図である。
【図３】第２構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図４】第３構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図５】第４構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図６】壊裂部の構成を示す、要部拡大図である。
【図７】第５構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図８】壊裂部の構成を示す、要部拡大図である。
【図９】第６構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１０】壊裂部の構成を示す、要部拡大図である。
【図１１】第７構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１２】第８構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１３】第９構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１４】第１０構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１５】第１１構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１６】面状ばねの厚さと応答作動圧力との関係を示す線図である。
【図１７】第１２構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１８】第１３構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図１９】第１４構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図２０】第１５構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図２１】第１６構成例に係る面状ばねを示す正面図である。
【図２２】各種電鋳金属の応力とひずみの関係を示す線図及び表である。
【図２３】フォトエレクトロフォーミングにおいて、レジストにより制御したパターンと電鋳金属を示す模式図である。
【図２４】電鋳で製作したばね素子部の幅寸法及び厚さ寸法を示す拡大斜視図である。
【図２５】電気化学素子の缶体の弁座に取り付けられた安全弁を示す断面図である。
【図２６】皿ばねを示す拡大断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
［面状ばね］
（第１構成例）
図１において、第１構成例に係る面状ばね１は、基部２０と、荷重受け部２２とを一体的に有している。
【００４１】
基部２０は、面状かつ枠状に形成されており、例えば円環状かつ平面状に形成されている。なお基部２０の外形形状は円形に限られるものではなく、多角形や楕円形等であってもよい。
【００４２】
荷重受け部２２は、基部２０の面方向内側に、複数のばね素子部２６を介して弾性的に支持されている。具体的には、荷重受け部２２は、例えば基部２０の中央部に位置している。また荷重受け部２２の中央には、後述する安全弁４０の弁体４２（図２５）が嵌合するように、貫通孔２２Ａが形成されている。これにより、荷重受け部２２は円環状となっている。また、面状ばね１において、基部２０、荷重受け部２２及びばね素子部２６の何れでもない領域は、孔部３０とされている。
【００４３】
ばね素子部２６は、荷重受け部２２の外周縁と基部２０の内周縁とを連結するように該基部２０の半径方向に延び、該基部２０の周方向の６箇所に配置されている。換言すれば、各ばね素子部２６は、６０°間隔で均等に配置されている。各ばね素子部２６は、例えば基部２０の面方向、かつ該基部２０の半径方向と直交する方向に振幅を有する正弦波状に形成されている。
【００４４】
基部２０、ばね素子部２６及び荷重受け部２２の少なくとも１箇所には、該荷重受け部２２に所定以上の荷重が作用した際に壊裂する壊裂部２８が設けられている。第１構成例では、例えば荷重受け部２２に壊裂部２８が設けられている。この壊裂部２８は、局部的に幅狭に形成されたくびれ部として構成され、荷重受け部２２の周方向の例えば２箇所に形成されている。なお、壊裂部２８の構造は、後述する第２構成例から第１６構成例のように、応用品（電気化学素子等）の圧力や壊裂応答速度に応じて、適宜変更される。
【００４５】
図２に示されるように、面状ばね１は、基部２０の外形寸法（外径）をＸとし、ばね素子部２６の弾性変形による基部２０の厚さ方向の一方における荷重受け部２２の変位可能寸法をＹとすると、アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５となっている。ここで、アスペクト比の下限値を０．１としたのは、この値未満では、荷重受け部２２時に荷重受け部２２が変位する際の応答精度が劣るようになるからである。また、アスペクト比の上限値を０．５としたのは、この値を超えると、面状ばね１の形状が大きくなるからである。従って、このようにアスペクト比を設定することで、面状ばね１を小型化しつつ、荷重入力時における荷重受け部２２の変位の応答精度を高めることができる。なお、図２においては、荷重受け部２２の変位方向が、基部２０の厚さ方向の上方となっているが、下方にも同様に変位可能である。
【００４６】
また、面状ばね１の厚さＺは、１〜１００μｍである。ここで、厚さＺの下限値を１μｍとしたのは、この値を下回ると、面状ばね１の機械的強度を確保することが難しくなるからである。また上限値を１００μｍとしたのは、この値を上回ると、面状ばね１の製作コストが高くなるからである。従って、このように面状ばね１の厚さＺを設定することで、面状ばね１の機械的強度を確保しつつ、製作コストを抑制することができる。なお、この厚さＺの範囲の妥当性については、後述する第１１構成例で改めて説明する。
【００４７】
面状ばね１は、ばね特性、耐食性及び信頼性の確保を考慮して、例えばＮｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ／Ｎｉ／Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作される。これに加えて、Ｍｏ、Ｎｂ、Ｆｅ、Ｍｎ等の磁性元素を添加することも可能である。面状ばね１の製法については、後に詳述する。なお、面状ばね１の材質は、金属には限られず、ばね性を有するものであればどのような材料を用いてもよい。例えば、ばね性を有する高分子材料やセラミックスであってもよい。
【００４８】
（第２構成例）
図３において、第２構成例に係る面状ばね２では、壊裂部２８が、荷重受け部２２の周方向の６箇所に形成されている。ばね素子部２６も、基部２０の周方向の６箇所に配置されており、隣り合うばね素子部２６間に、壊裂部２８がそれぞれ形成されている。他の部分については、第１構成例と同様であるので、同一の部分には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。
【００４９】
（第３構成例）
図４において、第３構成例に係る面状ばね３では、隣り合うばね素子部２６間において、例えば荷重受け部２２の外周に開口する切欠き２２Ｂが、該荷重受け部２２の周方向の６箇所に形成されている。ばね素子部２６も、基部２０の周方向の６箇所に配置されており、隣り合うばね素子部２６間に、切欠き２２Ｂがそれぞれ形成されている。切欠き２２Ｂは、荷重受け部２２の周方向において部分的に幅広となっており、これにより荷重受け部２２に形成されるくびれ部が、壊裂部２８となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５０】
（第４構成例）
図５において、第４構成例に係る面状ばね４では、荷重受け部２２の中央に貫通孔２２Ａが設けられており、かつ荷重受け部２２の外周に開口する切欠き２２Ｂが、該荷重受け部２２の周方向におけるばね素子部２６の両側にそれぞれ形成されている。図６に示されるように、この切欠き２２Ｂは、荷重受け部２２の周方向におけるばね素子部２６の両側に一対形成され、該荷重受け部２２の中心側に向かって互いに接近するように延びて終端している。これにより荷重受け部２２に形成されるくびれ部が、壊裂部２８となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５１】
（第５構成例）
図７において、第５構成例に係る面状ばね５では、基部２０の内周に開口する切欠き２０Ｂが、該基部２０の周方向におけるばね素子部２６の両側にそれぞれ形成されている。図８に示されるように、この切欠き２０Ｂは、基部２０の周方向におけるばね素子部２６の両側に一対形成され、該基部２０の半径方向外側に向かって互いに接近するように延びて終端している。これにより基部２０に形成されるくびれ部が、壊裂部２８となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５２】
（第６構成例）
図９，図１０において、第６構成例に係る面状ばね６では、壊裂部２８がばね素子部２６に設けられている。この壊裂部２８は、正弦波状のばね素子部２６における、例えば湾曲部の外周側に切欠き状にそれぞれ形成されている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５３】
（第７構成例）
図１１において、第７構成例に係る面状ばね７では、ばね素子部２６が、荷重受け部２２の中心部を中心として同心円状となる周方向部２６Ａと、荷重受け部２２、各周方向部２６Ａ及び基部２０を連結するように該基部２０の半径方向に延び、該基部２０の周方向の８箇所に配置される径方向部２６Ｂとを有して構成されている。各径方向部２６Ｂは、４５°間隔で均等に配置されている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５４】
（第８構成例）
図１２に示されるように、第８構成例に係る面状ばね８は、第７構成例に係る面状ばね７において、ばね素子部２６における径方向部２６Ｂを、基部２０の周方向の４箇所に配置したものである。径方向部２６Ｂは、４５°間隔で均等に配置されている。他の部分については、第７構成例と同様である。
【００５５】
（第９構成例）
図１３に示されるように、第９構成例に係る面状ばね９では、第８構成例に係る面状ばね８において、同心円状の孔部３０の周方向の位相を、径方向において１つおきに４５°ずらしたものである。これに伴い、径方向部２６Ｂは、基部２０の径方向において、断続的に配置されている。
【００５６】
（第１０構成例）
図１４において、第１０構成例に係る面状ばね１０では、ばね素子部２６が、径方向部２６Ｂと周方向部２６Ａとを交互に形成することで構成されている。このばね素子部２６は、基部２０の周方向の４箇所に設けられている。このようにばね素子部２６を構成することで、該ばね素子部２６の長さをより多く確保して、荷重受け部２２に入力される荷重に対する感度を高めると共に、基部２０の厚さ方向への荷重受け部２２の変位可能寸法Ｙ（図２）をより大きく設定できるようになっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００５７】
（第１１構成例）
図１５に示されるように、第１１構成例に係る面状ばね１１は、第１０構成例に係る面状ばね１０において、ばね素子部２６を、基部２０の周方向の８箇所に設けたものである。
【００５８】
ここで、Ｎｉが４０％、Ｐｄが６０％の合金を材料に用いて、図１５に示される寸法の面状ばね１１を電鋳により製作し、該面状ばね１１の厚さと応答作動圧力との関係について試験を行ったので、その結果について説明する。試験結果は、表１及び図１６に示す通りである。この試験によれば、面状ばね１１の厚さを１〜１００μｍの範囲に設定することで、厚さと応答作動圧力との関係が直線的になり、優れたばね特性が得られることがわかる。
【００５９】
【表１】
【００６０】
（第１２構成例）
図１７において、第１２構成例に係る面状ばね１２では、ばね素子部２６が、径方向部２６Ｂと周方向部２６Ａとを交互に形成すると共に、基部２０の径方向において隣り合う周方向部２６Ａ間に、径方向部２６Ｂに連結される環状部２６Ｃを形成することで構成されている。このばね素子部２６は、基部２０の周方向の８箇所設けられている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００６１】
（第１３構成例）
図１８において、第１３構成例に係る面状ばね１３では、各々のばね素子部２６が台形の折れ線状に形成されている。このばね素子部２６は、２本で１組をなし、基部２０の周方向に８組設けられている。１組のばね素子部２６は、基部２０の半径方向を中心軸として略線対称となっている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００６２】
（第１４構成例）
図１９に示されるように、第構成例に係る面状ばね１４は、第１３構成例に係る面状ばね１３において、ばね素子部２６を、基部２０の周方向に１０組設けたものである。
【００６３】
（第１５構成例）
図２０において、第構成例に係る面状ばね１５では、各々のばね素子部２６が周方向部２６Ａと径方向部２６Ｂとを有する折れ線状に形成されている。このばね素子部２６は、２本で１組をなし、基部２０の周方向に８組設けられている。１組のばね素子部２６は、基部２０の半径方向を中心軸として略線対称となっている。１組のばね素子部２６の間には、略十字形の孔部３０が形成されている。また隣り合う２組のばね素子部２６の間には、略Ｈ形の孔部３０が形成されている。他の部分については、第１構成例と同様である。
【００６４】
（第１６構成例）
図２１に示されるように、第構成例に係る面状ばね１６は、第１構成例に係る面状ばね１において、正弦波状のばね素子部２６が、基部２０の周方向の１８箇所に設けられている。荷重受け部２２に貫通孔２２Ａが形成されていない点を除き、他の構成は第１構成例と同様である。
【００６５】
（他の構成例）
面状ばねの構成は、上記した第１構成例から第１６構成例に限られるものではなく、用途や使用条件に応じて適宜構成を変更することが可能である。
【００６６】
また第７構成例から第１６構成例において、荷重受け部２２に、第１構成例における貫通孔２２Ａに相当する形状を設けてもよい。また第７構成例から第１６構成例に、第１構成例から第６構成例に係る壊裂部２８を適宜組み合わせることも可能である。
【００６７】
上記各構成例では、面状ばねの形状を平面状としたが、これに限られず、凹凸面や円弧面等を含んでいてもよい。特に、第７構成例から第１６構成例のように、荷重受け部２２に貫通孔２２Ａを設けない場合には、後述する弁体４２（図２５）に対応する凹面を設けてもよい。また、壊裂部２８を設けない構成としてもよい。
【００６８】
［面状ばねの製法］
本実施形態に係る面状ばね１〜１６の製法を述べる。本実施形態では、面状ばねの製法として、面状ばねシートを金型で打ち抜くことも容易に考えられるが、微圧で正確な作動を求められる電気化学素子用には、圧延によるばね材料では精度が得られない。本実施形態では、電鋳法で生産する。
【００６９】
本実施形態の最も重要な部分は面状ばねであり、この部分の要求される要素は三次元的に小型で機械的機能を充分発揮しなければならないものである。そのため具体的には機械的性質の安定性、形状寸法の高精度、耐食などの化学的安定性が要求される。従来のコイルばねを利用した１５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２程度のものは、ばねの強度の安定性、コイルばねの太さの精度のばらつきなどから、特に圧力が小さく、また細かく制御するばねには不向きである。このような背景の中で、極めて微妙な圧力を感知し反応するばね、特に３〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２程度の微小な圧力に対して小型で素早く正確に反応するばねが求められている。
【００７０】
従来のコイルばねのような構造では、小型化ができず、また微小な強度を微妙な動作で伝えるなどの機能に劣るなど、物性的にも無理であった。この問題を解決する方法として電鋳法による面状ばねの製作が最適である。電鋳技術は、電解により金属素材を析出させる技術であり、素材の厚さを電解時間で正確に制御できる。従って、電鋳技術は、いろいろな種類の厚さを容易に、また大量に製作できる技術である。そして電鋳技術で製作された金属素材の種類は、応力の問題からクロム以外の電解できる金属ならば殆がその対象になり、合金、アモルファス金属などを含めその種類は豊富である。
【００７１】
電鋳金属の特徴は一般金属材料とは異なる有益な性質も有している。それは一般金属材料では溶解、圧延の工程で製造されるため結晶粒界での不純物やガスの巻き込みがあるのが一般的である。このため圧延材で作られる素材は厳密に言えば物性的にはばらつきがあり、これ等がばね材として使われており、特に小型のばねなど微小で微妙な力を感知しようとする機能には不向きである。特に微小なコイルばね部品などで問題になっている。
【００７２】
一方、電鋳による金属材料は一般的な金属素材とは異なり、金属粒子間での不純物やガスピットなど無く、必要によっては上記に述べたごとく合金やアモルファス金属も電鋳により簡単に製作できる。そして、その都度材料の物性を加味して電鋳金属の選択をし、なおかつ同一金属においても物理的、化学的性質を制御できる。
【００７３】
図２２にその一例を示す。このグラフは電解条件、合金の組成、電解液の有機物添加剤により機械物性を変えられることを示している。そして、この性質は安定なものであることが確認されている。以上のように、電鋳材料の信頼性は極めて高く、ばね材として最適な物性を有する材料を選択できる。特にここで掲げるパラジウムニッケル（Ｎｉ−Ｐｄ）合金、パラジウムコバルト（Ｐｄ−Ｃｏ）合金、パラジウムニッケルコバルト（Ｐｄ−Ｎｉ−Ｃｏ）三元合金などはマイクロばねには最も望ましい材料である。とりわけ本実施形態の面状ばねとしての素材、及び製作における小型化に対しても最適な金属材料である。
【００７４】
微妙に作動するばねの形状にするには、金属素材を例えば本実施形態に係る面状ばね形状にしなくてはならない、そのためには一般的にはフォトリソグラフィーを使う。この手法は電鋳技術とフォトリソグラフィーを併せたいわゆるフォトエレクトロフォーミングとして知られている方法が使われる。図２３に示されるように、電鋳方法で電着させようとする平面導体基板３２に、あらかじめフォトレジスト３４で電着を阻止するパターニングを写真技術で行い、その後電鋳で所望の金属３６を電着し必要な厚さに到達したときに剥離することで、必要な厚さの金属材料を用いて、上記した多様な各構成例のように、要求通りの形状とばね性を有した面状ばねを得られることになる。フォトエレクトロフォーミングで作られる寸法形状は、フォトレジスト３４の厚さが十分にあればサイドへの拡がりも無く、また電鋳法と比較されるエッチング手法で製作したときに生じるサイドエッチの現象もないため、極めて精度の高い寸法を保持できる。無論、本実施形態に係る面状ばねの形は、プレスなどの機械加工でもできるのであるが、その際はプレスなどによる加工応力によるばね特性や物性に影響を与えないよう配慮が必要である。
【００７５】
このフォトエレクトロフォーミングの作られた面状ばねの性能は、電鋳金属の素材の選択により面状ばねの機械的物性が決定され、面状ばねの平面的な形や材質の厚さなどが実質的なばねとして働く、例えば図１におけるばね素子部２６の強さに代表される性能、機能を支配する。そしてばね形状の断面積などが最終的に設計され、決定される。本実施形態の面状ばねの強さは、該面状ばねが微妙に制御されたばねである必要性から、上記の製作プロセスを容易に制御できることが重要であり、フォトエレクトロフォーミングは製造法として最適な手法である。
【００７６】
図２４に示されるように、ばねの強度に影響を与える実質的なばねの断面寸法、即ちばねの断面積は、ばね素子部２６の幅寸法と厚さ寸法を掛けて算出されるわけであるが、幅寸法については加工技術にフォトリソグラフィー技術を用いることで正確に制御でき、厚さ寸法については、電解の時間で決定されるため極めて正確に制御でき、何れもミクロンオーダーの正確さである。そのため極めて精度の高い本実施形態の面状ばねが製作できる。その結果、微小な圧力を微妙な変動要素に変化させること可能な面状ばねをフォトエレクトロフォーミングで作ることができる。
【００７７】
［安全弁］
図２５において、安全弁４０は、自己復帰型の安全弁であり、例えば電気化学素子４４の缶体４８におけるガス逸散孔４６の周囲の弁座５０に取り付けられている。この安全弁４０は、例えば第７構成例に係る面状ばね７（図１１）と、該面状ばね７によりガス逸散孔（圧力開放口）に押圧付勢される弁体４２とを有している。面状ばね７は、３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２の微圧にも正確に機能するように設定されている。面状ばね７の荷重受け部２２は、例えば球体である弁体４２に対応して、球面状に形成されている。
【００７８】
弁体４２の形状は、球体に限られず、面状等であってもよいが、ガス逸散孔４６との接触部に、ガスの逸散が容易となるように、凹凸の波形を表面に形成しておくことが望ましい。また弁体４２は弾性体で構成されている。その材質には、これまでに実用化されているＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム）、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエンゴム）、ブチルゴム、フッ素ゴム、アクリル系ゴム等の、耐薬品性のプラスチックスを使用することが可能である。
【００７９】
なお、弁体４２は弾性体には限られず、剛体であってもよい。その場合には、ガス逸散孔４６における弁体４２との当接部に、密閉性を高めるための弾性体を配置することが望ましい。また、剛体の表面に弾性体をコーティングして弁体４２を構成してもよい。
【００８０】
凹形状の弁座５０には、内径が弁体４２よりも大径のリング状のガスケット５２が嵌めこまれている。弁体４２は、ガス逸散孔４６よりも大径に構成され、該ガス逸散孔４６を塞ぐように配置されている。ガスケット５２上には、面状ばね７の基部２０が載置され、荷重受け部２２は弁体４２に被さるように配置されている。面状ばね７は、弁座５０にはめ込まれる皿ばね５４により固定されている。図２６に示されるように、皿ばね５４は、面状ばね７の荷重受け部２２と干渉しないように、該面状ばね７の基部２０と同等の大きさの円環状に構成されており、外周には複数の突起部５６が斜め上方に折曲げ形成されている。皿ばね５４は、この突起部５６において、弁座５０の壁部に嵌合している。
【００８１】
この安全弁４０では、通常使用時には、電気化学素子４４の缶体４８内のガス発生量に応じて、面状ばね７が弾性変形することで、弁体４２が上下して、電気化学素子４４の缶体４８内の圧力を設定内に調圧することができる。また異常時に、缶体４８内に大量のガスが発生し、該缶体４８内に過大な圧力が生じた際には、面状ばね７における壊裂部（図示せず）が壊裂することでガス逸散孔４６を開き、該圧力を瞬時に逸散させることができる。これにより、電気化学素子４４の爆発を防止することができる。
【００８２】
このように、本実施形態に係る安全弁４０は、極めて信頼性が高く、低圧作動が可能で、通常使用時に容器内に発生する種々のガスのうち副生ガスのみを、容器内圧が設定圧以上になったときに該容器外に瞬時に逸散させることができ、かつ超小型から大型の電気化学素子にも応用することができる。また対象容器内に過大な圧力が生じた場合には、該圧力を瞬時に逸散させることが可能である。
【００８３】
［電気化学素子］
通常、自動車や複写機、ロボットのような産業機器には、５０〜１９００Ｆ／缶の中〜大型の有底アルミ缶から成る電気二重層キャパシタが使用される。アルミ缶体には、一対の活性炭を主成分とする分極性電極がセパレータを介して、有機系電解液と共に収納されている。そしてこの有底アルミ缶体の開口部に、本実施形態に係る面状ばねを用いた自己復帰型の安全弁を装備した封口体を設けることで、電気二重層キャパシタが構成される。
【００８４】
この構成によれば、電気二重層キャパシタの内部の圧力が予定の圧力に成れば、瞬時に面状ばねからなる自己復帰型安全弁が作動し、内部で発生したガスを外部に逸散させ、内部のガス圧を正常に戻すことが可能である。
【００８５】
また本実施形態に係る安全弁は、上記したように、従来よりも低圧の内部ガス圧で作動し、その応答速度が速く、薄型化や小型化が可能である。また電鋳法により面状ばねを製作することで、高精度の面状ばねを得ることができ、かつ該面状ばねを低価格で量産することが可能である。従って、本実施形態に係る面状ばね及び安全弁は、業務用複写機、ロボットのような産業機器や自動車のような重量効率や空間効率、コストダウンの要請に貢献することが可能であり、その工業的価値は極めて大なるものである。
【００８６】
（試験例）
本実施形態に係る安全弁４０を電気二重層キャパシタに用いて、その特性を確認した。電気二重層キャパシタの構成としては、分極性電極として活性炭を用い、アセチレンブラック及び水系のＳＲＢ系バインダーによりスラリーを作製し、２０μｍのＡｌ集電体上に、乾燥厚みで２０μｍになるように塗布してこれを乾燥させ、内径３５ｍｍの５００ｍｍのＡｌ缶に収納した。電解液として、溶媒であるプロピレンカーボネート(ＰＣ)と、テトラエチルアンモンニュームテトラフルオロボレート(ＴＥＡＢＦ４)との１ｍｏｌ/Ｌ（リットル）濃度の溶質からなる有機系電解液を用いた。実施例１及び実施例２には、図２５に示される本実施形態に係る自己復帰型の安全弁４０を用い、従来例１及び従来例２には、コイル型自己復帰安全弁を用いた。
【００８７】
試験としては、まずガス発生が大きく、加速寿命試験の可能な７０℃で、３．０Ｖ印加で、１０００時間の耐久試験を行った。また電気化学素子内でのガス発生の多い異常使用条件として、７０℃で、３．３Ｖで、１００時間の耐久試験を行った。表２に、各実施例及び各従来例に係る電気二重層キャパシタの電気化学素子の耐久特性の比較を示す。
【００８８】
まず、ガス発生が大きく、加速寿命試験の可能な７０℃での３．０Ｖ印加試験の結果、従来例１では容量変化率が大きく、また内部抵抗も増加し、缶体の膨れや、電解液の漏液が激しいものであった。しかし、実施例１では、特に、異常が無かった。またガス発生を着実に缶体外に逸散させていたため、缶体の膨れや電解液の漏液はなく、特性的にも異常は無く、素晴らしい特性を示した。
【００８９】
一方、異常使用条件として、７０℃で、３．３Ｖで、１００時間の耐久試験の結果、従来例２では、６３時間経過後に爆発し、缶体が破損した。しかし、実施例２では、着実に異常ガス発生のガスを缶体外に逸散させていたため、１００時間経過後も缶体の異常は、観られず、その後の試験継続が可能であった。
【００９０】
【表２】
【００９１】
試験例では、有機系の電解液を使用した電気二重層キャパシタの実施例を示したが、ここでその他の電気化学素子の応用例の効果を、一般論として説明する。
【００９２】
（ニッケル水素電池の場合）
ニッケル水素電池の場合は、特に、水素ガスの発生が電池のサイクル特性を劣化させたり、５０℃以上の耐熱性に弱いために電池の爆発の危険がある。従来例のコイルばねは、応答圧力が８〜２０ｋｇｆ／ｃｍ２のものが市販されている。また、このばね圧での応答速度は、１５０〜８００msec／回である。本実施形態に係る面状ばねでは、３〜５ｋｇｆ／ｃｍ２の微圧駆動が可能であるため、応答速度は、２０〜１００msec／回が可能である。
【００９３】
このため安全弁の開口時に、外部空気の流入が少なくなり、外気からのＣＯ２、Ｈ２Ｏの影響を著しく減少させることが可能になる。
【００９４】
（リチウムイオン電池の場合）
リチウムイオン電池は、電気二重層キャパシタと同様にエチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）のような有機系溶媒とＬｉＰＦ６（６フッ化燐酸リチウム）塩を溶質に用いるため、安全弁の開閉動作時に外部空気中のＨ２Ｏの影響が大である。しかしながら、本実施形態に係る安全弁では、面状ばねの応答圧力が低く、応答速度が速いため、著しく短時間で弁の開閉を行うことができ、リチウムイオン電池に対しても極めて有効である。
【符号の説明】
【００９５】
１ 面状ばね
２ 面状ばね
３ 面状ばね
４ 面状ばね
５ 面状ばね
６ 面状ばね
７ 面状ばね
８ 面状ばね
９ 面状ばね
１０ 面状ばね
１２ 面状ばね
１３ 面状ばね
１４ 面状ばね
１５ 面状ばね
１６ 面状ばね
２０ 基部
２２ 荷重受け部
２６ ばね素子部
２８ 壊裂部
４０ 安全弁
４２ 弁体
４４ 電気化学素子
４６ ガス逸散孔
Ｘ 基部の外形寸法
Ｙ 変位可能寸法
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面状かつ枠状に形成された基部と、
該基部の面方向内側に、複数のばね素子部を介して弾性的に支持される荷重受け部と、
を一体的に有する面状ばね。
【請求項２】
前記基部、前記ばね素子部及び前記荷重受け部の少なくとも１箇所には、該荷重受け部に所定以上の荷重が作用した際に壊裂する壊裂部が設けられている請求項１に記載の面状ばね。
【請求項３】
前記基部の外形寸法をＸとし、前記ばね素子部の弾性変形による前記基部の厚さ方向の一方における前記荷重受け部の変位可能寸法をＹとすると、
アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５である請求項１又は請求項２に記載の面状ばね。
【請求項４】
前記面状ばねは、Ｎｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ−Ｎｉ−Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の面状ばね。
【請求項５】
前記面状ばねの厚さは、１〜１００μｍである請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の面状ばね。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の面状ばねと、
前記面状ばねによりガス逸散孔に押圧付勢される弁体と、
を有する安全弁。
【請求項７】
請求項６に記載の安全弁を有する電気化学素子。
【請求項１】
面状かつ枠状に形成された基部と、
該基部の面方向内側に、複数のばね素子部を介して弾性的に支持される荷重受け部と、
を一体的に有する面状ばね。
【請求項２】
前記基部、前記ばね素子部及び前記荷重受け部の少なくとも１箇所には、該荷重受け部に所定以上の荷重が作用した際に壊裂する壊裂部が設けられている請求項１に記載の面状ばね。
【請求項３】
前記基部の外形寸法をＸとし、前記ばね素子部の弾性変形による前記基部の厚さ方向の一方における前記荷重受け部の変位可能寸法をＹとすると、
アスペクト比（Ｙ／Ｘ）が０．１〜０．５である請求項１又は請求項２に記載の面状ばね。
【請求項４】
前記面状ばねは、Ｎｉの電鋳金属、Ｎｉ系合金の電鋳合金、Ｃｕの電鋳金属、Ｃｕ系合金の電鋳合金、又はＰｄ−Ｎｉ合金、Ｐｄ−Ｃｏ合金若しくはＰｄ−Ｎｉ−Ｃｏ三元合金であってＰｄが１０〜９０％含まれた電鋳合金で製作されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の面状ばね。
【請求項５】
前記面状ばねの厚さは、１〜１００μｍである請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の面状ばね。
【請求項６】
請求項１〜請求項５の何れか１項に記載の面状ばねと、
前記面状ばねによりガス逸散孔に押圧付勢される弁体と、
を有する安全弁。
【請求項７】
請求項６に記載の安全弁を有する電気化学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【公開番号】特開２０１０−２５５７５７（Ｐ２０１０−２５５７５７Ａ）
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１０６８５７（Ｐ２００９−１０６８５７）
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（３９６０２６７１０）株式会社オプトニクス精密 (34)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１１月１１日（２０１０．１１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年４月２４日（２００９．４．２４）
【出願人】（３９６０２６７１０）株式会社オプトニクス精密 (34)
【Ｆターム（参考）】
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