JP2004172116A - 充電式バッテリーアセンブリおよび相互接続システム - Google Patents

Abstract

【課題】 コンピューターバッテリーパック内における相互接続システムの信頼性を向上する。
【解決手段】 バッテリーアセンブリは、並列な列で端部同士が接するような向きで配置された再充電可能なセル（１０１−１０８）に対して相互連結を提供する。絶縁されたランナは、端部同士が接したセルの中心に沿って配置されたバスに相互連結を提供する。バスはプリント回路基板４００に接続されたフレキシブル回路３００である。一つの好ましい実施形態において、バスは、５．１ｃｍ（２インチ）未満の直径と、端部同士が接したセルの平行な列の合計直径より小さい長さを有する。アセンブリは、手付はんだの必要性を排除し、厄介な配線を排除し、電気的短絡を防止する複数の絶縁機能を提供する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、概して、ラップトップコンピューター用充電式バッテリーに関連する。より詳細には、そのような充電式バッテリーパック内のセルおよび回路を相互接続するためのシステムに関する。

ノート型、すなわち「ラップトップ」コンピューターは、益々普及してきている。昨今、これらの小型のポータブル・コンピューターの価格は、それらのより大型で、よりかさ高い先行のデスクトップモデルの価格と競合している。学生およびビジネスマンは、外出中に自分のコンピューターを作動させる能力を享受している。製造業者は、ユーザが特殊なペンでスクリーンに記入できるようにすることにより、便箋用紙を真似た「タブレット」型コンピューターのような新製品の導入により、ラップトップコンピューターの需要にさらに応えている。

ラップトップコンピューターは、充電式バッテリーにより、その可搬性を得ている。充電式バッテリーは、外側からは、時としてＣＤ−ＲＯＭまたはフレキシブルディスクドライブのような交換可能なコンピューター構成装置に類似している。そのような例の一つは特許文献１に示されている。これらの意匠は、ラップトップコンピューター内の標準ベイにバッテリーを挿入し易くしている。

しかしながら、これらのバッテリーの内部は非常に複雑である。バッテリーは、通常、並列および直列を組み合わせて接続された、６〜１０個の個別セルを備えている。さらに、これらのバッテリーは、一般に、バッテリー保護回路、マイクロプロセッサ回路、燃料測定回路および充電回路を含む、精巧な回路類を含んでいる。これらの回路は、典型的には硬いプリント回路基板に実装される。その基板は、ラップトップコンピューターに接続されるある種の標準コネクターを備え得る。
米国意匠特許第Ｄ４４２０１号

問題となるのは、大抵の場合において円筒状のスチール缶で包み込まれているセルをプリント回路基板に接続するのが困難であるということである。基板にセルを接続するための最も通俗的な方法は、缶に溶接された金属タブからプリント回路基板に、柔軟な配線を手付けはんだで接合することによる。この手付はんだ法に関する問題点は信頼性である。はんだ付け技術者が入念でない場合には、コールドはんだ接続（ｃｏｌｄ ｓｏｌｄｅｒ
ｊｏｉｎｔｓ）が生じることにより、バッテリーパックの信頼性を危険に晒し得る。さらに、はんだボールおよびブリッジは、バッテリーパック内の要素を短絡させ、さらに信頼性を危険に晒すことがある。

よって、コンピューターバッテリーパック内における改善された相互接続システムが必要とされている。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、充電式バッテリーアセンブリにおいて、複数の再充電可能なセルであって、そのサブセットが複数の可撓性金属タブと電気的に接続されている、複数の再充電可能なセルと、複数のランナであって、各ランナは、金属タブと、内部に開口を有するプラスチックハウジングとを有し、該プラスチック
ハウジングは前記金属タブを包囲している、複数のランナと、フレキシブル回路部材と、プリント回路基板とを備え、前記複数の再充電可能なセルは、２本のセルの平行な列に配列され、その２つのセルは端部同士が接するように配置されており、前記フレキシブル回路部材は、前記平行な列の中心にほぼ沿って配置されており、複数のランナは、フレキシブル回路部材に電気的に接続され、そのフレキシブル回路部材はプリント回路基板に電気的に接続されていることを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のアセンブリにおいて、プラスチックハウジングが三角形の断面を有することを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のアセンブリにおいて、前記三角形の断面の２辺が凹状湾曲を含むことを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のアセンブリにおいて、フレキシブル回路部材は、ランナに接続するための突出タブと、プリント回路基板に接続するための端子と備え、フレキシブル回路部材の突出タブは、ランナの開口を通ってランナの金属タブに接続されていることを要旨とする。

本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図面の参照に際し、全ての図面にわたって、同一の参照は同一の部品を示している。本願の記載並びに特許請求の範囲の全体にわたって使用されるように、以下の用語は、特に他に明示していない限り、明示的にここに関連する意味をとる。すなわち、「１つの（ａ）」「１つの（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は複数の参照を含み、「〜において」は「〜内で」および「〜上で」の意味を含む。図１を参照すると、ラップトップコンピューターバッテリーパック用の代表的な内部バッテリーセル構成が示されている。この種の構成は、主なコンピューター製造業者によって製造されたコンピューターにおいて使用されるバッテリーパック用として一般的なものである。本願に記載する発明は、様々な異なるセルの種類および構成において利用され得るが、今日、図１の構成がラップトップコンピューターにおいて使用されている最も一般的なもののうちの一つであることから、図１の構成を例示のために用いる。

前記構成は複数の再充電可能なセル１０１〜１０８で形成されている。リチウムベースのバッテリーは非常に高いエネルギー密度を提供することから、これらのセル１０１〜１０８は一般にリチウムイオン電池である。図１に示される典型的なセル１０１〜１０８は、産業界では「１８−６５０」セルと呼ばれている。「１８」は直径１８ｍｍに由来し、「６５０」はセルの長さ６５ｍｍを指している。セル１０１〜１０８は、正極端子および負極端子を有し、正極端子は通常はセル周囲に配された圧着リングで示される。例えば、リング１０９は、セル１０３の正極端を示す。セルは、通常は直並列構成に構成される。例えば、セル１０１とセル１０２とは並列に接続され、セル１０１およびセル１０２はセル１０３，１０４の並列の組み合わせと直列に接続され、セル１０３，１０４の並列の組み合わせは、セル１０５，１０６の並列の組み合わせと直列に接続され、セル１０５，１０６の並列の組み合わせはセル１０７，１０８の並列の組み合わせと直列に接続されている。幾何学的なパッケージングの効果は、セル１０１〜１０８が２本のセルの平行な列に物理的に連結されるということである。例えば、１つの平行な列は、端部と端部とが接して配置されているセル１０１，１０８であり、これらのセル１０１，１０８は、セル１０２，１０７、セル１０３，１０６などと幾何学的に平行に連結されている。

セルの両端には可撓性金属タブが溶接されている。例えば、セル１０１，１０２の正極端１１２，１１３同士は、可撓性金属タブで接続され得るとともに、セル１０１，１０２の負極端１１４，１１５は、可撓性金属タブ１１０によって、セル１０３，１０４の正極端１０９，１１６に接されている。可撓性金属タブ１１０がセルの非端子部分と接触しな
いことを保証するために、紙絶縁体１１７，１１８が任意に備えられる。

この典型的な実施形態における場合のように、終端のセル、例えばセル１０４，１０５は金属タブによって接続され得る。先頭のセル、例えば１０１，１０８は、好ましくは、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）テープ１１９のような丈夫な接着剤によって機械的に連結される。

次に、先行技術の解決策では、可撓性金属タブ（タブ１１０のような）からプリント回路基板に配線を手付けはんだで接合するであろう。上述したように、手付はんだ法の結果として無数の製造不良および現場不良が生じ得る。さらに、手付はんだは遅く、労力を要する。工場は、シックス・シグマ品質管理を維持するように努力しているが、手付はんだ法によって、シックス・シグマ品質管理を維持することができない。本発明は溶接機に適当な、安価で効率的な相互接続システムを提供する。本発明は、コストおよび製造不良の双方を低減する。

図２を参照すると、相互接続システムの１つの構成要素が示されている。この構成装置は、可撓性金属タブからバスまで「延在（ｒｕｎ）」する電気接続を形成するので、本願においては「ランナ（ｒｕｎｎｅｒ）」と称する。ランナは、金属タブ２０１を包囲するプラスチックケース２０２を備える。プラスチックケース２０２は、断面において略三角形であり、そのうちの２辺２０３，２０４は、一対の円筒状セルの間に組み合う凹状湾曲を有する。例として、１８−６５０セルが使用される場合、辺２０３，２０４の凹状の湾曲は、セルの外側の湾曲に対応するために許容誤差を無視すると、９ｍｍの半径を有するであろう。プラスチックハウジングは、スチレン、ポリスチレン、ＡＢＳ、ポリカーボネートおよびその他同種のものを含む多くのプラスチックのうちのいずれから形成されてもよい。好ましいプラスチックは、Ｎｏｒｙｌ（登録商標）ＧＴＸ８３０である。

可撓性金属タブ２０１は、セル同士を一緒に（図１にのように）接続するために使用されるものに類似している。可撓性金属タブ２０１は、プラスチックケース２０２において２つの開口２０５，２０６を介して露出されている。開口２０５，２０６は、以下に記載するように、自動溶接を可能にする。可撓性タブは、バッテリーパック内のタブに接続するための直立部材２０７を備える。

ランナの形成について、いくつかの製造上の選択肢が存在する。好ましい方法は、インサート成形を含む。この方法において、可撓性金属タブ２０１は、型のキャビティに挿入され、そのキャビティにおいて、タブ２０１の周囲に溶融したプラスチックが注入される。孔２０８，２０９は、タブ２０１の周囲におけるプラスチックの流動を促進する。他の代替案としては、射出成形によってプラスチックハウジング２０２を成形し、その後、手動で可撓性金属タブ２０１をケース２０２に挿入することが挙げられる。タブ２０１を適所に維持するために、タブ２０１上の任意選択的な突刺（図示せず）が、孔２０８，２０９と組み合ってもよい。

図３を参照すると、本発明のバス部３００が示されている。バス３００は、好ましくは、例えば符号３０１のような金属導体線（ｔｒａｃｅ）を包封したＫａｐｔｏｎ（登録商標）から構成されるフレキシブル回路である。そのようなフレキシブル回路は、米国特許第６，１５３，８３４号に記載されているように、当業界において公知である。線３０１は、Ｋａｐｔｏｎ３０２を越えて延びることにより、溶接され得る金属タブ３０３を形成する。バス３００は、特定のバッテリーセル構造を収容するために、任意で折り目３０４を備える。この回路のバス３００は、本発明の全体的な構造により、５．１ｃｍ（２インチ）以下の幅３０５を有する。バスの長さ３０６は、該バスが跨るセルの直径の合計より小さい。プリント回路基板への接続を容易にする端子３０７が配設されている。

図４を参照すると、本発明による相互接続構造の構成要素を備えたセル配列１０１〜１０８の分解図が示されている。本発明の最終目的は、プリント回路基板４００にセル１０１〜１０８を接続することである。プリント回路基板は、導電性の線および関連する回路を備える。その回路は、バッテリー保護回路、マイクロプロセッサ回路、燃料測定回路および充電回路を含み得る。導電性の線は、とりわけ、セル１０１〜１０８からコネクタ４０１への給電を容易にし、コネクタ４０１は最終的にホスト装置に給電する。

図示されるように、バス３００の端子３０７はプリント回路基板４００に電気的に接続されている。例えばリフロー工程においては、はんだ付けは代替手段であるが、好ましい接続方法は、熱棒溶接法（ｈｏｔ ｂａｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）による方法である。バス３００は、タブ３０３がランナの金属タブ２０１と整合するような向きに配置される。ランナは、例えば符号２０７のような直立部材がセルの端子上にある金属タブ１１０の各々と整合するように、位置合わせされる。

図５を参照すると、本発明による相互接続構造を備えた充電式バッテリアセンブリが示されている。バスタブ３０３は、プラスチックケース２０２の開口２０５を通って、ランナの金属タブ２０１に溶接されている。直立タブ２０７は、各々バッテリータブ１１０に溶接されている。溶接工程は好ましくはスポット溶接によって実施されるが、ピンチ溶接およびはんだ付けも有効である。

プラスチックケース２０２は、隣接したセル１０２，１０３の間に嵌め込まれている。溶接工程を容易にすることによって効率を改善することに加えて、プラスチックケース２０２は付加的な絶縁機能も提供することに注意されたい。前記絶縁機能は、タブが、タブまたは他のセルハウジングのいずれかと短絡することを防止する。また、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）は非常に丈夫であるが、デュポン（ＤｕＰｏｎｔ）社の特許取得製品であり、やや高価になりがちであるため、バス３００は一般に回路の最も高価な構成要素であることに注意されたい。図５に示される構造は、バスの幅が５．１ｃｍ（２インチ）未満に維持されることから、先行技術の解決策に対して、コストを大幅に低減する。その長さは、平行に並んだセルの直径よりも小さい（つまり、バス３００の長さはセル１０１，１０２，１０３，１０４が連結された幅よりも小さい）。折畳みタブ５００がセル１０４とセル１０５を接続するように、バス３００がセルの「窪み（ｆｏｌｄ）」を被覆することに注意されたい。このように、セルの構成において、バス３００は、端部同士が接するセルの平行な組み合せの中心に配置される。

図５は典型的な実施形態であり、かつ多くのラップトップバッテリーに適応する実施形態を表わしている。その構造は、並列セルの対を直列に組み合せた、８本の１８−６５０セルを備えている。５本のランナ２０２，５０１〜５０４が、バス３００上のタブに個々に接続されて使用されている。バス３００は、セル１０１〜１０８の内側５０６を横断することにより、プリント回路基板４００の中心部分５０５に接続している。最終結果として、大量生産設備において実施され得る、低コストで高信頼性の相互接続システムが得られる。

本発明の好ましい実施形態を図示して説明してきたが、本発明がそのように制限されないことは明らかである。当業者であれば、特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多数の修正、変更、別例、置き換えおよび均等物に想到するであろう。例えば、典型的な実施形態では、直並列に組み合せられた８本の１８−６５０セルを用いたが、本発明ではセルの数および構成の多数の他の組み合せも使用され得ることは明らかだろう。

図１ 従来のラップトップコンピューターバッテリーパック用の内部バッテリーセル構成を示す図。 本発明によるランナを示す図。 本発明によるバスを示す図。 本発明による相互接続構造の構成要素を備えたセル配列を示す分解図。 本発明による相互接続構造を備えた充電式バッテリーアセンブリを示す図。

符号の説明

１０１〜１０８…セル、１１０…可撓性金属タブ、２０１…金属タブ、２０２…プラスチックハウジング、２０３，２０４…凹状湾曲、２０９…開口、３００…フレキシブル回路部材、３０３…突出タブ、３０７…端子、４００…プリント回路基板。

Claims (4)

1. 充電式バッテリーアセンブリにおいて、
   複数の再充電可能なセル（１０１〜１０８）であって、そのサブセットが複数の可撓性金属タブ（１１０）と電気的に接続されている、複数の再充電可能なセルと、
   複数のランナであって、各ランナは、
   金属タブ（２０１）と、
   内部に開口を有するプラスチックハウジング（２０２）とを有し、該プラスチックハウジングは前記金属タブを包囲している、複数のランナと、
   フレキシブル回路部材（３００）と、
   プリント回路基板（４００）とを備え、
   前記複数の再充電可能なセルは、２本のセルの平行な列に配列され、その２つのセルは端部同士が接するように配置されており、
   前記フレキシブル回路部材は、前記平行な列の中心にほぼ沿って配置されており、
   複数のランナは、フレキシブル回路部材に電気的に接続され、そのフレキシブル回路部材はプリント回路基板に電気的に接続されている、アセンブリ。
2. プラスチックハウジング（２０２）が三角形の断面を有する、請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記三角形の断面の２辺が凹状湾曲（２０３，２０４）を含む、請求項２に記載のアセンブリ。
4. フレキシブル回路部材（３００）は、ランナに接続するための突出タブ（３０３）と、プリント回路基板（４００）に接続するための端子（３０７）と備え、フレキシブル回路部材（３００）の突出タブ（３０３）は、ランナの開口（２０９）を通ってランナの金属タブ（２０１）に接続されている、請求項３に記載のアセンブリ。

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