JP2006172942A - バッテリーパック - Google Patents

Abstract

【課題】 収納される回路基板上の電子部品を外部からの静電気放電による破壊から回避できるバッテリーパックを得る。
【解決手段】 電池本体２０と保護回路基板３０が収納されたバッテリーパック１０に形成された隙間１３-1，１３-2から進入した静電気放電が保護回路基板３０上の集積回路３５，３６，３７に直接印加されないように、隙間１３-1，１３-2と略対向し、保護回路基板３０上で隙間１３-1，１３-2から最短の空間絶縁距離の位置に、保護回路基板３０上で一番安定した充放電端子の接地側、例えばマイナス極の外部端子３２の側に接続された剥き出しランド３０ｃ，３０ｄ又はチップコンダクタ３８が配設されるようにし、ここに静電気放電を印加させるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えばリチウムイオン二次電池やバッテリー保護回路基板などを内蔵して好適なバッテリーパックに関する。

近年、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池などの代わりに用いられるようになったリチウムイオン二次電池は、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池と比べ、同量の放電エネルギーを確保するのに、体積では６割から８割、重量は約半分ですむという優れた特徴を持っている。また、ほかの二次電池と比べ３倍以上の電圧が得られるため、ニッケルカドミウム電池やニッケル水素電池の略３本分の電圧を１本でまかなうことができ、さらに、鉛や水銀、カドミウムを使用していないため、使用済み後も環境を汚染することなく処理できるという特長を有している。
このように、リチウムイオン二次電池は、小型、軽量、高エネルギー密度等の長所を有するため、携帯電話、携帯情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ、デジタルカメラあるいはビデオカメラレコーダーなどの比較的消費電力が多い割に機器内のバッテリー占有容積に制限があるような、いわゆるモバイル機器内に実装するのに好適なものとして多く採用されるに到っている。

しかしながら、このリチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高く、同一体積で比較してニッケルカドミウム電池の１．５〜２倍のエネルギーが詰め込まれているため、何らかの要因で内部短絡などを起こしたとき、そのエネルギーが一気に放出されてモバイル機器などにダメージを与えたり、バッテリー自体が大きなダメージを受けるおそれがある。
例えば、満充電状態でさらに充電を続けた場合（過充電状態）、負極にはリチウムが針状・樹脂状の結晶状態（リチウムデンドライト）で析出し、副反応による電流効率の低下を加速したり、針状であるためセパレータを突き破って正極・負極の短絡を招いたりし、自己放電が大きい放電容量の劣化状態で電池として使えなかったり、内部短絡による発熱によりガス噴出等の発生のおそれがある。
さらに、過放電状態(１．０Ｖ以下)においても同様に正極側に銅が析出し、電池特性の劣化が進むため、過放電に対する保護機能が必須である。

以上のようなことから、リチウムイオン二次電池の採用に当たり、適切な充放電制御を行い過充電および過放電に至らないようにするためのバッテリー保護回路が実装されるのが一般的である。
そして、実際には、機器側にバッテリー保護回路を設けた場合、機器自体の故障からバッテリー保護回路の不動作や、バッテリー単体での持ち運び、それに伴う仕様外の機器との接続や充電など想定しない使用をされた際のことを考慮し、リチウムイオン二次電池と、バッテリー保護回路とを一緒に収納したバッテリーパックとして製品化するのが一般的となっている。

一方、バッテリーパックの使用形態を見ると、モバイル機器でもデジタルカメラやビデオカメラレコーダーなどでは、撮影途中の電池切れを回避するため予備のバッテリーパックを単体で持ち歩くユーザーが多いという実態がある。
特に冬場などの湿度の低い時期においては、人体が静電気によって帯電した状態（例えば数千ボルト）となり、このような状態のままバッテリーパックを触る際に、人体から静電気が放電されることによりバッテリーパック内部の保護回路基板が影響を受け損傷するおそれがあった。

このような場合、バッテリーパックへの静電気放電（ＥＳＤ：Electro Static Discharge）の主な進入経路としては、（ａ）外部端子部、（ｂ）樹脂ケース開口部、（ｃ）樹脂ケース嵌合部からという３つの経路が考えられる。
（ａ）の経路では、本体機器と接続される外部端子（コネクタ等）を介し、電源ラインを通りバッテリー保護回路基板上の電子部品、例えばＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）構造を有する半導体の酸化シリコン絶縁膜が静電気放電により破壊される、いわゆる静電破壊を起こすおそれがある。
この場合、対策としては、ＣＲフィルターや定電圧ダイオードなどを充放電端子とバッテリー保護回路との間に設置する。

また、（ｂ）の樹脂ケース開口部や（ｃ）の樹脂ケース嵌合部からの静電気放電の進入では、特に樹脂ケース開口部、樹脂ケース嵌合部の直近に保護回路基板が配されている場合が問題となり、静電気放電対策として設置したフィルターやダイオードに放電電圧が印加されずに、直接電子部品に高電圧が印加され破壊されるおそれがある。
この場合、対策としては次の（１）〜（３）などがある。（１）静電気放電が進入する樹脂ケース開口部や樹脂ケース嵌合部から遠い位置に保護回路基板の電子部品を配設する。（２）静電気放電の進入する樹脂ケース開口部や樹脂ケース嵌合部近くの電子部品は、絶縁物で覆うか遮蔽する。（３）樹脂ケースを溶着して隙間をなくすなどして静電気放電が進入する開口部などの進入路そのものをなくす。
なお、従来のバッテリーパックへの静電気対策については特許文献１に開示されているものなどが知られている。
特開２００１−３５１６９７号公報（第２頁、図１）

しかしながら、バッテリーパックの静電気放電対策は、実際には上述（１）のように電子部品を基板上で樹脂ケース開口部や嵌合部から離して配設してもバッテリーパックの狭い空間では十分な絶縁距離を確保することは難しい。また、上述（２）及び（３）のように電子部品を絶縁物で覆ったり、樹脂ケース嵌合部全域を溶着する方法は、静電気放電対策として極めて有効ではあるが作業量が増えるため製造コストの面で不利となるだけでなく、被覆・溶着作業のばらつきのため静電気放電の耐量を一定水準に維持することが難しく品質の面で不都合が生じるおそれがある。

また、リサイクル法の施行に伴う資源の分別の面から、種々の材料から構成されている部品が収納されているバッテリーパックにおいてもリサイクルのし易さが求められている。すなわち、収納されている内部部品の取り出しや分別をし易くするため、ケースを例えば上下２分割構造などで分解が容易となる構造とし、上ケースに設けた係合孔と、下ケースに設けた係合爪とを上下ケース同士を押付けて係合させるスナップイン構造を採用し、接着剤、溶着などによる密閉構造は採用しない場合がある。
スナップイン構造の場合、どうしても下ケースと上ケースとに僅かな隙間が生じてしまい、この隙間が静電気放電の進入経路を形成していた。そして、この間隙は、形状を変えることはできてもスナップイン構造をとる限りなくすことはできず、スナップイン構造の採用を前提とした静電気放電対策を行うことが必要となった。

このスナップイン構造は例えば、図５及び図６に示す形態のものである。図５に示すスナップイン構造において、断面斜視図の図５Ａに示すように、下ケース１１には係合爪１１ｂと上ケース１２には係合孔１２ｂが設けられている。そして、下ケース１１への上ケース１２の組み込みは、下ケース１１に設けられる係合爪１１ｂが上ケース１２に設けられる係合孔１２ｂに押込まれることにより（スナップイン）、図５Ｂに示すように、係合爪１１ｂと係合孔１２ｂとが係合し結合され、このとき係合爪１１ｂの端部が係合孔１２ｂから露呈される。

また、図６に示すスナップイン構造は、上ケース１２に、図６Ａに示すように、係合孔となるループ１２ｆが設けられ、下ケース１１には、図６Ｂに示すように、ループ１２ｆに係合する係合爪１１ｆが正面側壁１１-2の内側に形成される。そして、上ケース１２を図６Ｂに示す矢印の方向に押し下げたとき、ループ１２ｆの中に係合爪１１ｆが押込まれ上下ケース１１，１２が固定される。

本発明はかかる点に鑑み、開口部あるいは嵌合部などの開口からケース内部に進入した静電気放電によって、内蔵されているバッテリー保護回路基板上の静電気放電の耐量が低い電子部品にダメージを与えにくい構造のバッテリーパックを提案するものである。

上記課題を解決するため、本発明バッテリーパックは、電子部品が配設された保護回路基板と二次電池とが樹脂ケース内に内蔵され、充放電のための外部端子が露呈されたバッテリーパックにおいて、樹脂ケースに設けられる隙間による開口の近傍に、外部端子の接地側に接続される保護回路基板の耐静電気的に安定したパターン上に形成した剥き出しランド及び／又はチップコンダクタを、配設したものである。

このように構成したバッテリーパックによれば、樹脂ケースの隙間による開口から侵入した静電気放電を、ランド及び／又はチップコンダクタに放電して外部端子の接地側に逃がすことができる。

また、本発明は、上記に記載のバッテリーパックにおいて、剥き出しランドを、静電気放電の耐量が低い電子部品のリード端子と隙間による開口との空間絶縁距離より、剥き出しランドと隙間による開口との空間絶縁距離の方が小さくなるように設けると共に、チップコンダクタのリード端子を、隙間による開口に略対向する位置に配設し、静電気放電の耐量が低い電子部品のリード端子と隙間による開口との空間絶縁距離より、チップコンダクタと隙間による開口との空間絶縁距離の方が小さくなるように設けたものである。

このように構成したバッテリーパックによれば、人体などが帯電した状態でバッテリーパックの外面の開口部、嵌合部を把持したときに放電された静電気を、ほぼ確実に剥き出しランド及び／又はチップコンダクタのリード端子を介して外部端子の接地側に逃がし、静電気放電の耐量が低い電子部品にダメージを与えないようにすることができる。

本発明バッテリーパックによれば、樹脂ケースの隙間による開口の近くのバッテリー保護回路基板上に剥き出しランド及び／又はチップコンダクタのリード端子を配設し、進入した静電気放電を外部端子の接地側に逃がすようにしたので、開口からケース内部に進入した静電気放電によって、内蔵されているバッテリー保護回路基板上の静電気放電の耐量が低い電子部品にダメージを与えにくい構造とすることができる。

以下、本発明のバッテリーパックを実施するための最良の形態の例を、図１〜図６を参照して説明する。

図２は、本例のバッテリーパック１０の外観を示し、図２Ａは斜視図、図２Ｂは正面断面図である。バッテリーパック１０は、図２Ａに示すように、例えば大きさが幅４０ｍｍ、奥行き７０ｍｍ、高さ２０ｍｍ程度で、略かまぼこ形の外形を有するものであり、その外筐が上ケース１２と下ケース１１の２分割構成で、下ケース１１の正面側壁１１-2に２つの略矩形の開口孔１１ａ，１１ａが設けられる。そして、この開口孔１１ａ，１１ａから外部の充電器又はモバイル機器などに接続する充放電端子３１，３２が露呈される。
また、上ケース１２の正面側壁１２-2と背面側壁１２-4には、図２Ａに示すように、係合孔１２ｂが設けられ、後述する下ケース１１の係合爪１１ｂを係合し、結合するようになされる。
そして、上下のケース１１，１２が結合された状態では、図２Ｂに示すように、ケースの中に電池本体２０、保護回路基板３０及び不図示の充放電端子３１，３２と内部接続用のリード３３，３４などが収納される。

図３は、バッテリーパック１０の分解斜視図である。
下ケース１１は、底部１１-1と、４つの側壁１１-2〜１１-5を有する略長方形の受け皿形状をなすものである。そして、正面側の側壁１１-2に２つの略矩形の開口孔１１ａ、１１ａが設けられると共に、対向する２つの側壁１１-2，１１-4の内側にそれぞれ２つの係合爪１１ｂ，１１ｂが設けられる。
また、下ケース１１の底部１１-1の内側には二次電池による電池本体２０及び保護回路基板３０を、バッテリーパック１０内でがたを生じさせずに位置決めするため、複数のリブが形成される。
そして、下ケース１１の略矩形枠形状の上縁１１ｃは内外に2つの領域に分割され、内側の領域が外側の領域より低くなるように段差が設けられる。

上ケース１２は、下ケース１１と嵌め合う蓋状で上部１２-1が溝を有する略かまぼこ形状に形成され、４つの側壁１２-2〜１２-5の内、対向する２つの側壁１２-2，１２-4にそれぞれ２つの係合孔１２ｂが設けられる。
そして、上ケース１２の下縁１２ｃは内外に2つの領域に分割され、上述の下ケース１１に形成された段差と嵌め合うような形状、すなわち内側の領域が外側の領域に対して外側に延設されるように段差が設けられる。

そして、下ケース１１への上ケース１２の組み込みは、図５Ａの断面斜視図に示すように、下ケース１１に設けられる係合爪１１ｂが上ケース１２に設けられる係合孔１２ｂに押込まれることにより（スナップイン）、図５Ｂに示すように、係合爪１１ｂと係合孔１２ｂとが係合すると共に、下ケース１１の上縁１１ｃと上ケース１２の下縁１２ｃの段差が嵌めあうようになされる。
このとき、係合孔１２ｂに係合爪１１ｂが係合した結果、係合孔１２ｂの下半分は係合爪１１ｂ自体で塞がれるが、上部に僅かな隙間１３が生じる。
なお、上下ケース１１，１２のスナップイン構造として上述した図６に示すものも採用できるが、図６例でもスナップイン構造をとる上で不可避的に図６Ｃに示すように、隙間１３が形成される。

電池本体２０は、リチウムイオン二次電池による電池セルを所望の電圧となるように複数直列に接続し円柱状に形成した電池を、例えば図３に示すように、２本交互に並べ収納される。そして、外部の機器で必要とされる電圧とバッテリー容量により、直列接続される電池セルの数、並列接続数が決められる。

図３に示す保護回路基板３０は、集積回路などの電子部品が実装されたプリント配線板であり、バッテリーパック１０を安全に使用するための充放電制御機能を有する保護回路や充放電のためのスイッチ回路等を構成する集積回路３５，３６，３７などが組み込まれ、過充電保護機能、過放電保護機能、過電流保護機能を有するようになされている。

すなわち、保護回路基板３０は、図３に示すように、上下ケース１１，１２の正面の側壁１１-2，１２-2側に収納され、図１Ａ及びＢに示すように、上ケース１２の上部１２-1の内面と下ケース１１の底面１１-1のリブでがたなく収納できる形状に形成される。そして、集積回路３５，３６，３７、チップコンダクタ３８などのチップ部品などが実装される。
また、保護回路基板３０上において、集積回路３５及び３６のリード端子の下側に略矩形で銅箔が剥き出し状態とされたランド３０ｃ，３０ｄが形成され、静電気放電に対して安定した電位にあるバッテリーパック１０の例えばマイナスの外部端子３２側に電気的に接続される。また、集積回路３７の下側にチップコンダクタ３８が実装され、これもバッテリーパック１０のマイナスの外部端子３１側に電気的に接続される。

そして、保護回路基板３０には図３に示すように、板金による折り曲げ構造の充放電端子３１，３２がはんだなどで接合される。
なお、集積回路３７の下側にチップコンダクタ３８を配するのは抵抗が０Ωであるため、実効的に配線パターンと同視できることと、ある程度の高さを有し保護回路基板から突設するように実装できるためである。

このように構成されたバッテリーパック１０は、図２及び図３に示すように、下ケース１１内で保護回路基板３０が正面の側壁１１-2の側で電池本体２０との間に配設され、開口孔１１ａ、１１ａから充放電端子３１，３２が露呈されるようになされると共に、電池本体２０と保護回路基板３０とがリード３３，３４で電気配線された状態でがたがないように収納される。ここで端子の極性は、例えば充放電端子３１がマイナス（−）電極、充放電端子３２がプラス（＋）電極となされる。
その後、上述のように上ケース１２に設けられた係合孔１２ｂ，１２ｂ，・・に対して下ケース１１に設けられた係合爪１１ｂ，１１ｂ，・・を押し込んでスナップインさせ、一体とされたバッテリーパック１０とする。

このとき、バッテリーパック１０のケースと内部に設けられる保護回路基板３０のランド３０ｃ，３０ｄとチップコンダクタ３８との位置関係は、図１Ｂに示すように、ランド３０ｃ，３０ｄが係合爪１１ｂと係合孔１２ｂにより形成される隙間１３-1と略対向するように配され、チップコンダクタ３８が隙間１３-2と略対向する位置にように配されるようにしている。
すなわち、図５Ｂに示すように、保護回路基板３０上で静電気放電によりダメージを受けやすい電子部品のリード端子と隙間１３との空間絶縁距離をＤとしたとき、保護回路基板３０上でこの距離Ｄよりも小さくなる位置にランド３０ｃ，３０ｄ或いはチップコンダクタ３８のリード端子を配設するようにする。
ここで隙間１３-1，１３-2は、図５Ｂに示す係合爪１１ｂと係合孔１２ｂにより形成される隙間１３のうち、隙間１３-1が図１Ｂに示す右側に形成されるもので、隙間１３-2が左側に形成されるものを示している。

このように構成されたバッテリーパック１０は、電池本体２０、保護回路基板３０、充放電端子３１，３２が収納された状態では、上ケース１２との隙間１３と略対向する保護回路基板３０上に剥き出しランド３０ｃ，３０ｄ、あるいはチップコンダクタ３８が配され、下ケース１１の開口孔１１ａ，１１ａから充放電端子３１，３２が露呈されるようになされる。

剥き出しランド３０ｃ，３０ｄ、あるいはチップコンダクタ３８を保護回路基板３０に設けたときの効果を図１Ａ及びＢ、図４を参照して説明する。
図４は、図１Ａでランド３０ｃ，３０ｄ、あるいはチップコンダクタ３８を有さない保護回路基板がケースに収納されている状態を示している。
図４では、静電気放電の進入口となる隙間１３と略対向する保護回路基板３０上の周辺にランド３０ｃ，３０ｄやチップコンダクタ３８を設けることなく集積回路３５，３６，３７が配設されている。
このため、図４に示す保護回路基板では、隙間１３と集積回路３５，３６，３７のリード端子の間に静電気放電が印加できる導電領域がないため、これら集積回路３５，３６，３７に静電気放電が直接印加されるおそれがある。

しかしながら、図１Ａ例では、ケースの隙間１３と集積回路３５，３６，３７のリード端子との空間絶縁距離より、隙間１３との距離の方が小さくなるようにランド３０ｃ，３０ｄあるいはチップコンダクタ３８のリード端子を配設し、静電気放電に対し安定した電位にあるバッテリーパック１０の例えばマイナス極側となる外部端子３１と接続される。
この結果、図１Ａに示すバッテリーパック１０では、図４に示すバッテリーパックと比べて、静電気放電の進入口となる隙間１３とマイナス極の電位を有する領域、すなわちランド３０ｃ，３０ｄあるいはチップコンダクタ３８との空間絶縁距離が短くなるため、進入した静電気放電は先にランド３０ｃ，３０ｄあるいはチップコンダクタ３８に印加されことになる。
このため、図１Ａに示すバッテリーパック１０では、集積回路３５，３６，３７のリード端子部へ静電気放電が到達することが難くなり、この集積回路３５，３６，３７が静電気放電によりダメージを受けるおそれが大幅に減ることになるため全体として静電気放電への耐量を大きくすることができる。

本例のバッテリーパック１０によれば、上下ケース１１，１２の隙間１３から静電気放電が進入したとき、集積回路３５，３６，３７などの電子部品のリード端子に到達する前に保護回路基板３０上で静電気放電に対して一番安定した電位に接続された剥き出しランド３０ｃ，３０ｄ、あるいはチップコンダクタ３８のリード端子に、印加させることができるので、安価で確実に静電気放電に対する耐量を向上させることができる。
そして、保護回路基板３０へ電子部品の実装それ自体が静電気放電対策にもなるため、以降の製造工程での特段の追加作業が発生することがなくなり、作業負担が低減すると共に、静電気放電対策を後の工程で行わずに済むので作業ばらつきによる品質（静電気放電耐量のバッテリーパック間ばらつき）低下を回避することができる。
具体的には、電子部品に絶縁シリコンなどを塗布する作業自体がなくなるため生産性が向上すると共に、塗布ばらつきの問題がなくなるためバッテリーパックとしての信頼性を向上させることができる。

チップコンダクタ３８は、バッテリーパック保護回路の回路構成および基板パターンデザインによっては、チップ抵抗器もしくはチップコンデンサのリード端子に静電気放電を印加することでも静電気に対する耐量を向上させることが出来る。具体的には、チップコンダクタと同様に静電気に対して安定したパターン上、本例での説明では、充放電端子３１マイナス（−）と連続したパターンに接続されたリード端子に静電気を印加されるように基板パターンを設計することで静電気に対する耐量を向上させることが出来る。

なお、本例の静電気放電対策は、リチウムイオン二次電池によるバッテリーパック１０に限らず、バッテリーパック１０を装着する本体にあたるモバイル機器等をはじめ、その他静電気放電対策を要する充電器、パソコンなどでも用いることができる。
すなわち、モールドケースなどの嵌合部からの静電気放電の進入経路の近くにプリント配線板が配されると共に、このプリント配線板上に静電破壊のおそれのある半導体などによる電子部品が実装されている場合は、プリント配線板上の安定した電位に接続された剥き出しランドなどを開口部の直近に配置することで静電気放電耐量を向上させることができる。

本発明のバッテリーパックは、上述例に限ることなく本発明の要旨を逸脱することなく、その他種々の構成をとりうることは勿論である。

本発明バッテリーパックに収納される保護回路基板の、Ａは正面図、Ｂは収納状態でのバッテリーパックの正面図である。 本発明バッテリーパックの実施の形態の例を示す、Ａは外観斜視図、Ｂは断面正面図である。 図２例のバッテリーパックの分解斜視図である。 バッテリーパックで静電気放電未対応の保護回路基板例を示す正面図である。 図２例のバッテリーパックのスナップイン構造の、Ａは一部断面斜視図、Ｂは一部断面図である。 スナップイン構造のケースのほかの例を示す、Ａは一部破断して示す斜視図、Ｂは係合途中でのＡの断面図、Ｃは係合状態でケースの内側からの見た図、ＤはＣの断面図である。

符号の説明

１０…バッテリーパック、１１…下ケース，１２…上ケース、１３-1，１３-2…隙間、２０…二次電池本体、３０…保護回路基板、３０ｃ，３０ｄ…剥き出しランド、３２…マイナス極外部端子、３５，３６，３７…集積回路、３８…チップコンダクタ

Claims (3)

1. 電子部品が配設された保護回路基板と二次電池とが樹脂ケース内に内蔵され、充放電のための外部端子が露呈されたバッテリーパックにおいて、
   前記樹脂ケースに設けられる隙間による開口の近傍に、前記外部端子の接地側に接続される前記保護回路基板の耐静電気的に安定したパターン上に形成した剥き出しランド及び／又はチップコンダクタを、配設したことを特徴とするバッテリーパック。
2. 請求項１に記載のバッテリーパックにおいて、
   前記剥き出しランドを、静電気放電の耐量が低い前記電子部品のリード端子と前記隙間による開口との空間絶縁距離より、前記剥き出しランドと前記隙間による開口との空間絶縁距離の方が小さくなるように設けた
   ことを特徴とするバッテリーパック。
3. 請求項１に記載のバッテリーパックにおいて、
   前記チップコンダクタのリード端子を、前記隙間による開口に略対向する位置に配設し、
   静電気放電の耐量が低い前記電子部品のリード端子と前記隙間による開口との空間絶縁距離より、前記チップコンダクタと前記隙間による開口との空間絶縁距離の方が小さくなるように設けたことを特徴とするバッテリーパック。

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