JP2008200799A - ねじ締め方法、二次電池パックの組立に用いられるねじ締め装置および二次電池パックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】径の小さいねじを用いても確実に十分な強度で締結できるねじ締めを行うねじ締め方法およびねじ締め装置を提供する。
【解決手段】ねじ１０を填めたビット２１はワーク３１に向かって降下していく。ねじ１０の頭がワーク３１の下穴３３に入る際に、センサ２５がねじ１０の位置を検出して制御部２２がビット２１の回転を開始させる。センサ２５が、ねじ１０の頭が被固定部材３２に接触したことを検出したら、制御部２２はビット２１の回転を止めてビット２１を上昇させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ねじ締め方法、二次電池パックの組立に用いられるねじ締め装置および二次電池パックの製造方法に関するものである。

従来より様々な装置やその構成部材を組み立てる際には、ねじにより２以上の部品を締結して固定することが一般的に行われてきた。ねじを用いて締結する場合、特に大量に組み立てられる装置や部材においては、自動のねじ締め装置を用いてねじ締めを行っている。このような自動ねじ締め装置に関しては種々の検討が行われている。

例えば特許文献１には、樹脂成型品に対するねじ締めのように、締付途中に必要なトルクＴ１より最終締付トルクＴ２の方を小さくする必要がある場合でも精度よくネジ締めが出来る自動ネジ締め装置が開示されている。具体的には、回転駆動軸を有するモータと、該モータの駆動軸に連結されたネジ締め用のビットと、モータの回転速度を検出する回転速度検出手段と、ネジ頭のワークへの接触を検出する接触検出手段と、前記複数の検出手段からの検出データを受けて、前記モータを着座するまでは第１の回転速度を維持するとともに、着座後は前記第１の回転数より小さい第２の回転数にて駆動するための制御信号を出力する制御手段と、前記制御信号を受けてモータへ駆動信号を供給する駆動手段とを具備してなる自動ねじ締め装置である。
特開平６−２６２４５２号公報

一方世の中の流れとしては、あらゆる装置や部材を小型にし且つ軽くすることがどんどんと推し進められている。これに伴い、ねじ止めすべき装置や部材も小型になり、これらが小さくなって来るに連れ、ねじ自体も小さくする必要があり、しかも小さなねじで確実に締結・固定することが求められている。しかしながら、ねじがある程度以下の大きさになった場合、特許文献１の装置を含めて従来の自動ねじ締め装置を用いてねじ締めを行うと、ねじ締めが行えなかったり、行えても固定が不十分で小さな力が掛かるだけで外れてしまうものが頻発するという問題が生じることを本願発明者は見出した。

この問題はこれまで報告されておらず、本願発明者が初めて見出したものであるが、特にタッピングねじを用いた場合、外見上はねじ止めされているように見えるのであるが、部品同士が固定されている力が弱く、落下試験などで部品同士が外れてしまうものが多く発生することがわかった。このような締結不良品はタッピングを行っているため再生できず、全て廃棄処分としなければならいので、製造コストが非常に大きくなっていた。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、径の小さいねじを用いても確実に十分な強度で締結できるねじ締めを行うねじ締め方法およびねじ締め装置を提供することにある。

上記の課題を解決するため、ねじの回転を開始させるタイミングを所定のタイミングとした。

具体的には、本発明のねじ締め方法は、二次電池パックの組立に用いられるタッピングねじのねじ締め方法であって、下穴が開けられたワークを用意する工程と、ビットにねじの頭を填める工程と、前記ビットあるいは前記ワークを移動させることによって、前記下穴に向かって前記ねじの先端を近づけていく工程Ａと、前記ねじの先端が前記下穴に入る際に前記ビットの回転を開始する工程と、前記ビットの回転によって前記ねじを前記下穴にねじ込む工程と、前記ねじの前記下穴へのねじ込み終了後に前記ビットの回転を止める工程と、前記ビットを前記ねじの頭から外す工程とを含む構成とした。

ここでいうねじとは雄ねじのことであり、ねじの頭とは該ねじをワークにねじ込むための工具（ビット）が装着される部分のことであり、ねじの先端とは頭とは反対側の端である。

ねじの先端が下穴に入る際にビットの回転を開始するということは、厳密な意味でねじの先端が下穴に入った瞬間に回転を開始することを意味しておらず、ねじの先端が下穴に入る１ｍｍ以内の手前や少し入りねじ山が下穴に接触しない時点から回転を開始することも含まれている。

工程Ａではビットは実質的に無回転であることが好ましい。即ち、ねじが無回転のまま下穴に近づいていくことが好ましい。

本発明は、直径が３．０ｍｍ以下のねじを用いる場合に好ましく、１．６ｍｍ以下のねじを用いる場合により好ましい。

本発明の二次電池パックの製造方法は、上記のねじ締め方法によって、電池本体を収納する電池本体ケースに充放電保護回路を内蔵する保護回路部材が締結されている構成とした。

また、本発明のねじ締め装置は、二次電池パックの組立に用いられるものであって、ねじの頭に先端が填って該ねじを回転させるビットと、前記ビットをねじ込み対象のワークに近づけるビット移動部材と、前記ビットを回転させるビット回転部材と、前記ねじの位置を検出するセンサと、前記ビット回転部材を制御する回転制御部とを備え、前記回転制御部は、前記センサからの信号を基にして、前記ねじの先端が前記ワークに開けられた下穴に入る際に前記ビットの回転を開始させるようにビット回転部材を駆動させる構成とした。

本発明のねじ締め方法では、ねじの先端が下穴に入る際にビットの回転を開始させるので、ねじを下穴に確実にねじ込むことができねじ込み不良の発生を大幅に抑制できる。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明を想到するに至った経緯について説明をする。

携帯電話用のリチウムイオン電池は、小型・軽量・安全性を求められるため、電池本体を収納する電池本体ケースと充放電安全回路を内蔵する端部ケースとを固定する固定方式についても種々検討を行った。その中で、固定が確実であるという利点を有する小型のねじによる締結方式を第１の候補とした。ねじ止めは、端部ケースに設けた貫通孔と、電池本体ケースに開けられたねじ径よりも小さな下穴とを重ねて、タッピングねじを用いて下穴にねじ込む方法で行うことにした。

このとき、従来の自動ねじ締め装置を用いてねじ締めを行ったのであるが、ねじ締め工程においてねじが下穴に入らなかったり、下穴に入っても電池本体ケースと端部ケースとの固着強度が低く、落下試験などにより簡単に両ケースが外れてしまうという状況が頻発した。このような状況を改善するために、下穴の大きさや中心位置の合わせの精度を調整したり、ねじ締め装置のトルクやスピード、推力など様々な要素を検討したが、ねじ止めの状況は改善しなかった。

そこで、落下試験で簡単に両ケースが外れてしまったねじ締め部分を調査したところ、ねじの中心軸と下穴の中心軸とがずれて、ねじが下穴に斜めに入り込んでいることが判明した。即ち、携帯電話用のリチウムイオン電池においては所定の大きさで最大の電池容量を確保するため、下穴はねじ止めによる固着強度が保たれる最低限の深さしか設定されておらず、下穴にねじが真っ直ぐ入ってもねじが３山から４山しか下穴にねじ込まれないのであるが、ねじが斜めに入り込んだため２山以下しかねじ込まれなかったり、ねじ込みが浅かったりしていたのである。さらに調査を進めると、ねじが下穴に入らないのも下穴に対して斜めになったねじが、下穴に入る前に端部ケースの孔壁などに引っかかってしまっていることがわかった。

次にねじを調べたところ、自動ねじ締め装置のビットにねじ頭が填ってビットが回転すると、ねじの先端はねじの中心軸（回転軸）周りに回転するだけではなく、歳差運動によって首振り運動をして大きく円を描くことが判明した。これは、上記特許文献１に記載の自動ねじ締め装置を含めて従来の自動ねじ締め装置は、ねじ頭がビットに填められた後、ビットが回転してねじ止めされるワークに近づいていき、ワークに接触してねじ止めを行う、というステップでねじを締める、という動作を行っているため生じたことである。

さらに調べたところ、ねじは鍛造により製造されるため寸法や中心軸にばらつきがあって、ねじ自体のサイズが大きいときは、ねじの寸法に対する寸法誤差の割合が比較的小さいため自動ねじ締め装置でのねじ締めにおいて今までは問題にならなかったのであるが、ねじの径が小さくなってくるとねじの大きさに対する寸法誤差の割合が大きくなってきて、ねじの径が３．０ｍｍから上記の問題が生じ始め、１．６ｍｍ以下になるとその問題が顕著になることがわかった。このことは、本願発明者が初めて見出したことである。

本願発明者は、上記問題を簡単且つ低コストで解決する方法を探求し、ついに本願発明を想到するに至った。

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。以下の図面においては、説明の簡潔化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。

（実施形態１）
図１は本実施形態に係るねじ締め装置の概略図である。図１においてはワーク３１の下穴３３が視認できるように、一部を断面で表している。

ねじ締め装置は、ビット２１と、ビット２１を回転させるモータ（ビット回転部材）２４と、ビット２１をワーク３１に近づけるビット移動部材２３と、ねじ１０の位置を検出するセンサ２５と、モータ２４の回転を制御する制御部（回転制御部）２２とを備えている。なお制御部２２は、ビット移動部材２３の動きも制御しているとともに、センサ２５の検出信号も取り込んでいる。

ねじ締めが行われるワーク３１と、ワーク３１に固定される被固定部材３２とは、台２６の上に載せられている。ワーク３１は台２６の上面に載せられており、開口部が円形の凹部である下穴３３を有している。被固定部材３２はワーク３１の上に載せられていて、貫通孔３４を有している。貫通孔３４の径は下穴３３の径よりも少し大きい。また、被固定部材３２は、貫通孔３４の中心軸と下穴３３の中心軸とが一致するようにワーク３１に載せられている。

ワーク３１と被固定部材３２とを固定するねじ１０は、ねじ部外径が１．６ｍｍであるいわゆるＭ１．６と呼ばれるねじである。これに対し、下穴３３の径は１．２５ｍｍであり、貫通孔３４の径は１．７ｍｍである。下穴３３には雌ねじが切られておらず、ねじ１０はタッピングねじとして作用して下穴３３に雌ねじを切りながらねじ込まれる。

次にねじ締め工程を図２を参考にして説明する。

まずワーク３１を台２６の上に載せる（Ｓ１）。この時被固定部材３２を予めワーク３１の上に載せておいてもよいし、ワーク３１を台２６に載せた後に被固定部材３３をワークの上に載せてもよい。

それからビット２１にねじ１０の頭を填めて取り付ける（Ｓ２）。これは、ビット２１を回転させてねじ１０を吸着させることにより行う。ねじ１０の頭が填ったらビット２１の回転を止める。このビット２１の動きは制御部２２により制御される。

続いてビット移動部材２３がビット２１を無回転のままワーク３１へ向かって降下させる（Ｓ３）。この時ビット２１に先にはねじ１０の頭が填っているので、ねじ１０の先端が先頭になってワーク３１に近づいていく。なお、ワーク３１は、ビット２１が降りたときにねじ１０の先端が下穴３３に入る位置に置かれている。

ねじ１０がさらに下降していって、ねじ１０の先端が被固定部材３２の貫通孔３４に入る際には、センサ２５がその位置を検出し、検出した信号（ねじ１０先端が貫通孔３４に入る位置に来たという検出信号）を制御部２２に送る。制御部２２では、この信号を基に貫通孔３４の長さ（深さ）とビット２１の下降速度とから計算して、ねじ１０先端がワーク３１の下穴３３に入るタイミングを捕捉する（Ｓ４）。

そして上記タイミングに合わせて、ねじ１０先端が下穴３３に入る際に制御部２２はモータ２４をＯＮにして駆動させ、ビット２１の回転を開始させる（Ｓ５）。

ビット２１が降下しながら回転することにより、ねじ１０は回転しながら下穴３３に入っていき、雌ねじを切りながらねじ込まれていく（Ｓ６）。

次にねじ込みが進んでねじ１０の頭が被固定部材３２に当接したら、それをセンサ２５で検出し、検出信号を制御部２２に送り、制御部２２はモータ２４とビット移動部材２３とに指令を出して、モータ２４の回転とビット２１の下降を停止させる（Ｓ７）。

それからビット２１を上昇させると、ビット２１がねじ１０から離れていき（Ｓ８）、ねじ１０のねじ込みによって被固定部材３２とワーク３１とが締結されて固定される。以上でねじ締めの工程が終了する。

上記Ｓ２からＳ６において、本実施形態とは異なり、従来のようにビット２１にねじ１０の頭を填めて取り付けた後、ビット２１を回転させながら下降させてねじ１０をワーク３１および被固定部材３２に近づけていったと仮定すると、ねじ１０がＭ１．６と小型であるため、ねじ１０の頭部分を起点とした歳差運動がねじ１０寸法に対して相対的に大きくなる。即ち、ねじ寸法に対して歳差運動の大きさが無視できないほど大きくなる。この歳差運動はねじ１０の寸法誤差・中心軸誤差などに起因したものであり、ねじ１０の先端が首振りを行うため、ねじ１０の先端が被固定部材３２の貫通孔３４のところまで下降してくると、貫通孔３４の外縁や内壁などにねじ１０の先端がぶつかってねじ１０の頭がビット２１から外れてしまう事態が多発する。

また従来の方法では、ねじ１０の先端が貫通孔３４を通過してワーク３１の下穴３３にまで到達したとしても、歳差運動のためねじ１０が下穴３３に対して斜めにねじ込まれてしまい、ワーク３１と被固定部材３２との固着強度が、ねじ１０と下穴３３との中心軸が一致している場合に比べて低くなってしまう。

このようにビット２１を回転させながら下降させてねじ込みを行うとねじ込み不良が多発するのに比べ、本実施形態のねじ締め方法を用いるとねじ込み不良の発生率は非常に低くなり、ワーク３１と被固定部材３２とを強固に且つ確実に締結することができる。

本実施形態においては、ビット２１の回転を開始させるタイミングが重要である。具体的には、ねじ締めのためのトルクの高い回転にビット２１の回転が達した時点ではねじ１０の先端が下穴３３に入っている状態となるように回転を開始すればよい。たとえば、ねじ１０の先端が下穴３１に入ってからビット２１が回転を開始しても良いし、ビット２１の回転開始時にはねじ１０の先端が下穴３３に入っていなくてもトルクの高い回転に達するまでにねじ１０の先端が下穴３３に入っていればよい。

なお、ワーク３１と被固定部材３２の構成材料は金属やプラスチックなど種々の材料が挙げられ特に限定されない。ビット移動部材２３はビット２１を単独で又はモータ２４と共にワーク３１へ近づけたり遠ざけたりできるものであればどのようなものでもよい。制御部２２はコンピュータなどを用いればよいが、上記の制御が行えるものであればどのようなものでも構わない。また、図１ではワーク３１と被固定部材３２とは平板状であるが、どのような形状であっても構わない。ねじ１０の径も３．０ｍｍ以下であれば従来の方法に比べてねじ込み不良率が減少する。

本実施形態においては、従来の自動ねじ締め装置において、ビット２１の回転を開始するタイミングだけを従来から変えるだけでよいので、従来の装置をそのまま使用することができ、方法の変更によるコストアップは発生しないのに対し、ねじ込み不良率は激減して、トータルでの製造コストが大きく低下する。

（実施形態２）
実施形態２は二次電池の電池パック組立に実施形態１のねじ締め装置およびねじ締め方法を用いたものである。高い容量の二次電池には、充放電時に過電流が流れたり高熱が発生したりしないように充放電保護回路が取り付けられている。電池本体に充放電保護回路を取り付ける方法として、取り付けの確実なねじによる締結が一般的である。本実施形態では、ねじ締め装置およびねじ締め方法は実施形態１と同じであるので、実施形態１とは異なっている電池パックについて説明を行う。

図３は二次電池であるリチウムイオン電池の電池パック１の斜視図であり、図４はその内部構造を示す図である。図４において、５は横断面形状が扁平な長方形、若しくは隅丸長方形ないし長円形の角形の電池である。電池５はリチウムイオン電池から成り、電池ケース（電池本体ケース）６の内部に電池本体である発電要素としての極板群と電解液が収容されている。極板群は、帯状の正極板と負極板の間にセパレータを介装した状態で巻回することで多層に積層されて構成されている。正極板はアルミニウム箔から成る芯材に正極合剤を塗着・乾燥して構成され、負極板は銅箔から成る芯材に負極合剤を塗着・乾燥して構成され、セパレータは微多孔性ポリプロピレンフィルムなどにて構成されている。

電池ケース６の上端面の中央部には、図には示されていないが負極である電極端子が突出して配設されている。また、電池５の正極の電極端子は電池ケース６にて構成されている。

電池５の上には、充放電保護回路を内部に収容した端部ケース（保護回路部材）３が固定される。端部ケース３には、３つの外部接続端子４が内蔵された状態で装着されている。３つの外部接続端子４の内、２つは正極と負極の外部接続端子４、残りの１つは識別抵抗検出用の接続端子である。

電池パック１は、電池５と、端部ケース３とを相互に一体固定し、さらに電池５全体と端部ケース３の一部とを外装ラベル２により覆うことで構成されている。電池ケース６の上端と端部ケース３とはねじ１０により固定されている。

図５に示すように、端部ケース３の両端部に、下端近傍に段部８ａを有して上下方向に貫通する取付孔８が設けられている。そして、この取付孔８に挿入したねじ１０の頭部１０ａを段部８ａに接触させた状態で、ねじ１０の先端部を電池ケース２の上端面の両端部に形成された下穴７にねじ込むことで両者は一体固定される。なお、下穴７は開口部が円形の凹部である。

このねじ固定の詳細を説明すると、電池ケース６はアルミニウム又はアルミニウム合金で形成されており、下穴７の部分の肉厚は例えば０．８〜１．５ｍｍ程度と比較的厚くされている。そして、電池ケース６の上面の両端部に下穴７がプレス成形にて形成されている。この下穴７には雌ねじは切られておらず、ねじ１０がねじ込まれることにより雌ねじが形成される。即ちねじ１０はタッピングねじである。例えば、ねじ１０としてねじ外径が１．２ｍｍのメートルねじ（Ｍ１．２）を用いる場合、ねじ山の高さが０．１３ｍｍ、ねじピッチが０．２５ｍｍであり、下穴７の内径を０．９ｍｍ、深さを１．４ｍｍとすることで、下穴７に対してねじ１０のねじ山が４山程度螺合する。これにより、図５（ｂ）において上下の矢印によって示される、端部ケース３と電池５とを引き離す力に対して大きな耐力を持たせており、ねじ１０の軸心方向に対して必要な固着強度が得られる。また、図５（ｂ）において左右方向の矢印で示されるねじ１０を剪断する方向の力に対しても十分な耐力を持たせている。

なお、上記ねじ１０の具体例は一例であって、通常使用されるねじ１０としては、外径が０.８〜３.０ｍｍ（Ｍ０．８〜Ｍ３）、ねじピッチが０.２〜０.５ｍｍの細目系ねじが好適に用いられ、それに対応して下穴７は、その内径が０.５〜２.７ｍｍ、深さが０.８〜１.６ｍｍ程度に設定される。

このねじ１０を下穴７にねじ込む際には、実施形態１のねじ締め装置を用い、実施形態１のねじ締め方法によってねじ締めが行われる。従って、本実施形態においても実施形態１と同じ効果を奏する。また、ねじ込み不良が生じると、電池ケース６の下穴７が傷ついてしまい、この電池ケース６を再生することはできず、廃棄せざるを得ない。電池パック１の製造工程は、このねじ１０による固定の工程の後には、外装ラベル２を取り付ける工程があるのみであり、この時点で電池ケース６を廃棄することになると、損失が大きく、製造コストが非常に増大するが、本実施形態のねじ締め方法を行えば、製造コストを低く抑えられる。

（その他の実施形態）
上述の実施形態は本発明の例示であり、本発明はこれらの例に限定されない。例えば、締結するワークと被固定部材とは板部材同士や二次電池パックの構成部材に限定されず、電子装置の構成部品同士などでも構わない。また、ねじ締め装置において、ビットをワークに近づけるのではなく、ワークをビットの方に近づけてねじ締めを行ってもよい。

また、ねじの径の下限はねじの製造技術に依存する。

ビットは被固定部材に開けられた貫通孔にねじの先端が入る前までは回転をしていても構わない。

以上説明したように、本発明に係るねじ締め方法は、ねじ込み不良の発生を抑制するので、機械や装置の組立等に有用である。

ねじ締め装置の概略図。 ねじ締めの工程を示す図。 リチウムイオン電池の電池パックの斜視図。 リチウムイオン電池の内部構造を示す分解図。 （ａ）ねじによる固定部分の一部破断斜視図、（ｂ）ねじによる固定部分の断面図。

符号の説明

１ 電池パック
２ 外装ラベル
３ 端部ケース（保護回路部材）
４ 外部接続端子
５ 電池
６ 電池ケース（電池本体ケース）
７ 下穴
８ 取付孔
８ａ 段差部
１０ ねじ
１０ａ ねじ頭部
２１ ビット
２２ 制御部（回転制御部）
２３ ビット移動部材
２４ モータ（ビット回転部材）
２５ センサ
２６ 台
３１ ワーク
３２ 被固定部材
３３ 下穴
３４ 貫通孔

Claims (6)

1. 二次電池パックの組立に用いられるタッピングねじのねじ締め方法であって、
   下穴が開けられたワークを用意する工程と、
   ビットにねじの頭を填める工程と、
   前記ビットあるいは前記ワークを移動させることによって、前記下穴に向かって前記ねじの先端を近づけていく工程Ａと、
   前記ねじの先端が前記下穴に入る際に前記ビットの回転を開始する工程と、
   前記ビットの回転によって前記ねじを前記下穴にねじ込む工程と、
   前記ねじの前記下穴へのねじ込み終了後に前記ビットの回転を止める工程と、
   前記ビットを前記ねじの頭から外す工程と
   を含む、ねじ締め方法。
2. 前記工程Ａでは前記ビットは実質的に無回転である、請求項１に記載のねじ締め方法。
3. 直径が３．０ｍｍ以下のねじを用いることを特徴とする、請求項１または２に記載のねじ締め方法。
4. 直径が１．６ｍｍ以下のねじを用いることを特徴とする、請求項３に記載のねじ締め方法。
5. ねじの頭に先端が填って該ねじを回転させるビットと、
   前記ビットをねじ込み対象のワークに近づけるビット移動部材と、
   前記ビットを回転させるビット回転部材と、
   前記ねじの位置を検出するセンサと、
   前記ビット回転部材を制御する回転制御部と
   を備え、
   前記回転制御部は、前記センサからの信号を基にして、前記ねじの先端が前記ワークに開けられた下穴に入る際に前記ビットの回転を開始させるようにビット回転部材を駆動させる、二次電池パックの組立に用いられるねじ締め装置。
6. 電池本体と充放電保護回路を内蔵する保護回路部材とを備えた二次電池パックの製造方法であって、
   前記電池本体を収納する電池本体ケースに前記保護回路部材が、請求項１から４のいずれか一つに記載のねじ締め方法によって締結されている、二次電池パックの製造方法。

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