JP2012209174A - 電池パック及び分離ケースの接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】分割型の樹脂製ケースを超音波溶着にて接合・一体化した筐体を備える電池パックにおいて、ケース肉厚が薄く、溶融しにくい樹脂材料の場合でも、所要の接合強度で接合・一体化が安定的に行い得る構成を有する電池パックを提供する。
【解決手段】樹脂製の分離ケースを有する筐体内に電池を内装し、分割ケースの対向する接合面を、接合面に設けた溶着リブの超音波溶着で接合した電池パックであって、第１の分割ケースの第１の溶着リブは先端部に斜面を有し、第２の分割ケースの第２の溶着リブは第１の溶着リブの斜面と略平行な斜面を有し、第１の溶着リブと第２の溶着リブの斜面同士を合わせて、超音波溶着することにより、超音波振動のエネルギーをより溶着リブに伝達し、溶着リブを摩擦熱でより溶融しやすくなり、難燃性の高い材料でも超音波溶着することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、分割型の樹脂製ケースから構成される筐体内に電池および配線回路を内装してなり、分割ケースを超音波溶着で接合・一体化した電池パックに関し、詳しくは薄肉の分割ケースを用い、超音波溶着時における接合精度に優れた接合構造を有する電池パックに関する。

移動体通信機器、ノート型ＰＣを始めとする各種携帯機器の駆動用電源として、複数個の電池で構成した電池パックが広く実用に供されている。一般的な電池パックは、電気絶縁性を有する筐体中に、複数個の電池に加え、電池の充放電状態を制御する制御回路、温度ヒューズ及びＰＴＣ素子等の安全素子、本体機器に接続するための接触端子を内蔵した構造となっている。

一方、電池パックの筐体は半殻状にある合成樹脂製の分割ケースを組み合わせて形成されており、一方の分割ケースに前述の各部品を収容した後、両方の分割ケースを超音波溶着等で一体化している。

合成樹脂製の分割ケースは、一方の分割ケースの接合面、すなわち半殻状の各分割ケースにおける開口部の周縁部に形設した溶着リブを対向する他方の分割ケースの接合面に組み合わせた後、分割ケースの接合面にて超音波溶着することで、接合・一体化される。より詳細に説明すると、半殻状の分割ケースに電池等の構成部品を収容し、分割ケースの接合面を位置合わせし、筐体の所定形状に組み立てた後、超音波溶着が施される。

超音波溶着は、何れか一方の分割ケースにホーンを当接させ、このホーンを介して溶着リブに２０ｋＨｚ程度の超音波振動を集中して印加する。超音波のエネルギーによって溶着リブには縦方向の振動が付加されており、他方の分割ケースとの対接面において溶着リブが発熱し、溶融する。超音波振動の印加を停止し、溶融した樹脂を固化させることで他方の分割ケースとの接合作用を呈し、両ケースは接合・一体化される。

例えば、図３（ａ）は従来の電池パックの構造を示す断面図で、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ部拡大図である。上ケース１の超音波溶着リブ４と、下ケース２の超音波溶着リブ受け面６とで超音波溶着を行い、下ケース２の電池パックの内面側には脱落防止リブ９が設けられており、超音波溶着時に超音波溶着リブ４がパック内面側に落ち込むのを防止している。また超音波溶着リブ受け面６は、凹部に形成され、その下端面は平面状になっている。

近年、携帯型電子機器の電源として使用される電池パックには、機器の軽薄短小化に伴って、小型軽量化が要求されている。電池パックの小型軽量化には、収容される構成部品の小型軽量化に加えて、筐体の小量化も必然的に要求され、筐体を構成する各分割ケースの肉厚を薄く設定することで対応している。また、機器全体として小型化、コストダウンをはかるために、電池パック自体が機器の外部に設置され、外観の一部を担う構成を採用する場合が多く、電池パックの外観も重要な特性になってきている。

特開２００９−１８１８３０号公報

ところで、電池パックの分割ケースには難燃性が求められ、例えば、ＵＬ９４規格のＶ−１などを満たすために所定値以上の肉厚が必要となる。そこで、上記のように電池パックの小型軽量化のために分割ケースの肉厚を薄くしても、同じレベルで難燃性を維持しなければならない。そのため、分割ケースの肉厚を薄くしても難燃性を維持するために、分割ケースの材料をより難燃性が高い材質に変更する必要がある。

例えば、ＵＬ９４規格のＶ−１を満たす肉厚が、０．６ｍｍ以上のポリマーアロイ（ＰＣ／ＡＢＳ）から０．４ｍｍ以上のポリカーボネートに変更することで０．２ｍｍ（約３３％）の薄肉化が実現できる。

しかしながら、従来の形状の分割ケースをより難燃性の高い材料で作製して、分割ケース同士の超音波溶着を行った場合、溶着リブが超音波溶着では接合しないことがわかった。これはポリマーアロイ（ＰＣ／ＡＢＳ）と比較してポリカーボネートの難燃材の添加比率が高いことに起因していると考えられた。また、より難燃性の高い材質（すなわち、溶融温度も高い材質）を超音波溶着で接合・一体化させるために超音波溶着のエネルギーをアップさせようとすると、超音波溶着のホーンが壊れやすくなったり、新たな超音波溶着の設備が必要となったりする。更に、分割ケースに故障箇所が生じたり、超音波溶着の振動で分割ケースがより移動しやすくなるため分割ケースの溶着後の電池パックに形状不良を起こしたり、電池パックに不具合が発生する可能性を有することとなる。

また、分割ケースの肉厚を薄く設定するには、両者の接合面積が減少することも必然となり、その接合の強度低下を招来するだけでなく、接合時における接合位置の精度の低下、パックの表面性状への悪影響などを引き起こし、その商品性を大きく低下させてしまう。

電池パックにおける筐体の接合強度の低下は、電池パック単独及びこれを機器に装着した状態での搬送・取扱い過程において落下などが発生した場合、接合部の剥離、及び接合破壊部を起点とした筐体の割れ発生の原因となる。このような不具合は、分割ケースの接合面にズレが生じて剥離の発生や割れを生じるものであり、接合強度が低い薄肉のケースを用いた電池パックでは不具合の発生頻度が高くなる傾向にある。

さらに薄肉の分割ケースを用いた構成は、分割ケースを所定位置ではめ合わせるための嵌合部分の面積も減少させてしまい、組立作業性が悪くなってしまう。さらに、所定位置にはめ合わされた分割ケースに超音波溶着を施す段階において、嵌合部分の面積が少ないために超音波溶着時に接合位置のずれが生じ易く、接合精度の悪化だけでなく、生産性の低下も招いてしまう。

また、分割ケースは溶着リブがはめ込まれる凹状のリブ受け面を設けている。薄肉の分割ケースを用いた構成の場合、リブ受け面の面積が減少するため、溶着リブがリブ受け面をはずれ、ケース内側に倒れこむために十分な溶着強度が得られないとともに、ケース分割部の段差が大きくなり、その外観に悪影響を与えてしまう。

本発明は、上記事情に鑑み、これらの不都合を解消しつつ電池パックの小型軽量化を実現することを可能にするものであり、電池パックの肉厚が薄い場合でも、所要の難燃性と接合強度で接合・一体化が安定的に行い得る構成を有する電池パックを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電池パックは、樹脂製の分離ケースを有する筐体内に電池を内装し、分割ケースの対向する接合面を、接合面に設けた溶着リブの超音波溶着で接合した電池パックであって、第１の分割ケースの第１の溶着リブは先端部に斜面を有し、第２の分割ケースの第２の溶着リブは第１の溶着リブの斜面と略平行な斜面を有し、第１の溶着リブと第２の溶着リブの斜面同士を合わせて、超音波溶着したことを特徴とする。

本構成によって、超音波振動のエネルギーをより高効率に溶着リブに伝達し、溶着リブをより溶融しやすくする。

以上のように本発明の構成によれば、電池パックを構成する分割ケースを薄肉化した場合でも、所要の難燃性と接合強度で接合・一体化が安定的に行うことができるものであり、電池パックの小型軽量化を実現することを可能にすることから、その工業的価値は大なるものである。

（ａ）は実施の形態１に係る電池パックの構造を示す断面図で、（ｂ）は図１（ａ）のＢ部である超音波溶着部の拡大図 実施の形態１に係る電池パックの超音波溶着前における構成を示す斜視図 （ａ）は従来の電池パックの構造を示す断面図で、（ｂ）は図３（ａ）のＢ部である超音波溶着部の拡大図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。但し、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具現化するための電池パックを例示するものであって、本発明は電池パック及びこれを構成する分割ケースを以下の構造に特定しない。
（実施の形態１）
図１（ａ）は実施の形態１に係る電池パックの超音波溶着部分の構成を表す断面概略図で、図１（ｂ）は図１（ａ）のＢ部である超音波溶着部の拡大図である。

本発明の電池パック１０は、分離ケースである上ケース１と下ケース２と、分離ケース内に収納される電池ブロック３とで構成されている。図１（ａ）は、超音波溶着される前の上ケース１と下ケース２が嵌合した状態の図面である。上ケース１と下ケース２は、難燃性のポリカーボネート樹脂で、ＵＬ９４規格のＶ−１を満たす肉厚が０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ以上である。

上ケース１と下ケース２の内部に、リチウムイオン電池を始めとした二次電池と電池パック１０として必要な回路構成部品の接続板や安全素子、安全回路基板、制御回路基板等を組立てた電池ブロック３を収納している。

図１（ｂ）に示すように超音波溶着部において、上ケース１は、超音波溶着リブ４と、超音波溶着リブ４の先端に施されたエネルギーダイレクタ５を備えている。エネルギーダイレクタ５は、６０°の角度としている。言い換えると、超音波溶着リブ４の中心線に対して左右に３０°ずつになっている。

下ケース２は、超音波溶着リブ受け面６と、受け面側溶着リブ７を備え、上ケース１と下ケース２の超音波溶着の際に必要な隙間８ａが設けられている。受け面側溶着リブ７の角度は、超音波溶着リブ４の中心線に対して２０〜６０°で、エネルギーダイレクタ５と略平行になる角度に設定している。隙間８ａは、本実施の形態では０．０５ｍｍに設定している。

また、超音波溶着部のその他の寸法は、超音波溶着リブ４の厚み寸法ａを０．５ｍｍに設定している。そして、上ケース１の側壁の厚み寸法ｂは０．９５ｍｍである。受け面側溶着リブ７の幅寸法ｃは０．２５ｍｍに設定している。また、下ケース２の側壁の厚み寸法ｄは本実施形態では１．０ｍｍに設定している。

本発明の図１と従来の図３を比較すると、本発明の実施の形態ではエネルギーダイレクタ５の真下に、斜面を有した受け面側溶着リブ７を配置することにより、従来では必要であった脱落防止リブ９（厚み０．２ｍｍ）を、超音波溶着リブ４に対応する受け面側溶着リブ７で代用することで不要とし、更に、上ケース１と下ケース２の内側の隙間８ｂが不要となる。そして、本実施形態における受け面側溶着リブ７の幅寸法ｃは、超音波溶着リブ４の半分とほぼ同等の０．２５ｍｍに設定している。

この結果、脱落防止リブ９の厚み０．２ｍｍと隙間８ｂの０．３ｍｍが削減され、合計すると下ケースの側壁の厚み寸法ｄについては０．５ｍｍの薄肉化が可能となる。これを電池パック１０の外形寸法で見ると、左右方向及び前後方向で０．５×２＝１．０ｍｍの削減が可能となり、小型化の効果を得ることが出来る。また、同じ外形寸法の構造物においては薄肉化可能な分だけ側壁全体にも肉付けが可能となり、全体的な強度向上・外観向上に貢献出来る。

また、図２は、実施の形態１に係る電池パックにおける超音波溶着を行う前の状態を示す斜視図である。上ケース１の電池パック１０の内側の端面が超音波溶着リブ４となっており、下ケース２の電池パック１０の内側の端面が受け面側溶着リブ７なっており、超音波溶着リブ４と受け面側溶着リブ７が超音波溶着される。超音波溶着リブ４の先端部には斜面を有するエネルギーダイレクタ５が形成されている。また、このエネルギーダイレクタ５が繋がった奥行き方向に切り欠き部５ｂが設けられている。また、受け面側溶着リブ７が繋がった奥行き方向に、切り欠き部７ｂが設けられている。この切り欠き部５ｂと切り欠き部７ｂは上ケース１と下ケース２を組合せた時に対応する位置に配置されている。

これら切り欠き部５ｂ及び切り欠き部７ｂは、超音波溶着を行ったとき、接触していないので、この部位にある材料で超音波溶着は施されない。しかし、隣接するエネルギーダイレクタ５と受け面側溶着リブ７とが超音波溶着されるので、そこで溶融した材料がこれら切り欠き部５ｂ及び切り欠き部７ｂに流れ込み、余剰の溶融した材料の溜まり場になったり、余剰の溶融した材料で溶着されたりする。

また、下ケース２には、上ケース１のエネルギーダイレクタ５が溶着される斜面を有する受け面側溶着リブ７と、立ち壁２ａと、超音波溶着リブ受け面６とが設けられている。受け面側溶着リブ７は、下ケース２の電池パック１０の内面側に設けられており、電池パック１０の外面側には立ち壁２ａが設けられている。超音波溶着リブ受け面６は、受け面側溶着リブ７と立ち壁２ａとに囲まれた凹んだ部分の底に相当し、平らな領域である。

上ケース１は、超音波溶着リブ４のみが凸んだ部分で、その他は平坦である。つまり、下ケース２の立ち壁２ａに対応して、上ケース１の超音波溶着リブ４の外面側は平坦に切りかかれている。

上ケース１と下ケース２とは、超音波溶着リブ４と、立ち壁２ａ及び受け面側溶着リブ７にて嵌合されており、超音波溶着時に所定位置に保持し、超音波溶着時における位置ずれの発生を防止するものである。

上ケース１のエネルギーダイレクタ５は、その先端に斜面を有しており、超音波溶着時に先端部が受け面側溶着リブ７の斜面と摩擦により溶融することで接合される。そして、上ケース１におけるエネルギーダイレクタ５と切り欠き部５ｂとの配置は、電池パック１０において必要となる上ケース１と下ケース２との接合強度、超音波溶着時に必要となる嵌合強度を考慮して、設定される。本実施の形態では、超音波溶着リブ４が比較的厚みを有し、上ケース１と下ケース２との接合強度が高いことから、超音波溶着時等の作業性を考慮して、上ケース１の切り欠き部５ｂおよび下ケース２の切り欠き部７ｂからなる嵌合部位の比率を低くしている。

最後に、上ケース１と下ケース２を超音波溶着するときの具体的な操作について説明する。

図１（ａ）のように、下ケース２の中に電池ブロック３を収納し、下ケース２の上に電池ブロック３を覆い隠すように上ケース１を配置する。このとき、図１（ｂ）のように、上ケース１に配置された超音波溶着リブ４の先端のエネルギーダイレクタ５の電池パック１０の内側の斜面が下ケース２の受け面側溶着リブ７の斜面に対面するように、上ケース１と下ケース２が組合される。

そして、上ケース１、または、下ケース２の何れか一方の分割ケースにホーンを当接させ、２０ｋＨｚ程度の超音波振動を集中して印加する。超音波振動のエネルギーによって超音波溶着リブ４には鉛直方向（図１の上下方向）の振動が付加されており、エネルギーダイレクタ５の先端が超音波溶着リブ受け面６や受け面側溶着リブ７の斜面と擦れ合って摩擦熱を発生させる。更に、エネルギーダイレクタ５の電池パック１０の内側の斜面が受け面側溶着リブ７の斜面に対面しているので、これらの面同士も擦れ合って摩擦熱を発生させる。

エネルギーダイレクタ５の先端及び電池パック１０の内側の斜面と、超音波溶着リブ受け面６及び受け面側溶着リブ７とで発生した摩擦熱により、より難燃性の高いポリカーボネート樹脂であっても溶融させる。

そして、超音波振動の印加を停止し、溶融した樹脂を固化させることで上ケース１と下ケース２との接合作用を呈し、両分離ケースは接合・一体化される。

本発明者は、上記従来の問題点に対処して種々の検討を重ねた結果、超音波溶着が施される溶着リブの先端形状に斜面を設け、このリブが合わさるリブ受け面にも斜面を有したリブを設けた場合、従来溶融しにくい樹脂材料であっても超音波溶着後に十分な接合強度が得られることを見出した。すなわち、一方の分割ケースに設けた溶着リブの斜面と他方の分割ケースに設けたリブの斜面同士を合わせることで、超音波溶着により接合・一体化するに際し、従来垂直方向にて点と面で接していた場合と比較して縦方向の超音波振動が効率よく摩擦熱に変わる。これにより、溶融しにくい樹脂材料であっても上下の分割ケースのリブ同士が溶融しあうことで一体化し、十分な接合強度を得ることができる。また、
従来のケースでは超音波溶着が施される溶着リブに並行して、両者を嵌合・位置決めするための受け面側溶着リブを配置していたが、溶着リブと対向する箇所にリブをケース内側に配置することで十分な溶着強度を得るとともに、超音波溶着時に溶着リブが受け面から外れて内側に倒れこむのを防止している。これにより、従来の平行配置と比較して、電池パックの薄肉化が可能となる。

このように本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、薄肉の分割ケースを用いても所要の接合強度が得られ、高信頼性の電池パックを量産的、かつ歩留まりよく製造できるという特有の効果を奏するものである。

なお、本実施形態でエネルギーダイレクタ５の角度を超音波溶着リブ４の中心線に対して左右３０°としているが、超音波溶着リブ４の中心線に対して左右２０〜６０°に設定すればよい。２０〜６０°の範囲であれば、エネルギーダイレクタ５と受け面側溶着リブ７との摩擦が超音波溶着の縦振動でも生じやすい。

本発明にかかる電池パックは、難燃性が高い材料でも超音波溶着で材料を溶融し、超音波溶着を可能にするので、分割ケースを超音波溶着で接合・一体化した電池パック等として有用である。

１ 上ケース
２ 下ケース
２ａ 立ち壁
３ 電池ブロック
４ 超音波溶着リブ
５ エネルギーダイレクタ
５ｂ 切り欠き部
６ 超音波溶着リブ受け面
７ 受け面側溶着リブ
７ｂ 切り欠き部
１０ 電池パック

Claims (5)

1. 樹脂製の分割ケースを有する筐体内に電池を内装し、前記分割ケースの対向する接合面を、前記接合面に設けた溶着リブの超音波溶着で接合した電池パックであって、
   第１の分割ケースの第１の溶着リブは先端部に斜面を有し、第２の分割ケースの第２の溶着リブは前記第１の溶着リブの斜面と略平行な斜面を有し、前記第１の溶着リブと前記第２の溶着リブの斜面同士を合わせて、超音波溶着したことを特徴とする電池パック。
2. 前記第１の溶着リブの斜面は、前記第１の溶着リブの中心線に対して２０〜６０°の角度を有することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記第２の溶着リブは、第１の溶着リブに対面する前記第２の分割ケースのリブ受け面よりも前記筐体の内側に配置することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
4. 前記第１及び第２の分割ケースは、ＵＬ９４規格のＶ−１を満たす最小肉厚が０．３〜０．５ｍｍである樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
5. 樹脂製の２つの分離ケースの対向する接合面を、前記接合面に設けた溶着リブの超音波溶着で接合する分離ケースの接合方法であって、
   第１の分割ケースの第１の溶着リブは先端部に、第１の溶着リブの中心線に対して２０〜６０°の斜面を有し、第２の分割ケースの第２の溶着リブは前記第１の溶着リブの斜面と略平行な斜面を有し、前記第１の溶着リブと前記第２の溶着リブの斜面同士を合わせて、鉛直方向に超音波振動を与えて溶着させることを特徴とする分離ケースの接合方法。