JP2019102217A - 電池パック及びそれを備えた電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 電池パックの破損や変形を抑制することが可能な電池パック及び電気機器を提供する。【解決手段】 上部に互いに略平行な一対の電池側レール部３３ａを有する上ケース３１と、前記上ケース３１の下方に連結され底面を有する下ケース３２と、を有するケースと、前記ケースに収容される複数の電池セル４３と、を備え、上下方向において、前記電池側レール部３３ａの上面から前記上ケースと前記下ケースとの合わせ面４６までの距離を、前記下ケース３２の前記底面から前記合わせ面４６までの距離より大きくした。【選択図】図４

Description

本発明は、電池パック及び前記電池パックを備えた電気機器に関する。

電動工具等の電気機器のコードレス化が進んでいる。例えば、モータにより先端工具を駆動する手持ち式の電動工具においては、複数の二次電池セルを収容した電池パックが用いられ、電池パックに蓄電された電気エネルギによってモータを駆動する。電池パックは電動工具本体に着脱可能に構成され、放電によって電圧が低下すると電池パックを電動工具本体から取り外して、外部の充電装置を用いて充電される。このような電池パックを用いた電動工具は例えば特許文献１に記載されている。

特開２０１４−０３７０１８号公報

近年、コードレス式の電気機器は、高出力化や一充電当たりの長時間使用等の要求が高まっており、それに伴い電池パックの大容量化が進み、電池パックが大型化して重量も重くなる傾向にある。また、電気機器本体も高出力化に伴う大型化により、落下時等における衝突エネルギが増々大きくなる傾向にある。また、電池パックの大型化により、インパクトレンチ等の振動が大きな電気機器は高出力化に伴い増々振動が増加する傾向にある。

そこで、本発明は、電池パックの破損や変形を抑制することが可能な電池パック及び電気機器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するため、本発明は、上部に互いに略平行な一対の電池側レール部を有する上ケースと、前記上ケースの下方に連結され底面を有する下ケースと、を有するケースと、前記ケースに収容される複数の電池セルと、を備え、上下方向において、前記電池側レール部の上面から前記上ケースと前記下ケースとの合わせ面までの距離を、前記下ケースの前記底面から前記合わせ面までの距離より大きくしたことを特徴とする。

本発明によれば、電池パックの破損や変形を抑制することができる電池パック及び電気機器を提供することができる。

本発明となる電気機器の断面図である。 図１の電気機器を構成する電気機器本体の電池パック装着部であり、（１）は底面図、（２）は正面図である。 本発明となる電池パックの斜視図である。 本発明となる電池パックの断面図である。 本発明となる電池パックの側面図である。 発明となる電気機器本を矢印Ｘの方向に落下させた場合を示す図である。 電池パックの電池側レール部の上面から合わせ面までの距離Ｈを変化させた場合において、上ケースに荷重をかけた際の上ケースの変形を示した図である。 図７の実験結果（解析結果）を示した図である。 本発明となる電池パックの重心位置を示した図である。 従来の電池パックの側面図である。

以下、本発明の第１の実施の形態にかかる電気機器の一形態となる電動工具の一例であるインパクトドライバ１について、図１及び図２に基づき説明する。インパクトドライバ１は、図示しないビット等の先端工具に回転力や軸方向の打撃力を加えることにより、被加工材（鉄鋼、木材等）に止具（ネジ等）を締結するための電動式の電動工具である。

以下の説明において、図１に示されている「上」を上方向、「下」を下方向、「前」を前方向、「後」を後方向と定義する。また、インパクトドライバ１を後から見た場合の「右」を右方向、「左」を左方向と定義する。本明細書において寸法、数値等に言及した場合には、当該寸法及び数値等と完全に一致する寸法及び数値だけでなく、略一致する寸法及び数値等（例えば、製造誤差の範囲内である場合）を含むものとする。「同一」、「直交」、「平行」、「一致」、「面一」等についても同様に「略同一」、「略直交」、「略平行」、「略一致」、「略面一」等を含むものとする。

インパクトドライバ１（電気機器）は、電動工具本体（電気機器本体）２と電池パック３により構成され、モータ４による回転駆動力を用いて機構部を介して先端工具や作業機器を駆動する。電動工具本体２の機構部は、減速機構５と打撃機構６を含んで構成され、打撃機構６の出力軸先端に形成される先端工具装着部７にビット等の図示しない先端工具が装着される。

電動工具本体２の本体部は、外形を形成する外枠たる樹脂製の本体ハウジング２０を備える。本体ハウジング２０は、モータ４、減速機構５、打撃機構６を収容する胴体部２０ａと、胴体部２０ａと一体に形成され胴体部２０ａから下方に延びて作業者が把持するためのハンドル部２０ｂと、ハンドル部２０ｂと一体に形成されハンドル部２０ｂの下端部から前方に延びるように形成されて電池パック３を装着するための電池パック装着部２０ｃから構成される。

モータ４はブラシレスモータであり、ブラシレスモータ（ロータ）の回転位置を検知するための磁器センサとブラシレスモータの回転を制御するためのスイッチング素子を有するインバータ回路とが実装されたインバータ回路基板部４ａがステータの後部に固定されている。また、モータ４の前方で減速機構５の後方の位置にファン４ｂがモータ４の回転軸に固定されている。

ハンドル部２０ｂの上端付近（胴体部２０ａとの接続部分）には、作業者が把持した状態で操作が可能なトリガスイッチ８が設けられ、ハンドル部２０ｂの内部には、後述する制御部１０に接続されているスイッチ機構９が設けられている。

電池パック装着部２０ｃには、電池パック３が装着された状態で電池パック３の図示せぬ端子部と電気的に接続される電池接続端子部２２を有するターミナルホルダ２１（図２参照）が設けられている。更に、電池パック装着部２０ｃ内には、モータ４を制御するマイコン等の各種回路が実装された制御基板を有する制御部６が固定されている。制御部６はスイッチ機構９やインバータ回路基板部４ａと電気的に接続されている。電池パック装着部２０ｃの詳細は後述する。

胴体部２０ａの前方には、減速機構５、打撃機構６、先端工具装着部７の後方部分を収容するハンマケース１１が設けられている。ハンマケース１１は、アルミニウム製であり略円筒形状をなしている。ハンマケース１１は、減速機構５、打撃機構６及び先端工具装着部７の一部を前方に向かう方向において当該順序で収容している。本発明において、本体ハウジング２０及びハンマケース１１がハウジングに相当し、インパクトドライバ本体（電気機器本体又は電動工具本体）と電池パック３を合わせたものが電気機器に相当する。

図２は電池パック装着部２０ｃの形状を示す図であって、（１）は電池パック装着部２０ｃの底面図、（２）は電池パック装着部２ｃの正面図である。

電池パック３は、電池パック装着部２０ｃに対して前方から後方に向かってスライドすることで電池パック装着部２ｃに装着される。電池パック装着部２０ｃの下側部分には電気機器本体側の電池接続端子部２２を有するターミナルホルダ２１が設けられる。ターミナルホルダ２１は主に合成樹脂の成形品により形成（鋳込み形成）され、合成樹脂製の基体部２３に板状の金属端子、即ち、正極入力端子２３１、負極入力端子２３２、及び電池パック３からの異常信号が入力される異常信号端子２３３が配置される。

正極入力端子２３１、負極入力端子２３２、異常信号端子２３３は薄い板状であって、その面が基体部２３に対して鉛直方向になって電池パック３の装着方向に長手方向が位置するように配置される。

本体ハウジング２０は左右方向で２分割されたハウジング片を、複数の箇所でネジによって固定して構成される。なお、図１の本体ハウジング２０は左側ハウジング片を示している。電池パック装着部２０ｃの前方下面には、ネジボスを兼ねた突起部１１が突出しており、突起部１１が左右のハウジング片の固定箇所の一つとなる。

ターミナルホルダ２１の基体部２３は、本体ハウジング２０の各ハウジング片の凹状の挟持部２００、２００によって挟まれるようにして保持される。

電池パック保持部２０ｃには、電池パック３の一対の電池側レール部（後述）と係合する一対の機器側レール溝部２１０と、電池パック３の一対の電池側レール溝部（後述）と係合する一対の機器側レール部２１１とが形成される。機器側レール溝部２１０及び機器側レール部２１１は前後方向（電池パック３のスライド方向）に延びている。機器側レール部２１１は、機器側レール溝部２１０より下方に位置して内側に突出している。すなわち、機器側レール部２１１は電池パック保持部２０ｃの外郭に対して内側に形成され、その底面２１２は電池接続端子部２２（正極入力端子２３１、負極入力端子２３２、異常信号端子２３３）よりも下方に位置する。機器側レール部２１１には後述する電池パック３の係止部４２が係合する凹部２１１ａが形成される。なお、機器側レール部２１１は、本実施の形態のように、電動工具本体２の外郭に対して内側に突出するように形成してもよいし、電動工具本体２の外郭に対して外側に突出するよう形成してもよい。

次に、電池パック３について図３乃至図５に基づき説明する。図３は電池パック３の斜視図、図４は電池パック３の断面図、図５は電池パック３の側面図である。なお電池パック３の単体で見た際の前後左右、上下の方向は、図３乃至図５に示す方向として説明する。

電池パック３は、上下方向に分割可能な上ケース３１と下ケース３２からなるケースによって外郭が形成される。上ケース３１には、電動工具本体２の電池パック装着部２０ｃに形成された一対のレール溝部２１０（機器側レール溝部）と係合するための２本（一対）の電池側レール部３３ａと、電池側レール部３３ａの下側において電池パック装着部２０ｃに形成された一対の機器側レール部２１１と係合する一対の電池側レール溝部３３ｂが形成される。電池側レール部３３ａ及び電池側レール溝部３３ｂは互いに略平行に形成され、一対の電池側レール部３３ａ間を繋いだ面が上段面３４となる。上ケース３１の前方側には平らな下段面３５が形成され、下段面３５と上段面３４は階段状に形成され、それらの接続部分は鉛直面となる段差部３６が形成される。段差部３６から上段面３４にかけて、前方から後方まで切り欠かれるような複数のスロット３７が形成される。複数のスロット３７は、段差部３６から後方側に延びるように電池パック装着方向（前後方向）に所定の長さを有するように切り欠かれた部分であって、装着方向と平行な上面と鉛直面にそれぞれ切り欠きが形成された部分には、電動工具本体２又は外部の充電装置（図示せず）の機器側端子と嵌合可能な複数の接続端子３８（図４参照）が配置される。

上段面３４の後方側には、隆起するように形成された隆起部３９が形成される。隆起部３９はその外形が上段面３４より上側に隆起する形状である、その中央付近に窪み状のストッパ部４０が形成される。ストッパ部４０は、電池パック３を、電池パック装着部２０ｃに装着した際に、電池パック装着部２０ｃの突起部１１（図２参照）に突き当てられる面となる。電動工具本体２側の突起部１１がストッパ部４０に当接する位置まで相対移動すると、電動工具本体２に配設された複数の端子２３１〜２３３（電池接続端子部２２である機器側端子）と電池パック３に配設された複数の接続端子３８が接触して導通状態となる。同時に、電池パック３のラッチ４１の係止部４２がばねの作用により電池側レール部３３ａの下部に形成された電池側レール溝部３３ｂ内で左右方向に飛び出して、電動工具本体２の機器側レール部２１１に形成された凹部２１１ａと係合することにより、電池パック３の脱落が防止される。隆起部３９（ストッパ４０）の後方には、電池パック３の残容量を表示するための表示部４５が設けられる。

一対の電池側レール部３３ａは下段面３５の上面から上方に延び、且つ直交方向外側に凸状に延びるように形成された部分で、電池パック２５０の前方から後方まで直線状に形成される。電池側レール部３３ａの前方側端部は開放端となり、後方側端部は隆起部３９の前側壁面と接続された閉鎖端となる。電池側レール部３３ａと電動工具本体２の機器側レール溝部２１０とが係合し、電池側レール溝部３３ｂと電動工具本体２の機器側レール部２１１とが係合する。電池パック３を電動工具本体２から取り外すときは、左右両側にあるボタン状のラッチ４１を押すことにより、係止部４２が電池側レール溝部３３ｂの内側に移動して機器側レール部２１１の凹部２１１ａとの係止状態が解除されるので、その状態のまま電池パック３を装着方向と反対側に移動させればよい。

電池パック３のケース内部には、定格電圧３．６Ｖのリチウムイオン電池セル４３が上段に５本、下段に５本の計１０本が上下二段で収容される。本実施の形態では、セル４３は隣接するセルが電極の向きが逆になるように交互に配置され、それらを接続片によって接続することで、１０本のセルのうち５本が直列に接続され、２組の直列セル組が並列に接続されて定格電圧１８Ｖの電池パック３を構成している。なお、低用量の電池パックは上下方向に一段として５本のセルを直列に接続するのみとすればよく、逆に高容量の電池パックは上下方向に二段以上の電池セルを並列接続すればよい。各セルは不図示のセパレータによりケース内で保持されている。上段のセルの上には回路基板４４が下ケース３２の底面と略平行に設けられ、回路基板４４に複数の接続端子３８が固定される。なお、回路基板４４はセパレータの上面に固定される。

次に電池パック３のケース（上ケース３１及び下ケース３２）の構造について説明する。上ケース３１は外郭を形成する上側壁部を有する。上側壁部は、上ケース３１の上段部３４、下段部３５、隆起部３９等が設けられ電池パック３の上面となる上部３１ａと、上ケース３１の前部において上ケース上部３１ａから下方に延びる前壁３１１と、上ケース３１の左右両側において上ケース上部３１ａから下方に延びる一対の側壁３１２と、上ケース３１の後部において上ケース上部３１ａから下方に延びる後壁３１３と、から構成される。

同様に、下ケース３２は上ケース３１と共に外郭を形成する下側壁部を有する。下側壁部は、電池パック３の底面となる底壁３２１と、下ケース３２の前部において底壁３２１から上方に延びる前壁３２２と、下ケース３２の左右両側において底壁３２１から上方に延びる一対の側壁３２３と、下ケース３２の後部において底壁３２１から上方に延びる後壁３２４と、から構成される。

下ケース３２の内部に電池セル４３、セパレータ、回路基板４４、接続端子３８等からなるセルユニットを載置した状態で、上ケース３１を上方からかぶせて、不図示のネジによって両ケースを接続することで電池パック３が構成される。

ここで、本発明となる電池パック３は、上ケース３１と下ケース３２を組み立てて電池パック３を構成した場合、上ケース３１の上側壁部と下ケース３２の下側壁部の合わせ面４６の位置が、図１０に示す従来の電池パック３００の上ケース３０１と下ケース３０２の合わせ面３０３の位置より下方の位置になるようにしている。すなわち、上下方向において上ケース３１の壁部を下ケース３２の壁部よりも長く構成し、上ケース３１の電池側レール部３３ａの上面から合わせ面４６までの距離Ｈ１を、下ケース３２の底壁３２１の下面から合わせ面４６までの距離Ｌ１に対して大きくしたことを特徴としている。合わせ面４６が上下方向において上下二段の電池セル４３のうち下段側の電池セル４３の位置になるようにしている。なお、図１０に示す従来の電池パック３００は、電池側レール部の上面から合わせ面３０３までの距離Ｈ２は、下ケース３０２の底壁の下面から合わせ面３０３までの距離Ｌ２より小さく構成されている。

図６は、本発明となる電池パック３を電気機器本体（電動工具本体）であるハンマドリル４００に装着した状態で矢印Ｘの方向に落下した場合を示す図である。なお、図６はハンマドリル４００の電池パック３付近の拡大図である。

図６のように、電動工具（ハンマドリル４００、電池パック３）が落下し、電動工具本体２のみが作業台９等に当たった場合、電池パック３は、電池セル４３等の重量によって下ケース３２が下方に押され、上ケース３１とのネジによる連結部分を介して上ケース３１が下方に引っ張られる。上ケース３１は電池側レール部３３ａ及び電池側レール溝部３３ｂによって機器側レール溝部２１０及び機器側レール部２１１と係合しているため、図６の矢印Ｙの方向に変形することとなる。

上ケース３１の電池側レール部３３ａの上面から合わせ面４６までの距離Ｈ１は、図６に示すような電池側レール部３３ａに大きな負担（荷重）が発生するような状況において、矢印Ｙ方向の曲げ変形に対して影響を持つ数値であり、距離Ｈ１が大きければ矢印Ｙ方向の曲げ変形を抑制する効果がある。

また、電池パック３の左右外側に向かって突出するように電池側レール部３３ａを設けた場合、左右の電池側レール部３３ａの間には上ケース３１の上段面３４が左右の電池側レール部３３ａを連結させており、これにより電池側レール部３３ａが左右方向に変形することを抑制しているが、一方で、過大な負荷が発生した際には左右方向に大きな変形ができないため、図６の矢印Ｙ方向の変形により電池パック３の電池側レール部３３ａ付近の応力が過大となり電池側レール部３３ａ付近から破損してしまう虞が増大する。

そこで、上ケース３１の電池側レール部３３ａの上面から合わせ面４６までの距離Ｈ１を大きくすることで上ケース３１全体の変形を抑制し、その結果、電池側レール部３３ａの応力を抑制することができる。

図７は、上ケースの電池側レール部の上面から合わせ面までの距離Ｈを変化させた場合において、上ケース３１に荷重をかけた際の上ケースの変形を示している。図７（１）は図１０に示す従来の電池パック３００の上ケース３０１であり、図７（４）は本発明となる電池パック３の上ケース３１である。図７（２）及び（３）は検討段階の電池パックの上ケースであり、距離Ｈを従来の電池パック３００の距離Ｈ２と本発明の電池パック３の距離Ｈ１との間の距離としたものである。

図７（１）に示すように、上ケースと下ケースを連結する不図示のネジ（ネジボス）が位置する部分を支持部５０として固定（拘束）し、電池側レール部５３を矢印５１の方向（上方）に引っ張る（荷重をかける）実験を行った。その際、支持部５０を結んだ仮想直線５２に対する上ケースの下面（下ケースとの合わせ面）の最も変位した部分５５の変位量Ｄと、電池側レール溝部５４と上ケースの上面との接続部分５７にかかる応力Ａと、電池側レール部５３の下面と上ケースの隆起部５６との接続部分５８にかかる応力Ｂと、を測定した。なお、通常時（負荷をかけない状態）では上ケースの変形量Ｒはゼロである。

図７（２）乃至（４）は、上ケースの上面から下方に延びる側壁の長さを、図７（１）の側壁の長さを基準（ゼロ）として下方に増加させ、電池側レール部の上面から合わせ面までの距離Ｈを変化させて、図７（１）と同様の実験を行った際の上ケースを示している。なお、側壁の増加分について、図７（４）は図７（３）の２倍、図７（３）は図７（２）の２倍としている、具体的には、図７（１）に対する図７（２）乃至（４）の増加分はそれぞれ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍである。なお、図７における電池側レール部の上面から合わせ面までの距離Ｈと、下ケースの底面から合わせ面までの距離Ｌとの関係は、（１）及び（２）では距離Ｈ＜距離Ｌ、（３）では距離Ｈ≧距離Ｌ、（４）では距離Ｈ＞距離Ｌに設定されている。

図８は図７の実験結果（解析結果）を示した図である。各図の横軸は図７（１）を基準（増加分０ｍｍ）とした際の側壁の増加分（ｍｍ）を示す。縦軸は、図８（１）では変位量Ｄ（ｍｍ）、図８（２）では接続部分５７にかかる応力（ＭＰａ）、図８（３）では接続部分５８にかかる応力（ＭＰａ）を示す。

図８に示すように、側壁の下方への長さ（増加分）、すなわち、電池側レール部の上面から合わせ面までの距離Ｈは、上ケース全体の変形や、電池側レール部付近の応力に大きな影響を持ち、距離Ｈ（増加分）を大きくすることで大幅な応力低減効果があることがわかる。特に、図７（４）に示す本発明の電池パック３のように、ケース内に上下二段の電池セル４３を収容する場合、上ケース３１と下ケース３２の合わせ面４６の位置を、下段側に位置する電池セル４３の位置まで延ばすことで、変位量及び各部の応力を大幅に低減することができる。

以上、本実施の形態によれば、上ケースの寸法（距離Ｈ）を下ケースの寸法（Ｌ）よりも大きくしたことにより、電池パック３に大きな負荷が発生した場合においてもケース（特に上ケース）の変形や破損を抑制し、良好な状態を維持することが可能となる。特に、合わせ面を下段側の電池セルの位置にすることにより上ケースの変形や破損を大幅に抑制することができる。また、合わせ面を変更するだけでよいため、電池パックや電気機器が大型化することはない。また、電池パックの材料や部品も従来に対して追加することもなく、電気機器本体側を変更する必要もないので、高価になることも回避できる。また、電池パックの変形が抑制できるため、電池パックと電気機器本体との相対移動を抑制し、電気機器本体の端子と電池パックの端子との嵌合状態を良好に維持することができる。

また、本実施の形態では、電池セルと合わせ面との位置関係について説明したが、上ケースと下ケースとの合わせ面の位置をセルユニットの上下方向における重心位置よりも下側に配置することでも同様の効果を得ることができる。すなわち、図９に示すように、上ケースと下ケースの合わせ面を、電池パック３の重心６０を通り下ケースの底面と平行な仮想直線６１よりも下方に位置させてもよく図７（３）及び（４）が該当する。

また、本実施の形態では、電池セル４３が互いに略平行に上下二段の場合を説明したが、電池セル４３を上下三段以上にケース内に収容した場合でも上ケースの側壁を上から二段目の電池セルの位置またはそれより下方に延ばすことで同様の効果を得ることができる。また、本実施の形態では、電気機器本体としてインパクトドライバやハンマドリルの電動工具を用いて説明したが、電動工具だけに限られずに電池パックからの電力を利用して稼働するその他の電動工具や、照明器具、音響機器、電動機器などの電気機器に幅広く利用することができる。また、電池パックの電池側レール部が電池側レール溝部に対して左右外側に突出する構造ではなく左右内側に突出する構造でもよい。

１は電気機器、２は電気機器本体、３は電池パック、４はモータ、５は減速機構、６は打撃機構、７は先端工具装着部、８はトリガスイッチ、９はスイッチ機構、１０は制御部、１１はハンマケース、２０は本体ハウジング、２１はターミナルホルダ、２２は電池接続端子部、２３は基体部、３１は上ケース、３１ａは上部、３１１は前壁、３１２は側壁、３１３は後壁、３２は下ケース、３２１は底壁、３２２は前壁、３２３は側壁、３２４は後壁、３３ａは電池側レール部、３３ｂは電池側レール溝部、３４は上段部、３５は下段部、３８は接続端子、３９は隆起部、４３は電池セル、４４は回路基板、４６は合わせ面である。

Claims (4)

1. 上部に互いに略平行な一対の電池側レール部を有する上ケースと、前記上ケースの下方に連結され底面を有する下ケースと、を有するケースと、
   前記ケースに収容される複数の電池セルと、を備え、
   上下方向において、前記電池側レール部の上面から前記上ケースと前記下ケースとの合わせ面までの距離を、前記下ケースの前記底面から前記合わせ面までの距離より大きくしたことを特徴とする電池パック。
2. 前記複数の電池セルは少なくとも、前記上ケース側に位置する上段側電池セルと、前記上段側電池セルより下方に位置する下段側電池セルと、を有し、
   上下方向において、前記合わせ面は、前記下段側電池セルの位置に位置することを特徴とする請求項１に記載の電池パック。
3. 前記複数の電池セルは、上下方向に重ねて配置され、少なくとも前記上ケース側に位置する上段側電池セルと、前記上段側電池セルより下方に位置する下段側電池セルと、を有し、
   上下方向における前記電池パックの重心が前記上段側電池パックの位置に位置し、
   上下方向において、前記合わせ面は前記重心よりも下方に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の電池パック。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の電池パックが着脱可能に装着される電池パック装着部を有し、
   前記電池パック装着部は、前記電池側レール部と係合する機器側レール溝部を有することを特徴とする電気機器。