JP5077939B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、素電池の上端に配された外装カバーの内部に、充放電電流を制御する保護回路が実装された回路基板が配置されている電池パックに関する。

この種の電池パックにおいては、素電池の封口面側に回路基板や保護素子、あるいは正極リードや負極リードなどの電気的な部品を集約配置する形態が主流になりつつある。この種の電池パックにおける素電池と回路基板との電気的な接続構造としては、スポット溶接に変わるいくつかの形態が提案されている。例えば、特許文献１に係る電池パックでは、素電池の正・負極端子と、回路基板の正・負極端子との間を、金めっき処理された圧縮コイル形のコネクタ、或いは板バネ形のコネクタで電気的に接続している。圧縮コイル形のコネクタを備える接続構造は、特許文献２にも見受けられる。

特開２００６−１１４４６８号公報 特開２００３−１９７２７０号公報

圧縮コイル形のコネクタを有する接続構造では、対向する位置に配された素電池と回路基板の端子間のそれぞれに圧縮状態でコネクタを配し、コイルの弾性復元力により、コネクタの上下端を端子に圧接させている。このため、コイルの上下端と端子との接点が実質的に一点と少なく、機械的振動を受けたときにチャタリングが発生して、端子間の電気的接続が不安定となりやすい。

板バネ状のコネクタは、正・負極端子との接点数を多くすることが容易で、圧縮コイル形のコネクタに比べてチャタリングが発生するおそれは少ない。但し、板バネ状のコネクタは弾性変形範囲が狭く、板バネ自身の部品精度や端子間の対向間隔精度、或いは組立精度などの影響を受けやすく、端子間の安定的な電気的接続を確保することが難しい。

本発明は、コネクタ自身の部品精度や端子間の対向間隔精度などの影響を受けることなく、素電池と回路基板との間を確実に電気的に接続することができる電池パックを提供することを目的とする。

本発明は、素電池１の上端に配された外装カバー２の内部に、充放電電流を制御する保護回路が実装された回路基板３が配置されている電池パックを対象とする。素電池１の上面に形成された正・負極端子８・９と、回路基板３の素電池１との対向面に形成された正・負極端子１８・１９との間が、コネクタ２３により電気的に接続されている。コネクタ２３が、弾性素材を多面体状に成形してなる弾性体２４であり、少なくとも弾性体２４の上下面の間が電気的に接続されている。そして、弾性体２４の弾性復元力により、コネクタ２３の上下面が、素電池１および回路基板３の対向する正・負極端子８・９・１８・１９の間に圧接されていることを特徴とする。

コネクタ２３が、弾性体２４の外表面に捲回された複数本の導電性の条材２５を含んでいることが好ましい。条材２５の本数としては、数本〜数十本が考えられる。

具体的には、外装カバー２と素電池１との間にホルダー４が配されており、ホルダー４の上面に回路基板３が配されており、ホルダー４に、コネクタ２３を遊動不能に保持する装着部２８と、回路基板３を嵌め込み装着するための装着凹部２７とが設けられている。

樹脂製のホルダー４に対して、樹脂製の外装カバー２を超音波溶着で接合固定することができる。具体的には、外装カバー２のホルダー４との対向面には、突状の接合部１４が設けられており、接合部１４とホルダー４の外表面とを超音波溶着で一体化することで、ホルダー４に対して外装カバー２が接合固定されている。

詳しくは、素電池１の上端部に、外装カバー２およびホルダー４を固定するための支持部材３３が設けられている。支持部材３３は、垂直方向に伸びる脚片３４と、脚片３４の遊端に連続して水平方向に折り曲げ形成された水平片３５とを備えるＬ字状のプレス金具である。水平片３５には、接合部１４の挿入を許す貫通孔３６が形成されている。素電池１の上面と水平片３５との間に、ホルダー４と回路基板３とが配されている。そして、貫通孔３６に挿入された接合部１４の先端部とホルダー４の外表面とを超音波溶着で一体化することで、支持部材３３に対して、外装カバー２とホルダー４とが固定されている。

本発明に係る電池パックにおいては、素電池１と回路基板３の正・負極端子８・９・１８・１９の間を電気的に接続するコネクタ２３を、弾性素材を多面体状に成形してなる弾性体２４を基体とするものとしたので、該コネクタ２３を素電池１に組み付けたとき、該弾性体２４の弾性復元力により、素電池１と回路基板３の両端子間にコネクタ２３を圧接させて、これら端子８・９・１８・１９にコネクタ２３の対向面（上下面）を強力に接触させることができる。これにより、素電池１および回路基板３の正・負極端子８・９・１８・１９とコネクタ２３の対向面との接触性を高めて、両者１・３間の電気的接続性の向上を図ることができるので、チャタリングの発生を抑えて、信頼性に優れた電池パックを得ることができる。コネクタ２３と正・負極端子８・９・１８・１９との溶接作業が不要であり、溶接不良に起因する接続不良が生じるおそれがない点でも優れている。

弾性体自身が弾性変形する形態であるから、板バネ状のコネクタに比べて、コネクタ自身の小サイズ化を図りながら、弾性変形範囲を大きく採ることが容易である。したがって、コネクタ自身の部品精度や端子間の対向間隔精度、組立精度などの影響を受け難く、端子間の安定的な電気的な接続状態を得ることができる。

圧縮コイル形や板バネ形のコネクタでは、運搬時等においてコネクタどうしが絡まりやすく、何よりも絡まった状態から個別の状態に解きほぐすのが困難であり、電池パックの組立作業の全自動化を図ることが難しい。これに対して、本願発明のように、弾性素材を多面体状に成形してなる弾性体２４でコネクタ２３を形成していると、運搬時等においてコネクタ２３どうしが絡まるおそれが無く、該コネクタ２３を一つずつピックアップして、所定位置に組み付けることが容易である。したがって、電池パックの組立作業を全自動化できて電池パックの製造コストの低減化に貢献できる。

コネクタ２３を弾性体２４の外表面に捲回された複数本の導電性の条材２５を含むものとしていると、多数の接触点で素電池１および回路基板３の正・負極端子８・９・１８・１９と接触させることができるので、接触状態が安定し、チャタリングの発生を効果的に抑えることができる。特に導電性の条材２５として金属細線を使用していると、低抵抗で端子どうしを電気的に接続することができるので、電池パックの電流容量の高容量化に対応できる。

回路基板３を支持するホルダー４に、コネクタ２３を組み付けるための装着部２８が設けられていると、コネクタ２３の位置ズレを防いで、常に適正姿勢で素電池１および回路基板３の端子８・９・１８・１９にコネクタ２３を密着させることができる。したがって、素電池１および回路基板３の端子８・９・１８・１９とコネクタ２３との接触性を高めて、両者１・３間の電気的接続性の向上を図ることができる。
なお装着部２８を貫通孔としていると、装着部２８にコネクタ２３を落とし込むだけで、両端子間の適正位置にコネクタ２３を組み付けることができる。したがって、電池パックの組立作業の全自動化への対応が容易である。

樹脂製のホルダー４に対して、樹脂製の外装カバー２が超音波溶着で接合固定されていると、外装カバー２とホルダー４とを機械的に係合固定する形態に比べて、両者２・４間の組み付け状態のバラつきを一掃して両者を常に適正に密着固定でき、形状および機能が安定した電池パックを得ることができる。

外装カバー２のホルダー４との対向面に突状の接合部１４を設けて、この接合部１４とホルダー４の外表面とを超音波溶着で一体化することで、ホルダー４に対して外装カバー２が接合固定されていると、外装カバー２の接合部１４とホルダー４の対向面とを適正に相対摺動させて、確実に摩擦溶接することができる。溶接条件を一定にできるので、接合部１４とホルダー４との溶着面積や溶着パターンのばらつきも抑制できる。

素電池１の上端部に、脚片３４と水平片３５とを備えるＬ字状のプレス金具からなる支持部材３３を設け、該水平片３５に設けられた貫通孔３６に外装カバー２の接合部１４を挿入した状態で、接合部１４の先端部とホルダー４の外表面とを超音波溶着で一体化することで、外装カバー２とホルダー４とが素電池１に固定された形態を採ることができる。これによれば、外装カバー２、ホルダー４および素電池１の三者を支持部材３３を介して一体化することができるので、落下衝撃や衝突衝撃などを受けたような場合にも、外装カバー２やホルダー４が素電池１から分離して脱落するのを確実に防ぐことができる。

また、素電池１の上面と水平片３５との間にホルダー４を載置してから、該ホルダー４の装着部２８にコネクタ２３を装着し、次いでホルダー４上に回路基板３を載置してから外装カバー２をホルダー４に超音波溶着するだけで、電池パックを組み立てることができる。したがって、電池パックの組立作業が容易となり、全自動化への対応が可能となる。

（第１実施形態） 図１ないし図７に、本発明に係る電池パックの第１実施形態を示す。図２において電池パックは、充放電が可能なリチウムイオン電池等の二次電池である素電池１と、素電池１の上面側に配置される外装カバー２と、素電池１と外装カバー２との間に配置される回路基板３と、素電池１の上部に配されて回路基板３を保持するホルダー４と、これらの構成部材の外側面を覆う表装ラベル５（図５参照）などで構成する。

素電池１は、有底扁平筒状の外装缶６を基体にして、その内部に電極体と電解液を収容し、外装缶６の上方開口を封口板７で封止して構成する。外装缶６は、アルミニウム、アルミニウム合金、あるいはステンレス鋼材を素材とする深絞り成形品からなる。同様に封口板７は、アルミニウム、またはアルミニウム合金を素材とするプレス成形品からなり、外装缶６の開口内面に嵌め込んだ状態でレーザー溶接によって固定されている。

図２に示すように、封口板７の上面中央には負極端子８が膨出形成されており、封口板７の左右方向の一側端部（図示例では右側端）には、正極端子として機能するブロック片９が膨出状に設けられている。以下ではこのブロック片９を正極端子と呼ぶ。負極端子８と正極端子９の上面高さは等しく設定される。また、封口板７には、防爆用の開裂ベント１１と、電解液注入用の注液口１２が設けられている。開裂ベント１１は、素電池１の内圧が一定値を超えると、破断して素電池１内のガスを放出する。注液口１２は、電解液注入後に封止栓により密封封止される。

外装カバー２は、熱可塑性のプラスチック材、例えばポリカーボネイトを素材にした平板状の射出成形品からなり、３個の電極窓１３が左右方向に一定間隔おきに開設されている。図３に示すように、外装カバー２の下面の左右端部には、超音波溶着用の突状の接合部１４がそれぞれ設けられており、下面の前後周縁には、同じく超音波溶着用のリブ状の接合部１５が設けられている。

回路基板３は、左右横長の長方形状のプリント基板からなり、その下面側には、保護回路を構成する電子部品が実装されて、樹脂モールドによって覆われている。このモールド部分を符号１７で示す。モールド部分１７の両側には、正極端子１８と負極端子１９とがそれぞれ設けられている。回路基板３の上面には、３個の外部出力電極２０が形成してある。外部出力電極２０の形成位置と、先の電極窓１３の形成位置とは対応させてある。外部出力電極２０のうち、隣接する２個は正極側および負極側の出力端子であり、残る１個は先の保護回路に制御信号を送るための入力端子である。この入力端子を介して外部から制御信号を保護回路へ送ることにより、充電電流および放電電流を適正な状態に制御して素電池１を保護することができる。

素電池１の正・負極端子８・９と、回路基板３の正・負極端子１８・１９との間には、コネクタ２３・２３が組み付けられる。コネクタ２３は、図４、図６および図７に示すように、絶縁性のシリコーンゴムなどの弾性素材を立方体状に成形してなる弾性体２４を基体として、該弾性体２４の外表面に複数本の金属細線（導電性の条材）２５を捲回してなる。本実施形態では、各金属細線２５の直径寸法を０．０４ｍｍ（４０μｍ）に、捲回ピッチを０．１ｍｍに、それぞれ設定した。コネクタ２３の左右寸法は３ｍｍに設定されており、弾性体２４には３０本の金属細線２５が捲回されている（図面上は７本の金属細線を示す）。尤も、１つのコネクタ２３に使用される金属細線２５の本数は、適宜定められる金属細線２５の直径寸法および捲回ピッチ並びにコネクタ２３の左右寸法により変動する値であって、上記本数には限定されない。

弾性体２４の上下面は水平面とされており、各金属細線２５が上下面を含む四つの面に縦方向に捲回されている。コネクタ２３の前面は、前方向に突出する突弧面とされている。かかる突弧面により、弾性体２４のコーナー部で金属細線２５が折れ曲がり、破断されるのを効果的に防ぐことができる。

図２においてホルダー４は、熱可塑性のプラスチック材、例えばポリカーボネイトを素材にした左右横長の四角柱状のブロック体からなり、ホルダー４の上面には、回路基板３を嵌め込み装着するための装着凹部２７が段付き状に形成されている。この装着凹部２７の左右二箇所には、コネクタ２３・２３を遊動不能に保持するための装着孔（装着部）２８・２８が上下貫通状に形成されている。これら装着孔２８・２８の間には、回路基板３のモールド部分１７に対応した凹部２９が形成されている。また、各装着孔２８の下端には、素電池１の正極端子９あるいは負極端子８を受け入れるための凹欠部３０・３１が形成されており、封口板７上への装着状態において、該凹欠部３０・３１を除くホルダー４の下面が、封口板７の上面に密着する。

以上のように構成した回路基板３、ホルダー４およびコネクタ２３・２３を素電池１に装着すると、回路基板３の正極端子１８は、一方の装着孔２８内に保持されたコネクタ２３を介して、凹欠部３０内に位置する素電池１の正極端子９に接続される。また、回路基板３の負極端子１９は、他方の装着孔２８内に保持されたコネクタ２３を介して、凹欠部３１内に位置する素電池１の負極端子８に接続される。

外装缶６の左右端面の上端部には、外装カバー２およびホルダー４を素電池１に固定するための支持部材３３・３３が設けられている。支持部材３３は、基端が外装缶６の左右端面にレーザー溶接されて上方向に伸びる脚片３４と、脚片３４の遊端に連続して内向きの水平方向に折り曲げ形成された水平片３５とを備えるＬ字状のプレス金具である。各水平片３５には、外装カバー２に形成した接合部１４の挿入を許す貫通孔３６が、上下貫通状に形成されている。

以上のように構成される本実施形態の電池パックは、例えば以下の手順により組み立てることができる。素電池１には、正極端子９および支持部材３３を予め固定しておく。
まず、素電池１の上面と水平片３５との間にホルダー４を載置してから、該ホルダー４の装着孔２８にコネクタ２３を落とし込む。このときの各コネクタ２３は、下面が素電池１の正極端子９あるいは負極端子８の上面に接触するとともに、上半部が装着孔２８の上縁から突出している（図３参照）。

次いで、ホルダー４の装着凹部２７に回路基板３を嵌め込み装着する。これにより、各コネクタ２３は上下方向に弾性圧縮される。このときの弾性体２４の弾性復元力により、一方のコネクタ２３の上下面が、素電池１の正極端子９の上面と回路基板３の正極端子１８とに圧接され、他方のコネクタ２３の上下面が、素電池１の負極端子８の上面と回路基板３の負極端子１９とに圧接される（図４参照）。そして、弾性体２４に捲回された各金属細線２５が、素電池１および回路基板３の正極端子９・１８あるいは負極端子８・１９に接触する（図６および図７参照）。

回路基板３を装着した後は、これを覆う外装カバー２を、超音波溶着でホルダー４に一体化する。詳しくは、外装カバー２の左右両端の接合部１４を支持部材３３の貫通孔３６に上方から挿入して、外装カバー２をホルダー４上に載置してから、外装カバー２の接合部１４・１５の先端部とホルダー４の外表面とを超音波溶着により接合固定する。これにより、一対の支持部材３３・３３に対して、外装カバー２とホルダー４とが固定される。最後に表装ラベル５を貼付装着して、電池パックの組み立てが完了する。

以上のように本実施形態では、コネクタ２３を、弾性素材を略立方体状に成形してなる弾性体２４を基体とするものとしたので、該コネクタ２３を素電池１に組み付けたとき、該弾性体２４の弾性復元力により、素電池１および回路基板３の正極端子９・１８あるいは負極端子８・１９間にコネクタ２３を圧接させて、これら端子８・９・１８・１９にコネクタ２３の上下面を強力に接触させることができる。これにより、素電池１および回路基板３の正・負極端子８・９・１８・１９とコネクタ２３の対向面との接触性を高めて、両者１・３間の電気的接続性の向上を図ることができるので、チャタリングの発生を抑えて、信頼性に優れた電池パックを得ることができる。コネクタ２３と正・負極端子８・９・１８・１９との溶接作業が不要であり、溶接不良に起因する接続不良が生じるおそれがない点でも優れている。

弾性体自身が弾性変形する形態であるから、板バネ状のコネクタに比べて、コネクタ自身の小サイズ化を図りながら、弾性変形範囲を大きく採ることが容易である。したがって、コネクタ自身の部品精度や端子間の対向間隔精度、組立精度などの影響を受け難く、端子間の安定的な電気的な接続状態を得ることができる。

圧縮コイル形や板バネ形のコネクタでは、運搬時等においてコネクタどうしが絡まりやすく、何よりも絡まった状態から個別の状態に解きほぐすのが困難であり、電池パックの組立作業の全自動化を図ることが難しい。これに対して、本実施形態のように、弾性素材を略立方体状に成形してなる弾性体２４でコネクタ２３を形成していると、運搬時等においてコネクタ２３どうしが絡まるおそれが無く、該コネクタ２３を一つずつピックアップして、所定位置に組み付けることが容易である。したがって、電池パックの組立作業を全自動化できて電池パックの製造コストの低減化に貢献できる。

（第２実施形態） 図８および図９に、本発明に係る電池パックの第２実施形態を示す。ここでは、２つのコネクタ２３ａ・２３ｂの上下高さ（上下寸法）を異なるものとしている点が先の第１実施形態と相違する。具体的には、第１実施形態において、素電池１の正・負極端子の高さ位置を揃えることを目的として配置されていたブロック片９を排するとともに、素電池１と回路基板３の正極端子どうしを接続するコネクタ２３ａの上下寸法を、負極端子どうしを接続するコネクタ２３ｂのそれよりも大きくしている。また、ホルダー４の装着孔２８の下端の凹欠部３０を省略している。それ以外の点は、先の第１実施形態と同様であるので、同様の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。また、この第２実施形態によっても、先の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３実施形態） 図１０および図１１に、本発明に係る電池パックの第３実施形態を示す。ここでは、先の第１実施形態から支持部材３３・３３を排して、ホルダー４を両面テープ４０により素電池１の上面（封口板７の上面）に固定している。両面テープ４０の前後左右寸法は、素電池１の上面のそれよりも僅かに小さく設定されており、両面テープ４０の中央と左右方向の一側端部（図示例では右側端）とには、負極端子８あるいはブロック片（正極端子）９を上方に露出させるための開口４１・４２がそれぞれ開設されている。それ以外の点は、先の第１実施形態と同様であるので、同様の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。また、この第３実施形態によっても、先の第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

その他、第３実施形態の変形例として、素電池１の上面に対するホルダー４の固定には、例えばレーザ溶接など任意の接合手段を用いることができる。第１および第３実施形態におけるブロック片９は、回路基板３の側に固定することもできる。

第１実施形態に係る電池パックの要部の縦断正面図である。 第１実施形態に係る電池パックの分解斜視図である。 第１実施形態に係る電池パックから外装カバーと回路基板を分離した状態を示す斜視図である。 図１の一部を拡大して示す図である。 第１実施形態に係る電池パックの全体構成を示す正面図である。 図１のＡ−Ａ線断面図である。 図１のＢ−Ｂ線断面図である。 第２実施形態に係る電池パックの一部を破断した分解斜視図である。 第２実施形態に係る電池パックの要部の縦断正面図である。 第３実施形態に係る電池パックの一部を破断した分解斜視図である。 第３実施形態に係る電池パックの要部の縦断正面図である。

符号の説明

１ 素電池
２ 外装カバー
３ 回路基板
４ ホルダー
８ 素電池の負極端子
９ ブロック片（素電池の正極端子）
１４ 接合部
１８ 回路基板の正極端子
１９ 回路基板の負極端子
２３ コネクタ
２４ 弾性体
２５ 導電性の条材（金属細線）
２７ 装着凹部
２８ 装着部（装着孔）
３３ 支持部材
３５ 水平片
３６ 貫通孔

Claims (3)

1. 素電池の上端に配された外装カバーの内部に、充放電電流を制御する保護回路が実装された回路基板が配置されている電池パックにおいて、
   前記素電池の上面に形成された正・負極端子と、前記回路基板の素電池との対向面に形成された正・負極端子との間が、コネクタにより電気的に接続されており、
   前記コネクタが、弾性素材を多面体状に成形してなる弾性体であり、少なくとも該弾性体の上下面の間が電気的に接続されており、
   前記弾性体の弾性復元力により、前記コネクタの上下面が、前記素電池および前記回路基板の対向する正・負極端子の間に圧接されており、
   前記コネクタが、前記弾性体の外表面に捲回された複数本の導電性の条材を含んでおり、
   前記外装カバーと前記素電池との間にホルダーが配されており、該ホルダーの上面に前記回路基板が配されており、
   前記ホルダーに、前記コネクタを遊動不能に保持する装着部と、前記回路基板を嵌め込み装着するための装着凹部とが設けられており、
   樹脂製のホルダーに対して、樹脂製の外装カバーが超音波溶着で接合固定されていることを特徴とする電池パック。
2. 前記外装カバーの前記ホルダーとの対向面には、突状の接合部が設けられており、
   前記接合部と前記ホルダーの外表面とを超音波溶着で一体化することで、前記ホルダーに対して前記外装カバーが接合固定されている請求項１記載の電池パック。
3. 前記素電池の上端部に、前記外装カバーおよび前記ホルダーを固定するための支持部材が設けられており、
   前記支持部材は、垂直方向に伸びる脚片と、該脚片の遊端に連続して水平方向に折り曲げ形成された水平片とを備えるＬ字状のプレス金具であり、
   前記水平片には、前記接合部の挿入を許す貫通孔が形成されており、
   前記素電池の上面と前記水平片との間に、前記ホルダーと前記回路基板とが配されており、
   前記貫通孔に挿入された前記接合部の先端部と前記ホルダーの外表面とを超音波溶着で一体化することで、前記支持部材に対して、前記外装カバーと前記ホルダーとが固定されている請求項２記載の電池パック。

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