JP5738738B2 - 電池組付け装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池とその電池を収容する枠体との組付けを自動で連続して行う電池組付け装置に関する。

電池は、携帯電話やノート型パソコンなど電子機器の電源として、或いはハイブリッド自動車や電気自動車などの車両用電源として、様々な分野で利用され、ニッケル・カドミウム電池、ニッケル・水素電池、リチウムイオン二次電池などがある。そうした電池は、用途に応じた出力を得るため、複数の電池（セル）を電気的に接続した組電池（モジュール）として用いられている。

車両用電源として利用される組電池は、必要となる出力電圧を得るために複数の電池が直列に接続される。そうした組電池の一例として下記特許文献１を挙げることができる。同文献には、隣り合う電池の間にスペーサが挟み込まれ、複数の角型の電池が積層された組電池が記載されている。スペーサは、一定以上の熱に反応して熱分解する発砲剤を含有させた絶縁性樹脂が使用され、これにより電池同士を絶縁しつつ、いずれかの電池が異常発熱した場合でも、熱の伝達を抑制できる構成となっている。

特開２０１０−１６５５９７号公報

前記文献の組電池は、並べられた電池の間にスペーサを挟み込む構成がとられているが、電池間の絶縁や断熱などの機能を果たすものとしては、一の電池を枠体で覆った枠付き電池がある。そうした枠付き電池を使用する場合には、先ず電池と枠体との組付けを行う必要があるが、１台の車両に必要となる電池の個数は多いもので数百個にもなるため、枠付き電池の作製に当たっては、高い生産性と組付け精度が要求される。

そこで、本発明は、電池とその電池を収容する枠体とを高精度に組付けることができ、さらに生産性の高い電池組付け装置を提供することを目的とする。

本発明に係る電池組付け装置は、一端側を中心にして他端側端部が同一円周上を回転する回転アームおよび、電池を把持して前記回転アームの他端側端部に揺動可能にピン結合された先端治具を備え、前記先端治具が前記回転アームに対して回転方向に所定角度傾くように伸縮可能な弾性部材によって連結された電池組付け手段と、一端側を中心にして他端側端部が同一円周上を回転する回転アームおよび、枠体を把持して前記回転アームの他端側端部に揺動可能にピン結合された先端治具を備え、前記先端治具が前記回転アームに対して回転方向に所定角度傾くように伸縮可能な弾性部材によって連結された枠体組付け手段と、前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段の対になった前記回転アームを逆方向に同期して回転させる駆動機構とを有し、前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段は、両方の回転アームの回転中心を結んだ直線上に移動させた前記電池および枠体に対し、前記回転アームおよび先端治具を介して前記電池および枠体の略中央部にほぼ直交するように押し付け力を作用させるものであることを特徴とする。

また、本発明に係る電池組付け装置は、前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段が、その回転アームと先端治具との組みが複数設けられたものであることが好ましい。
また、本発明に係る電池組付け装置は、前記回転アームに対して前記先端治具を揺動させる軸部の位置を移動させる位置調整機構を備えるものであることが好ましい。
また、本発明に係る電池組付け装置は、前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段が、前記弾性部材の収縮によって前記先端治具が揺動する勢いを抑えるダンパーが設けられたものであることが好ましい。
また、本発明に係る電池組付け装置は、前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段が、前記弾性部材がスプリングであることが好ましい。

本発明によれば、電池組付け手段と枠体組付け手段による回転アームの回転に従い、電池と枠体とが先端治具を介して連続した自動組付けができ、これにより枠付き電池の生産性を高めることが可能になる。そして、回転アームに先端治具をピン結合し、スプリングなどの弾性部材を用いて回転アームに対して先端治具を回転方向に傾け、その回転アームを介して作用する力が、電池や枠体の略中央部に対しほぼ直交するように作用するので、加圧面全体にかかるほぼ均等な圧力によって高精度に電池を枠体に組付けることが可能になる。

組電池の一例を示した斜視図である。 図１に示す組電池を構成する枠付き電池を示した斜視図である。 図２に示す枠付き電池を構成する電池と枠体の組付け前の状態を示した斜視図である。 電池組付け装置の一例について組付け機構を概念的に示した図である。 電池組付け装置の実施形態について組付け前の状態を概念的に示した図である。 電池組付け装置の実施形態について組付け開始時の状態を概念的に示した図である。 電池組付け装置の実施形態について組付け完了時の状態を概念的に示した図である。 電池組付け装置の実施形態について組付け完了後の状態を概念的に示した図である。 電池組付け装置の実施形態について枠付き電池の放出時の状態を概念的に示した図である。 電池組付け手段および枠体組付け手段の駆動機構を示した概念図である。

次に、本発明に係る電池組付け装置の実施形態について、図面を参照しつつ以下に説明する。図１は、組電池の一例を示した斜視図であり、図２は、その組電池を構成する枠付き電池を示した斜視図である。そして図３は、枠付き電池を構成する電池と枠体との組付け前の状態を示した斜視図である。

組電池１は、複数の枠付き電池２が積層された電池群であり、その枠付き電池２は、電池３が枠体４に嵌め合わされている。積層された複数の枠付き電池２は、その両端にエンドプレート５が重ねられ、そのエンドプレート５に固定して積層方向に掛け渡された金属バンド６によって結束されている。こうして一体になった各電池３が隣り合うもの同士バスバー７によって電気的に接続され、組電池１が作製される。

電池３は、正極板と負極板の間にセパレータを挟んで巻かれた発電要素が、直方体形状のケースに扁平形状にして収容され、リチウム塩を溶解させた有機溶剤からなる電解液が注入されたリチウムイオン二次電池である。一方、枠体４は、絶縁性樹脂によって形成されたものであり、断熱機能を有する。枠体４は、電池３を嵌合させ易いように一側面側が大きく開放した形状であり、電池３が組付けられた後には、両者がツメの引っ掛けなどによって容易に外れないようになっている。

こうした枠付き電池２は、生産性向上のため電池３と枠体４との連続した自動組付けがが望まれている。図４は、連続した自動組付けを行う電池組付け装置の一例について、その組付け機構を概念的に示した図である。ここでは、電池３との組付けが分かりやすいように、枠体４をコの字の断面形状で表現している。この電池組付け装置１００では、電池３と枠体４が、左右両側から別々の電池供給マガジン１０３や枠体供給マガジン１０４によって送り込まれる。そして、電池組付け手段１０１に把持された電池３と、枠体組付け手段１０２に把持された枠体４とが、中央の組付け位置Ｙに搬送され、そこで組付けられる。

電池組付け手段１０１及び枠体組付け手段１０２には、それぞれ回転テーブル１１１，１２１に電池３や枠体４を把持する把持治具１１２，１２２が設けられている。把持治具１１２，１２２は、ツメによって電池３や枠体４を掴むようにしたものであり、回転テーブル１１１，１２１の回転前方側がピン結合され、旋回中心Ｘ11，Ｘ12を支点として揺動可能に取り付けられている。そして、矢印で示す各回転方向の後方側にはスプリング１１３，１２３が設けられ、径方向外側に付勢されている。

電池組付け装置１００は、把持治具１１２が電池供給マガジン１０３から一つの電池３を掴み取り、反対側では把持治具１２２が枠体供給マガジン１０４から一つの枠体４を掴み取る。こうして把持された電池３と枠体４は、回転テーブル１１１，１２１の回転により組付け位置Ｙにまで送られ、そこで把持治具１１２，１２２により図面の左右両側から押し付けられ、嵌め合わせによる組付けが行われる。なお、組付け位置Ｙは、回転テーブル１１１，１２１の回転中心を結んだ位置にある。

把持治具１１２，１２２は、回転する円の接線方向に対して傾きを有しているため、電池３と枠体４は、図示するように組付け位置Ｙの手前で向き合う。図４に示した位置の電池３と枠体４は、そこから組付け位置Ｙまで移動する間に、把持治具１１２，１２２の旋回中心Ｘ11，Ｘ12側とスプリング１１３，１２３側とで互いに押し付け合い、電池３が枠体４に嵌め込まれて組付けが完了する。そして、枠付き電池２が作製された後は、把持治具１１２，１２２から外れてコンベア１０５に乗り、次の工程へと送られる。このような電池組付け装置によれば、枠付き電池２の連続した自動組付けによって生産性を向上させることができる。

ところで、図４に示す電池組付け装置１００は、枠体４に電池３を嵌め込む際、把持治具１１２，１２２の旋回中心Ｘ11，Ｘ12側とスプリング１１３，１２３側との両側（図面の上下）で、それぞれ電池３と枠体４とを押し付け合う。すなわち、回転テーブル１１１，１２１の回転によって距離が縮まり、電池３と枠体４が左右両方から押し付けられる。しかし、組付け位置Ｙでの旋回中心Ｘ11と旋回中心Ｘ12との距離は一定であるのに対し、電池３の厚みが公差範囲内で増減してしまうため、厚みの違いにより旋回中心Ｘ11，Ｘ12側で電池３に作用する圧力に差が生じる。一方、反対側ではスプリング１１３，１２３が公差を吸収し、厚みが異なってもほぼ一定の圧力が作用することになる。

こうした組立時にかかる旋回中心Ｘ11，Ｘ12側の圧力とスプリング１１３，１２３側の圧力との差は、電池３の加圧面３ａ（図３参照）を不均一なものにしてしまう。そのため、枠付き電池２となった後で、扁平形状をした各電池３の厚さに僅かな差を生じることがある。それは、一つの枠付き電池２では僅かな誤差であっても、数十個の単位で積層した組電池１では大きな誤差となってしまう。例えば、旋回中心Ｘ11，Ｘ12側に設計以上の膨らみが生じてしまった場合、金属バンド５０で止められないなど、製品上の問題が発生する。従って、電池３の加圧面３ａが均一になるような枠付き電池２の作製が望まれており、本実施形態の電池組付け装置はそうした組付けを可能にするものである。

図５乃至図９は、本実施形態の電池組付け装置の組付け機構について各状態を概念的に示した図である。電池組付け装置１０は、前述した電池組付け装置１００と同様に、電池３と枠体４が左右別々に配置された電池供給マガジン１０３や枠体供給マガジン１０４を介して送り込まれる。そうした電池３や枠体４に対して電池組付け手段１１と枠体組付け手段１２が設けられている。電池組付け手段１１は、回転アーム２１に対してピン結合された軸部を介して先端治具２２が連結されている。枠体組付け手段１２は、同じく回転アーム３１に対してピン結合された軸部を介して先端治具３２が連結されている。

回転アーム２１と先端治具２２および、回転アーム３１と先端治具３２は、ともに回転方向側に設けられたスプリング２３又は３３によって連結されている。これにより、通常の状態では、回転アーム２１，３１に対して先端治具２２，３２が回転方向に所定の角度θだけ傾くように設定されている。また、先端治具２２，３２は、回転する回転アーム２１，３１に対して旋回中心Ｘ１，Ｘ２を支点にして揺動可能であるが、スプリング２３，３３の付勢力を受けながら揺動することとなる。

先端治具２２，３２は、Ｔ字形をしており、電池３や枠体４を把持する把持部２２１，３２１と、回転アーム２１，３１に連結されたアーム部２２２，３２２とによって構成されている。アーム部２２２，３２２は、その中心線Ｌ22，Ｌ32が把持部２２１，３２１に把持された電池３や枠体４の略中央部にほぼ直交している。また、把持部２２１，３２１には電池３や枠体４を把持できるようにツメが形成されている。図１乃至図３に示す枠体４の形状は便宜的に示したものであり、後述するように、把持部２２１，３２１に把持された電池３と枠体４との嵌め合わせが可能なように、把持部２２１のツメと枠体４、或いは把持部２２１，３２１のツメ同士が干渉しないようにそれぞれが形成されている。

電池３と枠体４の組付けが完了する組付け位置Ｙは、回転アーム２１，３１の回転中心Ｏ１，Ｏ２を結んだ直線上に位置する。回転アーム２１，３１に対する先端治具２２，３２の角度θは、図６に示すように、組付け位置Ｙの手前の位置で、電池３と枠体４とが真正面に向き合った組付け姿勢となるようにした角度である。そして、その図６に示す組付け開始位置から図７の組付け完了位置（図５に示す組付け位置Ｙ）に達するまでの回転範囲（以下、これを「組付け回転範囲」という）において、電池３と枠体４との組付けが行われる。このときの先端治具２２，３２は、電池３と枠体４との嵌合により拘束され、スプリング２３，３３の付勢力に抗して揺動することとなる。

組付け回転範囲では、先端治具２２，３２の旋回中心Ｘ１，Ｘ２が近づくことにより、電池３と枠体４は、真正面に向き合った組付け姿勢を維持したまま、先端治具２２，３２の把持部２２１，３２１によって図面左右から挟み込まれる。アーム部２２２，３２２の中心線Ｌ22，Ｌ32および回転アーム２１，３１の中心線Ｌ21，Ｌ31が図７に示すように一直線になった状態で旋回中心Ｘ１，Ｘ２が最接近する。このとき、電池３と枠体４は図面左右からの挟み込みにより最も強く押し付けられ、その押し付け力により組付けが完了する。電池組付け装置１０は、回転中心Ｏ１，Ｏ２を結んだ中心線Ｌ21，Ｌ22，Ｌ31，Ｌ32上に前記押し付け力が作用し、更にその力は電池３や枠体４の略中央部にほぼ直交するよう構成されている。

ところで本実施形態の電池組付け手段１１と枠体組付け手段１２では、回転アーム２１および先端治具２２と回転アーム３１および先端治具３２との組み合わせが、１８０°ずらせた位置に二組設けられている。そのため、例えば図６に示すように、電池３と枠体４との組付けを行う反対側で、電池供給マガジン１０３および枠体供給マガジン１０４から電池３や枠体４が掴み取られる。そして、電池組付け装置１０では、対になった回転アーム２１，３１が、逆方向に同期して回転する構成がとられている。ここで、図１０は、電池組付け手段１１および枠体組付け手段１２の駆動機構を側面側から示した概念図である。なお、便宜的に一対の回転アーム２１，３１と先端治具２２，３２のみを示している。

電池組付け手段１１および枠体組付け手段１２は、テーブル４１から突き出した回転軸２５，３５にそれぞれ回転アーム２１，３１の一端側が固定され、他端側端部には前述したように先端治具２２，３２がピン結合されている。回転軸２５は駆動モータ４２の出力軸に連結され、回転出力が直接伝えられるよう構成されている。また、回転軸２５には第１ギヤ４５が一体に設けられ、その第１ギヤ４５に第２ギヤ４６が噛み合っている。第２ギヤ４６は同軸に第３ギヤ４７が設けられ、その第３ギヤ４７には回転軸３５に固定された第４ギヤ４８が歯付ベルト４９を介して連結されている。第１乃至第４ギヤ４５〜４８は、第１ギヤ４５と第４ギヤ４８が同じ回転数で逆方向に回転するように、全て同じ大きさのギヤが用いられている。

電池組付け手段１１および枠体組付け手段１２は、回転アーム２１，３１に対し、旋回中心Ｘ１，Ｘ２となる先端治具２２，３２の軸部の位置を中心線Ｌ21，Ｌ31に沿って移動させる不図示の位置調整機構が設けられている。例えば、回転アーム２１，３１に対して中心線Ｌ21，Ｌ31に沿った長孔が形成され、その長孔の中を移動させた先端治具２２，３２の軸部を所定箇所で位置決めできるように構成されている。これにより、回転アーム２１と先端治具２２または、回転アーム３１と先端治具３２が、それぞれ図７に示すように一直線上に配置された状態の長さが調整できる。つまり、電池組付け手段１１および枠体組付け手段１２で挟み込んだ電池３と枠体４に対する押し付け力を調整することができるようになっている。

このように構成された電池組付け装置１０では、次のようにして電池３を枠体４に嵌め合わせる組付けが行われる。先ず、電池組付け手段１１では、電池供給マガジン１０３から一つの電池３が先端治具２２によって掴み取られ、反対側では枠体組付け手段１２の先端治具３２によって枠体供給マガジン１０４から一つの枠体４が掴み取られる。そうした電池３と枠体４は、回転アーム２１，３１の同期した回転により図５に示す組付け位置Ｙに同じタイミングで送られ、そこで電池組付け手段１１および枠体組付け手段１２による挟み込みにより両者が押し付けられ、組付けが行われる。

その際、回転アーム２１，３１に対しする先端治具２２，３２の角度θにより、電池３と枠体４とは、図６に示す組付け位置の手前で、真正面に向き合った組付け姿勢となる。このとき、電池３と枠体４に多少の位置ずれが生じていたとしても、揺動可能な先端治具２２，３２の自由度によって、互いの形状に倣い真正面に向き合った組付け姿勢となる。そして、回転アーム２１，３１が更に回転し、図７に示す組付け完了の位置に達するまでの組付け回転範囲で電池３と枠体４とが嵌り合う。すなわち、図面左右からの挟み込みにより加圧され、電池３が枠体４の中に押し込められる。

図６から図７に示す組付け回転範囲では、先端治具２２，３２がスプリング２３，３３の付勢力に抗して旋回中心Ｘ１，Ｘ２を支点に揺動する。先端治具２２，３２は、電池３と枠体４が真正面に向き合った組付け姿勢を維持したまま、回転アーム２１，３１に対する角度θが徐々に小さくなる。図７に示す組付け完了の位置では、回転アーム２１，３１の中心線Ｌ21，Ｌ31および先端治具２２，３２中心線Ｌ22，Ｌ32の全てが、回転アーム２１，３１の回転中心Ｏ１，Ｏ２を結んだ直線上に重なる。そして、電池３と枠体４は、先端治具２２，３２の把持部２２１，３２１によって図面左右から押し付けられ、その力は中心線Ｌ21，Ｌ22，Ｌ31，Ｌ32上に作用し、電池３や枠体４の略中央部にほぼ直交する。そのため、加圧面３ａ（図３参照）全体にほぼ均等に加わる圧力によって電池３が枠体４に嵌め込まれる。

枠付き電池２が組み上がった後は、回転アーム２１，３１が図７から図８に示すように回転する。その際、先端治具２２，３２は、互いに枠付き電池２を把持しているため、それが抵抗になり、図５に示す角度θとは逆方向に振れる。そして、回転アーム２１，３１が更に回転すれば、図９に示すように、把持部２２１，３２１同士の距離が離れて枠付き電池２が外れる。抵抗を失った先端治具２２，３２は、スプリング２３，３３の付勢力によって角度θの傾きに戻り、枠付き電池２はコンベア１０５を介して次の工程へと送られる。

こうした本実施形態の電池組付け装置１０によれば、電池組付け手段１１と枠体組付け手段１２の回転に従い電池３と枠体４との連続した自動組付けができ、枠付き電池２の生産性を高めることが可能になる。本実施形態では、回転アーム２１および先端治具２２と回転アーム３１および先端治具３２の組み合わせが二組設けられているが、例えば三組或いはそれ以上であってもよく、そうすれば更に生産性を向上させることが可能になる。

また、電池組付け装置１０は、回転アーム２１，３１に先端治具２２，３２をピン結合し、スプリング２３，３３を用いて回転アーム２１，３１に対する先端治具２２，３２を傾けた構成としたことにより、加圧面３ａ全体にかかるほぼ均等な圧力によって電池３を枠体４に組付けることが可能になる。そのため、扁平形状をした各電池３の厚さを均一にすることができ、図１に示す組電池１とした場合に、製品上問題のない組付け精度を得ることができる。

ところで、先端治具２２，３２の旋回中心Ｘ１，Ｘ２が位置する軸部にはロータリーダンパーが設けられている。図８から図９に示すように、先端治具２２，３２から外れた枠付き電池２がコンベア１６０に送られる場合、スプリング２３，３３が戻ろうとする勢いで枠付き電池２を弾いてしまうことが考えられる。そうした場合、次工程へ移動する枠付き電池２の搬送間隔が不規則になったり、或いは勢いでコンベア１６０から飛びだしてしまうおそれもある。そこで、ロータリーダンパーを設ければ、スプリング２３，３３の付勢力に抗して先端治具２２，３２の戻り方向の回転を抑えることができ、枠付き電池２に対する衝撃を緩和して安定した搬送が可能になる。なお、ロータリーダンパーの他には、ストレートダンパを用いるようにしてもよい。

以上、本発明に係る電池組付け装置の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。

１ 組電池
２ 電池
３ 枠体
１０ 電池組付け装置
１１ 電池組付け手段
１２ 枠体組付け手段
２１，３１ 回転アーム
２２，３２ 先端治具
２３，３３ スプリング

Claims (5)

1. 一端側を中心にして他端側端部が同一円周上を回転する回転アームおよび、電池を把持して前記回転アームの他端側端部に揺動可能にピン結合された先端治具を備え、前記先端治具が前記回転アームに対して回転方向に所定角度傾くように伸縮可能な弾性部材によって連結された電池組付け手段と、
   一端側を中心にして他端側端部が同一円周上を回転する回転アームおよび、枠体を把持して前記回転アームの他端側端部に揺動可能にピン結合された先端治具を備え、前記先端治具が前記回転アームに対して回転方向に所定角度傾くように伸縮可能な弾性部材によって連結された枠体組付け手段と、
   前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段の対になった前記回転アームを逆方向に同期して回転させる駆動機構とを有し、
   前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段は、両方の回転アームの回転中心を結んだ直線上に移動させた前記電池および枠体に対し、前記回転アームおよび先端治具を介して前記電池および枠体の略中央部にほぼ直交するように押し付け力を作用させるものであることを特徴とする電池組付け装置。
2. 請求項１に記載する電池組付け装置において、
   前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段は、その回転アームと先端治具との組みが複数設けられたものであることを特徴とする電池組付け装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載する電池組付け装置において、
   前記回転アームに対して前記先端治具を揺動させる軸部の位置を移動させる位置調整機構を備えるものであることを特徴とする電池組付け装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載する電池組付け装置において、
   前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段は、前記弾性部材の収縮によって前記先端治具が揺動する勢いを抑えるダンパーが設けられたものであることを特徴とする電池組付け装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載する電池組付け装置において、
   前記電池組付け手段および前記枠体組付け手段は、前記弾性部材がスプリングであることを特徴とする電池組付け装置。

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