JP6823411B2 - 電池パック - Google Patents

Description

本発明は、過電流保護素子（ＰＴＣ）を備えた電池パックに関する。

携帯電話、スマートフォン、携帯型コンピューター（例えばタブレット端末、ノート型パソコン等）、電子書籍端末、携帯型ゲーム機などの携帯型電子機器用の電源として、二次電池（一般に「素電池」と呼ばれる）を内蔵した電池パックが広範囲に利用されている。この電池パックでは、充電時の過電流を防止するために、一般に、過電流保護素子（以下、「ＰＴＣ」という）が内蔵されている。

ＰＴＣとして種々の仕様のものが上市されている。電池パックを設計する場合には、これらの中から所望の電気的特性を満たすＰＴＣが選定される。ところが、選定したＰＴＣの形状が、適用しようとする電池パックの構造に合致するとは限らない。

このような場合、（１）電気的特性及び形状の両方を満足するＰＴＣを新規に製造する、（２）ＰＴＣの形状が電池パックの構造に合致するように、電池パックの組立工程でＰＴＣを加工する（例えば、ＰＴＣのリードを切断する）、（３）選定したＰＴＣを加工することなく電池パックに組み込むことができるように、他の部材を追加する、などの方法が考えられる。特許文献３には、上記（３）の方法として、ＰＴＣの端子と、これより上方にある回路との絶縁を確保するために、両者間に絶縁テープを配置した電池パックが記載されている。

特開２０１５−０８８３８０号公報（図２）

しかしながら、上記（１）の方法は、ＰＴＣを新たに設計することにともなう開発費が必要であるので、電池パックのコストが増大する。上記（２）の方法は、ＰＴＣを加工するための加工工数が必要であるので、電池パックの組立工数及びコストが増大する。上記（３）の方法は、電池パックに新たな部品を組み込む必要があるので、当該部品の費用や電池パックへの組み込み工数が発生し、電池パックのコストが増大する。

本発明は、ＰＴＣの加工や新たな部品の追加を必要とすることなく、既存のＰＴＣを用いて安価な電池パックを提供することを目的とする。

本発明の電池パックは、素電池上に、インナーフレーム、過電流保護素子、回路基板がこの順に上下方向に搭載されている。前記過電流保護素子は、温度ヒューズとして機能する素子本体部と、前記素子本体部から導出された第１リード及び第２リードとを備える。前記過電流保護素子は、前記第１リードが前記素電池側に且つ前記第２リードが前記回路基板側になるように配置されている。前記第１リードとは異電位の回路が、前記第１リードに対して前記素電池とは反対側に、前記第１リードの先端に上下方向に対向して配置されている。前記インナーフレームは、前記第１リードの前記先端と前記異電位の回路との間に、前記第１リードの前記先端の上方に位置するように設けられたスペーサを備える。

本発明によれば、インナーフレームに設けられたスペーサが、第１リードと、第１リードとは異電位の回路との間を確実に絶縁する。このため、過電流保護素子に加工を施したり、新たな部品を追加したりすることなく、既存の過電流保護素子を用いて安価な電池パックを提供することができる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる電池パックの斜視図である。 図２は、本発明の一実施形態にかかる電池パックの分解斜視図である。 図３Ａは、本発明の一実施形態にかかる電池パックを構成するインナーフレームの上方から見た斜視図である。図３Ｂは、インナーフレームの下方から見た斜視図である。 図４は、本発明の一実施形態にかかる電池パックにおいて、素電池に、インナーフレーム及び過電流保護素子が設けられた状態を示した斜視図である。 図５は、本発明の一実施形態にかかる電池パックの拡大断面図である。

上記の本発明の電池パックにおいて、前記異電位の回路は、前記第１リードが電気的に接続された前記素電池の第１端子とは異極の第２端子に電気的に接続された導電片または前記導電片が電気的に接続された前記回路基板の入力端子であってもよい。かる構成によれば、第１端子に接続された第１リードと、第１端子とは異極の第２端子に接続された導電片又は入力端子とを、安価且つ容易に絶縁することができる。

あるいは、前記異電位の回路は、前記第２リードまたは前記第２リードが電気的に接続された前記回路基板の入力端子であってもよい。かかる構成によれば、過電流保護素子のと第２リード（または第２リードが接続された入力端子）とを、安価且つ容易に絶縁することができる。

前記第１リードは前記素電池の負極端子に電気的に接続されていてもよい。かかる構成によれば、従来から一般的な電池パックに本発明を容易に適用することができる。

前記インナーフレームは、前記スペーサを含む全体が一部品として一体的に成形された射出成形品であってもよい。かかる構成は、インナーフレームを低コストで製造することが可能になるので、電池パックの低コスト化に有利である。

以下に、本発明を好適な実施形態を示しながら詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。以下の説明において参照する各図は、説明の便宜上、本発明の実施形態を構成する主要部材を簡略化して示したものである。従って、本発明は以下の各図に示されていない任意の部材を備え得る。また、本発明の範囲内において、以下の各図に示された各部材を変更または省略し得る。本発明の実施形態を示す図面において、同一又は対応する部材には同じ符号が付してあり、そのような部材については、重複する説明を省略する。

図１は本発明の一実施形態に係る電池パック１の斜視図、図２は電池パック１を構成する主要部材を示した分解斜視図である。以下の説明の便宜のため、図１及び図２の紙面の上側を電池パック１の「上側」、図１及び図２の紙面の下側を電池パック１の「下側」という。上側及び下側を結ぶ方向を「上下方向」といい、上下方向に垂直な方向を「水平方向」という。但し、この「上」、「下」、「上下方向」、「水平方向」は、電池パック１の実際の使用時での姿勢を意味するものではない。

図１に示されているように、カバー１６の天板から、外部配線１５ａが導出されている。外部配線１５ａの先端に設けられたコネクタ１５ｂを介して、電池パック１に対して充放電を行うことができる。

図２に示されているように、電池パック１は、上側に開口した金属製の電池ケース１０ａと、電池ケース１０ａの上側の開口を塞ぐ金属製の封口板１０ｂとを有する素電池１０を備える。素電池１０は、充放電が可能な二次電池である。二次電池の種類は特に制限はないが、例えばリチウムイオン二次電池を用いることができる。素電池１０は、上下方向寸法及び幅方向（封口板１０ｂの長手方向）寸法に比べて、これら２方向に直交する方向（奥行き方向）の寸法が小さな扁平形状（薄板形状）を有している。素電池１０内には、発電要素及び電解液（いずれも図示せず）が封入されている。発電要素は、シート状の正極集電体の片面又は両面に正極活物質を含む正極合剤層が塗布形成された正極と、シート状の負極集電体の片面又は両面に負極活物質を含む負極合剤層が塗布形成された負極とが、セパレータを介して巻回又は積層されてなる扁平状の電極体である。

電池ケース１０ａは、例えば、アルミニウム又はその合金などからなる金属製の板材を深絞り加工することで形成することができる。封口板１０ｂは、例えば、アルミニウム合金などからなる金属板をプレス加工して形成することができる。電池ケース１０ａの開口の周縁と封口板１０ｂの周囲の端縁とは、例えばレーザ光を用いたシーム溶接によって液密に封止されている。

封口板１０ｂの長手方向の略中央位置には、負極端子１０ｎが、上方に向かってわずかに突出して設けられている。負極端子１０ｎは封口板１０ｂを貫通し、電池ケース１０ａ内に収納された発電要素の負極集電体と電気的に接続されている。負極端子１０ｎと封口板１０ｂとの間には、両者を絶縁するための絶縁パッキンが介在している。一方、負極端子１０ｎからわずかに離れた封口板１０ｂ上の位置（即ち、封口板１０ｂの長手方向の一端の近傍の位置）に、正極端子１０ｐが、上方に向かってわずかに突出して設けられている。正極端子１０ｐは、封口板１０ｂ、電池ケース１０ａ、及び、素電池１０内の発電要素の正極集電体と電気的に接続されている。

素電池１０の一端面を構成する封口板１０ｂに、両面に粘着剤が塗布されたシート状の両面粘着テープ１１を介してインナーフレーム１２が固定される。

図３Ａはインナーフレーム１２の上方から見た斜視図、図３Ｂはインナーフレーム１２の下方から見た斜視図である。インナーフレーム１２は、インナーフレーム１２の外周端縁に沿って、上下方向に延びた周壁１２ｄを備える。周壁１２ｄよりも内側に、インナーフレーム１２を上下方向に貫通する第１開口１２ａ及び第２開口１２ｂが設けられている。第１開口１２ａは、インナーフレーム１２の長手方向の略中央に配置されている。第２開口１２ｂは、インナーフレーム１２の長手方向の一端の近傍に配置されている。第１開口１２ａに対して第２開口１２ｂとは反対側に、底板１２ｃが設けられている。隔壁１２ｅが第１開口１２ａと第２開口１２ｂとを隔てている。隔壁１２ｅは上下方向に沿って延びている。スペーサ１２ｆが、隔壁１２ｅの上端又はその近傍から、第１開口１２ａの側に向かって、水平方向に沿って突出している。周壁１２ｄの外面から爪１２ｇが突出している。インナーフレーム１２は、例えばポリカーボネート、ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレンなどの絶縁性を有する樹脂を射出成形することにより全体が一部品として一体的に形成された射出成形品である。

図２に戻り、インナーフレーム１２上に、過電流保護素子（以下「ＰＴＣ」という）１３、導電片１４、回路基板１５が配置される。

ＰＴＣ１３は、温度ヒューズとして機能する薄板状の素子本体部１３ｃを備える。第１リード１３ａ及び第２リード１３ｂが、素子本体部１３ｃの下面及び上面から、素子本体部１３ｃからはみ出すように導出されている。第１リード１３ａ及び第２リード１３ｂは、導電性を有する金属からなる短冊状の薄板である。本実施形態では、第１リード１３ａ及び第２リード１３ｂは、インナーフレーム１２の長手方向と平行に、素子本体部１３ｃに対して互いに逆向きに突出している。但し、素子本体部１３ｃの上面から導出された第２リード１３ｂは、その先端が素子本体部１３ｃの上方に位置するように折り返されている。

導電片１４は、導電性を有する金属（例えばニッケル）からなる短冊状の薄板である。導電片１４は、階段状（またはＺ字状）になるように、２箇所で折り曲げられている。

回路基板１５は、保護回路（安全回路）を構成するＦＥＴ素子等の電子部品を含み、任意に充電回路が形成されていてもよい。回路基板１５の上面に設けられた端子（図示せず）に外部配線１５ａが半田１５ｃを用いて接続されている。外部配線１５ａの先端には、コネクタ１５ｂが設けられている。回路基板１５の下面には、負極入力端子１５ｎ及び正極入力端子１５ｐ（後述する図５参照）が設けられている。

インナーフレーム１２、ＰＴＣ１３、導電片１４、回路基板１５などの封口板１０ｂ上に配される部品は、カバー１６で覆われる。カバー１６の周囲壁に設けられた係合孔１６ａにインナーフレーム１２の爪１２ｇ（図３Ａ及び図３Ｂ参照）を嵌入させることにより、カバー１６がインナーフレーム１２に固定される。但し、カバー３０を固定する方法は本実施形態に限定されず、例えば、爪１２ｇ及び係合孔１６ａ以外の任意の係合構造により固定する方法、ネジを用いて固定する方法、接着剤を用いて固定する方法、ＹＡＧレーザ等を用いてレーザ溶接する方法等を例示することができる。カバー１６の周囲壁及び天板に設けられたスリット１６ｂから外部配線１５が導出される（図１参照）。カバー１６は、インナーフレーム１２と同様の絶縁性を有する樹脂を射出成形することにより全体が一部品として一体的に形成された射出成形品である。

素電池１０（電池ケース１０ａ）の底面（下面）には、両面に粘着剤が塗布されたシート状の両面粘着テープ（図示せず）を介してボトムフレーム１７が固定される。ボトムフレーム１７は、インナーフレーム１２と同様の絶縁性を有する樹脂を射出成形することにより全体が一部品として一体的に形成された射出成形品である。ボトムフレーム１７を素電池１０に固定する方法は、両面粘着テープに限定されず、例えば、接着剤を用いて固定する方法、ＹＡＧレーザ等を用いてレーザ溶接する方法などを用いることができる。

素電池１０が外界に露出しないように、電池ケース１０ａの外周面にシート状のラベル１８が貼付される。図１に示されているように、上下方向においては、ラベル１８は、カバー１６及びボトムフレーム１７にまで延びている。ラベル１８の材料は任意であり、例えば絶縁性を有する樹脂又は紙などのシートを用いることができる。

図４は、素電池１０の封口板１０ｂ上に、両面粘着テープ１１（図４では見えない）を介してインナーフレーム１２及びＰＴＣ１３を搭載した状態を示した斜視図である。図５は、電池パック１の、ＰＴＣ１３及びその近傍部分の拡大断面図である。図５の断面は、封口板１０ｂの長手方向に平行且つ上下方向に平行である。図５では、図面を簡単化するために、素電池１０、ＰＴＣ１３、回路基板１５については、その内部構造の図示を省略している。

上述したように、封口板１０ｂに、両面粘着テープ１１を介してインナーフレーム１２が固定される。図５に示されているように、インナーフレーム１２の第１開口１２ａ及び第２開口１２ｂ内に、素電池の負極端子１０ｎ及び正極端子１０ｐがそれぞれ配置される。インナーフレーム１２の底板１２ｃの上面と、正極端子１０ｐの上面とは、略同一の平面を構成する。ＰＴＣ１３が、その素子本体部１３ｃが底板１２ｃ上に載置され、且つ、第１リード１３ａが第１開口１２ａ内の正極端子１０ｎ上に位置するように、インナーフレーム１２上に載置される。第１リード１３ａは正極端子１０ｎに溶接され、電気的に接続される。第１リード１３ａは、正極端子１０ｎを越えて水平方向に延び、その先端はインナーフレーム１２の隔壁１２ｅの近傍にまで達している。隔壁１２ｅから水平方向に突出したスペーサ１２ｆが、第１リード１３ａの先端の上方に位置している。素子本体部１３ｃの上面から導出された第２リード１３ｂは、略Ｕ字状に折り返されている。

階段状に折り曲げられた導電片１４の一端は、インナーフレーム１２の第２開口１２ｂ内の正極端子１０ｐ（図４参照）に溶接され、電気的に接続される。導電片１４の他端は、インナーフレーム１２のスペーサ１２ｆの上方に位置している。即ち、ＰＴＣ１３の第１リード１３ａ（特にその先端部分）と導電片１４とが、スペーサ１２ｆを挟んで上下方向に対向している。

回路基板１５が、インナーフレーム１２の周壁１２ｄの上端縁に載置される。回路基板１５の下面に形成された負極入力端子１５ｎ及び正極入力端子１５ｐは、ＰＴＣ１３の第２リード１３ｂ及び導電片１４にそれぞれ電気的に接続される。

以上のように、本発明によれば、素電池１０の負極端子１０ｎに接続されたＰＴＣ１３の第１リード１３ａと、素電池１０の正極端子１０ｐに接続された導電片１４とが、上下方向に対向する。スペーサ１２ｆが、第１リード１３ａと導電片１４との間に位置するように、インナーフレーム１２に設けられている。このため、第１リード１３ａと導電片１４との絶縁が確実に確保される。

上述したように、ＰＴＣ１３としては種々の仕様のものが存在する。電気的特性を優先してＰＴＣ１３を選定した場合、例えば図５に示したように、第１リード１３ａが必要以上に長く、そのため、正極端子１０ｎを越えて延びるという事態が起こりうる。第１リード１３ａの正極端子１０ｎよりも先端側の部分は、正極端子１０ｎには溶接されていないから、上方に向かって跳ね上がるなど、自由に変位することができる。

従来は、第１リード１３ａの余分な先端部分を切り落としたり、第１リード１３ａと導電片１４との間に絶縁テープ（特許文献１参照）を設けたりすることによって、第１リード１３ａと、第１リード１３ａの上方に位置する導電片１４とが接触する短絡事故の発生を防止していた。第１リード１３ａの先端部分を切り落とす方法は、第１リード１３ａを切断するための加工工数が必要である。また、絶縁テープを用いる方法は、絶縁テープの費用や、絶縁テープを配置するための工数が必要である。

これに対して、本発明では、上下方向に対向する第１リード１３ａと導電片１４との間にスペーサ１２ｆが設けられる。スペーサ１２ｆは、インナーフレーム１２に一体的に設けられている。インナーフレーム１２は、従来の電池パックにおいても使用されていた部品であるので、本発明の電池パック１を構成する部品数や電池パック１の組立工数は、従来のそれらと変わらない。インナーフレーム１２にスペーサ１２ｆを設けるためには、インナーフレーム１２を成形するための金型を修正する必要がある。しかしながら、金型の修正は軽微であり、一旦金型を修正してしまえば、大量のインナーフレーム１２を連続的に成形することができる。従って、全体としては、上述した従来のいずれの方法を用いた場合に比べても、安価な電池パック１を提供することができる。かくして、本発明によれば、ＰＴＣ１３に加工を施したり、新たな部品を追加したりすることなく、既存のＰＴＣ１３を用いて安価な電池パック１を提供することができる。

上記の実施形態は例示に過ぎない。本発明は上記の実施形態に限定されず、適宜変更することができる。

スペーサ１２ｆは、第１リード１３ａと、第１リード１３ａに対向し且つ第１リード１３ａとは異電位の回路との間に配されて、両者を短絡しないように離間させることができれば、その構成は任意に変更しうる。

例えば、上記の実施形態では、スペーサ１２ｆは、第１開口１２ａと第２開口１２ｂとを隔てる隔壁１２ｅに設けられていたが、スペーサを隔壁１２ｅ以外のインナーフレーム１２の任意の箇所に設けてもよい。例えば、スペーサを、第１開口１２ａを挟んで水平方向に対向する周壁１２ｄの内面（対向する周壁１２ｄに対向する面）に設けることができる。一例として、スペーサを、対向する周壁１２ｄ間を架橋するように、水平方向に沿って設けることができる。別の例としては、片持ち支持構造のスペーサを、周壁１２ｄの内面から水平方向に沿って突出するように設けることができる。

スペーサの形状は、薄板形状、棒状、メッシュ状、など任意に変更しうる。また、スペーサの数も、１つあるいは複数であってもよい。

スペーサは、第１リード１３ａと、第１リード１３ａに対向し且つ第１リード１３ａとは「異電位の回路」との間に設けられる。電池パックの構成等によっては、「異電位の回路」は導電片１４に限定されない。例えば、異電位の回路は、導電片１４が接続された回路基板１５の正極入力端子１５ｐであってもよい。あるいは、異電位の回路は、第２リード１３ｂ、または第２リード１３ｂが接続された回路基板１５の負極入力端子１５ｎであってもよい。第１リード１３ａと第２リード１３ｂとは、その間に素子本体部１３ｃが介在しているために、厳密な意味において同電位ではない。従って、本発明において第１リード１３ｂに対して「異電位の回路」とは、正極端子１０ｐに電気的に接続された回路に限定されず、第２リード１３ｂ及びこれに電気的に接続された回路が含まれる。

上記の実施形態では、ＰＴＣ１３の第２リード１３ｂは、素子本体部１３ｃ側に略Ｕ字状に折り返されていたが、素子本体部１３ｃの寸法等によっては、第２リード１３ｂを折り返さずに、回路基板１５の負極入力端子１５ｎに接続されてもよい。

上記の実施形態のＰＴＣ１３では、第１リード１３ａ及び第２リード１３ｂが素子本体部１３ｃに対して互いに反対向きに導出されていた。しかしながら、第１リード１３ａ及び第２リード１３ｂが、互いに対向するように、素子本体部１３ｃに対して同じ向きに導出されたＰＴＣが存在する。このようなＰＴＣを用いて本発明の電池パックを構成してもよい。

電池パック１を電子機器と接続するための構成は、外部配線１５ａ及びコネクタ１５ｂに限定されない。外部配線１５ａ及びコネクタ１５ｂを省略し、カバー１５の天板に開口を設けて、当該開口を介して回路基板１５の上面に設けられた端子を外界に露出させてもよい。この場合、当該端子が、電池パック１を電子機器と接続するための外部接続端子として機能する。

本発明の利用分野は、制限はなく、二次電池を内蔵した電池パックとして広範囲に利用することができる。特に、携帯電話、スマートフォン、携帯型コンピューター（例えばタブレット端末、ノート型パソコン等）、電子書籍端末、携帯型ゲーム機などの携帯型電子機器に使用される電池パックとして好ましく利用することができる。

１ 電池パック
１０ 素電池
１０ｎ 負極端子（第１端子）
１０ｐ 正極端子（第２端子）
１２ インナーフレーム
１２ｆ スペーサ
１３ 過電流保護素子（ＰＴＣ）
１３ａ 第１リード
１３ｂ 第２リード
１３ｃ 素子本体部
１４ 導電片
１５ 回路基板
１５ｎ 負極入力端子
１５ｐ 正極入力端子

Claims (5)

1. 素電池上に、インナーフレーム、過電流保護素子、回路基板がこの順に上下方向に搭載された電池パックであって、
   前記過電流保護素子は、温度ヒューズとして機能する素子本体部と、前記素子本体部から導出された第１リード及び第２リードとを備え、
   前記過電流保護素子は、前記第１リードが前記素電池側に且つ前記第２リードが前記回路基板側になるように配置されており、
   前記第１リードとは異電位の回路が、前記第１リードに対して前記素電池とは反対側に、前記第１リードの先端に上下方向に対向して配置されており、
   前記インナーフレームは、前記第１リードの前記先端と前記異電位の回路との間に、前記第１リードの前記先端の上方に位置するように設けられたスペーサを備えることを特徴とする電池パック。
2. 前記異電位の回路は、前記第１リードが電気的に接続された前記素電池の第１端子とは異極の第２端子に電気的に接続された導電片または前記導電片が電気的に接続された前記回路基板の入力端子である請求項１に記載の電池パック。
3. 前記異電位の回路は、前記第２リードまたは前記第２リードが電気的に接続された前記回路基板の入力端子である請求項１に記載の電池パック。
4. 前記第１リードは前記素電池の負極端子に電気的に接続されている請求項１〜３のいずれか一項に記載の電池パック。
5. 前記インナーフレームは、前記スペーサを含む全体が一部品として一体的に成形された射出成形品である請求項１〜４のいずれか一項に記載の電池パック。

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