JPWO2011004858A1 - 非線形バネ構造体及びこれを用いた加圧スペーサ - Google Patents
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Abstract
Description
このような複数の電池セルを積層して電池モジュールを構成した場合に、各電池セルの性能を十分に発揮させるためには、電池セルを、変動が少なく安定した加圧力で加圧し続けることが有効である。
例えば、特許文献1に示される構成は、ベローズ圧力調整装置を備えた複雑なもので、その制御も単純ではない。
また、特許文献2に示されている皿バネは、一応非線形特性を発揮するものの、皿バネを支持するバネ保持具との間で力の作用点をずらしながら変位する。したがって、皿バネを変位させる場合には、作用点をずらす際の摩擦力によって、ヒステリシスが発生することを避けられない。この摩擦ヒステリシスは、繰り返し安定した加圧力を得るための妨げとなってしまう。
また、特許文献3に示されているバネ板は、非線形特性を発揮しうるものとは考えられない。
該バネ部は、1又は複数のバネを有しており、
該バネは、伸縮方向に沿って切断した断面形状(以下、適宜、縦断面形状という)が、伸縮方向と直交する方向に突出する略円弧状の中央曲面部と、該中央曲面部の両端の延長部において該中央曲面部と逆方向に突出する略円弧状の一対の端部曲面部と、該端部曲面部の端部を伸縮方向と直交する方向に略平行に上記中央曲面部の突出方向に延長させたベース部とを有してなり、該ベース部を上記加圧板にそれぞれ固定することによって当該一対の加圧板間に配置されていることを特徴とする非線形バネ構造体にある。
該加圧スペーサは、第1の発明の非線形バネ構造体を備えていることを特徴とする加圧スペーサにある。
また、上記バネは、加圧されていない自然長状態において、上記中央曲面部と上記端部曲面部との間に直線状のストレート部を有していることが好ましい。これにより、バネのストロークと耐荷重の確保が容易となる。
上記バネは、十分な弾性特性を有している材料であれば、バネ鋼など様々な材料を適用可能である。最も好ましくは、弾性範囲が広く、かつ、その弾性特性にヒステリシスの少ないものがよい。この特性に優れたものとして、チタン又はチタン合金が挙げられる。チタン又はチタン合金は、上記の機械的特性に優れている点に加えて、軽量で錆びにくいという実用上有効な特性を有している。
この場合には、上記バネ群を構成することによって、隣接するバネの間隔を小さくすることができ、単位面積当たりにより多くのバネを配置した構成を得ることができる。また、上記バネ群とは別に、縦断面形状の配置の向きを変えたバネを配置することによって、伸縮時における構造安定性を高めることができる。
この場合には、上記バネ群を構成することによって、隣接する薄板バネの間隔を小さくすることができ、単位面積当たりにより多くの薄板バネを配置した構成を得ることができる。また、上記バネ群とは別に、その長手方向両端に向きを変えた薄板バネを配置することによって、伸縮時に薄板バネが傾いて上下の加圧板が左右にずれる現象を防止することができ、構造安定性を高めることができる。
この場合には、上記スリット板と上記押さえ板によって上記バネのベース部を挟み込んで強固に固定することができる。それ故、加圧スペーサ全体の構造安定性を高めることができる。また、上記スリット穴の存在によって、上記バネの位置決めが容易である。
この場合には、上述したようなスリット穴を有するスリット板を用いることなく作製することができる。
また、上記単体固定板同士の端部の接合は、溶接又はかしめによって行うことができる。また、上記単体固定板と上記固定板との接合も、溶接又はかしめによって行うことができる。なお、溶接又はかしめに代えて接着剤による接合を適用してもよい。
その中でも、特に、上記バネは薄板バネよりなることが好ましい。薄板バネの場合には、薄板状のバネ材を曲げ加工することによって容易に作製することができ、さらに、板状であることによって、方向によっては高い剛性が得られ、上記非線形バネ構造体全体の構造安定性を高めることができる。
上記薄板バネの厚みは、特に制限されるものではないが、実用的な範囲としては、0.01〜0.2mmの範囲を選択することができる。
なお、上記細丸棒バネのサイズも特に制限されるものではないが、外径が0.01〜1.0mmの範囲であることが好ましい。
本発明の実施例にかかる非線形バネ構造体よりなる加圧スペーサにつき、図1〜図11を用いて説明する。
本例の非線形バネ構造体よりなる加圧スペーサ1は、図11に示すごとく、複数の電池セル8の積層体を加圧するための加圧スペーサである。
加圧スペーサ1は、図1に示すごとく、一対の加圧板10と、該加圧板10の間に配設されたバネ部2とを有する。
薄板バネ20は、図3に示すごとく、その縦断面形状が、伸縮方向Aと直交する方向Bに突出する略円弧状の中央曲面部21と、中央曲面部21の両端の延長部において中央曲面部21と逆方向に突出する略円弧状の一対の端部曲面部22と、端部曲面部22の端部を伸縮方向と直交する方向Bに略平行に延長させたベース部23とを有している。薄板バネ20は、ベース部23を加圧板10にそれぞれ固定することによって当該一対の加圧板20間に配置されている。
薄板バネ20は、図3に示すごとく、自然長状態において、中央曲面部21を下方に向けて突出させた状態でその縦断面形状を観察すると、略M字状、つまり、アルファベットのM字を横方向に引き延ばしたような形状を呈し、M字の中央の角部が円弧状の上記中央曲面部21となり、両側の角部が端部曲面部23となった形状を呈している。
また、薄板バネ20は、自然長状態において、中央曲面部21と端部曲面部22との間に直線状のストレート部24を有している。自然長状態において、一対のストレート部24がなす角度αは鈍角であり、具体的には、170〜175°である。
また、自然長状態において、薄板バネ20の伸縮方向Aと直交する方向Bにおける中央曲面部21と一対の端部曲面部22との間の距離D(突出量D)が、一対のベース部23の間隔Wよりも十分に小さい。
また、薄板バネ20の幅寸法(ベース部23の間隔)Wは27mm、長手方向の長さLは、45mmものと90mmのものを用いた。
また、薄板バネ20は、厚みが0.12〜0.13mmの範囲にあるチタン合金を用いて作製した。
スリット板11は、図4に示すごとく、四角形状の外形状を有しており、ステンレス鋼板により作製したものである。スリット板11は、同図に示すごとく、左右2箇所において、それぞれ縦方向に13本の縦スリット穴110を平行に等間隔で設けたスリット群110A、110Bを有している。また、各スリット群110A、110Bの両端外方には、それぞれ、これらの縦スリット穴110と直交する横方向にそれぞれ横スリット穴111を設けてある。
このようなスリット板11と押さえ板12とからなる加圧板10と、上記薄板バネ20との接合関係は、これらの組み立て手順と共に説明する。
また、上記スリット板11を2枚、押さえ板12を構成するメイン押さえ板121を2枚、サイド押さえ板122を4枚準備する。
次に、図1に示すごとく、各スリット板11の横スリット穴112が位置する表面に、サイド押さえ板122を重ね合わせる。このとき、両者の間には上記と同様の接着剤を介在させ固定する。これにより、スリット板11とサイド押さえ板122との間には、薄板バネ20のベース部23が挟持された状態で固定される。そして、これにより、本例の加圧スペーサ1が完成する。
すなわち、薄板バネ20は、中央曲面部21を有しているので、薄板バネ20に圧縮力が付与されて変位した場合に、中央曲面部21及び端部曲面部22が、その曲率半径が減少して潰れるように変形する。このような変形を伴って加圧力が発揮されるので、薄板バネ20は、自然状態からの変位が進んで荷重が高い側に変位してからばね定数が低下し、たわみ量の増加に対する荷重の増加割合が小さくなってくるという、非線形特性を発揮する。
本例では、実施例1に示した薄板バネ20を基本として、各部の寸法関係等を変化させることによってバネ特性がどのように変化するか、その傾向を調べた。
まず、薄板バネ20の中央曲面部21の突出量D(図3)を変化させ、ストロークと荷重との関係を測定した。突出量Dを大きくすることは、中央曲面部21の曲率半径を小さくすることにつながり、また、一対のストレート部24がなす角度α(図3)を小さくすることにもつながる。
図13には、横軸にストロークを、縦軸に荷重を取り、上記距離Wが最も大きい場合を実線W1、距離Wが最も小さい場合を実線W3、距離Wが両者の中間のものを実線W2により示した。同図から知られるごとく、距離Wを大きくするほど、非線形特性が十分に得られる領域に達すまでに必要なストロークが大きくなり、非線形特性が得られる領域での荷重が小さくなる傾向になることがわかる。
図14には、横軸にストロークを、縦軸に荷重を取り、上記板厚tが最も厚い場合を実線t1、板厚tが最も薄い場合を実線t3、板厚tが両者の中間のものを実線t2により示した。同図から知られるごとく、板厚tを薄くするほど、非線形特性が十分に得られる領域に達すまでに必要なストロークが大きくなり、非線形特性が得られる領域での荷重が小さくなる傾向になることがわかる。
なお、以上の特性は、薄板バネに限らず、縦断面形状が、伸縮方向と直交する方向に突出する略円弧状の中央曲面部と、該中央曲面部の両端の延長部において該中央曲面部と逆方向に突出する略円弧状の一対の端部曲面部と、該端部曲面部の端部を伸縮方向と直交する方向に略平行に上記中央曲面部の突出方向に延長させたベース部とを有してなるバネであれば、細丸棒バネ等でも同様である。
本例の加圧スペーサ102は、実施例1における加圧板の構成を変更すると共に薄板バネ20の配列を若干変更し、組み付け方法を変更したものである。図15〜図21を用い、加圧スペーサ102の構成を組み付け手順に従って説明する。
また、各薄板バネ20のベース部23を挟持するための短冊状の単体固定板3を準備する。単体固定板3としては、ベース部23の外側面に当接させる第1単体固定板31と、ベース部23の内側面に当接させる第2単体固定板32とよりなる。いずれも錆を防ぐためにステンレス鋼により構成する。第1単体固定板31は、ベース部23の幅寸法よりも大きい幅寸法を持っており、第2単体固定板32は、第1単体固定板31よりも幅寸法が小さくなっている。
このようにして得られた加圧スペーサ102においては、上記単体固定板3と固定板32とを積層した積層体が加圧板30となる。
得られた加圧スペーサ102は、実施例1と同様の作用効果を発揮する。
本例では、図22に示すごとく、バネ部203として2つの薄板バネ231を備えた単位構造部のみからなるバネ構造体103について説明する。
バネ構造体103は、同図に示すごとく、一対の加圧板303と、該加圧板303の間に配設されたバネ部203とを有する。
加圧板303は、正方形の外板331と、長方形状の内板332とを組み合わせて構成した。
本例は、図23、図24に示すごとく、バネ部204として2つの細丸棒バネ241を備えた単位構造部のみからなるバネ構造体104について説明する。
バネ構造体104は、同図に示すごとく、一対の加圧板304と、該加圧板304の間に配設されたバネ部204とを有する。
バネ部204は、断面形状の中央突出部21の突出方向の向きが互いに反対方向に向くよう2つの細丸棒バネ241を配列して、加圧板304に固定する。
加圧板304は、正方形状を呈し、上記ベース立設部235を挿入するための挿入穴345を有する。
得られた単位構造部のみよりなる非線形バネ構造体104は、そのまま様々な用途の加圧手段として使用することができるし、また、非線形バネ構造体104を複数組み合わせて使用することもできる。
また、上記2つの細丸棒バネ241のそれぞれの隣りに、1又は複数の細丸棒バネを同じ姿勢で並べて配設することによって耐荷重を高めることも可能である。
本例は、実施例4の非線形バネ構造体103を複数組み合わせて1つの加圧スペーサ105を構成した例である。
図25に示すごとく、本例の加圧スペーサ105は、非線形バネ構造体103の加圧板303よりも面積の大きい一対の共通加圧板351を有し、この間に16個の非線形バネ構造体103を挟持した構造を有している。したがって、加圧スペーサ105の加圧板305は、共通加圧板351と非線形バネ構造体103の加圧板303とを積層した構成となる。
また、各非線形バネ構造体103の加圧板303の外板331を省略し、直接共通加圧板351に薄板バネ231のベース部23を接合する構成とすることも可能である。
本例は、実施例4の非線形バネ構造体103について、その非線形特性を調べる実験を行った。
具体的には、前述の図22に示した非線形バネ構造体103の一対の加圧板303を圧縮試験装置(図示略)によって挟持し、全体厚みを縮めるように圧縮し、その圧縮した距離(mm)と、そのときに発生した加圧力(kg)とを測定した。
さらに、同図より、圧縮距離の増減一往復の往路と復路の加重の値が非常に近く、ヒステリシスが非常に少ないことも分かる。
したがって、同図から判断すると、少なくとも、圧縮距離2mm〜9mmの範囲(同図中Q)で使用すれば、非線形バネ構造体103は、非常に優れた特性を発揮しうることが分かる。
同図には、薄板バネ231の下方のベース部23を固定した状態で、圧縮前の自然状態(a)、圧縮距離が1mmの状態(b)、圧縮距離が2mmの状態(c)、圧縮距離が3mmの状態(d)、圧縮距離が4mmの状態(e)、圧縮距離が5mmの状態(f)の形状を示す。各状態の中央曲面部21の位置は、黒丸で強調して示した。
また、同図(b)に示すごとく、圧縮距離の増加に伴って、端部曲面部22が徐々に曲率半径が小さくなるよう変形していくと共に、伸縮方向と直交する方向においても所定距離(Y)分だけ後退することが分かる。このような伸縮方向と直交する方向の変位が、非線形特性に影響しているとも考えられる。
本例は、図30〜32に示すごとく、非線形バネ構造体よりなる加圧スペーサの別例を示す。
すなわち、本例の加圧スペーサ106は、同図に示すごとく、一対の加圧板308と、該加圧板308の間に配設されたバネ部208とを有する。本例のバネ部208は、12個の薄板バネ281を有している。薄板バネ281は、実施例1の薄板バネ20と同様に、伸縮方向に沿って切断した断面形状が、伸縮方向と直交する方向に突出する略円弧状の中央曲面部21と、中央曲面部21の両端の延長部において該中央曲面部と逆方向に突出する略円弧状の一対の端部曲面部22と、端部曲面部22の端部を伸縮方向と直交する方向に略平行に中央曲面部21の突出方向に延長させたベース部23とを有してなる。また、薄板バネ281は、自然長状態において、中央曲面部21と端部曲面部22との間に直線状のストレート部24を有している。そして、ベース部23を加圧板308にそれぞれ固定することによって当該一対の加圧板308間に配置されている。
薄板バネ281の配置は、図30に示すごとく、平面的に見て、長手方向を同図上の上下に向けた縦姿勢のものを、上下に4つずつ合計8つ配置し、長手方向を図面上左右に向けた横姿勢のものを左右の側部に2つずつ合計4つ配置する構成とした。
また、下側の加圧板308には、一対の加圧板308の間隔が縮まりすぎることを防止するためのストッパとしてのブロック体35を4個接合した。
その他は、実施例1と同様の作用効果が得られる。
本例は、図33に示すごとく、複数の電池セル81を積層してなる電池モジュール702に、本発明の実施例としての加圧スペーサ107を適用した例である。
本例の電池モジュール702は、同図に示すごとく、複数の電池セル81を一対の拘束部材721、722の間に挟持して拘束する積層構造体を有する。そして、被加圧部材である電池セル81と共に拘束部材721、722の間に、被加圧部材への加圧力を発生させるための加圧スペーサ107を介在させてある。
本例も、図34に示すごとく、複数の電池セル82を積層してなる電池モジュール703に、本発明の実施例としての加圧スペーサ108を適用した例である。
本例の電池モジュール703は、同図に示すごとく、複数の電池セル82を一対の拘束部材731、732の間に挟持して拘束する積層構造体を有する。そして、被加圧部材である電池セル82と共に拘束部材731、732の間に、被加圧部材への加圧力を発生させるための加圧スペーサ108を介在させてある。
圧特性を発揮しうる加圧スペーサは、未だ開発されているとは言えない。
例えば、特許文献1に示される構成は、ベローズ圧力調整装置を備えた複雑なもので、その制御も単純ではない。
また、特許文献2に示されている皿バネは、一応非線形特性を発揮するものの、皿バネを支持するバネ保持具との間で力の作用点をずらしながら変位する。したがって、皿バネを変位させる場合には、作用点をずらす際の摩擦力によって、ヒステリシスが発生することを避けられない。この摩擦ヒステリシスは、繰り返し安定した加圧力を得るための妨げとなってしまう。
また、特許文献3に示されているバネ板は、非線形特性を発揮しうるものとは考えられない。
[0006]
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、比較的簡単な構成でヒステリシスが少ない非線形特性を発揮する非線形バネ構造体、及び電池セル等の被加圧部材に対して変動の少ない安定した加圧力を付与しうる加圧スペーサを提供しようとするものである。
課題を解決するための手段
[0007]
第1の発明は、一対の加圧板と、該加圧板の間に配設されたバネ部とを有し、
該バネ部は、1又は複数のバネを有しており、
該バネは、伸縮方向に沿って切断した断面形状(以下、適宜、縦断面形状という)が、伸縮方向と直交する方向に突出する略円弧状の中央曲面部と、該中央曲面部の両端の延長部において該中央曲面部と逆方向に突出する略円弧状の一対の端部曲面部と、該端部曲面部の端部を伸縮方向と直交する方向に略平行に上記中央曲面部の突出方向に延長させたベース部とを有してなり、該ベース部を上記加圧板にそれぞれ固定することによって当該一対の加圧板間に配置されており、
上記バネは、加圧されていない自然長状態において、上記中央曲面部と上記端部曲面部との間に直線状のストレート部を有していると共に、加圧されていない自然長状態において、上記中央曲面部を挟む一対の上記ストレート部がなす角度が鈍角であり、
上記一対の加圧板間を圧縮し、たわみ量の増加に対する荷重の増加割合が小さくなる非線形特性領域に達するまで上記バネを縮めた状態で使用するよう構成されていることを特徴とする非線形バネ構造体にある。
[0008]
第2の発明は、1又は複数の被加圧部材を一対の拘束部材の間に挟持して拘束する積層構造体において上記被加圧部材と共に上記拘束部材の間に介在させ、上記被加圧部材への加圧力を発生させるための加圧スペーサであって
Claims (12)
- 一対の加圧板と、該加圧板の間に配設されたバネ部とを有し、
該バネ部は、1又は複数のバネを有しており、
該バネは、伸縮方向に沿って切断した断面形状が、伸縮方向と直交する方向に突出する略円弧状の中央曲面部と、該中央曲面部の両端の延長部において該中央曲面部と逆方向に突出する略円弧状の一対の端部曲面部と、該端部曲面部の端部を伸縮方向と直交する方向に略平行に上記中央曲面部の突出方向に延長させたベース部とを有してなり、該ベース部を上記加圧板にそれぞれ固定することによって当該一対の加圧板間に配置されていることを特徴とする非線形バネ構造体。 - 請求項1において、上記バネは、加圧されていない自然長状態において、伸縮方向と直交する方向における上記中央曲面部と上記一対の端部曲面部との間の距離が、一対の上記ベース部の間隔よりも小さいことを特徴とする非線形ネ構造体。
- 請求項1又は2において、上記バネは、加圧されていない自然長状態において、上記中央曲面部と上記端部曲面部との間に直線状のストレート部を有していることを特徴とする非線形バネ構造体。
- 請求項3において、上記バネは、加圧されていない自然長状態において、上記中央曲面部を挟む一対の上記ストレート部がなす角度が鈍角であることを特徴とする非線形バネ構造体。
- 請求項1〜4のいずれか1項において、上記バネは、チタン又はチタン合金よりなることを特徴とする非線形バネ構造体。
- 請求項1〜5のいずれか1項において、上記バネ部は、上記断面形状の上記中央突出部の突出方向の向きが互いに反対方向に向くよう2つの上記バネを配列してなる単位構造部を少なくとも1組備えていることを特徴とする非線形特性を備えたバネ構造体。
- 請求項1〜6のいずれか1項において、上記バネ部を構成する上記複数のバネは、上記断面形状の上記中央突出部の突出方向の向きがすべて同一ではなく、少なくとも一部が他のものと異なる方向に向いて配列されていることを特徴とする非線形バネ構造体。
- 請求項1〜7のいずれか1項において、上記バネ部は、上記断面形状の配置の向きが同一となるように複数の上記バネを規則性を持って配列したバネ群を少なくとも1組有することを特徴とする非線形バネ構造体。
- 請求項1〜8のいずれか1項において、上記バネは薄板バネよりなることを特徴とする非線形バネ構造体。
- 請求項1〜8のいずれか1項において、上記バネは細丸棒バネよりなることを特徴とする非線形特性を備えたバネ構造体。
- 1又は複数の被加圧部材を一対の拘束部材の間に挟持して拘束する積層構造体において上記被加圧部材と共に上記拘束部材の間に介在させ、上記被加圧部材への加圧力を発生させるための加圧スペーサであって、
該加圧スペーサは、請求項1〜10のいずれか1項に記載の非線形バネ構造体を備えていることを特徴とする加圧スペーサ。 - 請求項11において、上記被加圧部材は、電気の蓄積及び放出が可能な電池セルであることを特徴とする加圧スペーサ。
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