JP5130746B2 - 電池用溶接装置 - Google Patents

Description

本発明は、正極と負極とをセパレータを介して捲回してなる電極群の少なくとも一端に接続された集電板に金属リードを溶接するための電池用溶接装置に関し、より詳しくは電池の短絡を引き起こす導電性異物の発生を抑制する技術に関する。

アルカリ蓄電池やリチウムイオン二次電池などの電池は、ポータブル機器や電動工具、あるいは電気自動車用の電源として広く用いられている。中でも比較的エネルギー密度が高く耐久性に優れるニッケル水素蓄電池については、電気自動車用電源などの高出力タイプを中心にその用途が広がりつつある。

このような高出力タイプの電池は、正極および負極からの集電性を向上するため、金属リードを介してこれら帯状の電極の一端と電極端子とを直接接続する方法に代わって、正極と負極とをセパレータを介して捲回してなる電極群の少なくとも一端に集電板を接続し、この集電板と電極端子とを、金属リードを介して接続する構造を採ることになる。

図６は高出力タイプの電池の模式断面図である。正極芯材１ａと正極活物質層１ｂとからなる正極１と、負極芯材２ａと負極活物質層２ｂとからなる負極２とを、セパレータ３を介して捲回して電極群を形成し、正極芯材１ａに正極集電板５を接続し、この正極集電板５と正極端子４を有する封口板６とを、金属リード７を介して接続している。一方で負極芯材１ｂは負極集電板８と接続し、この負極集電板８を、負極端子を兼ねる外装缶９と直接接続している。さらには正極１と電気的に接続された箇所と、負極２と電気的に接続された箇所とを絶縁するために、適所に絶縁物１０を配置することにより、高出力タイプの電池が構成される。

正極集電板５に金属リード７を接続させる方法としては、抵抗溶接が一般的である。具体的には正極集電板５と金属リード７とを一対の溶接電極で挟み込むことができないので、正極集電板５の上に金属リード７を配置した後、平行配置された一対の溶接電極を金属リード７に当接させ、溶接電極間に通電する方法が採られることになる。なお図６においては、負極集電板８が外装缶９と電気的に接続された例を示したが、正極集電板５が電極群の下部に配置されて外装缶９と電気的に接続された場合、正極端子４が負極端子となり、負極集電板８を金属リード７に接続させることになる。

この溶接電極は、溶接を繰り返すことによりその形状および寸法が変化する。そこで特許文献１の図１０に示すように、溶接電極を溶接装置に対し脱着自在な別部品とし、この溶接電極の任意位置をアームなどの別ユニットで固定して形状および寸法の変化に対応させる。より詳しくは、溶接装置の一部に、溶接電極を挿入するための挿入穴と、この挿入穴と連通した切り欠きと、この切り欠きと略垂直に連通したネジ穴とを設け、ネジ穴にネジを嵌めて切り欠きの幅を変えることにより挿入穴の径を変えるようにし、溶接電極の任意位置を挿入穴に固定するのが一般的である。
特開２００２−０５０３３９号公報

しかしながら溶接電極の脱着回数が増すと、ネジやネジ穴の一部が破壊される。ネジやネジ穴を含めて、溶接電極への通電経路は導電性材料で構成されるので、溶接工程に常設された溶接装置から溶接電極を脱着する過程で、溶接工程を経た電極群にネジやネジ穴の一部が混入し、電池を構成した後に内部短絡が起こりやすくなる。

本発明は上述した課題を鑑みてなされたものであり、溶接工程における導電性異物の発生を抑制しつつ簡便に溶接電極の固定位置を最適化できる、量産に適合した信頼性の高い溶接設備を供給することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の電池用溶接装置は、正極と負極とをセパレータを介して捲回してなる電極群の少なくとも一端に接続された集電板と、電極群を収納する外装缶と、外装缶を封口するための封口板と、集電板と封口板とを接続するための金属リー
ドのうち、少なくとも２つを溶接するためのものであって、溶接電極と、溶接電極を固定する電極ユニットと、電極ユニットの略上部を固定支持する支持面を少なくとも１つ有する一対のヘッドと、ヘッドを上下動させる上下動機構と、上下動機構によりヘッドが上下動における下端近傍に達した時点で溶接電極に通電するよう制御する制御部と、からなることを特徴とする。

本発明の溶接装置は、溶接電極の位置調整や交換を溶接工程から離れた場所で行えるので、導電性異物を電極群に付着させて電池内部に混入させる虞が激減する。ここで新たに別部品となる電極ユニットは、その略上部を少なくとも１つは溶接の上下動に対して垂直な支持面を有するヘッドに固定支持されるため、溶接時の下動（すなわち押圧）によってヘッドの支持面と強固に接触できるので、ヘッドと電極ユニットとの接触抵抗は小さい上に、ヘッドと電極ユニットとの位置ズレも回避できる。

以上のように本発明によれば、導電性異物を溶接工程に混入させることなく溶接電極の位置調節を行えるようになるので、信頼性が高く量産ラインに適合した溶接工程を実現することができる。

以下に本発明を実施するための最良の形態について、図を用いて詳細に説明する。

第１の発明は、正極と負極とをセパレータを介して捲回してなる電極群の少なくとも一端に接続された集電板と、電極群を収納する外装缶と、外装缶を封口するための封口板と、集電板と封口板とを接続するための金属リードのうち、少なくとも２つを溶接するための電池用溶接装置であって、溶接電極と、溶接電極を固定する電極ユニットと、電極ユニットの略上部を固定支持する支持面を少なくとも１つ有する一対のヘッドと、ヘッドを上下動させる上下動機構と、上下動機構によりヘッドが上下動における下端近傍に達した時点で溶接電極に通電するよう制御する制御部と、からなることを特徴とする。

図１は本発明の電池用溶接装置を示す模式外観図であり、図２は本発明の電池用溶接装置の特徴部分を示す模式断面図である。溶接電極１１ａおよび１１ｂを固定する電極ユニット１２ａおよび１２ｂは、ヘッド１３ａおよび１３ｂの支持面１４ａおよび１４ｂに当接することにより、ヘッド１３ａおよび１３ｂに固定支持される。ヘッド１３ａおよび１３ｂは上下動機構１５により上下動し、ヘッド１３ａおよび１３ｂが上下動における下端近傍に達した時点で溶接電極１１ａおよび１１ｂに電源部１６ａから通電するよう制御する制御部１６が設けられている。なお溶接電極１１ａおよび１１ｂのみならず、電極ユニット１２ａおよび１２ｂ、ヘッド１３ａおよび１３ｂは、溶接電極１１ａおよび１１ｂへの通電が可能なように、導電性材料を用いて構成されている。

本発明においては、電極ユニット１２ａおよび１２ｂの略上部を、支持面１４ａおよび
１４ｂの少なくとも１つが固定支持するように設けられている。この構成を採ることにより、以下に示す複数の効果が得られる。

第１の効果として、溶接電極１１ａおよび１１ｂの位置調整や交換の作業を溶接工程から離れた場所で行えるので、この作業によりなお溶接電極１１ａおよび１１ｂと電極ユニット１２ａおよび１２ｂのいずれかが磨耗欠落し、導電性異物として溶接工程を通過する電極群に付着して電池内部に混入する虞が激減する。あるいは上述した磨耗欠落を回避するべく溶接電極１１ａおよび１１ｂの位置調整や交換の作業を杜撰に行うことによる電極ユニット１２ａおよび１２ｂとの接触不良（溶接不具合の主因の１つ）の虞が激減する。

第２の効果として、電極ユニット１２ａおよび１２ｂは一定面積の支持面１４ａおよび１４ｂを有するヘッド１３ａおよび１３ｂに固定支持された上に、溶接の上下動に対して略垂直方向に設けられた支持面１４ａおよび１４ｂは、上下動機構１５により溶接時に下動した際にヘッド１３ａおよび１３ｂを押圧して強固に接触するので、これら部品の接触抵抗は小さく、かつ位置ズレも起こりにくい。

なお上下動機構１５は、ヘッド１３ａおよび１３ｂを上端に備えたシャフトの下端に円盤状のカムを設けてカムの回転によりシャフトを上下動させる構造でも良く、ヘッド１３ａおよび１３ｂを下方に加圧するシリンダー１７を設けてシャフトを上下動させる構造でも良く、モータでヘッド１３ａおよび１３ｂを上下動させる構造でも良い。

第２の発明は、第１の発明において、クランプによってヘッド１３ａおよび１３ｂに電極ユニット１２ａおよび１２ｂを固定支持するようにしたことを特徴とする。電極ユニット１２ａおよび１２ｂをヘッド１３ａおよび１３ｂの支持面１４ａおよび１４ｂに強固にかつ精度良く接触させるためには、図３のように位置決め機構としてクランプ１７ａおよび１７ｂを用いるのが好ましい。

なお図３には一例としてトグルクランプ方式を用いた例を示したが、ヘッド１３ａおよび１３ｂに電極ユニット１２ａおよび１２ｂを固定支持するクランプ力を発生させることができるものであれば任意に選択できる。トグルクランプ方式以外にクランプ力を発生させることができるものとしては、スプリング方式、エアシリンダ方式、油圧クランプ方式、パチン錠方式、マグネット方式などが挙げられる。

第３の発明は、第１の発明において、溶接電極１１ａおよび１１ｂおよび電極ユニット１２ａおよび１２ｂの材質として、銅あるいは銅を含む複合材料を用いたことを特徴とする。銅あるいは銅を含む複合材料は高い導電性を示す反面、展性が高いため磨耗欠落が起こって導電性異物を発生させる虞が高いので、本発明の効果がより顕著になる。

第４の発明は、第３の発明において、溶接電極１１ａおよび１１ｂを挿入するための挿入穴と、この挿入穴と連通した切り欠きと、この切り欠きと略垂直に連通したネジ穴とを電極ユニット１２ａおよび１２ｂに設け、ネジ穴にネジを嵌めて切り欠きの幅を変えることにより挿入穴の径を変えるようにしたことを特徴とする。

図４は第４の発明の電極ユニットの一例を示す模式外観図であり、一対のうち片方だけを示している。電極ユニット１２には、溶接電極１１を挿入するための挿入穴１８と、挿入穴１８と連通した切り欠き１９と、切り欠き１９と略垂直に連通したネジ穴２０とが設けられている。ネジ穴２０にネジ２１を嵌めてネジ締めすることにより、切り欠き１９の幅は狭まり、挿入穴１８の径は小さくなって挿入された溶接電極１１の位置が固定される。この構造は溶接電極１１をより強固に電極ユニット１２に固定できる反面、溶接電極１１の位置調整や交換の作業の際にネジ締めを繰り返すことでネジ穴２０あるいはネジ２１
の磨耗欠落を起こして導電性異物を発生させる虞が高い。よって第１の発明との組み合わせによって顕著な効果が発揮できる。

第５の発明は、第４の発明において、ネジ穴２０におけるネジ山を脱着自在なものとしたことを特徴とする。上述したように、ネジ穴２０はネジ締めを繰り返すことにより磨耗欠落が起こりやすいので、ネジ穴２０におけるネジ山をインサートナット（例えばヘリサート／株式会社ツガミ製・商品名やエンザート／ケーケーヴィコーポレーション製・商品名）などの脱着自在なものとし、磨耗欠落が起こる前に定期的な交換を行うことが好ましい。

第６の発明は、第３の発明において、溶接電極１１および１１ｂを挿入するための挿入穴と、この挿入穴と連通した切り欠きと、この切り欠きと略垂直に連通したキリ穴とを電極ユニット１２ａおよび１２ｂに設け、この電極ユニット１２ａおよび１２ｂにキリ穴と連通しうるネジ穴を有する切片を当接し、キリ穴を貫通するようにネジ穴にネジを嵌めて切り欠きの幅を変えることにより挿入穴の径を変えるようにしたことを特徴とする。

図５は第６の発明の電極ユニットの一例を示す模式外観図であり、一対のうち片方だけを示している。電極ユニット１２には、溶接電極１１を挿入するための挿入穴１８と、挿入穴１８と連通した切り欠き１９と、切り欠き１９と略垂直に連通したキリ穴２２とが設けられている。さらに電極ユニット１２にキリ穴２２と連通しうるネジ穴２０（図５では図示せず）を有する切片２３を当接し、キリ穴２２を貫通するようにネジ穴２０にネジ２１を嵌めてネジ締めすることにより、切り欠き１９の幅は狭まり、挿入穴１８の径は小さくなって挿入された溶接電極１１の位置が固定される。第５の発明ではネジ穴２０におけるネジ山のみを脱着自在なものとしたが、ネジ穴２０を有する切片２３自体を脱着自在な構成にすることにより、磨耗欠落が起こる前の定期的な交換がより簡便になる。

第７の発明は、第６の発明において、切片２３として、銅よりも展性が低い金属を用いたことを特徴とする。切片２３を、鉄やステンレス鋼などのように銅よりも展性が低い金属で構成することにより、ネジ締めを繰り返してもネジ穴２０あるいはネジ２１が磨耗欠落しにくくなるので、定期的な交換の頻度を減らすことができるようになる。

本発明によれば、短絡の懸念を排除しながら連続的かつ安定に溶接が行えるので、ラインスピードが要求される量産規模の大きな電池、例えば電気自動車の補助電源である電池モジュールを構成する単電池の大量生産などに利用できる上、その有用性は極めて大きい。

本発明の電池用溶接装置を示す模式外観図 本発明の電池用溶接装置の特徴部分を示す模式断面図 第３の発明の電池用溶接装置を示す模式外観図 第４の発明の電極ユニットの一例を示す模式外観図 第６の発明の電極ユニットの一例を示す模式外観図 高出力タイプの電池の模式断面図

符号の説明

１ 正極
１ａ 正極芯材
１ｂ 正極活物質層
２ 負極
２ａ 負極芯材
２ｂ 負極活物質層
３ セパレータ
４ 正極端子
５ 正極集電板
６ 封口板
７ 金属リード
８ 負極集電板
９ 外装缶
１０ 絶縁物
１１、１１ａ、１１ｂ 溶接電極
１２、１２ａ、１２ｂ 電極ユニット
１３ａ、１３ｂ ヘッド
１４ａ、１４ｂ 支持面
１５ 上下動機構
１６ 制御部
１６ａ 電源部
１７ａ、１７ｂ クランプ
１８ 挿入穴
１９ 切り欠き
２０ ネジ穴
２１ ネジ
２２ キリ穴
２３ 切片

Claims (6)

1. 正極と負極とをセパレータを介して捲回してなる電極群の少なくとも一端に接続された集電板と、電極群を収納する外装缶と、外装缶を封口するための封口板と、前記集電板と封口板とを接続するための金属リードのうち、少なくとも２つを溶接するための電池用溶接装置であって、
   溶接電極と、
   前記溶接電極を固定する電極ユニットと、
   前記電極ユニットの上部を固定支持する支持面を少なくとも１つ有する一対のヘッドと、前記ヘッドを上下動させる上下動機構と、
   前記上下動機構により前記ヘッドが上下動における下端近傍に達した時点で、前記溶接電極に通電するよう制御する制御部と、
   からなり、クランプによって前記ヘッドに前記電極ユニットを固定支持するようにしたことを特徴とする、電池用溶接装置。
2. 前記溶接電極および前記電極ユニットの材質として、銅あるいは銅を含む複合材料を用いたことを特徴とする、請求項１記載の電池用溶接装置。
3. 前記溶接電極を挿入するための挿入穴と、この挿入穴と連通した切り欠きと、この切り欠きと垂直に連通したネジ穴とを前記電極ユニットに設け、
   前記ネジ穴にネジを嵌めて前記切り欠きの幅を変えることにより前記挿入穴の径を変えるようにしたことを特徴とする、請求項２記載の電池用溶接装置。
4. 前記ネジ穴におけるネジ山を脱着自在なものとしたことを特徴とする、請求項３記載の電池用溶接装置。
5. 前記溶接電極を挿入するための挿入穴と、この挿入穴と連通した切り欠きと、この切り欠きと垂直に連通したキリ穴とを前記電極ユニットに設け、
   前記電極ユニットに前記キリ穴と連通しうるネジ穴を有する切片を当接し、
   前記キリ穴を貫通するように前記ネジ穴にネジを嵌めて前記切り欠きの幅を変えることにより前記挿入穴の径を変えるようにしたことを特徴とする、請求項２記載の電池用溶接装置。
6. 前記切片として、銅よりも展性が低い金属を用いたことを特徴とする、請求項５記載の電池用溶接装置。