JP7327664B2

JP7327664B2 - 電池パックおよび電子機器

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Publication number: JP7327664B2
Application number: JP2022524379A
Authority: JP
Inventors: 賢佐藤; 健一小澤; 正志佐藤
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2023-08-16
Anticipated expiration: 2041-05-07
Also published as: JPWO2021235243A1; US20230071591A1; CN115668631A; WO2021235243A1

Description

本発明は、電池パックおよび電子機器に関する。

コイン形状を有する二次電池であるコイン型二次電池が知られている。例えば、下記特許文献１には、両端面のそれぞれに正極端子および負極端子が設けられ、一方の極性の電位をＦＰＣ（Flexible Printed Circuits）によって引き回すようにしたコイン型二次電池が記載されている。

特開２００２－１４２１７０号公報

特許文献１に記載の技術では、一方の極性の電位をＦＰＣによってコイン型二次電池の側面から引き回すようにしているため、コイン型二次電池の寸法が増加する。また、接続方式によっては、コイン型二次電池を裏返す必要があり、組立作業性が悪化する虞がある。係る観点に鑑み、コイン型二次電池の一方の端面に正極端子および負極端子を設ける構成が考えられる。しかしながら、一方の端面に正極端子および負極端子の両方が配置されるため、適切に絶縁を確保できる必要が生じる。

したがって、本発明は、一方の端面に正極端子および負極端子の両方が配置される構成においても適切に絶縁を確保できる電池パックおよび電子機器を提供することを目的の一つとする。

本発明は、
二次電池と、
回路基板と
を有し、
二次電池は、
金属外装部と、
金属外装部の端面の中心部に配置される第１の外部端子と、
第１の外部端子の周囲を取り囲むように配置される第２の外部端子と
を有し、
回路基板は、
第１の外部端子に接続される第１の接続部と、
第２の外部端子に接続される第２の接続部と
を有し、
第１の接続部と第２の接続部とを絶縁する絶縁部が設けられており、
第１の接続部および第２の接続部は、同一平面内に配置されている
電池パックである。
本発明は、上述した電池パックを有する電子機器でもよい。

本発明の少なくとも実施形態によれば、一方の端面に正極端子および負極端子の両方が配置される構成においても適切に絶縁を確保できる。なお、本明細書で例示された効果により本発明の内容が限定して解釈されるものではない。

図１は、一実施形態に係る電池パックの分解斜視図である。図２は、一実施形態に係る二次電池の外観例を示す図である。図３は、一実施形態に係る二次電池の内部構成例を説明する際に参照される図である。図４は、一実施形態に係るＦＰＣの構成例を説明する際に参照される図である。図５は、一実施形態に係る電池パックの半部断面図である。図６は、一実施形態に係る電池パックの一部断面を拡大した図である。図７は、変形例を説明するための図である。図８は、応用例を説明するための図である。図９は、応用例を説明するための図である。

以下、本発明の実施形態等について図面を参照しながら説明する。なお、説明は以下の順序で行われる。
＜一実施形態＞
＜変形例＞
＜応用例＞
以下に説明する実施形態等は本発明の好適な具体例であり、本発明の内容がこれらの実施形態等に限定されるものではない。
なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施形態の部材に特定するものではない。特に、実施形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置、上下左右等の方向の記載等は特に限定する旨の記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがあり、また、図示が煩雑となることを防止するために、参照符号の一部のみを図示する場合や一部の図示を簡略化する場合もある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、重複する説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。

＜一実施形態＞
［電池パックの構成例］
図１～図６を参照して、一実施形態に係る電池パックの構成例について説明する。図１は、一実施形態に係る電池パックの分解斜視図である。図２は、一実施形態に係る二次電池の外観例を示す図である。図３は、一実施形態に係る二次電池の内部構成例を説明する際に参照される図である。図４は、一実施形態に係るＦＰＣの構成例を説明する際に参照される図である。図５は、一実施形態に係る電池パックの半部断面図である。図６は、一実施形態に係る電池パックの一部断面を拡大した図である。なお、本明細書において、電池パックとは、二次電池に回路基板が接続された構成を有するものをいう。

図１に示すように、一実施形態に係る電池パック（電池パック１０）は、二次電池１、絶縁部の一例である第１の絶縁板２、回路基板の一例であるＦＰＣ３、他の絶縁部の一例である第２の絶縁板４を有している。二次電池１は、円柱状の形状を成す金属外装部１０１を有している。金属外装部１０１の一方の端面（図１における上面）である端面１０１Ａに対して、第１の絶縁板２、ＦＰＣ３、第２の絶縁板４が順次、積層され、適宜な方法で接続されることで、一実施形態に係る電池パック１０が完成する（図５参照）。

金属外装部１０１の端面１０１Ａの中心部（中央付近の箇所）には、第１の外部端子の一例である正極端子１１０が配置されている。正極端子１１０の周囲を取り囲むように、第２の外部端子の一例である負極端子１２０が配置されている。

第１の絶縁板２は、金属外装部１０１の端面１０１Ａよりやや小さい大きさであり、全体として略円形状を有している。第１の絶縁板２としては、ポリイミド（ＰＩ）フィルムや不織布を用いることができる。不織布を用いる場合、絶縁性と難燃性の観点からアラミド繊維を含む不織布がさらに好ましい。第１の絶縁板２は、中央部に円形状の開口部２０１と、開口部２０１の周囲に設けられた矩形状の開口部２０２、２０３を有している。第１の絶縁板２は、接着等によって金属外装部１０１の端面１０１Ａに取り付けられる。本実施形態では、開口部２０１が、後述する開口部３５２に対応する箇所に設けられる第３の開口部に対応する。また、開口部２０２、２０３が第４の開口部に対応している。開口部２０２は、後述する開口部３６２に対応する箇所に設けられ、開口部２０３は、後述する開口部３７２に対応する箇所に設けられる。

ＦＰＣ３は、中央部に設けられる接続部３０１と、接続部３０１の周囲に設けられる接続部３０２、３０３を有している。接続部３０１は、開口部２０１を介して、正極端子１１０に接続される。接続部３０２は、開口部２０２を介して、負極端子１２０に接続される。接続部３０３は、開口部２０３を介して、負極端子１２０に接続される。本実施形態では、接続部３０１が第１の接続部に対応し、接続部３０２、３０３が第２の接続部に対応する。

第２の絶縁板４は、ＦＰＣ３の第１の絶縁板２と接触する面の反対面の少なくとも一部を覆う。具体的には、第２の絶縁板４は、接続部３０１、３０２、３０３を覆うことができる程度の大きさであり、円形状の形状を有している。第２の絶縁板４によって、正極端子１１０に接続された接続部３０１、負極端子１２０に接続された接続部３０２、３０３が目隠しされるので、電池パック１０の安全性を確保することができる。第２の絶縁板４としては、ポリイミドフィルムや不織布を用いることができる。不織布を用いる場合、絶縁性と難燃性の観点からアラミド繊維を含む不織布がさらに好ましい。

（二次電池について）
次に、一実施形態に係る二次電池１の詳細について説明する。上述したように、二次電池１は、金属外装部１０１を有している。図２に示すように、金属外装部１０１は、例えば、上方が開放された中空円柱状の金属外装部１０１Ｂと、金属外装部１０１Ｂの開放端に配置される蓋状の金属外装部１０１Ｃとを有する。金属外装部１０１Ｃが上述した端面１０１Ａを形成する。例えば、金属外装部１０１Ｂの周縁と金属外装部１０１Ｃの周縁とが溶接される。

図３に示すように、金属外装部１０１Ｃには、周縁から中心部に向かう方向における所定位置に段差１３０が形成され、中心部側が円形状の凹部１３１となっている。凹部１３１の中央には円形状の開口部が形成されている。凹部１３１には絶縁部材１３２を介して、上述した正極端子１１０が配置されている。正極端子１１０および絶縁部材１３２も円形状の形状を有し、中心部に円形状の開口部を有している。正極端子１１０、絶縁部材１３２および凹部１３１のそれぞれの開口部が上下方向に通じるように配置されており、係る開口部の箇所にリベット１４０が打ち込まれ、かしめられる。リベット１４０は、例えば、断面がＨ字状である形状を有している。なお、リベット１４０と負極端子１２０、絶縁部材１３２のそれぞれとの間には、絶縁部材１３５が配置されている。

金属外装部１０１内には、電池素子１５０が収納される。電池素子１５０の上側にはトップインシュレーター１５１が配置され、下側にはボトムインシュレーター１５２が配置される。電池素子１５０の負極側が、負極リード１６０を介して金属外装部１０１Ｂの底面に溶接等により接続される。係る接続により、金属外装部１０１全体が負の極性を帯び、負極端子１２０として機能する。また、電池素子１５０の正極側が正極リード１６１を介してリベット１４０の下側に溶接用により接続されている。係る接続により、リベット１４０に当接する正極端子１１０が正の極性を帯びることになる。

正極端子１１０としては、例えば、ニッケル板を用いることができる。負極端子１２０として機能する金属外装部１０１としては、ステンレス製のものに端面１０１Ａの箇所がニッケルでメッキされたものを用いることができる。リベット１４０の材料としては、例えば、アルミニウムを用いることができる。なお、これらの材料は一例であり、例示された材料に限定されるものではない。

なお、本明細書の正極端子または負極端子における端子とは、物理的な接点に限定されるものでなく、正または負の極性を有する構成であればよい。例えば、本実施形態における金属外装部１０１のように、形状がケース状のものであってもよい。

（ＦＰＣについて）
次に、一実施形態に係るＦＰＣ３の詳細について説明する。図４および図５に示すように、ＦＰＣ３は、円形状の基部３１０と、基部３１０の所定の周縁から延在する矩形状の中間部３１１と、中間部３１１の先端に位置する長楕円形状の先端部３１２とを有し、これらが一体的に形成された構成を有している。

基部３１０の中心部には、上述した接続部３０１が形成されている。また、基部３１０に設けられた接続部３０１の周囲に、上述した接続部３０２、３０３が形成されている。このように、接続部３０１、３０２、３０３は、同一平面内に配置されている。

また、先端部３１２には、外部機器と接続される銅板等の接続端子が形成されている。例えば、接続端子３２１と接続端子３２２とが先端部３１２に形成されている。このように、接続端子３２１と接続端子３２２とは、ＦＰＣ３と同一の基板上に設けられている。

接続端子３２１は、接続部３０１と所定のパターンによって接続される。接続端子３２１は、正極側の出力端子として機能する。接続端子３２２は、接続部３０２および接続部３０３の少なくとも一方と所定のパターンによって接続される。接続端子３２２は、負極側の出力端子として機能する。なお、先端部３１２にコネクタが設けられてもよい。先端部３１２の両端付近には、円形状の孔部３２５と孔部３２６とが形成されている。孔部３２５および孔部３２６は、二次電池１とＦＰＣ３との位置決め用の孔部である。孔部３２５および孔部３２６に対して、例えば、ピン状の治具を挿入することにより、二次電池１とＦＰＣ３との位置決めがなされる。

図６に示すように、ＦＰＣ３は、例えば、２層に積層されたポリイミドシート３４１、３４２を有している。また、接続部３０１は、タブ３５１を有している。タブ３５１としては、銅箔やニッケルタブ等を用いることができる。タブ３５１は、円形状の開口部３５２（図４参照）を中央部に有している。タブ３５１の周縁付近がポリイミドシート３４１、３４２によってサンドイッチ状に挟まれて支持されている。図４および図６に示すように、タブ３５１の露出箇所（ポリイミドシート３４１、３４２によって挟まれていない箇所）の上側には予備半田３５３が設けられ、下側には予備半田３５４が設けられている。予備半田とは半田付け性を向上させるため、予め被半田付け部に設けられた少量の半田を意味し、例えば、低融点半田ペーストが用いられる。

接続部３０２は、タブ３６１を有している。タブ３６１としては、銅箔やニッケルタブ等を用いることができる。タブ３６１は、長楕円形状の開口部３６２（図４参照）を中央部に有している。タブ３６１の周縁付近がポリイミドシート３４１、３４２によってサンドイッチ状に挟まれて支持されている。図５に示すように、タブ３６１の露出箇所の上側には予備半田３６３が設けられ、下側には予備半田３６４が設けられている。

接続部３０３は、タブ３７１を有している。タブ３７１としては、銅箔やニッケルタブ等を用いることができる。タブ３７１は、長楕円形状の開口部３７２（図４参照）を中央部に有している。タブ３７１の周縁付近がポリイミドシート３４１、３４２によってサンドイッチ状に挟まれて支持されている。図４および図６に示すように、タブ３７１の露出箇所の上側には予備半田３７３が設けられ、下側には予備半田３７４が設けられている。

本実施形態では、開口部３５２が第１の開口部に対応する。また、開口部３６２、３７２が第２の開口部に対応する。

［電池パックの製造方法］
次に、電池パック１０の製造方法の一例について説明する。始めに、二次電池１の端面１０１Ａに第１の絶縁板２が接着等によって取り付けられる。そして、孔部３２５および孔部３２６に対して、例えば、ピン状の治具を挿入することにより、ＦＰＣ３の位置決めがなされる。図６に示すように、ＦＰＣ３の位置決めがなされた状態では、開口部３５２が第１の絶縁板２の開口部２０１と通じ、通じた箇所を介してリベット１４０の先端が見える状態となる。また、予備半田３５４の底面と正極端子１１０とが、第１の絶縁板２の厚み分の対向間隙をもって対向する。さらに、ＦＰＣ３の位置決めがなされた状態では、開口部３６２が第１の絶縁板２の開口部２０２と通じ、通じた箇所を介して金属外装部１０１Ｃの一部が見える状態となる。また、予備半田３６４の底面と金属外装部１０１Ｃの一部の箇所とが、第１の絶縁板２の厚み分の対向間隙をもって対向する。さらに、図６に示すように、ＦＰＣ３の位置決めがなされた状態では、開口部３７２が第１の絶縁板２の開口部２０３と通じ、通じた箇所を介して金属外装部１０１Ｃの一部が見える状態となる。また、予備半田３７４の底面と金属外装部１０１Ｃの一部の箇所とが、第１の絶縁板２の厚み分の対向間隙をもって対向する。

ＦＰＣ３の位置決めがなされた状態で、例えば、予備半田３５３の箇所にヒートチップが押し当てられる。これにより、予備半田３５３が溶融し、さらに、ヒートチップの熱が下側の予備半田３５４に伝搬して予備半田３５４が溶融する。溶融した半田が下側に向かって流れる。一定時間後に、ヒートチップが離され、溶融した半田が固化する。これにより、タブ３５１と正極端子１１０とが半田接続される。

同様に、ＦＰＣ３の位置決めがなされた状態で、例えば、予備半田３６３の箇所にヒートチップが押し当てられる。上述した接続部３０１における半田接続と同様に、タブ３６１と金属外装部１０１Ｃ、すなわち、負極端子１２０とが半田接続される。同様に、ＦＰＣ３の位置決めがなされた状態で、例えば、予備半田３７３の箇所にヒートチップが押し当てられる。上述した接続部３０１における半田接続と同様に、タブ３７１と金属外装部１０１Ｃ、すなわち、負極端子１２０とが半田接続される。

図５に示す状態、すなわち、半田接続が終了した後に、第２の絶縁板４が接着等によりＦＰＣ３の上面に取り付けられる。以上のようにして、電池パック１０が完成する。

上述したように、接続部３０１は、所定のパターンによって接続端子３２１と接続されている。これにより、正極端子１１０と半田接続された接続部３０１および接続端子３２１を介して、正極側の出力が外部に出力可能となる。また、接続部３０２および接続部３０３の少なくとも一方は、所定のパターンによって接続端子３２２と接続されている。これにより、負極端子１２０と半田接続された接続部３０２、３０３の少なくとも一方と接続端子３２２とを介して、負極側の出力が外部に出力可能となる。なお、接続端子３２１、３２２が外部機器に接続される際に、ＦＰＣ３の中間部３１１が折り曲げられてもよい。

なお、接続部３０１を正極端子１１０に接続する際に、溶融した半田が流れることで接続部３０１が負極端子１２０とも半田接続されてしまい、ショートが発生する虞がある。反対に、接続部３０２、３０３を負極端子１２０に接続する際に、溶融した半田が流れることで接続部３０２、３０３が正極端子１１０とも半田接続されてしまい、ショートが発生する虞がある。しかしながら、本実施形態では、接続部３０１と接続部３０２との間、および、接続部３０１と接続部３０３との間のそれぞれに第１の絶縁板２が配置されている。従って、溶融した半田が他方の極側に流れてしまうことによるショートの発生を防止することができる。

［本実施形態により得られる効果］
本実施形態によれば、下記の効果が得られる。
正極および負極の電位を同一面から引き出すことができる。ＦＰＣ３の寸法を小さくすることができ、電池パック１０の小型化を図ることができる。
ＦＰＣ３を接続するにあたって二次電池１を裏返す必要がなく、工程を簡略化することができる。
第１の絶縁板２によって、正極端子１１０および負極端子１２０を適切に絶縁することができる。また、これにより二次電池１の周囲に絶縁テープを巻き付ける必要がなくなる。
ＦＰＣ３をチューブで保持し、チューブで保持する面上に部品を実装するとＦＰＣ３の保持力が低下するが本実施形態によればそのような問題が生じないため耐衝撃性が向上する。

＜変形例＞
以上、本発明の一実施形態について具体的に説明したが、本発明の内容は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。

上述した一実施形態におけるＦＰＣ３は、図７に示すＦＰＣ３Ａであってもよい。ＦＰＣ３Ａは、基部３１０に、中心部に形成された銅箔３８１と、銅箔３８１より外側に形成された銅箔３８２、３８３を有する。銅箔３８１が第１の接続部に対応し、銅箔３８２、３８３が第２の接続部に対応する。各銅箔が形成される箇所には、一実施形態と異なり、開口部は形成されない。

銅箔３８１が正極端子１１０に接続され、銅箔３８２、３８３が負極端子１２０に接続される。このように、第１の接続部および第２の接続部は、必ずしも開口部を有していなくてもよい。なお、各銅箔は、レーザ溶接、超音波溶接、抵抗溶接等によって接続される。

上述した一実施形態において、半田接続ではなく、レーザ半田溶接、レーザ溶接、超音波溶接、抵抗溶接等が用いられてもよい。

上述した一実施形態において、第１の外部端子が負極で、第２の外部端子が正極であってもよい。また、上述した一実施形態において、絶縁部に対応する構成が第１の絶縁板２ではなく、ＦＰＣ３の絶縁部材、すなわち、ＰＩフィルムであってもよい。また、上述した一実施形態において、回路基板がＦＰＣ３ではなく、絶縁被覆された金属板であってもよい。また、上述した一実施形態において、リベット１４０がなくてもよい。また、金属外装部１０１の形状は円柱状に限らず、角柱状等、他の形状であってもよい。また、電池パック１０に対する公知の保護動作を行うＩＣ(Integrated Circuit)がＦＰＣ３に実装されていてもよい。

上述した実施形態、変形例で説明した事項は、適宜組み合わせることが可能である。また、実施形態で説明された材料、工程等はあくまで一例であり、例示された材料等に本発明の内容が限定されるものではない。

［応用例］
本発明にかかる電池パックは、ワイヤレスイヤホン等の各種の電子機器、電動工具、電動車両等に搭載又は電力を供給するために使用することができる。

具体的な応用例について説明する。例えば、上述した電池パックは、携帯情報端末の機能を有するウェアラブル機器、いわゆるウェアラブル端末の電源として、使用することができる。ウェアラブル端末としては、例えば腕時計型端末、メガネ型端末などが挙げられるが、これに限定されるものではない。

図８は、電池パックを内蔵したウェアラブル端末の一例を示す。図８に示すように、応用例にかかるウェアラブル端末６３０は、腕時計型端末であり、その内部に電池パック６３２を有している。電池パック６３２として本発明にかかる電池パックを適用することができる。ウェアラブル端末６３０は、ユーザーに装着されて使用できるものである。ウェアラブル端末６３０は、変形が可能なフレキシブルなものであってもよい。

図９に示すように、応用例にかかるウェアラブル端末６３０は、電子機器本体の電子回路６３１と、電池パック６３２とを備える。電池パック６３２は、電子回路６３１に対して電気的に接続されている。ウェアラブル端末６３０は、例えば、ユーザーにより電池パック６３２を着脱自在な構成を有している。なお、ウェアラブル端末６３０の構成はこれに限定されるものではなく、ユーザーにより電池パック６３２をウェアラブル端末６３０から取り外しできないように、電池パック６３２がウェアラブル端末６３０内に内蔵されている構成を有していてもよい。

電池パック６３２の充電時には、電池パック６３２の正極端子６３４Ａ、負極端子６３４Ｂがそれぞれ、充電器（図示せず）の正極端子、負極端子に接続される。一方、電池パック６３２の放電時（ウェアラブル端末６３０の使用時）には、電池パック６３２の正極端子６３４Ａ、負極端子６３４Ｂがそれぞれ、電子回路６３１の正極端子、負極端子に接続される。

（電子回路）
電子回路６３１は、例えば、ＣＰＵ、周辺ロジック部、インターフェース部および記憶部等を備え、ウェアラブル端末６３０の全体を制御する。

（電池パック）
電池パック６３２は、全固体電池セル６１０（実施形態における全固体電池１３）と、充放電回路６３３とを備える。

１・・・二次電池
２・・・第１の絶縁板
３・・・ＦＰＣ
４・・・第２の絶縁板
１０・・・電池パック
１０１・・・金属外装部
１１０・・・正極端子
１２０・・・負極端子
２０１・・・開口部（第３の開口部）
２０２，２０３・・・開口部（第４の開口部）
３０１・・・接続部（第１の接続部）
３０２，３０３・・・接続部（第２の接続部）
３２１，３２２・・・接続端子
３５２・・・開口部（第１の開口部）
３６３、３６４・・・開口部（第２の開口部）

Claims

二次電池と、
回路基板と
を有し、
前記二次電池は、
金属外装部と、
前記金属外装部の端面の中心部に配置される第１の外部端子と、
前記第１の外部端子の周囲を取り囲むように配置される第２の外部端子と
を有し、
前記回路基板は、
前記第１の外部端子に接続される第１の接続部と、
前記第２の外部端子に接続される第２の接続部と
を有し、
前記第１の接続部と前記第２の接続部とを絶縁する絶縁部が設けられており、
前記第１の接続部および前記第２の接続部は、同一平面内に配置されている
電池パック。
前記回路基板は、ＦＰＣまたは絶縁被覆された金属板により構成される
請求項１に記載の電池パック。
前記絶縁部はポリイミドフィルムまたは不織布である
請求項１または２に記載の電池パック。
前記第１の接続部は、第１の開口部を有し、
前記第２の接続部は、第２の開口部を有し、
前記絶縁部は、前記第１の開口部に対応する箇所に設けられた第３の開口部および前記第２の開口部に対応する箇所に設けられた第４の開口部を有する
請求項１から３までの何れかに記載の電池パック。
前記回路基板の前記絶縁部と接触する面の反対面の少なくとも一部が、前記絶縁部と異なる他の絶縁部により覆われている
請求項１から４までの何れかに記載の電池パック。
前記他の絶縁部がポリイミドフィルムまたは不織布である
請求項５に記載の電池パック。
前記回路基板は、外部機器と接続される接続端子を有する
請求項１から６までの何れかに記載の電池パック。
前記接続端子は、前記回路基板と同一の基板上に設けられる
請求項７に記載の電池パック。
前記金属外装部が、円柱状の形状を有している
請求項１から８までの何れかに記載の電池パック。
請求項１から９までの何れかに記載の電池パックを有する電子機器。