(57)【要約】【課題】ポリマーＰＴＣ素子に変えてセラミックＰＴＣ素子を採用することで、耐熱、耐圧性に優れた信頼性の高いパック電池等を提供する。【解決手段】パック電池は、一以上の電池と、前記電池の保護回路１１Ｂを実装し前記電池の一端面に対向するように配置された回路基板１１Ａとを備えるパック電池であって、前記回路基板１１Ａ上に熱感応素子であるセラミックＰＴＣ素子１５を実装しており、さらに前記電池と、前記セラミックＰＴＣ素子１５を実装した回路基板１１Ａとが樹脂でモールドされて樹脂成形部で一体的に構成されている。これによって、セラミックＰＴＣ素子１５で電池の短絡等による過大電流で異常発熱する事態を回避すると共に、樹脂でモールド成型する際の熱や圧力でＰＴＣ素子が損傷を受けることなく、安定して信頼性高く使用できる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一以上の電池と、前記電池の保護回路(11B)を実装し前記電池の一端面に対向するように配置された回路基板(11A)とを備えるパック電池であって、
前記回路基板(11A)上に熱感応素子であるセラミックＰＴＣ素子(15)を実装しており、
さらに前記電池と、前記セラミックＰＴＣ素子(15)を実装した回路基板(11A)とが樹脂でモールドされて樹脂成形部で一体的に構成されてなることを特徴とするパック電池。
【請求項２】
電池を保持するための電池保持部と回路基板(11A)を保持するための基板保持部とが互いに間隙を形成するよう構成されてなる成形型の内部の、前記電池保持部に電池を保持させ、かつ熱感応素子であるセラミックＰＴＣ素子(15)を予め実装した回路基板(11A)を、実装面が電池と対向するように前記基板保持部に保持させるステップと、
前記間隙に成形材料を充填して成形を行うステップと、
を含むことを特徴とするパック電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＰＴＣ素子を利用した温度検出による制御が可能なパック電池およびその製造方法に関し、特に樹脂で成型可能なパック電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電子機器用の電源として、電池やパック電池には小型化、薄型化が要求されている。そこで、二次電池と二次電池の保護回路を構成した回路基板を外装ケース内に収容したり、あるいは回路基板と電池とを樹脂モールドにより一体成型したパック電池や電池が開発されている（例えば特許文献１）。
【０００３】
一方、二次電池の温度を検出して充電制御や安全制御などを行うための熱感応素子がパック電池に設けられる。熱感応素子は、二次電池が温度上昇したときに入出力回路を遮断、制限する温度ヒューズやＰＴＣ素子などが利用される。特にＰＴＣ（Positive Temperature Coeffcient）素子は、正の温度係数を備え、温度上昇によって抵抗率を急激に増加させることで電流量を抑制し、温度が低下すると抵抗率も低下するため正常復帰が可能であり、熱感応素子として好適である。このようなＰＴＣ素子としては、特許文献２に記載されるようにポリマーＰＴＣ素子が利用されている。従来のパック電池の一例を図１の断面図及び図２の斜視図に示す。これらの図に示すパック電池は、端面に凸部電極９２Ｂとその脇に平面部９２Ｃを備える電池９２と、凸部電極９２Ｂに連結される連結部９８Ａを備える固定リード板９８と、平面部９２Ｃに連結される引出リード板９９と、固定リード板９８を電池９２の平面部９２Ｃと絶縁するための絶縁カバー９１０と、固定リード板９８および引出リード板９９に各々接続された外部入出力端子９３および電池９２の保護回路９１Ｂを備える回路基板９１Ａを設けた絶縁ブロック９１とを備える。
【０００４】
しかしながら、ポリマーＰＴＣ素子は熱に弱いという問題がある。ポリマーＰＴＣ素子に高い熱が与えられると、熱トリップを生じる。熱トリップとは、温度が所定値以上に上昇したとき抵抗値が急激に増加する現象である。ポリマーＰＴＣ素子は一旦熱トリップを生じると、常温に戻っても抵抗値が初期値に戻らず、高い抵抗値を維持する性質がある。常温での抵抗値が高くなると、二次電池を正常に放電する際の損失が多くなるため、好ましくない。また、ポリマーＰＴＣ素子はポリマー材料を利用する性質上、耐性が高くなく、あまり高い温度や圧力、電圧に耐えられない。このため、回路基板９１Ａ上にはんだ付けやリフロー等により直接実装することが困難であり、図１の断面図及び図２の斜視図に示すように保護回路９１Ｂを設けた回路基板９１Ａとは別部材のリード端子９８などにポリマーＰＴＣ素子９５を設けていた。ポリマーＰＴＣ素子９５を別部材に設けると、これを配置するためのスペースが必要となり、パック電池の小型化が阻害される。さらに、パック電池を樹脂などで成型する際には、溶融加熱された成型樹脂によりポリマーＰＴＣ素子９５が熱トリップを起こし、特性が悪くなるという問題があった。さらにまた樹脂による成型時に圧力を受けて素子９５が破損することもあり、歩留まりを悪くするという問題もあった。
【特許文献１】特開２００３−８６１５９号公報
【特許文献２】特開平１１−１１１２５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来のこのような問題点を解決するためになされたものである。本発明の主な目的は、ポリマーＰＴＣ素子に変えてセラミックＰＴＣ素子を採用することで、耐熱、耐圧性に優れた信頼性の高いパック電池およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明のパック電池は、一以上の電池と、前記電池の保護回路１１Ｂを実装し前記電池の一端面に対向するように配置された回路基板１１Ａとを備えるパック電池であって、前記回路基板１１Ａ上に熱感応素子であるセラミックＰＴＣ素子１５を実装しており、さらに前記電池と、前記セラミックＰＴＣ素子１５を実装した回路基板１１Ａとが樹脂でモールドされて樹脂成形部で一体的に構成されてなることを特徴とする。
【０００７】
この構成によって、セラミックＰＴＣ素子１５で電池の短絡等による過大電流で異常発熱する事態を回避すると共に、樹脂でモールド成型する際の熱や圧力でＰＴＣ素子が損傷を受けることなく、安定して信頼性高く使用できる。
【０００８】
また本発明のパック電池の製造方法は、電池を保持するための電池保持部と回路基板１１Ａを保持するための基板保持部とが互いに間隙を形成するよう構成されてなる成形型の内部の、前記電池保持部に電池を保持させ、かつ熱感応素子であるセラミックＰＴＣ素子１５を予め実装した回路基板１１Ａを、実装面が電池と対向するように前記基板保持部に保持させるステップと、前記間隙に成形材料を充填して成形を行うステップとを含むことを特徴とする。
【０００９】
これによって、樹脂でモールド成型する際の熱や圧力でＰＴＣ素子が損傷を受けることが回避され、安定して信頼性高く使用可能なパック電池を製造できる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のパック電池およびその製造方法によれば、ポリマーＰＴＣ素子に代えてセラミックＰＴＣ素子を利用することで、回路基板への実装や樹脂によるモールド成型を可能とし、パック電池の小型化や製造工程の簡素化に寄与し得る。特にセラミックＰＴＣ素子は耐熱性、耐圧性に優れ、熱によって特性を悪化させないため、製造時の歩留まり向上や使用時の信頼性を高め、高品質なパック電池を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するためのパック電池およびその製造方法を例示するものであって、本発明はパック電池およびその製造方法を以下のものに特定しない。
【００１２】
また、本明細書は特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、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、詳細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。
【００１３】
図３に、本発明の一実施の形態に係るパック電池の斜視図を示す。この図に示すパック電池は、電池の電池端面に樹脂成形部１を成形している。樹脂成形部１は、成形するときに、図４の断面図に示すように、絶縁ブロック１１をインサートして固定する。図のパック電池は、凸部電極２Ｂのある電極端面に樹脂成形部１を固定しているが、凸部電極のある電池端面とは反対側の電池端面に樹脂成形部を固定して、ここに絶縁ブロックをインサートすることもできる。また電池は、図示しないが、幅の狭い両側面に樹脂成形部を固定して、ここに絶縁ブロックをインサートすることもできる。凸部電極とは反対側に絶縁ブロックをインサートし、あるいは電池の側面に絶縁ブロックをインサートして配設するパック電池は、絶縁ブロックのリード片を電池の側面に沿って絶縁しながら延長して凸部電極に接続する。
【００１４】
図５に、本発明の一実施の形態に係るパック電池のコアパックを構成する分解斜視図を示す。この図に示すように、コアパック１０は電池２と、絶縁カバー１０１と、固定リード板２８と、引出リード板２９と、絶縁ブロック１１とを備える。コアパック１０は、図８の断面図に示すように、絶縁ブロック１１を電池２に連結したものである。図６と図７に示すコアパック１０は、絶縁ブロック１１を電池２に連結している。絶縁ブロック１１を連結しているコアパック１０は、最も簡単な構造で、安価に製造できる。ただし、本実施の形態に係るパック電池は、図示しないが、絶縁ブロックに回路基板等を樹脂成形部にインサートする構造とすることもできる。あるいは、絶縁ブロックの裏面を回路基板と一体としてもよい。
【００１５】
電池２は、リチウムイオン電池、ニッケル−水素電池、ニッケル−カドミウム電池等の充電できる二次電池である。図の電池２は、薄型電池で、外装缶２Ａの両側を湾曲面として、外装缶２Ａの四隅のコーナー部を面取りした形状としている。薄型電池にリチウムイオン電池を使用すると、パック電池全体の容量に対する充電容量を大きくできる特長がある。なお本明細書において電池とは、パック電池を構成する二次電池の素電池又は二次電池を含む意味で使用する。
【００１６】
パック電池は、図６と図７の斜視図に示すように、電池２のコアパック１０を金型３０の成形室３１に仮り止めし、成形室３１に溶融樹脂を注入して、絶縁ブロック１１を定位置に配設しているコアパック１０の一部を樹脂成形部１にインサートして製作される。この際、溶融樹脂により電子部品を破損しないよう低温、低圧による樹脂成型を行う。
【００１７】
［電池保持部および基板保持部］
樹脂モールドの成形に用いる下側の金型３０には、電池２および回路基板１１Ａなどを収納できるように凹部が形成されている。電池２は、凹部内面における電池保持部の上に、位置決めされた状態で収納される。また凹部内面には、電池保持部から一定の間隙をおいた領域に、突起部と棚部とが形成されている。回路基板１１Ａは、この突起部と棚部とで形成される溝部によって、金型３０の内部に位置決め保持された状態で収納される。なお、ここでは下側金型の形状を説明したが、上側金型についても同様に突起部および棚部が形成された凹部を有する形状を備える。このパック電池を製造するには、電池保持部と基板保持部とが互いに間隙をおいて設けられている成形型内部の、電池保持部に電池２を保持させつつ、基板保持部に外部入出力端子３を有する回路基板１１Ａを保持させ、間隙に成形材料を充填して成形を行う。この方法によれば、パック電池の全体を薄くしながら金属板と電池２との連結を強固にでき、かつ位置決めも同時に行える。さらに、成形型内部の基板保持部に回路基板１１Ａを保持させた状態で成形材料を充填するので、外部入出力端子３の位置精度が確保されるとともに、樹脂流れ不良を生じることがない。またパック電池は、電池２と、この電池２と電気的に接続された外部入出力端子３を備える回路基板１１Ａとが間隙をおいて配置され、間隙に一体構造を有する樹脂部が形成され、回路基板１１Ａが樹脂部によって電池２に固定される。このパック電池では、間にホルダー等を介することなく、樹脂部によって回路基板１１Ａと電池２とが固定されているので、重量およびコストなどの面から優れる。また樹脂部は、形成時において、良好な樹脂流れとなるので、その内外にクラックやピンホールの無い優れた品質を有する。
【００１８】
絶縁ブロック１１は、図４に示すように電池２の保護回路１１Ｂなどの電子部品を実装した回路基板１１Ａを裏面に備えている。回路基板１１Ａ上には、電池２の温度を検出して安全制御を行うための熱感応素子を備える。あるいは、電池が異常な状態になると電流を遮断して電池を安全に保護するブレーカ機構を回路基板上に備えてもよい。本実施の形態においては、熱感応素子としてセラミックＰＴＣ素子１５を使用する。このセラミックＰＴＣ素子１５は、図４に示すように回路基板１１Ａ上に実装されるため、電池２と対向する位置に配置され、この状態で電池２と熱結合されて、電池２の温度上昇に応じて抵抗値を変化するよう構成される。このようにセラミックＰＴＣ素子１５を電池２と直列に接続することで、過電流が生じるとセラミックＰＴＣ素子１５がジュール熱で温度上昇し、抵抗値を変化させる。
【００１９】
［セラミックＰＴＣ素子１５］
セラミックＰＴＣ素子１５は、高純度のチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）に、半導体化のために添加物として希土類元素を加え、さらに抵抗急峻性を良好にする添加物として、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｂ等を微量添加して焼結したセラミックスである。また、このような材料組成と量を任意に選択することによって、キューリー温度を約−２０〜３００℃の範囲において任意に設定することができる。またセラミックＰＴＣ素子の形状や寸法、使用個数などは、使用される電池２の種類や容量などに応じて適宜設計される。
【００２０】
セラミックＰＴＣ素子はポリマーＰＴＣ素子と異なり、耐熱性、耐圧性に優れているため、パック電池の製造時に樹脂による低温成型の際、加熱溶融された樹脂の熱で内部抵抗が上昇するといった問題を生じない。このため、ポリマーＰＴＣ素子を使用する際に問題となっていた成型時の熱トリップによって使用時の内部抵抗が上昇して損失が大きくなるという課題を回避できる。また、セラミックＰＴＣ素子は基板実装が可能であり、リフロー半田などにより回路基板１１Ａ上に実装される。このため、回路基板１１Ａと別部材のリード端子などにＰＴＣ素子を配置する必要がなく、省スペース化や小型化が実現され、さらに別部材との配線も不要でよりコンパクトなパック電池とできる。
【００２１】
またセラミック製であるためポリマーと異なり十分な硬度を備えており成型圧に強く、樹脂成型時や固化時に樹脂から受ける圧力によって損傷を受ける事態も回避できる。このように、セラミックＰＴＣ素子は製造時に特性を悪化させることなく、使用時の温度で抵抗値が正しく変化する熱感応素子として安定して使用できる。
【００２２】
絶縁ブロック１１は、絶縁材であるプラスチックの成形品である。図９ないし図１１に示す絶縁ブロック１１は、プラスチックで別々に成形しているベースブロック１１Ａと、このベースブロック１１Ａに固定しているカバーブロック１１Ｂとを備え、カバーブロック１１Ｂの表面に外部入出力端子３を固定している。また、絶縁ブロックをカバーブロックとベースブロックとに分離しない一体構造とすることもできる。また図１０に示す絶縁ブロック１１は、カバーブロック１１Ｂとベースブロック１１Ａの間に収納室を設けて、この収納室にブレーカ機構４を内蔵することができる。収納室に内蔵されるブレーカ機構４は、可動アーム１２を備え、可動アーム１２に温度変形金属を積層し温度変形金属とし、可動アーム１２が熱で変形してオンオフに切り換えられるブレーカ機構を構成する。
【００２３】
絶縁ブロック１１は、表面に外部入出力端子３を固定している。図の絶縁ブロック１１は、カバーブロック１１Ｂの上面に外部入出力端子３をインサートして固定している。この図の絶縁ブロック１１は、カバーブロック１１Ｂに外部入出力端子３を固定しているが、ベースブロックに外部入出力端子を固定することもできる。図の絶縁ブロック１１は、正負の出力端子である第１の出力端子３Ａ、第２の出力端子３Ｂに加えて、中間に信号端子３Ｃを備えている。信号端子３Ｃは、電子部品２０を介して隣の第１の出力端子３Ａに接続される。電子部品２０は、第１の出力端子３Ａと信号端子３Ｃの下面に半田付けして固定される。電子部品２０は、抵抗、サーミスター等の温度センサー、コンデンサー等である。また、信号端子と出力端子は、リード線で接続することもできる。このパック電池は、信号端子３Ｃと第１の出力端子３Ａとの電気抵抗を検出して、パック電池を識別する。
【００２４】
図１２のパック電池は、外部入出力端子３を設けている端面の両側に位置決凹部９を設けている。位置決凹部９を備えるパック電池は、電子機器の装着部（図示せず）に位置ずれなくセットできる。位置決凹部９を装着部に嵌着して定位置にセットできるからである。絶縁ブロック１１は、位置決凹部９を設けるために、両端に切除部１１ｅを設けて、補強突出部１１ｆを突出させている。補強突出部１１ｆは、樹脂成形部１にインサートされて、パック電池の角部を補強する。
【００２５】
絶縁ブロック１１は、固定リード板２８と引出リード板２９とを介して電池２に連結される。固定リード板２８は電池２の凸部電極２Ｂに、引出リード板２９は凸部電極２Ｂの横の電極端面の平面部２Ｃにそれぞれ連結される。固定リード板２８と引出リード板２９は、いずれも導電性の良い金属板を折曲して構成される。固定リード板２８は、図５に示すように、電池２の凸部電極２Ｂに連結される連結部２８Ａにスリットを設けている。この形状の連結部２８Ａは、凸部電極２Ｂにスポット溶接して確実に無効電流を少なくして溶着できる。また、固定リード板２８を電池２の平面部２Ｃと絶縁するために、この間に絶縁カバー１０１が配置される。絶縁カバー１０１はプラスチックなどの絶縁体で構成され、固定リード板２８を電池２の平面部２Ｃとの間に介在してこれらを電気的に遮断する。一方、引出リード板２９は、絶縁ブロック１１の裏面に固定された回路基板１１Ａ上の電子回路と接続される。固定リード板２８および引出リード板２９は、電池２の電極と外部に表出する出力端子とを電気的に接続する。固定リード板２８と引出リード板２９はインサートして絶縁ブロック１１にすることもできる。ただ、必ずしもインサートして固定する必要はなく、嵌着し、あるいは接着して固定することもできる。固定リード板２８と引出リード板２９は、スポット溶接し、あるいはレーザー溶接して凸部電極２Ｂや電極端面の平面部２Ｃに固定される。
【００２６】
以上のパック電池は、以下のようにして製造される。
(1)引出リード板２９の先端部を凸部電極２Ｂに隣接する電極端面の平面部２Ｃに、スポット溶接等の方法で固定する。その後、図８に示すように、引出リード板２９をＵ曲して、絶縁ブロック１１を電極端面に対向する姿勢、いいかえると、電極端面と平行な姿勢に接近させる。
【００２７】
(2)絶縁ブロック１１に連結している固定リード板２８の連結部２８Ａを電池２の凸部電極２Ｂにスポット溶接等の方法で固定して、絶縁ブロック１１と電池２に連結してコアパック１０を製作する。底にプラスチック成形体２１を連結するコアパック１０は、プラスチック成形体２１を接着して固定する。
【００２８】
(3)コアパック１０を、金型３０の成形室３１にセットする。このとき、コアパック１０は、可動ピン３３が絶縁ブロック１１を押圧して、絶縁ブロック１１の表面の外部入出力端子３を基準面３２に押圧する。可動ピン３３で金型３０の基準面３２に押圧される絶縁ブロック１１は、成形室３１の正確な位置に仮り止めして保持される。成形室３１にコアパック１０をセットした後、金型３０を型締めする。型締めされた金型３０は、樹脂成形部１を成形するための成形室３１が形成される。
【００２９】
(4)成形室３１に、加熱された溶融樹脂の注入を開始し、成形室３１に溶融樹脂を満たして、樹脂成形部１を成形する。溶融樹脂は、金型３０に開口された注液孔から注入される。溶融樹脂の注入工程においては、可動ピン３３は絶縁ブロック１１を基準面３２に押圧する状態で注入を開始して、最後まで溶融樹脂を注入することもできるが、可動ピン３３が絶縁ブロック１１を基準面３２に押圧する状態で、溶融樹脂の注入を開始し、溶融樹脂の注入が完了する前に、絶縁ブロック１１を押圧しない位置まで可動ピン３３を後退させることもできる。樹脂成形部１の注入が開始されて、成形室３１に溶融樹脂が注入されると、注入された溶融樹脂で絶縁ブロック１１は定位置に保持される。したがって、その後は、可動ピン３３が絶縁ブロック１１を基準面３２に押圧する押圧状態を解除して、溶融樹脂を注入して、絶縁ブロック１１と外部入出力端子３の位置ずれを防止しながら溶融樹脂の注入を完了できる。この方法で成形すると、可動ピン３３が絶縁ブロック１１を押圧する位置にないので、可動ピン３３の跡型である凹部が樹脂成形部１にできるのを解消できる。
【００３０】
(5)樹脂成形部１を硬化させた後、金型３０を開いて、樹脂成形部１にコアパック１０の一部をインサート成形しているパック電池を取り出す。
【００３１】
(6)その後、熱収縮チューブである筒状の表面被覆シート７にパック電池を入れ、熱収縮チューブを加熱して、パック電池の表面に密着させる。表面被覆シート７は、樹脂成形部１とプラスチック成形体にぴったりと密着されて、樹脂成形部１とプラスチック成形体２１とをしっかりと電池２に連結する。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明のパック電池およびその製造方法は、携帯電話やＰＤＡなどの携帯電気機器用の電池といった、薄型化が要求される電池のパック電池に好適に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】従来のパック電池の樹脂成形部を示す断面図である。
【図２】従来のパック電池の分解斜視図である。
【図３】本発明の一実施の形態に係るパック電池を示す分解斜視図である。
【図４】図３に示すパック電池の樹脂成形部を示す断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係るパック電池のコアパックを示す分解斜視図である。
【図６】図３に示すパック電池のコアパックを金型に配設する状態を示す斜視図である。
【図７】図６に示すコアパックと金型の背面斜視図である。
【図８】図６に示すコアパックの平面図である。
【図９】絶縁ブロックの斜視図
【図１０】図９に示す絶縁ブロックの分解斜視図
【図１１】図９に示す絶縁ブロックの平面図
【図１２】図３に示すパック電池の出力端子部分の拡大斜視図
【符号の説明】
【００３４】
１…樹脂成形部
２、９２…電池    ２Ａ…外装缶    ２Ｂ、９２Ｂ…凸部電極
２Ｃ、９２Ｃ…平面部
３、９３…外部入出力端子    ３Ａ…第１の出力端子    ３Ｂ…第２の出力端子
３Ｃ…信号端子
７…表面被覆シート
９…位置決凹部
１０…コアパック
１０１、９１０…絶縁カバー
１１、９１…絶縁ブロック    １１Ａ…ベースブロック    １１Ｂ…カバーブロック
１１ｅ…切除部            １１ｆ…補強突出部
１１Ａ、９１Ａ…回路基板
１１Ｂ、９１Ｂ…保護回路
１２…可動アーム
１５…セラミックＰＴＣ素子
２０…電子部品
２１…プラスチック成形体
２８、９８…固定リード板    ２８Ａ、９８Ａ…連結部
２９、９９…引出リード板
３０…金型
３１…成形室
３２…基準面
３３…可動ピン
９５…ポリマーＰＴＣ素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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