JP2005205268A - 塗布装置及び塗布方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
シート状の塗布対象物を移動しながら、スリット開口を有する塗布ヘッドより一定条件で塗布材料を吐出して塗布行う塗布装置において、塗布開始時と、塗布終了時に塗布材料の膜厚が薄くなり、厚くなり過ぎるという現象が発生する。
【解決手段】
塗布開始時の塗布供給圧を定常供給圧より高く設定し、ヘッドの吐出圧が規定の値に達すると塗布供給圧を定常供給圧にし、塗布終端においては塗布供給圧を負圧となるように塗布ヘッドの圧力を検出しながら制御する制御部を備えた塗布装置。
【選択図】 図１

Description

本発明はスリットコート若しくはダイコート式塗布方法及び塗布装置に係わり、特に固体高分子型燃料電池の電極膜の塗布・形成における電極ペーストの供給装置と供給方法に関する。

燃料電池は発電効率が高く、環境への負荷も小さいことから今後の普及が見込まれており、特に固体高分子型燃料電池は出力密度が高く且つ作動温度が低いことから、自動車などの移動体用や家庭用のコージェネレーションシステムとして普及することが期待されている。

固体高分子型燃料電池の膜電極接合体は、イオン交換樹脂からなる高分子電解質膜の両側にアノード側・カソード側の電極膜を接合させ、その外側にカーボンペーパーなどのガス拡散層が配置される。電極膜の形成において、高分子電解質膜は液体に触れると膨潤変形するため、高分子電解質膜には直接電極ペーストを塗工することは難しい。従って膜電極接合体を形成する方法の１つとしてＰＴＦＥ（Polytetrafluoethylen）などの搬送基材に塗工し乾燥後高分子電解質膜を挟んで加熱圧接し、搬送基材を剥離してＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を形成した後、その両側にガス拡散層を挟みこむ方法が採られている。

電極膜の形状は、量産へ向けた製作の容易さの観点から矩形形状であることが多く、電池メーカー各社は必要電力量に応じて面積を決定している。矩形形状の塗工膜を形成する手段の１つとして、塗工液を所定長さの線状開口から送出するダイコーターによる間欠塗工が挙げられる。塗工液のダイへの供給・吐出動作はギアポンプ、モーノポンプ、ダイヤフラムポンプ等の間欠動作型定容量ポンプの運転によって行われる。

間欠塗工における重点課題は塗工液の粘性や流路抵抗による吐出開始および停止の遅れであり、塗工始端と終端での塗工膜厚の不安定を生じさせている。この膜厚不安定を改善するために、例えば特許文献１では基板に対する枚葉塗工処理において、塗工液供給ポンプでの供給量を多段的に変化させ実際の吐出速度を定常速度により速く近づけるとともに、相対的に移動手段の速度を変化させることにより移動手段の通過時間あたりの塗工量が一定になる手段が開示されている。また特許文献２では、塗布開始時及び塗布終了時の塗布ヘッド近傍の圧力変化をモニタしながら流路を開閉する弁やサックバック弁、残圧開放弁の操作タイミング等複数のパラメータを調整する方法が開示されている。

特開２００２−８６０４４号公報

特開２０００−５６８２号公報

特許文献１では、塗布開始時にポンプ供給量を通常吐出時より大きめに設定して、多段的に変化させて、ダイの吐出量を多くして塗布膜厚を所定の厚さにするものであるが、吐出量とダイと塗布対象の相対移動の関係を正確に把握して制御する必要がある。

特許文献２では、塗布液の吐出量について、圧力センサを用いてモニタし、「略台形の波形に調整する」と記載されている。しかし、圧力センサの設置位置が塗布ヘッド近傍であるため、真に均一塗布を可能とするために必要な塗布ヘッド内の圧力状態や圧力センサ下流側配管内のエア噛みの状態を把握することができない。また、塗布流体が高粘度の場合に使用される特殊ポンプの動作により、塗布流体の塗布ヘッドの圧力と塗布速度を合せると記載されているが、塗布流体が高粘度の材料である場合に塗布流体を流出するスリット状の開口部の流動抵抗が大きく、塗布流体が流出出来なくなる圧力を考慮していない。

このため本発明は、以上のような技術的課題を解決するためになされたものであって、その目的は均一な塗膜を確実に得て歩留りを向上させることにある。

相対移動の関係にある塗布対象に対し所定厚さの塗布流体を流出するスリット状の開口部を有する塗布ヘッドを備えた塗布装置において、塗布流体を流出するスリット状の開口部の近傍に塗布ヘッド内の塗布流体の圧力検出手段を備えた塗布ヘッドと、塗布ヘッドの昇降手段と、塗布ヘッドと対向し、相対移動の関係にある塗布対象の搬送手段に昇降手段を設け、塗布ヘッド内の塗布流体の圧力を監視し、吐出開始圧力および吐出停止圧力に達するまで急峻に塗布流体圧送手段を動作させることにより、塗布始端・終端における塗布対象の搬送速度を変動させることなく均質な塗布を行うことができる。

本発明によれば切替え弁などを用いずに塗布材料の供給過不足を解消することができ、塗布始終端部の塗布量すなわち膜厚の安定を図ることができる。

特に、塗布終端部の塗布膜が直線性等の外形形状することが出来ると共に、塗布量の安定化を図ることができる。

図１は、本発明の一実施例の示すペースト連続塗布装置の断面図である。

ペーストタンク２に投入された液体状の塗布材料１ａ（塗布流体と称する場合もある）は、サーボモータ等のポンプ駆動モータ４によって回転駆動される供給ポンプ３により加圧され、供給ホース９を経由して密閉接続されたスリットダイと呼ばれる塗布ヘッド５に供給される。塗布ヘッド５には、塗布材料１ａを最初に供給した場合に塗布材料１ａに混入するエアを除去するためのエア抜きバルブ６が、塗布ヘッド内のチャンバ７（塗布材料を所定量貯める貯め部）の最上部の位置になるよう設けてある。更に、塗布ヘッド５の内圧を検知する圧力センサ８が塗布ヘッド５に設けてある。塗布材料１ａは、シート状の塗布対象１０の表面に任意の間隔で塗布される。

塗布対象１０は、塗布対象巻出し部１１から任意の張力により、弛まないよう巻出される。巻出しの速度は、塗布ヘッド５に対向して配置されたバックアップローラ１２の回転速度によって任意の速度に調整される。バックアップローラ１２は、サーボモータ等の回転駆動手段（図示していない）によって駆動される。また、バックアップローラ１２はバックアップローラ昇降手段１２ａによって塗布ヘッド５との間隔を変化させることができる様になっている。塗布対象１０がバックアップローラ１２の回転に伴い滑りが生じないよう（一定速度で送られるように）、バックアップローラ１２に対向してニップローラ１３が配置されている。このニップローラ１３はニップシリンダ１３ａに直結されており、このニップシリンダ１３ａを駆動することによって押付け力を調整することができる。

任意の速度で搬送される塗布対象１０の表面に塗付された塗布材料１ｂは、塗布材料に含まれる溶媒等を除去するため、乾燥炉２０に送られ、そこでヒータ２１によって加熱乾燥される。加熱乾燥され溶媒等が除去された塗布材料１ｃは、搬送ローラ１４に沿って搬送され、塗布対象巻取り機構１５によって巻き取られる。

前記塗布装置における塗布材料１ａの塗布ヘッド５への供給量Ｑｐ（ｍｌ／秒）は塗布流量Ｑと等しく、塗布速度Ｖ（ｍｍ／秒＝塗布対象搬送速度）、設定膜厚ｔ（ｍｍ）、塗布幅Ｗ（ｍｍ）として次式により設定できる。

Ｑｐ＝Ｑ＝（Ｖ×１０^−１）×（ｔ×１０^−１）×（Ｗ×１０^−１）
上記の式は定常状態で塗布する状態を設定するためのものである。この式に従い、ポンプ駆動モータ４を駆動して供給ポンプの圧力（供給量）を図２（ａ）に示す。図２（a）の縦軸は、塗布材料の供給量横軸は時間を表している。図２（a）に示す様に制御して、塗布材料タンク２内の塗布材料１ａを塗布ヘッド５に圧送供給する。この時、供給ホース９がその圧力により膨張する。塗布ヘッドの圧力変化を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）の縦軸はヘッド内の圧力を、横軸は時間を示している。供給ホースの膨張により、塗布ヘッド内の圧力は図２（ｂ）に示す様に変化して、塗布ヘッド５への塗布材料１ａの供給に遅れが生じる。図２（ｃ）に塗布した膜の状態の一例を示す。塗布膜は、図２（ｃ）の様な形状となり、塗布開始部では目標膜厚を得ることが出来ない。更に塗布終端部は、供給ホース９の収縮などに伴う残圧により、目標膜厚を超える盛上りが発生する。

これを解消する本発明の材料供給方法を図３に示す。塗布材料１ａの供給開始時には、供給ホース９の膨張による容積変化を考慮し、図３（ａ）に示すように、急峻で定常時より多目の供給量の塗布材料１ａを供給するように塗布供給ポンプを駆動する。この起動時のポンプ供給量で塗布材料１ａの供給開始する。そして、塗布ヘッド５に設置した圧力センサ８の計測値が、予め計測既知とするダイギャップ及び塗布材料粘度と相関のある吐出圧力の９０％に到達した時点で、塗布速度、設定膜厚及び塗布幅応じた供給量（底常時の塗布供給量すなわち定常時のポンプ圧力になるようにポンプ供給量を駆動制御する）に戻す。そして、塗布終端部に到達した時には、塗布終了後の残圧による過剰吐出については、供給ポンプ３を吐出時の回転方向と逆回転させ塗布材料１ａを吸い込み解消する。この時圧力センサ８検知される塗布ヘッド５の内圧は図３（ｂ）となり、塗布ヘッド内の圧が安定している領域が塗布領域となる。

なお、塗布ヘッドへのポンプの供給量を制御する代わりに、図３（ｃ）に示すように塗布開始前に塗布ヘッドの位置を塗布対象側に移動して、図３（ｄ）に示すように塗布開始時に塗布対象を塗布ヘッド側に移動することでヘッドの吐出量を制御することも可能である。ここでは、塗布ヘッドと塗布対象の間隔制御を、塗布ヘッドと、塗布対象の両方を移動して行うようにしたが、塗布ヘッドと塗布対象のどちらか一方を２段に移動制御することでも同様の効果を得られることは云うまでもない。

また、ポンプ供給量の制御と塗布ヘッドと塗布対象の間隔制御を同時に行うとより精度の良く膜厚制御することが可能である。

なお、前述では塗布開始手に説明したが、塗布終端、しなわち、必要な塗布長さに到達した時点で、塗布ヘッド５を上昇させ塗布対象１０から離し、更に同時にバックアップローラ１２を下降させ、塗布ヘッド５と塗布対象１０の相対離れ速度を早くすることで終端部の整形性を向上することができる。前記した供給ポンプ３を吐出時の回転方向と逆回転させ塗布材料１ａを吸い込みのタイミングは、塗布ヘッド５が上昇したと同時に開始すると、吐出口の塗布材料１ａの付着を最小限にすることができる。

図３（ｅ）には、ポンプ供給量制御と、塗布ヘッドと塗布対象との間隔制御を同時に行ったときの塗布膜の断面図を示したものである。図のように膜厚は均一に塗布できていることが分かる。

また、具体的な実施形態を、連続塗布対象について説明したが、塗布対象が枚葉形状の基板等に本発明の塗布方法を適用しても、その効果を得ることができるのは明白である。

本発明を連続塗布対象に適用した場合の塗布装置の全体概略断面図である。 従来の塗布材料の供給方式による塗布状況と塗布厚さの関係を示す図である。 本発明の塗布材料の供給方式による塗布状況と塗布厚さの関係を示す図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ…塗布材料、２…塗布材料タンク、３…供給ポンプ、４…ポンプ駆動モータ、５…塗布ヘッド、６…エア抜きバルブ、７…チャンバ、８…圧力センサ、９…供給ホース、１０…塗布対象、１１…塗布対象巻出し、１２…バックアップローラ、１２ａ…バックアップローラ昇降手段、１３…ニップローラ、１３ａ…ニップシリンダ、１４…搬送ローラ、１５…塗布対象巻取り、２０…乾燥炉、２１…ヒータ。

Claims (4)

1. 相対移動の関係にある塗布対象に対し所定厚さの塗布流体を流出するスリット状の開口部を有する塗布ヘッドを備えた塗布装置において、
   塗布ヘッドの塗布流体を流出するスリット状の開口部の近傍に塗布ヘッド内の塗布流体の圧力検出手段を備え、塗布ヘッド内の塗布流体の圧力検出結果に基づいて、吐出開始圧力を通常の吐出圧より高く設定して塗布流体供給ポンプを駆動し、塗布ヘッド内の吐出圧が規定値に達したときに、通常の吐出圧で塗布流体供給ポンプを駆動し、吐出停時には前記吐負流体供給ポンプが負圧を印加するように駆動制御する制御手段を備えたことを特徴とする塗布ヘッドを有する塗布装置。
2. 請求項１記載の塗布装置において、
   前記塗布ヘッドと塗布対象の間隔を可変するために、少なくともどちらか一方を移動する移動機構を設けたことを特徴とする塗布装置。
   前記
3. 所定の速度で移動する塗布対象の表面に塗布ヘッドを用いて所定の厚さで所定の長さに塗布材料を塗布し、その後前記塗布対象物が加熱炉内を通過することで前記塗布材料の溶剤を気化し乾燥する塗布方法において、
   前記塗布ヘッドと塗布対象物の間隔を、塗布始端・終端部では広く、通常の塗布領域では狭くして塗布を行うことを特徴とする塗布方法。
4. 請求項３記載の塗布方法において、
   塗布始端のペースト供給圧を通常の供給圧より高い圧力を加え、ヘッド内の圧力が規定した圧力になったときに前記ペースト供給圧を通常の供給圧にし、塗布終端部ではペースト供給圧を負圧にすることを特徴とする塗布方法。

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