JP2014160048A - ロールプレス設備及び厚み計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】材料の厚みをより正確に計測することが可能なロールプレス設備及び厚み計測システムを提供する。
【解決手段】帯状材料３の厚みを計測する厚み計測センサ２１ａ，２１ｂの前及び／又は後に帯状材料に生じたたるみやしわを伸ばす弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂを設置する。弾性ガイドロールとしては、表面がスポンジ状のガイドロール２３ａ，２３ｂが好適である。また、好ましくは、厚み計測センサの上流側に設置する材料を厚み計測センサにガイドするガイドロール２３ａとして、帯状材料のしわを巾方向に伸ばすガイドロール２３ｂを用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ロールプレス設備及び厚み計測システムに関する。

ロールプレス設備は、リチウムイオン二次電池用電極材料の圧縮加工等に使用されている。材料の圧縮加工後の要求厚み精度は、例えば、±２μｍ程度と厳しく、近年さらに高精度化が望まれている(±1〜２μｍ)。

そのため、圧縮時に材料からうける反力によるロールのたわみを補正して、材料の両エッジ部が中央部付近より薄くなるといった、仕上げ厚みの巾方向にばらつきが発生することを抑制している（例えば、特許文献１）。

また、特許文献２には、長尺の二次電池用電極部材を、所望の厚みに精度良く圧延するため、第１および第２の加圧ローラの出側に配設された電極部材の厚み測定装置を設け、厚み測定装置からの出力信号に応じて荷重機構の荷重を制御することが記載されている。厚み測定装置としては、例えば、圧延後の電極部材を上下から挟みこむ接触式変位センサが用いられている。

また、特許文献３には、多孔質炭素系成形品前駆体シート状物の厚みの均一性を確保しつつ連続的に熱硬化することを可能とするため、多孔質炭素系成形品前駆体シート状物を連続的に加熱しつつ押圧する回転ロールと、回転ロールで押圧した後の多孔質炭素系成形品前駆体シート状物の厚みを測定する厚み測定装置を設け、厚み測定装置の測定結果に応じて、回転ロールの押圧の圧力を連続的に調節することが記載されている。厚み測定装置としては、接触式或いは非接触式の測定器が用いられると記載され、また、非接触式の測定方式としては、レーザ式、渦電流式、超音波式などが用いられると記載されている。

特許第３９３７５６１号公報 特開２００１−３３２２４８号公報 特開２００３−５３７５９号公報

ロールプレス設備において、例えば±1〜２μｍ程度の材料の加工精度に対応するためには、材料の厚みをより正確に計測することが重要である。

本発明者等の検討によると、リチウムイオン二次電池用電極材料の圧縮加工等においては、材料の厚みを計測する際に、材料のたるみやしわによって正確に計測できないことが見出された。

先ず、材料のたわみやしわは、本発明者等の検討によると、次のようして生じる。例えば、電極材料のプレス加工（圧縮加工）において、金属箔集電体の基材に電極活物質を塗布したものをプレス加工する。基材の幅方向の両端に電極活物質の未塗工部がある場合、プレス加工後の電極材料は、電極活物質が塗布された箇所の基材（塗工部）が若干圧延される。従って、幅方向の両端の基材（未塗工部）は、圧延されていないので、材料長手方向に張力がかかるが、その間の基材（塗工部）は、若干圧延されて、材料長手方向にたるみが生じることになる。また、このたるみはしわの要因にもなる。

そして、特に、材料の上下にレーザ式センサなどを設置して上下のセンサから材料までの距離を計測することにより材料の厚みを求める厚み計においては、材料のたるみやしわが、厚み計測を正確に行うことができない要因となる。

すなわち、材料に対して、垂直に近い角度で距離計測を行わないと、原理的に計測誤差が大きくなるセンサにおいては、材料のたるみやしわにより、センサに対して材料が斜めに配置された状態となり、計測誤差が生じる。特に、上下のセンサの軸がずれて配置されている場合には、センサに対して材料がななめに配置された状態では、計測誤差が極めて大きくなる。

また、材料が搬送されている状態での計測となるため、材料のたるみやしわがあると、材料までの距離が変化するなかでの計測となり、計測誤差の要因となる。

しかしながら、従来、ロールプレス設備においては、材料のたるみやしわを考慮して材料の厚みを計測することは行われていない。

また、特許文献２や特許文献３においても、厚み計測において、二次電池用電極部材や多孔質炭素系成形品前駆体シート状物に、たるみやしわが発生して、それらが、厚み計測に影響することが全く検討されていない。

本発明の目的は、材料の厚みをより正確に計測することが可能なロールプレス設備及び厚み計測システムを提供することにある。

本発明は、帯状材料の厚みを計測する厚み計測センサの前及び／又は後に弾性ガイドロールを設置したことを特徴とする。

本発明によれば、材料の厚みをより正確に計測することが可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の一実施例における厚み計測の様子を説明する図。 本発明の一実施例であるロールプレス設備において用いられる弾性ガイドロールを模式的に表した図。 比較例における厚み計測の様子を説明する図。 本発明の一実施例であるロールプレス設備において用いられるガイドロール（エキスパンドロール）を模式的に表した図。 本発明の一実施例であるロールプレス設備におけるロールプレス機本体の正面図。 本発明の一実施例であるロールプレス設備のライン全体図。 ロールプレスされる材料を模式的に表した図。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

先ず、本発明が適用されるロールプレス設備の一例を図５及び図６を用いて説明する。

本実施例のロールプレス設備におけるロールプレス機本体は、ロールのたわみを補正するベンド機構を備える。図５に示すように、ロールプレス設備におけるロールプレス機本体は、上ロール１、下ロール２、上ロール及び下ロールをそれぞれ軸支する主軸受を内蔵保持する主軸受箱４、下ロールの主軸受箱に対して荷重を加え、上ロール１と下ロール２の間の材料（帯状材料）３に対するプレス荷重を発生させるプレスシリンダー５を備えている。上ロールの主軸受箱とプレスシリンダーはハウジング（図示省略）により支持されている。上ロールと下ロールにはロール駆動機構(図示省略)がそれぞれ設けられている。また、ロールプレス機本体は、ベンドシリンダー７、ベンド軸受を内蔵保持するベンド軸受箱６からなるロールのたわみ補正を行うベンド機構を備えている。

プレスシリンダー５はロールギャップの調整を行うプレス機構の主構成要素である。プレスシリンダー５は、後述する制御盤からの制御指令により位置制御可能に構成されている。即ち、プレスシリンダーは、内部もしくは外部にマグネスケール等の位置検出機（図示省略）を有し、油圧系にサーボ弁を用いた位置制御可能なシステムが採用されている。

ベンドシリンダー７は、後述する制御盤からの制御指令により加圧力が設定可能となっている。ベンドシリンダーには、圧力設定に比例制御弁（電磁弁）が採用されている。ベンド軸受箱６は主軸受箱４の両外側に設けられている。本実施例のロールのたわみ補正を行うベンド機構は、ベンド突っ張りタイプであり、上ロールのベンド軸受箱と下ロールのベンド軸受箱の間にベンドシリンダー７が設けられ、材料への加工荷重によるロールたわみと逆方向にロールへ荷重をかけてロールのたわみの補正を行っている。図中の矢印は、各シリンダーによる荷重の方向と大きさのイメージしたものである。各シリンダーは油圧を用いている。油圧シリンダーは高い荷重に対応できること、また非圧縮性の流体(作動油)を用いることで安定した加工が行える。

図６は本発明の一実施例であるロールプレス設備のライン全体図を示す。ロールプレス機本体の入り側にはリチウムイオン二次電池電極材などの材料３がコイル状に巻回されたプレス前コイル８を装着する巻出機１２が設けられ、ロールプレス機本体の出側にはプレス後の材料を巻回しプレス後コイル９とする巻取機１３が設けられている。また、ロールプレス機本体の出側にはプレスされた材料３の厚みを計測する厚み計１０が設置されている。

厚み計１０からプレスロール機本体で圧縮加工された材料３の厚み測定値が制御盤１１に入力される。厚み測定値はプレス条件が変更された材料が厚み計１０を通過してからのものが制御盤で取得される。即ち、プレス機本体と厚み計のパスライン長をＬ１、プレス条件変更後の材料送り長さをＬ２とすると、Ｌ２≧Ｌ１の場合に厚み測定値を取得する。

厚み計１０からの厚み測定値に基づき、制御盤１１においてプレスシリンダー位置制御とベンドシリンダー圧力制御の制御値（補正量）を求める演算を行い、制御値がロールプレス機本体に出力され、この制御値によってプレスシリンダーとベンドシリンダーの油圧が制御される。厚み制御は、目標厚み精度（目標厚み範囲）内にしきい値を設定し、厚み計からの厚み測定値が、しきい値を外れた場合に、しきい値内に入るよう、プレスシリンダー位置およびベンドシリンダー圧力を単独又は組み合わせて変更することにより行っている。

本実施例では、厚み計１０は、巾方向において、駆動側(ロール駆動機構がある側)、中央、操作側(ロール駆動機構がない側)の３点（３領域又は３箇所)で厚みを計測するように構成されている。即ち、駆動側厚みＴｄ，中央部厚みＴｃ，操作側厚みＴｗを得る。そして、厚み制御は、材料の巾方向の全範囲（駆動側、中央、操作側)において目標厚み範囲内の厚さとなるように、複数個所での厚み測定値と目標厚みとの差の状態に応じて、ロールギャップの調整を行うプレス機構とロールのたわみを補正するベンド機構のフィードバック制御を単独又は組み合わせて行う。尚、厚み計測点は、巾方向に少なくとも２点以上であれば良いが、３点の厚みを計測することが望ましい。また、計測器を三箇所に固定して厚みを計測するようにしても良いし、巾方向に計測器を移動して厚みを計測するようにしても良い。巾方向に連続的に計測する場合は、操作側、中央、駆動側の３つの領域を設定し、その範囲の測定値の平均値を制御に用いるようにしても良い。

また、厚み計１０は、ライン運転中に材料厚みを連続または断続的に計測できるものが望ましい。厚み計の計測方式としては、例えば、材料の両面の位置をレーザセンサにより計測し、それらの位置関係から材料の厚みを計測する（上下のセンサから材料までの距離をそれぞれ計測し、センサ間の距離と計測した距離から厚みを計測する）方法等がある。レーザセンサとしては、三角測距レーザ変位センサや同軸共焦点タイプレーザ変位センサなどがある。また、ガイドロール上の材料において、レーザセンサにより材料の上面位置を検出し、また、ガイドロールの位置を磁気センサで検出し、それらの位置関係から材料厚みを計測する方法もある。

次に、図７を用いてロールプレス設備においてプレスされる材料（帯状材料）にたるみやしわが生じることについて説明する。図７は、ロールプレス設備でプレス加工（圧縮加工）される材料が電極材料の場合を例として模式的に図示したものである。左側に平面図、右側に断面図を示す。

材料（電極材料）３は、金属箔集電体の基材３ａに電極活物質３ｂを塗布したものをプレス加工したものである。基材３ａの幅方向の両端には電極活物質３ｂの塗布されていない未塗工部３２があり、そして、その間には、電極活物質３ｂが塗布されている塗工部３１がある。

このような電極材料３をプレス加工した場合、電極活物質３ｂが塗布されていない未塗工部３２の基材３ａは圧延されないが、電極活物質３ｂが塗布された塗工部３１における基材３ａが若干圧延されることになる。従って、材料に対して長手方向に張力が加わった場合、未塗工部３２には張力がかかるが、その間の塗工部３１は若干圧延され材料長手方向にたるみが若干生じることになる。そして、このたるみはしわの要因にもなる。このような若干のたるみが問題となるのは、例えば±1〜２μｍ程度の材料の加工精度に対応するために、材料の厚みをより正確に計測することが重要になるからである。

このようなたるみやしわは、レーザセンサなどのセンサ部に対して材料が斜めに配置される関係をもたらす。レーザセンサでは、材料までの距離を計測して厚みを計測するので、このようなセンサ部と材料の配置関係は、計測誤差の要因となる。

そこで、本実施例では、厚み計測システム（図６に示すロールプレス設備における厚み計１０）を次のように構成する。

本実施例では、図１に示すように、材料（帯状材料）３の厚みを計測する厚み計測センサ（厚み計測器）２１ａ，２１ｂの前後に、帯状材料に生じたたるみやしわを伸ばす弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂを設置している。厚み計測センサの前または後の何れか一方に設置するようにしても良い。厚み計測センサ２１ａ，２１ｂは、レーザセンサが用いられており、材料３を挟み込むように上下に配置されている。２３ａ，２３ｂは材料を厚み計測センサへガイドするためのガイドロールである。弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、ガイドロール２３ａ，２３ｂの間に設けられる。

弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、塗工部３１に生じるたるみやしわを伸ばし、たるみやしわをなくすようにするものである。従って、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂのロール面が塗工部３１に当たり、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂにより塗工部３１に張力がかかるようにする必要がある。このため、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、材料３と接したときに、塗工部３１にロール面が当たるように変形する程度の弾性を有する。弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、硬すぎると、塗工部３１に当たらなくなり、塗工部３１に張力を付与して、たるみを伸ばすことができないので、柔らかい方が望ましい。

弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂとしては、スポンジ状（少なくとも表面がスポンジ状）のガイドロールが好適である。スポンジ材質としては、例えば、ポリウレタン（ウレタン樹脂、ウレタンゴム）、エチレン・プロピレンゴム（EPDM）、クロロプレンゴム(CR)が用いられる。

図２に表面がスポンジ状の物質で構成された弾性ガイドロールの構成例を示す。図２に示すように、軸２２０の周りにスポンジ状の物質２２１が設けられている。

また、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂとしてはスポンジ状のガイドロールの他に、塗工部３１に張力を付与できるように変形可能な柔らかいゴムロールを用いても良い。

このような弾性ガイドロールを、厚み計測センサ２１ａ，２１ｂの前および／または後に設置することにより、図１に示すように塗工部３１にも張力を付与することができ、材料のたるみを効果的に防止（解消）することができ、しわの発生も防止できる。これにより、これまで、高精度距離センサを採用した厚み計でも、誤差の少ない厚み計測は困難であったが、計測誤差を小さくして厚み測定が可能となる。言い換えれば、高精度距離センサの性能を十分に活かして厚み測定を行うことができる。

図３に比較例を示す。図３の比較例では、厚み計測センサ２１ａ，２１ｂの前後に、ガイドロール２３ａ，２３ｂのみが設けられている。ガイドロール２３ａ，２３ｂは、弾性ロールガイド２２ａ，２２ｂに比して表面が硬いので、ガイドロール２３ａ，２３ｂの表面は塗工部３１に当たらないので、塗工部３１に張力を付与することができず、塗工部３１にはたるみが生じる。

また、厚み計測センサ２１ａ，２１ｂの両側に設置するガイドロール２３ａ，２３ｂ間距離は、短いほど良い。短くするほど、材料にしわが発生しにくくなる。

さらに、厚み計測センサ２１ａ，２１ｂの上流側に設置するガイドロール２３ａとして、巾方向に材料を伸ばす（しわを巾方向に伸ばす）ロール(凸又は凹クラウンロール、エキスパンドロール等)を用いることにより、しわをより改善することができる。

しわを巾方向に伸ばすガイドロール２３ａとしては、材料との間ですべりがある場合には、凸クラウンロールが望ましく、材料との間ですべりがない場合には、エキスパンドロール又は凹クラウンロールが望ましい。

図４に、材料の巾方向にもしわを伸ばす機能を有するガイドロール（エキスパンドロール）の構成例を示す。図４に示すガイドロール（エキスパンドロール）２３ａ，２３ｂは、二つの円盤状の端板２１１間に複数のゴム２１０を環状に取り付け、端板２１１を斜めに配置したものである。端板２１１は端板の巾方向位置が固定されるように軸受（図示省略）によって支持されている。材料３が、二つの端板２１１の間隔が短い側から入り、間隔が長い側から出るように、ガイドロール（エキスパンドロール）が配置される。従って、材料は、ガイドロール（エキスパンドロール）によってガイドされながら、ガイドロール（エキスパンドロール）の出側に向かうに従って巾方向のしわが伸ばされる。

上述の実施例では、ロールプレス設備に用いられる厚み計測システムとして説明したが、ロールプレス設備以外に用いられる厚み計測システムにも適用できる。特に、材料の巾方向の一部にたるみやしわが生じる場合に好適である。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加，削除，置換をすることが可能である。

１…上ロール、２…下ロール、３…材料（電極材など）、３ａ…基材、３ｂ…電極活物質、４…主軸受箱、５…プレスシリンダー、６…ベンド軸受箱、７…ベンドシリンダー、８…プレス前コイル、９…プレス後コイル、１０…厚み計、１１…制御盤、１２…巻出機、１３…巻取機、２１ａ，２１ｂ…厚み計センサ、２２ａ，２２ｂ…弾性ガイドロール、２３ａ，２３ｂ…ガイドロール、３１…材料塗工部、３２…材料未塗工部、２１１…端板、２１０…ゴム、２２０…軸、２２１…スポンジ状の物質。

次に、図７を用いてロールプレス設備においてプレスされる材料（帯状材料）にたるみやしわが生じることについて説明する。図７は、ロールプレス設備でプレス加工（圧縮加工）される材料が電極材料の場合を例としてプレスされる前の帯状材料を模式的に図示したものである。左側に平面図、右側に断面図を示す。

このような電極材料３をプレス加工した場合、電極活物質３ｂが塗布されていない未塗工部３２の基材３ａは圧延されないが、電極活物質３ｂが塗布された塗工部３１における基材３ａが若干圧延されることになる。すなわち、塗工部３１は未塗工部３２よりも材料長手方向に延伸されることになる。従って、材料に対して長手方向に張力が加わった場合、図３に示すように、ガイドロール２３ａ，２３ｂの表面には材料長手方向に延伸されていない未塗工部３２が接してガイドロール２３ａ，２３ｂ間の未塗工部３２には張力がかかるが、その間の塗工部３１は若干圧延され材料長手方向に延伸され未塗工部３２よりも長くなるため、ガイドロール２３ａ，２３ｂの表面には塗工部３１が当たらなくなるので、塗工部３１に張力を付与することができず、塗工部３１にはたるみが若干生じることになる。そして、このたるみはしわの要因にもなる。このような若干のたるみが問題となるのは、例えば±１〜２μｍ程度の材料の加工精度に対応するために、材料の厚みをより正確に計測することが重要になるからである。

弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、塗工部３１に生じるたるみやしわを伸ばし、たるみやしわをなくすようにするものである。従って、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂのロール面が塗工部３１に当たり、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂにより塗工部３１に張力がかかるようにする必要がある。このため、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、材料３と接したときに、塗工部３１にロール面が当たるように変形する程度の弾性を有する。すなわち、弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂがその程度の弾性を有することにより、図１に示すように、材料３の未塗工部３２と接触する弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂのロール面が変形し、材料３の塗工部３１も弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂのロール面と当たるようになる。弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂは、硬すぎると、材料３の未塗工部３２と接触する弾性ガイドロール２２ａ，２２ｂのロール面が十分に変形せず、塗工部３１に当たらなくなり、塗工部３１に張力を付与して、たるみを伸ばすことができないので、柔らかい方が望ましい。

Claims (6)

1. 帯状材料を圧縮加工するロールプレス機本体を備えたロールプレス設備であって、
   前記ロールプレス機本体の下流側に配置され、前記ロールプレス機本体で圧縮加工された帯状材料の厚みを計測する厚み計測センサを備え、
   前記厚み計測センサの前及び／又は後に弾性ガイドロールを設置したことを特徴とするロールプレス設備。
2. 請求項１において、
   前記厚み計測センサは、前記帯状材料の両側に設置され、材料までの距離を計測するレーザセンサであることを特徴とするロールプレス設備。
3. 請求項２において、
   前記弾性ガイドロールは、少なくとも表面がスポンジ状の物質で構成されたガイドロールであることを特徴とするロールプレス設備。
4. 請求項３において、
   前記厚み計測センサの上流側に、前記帯状材料を前記厚み計測センサにガイドするガイドロールが設けられ、
   前記ガイドロールの下流で前記厚み計測センサの上流に、前記弾性ガイドロールが設けられ、
   前記ガイドロールと前記弾性ガイドロールは、前記帯状材料を挟んで反対側に設けられ、
   前記ガイドロールとして前記帯状材料のしわを巾方向に伸ばすロールを用いることを特徴とするロールプレス設備。
5. 請求項１〜４の何れかにおいて、
   前記ロールプレス機本体のロールのたわみを補正するベンド機構を備え、
   前記厚み計測センサからの厚み測定値に基づき、前記ロールプレス機本体のロールギャップの調整を行うプレス機構と前記ベンド機構のフィードバック制御を単独又は組み合わせて行うことを特徴とするロールプレス設備。
6. 帯状材料の厚みを計測する厚み計測システムであって、
   前記帯状材料の両側に設置され、材料までの距離を計測するレーザセンサを有する厚み計測センサと、
   前記厚み計測センサの上流側と下流側に設置され、前記帯状材料を前記厚み計測センサにガイドするガイドロールと、
   前記ガイドロールの間で、かつ、前記厚み計測センサの前及び／又は後に設置され、少なくとも表面がスポンジ状の物質で構成された弾性ガイドロールを有することを特徴とする厚み計測システム。

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