JP5685202B2 - 電解液を供給する装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリ容器内に電解液を供給する装置および方法に関するものである。

バッテリ容器内に電解液を供給する工程において、電解液を浸透させる時間を短縮するなどの目的で、バッテリ容器を真空雰囲気（減圧雰囲気）内に配置することが行われている。

日本国特開２００８−５９９７３号公報には、電池ケース内を、有機電解液の沸点以下の−７０ｋｐａ〜−９５ｋｐａの範囲内の真空度に真空引きする工程と、所定量の有機電解液を注入した注液ホッパー内の一時貯液室を電池ケース内の圧力に対し０．１ｋｐａ〜５ｋｐａだけ高い圧力差が生じる真空度に真空引きする工程と、注液ホッパーの注液口を開いて一時貯液室内の有機電解液を圧力差により注液口およびこれに連接させた注液ノズルを介して電池ケース内に注液する工程とを有する、リチウム二次電池の注液方法が開示されている。

電解液をバッテリ容器（電池ケース）に注入する時間（注液時間）を短縮するために、電池ケース内を負圧にしたり、所定量ずつ分割して注液（分注）したり、負圧雰囲気で分注したりすることが行われている。いずれの場合も、注液精度（液量の精度）を確保することが重要である。

本発明の一態様は、減圧雰囲気（減圧室内）に配置されたバッテリ容器（電池ケース）内に電解液を供給する装置（供給装置、注液装置）である。この装置は、シリンダ内の空間をピストンが動いて電解液を計量する計量ユニットと、計量ユニットから供給された電解液をバッテリ容器に対し上方から注入するディスペンサと、当該装置を制御する制御ユニットとを有する。ディスペンサは、減圧室内に配置された先端から電解液を吐出する吐出ノズルであって、バッテリ容器内またはバッテリ容器の上端近傍に配置される吐出ノズルと、吐出ノズルの内側に配置され、吐出ノズルを開閉するニードル弁と、ニードル弁を上下に駆動するアクチュエータとを含む。

制御ユニットは、計量ユニットのピストンの動きを制御し、ピストンをシリンダ内の空間を広げる方向（拡大する方向）に動かして電解液を計量し、ピストンを空間を狭める方向（縮小する方向）に動かして電解液をディスペンサに供給する第１の機能（第１の機能ユニット）と、アクチュエータによりニードル弁を開閉させる第２の機能（第２の機能ユニット）とを含み、第２の機能は、ピストンを制御する第１の機能がシリンダ内の空間を狭める方向にピストンを動かして停止させるのに連動してニードル弁を閉じる信号を出力する信号出力機能（信号出力機能ユニット）を含む。

電解液を供給（注入、分注）するバッテリ容器は減圧雰囲気（減圧室内）に配置される。一方、電解液は減圧雰囲気外（減圧室外）、典型的には大気圧雰囲気から供給される。さらに、電解液を供給する装置においては、電解液の飛散を抑制するために、電解液をポンプなどで加圧して注入する代わりに液柱の圧力（静圧、液圧）でバッテリ容器内に注入する。したがって、バッテリ容器への注入口（吐出ノズルの先端）には、減圧されていることによる差圧と、電解液の静圧とが加わり、電解液が減圧室側へ強く吸引される。このため、本発明の一態様の装置（供給装置、注液装置）は、第１の機能によりディスペンサに供給する電解液を計量ユニットで計量するとともに、ディスペンサの吐出ノズルを開閉するニードル弁を設け、信号出力機能により計量ユニットのピストンが停止する動きに連動してニードル弁を閉じることによりバッテリ容器内に注液される液量の精度をさらに向上する。

特に、電解液が可燃性の有機溶媒などを含み、ニードル弁を上下に駆動するアクチュエータが、防爆領域（防爆を考慮しなければならない領域）に含まれる場合は、ニードル弁を駆動するアクチュエータは、電気的に直に、ほとんど時間的な遅れなく制御できるものにすることが難しい。したがって、第１の機能が狭める方向にピストンを動かして停止させるのに連動してニードル弁を閉じる信号を出力する信号出力機能は、第１の機能が狭める方向にピストンを動かして停止させる前に、ニードル弁を閉じる信号を出力することが望ましい。これにより制御ユニットがニードル弁を閉じる信号を出力してから、実際にニードル弁が閉じるまでにある程度の遅延があっても、計量ユニットのピストンが停止するのとほぼ同時にニードル弁を閉じることができる。このため、注液量の精度を確保しやすい。

ピストンを駆動するアクチュエータの典型的なものはサーボモータである。防爆領域に配置されるアクチュエータの典型的なものはソレノイドバルブを介して供給される作動流体、たとえば、空気により駆動されるものである。この場合、第１の機能は、サーボモータを駆動する信号を出力する機能を含み、第２の機能の信号出力機能は、ソレノイドバルブを駆動する信号を出力する機能を含む。信号出力機能は、ニードル弁を閉じる信号としてソレノイドバルブを制御（駆動）する信号を、狭める方向にピストンを動かして停止させる前に出力することによりニードル弁をピストンの動きに連動させて閉じることができる。

ピストンの停止は、ピストンの位置を検出する手段（検出器）を設けることにより検出できる。信号出力機能は、狭める方向に移動中のピストンの位置が停止位置の手前の第１の位置となったことを検出器が検出したときに、ニードル弁を閉じる信号を出力することができる。さらに、第１の機能は、検出器により検出されたピストンの位置に基づきピストンを、シリンダ内の空間を広げる方向と狭める方向とに動かしてもよい。

また、ピストンを駆動するサーボモータがステッピングモータであれば、パルス数をカウントすることによりピストンの位置を検出できる。すなわち、第１の機能は、サーボモータに供給するパルス数によりピストンの位置を判断してピストンを広げる方向と狭める方向とに動かし、第２の機能の信号出力機能は、狭める方向に移動中にサーボモータに供給されたパルス数が所定の値になったときに、ニードル弁を閉じる信号を出力することができる。

さらに、この装置が、計量ユニットの上流側を開閉する入口弁をさらに有する場合、制御ユニットは、入口弁を開閉する第３の機能（第３の機能ユニット）を有することが望ましい。この場合、第１の機能は、第３の機能が入口弁を開にする信号を出力した後、ピストンを広げる方向に駆動する機能を含み、第３の機能は、第１の機能がピストンを広げる方向に動かして停止した後、入口弁を閉じる機能を含み、第１の機能は、さらに、第２の機能がニードル弁を開にする信号を出力した後、狭める方向にピストンを駆動する機能を含むことが望ましい。

本発明の他の態様は、減圧室内に配置されたバッテリ容器内に、供給装置により電解液を供給することを含む方法である。供給装置は、計量ユニットと、ディスペンサとを有し、ディスペンサは、減圧室内に配置された先端から電解液を吐出する吐出ノズルであって、バッテリ容器内またはバッテリ容器の上端近傍に配置される吐出ノズルと、吐出ノズルの内側に配置され、吐出ノズルを開閉するニードル弁と、ニードル弁を上下に駆動するアクチュエータとを含む。
電解液を供給することは、以下の工程を含む。
１．計量ユニットのピストンをシリンダ内の空間を広げる方向に動かして電解液を計量し、ピストンを空間を狭める方向に動かして電解液をディスペンサに供給するようにピストンの動きを制御すること。
２．ピストンが狭める方向に動いて停止するのに連動してアクチュエータにニードル弁を閉じる信号を出力すること。

この方法によれば、バッテリを製造する過程において、減圧雰囲気に配置されたバッテリ容器（バッテリパック）に対し、吸引あるいは液漏れなどにより注入量が変動することを抑制できる。したがって、注液量の制御をさらに精度よく行うことができる。

ニードル弁を閉じる信号は、狭める方向にピストンを動かして停止させる前に、ニードル弁を閉じる信号を出力することが望ましい。これによりディスペンサが防爆領域に配置されるときのニードル弁の動作遅れを抑制できる。

ニードル弁を閉じる信号は、ピストンの位置を検出する検出器が、狭める方向に移動中のピストンの位置が停止位置の手前の第１の位置となったことを検出したときに、出力できる。

また、ピストンがステッピングモータタイプのサーボモータにより駆動され、ニードル弁を駆動するアクチュエータがソレノイドバルブを介して供給される作動流体で駆動される場合は、サーボモータに供給するパルス数によりピストンの位置を判断してピストンを広げる方向と狭める方向とに駆動でき、狭める方向に移動中にサーボモータに供給されたパルス数が所定の値になったときに、ニードル弁を閉じる信号を出力することができる。

供給装置が、計量ユニットの上流側を開閉する入口弁をさらに有する場合は、ピストンの動きを制御することは、以下のステップを含む。
１ａ．入口弁を開にする信号を出力した後、ピストンを広げる方向に駆動すること。
１ｂ．ピストンを広げる方向に動かして停止した後、入口弁を閉じ、ニードル弁を開にする信号を出力した後、狭める方向にピストンを駆動すること。

電解液供給装置（注液装置）の概略構成を示す図。 注液装置の動作を示すタイミングチャート。 電解液供給装置の動作を説明するフローチャート。

図１に示す装置１は、減圧室１００の内側の減圧雰囲気１０２に配置されたバッテリ容器２００の内部に電解液１９を供給（注液）する装置（電解液供給装置、注液装置）である。減圧室１００の内部は、真空ポンプ１１０により所定の圧力（負圧）になるように減圧される。

供給装置１は、減圧室１００の上壁（天板）１０１の上に配置される計量ユニット１０と、計量ユニット１０の上流に配置されたリザーバー（リザーバータンク）２と、計量ユニット１０の下流に配置されたディスペンサ２０と、計量ユニット１０およびディスペンサ２０の動作を制御して電解液１９を注入する制御ユニット３０とを備えている。典型的な制御ユニット３０は、ＣＰＵおよびメモリを含むハードウェア資源を備え、プログラム（プログラム製品）を実行することにより供給装置１を制御し、バッテリを製造する過程においてバッテリ容器２００に電解液１９を供給するものである。

図１において、太線は電解液１９の流路（管路）、太い破線は制御用空気の流路（管路）、斜線付きの細線は制御用の電気信号を伝達する配線をそれぞれ示す。電解液１９は可燃性の有機溶媒を含むものがあり、減圧室１００の周囲、すなわち、ディスペンサ２０が設置される領域は、一般的に防爆領域Ｈ（一点鎖線で囲まれた領域）に含まれる。この例では、供給装置１の計量ユニット１０が設置される領域も防爆領域Ｈに含まれており、計量ユニット１０のピストン１２を駆動するサーボモータ１３には防爆仕様のものが用いられている。

計量ユニット１０の上流のリザーバー２は、電解液供給手段のヘッダー３に接続され、計量ユニット１０が数回分注するだけの液量を一時的に確保する。リザーバー２が設けられているため、計量ユニット１０は高速に動作できる。また、リザーバー２は、気液分離機構を兼ねており、ベント弁４を介してリザーバー２の上部に溜まった気体を排出できる。ベント弁４は、防爆を考慮し、空気作動弁（エアー駆動弁）が用いられ、防爆領域Ｈ外に設けられた電磁弁（ソレノイドバルブ）３４および制御ユニット３０により制御用空気（作動流体）を介して制御される。なお、制御用空気は、コンプレッサーに繋がった制御用空気ヘッダー３９を介して供給される。

計量ユニット１０は、シリンダ１１とピストン１２とを有する。シリンダ１１は上下に延びており、シリンダ１１内をピストン１２が上下方向（鉛直方向）に沿って動く。細い破線で示すように、シリンダ１１の内部のピストン１２が出入りする領域が計量空間Ｓとなっており、ピストン１２の出入りする量（ストローク）を制御することにより計量空間Ｓで計量される電解液１９の量を自在に制御（調整）できる。

計量ユニット１０は、さらに、ピストン１２を上下に駆動するサーボモータ１３を含む。サーボモータ１３の回転量、回転速度および回転方向を制御ユニット３０によって制御することにより、ピストン１２のストロークを変えたり、ピストン１２の移動速度を変えたりしながらピストン１２を上下に移動できる。すなわち、サーボモータ１３によりピストン１２をシリンダ１１内の空間Ｓを広げる方向に動かして電解液１９を計量し、空間Ｓを狭める方向に動かして電解液１９をディスペンサ２０に供給することができる。

計量ユニット１０としては、ストロークを可変制御可能なプランジャーポンプを用いることができる。ステッピングモータタイプのサーボモータ１３を用いると、パルス制御することにより高分解能な容量可変制御を行うことができる。ステッピングモータの代わりにエンコーダ１８を備えた直流サーボモータを採用することができる。以下では、エンコーダ１８を備えたタイプを説明する。エンコーダ１８はピストン１２の位置を検出する手段（検出器）であり、制御ユニット３０と電気的に接続され、検出したピストン１２の位置を制御ユニット３０に出力（伝達）する。

供給装置１は、さらに、計量ユニット１０の上流側を開閉する（計量空間Ｓへの電解液１９の流入をオンオフする）入口弁５を含む。入口弁５と計量空間Ｓの下端部Ｓ１に設けられた入口ポートＰ１とは管路（第２の管路）４２により接続されている。入口弁５を入口ポートＰ１の近傍に配置することにより、第２の管路４２をできるだけ短くし、計量空間Ｓにおける計量精度の低下を抑制している。入口弁５とリザーバー２とは管路４３により接続されている。入口弁５も、防爆領域Ｈ内であることを考慮し、空気作動弁が用いられ、防爆領域Ｈ外に設けられた電磁弁３３および制御ユニット３０により制御用空気を介して制御される。

計量ユニット１０から供給された電解液１９をバッテリ容器２００に対し上方から注入するディスペンサ２０は、バッテリ容器２００内またはバッテリ容器２００の上端近傍に配置される吐出ノズル２１と、この吐出ノズル２１が下端に装着された単管（円筒またはシリンジ、以降においてはシリンジ）２２と、吐出ノズル２１の内側に配置されてこの吐出ノズル２１の先端を開閉するニードル弁（カット弁）２３と、シリンジ２２の内部を上下に貫通するように設けられた弁制御棒２５と、弁制御棒２５を介してニードル弁２３を上下に駆動し、ニードル弁２３を開閉制御する空気駆動型のアクチュエータ２４とを含む。ニードル弁２３はノーマルオフ（ノーマルクローズ）であり、ディスペンサ２０は、弁制御棒２５を介してニードル弁２３を吐出ノズル２１の先端に付勢する手段（例えば、コイルばね）２６を含む。

シリンジ２２は、減圧室１００の上壁１０１を貫通して上下に延びており、先端は減圧室１００の内部１０２に配置されたバッテリ容器２００に到達している。したがって、シリンジ２２の先端（下端、吐出ノズル２１）の周りは、減圧雰囲気となっている。シリンジ２２の先端（下端、吐出ノズル２１）は、上壁１０１の上に配置された計量ユニット１０の計量空間Ｓの下端部Ｓ１よりも下側まで延びている。

このディスペンサ２０においては、シリンジ２２の内部を弁制御棒２５が貫通しており、シリンジ２２の弁制御棒２５に沿った部分が、電解液１９が流れる空間となっている。したがって、シリンジ２２の内径に対し、適当な外径の弁制御棒２５を選択することにより、計量ユニット１０からシリンジ２２の先端の吐出ノズル２１に至る管路の面積を調整できる。このため、適切な内径のシリンジ２２と適切な外径の弁制御棒２５を選択することにより、電解液１９の粘度、減圧室１００の内圧（負圧）、流量などの注入条件に合わせて吐出ノズル２１までの圧力損失を制御できる。したがって、この構成を用いて、バッテリ容器２００にスムーズに電解液１９を注入できる条件を設定できる。

弁制御棒２５は、吐出ノズル２１の内側を開閉するニードル弁（カット弁）２３をアクチュエータ２４により上下に動かすためのものである。弁制御棒２５の先端（下端）にニードル弁２３が接続され、他端（上端）がアクチュエータ２４と接続されている。ニードル弁２３は、コイルばね２６によりノーマルオフ（ノーマルクローズ）に設定されている。アクチュエータ２４は、電磁弁（ソレノイドバルブ）３２を介して供給される動作流体、例えば、空気で作動（駆動）する。ニードル弁２３は、電磁弁（ソレノイドバルブ）３２を介してアクチュエータ２４に制御空気を送ることによりオン（開）され、制御空気を排出することによりオフ（閉）される。シリンジ２２の内部に設けられたニードル弁２３によって吐出ノズル２１の直上を閉じることにより、吐出ノズル２１が減圧雰囲気に面している場合においても、吐出ノズル２１からの電解液１９の液漏れを抑制でき、液切れを改善できる。

ディスペンサ２０は、計量ユニット１０の計量空間Ｓの上端部Ｓ２に設けられた出口ポートＰ２と管路（第１の管路）４１により接続されている。この第１の管路４１は、少なくとも計量空間Ｓの下端部Ｓ１の近傍に相当する位置まで鉛直方向に延びる第１の部分４１ａと、第１の部分４１ａの下端からディスペンサ２０の上端に向かって水平方向に延びる第２の部分４１ｂとを有する。すなわち、第１の管路４１は、全体としてＬ字型に形成されており、水平に延びた部分の一方の端（第２の部分４１ｂの端）がシリンジ２２の側方に接続され、垂直（鉛直）に延びた部分の他方の端（第１の部分４１ａの端）が計量空間Ｓの上端部Ｓ２の出口ポートＰ２に接続されている。

第１の管路４１の途中であって、第１の管路４１の計量空間Ｓの下端部の近傍に相当する位置に、背圧弁５０が配置されている。本例では、背圧弁５０は、第１の管路４１の第１の部分４１ａと第２の部分４１ｂとのコーナー部分の、上下に延びた第１の部分４１ａの側に配置されている。背圧弁５０は、ボール５１と、このボール５１を上方に付勢し、この背圧弁５０を閉に維持するコイルばね５２とを含む。コイルばね５２は、計量ユニット１０のピストン１２がストローク（この場合は下側に移動）しない限り、背圧弁５０を介して電解液１９が流れない程度の圧力をボール５１に与えるように設定されている。例えば、減圧室内１０２の最大負圧（真空度）と大気圧との差圧が背圧として加わっても電解液１９が流れない設定になっている。この背圧弁５０は、減圧室内１０２の負圧がブレークして大気圧となったり、あるいは逆に加圧されることによる、シリンジ２２の内圧が計量空間Ｓの内圧よりも高くなる異常事態では逆止弁としても作用する。

サーボモータ１３、ソレノイドバルブ３２〜３４を制御する制御ユニット３０の典型的なものは、上述したようにマイクロコンピュータを含むプログラマブルな制御装置である。制御ユニット３０はワイヤードロジックタイプであってもよく、シーケンサであってもよい。

制御ユニット３０は、計量ユニット１０のサーボモータ１３を制御する機能（第１の機能、第１の機能ユニット、サーボモータ制御ユニット）３０ａと、電磁弁３４を介してベント弁４を制御する機能（第４の機能、第４の機能ユニット、ベント弁制御ユニット）３０ｄと、電磁弁３３を介して入口弁５を制御する機能（第３の機能、第３の機能ユニット、入口弁制御ユニット）３０ｃと、電磁弁３２を介してディスペンサ２０のアクチュエータ２４を制御する機能（第２の機能、第２の機能ユニット、ニードル弁制御ユニット）３０ｂとを含む。

第１の機能３０ａは、サーボモータ１３を駆動する信号を出力する機能（サーボモータ制御信号出力ユニット）３０ｙを含み、計量ユニット１０のピストン１２をシリンダ１１内の空間Ｓを広げる方向と空間Ｓを狭める方向とに動かす。第１の機能３０ａは、エンコーダ１８によりピストン位置を検出し、ピストン１２の位置を確認しながらサーボモータ１３によりピストン１２を上側に動かして空間Ｓを広げることにより、所定の量の電解液１９を計量する。その後、第１の機能３０ａは、ピストン１２の位置を確認しながらサーボモータ１３によりピストン１２を下側に動かして空間Ｓを狭めることにより、計量された電解液１９をディスペンサ２０に供給する。そして、第１の機能３０ａは、計量された電解液１９をディスペンサ２０に供給し終わる位置にピストン１２が到達するとサーボモータ１３を停止し、ピストン１２の動きを停止させる。

なお、サーボモータ１３としてステッピングモータを用いることにより、エンコーダ１８を用いなくとも、サーボモータ１３に供給するパルス数によりピストン位置を精度よく制御できる。この場合、第１の機能３０ａは、サーボモータ１３に供給するパルス数によりピストン１２の位置を精度よく制御し、ピストン１２を上方および下方に動かして空間Ｓを広げたり狭めたり（拡大したり縮小したり）して、電解液１９を計量および供給することができる。

第２の機能３０ｂは、ソレノイドバルブ３２を駆動する信号を出力する機能（信号出力機能、信号出力機能ユニット、ニードル弁アクチュエータ制御信号出力ユニット）３０ｘを含み、制御用空気によりアクチュエータ２４を駆動し、ニードル弁２３を開閉させる。信号出力機能３２ｘは、第１の機能３０ａが空間Ｓを狭める方向（縮小する方向）にピストン１２を動かして停止させる前に、ニードル弁２３を閉じる信号を出力する。エンコーダ１８を備えている供給装置１の場合は、信号出力機能３０ｘは、空間Ｓを狭める方向、すなわち、下方に移動中のピストン１２の位置が停止位置の手前の所定の第１の位置となったときに、ニードル弁２３を閉じる信号を出力する。サーボモータ１３がステッピングモータであれば、信号出力機能３０ｘは、ピストン１２を下方に移動させるためにサーボモータ１３に供給されたパルス数が所定の値になったときに、ニードル弁２３を閉じる信号を出力する。

制御ユニット３０はこれらの機能３０ａ〜３０ｄにより供給装置１を制御し、電解液１９の注液量を精度よく制御する。

図２に、供給装置１によりバッテリ容器２００に電解液１９を複数回に分けて注入（分注）するときの動作の一部を示している。まず、第４の機能３０ｄにより、バッテリ容器２００に分注を開始する時刻ｔ０にベント弁４を開閉し、リザーバー２をベントする。ベント弁４は空気作動弁（エアー駆動弁）なので、時刻ｔ０に第４の機能３０ｄがソレノイドバルブ３４に駆動信号を出力した後、若干の時間差があってからベント弁４が開く。

時刻ｔ１に、第３の機能３０ｃにより入口弁５を開き、ニードル弁（カット弁）２３が閉じた状態で、リザーバー２と計量ユニット１０の計量空間Ｓとを連通させる。入口弁５は空気作動弁（エアー駆動弁）なので、時刻ｔ１に第３の機能３０ｃがソレノイドバルブ３３に駆動信号を出力した後の時刻ｔ２に入口弁５が開く。

第１の機能３０ａは、第３の機能３０ｃが入口弁５を開にする信号を出力した後の時刻ｔ３にピストン１２を上方に駆動する信号をサーボモータ１３に出力して、空間Ｓを広げる方向（拡大する方向）にピストン１２を動かす（ストロークさせる）。時刻ｔ４にピストン１２のストロークを停止することにより、所定の量の電解液１９を計量空間Ｓ内に流入させる。この供給装置１においては、サーボモータ１３を電圧制御またはパルス制御することによりピストン１２の移動速度は可変である。このため、図２において電解液１９の引き込み速度を示す角度θ１を任意に変えることができる。したがって、電解液１９の特性や引き込み条件などにより引き込み速度θ１を上昇できる環境であれば、引き込み速度θ１を早くして注液時間を短縮できる。

第３の機能３０ｃは、第１の機能３０ａがピストン１２を時刻ｔ４に停止した後、または同時に、入口弁５を閉じる信号をソレノイドバルブ３３に対して出力する。空気作動による遅延を経た時刻ｔ５に入口弁５は閉じる。

第２の機能３０ｂは、第３の機能３０ｃが入口弁５を閉じる信号を出力した後、入口弁５が動作する遅延時間を考慮し、入口弁５が閉じた後の時刻ｔ６にディスペンサ２０のニードル弁（カット弁）２３を開ける信号をソレノイドバルブ３２に対して出力する。空気作動による遅延を経た時刻ｔ７にアクチュエータ２４が動作し、ニードル弁２３が開く。

第１の機能３０ａは、第２の機能３０ｂがニードル弁２３を開にする信号を出力した後、ニードル弁２３が動作する遅延時間を考慮し、ニードル弁２３が開いた後の時刻ｔ８にサーボモータ１３に対しピストン１２を下方に駆動する信号を出力する。

時刻ｔ５において入口弁５を閉じたため、それ以降においては、計量空間Ｓは入口弁５の上流の系から遮断され、リザーバー２を含む上流の系の静圧は計量空間Ｓに加わらない。したがって、時刻ｔ７にニードル弁２３が開になったときに、入口弁５より上流のシステムの静圧がディスペンサ２０に印加されるのを防止できる。また、シリンダ１１およびピストン１２により構成される計量空間Ｓの断面積は、配管の断面積の１桁以上、通常は２桁〜３桁以上大きい。したがって、分注する電解液１９を断面積の大きな計量空間Ｓにいったん蓄積することにより分注する電解液１９の静圧（液柱による圧力）がニードル弁２３に印加されるのを最小限に抑えることができる。さらに、この供給装置１においては、背圧弁５０によりニードル弁２３に加わる圧力をさらに抑制している。したがって、ニードル弁２３を開いたときに電解液１９が吐出ノズル２１から飛散することを抑制できる。

このようにニードル弁２３は、入口弁５が閉じた後に開くことが望ましい。本例では、ニードル弁２３を開く信号を入口弁５が閉じた後に出力しているが、信号の出力から入口弁５およびニードル弁２３が作動する遅れを考慮し、ニードル弁２３を開く信号を入口弁５が閉じる前に出力し、弁切り替えに要する時間を短縮するようにしてもよい。

さらに、計量ユニット１０の計量空間Ｓの上端部Ｓ２とディスペンサ２０とをつなぐ第１の管路４１に背圧弁５０を設けている。このため、ディスペンサ２０の吐出ノズル２１のニードル弁２３を単に開いても、この時点では電解液１９は吐出されない。時刻ｔ８にピストン１２が下方に動いて計量空間Ｓが狭められ背圧弁５０に所定の背圧が加わることにより、ピストン１２の動きに対応する量の電解液１９が吐出ノズル２１の先端から精度良く吐出される。特に、この供給装置１においては、背圧弁５０が設けられた第１の管路４１は、計量空間Ｓの上端部Ｓ２の出口ポートＰ２に接続されており、背圧弁５０に加わる静圧（液柱による圧力）はほぼ一定しているので、ピストン１２の位置（上下の位置）が変化しても変動しない。したがって、背圧弁５０をピストン１２の動きに瞬時に反応して開閉するように設定できる。

時刻ｔ８にピストン１２を下方に動かした後、第２の機能３０ｂの信号出力機能３０ｘは、時刻ｔ９に、第１の機能３０ａがピストン１２を停止させる位置Ｐｏｓより若干前の第１の位置Ｐｏ１にピストン１２が到達したと判断すると、ニードル弁２３を閉じる信号をソレノイドバルブ３２に出力する。この信号により、時刻ｔ９より空気作動による動作遅延時間Ｔｄｅｌが経過した時刻ｔ１０にアクチュエータ２４が駆動され、ニードル弁２３が閉じる。また、ほぼ同じ時刻ｔ１０に、ピストン１２が停止位置Ｐｏｓに達するので、第１の機能３０ａはサーボモータ１３の動きを停止させ、ピストン１２を停止する。計量ユニット１０において計量した分だけの電解液１９をピストン１２でディスペンサ２０に供給し終わると同時にニードル弁２３を閉じることにより、極めて精度よく注液量を制御できる。

注液精度を向上させるためには、ピストン１２のストロークが停止することと、ニードル弁２３が実際に閉じることとをほぼ同時に行うことが望ましい。そのために、停止させる位置Ｐｏｓと信号出力機能３０ｘが閉信号を出力する第１の位置Ｐｏ１との差ｄｓは、供給装置１が設置された環境に合わせて決定される。制御ユニット３０がニードル弁２３を閉じる信号を出力させるタイミングと、ピストン１２の第１の位置Ｐｏ１との関係を設置環境に合わせて調整することが望ましい。また、制御ユニット３０がニードル弁２３を閉じる信号を出力してからニードル弁２３が実際に閉じるまでの時間Ｔｄｅｌを測定して制御ユニット３０のメモリに設定しておくことも可能である。信号出力機能３０ｘは、第１の機能３０ａがピストン１２を下方に動かす速度と停止位置Ｐｏｓとの関係から、自動的にニードル弁２３を閉じる信号を出力するタイミングをピストン１２の第１の位置Ｐｏ１として求め、ニードル弁２３を閉じる信号を出力することができる。

この供給装置１においては、引き上げ（上方ストローク）と同様に、サーボモータ１３によりピストン１２の移動速度を変更できる。このため、図２において電解液１９の吐出速度を示す角度θ２を任意に、引き込み速度θ１とは独立して変えることができる。したがって、電解液１９の特性、引き込み条件などにより引き込み速度θ１に対して吐出速度θ２を遅くすることも可能であり、また、吐出速度θ２を引き込み速度θ１に対して早くすることも可能である。吐出速度θ２が変わった場合でも、制御ユニット３０に遅延時間Ｔｄｅｌを予め設定し、ピストン１２の第１の位置Ｐｏ１を自動的に求められるようにしておくことにより、信号出力機能３０ｘは適切なタイミングでニードル弁２３を閉じる信号を出力できる。

信号出力機能３０ｘは、ニードル弁閉の信号を出力するタイミングを、ピストン１２の停止時刻を予想し、その予想時刻に対して設定してもよい。ピストン１２のストロークの量は電解液１９を計量する段階で決まっているので、ピストン１２の位置に基づきピストン１２が停止するタイミングを判断し、それに対して適当なタイミングでニードル弁閉の信号を出力する方法は、信頼性が高く、制御ロジックの構成も容易な方法の１つである。信号出力機能３０ｘは、ニードル弁閉の信号を出すためのタイミングをピストン１２の位置（第１の位置Ｐｏ１）から決定してもよい。この供給装置１では検出器であるエンコーダ１８によりピストン１２の位置を得ることができる。また、ステッピングモータがサーボモータ１３として採用されていれば、駆動パルスをカウントすることによりピストン１２の位置を得ることができる。また、エンコーダ１８の出力および駆動パルスカウントの両方を用いることも可能である。

この供給装置１においては、ピストン１２を停止するのと実質的に同時にニードル弁２３を閉にできるので、注液量の精度を向上できるとともに素早く液切りでき、次の動作に移行できる。このため、注液量の精度を維持しながら注液時間をさらに短縮することが可能である。したがって、バッテリ容器２００における電解液１９の含浸時間を確保したり、バッテリ容器２００に対するトータルの注液時間（タクトタイム）を短縮できる。

なお、電解液１９に可燃性の成分が含まれていない環境においては、ニードル弁のアクチュエータ２４としてソレノイドタイプを直に用いることが可能である。その場合は、ニードル弁２３を閉じる信号をピストン１２が停止位置Ｐｏｓに達したのとほぼ同時に出力することが可能である。また、ソレノイドタイプのアクチュエータ自身に動作遅延の時間がある場合は、その時間を考慮して、適当な第１の位置Ｐｏ１を設定し、事前にニードル弁２３を閉じる信号をピストン１２の位置に基づき出力することができる。

バッテリを製造する過程で、バッテリ容器２００に電解液１９を注液する工程においては、一度に電解液１９を全量注液するのではなく、電解液１９が含浸するのを待って、所定の量の電解液１９を注液（分注）するといった作業を繰り返すことがある。分注する電解液の量（分注量）は一定でもよく、分注量を変えてもよい。この供給装置１においては、図２に示すように、計量ユニット１０のピストン１２のストローク量をΔｑだけ変えることにより精度よく注液する量を計量できる。さらに、ニードル弁２３を閉じる信号を出力するタイミングを、吐出速度θ２に合わせて停止位置Ｐｏｓからｄｓだけ離れた第１の位置Ｐｏ１に設定することができる。なお、吐出速度θ２が同じであれば、一旦設定した上記第１の位置Ｐｏ１は変える必要はない。

この供給装置１においては、ディスペンサ２０と計量ユニット１０とを連通する管路４１に背圧弁５０を設け、計量ユニット１０の側の圧力変動により背圧弁５０を瞬時に開閉させることにより注入される液量の制御性を向上している。さらに、この供給装置１においては、ピストン１２がストロークを停止するとともに、ほぼ同時にニードル弁２３を閉にする。この制御により、ディスペンサ２０の注入先が減圧（真空）雰囲気であっても、背圧弁５０から下流側の電解液１９が減圧雰囲気により吸引されて吐出ノズル２１から滴下する（漏れ出す）ことを未然に防止できる。また、ピストン１２の停止とともに、背圧弁５０が動作して背圧弁５０の上流の静圧を遮断できるので、ニードル弁２３に加わる差圧も小さくなり、注入先が減圧雰囲気であっても、ニードル弁２３で電解液１９を遮断しやすく、液切れもよい。このため、注液精度を改善でき、さらに液だれが止まるのを待つ時間が基本的には不要なので、注液時間も短縮できる。

さらに、この供給装置１においては、背圧弁５０が設けられた第１の管路４１に繋がる出口ポートＰ２を計量空間Ｓの上端部Ｓ２に設けている。このため、計量空間Ｓには気体が溜まりにくく、計量空間Ｓには気泡が生成されにくい。気泡が生成されると、気体は圧縮性なので、計量空間Ｓの計量精度に影響を与え、さらに、減圧により気体が膨張するとディスペンサ２０の吐出ノズル２１から電解液１９が飛散する要因となる。この点でも、この供給装置１は、計量精度、すなわち注液精度を確保でき、さらに、電解液１９が減圧室内１０２で飛散するような事態も未然に防止できる。

減圧室内１０２に複数のバッテリ容器２００がセットされている場合には、ディスペンサ２０の下に次に注液するバッテリ容器２００を移動することにより、供給装置１による分注が次々と行われる。この供給装置１においては、液切れがよく、液だれが停止する待ち時間が殆ど不要であり、さらに、吐出ノズル２１からの飛散も殆どない。したがって、殆ど待ち時間なしに次の分注を開始できる。たとえば、時刻ｔ１０に前のバッテリ容器２００への分注が終了すると、バッテリ容器２００の移動時間をおいて、時刻ｔ１１に入口弁５を開ける信号を出力し、以降、上記のサイクルと同様に分注を繰り返すことができる。

さらに、吐出ノズル２１の先からの液漏れが基本的にないので、計量ユニット１０で計量している間、すなわち、ピストン１２が上方に動いて計量を終了する時刻ｔ１４あるいは入口弁５が閉じる時刻ｔ１５、さらにはディスペンサ２０のニードル弁２３が開く時刻ｔ１７までをバッテリ容器２００の移動時間に使用することが可能である。したがって、さらに注液時間を短縮することが可能となる。また、引き込み速度θ１を変更することは可能なので、バッテリ容器２００の移動時間と同期させてピストン１２の移動時間を設定することも可能である。したがって、この供給装置１は、様々なパターンの分注に対し極めてフレキシブルに対応でき、さらに、注液精度も高く、分注に要する時間も短縮できる。

図３に、バッテリを製造する過程において、供給装置１がバッテリ容器２００に電解液１９を注入する操作をフローチャートにより示す。以下に示す操作は、供給装置１の制御ユニット３０により実行されるプログラム（プログラム製品）として適当な記録媒体に記録して提供することが可能である。また、インターネットなどのコンピュータネットワークを介してプログラムを提供することも可能である。

まず、ステップ３０１において分注が開始されると、制御ユニット３０の第４の機能３０ｄがステップ３０２においてベント弁４を一旦開いて閉じる。これにより、リザーバー２の上部に溜まった気体を排出できる。

ステップ３０３において、制御ユニット３０の第３の機能３０ｃが入口弁開の信号を出力して入口弁５を開き、ステップ３０４において、第１の機能３０ａがサーボモータ１３を駆動してピストン１２を上方へストロークさせる。ステップ３０５において、ピストン１２による計量が終了すると、制御ユニット３０の第１の機能３０ａがサーボモータ１３を停止し、ステップ３０６において、第３の機能３０ｃが入口弁閉の信号を出して入口弁５を閉じる。それと前後して、ステップ３０７において、制御ユニット３０の第２の機能３０ｂがニードル弁開の信号を出してニードル弁２３を開く。

ステップ３０８において、第１の機能３０ａがサーボモータ１３を駆動してピストン１２を下方へストロークさせる。ステップ３０９において、第２の機能３０ｂの信号出力機能３０ｘが、ピストン１２が停止前の所定位置（第１の位置）Ｐｏ１に達したことをエンコーダ１８から得ると、ステップ３１０において、ピストン１２が停止する前にニードル弁閉の信号を出力する。ステップ３１１において、第１の機能３０ａが、ピストン１２が計量した分の電解液１９を供給したと判断すると、サーボモータ１３を停止しピストン１２を停止する。ステップ３１０において出力されているニードル弁閉の信号により、サーボモータ１３の停止（ピストン１２の停止）とほぼ同時にニードル弁２３が閉になる。

ステップ３１２において分注を続ける場合には、ステップ３１３でバッテリ容器２００を移動して、ステップ３０３に戻り、次のバッテリ容器２００に対し分注を続ける。

この供給装置１およびその制御方法によれば、ピストン１２の位置を指標として、ニードル弁２３を閉じる信号を出力するタイミングを決定している。このため、電解液１９のバッテリ容器２００への供給が完了するタイミング（ピストン１２が最下位置となるタイミング）と、ニードル弁２３が閉じるタイミングを一致させやすく、液漏れなどによる注液量の誤差が生じ難い。

なお、上記の計量ユニット１０は、シリンダ１１が上下に延び、ピストン１２が上下に移動するタイプであるが、シリンダ１１が左右方向(水平方向)に沿って配置され、ピストン１２を左右方向(水平方向)に沿って移動するタイプであってもよい。計量空間Ｓへの電解液１９の流入および流出をスムーズに行えるように配管をアレンジする必要があるが、上下方向の寸法を小さくできるので、よりコンパクトな供給装置に適している。

また、上記の計量ユニット１０は、サーボモータ駆動であるが、駆動方式はサーボモータに限定されない。注液量をフレキシブルに可変させる要求がなければ、ピストンをソレノイドタイプのアクチュエータで駆動することも可能である。さらに、上記の入口弁、ベント弁およびニードル弁は、防爆領域であることを考慮し、空気作動のアクチュエータを採用しているが、防爆領域でなければ、電磁弁あるいはソレノイドタイプのアクチュエータを採用することも可能であり、アクチュエータには様々なタイプのものを使用できる。上記の装置（システム）において、ボールタイプの背圧弁は簡易な構造で配管への組み込みが容易であり、動作も安定しているので好適であるが、背圧弁はダイアフラムタイプなどの他のタイプであってもよい。

Claims (11)

1. 減圧室内に配置されたバッテリ容器内に電解液を供給する装置であって、
   シリンダ内の空間をピストンが動いて電解液を計量する計量ユニットと、
   前記計量ユニットから供給された電解液を前記バッテリ容器に対し上方から注入するディスペンサと、
   当該装置を制御する制御ユニットとを有し、
   前記ディスペンサは、
   前記減圧室内に配置された先端から電解液を吐出する吐出ノズルであって、前記バッテリ容器内または前記バッテリ容器の上端近傍に配置される吐出ノズルと、
   前記吐出ノズルの内側に配置され、前記吐出ノズルを開閉するニードル弁と、
   前記ニードル弁を上下に駆動するアクチュエータとを含み、
   前記制御ユニットは、
   前記計量ユニットの前記ピストンの動きを制御し、前記ピストンを前記シリンダ内の空間を広げる方向に動かして電解液を計量し、前記ピストンを前記空間を狭める方向に動かして電解液を前記ディスペンサに供給する第１の機能と、
   前記アクチュエータにより前記ニードル弁を開閉させる第２の機能とを含み、前記第２の機能は、前記第１の機能が前記ピストンを前記狭める方向に動かして停止させるのに連動して前記ニードル弁を閉じる信号を出力する信号出力機能を含む、装置。
2. 請求項１において、
   前記信号出力機能は、前記第１の機能が前記ピストンを前記狭める方向に動かして停止させる前に、前記ニードル弁を閉じる信号を出力する、装置。
3. 請求項２において、
   前記計量ユニットは、前記ピストンを駆動するサーボモータを含み、
   前記ニードル弁を駆動する前記アクチュエータは、ソレノイドバルブを介して供給される作動流体で駆動され、
   前記第１の機能は、前記サーボモータを駆動する信号を出力する機能を含み、
   前記信号出力機能は、前記ソレノイドバルブを駆動する信号を出力する、装置。
4. 請求項２または３において、
   前記ピストンの位置を検出する検出器をさらに有し、
   前記信号出力機能は、前記狭める方向に移動中の前記ピストンの位置が停止位置の手前の第１の位置となったことを前記検出器が検出したときに、前記閉じる信号を出力する、装置。
5. 請求項３において、
   前記サーボモータは、ステッピングモータであり、
   前記第１の機能は、前記サーボモータに供給するパルス数によりピストンの位置を判断して前記ピストンを前記広げる方向と前記狭める方向とに動かし、
   前記信号出力機能は、前記ピストンが前記狭める方向に移動中に前記サーボモータに供給されたパルス数が所定の値になったときに、前記閉じる信号を出力する、装置。
6. 請求項１において、
   前記計量ユニットの上流側を開閉する入口弁をさらに有し、
   前記制御ユニットは、前記入口弁を開閉する第３の機能を含み、
   前記第１の機能は、前記第３の機能が前記入口弁を開にする信号を出力した後、前記ピストンを前記広げる方向に駆動する機能を含み、
   前記第３の機能は、前記第１の機能が前記ピストンを前記広げる方向に動かして停止した後、前記入口弁を閉じる機能を含み、
   前記第１の機能は、前記第２の機能が前記ニードル弁を開にする信号を出力した後、前記ピストンを前記狭める方向に駆動する機能を含む、装置。
7. 減圧室内に配置されたバッテリ容器内に、供給装置により電解液を供給することを含む方法であって、
   前記供給装置は、
   シリンダ内の空間をピストンが動き、電解液を計量する計量ユニットと、
   前記計量ユニットから供給された電解液を前記バッテリ容器に対し上方から注入するディスペンサとを有し、
   前記ディスペンサは、
   前記減圧室内に配置された先端から電解液を吐出する吐出ノズルであって、前記バッテリ容器内または前記バッテリ容器の上端近傍に配置される吐出ノズルと、
   前記吐出ノズルの内側に配置され、前記吐出ノズルを開閉するニードル弁と、
   前記ニードル弁を上下に駆動するアクチュエータとを含み、
   前記電解液を供給することは、
   制御ユニットが、前記計量ユニットの前記ピストンを前記シリンダ内の空間を広げる方向に動かして電解液を計量した後、前記ピストンを前記空間を狭める方向に動かして電解液を前記ディスペンサに供給することと、
   前記ピストンが前記狭める方向に動いて停止するのに連動して前記アクチュエータに前記ニードル弁を閉じる信号を出力することとを含む、方法。
8. 請求項７において、
   前記ニードル弁を閉じる信号を出力することは、前記ピストンを前記狭める方向に動かして停止させる前に、前記ニードル弁を閉じる信号を出力することを含む、方法。
9. 請求項８において、
   前記装置は、前記ピストンの位置を検出する検出器をさらに有し、
   前記ニードル弁を閉じる信号を出力することは、前記狭める方向に移動中の前記ピストンの位置が停止位置の手前の第１の位置となったことを前記検出器が検出したときに、前記閉じる信号を出力することを含む、方法。
10. 請求項８において、
    前記計量ユニットは、前記ピストンを駆動するステッピングモータ型のサーボモータを含み、前記ニードル弁を駆動する前記アクチュエータは、ソレノイドバルブを介して供給される作動流体で駆動され、
    前記ピストンの動きを制御することは、前記サーボモータに供給するパルス数によりピストンの位置を判断して前記ピストンを前記広げる方向と前記狭める方向とに駆動することを含み、
    前記ニードル弁を閉じる信号を出力することは、前記ピストンが前記狭める方向に移動中に前記サーボモータに供給されたパルス数が所定の値になったときに、前記ソレノイドバルブを駆動する信号を出力することを含む、方法。
11. 請求項７ないし１０のいずれかにおいて、
    前記装置は、前記計量ユニットの上流側を開閉する入口弁をさらに有し、
    前記ピストンの動きを制御することは、
    前記入口弁を開にする信号を出力した後、前記ピストンを前記広げる方向に駆動することと、
    前記ピストンを前記広げる方向に動かして停止した後、前記入口弁を閉じ、前記ニードル弁を開にする信号を出力した後、前記ピストンを前記狭める方向に駆動することとを含む、方法。

Images