JP5809177B2 - 捲回装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば二次電池等に内蔵される捲回素子を得るための捲回装置に関するものである。
例えば、リチウムイオン電池等の二次電池として用いられる電池素子は、正極活物質が塗布された正電極シートと、負極活物質が塗布された負電極シートとが、絶縁材からなる2枚のセパレータを介して重ね合わされた状態で捲回されて製造される。
当該電池素子を製造する捲回装置においては、ロール状に捲回された原反から供給される上記各電極シート及び各セパレータがそれぞれ別個の搬送路に沿って捲回部へと搬送され、当該捲回部にて各電極シート及び各セパレータが重ね合わされた状態で捲回される。
捲回部の構成としては、生産性の向上等を図るため、例えば回転可能に設けられたターレットと、当該ターレットの回転方向に沿って所定間隔をあけて配置されると共に自身も回転可能に設けられた複数の巻芯とを備えたものが知られている。
かかる構成においては、まずターレットが停止した状態で、第1ポジションにある第1の巻芯に対し2枚のセパレータを幾分巻付ける等して固定した後、両セパレータ間にそれぞれ正負両電極シートを挿入し、正負両電極シートの捲回を開始する。
そして、各電極シートが所定長捲回されたところで一旦捲回を停止し、所定の把持手段等により各電極シートを把持した上で、各電極シートを切断する。各電極シートが切断されると、再び第1の巻芯を回転させ、各電極シートの終端部分(巻き残し部分)を巻取る。
その後、セパレータを切断することなく、ターレットを回転させることで、セパレータが繋がったままの状態の第1の巻芯を第2ポジションへと移動させると共に、何も捲回されていない第2の巻芯を新たに第1ポジションへ移動させる。
ここで、セパレータを第2の巻芯に対し幾分巻付ける等して固定する。これにより、セパレータは、第2ポジションへ移動した第1の巻芯と、第1ポジションへ移動した第2の巻芯との間に架け渡された状態となる。この状態で、両巻芯間においてセパレータを切断する。その後、セパレータの終端部分(巻き残し部分)を第1の巻芯に巻取ることで、当該第1の巻芯についての一連の電池素子の捲回作業が完了する。同時に、第2の巻芯について上記一連の電池素子の捲回作業が開始される。以降、このような動作が繰り返し行われ、各巻芯に対し各電極シート及び各セパレータが交互に捲回されることにより、電池素子が順次製造されていく(例えば、特許文献1等参照)。
特開2009−289661号公報
しかしながら、従来では、上述したとおり、第1の巻芯に対する1素子分の電極シートの捲回終了と共に、ターレットを回転させ、第2の巻芯を新たに所定の捲回位置へ移動させた後、ターレットを停止させる。続いて、第2の巻芯に対しセパレータを固定した後、当該第2の巻芯を回転させ、第2の巻芯に両セパレータを巻取りつつ、当該両セパレータの間に電極シートを挿入し、第2の巻芯に対する1素子分の電極シートの捲回を開始する。
このように、従来では、先の電極シートの捲回動作の終了から、次の電極シートの捲回動作を開始するまでに、多大な時間を要するおそれがあり、さらなる生産性の向上が求められていた。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、生産性の向上等を図ることのできる捲回装置を提供することにある。
以下、上記課題を解決するのに適した各手段につき項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する手段に特有の作用効果を付記する。
手段1.活物質の塗布された帯状の正負両電極シートと、絶縁素材からなる2枚の帯状のセパレータとを重ね合わせて捲回する捲回装置であって、
自身の中心軸を回転軸として回転可能に設けられたターレットと、
前記ターレットの回転方向に所定間隔をあけて配置されると共に、それぞれ自身の中心軸を回転軸として回転し、前記電極シート及びセパレータを捲回可能な複数の巻芯と、
前記複数の巻芯のうち第1ポジションにある第1の巻芯に対し前記電極シート及びセパレータを所定長捲回した後、前記ターレットを回転させ、当該第1の巻芯を第2ポジションへと移動させると共に、当該第1の巻芯とは異なる第2の巻芯を前記第1ポジションへ移動させるターレット制御手段と、
前記第1の巻芯により捲回される前記電極シートの終端部と、前記第2の巻芯により次回捲回される前記電極シートの始端部との区切りとなる位置にて前記電極シートを切断するシート切断手段と、
前記第1の巻芯が前記第2ポジションへ向け移動中かつ前記第2の巻芯が前記第1ポジションへ向け移動中となる前記ターレットの回転中に、前記第2の巻芯により次回捲回される前記電極シートの始端部を所定位置へ向け供給する電極シート供給手段と
少なくとも前記ターレットの回転中における前記セパレータの移動速度を検出可能な速度検出手段と、
前記速度検出手段により検出された速度に基づき、前記正負両電極シートのうち少なくとも前記両セパレータの間にその始端部を挿入する電極シートに係る前記電極シート供給手段の供給動作を制御するシート供給制御手段とを備え、
前記第1の巻芯が前記第2ポジションへ向け移動中かつ前記第2の巻芯が前記第1ポジションへ向け移動中となる前記ターレットの回転中において、前記両セパレータの移動速度に合わせた供給速度で、当該両セパレータ間へ前記電極シートの始端部を挿入可能としたことを特徴とする捲回装置。
ここで、上記手段1の捲回装置を用いた電極シート及びセパレータの捲回手順の一例を示す。
まず第1ポジションにある第1の巻芯に対し電極シート及びセパレータを捲回し、電極シート及びセパレータが所定長捲回されたところで、電極シートを把持した上で切断する。その後、セパレータを切断することなく、ターレットを回転させることで、セパレータが繋がった状態のまま、第1の巻芯が第2ポジションへと移動すると共に、何も捲回されていない第2の巻芯が新たに第1ポジションへと移動する。
この間に、第2の巻芯により次回捲回される正負両電極シートの始端部を所定位置へ向け供給する。
その後、セパレータが、第2ポジションへ移動した第1の巻芯と、第1ポジションへ移動した第2の巻芯との間に架け渡された状態となると共に、各電極シートが所定位置へ位置決めされる。
そして、セパレータ及び電極シートをチャック等により第2の巻芯に対し固定した上で、第1の巻芯と第2の巻芯との間でセパレータを切断する。セパレータの切断後、第2ポジションに位置する第1の巻芯によりセパレータの巻き残し部分の巻取ることによって、当該第1の巻芯についての一連の捲回素子の捲回作業が完了する。
一方、第1ポジションに位置する第2の巻芯では、セパレータを切断すると同時に、新たなセパレータ及び電極シートの捲回が開始される。以降、第2の巻芯について上記一連の捲回素子の捲回作業が行われる。
上記手段1によれば、第1ポジションにおける捲回作業の終了後、第1の巻芯が第2ポジションへ向け移動しかつ第2の巻芯が新たに第1ポジションへ向け移動することとなるターレットの回転中、すなわちターレット停止前に、第2の巻芯により次回捲回される正負両電極シートの始端部を供給する構成となっている。
これにより、ターレットを停止させ、セパレータを切断した後、すぐに電極シートの捲回動作を開始することが可能となる。つまり、第1ポジションにおける第1の巻芯による捲回作業の終了時と、第2の巻芯による捲回作業の開始時との間の時間を短縮することができる。結果として、生産性の向上を図ることができる。
また、移動中の両セパレータ間へ電極シートの始端部を挿入する場合、セパレータの移動速度と電極シートの挿入速度が一致していないと、電極シートに皺や巻きズレが生じたり、電極シートの始端部の位置ズレが生じるなど、製品の品質が低下するおそれがある。
これに対し、上記手段によれば、ターレットの回転中におけるセパレータの移動速度を検出可能な速度検出手段を備え、第2の巻芯により次回捲回される正負両電極シートの始端部を電極シート供給手段により供給する際、両セパレータの間にその始端部を挿入する電極シートに関しては、両セパレータの移動速度に合わせた供給速度で、当該両セパレータ間へその始端部が挿入される構成となっている。
結果として、上記各種不具合の発生を防ぎ、得られる捲回素子の品質低下を抑制することができる。
尚、「セパレータの移動速度に合わせた供給速度」には、「セパレータの移動速度と同一の速度」は勿論のこと、例えば上記不具合の発生しない程度に「セパレータの移動速度よりも若干遅い速度」などが含まれることとしてもよい。このようにすることで、電極シートの弛みを防止することができる。
手段.前記速度検出手段は、前記ターレットよりも上流側にある前記セパレータの搬送経路(パスライン)において、前記セパレータの移動速度の検出を行うことを特徴とする手段に記載の捲回装置。
セパレータの移動速度を検出する速度検出手段の構成としては、例えば(1)巻芯(第2ポジションへ移動していく第1の巻芯)の回転速度を検出可能なエンコーダを備え、当該巻芯の回転速度に基づき、セパレータの移動速度を把握する構成、(2)両セパレータを巻芯との間で挟み込むタッチローラと、当該タッチローラの回転速度を検出可能なエンコーダとを備え、タッチローラの回転速度に基づき、セパレータの移動速度を把握する構成なども考えられる。
しかしながら、上記構成(1),(2)では、ターレットの回転(公転動作)に伴い、巻芯と共にエンコーダ等も移動するため、例えば巻芯の回転(自転動作)が停止している場合等には、ターレットの回転に伴うセパレータの移動速度を検出できない。
これに対し、(3)ターレットの回転速度を検出可能なエンコーダを備え、当該ターレットの回転速度に基づき、セパレータの移動速度を把握する構成も考えられる。
しかしながら、ターレットの回転に伴い、セパレータの位置や速度が複雑に変化するため、上記構成(3)では、ターレットの回転中におけるセパレータの移動速度を精度良く検出することが難しい。
さらに、捲回素子の品種や製造方法によっては、ターレットの回転(公転動作)中に、巻芯を回転(自転動作)させる場合がある。かかる場合、ターレットの回転と巻芯の回転とが組み合わさり、さらにセパレータの動きが複雑に変化するため、上記構成(3)は勿論のこと、これと上記構成(1),(2)を組合せた構成としたとしても、構成が複雑化するだけで、ターレットの回転中におけるセパレータの移動速度を精度良く検出することが極めて難しくなる。
これに対し、上記手段によれば、ターレットの上流側にてセパレータの移動速度を直接検出しているため、ターレットの回転に伴うセパレータの位置変化や速度変化に影響を受けることなく、セパレータの移動速度を精度よく検出することができ、電極シートを適切な速度で供給することができる。
また、捲回素子の品種に応じて巻芯のサイズや形状は種々異なる。このため、上記構成(1)〜(3)の構成の下、捲回素子の品種に応じて巻芯のサイズや形状が変化した場合には、セパレータの移動速度に合わせた供給速度で電極シートを供給するために、これらを考慮して、例えばターレットの回転速度や巻芯の回転速度を基にセパレータの移動速度を算出するプログラムを再設定するなど、複雑な調整作業を行う必要がある。
これに対し、上記手段によれば、ターレットへ供給されるセパレータの移動速度を直接検出しているため、上述したような複雑な調整作業を行う必要もない。結果として、捲回素子の品種切替時における調整作業の簡素化を図ることができると共に、汎用性を高めることができる。
手段.前記速度検出手段は、
前記セパレータに接触しつつ、当該セパレータの移動に応じて回転するローラと、
前記ローラの回転速度を検出可能なエンコーダとを備え、
前記エンコーダの検出結果を基に、前記セパレータの移動速度を検出することを特徴とする手段に記載の捲回装置。
上記手段によれば、ローラがセパレータに直接接触して、当該セパレータの移動速度を検出する構成となっているため、例えばレーザ式など非接触式の速度検出手段に比べ、セパレータの移動速度を精度よく検出することができる。結果として、上記各手段の作用効果をさらに高めることができる。
手段.前記第1の巻芯が前記第2ポジションへ向け移動中かつ前記第2の巻芯が前記第1ポジションへ向け移動中となる前記ターレットの回転中において、前記第1の巻芯が回転可能に構成されていることを特徴とする手段1乃至のいずれかに記載の捲回装置。
上述したように、製造される捲回素子の品種に応じて、巻芯のサイズや形状が種々異なるため、セパレータの切断位置も捲回素子の品種に応じて変化する。
これに対し、本手段のように、ターレットの回転中に、第1の巻芯が回転可能に構成されていることで、第1の巻芯が第2ポジションに到達する前に、セパレータの切断位置の位置調整を行うことができる。結果として、ターレットが停止した後、第1の巻芯を回転させることなく、すぐにセパレータの切断作業を行うことが可能となり、さらなる生産性の向上を図ることができる。
また、ターレットの回転中に、第1の巻芯が回転する構成の下では、上述したように、セパレータの移動速度を精度良く検出することが困難となる。つまり、本手段の構成の下では、上記各手段の作用効果がより奏効することとなる。
手段.前記巻芯は、自身の回転軸に直交する方向における断面形状又はその外周形状(セパレータや電極シートが捲回される部分の形状)が非円形状(例えば楕円形状や長円形状、多角形状、扁平状、平板状など)に構成されていることを特徴とする手段1乃至のいずれかに記載の捲回装置。
巻芯の断面形状等が円形状でない場合、巻芯の回転に伴い、セパレータの位置や速度が複雑に変化するため、巻芯の回転中におけるセパレータの移動速度を精度良く検出することが難しい。つまり、本手段の構成の下では、上記各手段の作用効果がより奏効することとなる。
電極シートの巻取りが完了した状態を示す捲回装置の概略構成図である。 ターレットが回転中の状態を示す捲回装置の概略構成図である。 電極シートの供給を開始した状態を示す捲回装置の概略構成図である。 ターレットの回転が停止した状態を示す捲回装置の概略構成図である。 セパレータ切断時の状態を示す捲回装置の概略構成図である。 各種シートの捲回を開始した状態を示す捲回装置の概略構成図である。 電池素子の構成を示す断面模式図である。
以下、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、本実施形態の捲回装置によって得られる捲回素子としてのリチウムイオン電池素子の構成について説明する。
図7に示すように、リチウムイオン電池素子1(以下、単に「電池素子1」という)は、2枚のセパレータ2,3を介して、正電極シート4及び負電極シート5が重ね合わされた状態で捲回されることで製造される。尚、図7においては、説明の便宜上、セパレータ2,3及び電極シート4,5(以下、これらを総称する場合は「各種シート2〜5」という)の相互の間隔をあけて示している。
セパレータ2,3は、それぞれ同一の幅を有する帯状をなしており、異なる電極シート4,5同士が互いに接触して短絡を起こしてしまうのを防止すべく、ポリプロピレン(PP)等の絶縁体により構成されている。
電極シート4,5は、薄板状の金属シートよりなり、セパレータ2,3と略同一の幅を有している。また、電極シート4,5の表裏両面には活物質が塗布されている。正電極シート4には例えばアルミニウム箔シートが用いられ、その表裏両面に正極活物質が塗布されている。負電極シート5には例えば銅箔シートが用いられ、その表裏両面に負極活物質が塗布されている。そして、当該活物質を介して、正電極シート4及び負電極シート5間におけるイオン交換ができるようになっている。より詳しくは、充電時には、正電極シート4側から負電極シート5側へとイオンが移動し、放電時には、負電極シート5側から正電極シート4側へとイオンが移動する。
また、正電極シート4の幅方向一端縁からは図示しない複数の正極リードが延出するとともに、負電極シート5の幅方向他端縁からは図示しない複数の負極リードが延出している。
リチウムイオン電池を得るに際しては、捲回された電池素子1が金属製で筒状をなす電池容器(図示せず)内に配設されるとともに、前記正極リード及び負極リードがそれぞれまとめられる。そして、まとめられた正極リードを正極端子部品(図示せず)に接続するとともに、同じくまとめられた負極リードを負極端子部品(図示せず)に接続し、両端子部品が前記電気容器の両端開口に塞ぐように設けられることで、リチウムイオン電池を得ることができる。
次に、電池素子1を製造するための捲回装置10について説明する。図1等に示すように、捲回装置10は、各種シート2〜5を捲回するための捲回部11と、正電極シート4を捲回部11へ供給するための正電極シート供給機構31と、負電極シート5を捲回部11へ供給するための負電極シート供給機構41と、セパレータ2,3をそれぞれ捲回部11へ供給するためのセパレータ供給機構51,61とを備えている。尚、上記捲回部11や各供給機構31,41,51,61など、捲回装置10内の各種機構は、図示しない制御装置により動作制御される構成となっている。
正電極シート供給機構31は、正電極シート4がロール状に捲回されてなる正電極シート原反32と、正電極シート4を捲回部11へ供給するための電極シート供給手段としてのシート挿入手段33と、正電極シート4を切断するためのシート切断手段としてのシート切断カッタ34と、正電極シート4の弛みを防止するためのテンション付与機構35とを備えている。
正電極シート原反32は、自由回転可能に支持されており、ここから適宜、正電極シート4が引き出されることとなる。
シート挿入手段33は、正電極シート4の搬送経路に沿って、捲回部11に接近する接近位置と、捲回部11から離間する離間位置とに移動可能に構成されている。シート挿入手段33は、正電極シート4を把持可能な一対のチャック33a,33bを備えている。チャック33a,33bは、図示しない駆動手段により開閉動作可能に構成されている。
そして、正電極シート4を捲回部11へ供給する際には、チャック33a,33bにより正電極シート4を把持した上で、シート挿入手段33を捲回部11に対して接近させることで、後述する捲回開始ポジションP1に対応した所定位置に正電極シート4の始端部を位置決めすることができる。
シート切断カッタ34は、正電極シート4の表裏両側にそれぞれ位置する一対の刃部34a,34bからなる。シート切断カッタ34は、その一対の刃部34a,34bが正電極シート4を挟むように位置するシート切断位置と、正電極シート4の搬送経路外へ退避する退避位置との間を移動可能に設けられている。
そして、捲回部11へ正電極シート4を供給すべく、シート挿入手段33が捲回部11側へ接近移動する際には、正電極シート4の搬送経路から離間することで、シート挿入手段33の移動を阻害しないようになっている。尚、正電極シート4の切断は、チャック33a,33bにより正電極シート4が把持された状態で行われる。
テンション付与機構35は、一対のローラ35a,35bと、両ローラ35a,35b間において揺動自在に設けられたダンサローラ35cとを有している。ダンサローラ35cは、正電極シート4に対し張力を付与可能に構成され、正電極シート4の弛みを防止する役割を果たす。
負電極シート供給機構41は、正電極シート供給機構31と同様、負電極シート原反42、電極シート供給手段としてのシート挿入手段43(一対のチャック43a,43b)、シート切断手段としてのシート切断カッタ44(一対の刃部44a,44b)、テンション付与機構45(一対のローラ45a,45b、ダンサローラ45c)などを備えている。尚、負電極シート原反42やシート挿入手段43、シート切断カッタ44、テンション付与機構45など、負電極シート供給機構41の各種構成は、正電極シート供給機構31と同様であるため、その詳細な説明は省略する。
一方、セパレータ供給機構51は、セパレータ2がロール状に捲回されてなるセパレータ原反52と、セパレータ2の弛みを防止するためのテンション付与機構55とを備えている。
セパレータ原反52は、自由回転可能に支持されており、ここから適宜、セパレータ2が引き出されることとなる。
テンション付与機構55は、一対のローラ55a,55bと、両ローラ55a,55b間において揺動自在に設けられたダンサローラ55cとを有している。ダンサローラ55cは、セパレータ2に対し張力を付与可能に構成され、セパレータ2の弛みを防止する役割を果たす。
セパレータ供給機構61は、セパレータ供給機構51と同様、セパレータ原反62、テンション付与機構65(一対のローラ65a,70a、ダンサローラ65c)などを備えている。但し、一対のローラ65a,70aのうち、一方のローラ70aは、後述するガイドローラを兼用している。
各種シート2〜5の搬送経路の途中には、各種シート2〜5をひとまとめにする一対のガイドローラ70a,70bなど、各種シート2〜5を案内するための各種ガイドローラ(符号略)が設けられている。
一対のガイドローラ70a,70bのうち、セパレータ3が掛けられる一方のガイドローラ70aは、その回転軸位置が変化しない固定ローラにより構成されている。他方のガイドローラ70bは、一方のガイドローラ70aに接近する接近位置と、ガイドローラ70aから離間する離間位置とに変位可能な変位ローラにより構成されている。これにより、一対のガイドローラ70a,70b間の隙間が適宜変化するよう構成されている。
また、一方のガイドローラ70aは、自由回転可能に軸支されると共に、常時、セパレータ3と接触した状態となっている。これにより、セパレータ3の移動に合わせてガイドローラ70aは回転する。
さらに、ガイドローラ70aには、当該ガイドローラ70aの回転速度を検出するためのエンコーダ71が設けられている。エンコーダ71から出力されるパルス信号は、上記制御装置へ入力される。従って、ガイドローラ70aは、セパレータ3の移動量を計測可能な測長ローラの機能を有する。
制御装置は、エンコーダ71から入力するパルス信号を基にガイドローラ70aの回転速度やセパレータ3の移動速度を算出する機能を有する。従って、かかる制御装置の機能やガイドローラ70a、エンコーダ71により、本実施形態における速度検出手段が構成される。
次に捲回部11の構成について詳しく説明する。図1等に示すように、捲回部11は、図示しない駆動機構により回転可能に設けられた円盤状のターレット12と、当該ターレット12の回転方向に120°間隔で設けられた3つの巻芯13A,13B,13Cと、当該巻芯13A,13B,13Cとそれぞれターレット12の回転方向に所定量ずつずれた位置に設けられた3つの支持ローラ15A,15B,15Cと、セパレータ2,3を切断するためのセパレータ切断手段としてのセパレータカッタ16とを備えている。
巻芯13A,13B,13Cは、それぞれ自身の外周側において各種シート2〜5を巻取るためのものであり、図示しない駆動機構により自身の中心軸を回転軸として回転可能に構成されている。また、巻芯13A,13B,13Cは、ターレット12の軸線方向(図1等の紙面奥行方向)に沿って、当該ターレット12に対し出没可能に設けられている。
図1等に示すように、巻芯13A,13B,13Cは、それぞれ自身の軸線方向(図1等の紙面奥行方向)に沿って延びる一対の芯片から構成されており、当該一対の芯片間(スリット)に各種シート2〜5を把持可能に構成されている。当該各種シート2〜5を把持する機能が、巻芯13A,13B,13Cに対し各種シート2〜5を固定するための本実施形態における固定手段を構成する。
また、本実施形態における各巻芯13A,13B,13Cは、それぞれ回転軸の直交方向における断面形状が長方形状となる扁平状に構成されている。
巻芯13A,13B,13Cは、ターレット12が回転することにより、第1ポジションとしての捲回開始ポジションP1と、第2ポジションとしての捲回終了ポジションP2と、第3ポジションとしての取外しポジションP3とに順次、旋回移動可能に構成されている。従って、当該ターレット12を制御する上記制御装置の機能により、本実施形態におけるターレット制御手段が構成されることとなる。
捲回開始ポジションP1は、巻芯13A,13B,13Cに対する各種シート2〜5の捲回を開始するポジションであり、当該捲回開始ポジションP1に向け上記各供給機構31,41,51,61からそれぞれ各種シート2〜5が供給されることとなる。
捲回終了ポジションP2は、巻芯13A,13B,13Cに対する各種シート2〜5の捲回を終了するポジションであり、保持テープ等による巻止めなどを行うためのポジションである。捲回終了ポジションP2の周辺部には、捲回後の各種シート2〜5がばらけるのを抑えるための押えローラ(図示略)等が設けられている。
取外しポジションP3は、捲回完了後の各種シート2〜5、すなわち完成した電池素子1の取外しを行うためのポジションである。取外しポジションP3の周辺部には、巻芯13A,13B,13Cから電池素子1の取外しを行うための取外装置(図示略)等が設けられている。
支持ローラ15A,15B,15Cは、捲回終了ポジションP2へ移動した巻芯13A,13B,13Cと上記セパレータ供給機構51,61(一対のガイドローラ70a,70b)との間でセパレータ2,3を引っ掛け、支持するためのものである。
セパレータカッタ16は、捲回開始ポジションP1の近傍に配置されており、ターレット12に接近しセパレータ2,3を切断する切断位置と、ターレット12から離間し巻芯13A,13B,13Cの移動を妨げない退避位置とへ移動可能に構成されている。
尚、セパレータ2,3を切断する切断位置は、セパレータ2,3の長手方向に対し、捲回開始ポジションP1よりも下流側でかつ捲回終了ポジションP2よりも上流側に設定されている。
次に、上記捲回装置10を用いた電池素子1の製造方法について説明する。本実施形態では、捲回開始ポジションP1にて第1の巻芯13Aに対し1素子分の各種シート2〜5の捲回がほぼ完了した段階から、捲回開始ポジションP1にて第2の巻芯13Bに対し各種シート2〜5を捲回し始めるまでの過程に沿って詳しく説明する。
尚、捲回開始ポジションP1にて、第1の巻芯13A,第2の巻芯13B又は第3の巻芯13Cにより各種シート2〜5の捲回動作が行われている間、ターレット12は停止状態となり、各巻芯13A,13B,13Cの軸心位置が捲回開始ポジションP1、捲回終了ポジションP2又は取外しポジションP3に固定された状態となる。
捲回開始ポジションP1にある第1の巻芯13Aに対し各種シート2〜5が所定長、捲回されると、第1の巻芯13Aによる捲回動作が一旦停止する。
第1の巻芯13Aによる捲回動作が一旦停止すると、正電極シート供給機構31では、第1の巻芯13Aに捲回される正電極シート4の終端部と、第2の巻芯13Bに次回捲回される正電極シート4の始端部との区切りとなる切断位置がシート切断カッタ34(刃部34a,34b)に対し位置決めされた状態となる。
同時に、負電極シート供給機構41では、第1の巻芯13Aに捲回される負電極シート5の終端部と、第2の巻芯13Bに次回捲回される負電極シート5の始端部との区切りとなる切断位置がシート切断カッタ44(刃部44a,44b)に対し位置決めされた状態となる。
続けて、正電極シート供給機構31では、シート挿入手段33(チャック33a,33b)により正電極シート4が把持された上で、シート切断カッタ34(刃部34a,34b)により、正電極シート4が切断される。
同時に、負電極シート供給機構41では、シート挿入手段43(チャック43a,43b)により負電極シート5が把持された上で、シート切断カッタ44(刃部44a,44b)により、負電極シート5が切断される。
電極シート4,5の切断が終了すると、第1の巻芯13Aが所定量回転し、セパレータ2,3と共に電極シート4,5の終端部分(巻き残し部分)を巻取る(図1参照)。
電極シート4,5の終端部分の巻取りが完了すると、セパレータ2,3を切断することなく、ターレット12が回転を開始する。
これにより、捲回開始ポジションP1にあった第1の巻芯13Aがセパレータ供給機構51,61からセパレータ2,3を引き出しつつ、捲回終了ポジションP2へと移動していくと共に、取外しポジションP3にあった第2の巻芯13Bがターレット12に対し没入した状態で捲回開始ポジションP1側へと移動していく(図2参照)。また、後述するように、捲回終了ポジションP2にて各種シート2〜5の捲回が完了した第3の巻芯13C、すなわち完成した電池素子1を周囲に保持した第3の巻芯13Cは、取外しポジションP3へと移動していく。
尚、本実施形態では、かかるターレット12の回転(公転)に併せて、第1の巻芯13Aが自身の中心軸を回転軸として回転(自転)するように構成されている。ここで、第1の巻芯13A自身が回転するのは、セパレータ2,3の切断位置をセパレータカッタ16に対し位置決めするためである。
上記のようにターレット12や第1の巻芯13Aが回転し、セパレータ2,3が引き出されると、当該セパレータ3の移動量に合わせてガイドローラ70aが回転し、当該ガイドローラ70aに設けられたエンコーダ71から制御装置へパルス信号が出力される。
そして、制御装置は、エンコーダ71の検出結果を基に、負電極シート供給機構41のシート挿入手段43の動作を制御する。当該シート挿入手段43の動作を制御する上記制御装置の機能により、本実施形態におけるシート供給制御手段が構成される。
より詳しくは、制御装置は、エンコーダ71から入力するパルス信号を基にセパレータ3の移動速度を算出し、かかるセパレータ3の移動速度に合わせた供給速度で、適宜速度変化しながら、負電極シート5を把持したシート挿入手段43(チャック43a,43b)をガイドローラ70a,70bの方へと接近させ、両セパレータ2,3間に負電極シート5の始端部分を挿入する(図3参照)。本実施形態では、セパレータ3の移動速度と同一の速度で、両セパレータ2,3間に負電極シート5の始端部分を挿入する。
一方、制御装置は、予め設定した所定タイミングが到来したならば、正電極シート供給機構31のシート挿入手段33(チャック33a,33b)を作動させる。これにより、正電極シート4を把持したシート挿入手段33をガイドローラ70a,70bの方へと接近させ、正電極シート4の始端部分を捲回部11(捲回開始ポジションP1)に向け供給する。
尚、本実施形態では、負電極シート5と異なり、正電極シート4の始端部分を捲回開始ポジションP1に向け供給するにあたり、当該正電極シート4が両セパレータ2,3間に挟み込まれない構成となっている。このため、制御装置は、セパレータ2,3の移動速度を考慮せず、次の捲回動作が始まるまでの間に、予め設定した所定のタイミング及び所定の供給速度で、正電極シート4を捲回開始ポジションP1に向け供給する。
そして、第1の巻芯13A,第2の巻芯13B及び第3の巻芯13Cがそれぞれ捲回終了ポジションP2,捲回開始ポジションP1,取外しポジションP3に達すると、ターレット12の回転動作及び第1の巻芯13Aの回転動作が停止する(図4参照)。
ターレット12及び第1の巻芯13Aが停止すると同時に、負電極シート供給機構41のシート挿入手段43の動作を停止させる。これにより、両セパレータ2,3及び負電極シート5の移動が停止する。また、所定のタイミング(例えば、両セパレータ2,3及び負電極シート5の移動が停止するタイミングと同時、又は、このタイミングよりも前段階若しくは後段階)で、正電極シート供給機構31のシート挿入手段33の動作を停止させ、正電極シート4の移動を停止する。これにより、両電極シート4,5の始端部が所定位置に位置決めされた状態となる。
かかる状態となると、第1の巻芯13Aからセパレータ供給機構51,61にかけて配されたセパレータ2,3が支持ローラ15Aに引っ掛り、当該支持ローラ15Aとガイドローラ70a,70bとの間においてセパレータ2,3が真っ直ぐ張られた状態となる。
一方、ターレット12に没入した第2の巻芯13Bが捲回開始ポジションP1に到達した初期状態においては、上記支持ローラ15Aとガイドローラ70a,70bとの間に配設されたセパレータ2,3(各種シート2〜5)の長手方向と、第2の巻芯13Bの一対の芯片間(スリット)の貫通方向とが略平行した状態となる。
この状態で、第2の巻芯13Bがターレット12から突出する。これにより、第2の巻芯13Bの芯片間に各種シート2〜5が挿通された状態となる。尚、図4では、説明の便宜上、ガイドローラ70a,70bの相互間隔及び各種シート2〜5の相互間隔をあけて図示しているが、かかる段階では、ガイドローラ70bがガイドローラ70aに接近し、ガイドローラ70a,70b間に各種シート2〜5を挟み込み、一体として第2の巻芯13Bの芯片間に挿通しやすくする。
第2の巻芯13Bの芯片間に各種シート2〜5が挿通された状態となると、両電極シート4,5の始端部は、第2の巻芯13Bの芯片間に位置決めされた状態となる。そして、第2の巻芯13Bの各芯片を作動させ、各種シート2〜5を把持する。
第2の巻芯13Bにより各種シート2〜5が把持されると、正電極シート供給機構31では、シート挿入手段33(チャック33a,33b)が開状態となり、当該シート挿入手段33による把持より正電極シート4が解放される。負電極シート供給機構41では、シート挿入手段43(チャック43a,43b)が開状態となり、当該シート挿入手段43による把持より負電極シート5が解放される。
また、捲回終了ポジションP2では、上記押えローラにより第1の巻芯13Aに捲回された各種シート2〜5が押さえられる。
このように、捲回終了ポジションP2の第1の巻芯13A、及び、捲回開始ポジションP1の第2の巻芯13Bに対し、それぞれセパレータ2,3が固定されると、セパレータカッタ16が作動し、両巻芯13A,13B間(第1の巻芯13Aの近傍)にてセパレータ2,3が切断される(図5参照)。
セパレータ2,3の切断後、捲回開始ポジションP1では、第2の巻芯13Bを回転させ、当該第2の巻芯13Bが把持した各種シート2〜5の捲回作業を開始する。つまり、捲回開始ポジションP1において、新たな各種シート2〜5の捲回が開始される(図6参照)。
同時に、正電極シート供給機構31では、シート挿入手段33(チャック33a,33b)が捲回部11から離間していき、元の位置へ戻る。負電極シート供給機構41では、シート挿入手段43(チャック43a,43b)が捲回部11から離間していき、元の位置へ戻る。
また、捲回終了ポジションP2では、押えローラにより各種シート2〜5を押えた状態のまま、第1の巻芯13Aを回転させる。これにより、セパレータ2,3の終端部分がばらけることなく完全に巻取られる。
そして、図示しない保持テープによりセパレータ2,3の終端部分を巻止めすることにより、各種シート2〜5の捲回作業が完了し、電池素子1が完成する。
また、取外しポジションP3では、先に捲回終了ポジションP2にて各種シート2〜5の捲回が完了した第3の巻芯13C、すなわち完成した電池素子1を周囲に保持した第3の巻芯13Cから、上記取外装置によって、当該完成した電池素子1が取り外される。電池素子1が取外された後、第3の巻芯13Cは、ターレット12に対して没入する。
以降、上述した工程が繰り返し行われ、巻芯13A,13B,13Cに対し各種シート2〜5が順次捲回されることにより、電池素子1が順次製造されていくこととなる。
以上詳述したように、本実施形態によれば、ターレット12が回転することにより、複数の巻芯13A,13B,13Cが捲回開始ポジションP1、捲回終了ポジションP2、取外しポジションP3へと順次移動し、各ポジションP1,P2,P3にて、各種シート2〜5の捲回作業、セパレータ2,3の終端部分の巻取り作業、捲回が完了した各種シート2〜5(電池素子1)の取外し作業などの各種作業を同時期に行うことができる。結果として、1つの巻芯のみを備えた捲回装置に比べ、生産性の向上を図ることができる。
さらに、本実施形態では、ターレット12の回転中、すなわちターレット12の停止前に、次回、捲回開始ポジションP1にて、巻芯13A、巻芯13B又は巻芯13Cに対し捲回される正負両電極シート4,5の始端部を供給する構成となっている。これにより、ターレット12を停止させ、セパレータ2,3を切断した後、すぐに電極シート4,5の捲回動作を開始することが可能となる。つまり、捲回開始ポジションP1における先の捲回作業の終了時と、次の捲回作業の開始時との間の時間を短縮することができる。結果として、生産性の向上を図ることができる。
また、次回捲回される正負両電極シート4,5の始端部を供給する際、両セパレータ2,3の間にその始端部を挿入する負電極シート5に関しては、両セパレータ2,3の移動速度に合わせた供給速度で、当該両セパレータ2,3間へその始端部が挿入される構成となっている。結果として、負電極シート5に皺や巻きズレが生じたり、負電極シート5の始端部の位置ズレが生じるなどの不具合の発生を防ぎ、得られる電池素子1の品質低下を抑制することができる。
加えて、本実施形態では、捲回部11(ターレット12)よりも上流側にあるセパレータ供給機構61(セパレータ3の搬送経路)において、セパレータ3の移動速度の検出を行う構成となっている。これにより、ターレット12の回転に伴うセパレータ3の位置変化や速度変化に影響を受けることなく、セパレータ3の移動速度を精度よく検出することができる。結果として、負電極シート5を適切な速度で供給することができる。
また、捲回部11(ターレット12)へ供給されるセパレータ3の移動速度を直接検出しているため、例えば電池素子1の品種に応じて巻芯13A,13B,13Cのサイズや形状が変化した場合でも、これらを考慮して、ターレット12の回転速度や巻芯13A,13B,13Cの回転速度を基にセパレータ3の移動速度を算出するプログラムなどを再設定するなど、複雑な調整作業を行う必要もない。結果として、電池素子1の品種切替時における調整作業の簡素化を図ることができると共に、汎用性を高めることができる。
また、本実施形態では、捲回開始ポジションP1における捲回作業の終了後、ターレット12が回転し、第1の巻芯13Aが捲回終了ポジションP2へ移動する際に、当該第1の巻芯13Aが併せて回転することで、セパレータ2,3の切断位置をセパレータカッタ16に対し位置決めする構成となっている。結果として、ターレット12が停止した後、第1の巻芯13Aを回転させることなく、すぐにセパレータ2,3の切断作業を行うことが可能となり、さらなる生産性の向
また、本実施形態では、巻芯13A,13B,13Cの芯片間(スリット)内にて、各種シート2〜5の固定が行われるため、巻芯13A,13B,13Cに対しセパレータ2,3を巻付け固定する工程等も必要なくなるため、生産性の向上を図ると共に、セパレータ2,3の使用量を削減することができ、コスト削減を図ることができる。
また、本実施形態では、ターレット12の回転方向における各巻芯13A,13B,13C間において、捲回終了ポジションP2へ移動した巻芯13A,13B,13Cとセパレータ供給機構51,61(ガイドローラ70a,70b)との間でセパレータ2,3を引っ掛け支持するための支持ローラ15A,15B,15Cを備えている。これにより、捲回終了ポジションP2に位置する巻芯13A,13B,13Cのサイズや形状、回転姿勢によらず、支持ローラ15A,15B,15Cからガイドローラ70a,70bにかけて配されるセパレータ2,3の位置、ひいては電極シート4,5の位置が安定することとなる。結果として、捲回開始ポジションP1に位置する巻芯13A,13B,13Cの芯片間(スリット)に対し各種シート2〜5を素早く適正に挿通させることができると共に、各種シート2〜5を適正に把持させることができる。ひいては、さらなる生産性の向上を図ることができる。
尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。
(a)上記実施形態では、捲回装置10によって、リチウムイオン電池の電池素子1が製造されているが、捲回装置10によって製造される捲回素子はこれに限定されるものではなく、例えば、電解コンデンサの捲回素子等を製造することとしてもよい。
(b)上記実施形態では、巻芯13A,13B,13Cとして、各種シート2〜5が捲回される外周形状(回転軸の直交方向における断面形状)が長方形状となる扁平な巻芯を採用しているが、巻芯13A,13B,13Cの形状はこれに限定されるものではなく、例えば外周形状(断面形状)が円形状、楕円形状、長円形状、多角形状等となる巻芯を採用してもよい。
(c)セパレータ2,3や電極シート4,5の材質は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、セパレータ2,3をPPにより形成することとしているが、他の絶縁性材料によってセパレータ2,3を形成することとしてもよい。
(d)上記実施形態では、巻芯コアを有しないタイプの電池素子1を得る場合について具体化されているが、電池素子1が巻芯コアを具備する場合について具体化してもよい。つまり、巻芯コアを巻芯13A,13B,13Cに取着し、当該巻芯コアの周囲に各種シート2〜5を捲回する構成としてもよい。
(e)上記実施形態では、相対変位(開閉)する一対の芯片により各種シート2〜5を把持することで、各巻芯13A,13B,13Cに対し各種シート2〜5を固定する構成となっている。各巻芯13A,13B,13Cに対し各種シート2〜5を固定する固定手段の構成は、これに限定されるものではない。
例えば、各巻芯13A,13B,13Cの一対の芯片間にチャック機構を備え、かかるチャック機構により各種シート2〜5を固定する構成としてもよい。また、巻芯のスリットにセパレータ2,3を挿し込んだ上で巻芯を幾分回転させることでセパレータ2,3を固定する構成としてもよい。
また、上述したように、巻芯コアを使用する場合には、当該巻芯コアに対しセパレータ2,3をテープ接着する構成としてもよいし、巻芯コアに対し樹脂製のセパレータ2,3を熱溶着する構成としてもよい。
(f)上記実施形態においては、ターレット12が3つの巻芯13A,13B,13Cを備えた構成となっているが、巻芯の数はこれに限定されるものではなく、2つ又は4つ以上の巻芯を備えた構成としてもよい。
(g)セパレータ2,3の移動速度を検出する速度検出手段の構成は上記実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態では、ガイドローラ70aにエンコーダ71を備え、当該エンコーダ71の検出結果を基にセパレータ3の移動速度を検出する構成となっている。
これに限らず、例えばセパレータ2,3に予め付されたマーク等をレーザ照射等により読み取ることで、当該セパレータ2,3の移動速度を非接触式に検出可能な構成としてもよい。
また、ガイドローラ70aとは異なる位置に、エンコーダを備えた測長ローラを配置し、セパレータ2,3の移動速度を検出する構成としてもよい。
また、上記実施形態では、両セパレータ2,3のうち、一方のセパレータ3の移動速度のみ検出する構成となっているが、これに限らず、両セパレータ2,3の移動速度をそれぞれ検出し、検出精度を高める構成としてもよい。
(h)上記実施形態では、次回捲回される正負両電極シート4,5の始端部を供給する際、両セパレータ2,3の間にその始端部を挿入する負電極シート5に関してのみ、両セパレータ2,3の移動速度に合わせた供給速度で、当該両セパレータ2,3間へその始端部が挿入される構成となっている。これに限らず、正負両電極シート4,5の双方を、両セパレータ2,3の移動速度に合わせた速度で供給する構成としてもよい。
(i)上記実施形態では、巻芯13A,13B,13Cのスリット内において、両電極シート4,5の始端部が位置決めされる位置が同一となっているが、これに限らす、正電極シート4の始端部と、負電極シート5の始端部の位置決めされる位置が異なる構成としてもよい。
また、両電極シート4,5の始端部が位置決めされる位置は、巻芯13A,13B,13Cのスリット内に限定されるものではなく、巻芯13A,13B,13Cよりも下流側又は上流側であってもよい。
(j)上記実施形態では、セパレータ3の移動速度と同一の速度で、両セパレータ2,3間に負電極シート5の始端部分を挿入する構成となっているが、これに限らず、例えばセパレータ3に皺などが発生しない程度に、セパレータ3の移動速度よりも若干遅い速度で負電極シート5の始端部分を挿入する構成としてもよい。このようにすることで、負電極シート5の弛みを防止することができる。
(k)上記実施形態では、電極シート4,5の切断が終了すると、捲回開始ポジションP1にて巻芯13A,13B,13Cが所定量回転し、セパレータ2,3と共に電極シート4,5の終端部分を巻取る構成となっているが、これに限らず、例えば電極シート4,5の切断後、巻芯13A,13B,13Cが捲回終了ポジションP2へ移動し、セパレータ2,3を切断した後、当該セパレータ2,3の終端部分と共に、電極シート4,5の終端部分を巻取る構成としてもよい。また、巻芯13A,13B,13Cが捲回終了ポジションP2へ移動しつつ、電極シート4,5の終端部分を巻取る構成としてもよい。かかる構成により、さらなる生産性の向上を図ることができる。
(l)シート挿入手段33,43の構成は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電極シート4,5を把持可能に構成されると共に、電極シート4,5の供給方向に沿って回転可能に構成される一方で、前記供給方向と逆方向に沿って回転不能に構成された一対のチャックローラ(ワンウェイローラ)を備えた構成としてもよい。
かかる構成とすれば、電極シート4,5を把持するチャックローラが、電極シート4,5の供給方向に沿って回転可能とされているため、負電極シート5がセパレータ2,3間に挿入された瞬間から負電極シート5をセパレータ2,3に追従させることができる。そのため、負電極シート5の始端部の位置ズレがより発生しにくくなる。
また、チャックローラは、電極シート4,5の供給方向と逆方向への回転が規制されているため、電極シート4,5に対してテンション付与機構35,45からテンションをより確実に付与することができる。つまり、電極シート4,5の撓みをより確実に防止しつつ、電極シート4,5を把持することができる。その結果、電極シート4,5に皺がより発生しにくくなる。
1……電池素子、2,3…セパレータ、4…正電極シート、5…負電極シート、10…捲回装置、11…捲回部、12…ターレット、13A,13B,13C…巻芯、16…セパレータカッタ、31…正電極シート供給機構、41…負電極シート供給機構、33,43…シート挿入手段、34,44…シート切断カッタ、51,61…セパレータ供給機構、70a,70b…ガイドローラ、71…エンコーダ、P1…捲回開始ポジション、P2…捲回終了ポジション、P3…取外しポジション。

Claims (5)

  1. 活物質の塗布された帯状の正負両電極シートと、絶縁素材からなる2枚の帯状のセパレータとを重ね合わせて捲回する捲回装置であって、
    自身の中心軸を回転軸として回転可能に設けられたターレットと、
    前記ターレットの回転方向に所定間隔をあけて配置されると共に、それぞれ自身の中心軸を回転軸として回転し、前記電極シート及びセパレータを捲回可能な複数の巻芯と、
    前記複数の巻芯のうち第1ポジションにある第1の巻芯に対し前記電極シート及びセパレータを所定長捲回した後、前記ターレットを回転させ、当該第1の巻芯を第2ポジションへと移動させると共に、当該第1の巻芯とは異なる第2の巻芯を前記第1ポジションへ移動させるターレット制御手段と、
    前記第1の巻芯により捲回される前記電極シートの終端部と、前記第2の巻芯により次回捲回される前記電極シートの始端部との区切りとなる位置にて前記電極シートを切断するシート切断手段と、
    前記第1の巻芯が前記第2ポジションへ向け移動中かつ前記第2の巻芯が前記第1ポジションへ向け移動中となる前記ターレットの回転中に、前記第2の巻芯により次回捲回される前記電極シートの始端部を所定位置へ向け供給する電極シート供給手段と
    少なくとも前記ターレットの回転中における前記セパレータの移動速度を検出可能な速度検出手段と、
    前記速度検出手段により検出された速度に基づき、前記正負両電極シートのうち少なくとも前記両セパレータの間にその始端部を挿入する電極シートに係る前記電極シート供給手段の供給動作を制御するシート供給制御手段とを備え、
    前記第1の巻芯が前記第2ポジションへ向け移動中かつ前記第2の巻芯が前記第1ポジションへ向け移動中となる前記ターレットの回転中において、前記両セパレータの移動速度に合わせた供給速度で、当該両セパレータ間へ前記電極シートの始端部を挿入可能としたことを特徴とする捲回装置。
  2. 前記速度検出手段は、前記ターレットよりも上流側にある前記セパレータの搬送経路において、前記セパレータの移動速度の検出を行うことを特徴とする請求項に記載の捲回装置。
  3. 前記速度検出手段は、
    前記セパレータに接触しつつ、当該セパレータの移動に応じて回転するローラと、
    前記ローラの回転速度を検出可能なエンコーダとを備え、
    前記エンコーダの検出結果を基に、前記セパレータの移動速度を検出することを特徴とする請求項に記載の捲回装置。
  4. 前記第1の巻芯が前記第2ポジションへ向け移動中かつ前記第2の巻芯が前記第1ポジションへ向け移動中となる前記ターレットの回転中において、前記第1の巻芯が回転可能に構成されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の捲回装置。
  5. 前記巻芯は、自身の回転軸に直交する方向における断面形状又はその外周形状が非円形状に構成されていることを特徴とする請求項1乃至のいずれかに記載の捲回装置。
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