JP6107803B2

JP6107803B2 - 捲回装置および捲回装置の設計方法

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Publication number: JP6107803B2
Application number: JP2014257790A
Authority: JP
Inventors: 文徳大橋
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-04-05
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN105720293B; DE102015121023B4; DE102015121023A1; KR101731987B1; CN105720293A; KR20160075368A; US10017348B2; US20160176669A1; JP2016117551A

Description

本発明は、捲回装置および捲回装置の設計方法に関する。

電池用の電極部材用の金属の薄板（薄膜）部材の加工を行う場合、こうした被加工部材を巻きずれやしわが生じないように巻き取る捲回装置が用いられる。

既に、正極板や負極板の欠陥部分を好適に除去し、歩留まりの向上を図った電極捲回装置が提案されている（特許文献１）。この電極捲回装置は、正極板の一巻分および負極板の一巻分のいずれにも欠陥部分が含まれていない場合に、正極板と負極板とセパレータとを捲回して捲回電極体を製作する。一方、正極板の一巻分および負極板の一巻分のいずれかに欠陥部分が含まれている場合に、その欠陥部分を欠陥部分除去装置により除去した後に、捲回電極体を製作し、歩留まりを向上させることができる。

また、捲回初期段階にセパレータにかかる負荷を軽減し、得られる捲回素子の品質を向上させる捲回装置も提案されている（特許文献２）。この捲回装置では、セパレータ及び電極シートは、一対のニップローラ間を通して捲回部へ供給される。一対のニップローラのうち、一方のニップローラはサーボモータにより制御される。そして、捲回初期段階においては、巻芯とニップローラとの間におけるセパレータにかかる張力を弱めるように、ニップローラをトルク制御して、セパレータにかかる負荷を軽減する。

特開２０１２−１５１０６４号公報特開２０１３−１９１４１１号公報

ところが、発明者は、上述の手法には以下に示す問題点が有ることを見出した。捲回装置では、巻き取り速度が変化したときに被巻き取り部材にかかる張力が変化する。張力の変化が大きい場合、巻き取りロールの撓み、シート状部材が巻き取りロールから浮き上がる現象、巻き締りや緩みなどが発生する。こうした現象は、巻きずれやしわの発生を招来し、巻き取り品質を悪化させてしまう。そのため、上記のような捲回装置では、巻き取り時の速度変化を、例えば加減速度にして０．２Ｇ以内とすることで、巻き取り品質の悪化を防止している。

すなわち、一般的な捲回装置では、巻き取り速度の変化が制限されてしまう。よって、迅速に巻き取り速度を変化させることができず、巻き取り作業の律速要因となっている。したがって、巻き取り品質の悪化防止と巻き取り作業の高速化を両立することは困難である。

本発明の一態様である捲回装置は、
被巻き取り部材を送り出す巻き出しローラと、
前記被巻き取り部材を巻き取る巻き取りローラと、
前記巻き出しローラと前記巻き取りローラとの間で前記被巻き取り部材の搬送をガイドする１以上のローラと、を備え、
前記被巻き取り部材に加わる張力変化ΔＴが１６．７［Ｎ／ｍ］以内となるように、前記１以上のローラのそれぞれの慣性モーメントは以下の式（１）を満たすものである。

但し、上式（１）において、それぞれ、
Ｎは、前記１以上のローラの数、
Δωは、前記１以上のローラの角加速度の最大値、
ＩＭ_ｉは、前記１以上のローラのうちｉ番目（ｉは１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）のローラの慣性モーメント、
ｒ_ｉは、前記１以上のローラのうちｉ番目のローラの半径、
ＲＲ_ｉは、前記１以上のローラのうちｉ番目のローラの転がり抵抗、
Ｗは、前記被巻き取り部材の幅、である。

上記の捲回装置において、
前記巻き出しローラと前記巻き取りローラとの間の前記被巻き取り部材の張力を調整するダンサーを備え、
前記１以上ローラのうちで前記ダンサーと前記巻き出しローラとの間のローラのそれぞれの慣性モーメントが前記式（１）を満たし、
前記１以上ローラのうちで前記ダンサーと前記巻き取りローラとの間のローラのそれぞれの慣性モーメントが前記式（１）を満たすことが望ましい。

上記の捲回装置において、
前記１以上のローラは、それぞれ同一の慣性モーメント、同一の半径、同一の転がり抵抗を有し、前記１以上のローラのそれぞれの慣性モーメントＩＭは、以下の式（２）を満たすことが望ましい。

但し、上式（２）において、
ｒは、前記１以上のローラのそれぞれの半径、
ＲＲは、前記１以上のローラのそれぞれの転がり抵抗、である。

上記の捲回装置において、
前記巻き取りの加減速度の最大値Δω＝７１８．７［ｒａｄ／ｓ^２］、前記ローラの転がり抵抗ＲＲ＝０．００４９［Ｎ］、前記ローラの半径ｒ＝０．０１５［ｍ］、前記被巻き取り部材の幅Ｗ＝０．１２［ｍ］である場合に、前記１以上のローラの慣性モーメントの合計値Ｎ・ＩＭは、４．１６×１０^−５［ｋｇ・ｍ^２］以下であることが望ましい。

本発明の一態様である捲回装置の設計方法は、
被巻き取り部材を送り出す巻き出しローラを配置し、
前記被巻き取り部材を巻き取る巻き取りローラを配置し、
前記巻き出しローラと前記巻き取りローラとの間で前記被巻き取り部材の搬送をガイドする１以上のローラを配置し、
前記被巻き取り部材の巻き取り速度が変化したときに前記被巻き取り部材に加わる張力の変化ΔＴが１６．７［Ｎ／ｍ］以内となるように、前記１以上のローラのそれぞれの慣性モーメントが以下の式（３）を満たすように、前記１以上のローラを選択するものである。

但し、上式（３）において、
Ｎは、前記１以上のローラの数、
Δωは、前記１以上のローラの角加速度の最大値、
ＩＭ_ｉは、前記１以上のローラのうちｉ番目（ｉは１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）のローラの慣性モーメント、
ｒ_ｉは、前記１以上のローラのうちｉ番目のローラの半径、
ＲＲ_ｉは、前記１以上のローラのうちｉ番目のローラの転がり抵抗、
Ｗは、前記被巻き取り部材の幅、である。

本発明によれば、巻き取り品質を確保しつつ巻き取り作業を高速化できる捲回装置を提供することができる。

実施の形態１にかかる捲回装置の構成を示す正面図である。ダンサーの構成例を模式的に示す正面図である。実施例１にかかる捲回装置の構成を模式的に示す図である。実施例１にかかる捲回装置での巻き取り速度と張力を示すグラフである。実施例２にかかる捲回装置の構成を模式的に示す図である。実施例２にかかる捲回装置での巻き取り速度と張力を示すグラフである。実施例３にかかる捲回装置での巻き取り速度と巻きずれ量を示すグラフである。比較例にかかる捲回装置での巻き取り速度と巻きずれ量を示すグラフである。

実施の形態１
実施の形態１にかかる捲回装置１００について説明する。図１は、実施の形態１にかかる捲回装置１００の構成を示す正面図である。捲回装置１００は、巻き出しローラ１、巻き取りローラ２、フリーローラ３〜８及びダンサー９を有する。

巻き出しローラ１には、被巻き取り部材であるシート状部材１０が捲回されており、Ｙ方向を回転軸として回転可能である。図１では、巻き出しローラ１が反時計回りに回転することで、シート状部材１０が送り出される。

巻き出しローラ１からＺ−方向に送り出されたシート状部材１０は、フリーローラ３で搬送方向がＺ＋方向に折り返される。その後、フリーローラ４によりシート状部材１０の搬送方向がＸ＋方向に変化する。その後、フリーローラ５によりシート状部材１０の搬送方向の鉛直方向がＹ＋方向からＹ−方向に変化する。そして、フリーローラ６によりシート状部材１０の搬送方向の鉛直方向がＹ−方向からＹ＋方向に変化して、ダンサー９に到達する。

ダンサー９は、一定の張力がかかるようにシート状部材１０を保持し、かつ、搬送することができる。図２は、ダンサー９の構成例を模式的に示す正面図である。ダンサー９は、シリンダ９１、シャフト９２、フリーローラ９３〜９６を有する。

フリーローラ９３は、Ｘ＋方向の向きでダンサー９に送られてくるシート状部材１０の搬送方向をＸ−方向に折り返すように配置される。フリーローラ９３を経由したシート状部材１０は、シャフト９２に取付けられたフリーローラ９４によって、搬送方向がＸ＋方向に折り返される。フリーローラ９４を経由したシート状部材１０は、フリーローラ９５によって、搬送方向がＸ−方向に折り返される。フリーローラ９５を経由したシート状部材１０は、シャフト９２に取付けられたフリーローラ９６によって、搬送方向がＸ＋方向に折り返され、巻き取りローラ２へ向けて送り出される。

シリンダ９１は、シャフト９２をＸ方向に沿って駆動可能に構成された動力である。シリンダ９１は、シャフト９２のＸ方向の位置を調整することで、フリーローラ９３及び９５とフリーローラ９４及び９６との間の距離を調整する。これにより、ダンサー９は、シート状部材１０に負荷される張力を一定の値に維持することができる。

ダンサー９から送り出されるシート状部材１０は、フリーローラ７により搬送方向の鉛直方向がＹ＋方向からＹ−方向に変化する。その後、シート状部材１０は、フリーローラ８により搬送方向の鉛直方向が変化した後、巻き取りローラ２に到達する。

巻き取りローラ２は、Ｙ方向を回転軸として回転駆動可能なローラである。巻き取りローラ２が所定のトルクで回転することで、張力を有するシート状部材１０を巻き取ることができる。

捲回装置では、巻き取り速度が変化したことによる張力変化が生じると、シート状部材の巻き取り品質に影響が有ることが知られている。例えば、張力変化が生じた場合、巻き取りロールの撓み、シート状部材が巻き取りロールから浮き上がる現象、巻き締りや緩みなどが発生する。こうした現象は、巻きずれやしわの発生を招来する。なお、ここでいう巻きずれとは、巻き取りロールの回転軸方向のシート状部材のずれである。

そこで、捲回装置１００は、巻き取り速度が変化したことによる張力変化がシート状部材の巻き取り品質に影響を及ぼさぬように構成される。具体的には、巻き取りローラと巻き出しローラとの間に配設されるフリーローラ等のローラの慣性モーメントを適正な値とすることで、張力変化をシート状部材の巻き取り品質に影響を及ぼさぬ範囲内に抑制する。

巻き取り速度が変化したことによる張力変化がシート状部材の巻き取り品質に影響を及ぼさないようにするためには、ダンサー９と巻き出しローラ１との間（以下、ＩＮ側と称する）、又は、ダンサー９と巻きとりローラ２（以下、ＯＵＴ側と称する）との間の張力の変化が１６．７［Ｎ／ｍ］以下となるように巻き取りを行えばよい。なお、この条件は、実験的に求められたものである。また、ダンサー９がローラを含む場合、これらのローラについては半数をＮ側に、残り半数をＯＵＴ側に含めればよい。但し、ダンサー９が奇数個のローラを含む場合には、半数ずつでなくともよい。本実施の形態では、巻ずれやしわ巻き取りの加減速度が１．１Ｇ以下であるものとする。すなわち、巻き取りの加減速度の上限は、１．１Ｇである。

張力変化ΔＴは、以下の式（４）で示される。

ここで、Ｎはローラの本数、ＩＭ_ｉはｉ（ｉは、１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）番目のローラの慣性モーメント、Δωは加減速度１．１Ｇに対応するローラの角加速度の最大値、ｒ_ｉはｉ番目のローラの半径、ＲＲ_ｉはｉ番目のローラの転がり抵抗、Ｗはシート状部材１０の幅である。

さらに、ローラが全て同一のローラである場合、式（４）は、以下の式（５）で表される。

この場合、各ローラの慣性モーメントＩＭは、以下の式（６）を満たせばよい。

ここで、ｒは各ローラの半径、ＲＲは各ローラの転がり抵抗である。

ここで、Ｎ＝１、加減速度１．１Ｇに対応するローラの角加速度の最大値Δω＝７１８．７［ｒａｄ／ｓ^２］、ローラの転がり抵抗ＲＲ＝０．００４９［Ｎ］、ローラの半径ｒ＝０．０１５［ｍ］、シート状部材１０の幅Ｗ＝０．１２［ｍ］の場合を考慮すると、ローラの慣性モーメントの値を、式（７）で示される範囲内とすることで張力変化ΔＴを１６．７［Ｎ／ｍ］以下に抑えることができる。

よって、この場合、フリーローラの慣性モーメントＩＭが４．１６×１０^−５［ｋｇ・ｍ^２］以下となるように、フリーローラを設計すればよい。ローラが複数個存在する場合には、ローラの慣性モーメントの合計値Ｎ・ＩＭを４．１６×１０^−５［ｋｇ・ｍ^２］以下とすれば、張力変化ΔＴを１６．７［Ｎ／ｍ］以下に抑えることができる。

また、捲回装置を設計する場合、巻き出しローラ１及び巻き取りローラ２の配置を決定し、巻き出しローラ１と巻き取りローラ２との間にフリーローラの配置を決定するときに、上式（４）を満たすようにフリーローラを選択する（すなわち、フリーローラの仕様を決定する）ことで、捲回装置での張力変化ΔＴを１６．７［Ｎ／ｍ］以下に抑えることができる。

以下、実施例について説明する。
実施例１
この例では、ダンサーから巻き取りローラまでのフリーローラの本数を８本とし、巻き取り速度変化時のフリーローラ１本当たりの張力の増加量を３．０９［Ｎ／ｍ］とする。図３は、実施例１にかかる捲回装置の構成を模式的に示す図である。ダンサー２０が有する４本のローラについては、巻き取りローラに近い側のフリーローラ２１及び２２をＯＵＴ側に含めた。よって、実施例１では、フリーローラ２１及び２２とフリーローラ３１〜３６の計８本のローラに着目する。図３においては、ＴＰの位置でシート状部材１０にかかる張力を測定した。

図４は、実施例１にかかる捲回装置での巻き取り速度Ｖと張力Ｔを示すグラフである。この場合、張力Ｔの変化量は、計算上２５．１［Ｎ／ｍ］となる。実施例１の構成にて実際に張力変化を測定したところ、２５．４［Ｎ／ｍ］であった。計算上の張力の変化量と実際の張力の変化量とが一致することが理解できる。

実施例２
この例では、ダンサーから巻き取りローラまでのフリーローラの本数を４本とし、巻き取り速度変化時のフリーローラ１本当たりの張力の増加量を、実施例１と同じ３．０９［Ｎ／ｍ］とする。図５は、実施例２にかかる捲回装置の構成を模式的に示す図である。ダンサー２０が有する４本のローラについては、巻き取りローラに近い側のフリーローラ２１及び２２をＯＵＴ側に含めた。よって、実施例１では、フリーローラ２１及び２２とフリーローラ３１及び３６の計４本のローラに着目する。図５においては、ＴＰの位置でシート状部材１０にかかる張力を測定した。

図６は、実施例２にかかる捲回装置での巻き取り速度Ｖと張力Ｔを示すグラフである。この場合、張力の変化量は、計算上１２．５［Ｎ／ｍ］となる。実施例２の構成にて実際に張力変化を測定したところ、１２．６［Ｎ／ｍ］であった。計算上の張力の変化量と実際の張力の変化量とが一致することが理解できる。

実施例３
この例では、ダンサーから巻き取りローラまでのフリーローラの本数を５本とし、フリーローラの慣性モーメントの合計は６．３×１０^−５［ｋｇ・ｍ^２］とした。図７は、実施例３にかかる捲回装置での巻き取り速度Ｖと巻きずれ量Ｓを示すグラフである。なお、張力の変化量が１６．７［Ｎ／ｍ］以下となるように、上記の通りローラの半径等が決定される。この場合、巻きずれ量Ｓは±０．１ｍｍ以下であり、十分に規格（±０．３ｍｍ、図７のＭａｘ〜Ｍｉｎ間）内に抑制することができた。

実施例３に対する比較例
実施例３に対し、ダンサーから巻き取りローラまでのフリーローラの本数を１５本とした比較例について説明する。図８は、比較例にかかる捲回装置での巻き取り速度Ｖと巻きずれ量Ｓを示すグラフである。フリーローラ１本当たりの慣性モーメントが実施例３と同じ場合、フリーローラの慣性モーメントの合計は１９．０×１０^−５［ｋｇ・ｍ^２］となる。この場合、巻きずれ量Ｓは０．８ｍｍとなり、規格（±０．３ｍｍ、図８のＭａｘ〜Ｍｉｎ間）から逸脱してしまうことを確認した。

本実施の形態では、ローラの慣性モーメントを小さくするため、ローラを軽量（低密度）かつ高機械強度を有する材料で構成することが望ましい。例えば、ローラは、炭素繊維強化プラスチック（たCarbon-Fiber-Reinforced Plastic：CFRP）などで構成されることが望ましい。

その他の実施の形態
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。上述の実施の形態におけるフリーローラの数は一例にすぎず、巻き取り速度変化時の張力変化を１６．７［Ｎ／ｍ］以下に抑制できるならば、１以上の範囲内で適宜変更できることはいうまでもない。

上述のフリーローラの半径及び材質は例示に過ぎず、巻き取り速度変化時の張力変化を２Ｎ以下に抑制できるならば、適宜変更できることはいうまでもない。

上述の実施の形態では、ダンサーを含む構成について説明したが、これは例示に過ぎない。例えば、巻き出しローラと巻き取りローラとの間にダンサーが存在せず、巻き出しローラと巻き取りローラとの間の１以上のフリーローラの慣性モーメントが式（４）を満たすように、捲回装置を構成してもよいことは、いうまでもない。

３〜８、２１、２２、３１〜３６、９３〜９６フリーローラ
１巻き出しローラ
２巻き取りローラ
９、２０ダンサー
１０シート状部材
９１シリンダ
９２シャフト
１００捲回装置

Claims

被巻き取り部材を送り出す巻き出しローラと、
前記被巻き取り部材を巻き取る巻き取りローラと、
前記巻き出しローラと前記巻き取りローラとの間で前記被巻き取り部材の搬送をガイドする１以上のローラと、を備え、
前記被巻き取り部材の巻き取り速度が変化したときに前記被巻き取り部材に加わる張力の変化ΔＴが１６．７［Ｎ／ｍ］以内となるように、前記１以上のローラのそれぞれの慣性モーメントは以下の式（１）を満たす、捲回装置。

但し、上式（１）において、
Ｎは、前記１以上のローラの数、
Δωは、前記１以上のローラの角加速度の最大値、
ＩＭ_ｉは、前記１以上のローラのうち前記巻き取りローラから数えてｉ番目（ｉは１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）のローラの慣性モーメント、
ｒ_ｉは、前記１以上のローラのうち前記巻き取りローラから数えてｉ番目のローラの半径、
ＲＲ_ｉは、前記１以上のローラのうち前記巻き取りローラから数えてｉ番目のローラの転がり抵抗、
Ｗは、前記被巻き取り部材の幅、である。
前記巻き出しローラと前記巻き取りローラとの間の前記被巻き取り部材の張力を調整するダンサーを備え、
前記１以上のローラのうちで前記ダンサーと前記巻き出しローラとの間のローラのそれぞれの慣性モーメントが前記式（１）を満たし、
前記１以上のローラのうちで前記ダンサーと前記巻き取りローラとの間のローラのそれぞれの慣性モーメントが前記式（１）を満たす、
請求項１に記載の捲回装置。
但し、前記ダンサーがローラを含む場合、前記ダンサーに含まれるローラは前記１以上のローラに含まれる。
前記１以上のローラは、それぞれ同一の慣性モーメント、同一の半径、同一の転がり抵抗を有し、
前記１以上のローラのそれぞれの慣性モーメントＩＭは、以下の式（２）を満たす、
請求項１又は２に記載の捲回装置。

但し、上式（２）において、
ｒは、前記１以上のローラのそれぞれの半径、
ＲＲは、前記１以上のローラのそれぞれの転がり抵抗、である。
前記巻き取りの加減速度の最大値Δω＝７１８．７［ｒａｄ／ｓ^２］、前記ローラの転がり抵抗ＲＲ＝０．００４９［Ｎ］、前記ローラの半径ｒ＝０．０１５［ｍ］、前記被巻き取り部材の幅Ｗ＝０．１２［ｍ］である場合に、前記１以上のローラの慣性モーメントの合計値Ｎ・ＩＭは、４．１６×１０^−５［ｋｇ・ｍ^２］以下である、
請求項３に記載の捲回装置。
被巻き取り部材を送り出す巻き出しローラを配置し、
前記被巻き取り部材を巻き取る巻き取りローラを配置し、
前記巻き出しローラと前記巻き取りローラとの間で前記被巻き取り部材の搬送をガイドする１以上のローラを配置し、
前記被巻き取り部材の巻き取り速度が変化したときに前記被巻き取り部材に加わる張力の変化ΔＴが１６．７［Ｎ／ｍ］以内となるように、前記１以上のローラのそれぞれの慣性モーメントは以下の式（３）を満たすように前記１以上のローラを選択する、捲回装置の設計方法。

但し、上式（３）において、
Ｎは、前記１以上のローラの数、
Δωは、前記１以上のローラの角加速度の最大値、
ＩＭ_ｉは、前記１以上のローラのうち前記巻き取りローラから数えてｉ番目（ｉは１≦ｉ≦Ｎを満たす整数）のローラの慣性モーメント、
ｒ_ｉは、前記１以上のローラのうち前記巻き取りローラから数えてｉ番目のローラの半径、
ＲＲ_ｉは、前記１以上のローラのうち前記巻き取りローラから数えてｉ番目のローラの転がり抵抗、
Ｗは、前記被巻き取り部材の幅、である。