JP6575263B2 - 巻回装置 - Google Patents

Description

本発明は、巻回装置に係り、詳しくは蓄電装置の製造工程において、帯状の正極及び負極を間にセパレータが存在する状態で巻回して扁平な電極組立体（電極体）を生産する際に使用する巻回装置に関する。

扁平な電極組立体を生産する場合、扁平な巻芯を使用することが一般的である。しかし、扁平な巻芯を使用した場合、巻芯を一定速度で回転駆動すると、巻芯の外径が場所によって異なるために、巻芯の外周面の位置によって帯状の正極及び負極の間にセパレータが存在する帯状電極積層体（帯状電極体）を巻き取る速度が周期的に大きく変動する。帯状電極積層体を巻き取る速度が周期的に大きく変動すると、一定のテンションで帯状電極積層体を巻芯に巻き取ることが困難であり、帯状電極積層体の巻ずれが発生するため、巻ずれを防ぐために帯状電極積層体を巻芯に巻き取る速度を下げざるを得ず、生産性を著しく落とす原因となっている。

特許文献１には、楕円形等に形成された巻芯の巻取速度が巻取量に関係なく平滑化されるようにすることにより、帯状電極積層体を巻きずれが起こらないように巻き取るようにした電極体の巻取り装置が提案されている。この巻取り装置は、断面形状が長軸と短軸との長さを異にした形状に形成されるとともに帯状の正極及び負極が絶縁シート（セパレータ）を介して交互に重ね合わされてなる帯状電極積層体を巻き取る巻芯と、巻芯を回転駆動するとともに外形が巻芯の断面形状と相似形に可変される駆動プーリと、駆動プーリの外周部に掛け合わされて巻取モータの回転を伝達する駆動ベルトを備えて構成される。

特開平１１−２９７３４７号公報

特許文献１の巻取り装置は、巻芯を回転駆動する駆動プーリの形状を、帯状電極体が巻芯に巻き取られる前から巻き取り終わるまでの巻芯の断面形状の楕円比率に合わせて変化させることにより、帯状電極体の巻取り速度を平滑化できる。しかし、駆動プーリの形状を、帯状電極体が巻芯に巻き取られる前から巻き取り終わるまでの巻芯の断面形状の楕円比率に合わせて変化させる構成が複雑になる。

また、扁平な電極組立体を生産する方法として、巻芯として外径が一定な丸芯を使用し、帯状の正極及び負極を間にセパレータが存在する状態で目的の長さ巻き取った後、丸芯を抜き取り、扁平につぶして扁平な電極組立体を生産すれば、巻取速度を上げて生産速度を上げることが可能であるが、精度良く目的の扁平形状につぶすことが困難である。

本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、巻芯の周面に帯状電極積層体が巻回されるときに、巻芯が一定速度で回転されても、帯状電極積層体に加わるテンションが周期的に変動せずに一定の状態で巻回することができる巻回装置を提供することにある。

上記課題を解決する巻回装置は、帯状の電極積層体を巻芯上に巻回する巻回装置であって、一対の支持部を備え、かつ前記支持部にガイド部を備えた支持体及び前記支持体に対して前記ガイド部に沿って移動可能に設けられた４個以上の被巻回部を備えた巻芯と、前記巻芯を回転駆動する巻芯駆動部と、各前記被巻回部を前記ガイド部に沿って独立して駆動する被巻回部駆動部と、前記帯状の電極積層体の巻回時に、前記被巻回部駆動部を、前記被巻回部に対する１周目の巻回長さを保った状態で、前記帯状の電極積層体を巻き取るように駆動する制御装置とを備え、前記被巻回部は、前記電極積層体が巻回された状態における電極積層体の外形形状が円筒状となる状態と、前記電極積層体が巻回された状態における電極積層体の外形形状が扁平円筒状となる状態に配置可能に構成されており、前記制御装置は、前記被巻回部に巻回される前記帯状の電極積層体の外形形状が扁平円筒状となる状態で、前記帯状の電極積層体の巻回を開始し、巻回途中では前記被巻回部に巻回される前記帯状の電極積層体の外形形状が円筒状となる状態で巻回を行い、前記帯状の電極積層体の巻回終了時には前記被巻回部に巻回される前記帯状の電極積層体の外形形状が扁平円筒状となるように前記被巻回部駆動部を制御する。ここで、「円筒状」とは、外形形状が同じ曲率の円弧面が連続した円筒形に限らず、全体として略円筒形であることを意味する。そのため、被巻回部の数が多いほど、円筒形に近くなる。

この構成によれば、４個以上の被巻回部を備えた巻芯を回転駆動して帯状の電極積層体として、帯状の正極及び負極を間にセパレータが存在する帯状電極積層体を巻芯上に巻回する際、帯状の電極積層体の巻回時の大部分を電極積層体の外形形状が円筒状となる状態で巻回することが可能な位置に各被巻回部を配置した状態で巻回を行なう。その後、各被巻回部の位置を変更して、最後に扁平円筒状となるように巻回することができる。したがって、巻芯の周面に帯状電極積層体が巻回されるときに、巻芯が一定速度で回転されても、帯状電極積層体に加わるテンションが周期的に変動せずに一定の状態で帯状電極積層体を巻回することができる。

また、この構成によれば、被巻回部の配置が、帯状の電極積層体の外形形状が扁平円筒状となる状態で巻回を開始するため、帯状の電極積層体の外形形状が円筒状となる状態で巻回を開始する場合に比べて、帯状の電極積層体の巻き始めの位置を目的とする位置に設定し易い。

本発明の巻回装置を使用すれば、巻芯の周面に帯状電極積層体が巻回されるときに、巻芯が一定速度で回転されても、帯状電極積層体に加わるテンションが周期的に変動せずに一定の状態で帯状電極積層体を巻回することができる。

巻回装置の模式側面図。 巻芯の斜視図。 巻芯を円筒軸を含む平面で切断した断面図。 巻芯の側面図。 （ａ）は帯状の巻回部材の外形形状が円筒状となる状態で巻回する場合の被巻回部の配置を示す模式図、（ｂ）は帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態で巻回する場合の被巻回部の配置を示す模式図。

以下、本発明を帯状の巻回部材としての帯状の正極及び帯状の負極を間に帯状のセパレータが存在する状態で巻回する巻回装置に具体化した一実施形態を図１〜図５にしたがって説明する。

図１に示すように、巻回装置１０は、帯状の正極１１がコイル状に巻かれた正極用リール１２がセットされた正極用アンコイラー１３と、帯状の負極１４がコイル状に巻かれた負極用リール１５がセットされた負極用アンコイラー１６と、帯状のセパレータ１７がコイル状に巻かれたセパレータ用リール１８ａ，１８ｂがそれぞれセットされた２個のセパレータ用アンコイラー１９ａ，１９ｂと、を備えている。

巻回装置１０は、巻芯２０を回転駆動する巻芯駆動部２１を備えている。巻芯駆動部２１は、巻芯駆動部２１が一体回転可能に固定される回転軸２２と、回転軸２２を駆動プーリ２３、ベルト２４及び被動プーリ（図示せず）を介して駆動する巻芯駆動用モータ２５とで構成されている。巻芯駆動用モータ２５は制御装置２６により駆動制御される。巻芯２０は、帯状の巻回部材としての、帯状の正極１１、帯状の負極１４及び帯状のセパレータ１７が積層された状態で、即ち帯状電極積層体として巻回可能に構成されている。

図２及び図３に示すように、巻芯２０は、支持体２７と、支持体２７に対してそれぞれ移動可能に設けられた４個の被巻回部２８と、を備えている。図５（ａ）に示すように、各被巻回部２８は、巻回部材が巻回された状態における巻回部材の外形形状が円筒状となる状態と、図５（ｂ）に実線で示すように、巻回部材が巻回された状態における巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態に配置可能に構成されている。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）は、巻芯２０を円筒軸３０と直交する平面で切断した状態を示しているが、各被巻回部２８の破断を省略している。

図２及び図３に示すように、支持体２７は、一対の支持部２９を備えている。図２及び図４に示すように、各支持部２９は、円板状に形成されるとともに、回転軸２２に固定可能な円筒軸３０で連結固定されている。各支持部２９は、周縁に円筒状のリブ２９ａを有する。支持部２９は、ガイド部としての長孔３１を備えている。長孔３１は、リブ２９ａに跨るように略十字状に形成されている。各被巻回部２８は、支持体２７に対して長孔３１に沿って移動可能に設けられている。なお、一対の支持部２９のうち、一方の支持部２９は、取り外し可能に円筒軸３０に固定されている。

図２、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、各被巻回部２８は、外形がかまぼこ状、即ち円柱の外側寄り部分の一部を構成する形状に形成された本体部２８ａと、図３に示すように、本体部２８ａの両端に突設された突部２８ｂ，２８ｃとを有する。各被巻回部２８は、それぞれ独立した被巻回部駆動部３２により長孔３１に沿って独立して駆動可能になっている。

図３及び図４に示すように、各被巻回部駆動部３２は、長孔３１と平行に延びる状態で固定突部３３ａにおいて一方の突部２８ｂの先端に固定されたラック３３と、ラック３３と噛合した状態でモータ３４により回転駆動されるピニオン３５とを備えている。各モータ３４は正逆回転駆動可能に構成され、制御装置２６からの指令信号により、正転駆動あるいは逆転駆動され、ピニオン３５及びラック３３を介して被巻回部２８を移動させる。

制御装置２６は、帯状の巻回部材、即ち帯状の正極１１、帯状の負極１４及び帯状のセパレータ１７の巻回時に、全ての被巻回部２８に対する１周目の巻回長さを保った状態で、帯状の巻回部材を巻き取るように各モータ３４を駆動する。この実施形態では、制御装置２６は、被巻回部２８に巻回される帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態で、帯状の巻回部材の巻回を開始し、巻回途中では被巻回部２８に巻回される帯状の巻回部材の外形形状が円筒状となる状態で巻回を行う。そして、帯状の巻回部材の巻回終了時には被巻回部２８に巻回される帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となるように被巻回部駆動部３２の各モータ３４を制御する。

次に前記のように構成された巻回装置１０の作用を説明する。
先ず、巻芯２０を巻回装置１０の回転軸２２に固定した後、各被巻回部２８を巻芯２０に巻回される巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態に配置する。次に正極用リール１２から正極１１を引き出して、その端部を１個の被巻回部２８に固定する。固定は正極１１の端部が被巻回部２８の円弧面から突出した箇所を折り曲げて平坦部に接触する状態で、例えばテープにより行う。次にセパレータ用リール１８ａからセパレータ１７を引き出して、その端部を同じ被巻回部２８に正極１１の上から同様に固定する。次に負極用リール１５から負極１４を引き出して、その端部を同じ被巻回部２８にセパレータ１７の上から同様に固定する。次にセパレータ用リール１８ｂからセパレータ１７を引き出して、その端部を同じ被巻回部２８に負極１４の上から同様に固定すると、巻回準備が完了する。即ち、帯状のセパレータ１７は２枚使用され、帯状の正極１１、帯状のセパレータ１７、帯状の負極１４、帯状のセパレータ１７の順に被巻回部２８の外周面上に積層された状態で、帯状電極積層体が巻芯２０に対して巻回される。

図５（ｂ）に実線で示すように、巻回開始時には各被巻回部２８が、被巻回部２８に対する帯状の巻回部材（帯状電極積層体）の外形形状が扁平円筒状となる状態で巻回が行われる。巻回が開始された後、制御装置２６は、各被巻回部２８の配置状態が、帯状の巻回部材（帯状電極積層体）の外形形状が円筒状となる状態、即ち図５（ｂ）に２点鎖線で示す状態となるように、被巻回部駆動部３２の各モータ３４を駆動制御する。各モータ３４は、被巻回部２８に対する帯状の巻回部材の一周目の巻回長さを保った状態で、それぞれ被巻回部２８を独立して、かつ互いに同期した状態で移動（駆動）させる。

制御装置２６は、各被巻回部２８が、帯状の巻回部材（帯状電極積層体）の外形形状が円筒状となる状態に配置された時点でモータ３４の駆動を停止する。その状態で、巻芯２０に対する帯状の巻回部材の巻回が継続される。そして、巻芯２０に対する帯状の巻回部材の巻回長さが満巻状態より短い所定の長さに達した時点で、制御装置２６はモータ３４の駆動を再開する。但し、再開後の各モータ３４の回転方向は、各被巻回部２８の配置を、被巻回部２８に対する帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態へ変更するための方向になる。そして、各被巻回部２８が帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態に達した時点でモータ３４の駆動が停止され、その後、巻回部材の巻回長さが目的の長さに達した時点で巻芯駆動用モータ２５の駆動が停止される。

次に巻芯２０に巻回された扁平円筒状の帯状電極積層体を巻芯２０から取り外す。扁平円筒状に巻回された帯状電極積層体を巻芯２０から取り外す場合は、モータ３４を各被巻回部２８が扁平円筒状の帯状電極積層体から離れる方向に駆動して、各被巻回部２８が扁平円筒状に巻回された帯状電極積層体から離れた状態にした後、円筒軸３０に取り外し可能に固定された支持部２９を取り外す。その後、巻回された帯状電極積層体を取り外す。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）巻芯２０は、帯状の巻回部材（正極１１、負極１４及びセパレータ１７）を巻回可能な巻芯である。そして、支持体２７と、支持体２７に対してそれぞれ移動可能に設けられた４個の被巻回部２８と、を備え、被巻回部２８は、巻回部材が巻回された状態における巻回部材の外形形状が円筒状となる状態と、巻回部材が巻回された状態における巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態に配置可能に構成されている。

この構成によれば、巻芯２０を回転駆動して巻芯２０に帯状の巻回部材を巻回する巻回装置として、各被巻回部２８をそれぞれ目的とする位置に移動させる駆動部を備えた装置を使用することにより、帯状の巻回部材として、帯状の正極及び負極を間にセパレータが存在する帯状電極積層体を使用する際の巻回時の大部分を巻回部材の外形形状が円筒状となる状態で巻回することが可能になる。したがって、巻芯２０の周面に帯状電極積層体が巻回されるときに、巻芯２０が一定速度で回転されても、帯状電極積層体に加わるテンションが周期的に変動せずに一定の状態で帯状電極積層体を巻回することができる。

（２）巻回装置１０は、帯状の巻回部材を巻芯上に巻回する巻回装置である。そして、一対の支持部２９を備え、かつ支持部２９にガイド部（長孔３１）を備えた支持体２７及び支持体２７に対してガイド部に沿って移動可能に設けられた４個の被巻回部２８を備えた巻芯２０と、巻芯２０を回転駆動する巻芯駆動部２１とを備えている。さらに、各被巻回部２８をガイド部に沿って独立して駆動する被巻回部駆動部３２と、帯状の巻回部材の巻回時に、被巻回部駆動部３２を、被巻回部２８に対する１周目の巻回長さを保った状態で、帯状の巻回部材を巻き取るように駆動する制御装置２６とを備えている。

この構成によれば、４個の被巻回部２８を備えた巻芯２０を回転駆動して帯状の巻回部材として、帯状の正極１１及び負極１４を間にセパレータ１７が存在する帯状電極積層体を巻芯２０上に巻回する際、帯状の巻回部材の巻回時の大部分を巻回部材の外形形状が円筒状となる状態で巻回することが可能な位置に各被巻回部２８を配置した状態で巻回を行ない、最後に扁平円筒状となるように巻回することができる。したがって、巻芯２０の周面に帯状電極積層体が巻回されるときに、巻芯２０が一定速度で回転されても、帯状電極積層体に加わるテンションが周期的に変動せずに一定の状態で帯状電極積層体を巻回することができる。

（３）各被巻回部駆動部３２は、他の被巻回部駆動部３２と独立してガイド部（長孔３１）に沿って駆動（移動）させることができるため、帯状電極積層体の巻回終了後に、各扁平円筒状に巻回された帯状電極積層体を被巻回部２８から取り外す際、被巻回部２８を巻回体の内面から離れる方向に移動させることにより、簡単に取り外すことができる。

（４）制御装置２６は、被巻回部２８に巻回される帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態で、帯状の巻回部材の巻回を開始し、巻回途中では被巻回部２８に巻回される帯状の巻回部材の外形形状が円筒状となる状態で巻回を行う。そして、帯状の巻回部材の巻回終了時には、被巻回部２８に巻回される帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となるように被巻回部駆動部３２を制御する。この構成によれば、被巻回部２８の配置が、帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態で巻回を開始するため、帯状の巻回部材の外形形状が円筒状となる状態で巻回を開始する場合に比べて、帯状の巻回部材の巻き始めの位置を目的とする位置に設定し易い。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 被巻回部２８の数は４個に限らず、帯状の巻回部材が巻回された状態における帯状の巻回部材の外形形状が円筒状となる状態と、帯状の巻回部材が巻回された状態における帯状の巻回部材の外形形状が扁平円筒状となる状態に配置可能であればよく、４個以上であればよい。

○ 被巻回部２８の数が多い方が、巻回された状態における帯状の巻回部材の外形形状が円筒形に近くなるが、被巻回部２８の数が多くなるとその分、被巻回部駆動部３２の数が多くなるため、構造が複雑になる。

○ 被巻回部２８は全てが同じ形状に限らず、異なる形状の被巻回部２８が混在してもよい。被巻回部２８の数が少ない場合は、同じ形状の方が好ましい。例えば、被巻回部２８の数が４個の場合、異なる形状の被巻回部２８を使用すると、帯状の巻回部材の外形形状が円筒状の場合に、４個同じ形状の被巻回部２８を使用した場合に比べて、外形形状が円筒形から離れる。

○ ガイド部は長孔３１に限らず、例えば、突条であってもよい。しかし、長孔の方がガイド部に沿って移動する部分の構造が簡単になる。
○ 被巻回部２８をガイド部に沿って独立して駆動する被巻回部駆動部３２は、ラック３３と、モータ３４で駆動されるピニオン３５との組み合わせに限らない。例えば、各被巻回部２８をそれぞれシリンダで駆動する構成としてもよい。

○ モータ３４で駆動されるベルト伝導機構のベルトに被巻回部２８を固定して、ベルトの往復動により、被巻回部２８を、巻回部材が巻回された状態における巻回部材の外形形状が円筒状となる状態と、扁平円筒状となる状態に移動させる構成としてもよい。

○ 被巻回部２８をガイド部に沿って移動させる被巻回部駆動部３２は、ラック３３が支持部２９に固定され、ピニオン３５を駆動するモータ３４が各被巻回部２８に固定された構成であってもよい。

○ 被巻回部２８は、必ずしも巻回部材と接触する面が円弧面である必要はなく、複数の平面で円弧面に近い形状に形成されてもよい。その場合、各平面の連続部が角ではなく曲面となるように形成されてもよい。

１１…帯状の巻回部材としての帯状の正極、１４…帯状の巻回部材としての帯状の負極、１７…帯状の巻回部材としての帯状のセパレータ、２０…巻芯、２１…巻芯駆動部、２６…制御装置、２７…支持体、２８…被巻回部、２９…支持部、３１…ガイド部としての長孔、３２…被巻回部駆動部。

Claims (1)

1. 帯状の電極積層体を巻芯上に巻回する巻回装置であって、
   一対の支持部を備え、かつ前記支持部にガイド部を備えた支持体及び前記支持体に対して前記ガイド部に沿って移動可能に設けられた４個以上の被巻回部を備えた巻芯と、
   前記巻芯を回転駆動する巻芯駆動部と、
   各前記被巻回部を前記ガイド部に沿って独立して駆動する被巻回部駆動部と、
   前記帯状の電極積層体の巻回時に、前記被巻回部駆動部を、前記被巻回部に対する１周目の巻回長さを保った状態で、前記帯状の電極積層体を巻き取るように駆動する制御装置とを備え、
   前記被巻回部は、前記電極積層体が巻回された状態における電極積層体の外形形状が円筒状となる状態と、前記電極積層体が巻回された状態における電極積層体の外形形状が扁平円筒状となる状態に配置可能に構成されており、
   前記制御装置は、前記被巻回部に巻回される前記帯状の電極積層体の外形形状が扁平円筒状となる状態で、前記帯状の電極積層体の巻回を開始し、巻回途中では前記被巻回部に巻回される前記帯状の電極積層体の外形形状が円筒状となる状態で巻回を行い、前記帯状の電極積層体の巻回終了時には前記被巻回部に巻回される前記帯状の電極積層体の外形形状が扁平円筒状となるように前記被巻回部駆動部を制御することを特徴とする巻回装置。