JP6815185B2

JP6815185B2 - 超音波切断装置

Info

Publication number: JP6815185B2
Application number: JP2016242438A
Authority: JP
Inventors: 和寛本村; 俊明大類; 倫栄大石
Original assignee: Envision AESC Japan Ltd
Current assignee: Envision AESC Japan Ltd
Priority date: 2016-12-14
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2036-12-14
Also published as: JP2018094685A

Description

本発明は、複数の部材を積層して成る積層体を被加工物とし、切断刃に超音波振動を付与しながら積層体を切断するのに用いられる超音波切断装置に関するものである。

従来の超音波切断装置としては、振動切断装置の名称で特許文献１に記載されているものがある。特許文献１に記載の振動切断装置は、ステージに対象物を載置し、切断刃に振動を印加しながら対象物を切断する。この振動切断装置は、ステージの載置面に、樹脂材料により形成した緩衝層を設け、対象物の切断時に切断刃の刃先を緩衝層に切り込ませることにより、切断片の刃先を保護する。

また、上記の特許文献１には、フィルム状の切断対象物と離型フィルムとを上下に重ねた状態にしてステージ上に連続的に供給し、ステージ上で、上側の切断対象物を切断刃により切断すると共に、下側の離型フィルムにより切断刃の刃先を保護するようにした構成も記載されている。なお、上記の振動切断装置は、積層体の切断を考慮したものではない。

特開２０１２−１０６３２９号公報

一般に、超音波切断装置は、プレスによる剪断加工に比べてバリの発生が少ないという利点がある。ところが、上記従来の超音波切断装置では、切断刃の刃先を保護するために、樹脂製の緩衝層や離型フィルムなどの保護部材を用いていたため、その保護部材に糸状のバリが生じることがある。これにより、従来の超音波切断装置では、保護部材から外れたバリが異物として製品に混入するおそれがあるという問題点があることから、このような問題点を解決することが課題であった。

本発明は、上記従来の課題に着目して成されたものであって、切断刃の刃先を保護するための保護部材を廃止して、保護部材由来の異物混入を解消したうえで、とくに、複数の部材を積層して成る積層体を高精度に切断することができる超音波切断装置を提供することを目的としている。

本発明に係わる超音波切断装置は、複数の部材を積層して成る積層体を被加工物とし、切断刃に超音波振動を付与しながら前記積層体を積層方向に切断する装置である。この超音波切断装置は、前記積層体を載置する受け台と、前記受け台の上側に昇降可能に配置した切断刃と、切断時に積層体の切断箇所の両側を押さえる押圧部とを備えている。そして、超音波切断装置は、前記受け台が、下降した切断刃を受け入れる逃げ空間と、逃げ空間の一方側において積層体を拘束する拘束機構と、逃げ空間の他方側において押圧部との間で積層体を挟み且つ切断刃による負荷に抗して積層体の切断箇所を逃げ空間上に保持する抵抗保持機構とを備えたことを特徴としている。

本発明に係わる超音波切断装置は、受け台において、位置決めした積層体を拘束機構により拘束した後、押圧部により積層体の切断箇所の両側を押さえる。この際、超音波切断装置は、受け台の逃げ空間の一方側においては、押圧部とともに拘束機構により積層体を拘束し、逃げ空間の他方側においては、押圧部と抵抗保持機構とで積層体を挟むと共に、抵抗保持機構により、積層体の切断箇所を逃げ空間上に張り渡した状態に保持する。

その後、超音波切断装置は、切断刃に超音波振動を付与して下降させ、積層体の切断箇所を切断する。この際、超音波切断装置は、抵抗保持手段により、切断刃による負荷に抗して積層体の切断箇所を保持することで、とくに、積層体における最下段の部材が逃げ空間側にずれるのを阻止しながら切断箇所を保持し、また、下降した切断刃を逃げ空間に受け入れることにより切断刃の刃先を保護する。

このようにして、超音波切断装置は、切断刃の刃先を保護するための保護部材を廃止して、保護部材由来の異物混入を解消したうえで、とくに、複数の部材を積層して成る積層体を高精度に切断することができる。

本発明に係わる超音波切断装置の第１実施形態において、積層体の一例を説明する図であって、積層体の分解斜視図（Ａ）、積層体の斜視図（Ｂ）、及び突片の切断工程を示す斜視図（Ｃ）である。図１に続いて、端子の取付工程を示す斜視図（Ａ）、ラミネート加工工程を示す斜視図（Ｂ）、及び完成した二次電池を示す斜視図（Ｃ）である。超音波切断装置の全体を示す断面図である。図３に示す超音波切断装置の要部を説明する断面図である。本発明に係わる超音波切断装置の第２実施形態を示す要部の断面図である。本発明に係わる超音波切断装置の第３実施形態を示す要部の断面図である。本発明に係わる超音波切断装置の第４実施形態を示す要部の断面図である。

〈第１実施形態〉
超音波切断装置は、複数の部材を積層して成る積層体を被加工物とし、切断刃に超音波振動を付与しながら前記積層体を積層方向に切断する装置である。この実施形態における積層体（被加工物）は、複数の発電要素（複数の部材）を積層して成る二次電池の前駆体である。二次電池としては、例えばリチウムイオン二次電池が挙げられる。

二次電池の製造では、図１（Ａ）に示すように、正極５１と、セパレータ５２と、負極５３とを順に接合して成る発電要素５０を作製し、図１（Ｂ）に示すように、複数の発電要素５０を積層して二次電池の前駆体Ｓを形成する。正極５１は、正極集電箔の両面のほぼ全体に、正極活物質層を形成したものである。また、負極５３は、負極集電箔の両面のほぼ全体に、負極活物質層を形成したものである。

図示の各発電要素５０は、矩形状を成しており、正極５１及び負極５３の同一辺には、端子接続用の正極突片５１Ａ及び負極突片５３Ａが互いに離間して設けてある。これらの突片５１Ａ，５３Ａは、正極５１及び負極５３を夫々構成する集電箔の一部を突出状態に形成したものであり、その両面に先述の活物質層は形成されていない。

これにより、前駆体Ｓは、正極突片５１Ａ及び負極突片５３Ａの夫々の積層部分５１Ｓ，５３Ｓを有しており、両積層部分５１Ｓ、５３Ｓを切断箇所として、その中間を切断するものとしている。つまり、この実施形態では、正極集電箔及び負極集電箔の一部から成る積層部分５１Ｓ、５３Ｓを切断する。

前駆体Ｓは、図１（Ｃ）に示す切断工程において、各積層部分５１Ｓ，５３Ｓの先端側領域が端材ＳＰとして切断除去されることとなり、この切断工程において、後に詳述する超音波切断装置が用いられる。また、前駆体Ｓは、図２（Ａ）に示す端子の取付工程において、各突片５１Ａ，５３Ａの積層部分５１Ｓ、５３Ｓに、固定シート５４とともに端子５５を固定する。その後、前駆体Ｓは、図２（Ｂ）に示すラミネート加工工程において、各端子５５を外部に突出させて一対のフィルム５６，５６間に封入され、最終的に、図３（Ｃ）に示す二次電池Ｃとなる。

上記の前駆体Ｓを被加工物とする超音波切断装置は、図３に示すように、前駆体（積層体）Ｓを載置する受け台１と、受け台１の上側に昇降可能に配置した切断刃２と、切断時において前駆体Ｓの切断箇所の両側を押さえる押圧部３とを備えている。

また、超音波切断装置は、架台４上に、加工ヘッド５を昇降駆動するための制御ユニット６を備えている。制御ユニット６は、詳細な図示を省略するが、サーボモータ、エアシリンダ、これらの駆動源、及び電子制御機器などで構成してある。加工ヘッド５は、その下部に、刃先２Ａを下向きにした切断刃２を備えると共に、上部に、切断刃２に縦の超音波振動を付与するブースタ７を備えている。

押圧部３は、その下部に、切断刃２の両側に平行配置した一対の押圧部材３Ａ，３Ｂを備え、加工ヘッド５、又は制御ユニット６により個別に駆動される昇降体に、緩衝体８を介して装着してある。この押圧部３は、切断加工時には、切断刃２よりも先行して下降し、前駆体Ｓに当接した後には、緩衝体８を圧縮することで、その反発力により前駆体Ｓに圧接される。

前記受け台１は、下降した切断刃２を受け入れる逃げ空間９を備えている。また、受け台１は、逃げ空間９の一方側（図３及び図４中で右側）において前駆体（積層体）Ｓを拘束する拘束機構１０を備えている。さらに、受け台１は、逃げ空間９の他方側において押圧部３との間で前駆体Ｓを挟み且つ切断刃２による負荷に抗して前駆体Ｓの切断箇所（５１Ｓ，５３Ｓ）を逃げ空間９上に保持する抵抗保持機構１１を備えている。

図示例の受け台１は、前駆体Ｓを載置する載置面１Ａを有すると共に、この載置面１Ａに、前駆体Ｓの本体部を拘束する拘束機構１０を備えている。拘束機構１０は、その構成がとくに限定されるものではないが、例えば、前駆体Ｓに面接触して載置面１Ａとの間で同前駆体Ｓを挟持するクランプ類を用いることができる。

また、受け台１は、切断刃２の配置側の端部に、載置面１Ａから一段下がる段差部１Ｂを有している。そして、受け台１は、段差部１Ｂに、前記抵抗保持機構１１が配置してあり、段差部１Ｂの段差面と抵抗保持機構１１との間に前記逃げ空間９を形成している。ここで、前記押圧部３は、一方の押圧部材３Ａが、受け台１の載置面１Ａに相対向すると共に、他方の押圧部材３Ｂが、抵抗保持機構１１に相対向している。

この実施形態の抵抗保持機構１１は、図４に示すように、前駆体（積層体）Ｓとの接触面が切断刃２から離間する方向に回転駆動される回転体を備えている。より具体的には、抵抗保持機構１１は、一対のローラ１２，１３と、両ローラ１２，１３に巻回した回転体としてのベルト１４とを備えている。

両ローラ１２，１３は、夫々の支持部材１５，１６により、回転軸を水平にして並列配置してある。一方のローラ１２は、図示しないモータに連結した駆動用であり、他方のローラ１３は、回転自在な従動用である。駆動用のローラ１２は、先述した制御ユニット６に含まれる電子制御機器により制御される。ベルト１４は、その材料がとくに限定されるものではないが、高摩擦材料であることが望ましく、一例としてウレタンなどを用いることができる。

上記の抵抗保持機構１１は、駆動用のローラ１２の起動により、従動用のローラ１３とともに回転体であるベルト１４を、前駆体Ｓとの接触面が切断刃２から離間する方向、すなわち図４中に矢印で示す反時計回り方向に回転駆動する。

上記構成を備えた超音波切断装置は、拘束機構１０が、前駆体Ｓの本体部を拘束すると共に、抵抗保持機構１１が、前駆体Ｓにおける正極突片５１Ａ及び負極突片５３Ａの各積層部分５１Ｓ，５３Ｓの先端側領域を保持する。このため、超音波切断装置において、切断刃２、押圧部３の押圧部材３Ａ，３Ｂ、逃げ空間９及び抵抗保持機構１１は、いずれも前駆体Ｓの積層部分５１Ｓ，５３Ｓの全幅寸法よりも大きい長さ寸法（図３及び図４の紙面垂直方向の寸法）を有している。

次に、超音波切断装置の動作を説明する。
超音波切断装置は、図３に示すように、受け台１の載置面１Ａに前駆体（積層体）Ｓを載置して位置決めし、拘束機構１０により前駆体Ｓの本体部を拘束する。この際、前駆体Ｓは、各突片５１Ａ，５３Ａの積層部分５１Ｓ，５３Ｓが、逃げ空間９上に対応する位置で拘束される。その後、超音波切断装置は、制御ユニット６により、加工ヘッド５とともに切断刃２及び押圧部３を同時に下降させると共に、適宜のタイミングにおいて、ブースタ７により切断刃２に縦の超音波振動を付与する。

その間、超音波切断装置は、図４中に仮想線で示すように、切断刃２よりも押圧部３が先行し、前駆体Ｓにおける各突片５１Ａ，５３Ａの積層部分５１Ｓ，５３Ｓに押圧部３が当接した後には、緩衝体８（図３参照）を圧縮しつつ切断刃２が下降する。このとき、超音波切断装置は、逃げ空間９の一方側では、緩衝体８の反発力により、一方の押圧部材３Ａと載置面１Ａとの間で、各積層部分５１Ｓ，５３Ｓの基端側領域を挟持する。また、逃げ空間９の他方側では、同じく緩衝体８の反発力により、他方の押圧部材３Ｂと抵抗保持機構１１との間で、各積層部分５１Ｓ，５３Ｓの先端側領域を挟する。

さらに、超音波切断装置は、押圧部３が各積層部分５１Ｓ，５３Ｓに当接する直前、又は当接後に、抵抗保持機構１１のベルト１４を回転駆動する。この際、抵抗保持機構１１は、前駆体Ｓとの接触面が切断刃２から離間する方向にベルト１４を回転駆動するので、各積層部分５１Ｓ，５３Ｓの最下段の突片５１Ａ，５３Ａに張力を付与し、各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを逃げ空間９上に張り渡した状態に且つ平坦に保持する。

その後、超音波切断装置は、下降し続ける切断刃２により各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを切断する。この際、抵抗保持機構１１は、最下段の各突片５１Ａ，５３Ａに張力を付与するこにより、切断刃２による負荷に抗して、最下段の各突片５１Ａ，５３Ａが逃げ空間９側にずれるのを阻止しながら各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを保持する。また、超音波切断装置は、図４中に仮想線で示すように、下降した切断刃２を逃げ空間９に受け入れ、その刃先２Ａを保護する。よって、切断刃２は、各積層部分５１Ｓ，５３Ｓ以外には何ら接触しない。

さらに、超音波切断装置は、上記の切断を終了した後、制御ユニット６により、加工ヘッド５とともに切断刃２及び押圧部３を上昇させ、拘束機構を解除して前駆体Ｓを取り外すことにより、次の切断が可能になる。

このようにして、超音波切断装置は、切断刃の刃先を保護するために従来用いていた保護部材を廃止して、保護部材由来の異物混入を解消したうえで、とくに、複数の部材を積層して成る積層体、すなわち前駆体Ｓにおける各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを高精度に切断することができる。また、超音波切断装置は、上記の如く保護部材を必要としないので、その分、装置構造の簡略化や加工コストの削減を実現することができる。

さらに、上記の超音波切断装置は、積層体（Ｓ）との接触面が切断刃２から離間する方向に回転駆動される回転体（ベルト４）を備えた抵抗保持機構１１を採用している。これにより、超音波切断装置は、最下段の部材（突片５１Ａ，５３Ａ）に張力を付与することで、切断箇所の保持機能をより一層高めることができる。さらに、超音波切断装置は、回転体としてのベルト１４を採用したことから、切断後の端材（図１中の符号ＳＰ）を円滑に装置外に排出することができる。

図５〜７は、本発明に係わる超音波切断装置の第２〜４の実施形態を説明する要部の断面図である。なお、以下の各実施形態において、第１実施形態と同一の構成部位は、同一符号を付して詳細な説明を省略する。

〈第２実施形態〉
図５に示す超音波切断装置は、第１実施形態と同様の基本構成を備えたもので、抵抗保持機構１１の回転体として、摩擦ローラ２４を用いている。摩擦ローラ２４は、本体２４Ａの外周面に高摩擦部材２４Ｂを備えている。この摩擦ローラ２４は、支持部材２５により回転軸を水平にして保持され、図示しないモータにより、積層体（前駆体Ｓ）との接触面が切断刃２から離間する方向、図中の矢印で示す反時計回り方向に回転駆動される。

上記の超音波切断装置にあっても、先の実施形態と同様に、切断刃２の刃先を保護する保護部材を廃止して、保護部材由来の異物混入を解消したうえで、とくに、複数の部材を積層して成る積層体、すなわち前駆体Ｓにおける各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを高精度に切断することができる。また、超音波切断装置は、摩擦ローラ（回転体）２４を備えた抵抗保持機構１１を採用したことにより、最下段の部材（突片５１Ａ，５３Ａ）に張力を付与して切断箇所の保持機能をより一層高めることができ、切断後の端材（ＳＰ）の排出も可能である。

〈第３実施形態〉
図６に示す超音波切断装置は、第１実施形態と同様の基本構成を備えたものであり、抵抗保持機構１１が、積層体（前駆体Ｓ）と受け台１との間において、他の部位よりも摩擦力が相対的に大きい高摩擦部材３４を備えている。図示の高摩擦部材３４は、受け台１の段差部１Ｂに固定した支持台３５の上部に設けてある。高摩擦部材３４は、その材料がとくに限定されるものではないが、押圧部３と協働して切断箇所を挟持し得るように、硬質ゴムなどを採用することができる。

上記の超音波切断装置は、先の各実施形態と同様に、切断刃２の刃先を保護するための保護部材を廃止して、保護部材由来の異物混入を解消したうえで、とくに、複数の部材を積層して成る積層体、すなわち前駆体Ｓにおける各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを高精度に切断することができる。また、超音波切断装置は、高摩擦部材３４を備えた抵抗保持機構１１を採用したことから、その摩擦力により、最下段の部材（突片５１Ａ，５３Ａ）が切断刃２側にずれる事態を阻止して、切断箇所の保持機能をより一層高めることができる。なお、この実施形態の場合には、切断後の端材（ＳＰ）を除去するために、圧縮空気の噴射などを行っても良い。

〈第４実施形態〉
図７に示す超音波切断装置は、第１実施形態と同様の基本構成を備えたものであり、受け台１が、溝状の逃げ空間９と、載置面１Ａと同一平面状を成す支持面１Ｃとを有している。また、抵抗保持機構１１は、積層体（前駆体Ｓ）と受け台１との間において、他の部位よりも摩擦力が相対的に大きいシート状の高摩擦部材４４を備えている。図示の高摩擦部材４４は、受け台１の支持面１Ｃに設けてあり、例えば、両面粘着テープや粘着シートなどを用いることができる。

上記の超音波切断装置は、先の各実施形態と同様に、切断刃２の刃先を保護するための保護部材を廃止して、保護部材由来の異物混入を解消したうえで、とくに、複数の部材を積層して成る積層体、すなわち前駆体Ｓにおける各積層部分５１Ｓ，５３Ｓを高精度に切断することができる。また、超音波切断装置は、シート状の高摩擦部材４４を備えた抵抗保持機構１１を採用したことから、その摩擦力により、最下段の部材（突片５１Ａ，５３Ａ）が切断刃２側にずれる事態を阻止して、切断箇所の保持機能をより一層高めることができる。

本発明に係わる超音波切断装置は、その構成が上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の細部を適宜変更することが可能である。また、超音波切断装置は、切断対象となる被加工物としては、二次電池の前駆体以外に、複数の部材を積層して成る各種積層体に適用することができる。

なお、本発明に係わる超音波切断装置は、当然のことながら、積層体ではない単一の被加工物の切断も可能であるが、とくに、従来の緩衝層を用いることなく、積層した部材にずれが生じやすい積層体を精度良く切断し得る点において、きわめて利用価値の高い効果を発揮するものである。

１受け台
２切断刃
３押圧部
９逃げ空間
１０拘束機構
１１抵抗保持機構
１４ベルト（回転体）
２４摩擦ローラ
３４高摩擦部材
４４高摩擦部材
５０発電要素（複数の部材）
５１正極
５１Ａ正極突片
５１Ｓ正極突片の積層部分
５３負極
５３Ａ負極突片
５３Ｓ負極突片の積層部分
Ｓ前駆体（積層体）

Claims

複数の部材を積層して成る積層体を被加工物とし、切断刃に超音波振動を付与しながら前記積層体を積層方向に切断する装置であって、
前記積層体を載置する受け台と、
前記受け台の上側に昇降可能に配置した切断刃と、
切断時に積層体の切断箇所の両側を押さえる押圧部とを備え、
前記受け台が、下降した切断刃を受け入れる逃げ空間と、逃げ空間の一方側において積層体を拘束する拘束機構と、逃げ空間の他方側において押圧部との間で積層体を挟み且つ切断刃による負荷に抗して積層体の切断箇所を逃げ空間上に保持する抵抗保持機構とを備えたことを特徴とする超音波切断装置。
前記抵抗保持機構が、積層体との接触面が切断刃から離間する方向に回転駆動される回転体を備えていることを特徴とする請求項１に記載の超音波切断装置。
前記抵抗保持機構が、積層体と受け台との間において、他の部位よりも摩擦力が相対的に大きい高摩擦部材を備えていることを特徴とする請求項１に記載の超音波切断装置。
前記積層体が、端子接続用の正極突片を有する正極と、セパレータと、端子接続用の負極突片を有する負極とを備えた発電要素を含み、且つ前記発電要素を複数積層した二次電池の前駆体であって、正極突片及び負極突片の夫々の積層部分を切断するものとしており、
前記拘束機構が、前駆体の本体部を拘束すると共に、抵抗保持機構が、正極突片及び負極突片の各積層部分の先端側領域を保持することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の超音波切断装置。