JPWO2016013327A1 - 巻回体及び巻回体の製造方法 - Google Patents

巻回体及び巻回体の製造方法 Download PDF

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Abstract

容器内にできるスペースを有効利用して巻回体における巻体を長くすることができ、スペースを減らすことでユニットとしての強度の向上を図ること。巻体(2)を所定の軸回りに複数回にわたって巻回した巻回体(1)であって、巻回された巻体(2)の間の一部の領域にスペーサ(3)を設けた。

Description

本発明は、巻回体及び巻回体の製造方法に関する。
芯材に帯状の巻体を巻回することによって構成される巻回体が広く知られている。巻回体は、巻体が予め設定された長さだけ巻回されており、容器に収容される。
巻回体の形状は、巻体を巻回するための型である芯材の外周形状に依存するが、芯材の外周形状がどのような形状であれ、巻数を増やすにつれて丸みを帯びてくるため、最終的には、巻回体は円柱状に近づいていくことになる(例えば、特許文献1,2参照)。
ところで、巻回体を収容する容器は、巻回体の最終的な形状に対応させて円柱状に形成されているものもあれば、積み重ねることを考慮して角柱状に形成されているものもある。
特開2002−42854公報 特開2003−157888公報
しかしながら、円柱状の容器に巻回体を収容する場合には、容器の外縁が円弧状に形成されているので、並べて配置しても隣接する容器の間に隙間ができてしまい、容器に巻回体を収容して構成されるユニットを複数積み重ねる際のスペース効率が良くないという問題がある。
一方、図14に示すように、角柱状の容器101に円柱状の巻回体102を収容する場合には、容器101の内壁と巻回体102との間にスペース103ができてしまい、容器101内にはスペース103があるにもかかわらず巻回体102の巻数に制約がかかってしまうという問題がある。また、容器101内にスペース103が生じることにより、積み重ねた際の強度を十分に保つことができないという問題もある。
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、容器内にできるスペースを有効利用して巻回体における巻体を長くすることができ、スペースを減らすことでユニットとしての強度の向上を図ることができる巻回体及び巻回体の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明は、巻体を所定の軸回りに複数回にわたって巻回した巻回体であって、巻回された巻体の間の一部の領域にスペーサを設けたことを特徴とする。
また、前記巻体は、前記スペーサによって曲げられた複数の角部と、各角部の間の直線部とを有することが好ましい。
また、前記スペーサの設置間隔が等間隔であることが好ましい。
また、前記スペーサは、前記巻回体を巻体の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、前記所定の軸を中心として90°おきに設けられていることが好ましい。
また、前記スペーサは、前記巻回体を巻体の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、前記所定の軸を中心として60°おきに設けられていることが好ましい。
また、前記スペーサは、前記巻回体を巻体の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、前記所定の軸を中心として120°おきに設けられていることが好ましい。
また、前記スペーサは、硬化インク又はゲルによって形成されていることが好ましい。
また、前記スペーサは、プラスチックによって形成されていることが好ましい。
また、前記スペーサは、全て同じ大きさに形成されていることが好ましい。
また、前記スペーサの少なくとも一部が他のスペーサと異なる大きさに形成されていることが好ましい。
また、前記巻体は、帯状積層体であることが好ましい。
また、前記帯状積層体は、正極シートと、負極シートと、前記正極シートと前記負極シートの間に配置されるセパレータとを有する発電要素体であることが好ましい。
また、前記巻体は、線材であることが好ましい。
本発明は、巻回体の製造方法であって、前記巻体を巻回する芯材に前記巻体を搬送するステップと、前記巻体の搬送時に前記巻体の表面に予め設定された間隔をあけて順次前記スペーサを設けるステップと、前記スペーサが設けられた巻体を順次芯材に巻回するステップと、を有することを特徴とする。
また、前記スペーサは、前記巻体の表面に硬化型インクを噴射し、当該インクを硬化させることによって形成することが好ましい。
また、前記スペーサは、保持装置に保持されたスペーサを前記巻体の表面に接着させることによって形成することが好ましい。
本発明は、巻回体の製造方法であって、前記巻体を巻回する芯材に前記巻体を搬送するステップと、前記巻体の搬送前に、予め前記巻体の表面に予め設定された間隔をあけて前記スペーサを設けるステップと、前記スペーサが設けられた巻体を順次芯材に巻回するステップと、を有することを特徴とする。
本発明は、巻回体の製造方法であって、前記巻体を巻回する芯材に前記巻体を搬送するステップと、搬送されてくる前記巻体を順次芯材に巻回するステップと、前記巻体を前記芯材に巻回中に、予め設定された間隔をあけて前記スペーサを前記巻体の間に挿入して設置するステップと、を有することを特徴とする。
本発明によれば、容器内にできるスペースを有効利用して巻回体における巻体を長くすることができ、スペースを減らすことでユニットとしての強度の向上を図ることができる。
略四角形状の巻回体を巻回軸方向の一端側から見た図である。 巻回体の製造方法を説明する図である。 スペーサの形状を説明する図である。 スペーサを設けることなく巻体を巻回したときの巻体の一部を拡大視した図である。 スペーサを設けた場合において、n巻目とn+1巻目の巻体の表面の曲率が同じときの巻体の一部を拡大視した図である。 スペーサを設けた場合において、n巻目とn+1巻目の巻体の表面の曲率が異なるときの巻体の一部を拡大視した図である。 略四角形状の巻回体を容器に収納し、これらのユニットを積載した状態を示す図である。 略六角形状の巻回体を巻回軸方向の一端側から見た図である。 略六角形状の巻回体を容器に収納し、これらのユニットを積載した状態を示す図である。 略三角形状の巻回体を巻回軸方向の一端側から見た図である。 略三角形状の巻回体を容器に収納し、これらのユニットを積載した状態を示す図である。 スペーサを巻体に設ける際の他の例を示す図である。 スペーサを巻体に設ける際の他の例を示す図である。 従来の巻回体を容器に収容したときの状態を説明する図である。
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本発明にかかる巻回体は、巻体を所定の軸回りに複数回にわたって巻回したものであれば、技術分野を問わず全てを含むものであるが、以下に示す実施形態においては、巻回体が電池である場合を例にとって説明する。
<巻回体>
図1は、巻回体を巻回軸方向の一端側から見た図である。図1に示すように、巻回体1は、巻体2を所定の軸回りに複数回にわたって巻回したものである。巻回体1は、巻体2と、スペーサ3とを備えている。
巻体2は、例えば、薄板状に形成された帯状積層体である。この帯状積層体は、正極シートと、負極シートと、正極シートと負極シートの間に配置されるセパレータとが4層にわたって積層されて一枚の帯状部材として形成されており、帯状積層体は、電池の発電要素体として機能する。
この巻体2を巻き取り用のローラ(芯材)に予め決められた長さ分だけ巻回することで、所定の容量を有する発電要素体を作ることができる。
スペーサ3は、巻体2の一方の表面に設けられており、巻体2を巻回した際に、巻回体1の厚さ方向(径方向)に隣接する巻体2の間の一部の領域に複数個配置されている。スペーサ3は、全て同じ大きさに形成され、等間隔に設置されている。スペーサ3は、巻体2の一方の面を全て埋め尽くすように設けられるものではなく、例えば、図1に示すように、巻回体1を巻体2の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、巻回軸Oを中心として90°おきに設けられている。スペーサ3をこのような配置とすることで、各スペーサ3が巻体2を挟んで巻回体1の厚さ方向に沿って直線状に並んでおり、巻回軸Oを挟んで対向するスペーサ3の中心を結ぶ線L1,L2が一直線となる。これらの直線L1,L2は、巻回軸Oにて直交する。スペーサ3を設けた領域における巻体2は、その部分だけがスペーサ3の厚さ分だけ外側に押しやられて、曲率が大きくなっており、円弧と比べて少し尖った状態となる。よって、スペーサ3が厚さ方向に沿って並んでいる4箇所の領域が、スペーサ3によって曲げられて丸みを帯びた角部21として形成される。この角部21を作ることで、巻体2における他の領域(角部21間を結ぶ領域)が直線状に延びた直線部22となり、その結果、完全な角ではないものの、4つの角部21を有する略四角形状の巻回体1が形成される。
スペーサ3は、例えば、硬化インクを巻体2の一方の面に噴射して硬化させることにより形成されている。なお、スペーサ3は、硬化インクに限られるものではなく、ゲル状の材料であっても良いし、プラスチック、金属、紙、繊維、糸、セラミック、ゴム等の他の材料であっても良い。要は、巻回体1の厚さ方向に隣接する巻体2の間にスペースを作ることにより、巻体2の曲率を変えるものであればどのような材料を用いても良い。
<巻回体の製造方法>
次に、巻回体1の製造方法について説明する。図2は、巻回体の製造方法を説明する図であり、図3は、スペーサの形状を説明する図である。
図2に示すように、ロール状に巻かれた巻体2の一端から巻体2を引き出し、巻体2を巻回するための芯材となるローラ10に巻体2を搬送する。ローラ10への搬送時には、巻体2は、その面方向に沿って真っ直ぐに延びて搬送されており、この搬送経路上で巻体2の上面にスペーサ3が設けられる。スペーサ3は、ノズル11から液状の硬化インクが巻体2に噴射され、このインクが硬化することにより形成される。硬化インクとしては、紫外線硬化型、熱硬化型等、自由に選択することができる。
インクは、予め設定された時間をおいて噴射されるようになっており、巻体2上で予め設定された間隔をあけてスペーサ3を順次設けることができる。スペーサ3の間隔は、巻体2をローラ10に巻回した際に、スペーサ3が巻回体1の厚さ方向に沿って直線上に並ぶように各巻数における必要な間隔を考慮して定められる。
図3に示すように、スペーサ3は、帯状に形成されている巻体2の幅方向(長手方向に直交する短手方向)に沿って直線状に形成してもよいし(図3(a)参照)、巻体2の幅方向に沿って所定の間隔をあけて点在するように形成してもよい(図3(b)参照)。
巻体2に噴射されたインクは、ローラ10に巻回されるまでに硬化し、スペーサ3が設けられた巻体2を順次ローラ10で巻き取っていく。ローラ10による巻体2の巻き取りは、巻体2に一定の張力を与えた状態で行われるため、巻回体1にたるみや隙間ができることなくローラ10に順次巻回されていく。ただし、スペーサ3が設けられている領域においては、スペーサ3に厚みがあるので、スペーサ3の周囲にスペースができ、巻体2の曲率が変化することになる。
<スペーサを設けることによる巻体の長尺化>
次に、スペーサ3を設けることによって巻体2の全長が長尺化されることについて説明する。
図4は、スペーサ3を設けることなく巻体2を巻回したときの巻体2の一部を拡大視した図であり、図5は、スペーサ3を設けた場合において、n巻目とn+1巻目の巻体2の表面の曲率が同じときの巻体2の一部を拡大視した図であり、図6は、スペーサ3を設けた場合において、n巻目とn+1巻目の巻体2の表面の曲率が異なるときの巻体2の一部を拡大視した図である。
図4に示すように、巻回体1の一部(1/4周分)を切り取って考える。n巻目の巻体2の外周までの半径をr、巻体2の厚さをtとすると、n巻目の巻体2の外周の長さLN及びn+1巻目の巻体2の外周の長さLNは、
LN=2πr/4
LN=2π(r+t)/4
となる。
図5に示すように、n巻目の巻体2とn+1巻目の巻体2との間にスペーサ3を設けた場合を図4と同様に巻回体1の一部(1/4周分)を切り取って考える。n巻目の巻体2の円弧部分とn+1巻目の巻体2の円弧部分の半径が等しい、すなわち、曲率が等しくなるように巻回し、n巻目の巻体2の外周までの半径をr、巻体2の厚さをtとすると、n巻目の巻体2の外周の長さLA及びn+1巻目の巻体2の外周の長さLAは、
LA=2πr/4
LA=2πr/4+2t
となる。
ここで、上記の長さLAと長さLNについて、LA>LNの関係にあると仮定した場合、この式を整理すると、
2πr/4+2t>2π(r+t)/4
2πr+8t>2πr+2πt
8t>2πt
(8−2π)t>0
1.7168t>0
となり、t>0であるので、この関係が成立することがわかる。
従って、同じ巻数の巻回体1で比較した場合、スペーサ3を設けた方が巻体2の全長が長くなることがわかる。
図6に示すように、n巻目の巻体2とn+1巻目の巻体2との間にスペーサ3を設けた場合を図4、図5と同様に巻回体1の一部(1/4周分)を切り取って考える。n巻目の巻体2の円弧部分よりもn+1巻目の巻体2の円弧部分の半径が小さい、すなわち、曲率が大きくなるように巻回し、n巻目の巻体2の外周までの半径をr、n+1巻目の巻体2の円弧部分の外周までの半径をr、n+1巻目の巻体2の円弧部分の両端から延びる直線部分の長さをs、巻体2の厚さをtとすると、n巻目の巻体2の外周の長さLB及びn+1巻目の巻体2の外周の長さLBは、
LB=2πr/4
LB=2πr/4+2s
となる。
ここで、上記の長さLBと長さLNについて、LB>LNの関係にあると仮定した場合(r>r、s=t+r−rとする)、この式を整理すると、
2πr/4+2s>2π(r+t)/4
2πr/4+2(t+r−r)>2π(r+t)/4
2πr+8(t+r−r)>2π(r+t)
2πr+8t+8r−8r>2πr+2πt
8t−2πt>2πr−2πr−8r+8r
(8−2π)t>(8−2π)r−(8−2π)r
t>r−r
t−(r−r)>0
となり、t>0、r>rであるので、この関係が成立することがわかる。
従って、同じ巻数の巻回体1で比較した場合、巻体2の曲率を大きくした場合においても、スペーサ3を設けた方が巻体2の全長が長くなることがわかる。
<効果>
以上のような巻回体1及び巻回体1の製造方法によれば、巻回体1の厚さ方向に隣接する巻体2の間にスペーサ3を設けることで、スペーサ3を設けた領域における巻体2は、その部分だけがスペーサ3の厚さ分だけ外側に押しやられる。その結果、この領域の巻体2の曲率が大きくなり、円弧と比べて少し尖った状態となる。よって、スペーサ3が巻回体1の厚さ方向に沿って並んでいる4箇所が、スペーサ3によって曲げられて丸みを帯びた角部21として形成され、この角部21を作ることで、巻体2における他の領域(角部間を結ぶ領域)が直線状に延びた直線部22となり、その結果、完全な角ではないものの、4つの角部21を有する略四角形状の巻回体1が形成される。
これにより、図7に示すように、巻回体1を一般的な角柱状の容器4に収納する際に、直線部22が容器4の内壁にほぼ当接し、角部21も円弧より尖っていることで、容器4内のデッドスペースが大幅に減少する。よって、容器4に合った巻回体1を作ることができ、容器4内にできるスペースを有効利用して巻回体1における巻体2を長くすることができる。また、スペースを減らすことでユニットとしての強度の向上を図ることができ、ユニットの積み重ねにも適した巻回体1となる。
また、上述したように、スペーサ3を設けることで同じ巻数でも巻体2の全長を長くすることができるので、電池の容量を大きくすることができる。
<変形例>
なお、上記実施形態においては、略四角形状の巻回体を例に挙げて説明したが、以下に説明するように、巻回体を略六角形状、略三角形状に形成してもよい。
図8は、略六角形状の巻回体を巻回軸方向の一端側から見た図であり、図9は、略六角形状の巻回体を容器に収容し、これらのユニットを積載した状態を示す図である。
図8に示すように、スペーサ3aは、巻回体1aを巻体2aの巻回方向に沿った縦断面で見た際に、巻回軸Oを中心として60°おきに設けられている。スペーサ3aをこのような配置とすることで、各スペーサ3aが巻体2aを挟んで巻回体1aの厚さ方向に沿って直線状に並んでおり、スペーサ3aが厚さ方向に沿って並んでいる6箇所が、スペーサ3aによって曲げられて丸みを帯びた角部21aとして形成される。この角部21aを作ることで、巻体2aにおける他の領域(角部21a間を結ぶ領域)が直線状に延びた直線部22aとなり、その結果、完全な角ではないものの、6つの角部21aを有する略六角形状の巻回体1aが形成される。
図9に示すように、このような巻回体1aを同じ六角柱状の容器4aに収容することで、これらのユニットを積載した際に、ハニカム構造となり、隙間なくユニットを並べることができ、ユニットの強度を大きく向上させることができる。
図10は、略三角形状の巻回体を巻回軸方向の一端側から見た図であり、図11は、略三角形状の巻回体を容器に収容し、これらのユニットを積載した状態を示す図である。
図10に示すように、スペーサ3bは、巻回体1bを巻体2bの巻回方向に沿った縦断面で見た際に、所定の巻回軸Oを中心として120°おきに設けられている。スペーサ3bをこのような配置とすることで、各スペーサ3bが巻体2bを挟んで巻回体1bの厚さ方向に沿って直線状に並んでおり、スペーサ3bが厚さ方向に沿って並んでいる3箇所が、スペーサ3bによって曲げられて丸みを帯びた角部21bとして形成される。この角部21bを作ることで、巻体2bにおける他の領域(角部21b間を結ぶ領域)が直線状に延びた直線部22bとなり、その結果、完全な角ではないものの、3つの角部21bを有する略三角形状の巻回体1bが形成される。
図11に示すように、このような巻回体1bを同じ三角柱状の容器4bに収容することで、これらのユニットを積載した際に、隙間なくユニットを並べることができ、ユニットの強度を大きく向上させることができる。
<その他>
なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではない。巻回体の形状は、上記の例に限られず、複数の角部を有する略多角形状であれば、上述の効果を発揮することができる。
図12、図13は、スペーサを巻体に設ける際の他の例を示す図である。
図12に示すように、巻体2にスペーサ3を設ける際において、回転しながら巻体2に接離可能とされたスペーサの保持装置12のベルトBの表面に予め設定された間隔でスペーサ3を接着しておき、所定のタイミングでベルトBを巻体2に接近させてベルトB上のスペーサ3を巻体2に接着させるような方法を用いても良い。
また、図13に示すように、巻体2にスペーサ3を設ける際において、巻体2をローラ10に搬送する前に、予め巻体2の表面に、予め設定された所定の間隔をあけてスペーサ3を設けておき、引き出した巻体2をローラ10に順次搬送して巻回していくような方法を用いても良い。
また、図2、図12に示すような巻体の搬送時にスペーサを設ける場合に限らず、巻体を芯材に巻回中に、予め設定された間隔をあけて、隣接するn巻目の巻体とn+1巻目の巻体との間にスペーサを挿入してもよい。
また、巻体を帯状部材として説明したが、巻体がコイルに用いるような線材であってもよい。この場合、スペーサとして棒材・板材を使用し、n層目の巻回前に、巻回軸にスペーサをセットして巻回し、n+1層目の巻回前にn層目の上に新たにスペーサを挿入してから巻回することによって実現可能である。
また、スペーサは、厚さ方向に隣接する巻体の間の全てに設ける必要はなく、自由に設置位置を変更可能である。また、スペーサの大きさについても、少なくとも一部のスペーサが他のスペーサと異なる大きさに形成されていてもよい。すなわち、容器の形状に合わせてスペーサを設ける位置、大きさを自由に変更してよい。

Claims (18)

  1. 巻体を所定の軸回りに複数回にわたって巻回した巻回体であって、
    巻回された巻体の間の一部の領域にスペーサを設けたことを特徴とする巻回体。
  2. 前記巻体は、前記スペーサによって曲げられた複数の角部と、各角部の間の直線部とを有することを特徴とする請求項1に記載の巻回体。
  3. 前記スペーサの設置間隔が等間隔であることを特徴とする請求項1又は2に記載の巻回体。
  4. 前記スペーサは、前記巻回体を巻体の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、前記所定の軸を中心として90°おきに設けられていることを特徴とする請求項1から3までのいずれか一項に記載の巻回体。
  5. 前記スペーサは、前記巻回体を巻体の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、前記所定の軸を中心として60°おきに設けられていることを特徴とする請求項1から3までのいずれか一項に記載の巻回体。
  6. 前記スペーサは、前記巻回体を巻体の巻回方向に沿った縦断面で見た際に、前記所定の軸を中心として120°おきに設けられていることを特徴とする請求項1から3までのいずれか一項に記載の巻回体。
  7. 前記スペーサは、硬化インク又はゲルによって形成されていることを特徴とする請求項1から6までのいずれか一項に記載の巻回体。
  8. 前記スペーサは、プラスチックによって形成されていることを特徴とする請求項1から6までのいずれか一項に記載の巻回体。
  9. 前記スペーサは、全て同じ大きさに形成されていることを特徴とする請求項1から8までのいずれか一項に記載の巻回体。
  10. 前記スペーサの少なくとも一部が他のスペーサと異なる大きさに形成されていることを特徴とする請求項1から8までのいずれか一項に記載の巻回体。
  11. 前記巻体は、帯状積層体であることを特徴とする請求項1から10までのいずれか一項に記載の巻回体。
  12. 前記帯状積層体は、正極シートと、負極シートと、前記正極シートと前記負極シートの間に配置されるセパレータとを有する発電要素体であることを特徴とする請求項11に記載の巻回体。
  13. 前記巻体は、線材であることを特徴とする請求項1から10までのいずれか一項に記載の巻回体。
  14. 請求項1から13までのいずれか一項に記載の巻回体の製造方法であって、
    前記巻体を巻回する芯材に前記巻体を搬送するステップと、
    前記巻体の搬送時に前記巻体の表面に予め設定された間隔をあけて順次前記スペーサを設けるステップと、
    前記スペーサが設けられた巻体を順次芯材に巻回するステップと、
    を有することを特徴とする巻回体の製造方法。
  15. 前記スペーサは、前記巻体の表面に硬化型インクを噴射し、当該インクを硬化させることによって形成することを特徴とする請求項14に記載の巻回体の製造方法。
  16. 前記スペーサは、保持装置に保持されたスペーサを前記巻体の表面に接着させることによって形成することを特徴とする請求項14に記載の巻回体の製造方法。
  17. 請求項1から13までのいずれか一項に記載の巻回体の製造方法であって、
    前記巻体を巻回する芯材に前記巻体を搬送するステップと、
    前記巻体の搬送前に、予め前記巻体の表面に予め設定された間隔をあけて前記スペーサを設けるステップと、
    前記スペーサが設けられた巻体を順次芯材に巻回するステップと、
    を有することを特徴とする巻回体の製造方法。
  18. 請求項1から13までのいずれか一項に記載の巻回体の製造方法であって、
    前記巻体を巻回する芯材に前記巻体を搬送するステップと、
    搬送されてくる前記巻体を順次芯材に巻回するステップと、
    前記巻体を前記芯材に巻回中に、予め設定された間隔をあけて前記スペーサを前記巻体の間に挿入して設置するステップと、
    を有することを特徴とする巻回体の製造方法。
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