(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
リチウムイオン二次電池等の電極構造として、シート状の正極(正極シート)と負極(負極シート)との間に絶縁体のセパレータシートを挟んで複数層に亘って積層させる積層構造が知られている。このような積層構造の電池を製造するに当たり、従来から、葛折式、ワインディング式、袋詰式、枚葉積層式等の複数の製造方法が知られている。
【0003】
枚葉積層式では、例えば特許文献1に示されているように、負極シート、セパレータシート、正極シート、セパレータシート、負極シート・・・負極シートと順に各シートを積層させていく積層プロセスを採る。このような積層方法は、上記した前三者の製造方法と比較して、各シートの平面サイズの変更に柔軟に対応できるというメリットがある。
【0004】
セパレータシートは、長尺のセパレータシートが捲回されたセパレータシートロールから引き出されて適切な長さに切断される。例えば
図9の一点鎖線で例示するように、セパレータシート100の長手方向に直交するようにして、セパレータシート100を切断する。
【0005】
セパレータシート100には、イオンを正極−負極間で流通させるための複数のスリット102が切られている。このスリット102はセパレータシート100の長手方向に切られた長孔形状となっている。したがって、スリット102は切断方向に対して直角方向に切られている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、セパレータシート100の切断の際、当該セパレータシート100に過大な負荷が入力されると、スリット102を起点にセパレータシート100に亀裂が入る場合がある。例えばセパレータシート100の長手方向に隣接するスリット102,102間を繋ぐような亀裂が入ってしまう。
【0008】
そこで、切断時のセパレータシート100への負荷を軽減するために、円形刃を回転させてセパレータシート100を切断することが考えられる。回転式の円形刃を用いることで、例えば非回転の刃をセパレータシート100に押し当ててこれを切断する場合と比較して、セパレータシート100に入力される負荷が軽減される。
【0009】
ここで、例えば
図10に例示するように、円形刃104をセパレータシート100に当てる際に、セパレータシート100の先端が円形刃104の上にわずかに乗り上げるおそれがある。
【0010】
このとき、例えば
図11に例示するように、円形刃104の回転軸106がセパレータシート100に対して非平行とならずに、円形刃104がセパレータシート100に対する垂直軸L1から傾いている場合、円形刃104に当接するセパレータシート100の高さ位置の違いに起因して、切断後のセパレータシート100A,100Bの寸法にばらつきが生じるおそれがある。
【0011】
そこで本発明は、セパレータシートの切断時において、当該セパレータシートの、円形刃上への乗り上げを抑制可能な、セパレータシートの切断装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明は、セパレータシートロールから引き出されたセパレータシートを切断する、セパレータシート切断装置に関する。当該切断装置は、円形刃、回転機構、直動機構、一対のステージ、及び一対のホルダを備える。回転機構は円形刃を回転させる。直動機構は、円形刃の回転軸に対して垂直に、円形刃を直線移動させる。一対のステージは、回転軸よりも円形刃の径方向外側であって、回転軸方向に沿って円形刃を挟んで設けられセパレータシートロールから引き出されたセパレータシートが載置される載置面が、円形刃の直線移動方向に亘って形成される。一対のホルダは、一対のステージよりも更に円形刃の径方向外側であって、一対のステージの載置面と対向するとともに当該載置面に載置されたセパレータシートを押圧する押圧面を備える。一対のホルダの押圧面の、回転軸方向の間隔は、一対のステージの載置面の、回転軸方向の間隔よりも狭く構成される。
【0013】
上記発明によれば、円形刃の径方向外側、つまり、セパレートシートが円形刃に乗り上げられる側に設けられる一対のホルダの、押圧面同士の間隔を、一対のステージの載置面同士の間隔よりも狭くして、セパレートシートの浮き上がりを抑制させている。これにより、セパレータシートの、円形刃上への乗り上げを抑制可能となる。
【0014】
また上記発明において、円形刃の、セパレータシートとの当接部が、当該円形刃の直線移動方向前方に送られるように、回転機構が円形刃を回転させてもよい。
【0015】
上記発明によれば、円形刃が、セパレータシートを、乗り上げ方向とは逆方向に付勢するように回転するため、セパレータシートの、円形刃上への乗り上げが抑制可能となる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、セパレータシートの切断時において、当該セパレータシートの、円形刃上への乗り上げを抑制可能となる。
【発明を実施するための形態】
【0018】
<セパレータシート切断装置の全体構成>
図1には、本実施形態に係るセパレータシート切断装置の斜視図が例示される。さらに
図2には、本実施形態に係るセパレータシート切断装置の概要を示す側面図(X軸視側面図)が示されている。なお、
図1〜
図8において、円形刃10の直動方向に沿った軸をX軸とする。また水平面上においてX軸と直交する軸をY軸とする。さらにX軸及びY軸に直交する鉛直軸をZ軸とする。
【0019】
本実施形態に係るセパレータシート切断装置は、セパレータシートロール15(
図2参照)からセパレータシート16を引き出して、適切な幅で切断する。切断されたセパレータシート16は、正極シート及び負極シートとともに積層され、電池積層体が製造される。電池積層体は、例えば角型電池やラミネート電池であってよい。さらに電池積層体は、リチウムイオン二次電池や全固体電池など、積層構造を有する電池の積層体であってよい。
【0020】
セパレータシート切断装置は、切断機構20、切断ステージ30、引出ホルダ40、及び搬送ホルダ50を備える。
【0021】
図2には、円形刃10の回転シャフト11を貫通するようにその回転軸L2が示される。切断ステージ30A,30B,30Cは、いずれも回転軸L2よりも円形刃10の径方向外側に設けられる。
【0022】
例えば回転シャフト11より上方に、切断ステージ30A,30B,30Cが設けられる。切断ステージ30A,30B,30Cの上面は、セパレータシートロール15から引き出されたセパレータシート16が載置される載置面31A,31B,31Cが形成される。
【0023】
載置面31A,31B,31Cは、例えば
図3を参照して、円形刃10A,10Bの正面断面図(回転軸L2を含むY−Z断面図)において、円形刃10A,10Bの上側頂点から下方に1mm以上7mm以下の範囲の任意の位置に設置される(1mm≦H1≦7mm)。
【0024】
この載置面31A,31B,31Cは、円形刃10の回転軸L2に沿って当該円形刃10を挟む様にして配置される。具体的には、一対の載置面31A,31Bは、円形刃10Aを挟んで(跨いで)配置される。一対の載置面31B,31Cは、円形刃10Bを挟んで(跨いで)配置される。このように、円形刃10Aを挟むように一対の切断ステージ30A,30Bが設けられ、円形刃10Bを挟むようにして一対の切断ステージ30B,30Cが設けられる。
【0025】
また
図1に例示されるように、切断ステージ30A,30B,30Cの載置面31A,31B,31Cは、円形刃10A,10Bの直動方向に亘って形成される。例えばセパレータシート16のX軸方向幅を超過するような幅(X軸方向幅)に、載置面31A,31B,31Cが形成される。
【0026】
引出ホルダ40は、セパレータシートロール15からセパレータシート16を引き出す。引出ホルダ40は、円形刃10の直動方向(X軸方向)とは直交する搬送方向(Y軸方向)に沿って直動可能となっている。例えば引出ホルダ40の、X軸方向両端は一対のリニアガイド41,41に連結される。リニアガイド41,41は搬送方向に沿って平行に延設される。さらに引出ホルダ40には図示しないリニア駆動機構が設けられ、リニアガイド41,41に沿って直動可能となっている。例えば引出ホルダ40は、切断ステージ30Aから切断ステージ30Cまで往復移動可能となっている。
【0027】
また
図2を参照して、引出ホルダ40は押圧プレート42を備える。引出ホルダ40は図示しないエアシリンダ機構等を備えており、押圧プレート42を鉛直方向に沿って上下動可能となっている。
【0028】
押圧プレート42の下面には押圧面43が形成される。押圧面43は切断ステージ30Aの載置面31A及び切断ステージ30Cの載置面31Cと対向するように(平行となるように)配置される。後述するように、円形刃10によりセパレータシート16を切断する際には、押圧プレート42が下降してその押圧面43によりセパレータシート16上面を押圧保持する。
【0029】
押圧プレート42は、図示しない真空源と接続されており、押圧面43と当接したセパレータシート16を吸着可能となっている。後述するように、切断ステージ30Aの載置面31Aに載置されたセパレータシート16を押圧プレート42が吸着し、その後上昇して切断ステージ30Cの載置面31Cまでセパレータシート16を搬送する。
【0030】
搬送ホルダ50は、セパレータシート切断時の押さえ、及び、切断後のセパレータシートの搬送を行う。搬送ホルダ50は、円形刃10の直動方向(X軸方向)とは直交する搬送方向(Y軸方向)に沿って直動可能となっている。例えば搬送ホルダ50の、X軸方向の一端はリニアガイド51に連結される。リニアガイド51は搬送方向(Y軸方向)に沿って延設される。さらに搬送ホルダ50には図示しないリニア駆動機構が設けられ、リニアガイド51に沿って直動可能となっている。例えば搬送ホルダ50は、切断ステージ30B,30Cから図示しない搬送テーブルまで往復移動可能となっている。
【0031】
搬送ホルダ50は、押圧プレート52A,52B、ベースプレート54、及びエアシリンダ機構55を備える。
【0032】
ベースプレート54には押圧プレート52A,52Bが固定される。ベースプレート54はエアシリンダ機構55が接続され、ベースプレート54及び押圧プレート52A,52Bが鉛直方向に沿って上下動可能となっている。
【0033】
押圧プレート52A,52Bの下面には押圧面53A,53Bが形成される。押圧面53A,53Bは切断ステージ30B,30Cの載置面31B,31Cと対向するように(平行となるように)配置される。後述するように、円形刃10によりセパレータシート16を切断する際には、押圧プレート52A,52Bが下降してその押圧面53A,53Bによりセパレータシート16上面を押圧保持する。
【0034】
押圧プレート52A,52Bは、図示しない真空源と接続されており、押圧面53A,53Bと当接したセパレータシート16を吸着可能となっている。後述するように、円形刃10A,10Bによる切断後、切断ステージ30B,30Cの載置面31B,31Cに載置されたセパレータシート16を押圧プレート52A,52Bが吸着し、その後上昇して図示しない搬送テーブルまでセパレータシート16を搬送する。
【0035】
図2を参照して、引出ホルダ40の押圧プレート42、搬送ホルダ50の押圧プレート52A、及び押圧プレート52Bは、いずれも切断ステージ30A,30B,30Cよりもさらに、円形刃10Aの径方向外側に設けられる。例えば切断ステージ30A,30B,30Cの上方に引出ホルダ40の押圧プレート42及び搬送ホルダ50の押圧プレート52A,52Bが設けられる。
【0036】
図3を参照して、切断ステージ30A,30B,30Cと同様にして、押圧プレート42,52A,52Bは、円形刃10A,10Bの回転軸L2に沿って、当該円形刃10A,10Bを挟むように配置される。
【0037】
具体的には、一対の押圧プレート42,52Aの押圧面43,53Aは、円形刃10Aを挟んで(跨いで)配置され、一対の押圧プレート52A,52Bの押圧面53A,53Bは、円形刃10Bを挟んで(跨いで)配置される。
【0038】
ここで
図3を参照して、押圧プレート42,52A間(押圧面43,53A)の回転軸L2方向の間隔C2は、切断ステージ30A,30B間(載置面31A,31B)の、回転軸L2方向の間隔C1より狭く構成される。同様にして、押圧プレート52A,52B間(押圧面53A,53B)の回転軸L2方向の間隔C2は、切断ステージ30B,30C間(載置面31B,31C)の、回転軸L2方向の間隔C1より狭く構成される。
【0039】
後述するように、セパレータシート16を円形刃10A,10Bにて切断する際に、円形刃10A,10Bにセパレータシート16が乗り上がるおそれがある。そこで本実施形態に係るセパレータシート切断装置では、セパレータシート16が乗り上げられる側に配置された、押圧面43,53A及び押圧面53A,53Bの間隔C2を、載置面31A,31B及び載置面31B,31Cの間隔C1より狭くし、切断時のセパレータシート16の浮き上がり及び乗り上げを抑制している。
【0040】
例えば間隔C1,C2は、C1 > C2の関係を維持しつつ、いずれも0.5mm以上5mm以下の範囲に定められる。
【0041】
図1、
図2を参照し、切断機構20は、円形刃10A,10B、回転シャフト11、ベアリングユニット12、ピニオン13、ラック14、及び単軸ロボット17を備える。円形刃10A,10Bは両刃、つまり、刃先の断面の左右両側に刃面が形成される。セパレータシート16への引っ掛かりを抑制するため、円形刃10A,10Bの刃先は鋸目が設けられずに、周方向に沿って均一径となっている。例えば円形刃10A,10Bの直径は45mmとなるように構成される。
【0042】
円形刃10A,10Bの間に、回転シャフト11が設けられる。回転シャフト11はベアリングユニット12及びピニオン13に接続される。ベアリングユニット12は単軸ロボット17のスライダ17Bに固定される。
【0043】
単軸ロボット17は円形刃10A,10Bを、その回転軸L2に対して垂直に直線移動させる直動機構である。単軸ロボット17は、ベース17A及びスライダ17Bを備える。ベース17AはX軸方向に延設される。例えばベース17Aはセパレータシート16のX軸方向幅を超過するような長さに延設される。
【0044】
ベース17Aには図示しないサーボモータ及びボールねじが設けられる。サーボモータはベース17Aの長手方向(X軸方向)の一端に設けられる。ボールねじはサーボモータからベース17Aの長手方向に延設され、ベース17Aの他端にて終端する。サーボモータは正逆回転可能となっており、当該サーボモータの回転に伴ってボールねじが回転させられる。ボールねじの回転に応じて、スライダ17Bが、ベース17A上をX軸方向に直線移動可能となる。なお、サーボモータの代わりに、パルスモータ、ステッピングモータを使用してもよい。
【0045】
ピニオン13及びラック14は、円形刃10A,10Bを回転させる回転機構として機能する。ピニオン13は回転シャフト11に連結(嵌着)される。ラック14は単軸ロボット17のベース17Aと平行に延設される。ラック14の延設方向長さ(X軸方向長さ)は、ベース17Aの延設方向長さと同一であってよい。つまりラック14のX軸方向両端は、切断ステージ30A,30B,30Cに載置されたセパレータシート16のX軸方向両端を超過するように形成される。
【0046】
単軸ロボット17のスライダ17Bの直線移動に伴い、スライダに固定されたベアリングユニット12も直線移動される。さらにベアリングユニット12に挿入された回転シャフト11も直線移動する。このとき、回転シャフト11に連結されたピニオン13がラック14と噛み合いながら直線移動することで、ピニオン13が回転させられる。ピニオン13の回転に伴い、これに連結された回転シャフト11は、回転しながら直線移動させられる。その結果、回転シャフト11に連結された円形刃10A,10Bが回転しながら、回転軸L2とは直交するX軸方向に直動移動させられる。
【0047】
図4に例示するように、円形刃10A,10Bの回転方向は、直動方向に応じて切り替え可能となっている。例えばピニオン13がラック14の一端に到達すると、単軸ロボット17のサーボモータ(図示せず)が逆回転し、回転シャフト11及び円形刃10A,10Bが逆回転しながらラック14の他端に向かって直動移動する。
【0048】
このとき、
図4を参照して、円形刃10A,10Bの、セパレータシート16との当接部が、当該円形刃10A,10Bの直線移動方向前方に送られるように、ピニオン13及びラック14が円形刃10A,10Bを回転させる。
【0049】
例えば
図4上段に示されるように、セパレータシート16は回転シャフト11より上方に配置される。円形刃10A,10Bが紙面左側に直線移動するとき、円形刃10A,10Bの回転方向は反時計回りとなる。また
図4下段に示されるように、円形刃10A,10Bが紙面右側に直線移動するとき、円形刃10A,10Bの回転方向は時計回りとなる。
【0050】
このように、セパレータシート16を押し下げるように、円形刃10A,10Bの回転方向を定めることで、円形刃10A,10B上へのセパレータシート16の乗り上げが抑制される。また、セパレータシート16を、回転シャフト11と同一の高さに配置すると、円形刃10A,10Bの上方に乗り上げるのか、それとも下方に乗り上げるのか、その乗り上げ方が変動するおそれがある。そこで本実施形態では、セパレータシート16を、回転シャフト11とは高さ方向で異なる配置とし、乗り上げの態様を確定させている。
【0051】
図4を参照して、円形刃10A,10Bの、セパレータシート16への当接角度θ、つまり、鉛直軸(Z軸)を基準として回転正方向に開いた角度は、15°以上50°以下であることが好適であり、30°以上45以下であるとさらに好適である。
【0052】
<セパレータシートの切断プロセス>
図5〜
図8を参照して、本実施形態に係るセパレータシート切断装置による、セパレータシート16の切断プロセスについて説明する。なお、
図5〜
図8において、円形刃10A,10Bは、ラック14の両端、つまり、セパレータシート16とは接触しない待機位置にて待機している。したがって、
図5〜
図8において、図面上では(X軸視では)円形刃10A,10Bとセパレータシート16とが交差しているが、まだこの段階では円形刃10A,10Bはセパレータシート16には触れていない。
【0053】
図5には切断プロセス初期の状態が例示されている。セパレータシートロール15からセパレータシート16が引き出され、その先端は切断ステージ30Aの載置面31A上に置かれる。
【0054】
図6に示すように、引出ホルダ40の押圧プレート42が下降して、その押圧面43を切断ステージ30Aの載置面31A上のセパレータシート16に当接させる。さらに図示しない真空源から負圧を発生させ、または静電吸着により、押圧プレート42にセパレータシート16を吸着させる。
【0055】
セパレータシート16を押圧プレート42に吸着させると、押圧プレート42が上昇し、その後切断ステージ30Cまで直線移動する。なおこのとき、搬送ホルダ50も引出ホルダ40とともに図示しない搬送テーブルまで直線移動してもよい。
【0056】
押圧プレート42が切断ステージ30Cの載置面31C上に到達すると、
図7に示すように押圧プレート42が下降して、切断ステージ30Cの載置面31C上にセパレータシート16を載置する。
【0057】
その後、押圧プレート42が上昇し、さらに切断ステージ30Aまで直線移動する。なおこのとき、搬送ホルダ50の押圧プレート52A,52Bも切断ステージ30B,30Cまで直線移動する。
【0058】
さらに
図8に示すように、引出ホルダ40の押圧プレート42及び搬送ホルダ50の押圧プレート52A,52Bが降下する。これにより押圧プレート42,52A,52Bの押圧面43,53A,53Bが、それぞれ、切断ステージ30A,30B,30Cの載置面31A,31B,31C上のセパレータシート16に接触、押圧する。
【0059】
その後、単軸ロボット17のサーボモータが駆動し、円形刃10A,10Bが回転しながらラック14の他端まで直線移動する。この過程でセパレータシート16が切断される。上述したように本実施形態では、セパレータシート16が円形刃10A,10B上に乗り上げる乗り上げ側に配置された、押圧面43,53A及び押圧面53A,53Bの間隔C2(
図3参照)を、載置面31A,31B及び載置面31B,31Cの間隔C1より狭くしている。これにより切断時のセパレータシート16の浮き上がり及び乗り上げが抑制される(乗り上げ量を低減できる)。
【0060】
円形刃10A,10Bがラック14の他端に到達すると、押圧プレート42,52A,52Bの押圧面43,53A,53Bに、図示しない真空源により負圧を発生させて、切断済みのセパレータシート16をそれぞれ吸着させる。さらに押圧プレート42,52A,52Bが上昇し、引出ホルダ40の押圧プレート42は切断ステージ30Cまで直線移動する。また搬送ホルダ50の押圧プレート52A,52Bは、図示しない搬送テーブルに、切断済みの一組のセパレータシート16,16を搬送する。以降は
図7、
図8の動作が繰り返される。
【0061】
なお上述の実施形態では、ピニオン13、ラック14を回転機構としていたが、この形態に限らない。例えばピニオン13、ラック14の設置スペースの確保が困難な場合は、ピニオン13、ラック14を省略するとともに、ベアリングユニット12の代わりにこれをモータとしてもよい。このとき、スライダ17Bの直線移動と同期させて当該モータを回転させるようにしてもよい。