JP2006511911A6 - 多層アッセンブリ製造装置においてシートの駆動を制御するための装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、積層シートを駆動するための駆動手段及び積層シートを巻回するための手段(610)を含む、電気エネルギ貯蔵アッセンブリを製造するための装置に関する。駆動手段は少なくとも一対の駆動手段であって、それぞれ、マスター駆動手段及びスレーブ駆動手段(532及び534、及び400及び410;400及び410、及び262及び264)で構成される駆動手段を含む。マスター駆動手段(532及び534;400及び410)は、積層シートの移動路でスレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)の下流に配置されている。当該駆動手段は、スレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)をマスター駆動手段(532及び534;400及び410)に基づいてサーボ制御するための制御手段を更に含む。
Description
本発明は、電気エネルギ貯蔵アッセンブリの分野に関する。
更に詳細には、本発明は、カソード及びアノードをそれぞれ形成する二つの電極間に電解質が配置された、ポリマー材料を基材とした多層電気化学的アッセンブリに関する。
本発明は、リチウムを基材としたアノードを持つ装置に適用されるが、この装置に限定されない。
本発明は、コンデンサー、大容量コンデンサー及びバッテリーに適用される。
このような電気化学的アッセンブリの例は、FR−A−2 737 339、FR−A−2 759 087、FR−A−2 759 211、FR−A−2 808 622に記載されている。
このようなアッセンブリは、一般的には、合一され且つ重ねられて積層体を形成する複数の単層シート又は多層シートから形成される。このようにして得られた積層体は、一般的には、円形対称なマンドレルに巻回される。
電気エネルギ貯蔵アッセンブリを製造するための既知の装置は、一般的には、複数のシート供給リール、これらの供給リールからシートを走行させるための駆動手段、及びシートを重ねて積層体を形成するための手段を含む。
図34は、シートのストリップの移動を制御するための既知のシステムの一例を示す概略図である。このシステムは、シートが送出される供給リール1、変向ローラー2、ジョッキーローラー3、駆動ローラー4、及びシートのストリップが巻回されるマンドレル5を含む。駆動ローラー4は、ストリップを駆動し、供給リール1からの出口で得られた制御信号に基づいて制御された装置で移動する。ジョッキーローラー3は、シートのストリップに実際上一定の張力が加わるようにシートに力Fを及ぼす。
このシステムは、一定の速度で回転するように駆動され且つ停止及び再始動が徐々に行われる円形をなして対称なマンドレル上で巻回体を連続的に製造する方法に特に適している。
本発明者は、折り目又はこれと等価の欠陥が構造に導入されないように最初から全体に平らな多層巻回体の形態のこのような電気エネルギ貯蔵アッセンブリを製造することが特に有利であるということを発見した。
本発明者は、円形対称の巻回体の形態のこのようなアッセンブリを製造し、次いでこれらの巻回体を平らにすると、巻回時に巻回部毎に異なる応力が発生するため、多くの場合、様々な層に折り目やボス等の欠陥が生じ、これらの間の界面が損なわれ、様々な層間で局所的分離が生じ、貯蔵容量が減少するということを発見した。
本発明者は、更に、従来技術と関連したそれらの問題点は、セルを充電池として使用する場合にセルが耐えることができる充電/放電サイクルの数が減少することによってセルの劣化を加速し、場合によってはセルを自己放電させてしまうということを発見した。
平らな巻回体を製造するため、非円形の、例えば楕円形形状のマンドレルを使用できる。
マンドレルは、有利には、実際上一定のシート移動速度が得られるように、一定でない速度で回転するように制御できる。
しかしながら、このようなマンドレルは、その半径が大幅に変化するため、供給リールから来る上流サーボ制御信号に基づいてトルクを制御するのが容易ではない。
更に、エネルギ貯蔵アッセンブリを自動的に製造し、高い処理速度(約6m/分の移動速度)で高い中断頻度(移動が毎分で停止する)で作動するための装置に関し、停止及び始動の頻度のため、図34におけるように大量の空間を専有するストロークが長い制御手段を使用できない。
本発明の目的は、それにも拘わらず、電気エネルギ貯蔵アッセンブリを自動的に製造できる装置を提供することである。
かくして、本発明の特定の目的は、巻回マンドレル、詳細には、円形対称でない垂直断面を持つマンドレルの要求時に送出するのに適した、積層シートの移動を制御するためのシステムを提供することである。積層シートは、マンドレルが要求する線速度と対応する速度で供給される。
本発明に関し、この目的は、積層シートを駆動するための駆動手段及び積層シートを巻回するための手段を含む、電気エネルギ貯蔵アッセンブリを製造するための装置において、駆動手段は少なくとも一対の駆動手段であって、それぞれ、マスター駆動手段及びスレーブ駆動手段で構成される駆動手段を含み、マスター駆動手段は、積層シートの移動路においてスレーブ駆動手段の下流に配置されており、当該駆動手段は、スレーブ駆動手段をマスター駆動手段に基づいてサーボ制御するための制御手段を更に含む、ことを特徴とする装置によって達成される。
本発明は、更に、このような巻回体を形成する方法を提供する。
本発明のこの他の特徴、目的、及び利点は、非限定的例として与えられた添付図面を参照して以下の詳細な説明を読むことによって明らかになる。
以下の説明において、「上流」及び「下流」という用語は、装置を通る積層体の移動方向に関して使用され、「上流」という用語は、所与の基準の前に配置されたエレメントを示し、「下流」という用語はその後ろに配置されたエレメントを示す。
添付の図1に示すように、電気エネルギ貯蔵アッセンブリを製造するための本発明による装置は、本質的には、
− 多層構造を供給するための供給手段A、及び
− これらの多層構造を巻回するための巻回手段Eを含む。
− 多層構造を供給するための供給手段A、及び
− これらの多層構造を巻回するための巻回手段Eを含む。
供給手段Aは、最初は別々の複数の単層シート又は多層シート90、92、及び94を送出し、これらを積層し、即ち重ねて互いに結合するのに役立つ。供給手段Aは、更に、最終積層体96に含まれる様々な層の長さ方向縁部を相対的に正確に位置決めするのに役立つ。
本発明に関して使用される様々な単層シート又は多層シート及び結果として得られた積層体は、以下に更に詳細に定義する機能を持つフレーム900に対して平行に移動する。
添付の図1に示す装置の特定の実施形態は、6層のスタックで形成されたセルアッセンブリを製造するように設計されている。セルアッセンブリの六つの層には、コレクタ10(例えばアルミニウム製)、カソード20(例えばポリオキシエチレン(POE)及びリチウム塩)、電解質層30、アノード40(例えばリチウム製)、電解質層50、及びカソード60が含まれる。例として、電解質30及び50は、POE及びLiV3O8及びV2O5を基材とする。アルミニウムコレクタ10は、好ましくは、例えばチタニウムナイトライド又は何らかの他の材料、例えばグラファイトを基材とする耐蝕性バリアでコーティングしてある。
それにも拘わらず、本発明は、この特定の例に限定されない。
これに関し、供給手段Aは三つの別々の供給マガジン100、200、及び300を含む。
供給手段100は、上述のカソード60及び二つの外保護フィルム80、81間に挟まれた電解質層50を含む4層積層体90を供給するための手段である(図9参照)。
供給手段200は、アノードシート40を供給するための手段である(図11参照)。
供給手段300は、電解質30、カソード20、及び二つの外保護フィルム82及び83間に挟まれたコレクタ10を含む5層積層体を供給するための手段である(図13参照)。
好ましくは、これらの供給手段100、200、及び300の各々は、任意の適当な手段によって予め準備した所望の積層体90、40、又は92のリールを含む。これらのリールは、それぞれの回転軸線102、202、及び302を中心として共通のフレーム900に回転するように設置されている。
当然のことながら、供給マガジン100、200、及び300を形成するリールは、空になったら交換できるようにフレーム900に取り外し自在に取り付けられている。
三つの供給手段100、200、及び300のそれぞれから来る三つのシート90、40、92を、供給手段100、200、及び300の出口と巻回手段Eとの間に配置された積層器モジュールCで積層し、即ち互いに積み重ねる。
図1では、積層体90、40、及び42を支持するリールは、三つの供給手段100、200、及び300に配置されており、それぞれに参照番号104、204、及び304が付してある。
リール104から来る四層積層体は、ローラー110、112、及び114によって積層器モジュールCに案内される。モジュール100は、積層されるべき電解質50の面上に設けられたフィルム81を除去するように設計されたフィルム除去器アッセンブリ120をリール104の出口の下流に有する。このフィルム除去器アッセンブリ120は、二つの変向ローラー112と114との間に位置決めされている。
フィルム除去器アッセンブリ120からの出口で得られる三層積層体構造50、60、80を図10に示す。
更に、供給手段100はフィルム除去器アッセンブリ120と積層器モジュールCとの間にヒーターモジュール130を含む。その構造及び機能を以下に更に詳細に説明する。
同様に、リール304から来る五層積層体92は、ローラー310、312、及び314によって積層器モジュールCに向かって案内される。
モジュール300は、積層されるべき電解質30の面上に配置されたフィルム82を除去するように設計されたフィルム除去器アッセンブリ320をリール304の出口の下流に備えている。フィルム除去器アッセンブリ320は、二つの変向ローラー312と314との間に位置決めされている。
フィルム除去器アッセンブリ320の出口で得られる四層積層構造83、10、20、及び30を図14に示す。
更に、供給手段300は、フィルム除去器アッセンブリ320と積層器モジュールCとの間にヒーターモジュール330を含む。その構造及び機能を以下に更に詳細に説明する。
好ましくはリチウムを基材としたアノードシートを供給するための供給手段200は、それぞれのフィルム84及び85を供給するための二つの供給ローラー240及び250を含む。
フィルム84及び85及びアノードシート40は、ローラー210、212によって主アプリケーターアッセンブリ260に案内される。このアッセンブリ260の機能は、供給リール204、240、及び250のそれぞれから来る、最初は別々のこれらのシートを合一し、二つのフィルム84及び85の間にアノード層40を挟んだシート形態にすることである。
アノード40の両側に二つのフィルム84及び85を備えた積層体を図12に示す。
アプリケーターアッセンブリ260は、好ましくは、それぞれの平行な軸線を中心として回転するように取り付けられたピンチローラー262及び264によって構成され、これらのローラー間を移動する上述の三つのシート84、40、及び85を受け取る。好ましくは、一方のローラー262の回転軸線が固定位置にあるのに対し、これと向き合って配置された第2ローラー264は押さえローラーとして作用し、最初に言及したローラー262に、制御された力レベルで、例えばばねブレード263等の弾性手段によって押し付けられるように移動される。
更に、二つのローラー262及び264のうちの一方がモータ駆動式である。下流で行われるプロセスと同期して、積層体84、40、85を牽引状態で駆動する態様と積層体を制動する態様との間で切り換えられるように制御される。これに関し、ローラー262及び264はサーボ制御式であり、下流のプロセス手段に従属する。
適当である場合には、二つのローラー262及び264を離すことができるように及びかくして積層体84、40、及び85をこれらのローラー間に容易に配置できるように、二つのローラー262及び264のうちの少なくとも一方を引っ込め式の、例えばアクチュエータにより制御される器具に取り付ける。
供給手段200は、アッセンブリ層40を横方向に切断するための分断モジュール270をアプリケーターアッセンブリ360の下流に備えている。
この目的のため、分断モジュール270は、ハンマー・アンビルシステム272及び274を含み、これらは、積層体84、40、及び85の移動路の両側にそれぞれ配置されている。ハンマー272は、保護フィルム84及び85を通して横方向に且つ線型に打ち付けることによって作動する。
ハンマー272及びアンビル274のうちの少なくとも一方、及び好ましくはハンマー272はストライカ縁部を有する。
ハンマー272は順次押圧されてアンビル274に打ち付けられ、初期アノードシート40に下流長さを提供する。この長さは巻取ろうとする長さと対応する。ハンマー272は、アノード40が二枚のフィルム84及び85間に挟まれた積層体に作用を及ぼすことが観察される。それにも拘わらず、フィルム84及び85は、フィルム84又は85が切れないように、ハンマー272の衝突に耐えるのに適した材料で形成されている。
分断モジュール270からの出口のところで、フィルム除去手段220、225によって二枚のフィルム84及び85を図12に示す上述の積層体から除去する。適当である場合には、フィルム除去手段220、225は、ハンマー272及びアンビル274自体によって形成されていてもよい。
モジュール270によって画成された破断線の前方に配置されたアノードセグメント40は、下流に配置された駆動手段によって駆動され、前記アノードセグメント40自体が、一方の側の二つのシート50、60、80と他方の側の積層器モジュールCとの間に積層する。
破断線の上流に配置されたアノードシート40のセグメントは、フィルム84及び85によって同伴される。これは、上文中に言及したように、これらのフィルムがモジュール270で切断されないためである。
この点で、フィルム80、81、82、83、84、及び85は、積層体の外側面が外側環境で汚染されることがないようにし、積層体が様々なローラーにくっつかないようにするのに役立つばかりでなく、関連した積層体の駆動に寄与するということが観察されなければならない。
フィルム80、81、82、83、84、及び85は、有利には、ポリプロピレン(PP)、ポリエチレン(PE)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、等を基材とする。
これらは、除去されるときにシート及びローラーの両方が汚損しないようにするため、関連したシートがその経路上でローラー上を剥き出しのまま移動することがないように、経路のできるだけ下流で除去される。
更に、アノード繰出し器204と関連した二つのフィルム繰出し器240、250は実質的に隣接しており、繰出し器240から来るフィルム84がアノードロール204に大きな巻回円弧(張力を加えるため)に亘って(代表的には90°以上、好ましくは270°以下)巻き付くということが観察されなければならない。これは、この壊れやすいシートに対して良好な保護を提供し、適切な機械的駆動を保証するためである。
アノード204の周囲のフィルム84のこの巻回円弧を図7で角度βで表す。この角度は、繰出し器240に存在するシートの外巻回部の半径の関数として変化する。
第1に、フィルム84及び85に、及び従って、破断線の上流に配置されたアノードセグメント40に加えられた駆動力を、第2に、フィルム80及び83に、及び従って、前記破断線の下流に配置されたアノードセグメントに加えられた駆動力を順次制御する。これは、好ましくは、破断が行われた後、二つの上述のセグメント間に例えば約20mmの隙間を画成するように行われる。更に詳細には、工具272の打ち付けをピンチローラー262、264と同期させ、積層体が同じ速度で下流に移動し続けるとき、リチウム40の移動を中断させるようにブレーキとして停止する。
アノード層40を予め破断することによって、最終積層体を形成する全ての層を下流で同時に切断する必要をなくす。このような作業には、これらの層の全てが互いに潰れ、アノード40、カソード20及び60、及びコレクタ10の間を短絡させる危険がある。
上述のステーション120、220、225、及び320で好ましくはフィルム除去器によってフィルムを除去する際にフィルムと隣接した界面が特に引き裂きによって損傷しないようにするため、フィルムの除去は図32に概略に示すスクレーパシステム230を使用して行われる。このシステムは、対応するフィルムに対して接線方向に配置されており、フィルムをいきなり少なくとも60°(図32参照)逸らし、フィルムを小さな曲率半径(代表的には0.05mmに近い半径)でフィルム自体にほぼ180°折り戻すことによってフィルムを引き剥がすように、鋭く磨き上げた縁部232を備えている。スクレーパ230は、フィルムを搬送するシートの上流の移動平面に近い鈍角の縁部232を持つ定置のブレードによって構成されている。縁部232は、シートの移動に対して下流に差し向けられた凸状の側部を有する。本発明者は、この方法で引き剥がしを行うことにより、積層体の隣接した表面を保存できるが、予め注意を払わずにフィルムが裂けると、通常、損傷が及ぼされるということがわかった。上述のスクレーパ230により、機能シートと保護フィルムとの間の剪断効果によってフィルムを剥がすことができる。スクレーパ230の縁部232の周囲で保護フィルムを引っ張ることによって、保護フィルム層の外側湾曲を延長し、これによって前記層に接線方向力を局所的に発生し、フィルムを微小に延ばし、フィルム層と機能シートとの間にスリップ効果を生じ、かくして何らかの粒子が機能シートから遠ざかる方向で裂けないようにする。
好ましくは、装置は、フィルムがスクレーパ230の鈍角の縁部232上で変向されるときに保護フィルムに及ぼされる牽引力を調節するための手段を含む。
図1では、フィルム除去器アッセンブリ120及び320のスクレーパシステムには参照番号122及び322が付してある。ステーション120、320、220、及び225のところで除去されたフィルム81、82、84、及び85は、それぞれのローラー124、224、229、及び324に差し向けられる。この目的のため、フィルム84はローラー221及び222によって案内され、フィルム85はローラー226によって案内される。
加熱手段130及び330の機能は、電解質50及び30が積層器アッセンブリCのアノード層40と接触する前に、これらの電解質の外側界面の温度を制御された温度まで上昇することにより、これに続いて行われる電解質50及び30とアノード40との間の良好な接着を保証することである。これらの加熱手段130、330は、好ましくは、温度の上昇及び低下を迅速に行うことができる、調節された高温空気ループ内で強制的に循環させることによって、高温空気を上述の界面に吹きつけるのに適したオーブンによって形成される。代表的には、加熱手段130及び330は、サーモスタットで制御された温度、例えば60℃±1℃の圧縮空気を電解質50及び30の界面に拡散させるように設計されている。
更に詳細には、本発明による装置は、全体として、巻回モジュールEから上流の供給フィルムの移動を中断し、各巻回作業後に積層体を切断して除去でき、積層体をこれに続いて再係合できる順次工程を含み、オーブン130及び330は、好ましくは、順次制御される。換言すると、オーブン内に次いで配置される積層体の部分の過剰な温度上昇を回避するため、オーブン130及び330内での高温空気の拡散を、積層体が移動を停止する度毎に周期的に中断する。これらのシートセグメントを熱に当て過ぎると、最終積層体の品質を損なってしまう。
更に、停止段階中にオーブン内に動かないように保持されたシートセグメントの温度が時期を失っして上昇することがないようにするため、加熱手段130、330は、低温の圧縮空気をシートに順次吹きつけるのに適した手段が設けられていてもよい。これらの手段は、代表的には、オーブン内の温度を約40℃の値にするようになっている。
オーブン130及び330は、好ましくは、ループ状回路として形成されている。添付図面では、多層シート134及び334が通過するオーブンのセグメントに参照番号132及び332が付してあり、高温の及び低温の空気を順次吹き付けるためのファンが設けられている。加熱を行う目的のため、好ましくは、多数の剥き出しの導線が構成するヒーターエレメントがファン134及び334の出口に面して配置されている。
図1において、参照符号IX、X、XI、XII、XIII、XIV、XV、及びXVIは、図9、図10、図11、図12、図13、図14、図15、及び図16のそれぞれに示す様々な積層体についての装置の経路のそれぞれの位置を示す。様々な層間の望ましからぬ電気的接触を回避するため、アッセンブリCが送出する積層体を形成する様々な層10、20、30、40、50、及び60の長さ方向側縁部の相対位置を制御することが重要である。
図17は、フィルム除去器ステーション120の下流のフィルム80、カソード60、及び電解質50の長さ方向縁部の相対位置を示す。カソード60の幅が電解質50の幅よりも小さく、電解質50がカソード60の両側で突出しているのに対し、フィルム80は電解質50よりも広幅であり、その両側に突出しているということが観察されよう。
図18は、フィルム84及び85及びアノード40の長さ方向縁部の相対的位置を示す。アノード40の幅は、同幅の二つのフィルム84及び85よりも狭幅であり、フィルム84及び85がアノード40の両側に突出している。
図19は、フィルム83、コレクタ10、カソード20、及び電解質30の相対的位置を示す。カソード20はコレクタ10よりも狭幅であり、カソード20の第1縁部がコレクタ10の第1縁部と面一であり、電解質30がカソード20よりも広幅であり、カソードの両側から突出しており、電解質30がカソード20及びコレクタ10の第1縁部に対して突出しているが、電解質30の第2縁部がコレクタ10からセットバックしており、フィルム83の第1縁部は電解質30の第1縁部に対して突出しているが、第2縁部が電解質30の第2縁部と面一である。
最後に、図20は、積層器モジュールCからの出口でのフィルム80、カソード60、電解質50、アノード40、電解質30、カソード20、コレクタ10、及びフィルム83の相対的位置を示す。
電解質50及び30の縁部は重なっており、アノード40の縁部は、コレクタ10の出側で電解質50及び30からセットバックされており、アノード40の反対側は電解質30及び50を越えて突出している。
図1の参照符号XVII、XVIII、XIX、及びXXは、図17、図18、図19、及び図20のそれぞれに示す積層体の位置を示す。
図17及び図18に示す層の相対的位置は、供給リール104及び304の準備時に得られる。図19に示す相対的位置は、モジュール260でフィルムを除去することによって得られる。図20に示す相対的位置は、積層器モジュールCで得られる。
アノード層40と図17及び図19に示す二つのサブアッセンブリとの間で必要とされる相対的位置(これは、「相対的整合」と呼んでもよい)を定義するため、好ましくは、それぞれの積層体の積層器アッセンブリCの上流での長さ方向縁部の位置を検出するのに適した手段、並びに所望の相対的位置を得るために積層体を積層器モジュールCの上流の共通の基準位置に対して移動するのに適した手段が設けられている。これらの変位手段は、好ましくは、供給手段100、200、及び300に作用する。この目的のため、供給手段100、200、及び300の各々は、好ましくは、装置全体の支持フレーム900に対して制御された態様で移動させることができる個々のプレートに取り付けられている。更に詳細には、これらのプレートの各々は、好ましくは、それぞれの軸線101、201、又は301を中心として枢動するように取り付けられており、制御変位手段が関連している。
積層体の縁部の位置を検出するための手段は、好ましくは、超音波手段によって、又は光学的手段によって形成され、適切な場合には赤外線手段又はレーザー手段によって形成され、この検出手段は、積層体の移動路の両側にそれぞれ配置された送信機及び受信機を支持する二叉フォークに配置されている。
図1では、手段100から来る積層体と関連したこのような検出器手段の一つに参照番号140が付してあり、手段260から来る積層体と関連した等価の検出器手段に参照番号280が付してあり、手段300から来る積層体と関連した等価の検出器手段に参照番号340が付してある。検出器手段140はローラー114とオーブン130との間に配置されており、検出器手段340はローラー314とオーブン330との間に配置されている。検出器手段280は主積層器モジュール260と積層器モジュールCとの間に配置されている。
上述の変位手段は、空気圧アクチュエータ又は任意の等価の手段に基づいているのがよい。
好ましくは、上述のプレートの各々は、装置が振動しないようにするため、上述の共通フレーム900に載せるのに適したダンパー手段を支持する。非限定的例として、ダンパー手段は、吸引カップによって形成されていてもよい。
上述の枢軸101、201、及び301は、好ましくは、プレート900と平行である。これらの軸線は、繰出し器104、204、304の中心を通り(これらの回転軸線102、202、302を通り)、繰出し器に配置されたリールの幅の中心平面に置かれる。これらの軸線は、更に、ローラー114、262、及び314によって決定されるように、積層器アッセンブリCの直ぐ上流に配置されたそれぞれの関連した多層シートセグメントと平行である。
これに関し、積層器モジュールCの上流に配置された、ローラー262によって案内されるアノードシートセグメント40は、実質的に、積層器モジュールの上流の繰出し器104及び304からローラー114及び314によって案内されてそれぞれ来る積層体セグメント90及び92が形成する角度の二等分線上に配置されるということが観察されなければならない。更に正確には、積層器モジュールの上流で、積層体90及び92は互いの間に約150°の角度を形成し、これらの二等分線上に配置されたアノードシート40は、これらの二つの積層体90及び92の各々に対して実質的に75°のところに配置される。
同様に、好ましくは、積層器モジュールCの上流のアノード40は、実質的に、フィルム除去器220及び225から下流に配置されたフィルムセグメント84及び85の二等分線上に配置され、これらのフィルムセグメント84及び85自体が約60°の角度を形成する。
変向ローラー110、112、114、221、222、226、310、312、及び314により、供給装置104、204、及び304を互いから大きく離して配置することができ、積層器モジュールCの上流で対応する積層体セグメントを互いに近づけることができ、積層器モジュールのところでこれらの間で形成される角度は180°以下である。
基本的積層体を相対的に位置決めするための上述の手段は、最終製品における満足のいく電気的接続を保証し、詳細には、突出した電解質による短絡からカソードを保護するばかりでなく、積層体の幅における作動時の有効領域を最適にし、即ちできるだけ小さくするということが観察されなければならない。
様々なフィルム除去器アッセンブリの受け取りローラー124、224、229、324、520、及び522は、好ましくは、モータ駆動式巻回器を含む。
同様に、繰出し器104、204、及び304は、好ましくはモータ駆動式であり、牽引力を制御するように設定されており、多層シートに作用する牽引力を一定のままにする。セルを再現性を以て製造するため、シートに作用する牽引力を一定に維持することが非常に重要である。
かくして、繰出し器104、204、及び304と関連したモータは、積層体の巻回の開始時に駆動され、次いで積層体の駆動が下流の手段によって引き継がれた後に制動されるように交互に制御される。
これに関し、特に、様々な繰出し器104、204、304及びフィルム除去器124、224、229、324、520、及び522のモータが、プログラム中央ユニットによって、繰り出されるシートの直径の変化及び巻取られるフィルムの直径の変化を考慮して適切に変化させる必要がある駆動力及び制動力のそれぞれを確保するように制御されるということが観察されなければならない。
これらの直径は、処理が行われた積層体及びフィルムのそれぞれの長さに基づいて中央ユニットが計算するか或いは、関連した繰出し器及び巻回器104、204、304、124、224、229、324、520、及び522の各々にそれぞれ装着された超音波センサ等の適当なセンサを使用して計測できるかのいずれかである。
積層器アッセンブリCは、好ましくは、平行な軸線を中心として回転するように取り付けられた二つのピンチローラー400及び410を有し、重ねられた層によって形成されたスタックがこれらのピンチローラー間に通される。重ねられた層は、フィルム80、カソード60、電解質50、アノード40、電解質30、カソード20、コレクタ10、及びフィルム83を含む。
二つのピンチローラー400及び410は、制御された量の力で互いに向かって押圧されている。従って、これらのピンチローラーは、これらのローラー400及び410間に搬送されたシートに制御された圧力を及ぼす。この目的のため、ローラー400の回転軸線は好ましくは定置であり、この際、ローラー410の回転軸線は、例えばばねブレード412等の弾性部材によって、制御された量の力で上述のローラー400に向かって押し付けられた機器に取り付けられている。好ましくは、ローラー410もまた、このローラー410の係合を解除し、積層体を所定の場所に置くのを容易にする指令に作用するため、駆動手段、例えばアクチュエータによって制御された引込み式の機器に取り付けられている。 かくして、積層器アッセンブリCからの出口のところで、図15及び図20に示すスタックが得られる。
適当である場合には、積層ローラー400及び410は、更に、ヒーターローラーであってもよい。代表的には、これらのローラーの直径は20mm以下である。
本発明による装置は、更に、積層器モジュールCと巻回モジュールEとの間に、多数の機能を持つアッセンブリ500を含む。詳細には、アッセンブリの機能には以下の機能が含まれる。即ち、
1)モジュール510において、積層体の送出速度(長さ方向)を制御する機能、
2)モジュール520において、コレクタ10を局所的に長さ方向に切断する機能、
3)モジュール530において、巻回の開始時に積層体を駆動し、マンドレル610によって牽引力が加わった後、同じ積層体を制動する機能、
4)モジュール540において、フィルム80、83を除去する機能、
5)モジュール550において、所望の巻回と対応する長さの通過後、機能的スタックの層10乃至60を切断する機能、及び
6)モジュール560において、巻回作業の終了時に、結果として得られたスタックの外側面を加熱する機能が含まれる。
1)モジュール510において、積層体の送出速度(長さ方向)を制御する機能、
2)モジュール520において、コレクタ10を局所的に長さ方向に切断する機能、
3)モジュール530において、巻回の開始時に積層体を駆動し、マンドレル610によって牽引力が加わった後、同じ積層体を制動する機能、
4)モジュール540において、フィルム80、83を除去する機能、
5)モジュール550において、所望の巻回と対応する長さの通過後、機能的スタックの層10乃至60を切断する機能、及び
6)モジュール560において、巻回作業の終了時に、結果として得られたスタックの外側面を加熱する機能が含まれる。
検出器装置510は、巻回器Eが供給を一定の速度で行うように、積層体がローラー400、410上で微小に滑ることにより失われた同期に対する補正を制御するのに役立つ。
非限定的例として、このような検出器装置510は、空気圧アクチュエータ又は任意の等価の手段によって、移動している積層体に当接するように押圧された枢動レバー514に取り付けられており且つ絶対エンコーダ516と関連した同期ローラー512によって形成できる。
積層体は、積層体の移動路の上流に配置されたローラー518によってローラー512に押し付けられる。
カッターモジュール520は、コレクタ10の縁部に割れ目を長さ方向に線型に順次形成するように設計されている。添付図面において、結果として切断されたセグメントに参照番号521が付してある。各セグメント521の長さL1は実質的に等しいけれども、この長さは、マンドレル610の巻回周囲の半分よりも僅かに小さい。この装置520の作動は、全ての割れ目521が、最終的な巻回されたセルの同じ面で重なるように制御される。換言すると、これらの割れ目521は、マンドレル610上で行われる各巻付けの長さと等しいピッチP1で形成される。この長さは、マンドレル610上に積み重ねられた厚さのため、増大するように変化する。割れ目521のピッチもまた、好ましくは、変化できる。
添付の図26に概略に示すように、最終賦形ステーション700において、上述の切れ目521の軸線方向端部とコレクタ10の隣接した自由縁部との間で横方向セグメント522を切断し、次いで、コレクタ10にこのようにして形成された外側ストリップ523を巻回したセルの外側に向かって展開し、電流集中装置へのコネクタとして役立つ。図26では、このようにして展開されたコレクタストリップ10の部分に参照番号525が付してある。
割れ目形成装置即ちスプリッター装置520は、好ましくは、「空気切断」型の装置である。コレクタ10を局所的に、且つ積層体に対して支持を提供する二つのローラー526及び528間で順次分断するようになった往復スプリッターブレード524を含む。図23では、ブレード524の枢動を両頭矢印529で示す。
駆動モジュール530は、好ましくは二つのピンチローラー532及び534を含む。図15及び図20に示す積層体全体をこれらのローラー間に通す。これらの二つのローラー532及び534は、それぞれのモータと関連している。積層体の前端がマンドレル610に向かって取り出されるとき、ローラー532及び534は駆動モードで作動するように制御される。これとは対照的に、積層体の前端がマンドレル610によってひとたび保持されると、駆動を提供するのはマンドレルであり、ローラー532及び534のそれぞれのモータは、制動を提供するように制御される。これにより、積層体がマンドレル610にぴったりと押し付けられることが保証される。これらの二つのピンチローラー532及び534は、巻回マンドレル610の上流でこのマンドレルと近接して配置されている。
ピンチローラー400及び410に対する駆動は、スレーブローラーとして作用するローラー400及び410に対してマスターローラーとして作用するピンチローラー532及び534への駆動に基づいてサーボ制御される。
ローラー532及び534の間を通過する積層体にこれらのローラー532及び534が制御されたレベルのピンチ力を及ぼすように、これらのローラー532、534のうちの少なくとも一方が力伝達手段と関連している。
積層体をローラー532及び534の間に容易に挿入するため、これらのローラー532、534のうちの少なくとも一方、例えばローラー534が、アクチュエータ536によって制御される、好ましくは引込み式の機器535に取り付けられている。
モジュール540では、上文中に説明したスクレーパ122及び322と同様のスクレーパ541及び543を使用してフィルム80及び83を除去する。除去した後、これらのフィルム80及び83はローラー542及び544を介して巻回ローラー546及び548に差し向けられる。これらのローラーは、上文中に説明した方法でモータによって駆動される。
積層体の六つの層10、20、30、40、50、及び60を含む結果として得られたスタックを、モジュール550のフィルム除去器スクレーパ541及び543から直ぐ下流で任意の適当な手段を使用して横方向に切断する。
カッター手段550は、好ましくは、二つの対称な傾斜を持つ凸状のリッジによって形成された鋭い縁部554を持つブレード552を含み(図31参照)、切断が必要な場合にはいつでも、短いストロークに亘って迅速に移動するように駆動される。
カッターブレード552の変位は、好ましくはアクチュエータによって構成される手段556によって制御される。更に、カッターブレード552は、積層体を所定の位置に置き易くするように、又は必要な任意の他の保守介入を容易にするようにカッターブレードを必要に応じて引っ込めることができるようにするため、好ましくは、特定の変位手段、例えば第2アクチュエータ558によって制御される引込み式の機器に配置される。
変形例では、これらのカッター手段は、参照番号272及び274で上文中に説明したのと同様のハンマー・アンビルシステムによって形成できる。
切断は、ストライカーステーション572/574でリチウムアノード層40に形成された隙間の中間を通って実質的に延びるカッター手段552によって行われる。かくして、図21でわかるように、アノード層40は、巻回体を構成する他の層から、巻回体の前端及び後端の両方でセットバックしている。
更に、図21でわかるように、完成した巻回体Enの二つの軸線方向端部Ei及びEeは、好ましくは、重ならない。換言すると、巻回体の外端Eeは、内端Eiに至る前に中断する。これは、この領域で厚くなり過ぎないようにするためである。かくして、平らにした完成した巻回体は、全体の厚さがその全長に亘って同じである。
スタックの端面を、モジュール560の任意の適当な手段によって、例えばファンによって駆動された高温空気を吹き付けることによって、又はヒーターローラー上を通過させることによって加熱する。
この加熱は、好ましくは、カッター装置550の直ぐ下流に配置された高温空気を吹き付けるための引込み式のバー562によって行われ、積層体の横断ストリップを加熱し、巻回の最後にヒートシールを行うための準備を行う。
本発明による巻回手段Eを以下に説明する。
これらの手段は、主として、軸線611を中心として回転するように取り付けられたマンドレル610を含む。
マンドレル610は、その回転軸線611に対して横方向に円形対称でない垂直断面を有する。マンドレルは実質的に平らである。紡錘形に幾分近似したテーパ状の断面形状を有する。代表的には、その垂直断面の長軸と短軸との間の比は3以上であり、好ましくは5以上であり、最も有利には10以上である。有利には、その垂直断面は全体に楕円形である。
更に詳細には、マンドレル610の外包囲体は、好ましくは、円形円筒形の二つの凸状セクタによって画成される。これらのセクタは同じ半径(図2のR1)を有するが、遠く離れた平行な軸線を有し、更に、マンドレルの垂直断面を画成するこの外輪郭は、半径が小さい丸味のある端部615及び616を有する。
マンドレル610の長さ(その回転軸線611と平行な長さ)は、巻回のため、積層体の幅よりも大きい。
更に詳細には、及び好ましくは、マンドレル610は、二つの対称であり且つ相補的な二つのジョー612及び614で形成されている。これらの二つのジョー612及び614間の界面、即ち巻回位置でのこれらのジョーの互いの支承面、即ち添付図面で参照番号613を付した面は、好ましくは平らであり、マンドレルの二つの湾曲した外輪郭表面を、外輪郭の楕円のテーパ端から所定距離のところで相互連結する。
非限定的例として、二つの接触するジョー612及び614によって形成されたマンドレル610の長軸は約12cmであり、二つの接触するジョー612及び614によって形成されたマンドレル610の短軸は約9cm乃至10cmであり、二つのジョー612と614との間の界面613と対応する斜行平面と紡錘形状の長軸との間に形成された角度は、代表的には約2.5°であり、紡錘形状は、その長軸の端部615、616が約0.15mmの半径を持つ円弧で終端し、マンドレルの主円筒形表面の中心間距離はそれらの半径R1の6倍以上である。
二つのジョー612及び614は、積層されたスタック10乃至60の前端を巻付けを行うために挿入できるように二つのジョー612と614が間隔が隔てられた第1位置と、二つのジョーが接触し、上述の積層スタックを巻回することができる第2位置との間でこれらのジョーを互いに対して移動させるようになった駆動手段、例えば液圧アクチュエータ又はその等価物と関連している。
協働する二つのジョー612及び614によって形成されたマンドレル610は、それ自体がその軸線611を中心として一定でない速度で以下に説明するように回転する。
マンドレル610は、押さえローラー620と関連している。
このローラーは、その軸線622を中心として自由に回転するように回転アーム624の端部に取り付けられている。
アーム624は、軸線622からオフセットされた軸線625を中心として回転駆動され、ローラー620がマンドレル610の各面上を、更に詳細には巻回される積層スタック10乃至60上を連続して転動し、これを規則的に押し付け且つスタックに折り目が形成されないように、マンドレル610の2倍の速度で駆動される。アーム624は、好ましくは、マンドレル610の回転によって速度比2で機械的に駆動される。
マンドレル610及びアーム624は同じ回転方向に回転される。
マンドレル610及びローラー620の変位の動力学を添付の図3乃至図6に概略に示す。
非限定的例として、及び図22に示すように、マンドレル610及びアーム624は、モータ642と関連した共通のベルト640によって、前記共通のベルト640と係合したそれぞれのスプロケットホイール618及び628を介して駆動されてもよい。アーム624が2倍の速度で回転するようにするため、アームと関連したスプロケットホイール628の駆動比は、マンドレル610と関連したスプロケットホイール618の半分である。即ち、代表的には、その周囲が他のローラーの半分である。
装置は、好ましくは、高温空気吹き付けノズル562と向き合ったローラー570をカッターブレード552の下流に更に含むということが観察されなければならない。
このローラー570は、マンドレル610に巻回される前に形成された積層体に対して最終案内を提供する。
積層体が押し付けられるローラー570の生成ラインは、上流ローラー534の生成ライン及びマンドレル610の生成・ラインが画成する平面内にある。マンドレル610の生成ラインは、その短軸と対応する(マンドレルが図5に示すようにその長軸を上述の平面と平行にして配置された場合にこの生成ラインに積層体が押し付けられる)。
マンドレル610、アーム624、及び押さえローラー622が組み合わさって形成されたアッセンブリは、スライダー630に取り付けられている。所望の長さのスタックがマンドレル610に巻回された後、結果として得られた巻回体の取り外しを容易にするため、モジュール500と近接した図1に示す巻回位置とモジュール500から離れた送出位置との間でこのアッセンブリを並進移動するのに適した駆動手段がこのスライダー自体と関連している。
上述のスライダー630は、供給ピンチローラー532及び534と近接した追加の一時的初期位置に移動することもできる。この際、これらのピンチローラーは、巻回の開始時に積層体の前端を保持するために駆動ローラーとして作用する。ひとたび積層体を掴むと、スライダー630は、好ましくは、巻回を適正に行うためにピンチローラー532及び534から遠ざかる方向に移動する。
巻回を完了し、巻回した積層体の外終端部がひらひらしないようにするため、マンドレル610は、好ましくは、巻回した積層体が分断され且つ前記積層体が完全に巻回された後、完全に360°に亘って回転するように駆動され、この際、押さえローラー620は、手段560によって行われた上述の予熱によって巻回体の最終巻回部の結合を完了するため、この追加の回転中、巻回体に押し付けられた状態に維持される。適当である場合には、この加熱は、巻回ステーションEに吹き付けられた高温の空気によって行ってもよい。
これにより、巻回体の終端部を接着剤を提供する必要なしに接着的に結合する。
図8に示すように、装置は、ローラー570とマンドレル610との間に引込み式の追加の押さえローラー580が更に配置されていてもよいということが観察されなければならない。このようなローラー580の機能は、切断時に積層体を動かないように保持し、ストリップの端部をマンドレル610に押し付けることができるようにすることである。ローラー580は、好ましくは、アクチュエータ586によって制御される揺動機器584にストリングブレード582を介して連結される。
積層体をマンドレル610に巻回するとき、ローラー580は図8に示す位置に配置され、この位置では、移動する積層体が辿る経路から離れており、マンドレル610から離れている。巻回の終了時に、積層体を切断した後、上述の揺動機器及び関連したローラー580を移動し、このローラー580を、ローラー620が当接した面とは反対側のローラー610の面に押し付ける。
マンドレル610が楕円形形状であるために全体に平らな形状で得られたこの巻回体を、次いで、マンドレル610から取り外し、ロボット又は任意の適当な等価の手段によって押さえステーション700に取り出し、結果として得られた各巻回体を更に平らにする。
このようなロボットは、マンドレル610に巻回された電気エネルギ貯蔵セルを保持し、セルをマンドレルから抜き、様々な回転移動及び並進移動を行ってセルを押さえステーション700に置くためのクランプを持つ空気圧ロボットによって構成されていてもよい。
本質的には、押さえステーションは、例えばセルを最終的に平坦化するための押さえアクチュエータ710によって形成されたプレスを含む。このプレスは、好ましくは、完成したセルについて、次のセルが巻回されるのと平行して作動する。
結果として得られた巻回体の取り出しを容易にするため、装置は、マンドレルの長軸の長さを変化させるように、及びかくして巻回体をマンドレル610に対して僅かに「緩め」、第1巻回部を外し、即ち前端を掴んだ状態を解放するように、マンドレル610を形成する二つのジョー612及び714の間に界面613と平行な方向に相対的往復動を与えるように、巻回の終了時の限られた順序中に作用するのに適した手段を含んでもよい。
各巻回体は、次いで、所望の直列及び/又は並列形体で接続するのに必要な次の工程を行うためのマガジンに差し向けられる。このようなマガジン及び必要な直列及び/又は並列接続を行うための手段は、以下に詳細に説明しない。
上述のように、本発明の有利な特徴によれば、マンドレル610が供給する積層スタックの線型移動速度が一定であるように制御される一定でない角速度でマンドレル610を回転させる。
本発明は、この特徴によって、積層体に一定の牽引力が作用するようにでき、及び従って、積層体は、皺等の欠陥を生じることなくマンドレル610に良好に巻回される。
更に、積層体が一定の速度で移動するため、ストリップの加速や減速を吸収するための中間マガジンを巻回モジュールEの上流に設ける必要がない。これにより、装置全体を占有容積が小さいコンパクトな形態にできる。
図27では、太線が巻回の開始時のマンドレル610の速度変化の曲線をプロットする。
同じ図27で細線は押さえローラー620を支持するアーム624の速度変化の曲線を示す。
図27において、マンドレル610及び押さえローラー620の相対位置が横軸の下に示してあるということが観察されるべきである。
更に詳細には、マンドレル610上に積み重ねられる積層体の厚さが増大することによる巻回体の半径の変化を、積層体が一定の線速度で移動することが保証されるように斟酌するため、マンドレル610の角回転速度を巻回中に補正する。
かくして、図28では、5.5mmの厚さの積層体(例えば、巻回体の19巻回分)を支持する場合のマンドレル610の速度変化の曲線を太線がプロットし、ローラー620の速度の変化についての対応する曲線を細線がプロットする。
図27及び図28の両方の横軸の下の参照符号PAは、押さえローラー620がマンドレル610に押し付けられる角度範囲を示す。
図27及び図28を検討すると、マンドレル610の回転速度及び押さえローラー620を支持する機器624の回転速度は、積層体が小半径で巻回されるとき(即ち巻回半径がマンドレル610の短軸と同じ大きさである)、即ちマンドレル610が送出される積層体のセグメントと実質的に平行に延びるときに高い。この速度は、巻回半径が増大するとき(及びマンドレル610の長軸に近づくとき)、即ちマンドレル610が積層体の供給セグメントに対して実質的に垂直方向に延びるときに低下する。
かくして、マンドレル610及び押さえローラー620の回転速度は周期的に変化し、360°の回転毎に二つのピークがある。この変化は、巻回半径の変化と反比例する。
更に、押さえローラー620は、低速で回転されているときにマンドレル610に巻回された積層シートと接触し且つ接触状態を維持するということが観察されなければならない。これにより、押さえローラー620と巻回したシートとの間に、及び従って、巻回したシートの様々な重なった層間に良好な接触が保証される。
図28は、巻回作業の終了時と対応し、速度が小さな範囲に亘って変化することを示す。マンドレル610上で積み重ねられた積層体の厚さのため、巻回半径の比は、巻回の開始時よりも小さい。
かくして、セルを巻回するとき、回転速度は、各回転で180°に亘って変化する。更に、一つの巻回部を巻回するのに必要な時間が増大する。これは、マンドレル610上での巻回体の長さが一つの巻回部毎にマンドレル610に追加された厚さだけ大きくなるためである。
従って、巻回が進むに従って速度及び加速度が徐々に減少する。
更に、図29には、第1に、マンドレルの角度位置の関数としての巻回半径の変化を示す滑らかな曲線V1、第2に前記角度位置の関数としての補正係数の変化を示す滑らかな曲線V2が示してある。
横軸は、0°乃至180°の角度範囲をカバーする。更に、上述の曲線の周期が180°であるため、180°乃至360°の範囲をカバーする。更に、左側の縦軸は、巻回半径の大きさを提供し、右側の縦軸は、補正係数の大きさを提供する。
本発明者は、巻回体の厚さの変化を斟酌するため、マンドレルの角度位置の関数として、専ら剥き出しの巻回体半径の変化に基づく角度変化の速度における基本的変化V1に適用する必要がある補正係数を、マンドレル610の角度位置の関数として変化する。このような滑らかな曲線V2の形態で実施できるが、マンドレルに既に巻回された巻回数に拘わらず、任意の所与の角度について変化しないということを確認した。
図30は、マンドレル610を駆動するモータを制御するために本発明に関して使用されたデータの一例を提供する表である。
図30の表の最初の二つのコラムは、マンドレルの回転角度を提供する。
これらの二つのコラムは、それぞれ、0°乃至180°の角度範囲及び180°乃至360°の角度範囲と対応し、巻回体の一回転のうちの二つの連続した半回転どうしの間に存在する対称性を表す。360°に亘って回転させた後にだけ、一回完全に巻回される。任意の一回転の巻回時に、0°乃至180°及び180°乃至360°の二つの連続した半期間の各々中にマンドレルの両面に同じ厚さが形成される。
図30の第3コラムは、剥き出しのマンドレル610の半径、即ち巻回の開始時のマンドレルの半径を提供する。
図30のこれに続くコラム対は、連続した巻回体の回転に関し、各回転について、一方のコラムが巻回体の半径を提供し、他方のコラムがマンドレル610の回転速度を提供する。
更に詳細には、図30の表でわかるように、各巻回体の回転毎に、巻回体半径rを以下の関係に基づいて計算する。
r=r0+(F・n・e)
ここで、
r0は、剥き出しのマンドレル610の半径であり、
Fは、第4コラムで与えられた補正係数であり、
nは、現在の巻回数、即ちマンドレル610に巻回された巻回数であり、
eは、マンドレル610に巻回された積層体の厚さである。
r=r0+(F・n・e)
ここで、
r0は、剥き出しのマンドレル610の半径であり、
Fは、第4コラムで与えられた補正係数であり、
nは、現在の巻回数、即ちマンドレル610に巻回された巻回数であり、
eは、マンドレル610に巻回された積層体の厚さである。
次いで、マンドレル610の回転速度を以下の関係に基づいて計算する。
ω=V/(2・π・r)
ここで、
Vは、積層体の所望の一定の線速度であり、
rは、上で計算された巻回体の半径である。
ω=V/(2・π・r)
ここで、
Vは、積層体の所望の一定の線速度であり、
rは、上で計算された巻回体の半径である。
実際には、マンドレル610を駆動するモータは、予め計算して適当なメモリーに記憶されたデータ、又は中央ユニット(マイクロプロセッサ及び関連したメモリー手段を含む)によって、第1にマンドレル610の形状の関数とした巻回体半径の変化についての関係に基づいて、及び第2にマンドレルに既に巻回された巻回体の厚さの関数として変化する前記半径で決まる補正半径に基づいて直接計算されたデータのいずれかに基づいて制御できる。
上文中に説明したように提供されたデータをマンドレル610の回転の各角度分に連続的に適用し、その駆動モータを制御する。
非限定的例として、毎分6m(6m/分)程度の線速度について、マンドレル610は約180rpmの速度、即ち毎秒約1090°(1090°/秒)の角速度に達し、千分の一秒に約1°(°/ms)のサンプリング速度を提供する。
1°の精度で作動するということは、モータについての基準速度を千分の一秒毎に約1回更新する必要があるということを意味する。
これに関し、モータは、アナログ/デジタルコンバータの取り扱いを回避するように、デジタルの速度基準を適用することを受容するように選択される。
当然のことながら、制御モジュールは、積層体の巻回に用いられる手段を完全サーボ制御する。
上文中に言及した様々な軸線、及び詳細にはローラー104、204、304の軸線120、202、302、マンドレル610の回転軸線611、押さえローラー620の回転軸線、及び揺動アーム624の枢動軸線、フィルムと関連したローラー124、224、240、250、229、320、520、及び552の軸線、変向ローラー110、112、114、221、222、210、212、226、310、312、314の軸線、及び押さえローラー262、264、400、410の軸線は、互いに平行であり、好ましくは水平である。
本発明の他の有利な特徴によれば、装置は、垂直方向隔壁900によって二つの隔室に分けられたケースを含む。第1隔室は、制御された乾燥環境で上述の手段100、200、300、400、500、600、及び700を全て収容し、これに対し第2隔室は関連した制御手段及びモータ駆動手段を収容する。上述の垂直方向隔壁は、上述の様々な回転軸線についての支持フレームを構成する。
適切である場合には、作動包囲体内に追加の乾燥空気流を提供できる。
本発明は、代表的には、約4m乃至5.5mの長さの積層体のセグメントと対応して積層体を16回乃至19回巻回することができ、全厚が約5.5mmの巻回体を提供する。積層体の移動速度は、代表的には、2m/分乃至10m/分の範囲内にある。有利には、約6m/分である。
非限定的例として、本発明による装置は、50mm乃至150mmの範囲の幅の積層ストリップを加工するようになっている。
本発明は、当該技術分野で現在提案されている手段と比較して多くの利点を提供する。 非限定的態様で、以下のように言及できる。
巻回マンドレル610はほぼ平らな形状であり、平らにする場合に従来技術で遭遇した応力の発生をなくし、
積層体をオーブンで加熱することによって、及びカソード及びコレクタを形成する多数のシートをリチウム上で積層することによって、中間製品の取り扱いなしに、高品質の結合を行うことができ、これと同時に様々な層間の表面接触を最適にし、これによって、最終製品における様々な層間の作動時のイオン交換を改善し、
装置の全ての機能が自動制御され、各機能についての正確な設定及びパラメータにより、装置は再現性を以て実行し、品質が常に制御下にある。
積層体をオーブンで加熱することによって、及びカソード及びコレクタを形成する多数のシートをリチウム上で積層することによって、中間製品の取り扱いなしに、高品質の結合を行うことができ、これと同時に様々な層間の表面接触を最適にし、これによって、最終製品における様々な層間の作動時のイオン交換を改善し、
装置の全ての機能が自動制御され、各機能についての正確な設定及びパラメータにより、装置は再現性を以て実行し、品質が常に制御下にある。
一般的には、本発明の装置で使用されるホイール、巻回ローラー又は巻き出しローラーは全て、実行される巻回順序に応じて駆動機能及び/又は制動機能を交互に行い、関連した全てのシート、積層体、及びフィルムに一定の牽引力を保証する。
上述のように、図33は、本発明による装置の主手段の全体概略図である。
本発明に従ってサーボ制御駆動するための手段を図35を参照して以下に更に詳細に説明する。
この図は、マンドレル610、ローラー対532、534、検出・同期ローラー512、積層ローラー対400、410、供給リール104、204、304(このうち、代表的には、リール204がリチウムシートを送出するのに対し、リール104及び304は、それぞれ、三層積層体及び二層積層体を送出するが、必ずしもそうでなくてもよい)、及びピンチローラー対262及び264を示す。
マンドレル610はリールの組の制御部材である。マンドレルは、制御モジュール601からその基準速度を受け取る。
積層体を形成するシートについての全ての移動パラメータは、マンドレル610からの指令に基づいて調節される。
ローラー532及び534からなるモータ駆動対は、前縁をマンドレル610まで運ぶため、巻回作業の開始時に駆動モードで制御される。
しかしながら、積層シートをマンドレル610に適正に巻回するとき、ローラー532及び534のこの対は、ブレーキとして作動するように制御される。かくして、基準値と対応する選択された一定の牽引力を積層シートに及ぼす。ローラー対532及び534は、制御モジュール533からその制動トルク基準値を受け取る。
ローラー対532及び534には、増分エンコーダ535が装着してある。このエンコーダ535は、ローラー対にマスター機能を与えることのできる駆動モータ及びギヤボックスユニットに対して取り付けられている。
ローラー対532及び534の上流に配置された積層ローラー対400、410にもエンコーダ411が装着してある。このローラー対400及び410は上述のローラー532及び534に対してスレーブとして制御される。これは、駆動モードで作動する。
更に詳細には、ローラー対532及び534と関連したエンコーダ535は、前記ローラー532及び534間を走行するストリップの長さを計測する。
対応する長さ情報を積層ローラー対400、410にモジュール1010を介して適用し、それ自体の関連したエンコーダ411の制御下で同じ長さのストリップを送出する。
交互同期ローラー512がローラー対532及び534と400及び410との間に位置決めされる。このローラーは短い距離に亘って移動でき、ストリップが上述の二対のローラー532及び534と400及び410との間で良好に接触するように、調節自在の力が加えられる。
その役割は、二対のローラー532及び534と400及び410との間での移動の同期を損なう可能性がある微小な滑りや外乱を監視することである。
これを行うため、ローラー512のエンコーダ513がローラー512の枢軸に位置決めされる。これは、ローラー512の角変位を検出するのに役立つ。
エンコーダ513は、二対のローラー532及び534と400及び410との間の同期が完璧のままである限り、関連しない。しかしながら、同期を損なう場合がある微小な滑りや外乱が生じた場合には、ローラー512が枢動され、エンコーダ513が関連することになる。
エンコーダ513はモジュール1010に接続されている。かくして、同期ローラー512は、エンコーダ513を介して、スレーブローラー対400及び410の線型送出速度に例えば±10%の補正を送出する。
積層ローラー対400及び410の送出速度を補正するための±10%の範囲は、新たなリール104、204、及び304を機械に装填した後の開始時に特に有用である。リールを装填するオペレータがシートと係合し、ローラー512の初期位置を知ることも注意を払うこともなく、これらのシートを搬送する。
定常状態では、提供される補正は非常にゼロに近く、微小な滑りを取り扱うのに役立つに過ぎない。
ストリップの移動速度でなく、送出されたストリップの長さに基づいて制御を組織化するように選択することによって、ローラー対532及び534、及び400及び410によって表された電気軸線間で直線補間を正確に且つ連続的に行うことができるシステムが得られる(「電気軸線」という用語は、ローラー対532及び534、及び400及び410を構成するために使用されたエンコーダ及び可変速制御装置と関連したモータ・ギヤボックスユニットの組み合わせを意味するために使用される)。これにより、エラー及び同期ずれが積み重ねられないようにする。
かくして、スレーブローラー対400及び410は、これらのローラーがあたかも共通の機械的シャフトに配置されているのと全く同様に、マスターローラー対532及び534の移動を辿り、当然のことながら、その端部の各々が同じ角度位置をとる。
上述のように、ローラー512に加えられた力Fは、好ましくは、空気圧アクチュエータによって発生される。これは、電気信号によって圧力コンバータに供給され、このコンバータは、基準から来た電気信号と比例する圧力を送出する。
基準の調節は、関係した積層体に及ぼされる力を適合するのに役立つ。
ローラー512に加えられた力は、任意の他の適当な手段を使用して変化させることができる。こうした手段は、必ずしも空気圧アクチュエータでなく、例えば、ばね、釣合い重り、弾性部材、電磁装置、等が含まれる。
ピンチローラー対262及び264自体は、その下流に配置されたモータ駆動式ピンチローラー400及び410に従属した、モータ被駆動式ローラーからなるスレーブ対である。これにはセンサ265が装着されている。
ローラー対262及び264は、リール104及び304から来る二つの積層体、即ち二層積層体及び三層積層体の間に積層されるべき、リール204から来るリチウムストリップを取り出すのに役立つ。
かくして、ローラー対532及び534は、上流ローラー対400及び410に対するマスター対であり、これらのローラー対400及び410は上流ローラー対262及び264に対するマスター対である。
その結果、本発明は、少なくとも二つのサーボ制御システムをカスケードをなして使用する。
ローラー対262及び264は、更に、ローラー対400及び410と関連したセンサ411からサーボ制御モジュール1012を介して来る長さ情報と関連した基準から制御される。
しかしながら、ローラー対264及び262に、対400及び410に適用されたよりも僅かに小さい長さ基準を適用し、リチウムストリップを微小に延伸し、幾何学的欠陥を除去するのが好ましい。
代表的には、下流ローラー対262及び264は、対400及び410の線型送出速度の99.5%と等しい長さ基準によって制御される。
対262及び264に適用された基準と対400及び410に適用された基準との間の差は、有利には、調節自在であり、詳細には、ストリップの変形の関数として、及びその厚さの関数として調節できる。
ローラー262及び264は、様々な機能のうち、リチウムストリップを空中で切断する作業中、非常に短時間で、代表的には1ms程度でリチウムストリップを停止する機能を持つということを想起されたい。
本発明に関して使用されたセンサは、様々な方法で実施できる。これらは、補正範囲の中間でゼロを示す増分エンコーダであってもよいし、アナログ式変位エンコーダ(比例誘導型エンコーダ、長さの関数として抵抗を変化させることができるエンコーダ、磁界の磁気抵抗センサ、等)であってもよい。
最も好ましくは、本発明に関し、エンコーダ513は、絶対エンコーダ型のエンコーダである。かくして、各角度位置は、機械が完全に停止した後でも、範囲の中央にゼロを再度初期設定することなく、ローラー512の角度位置を定めることができる、絶対位置についての不揮発性2進コードを有する。
更に詳細には、本発明に関し、長さセンサは、好ましくは、1mm乃至4μm、有利には500μm乃至8μm、及び更に好ましくは100μm乃至40μmの範囲の長さ増分を計測するようになっている。本発明の別の有利な特徴によれば、長さセンサは、巻回体の全長の1/1000以下の、前記全長の有利には1/4000以下、及び好ましくは前記巻回体の全長の1/40000以下の長さ増分を計測するようになっている。
スレーブ対400及び410をマスター対532及び534に対して制御するための別の手段は、往復動ローラー512の代わりに、歪ゲージに取り付けられたアイドル定置ローラーを使用することである。こうした状況では、歪ゲージは、アイドラーローラーが感知したストリップの張力を感知する。対400及び410は、対532及び534に対するスレーブのままである。対400及び410の速度は、対532、534に対し、アイドラーローラーに設けられた歪ゲージによって読み取ったストリップの張力の関数として補正され、その結果、ストリップで所望レベルの牽引力が得られる。この変形例は、それにも拘わらず、上文中に説明したように、長さに対するサーボ制御と同じ利点を提供しない。これにより速度が基準点を中心として揺れ、及びかくしてストリップの張力が変化する。
当然のことながら、本発明は上文中に説明した特定の実施形態に限定されず、その精神による任意の変形例が含まれる。
フィルムを上文中に説明したようにブレードによって機械的に除去するのが、プロセス環境に化学物質が進入しないため、好ましいけれども、この変形例では、積層体の外側面と対応するフィルムとの間の界面に注入した溶剤噴流を使用することによって積層体からフィルムを除去する変形例が可能である。
本発明の装置は、更に、空気、好ましくは常温の空気の噴流を、フィルムとこのフィルムが除去される積層体とが方向を変えるゾーンに適用するための手段を備えたフィルム除去手段を含む。
同様に、高温空気循環オーブンの代わりにヒーターローラーを使用してもよい。
上文中で説明した添付図面は、それぞれが最初は別々であり且つ予め形成された一層積層体、二層積層体、及び三層積層体でできた3つの基本的積層体をその場で積み重ねることによって六層積層体が最終的に得られる実施形態に関する。それにも拘わらず、変形例では、本発明に関し、適当な機械で予め形成したこのような六層積層体をマンドレル610に直接供給することが考えられる。このような状況では、リチウムアノードの隙間は、好ましくは、積層体で一体化される。更に別の変形例では、本発明に関し、様々な基本的積層体それ自体を本発明の装置で単層シートを使用してその場で形成できる。
上文中に説明した様々なカッター機構の代わりに任意の等価の手段、例えばレーザーを用いた手段を使用できる。
本発明に関して推奨された長さのサーボ制御により、以下の多くの利点が得られる。即ち、
− 全長が正確であり且つ等しい巻回体を保証でき、及びかくして形成された全てのセルに亘って性質が均等であることを保証でき、及び巻回体の最終端の位置が均等であることを保証でき、更に余分の厚さをなくすことを保証でき、
− 積層体の最終的な切断をアノード40のセグメント対間に形成された隙間と正確に同期できるようにする。
− 全長が正確であり且つ等しい巻回体を保証でき、及びかくして形成された全てのセルに亘って性質が均等であることを保証でき、及び巻回体の最終端の位置が均等であることを保証でき、更に余分の厚さをなくすことを保証でき、
− 積層体の最終的な切断をアノード40のセグメント対間に形成された隙間と正確に同期できるようにする。
適切である場合には、マンドレル610の回転によって往復動ブレード524を機械的に又は電気的に駆動でき、その結果、ブレード524によって形成された連続した切断部のピッチは巻回体に沿って全て正確には等しくないが、マンドレル610の角度位置の関数であり、かくして各切断の開始及び終了をトリガーする。これにより、切断部が巻回体の共通のセクタと重なり、半径方向で少なくとも大まかに整合する。
Claims (27)
- 積層シートを駆動するための駆動手段及び積層シートを巻回するための手段(610)を含む、電気エネルギ貯蔵アッセンブリを製造するための装置において、
前記駆動手段は、少なくとも一対の駆動手段であって、それぞれ、マスター駆動手段及びスレーブ駆動手段(532及び534、及び400及び410;400及び410、及び262及び264)で構成される駆動手段を含み、前記マスター駆動手段(532及び534;400及び410)は、積層シートの移動路においてスレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)の下流に配置されており、
前記駆動手段は、前記スレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)を前記マスター駆動手段(532及び534;400及び410)に基づいてサーボ制御するための制御手段を更に含む、ことを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、各駆動手段(532及び534;400及び410;262及び264)は、積層シートの両側にそれぞれ配置された一対のローラーを含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項1又は2に記載の装置において、前記スレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)に適用されるサーボ制御信号は、積層シートの要求された長さを表す信号である、ことを特徴とする装置。
- 請求項1、2、又は3に記載の装置において、サーボ制御の基礎となる信号を発生するのに適したセンサ(535;411)が前記マスター駆動手段(532及び534;400及び410)に設けられている、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至4のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記マスター駆動手段(532及び534)と前記スレーブ駆動手段(400及び410)との間にある前記積層シートの中間セグメント上に配置されたセンサ(513)を含み、このセンサは、サーボ制御補正信号を発生するのに適している、ことを特徴とする装置。
- 請求項5に記載の装置において、前記中間セグメント上に配置された前記センサ(513)は、前記マスター駆動手段(532及び534)と前記スレーブ駆動手段(400及び410)との間の何らかの微小スリップを検出するようになっている、ことを特徴とする装置。
- 請求項5又は6に記載の装置において、前記中間セグメント上に配置された前記センサ(513)は、前記積層シートに押し付けられるローラー(512)、及びこのローラー(512)に加わった力ないし変位を検出するのに適した手段を含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項7に記載の装置において、前記ローラー(512)は、揺動アーム(514)に取り付けられており、検出器手段が前記アーム(514)の角変位を検出するための手段を含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項8に記載の装置において、前記揺動アーム(514)は、前記ローラー(512)を前記積層シートに対して調節自在な大きさの力で押し付ける、ことを特徴とする装置。
- 請求項7に記載の装置において、前記ローラー(512)は、歪ゲージと関連付けられている、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至10のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記マスター駆動手段(532及び534)は、巻回マンドレル(610)の上流で前記積層シートの両側にそれぞれ配置された一対のローラーによって形成されており、前記スレーブ駆動手段(400及び410)は、前記マスター駆動手段の上流に配置された二つの積層ローラーによって形成されている、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至11のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記マスター駆動手段(400及び410)は、前記積層シートの両側にそれぞれ配置された一対の積層ローラーによって形成されており、前記スレーブ駆動手段(262及び264)は、供給手段(104、204、304)と前記マスター駆動手段(400及び410)との間に配置された二つのローラーによって形成されている、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至12のうちのいずれか一項に記載の装置において、第1に、主マスター駆動手段(532及び534)及びこの主マスター駆動手段に基づいてサーボ制御される主スレーブ駆動手段(400及び410)を有し、第2に、主駆動手段の上流に、二次マスター駆動手段(400及び410)及びこの二次マスター駆動手段をサーボ制御する二次スレーブ駆動手段(262及び264)を含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至13のうちのいずれか一項に記載の装置において、
第1に、巻回マンドレル(610)の上流で積層シートの両側にそれぞれ配置された一対のローラーによって形成された主マスター駆動手段(532及び534)、及び前記主マスター駆動手段の上流に配置された二つの積層ローラーによって形成された主スレーブ駆動手段(400及び410)を含み、
第2に、積層シートの両側にそれぞれ配置された一対のローラーによって形成された二次マスター駆動手段(400及び410)、及び供給手段(104、204、304)と前記二次マスター駆動手段(400及び410)との間に配置された二つのローラーによって形成された二次スレーブ駆動手段(262及び264)を有する、ことを特徴とする装置。 - 請求項13又は14に記載の装置において、前記主スレーブ駆動手段(400及び410)及び前記二次マスター駆動手段(400及び410)は同じ駆動手段である、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至15のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記スレーブ駆動手段(262及び264)に適用される基準信号は、前記マスター駆動手段(400及び410)と関連したセンサ(411)から来る信号よりも小さい、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至12のうちのいずれか一項と請求項13、14、又は15との組み合わせに記載の装置において、前記二次スレーブ駆動手段(262及び264)に適用される基準信号は、前記二次マスター駆動手段(400及び410)と関連した前記センサ(411)から来る信号よりも小さい、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至17のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記マスター駆動手段(532及び534)は、制動モードで作動するように制御される、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至18のうちのいずれか一項と請求項13、14、又は15との組み合わせに記載の装置において、前記主マスター駆動手段(532及び534)は、制動モードで作動するように制御される、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至19のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記マスター駆動手段(532及び534)の下流に巻回マンドレル(210)を含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項20に記載の装置において、前記マンドレル(610)の垂直断面は紡錘形状である、ことを特徴とする装置。
- 請求項20又は21に記載の装置において、前記マンドレル(610)は、一定の線速度で巻回体を形成するよう変化する角速度で作動するように制御される、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至22のうちのいずれか一項に記載の装置において、前記スレーブ駆動手段(262及び264)の上流にシート供給手段(104、204、304)を含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項23に記載の装置において、前記シート供給手段(104、204、304)は、制動モードで作動するように制御される、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至9及び11乃至24のいずれか一項に記載の装置において、4μm〜1mm乃至、有利には8μm〜500μm、最も好ましくは40μm〜100μmの範囲の長さ増分を計測するように構成された少なくとも一つの長さセンサを含む、ことを特徴とする装置。
- 請求項1乃至9及び請求項11乃至25のいずれか一項に記載の装置において、巻回体の全長の1/1000以下、有利には前記長さの1/4000以下、及び最も好ましくは前記巻回体の前記全長の1/40000以下の長さ増分を計測するようになった少なくとも一つの長さセンサを含む、ことを特徴とする装置。
- 積層シートを駆動する工程及び積層シートを巻回する工程を含む、電気エネルギ貯蔵アッセンブリの製造方法において、
それぞれマスター駆動手段及びスレーブ駆動手段(532及び534、及び400及び410;400及び410、及び262及び264)で構成される少なくとも一対の駆動手段を含み、前記マスター駆動手段(532及び534;400及び410)は、積層シートの移動経路において前記スレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)の下流に配置されており、前記スレーブ駆動手段(400及び410;262及び264)を前記マスター駆動手段(532及び534;400及び410)に基づいてサーボ制御するための制御手段を更に含む駆動手段を形成する、ことを特徴とする方法。
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