JP6328949B2 - 両面塗工装置、両面塗工方法および塗膜形成システム - Google Patents
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Description
本発明は、基材の両面に化学電池材料などの塗工液を同時に塗工する両面塗工装置および両面塗工方法、並びに、その両面塗工装置を組み込んだ塗膜形成システムに関する。
従来より、リチウムイオン電池などの化学電池の製造においては、金属箔等の基材をロールトゥロール方式にて搬送しつつ、その基材の表面に電極材料の塗工液を吐出して塗膜を形成する。また、電極を多層構造とするために、基材の表裏両面に塗膜を形成することが多く、基材の両面に電極材料の塗工液を吐出して塗膜を形成する両面塗工装置が知られている。このような両面塗工装置としては、まず基材の一方面に塗工液を塗工してから乾燥処理を行い、次に基材の他方面に塗工液を塗工して再度乾燥処理を行うものがある。このような手法によっても、基材の両面に塗工処理を行うことは可能であるが、１つのラインに乾燥炉が２台必要となり、装置の全長が長くなってコストが増大する。
このため、乾燥処理を行う前に基材の両面に塗工液を塗工し、基材の両面に対して一括して乾燥処理を行う装置が開発されている（例えば、特許文献１，２）。特許文献１に開示される両面塗工装置においては、バックアップローラで支持しつつ基材の表面に塗工液を塗工し、続いて基材の裏面にも塗工液を塗工した後に乾燥処理を行う。
また、特許文献２に開示される両面塗工装置においては、基材を挟んで表面側と裏面側とに相対向するようにダイを設け、双方のダイから基材の表裏両面に塗工液を同時に吐出している。特許文献１，２に開示されるような両面塗工装置では、基材の表裏両面に塗工液を塗工してから一括して乾燥処理を行うため、乾燥炉が１台で足りるとともに、電極の生産性が高まる。
特許文献１に開示される両面塗工装置では、基材の表面側の塗工については基材を裏面側からバックアップローラで支持するため、スリットダイ（塗工ノズル）と基材とのギャップを安定的に維持することができ、基材表面に塗工液を均一に塗工することができる。これに対して、基材の裏面側の塗工時には、表面側に塗布された塗工液が未だに乾燥していないため、バックアップローラで基材の表面を直接に支持することができない。従って、特許文献１に開示の装置においては、裏面側の塗工を行うスリットダイの下流側に基材の搬送方向とほぼ平行な気流を噴出して基材を吸引する機構を設けることにより、基材の張力を高めてスリットダイと基材とのギャップを安定させている。
一方、特許文献２に開示されるような塗工ノズルを対向配置して基材の表裏面から同時に塗工液を吐出する両面塗工装置では、双方の塗工ノズルからの吐出圧力を同程度に調整することによって基材の位置を安定させることが可能である。従って、このような両面塗工装置では、バックアップローラは不要となるものの、塗工液の吐出圧力の影響が非常に大きくなる。
ところで、一般に塗工ノズルにはポンプによって塗工液を送液するのであるが、ポンプには原理的に脈動が存在しているため、塗工ノズルから吐出される塗工液の圧力にも脈動が生じることとなる。ポンプの脈動を低減するための工夫も種々なされているが、完全に脈動を消滅させることは困難である。塗工ノズルの吐出圧力に多少の脈動が生じたとしても、特許文献１に開示される装置のように、バックアップローラによって基材を安定して支持しつつ塗工液を吐出するのであれば、その脈動の影響は低減される。
しかしながら、特許文献２に開示される両面塗工装置のように、基材を挟んで対向配置された塗工ノズルから基材の表裏面に同時に塗工液を吐出する場合には、上記のバックアップローラで基材を支持する場合に比較して吐出圧力の変動の影響を大きく受けることとなる。このため、塗工ノズルの吐出圧力に脈動が生じていると、その脈動が僅かであったとしても、脈動の影響によって塗膜の膜厚が不均一となって品質が劣化するおそれがあった。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、基材の両面に同時に塗工液を塗工する場合であっても、塗工液を均一に塗工することができる両面塗工装置および両面塗工方法、並びに、その両面塗工装置を組み込んだ塗膜形成システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、請求項１の発明は、基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置において、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送機構と、前記搬送機構によって搬送される基材の第１面に塗工液を吐出する第１ノズルと、前記第１ノズルと基材を挟んで対向して配置され、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に塗工液を吐出する第２ノズルと、前記第１ノズルに塗工液を送液する第１送液手段と、前記第２ノズルに塗工液を送液する第２送液手段と、前記第１ノズルの吐出圧力の脈動と前記第２ノズルの吐出圧力の脈動との位相差が６０°以下となるように前記第１送液手段および／または前記第２送液手段のポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整する制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項２の発明は、基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置において、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送機構と、前記搬送機構によって搬送される基材の第１面に塗工液を吐出する第１ノズルと、前記第１ノズルと基材を挟んで対向して配置され、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に塗工液を吐出する第２ノズルと、前記第１ノズルに塗工液を送液する第１送液手段と、前記第２ノズルに塗工液を送液する第２送液手段と、前記第１ノズルの吐出圧力および前記第２ノズルの吐出圧力の脈動の位相を合わせるように前記第１送液手段および／または前記第２送液手段のポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整する制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項３の発明は、基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置において、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送機構と、前記搬送機構によって搬送される基材の第１面に塗工液を吐出する第１ノズルと、前記第１ノズルと基材を挟んで対向して配置され、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に塗工液を吐出する第２ノズルと、前記第１ノズルに塗工液を送液する第１送液手段と、前記第２ノズルに塗工液を送液する第２送液手段と、前記第１ノズルの吐出圧力の脈動に前記第２ノズルの吐出圧力の脈動が追従するように前記第２送液手段のポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整する制御手段と、を備えることを特徴とする。
また、請求項４の発明は、塗膜形成システムであって、請求項１から請求項３のいずれかの発明に係る両面塗工装置と、前記両面塗工装置によって基材の両面に形成された塗工液の塗膜を乾燥させる乾燥部と、を備えることを特徴とする。
また、請求項５の発明は、基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工方法において、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送工程と、搬送される基材の第１面に第１ノズルから塗工液を吐出する第１塗工工程と、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に第２ノズルから塗工液を吐出する第２塗工工程と、を備え、前記第１ノズルおよび／または前記第２ノズルに塗工液を送液するポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整することによって、前記第１ノズルの吐出圧力の脈動と前記第２ノズルの吐出圧力の脈動との位相差を６０°以下とすることを特徴とする。
また、請求項６の発明は、基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工方法において、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送工程と、搬送される基材の第１面に第１ノズルから塗工液を吐出する第１塗工工程と、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に第２ノズルから塗工液を吐出する第２塗工工程と、を備え、前記第１ノズルおよび／または前記第２ノズルに塗工液を送液するポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整することによって、前記第１ノズルの吐出圧力および前記第２ノズルの吐出圧力の脈動の位相を合わせることを特徴とする。
また、請求項７の発明は、基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工方法において、第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送工程と、搬送される基材の第１面に第１ノズルから塗工液を吐出する第１塗工工程と、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に第２ノズルから塗工液を吐出する第２塗工工程と、を備え、前記第２ノズルに塗工液を送液するポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整することによって、前記第１ノズルの吐出圧力の脈動に前記第２ノズルの吐出圧力の脈動を追従させることを特徴とする。
請求項１および請求項５の発明によれば、第１ノズルの吐出圧力の脈動と第２ノズルの吐出圧力の脈動との位相差を６０°以下とするため、吐出圧力の差圧の変動が小さくなり、基材の両面に同時に塗工液を塗工する場合であっても、塗工液を均一に塗工することができる。
請求項２および請求項６の発明によれば、第１ノズルの吐出圧力および第２ノズルの吐出圧力の脈動の位相を合わせるため、吐出圧力の差圧の変動が小さくなり、基材の両面に同時に塗工液を塗工する場合であっても、塗工液を均一に塗工することができる。
請求項３および請求項７の発明によれば、第１ノズルの吐出圧力の脈動に第２ノズルの吐出圧力の脈動が追従するため、吐出圧力の差圧の変動が小さくなり、基材の両面に同時に塗工液を塗工する場合であっても、塗工液を均一に塗工することができる。
請求項４の発明によれば、塗工液を均一に塗工して、塗膜の膜厚を均一にすることができる。
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明に係る両面塗工装置を組み込んだ塗膜形成システム１の全体構成を示す図である。なお、図１および以降の各図においては、理解容易のため、必要に応じて各部の寸法や数を誇張または簡略化して描いている。
この塗膜形成システム１は、基材としての長尺の金属箔をロールトゥロール方式にて搬送しつつ、その基材の両面に電極材料である活物質を含む塗工液を塗工し、その塗工液の乾燥処理を行ってリチウムイオン二次電池の電極製造を行う装置である。塗膜形成システム１は、両面塗工装置１０に乾燥部８０を備えて構成される。また、塗膜形成システム１は、システム全体を管理する制御部９０を備える。
本発明に係る両面塗工装置１０は、第１塗工ノズル２０、第２塗工ノズル４０および搬送機構６０を備える。また、両面塗工装置１０は、第１塗工ノズル２０に塗工液を送液する第１送液機構３０および第２塗工ノズル４０に塗工液を送液する第２送液機構５０を備える（図２）。制御部９０は、両面塗工装置１０の各機構部も制御しており、両面塗工装置１０の制御部としても機能する。
搬送機構６０は、巻き出しローラ（第１ローラ）６１、巻き取りローラ（第２ローラ）６２および複数の補助ローラ６３を備える。長尺の基材５は、巻き出しローラ６１から送り出されて複数の補助ローラ６３に案内されつつ巻き取りローラ６２によって巻き取られることにより、両面塗工装置１０、乾燥部８０の順にロールトゥロール方式にて連続して搬送される。なお、補助ローラ６３の個数および配置位置については、図１の例に限定されるものではなく、必要に応じて適宜に増減することができる。但し、本発明に係る両面塗工装置１０は、基材５の裏面にも塗工液を塗工するため、裏面側の塗工液が乾燥していない第２塗工ノズル４０と乾燥部８０との間に補助ローラ６３を設けることはできない。
第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は、搬送機構６０によって搬送される基材５を挟んで相対向する位置に配置されている。本実施形態においては、搬送機構６０によって略水平方向に沿って搬送される基材５の上方に第１塗工ノズル２０が設けられ、下方に第２塗工ノズル４０が設けられる。第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は概ね上下対称となる同様の構成を有する。第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は、例えばステンレススチールにて形成され、基材５の幅方向に沿ったスリット状の吐出口２１，４１を備えたスリットノズルである。
第１塗工ノズル２０は、搬送機構６０によって搬送される基材５の表面に塗工液を吐出する。また、第２塗工ノズル４０は、搬送機構６０によって搬送される基材５の裏面に塗工液を吐出する。なお、基材５の「表面」とは、基材５の２つの面のうちの一方面（第１面）であり、「裏面」とはその反対側の他方面（第２面）である。すなわち、基材５の表面および裏面は、基材５の両面を単に識別するための表記であり、いずれか特定の面が表面または裏面に限定されるものではない。
図２は、第１送液機構３０および第２送液機構５０の構成を示す図である。同図に示すように、第１送液機構３０および第２送液機構５０は同一の構成を備える。第１送液機構３０は、タンク３１、ポンプ３２、バルブ３３、圧力センサ３４，３５および送液配管３６を備える。
タンク３１は、リチウムイオン二次電池の電極材料である活物質を含む溶液を塗工液として貯留する。タンク３１には、攪拌機およびエア加圧ユニットなどが付設されていても良い。攪拌機は、タンク３１に貯留されている塗工液を攪拌して活物質の濃度分布を均一にする。エア加圧ユニットは、高圧の空気をタンク３１内の気相部分に送り込んで貯留されている塗工液の液面を加圧する。
送液配管３６はタンク３１と第１塗工ノズル２０とを接続する。送液配管３６は、タンク３１に貯留されている塗工液を第１塗工ノズル２０に向けて送給する。送液配管３６としては、ステンレス管または樹脂管を用いることができる。送液配管３６の経路途中には、ポンプ３２およびバルブ３３が介挿されている。
ポンプ３２は、タンク３１に貯留されている電極材料の塗工液を第１塗工ノズル２０に向けて圧送する。ポンプ３２としては、例えば駆動モータとしてサーボモータを用いた回転ポンプを採用することができる。バルブ３３は、送液配管３６の流路を開閉することによって第１塗工ノズル２０への塗工液の供給を断続させる。バルブ３３が送液配管３６の流路を開放しているときには第１塗工ノズル２０から塗工液が吐出され、閉止しているときには第１塗工ノズル２０からの吐出が停止される。
第１塗工ノズル２０は、搬送機構６０によって搬送される基材５の上方に設けられる。第１塗工ノズル２０は、その吐出口２１が下側を向くように（つまり、基材５に対向するように）設けられる。第１塗工ノズル２０は、スリット状の吐出口２１に繋がる流路を規定するためのシムおよびマニホールド等を備える。また、第１塗工ノズル２０には、その位置および姿勢を調整する機構が付設されている（図示省略）。第１塗工ノズル２０の吐出口２１は、マニホールドを介して送液配管３６に連通接続されている。送液配管３６から第１塗工ノズル２０に送給された塗工液は吐出口２１から基材５の表面に吐出される。
送液配管３６のポンプ３２よりも下流側（第１塗工ノズル２０に近い側）には圧力センサ３４が接続されている。圧力センサ３４は、送液配管３６内の液圧を測定し、ポンプ３２が第１塗工ノズル２０に塗工液を圧送する送液圧を測定する。また、第１塗工ノズル２０には圧力センサ３５が付設されている。圧力センサ３５は、第１塗工ノズル２０の吐出口２１からの吐出圧を測定する。圧力センサ３４，３５、ポンプ３２およびバルブ３３は制御部９０に電気的に接続されている。圧力センサ３４，３５の測定結果は制御部９０に伝達され、制御部９０はポンプ３２およびバルブ３３の動作を制御する。
同様に、第２送液機構５０は、タンク５１、ポンプ５２、バルブ５３、圧力センサ５４，５５および送液配管５６を備える。タンク５１は、タンク３１と同種の活物質の溶液を塗工液として貯留する。タンク５１には、タンク３１と同様の攪拌機およびエア加圧ユニットなどが付設されていても良い。
送液配管５６はタンク５１と第２塗工ノズル４０とを接続する。送液配管５６は、タンク５１に貯留されている塗工液を第２塗工ノズル４０に向けて送給する。送液配管５６としては、ステンレス管または樹脂管を用いることができる。送液配管５６の経路途中には、ポンプ５２およびバルブ５３が介挿されている。
ポンプ５２は、タンク５１に貯留されている電極材料の塗工液を第２塗工ノズル４０に向けて圧送する。ポンプ５２としては、例えば駆動モータとしてサーボモータを用いた回転ポンプを採用することができる。バルブ５３は、送液配管５６の流路を開閉することによって第２塗工ノズル４０への塗工液の供給を断続させる。バルブ５３が送液配管５６の流路を開放しているときには第２塗工ノズル４０から塗工液が吐出され、閉止しているときには第２塗工ノズル４０からの吐出が停止される。
第２塗工ノズル４０は、搬送機構６０によって搬送される基材５の下方に設けられる。第２塗工ノズル４０は、その吐出口４１が上側を向くように（つまり、基材５に対向するように）設けられる。第２塗工ノズル４０は、スリット状の吐出口４１に繋がる流路を規定するためのシムおよびマニホールド等を備える。また、第２塗工ノズル４０には、その位置および姿勢を調整する機構が付設されている（図示省略）。第２塗工ノズル４０の吐出口４１は、マニホールドを介して送液配管５６に連通接続されている。送液配管５６から第２塗工ノズル４０に送給された塗工液は吐出口４１から基材５の裏面に吐出される。
送液配管５６のポンプ５２よりも下流側（第２塗工ノズル４０に近い側）には圧力センサ５４が接続されている。圧力センサ５４は、送液配管５６内の液圧を測定し、ポンプ５２が第２塗工ノズル４０に塗工液を圧送する送液圧を測定する。また、第２塗工ノズル４０には圧力センサ５５が付設されている。圧力センサ５５は、第２塗工ノズル４０の吐出口４１からの吐出圧を測定する。圧力センサ５４，５５、ポンプ５２およびバルブ５３は制御部９０に電気的に接続されている。圧力センサ５４，５５の測定結果は制御部９０に伝達され、制御部９０はポンプ５２およびバルブ５３の動作を制御する。
また、第１送液機構３０および第２送液機構５０には、吐出停止時に塗工液をタンク３１，５１に還流する還流配管が設けられていても良い。還流配管は、送液配管３６，５６におけるポンプ３２，５２とバルブ３３，５３との間から分岐されてタンク３１，５１に接続される。上述した塗工液供給の断続時に、ポンプ３２，５２の作動を継続しつつバルブ３３，５３が送液配管３６，５６の流路を閉止したときに、ポンプ３２，５２から圧送された塗工液は還流配管を通ってタンク３１，５１に戻される。
さらに、送液配管３６，５６にはフィルタが設けられていても良い。フィルタは、例えばバルブ３３，５３と第１塗工ノズル２０，第２塗工ノズル４０との間に設けられ、送液配管３６，５６を流れる塗工液から異物を取り除く。
図１に戻り、乾燥部８０は、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０によって基材５の両面に形成された塗工液の塗膜の乾燥処理を行う。乾燥部８０は、搬送機構６０によって搬送される基材５を加熱することによって、塗工液から溶剤を蒸発させて乾燥処理を行う。乾燥部８０は、例えば、塗工液の塗膜を緩やかに昇温させる予熱部、塗膜を所定温度にまで昇温して主たる加熱を行うメイン乾燥部、塗膜をより高温に加熱して膜中の歪みや残留応力を除去するアニール部、加熱された塗膜を冷却する冷却部などを備えていても良い。
上述のような構成を備える塗膜形成システム１にて電極製造を行うときには、搬送機構６０によって基材５をロールトゥロールで連続搬送しつつ、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０によって基材５の表裏面に塗工液の同時塗工を行う。塗工の対象となる基材５は、リチウムイオン二次電池の集電体として機能する金属箔である。塗膜形成システム１にてリチウムイオン二次電池の正極を製造する場合には、基材５として例えばアルミニウム箔（Ａｌ）を用いることができる。また、塗膜形成システム１にて負極を製造する場合には、基材５として例えば銅箔（Ｃｕ）を用いることができる。基材５は長尺のシート状の金属箔であり、その幅および厚さについては特に限定されるものではないが、例えば幅６００ｍｍ〜７００ｍｍ、厚さ１０μｍ〜２０μｍとすることができる。
両面塗工装置１０においては、搬送機構６０によって搬送される基材５を挟んで相対向するように第１塗工ノズル２０と第２塗工ノズル４０とが配置される。第１塗工ノズル２０は、搬送機構６０によって略水平方向に搬送される基材５の表面に吐出口２１から塗工液を吐出する。すなわち、第１塗工ノズル２０は基材５の上側から塗工液を吐出する。一方の第２塗工ノズル４０は、搬送機構６０によって略水平方向に搬送される基材５の裏面に吐出口４１から塗工液を吐出する。すなわち、第２塗工ノズル４０は基材５の下側から塗工液を吐出する。
塗膜形成システム１にて正極を製造する場合には、正極材料の塗工液として、例えば正極活物質であるコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）、導電助剤であるカーボン（Ｃ）、結着剤であるポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、溶剤であるＮ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ）の混合液を用いる。コバルト酸リチウムに代えて、正極活物質としてニッケル酸リチウム（ＬｉＮｉＯ２）、マンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）、燐酸鉄リチウム（ＬｉＦｅＰＯ４）などを用いることもできる。
一方、塗膜形成システム１にて負極を製造する場合には、負極材料の塗工液として、例えば負極活物質である黒鉛（グラファイト）、結着剤であるＰＶＤＦ、溶剤であるＮＭＰの混合液を用いる。黒鉛に代えて、負極活物質としてハードカーボン、チタン酸リチウム（Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２）、シリコン合金、スズ合金などを用いることもできる。また、正極材料および負極材料の双方において、結着剤としてＰＶＤＦに代えてスチレン−ブタジエンゴム（ＳＢＲ）などを使用することができ、溶剤としてＮＭＰに代えて水（Ｈ２Ｏ）などを使用することができる。さらに、結着剤としてＳＢＲ、溶剤として水を用いる場合には、増粘剤としてカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）を併用することもできる。これら正極材料および負極材料の塗工液は固体（微粒子）が分散されたスラリーであってその粘度はいずれも１Ｐａ・ｓ（パスカル秒）以上であり、一般的にチクソトロピー性を有する。
基材５の表面および裏面には同種の塗工液が塗工される。例えば、第１塗工ノズル２０から基材５の表面に正極材料の塗工液を塗工するのであれば、第２塗工ノズル４０からも基材５の裏面に正極材料の塗工液を塗工する。また、基材５の表面に第１塗工ノズル２０から負極材料の塗工液を塗工するのであれば、基材５の裏面にも第２塗工ノズル４０から負極材料の塗工液を塗工する。
図３は、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０による塗工液の同時塗工を示す図である。第１塗工ノズル２０と第２塗工ノズル４０とは基材５を挟んで相対向するように（厳密には、吐出口２１と吐出口４１とが相対向するように）設置されている。よって、図３に示すように、第１塗工ノズル２０が基材５の表面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材５の裏面の位置に第２塗工ノズル４０から塗工液が吐出される。すなわち、基材５の同じ位置の表裏に第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から塗工液が同時に吐出されるのである。
第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は、等しい吐出流量にてそれぞれ吐出口２１および吐出口４１から塗工液を吐出する。基材５を挟んで相対向するように配置された第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０が等しい吐出流量にて塗工液を上下から基材５に吐出すると、基材５の同じ位置の表面および裏面に等しい液圧にて塗工液が着液することとなる。その結果、基材５の表裏面から吐出される液圧のバランスによって第１塗工ノズル２０と第２塗工ノズル４０との間に基材５が保持されることとなる。
図３に示すように、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０が基材５の上下から塗工液を吐出しつつ、搬送機構６０によって基材５を矢印ＡＲ３にて示すように搬送すると、基材５の表面および裏面に塗工液の塗膜が形成される。なお、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は、搬送される基材５の表裏面に連続して塗工液を塗工するようにしても良いし、間欠的に塗工液を塗工するようにしても良い。但し、間欠塗工を行う場合には、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０が同じタイミングで塗工液を吐出し、基材５の同じ領域の表裏面に塗工液を塗工する（図７参照）。
第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０によって表裏両面に塗工液が塗工された基材５は乾燥部８０に搬送され、基材５が加熱されて塗工液から溶剤が蒸発し、塗工液の塗膜の乾燥処理が行われる。基材５が乾燥部８０から搬出される時点では塗工液の塗膜が十分に乾燥されている。そして、乾燥部８０から搬出された基材５は巻き取りローラ６２によって巻き取られる。
上述したように、本実施形態の両面塗工装置１０においては、基材５の同じ位置の表面および裏面に等しい液圧にて塗工液を着液させ、その液圧のバランスによって第１塗工ノズル２０と第２塗工ノズル４０との間に基材５を保持している。ところが、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０に塗工液を圧送するポンプ３２，５２においては周期的に送出圧力が変動する。その結果、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から吐出される塗工液の吐出圧力に脈動が生じることとなる。
図４は、吐出圧力の脈動を示す図である。同図に示すように、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から吐出される塗工液の吐出圧力には周期的な変動が生じている。これは、ポンプ３２，５２が塗工液圧送のための１サイクルの動作を繰り返して行うことに起因して生じるものである。このような吐出圧力の脈動は、ポンプ３２，５２の原理上、完全に消滅させることは不可能である。なお、第１塗工ノズル２０に塗工液を送液する第１送液機構３０および第２塗工ノズル４０に塗工液を送液する第２送液機構５０は全く同一の構成を備えているため、図４に示すような吐出圧力の脈動は第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０の双方に生じる。
両面塗工装置１０においては、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から吐出される塗工液の液圧バランスによって基材５が支持されている。従って、第１塗工ノズル２０および／または第２塗工ノズル４０から吐出される塗工液の吐出圧力に僅かな変動が生じた場合であっても、その変動の影響を大きく受けて基材５の位置が上下動する。その結果、第１塗工ノズル２０と基材５の表面との間隔および第２塗工ノズル４０と基材５の裏面との間隔が変動し、基材５の表面および裏面に形成される塗工液の塗膜の膜厚が不均一となり、電極の品質が劣化するおそれがある。
このため、本実施形態においては、第１塗工ノズル２０の吐出圧力および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動の位相を揃えるように調整することによって基材５の位置変動を抑制している。以下、この技術についてさらに説明を続ける。
第１塗工ノズル２０の吐出圧力および第２塗工ノズル４０の吐出圧力のそれぞれには、図４に示すような脈動が存在している。脈動は吐出圧力の周期的な変動であり、その波形は正弦波を描く。第１塗工ノズル２０の吐出圧力および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動の位相が完全に一致していれば、第１塗工ノズル２０の吐出圧力が最高値のときに第２塗工ノズル４０の吐出圧力も最高値となり、逆に第１塗工ノズル２０の吐出圧力が最低値のときに第２塗工ノズル４０の吐出圧力も最低値となる。このような状態であれば、第１塗工ノズル２０の吐出圧力と第２塗工ノズル４０の吐出圧力との差圧は常に０となり、基材５の表裏において極めて良好な液圧バランスが得られることとなる。従って、基材５の上下動は防止され、第１塗工ノズル２０と基材５の表面との間隔および第２塗工ノズル４０と基材５の裏面との間隔は常に一定となる。このようになれば、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は、基材５の表面および裏面に塗工液を均一に塗工することができる。
第１塗工ノズル２０の吐出圧力および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動の位相が完全には一致していなくても、位相差が小さければ差圧の変動を抑制して塗膜の膜厚のバラツキを許容範囲内に収めることができる。塗工液の塗膜の膜厚に要求される精度として約２％のバラツキが許容されている。基材５は搬送機構６０によって一定速度で搬送されているため、塗工液の塗膜の膜厚は吐出流量に比例する。また、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０の吐出口２１，４１の流路形状は固定であるため、塗工液の吐出流量は流速に比例する。従って、塗工液が吐出されるときの流速にも２％のバラツキが許容されることとなる。
ここで、塗工液が完全流体であると仮定すると（厳密には完全流体ではないが、差異が非常に小さいため完全流体として取り扱うことができる）、ベルヌーイの定理より、吐出される塗工液の流速Ｖと吐出圧力Ｐとの関係は次の式（１）にて表される。
式（１）において、ｇは重力加速度、ρは密度、Ｚは基準面からの高さである。式（１）より、吐出される塗工液の流速Ｖのバラツキを２％以下とするためには、吐出圧力Ｐの変動を４％以下とすれば良い。すなわち、第１塗工ノズル２０の吐出圧力と第２塗工ノズル４０の吐出圧力との差圧の変動を４％以下に抑制することができれば、塗膜の膜厚のバラツキを許容範囲内に収めることができる。
第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０のそれぞれにおいて、つまり各塗工ノズル単体における脈動による吐出圧力の変動は約４％（±２％）である。この場合、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差によって生じる両吐出圧力の差圧の変動幅は次の表１に示す通りとなる。
図５は、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差がπ（１８０°）であるときの両吐出圧力の差圧の変動を示す図である。同図において、実線は第１塗工ノズル２０の吐出圧力を示し、一点鎖線は第２塗工ノズル４０の吐出圧力を示し、点線は両ノズルの吐出圧力の差圧を示している。第１塗工ノズル２０の吐出圧力および第２塗工ノズル４０の吐出圧力のそれぞれには図４に示したような脈動が生じている。それらの位相差がπであるときには、双方の位相が完全に反転した状態である（逆位相）。すなわち、第１塗工ノズル２０の吐出圧力が最高値のときに第２塗工ノズル４０の吐出圧力が最低値となり、第１塗工ノズル２０の吐出圧力が最低値のときに第２塗工ノズル４０の吐出圧力が最高値となる。このようになると、第１塗工ノズル２０の吐出圧力と第２塗工ノズル４０の吐出圧力との差圧の変動が最も大きくなり、その変動幅は８％にも到達する。吐出圧力の差圧の変動が８％にもなると、塗膜の膜厚のバラツキが許容範囲を超えることとなる。
図６は、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差がπ／３（６０°）であるときの両吐出圧力の差圧の変動を示す図である。図５と同様に、実線は第１塗工ノズル２０の吐出圧力を示し、一点鎖線は第２塗工ノズル４０の吐出圧力を示し、点線は両ノズルの吐出圧力の差圧を示している。第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差がπ／３であれば、図６に示すように、両吐出圧力の差圧の変動が４％以下となる。第１塗工ノズル２０の吐出圧力と第２塗工ノズル４０の吐出圧力との差圧の変動が４％以下であれば、塗膜の膜厚のバラツキを許容範囲内（２％以下）に収めることができる。
第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差が小さくなるほど、両吐出圧力の差圧の変動も小さくなり、塗膜の膜厚のバラツキを小さく抑制することができる。例えば、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差がπ／４（４５°）であれば、両吐出圧力の差圧の変動は３．０６％以下となり、位相差がπ／３のときよりもさらに塗膜の膜厚のバラツキを小さくすることができる。そして、最も好ましくは、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差が０であれば、すなわち位相が完全に一致すれば、両吐出圧力の差圧の変動も０％となり、塗膜の膜厚のバラツキを消滅させることができる。
本実施形態では、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差が６０°以下となるように、好ましくは双方の脈動の位相を合わせるように、制御部９０が第１送液機構３０および／または第２送液機構５０を制御する。具体的には、例えば、圧力センサ３５，５５の測定結果に基づいて制御部９０がポンプ３２，５２を制御する。圧力センサ３５は第１塗工ノズル２０の吐出圧力を測定し、圧力センサ５５は第２塗工ノズル４０の吐出圧力を測定する。よって、制御部９０は、圧力センサ３５，５５の測定結果より第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動を検出することができる。制御部９０は、双方の脈動の位相差が６０°以下となるように、好ましくは双方の脈動の位相を合わせるように、ポンプ３２および／またはポンプ５２を制御するのである。ポンプ３２，５２はサーボモータを備えており、制御部９０は例えば両ポンプ３２，５２のサーボモータの原点を一致させて同一のタイミングで同一形状のパルスを与えることによって第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動の位相を合わせることができる。制御部９０は、ポンプ３２，５２の双方の脈動の位相を調整するようにしても良いし、いずれか一方の脈動の位相を他方に合わせるようにしても良い。
また、制御部９０は、圧力センサ３５，５５の測定結果に基づいて、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動に第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動が追従するように第２送液機構５０のポンプ５２を制御するようにしても良い。制御部９０は、圧力センサ３５，５５の測定結果より第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動を検出する。制御部９０は、ポンプ５２のサーボモータに与えるパルスを調整して第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動に第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動を追従させる。なお、制御部９０は、圧力センサ３５，５５の測定結果に基づいて、第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動に第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動が追従するように第１送液機構３０のポンプ３２を制御するようにしても良い。
但し、いずれの制御であっても、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から塗工液を塗工している途中でポンプ３２，５２を制御して脈動を変更すると、その変更時に吐出が不連続となって均一な塗工を妨げるおそれがある。このため、例えば、基材５への実際の塗工処理を開始する前に予め第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から試験的に塗工液の吐出して吐出圧力の脈動を検出し、その検出結果に基づいて制御部９０がポンプ３２および／またはポンプ５２を制御して脈動を調整してから基材５への塗工処理を行うようにすれば良い。
また、図７は、基材５に間欠塗工を行う様子を示す図である。搬送機構６０によって基材５を矢印ＡＲ７にて示すように搬送しつつ、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０から塗工液を断続的に吐出することによって間欠塗工が行われる。図７に示すように、間欠塗工が行われると、基材５の表裏面に不連続に塗工液の塗膜が形成される。但し、間欠塗工を行う場合には、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０が同じタイミングで塗工液を吐出し、基材５の同じ領域の表裏面に塗工液を塗工する。このような間欠塗工を行う場合には、塗工時に第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動を検出し、非塗工時にその検出結果に基づいて制御部９０がポンプ３２および／またはポンプ５２を制御して脈動を調整するようにしても良い。このようにすれば、塗工処理の途中で脈動の位相のずれが大きくなってきた場合であっても、適宜に修正することが可能となる。
本実施形態においては、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差が６０°以下となるように、制御部９０が第１送液機構３０および／または第２送液機構５０を制御している。第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差が６０°以下であれば、両吐出圧力の差圧の変動が４％以下となり、塗膜の膜厚のバラツキを許容範囲内に収めることができる。すなわち、基材５の両面に同時に塗工液を塗工する場合であっても、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相差が６０°以下であれば、塗工液を均一に塗工することができる。
特に、第１塗工ノズル２０の吐出圧力の脈動と第２塗工ノズル４０の吐出圧力の脈動との位相を合わせるようにすれば、両吐出圧力の差圧の変動は生じなくなり、塗膜の膜厚を完全に均一にすることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、この発明はその趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態においては、圧力センサ３５，５５の測定結果に基づいて制御部９０がポンプ３２，５２を制御していたが、これに代えてまたは加えて、圧力センサ３４，５４の測定結果に基づいて制御部９０がポンプ３２，５２を制御するようにしても良い。もっとも、圧力センサ３４，５４はポンプ３２，５２が第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０に塗工液を圧送する送液圧を測定することによって吐出圧力を間接的に測定するものであるため、より直接的に吐出圧力を測定する圧力センサ３５，５５の測定結果に基づいてポンプ３２，５２を制御する方が好ましい。
また、第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０は、１本のスリット状の吐出口２１，４１を有するスリットノズルに限定されるものではなく、複数本のスリットを有するものであっても良いし、略円形の吐出口から塗工液を吐出するノズルであっても良い。
また、上記実施形態においては、基材５の上下に第１塗工ノズル２０および第２塗工ノズル４０を設けて両面同時塗工を行っていたが、基材５を水平面から傾けて搬送しつつ、その基材５を挟んで対向する位置に２つの塗工ノズルを設けて両面同時塗工を行うようにしても良い。例えば、基材５を鉛直方向に沿って搬送しつつ、その基材５を挟んで水平方向に沿って２つの塗工ノズルを設けて両面同時塗工を行うようにしても良い。
また、本発明に係る技術を用いて塗工処理を行う対象となる塗工液はリチウムイオン二次電池の電極材料に限定されるものではなく、例えば太陽電池材料（電極材、封止材）の塗工液または電子材料の絶縁膜や保護膜の塗工液であっても良い。或いは、顔料や接着剤の塗工液を塗布するのに、本発明に係る技術を用いるようにしても良い。
１ 塗膜形成システム
５ 基材
１０ 両面塗工装置
２０ 第１塗工ノズル
２１，４１ 吐出口
３０ 第１送液機構
３１，５１ タンク
３２，５２ ポンプ
３３，５３ バルブ
３４，３５，５４，５５ 圧力センサ
４０ 第２塗工ノズル
５０ 第２送液機構
６０ 搬送機構
６１ 巻き出しローラ
６２ 巻き取りローラ
８０ 乾燥部
９０ 制御部
５ 基材
１０ 両面塗工装置
２０ 第１塗工ノズル
２１，４１ 吐出口
３０ 第１送液機構
３１，５１ タンク
３２，５２ ポンプ
３３，５３ バルブ
３４，３５，５４，５５ 圧力センサ
４０ 第２塗工ノズル
５０ 第２送液機構
６０ 搬送機構
６１ 巻き出しローラ
６２ 巻き取りローラ
８０ 乾燥部
９０ 制御部
Claims (7)
- 基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置であって、
第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送機構と、
前記搬送機構によって搬送される基材の第１面に塗工液を吐出する第１ノズルと、
前記第１ノズルと基材を挟んで対向して配置され、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に塗工液を吐出する第２ノズルと、
前記第１ノズルに塗工液を送液する第１送液手段と、
前記第２ノズルに塗工液を送液する第２送液手段と、
前記第１ノズルの吐出圧力の脈動と前記第２ノズルの吐出圧力の脈動との位相差が６０°以下となるように前記第１送液手段および／または前記第２送液手段のポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整する制御手段と、
を備えることを特徴とする両面塗工装置。 - 基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置であって、
第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送機構と、
前記搬送機構によって搬送される基材の第１面に塗工液を吐出する第１ノズルと、
前記第１ノズルと基材を挟んで対向して配置され、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に塗工液を吐出する第２ノズルと、
前記第１ノズルに塗工液を送液する第１送液手段と、
前記第２ノズルに塗工液を送液する第２送液手段と、
前記第１ノズルの吐出圧力および前記第２ノズルの吐出圧力の脈動の位相を合わせるように前記第１送液手段および／または前記第２送液手段のポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整する制御手段と、
を備えることを特徴とする両面塗工装置。 - 基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工装置であって、
第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送機構と、
前記搬送機構によって搬送される基材の第１面に塗工液を吐出する第１ノズルと、
前記第１ノズルと基材を挟んで対向して配置され、前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に塗工液を吐出する第２ノズルと、
前記第１ノズルに塗工液を送液する第１送液手段と、
前記第２ノズルに塗工液を送液する第２送液手段と、
前記第１ノズルの吐出圧力の脈動に前記第２ノズルの吐出圧力の脈動が追従するように前記第２送液手段のポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整する制御手段と、
を備えることを特徴とする両面塗工装置。 - 請求項１から請求項３のいずれかに記載の両面塗工装置と、
前記両面塗工装置によって基材の両面に形成された塗工液の塗膜を乾燥させる乾燥部と、
を備えることを特徴とする塗膜形成システム。 - 基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工方法であって、
第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送工程と、
搬送される基材の第１面に第１ノズルから塗工液を吐出する第１塗工工程と、
前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に第２ノズルから塗工液を吐出する第２塗工工程と、
を備え、
前記第１ノズルおよび／または前記第２ノズルに塗工液を送液するポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整することによって、前記第１ノズルの吐出圧力の脈動と前記第２ノズルの吐出圧力の脈動との位相差を６０°以下とすることを特徴とする両面塗工方法。 - 基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工方法であって、
第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送工程と、
搬送される基材の第１面に第１ノズルから塗工液を吐出する第１塗工工程と、
前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に第２ノズルから塗工液を吐出する第２塗工工程と、
を備え、
前記第１ノズルおよび／または前記第２ノズルに塗工液を送液するポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整することによって、前記第１ノズルの吐出圧力および前記第２ノズルの吐出圧力の脈動の位相を合わせることを特徴とする両面塗工方法。 - 基材の両面に同時に塗工液を塗工する両面塗工方法であって、
第１ローラから送り出された基材を第２ローラで巻き取ることによって基材を連続して搬送する搬送工程と、
搬送される基材の第１面に第１ノズルから塗工液を吐出する第１塗工工程と、
前記第１ノズルが前記第１面に塗工液を着液させる着液位置に対応する基材の第２面の位置に第２ノズルから塗工液を吐出する第２塗工工程と、
を備え、
前記第２ノズルに塗工液を送液するポンプを駆動するサーボモータに与えるパルスを調整することによって、前記第１ノズルの吐出圧力の脈動に前記第２ノズルの吐出圧力の脈動を追従させることを特徴とする両面塗工方法。
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