(57)【要約】【課題】断面非円形形状の巻芯に被巻取材を巻き取る際に、一定の巻取速度で巻き取りを行うことができると共に、巻取速度を高速にすることができて、生産性を向上させることができるようにする。【解決手段】断面非円形形状をなして、被巻取材２０を巻き取る巻芯１２と、巻芯１２を回転させるための回転運動を発生するモータ１４と、モータ１４と巻芯１２との間に設けられた回転伝達機構１６と、を備える。モータ１４は、等速回転運動を発生し、回転伝達機構１６は、少なくとも２つの互いに噛み合った非円形ギヤから構成される。回転伝達機構１６の非円形ギヤによって伝達される回転運動の速度が、巻芯１２による被巻取材２０の巻取速度を一定にするように、巻芯１２の回転角度に応じて変化する。【選択図】図１
2012051725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面非円形形状をなして、回転しながら被巻取材を巻き取る巻芯と、
巻芯を回転させるための回転運動を発生する回転駆動手段と、
回転駆動手段と巻芯との間に設けられて、回転駆動手段から発生された回転運動を巻芯に伝達する回転伝達機構と、を備え、
前記回転駆動手段は、等速回転運動を発生し、
前記回転伝達機構は、少なくとも２つの互いに噛み合った非円形ギヤから構成されて、非円形ギヤによって伝達される回転運動の速度が、巻芯による被巻取材の巻取速度を一定にするように、巻芯の回転角度に応じて変化することを特徴とする巻取装置。
【請求項２】
前記回転伝達機構は、複数段のギヤ列を有しており、各ギヤ列は、少なくとも２つの互いに噛み合った非円形ギヤから構成されることを特徴とする請求項１記載の巻取装置。
【請求項３】
前記回転伝達機構は、前記非円形ギヤから出力される回転運動を、その回転速度を１／２にして巻芯に伝達する減速機構をさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の巻取装置。
【請求項４】
被巻取材が外周に沿って案内されるガイドローラをさらに備えて、被巻取材はガイドローラから巻芯に向かっており、
前記巻取速度は、ガイドローラにおける被巻取材の巻付き長さと、ガイドローラにおける被巻取材の接点から巻芯における被巻取材の接点までの長さと、巻芯における被巻取材の接点から被巻取材の巻付け始点までの長さとの合計長さの、巻芯の回転角度に対する変化量に比例することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の巻取装置。
【請求項５】
前記回転伝達機構によって伝達される回転運動の速度は、巻芯に仮に等速回転運動をさせた場合の巻取速度の逆数に比例することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の巻取装置。
【請求項６】
前記巻芯の非円形形状は、互いに対向した大きな曲率半径の２つの大半径部分と、該２つの大半径部分との間に配置されて互いに対向した小さな曲率半径の２つの小半径部分と、からなることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の巻取装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、断面非円形形状の巻芯に被巻取材を巻き取る巻取装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、断面非円形形状の巻芯に被巻取材を巻き取る巻取装置として、例えば、二次電池や電気二重層コンデンサにおいて、帯状の正極と負極をセパレータを介して積層してなる被巻取材を断面非円形形状の扁平な巻芯に巻き取るものが知られている。巻き取りの際には、巻芯がその中心を回転軸として回転することで被巻取材が巻き取られ、被巻取材の巻き取りが終了すると、巻芯は抜き取られて、被巻取材はより扁平な形に潰されて成形されて、適した角型の容器内に収容される。
【０００３】
このように断面非円形形状の巻芯に被巻取材を巻き取る場合には、その巻芯を回転させたときに、その回転角度によって被巻取材の巻取速度が変化するために、一定の張力で巻取りを行うことが困難となり、そのため巻取り精度が悪いという問題がある。
【０００４】
かかる問題点を解決するための巻取装置として、例えば、特許文献１に記載されたものが知られている。
【０００５】
特許文献１では、巻芯を回転させるためのサーボモータと、サーボモータに搭載されて、サーボモータの回転を検出するエンコーダと、被巻取材の巻き取られる速度をほぼ一定の速度とするべく、巻芯の回転角度に対してサーボモータの目標となる駆動速度を予め設定しておき、その設定した駆動速度でサーボモータを駆動させるべく角度位置指令を出力する制御手段と、を備えている。
【０００６】
つまり、被巻取材の巻き取られる巻取速度がほぼ一定の速度となるように、サーボモータの駆動速度を予め設定された駆動速度となるようにフィードフォワード制御することで、制御に遅滞を生じさせずに、一定の巻取速度を達成するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００２−２９９１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、サーボモータを制御するようになっており、サーボモータではその回転速度変化に限度があるために、巻取速度が低速の場合には、その変化に追従することができるものの、生産性を向上させるために巻取速度を高速にした場合には、巻取速度の変化に十分に追従することができない、という問題がある。
【０００９】
本発明はかかる課題に鑑みなれたもので、断面非円形形状の巻芯に被巻取材を巻き取る際に、一定の巻取速度で巻き取りを行うことができると共に、巻取速度を高速にすることができて、生産性を向上させることができる巻取装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の請求項１記載の発明は、
断面非円形形状をなして、回転しながら被巻取材を巻き取る巻芯と、
巻芯を回転させるための回転運動を発生する回転駆動手段と、
回転駆動手段と巻芯との間に設けられて、回転駆動手段から発生された回転運動を巻芯に伝達する回転伝達機構と、を備え、
前記回転駆動手段は、等速回転運動を発生し、
前記回転伝達機構は、少なくとも２つの互いに噛み合った非円形ギヤから構成されて、非円形ギヤによって伝達される回転運動の速度が、巻芯による被巻取材の巻取速度を一定にするように、巻芯の回転角度に応じて変化することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の巻取装置において、
前記回転伝達機構は、複数段のギヤ列を有しており、各ギヤ列は、少なくとも２つの互いに噛み合った非円形ギヤから構成されることを特徴とする。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の巻取装置において、
前記回転伝達機構は、前記非円形ギヤから出力される回転運動を、その回転速度を１／２にして巻芯に伝達する減速機構をさらに備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の巻取装置において、
被巻取材が外周に沿って案内されるガイドローラをさらに備えて、被巻取材はガイドローラから巻芯に向かっており、
前記巻取速度は、ガイドローラにおける被巻取材の巻付き長さと、ガイドローラにおける被巻取材の接点から巻芯における被巻取材の接点までの長さと、巻芯における被巻取材の接点から被巻取材の巻付け始点までの長さとの合計長さの、巻芯の回転角度に対する変化量に比例することを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の巻取装置において、前記回転伝達機構によって伝達される回転運動の速度は、巻芯に仮に等速回転運動をさせた場合の巻取速度の逆数に比例することを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の巻取装置において、
前記巻芯の非円形形状は、互いに対向した大きな曲率半径の２つの大半径部分と、該２つの大半径部分との間に配置されて互いに対向した小さな曲率半径の２つの小半径部分と、からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、回転伝達機構の非円形ギヤによって、断面非円形形状の巻芯の巻取速度の変化を補填するように巻芯を回転させるために、結果として断面非円形形状の巻芯による被巻取材の巻取速度を一定にすることができ、巻取り精度を向上させることができる。
【００１７】
ギヤによって回転駆動手段からの等速回転運動を巻芯に伝達するために、その回転速度変化を迅速に伝達することができ、巻取速度自体を高速にすることができて、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明による巻取装置の概略構成図である。
【図２】巻芯の断面形状を表す図である。
【図３】巻芯とガイドローラとの幾何学的関係を表す図である。
【図４】巻芯回転角度に対する補正前の巻芯の巻取速度と、補正曲線と、補正後の巻取速度を表すグラフである。
【図５】巻芯とガイドローラとの幾何学的関係を表す図であり、巻芯の回転角度が０度のときを表す。
【図６】図５に続く、巻芯とガイドローラとの幾何学的関係を表す図である。
【図７】図６に続く、巻芯とガイドローラとの幾何学的関係を表す図である。
【図８】図７に続く、巻芯とガイドローラとの幾何学的関係を表す図である。
【図９】回転伝達機構の構成を表す説明図である。
【図１０】回転伝達機構の（ａ）は第１段のギヤ列を構成するギヤ、（ｂ）は第２段のギヤ列を構成するギヤの形状例を表す図である。
【図１１】（ａ）、（ｂ）は図１０（ａ）、（ｂ）のギヤ列のギヤの角度の関係と、伝達比を表すグラフである。
【図１２】回転伝達機構を１段のギヤ列で構成した場合のギヤの形状例を表す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１に示すように、本発明による巻取装置１０は、断面非円形形状の巻芯１２と、巻芯１２を回転駆動する回転駆動手段としてのモータ１４と、モータ１４から発生する回転運動を巻芯１２に伝達する回転伝達機構１６と、を備えている。
【００２１】
巻芯１２の断面形状は、図２に示すようになっており、この断面形状は、大きな曲率半径Ｒ１を有して互いに対向する２つの大半径部分１２ａと、２つの大半径部分１２ａの間に配置されて小さな曲率半径Ｒ２を有して互いに対向する小半径部分１２ｂとからなっている。対向する大半径部分１２ａの曲率中心同士を結ぶ線と、対向する小半径部分１２ｂの曲率中心同士を結ぶ線との交点が、巻芯１２の回転中心１２ｃとなる。
【００２２】
２つの大半径部分１２のそれぞれの曲率中心間の距離が大きく、且つ、大半径部分１２ａの曲率半径Ｒ1に対する小半径部分１２ｂの曲率半径Ｒ2の比Ｒ2／Ｒ1が小さいと、両端が尖った扁平形状となり、巻き取った後で、容器に入れる際に潰しやすくなる。しかしながら、巻芯１２が、両端が尖った扁平になれば、それだけ回転伝達機構１６の負担が高くなる。そのため、巻き取る際の回転数（回転速度）と、負荷イナーシャから、適度な２つの大半径部分１２ａの曲率中心間の距離及び比Ｒ2／Ｒ1が選択されるとよい。
【００２３】
モータ１４は、従来の構成とは異なり、その回転速度は原則一定であり、必要に応じて減速ギヤによって減速された等速回転運動を発生するものとなっている。
【００２４】
巻取装置１０は、上記構成の他に、被巻取材２０が巻回された繰出しリール及び該繰出しリールから巻芯１２に向けて被巻取材２０を案内する複数のガイドローラを含めることができるが、これらの構成は、公知の任意の構成をとることができるので、最も巻芯１２に近いガイドローラ１８を除き、その詳細説明及び図示は省略する。
【００２５】
図３に示すように、ガイドローラ１８は、巻芯１２に対して、任意の配置とすることができる。
【００２６】
巻芯１２は、回転中心１２ｃを中心に回転するときに、その巻取速度が変化し、図４に示すような、鋸形状を変形した速度時間線図となる。この速度時間線図は、次のような考え方で求めることができる。
【００２７】
図５に示すような巻芯１２の回転中心１２ｃを原点とするＸ−Ｙ座標系を考え、巻芯１２の回転角度θ＝０においてガイドローラ１８側にある大半径部分１２ａの曲率中心の座標（Ｘ1，Ｙ1）を（−ｄ1，０）にとり、被巻取材２０の始点のある小半径部分１２ｂの曲率中心の座標（Ｘ2，Ｙ2）を（０，ｄ2）にとる。また、ガイドローラ１８の中心の座標（ｘ，ｙ）を（ｘ，ｒ）＝固定値とする。ここで、ｒはガイドローラ１８の半径である。
【００２８】
巻芯１２が回転を開始する回転角度θ＝０において、被巻取材２０の端部の座標は（０，ｄ2＋Ｒ2）とする。即ち、一つの小半径部分１２ｂの円弧の中点（この点を「巻付け始点」と称する）から巻取を開始するものとする。また、被巻取材２０は、巻付け始点から巻芯１２の外周に巻付き、巻芯１２から接線方向に離反して、ガイドローラ１８に対して接線方向に接近して、ガイドローラ１８の外周の一部を周回して常に座標（ｘ＋ｒ，ｒ）の固定点（この点を「巻付け終点」と称する）で接線方向にガイドローラ１８から離反するものとする。
【００２９】
巻付け始点から巻付け終点までの長さは、ガイドローラ１８における被巻取材２０の一方の接点である巻付け終点からガイドローラ１８における被巻取材２０の他方の接点までのガイドローラ巻付け長さｔと、ガイドローラ１８の他方の接点と巻芯１２の接点との間の長さである接線長さＬと、巻芯１２の接点と巻付け始点までの長さＴの総和Ｓ＝ｔ＋Ｌ＋Ｔとなる。
【００３０】
回転角度θ＝０から回転を開始すると、最初は、図５に示すように、巻芯１２における被巻取材２０の接点は、小半径部分１２ｂに位置している。
【００３１】
ガイドローラ１８における被巻取材２０の接点と巻芯１２における被巻取材２０の接点との間を結ぶ接線ＬとＸ軸とのなす角度をαとし、ガイドローラ１８側にある大半径部分１２ａの曲率中心（Ｘ1，Ｙ1）と、巻芯１２の接点が存在している小半径部分１２ｂの曲率中心（Ｘ2，Ｙ2）とを結ぶ線とＹ軸とのなす角度をβとすると、図５では、β＞αの関係にある。
【００３２】
図６は、α＝βとなる巻芯１２の回転状態を示している。図６の状態を過ぎると、図７に示すように、巻芯１２における被巻取材２０の接点は大半径部分１２ａに位置するようになる。
【００３３】
さらに、巻芯１２が回転して、図８に示すように、巻芯１２における被巻取材２０の接点が存在している大半径部分１２ａの曲率中心（Ｘ1，Ｙ1）と、巻付け始点が存在しない方の小半径部分１２ｂの曲率中心（Ｘ2，Ｙ2）とを結ぶ線とＹ軸とのなす角度βが角度αに等しくなる回転角度を過ぎると、巻芯１２における被巻取材２０の接点は巻付け始点が存在しない方の小半径部分１２ｂに位置するようになる。
【００３４】
予めα＝βとなるときの回転角度θを求めておき、それぞれの場合について、各回転角度θに対する巻付け始点から巻付け終点までの長さＳを幾何学的に求めて、回転角度に対するＳの変化量（＝ΔＳ／Δθ）を求めれば、それが巻取速度に比例することになる。
【００３５】
図４に示した鋸形状を変形した巻取速度に対して、これを一定にするためには、図４において、補正曲線として点線で示したような変化の傾向を持つ回転速度（伝達速度という）の回転を回転伝達機構１６で生成して、その回転速度で巻芯１２を回転させることで、結果として一定の巻取速度とすることができる。即ち、
補正前の巻取速度×伝達速度＝一定
であり、伝達速度は補正前の巻取速度の逆数に比例する。
【００３６】
よって、回転伝達機構１６は、巻取速度を一定にするために巻取速度の速度変化を相殺するべく、補正前の、等速回転運動で巻芯が回転したときの巻取速度の逆数に比例する変化を起こさせるようなギヤ比で、モータ１４からの回転駆動力を巻芯１２に伝達する。
【００３７】
図４の点線で示すような傾向を持つ伝達速度を発生させるために、回転伝達機構１６は、複数のギヤで構成され、好ましくは、複数のギヤ列３０、４０、５０を有する。図９に示したように、そのうちの第１段のギヤ列３０は、モータ１４からの回転駆動力が入力される第１駆動ギヤ３２と、第１駆動ギヤ３２に噛み合う第１従動ギヤ３４とからなり、第２段のギヤ列４０は、第１従動ギヤ３４と一体回転する第２駆動ギヤ４２と、第２駆動ギヤ４２と噛み合う第２従動ギヤ４４とからなり、第３段のギヤ列５０は、第２従動ギヤ４４と一体回転する第３駆動ギヤ５２と、第３駆動ギヤ５２と噛み合って、巻芯１２に対して回転駆動力を出力する第３従動ギヤ５４とからなる。
【００３８】
第１段と第２段のギヤ列３０、４０を構成するギヤ３２、３４、４２、４４は、非円形輪郭形状をなした非円形ギヤであって、通常すべて形状が異なり、またそれぞれの回転中心に対する回転対称性も有していない。今、モータ１４からの任意の回転角度φ（φ：０〜３６０度）の入力に対して、各ギヤ３２、３４、４２、４４が噛み合っているときを考えたときに、第１駆動ギヤ３２の回転中心から第１従動ギヤ３４と噛み合っている地点までの距離をｒ1（φ）とし、第１従動ギヤ３４の回転中心から第１駆動ギヤ３２と噛み合っている地点までの距離をｒ2（φ）とし、第２駆動ギヤ４２の回転中心から第２従動ギヤ４４と噛み合っている地点までの距離をｒ3（φ）とし、第２従動ギヤ４４の回転中心から第２駆動ギヤ４２と噛み合っている地点までの距離をｒ4（φ）とする。また、第１段のギヤ列３０に入力される角速度をｖ1（φ）とし、第１段のギヤ列３０から出力され且つ第２段のギヤ列４０に入力される角速度をｖ2（φ）とすると、
【００３９】
【数１】
2012051725.tif 000003
が成り立つ。同様に、第２段のギヤ列４０に入力される角速度をｖ3（φ）とし、第２段のギヤ列４０から出力され且つ第３段のギヤ列５０に入力される角速度をｖ4（φ）とすると、
【００４０】
【数２】
2012051725.tif 000004
が成り立つ。ｖ2（φ）＝ｖ3（φ）であるから、第１段のギヤ列３０の入力に対して第２段のギヤ列４０の出力は、
【００４１】
【数３】
2012051725.tif 000005
と表される。このｆ（φ）が図４の点線で示されたような所望の伝達速度変化のうちの０〜１８０度の変化を示すようにする。
【００４２】
第３段のギヤ列を構成するギヤ５２、５４は、円形のギヤであり、そのギヤ比は２：１となっており、第２従動ギヤ４４から出力される回転運動の回転速度を１／２にする減速機構を構成する。図４に示すように、巻取速度は、回転角度の１／２の周期を持つために、第３段のギヤ列によって、巻芯１２に連結される第３従動ギヤ５４の１回転につき、第３駆動ギヤ５２が２回、前記所望の伝達速度のうちの１８０度の変化を行うようにする。
【００４３】
図１０は、３段のギヤ列で回転伝達機構１６を構成した場合の好適な例であり、それぞれ（ａ）は第１段、（ｂ）は第２段の例を示す。所望の伝達速度の最大速度と最小速度の比をｎ（＞１）とし、第１段と第２段のギヤ列における、それぞれ、最大速度と最小速度の比をｎ1、ｎ2とすると、ｎ1・ｎ2＝ｎとなる。好ましくは、それぞれ約√ｎとなるようにすることで、各段における速度変化の負担をなるべく均等にすることができて、各段のギヤ列を構成するギヤの輪郭形状を穏やかなものとすることができる（図１１）。即ち、
【００４４】
【数４】
2012051725.tif 000006
となるようにするとよい。
【００４５】
以上のように構成することによって、モータ１４からの等速回転運動を、非円形ギヤを有する回転伝達機構１６によって巻取速度が一定になるように変換するために、巻取り精度を向上させることができると共に、急峻な角速度変化にも応答遅れなどがなく対応することができて、巻取速度自体を高速にすることができ、生産性を向上させることができる。
【００４６】
尚、以上のように、第１段のギヤ列３０と第２段のギヤ列４０を設ける代わりに、１つのギヤ列で、前記所望の伝達速度変化を行わせるようにしてもよい。しかしながら、この実施形態のように２つまたはそれ以上の複数のギヤ列とすることで、発生させる速度変化を各ギヤ列で分担して負担することができ、構成する非円形ギヤの輪郭形状を緩やかな凸状の閉じた曲線とすることができる。よって、ギヤの輪郭形状に、平らな直線ができたり、または、凹状の曲線ができたりすることを防ぎ、ギヤとして好適な形状にすることができる。
【００４７】
同様に、第３段のギヤ列５０による減速機構を設けずに、巻芯１２の１回転、即ち０〜３６０度に対応する所望の伝達速度変化を行わせるようにしてもよい。この場合には、ギヤは非円形形状であるが、対称性を持つ。しかしながら、この実施形態のように、減速機構を設けることで、他のギヤ列を構成するギヤの輪郭形状に凹状の曲線ができたりすることを防ぐことができる。図１２は、１つの例として、１段のギヤ列だけで、所望の伝達速度変化を行わせようとした場合のギヤの輪郭形状の例であるが、一方のギヤがピーナッツの殻のように括れた凹状の部分を持つために、ギヤの噛み合わせとしては困難になる。
【００４８】
また、補正前の巻取速度の変化が非常に不規則であり、例えば、その最大回転速度と最小回転速度の差が極端に大きかったり、また、巻取速度に急峻に変化する部分があったりすると、回転伝達機構１６による補正が困難である。一般的に、巻芯１２の形状が扁平になればなるほど、巻取速度の変化が不規則になる傾向となる。反対に、巻芯１２の形状が膨らんでいき、例えば、楕円に近づくと、巻取速度の変化が規則的になっていく代わりに、巻取が扁平にできず、その後の処理において、巻芯１２を抜き取って被巻取材を潰す際に、潰すのが困難になるというトレードオフの問題がある。しかしながら、巻芯１２の形状を一対の大半径形状１２ａと、一対の小半径形状１２ｂとから構成すると、回転伝達機構１６によって補正できる範囲が広がり、より好適となる。
【００４９】
被巻取材２０としては、正極、負極、セパレータのような帯状部材の他に、糸のような線状部材を対象とすることも可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  巻取装置
１２  巻芯
１２ａ  大半径部分
１２ｂ  小半径部分
１４  モータ（回転駆動手段）
１６  回転伝達機構
１８  ガイドローラ
３０、４０、５０  ギヤ列
３２  第１駆動ギヤ（非円形ギヤ）
３４  第１従動ギヤ（非円形ギヤ）
４２  第２駆動ギヤ（非円形ギヤ）
４４  第２従動ギヤ（非円形ギヤ）
【図１】
2012051725.tif 000007
【図２】
2012051725.tif 000008
【図３】
2012051725.tif 000009
【図５】
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【図６】
2012051725.tif 000011
【図７】
2012051725.tif 000012
【図８】
2012051725.tif 000013
【図９】
2012051725.tif 000014
【図１０】
2012051725.tif 000015
【図１１】
2012051725.tif 000016
【図１２】
2012051725.tif 000017
【図４】
2012051725.tif 000018