JP6318577B2 - シール部品の製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィルム外装電池等のシール部品の製造装置及び製造方法に関する。

特許文献１には、シール部品（被シール物）のシール部を圧着した状態でヒータにより加熱することによりシール部を熱融着して封緘するインパルス式のヒートシーラーが記載
されている。

上記熱融着による封止工程では、例えば特許文献１に記載のように、封止部分を圧着させつつヒータにより所定の加熱時間、加熱することによって封止部分が熱融着により封緘される。加熱時間や加熱温度は、一般的に、予め設定された一定の時間及び一定の温度が用いられる。

特開２００９−６６０４号公報

しかしながら、実際の生産ラインでは、単位時間当たりのシール数の増減により封緘動作の開始時期における加熱温度が相違するため、加熱温度を所定の狙い温度に一定時間保持する場合、シール部に与えられるトータルの加熱量にばらつきを生じる。例えば、単位時間当たりのシール数が多い場合には、ヒーターが十分に冷却されないまま次の封緘動作が開始されるために、封緘動作の開始直後から加熱温度が比較的高くなるために、加熱量が過大となり、逆に、生産ラインの稼働開始直後や単位時間当たりのシール数が少ない場合には、ヒーターが十分に冷却された状態で次の封緘動作が開始されるために、封緘動作の開始直後の加熱温度が比較的低くなり、加熱量が少なくなり易い。このように、シール部に与えられるトータルの加熱量が生産ラインの稼働状況に応じて左右されるために、封止品質（厚さ、シール強度）が安定しない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明は、シール部品のシール部を圧着する圧着部と、上記シール部を加熱する加熱部と、を有し、上記圧着部により上記シール部を圧着しつつ上記加熱部により上記シール部を加熱することにより、上記シール部を熱融着するシール部品の製造に関する。

そして本発明では、上記加熱部によるシール部の加熱温度を検出し、上記圧着部により上記シール部が圧着していることを検出し、上記圧着部が上記シール部を圧着している間の単位時間毎の上記加熱温度を積算して加熱温度積算値を算出し、上記加熱温度積算値が所定の閾値を超えた時点で、上記圧着部による上記シール部の圧着を解除する、ことを特徴としている。

シール部が適正に圧着されている間の加熱温度を積算することによって、実際にシール部に印加される熱量を加熱温度積算値として精度良く求めることができる。従って、この加熱温度積算値が閾値を超えた時点で圧着を解除することによって、加熱開始時の温度にかかわらず、実際にシール部に印加されるトータルの加熱量を均一化・適正化することができる。

本発明によれば、圧着されている状況でシール部に与えられたトータルの加熱量に基づいて圧着の解除を行うことで、生産ラインにおける単位時間当たりのシール数の増減に影響されることなく、一定の封止品質を確保することができる。

本発明による製造の対象となるシール部品の一例であるフィルム外装電池を示す分解斜視図。 同じくフィルム外装電池を示す斜視図。 上記フィルム外装電池を示す図２のＡ−Ａ’線に沿う断面図。 上記フィルム外装電池のラミネートフィルム同士を熱融着する部分を示す断面対応図。 上記フィルム外装電池のラミネートフィルムの間に端子が介在した熱融着部分を示す断面対応図。 本発明の一実施例に係る熱融着の制御の流れを示すフローチャート。 加熱温度を狙い温度に一定時間保持する参考例の制御を適用した場合の挙動を示す説明図。 トータルの加熱量に相当する加熱温度積算値を一定とする本実施例の制御を適用した場合の挙動を示す説明図。

以下、本発明の好ましい実施例を図面に基づいて説明する。初めに図１〜図５を参照して、この発明による製造の対象となるシール部品の一例としてのフィルム外装電池１を説明する。このフィルム外装電池１は、例えばリチウムイオン二次電池であり、図２に示すように、偏平な長方形の外観形状を有し、長手方向の一方の端縁に、導電性金属箔からなる一対の端子２，３を備えている。

図１に示すように、フィルム外装電池１は、長方形をなす発電要素４を電解液とともにラミネートフィルムからなる外装体５の内部に収容したものである。上記発電要素４は、詳細には図示していないが、セパレータを介して交互に積層された複数の正極板６（図４参照）および負極板７（図５参照）から構成されている。複数の正極板６は正極端子２に接合されており、同様に、複数の負極板７は負極端子３に接合されている。

外装体５は、図４及び図５に示すように、熱融着層５１と金属層５２と保護層５３との三層構造を有するラミネートフィルムからなる。中間の金属層５２は、例えばアルミニウム箔からなり、その内側面を覆う熱融着層５１は、熱融着が可能な合成樹脂例えばポリプロピレン（ＰＰ）からなり、金属層５２の外側面を覆う保護層５３は耐久性に優れた合成樹脂例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）からなる。なお、さらに多数の層を有するラミネートフィルムを用いることもできる。また、上記の例では金属層５２の両面に合成樹脂層をラミネートしているが、金属層５２の外側の合成樹脂層は必ずしも必須のものではなく、内側表面にのみ合成樹脂層を備えた構成であってもよい。

外装体５は、図１の発電要素４の下面側に配置される１枚のラミネートフィルムと上面側に配置される他の１枚のラミネートフィルムとの２枚構造をなしている。そして、封止工程では、これら２枚のラミネートフィルムの周囲の４辺を重ね合わせて、その周縁のシール部１１に沿って互いに熱融着される。具体的には、図４に示すように、ヒーターブロック１２により外装体５の周縁のシール部１１を圧着し、かつ、このヒーターブロック１２によりシール部１１を加熱することによって、外装体（ラミネートフィルム）５同士が熱融着される。従って、このヒーターブロック１２が、シール部１１を圧着する圧着部と、シール部１１を加熱する加熱部と、の双方の機能を兼用している。

ここで、長方形をなすフィルム外装電池１の短辺側に位置する一対の端子２，３は、ラミネートフィルムを熱融着する際に、ラミネートフィルムの接合面を通して外部へ引き出されている。従って、端子２，３が存在する部分１１Ａでは、図５に示すように、ラミネートフィルムと端子２，３とが熱融着される。

なお、図示例では、同じ一方の端縁に一対の端子２，３が並んで配置されているが、一方の端縁に正極端子２を配置し、かつ他方の端縁に負極端子３を配置するようにすることも可能である。

上記のフィルム外装電池１の製造手順としては、以下の通りである。まず、正極板６、負極板７およびセパレータを順次積層し、かつ端子２，３をスポット溶接等により取り付けて発電要素４を構成する。次に、この発電要素４を外装体５となるラミネートフィルムで覆い、一辺を残して周囲の３辺を熱融着する。次に、開口する一辺を通して外装体５の内部に電解液を充填し、その後、開口する一辺を熱融着して外装体５を密閉状態とする。これによりフィルム外装電池１が完成するので、次に、適宜なレベルまで充電を行い、この状態で、一定時間、エージングを行う。このエージングの完了後、電圧検査などのために再度充電を行い、出荷される。

なお、この種のフィルム外装電池１は、複数個を偏平な箱状のケーシング内に収容したバッテリモジュールとして使用される。この場合、バッテリモジュールのケーシング内で複数のフィルム外装電池１が積層された配置となり、例えば、ケーシングの一部またはケーシングとは別個の弾性部材によって、外装体５は、発電要素４の積層方向（発電要素４の主面と直交する方向）に多少押圧された状態となり得る。

また、図４及び図５にも示すように、ヒーターブロック１２によるシール部１１への加熱温度を検出する温度センサ１３と、ヒーターブロック１２による圧着状況を検出する手段として、シール部１１の高さ（厚さ）を検知する圧着検知センサ１４と、が設けられている。制御部１５は、上記の加熱温度及び圧着状況に基づいて、ヒーターブロック１２の動作を制御する。なお、圧着検知手段として、上記の圧着検知センサ１４を設けるかわりに、より簡易的に、制御部１５によるヒーターブロック１２への駆動信号（下降信号）から推定するようにしても良い。

図６は、本実施例に係るシール部１１の封止工程における制御の流れを示すフローチャートである。ステップＳ１１では、ヒーターブロック１２によるシール部１１の加圧を開始する。続くステップＳ１２では、圧着検知センサ１４による検知されるシール部１１の高さ（厚さ）もしくはヒーターブロック１２への駆動信号（下降信号）に基づいて、シール部１１の圧着が完了したかを判定する。圧着が完了していれば、ステップＳ１３へ進み、ヒーターブロック１２によるシール部１１の加熱を開始する。

この加熱では、シール部１１の熱融着に最適な狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔを維持するように制御が行われる。つまり、先ず加熱温度Ｔを上昇させ、この加熱温度Ｔが次に述べる実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒを超えて狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔまで上昇すると、この狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔを維持するように制御が行われる。続くステップＳ１４では、加熱温度Ｔが所定の実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒを超えたかを判定する。この実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒは、熱融着が実質的に開始する下限の温度に相当し、上記の狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔよりも低い温度であり、適合等により予め設定される。つまり、加熱温度Ｔが実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒより低い場合には、加熱は行われているものの、その加熱量が熱融着に寄与しないので、後述する加熱温度積算値ΔＱへの積算を行わないようにしている。

加熱温度Ｔが実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒを超えると、ステップＳ１５へ進み、加熱温度積算値ΔＱを算出する。この加熱温度積算値ΔＱは、シール部１１が圧着され、かつ、加熱温度Ｔが実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒを超えている状況で、単位時間毎の加熱温度Ｔを積算した値であり、シール部１１に与えられた熱融着に寄与する実効の全加熱量に相当する。

ステップＳ１６では、この加熱温度積算値ΔＱが所定の閾値ΔＱｔａｒｇｅｔを超えたか否かを判定する。加熱温度積算値ΔＱが閾値ΔＱｔａｒｇｅｔを超えると、シール部１１の熱融着が完了したと判断して、ステップＳ１７へ進み、加熱及び加圧を解除して、ステップＳ１８へ進み、空冷による冷却を開始する。

図７は、加熱温度Ｔを狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔに保持する保持時間ΔＴを一定とした参考例の制御を適用した場合の挙動を示す説明図である。この参考例では、下記の手順で加熱が行われる。
（１）ヒーターブロック１２の下降信号による圧着完了後に、加熱を開始する。
（２）加熱温度Ｔを狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔまで昇温させる。
（３）狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔに達した時点から一定の保持時間ΔＴ、加熱温度を狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔの近傍に維持させる。
（４）一定の保持時間ΔＴを経過した時点で、加熱（温度制御）を停止する。
（５）降温を待ち、所定の冷却温度に達した時点で熱融着完了信号（ヒーターブロック１２の上昇信号）を制御部１５へ出力する。

図７に示すように、対象となるフィルム外装電池１毎に、加圧−昇温−温度維持−加圧解除−空冷のサイクルが順次行われるが、（ａ）はサイクルタイムが長い、つまり生産ラインの稼働開始時や作業対象となるフィルム外装電池１が少ない場合のように、サイクル間の空冷時間が長い場合であり、（ｂ）はサイクルタイムが短い、つまりフィルム外装電池１が多く、サイクル間の空冷時間が短い場合である。（ａ）に示すように、サイクルタイムが長い場合、サイクル間の空冷時間が長くなり、加熱開始温度が低くなることから、加熱温度Ｔが狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔに達するまでの時間が長くなり、この間にもシール部１１が加熱されることから、上記の加熱温度積算値ΔＱに対応するシール部１１への加熱量ΔＱ１（熱融着に寄与するトータルの熱量）が相対的に多くなる。このため、加熱量ΔＱ１が多くなり過ぎるおそれがある。一方、サイクルタイムが短い場合には、加熱温度Ｔが狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔに達するまでの時間が短いために、相対的にシール部１１への加熱量ΔＱ２が少なくなる（ΔＱ２＜ΔＱ１）。従って、トータルの加熱量が過小となるおそれがある。

このように、保持時間を一定とする参考例では、実際にシール部１１に与えられる加熱量にばらつきを生じるために、熱融着の品質が安定せず、シール部１１の厚さのばらつきやシール不良等を招くおそれがある。例えば、サイクルタイムが長い場合にあわせて保持時間ΔＴを設定した場合、サイクルタイムが短い場合に、シール部１１への加熱量（入熱量）が足りなくなり、シール部１１のシール不良や厚さが厚くなるといった不具合を生じるおそれがある。

図８は、シール部１１への加熱量（熱融着に寄与するトータルの入熱量）を一定とした本実施例の制御を適用した場合の挙動を示す説明図である。本実施例では、上述したように、シール部１１へ与えられるトータルの熱量に相当する加熱温度積算値ΔＱが一定となるように制御している。従って、サイクルタイムが長く、加熱開始温度が低い場合（ａ）や、サイクルタイムが短く、加熱開始温度が高い場合（ｂ）のいずれの場合であっても、シール部１１へのトータルの加熱量ΔＱを一定とすることができる。この結果、熱融着のばらつきやシール部１１の厚さのばらつきを抑制し、熱融着による封止品質を大幅に向上することができる。

また本実施例では、加熱温度Ｔが所定の狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔに達したら、この狙い温度Ｔｔａｒｇｅｔを維持するように加熱温度Ｔを制御することによって、最も短時間で効率的に適切な熱量をシール部１１に与えることができる。

更に、本実施例のようにシール部１１が合成樹脂からなる熱融着層５１を有するラミネートフィルムの場合、仮に熱融着層５１の接着樹脂の融点より低い加熱温度の段階から加熱温度の積算を開始すると、熱融着に寄与しない分の熱量も積算されてしまい、熱融着に必要な熱エネルギーに達する前に加熱温度積算値ΔＱが閾値ΔＱｔａｒｇｅｔに達して加熱を解除するおそれがある。本実施例では、加熱温度Ｔが、熱融着が実質的に行われる所定の実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒを超えてから加熱温度積算値ΔＱの積算を開始しており、つまり加熱温度Ｔが実効温度Ｔｔｒｉｇｇｅｒに達するまでは加熱中であっても加熱温度積算値ΔＱの積算を行わない構成としたので、生産ラインの稼働開始時等のように低い加熱温度から加熱を開始するような場合であっても、加熱開始温度にかかわらずに精度良く加熱温度積算値ΔＱを算出することができる。

１…フィルム外装電池（シール部品）
２，３…端子
４…発電要素
５…外装体
６…正極板
７…負極板
１１…シール部
１２…ヒーターブロック（圧着部，加熱部）
１３…温度センサ（温度検出手段）
１４…圧着検知センサ（圧着検出手段）
１５…制御部

Claims (5)

1. シール部品のシール部を圧着する圧着部と、上記シール部を加熱する加熱部と、を有し、上記圧着部により上記シール部を圧着しつつ上記加熱部により上記シール部を加熱することにより、上記シール部を熱融着するシール部品の製造装置において、
   上記加熱部による加熱温度を検出する加熱温度検出手段と、
   上記圧着部により上記シール部が圧着していることを検出する圧着検出手段と、
   上記圧着部が上記シール部を圧着している間の単位時間毎の上記加熱温度を積算して加熱温度積算値を算出する加熱温度積算手段と、
   上記加熱温度積算値が所定の閾値を超えた時点で、上記圧着部による上記シール部の圧着を解除する圧着解除手段と、
   を有し、
   上記加熱温度積算手段は、所定の実効温度に達してから、上記加熱温度の積算を開始することを特徴とするシール部品の製造装置。
2. シール部品のシール部を圧着する圧着部と、上記シール部を加熱する加熱部と、を有し、上記圧着部により上記シール部を圧着しつつ上記加熱部により上記シール部を加熱することにより、上記シール部を熱融着するシール部品の製造装置において、
   上記加熱部による加熱温度を検出する加熱温度検出手段と、
   上記圧着部により上記シール部が圧着していることを検出する圧着検出手段と、
   上記圧着部が上記シール部を圧着している間の単位時間毎の上記加熱温度を積算して加熱温度積算値を算出する加熱温度積算手段と、
   上記加熱温度積算値が所定の閾値を超えた時点で、上記圧着部による上記シール部の圧着を解除する圧着解除手段と、
   を有し、
   上記シール部品が、正極板および負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素が、ラミネートフィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容され、端子を導出した状態で上記外装体が密封されてなる偏平なフィルム外装電池であることを特徴とするシール部品の製造装置。
3. 上記加熱温度が所定の狙い温度に達したら、この狙い温度を維持するように上記加熱温度を制御することを特徴とする請求項１又は２に記載のシール部品の製造装置。
4. シール部品のシール部を圧着する圧着部と、上記シール部を加熱する加熱部と、を有し、上記圧着部により上記シール部を圧着しつつ上記加熱部により上記シール部を加熱することにより、上記シール部を熱融着するシール部品の製造方法において、
   上記加熱部による加熱温度を検出し、
   上記圧着部により上記シール部が圧着していることを検出し、
   所定の実効温度に達してから上記圧着部が上記シール部を圧着している間の単位時間毎の上記加熱温度の積算を開始して加熱温度積算値を算出し、
   上記加熱温度積算値が所定の閾値を超えた時点で、上記圧着部による上記シール部の圧着を解除する、
   ことを特徴とするシール部品の製造方法。
5. シール部品のシール部を圧着する圧着部と、上記シール部を加熱する加熱部と、を有し、上記圧着部により上記シール部を圧着しつつ上記加熱部により上記シール部を加熱することにより、上記シール部を熱融着するシール部品の製造方法において、
   上記シール部品が、正極板および負極板をセパレータを介して積層してなる発電要素が、ラミネートフィルムからなる外装体の内部に電解液とともに収容され、端子を導出した状態で上記外装体が密封されてなる偏平なフィルム外装電池であって、
   上記加熱部による加熱温度を検出し、
   上記圧着部により上記シール部が圧着していることを検出し、
   上記圧着部が上記シール部を圧着している間の単位時間毎の上記加熱温度を積算して加熱温度積算値を算出し、
   上記加熱温度積算値が所定の閾値を超えた時点で、上記圧着部による上記シール部の圧着を解除する、
   ことを特徴とするシール部品の製造方法。

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