JP2007014993A - レーザを用いたワーク切断方法とレーザ加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 活物質層が形成されている電極体等の薄いワークを、レーザを用いて良好に切断することができる技術を提供する。
【解決手段】 レーザを用いてワークを切断する方法は、レーザ発振器から出力されたレーザを集光レンズによってワークに集光する工程を備えている。そして、集光レンズの有効口径φと集光レンズの焦点距離ｆが０．６７≦ｆ／φ≦２．６７を満たしている。さらに、集光レンズの焦点距離ｆは、２０ｍｍ以上であって８０ｍｍ以下であることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを用いてワークを加工する技術に関する。特に、レーザを用いてワークを切断する技術に関する。

レーザを利用してワークを加工するレーザ加工技術が開発されている。レーザ加工技術は、様々な工業製品の製造工程に採用されている。
例えば特許文献１には、リチウムイオン電池の製造に、レーザ加工技術を採用した技術が開示されている。この技術では、金属箔とその金属箔の表面に形成されている活物質層を備える電極体の原反を、レーザを用いて切断する。
特開２００１−１７６５０１号公報

レーザを用いて薄いシート状の電極体を切断すると、切断部近傍の電極体を変形・溶融させてしまい、良好に切断することができない。このような電極体を用いて組立てた電池では、電極体から離脱した活物質によって、内部短絡等の欠陥が生じてしまう。
本発明は、電池の電極体等のワークを、レーザを用いて良好に切断することができる技術を提供する。

本発明の技術は、レーザを用いてワークを切断する方法に具現化することができる。この切断方法は、レーザ発振器から出力されたレーザを集光レンズによってワークに集光する工程を備えている。そして、集光レンズの有効口径φと、集光レンズの焦点距離ｆが、０．６７≦ｆ／φ≦２．６７を満たすことを特徴とする。

集光レンズは、入射したレーザを焦点に向けて集光する。このとき、集光レンズに入射するレーザは完全には平行光ではないことから、レーザは厳密には焦点へと集光されず、焦点近傍の所定範囲に集光される。このレーザが集光される所定範囲の大きさを、集光スポット径という。集光レンズによってレーザをワークに集光したときに、集光スポット径が大きすぎると、レーザのエネルギがワーク切断部の近傍範囲にまで加えられてしまう。切断部の近傍範囲を変形・溶融させてしまうこととなる。
集光スポット径は、集光レンズの有効口径φと集光レンズの焦点距離ｆに応じて変化する。そして、有効口径φと焦点距離ｆが、０．６７≦ｆ／φ≦２．６７を満たしていると、集光スポット径を十分に小さくすることができる。レーザのエネルギを、十分に集中させることができる。
この切断方法によると、レーザのエネルギを切断部に集中させることができ、ワークを良好に切断することができる。例えば、金属箔とその金属箔の少なくとも片側表面に形成されている活物質層を備える電極体を、良好に切断することができる。

集光レンズの焦点距離ｆは、２０ｍｍ以上であって、８０ｍｍ以下であることが好ましい。
それにより、レーザの拡散による影響を抑制して、集光スポット径をより小さくすることができる。

レーザ発振器は、レーザ媒質にＮｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウムドープ：イットリウム四酸化バナジウム）結晶を用いるＮｄ：ＹＶＯ_４レーザであることが好ましい。
Ｎｄ：ＹＶＯ_４結晶は、エネルギ変換効率が高いことから、レーザを発振する際の発熱量が少なく、レーザ発振時における熱ひずみが極めて小さい。そのことから、出力するレーザの光軸が安定しており、集光スポット径をより小さくすることができる。

本発明の技術は、レーザを用いてワークを加工するレーザ加工装置に具現化することもできる。このレーザ加工装置は、レーザを出力するレーザ発振器と、レーザ発振器が出力したレーザをワークに集光する集光レンズを備えている。そして、集光レンズの有効口径φと前記集光レンズの焦点距離ｆが、０．６７≦ｆ／φ≦２．６７を満たすことを特徴とする。
このレーザ加工装置によると、レーザのエネルギを切断部に集中させることができ、ワークを良好に切断することが可能となる。

本発明によって、例えば電池の電極体等を良好に切断することが可能となり、製造した電池の不良率を低下させることが可能となる。

最初に、以下に説明する実施例の主要な特徴を列記する。
（形態１） レーザ加工装置は、レーザ発振器が出力したレーザを、集光レンズの有効口径に応じて拡径する光学機器を備えている。
（形態２） レーザ加工装置は、レーザを断続的に出力するパルス方式のレーザ発振器を備えている。
（形態３） レーザ加工装置は、有効口径φに対する焦点距離ｆの比の値ｆ／φが異なる複数の集光レンズを備えている。

本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明を実施したレーザ加工装置１０の構成を模式的に示している。レーザ加工装置１０は、電池（詳しくはリチウムイオン電池）の製造ラインにおいて用いられている。レーザ加工装置１０は、前工程において製造された電極体１００の原反を、長手方向に沿って２分割に切断する装置である。電極体１００の原反は、帯状に伸びるシート状の材料である。レーザ加工装置１０は、電池の正極に用いる正極電極体を切断することもできるし、電池の負極に用いる負極電極体を切断することもできる。

最初に、電極体１００について説明しておく。図１、図２に示すように、電極体１００は、正極電極体と負極電極体に共通して、金属箔によって形成されているシート状の基材１０４と、その基材１０４の表裏表面に形成されている活物質層１０２、１０６によって構成されている。
正極電極体と負極電極体では、基材１０４や活物質層１０２、１０６に異なる材料が用いられている。本実施例の正極電極体では、基材１０４がアルミニウムで形成されており、その厚みＤ２は１５μｍとなっている。また、活物質層１０２、１０６はニッケル酸リチウムを用いて形成されており、その厚みＤ１、Ｄ３はともに３４μｍとなっている。一方、本実施例の負極電極体では、基材１０４が銅で形成されており、その厚みＴ２は１０μｍとなっている。また、活物質層１０２、１０６はグラファイトを用いて形成されており、その厚みＤ１、Ｄ３はともに３４μｍとなっている。なお、本実施例のレーザ加工装置１０は、上記構成の電極体１００に限定されることなく、様々な構成の電極体を切断することができる。

次に、レーザ加工装置１０について説明する。図１に示すように、レーザ加工装置１０は、レーザ発振器１２と、レーザヘッド２６と、ワーク送り装置３０等を備えている。レーザ発振器１２とレーザヘッド２６は、光ファイバ８を介して接続されている。レーザヘッド２６は可動機構６０によって支持されており、レーザヘッド２６の位置は調整可能となっている。

レーザ発振器１２は、レーザ媒質２０と、レーザ媒質２０に励起エネルギを供給するポンピング装置１６と、レーザ媒質２０が発した光を増幅するためのレーザミラー１８と、増幅された光エネルギ（レーザ）を断続的に外部へ出力するＱスイッチを備えている。レーザ発振器１２は、レーザ媒質２０にＮｄ：ＹＶＯ_４（ネオジウムドープ：イットリウム四酸化バナジウム）結晶を採用しており、主に波長１０６４ｎｍのレーザを出力する。レーザ発振器１２は、レーザＬを断続的に出力するパルス方式のレーザ発振器である。レーザ発振器１２は、レーザＬを断続的に出力する際のパルス周期（即ち、パルス周波数）を調整することができる。レーザ装置１２の定格出力は４０ワットである。

図１に示すように、レーザヘッド２６は、ビームエキスパンダ２４や、集光レンズ２８等を備えている。ビームエキスパンダ２４や集光レンズ２８は、交換可能に取付けられている。ビームエキスパンダ２４は、光ファイバ８から入射されたレーザＬを、集光レンズ２８の有効口径φに合せて拡径する光学機器である。集光レンズ２８は、ビームエキスパンダ２４から拡径されたレーザＬを入射し、電極体１００の切断ラインＣに向けて集光する。レーザヘッド２６の位置は、可動機構６０によって調整可能となっている。レーザヘッド２６の位置を調整することによって、集光レンズ２８と切断ラインＣの間の距離を調整することができる。本実施例では、集光レンズ２８と切断ラインＣの間の距離が、集光レンズ２８の焦点距離ｆに応じて調整されている。
集光レンズ２８の焦点距離ｆを、集光レンズ２８の有効口径φで除算した値を、集光レンズ２８のＦ値という。即ち、「Ｆ値」＝「焦点距離ｆ」／「有効口径φ」である。有効口径φが同一であれば、Ｆ値が小さい集光レンズ２８ほど焦点距離ｆは短くなる。本実施例のレーザ加工装置１０では、Ｆ値が異なる複数の集光レンズ２８が用意されている。詳しくは、Ｆ値が１．０（有効口径φ＝３０ｍｍ、焦点距離ｆ＝３０ｍｍ）の集光レンズ２８や、Ｆ値が２．０（有効口径φ＝３０ｍｍ、焦点距離ｆ＝６０ｍｍ）の集光レンズ２８や、Ｆ値が３．３（有効口径φ＝３０ｍｍ、焦点距離ｆ＝１００ｍｍ）の集光レンズ２８や、Ｆ値が５．３（有効口径φ＝３０ｍｍ、焦点距離ｆ＝１６０ｍｍ）の集光レンズ２８等が用意されている。なお、同じＦ値の集光レンズ２８を用いる場合でも、集光レンズ２８に入射させるビーム径によって、集光レンズ２８の実質的なＦ値は変化する。即ち、ビームエキスパンダ２４がレーザＬを拡径するときのビーム径を調整することよって、集光レンズ２８の実質的なＦ値を調整することができる。

図１に示すように、ワーク送り装置３０は、ワークである電極体１００の原反をセットする原反セット部３２と、分割された電極体１００の原反を巻き取る２つの巻取部３４、３６と、原反セット部３２から巻取部３４、３６まで電極体１００の原反を案内する複数のパスロール４２、４４、４６、４８、５０等を備えている。巻取部３４、３６のそれぞれには、駆動源（図示省略）が接続されている。ワーク送り装置３０は、巻取部３４、３６を回転駆動することによって、原反セット部３２にセットされている電極体１００の原反を所定の速度ｖで送り出す。送り出された電極体１００の原反は、レーザヘッド２６から照射されるレーザＬによって、２分割に切断される。２分割に切断された電極体１００の原反は、巻取部３４、３６によって巻き取られる。ワーク送り装置３０は、巻取部３４、３６の駆動速度を変化させることによって、電極体１００の原反の送り速度ｖを増減調整することができる。

以上の構成により、レーザ加工装置１０は、ワーク送り装置３０によって電極体１００の原反を送り速度ｖの速度で送りながら、集光レンズ２８によって集光したレーザＬを切断ラインＣに向けて照射する。電極体１００の原反は、照射されたレーザＬによって２分割に切断された後に、巻取部３４、３６によって巻き取られる。レーザ加工装置１０では、集光レンズ２８のＦ値や、レーザ発振器１２がレーザＬを断続的に出力する際の周波数（パルス周波数）等を調整することができる。これらのパラメータは、電極体１００を切断する速度、即ち、ワーク送り装置３０による送り速度ｖ等に応じて調整することが好ましい。

図３、図４を参照して、集光レンズ２８のＦ値が、電極体１００の切断加工に与える影響について説明する。図３は、集光レンズ２８のＦ値と、焦点Ｓ近傍におけるレーザＬのエネルギ密度との関係を模式的に示している。図３（ａ）は集光レンズ２８のＦ値が小さい場合を示しており、図３（ｂ）は集光レンズ２８のＦ値が大きい場合を示している。詳しくは、図３（ａ）と図３（ｂ）において有効口径φは同一であり、図３（ａ）における焦点距離ｆ１が図３（ｂ）における焦点距離ｆ２よりも短くなっている。図３（ａ）（ｂ）に示すように、集光レンズ２８は、入射したレーザＬを焦点Ｓに向けて集光するが、入射するレーザが完全には平行光ではないことから、焦点Ｓの近傍において所定のビーム径を持つこととなる。一般に、この焦点Ｓの近傍におけるビーム径を集光スポット径という。集光レンズ２８のＦ値が小さいほど、この集光スポット径は小さくなる。そのことから、Ｆ値の小さい集光レンズ２８を用いることによって、焦点Ｓの近傍にレーザＬのエネルギを集中することができる。

図４は、集光レンズ２８のＦ値と、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度との関係を模式的に示している。図４（ａ）（ｂ）は、電極体１００に照射されるレーザＬの照射範囲Ｗ１、Ｗ２を示している。この照射範囲Ｗ１、Ｗ２は、集光スポット径に対応する。図４（ｃ）（ｄ）は、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度Ｅｄを示している。図４（ａ）と図４（ｃ）は対応しており、集光レンズ２８のＦ値が小さい場合を示している。図４（ｂ）と図４（ｄ）は対応しており、集光レンズ２８のＦ値が大きい場合を示している。図４（ａ）（ｃ）に示すように、集光レンズ２８のＦ値が小さい場合では、レーザＬのエネルギが狭い照射範囲Ｗ１に集中する。レーザＬのエネルギが切断ラインＣに集中されることとなり、電極体１００は良好に切断される。一方、図４（ｂ）（ｄ）に示すように、集光レンズ２８のＦ値が大きい場合では、レーザＬのエネルギが広い照射範囲Ｗ２に分散してしまう。この場合、切断ラインＣに十分なエネルギが加えられないとともに、切断ラインＣの近傍範囲に無用なエネルギが加えられてしまう。その結果、電極体１００を確実に切断できないだけでなく、切断部（切断ラインＣ）の近傍範囲を変形させてしまうことや、活物質層１０２、１０６を変質させてしまうことがある。
本実施例のレーザ加工装置１０では、Ｆ値が１．０や２．０という低Ｆ値の集光レンズ２８が用意されている。それにより、レーザ加工装置１０は、例えば電極体１００のように厚み（図２のＤ１＋Ｄ２＋Ｄ３）が１００μｍ以下である薄いシート材料でも、良好に切断することができる。

次に、図５〜図８を参照して、レーザＬをパルス状に出力する際のパルス周波数が、電極体１００の切断加工に与える影響について説明する。
図５は、レーザ発振器１２が出力するレーザＬのエネルギの経時的変化を示している。なお、図５（ａ）はパルス周期Ｔが長い場合（パルス周期Ｔ１）を示しており、図５（ｂ）はパルス周期Ｔが短い場合（パルス周期Ｔ２）を示している。図５（ａ）（ｂ）に示すように、パルス周期Ｔ１、Ｔ２に応じて、１パルスのレーザＬが持つパルスエネルギＥｐ１、ＥＰ２は変化する。詳しくは、パルス周期Ｔが長い場合（パルス周期Ｔ１）のパルスエネルギＥＰ１の方が、パルス周期Ｔが短い場合（パルス周期Ｔ２）のパルスエネルギＥＰ２よりも、大きくなる。これは、レーザ発振器１２の定格出力が略一定であることに起因している。
図６に、本実施例のレーザ発振器１２のパルス周波数（１／パルス周期Ｔ）とパルスエネルギＥｐの関係を示す。図６に示すように、パルス周波数（１／パルス周期Ｔ）が高いほど、パルスエネルギＥｐは減少する。

図７は、レーザＬのパルス周波数を一定にして、電極体１００の送り速度（切断速度）ｖを変化させたときに、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度Ｅｄを模式的に示している。図７（ａ）は送り速度ｖが遅い場合（送り速度ｖ１）を示しており、図７（ｂ）は送り速度ｖが速い場合（送り速度ｖ２）を示している。図７（ａ）（ｂ）に示すように、レーザＬのパルス周波数を一定にして、電極体１００の送り速度ｖを速めていくと、レーザＬが十分に照射されない未照射部Ｈが生じてしまう。この場合、電極体１００を切断することができなくなる。即ち、電極体１００の送り速度（切断速度）ｖには、レーザＬのパルス周波数に応じて、上限が存在することとなる。換言すれば、電極体１００の送り速度（切断速度）ｖに応じて、レーザＬのパルス周波数を変化させることが必要となる。

図８は、電極体１００の送り速度（切断速度）ｖを一定（送り速度ｖ２）にして、レーザＬのパルス周波数（即ち、パルス周期Ｔ）を変化させたときに、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度Ｅｄを模式的に示している。図８（ａ）はレーザＬのパルス周波数が低い場合を示しており、図８（ｂ）はレーザＬのパルス周波数が高い場合を示している。図８（ａ）（ｂ）に示すように、パルス周波数を高めることによって、レーザＬが十分に照射されない未照射部Ｈをなくすことができる。しかしながら、パルス周波数を高めることによって、パルスエネルギＥｐが減少することとなり（図６参照）、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度Ｅｄも減少する。そのことから、パルス周波数を高めすぎれば、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度Ｅｄが不十分となり、電極体１００を切断することができなくなる。
本実施例のレーザ加工装置１０では、Ｆ値が１．０や２．０という低Ｆ値の集光レンズ２８が用意されている。低Ｆ値の集光レンズ２８を用いることによって、レーザＬのパルス周波数を比較的に高く設定した場合でも、電極体１００に加えられるレーザＬのエネルギ密度Ｅｄを、十分な大きさに維持することができる。レーザＬのパルス周波数をより高めることによって、電極体１００の送り速度（切断速度）ｖをより速めることが可能となる。

図９は、レーザＬのパルス周波数（１／Ｔ）と、電極体１００を良好に切断することができる最大切断速度（最大送り速度）ｖｘの関係を示している。図中のｆ３０は、焦点距離ｆが３０ｍｍ（Ｆ値＝１．０）の集光レンズ２８を用いた場合を示している。図中のｆ６０は、焦点距離ｆが６０ｍｍ（Ｆ値＝２．０）の集光レンズ２８を用いた場合を示している。図中のｆ１００は、焦点距離ｆが１００ｍｍ（Ｆ値＝３．３）の集光レンズ２８を用いた場合を示している。図中のｆ１６０は、焦点距離ｆが１６０ｍｍ（Ｆ値が５．３）の集光レンズ２８を用いた場合を示している。図９に示すように、焦点距離ｆが短い（Ｆ値が小さい）集光レンズ２８を用いる場合ほど、レーザＬのパルス周波数（１／Ｔ）を高めることによって、電極体１００の切断速度ｖを速めることが可能となる。例えば焦点距離ｆが１００ｍｍや１６０ｍｍの集光レンズ２８を用いる場合では、パルス周波数が略５０ｋＨｚとなった段階において、レーザＬのパルスエネルギＥｐが不足してしまい、最大切断速度ｖｘは上昇しなくなる。それに対して、焦点距離ｆが３０ｍｍや６０ｍｍの集光レンズ２８を用いる場合では、パルス周波数を５０ｋＨｚ以上に高めることによって、最大切断速度ｖｘをさらに上昇する。特に、パルス周波数を１００ｋＨｚ〜１５０ｋＨｚまで高めることによって、最大切断速度ｖｘを大幅に上昇させることができる。

図１０は、集光レンズ２８の焦点距離ｆと最大切断速度ｖｘとの関係を、実験及び計算から求めた結果を示している。なお、集光レンズ２８の有効口径φは３０ｍｍである。図１０に示すように、集光レンズ２８の焦点距離ｆが短い（Ｆ値が小さい）ほど、最大切断速度ｖｘは上昇する。特に、焦点距離ｆが８０ｍｍ以下の集光レンズ２８を用いた場合では、せん断ローラ等の刃物を用いた従来の切断方式を採用する場合よりも、リチウムイオン電池の生産性が向上することが確認されている。また、焦点距離ｆは、２０ｍｍまで短焦点化することが可能であることが確認されている。従って、集光レンズ２８の焦点距離ｆは、２０ｍｍ以上であって８０ｍｍ以下であることが好ましい。ここで、集光レンズ２８の有効口径φは３０ｍｍである。Ｆ値（＝ｆ／φ）に換算すると、集光レンズ２８のＦ値は、０．６７≦Ｆ値≦２．６７であることが好ましい。

図１１は、レーザ加工装置１０によって電極体１００を切断したときの切断部１００ａの状態を模式的に示している。図中のＡは、レーザヘッド２６の位置を調節することによって、集光レンズ２８の焦点Ｓを、電極体１００の下側（反照射側）表面１０６ａ上に位置させた場合を示している。図中のＢは、集光レンズ２８の焦点Ｓを、電極体１００の基材１０４内に位置させた場合を示している。図中のＣは、集光レンズ２８の焦点Ｓを、電極体１００の上側（照射側）表面１０２ａ上に位置させた場合を示している。図中のＤは、電極体１００の上側（照射側）表面１０２ａよりも上側（照射側）に位置させた場合を示している。図１１のＡ、Ｂ、Ｃに示すように、集光レンズ２８の焦点Ｓを電極体１００の内部に位置させた場合では、切断部１００ａに目立ったバリや活物質の欠落等が生じておらず、電極体１００を良好に切断できることがわかる。また、切断部１００ａが厚み方向に山形のプロファイルを形成しており、活物質層１０２、１０６の欠損が生じ難い形状となっている。それに対して、図１１のＤに示すように、集光レンズ２８の焦点Ｓを電極体１００の外部に位置させた場合では、活物質層１０２等に突出部１０２ｂ等が形成されてしまうことがある。このことから、集光レンズ２８の焦点Ｓは、電極体１００の内部に位置させることが好ましい。

以上、本発明の具体例を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

実施例のレーザ加工装置の構成を示す模式図。 電極体の構造を模式的に示す図。 焦点近傍におけるレーザのエネルギ密度を示す図。 電極体に加えられるレーザのエネルギ密度を示す図。 レーザ発振器が出力するレーザのエネルギの経時的変化を示す図。 パルス周波数とパルスエネルギの関係を示す図。 切断速度と電極体に加えられるレーザのエネルギ密度の関係を示す図。 パルス周波数と電極体に加えられるレーザのエネルギ密度の関係を示す図。 パルス周波数と最大切断速度の関係を示す図。 集光レンズの焦点距離と最大切断速度との関係を示す図。 切断部の状態を模式的に示す図。

符号の説明

１０：レーザ加工装置
１２：レーザ発振器
１６：ポンピング装置
１８：レーザミラー
２０：レーザ媒質
２２：Ｑスイッチ
２４：ビームエキスパンダ
２６：レーザヘッド
２８：集光レンズ
３０：ワーク送り装置
１００：電極体

Claims (5)

1. レーザを用いてワークを切断する方法であって、
   レーザ発振器から出力されたレーザを集光レンズによってワークに集光する工程を備えており、
   前記集光レンズの有効口径φと前記集光レンズの焦点距離ｆが次式、即ち、
   ０．６７≦ｆ／φ≦２．６７
   を満たすことを特徴とする切断方法。
2. 前記集光レンズの焦点距離ｆは、２０ｍｍ以上であって８０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１の切断方法。
3. 前記レーザ発振器は、レーザ媒質にＮｄ：ＹＶＯ_４結晶を用いるＮｄ：ＹＶＯ_４レーザであることを特徴とする請求項１又は２の切断方法。
4. 前記ワークが、金属箔とその金属箔の少なくとも片側表面に形成されている活物質層を備える電極体であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの切断方法。
5. レーザを出力するレーザ発振器と、
   レーザ発振器が出力したレーザをワークに集光する集光レンズを備えており、
   前記集光レンズの有効口径φと前記集光レンズの焦点距離ｆが次式、即ち、
   ０．６７≦ｆ／φ≦２．６７
   を満たすことを特徴とするレーザ加工装置。

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