JP2013119095A - レーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を、切断部分を変質・変形させたり、シート材の含有成分を脱落させたりすることなく、効率的に切断することができるレーザ切断装置を提供する。
【解決手段】レーザ切断装置１００は、レーザ光Ｒａ，Ｒｂを発生させるＹＡＧレーザ発振機１１ａ，１１ｂ及び制御手段１２ａ，１２ｂなどを内蔵する複数のファイバレーザユニット１０ａ，１０ｂと、レーザ発振機１１ａ，１ｂからファイバ伝送ケーブル１３ａ，１３ｂを経由して送られるレーザ光Ｒａ，Ｒｂを切断対象物であるシート材Ｓに向かって照射するヘッド部１４ａ，１４ｂと、シート材Ｓを一定姿勢に保持するための基板１５と、を備えている。制御手段１２ａ，１２ｂは、ヘッド部１４ａ，１４ｂからシート材Ｓに向かって照射されるレーザ光Ｒａ，Ｒｂを所定方向に走査させる制御機能を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、非水電解液二次電池用セパレータなどに使用される紙製あるいは合成樹脂製のシート材をレーザ光によって切断する装置に関する。

非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を所定のサイズに切断する方法として、従来、ギロチン刃などと呼ばれる刃物を使用した機械的な切断方法が採用されている。しかしながら、この切断方法においては、切断作業中、シート材に刃物が接触するので、切断作業を繰り返すうちに、シート材の含有物の一部が刃物に付着して蓄積されていき、切れ味が悪化したり、切断部分が粗化したりする。このため、切断作業を所定時間行う度に（若しくは所定回数行う度に）、切断作業を止めて、刃物を清掃して付着物を除去しなければならず、作業効率の低下を招いている。

一方、刃物を使用しない切断方法として、レーザ光を用いた様々な切断技術が提案されている（例えば、特許文献１〜５参照。）。特許文献１には、二次電池の製造工程において、正極板の正極無地部及び負極板の負極無地部をレーザ光で切断する技術が記載されている。また、特許文献２には、ロール状に巻回されたコンデンサ用電極箔やコンデンサ用セパレータなどのシート状材料をレーザビームによって細幅シートに切断して、細幅シートがロール状に巻回された細幅ロールを得る技術が記載されている。

一方、特許文献３には、難加工性材料層を含む基材シートと粘着剤層を備え、粘着剤層の表面にセパレータを積層してなる粘着シートに、基材シート側からレーザ光を照射して基材シートから粘着剤層までを切断加工し、セパレータのみを選択的に残す技術が記載されている。また、引用文献４には、電解質膜とエッジシール部材とを接合して燃料電池用膜電極接合体を製造する工程において、エッジシール部材のアクティブエリアをレーザ光で切断除去する技術が記載されている。

さらに、引用文献５には、相対する平板状で一定パターンの穴が設けられた正負極集合体の間が絶縁体で区画され、該区画内に正極活物質、セパレータ、負極活物質が配置された複数の電池要素の隣接する集電体の穴と穴の間の部分を切断する手段としてレーザカットを用いることが記載されている。

特開２０１１−９６６２０号公報 特開２０１１−５５２２号公報 特開２０１０−５３３１０号公報 特開２００７−２９９５５１号公報 特開平６−２６７５２６号公報

前述したように、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を、刃物を使用して切断する方法の場合、刃物を定期的に清掃する必要があるため、作業効率が低下するという問題がある。これに対し、特許文献１〜５などに記載されたレーザ光を用いた切断方法は刃物を使用しないので、刃物を定期的に清掃する必要がない。

しかしながら、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材、特に、微粒子を含む水溶性ポリマー多孔質膜とポリオレフィン多厚膜とが積層されてなる非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材をレーザ光で切断した場合、照射されるレーザ光の熱エネルギによってシート材の切断部分が変質したり、変形したり、シート材の含有成分の一部が脱落したりすることが多く、必要とされる切断性能が得られていないのが実状である。

そこで、本発明が解決しようとする第１の課題は、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を効率的に切断することができるレーザ切断装置を提供することにあり、第２の課題は非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を、切断部分を変質・変形させたり、シート材の含有成分を脱落させたりすることなく、効率的に切断することができるレーザ切断装置を提供することにある。

本発明のレーザ切断装置は、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材のレーザ切断装置であって、レーザ光を発生させる複数のレーザ発振機と、それぞれの前記レーザ発振機から送られるレーザ光を前記シート材に対して照射するとともに前記レーザ光を所定方向に走査させる制御手段と、を備えたことを特徴とする。

このような構成とすれば、複数のレーザ発振機から送られるレーザ光を前記シート材の複数個所に照射して走査させながら切断を行うことができるので、シート材を効率的に切断することができる。

次に、本発明のレーザ切断装置は、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材のレーザ切断装置であって、レーザ光を発生する複数のＹＡＧレーザ発振機と、それぞれの前記ＹＡＧレーザ発振機から送られるレーザ光を前記シート材に対して照射するとともに前記レーザ光を所定方向に走査させる制御手段と、を備えたことを特徴とする

ＹＡＧレーザ光の波長は１．０６４μｍであり、炭酸ガスレーザ光の波長１０．６μｍの約１／１０であるため、ＹＡＧレーザ光は、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材に吸収され難い特性がある。従って、前記構成とすれば、ＹＡＧレーザ光でシート材を切断したとき、その切断部分が高熱で変質・変形したり、シート材の含有成分が脱落したりすることがない。また、複数のＹＡＧレーザ発振機から送られるレーザ光を前記シート材の複数個所に照射して走査させながら切断を行うことができるので、シート材を効率的に切断することができる。

ここで、前記制御手段に、直線状に走査する複数の前記レーザ光を、同一直線上に沿って互いに反対方向若しくは同一方向に走査させながら前記シート材に照射する機能を設けることが望ましい。

このような構成とすれば、前記シート材を直線状の切断予定線に沿って切断する場合、前記切断予定線上の異なる複数の位置を照射開始点とし、複数の前記レーザ光を同時に照射して互いに同方向若しくは反対方向に走査させながら前記シート材を切断することが可能となるので、切断作業の迅速化に有効である。

一方、前記制御手段に、直線状に走査する複数の前記レーザ光を、互いに平行をなす方向に沿って走査させながら前記シート材に照射する機能を設けることもできる。

このような構成とすれば、前記シート材を複数の切断予定線に沿って切断する場合、複数の切断予定線に対して複数のレーザ光をそれぞれ同時に照射して走査させながら切断することができるので、切断作業の迅速化に有効である。

本発明により、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を効率的に切断することができるレーザ切断装置、及び、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材を、切断部分を変質・変形させたり、シート材の含有成分を脱落させたりすることなく、効率的に切断することができるレーザ切断装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態であるレーザ切断装置を示す一部省略斜視図である。 図１に示すレーザ切断装置の概略構成を示す図である。 本発明の第２実施形態であるレーザ切断装置を示す一部省略斜視図である。

まず、本実施形態のシート材切断装置における第１の被切断物である、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材について説明する。非水電解液二次電池用セパレータ（以下、「セパレータ」と称す場合がある。）に使用されるシート材は、水溶性ポリマーと微粒子とを含む多孔膜（以下、「Ａ膜」と称す場合がある。）と、ポリオレフィン多孔膜（以下、「Ｂ膜」と称す場合がある。）と、を積層してなるものであり、水溶性ポリマーと微粒子と媒体とを含むスラリー液をポリオレフィンの多孔膜（Ｂ膜）に塗布し、乾燥等により媒体を除去して製造することができる。

Ａ膜は、シャットダウンが生じる高温における耐熱性を有しており、セパレータに形状安定性の機能を付与する。また、Ｂ膜は、電池の事故発生時の異常発熱の際に、溶融して無孔化することにより、セパレータにシャットダウンの機能を付与する。Ａ膜とＢ膜は、順に積層されていれば３層以上でもかまわない。例えば、Ｂ層の両面にＡ膜が形成された形態等が挙げられる。

なお、シャットダウンとは、事故等による異常発熱の際に、正極−負極間のイオンの通過を遮断して、さらなる発熱を防止することをいい、セパレータにシャットダウン機能を持たせる方法が一般的である。シャットダウン機能をセパレータに持たせる方法としては、異常発熱時に溶融する材質からなる多孔膜をセパレータとして用いる方法が挙げられる。即ち、該セパレータを用いた電池は、異常発熱時に多孔膜が溶融・無孔化し、イオンの通過を遮断し、さらなる発熱を抑制することができる。

前述したＡ膜は、微粒子を含有する水溶性ポリマーの多孔質膜であり、水溶性ポリマーとしては、ポリビニルアルコール、ポリエチレングリコール、セルロースエーテル、アルギン酸ナトリウム、ポリアクリル酸、ポリアクリルアミド、ポリメタクリル酸等が挙げられ、セルロースエーテル、ポリビニルアルコール、アルギン酸ナトリウムが好ましく、セルロースエーテルがさらに好ましい。セルロースエーテルとしては具体的には、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）、ヒドロキシエチルセルロース（ＨＥＣ）、カルボキシエチルセルロース、メチルセルロース、エチルセルロース、シアンエチルセルロース、オキシエチルセルロース等が挙げられ、長時間にわたる使用における劣化が少ないのでＣＭＣが特に好ましい。

前記微粒子としては、充填剤と一般的に呼ばれる無機又は有機の微粒子を用いることができる。具体的にはスチレン、ビニルケトン、アクリロニトリル、メタクリル酸メチル、メタクリル酸エチル、グリシジルメタクリレート、グリシジルアクリレート、アクリル酸メチル等の単独あるいは２種類以上の共重合体；ポリテトラフルオロエチレン、４フッ化エチレン−６フッ化プロピレン共重合体、４フッ化エチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライド等のフッ素系樹脂；メラミン樹脂；尿素樹脂；ポリエチレン；ポリプロピレン；ポリメタクリレート等の有機物からなる微粒子が挙げられる。また、炭酸カルシウム、タルク、クレー、カオリン、シリカ、ハイドロタルサイト、珪藻土、炭酸マグネシウム、炭酸バリウム、硫酸カルシウム、硫酸マグネシウム、硫酸バリウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化マグネシウム、酸化チタン、アルミナ、マイカ、ゼオライト、ガラス等の無機物からなる微粒子が挙げられる。微粒子としては、これらの中でもアルミナが望ましい。なお、これらの微粒子の材料は、単独あるいは２種以上を混合して用いることができる。

前記水溶性ポリマーと共にＡ膜を構成する前記微粒子は、平均粒径が０．１μｍ未満、かつ、比表面積が５０ｍ²／ｇ以上の微粒子（ａ）と、平均粒径が０．２μｍ以上の微粒子（ｂ）とからなり、微粒子（ａ）と微粒子（ｂ）との重量比が、１：０．０５〜５０であることが望ましい。なお、微粒子（ａ）及び微粒子（ｂ）の種類は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。

２種類の微粒子のうち、粒径の大きい微粒子（ｂ）は、Ａ膜の主骨格として、Ａ膜の高温時の形状安定性に寄与する。粒径の小さい微粒子（ａ）は、微粒子（ｂ）の隙間を埋めてＡ膜の機械的強度をより高める作用を有する。また、後述するように、本発明のセパレータを製造する際に水溶性ポリマーのＢ膜細孔内への過剰な入り込みを抑制する作用も併せて有する。

なお、Ａ膜は、微粒子（ａ）と微粒子（ｂ）の２種類の微粒子を両方含む必要がある。微粒子（ａ）と微粒子（ｂ）の片方のみを使用した場合には、十分な通気性（イオン透過性）を保ちつつ、実用レベルでの高温時の形状安定性と、シャットダウン性とを同時に併せ持つことができない。

微粒子（ａ）は、平均粒径が０．１μｍ未満であることが必要であり、好ましくは０．０５μｍ未満であり、かつ、微粒子（ａ）の比表面積は、５０ｍ²／ｇ以上であることが必要であり、好ましくは７０ｍ²／ｇ以上である。微粒子（ａ）の形状としては、球形、瓢箪形等が挙げられる。ここで、微粒子（ａ）の比表面積は、ＢＥＴ測定法によって測定した値である。また、微粒子（ａ）の平均粒径ｄ（μm）は、ＢＥＴ比表面積Ｂ（m²/g)及び微粒子の真密度Ｄ（g/m³)に基づいて計算式「平均粒径ｄ（μm）＝６／（Ｂ×Ｄ）」で求めた値である。

微粒子（ａ）が、平均粒径０．１μｍ未満、比表面積５０ｍ²／ｇ以上を同時に満たさないと、Ａ膜の成形が不安定となると共に、セパレータ製造時において水溶性ポリマーのＢ膜細孔内への過剰な入り込みを抑制できず、セパレータのシャットダウン性（Ｂ膜の無孔化）が不十分となる。

一方、微粒子（ｂ）は、平均粒径が０．２μｍ以上であることが必要であり、好ましく０．２５μｍ以上である。微粒子（ｂ）の平均粒径が０．２μｍ未満であると、Ａ膜の加熱時の収縮が十分に抑制できなくなり、高温での形状安定性が不十分となる。微粒子（ｂ）の比表面積は、特に限定はないが、好ましくは２０ｍ²／ｇ以下、特に好ましくは１０ｍ²／ｇ以下である。微粒子（ｂ）の形状としては、球形、瓢箪形等が挙げられる。

なお、微粒子（ｂ）の平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）にて、２５個ずつ粒子を任意に抽出して、それぞれにつき粒径（直径）を測定して、２５個の粒径の平均値として算出した値である。また、微粒子（ｂ）の形状は、球形以外の場合は、粒子における最大長を示す方向の長さをその粒径とする。また、微粒子（ｂ）の比表面積は、ＢＥＴ測定法によって測定した値である。

また、Ａ膜において、微粒子（ａ）と微粒子（ｂ）との重量比（微粒子（ａ）を１としたときの微粒子（ｂ）の割合）は、１：０．０５〜５０であることが必要であり、好ましくは１：０．１〜１５であり、特に好ましくは１：０．２〜１０である。

重量比が、０．０５未満であると、Ａ膜の熱収縮を十分に抑制できず、高温での形状安定性が不十分となり、５０を超えると水溶性ポリマーのＢ膜細孔内への過剰な入り込みにより、セパレータのシャットダウン性が損なわれてしまう。

なお、前述した作用効果を損なわない範囲内で、微粒子（ａ）と微粒子（ｂ）以外の微粒子（以下、「その他の微粒子」と称す場合がある。）を含んでいてもよい。Ａ膜におけるその他の微粒子の含有量は、微粒子（ａ）と微粒子（ｂ）との合計に対して、１００重量％以下であることが好ましく、５０重量％以下（０重量％を含む）であることがより好ましい。

Ａ膜の厚みは、通常０．１μｍ以上２０μｍ以下であり、好ましくは２μｍ以上１５μｍ以下の範囲である。厚すぎると、非水電解液二次電池を製造した場合に、該電池の負荷特性が低下するおそれがあり、薄すぎると、事故等により該電池の発熱が生じたときにポリオレフィンの多孔膜の熱収縮に抗しきれずセパレータが収縮するおそれがある。なお、Ａ膜がＢ膜の両面に形成される場合には、Ａ膜の厚みは両面の合計厚みとする。

Ａ膜は多孔質の膜であるが、その孔径は、孔を球形に近似したときの球の直径として３μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がさらに好ましい。孔径の平均の大きさ又は孔径が３μｍを超える場合には、正極や負極の主成分である炭素粉やその小片が脱落したときに、短絡しやすい等の問題が生じるおそれがある。また、Ａ膜の空隙率は３０〜９０体積％が好ましく、より好ましくは４０〜８５体積％である。

次に、前述したセパレータを構成するＢ膜について説明する。Ｂ膜は、ポリオレフィンの多孔膜であり、非水二次電池において、電解液に溶解しない。その重量平均分子量が５×１０⁵〜１５×１０⁶の高分子量成分が含まれていることが好ましい。ポリオレフィンとしては、例えば、エチレン、プロピレン、１−ブテン、４−メチル−１−ペンテン、１−ヘキセン等を重合した高分子量の単独重合体又は共重合体が挙げられる。これらのうちエチレンを主体とする高分子量ポリエチレンが好ましい。

Ｂ膜の空隙率は、２０〜８０体積％が好ましく、さらに好ましくは３０〜７０体積％である。該空隙率が２０体積％未満では電解液の保持量が少なくなる場合があり、８０体積％を超えるとシャットダウンが生じる高温における無孔化が不十分となる、すなわち事故により電池が発熱したときに電流が遮断できなくなるおそれがある。

また、Ｂ膜の厚みは、通常４〜５０μｍであり、好ましくは５〜３０μｍである。厚みが４μｍ未満であると、シャットダウンが不十分であるおそれがあり、５０μｍを超えると、水溶性ポリマー多孔質層も加えた非水電解質二次電池用セパレータの厚みが厚くなり、電池の電気容量が小さくなるおそれがある。Ｂ膜の孔径は３μｍ以下が好ましく、１μｍ以下がさらに好ましい。

Ｂ膜は、その内部に連結した細孔を有す構造であり、一方の面から他方の面に気体や液体が透過可能である。その透気度は、通常、ガーレ値で５０〜４００秒／１００ｃｃの範囲であり、好ましくは、５０〜３００秒／１００ｃｃの範囲である。

前述したＡ膜とＢ膜からなるセパレータにおいて、Ａ膜とＢ膜は積層されてセパレータを構成する。Ａ膜とＢ膜以外の膜体、例えば、接着膜、保護膜等の多孔膜が目的を損なわない範囲でセパレータに含まれていてもよい。

セパレータ全体（Ａ膜＋Ｂ膜)の厚みは、通常、５〜８０μｍであり、好ましくは５〜５０μｍであり、特に好ましくは６〜３５μｍである。セパレータ全体の厚みが５μｍ未満では破膜しやすくなり、水溶性ポリマー多孔質層も加えた非水電解質二次電池用セパレータの厚みが厚くなるため電池の電気容量が小さくなるおそれがある。また、セパレータ全体の空隙率は、通常、３０〜８５体積％であり、好ましくは３５〜８０体積％である。

また、前記セパレータを用いて非水二次電池を製造した場合、高い負荷特性が得られるが、セパレータの透気度は５０〜２０００秒／１００ｃｃが好ましく、５０〜１０００秒／１００ｃｃがより好ましい。透気度が２０００秒／１００ｃｃ以上となると、セパレータのイオン透過性、及び電池の負荷特性が低くなるおそれがある。

シャットダウンが生じる高温における、セパレータの寸法維持率としてはＢ膜のＭＤ方向又はＴＤ方向のうちの小さい方の値が、９０％以上、好ましくは９５％以上である。ここで、ＭＤ方向とは、シート成形時の長尺方向、ＴＤ方向とはシート成形時の幅方向のことをいう。寸法維持率が９０％未満であると、シャットダウンが生じる高温においてセパレータの熱収縮により、正極−負極間で短絡を起こし、結果的にシャットダウン機能が不十分となるおそれがある。なお、シャットダウンが生じる高温とは８０〜１８０℃の温度であり、通常は１３０〜１５０℃程度である。

前述した非水電解液二次電池用セパレータを用いて非水電解液二次電池を製造すると、高い負荷特性を有し、しかも事故により電池が激しく発熱した場合でもセパレータはシャットダウン機能を発揮し、セパレータの収縮による正極と負極の接触が避けられ、安全性の高い非水電解液二次電池となる。

次に、本実施形態のシート材切断装置における第２の被切断物である、コロナ処理を行ったシート材について詳しく説明する。コロナ処理を行ったシート材とは、前記セパレータの製造工程において、スラリー液をＢ膜上に塗布する前に、Ｂ膜に対して、親水化処理のひとつであるコロナ処理を行い、その後、水溶性ポリマー、微粒子（ａ）、（ｂ）及び媒体を含むＡ膜形成用のスラリー液をＢ膜上に塗布した後、媒体を除去することにより製造したものである。

ここで、コロナ処理とは、高周波電源により供給される高周波・高電圧出力によってコロナ放電を発生させ、このコロナ放電下にＢ膜（ポリオレフィン多孔膜）を通過させ、コロナ放電をＢ膜に照射することによってＢ膜の表面を改質（親水化）する処理をいう。

Ｂ膜をコロナ処理することにより、スラリー液の塗布性が向上し、より均質な多孔膜（Ａ膜）を得ることができる。コロナ処理は、特に媒体中の溶媒の濃度が低いときにより効果的である。コロナ処理を行うことにより、Ｂ膜を比較的短時間で親水化できることに加え、コロナ放電によるポリオレフィン樹脂の改質が、Ｂ膜の表面近傍のみに限られ、Ｂ膜の細孔内は疎水性を保ったまま、Ｂ膜の表面近傍のみを親水化できるという利点がある。

このため、スラリー液を塗布した場合において、水溶性ポリマーを含むスラリー液のＢ膜の細孔（空隙）内への過剰な入り込みを抑制でき、水溶性ポリマー析出によってＢ膜のシャットダウン性が損なれることを回避できる。なお、Ｂ膜の親水化処理としては、前述したコロナ処理のほかに、酸やアルカリ等を用いた薬剤処理あるいはプラズマ処理等を採用することもできる。

以下、図１〜図３に基づいて、本発明の実施形態であるレーザ装置について説明する。図１，図２に示すように、本発明の第１実施形態であるレーザ切断装置１００は、レーザ光を発生させるＹＡＧレーザ発振機１１ａ，１１ｂ及び制御手段１２ａ，１２ｂなどを内蔵する複数のファイバレーザユニット１０ａ，１０ｂと、それぞれのレーザ発振機１１ａ，１１ｂからファイバ伝送ケーブル１３ａ，１３ｂを経由して送られるレーザ光Ｒａ，Ｒｂを切断対象物であるシート材Ｓに照射するヘッド部１４ａ，１４ｂと、シート材Ｓを一定姿勢（例えば、水平姿勢）に保持するための基板１５と、を備えている。

制御手段１２ａ，１２ｂは、ヘッド部１４ａ，１４ｂからシート材Ｓに向かって照射されるレーザ光Ｒａ，Ｒｂを所定方向に走査させる制御機能を有している。基板１５には、シート材Ｓの切断予定線ＣＬに沿ってスリット１７が開設されている。

図２に示すように、ヘッド部１４ａ，１４ｂ内には、それぞれのファイバ伝送ケーブル１３ａ，１３ｂを経由して送られるレーザ光Ｒａ，Ｒｂの進行方向を変化させて所定方向に走査させるためのガルバノミラー１６ａ，１６ｂが設けられ、これらのガルバノミラー１６ａ，１６ｂで反射されたレーザ光Ｒａ，Ｒｂがそれぞれシート材Ｓに向かって照射される。

レーザ切断装置１００においては、複数のファイバレーザユニット１０ａ，１０ｂに内蔵された制御手段１２ａ，１２ｂに、各ヘッド部１４ａ，１４ｂからシート材Ｓに向かって照射されるレーザ光Ｒａ，Ｒｂを、シート材Ｓ上で直線状をなす切断予定線ＣＬに沿って互いに反対方向に走査させる機能を設けている。具体的には、各制御手段１２ａ，１２ｂから送信される制御信号に基づいて、ヘッド部１４ａ，１４ｂ内のガルバノミラー１６ａ，１６ｂの傾斜角度を変化させることにより、レーザ光Ｒａ，Ｒｂが切断予定線ＣＬに沿って所定速度で走査される。

ＹＡＧレーザ発振機１１ａ，１１ｂで発生し、各ヘッド部１４ａ，１４ｂからシート材Ｓに照射されるレーザ光Ｒａ，Ｒｂは、非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材Ｓに吸収され難い性質を有するので、シート材Ｓの切断部分が高熱によって変質・変形したり、シート材Ｓの含有成分が脱落したりすることがない。

また、ＹＡＧレーザ発振機１１ａ，１１ｂをそれぞれ内蔵する複数のファイバレーザユニット１０ａ，１０ｂから送られるレーザ光Ｒａ，Ｒｂをシート材Ｓの複数個所に照射して走査させながら切断を行うので、効率的に切断することができる。

また、レーザ切断装置１００においては、制御手段１２ａ，１２ｂに、複数のレーザ光Ｒａ，Ｒｂを、切断予定線ＣＬに沿って互いに反対方向に走査させる機能を設けている。このため、図１に示すように、シート材Ｓ上の切断予定線ＣＬ上の異なる複数の位置Ｐａ，Ｐｂをそれぞれレーザ光Ｒａ，Ｒｂの照射開始点として、レーザ光Ｒａ，Ｒｂを同時かつ反対方向に走査させながらシート材Ｓを切断することができる。

即ち、レーザ光Ｒａは、シート材Ｓの一方の辺縁部Ｓａの位置Ｐａを照射開始点として矢線Ｘａ方向へ走査され、レーザ光Ｒｂは、シート材Ｓの他方の辺縁部Ｓｂの位置Ｐｂを照射開始点として矢線Ｘｂ方向へ走査され、レーザ光Ｒａ，Ｒｂが互いに切断予定線ＣＬ上の同一地点Ｐｃに到達した時点でシート材Ｓの切断が完了する。

このように、レーザ切断装置１００は、シート材Ｓ上の１本の切断予定線ＣＬに対し、複数のレーザ光Ｒａ，Ｒｂを同時に照射しながら切断を行うことができるので、切断作業の迅速化を図ることができる。また、シート材Ｓを保持する基板１５において、切断予定線ＣＬの直下に位置する部分にはスリット１７が設けられているため、シート材Ｓの上面側から照射されたレーザ光Ｒａ，Ｒｂが基板１５で反射してシート材Ｓの切断状況に悪影響を及ぼすこともない。

ガルバノ式のレーザ切断装置は、レーザ光をガルバノミラーで反射することによって当該レーザ光を走査させて被切断物の切断を行うので、被切断物を移動させるＸ−Ｙテーブルが不要であり、切断装置の簡素化、低価格化を図ることができる点で優れているが、ガルバノミラーを傾動させることによりレーザの反射位置（切断箇所）を決める構造上、レーザ照射の始点から被切断物との距離が一定距離を越えた場合は、被切断物に対してレーザ光が斜め照射されるので、被切断物の切断幅が大きくなってしまうという問題がある。この問題を回避するには、レーザ光の照射範囲（ガルバノミラーの傾動角度）を、切断幅の品質を保つことができる範囲に抑制する必要があるので、レーザ光による切断範囲が制限されてしまう。

そこで、図１に示すように、本実施形態のレーザ光切断装置１００においては、ヘッド部１４ａ，１４ｂを並列させて設置することにより、レーザ光Ｒａ，Ｒｂによる切断加工範囲を一部共有しているため、切断幅の品質を一定に保つことができる。

即ち、レーザ光Ｒａ，Ｒｂの切断幅が大きくなる箇所（切断幅の品質が保てない箇所）は隣り合うヘッド部１４ａ，１４ｂから照射されるレーザ光Ｒａ，Ｒｂが切断することにより単体機での加工範囲以上の範囲を加工する事が可能となる。また、これによって、切断作業を迅速化することができる。

次に、図３に基づいて、本発明の第２実施形態であるレーザ切断装置２００について説明する。なお、レーザ切断装置２００において前述したレーザ切断装置１００と共通する構成部分については、図１，図２中の符号と同符号を付して説明を省略する。

図３に示すレーザ切断装置２００においては、複数のファイバレーザユニット１０ａ，１０ｂにそれぞれ内蔵された制御手段（図示せず）に、ヘッド部１４ａ，１４ｂからシート材Ｓに向かって照射される複数のレーザ光Ｒａ，Ｒｂを互いに平行をなす方向（矢線Ｙａ，Ｙｂ方向）に沿って走査させる機能を設けている。

従って、シート材Ｓを複数の切断予定線ＣＬａ，ＣＬｂに沿って切断する場合、複数のレーザ光Ｒａ，Ｒｂをシート材Ｓの一方の辺縁部Ｓａの複数位置から他方の辺縁部Ｓｂに向かってそれぞれ切断予定線ＣＬａ，ＣＬｂに沿って同時に走査させながら切断することが可能であり、切断作業の迅速化を図ることができる。

次に、レーザ切断装置１００を用いてシート材Ｓを切断する場合の作業条件及び切断後の状態などについて説明する。まず、シート材Ｓが、前述した第１の被切断物、即ち、微粒子を含む水溶性ポリマー多孔質膜とポリオレフィン多厚膜とが積層されてなる非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材であってコロナ処理を行っていないもの（厚さ５〜８０μｍ）である場合について説明する。

レーザ切断装置１００のＹＡＧレーザ発振機１１ａ，１１ｂは波長１０６４ｎｍのレーザ光Ｒａ，Ｒｂを発生する機能を有し、最大出力は４２Ｗである。このレーザ切断装置１００の出力を３３Ｗ、レーザ光Ｒａ，Ｒｂの走査速度を３ｍ／ｍｉｎに設定して、前述したシート材Ｓ（コロナ処理なし）を切断したところ、「カット断面の焦げ付き」、「カット断面のカール」及び「カット時の粉落ち」が発生せず、カット断面の状態も良好であるという結果が得られた。

なお、「カット断面の焦げ付き」とは、シート材Ｓのカット断面付近が熱により炭化（黒化）したり、酸化すること、「カット断面のカール」とはシート材Ｓのカット断面付近が湾曲したり、変形したりすること、「カット時の粉落ち」とは、シート材Ｓに含まれる微粒子（アルミナなど）がカット断面部分から脱落する現象をいう。

次に、シート材Ｓが、前述した第２の被切断物、即ち、微粒子を含む水溶性ポリマー多孔質膜とポリオレフィン多厚膜とが積層されてなる非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材であってコロナ処理を行ったもの（厚さ５〜８０μｍ）である場合について説明する。

前述したレーザ切断装置１００の出力を３３Ｗ、レーザ光Ｒａ，Ｒｂの走査速度を９ｍ／ｍｉｎに設定して、前述したシート材Ｓ（コロナ処理あり）を切断したところ、「カット断面の焦げ付き」、「カット断面のカール」及び「カット時の粉落ち」が発生せず、カット断面の状態も良好であるという結果が得られた。

また、コロナ処理を行ったシート材Ｓを切断する場合は、コロナ処理なしのシート材Ｓを切断する場合よりも速い走査速度で切断することができた。その理由は、シート材Ｓに含まれるアルミナ微粒子等の含有成分と基材（Ｂ膜）との密着性が向上し、切断時に切断部分から含有成分が離脱し難くなったことによるものである。

ここで、比較試験として、波長１０．６μｍ炭酸ガスレーザ光を発生可能な最大出力１００Ｗのレーザ光切断装置（図示せず）を用いて、走査速度を８０ｍ／ｍｉｎに設定してシート材Ｓの切断を行ったところ、シート材Ｓのレーザ光吸収性が向上しているため、出力を１Ｗ以下に抑制しないと、「カット断面のカール」及び「カット時の粉落ち」を防止することができなかった。しかしながら、最大出力１００Ｗのレーザ光切断装置を１Ｗ以下で稼働させると、出力が安定しないので、出力制御が困難であった。

前述した比較試験の結果により、コロナ処理を行ったシート材Ｓは、ＹＡＧレーザ光及び炭酸ガスレーザ光の吸収性が向上しているため、レーザ光の出力を低下させた状態で切断を行うことが可能であり、走査速度の増速も可能であることが分かった。

なお、図２に示すＹＡＧレーザ発振機１１ａ，１１ｂの代わりに複数の炭酸ガスレーザ発振機を用いて、図１に示すレーザ光切断装置１００あるいは図３に示すレーザ光切断装置２００と同様の機能を有するレーザ光切断装置を構成することも可能である。

前述した実施形態に係るレーザ切断装置１００，２００は本発明に係るレーザ切断装置を例示するものであって、本発明に係るレーザ切断装置が前述した実施形態に限定されるものではない。

本発明のレーザ切断装置は、非水電解液二次電池用セパレータなどの各種シート材を切断する装置として、電気・電子機器産業や自動車産業などの分野において広く利用することができる。

１００，２００ レーザ切断装置
１０ａ，１０ｂ ファイバレーザユニット
１１ａ，１１ｂ レーザ発振機
１２ａ，１２ｂ 制御手段
１３ａ，１３ｂ ファイバ伝送ケーブル
１４ａ，１４ｂ ヘッド部
１５ 基板
１６ａ，１６ｂ ガルバノミラー
１７ スリット
ＣＬ，ＣＬａ，ＣＬｂ 切断予定線
Ｐａ，Ｐｂ 位置
Ｒａ，Ｒｂ レーザ光
Ｓ シート材

Claims (4)

1. 非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材のレーザ切断装置であって、
   レーザ光を発生する複数のレーザ発振機と、それぞれの前記レーザ発振機から送られるレーザ光を前記シート材に対して照射するとともに前記レーザ光を所定方向に走査させる制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザ切断装置。
2. 非水電解液二次電池用セパレータに使用されるシート材のレーザ切断装置であって、
   レーザ光を発生する複数のＹＡＧレーザ発振機と、それぞれの前記ＹＡＧレーザ発振機から送られるレーザ光を前記シート材に対して照射するとともに前記レーザ光を所定方向に走査させる制御手段と、を備えたことを特徴とするレーザ切断装置。
3. 前記制御手段に、直線状に走査する複数のレーザ光を、同一直線上に沿って互いに反対方向若しくは同一方向に走査させながら前記シート材に照射する機能を設けた請求項１または２記載のレーザ切断装置。
4. 前記制御手段に、直線状に走査する複数のレーザ光を、互いに平行をなす方向に沿って走査させながら前記シート材に照射する機能を設けた請求項１または２記載のレーザ切断装置。

Images