JP2013163213A - レーザ切断方法およびレーザ切断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ切断時に発生する不要部分を確実に除去できるようにしたレーザ切断方法およびレーザ切断装置を提供する。
【解決手段】シート状部材１１１から製品形状１０１を切り出す第１切断線（経路ａ、ｄ、ｂ、ｅ、ｆ、ｇ、ｉ）の一部（経路ｂ、ｆ）に沿い、かつ第１切断線よりも切断後不要部分（スクラップ１２０）として除去する側の領域にさらにレーザ照射を行う第２切断線（経路ｃ、ｈ）を設定し、第１切断線および第２切断線に沿ってレーザ光を照射することを特徴とするレーザ切断方法。
【選択図】図６

Description

本発明はレーザ切断方法およびレーザ切断装置に関し、詳しくはシート状部材をレーザによって切断するレーザ切断方法およびレーザ切断装置に関する。

近年、金属箔などシート状部材の切断にレーザが用いられるようになってきている。このようなレーザによる切断加工は、電池の製造において電極タブを形成する際の切断にも用いられている（特許文献１）。

特開２００９−０３２５０４号公報

しかしながら、電池タブを形成する際に、その元になっている金属箔をレーザによって切断するとレーザ光を照射した切断線に沿ってバリが発生する。このバリが、切断した不要部分（スクラップ）を除去する際に引っ掛かってうまく除去できない場合があるという問題があった。

そこで本発明の目的は、レーザ切断時に発生する不要部分を確実に除去できるようにしたレーザ切断方法およびレーザ切断装置を提供することである。

上記目的を達成するための本発明のレーザ切断方法は、シート状部材から製品形状を切り出す第１切断線を設定し、この第１切断線の一部に沿い、かつ第１切断線よりも切断後不要部分として除去する側の領域にさらにレーザ照射を行う第２切断線を設定する。そして第１切断線および第２切断線に沿ってレーザ光を照射することを特徴とする。

また、上記目的を達成するための本発明のレーザ切断装置は、レーザ照射手段と制御手段とを有して、制御手段は前記のレーザ切断方法における第１切断線および第２切断線に沿うようにレーザ照射手段から照射されるレーザ光の照射方向を制御することを特徴とする。

本発明によれば、レーザ光を照射により部材を切り離す第１切断線の一部に沿って第２切断線を設けることとしたので、第２切断線によりレーザ照射を行った部分では製品側と不要部分側とでそれぞれ発生したバリが離れるようになる。これにより不要部分を除去する際には、製品側に不要部分側が引っ掛からない部分ができる。この製品と引っ掛からない部分があることによって不要部分を引き離す際に製品側から不要部分が外れやすくなって、確実に不要部分を除去することができるようになる。

本発明を適用したレーザ切断装置を説明するための概略図で、（ａ）は上から見た要部を示す平面図、（ｂ）は側面図である。 ラミネート封止された電池の外観を示す斜視図である。 （ａ）は電池のタブ形成前の状態を示す平面図、（ｂ）は電池のタブ形成後の状態を示す平面図である。 レーザ切断装置による切断動作を説明するための説明図である。 図４に続く、レーザ切断装置による切断動作を説明するための説明図である。 電極箔へのレーザ光の照射軌跡となる切断線経路を説明するための電極箔部分の拡大平面図である。 電極箔へのレーザ光の照射軌跡となる他の切断線経路を説明するための電極箔部分の拡大平面図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面における各部材の大きさや比率は説明の都合上誇張されており、実際の大きさや比率とは異なる。

図１は、本発明を適用したレーザ切断装置を説明するための概略図で、（ａ）は上から見た要部を示す平面図、（ｂ）は側面図である。

このレーザ切断装置は、電池の外装から引き出されている電極箔から電極タブを形成するための装置である。なお、本実施形態において電極箔とはレーザ切断によって製品形状を作り出すシート状部材のことである。本実施形態では製品形状である電極タブの形状に切断する前の状態の電池の外装から出ている金属箔を電極箔と称している。

図１に示すように、レーザ切断装置１は、ワークである電池１００を乗せるステージ１１、レーザ光を照射するレーザ照射装置１２、切断後の不要部分（スクラップ１２０）を除去するスクラップ除去部１３からなる。

ステージ１１は、電池１００から出ている電極箔１１１および１１２（図３参照）部分を載せる台座１４が一体的に取り付けられている。ステージ面と台座面との間には段差が設けられている。これは、ステージ１１上に電池１００のラミネート封止されている部分（これを本体部分１１０という）が載せられたときに、ちょうど電極箔１１１および１１２が台座１４上に載るようにするためである。

この台座１４を設けることで、後述するように、スクラップ除去部１３をスクラップ１２０に上から押し当てたときに、電極箔１１１および１１２が変形しないようになっている。

レーザ照射装置１２は、レーザ光を電極箔１１１および１１２へ照射するレーザ照射部２１（レーザ照射手段）、レーザ光が所定の切断線に沿って軌跡を描くように制御する制御部２２（制御手段）を有している。レーザ照射部２１は、たとえばステージ１１外から伸びたアーム２５に取り付けられている。このレーザ照射部２１は、２つの軸（軸２６および軸２７）を中心に、それぞれモータ（不図示）によって回転する。なお、このようなアーム２５ではなく、多軸ロボットのアーム先端にレーザ照射部２１を設けて、自在にレーザ光の向きを変えられるようにしてもよい。

制御部２２は、後述する切断線に沿ってレーザ光が照射されるように各軸２６および２７のモータを制御している。また制御部２２は、レーザ照射のオン／オフ、スクラップ除去部１３の動作も制御している。この制御部２２は図１（ｂ）中に図示したが、制御部２２がステージ１１近傍にある必要はなく、信号線などにより各部と接続されていて、レーザ光の向きを自在に制御できればどこにあってもよい。

レーザ照射部２１は図示しないレーザ発生源に接続されていて、レーザ発生源から導かれたレーザ光がレーザ照射部２１先端から射出されるものである。

スクラップ除去部１３は２つの電極タブ（正極タブと負極タブ）を形成する際に、それぞれから出るスクラップを除去するために同じものが２つ設けられている。それぞれのスクラップ除去部１３は、アーム３１と、アーム３１の先端に設けられている吸着パッド３２とを有する。また、吸着パッド３２が円弧（図示ａ）を描くように支点３３を軸にしてアーム３１を移動させるモータ（不図示）を有する。また、図示しないが吸着パッド３２の電極箔１１１（１１２）との当接面には、吸引口が設けられていて、電極箔１１１（１１２）を吸着する。そしてこの吸着動作のためにエアー吸引器が設けられている。

ここで、電池の一例について説明する。図２はラミネート封止された電池の外観を示す斜視図である。また、図３（ａ）はタブ形成前の状態を示す平面図、図３（ｂ）はタブ形成後の状態を示す平面図である。

ここで説明する電池１００は、発電要素がラミネートフィルムにより封止された電池である。周知のように、ラミネートフィルムは、金属箔（たとえばアルミニウム箔）が樹脂フィルムにはさまれた積層フィルム構造である。そしてラミネートフィルムで外装（封止）された電池１００は、全体がラミネートフィルム２００によって覆われており、内部に発電要素がある。図示する電池１００では、ラミネートフィルム２００によって覆われている部分（発電要素が内包されている）を本体部分１１０という。そして、この電池１００では、一つの辺から電極端子となるタブが２つ（正極タブ１０１と負極タブ１０２）引き出されている。ラミネートフィルム２００は、その周囲の縁部分２１０で熱融着または接着剤などにより接着されて封止されている。

この電池１００では、タブ形成前の状態では、図３（ａ）に示すように、タブが形成される前の電極箔１１１および１１２がそのまま本体部分１１０の外に出ている。電極箔１１１および１１２は、正極用と負極用の２つである。このような電極箔１１１および１１２をレーザ切断によって、図３（ｂ）に示すように、正極タブ１０１と負極タブ１０２の形状に形成するのである。

次に、レーザ切断装置１による切断動作を説明する。

図４および５は、レーザ切断装置１による切断動作を説明するための説明図である。

レーザ切断装置１による切断動作は、まず、図４（ａ）に示すように、ステージ１１上に電池１００を置く。電池１００は電極箔１１１および１１２がタブ形状に切断加工される前の状態（タブ加工前という）である。このときスクラップ除去部１３は図４（ａ）に示したとおり開いた状態である。タブ加工前の電池１００をステージ１１上に置く際には、電極箔１１１および１１２部分が台座１４上に来るように位置決めする。なお、この位置決めのためには、たとえばステージ１１に電池１００の端を突き当てて位置決めする突き当て部材などを設けておいてもよい。

続いて、図４（ａ）に示した状態のまま、タブ加工前の電池１００の電極箔１１１および１１２に、あらかじめ決められた切断線に沿ってレーザ照射部２１からレーザ光を照射する。この切断線については後述する。

切断終了後、図４（ｂ）に示すように、支点３３を軸にしてアーム３１を傾倒させて電池１００の電極箔１１１および１１２上に吸着パッド３２をもってくる。この状態で吸着パッド３２がスクラップ１２０を吸着する。

その後、図５に示すように、吸着パッド３２を元の位置に戻す。このとき吸着パッド３２は円弧状に移動する。したがって、スクラップ１２０は電池１００の電極箔１１１および１１２に対して垂直上方に持ち上げられるのではなく、吸着パッド３２が開く方向である、支点３３の上方の方向に斜め（図示矢印ｂ方向）に引き離されることになる。

なお、スクラップ１２０は、吸着パッド３２がおおむね４５度乃至９０度開いたところで、吸着力を切ってスクラップ１２０を落下させて回収する。

次に、レーザ切断時の切断線（レーザ光の照射軌跡）について説明する。

図６は、電極箔へのレーザ光の照射軌跡となる切断線を説明するための電極箔部分の拡大平面図である。

レーザ光の照射軌跡となる切断線は、一筆書きでレーザ光が照射できるように設定している。そして切断線の一部が重複している。すなわち図示するように、レーザ光の軌跡となる切断線は、経路ａから開始して、経路ａに続く経路ｄを経て、経路ｂを通り、さらに経路ｂに重複する経路ｃを通り、再び経路ｄ、経路ｂを通り、経路ｅ、ｆ、ｇを経て、経路ｆに重複する経路ｈを通り、再び経路ｆ、ｇを経て、経路ｉを通り、抜けて行く。ここで重複している経路ｂとｃ、経路ｆとｈはそれぞれ完全に同じ線上ではなく、経路ｂ、ｆに対して経路ｃ、ｈがスクラップ１２０側となる領域の方にずれている。このずれ分が経路ｄとｇである。これにより切り離されたスクラップ１２０と共に、経路ｂ、ｃ、ｄと経路ｆ、ｇ、ｈによるほぼ三角形の２つの島状スクラップ１２１ができる。ここでは経路ａ、ｂ、ｄ、ｅ、ｆ、ｇ、およびｉが第１切断線、経路ｃおよびｈが第２切断線となる。したがって、第２切断線は第１切断線の途中に、第１切断線の一部に沿って設定したものとなっている。

なお、経路ｄ、ｂ、ｃと、経路ｆ、ｇ、ｈのそれぞれは順番が逆でもよい。すなわち、図７に示すように、全体の経路として経路ａ、ｃ’、ｂ’、ｄ’を通り、再びｃ’を経て、経路ｈ’、ｇ’、ｆ’を通り、再び経路ｈ’を通り、経路ｉを通って抜ける順となるようにしてもよい。この場合、一筆書きでレーザを照射する際の切断線のレーザ軌跡の進行方向が、第２切断線を先に行うようになるだけで、その効果は同じである。

このように島状スクラップ１２１ができるように切断線を設定することで、製品となるタブ１０１側で発生したバリとスクラップ１２０側で発生したバリが島状スクラップ１２１の分だけ離れることになる。このため、スクラップ１２０を引き離す際にこの部分でのバリが引っ掛からなくなる。切り出された島状スクラップ１２１は、非常に小さな物となるので、たとえば、吸引機（吸引掃除機）などにより吸い取って回収すればよい。

なお、図においては、正極タブ１０１となる電極箔１１１のみ示したが、負極タブ１０２となる電極箔１１２も同じ形状であるので、同様に第１切断線および第２切断線を設定する。

重複経路を設定する好ましい位置は、切断線の全経路長に渡る必要はなく、図示するようにその一部であればよい。これは、スクラップ１２０を除去する際の方向とスクラップ１２０を吸着パッド３２により吸着する位置によって決まってくる。

本実施形態では、前述のように、スクラップ１２０を除去する際には、吸着パッド３２によりスクラップ１２０を吸着して、吸着パッド３２を円弧状に移動させて取り去っている。このため、平面視（電極箔を上から見たとき）において、吸着パッド３２が描く円弧の軌跡と同じ方向の切断線の経路ｂおよびｆは、タブ１０１とスクラップ１２０とのギャップ（切断部）が広がらない。このため、この経路ｂおよびｆでは、スクラップ１２０を除去する際に、バリ同士が擦れる方向に移動することになって引っ掛かりやすいのである。一方、吸着パッド３２の移動軌跡と垂直な方向の切断線の経路ａ、ｄ、ｅ、ｇ、およびｉでは、平面視においてタブ１０１とスクラップ１２０とのギャップが広がる方向に移動することになる。このためバリがそのまま離れる方向に移動されることになって引っ掛かりにくい。

上述した切断線の例では、平面視（電極箔を上から見たとき）において、吸着パッド３２が描く円弧の軌跡と同じ方向の第１切断線の経路ｂおよびｆに沿うように、それぞれ第２切断線の経路ｃおよびｈを設けた。これはすでに説明した通りであり、最も好ましい形態である。

しかしこれに限定されず、たとえば平面視（電極箔を上から見たとき）において、吸着パッド３２が描く円弧の軌跡と同じ方向のいずれか一方の経路にのみ重複する第２切断線を設けただけとしてもよい。

これは、スクラップ１２０に対する吸着パッド３２の吸着位置に関係する。吸着位置が切断線に近いく、かつ、広い部分を吸着するほど、バリが引っ掛かっても影響が少ない。これは吸着パッド３２で吸着される位置に近い切断線部分では、スクラップ１２０の形状が変形しづらいため、その部分でバリが引っ掛かったとしても変形せずに抜けて除去できる。一方、吸着パッド３２で吸着された位置から遠い切断線部分では、変形しやすいためバリが引っ掛かると、引っ掛かったまま変形してスクラップ１２０が抜けなくなることがある。このため、第１切断線に沿う第２切断線は、凹形状となっているスクラップ１２０の２つ突出部１２５および１２６のうち、突出部１２５の部分を吸着した場合には、その吸着位置から遠い側の突出部１２６側に設けるだけでも効果がある。

これらをまとめると第１切断線の一部に沿う第２切断線を設ける位置は、以下のとおりとなる。

第１に、スクラップ１２０を除去する際に、斜め上方にスクラップ１２０を移動させて除去する。このとき第１切断線による切断によってできたギャップが、平面視において広がらない部分に沿う位置に第２切断線を設定する。特に、平面視において広がらない部分となるすべての第１切断線の経路部分に対して第２切断線を設けることが最も好ましい。

第２に、スクラップ１２０はタブ形状（製品形状）側に突出する２つの突出部が接続された凹形状を有しているので、この凹形状の２つの突出部のうちの一方を吸着パットで吸着する。そして第２切断線は吸着パッド３２で吸着しない側の突出部と製品形状との第１切断線に沿う領域に設ける。

なお、スクラップが凹形状ではなく、単純に矩形を切り落とすような場合には、第１切断線による切断によってできたギャップが、平面視において広がらない部分に沿う位置に第２切断線を設定するとよい。

このように、製品形状を切り出す全経路ではなく、バリにより引っ掛かりが発生しやすい部分にのみ、第２切断線を設定することで、確実にスクラップを除去すると共に可能な限りレーザ照射経路を短くすることができる。

以上説明した本実施形態によれば以下の効果を奏する。

（１）第１切断線の一部に沿って第２切断線を設けることで、レーザ照射によってできる切断後のタブ１０１および１０２（製品）側のバリと、スクラップ１２０（不要部分）側のバリの間に、２つのレーザ照射軌跡ができることになる。この第２切断線に沿ってレーザを照射した部分では、切断後のタブ（製品）側のバリと、スクラップ１２０（不要部分）側のバリとが直接接することがなくなり、この部分でバリ同士が引っ掛からなくなる。このためバリが最も引っ掛かりやすい部分でのバリの引っ掛かりが少なくなって、スクラップ１２０を確実に除去することができるようになる。

（２）第２切断線を第１切断線の途中に設けたことで、レーザ照射を止めることなく第１および第２切断線に沿ってレーザ光を照射できる。

（３）第１切断線と第２切断線を一筆書きとなるように設定することで、途中でレーザ照射を止めることなく一気に切断することができる。このため、レーザ照射時間を少しでも早くすることができる。

（４）第２切断線は、スクラップ１２０（不要部分）を除去する際に、平面視においてスクラップ１２０の移動に伴い、切断後の製品形状とスクラップ１２０との間におけるギャップが広がらない位置の第１切断線に沿う領域内に設定することとした。このため、スクラップ除去の際にバリが引っ掛かりやすい部分でバリが引っ掛からないようにできる。また、このように最もバリの引っ掛かりやすい部分に狙いをつけて、その部分だけ第２切断線を設けることとしたので、第１切断線のみで切る場合と比較してレーザ照射軌跡をできるだけ延ばさずに、スクラップ除去を確実に行うことができる。

（５）スクラップ１２０（不要部分）は、タブ１０１および１０２（製品形状）側に突出する２つの突出部１２５および１２６が接続された凹形状を有している。スクラップ１２０の除去は突出部のうちの一方の突出部１２５の部分を吸着パット３２で吸着して除去するので、第２切断線は吸着パッド２３で吸着しない側の突出部１２６側に、第１切断線に沿って設けた。これによりスクラップ除去の際にバリがより引っ掛かりやすい部分でバリが引っ掛からないようにできる。

（６）制御部２２により、レーザ照射部２１から照射されるレーザ光を上述した第１切断線および第２切断線に沿って照射するように制御することとした。これにより第２切断線に沿ってレーザを照射した部分では、バリの引っ掛かりが少なくなって、スクラップ１２０を確実に除去することができるようになる。

以上本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

たとえば、第１切断線に対して、第２切断線をほぼ平行にスクラップ（不要部分）側の領域に設定してもよい。この場合、島状スクラップはほぼ四角形の形状となる。

また、島状スクラップができない程度のわずかな量だけ第２切断線を平行にスクラップ側の領域にずらして設定してもよい。この場合、第１切断線に従ってレーザ光を照射した部分の上から第１切断線に対して戻る方向にもう一度レーザ光を照射することになり、これが第２切断線となる。そして、一筆書きでレーザ照射を続ける場合、さらに第１切断線の方向にレーザ光を照射することになる。したがって、この場合、レーザ光の照射が同一経路上を３回行われることになる。このため第１切断線のレーザ照射によってできたバリがさらに２回のレーザ照射によって溶けて消失することになり、バリそのものが少なくなって引っ掛かりがなくなる。ただし、第１切断線と完全に同じ位置に第２切断線を設定してしまうと、同じ切断線上をレーザ光が数回にわたり照射されることになる。このためレーザ光により消失する領域が大きくなって製品形状を小さくしてしまうおそれがある。そこで、第２切断線は、第１切断線に対して島状スクラップができない程度に、わずかにスクラップ側の領域に設定することが好ましい。

また、第２切断線を経路ｂ、ｆに沿う部分だけでなく、経路ｅに沿う部分にも設けてもよい。このようにすることで、レーザ光の照射経路は長くなるものの、バリの引っ掛かりがより少なくなって、いっそう確実にスクラップ１２０を除去することができる。

また、レーザ照射後にスクラップ除去のための吸着パッド３２を降ろすこととしているが、これは、レーザ光とスクラップ除去装置（主に吸着パッド３２およびアーム３１）が干渉することを避けるためである。したがって、レーザ照射中であってもレーザ光とスクラップ除去装置が干渉しないように配置することで、レーザ照射前に吸着パッド３２を電極箔１１１および１１２側に降ろしておいて、レーザ切断後、吸着パッド３２を上げるようにしてもよい。これによりレーザ照射前の段階で電極箔１１１および１１２を吸着パッド３２によって押さえておくことができる。

また、電池として、一方の辺から２つの電極タブが引き出された形態を例に説明したが、このような形態の電池に限らず、たとえば、対向する２辺からそれぞれ電極タブが引き出された形態の電池においても適用可能である。

さらに、上述した実施形態は、切断対象であるシート状部材として、電池のタブ形状を形成することを例に説明したが、本発明は電池のタブ形成に限らず、さまざまなシート状部材のレーザ切断に応用することができる。

そのほか、本発明は特許請求の範囲に既定した構成を有するものであれば、ここに説明した以外の構成が付加されまたは一部が存在しない構成などであってもよく、さまざまな形態が本発明に含まれることはいうまでもない。

１ レーザ切断装置、
１１ ステージ、
１２ レーザ照射装置、
１３ スクラップ除去部、
１４ 台座、
２１ レーザ照射部、
２２ 制御部、
２５ アーム、
３２ 吸着パッド、
３３ 支点、
１００ 電池、
１０１、１０２ タブ、
１１０ 本体部分、
１１１、１１２ 電極箔、
１２０ スクラップ、
１２１ 島状スクラップ、
１２５、１２６ 突出部。

Claims (6)

1. シート状部材から製品形状を切り出す第１切断線の一部に沿い、かつ前記第１切断線よりも切断後不要部分として除去する側の領域にさらにレーザ照射を行う第２切断線を設定し、前記第１切断線および前記第２切断線に沿ってレーザ光を照射することを特徴とするレーザ切断方法。
2. 前記第２切断線は、前記第１切断線の途中に沿う領域に設定することを特徴とする請求項１記載のレーザ切断方法。
3. 前記第２切断線は、前記第１切断線と共に一筆書きとなるように設定することを特徴とする請求項１または２記載のレーザ切断方法。
4. 前記第２切断線は、前記不要部分を除去する際に、平面視において前記不要部分の移動に伴い、切断後の製品形状と前記不要部分との間のギャップが広がらない前記第１切断線に沿う領域内に設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
5. 前記不要部分は、製品形状側に突出する２つの突出部が接続された凹形状を有し、前記不要部分の除去は前記突出部のうちの一方の突出部を吸着パットで吸着して除去し、前記第２切断線は前記吸着パッドで吸着しない側の突出部と製品形状との間の前記第１切断線に沿う領域に設けることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のレーザ切断方法。
6. レーザ照射手段と、請求項１〜５のいずれか一つに記載のレーザ切断方法により第１切断線および第２切断線に沿うように前記レーザ照射手段から照射されるレーザ光の照射方向を制御する制御手段と、を有することを特徴とするレーザ切断装置。

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