JP2016002566A - レーザ照射ノズル、及び、電極体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被溶接部材の溶接個所から周辺への伝熱を抑制可能なレーザ照射ノズル、及び電極体製造方法を提供する。【解決手段】レーザ照射ノズル１は、被溶接部材のレーザ溶接に用いられる。レーザ照射ノズル１は、レーザ光Ｌを出力する筒状の本体部１０と、本体部１０に設けられ冷媒Ｃが流通する冷媒流路２０と、を備える。本体部１０の一端１１には、レーザ光Ｌが出射する開口１１ｈと、被溶接部材に接触する接触面１１ｓと、が設けられている。冷媒流路２０は、本体部１０に沿って接触面１１ｓに至るように延在している。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ照射ノズル、及び、電極体製造方法に関する。

特許文献１には、レーザ加工ヘッドが記載されている。このレーザ加工ヘッドは、加工ヘッド本体と、加工ヘッド本体の先端部に装着されたノズルと、を備えている。ノズルは、ヘッド本体の先端部に着脱可能に取り付けられたノズル本体と、ノズル本体の先端部に着脱可能に取り付けられたノズルチップと、から構成されている。ノズルチップの先端部には、レーザ光の光軸と一致する孔軸のノズル孔が形成されている。また、ノズルチップの周壁内には、冷却水流路が形成されている。

特開平８−１５５６６９号公報

上述したレーザ加工ヘッドは、冷却水流路に冷却水を流通させることにより、ノズルチップの温度上昇の抑制を図っている。ところで、レーザ溶接により溶接される被溶接部材の溶接個所の周辺には、耐熱性の比較的低い周辺部品が配置されている場合がある。そのような場合には、被溶接部材の溶接個所から周辺部品に熱が伝わることによって、当該周辺部品が過熱されて破損してしまうおそれがある。

本発明は、被溶接部材の溶接個所から周辺への伝熱を抑制可能なレーザ照射ノズル、及び電極体製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ照射ノズルは、被溶接部材のレーザ溶接に用いられるレーザ照射ノズルであって、レーザ光を出力する筒状の本体部と、本体部に設けられ冷媒が流通する冷媒流路と、を備え、本体部の一端には、レーザ光が出射する開口と、被溶接部材に接触する接触面と、が設けられており、冷媒流路は、本体部に沿って接触面に至るように延在している。

このレーザ照射ノズルにおいては、本体部の一端には、レーザ光が出射する開口が設けられている。また、その開口が設けられた本体部の一端には、被溶接部材に接触する接触面が設けられている。したがって、このレーザ照射ノズルによれば、接触面を介して本体部の一端を被溶接部材に接触させた状態において、開口を介したレーザ光の照射により被溶接部材のレーザ溶接を行うことが可能である。特に、このレーザ照射ノズルにおいては、本体部に対して、本体部の接触面に至るように延在する冷媒流路が設けられている。したがって、上述したように、本体部の一端を被溶接部材に接触させつつレーザ溶接を行う際に、冷媒流路を流通する冷媒によって、本体部の一端と被溶接部材との接触箇所を冷却することができる。つまり、このレーザ照射ノズルによれば、レーザ溶接の際に、被溶接部材の溶接個所から周辺への伝熱を抑制可能である。その結果、被溶接部材の周辺に耐熱性の比較的低い周辺部品が配置されていても、当該周辺部品が過熱により破損することが抑制される。

本発明に係るレーザ照射ノズルにおいては、冷媒流路は、本体部に埋設されていてもよい。この場合、より効果的に被溶接部材を冷却することができる。

本発明に係るレーザ照射ノズルにおいては、冷媒流路は、本体部の外側面に取り付けられていてもよい。この場合、本体部に対して比較的容易に冷媒流路を設けることが可能である。

本発明に係るレーザ照射ノズルにおいては、本体部の一端には、フランジが設けられており、接触面は、フランジに設けられていてもよい。この場合、本体部の一端と被溶接部材との接触面積を比較的大きくすることが可能である。したがって、被溶接部材の溶接個所からの伝熱を確実に抑制可能である。

本発明に係るレーザ照射ノズルにおいては、被溶接部材は、電極体における電極部から延在し集電部材上に配置された集電部、又は、集電部材及び集電部上に載置された板部材であってもよい。このように、被溶接部材が電極体における集電部や、その集電部上に配置された板部材である場合には、溶接個所から周辺への伝熱を抑制することがより有効である。これは、耐熱性が比較的低いセパレータやシール部材等が溶接個所の周辺に配置される場合があるためである。

本発明に係る電極体製造方法は、上記のレーザ照射ノズルを用いたレーザ溶接によって電極体を製造する電極体製造方法であって、本体部の接触面を集電部又は板部材に接触させた状態において、開口を介したレーザ光の照射を行う。

この電極体製造方法においては、上述したレーザ照射ノズルを用いて、レーザ溶接を行う。したがって、被溶接部材である集電部や板部材の溶接個所からの伝熱を抑制することができる。したがって、例えばセパレータやシール部材等の周辺部品が過熱により破損することを抑制しつつ、電極体を製造することができる。

本発明によれば、被溶接部材の溶接個所から周辺への伝熱を抑制可能なレーザ照射ノズル、及び電極体製造方法を提供することができる。

本実施形態に係るレーザ照射ノズルの概略構成を示す断面図である。 本実施形態に係る電極体製造方法の主要な工程を示す斜視図である。 図２に示された正極及び負極の概略構成を示す平面図である。 本実施形態に係る電極体製造方法の主要な工程を示す模式的な断面図である。 図１に示されたレーザ照射ノズルの変形例を示す断面図である。 図１に示されたレーザ照射ノズルの変形例を示す部分的な断面図である。

以下、本発明に係るレーザ照射ノズル、及び電極体製造方法の一実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一の要素同士、或いは相当する要素同士には、互いに同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係るレーザ照射ノズルの概略構成を示す断面図である。特に、図１の（ａ）はレーザ照射ノズルの長手方向に沿った部分的な断面図である。また、図１の（ｂ）は図１の（ａ）のIb−Ib線に沿った断面図である。図１に示されるように、レーザ照射ノズル１は、レーザ光Ｌを出力する本体部１０と、本体部１０に設けられ冷媒Ｃが流通する冷媒流路２０と、本体部１０の内部空間Ｓ１０に配置された光学系３０と、を備えている。

本体部１０は、一例として、長尺の角筒状を呈している。本体部１０の一端１１には、レーザ光Ｌが出射する開口１１ｈが設けられている。また、本体部１０の一端１１には、被溶接部材（一例として後述する保護板６１，６２）に接触する接触面１１ｓが設けられている。接触面１１ｓは、本体部１０の一端１１における端面である。接触面１１ｓは、開口１１ｈの外縁を規定するように矩形環状に延在している。本体部１０は、例えば、伝熱性に優れる銅等の材料から構成される。

冷媒流路２０は、本体部１０に沿って接触面１１ｓに至るように延在している。ここでは、冷媒流路２０は、本体部１０に埋設されている。より具体的には、冷媒流路２０は、本体部１０の内側面１０ａと外側面１０ｂとの間に設けられている。冷媒流路２０は、本体部１０の長手方向に沿って接触面１１ｓに至るように延在している。また、冷媒流路２０Ａは、本体部１０の長手方向からみて（例えば図１の（ｂ）の断面において）、本体部１０の内側面１０ａ及び外側面１０ｂに沿うように矩形環状に延在している。

換言すれば、冷媒流路２０は、本体部１０の長手方向からみて開口１１ｈを囲うように延在している。したがって、冷媒流路２０は、一例として角筒状に形成されている。このような冷媒流路２０には、冷媒Ｃが充填され流通される。冷媒Ｃとしては、例えば、イソブタン等や水等を用いることができる。

光学系３０は、上述したように、本体部１０の内部空間Ｓ１０内に配置されている。光学系３０は、レーザ光Ｌを本体部１０の一端１１から被溶接部材に向けて出力させるためのものである。光学系３０は、光導波路３１と集光素子３２とを含む。光導波路３１は、レーザ光源（不図示）から発振されたレーザ光Ｌを本体部１０の内部空間Ｓ１０まで導波する。光導波路３１は、例えば光ファイバである。

集光素子３２は、光導波路３１の端面に光学的に結合されている。集光素子３２は、光導波路３１の端面から出射されたレーザ光Ｌを集光する。集光素子３２は、例えば凸状の球面レンズである。集光素子３２により集光されたレーザ光Ｌは、本体部１０の一端１１の開口１１ｈから出射されて被溶接部材に照射される。

引き続いて、以上のようなレーザ照射ノズル１を用いたレーザ溶接によって電極体を製造する電極体製造方法について説明する。本実施形態に係る電極体製造方法は、一例として、リチウムイオン二次電池等の非水電解質二次電池等に用いられる電極体（電極組立体）を製造する方法である。電極体は、一例として、後述するように電極（正極及び負極）を複数積層すると共に、それらの電極の集電タブを集電端子に溶接することにより製造される。集電タブと集電端子との溶接には、レーザ溶接が用いられる。そこで、まず、図１に示されるように、上述したレーザ照射ノズル１を用意する（工程Ｓ１０１）。

続いて、図２に示されるように、電極積層体４０を用意する（工程Ｓ１０２）。電極積層体４０は、複数の電極（正極４１及び負極４２）を互いに積層して構成される。より具体的には、電極積層体４０は、正極４１と負極４２とをセパレータ４３を介して交互に複数積層することにより構成される。図３の（ａ）は、正極４１の模式的な平面図であり、図３の（ｂ）は負極４２の模式的な平面図である。

図３に示されるように、正極４１は、金属箔に活物質層を設けて構成される電極部（塗工部）４１ａと、電極部４１ａから延在す集電部（集電タブ）４１ｂと、を含む。正極４１の金属箔は、例えばアルミニウム箔である。正極４１の活物質層は、例えば、複合酸化物、金属リチウム、及び、硫黄等を含む。複合酸化物は、例えば、マンガン、ニッケル、コバルト、及びアルミニウムの少なくとも１つと、リチウムとを含む。集電部４１ｂは、金属箔における活物質層が設けられていない部分（未塗工部）である。

負極４２は、金属箔に活物質層を設けて構成される電極部（塗工部）４２ａと、電極部４２ａから延在する集電部（集電タブ）４２ｂと、を含む。負極４２の金属箔は、例えば銅箔である。負極４２の活物質層は、例えば、黒鉛、高配向性グラファイト、メソカーボンマイクロビーズ、ハードカーボン、及びソフトカーボン等のカーボン、リチウム及びナトリウム等のアルカリ金属、金属化合物、ＳｉＯｘ（０．５≦ｘ≦１．５）等の金属酸化物、並びに、ホウ素添加炭素を含む。集電部４２ｂは、金属箔における活物質層が設けられていない部分（未塗工部）である。

なお、セパレータ４３は、例えば、ポリエチレン（ＰＥ）及びポリプロピレン（ＰＰ）等のポリオレフィン系樹脂からなる多孔質フィルム、並びに、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及びメチルセルロース等からなる織布や不織布等である。

図２に示されるように、この工程Ｓ１０２においては、以上のような正極４１及び負極４２を、集電部４１ｂ同士が互いに積層されるように、且つ、集電部４２ｂ同士が互いに積層されるように、複数積層して電極積層体４０を構成する。そして、互いに積層された複数の集電部４１ｂは、正極側の集電端子（集電部材）５１上に配置される。また、互いに積層された複数の集電部４２ｂは、負極側の集電端子５２上に配置される。

すなわち、この工程Ｓ１０２においては、電極体における電極部４１ａから延在する集電部４１ｂを複数層に積層して集電端子５１上に配置すると共に、電極体における電極部４２ａから延在する集電部４２ｂを複数層に積層して集電端子５２上に配置する。なお、集電端子５１は、例えば、正極４１の金属箔と同一の材料から矩形平板状に構成される。また、集電端子５２は、例えば、負極４２の金属箔と同一の材料から矩形平板状に構成される。

ここで、以下では、正極４１側の工程について主に説明するが、負極４２側についても同様の工程を行うことができる。すなわち、続く工程においては、図４に示されるように、集電端子５１及び集電部４１ｂ上に金属製の保護板（板部材）６１を載置する（工程Ｓ１０３）。保護板６１は、例えば、正極４１の金属箔及び集電端子５１と同一の材料から構成される。保護板６１は、集電部４１ｂと共に集電端子５１に溶接される。なお、保護板６１は、例えば、溶接後において、箔状の集電部４１ｂが剥離したり損傷したりすることを抑制する。

続いて、本体部１０の一端１１が接触面１１ｓにおいて保護板６１に接触するように、レーザ照射ノズル１を配置する（工程Ｓ１０４）。このとき、レーザ照射ノズル１を保護板６１及び集電部４１ｂに向けて所定距離だけ押し込むことにより、保護板６１を介して本体部１０から集電部４１ｂに所定の荷重Ｆを加えるようにする。これは、積層された複数の集電部４１ｂ同士を互いに密着させるためである。したがって、ここで集電部４１ｂに加える所定の荷重Ｆは、集電部４１ｂ同士を互いに密着させるのに十分な程度の荷重である。また、レーザ照射ノズル１を保護板６１に向けて押し込んで、本体部１０から保護板６１に圧力をかけることにより、保護板６１から本体部１０へ熱が伝わりやすくなる。

このように、ここでは、本体部１０の一端１１に接触する被溶接部材は、集電端子５１及び集電部４１ｂ上に載置された保護板６１である。ただし、レーザ溶接に際して保護板６１を用いない場合には、本体部１０の一端１１に接触する被溶接部材は、電極体における電極部４１ａから延在し集電端子５１上に配置された集電部４１ｂとなる。

続いて、集電部４１ｂに所定の荷重Ｆを加えた状態を維持しつつ（すなわち、本体部１０の一端１１を接触面１１ｓを介して保護板６１に接触させた状態において）、本体部１０の開口１１ｈを介したレーザ光Ｌの照射を行う（工程Ｓ１０５）。このとき、レーザ照射ノズル１は、本体部１０からレーザ光Ｌを出力してレーザ光Ｌを保護板６１に照射する。これにより、保護板６１側から集電部４１ｂを通じて集電端子５１側に溶融部分Ｍが進行し、保護板６１と集電部４１ｂと集電端子５１とが互いに溶接される。これにより、複数の正極４１の電極部４１ａと集電端子５１とが各集電部４１ｂを介して電気的に接続される。

この工程Ｓ１０５においては、例えば、本体部１０の一端１１（接触面１１ｓ）が保護板６１に接触（密着）している状態において、内部空間Ｓ１０からレーザ光Ｌの照射領域（保護板６１におけるレーザ光Ｌが照射される領域）に向けてアシストガスを供給しながら、レーザ光Ｌの照射を行ってもよい。アシストガスとしては、被溶接部材の材料等に応じて種々のガスを用いることができるが、一例として、窒素ガス等の不活性ガスである。また、この工程Ｓ１０５においては、レーザ光Ｌの照射領域に供給されたアシストガスを吸引しながら、レーザ光Ｌの照射を行ってもよい。

以上の工程Ｓ１０３〜Ｓ１０５を、負極４２側に対して同様にして行うことにより、負極４２の集電部４２ｂ、集電端子５２、及び、それらに対応する保護板についても互いに溶接する。これにより、複数の負極４２の電極部４２ａと集電端子５２とが各集電部４２ｂを介して電気的に接続される。これにより、電極体が製造される。

以上説明したように、本実施形態に係るレーザ照射ノズル１においては、本体部１０の一端１１には、レーザ光Ｌが出射する開口１１ｈが設けられている。また、その開口１１ｈが設けられた本体部１０の一端１１には、被溶接部材に接触する接触面１１ｓが設けられている。したがって、本実施形態に係るレーザ照射ノズル１によれば、接触面１１ｓを介して本体部１０の一端１１を被溶接部材に接触させた状態において、開口１１ｈを介したレーザ光Ｌの照射により被溶接部材のレーザ溶接を行うことが可能である。

特に、本実施形態に係るレーザ照射ノズル１においては、本体部１０に対して、本体部１０の接触面１１ｓに至るように延在する冷媒流路２０が設けられている。したがって、上述したように、本体部１０の一端１１を被溶接部材に接触させつつレーザ溶接を行う際に、冷媒流路２０を流通する冷媒Ｃによって、本体部１０の一端１１と被溶接部材との接触箇所を冷却することができる。つまり、本実施形態に係るレーザ照射ノズル１によれば、レーザ溶接の際に、被溶接部材の溶接個所から周辺への伝熱を抑制可能である。その結果、被溶接部材の周辺に耐熱性の比較的低い周辺部品が配置されていても、当該周辺部品が過熱により破損することが抑制される。

また、本実施形態に係るレーザ照射ノズル１においては、上述したように、本体部１０の一端１１に接触する被溶接部材が、一例として、電極体における集電部４１ｂ上に載置された保護板６１である。このような場合には、溶接個所から周辺への伝熱を抑制することがより有効である。これは、耐熱性が比較的低いセパレータ４３やシール部材等が溶接個所の周辺に配置されているためである。

また、本実施形態に係る電極体製造方法においては、上述したレーザ照射ノズル１を用いて、レーザ溶接を行う。したがって、被溶接部材である保護板６１の溶接個所からの伝熱を抑制することができる。したがって、例えばセパレータ４３やシール部材等の周辺部品が過熱により破損することを抑制しつつ、電極体を製造することができる。

また、本実施形態に係る電極体製造方法においては、工程Ｓ１０５において、本体部１０の一端１１を保護板６１に接触させた状態において、レーザ光Ｌの照射領域にアシストガスを供給しながらレーザ光Ｌの照射を行うことができる。この場合、アシストガスによって溶接状態を良好に保つことができる。特に、本体部１０の一端１１が保護板６１に接触（密着）しているので、アシストガスが本体部１０の外に漏れにくい。このため、溶接時に生じるヒューム等を本体部１０の外に漏らすことなく、アシストガスのガス流により回収することができる。

また、本実施形態に係る電極体製造方法においては、工程Ｓ１０５において、レーザ光Ｌの照射領域に供給されたアシストガスを吸引しながらレーザ光Ｌの照射を行うことができる。この場合、本体部１０から導入されたアシストガスが自然に排気される場合と比較して、アシストガスの流速が向上する。その結果、ヒューム等を確実に回収することができる。

さらに、本実施形態に係る電極体製造方法においては、工程Ｓ１０５において、保護板６１を介して本体部１０から集電部４１ｂに所定の荷重Ｆを加えながらレーザ光Ｌの照射を行う。このため、複数積層された集電部４１ｂ同士を互いに密着させながら溶接を行うことができる。その結果、集電部４１ｂ同士の間に空隙が生じた状態で溶接が行われることが避けられ、溶接状態が良好となる。また、保護板６１から本体部１０へ熱が伝わりやすくなるので、溶接個所から周辺への伝熱をより確実に抑制可能である。

以上の実施形態は、本発明に係るレーザ照射ノズル及び電極体製造方法の一実施形態について説明したものである。したがって、本発明に係るレーザ照射ノズル及び電極体製造方法は、上述した形態に限定されない。本発明に係るレーザ照射ノズル及び電極体製造方法は、各請求項の要旨を変更しない範囲において、上述した形態を任意に変更することができる。

図５の（ａ）は、レーザ照射ノズル１の変形例を示す断面図である。図５の（ａ）に示される断面は、レーザ照射ノズル１の長手方向に交差する断面である。図５の（ａ）に示されるように、例えば、上述したレーザ照射ノズル１は、冷媒流路２０に代えて冷媒流路２０Ａを備えることができる。冷媒流路２０Ａは、冷媒流路２０と同様に、本体部１０に埋設されている。また、冷媒流路２０Ａは、冷媒流路２０と同様に、本体部１０の長手方向に沿って接触面１１ｓに至るように延在している。

ただし、冷媒流路２０Ａは、本体部１０の長手方向からみて（例えば図５の（ａ）の断面において）、開口１１ｈを囲うように環状に延在していない。すなわち、冷媒流路２０Ａは、本体部１０の長手方向からみて、一方向に沿ってのみ開口１１ｈを挟むように配置され、それぞれ直線上に延在している。このように、レーザ照射ノズル１においては、冷媒流路は、必ずしも開口１１ｈを囲うように設けられなくてもよく、被溶接部材Ａの伝熱を避けたい方向に対応して設けられていればよい。

図５の（ｂ）は、レーザ照射ノズル１の別の変形例を示す断面図である。図５の（ｂ）の断面は、レーザ照射ノズル１の長手方向に沿った部分的な断面図である。図５の（ｂ）に示されるように、レーザ照射ノズル１は、本体部１０に代えて本体部１０Ａを備えることができる。本体部１０Ａは、一端１１にフランジ１３が設けられている点において、本体部１０と相違している。

フランジ１３は、本体部１０Ａの内側面１０ａから外側面１０ｂに向かう方向に外側面１０ｂから突出する環状の凸部である。本体部１０Ａの接触面１１ｓは、このフランジ１３の底面として設けられている。この場合には、フランジ１３が設けられていない場合と比較して、接触面１１ｓが大きくなる。このため、本体部１０の一端１１と被溶接部材Ａとの接触面積を相対的に大きくすることが可能である。よって、被溶接部材Ａの溶接個所から周辺への伝熱を確実に抑制可能である。

図６は、レーザ照射ノズル１のさらに別の変形例を示す断面図である。図６に示される断面は、レーザ照射ノズル１の長手方向に沿った断面である。図６に示されるように、レーザ照射ノズル１は、冷媒流路２０に代えて冷媒流路２０Ｂを備えている。冷媒流路２０Ｂは、本体部１０の外側面１０ｂに設けられている。より具体的には、冷媒流路２０Ｂは、冷媒Ｃが流通するパイプ状を呈しており、本体部１０の外側面１０ｂにらせん状に巻き付けられている。冷媒流路２０Ｂは、全体として、本体部１０の長手方向に沿って接触面１１ｓに至るように延在している。この場合には、本体部１０に冷媒流路を埋設する場合と比較して、比較的容易に本体部１０に冷媒流路を設けることが可能である。

なお、レーザ照射ノズル１は、上述したような電極体製造方法に用いられる場合に限らず、種々の被溶接部材のレーザ溶接に用いることができる。

１…レーザ照射ノズル、１０，１０Ａ…本体部、１１…一端、１１ｈ…開口、１１ｓ…接触面、１３…フランジ、２０，２０Ａ，２０Ｂ…冷媒流路、４１ａ，４２ａ…電極部、４１ｂ，４２ｂ……集電部、５１，５２…集電端子（集電部材）、６１…保護板（板部材）、Ａ…被溶接部材、Ｃ…冷媒、Ｌ…レーザ光。

Claims (6)

1. 被溶接部材のレーザ溶接に用いられるレーザ照射ノズルであって、
   レーザ光を出力する筒状の本体部と、
   前記本体部に設けられ冷媒が流通する冷媒流路と、を備え、
   前記本体部の一端には、前記レーザ光が出射する開口と、前記被溶接部材に接触する接触面と、が設けられており、
   前記冷媒流路は、前記本体部に沿って前記接触面に至るように延在している、
   レーザ照射ノズル。
2. 前記冷媒流路は、前記本体部に埋設されている、
   請求項１に記載のレーザ照射ノズル。
3. 前記冷媒流路は、前記本体部の外側面に取り付けられている、
   請求項１に記載のレーザ照射ノズル。
4. 前記本体部の前記一端には、フランジが設けられており、
   前記接触面は、前記フランジに設けられている、
   請求項１〜３のいずれか一項に記載のレーザ照射ノズル。
5. 前記被溶接部材は、電極体における電極部から延在し集電部材上に配置された集電部、又は、前記集電部材及び前記集電部上に載置された板部材である、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載のレーザ照射ノズル。
6. 請求項５に記載のレーザ照射ノズルを用いたレーザ溶接によって電極体を製造する電極体製造方法であって、
   前記本体部の前記接触面を前記集電部又は前記板部材に接触させた状態において、前記開口を介したレーザ光の照射を行う、
   電極体製造方法。

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