JP2018043253A - レーザ切断装置およびレーザ切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】活性剤非塗布部の変形を防ぎ、機械式カッタと同等の切断速度で連続して切断を行うことができるレーザ切断装置を提供すること。【解決手段】レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ光を焦点位置に集光して照射する加工ヘッドと、被切断物である電極シートの活性剤非塗布部の位置を検出する検出器とを備え、加工ヘッドは、加工ヘッド内にガスを供給するためのガス導入口と、ノズルへのガス通路を開閉可能で、かつレーザ光が通過可能な可動式ウインドと、加工ヘッド内からガスを排出するためのガス排出口を備えており、検出した前記活性剤非塗布部を加工する際に、可動式ウインドでガス通路を閉鎖するとともに、ガス排出口を開口する。【選択図】図３

Description

本開示は、レーザを用いた切断装置および切断方法に関し、特に電極シートの切断に関するものである。

捲回式リチウムイオン電池は、正極シートと負極シートでセパレータシートを挟み、３枚のシートをロール状に巻いたものを円筒の缶に詰め、そこに電解液を注入して封止した構造となっている。電極シートは、厚さ１０μｍ程度のアルミ箔または銅箔等の金属箔の両面に活性剤を塗布した３層構造となっている。電極シートは、幅広の１枚の金属箔に活性層を塗布したものを原反とし、スリット切断を行い所望の幅に切り分けられる。

機械式カッタを使用した場合の電極シートのスリット切断では、カッタの刃が摩耗により劣化し、バリ発生等の品質悪化の問題が生じる。そのため、定期的にカッタを交換する必要がある。特に原反を巻取りながらロールカッタでスリット切断を行う方式では、連続して切断が行えるため生産性に優れているが、カッタ交換が必要となると生産性を低下させてしまうことになる。そこでレーザを用いたスリット切断が検討されている。

レーザを用いた切断は、集光した高エネルギ密度のレーザ光をワークに照射し、溶融させて切断するため、非接触での切断が可能となる。そのため機械式カッタのように、装置の劣化によるバリ発生を解消できる（例えば、特許文献１参照）。

このレーザ切断ではレーザ光に加えてアシストガスを利用する。アシストガスはレーザ光により溶融させた部分を下方へ吹き飛ばす役割がある。良好な切断を実現するためには、レーザ光の条件とアシストガスの条件を最適化しなければならない。最適なアシストガス条件はシートの材質や厚みにより異なるが、１ＭＰａ以上のガス圧が必要となる場合もある。

特開２０１５−２４４１６号公報

前述したように、リチウムイオン電池の電極シートは金属箔の両面に活性剤が塗布されているが、部分的に塗布されていない箇所がある。活性剤が塗布されていない部分（活性剤非塗布部）は端子接続部として利用される。活性剤が塗布されている部分（活性剤塗布部）は１００〜２００μｍの厚みを持つが、活性剤非塗布部は金属箔のみとなるため１０μｍ程度であり、活性剤塗布部に比べ強度が圧倒的に弱く、レーザ切断時にアシストガスにより変形してしまう。

厚さ１０μｍ程度の金属箔はレーザ光のみでの切断が可能であるため、活性剤非塗布部の切断時にアシストガスを遮断することで変形を防ぐことが可能である。しかし、通常の加工ヘッドはアシストガス経路のバルブが加工ヘッド外にあり、バルブを切替えてもヘッド内の残留ガスが噴出してしまうため、ガス流は漸近的な変化をする。漸近的に変化するガス流に対応するためには、活性剤塗布部と活性剤非塗布部の境界において、都度切断を止め、ガス流の切り替えが完了するのを待って切断を再開する、といった手法が考えられるが、この場合は連続して切断する場合に比べ生産性が低下する。

本発明は、高速でのアシストガス制御を行うことで、活性剤非塗布部の変形を防ぎ、機械式カッタと同等の切断速度（分速６０ｍ程度）で連続して切断を行うことができるレーザ切断装置を提供することを目的とする。

上記従来の課題を解決するために、本発明のレーザ切断装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器と、レーザ光を焦点位置に集光して照射する加工ヘッドと、被切断物である電極シートの活性剤非塗布部の位置を検出する検出器とを備え、加工ヘッドは、加工ヘッド内にガスを供給するためのガス導入口と、ノズルへのガス通路を開閉可能で、かつ前記レーザ光が通過可能な可動式ウインドと、加工ヘッド内からガスを排出するためのガス排出口を備えており、検出器で検出した活性剤非塗布部を加工する際に、可動式ウィンドウによりガス通路を閉鎖するとともにガス排出口を開口するものである。

また、本発明のレーザ切断方法は、被切断物である電極シートを加工ヘッドのノズルからガスを噴射しながらレーザ光を照射して切断するレーザ切断方法であって、電極シートの活性剤非塗布部の位置を検出し、その検出した活性剤非塗布部はレーザー光のみを照射して切断するものである。

これにより、活性剤塗布部と活性剤非塗布部を有する電極シートでも、活性剤非塗布部の変形を防止しつつ、機械式カッタと同等の切断速度で連続して切断を行うことができるので、高品質と高生産性を実現できる。

本発明によれば、活性剤非塗布部を変形させることなく連続して切断を行うことができ、高品質と高生産性を実現できる。

本発明の実施形態におけるレーザ切断装置の構成図 活性剤塗布部を切断する際の加工ヘッド部の拡大断面図 活性剤非塗布部を切断する際の加工ヘッド部の拡大断面図

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施形態におけるレーザ切断装置の構成図である。レーザ切断装置は、レーザ光を発振するレーザ発振器１０１を備え、そのレーザ光は伝送ファイバ１０２を通じて加工ヘッド２００へ導かれる。また、加工ヘッド２００はガス供給機１０３と接続されている。

ここで、切断対象物である電極シート１は、例えばリチウムイオン電池の電極シートであり、金属箔の両面に活性剤が塗布されているが、部分的に塗布されていない箇所がある。活性剤が塗布されていない部分（活性剤非塗布部４）は端子接続部として利用される。活性剤が塗布されている部分（活性剤塗布部３）は１００〜２００μｍの厚みを持つが、活性剤非塗布部４は金属箔のみとなるため１０μｍ程度であり、活性剤塗布部３に比べ強度が弱くなっている。

この電極シート１の原反はロール状に巻かれた幅広かつ長尺の１枚のシートであり、送りローラ１０５にセットされる。切断時は電極シート１が巻取ローラ１０６により巻き取られる。これにより電極シート１が加工ヘッド２００に対して直線的に移動し、電極シー
ト１の長手方向にスリット切断が行われる。

集光され高エネルギ密度となったレーザ光を照射することで、電極シート１を溶融する。その溶融した部分を、加工ヘッド２００の先端から噴出するガスにより下方へと吹き飛ばし、集塵装置１０４で回収する。

この場合、加工ヘッド２００及び加工ヘッドに接続される機器は全て固定されるため、切断時に光学系がずれることはなく、安定した切断が可能となる。レーザ切断では切断対象物とレーザ光焦点の位置関係が切断品質に大きく影響する。加工ヘッド２００近傍は支持ローラ１０７により上下から電極シート１を保持し、電極シート１の上下方向のぶれを抑制する。

また、加工ヘッド２００よりも送りローラ１０５側に、電極シート１の活性剤非塗布部４を検出する検出器１０８が取り付けてあり、活性剤非塗布部４を検出すると制御器１０９へ信号が送られる。

検出器１０８は発光素子と受光素子からなり、発光素子からセンサ光を走行中の電極シートに照射し、その反射光を受光素子にて感知する。センサ光は、活性剤と金属箔で反射率の異なる波長帯の光とし、受光素子で感知する光量の違いから活性剤塗布部と非塗布部を判別する。なお、ここで示した検出器１０８の構成は一例であり、これに限るものではない。検出器１０８は活性剤塗布部と活性剤非塗布部を判別できるものであれば良いが、非接触であるものが好ましい。

次に、加工ヘッド２００の構成について説明する。図２に示すように、ファイバ端２０１から出たレーザ光２は、加工ヘッド２００に取付けたコリメートレンズ２０２を通過すると平行光線となる。その後、集光レンズ２０３を通過することで焦点位置に向けて集光され、加工ヘッド先端のノズル２０４から照射される。

加工ヘッド２００は、集光レンズ２０３の下方に保護ウィンドウ２０５を備えており、加工ヘッド内への塵等の侵入により集光レンズ２０３が汚れることを防止する。

また、加工ヘッド２００はガス供給機１０３と接続されており、保護ウィンドウより下方に設けられたガス導入口２０６から加工ヘッド内にガスを供給し、ノズル２０４からアシストガスとして噴出する。切断時は必要に応じたガス圧でガスを供給するが、非切断時は微量のガスを加工ヘッドにパージし続けることで、ヘッド内部への塵等の侵入を防ぐこともできる。

ガス供給機１０３は、高圧のガスを供給できるものであればよいので、コンプレッサや圧縮ボンベを用いる。ここで、アシストガスは圧縮空気を想定しているが、電極シート１の材質により酸素や窒素などを用いてもよい。例えば、電極シート１が酸化による燃焼促進が見込まれる材質であれば、アシストガスに酸素を用いることで効率的なレーザ切断が可能となる。逆に、材料の酸化が電池作製時に悪影響を及ぼす場合は、窒素等の反応がないガスを使用すればよい。

次に具体的なレーザ切断加工について説明する。図２は電極シート１の活性剤塗布部３を切断する場合を示している。ガス導入口２０６から加工ヘッド２００にガスを供給し、ノズル２０４からアシストガスとして噴出する。このとき、ノズル２０４の近傍に設けられた可動式ウィンドウ２０９は開放されており、加工ヘッド２００のガス排出口２０７に接続された電磁弁２０８は閉じられている。図２にガスの流れを簡易的に矢印で示している。

図３は電極シート１の活性剤非塗布部４を切断する場合を示している。制御器１０９が検出器１０８からの信号を受けると、活性剤非塗布部４が加工ヘッド２００の下を通過するタイミングに合わせて、ガス排出口２０７の電磁弁２０８を動作させ、ガス排出口２０７を開口し、続いて可動式ウィンドウ２０９をスライド動作させて、ノズル２０４へのガス通路を閉塞する。これによりアシストガスは遮断される。

レーザ光２は可動式ウィンドウ２０９を透過するため、常にワークに照射される。前述したように、非塗布部は１０μｍ程度の金属箔であるためレーザ光のみで切断が可能である。これによりアシストガスによる電極シートの変形を防止する。

ガス排出口２０７を開口することで、可動式ウィンドウ２０９がアシストガスを遮断した時の加工ヘッド内の内圧上昇を回避し、可動式ウィンドウ２０９等の破損を防止する。

また、可動式ウィンドウ２０９が動作するより前に、ガス排出口２０７を開口することで可動式ウィンドウ２０９の動作抵抗を低減し、より高速での動作を実現することができる。

次いで、加工ヘッド２００の下を再び活性剤塗布部３が通過するときは、可動式ウィンドウ２０９がスライドしてノズル２０４へのガス通路を開放し、続いてガス排出口２０７が閉じることで、ノズル２０４からアシストガスを噴出する。

このように、ノズル２０４近傍にてガス流を制御することで、ガス流の漸近的な変化を抑制し、瞬時に切り替えることが可能となる。これにより、活性剤非塗布部４のガス流による変形を防ぎ、機械式カッタと同等の切断速度で連続して切断を行うことができる。よって、高品質と高生産性を実現できる。

なお、上記実施形態では、レーザ発振器が１台で１本のスリット切断を行う形態で説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、必要なスリット数に合わせてレーザ発振器及び加工ヘッドを用意し、並列に設置することで、同時に複数本の切断が可能となる。１台の制御器で複数の加工ヘッドを制御すれば、検出器及び制御器は１台でも複数本のスリット切断は可能である。これにより更に生産性を向上できる。

以上のように、本発明のシート切断装置は、リチウムイオン電池の電極シートのように、厚みが異なるシートのスリット切断に最適である。

１ 電極シート
２ レーザ光
３ 活性剤塗布部
４ 活性剤非塗布部
１０１ レーザ発振器
１０２ 伝送ファイバ
１０３ ガス供給機
１０４ 集塵装置
１０５ 送りローラ
１０６ 巻取ローラ
１０７ 支持ローラ
１０８ 検出器
１０９ 制御器
２００ 加工ヘッド
２０１ ファイバ端
２０２ コリメートレンズ
２０３ 集光レンズ
２０４ ノズル
２０５ 保護ウィンドウ
２０６ ガス導入口
２０７ ガス排出口
２０８ 電磁弁
２０９ 可動式ウィンドウ

Claims (5)

1. レーザ光を発振するレーザ発振器と、
   前記レーザ光を焦点位置に集光して照射する加工ヘッドと、
   被切断物である電極シートの活性剤非塗布部の位置を検出する検出器とを備え、
   前記加工ヘッドは、
   前記加工ヘッド内にガスを供給するためのガス導入口と、
   ノズルへのガス通路を開閉可能で、かつ前記レーザ光が通過可能な可動式ウインドと
   前記加工ヘッド内から前記ガスを排出するためのガス排出口を備えており、
   前記検出器で検出した前記活性剤非塗布部を加工する際に、
   前記可動式ウインドにより前記ガス通路を閉鎖するとともに前記ガス排出口を開口する、レーザ切断装置。
2. 前記ガスの種類は、前記電極シートの材質に応じて選択するようにした請求項１に記載のレーザ切断装置。
3. 前記ガス通路を閉鎖するタイミングと、前記ガス排出口を開口するタイミングを時間的にずらしたことを特徴とする請求項１に記載のレーザ切断装置。
4. 前記ガス排出口を開口してから、前記ガス通路を閉鎖することを特徴とする請求項３に記載のレーザ切断装置。
5. 被切断物である電極シートを加工ヘッドのノズルからガスを噴射しながらレーザ光を照射して切断するレーザ切断方法であって、
   前記電極シートの活性剤非塗布部の位置を検出し、前記検出器で検出した前記活性剤非塗布部はレーザー光のみを照射して切断する、レーザ切断方法。

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