JP2020524081A - 具体的にはバッテリの電極のための、リボンタイプの基体を別個の部片へと高スループットで切断するための方法およびデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、リボンタイプの基体（１１０）を別個の部片（１１８）へと高スループットで切断するための方法およびデバイスに関連する。この方法が、運動速度で運動経路に沿って基体（１１０）を搬送することと、基体（１１０）にｃｗレーザビーム（１１６）を照射することとを含み、レーザ源（１０４）から来るｃｗレーザビーム（１１６）が２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）を使用して偏向され、２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、搬送経路に対して垂直なｙ方向にｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように、例えば搬送経路に平行となるように、配置される回転軸を有するポリゴンスキャナ（４００）と、搬送経路に平行なｘ方向にｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように搬送経路に対して例えば横方向に配置される枢動軸を有するガルボスキャナ（４０２）とを備え、シングルスキャンにおいて、２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、搬送速度を補償するためなどポリゴンスキャナ（４００）により搬送経路に対して横向きのｙ方向にｃｗレーザビーム（１１６）を偏向されている間、ガルボスキャナ（４０２）によりｘ方向にｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように、制御され、その結果、ｃｗレーザビーム（１１６）が、基体（１１０）の長手方向である延在方向に対して垂直な方向において基体（１１０）の表面に沿って走査され、基体（１１０）を通る単一の切断箇所（６０２）を得るために、１組の複数の繰り返しのシングルスキャンが実施される。

Description

本発明は、リボンタイプの基体を別個の部片へと高スループットで切断するための方法およびデバイスに関する。この方法およびデバイスは、例えば、バッテリのための電極シートを分離することなどのために、適用され得る。

例えば電気自動車またはハイブリッド自動車などの用途においては、リチウム−イオン・バッテリなどのバッテリが、高エネルギー貯蔵能力（ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｃａｐａｃｉｔｙ）および／または高エネルギー貯蔵密度（ｈｉｇｈ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｄｅｎｓｉｔｙ）を有するように、大量に生産される必要がある。

最大限に高い体積利用率を有する高エネルギーのリチウム−イオン・バッテリを構築するためには、集電ホイル、ポリマー接着剤、および／または導電剤などの、不活性の電池構成要素を最小にしなければならない。また、厚い電極を作製することが可能であるが、厚い電極は例えば内在的特性を理由として脆弱なものとなる可能性がある。

現況技術のバッテリセル製造プロセスでは、セルのスループットを向上させるために早巻き技術（ｆａｓｔ ｗｉｎｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）が一般に適用される。しかし、一般に、クリティカルなフィルム厚さを有し高活性材料特性を有するアノードおよびカソードなどの電極は、おそらくは基体からフィルムを剥離させてひいては難しい操作中にセルの短絡を引き起こし得るフィルムクラッキングを誘発することなしに巻くことはできない。最後に、次世代の高エネルギーセルのための厚い電極は、例えば電極コイルなどとして提供されるリボンタイプの基体を用いない、電極分離プロセスを上流工程において必要とするような先進の積層技術によってのみしか組み立てることができない。

レーザ切断技術は、フィルムの機械的性質を理由として切断プロセス中にフィルムの剥離を引き起こす可能性のあるナイフ切断の代わりとして、リボンタイプの電極基体から電極シートを分離するための好適な技術である。

本発明は、独立形式請求項で定義される、特にはバッテリの電極のための、また具体的にはリチウムイオンバッテリの電極のための、リボンタイプの基体を別個の部片またはシートへと高スループットで切断するための方法およびデバイスを提案する。有利な実施形態が引用形式請求項および以下の明細書で定義される。

本発明の実施形態が、非常に高い切断速度でリボンタイプの基体を別個の部片へと切断するのを可能にすることができる。また、この切断プロセスは、分離された基体部片を、その電気的性質、機械的性質、および／または化学的性質に関して大幅には劣化しないような形で、確立され得る。例えば、切断プロセスの結果としての余計なばりが発生しない。したがって、例えばバッテリ生産で適用されることになるような、高スループットのおよび高品質の電気シート生産が実現され得る。

第１の態様によると、リボンタイプの基体を別個の部片へと高スループットで切断するための方法が提案される。この方法が、必須ではないが可能性として示される順序である、以下のステップを備える。すなわち、基体が搬送速度で搬送経路に沿って搬送される。基体に連続波（ｃｗ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）レーザビームが照射される。ここでは、レーザ源から来るｃｗレーザビームが、２Ｄポリゴンスキャナを使用して偏向される。２Ｄポリゴンスキャナが、（ｉ）搬送経路に対して垂直なｙ方向にｃｗレーザビームを偏向させるように配置される回転軸を有するポリゴンスキャナと、（ｉｉ）搬送経路に平行なｘ方向にｃｗレーザビームを偏向させるように配置される枢動軸を有するガルボスキャナと、を備える。例えば、ポリゴンスキャナが搬送経路に平行な回転軸を有することができ、ガルボスキャナが搬送経路に対して横向きの枢動軸を有することができる。この方法では、シングルスキャンにおいて、２Ｄポリゴンスキャナが、搬送速度を補償するためなど、ポリゴンスキャナにより搬送経路に対して横向きのｙ方向にｃｗレーザビームを偏向されている間、ガルボスキャナによりｘ方向にｃｗレーザビームを偏向させるように、制御され、その結果、ｃｗレーザビームが、基体の長手方向である延在方向に対して垂直な方向において基体の表面に沿って走査される。ここでは、基体を通る単一の切断箇所（ｓｉｎｇｌｅ ｃｕｔ）を得るために、１組の複数の繰り返しのシングルスキャンが実施される。

第２の態様によると、リボンタイプの基体を別個の部片へと高スループットで切断するための切断デバイスが提案される。デバイスが第１の態様の実施形態による方法を実施するように構成される。具体的には、デバイスが、一定の搬送速度で搬送経路に沿って基体を搬送するためのコンベアと、基体にｃｗレーザビームを照射するためのレーザ源と、レーザ源から来るｃｗレーザビームを偏向させるための上記で定義したポリゴンスキャナおよびガルボスキャナを有する２Ｄポリゴンスキャナと、２Ｄポリゴンスキャナの動作を制御するための制御装置と、を備えることができる。２Ｄポリゴンスキャナおよび制御装置は、シングルスキャンにおいて、搬送速度を補償するためなど、ポリゴンスキャナにより搬送経路に対して横向きのｙ方向にｃｗレーザビームを偏向されている間、ガルボスキャナによりｘ方向にｃｗレーザビームを偏向させるように、２Ｄポリゴンスキャナが制御され、その結果、ｃｗレーザビームが、基体の長手方向である延在方向に対して垂直な方向において基体の表面に沿って走査され、ここでは、基体を通る単一の切断箇所を得るために、１組の複数の繰り返しのシングルスキャンが実施されるように構成され得る。

本発明の実施形態の根底にある発想は、本発明の範囲を限定しないが、とりわけ、以下の見解および認識に基づくものとして解釈され得る。
上記で示されるように、例えばバッテリ製造における用途が存在し、ここでは、例えば電極を形成するための多数の基体シートが生産される必要がある。基体シートがリボンタイプの基体から切断され得る。リボンタイプの基体が擬二次元の細長い幾何形状を有してよい。このようなリボンタイプの基体が、ＮＣＡ（ｎｉｃｋｅｌ ｃｏｂａｌｔ ａｌｕｍｉｎｕｍ ｏｘｉｄｅ（ニッケルコバルトアルミニウム酸化物））、またはバッテリ内でカソード材料またはアノード材料として適用可能である他の活性材料などの、活性材料で被覆される金属層などの、導電層を有することができる。任意選択で、活性材料で被覆されないようなリボンタイプの基体の一部分が存在してよく、このリボンタイプの基体の一部分が例えばフラッグを形成することができ、このフラッグを介して電極が他の電極に電気的に接触され得るかまたは接続され得る。リボンタイプの基体が、例として約２００ｍｍといったような、数百ミリメートルの幅を例えば有することができ、数メートルに及ぶ長さを有することができる。別個の部片またはシートは、切断プロセスにおいて、このようなリボンタイプの基体から切断されることになる。

レーザ切断などの非接触の切断方法が好ましい方法である。その理由は、ナイフタイプのデバイスを用いる機械的な切断などの非接触ではない切断方法は電極材料に過度の応力を加える可能性があり、活性材料層の剥離などの、劣化を引き起こす可能性がある。

原理的には、多種多様なレーザ切断テクニックが知られている。しかし、これらの既知のテクニックの多くがバッテリ電極製造に有益に適用可能でないことが分かっている。
例えば、高出力レーザ切断が知られている。しかし、一般に、このような高出力レーザ切断を行うと、切断されることになる基体内に大量の熱が蓄積されることになる。これは多くの他の用途において問題ない可能性もあるが、このような過剰の熱はバッテリ電極の活性材料および／または導電層にダメージを与える可能性がある。

このような熱の蓄積を低減する場合には、バルス状高出力レーザが適用されている。この場合、例えばナノ秒またはピコ秒、あるいはさらにはフェムト秒領域の、非常に短いパルスのレーザ光が、切断されることになる基体に向かって放射される。このような短い高出力レーザパルスは、残りの基体材料の中に過剰の熱を蓄積することなく基体材料を融除することができる。しかし、レーザパルスの間に大幅なダウンタイムが存在することから、非パルス状レーザ切断と比較して切断速度が有意に低下する。したがって、このようなパルス状レーザ切断により、高スループットでのバッテリ電極生産プロセスにおいてボトルネックが生じる可能性がある。

本出願の実施形態が、上記で言及した両方の手法の欠点を回避することができる。
ここでは、ｃｗ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ）レーザビームすなわち非パルス状レーザビームを発生させるレーザ源が、切断を行うべきリボンタイプの基体の一部分に対して照射を行うのに適用される。このようなレーザ源は、例えば１ｋＷより高い、非常に高出力のｃｗ出力を有することができる。このような高出力のｃｗレーザ源を使用することにより、リボンタイプの基体の材料が、意図される切断を引き起こすことを目的として、局所的に迅速に融解および／または蒸発する可能性があるかあるいは融除される可能性がある。

しかし、一般に、シングルスキャンでリボンタイプの基体を通る完全な切断を行うために、切断される基体エリアの中に相当な量の熱を発生させることが必要となり、それにより可能性として上記で言及した欠点が生じる。

このような過剰の熱を原因とする電極材料に対してのいかなるダメージも回避するために、シングルスキャンのみではなく、複数の走査の組み合わせを用いて基体全体を通る切断箇所を得ることが意図される。

ここでは、一方でシングルスキャン中に基体の中に過剰の熱を局所的に発生させることなく、さらに他方で非常に短い時間で複数の走査を実施するのを可能にするように、非常に高い速度で複数の走査の各々を実施することが意図される。

さらに、高い処理効率を達成することを目的として、リボンタイプの基体が高い搬送速度で搬送経路に沿って搬送されなければならず、その結果として、第１のロケーションでの切断が完了した後で次のロケーションで別の切断が迅速に行われ得るようになる、などである。この目的のためには、連続的に、つまり各々の切断が行われるごとに基体を停止するのを必要とすることなく、リボンタイプの基体を搬送することが好適である可能性がある。したがって、この搬送速度で基体が移動する間に切断工程を実施することが好適である。

しかし、搬送中に基体をこのように迅速に動かすことを考えると、一方で高い精度および信頼性の切断を実現して他方で基体材料に対するいかなるダメージも回避するように、切断工程を具体的に適合させる必要があることが分かっている。また、これを理由として、非常に短い時間で高出力レーザビームを用いて複数の走査を実施するのを可能にすることが有益である可能性がある。

非常に高い走査速度で高出力ｃｗレーザビームを走査させることおよび同時に高い搬送速度で搬送されている基体の高速の動きを考慮することの両方の複雑な課題を解決することを目的として、ｃｗレーザビームを偏向させるための固有の２Ｄポリゴンスキャナを適用することが提案される。このような２Ｄポリゴンスキャナが、ポリゴンスキャナおよびガルボスキャナの両方を備える。両方の種類のスキャナが、レーザビームを偏向させるかまたは曲折させるために変位可能な反射表面を使用する。

ポリゴンスキャナでは、この反射表面が多角形のベースボディの周縁部に沿って配置される。多角形のベースボディが回転され得る。したがって、レーザ源から来るレーザビームが移動する反射表面のうちの１つの反射表面に衝突し、ベースボディが回転して変位されるとき、レーザビームが開始位置から終了位置まで線形的に連続に走査され、さらにレーザビームが隣接する次の反射表面に到達するときにレーザビームを走査させることがその開始位置から再び開始される。多角形のベースボディが高い回転速度で回転され得ることから、例えば１００ｍ／秒、また可能性として例えば最大１３００ｍ／秒の、非常に高い走査速度が実現され得る。

したがって、例えばその回転軸を搬送される基体の搬送経路に平行となるように、ポリゴンスキャナを配置することで、高出力ｃｗレーザビームが搬送経路に対して垂直であるかまたは少なくとも実質的には垂直である方向において迅速に走査され得る。この方向は本明細書ではｙ方向として示される。

しかし、走査プロセス中に基体が連続的に搬送されることから、多角形のスキャナを単純に使用することにより、リボンタイプの基体上の走査経路を搬送方向に対して傾斜させることになる。さらに、複数の走査が実施されるとき、これらの走査が互いにオフセットされることになり、次の走査が開始位置で開始されるとき、基体がそれと同時に特定の距離だけ搬送方向に移動されている。したがって、複数の走査の組み合わせを利用して完全な切断が実施され得るようなことにならないように、複数の走査が局所的に一致したりまたは重なり合ったりすることがない。

したがって、ポリゴンスキャナに加えて、ガルボスキャナも適用される。ここでは、ガルボスキャナという用語は一般的用語であるとし、検流計と同様に、反射表面を備えるベースボディを枢動軸の周りで枢動させることができるようなスキャナを意味するものとする。その枢動軸を搬送される基体の搬送経路に対して横方向となるようにこのようなガルボスキャナを配置することにより、ｃｗレーザビームが搬送経路に平行な方向に偏向され得る。この方向は本明細書ではｘ方向として示される。したがって、ガルボスキャナがレーザビームを基体の搬送方向にまたはその搬送方向の反対方向に偏向させることができる。したがって、ガルボスキャナが搬送速度を部分的にまたは完全に補償するのに適用され得る。

したがって、２Ｄ多角形スキャナを使用することにより、含まれるポリゴンスキャナのおかげでｙ方向における非常に高速の走査が実現され得、他方で含まれるガルボスキャナのおかげで基体の搬送速度が補償され得る。

ポリゴンスキャナおよびガルボスキャナが協働することによる複合効果として、ｃｗレーザビームが、基体の長手方向である延在方向に対して垂直な方向において基体の表面に沿って繰り返し移動することになるように、偏向され得、および走査され得る。したがって、リボンタイプの基体の側方縁部に対して垂直に延在するような切断箇所が作られ得る。したがって、例えば、別個の長方形の部片が基体から切断され得る。

実施形態によると、ポリゴンスキャナが、搬送経路に沿わせて基体を搬送するときの搬送速度の少なくとも１００倍の走査速度で基体の表面に沿ってｙ方向においてｃｗレーザビームを走査させるように構成され得る。

例えば、ｘ方向での一般的な搬送速度は０．１から０．５ｍ／秒の範囲内にあってよく、対してポリゴンスキャナを使用するｙ方向での一般的な走査速度は５０から１３００ｍ／秒の範囲内であってよい。したがって、基体が搬送経路に沿って搬送されるとき、長手方向である延在方向に対して横向きの方向において基体全体を横断するような形で、レーザビームがｙ方向において複数回走査され得る。走査速度が非常に高いことを理由として、このような複数回の走査は非常に短時間で実施され得、その結果、切断プロセス中に基体が搬送経路に沿って短い距離のみしか搬送されず、また、切断プロセス中にガルボスキャナによって達成されるレーザビームの偏向を利用することで搬送速度が容易に補償され得るようになる。

本明細書で提案される方法の実施形態によると、基体が湾曲搬送経路に沿って搬送され得、また曲げられ得る。したがって、ここでは、２Ｄポリゴンスキャナが、ｃｗレーザビームが曲げられた基体の表面上に実質的に合焦したままである一方、ｘ方向において多様な向きに偏向されるように、焦点調整のためのｚ方向の補正を実施する光学素子を備える。このような方法を実施するために、本明細書で提案されるデバイスが、湾曲搬送経路に沿って基体が搬送され曲げられるときにｃｗレーザビームが曲げられた基体の表面上に実質的に合焦したままである一方、ｘ方向において多様な向きに偏向されるようにするための、焦点調整のためのｚ方向の補正を実施する光学素子をさらに備えることができる。

言い換えると、大規模な製造においては、リボンタイプの基体が、通常、線形に搬送され得ることに加えて、少なくとも特定のロケーションにおいて、湾曲搬送経路に沿っても搬送される。例えば、基体が回転式の柔軟性を有するホイール（ｒｏｔａｔｉｎｇ ｌｉｍｐ ｗｈｅｅｌ）を使用して搬送され得る。基体がこのような湾曲搬送経路エリア内で特異的に支持され得ることを理由として、このような湾曲搬送経路エリア内で別個の部片へと切断することを実現することが有益である可能性がある。

しかし、搬送経路が湾曲する場合、一方側の基体の表面の照射箇所ともう一方側の２Ｄポリゴンスキャナとの間の距離が、その時点において基体の表面が照射されている場所に応じて、変化し得る。言い換えると、切断プロセス中に基体が連続的に搬送されることを理由として、およびガルボスキャナを使用してレーザビームを適切に偏向させることによりこのような搬送が補償されることを理由として、基体の表面に当たる前にレーザビームによって繋げられる距離が、切断プロセスの開始時点および終了時点において異なるものとなり得る。

しかし、レーザビームが特定の焦点深度の範囲内でのみ概して焦点を合わせられ、この特定の焦点深度の範囲内でのみ適切なレーザ出力を提供することができる。具体的には、焦点深度およびレイリー長が、レーザ波長により、および／または焦点領域内のビーム半径により、決定され得る。したがって、特定の測定を行わない場合、搬送速度を補償するためにレーザビームがｘ方向において実質的に偏向されるときに、レーザビームの焦点が外れる可能性がある。

２Ｄポリゴンスキャナに固有の光学素子を提供することにより、この問題を克服することができる。これらの光学素子には、適切なｚ方向の補正を実施することなどを目的とした例えばその曲率に起因する、固有の光学的性質を有するような、レンズ、ミラーなどの、光学要素が含まれてよい。このようなｚ方向の補正により、対応するｘ方向の搬送を補償することを目的として基体を実質的に搬送経路に沿って移動させてひいては多様な向きにレーザビームを偏向させる場合においても、レーザビームの焦点が、曲げられた基体の表面上で十分な時間において実質的に焦点が合った状態を維持することになるように、調整され得るようになる。

この方法の実施形態によると、基体が回転式の柔軟性を有するホイールを使用して搬送され、基体が柔軟性を有するホイールの外側表面の周りで曲げられるときにｃｗレーザビームを照射される。したがって、本デバイスの実施形態では、コンベアが回転式の柔軟性を有するホイールを備え、デバイスが、柔軟性を有するホイールの外側表面の周りで基体を曲げるときに基体にｃｗレーザビームを照射することになるように、構成される。

柔軟性を有するホイールが、リボンタイプの基体を駆動するように機能することができる。例えば、局所的に発生される真空または他の手段を利用して、基体が柔軟性を有するホイールの外側表面に密着され得る。柔軟性を有するホイールがまた、隣接する供給機構によって連続的に供給される例えばシート状のセパレータなどの、他の電極構成要素上に、分離された基体部片を積み重ねるのに使用され得る。

柔軟性を有するホイールを用いての移送の別法として、平面的な可動コンベアベルトにより基体を搬送することも可能である。
実施形態によると、柔軟性を有するホイールが、柔軟性を有するホイールの外側表面で柔軟性を有するホイールの回転軸に平行な方向に延在する線形の凹部を備える。ここでは、各々のシングルスキャン中、２Ｄポリゴンスキャナが、凹部のうちの１つの凹部の上方に位置するエリア内で基体の表面に沿ってｃｗレーザビームが走査されるように、制御される。これは、このデバイスの実施形態の場合、シングルスキャン中に、凹部のうちの１つの凹部の上方に位置するエリア内で基体の表面に沿ってｃｗレーザビームを適切に走査させるように２Ｄポリゴンスキャナが制御されることになるように、その２Ｄ多角形スキャナおよびその制御装置を備えるデバイスが構成される、ということを意味する。

言い換えると、柔軟性を有するホイールが、その周縁部表面に沿って分布する複数の線形の凹部を有することができ、各線形の凹部が柔軟性を有するホイールの回転軸に平行に延在する。これらの凹部が例えば数ミリメートルの幅および深さを有することができ、これらは例えば１ｍｍから５ｍｍの間である。隣り合う凹部の間の円周方向距離が、リボンタイプの基体から切断されることになる部片の幅に対応していてよく、例えば７ｃｍから１０ｃｍの間であってよい。

これらの凹部は、基体の切断中に、適用されるレーザビームにより柔軟性を有するホイールに対してダメージを与えるのを回避するように、提供される。下にある凹部に隣接するエリア内で基体に沿ってレーザビームが走査されるようになることを目的として２Ｄポリゴンスキャナを使用することによりレーザビームを偏向させることにより、焦点の合ったレーザビームが、基体を通る切断箇所の下にある柔軟性を有するホイールの部分を過度に加熱および／または融除することが回避され得る。

本方法の実施形態によると、１組の複数のシングルスキャンにおいて、シングルスキャンがｘ方向において互いに対してオフセットされる。このデバイスの実施形態の場合、制御装置が、１組の複数のシングルスキャンにおいて、ｘ方向においてシングルスキャンを互いに対してオフセットするように、２Ｄポリゴンスキャナを制御する。

言い換えると、例えば、２Ｄポリゴンスキャナのガルボスキャナが、１回の切断プロセスにおいて、この切断プロセスに含まれる複数の走査の間において搬送速度を常にまったく同じ形で補償することにならないように、固有に制御され得る。代わりに、ガルボスキャナによって達成されるｘ方向の偏向が、場合によっては搬送速度をわずかに過度に補償する可能性があり、また場合によっては搬送速度をわずかに不十分に補償する可能性もある。したがって、単一の切断箇所を得るために実施される多様な走査が基体の表面上で正確に局所的に一致することはないが、ｘ方向において互いに対してわずかにオフセットされることになる。したがって、１回のシングルスキャンでは同じラインに正確に沿って基体を融除することがなく、互いに対してわずかにオフセットされるラインに沿って基体を融除することになる。ここでは、次の走査がｘ方向に互いに対して部分的に重なり合う可能性があるかまたはわずかに離間される可能性がある。

このような切断箇所の形成中にシングルスキャンをオフセットすることにより、ばりが過剰に形成されることが回避され得る。具体的には、高出力ｃｗレーザビームを用いるシングルスキャンがいくらかのばりを作る可能性があるが（つまり、例えば微細粒子が融除されて隣接するエリアに堆積する）、これらのばり形成エリアは、レーザビームのオフセットされる次の走査において少なくとも部分的に除去され得る（リモートオフセットレーザ切断（ｒｅｍｏｔｅ ｏｆｆ−ｓｅｔ ｌａｓｅｒ ｃｕｔｔｉｎｇ））。

本方法に部分的に関連させて、および高スループットでの切断のためのデバイスに部分的に関連させて、本発明の実施形態の可能性のある特徴および利点が本明細書に説明されることに留意されたい。本発明の別の実施形態を思い付くようにするために、特徴が１つの実施形態から別の実施形態へと適切に移され得、また、特徴が修正される、適合される、組み合わされる、および／または交換されることなども可能である、ことを当業者であれば認識するであろう。

以下で、添付図面を参照して本発明の有利な実施形態を説明する。しかし、図面および本記述はいずれも本発明を限定するものとして解釈されない。

本発明の例示の実施形態による高スループットで切断するためのデバイスを示す図である。 本発明の例示の実施形態で使用される柔軟性を有するホイールを示す詳細図である。 本発明の例示の実施形態による柔軟性を有するホイールでのレーザ切断を示す図である。 本発明の例示の実施形態による高スループットでの切断のためのデバイスを示す詳細図である。 本発明の例示の実施形態による切断プロセスを示す図である。 本発明の例示の実施形態による、シングルフルカットとマルチフルカットとの間での比較を示す図である。 本発明の例示の実施形態によるオフセットでの切断プロセスを示す図である。 本発明の例示の実施形態による電極の切断箇所を示す図である。

図は単に概略的なものであり、正確な縮尺ではない。同様の参照符号が等しいまたは同様の特徴を示す。
図１が、本発明の例示の実施形態による高スループットで切断するためのデバイス１００の図を示す。デバイス１００が、コンベア１０２と、レーザ源１０４と、２Ｄポリゴンスキャナ１０６と、制御装置１０８とを備える。コンベア１０２が、搬送速度で搬送経路に沿ってリボンタイプの基体１１０を搬送するように構成される。基体１１０がｘ方向に移動される。レーザ源１０４が、基体１１０に連続波レーザビーム１１２を照射するように構成される。２Ｄポリゴンスキャナ１０６が、ｘ方向に、およびｘ方向に対して横方向であるｙ方向に、レーザビーム１１２を偏向させるように構成される。制御装置１０８が、２Ｄポリゴンスキャナ１０６の動作を制御するように構成される。

実施形態では、コンベア１０２が柔軟性を有するホイール１１４を備える。柔軟性を有するホイール１１４が、２Ｄポリゴンスキャナ１０６の走査野１１６の内側に少なくとも部分的に配置される。基体１１０がコイル上で保管される。搬送経路がコイルのとこから始まり、ローラの上を通って柔軟性を有するホイール１１４に達する。柔軟性を有するホイール１１４が、搬送速度に対応する角速度ωでその回転軸上で回転する。柔軟性を有するホイール１１４の外側表面がｘ方向に移動する。

基体１１０が、例えば吸引力により、柔軟性を有するホイールに取り付けられる。走査野１１６の内側で、レーザビーム１１２が基体１１０を切断して単一の部片１１８にする。部片１１８を形成するために、基体１１０が、柔軟性を有するホイール１１４に対して固定された状態で搬送経路の方向に対して垂直に切断される。切断を促進するために、レーザビーム１１２が、切断されることを指定される基体１１０のエリアにわたって複数回走査される。切断された部片１１８が柔軟性を有するホイール１１４から解放され、別の処理のために可動セパレータ１２０上に置かれる。セパレータ１２０もスプールから解放されるリボンタイプのフィルムである。実施形態では、基体１１０の少なくとも１つの縁部が、コイルと柔軟性を有するホイール１１４との間に配置される追加のレーザスキャナ１２２によって処理される。追加のレーザスキャナ１２２が、部片１１８に接触するためのフラッグを作るために基体１１０の縁部を切断する。ここでは、部片１１８が電極である。

実施形態では、洗浄デバイス１２４が走査野１１６とセパレータ１２０との間に配置される。洗浄デバイス１２４が、柔軟性を有するホイール１１４から解放されてセパレータ１２０の上に置かれる前に、切断された部片１１８を洗浄するように構成される。

図２が、本発明の例示の実施形態で使用される柔軟性を有するホイール１１４の詳細の図を示す。柔軟性を有するホイール１１４が本質的に図１の柔軟性を有するホイールに相当する。加えて、柔軟性を有するホイール１１４がセグメント２００へと分割される。セグメント２００が凹部２０２によって分離される。凹部２０２が横方向において柔軟性を有するホイール１１４の縁部に位置合わせされる。凹部２０２が柔軟性を有するホイール１１４の外側表面で狭くなっており、凹部２０２の底部に向かうにつれて広くなっている。

凹部２０２の間のセグメント２００が湾曲している。基体が吸引力によりセグメント２００に固定される場合、基体がセグメント２００の曲率に従うように曲げられる。
凹部２０２が、切断されることを指定される基体のエリア（切断の縁部（ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｄｇｅ））に対応している。凹部２０２が存在することで、柔軟性を有するホイール１１４の表面が切断箇所に沿って移動する間においてレーザビームによって加熱されない。

実施形態では、柔軟性を有するホイール１１４が、例えばカソードの位置決めのための、吸引力を有する。凹部２０２が柔軟性を有するホイール１１４の表面で２ミリメートルの幅を有する。凹部２０２の間でセグメント２００が８５ミリメートルの長さを有し、対して柔軟性を有するホイール１１４が１２０ミリメートルの幅を有する。この構成では、各セグメント２００の外側表面の中間部分が、セグメント２００の縁部を通る平面の上方に２ミリメートルだけ隆起する。

図３が、本発明の例示の実施形態による、柔軟性を有するホイール１１４上でのレーザ経路３００の図を示す。柔軟性を有するホイール１１４が、本質的に、図１および２の柔軟性を有するホイールに相当する。ここでは、基体１１０が柔軟性を有するホイール１１４上に配置される。柔軟性を有するホイール１１４が基体１１０より広いかまたは基体１１０と等しい幅を有する。基体１１０の一方の縁部に沿う予め切断されたフラッグ３０２が柔軟性を有するホイール１１４のセグメント２００上に配置される。ここでは、部片１１８が電極である。各電極が１つのフラッグ３０２を備える。２つの部片１１８の間の切断領域が柔軟性を有するホイール１１４内の凹部２０２の上方に配置される。

基体１１０が搬送速度ｖでｘ方向に移動するとき、レーザが走査速度でｙ方向に移動する。切断領域が柔軟性を有するホイール１１４に固定され、同様に、搬送速度ｖでｘ方向に移動する。したがって、さらに、レーザが、切断領域に対してわずかに角度をつけられる経路３００に沿ってｘ方向に移動する必要がある。この角度は、搬送速度ｖおよび走査速度のベクトル加法から得られる。

図４が、本発明の例示の実施形態による、高スループットでの切断のためのデバイス１００の詳細の図を示す。デバイス１００は本質的に図１のデバイスに相当する。ここでは、２Ｄポリゴンスキャナ１０６がより詳細に示される。スキャナ１０６が、ポリゴンスキャナ４００と、ガルボスキャナ４０２とを備える。レーザビーム１１２が、ポリゴンスキャナ４００により、搬送速度の方向に対して垂直に偏向される。ガルボスキャナ４０２がレーザビーム１１２を搬送速度の方向に偏向させる。ポリゴンスキャナ４００およびガルボスキャナ４０２がレーザビーム１１２の経路に沿って配置される。ここでは、ポリゴンスキャナ４００がガルボスキャナ４０２の上流に位置する。

ポリゴンスキャナ４００が回転可能ポリゴンミラー４０４を備える。ここでは、ポリゴンミラー４０４が１２個のファセットを備える。動作中、ポリゴンミラー４０４が角速度ω_Ｐｏｌｙで回転する。ガルボスキャナ４０２が少なくとも１つのガルボミラー４０６を備える。ポリゴンミラー４０４が、柔軟性を有するホイール１１４の回転軸に対して垂直に方向付けられる軸上で回転する。ガルボミラー４０６が、回転軸に平行な枢動軸上で枢動する。

集束光学素子４０８が２Ｄポリゴンスキャナ１０６と柔軟性を有するホイール１１４との間に配置される。光学素子４０８が、柔軟性を有するホイール１１４の湾曲外側表面に従うようにレーザビーム１１２の焦点を補正するように構成される。具体的には、光学素子４０８が、走査野１１６内で柔軟性を有するホイール１１４の曲率に沿って焦点を調整するように構成される。一般に、光学素子４０８が、特別に設計されて研磨される少なくとも１つの円筒形タイプの光学レンズ４１０を備え、ここでは、レンズ４１０の表面の曲率が真の円筒形状からわずかに逸脱し、それにより必要な焦点補正を確立する。

２Ｄポリゴンスキャナ１０６が基体１１０の実質的に同じエリアにわたってレーザビーム１１２を複数回操作する。２つの部片１１８の間に隙間が存在するようになるまで、このエリアで基体１１０が段階的に融除される。

図５が、本発明の例示の実施形態による切断プロセスの図を示す。切断プロセスが、図４の切断プロセスに本質的に相当する。ここでは、柔軟性を有するホイール１１４上の走査野１１６の上面図が示される。レーザ経路３００が柔軟性を有するホイール１１４内の２ミリメートルの幅の凹部２０２上でセンタリングされる。複数の経路３００が走査野１１６の内側に示される。レーザ経路３００が柔軟性を有するホイール１１４の一方の縁部からもう一方の縁部まで０．９５ミリメートルの幅だけ傾斜する。その理由は、レーザビームが柔軟性を有するホイール１１４の一方の縁部からもう一方の縁部まで移動するときの０．００１９秒の時間において、毎秒５００ミリメートルの搬送速度で、柔軟性を有するホイール１１４が搬送方向においてこの０．９５ミリメートルを占有するからである。レーザ経路３００が互いに平行となるように位置合わせされ、０．９５ミリメートルだけ離間される。その理由は、レーザビームがポリゴンミラーの次のファセットに当たるときにレーザビームが経路３００の一方の端部から別の経路３００の開始位置まで瞬間的にジャンプするからである。

図６が、本発明の例示の実施形態による、基体１１０を通るシングルフルカット６００と基体１１０を通るマルチフルカット６０２との間の比較の図を示す。マルチフルカット６０２が図５の切断プロセスに本質的に相当する。ここでは、基体１１０が複数の層６０４、６０６を備える。ニッケル−コバルト−アルミニウムの混合物（ＮＣＡ：ｎｉｃｋｅｌ−ｃｏｂａｌｔ−ａｌｕｍｉｎｕｍ）の２つの層６０４がアルミニウム層６０６のいずれかの側に配置される。

シングルフルカット６００の場合、レーザビーム１１２が、１回の通過で基体１１０を融除して融解させるのに十分に低い速度で基体１１０に適用される。この１回の適用により大きい熱影響ゾーン６０８が得られる。加えて、切断箇所６００に隣接するところでの材料堆積を原因として、高出力の集中により、ばり形成箇所６１０が発生する。切断箇所６００の側面上のＮＣＡ６１２さらにはアルミニウム６１４がかなりの程度で融解する。

マルチフルカット６０２の場合、レーザビーム１１６が基体１１０に跨って高速に移動することから、レーザビーム１１６が非常に短い時間で基体１１０に適用される。レーザビームのその後の各々の通過において、少量の材料が融除される。融除される材料が、ばりの形成を実質的に起こさないような小さい粒子へと変形する。１回の通過ごとに材料が冷却され得ることから、熱影響ゾーン６０８および融解する材料６１２、６１４が実質的に存在しなくなる。

言い換えると、図６が、超高速２Ｄポリゴン走査技術を利用する、ホイルの数ｋＷのレーザ放射（シングルモード）６０２を使用するマルチフルカットを示す。切断された部片１１８がバッテリ内でカソードとして使用され得る。マルチカット６０２が、湾曲走査野内で、高速回転式の柔軟性を有するホイール上にあるガルボスキャナおよびポリゴンスキャナを用いて操作されるレーザ１１６によって達成される。湾曲走査野は、柔軟性を有するホイールの湾曲表面を理由として、ｚ方向における連続的な焦点補正を必要とする。柔軟性を有するホイールの回転は、ｘ方向およびｙ方向における（オンザフライでの）連続的な横方向のビーム補正を必要とする。焦点補正は、ポリゴンスキャナと組み合わされる、特別に設計および研磨されるレンズを介して達成される。

高速堆積の場合のカソード収容（ｃａｔｈｏｄｅ ｂａｇｇｉｎｇ）のために、可動セパレータの上にカソードをその後で配置できるようにするために、切断６０２が、回転式の柔軟性を有するホイールのセグメント上にある〜１９４μｍの厚さのＮＣＡ（ＬｉＮｉＣｏＡｌＯ_２）（または、その修正形態、さらにはアノード、シリコン、ナトリウムイオン、．．．）の複合材料の電極基体１１０の中で実施される。一度に大量のエネルギーを利用する代わりに、複数回にわたって少量のエネルギーが利用されることから、品質の改善が達成される。

図７が、本発明の例示の実施形態によるオフセットでの切断プロセス（リモートオフセットレーザ切断）の図を示す。この切断プロセスが図５の切断プロセスに本質的に相当する。図５のプロセスとは異なり、レーザ経路３００がｘ方向にわずかにオフセットされる。このオフセットにより、１回の通路の持続時間中に基体１１０によって占められる距離が過度に補正されることになるかまたは不十分に補正されることになる。その結果、レーザビームが通過するごとに同じエリアに当たることがなくなる。これらのエリアは重なり合ってよい。

図８が本発明の例示の実施形態による切断される部片１１８の図を示す。部片１１８は、図７に示されるオフセットでの切断プロセスを使用して切断されたものである。電極の表面上では、その後のレーザビームの通過により、部片１１８の中心部より大きいエリアに対して照射が行われる。したがって、基体１１０の溝の奥の方に進むにつれて、部片１１８の間の切断箇所６０２が狭くなっている。部片１１８がわずかに面取りされ、ばりを有さない。

最後に、「備える」という用語が他の要素またはステップを排除しないこと、および「ａ」または「ａｎ」が複数形を排除しないことに留置されたい。また、種々の実施形態に関連して説明される要素は組み合わされてもよい。また、特許請求の範囲の参照符号が特許請求の範囲の範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことに留意されたい。

Claims (14)

1. リボンタイプの基体（１１０）を別個の部片（１１８）へと高スループットで切断するための方法であって、
   搬送速度で搬送経路に沿って前記基体（１１０）を搬送するステップと、
   前記基体（１１０）にｃｗレーザビーム（１１６）を照射するステップであって、レーザ源（１０４）から来る前記ｃｗレーザビーム（１１６）が２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）を使用して偏向される、ステップと
   を含み、
   前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、
   前記搬送経路に対して垂直なｙ方向に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように配置される回転軸を有するポリゴンスキャナ（４００）と、
   前記搬送経路に平行なｘ方向に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように配置される枢動軸を有するガルボスキャナ（４０２）と、
   を備え、
   シングルスキャンにおいて、前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、前記搬送速度を補償するためなど、前記ポリゴンスキャナ（４００）により前記搬送経路に対して横向きの前記ｙ方向に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向されている間、前記ガルボスキャナ（４０２）により前記ｘ方向に前記ｃｘレーザビーム（１１６）を偏向させるように、制御され、その結果、前記ｃｗレーザビーム（１１６）が、前記基体（１１０）の長手方向である延在方向に対して垂直な方向において前記基体（１１０）の表面に沿って走査され、
   前記基体（１１０）を通る単一の切断箇所（６０２）を得るために、１組の複数の繰り返しのシングルスキャンが実施される、
   方法。
2. 前記基体（１１０）が湾曲搬送経路に沿って搬送され、曲げられ、
   前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、前記ｃｗレーザビーム（１１６）が曲げられた前記基体（１１０）の表面上に合焦したままである一方、前記ｘ方向において多様な向きに偏向されるように、焦点調整のためのｚ方向の補正を実施する光学素子（４０８）を備える、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記基体（１１０）が回転式の柔軟性を有するホイール（１１４）を使用して搬送され、前記基体（１１０）が前記柔軟性を有するホイール（１１４）の外側表面の周りで曲げられるときに前記ｃｗレーザビーム（１１６）を照射される、
   請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記柔軟性を有するホイール（１１４）が、前記柔軟性を有するホイール（１１４）の前記外側表面で前記柔軟性を有するホイール（１１４）の回転軸に平行な方向に延在する線形の凹部（２０２）を備え、
   各々のシングルスキャン中、前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、前記凹部（２０２）のうちの１つの凹部の上方に位置するエリア内で前記基体（１１０）の表面に沿って前記ｃｗレーザビーム（１１６）が走査されるように、制御される、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記１組の複数のシングルスキャンにおいて、前記シングルスキャンが前記ｘ方向において互いに対してオフセットされる、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. リボンタイプの基体（１１０）を別個の部片（１１８）へと高スループットで切断するための切断デバイス（１００）であって、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法を実施するように構成される、切断デバイス（１００）。
7. 一定の搬送速度で搬送経路に沿って前記基体（１１０）を搬送するためのコンベア（１０２）と、
   前記基体（１１０）に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を照射するためのレーザ源（１０４）と、
   前記レーザ源（１０４）から来る前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるための２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）と、
   前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）の動作を制御するための制御装置（１０８）と、
   を備え、
   前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、
   前記搬送経路に対して垂直な前記ｙ方向に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように前記搬送経路に平行な回転軸を有するポリゴンスキャナ（４００）と、
   前記搬送経路に平行な前記ｘ方向に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向させるように前記搬送経路に垂直な回転軸を有するガルボスキャナ（４０２）と、
   を備え、
   前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）と前記制御装置（１０８）は、シングルスキャンにおいて、前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、前記搬送速度を補償するためなど、前記ポリゴンスキャナ（４００）により前記搬送経路に対して横向きの前記ｙ方向に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を偏向されている間、前記ガルボスキャナ（４０２）により前記ｘ方向に前記ｃｘレーザビーム（１１６）を偏向させるように、制御され、その結果、前記ｃｗレーザビーム（１１６）が、前記基体（１１０）の長手方向である延在方向に対して垂直な方向において前記基体（１１０）の表面に沿って走査されるように構成され、
   前記基体（１１０）を通る単一の切断箇所（６０２）を得るために、１組の複数の繰り返しのシングルスキャンが実施される、
   請求項６に記載の切断デバイス（１００）。
8. 前記基体（１１０）が湾曲搬送経路に沿って搬送され曲げられるときに前記ｃｗレーザビーム（１１６）が曲げられた前記基体（１１０）の表面上に合焦したままである一方、前記ｘ方向において多様な向きに偏向されるように、焦点調整のためのｚ方向の補正を実施する光学素子（４０８）をさらに備える、
   請求項７に記載のデバイス（１００）。
9. 前記コンベア（１０２）が回転式の柔軟性を有するホイール（１１４）を備え、前記デバイス（１００）が、前記柔軟性を有するホイール（１１４）の外側表面の周りで曲げられるときに前記基体（１１０）に前記ｃｗレーザビーム（１１６）を照射するように、構成される、
   請求項７又は８に記載のデバイス（１００）。
10. 前記柔軟性を有するホイール（１１４）が、前記柔軟性を有するホイール（１１４）の前記外側表面で前記柔軟性を有するホイール（１１４）の回転軸に平行な方向に延在する線形の凹部（２０２）を備え、
    シングルスキャン中、前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）が、前記凹部（２０２）のうちの１つの凹部の上方に位置するエリア内で前記基体（１１０）の表面に沿って前記ｃｗレーザビーム（１１６）が走査されるように、制御されるように、構成される
    請求項９に記載のデバイス（１００）。
11. 前記制御装置（１０８）が、前記１組の複数のシングルスキャンにおいて、前記シングルスキャンを前記ｘ方向において互いに対してオフセットするように、前記２Ｄポリゴンスキャナ（１０６）を制御する、
    請求項７〜１０のいずれか一項に記載のデバイス（１００）。
12. 前記レーザ源（１０４）が１キロワットを超えるｃｗレーザ出力を有する、
    請求項７〜１１のいずれか一項に記載のデバイス（１００）。
13. 前記ポリゴンスキャナ（４００）が前記基体（１１０）の表面に沿って前記ｙ方向において前記ｃｗレーザビーム（１１６）を走査させるように構成され、走査速度が、前記搬送経路に沿わせて前記基体（１１０）を搬送するときの前記搬送速度の少なくとも１００倍である、
    請求項７〜１２のいずれか一項に記載のデバイス（１００）。
14. 前記ポリゴンスキャナ（４００）が前記搬送経路に平行な回転軸を有し、前記ガルボスキャナ（４０２）が前記搬送経路に対して横向きの枢動軸を有する、
    請求項６〜１３のいずれか一項に記載のデバイス（１００）。
    

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