JP2023053696A - 金属箔のレーザ切断方法 - Google Patents

Abstract

【課題】例えば、改善された新規な金属箔のレーザ切断方法を得る。【解決手段】金属箔のレーザ切断方法は、例えば、電池の負極を構成する加工対象としての金属箔にレーザ光のパルスを１０［ＭＨｚ］以下の周波数で断続的に照射することにより当該加工対象をレーザ切断する。また、金属箔のレーザ切断方法では、パルスの照射領域と次のパルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）ここに、Ｌ１：照射領域の掃引方向における長さ、Ｌ２：パルスと次のパルスとが掃引方向に重なっている場合にはパルスと次のパルスとの重複領域の掃引方向における長さ、パルスと次のパルスとが掃引方向に接している場合には０、パルスと次のパルスとが掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、と定義した場合、重なり率Ｒは、－２２［％］より大きくかつ９６［％］以下であってもよい。【選択図】図５

Description

本発明は、金属箔のレーザ切断方法に関する。

金属材料で作られた加工対象を切断する手法の一つとして、レーザ光の照射によるレーザ切断が知られている。レーザ切断とは、レーザ光を加工対象の切断する部分に照射し、レーザ光のエネルギで当該部分を溶融させ、加工対象を切断する方法である（例えば、非特許文献１参照）。

Patwa, Rahul, et al. "High speed laser cutting of electrodes for advanced batteries." International Congress on Applications of Lasers & Electro Optics. 2010.

加工対象が金属箔である場合、当該金属箔は変形したり破れたりしやすいため、レーザ切断における各種パラメータを、より厚い金属部材の場合と同様に設定すると、所要の品質が得られ難い場合があった。

また、金属箔が電池の負極に適用されるような場合にあっては、より高品質なレーザ切断が求められる。

そこで、本発明の課題の一つは、例えば、電池の負極を構成する加工対象としての金属箔をレーザ切断することが可能となるような、改善された新規な金属箔のレーザ切断方法を得ること、である。

本発明の金属箔のレーザ切断方法は、例えば、電池の負極を構成する加工対象としての金属箔にレーザ光のパルスを１０［ＭＨｚ］以下の周波数で断続的に照射することにより当該加工対象をレーザ切断する。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記パルスの照射領域と次の前記パルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）
Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
ここに、Ｌ１：前記照射領域の掃引方向における長さ、Ｌ２：前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に重なっている場合には前記パルスと前記次のパルスとの重複領域の前記掃引方向における長さ、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に接している場合には０、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、と定義した場合、前記重なり率Ｒは、－２２［％］より大きくかつ９６［％］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光の照射エネルギが、０．０３［Ｊ／ｍｍ］以上かつ５．０［Ｊ／ｍｍ］未満であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記金属箔の厚さが、５００［μｍ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記金属箔は、皮膜で覆われた箇所と、皮膜で覆われていない箇所と、を有してもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光のスポット径が、１００［μｍ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光のスポット径が、５０［μｍ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光のスポット径が、２８［μｍ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光のピーク出力が、２００［Ｗ］以上であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記金属箔は、銅系材料で作られた金属層を有してもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記周波数が、１［ＭＨｚ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光の照射エネルギが、１．０［Ｊ／ｍｍ］未満であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光のピーク出力が、４００［Ｗ］以上であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記パルスの照射領域と次の前記パルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）
Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
ここに、Ｌ１：前記照射領域の掃引方向における長さ、Ｌ２：前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に重なっている場合には前記パルスと前記次のパルスとの重複領域の前記掃引方向における長さ、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に接している場合には０、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、と定義した場合、前記重なり率Ｒが、９［％］以上であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記重なり率Ｒが、７８［％］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記金属箔は、前記金属層の表面に塗布された活物質層を有してもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記周波数が、５００［ｋＨｚ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記周波数が、１００［ｋＨｚ］以上であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光の照射エネルギが、０．１５［Ｊ／ｍｍ］以下であってもよい。

前記金属箔のレーザ切断方法では、前記パルスの照射領域と次の前記パルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）
Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
ここに、Ｌ１：前記照射領域の掃引方向における長さ、Ｌ２：前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に重なっている場合には前記パルスと前記次のパルスとの重複領域の前記掃引方向における長さ、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に接している場合には０、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、と定義した場合、前記重なり率Ｒが、２４［％］以上であってもよい。

本発明によれば、電池の負極を構成する加工対象としての金属箔をレーザ切断することが可能な、より改善された新規な金属箔のレーザ切断方法を得ることができる。

図１は、第１実施形態のレーザ切断装置の例示的な概略構成図である。 図２は、実施形態のレーザ切断装置による加工対象の一例としての活物質が塗布された銅箔の例示的かつ模式的な断面図である。 図３は、実施形態のレーザ切断装置による加工対象の一例としての活物質が塗布された銅箔の例示的かつ模式的な平面図である。 図４は、実施形態のレーザ切断装置の光源の出力の時間波形の一例を示す模式図である。 図５は、実施形態のレーザ切断装置から出力されたレーザ光の時間的に連続する二つのパルスの加工対象の表面上での照射範囲の一例を示す模式的な平面図である。 図６は、実施形態のレーザ切断装置から出力されたレーザ光の時間的に連続する二つのパルスの加工対象の表面上での照射範囲の別の一例を示す模式的な平面図である。 図７は、実施形態のレーザ切断装置におけるスポット径の定義を示す説明図である。 図８は、加工対象としての金属箔の切断された端縁の一例の側面視での撮影画像である。 図９は、加工対象としての金属箔の切断された端縁の一例の平面視での撮影画像である。 図１０は、加工対象としての金属箔の切断された端縁の別の一例の平面視での撮影画像である。 図１１は、実施形態のレーザ切断装置によって活物質が塗布された銅箔を切断した場合の当該切断された端縁における厚さ方向の突出物の高さについての、レーザ光の照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。 図１２は、実施形態のレーザ切断装置によって活物質が塗布された銅箔を切断した場合の当該切断された端縁における表面に沿う方向の突出物の高さについての、パルスの重なり率および光源からの出力に対する評価結果の一例を示すグラフである。 図１３は、実施形態のレーザ切断装置によって活物質が塗布された銅箔を切断した場合の当該切断された端縁における変色領域の幅についてのレーザ光の照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。 図１４は、実施形態のレーザ切断装置によって活物質が塗布されていない銅箔を切断した場合の当該切断された端縁における厚さ方向の突出物の高さについての、レーザ光の照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。 図１５は、実施形態のレーザ切断装置によって活物質が塗布されていない銅箔を切断した場合の当該切断された端縁における表面に沿う方向の突出物の高さについての、パルスの重なり率および光源からの出力に対する評価結果の一例を示すグラフである。 図１６は、実施形態のレーザ切断装置によって活物質が塗布されていない銅箔を切断した場合の当該切断された端縁における変色領域の幅についてのレーザ光の照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。 図１７は、第２実施形態のレーザ切断装置の例示的な概略構成図である。

以下、本発明の例示的な実施形態が開示される。以下に示される実施形態の構成、ならびに当該構成によってもたらされる作用および結果（効果）は、一例である。本発明は、以下の実施形態に開示される構成以外によっても実現可能である。また、本発明によれば、構成によって得られる種々の効果（派生的な効果も含む）のうち少なくとも一つを得ることが可能である。

以下に示される実施形態は、同様の構成を備えている。よって、各実施形態の構成によれば、当該同様の構成に基づく同様の作用および効果が得られる。また、以下では、それら同様の構成には同様の符号が付与されるとともに、重複する説明が省略される場合がある。

また、各図において、Ｘ方向を矢印Ｘで表し、Ｙ方向を矢印Ｙで表し、Ｚ方向を矢印Ｚで表している。Ｘ方向、Ｙ方向、およびＺ方向は、互いに交差するとともに直交している。Ｘ方向およびＹ方向は、加工対象Ｗの表面Ｗａ（加工面）に沿う方向であり、Ｚ方向は、当該表面Ｗａの法線方向である。なお、いくつかの図中では、Ｘ方向が掃引方向ＳＤとして例示されているが、掃引方向ＳＤは、Ｚ方向と交差していればよく、Ｘ方向には限定されない。

［第１実施形態］
［レーザ切断装置の構成］
図１は、第１実施形態のレーザ切断装置１００の概略構成図である。レーザ切断装置１００は、レーザ装置１１０と、光学ヘッド１２０と、光ファイバ１３０と、コントローラ１４０と、を備えている。

レーザ装置１１０は、光源としてレーザ発振器を備えており、一例としては、数ｋＷのパワーのシングルモードのレーザ光を出力できるよう構成されている。レーザ装置１１０が出力するレーザ光の波長は、例えば、８００［ｎｍ］以上かつ１２００［ｎｍ］以下であるが、これには限定されない。また、レーザ装置１１０は、連続発振レーザを、例えば、１０［ＭＨｚ］以下の周波数で断続的に出力することができる。

光ファイバ１３０は、レーザ装置１１０と光学ヘッド１２０とを光学的に接続し、レーザ装置１１０から出力されたレーザ光を光学ヘッド１２０に導く。レーザ装置１１０が、シングルモードレーザ光を出力する場合、光ファイバ１３０は、シングルモードレーザ光を伝送するよう構成される。この場合、シングルモードレーザ光のＭ^２ビーム品質は、１．２以下に設定される。また、レーザ装置１１０がマルチモードレーザ光を出力する場合、光ファイバ１３０はマルチモードレーザ光を伝送するよう、構成される。

光学ヘッド１２０は、レーザ装置１１０から入力されたレーザ光を加工対象Ｗの表面Ｗａへ照射するための光学装置である。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と、集光レンズ１２２と、ＤＯＥ１２３（diffractive optical element、回折光学素子）と、を有している。コリメートレンズ１２１および集光レンズ１２２は、光学部品とも称されうる。光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１および集光レンズ１２２以外の光学部品を有してもよい。

本実施形態では、光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗの表面Ｗａ上でレーザ光Ｌの照射を行いながらレーザ光Ｌを掃引するため、加工対象Ｗとの相対位置を変更可能に構成されている。光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとの相対移動は、光学ヘッド１２０の移動、加工対象Ｗの移動、または光学ヘッド１２０および加工対象Ｗの双方の移動により、実現されうる。

コリメートレンズ１２１は、入力されたレーザ光をコリメートする。コリメートされたレーザ光は、平行光になる。集光レンズ１２２は、平行光としてのレーザ光を集光し、レーザ光Ｌ（出力光）として、加工対象Ｗに照射する。また、ＤＯＥ１２３は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間に配置され、レーザ光のビームの形状（以下、ビーム形状と称する）を成形する。ＤＯＥ１２３は、例えば、周期の異なる複数の回折格子が重ね合わせられた構成を有している。ＤＯＥ１２３は、平行光を、各回折格子の影響を受けた方向に曲げたり、重ね合わせたりすることにより、より好適な形状のビームを成形することができる。ＤＯＥ１２３は、ビームシェイパとも称されうる。

このような構成により、光学ヘッド１２０は、加工対象Ｗの表面Ｗａへ、Ｚ方向の反対方向に、レーザ光Ｌを照射する。光学ヘッド１２０からのレーザ光Ｌの照射方向は、Ｚ方向の反対方向である。光学ヘッド１２０は、例えば、ビーム径が１０［μｍ］以上かつ１００［μｍ］以下となるようにレーザ光Ｌを集光することができる。

コントローラ１４０は、レーザ装置１１０の作動や、表面Ｗａ上でレーザ光Ｌが掃引されるように光学ヘッド１２０と加工対象Ｗとを相対移動する相対移動機構（不図示）の作動等を制御することができる。

［加工対象］
図２は、加工対象Ｗとしての金属箔１０の断面図であり、図３は、金属箔１０の平面図である。本実施形態では、レーザ切断装置１００の加工対象Ｗは、電池の負極を構成する金属箔１０である。金属箔１０の厚さは、例えば、厚さが５００［μｍ］以下であるが、これには限定されない。

図２に示されるように、金属箔１０は、金属層１１と、活物質層１２と、を有している。活物質層１２は、金属層１１の厚さ方向の両側、すなわち金属層１１の表裏両面に形成された皮膜である。活物質層１２は、塗膜や、塗布物質、表層、表層材とも称されうる。金属箔１０は、例えば、リチウムイオン電池のような電池の、負極を構成する。その場合、金属層１１は、例えば、無酸素銅や銅合金のような銅系材料で作られ、活物質層１２は、例えば、炭素系材料やチタン酸リチウムのような活物質で作られる。

また、図３に示されるように、電池の電極として構成される金属箔１０の表面Ｗａにあっては、金属層１１が活物質層１２すなわち皮膜で覆われた被覆箇所Ｐｃと、活物質層１２で覆われず金属層１１が露出した露出箇所Ｐｅとが、形成される。レーザ切断装置１００は、金属箔１０の表面Ｗａ上で所定の掃引経路Ｐｔでレーザ光Ｌを掃引することにより、被覆箇所Ｐｃおよび露出箇所Ｐｅの双方を連続的に切断することができる。この場合、コントローラ１４０は、レーザ光Ｌを表面Ｗａ上で掃引しながら被覆箇所を切断する際のレーザ光Ｌの照射条件と、露出箇所を切断する際のレーザ光Ｌの照射条件とが切り替わるよう、レーザ装置１１０や相対移動機構を制御することができる。

［レーザ切断方法］
レーザ切断装置１００を用いたレーザ切断にあっては、まず、加工対象Ｗが、その表面Ｗａにレーザ光Ｌが照射されるようにセットされる。そして、レーザ光Ｌが表面Ｗａに照射されている状態で、レーザ光Ｌと加工対象Ｗとが相対的に移動する。これにより、レーザ光Ｌが表面Ｗａ上に照射されながら当該表面Ｗａ上を掃引方向ＳＤに移動する（掃引する）。レーザ光Ｌが照射された部分は、溶融し、切断される。

［間欠照射］
このような金属箔１０のレーザ切断において、当該金属箔１０に強いレーザ光Ｌが当たると、切断された端縁１０ａが屈曲したりめくれたりすることがある。かと言って、レーザ光Ｌの出力を小さくすると、レーザ切断に時間を要してしまう。そこで、発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、加工対象Ｗが金属箔１０である場合には、レーザ光Ｌを表面Ｗａに所定の周波数で断続的に（間欠的に）照射することにより、より短い加工時間でより高品質な加工を実行可能であるという知見を得た。発明者らは、このような観点から、レーザ光Ｌのパルスの周波数は、１０［ＭＨｚ］以下であるのが好ましいことを、実験的に見出した。また、単位面積あたりのレーザ光Ｌのエネルギ、すなわちエネルギ密度が低いと、所要の切断状態が得られ難くなる。このような観点から、レーザ光Ｌのスポットの直径（スポット径）は、１００［μｍ］以下であるのが好ましく、５０［μｍ］以下であるのがより好ましく、３０［μｍ］以下であることがさらに好ましいことが判明した。

図４は、レーザ装置１１０が出力するレーザ光のパルスの模式的な時間波形を示すグラフである。図４において、横軸は時間であり、縦軸はレーザ装置１１０からのレーザ光の出力である。間欠照射において、各パルスにおける発振時間をＴｐ、パルスの周期をＴｃとしたとき、デューティ比Ｄｒは、Ｄｒ＝（Ｔｐ／Ｔｃ）×１００［％］と表すことができる。また、パルスの周波数は、１／Ｔｃとなる。

［重なり率］
また、発明者らは、実験的な研究により、時間的に間隔をあけて連続した二つのパルスの表面Ｗａ上での照射範囲の重なり状態が切断品質に影響を与えることを見出した。図５は、時間的に連続した二つのパルスの照射範囲が表面Ｗａ上で部分的に重なった状態を示す平面図であり、図６は、時間的に連続した二つのパルスの照射範囲が表面Ｗａ上で重ならず離間した状態を示す平面図である。

重なり率Ｒは、以下の式（１）のように定義する。
Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
ここに、Ｌ１は、ｎ回目のレーザ光Ｌのパルスの照射領域Ｐｎ、およびｎ＋１回目のレーザ光Ｌのパルスの照射領域Ｐｎ＋１の、掃引軌跡の幅方向の中心線Ｃ上での掃引方向ＳＤに沿った長さであって、二つの照射領域Ｐｎ，Ｐｎ＋１において同じ値である。ｎは、正数である。このＬ１は、次の式（２）で表すことができる。
Ｌ１＝Ｌｏ＋ｄ ・・・ （２）
ここに、Ｌｏは、レーザ光Ｌのスポットの、パルスの発振時間Ｔｐ（図４参照）での掃引に伴う表面Ｗａ上での移動距離であり、ｄは、レーザ光Ｌの表面Ｗａ上でのスポットの直径（スポット径）である。

他方、Ｌ２は、照射領域Ｐｎと照射領域Ｐｎ＋１との重複状態を示す長さである。図５に示されるように、照射領域Ｐｎと照射領域Ｐｎ＋１とが重なっている場合、Ｌ２は、照射領域Ｐｎと照射領域Ｐｎ＋１との重複領域Ａの、中心線Ｃ上での掃引方向ＳＤに沿った長さとする。この場合、Ｌ２＞０となる。図示しないが、照射領域Ｐｎと照射領域Ｐｎ＋１とが掃引方向ＳＤに接している場合にはＬ２＝０とする。また、図６に示されるように、照射領域Ｐｎと照射領域Ｐｎ＋１とが掃引方向ＳＤに距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には、Ｌ２＝－Ｉとする。この場合、Ｌ２＜０となる。

［スポット径］
図７は、スポット径の定義の説明図である。図７において、Ａｘは、光軸、ｆ_１は、コリメートレンズ１２１の焦点距離、ｆ_２は、集光レンズ１２２の焦点距離、θ_１は、ビーム発散角、θ_２は、ビーム広がり角、Ｄ_ｃは、コリメート光のビーム径、Ｄ_ｆは、焦点位置Ｐ_ｆでのビーム径、Ｄ_ａは、デフォーカス位置としての表面Ｗａ上でのビーム径（スポット径）、ａは、焦点位置Ｐ_ｆと表面Ｗａとの間の距離である。なお、スポット径Ｄ_ａは、理論スポット径とも称されうる。この場合において、次の式（３）～（５）が成り立つ。
Ｄ_ｃ＝２θ_１ｆ_１ ・・・（３）
Ｄ_ｆ＝（４ｆ_２／πＤ_ｃ）Ｍ^２λ ・・・（４）
Ｄ_ａ＝Ｄ_ｆ√｛１＋（４ａλ／πＤ_ｆ ^２）^２｝ ・・・（５）
ここに、Ｍ^２は、ビーム品質であり、λは、波長である。

本実施形態のレーザ切断にあっては、表面Ｗａにおけるスポット径Ｄ_ａが所期の値になるよう、レーザ切断装置１００の各部が構成、調整、あるいは制御される。発明者らの鋭意研究により、スポット径Ｄ_ａは、２８［μｍ］以下であると熱影響を低減することができて好ましく、２１［μｍ］以下であるのがより一層好ましいことが判明した。一例として、レーザ光のビーム品質Ｍ^２が１．１より小さく、光ファイバ１３０のコア径が、１４［μｍ］であり、かつレーザ光の波長が、１０７０［ｎｍ］である場合、光学倍率が１．５倍の光学ヘッド１２０によれば、スポット径Ｄ_ａを、２１［μｍ］に設定することができる。

［端縁の品質評価］
発明者らは、レーザ光Ｌの断続的な照射により負極としての金属箔１０をレーザ切断する場合について鋭意研究を重ねた結果、レーザ光Ｌの照射条件を適宜に設定することにより、レーザ光Ｌによって切断された金属箔１０の端縁１０ａ近傍に生じる種々の不都合な事象を回避し、端縁１０ａの近傍の品質をより一層向上できることを見出した。

図８は、金属箔１０の切断された端縁１０ａを当該金属箔１０の厚さ方向（Ｚ方向）および掃引方向ＳＤと直交した方向（Ｙ方向の反対方向）に見た正面図、図９は、端縁１０ａの一例を厚さ方向（Ｚ方向の反対方向）に見た平面図、図１０は、図９とは別のサンプルの端縁１０ａを厚さ方向（Ｚ方向の反対方向）に見た平面図である。

金属箔１０の端縁１０ａにおいては、図８に示されるように、金属箔１０の厚さ方向（Ｚ方向）に膨らんだ例えばドロス（塊）のような突出物Ｄが生じる場合がある。また、端縁１０ａにおいては、図９に示されるように、表面Ｗａに沿う方向に端縁１０ａから突出した例えばバリのような突出物Ｐが生じる場合がある。さらに、端縁１０ａにおいては、図１０に示されるように、端縁１０ａに沿って所定幅で延びた変色域Ｈが生じる場合がある。

［活物質付き銅箔：厚さ方向の突出物］
活物質付き銅箔（活物質：グラファイト複合材、厚さ９０［μｍ］）について、実験を行った。活物質付き銅箔の実験結果によって得られた好適な処理条件は、被覆箇所Ｐｃでのレーザ切断に適用することができる。

実験により、端縁１０ａにおける厚さ方向（Ｚ方向）の突出物Ｄ（図８参照）については、レーザ光Ｌの照射エネルギおよびパルスの周波数によってその高さが変化することが判明した。図１１は、活物質が塗布された銅箔を切断した場合の端縁１０ａにおける厚さ方向の突出物Ｄの高さについての、レーザ光Ｌの照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。

照射エネルギＥ［Ｊ／ｍｍ］は、表面Ｗａの単位長さあたりに照射されるエネルギであって、次の式（６）で表すことができる。
Ｅ＝Ｐｐ×Ｄｒ／（１００×ｖ） ・・・（６）
ここに、Ｐｐ：ピーク出力［Ｗ］、Ｄｒ：デューティ比［％］、ｖ：掃引速度［ｍｍ／ｓ］である。なお、パルスの周波数が０である状態は、レーザ光が断続的ではなく連続的に照射されている状態を示す。

図１１において、○：最良は、突出物Ｄの表面ＷａからのＺ方向に沿った高さ（以下、第一高さと称する）が５［μｍ］以下である場合を示し、◇：良好は、第一高さが５［μｍ］より大きくかつ１０［μｍ］以下である場合を示し、×：不良は、第一高さが１０［μｍ］より大きい場合を示す。

図１１に示されるように、周波数については、０［ｋＨｚ］以上かつ５００［ｋＨｚ］以下であるのが好ましい（良好以上）ことが判明し、照射エネルギについては、０．０３［Ｊ／ｍｍ］以上かつ５．０［Ｊ／ｍｍ］未満であるのが好ましく（良好）、０．１５［Ｊ／ｍｍ］以下であるのがより好ましい（最良）ことが判明した。これは、与えられたエネルギ量が所定量を超えた場合に突出物Ｄが生じるからであると考えられる。

［活物質付き銅箔：表面に沿う方向の突出物］
実験により、端縁１０ａにおける表面Ｗａに沿う方向（Ｙ方向）の突出物Ｐ（図９参照）については、重なり率およびパルスのピーク出力（Ｐｐ、図４参照）によってその高さが変化することが判明した。図１２は、活物質が塗布された銅箔を切断した場合の端縁１０ａにおける表面Ｗａに沿う方向の突出物Ｐの高さについての、重なり率およびピーク出力に対する評価結果の一例を示すグラフである。

図１２において、○：最良は、突出物Ｐの端縁１０ａからのＹ方向に沿った高さ（以下、第二高さと称する）が１０［μｍ］以下である場合を示し、◇：良好は、第二高さが１０［μｍ］より大きくかつ２０［μｍ］以下である場合を示し、×：不良は、第二高さが２０［μｍ］より大きい場合を示す。

図１２に示されるように、ピーク出力については、２００［Ｗ］より大きいのが好ましく（良好）、４００［Ｗ］以上であるのがより好ましい（最良）であることが判明し、重なり率については、９［％］以上かつ９６［％］以下であるのが好ましく（良好）、２４［％］以上かつ７８［％］以下であるのがより好ましい（最良）ことが判明した。これは、重なり率が低くレーザ光Ｌが照射されない領域が生じるほど突出物Ｐが発生し易くなるとともに、ピーク出力が大きくなるほどカーフ幅（切断幅）が大きくなり突出物Ｐが発生し難くなるからであると考えられる。

［活物質付き銅箔：変色域］
実験により、端縁１０ａに沿って所定幅で延びた変色域Ｈ（図１０参照）については、レーザ光Ｌの照射エネルギおよびパルスの周波数によってその幅の大きさが変化することが判明した。図１３は、活物質が塗布された銅箔を切断した場合の端縁１０ａにおける変色域Ｈの幅についての、レーザ光Ｌの照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。

図１３において、○：変色域ＨのＹ方向に沿った幅が５０［μｍ］以下である場合を示し、◇：良好は、変色域Ｈの幅が５０［μｍ］より大きくかつ１００［μｍ］以下である場合を示し、×：不良は、変色域Ｈの幅が１００［μｍ］より大きい場合を示す。変色域Ｈは、端縁１０ａの近傍において、撮影画像における輝度が、一般領域と比較して４５％以下となる領域とした。なお、一般領域とは、切断対象の金属箔１０においてレーザ光Ｌでの切断による影響が少ない領域をいい、例えば、端縁１０ａから１０００［μｍ］以上離れた箇所を一般領域とすることができる。

図１３に示されるように、周波数については、０［ｋＨｚ］以上かつ５００［ｋＨｚ］以下であるのが好ましく（良好）、１００［ｋＨｚ］以上であるのがより好ましい（最良）ことが判明し、照射エネルギについては、０．０３［Ｊ／ｍｍ］以上かつ１．０［Ｊ／ｍｍ］未満であるのが好ましく（良好）、０．１２［Ｊ／ｍｍ］以下であるのがより好ましい（最良）ことが判明した。これは、与えられたエネルギ量が所定量を超えた場合に熱影響による変色が生じ易くなるからであると考えられる。

［銅箔（活物質無し）：厚さ方向の突出物］
銅箔（活物質無し、厚さ１０［μｍ］)についても、活物質付き銅箔と同様の実験を行った。銅箔（活物質無し）の実験結果によって得られた好適な処理条件は、露出箇所Ｐｅでのレーザ切断に適用することができる。

図１４は、活物質が塗布されていない銅箔を切断した場合の端縁１０ａにおける厚さ方向の突出物Ｄの高さについての、レーザ光Ｌの照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。突出物Ｄの高さの判定基準は、活物質付き銅箔の場合と同じである。

図１４に示されるように、周波数については、０［ｋＨｚ］以上かつ１［ＭＨｚ］（１０００［ｋＨｚ］）以下であるのが好ましく（良好）、５００［ｋＨｚ］以下であるのがより好ましい（最良）であることが判明し、照射エネルギについては、０．０３［Ｊ／ｍｍ］以上かつ２．０［Ｊ／ｍｍ］未満であるのが好ましく（良好）、０．２［Ｊ／ｍｍ］以下であるのがより好ましい（最良）ことが判明した。

［銅箔（活物質無し）：表面に沿う方向の突出物］
図１５は、活物質が塗布されていない銅箔を切断した場合の端縁１０ａにおける表面Ｗａに沿う方向の突出物Ｐの高さについての、重なり率およびピーク出力に対する評価結果の一例を示すグラフである。突出物Ｐの高さの判定基準は、活物質付き銅箔の場合と同じである。

図１５に示されるように、ピーク出力については、２００［Ｗ］以上かつ１０００［Ｗ］以下であるのが好ましく（良好）、４００［Ｗ］以上であるのがより好ましい（最良）であることが判明し、重なり率については、－２２［％］より大きくかつ９６［％］以下であるのが好ましく（良好）、９［％］以上かつ７８［％］以下であるのがより好ましい（最良）ことが判明した。

［銅箔（活物質無し）：変色域］
図１６は、活物質が塗布されていない銅箔を切断した場合の端縁１０ａにおける変色域Ｈの幅についての、レーザ光Ｌの照射エネルギおよびパルスの周波数に対する評価結果の一例を示すグラフである。変色域Ｈは、端縁１０ａの近傍において、撮影画像における輝度が、一般領域と比較して５３［％］以下となる領域とした。なお、一般領域とは、切断対象の金属箔１０においてレーザ光Ｌでの切断による影響が少ない領域をいい、例えば、端縁１０ａから１０００［μｍ］以上離れた箇所を一般領域とすることができる。

図１６に示されるように、周波数については、０［ｋＨｚ］以上かつ１［ＭＨｚ］以下であるのが好ましい（良好以上）であることが判明し、照射エネルギについては、０．０３［Ｊ／ｍｍ］以上かつ１．０［Ｊ／ｍｍ］未満であるのが好ましく（良好）、０．８［Ｊ／ｍｍ］以下であるのがより好ましい（最良）ことが判明した。

以上、説明したように、本実施形態によれば、電池の負極を構成する金属箔のレーザ切断方法において、パルスの周波数や、照射エネルギ、ピーク出力、重なり率等を適宜に設定することにより、端縁１０ａにおける厚さ方向の突出物Ｄや、端縁１０ａにおける表面Ｗａに沿う方向の突出物Ｐ、変色域Ｈの、形成あるいは増大を抑制することができる。したがって、本実施形態によれば、より高品質な金属箔のレーザ切断を実現することができる。

［第２実施形態］
図１７は、第２実施形態のレーザ切断装置１００Ａの概略構成図である。本実施形態では、光学ヘッド１２０は、コリメートレンズ１２１と集光レンズ１２２との間に、ガルバノスキャナ１２６を有している。ガルバノスキャナ１２６は、二つのミラー１２６ａを有している。これら二つのミラー１２６ａの姿勢の変化により、レーザ光Ｌの照射方向および照射位置が変化する。すなわち、レーザ切断装置１００Ａは、光学ヘッド１２０を移動させることなく、レーザ光Ｌの照射位置を移動させ、レーザ光Ｌを掃引することができる。コントローラ１４０は、ミラー１２６ａの角度（姿勢）が変化するよう、各ミラー１２６ａに対応するモータ１２６ｂの作動を制御することができる。本実施形態によっても、上記第１実施形態と同様の作用および効果が得られる。

以上、本発明の実施形態が例示されたが、上記実施形態は一例であって、発明の範囲を限定することは意図していない。上記実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、組み合わせ、変更を行うことができる。また、各構成や、形状、等のスペック（構造や、種類、方向、型式、大きさ、長さ、幅、厚さ、高さ、数、配置、位置、材質等）は、適宜に変更して実施することができる。

１０…金属箔
１０ａ…端縁
１１…金属層
１２…活物質層
１００，１００Ａ…レーザ切断装置
１１０…レーザ装置
１２０…光学ヘッド
１２１…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
１２３…ＤＯＥ
１２６…ガルバノスキャナ
１２６ａ…ミラー
１２６ｂ…モータ
１３０…光ファイバ
１４０…コントローラ
Ａ…重複領域
Ａｘ…光軸
ａ…距離
Ｃ…中心線
Ｄ…突出物
Ｄ_ａ…ビーム径（スポット径）
Ｄ_ｃ，Ｄ_ｆ…ビーム径
ｆ_１，ｆ_２…焦点距離
Ｄｒ…デューティ比
Ｅ…照射エネルギ
Ｈ…変色域
Ｉ…距離
Ｌ…レーザ光
Ｐ…突出物
Ｐｃ…被覆箇所
Ｐｅ…露出箇所
Ｐｆ…焦点位置
Ｐｎ，Ｐｎ＋１…照射領域
Ｐｔ…掃引経路
Ｒ…重なり率
ＳＤ…掃引方向
Ｔｐ…発振時間
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
Ｘ…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向
θ_１…ビーム発散角
θ_２…ビーム広がり角

Claims (20)

1. 電池の負極を構成する加工対象としての金属箔にレーザ光のパルスを１０［ＭＨｚ］以下の周波数で断続的に照射することにより当該加工対象をレーザ切断する、金属箔のレーザ切断方法。
2. 前記パルスの照射領域と次の前記パルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）
   Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
   ここに、
   Ｌ１：前記照射領域の掃引方向における長さ、
   Ｌ２：前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に重なっている場合には前記パルスと前記次のパルスとの重複領域の前記掃引方向における長さ、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に接している場合には０、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、
   と定義した場合、前記重なり率Ｒは、－２２［％］より大きくかつ９６［％］以下である、請求項１に記載の金属箔のレーザ切断方法。
3. 前記レーザ光の照射エネルギが、０．０３［Ｊ／ｍｍ］以上かつ５．０［Ｊ／ｍｍ］未満である、請求項１または２に記載の金属箔のレーザ切断方法。
4. 前記金属箔の厚さが、５００［μｍ］以下である、請求項１～３のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
5. 前記金属箔は、皮膜で覆われた箇所と、皮膜で覆われていない箇所と、を有した、請求項１～４のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
6. 前記レーザ光のスポット径が、１００［μｍ］以下である、請求項１～５のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
7. 前記レーザ光のスポット径が、５０［μｍ］以下である、請求項６に記載の金属箔のレーザ切断方法。
8. 前記レーザ光のスポット径が、２８［μｍ］以下である、請求項７に記載の金属箔のレーザ切断方法。
9. 前記レーザ光のピーク出力が、２００［Ｗ］以上である、請求項１～７のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
10. 前記金属箔は、銅系材料で作られた金属層を有した、請求項１～８のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
11. 前記周波数が、１［ＭＨｚ］以下である、請求項１０に記載の金属箔のレーザ切断方法。
12. 前記レーザ光の照射エネルギが、１．０［Ｊ／ｍｍ］未満である、請求項１０または１１に記載の金属箔のレーザ切断方法。
13. 前記レーザ光のピーク出力が、４００［Ｗ］以上である、請求項１０～１２のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
14. 前記パルスの照射領域と次の前記パルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）
    Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
    ここに、
    Ｌ１：前記照射領域の掃引方向における長さ、
    Ｌ２：前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に重なっている場合には前記パルスと前記次のパルスとの重複領域の前記掃引方向における長さ、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に接している場合には０、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、
    と定義した場合、前記重なり率Ｒが、９［％］以上である、請求項１０～１３のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
15. 前記重なり率Ｒが、７８［％］以下である、請求項１４に記載の金属箔のレーザ切断方法。
16. 前記金属箔は、前記金属層の表面に塗布された活物質層を有した、請求項１０～１５のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
17. 前記周波数が、５００［ｋＨｚ］以下である、請求項１６に記載の金属箔のレーザ切断方法。
18. 前記周波数が、１００［ｋＨｚ］以上である、請求項１６または１７に記載の金属箔のレーザ切断方法。
19. 前記レーザ光の照射エネルギが、０．１５［Ｊ／ｍｍ］以下である、請求項１６～１８のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
20. 前記パルスの照射領域と次の前記パルスの照射領域との重なり率Ｒを、以下の式（１）
    Ｒ＝Ｌ２／Ｌ１ ・・・ （１）
    ここに、
    Ｌ１：前記照射領域の掃引方向における長さ、
    Ｌ２：前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に重なっている場合には前記パルスと前記次のパルスとの重複領域の前記掃引方向における長さ、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に接している場合には０、前記パルスと前記次のパルスとが前記掃引方向に距離Ｉ（＞０）だけ離間している場合には－Ｉ、
    と定義した場合、前記重なり率Ｒが、２４［％］以上である、請求項１６～１９のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。

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