JP5435146B2 - レーザ切断方法 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザによって被加工物を切断するレーザ切断方法に関するものである。
従来から、集光したレーザを被加工物に照射し、溶融させて切断するレーザ切断方法が知られている。JP2001−176501Aには、積層型電池の電極をレーザ切断する方法が開示されている。JP2001−176501Aでは、被加工物は、表面に活物質が塗布されて電極を構成する集電体である。レーザ切断では、プレスによって切断する場合と比較すると、プレス型の磨耗などに起因するバリの発生を抑制できる。
ところで、一般に、厚さが相違する一対の板材をレーザ切断によって切断する場合には、板材の厚さに合わせて切断条件を変更し、各々に適した切断条件でレーザ切断を行う必要がある。そのため、厚さが相違する一対の板材を連続して切断するためには、切断条件を変更するための時間が余計にかかるおそれがある。
本発明はこのような問題点に着目してなされたものであり、切断時のバリ高さを抑制可能であると共に、厚さが相違する一対の板材の加工時間を短縮可能なレーザ切断方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明のある態様によれば、互いに厚さ及び融点が相違する一対の板材にレーザを照射して切断するレーザ切断方法が、一対の板材のうち融点が低い方の板材のレーザ照射面の反対面が融点が高い方の板材のレーザ照射面の反対面よりも突出するように一対の板材を並べて配置し、レーザの焦点位置を前記一対の板材のうち融点が高い方の板材のレーザ照射面の反対の裏面に合わせ、レーザを照射して一対の板材に対するレーザの焦点位置を維持しながら一対の板材を一連の動作で切断する。
本発明の実施形態、本発明の利点については、添付された図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
図1は、本発明の一実施形態によるレーザ切断方法に用いられるレーザ切断装置を示す構成図である。 図2は、図1のレーザ切断装置における加工ヘッド周辺の拡大図である。 図3Aは、本発明の一実施形態によるレーザ切断方法の板材配置工程について説明する図である。 図3Bは、本発明の一実施形態によるレーザ切断方法の焦点調整工程について説明する図である。 図3Cは、本発明の一実施形態によるレーザ切断方法の板材切断工程について説明する図である。 図3Dは、本発明の一実施形態によるレーザ切断方法のガス吹付工程について説明する図である。 図4は、レーザ焦点位置の変化のバリ高さへの影響を示すグラフ図である。 図5Aは、レーザ焦点位置の変化のカーフ幅への影響を示すグラフ図である。 図5Bは、カーフ幅について説明する図である。 図6は、アシストガスのガス圧の変化の最大バリ高さへの影響を示すグラフ図である。
まず、図1及び図2を参照して、被加工物である正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aを有する積層型電池10について説明する。
積層型電池10は、正極電極11と負極電極12とが、多孔質フィルムであるセパレータ(図示省略)を介して積層され、電解質とともにラミネートパック15の内部に収容されて形成される。積層型電池10は、リチウムイオン二次電池などのラミネート型のセルである。
正極電極11は、正極活物質(図示省略)が塗布された正極集電箔(図示省略)と、正極集電箔に接合された正極電極タブ11aとを備える。正極活物質は、例えば、コバルト酸リチウムやマンガン酸リチウムなどのリチウム遷移金属酸化物によって形成される。正極集電箔は、例えば、アルミニウムなどの金属によって形成される。
図2に示すように、正極電極タブ11aは、レーザが照射されるレーザ照射面11bと、レーザ照射面11bの反対面11cとを有する板材である。ここでは、正極電極タブ11aは、正極集電箔と比較して厚い0.4[mm]のアルミニウムで形成される。
負極電極12は、負極活物質(図示省略)が塗布された負極集電箔(図示省略)と、負極集電箔に接合された負極電極タブ12aとを備える。負極活物質は、例えば、ハードカーボンやグラファイトなどの炭素系材料によって形成される。負極集電箔は、例えば、銅などの金属によって形成される。
図2に示すように、負極電極タブ12aも同様に、レーザが照射されるレーザ照射面12bと、レーザ照射面12bの反対面12cとを有する板材である。ここでは、負極電極タブ12aは、負極集電箔と比較して厚い0.2[mm]の銅で形成される。
正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとは、互いに厚さ及び融点が相違する。具体的には、負極電極タブ12aは、正極電極タブ11aと比較して薄く形成される。また、アルミニウムで形成される正極電極タブ11aと比較して、銅などで形成される負極電極タブ12aのほうが融点は高い。
正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとは、レーザ照射面11bとレーザ照射面12bとが面一になるように平行に設けられる。換言すれば、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとは、相対的に融点が低い正極電極タブ11aの反対面11cが、相対的に融点が高い負極電極タブ12aの反対面12cよりも図中下方に突出した状態で平行に設けられる。これらの正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとが、一対の板材に該当する。
次に、図1及び図2を参照して、本発明の実施の形態に係るレーザ切断方法に用いられるレーザ切断装置100について説明する。
レーザ切断装置100は、集光したレーザを正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとに照射し、溶融させて切断するものである。レーザ切断装置100は、積層型電池10が載置されるテーブル20と、レーザを供給するレーザ供給装置30と、レーザを照射する加工ヘッド40と、加工ヘッド40を二方向に移動させるXYステージ50とを備える。
テーブル20は、積層型電池10が載置される上面21を有する。テーブル20は、積層型電池10が載置されたときに、ラミネートパック15のみを保持し、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aが外部にはみ出るような大きさに形成される。
レーザ供給装置30は、レーザを発振するレーザ発振器31と、レーザを伝送する光ファイバ32とを備える。
レーザ発振器31は、ファイバー自体によって発振されるファイバーレーザを出力する。レーザ発振器31から発振されるレーザは、レーザ光のエネルギ分布が単一モードである高エネルギ密度のシングルモードファイバーレーザである。シングルモードファイバーレーザは、ビーム品質が高く集光性に優れているため、微細な加工に適している。
光ファイバ32は、レーザ発振器31と加工ヘッド40とを接続する。レーザ発振器31で発振されたレーザは、光ファイバ32の中を通って加工ヘッド40に伝送される。
図2に示すように、加工ヘッド40は、本体41の内部に同軸に並べられたコリメータレンズ42及び集光レンズ43を備える。光ファイバ32によって伝送されたレーザは、コリメータレンズ42を通過すると平行光線になり、集光レンズ43を通過すると焦点に向けて集光される。加工ヘッド40の先端には、ノズル44が形成され、レーザはノズル44から外部に照射される。
図1に示すように、加工ヘッド40は、XYステージ50に保持される。XYステージ50は、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの幅方向に加工ヘッド40を移動させるX軸51と、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの長さ方向に加工ヘッド40を移動させるY軸52とを備える。これにより、加工ヘッド40は、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aに対するレーザの焦点位置を維持しながら平行移動が可能である。
ここで、加工ヘッド40を高さ方向に移動可能に設けた場合には、加工ヘッド40の高さ方向の移動誤差が、レーザの焦点位置に影響を及ぼすおそれがある。そこで、加工ヘッド40は、高さ方向に移動できないように固定される。これにより、加工ヘッド40は固定光学系となり、加工ヘッド40の高さ方向への移動誤差に起因してレーザの焦点位置がずれることを防止できる。また、加工ヘッド40を高さ方向に移動させるための機構を設けないでよいため、設備が簡素化されてコストダウンが図れる。
また、レーザ切断装置100は、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aにレーザと同軸に吹き付けられるアシストガスを供給するガス供給装置60を備える。
ガス供給装置60は、圧縮された高圧の気体を溜めるガスタンク61と、ガスタンク61と加工ヘッド40とを連結する配管62とを備える。
ガスタンク61には、レーザ切断を補助するアシストガスが充填される。ガスタンク61は、配管62によって加工ヘッド40と連結され、加工ヘッド40にアシストガスを供給する。
アシストガスは、ここでは、圧縮空気である。アシストガスは、レーザ切断される部分に吹き付けられ、溶融し蒸発したガスを吹き飛ばして除去する。これにより、被加工部に溶融物が付着することを抑制できる。アシストガスは、切断される材料によって使い分けられるものである。アシストガスとして、酸素,窒素,又はアルゴンなどを用いてもよい。
次に、主に図3Aから図3Dを参照して、レーザ切断装置100におけるレーザ切断方法について説明する。
まず、テーブル20の上面21に積層型電池10を載置し、正極電極タブ11aのレーザ照射面11bと、負極電極タブ12aのレーザ照射面12bとが面一になるように平行に並べて配置する(板材配置工程#101)。ここでは、積層型電池10は、レーザ照射面11bとレーザ照射面12bとが面一になるように形成されているため、テーブル20の上面21に載置するだけで配置が完了する。
次に、加工ヘッド40から照射されるレーザの焦点位置が、負極電極タブ12aの裏面12cと一致するように調整する。即ち、レーザの焦点位置を、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとのうち厚さが薄い方におけるレーザ照射面12bの反対の裏面12cに合わせる(焦点調整工程#102)。レーザの焦点位置は、加工ヘッド40の固定位置を光軸方向(図2では上下方向)に調整すること、又は集光レンズ43の固定位置を光軸方向に調整することによって調整可能である。ここでは、加工ヘッド40は固定光学系であり、テーブル20の上面21に積層型電池10を載置すれば、レーザの焦点位置が負極電極タブ12aの裏面12cに合うようになっている。
次に、加工ヘッド40からレーザを照射した状態で、XYステージ50を駆動し、加工ヘッド40を平行移動する。具体的には、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aに対するレーザの焦点位置を維持しながら加工ヘッド40を移動する。ここでは、レーザの出力は、300[W(ワット)]に設定される。
加工ヘッド40は、図1を参照すると、X軸51の方向に移動して、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとを、連続的にレーザ切断する(板材切断工程#103)。これにより、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとは、所望の長さに切断される。
このとき、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aには、加工ヘッド40から照射されるレーザと共に、ガス供給装置60からアシストガスが吹きつけられる(ガス吹付工程#104)。正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aとは、アシストガスの供給条件を一定に保ったまま連続的にレーザ切断される。アシストガスは、1.5[MPa]の圧力で供給される。
正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aにおけるレーザが照射されて溶融した部分の溶金(切断生成物)は、アシストガスによって吹き飛ばされる。よって、切断部に溶金が付着することが抑制される。
なお、本実施形態において連続的にレーザ切断するというのは、レーザの出力及びアシストガスの供給条件を一定に保った一連の動作の中で、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとを切断するという意味である。
以下、図4から図6を参照して、本発明の実施の形態に係るレーザ切断方法の作用について説明する。
図4において、横軸は、レーザ照射面11b及びレーザ照射面12bを零としたときのレーザの焦点位置[mm]であり、縦軸は、レーザ切断によって発生したバリの高さ[μm]である。図4における一点鎖線は、レーザの焦点位置が−0.2[mm]であるときを示す。
正極電極タブ11aは、正極集電箔より厚く形成され、負極電極タブ12aは、負極集電箔より厚く形成される。そのため、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aをレーザ切断する場合には、正極集電箔及び負極集電箔をレーザ切断する場合と比較してバリが発生しやすい。
図4のグラフにおける二本の曲線は、それぞれ正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとのレーザの焦点位置に対応するバリ高さ[μm]を示すものである。図4に示すように、正極電極タブ11aは、レーザの焦点位置が0[mm]から−0.5[mm]程度のときに、バリ高さが零になり、最小になる。一方、負極電極タブ12aは、レーザの焦点位置が−0.2[mm]程度のときに、バリ高さが最小になる。
ここでは、負極電極タブ12aの裏面12cに焦点位置を合わせているため、レーザ照射面12bから負極電極タブ12aの厚さ分だけ離れた−0.2[mm]の位置に焦点が合っている。図4のグラフから、レーザの焦点位置が−0.2[mm]のときのバリ高さは、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとの双方で、最小に抑えられていることがわかる。
これは、レーザの焦点位置を、負極電極タブ12aの裏面12cに合わせたことによって、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの上面にレーザ焦点位置を合わせた場合と比較して、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの板厚間でのレーザ散乱が抑えられるためである。
よって、散乱したレーザが必要以上に正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aを溶かして切断面が荒れることを抑制できる。したがって、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの切断時に発生するバリの高さを抑制できる。
以上より、レーザの焦点位置を負極電極タブ12aの裏面12cに合わせた場合には、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの両方で、バリ高さを最少に抑えることができる。よって、互いに厚さの異なる正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aを、レーザの焦点位置を一定に保ったまま連続的にレーザ切断することが可能である。したがって、レーザ切断の途中でレーザの切断条件を変更する必要はなく、厚さが相違する正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの加工時間を短縮できる。
また、図4に点線で示したように、正極電極タブ11aは、レーザの焦点位置が−0.6[mm]から0.4[mm]の範囲でバリ高さを許容範囲内に抑えることができ、その範囲を超えるとバリ高さが急激に大きくなって許容範囲内に抑えることができなくなる。バリ高さを許容範囲内に抑えないと、正極電極タブ11aを切断できないおそれがある。この結果から、正極電極タブ11aの板厚の厚さが0.4[mm]のときのレーザの焦点位置の裕度(以下「焦点裕度」という。)は、−0.6[mm]から0.4[mm]の範囲と考えることができ、焦点裕度の幅は1.0[mm]となる。
一方、図4に破線で示したように、負極電極タブ12aは、レーザの焦点位置が−0.4[mm]から0.2[mm]の範囲でバリ高さを許容範囲内に抑えることができ、その範囲を超えるとバリ高さが急激に大きくなって許容範囲内に抑えることができなくなる。バリ高さを許容範囲内に抑えないと、負極電極タブ12aを切断できないおそれがある。この結果から、負極電極タブ12aの板厚の厚さが0.2[mm]のときの焦点裕度は、−0.4[mm]から0.2[mm]の範囲と考えることができ、焦点裕度の幅は0.6[mm]となる。
ここで、焦点裕度の幅は、電極タブの融点及び板厚によって変化する。具体的には、電極タブの融点が高いほど、また、板厚が厚くなるほど切断しにくくなるので、焦点裕度の幅は狭くなる。
本実施形態の場合、正極電極タブ11aの焦点裕度の幅は、負極電極タブ12aの焦点裕度の幅よりも広くなっている。したがって、負極電極タブ12aの焦点裕度の範囲でレーザ切断をする場合は、正極電極タブ11aの板厚を現在の0.4[mm]よりも厚くすることができる。
具体的には、焦点裕度の幅と板厚とは比例関係にあるため、正極電極タブ11aの焦点裕度の幅を1.0[mm]から0.6[mm]にしたときは、正極電極タブ11aの板厚を1.67(=1.0/0.6)倍まで厚くすることができる。すなわち、正極電極タブ11aの板厚を0.67[mm](=0.4[mm]×1.67)まで厚くすることができる。
したがって、正極電極タブ11aがアルミニウムで形成されていて、負極電極タブ12aが銅で形成されている場合に、負極電極タブ12aの焦点裕度の範囲でレーザ切断をするときは、正極負極タブ11aの板厚の厚さを、負極電極タブ12aの板厚の厚さの3.3(=0.67[mm]/0.2[mm])倍まで厚くしても、バリ高さを抑制しつつ正極電極タブ11aを切断することができる。
このように、融点の異なる2種類の板材を一連の動作でレーザ切断する場合には、融点が高いほうの板材の焦点裕度の幅に応じて、融点が低いほうの板材の板厚の厚さの最大値を設定することができる。
図5Aにおいて、横軸は、レーザ照射面11b及びレーザ照射面12bを零としたときのレーザの焦点位置[mm]であり、縦軸は、レーザの焦点位置の変化に対応するカーフ幅[μm]である。
カーフ幅は、図5Bに示すように、レーザ切断で切断された部分の幅である。カーフ幅が小さいほど、レーザ切断を行うときの溶金の生成量が少なく、精度の高い加工が可能である。
図5Aのグラフにおけるプロットは、レーザの焦点位置に対する負極電極タブ12aのカーフ幅[mm]を示すものである。レーザの焦点位置が0[mm]である状態は、負極電極タブ12aのレーザ照射面12bにレーザの焦点位置を合わせた状態である。図5Aに示すように、レーザの焦点位置が0[mm]のときには、カーフ幅が約45[μm]であり、比較的大きくなる。カーフ幅が大きくなると、散乱したレーザが必要以上に負極電極タブ12aを溶融させ、切断面が荒れるためにバリ高さが高くなると考えられる。
これに対して、レーザの焦点位置が−0.2[mm]のときに、負極電極タブ12aにおけるカーフ幅は最小になる。これは、負極電極タブ12aの反対面12cにレーザの焦点を合わせたときと一致する。よって、レーザの焦点位置を、負極電極タブ12aにおけるレーザ照射面12bの反対面12cに合わせると、負極電極タブ12aのカーフ幅を最小にすることができる。
図6において、横軸は、ガス供給装置60によって供給されるアシストガスのガス圧[MPa]であり、縦軸は、ガス圧の変化に対応する最大バリ高さ[μm]である。
一般に、アルミニウムのレーザ切断には、酸素ガスと比較して不活性ガスの方が適しており、銅のレーザ切断には、酸素ガスが適している。よって、アルミニウムである正極電極タブ11aと銅である負極電極タブ12aとを連続して加工するときには、アシストガスの種類や圧力等の条件を途中で変更することが望ましい。
これに対して、本実施の形態に係るレーザ切断方法では、単一のアシストガスとして、少なくとも1.5[MPa]以上の高圧に圧縮された空気が用いられる。図6のグラフにおけるプロットは、ガス圧を1.5[MPa]から2.0[MPa]まで変化させたときの最大バリ高さ[μm]を示す。図6のグラフにおける白塗りのプロットは、アルミニウムである正極電極タブ11aの最大バリ高さを示し、黒塗りのプロットは、銅である負極電極タブ12aの最大バリ高さを示す。
図6のグラフから、少なくとも1.5[MPa]以上にガス圧を設定すれば、アルミニウムである正極電極タブ11aと銅である負極電極タブ12aとの両方において、最大バリ高さが抑制されることがわかる。よって、アシストガスとして圧縮空気を用いたときにも、銅である負極電極タブ12aにおけるバリの発生を抑制できる。
これは、圧縮空気を高圧にすることで、供給される酸素の絶対量が増加するためであると考えられる。また、空気の約80%は不活性ガスである窒素であるため、アルミニウムである正極電極タブ11aにおけるバリの発生を抑制できる。更に、圧縮空気は1.5[MPa]以上の高圧であるため、圧縮空気を吹き付けることでアルミニウム又は銅の溶金を吹き飛ばすことができ、レーザ切断におけるバリの発生を抑制できる。
以上より、正極電極タブ11aと負極電極タブ12aとを、アシストガスの条件を変更することなく、同一の条件で連続して加工することができる。単一のアシストガスを用いることで、加工時間の短縮が可能であるとともに、設備の簡素化が可能である。また、圧縮空気を用いることで、希ガス類を用いる場合などと比較してランニングコストを抑制できる。
以上の実施の形態によれば、以下に示す効果を奏する。
レーザの焦点位置を、正極電極タブ11aと比較して板厚が薄く、融点の高い負極電極タブ12aの反対面12cに合わせたことによって、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの上面にレーザ焦点位置を合わせた場合と比較して、正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの板厚間でのレーザ散乱が抑えられる。
よって、散乱したレーザが必要以上に正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aを溶かして切断面が荒れることを抑制できると共に、互いに厚さの異なる正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aを連続してレーザ切断することが可能である。したがって、切断時のバリ高さを抑制できると共に、厚さが相違する正極電極タブ11a及び負極電極タブ12aの加工時間を短縮できる。
以上、この発明を特定の実施形態を通じて説明してきたが、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。当業者にとっては、本発明の技術的範囲で上記実施形態にさまざまな修正あるいは変更を加えることが可能である。
例えば、上述した本発明の実施の形態では、XYステージ50の駆動によって加工ヘッド40を移動しているが、加工ヘッド40を固定し、加工ヘッド40に対してテーブル20を平行移動してもよい。
以上の説明に関して2010年10月19日を出願日とする日本国における特願2010−234722号の内容をここに引用により組み込む。

Claims (7)

  1. 互いに厚さ及び融点が相違する一対の板材にレーザを照射して切断するレーザ切断方法であって、
    前記一対の板材のうち融点が低い方の板材のレーザ照射面の反対が、融点が高い方の板材のレーザ照射面の反対面よりも突出するように、前記一対の板材を並べて配置する板材配置工程と、
    レーザの焦点位置を、前記一対の板材のうち融点が高い方の板材のレーザ照射面の反対面に合わせる焦点調整工程と
    レーザを照射し、前記一対の板材に対するレーザの焦点位置を維持しながら前記一対の板材を一連の動作で切断する板材切断工程と
    を備えるレーザ切断方法。
  2. 前記一対の板材のうち融点が低い方の板材の板厚の最大値は、融点が高い方の板材の焦点裕度に応じて設定され、融点が高い方の板材の焦点裕度の幅が狭くなるほど、融点が低い方の板材の板厚の最大値は小さくなる請求項1に記載のレーザ切断方法。
  3. 前記一対の板材のうち融点が低い方の板材はアルミニウム板であり、融点が高い方の板材は銅板であり、
    融点が低い方の板材の板厚の最大値は、融点が高い方の板材の板厚の3.3倍に設定される請求項2に記載のレーザ切断方法。
  4. 前記板材配置工程は、前記焦点調整工程の前に、前記一対の板材のそれぞれの前記レーザ照射面を、面一になるように並べて配置する請求項1から請求項3までのいずれか1つに記載のレーザ切断方法。
  5. レーザによる切断を補助するために、レーザの照射と共にアシストガスを前記一対の板材に吹き付けるガス吹付工程を更に備え、
    前記一対の板材は、前記アシストガスを供給した状態で、連続的に切断される請求項1から請求項4までのいずれか1つに記載のレーザ切断方法。
  6. 前記一対の板材は、前記アシストガスの供給条件を一定に保ったまま連続的に切断される請求項5に記載のレーザ切断方法。
  7. 前記一対の板材のうち融点が低い方の板材は、積層型電池の正極電極タブであり、融点が高い方の板材は前記積層型電池の負極電極タブであり、
    前記正極電極タブ及び前記負極電極タブは、前記積層型電池の電極を形成する集電箔よりも厚く形成される請求項1から請求項6までのいずれか1つに記載のレーザ切断方法。
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