JP7460405B2

JP7460405B2 - レーザー加工装置

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Publication number: JP7460405B2
Application number: JP2020047595A
Authority: JP
Inventors: 裕次金平; 史紀檜物
Original assignee: Komatsu NTC Ltd
Current assignee: Komatsu NTC Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2024-04-02
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: JP2021146358A

Description

本発明は、帯状電極を加工するためのレーザー加工装置に関する。

リチウムイオン電池などの二次電池では、帯状電極が用いられる。帯状電極は、金属箔と、活物質層とを含む。金属箔は、シート状の形状を有する。活物質層は、金属箔の表面に設けられている。活物質層は、金属箔の縁に沿って設けられる被加工部を除く部分に設けられる。

従来、帯状電極の被加工部を加工するためにレーザー加工装置が用いられている。例えば、特許文献１では、レーザーによって被加工部を所望の形状に切断するレーザー加工装置が開示されている。このレーザー加工装置では、ヘッドから照射されるレーザー光の方向を変化させることで、帯状電極を移動させながら、被加工部を所望の形状に切断する。

上記のレーザー加工装置では、ヘッドの位置は固定されている。従って、帯状電極が移動中に蛇行することで、帯状電極の幅方向の位置にズレが生じると、精度よく、被加工部を所望の形状に切断することは困難である。そのため、上記のレーザー加工装置は、蛇行修正装置を備えている。蛇行修正装置は、帯状電極を案内するローラを幅方向に移動させることで、帯状電極の位置のズレを修正する。

特開２０１８－２２５５４号公報

上記のレーザー加工装置では、帯状電極に皺が生じないように、帯状電極を案内するローラと、次のローラとの間の距離を大きく確保する必要がある。そのため、レーザー加工装置が大型化してしまう。また、帯状電極の継ぎ目の部分などで、帯状電極の位置が急激に変化する場合には、位置のズレを修正することは困難である。本発明の課題は、帯状電極を加工するためのレーザー加工装置において、大型化を抑えると共に、帯状電極の位置の急変に対するレスポンスを向上させることにある。

本発明の一態様に係るレーザー加工装置は、帯状電極を加工するための装置であって、巻出軸と、巻取軸と、駆動装置と、レーザー照射部と、支持装置と、位置センサと、コントローラとを備える。巻出軸には、ロール状に巻回された帯状電極が取り付けられる。巻取軸は、加工された帯状電極を巻き取る。駆動装置は、巻出軸から巻取軸へと帯状電極を移動させる。レーザー照射部は、ヘッドを含む。ヘッドは、巻出軸と巻取軸との間に配置される。ヘッドは、帯状電極に対して、帯状電極の幅方向における基準位置に配置される。レーザー照射部は、ヘッドからのレーザー光の照射方向を変化させることで帯状電極を所定形状に加工する。支持装置は、ヘッドを幅方向に移動可能に支持する。位置センサは、幅方向における帯状電極の位置を示す位置データを出力する。コントローラは、位置データを取得する。コントローラは、ヘッドを幅方向に移動させるように支持装置を制御する。コントローラは、ヘッドが帯状電極に対して基準位置に維持されるように、位置データに応じてヘッドを幅方向に移動させる。

本態様に係るレーザー加工装置では、帯状電極の位置の変化に応じて、支持装置が、ヘッドを幅方向に移動させる。それにより、ヘッドが帯状電極に対して基準位置に維持される。そのため、帯状電極を案内するローラを幅方向に移動させる場合と比べて、帯状電極の位置の急変に対するレスポンスを向上させることができる。また、ローラ間の距離を大きく確保する必要がないため、レーザー加工装置の大型化を抑えることができる。

レーザー照射部は、ヘッドからのレーザー光の照射方向を、帯状電極の移動方向と幅方向とに変化させることで、帯状電極の縁をタブ状に切断してもよい。レーザー照射部は、ガルバノスキャナ式の装置であってもよい。

コントローラは、帯状電極の移動方向における位置センサとヘッドとの間の距離と位置データとに応じて、ヘッドを幅方向に移動させるように支持装置を制御してもよい。この場合、ヘッドの位置における帯状電極の位置の変化を精度よく予測することができる。

位置センサは、第１センサと第２センサとを含んでもよい。第１センサは、第１データを出力してもよい。第１データは、第１検出位置において、幅方向における帯状電極の位置を示す。第２センサは、第２データを出力してもよい。第２データは、第２検出位置において、幅方向における帯状電極の位置を示す。第２検出位置は、帯状電極の移動方向に第１検出位置から離れている。コントローラは、第１データと第２データとに応じて、ヘッドを幅方向に移動させるように支持装置を制御してもよい。この場合、ヘッドの位置における帯状電極の位置の変化を精度よく予測することができる。

本発明によれば、帯状電極を加工するためのレーザー加工装置において、大型化を抑えると共に、帯状電極の位置の急変に対するレスポンスを向上させることができる。

実施形態に係るレーザー加工装置の構成を示す模式図である。レーザー加工装置の上面図である。レーザー加工装置の制御システムを示すブロック図である。帯状電極を加工するときのレーザー光の軌跡の一例を示す図である。レーザー加工装置によって加工される帯状電極の所定形状の一例を示す図である。第１支持装置による第１ヘッドの移動を示す図である。第１変形例に係るレーザー加工装置の上面図である。第２変形例に係るレーザー加工装置の上面図である。

以下、図面を参照して実施形態に係る帯状電極を加工するためのレーザー加工装置について説明する。図１は、実施形態に係るレーザー加工装置１の構成を示す模式図である。図２は、レーザー加工装置１の上面図である。図１及び図２において矢印Ａ１は、帯状電極１００の移動方向を示している。

図２に示すように、帯状電極１００は、第１縁１０１と第２縁１０２とを含む。第１縁１０１は、帯状電極１００の幅方向における一方の縁である。第２縁１０２は、帯状電極１００の幅方向における一方の縁である。帯状電極１００の幅方向は、帯状電極１００の長手方向に垂直な方向である。帯状電極１００の幅方向は、レーザー加工装置１における帯状電極１００の移動方向Ａ１に垂直な方向である。

図１に示すように、レーザー加工装置１は、巻出軸２と、巻取軸３と、駆動装置４と、複数のローラ５ａ－５ｎと、第１レーザー照射部６と、第２レーザー照射部７とを含む。巻出軸２には、ロール状に巻回された帯状電極１００（以下、「電極ロール１０３」と呼ぶ）が取り付けられる。巻取軸３は、加工された帯状電極１００をロール状に巻き取る。

駆動装置４は、巻出軸２から巻取軸３へと帯状電極１００を移動させる。駆動装置４は、第１駆動モータ１１と第２駆動モータ１２とを含む。第１駆動モータ１１は、巻出軸２に接続されている。第１駆動モータ１１は、巻出軸２を回転させる。第２駆動モータ１２は、巻取軸３に接続されている。第２駆動モータ１２は、巻取軸３を回転させる。

複数のローラ５ａ－５ｎは、各ローラ５ａ－５ｎの中心軸回りに回転可能に設けられている。複数のローラ５ａ－５ｎは、第１ダンサーローラ５ａと、ニップローラ５ｂと、第２ダンサーローラ５ｃと、複数のガイドローラ５ｄ－５ｎとを含む。第１ダンサーローラ５ａは、巻出軸２とニップローラ５ｂとの間に配置されている。第１ダンサーローラ５ａは、巻出軸２から巻き出された帯状電極１００に所定の張力を付与する。ニップローラ５ｂは、第１ダンサーローラ５ａと第２ダンサーローラ５ｃとの間に配置されている。ニップローラ５ｂは、第１ローラ５ｐと第２ローラ５ｑとを含む。ニップローラ５ｂは、第１ローラ５ｐと第２ローラ５ｑとの間で帯状電極１００を押圧する。第２ダンサーローラ５ｃは、巻取軸３とニップローラ５ｂとの間に配置されている。第２ダンサーローラ５ｃは、巻取軸３に巻き取られる帯状電極１００に所定の張力を付与する。

第１レーザー照射部６は、帯状部材の第１縁１０１を加工する。第１レーザー照射部６は、所謂、ガルバノスキャナ式のレーザー加工機である。第１レーザー照射部６は、第１レーザー発振器１３と第１ヘッド１４とを含む。第１レーザー発振器１３は、レーザー光を発生させる。第１ヘッド１４は、第１レーザー発振器１３とファイバケーブル１５を介して接続されている。第１ヘッド１４は、巻出軸２と巻取軸３との間に配置されている。第１ヘッド１４は、帯状電極１００の第１縁１０１の上方に配置される。

図２に示すように、第１ヘッド１４は、帯状電極１００に対して、帯状電極１００の幅方向における第１基準位置Ｂ１に配置されている。第１基準位置Ｂ１は、幅方向において帯状電極１００に対して固定的に定められる位置である。第１基準位置Ｂ１は、例えば帯状電極１００の第１縁１０１から幅方向に所定距離だけ離れた位置である。或いは、第１基準位置Ｂ１は、帯状電極１００の中心線から幅方向に所定距離だけ離れた位置であってもよい。

図１に示すように、第１ヘッド１４は、第１ミラー１６を含む。第１ミラー１６は、回転可能に配置されている。図３は、レーザー加工装置１の制御システムを示すブロック図である。第１ミラー１６は、図３に示す第１レーザーアクチュエータ１７に接続されている。第１レーザーアクチュエータ１７は、例えば電動モータである。第１ミラー１６の回転角度は、第１レーザーアクチュエータ１７によって変更される。第１レーザー照射部６は、第１ミラー１６の回転角度を変更することで、第１ヘッド１４からのレーザーの照射方向を変化させる。第１レーザー照射部６は、第１ヘッド１４からのレーザーの照射方向を変化させることで、帯状電極１００を所定形状に加工する。

第２レーザー照射部７は、帯状部材の第２縁１０２を加工する。第２レーザー照射部７は、図２に示す第２ヘッド１８と、図３に示す第２レーザー発振器１９と、第２レーザーアクチュエータ２０とを備えている。図２に示すように、第２ヘッド１８は、第２縁１０２の上方に配置されている。図２に示すように、第２ヘッド１８は、第２ミラー２１を含む。第２ヘッド１８は、帯状電極１００に対して、帯状電極１００の幅方向における第２基準位置Ｂ２に配置されている。第２基準位置Ｂ２は、第１基準位置Ｂ１と同様に、帯状電極１００に対して固定的に定められる位置である。第２基準位置Ｂ２は、第２縁１０２の位置から定められてもよい。

第２ヘッド１８と、第２レーザー発振器１９と、第２レーザーアクチュエータ２０とは、第１ヘッド１４と、第１レーザー発振器１３と、第１レーザーアクチュエータ１７と、それぞれ同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。

図２に示すように、レーザー加工装置１は、第１支持装置３１と第２支持装置３２とを含む。第１支持装置３１は、第１ヘッド１４を幅方向に移動可能に支持する。第１支持装置３１は、例えばリニアガイドである。或いは、第１支持装置３１は、ボールねじなどの他の機構であってもよい。第１支持装置３１は、第１レール３３と第１可動体３４とを含む。第１レール３３は、帯状電極１００の幅方向に延びている。第１可動体３４は、第１レール３３によって、帯状電極１００の幅方向に移動可能に支持されている。第１可動体３４には、第１ヘッド１４が取り付けられる。第２支持装置３２は、第２ヘッド１８を幅方向に移動可能に支持する。第２支持装置３２は、第２レール３５と第２可動体３６とを含む。第２支持装置３２は、第１支持装置３１と同様の構成であるため、詳細な説明を省略する。

図２及び図３に示すように、レーザー加工装置１は、第１位置センサ３７と、第２位置センサ３８と、コントローラ３９を含む。第１位置センサ３７は、第１位置データを出力する。第１位置データは、幅方向における帯状電極１００の第１縁１０１の位置を示す。第２位置センサ３８は、第２位置データを出力する。第２位置データは、幅方向における帯状電極１００の第２縁１０２の位置を示す。

コントローラ３９は、ＣＰＵなどのプロセッサと、ＲＡＭ及びＲＯＭなどのメモリを含む。コントローラ３９は、第１駆動モータ１１と第２駆動モータ１２とを制御することで、電極ロール１０３から帯状電極１００を巻き出し、複数のローラ５ａ－５ｎ上で帯状電極１００を移動させ、巻取軸３においてロール状に巻き取る。コントローラ３９は、第１レーザー発振器１３を制御することで、第１ヘッド１４からレーザー光を照射させる。コントローラ３９は、第１レーザーアクチュエータ１７を制御することで、第１ヘッド１４からのレーザー光の照射方向を変更する。コントローラ３９は、帯状電極１００を移動させながら、第１ヘッド１４からのレーザー光の照射方向を変更することで、帯状電極１００の第１縁１０１を所定の形状に加工する。

図４は、帯状電極１００を加工するときのレーザー光Ｌ１の軌跡の一例を示す図である。図４に示すように、帯状電極１００は、金属箔４１と、活物質層４２とを含む。活物質層４２は、金属箔４１の少なくとも一方の面に設けられる。活物質層４２は、第１被加工部４４と第２被加工部４５（図２参照）とを除く部分に設けられている。第１被加工部４４は、第１縁１０１に沿って設けられる。第２被加工部４５は、第２縁１０２に沿って設けられる。

第１レーザー照射部６は、第１ヘッド１４からのレーザー光Ｌ１の照射方向を、帯状電極１００の幅方向に変化させることで、帯状電極１００の第１縁１０１を、図５に示すようなタブ２００状に切断する。例えば、図４に示すように、コントローラ３９は、開始点Ｐ０から第１目標点Ｐ１へレーザー光Ｌ１を移動させる。第１目標点Ｐ１は、開始点Ｐ０から、帯状電極１００の移動方向Ａ１、且つ、外側に斜めに進んだ位置である。それにより、タブ２００の前縁２０１に沿って、第１被加工部４４が切断される。

コントローラ３９は、第１目標点Ｐ１において、レーザー光Ｌ１の移動を停止する。レーザー光Ｌ１の移動が停止している間に、帯状電極１００が移動方向Ａ１に移動することで、レーザー光Ｌ１が第２目標点Ｐ２に移動する。それにより、タブ２００の側縁２０２に沿って、第１被加工部４４が切断される。コントローラ３９は、第２目標点Ｐ２から第３目標点Ｐ３へレーザー光Ｌ１を移動させる。第３目標点Ｐ３は、第２目標点Ｐ２から、帯状電極１００の移動方向Ａ１、且つ、内側に斜めに進んだ位置である。それにより、タブ２００の後縁２０３に沿って、第１被加工部４４が切断される。以上のようにレーザー光Ｌ１が移動することで、第１被加工部４４が、図５に示すようなタブ２００状に切断される。

コントローラ３９は、帯状電極１００の幅方向における位置に応じて、帯状電極１００の幅方向における第１ヘッド１４の位置を変更する。第１ヘッド１４の位置は、第１ヘッド１４の所定部分に対して固定的に定められる。コントローラ３９は、上述した第１位置データを取得する。例えば、図６に示すように、第１基準位置Ｂ１は、第１縁１０１から幅方向における内側に所定距離Ｄ１だけ離れた位置である。コントローラ３９は、第１ヘッド１４が第１基準位置Ｂ１に維持されるように、第１位置データが示す第１縁１０１の位置に応じて、第１ヘッド１４を幅方向に移動させる。図６において、第１縁１０１が、実線で示す位置から、破線で示す位置１０１’に変化した場合、第１基準位置Ｂ１は、位置Ｂ１’に移動する。コントローラ３９は、第１ヘッド１４が、移動後の第１基準位置Ｂ１’に維持されるように、第１ヘッド１４を幅方向に移動させる。

コントローラ３９は、第２被加工部４５を加工するときには、上記の第１ヘッド１４と同様に第２ヘッド１８を制御する。それにより、第２被加工部４５がタブ状に加工される。また、コントローラ３９は、第１ヘッド１４と同様に、帯状電極１００の幅方向における位置に応じて、帯状電極１００の幅方向における第２ヘッド１８の位置を変更する。

以上説明した本実施形態に係るレーザー加工装置１では、帯状電極１００の位置の変化に応じて、第１支持装置３１が、第１ヘッド１４を幅方向に移動させる。それにより、第１ヘッド１４が帯状電極１００に対して第１基準位置Ｂ１に維持される。そのため、帯状電極１００を案内するローラを幅方向に移動させる場合と比べて、帯状電極１００の位置の急変に対するレスポンスを向上させることができる。また、ローラ間の距離を大きく確保する必要がないため、レーザー加工装置１の大型化を抑えることができる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。レーザー加工装置１の構成は、上記の実施形態のものに限らず、変更されてもよい。例えば、第２レーザー照射部７、第２支持装置３２は、第２位置センサ３８は、省略されてもよい。或いは、第１縁１０１の位置を検出する複数の位置センサが設けられてもよい。第２縁１０２の位置を検出する複数の位置センサが設けられてもよい。

レーザー照射部６，７は、ガルバノスキャナ式のものに限らず、他の方式のものでもよい。コントローラ３９は、帯状電極１００をタブ状以外の形状に加工してもよい。

図７は、第１変形例に係るレーザー加工装置１の上面図である。第１変形例に係るレーザー加工装置１では、コントローラ３９は、帯状電極１００の移動方向Ａ１における第１位置センサ３７と第１ヘッド１４との間の距離Ｄ２を記憶している。コントローラ３９は、距離Ｄ２と第１位置データとに応じて、第１ヘッド１４を幅方向に移動させるように支持装置を制御する。

例えば、コントローラ３９は、距離Ｄ２と帯状電極１００の移動速度から、第１位置データに対応する帯状電極１００の部分が、第１ヘッド１４の位置を通過するタイミングを算出する。コントローラ３９は、当該タイミングで、第１ヘッド１４が、第１位置データに対応する第１基準位置Ｂ１に移動するように、第１支持装置３１を制御する。それにより、コントローラ３９は、第１ヘッド１４の位置における帯状電極１００の位置の変化を精度よく予測することができる。コントローラ３９は、第１ヘッド１４と同様に、第２位置センサ３８と第２ヘッド１８との間の距離Ｄ３と、第２位置データとに応じて、第２ヘッド１８を制御してもよい。

２巻出軸
３巻取軸
４駆動装置
６第１レーザー照射部
１４第１ヘッド
３１第１支持装置
３７第１位置センサ
３９コントローラ
５１第１センサ
５２第２センサ
１００帯状電極

Claims

帯状電極を加工するためのレーザー加工装置であって、
ロール状に巻回された前記帯状電極が取り付けられる巻出軸と、
加工された前記帯状電極を巻き取る巻取軸と、
前記巻出軸から前記巻取軸へと前記帯状電極を移動させる駆動装置と、
前記巻出軸と前記巻取軸との間に配置され、前記帯状電極に対して、前記帯状電極の幅方向における第１基準位置に配置された第１ヘッドを含み、前記第１ヘッドからのレーザー光の照射方向を変化させることで前記帯状電極の第１縁を所定形状に加工する第１レーザー照射部と、
前記第１ヘッドを前記幅方向に移動可能に支持する第１支持装置と、
前記幅方向における前記第１縁の位置を示す第１位置データを出力する第１位置センサと、
前記巻出軸と前記巻取軸との間に配置され、前記帯状電極に対して、前記帯状電極の幅方向における第２基準位置に配置された第２ヘッドを含み、前記第２ヘッドからのレーザー光の照射方向を変化させることで前記帯状電極の前記第１縁と反対の第２縁を所定形状に加工する第２レーザー照射部と、
前記第２ヘッドを前記幅方向に移動可能に支持する第２支持装置と、
前記幅方向における前記第２縁の位置を示す第２位置データを出力する第２位置センサと、
前記第１位置データを取得し、前記第１ヘッドを前記幅方向に移動させるように前記第１支持装置を制御し、前記第１ヘッドが前記帯状電極に対して前記第１基準位置に維持されるように前記第１位置データに応じて前記第１ヘッドを前記幅方向に移動させ、前記第２位置データを取得し、前記第２ヘッドを前記幅方向に移動させるように前記第２支持装置を制御し、前記第２ヘッドが前記帯状電極に対して前記第２基準位置に維持されるように前記第２位置データに応じて前記第２ヘッドを前記幅方向に移動させるコントローラと、
を備え、
前記第１ヘッドと前記第１支持装置とは、前記第２ヘッドと前記第２支持装置に対して、前記帯状電極の移動方向にずれて配置されており、
前記第１位置センサは、前記第２位置センサに対して前記帯状電極の移動方向にずれて配置される、
レーザー加工装置。
前記第１レーザー照射部は、前記第１ヘッドからのレーザー光の照射方向を、前記帯状電極の前記幅方向に変化させることで、前記帯状電極の前記第１縁をタブ状に切断し、
前記第２レーザー照射部は、前記第２ヘッドからのレーザー光の照射方向を、前記帯状電極の前記幅方向に変化させることで、前記帯状電極の前記第２縁をタブ状に切断する、
請求項１に記載のレーザー加工装置。
前記第１レーザー照射部と前記第２レーザー照射部とは、ガルバノスキャナ式の装置である、
請求項１又は２に記載のレーザー加工装置。
前記コントローラは、
前記帯状電極の移動方向における前記第１位置センサと前記第１ヘッドとの間の距離と前記第１位置データとに応じて、前記第１ヘッドを前記幅方向に移動させるように前記第１支持装置を制御し、
前記帯状電極の移動方向における前記第２位置センサと前記第２ヘッドとの間の距離と前記第２位置データとに応じて、前記第２ヘッドを前記幅方向に移動させるように前記第２支持装置を制御する、
請求項１から３のいずれかに記載のレーザー加工装置。