WO2022019311A1 - 金属箔のレーザ切断方法 - Google Patents

Abstract

金属箔のレーザ切断方法にあっては、例えば、加工対象としての金属箔の表面にレーザ光のパルスを１［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、例えば、周波数がＡ［Ｈｚ］であり、かつパルスの半値全幅がＢ［ｓ］である場合に、Ｒｄ＝Ａ×Ｂ×１００で表されるデューティ比Ｒｄ［％］は、０．１以上かつ８０以下であってもよい。また、半値全幅がＢでありパルスの１／ｅ^２幅がＦ［ｓ］である場合にＲｐ＝Ｆ／Ｂで表されるパルス比Ｒｐが１以上かつ７以下であり、レーザ光のＭ２ビーム品質が１．２以下であり、かつパルスによって照射されるエネルギが０．１［ｍＪ］以上であってもよい。

Description

金属箔のレーザ切断方法

　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、金属箔が例えば電池の電極に適用されるような場合にあっては、ドロスやスパッタの少ない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、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、である。

　本発明の金属箔のレーザ切断方法は、例えば、加工対象としての金属箔の表面にレーザ光のパルスを１［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、前記周波数がＡ［Ｈｚ］であり、かつ前記パルスの半値全幅がＢ［ｓ］である場合に、次の式
　Ｒｄ＝Ａ×Ｂ×１００　・・・（１）
で表されるデューティ比Ｒｄ［％］が、０．１以上かつ８０以下であってもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記デューティ比Ｒｄ［％］が、０．２以上かつ４０以下であってもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記半値全幅がＢであり前記パルスの１／ｅ^２幅がＦ［ｓ］である場合に次の式
　Ｒｐ＝Ｆ／Ｂ　・・・（２）
で表されるパルス比Ｒｐが１以上かつ７以下であり、前記レーザ光のＭ２ビーム品質が１．２以下であり、かつ前記パルスによって照射されるエネルギが０．１［ｍＪ］以上であってもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光は、前記表面に対して相対的に掃引され、前記レーザ光の掃引速度がＣ［ｍ／ｓ］であり、前記表面上での前記レーザ光のスポット径がＤ［ｍ］であり、かつ前記レーザ光の出力がＥ［Ｗ］である場合に、次の式
　Ｉ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×Ｅ　・・・（３）
で表される指標Ｉが、１．０×１０^－７以上かつ１．０×１０^－１以下であってもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記加工対象の厚さは、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、被膜で覆われた被覆部位と、当該被膜で覆われない露出部位と、を有し、前記レーザ光の掃引により前記被覆部位と前記露出部位とを連続的にレーザ切断してもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光の前記表面上でのスポット径は、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、前記スポット径は、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、前記パルスは、第一ピークと、当該第一ピークよりも後の第二ピークと、を有し、前記第二ピークの出力Ｐｐ２の前記第一ピークの出力Ｐｐ１に対する比である出力比Ｒｏ（＝Ｐｐ２／Ｐｐ１）は、０．１以上かつ０．５以下であってもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記表面に対する前記レーザ光の掃引を複数回実行することにより前記加工対象をレーザ切断してもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記複数回の前記レーザ光の掃引における各回の掃引を、１回の掃引では前記加工対象を切断できない条件で実行してもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記レーザ光の掃引速度がＣ［ｍ／ｓ］であり、前記表面上での前記レーザ光のスポット径がＤ［ｍ］であり、かつ前記レーザ光の出力がＥ［Ｗ］である場合に、次の式
　Ｉ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×Ｅ　・・・（３）
で表される指標Ｉが、１．０×１０^－２以上かつ１．０×１０^－５以下である条件で、前記レーザ光の掃引を２回実行することにより、厚さが１００［μｍ］以上である前記加工対象をレーザ切断してもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記加工対象をレーザ切断する工程の前に、レーザ光の照射により前記表面上の塗布物質を除去する工程を有してもよい。

　前記金属箔のレーザ切断方法では、前記表面上の塗布物質を除去する工程、および前記加工対象をレーザ切断する工程において、前記表面上の同じ経路で前記レーザ光を掃引してもよい。

　本発明によれば、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、第１実施形態のレーザ切断装置に含まれるレーザ装置の例示的な概略構成図である。 図３は、第１実施形態のレーザ切断装置から照射されるレーザ光の出力の経時変化の一例を示すタイミングチャートである。 図４は、図３のレーザ光の１パルスを示す拡大図である。 図５は、実施形態のレーザ切断装置により切断された加工対象としての厚さ１００［μｍ］の金属箔の切断縁およびその近傍の一例の平面視での撮影画像である。 図６は、図５の金属箔の切断縁の側面視での撮影画像である。 図７は、参考例として図５，６と同じ金属箔が図５，６とは別の条件でレーザ切断された場合の切断縁およびその近傍の一例の平面視での撮影画像である。 図８は、図７の金属箔の切断縁の側面視での撮影画像である。 図９は、実施形態のレーザ切断装置により切断された加工対象としての厚さ１０［μｍ］の金属箔の切断縁およびその近傍の一例の平面視での撮影画像である。 図１０は、図９の金属箔の切断縁の側面視での撮影画像である。 図１１は、参考例として図９，１０と同じ金属箔が図９，１０とは別の条件でレーザ切断された場合の切断縁およびその近傍の一例の平面視での撮影画像である。 図１２は、図１１の金属箔の切断縁の側面視での撮影画像である。 図１３は、複数の金属箔のサンプルに対するデューティ比および指標に応じたレーザ切断の実験結果を示すグラフである。 図１４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。Ｚ方向は、加工対象Ｗの表面Ｗａ（加工面）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、レーザ装置１１０と光学ヘッド１２０とを接続する光ファイバ１３０と、コントローラ１４０と、を備えている。

　レーザ切断装置１００の加工対象Ｗは、例えば、導電性を有した金属材料で作られている。金属材料は、例えば、銅や銅合金のような銅系材料や、アルミニウムやアルミニウム合金のようなアルミニウム系材料である。このような場合、加工対象Ｗは、金属導体とも称されうる。

　また、加工対象Ｗは、例えば、厚さが５００［μｍ］以下の金属箔１０であるが、これには限定されない。

　また、金属箔１０は、例えば、リチウムイオン電池のような電池の、電極であってもよい。この場合、金属箔１０には、例えば、二酸化マンガンやリチウムのような活物質が塗布されていてもよい。また、レーザ切断装置１００は、活物質が塗布された部分、および活物質が塗布されていない部分の双方を、１度の掃引で連続的に切断してもよい。活物質は、被膜や、塗膜、塗布物質、表層、表層材とも称されうる。なお、レーザ切断装置１００の加工対象Ｗとしての金属箔１０は、電池の電極には限定されず、例えば、活物質以外とは異なる物質が塗布されたものであってもよいし、めっき層のような表層が形成されたものであってもよいし、表面の全体に渡って被膜や表層が形成されたものであってもよいし、被膜や表層が形成された部分と形成されていない部分とを有してもよいし、被膜や表層が無くてもよい。

　レーザ装置１１０は、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については後述する。

　光ファイバ１３０は、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播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播するよう、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、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。また、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。

　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。また、光学ヘッド１２０は、例えば、ビーム径が１０［μｍ］以上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、光学ヘッド１２０または加工対象Ｗを支持するステージの駆動機構の作動を制御する。

［レーザ装置］
　図２は、レーザ装置１１０の一例の概略構成図である。レーザ装置１１０は、光源装置とも称されうる。図２のレーザ装置１１０は、連続的にレーザ光を出力し得るＣＷレーザである。レーザ装置１１０は、レーザ発振器とも称されうる。

　図２に例示されるレーザ装置１１０は、光ファイバレーザであって、複数の半導体励起光源１と、複数の光ファイバ２と、光合波器３と、光ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）４と、増幅用光ファイバ５と、ＦＢＧ７と、光合波器８と、複数の光ファイバ９と、複数の半導体励起光源６と、出力光ファイバ１１とを備えている。各要素は適宜光ファイバで接続されている。出力光ファイバ１１は、図１に示される光ファイバ１３０と光学的に結合されるか、あるいは光ファイバ１３０の一部（入力端）である。

　励起光源である複数の半導体励起光源１は、それぞれ、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、たとえば９１５［ｎｍ］の波長を有している。複数の光ファイバ２は、それぞれ、各半導体励起光源１から出力された励起光を伝搬し、光合波器３に出力する。

　光合波器３は、本実施形態ではＴＦＢ（tapered　fiber　bundle）で構成されている。光合波器３は、各光ファイバ２から入力された励起光を、信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。

　増幅用光ファイバ５は、石英系ガラスで作られたコア部に増幅物質であるイッテルビウム（Ｙｂ）イオンが添加されたＹＤＦ（ytterbium　doped　fiber）であり、コア部の外周には石英系ガラスで作られた内側クラッド層と樹脂等で作られた外側クラッド層とが順次形成されたダブルクラッド型の光ファイバである。なお、増幅用光ファイバ５のコア部はＮＡがたとえば０．０８であり、Ｙｂイオンの発光、たとえば波長１０７０［ｎｍ］の光をシングルモードで伝搬するように構成されている。増幅用光ファイバ５のコア部の吸収係数は、たとえば波長９１５［ｎｍ］において２００［ｄＢ／ｍ］である。また、コア部に入力された励起光からレーザ発振光へのパワー変換効率はたとえば７０％である。

　後端側反射手段であるＦＢＧ４は、光合波器３の信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ４は、中心波長が例えば１０７０［ｎｍ］であり、中心波長およびその周辺の約２［ｎｍ］の幅の波長帯域における反射率が約１００％であり、波長９１５［ｎｍ］の光はほとんど透過する。また、出力側反射手段であるＦＢＧ７は、光合波器８の信号光ポートの光ファイバと増幅用光ファイバ５との間に接続されている。ＦＢＧ７は、中心波長がＦＢＧ４と略同じである例えば１０７０［ｎｍ］であり、中心波長における反射率が１０％～３０％程度であり、反射波長帯域の半値全幅が約１［ｎｍ］であり、波長９１５［ｎｍ］の光はほとんど透過する。

　ＦＢＧ４，７は、増幅用光ファイバ５の両端のそれぞれに対して配置され、波長１０７０［ｎｍ］の光に対して光ファイバ共振器を構成する。

　励起光源である複数の半導体励起光源６は、それぞれ、増幅用光ファイバ５に供給する励起光を出力する。励起光は、増幅用光ファイバ５を光励起できる波長、たとえば９１５［ｎｍ］の波長を有している。複数の光ファイバ９は、それぞれ、各半導体励起光源６から出力された励起光を伝搬し、光合波器８に出力する。

　光合波器８は、光合波器３と同様に、本実施形態ではＴＦＢで構成されている。光合波器８は、各光ファイバ９から入力された励起光を信号光ポートの光ファイバに合波し、増幅用光ファイバ５へ出力する。

　増幅用光ファイバ５では、励起光によってコア部のＹｂイオンが光励起され、波長１０７０［ｎｍ］を含む帯域の光を発光する。波長１０７０［ｎｍ］の発光は、増幅用光ファイバ５の光増幅作用とＦＢＧ４，７によって構成される光共振器の作用とによってレーザ発振する。

　出力光ファイバ１１は、ＦＢＧ７とは反対側に配置され、光合波器８の信号光ポートの光ファイバに接続されている。発振したレーザ光（レーザ発振光）は出力光ファイバ１１から出力される。レーザ装置１１０は、後述するようなコントローラ１４０の制御によって、レーザ光のパルスを出力するパルスレーザとして作動する。ただし、レーザ装置１１０　は、他の方式でパルスを発生するパルスレーザや、光ファイバレーザとは異なる光増幅方式のレーザ装置であってもよい。

［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、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が加工対象Ｗ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］
　図３は、レーザ光Ｌのパワーの経時変化を示すタイミングチャートであり、図４は、図３の一部（１パルス）の拡大図である。

　レーザ切断において、金属箔１０に強いレーザ光Ｌが当たると、切断縁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、図３，４に示されるように、レーザ光Ｌを表面Ｗａに所定の周波数で間欠的に（断続的に）照射することにより、より短い加工時間でより良好な結果が得られるという知見を得た。

　発明者らは、実験的な研究により、レーザ光Ｌのパルスの周波数（１／Ａ、Ａ：パルス周期［ｓ］、図３，４参照）は、６［ＫＨｚ］以上かつ１［ＭＨｚ］以下であるのが好適であることを見出した。

　また、発明者らは、実験的な研究により、レーザ光Ｌのパルスのデューティ比Ｒｄについて、好適な範囲を見出した。ここで、コントローラ１４０は、上述したような高い周波数で、オンとオフ、すなわち出力状態（作動状態）と停止状態（非出力状態、非作動状態）とが切り替わるよう、レーザ装置１１０を制御する。具体的には、例えば、コントローラ１４０は、時間的に矩形波形状の電力が半導体励起光源１，６に供給されるよう、制御信号を出力する。この場合、レーザ装置１１０によるレーザ光Ｌの出力の経時変化は、完全な矩形波にはならず、一例としては、図３，４に示されるような鈍った波形になる。そこで、発明者らは、レーザ装置１１０から出力されるレーザ光Ｌのパルスのデューティ比Ｒｄ［％］を、以下の式（１）のように定義した。
　Ｒｄ＝Ａ×Ｂ×１００　・・・（１）
　ここに、Ｂ［ｓ］（図４参照）は、パルスの半値全幅であり、パルスの最大値Ｐｍａｘ［Ｗ］に対して、その半値（０．５Ｐｍａｘ）となる値の幅（時間幅）であって、１パルス内に０．５Ｐｍａｘとなる複数の時刻がある場合には、最も遠い２時刻間の時間幅とする。発明者らの実験的な研究により、デューティ比Ｒｄ［％］は、０．１以上８０以下であるのが好適であり、０．２以上４０以下であるのがより一層好適であることが判明した。

　また、発明者らは、実験的な研究により、パルスの波形について、好適な範囲を見出した。ここで、発明者らは、パルス比Ｒｐを、以下の式（２）のように定義した。
　Ｒｐ＝Ｆ／Ｂ　・・・（２）
　ここに、Ｆは、パルスの１／ｅ^２幅、Ｂは、パルスの半値全幅である。パルスの１／ｅ^２幅とは、パルスの最大値Ｐｍａｘに対して、１／ｅ^２（≒０．１３５）となる値の幅であり、１パルス内に１／ｅ^２となる値が複数ある場合には、最も遠い２時刻間の時間幅とする。パルス比Ｒｐは、パルスの広がりを表す指標であり、値が大きいほど、パルスが広がっていることを示す。発明者らの実験的な研究により、パルス比Ｒｐは、１以上かつ７以下であるのが好適であることが判明した。また、レーザ光ＬのＭ２ビーム品質が１．２以下であり、かつパルスによって照射されるエネルギが０．１［ｍＪ］以上であるのが好適であることが、判明した。

　さらに、発明者らは、実験的な研究により、以下の式（３）で示される指標Ｉについて、好適な範囲を見出した。
　Ｉ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×Ｅ　・・・（３）
　ここに、Ｃ［ｍ／ｓ］は、レーザ光Ｌの掃引速度、Ｄ［ｍ］は、レーザ光Ｌの加工対象Ｗの表面Ｗａ上におけるスポット径、Ｅ［Ｗ］は、レーザ光Ｌの出力である。なお、スポット径Ｄ（ビーム径）は、そのスポットにおけるパワーのピークを含み、ピークパワーの１／ｅ^２以上のパワーの領域の径として定義する。また、円形でないスポットの場合は、掃引方向ＳＤと垂直方向における、ピークパワーの１／ｅ^２以上のパワーとなる領域の長さをスポット径と定義できる。なお、スポットにおけるパワー分布はガウシアン形状には限定されない。発明者らの実験的な研究により、指標Ｉは、１．０×１０^－７以上かつ１．０×１０^－１以下であるのが好適であることが、判明した。

［実験結果］
　図５，６は、加工対象Ｗとしての金属箔１０が、表面に活物質の塗布された電極としての厚さ１００［μｍ］のアルミニウム箔であり、デューティ比Ｒｄが６．１であり、かつ指標Ｉが３．８４×１０^－３の場合の実験結果である。図５は、切断縁１０ａおよびその近傍を示す平面図、図６は、切断縁１０ａの側面図である。図５，６から明らかとなるように、この条件においては、曲がりや、めくれ、ドロス、スパッタ等が少ないかあるいは無い、良好な切断縁１０ａ（加工状態）が得られている。

　図７，８は、図５，６と同じ加工対象Ｗに対して、レーザ光Ｌの照射条件を変えた場合の参考例としての実験結果である。図７，８では、デューティ比Ｒｄは１００であり、かつ指標Ｉは３．８４×１０^－３である。デューティ比Ｒｄが１００であることは、パルス状のレーザ光Ｌの間欠照射ではなく、レーザ光Ｌの連続照射であることを意味している。図７は、切断縁１０ａおよびその近傍を示す平面図、図８は、切断縁１０ａの側面図である。図７，８を図５，６と比較参照すれば明らかとなるように、この条件においては、切断縁１０ａの変形がより大きく、めくれたり曲がったりしている。

　図９，１０は、加工対象Ｗとしての金属箔１０が、厚さ１０［μｍ］の銅箔であり、デューティ比Ｒｄが６．１であり、かつ指標Ｉが３．８４×１０^－３の場合の実験結果である。図９は、切断縁１０ａおよびその近傍を示す平面図、図１０は、切断縁１０ａの側面図である。図９，１０から明らかとなるように、この条件においては、曲がりや、めくれ、ドロス、スパッタ等が少ないかあるいは無い、良好な切断縁１０ａ（加工状態）が得られている。

　図１１，１２は、図９，１０と同じ加工対象Ｗに対して、レーザ光Ｌの照射条件を変えた場合の参考例としての実験結果である。図１１，１２では、デューティ比Ｒｄは１００であり、かつ指標Ｉは６．３×１０^－２である。デューティ比Ｒｄが１００であるため、この場合も、レーザ光Ｌは連続照射されている。図１１は、切断縁１０ａおよびその近傍を示す平面図、図１２は、切断縁１０ａの側面図である。図１１，１２から明らかとなるように、この条件においては、ドロス１０ｂが発生したり、切断縁１０ａが大きくめくれたり曲がったりしている。

　また、アルミニウム箔や銅箔のような一つの金属箔１０は、活物質のような被膜で覆われた被覆部位と、当該被膜で覆われていない露出部位と、を有している場合がある。発明者らは、実験的研究により、そのような場合にあっても、例えば金属箔１０や被膜の材質や厚さのようなスペックに応じたデューティ比Ｒｄや指標Ｉの適切な設定により、被覆部位と露出部位とに渡るレーザ光Ｌの１回の掃引による、当該被覆部位および露出部位の連続的なレーザ切断において、当該被覆部位および露出部位の双方において、良好な加工状態が得られることを確認した。このような方法によれば、被覆部位と露出部位とを有した金属箔１０のレーザ切断を、より迅速に実行することが可能となり、ひいては当該金属箔１０を含む部品や製品の製造にかかる所要時間をより短くすることができる。

　また、金属箔１０の製造工程においては、例えば、製品ロットを入れ替えて切断加工を開始する際や、製品ロットを入れ替えるために切断加工を終了する際、その他のトラブルなどが発生した際などに、掃引速度が変化する場合がある。掃引速度の変化は、加工品質に悪影響を及ぼす虞がある。発明者らは、実験的研究により、連続的なレーザ切断において掃引速度が変化するような場合にも、例えば当該掃引速度に応じたデューティ比Ｒｄや指標Ｉの適切な設定あるいは変更によって、良好な加工状態が得られることを確認した。このような方法によれば、掃引速度の変化による加工品質の低下を抑制し、所要の加工品質を確保しやすくなり、加工の歩留まりを高めることができる。

　図１３は、横軸をデューティ比Ｒｄ、縦軸を指標Ｉとした場合の実験結果の一部を示すグラフである。図１３から、デューティ比Ｒｄおよび指標Ｉがそれぞれ所定範囲内である場合に、好適なレーザ切断を実行可能であることが理解できよう。

　また、発明者らの鋭意研究により、スポット径（ビーム径）Ｄ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］以下であるのがより一層好ましいことが判明した。これは、スポット径Ｄが大きすぎると、切断領域（カーフ）の外側、すなわち加工対象Ｗに熱エネルギを与えてしまい、例えば熱による酸化のような品質不良が生じる虞があるからである。

　さらに、図３，４に示されるように、パルスが、第一ピークＰ１と、当該第一ピークＰ１よりも後の第二ピークＰ２と、を有する場合、第二ピークＰ２の出力Ｐｐ２の第一ピークＰ１の出力Ｐｐ１に対する比Ｒｏ（＝Ｐｐ２／Ｐｐ１、以下、出力比Ｒｏと称する）は、０．１以上かつ０．５以下であるのが好ましいことが判明した。例えば、赤外光としてのレーザ光を銅系材料やアルミニウム系材料のような当該レーザ光に対する反射率が比較的高い材料に照射すると、一つのピークのみを有するパルスによっては、切断に必要なエネルギを与え難くなる場合がある。また、第一ピークＰ１の出力よりも第二ピークＰ２の出力が高いと、切断領域の周囲に対する熱影響が大きくなり過ぎる場合がある。この点、上述したように、出力比Ｒｏを０．１以上かつ０．５以下とした場合、レーザ光に対する反射率が比較的高い材料に対しても、まずは第一ピークＰ１によって材料を溶融し、次に第一ピークＰ１よりも出力が低い第二ピークＰ２によって切断に必要でありかつ適宜なエネルギ量を確保することができる。これにより、より確実な切断が可能になるとともに、切断領域の周囲への熱影響も抑制することができ、曲がりや、めくれ、ドロス、スパッタ等が少ないかあるいは無い、良好な切断縁１０ａを得ることができる。このような観点から、第一ピークＰ１によって溶融した領域が固化する前に、当該領域に第一ピークＰ１よりも出力が低い第二ピークＰ２が照射されるのが好ましい。また、第一ピークＰ１と第二ピークＰ２との時間間隔は、例えば、５．０［μｓｅｃ］以下とすることができる。

　また、以下の（１）または（２）のような複数回の照射を実行してもよいことが判明した。

　（１）１回の掃引では加工対象Ｗの切断が完了しない条件での掃引を、複数回、同じ経路で実行することにより、加工対象Ｗを切断する。加工対象Ｗの表面に、例えば、セラミックやポリマーのような脆く割れやすい材料や、活物質等（以下、塗布物質と称する）が塗布されている場合に、過剰なエネルギが投入されると、塗布物質に割れや蒸発のような悪影響が生じる虞がある。この点、上述したように、１回の掃引では加工対象Ｗの切断が完了しない条件で複数回に分けてレーザ光の掃引を実行することにより、過剰なエネルギの投入によって塗布物質に割れや蒸発のような悪影響が生じるのを、抑制することができる。

　また、（１）については、加工対象Ｗの厚さが１００［μｍ］以上である場合において、指標Ｉが１．０×１０^－２以上かつ１．０×１０^－５以下である条件で、掃引を２回実行することにより、塗布物質への悪影響を抑制しながら、加工対象Ｗを切断できることがわかった。

　（２）まずは、切断領域（切断予定領域）およびその近傍においてレーザ光の照射によって塗布物質を除去し、その後、上述した本実施形態のレーザ光の掃引を実行することにより加工対象Ｗを切断する。この場合、塗布物質による影響を排除した上で、よりエネルギ効率が高くかつより高品質なレーザ切断を実行することができる。なお、塗布物質を除去する工程と、レーザ切断を実行する工程とで、同じ経路でレーザ光を掃引してもよい。また、塗布物質を除去する工程において照射するレーザ光は、パルスであってもよいし、連続波であってもよい。

　以上、説明したように、本実施形態では、例えば、加工対象Ｗとしての金属箔１０の表面Ｗａにレーザ光Ｌのパルスを１［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Ｗをレーザ切断する。

　また、本実施形態では、例えば、レーザ光Ｌのパルスのデューティ比Ｒｄ［％］が、０．１以上かつ８０以下であってもよいし、０．２以上かつ４０以下であってもよい。

　また、本実施形態では、例えば、パルス比Ｒｐが１以上かつ７以下であり、かつレーザ光ＬのＭ２ビーム品質が１．２以下であり、かつパルスによって照射されるエネルギが０．１［ｍＪ］以上であってもよい。

　また、本実施形態では、例えば、指標Ｉが、１．０×１０^－７以上かつ１．０×１０^－１以下であってもよい。

　このような金属箔のレーザ切断方法によれば、例えば、より高品質な切断をより少ないエネルギでより短い所要時間で実行することができる。

［第２実施形態］
　図１４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。

　また、加工対象に対してレーザ光を掃引する場合には、公知のウォブリングやウィービングや出力変調等により掃引を行い、溶融池の表面積を調節するようにしてもよい。

　また、加工対象は、めっき付き金属板のように、金属の表面に薄い他の金属の層が存在するものでもよい。

　また、レーザ装置（レーザ発振器）は、ＣＷレーザには限定されず、例えば所定の高周波数での間欠照射および所定範囲のデューティ比を実現可能なパルスレーザであってもよい。

　本発明は、金属箔のレーザ切断方法に利用することができる。

１…半導体励起光源
２…光ファイバ
３…光合波器
４…ＦＢＧ
５…増幅用光ファイバ
６…半導体励起光源
７…ＦＢＧ
８…光合波器
９…光ファイバ
１０…金属箔
１０ａ…切断縁
１０ｂ…ドロス
１１…出力光ファイバ
１００，１００Ａ…レーザ切断装置
１１０…レーザ装置（レーザ発振器）
１２０…光学ヘッド
１２１…コリメートレンズ
１２２…集光レンズ
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…パルス周期
Ｂ…半値全幅
Ｃ…掃引速度
Ｄ…スポット径
Ｅ…出力
Ｆ…１／ｅ^２幅
Ｉ…指標
Ｌ…レーザ光
Ｐ１…第一ピーク
Ｐ２…第二ピーク
Ｐｐ１，Ｐｐ２…出力
Ｐｍａｘ…最大値
ＳＤ…掃引方向
Ｒｄ…デューティ比
Ｒｐ…パルス比
Ｗ…加工対象
Ｗａ…表面
Ｘ…方向
Ｙ…方向
Ｚ…方向（法線方向）

Claims (15)

1. 　加工対象としての金属箔の表面にレーザ光のパルスを１［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. 　前記周波数がＡ［Ｈｚ］であり、かつ前記パルスの半値全幅がＢ［ｓ］である場合に、次の式
   　Ｒｄ＝Ａ×Ｂ×１００　・・・（１）
   で表されるデューティ比Ｒｄ［％］が、０．１以上かつ８０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. 　前記デューティ比Ｒｄ［％］が、０．２以上かつ４０以下である、請求項２に記載の金属箔のレーザ切断方法。
4. 　前記半値全幅がＢであり前記パルスの１／ｅ^２幅がＦ［ｓ］である場合に次の式
   　Ｒｐ＝Ｆ／Ｂ　・・・（２）
   で表されるパルス比Ｒｐが１以上かつ７以下であり、前記レーザ光のＭ２ビーム品質が１．２以下であり、かつ前記パルスによって照射されるエネルギが０．１［ｍＪ］以上である、請求項２または３に記載の金属箔のレーザ切断方法。
5. 　前記レーザ光は、前記表面に対して相対的に掃引され、
   　前記レーザ光の掃引速度がＣ［ｍ／ｓ］であり、前記表面上での前記レーザ光のスポット径がＤ［ｍ］であり、かつ前記レーザ光の出力がＥ［Ｗ］である場合に、次の式
   　Ｉ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×Ｅ　・・・（３）
   で表される指標Ｉが、１．０×１０^－７以上かつ１．０×１０^－１以下である、請求項２～４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. 　前記加工対象の厚さは、５００［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. 　前記金属箔は、被膜で覆われた被覆部位と、当該被膜で覆われない露出部位と、を有し、
   　前記レーザ光の掃引により前記被覆部位と前記露出部位とを連続的にレーザ切断する、請求項１～６のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
8. 　前記レーザ光の前記表面上でのスポット径は、１００［μｍ］以下である、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。
9. 　前記スポット径は、５０［μｍ］以下である、請求項８に記載の金属箔のレーザ切断方法。
10. 　前記パルスは、第一ピークと、当該第一ピークよりも後の第二ピークと、を有し、
    　前記第二ピークの出力Ｐｐ２の前記第一ピークの出力Ｐｐ１に対する比である出力比Ｒｏ（＝Ｐｐ２／Ｐｐ１）は、０．１以上かつ０．５以下である、請求項１～９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. 　前記表面に対する前記レーザ光の掃引を複数回実行することにより前記加工対象をレーザ切断する、請求項１～１０のうちいずれか一つに記載の金属箔のレーザ切断方法。
12. 　前記複数回の前記レーザ光の掃引における各回の掃引を、１回の掃引では前記加工対象を切断できない条件で実行する、請求項１１に記載の金属箔のレーザ切断方法。
13. 　前記レーザ光の掃引速度がＣ［ｍ／ｓ］であり、前記表面上での前記レーザ光のスポット径がＤ［ｍ］であり、かつ前記レーザ光の出力がＥ［Ｗ］である場合に、次の式
    　Ｉ＝Ａ×Ｂ×Ｃ×Ｄ×Ｅ　・・・（３）
    で表される指標Ｉが、１．０×１０^－２以上かつ１．０×１０^－５以下である条件で、前記レーザ光の掃引を２回実行することにより、厚さが１００［μｍ］以上である前記加工対象をレーザ切断する、請求項１２に記載の金属箔のレーザ切断方法。
14. 　前記加工対象をレーザ切断する工程の前に、レーザ光の照射により前記表面上の塗布物質を除去する工程を有した、請求項１～１３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. 　前記表面上の塗布物質を除去する工程、および前記加工対象をレーザ切断する工程において、前記表面上の同じ経路で前記レーザ光を掃引する、請求項１４に記載の金属箔のレーザ切断方法。

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