(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板との嵌合部を連続発振型レーザ溶接装置からのレーザ光を照射することにより溶接を行い、封止する密閉型電池の製造方法において、
溶接開始領域においてはレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査し、その後にレーザ光の出力を一定として走査することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
【請求項２】
前記溶接開始領域を前記蓋板上とし、前記蓋板上からレーザ光の照射を開始してレーザ光の出力をパルス的に変調させながら前記外装缶と前記蓋板との嵌合部まで走査した後に直ちに或いは所定距離嵌合部上を走査した後に、レーザ光の出力を一定として走査することを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項３】
前記レーザ光の出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすることを特徴とする請求項１に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項４】
前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップする直前から少なくともオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項５】
前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光を前記外装缶と前記蓋板との嵌合部から前記蓋板上にレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査してレーザ光の走査を蓋板上で終了させることを特徴とする請求項４に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項６】
前記レーザ光の出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に小さくすることを特徴とする請求項４又は５に記載の密閉型電池の製造方法。
【請求項７】
アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板との嵌合部を連続発振型レーザ溶接装置からレーザ光を照射することにより溶接を行い、封止する密閉型電池の製造方法において、
前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップする直前からオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査することを特徴とする密閉型電池の製造方法。
【請求項８】
前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光を前記外装缶と前記蓋板との嵌合部から前記蓋板上にレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査させ、レーザ光の走査を蓋板上で終了させることを特徴とする請求項７に記載の密閉型電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、密閉型電池の製造方法に関し、特に熱伝導率が高いアルミニウム系金属製の外装缶及び蓋板を連続発振（ＣＷ：continuous wave）型レーザ光により溶接封止する密閉型電池の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
今日の携帯電話機、携帯型パーソナルコンピューター、携帯型音楽プレイヤー等の携帯型電子機器の駆動電源として、更には、ハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）用の電源として、高エネルギー密度を有し、高容量であるリチウムイオン電池等の密閉型電池が注目されている。
【０００３】
この種の密閉型電池は、正極極板と負極極板とをセパレータを介して巻回された巻回電極体を形成し、この巻回電極体を電池外装缶の内部に収容し、蓋板を電池外装缶の開口部に嵌合させた後、嵌合部をレーザ溶接し、その後電解液注入孔から各種電解液を注液してこの電解液注入孔を封止することにより作製されている。このような蓋板をレーザ溶接して電池外装缶に固定する方法は、容積効率を低下させることなく、電池外装缶の開口部を閉塞できるという効果を奏するために広く使用されている。
【０００４】
一方、レーザ発生装置としては、ＣＷ型レーザ発生装置、パルス発振型レーザ発生装置及びフェムト秒レーザ発生装置等が知られている。このうち、フェムト秒レーザ発生装置は、ピーク出力１千万ｋＷ程度もあるが、パルス幅がピコ秒以下であるため、レーザ光の平均出力は数Ｗレベルであり、パルス当たりエネルギーが１ｍＪ程度しか得られない。そのため、フェムト秒レーザ発生装置は、表面層の除去には最適であるが、金属を溶融するには平均出力が低すぎるため、溶接には不向きである。
【０００５】
パルス発振型レーザ発生装置は、フラッシュランプを励起源とするものが主であり、ピーク出力は１５ｋＷ程度、パルス幅がミリ秒オーダー、平均出力が数百Ｗ〜１ｋＷ程度、パルス当たりのエネルギーは１５０Ｊ程度であるので、スポット溶接に適している。また、シーム溶接が必要な場合には、間欠的にスポット溶接部をオーバーラップさせることで可能である。ただし、前のパルスで与えた熱が周囲に拡散した後に次のパルスによる熱が加わるので、加工速度は同じ平均出力のＣＷ型レーザ発生装置よりも遅くなる。
【０００６】
これに対し、ＣＷ型レーザ発生装置は、主としてレーザダイオードを励起源とするものであり、数千Ｗ〜１０ｋＷ程度のものが知られており、シーム溶接を高速に行うことができる。シーム溶接に際しては、新たな部分を溶融させるための熱としてレーザ光による入熱だけでなく、既に溶融している部分から周囲に拡散する熱が加わるため、平均出力が同じであればパルス発振型レーザ発生装置よりも溶接速度は早くなる。しかしながら、溶融している部分の影響を受け易いため、非定常部、すなわち、溶接開始部や溶接終止部等では適切な溶接状態を維持することが困難である。
【０００７】
従って、密閉型電池の電池外装缶及び蓋板のレーザ溶接に際しては、大量生産のために高速度でレーザ溶接する必要があるという観点からは、ＣＷレーザ溶接装置を用いたシーム溶接が多く採用されるようになってきている。例えば、下記特許文献１には、高速でアルミニウム系金属製の外装缶及び蓋板を封じることができるようにした密閉型電池の製造方法において、ＣＷレーザ光を用いた際の最適な理論スポット径及び出力密度が開示されている。下記特許文献１に開示されている密閉型電池の製造方法によれば、外装缶及び蓋板が共に熱伝導率が良好なアルミニウム系金属製のものであっても、高速度でシーム溶接することが可能となるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００８−  ８４８０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記特許文献１に開示されているＣＷレーザ光を用いた密閉型電池の製造方法においては、外装缶と蓋板との嵌合部上から一定のレーザ出力で溶接を開始し、ＣＷレーザ光の照射により溶融した部分が嵌合部を一周して溶接開始部を越えた後に嵌合部上で溶接終了している。このときのレーザ溶接部の状態を図８及び図９を用いて説明する
【００１０】
なお、図８Ａは、角形密閉電池の外装缶と蓋板の嵌合状態を示す平面図であり、図８Ｂは溶接開始側の図８ＡのVIIIＢ部分の拡大平面図であり、図８Ｃはレーザ溶接時の外装缶と蓋板との嵌合部の熱の移動を示す斜視断面図であり、図８Ｄはレーザ溶接後の溶接状態を示す斜視断面図であり、図８Ｅは溶接開始直後の溶融部の模式断面図である。なお、以下においては、外装缶と蓋板との間の溶接開始領域ないし溶接終了領域の拡大平面図は図８ＡのVIIIＢ部分と同様の位置の拡大平面図を示す。また、図９Ａは溶接終了領域の拡大平面図であり、図９Ｂはオーバーラップ直後の斜視断面図であり、図９Ｃは溶接終了領域の斜視断面図であり、図９Ｄは溶接終了後の溶融部の模式断面図である。
【００１１】
上記特許文献１に開示されている密閉型電池５０の製造方法においては、図８Ａに示すように、外装缶５１と蓋板５２とを嵌合した後、外装缶５１と蓋板５２との嵌合部５３の溶接開始領域５４にＣＷレーザ光を照射し、このＣＷレーザ光を外装缶５１と蓋板５２との嵌合部５３に沿って、一定速度で、一定のレーザ出力で走査することにより、レーザ溶接を行っている。この際、図８Ｂ及び図９Ａに示すように、ほぼ一定幅の連続溶接部５５が形成される。
【００１２】
しかしながら、外装缶５１と蓋板５２では、図８Ｃに示すように、レーザ光の照射により発生した熱の伝わり方が異なるため、外装缶５１と蓋板５２との嵌合部５３にレーザ光を照射したとき、熱の拡散しにくい外装缶５１の方が温度上昇し易い。しかも、溶接開始領域５４では、図８Ｅに示すように、外装缶５１と蓋板５２の間に隙間が開いており、外装缶５１と蓋板５２との間で熱が伝導し難いことから外装缶５１のみが大幅に温度上昇するため、溶接開始領域５４の近傍の溶接部５５では外装缶５１の溶け過ぎによるダレ５６が発生し易いという課題が存在している。
【００１３】
また、図８Ｅに示すように、外装缶５１と蓋板５２とが接合する直前は、外装缶５１の端の広い部分と蓋板５３の端の一部の狭い範囲がそれぞれ単独で溶融しており、それぞれの溶融した角部が表面張力で丸まってしまうため、溶接前の状態よりも隙間の広くなる箇所ができ易い。そのため、上記特許文献１に開示されている密閉型電池の製造方法では、このような隙間の広い箇所で外装缶５１と蓋板５２との接合が始まるため、溶接の開始箇所５４では溶接不良が生じ易いという課題が存在している。
【００１４】
更に、図９Ａに示すように、溶接終了位置５７に至るまでには既に形成された溶接部５５に再度レーザ光が照射されるオーバーラップ部（溶接終了領域）５８が生じるが、既に形成された溶接部５５上は未溶接部に比べてレーザ光の吸収性が低くなるため、オーバーラップ部５８では溶融不足等を起こし易い。更にレーザ光の溶接終了位置５７において、図９Ｃ及び図９Ｄに示すように、溶融した部分の中に凹みやシワ５９等が発生し、溶接深度の浅い箇所ができるため、溶接終了位置５７では通常の溶接部よりも溶接不良を起こし易いという課題も存在している。
【００１５】
本発明は、上述のような密閉型電池の製造工程においてＣＷレーザ溶接装置を用いる際の従来技術の課題を解決すべくなされたものであり、アルミニウム系金属製の外装缶及び蓋板をＣＷ型レーザ光により溶接封止する際に、溶接開始領域ないし溶接終了領域の溶接を安定的に行うことができる密閉型電池の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するため、本発明の密閉型電池の製造方法は、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板との嵌合部をＣＷ型レーザ溶接装置からのレーザ光を照射することにより溶接を行い、封止する密閉型電池の製造方法において、溶接開始領域においてはレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査し、その後にレーザ光の出力を一定として走査することを特徴とする。
【００１７】
通常、有底筒型の外装缶の開口に蓋板を配置し外装缶と蓋板の勘合部をレーザ溶接することにより外装缶を封止する密閉型電池では、外装缶の側壁部（溶接部）の断面厚さは蓋板の厚さよりも薄い。一般的には、外装缶１２の溶接部の断面の厚さは０．２〜１ｍｍ程度であり、蓋板１３の厚さは１〜２ｍｍ程度である。そのため、レーザ光によって加熱されると、外装缶側では急速加熱されて外装缶自体の溶融に使用される部分が多いが、蓋板側では、蓋板内に熱伝導によって拡散する熱が多いので、溶接部分の温度上昇速度が遅い。また、ＣＷ型レーザ溶接装置からのレーザ光の出力をパルス的に変調させると、その平均出力は一定出力のＣＷ型レーザ溶接装置からのレーザ光の平均出力よりも低下する。
【００１８】
本発明の密閉型電池の製造方法においては、ＣＷ型レーザ溶接装置を用い、溶接開始領域においてはレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査し、その後にレーザ光の出力を一定として走査している。このような方法を採用すると、溶接開始領域では、レーザ光のパルスの出力が大きいときに外装缶の幅方向の端部までは溶融しないが蓋板との間が接合した状態が形成され、その後のレーザ光のパルスの出力が小さいときに、外装缶の熱が蓋板側にも伝わるので、蓋板の温度が上昇する。このレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査すると、数パルス後には外装缶の温度と蓋板の温度が同程度になる。これにより、その後の走査で一定出力のＣＷレーザ光の照射が行なわれるときは、外装缶と蓋板の温度が揃っているので、外装缶のみが大幅に溶け過ぎることが抑制される。
【００１９】
そのため、本発明の密閉型電池の製造方法によれば、溶接開始領域において、外装缶及び蓋板共に熱伝導率が良好なアルミニウム系金属製のものであっても、ＣＷ型レーザ溶接装置からの一定出力のレーザ光を用いて、ダレが発生し難く、しかも溶接不良が形成され難い密閉型電池を製造することができるようになる。加えて、溶接開始領域において、レーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査した後に、レーザ光の出力を一定として走査しているので、蓋板側の温度が高くなった状態で外装缶と蓋板との嵌合部での連続溶接が開始されるため、外装缶のみが溶け過ぎる現象をより抑制することができるようになる。
【００２０】
なお、出力をパルス的に変調させる変調パターンは矩形波的な変調パターンが好ましいが、急激に出力を変化させようとするとＣＷレーザ装置の励起源であるレーザダイオードの寿命が短くなる虞があるので、出力は０％まで落とさないことが望ましく、更には出力を変動させる時間を大きくしてもよい。この場合、出力を変動させる時間をできるだけ大きくとるために、三角波の形で出力を変化させてもよい。
【００２１】
なお、本発明における、レーザ光の出力を「一定」として走査という用語は、必ずしも最初から最後まで１００％の出力で走査することを意味するものではない。例えば、溶接の後半には溶融部近傍の温度が上昇するため、１００％の出力では溶融し過ぎとなる場合がある。このような場合には、レーザ光の出力を適宜数％、具体的は１〜３％程度低下させることもあるが、本発明のおける「一定」という用語はではこのような場合をも含む意味で用いられている。
【００２２】
なお、本発明において好ましい溶接条件は以下のとおりである。
・レーザ光の出力              ：１．２ｋＷ〜６．０ｋＷ
・理論スポット径              ：０．２〜１．０ｍｍ
・走査速度（一定出力領域）    ：５０〜２５０ｍｍ／秒
・走査速度（パルス的変調領域）：３．５〜５０ｍｍ／秒
（より好ましくは、５〜５０ｍｍ／秒）
【００２３】
また、本発明の密閉型電池の製造方法においては、前記溶接開始領域を前記蓋板上とし、前記蓋板上からレーザ光の照射を開始してレーザ光の出力をパルス的に変調させながら前記外装缶と前記蓋板との嵌合部まで走査した後に直ちに或いは所定距離嵌合部上を走査した後に、レーザ光の出力を一定として走査することが好ましい。
【００２４】
溶接開始領域を蓋板上にすると、最初に蓋板がパルス的に変調されたレーザ光によって徐々に加熱されるので、レーザ光が外装缶と蓋板との嵌合部まで走査されたときには、蓋板側の温度が高い状態となっている。そのため、その後に直ちに或いは所定距離嵌合部上を走査した後にレーザ光の出力を一定として走査しても、蓋板側の温度が高くなった状態で外装缶と蓋板との嵌合部での連続溶接が開始されるため、外装缶のみが溶け過ぎる現象を更に抑制することができるようになる。
【００２５】
また、本発明の密閉型電池の製造方法においては、前記レーザ光の出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすることが好ましい。
【００２６】
レーザ光の出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすると、レーザ光の平均出力が徐々に大きくなる。パルス的に変調させたレーザ光の照射が進むに従って蓋板側の温度も上昇するから、レーザ光の出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすると、短時間で蓋板側の温度を高くすることができる。そのため、本発明の密閉型電池の製造方法によれば、上記効果に加えて密閉型電池の製造効率が向上する。
【００２７】
また、本発明の密閉型電池の製造方法においては、前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップする直前から少なくともオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査することが好ましい。
【００２８】
アルミニウム系金属製の蓋板及び外装缶については、レーザ光ＬＢを照射して一度表面が溶融した部分に再度レーザ光ＬＢを照射した場合のレーザ光ＬＢの吸収率が、一度もレーザ光ＬＢの照射により溶融していない部分にレーザ光ＬＢを照射した場合の吸収率よりも小さいので、外装缶と蓋板との間の溶け込みが小さくなり易い。本発明の密閉型電池の製造方法においては、外装缶と蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップする直前から少なくともオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査している。レーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査すると、レーザ光の平均出力はレーザ光の出力を一定とした場合よりも入熱量は低下するので、溶接部に所定の熱量を与えるためには走査速度を遅くする必要がある。このような方法を採用すると、溶接速度は低くなるが、外装缶がダレを起こさないで大きな溶け込みが得やすくなり、表面が既に溶接された面であるか未溶接面であるかによって影響を受け難くできるので、オーバーラップ部近傍での溶融不足を回避することができるようになる。
【００２９】
また、本発明の密閉型電池の製造方法においては、前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光を前記外装缶と前記蓋板との嵌合部から前記蓋板上にレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査してレーザ光の走査を蓋板上で終了させることが好ましい。
【００３０】
溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップした後にレーザ光の照射を停止すると、レーザ光の照射を停止した箇所で急激な温度変化が生じるため、窪みやシワができ易い。特に窪みやシワの底部では溶融深度不足の領域となり、溶接強度の低下に繋がる。本発明の密閉型電池の製造方法によれば、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光を外装缶と蓋板との嵌合部から蓋板上にレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査してレーザ光の走査を蓋板上で終了させている。これにより、レーザ光の照射を停止した位置が蓋板上となるため、たとえ窪みやシワ等が生じても外装缶と蓋板との間の嵌合部からは離間しているので、外装缶と蓋板との間の溶接強度は維持され、高強度の溶接部が得られ、密閉型電池の電解液のリークも抑制される。
【００３１】
また、本発明の密閉型電池の製造方法においては、前記レーザ光の出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に小さくすることが好ましい。
【００３２】
レーザ光の出力を一定として走査した後に、レーザ光をパルス的に変調させると、走査が進むに従って蓋板の温度も徐々に下降するので、溶接終了領域において溶融した部分の中に凹みやシワ等が生じ難くなり、溶接不良が生じ難くなる。
【００３３】
更に、上記目的を達成するため、本発明の密閉型電池の製造方法においては、アルミニウム系金属製の外装缶と前記外装缶の開口に配置されるアルミニウム系金属製の蓋板との嵌合部を連続発振型レーザ溶接装置からレーザ光を照射することにより溶接を行い、封止する密閉型電池の製造方法において、前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップする直前からオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査することを特徴とする。
【００３４】
アルミニウム系金属製の蓋板及び外装缶については、レーザ光ＬＢを照射して一度表面が溶融した部分に再度レーザ光ＬＢを照射した場合のレーザ光ＬＢの吸収率が、一度もレーザ光ＬＢの照射により溶融していない部分にレーザ光ＬＢを照射した場合の吸収率よりも小さいので、外装缶と蓋板との間の溶け込みが小さくなりがちである。本発明の密閉型電池の製造方法においては、外装缶と蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップする直前から少なくともオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査している。このような方法を採用すると、溶接速度は低くなるが、外装缶がダレを起こさないで大きな溶け込みが得やすくなり、表面が既に溶接された面であるか未溶接面であるかによって影響を受け難くできるので、オーバーラップ部近傍での溶融不足を回避することができるようになる。なお、溶接終了領域でレーザ光をオーバーラップさせる区間のパルス数は５〜２０パルス程度が望ましい。
【００３５】
また、本発明の密閉型電池の製造方法においては、前記外装缶と前記蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光を前記外装缶と前記蓋板との嵌合部から前記蓋板上にレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査させ、レーザ光の走査を蓋板上で終了させることが好ましい。
【００３６】
外装缶と蓋板との嵌合部の溶接終了領域において、溶接部分がオーバーラップした後にレーザ光の照射を停止すると、レーザ光の照射を停止した箇所で急激な温度変化が生じるため、窪みやシワができ易い。特に窪みやシワの底部では溶融深度不足の領域となり、溶接強度の低下に繋がる。本発明の密閉型電池の製造方法によれば、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光を外装缶と蓋板との嵌合部から蓋板上にレーザ光の出力をパルス的に変調させながら走査してレーザ光の走査を蓋板上で終了させている。これにより、レーザ光の照射を停止した位置が蓋板上となるため、窪みやシワ等が生じても外装缶と蓋板との間の溶接部からは離間しているので、外装缶と蓋板との間の溶接強度は維持され、高強度の溶接部が得られると共に、電解液のリークも抑制される。なお、レーザ光の照射終了に際して徐々に出力を弱めると、溶融した部分の中にできる凹みが小さくなるので、嵌合面上から外した後に出力が７０％以下となるようにしてレーザ光の照射を終了させるのが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】各実施形態に共通する密閉型電池の斜視図である。
【図２】図２Ａは図１の二次電池の内部構造を示す正面図であり、図２Ｂは図２ＡのIIＢ−IIＢ線に沿った断面図である。
【図３】図３Ａは第１実施形態の溶接開始領域の拡大平面図であり、図３Ｂは溶接開始直後の斜視断面図であり、図３Ｃは熱の移動を示す模式断面図であり、図３Ｄは溶接開始領域の斜視断面図である。
【図４】図４Ａは矩形波的なパルス変調時の谷部分に相当する出力を徐々に大きくした場合の波形例であり、図４Ｂは三角波的なパルス変調時の谷部分に相当する出力を徐々に大きくした場合の波形例である。
【図５】図５Ａは第２実施形態の溶接開始領域の拡大平面図であり、図５Ｂは第２実施形態の溶接開始領域の斜視断面図であり、図５Ｃは第２実施形態の変形例の溶接開始領域の拡大平面図である。
【図６】図６Ａは第３実施形態の溶接終了領域の拡大平面図であり、図６Ｂは溶接終了領域の斜視断面図であり、図６Ｃは溶接終了後の溶融部の模式断面図である。
【図７】図７Ａは第４実施形態の溶接終了領域の拡大平面図であり、図７Ｂ溶接終了領域の斜視断面図であり、図７Ｃは溶接終了後の溶融部の模式断面図であり、図７Ｄは第４実施形態の変形例の溶接終了領域の拡大平面図である。
【図８】図８Ａは、角形密閉電池の外装缶と蓋板の嵌合状態を示す平面図であり、図８Ｂは溶接開始側の図８ＡのVIIIＢ部分の拡大平面図であり、図８Ｃはレーザ溶接時の外装缶と蓋板との嵌合部の熱の移動を示す斜視断面図であり、図８Ｄはレーザ溶接後の溶接状態を示す模式図であり、図８Ｅは溶接開始直後の溶融部の斜視断面図である。
【図９】図９Ａは溶接終了領域の拡大平面図であり、図９Ｂはオーバーラップ直後の斜視断面図であり、図９Ｃは溶接終了領域の斜視断面図であり、図９Ｄは溶接終了後の溶融部の模式断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の各実施形態を、図面を用いて説明する。ただし、以下に示す実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための密閉型電池として、レーザ光を用いて外装缶と蓋板とを溶接した角形非水電解質二次電池を例示するものであって、本発明をこの角形非水電解質二次電池に特定することを意図するものではない。本発明は、円筒形ないし楕円筒形非水電解質二次電池等、特許請求の範囲に含まれるその他の実施形態の密閉型電池にも等しく適応し得るものである。
【００３９】
最初に各実施形態に使用した密閉型電池としての角形非水電解質二次電池の構成について図１及び図２を用いて説明する。なお、図１は各実施形態に共通する密閉型電池としての角形非水電解質二次電池の斜視図である。図２Ａは図１の角形非水電解質二次電池の内部構造を示す正面図であり、図２Ｂは図２ＡのIIＢ−IIＢ線に沿った断面図である。
【００４０】
この角形非水電解質二次電池１０は、正極極板と負極極板とがセパレータ（何れも図示省略）を介して巻回された偏平状の巻回電極体１１を、角形の外装缶１２の内部に収容し、蓋板１３によって外装缶１２を密閉したものである。この外装缶１２及び蓋板１３としては、共に熱伝導率が良好なアルミニウム系金属製のものが用いられている。
【００４１】
正極極板は、例えばアルミニウム箔からなる正極芯体の両面に、帯状のアルミニウム箔が露出している正極芯体露出部１４が形成されるように、例えば正極活物質としてＬｉＣｏＯ２を含む正極活物質合剤を塗布し、乾燥後に圧延することにより作製されている。また、負極極板は、例えば銅箔からなる負極芯体の両面に、帯状の銅箔が露出している負極芯体露出部１５が形成されるように、例えば負極活物質として黒鉛を含む負極活物質合剤を塗布し、乾燥後に圧延することによって作製されている。そして、偏平状の巻回電極体１１は、正極極板及び負極極板を、巻回軸方向の両端部に正極芯体露出部１４及び負極芯体露出部１５がそれぞれ位置するように、ポリオレフィン製の微多孔性セパレータ（図示省略）を介して偏平状に巻回することにより作製されている。
【００４２】
このうち、正極芯体露出部１４は正極集電体１６を介して正極端子１７に接続され、負極芯体露出部１５は負極集電体１８ａ、１８ｂを介して負極端子１９に接続されている。正極端子１７、負極端子１９はそれぞれ絶縁部材２０、２１を介して蓋板１３に固定されている。この角形非水電解質二次電池１０は、偏平状の巻回電極体１１を角形の外装缶１２内に挿入した後、蓋板１３を外装缶１２の開口部にレーザ溶接し、その後電解液注液孔（図示省略）から非水電解液を注液して、この電解液注液孔を密閉することにより作製されている。なお、各実施形態の角形非水電解質二次電池１０の平面図は、図１０Ａに示した従来例の角形密閉電池の場合と同様であるので、図示省略する。
【００４３】
［第１実施形態：溶接開始領域］
第１実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接開始領域の溶接状態を図３を用いて説明する。なお、図３Ａは第１実施形態の溶接開始領域の拡大平面図であり、図３Ｂは溶接開始直後の斜視断面図であり、図３Ｃは熱の移動を示す模式断面図であり、図３Ｄは溶接開始領域の斜視断面図である。
【００４４】
第１実施形態の密閉型電池の溶接開始領域では、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、外装缶１２と蓋板１３とを嵌合した後、最初に外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０の溶接開始領域３１ＡにＣＷレーザ溶接装置（図示省略）からのレーザ光ＬＢをパルス的に変調しながら照射し、このパルス的に変調されたレーザ光ＬＢを外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０に沿って走査する。これにより、溶接開始領域３１Ａ側には、外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０に間欠的にスポット状の溶接痕３２Ａが形成される。その後、一定出力のレーザ光ＬＢを用いて一定速度で走査することにより、連続溶接痕３３Ａが形成される。
【００４５】
なお、第１実施形態で使用したアルミニウム系金属製の外装缶及び蓋板の厚さ及び用いたＣＷレーザ溶接装置の特性は以下のとおりである。
・外装缶厚さ                ：０．５ｍｍ
・蓋板の厚さ                ：１．４ｍｍ
・レーザ光出力              ：１．９ｋＷ
・理論スポット径            ：約０．６ｍｍ
・走査速度（一定出力領域）  ：６０ｍｍ／秒
・走査速度（パルス出力領域）：２０ｍｍ／秒
【００４６】
第１実施形態の密閉型電池に用いた外装缶１２の厚さは０．５ｍｍであり、蓋板１３の厚さは１．４ｍｍである。そのため、溶接開始領域３１Ａ側においては、図３Ｃに示すように、外装缶１２側は蓋板１３側よりも熱拡散し難い。しかしながら、ここではレーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させながら一定速度で走査しているので、溶接開始領域３１Ａでは、最初のレーザ光ＬＢのパルスの出力が大きいときに外装缶１２の幅方向の端部までは溶融しないが蓋板１３との間が接合した状態が形成され、その後のレーザ光ＬＢのパルスの出力が小さいときに、外装缶１２側の熱が蓋板１３側にも伝わる。そのため、数パルス分、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させながら一定速度で走査すると、外装缶１２の温度と蓋板１３の温度が同程度になるので、その後に一定出力のレーザ光ＬＢの照射による走査が行なわれるときは、外装缶１２と蓋板１３の温度が揃っているので、外装缶１２のみが大幅に溶け過ぎることが抑制される。
【００４７】
そのため、第１実施形態の密閉型電池の製造方法によれば、外装缶１２及び蓋板１３共に熱伝導率が良好なアルミニウム系金属製のものであっても、ＣＷ型レーザ溶接装置からのレーザ光ＬＢを用いて、溶接開始領域３１Ａにおいてダレが発生し難く、しかも溶接不良が形成され難い密閉型電池を製造することができるようになる。加えて、溶接開始領域３１Ａにおいて、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させながら一定速度で走査した後に、レーザ光ＬＢの出力を一定、すなわち１００％の出力でより早い一定速度で走査しているので、蓋板１３側の温度が高い状態で、外装缶１２と蓋板１４との嵌合部３０での連続した連続溶接痕３３Ａが形成されるため、外装缶１２のみが溶け過ぎる現象をより抑制することができるようになると共に、高速度で溶接することができるようになる。
【００４８】
なお、レーザ光ＬＢの出力のパルス的な変調は、理論的には０％と１００％の間で矩形波的に変調を行えばよいが、急激に出力を変化させようとするとＣＷレーザ発生装置の励起源であるレーザダイオードの寿命が短くなる虞があるので、レーザ光ＬＢの出力の谷部分では０％まで落とさないことが望ましい。そのため、レーザ光ＬＢの出力の谷部分では例えば約２％程度となるようにして、約２％と１００％の間で矩形波的に変調するようにする。このパルス的な変調は、例えば、出力の約２％程度から数ｍＳ以下で１００％まで出力を立ち上げ、１００％の出力を３〜３０ｍＳ間続け、そこから数ｍＳ以下で約２％程度まで低下させるような矩形波的な変調であり、これを１パルスとして、繰り返すものである。次のパルスでは照射位置を０．１〜０．５ｍｍずらして同様のレーザ光ＬＢのパルス的な照射を行う。
【００４９】
このとき、一定出力のレーザ光ＬＢによる一定速度の溶接部分に移行するまでのパルス数、すなわち、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させながら一定速度で走査する際のパルス数は、５〜２０パルス程度が望ましい。これは、溶接開始領域３１Ａでのレーザ光ＬＢの出力をパルス的に変動させる部分が少なすぎると、蓋板１３の加熱が充分に行われないため、本発明の効果が十分に得られ難く、溶接開始領域３１Ａでの溶接不良が起こり易くなるためであり、多すぎると本来ならば高速に溶接できる部分で低速で溶接を行うことになるので、効率が小さくなるためである。なお、パルス毎のピッチを例えば０．２ｍｍとした場合、溶接開始領域３１Ａで１０パルスのレーザ光ＬＢを照射すると、溶接開始領域３１Ａの長さは２ｍｍとなる。また、パルス毎のピッチは０．１〜０．５ｍｍ程度、照射パルス数は５〜２０パルス程度、溶接開始領域３１Ａの長さとしては０．５ｍｍ〜１０ｍｍ程度となるようにすればよい。
【００５０】
なお、レーザ光ＬＢの出力を矩形波的に変調する以外に、出力を変動させる時間をできるだけ大きくするために三角波の形で変調してもよい。この場合の出力変動は、例えば出力の約２％程度から１０〜２０ｍＳで１００％に立ち上げて、１００％から１０〜２０ｍＳで約２％程度に下げるというような波形となるようにすればよい。この場合も、１パルス当たりに走査距離は０．２ｍｍ程度となるようにするとよい。
【００５１】
また、レーザ光ＬＢの出力を一定として一定速度で走査する際、溶接の後半には溶融部近傍の温度が上昇するため、１００％の出力では溶融し過ぎとなる場合があるが、この場合には数％、具体的は１〜３％程度低下させてもよい。
【００５２】
更に、レーザ光ＬＢの出力のパルス的な変調は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、矩形波的に変調する場合であっても、三角波的に変調する場合であっても、出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすることができる。レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすると、レーザ光の平均出力が徐々に大きくなるので、パルス的に変調させたレーザ光ＬＢの照射が進むに従って蓋板１３側の温度も大きく上昇する。そのため、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすると、短時間で蓋板１３側の温度を高くすることができるので、溶接開始領域３１Ａの長さが短くて済み、短時間でレーザ光ＬＢの出力を一定として走査する高速溶接工程に移行することができるため、密閉型電池の製造効率が向上する。
【００５３】
この場合のパルス的な変調は、始めのパルスで谷部分の出力を約２％程度まで低下させた場合、次のパルスの谷の部分の出力を例えば１０〜２０％程度まで上昇させ、パルス的な照射のたびに徐々に谷の部分の出力を上げていき、最終的には連続的に一定出力となる状態にして通常の一定出力のレーザ光による高速溶接の部分に移行するようにすればよい。なお、一定出力となる手前の谷の部分のパルスの出力は７０〜９５％程度が望ましい。これは、この部分の出力が１００％より離れ過ぎていると次に連続的に一定出力とする部分との差が大きくなりすぎて溶接開始部分での不良が起こり易くなるためであり、また、９５％を越えるパルスを必要なパルス以上続けると高速に溶接できる部分で低速度の溶接を行うことになり、効率が悪くなるためである。
【００５４】
［第２実施形態：溶接開始領域］
第１実施形態の密閉型電池の製造方法においては、溶接開始領域３１Ａを外装缶１２と蓋板１３との嵌合部２０とした例を示した。しかしながら、溶接開始領域３１Ａでレーザ光の出力をパルス的に変調しながら一定速度で走査しても、蓋板１３の温度が外装缶１２の温度とほぼ同等となるまでには時間がかかるので、その間に溶接開始領域３１Ａの嵌合部３０に溶接欠陥が生じる虞がある。
【００５５】
そこで、第２実施形態の密閉型電池の製造方法においては、溶接開始領域を蓋板上となるようにした。この第２実施形態の密閉型電池の製造方法を図５を用いて説明する。なお、図５Ａは第２実施形態の溶接開始領域の拡大平面図であり、図５Ｂは第２実施形態の溶接開始領域の斜視断面図であり、図５Ｃは第２実施形態の変形例の溶接開始領域の拡大平面図である。
【００５６】
第２実施形態の密閉型電池の製造方法では、溶接開始領域３１Ｂを蓋板１３上とし、蓋板１３上からレーザ光ＬＢの照射を開始してレーザ光ＬＢの出力を矩形波的にパルス変調させながら外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０まで、更には外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０上において一定領域まで一定速度で走査する。これによりスポット状の溶接痕３２Ｂが形成される。その後にレーザ光ＬＢの出力を一定、すなわち１００％の出力として外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０をより速い一定速度で走査する。これにより連続溶接痕３３Ｂが形成される。
【００５７】
この場合のレーザ光ＬＢのパルス的な変調は、レーザ光ＬＢの谷部分では約２％程度となるようにして、約２％と１００％の間で矩形波的に変調するようにする。このパルス的な変調は、例えば、出力の約２％程度から数ｍＳ以下で１００％まで出力を立ち上げ、１００％の出力を３〜３０ｍＳ間続け、そこから数ｍＳ以下で約２％程度まで低下させるような矩形波的な変調であり、これを１パルスとして、繰り返すものである。次のパルスでは照射位置を０．１〜０．５ｍｍずらして同様のレーザ光ＬＢのパルス的な照射を行う。
【００５８】
溶接開始領域３１Ｂを蓋板１３上にすると、最初に蓋板１３がパルス的に変調されたレーザ光ＬＢによって徐々に加熱されるので、レーザ光ＬＢが外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０まで走査されたときには、蓋板１３側の温度が高くなっている。そのため、その後にレーザ光ＬＢの出力を一定としてより速い一定速度で走査しても、蓋板１３側の温度が高い状態で外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０の一定出力での溶接が開始されるため、外装缶１２と蓋板１３とがバランス良く溶融した連続溶接痕３３Ｂが形成されるようになり、外装缶１２のみが溶け過ぎる現象を更に抑制することができるようになる。なお、溶接開始領域３１Ｂを蓋板１３上とし、蓋板１３上からレーザ光ＬＢの照射を開始してレーザ光ＬＢの出力を矩形波的にパルス変調させながら外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０まで至ったら、直ちに一定の出力で外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０をより速い一定速度で走査するようにしてもよい。
【００５９】
また、溶接開始領域３１Ｂを蓋板１３上とした場合でも、レーザ光ＬＢの出力のパルス的な変調は、例えば図４Ａに示すように、出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすることができる。この第２実施形態の変形例の場合も、図５Ｃに示すように、溶接開始領域３１Ｃを蓋板１３上とし、蓋板１３上からレーザ光ＬＢの照射を開始してレーザ光ＬＢの出力を、谷部分に相当する出力が徐々に大きくなるように、矩形波的にパルス変調させながら外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０まで走査する。これによりスポット状の溶接痕３２Ｃが形成される。その後にレーザ光ＬＢの出力を一定として外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０を一定速度で走査する。これにより連続溶接痕３３Ｃが形成される。
【００６０】
レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすると、レーザ光の平均出力が徐々に大きくなるので、パルス的に変調させたレーザ光ＬＢの照射が進むに従って蓋板１３側の温度も大きく上昇する。そのため、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすると、図５Ｃに示すように、図５Ａに示した単なる矩形波的な変調の場合よりも少ないパルス数で蓋板１３側の温度を高くすることができるから、溶接開始領域３１Ｂの長さが短くて済み、短時間でレーザ光ＬＢの出力を一定としてより速い一定速度で走査する高速溶接工程に移行することができるようになる。
【００６１】
この場合においても、パルス的な変調は、三角波的なパルス変調とすることもでき、更には、図４Ｂに示すように、三角波的変調出力の谷部分に相当する出力を徐々に大きくすることもできる。
【００６２】
［第３実施形態：溶接終了領域］
第３実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域の溶接状態を図６を用いて説明する。なお、図６Ａは第３実施形態の溶接終了領域の拡大平面図であり、図６Ｂは溶接終了領域の斜視断面図であり、図６Ｃは溶接終了後の溶融部の模式断面図である。
【００６３】
図６Ａに示した第３実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域３４は、図３Ａに示した第１実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接開始領域３１Ａ対応する部分にオーラップする部分を示している。すなわち、図３Ｂに示すように、レーザ光ＬＢの出力を一定として連続溶接痕３３Ｄが形成されるようにして一回り走査し、溶接終了領域３４に至ったとき、溶接部分がオーバーラップする直前から少なくともオーバーラップの直後までレーザ光の出力をパルス的に変調させながら、溶接終了位置３５まで速度を落として一定速度で走査することにより、スポット状の溶接痕３２Ｄが形成されるようにしている。
【００６４】
これは、アルミニウム系金属製の蓋板及び外装缶については、レーザ光ＬＢを照射して一度表面が溶融した部分に再度レーザ光ＬＢを照射した場合のレーザ光ＬＢの吸収率が、一度もレーザ光ＬＢの照射により溶融していない部分にレーザ光ＬＢを照射した場合の吸収率よりも小さいので、走査速度を遅くして、充分な熱量を与えるためである。このような方法を採用すると、溶接速度は遅くなるが、表面が既に溶接された面であるか未溶接面であるかによって影響を受け難くできるので、オーバーラップ部３４近傍での溶融不足を回避することができるようになる。
【００６５】
なお、溶接終了位置３５では、急にレーザ光の照射が終了するため、図６Ｃに示したように、凹みやシワ３６が形成されることがあるが、溶接終了位置３５の手前ではレーザ光の出力をパルス的に変調させながら溶接しているため、一定の出力でレーザ走査した場合と比べて入熱量が小さくなっているので、形成される凹みやシワ３６の深さは図９Ａに示した従来例の凹みやシワ５９の深さよりも小さくなり、充分な溶接強度を得ることができるようになる。
【００６６】
なお、溶接終了領域３４において、レーザ光ＬＢの出力が一定となるように走査した後にレーザ光をパルス的に変調させると、走査が進むに従って蓋板１３の温度も下降する。そのため、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に小さくすると、溶接終了領域３４では、徐々に冷却が進むため、溶融した部分の中に凹みやシワ等が生じ難くなり、溶接不良が生じ難くなる。また、第３実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域３４では、レーザ光ＬＢの出力のパルス的な変調は、矩形波的なパルス変調とすることも、三角波的なパルス変調とすることもできる。
【００６７】
［第４実施形態：溶接終了領域］
第４実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域の溶接状態を図７を用いて説明する。なお、図７Ａは第４実施形態の溶接終了領域の拡大平面図であり、図７Ｂ溶接終了領域の斜視断面図であり、図７Ｃは溶接終了後の溶融部の模式断面図であり、図７Ｄは第４実施形態の変形例の溶接終了領域の模式断面図である。
【００６８】
図６Ａに示した第３実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域３４は、図３Ａに示した第１実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接開始領域３１Ａに対応する部分にオーラップする部分を示している。すなわち、図３Ｂに示すように、レーザ光ＬＢの出力を一定として連続溶接痕３３Ｅが形成されるようにして一回り一定速度で走査し、溶接終了領域３４に至ったとき、溶接部分がオーバーラップする直前から少なくともオーバーラップの直後まで、レーザ光の出力をパルス的に変調させながら蓋板１３上に位置する溶接終了位置３５まで速度を落として一定速度で走査することにより、スポット状の溶接痕３２Ｅが形成されるようにしている。
【００６９】
溶接終了領域３４において、溶接部分がオーバーラップした後にレーザ光ＬＢの照射を停止すると、レーザ光ＬＢの照射を停止した箇所で急激な温度変化が生じるため、窪みやシワができ易い。この溶接停止位置を外装缶１２と蓋板１３との嵌合部分に形成すると、図６Ｃに示したように、凹みやシワ３６の底部では溶融深度不足の領域となり、溶接強度の低下に繋がる。そこで第４実施形態の密閉型電池の製造方法においては、溶接部分がオーバーラップした後、レーザ光ＬＢを外装缶１２と蓋板１３との嵌合部から蓋板１３上にずらし、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させながら走査し、レーザ光ＬＢの走査を蓋板１３上で終了させている。
【００７０】
これにより、レーザ光ＬＢの照射を停止した位置が蓋板１３上となるため、たとえ窪みやシワ３６等が生じても、図７Ｃに示したように、外装缶１２と蓋板１３との嵌合部３０からは離間しているので、外装缶１２と蓋板１３との間の溶接強度は維持され、高強度の溶接部が得られ、密閉型電池の電解液のリークも抑制されるようになる。
【００７１】
この場合も、溶接終了領域３４において、レーザ光ＬＢの出力が一定となるように一定速度で走査した後に、レーザ光ＬＢの出力をパルス的に変調させたときの出力の谷部分に相当する出力を徐々に小さくして走査速度を遅くすると、溶接終了領域３４では、徐々に冷却が進むので、溶融した部分の中に凹みやシワ等が生じ難くなり、溶接不良が生じ難くなる。また、第４実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域３４では、レーザ光ＬＢの出力のパルス的な変調は、矩形波的なパルス変調とすることも、三角波的なパルス変調とすることもできる。
【００７２】
なお、図７Ａに示した第４実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域３４は、図３Ａに示した第１実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接開始領域３１Ａに対応する部分にオーラップする部分を示したが、図５Ａないし図５Ｃに示した第２実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接開始領域３１Ｂに対応する部分に適用することもできる。
【００７３】
この第４実施形態の変形例の溶接終了領域の拡大平面図を図７Ｄに示す。なお、図７Ｄにおいては、図７Ａに示した第４実施形態の密閉型電池の製造方法における溶接終了領域３４の構成部分と同様の構成部分には同一の参照符号を付与し、添え字「Ｅ」がある部分については添え字を「Ｆ」に変え、それらの詳細な説明は省略する。この第４実施形態の変形例においても、第４実施形態の場合と同様の作用効果を奏することができる。なお、第４実施形態の変形例においては、蓋板１３上からレーザ光の照射を開始し、外装缶１２と蓋板１３の嵌合部上でレーザ光の照射を終えるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７４】
１０…角形非水電解質二次電池  １１…巻回電極体  １２…外装缶  １３…蓋板  １４…正極芯体露出部  １５…負極芯体露出部  １６…正極集電体  １７…正極端子  １８…負極集電体  １９…負極端子  ２０、２１…絶縁部材  ３０…嵌合部  ３１Ａ〜３１Ｃ…溶接開始領域  ３２Ａ〜３２Ｆ…スポット状の溶接痕  ３３Ａ〜３３Ｆ…連続溶接痕  ３４…溶接終了領域（オーバーラップ部分）  ３５…溶接終了位置  ３６…凹みやシワ  ＬＢ…レーザ光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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