JP2005221420A - 漏洩検知装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩検知精度の優れた漏洩検知装置を提供する。
【解決手段】漏洩検知装置は、パルスレーザ光を集光し検査対象物表面に照射する集光照射手段１と、照射された検査対象物に含まれる原子から放出される蛍光を集光する蛍光集光手段２と、集光された蛍光の波長およびその強度から検査対象物に含有した元素を定量する蛍光分光測定手段３と、を有している。
検査対象物は内部に液体を密閉可能であり、パルスレーザ光をその検査対象物表面へ照射し、その液体の漏れの有無を検知する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、プラズマから得られる蛍光を取得し、検査対象物の種類を特定する装置、特に元素番号が小さな元素が密閉構造から漏れたか、否かを検知する漏洩検知装置に関する。

一般に、容器内に液体を収容した製品として、リチウム（Ｌｉ）２次電池が知られている。リチウム２次電池を製造する場合、容器内にリチウム電解液を収容し、そのリチウム電解液を収容した容器を溶接して密封される。その後、溶接部において、リチウム電解液の漏洩の有無の検査が行なわれる。検査を行なう場合、顕微鏡等を用い、多数の人員で目視による溶液漏洩の有無を判定することで行なわれる。上記したように検査を行なうことで、漏れの無いリチウム２次電池を提供することが求められている。

一方、工業プラントからの排煙、排水中に含まれる有害物質の分析等において、試料にレーザを集光照射し生成したプラズマの発光から元素を分析することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０００−３１０５９６号

ところで、上記した検査をする場合、目視により溶液漏洩の有無を判定する他、製造された製品が多数に及ぶ。そのため、検査時間が長引くことによる人件費の高騰や、液体漏洩の有無の判断不良が生じてしまう。ここで、漏洩そのものが、経時変化によることもあるので、ある程度放置が必要なことは問題としない。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、漏洩検知精度の優れた漏洩検知装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る漏洩検知装置は、パルスレーザ光を集光し検査対象物表面に照射する集光照射手段と、前記照射された検査対象物に含まれる原子から放出される蛍光を集光する蛍光集光手段と、前記集光された蛍光の波長およびその強度から前記検査対象物に含有した元素を定量する蛍光分光測定手段と、を有し、前記検査対象物は内部に液体を密閉可能であり、前記パルスレーザ光をその検査対象物表面へ照射し、その液体の漏れの有無を検知することを特徴としている。

この発明によれば、漏洩検知精度の優れた漏洩検知装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の漏洩検知装置をリチウム２次電池の漏洩の検知に用いた実施の形態について説明する。
図１に示すように、漏洩検知装置は、集光照射手段１と、蛍光集光手段２と、蛍光分光測定手段３と、を有している。集光照射手段１は、発振器としてのＥｄ：ＹＡＧレーザ発振器１０、このＹＡＧレーザ発振器から出力されるパルスレーザ光を検査対象物表面まで伝送するレーザ伝送手段２０、およびその検査対象物表面に照射されるパルスレーザ光の集光点を走査する走査手段としてのスライダ３０を有している。

レーザ伝送手段２０は、ＹＡＧレーザ発振器１０から出力されたパルスレーザ光を分配する分配光学系としての透過鏡２１、この透過鏡を介してパルスレーザ光が入射されるとともに入射されたパルスレーザ光を集光する入射光学系２２、この入射光学系で集光されたパルスレーザ光を検査対象物表面まで伝送するレーザ伝送光ファイバ２３、およびこのレーザ伝送光ファイバで伝送されたパルスレーザ光を検査対象物表面に集光して照射する集光光学系２４を有している。

ここで、パルスレーザ光は、図示しない主制御装置により所定タイミングで駆動パルスが生成され、この駆動パルスに基づいてＹＡＧレーザ発振器１０から所定パルス幅で出力されている。この実施の形態において、集光照射手段１は複数のレーザ伝送手段２０を有し、例えば８組有している。上記したことから、集光照射手段１により、パルスレーザ光が集光され、検査対象物表面に照射される。さらに、透過鏡２１によりパルスレーザ光が分岐され複数箇所に照射される。

蛍光集光手段２は、検査対象物を原子化およびプラズマ化し、検査対象物中に存在する各元素から放出（放射）される固有の蛍光（蛍光を含むスペクトル）を集光する。ここで、図示しないタイミング調整機構により、蛍光集光手段２の動作は制御されている。このため、照射された検査対象物に含まれる原子から放出される蛍光が、蛍光集光手段２により集光される。

蛍光分光測定手段３は、蛍光（光）をスペクトル成分等に分離するとともに検査対象物等に含まれる元素固有のスペクトルを計測し、計測されたスペクトルを光電変換する分光器５０、蛍光集光手段２で集光した蛍光を分光器まで伝送する蛍光伝送光ファイバ４０、および分光器で光電変換されたスペクトルが供給されるとともに検査対象物に含まれる元素を定量する判定装置６０を有している。このため、蛍光分光測定手段３により、集光された蛍光の波長およびその波長における強度から検査対象物に含有した元素を定量できる。

次に、リチウム２次電池の構成について説明する。図２に示すように、筐体であるリチウム２次電池１００は、アルミニウムからなる容器１０１およびアルミニウムからなる蓋１０２を有し、これら容器および蓋は溶接部である溶接線Ａに沿って溶接されている。すなわち、リチウム２次電池１００内部にリチウム電解液を密閉可能である。リチウム２次電池１００内部には液体としてのリチウム電解液が収容されている。

ここで、上記したリチウム２次電池１００の接合部に、割れ目やピンホール等の溶接不十分な箇所がある場合、そのリチウム２次電池内部のリチウム電解液が漏洩することがある。リチウム電解液が外部に漏れた場合、リチウム２次電池１００表面の溶接線Ａに沿った箇所に、漏れたリチウム電解液に起因し白い粉が付着する。また、溶接不十分な箇所が小さいと、白い粉を確認できない場合がある。

次に、上記した漏洩検知装置を用い、上述した検査対象物としてのリチウム２次電池１００内部のリチウム電解液の漏洩を検知することで、リチウム２次電池を検査する手法について説明する。
図１および図２に示すように、リチウム２次電池１００が所定の位置にセットした後、集光照射手段１のＹＡＧレーザ発振器１０によりパルスレーザ光を出力する。出力されたパルスレーザ光は、各レーザ伝送手段２０により分岐し、そのレーザ伝送光ファイバ２３により、リチウム２次電池１００表面まで伝送される。

その後、パルスレーザ光を、各集光光学系２４によりリチウム２次電池１００表面に集光するとともに、複数箇所に照射する。より詳しくは、パルスレーザ光はリチウム２次電池１００表面の溶接線Ａに沿って照射する。ここで、溶接線Ａに沿った照射領域にリチウム電解液が漏れている場合、リチウム２次電池１００外部に漏れたリチウム電解液、およびリチウム２次電池１００表面のアルミニウムはパルスレーザ光によりプラズマ化される。

このプラズマはパルスレーザ光の照射終了とともに再結合を始め、数μ秒ないし数十μ秒の間は照射されたリチウム２次電池１００の構成元素が励起状態の原子となる。そして、この励起状態の原子が下準位に遷移するとき、原子は原子数に比例した蛍光を放出する。

このように、レーザ伝送手段２０はパルスレーザ光を照射するとともにスライダ３０によりそのレーザ伝送手段を走査する。このため、レーザ伝送手段２０から照射されるパルスレーザ光は、リチウム２次電池１００表面の溶接線Ａに沿った領域を、例えば矢印の方向へ時間的に走査される。より詳しくは、各レーザ伝送手段２０によって分岐されたパルスレーザ光は、複数箇所に集光して照射されるとともに、これらパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数分を走査される。

また、リチウム２次電池１００表面の溶接線Ａに沿った領域から蛍光が放出するとき、蛍光集光手段２を蛍光集光領域に移動させて蛍光を集光する。蛍光集光手段２により集光された蛍光は、蛍光分光測定手段３の蛍光伝送光ファイバ４０を介して分光器５０によりスペクトルが計測され、判定装置６０により蛍光を放出した物質に含まれる元素を定量する。すなわち、リチウム電解液がリチウム２次電池１００外部に漏れている場合、そのリチウム電解液に含まれるリチウム固有のスペクトルが得られる。

そして、リチウム２次電池１００表面の溶接線Ａに沿った全ての領域にパルスレーザ光を照射するとともに、これにより放出される蛍光のスペクトルを判定装置６０により取得し、リチウム固有のスペクトルが得られた場合、リチウム電解液の漏洩が生じていることがわかる。また、リチウム固有のスペクトルが得られない場合、リチウム電解液の漏洩は生じていないことがわかる。上記したことから、リチウム電解液漏洩の有無を検知できる。なお、リチウム電解液の漏洩が生じたリチウム２次電池１００は廃棄される。

以上のように構成された漏洩検知装置によれば、パルスレーザ光をリチウム２次電池１００表面へ照射し、リチウム電解液漏洩の有無を検知している。このように、パルスレーザ光によって発生した蛍光を計測する手法を適用した場合であっても、リチウム２次電池１００の溶接部からのリチウム電解液の漏洩を検知することができる。リチウムは感度が良く、蛍光が強いため、リチウム電解液の微少漏洩であっても精度良く検知することができる。

計測の手法は前処理がほとんど不要であるため、顕微鏡による目視によりリチウム電解液の漏洩を検知する場合より効率が良い。また、その手法は、多数のリチウム２次電池１００の健全性を短時間で検査することができ、連続的に、かつ１つのリチウム２次電池当たりを数秒以内で検査できる。

パルスレーザ光は、複数箇所に集光して照射されるとともに、リチウム２次電池１００表面を時間的に走査される。より詳しくは、これらパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数分を走査される。このため、リチウム電解液の漏洩を一層効率良く検知することができる。
上記したことから、リチウム２次電池に生じるリチウム電解液の漏洩を、安価で効率良く、かつ、高感度、高精度に行なうことができる。

さらに、本願発明者は、パルスレーザ光の照射条件を変えた場合のリチウム２次電池１００の漏洩検知の精度を調査した。
図３に示すように、集光径φ０．５ｍｍのパルスレーザ光を照射し、そのパルスレーザ光の照射エネルギが２０ｍＪ未満では蛍光強度の測定感度が低いことがわかる。上記したことはバックグランド強度が高いためである。また、パルスレーザ光の照射エネルギが５０ｍＪを超えた場合、リチウム２次電池１００を構成するアルミニウムからなる容器１０１および蓋１０２に大きな損傷を与えることは明らかである。上記したことから、集光されたパルスレーザ光の照射エネルギは、蛍光強度の測定感度、バックグランド強度、およびリチウム２次電池１００の損傷から、２０ｍＪないし５０ｍＪが選定される。

上記したように、照射エネルギとして２０ｍＪないし５０ｍＪが選定された場合、集光された照射エネルギ密度は、集光径φ０．５ｍｍから、５Ｊ／ｃｍ^２ないし２５Ｊ／ｃｍ^２となる。また、パルスレーザ光のパワー強度は、パルス幅６ｓｅｃから、０．８３ＧＷ／ｃｍ^２ないし４．２ＧＷ／ｃｍ^{２となる。}
図４に示すように、パルスレーザ光の集光径を小さくしてリチウム２次電池１００の溶接線Ａに沿った領域の多数の箇所に照射し、これら多数の箇所から放出される蛍光を測定する場合、溶接線から幅方向への無駄な照射エネルギを削減できることがわかる。

次に、パルスレーザ光の集光径を変えた場合について説明する。
パルスレーザ光の集光径Ｄは、漏洩検知に必要な検査長Ｌ、ＹＡＧレーザ発振器の繰り返し周波数Ｑ、検知判定時間Ｓ、および分岐数（集光本数）ｎから次に示す関係式（１）により示すことができる。
Ｌ＝Ｑ×Ｓ×Ｄ×ｎ −−−−−−（１）
例えば、漏洩検知に必要な検査長Ｌを４０ｍｍ、周波数Ｑを１０Ｈｚ、検知判定時間Ｓを１ｓｅｃとした場合、分岐数ｎは１０（台）、集光径Ｄはφ０.４ｍｍとなり、照射エネルギは１２．８ｍＪ必要となる。集光径Ｄを小さくすると分岐数ｎまたは周波数Ｑを大きくする必要があり、高価になることがわかる。

ここで、周波数Ｑを１０Ｈｚとしたときの、集光径Ｑに対する照射エネルギ、総照射エネルギ、分岐数（分岐台数）ｎ、および集光面積の関係を図４に示す。
この図に示すように、例えば、集光径を１／２のφ０．２ｍｍとすると分岐数ｎか周波数Ｑを２倍にする必要があり、また分岐数のみを増加させると２０（台）となる。集光径Ｄをφ０．６ｍｍと１．５倍にすると、分岐数ｎを１／１．５の７（台）に削減できるが、必要な照射エネルギは約２．２５倍の２９ｍＪ必要となり、総照射エネルギは１９３ｍＪと約１．５倍必要となる。ここで、集光径Ｄをφ０．５ｍｍとすると、分岐数ｎは８、照射エネルギは約２０ｍＪ、総照射エネルギは１６０ｍＪと約１．２５倍必要となる。

また、周波数Ｑを２０Ｈｚとした場合、分岐数ｎを削減できる利点があるが、この周波数の増加はＹＡＧレーザ発振器１０を高価にすることが判っている。更に、一般に１０Ｈｚ以上の高繰り返しで、大きな出力を得るＹＡＧ発振器は冷却等の新しい開発技術が必要で高価となる。

上記したことから、集光径Ｄは０．２ｍｍ以上に選定され、分岐数ｎを２０（台）以下、総照射エネルギ（発振器出力）を２５０ｍＪ以下とすると、集光径Ｄは０．２ｍｍないし０．８ｍｍの範囲が選定される。

また、必要な総照射エネルギをＰ、分光器５０を用いた計測に必要な照射エネルギ密度をＥとすると、次に示す関係式（２）により示すことができる。
Ｐ＝Ｅ×Ｄ^２×π／４×ｎ −−−−−−（２）
必要な照射エネルギ密度Ｅを１５Ｊ／ｃｍ２、集光径Ｄを０．４ｍｍ、分岐数ｎを１０（台）とすると、総照射エネルギＰは約１９０ｍＪとなる。蛍光の強度を大きくするために照射エネルギ密度Ｅを大きくする場合、総照射エネルギＰを大きくする必要が生じるため、高価になってしまう。上記したことからも、必要な照射エネルギ密度Ｅ等により、最適なリチウム電解液の漏洩検知装置のシステムが選定されることがわかる。

次に、パルスレーザ光を照射する範囲について説明する。図２に示すように、リチウム２次電池１００の溶接線Ａに沿った領域において、リチウム電解液の漏洩が微少な場合は、この溶接線から約１ｍｍ以内の範囲Ｒに漏洩跡が見られる。このため、パルスレーザ光は、溶接線Ａから２ｍｍ以内の範囲Ｒに照射することが最良であることがわかる。

次に、パルスレーザ光の照射回数について説明する。
図６に示すように、パルスレーザ光を同一箇所に照射した場合、リチウムの蛍光強度が低下することが明らかになった。すなわち、この蛍光強度の低下は、漏洩したリチウム電解液の量が少ないため、パルスレーザ光の照射を多く行なうと、蒸発や、飛散によりリチウム電解液が無くなるためである。上記したことから、パルスレーザ光は、同一箇所に１０回以内照射することが重要である。

なお、この発明は、上述した実施の形態に限定されることなく、この発明の範囲内で種々変形可能である。例えば、図７に示すように、上述したＹＡＧレーザ発振器１０や蛍光集光手段２等を２組設けた構成の漏洩検知装置を用いてリチウム電解液の漏洩を検知しても良い。漏洩検知装置を上記した構成にすることにより、多数のリチウム２次電池１００の健全性を一層短時間で検査することができる。

上述したレーザ伝送光ファイバ２３および蛍光伝送光ファイバ４０は光ファイバで構成されているが、これに限らず、他の伝送光学系であれば上述した実施の形態と同様の効果（システム）が得られる。集光照射手段１は少なくとも１組のレーザ伝送手段２０を有していれば良い。また、上述した漏洩径値装置は、リチウム２次電池１００のリチウム電解液の漏洩の検知に用いた場合について説明したが、リチウムに限らず、Ｎａ、Ｍｇ、Ａｌ、Ｋ、Ｃａ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｉｎ、Ｂａ、Ｐｔ、およびＰｂ等であっても、これらの漏洩の検知を良好に行なうことができる。

この発明の実施の形態に係る漏洩検知装置の概略図。 図１に示した漏洩検知装置を用いて検査されるリチウム２次電池を示した図。 パルスレーザの照射エネルギに対する蛍光強度の変化を示した図。 集光されたパルスレーザの集光点を示した概略図。 パルスレーザの集光箇所の集光径に対するパルスレーザの総照射エネルギ、パルスレーザの照射エネルギ、パルスレーザの分岐数、およびパルスレーザの集光面積のそれぞれの変化を示した図。 パルスレーザの照射回数に対する蛍光強度を示した図。 他の実施の形態に係る漏洩検知装置の概略図。

符号の説明

１…集光照射手段、２…蛍光集光手段、３…蛍光分光測定手段、１０…ＹＡＧレーザ発振器、２０…レーザ伝送手段、２１…透過鏡、２２…入射光学系、２３…レーザ伝送光ファイバ、２４…集光光学系、３０…スライダ、４０…蛍光伝送光ファイバ、５０…分光器、６０…判定装置、１００…リチウム２次電池、Ａ…溶接線。

Claims (13)

1. パルスレーザ光を集光し検査対象物表面に照射する集光照射手段と、前記照射された検査対象物に含まれる原子から放出される蛍光を集光する蛍光集光手段と、前記集光された蛍光の波長およびその強度から前記検査対象物に含有した元素を定量する蛍光分光測定手段と、を有し、
   前記検査対象物は内部に液体を密閉可能であり、前記パルスレーザ光をその検査対象物表面へ照射し、その液体の漏れの有無を検知することを特徴とする漏洩検知装置。
2. 前記パルスレーザ光を前記検査対象物表面の複数箇所に集光照射することを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
3. 前記集光して照射されるパルスレーザ光の集光径は０．２ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
4. 前記集光して照射されるパルスレーザ光の集光径は０．８ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３の漏洩検知装置。
5. 前記集光照射手段は分配光学系を有し、前記集光して照射されるパルスレーザ光は、前記分配光学系により分岐して複数箇所に照射されることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
6. 前記集光して照射されるパルスレーザ光は、前記検査対象物表面を時間的に走査することを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
7. 前記集光して照射されるパルスレーザ光の照射エネルギは、２０ｍＪないし５０ｍＪであることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
8. 前記集光して照射されるパルスレーザ光のエネルギ密度は、５Ｊ／ｃｍ^２ないし２５Ｊ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
9. 前記集光して照射されるパルスレーザ光のパワー強度は、０．８３ＧＷ／ｃｍ^２ないし４．２ＧＷ／ｃｍ^２であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
10. 前記検査対象物表面に溶接箇所を有し、前記集光して照射されるパルスレーザ光は、前記溶接箇所から２ｍｍの範囲内に照射されることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
11. 前記集光照射手段は複数のレーザ伝送光ファイバを有し、
    前記パルスレーザ光は分岐して複数箇所に照射されるとともに、各パルスレーザ光は、前記レーザ伝送光ファイバにより前記検査対象物表面まで伝送されることを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
12. 前記パルスレーザ光は分岐して複数箇所に集光照射され、
    前記分岐した各パルスレーザ光は、複数箇所に集光して照射されるとともに、これらパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数分を走査することを特徴とする請求項１に記載の漏洩検知装置。
13. 前記集光して照射されるパルスレーザ光は、同一箇所に１０回以内照射されることを特徴とする請求項１の漏洩検知装置

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