JP2007304086A - バッテリの漏洩を検出する装置 - Google Patents

バッテリの漏洩を検出する装置 Download PDF

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Abstract

【課題】高い検出感度かつ非常に低い電力消費で、高い効率でバッテリの漏洩を検出する装置（システム）を提供する。
【解決手段】ガスに感応するナノ粒子構造体を有するガスセンサを備えたバッテリの漏洩を検出する装置。ガスに感応するナノ粒子構造体は、金属−ナノ粒子／有機コンポジット構造、または、半導電性高分子構造、または、高分子／カーボン・ブラック・コンポジット構造、または、前記構造物の少なくとも２つの組合せである。当該ガスセンサは、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度の変化を引き起こした分解物（analyte)に基づいて作用するセンサである。
【選択図】図１

Description

本発明はバッテリから漏洩する化学物質を検出する装置に関する。
コンピュータ、携帯電話機、オーディオ／ビデオ機器などの携帯電子装置（デバイス）は、電源として、再充電できない一次バッテリまたは再充電可能な二次バッテリを用いている。バッテリ・セル、特に、再充電可能なバッテリに用いられている特別なリチウム・イオン・バッテリ・セルは、仮にバッテリのシェルが漏洩状態になった場合、ユーザにとって極めて危険になる可能性のある、危険な化学物質を含んでいる。そのようなバッテリセルの漏洩は、材料の老朽化によって引き起こされる可能性があるばかりではなく、かりにバッテリが極端な環境変化（たとえば、温度変動）に支配された場合にも引き起こされる可能性がある。多くの試みがバッテリ・セルの安全な操作と使用を確実にするためになされてきた。
たとえば、二次電池（バッテリ）はしばしばバッテリ・パック内に埋め込まれる。欠陥のあるバッテリから漏洩している化学物質によってホスト機器の重大な危険を回避するため、バッテリのハウジングおよびバッテリ・パックを可能な限り良好に構成する試みがなされてきた。さらに、製造したバッテリについて製品および品質管理が行われている。それにもかかわらず、漏洩に起因するバッテリの危険性または誤動作が排除できない。バッテリの漏洩を検出するために複数のアプローチがなされてきた。
たとえば、電界液（liquid electrolyte）によるセンサの電極の電気的接続に基づくバッテリの漏洩検出および警告システム（装置）の使用が米国特許第５８２４８８３号に開示されている。電界液によるセンサの抵抗の減少に基づく検出装置がドイツ特許第４２２０４９４号に開示されている。
漏洩がバッテリの電界液と検出手段との間の接触によって検出される、従来のシステム（装置）において、もし少量の電界液のみバッテリから漏洩している場合にその漏洩を検出するため、検出手段を漏洩する可能性のある全ての位置に接近させて配置しなければならないという不利益が起こる。他方、検出手段がバッテリに接近するある１か所に配置されているだけのある場合、検出手段に接近していない部分のバッテリにおける漏洩は、検出手段に到達するのに充分なバッテリから大量の電界液が漏洩している場合にのみ検出でき得る。公知のシステム（装置）は広い検知領域を用いることによってこの課題を克服することを試みているが、センサの価格が高騰し、その配設が益々複雑になっている。
この一般的な課題は、次の場合、ガスセンサを用いることによって克服することが可能である。その場合とは、漏洩している電界液が常に揮発性要素を有しており、その揮発性要素がかなり迅速に当該ガスセンサに向かって拡散するので、漏洩の位置を明確にすることはあまり重要ではない場合である。日本特許第９２５９８９８号（ＪＰ９２５９８９８）に記載されている装置は、酸化金属半導体センサを用いてバッテリの周囲のガス相（gas phase)についての調査に基づいている。
米国特許第５８２４８８３号 ドイツ特許第４２２０４９４号 日本特許第９２５９８９８号
これまで知られているそれぞれのセンサはしかしながら、センサに接近して配置されているバッテリ装置の危険の可能性を再び増大させ、さらに大きな電力が要求されるという、高温動作を必要とする。
したがって、本発明の目的は、高い検出感度かつ非常に低い電力消費で、高い効率でバッテリの漏洩を検出する装置（システム）を提供することにある。
これらの目的は、請求項１に記載のバッテリの漏洩を検出する装置、および、請求項１３に記載のバッテリの漏洩を検出する方法によって達成される。
本発明の利益的な実施の形態は従属請求項に規定されている。
本発明によれば、バッテリの漏洩を検出する装置は、ガスに感応するナノ粒子構造体を有するガスセンサを具備する、ことを特徴ことによって提供される。このナノ粒子構造体は、１つの実施の形態に基づいて、少なくとも１つのナノ粒子を具備する。
化学物質のガス相（gas phase)の検出に基づく、創作性あるセンサは、電界液とは直接接触することを要求されず、または、いかなる視覚的検査を要求されない。したがって、そのセンサは寸法を非常に小さくすることができる。ナノ粒子構造体がただ１つのナノ粒子のみを具備している場合には特に、当該センサは非常に小さな寸法に設計することができる。さらに、当該創作性のある装置は、迅速であり、製造することが安価であり、非常に感度がよい。付加的には、当該装置は、電力消費が少なく、簡単な電気信号変換（transduction）のみが要求されるにすぎないという利益を有する。
実施の形態によれば、ガスに感応するナノ粒子構造体は、金属−ナノ粒子／有機コンポジット構造、または、半導電性高分子構造、または、高分子／カーボン・ブラック・コンポジット構造、または、前記構造物の少なくとも２つの組合せである。これらの構造体は、揮発性化学物質に対して非常に高い感度を提供する。
さらなる実施の形態によれば、当該ガスセンサは、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度の変化を引き起こした分解物（analyte)に基づいて作用するセンサである。この種のセンサは、非常に感度が良好であり、非常に少ない電力消費ですみ、室温で動作するので、非常に大きな利益を有する。
本発明によればまた、バッテリの漏洩を検出する装置は、少なくとも１つの質量に感応するガスセンサを具備することを特徴としており、特に、センサは、石英（水晶）結晶マイクロバランス、表面音響波デバイスまたは化学的に感応する電界効果型トランジスタを具備する。これらのデバイスは、非常に高い感度を具備し、非常に少量の分解物に完全に応答する。
さらなる実施の形態によれば、当該バッテリの漏洩を検出する装置は、前記センサのための少なくとも１つの基準センサを具備しており、当該基準センサは互いに隔離されているそれぞれのガス感応（ガス検知）構造体を具備するに関係づけられている。基準センサの使用は、基準センサの使用によって、環境の変化、たとえば、温度の上昇または低下、あるいは、湿度の上昇または低下が除去されることができるという利益を有し、それにより、さらに当該装置の測定感度が向上するという利益を有する。
さらなる好適な実施の形態によれば、前記基準センサおよび前記センサは熱交換のために接触している。この実施の形態により、化学物質を検出するために使用されるセンサと基準センサとの比率が計算されて測定のためのベースライン（基準線）を生成することができ、測定結果にずれをもたらす温度変化分が測定結果から除去されうる。さらに、両者のセンサは、同じ基板に設けることができるから、製造工程を容易にし、たとえば、監視されるべき電子機器内に収容されるバッテリ内のある位置に配置することが容易になる。
さらなる利益的な実施の形態によれば、当該装置は、閉じられたまたは機密なハウジングを具備しており、特に、ガスセンサが配置されているバッテリ・ハウジングを具備する。閉じられたまたは機密なハウジングを提供することは、さらに当該装置の感度を向上させる。その理由は、欠陥のあるバッテリから到来するガス相の状態の化学物質が、バッテリからさらに離れて拡散すること、それゆえ、センサからさらに離れて拡散することから、妨げられるからである。
さらなる好適な実施の形態は、さらなるガスセンサが配置されているさらなる閉じられたまたは機密なハウジングを提供する。２またはそれ以上のバッテリが提供されているデバイスにおいて、それらのデバイスは、各々が少なくとも１つのセンサを具備する分離している閉じられたまたは機密なハウジング内に配置され得る。したがって、１つのセンサは常に、他のハウジング内に提供されている他のセンサのために基準センサとして供給することができる。
さらなる好適な実施の形態によれば、欠陥のあるバッテリから揮発性化学物質を集める漏斗(funnel 、ファンネル) 、前記センサを収容しているセンサ・チャンバ、前記センサに空気を注入する及び／又は前記センサを通して空気を排出するためのポンプ、及び／又は、相互に接続されたプリ・コンセントレータ（pre-concentrator）・ユニットを具備する。この実施の形態に基づく１または複数の要素を組み合わせることによって、たとえば、１組に構成されたパイプ系統によって、製造工程の期間または製造工程の後の漏洩について、バッテリをテスト（検査）するための装置を提供することができる。
依然として他の好適な実施の形態は、当該バッテリの漏洩を検出する装置に設けられたテスト位置にバッテリを搬送し、当該装置からバッテリを搬送する手段、及び／又は、欠陥のあるバッテリを自動的に分類する手段を提供する。この実施の形態によれば、バッテリのための全自動テスト（検査）装置が実現できる。
さらに他の実施の形態によれば、電子機器内にバッテリの漏洩を検出する装置を提供することが好適である。そのような電子機器は好ましくは、携帯可能である。
本発明によれば、また、バッテリの漏洩を検出する方法が提供され、当該方法は、当該方法は下記のステップ、すなわち、バッテリに接近しているガスに感応するナノ粒子構造を有するガスセンサを提供し、欠陥のあるバッテリを示す前記ガスセンサにおいて、電気コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度のなどの物理量の変化を引き起こした分解物を検出するステップを具備する。上述したステップを具備する創作された方法を用いると、電力消費が非常に少なく、高い効率の方法が提供される。
本発明のさらなる利益的な実施の形態によれば、当該方法はさらに、前記ガスセンサの前段にプリ・コンセントレータ・ユニットを提供するステップと、前記プリ・コンセントレータ・ユニットと接触している欠陥のあるバッテリから揮発性化学物質を運ぶステップと、前記プリ・コンセントレータ・ユニットに吸収された揮発性化学物質の化合物を脱着するため、前記プリ・コンセントレータ・ユニットに熱パルスを印加するステップと、前記ガスセンサに接触している前記脱着された揮発性化学物質を運ぶステップとを具備する。これらのステップを提供することにより、この創作された方法は、依然として高い感度を提供することができる。
本発明のさらなる他の実施の形態によれば、当該方法は、前記ガスセンサにおける前記電気コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度の変化を引き起こした分解物が検出された場合、光学的、または音響的信号をトリガーするステップを具備する。
さらに他の実施の形態によれば、当該方法は、前記欠陥のあるバッテリを自動的に分類するさらなるステップを具備する。
本発明のさらなる特徴、利益および特性は、添付した図面に組み合わせて、本発明の好適な実施の形態として記述されている下記の記述から明瞭となる。
図１〜図３は、ガスセンサがいかにしてバッテリ・ハウジングまたはバッテリ・パック内に使用され得るかを示す例示を与える。これらの実施の形態は、好ましくは、電子製品内のバッテリを監視するための本発明の用途に関する。
図１は本発明の第１実施の形態に基づく装置の構成を図示する。ガスセンサ１３が、バッテリ・ハウジング１２内またはバッテリ・パック内の、それぞれの、ある位置に配置されている。バッテリ１１が化学物質を漏洩しはじめるや否や、揮発性化合物（volatile compounds) がガスセンサ１３の位置に向かって拡散しセンサ信号１４をトリガーする。後者（センサ信号）は、安全管理装置１５によって使用されて、たとえば、製品のユーザに対するメッセージに提供され、および／または、安全停止を起動するために提供される。安全管理装置１５は、イントラネット接続またはインターネット接続に使用することができ、それにより、センサ信号を送信したりまたは受信したり、または、遠隔の位置にバッテリの状態に関する情報を提供することができる。バッテリ・ハウジング１２内の空気の循環を最少にし、その結果、バッテリ１１からの漏洩の検出を信頼性高く確実にするため、バッテリ・ハウジング１２が閉じられているか、または、均一なガス機密性があることが好ましい。
提案している発明に利用可能な、種々の形式のガスセンサ１３が利用可能である。そのようなセンサはまたは、石英（水晶）結晶マイクロバランス（ＱＣＭｓ：Quartz Crystal Microbalances) 、または、表面音響波（ＳＡＷ：Surface Acoustic Waves、または表面弾性波) デバイスに基づく、質量に感応する（質量感応性または質量を検知する、mass sensitive）センサであり得る。他の例のセンサは、たとえば、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率（dielectric permittivit）、分極率（polarisation)、インピーダンス、熱容量または温度などの、１または複数の物理的な特性または化学的な特性に変化を引き起こす分解物（analyte 、または、分析物) に基づいて作用するセンサである。より具体的な例示としては、化学的に感応する電界効果型トランジスタ（Chem-FETs:chemically sensitive field effect transistors)がある。本発明に使用されるこれらのセンサは、集積回路の一部として形成することもできるし、集積回路の一部としては形成しないでもよい。
図２Ａは、本発明の目的に用いるべき好適なガスセンサを示している。図２Ａは、化学抵抗型（chemiresistor type) のガスセンサを示している。基板２１の上に被覆された感応性フィルム材料２３が、２つの電極２２によって接触されて、その電気抵抗を測定する。フィルムが分解物の上に露出されているとき、その電気抵抗値の変化がセンサの信号として使用される。化学抵抗型センサとして使用されるフィルム材料として多くの例が報告されており、そのような材料としては、導電性および半導電性高分子、高分子／カーボン・ブラック・コンポジット・フィルム（carbon black composite films) 、酸化金属(metal oxide) 半導体、カーボン・ナノチューブ、金属ー酸化ナノチューブを含む。電力消費を可能な限り低く維持するため、および、動作の安全を確実にするため、室温で動作可能なセンサの被覆が好ましい。特に好ましいものは、金属ーナノ粒子／有機コンポジット材料（organic composite materials)からなるセンサの被覆である。
図２Ｂは、センサ・デバイスのより好適な構成を示す。このデバイスは２つのセンサ２４、２５を組み合わせており、それらのセンサの一方が不活性材料２６（または他のカプセルで包まれたもの）で被覆されており、それにより、バッテリが漏洩している場合において、化学的に感応する表面（化学的感応面または化学的に検知する面）が揮発性化学物質に対して露出していない。被覆されたセンサ２５は、基準センサとして作用し、温度ドリフトについて補償すること、および／または、センサ被覆の劣化を補償するために使用される。温度ドリフトを効率よく補償するため、両者のセンサ２４、２５が相互に良好な熱接触状態にあることが重要である。当該技術における熟練した人（当業者）は、いわゆる、リシオ・メトリック（ratiometric 、比率測定式）センサを含む、そのようなセンサ構成を知っている。２つのセンサ２４、２５は、電位分割器（potentail dividere) またはホイートストーン・ブリッジの一部になりうるのであって、それにより、感応性（検知）センサの読みを可能にする。センサの被覆が任意に適切なので、感応性（検知）材料を使用することができる。好適なセンサ被覆は図２Ａに関連づけて記述されたものを含むことができる。
図３は特別な構成を示している。この場合、バッテリ・ハウジング２２またはバッテリ・パックは２つのコンパートメント（分室）３１、３２に分割されている。これらのコンパートメントは、十分に封印（シール）されており、または、均一にガス機密にされることができ、それにより、２つのコンパートメント３１と３２との間と、外部の環境との、ガス交換を最小にする、または、ガス交換を不可能にする。コンパートメント３１、３２の各々の内部において、化学センサ３５、３６が存在しており、好適には、同じ形式、好ましくは、同じ検出材料を具備する、化学センサが存在している。
上述した場合と同様に、２つのセンサ３５、３６の信号が相互に比較され、たとえば、それらの電気抵抗値の比率を監視することによって相互に比較される。温度変動に起因するベースライン（基準線、baseline) ドリフトを補償するため、両者のセンサ３５、３６は、好ましくは、相互に良好な温度接触状態にある。上述したように、センサ３５、３６は、電位分割器またはホイートストーン・ブリッジの一部として構成されることができ、それにより、感応性センサの読みを可能にする。もし、１つのコンパートメント３１においてバッテリ・セル３４が漏洩を開始すると、揮発性化学物質がその部分に配置されているセンサ３５の信号をトリガーするが、他のセンサ３６は影響のない状態を維持する。それゆえ、センサの抵抗値の比率が変化する。この信号３７は、上述したように、さらに情報を処理するために、安全管理装置３８に提供される。
好ましくは、使用しているセンサ３５、３６は、図２Ａに図解し、図２Ａに関連づけて記述された、化学抵抗型センサである。また、図２Ｂおよび図２Ａに図示されたセンサの組合せも可能である。任意の適切なセンサ材料が被覆として利用可能である。
２つのコンパートメント３１、３２の代わりに、バッテリ・ハウジングまたはバッテリ・パックは、１つのガスセンサを備えた各コンパートメントとして、多くのコンパートメントに分割できる。
処理工程（すなわち、品質および／または製品管理工程）における欠陥のあるバッテリ・セルの検出のためにガスセンサの適用を考慮すると、下記の実施の形態が好適である。
図４はバッテリ・セルの品質管理のための簡単な構成を示す。当該装置は、ガスセンサ４２を具備する、カバー４３を含む。漏洩検査のために、カバー４３が検査されるべきバッテリに搭載されている。もしバッテリ４１が漏洩している場合、センサ信号４４がロボット装置４５をトリガーして、欠陥しているバッテリを自動的に分類することができる、または、任意の光学的な信号または音響的な信号をトリガーすることができる。センサ４２は単一のセンサでもよいし、図２Ｂに図解したような基準センサとして用いることができる。もし、基準センサがカバーの内側に配置されている場合、それはカプセル内に収容されているべきである。もし、それがカバーの外部に配置されている場合には、それはカプセル内に収容されていてもよいし、収容されなくてもよい。上記において指摘したように、基準センサとサンプリング・センサとは好適には、熱的に良好な接触状態である。任意の適切なセンサ材料がセンサ被覆として使用可能である。しかしながら、好ましいのは、室温で動作する、図２Ａに関係づけて記述されている、化学抵抗型センサである。
図５はバッテリ・セル５１の品質管理のための好適なセンサ構成を図示している。当該装置は、欠陥のあるバッテリ５１から放出された揮発性化学物質を収集するためのファンネル（漏斗：funnel）５２を具備する。ファンネルの後段に、ガスセンサ５４を具備するセンサ・チャンバが配設されている。センサの後段にポンプ５３が設置されており、当該ポンプはファンネル５２によって収集された空気をセンサ・チャンバを介して排気部５５に向けて押し出す。ガスを案内するため、上述した要素を接続するためのパイプ系統が設けられている。種々のガスセンサ５４が使用可能であるが、好ましいものは、上述したものと同じセンサおよびセンサ材料である。より好ましいものは、温度変動に起因するベースライン・ドリフトを補償するために使用される、カプセルに収容した基準センサを用いる、図２Ｂに図解したものと同様のセンサである。もしセンサ５４が欠陥のあるバッテリ・セル５１を検出した場合、センサ信号５６が、たとえば、欠陥のあるバッテリを自動的に分類することができる、ロボット装置５７をトリガーすることができる。
プリ・コンセントレータ（pre-concentrator、事前・収集装置) ・ユニットを用いている好適な実施の形態に基づく装置が、図６に図解されている。欠陥のあるバッテリ６１の検出感度を高めるために、当該センサ装置はプリ・コンセントレータ・ユニット６３を用いることができる。プリ・コンセントレータ・ユニットは当業者にとって共通に知られている。プリ・コンセントレータ・ユニット６３が、ガスセンサ６４の前に配設されている。２つの構成要素の間に４ポートの弁６６が設けられている。プリ・コンセントレーション（事前収集）モードにおいて、上記弁が、入り口６７からセンサ・チャンバを介して汚染されていない空気を排出することを可能とする弁位置にある。この期間の間、センサ６４のベースラインが測定される。同じ時間に、ファンネル６２によって収集された空気がプリ・コンセントレータ・ユニット６３を経由してポンプ６５によって押し出される一方、揮発性化合物（volatile compounds）が、ガス・クロマトグラフィにおいて使用されるような、適切な吸収剤（absorbent)（たとえば、ＣａｒｂｏｐａｃｋＸ，ＴｅｎａｘＴＡ，または、Ｃａｒｂｏｘｅｎ １０００）に吸収される。プリ・コンセントレーション手術は、プリ・コンセントレーション・ユニット６３がセンサ・チャンバに接続され、入り口６７からの汚染されていない空気がバイパスを経由して押し出される、位置に４ポートの弁６６が切り換えられることによって停止される。それと同時に、または少し遅れて、プリ・コンセントレータ・ユニット６３の内部の吸収剤に吸収されている可能性のある化合物が、ヒータ６３ａによる熱パルスの適用によって脱着される（desorbed) 。今やセンサ・チャンバを経由して押し出されており、ガス・センサ６４と接触している解放された揮発性化合物が、センサ信号６８をトリガーする。上述したように、上記センサ信号は、装置６９によって検出された欠陥のあるバッテリ６１を分類するために使用され得る。本実施の形態の装置を最適化するため、当該装置は、ガスの流れを最適にするためのさらなる弁またはノズルを具備することができる。上述したものと同じ好適なセンサおよびセンサ材料を使用することができる。
当該装置についてのさらに改善したものに基づく実施の形態が図７に図示されている。この装置は、それぞれ、２つのプリ・コンセントレータ・ユニット７３と、２つのセンサ７４ａ、７４ｂを含む２つのセンサ・チャンバからなる。これらの装置の一方の装置７９ａが基準装置として使用されている。上述したように、両者の装置のセンサ７４ａおよび７４ｂとは、好ましくは、相互に良好に熱接触している。両者の装置は同期して動作する。プリ・コンセントレーション（事前収集）段階において、入り口７６からの汚染されていない空気が、プリ・コンセントレータ・ユニット７３および基準装置７９ｂのセンサ・チャンバを経由して、ポンプ７５によって押し出される。同時に、ファンネル７２によって収集された空気が、プリ・コンセントレータ・ユニットおよびサンプリング装置７９ａのセンサ・チャンバを経由して押し出される。このプリ・コンセントレーション段階が、それぞれのプリ・コンセントレータ・ユニット７３を包囲し、ワイヤ７３ａによって給電されているコイルによって、両者のプリ・コンセントレータ・ユニット７３が加熱されることによって停止され、それにより、脱着されるべき化学物質がある場合には脱着される。バッテリ７１が漏洩していない場合には、両者のセンサ信号７７は同じような値であり、両者のセンサ信号の比率は著しくは変化しない。しかしながら、もし調査すべきバッテリ７１がサンプリング装置のプリ・コンセントレータ・ユニット７３内に集結されている揮発性化学物質を漏洩している場合には、両者のセンサ信号７７は著しく異なり、信号比率は変化するはずである。この信号が、それから、適切な装置７８によって欠陥しているバッテリ７１を分類するために使用することができる。本実施の形態の装置を最適にするため、当該装置はガスの流れを最適にする、さらなる弁およびノズルを具備することができる。この装置はまた、たとえば、基準装置のプリ・コンセントレータ・ユニット７３などの構成要素を削除することによって、簡略にすることができる。上述したものと同じ好適なセンサおよびセンサ材料を用いることができる。
本発明に基づく検出装置の他の好適な実施の形態が図８に図示されている。この例示においては、ポンプ装置が、「ブレス（breathing 、膨らませるまたは呼吸）装置」８５である。このブレス装置がセンサ・チャンバを経由してファンネル８２から空気を引いたとき、プリ・コンセントレータ・ユニット８３がバッテリ・セル８１から漏洩している揮発性化学物質を集める。ガスの流れを切り換えた後、プリ・コンセントレータ・ユニット８３が加熱されてプリ・コンセントレータ・ユニット８３から化学物質が脱着される。脱着された化学物質がそれから、センサ・チャンバ内のセンサ８４によって分類するために使用することができる。センサ信号８６が適切な装置８７によって欠陥しているバッテリなどを分類するために使用できる、または、たとえば、コンピュータなどの電子機器に対応する指示を行うなどの他の目的に使用することもできる。図７に図解した装置との類推において、この装置は基準装置を設けることができる。上述したものと同じ好適なセンサとセンサ材料が好適である。
スループットを向上させるため、上述した任意のセンサ装置を２またはそれ以上組み合わせることができる。組み合わせた装置は、好適には、並列に動作し、バッテリ・セルについて高いスループットを可能にする。
品質管理手順の期間、バッテリ・セルは室温以上の温度で加熱されることが可能であり、それにより、漏洩しているバッテリ・セルからの化学物質の蒸発を促進させることができる。
上述したセンサ装置はまた、製品管理の目的で使用することもできる。そのような場合には、影響を受けていない多くの他のバッテリ・セルを有する容器内にある１または数個の欠陥のあるバッテリ・セルを検出することが、最終目的である。この用途の最も簡単な解は、多くのバッテリを含むことができる、図４に図示した装置を大きくすることが本質的である。図９は、図６に図示した実施の形態に類似する実施の形態に対応しているバッテリ製品管理装置を図示する。図９において、同じ符号は同じまたは類似する部分に使用されている。ファンネルに代えて、箱（box)９１が設けられており、そこに複数のバッテリ９２が収容されている。箱９１はさらに、空気を取り入れる開口９３を具備している。上述したものと同じセンサ構成を用いることができる。この装置の信頼性を高めるため、２またはそれ以上のセンサをそれぞれ、カバーまたは箱の内部に配置することができる。各センサのカバーはまた、基準センサを用いることができ、当該基準センサは上述したように、カバーの内部またはカバーの外部に配設することができる。部分的に開いているカバーに代えて、バッテリとサンプリング・センサを含む、閉じた（閉鎖した）容器を用いることも可能である。
単一のバッテリ・セルについての品質管理の場合より、サンプリングする容積が非常に多いので、プリ・コンセントレータ・ユニットと共に動作するセンサ装置が、製品管理の用途のために非常に有益である。それゆえ、原理的には、プリ・コンセントレータ・ユニットと組み合わされる、上述したものと同じ装置を用いることができる。ファンネルはバッテリのバッチ（塊）を完全に包囲することが好適である。また、サンプリング装置が、バッテリを含み、そして、換気装置を備えた、箱（ボックス）とともに組み合わせることが好適である。換気装置は、バッテリ容器内の空気の流れを均一にすることを確実にし、それにより、各バッテリの局部的な環境における空気の流れがほぼ同じになる。
上述したガス・サンプリング処理と並行して、バッテリ・セルを充電することができ、および／または、それらの電気的な性能をチェックすることができる。この場合、容器には電線と電極とが設けられて、各バッテリを電気的にアドレスすることができる。製品管理手順の期間、バッテリ・セルはまた、室温以上に加熱されることができ、それにより、漏洩しているバッテリ・セルからの化学物質の蒸発を促進させ、種々の温度においてそれらの性能を検査することができる。
これらの実施の形態のために、動作のために加熱されることが必要な多くの酸化金属を基盤とするセンサに対して、内部加熱が必要とされないガスセンサが好ましい。このことは、デバイスの電力消費を低くする。好ましくは、本発明に基づくセンサは、この技術分野における当業者にとって共通に知られている、導電性または半導電性高分子または高分子／カーボン・ブラック・コンポジット・フィルムが基準である。より好ましくは、ガス感応性（検知性）被覆として、金属−ナノ粒子／有機コンポジット構造（organic composite structure ）フィルムを用いたセンサである。最も好ましくは、２または多機能性有機分子（bi-or poly functional organic molecules)と相互に関連している(interlinkaged) 金属ナノ粒子を具備するフィルムである。
これらの感応性（検知）被覆としては、ＱＣＭｓ（Quartz Crystal Microbalances) 、ＳＡＷ（Surface Acoustic Waves）、Chem-FETs （chemically sensitive field effect transistors)デバイスなどのガスセンサ、または、上述したような、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度などの変化を引き起こす分解物に基づいて作用するセンサなど、種々の多くの形式のものを用いることができる。
好ましくは、コンダクタンスの変化が、分解物の存在、すなわち、欠陥のあるバッテリから漏洩している電界物（ electrolyte）の存在を示すために用いるべきである。他方、分離したユニット内のそのような化学抵抗器の動作はまた、集積回路への容易な集積化（一体化）を可能にする。可能性のある化学抵抗器デバイスの例示が図１０に図示されている。ここで、基板１０１が、化学的感応性（化学的に検知する）被覆１０３で覆われた集積された（一体化された）電極構造１０２を提供する。この被覆は、たとえば、２または多機能性有機分子（bi-or poly functional organic molecule) １０５と相互に関連している金属ナノ粒子からなる。これらの被覆は、公知の層積み上げ自己組み立て法（layer-by-layer slfe-assembly method)により容易に提供することができ、それにより、均質化されたナノ多孔質薄膜を得ることが出来る。そのような薄膜（フィルム）において、ナノ粒子は、導電することを可能とし、ここで、有機分子が分解質と相互に作用するためのサイト（場所）を提供する。それゆえ、感応性被覆の選択性が、有機リンカー（linker) 分子の化学的特性を変化させることによって、特定の分解質に対して調整されることができる。
そのようなセンサの材料のコンダクタンスの変化によって引き起こされた分解物は、当業者によって知られている、材料のスエリング(swelling)とナノ粒子のコアの誘電環境（dielectric environment）の変化という意味において通常討議されている。
図１１（ａ）〜図１１（ｃ）において、炭化エチレン（（ethylene carbonate) 、図１１（ａ））、炭化プロピレン（（propylene carbonate)、図１１（ｂ）、Ｎ−メチルプロピリジニオンの溶剤（（solvent N-methylpropylidinion)、図１１（ｃ））の電界質の蒸気に応答するいくつかのセンサが、図示されている。これらの例示において、センサ材料は、異なる有機ジシオ（organic dithiols) と相互に関連する金のナノ粒子を具備しており、上記異なる有機ジシオは、ＭＡＯ＝１，８−Ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｏｃｔａｎｅ），ＭＡＣ＝１，４−Ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ，ＨＤＣ＝ｈｅｘａｄｅｃａｎｅ ｄｉｔｈｉｏｌｓ、ＭＡＨ＝２，６−Ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｈｅｘａｎｅ）を含む。全てのセンサ材料は、数秒内に、初期抵抗値と比較した抵抗の増加（ΔＲ／ＲＩｎｉ＝２〜１６％）とともに極性が反対に応答する。この結果は、室温で動作するこれらの化学抵抗器が本発明の目的に適していることを示している。
下記の例示的なステップを用いると、本発明が、例示的な実施の形態に基づいて実現される。
ａ）ナノ粒子合成（synthesis)：
これらの粒子は、従来技術において知られている、tetraoctylammoniumbromide および dodecylamine の存在において、ＮａＢＨ４を用いてＡｕＣｌ３を低減させることによって、準備された。粒子が、分留の沈殿（fractional precipitation）によって分離された。全体で５分留（fractions)が準備され、その中から分留３がフィルムの製造に用いられた。ＴＥＭ画像が、平均粒子直径４ｎｍおよび約３０％やや広い寸法の分布を明らかにした。
ｂ）１，６−ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｈｅｘａｎｅ（ＭＡＨ）の合成：
１，６−ｄｉａｍｉｎｏｈｅｘａｎｅおよびｔｒｉｅｔｈｙｌａｍｉｎｅが、ｂｒｏｍａｃｅｔｙｌｂｒｏｍｉｄを用いてかき混ぜられた。精製の後、１，６−ｂｉｓ（ｂｒｏｍａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｈｅｘａｎｅが得られた。その製品がｐｏｔａｓｓｉｕｍｔｈｉｏａｃｅｔａｔｅを用いてかき混ぜられて、精製の後、１，６−ｂｉｓ（２−ｔｈｉｏａｃｅｔｏ−ａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｈｅｘａｎｅが生成された。これがさらに、Ｋ２ＣＯ３を用いて還流させることによって切り裂けられた（cleaved)。中和処理と精錬処理の段階の後、これが、所望の製品、１，６−ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｈｅｘａｎｅ（ＭＡＨ）を生み出した。
ｃ）１，４−ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｃｙｃｌｏｈｅｘａｎｅ（ＭＡＣ）の合成：
ＭＡＣの合成のために、ＭＡＨと同じ処理が用いられた。
ｄ）１，８−ｂｉｓ（２−ｍｅｒｃａｐｔｏａｃｅｔａｍｉｄｏ）ｏｃｔａｎｅ（ＭＡＯ）の合成：
ＭＡＯの合成のために、ＭＡＨと同じ処理が用いられた。
ｅ）１，１６−ｈｅｘａｄｅｃａｎｅｄｉｔｈｉｏｌ（ＨＤＴ）の合成：
ＨＤＴが共通に知られている方法で合成された。
ｆ）フィルムの準備：
ナノ粒子フィルムが、共通に知られている層積み上げ自己組み立て法（layer-by-layer slfe-assembly method)を用いて準備された。ＢＫ７ガラスまたは酸化シリコン・ウエハが基板として使用された。電子および蒸気検出特性を調査するために、ガラス基板に、（５ｎｍのチタン接着層、１０μｍ間隔、１８００μｍオーバーラップを含む、５０フィンガー対、１０μｍ幅、１００ｎｍの高さの）櫛形に構成された（interdigitated) 金電極構造を設けた。フィルムの堆積の前に、基板が、３−ａｍｉｎｏｐｒｏｐｙｌｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅを用いて清浄され、機能処理された。基板を洗浄した後、フィルムが、基板を粒子内とリンカー剤内とに交互に浸漬することによって、堆積された。このことは、樹枝状（dendrimers) について１０回、ジシオ・リンカー（dithiol linker) について１４回行われた。したがって、他に述べることを除いて、フィルムの堆積は、リンカー剤を用いて基板を処理することによって終了された。金粒子の堆積が、各リンカーの露出の後、フィルムのコンダクタンスを特定し、ＵＶ／ｖｉｓスペクトルを収集することによって、監視された。そのような測定の前に、フィルムが窒素流の下で、簡単に乾燥させられた。
ｇ）蒸気感度測定：
フィルムの化学的な感度を調査するため、基板がテフロン製のテスト・セル内に置かれた。センサ信号が、空気とテスト蒸気を切り換えている間、一定の直流電流を印加することによって（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ Ｓｏｕｒｃｅ Ｍｅｔｅｒ ２４００）、および、電極間の電圧を測定することによって（Ｋｅｉｔｈｌｅｙ ２００２ Ｍｕｌｔｉｍｅｔｅｒ）、抵抗の相対的な変化としてのポーゴ・ピン（pogo pins)を介して測定された。通常、センサは、約０．１Ｖのバイアスが印加された状態で動作された。テスト蒸気が炭化エチレン（ethylene carbonate) の蒸気で飽和されたとき、炭化プロピレン（propylene
carbonate)およびＮ−ｍｅｔｈｙｌｐｙｒｏｌｉｄｉｎｏｎが使用された。テスト・チャンバ内の流れは全ての実験について一定に維持された。全ての実験は室温で遂行された。
特許請求の範囲、明細書および図面に開示された本発明の特徴は、単独でまたは任意の組合せで、本発明の実現のために有意義であり得る。
図１は好適な実施の形態に基づく化学物質を検出する装置を図解した概略図である。 図２Ａは化学抵抗型ガスセンサを図解した概略図である。 図２Ｂは２つのガスセンサを具備するセンサ装置を図解した概略図である。 図３は本発明の好適な実施の形態に基づく２つの分室（コンパートメント）に分割された、バッテリ・パックまたはバッテリ・ハウジングを図解した概略図である。 図４は本発明の好適な実施の形態に基づくバッテリをテスト（検査）するための簡単な構成を図解した概略図である。 図５はバッテリをテスト（検査）するためのさらなる構成を図解した図である。 図６は本発明のさらに好適な実施の形態に基づくバッテリをテスト（検査）するためのさらなる構成を図解した図である。 図７はさらに実施の形態に基づく２つの装置からなるバッテリをテスト（検査）するための構成を図解した概略図である。 図８はさらに他の実施の形態に基づくバッテリをテスト（検査）するための構成を図解した概略図である。 図９は、図６に図解した構成に類似する、他の実施の形態に基づくバッテリをテスト（検査）するための構成を図解した概略図である。 図１０は、好適な化学抵抗型デバイスを図解した図である。 図１１ａ、図１１ｂ、図１１ｃは、異なる電解質の蒸気に応答するセンサを表す図である。

Claims (16)

  1. バッテリの漏洩を検出する装置であって、当該装置は、ガスに感応するナノ粒子構造体（２３；１０３）を有するガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）を具備する、ことを特徴とする、
    バッテリの漏洩を検出する装置。
  2. 前記ガスに感応するナノ粒子構造体（２３；１０３）は、金属−ナノ粒子／有機コンポジット構造、または、半導電性高分子構造、または、高分子／カーボン・ブラック・コンポジット構造、または、前記構造物の少なくとも２つの組合せである、ことを特徴とする、
    請求項１に記載の装置。
  3. 前記ガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）は、コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度の変化を引き起こした分解物に基づいて作用するセンサである、ことを特徴とする、
    請求項１または２に記載の装置。
  4. 前記ガスセンサは、質量に感応するガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）であり、特に、石英（水晶）結晶マイクロバランス、表面音響波デバイスまたは化学的に感応する電界効果型トランジスタを具備するセンサである、ことを特徴とする、
    請求項１〜３いずれかに記載の装置。
  5. 前記センサ（１３；２４，３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）のための少なくとも１つの基準センサ（２５）を具備しており、当該基準センサ（２５）および前記センサ（１３；２４，３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）は互いに隔離されているそれぞれのガスの感応する構造体（２３；１０３）を具備する、ことを特徴とする、
    請求項１〜４いずれかに記載の装置。
  6. 前記基準センサ（２５）および前記センサ（１３；２４，３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）は熱交換のために接触している、ことを特徴とする、
    請求項５に記載の装置。
  7. 閉じられたまたは機密なハウジング（１２；３３；４３）を具備し、特に、その中にガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）が配置されているバッテリ・ハウジングを具備する、ことを特徴とする、
    請求項１〜６いずれかに記載の装置。
  8. さらなるガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）が配置されているさらなる閉じられたまたは機密なハウジング（１２；３３；４３）を具備する、ことを特徴とする、
    請求項７に記載の装置。
  9. 前記ハウジング（１２；３３；４３）内に配置されている１つのセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）は、前記さらなるハウジング（１２；３３；４３）内の前記ガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）のための基準センサである、ことを特徴とする、
    請求項８に記載の装置。
  10. 欠陥のあるバッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）から揮発性化学物質を集めるファンネル（５２；６２；７２；８２）、前記センサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）を収容しているセンサ・チャンバ、前記センサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）に空気を注入する及び／又は前記センサを通して空気を排出するためのポンプ（５３；６５；７５；９４）、及び／又は、相互に接続されたプリ・コンセントレータ・ユニット（６３；７３；８３；９５) を具備する、ことを特徴とする、
    請求項１〜９のいずれかに記載の装置。
  11. 当該バッテリの漏洩を検出する装置に設けられたテスト位置にバッテリ（１１；３４；４；５１；６１；７１；８１；９２）を搬送し、当該装置からバッテリを搬送する手段、及び／又は、欠陥のあるバッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）を自動的に分類する手段を具備する、ことを特徴とする、
    請求項１〜１０のいずれかに記載の装置。
  12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のバッテリの漏洩を検出する装置を具備する電気機器。
  13. バッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）の漏洩を検出する方法であって、当該方法は下記のステップ、すなわち、
    バッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）に接近しているガスに感応するナノ粒子構造（２３；１０３）を有するガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）を提供し、
    欠陥のあるバッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）を示す前記ガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）における、電気コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度の変化を引き起こした分解物を検出する、
    ステップを具備する、バッテリの漏洩を検出する方法。
  14. 前記ガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）の前にプリ・コンセントレータ・ユニット（６３；７３；８３；９５）を提供するステップと、
    前記プリ・コンセントレータ・ユニット（６３；７３；８３；９５）と接触している欠陥のあるバッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）から揮発性化学物質を運ぶステップと、
    前記プリ・コンセントレータ．ユニット（６３；７３；８３；９５）に吸収された揮発性化学物質の化合物を脱着するため、前記プリ・コンセントレータ・ユニットに熱パルスを印加するステップと、
    前記ガスセンサ（１１；３４；５１；６１；７１；８１；９２）に接触している前記脱着された揮発性化学物質を運ぶステップと
    をさらに具備する、ことを特徴とする、
    請求項１３に記載の方法。
  15. 前記ガスセンサ（１３；２４，２５；３５，３６；４２；６４；７４ａ，７４ｂ；８４；９７）における前記電気コンダクタンス、キャパシタンス、インダクタンス、誘電率、分極率、インピーダンス、熱容量または温度の変化を引き起こした分解物が検出された場合、光学的、音響的及び／又はデータ信号をトリガーするステップをさらに具備する、ことを特徴とする、
    請求項１３または１４に記載の方法。
  16. 前記欠陥のあるバッテリ（１１；３４；４１；５１；６１；７１；８１；９２）を自動的に分類するさらなるステップを具備する、ことを特徴とする、
    請求項１３〜１５のいずれかに記載の方法。
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