JP2010181290A

JP2010181290A - 浸漬検査装置

Info

Publication number: JP2010181290A
Application number: JP2009025324A
Authority: JP
Inventors: Katsuyuki Hojo; 勝之北条
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-02-05
Filing date: 2009-02-05
Publication date: 2010-08-19
Anticipated expiration: 2029-02-05
Also published as: JP5287309B2

Abstract

【課題】電池セルに超音波を発振して、その透過波の強度から電解液の未浸漬部の有無を判定する浸漬検査装置を提供し、製造工程の短縮に寄与することを目的とする。
【解決手段】電解液が充填される電池セル２に対して超音波発生機２０により超音波を照射し、その透過波を超音波検出機３０により検出することで、前記電池セル２の構成物である正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ等に対する前記電解液の浸漬度合を判定する浸漬検査装置１において、前記超音波発生機２０は、前記電池セル２に直交する方向に対して傾斜した方向から超音波を照射し、前記超音波検出機３０は、超音波の照射方向Ｄと同軸上であって、前記電池セル２を介して前記超音波発生機２０と対向する位置に配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、二次電池における浸漬検査装置の技術に関する。

充電することにより繰り返し使用できる二次電池は、その製造時に電気伝導性を有する電解質を電池セルの内部に充填する工程が存在する。
例えば、リチウムイオン二次電池では、薄板状に形成された正極板、負極板、セパレータから成る三層体を、電池セルの内部に積層または捲回して内装した後に、リチウムイオンを含む電解液を充填する。
このとき、正極板、負極板、セパレータから成る三層体が電解液に十分に浸漬される必要があるために、電解液の充填後に浸漬時間を設け、この浸漬時間を経た後に次工程へ移行させる必要があった。

しかし、近年では高エネルギー密度化のために三層体の積層数または捲回数が増加する傾向にあるとともに、積層または捲回の状態等によって浸漬完了までの個体差が大きいために、浸漬完了までにかかる時間が長い個体に合わせて前記浸漬時間を設定する必要があった。このため、製造工程における浸漬時間を短縮することは困難であった。

また、例えば、ゲル状電解質または固体状電解質を充填した後に加熱することで重合性化合物を硬化させる全固体電池では、超音波の音速の変化量から硬化状態等を検査することが可能であるが（例えば特許文献１参照。）、電解液を用いる二次電池においては、硬化等の状態変化が生じないために当該方法を用いて浸漬の程度を検査することは困難であった。

特開２００１−８５０６２号公報

本発明は、このような問題を解決すべくなされたものであり、電池セルに超音波を照射して、電池セルを透過した透過波の強度から電解液の未浸漬部の有無を判定する浸漬検査装置を提供するものであり、浸漬検査装置により電解液の未浸漬部の有無を判定することで、設定される電解液の浸漬時間を短縮し、ひいては製造工程の短縮に寄与することを目的とする。

本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。

即ち、請求項１においては、電解液が充填される電池セルに対して超音波発生機により超音波を照射し、その透過波を超音波検出機により検出することで、前記電池セルの構成物に対する前記電解液の浸漬度合を判定する浸漬検査装置において、前記超音波発生機は、前記電池セルに直交する方向に対して傾斜した方向から超音波を照射し、前記超音波検出機は、超音波の照射方向と同軸上であって、前記電池セルを介して前記超音波発生機と対向する位置に配置されるものである。

本発明の効果として、以下に示すような効果を奏する。

請求項１に記載の発明によれば、反射波が検出されず、透過波のみを検出することができるために高精度に電解液の未浸漬部の有無を判定することが可能となる。

本発明の第一実施形態に係る浸漬検査装置の構成図。本発明の第一実施形態に係る浸漬検査装置による浸漬検査時を示す図。（Ａ）本発明の第一実施形態に係る浸漬検査装置による超音波の反射ならびに透過を示す図。（Ｂ）本発明の第一実施形態に係る浸漬検査装置による信号を示す図。（Ａ）角度設定部材を用いない場合の超音波の反射ならびに透過を示す図。（Ｂ）角度設定部材を用いない場合の信号を示す図。本発明の第二実施形態に係る浸漬検査装置の構成図。本発明の第三実施形態に係る浸漬検査装置の構成図。

図１を用いて、本発明の第一実施形態に係る浸漬検査装置１の構成について説明する。

図１に示すように、浸漬検査装置１は、主にパルス電圧発生機１０と、超音波発生機２０と、超音波検出機３０と、信号受信機４０と、解析機５０とから構成される。なお、以下ではリチウムイオン二次電池の電池セル２の浸漬検査に用いる場合を説明する。

パルス電圧発生機１０は、送信回路ならびに増幅回路等を介して超音波発生機２０へパルス電圧を印加するものである。

超音波発生機２０は、パルス電圧発生機１０からのパルス電圧を水晶振動子に印加することで振動させて、高周波の音波、つまり、超音波を発生させるものである。なお、超音波の周波数は、電池セル２の内部に内装される正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ等の材質や充填される電解液等によって最適なものが選択されるために、その値を限定するものではない。

超音波検出機３０は、超音波発生機２０にて発生した超音波を、水晶の圧電効果を利用したピエゾ素子により検出するものである。本浸漬検査装置１においては、超音波発生機２０と超音波検出機３０は電池セル２を介して対向するように配置され、超音波発生機２０から電池セル２に向けて照射されて電池セル２を透過した超音波（透過波）を超音波検出機３０にて検出するように構成されている。

信号受信機４０は、超音波検出機３０が検出した透過波による電圧信号を受信し、その電圧値を解析機５０へ送信するものである。つまり、超音波検出機３０のピエゾ素子は、透過波により発生する歪みに応じて電圧を生じるために、この電圧信号を受けた信号受信機４０は、電圧信号の電圧値を解析機５０へ送信する。

解析機５０は、信号受信機４０から電圧値の送信を受けて、透過波の強度を算出するものである。この算出された透過波の強度により、電池セル２における正極板２ａ、負極板２ｂ、およびセパレータ２ｃ等に対する電解液の浸漬度合を判定することができ、さらには、得られた透過波の強度と予め実験により見出された閾値とを比較することで未浸漬部の有無の判定を行うことが可能となる。

このように構成される浸漬検査装置１を用いて行われる、リチウムイオン二次電池の電池セル２の浸漬検査について、図２を用いて詳細に説明する。

図２に示すように、浸漬検査に際して、超音波発生機２０ならびに超音波検出機３０は、電池セル２を介して互いに対向するように配置されて、ともに電池ケース３に当接した状態とされる。
電池セル２は、電池ケース３の内部に、薄板状に形成された正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃから成る三層体を積層または捲回した状態で内装した後に、リチウムイオンを含む電解液を充填し、その後に電池ケース３を密封することによって構成される。なお、前記三層体は、電池ケース３の側壁と平行となる姿勢で電池ケース３に内装される。

超音波発生機２０は、超音波を発振する超音波発振部２０ａと電池ケース３に当接される角度設定部材２０ｂから構成され、超音波発振部２０ａから発振される超音波は、角度設定部材２０ｂを透過することで電池セル２へ入力される。

角度設定部材２０ｂは、超音波発振部２０ａにて発振された超音波の照射方向Ｄが、電池ケース３の側壁表面に対して所定の角度Ａとなるように形成されており、角度設定部材２０ｂにて超音波が反射・屈折しないように音響インピーダンスを考慮した材質が用いられている。
つまり、角度設定部材２０ｂは、超音波発振部２０ａから照射される超音波の照射方向Ｄが、電池ケース３の側壁表面に対する直交方向に対して傾斜した方向となるように、超音波発振部２０ａの姿勢を設定するものであり、超音波発振部２０ａは角度設定部材２０ｂを介して電池ケース３の側壁表面に当接される。

これにより、超音波発生機２０の超音波発振部２０ａにて発振し、電池ケース３へ向けて照射された超音波は、角度設定部材２０ｂを反射・屈折することなく透過し、電池ケース３の側壁表面に対して所定の角度Ａ（角度Ａは０°、９０°、および１８０°ではない）で電池セル２に入力される。

そして、電池セル２に入力された超音波は、音響インピーダンスの異なる媒質の境界面で反射波と透過波に分離される。つまり、超音波は、電池セル２に内装されている正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ等により反射波と透過波に分離することになり、超音波の一部のみが透過波として電池セル２を透過することとなる。

その後、電池セル２を透過した透過波は、超音波検出機３０により電圧信号として検出される。超音波検出機３０は、超音波を検出する超音波検出部３０ａと電池ケース３に当接される角度設定部材３０ｂから構成され、電池セル２を透過した透過波は、角度設定部材３０ｂを透過することで超音波検出部３０ａによって検出される。

角度設定部材３０ｂは、超音波検出部３０ａを超音波の照射方向Ｄと同軸上であって超音波発生機２０に対向する位置に配置可能に形成されており、透過波が角度設定部材３０ｂにて反射・屈折しないように音響インピーダンスを考慮した材質が用いられている。
つまり、角度設定部材３０ｂは、電池ケース３の側壁表面に対する直交方向に対して傾斜した方向へ照射された超音波の透過波を検出することが可能なように、超音波検出部３０ａの姿勢を設定するものであり、超音波検出部３０ａは角度設定部材３０ｂを介して電池ケース３の側壁表面に当接される。

図３（Ａ）に示すように、超音波の照射方向Ｄと電池ケース３の側壁表面とのなす角Ａは、超音波検出部３０ａが透過波を検出するに際して、反射波の影響が最も小さいとされる角度に設定される。これは、電池セル２に内装されている正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ等により反射した反射波が、隣接する音響インピーダンスの異なる媒質の境界面で再び反射または透過をし、これを繰り返すこととなるために、これらの反射波が超音波検出部３０ａに達しない、または影響を最小限に抑えることができる角度とする必要があるからである。

このように、超音波の照射方向Ｄと電池ケース３の側壁表面とのなす角を所定の角度Ａとして浸漬検査を行うことで、図３（Ｂ）に示すように、反射波の影響がなく、入力パルス信号強度に応じた透過パルス信号強度を検出することが可能となる。
そして、電池セル２へ照射された超音波は、電池セル２の構成物である正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ等が電界液に十分に浸漬されている状態では電池ケース３内を透過し易く、浸漬が不十分である状態では透過し難い特性を有しているために、検出した透過パルス信号強度により、電解液の浸漬度合を判定することが可能となる。
また、電解液の浸漬度合の判定は、例えば、透過パルス信号強度が予め試験により見出されている閾値以上であれば、電解液の浸漬が完了していると判定し、前記閾値以下であれば、前記三層体に対する電解液の浸漬が完了しておらず、空隙により超音波が反射していると判定するように行うことができる。

なお、図４（Ａ）に示すように、超音波発生機２０にて発振された超音波を電池ケース３に対して垂直方向に照射した場合は、図４（Ｂ）に示すように、超音波検出機３０が透過波のみならず正極板２ａ、負極板２ｂ、セパレータ２ｃ等にて反射した反射波をも検出してしまうために高い検査精度を確保することは困難となる。

次に、図５を用いて、本発明の第二実施形態に係る浸漬検査装置１の構成について説明する。ただし、第一実施形態の構成の部材と同一の部材については同一の符号を付し、第一実施形態の構成と異なる部分を中心に説明する。

図５に示すように、浸漬検査装置１は、主にパルス電圧発生機１０と、超音波発生機２０と、超音波検出機３０と、信号受信機４０と、解析機５０から構成される。また、パルス電圧発生機１０と超音波発生機２０との間にはパルス切替機６０が備えられ、超音波検出機３０と信号受信機４０との間にもパルス切替機７０が備えられる。

本実施形態においては、超音波発生機２０は、水晶振動子を有する超音波発生ユニットを複数並設して構成されたアレイ超音波発生機である。アレイ超音波発生機は、複数の超音波発生ユニットの水晶振動子に順次、パルス電圧を印加していくことで、いわゆる電子式走査法を可能としたものであり、パルス電圧の順次切替についてはパルス切替機６０により行われる。

また、超音波検出機３０は、ピエゾ素子を有する超音波検出ユニットを複数並設して構成されたアレイ超音波検出機である。パルス切替機６０とパルス切替機７０は電気的に接続されて同期が図られており、アレイ超音波発生機の水晶振動子のそれぞれに対応するピエゾ素子にて透過波が検出可能とされる。

そして、超音波発生機２０の各超音波発生ユニットは、超音波を発振する超音波発振部２０ａと電池ケース３に当接される角度設定部材２０ｂから構成され、超音波検出機３０の各超音波検出ユニットは、超音波を検出する超音波検出部３０ａと電池ケース３に当接される角度設定部材３０ｂから構成されており、超音波の照射方向Ｄと電池ケース３の側壁表面とのなす角を所定の角度Ａとして浸漬検査が行われるものとされる。

このように、複数の水晶振動子を有するアレイ超音波発生機と複数のピエゾ素子を有するアレイ超音波検出機を用いて、超音波の照射方向Ｄと電池ケース３の側壁表面とのなす角を所定の角度Ａとして浸漬検査を行うことで、素早く、正確に浸漬検査を行うことが可能となる。

次に、図６を用いて、本発明の第三実施形態に係る浸漬検査装置１の構成について説明する。ただし、第一実施形態の構成の部材と同一の部材については同一の符号を付し、第一実施形態の構成と異なる部分を中心に説明する。

図６に示すように、浸漬検査装置１は、主にパルス電圧発生機１０と、超音波発生機２０と、超音波検出機３０と、信号受信機４０と、解析機５０から構成される。また、電池セル２を所定の範囲内で移動可能とする電池移動ステージ８０が備えられる。

電池移動ステージ８０は、載置された電池セル２を所定の速度で移動させることで、電池セル２を移動させつつ浸漬検査を行うことを可能とするものであり、いわゆる機械式走査法を可能とするものである。

そして、本実施形態においても、第一実施形態と同様に、超音波発生機２０は、超音波を発振する超音波発振部２０ａと電池ケース３に当接される角度設定部材２０ｂから構成され、超音波検出機３０は、超音波を検出する超音波検出部３０ａと電池ケース３に当接される角度設定部材３０ｂから構成されて、超音波の照射方向Ｄと電池ケース３の側壁表面とのなす角を所定の角度Ａとして浸漬検査が行われるものとされる。

このように、電池移動ステージ８０を用いて、超音波の照射方向Ｄと電池ケース３の表面とのなす角を所定の角度Ａとして浸漬検査を行うことで、容易に浸漬検査を行うことが可能となる。

１浸漬検査装置
２電池セル
２ａ正極
２ｂ負極
２ｃセパレータ
３電池ケース
１０パルス電圧発生機
２０超音波発生機
２０ａ超音波発振部
２０ｂ角度設定部材
３０超音波検出機
３０ａ超音波検出部
３０ｂ角度設定部材
４０信号受信機
５０解析機
６０パルス切替機
７０パルス切替機
８０電池移動ステージ
Ａ角度
Ｄ超音波の照射方向

Claims

電解液が充填される電池セルに対して超音波発生機により超音波を照射し、その透過波を超音波検出機により検出することで、前記電池セルの構成物に対する前記電解液の浸漬度合を判定する浸漬検査装置において、
前記超音波発生機は、前記電池セルに直交する方向に対して傾斜した方向から超音波を照射し、
前記超音波検出機は、前記超音波の照射方向と同軸上であって、前記電池セルを介して前記超音波発生機と対向する位置に配置されることを特徴とする浸漬検査装置。