JP2014190922A - 異物検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続的に流れる試料に含まれる特定の金属異物を検出可能な異物検出装置を提供すること。
【解決手段】 一定方向に移動する試料Ｓに対して一次Ｘ線Ｘ１を照射するＸ線源２と、少なくとも試料の移動方向に複数のキャピラリ３ａが並んで構成され一次Ｘ線を照射された試料から発生する二次Ｘ線の一部の平行成分を取りだして平行な二次Ｘ線Ｘ２を出射する平行ポリキャピラリ３と、平行な二次Ｘ線から特定の蛍光Ｘ線Ｘ３を分光する分光素子４と、蛍光Ｘ線を受光するＴＤＩセンサ５と、ＴＤＩセンサを制御し蛍光Ｘ線に対応した異物Ｓ１を検出する制御部Ｃとを備え、制御部が、ＴＤＩセンサの電荷転送の方向及び速度を試料の移動方向及び速度に合わせ、ＴＤＩセンサが受光した蛍光Ｘ線の輝度値を積算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、連続的に移動する試料に含まれる特定の異物を検出可能であり、特に、連続的に流れている粉体や液体等の流体試料又は連続的に移動する薄板若しくは箔状試料に含まれる特定の金属異物を検出可能な異物検出装置に関する。

一般に、試料中の金属異物を検出する方法として、Ｘ線透過検査等が用いられているが、この検査では、異物の元素が特性できず、異物ではない主成分を異物だと過検出してしまう場合があった。
また、試料について元素分析を行う方法として蛍光Ｘ線分析が知られている。この蛍光Ｘ線分析は、Ｘ線源から出射されたＸ線を試料に照射し、試料から放出される特性Ｘ線である蛍光Ｘ線をＸ線検出器で検出することで、そのエネルギーからスペクトルを取得し、試料の定性分析又は定量分析を行うものである。この蛍光Ｘ線分析は、試料を非破壊で迅速に分析可能なため、工程・品質管理などで広く用いられている。

従来、例えば特許文献１には、Ｘ線透過検査と蛍光Ｘ線分析とを組み合わせることで、試料中の異物検出と元素分析とを行うＸ線分析装置が提案されている。この装置は、Ｘ線透過検査部と、蛍光Ｘ線検査部とを備え、Ｘ線透過検査部で試料中の異物を検出すると共にその位置を特定し、蛍光Ｘ線検査部で照射する一次Ｘ線を、検出した異物の位置に照射することで、異物の元素分析を正確に行うことができるものである。

特開２０１３−３６７９３号公報

上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、従来の異物検出方法は、いずれも粉体等の試料が静止した状態でＸ線を照射することで異物を検出しているが、炭素や金属の粉体が空気と一緒に一定スピードで流れている状態から、特定の金属異物だけを検出することが困難であった。例えば、リチウムイオン電池用のカーボンブラックや正極活物質等の材料や薬剤の粉末などが一定の速度で流れている工程中で、流れを止めずに含まれる異物を検出することができなかった。すなわち、測定対象である粉体等の試料が固定されておらず、一次Ｘ線の照射領域を僅かな時間で流れて移動してしまうため、異物から得られる二次Ｘ線の検出量が小さいと共に異物以外の元素からの二次Ｘ線の影響が大きく、異物からの蛍光Ｘ線の情報に対して感度が悪いという問題があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、連続的に流れる粉末や液体のような流体等の試料又は連続的に移動する薄板若しくは箔状試料に含まれる特定の金属異物を検出可能な異物検出装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る異物検出装置は、一定方向に移動する試料に対して一次Ｘ線を照射するＸ線源と、少なくとも前記試料の移動方向に複数のスリットが並んで構成され前記一次Ｘ線を照射された前記試料から発生する二次Ｘ線の一部の平行成分を取りだして平行な二次Ｘ線を出射する平行二次元スリットと、前記平行な二次Ｘ線から特定の蛍光Ｘ線を分光する分光素子と、前記蛍光Ｘ線を受光するＴＤＩセンサと、前記ＴＤＩセンサを制御し前記蛍光Ｘ線に対応した異物を検出する制御部とを備え、前記制御部が、前記ＴＤＩセンサの電荷転送の方向及び速度を前記試料の移動方向及び速度に合わせ、前記ＴＤＩセンサが受光した前記蛍光Ｘ線の輝度値を積算することを特徴とする。

この異物検出装置では、制御部が、ＴＤＩセンサの電荷転送の方向及び速度を試料の移動方向及び速度に合わせ、ＴＤＩセンサが受光した蛍光Ｘ線の輝度値を積算するので、異物以外の元素からの二次Ｘ線（蛍光Ｘ線や散乱Ｘ線）の影響を極小化した状態で、異物からの蛍光Ｘ線を良好なＳ／Ｎで検出することが可能になる。

第２の発明に係る異物検出装置は、第１の発明において、前記試料が、一定方向に流れる流体試料又は一定方向に移動する薄板若しくは箔状試料であることを特徴とする。
すなわち、この異物検出装置では、試料が、一定方向に流れる流体試料又は一定方向に移動する薄板若しくは箔状試料であるので、ＴＤＩセンサの電荷転送の方向及び速度を流体試料又は薄板若しくは箔状試料の移動する方向及び速度に合わせることで、流れる流体試料中又は移動中の薄板若しくは箔状試料中の異物を高感度で検出することができる。

第３の発明に係る異物検出装置は、第１又は第２の発明において、前記平行二次元スリットが、ポリキャピラリであることを特徴とする。

第４の発明に係る異物検出装置は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記試料の速度を測定する速度センサを備え、前記制御部が、前記速度センサで測定した前記試料の速度に基づいて前記ＴＤＩセンサを制御することを特徴とする。
すなわち、この異物検出装置では、制御部が、速度センサで測定した試料の速度に基づいてＴＤＩセンサを制御するので、正確な試料の速度に基づいてＴＤＩセンサを制御することができ、より高い感度を得ることができる。

第５の発明に係る異物検出装置は、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記平行な二次Ｘ線の入射角が互いに異なる複数の前記分光素子が設置され、前記複数の分光素子に対応して複数の前記ＴＤＩセンサが設置されていることを特徴とする。
すなわち、この異物検出装置では、平行な二次Ｘ線の入射角が互いに異なる複数の分光素子が設置され、複数の分光素子に対応して複数のＴＤＩセンサが設置されているので、複数の分光素子及びＴＤＩセンサを互いに異なる複数の元素の異物に対応させることで、流れる試料中から複数の元素の異物を同時に検出することが可能になる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係る異物検出装置によれば、制御部が、ＴＤＩセンサの電荷転送の方向及び速度を試料の移動方向及び速度に合わせ、ＴＤＩセンサが受光した蛍光Ｘ線の輝度値を積算するので、異物以外の元素からの二次Ｘ線（蛍光Ｘ線や散乱Ｘ線）の影響を極小化した状態で、異物からの蛍光Ｘ線を良好なＳ／Ｎで検出することが可能になる。したがって、本発明の異物検出装置を用いれば、リチウムイオン電池用のカーボンブラック、正極活物質等の材料や薬剤の粉末などが一定の速度で流れている工程中で、あるいはリチウムイオン電池の正極に用いられるＣｏ酸リチウム電極板などが一定の速度で移動する工程中で、それらの工程を中断せずに含まれる異物を高感度で検出することができる。

本発明に係る異物検出装置の第１実施形態を示す概略的な全体構成図である。 本発明に係る異物検出装置の第２実施形態を示す概略的な全体構成図である。

以下、本発明に係る異物検出装置の第１実施形態を、図１を参照しながら説明する。

本実施形態の異物検出装置１は、図１に示すように、一定方向に移動する試料Ｓに対して一次Ｘ線Ｘ１を照射するＸ線源２と、少なくとも試料Ｓの移動方向に複数のキャピラリ３ａが並んで構成され一次Ｘ線Ｘ１を照射された試料Ｓから発生する二次Ｘ線Ｘ２の一部の平行成分を取りだして平行な二次Ｘ線Ｘ２を出射する平行ポリキャピラリ３と、平行な二次Ｘ線Ｘ２から特定の蛍光Ｘ線Ｘ３を分光する分光素子４と、蛍光Ｘ線Ｘ３を受光するＴＤＩ(Time Delay Integration)センサ５と、ＴＤＩセンサ５を制御し蛍光Ｘ線Ｘ３に対応した異物Ｓ１を検出する制御部Ｃとを備えている。

上記制御部Ｃは、ＴＤＩセンサ５の電荷転送の方向及び速度を試料Ｓの移動方向及び速度に合わせ、ＴＤＩセンサ５が受光した蛍光Ｘ線Ｘ３の輝度値を積算する機能を有している。
また、本実施形態の異物検出装置１は、試料Ｓの速度を測定する速度センサ６を備えている。この速度センサ６は、例えば流速センサである電磁流量計などが採用される。なお、試料Ｓの速度が一定で正確に把握できている場合は、速度センサ６を削除しても構わない。
そして、上記制御部Ｃは、速度センサ６で測定した試料Ｓの速度に基づいてＴＤＩセンサ５を制御する。

上記試料Ｓは、一定方向に流れる粉体や液体の流体試料である。この試料Ｓは、炭素や金属の粉体が空気と一緒に一定スピードで流れる流路から比較的薄い厚みを持った平面流路に流されて送られており、この平面流路に流れる試料ＳにＸ線源２から一次Ｘ線Ｘ１が照射される。
上記Ｘ線源２は、一次Ｘ線を照射可能なＸ線管球であって、管球内のフィラメント（陰極）から発生した熱電子がフィラメント（陰極）とターゲット（陽極）との間に印加された電圧により加速されターゲットのＷ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ｃｒ（クロム）などに衝突して発生したＸ線を１次Ｘ線Ｘ１としてベリリウム箔などの窓から出射するものである。

上記平行ポリキャピラリ３は、直径１０μｍ程のガラス管であるキャピラリ（スリット）３ａの束で構成され、放射状に発生した二次Ｘ線を基端から入射させ内部で全反射させて平行成分だけを取り出して先端から出射する平行二次元スリットとして機能を有している。各キャピラリ３ａは、それぞれ二次Ｘ線を基端から入射させ内部で全反射させて平行成分だけを取り出すＸ線のスリットとして機能する。平行ポリキャピラリ３では、試料Ｓの移動方向に対して直交する方向に複数のキャピラリ３ａが延在して配されている。また、試料Ｓの移動方向に沿った方向にも複数のキャピラリ３ａが並べられているため、異物Ｓ１が移動しながら放出する二次Ｘ線を入射可能になっている。

上記分光素子４は、平行になった二次Ｘ線を分光（回折）するフッ化リチウムやゲルマニウムの単結晶で構成されている。この分光素子４の単結晶は、以下のブラッグの法則式により入射角（回折角）θで入射された二次Ｘ線Ｘ２を、入射角θの２倍の分光角２θで分光された蛍光Ｘ線Ｘ３を出射する。
ブラッグの法則式：２ｄ・ｓｉｎθ＝ｎλ
（ｄ：分光素子４の結晶間隔、ｎ：回折次数、λ：蛍光Ｘ線の波長）

上記ＴＤＩセンサ５は、ＣＣＤを二次元的に縦横に複数列並べたものであり、ラインセンサを複数列並べたような構成を有している。
このＴＤＩセンサ５は、上記ブラッグの法則式により成り立つ分光角に対応する位置に、入射される蛍光Ｘ線Ｘ３に対して受光面が直交するように設置されている。すなわち、ＴＤＩセンサ５は、分光素子４の単結晶に入射角θで入射した二次Ｘ線Ｘ２のうち、特定の元素に起因する蛍光Ｘ線Ｘ３がこの単結晶で干渉（回折）して特定の分光角２θで出射される位置に配置されている。このようにＴＤＩセンサ５は、検出したい異物Ｓ１の元素からの蛍光Ｘ線Ｘ３が分光素子４で回折されて出射される方向に配されている。

上記制御部Ｃは、Ｘ線源２及びＴＤＩセンサ５等に接続され、これらを制御するＣＰＵ等で構成されたコンピュータである。
この制御部Ｃは、試料Ｓの速度Ｖ_ｓに対してＴＤＩセンサ５の電荷転送の速度（送りスピード）Ｖ_ＴＤＩを同じに設定し、試料Ｓの流れとＴＤＩセンサ５の積算処理とを同期させて制御している。

次に、本実施形態の異物検出装置１を用いた異物検出方法について説明する。
まず、平面流路を流れる試料Ｓの一部にＸ線源２が一次Ｘ線Ｘ１を照射する。このとき、流れる試料Ｓ中の主成分の粉体及び金属異物Ｓ１からは蛍光Ｘ線と散乱Ｘ線等の二次Ｘ線が放射状に発生する。
さらに、平面流路の平行面に対して直交して配された平行ポリキャピラリ３が、発生した二次Ｘ線の一部の平行成分だけを取り出し、平行になった二次Ｘ線Ｘ２を分光素子４に入射させる。

分光素子４では、入射された平行な二次Ｘ線Ｘ２をブラッグの法則式により成り立つ回折角で回折させる。すなわち、検出したい異物Ｓ１の元素からの蛍光Ｘ線Ｘ３のみが所定の回折角で回折されることで、所定位置に配されたＴＤＩセンサ５に輝点Ａとして現れる。このとき、試料Ｓの異物Ｓ１は移動するため、平行ポリキャピラリ３に入射される異物Ｓ１からの一次Ｘ線も上流側のキャピラリ３ａから下流側のキャピラリ３ａへと主に入射されるキャピラリ３ａが変わる。

このため、分光素子４で回折されてＴＤＩセンサ５に受光される蛍光Ｘ線Ｘ３の輝点Ａも同様に移動する。制御部Ｃでは、ＴＤＩセンサ５における電荷転送の速度及び方向を試料Ｓの速度及び流れ方向に合わせてＴＤＩセンサ５を制御するので、移動する輝点Ａで発生した電荷を移動方向で積分露光して積算する。したがって、輝点Ａが低輝度であっても異物Ｓ１の移動に伴って移動する輝点Ａが積算されることで、高い感度を得ることができる。

このように本実施形態の異物検出装置１では、制御部Ｃが、ＴＤＩセンサ５の電荷転送の方向及び速度を試料Ｓの移動方向及び速度に合わせ、ＴＤＩセンサ５が受光した蛍光Ｘ線Ｘ３の輝度値を積算するので、異物Ｓ１以外の元素からの二次Ｘ線（蛍光Ｘ線や散乱Ｘ線）の影響を極小化した状態で、異物Ｓ１からの蛍光Ｘ線Ｘ３を良好なＳ／Ｎで検出することが可能になる。
また、制御部Ｃが、速度センサ６で測定した試料Ｓの速度に基づいてＴＤＩセンサ５を制御するので、正確な試料Ｓの速度に基づいてＴＤＩセンサ５を制御することができ、より高い感度を得ることができる。

次に、本発明に係る異物検出装置の第２実施形態について、図２を参照して以下に説明する。なお、以下の実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、１つの元素の異物Ｓ１を検出するために平行ポリキャピラリ３、分光素子４及びＴＤＩセンサ５をそれぞれ一つ設置しているが、第２実施形態の異物検出装置２１では、図２に示すように、２つの異なる元素の異物Ｓ１を検出するために、平行な二次Ｘ線Ｘ２の入射角が互いに異なる２つの分光素子４Ａ，４Ｂが設置され、２つの分光素子４に対応して２つのＴＤＩセンサ５Ａ，５Ｂが設置されている点である。

すなわち、第２実施形態では、流れる試料Ｓの両側に一対の平行ポリキャピラリ３Ａ，３Ｂ、分光素子４Ａ，４Ｂ及びＴＤＩセンサ５Ａ，５Ｂが設置されている。例えば、一方の平行ポリキャピラリ３Ａ、分光素子４Ａ及びＴＤＩセンサ５Ａは、Ｆｅ元素を検出する機構であり、他方の平行ポリキャピラリ３Ｂ、分光素子４Ｂ及びＴＤＩセンサ５Ｂは、Ｃｒ元素を検出する機構である。
本実施形態では、平面流路に流れる試料Ｓに照射された一次Ｘ線Ｘ１によって試料Ｓから発生した二次Ｘ線は平面流路の両側に放射状に放出される。

一方の分光素子４Ａ及びＴＤＩセンサ５Ａは、Ｆｅ元素を検出するための入射角θ_Ｆｅと回折角２θ_Ｆｅとに対応した傾き及び位置に設定されている。また、他方の分光素子４Ｂ及びＴＤＩセンサ５Ｂは、Ｃｒ元素を検出するための入射角θ_Ｆｅと回折角２θ_Ｆｅとに対応した傾き及び位置に設定されている。

このように第２実施形態の異物検出装置２１では、平行な二次Ｘ線Ｘ２の入射角が互いに異なる複数の分光素子４Ａ，４Ｂが設置され、複数の分光素子４Ａ，４Ｂに対応して複数のＴＤＩセンサ５Ａ，５Ｂが設置されているので、複数の分光素子４Ａ，４Ｂ及びＴＤＩセンサ５Ａ，５Ｂを互いに異なる複数の元素の異物Ｓ１に対応させることで、流れる試料Ｓ中から複数の元素の異物Ｓ１を同時に検出することが可能になる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、測定試料について流れる粉体や液体等の流体試料としたが、一定方向に移動する薄板若しくは箔状試料を異物検査対象の試料としても構わない。例えば、リチウムイオン電池の正極に用いられるＣｏ酸リチウム電極板などが一定の速度で移動する工程中で、Ｃｏ酸リチウム電極板に含まれる異物を検出する際に本発明の異物検出装置を用いても構わない。

１，２１…異物検出装置、２…Ｘ線源、３，３Ａ，３Ｂ…平行ポリキャピラリ（平行二次元スリット）、３ａ…キャピラリ（スリット）、４，４Ａ，４Ｂ…分光素子、５，５Ａ，５Ｂ…ＴＤＩセンサ、６…速度センサ、Ａ…輝点、Ｃ…制御部、Ｓ…試料、Ｓ１…異物、Ｘ１…一次Ｘ線、Ｘ２…二次Ｘ線、Ｘ３…蛍光Ｘ線

Claims (5)

1. 一定方向に移動する試料に対して一次Ｘ線を照射するＸ線源と、
   少なくとも前記試料の移動方向に複数のスリットが並んで構成され前記一次Ｘ線を照射された前記試料から発生する二次Ｘ線の一部の平行成分を取りだして平行な二次Ｘ線を出射する平行二次元スリットと、
   前記平行な二次Ｘ線から特定の蛍光Ｘ線を分光する分光素子と、
   前記蛍光Ｘ線を受光するＴＤＩセンサと、
   前記ＴＤＩセンサを制御し前記蛍光Ｘ線に対応した異物を検出する制御部とを備え、
   前記制御部が、前記ＴＤＩセンサの電荷転送の方向及び速度を前記試料の移動方向及び速度に合わせ、前記ＴＤＩセンサが受光した前記蛍光Ｘ線の輝度値を積算することを特徴とする異物検出装置。
2. 請求項１に記載の異物検出装置において、
   前記試料が、一定方向に流れる流体試料又は一定方向に移動する薄板若しくは箔状試料であることを特徴とする異物検出装置。
3. 請求項１又は２に記載の異物検出装置において、
   前記平行二次元スリットが、ポリキャピラリであることを特徴とする異物検出装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の異物検出装置において、
   前記試料の速度を測定する速度センサを備え、
   前記制御部が、前記速度センサで測定した前記試料の速度に基づいて前記ＴＤＩセンサを制御することを特徴とする異物検出装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の異物検出装置において、
   前記平行な二次Ｘ線の入射角が互いに異なる複数の前記分光素子が設置され、
   前記複数の分光素子に対応して複数の前記ＴＤＩセンサが設置されていることを特徴とする異物検出装置。

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