JP2022500660A - 誘導及び光学変位センサを用いた厚さ測定 - Google Patents

Abstract

センサシステム（１００）は、コイルの両端に連結された励起電子回路（１２１）を有する、少なくとも１つのコイル（１２０ａ）を含む、渦電流センサ（１２０）を含む。光学変位センサ（１４０）は、センサ間の垂直距離が固定されるように渦電流センサに固設される。光学変位センサは、光学変位センサの測定軸がコイルの対称軸と同一線上にあるように、コイルの上部上にかつコイルと同心に位置する。プロセッサ（１５１）及びメモリ（１５２）を含むコンピューティングデバイス（１５０）は、渦電流センサ及び光学変位センサからのセンサデータを受信するように連結され、この光学変位センサは、金属基材（１８５）の少なくとも１つの側面上にコーティング層（１８７）を含むコーティングされた基材（１８０）を測定することから取得されたセンサデータを分析して、コーティング層の少なくとも厚さを決定するように適合される。【選択図】図１

Description

開示される実施形態は、金属箔上のコーティングの厚さを測定することに関する。

フーコー電流とも呼ばれる渦電流は、時変磁場によって電気導体内に誘導される電流のループである。コイルのワイヤ内を流れるなどの導体に流れる電流は、磁場を発生させるが、時変電流は、導電性シート（導体）内を流れる渦電流を誘導する時変磁場（渦電流感知のための発生源磁場と呼ばれる）を発生させ、導体内で結果的に生じる渦電流は、発生源磁場の渦電流と対向する。パルス渦電流は、導電性層の厚さ、及び導電性基材上に導電性コーティング層を含むコーティングされた基材の厚さを測定するために使用される。

リチウムイオン電池は、アノード及びカソード電極用のコーティングされた基材を利用する。リチウムイオン電池の製造プロセスは、概して、アノード用の黒鉛化合物と、電池セル内のイオン流中に電子コレクタとして作用するカソード用のリチウム金属酸化物化合物と、を含む、電気化学的スラリーを混合することによって始まる。次いで、このスラリーは、一般に、スロットダイコーティングと一般的に呼ばれるプロセスによって、電極を形成するために金属箔上に均一に広げられる。リチウムイオン電池内の電極用の基材は、概して、銅箔（アノード用）及びアルミニウム箔（カソード用）を含む。金属基材がスラリーによって均一にコーティングされた後、コーティングされた基材は、スラリーを乾燥させるために炉内に配置される。アノード及びカソードが乾燥されて電極を形成すると、各電極は、カレンダロール間で所望の厚さに圧縮される。電池を形成するために、セパレータが、金属容器の内側のアノードとカソードとの間に配置され、電解質が添加され、電極がリードに電気的に接続される。

本概要は、提示される図面を含む以下の「発明を実施するための形態」で更に詳述される、簡潔に選定された開示の概念を単純な形態で紹介するために提供される。本概要は、特許請求される主題の範囲を限定することを意図するものではない。

開示される実施形態は、導電性基材上に導電性コーティング層（例えば、リチウムイオン電池用途の電極用の金属箔の少なくとも１つの側面上をコーティングする電極）を含むコーティングされた基材の厚さを測定するための既知のパルス渦電流方法が、複雑な較正、必要な精度の欠如、及びそれに伴う複雑な計算に起因する遅い測定を含む問題を有することを認識する。更に、既知のパルス渦電流方法は、概して、電極がコイルと物理的に接触することを必要とする。コーティング厚さを測定するために、コーティング側は、概して、コイルに当接して位置付けられ、したがって、測定コイルと物理的に接触して保持されるか、又は代替的に物理的に接触していることが既知であり、電極は、コイルから一定の距離にあり得る。

開示される一実施形態は、コイルの両端に連結された励起電子回路を有する、少なくとも１つのコイルを含む渦電流センサ（当該技術分野では、誘導ｚ−センサとしても知られる）を含むセンサシステムを備える。光学変位センサは、渦電流センサの上部上（上）にあり、渦電流センサと光学変位センサとの間の垂直距離が一定の距離になるように渦電流センサと同心である。センサ間の垂直距離は、既知であり得るか、又はセンサシステム較正中に決定され得る。関連メモリを有するプロセッサを含むコンピューティングデバイスは、渦電流センサから、及び光学変位センサから、センサデータを受信するように連結される。コンピューティングデバイスは、コーティング層の少なくとも厚さを決定するためにセンサデータを分析することによって、金属基材の少なくとも１つの側面上にコーティング層を含むコーティングされた基材を測定するためのものである。

導電性基材（例えば、金属箔）上に導電性コーティング層（例えば、電極コーティング）を含むコーティングされた基材の厚さを測定するための、開示されるセンサシステムの強調斜視上面図を示し、センサシステムは、光学変位センサ及び渦電流センサを含む。

並進機構を含むＣフレームとして示されるスキャナを更に備える、コーティングされた基材の厚さを測定するための例示的なセンサシステムの上面斜視図を示し、渦電流センサ及び光学変位センサは、スキャナ内に収容されている。

上部ヘッド及び下部ヘッドを示すスキャナ、並びにＣフレームを走査するように構成された並進ステージとして示される並進機構のより詳細図を示す。この配置では、上部ヘッド及び下部ヘッドは、両方、光学変位センサ及び渦電流センサを含む。

金属箔の両面上にコーティングを有するコーティングされた基材を図示し、コーティングされた基材の上方及び下方のセンサまでの距離が示される。

異なるコーティング厚さに対するインピーダンス対ｚ範囲のプロットを示す。

Ｐａ対コーティング厚さのプロットを示し、Ｐａは、多項式の第１項を表す数である。

図１に示されるセンサシステムを使用して、金属箔基材上にある電極コーティング（ｍｍで）に対する１００ｋＨｚ（度で）におけるインピーダンスの相対位相角対範囲（距離）を示す。

図１に示される測定システムの電極コーティングの上部からの範囲（距離）の関数としての、１００ｋＨｚにおけるインピーダンスの大きさ（オームで）を示す。

図１に示される測定システムを使用する、異なる量のカソードコーティング材料を有する単一の箔の１００ｋＨｚにおけるインピーダンスを示す。

インピーダンス対電極までの範囲（ｍｍで）をプロットする、アノードコーティング材料の較正の一例を示す。

開示された実施形態は、添付の図面を参照して説明され、同様の参照番号は、類似又は同等の要素を示すために図面全体にわたって使用される。図面は、縮尺どおりに描かれておらず、それらは、特定の開示される態様を単に例証するために提供される。いくつかの開示されている態様は、例証のための例示的な用途を言及しながら以下に記載される。開示される実施形態の完全な理解を提供するために、多数の具体的な詳細、関係、及び方法が記載されることを理解されたい。

図１は、導電性基材上に導電性コーティング層（例えば、電極コーティング）の厚さを測定するための、開示されるセンサシステム１００の強調斜視上面図を示し、センサシステム１００は、少なくとも１つの光学変位センサ１４０と、少なくとも１つのコイル１２０ａを含む少なくとも１つの渦電流センサ１２０を含む。光学変位センサ１４０は、光学変位センサ１４０の測定軸がコイル１２０ａの対称軸と同一直線上にあるように、コイル１２０ａの上部上にかつコイル１２０ａと同心に位置する。コーティングされた基材１８０は、上部コーティング１８７及び裏側コーティング１８６として示される、少なくとも１つの側面上のコーティングを有する金属箔１８５を概して含む金属基材を含んで示される。

光学変位センサ１４０は、コイル１２０ａの上部上にあり、かつコイル１２０ａと同心である。同心とは、光学変位センサ１４０の測定軸がコイル１２０ａの対称軸と同一直線上にあることを意味する。いくつかの場合、コイルは、楕円形又は何らかの他の形状などの、図１に示されるような円形でなくてもよい。コイル１２０ａが楕円形である場合、渦電流測定は、より短い軸寸法でより良好な空間分解能を有することになる）。渦電流センサ１２０は、図１に示されるように単一のコイル１２０ａで構成され得るか、又は渦電流センサは、励起信号を受信する別個の励磁コイルと、コーティングされた基材１８０内に流れるように誘導された渦電流によって発生した磁場を受信する、いわゆるピックアップコイルと、を含む、２つのコイルで実現され得る。

光学変位センサ１４０の基準面と渦電流センサ１２０のコイル１２０ａの基準面との間の垂直（ｚ軸）距離を固定（一定に保持）するための取り付け構造１６１が存在する。コイル１２０ａは、取り付け構造に物理的に取り付けられており、典型的には、当該技術分野で既知のように、コイル１２０ａの機械的安定性を提供する巻型の周囲に巻かれている。巻型は、概して、中空の中心を有するために誘電材料（典型的には、セラミック）の巻型を含む。実際には、巻型は、光学変位センサ１４０がコイル１２０ａの上部の上に一定の距離で位置付けられるように巻型にねじ込まれ得るように、コイルを越えて垂直に延在し（コイル１２０ａの上方を含む）、ねじ山付きねじ孔を有し得る。巻型は、特定の直径の型上でコイルの特定の巻数を保持するために一般的に使用される。巻型は、巻型「同調用スラグ」と併せて使用されてもよく、又はそうでなくてもよい。巻型での同調用スラグは、コイル１２０ａの巻数が少ないほどインダクタンスを大きくすることに繋がる。

センサシステム１００は、コイル１２０ａの両端に連結されて示される励起電子回路１２１を含む。励起電子回路１２１は、概して、パルス電圧源ではなくパルス電流源を含む。一般的に、コイル１２０ａによって発生した磁場が同じであることが求められ、それは、コイル１２０ａを通る電流を同一に保つことによって制御され得る。コイル１２０ａ内の同じ電流を維持するために必要とされる電圧は、相互インダクタンスに起因してコイル１２０ａ付近の導体の配置と共に変化することになる。

上記のように、コイル１２０ａは、概して、誘電材料を一般的に含む巻型の周囲に巻かれることになる。この巻型特徴は、概して、取り付け構造１６１として図１に示される。巻型は、センサシステム配置に機械的安定性を提供することになる。コイル１２０ａの寸法安定性及び電気特性の安定性を向上させるために、コイル１２０ａは、熱安定化され得る。

良好な電気絶縁体でありながら良好な機械的安定性及び良好な熱伝導率を有する焼結Ａｌ_２Ｏ_３などの材料から巻型を形成することが望ましい場合がある。渦電流測定の精度は、コイル１２０ａを電極に近づけるほど改善する（約５ｍｍの範囲は、一般的に容易に達成可能である）。加えて、空間分解能は、コイル１２０ａをより小さくするほど改善することになる。正確な光学変位センサ１４０は、典型的には、２５〜３０ｍｍの範囲を有することになる。それゆえに、光学変位センサ１４０は、通常、図１に示されるようにコイル１２０ａの上に配置される。一般的に、これらの測定は、この線に沿った代表的なパッチの特性を測定しようとする際、同一直線状にある。コイル１２０ａの測定エリアは、光学変位センサ１４０の測定エリアよりも大きいことが認識される。

しかしながら、平均及び代表的な測定が一般的に関心対象となる。それゆえに、平均化は、電極移動によって、及び電極シートを含み得るコーティングされた基材にわたって光学変位センサ１４０及び渦電流センサ１２０を走査するために以下に説明される図２Ａ及び図２Ｂに示されるなどのスキャナを使用することによって、空間的に行われる。

レーザ三角測量センサ、又は色共焦点変位センサなどの別のタイプの変位センサを備え得る光学変位センサ１４０。電流源などの励起電子回路１２１は、複素インピーダンス（インピーダンスの大きさ及び位相の両方）を測定することを可能にするように、電流源よりも多くてもよい。あるいは、これらの機能は、分離され得るため、励起電子回路１２１が、電流源として機能する一次コイルを励起し得、コンピューティングデバイス及び二次コイルを有する別個のボックスが、インピーダンス及び位相測定、電圧又は電流、及び位相の測定に相当する測定におけるコーティングされた基材（例えば、電極）電極からの応答を測定し得る。

センサシステム１００は、金属基材１８５の少なくとも１つの側面上をコーティングする電極の厚さを正確に測定し得、これは、金属基材（典型的には、９〜２０μｍの厚さの箔）のｚ位置を正確に測定するために動作する渦電流センサ１２０によって可能とされ、コーティングされた基材は、金属基材１８５上のアノード又はカソードコーティングを有するリチウムイオン電池用であり得る。電極コーティングは、典型的には、約７５μｍの厚さであるが、最大２５０μｍの厚さであり得る。渦電流センサ１２０は、任意選択的に、好適なパルス信号を提供するように構成された励起電子回路１２１によってパルスセンサとして動作し得る。

リチウムイオン電池の生産では、複合電極が最初に製造される。上記背景に説明されているように、これらの電極は、概して、金属箔基材（通常、アルミニウム又は銅）をコーティングを用いてコーティングすることによって作製される。例えば、アノードは、主に黒鉛を含み得、カソードは、リチウム金属酸化物（例えば、ＬｉＣｏＯ_２）を含み得る。これらの電極材料の各々は、添加された結合剤及び伝導性増強剤を有し得る。スラリーは、箔の片面又は両面上の箔に次いで適用される全ての構成要素から作製される。次いで、コーティングが乾燥され、カレンダ加工され得る。電池電極の生産者は、この厚さを制御するためにアノード又はカソードコーティングの厚さを知ることに関心がある。加えて、リチウム電池電極の生産者は、両面コーティングされた金属基材の総電極コーティング厚さだけではなく、電極コーティングの各側面の厚さを知ることにも関心がある場合がある。

金属基材上のコーティングの厚さを測定する１つのやり方は、少なくとも１つのコイル１２０ａを含む渦電流センサ１２０と並置された、図１に示される光学変位センサ１４０を使用することである。しかしながら、渦電流センサは、通常、測定表皮深さが５０μｍ超である場合、１ＭＨｚ以下の周波数で動作するが、リチウム電池の金属箔を含むときの金属基材の厚さは、上記のように、一般的に２０μｍ未満の厚さである。表皮深さが金属箔の厚さを超えるとき、厚さの測定は、金属箔厚さの小さい変動によって大きく影響され得る。１３ｍｍの測定範囲で４０ｍｍ直径のコイルを有する渦電流センサを用いて測定された１７μｍの厚さの銅箔の試験計算では、銅箔厚さの１％の変動であっても、測定された範囲の＞１０μｍの変化に繋がることが見出され、これは、計算された電極コーティング厚さの＞１０μｍの変化に繋がる。この電極コーティング厚さ測定誤差は、電池電極生産者にとって許容することができないほど十分に大きい。開示される態様は、コーティングが非導電性であると仮定しないが、代わりに、コーティングの導電性を考慮し、一方、金属基材（箔）までの及びコーティングの表面（電極表面）までの距離を計算することによって、この問題を解決する。

金属基材上の電極コーティングのキャリパ（厚さ）の測定以外に、電池生産者はまた、電極コーティングの電気伝導率などの、他の製品品質を決定することを関心対象とする場合がある。センサシステム１００が提供する、統合された電気伝導率及び厚さの測定は、現在利用可能ではないと考えられる。最も一般的に使用される既知の測定技術は、金属箔の各側面上のコーティングを個々に測定することができない。

上記のように、センサシステム１００は、外側に位置付けられた渦電流センサ１２０のコイル１２０ａの上の光学変位センサ１４０に基づいており、これらは、それらのｚ軸（垂直オフセット）に沿った距離が固定されるように、互いに取り付けられる（典型的には、巻型を使用して）。コーティングされた基材（電極）の上面までの範囲は、光学変位センサ１４０によって測定され得、それは、光学変位センサ１４０の基準面からの範囲である。較正は、この配置で行われることになり、センサデバイスは、有効なままであるように、較正のために互いに対して移動するべきでない。渦電流センサは、厚さ、電気伝導率、並びに電極コーティング（複数可）１８７、１８６、及び上記のように金属箔であり得る金属基材１８５までの範囲の関数である測定を提供する。

光学変位センサ１４０は、ダイオード−レーザ三角測量センサを含み得る。しかしながら、他の光学変位センサタイプを使用することも可能である。三角測量デバイスなどの光学変位センサ１４０は、上部コーティング１８７として図１に示される電極コーティングの上面までの範囲（垂直距離）を正確に測定することができる。市販の光学変位センサ製品が利用可能であり、この範囲測定を１μｍ未満の精度（典型的には、０．５μｍ、２標準偏差（２σ））にすることができる。

一実施形態では、励起電子回路１２１からの単一の周波数が、多巻コイルを含み得るコイル１２０ａを励起するために使用される、従来の渦電流センサが使用され、コーティングされた基材１８０の応答は、励起に使用される同じコイル１２０ａ上、又はほぼ一致する二次コイル上のいずれかで監視される。応答位相及び大きさが測定され得る。使用される励起周波数は、概して、５０ｋＨｚ〜１，０００ｋＨｚ（１ＭＨｚ）の範囲内にある。

別の実施形態では、コーティングされた基材１８０の電気伝導率などの、コーティングされた基材１８０に関する、単なるコーティング層の厚さよりも多くの情報が所望される場合、パルス渦電流技術が用いられ得る。方形波パルス電圧などの反復パルス信号が、励起電子回路１２１によって渦電流センサのコイル１２０ａに印加され得（例えば、５〜１５μ秒のパルス持続時間）、コーティングされた基材１８０の応答は、次いで、コイル１２０ａによって、又は別のコイルによって、一般的に、コイル１２０ａ又は別のコイルに連結されたアナログデジタル変換器（Analog-to-Digital-Converter、ＡＤＣ）を用いて測定され、ＡＤＣは、図１に示されるコンピューティングデバイス１５０のプロセッサ１５１に連結されたその出力を有する。

渦電流センサに対する応答関数の受信は、電極コーティングされた金属箔に磁場も提供する一次コイルにおいてであってもよく、又は応答関数を受信するために使用され得る二次（ピックアップ）コイルにおいてであってもよい。あるいは、方形波パルスを印加する代わりに、励起電子回路１２１が、一次コイルに掃引周波数を印加し、周波数の関数として応答を測定することも可能である。コーティング層の厚さを得るために、計算は、概して、図１のコンピューティングデバイス１５０として示される、関連メモリ１５２を有するマイクロプロセッサなどのプロセッサ１５１を用いて行われる。測定された応答は、電極までの範囲、並びに各層（例えば、上部コーティング１８７及び金属基材１８５）の厚さ及び電気伝導率の関数である。

測定された結果から、多数の異なるパラメータを決定することが可能である。センサデータから全てのこれらのパラメータを抽出しようとする場合、結果が任意の個々のパラメータに対して低い精度を有することになるためであると予想される。それゆえに、適合が、予想される値の範囲内で実施され得、レーザ三角測量デバイスなどの光学変位センサ１４０が、図１の上部コーティング１８７として示されるコーティング層の上面までの範囲（距離）を提供するために使用され得る。金属箔材料を含み得る金属基材１８５の電気伝導率は、周知である（例えば、銅のバルク電気伝導率は、周知である）か、又は開示される厚さ測定の前に決定され得ることも予想される。金属基材１８５のための一般的に比較的薄い金属箔に起因して、裏側コーティング１８６が厚さの計算で考慮される必要があり得ることにも留意されたい。また、本開示の態様の主な新規性は、電極コーティングまでの範囲を決定するための光学変位センサ１４０の使用であり、これは、既知の技術が、一般的に、固定された離隔を採用することに対して、開示されるシステムでは、一般的にシートの形態でのコーティングされた基材が、ｚ方向に移動することを可能し、つまり、渦電流センサから電極（コーティング）の上面までの範囲が一定に保たれる必要がなく、光学変位センサ１４０に対するその範囲（離隔）を測定することを意味する。

所望のパラメータ（具体的には、コーティング層１８７及び１８６の厚さ）を計算するが、コーティングされた基材１８０の電気伝導率も計算する１つのアプローチは、最小二乗法を使用して、測定された波形を予想される結果に適合することである。しかしながら、理論との詳細な比較を行う代わりに、必要とされる情報の大部分は、一般的に、理論計算に基づいて３次元ルックアップテーブルと比較され得る単純な波形測定（例えば、ピーク、ピークタイミング、及びゼロ交差時間）によって得られ得る。これは、厚さの計算時間を著しく加速し得る。

金属基材１８５上の少なくとも上部コーティング１８７を含むコーティング層の正確な厚さ測定を行うために一般的に重要であることは、概して、一般的に箔を含む金属基材１８５と上部コーティング１８７などのコーティングとの間の電気伝導率に有意な差が存在することである。これは、金属箔基材が、一般的に、非常に高い相対電気伝導率を有し、電極コーティングが、一般的に、黒鉛よりもはるかに高い電気伝導率を有しないため、難しいことではない。それゆえに、これらの電気伝導率には、一般的に、少なくとも５００倍の差が存在する可能性が高い。低い電極コーティング層の電気伝導率の限界では、渦電流測定は、したがって、基本的に、基礎となる金属箔の測定ものであり、測定は、上部コーティング１８７の上面までの光学変位センサ１４０の測定と、上記に説明されたように一般的に金属箔を含む金属基材１８５の上面までの渦電流センサ１２０からの誘導測定との組み合わせになる。

上記のように、渦電流センサ１２０は、概して、取り付け構造１６１によって光学変位センサ１４０に機械的に連結され、光学変位センサ１４０からの投影されたレーザビームは、渦電流センサ１２０のコイル１２０ａと同心である。渦電流センサ１２０のコイル１２０ａと光学変位センサ１４０との間の高さ（ｚ軸）がオフセットされることが概して重要である。これを確保するために、渦電流センサ１２０のコイル１２０ａ及び光学変位センサ１４０は、通常、取り付け構造１６１によって互いに機械的に取り付けられ、それらは、各々均一に温度制御され得る。渦電流センサ１２０のコイル１２０ａと光学変位センサ１４０との間のμｍ単位のｚ軸移動は、概して、μｍ範囲の測定誤差に繋がることになる。

上記のように、光学変位センサ１４０は、上部コーティング電極コーティングの上部までの範囲を測定し、誘導センサは、理想的には、金属箔を一般的に含む金属基材１８５の上部までを間接的に測定する（（計算された）。金属箔などの金属基材１８５の上部を測定するために、一般的に、金属基材１８５の厚さを知る必要がある。しかしながら、電極コーティング材料も導電性であるため、渦電流センサ測定は、概して、電極コーティング厚さの正確な読み取り値を生成することができることを可能にするように、コーティングの電気伝導率を考慮するべきである。センサシステム１００及びこのセンサシステムを使用する方法は、薄い金属箔を含む金属基材１８５上の導電性コーティングの厚さの正確な（典型的には、約１μｍ）測定を行うことができる。

開示されるセンサシステムは、測定毎に複雑な多成分曲線適合を必要とするのではなく、改善された測定精度及び速度を提供することによって、導電性基材（リチウムイオン電池用電極など）上の導電性コーティングの厚さを測定するときに上記の問題を克服し、開示される方法は、代わりに、比較的単純な計算を利用し、一方、それぞれの渦電流及び光学変位センサ並びに電源を含む既製のハードウェアが使用され得ることを概して可能にする。

図２Ａは、並進機構（以下に説明される図２Ｂの並進機構１９５参照）を含むＣフレームとして示されるスキャナ１９０を更に備える、コーティングされた基材の厚さを測定するための例示的なセンサシステム２００の上面斜視図を示し、渦電流センサのコイル１２０ａ及び光学変位センサ１４０は、スキャナ１９０の上部ヘッド１９１として示されるヘッド内に収容されている。

図２Ｂは、上部ヘッド１９１及び下部ヘッド１９２を示すセンサシステム２００内のスキャナ１９０、並びにＣフレーム１９８を走査するように構成された並進ステージとして示される並進機構１９５のより詳細図を示す。並進ステージとして一般的に知られているもの以外に、Ｃフレーム１９８を移動させる既知の異なるやり方が存在する。この構成では、上部ヘッド１９１及び下部ヘッド１９２、両方、上部ヘッド１９１内の光学変位センサ１４０ａ及びコイル１２０ａ並びに下部ヘッド１９２内の光学変位センサ１４０ｂ及びコイル１２０ｂとして示される、光学変位センサ及び渦電流センサを含む。上部ヘッド１９１内の渦電流センサのコイル１２０ａ及び下部ヘッド１９２内の渦電流センサのコイル１２０ｂは、概して、２つの渦電流センサ間の干渉を回避するために異なる周波数で動作する。

ここで、図２Ａ及び図２Ｂに示されるスキャナ１９０などのスキャナを用いて開示されたシステムをどのように使用するかが説明される。リチウム電池製生産者などのシート材料生産者は、概して、製品の総キャリパ（厚さ）を知ることを常に望む。そして両面光学測定は、そのようなものを生成し得る。光学測定が誤差を回避するために十分に位置合わせされることが重要であるため、走査するＣフレーム１９８を使用し得る。Ｃフレーム１９８によると、上部及び下部ヘッド１９１ １９２は、それらが独立して移動しないため、良好に位置合わせされる。Ｃフレーム全体は、概してシートの形態であるコーティングされた基材１８０を、それが並進ステージなどの並進機構１９５上に取り付けられた際に走査する。

一般的に、上部ヘッド１９１と下部ヘッド１９２との間の距離を知る必要がある。これは、機械的設計及び既知の厚さ基準タイルに対する定期的標準化を用いて行われ得るか、又は定期的標準化と共に、ホール効果、巨大磁気抵抗（giant-magnetoresistance、ＧＭＲ）、若しくはフラックスゲートセンサなどの磁気ｚセンサを用いて測定され得る（低剛性フレームを有する場合）。

図３は、上部コーティング１８７及び下部コーティング１８６として示される金属箔１８５’の両側にコーティングを有するコーティングされた基材１８０を図示し、コーティングされた基材１８０の上及び下のセンサまでの距離が、コーティング厚さを計算するための方程式（コーティングされた基材１８０の総厚さ（Ｚ_ｔｏｔ）が、Ｚ_ｔｏｔ−Ｏ_１−Ｏ_２に等しい）と共に示される。したがって、以下に説明されるように、上部コーティング１８７の厚さ及び金属箔１８５’の厚さを、コイル１２０ａとして示される渦電流センサから、光学変位センサ１４０ａによって計算されたＯ_１の距離と組み合わせて得ることができる。

例えば、コーティングされた基材（シート）を走査するときに約０．１μｍを超えて変化しない寸法を有する、１９８として図２Ａ及び図２Ｂに示されるようなＣフレームが提供され得る。しかしながら、Ｃフレームの寸法は、温度と共に変化し得る。したがって、定期的に、例えば、２０分毎に、センサシステムを使用して既知の厚さｔ_ｋを測定し得、Ｚ_ｔｏｔ＝ｔ_ｋ＋Ｏ_１＋Ｏ_２である。磁気ベースであるホール効果、ＧＭＲ、又はフラックスゲートセンサなどの、コーティングされた基材を通して測定し得るセンサを利用することによって、スキャナの上部ヘッド及び下部ヘッドの両方にコイルを提供する。総厚さ、及び一方の側面上の箔及びコーティングの厚さを知る場合、他方の側面上のコーティングの厚さを計算することができる。あるいは、２つの渦電流センサを有し、各側面上のコーティングの厚さを直接測定することができる。

図４Ａは、異なるコーティング厚さに対するインピーダンス対ｚ範囲のプロットを示す。インピーダンス値は、渦電流センサによって提供され、ｚ範囲は、光学変位センサ１４０によって提供される。曲線は、ｔ_１、ｔ_２及びｔ_３として示される箔の異なる厚さに対して示される。以下に説明されるように、項Ｐ_１、Ｐ_２及びＰ_３は、多項式である。本明細書に使用されるＰ_１は、Ｐ_１Ａ、Ｐ_１Ｂ、Ｐ_１Ｃであり、多項式の完全な式が書き込まれるとき、インピーダンス＝Ｐ_１（ｚ）＝Ｐ_１Ａｚ^２＋Ｐ_１Ｂｚ＋Ｐ_１Ｃである。

図４Ｂは、ｔ_１、ｔ_２及びｔ_３におけるデータ点を示す、Ｐ_Ａ対コーティング厚さのプロットを示す。上記のように、Ｐ_Ａは、多項式の第１項であり、Ｐ_Ｂ及びＰ_Ｃと同様の曲線が構築され得る。

以下に、導電性箔基材を含み得る金属基材１８５上の図１の上部コーティング１８７として示される導電性コーティング層の厚さを測定するために、少なくとも１つのコイル１２０ａを含む渦電流センサ１２０及び光学変位センサ１４０を備える、開示されるセンサシステムを使用する、単一周波数方法が説明される。渦電流センサ１２０の実施される測定は、インピーダンスの大きさ及びその位相を一般的に考慮する必要があることによって、幾分複雑化される。金属箔の厚さが一定である場合、大きさのみを使用することが可能であるが、一般的に、金属箔の厚さを決定するために位相情報を使用する必要がある。

センサシステム１００を使用して測定を行うために、一般的に、まず、それぞれの渦電流センサ１２０及び光学変位センサ１４０を較正する。光学変位センサ１４０について、製造者の較正を使用するか、又は測定範囲を通して並進する標的に対する較正などの、既知の範囲における標的に対する較正を行い得る。基準測定は、干渉計又は光学エンコーダによって提供され得る。渦電流センサの較正は、インピーダンスの大きさ及び位相の測定が、測定標的（ここでは、コーティングされた基材１８０の上部コーティング１８７）までの範囲のみならず、金属箔を含み得る比較的高い電気伝導率の金属基材１８５の厚さにも依存するため、少し困難である。

較正は、まず、リチウム電池用途用の電極集電体として使用され得る金属箔を用いて実施され得る。つまり、コーティングされた基材１８０の試料は、渦電流センサ１２０のコイル１２０ａに平行に配置され、測定範囲全体を通して上下に動かされ、その間、コイル１２０ａのインピーダンス（大きさ及び位相）並びに範囲が記録され得る。範囲（上部コーティング１８７の上部までの）は、光学変位センサ１４０、又は電極の裏面と機械的に接触する線形可変変位変圧器とも呼ばれる線形可変差動変圧器（linear variable differential transformer、ＬＶＤＴ）などの別のセンサを用いて測定され得る。光学変位センサ１４０が使用される場合、正確な範囲測定を得るために、既知の厚さの拡散散乱材料（着色及びカレンダ処理されたビニルなど）を、金属箔の別様に鏡面的に反射する表面上に配置することが有用であり得る。

次いで、測定は、概して、金属箔の第２及び第３の層で繰り返される。あるいは、正しい組成物の金属箔のより微細なグラデーションが利用可能である場合、それらが、概して、使用されるべきである。このステージでは、上部コーティング１８７までの範囲及び金属箔厚さの関数としての位相角（度で）を示す最も重要な情報が図５に示さいる。

この関係は、電極コーティングの厚さではなく、金属箔基材の厚さに本質的に完全に依存することが分かり得る。この場合、金属箔／集電体は、１０μｍの厚さの銅を含んでいた。測定は、市販のインピーダンス測定器具であるＨＰ４２７７ ＬＣＺメータ、及び光学変位センサ１４０としてＭＴＩ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ Ｍｉｃｒｏｔｒａｃｋ３レーザ三角測量デバイスを用いて行われた。複数の厚さの金属箔を有するコーティングされた基材の試料が利用可能でなかったため、電極試料を使用し、その裏側に同じ厚さの箔の層を配置することによって、効果がシミュレートされた。

位相対範囲データから、電極（上部コーティング）までの範囲及び位相角の測定を行い、箔厚さを決定することができる。これを行う単純なやり方は、範囲の関数としての位相を表す多項式を構築することである。まず、多項式が各位相対範囲曲線に適合させる（例えば、３つの異なる箔厚さが存在する場合、３つの曲線、そして曲線が２次多項式である場合、各曲線に対して３つの構成要素が存在することになる。この場合、厚さ１は、多項式Ｐ_１によって表されることになり、Ｐ_２などによる厚さ２となる。各多項式は、それらが２次多項式：Ｐ_１＝Ｐ_１Ａｚ ^２＋Ｐ_１Ｂｚ＋Ｐ_１Ｃであるように、３つの項を有することになる。次いで、任意の厚さに対する多項式を構築することができる。これを多項式曲線を用いて例示するために、多項式の項の各々に直線又は曲線を適合することによって、これを行うことができ、以下に説明される図４Ｂを参照されたい。

したがって、Ｐ_Ａは、任意の厚さｔの多項式の第１項である。このグラフ上に３つの点、Ｐ_Ａ１、Ｐ_Ａ２、及びＰ_Ａ３をｙ軸上、並びにｘ軸上の対応する厚さに配置することができる。Ｐ_Ｂ及びＰ_Ｃの対応する曲線を作成することができる。この情報によると、任意の厚さ（ｔ）の位相対範囲曲線を描くことができる。これは、範囲及び位相の測定を行う場合、これが２Ｄグラフ上の点を画定し、次いで、この一群の方程式を解いて、測定された箔（金属基材）の厚さである固有のｔを与えることができるため重要である。この上記の説明では、位相対範囲として提示され、ｙ軸がインピーダンス対範囲とラベル付けされ、プロセスが同じであり、グラフ上のラベルのみが異なることに留意されたい。

同様に、次いで、インピーダンス対素箔までの範囲の曲線が、各インピーダンス対範囲曲線を多項式に適合し（２次多項式は、一般的に十分である）、次いで、それらの間を金属箔厚さの関数としての曲線で補間することによって、任意の金属箔厚さに対して生成され得る。この較正は、オンマシンで実施され得るか、又は工場若しくは他の場所で実施され得、図１に示されるようなコンピュータデバイスのメモリ、又はオンボードに記憶され得る。

オンマシンは、箔厚さが経時的に変化し得る生産現場を意味する。オンマシンで実施される場合、測定範囲を通してコーティングされた基材の試料を精密に並進させるための何らかの配置が、概して、構築される。測定される電極などのコーティングされた基材が両面である場合、較正は、同等の箔厚さを有する片面コーティングされた電極を用いて実施されるべきである。箔厚さの較正は、測定の反対側のコーティングで行われるべきである。同様に、任意の箔厚さを較正するために、追加の箔層が箔の上部に追加され得る。これは、電極の裏側のコーティングが較正に小さい影響しか及ぼさないためである。裏側コーティングの厚さの小さい変化は、較正結果を著しく変化させない。

次に、測定は、概して、電極コーティングの効果を決定するために実施されるべきである。最も単純な場合、金属箔に使用されたが、コーティングされた基材１８０の試料を代わりに使用する、同じ較正手順を実施し得る。以下の説明は、リチウムイオン電池用の電極に関するものである。しかしながら、開示される技術は、他の電池タイプの電極、又は燃料電池用の電極などの、他の同様の製品に適用される。

アノード及びカソードについて、開示される厚さ測定の手順は、本質的に同じであり得る。カソードについて、箔表面に対するインピーダンス測定が、カソードコーティングの量に対して低感度であることが見出された。これは、単に、カソード導電性が、概して、アノードコーティングと比較して低いためである。いくつかの公開された値は、アノードコーティングが、約１０^５Ｓ／ｍの電気伝導率を有し得、カソードコーティングが、概して、約１Ｓ／ｍの、アノードと比較してより低い伝導率を有し得るものである。いくつかの場合、カソードの伝導率は、１Ｓ／ｍよりも高い場合があり、その場合、アノードの厚さ決定（複数可）の手順が、概して、使用され得る。

リチウムイオン電池の厚さ測定について、次いで、測定は、光学変位センサ１４０が上部コーティング１８７までの範囲を測定するために使用されることにより、比較的容易になる。概して金属箔を含む金属基材１８５の厚さは、上部コーティング１８７までの範囲に対するインピーダンス位相の関係から計算される（必要とされる場合）。次いで、金属箔までの範囲は、インピーダンスの大きさから決定され得る。上部電極コーティングの厚さは、単純に、これらの２つの値の差である。金属箔厚さが変化する場合、一群のそのような曲線が存在することになり、位相測定が、使用するべきものを決定するために使用され得ることに留意されたい。

例えば、上記のように、金属箔の較正を表すために、２次多項式を使用することができる。各金属箔厚さは、それ自体の較正曲線を有し得る（明確化のために、位相のための較正曲線及びインピーダンスのための較正曲線が存在する）。次いで、任意の金属箔厚さの多項式を計算するための関係を構築することは、比較的単純である（上記の図４Ａ及び図４Ｂに示される多項式参照。単純な場合では、関係が線形であると単に仮定することができるか、又は任意の金属箔厚さの曲線をより正確に予測するために、厚さデータに曲線を適合することができる。

金属箔厚さが変化している場合、まず、インピーダンス位相情報を使用して金属箔の厚さを測定することができる。様々な厚さの箔が位相対範囲プロット上の一群の曲線を生成することと同様、それらはまた、インピーダンス対範囲チャート上の一群の曲線を生成することになる。インピーダンス対範囲チャート上の較正は、既知の量のコーティングによる測定と箔のみの測定との間の差である多項式として表され得る。これは、任意の箔厚さ上の任意の厚さのアノードコーティングの較正曲線を得るために、任意の箔厚さを表す多項式に追加され得る。次いで、渦電流センサからのインピーダンスの大きさの一群の較正曲線から（光学変位センサ１４０からなどのレーザ電圧／変位に対する）、金属箔の測定の応答を表す多項式を計算することができる。この技術は、概して、低電気伝導率のカソードコーティング層のみに機能することに留意されたい。より高い伝導率を有するカソード層について、以下に説明されるアノードコーティング層のための手順が使用され得る。

アノードコーティング層について、測定は、インピーダンス曲線がコーティング厚さと共にシフトする際、少し複雑になる。これに対処するために、金属ホイル曲線及び箔＋電極コーティング曲線に多項式を適合することができる。箔厚さがカレンダプロセスで低減されることになるため、小さい補正が適用される必要があり得ることに留意されたい。したがって、電極構造を圧縮するプロセスでは、箔は、コーティングと共に間引きされ得ることが可能である。これは、概して、上記のような箔厚さに対する変化に対処する手順が開示されているため、重要な問題ではない。そのような適合は、図６に示されており、電極コーティングの上部までの範囲は、レーザベースの光学変位センサ１４０を用いて測定された。インピーダンスが、ＨＰ４２７７ ＬＣＺメータを用いて再び測定された。

図７は、図１に示されるセンサシステム１００を使用した、異なる量のカソードコーティング材料を上部有する単一の箔の１００ｋＨｚで測定されたインピーダンスを示す。電極の上面（上部コーティング１８７の上面）までの範囲測定は、光学変位センサ１４０によって実施された。しかしながら、電極コーティングが光学変位センサ１４０からどの程度の厚さであるかを知らないため、金属箔までの距離を得ることを可能にする渦電流センサを使用して電極コーティングの厚さを得る。

１つの金属箔試料が使用され、電極コーティングが連続測定のために除去された。縮小された試料は、電極コーティングから約１０μｍ除去されたコーティングされた基材の試料である。電極の表面（コーティングの上部）が測定されたが、概して、箔までの距離に関心がある。コーティングの厚さは、既知であった。較正の目的のために、厚さをマイクロメータで測定し、光学変位センサ１４０から得られた測定に厚さが加えられるように、同様に一般的に既知である、箔厚さを減算し得る。概して、箔までの距離、又は電極表面までの距離のいずれかの観点から作業する。コーティング厚さは、２つ（電極表面及び金属箔）の間の差である。

箔について、及びコーティングについて、インピーダンス対範囲の較正曲線を構築することができる。より多くの試料を有すると、特に、試料が生産ライン上で生産されることになる予想される範囲をカバーする範囲に及ぶ場合、較正曲線がより良好になる。それゆえに、アノードコーティング層の測定について、概して、渦電流センサ１２０のコイル１２０ａ及び光学変位センサ１４０のそれぞれからのインピーダンス対電極コーティングまでの範囲のプロット上に点を配置し（以下に説明される図８参照）、次いで、測定された較正曲線からの距離に基づいて厚さを計算することを必要とする。

図８は、インピーダンス対電極までの範囲（ｍｍ）をプロットする、アノードコーティング材料の較正の一例を示す。図８は、図８がアノード用であり、図７がカソード用であるため、上記の図７とは異なって見えることに留意されたい。図８では、箔として示される箔及び試料として示される７６μｍの厚さの電極コーティングを有する箔の応答を示す破線が提供され、両方が太線で示される。電極コーティングにおける箔の応答のための太線破線は、上記の図６に示されるそれぞれの多項式のプロットである。７０μｍのＣＡＬ及び８０μｍのＣＡＬとして示される、７０及び８０μｍの厚さの電極較正コーティングがどのように見えるかを図示する他の破線が示される。較正線は、電極コーティング厚さの関数としての多項式係数の内挿／外挿に基づいて計算された曲線である。

上記のように、金属箔厚さが著しく変化する場合、これもまた、概して、補正されることになる。１つの例示的な技術は、電極コーティング厚さに基づいて、電極コーティングによって引き起こされた差が固定されると仮定することである。次いで、ベースライン金属箔厚さ較正を使用して、任意の金属箔厚さの関係を導出し、次いで、これに電極コーティングの差を追加することができる。コーティング厚さＰｃｏａｔ＝総電極厚さ（Ｐｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）−金属箔厚さ（Ｐｆｏｉｌ）である。Ｐｆｏｉｌは、位相図に見出される厚さに応じて変化することになるが、任意の箔厚さのための多項式を作成することによって考慮され得る。次いで、この関係を使用してコーティングを有するこの箔厚さを表す多項式を作成することができる。いくつかの較正多項式を与えられた任意の多項式をどのように計算するかを示す、上記の図４Ｂを参照されたい。

アノードコーティング層の測定では、電気伝導率に対する感度が顕著であり得ることに留意されたい。しかしながら、電気伝導率とキャリパ（厚さ）との間に交差感度が存在する。電極コーティングがカレンダ処理されるほど、導電性も高くなる。電気伝導率を補正する必要がある場合、上記のようなこの技術を使用し、２つの異なる周波数における測定値に基づいて電気伝導率を推定する選択肢を有する。この方法はまた、電極コーティングの厚さ及び電気伝導率をより正確に決定するために、パルス渦電流方法を使用することによっても拡張され得る。

上記の周波数、１００ｋＨｚ及び１ＭＨｚは、この測定を行うために有用であることが実験的に見出されたものであることにも留意されたい。製品が試験されたものとは異なる電気伝導率又は厚さを有する場合、他の周波数がより有用である場合がある。最大感度を得るために、１つの周波数、すなわち、１００ｋＨｚにおける位相、及び別の周波数、すなわち、１ＭＨｚにおけるインピーダンスの大きさを測定することを望む場合があることも可能である。

開示された態様は、開示された測定が電極コーティング厚さのＣＤ（ｃｒｏｓｓ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、横断方向）及びＭＤ（ｍａｃｈｉｎｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、機械方向）の変動を決定するためにスキャナで有用に用いられることを考慮することによって、更に拡張され得る。次いで、これらの変動は、キャリパ制御に使用され得る。

様々な開示された実施形態について上述してきたが、それらは単なる例として提示されており、限定するものではないことを理解されたい。本開示に開示される主題に対する多くの変更は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱せずに、本開示に従ってなされ得る。加えて、特定の特徴はいくつかの実施例のうちの１つのみに関して開示されている場合があるが、かかる特徴は、任意の所定の又は特定の用途にとって望ましく、有利であり得るため、他の実施例のうちの１つ以上の他の特徴と組み合わされてもよい。

Claims (10)

1. センサシステム（１００）であって、
   コイル（１２０ａ）の両端に連結された励起電子回路（１２１）を有する、少なくとも１つの前記コイル（１２０ａ）を含む、渦電流センサ（１２０）と、
   光学変位センサ（１４０）と前記渦電流センサ（１２０）との間の垂直距離を固定するように、前記渦電流センサ（１２０）に固設された光学変位センサ（１４０）であって、前記光学変位センサ（１４０）は、前記光学変位センサ（１４０）の測定軸が前記コイル（１２０ａ）の対称軸と同一直線上にあるように、前記コイル（１２０ａ）の上部上にかつ前記コイル（１２０ａ）と同心に位置する、光学変位センサ（１４０）と、
   プロセッサ（１５１）及びメモリ（１５２）を含むコンピューティングデバイス（１５０）であって、前記渦電流センサ（１２０）及び前記光学変位センサ（１４０）からのセンサデータを受信するように連結され、金属基材（１８５）の少なくとも１つの側面上にコーティング層（１８７）を含むコーティングされた基材（１８０）を測定するときに取得された前記センサデータを分析して、前記コーティング層（１８７）の少なくとも厚さを決定するように適合された、コンピューティングデバイス（１５０）と、を備える、センサシステム（１００）。
2. 前記励起電子回路が、反復パルス電流信号を前記コイルに提供し、前記センサデータの前記分析が、受信された波形又はそこから導出された統計値として前記センサデータを較正値と比較することによって、前記渦電流センサによって感知された波形を分析することを含む、請求項１に記載のセンサシステム。
3. 前記励起電子回路が、単一の周波数で前記反復パルス電流信号を提供するように構成され、前記センサデータの前記分析が、前記コイルの両端の電圧及び前記コイルの位相のうちの少なくとも１つを、計算又は測定された較正曲線と比較することを含む、請求項２に記載のセンサシステム。
4. 少なくとも１つのヘッド（１９１、１９２）及び並進機構（１９５）を含むスキャナ（１９０）を更に備え、少なくとも前記渦電流センサ及び前記光学変位センサが、前記少なくとも１つのヘッド（１９１、１９２）内に収容されている、請求項１に記載のセンサシステム。
5. 前記コーティング層が、上部コーティング層（１８７）及び下部コーティング層（１８６）を含み、前記少なくとも１つのヘッドが、前記上部コーティング層（１８７）の厚さを測定するための上部ヘッド（１９１）と、前記下部コーティング層（１８６）の厚さを測定するための下部ヘッド（１９２）と、を含む、請求項４に記載のセンサシステム。
6. 前記上部ヘッド内及び前記下部ヘッド内の前記光学変位センサ間の距離が既知であり、前記分析することが、前記コーティングされた基材の厚さ及び前記下部コーティング層の厚さを決定することを更に含む、請求項５に記載のセンサシステム。
7. 金属基材（１８５）上にコーティング層（１８７）を含むコーティングされた基材（１８０）の厚さを測定する方法であって、
   光学変位センサと渦電流センサとの間の垂直距離を固定するように、少なくとも１つのコイル（１２０ａ）及び前記コイル（１２０ａ）の両端に連結された励起電子回路（１２１）を含む渦電流センサ（１２０）と、前記渦電流センサ（１２０）に固設された光学変位センサ（１４０）を含むセンサシステム（１００）であって、前記光学変位センサ（１４０）は、前記光学変位センサ（１４０）の測定軸が前記コイル（１２０ａ）の対称軸と同一直線上にあるように、前記コイル（１２０ａ）の上部上にかつ前記コイル（１２０ａ）と同心に位置し、プロセッサ（１５１）及びメモリ（１５２）を含み、前記コイル（１２０ａ）に、かつ前記光学変位センサ（１４０）の出力に連結されたコンピューティングデバイス（１５０）と、を含む、センサシステム（１００）を提供することと、
   前記渦電流センサ（１２０）及び前記光学変位センサ（１４０）が、各々、前記コーティングされた基材（１８０）を測定することから受信されたセンサデータを生成することと、
   前記コンピューティングデバイス（１５０）が、前記渦電流センサ（１２０）及び前記光学変位センサ（１４０）から受信された前記センサデータを分析して、前記コーティング層（１８７）の少なくとも前記厚さを決定することと、を含む、方法。
8. 前記励起電子回路が、反復パルス電流信号を前記コイルに提供し、前記センサデータの前記分析が、受信された波形又はそこから導出された統計値として前記受信センサデータを較正値と比較することによって、前記渦電流センサによって感知された波形を分析することを含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記励起電子回路が、単一の周波数で前記反復パルス電流信号を提供するように構成され、前記センサデータの前記分析が、前記コイルの両端の電圧及び前記コイルの位相のうちの少なくとも１つを、計算又は測定された較正曲線と比較することを含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記センサシステムが、少なくとも１つのヘッド（１９１、１９２）及び並進機構（１９５）を含むスキャナ（１９０）を更に備え、少なくとも前記渦電流センサ及び前記光学変位センサが、前記少なくとも１つのヘッド（１９１、１９２）内に収容されている、請求項７に記載の方法。

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