JP2024047817A - Foreign object detection device - Google Patents

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Abstract

【課題】リチウムイオン電池等の検出対象物内の異物を非破壊かつ高精度で検出する。【解決手段】計測器１０と、測定対象物２００と計測器１０とを電気的に接続する伝送線路１２とを備え、測定対象物２００及び伝送線路１２を含む電気回路のインピーダンスを計測器１０によって測定し、測定されたインピーダンスの変化から測定対象物２００内の異物を検出する。【選択図】図１[Problem] To non-destructively and highly accurately detect foreign objects in a detection object such as a lithium ion battery. [Solution] The device includes a measuring instrument 10 and a transmission line 12 that electrically connects the measurement object 200 and the measuring instrument 10, and measures the impedance of an electric circuit including the measurement object 200 and the transmission line 12 with the measuring instrument 10, and detects foreign objects in the measurement object 200 from changes in the measured impedance. [Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、リチウムイオン電池等の異物検出装置に関する。 The present invention relates to a foreign object detection device for lithium ion batteries, etc.

検査対象物の静電容量の微小な変化を高精度で検出するための静電容量型変位センサが開示されている（特許文献１）。測定対象物と対向するプローブ内に２つの電圧の周波数特性を急峻化させるＲＬＣ共振回路を採用し、ＲＬＣ共振回路の共振周波数特性をそれぞれの共振点がわずかに異なるようにする。測定対象の容量成分が変化することに伴って共振周波数に変化が生じることで、特定周波数における共振電流の強度が変化することを利用して高い感度の静電容量検出を行う。 A capacitance-type displacement sensor for detecting minute changes in the capacitance of an object to be measured with high accuracy has been disclosed (Patent Document 1). An RLC resonant circuit that sharpens the frequency characteristics of two voltages is employed in a probe facing the object to be measured, and the resonant frequency characteristics of the RLC resonant circuit are set so that the respective resonant points are slightly different. A change in the resonant frequency occurs as the capacitive component of the object to be measured changes, and this causes a change in the strength of the resonant current at a specific frequency, allowing for highly sensitive capacitance detection.

また、複数の部材を組み合わせ構成される構造体の磁気を測定し、当該構造体の磁気の情報に基づいて構造体に含まれる金属異物を検出する異物検出技術が開示されている（特許文献２）。 Also disclosed is a foreign object detection technology that measures the magnetic field of a structure formed by combining multiple components and detects metallic foreign objects contained in the structure based on the magnetic information of the structure (Patent Document 2).

特開２０１７－１６７１４３号公報JP 2017-167143 A 特開２０１２－１３８３１８号公報JP 2012-138318 A

ＬＣ共振回路を用いた静電容量型変位センサでは、ＬＣ共振の共振周波数は容量成分や誘導成分といったインピーダンスの虚部成分によって変化することから、虚部成分の微小変化を検出するためには有効な手法である。しかしながら、当該技術は、インピーダンスの実部成分の変化には感度がない。検出対象物内の異物によってはインピーダンスの実部成分にも影響することもあり、虚部成分の微小変化を伴わず、実部成分の微小変化のみを示す異物の検出には適用できない。 In a capacitive displacement sensor using an LC resonant circuit, the resonant frequency of the LC resonant circuit changes depending on the imaginary component of the impedance, such as the capacitive component and the inductive component, making this an effective method for detecting minute changes in the imaginary component. However, this technology is not sensitive to changes in the real component of the impedance. Some foreign objects in the object to be detected may also affect the real component of the impedance, and so this technology cannot be applied to the detection of foreign objects that only show minute changes in the real component, without any minute changes in the imaginary component.

また、磁気情報に基づいて構造体に含まれる金属異物を検出する技術では、電池に対して着磁と適切な消磁の操作を行うことで磁性を有する異物検出することができる。しかしながら、電池に混入する異物としてはアルミニウムや銅といった非磁性の金属もあり、当該技術ではこれらの異物の検出は困難である。 In addition, a technology that detects metallic foreign objects contained in a structure based on magnetic information can detect magnetic foreign objects by magnetizing and appropriately demagnetizing the battery. However, foreign objects that may get into batteries include non-magnetic metals such as aluminum and copper, and this technology has difficulty detecting these foreign objects.

本発明の１つの態様は、計測器と、測定対象物と前記計測器とを電気的に接続する伝送線路と、を備え、前記測定対象物及び前記伝送線路を含む電気回路のインピーダンスを前記計測器によって測定し、測定された前記インピーダンスの変化から前記測定対象物内の異物を検出することを特徴とする異物検出装置である。 One aspect of the present invention is a foreign object detection device that includes a measuring instrument and a transmission line that electrically connects the object to be measured to the measuring instrument, measures the impedance of an electric circuit including the object to be measured and the transmission line using the measuring instrument, and detects a foreign object in the object to be measured based on a change in the measured impedance.

ここで、前記インピーダンスの変化は、前記電気回路の共振周波数又は共振のピーク値の変化から検出することが好適である。 Here, it is preferable to detect the change in impedance from a change in the resonant frequency or the peak value of the resonant frequency of the electrical circuit.

また、前記計測器と前記測定対象物との間にインピーダンス調整回路を設け、前記インピーダンス調整回路によって前記電気回路のインピーダンスを調整可能であることが好適である。 It is also preferable to provide an impedance adjustment circuit between the measuring instrument and the object to be measured, and to be able to adjust the impedance of the electrical circuit by the impedance adjustment circuit.

また、前記インピーダンスの変化は、前記インピーダンスの実部成分及び虚部成分の測定値のばらつきが所定の精度閾値未満となる周波数帯域において検出することが好適である。 It is also preferable that the change in impedance is detected in a frequency band in which the variation in the measured values of the real and imaginary components of the impedance is less than a predetermined accuracy threshold.

また、前記伝送線路の電気長を変更することによって測定周波数を調整することが好適である。例えば、複数の前記伝送線路を切り替えることによって前記伝送線路の電気長を変更することが好適である。例えば、前記伝送線路の比誘電率及び比透磁率の少なくとも１つを変化させることで前記伝送線路の電気長を変更することが好適である。 It is also preferable to adjust the measurement frequency by changing the electrical length of the transmission line. For example, it is preferable to change the electrical length of the transmission line by switching between a plurality of the transmission lines. For example, it is preferable to change the electrical length of the transmission line by changing at least one of the relative permittivity and the relative permeability of the transmission line.

また、前記測定対象物は、リチウムイオン電池であることが好適である。 It is also preferable that the object to be measured is a lithium ion battery.

本発明によれば、リチウムイオン電池等の測定対象物内の異物がインピーダンスの実部成分のみに影響したり、非磁性であったりしても非破壊かつ高精度で検出することができる。 According to the present invention, foreign objects in a measurement target, such as a lithium-ion battery, can be detected nondestructively and with high accuracy even if they only affect the real component of the impedance or are nonmagnetic.

本発明の実施の形態における異物検出装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a foreign object detection device according to an embodiment of the present invention; 本発明の実施の形態における伝送線路の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a transmission line according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における伝送線路の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a transmission line according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における異物検出装置のシャントスルー接続モデルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a shunt-through connection model of a foreign object detection device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における異物検出装置のＳパラメータ行列表現を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an S-parameter matrix representation of the foreign object detection device according to the embodiment of the present invention. 測定対象物の負荷インピーダンスの実部成分の変化に対する共振周波数の変化の関係を示す図である。11 is a diagram showing the relationship between a change in resonant frequency and a change in the real component of the load impedance of the object to be measured. FIG. 測定対象物の負荷インピーダンスの虚部成分の変化に対する共振周波数の変化の関係を示す図である。11 is a diagram showing the relationship between a change in the imaginary part of the load impedance of the object to be measured and a change in the resonant frequency. FIG. 測定対象物の負荷インピーダンスの実部成分と虚部成分の比率に対する共振周波数の変化の関係を示す図である。11 is a diagram showing the relationship between the change in resonant frequency and the ratio of the real component to the imaginary component of the load impedance of the object to be measured. FIG. 本発明の実施の形態における異物検出装置の構成の別例を示す図である。11 is a diagram showing another example of the configuration of a foreign object detection device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における異物検出装置の構成の別例を示す図である。11 is a diagram showing another example of the configuration of a foreign object detection device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態における異物検出装置の構成の別例を示す図である。11 is a diagram showing another example of the configuration of a foreign object detection device according to an embodiment of the present invention. 本発明の実施の形態におけるインピーダンス調整回路を含む異物検出装置の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of a foreign object detection device including an impedance adjustment circuit according to an embodiment of the present invention; 本実施の形態におけるインピーダンス調整回路の構成を示す図である。1 is a diagram showing a configuration of an impedance adjustment circuit according to an embodiment of the present invention; 本実施の形態における異物検出方法を示すフローチャートである。4 is a flowchart showing a foreign object detection method according to the present embodiment.

本発明の実施の形態における異物検出装置１００は、図１に示すように、計測器１０及び伝送線路１２（１２ａ，１２ｂ）を含んで構成される。異物検出装置１００では、計測器１０と測定対象物２００とを伝送線路１２によって電気的に接続した状態において測定対象物２００内に存在する異物の検出を行う。 As shown in FIG. 1, the foreign object detection device 100 according to the embodiment of the present invention includes a measuring instrument 10 and a transmission line 12 (12a, 12b). The foreign object detection device 100 detects a foreign object present in the measurement object 200 while the measuring instrument 10 and the measurement object 200 are electrically connected by the transmission line 12.

計測器１０は、測定対象物２００について電力、電圧及び電流の少なくとも１つの反射及び透過が測定可能な計測装置である。計測器１０は、例えばネットワークアナライザとすることができる。 The measuring instrument 10 is a measuring device capable of measuring the reflection and transmission of at least one of power, voltage, and current for the measurement object 200. The measuring instrument 10 may be, for example, a network analyzer.

伝送線路１２（１２ａ，１２ｂ）は、計測器１０と測定対象物２００とを電気的に接続する電線である。伝送線路１２は、図２に示すように、信号線１４及びリターン線１６を同軸上に配置して、その間を絶縁体１８で電気的に絶縁した同軸ケーブルとすることができる。また、伝送線路１２は、図３に示すように、板状の絶縁体１８の表面に信号線１４を配置し、裏面にリターン線１６を配置した構造を有するマイクロストリップラインとしてもよい。なお、伝送線路１２は、これらに限定されるものではなく、ツイストペアケーブル等としてもよい。 The transmission line 12 (12a, 12b) is an electric wire that electrically connects the measuring instrument 10 and the measurement target 200. As shown in FIG. 2, the transmission line 12 can be a coaxial cable in which a signal line 14 and a return line 16 are arranged coaxially and electrically insulated between them by an insulator 18. As shown in FIG. 3, the transmission line 12 may be a microstrip line having a structure in which the signal line 14 is arranged on the front side of a plate-shaped insulator 18 and the return line 16 is arranged on the back side. Note that the transmission line 12 is not limited to these, and may be a twisted pair cable, etc.

測定対象物２００は、特に限定されるものではなく、例えば電池とすることができる。具体的には、測定対象物２００は、例えばリチウムイオン電池とすることができる。測定対象物２００を電池とした場合、伝送線路１２によって測定対象物２００の正電極及び負電極をそれぞれ計測器１０に電気的に接続した状態で異物の検出を行う。 The object to be measured 200 is not particularly limited, and can be, for example, a battery. Specifically, the object to be measured 200 can be, for example, a lithium ion battery. When the object to be measured 200 is a battery, foreign objects are detected with the positive and negative electrodes of the object to be measured 200 electrically connected to the measuring instrument 10 via the transmission line 12.

図１に示した異物検出装置１００では、伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂを介して計測器１０の２つポートをそれぞれ測定対象物２００に電気的に接続したシャントスルー接続としている。すなわち、伝送線路１２ａの信号線１４ａを介して、計測器１０の第１のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極の一方を接続する。また、伝送線路１２ｂの信号線１４ｂを介して、計測器１０の第２のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極のうち信号線１４ａを接続した側の電極に接続する。また、伝送線路１２ａのリターン線１６ａを介して、計測器１０の第１のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極のうち信号線１４ａが接続されていない側の電極を接続する。さらに、伝送線路１２ｂのリターン線１６ｂを介して、計測器１０の第２のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極のうちリターン線１６ａが接続された側の電極を接続する。 In the foreign object detection device 100 shown in FIG. 1, the two ports of the measuring instrument 10 are electrically connected to the object to be measured 200 via the transmission line 12a and the transmission line 12b, respectively, in a shunt-through connection. That is, one of the positive and negative electrodes of the object to be measured 200 is connected to the first port of the measuring instrument 10 via the signal line 14a of the transmission line 12a. Also, the positive and negative electrodes of the object to be measured 200, which are connected to the signal line 14a, are connected to the second port of the measuring instrument 10 via the signal line 14b of the transmission line 12b. Also, the positive and negative electrodes of the object to be measured 200, which are not connected to the signal line 14a, are connected to the first port of the measuring instrument 10 via the return line 16a of the transmission line 12a. Furthermore, the positive and negative electrodes of the object to be measured 200, which are connected to the return line 16a, are connected to the second port of the measuring instrument 10 via the return line 16b of the transmission line 12b.

異物検出装置１００では、Ｓパラメータに基づいて測定対象物２００のインピーダンスを測定する。異物検出装置１００では伝送線路１２を介して計測器１０と測定対象物２００とが接続されており、共振が発生し、測定対象物２００のインピーダンスの変化を共振周波数の変化から計測可能である。また、伝送線路１２の長さ、誘電率、透磁率の少なくとも１つを変えることで伝送線路１２の電気長を変化させ、共振周波数を調整し、任意の周波数でインピーダンスの変化を測定することも可能である。 The foreign object detection device 100 measures the impedance of the measurement object 200 based on the S-parameters. In the foreign object detection device 100, the measuring instrument 10 and the measurement object 200 are connected via the transmission line 12, and resonance occurs, making it possible to measure the change in impedance of the measurement object 200 from the change in the resonance frequency. It is also possible to change at least one of the length, dielectric constant, and magnetic permeability of the transmission line 12 to change the electrical length of the transmission line 12, adjust the resonance frequency, and measure the change in impedance at any frequency.

図４及び図５は、伝送線路１２を含むシャントスルー接続モデル及びＳパラメータ行列表現をそれぞれ示す。ここで、Ｚ０は回路の特性インピーダンス、Ｚｒｅｆは基準インピーダンス、ＺＬは測定対象物２００の負荷インピーダンス、ｌは伝送線路１２の線路長、ＳＺＬは負荷インピーダンスのＳパラメータ行列、ＳＴＬは伝送線路１２のＳパラメータ行列を示す。このモデルにおいて、負荷インピーダンスＺＬ及び伝送線路１２のＳパラメータＳＴＬは、それぞれ数式（１）及び数式（２）で表される。 4 and 5 respectively show a shunt-through connection model including the transmission line 12 and an S-parameter matrix expression. Here, Z0 is the characteristic impedance of the circuit, Zref is the reference impedance, ZL is the load impedance of the measurement target 200, 1 is the line length of the transmission line 12, SZL is the S-parameter matrix of the load impedance, and STL is the S-parameter matrix of the transmission line 12. In this model, the load impedance ZL and the S-parameter STL of the transmission line 12 are expressed by Equation (1) and Equation (2), respectively.

Figure 2024047817000002
Figure 2024047817000002

Figure 2024047817000003
Figure 2024047817000003

数式（１）及び数式（２）から合成Ｓパラメータは数式（３）で表される。 From equation (1) and equation (2), the composite S-parameter is expressed by equation (3).

Figure 2024047817000004
Figure 2024047817000004

シャントスルー接続の構成では、観測上の負荷インピーダンスＺＬ，ｏｂｓｅｒｖｅｄは数式（３）の合成Ｓパラメータの２行１列目の要素Ｓ２１から数式（４）のように算出される。 In the shunt-through connection configuration, the observed load impedance Z L,observed is calculated as shown in Equation (4) from element S 21 in the second row and first column of the composite S parameter of Equation (3).

Figure 2024047817000005
Figure 2024047817000005

負荷インピーダンスＺＬを実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘに分解して、ＺＬ＝Ｒ＋ｊＸとして表すと数式（５）となる。 When the load impedance ZL is decomposed into a real component R and an imaginary component X and expressed as ZL =R+jX, the equation (5) is obtained.

Figure 2024047817000006
Figure 2024047817000006

図６及び図７は、それぞれ数式（５）において負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘが変化した際の共振周波数の変化を示す。負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの変化に伴って共振周波数がシフトすることが確認できた。 6 and 7 respectively show the change in the resonant frequency when the real part R and imaginary part X of the load impedance ZL are changed in the formula (5). It was confirmed that the resonant frequency shifts with the change in the real part R and imaginary part X of the load impedance ZL .

すなわち、異物検出装置１００の計測器１０を用いて共振周波数の変化を検出することによって負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの変化を検出することができる。測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘは測定対象物２００内に異物が入り込む前後によって変化するので、共振周波数の変化から測定対象物２００内に存在する異物を検出することができる。特に、共振周波数を異物の検出に利用することで、測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの虚部成分Ｘのみならず、実部成分Ｒのみに変化を及ぼす異物や非磁性の異物も検出することができる。 That is, by detecting a change in the resonant frequency using the measuring instrument 10 of the foreign object detection device 100, it is possible to detect changes in the real part R and imaginary part X of the load impedance ZL . Since the real part R and imaginary part X of the load impedance ZL of the object to be measured 200 change before and after a foreign object enters the object to be measured 200, it is possible to detect a foreign object present in the object to be measured 200 from a change in the resonant frequency. In particular, by using the resonant frequency to detect foreign objects, it is possible to detect not only the imaginary part X of the load impedance ZL of the object to be measured 200, but also foreign objects that change only the real part R and non-magnetic foreign objects.

なお、負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘを検出する計測の分解能は外乱により精度が１％程度となるのに対して、周波数を決定する位相同期回路（ＰＬＬ）は自由に周波数を変更することができ、狭帯域のバンドパスフィルタを用いることによって高い分解能を実現することができる。 Incidentally, the measurement resolution for detecting the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL has an accuracy of about 1% due to disturbances, whereas the phase locked loop (PLL) that determines the frequency can freely change the frequency, and high resolution can be achieved by using a narrow band pass filter.

図８は、数式（５）における負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの比率（Ｒ／Ｘ）の変化に対する共振周波数の変化率を示す。図８に示されるように、負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの比率と共振周波数の変化率には相間関係がある。負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの比率がある値になると共振周波数の変化率は極大を示す。なお、負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの比率をこの値に近づけておくことによって、負荷インピーダンスＺＬの変化に対する共振周波数の変化量を最大に近づけることができる。 8 shows the rate of change of the resonant frequency with respect to the change in the ratio (R/X) of the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL in the formula (5). As shown in FIG. 8, there is a correlation between the ratio of the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL and the rate of change of the resonant frequency. When the ratio of the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL reaches a certain value, the rate of change of the resonant frequency shows a maximum. By keeping the ratio of the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL close to this value, the amount of change of the resonant frequency with respect to the change of the load impedance ZL can be made close to the maximum.

以上のように、共振周波数や共振のピーク値の変化を捉えることによって負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの微小な変化を増感して検出することが可能である。すなわち、共振周波数や共振のピーク値の変化から負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘに影響を与える測定対象物２００内の異物の存在を検出することができる。 As described above, by capturing the change in the resonance frequency or the peak value of the resonance, it is possible to enhance and detect minute changes in the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL . In other words, it is possible to detect the presence of a foreign object in the measurement object 200 that affects the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL from the change in the resonance frequency or the peak value of the resonance.

なお、計測器１０と測定対象物２００との接続方式は、図１に示したシャントスルー接続に限定されるものではない。 The connection method between the measuring instrument 10 and the measurement object 200 is not limited to the shunt-through connection shown in FIG. 1.

例えば、図９に示すように、反射法接続とした異物検出装置１０２としてもよい。異物検出装置１０２では、伝送線路１２ａを介して計測器１０の１つポートを測定対象物２００に電気的に接続した構成としている。すなわち、伝送線路１２ａの信号線１４ａを介して、計測器１０の第１のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極の一方を接続する。また、伝送線路１２ａのリターン線１６ａを介して、計測器１０の第１のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極のうち信号線１４ａを接続していない側の電極に接続する。 For example, as shown in FIG. 9, a foreign object detection device 102 may be configured with a reflection method connection. In the foreign object detection device 102, one port of the measuring instrument 10 is electrically connected to the measurement object 200 via the transmission line 12a. That is, one of the positive electrode and the negative electrode of the measurement object 200 is connected to the first port of the measuring instrument 10 via the signal line 14a of the transmission line 12a. In addition, the positive electrode and the negative electrode of the measurement object 200 that is not connected to the signal line 14a are connected to the first port of the measuring instrument 10 via the return line 16a of the transmission line 12a.

異物検出装置１０２では、観測上の負荷インピーダンスＺＬ，ｏｂｓｅｒｖｅｄは数式（６）で表すことができる。 In the foreign object detection device 102, the load impedance Z L,observed on observation can be expressed by the following equation (6).

Figure 2024047817000007
Figure 2024047817000007

また、例えば、図１０に示すように、シリーズスルー接続とした異物検出装置１０４としてもよい。異物検出装置１０４では、伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂを介して計測器１０の２つポートをそれぞれ測定対象物２００に電気的に接続した構成としている。すなわち、伝送線路１２ａの信号線１４ａを介して、計測器１０の第１のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極の一方を接続する。また、伝送線路１２ｂの信号線１４ｂを介して、計測器１０の第２のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極のうち信号線１４ａを接続していない側の電極を接続する。また、伝送線路１２ａのリターン線１６ａ及び伝送線路１２ｂのリターン線１６ｂを介して、計測器１０の第１のポートと第２のポートを接続する。 Also, for example, as shown in FIG. 10, a foreign object detection device 104 may be configured with a series-through connection. In the foreign object detection device 104, two ports of the measuring instrument 10 are electrically connected to the measurement object 200 via the transmission line 12a and the transmission line 12b. That is, one of the positive electrode and the negative electrode of the measurement object 200 is connected to the first port of the measuring instrument 10 via the signal line 14a of the transmission line 12a. Also, the electrode of the positive electrode and the negative electrode of the measurement object 200 that is not connected to the signal line 14a is connected to the second port of the measuring instrument 10 via the signal line 14b of the transmission line 12b. Also, the first port and the second port of the measuring instrument 10 are connected via the return line 16a of the transmission line 12a and the return line 16b of the transmission line 12b.

また、例えば、図１１に示すように、四端子対接続とした異物検出装置１０６としてもよい。なお、異物検出装置１０６では、計測器１０は４つのポートを備える。異物検出装置１０６では、伝送線路１２ａ、伝送線路１２ｂ、伝送線路１２ｃ及び伝送線路１２ｄを介して計測器１０の４つポートをそれぞれ測定対象物２００に電気的に接続した構成としている。すなわち、伝送線路１２ａの信号線１４ａを介して、計測器１０の第１のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極の一方を接続する。また、伝送線路１２ｂの信号線１４ｂを介して、計測器１０の第２のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極のうち信号線１４ａを接続した側の電極を接続する。伝送線路１２ｃの信号線１４ｃを介して、計測器１０の第３のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極の信号線１４ａ及び信号線１４ｂが接続されていない側の電極を接続する。また、伝送線路１２ｄの信号線１４ｄを介して、計測器１０の第４のポートに対して測定対象物２００の正電極及び負電極の信号線１４ｃが接続された側の電極を接続する。さらに、伝送線路１２ａのリターン線１６ａ及び伝送線路１２ｃのリターン線１６ｃを介して、計測器１０の第１のポートと第３のポートを接続する。また、第２のポートの伝送線路１２ｂのリターン線１６ｂ及び第４のポートの伝送線路１２ｄのリターン線１６ｄは電気的に解放状態とする。 For example, as shown in FIG. 11, the foreign object detection device 106 may be a four-terminal pair connection. In the foreign object detection device 106, the measuring instrument 10 has four ports. In the foreign object detection device 106, the four ports of the measuring instrument 10 are electrically connected to the measurement object 200 via the transmission lines 12a, 12b, 12c, and 12d. That is, one of the positive electrode and the negative electrode of the measurement object 200 is connected to the first port of the measuring instrument 10 via the signal line 14a of the transmission line 12a. In addition, the electrode of the positive electrode and the negative electrode of the measurement object 200 that is connected to the signal line 14a is connected to the second port of the measuring instrument 10 via the signal line 14b of the transmission line 12b. The electrodes of the positive and negative electrodes of the object to be measured 200, to which the signal lines 14a and 14b are not connected, are connected to the third port of the measuring instrument 10 via the signal line 14c of the transmission line 12c. The electrodes of the positive and negative electrodes of the object to be measured 200, to which the signal line 14c is connected, are connected to the fourth port of the measuring instrument 10 via the signal line 14d of the transmission line 12d. Furthermore, the first port and the third port of the measuring instrument 10 are connected via the return line 16a of the transmission line 12a and the return line 16c of the transmission line 12c. The return line 16b of the transmission line 12b of the second port and the return line 16d of the transmission line 12d of the fourth port are electrically released.

異物検出装置１０４及び異物検出装置１０６では、観測上の負荷インピーダンスＺＬ，ｏｂｓｅｒｖｅｄは数式（７）で表すことができる。 In the foreign object detection device 104 and the foreign object detection device 106, the load impedance Z L,observed on observation can be expressed by the following equation (7).

Figure 2024047817000008
Figure 2024047817000008

すなわち、異物検出装置１０２，１０４，１０６の計測器１０を用いて共振周波数の変化を検出することによって、異物検出装置１００と同様に、負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの変化を検出することができる。したがって、共振周波数の変化から測定対象物２００内に存在する異物を検出することができる。 That is, by detecting a change in the resonant frequency using the measuring device 10 of the foreign object detection devices 102, 104, 106, it is possible to detect changes in the real component R and imaginary component X of the load impedance ZL in the same way as the foreign object detection device 100. Therefore, it is possible to detect a foreign object present in the measurement object 200 from the change in the resonant frequency.

また、図１２に示すように、計測器１０と測定対象物２００の間にインピーダンス調整回路１１０を設けてもよい。図８に示したように測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの変化に対する共振周波数の変化率は測定対象のインピーダンス値にも影響される。そこで、インピーダンス調整回路１１０を用いることで測定対象物２００の見かけの負荷インピーダンスＺＬを変化させることで測定感度を向上させることができる。インピーダンス調整回路１１０は、異物検出装置１０２，１０４，１０６の構成に対しても同様に適用することができる。 Also, as shown in Fig. 12, an impedance adjustment circuit 110 may be provided between the measuring instrument 10 and the object to be measured 200. As shown in Fig. 8, the rate of change of the resonant frequency with respect to a change in the load impedance ZL of the object to be measured 200 is also affected by the impedance value of the object to be measured. Therefore, by using the impedance adjustment circuit 110, the apparent load impedance ZL of the object to be measured 200 can be changed, thereby improving the measurement sensitivity. The impedance adjustment circuit 110 can be similarly applied to the configurations of the foreign object detection devices 102, 104, and 106.

インピーダンス調整回路１１０は、図１３に示すように、例えばＴ型にインピーダンス素子２０、インピーダンス素子２２、インピーダンス素子２４を接続した回路構成とすることができる。ただし、インピーダンス調整回路１１０の構成は、測定対象物２００の見かけの負荷インピーダンスＺＬを調整するものであればよく、Ｌ型にインピーダンス素子を接続した回路構成等としてもよい。 13, the impedance adjustment circuit 110 may have a circuit configuration in which the impedance element 20, the impedance element 22, and the impedance element 24 are connected in a T-shape. However, the impedance adjustment circuit 110 may have any configuration as long as it adjusts the apparent load impedance ZL of the measurement target 200, and may have a circuit configuration in which the impedance elements are connected in an L-shape.

図１４は、測定対象物２００内の異物検出方法を示すフローチャートである。以下、図１４のフローチャートを参照して、異物検出装置１００を用いた測定対象物２００内の異物検出方法について説明する。なお、下記の異物検出方法は、異物検出装置１０２，１０４，１０６についても同様に適用することができる。 Figure 14 is a flowchart showing a method for detecting a foreign object in the measurement object 200. Below, the method for detecting a foreign object in the measurement object 200 using the foreign object detection device 100 will be described with reference to the flowchart in Figure 14. Note that the foreign object detection method described below can also be similarly applied to the foreign object detection devices 102, 104, and 106.

ステップＳ１０では、２種類以上の電気長の伝送線路を用いて測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの基準値及び精度を測定する。すなわち、伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂの電気長を変換して測定周波数を調整したうえで測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの基準値及び精度を測定する。例えば、伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂのそれぞれについて互いに異なる電気長である伝送線路を複数設けておき、それらを切り替えることによって伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂの電気長を変換して測定周波数を調整することができる。また、例えば、伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂの比誘電率又は比透磁率を変更可能な構成としておき、比誘電率又は比透磁率を変化させることによって伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂの電気長を変換して測定周波数を調整することができる。なお、負荷インピーダンスＺＬの精度とは、測定における負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの測定値のばらつきを意味する。 In step S10, the reference value and accuracy of the load impedance ZL of the measurement target 200 are measured using transmission lines with two or more different electrical lengths. That is, the electrical lengths of the transmission lines 12a and 12b are converted to adjust the measurement frequency, and then the reference value and accuracy of the load impedance ZL of the measurement target 200 are measured. For example, a plurality of transmission lines with different electrical lengths are provided for each of the transmission lines 12a and 12b, and the measurement frequency can be adjusted by converting the electrical lengths of the transmission lines 12a and 12b by switching between them. Also, for example, the relative dielectric constant or relative permeability of the transmission lines 12a and 12b is configured to be changeable, and the measurement frequency can be adjusted by changing the relative dielectric constant or relative permeability. The accuracy of the load impedance ZL means the variation in the measured values of the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL in the measurement.

ステップＳ１２では、得られた負荷インピーダンスＺＬの基準値を踏まえて、計測器１０によって計測可能な周波数範囲において共振周波数の変化又は共振のピーク値に対する測定感度が最大化されるようにインピーダンス調整回路１１０のインピーダンスを調整する。すなわち、測定対象物２００内への異物の侵入等によって測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬが変化したときに、計測器１０で測定される共振周波数の変化又は共振のピーク値が最大化されるようにインピーダンス調整回路１１０のインピーダンスを調整する。 In step S12, based on the obtained reference value of the load impedance ZL , the impedance of the impedance adjustment circuit 110 is adjusted so as to maximize the measurement sensitivity to the change in resonance frequency or the peak value of resonance in the frequency range measurable by the measuring instrument 10. In other words, when the load impedance ZL of the object to be measured 200 changes due to the intrusion of a foreign object into the object to be measured 200, the impedance of the impedance adjustment circuit 110 is adjusted so as to maximize the change in resonance frequency or the peak value of resonance measured by the measuring instrument 10.

ステップＳ１４では、伝送線路１２ａ及び伝送線路１２ｂの電気長を変化させることで測定周波数を変化させながら測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬを測定する。すなわち、様々な周波数における共振周波数の変化と逆に共振の影響を除外した周波数帯域における負荷インピーダンスＺＬの変化を網羅的に検出する。 In step S14, the load impedance ZL of the measurement target 200 is measured while changing the measurement frequency by changing the electrical lengths of the transmission lines 12a and 12b. That is, changes in the resonant frequency at various frequencies and, conversely, changes in the load impedance ZL in a frequency band excluding the effects of resonance are comprehensively detected.

ステップＳ１６では、ステップＳ１４において測定された測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬが高精度か低精度かを判定する。ここで、高精度とは、測定における負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ又は虚部成分Ｘの測定のばらつきが所定の精度閾値未満であり、低精度とは、当該精度閾値以上であることを意味する。閾値は、測定装置を含む測定系、測定対象物、異物等に応じて適宜設定することが好適である。測定された測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬが高精度であると判定した場合にはステップＳ１８に処理を移行させ、低精度であると判定した場合にはステップＳ２０へ処理を移行させる。 In step S16, it is determined whether the load impedance ZL of the measurement object 200 measured in step S14 is highly accurate or low accurate. Here, high accuracy means that the measurement variation of the real component R or the imaginary component X of the load impedance ZL in the measurement is less than a predetermined accuracy threshold, and low accuracy means that the measurement variation is equal to or greater than the accuracy threshold. It is preferable to set the threshold appropriately depending on the measurement system including the measurement device, the measurement object, the foreign object, etc. If it is determined that the measured load impedance ZL of the measurement object 200 is highly accurate, the process proceeds to step S18, and if it is determined that the measured load impedance ZL is low accurate, the process proceeds to step S20.

ステップＳ１８では、負荷インピーダンスＺＬが高精度で測定されたものとして、共振周波数や共振のピーク値の変化に基づいて測定対象物２００内の異物の存在を検出する。すなわち、測定対象物２００内に異物が存在していない状況における共振周波数や共振のピーク値に対する測定された共振周波数や共振のピーク値の変化量が所定の基準変化量以上となった場合に測定対象物２００内に異物が存在すると判定する。 In step S18, assuming that the load impedance ZL has been measured with high accuracy, the presence of a foreign object in the object to be measured 200 is detected based on changes in the resonance frequency and the peak value of resonance. That is, when the amount of change in the measured resonance frequency and the peak value of resonance with respect to the resonance frequency and the peak value of resonance in a situation where no foreign object is present in the object to be measured 200 becomes equal to or exceeds a predetermined reference amount of change, it is determined that a foreign object is present in the object to be measured 200.

一方、ステップＳ２０では、共振周波数付近における負荷インピーダンスＺＬの測定のばらつきが大きいため、共振周波数付近でない周波数帯域における測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの測定値に基づいて測定対象物２００内の異物の存在を検出する。ここで、共振周波数付近でない周波数帯域とは、測定における負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ及び虚部成分Ｘの測定のばらつきが上記の精度閾値以上となる周波数帯域である。 On the other hand, in step S20, since there is a large variation in the measurement of the load impedance ZL near the resonant frequency, the presence of a foreign object in the object to be measured 200 is detected based on the measured value of the load impedance ZL of the object to be measured 200 in a frequency band not near the resonant frequency. Here, the frequency band not near the resonant frequency is a frequency band in which the measurement variation of the real component R and the imaginary component X of the load impedance ZL in the measurement is equal to or greater than the above-mentioned accuracy threshold value.

具体的には、測定対象物２００内に異物が存在していない状況における負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒに対する測定された実部成分Ｒの変化量が所定の基準インピーダンス実部変化量以上となった場合に測定対象物２００内に異物が存在すると判定する。または、測定対象物２００内に異物が存在していない状況における負荷インピーダンスＺＬの虚部成分Ｘに対する測定された虚部成分Ｘの変化量が所定の基準インピーダンス虚部変化量以上となった場合に測定対象物２００内に異物が存在すると判定する。この場合、高精度時におけるステップＳ１８の処理に比べると異物検出の感度が低下する可能性があるが、共振によるインピーダンス測定におけるばらつきが小さい周波数帯域を利用することで異物検出の感度はある程度保つことができる。 Specifically, it is determined that a foreign object is present in the object to be measured 200 when the amount of change in the measured real part component R relative to the real part component R of the load impedance ZL in a situation where no foreign object is present in the object to be measured 200 becomes equal to or greater than a predetermined reference impedance real part change amount. Alternatively, it is determined that a foreign object is present in the object to be measured 200 when the amount of change in the measured imaginary part component X relative to the imaginary part component X of the load impedance ZL in a situation where no foreign object is present in the object to be measured 200 becomes equal to or greater than a predetermined reference impedance imaginary part change amount. In this case, the sensitivity of foreign object detection may be reduced compared to the processing of step S18 in the high accuracy mode, but the sensitivity of foreign object detection can be maintained to a certain degree by using a frequency band in which the variation in impedance measurement due to resonance is small.

なお、ステップＳ２０において共振周波数からどの程度離した周波数で測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬを測定するのがよいかは、異物検出装置１００の構成、測定対象物２００の性質、検出対象である異物の種類や特性等に応じて適宜設定することが好適である。 Note that the frequency at which the load impedance ZL of the measurement object 200 is measured from the resonant frequency in step S20 should be appropriately set depending on the configuration of the foreign object detection apparatus 100, the properties of the measurement object 200, the type and characteristics of the foreign object to be detected, etc.

以上のように、共振周波数の変化又は共振のピーク値の変化に基づいて測定対象物２００内の異物を検出することで、測定対象物内の異物がインピーダンスの実部成分のみに影響したり、非磁性であったりしても非破壊かつ高精度で検出することができる。また、測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの測定が高精度である場合は共振周波数の変化を利用して異物を検出し、測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの測定が低精度である場合は負荷インピーダンスＺＬの実部成分Ｒ又は虚部成分Ｘの変化を利用して異物を検出することで、測定対象物２００の負荷インピーダンスＺＬの値や精度に依らず従来技術に比べて高い感度での異物検出が可能となる。 As described above, by detecting a foreign object in the object to be measured 200 based on a change in the resonance frequency or a change in the resonance peak value, even if the foreign object in the object to be measured only affects the real component of the impedance or is non-magnetic, it is possible to detect the foreign object non-destructively and with high accuracy. Furthermore, when the measurement of the load impedance ZL of the object to be measured 200 is highly accurate, a foreign object is detected using a change in the resonance frequency, and when the measurement of the load impedance ZL of the object to be measured 200 is low accuracy, a foreign object is detected using a change in the real component R or imaginary component X of the load impedance ZL , thereby making it possible to detect foreign objects with higher sensitivity than the conventional technology regardless of the value or accuracy of the load impedance ZL of the object to be measured 200.

［本発明の構成］
［構成１］
計測器と、測定対象物と前記計測器とを電気的に接続する伝送線路と、を備え、
前記測定対象物及び前記伝送線路を含む電気回路のインピーダンスを前記計測器によって測定し、測定された前記インピーダンスの変化から前記測定対象物内の異物を検出することを特徴とする異物検出装置。
［構成２］
構成１に記載の異物検出装置であって、
前記インピーダンスの変化は、前記電気回路の共振周波数又は共振のピーク値の変化から検出することを特徴とする異物検出装置。
［構成３］
構成２に記載の異物検出装置であって、
前記計測器と前記測定対象物との間にインピーダンス調整回路を設け、前記インピーダンス調整回路によって前記電気回路のインピーダンスを調整可能であることを特徴とする異物検出装置。
［構成４］
構成１～３のいずれか１項に記載の異物検出装置であって、
前記インピーダンスの変化は、前記インピーダンスの実部成分及び虚部成分の測定値のばらつきが所定の精度閾値未満となる周波数帯域において検出することを特徴とする異物検出装置。
［構成５］
構成１～４のいずれか１項に記載の異物検出装置であって、
前記伝送線路の電気長を変更することによって測定周波数を調整することを特徴とする異物検出装置。
［構成６］
構成５に記載の異物検出装置であって、
複数の前記伝送線路を切り替えることによって前記伝送線路の電気長を変更することを特徴とする異物検出装置。
［構成７］
構成５に記載の異物検出装置であって、
前記伝送線路の比誘電率及び比透磁率の少なくとも１つを変化させることで前記伝送線路の電気長を変更することを特徴とする異物検出装置。
［構成８］
構成１～７のいずれか１項に記載の異物検出装置であって、
前記測定対象物は、リチウムイオン電池であることを特徴とする異物検出装置。 [Configuration of the present invention]
[Configuration 1]
A measuring instrument and a transmission line electrically connecting the measuring object and the measuring instrument,
a measuring instrument for measuring impedance of an electric circuit including the object to be measured and the transmission line, and detecting a foreign object in the object to be measured from a change in the measured impedance.
[Configuration 2]
2. The foreign object detection device according to claim 1,
2. A foreign object detection device comprising: a first detecting section for detecting a change in impedance from a change in a resonance frequency or a peak value of resonance of the electric circuit;
[Configuration 3]
3. The foreign object detection device according to claim 2,
an impedance adjustment circuit is provided between said measuring instrument and said object to be measured, said impedance adjustment circuit being capable of adjusting the impedance of said electrical circuit;
[Configuration 4]
A foreign object detection device according to any one of configurations 1 to 3,
A foreign object detection device, characterized in that the change in impedance is detected in a frequency band in which the variation in measurement values of the real and imaginary components of the impedance is less than a predetermined accuracy threshold value.
[Configuration 5]
A foreign object detection device according to any one of configurations 1 to 4,
A foreign object detection device, comprising: a transmission line having a transmission path having a transmission line; a transmission line having a transmission line having a transmission line;
[Configuration 6]
6. The foreign object detection device according to claim 5,
A foreign object detection device, comprising: a plurality of transmission lines, each of which is switched to change an electrical length of the transmission line.
[Configuration 7]
6. The foreign object detection device according to claim 5,
A foreign object detection device, comprising: a transmission line having a first dielectric constant and a second dielectric constant, the first dielectric constant being changed by changing at least one of the first dielectric constant and the second dielectric constant being changed by changing the electrical length of the transmission line.
[Configuration 8]
The foreign object detection device according to any one of configurations 1 to 7,
A foreign object detection device characterized in that the object to be measured is a lithium ion battery.

１０ 計測器、１２（１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２ｄ） 伝送線路、１４（１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ） 信号線、１６（１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ） リターン線、１８ 絶縁体、２０，２２，２４ インピーダンス素子、１００，１０２，１０４，１０６ 異物検出装置、１１０ インピーダンス調整回路、２００ 測定対象物。
 10 Measuring instrument, 12 (12a, 12b, 12c, 12d) Transmission line, 14 (14a, 14b, 14c, 14d) Signal line, 16 (16a, 16b, 16c, 16d) Return line, 18 Insulator, 20, 22, 24 Impedance element, 100, 102, 104, 106 Foreign object detection device, 110 Impedance adjustment circuit, 200 Measurement object.

Claims (8)

計測器と、測定対象物と前記計測器とを電気的に接続する伝送線路と、を備え、
前記測定対象物及び前記伝送線路を含む電気回路のインピーダンスを前記計測器によって測定し、測定された前記インピーダンスの変化から前記測定対象物内の異物を検出することを特徴とする異物検出装置。 A measuring instrument and a transmission line electrically connecting the measuring object and the measuring instrument,
a measuring instrument for measuring impedance of an electric circuit including the object to be measured and the transmission line, and detecting a foreign object in the object to be measured from a change in the measured impedance. 請求項１に記載の異物検出装置であって、
前記インピーダンスの変化は、前記電気回路の共振周波数又は共振のピーク値の変化から検出することを特徴とする異物検出装置。 2. The foreign object detection device according to claim 1,
2. A foreign object detection device comprising: a first detecting section for detecting a change in impedance from a change in a resonance frequency or a peak value of resonance of the electric circuit; 請求項２に記載の異物検出装置であって、
前記計測器と前記測定対象物との間にインピーダンス調整回路を設け、前記インピーダンス調整回路によって前記電気回路のインピーダンスを調整可能であることを特徴とする異物検出装置。 3. The foreign object detection device according to claim 2,
an impedance adjustment circuit is provided between said measuring instrument and said object to be measured, said impedance adjustment circuit being capable of adjusting the impedance of said electrical circuit; 請求項１～３のいずれか１項に記載の異物検出装置であって、
前記インピーダンスの変化は、前記インピーダンスの実部成分及び虚部成分の測定値のばらつきが所定の精度閾値未満となる周波数帯域において検出することを特徴とする異物検出装置。 The foreign object detection device according to any one of claims 1 to 3,
A foreign object detection device, characterized in that the change in impedance is detected in a frequency band in which the variation in measurement values of the real and imaginary components of the impedance is less than a predetermined accuracy threshold value. 請求項１に記載の異物検出装置であって、
前記伝送線路の電気長を変更することによって測定周波数を調整することを特徴とする異物検出装置。 2. The foreign object detection device according to claim 1,
A foreign object detection device, comprising: a transmission line having a transmission path having a transmission line; a transmission line having a transmission line having a transmission line; 請求項５に記載の異物検出装置であって、
複数の前記伝送線路を切り替えることによって前記伝送線路の電気長を変更することを特徴とする異物検出装置。 6. The foreign object detection device according to claim 5,
A foreign object detection device, comprising: a plurality of transmission lines, each of which is switched to change an electrical length of the transmission line. 請求項５に記載の異物検出装置であって、
前記伝送線路の比誘電率及び比透磁率の少なくとも１つを変化させることで前記伝送線路の電気長を変更することを特徴とする異物検出装置。 6. The foreign object detection device according to claim 5,
A foreign object detection device, comprising: a transmission line having a first dielectric constant and a second dielectric constant, the first dielectric constant being changed by changing at least one of the first dielectric constant and the second dielectric constant being changed by changing the electrical length of the transmission line. 請求項１に記載の異物検出装置であって、
前記測定対象物は、リチウムイオン電池であることを特徴とする異物検出装置。
 2. The foreign object detection device according to claim 1,
A foreign object detection device characterized in that the object to be measured is a lithium ion battery.
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