JP4128397B2 - 電池検査装置 - Google Patents

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    • Y02P70/50Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、容器内に層状に正極板と負極板を交互に配置して成る電池の正極板と負極板の位置ずれを検査する電池検査装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、携帯電話などのモバイル機器の発達や電気自動車の実用化でリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池の需要が拡大している。それに伴いショートや発火が生じない安全で信頼性の高い電池を供給するための電池検査の重要度がますます高まってきている。
【0003】
まず、図7にリチウムイオン電池106の概念図を示す。図7(a)は、リチウムイオン電池106の外形図を示し、図7(b)は、リチウムイオン電池106のA−A断面図を示している。また図7(c)は、リチウムイオン電池106のB−B断面図を示している。
【0004】
図7(b)に示すように、リチウムイオン電池106は、円筒状のケース120と、正極板121と、負極板122と、セパレータ123とから構成されており、正極板121と負極板122をセパレータ123を介して円筒状に何重にも巻き付け、これをケース120に収め、電気を取り出す正極リードと負極リード(図示せず)を接続し、電解液124を注入し、密閉して製造される。
【0005】
リチウムイオン電池106の製造時において、正極板121と負極板122を巻き付けたときに、正極板121が負極板122より突出していると、使用中に突出した正極板121からリチウムが析出し、ショートして発火するおそれがある。そのため、正極板121の端と負極板122の端間は、ショートしないように段差Lが保たれていなければならない。
【0006】
この巻きずれは、密閉後、X線透視を行って検査されている。
【0007】
図6は、従来の巻きずれ検査装置100の構成を示す図である。巻きずれ検査装置100は、X線ビーム102を出力するX線管101と、受光したX線ビーム102を可視化させるX線I.I.(イメージインテンシファイア)103と、可視化された像を撮影するテレビカメラ104と、撮影された画像を処理する画像処理装置105とを備えており、X線管101とX線I.I.103の間に検査する被検体106が配置される。
【0008】
巻きずれの検査をするために、まず第1段階として、X線管101とX線I.I.103間にリチウムイオン電池106を配置し、第2段階としてX線管101からリチウムイオン電池106に向けてX線ビーム102を出力する。第3段階としてリチウムイオン電池106を透過したX線ビーム102をX線I.I.103で可視化し、第4段階でこの可視化された画像をテレビカメラ104で撮影する。第5段階で撮影された画像を画像処理装置105で処理計算して巻きずれを測定している。
【0009】
得られたリチウムイオン電池106の透過画像は、円筒状の電極板(正極板121と負極板122の総称)の接線部分が濃く表れるので、図7(C)に示す断面図と同じような画像となり、正極板121の端と負極板122の端がなす段差Lを明確に判定することができ、巻きずれ検出を行うことができる。
【0010】
なお、画像処理装置105には、予め正極板121と負極板122がなす基準となる段差L(基準データL)が記憶されており、この基準データLと透過画像から求められた段差Lとを比較して、段差Lが基準データLより小さいときは、被検体106は不良品であると判定(巻きずれ自動判定)して、排除装置(図示せず)を用いて排除している。
【0011】
このように幾重にも巻き付けられたリチウムイオン電池を検査する場合は、リチウムイオン電池106とX線管101との距離を十分近づけて、拡大透視を行うことで分解能を上げ、透過画像を得る。また、高拡大率で撮影してもリチウムイオン電池106の透過画像にボケが生じないように、X線管101には、X線焦点Fの寸法が数μmを有するマイクロフォーカスX線管を用いて撮影を行っている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年、電解液をゲル状にしたリチウムイオンポリマー電池が、液漏れしにくい、エネルギー密度が高い、薄型にできるなどの理由で普及しつつある。
【0013】
リチウムイオンポリマー電池は、その構成が平面状の正極板と負極板をセパレータを介して何層にも積み上げるスタック型構造からなり、リチウムイオン電池と同様に、積み上げた正極板が負極板より突出していると、その突出部からリチウムが析出しショートして発火するおそれがある。そのため、正極板と負極板間はショートしないように段差Lが保たれていなければならない。
【0014】
しかしながら、このようなリチウムイオンポリマー電池を、従来の巻きずれ検査装置100で検査した場合、次のような問題が生じる。
【0015】
まず、リチウムイオンポリマー電池をX線管101に十分近づけて拡大透視による検査を行うと、X線ビーム102の広がり角が無視できないため、リチウムイオンポリマー電池内に平行に積層される複数の電極板の層のうちの一部を除いて多くの部分がX線ビーム102とのなす角が大きくなり、X線I.I.103に投影され透視拡大された(一部を除いた)各電極板の透過像に広がりが生じて重なりあい、正極板と負極板の段差Lを正確に測定することが出来ないという問題がある。
【0016】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたもので、その目的は、複数の平面板が平行に積層されてなる電池の各平面板の位置ずれを正確に検出することができる電池検査装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために請求項1記載の発明は、一辺が約30mm乃至60mmの略平面状の正極板と負極板とが約0.3mmの間隔で交互に積層されてなる電池にX線を照射し、前記正極板と負極板とがなす位置ずれを検査する電池検査装置であって、X線焦点が0.05mm以上1mm以下であるX線源と、前記X線焦点から400mm以上1000mm以下離れた検査位置に前記正極板と負極板の積層面に沿って前記X線焦点から放射されるX線ビームを照射するように前記電池を搬送して位置決めする搬送手段と、前記搬送手段により位置決めされた前記電池から300mm以内に配置され前記電池を透過した前記X線ビームを検出するシンチレータと2次元半導体センサアレイを備えるX線検出器と、前記X線検出器の出力である前記電池の透過画像を取得し前記正極板と負極板の段差を算出し、前記段差が所定の範囲にない場合は当該電池を不良品として判定する画像処理手段と、前記画像処理手段で不良品を判定された当該電池を排除する排除手段とを有することを要旨とする。
【0018】
本発明によれば、この構成により、電極板(正極板と負極板の総称)の層がX線ビームの中心軸と平行に沿うようにX線焦点から十分離れた検査位置(400mm以上)に電池の位置決めを行い、この電池の検査位置から300mm以内に設置されるX線検出器でこの電池の透過画像を得ることで、全ての電極板に対してX線ビームの傾斜が少ないため、電極板の像の広がり(ボケ)が小さく、広がりが重なり合うことなく正極板と負極板の段差Lを正確に測定することができる。また、X線源としてX線焦点寸法が大きいX線管を用いることで、X線焦点から十分離した電池に対しても十分なX線量が得られ、検査が可能になる。また、X線検出器を電池に接近させて小さな拡大率で撮影することでX線焦点寸法が大きくてもこれによる電極板の像の広がりは十分小さく問題が無い。また、シンチレータと2次元半導体光センサアレイよりなるX線検出器を用いていることで、小さな拡大率でも十分な分解能で透過画像を得ることができ段差Lを正確に測定できる。画像処理により段差Lを測定し、Lが所定範囲にあるか判定することにより、平面状の正極板と負極板とが交互に積層されてなる電池の電極板の位置ずれの判定を可能とする。
【0019】
上記課題を解決するために、請求項2記載の本発明は、請求項1記載の発明において、搬送手段は、正極板と負極板が長方形である電池に対し、この長方形の一方向の辺に沿ってX線ビームを照射して検査した後、この電池の他方向の辺に沿ってX線ビームを照射して検査することを要旨とする。
【0020】
本発明によれば、この構成により、一方向から検査された電池を搬送手段で90°回転あるいは搬送しなおして他方向からも検査することで、長方形の正極板と負極板からなる電池の縦方向と横方向の位置ずれを検査することが可能になる。
【0021】
上記課題を解決するために、請求項3記載の本発明は、請求項1あるいは2記載の発明において、検査位置に搬送して位置決めされた電池に対し、積層面の垂直方向に圧力を加える2つの平面板を有するプレス手段を有することを要旨とする。
【0022】
本発明によれば、この構成により、交互に層をなす略平面状の正極板と負極板を有する電池で層に反りがある場合には、プレス手段で層の両面から垂直に挟み込んで加圧し反りを矯正することで、層の平面からのずれを平面に矯正した状態で透過画像を得ることができるので、反りのある電池であっても検査が可能になる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の形態に係る電池検査装置1の構成を示す図である。 電池検査装置1は、X線ビーム20を出力するX線管10と、受光したX線ビーム20を透過画像として2次元の分解能で検出するX線検出器40と、検出された透過画像を処理する画像処理装置50とを備えており、X線管10とX線検出器40の間には、テーブル70が設けられ、このテーブル70には回転板が設置されており、この回転板の上に図示していない搬送機構によりリチウムイオンポリマー電池60が搬送されて載せられている。
【0024】
X線管10とX線検出器40との距離FDD(focus to detector distance)は、約700mmとし、X線管10とリチウムイオンポリマー電池60との距離FOD(Focus to object distance)は、約600mmとする。
【0025】
ここで、X線管10は、X線焦点Fの寸法が0.1mmのX線管を用いる。このX線管10の管電圧は100kV、管電流は0.5mAである。
【0026】
X線検出器40は、通常のテレビカメラなどに用いられる2次元半導体光センサアレイ(CCDセンサ)の表面にX線を可視光に変換するシンチレータ薄膜を貼り付けたものを用いる。検出エリア寸法は、約15×20mm、素子マトリクスは480×640である。1素子の寸法は約30×30μmとなり十分な分解能が得られる。
【0027】
なお、X線検出器40は、シンチレータ薄膜をファイバプレートを介して貼り付けたものでもよく、また、シンチレータ薄膜としてファイバシンチレータを用いたものでもよい。
【0028】
画像処理装置50は、一般的なパーソナルコンピュータであり、X線検出器40で撮影された透過画像を取り込み、撮影された積層の位置ずれを自動判定し、判定結果に応じて、図示していない排除機構に指令を出力して不良品を排除するプログラムを予め記憶している。また、テーブル70上に設けられる回転板を回転させる制御プログラムも記憶している。
【0029】
なお、その他、X線管10に高電圧を供給する高圧発生器や、管電圧・管電流を制御するX線制御器、又はX線コリメータやX線遮蔽箱等の説明及び図示は本実施の形態では省略する。
【0030】
図2に被検体であるリチウムイオンポリマー電池60の概念図を示す。図2(a)は、リチウムイオンポリマー電池60を上面から見た上面図であり、図2(b)は、リチウムイオンポリマー電池60のC−C断面図である。また、図2(c)は、C−C断面図の一部を拡大した拡大断面図である。
【0031】
図2(a)〜(c)に示すように、リチウムイオンポリマー電池60は、約30×60mmの正極板61と、この正極板より数mm大きい負極板62が交互に10層重ねられており、1層が約0.3mm、全体は約3mmの厚みを有する電池である。
【0032】
正極板61と負極板62の間には、薄い樹脂製のセパレータ(図示せず)が挟み込まれており、電極板(正極板61と負極板62の総称とする。)の全体は、アルミとポリプロピレン多層のラミネートフィルムからなるケース66に収納され、電極板の間隙はゲル状電解液65で充填されている。
【0033】
また、各正極板61には、正極リード63が接続され、正極リードは1本に束ねられて外部に取り出されている。負極板62も同様に、各負極板62に負極リード64が接続され、この負極リードは1本に束ねられて外部に取り出されている。
【0034】
次に、本発明の電池検査装置1の作用を、図2及び図3を参照して説明する。図3は、リチウムイオンポリマー電池の良品・不良品を判定するフローチャートである。
【0035】
まずステップS10で、搬送機構によりリチウムイオンポリマー電池(以下、単に電池という。)60が、電池検査装置1の所定の検査位置であるテーブル70の上に配置決めされて配置される。電池60の長手方向(ここでは図2(a)に示すA方向)がX線ビーム20に沿って配置されたことを、画像処理装置50の制御部(以下、単に制御部という。)が確認するとステップS20に進む。
【0036】
ステップS20で、制御部はX線管10にX線ビーム20の出力開始を指示する。X線管10からX線ビーム20が出力されると、X線ビーム20は電池60に照射され、透過したX線ビーム20がX線検出器40で撮影される。
【0037】
ステップS30で、X線検出器40で撮影された透過画像Aは、画像処理装置50に内蔵される画像用メモリに保存される。
【0038】
ステップS40で、制御部は、テーブル70上の回転板を回転させて、電池60の方向を90°回転させて、図2(a)に示すように、X線ビーム20の照射方向をB方向に切り換える。続いて、ステップS20〜S30と同様に、X線管10からX線ビーム20の出力が開始され、電池60を透過したX線ビーム20がX線検出器40で撮影される。
【0039】
ステップS50で、X線検出器40で撮影された透過画像Bは、画像処理装置50に内蔵される画像用メモリに保存される。
【0040】
次にステップS60で、画像用メモリに保存した透過画像Aを読み込むが、透過画像Aは拡大断面図(図2(C))と同様の画像となる。この透過画像Aから正極板61と負極板62の板端座標を算出する。ここで、図2(c)に示すように、負極板62の板端座標をPAN(1)(添字(1)は、積層される負極板のうち、上層から第1段目の層を示している。)とし、正極板61の板端座標をPAP(1)とする。
【0041】
ステップS70で、算出された負極板の板端座標PAN(1)から正極板の板端座標PAP(1)を減算して、板端距離LALを算出する。
[数式1] LAL(1)=PAN(1)−PAP(1)
同様に、第2段目の負極板の板端座標PAN(2)から正極板の板端座標PAP(1)を減算して、板端距離LARを算出する。
[数式2] LAR(1)=PAN(2)−PAP(1)
なお以降、繰り返し[数式1]、[数式2]の計算を行うことで、A方向に関する負極板62と正極板61の段差Lを算出する。
【0042】
次に、ステップS80で、予めメモリに記憶されている基準段差L、許容ずれΔとステップS70で算出された段差LAL(1)及び段差LAR(1)を比較して、位置ずれ自動判定を行う。判定の結果、|LAL(1〜n)−L|<=Δ、かつ、|LAR(1〜n)−L|<=Δのときは、正常と判定してステップS90に進み、それ以外のときは、不良品と判定して、排除機構に何番面の電池60が不良品であるか指示を送信する。ここで基準段差Lは、電極板が均等に配置されたときの板端距離であり、正極板61と負極板62の大きさは十分正確であるのでA方向の他端を測定せずに1端側の測定のみでずれ(式の左辺に相当)が測定でき許容ずれΔと比較して判定することが可能となる。
【0043】
ステップS90では、ステップS80においてA方向の位置ずれは無いと判定された電池60であり、さらにB方向の位置ずれを検査する。ステップS90、S100、S110では透過画像BについてそれぞれS60、S70、S80と同様の処理を行い、不良品と判定した場合は、排除機構に何番面の電池60が不良品であるか指示を送る。
【0044】
次に、図2(c)を参照して、撮影された電極板像の広がり(ボケ)具合について考察する。
【0045】
まず、電池60を構成する積層された層面は、X線ビーム20の中心軸と平行になるように配置されており、このとき両端の電極板が最もX線ビーム20と非平行となり、層のX線ビーム20方向の長さを60mmとしてX線検出器40に投影した場合、この投影された像の両端では約0.15mmの非平行ボケが生じる(1.5/600×60)(式(1))。なお、X線焦点Fの寸法による焦点ボケは、約0.014mmとなる(0.1×100/700)(式(2))。
非平行ボケ = 電池半厚/FOD×層長さ ・・・ 式(1)
焦点ボケ = 焦点サイズ×(FDD−FOD)/FDD ・・・式(2)
しかし、層の間隔は0.3mmであり、このボケは層間隔0.3mmよりも十分小さいため、正極板61と負極板62の段差Lが明確に識別できることが明らかである。
【0046】
次に、透過画像ノイズについて考察する。まず概略として画像ノイズは、1画像収集時間中に1画素あたりで検出するX線フォトン数で決まる。上記実施の形態の場合は、従来と比べて、X線焦点Fから見た1画素あたりの立体角が小さくなっている(1/数十)。その代わり、大きなX線焦点Fを持つX線管10を採用しているのでX線出力は大きくなり(数十倍)、総合してX線フォトン数は同等となるので、従来と同じ画像収集時間で同等のノイズの画像が得られる。
【0047】
本実施の形態に記載の検査方法において、さらに別の設定で撮影を行う場合は、FODは400〜1000mmの範囲内に検査位置を設け、かつ、X線焦点Fの寸法を0.05〜1mmに設定すれば、鮮明で分解能の高い透過画像を撮影することができる。FODを400mm以上とすれば非平行ボケは式(1)より、0.23mm以下となり、ぎりぎり可の範囲である。
【0048】
なお、FODが1000mm以上の場合や、X線焦点Fの寸法が0.05mm以下の場合は、X線検出器40に到達するX線量が減り、検査時間がかかったり装置が大型化する。
【0049】
また、FODが400mm以下の場合や、X線焦点Fの寸法が1mm以上の場合は、X線検出器40に投影される透過画像のボケが大きくなり検査の品質が低下する。
【0050】
また、X線検出器40は、なるべく被検体60に近く設置した方がよいが、これは離れて設置すると焦点ボケが大きくなることと、装置が大型になるためである。(FDD−FOD)を300mm、FODを1000mmとすると式(1)より、焦点ボケは0.012〜0.23mmとなり、概略として(FDD−FOD)は300mm以下に設定すれば間違いないことがわかる。
【0051】
したがって、本発明の実施の形態によれば、リチウムイオンポリマー電池60を構成する平行に積層された層の平面方向とX線ビーム20の中心軸とを平行に配置し、かつX線管10から所定距離だけ離すことで、X線管10から出力された直後の発散ビームが、リチウムイオンポリマー電池60に到達するときには略平行ビームとなり、一様な平行X線ビーム20がリチウムイオンポリマー電池60の層に対して平行に照射されるので、各層の透過画像がX線検出器40上で重なるのを防止することができる。
【0052】
また、従来装置で使用していたマイクロフォーカスX線管でなく、X線焦点が0.05〜1mmと大きなX線管を用いているので、X線出力が大きくとれ、X線管10とリチウムイオンポリマー電池60を離して配置しても、鮮明な透過画像を得ることができる。
【0053】
また、本実施の形態においては、X線検出器40をリチウムイオンポリマー電池60に接近させて配置し、リチウムイオンポリマー電池60を小さい拡大率で撮影しているので、たとえ大きいX線焦点Fを使用しても、焦点サイズに起因するX線検出器40に投影される層像の広がり(ボケ)は、層間隔よりも十分小さくなるので、正極板61と負極板62の段差Lを正確に測定することができる。
【0054】
(本実施の形態の変形例)
本実施の形態では、テーブル70上の回転板で電池60の方向を変え照射方向をA,Bで切り替えているが、必ずしも回転板の回転を用いなくともよい。例えば搬送機構で載せ換えることもできれば、X線管10、テーブル70、X線検出器40をA,B方向用でそれぞれ2組用意し、搬送機構でA用、B用と順次搬送させてA方向、B方向を検査するようにすることもできる。
【0055】
近年、電解液の量を増やすために電極板をメッシュ状にして、よりエネルギー密度を高める試みがされている。このようなメッシュ状の電極板は反りが大きく、この反りによりX線検出器40上に投影される透過画像に電極板のボケが発生するので、反りの大きさにより正確な検査を行うことができない場合がある。
【0056】
そこで、図4に示すプレス機構71を電池検査装置に備えることで、電極板に生じた反りを抑制しながら正確に位置ずれ検査を行う。
このプレス機構71は、2つの平面板72a,72bとが平行に配置され、この平面板72a,72b間に電池60が配置される構造からなる。
【0057】
このプレス機構71を用いて検査を行う場合は、平面板72a,72b間に電池60を配置し、平面板72a,72b間を縮める方向に垂直な圧力を加えて、電池60の電極板が平らになるように加圧することで矯正する。加圧による電極板の矯正状態は、逐次モニタで監視しておき、平行に矯正されたことを確認してから、X線ビーム20の照射及び透過画像の撮影を順次行うことで、反りが無い状態のX線透視検査を行うことができる。
【0058】
また更に変形例として、図5に示す巻き型電池80を検査する場合を説明する。図5は、巻き型電池80の概念図である。図5に示すように、巻き型電池80は、正極板81と負極板83をセパレータ(図示せず)を介して交互になるように巻き付けた後、一方向に圧縮して製造されるものであり、左右端を除けば電極板層は平行平面の層になる。そこで、平行平面の層ができるので、このような巻き型電池に対しても本発明の電池検査装置で電極板のずれの検査が可能である。
【0059】
更に、この巻き型電池の検査にプレス機構71を適用することもできる。プレス機構71の平面板72a,72b間にこの巻き型電池80を配置し、電極板層に対して垂直に圧力を加えて巻き型電池80の電極板の歪みが平らになるように矯正する。この状態でX線ビーム20を照射してX線透過画像の収集を順次行うことで、歪みの無いX線透視検査を行うことができる。
【0060】
【発明の効果】
本発明によれば、複数の平面板が平行に積層されてなる型の電池に対して、正極板と負極板の位置ずれの検査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態に係る電池検査装置の構成を示す図である。
【図2】被検体であるリチウムイオンポリマー電池の概念図である。
【図3】本発明の電池検査装置を適用して行う電池の良品・不良品判定工程を示すフローチャートである。
【図4】本発明の変形例として、電池検査装置に備えられるプレス機構の具体的な構成を示す図である。
【図5】被検体である他の電池の一例を示す概念図である。
【図6】従来の巻きずれ検査装置の構成を示す図である。
【図7】被検体であるリチウムイオン電池の概念図である。
【符号の説明】
1 電池検査装置
10 X線管
20 X線ビーム
40 X線検出器
50 画像処理装置
60 被検体(リチウムイオンポリマー電池)
61 正極板
62 負極板
63 正極リード
64 負極リード
65 ゲル状電解液
66 ケース
70 テーブル
71 プレス機構
72a 上面板
72b 下面板
80 巻き型電池
81 正極板
83 負極板
85 ケース
100 従来の巻きずれ検査装置
101 X線管
102 X線ビーム
103 X線I.I.
104 テレビカメラ
105 画像処理装置
106 被検体(リチウムイオン電池)
120 ケース
121 正極板
122 負極板
123 セパレータ
124 電解液

Claims (3)

  1. 一辺が約30mm乃至60mmの略平面状の正極板と負極板とが約0.3mmの間隔で交互に積層されてなる電池にX線を照射し、前記正極板と負極板とがなす位置ずれを検査する電池検査装置であって、
    X線焦点が0.05mm以上1mm以下であるX線源と、
    前記X線焦点から400mm以上1000mm以下離れた検査位置に前記正極板と負極板の積層面に沿って前記X線焦点から放射されるX線ビームを照射するように前記電池を搬送して位置決めする搬送手段と、
    前記搬送手段により位置決めされた前記電池から300mm以内に配置され前記電池を透過した前記X線ビームを検出するシンチレータと2次元半導体センサアレイを備えるX線検出器と、
    前記X線検出器の出力である前記電池の透過画像を取得し前記正極板と負極板の段差を算出し、前記段差が所定の範囲にない場合は当該電池を不良品として判定する画像処理手段と、
    前記画像処理手段で不良品を判定された当該電池を排除する排除手段と、
    を有することを特徴とする電池検査装置。
  2. 前記搬送手段は、
    前記正極板と負極板が長方形である前記電池に対し、前記長方形の一方向の辺に沿って前記X線ビームを照射して検査した後、
    前記電池の他方向の辺に沿ってX線ビームを照射して検査することを特徴とする請求項1に記載の電池検査装置。
  3. 前記検査位置に搬送して位置決めされた前記電池に対し、前記積層面の垂直方向に圧力を加える2つの平面板を有するプレス手段を有することを特徴とする請求項1乃至2のいずれか1つに記載の電池検査装置。
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