JP5458327B2 - 電池検査装置及び電池検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池内の正極板と負極板の位置ずれを検査する電池検査装置及び電池検査方法に関する。

近年、携帯電話などの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。

特に、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難く、また、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はじめている。リチウムイオンポリマー電池は平面状の正極板と負極板をセパレータを介して何層も積み上げる構造（以下スタック型）になっている。

このリチウムイオンポリマー電池において、正極板が負極板よりはみ出していると、使用しているうちに、はみ出した正極板にリチウムが析出してショートし、発火することがある。そのため、正極板と負極板の位置を保ってずれが生じないようにすることが安全のため重要である。このずれは容器封印後に放射線透視をおこなって検査されている。

このようなスタック型電池の放射線透視を行なう従来の電池検査装置としては特許文献１に記載の装置がある。

図７は従来のスタック型電池の放射線透視による検査方法を示す模式図である。図７に示すように、まず、電池６０の正極板６１の長辺に沿ったＡＡ方向に放射線を放射し、放射線検出器４０で透過像を検出する。この放射線透過像を画像処理することで、長辺に沿って層ごとに正極板６１と負極板６２の位置が適正か判定する。次に、電池６０の正極板６１の短辺に沿ったＢＢ方向に放射線を放射し、同様に、短辺に沿って層ごとに正極板６１と負極板６２の位置が適正か判定する。

特開２００４−２２２０６号公報

近年、スタック型のリチウムイオンポリマー電池は高容量化する傾向にある。高容量化することで、電極板の大きさは例えば一辺１０ｃｍないし３０ｃｍと大型化し、正極板と負極板の一組が成す層の厚さは例えば０．１５ｍｍと薄層化し、層数も例えば５０と増大している（従来は５ｃｍ、０．３ｍｍ、１０層程度）。

このため、従来のように電極板の一辺に沿った方向の透視を行うと、一辺が長くなり層も薄くなっているため、電極板の反りの影響で放射線が通りにくくなることで、放射線透過像は不鮮明になり、また電極板の透過像が重なり合ってさらに不鮮明になって検査ができなくなる問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためのものであり、その目的は、高容量のスタック型の電池であっても、電極板の位置ずれを検査できる電池検査装置及び電池検査方法を提供することにある。

上記の問題を解決するために請求項１に記載の発明は、層をなす複数の四角形の電極板を有する電池の前記電極板の相互の位置ずれを検査する電池検査装置であって、対向配置された放射線源と、放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器との間に前記電池を位置決めし回転させる位置決め回転手段と、前記電池の複数の回転位置で前記電極板の角の部分を辺に対して傾斜した方向に透過した放射線を前記放射線検出器で検出した透過データを用いて前記電極板の角の部分の辺に対して傾斜した断面像を作成し、前記断面像より前記電極板の相互の辺に沿った２方向の位置ずれをそれぞれ検出して良否を判定するデータ処理手段とを有することを要旨とする。

この構成で、電極板の角部分を、傾斜した方向で透過像を撮影（検出と出力）するので、放射線ビームが電極板を透過する長さが短くなり、電極板の反りの影響で放射線が通りにくくなることや反りの影響で電極板の透過像が不鮮明になることを軽減した透過像を撮影でき、したがって、撮影した透過像から、十分な鮮明度の角部分の傾斜した断面像を再構成できる。さらに１つの角部分における傾斜した断面像より、電極板の位置ずれを検出し良否判定を行うことができ、高容量のスタック型の電池で電極板が大きく薄層であっても、断面像から電極板の位置ずれを検出することが可能となる。

上記の問題を解決するために請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電池検査装置において、前記データ処理手段は、２つ以上の前記角の部分に対して、それぞれ前記傾斜した断面像を作成し、前記２つ以上の断面像から電極板の辺に沿った２方向の位置ずれをそれぞれ検出することを要旨とする。

この構成で２つ以上の角部分で十分な鮮明度の傾斜した断面像を再構成でき、この２つ以上の断面像から回転ずれがある場合でも電極板の位置ずれを検出し良否判定を行なうことができる。

上記の問題を解決するために請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電池検査装置において、前記データ処理手段は、４つの前記角の部分に対して、それぞれ前記傾斜した断面像を作成し、前記４つの断面像から電極板の位置ずれを検出することを要旨とする。

この構成で４つの角部分で十分な鮮明度の傾斜した断面像を再構成でき、この４つの断面像から、回転ずれがあり、また、電極板の大きさの誤差が大きい場合でも電極板の位置ずれを検出し良否判定を行なうことができる。

本発明によれば、高容量のスタック型の電池であっても、電極板の位置ずれを検査できる。

本発明の第一の実施形態の電池検査装置の構成図（平面図）。 電池１の構造を示す模式図。 第一の実施形態の検査のフロー図。 第一の実施形態で得られた電池の角部分の傾斜断面像を示す模式図。 第一の実施形態における位置ずれΔｘ，Δｙを求める説明図。 第一の実施形態の変形例４に係わる、回転ずれがある場合の正極板の位置ずれを示す説明図。 従来のスタック型電池の放射線透視による検査方法を示す模式図。

（第一の実施形態の構成）
図１は本発明の第一の実施形態の電池検査装置の構成図（平面図）である。

電池検査装置は、電池１の電極板の位置ずれを検査する装置であり、Ｘ線管２（放射線源）と、Ｘ線管２から放射されて検出されるＸ線ビーム３の中に電池１を位置決め回転させる位置決め回転機構４（位置決め回転手段）と、電池１を透過したＸ線ビーム３を検出し、透過像（透過データ）として出力するＸ線検出器５（放射線検出器）と、透過像を取り込み、電極板の位置ずれを検出し、良否を判定するデータ処理部６（データ処理手段）、データ処理部６からの指令で位置決め回転機構４を制御する機構制御部７、より成る。また、他の構成として、Ｘ線管２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、電池１を搬送して位置決め回転機構４に授受する電池搬送機構、不良と判定した電池を排除する排除機構、Ｘ線コリメータやＸ線遮蔽箱等を有するが、図１では省略している。

位置決め回転機構４は、電池１を保持するホルダ４ａと、ホルダの姿勢を変更する姿勢変更機構（不図示）と、ホルダ４ａの姿勢を保ったまま回転軸ＲＡに対して回転させる回転機構４ｂより成る。電池１は位置決め回転機構４により回転させられるとともに位置決めされる。

回転軸ＲＡは、Ｘ線ビーム３と略垂直に交差している。正確には、回転軸ＲＡは、放射されたビーム中の検出されるＸ線ビーム３の中央であるＸ線光軸Ｌの方向に垂直な方向で、Ｘ線ビーム３と交差する配置である。

Ｘ線管２としては、例えば、Ｘ線ビーム３の発散点であるＸ線焦点Ｆの大きさが１μｍ程度のマイクロフォーカスＸ線管を用いる。

Ｘ線検出器５は、２次元の分解能でＸ線を検出するもので、例えば、Ｘ線像を可視光像に変換するＸ線ＩＩ（イメージインテンシファイア）と、この可視光像を撮影してデジタルデータとしての透過像を出力する撮像カメラ、及びＸ線ＩＩと撮像カメラを制御する検出器制御部、等より成る。

図２は電池１の構造を示す模式図である。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）はＥ−Ｅ断面図、図２（ｃ）は図２（ｂ）の一部拡大図である。スタック型の電池１は、例えば、リチウムイオンポリマー電池で、電極板としては四角形で、約１００×２００ｍｍの正極板１１と、これより数ｍｍ大きな負極板１２が交互に重ねられ、正極板１１と負極板１２の一組が成す層の厚さは約０．２ｍｍで、約３０層が重ねられ、全体は約６ｍｍの厚みになる。

正極板１１と負極板１２の間には薄い樹脂製のセパレータがあるが図では省略している。電極板（正極板１１と負極板１２の総称）１１、１２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でできたケース１３に収納され、電極板の間隙にはゲル状電解液１４が充填されている。各正極板１１には正極リード１５が接続され、正極リード１５は１本に束ねられて外部に取り出され、各負極板１２には同様に負極リード１６が接続され、同様に外部に取り出されている。

機構制御部７はデータ処理部６からの指令で位置決め回転機構４を制御するとともに、不図示の電池搬送機構や不良と判定した電池を排除する排除機構を制御するほか、これらの機構のステータスをデータ処理部６に送信する。

データ処理部６は、例えば、通常のコンピュータであり、ＣＰＵ、メモリ、インターフェース、キーボードやマウスなどの入力部、表示部、などを持つ。データ処理部６は、記憶している検査プログラムをＣＰＵにより実行し、Ｘ線検出器５と機構制御部７に指令を送信して検査を行う。

検査プロブラムとしては、電池１を回転させつつ透過像を収集するスキャンプログラムや、収集した透過像を再構成して断面像を作成するプログラム、また、得られた断面像から電極板の相互の位置ずれを検出し、良否を判定するプログラムを含む。さらに、データ処理部６は不良と判断した場合、機構制御部７に不良品の排除信号を送信する。

（第一の実施形態の作用）
図２、図３、図４、図５を参照して、第一の実施の形態における作用を説明する。

第一の実施形態は、複数の電極板１１、１２間の相互の位置ずれを、前提、
｛電極板それぞれの大きさは正確で誤差は無視できる｝、
｛ずれは平行ずれのみ｝、
の下に検出するものである。

図３は第一の実施形態の検査のフロー図である。検査は、検査プログラムによりデータ処理部６のＣＰＵにより行われる。

ステップＳ１で、位置決め回転機構４により、ホルダ４ａに保持された電池１を位置決めする。位置決めは電極板が回転軸ＲＡに平行になるように、また図２の角部分Ｃ１が回転軸ＲＡ上に位置し、また、第一の角部分Ｃ１を通って辺に対して４５°傾斜して電極板に垂直な断面位置Ｐ１に沿ってＸ線ビーム３が透過するよう、Ｘ線光軸ＬがＰ１に沿うように位置決めする。次に、回転機構４ｂにより電池１を回転させながら複数位置でＸ線検出器５が透過像を撮影する。データ処理部６は、これらの透過像を収集して記憶し、さらに、これらの透過像から回転軸ＲＡに直交する断面位置Ｐ１の断面像を再構成する。なお、再構成は公知の方法を用いる。

図４はステップＳ１で得られた電池の角部分の傾斜断面像を示す模式図である。ステップＳ２で、図４を参照して、データ処理部６は、ステップＳ１で得た角部分Ｃ１の傾斜断面像を用いて、一方の端における正極板に対する負極板の突出長さＬ１を求める。突出長さＬ１は、上層から順に、隣接する正極板１１負極板１２の組み合わせ番号ｋごとにＬ１（ｋ）として求める（ｋ＝１，２，…Ｋ）。以下、便宜的にこの組み合わせ番号ｋを層番号ｋと呼ぶことにする、Ｌ１（ｋ）は通常の画像処理を用い、例えば、フィルタ処理、２値化、電極板端部の識別と座標求出などを行って求める。

なお、正極板が負極板より突出していた場合、突出長さＬ１（ｋ）はマイナス値とする。また、突出長さＬ１（ｋ）としては画像上の画素単位の長さを実長に変換して求めるものとする。実長Ｌ１（ｋ）は、
実長＝画素単位の長さ×断面像の１画素寸法 ………（１）
で求められる。ここで、断面像の１画素寸法は寸法が概知の物体を撮影することであらかじめ求めて記憶してある値を用いる。

ステップＳ３でも同様に図４を参照して、ステップＳ２と同様に、上層から順に、他方の端における正極板に対する負極板の突出長さＬ２（ｋ）を実長で求める（ｋ＝１，２，…Ｋ）。

ステップＳ４で層番号ｋのループに入りステップＳ５，Ｓ６をｋ＝１，２，…Ｋで以下のように繰り返す。

ステップＳ５で、ステップＳ２、Ｓ３で求めたＬ１（ｋ）、Ｌ２（ｋ）から、負極板を基準としたときの正極板の所定位置からの位置ずれΔｘ，Δｙを以下のように求める。

図５は第一の実施形態における位置ずれΔｘ，Δｙを求める説明図である。図
５はｋ番目の層での正極板１１と負極板１２の位置関係を示している。ここで、位
置ずれのないときの負極板１２のｘ、ｙ方向それぞれの突出量をＬｘ０、Ｌｙ０とする。

傾斜断面像より求めた突出長さＬ１（ｋ）、Ｌ２（ｋ）より、式、
Δｘ＝Ｌ１（ｋ）・ｃｏｓθ−Ｌｘ０ ………（２）
Δｙ＝Ｌ２（ｋ）・ｓｉｎθ−Ｌｙ０ ………（３）
でΔｘ、Δｙが求められる。

θ＝４５°の時は式（２）、（３）は、それぞれ、
Δｘ＝Ｌ１（ｋ）／√２−Ｌｘ０ ………（４）
Δｙ＝Ｌ２（ｋ）／√２−Ｌｙ０ ………（５）
となる。

ステップＳ６で、層別の良否判定を以下のように行う。
ずれの許容値をｘ、ｙ方向でそれぞれΔｘｌｍｔ、Δｙｌｍｔとして、
｜Δｘ｜＜Δｘｌｍｔ、かつ、｜Δｙ｜＜Δｙｌｍｔ
のとき層ｋについて、良品とし、他の場合不良品とする。

ステップＳ７で、全ｋについてループが終了してない場合はステップＳ５にもどりｋを変えてステップＳ５，Ｓ６を繰り返し、全ｋについて終了した場合はステップＳ８に進む。

ステップＳ８では、総合の良否判定を行う。総合の良否判定は全層ｋで良品と判定されたときのみ総合で良品と判定することで行われる。

以上の検査のフローにより、全層で負極板の突出長さが、ｘの正負方向各端で（Ｌｘ０−Δｘｌｍｔ）以上、かつ、ｙの正負方向各端で規定値（Ｌｙ０−Δｙｌｍｔ）以上となる電池１のみが良品と判定される。

（第一の実施形態の効果）
第一の実施形態によれば、電極板の１つの角部分を通って辺に対して４５°傾斜して電極板に垂直な断面位置Ｐ１に沿って多方向から透過像を撮影するので、各方向で、放射線ビームが電極板を透過する長さが短くなり、電極板の反りの影響で放射線が通りにくくなることや反りの影響で電極板の透過像が不鮮明になることを軽減した透過像を撮影でき、したがって、撮影した透過像を再構成して十分鮮明な角部分の傾斜した断面像を得ることができる。これにより、再構成した１つの傾斜断面像から、平行ずれの前提の下に電極板の位置ずれを検出し良否判定を行うことができ、高容量のスタック型の電池で電極板が大きく薄層であっても、断面像から電極板の位置ずれを検出することが可能となる。

（第一の実施形態の変形）
（変形例１）
第一の実施形態では、電極板の面に垂直でかつ辺に対し４５°傾斜した断面位置Ｐ１で角部分を断層撮影しているが、必ずしも４５°でなくてもよい。図５を参照して、傾斜角θが４５°のときＸ線ビームが電極板を透過する長さは最小となり最良であるが、４５°から離れたときこの長さの増加は緩やかで、傾斜角θは大まかに４５°程度であれば良く、例えば約２０°ないし７０°の範囲に設定可能である。

（変形例２）
第一の実施形態では、１つの角部分について断層像を撮影しているが、２つ以上の角部分について電極板の面に垂直で、かつ辺に対し４５°傾斜した断面位置で断層撮影し、得られたそれぞれの断面像から電極板の位置ずれを検出するようにしてもよい。これにより、統計精度を上げて位置ずれを検出することができる。ここで、位置ずれΔｘ、Δｙを求める計算としては、例えば、それぞれの断面像から第一の実施形態と同様に角部分で、それぞれ位置ずれを求め、求めた位置ずれを平均して最終的な位置ずれΔｘ、Δｙとすることで行うことができる。

（変形例３）
図３を参照して、第一の実施形態では、ｋループ（ステップＳ４ないしＳ７）を全層について計算しているが、ステップＳ６の層別の良否判定で不良と判定されたとき、ループを終了させステップＳ８の総合判定に移るようにしてもよい。１つの層でも不良があった場合、総合判定で不良になるからである。

（変形例４）
第一の実施形態では、平行ずれを前提にしているが２ヶ所以上の角で傾斜断面像を撮影することで回転ずれがある場合でも位置ずれ良否が判定できる。

図６は回転ずれがある場合の正極板の位置ずれを示す説明図である。

図６を参照して、任意の２つの角部分で断層撮影してΔｘ、Δｙを求めれば、他の２つの角位置での位置ずれΔｘ、Δｙは計算のみで求められ、求めた４つの角度分での位置ずれから良否を判定することができる。

以下、一例として、角部分Ｃ１、Ｃ３で断層撮影する場合を記載する。データ処理部６は、まず、第一の実施形態と同様に角部分Ｃ１の断面位置Ｐ１で傾斜断面像を撮影して位置ずれΔｘ１、Δｙ１を得る。次に、データ処理部６は位置決め回転機構４により電池１の姿勢を変更し、角部分Ｃ３を通って電極板に垂直で辺に対し４５°傾斜した断面位置Ｐ３（図２参照）が、回転軸ＲＡに垂直になり、Ｘ線光軸Ｌに沿うように、また角部分Ｃ３が回転軸ＲＡ上にくるように、位置決めし、第一の実施形態と同様に角部分Ｃ３の断面位置Ｐ３で傾斜断面像を撮影して位置ずれΔｘ３、Δｙ３を式（４）、（５）より求める。

データ処理部６は、このように断層撮影して角端部におけるローカルな位置ずれΔｘ１、Δｙ１、Δｘ３、Δｙ３（図６のｘ，ｙ正方向を＋に取る）を求めた後に、計算のみで角部分Ｃ２とＣ４でのローカルな位置ずれΔｘ２、Δｙ２、Δｘ４、Δｙ４を求める。この計算は、例えば、Ｄｘ、Ｄｙを正極板のｘ方向、ｙ方向の長さとすると、式、
Δｘｍ｛；正極板中央のｘ方向ずれ｝＝（Δｘ１＋Δｘ３）／２ ………（６）
Δｘｍ｛；正極板中央のｙ方向ずれ｝＝（Δｙ１＋Δｙ３）／２ ………（７）
α｛；対角線の傾斜｝＝ａｔａｎ（Ｄｘ／Ｄｙ） ………（８）
Ｄ｛；対角線長｝＝√（Ｄｘ^２＋Ｄｙ^２） ………（９）
Δφ｛；角度ずれ｝＝ａｔａｎ｛（Δｘ３・ｃｏｓα−Δｙ３・ｓｉｎα−Δｘ１・ｃｏｓα^＋Δｙ１・ｓｉｎα）／Ｄ｝ ………（１０）
Δｘ２＝Δｘｍ＋Ｄ／２・ｔａｎΔφ・ｃｏｓα ………（１１）
Δｙ２＝Δｙｍ＋Ｄ／２・ｔａｎΔφ・ｓｉｎα ………（１２）
Δｘ４＝Δｘｍ−Ｄ／２・ｔａｎΔφ・ｃｏｓα ………（１３）
Δｙ４＝Δｙｍ−Ｄ／２・ｔａｎΔφ・ｓｉｎα ………（１４）
で計算される。ここで、各Δｘ、Δｙは図６のｘ，ｙ正方向を＋に取る。

この場合の層別の良否判定は、ずれ許容量をｘ，ｙ方向でそれぞれΔｘｌｍｔ、Δｙｌｍｔとして、
｜Δｘ１｜〜｜Δｘ４｜すべてが＜Δｘｌｍｔでかつ、
｜Δｙ１｜〜｜Δｙ４｜すべてが＜Δｙｌｍｔ
のとき層ｋについて良品として、他の場合不良品とする。

（変形例５）
第一の実施形態では、電極板の大きさが正確で、かつ平行ずれのみであることを前提としているが、大きさが不正確で、回転ずれもある場合でも４ヵ所すべての角部分で、傾斜断面像を撮影することで、位置ずれ良否が判定できる。

この場合、データ処理部６は、図２で、角部分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４において図１の実施形態と同様に、傾斜断面像を撮影する。角部分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４での断面位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４は、それぞれ、各角部分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４を通って電極板に垂直で辺に対し４５°傾斜した断面位置である。データ処理部６は位置決め回転機構４により、電池１の姿勢を変更し、断面位置が回転軸ＲＡに垂直になりＸ線光軸Ｌに沿うように、また角部分が回転軸ＲＡ上にくるように位置決めし、第一の実施形態と同様に各角部分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４の断面位置Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４で、それぞれ、断層撮影して位置ずれΔｘ１、Δｙ１〜Δｘ４、Δｙ４を式（４）、（５）より求める。ここで、各Δｘ、Δｙの符号は図５に示すように負極板１２の突出が大きくなる方向を正とする。

この場合の層別の良否判定は、ずれ許容量をｘ，ｙ方向でそれぞれΔｘｌｍｔ、Δｙｌｍｔとして、
Δｘ１〜Δｘ４すべてが＞−Δｘｌｍｔで、かつ、
Δｙ１〜Δｙ４すべてが＞−Δｙｌｍｔ
のとき層ｋについて良品として、他の場合不良品とする。

これにより、角部分Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４において、全層で負極板の突出長さが、ｘの正負方向各端で規定値（Ｌｘ０−Δｘｌｍｔ）以上、かつ、ｙの正負方向各端で規定値（Ｌｙ０−Δｙｌｍｔ）以上で良品と判定される。

１…電池
２…Ｘ線管
３…Ｘ線ビーム
４…位置決め回転機構、４ａ…ホルダ、４ｂ…回転機構
５…Ｘ線検出器、５ａ…検出面
６…データ処理部
７…機構制御部
１１…正極板
１２…負極板
１３…ケース
１４…ゲル状電解液
１５…正極リード
１６…負極リード
４０…放射線検出器
６０…電池
６１…正極板
６２…負極板

Claims (4)

1. 層をなす複数の四角形の電極板を有する電池の前記電極板の相互の位置ずれを検査する電池検査装置であって、
   対向配置された放射線源と、放射線検出器と、前記放射線源と前記放射線検出器との間に前記電池を位置決めし回転させる位置決め回転手段と、
   前記電池の複数の回転位置で前記電極板の角の部分を辺に対して傾斜した方向に透過した放射線を前記放射線検出器で検出した透過データを用いて前記電極板の角の部分の辺に対して傾斜した断面像を作成し、前記断面像より前記電極板の相互の辺に沿った２方向の位置ずれをそれぞれ検出して良否を判定するデータ処理手段とを有することを特徴とする電池検査装置。
2. 請求項１に記載の電池検査装置において、
   前記データ処理手段は、２つ以上の前記角の部分に対して、それぞれ前記傾斜した断面像を作成し、前記２つ以上の断面像から電極板の辺に沿った２方向の位置ずれをそれぞれ検出することを特徴とする電池検査装置。
3. 請求項２に記載の電池検査装置において、
   前記データ処理手段は、４つの前記角の部分に対して、それぞれ前記傾斜した断面像を作成し、前記４つの断面像から電極板の位置ずれを検出することを特徴とする電池検査装置。
4. 層をなす複数の四角形の電極板を有する電池の前記電極板の相互の位置ずれを検査する電池検査方法であって、
   対向配置された放射線源と放射線検出器の間に前記電池を位置決めし回転させて、複数の回転位置で前記電極板の角の部分を辺に対して傾斜した方向に透過した放射線を前記放射線検出器で検出する過程と、
   前記検出した透過データを用いて前記電極板の角の部分の辺に対して傾斜した断面像を作成し、前記断面像より前記電極板の相互の辺に沿った２方向の位置ずれをそれぞれ検出して良否を判定する過程とを有することを特徴とする電池検査方法。

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