JP6304181B2 - ガス検出装置 - Google Patents

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Description

本発明はガス検出装置に関する。
例えば、リチウムイオン電池等の全固体電池では、積層後の電極をラミネートフィルムで封止する構造となっている。ここで、全固体電池の材料は、空気中の水分と反応すると電池性能が大きく低下してしまうため、ラミネートフィルムの封止品質を保証する必要がある。
しかしながら、全固体電池はラミネートフィルム内を減圧して封入されているので、ラミネートフィルム外からリークガスを検出して封止品質を保証することができない。そのため、ラミネートフィルム内すなわち密閉空間内にガスセンサを配置して、水分(水蒸気)を検出する必要がある。
特許文献1には、密閉空間内に水晶振動子センサを配置してガス濃度を測定する方法が記載されている。
特開2011−106894号公報
しかしながら、特許文献1に開示された水晶振動子センサのような、測定対象ガスの吸着による電気信号の変化によりガスを検出するガスセンサでは、応答速度や検出感度が、測定ガスの流速に大きく影響される。特に流速が小さくなると、応答速度や検出感度が低下するため、密閉空間内等で滞留しているガスを、精度良く検出することが難しいという問題がある。
本発明は、測定対象のガスが停滞している状態においても、ガスを精度良く検出することができるガス検出装置を提供することを目的としている。
本発明にかかるガス検出装置は、測定対象のガスの吸着による電気信号の変化によりガスを検出するガスセンサと、前記ガスセンサを搭載する回転体と、前記回転体を回転させる駆動部と、を備え、前記ガスセンサは、前記回転体の回転軸から離間した位置に配置され、前記駆動部は、一定速度で前記回転体を回転させる。
本発明のガス検出装置によれば、ガスセンサを回転軸から離間した周上を一定速度で周回させることにより、ガスセンサと滞留したガスが一定の流速を保った状態で測定できるので、ガスを精度良く検出することができる。
本発明にかかるガス検出装置は、少なくとも前記ガスセンサと前記回転体を収容する密閉容器を備える。
本発明のガス検出装置によれば、ガスセンサを回転軸から離間した周上を一定速度で周回させることにより、ガスセンサと滞留したガスが一定の流速を保った状態で測定できるので、密閉容器内で滞留しているガスを精度良く検出することができる。
本発明にかかるガス検出装置は、前記回転体は第1の磁石を、前記駆動部は第2の磁石を備え、前記駆動部は、前記回転軸周りに前記第2の磁石を回転させることにより、前記第2の磁石と誘引し合う前記第1の磁石を備えた前記回転体を回転させることが好ましい。
本発明のガス検出装置によれば、駆動部側と回転体側が、回転軸から同じ距離に、それぞれ磁石を備えることにより、非接触で駆動部の回転を回転体側に伝達することができる。
本発明のガス検出装置によれば、前記密閉容器外に配置され、交流の電力を供給する給電ユニットと、前記密閉容器外に配置され、前記給電ユニットから供給される交流の電力により、磁界を発生する給電用コイルと、前記密閉容器内に配置され、給電用コイルで発生した磁界により、交流の電力を発生させる受電用コイルと、前記密閉容器内に配置され、前記交流の電力を直流に変換し、ガスセンサに直流の電力を供給するAC−DC変換回路と、を備え、前記給電用コイルと前記受電用コイルは、同じ直径を有する環形状であり、前記回転体の回転軸を中心として配置されていることが好ましい。
本発明のガス検出装置によれば、非接触電力伝送方式で電力を供給することにより、密閉空間内に配置したガスセンサ及び回路に電力を供給することができ、密閉空間内のガスを検出し、ガス濃度を測定することができる。
本発明のガス検出装置によれば、前記密閉容器内に配置され、前記ガスセンサが測定したガス濃度のデータを無線信号に変換する送信回路と、前記密閉容器内に配置され、前記無線信号を送信する送信アンテナと、前記密閉容器外に配置され、前記無線信号を受信する受信アンテナと、前記密閉容器外に配置され、前記無線信号からガス濃度のデータを得るデータ変換回路と、を備え、前記送信アンテナと前記受信アンテナは、同じ直径を有する環形状であり、前記回転体の回転軸を中心として配置されていることが好ましい。
本発明のガス検出装置によれば、ガス濃度を測定したデータを無線信号で送信することにより、密閉空間内のガス濃度を測定した結果を外部に伝送することができる。
本発明のガス検出装置によれば、測定対象のガスが停滞している状態においても、ガスを精度良く検出することができる。
実施の形態1にかかるガス検出装置の構成を示す断面図である。 実施の形態1にかかるガス検出装置の構成を示す上面透視図である。 実施の形態1にかかるガス検出装置の電気回路に関するブロック図である。 実施の形態2に係るガス検出装置及びリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。 実施の形態1にかかるガス検出装置の変形例の構成を示す上面透視図である。
(実施の形態1)
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図1は、実施の形態1にかかるガス検出装置の構成を示す断面図である。
図1において、ガス検出装置10は、ガスセンサ11と、回転体12と、第1の磁石13と、固定台14と、ベアリング15と、モータ17と、回転板18と、第2の磁石19と、給電・通信ユニット20と、給電用コイル21と、受信アンテナ22と、受電・送信ユニット23と、受電用コイル24と、送信アンテナ25を備える。
ガスセンサ11は、測定対象のガスの吸着による電気信号の変化を測定することによりガスを検出する。例えば、ガスセンサ11は、球状SAWセンサまたは平面SAWセンサが好適である。球状SAWセンサは、球の表面を繰り返し周回する弾性表面波の伝搬時間からガス濃度を測定することができる。また、ガスセンサ11が検出するガスの成分は、センサの種類により異なる。例えば、球状SAWセンサの場合、水分(水蒸気)を検出し、その濃度を測定することが可能である。
回転体12は、ガスセンサ11を搭載する。ガスセンサ11を搭載する位置は、回転体12の回転軸から離間した位置である。また、回転体12は、回転軸から離間した位置に第1の磁石13を備える。そして、回転体12は、第2の磁石19を備える回転板18の回転に同期して回転する。
また、回転体12は、受電・送信ユニット23、受電用コイル24、及び送信アンテナ25を備える。例えば、回転体12は回転軸近傍を中空とし、受電・送信ユニット23、受電用コイル24、及び送信アンテナ25が、回転体12の回転軸近傍の中空内に配置されることが望ましい。後述する給電用コイル21及び受信アンテナ22も同じく、回転軸近傍に配置されることにより、回転体12が回転した場合に、受電用コイル24と給電用コイル21が対応する位置を保つことができる。同様に回転体12が回転した場合に、送信アンテナ25と受信アンテナ22が対応する位置を保つことができる。
例えば、回転体12は、円盤と中空の円筒を接合した形状のものが適用できる。そして、円盤の一面にガスセンサ11が配置され、円盤内に第1の磁石13が配置され、円筒の中空内に受電・送信ユニット23が配置される。また、回転体12の材質は樹脂が好適である。
固定台14は、ベアリング15を介して回転体12の位置を支持する支持部材である。例えば、固定台14は、円盤の中心に円筒形状の孔を有し、ベアリング15を介して回転台を回転自在に支持する。
ベアリング15は、回転体12と固定台14との間に位置し、回転体12と固定台14に接する転がり軸受である。例えばベアリング15は、ボールベアリングが好適である。
駆動部16は、モータ17と、回転板18と、第2の磁石19とから構成される。そして駆動部16は、回転体12を回転させる。具体的な回転方法については、後述する。
モータ17の回転軸は、回転板18と連結され、回転板18を回転させる。モータ17は、一定速度で回転できるモータであれば、いずれも適用できる。例えば、回転速度をフィードバックして回転速度を制御するブラシレスモータが好適である。
回転板18は、回転軸から離間した位置に第2の磁石19を備える。第1の磁石13と第2の磁石19は、互いに異なる極性で対向させることにより、引き合う力が発生する。例えば、第1の磁石13のN極と第2の磁石19のS極とを向かい合わせるように配置する。
これらの構成の回転軸方向から見た配置について図2を用いて説明する。図2は、実施の形態1にかかるガス検出装置の構成を示す上面透視図である。図2に示すように、回転体12と、固定台14と、回転板18と、モータ17は、回転軸(中心軸)を同じくして配置されている。
そして、第1の磁石13と第2の磁石19は、回転軸から同じ距離で離れた位置に配置されている。したがって、モータ17が回転すると、第2の磁石19を所定の回転半径で周回する。そして、第2の磁石19と誘引し合う第1の磁石13は、第2の磁石19と同期して所定の回転半径で周回する。第1の磁石13は回転軸から離間した位置で回転体12に固定されているので、第1の磁石13が周回することにより、回転体12も回転する。
そして、ガスセンサ11は、この回転軸から離間した位置で回転体12上に配置されている。したがって、回転体12が回転することにより、ガスセンサ11も周回する。図の例では、ガスセンサ11は回転体12の周縁部に固定されている。ガスセンサ11を固定する位置を回転軸から半径方向に遠ざけるすなわち周縁部に近づける程、回転体12の回転速度が同じでもガスセンサ11の移動速度を速くすることができる。また、ガスセンサ11を回転体12の周縁部に固定することにより、回転体12を小型化(小径化)することができる。
モータ17は一定速度で回転するので、ガスセンサ11も一定速度で周回することになる。すなわち、ガスセンサ11と周囲のガスとは、相対的に一定速度を保つことになる。すなわち、ガスセンサ11を基準とすると、周囲のガスはガスセンサ11に対して一定の流速で流れていることになる。
このように実施の形態1のガス検出装置によれば、ガスセンサを一定速度で周回させることにより、ガスセンサに対して周囲の滞留したガスが相対的に一定の流速を保った状態でガスを検出することができる。そのため、測定対象のガスが停滞している状態でも、ガスを精度良く検出し、その濃度を精度良く測定することができる。
なお、実施の形態1のガス検出装置は、密閉容器内のガス検出に好適であるが、これに限定されるものではない。
また、実施の形態1のガス検出装置によれば、駆動部側と回転体側が、回転軸から同じ距離に、それぞれ磁石を備えることにより、非接触で駆動部の回転を回転体側に伝達することができる。
次に図1に戻り、電力供給及び測定データの伝送に関する構成について説明する。
給電・通信ユニット20は、給電用コイル21及び受信アンテナ22と電気的に接続する。そして、給電・通信ユニット20は、給電用コイル21に交流電流を流す。また、給電・通信ユニット20は、受信アンテナ22が受信した無線信号を増幅及び変換して、ガス濃度のデジタルデータを得る。
給電用コイル21は、給電・通信ユニット20から出力された交流電流を磁界に変換する。例えば給電用コイル21は、1または複数の環状の金属導線が好適である。
受信アンテナ22は、送信アンテナ25から送信された無線データを受信して、給電・通信ユニット20に出力する。
受電・送信ユニット23は、受電用コイル24、送信アンテナ25、及びガスセンサ11と電気的に接続する。そして受電・送信ユニット23は、受電用コイル24から出力された交流電流を、受電・送信ユニット23及びガスセンサ11の電源とする。また、受電・送信ユニット23は、ガスセンサ11から出力された測定データを無線信号に変換し、無線信号を送信アンテナ25に出力する。
受電用コイル24は、給電用コイル21が発生した磁界を交流電流に変換し、交流電流を受電・送信ユニット23に出力する。
送信アンテナ25は、無線信号を受信アンテナ22に送信する。
これら給電・通信ユニット20及び受電・送信ユニット23の詳細について説明する。図3は、実施の形態1にかかるガス検出装置の電気回路に関するブロック図である。図3において、太い実線は電力ラインを示し、細い実線はデータラインを示し、破線は制御ラインを示す。図3において、給電・通信ユニット20は、信号発生器30と、DC電源31と、誘導電源回路32と、受信回路37と、データ変換回路38と、PC39とを備える。また、受電・送信ユニット23は、受電用コイル24と、AC−DC変換回路33と、デジタル変換回路と、コントローラ35と、送信回路36と、送信アンテナ25とを備える。例えば、これらの給電・通信ユニット20及び受電・送信ユニット23の構成は、電子回路部品または半導体回路により構成されることが好適である。
まず、給電・通信ユニット20から受電・送信ユニット23に、電力を供給する構成について説明する。
信号発生器30は、所定の周波数の交流信号を発生して誘導電源回路32に出力する。
DC電源31は、直流信号を誘導電源回路32に供給する。
誘導電源回路32は、DC電源31から供給された直流信号の電力を、信号発生器30から出力された交流信号の周波数の交流として、給電用コイル21に供給する。
給電用コイル21は、供給された交流の電力により磁界を発生させる。
受電用コイル24は、給電用コイル21で発生した磁界により、交流の電力を発生させる。すなわち、受電用コイル24は、給電用コイル21と誘導結合している。そして、受電用コイル24は、交流の電力をAC−DC変換回路33に供給する。
AC−DC変換回路33は、交流の電力を直流の電力に変換する。そして、AC−DC変換回路33は、直流の電力を、デジタル変換回路34、コントローラ35、及び送信回路36に供給する。
これら信号発生器30、DC電源31、誘導電源回路32、給電用コイル21、受電用コイル24、及びAC−DC変換回路33の構成を用いて非接触電力伝送を行うことにより、給電・通信ユニット20と受電・送信ユニット23とが非接触の状態で、デジタル変換回路34、コントローラ35、及び送信回路36に電力を供給することができる。
なお、非接触電力伝送方式としては、上述の電磁誘導方式以外に、磁気共鳴方式を用いることもできる。
次に、ガスセンサ11の測定結果を受電・送信ユニット23から給電・通信ユニット20に伝送する構成について説明する。
ガスセンサ11は、測定対象のガスの吸着による電気信号の変化を測定する。そして、ガスセンサ11は、測定したガス濃度のアナログデータをデジタル変換器34に出力する。
デジタル変換器34は、測定したガス濃度のアナログデータを増幅及びデジタル変換して、デジタルデータを得る。そして、デジタル変換器34は、測定したガス濃度のデジタルデータをコントローラ35に出力する。
コントローラ35は、測定したガス濃度のデジタルデータを符号化する。そして、コントローラ35は符号化されたデジタルデータを送信回路36に出力する。また、図3において破線矢印で示すように、コントローラ35は、ガスセンサ11及びデジタル変換器34を制御する。例えば、コントローラ35は、ガスセンサ11の測定条件、デジタル変換器34の増幅率等を制御する。
送信回路36は、ガス濃度のデジタルデータを変調、周波数変換、及び増幅して変調波を得る。そして、送信回路36は、変調波を送信アンテナ25に出力する。
送信アンテナ25は、変調波を電波として送信する。
受信アンテナ22は、電波を受信して変調波を得る。そして、受信アンテナ22は、変調波を受信回路37に出力する。
受信回路37は、変調波を増幅、周波数変換、及び復調してデジタルデータを得る。そして、受信回路37はデジタルデータをデータ変換回路38に出力する。
データ変換回路38は、デジタルデータを復号化する。そして、データ変換回路38は、復号化したデジタルデータをPC39に出力する。この復号化したデジタルデータには、ガス濃度のデジタルデータが含まれている。
PC39は、ガス濃度のデジタルデータを蓄積及び表示する。
以上の構成により、電力を受電・送信ユニット23から給電・通信ユニット20に供給し、そしてガスセンサ11が測定したガス濃度のデータを受電・送信ユニット23から給電・通信ユニット20に伝送する。
この電力供給及び測定したガス濃度のデータの伝送は、回転する受電・送信ユニット23と、回転しない給電・通信ユニット20との間で行われるので、互いのコイル及びアンテナの形状及び配置を考慮する必要がある。次に、給電用コイル21、受電用コイル24、送信アンテナ25、及び受信アンテナ22の形状及び配置について、再び図2を用いて説明する。
図2に示すように、給電用コイル21と受電用コイル24とは、回転軸方向から見て、回転軸を中心として重なるように配置されている。そして、給電用コイル21と受電用コイル24の形状は同じ直径を有する環であるので、回転体12が回転しても、給電用コイル21と受電用コイル24の相対位置は変わらない。すなわち、回転体12が回転している時に、給電用コイル21と受電用コイル24は、安定して誘導結合することができ、給電・通信ユニット20から受電・送信ユニット23に非接触で電力を供給することができる。
また、送信アンテナ25と受信アンテナ22も、前記回転軸方向からの投影面において互いに重なるように配置されている。そして、送信アンテナ25と受信アンテナ22の形状は同じ直径を有する環であるので、回転体12が回転しても、送信アンテナ25と受信アンテナ22の相対位置は変わらない。したがって、回転体12が回転している時に、送信アンテナ25から受信アンテナ22に安定してデータを伝送することができる。
このように、実施の形態1のガス検出装置によれば、非接触電力伝送方式で電力を供給することにより、密閉空間内に配置したガスセンサ及び回路に電力を供給することができ、密閉空間内のガス濃度を測定することができる。
また、このように、実施の形態1のガス検出装置によれば、ガス濃度を測定したデータを無線信号で送信することにより、密閉空間内のガス濃度を測定した結果を外部に伝送することができる。
(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1のガス検出装置10を用いて、積層体40の密閉容器の封止品質を評価する方法について説明する。密閉容器内のガス濃度を測定する場合、密閉容器内に少なくともガスセンサ11及び回転体12を配置することになる。図4は、実施の形態2に係るガス検出装置及びリチウムイオン電池の構成を示す断面図である。
図4に示すように、ガス検出装置10は、リチウムイオン電池の積層体と40と共に密閉容器41内に配置されている。
密閉容器41は、ガス検出装置10及び積層体40を覆い、密閉空間を形成して密閉容器である。そして、密閉容器41は、磁場を透過し、水分を透過させない材料で構成される。例えば、密閉容器41は、ラミネートフィルム、特にアルミラミネートフィルムが好適である。
フレーム42は密閉容器41内に配置され、減圧による密閉容器41の変形を防ぐ構成である。すなわちフレーム42は、密閉容器41が減圧により凹んでガス検出装置10に干渉することを防ぐ。フレーム42は、磁場を透過し、且つ減圧による変形を防ぐために必要な剛性を有する材料で構成される。フレーム42の材料としては、塩化ビニル樹脂が好適である。
密閉容器41及びフレーム42の形状は、ガス検出装置10及び積層体40を覆うことが可能であれば、いずれの形状でも良い。また、フレーム42は、格子、板、または格子と板を組み合わせた形状が好適である。
積層体40の電極端子は、ラミネートフィルム同士で挟み、溶着することにより、密閉を保ちつつ、外部と導通することができる。
このように積層体40を封入した密閉容器41に、振動(外力)、温度、充放電などの実働負荷を与え、封止品質を評価する。例えば、振動は加振器により与えられる。また、温度は熱源により上昇させることができる。また、充放電は充放電装置により実施される。
このように実施の形態2の封止品質評価方法によれば、ガスセンサを回転軸から離間した周上を一定速度で周回させることにより、ガスセンサと滞留したガスが一定の流速を保った状態で測定できるので、密閉容器内で滞留しているガスを精度良く検出することができ、密閉容器の封止品質を精度良く評価できる。
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態では、モータ17を密閉容器外に配置しているが、モータ17を密閉容器内に配置し、電力を密閉容器外から電波で供給してもよい。また回転体12及び回転板18は、回転軸から離間した位置にガスセンサ11を配置することができれば、円盤形状以外でもよい。図5は、実施の形態1にかかるガス検出装置の変形例の構成を示す上面透視図である。例えば、図5のように、円盤の代わりに角棒の形状を有し、回転軸から離間した位置で角棒の上または端部にガスセンサ11を配置しても良い。回転板についても同様に円盤の代わりに角棒の形状としても良い。
回転体12は、回転軸が質量中心となるのが望ましい。したがって、ガスセンサ11または磁石により回転体12の質量中心が回転軸からずれる場合には、カウンターウェイトを備えることが望ましい。
また第1の磁石13と第2の磁石19は、永久磁石が好適であるが、電磁石を用いてもよい。この場合、第1の磁石13には、ガスセンサ11と同様に非接触電力伝送方式で電力を供給することにより磁力を発生させることが望ましい。また、第1の磁石13は回転体12の内部に配置しても良いし、表面に配置しても良い。同様に第2の磁石19は、回転板18の内部に配置しても良いし、表面に配置しても良い。
また、ガスセンサ11は、回転体12の回転軸から離間した位置、且つガスと接触できる位置であれば、回転体12上のいずれの位置でも配置することができる。
また、ガスセンサ11は、測定対象のガスの吸着による電気信号の変化を測定するものであれば、いずれも適用可能である。例えば、ガスの吸着による静電容量の変化を測定する静電容量式ガスセンサ、ガスの吸着による抵抗値の変化を測定する半導体式ガスセンサも適用可能である。またガスセンサ11は、ガス成分を検出してもよい。
また、上記実施の形態では、回転体12と回転板18とを、磁力により同期させて回転させているが、モータ17を密閉空間内に配置して回転体12をモータ17で回転させても良い。この場合、モータ17の電力は、電池または非接触電力伝送により供給するのが望ましい。
また、上記実施の形態では、測定したデータを無線信号で伝送し、密閉容器外のPC39で蓄積及び表示しているが、密閉容器内に小型ロガーを配置して測定したデータを蓄積しても良い。
10 ガス検出装置
11 ガスセンサ
12 回転体
13 第1の磁石
14 固定台
15 ベアリング
16 駆動部
17 モータ
18 回転板
19 第2の磁石
20 給電・通信ユニット
21 給電用コイル
22 受信アンテナ
23 受電・送信ユニット
24 受電用コイル
25 送信アンテナ
30 信号発生器
31 電源
32 誘導電源回路
33 変換回路
34 デジタル変換器
35 コントローラ
36 送信回路
37 受信回路
38 データ変換回路
40 積層体
41 密閉容器
42 フレーム

Claims (5)

  1. 測定対象のガスの吸着による電気信号の変化によりガス濃度測定するガスセンサと、
    前記ガスセンサを搭載する回転体と、
    前記回転体を回転させる駆動部と、を備え、
    前記ガスセンサは、前記回転体の回転軸から離間した位置に配置され、
    前記駆動部は、一定速度で前記回転体を回転させるガス検出装置。
  2. 少なくとも前記ガスセンサと前記回転体を収容する密閉容器を備える請求項1に記載のガス検出装置。
  3. 前記回転体は第1の磁石を、前記駆動部は第2の磁石を備え、
    前記駆動部は、前記回転軸周りに前記第2の磁石を回転させることにより、前記第2の磁石と誘引し合う前記第1の磁石を備えた前記回転体を回転させる請求項1または2に記載のガス検出装置。
  4. 前記密閉容器外に配置され、交流の電力を供給する給電ユニットと、
    前記密閉容器外に配置され、前記給電ユニットから供給される交流の電力により、磁界を発生する給電用コイルと、
    前記密閉容器内に配置され、給電用コイルで発生した磁界により、交流の電力を発生させる受電用コイルと、
    前記密閉容器内に配置され、前記交流の電力を直流に変換し、ガスセンサに直流の電力を供給するAC−DC変換回路と、を備え、
    前記給電用コイルと前記受電用コイルは、同じ直径を有する環形状であり、前記回転体の回転軸を中心として配置されている請求項2または3に記載のガス検出装置。
  5. 前記密閉容器内に配置され、前記ガスセンサが測定したガス濃度のデータを無線信号に変換する送信回路と、
    前記密閉容器内に配置され、前記無線信号を送信する送信アンテナと、
    前記密閉容器外に配置され、前記無線信号を受信する受信アンテナと、
    前記密閉容器外に配置され、前記無線信号からガス濃度のデータを得るデータ変換回路と、を備え、
    前記送信アンテナと前記受信アンテナは、同じ直径を有する環形状であり、前記回転体の回転軸を中心として配置されている請求項2から4のいずれか一項に記載のガス検出装置。
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