JP5736921B2 - しわ検出装置およびしわ検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、しわ検出装置およびしわ検出方法に関する。

近年、様々な製品で二次電池が使用されている。二次電池は、正極、セパレータ、負極が積層された電池要素を含む。電池要素を形成する際には、正極、セパレータ、負極、セパレータという順のように、電極とセパレータを交互に積層する。

セパレータを電極上に重ねる際に、セパレータにしわができたり、後にしわになりうるような膨らみができてしまうことがある。セパレータにしわができると、積層が不均等になって、局所的圧力が加わったり、電極間の距離が変わったりして、電池品質を低下してしまう。したがって、しわができたかどうかは、電池品質を判断するのに重要である。目視でしわは判定できるものの、見落としがある場合があり、またサイクルタイム観点から、好ましくない。

そこで、セパレータの表面にレーザ光を照射し、表面からの反射光強度に従って、しわを検出する技術が知られている（特許文献１参照）。

特開２００３−２１４８２８号公報

しかしながら、特許文献１記載の発明では、大きさ（長さ、幅）を基準にしわを検出している。将来的にしわになるような箇所や実際に問題となるしわ（両者を含めて以下では単に、しわと言う）は、大きさではなく起伏の勾配により判定できる。

本願発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、勾配に基づいて、しわを特定できるしわ検出装置およびしわ検出方法を提供することを目的とする。

本発明のしわ検出装置は、投光手段、撮影手段、検出手段および判定手段を有する。投光手段は、電極およびセパレータが積層されてなる積層体に対して相対的に移動しながら、最外層のセパレータに対して、スリット光を投光する。撮影手段は、セパレータ上に映し出されたスリット光の形状を撮影する。検出手段は、撮影されたスリット光の形状に基づいて、セパレータの表面形状を検出する。判定手段は、検出された表面形状に基づいて、セパレータの勾配を算出し、算出した勾配に基づいてしわを判定する。たとえば、判定手段は、検出された表面形状に基づいて、撮影手段により撮影されたセパレータの画像を構成する各画素に高さを関連付け、画素毎に、所定の範囲内における他の画素との高低差を比較して、しわを構成するか判定する。

本発明のしわ検出方法は、投光工程、撮影工程、検出工程および判定工程を含む。投光工程は、電極およびセパレータが積層されてなる積層体に対して相対的に移動しながら、最外層のセパレータに対して、スリット光を投光する。撮影工程は、セパレータ上に映し出されたスリット光の形状を撮影する。検出工程は、撮影されたスリット光の形状に基づいて、セパレータの表面形状を検出する。判定工程は、検出された表面形状に基づいて、セパレータの起伏を算出し、算出した勾配に基づいてしわを判定する。たとえば、判定工程では、検出された表面形状に基づいて、撮影工程において撮影されたセパレータの画像を構成する各画素に高さを関連付け、画素毎に、所定の範囲内における他の画素との高低差を比較して、しわを構成するか判定する。

しわ検出装置およびしわ検出方法によれば、セパレータ表面の勾配に基づいて、しわを検出できる。

リチウムイオン二次電池の外観を表した斜視図である。 リチウムイオン二次電池の分解斜視図である。 負極の平面図である。 袋詰正極の平面図である。 しわ検出装置の概略構成を示す図である。 セパレータ上のしわにスリット光が投影された様子を示す図である。 セパレータのしわを示す断面図である。 しわの候補となる画素を特定する様子を示す図である。 しわを特定する様子を示す図である。 吸着コンベアで搬送される袋詰正極のセパレータのしわを検出する様子を示す図である。 パレットに載置されて搬送される発電要素上のセパレータのしわを検出する様子を示す図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

最初に、セパレータを含む電池の構成を簡単に説明する。セパレータが、しわ検出装置によりしわを検出する対象である。

図１はリチウムイオン二次電池（積層型電池）の外観を表した斜視図、図２はリチウムイオン二次電池の分解斜視図、図３は負極の平面図、図４は袋詰正極の平面図である。

図１に示すとおり、リチウムイオン二次電池１０は、扁平な矩形形状を有しており、正極タブおよび負極タブが外装材の同一端部から導出されている。外装材の内部には、充放電反応が進行する発電要素（電池要素）２０が収容されている。

図２に示すとおり、発電要素２０は、負極３０と袋詰正極４０とが交互に積層されて形成される。負極３０は、図３に示すように、ごく薄いシート状の負極集電体の両面に負極活物質層が形成されてなる。

袋詰正極４０は、正極５０が、セパレータ６０により挟み込まれてなる。正極５０は、シート状の正極集電体の両面に正極活物質層が形成されてなる。正極５０は、タブ部分がセパレータ６０の袋から引き出されている。２枚のセパレータ６０は、図４に示すように、端部において溶着部６２より相互に溶着されて、袋状に形成されている。溶着部６２は、たとえば、熱溶着により形成される。

なお、負極３０と袋詰正極４０とを交互に積層してリチウムイオン二次電池を製造する方法自体は、一般的なリチウム二次電池の製造方法であるため、詳細な説明は省略する。

次に、しわ検出装置について説明する。

図５はしわ検出装置の概略構成を示す図、図６はセパレータ上のしわにスリット光が投影された様子を示す図、図７はセパレータのしわを示す断面図である。

図５に示すように、しわ検出装置１００は、投光部１１０、カメラ１２０および制御部１３０を有する。投光部１１０は、投光手段として、セパレータ６０にスリット光を投光する。図５では、袋詰正極４０のセパレータ６０にスリット光を投光している様子を示している。スリット光は、図５に一点鎖線に示されるように、セパレータ６０の表面に線状に投影される。

カメラ１２０は、撮影手段として、セパレータ６０の表面に映し出されたスリット光の形状を、斜めから撮影する。たとえば、図６に示すように、セパレータ６０上に起伏がある場合、カメラ１２０から見たスリット光の形状は起伏に従って、起伏部分が曲線になる。カメラ１２０は、起伏によるスリット光の変形を撮影する。図６に示すような起伏があると、将来起伏が崩れてしわになる可能性がある。しわは、図７に示すようにセパレータ６０の表面で折り畳みができた状態である。カメラ１２０により、このような将来的にしわになりそうな起伏を検出できる。

また、初めから図７に示すようなしわがセパレータ６０の表面に形成されている場合でも、スリット光が当たると変形する。カメラ１２０は、しわによるスリット光の変形を撮影できる。カメラ１２０は、将来的にしわになる図６のような起伏や、図７のような折り畳みじわの両方を撮影できる。

投光部１１０およびカメラ１２０は、セパレータ６０の表面全体にスリット光を順次投影できるように、セパレータ６０に対して相対的に移動している。移動する方向は、線状のスリット光と交差する方向である。スリット光と交差する方向に相対的に移動することによって、セパレータ６０の表面全体にスリット光を投影し、カメラ１２０により撮影できる。たとえば、袋詰正極４０が搬送されて移動している場合、投光部１１０は、搬送方向に対して平面方向に交差するスリット光を投射する。好ましくは、投光部１１０は、搬送方向に対して９０度交差する方向に延びたスリット光を投射する。

制御部１３０は、検出手段および判定手段として、セパレータ６０の表面形状を検出し、表面の勾配からしわを判定する。しわの検出および判定手法は、次の通りである。

図８はしわの候補となる画素を特定する様子を示す図、図９はしわを特定する様子を示す図である。

制御部１３０は、カメラ１２０が撮影したセパレータ６０上のスリット光の形状に基づいて、スリット光が投影されている位置のセパレータ６０の断面形状を算出する。この断面形状には、高さが含まれる。たとえば、図６に示すスリット光は、２つの膨らみを反映した形状になっている。この形状と、カメラ１２０の撮影角度に基づいて、スリット光投影部分のセパレータ６０の断面形状（高さ）が算出される。算出された断面形状を合成することで、セパレータ６０の表面形状が立体的に特定される。光切断法と呼ばれる手法である。

カメラ１２０により撮影され、スリット光の投影部分を表現する各画素に対して、制御部１３０は、断面形状に基づいて、高さの情報を関連付け、図示しない記憶部に記憶する。各画素に高さを関連づけた後、制御部１３０は、各画素について、急な勾配が周囲にあるか算出する。

たとえば、図８に示すように、画素Ｐ１について、半径Ｒ１以内の画素と高さを比較し、所定の閾値ｔｈ１以上高いか低い画素の個数をカウントする。カウントされた個数が、所定個数ｔｈ２以上の場合、画素Ｐ１の周りで急な高さの差が多くある、すなわち、急勾配が広く形成されていることがわかる。したがって、制御部１３０は、画素Ｐ１をしわを構成する部分の候補（しわ候補）として、記憶する。たとえば、しわ候補には赤色を着色して他の画素と区別して記憶する。制御部１３０は、カメラ２０により撮影したセパレータ６０を示す全ての画素について、しわ候補か否かを判定する。

制御部１３０は、しわ候補の判別が終わると、今度は、図９に示すように、しわ候補だけを抽出し、しわ候補の各画素を用いてしわの範囲を特定する。しわの範囲の特定はたとえば次の通りである。しわ候補の画素Ｐ２から半径Ｒ２以内のしわ候補の画素の個数をカウントし、カウントした個数が所定の閾値ｔｈ３以上の場合には、画素Ｐ２がしわを構成すると判定して記憶する。制御部１３０は、全てのしわ候補の画素について、しわを構成するか否かを判定する。

以上のように、しわ検出装置１００は、セパレータ６０の表面を撮影し、画素に高さを関連づけ、各画素の周囲の画素との高さの差から急勾配を検出し、しわを判定できる。つまり、セパレータ６０の表面の勾配に基づいて、しわを判定できる。したがって、しわがあると判定された袋詰正極４０を、後の工程において、払い出したり、そのような袋詰正極４０を含む電池を不良品として排除したりできる。

なお、上記実施形態において、半径Ｒ１は、当業者によって適宜決定される値である。Ｒ１を小さな値とすることで、狭い範囲での勾配を検出できる。たとえば、画素間の距離が０．２〜０．３ｍｍであるときに、Ｒ１は２〜３ｍｍである。また、閾値ｔｈ１や閾値ｔｈ２も当業者によって適宜設定できる。半径Ｒ１の値を小さく、閾値ｔｈ１／閾値ｔｈ２の値を大きくすることによって、より急激な変化をしわと判定できるようになる。このように、半径Ｒ１、閾値ｔｈ１および閾値ｔｈ２は、しわを判定するための閾値を構成するパラメータである。したがって、半径Ｒ１、閾値ｔｈ１および閾値ｔｈ２の値を調整することで、しわと判定するための勾配の閾値を調整できる。半径Ｒ２および閾値ｔｈ３も、当業者によって適宜決定される値である。半径Ｒ２および閾値ｔｈ３も適宜調整することによって、しわと判定するための勾配の閾値を調整できる。

次に、上記しわ検出装置１００が適用される工程の例について説明する。

図１０は吸着コンベアで搬送される袋詰正極のセパレータのしわを検出する様子を示す図である。

図４に示す袋詰正極４０が作成されて搬送される際に、上記しわ検出装置１００を適用できる。ここで、袋詰正極４０は、吸着コンベア７０、７２により、図中矢印で示す方向に搬送されているとする。吸着コンベア７０、７２は、回転するコンベア表面に負圧を発生し、負圧により袋詰正極４０を固定しつつ搬送する。吸着コンベア７０および吸着コンベア７２の間には、隙間７４が設けられている。吸着コンベア７０および吸着コンベア７２の対向する端部では、負圧が開放され、スムーズに吸着コンベア７０、７２間で袋詰正極４０が受け渡される。

しわ検出装置１００は、吸着コンベア７０、７２の上方および下方に、投光部１１０およびカメラ１２０がそれぞれ２組設けられている。上方の投光部１１０およびカメラ１２０により、袋詰正極４０の表側のセパレータ６０表面のしわを検出できる。また、下方の投光部１１０およびカメラ１２０により、袋詰正極４０の裏側のセパレータ６０の表面のしわを検出できる。下方の投光部１１０およびカメラ１２０は、吸着コンベア７０、７２間の隙間７４からセパレータ６０の表面にスリット光を投光し、そのスリット光を撮影できるように、角度が調整されている。

以上のように、搬送手段の合間を狙ってしわ検出装置１００を配置することによって、両面にセパレータ６０が配置された袋詰正極４０を採用している場合でも、その両面のセパレータ６０表面のしわを検出できる。

また、袋詰正極４０を採用しない場合でも、しわ検出装置１００は適用できる。

図１１はパレットに載置されて搬送される発電要素上のセパレータのしわを検出する様子を示す図である。

搬送されているパレット８０に、順次、電極（正極または負極）およびセパレータを交互に積層して積層体９０（発電要素）を形成していく生産ラインがある。このような生産ラインの場合、セパレータ６０が最上層に積層されて、搬送される過程に、図１１に示すように、しわ検出装置１００を適用できる。積層体９０の上方に投光部１１０およびカメラ１２０を配置しておくことで、姿勢が固定された投光部１１０から、移動するセパレータ６０表面全長にスリット光を投影できる。カメラ１２０が順次セパレータ６０上のスリット光を撮影することで、制御はセパレータ６０のしわを検出できる。最上層にセパレータ６０が積層されて搬送される過程毎に、しわ検出装置１００を適用することで、全部のセパレータ６０についてしわを検出でる。

なお、移動しないパレット８０上に順次、電極およびセパレータを交互に積層してもよい。この場合、パレット８０上方に設置された投光部１１０およびカメラ１２０は、セパレータ６０の全面にスリット光を投光し、そのスリット光を撮影できるように移動する。移動方向は、スリット光が延びる方向に対して、平面方向に交差する方向であり、好ましくは９０度交差する方向である。

以上のように、本実施形態のしわ検出装置１００は、生産ラインにおいて、様々な工程にも適用できる。

上記実施形態では、図８に示すように、半径Ｒ１以内で高低差が閾値ｔｈ１以上ある画素が閾値ｔｈ２個以上ある場合に、画素Ｐをしわ候補として判定し、さらに、しわ候補から、図９に示す条件によりしわを判定していた。しかし、これに限定されない。図８の条件を満たす画素の部分を、しわ候補ではなく、しわと判定してもよい。

また、しわ候補またはしわを判定する際に、半径Ｒ１、Ｒ２の範囲において、画素を評価していた。しかし、半径Ｒ１、Ｒ２のような円形の領域でなく、矩形の領域や他の多角形の領域内において画素を評価してもよい。

また、袋詰正極４０として、セパレータ６０に正極５０が袋詰めされた形態について説明した。しかし、袋詰めされるのは負極３０であってもよい。この場合でも、同様にセパレータ６０表面のしわを検出できる。

また、上記実施形態では、図１に示すように、正極タブおよび負極タブが外装材の同一端部から導出されている場合について説明した。しかし、これに限定されない。正極タブおよび負極タブがたとえば反対の端部から導出されてもよい。この場合、二次電池１０の発電要素２０を形成する際には、タブ部分が相互に反対向きになるように負極３０と袋詰正極４０が積層される。

また、上記実施形態では、１本の線状のスリット光をセパレータ６０上に映し出していたが、これに限定されない。複数本のストライプ状のスリット光を投影してもよい。

１０ 二次電池、
２０ カメラ、
２０ 発電要素、
３０ 負極、
４０ 袋詰正極、
５０ 正極、
６０ セパレータ、
６２ 溶着部、
７０、７２ 吸着コンベア、
７４ 隙間、
８０ パレット、
９０ 積層体、
１００ 検出装置、
１１０ 投光部、
１２０ カメラ、
１３０ 制御部。

Claims (5)

1. 電極およびセパレータが積層されてなる積層体に対して相対的に移動しながら、最外層の前記セパレータに対して、スリット光を投光する投光手段と、
   前記セパレータ上に映し出された前記スリット光の形状を撮影する撮影手段と、
   撮影されたスリット光の形状に基づいて、前記セパレータの表面形状を検出する検出手段と、
   検出された表面形状に基づいて前記セパレータの勾配を算出し、算出した勾配に基づいてしわを判定する判定手段と、を有し、
   前記判定手段は、検出された表面形状に基づいて、前記撮影手段により撮影された前記セパレータの画像を構成する各画素に高さを関連付け、前記画素毎に、所定の範囲内における他の前記画素との高低差を比較して、しわを構成するか判定する、しわ検出装置。
2. 電極およびセパレータが積層されてなる積層体に対して相対的に移動しながら、最外層の前記セパレータに対して、スリット光を投光する投光手段と、
   前記セパレータ上に映し出された前記スリット光の形状を撮影する撮影手段と、
   撮影されたスリット光の形状に基づいて、前記セパレータの表面形状を検出する検出手段と、
   検出された表面形状に基づいて前記セパレータの勾配を算出し、算出した勾配に基づいてしわを判定する判定手段と、を有し、
   前記積層体は、袋状に形成されたセパレータ内に電極が配置されてなり、
   前記投光手段は、前記積層体の両面にそれぞれスリット光を投光し、
   前記撮影手段は、前記積層体の両面のセパレータ表面のスリット光の形状を撮影する、しわ検出装置。
3. 前記投光手段および前記撮影手段は、前記積層体を搬送する搬送経路に設置されており、
   前記撮影手段は、積層体におけるセパレータの表面形状を検出する請求項１または２に記載のしわ検出装置。
4. 電極およびセパレータが積層されてなる積層体に対して相対的に移動しながら、最外層の前記セパレータに対して、スリット光を投光する投光工程と、
   前記セパレータ上に映し出された前記スリット光の形状を撮影する撮影工程と、
   撮影されたスリット光の形状に基づいて、前記セパレータの表面形状を検出する検出工程と、
   検出された表面形状に基づいて前記セパレータの勾配を算出し、算出した勾配に基づいてしわを判定する判定工程と、を含み、
   前記判定工程では、検出された表面形状に基づいて、前記撮影工程において撮影された前記セパレータの画像を構成する各画素に高さを関連付け、前記画素毎に、所定の範囲内における他の前記画素との高低差を比較して、しわを構成するか判定する、しわ検出方法。
5. 電極およびセパレータが積層されてなる積層体に対して相対的に移動しながら、最外層の前記セパレータに対して、スリット光を投光する投光工程と、
   前記セパレータ上に映し出された前記スリット光の形状を撮影する撮影工程と、
   撮影されたスリット光の形状に基づいて、前記セパレータの表面形状を検出する検出工程と、
   検出された表面形状に基づいて前記セパレータの勾配を算出し、算出した勾配に基づいてしわを判定する判定工程と、を含み、
   前記積層体は、袋状に形成されたセパレータ内に電極が配置されてなり、
   前記投光工程では、前記積層体の両面にそれぞれスリット光を投光し、
   前記撮影工程では、前記積層体の両面のセパレータ表面のスリット光の形状を撮影する、しわ検出方法。