JP5560143B2 - 検査装置および検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、試料の欠陥検査に関し、特に金属上の金属異物の検査装置および検査方法に関する。

リチウム電池は、その製造工程において、電極材料を混練した後に、正極電極であるアルミ箔の両面にコバルト酸リチウムなどの正極媒体を塗布および乾燥させ、負極電極である銅箔の両面に炭素材料などの負極媒体を塗布および乾燥させることが知られている。

ここで、各媒体を塗布および乾燥させた正極電極および負極電極（以下、これを電池シートと称する）から電池を製造する際に、金属異物が電池シートに混入していると、マイクロショートが発生して、電池性能が著しく低下するという問題がある。また、リチウム電池は近年、電気自動車への適用が期待されているが、金属異物に起因してショートが発生し、発火、あるいは爆発が起こる恐れがあり、リチウム電池に起因した事故防止、信頼性向上の観点から、電池シートに対する金属異物検査の重要性が高まっている。

リチウム電池の電極材料中の異物検査方法に関する先行技術として、特許文献１（特開２００５−１８３１４２号公報）に「磁気インピーダンス効果により磁気乱れを検出する装置を用いて、薄層にしたリチウム二次電池用電極材料中の磁気乱れを発生させる異物の有無を検出することを特徴とするリチウム二次電池用電極材料の磁気乱れを発生させる異物の検出方法」（特許請求の範囲）が開示されている。

また、特許文献２（特開２００３−７５４１２号公報）に「フィルムの厚み方向に、立ち上げ時間を遅延させつつ電圧を印加するとともに、このときに流れる電流が所定値を超えたときに、前記フィルムに欠陥があるものと判定することを特徴とするフィルムの欠陥検出方法。」が開示されている。

特開２００５−１８３１４２号公報 特開２００３−７５４１２号公報

特許文献１に記載の方法では、より微小な異物を検出するためには電圧を上げるしか手段がなく、放電による検査対象物の破壊、高電圧による危険性が危惧される。また、特許文献２に記載の方法では、より微小な異物を検出するために磁気抵抗体の移動速度を上げると、磁気インピーダンスセンサの応答速度を越えてしまい、異物が検出できない問題があった。

また、製造した金属の表面あれ、塗布および乾燥させた媒体の厚さ、あるいは媒体の密度むらがある場合、より微小な異物を検出するためには、これらはノイズ成分となり異物の検出が困難となる。特許文献１および特許文献２に記載の方法では、このノイズ成分がある状態での異物の検出方法については具体的に開示されておらず、ノイズ成分を抑制して異物を検出する手段を新たに提供する必要があった。

また、高品質な金属を製造するためには製造プロセスを監視する必要がある。製造プロセスを監視するためには、異物の有無に加えて、異物の位置を検出する必要があり、特許文献１および特許文献２に記載の方法では異物の位置検出に関する具体的な方法については開示されておらず、製造プロセスを監視できる手段を新たに提供する必要があった。

本発明の目的は、金属上の微細な金属異物を高精度に検出する手段を提供することにより、金属製造の高信頼性化に貢献する検査装置および検査方法を提供することである。また、金属異物の有無と位置とを検出する検査装置および検査方法を提供することにより、金属製造プロセスにおける異物混入の監視を実現し、早期のプロセス見直しによる製造不良削減による低コスト化を実現することである。

本願において開示される発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すれば次のとおりである。
（１）金属異物の検査装置であって、被検査対象物である試料を移動させる移動装置と、該試料の表面に対して対向する位置に配置された電極と、前記移動装置により移動中の該試料と前記電極との間の静電容量を測定する測定装置と、前記測定装置により測定された静電容量の変化に基づき、該試料に混入した金属異物を検査する処理部とを備えた検査装置である。
（２）金属異物の検査方法であって、被検査対象物である試料を移動させる移動工程と、前記移動工程において移動中の該試料の表面に対して対向する位置に配置された電極との間の静電容量を測定する測定工程と、前記測定工程により測定された静電容量の変化に基づき、該試料に混入した金属異物を検査する処理工程とを備えた検査方法である。

本発明によれば、金属上の金属異物の高精度検出を実現する検査装置および検査方法を提供することができる。

本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の構成図である。 本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の検出原理を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の検出原理を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の検出原理を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第一の実施例による欠陥検出結果を示すモニター図である。 本発明に係る異物検査装置の第二の実施例の検出原理を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第三の実施例の電極構成を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第四の実施例の検出原理を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第四の実施例の検出原理を示す図である。 本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の電極の配置を説明する図である。

以下、本発明の実施例について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施例を説明するための全図において、同一の要素には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。

図１乃至３を用いて本発明に係る異物検査装置の第一の実施例を説明する。
図１は、本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の構成図である。
本実施例の異物検査装置は、被検査対象物である試料（金属１）を搬送するローラー２、３と、ローラー２、３により搬送される金属１の表面と対向する位置に配設した複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎと、複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎと金属１との静電容量により異物の有無を検出する検出回路１０と、ローラー３が回転動作することで発生したエンコーダパルス１２をもとにパルス数を計数するカウンタ回路１３と、検出回路１０が出力する異物有無情報１１とカウンタ回路１３が出力する位置信号（掃引座標）１４とを用いて金属１上に異物があるかどうか、また、どの位置に異物があるかをユーザに出力するユーザインタフェース１５とを備えて構成される。

金属１は被検査対象物であり、本発明は該金属１に存在する欠陥や異物を検出する異物検査装置に係る。ここで、欠陥は傷やクラック等である。

ローラー２、３は、金属１を掃引するように回転する。

図７は、本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の電極の配置を説明する図である。図７を用いて電極の配置を説明する。複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎは、金属１の表面に対向するように配置されており、ローラー２により掃引される際の掃引方向に対して法線方向に並べて配置されている。

検出回路１０は、複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎの各々の静電容量値を検出する。静電容量については後述するが、金属１と各々の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎとの間の距離に応じて得られる容量Ｃである。また、静電容量値を検出した後、検出値を処理して、金属１に欠陥または異物が存在するか否かを示す異物有無情報１１をユーザインターフェース１５に送る。

カウンタ回路１３は、ローラー３が回転動作することで発生したエンコーダパルス１２をもとにパルス数を計数する。これにより、複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎで静電容量を検出している金属１の表面の位置を判断し、複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎと対向する掃引座標を位置信号としてユーザインターフェース１５に送る。

ユーザインタフェース１５では、検出回路１０より送信された異物有無情報１１と、カウンタ回路１３から送信された位置信号（掃引座標）１４とに基づき、金属１に欠陥または異物が存在するか否か、また、存在する場合の存在位置を表示する。尚、ユーザインターフェース１５の出力装置は、一般的なコンピュータに使用されるディスプレーやタッチパネル、あるいは通信手段を介する場合があるが、その装置種類は問わず図示していない。また、図１に示した異物検査装置の構成では、検出回路１０における異物判定条件をユーザが該ユーザインタフェース１５を介して設定する場合があることは明白でありここでは図示しておらず、さらに該ユーザインタフェース１５における入力機能についても、一般的なコンピュータに使用されるキーボードやタッチパネル、あるいは通信手段を介する場合があり、その装置種類は問わず図示していない。

図２Ａ乃至図２Ｃは、本発明に係る異物検査装置の第一の実施例の検出原理を示す図である。
図２Ａ乃至図２Ｃでは説明を簡略化するため、図１で示した複数の電極４ａ、４ｂ・・・４ｎを配設した異物検査装置から、一電極（４ａ）分の検出回路１０の概略構成を示す。金属１と金属１上に存在する異物５と金属１の表面に対向するように配置された電極４ａと検出回路１０との側面図を示す。

搬送される金属１に対向して配設した電極４ａは、検出回路１０に内蔵される抵抗１０３を介して電圧源１０２に接続される。金属１上に金属異物５が存在して電極４ａの下を通過している間において、対地電位に接続された金属１と電極４ａとの間隔が変化し、金属１と電極４ａで構成される容量Ｃは、図２Ｂに示されるようにＣ＋△Ｃに変化する。この容量Ｃが変化した際に、図２Ｃに示されるように、電極４ａへの充放電電流１０１が流れ、抵抗１０３の両端に電圧Ｖｄｅｔが誘起される。

検出回路１０では、抵抗１０３の両端に増幅回路１０４が接続され、容量の変化で誘起した電圧Ｖｄｅｔを増幅し、比較回路１０５において増幅回路１０４の出力電圧と比較電圧１０６とを比較して、例えば比較電圧１０６よりも増幅回路１０４の出力電圧が高い場合は異物があったものとして異物有無信号１１に異物ありを示す信号を出力する。
図２Ａでは、検出原理の説明を簡略化するため、抵抗１０３の誘起電圧Ｖｄｅｔを増幅回路１０４で増幅する構成として説明したが、電流電圧変換回路で構成しても良いことは言うまでもない。また、図２Ａでは比較回路１０５において一つの比較電圧１０６と増幅回路１０４の出力電圧を比較する例を図示したが、複数の電圧との比較を用いても、あるいはＡ／Ｄ変換回路を用いてサンプリングデータで比較演算をしてもよい。

図３は、本発明に係る異物検査装置の第一の実施例による欠陥検出結果を示すモニター図である。
横軸の電極座標は、電極４ａ、４ｂ・・・４ｎの位置である電極座標にそれぞれ対応し、掃引座標はカウンタ回路１３からの位置信号（掃引座標）１４をもとにした、掃引された金属１上の電極位置に対応する。
画面中、黒い部分は検出回路１０において異物が存在すると判定された箇所であり、白い部分は異物が存在しないと判定された箇所を示す。このように、ユーザーインターフェース１５によって、金属１における異物の有無および異物の座標位置を知ることが可能である。

図４Ａ乃至図４Ｃを用いて、本発明に係る異物検査装置の第二の実施例を説明する。
図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明に係る異物検査装置の第二の実施例の検出原理を示す図である。

以下では、図２Ａ乃至図２Ｃで説明した第一の実施形態の検出原理との相違点を中心に説明する。図４Ａに示した異物検査装置では、金属１と対向した面を周期的な間隔で凹凸形状に形成した電極４ａを配設し、電極４ａからの出力を電流電圧変換回路１０７に接続する。異物１が電極４ａの下を通過すると、電極４ａと金属１とで形成された容量は図４Ｂに示したようにＣとＣ＋△Ｃの間で周期的に変化し、電極４ａと電流電圧変換回路１０７の間に流れる充放電電流１０１は図４Ｃに示した周期信号となる。

検出回路１０では、電流電圧変換回路１０７の出力信号をＡ／Ｄ変換回路１０８でサンプリングし、信号処理回路１０９内に配設した遅延回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃを介して加算回路１１１で加算処理を行う。微小な異物の場合、充放電電流が微小でありノイズの影響で検出が困難となる。
一般的に、ノイズの影響を抑制するために信号を加算処理することが効果的であることが知られており、一つの異物から生成した周期信号をもとに遅延回路１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃで順次信号を遅延させて加算処理することで、信号検出におけるノイズの影響を抑制することが出来る。その後、判定回路１１２において、加算回路１１１の出力をユーザインタフェース１５（図示せず）からの異物閾値１６と比較判定し、異物有無情報１１をユーザインタフェース１５に出力する。

図５を用いて、本発明に係る異物検査装置の第三の実施例を説明する。
図５は、本発明に係る異物検査装置の第三の実施例の電極構成を示す図である。

以下では、図４で説明した第二の実施形態の検出原理との相違点を中心に説明する。図５に示す電極４ａは、金属１と対向した側を周期的な間隔で凹凸形状に形成し、さらにリング状に形成したものであり、電極４ａへの充放電電流１０１を電圧電流変換回路１０７で電圧に変換する。ここで、電極４ａの下を金属１が通過する時間を△ｔ、金属１と電極４ａで構成される容量の変化分を△Ｃ、金属１と電極４ａの間の電位差をＶとすると、電極４ａに流れる充放電電流△ｉは以下の数１で表される。
（数１）
△ｉ＝△Ｃ×Ｖ／△ｔ
従って、異物が電極４ａの下を通過した際に異物が微小である場合、電位差Ｖ、通過時間△ｔが一定であると、容量の変化分△Ｃが小さくなり、それにより充放電電流△ｉが小さくなるため異物の検出が困難となる。本実施形態では、リング状に形成した電極４ａを回転機構（図示せず）により金属１の掃引方向と逆方向に回転動作させ、電極４ａの下を異物が通過する時間△ｔを小さくすることで、異物が微小であっても充放電電流△ｉを大きくすることができ、微小異物の検出が実現可能となる。

図６Ａ、６Ｂを用いて、本発明に係る異物検査装置の第四の実施例を説明する。
図６Ａ、６Ｂは、本発明に係る異物検査装置の第四の実施例の検出原理を示す図である。

図６Ａに示した検出回路１０では、複数の電極（図示せず）に接続した電流電圧変換回路１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃを配設し、充放電電流１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃをそれぞれ電圧に変換する。その後、減算回路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃにおいて電流電圧変換回路１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの出力電圧を減算処理する。
例えば、減算回路１１３ｂでは、電流電圧変換回路１０７ａの出力電圧Ｖ１と電流電圧変換回路１０７ｂの出力電圧Ｖ２とから減算処理により電圧Ｖａを得る。比較回路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃでは、減算回路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃの各出力電圧と比較電圧１１５とを比較し、比較回路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃの出力をもとに異物判定部１１６で異物の有無を判定して異物有無情報１１をユーザインタフェース１５（図示せず）に出力する。
金属１の表面にあれがある場合や、金属１に塗布および乾燥させた媒体に厚さむらや密度むらがある場合、電流電圧変換回路１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃの出力電圧は、図６ＢのＶ１、Ｖ２、Ｖ３で示すような信号となり、微小な異物の検出が困難となる。減算回路１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃにおいて、隣接した電極間での検出信号Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の差分をとることで、異物以外の信号成分を抑制した信号Ｖａ、Ｖｂを生成し、比較回路１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃでの比較電圧１１５との比較結果であるＶｃｍｐ＿ａ、Ｖｃｍｐ＿ｂから異物判定部１１６で異物の有無を検出することが可能となる。

本発明に係る異物検査装置および検査方法によっては、金属上の微小な金属異物の高精度検出を実現し、金属製造の高信頼性化ができる。また、金属製造プロセスにおける異物混入の監視を実現し、早期のプロセス見直しによる製造不良削減による低コスト化を実現することが可能である。

１ 被検査対象の金属
２、３ ローラー
４ａ、４ｂ・・・４ｎ 電極
５ 異物
１０ 検出回路
１１ 異物有無情報
１２ エンコーダパルス
１３ カウンタ回路
１４ 位置信号
１５ ユーザインタフェース
１６ 異物閾値
１０１、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃ 充放電電流
１０２ 電圧源
１０３ 抵抗
１０４ 増幅回路
１０５ 比較回路
１０６ 比較電圧
１０７、１０７ａ、１０７ｂ、１０７ｃ 電流電圧変換回路
１０８ Ａ／Ｄ変換回路
１０９ 信号処理回路
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ 遅延回路
１１１ 加算回路
１１２ 判定回路
１１３ａ、１１３ｂ、１１３ｃ 減算回路
１１４ａ、１１４ｂ、１１４ｃ 比較回路
１１５ 比較電圧
１１６ 異物判定部

Claims (14)

1. 金属異物の検査装置であって、
   被検査対象物である試料を移動させる移動装置と、
   該試料の表面に対して対向する位置に配置された複数の電極と、
   前記移動装置により移動中の該試料と前記電極との間の静電容量を測定する測定装置と、
   前記測定装置により測定された静電容量の変化に基づき、該試料に混入した金属異物を検査する処理部とを備え、
   前記複数の電極が常時薄膜に対向するよう歯車式に配置されて回転し、
   前記処理部では前記複数の電極の各々から測定した複数の静電容量を加算して該金属異物を検査することを特徴とする検査装置。
2. 請求項１に記載の検査装置であって、
   前記処理部では、金属異物の有無および位置を検査することを特徴とする検査装置。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の検査装置であって、
   前記移動装置は、前記電極が該試料の表面の薄膜に対応するように並進移動することを特徴とする検査装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の検査装置であって、
   前記移動装置により移動される該試料と前記電極とは非接触であることを特徴とする検査装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の検査装置であって、
   さらに、異物位置を表示する表示装置を有することを特徴とする検査装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の検査装置であって、
   前記測定装置では、該試料と前記電極との間の静電容量の変化に応じた充放電電流を検出することを特徴とする検査装置。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の検査装置であって、
   前記電極は該試料に対向する面に周期的な凹凸を有することを特徴とする検査装置。
8. 金属異物の検査方法であって、
   被検査対象物である試料を移動させる移動工程と、
   前記移動工程において移動中の該試料の表面に対して対向する位置に配置された複数の電極との間の静電容量を測定する測定工程と、
   前記測定工程により測定された静電容量の変化に基づき、該試料に混入した金属異物を検査する処理工程とを備え、
   前記複数の電極が常時薄膜に対向するよう歯車式に配置されて回転し、
   前記処理工程では複数の電極の各々から測定した複数の静電容量を加算して該金属異物を検査することを特徴とする検査方法。
9. 請求項８に記載の検査方法であって、
   前記処理工程では、金属異物の有無および位置を検査することを特徴とする検査方法。
10. 請求項８または９に記載の検査方法であって、
    前記移動工程では、前記電極が該試料の表面の薄膜に対応するように並進移動することを特徴とする検査方法。
11. 請求項８乃至１０のいずれかに記載の検査方法であって、
    前記移動工程により移動される該試料と前記電極とは非接触であることを特徴とする検査方法。
12. 請求項８乃至１１のいずれかに記載の検査方法であって、
    さらに、異物位置を表示する表示工程を有することを特徴とする検査方法。
13. 請求項８乃至１２のいずれかに記載の検査方法であって、
    前記測定工程では、該試料と前記電極との間の静電容量の変化に応じた充放電電流を検出することを特徴とする検査方法。
14. 請求項８乃至１３のいずれかに記載の検査方法であって、
    前記電極は該試料に対向する面に周期的な凹凸を有することを特徴とする検査方法。

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