電池用電極材の厚さ測定装置、及び厚さ測定方法
【課題】電池用電極材に対して、簡便に評価を行うことができる厚さ測定装置、及び厚さ測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の一態様にかかる厚さ測定装置は、集電体２１上に活物質２３を含む活物質層２２が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置であって、前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため前記電池用電極材の表面にエアを噴出する測定ヘッド３１と、測定ヘッド３１に設けられたコイル４１と、コイル４１に接続された発振器５０と、を備えるものである。
【解決手段】本発明の一態様にかかる厚さ測定装置は、集電体２１上に活物質２３を含む活物質層２２が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置であって、前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため前記電池用電極材の表面にエアを噴出する測定ヘッド３１と、測定ヘッド３１に設けられたコイル４１と、コイル４１に接続された発振器５０と、を備えるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池用電極材の厚さ測定装置、及び厚さ測定方法に関し、特に詳しくは、集電体に活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置、及び厚さ測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車のバッテリとして、リチウムイオン電池が開発されている。リチウムイオン電池では、集電体上に活物質が設けられた電極材が用いられる。例えば、正極材では、集電体としてアルミニウム箔（Ａｌ）が用いられ、活物質としてマンガン酸リチウム等が用いられる。一方、負極材では、集電体として銅箔（Ｃｕ）が用いられ、活物質としてグラファイトが用いられる。
【０００３】
電極材の構成について図９を用いて説明する。図９では、一方の電極材２０である正極材の断面構成を模式的に示している。電極材２０は、集電体２１と、集電体２１の上に設けられた活物質層２２とを有している。集電体２１は、例えば約２０μｍの厚さであり、活物質層２２は、約５０〜１００μｍの厚さである。活物質２３、バインダ２４、及び導電助剤（導電材ともいう）２５が混ぜ合わされた状態で、塗布されることで、活物質層２２が形成される。
【０００４】
正極材の場合、活物質２３は、例えば、粒子径１〜１０μｍのマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）やコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）である。バインダ２４は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。導電助剤２５は、例えば、粒子径１μｍ〜サブミクロンの黒鉛微粉、カーボンブラック、炭素繊維である。活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が混ぜ合わされ、集電体２１上に塗布される。なお、図示はしていないが、活物質層２２は、集電体２１の両面に形成される。そして、正極材と負極材が交互に配置され、その間にセパレータを配置する。そして、これらの積層構造が電解液（電解質）に浸漬される。
【０００５】
このようなリチウムイオン電池を評価する装置が開示されている。例えば、特許文献１、２では、電極材の厚さを接触式変位センサで測定している。また、特許文献３では、多孔質膜をカラー画像で撮影して、その色調によって膜厚を求めている。しかしながら、特許文献１、２の方法では、電極材全体としての厚みしか測定することができない。さらに、接触式センサを用いているため、表面に損傷を与えてしまうことがある。また、特許文献３では、測定対象が、多孔質膜に限定される。さらに、カラー画像の色調から膜厚を求めているため、正確に測定することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３７８５９号公報
【特許文献２】特開２００１−１２６７１９号公報
【特許文献３】特開２００７−６６８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電池性能の向上のために、活物質層２２の厚さや活物質層の均質性を測定することが望まれている。例えば、活物質層２２の厚さ分布を測定することが望まれている。さらに、活物質層２２において、活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が均一に分布していることを測定することが望まれている。これらを測定することで、電池用電極材を様々な観点から評価することができるようになる。例えば、活物質層２２の厚さ分布を測定することで、活物質層２２の塗布ムラなどを評価することができる。さらに、図１０に示すように、活物質層２２において、導電助剤２５が密集したり、金属異物が混入したりすることがある。あるいは、図１１に示すように、活物質層２２にボイドや欠けが生じることもある。このような不均質箇所があると、電流密度が不均一、又は集中してしまい、電池性能の低下や劣化の原因となる。よって、活物質層の膜圧分布や均質性を測定して、電池用電極材を評価することで、電池性能の向上に寄与することができる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡便に電池用電極材の厚さを測定することができるため、電池性能の向上に寄与することができる厚さ測定装置、及び厚さ測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様に係る厚さ測定装置は、集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置であって、前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため、前記電池用電極材の表面にエアを噴出するヘッドと、前記ヘッドに設けられたコイルと、前記コイルに接続された発振器と、を備えるものである。これにより、簡便に電池用電極材の厚さを測定することができるため、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記発振器と前記コイルを接続したときの発振周波数に応じて、前記活物質を含む活物質層の厚さを測定するものである。これにより、簡便に活物質層の厚さを測定することができ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記ヘッドに設けられ、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極と、前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替えるスイッチと、を備えるものである。これにより、活物質層の均質性を測定することができるため、様々な観点からの評価が可能になる。
【００１２】
本発明の第４の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記ヘッドを支持するアームを備え、前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられているものである。これにより、様々な厚さの電池用電極材について、厚さ測定を行うことができる。
【００１３】
本発明の第５の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されているものである。これにより、一定のエアギャップを安定して得ることができる。
【００１４】
本発明の第６の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられているものである。これにより、安定して測定することができる。
【００１５】
本発明の第７の態様に係る厚さ測定方法は、集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定方法であって、前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため前記電池用電極材の表面にエアを噴出するステップと、発振器によって、前記ヘッドに設けられたコイルに交流磁界を発生させるステップと、前記発振器の発振周波数を求めるステップと、を備えるものである。これにより、簡便に電池用電極材の厚さを測定することができ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１６】
本発明の第８の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記測定ヘッドと前記電極を相対移動したときの前記発振器の発振周波数分布に応じて、活物質層の厚さ分布を測定するものである。これにより、簡便に活物質層の厚さを測定することができ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１７】
本発明の第９の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記ヘッドに、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極が設けられ、前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替えるものである。これにより、活物質層の均質性を測定することができるため、様々な観点からの評価が可能になる。
【００１８】
本発明の第１０の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記ヘッドがアームによって指示され、前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられているものである。これにより、様々な厚さの電池用電極材について、厚さを測定することができる。
【００１９】
本発明の第１１の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されているものである。これにより、一定のエアギャップを安定して得ることができる。
【００２０】
本発明の第１２の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記集電体の比抵抗が、前記活物質層の比抵抗よりも高いことを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第１３の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられているものである。これにより、安定して測定することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡便に電池用電極材を評価することができ、電池性能の向上に寄与することができる厚さ測定装置、及び厚さ測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態にかかる厚さ測定装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】厚さ測定装置の測定アームの構成を模式的に示す図である。
【図３】厚さ測定装置の測定ヘッドを模式的に示す側面図である。
【図４】厚さ測定装置の測定ヘッドを模式的に示す下面図である。
【図５】厚さ測定装置の測定手法を説明する図である。
【図６】厚さ測定装置の測定回路を模式的に示す側面図である。
【図７】厚さ測定装置において、表面距離と発振周波数の関係を示す図である。
【図８】板状部材が設けられた厚さ測定装置の構成を示す側面断面図である。
【図９】電池用電極材の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】電池用電極材の活物質層に異常が発生した例を示す断面図である。
【図１１】電池用電極材の活物質層に異常が発生した例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００２５】
本実施形態に係る厚さ測定装置において、測定対象物である電極材２０は、例えば、リチウムイオン電池用の電極材である。従って、図９に示したように、電極材２０は、集電体２１と活物質層２２とを備えている。集電体２１としては、正極材の場合、アルミニウム箔、負極材の場合、銅箔が用いられている。また、活物質層２２には、上記したように、活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が設けられている。集電体としてアルミニウム箔（Ａｌ）が用いられ、活物質としてマンガン酸リチウム等が用いられる。一方、負極材では、集電体として銅箔（Ｃｕ）が用いられ、活物質２３としてグラファイトが用いられる。バインダ２４は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。導電助剤２５は、例えば、粒子径１μｍ〜サブミクロンの黒鉛微粉、カーボンブラック、炭素繊維である。活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が混ぜ合わされ、集電体２１上に塗布される。厚さ測定装置は、活物質層２２の厚さ分布を測定する。厚さ分布を測定することで、厚さムラを低減することができる。よって、電池の容量低下を防ぎ、電池性能の向上に寄与することができる。さらに、厚さ測定装置は、活物質層の導電率のムラやボイド等を測定することができる。よって、電池の容量低下を防ぎ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００２６】
まず、厚さ測定装置の全体構成に付いて図１を用いて説明する。図１は、厚さ測定装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、厚さ測定装置は、ステージ１１とカバー１２と可動部１３とクランプ１４と測定アーム３０とを備えている。ステージ１１上には、電池用の電極材２０が載置される。カバー１２はステージ１１に対して開閉可能に設けられている。電極材２０に対して測定を行う際は、カバー１２が閉じられる。一方、電極材２０を取り出す、又は設置する際には、カバー１２が開けられる。ステージ１１には、噴出口１５が設けられている。そして、噴出口１５は、気体（空気）を噴出する。これにより、測定対象である電極材２０が浮上する。噴出口１５を用いることで、電極材２０をステージ面に対して非接触にすることができる。よって、電極材２０の損傷等を防ぐことができる。
【００２７】
電極材２０は、クランプ１４に把持される。すなわち、クランプ１４は、電極材２０の一端を把持する。クランプ１４は、可動部１３に、スライド可能に取り付けられている。クランプ１４は、可動部１３に対して、Ｙ方向に移動する。また、可動部１３は、ステージ１１にスライド可能に取り付けられている。可動部１３は、ステージ１１上をＸ方向に移動する。クランプ１４をＹ方向、可動部１３をＸ方向に駆動することで、電極材２０がＸＹ方向に自在に移動する。なお、コンピュータ等によってクランプ１４と可動部１３を制御して、電極材２０の移動を自動制御にしてもよい。これにより、電極材２０の全面測定を自動で行うことができる。
【００２８】
さらに、ステージ１１には、測定アーム３０が取り付けられている。測定アーム３０は、ステージ１１の奥側（−Ｙ側）の端から、ステージ１１の中央まで延設している。測定アーム３０の先端部分は、電極材２０の上に配置される。すなわち、測定アーム３０に先端に設けられた測定ヘッドの直下に電極材２０が配置される。測定ヘッドが電極材２０に対して測定を行う。そして、クランプ１４と可動部１３によって電極材２０をＸＹ方向に移動することで、測定ヘッドと電極材２０の相対位置が変化する。電極材２０の任意の位置を測定することができる。測定ヘッドと電極材２０を徐々にずらしていくことで、電極材２０の全面を測定することができる。
【００２９】
次に、測定アーム３０の構成に付いて、図２を用いて説明する。図２は、測定アーム３０の構成を模式的に示す側面図である。測定部となる測定アーム３０は、測定ヘッド３１、板バネ３２、ベース３３、先端アーム３４、ベースアーム３５、高さ調整機構３８、差動トランス６０を備えている。
【００３０】
ステージ１１の端には、ベース３３が立設されている。ベース３３には、ベースアーム３５が取り付けられている。すなわち、ベース３３は、ベースアーム３５を支持している。ベースアーム３５は、ベース３３からＹ方向に延びている。ベースアーム３５よりも先端側には、Ｙ方向に延びる先端アーム３４が配置されている。そして、先端アーム３４とベースアーム３５は、一対の板バネ３２によって連結されている。すなわち、ベースアーム３５は、板バネ３２を介して、先端アーム３４を支持している。
【００３１】
一対の板バネ３２は、上下に離間して配置されている。そして、板バネ３２は、先端アーム３４の上面と下面に取り付けられている。一対の板バネ３２は、板バネ式平行リンク機構を構成している。これにより、測定ヘッド３１が略一定の力で電極材２０に押し付けられる。板バネ３２が撓むことで、先端アーム３４が、ベースアーム３５に対して、上下に変位する。先端アーム３４の先端には、測定ヘッド３１が取り付けられている。板バネ３２は、先端アーム３４と測定ヘッド３１の重量等に応じて撓んでいる。もちろん、板バネ式平行リンクに限らず、電極材２０の表面高さに応じて測定ヘッド３１を上下に変位させる構造であればよい。
【００３２】
測定ヘッド３１には、測定を行うための回路が設けられている。また、測定ヘッド３１には、噴出口が設けられている。噴出口からは、電極材２０に対してエアが噴出する。エアが電極材２０の表面に沿って流れることによって、測定ヘッド３１と電極材２０の表面との間に、エアギャップ（隙間）が形成される。エアギャップは、エア圧力によって変化する。また、エア圧力を一定の状態とし、電極材２０の表面高さが変化すると、エアギャップが一定になるように、測定ヘッド３１が上下する。電極材２０の表面高さやエアギャップ長に応じて、板バネ３２の撓み量が変化する。例えば、エアを停止した状態で、板バネ３２の撓み量が最も大きくなる。エアの圧力を高くして、エアギャップが大きくなると、板バネ３２の撓み量が小さくなる。一対の板バネ３２は、平行板バネリンク機構を構成している。エア圧力を一定にすると、板バネ３２が下方向（−Ｚ方向）に向かって、略一定の弾性力を発生する。この弾性力によって測定ヘッド３１が電極材２０に押し付けられ、エアギャップが一定となる。一定のエアギャップを安定して得ることができる。さらにに、エア圧力を調整することで、所望のエアギャップ長を得ることができる。従って、適当なエアギャップを保った状態で、測定ヘッド３１をエア浮上させることができる。なお、測定ヘッド３１の詳細な構成については、後述する。
【００３３】
ベースアーム３５には、高さ調整機構３８が取り付けられている。高さ調整機構３８は、例えば、マイクロメータであり、ベースアーム３５を上下方向（Ｚ方向）に送り出すことができる。あるいは、高さ調整機構３８としてリニアガイド機構とモータを用い、ベースアーム３５を自動送りするようにしてもよい。ベース３３に対して、ベースアーム３５がＺ方向に移動する。高さ調整機構３８によって、測定ヘッド３１と電極材２０との距離が変化する。電極材２０に応じて高さを調整することで、様々な厚さの電極材２０を評価することができる。なお、高さ調整機構３８の取り付け位置は、ベースアーム３５に限られるものではない。例えば、先端アーム３４や測定ヘッド３１に高さ調整機構３８を取り付けても良い。
【００３４】
ベースアーム３５には、エアによる浮上量を測定する差動トランス６０の主要部分が設けられている。具体的には、ベースアーム３５には、１次コイル６３と２次コイル６２が取り付けられている。１次コイル６３の上下両側には２次コイル６２が配置されている。２次コイル６２は、１次コイル６３を挟んで、対称に配置されている。また、先端アーム３４には、樹脂サポート３９が設けられている。樹脂サポート３９は、差動トランス６０のコア６１を支持している。コア６１は、先端アーム３４と連動する。高周波用差動トランスを実現するため、コア６１には、例えば、フェライトコアが用いられる。コア６１は、１次コイル６３の内部に配置されている。同様に、コア６１は、２次コイル６２の内部に配置されている。コア６１が基準となる高さにある場合、１次コイル６３の上下両側に設けられた２次コイル６２に対して、コア６１が対称に配置される。
【００３５】
１次コイル６３には、励磁用のケーブル６６が接続されている。なお、後述するようにケーブル６６には、発振器が接続されている。２次コイル６２には、検出用のケーブル６７が接続されている。ケーブル６６、及びケーブル６７は、例えば、同軸ケーブルである。ケーブル６６を介して、交流電圧を供給することで、１次コイル６３が励磁される。先端アーム３４がベースアーム３５に対して上下すると、２次コイル６１に対して、コア６１が上下する。コア６１が基準となる高さにある場合、上下の２次コイル６２に誘起される交流電圧（誘起電圧）は等しくなる。よって、差動電圧が０となる。コア６１が基準高さから上下にずれると、２次コイル６３に対するコア６１の位置が対称でなくなる。よって、上下の２次コイル６２の誘起電圧に差が生じ、その差に応じた交流電圧（差動電圧）が現れる。ケーブル６７を介して差動電圧を検出することで、コア６１の高さ変化を測定することができる。すなわち、ベースアーム３５に対する先端アーム３４の位置変化を測定することができる。
【００３６】
差動トランス６０によって、エアによる浮上量を測定することができる。例えば、エアの圧力が変化すると、測定ヘッド３１と電極材２０との間のエアギャップが変化する。よって、ベースアーム３５に対する測定ヘッド３１及び測定ヘッド３１を支持する先端アーム３４の位置が上下に変化する。すなわち、先端アーム３４を支持する板バネ３２の撓み量が変化する。従って、２次コイル６１に対するコア６１の位置が、上下に変化する。コア６１の位置変化を２次コイル６１の差動電圧によって測定する。このようにすることで、エア圧力とエアによる浮上量の関係を求めることができる。
【００３７】
例えば、エアの噴出を停止させて、電極材２０と測定ヘッド３１を接触させた状態として、差動トランス６０での測定を行う。さらに、所定の圧力のエアを噴出させてエア浮上させた状態で、差動トランス６０で測定を行う。この２つの測定値を比較することで、あるエア圧力におけるエア浮上量を測定することができる。このエア浮上量が、電極材２０と測定ヘッド３１とのエアギャップ長となる。さらには、エア圧力を徐々に変えていくことで、エア圧力と、エア浮上量との関係を求めることができる。差動トランス６０では、先端アーム３４側のコア６１と、ベースアーム側４５のコイルが接触していない。すなわち、差動トランス６０は、測定対象に非接触で測定することができる非接触式のセンサである。非接触式のセンサを用いることで、エアギャップに対する影響を抑制することができる。すなわち、非接触式センサである差動トランス６０を用いているため、差動トランス側から、板バネ３２に力が加わらない。板バネ３２を柔らかくすることができ、動作をしなやかにすることができる。よって、エアギャップを一定に保つことができる。もちろん、差動トランス６０以外のセンサで、ベースアーム３５に対する測定ヘッド３１の上下位置を測定しても良い。
【００３８】
さらに、測定対象の電極材２０をステージ１１上に載置した場合、高さ調整機構３８で測定ヘッド３１を下げていく。測定ヘッド３１が電極材２０の表面に対して十分離れた状態では、エア浮上していない。そして、測定ヘッド３１を下げていき、測定ヘッド３１が電極材２０に対してある距離まで近づくと、エア浮上する。すると、ベースアーム３５に対する測定ヘッド３１の高さが変化する。従って、差動トランス６０によって、エア浮上する高さを確認することができる。なお、モータ等で高さを自動制御する場合、接点などで、エア浮上する高さを検知しても良い。例えば、先端アーム３４やベースアーム３５に接点などを設ける。こうすることで、エア浮上したことを検知することができる。そして、エア浮上を検知した時点から、所定量だけ測定ヘッド３１を下降させる。こうすることで、板バネ３２の平行リンクによるエアギャップへの圧力を一定にし、エアギャップ長を正確に制御することができる。
【００３９】
測定ヘッド３１が、電極材２０に対する測定を行う。測定ヘッド３１の直下の位置で、電極材２０に対する測定を行うことができる。その位置での測定が終了したら、電極材２０を所定量だけ、ＸＹ方向に変位させる。すなわち、図１で示したように、電極材２０をＸＹ方向に移動する。そして、移動後の位置で、同様に測定を行う。これを繰り返すことで、電極材２０の全体に対して測定を行うことができる。
【００４０】
次に、測定ヘッド３１の構成について、図３と図４を用いて説明する。図３は、測定ヘッド３１の構成を模式的に示す側面図であり、図４は下面図である。
【００４１】
測定ヘッド３１は、本体部４０とコイル４１と噴出口４２と容量電極４３とを有している。本体部４０は、例えば、略円筒状の部材であり、プラスチック材料によって形成されている。本体部４０の下側には、円筒状の凸部４４が設けられている。凸部４４は、下側に突出しており、その突出量は、０．５ｍｍ程度である。ＸＹ平面において、凸部４４は、本体部４０の中央に配置されている。凸部４４は直径３ｍｍ〜５ｍｍ程度の円筒状となっている。
【００４２】
さらに、凸部４４には、容量電極４３が設けられている。容量電極４３は、凸部４４の下面に露出している。容量電極４３の下面は平面になっており、電極材２０と対向する。容量電極４３は、円形の薄板となっている。容量電極４３と電極材２０とで容量（キャパシタ）が形成される。また、ＸＹ平面において、本体部４０と凸部４４と容量電極４３は同心円状に配置されている。容量電極４３、又は容量電極４３の先端部をグラファイトで製作しても良い。グラファイトを用いることで、容量電極４３が電極材２０と接触した場合の金属汚染を防ぐことができる。エアギャップを測定する時、発振器５０の発振停止によって、容量電極４３が電極材２０に接触していることを容易に測定することができる。
【００４３】
さらに、測定ヘッド３１には、エアの噴出口４２が設けられている。容量電極４３に設けられた貫通孔がエアの噴出口４２となる。噴出口４２は、容量電極４３の中心を通っている。噴出口４２から下方にエア（空気）が噴出される。すなわち、図３の矢印方向にエアが噴出される。このエアは、電極材２０の表面に沿って、外側に流れていく。これにより、測定ヘッド３１の凸部４４と、電極材２０との間に、エアギャップが形成される。すなわち、測定ヘッド３１が電極材２０の上でエア浮上する。例えば、エアギャップが１０μｍとなるような、圧力でエアを噴出する。なお、噴出口４２から噴出する気体は、エア（空気）に限らず、窒素などの他の気体であってもよい。
【００４４】
円筒状の本体部４０の外周には、コイル４１が巻き付けられている。例えば、コイルは３０〜４０ターンで巻かれている。後述するように、コイル４１には、発振器からの高周波電圧が供給されている。よって、コイル４１は、交流磁界を生成する。コイル４１に電流が流れると、コイル４１の中心ではＺ方向に磁力線が発生する。すなわち、ＸＹ面における測定ヘッド３１の中心では、電極材２０に向かっていく方向、又はその反対方向に磁力線が発生する。
【００４５】
次に、測定ヘッド３１の回路構成に付いて図５を用いて説明する。図５は、測定ヘッド３１の回路構成を示す回路図である。測定ヘッド３１には、上述のように、コイル４１と容量電極４３が設けられている。さらに、コイル４１の一端は、スイッチ４７に接続され、他端はグランドに接続されている。また、容量電極４３もスイッチ４７に接続されている。容量電極４３と対向する集電体２１はグランドに接続されている。よって、容量電極４３と集電体２１が容量（キャパシタ）を形成する。すなわち、集電体２１が容量を構成する他方の容量電極となる。スイッチ４７は、導電線であるケーブル５１を介して、発振器５０に接続されている。すなわち、発振器５０で生成される高周波電圧は、ケーブル５１を介して、スイッチ４７に供給される。スイッチ４７は、発振器５０の出力先を切り替える。すなわち、スイッチ４７は、発振器５０の接続先をコイル４１から容量電極４３、又は容量電極４３からコイル４１に切り替える。スイッチ４７によって、コイル４１、及び容量電極４３の一方に、発振器５０からの高周波電圧が印加される。
【００４６】
例えば、活物質層２２の厚さを測定する場合、スイッチ４７は、発振器５０をコイル４１に接続する。これにより、コイル４１が、交流磁界を発生する。電極材２０には、アルミニウム箔等からなる集電体２１が設けられている。反磁性体であるアルミニウム箔の近傍で交流磁界が発生する。すなわち、シート状の集電体２１と直交する方向に磁力線が発生する。すると、集電体２１の表面に渦電流が生じて、磁力線が減る。すなわち、コイル磁界の変化を打ち消す方向に、渦電流が発生する。磁力線の数が減るので、インダクタンスが小さくなる。そして、インダクタンスの減少量は、集電体２１とコイル４１の距離に応じて変化する。すなわち、集電体２１とコイル４１が設けられた測定ヘッド３１とが近づくほど、インダクタンスが大きく減少する。一方、噴出口４２から噴出するエアを一定圧力とすることで、エアギャップ長は略一定になっている。すなわち、電極材２０の表面と測定ヘッド３１との距離は略一定になっている。従って、活物質層２２が薄くなると、集電体２１と測定ヘッド３１との距離が小さくなり、活物質層２２が厚くなると集電体２１と測定ヘッド３１との距離が大きくなる。このように、活物質層２２の厚さに応じて、集電体２１と測定ヘッド３１との距離が変化する。
【００４７】
また、活物質層２２の比抵抗は１×１０−２Ω・ｃｍ〜１Ω・ｃｍであり、アルミニウムや銅の比抵抗は、約２×１０−６Ω・ｃｍである。よって、活物質層２２の比抵抗は集電体２１よりも１０４〜１０６程度高い。活物質層２２には、反磁性の性質がほとんどない。活物質層２２によるインダクタンスへの影響はほとんどない。活物質層２２の厚さが変化しても、インダクタンスはほとんど変化しない。なお、活物質層２２に含まれるマンガンＭｎやコバルトＣｏは強磁性体であり、磁力線を増加させる性質がある。しかしながら、集電体２１となるアルミニウム箔や銅箔の反磁性の強さと比較すると、ほとんど無視できる程度である。活物質層２２によるインダクタンスへの影響はほとんどない。
【００４８】
コイル４１と集電体２１との距離、すなわち測定ヘッド３１と集電体２１との距離に応じて、インダクタンスが変化する。従って、発振器５０の発振周波数を求めることで、コイル４１と集電体２１との距離を測定することができる。発振器５０の発振周波数によって、インダクタンスの変化を求めることができる。コイル４１と集電体２１との距離からエアギャップを減算することで、活物質層２２の厚さを測定することができる。例えば、エアギャップが一定となる条件下で、活物質層２２が薄くなると、測定ヘッド３１と集電体２１との距離が小さくなる。一方、エアギャップが一定となる条件下で、活物質層２２の厚くなると、測定ヘッド３１と集電体２１との距離が大きくなる。よって、発振器５０の発振周波数分布を求めることで、活物質層２２の厚さの面内分布を測定することができる。さらに、非接触、かつ高速で厚さ分布を測定することができる。
【００４９】
一方、活物質層２２のムラを測定する場合、スイッチ４７を切り替えて、発振器５０を容量電極４３に接続する。これにより、容量電極４３と電極材２０とで容量（キャパシタ）が形成される。キャパシタンスは、容量電極間の誘電率や容量電極間距離によって変化する。従って、集電体２１と容量電極４３との間に配置された活物質層２２の材料や状態に応じて、キャパシタンスが変化する。例えば、活物質層２２において導電助剤２５が密集している箇所では、導電率が高くなる。よって、実効的な電極間距離が小さくなり、キャパシタンスが大きくなる。
【００５０】
エアギャップが一定となる条件下で、発振器５０の発振周波数の面内分布を求める。こうすることで、活物質層２２のムラや均質性を測定することができる。例えば、図１０、及び図１１に示した、導電助剤密集箇所、金属異物混入箇所、ボイド発生箇所、欠け発生箇所などの異常個所では、正常箇所と比してキャパシタンスが大きく異なる。さらには、活物質層２２における活物質２３、バインダ２４、及び導電助剤２５の混ぜ合わせムラを測定することもできる。発振周波数分布を求めることで、活物質層２２の均質性を測定することができる。
【００５１】
上記の測定を繰り返すことで、活物質層２２の膜厚分布と均質性とを測定することができる。例えば、コイル４１と発振器５０を接続して、発振器５０の発振周波数から活物質層２２の厚さを測定する。その後、スイッチ４７を切り替えて、発振器５０と容量電極４３を接続する。発振器５０の発振周波数から、活物質層２２の均質性を測定する。これにより、電極材２０のある位置における測定が終了する。この位置での測定が終了したら、電極材２０を移動して、測定ヘッド３１と電極材２０の位置をずらす。そして、電極材２０の別の位置において、スイッチ４７を切り替えて、発振周波数の測定を行う。これを繰り返すことで、電極材２０全体に対する測定がおこなわれる。このようにすることで、非接触かつ高速での測定が可能になる。なお、スイッチ４７をコイル４１に接続して、発振周波数の面内分布を測定した後、スイッチ４７を容量電極４３に接続して、発振周波数の面内分布を測定しても良い。もちろん、反対に、スイッチ４７を容量電極４３に接続して、発振周波数の面内分布を測定した後、スイッチ４７をコイル４１に接続して、発振周波数の面内分布を測定してもよい。
【００５２】
次に、具体的な測定回路の構成に付いて図６を用いて説明する。図６は、測定回路の一例を示す回路図である。発振器５０は、ＬＣ発振回路であり、具体的には、コルピッツ型発振回路である。発振器５０は、コイル５２、コンデンサ５３、抵抗５４、トランジスタ５５等を有している。発振器５０の出力とグランドの間には、２つのコンデンサ５３が直列に接続されている。また、コイル５２は、２つのコンデンサ５３と並列に接続されている。発振周波数を求めるため、発振器５０の出力側では、発振器５０のトランジスタ５５が周波数カウンタに接続される。
【００５３】
また、発振器５０の出力端子は、ケーブル５１を介してスイッチ４７と接続されている。発振器５０のコイル５２は、グランドとケーブル５１間に接続される。なお、コイル４１の一端はスイッチ４７を介して、発振器５０の出力端子と接続され、他端はケーブル５１である同軸ケーブルの被覆線を介して、グランドに接続されている。よって、発振器５０のコイル５２と測定ヘッド３１のコイル４１とは並列に接続されている。
【００５４】
また、発振器５０の周波数カウンタへの出力は、分岐されて、バッファアンプ５６、及び同期検波回路５７に接続される。バッファアンプ５６の出力は、ケーブル６６を介して、差動トランス６０に接続される。バッファアンプ５６は、発振器５０の出力をバッファリングして、差動トランス６０に出力する。従って、発振器５０からの高周波によって、差動トランス６０の１次コイル６３が励磁される。さらに、発振器５０の周波数カウンタへの出力は、同期検波回路５７に供給される。また、同期検波回路５７には、ケーブル６７を介して、差動トランス６０の２次コイル６２からの差動電圧が入力される。同期検波回路５７は、この２つの信号について同期検波を行う。これにより、測定ヘッド３１の位置変位、すなわち、高さを測定することができる。同期検波回路５７が測定した位置変位が位置出力となって、制御ＰＣに入力される。このように、発振器５０の出力を差動トランス６０に用いることで、高周波の干渉による影響を防ぐことができる。すなわち、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を別個とした場合、これらが干渉してしまうおそれがある。しかしながら、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を共用することで、干渉による影響を防ぐことができる。よって、厚さを正確に測定することができる。
【００５５】
発振器５０のインダクタンスをＬｏｓｃ、キャパシタンスをＣｏｓｃとする。ここでは、Ｌｏｓｃ＝３．９９μＨ、Ｃｏｓｃ＝１１０ｐＦとしている。ケーブル５１は、同軸ケーブルである。ケーブル５１のインダクタンスＬｃａｂｌｅを、キャパシタンスをＣｃａｂｌｅとする。なお、Ｃｃａｂｌｅ＝１７．２５ｐＦである。
【００５６】
測定回路全体の合成インダクタンスをＬ、測定ヘッド３１のコイル４１のインダクタンスをＬｇａｐとする。Ｌｇａｐはエアギャップによって変化する。スイッチ４７が発振器５０をコイル４１に接続したときの、合成インダクタンスＬ１は以下の式（１）で表される。
１／Ｌ１＝１／Ｌｏｓｃ＋１／（Ｌｃａｂｌｅ＋Ｌｇａｐ）・・・（１）
【００５７】
また、スイッチ４７が発振器５０を容量電極４３に接続したときの、合成インダクタンスＬ２は以下の（２）式で表される。
１／Ｌ２＝１／Ｌｏｓｃ＋１／Ｌｃａｂｌｅ ・・・（２）
【００５８】
容量電極４３と電極材２０の容量をＣｇａｐとする。Ｃｇａｐは活物質層２２の状態によって変化する。スイッチ４７をコイル４１に接続したときの合成容量Ｃ１は式（３）のようになる。
Ｃ１＝Ｃｏｓｃ＋Ｃｃａｂｌｅ ・・・（３）
【００５９】
スイッチ４７を容量電極４３に接続したときの合成容量Ｃ２は式（４）のようになる。
Ｃ２＝Ｃｏｓｃ＋Ｃｃａｂｌｅ＋Ｃｇａｐ ・・・（４）
【００６０】
ここで、発振周波数ｆは以下の式（５）で表される。
ｆ＝１／（２π（ＬＣ）１／２）・・・（５）
【００６１】
従って、式（５）にＣ１、Ｌ１を代入すると、発振器５０がコイル４１に接続された時の発振周波数ｆが得られる。ここで、コイル４１のインダクタンスＬｇａｐは、上記の通り、活物質層２２の厚さに依存する。発振器５０とコイル４１が接続された状態で、発振器５０の周波数カウンタで発振周波数ｆを求める。これにより、活物質層２２の厚さを測定することができる。
【００６２】
一方、式（５）にＣ２、Ｌ２を代入すると、発振器５０が容量電極４３に接続された時の発振周波数ｆが得られる。ここで、容量電極４３の容量は、活物質層２２における活物質２３と導電助剤２５等の密度やムラに依存する。発振器５０と容量電極４３が接続された状態で、発振器５０の周波数カウンタで発振周波数ｆを求める。これにより、活物質層２２における活物質２３と導電助剤２５等の密度やムラを測定することができる。例えば、図１０、及び図１１で示したように、導電助剤密集箇所、金属異物混入箇所、ボイド発生箇所、欠け発生箇所では、正常箇所に比べて、発振周波数ｆが大きく変化する。よって、これらの異常箇所を検出することができる。また、活物質層２２において、活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５の混ぜ合わせムラを評価することができる。コイル４１を接続した状態における測定結果と、容量電極４３を接続した状態における測定結果を比較することで、厚さ分布を考慮した活物質層２２の均質性を総合的に評価することができる。よって、電池用電極材を様々な観点から評価することができる。
【００６３】
次に、図７を用いて実際の測定結果を示す。図７は、コイル４１を接続した状態における発振周波数ｆの測定結果である。図７は、厚さ１５μｍの銅箔を集電体２１として用いた負極材の測定結果を示す図である。ここでは、銅箔の一方の面に７０μｍの活物質層２２が設けられ、他方の面に１２０μｍの活物質層２２が設けられた負極材を測定している。また、活物質層２２が設けられていない厚さ１７μｍの銅箔を参照用として測定している。図７において、横軸は、測定ヘッド３１と電極材２０の表面との表面距離（エアギャップ）であり、縦軸は、発振周波数ｆを示している。
【００６４】
測定ヘッド３１のエア圧力を変えることで、表面距離を変えることができる。そして、表面距離を変えて、発振周波数ｆを測定する。図７から、表面距離が大きくなるにつれて、発振周波数が低くなるのが分かる。すなわち、（１）式のように、コイル４１のインダクタンスＬｇａｐに応じて、合成インダクタンスＬ１が変化する。よって、コイル４１のインダクタンスＬｇａｐに応じて、発振周波数ｆが変化している。
【００６５】
活物質層２２が設けられていない参照用銅箔の測定では、表面距離が０の状態、すなわち、銅箔と測定ヘッド３１が接触している状態において、発振周波数が約７．４７ＭＨｚとなって、表面距離が大きくなるにつれて発振周波数が下がっている。負極材の測定では、いずれの面も、銅箔の測定と略同じ傾きになっている。すなわち、各曲線を活物質層２２の厚さ分だけ、右側に平行移動すると、曲線がほぼ一致する。このように、活物質層２２の厚さに応じて、発振周波数が変化するのが分かる。よって、活物質層２２の厚さ分布を測定することが可能となる。なお、発振周波数と表面距離の関係の傾きに付いては、コイルの巻き数で調整することができる。
【００６６】
もちろん、本実施形態にかかる厚さ測定装置を用いることで、正極材、及び負極材の両方を評価することができる。上記の説明では、正極材を、アルミニウム箔を集電体２１とし、マンガン酸リチウムを活物質とするものとして説明したが、これ以外の材料を用いた正極材に対して測定を行っても良い。例えば、活物質として、コバルト酸リチウムを用いた正極材を評価してもよい。同様に、負極材についても、銅箔以外の集電体２１や、グラファイト以外の活物質を有するものであってもよい。例えば、負極材の活物質としてシリコンを用いたものであってもよい。非接触で測定しているので、シリコンの欠け等を防ぐことができる。さらに、集電体２１がアルミニウムや銅などの反磁性体である電池用電極材に好適である。もちろん、アルミニウム箔や銅箔以外の集電体を用いたものでもよい。本実施形態に係る厚さ測定装置は、反磁性材料の集電体を有する電極材の評価に好適である。なお、上記の説明では、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を共用したが、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を別個にしてもよい。すなわち、発振器５０から出力される高周波とは別の交流電圧を、差動トランス６０に入力しても良い。
【００６７】
さらに、集電体２１と活物質層２２との間に粘着シートが設けられている構成であってもよい。この場合、粘着シートと活物質層２２の合計厚さを測定することができる。さらに、活物質層２２を粘着シートに粘着させる前であれば、粘着シートの厚さ分布を測定することができる。もちろん、リチウムイオン電池以外の電池に用いても良い。すなわち、本実施形態に係る厚さ測定装置を用いることで、集電体２１に活物質層２２が設けられている電池用電極材に対して評価を行うことができる。特に、集電体２１上に、活物質２２を含む活物質層２０が設けられた２次電池の評価に好適である。
【００６８】
本実施形態に係る厚さ測定装置は、集電体２１等の金属シートが設けられていない構成についても適用可能である。この場合、真空吸着で、金属板等に測定対象のシートを貼り付ければよい。これにより、セパレータ、活物質層シート、絶縁シート等の測定も可能である。
【００６９】
また、電極材２０の両面に測定ヘッド３１を配置してもよい。これにより、集電体２１の両面に設けられた活物質層２２を同時に測定することができる。よって、測定時間を短縮することができる。なお、両面の測定ヘッド３１をずらして配置してもよい。この場合、２つの測定ヘッド３１が異なる位置で両面同時測定を行う。
【００７０】
なお、電極材２０を片面測定する場合、電極材２０の下に、プラスチックや金属等からなる板状部材を設けても良い。この構成について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、板状部材がない状態を示す側面断面図であり、図８（ｂ）は、プラスチック製の板状部材１７が設けられた状態を示す側面断面図であり、図８（ｃ）は、金属製の板状部材１８が設けられた状態を示す側面断面図である。
【００７１】
図８（ａ）に示す板状部材を設けない構成では、クランプ１４が電極材２０をクランプしている。そして、ステージ１１に設けられた噴出口１５から矢印方向にエアが噴出している。これにより、クランプ１４にクランプされた電極材２０がエア浮上する。よって、電極材２０とステージ１１とが接触するのを防ぐことができる。また、電極材２０の端部には、集電体２０である金属箔に突出している部分がある。この突出部分を金属製のクランプ１４で挟んで固定している。そして、クランプ１４を発振器５０のＧＮＤに接続している。これにより、集電体２０を接地することができる。
【００７２】
また、電極材２０にしわのある場合、図８（ｂ）に示すように、板状部材１７を用いることで、しわを伸ばすことができる。図８（ｂ）に示す構成では、電極材２０の下に、プラスチック製の板状部材１７が配置されている。そして、電極材２０と板状部材１７がクランプ１４でクランプされ、保持される。板状部材１７の上面には吸着溝１９が設けられている。吸着溝１９は、電極材２０の周縁部を真空吸着できるように形成されている。吸着溝１９が電極材２０を吸着固定することで、電極材２０のしわを伸ばすことができる。そして、板状部材１７に噴出口１５からのエアが噴出され、板状部材１７がエア浮上する。このように、プラスチック製の板状部材１７を張り付けるモードを設けることで、電極材２０のしわを伸ばすことができる。もちろん、プラスチック製以外の材料で板状部材１７を構成しても良い。
【００７３】
図８（ｃ）に示す構成では、図８（ｂ）に示す構成の板状部材１７が金属製の板状部材１８に代わっている。さらに、測定対象である電極材２０が導電シートや絶縁体シート等のシート２６に代わっている。従って、シート２６の下側に、金属製の板状部材１８が配置されている。板状部材１８に設けられた吸着溝１９によって、シート２６が吸着固定されている。このように、金属製の板状部材１８を張り付けるモードを設けることで、電極材以外の、導電シートや、絶縁シートの測定が可能となる。例えば、反磁性体の板状部材１８を用いることで、電極材２０の集電体２１と同様の機能を得ることができる。発振器５０の発振周波数を測定することで、板状部材１８の上の絶縁シート等を測定することができる。コイルを接続することで、シート２６の厚さ分布を測定することができる。
【００７４】
さらに、両面同時測定の場合、測定ヘッド３１に周波数を大きくずらした発振器５０を接続することが好ましい。すなわち、発振器を別個に用意して、同時に出力する高周波の周波数を大きくずらす。これにより、高周波の干渉によって、発振周波数がずれるのを防ぐことができる。また、両面において、同じＸＹ位置に測定ヘッド３１を配置した場合、集電体２１等の導電シートが設けられていない測定対象の厚さを測定することも可能となる。この場合、一方の測定ヘッド３１に設けられた容量電極が集電体２１の代わりとなる。すなわち、対向する測定ヘッド３１の容量電極３２で容量が形成される。そして、他方の測定ヘッド３１のコイル４１と発振器５０を測定して、発振周波数を求める。こうすることで、測定対象の厚み測定が可能になる。電池用の電極材２０以外に対して、非接触での測定が可能となる。よって、測定対象が損傷するのを防ぐことができる。
【００７５】
なお、上記の説明では、電極材２０を移動することで、測定位置を変えたが、測定ヘッド３１を移動することで測定位置を変えても良い。さらには、電極材２０と測定ヘッド３１の両方を移動して、測定位置を変えても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１１ ステージ
１２ カバー
１３ 可動部
１４ クランプ
１５ 吸着口
１７ 板状部材
１８ 板状部材
２０ 電極材
２１ 集電体
２２ 活物質層
２３ バインダ
２４ 導電助剤
２６ シート
３０ 測定アーム
３１ 測定ヘッド
３２ 板バネ
３３ ベース
３４ ベースアーム
３５ 先端アーム
４０ 本体
４１ コイル
４２ 噴出口
４３ 容量電極
４４ 凸部
５０ 発振器
５１ ケーブル
５２ コイル
５３ コンデンサ
５４ 抵抗
５５ トランジスタ
５６ バッファアンプ
５７ 同期検波回路
６０ 差動トランス
６１ コア
６２ ２次コイル
６３ １次コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池用電極材の厚さ測定装置、及び厚さ測定方法に関し、特に詳しくは、集電体に活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置、及び厚さ測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車のバッテリとして、リチウムイオン電池が開発されている。リチウムイオン電池では、集電体上に活物質が設けられた電極材が用いられる。例えば、正極材では、集電体としてアルミニウム箔（Ａｌ）が用いられ、活物質としてマンガン酸リチウム等が用いられる。一方、負極材では、集電体として銅箔（Ｃｕ）が用いられ、活物質としてグラファイトが用いられる。
【０００３】
電極材の構成について図９を用いて説明する。図９では、一方の電極材２０である正極材の断面構成を模式的に示している。電極材２０は、集電体２１と、集電体２１の上に設けられた活物質層２２とを有している。集電体２１は、例えば約２０μｍの厚さであり、活物質層２２は、約５０〜１００μｍの厚さである。活物質２３、バインダ２４、及び導電助剤（導電材ともいう）２５が混ぜ合わされた状態で、塗布されることで、活物質層２２が形成される。
【０００４】
正極材の場合、活物質２３は、例えば、粒子径１〜１０μｍのマンガン酸リチウム（ＬｉＭｎ２Ｏ４）やコバルト酸リチウム（ＬｉＣｏＯ２）である。バインダ２４は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。導電助剤２５は、例えば、粒子径１μｍ〜サブミクロンの黒鉛微粉、カーボンブラック、炭素繊維である。活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が混ぜ合わされ、集電体２１上に塗布される。なお、図示はしていないが、活物質層２２は、集電体２１の両面に形成される。そして、正極材と負極材が交互に配置され、その間にセパレータを配置する。そして、これらの積層構造が電解液（電解質）に浸漬される。
【０００５】
このようなリチウムイオン電池を評価する装置が開示されている。例えば、特許文献１、２では、電極材の厚さを接触式変位センサで測定している。また、特許文献３では、多孔質膜をカラー画像で撮影して、その色調によって膜厚を求めている。しかしながら、特許文献１、２の方法では、電極材全体としての厚みしか測定することができない。さらに、接触式センサを用いているため、表面に損傷を与えてしまうことがある。また、特許文献３では、測定対象が、多孔質膜に限定される。さらに、カラー画像の色調から膜厚を求めているため、正確に測定することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−３３７８５９号公報
【特許文献２】特開２００１−１２６７１９号公報
【特許文献３】特開２００７−６６８２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
電池性能の向上のために、活物質層２２の厚さや活物質層の均質性を測定することが望まれている。例えば、活物質層２２の厚さ分布を測定することが望まれている。さらに、活物質層２２において、活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が均一に分布していることを測定することが望まれている。これらを測定することで、電池用電極材を様々な観点から評価することができるようになる。例えば、活物質層２２の厚さ分布を測定することで、活物質層２２の塗布ムラなどを評価することができる。さらに、図１０に示すように、活物質層２２において、導電助剤２５が密集したり、金属異物が混入したりすることがある。あるいは、図１１に示すように、活物質層２２にボイドや欠けが生じることもある。このような不均質箇所があると、電流密度が不均一、又は集中してしまい、電池性能の低下や劣化の原因となる。よって、活物質層の膜圧分布や均質性を測定して、電池用電極材を評価することで、電池性能の向上に寄与することができる。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、簡便に電池用電極材の厚さを測定することができるため、電池性能の向上に寄与することができる厚さ測定装置、及び厚さ測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様に係る厚さ測定装置は、集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置であって、前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため、前記電池用電極材の表面にエアを噴出するヘッドと、前記ヘッドに設けられたコイルと、前記コイルに接続された発振器と、を備えるものである。これにより、簡便に電池用電極材の厚さを測定することができるため、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１０】
本発明の第２の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記発振器と前記コイルを接続したときの発振周波数に応じて、前記活物質を含む活物質層の厚さを測定するものである。これにより、簡便に活物質層の厚さを測定することができ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１１】
本発明の第３の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記ヘッドに設けられ、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極と、前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替えるスイッチと、を備えるものである。これにより、活物質層の均質性を測定することができるため、様々な観点からの評価が可能になる。
【００１２】
本発明の第４の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記ヘッドを支持するアームを備え、前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられているものである。これにより、様々な厚さの電池用電極材について、厚さ測定を行うことができる。
【００１３】
本発明の第５の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されているものである。これにより、一定のエアギャップを安定して得ることができる。
【００１４】
本発明の第６の態様に係る厚さ測定装置は、上記の厚さ測定装置であって、前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられているものである。これにより、安定して測定することができる。
【００１５】
本発明の第７の態様に係る厚さ測定方法は、集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定方法であって、前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため前記電池用電極材の表面にエアを噴出するステップと、発振器によって、前記ヘッドに設けられたコイルに交流磁界を発生させるステップと、前記発振器の発振周波数を求めるステップと、を備えるものである。これにより、簡便に電池用電極材の厚さを測定することができ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１６】
本発明の第８の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記測定ヘッドと前記電極を相対移動したときの前記発振器の発振周波数分布に応じて、活物質層の厚さ分布を測定するものである。これにより、簡便に活物質層の厚さを測定することができ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００１７】
本発明の第９の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記ヘッドに、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極が設けられ、前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替えるものである。これにより、活物質層の均質性を測定することができるため、様々な観点からの評価が可能になる。
【００１８】
本発明の第１０の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記ヘッドがアームによって指示され、前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられているものである。これにより、様々な厚さの電池用電極材について、厚さを測定することができる。
【００１９】
本発明の第１１の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されているものである。これにより、一定のエアギャップを安定して得ることができる。
【００２０】
本発明の第１２の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記集電体の比抵抗が、前記活物質層の比抵抗よりも高いことを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第１３の態様に係る厚さ測定方法は、上記の厚さ測定方法であって、前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられているものである。これにより、安定して測定することができる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、簡便に電池用電極材を評価することができ、電池性能の向上に寄与することができる厚さ測定装置、及び厚さ測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施の形態にかかる厚さ測定装置の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】厚さ測定装置の測定アームの構成を模式的に示す図である。
【図３】厚さ測定装置の測定ヘッドを模式的に示す側面図である。
【図４】厚さ測定装置の測定ヘッドを模式的に示す下面図である。
【図５】厚さ測定装置の測定手法を説明する図である。
【図６】厚さ測定装置の測定回路を模式的に示す側面図である。
【図７】厚さ測定装置において、表面距離と発振周波数の関係を示す図である。
【図８】板状部材が設けられた厚さ測定装置の構成を示す側面断面図である。
【図９】電池用電極材の構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】電池用電極材の活物質層に異常が発生した例を示す断面図である。
【図１１】電池用電極材の活物質層に異常が発生した例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。以下の説明は、本発明の好適な実施の形態を示すものであって、本発明の範囲が以下の実施の形態に限定されるものではない。以下の説明において、同一の符号が付されたものは実質的に同様の内容を示している。
【００２５】
本実施形態に係る厚さ測定装置において、測定対象物である電極材２０は、例えば、リチウムイオン電池用の電極材である。従って、図９に示したように、電極材２０は、集電体２１と活物質層２２とを備えている。集電体２１としては、正極材の場合、アルミニウム箔、負極材の場合、銅箔が用いられている。また、活物質層２２には、上記したように、活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が設けられている。集電体としてアルミニウム箔（Ａｌ）が用いられ、活物質としてマンガン酸リチウム等が用いられる。一方、負極材では、集電体として銅箔（Ｃｕ）が用いられ、活物質２３としてグラファイトが用いられる。バインダ２４は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）や、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）である。導電助剤２５は、例えば、粒子径１μｍ〜サブミクロンの黒鉛微粉、カーボンブラック、炭素繊維である。活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５が混ぜ合わされ、集電体２１上に塗布される。厚さ測定装置は、活物質層２２の厚さ分布を測定する。厚さ分布を測定することで、厚さムラを低減することができる。よって、電池の容量低下を防ぎ、電池性能の向上に寄与することができる。さらに、厚さ測定装置は、活物質層の導電率のムラやボイド等を測定することができる。よって、電池の容量低下を防ぎ、電池性能の向上に寄与することができる。
【００２６】
まず、厚さ測定装置の全体構成に付いて図１を用いて説明する。図１は、厚さ測定装置の全体構成を模式的に示す斜視図である。図１に示すように、厚さ測定装置は、ステージ１１とカバー１２と可動部１３とクランプ１４と測定アーム３０とを備えている。ステージ１１上には、電池用の電極材２０が載置される。カバー１２はステージ１１に対して開閉可能に設けられている。電極材２０に対して測定を行う際は、カバー１２が閉じられる。一方、電極材２０を取り出す、又は設置する際には、カバー１２が開けられる。ステージ１１には、噴出口１５が設けられている。そして、噴出口１５は、気体（空気）を噴出する。これにより、測定対象である電極材２０が浮上する。噴出口１５を用いることで、電極材２０をステージ面に対して非接触にすることができる。よって、電極材２０の損傷等を防ぐことができる。
【００２７】
電極材２０は、クランプ１４に把持される。すなわち、クランプ１４は、電極材２０の一端を把持する。クランプ１４は、可動部１３に、スライド可能に取り付けられている。クランプ１４は、可動部１３に対して、Ｙ方向に移動する。また、可動部１３は、ステージ１１にスライド可能に取り付けられている。可動部１３は、ステージ１１上をＸ方向に移動する。クランプ１４をＹ方向、可動部１３をＸ方向に駆動することで、電極材２０がＸＹ方向に自在に移動する。なお、コンピュータ等によってクランプ１４と可動部１３を制御して、電極材２０の移動を自動制御にしてもよい。これにより、電極材２０の全面測定を自動で行うことができる。
【００２８】
さらに、ステージ１１には、測定アーム３０が取り付けられている。測定アーム３０は、ステージ１１の奥側（−Ｙ側）の端から、ステージ１１の中央まで延設している。測定アーム３０の先端部分は、電極材２０の上に配置される。すなわち、測定アーム３０に先端に設けられた測定ヘッドの直下に電極材２０が配置される。測定ヘッドが電極材２０に対して測定を行う。そして、クランプ１４と可動部１３によって電極材２０をＸＹ方向に移動することで、測定ヘッドと電極材２０の相対位置が変化する。電極材２０の任意の位置を測定することができる。測定ヘッドと電極材２０を徐々にずらしていくことで、電極材２０の全面を測定することができる。
【００２９】
次に、測定アーム３０の構成に付いて、図２を用いて説明する。図２は、測定アーム３０の構成を模式的に示す側面図である。測定部となる測定アーム３０は、測定ヘッド３１、板バネ３２、ベース３３、先端アーム３４、ベースアーム３５、高さ調整機構３８、差動トランス６０を備えている。
【００３０】
ステージ１１の端には、ベース３３が立設されている。ベース３３には、ベースアーム３５が取り付けられている。すなわち、ベース３３は、ベースアーム３５を支持している。ベースアーム３５は、ベース３３からＹ方向に延びている。ベースアーム３５よりも先端側には、Ｙ方向に延びる先端アーム３４が配置されている。そして、先端アーム３４とベースアーム３５は、一対の板バネ３２によって連結されている。すなわち、ベースアーム３５は、板バネ３２を介して、先端アーム３４を支持している。
【００３１】
一対の板バネ３２は、上下に離間して配置されている。そして、板バネ３２は、先端アーム３４の上面と下面に取り付けられている。一対の板バネ３２は、板バネ式平行リンク機構を構成している。これにより、測定ヘッド３１が略一定の力で電極材２０に押し付けられる。板バネ３２が撓むことで、先端アーム３４が、ベースアーム３５に対して、上下に変位する。先端アーム３４の先端には、測定ヘッド３１が取り付けられている。板バネ３２は、先端アーム３４と測定ヘッド３１の重量等に応じて撓んでいる。もちろん、板バネ式平行リンクに限らず、電極材２０の表面高さに応じて測定ヘッド３１を上下に変位させる構造であればよい。
【００３２】
測定ヘッド３１には、測定を行うための回路が設けられている。また、測定ヘッド３１には、噴出口が設けられている。噴出口からは、電極材２０に対してエアが噴出する。エアが電極材２０の表面に沿って流れることによって、測定ヘッド３１と電極材２０の表面との間に、エアギャップ（隙間）が形成される。エアギャップは、エア圧力によって変化する。また、エア圧力を一定の状態とし、電極材２０の表面高さが変化すると、エアギャップが一定になるように、測定ヘッド３１が上下する。電極材２０の表面高さやエアギャップ長に応じて、板バネ３２の撓み量が変化する。例えば、エアを停止した状態で、板バネ３２の撓み量が最も大きくなる。エアの圧力を高くして、エアギャップが大きくなると、板バネ３２の撓み量が小さくなる。一対の板バネ３２は、平行板バネリンク機構を構成している。エア圧力を一定にすると、板バネ３２が下方向（−Ｚ方向）に向かって、略一定の弾性力を発生する。この弾性力によって測定ヘッド３１が電極材２０に押し付けられ、エアギャップが一定となる。一定のエアギャップを安定して得ることができる。さらにに、エア圧力を調整することで、所望のエアギャップ長を得ることができる。従って、適当なエアギャップを保った状態で、測定ヘッド３１をエア浮上させることができる。なお、測定ヘッド３１の詳細な構成については、後述する。
【００３３】
ベースアーム３５には、高さ調整機構３８が取り付けられている。高さ調整機構３８は、例えば、マイクロメータであり、ベースアーム３５を上下方向（Ｚ方向）に送り出すことができる。あるいは、高さ調整機構３８としてリニアガイド機構とモータを用い、ベースアーム３５を自動送りするようにしてもよい。ベース３３に対して、ベースアーム３５がＺ方向に移動する。高さ調整機構３８によって、測定ヘッド３１と電極材２０との距離が変化する。電極材２０に応じて高さを調整することで、様々な厚さの電極材２０を評価することができる。なお、高さ調整機構３８の取り付け位置は、ベースアーム３５に限られるものではない。例えば、先端アーム３４や測定ヘッド３１に高さ調整機構３８を取り付けても良い。
【００３４】
ベースアーム３５には、エアによる浮上量を測定する差動トランス６０の主要部分が設けられている。具体的には、ベースアーム３５には、１次コイル６３と２次コイル６２が取り付けられている。１次コイル６３の上下両側には２次コイル６２が配置されている。２次コイル６２は、１次コイル６３を挟んで、対称に配置されている。また、先端アーム３４には、樹脂サポート３９が設けられている。樹脂サポート３９は、差動トランス６０のコア６１を支持している。コア６１は、先端アーム３４と連動する。高周波用差動トランスを実現するため、コア６１には、例えば、フェライトコアが用いられる。コア６１は、１次コイル６３の内部に配置されている。同様に、コア６１は、２次コイル６２の内部に配置されている。コア６１が基準となる高さにある場合、１次コイル６３の上下両側に設けられた２次コイル６２に対して、コア６１が対称に配置される。
【００３５】
１次コイル６３には、励磁用のケーブル６６が接続されている。なお、後述するようにケーブル６６には、発振器が接続されている。２次コイル６２には、検出用のケーブル６７が接続されている。ケーブル６６、及びケーブル６７は、例えば、同軸ケーブルである。ケーブル６６を介して、交流電圧を供給することで、１次コイル６３が励磁される。先端アーム３４がベースアーム３５に対して上下すると、２次コイル６１に対して、コア６１が上下する。コア６１が基準となる高さにある場合、上下の２次コイル６２に誘起される交流電圧（誘起電圧）は等しくなる。よって、差動電圧が０となる。コア６１が基準高さから上下にずれると、２次コイル６３に対するコア６１の位置が対称でなくなる。よって、上下の２次コイル６２の誘起電圧に差が生じ、その差に応じた交流電圧（差動電圧）が現れる。ケーブル６７を介して差動電圧を検出することで、コア６１の高さ変化を測定することができる。すなわち、ベースアーム３５に対する先端アーム３４の位置変化を測定することができる。
【００３６】
差動トランス６０によって、エアによる浮上量を測定することができる。例えば、エアの圧力が変化すると、測定ヘッド３１と電極材２０との間のエアギャップが変化する。よって、ベースアーム３５に対する測定ヘッド３１及び測定ヘッド３１を支持する先端アーム３４の位置が上下に変化する。すなわち、先端アーム３４を支持する板バネ３２の撓み量が変化する。従って、２次コイル６１に対するコア６１の位置が、上下に変化する。コア６１の位置変化を２次コイル６１の差動電圧によって測定する。このようにすることで、エア圧力とエアによる浮上量の関係を求めることができる。
【００３７】
例えば、エアの噴出を停止させて、電極材２０と測定ヘッド３１を接触させた状態として、差動トランス６０での測定を行う。さらに、所定の圧力のエアを噴出させてエア浮上させた状態で、差動トランス６０で測定を行う。この２つの測定値を比較することで、あるエア圧力におけるエア浮上量を測定することができる。このエア浮上量が、電極材２０と測定ヘッド３１とのエアギャップ長となる。さらには、エア圧力を徐々に変えていくことで、エア圧力と、エア浮上量との関係を求めることができる。差動トランス６０では、先端アーム３４側のコア６１と、ベースアーム側４５のコイルが接触していない。すなわち、差動トランス６０は、測定対象に非接触で測定することができる非接触式のセンサである。非接触式のセンサを用いることで、エアギャップに対する影響を抑制することができる。すなわち、非接触式センサである差動トランス６０を用いているため、差動トランス側から、板バネ３２に力が加わらない。板バネ３２を柔らかくすることができ、動作をしなやかにすることができる。よって、エアギャップを一定に保つことができる。もちろん、差動トランス６０以外のセンサで、ベースアーム３５に対する測定ヘッド３１の上下位置を測定しても良い。
【００３８】
さらに、測定対象の電極材２０をステージ１１上に載置した場合、高さ調整機構３８で測定ヘッド３１を下げていく。測定ヘッド３１が電極材２０の表面に対して十分離れた状態では、エア浮上していない。そして、測定ヘッド３１を下げていき、測定ヘッド３１が電極材２０に対してある距離まで近づくと、エア浮上する。すると、ベースアーム３５に対する測定ヘッド３１の高さが変化する。従って、差動トランス６０によって、エア浮上する高さを確認することができる。なお、モータ等で高さを自動制御する場合、接点などで、エア浮上する高さを検知しても良い。例えば、先端アーム３４やベースアーム３５に接点などを設ける。こうすることで、エア浮上したことを検知することができる。そして、エア浮上を検知した時点から、所定量だけ測定ヘッド３１を下降させる。こうすることで、板バネ３２の平行リンクによるエアギャップへの圧力を一定にし、エアギャップ長を正確に制御することができる。
【００３９】
測定ヘッド３１が、電極材２０に対する測定を行う。測定ヘッド３１の直下の位置で、電極材２０に対する測定を行うことができる。その位置での測定が終了したら、電極材２０を所定量だけ、ＸＹ方向に変位させる。すなわち、図１で示したように、電極材２０をＸＹ方向に移動する。そして、移動後の位置で、同様に測定を行う。これを繰り返すことで、電極材２０の全体に対して測定を行うことができる。
【００４０】
次に、測定ヘッド３１の構成について、図３と図４を用いて説明する。図３は、測定ヘッド３１の構成を模式的に示す側面図であり、図４は下面図である。
【００４１】
測定ヘッド３１は、本体部４０とコイル４１と噴出口４２と容量電極４３とを有している。本体部４０は、例えば、略円筒状の部材であり、プラスチック材料によって形成されている。本体部４０の下側には、円筒状の凸部４４が設けられている。凸部４４は、下側に突出しており、その突出量は、０．５ｍｍ程度である。ＸＹ平面において、凸部４４は、本体部４０の中央に配置されている。凸部４４は直径３ｍｍ〜５ｍｍ程度の円筒状となっている。
【００４２】
さらに、凸部４４には、容量電極４３が設けられている。容量電極４３は、凸部４４の下面に露出している。容量電極４３の下面は平面になっており、電極材２０と対向する。容量電極４３は、円形の薄板となっている。容量電極４３と電極材２０とで容量（キャパシタ）が形成される。また、ＸＹ平面において、本体部４０と凸部４４と容量電極４３は同心円状に配置されている。容量電極４３、又は容量電極４３の先端部をグラファイトで製作しても良い。グラファイトを用いることで、容量電極４３が電極材２０と接触した場合の金属汚染を防ぐことができる。エアギャップを測定する時、発振器５０の発振停止によって、容量電極４３が電極材２０に接触していることを容易に測定することができる。
【００４３】
さらに、測定ヘッド３１には、エアの噴出口４２が設けられている。容量電極４３に設けられた貫通孔がエアの噴出口４２となる。噴出口４２は、容量電極４３の中心を通っている。噴出口４２から下方にエア（空気）が噴出される。すなわち、図３の矢印方向にエアが噴出される。このエアは、電極材２０の表面に沿って、外側に流れていく。これにより、測定ヘッド３１の凸部４４と、電極材２０との間に、エアギャップが形成される。すなわち、測定ヘッド３１が電極材２０の上でエア浮上する。例えば、エアギャップが１０μｍとなるような、圧力でエアを噴出する。なお、噴出口４２から噴出する気体は、エア（空気）に限らず、窒素などの他の気体であってもよい。
【００４４】
円筒状の本体部４０の外周には、コイル４１が巻き付けられている。例えば、コイルは３０〜４０ターンで巻かれている。後述するように、コイル４１には、発振器からの高周波電圧が供給されている。よって、コイル４１は、交流磁界を生成する。コイル４１に電流が流れると、コイル４１の中心ではＺ方向に磁力線が発生する。すなわち、ＸＹ面における測定ヘッド３１の中心では、電極材２０に向かっていく方向、又はその反対方向に磁力線が発生する。
【００４５】
次に、測定ヘッド３１の回路構成に付いて図５を用いて説明する。図５は、測定ヘッド３１の回路構成を示す回路図である。測定ヘッド３１には、上述のように、コイル４１と容量電極４３が設けられている。さらに、コイル４１の一端は、スイッチ４７に接続され、他端はグランドに接続されている。また、容量電極４３もスイッチ４７に接続されている。容量電極４３と対向する集電体２１はグランドに接続されている。よって、容量電極４３と集電体２１が容量（キャパシタ）を形成する。すなわち、集電体２１が容量を構成する他方の容量電極となる。スイッチ４７は、導電線であるケーブル５１を介して、発振器５０に接続されている。すなわち、発振器５０で生成される高周波電圧は、ケーブル５１を介して、スイッチ４７に供給される。スイッチ４７は、発振器５０の出力先を切り替える。すなわち、スイッチ４７は、発振器５０の接続先をコイル４１から容量電極４３、又は容量電極４３からコイル４１に切り替える。スイッチ４７によって、コイル４１、及び容量電極４３の一方に、発振器５０からの高周波電圧が印加される。
【００４６】
例えば、活物質層２２の厚さを測定する場合、スイッチ４７は、発振器５０をコイル４１に接続する。これにより、コイル４１が、交流磁界を発生する。電極材２０には、アルミニウム箔等からなる集電体２１が設けられている。反磁性体であるアルミニウム箔の近傍で交流磁界が発生する。すなわち、シート状の集電体２１と直交する方向に磁力線が発生する。すると、集電体２１の表面に渦電流が生じて、磁力線が減る。すなわち、コイル磁界の変化を打ち消す方向に、渦電流が発生する。磁力線の数が減るので、インダクタンスが小さくなる。そして、インダクタンスの減少量は、集電体２１とコイル４１の距離に応じて変化する。すなわち、集電体２１とコイル４１が設けられた測定ヘッド３１とが近づくほど、インダクタンスが大きく減少する。一方、噴出口４２から噴出するエアを一定圧力とすることで、エアギャップ長は略一定になっている。すなわち、電極材２０の表面と測定ヘッド３１との距離は略一定になっている。従って、活物質層２２が薄くなると、集電体２１と測定ヘッド３１との距離が小さくなり、活物質層２２が厚くなると集電体２１と測定ヘッド３１との距離が大きくなる。このように、活物質層２２の厚さに応じて、集電体２１と測定ヘッド３１との距離が変化する。
【００４７】
また、活物質層２２の比抵抗は１×１０−２Ω・ｃｍ〜１Ω・ｃｍであり、アルミニウムや銅の比抵抗は、約２×１０−６Ω・ｃｍである。よって、活物質層２２の比抵抗は集電体２１よりも１０４〜１０６程度高い。活物質層２２には、反磁性の性質がほとんどない。活物質層２２によるインダクタンスへの影響はほとんどない。活物質層２２の厚さが変化しても、インダクタンスはほとんど変化しない。なお、活物質層２２に含まれるマンガンＭｎやコバルトＣｏは強磁性体であり、磁力線を増加させる性質がある。しかしながら、集電体２１となるアルミニウム箔や銅箔の反磁性の強さと比較すると、ほとんど無視できる程度である。活物質層２２によるインダクタンスへの影響はほとんどない。
【００４８】
コイル４１と集電体２１との距離、すなわち測定ヘッド３１と集電体２１との距離に応じて、インダクタンスが変化する。従って、発振器５０の発振周波数を求めることで、コイル４１と集電体２１との距離を測定することができる。発振器５０の発振周波数によって、インダクタンスの変化を求めることができる。コイル４１と集電体２１との距離からエアギャップを減算することで、活物質層２２の厚さを測定することができる。例えば、エアギャップが一定となる条件下で、活物質層２２が薄くなると、測定ヘッド３１と集電体２１との距離が小さくなる。一方、エアギャップが一定となる条件下で、活物質層２２の厚くなると、測定ヘッド３１と集電体２１との距離が大きくなる。よって、発振器５０の発振周波数分布を求めることで、活物質層２２の厚さの面内分布を測定することができる。さらに、非接触、かつ高速で厚さ分布を測定することができる。
【００４９】
一方、活物質層２２のムラを測定する場合、スイッチ４７を切り替えて、発振器５０を容量電極４３に接続する。これにより、容量電極４３と電極材２０とで容量（キャパシタ）が形成される。キャパシタンスは、容量電極間の誘電率や容量電極間距離によって変化する。従って、集電体２１と容量電極４３との間に配置された活物質層２２の材料や状態に応じて、キャパシタンスが変化する。例えば、活物質層２２において導電助剤２５が密集している箇所では、導電率が高くなる。よって、実効的な電極間距離が小さくなり、キャパシタンスが大きくなる。
【００５０】
エアギャップが一定となる条件下で、発振器５０の発振周波数の面内分布を求める。こうすることで、活物質層２２のムラや均質性を測定することができる。例えば、図１０、及び図１１に示した、導電助剤密集箇所、金属異物混入箇所、ボイド発生箇所、欠け発生箇所などの異常個所では、正常箇所と比してキャパシタンスが大きく異なる。さらには、活物質層２２における活物質２３、バインダ２４、及び導電助剤２５の混ぜ合わせムラを測定することもできる。発振周波数分布を求めることで、活物質層２２の均質性を測定することができる。
【００５１】
上記の測定を繰り返すことで、活物質層２２の膜厚分布と均質性とを測定することができる。例えば、コイル４１と発振器５０を接続して、発振器５０の発振周波数から活物質層２２の厚さを測定する。その後、スイッチ４７を切り替えて、発振器５０と容量電極４３を接続する。発振器５０の発振周波数から、活物質層２２の均質性を測定する。これにより、電極材２０のある位置における測定が終了する。この位置での測定が終了したら、電極材２０を移動して、測定ヘッド３１と電極材２０の位置をずらす。そして、電極材２０の別の位置において、スイッチ４７を切り替えて、発振周波数の測定を行う。これを繰り返すことで、電極材２０全体に対する測定がおこなわれる。このようにすることで、非接触かつ高速での測定が可能になる。なお、スイッチ４７をコイル４１に接続して、発振周波数の面内分布を測定した後、スイッチ４７を容量電極４３に接続して、発振周波数の面内分布を測定しても良い。もちろん、反対に、スイッチ４７を容量電極４３に接続して、発振周波数の面内分布を測定した後、スイッチ４７をコイル４１に接続して、発振周波数の面内分布を測定してもよい。
【００５２】
次に、具体的な測定回路の構成に付いて図６を用いて説明する。図６は、測定回路の一例を示す回路図である。発振器５０は、ＬＣ発振回路であり、具体的には、コルピッツ型発振回路である。発振器５０は、コイル５２、コンデンサ５３、抵抗５４、トランジスタ５５等を有している。発振器５０の出力とグランドの間には、２つのコンデンサ５３が直列に接続されている。また、コイル５２は、２つのコンデンサ５３と並列に接続されている。発振周波数を求めるため、発振器５０の出力側では、発振器５０のトランジスタ５５が周波数カウンタに接続される。
【００５３】
また、発振器５０の出力端子は、ケーブル５１を介してスイッチ４７と接続されている。発振器５０のコイル５２は、グランドとケーブル５１間に接続される。なお、コイル４１の一端はスイッチ４７を介して、発振器５０の出力端子と接続され、他端はケーブル５１である同軸ケーブルの被覆線を介して、グランドに接続されている。よって、発振器５０のコイル５２と測定ヘッド３１のコイル４１とは並列に接続されている。
【００５４】
また、発振器５０の周波数カウンタへの出力は、分岐されて、バッファアンプ５６、及び同期検波回路５７に接続される。バッファアンプ５６の出力は、ケーブル６６を介して、差動トランス６０に接続される。バッファアンプ５６は、発振器５０の出力をバッファリングして、差動トランス６０に出力する。従って、発振器５０からの高周波によって、差動トランス６０の１次コイル６３が励磁される。さらに、発振器５０の周波数カウンタへの出力は、同期検波回路５７に供給される。また、同期検波回路５７には、ケーブル６７を介して、差動トランス６０の２次コイル６２からの差動電圧が入力される。同期検波回路５７は、この２つの信号について同期検波を行う。これにより、測定ヘッド３１の位置変位、すなわち、高さを測定することができる。同期検波回路５７が測定した位置変位が位置出力となって、制御ＰＣに入力される。このように、発振器５０の出力を差動トランス６０に用いることで、高周波の干渉による影響を防ぐことができる。すなわち、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を別個とした場合、これらが干渉してしまうおそれがある。しかしながら、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を共用することで、干渉による影響を防ぐことができる。よって、厚さを正確に測定することができる。
【００５５】
発振器５０のインダクタンスをＬｏｓｃ、キャパシタンスをＣｏｓｃとする。ここでは、Ｌｏｓｃ＝３．９９μＨ、Ｃｏｓｃ＝１１０ｐＦとしている。ケーブル５１は、同軸ケーブルである。ケーブル５１のインダクタンスＬｃａｂｌｅを、キャパシタンスをＣｃａｂｌｅとする。なお、Ｃｃａｂｌｅ＝１７．２５ｐＦである。
【００５６】
測定回路全体の合成インダクタンスをＬ、測定ヘッド３１のコイル４１のインダクタンスをＬｇａｐとする。Ｌｇａｐはエアギャップによって変化する。スイッチ４７が発振器５０をコイル４１に接続したときの、合成インダクタンスＬ１は以下の式（１）で表される。
１／Ｌ１＝１／Ｌｏｓｃ＋１／（Ｌｃａｂｌｅ＋Ｌｇａｐ）・・・（１）
【００５７】
また、スイッチ４７が発振器５０を容量電極４３に接続したときの、合成インダクタンスＬ２は以下の（２）式で表される。
１／Ｌ２＝１／Ｌｏｓｃ＋１／Ｌｃａｂｌｅ ・・・（２）
【００５８】
容量電極４３と電極材２０の容量をＣｇａｐとする。Ｃｇａｐは活物質層２２の状態によって変化する。スイッチ４７をコイル４１に接続したときの合成容量Ｃ１は式（３）のようになる。
Ｃ１＝Ｃｏｓｃ＋Ｃｃａｂｌｅ ・・・（３）
【００５９】
スイッチ４７を容量電極４３に接続したときの合成容量Ｃ２は式（４）のようになる。
Ｃ２＝Ｃｏｓｃ＋Ｃｃａｂｌｅ＋Ｃｇａｐ ・・・（４）
【００６０】
ここで、発振周波数ｆは以下の式（５）で表される。
ｆ＝１／（２π（ＬＣ）１／２）・・・（５）
【００６１】
従って、式（５）にＣ１、Ｌ１を代入すると、発振器５０がコイル４１に接続された時の発振周波数ｆが得られる。ここで、コイル４１のインダクタンスＬｇａｐは、上記の通り、活物質層２２の厚さに依存する。発振器５０とコイル４１が接続された状態で、発振器５０の周波数カウンタで発振周波数ｆを求める。これにより、活物質層２２の厚さを測定することができる。
【００６２】
一方、式（５）にＣ２、Ｌ２を代入すると、発振器５０が容量電極４３に接続された時の発振周波数ｆが得られる。ここで、容量電極４３の容量は、活物質層２２における活物質２３と導電助剤２５等の密度やムラに依存する。発振器５０と容量電極４３が接続された状態で、発振器５０の周波数カウンタで発振周波数ｆを求める。これにより、活物質層２２における活物質２３と導電助剤２５等の密度やムラを測定することができる。例えば、図１０、及び図１１で示したように、導電助剤密集箇所、金属異物混入箇所、ボイド発生箇所、欠け発生箇所では、正常箇所に比べて、発振周波数ｆが大きく変化する。よって、これらの異常箇所を検出することができる。また、活物質層２２において、活物質２３、バインダ２４、導電助剤２５の混ぜ合わせムラを評価することができる。コイル４１を接続した状態における測定結果と、容量電極４３を接続した状態における測定結果を比較することで、厚さ分布を考慮した活物質層２２の均質性を総合的に評価することができる。よって、電池用電極材を様々な観点から評価することができる。
【００６３】
次に、図７を用いて実際の測定結果を示す。図７は、コイル４１を接続した状態における発振周波数ｆの測定結果である。図７は、厚さ１５μｍの銅箔を集電体２１として用いた負極材の測定結果を示す図である。ここでは、銅箔の一方の面に７０μｍの活物質層２２が設けられ、他方の面に１２０μｍの活物質層２２が設けられた負極材を測定している。また、活物質層２２が設けられていない厚さ１７μｍの銅箔を参照用として測定している。図７において、横軸は、測定ヘッド３１と電極材２０の表面との表面距離（エアギャップ）であり、縦軸は、発振周波数ｆを示している。
【００６４】
測定ヘッド３１のエア圧力を変えることで、表面距離を変えることができる。そして、表面距離を変えて、発振周波数ｆを測定する。図７から、表面距離が大きくなるにつれて、発振周波数が低くなるのが分かる。すなわち、（１）式のように、コイル４１のインダクタンスＬｇａｐに応じて、合成インダクタンスＬ１が変化する。よって、コイル４１のインダクタンスＬｇａｐに応じて、発振周波数ｆが変化している。
【００６５】
活物質層２２が設けられていない参照用銅箔の測定では、表面距離が０の状態、すなわち、銅箔と測定ヘッド３１が接触している状態において、発振周波数が約７．４７ＭＨｚとなって、表面距離が大きくなるにつれて発振周波数が下がっている。負極材の測定では、いずれの面も、銅箔の測定と略同じ傾きになっている。すなわち、各曲線を活物質層２２の厚さ分だけ、右側に平行移動すると、曲線がほぼ一致する。このように、活物質層２２の厚さに応じて、発振周波数が変化するのが分かる。よって、活物質層２２の厚さ分布を測定することが可能となる。なお、発振周波数と表面距離の関係の傾きに付いては、コイルの巻き数で調整することができる。
【００６６】
もちろん、本実施形態にかかる厚さ測定装置を用いることで、正極材、及び負極材の両方を評価することができる。上記の説明では、正極材を、アルミニウム箔を集電体２１とし、マンガン酸リチウムを活物質とするものとして説明したが、これ以外の材料を用いた正極材に対して測定を行っても良い。例えば、活物質として、コバルト酸リチウムを用いた正極材を評価してもよい。同様に、負極材についても、銅箔以外の集電体２１や、グラファイト以外の活物質を有するものであってもよい。例えば、負極材の活物質としてシリコンを用いたものであってもよい。非接触で測定しているので、シリコンの欠け等を防ぐことができる。さらに、集電体２１がアルミニウムや銅などの反磁性体である電池用電極材に好適である。もちろん、アルミニウム箔や銅箔以外の集電体を用いたものでもよい。本実施形態に係る厚さ測定装置は、反磁性材料の集電体を有する電極材の評価に好適である。なお、上記の説明では、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を共用したが、コイル４１への出力と差動トランス６０への出力を別個にしてもよい。すなわち、発振器５０から出力される高周波とは別の交流電圧を、差動トランス６０に入力しても良い。
【００６７】
さらに、集電体２１と活物質層２２との間に粘着シートが設けられている構成であってもよい。この場合、粘着シートと活物質層２２の合計厚さを測定することができる。さらに、活物質層２２を粘着シートに粘着させる前であれば、粘着シートの厚さ分布を測定することができる。もちろん、リチウムイオン電池以外の電池に用いても良い。すなわち、本実施形態に係る厚さ測定装置を用いることで、集電体２１に活物質層２２が設けられている電池用電極材に対して評価を行うことができる。特に、集電体２１上に、活物質２２を含む活物質層２０が設けられた２次電池の評価に好適である。
【００６８】
本実施形態に係る厚さ測定装置は、集電体２１等の金属シートが設けられていない構成についても適用可能である。この場合、真空吸着で、金属板等に測定対象のシートを貼り付ければよい。これにより、セパレータ、活物質層シート、絶縁シート等の測定も可能である。
【００６９】
また、電極材２０の両面に測定ヘッド３１を配置してもよい。これにより、集電体２１の両面に設けられた活物質層２２を同時に測定することができる。よって、測定時間を短縮することができる。なお、両面の測定ヘッド３１をずらして配置してもよい。この場合、２つの測定ヘッド３１が異なる位置で両面同時測定を行う。
【００７０】
なお、電極材２０を片面測定する場合、電極材２０の下に、プラスチックや金属等からなる板状部材を設けても良い。この構成について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は、板状部材がない状態を示す側面断面図であり、図８（ｂ）は、プラスチック製の板状部材１７が設けられた状態を示す側面断面図であり、図８（ｃ）は、金属製の板状部材１８が設けられた状態を示す側面断面図である。
【００７１】
図８（ａ）に示す板状部材を設けない構成では、クランプ１４が電極材２０をクランプしている。そして、ステージ１１に設けられた噴出口１５から矢印方向にエアが噴出している。これにより、クランプ１４にクランプされた電極材２０がエア浮上する。よって、電極材２０とステージ１１とが接触するのを防ぐことができる。また、電極材２０の端部には、集電体２０である金属箔に突出している部分がある。この突出部分を金属製のクランプ１４で挟んで固定している。そして、クランプ１４を発振器５０のＧＮＤに接続している。これにより、集電体２０を接地することができる。
【００７２】
また、電極材２０にしわのある場合、図８（ｂ）に示すように、板状部材１７を用いることで、しわを伸ばすことができる。図８（ｂ）に示す構成では、電極材２０の下に、プラスチック製の板状部材１７が配置されている。そして、電極材２０と板状部材１７がクランプ１４でクランプされ、保持される。板状部材１７の上面には吸着溝１９が設けられている。吸着溝１９は、電極材２０の周縁部を真空吸着できるように形成されている。吸着溝１９が電極材２０を吸着固定することで、電極材２０のしわを伸ばすことができる。そして、板状部材１７に噴出口１５からのエアが噴出され、板状部材１７がエア浮上する。このように、プラスチック製の板状部材１７を張り付けるモードを設けることで、電極材２０のしわを伸ばすことができる。もちろん、プラスチック製以外の材料で板状部材１７を構成しても良い。
【００７３】
図８（ｃ）に示す構成では、図８（ｂ）に示す構成の板状部材１７が金属製の板状部材１８に代わっている。さらに、測定対象である電極材２０が導電シートや絶縁体シート等のシート２６に代わっている。従って、シート２６の下側に、金属製の板状部材１８が配置されている。板状部材１８に設けられた吸着溝１９によって、シート２６が吸着固定されている。このように、金属製の板状部材１８を張り付けるモードを設けることで、電極材以外の、導電シートや、絶縁シートの測定が可能となる。例えば、反磁性体の板状部材１８を用いることで、電極材２０の集電体２１と同様の機能を得ることができる。発振器５０の発振周波数を測定することで、板状部材１８の上の絶縁シート等を測定することができる。コイルを接続することで、シート２６の厚さ分布を測定することができる。
【００７４】
さらに、両面同時測定の場合、測定ヘッド３１に周波数を大きくずらした発振器５０を接続することが好ましい。すなわち、発振器を別個に用意して、同時に出力する高周波の周波数を大きくずらす。これにより、高周波の干渉によって、発振周波数がずれるのを防ぐことができる。また、両面において、同じＸＹ位置に測定ヘッド３１を配置した場合、集電体２１等の導電シートが設けられていない測定対象の厚さを測定することも可能となる。この場合、一方の測定ヘッド３１に設けられた容量電極が集電体２１の代わりとなる。すなわち、対向する測定ヘッド３１の容量電極３２で容量が形成される。そして、他方の測定ヘッド３１のコイル４１と発振器５０を測定して、発振周波数を求める。こうすることで、測定対象の厚み測定が可能になる。電池用の電極材２０以外に対して、非接触での測定が可能となる。よって、測定対象が損傷するのを防ぐことができる。
【００７５】
なお、上記の説明では、電極材２０を移動することで、測定位置を変えたが、測定ヘッド３１を移動することで測定位置を変えても良い。さらには、電極材２０と測定ヘッド３１の両方を移動して、測定位置を変えても良い。
【符号の説明】
【００７６】
１１ ステージ
１２ カバー
１３ 可動部
１４ クランプ
１５ 吸着口
１７ 板状部材
１８ 板状部材
２０ 電極材
２１ 集電体
２２ 活物質層
２３ バインダ
２４ 導電助剤
２６ シート
３０ 測定アーム
３１ 測定ヘッド
３２ 板バネ
３３ ベース
３４ ベースアーム
３５ 先端アーム
４０ 本体
４１ コイル
４２ 噴出口
４３ 容量電極
４４ 凸部
５０ 発振器
５１ ケーブル
５２ コイル
５３ コンデンサ
５４ 抵抗
５５ トランジスタ
５６ バッファアンプ
５７ 同期検波回路
６０ 差動トランス
６１ コア
６２ ２次コイル
６３ １次コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置であって、
前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため、前記電池用電極材の表面にエアを噴出するヘッドと、
前記ヘッドに設けられたコイルと、
前記コイルに接続された発振器と、を備える厚さ測定装置。
【請求項２】
前記発振器と前記コイルを接続したときの発振周波数に応じて、前記活物質を含む活物質層の厚さを測定する厚さ測定装置。
【請求項３】
前記ヘッドに設けられ、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極と、
前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替えるスイッチと、を備える請求項１、又は２に記載の厚さ測定装置。
【請求項４】
前記ヘッドを支持するアームを備え、
前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
【請求項５】
前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
【請求項６】
前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
【請求項７】
集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定方法であって、
前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため前記電池用電極材の表面にエアを噴出するステップと、
発振器によって、前記ヘッドに設けられたコイルに交流磁界を発生させるステップと、
前記発振器の発振周波数を求めるステップと、を備える厚さ測定方法。
【請求項８】
前記測定ヘッドと前記電極を相対移動したときの前記発振器の発振周波数分布に応じて、活物質層の厚さ分布を測定する請求項７に記載の厚さ測定方法。
【請求項９】
前記ヘッドに、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極が設けられ、
前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替える請求項７、又は８に記載の厚さ測定方法。
【請求項１０】
前記ヘッドがアームによって指示され、
前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられている請求項７乃至９のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１１】
前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されている請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１２】
前記集電体の比抵抗が、前記活物質層の比抵抗よりも高いことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１３】
前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられている請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１】
集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定装置であって、
前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため、前記電池用電極材の表面にエアを噴出するヘッドと、
前記ヘッドに設けられたコイルと、
前記コイルに接続された発振器と、を備える厚さ測定装置。
【請求項２】
前記発振器と前記コイルを接続したときの発振周波数に応じて、前記活物質を含む活物質層の厚さを測定する厚さ測定装置。
【請求項３】
前記ヘッドに設けられ、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極と、
前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替えるスイッチと、を備える請求項１、又は２に記載の厚さ測定装置。
【請求項４】
前記ヘッドを支持するアームを備え、
前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
【請求項５】
前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
【請求項６】
前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられている請求項１乃至５のいずれか１項に記載の厚さ測定装置。
【請求項７】
集電体上に活物質を含む活物質層が設けられた電池用電極材の厚さ測定方法であって、
前記電池用電極材との間にエアギャップを形成するため前記電池用電極材の表面にエアを噴出するステップと、
発振器によって、前記ヘッドに設けられたコイルに交流磁界を発生させるステップと、
前記発振器の発振周波数を求めるステップと、を備える厚さ測定方法。
【請求項８】
前記測定ヘッドと前記電極を相対移動したときの前記発振器の発振周波数分布に応じて、活物質層の厚さ分布を測定する請求項７に記載の厚さ測定方法。
【請求項９】
前記ヘッドに、前記電池用電極材と容量を構成する容量電極が設けられ、
前記発振器の出力を前記コイルから前記容量電極に切り替える請求項７、又は８に記載の厚さ測定方法。
【請求項１０】
前記ヘッドがアームによって指示され、
前記アームに、前記ヘッドの高さを調整する高さ調整機構が設けられている請求項７乃至９のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１１】
前記ヘッドが板バネ式平行リンク機構を介して、前記アームに支持されている請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１２】
前記集電体の比抵抗が、前記活物質層の比抵抗よりも高いことを特徴とする請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【請求項１３】
前記電池用電極材の下側に、前記電池用電極材を吸着固定する板状部材が設けられている請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の厚さ測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１２２８３４（Ｐ２０１２−１２２８３４Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３５３８（Ｐ２０１０−２７３５３８）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００１１５９０２）レーザーテック株式会社 (184)
【Ｆターム（参考）】
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