(57)【要約】【課題】電池を開封することなく電池要素内に気泡が生じているか否かあるいは電池要素内のいずれの位置に気泡が生じているか否かを検出し得る装置を提供する。【解決手段】電極（４、６）を電解質層（５）を介して積層することにより電池要素（２）を構成する電池（１）の電池内部状態検出装置であって、電池要素（２）の一方の側より電池要素（２）内部に向けて超音波を入射する超音波発振子（２６）と、電池要素（２）内部で反射してきた超音波を電池要素（２）の一方の側と同じ側で受信する超音波受信子（２７）とを電池要素（２）の外部に設け、超音波受信子（２７）により得られる信号に基づいて電池要素内に気泡が生じているか否かを検出する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を電解質層を介して積層することにより電池要素を構成する電池の電池内部状態検出装置であって、
前記電池要素の一方の側より前記電池要素内部に向けて超音波を入射する超音波発振子と、前記電池要素内部で反射してきた超音波を電池要素の前記一方の側と同じ側で受信する超音波受信子とを前記電池要素の外部に設け、
前記超音波受信子により得られる信号に基づいて前記電池要素内に気泡が生じているか否かを検出することを特徴とする電池内部状態検出装置。
【請求項２】
前記入射された超音波は前記電池要素内に生じている気泡によって全反射することを特徴とする請求項１に記載の電池内部状態検出装置。
【請求項３】
前記電池要素内に気泡が生じていない状態で入射された超音波が入射した側とは反対側の電池要素の端部で反射して前記超音波受信子に戻るまでの時間と、前記入射された超音波が前記電池要素内に生じている気泡で全反射して前記超音波受信子に戻るまでの時間とを計測し、
これら２つの時間に基づいて前記電池要素内に生じている気泡の位置を計算することを特徴とする請求項１または２に記載の電池内部状態検出装置。
【請求項４】
前記電池要素内部で分かれて反射してきた複数の超音波を少なくとも２つ以上の超音波受信子で受信することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の電池内部状態検出装置。
【請求項５】
前記超音波発振子と前記超音波受信子とを一対とする超音波装置を前記電池要素の全体にスキャンし得るスキャン装置と、
このスキャン装置の稼働で前記超音波受信子により得られる信号を処理して、前記電池要素の全体及び前記電池要素内に生じている気泡を平面的にまたは立体的に表示する画像信号を作る信号処理手段と、
この信号処理手段が作る画像信号を受けて前記電池要素及び前記電池要素内に生じている気泡を平面的にまたは立体的に表示する表示装置と
を有することを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載の電池内部状態検出装置。
【請求項６】
前記電池要素は、正極及び負極を有する単電池を積層していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の電池内部状態検出装置。
【請求項７】
前記正極及び負極は扁平状であることを特徴とする請求項６に記載の電池内部状態検出装置。
【請求項８】
前記電池要素は、扁平状の集電体の一方の面に正極活物質層を他方の面に負極活物質層を形成した双極型電極と、その内部をイオンが移動する電解質層とを、隣り合う当該双極型電極の正極活物質層と負極活物質層とが当該電解質層を介して向き合うように積層していることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載の電池内部状態検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は電池内部状態検出装置、特に積層型電池の内部状態の検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過法を用いた超音波診断方法がある（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−２９１８３２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ラミネート型電池の膨張の原因には、電極内やセパレータ内に電解液が十分に浸透したために電極そのものが膨張している場合と、電解液のガス化（気化）に起因する場合とがあり、電極内やセパレータ内の気泡の発生はイオンの流れを遮断し電流を流れなくするため単電池層内に面内バラツキが生じ電池の劣化を促進する。このため、電池を開封することなく電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かを検出し得る装置が望まれている。
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の技術では上記の要求を満たすことができない。すなわち、上記特許文献１の技術では、電池要素の一方の側より入射した超音波が入射した側とは反対側へと透過することを前提としている。ところが、電極内やセパレータ内に気泡が発生した場合、電池要素の一方の側より入射した超音波は気泡との界面で全反射し、反射した超音波は入射したと同じ側へと戻るため、入射した側とは反対側へと超音波が透過しなくなってしまう。上記特許文献１の技術では電池内の電極の崩落や電極活物質の剥離による電池の劣化に起因して超音波が電池内を透過し易くなることに着目するものであるため、電極内またはセパレータ内の気泡の発生の有無についてや電極内またはセパレータ内の気泡の発生している位置までは診断（検出）できないのである。
【０００６】
そこで本発明は、電池を開封することなく電池要素内に気泡が生じているか否かあるいは電池要素内のいずれの位置に気泡が生じているか否かを検出し得る装置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】
【０００７】
本発明の電池内部状態検出装置では、電極を電解質層を介して積層することにより電池要素を構成する電池の電池内部状態検出装置であって、前記電池要素の一方の側より前記電池要素内部に向けて超音波を入射する超音波発振子と、前記電池要素内部で反射してきた超音波を電池要素の前記一方の側と同じ側で受信する超音波受信子とを前記電池要素の外部に設ける。そして、前記超音波受信子により得られる信号に基づいて前記電池要素内に気泡が生じているか否かを検出する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電池要素内に気泡が生じて電池要素内部のもともとの材料との間に密度差が生じれば超音波は気泡との界面で全反射するため、電池要素内に気泡が生じているか否かを電池を開封することなく検出できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の電池内部状態検出装置に用いられる第１実施形態のセルの概略構成図である。
【図２】モジュールの概略断面図である。
【図３】第１実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。
【図４】第１実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。
【図５】超音波を入射してから反射した超音波が戻ってくるまでの様子を表すタイミングチャートである。
【図６】第２実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。
【図７】第２実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。
【図８】第２実施形態の電極内またはセパレータ内に生じている気泡の位置を特定する方法を説明するためのセルの概略平面図である。
【図９】第３実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。
【図１０】第３実施形態の電極内またはセパレータ内に生じている気泡の位置を平面画像で表した図である。
【図１１】第３実施形態の電極内またはセパレータ内に生じている気泡の位置を立体画像で表した図である。
【図１２】第４実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面等を参照して本発明の実施形態について説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張している箇所があり、その箇所においては実際の比率と異なっている。
【００１１】
（第１実施形態）
まず、本実施形態の電池内部状態検出装置に用いられるリチウムイオン二次電池（以下、単に「積層型二次電池」とも称する。）の最小単位であるセル１について説明する。図１はリチウムイオン二次電池の最小単位であるセル１の概略図である。このうち、図１（Ａ）はセル１の概略斜視図、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００１２】
図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、セル１は、実際に充放電反応が進行する略薄板状の電池要素２が、電池外装材であるラミネートフィルム３の内部に封止された構造を有する。詳しくは、高分子−金属複合ラミネートフィルムを電池外装材として用いて、その周縁部を熱融着にて接合することにより、電池要素２を収納し密封した構成を有している。ここで高分子−金属複合ラミネートフィルムとしては、金属フィルムを高分子フィルム（樹脂フィルム）でサンドイッチした三層構造のものが一般的である。
【００１３】
電池要素２は、薄板状（扁平状）の負極集電体４ａの両面に同じく薄板状（扁平状）の負極活物質層４ｂを配置した負極４と、薄板状（扁平状）の電解質層５と、薄板状（扁平状）の正極集電体６ａの両面に同じく薄板状（扁平状）の正極活物質層６ｂを配置した正極６とを積層した構成を有している。具体的には、１つの負極活物質層４ｂとこれに隣接する正極活物質層６ｂとが、電解質層としてのセパレータ５を介して対向するようにして、負極４、電解質層としてのセパレータ５、正極６をこの順に積層している。ここで、セパレータ５は微小な孔を多数有する膜状であるため、液体の電解質を含むこととなる。
【００１４】
これにより、隣接する負極４、電解質層としてのセパレータ５及び正極６は、一つの単電池層７（単電池）を構成する。従って、本実施形態のセル１は、単電池層７を積層することで、電気的に並列接続された構成を有するともいえる。また、単電池層７の外周には、隣接する負極集電体４ａと正極集電体６ａとの間を絶縁するためのシール部（絶縁層）を設けてもよい。電池要素２の両最外層に位置する最外層負極集電体４ａには、いずれも片面のみに負極活物質層４ｂを配置している。なお、図１（Ｂ）とは正極及び負極の配置を逆にすることで、電池要素２の両最外層に最外層正極集電体が位置するようにし、該最外層正極集電体の片側のみに正極活物質層を配置するようにしてもよい。
【００１５】
負極集電体４ａ及び正極集電体６ａには、各電極（正極及び負極）と導通する強電タブ８、９を取り付け、高分子−金属複合ラミネートフィルム３の端部に挟まれるように高分子−金属複合ラミネートフィルム３の外部に導出させている。強電タブ８、９は、必要に応じて負極端子リード（図示せず）及び正極端子リード（図示せず）を介して、各電極の負極集電体４ａ及び正極集電体６ａに超音波溶接や抵抗溶接により取り付けもよい。
【００１６】
なお、リチウムイオン二次電池の最小単位であるセルの他の形態としては、集電体の一方の面に正極活物質層を、他方の面に負極活物質層を形成している双極型電極を、電解質層を介して積層したセル（双極型二次電池）が挙げられる。上記積層型二次電池とこの双極型二次電池とは、双方の電池内の電気的な接続状態（電極構造）が異なることを除いては、基本的には同様である。
【００１７】
このような構成のセル１を製造する工程は次のようなものである。すなわち、セパレータ５に液体の電解質を含ませない状態で上記電池要素２を形成し、全体を高分子−金属複合ラミネートフィルム３で被覆し、フィルム３の４つある周縁部の１つのみを残して熱融着にて接合する。その後には、接合しなかった周縁部から電解液を注入してセパレータ５に電解液を含浸させ、真空槽中に一定期間放置する。真空槽中に一定期間放置するのは、電池要素２から空気を抜いて電解液をセパレータ５の隅々までよく含浸させるためである。その後は電池要素２の周囲に空気が残らないように真空状態で残る１つの周縁部を熱融着にて接合し、セル１を完成する。
【００１８】
次には、完成したセル１に対して初回の充電を行い、セル１内の各単電池が所定の電圧となるようにする。その後はセル１の電気特性を落ち着かせるため、耐久試験（エージング）を行う。その後に、電気特性の検査と重量・外観の検査とを行い、検査に適合しないセル１は不良品として除く。
【００１９】
検査に適合したセル１は、図２に示したように鉛直方向に複数個積層し、金属製の箱１２に収納してモジュール１１を形成する。このように形成したモジュール１１を用いて組電池（図示しない）を構成し、この組電池を車両に搭載する。
【００２０】
さて、耐久試験後に膨張したセル１は外観検査に適合せず、不良品として除かれる。電極内やセパレータ内に気泡が発生した場合はイオンの流れを遮断し電流を流さなくするため単電池層内に面内バラツキが生じセル１（電池）の劣化を促進する。ここで、「電極内」とは、集電体６ａ、４ａを除いた残りの部分、つまり正極、負極の活物質層６ｂ、４ｂの内部のことである。セパレータ内とはセパレータ５の内部のことである。
【００２１】
現在、電極内やセパレータ内に電解液が十分に浸透しているのか否か、電極内やセパレータ内に気泡が生じているのか否かを検出できないので、セル１の外装材である高分子−金属複合ラミネートフィルム３を開封することなく電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かを検出し得る装置が望まれている。ここで、電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かは電池内部状態である。
【００２２】
一方、被測定電池Ｂの一方の側から超音波発振子３により被測定電池の内部に向けて超音波を入射し、被測定電池Ｂの一方の側とは反対側で超音波受信子４により超音波を受信し、受信した超音波に基づき、被測定電池Ｂの対定格容量比を求め、対定格容量比から被測定電池Ｂの劣化を診断する従来装置がある。しかしながら、この従来装置では、電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かあるいは電極内やセパレータ内のいずれの位置に気泡が生じているか否かを診断（検出）することはできない。
【００２３】
そこで本実施形態では、電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かあるいは電極内やセパレータ内のいずれの位置に気泡が生じているか否か（つまり電池内部状態）を検出するため、電池要素２の一方の側より電池要素２内部に向けて超音波を入射する超音波発振子と、電池要素２内部で反射してきた超音波を前記電池要素２の一方の側と同じ側で受信する超音波受信子とを電池要素２の外部に設け、超音波受信子により得られる信号に基づいて電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かを検出する。以下詳述する。
【００２４】
図３、図４は第１実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。このうち、図３左側には１つのセル１の概略正面図を、図４下側には図３に示した１つのセル１を上から見た概略平面図を示している。なお、図３左側では、超音波の入射及び反射の状態並びに気泡の位置を明確にするためセル１の上下方向幅を実際よりも拡大して示している。
【００２５】
図４において、短辺側（図４で左右にある辺の側）と長辺側（図４で上下にある辺の側）とを有する扁平な長方形状のセル１には、周縁部に所定幅の熱融着部６１が形成されている。熱融着部６１を除く部分を「中央部」というとすると、この中央部６２の内部に存在する電極内やセパレータ内に気泡が生じている可能性がある。
【００２６】
図３、図４に示したように中央部６２の上には、２組の超音波装置２１、２５を備える。各超音波装置２１、２５の構成は同じである。すなわち、第１の超音波装置２１は、超音波発振子２２と超音波受信子２３とからなっている。第２の超音波装置２５は、超音波発振子２６と超音波受信子２７とからなっている。
【００２７】
一方の超音波装置２１はセル上面の第１の位置に、また他方の超音波装置２５はセル上面の第１の位置より右方向に離れた第２の位置にそれぞれ取り付けられている。
【００２８】
２つの各超音波波発振子２２、２６はセル１の一方の側（図３で上側）から内部に向けて超音波２４、２８を入射するものである。各超音波発振子２２、２６は、例えば圧電素子から形成され、音源発生器３２に接続されている。音源発生器３２としては、所定の周波数の波を発生する発信機などを使用することができる。音源発生器３２から発生した電気信号は、超音波発振子２２、２６に送られ、超音波発振子２２、２６が駆動されて超音波が発生する。
【００２９】
超音波の入射方向はほぼ鉛直下方である。電池要素２の材料が固体、液体、ゲル状物質などの気体以外のものからなる場合に、これら物質より密度が小さい気泡が電極内やセパレータ内に発生すると、超音波発振子よりほぼ鉛直下方に向けて入射された超音波（以下「入射超音波」ともいう。）は、気泡との界面で全反射し、反射した超音波（以下「反射超音波」ともいう。）はほぼ鉛直上方に向けて、つまり入射したと同じ側（図３で上側）に戻る。今仮に、第１の位置にある超音波発振子２２からの入射超音波２４ａの通過経路にある電極内やセパレータ内には気泡の発生がなく、第２の位置にある超音波発振子２６からの入射超音波２８ａの通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡５１が生じているとすると、第２の位置にある超音波発振子２６からの入射超音波２８ａは気泡５１との界面で全反射し、反射超音波２８ｂはほぼ鉛直上方へ戻ってくる。一方、第１の位置にある超音波発振子２２からの入射超音波２４ａは、セル下面で全反射し、反射超音波２４ｂはほぼ鉛直上方に向けて戻ってくる。
【００３０】
なお、入射超音波２４ａ、２８ａの振動数は、検出したい気泡の大きさ（口径）に合わせて設定すればよい。検出したい気泡の口径より入射超音波２４ａ、２８ａの波長が小さければ検出したい気泡を検出することができる。
【００３１】
各超音波波受信子２３、２７は、反射超音波２４ｂ、２８ｂを受信するものである。超音波受信子２３、２７としては、圧電素子を用いることができ、反射超音波２４ｂ、２８ｂを受信すると、その反射超音波２４ｂ、２８ｂの波長、振幅、周波数に応じた電圧信号を出力する。
【００３２】
各超音波受信子２３、２７からの電圧信号はプリアンプ４１、４２で増幅されると共にプリアンプ４１、４２内に設けられた任意の周波数帯を通過させるフィルタを通ってＡ／Ｄ変換器４３、４４に送られる。Ａ／Ｄ変換器４３、４４ではアナログ信号がデジタル信号に変換され、デジタル化された信号は一旦メモリ４５に蓄えられた後、コンピュータ４６に入力される。コンピュータ４６ではメモリ４５に蓄えられたデータ（信号）に基づいて電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否かを検出し、その検出結果を表示装置４７に表示する。
【００３３】
図３、図４のように、第１の位置にある超音波発振子２２からの入射超音波２４ａの通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡の発生がなく、第２の位置にある超音波発振子２６からの入射超音波２８ａの通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡５１の発生がある場合には、第１の位置にある超音波発振子２２からの入射超音波２４ａが大気との境界であるセル下面（超音波が入射した側（図３で上側）とは反対側（図３で下側）の電池要素の端部）で反射して超音波受信子２３に戻ってくるまでの時間（この時間を「第１時間」ともいう。）より、第２の位置にある超音波発振子２６からの入射超音波２８が気泡５１との界面で反射して超音波受信子２７に戻ってくるまでの時間（この時間を「第２時間」ともいう。）のほうが短くなる。
【００３４】
図５は、第１の位置にある超音波発振子２２からの入射超音波２４ａの通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡の発生がなく、第２の位置にある超音波発振子２６からの入射超音波２８の通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡５１の発生がある場合に（図３参照）、第１の位置及び第２の位置の２つの超音波発振子２２、２６より超音波を入射してから反射した超音波が２つの超音波受信子２３、２７に戻ってくるまでの様子をタイミングチャートで表したものである。２つの超音波発振子２２、２６より同時に超音波を、鉛直方向に積層された４つのセル１全体の内部に入射したタイミングをｔｓとすると、第２の位置にある超音波受信子２７が気泡５１との界面で全反射して戻ってきた超音波２８ｂを受信するタイミングがｔｇ、第１の位置にある超音波受信子２３が大気との境界であるセル下面（超音波が入射した側とは反対側の電池要素の端部）で反射して戻ってきた超音波２４ｂを受信するタイミングがｔｆとなる。つまり、第１時間はｔｆ−ｔｓで、第２時間はｔｇ−ｔｓで求めることができる。ここで、各超音波の速度をＶ、セル上面とセル下面との間の鉛直方向距離をＬ０、上側加圧バー上面１５ａから気泡５１までの鉛直方向距離をＬとすると、次の２つの式が成立する。
【００３５】
２×Ｌ０＝Ｖ×（ｔｆ−ｔｓ）                            …（１）
２×Ｌ＝Ｖ×（ｔｇ−ｔｓ）                              …（２）
（１）式、（２）式より気泡５１までの鉛直方向距離Ｌを求めると、気泡５１までの鉛直方向距離Ｌは、
Ｌ＝Ｌ０×（ｔｇ−ｔｓ）／（ｔｆ−ｔｓ）                …（３）
となる。（３）式において、距離Ｌ０は予め定まっている。ｔｓ、ｔｇ、ｔｆの各タイミングは計測する値である。よって、（３）式により気泡５１までの鉛直方向距離Ｌ、つまり気泡５１の発生している位置を計算（検出）することができる。このようにして得た気泡５１の生じている位置は表示装置４７に表示させる。
【００３６】
簡単には、図５のように、ｔｇのタイミングがｔｆのタイミングより早い場合に電極内やセパレータ内に気泡が生じていると、またｔｇのタイミングがｔｆのタイミングと一致する場合に電極内やセパレータ内に気泡が生じていないと検出することができる。このようにして得た検出結果を表示装置４７に表示させてもかまわない。
【００３７】
上記（３）式の距離Ｌ０は予め知り得るので、超音波の速度Ｖが定まれば、第１時間（ｔｆ−ｔｓ）を机上計算により予め求めることができる。つまり、上記（３）式の距離Ｌ０と、第１時間（ｔｆ−ｔｓ）とが既知となり、第２時間（ｔｇ−ｔｓ）だけ求めればよいことになる。従って、このときには、第１の超音波装置２１は不要となり、第１の超音波装置２１を取り去ることでコストを低減することができる。
【００３８】
ここで、本実施形態の作用効果を説明する。本実施形態では、電極４、６を電解質層（５）を介して積層することにより電池要素２を構成するセル１（電池）の電池内部状態検出装置であって、電池要素２の一方の側（図３で上側）より電池要素２内部に向けて超音波を入射する超音波発振子２２、２６と、電池要素２内部で反射してきた超音波を電池要素２の一方の側（図３で上側）と同じ側で受信する超音波受信子２３、２７とを電池要素２の外部に設け、超音波受信子２２、２７により得られる信号に基づいて電極内またはセパレータ内に気泡が生じているか否かを検出する。本実施形態によれば、電極内やセパレータ内に気泡５１が生じて電池要素２内部のもともとの材料との間に密度差が生じれば超音波は気泡５１との界面で全反射するため、電極内やセパレータ内に気泡５１が生じているか否かをセル１（電池）を開封することなく検出できる。
【００３９】
本実施形態では、入射された超音波２８ａは電極内またはセパレータ内に生じている気泡５１によって全反射する。本実施形態によれば、電池要素２内部の材料が固体、液体、ゲル状物質などの気体以外のものからなる場合に、これら物質より密度が小さい気泡５１が電極内やセパレータ内に生じていると、気泡５１との界面で超音波が全反射するため、反射した超音波２８ｂより電極内やセパレータ内に気泡が生じていることを検出することができる。
【００４０】
本実施形態によれば、電極内またはセパレータ内に気泡が生じていない状態で入射された超音波２４ａが入射した側とは反対側の電池要素２の端部で反射して超音波受信子２３に戻るまでの時間（ｔｆ−ｔｓ）と、入射された超音波２８ａが電極内またはセパレータ内に生じている気泡５１で全反射して超音波受信子２７に戻るまでの時間（ｔｇ−ｔｓ）とを計測し、これら２つの時間に基づいて電極内またはセパレータ内に生じている気泡５１の位置（距離Ｌ）を計算するので、電極内やセパレータ内のどの位置に気泡５１が生じているのかまで検出できる。
【００４１】
本実施形態では、電池要素２は正極６及び負極４を有する単電池層７（単電池）を積層している。本実施形態によれば、電池要素２の材料は一般的に気体以外の材料（固体粉末、金属製の集電体４ａ、６ａ、樹脂状のセパレータ５、電解質（液、固体、ゲル）など)からなるので、双極型以外の積層型二次電池においても、電極内やセパレータ内に気泡５１が生じているか否かや電極内やセパレータ内のどの位置に気泡５１が生じているのかを検出できる。
【００４２】
（第２実施形態）
図６、図７は第２実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。第１実施形態の図３、図４と同一部分には同一番号と付している。なお、図６左側においても、超音波の入射及び反射の状態並びに気泡の位置を明確にするためセル１の上下方向幅を実際よりも拡大して示している。
【００４３】
第１実施形態はセル１の一方の側（図３で上側）よりほぼ鉛直下方に向けて超音波を入射するものであったが、第２実施形態は、図６に示したように鉛直下方より所定の角度αをもって超音波発振子２６より超音波を中央部６２に向けて入射するものである。このため、今仮に、図６、図７の図示した位置で電極内やセパレータ内に気泡５２が生じ、超音波発振子２６からの入射超音波２８ａの通過経路にこの気泡５２があると仮定する。入射超音波２８ａは、この気泡５２との界面で分かれて全反射し、反射した複数の超音波は、鉛直下方より所定の角度αをもって超音波発振子２６のある側（図６で上側）と同じ側に戻ってくるものとする。ここでは、簡単のため、気泡５２との界面で２つに分かれて全反射したとし、図７のように一方の反射超音波２８ｂは中央部６２のうち右下隅に、他方の反射超音波２８ｃは中央部６２のうち右上隅に向かうものとする。
【００４４】
こうした超音波の挙動に合わせ、第２実施形態では、図７に示したように中央部６２の４隅のうち左上隅と左下隅のちょうど中央に超音波発振子２６を、これに対して右下隅と右上隅に各超音波受信子２７ａ、２７ｂを取り付けている。これによって、一方の反射超音波２８ｂは一方の超音波受信子２７ａによって、他方の反射超音波２８ｃは他方の超音波受信子２７ｂによって受信できる。このため、第２実施形態では、第２の超音波装置２５は、１つの超音波子発振子２６と２つの超音波受信子２７ａ、２７ｂとからなっている。
【００４５】
超音波の速度をＶ、超音波受信子２７ａからの入射超音波２８ａが気泡５２で反射して一方の超音波受信子２７ａに到達するまでの時間をΔｔ１、超音波受信子２７ａからの入射超音波２８ａが気泡５２で反射して他方の受信子２７ｂに到達するまでの時間をΔｔ２、気泡５２から一方の超音波受信子２７ａまでの距離をＬ１、気泡５２から他方の超音波受信子２７ｂまでの距離をＬ２とすると、第２実施形態では次式が成立する。
【００４６】
２×Ｌ１＝Ｖ×Δｔ１                                    …（４）
２×Ｌ２＝Ｖ×Δｔ２                                    …（５）
（４）式、（５）式より気泡５２までの距離Ｌ１、Ｌ２を求めると、気泡５２までの距離Ｌ１、Ｌ２は、
Ｌ１＝Ｖ×Δｔ１／２                                    …（６）
Ｌ２＝Ｖ×Δｔ２／２                                    …（７）
となる。速度Ｖは予め分かっているし、時間Δｔ１、Δｔ２は計測できるので、（６）式、（７）式により気泡５２までの距離Ｌ１、Ｌ２を求めることができる。
【００４７】
ここで、上記（６）式は、図８において一方の超音波受信子２７ａを中心として距離Ｌ１で描いた球面上のいずれかに気泡５２が存在する（生じている）ことを意味する。また、上記（７）式は他方の超音波受信子２７ｂを中心として距離Ｌ２で描いた球面上のいずれかに気泡５２が存在する（生じている）ことを意味する。つまり、図８において曲線１を一方の超音波受信子２７ａを中心として距離Ｌ１で描いた球面の軌跡、曲線２を他方の超音波受信子２７ｂを中心として距離Ｌ２で描いた球面の軌跡とすると、曲線１と曲線２との交点に気泡５２が存在する（生じている）こととなり、気泡５２の生じている位置を特定できる。
【００４８】
こうした処理をコンピュータ４６が行うことができるようにソフトウエアを組んでおき、このソフトウエアの指示に従ってコンピュータが処理した結果、得られる気泡５２の生じている位置を表示装置４７に表示させる。
【００４９】
このように、第２実施形態によれば、電池要素２内部で分かれて反射してきた２つの超音波を２つの超音波受信子２７ａ、２７ｂで受信するので、鉛直下方（電極の積層方向）から所定の角度αをもって超音波を入射させる場合においても、電極内やセパレータ内に生じている気泡５２の位置を特定（検出）できる。
【００５０】
第２実施形態では、図７のように一方の反射超音波２８ｂは中央部６２のうち右下隅に、他方の反射超音波２８ｃは中央部６２のうち右上隅に向かうものと仮定したが、実際には必ずしも一方の反射超音波２８ｂが中央部６２のうち右下隅に、他方の反射超音波２８ｃが中央部６２のうち右上隅に向かうとは限らないので、右下隅、右上隅以外にも超音波受信子をいくつか取り付けておく、つまり２つ以上の超音波受信子を取り付けておくことが考えられる。また、超音波振動子２６を取り付ける位置は、中央部６２の４隅のうち左上隅と左下隅のちょうど中央に限られるものでなく、中央部６２の４隅のうち左上隅や左下隅にあってもかまわない。
【００５１】
（第３実施形態）
図９は第３実施形態の電池内部状態検出装置の概略構成図である。第１実施形態の図４と同一部分には同一番号と付している。
【００５２】
図３、図６に示したように入射超音波２８ａの通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡５１、５２が生じていれば、上記のようにして電極内やセパレータ内に気泡５１、５２が生じていることを検出したり、電極内やセパレータ内に生じている気泡５１、５２の位置を計算・特定することができる。しかしながら、入射超音波２８ａの通過経路にある電極内やセパレータ内に気泡が生じていなければ、電極内やセパレータ内に気泡が生じていることを検出したり、電極内やセパレータ内に生じている気泡の位置を計算・特定したりすることはできない。例えば、第１実施形形態においては図３に示した別の気泡５３は入射超音波２８ａの通過経路にないので、気泡５３が生じていることを検出できないし、気泡５３の位置を計算することもできない。同様に、第２実施形態においては図６に示した別の気泡５４は入射超音波２８ａの通過経路にないので、気泡５４が生じていることを検出できないし、気泡５４の位置を特定することもできない。従って、電池要素２の全体にわたって、電極内やセパレータ内に気泡が生じているか否か、あるいは気泡がどの位置に生じているのかを検出するには、超音波装置を数多く用意して、上側加圧バー上面１５ａに敷き詰める必要がある。しかしながら、超音波装置を数多く用意するのではコストアップを招いてしまう。
【００５３】
そこで第３実施形態では、第２の超音波装置２５を、スキャン装置７１を構成する架台に取り付けておき、スキャン装置７１の稼働によって、第２の超音波装置２５が中央部６２の平面上を移動し得るように構成する。すなわち、スキャン装置７１は、図９に示したように、棒状の縦方向ガイド７２、棒状の横方向ガイド７３、架台７４、ガイドアクチュエータ７５、７６から主になっている。
【００５４】
縦方向ガイド７２と、横方向ガイド７３とが交差する位置にこれらガイド７２、７３と摺動可能な架台７４を取り付け、架台７４に第２の超音波装置２５を１つ取り付ける。そして、コンピュータ４６からの信号を受けて、一方のガイドアクチュエータ７５が縦方向ガイド７２を図９で左右方向に、他方のガイドアクチュエータ７６が横方向ガイド７３を図９で上下方向にそれぞれ独立に駆動するようにする。
【００５５】
このように、スキャン装置７１を構成すると、一方のガイドアクチュエータ７５の左右方向位置と他方のガイドアクチュエータ７６の上下方向位置により、中央部６２の平面上における架台７４（第２の超音波装置２５）の位置が定まる。言い換えると、コンピュータ４６から駆動信号を２つのガイドアクチュエータ７５、７６に与えることで、架台７４（第２の超音波装置２５）を図示矢印（一点鎖線参照）のように中央部６２の平面全体にわたってをスキャン（走査）させることができる。なお、スキャンさせる方向はこれに限られるものでない。
【００５６】
スキャン装置７１の稼働中、超音波発振子２６より超音波を入射し続けると共に、超音波受信子２７により反射してくる超音波を受信する。スキャン装置７１の稼働で超音波受信子２７により得られるデータ（信号）は、プリアンプ４１、Ａ／Ｄ変換器４３を介してメモリ４５に記憶する。コンピュータ４６ではこれらのデータを処理して、セル１（電池要素２）の全体及び電極内やセパレータ内に生じている気泡を平面的にまたは立体的に表示する画像信号を作る。表示装置４７では、このコンピュータ４６が作る画像信号を受けてセル１（電池要素２）及び電極内やセパレータ内に生じている気泡を平面的にまたは立体的に表示する。
【００５７】
例えば、図３のように電極内やセパレータ内に２つの気泡５１、５３が生じている場合で具体的に述べると、図９に示したようにセル１平面の長辺に沿う方向にｘ軸を、セル１平面の短辺に沿う方向にｙ軸を、図３に示したようにセル１の積層方向にｚ軸をとるとする。このとき、図３に示した２つの各気泡５１、５３を平面画像で表示するのであれば、図１０に示したようにする。すなわち、図１０（ａ）ではセル１の中央部６２の平面全体の中でどの位置に２つの各気泡５１、５３が生じているのかを、図１０（ｂ）では鉛直方向に積層された４つのセル１の全体の中で鉛直方向のどの位置に２つの各気泡５１、５３が生じているのかを、２つの各気泡５１、５３とそれ以外とでコントラストを変えて表示させる。
【００５８】
また、２つの各気泡５１、５３を立体画像で表示するのであれば、図１１に示したようにする。すなわち、セル１の全体を三次元表示した画像の中で、どの位置に２つの各気泡５１、５３が生じているのかを２つの各気泡５１、５３とそれ以外とでコントラストを変えて表示させる。なお、図１１、上記図１０（ｂ）においても、気泡５１、５３の位置を明確にするためセル１の上下方向幅を実際よりも拡大して示している。
【００５９】
このように、第３実施形態によれば、超音波発振子２６と超音波受信子２７とを一対とする超音波装置２５をセル１（電池要素２）の全体にスキャンし得るスキャン装置７１と、このスキャン装置７１の稼働で超音波受信子２７により得られる信号を処理して、セル１（電池要素２）の全体及び電極内またはセパレータ内に生じている気泡５１、５３を平面的にまたは立体的に表示する画像信号を作るコンピュータ４６（信号処理手段）と、このコンピュータ４６が作る画像信号を受けてセル１（電池要素２）及び電極内またはセパレータ内に生じている気泡５１、５３を平面的にまたは立体的に表示する表示装置４７とを有するので、超音波発振子２６と超音波受信子２７とを一対とする１つだけの超音波装置２５を用いて、鉛直方向に積層された４つのセル１全体の中にある電極内やセパレータ内のいずれの位置に気泡が生じていても、その生じている気泡の位置を特定（検出）できる。
【００６０】
（第４実施形態）
図１２は第４実施形態の電池内部状態装置の概略構成図である。第３実施形態の図９と同一部分には同一番号と付している。
【００６１】
第４実施形態のスキャン装置７１は、棒状の横方向ガイド７３、架台７４’、ガイドアクチュエータ７６から主になる。架台７４’を中央部６２を覆うように横方向ガイド７３に取り付け、架台７４’に第２の超音波装置２５を複数（図では８個）左右方向に並べて取り付ける。そして、コンピュータ４６からの信号を受けてガイドアクチュエータ７６が横方向ガイド７３を図１２上下方向に駆動するようにする。
【００６２】
このように、スキャン装置７１を構成すると、コンピュータ４６から駆動信号をガイドアクチュエータ７６に与えることで、架台７４’（８個の第２の超音波装置２５）を図示矢印（一点鎖線参照）のように中央部６２の平面全体にわたってスキャン（走査）させることができる。
【００６３】
なお、複数の第２の超音波装置２５を並べる方向と、複数の第２の超音波装置２５をスキャンさせる方向とはこれに限られるものでない。例えば、複数の第２の超音波装置２５が図１２で上下方向に並ぶように構成し、スキャンさせる方向を図１２で左右方向としてもかまわない。
【００６４】
第３実施形態のスキャン装置７１では中央部６２の平面上で架台７４が上下、左右の２方向に動き得るのに対して、第４実施形態のスキャン装置７１では中央部６２の平面上で架台７４'が上下方向に動き得るだけでよい。これによって、スキャン装置７１を簡素に構成することができる。その一方で、超音波装置２５の数が８つ（複数）必要であると共に、プリアンプ４１、Ａ／Ｄ変換器４３の数も超音波装置２５の数と同数必要である。
【００６５】
第４実施形態の作用効果は、第３実施形態の作用効果と同様である。すなわち、第４実施形態においても、鉛直方向に積層された４つのセル１全体の中にある電極内やセパレータ内のいずれの位置に気泡が生じていても、その生じている気泡の位置を特定（検出）できる。
【００６６】
４つの実施形態では、双極型でない積層型二次電池で説明したが、電池はこれにかぎられるものでなく、双極型の積層型二次電池にも本発明の適用がある。要は単電池層が積層されていればよいので、缶型電池や角型電池にも本発明の適用がある。
【００６７】
最後に、電池内部から発生するアコースティックエミッション信号を検出するアコースティックエミッション検出手段と、検出されたアコースティックエミッション信号のうち、５０ｋＨｚから１５０ｋＨｚの周波数の信号を気泡の生成によるもの、１５０ｋＨｚ以上の周波数の信号を内部構成物の破壊によるものとして分離する分離手段とを有する電池内部状態検出装置が開示されている（特開平７−６７９５号公報参照）。このものは、電池内に気泡が生成したか否かを検出している点で本願と同様である。しかしながら、この検出装置をセル１（電池）の充電完了後休止状態に用いることはできない。すなわち、セル１（電池）の充電中に気泡が発生するタイミングで超音波が生起される。この超音波を検出するのがアコースティックエミッション法であるので、セル１（電池）の充電完了後休止状態にはアコースティックエミッション法を用いることができない。従って、セル１（電池）の充電中にはこのアコースティックエミッション法を用いて気泡の生成を検出し、セル１（電池）の充電完了後には本願の電池内部状態検出装置により気泡が生成していることを検出することによって、セル１（電池）の内部状態を二重に検出することができる。
【００６８】
実施形態では、集電体が金属である場合で述べた。金属集電体では、電解液が浸透する孔を備えないので、集電体内に気泡が生じることはない。このため、実施形態では、気泡が生じる対象は電極内またはセパレータ内であった。
【００６９】
しかしながら、最近では集電体としての機能を保持しながらも内部に電解質が浸透可能な孔を多数形成した多孔質集電体が提案されている（特開２００８−４１９７１号公報参照）。この多孔質集電体を用いるときには、集電体内部の孔に電解質が浸透することとなり、集電体内にも気泡が生じ得る。従って、多孔質集電体を用いたリチウム二次電池においては、気泡が生じる対象は電極内、セパレータ内、集電体内のいずれか、つまり電池要素内となる。
【００７０】
このように、多孔質集電体を用いたリチウム二次電池（電池）においては、電池要素内に気泡が生じているか否かを電池を開封することなく検出できることとなる。
【符号の説明】
【００７１】
１  セル（電池）
２  電池要素
１１  モジュール（電池）
２５  超音波装置
２６  超音波発振子
２７  超音波受信子
２８ａ  入射超音波
２８ｂ、２８ｃ  反射超音波
４６  コンピュータ
４７  表示装置
５１〜５４  気泡
７１  スキャン装置
【図１】
2012069267.tif 000003
【図２】
2012069267.tif 000004
【図３】
2012069267.tif 000005
【図４】
2012069267.tif 000006
【図５】
2012069267.tif 000007
【図６】
2012069267.tif 000008
【図７】
2012069267.tif 000009
【図８】
2012069267.tif 000010
【図９】
2012069267.tif 000011
【図１０】
2012069267.tif 000012
【図１１】
2012069267.tif 000013
【図１２】
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