JP7640904B2 - 冠水センサおよび通知システム - Google Patents

Description

本発明は、冠水センサおよび通知システムに関する。

従来、使い捨て一次電池として、アルカリ電池、マンガン電池、空気電池等が広く使用されている。

また、近年ＩｏＴ（Internet of Things）の発展において、土壌や森の中など自然界のあらゆる所に設置して用いるばらまき型のセンサの開発も進む。これらの小型センサなど様々な用途に対応した小型の高性能なリチウムイオン電池も普及している。

屋外に設置するセンサの一つとして、特定小電力無線を用いた冠水センサがある（非特許文献１参照）。非特許文献１に記載の冠水センサは、設置位置が所定以上の高さまで冠水すると水を検知し、ＩｏＴ無線ユニットを用いて通知する。また、浸水または水害に備えるセンサネットワークシステムが提唱され、実証実験がなされている（非特許文献２参照）。センサネットワークシステムにおいて、水位、点流速、またはフラップゲート開度等の様々なセンサが用いられる。

一般的に、使用時に、電池セル内に電解質溶液を注入することで動作する電池がある（非特許文献３参照）。この電池は、電解質溶液が注入されていない状態で長期保存が可能である。

オプテックス株式会社、"浸水や冠水の危険性をIoT簡易モニタリングで迅速に把握"、［online］、［令和３年３月１７日検索］、インターネット〈URL：https://www.optex.co.jp/solutions/flood_solution.html〉 国土交通省、"浸水・水害に備えるセンサネットワークシステム"、［online］、［令和３年３月１７日検索］、インターネット〈URL：https://www.mlit.go.jp/tec/i-construction/pdf/matching_180516_siryou_7.pdf〉 日本協能電子株式会社、"ＮＯＰＯＰＯ 災害時用水電池"、［online］、［令和３年３月１７日検索］、インターネット〈URL：http://www.aps-j.jp/pdf/NWPx3.pdf〉

しかしながら非特許文献１および非特許文献２に記載のセンサは、検知し通報するための機構が常時稼働しており、定期的な内部電池の交換等を要する。非特許文献１において、冠水センサそのものは待機電力ゼロであるが、冠水を通知するＩｏＴ無線ユニットは、内蔵電池で駆動する。

非特許文献３に記載の電池は、人が電解質溶液を注入して使用するものである。従って非特許文献３に記載の電池は、自然界に設置して用いるなど、人が関与することができない状況において、電池による動力を供給できるものではない。

このようにセンサが検知したことを契機に、通知する動力が供給される態様はない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、センサが検知したことを契機に、通知する動力を供給可能な技術を提供する。

本発明の一態様の冠水センサは、冠水の検知を通知する通知部と、一次電池を備え、前記一次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置され、電解質が付着するセパレータを備え、前記セパレータが冠水すると、前記電解質が水に溶解し電解質溶液化し、前記一次電池が発電を開始し、前記通知部の駆動に必要な電力を供給する。

本発明の一態様の通知システムは、上記冠水センサと、前記冠水センサに接続し、前記冠水センサの位置と高さを参照する通知サーバを備え、前記冠水センサの通知部は、前記冠水センサの冠水を通知し、前記通知サーバは、冠水を通知した前記冠水センサの位置と高さに応じて、アラームの重要度を決定する。

本発明によれば、冠水センサが検知したことを契機に、通知する動力を供給可能な技術を提供することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る冠水センサの内部構造を側面視で模式的に説明する図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る通知システムのシステム構成を説明する図である。 図３は、本発明の実施の形態に係る通知サーバの処理を説明するフローチャートである。 図４は、本発明の実施の形態に係る冠水センサにおける一次電池の電池電圧の経時変化を説明する図である。 図５は、本発明の第１の変形例に係る冠水センサの内部構造を側面視で模式的に説明する図である。 図６は、本発明の第２の変形例に係る冠水センサの内部構造を側面視で模式的に説明する図である。 図７は、通知サーバに用いられるコンピュータのハードウエア構成を説明する図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。図面の記載において同一部分には同一符号を付し説明を省略する。

（冠水センサ）
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る冠水センサ１を説明する。冠水センサ１は、筐体２、一次電池３、および通知部４を備える。一次電池３は、正極３３と、負極３１と、正極３３と負極３１との間に配置され、電解質３８が付着するセパレータ３５を備える。

本発明の実施の形態に係る冠水センサ１において、一次電池３内のセパレータ３５が冠水すると、セパレータ３５に付着する電解質３８が水に溶解し電解質溶液化する。電解質３８は、水と拡散することで、電解液が生成され、セパレータ３５が電解液に浸される。これにより一次電池３は、発電を開始し、通知部４の駆動に必要な電力を供給する。通知部４は、電力を得ることで、冠水したことを通知する。このように冠水センサ１は、冠水した際に発電する一次電池３を用いて駆動するので、平常時の稼働を不要とし、非常時のみ動作を通知することができる。これにより冠水センサ１は、不動時の自己放電がなく、１０年を超えるなどの長期的な運用が可能となる。

一次電池３は、基本セル３６、電池筐体３７を備える。基本セル３６は、負極３１、負極集電体３２、正極３３、正極集電体３４、およびセパレータ３５を備える。一次電池３には空気穴３９が形成される。空気穴３９により、一次電池３内に空気が取り込まれる。

セパレータ３５は、冠水時に水を取り込み、電解質３８を電解溶液化するために、外部と疎通するように形成される。例えばセパレータ３５の一部は、電池筐体３７から露出し、筐体２の開口（図示せず）を通じて、外部と疎通し、冠水時に水を取り込む。雨雪などによりセパレータが冠水しないように、筐体２の開口は、筐体２の下方、より好ましくは底面に設けられることが好ましい。図１に示す例において、セパレータ３５は、電池筐体３７に収容される本体部分と、電池筐体３７から露出するテープ部分を備える。セパレータ３５のテープ部分は、筐体２からも露出し、冠水時に水を取り込む。

負極３１、負極集電体３２、正極３３、正極集電体３４、セパレータ３５、電池筐体３７、電解質３８および空気穴３９は、電池として作動することが可能であれば、各部材の配置および形状は問わない。例えば、負極３１、負極集電体３２、正極３３、正極集電体３４、セパレータ３５および電池筐体３７は、平面視で、四角形または円形のシート形状であっても良いし、シートをロールした形状であっても良い。

負極集電体３２に負極３１が接続する。正極集電体３４に正極３３が接続する。負極３１と正極３３との間に、セパレータ３５が配置される。正極３３の一方の面はセパレータ３５に接続する。

互いに接続する負極３１、負極集電体３２、正極３３、正極集電体３４およびセパレータ３５は、電池筐体３７で上下方向に挟み込み、周縁部を接着し、一体化することで、一次電池３の内部が密閉される。接着方法として、熱シール、または接着剤を使用する方法があるが、特に限定されない。例えば、熱シールでの接着が困難な場合、接着剤が使用される。一次電池３の内部を密閉する際に、周縁部の一部を接着せずに開放する、あるいは開孔しておくことで、空気穴３９を形成しても良い。空気穴３９により、一次電池３内に、空気が取り込み可能である。なお、セパレータ３５のテープ部分は、一次電池３の周縁部において接着されず開放される部分から、露出するように形成される。

正極３３は、ガス拡散型である。正極３３の面のうち、セパレータ３５に接する面以外の面は、電池筐体３７の周縁部、あるいは空気穴３９から取り込まれた大気に暴露される。

セパレータ３５は、吸水性を有する絶縁体で形成される。セパレータ３５に、コーヒーフィルタおよびキッチンペーパーなどの紙が、用いられることが可能である。セパレータ３５として、植物繊維からつくられるセルロース系セパレータのような、強度を保ちつつ自然分解される材料のシートを用いると、冠水センサ１を設置した後に回収しない場合でも、環境に対する負荷が低減される。

電解質３８は、水を取り込んだ際に電解質溶液となれば良い。保水する役割を持たせるため、寒天、セルロース、吸水ポリマーなどを同封しても良い。

電池筐体３７は、基本セル３６を内部に維持すればどのような構成でも良い。セパレータ３５が雨水等により湿ることにより一次電池３が発電することがないように、筐体２および電池筐体３７内部に雨等が染み込まない構成が好ましい。電池筐体３７は、例えば、ラミネートフィルムで形成されることが好ましい。

また、電池筐体３７および筐体２のそれぞれに、自然分解される材料を用いることにより、冠水センサ１を回収しない場合でも、環境に対する負荷が軽減される。具体的には、ポリ乳酸、ポリカプロラクトン、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリグリコール酸、変性ポリビニルアルコール、カゼイン、変性澱粉などのうちのいずれか１つ以上から、電池筐体３７および筐体２のそれぞれが形成される。この中でも特に、植物由来のポリ乳酸などの化学合成系で、電池筐体３７および筐体２のそれぞれが形成されるのが好ましい。電池筐体３７および筐体２のそれぞれの形状は、このような生分解性プラスチックを加工することで得られる形状である。電池筐体３７および筐体２のそれぞれに適用可能な材料は、例えば、生分解性プラスチック、生分解性プラスチックのフィルム、牛乳パックなどに用いられるポリエチレンなどの樹脂の被膜が形成されている用紙、または寒天フィルムなどのうちのいずれか１つ以上である。

冠水によってセパレータ３５に水が接すると、毛細管現象によりセパレータ３５に水が取り込まれる。セパレータ３５中の電解質３８は、水に溶解し、電解質溶液化する。このように生成された電解質溶液が、負極３１および正極３３のそれぞれに接することにより、一次電池３は、発電を開始する。一次電池３は、通知部４に電力を供給することで、通知部４は、冠水センサ１が冠水を検知したことを通知することができる。

通知部４は、冠水の検知を通知する。本発明の実施の形態において通知部４は、図３に示すように、冠水の検知を、無線通信ネットワークを介して通知サーバ１０２に通知する場合を説明する。通信無線ネットワークは、モバイル通信キャリアが提供するモバイル通信、ＡＲＩＢ（Association of Radio Industries and Businesses） ＳＴＤ－Ｔ６７、ＳＴＤ－Ｔ９３またはＳＴＤ－Ｔ１０８などの標準規格に準拠した特定小電力無線などである。なお他の通知方法として、冠水が発生した際、冠水センサ１に設けられたランプ（図示せず）を点灯して通知する方法などが考えられる。

通知部４は、給電回路４１、演算回路４２、通信回路４３およびアンテナ４４を備える。演算回路４２、通信回路４３およびアンテナ４４の各部は、冠水時に一次電池３から供給される電力によって駆動する。

給電回路４１は、一次電池３から供給される電力を、各回路が利用可能な電圧に変換する。給電回路４１は、例えばＤＣＤＣ（Direct Current to Direct Current）回路である。図１に示すように、負極集電体３２および正極集電体３４が、給電回路４１に接続される。給電回路４１は、負極集電体３２および正極集電体３４から供給される電力を所望の電圧に変換して、通知部４の各回路に提供する。

演算回路４２は、通知サーバ１０２への送信データを生成して、通信回路４３に入力する。送信データは、冠水センサ１の識別番号を含む。

アンテナ４４は、無線通信ネットワークに接続するためのインタフェースである。通信回路４３は、は、アンテナ４４を用いて、通知サーバ１０２と通信する。

本発明の実施の形態に係る冠水センサ１は、冠水が発生した際に、冠水センサ１が内蔵する一次電池３が発電し、通知部４による通知が可能になる。冠水センサ１は、平常時の稼働を不要とし、冠水が発生による非常時のみ動作し、冠水が発生したことを通知することができる。これにより冠水センサ１は、不動時の自己放電がなく、１０年を超えるなどの長期的な運用が可能となる。

また冠水センサ１の各部材を、自然分解される材料で形成することも可能である。このような冠水センサ１は、冠水の検知センサまたは土壌の水分センサ等の自然に設置される使い捨てセンサへの適用が好適である。冠水センサ１に用いられる筐体２および一次電池３等のそれぞれは、時間の経過に伴って自然分解されるので、冠水センサ１を回収する必要がない。また冠水センサ１は、自然由来の材料や肥料成分で構成されているため、環境に対する負荷が極めて低い。

また本発明の実施の形態に係る冠水センサ１は、冠水に伴って一次電池３の駆動が可能になる構成を有するので、安価かつ簡便に、冠水センサ１を屋外に設置し、冠水後に交換することが可能になる。また冠水センサ１が環境に対する負荷が極めて低い特性を考慮すると、屋外に多数の冠水センサ１を配置することにより、容易に冠水状況を把握することが可能になる。

（通知システム）
図２を参照して、本発明の実施の形態にかかる通知システム１００を説明する。通知システム１００において、降雨等により冠水が生じやすい様々な場所に、複数の冠水センサ１が配置される。

通知サーバ１０２は、冠水センサ１からの通知を監視し集約して、冠水の発生場所、災害規模等を特定して、自治体または行政等の監視者に情報を提供する。なお、図２に示すシステム構成は一例であって、無線通信ネットワークの仕様、冠水センサ１が設けられる位置等によって適宜変更される。

通知システム１００は、複数の冠水センサ１、基地局１０１、通知サーバ１０２、データベースサーバ１０３および発信装置１０４を備える。冠水センサ１は、基地局１０１を介して通知サーバ１０２と通信する。

基地局１０１は、通知サーバ１０２に接続するとともに、冠水センサ１と無線で接続する。通知サーバ１０２は、基地局１０１を介して複数の冠水センサ１に接続に接続する。データベースサーバ１０３は、冠水センサ１を設置した位置と、標高などの高さなどを記憶し、通知サーバ１０２は、データベースサーバ１０３が記憶するデータを参照することができる。冠水センサ１の高さは、その冠水センサ１が冠水したと通知された際に、その冠水センサ１における冠水の深さの推定に用いられる。発信装置１０４は、通知サーバ１０２におけるアラームの重要度に応じて、アラームを発信する。発信装置１０４は、既存の発報システムにおいて自治体または行政等の監視者が利用する装置であって、住民らへの注意勧告または退避勧告等を発信する。発信装置１０４は、既存の防災無線等の放送設備、屋外拡声支局、緊急連絡メール発信装置等である。

例えば、冠水センサ１の通知部４は、冠水センサ１の識別子を通知サーバ１０２に送信することで、冠水センサ１の冠水を通知する。通知サーバ１０２は、データベースサーバ１０３に接続して、通知元の冠水センサ１のそれぞれについて、冠水センサ１を設置した位置および高さを参照する。通知サーバ１０２は、冠水を通知した冠水センサ１の位置と高さに応じて、アラームの重要度を決定する。

また通知サーバ１０２は、冠水の発生を通知する冠水センサ１の数に応じて、アラームの重要度を決定する。冠水の発生を通知する冠水センサ１の数が多いほど、広い範囲において冠水等の災害が発生したことが予想されるので、アラームの重要度は高くなり、少ないほど、アラームの重要度は低くなる。

通知サーバ１０２はさらに、冠水センサ１が設置された位置の降水量に応じて、アラームの重要度を決定することもできる。降水量が多いほど、アラームの重要度は高くなり、少ないほど、アラームの重要度は低くなる。

図３を参照して、通知サーバ１０２の処理を説明する。図３に示す処理は、ある冠水センサ１から信号を受信すると、その他の冠水センサ１からの信号、降雨量等に応じて、アラームの警戒度を特定して既存の発報システムに通知する。なお図３に示す処理は一例であって、これに限るものではない。

まずステップＳ１において通知サーバ１０２は、ある１つの冠水センサ１から冠水が発生した旨の信号を受信すると、ステップＳ２において、所定時間、他の冠水センサ１からの信号の受信を待機する。他の冠水センサ１から信号を受信しない場合、ステップＳ３に進み、他の冠水センサ１から信号を受信する場合、ステップＳ７に進む。

ステップＳ３において通知サーバ１０２は、データベースサーバ１０３等からステップＳ１で信号を受信した冠水センサ１が設置された位置を特定し、気象サーバ（図示せず）等から、その位置を含む地区の直近の所定時間における降水量を取得する。ステップＳ４において通知サーバ１０２は、ステップＳ３で取得した降水量が閾値以上でないと判定する場合、ステップＳ５において、早期注意アラームの発生を認定する。ステップＳ４において通知サーバ１０２は、ステップＳ３で取得した降水量が閾値以上であると判定する場合、ステップＳ６において、警戒アラームの発生を認定する。

ステップＳ７において通知サーバ１０２は、ステップＳ１における待機中に受信した信号の数が、閾値以上の場合、広い範囲で冠水が発生したと考えられる。ステップＳ７において、通知サーバ１０２は、冠水高を推測し、推測された冠水高が閾値以上であるか否かを判定する。通知サーバ１０２は、ステップＳ２の待機中に冠水を通知した各冠水センサ１が設置される高さ、さらに冠水を通知しない各冠水センサ１が設置される高さから、その地域における冠水高を推定する。ステップＳ７において通知サーバ１０２は、冠水高が閾値以上と判定する場合、ステップＳ９において、重要警戒アラームの発生を認定する。ステップＳ７において通知サーバ１０２は、冠水高が閾値以上でない判定する場合、ステップＳ８に進む。

ステップＳ８において通知サーバ１０２は、ステップＳ１における待機中に受信した信号の数が、閾値以上であると判定する場合、ステップＳ９において、重要警戒アラームの発生を認定する。一方、ステップＳ８において通知サーバ１０２は、ステップＳ１における待機中に受信した信号の数が、閾値以上でないと判定する場合、冠水の発生範囲が限定的と考えられるので、ステップＳ１０において、要警戒アラームの発生を認定する。

ステップＳ５、Ｓ６、Ｓ９またはＳ１０においてアラームの発生が認定されると、認定されたアラームが、既存の発報システムに通知される。既存の発報システムは、所定のルールに従って、発信装置１０４を介して、住民等に報知する。

なお、各種警戒アラームに対して、既発報システムがとる対応は、監視者の運用ポリシーに応じて、適宜設定される。一例として、早期注意アラームが発生する場合、監視者の管理画面へ注意勧告を通知する。警戒アラームが発生する場合、複数の監視者向け注意勧告を通知する。重要警戒アラームが発生する場合、発信装置１０４を介して住民へ退避勧告を通知する。要警戒アラームが発生する場合、発信装置１０４を介して住民へ注意勧告を通知する。

このような通知システム１００によれば、複数の冠水センサ１からの信号に従って、災害の発生した範囲、災害規模等を特定し、既存の発報システムに報知することができる。本発明の実施の形態に係る冠水センサ１は、冠水が発生した場合にのみ電力が供給され報知されるので、維持管理が容易であることから、多数の冠水センサ１を設置することが可能になる。また冠水センサ１を自然分解される材料で形成されることにより、冠水センサ１を回収しなくても、自然界への負荷が生じない。

（一次電池の構成および電極反応）
ここで、一次電池３の各構成について説明する。

負極３１は、負極活性物質から形成される。負極３１は、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄から選ばれる１種類以上の金属、または、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄から選ばれる１種類以上の金属を主成分とした合金で形成される。負極３１は、金属または合金の板または箔を所定の形状に成形して用いるなど、一般的な方法で形成されれば良い。

正極３３は、炭素材料などの一般的な金属空気電池の正極に用いられる導電性材料で形成される。正極３３は、カーボン粉末をバインダーで成形するといった公知のプロセスで作製することができる。一次電池では、正極３３の内部に反応サイトを多量に生成することが重要であるので、正極３３は、高比表面積を有することが望ましい。カーボン粉末をバインダーで成形してペレット化することで正極３３が作製される場合、高比表面積化した際に、カーボン粉末同士の結着強度が低下し、構造が劣化することで、正極３３が安定して放電することが困難であり、放電容量が低下する。これに対し、例えば、正極３３が三次元ネットワーク構造を有する場合、正極３３はバインダーを使用する必要がなく、放電容量を高くできるようになる。また、正極３３は、触媒を担持していてもよい。触媒は、特に限定はされないが、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＣｕおよびＭｏのうちの少なくとも１つの金属、あるいは、Ｃａ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｚｎ、ＣｕおよびＭｏのうちの少なくとも１つの金属からなる金属酸化物から構成されることが好ましい。この中でも、触媒の金属として、Ｆｅ、ＭｎおよびＺｎのうちの１つの金属、これらの１つからなる酸化物、または２つ以上からなる複合酸化物が好ましい。

電解質３８は、水に溶解することで電解質溶液を形成する。電解質３８が、負極３１および請求項３３の間で金属イオンおよび水酸化物イオンの移動が可能な物質であれば、特に限定はされない。電解質３８は、例えば、酢酸マグネシウム、塩化ナトリウム、または塩化カリウム等から構成することが好ましい。電解質溶液は、環境影響に配慮して、中性であることが好ましい。

負極集電体３２は、公知の材料を使用することができる。負極３１に金属を用いる場合、一次電池３は、負極集電体を備えず、負極３１から直接端子を外部に取り出しても良い。正極集電体３４は、公知の材料を使用することができる。正極集電体３４は、例えば、カーボンシート、カーボンクロス、Ｆｅ、ＣｕおよびＡｌのうちのいずれか１つ以上で形成される板を使用すればよい。

ここで、負極３１にマグネシウム金属を用いた一次電池における、負極３１および正極３３における電極反応を説明する。導電性を有する正極３３の表面において、空気中の酸素および電解質が接することで、式（１）で示す正極反応が進行する。一方、セパレータ３５により供給される電解質に接している負極３１の表面において、式（２）で示す負極反応が進行する。負極３１を構成するマグネシウムが電子を放出し、電解質中にマグネシウムイオンとして溶解する。

正極反応と負極反応により、一次電池３は、放電を行うことが可能である。全反応は、式（３）で示されるように、水酸化マグネシウムが生成（析出）される反応である。理論起電力は、約２．７Ｖである。

［数１］
１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→２ＯＨ^－ ・・・式（１）
Ｍｇ→Ｍｇ^２＋＋２ｅ^－ ・・・式（２）
Ｍｇ＋１／２Ｏ_２＋Ｈ_２Ｏ＋２ｅ^－→Ｍｇ（ＯＨ）_２・・・式（３）

（一次電池の生成方法）
一次電池３の生成方法を説明する。本発明の実施の形態において、カーボンナノファイバを正極３３に使用して、一次電池３を作製する。

まず、正極３３の作製方法について説明する。市販のカーボンナノファイバーゾル［分散媒：水（Ｈ_２Ｏ）、０．４重量％、Ｓｉｇｍａ－ＡｌｄｒＩＣｈ製］を試験管に入れ、この試験管を液体窒素中に３０分間浸すことでカーボンナノファイバーゾルを完全に凍結させた。カーボンナノファイバーゾルを完全に凍結させた後、凍結させたカーボンナノファイバーゾルをナスフラスコに取り出し、これを凍結乾燥機（東京理科器械株式会社製）により１０Ｐａ以下の真空中で乾燥させることで、カーボンナノシートを含む三次元ネットワーク構造を有する伸縮性共連続体を得た。

次に負極３１の生成方法について説明する。負極３１は、市販のマグネシウム合金板ＡＺ３１Ｂ（厚さ３００μｍ、日本金属製）を、はさみを用いて２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の一部に集電用のタブを有する形状に切り抜くことで作製した。

電解質３８が付着するセパレータ３５は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ、関東化学製）を１ｍｏｌ／Ｌの濃度で純水に溶解した溶液を、セパレータ３５に含侵させ、７０℃の条件で乾燥して生成した。なお、電解質３８の付着前のセパレータ３５は、正方形状の本体部分と、テープ形状のテープ部分を有する。本体部分は、電池用のセルロース系セパレータ（日本高度紙工業製）で、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形状に形成される。テープ部分は、本体部分と同じセルロース系セパレータで、５ｍｍ×５０ｍｍのテープ形状に形成される。

正極集電体３４には、カーボンクロスを用い、２０ｍｍ×２０ｍｍの正方形の一部に集電用のタブを有する形状にカットして用いた。正極３３は、直径１７ｍｍの円形サイズにポンチで切り抜いて用いた。

電池筐体３７の材料として、フィルムシートエコロージュ（三菱樹脂製）を用いた。このシートを平面視３０ｍｍ×３０ｍｍにカットした２枚のカットシートを作製し、一方を正極３３側の筐体とし、他方を負極３１側の筐体とした。なお、正極３３側の筐体には、Φ１０ｍｍの空気穴３９を設けた。なお、正極３３及び正極集電体３４に、空気が通行可能な材料が用いられる場合、空気穴３９はなくても良い。

負極３１側の筐体の上に、負極３１、負極集電体３２およびセパレータ３５を配置し、この上に、正極集電体３４、正極３３および正極３３側の筐体を順に被せ、２枚の筐体の周縁部を、シーラーを用いて１３０℃で熱シールし密閉する。セパレータ３５のテープ部分は、露出するように形成される。

このようにして得られた一次電池３の総重量は約２ｇであった。

（筐体の生成）
筐体２の生成方法を説明する。筐体２は、図１に示すように、一次電池３および通知部４を内包する。筐体２は、100mmｘ100mmｘ50mm内に、これらが収まるように設計する。Ｒａｉｓｅ３Ｄ Ｐｒｏ２（Ｒａｉｓｅ３Ｄ社製）を用いたＦＦＦ（Fused Filament Fabrication）方式により、ＰＬＡ（Polylactic Acid）フィラメント（Ｒａｉｓｅ３Ｄ社製）を溶解し、積層することで、筐体２が作成される。ＰＬＡフィラメントは、ポリ乳酸で形成される。ポリ乳酸は、上述するように自然分解される材料であるので、環境に対する負荷が小さい。

（通知部４の生成）
通知部４の生成方法を説明する。ＬｏＲａ／ＧＰＳトラッカーＬＴ－１００（ＧＩＳＵＰＰＹ社製）を、一次電池３の駆動に伴い、電源オン、ＧＰＳ受信および電波発信が可能なよう改良する。ＬｏＲａ／ＧＰＳトラッカーＬＴ－１００の外装を取り除き、筐体２内に格納する。ＬｏＲａ／ＧＰＳトラッカーＬＴ－１００を、未発電状態、の一次電池３の正極集電体３４および負極集電体３２と接続する。

なお、セル電圧が１．５Ｖ程度であることが想定されるため、給電回路４１により３．７Ｖに昇圧された電力が用いられる。

（センサの評価）
まず、筐体２から外部に露出するセパレータ３５のテープ部分に純水を浸す。このときの負極３１および正極３３間の電圧変化を図４に示す。

セパレータ３５から純水を吸い上げると電圧が立ち上がり、吸い上げ開始から約１５０秒で安定した電圧が得られた。このときの電圧は１．５５Ｖ程度であった。安定した電圧が得られた状態となった後、通知部４からの電波発信を、受信機が確認した。また通知部４は、固有ＩＤを発信したところ、受信機は、これらの情報の受信も確認した。受信機は、ＬｏＲａ／ＧＰＳトラッカーＬＴ－１００で用いる電波を受信可能な受信機であって、ＬｏＲａゲートウェイＥＳ９２０ＬＲＧＷ（ＥＡＳＥＬ社製）である。

また、動作終了後にセンサを土壌中に設置したところ、市販の回路部分を除き、約２ヶ月で筐体の分解が目視で確認できた。土壌中の微生物によって代謝され分解されたことが示された。

本発明の実施の形態に係る冠水センサ１は、外部と疎通するセパレータ３５の冠水により、負極３１および正極３３に接するセパレータ３５に水が注入される。セパレータ３５に付着する電解質３８が水に溶出し、電解液化する。一次電池３が発電し、一次電池３の発電によって、通知部４が駆動し、冠水を通知することができる。冠水センサ１の一次電池３は、平常時の稼働を不要とし、冠水が発生し通知部４が通知しなければならない状況において、動作する。従って、一次電池３は、不動時の自己放電がなく、例えば１０年を超えるなどの長期的な運用が可能になる。

筐体２等の各部品を自然分解可能な材料で形成することにより、自然界に設置しても回収する必要がなく、環境に対する負荷が低い。冠水センサ１を自然界に設置し、この冠水センサ１からの通知を、冠水センサ１から離れた位置に設置される通知サーバ１０２が受信することにより、遠く離れた場所で発生した冠水等の災害を、検知することが可能になる。また複数個の冠水センサ１を、自然界に設置し、これらの冠水センサ１からの冠水の通知を通知サーバ１０２が受信することにより、現地に赴くことなく、災害規模等を把握することが可能になる。また冠水センサ１が設置された場所の降雨量等の気象情報を参照することにより、災害の警戒度を認定し、住民等にアラームを発信することが可能となる。

（第１の変形例）
本発明の実施の形態において、冠水センサ１の通知部４が給電回路４１を備える場合を説明した。これに対し第１の変形例に係る冠水センサ１ａの通知部４ａは、図５に示すように、給電回路を備えず、複数の一次電池３を備える場合を説明する。

第１の変形例に係る冠水センサ１ａにおいて、通知部４ａは、演算回路４２、通信回路４３およびアンテナ４４を備える。複数の一次電池３が直列で接続され、充分な電圧で電力が供給される。このような冠水センサ１ａにおいて、電圧の昇圧の必要がなく、給電回路４１は省略されても良い。その場合、負極集電体３２および正極集電体３４から供給される電力は、通知部４の各回路に直接提供される。図５に示す例において、通知部４ａの演算回路４２に一次電池３が接続される。通知部４ａの通信回路４３およびアンテナ４４は、３つの一次電池３から演算回路４２を介して供給される電力を用いて、駆動する。

図５に示す例において、３つの一次電池３は、水平方向に並ぶ場合を説明するがこれに限らない。複数の一次電池３は、直列で接続されればよく、垂直方向に並ぶなど、任意の方法で配置される。

（第２の変形例）
本発明の実施の形態において、冠水センサ１が１つの一次電池３を備える場合を説明した。これに対し第２の変形例に係る冠水センサ１ｂは、図６に示すように、検知センサおよび電圧計を備え、演算回路４２が、冠水高を推定する場合を説明する。

第２の変形例に係る冠水センサ１ｂは、第１の検知センサ５ａ、第２の検知センサ５ｂ、第１の電圧計６ａおよび第２の電圧計６ｂを備える。第２の変形例において、２つの検知センサを備える場合を説明するが、１つの検知センサを備えても良いし、３つ以上の検知センサを備えても良い。

第１の検知センサ５ａおよび第２の検知センサ５ｂは、一次電池３よりも上方に設けられ、それぞれ異なる高さに設けられる。図６に示す例において第２の検知センサ５ｂは、第１の検知センサ５ａよりも上方に設けられる。

第１の検知センサ５ａは、一次電池３と同様の構成を備える。具体的には、第１の検知センサ５ａは、正極と、負極と、正極と負極との間に配置され、電解質が付着するセパレータを備える。正極とセパレータの間に正極集電体が設けられても良い。負極とセパレータの間に負極集電体が設けられても良い。第１の検知センサ５ａのセパレータが冠水すると、このセパレータに付着する電解質が水に溶解し電解質溶液化し、第１の検知センサ５ａが発電を開始する。第１の電圧計６ａは、第１の検知センサ５ａが供給する電力の電圧を測定して、演算回路４２に入力する。第１の検知センサ５ａは、一次電池３よりも上方に設けられるので、一次電池３が発電を開始した後、さらに冠水が進んだときに、第１の検知センサ５ａは発電を開始する。

第２の検知センサ５ｂおよび第２の電圧計６ｂは、第１の検知センサ５ａと同様に動作する。但し、第２の検知センサ５ｂは、第１の検知センサ５ａよりも上方に設けられるので、第１の検知センサ５ａが発電を開始した後、さらに冠水が進んだときに、第２の検知センサ５ｂは発電を開始する。

通知部４は、一次電池３から供給された電力で駆動した際、一次電池３の垂直方向の高さで冠水していることを通知する。通知部４は、一次電池３から供給された電力で駆動した後、第１の検知センサ５ａのセパレータの冠水よる発電が検知すると、第１の検知センサ５ａの垂直方向の高さで冠水していることを通知する。通知部４は、第１の電圧計６ａの電圧値が、検知センサ５ａが発電していることを示す閾値となる時点で、セパレータの冠水による発電を認定する。通知部４は、第１の検知センサ５ａによる発電を検知した後、第２の検知センサ５ｂのセパレータの冠水よる発電が検知すると、第２の検知センサ５ｂの垂直方向の高さで冠水していることを通知する。

第２の変形例において演算回路４２は、冠水していることのほか、冠水センサ１ｂにおける冠水高を示す指標を、通知サーバ１０２に通知することができる。図６に示すように、冠水センサ１ｂは、一次電池３のほか、２つの検知センサを備える。演算回路４２は、冠水センサ１ｂにおける冠水高を３つの指標で特定する。演算回路４２は、特定した指標をデータに設定し、通信回路４３は、このデータを通知サーバ１０２に送信する。

一次電池３から供給された電力で通知部４が駆動した後、第１の電圧計６ａの電圧値が第１の検知センサ５ａの発電を示す閾値よりも低く、第２の電圧計６ｂの電圧値が第２の検知センサ５ｂの発電を示す閾値よりも低い場合がある。演算回路４２は、一次電池３、より具体的にはセパレータ３５の垂直方向の高さまで冠水していると特定する。

一次電池３から供給された電力で通知部４が駆動した後、第１の電圧計６ａの電圧値が第１の検知センサ５ａの発電を示す閾値よりも高く、第２の電圧計６ｂの電圧値が第２の検知センサ５ｂの発電を示す閾値よりも低い場合がある。演算回路４２は、第１の検知センサ５ａ、より具体的には第１の検知センサ５ａのセパレータの垂直方向の高さまで冠水していると特定する。

第１の電圧計６ａが第１の検知センサ５ａの発電を示す閾値よりも高いと判定された後、第２の電圧計６ｂの電圧値も第２の検知センサ５ｂの発電を示す閾値よりも高い場合がある。演算回路４２は、第２の検知センサ５ｂ、より具体的には第２の検知センサ５ｂのセパレータの垂直方向の高さまで冠水していると特定する。なお、第２の電圧計６ｂの電圧値が所定の閾値よりも高い状態において、第１の検知センサ５ａは発電を既に終了する場合を考慮して、第１の電圧計６ａの電圧値の値は問わない。

このように第２の変形例に係る冠水センサ１ｂは、一次電池３のほか、一次電池３と同様の構成を有する検知センサを一次電池３よりも上方に設置し、さらに検知センサの発電による電圧を監視する。冠水センサ１ｂは、冠水センサ１ｂにおける冠水高を推測し、通知サーバ１０２に通知することが可能になる。

第２の変形例に係る冠水センサ１ｂを、図２に示す通知システム１００に適用することもできる。その場合、図３に示すフローチャートのステップＳ７は、各冠水センサ１ｂから通知された冠水高の値が所定条件を満たすか否かによって、アラームの種類を決定しても良い。

上記説明した本実施形態の通知サーバ１０２およびデータベースサーバ１０３に、例えば、CPU（Central Processing Unit、プロセッサ）９０１と、メモリ９０２と、ストレージ９０３（HDD：Hard Disk Drive、SSD：Solid State Drive）と、通信装置９０４と、入力装置９０５と、出力装置９０６とを備える汎用的なコンピュータシステムが用いられる。このコンピュータシステムにおいて、CPU９０１がメモリ９０２上にロードされた所定のプログラムを実行することにより、通知サーバ１０２およびデータベースサーバ１０３の各機能が実現される。

なお、通知サーバ１０２およびデータベースサーバ１０３は、それぞれ１つのコンピュータで実装されてもよく、あるいは複数のコンピュータで実装されても良い。また通知サーバ１０２およびデータベースサーバ１０３は、それぞれ、コンピュータに実装される仮想マシンであっても良い。

通知サーバ１０２およびデータベースサーバ１０３のそれぞれのプログラムは、HDD、SSD、USB（Universal Serial Bus）メモリ、CD (Compact Disc)、DVD (Digital Versatile Disc)などのコンピュータで読取り可能な記録媒体に記憶することも、ネットワークを介して配信することもできる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１ 冠水センサ
２ 筐体
３ 一次電池
４ 通知部
３１ 負極
３２ 負極集電体
３３ 正極
３４ 正極集電体
３５ セパレータ
３６ 基本セル
３７ 電池筐体
３８ 電解質
３９ 空気穴
４１ 給電回路
４２ 演算回路
４３ 通信回路
４４ アンテナ
１００ 通知システム
１０１ 基地局
１０２ 通知サーバ
１０３ データベースサーバ
１０４ 発信装置
９０１ CPU
９０２ メモリ
９０３ ストレージ
９０４ 通信装置
９０５ 入力装置
９０６ 出力装置

Claims (8)

1. 冠水の検知を通知する通知部と、
   一次電池と、
   前記通知部および前記一次電池を収容する筐体を備え、
   前記一次電池は、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置され、電解質が付着するセパレータと、空気を取り込む空気穴を備え、
   前記セパレータの一部を、前記筐体の下部から露出し、
   前記セパレータが冠水すると、前記電解質が水に溶解し電解質溶液化し、空気中の酸素と前記電解質が接して前記一次電池が発電を開始し、前記通知部の駆動に必要な電力を供給する
   冠水センサ。
2. 直列に接続される複数の一次電池を備える
   請求項１に記載の冠水センサ。
3. 前記一次電池よりも上方に設けられる検知センサを備え、
   前記検知センサは、正極と、負極と、前記正極と前記負極との間に配置され、電解質が付着するセパレータを備え、
   前記通知部は、
   前記一次電池から供給された電力で駆動した際、前記一次電池の垂直方向の高さで冠水していることを通知し、
   前記一次電池から供給された電力で駆動した後、前記検知センサのセパレータの冠水よる発電が検知すると、前記検知センサの垂直方向の高さで冠水していることを通知する
   請求項１に記載の冠水センサ。
4. 前記負極は、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄から選ばれる１種類以上の金属、または、マグネシウム、亜鉛、アルミニウム、および鉄から選ばれる１種類以上の金属を主成分とした合金で形成される
   請求項１ないし３のいずれか１項に記載の冠水センサ。
5. 前記セパレータは、吸水性を有する絶縁体で形成される
   請求項１ないし４のいずれか１項に記載の冠水センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の冠水センサと、
   前記冠水センサに接続し、前記冠水センサの位置と高さを参照する通知サーバを備え、
   前記冠水センサの通知部は、前記冠水センサの冠水を通知し、
   前記通知サーバは、冠水を通知した前記冠水センサの位置と高さに応じて、アラームの重要度を決定する
   通知システム。
7. 前記通知サーバは、冠水の発生を通知する前記冠水センサの数に応じて、アラームの重要度を決定する
   請求項６に記載の通知システム。
8. 前記通知サーバはさらに、前記冠水センサが設置された位置の降水量に応じて、アラームの重要度を決定する
   請求項６または７に記載の通知システム。

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