JP7773408B2 - Load Sensor - Google Patents
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Description
本発明は、金属空気電池の構成を備えた荷重センサに関する。 The present invention relates to a load sensor having a metal-air battery configuration.
従来より物体の移動などを検知する検知センサが知られているが、外部電源を必要とする構成では、定期的なメンテナンスが必要であったり、使用環境によっては、外部電源を得ることが困難であったり、不可能な場合があった。そこで、外部電源を不要とする検知センサが求められた。 Detection sensors that detect the movement of objects have been known for some time, but those that require an external power source require regular maintenance, and depending on the usage environment, obtaining an external power source can be difficult or even impossible. Therefore, there was a demand for a detection sensor that does not require an external power source.
特許文献1に記載の発明には、外力の付与を受けて電池を起動させる電池起動装置が開示されている。 The invention described in Patent Document 1 discloses a battery activation device that activates a battery when an external force is applied.
電池起動装置では、外力により、磁性体である破壊部が加速度を受けて、電解液収納部と電極収納部との区画部を破壊して電解液が漏れ出し、電極に接触することで電池が起動する。 In the battery start-up device, the magnetic destructible section is accelerated by an external force, destroying the partition between the electrolyte storage section and the electrode storage section, causing the electrolyte to leak out and come into contact with the electrodes, starting the battery.
このように、特許文献1の構成では、破壊部(磁性体)が筒状部内を加速度的に移動し衝突による破壊を促して電解液を漏出させており、構造が複雑化し且つ大型化する。しかも、破壊部が一定の加速度を得ないと電解液収納部を破壊できず、電解液収納部と電極収納部との区画部を破壊できるほどの衝撃が加わる用途にのみ限定される。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、荷重を受けて発電を開始する、自己発電型の荷重センサを提供することを目的とする。
In this way, in the configuration of Patent Document 1, the destructive portion (magnetic body) moves at an accelerated rate within the cylindrical portion, accelerating the movement and causing the electrolyte to leak out due to the impact, which makes the structure complicated and large. Moreover, the destructive portion cannot destroy the electrolyte storage portion unless it achieves a certain acceleration, and the device is limited to applications where an impact strong enough to destroy the partition between the electrolyte storage portion and the electrode storage portion is applied.
The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a self-power-generating load sensor that starts generating power when a load is applied.
本発明における荷重センサは、金属極及び空気極を有する金属空気電池と、電解液が収容された電解液パックと、荷重を受ける荷重面と、を具備し、前記荷重面から前記電解液パックに対し圧縮荷重が作用して、前記電解液パックから前記電解液が漏出し、前記電解液が、前記金属空気電池に供給されて発電し、前記荷重面を支持するとともに、前記圧縮荷重が作用する方向に前記荷重面の移動を許容する支持部材が設けられており、前記電解液パックは、前記支持部材の内側に配置される、ことを特徴とする。
本発明では、前記電解液パックが破壊されることにより、前記電解液が漏出して発電することが好ましい。
The load sensor of the present invention comprises a metal-air battery having a metal electrode and an air electrode, an electrolyte pack containing an electrolyte, and a load surface that receives a load, wherein a compressive load acts on the electrolyte pack from the load surface, causing the electrolyte to leak from the electrolyte pack, and the electrolyte is supplied to the metal-air battery to generate electricity, and wherein a support member is provided that supports the load surface and allows the load surface to move in the direction in which the compressive load acts, and the electrolyte pack is positioned inside the support member .
In the present invention, it is preferable that the electrolyte pack is destroyed, causing the electrolyte to leak and generate electricity.
また、本発明では、前記荷重面は、折れ曲がり可能な構成であり、前記荷重を受けて、前記荷重面が折れ曲がることで前記電解液パックから前記電解液が漏出することが好ましい。
或いは、本発明では、前記荷重面から前記電解液パックに対し引張荷重が作用して、前記電解液パックから前記電解液が漏出することが好ましい。
本発明では、前記荷重面は、前記金属極の表面、前記空気極の表面、或いは、前記金属空気電池以外の部材の表面にて構成されることが好ましい。
In the present invention, it is preferable that the load surface is bendable, and that the load surface bends under the load, causing the electrolyte to leak from the electrolyte pack.
Alternatively, in the present invention, it is preferable that a tensile load acts on the electrolyte pack from the load surface, causing the electrolyte to leak from the electrolyte pack.
In the present invention, the load surface is preferably configured by a surface of the metal electrode, a surface of the air electrode, or a surface of a member other than the metal-air battery.
本発明では、前記金属空気電池を収納する筐体を有し、前記筐体は荷重面を備え、前記筐体と前記金属空気電池の間に、前記電解液パックが配置されることが好ましい。 In the present invention, it is preferable that a housing is provided to house the metal-air battery, the housing has a load-bearing surface, and the electrolyte pack is disposed between the housing and the metal-air battery.
本発明によれば、荷重を受けることで発電する自己発電型の荷重センサを提供できる。 The present invention provides a self-powered load sensor that generates electricity when subjected to a load.
以下、本発明の一実施の形態(以下、「実施の形態」と略記する。)について、詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施することができる。 One embodiment of the present invention (hereinafter abbreviated as "embodiment") will be described in detail below. Note that the present invention is not limited to the following embodiment, and various modifications can be made within the scope of its gist.
<本実施の形態の荷重センサに至る経緯>
物体の移動等を検知可能なセンサにおいて外部電源を必要とする構成では、動作点検が必要であったり、屋外など外部電源の設置が困難な環境下での使用には不向きであった。そこで外部電源を必要としない自己発電型の検知センサが求められた。
<Background to the Load Sensor of the Present Embodiment>
Sensors that can detect the movement of objects, etc., that require an external power source require operational inspections and are unsuitable for use in environments where it is difficult to install an external power source, such as outdoors. Therefore, there was a demand for self-powered detection sensors that do not require an external power source.
例えば、特許文献1には、外部電源を必要とせず、所定の事象が発生したときに電池が起動する電池起動装置の発明が開示されているが、磁性体からなる破壊部の衝突に伴う破壊を促して電池を起動させる大掛かりな装置であり、構造が複雑化し且つ大型化した。 For example, Patent Document 1 discloses an invention for a battery activation device that does not require an external power source and activates the battery when a specified event occurs. However, this is a large-scale device that activates the battery by encouraging destruction through the collision of a destructive part made of a magnetic material, resulting in a complex and large structure.
そこで、本発明者らは、鋭意研究を行った結果、荷重を受けることで、電解液が収容された電解液パックから電解液が漏出し、発電を開始する荷重センサを開発するに至った。 As a result of intensive research, the inventors have developed a load sensor that, when subjected to a load, causes electrolyte to leak from the electrolyte pack containing the electrolyte, thereby starting power generation.
<第1の実施の形態における荷重センサ1の説明>
図1Aは、第1の実施の形態における荷重センサ1の断面図であり、図1Bは、図1Aの荷重センサ1が荷重を受けた後の状態を示す断面図である。
<Description of Load Sensor 1 in First Embodiment>
FIG. 1A is a cross-sectional view of a load sensor 1 according to a first embodiment, and FIG. 1B is a cross-sectional view showing a state after the load sensor 1 of FIG. 1A receives a load.
図1Aに示す荷重センサ1は、金属極2と、空気極3と、金属極2と空気極3との間に介在するセパレータ4とを有する金属空気電池5を備える。金属空気電池5は、金属空気電池5の設置面を備えた保持体6a及び金属空気電池の表面側を覆う蓋体6bを有する筐体6内に収容されている。そして、金属空気電池5と蓋体6bとの間に、電解液7が収容体8内に収容された電解液パック9が配置されている。 The load sensor 1 shown in Figure 1A includes a metal-air battery 5 having a metal electrode 2, an air electrode 3, and a separator 4 interposed between the metal electrode 2 and the air electrode 3. The metal-air battery 5 is housed in a housing 6 having a holder 6a with a mounting surface for the metal-air battery 5 and a lid 6b covering the front side of the metal-air battery. An electrolyte pack 9, in which electrolyte 7 is housed in a container 8, is disposed between the metal-air battery 5 and the lid 6b.
図1Aに示すように、空気極3は、保持体6aの表面に対向しており、金属極2は、電解液パック9に対向している。図示しないが、例えば、保持体6aには穴が設けられており、穴を通して空気を空気極3に接触させることができる。ただし、保持体6aに穴を設けることは必須でない。 As shown in Figure 1A, the air electrode 3 faces the surface of the holder 6a, and the metal electrode 2 faces the electrolyte pack 9. Although not shown, for example, the holder 6a may have holes through which air can come into contact with the air electrode 3. However, it is not necessary to provide holes in the holder 6a.
限定されるものではないが、金属極2及び空気極3を、薄いシート状で形成でき、金属極2、空気極3及びセパレータ4を積層した薄膜のラミネート構造で形成できる。例えば、金属極2の厚みは、0.05~5.0mm程度であり、空気極3の厚み(集電体を含む)は、0.4~2.0mm程度である。また、セパレータ4の積層枚数やセパレータ4の厚さに応じて、金属極2と空気極3の間の距離を調節できる。また、セパレータ4は設けられておらず、或いはセパレータ4が一部のみに設けられ、金属極2と空気極3とが空間を介して対向していてもよい。 Although not limited to this, the metal electrode 2 and air electrode 3 can be formed in the form of thin sheets, and can be formed as a thin-film laminate structure in which the metal electrode 2, air electrode 3, and separator 4 are stacked. For example, the thickness of the metal electrode 2 is approximately 0.05 to 5.0 mm, and the thickness of the air electrode 3 (including the current collector) is approximately 0.4 to 2.0 mm. The distance between the metal electrode 2 and air electrode 3 can be adjusted depending on the number of separators 4 stacked and their thickness. Alternatively, the separator 4 may not be provided, or may be provided only partially, with the metal electrode 2 and air electrode 3 facing each other via a space.
本実施の形態では、金属極2とセパレータ4との間、及び空気極3とセパレータ4との間を、粘着層を介して固定することができる。このとき、粘着層は、金属極2及び空気極3の縁部に部分的に設けられることで、金属極2及び空気極3の中央部を、検知領域として適切に機能させることができる。 In this embodiment, the metal electrode 2 and separator 4, and the air electrode 3 and separator 4 can be fixed together via an adhesive layer. In this case, the adhesive layer is partially provided on the edges of the metal electrode 2 and air electrode 3, allowing the central portions of the metal electrode 2 and air electrode 3 to function appropriately as detection areas.
金属極2は、マグネシウム(Mg)、Mg合金、亜鉛(Zn)、Zn合金、アルミニウム(Al)、或いは、Al合金のうちいずれかで形成されることが好ましい。このうち、金属極2は、Mg、或いは、Mg合金で形成されることがより好ましい。 The metal electrode 2 is preferably formed from magnesium (Mg), an Mg alloy, zinc (Zn), a Zn alloy, aluminum (Al), or an Al alloy. Of these, it is more preferable that the metal electrode 2 be formed from Mg or an Mg alloy.
空気極3は、集電体と触媒層(反応部)とを有して構成される。集電体に求められる特性は、金属極2から放出される電子を、触媒層へ伝える導電性と、酸素を透過させる通気性である。集電体の構成を限定するものでないが、例えば、金網や発泡金属等、既存のものを用いることができる。また、触媒層に求められる特性は、液体を外部に放出しない疎水性及び、酸素を透過させる通気性である。触媒層には既存の材質を用いることができる。触媒層は、少なくとも集電体の一方の面に形成されており、触媒層は、セパレータ4に密接している。
セパレータ4は、電気的に絶縁性、イオン透過性、及び、液浸透性を有する材質で形成される。例えば、不織布、織布、多孔性薄膜等である。
The air electrode 3 is composed of a current collector and a catalyst layer (reaction section). The characteristics required of the current collector are electrical conductivity to transfer electrons emitted from the metal electrode 2 to the catalyst layer and breathability to allow oxygen to pass through. The configuration of the current collector is not limited, but existing materials such as wire mesh or foam metal can be used. The characteristics required of the catalyst layer are hydrophobicity to prevent liquid from being released to the outside and breathability to allow oxygen to pass through. Existing materials can be used for the catalyst layer. The catalyst layer is formed on at least one surface of the current collector, and is in close contact with the separator 4.
The separator 4 is made of a material that is electrically insulating, ion-permeable, and liquid-permeable, such as a nonwoven fabric, a woven fabric, or a porous thin film.
図1Aに示すように、セパレータ4は、金属極2及び空気極3と重なる面積よりも大きい面積で形成されることが好ましい。これにより、セパレータ4には、金属極2及び空気極3の端部から外方に突出する突出部4aが設けられる。突出部4aは、電解液パック9から漏出する電解液7と接触する領域である。また、金属極2と空気極3との面積が異なる場合、少なくとも、面積の小さい電極からセパレータ4の一部が突出する形態にできる。また、電解液7が、金属極2を介してセパレータ4に浸透可能な構成であれば、セパレータ4は、金属極2及び空気極3と同じ面積で形成されてもよい。例えば、金属極2には、貫通する穴が設けられており、この穴を通して電解液7がセパレータ4に浸透する構成である場合、セパレータ4は、金属極2及び空気極3と同じ面積で形成され、金属極2、セパレータ4及び空気極3の端部は揃っていてもよい。また、金属極2と空気極3との面積が異なる場合、セパレータ4を、面積の小さい側の電極と同じ面積で形成することもできる。 As shown in FIG. 1A, the separator 4 is preferably formed with an area larger than the area overlapping with the metal electrode 2 and the air electrode 3. This provides the separator 4 with protrusions 4a that protrude outward from the ends of the metal electrode 2 and the air electrode 3. The protrusions 4a are areas that come into contact with the electrolyte 7 leaking from the electrolyte pack 9. Furthermore, when the areas of the metal electrode 2 and the air electrode 3 are different, the separator 4 can be configured so that at least a portion of the separator 4 protrudes from the electrode with the smaller area. Furthermore, as long as the separator 4 is configured so that the electrolyte 7 can permeate into the separator 4 via the metal electrode 2, the separator 4 may be formed with the same area as the metal electrode 2 and the air electrode 3. For example, when the metal electrode 2 is provided with a through-hole through which the electrolyte 7 permeates the separator 4, the separator 4 may be formed with the same area as the metal electrode 2 and the air electrode 3, and the ends of the metal electrode 2, separator 4, and air electrode 3 may be aligned. Additionally, if the areas of the metal electrode 2 and the air electrode 3 are different, the separator 4 can be formed with the same area as the electrode with the smaller area.
図1Aに示すように、金属空気電池5の表面側に配置された蓋体6bの表面Sは、荷重F1を受ける荷重面(以下、荷重面Sと記載する)である。 As shown in Figure 1A, the surface S of the lid 6b arranged on the surface side of the metal-air battery 5 is the load surface (hereinafter referred to as the load surface S) that receives the load F1.
蓋体6bと金属空気電池5の間に介在する電解液パック9を構成する収容体8は、例えば、樹脂フィルムや紙製等の袋体である。ただし、所定の荷重F1を受けて破壊される構成であれば、収容体8はプラスチックや木製等からなる容器であってもよい。 The container 8 that constitutes the electrolyte pack 9 interposed between the lid 6b and the metal-air battery 5 is, for example, a bag made of resin film or paper. However, the container 8 may also be a container made of plastic, wood, etc., as long as it is configured to be destroyed when subjected to the specified load F1.
電解液パック9は、蓋体6b及び金属空気電池5に接着等により固定されている。或いは、蓋体6bが可撓性材料で形成され、蓋体6bの端部が保持体6aに固定されることで、電解液パック9が、蓋体6bと金属空気電池5の間に隙間なく挟持される構成では、接着は必要に応じて施してよい。 The electrolyte pack 9 is fixed to the lid 6b and the metal-air battery 5 by adhesive or the like. Alternatively, if the lid 6b is made of a flexible material and the end of the lid 6b is fixed to the holder 6a, so that the electrolyte pack 9 is tightly sandwiched between the lid 6b and the metal-air battery 5, adhesive may be applied as needed.
図1Aでは、荷重面Sから電解液パック9に対し圧縮荷重(以下、圧縮荷重F1と記載する)が作用する。「圧縮荷重F1」とは、電解液パック9に対して作用する荷重F1の方向が、電解液パック9を圧縮する、或いは圧し潰す方向に作用する力を指す。 In Figure 1A, a compressive load (hereinafter referred to as compressive load F1) acts on the electrolyte pack 9 from the load surface S. "Compressive load F1" refers to a force acting on the electrolyte pack 9 in a direction that compresses or crushes the electrolyte pack 9.
電解液パック9に対する圧縮荷重F1の作用により、図1Bに示すように、電解液パック9の収容体8が破れて、電解液7が外部に漏れ出し、セパレータ4に供給される。セパレータ4には、液接触領域となる突出部4aが設けられており、例えば、食塩水である電解液7は、突出部4aから、金属極2と空気極3の間に重なるセパレータ4の中央方向に浸透する。 When a compressive load F1 is applied to the electrolyte pack 9, as shown in Figure 1B, the container 8 of the electrolyte pack 9 breaks, causing the electrolyte 7 to leak out and be supplied to the separator 4. The separator 4 has a protrusion 4a that serves as a liquid contact area, and the electrolyte 7, which may be saline solution, for example, permeates from the protrusion 4a toward the center of the separator 4, which overlaps between the metal electrode 2 and the air electrode 3.
電解液7が、セパレータ4に浸透すると、例えば、金属極2が、Mgであるとき、金属極2側では、下記(1)で示す酸化反応が生じる。また、空気極3においては、下記(2)で示す還元反応が生じる。したがって、金属空気電池5の全体としては、下記(3)に示す反応が起こり、発電(放電)が行われる。
(1)2Mg →2Mg2++4e-
(2)O2+2H2O+4e- →4OH-
(3)2Mg+O2+2H2O →2Mg(OH)2
When the electrolyte 7 permeates the separator 4, for example, when the metal electrode 2 is made of Mg, an oxidation reaction shown in the following (1) occurs on the metal electrode 2 side. Also, a reduction reaction shown in the following (2) occurs on the air electrode 3. Therefore, the reaction shown in the following (3) occurs throughout the metal-air battery 5, and electricity is generated (discharged).
(1) 2Mg → 2Mg 2+ +4e -
(2) O 2 +2H 2 O+4e - →4OH -
(3) 2Mg+O 2 +2H 2 O → 2Mg(OH) 2
このように、第1の実施の形態の荷重センサ1では、電解液パック9が荷重面Sから圧縮荷重F1を受けることで、電解液パック9が破壊されて電解液7が金属極2と空気極3との間に供給され、発電する。 In this way, in the load sensor 1 of the first embodiment, when the electrolyte pack 9 receives a compressive load F1 from the load surface S, the electrolyte pack 9 breaks, and the electrolyte 7 is supplied between the metal electrode 2 and the air electrode 3, generating electricity.
図6に示すように、本実施の形態における荷重センサ1は、金属空気電池5と、電解液パック9の他、送信部51を有する。例えば、送信部51は無線基板である。本実施の形態では、無線報知を可能とするが、更に、その機能に付随して次のような機能を持たせることも可能である。すなわち、金属空気電池5では、荷重を受けることで電解液7の漏出による電池反応が生じ電圧値が変化する。この電圧変化に基づく検知信号を、送信部51から無線で受信部52に送信する。受信部52では受信した検知信号に基づいて、物体が移動等したことを検知し、用途に応じた動作を起こすことができる。なお、無線通信に限定するものでなく、有線により電圧の変化を検知することもできる。 As shown in FIG. 6, the load sensor 1 in this embodiment has a metal-air battery 5, an electrolyte pack 9, and a transmitter 51. For example, the transmitter 51 is a wireless board. In this embodiment, wireless notification is possible, but it is also possible to provide the following additional functions in addition to that function. That is, when the metal-air battery 5 is subjected to a load, a battery reaction occurs due to leakage of the electrolyte 7, causing a change in voltage value. A detection signal based on this voltage change is transmitted wirelessly from the transmitter 51 to the receiver 52. Based on the received detection signal, the receiver 52 can detect the movement of an object, etc., and take action according to the application. Note that communication is not limited to wireless communication; voltage changes can also be detected via a wired connection.
本実施の形態の荷重センサ1は、外部電源を必要とせず、上記のように、例えば、無線或いは有線で、電圧の変化を検知することができる。無線で、金属空気電池5で得られた検知信号を送信部51から受信部52に送る場合、無線方式を限定するものでなく、無線LAN、Bluetooth(登録商標)、Wi-Fi等、既存の方式を用いることができる。
図6に示す通信構成は、図2以降の実施の形態においても適用される。
The load sensor 1 of this embodiment does not require an external power source and can detect voltage changes, for example, wirelessly or via a wire, as described above. When the detection signal obtained by the metal-air battery 5 is sent wirelessly from the transmitter 51 to the receiver 52, the wireless method is not limited, and existing methods such as wireless LAN, Bluetooth (registered trademark), and Wi-Fi can be used.
The communication configuration shown in FIG. 6 is also applicable to the embodiments shown in FIG. 2 and subsequent figures.
<第2の実施の形態における荷重センサ10の説明>
図2Aは、第2の実施の形態における荷重センサ10の断面図であり、図2Bは、図2Aの荷重センサ10が荷重を受けた後の状態を示す断面図である。図2の荷重センサ10において、図1と同じ部分は図1と同じ符号を付した。
<Description of Load Sensor 10 in Second Embodiment>
Fig. 2A is a cross-sectional view of the load sensor 10 according to the second embodiment, and Fig. 2B is a cross-sectional view showing the load sensor 10 of Fig. 2A in a state after receiving a load. In the load sensor 10 of Fig. 2, the same parts as those in Fig. 1 are denoted by the same reference numerals as in Fig. 1.
図2Aに示す荷重センサ10には、蓋体6bを保持体6aとの間に支持するとともに、圧縮荷重F1が作用する方向(図示下方向)に蓋体6bの移動を許容する支持部材6cが設けられている。そして、電解液パック9は、支持部材6cの内側に配置される。 The load sensor 10 shown in Figure 2A is provided with a support member 6c that supports the lid body 6b between itself and the holder 6a and allows the lid body 6b to move in the direction in which the compressive load F1 acts (downward in the figure). The electrolyte pack 9 is positioned inside the support member 6c.
支持部材6cは蓋体6bより剛性が低いか、或いは強度が低い。したがって、支持部材6cは、荷重面Sから圧縮荷重F1を受けて、変形或いは破壊される。例えば、支持部材6cは、弾性体であり、図2Aに示す圧縮荷重F1により、蓋体6bが、支持部材6cを圧縮する方向(図示下方向)に移動する。図2Bは、蓋体6bが図示下方向に移動した状態を示す。蓋体6bの移動に伴い、電解液パック9は、荷重面Sから圧縮荷重F1を受けて、収容体8が破壊され電解液7が外部に漏出する。外部に漏出した電解液7は、金属極2と空気極3の間のセパレータ4に浸透し、発電が開始される。 The support member 6c has less rigidity or strength than the lid 6b. Therefore, the support member 6c is deformed or destroyed when subjected to a compressive load F1 from the load surface S. For example, the support member 6c is elastic, and the compressive load F1 shown in Figure 2A causes the lid 6b to move in a direction that compresses the support member 6c (downward in the figure). Figure 2B shows the lid 6b moved downward in the figure. As the lid 6b moves, the electrolyte pack 9 receives the compressive load F1 from the load surface S, destroying the container 8 and leaking the electrolyte 7 to the outside. The leaked electrolyte 7 permeates the separator 4 between the metal electrode 2 and the air electrode 3, starting power generation.
図2Aに示す荷重センサ10では、支持部材6cにより荷重面Sを安定して支持でき、設定した圧縮荷重F1に応じて、支持部材6cが変形或いは破壊することにより、圧縮荷重F1の測定範囲を精度よく定めることができる。 In the load sensor 10 shown in Figure 2A, the support member 6c can stably support the load surface S, and the support member 6c deforms or breaks depending on the set compressive load F1, allowing the measurement range of the compressive load F1 to be accurately determined.
<第3の実施の形態における荷重センサ20の説明>
図3Aは、第3の実施の形態における荷重センサ20の断面図であり、図3Bは、図3Aの荷重センサ20が荷重を受けた後の状態を示す断面図である。荷重センサ20において、図1Aに示す荷重センサ10と同じ部材については同じ符号を付した。
<Description of Load Sensor 20 in Third Embodiment>
Fig. 3A is a cross-sectional view of the load sensor 20 according to the third embodiment, and Fig. 3B is a cross-sectional view showing the state of the load sensor 20 of Fig. 3A after it has received a load. In the load sensor 20, the same members as those in the load sensor 10 shown in Fig. 1A are denoted by the same reference numerals.
図3Aに示す荷重センサ20では、蓋体21の表面の荷重面Sが荷重F2を受けた際、図3Bに示すように、蓋体21は、荷重F2を受けた中央付近から図示下方に折れ曲がるように構成されている。 In the load sensor 20 shown in Figure 3A, when the load surface S on the surface of the lid body 21 receives a load F2, the lid body 21 is configured to bend downward from the center where the load F2 is received, as shown in Figure 3B.
蓋体21の両端は、保持体6aとの間に支持部材22を介して支持されている。支持部材22は荷重F2を受けても変形しにくく且つ破壊されない剛性及び強度を有している。したがって、荷重面Sに荷重F2が作用しても、蓋体21の両端は定位置で保持される。 Both ends of the lid 21 are supported by support members 22 between them and the holder 6a. The support members 22 have sufficient rigidity and strength to resist deformation and breakage even when subjected to load F2. Therefore, even when load F2 acts on the load surface S, both ends of the lid 21 are held in place.
図3Aに示す実施の形態では、蓋体21は、第1の蓋片21aと第2の蓋片21bとを有しており、蓋体21の中央部に荷重F2が作用すると、蓋体21は、各蓋片21a、21bの外側端部が定位置に保持されたまま、各蓋片21a、21bの内側端部が下方に移動するように、折れ曲がる。 In the embodiment shown in Figure 3A, the lid body 21 has a first lid piece 21a and a second lid piece 21b. When a load F2 acts on the center of the lid body 21, the lid body 21 bends so that the inner ends of each lid piece 21a, 21b move downward while the outer ends of each lid piece 21a, 21b remain in place.
図3Aに示すように、第1の蓋片21a及び第2の蓋片21bの内側端部21cは、外側端部21dよりも厚みが薄くなっている。図3Aでは、第1の蓋片21a及び第2の蓋片21bの各内側端部21cの間に多少隙間が空いているが、第1の蓋片21a及び第2の蓋片21bの各内側端部21cが接触していてもよい。また、第1の蓋片21aと第2の蓋片21bとが一体化していてもよい。 As shown in Figure 3A, the inner ends 21c of the first lid piece 21a and the second lid piece 21b are thinner than the outer ends 21d. In Figure 3A, there is a slight gap between the inner ends 21c of the first lid piece 21a and the second lid piece 21b, but the inner ends 21c of the first lid piece 21a and the second lid piece 21b may be in contact. Also, the first lid piece 21a and the second lid piece 21b may be integrated.
図3Aに示すように、電解液パック9が蓋体21に内包されている。電解液パック9は、各蓋片21a、21bを跨ぐように配置される。図3Aに示すように、荷重F2が、各蓋片21a、21bの間に作用すると、各蓋片21a、21bが支持部材22に固定された外側端部21dを支点として下方向に移動し、蓋体21全体から見れば、蓋体21の中央が下方に折れ曲がるように変形する。このような蓋体21の屈曲動作により、図3Bに示すように、蓋体21に支持された電解液パック9は、その収容体8の下部が両側に引っ張られて破れ、電解液7が収容体8の内部から漏出する。そして漏出した電解液7が金属極2と空気極3の間のセパレータ4に浸透し、発電が開始される。 As shown in FIG. 3A, the electrolyte pack 9 is contained within the lid 21. The electrolyte pack 9 is positioned so as to straddle the lid pieces 21a and 21b. As shown in FIG. 3A, when a load F2 acts between the lid pieces 21a and 21b, the lid pieces 21a and 21b move downward around the outer end 21d fixed to the support member 22 as a fulcrum. When viewed from the perspective of the lid 21 as a whole, the center of the lid 21 is bent downward. Due to this bending movement of the lid 21, as shown in FIG. 3B, the electrolyte pack 9 supported by the lid 21 is pulled to both sides at the bottom of its container 8, causing it to break, and the electrolyte 7 to leak from inside the container 8. The leaked electrolyte 7 then permeates the separator 4 between the metal electrode 2 and the air electrode 3, starting power generation.
図3Aでは、電解液パック9が蓋体21に内包されているが、蓋体21が折れ曲がった際に電解液パック9が破壊されればよいため、電解液パック9の配置を限定するものではない。例えば、電解液パック9を蓋体21の下面に配置してもよい。また、蓋体21そのものが、電解液パック9であってもよい。例えば、一体化された蓋片21a、21bが夫々収容体であり、各収容体に電解液7が収容されている。そして、蓋体21が荷重F2を受け折れ曲がることで蓋片21a、21bの間の接続部分が破れて、電解液7が漏出する。
第3の実施の形態の荷重センサ20は、蓋体21の中央付近に主に荷重F2が作用する用途に適切に使用される。
3A, the electrolyte pack 9 is contained within the lid 21, but the arrangement of the electrolyte pack 9 is not limited as long as the electrolyte pack 9 is destroyed when the lid 21 is bent. For example, the electrolyte pack 9 may be arranged on the underside of the lid 21. Furthermore, the lid 21 itself may be the electrolyte pack 9. For example, the integrated lid pieces 21a and 21b each serve as a container, and each container contains the electrolyte 7. When the lid 21 is bent under the load F2, the connection between the lid pieces 21a and 21b breaks, causing the electrolyte 7 to leak out.
The load sensor 20 of the third embodiment is suitably used in applications where the load F2 acts mainly near the center of the lid 21.
第3の実施の形態の荷重センサ20では、荷重面Sは、折れ曲がり可能な構成であり、荷重F2を受けて、荷重面Sが折れ曲がることで、電解液パック9が破壊されて電解液7が金属極2と空気極3との間に供給され、発電する。 In the load sensor 20 of the third embodiment, the load surface S is configured to be bendable. When the load surface S bends under load F2, the electrolyte pack 9 breaks, and the electrolyte 7 is supplied between the metal electrode 2 and the air electrode 3, generating electricity.
<第4の実施の形態における荷重センサ30の説明>
図4Aは、第4の実施の形態における荷重センサ30の断面図であり、図4Bは、図4Aの荷重センサ30が荷重を受けた後の状態を示す断面図である。荷重センサ30において、図1Aに示す荷重センサ10と同じ部材については同じ符号を付した。
<Description of Load Sensor 30 in Fourth Embodiment>
Fig. 4A is a cross-sectional view of the load sensor 30 according to the fourth embodiment, and Fig. 4B is a cross-sectional view showing the state of the load sensor 30 of Fig. 4A after it has received a load. In the load sensor 30, the same components as those in the load sensor 10 shown in Fig. 1A are denoted by the same reference numerals.
図4Aに示す荷重センサ30では、蓋体31が、第1の蓋片31aと第2の蓋片31bに分割されている。図4Aに示すように、各蓋片31a、31bの外側端部31dが、保持体6aとの間に支持部材32を介して支持されている。 In the load sensor 30 shown in Figure 4A, the lid body 31 is divided into a first lid piece 31a and a second lid piece 31b. As shown in Figure 4A, the outer end 31d of each lid piece 31a, 31b is supported between the holder 6a and the lid piece 31a and the holder 6a via a support member 32.
支持部材32は、蓋体31よりも低剛性或いは低強度の材料であり、図4Aに示す荷重F3を受けた支持部材32は、図4Bに示すように、荷重F3が作用する方向に変形或いは破壊される。或いは、蓋体31は、荷重F3を受けた方向にスライド可能に支持されていてもよい。 The support member 32 is made of a material with lower rigidity or strength than the lid body 31, and when the support member 32 receives the load F3 shown in FIG. 4A, it deforms or breaks in the direction in which the load F3 acts, as shown in FIG. 4B. Alternatively, the lid body 31 may be supported so that it can slide in the direction in which the load F3 is received.
図4Aに示すように、電解液パック9が蓋体31に内包されている。電解液パック9は、第1の蓋片31aから第2の蓋片31bに跨いで配置されている。 As shown in Figure 4A, the electrolyte pack 9 is contained within the lid body 31. The electrolyte pack 9 is positioned across the first lid piece 31a and the second lid piece 31b.
図4Aに示すように、荷重面Sが荷重F3を受けて蓋体31の両側が引っ張られると支持部材32の変形や破壊し、或いは、支持部材32の表面をスライド移動することで、一対の蓋片31a、31bが互いに離れる方向に移動する。これにより、電解液パック9に対し荷重面Sから引張荷重F3が作用し、図4Bに示すように、電解液パック9が破壊されて電解液7が漏出する。「引張荷重」とは、電解液パック9に対する荷重F3が作用する方向が、該電解液パック9を引き伸ばす方向に作用する力を指す。そして漏出した電解液7が金属極2と空気極3の間のセパレータ4に浸透し、発電が開始される。 As shown in Figure 4A, when load surface S receives load F3 and both sides of lid body 31 are pulled, support member 32 deforms or breaks, or the pair of lid pieces 31a, 31b slide along the surface of support member 32, moving away from each other. This causes a tensile load F3 to act on electrolyte pack 9 from load surface S, which breaks the electrolyte pack 9 and causes electrolyte 7 to leak, as shown in Figure 4B. "Tensile load" refers to a force acting in a direction that stretches the electrolyte pack 9 when load F3 acts on the electrolyte pack 9. The leaked electrolyte 7 then permeates the separator 4 between the metal electrode 2 and the air electrode 3, starting power generation.
図4Aに示す蓋体31は、第1の蓋片31aと第2の蓋片31bに分割されておらず一体化していてもよい。この場合、例えば、第1の蓋片31aの内側端部31cと第2の蓋片31bの内側端部31cとが外側端部1dより薄い厚みで形成されており、引張荷重F3により各蓋片31a、31bの内側端部31c間が離れる方向に引っ張られて分断されることで、電解液パック9の収容体8が破壊されて電解液7が漏出する。 The lid body 31 shown in FIG. 4A may be an integrated unit, rather than being divided into the first lid piece 31a and the second lid piece 31b. In this case, for example, the inner end 31c of the first lid piece 31a and the inner end 31c of the second lid piece 31b may be formed with a thickness thinner than the outer end 1d. When the inner ends 31c of the lid pieces 31a, 31b are pulled apart by the tensile load F3, the container 8 of the electrolyte pack 9 is destroyed and the electrolyte 7 leaks.
また、蓋体31が電解液パックそのものであり、引張荷重F3により第1の蓋片31aと第2の蓋片31bの間の接続部分が破壊されることで、電解液7が漏出する構成であってもよい。
また、図4Aのように電解液パック9は蓋体31に内包されず、蓋体31の下面側に配置されるなどしてもよい。
Alternatively, the lid body 31 may be the electrolyte pack itself, and the connection between the first lid piece 31a and the second lid piece 31b may be broken by the tensile load F3, causing the electrolyte 7 to leak.
4A, the electrolyte pack 9 may not be enclosed in the lid 31, but may be disposed on the underside of the lid 31.
このように、第4の実施の形態の荷重センサ30では、電解液パック9が荷重面Sから引張荷重F3を受けることで、電解液パック9が破壊されて電解液7が金属極2と空気極3との間に供給され、発電する。 In this way, in the load sensor 30 of the fourth embodiment, when the electrolyte pack 9 receives a tensile load F3 from the load surface S, the electrolyte pack 9 breaks, causing the electrolyte 7 to be supplied between the metal electrode 2 and the air electrode 3, generating electricity.
<第5の実施の形態における荷重センサ40の説明>
図5Aは、第5の実施の形態における荷重センサ40の断面図であり、図5Bは、図5Aの荷重センサ40が荷重を受けた後の状態を示す断面図である。荷重センサ40において、図1Aに示す荷重センサ10と同じ部材については同じ符号を付した。
<Description of Load Sensor 40 in Fifth Embodiment>
Fig. 5A is a cross-sectional view of a load sensor 40 according to a fifth embodiment, and Fig. 5B is a cross-sectional view showing the state of the load sensor 40 of Fig. 5A after it has received a load. In the load sensor 40, the same components as those in the load sensor 10 shown in Fig. 1A are denoted by the same reference numerals.
図5Aに示す荷重センサ40は、下から金属極2、セパレータ4及び空気極3の順に積層された金属空気電池5が設けられ、金属空気電池5は筐体41内に配置される。図5Aに示すように、空気極3の表面は外部に露出した状態であり、空気極3の表面が荷重面Sとされている。
図5Aに示すように、金属空気電池5と筐体41の間に電解液パック9が配置されている。
5A is provided with a metal-air battery 5, which is formed by stacking a metal electrode 2, a separator 4, and an air electrode 3 in this order from the bottom, and is placed in a housing 41. As shown in FIG. 5A, the surface of the air electrode 3 is exposed to the outside, and the surface of the air electrode 3 serves as a load surface S.
As shown in FIG. 5A, an electrolyte pack 9 is disposed between the metal-air battery 5 and a housing 41.
図5Aに示すように、荷重面Sに荷重F1が作用すると、この荷重F1は、電解液パック9に対して圧縮荷重F1として作用する。これにより、電解液パック9が破壊されて電解液7が漏出し、金属極2と空気極3との間のセパレータ4に供給され発電される。
なお、図5Aでは、空気極3の表面が荷重面Sであるが、金属極2の表面が荷重面Sとなるように構成してもよい。
5A, when a load F1 acts on the load surface S, the load F1 acts as a compressive load F1 on the electrolyte pack 9. This causes the electrolyte pack 9 to break, causing the electrolyte 7 to leak and be supplied to the separator 4 between the metal electrode 2 and the air electrode 3, generating electricity.
In FIG. 5A, the surface of the air electrode 3 is the load surface S, but the surface of the metal electrode 2 may be configured to be the load surface S.
<本実施の形態の効果について>
以上説明した各実施の形態の荷重センサでは、電解液パック9は荷重面Sから荷重を受けることで電解液7が漏出して、金属極2と空気極3との間に供給されて発電する。このように本実施の形態では、電解液パック9が荷重面Sから荷重を受けて電解液7を漏出するシンプルな構造で構成でき、且つ小型化、薄型化された自己発電型センサを実現できる。
荷重により電解液パック9が破壊等されて電解液7が漏出する構成であれば、電解液パック9に作用する荷重は、圧縮荷重でも引張荷重でもどちらでもよい。
<Effects of this embodiment>
In the load sensors of the above-described embodiments, when the electrolyte pack 9 receives a load from the load surface S, the electrolyte 7 leaks out and is supplied between the metal electrode 2 and the air electrode 3, generating electricity. As described above, in the present embodiment, the electrolyte pack 9 can be configured with a simple structure in which the electrolyte 7 leaks out when the electrolyte pack 9 receives a load from the load surface S, and a small, thin self-powered sensor can be realized.
As long as the load causes the electrolyte pack 9 to be broken or the like, causing the electrolyte 7 to leak, the load acting on the electrolyte pack 9 may be either a compressive load or a tensile load.
荷重面Sは、金属極2の表面、空気極3の表面、或いは金属空気電池5以外の部材の表面であってもよい。ここで、金属極2の表面或いは、空気極3の表面を荷重面Sとすることで、荷重センサをより効果的に薄型化できる。一方、金属空気電池5以外の部材の表面を荷重面Sとする形態としては、金属空気電池5を収容する筐体の表面を例示できる。筐体の表面を荷重面Sとすることで、金属空気電池5を外部から適切に保護でき、また測定荷重範囲を精度よく定めることが可能になる。また、筐体の表面を荷重面Sとする構成では、電解液パック9を筐体と金属空気電池5との間に配置でき、電解液パック9を適切に保持でき、また電解液パック9に圧縮荷重或いは引張荷重を適切に作用させることができる。 The load surface S may be the surface of the metal electrode 2, the surface of the air electrode 3, or the surface of a member other than the metal-air battery 5. Using the surface of the metal electrode 2 or the surface of the air electrode 3 as the load surface S allows the load sensor to be made thinner more effectively. On the other hand, an example of a form in which the surface of a member other than the metal-air battery 5 is used as the load surface S is the surface of the casing that houses the metal-air battery 5. Using the surface of the casing as the load surface S allows the metal-air battery 5 to be appropriately protected from the outside and enables the measurement load range to be accurately determined. Furthermore, in a configuration in which the surface of the casing is used as the load surface S, the electrolyte pack 9 can be positioned between the casing and the metal-air battery 5, allowing the electrolyte pack 9 to be appropriately held and a compressive or tensile load to be appropriately applied to the electrolyte pack 9.
<荷重センサの用途について>
本実施の形態における荷重センサは、様々な用途に適用できる。例えば、物体の移動を検知する用途に適用できる。具体的には、ドアの開閉検知等による防犯センサ、生き物の捕獲センサ、断層や地滑り等の地質変化や雪崩の検知センサ等に使用できる。
物体が移動したことにより荷重が作用して電解液パック9から電解液7が漏出し、発電が開始される。
<About load sensor applications>
The load sensor according to the present embodiment can be applied to various applications. For example, it can be used to detect the movement of an object. Specifically, it can be used as a security sensor that detects the opening and closing of a door, a sensor for capturing living creatures, a sensor for detecting geological changes such as faults and landslides, and avalanches.
When the object moves, a load acts on the electrolyte 7, causing the electrolyte pack 9 to leak, and power generation begins.
或いは、物体が変化したことを検知する用途に適用できる。具体的には、ドローン等の物体の墜落位置の検知センサ、構造物のひび割れやズレなどの経時変化の検知センサ等に使用できる。
物体の変形や破壊等に基づく変化により荷重が作用して電解液パック9から電解液7が漏出し、発電が開始される。
Alternatively, the sensor can be used to detect changes in an object, such as detecting the crash position of an object such as a drone, or detecting changes over time such as cracks or misalignment in a structure.
A load is applied due to a change caused by deformation or destruction of the object, causing the electrolyte 7 to leak from the electrolyte pack 9, and power generation begins.
又は、物体の有無を検知する用途に適用できる。具体的には、侵入センサ、盗難センサ等の防犯センサ等に適用できる。
例えば、物体が荷重面Sに乗ったり、或いは荷重面Sに乗っていた物体が無くなることにより荷重が作用して電解液パック9から電解液7が漏出し、発電が開始される。
Alternatively, the present invention can be applied to applications for detecting the presence or absence of an object, specifically to security sensors such as an intrusion sensor and a theft sensor.
For example, when an object is placed on the load surface S or when an object that was on the load surface S is removed, a load acts, causing the electrolyte 7 to leak from the electrolyte pack 9, and power generation begins.
又は、スイッチの押下を検知する用途に適用できる。具体的には、山岳や海洋における遭難時のビーコンや、非常用ボタン等に使用できる。
スイッチが押されることで、荷重が作用して電解液パック9から電解液7が漏出し、発電が開始される。
Alternatively, the sensor can be used to detect the pressing of a switch, such as a beacon or emergency button in case of distress in the mountains or at sea.
When the switch is pressed, a load is applied, causing the electrolyte 7 to leak from the electrolyte pack 9, and power generation begins.
上記用途において、人への報知は、有線、無線、音、光等で行うことができる。なお、荷重の作用方向や大きさ等に応じて、図1~図5に示した各実施の形態の荷重センサを適宜選択できる。 In the above applications, the notification to the person can be done by wire, wirelessly, sound, light, etc. The load sensor of each embodiment shown in Figures 1 to 5 can be selected appropriately depending on the direction and magnitude of the load.
本発明の荷重センサによれば、物体の移動等の検知センサとして、有効に適用することが出来る。特に、本発明では、小型で且つシンプルな構造の荷重センサを実現でき、且つ荷重センサは、外部電源を必要としない。したがって、使い勝手に優れ、対象物や場所を問わず、簡単に使用することができる。 The load sensor of the present invention can be effectively used as a sensor for detecting the movement of an object, etc. In particular, the present invention allows for the realization of a load sensor with a small and simple structure, and the load sensor does not require an external power source. Therefore, it is highly user-friendly and can be used easily regardless of the object or location.
1、10、20、30、40 :荷重センサ
2 :金属極
3 :空気極
4 :セパレータ
4a :突出部
5 :金属空気電池
6、41 :筐体
6a :保持体
6b、21 :蓋体
6c、22、32 :支持部材
7 :電解液
8 :収容体
9 :電解液パック
21、31 :蓋体
21c、31c :内側端部
21d、31d :外側端部
51 :送信部
52 :受信部
F1~F3 :圧縮荷重
S :荷重面
1, 10, 20, 30, 40: Load sensor 2: Metal electrode 3: Air electrode 4: Separator 4a: Protrusion 5: Metal-air battery 6, 41: Housing 6a: Holder 6b, 21: Lid 6c, 22, 32: Support member 7: Electrolyte 8: Container 9: Electrolyte pack 21, 31: Lid 21c, 31c: Inner end 21d, 31d: Outer end 51: Transmitter 52: Receivers F1 to F3: Compressive load S: Load surface
Claims (6)
前記荷重面から前記電解液パックに対し圧縮荷重が作用して、前記電解液パックから前記電解液が漏出し、前記電解液が、前記金属空気電池に供給されて発電し、
前記荷重面を支持するとともに、前記圧縮荷重が作用する方向に前記荷重面の移動を許容する支持部材が設けられており、前記電解液パックは、前記支持部材の内側に配置される、
ことを特徴とする荷重センサ。 A metal-air battery having a metal electrode and an air electrode, an electrolyte pack containing an electrolyte, and a load surface for receiving a load,
a compressive load acts on the electrolyte pack from the load surface, causing the electrolyte to leak from the electrolyte pack, and the electrolyte is supplied to the metal-air battery to generate electricity;
a support member is provided that supports the load surface and allows the load surface to move in a direction in which the compressive load acts, and the electrolyte pack is disposed inside the support member;
A load sensor characterized by:
前記電解液パックが、前記荷重面から前記荷重を受けることで、前記電解液が、前記電解液パックから前記金属空気電池に供給されて発電し、
前記荷重面は、折れ曲がり可能な構成であり、前記荷重を受けて、前記荷重面が折れ曲がることで前記電解液パックから前記電解液が漏出する、ことを特徴とする荷重センサ。 A metal-air battery having a metal electrode and an air electrode, an electrolyte pack containing an electrolyte, and a load surface for receiving a load,
When the electrolyte pack receives the load from the load surface, the electrolyte is supplied from the electrolyte pack to the metal-air battery to generate electricity ,
The load sensor is characterized in that the load surface is bendable, and when the load is received, the load surface bends, causing the electrolyte to leak from the electrolyte pack .
前記電解液パックが、前記荷重面から前記荷重を受けることで、前記電解液が、前記電解液パックから前記金属空気電池に供給されて発電し、
前記荷重面は、前記金属極の表面、前記空気極の表面、或いは、前記金属空気電池以外の部材の表面にて構成される、ことを特徴とする荷重センサ。 A metal-air battery having a metal electrode and an air electrode, an electrolyte pack containing an electrolyte, and a load surface for receiving a load,
When the electrolyte pack receives the load from the load surface, the electrolyte is supplied from the electrolyte pack to the metal-air battery to generate electricity ,
A load sensor characterized in that the load surface is formed by a surface of the metal electrode, a surface of the air electrode, or a surface of a member other than the metal-air battery .
前記電解液パックが、前記荷重面から前記荷重を受けることで、前記電解液が、前記電解液パックから前記金属空気電池に供給されて発電し、
前記金属空気電池及び前記電解液パックを収納する筐体を有し、前記筐体は荷重面を備え、前記筐体と前記金属空気電池の間に、前記電解液パックが配置される、ことを特徴とする荷重センサ。 A metal-air battery having a metal electrode and an air electrode, an electrolyte pack containing an electrolyte, and a load surface for receiving a load,
When the electrolyte pack receives the load from the load surface, the electrolyte is supplied from the electrolyte pack to the metal-air battery to generate electricity ,
A load sensor comprising a housing that houses the metal-air battery and the electrolyte pack, the housing having a load surface, and the electrolyte pack being disposed between the housing and the metal-air battery .
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