DE112011101585T5 - Elektrizitätssammelvorrichtung - Google Patents

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Abstract

Bereitgestellt wird eine zur Erfassung einer Expansion eines Außenhüllenmaterials fähige Elektrizitätssammelvorrichtung mit einfachem Aufbau und niedrigem Preis zur Erreichung eines hohen Niveaus an Sicherheit. Eine Elektrizitätssammelvorrichtung 1 beinhaltet ein Elektrizitätssammelelement 10, ein Außenhüllenmaterial 20, das dafür ausgelegt ist, das Elektrizitätssammelelement 10 aufzunehmen, und einen Verformungssensor 30, der an einer dehnungsfähigen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet ist. Der Verformungssensor 30 beinhaltet eine Sensormembran 32, die ein Basismaterial, das aus einem Elastomer oder einem Harz besteht, und leitfähige Füllkörper, die das Basismaterial füllen, aufweist, wobei die Sensormembran 32 einer Biegeverformung bei einer Expansion des Außenhüllenmaterials 20 unterworfen wird, und wenigstens ein Paar von Elektroden 33a, 33b, die mit der Sensormembran 32 verbunden sind. Ein dreidimensionaler leitfähiger Weg wird in der Sensormembran 32 durch einen Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern gebildet. Ein elektrischer Widerstand nimmt bei einer Zunahme des Ausmaßes der Verformung der Sensormembran 32 aus einem natürlichen Zustand heraus zu. Die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 erfasst die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 auf Grundlage von Schwankungen des elektrischen Widerstandes bei einer Biegeverformung der Sensormembran 32.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Elektrizitätssammelvorrichtung, so beispielsweise eine Sekundärbatterie und einen Kondensator.
  • Hintergrund
  • Sekundärbatterien, die wiederholt geladen und entladen werden können, werden in elektronischen Vorrichtungen, so beispielsweise zellenbasierten Telefonen, Personalcomputern und Digitalkameras, verwendet. Elektrizitätssammelsysteme zur Verwendung gegen momentane Spannungsabfälle, Elektrizitätssammelsysteme, die an Elektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen montiert sind, und dergleichen mehr erfordern eine Elektrizitätssammelvorrichtung, die eine hohe Energiekapazität benötigt und schnell geladen und entladen werden kann. Beispiele für derartige Elektrizitätssammelvorrichtungen beinhalten Lithium-Ionen-Sekundärbatterien und elektrische Doppelschichtkondensatoren.
  • Im Allgemeinen beinhaltet die Elektrizitätssammelvorrichtung, also beispielsweise eine Sekundärbatterie und ein Kondensator, ein Elektrodenlaminat, in dem eine Positivelektrode und eine Negativelektrode über einen Separator laminiert sind. Das Elektrodenlaminat ist in einem Außenhüllenmaterial, so beispielsweise einem Metallgehäuse oder einem Laminatfilm, zusammen mit einer Elektrolytlösung dicht gepackt. In der Elektrizitätssammelvorrichtung kann sich die Elektrolytlösung durch Überladen oder wiederholtes Laden und Entladen zersetzen und dabei ein Gas erzeugen. Dies kann die Kapazität der Vorrichtung verringern oder die Lebensdauer der Vorrichtung verkürzen. Steigt der Innendruck durch das erzeugte Gas an, so kann das Außenhüllenmaterial expandieren, was die Sicherheit beeinträchtigt. Daher wird ein Schema verwendet, bei dem die Temperatur, der Strom, die Spannung und dergleichen mehr der Elektrizitätssammelvorrichtung gemessen werden und das Laden beendet wird, wenn diese Werte beispielsweise vorgeschriebene Werte überschreiten. Eine Sekundärbatterie, die einen Sensor beinhaltet, der die Expansion des Außenhüllenmaterials erfasst, ist bereits vorgeschlagen worden (siehe Patentdruckschriften 1 bis 3).
  • Druckschriften zum Stand der Technik
  • Patentdruckschriften
    • Patentdruckschrift 1: Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2009-76265 ( JP 2009-76265 A )
    • Patentdruckschrift 2 Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 2005-251470 ( JP 2009-251470 A )
    • Patentdruckschrift 3: Veröffentlichung der japanischen Patentanmeldung Nr. 06-52901 ( JP 06-52901 A )
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Durch die Erfindung zu lösendes Problem
  • Bei der Sekundärbatterie entsprechend der vorerwähnten Patentdruckschrift 1 ist ein Überstromschutzelement mit einem elektrischen Widerstand, der bei Einwirken eines Druckes sinkt, zwischen dem Gehäuse und der Sekundärbatterie zum Erfassen einer Expansion der Sekundärbatterie angeordnet. Die vorerwähnte Patentdruckschrift 2 offenbart einen mechanischen Schalter, der betätigt wird, wenn er durch das Außenhüllenmaterial gedrückt wird, während vorerwähnte Patentdruckschrift 3 einen Dehnungsmessstreifen offenbart, der als Sensor dient, der für die Erfassung einer Expansion der Sekundärbatterie ausgelegt ist.
  • In demjenigen Fall, in dem das Außenhüllenmaterial eine geringe Festigkeit aufweist, also beispielsweise in einem Fall, in dem das Außenhüllenmaterial aus einem Laminatfilm besteht, verteilt sich eine Kraft von innen her tendenziell, und es werden Elemente, die außerhalb des Außenhüllenmaterials angeordnet sind, von einer kleinen Kraft gedrückt. Daher ist es schwierig, die Expansion des Außenhüllenmaterials unter Verwendung der Sensormembran aus dem Stand der Technik genau zu erfassen.
  • Die vorliegende Erfindung wurde eingedenk der vorbeschriebenen Umstände gemacht, wobei eine Aufgabe derselben darin besteht, eine Elektrizitätssammelvorrichtung bereitzustellen, die eine Expansion eines Außenhüllenmaterials erfassen kann, einen einfachen Aufbau aufweist, zu niedrigen Kosten herzustellen ist und ein hohes Niveau an Sicherheit erreicht.
  • Mittel zum Lösen des Problems
    • (1) Die vorliegende Erfindung stellt eine Elektrizitätssammelvorrichtung bereit, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie beinhaltet: ein Elektrizitätssammelelement; ein Außenhüllenmaterial, das dafür ausgelegt ist, das Elektrizitätssammelelement aufzunehmen; und einen Verformungssensor, der an einer dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angeordnet ist, wobei der Verformungssensor beinhaltet: eine Sensormembran, die ein Basismaterial, das aus einem Elastomer oder einem Harz besteht, und leitfähige Füllkörper, die das Basismaterial mit einer Füllrate von gleich oder mehr als 30 Vol.-% füllen, aufweist, wobei die Sensormembran einer Biegeverformung bei einer Expansion des Außenhüllenmaterials unterworfen wird, und wenigstens ein Paar von Elektroden, die mit der Sensormembran verbunden sind, wobei ein dreidimensionaler leitfähiger Weg in der Sensormembran durch einen Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern gebildet wird, ein elektrischer Widerstand bei einer Zunahme des Ausmaßes der Verformung der Sensormembran aus einem natürlichen Zustand heraus zunimmt und eine Expansion des Außenhüllenmaterials auf Grundlage der Schwankungen des elektrischen Widerstandes bei einer Biegeverformung der Sensormembran erfasst wird.
  • Das Elektrizitätssammelelement der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet ein Laminat aus einer Positivelektrode und einer Negativelektrode, ein Elektrolyt und dergleichen mehr zur Bildung einer Sekundärbatterie, eines Kondensators oder dergleichen. Die dehnungsfähige Oberfläche ist eine Oberfläche, die durch einen Gasdruck in demjenigen Fall nach außen anschwillt, in dem Gas innerhalb des Außenhüllenmaterials erzeugt wird.
  • Der Verformungssensor der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Sensormembran, die ein Basismaterial aufweist, das aus einem Elastomer oder einem Harz besteht. Daher bietet der Verformungssensor eine hervorragende Bearbeitbarkeit und einen hohen Freiheitsgrad bei der Formgebung. Damit kann der Verformungssensor entlang der Form der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angeordnet werden. Dies ermöglicht, dass die Expansion des Außenhüllenmaterials genauer erfasst wird. Darüber hinaus ist die Sensormembran an der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angeordnet. Die Sensormembran wird einer Biegeverformung durch eine Versetzung der dehnungsfähigen Oberfläche unterworfen. Dies bedeutet, dass die Versetzung infolge einer Expansion des Außenhüllenmaterials direkt in die Sensormembran eingegeben wird. Damit kann eine Expansion des Außenhüllenmaterials sogar in einem Fall leicht erfasst werden, in dem die Versetzung des Außenhüllenmaterials klein ist, so beispielsweise in einer Anfangsphase der Expansion.
  • Die Füllrate der leitfähigen Füllkörper, die die Sensormembran füllen, ist auf das Volumen der Sensormembran von 100 Vol.-% bezogen. Da die Sensormembran mit den leitfähigen Füllkörpern mit einer hohen Füllrate von gleich oder mehr als 30 Vol.-% gefüllt ist, wird ein dreidimensionaler leitfähiger Weg in der Sensormembran in einem natürlichen Zustand (nicht verformter Zustand) durch einen Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern gebildet. Wird die Sensormembran verformt, so stoßen die leitfähigen Füllkörper einander ab und ändern den Kontaktzustand zwischen den leitfähigen Füllkörpern. Sodann wird der Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern unterbrochen, und es wird der leitfähige Weg durchschnitten, was eine Zunahme des elektrischen Widerstandes bewirkt. Stellt die Sensormembran ihren natürlichen Zustand wieder her, so wird der Kontaktzustand zwischen den leitfähigen Füllkörpern wieder hergestellt, was eine Abnahme des elektrischen Widerstandes bewirkt.
  • Damit kann bei der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung eine Expansion des Außenhüllenmaterials auf Grundlage von Schwankungen des elektrischen Widerstandes bei einer Biegeverformung der Sensormembran erfasst werden. Damit wird die Sicherheit der Elektrizitätssammelvorrichtung verbessert. Zudem kann die Lebensdauer der Elektrizitätssammelvorrichtung durch Steuern bzw. Regeln eines Ladens und Entladens unter Verwendung des Expansionsverhaltens des Außenhüllenmaterials verbessert werden. Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Sensormembran nicht notwendigerweise in ihrem natürlichen Zustand angeordnet. So kann die Sensormembran beispielsweise in einem Zustand angeordnet sein, in dem sie von vorneherein einer Biegeverformung unterworfen ist. Darüber hinaus beinhaltet die Biegeverformung der Sensormembran, die bei einer Expansion des Außenhüllenmaterials bewirkt wird, sowohl ein Biegen aus einem natürlichen Zustand heraus wie auch ein Wiederherstellen aus einem gebogenen Zustand heraus in einen natürlichen Zustand hinein.
    • (2) Bei dem Aufbau entsprechend (1) kann die Sensormembran vorzugsweise derart angeordnet sein, dass sie sich von einem Ende zu dem anderen Ende der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials erstreckt.
  • Bei dem Aufbau ist die Sensormembran derart angeordnet, dass sie sich von einem Ende zu dem anderen Ende der dehnungsfähigen Oberfläche erstreckt. Daher kann die Expansion des Außenhüllenmaterials leicht und fehlerfrei erfasst werden. Bei dem Aufbau kann darüber hinaus der Verformungssensor an der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet sein. Dies erleichtert die Herstellung der Elektrizitätssammelvorrichtung. Bei dem in Form eines Blattes bzw. Bogens ausgebildeten Verformungssensor nimmt zudem die Größe der Elektrizitätssammelvorrichtung auch dann nicht zu, wenn der Verformungssensor an der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet ist. Daher kann eine Mehrzahl von Elektrizitätssammelvorrichtungen laminiert werden, um ein Modul mit raumsparendem Aufbau zu bilden.
  • Bei dem Aufbau kann die Sensormembran an einem Teil der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet sein, oder sie kann auch derart angeordnet sein, dass sie die gesamte dehnungsfähige Oberfläche bedeckt. Zudem wird die Expansion leicht um die Mitte der dehnungsfähigen Oberfläche herum bewirkt. Dies bedeutet, dass das Außenhüllenmaterial um die Mitte der dehnungsfähigen Oberfläche herum merklich versetzt wird. Daher ist es in einem Fall, in dem die Sensormembran an einem Teil der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet ist, wünschenswert, dass die Sensormembran derart angeordnet ist, dass sie eine Fläche um die Mitte der dehnungsfähigen Oberfläche herum bedeckt.
    • (3) Bei dem Aufbau entsprechend (1) kann der Verformungssensor vorzugsweise ein Substrat beinhalten, an dem die Sensormembran angeordnet ist, mit der Sensormembran auf einer der dehnungsfähigen Oberfläche zu eigenen Seite des Außenhüllenmaterials angeordnet sein und des Weiteren ein Verformungseingabeelement beinhalten, das auf einer Substratseite angeordnet und dafür ausgelegt ist, die Sensormembran zusammen mit dem Außenhüllenmaterial bei einer Expansion des Außenhüllenmaterials zu drücken, um ein Ausmaß der Biegeverformung der Sensormembran zu vergrößern.
  • Bei dem Aufbau ist wenigstens ein Teil der Sensormembran des Verformungssensors zwischen dem Außenhüllenmaterial und dem Verformungseingabeelement angeordnet. Expandiert das Außenhüllenmaterial, so wird die Sensormembran gegen das Verformungseingabeelement gedrückt, was mit einer Biegeverformung einhergeht. Dies bedeutet, dass bei dem Aufbau die Sensormembran einer Biegeverformung hauptsächlich durch eine Anlage an dem Verformungseingabeelement unterworfen wird. Daher ist das Ausmaß der Biegeverformung der Sensormembran im Vergleich zu einem Fall groß, in dem die Sensormembran einer Biegeverformung lediglich durch die Expansion des Außenhüllenmaterials unterworfen wird. Dies bewirkt eine größere Zunahme des elektrischen Widerstandes in Bezug auf die Versetzung des Außenhüllenmaterials. Dies bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Verformungssensors verbessert werden kann. Daher kann die Expansion des Außenhüllenmaterials sogar in einem Fall erfasst werden, in dem die Versetzung der dehnungsfähigen Oberfläche klein ist.
  • Wie vorstehend erläutert worden ist, wird eine Expansion um die Mitte der dehnungsfähigen Oberfläche herum leicht bewirkt. Daher wirkt eine Druckkraft von dem Verformungseingabeelement leichter auf die Sensormembran ein, wenn die Sensormembran derart angeordnet ist, dass sie eine Fläche um die Mitte der dehnungsfähigen Oberfläche herum bedeckt. Dies erhöht das Ausmaß der Biegeverformung der Sensormembran. Daher kann die Empfindlichkeit des Verformungssensors in größerem Ausmaß verbessert werden.
  • Das Verformungseingabeelement kann direkt an dem Außenhüllenmaterial oder an einem anderen Element angeordnet sein. In demjenigen Fall, in dem die Elektrizitätssammelvorrichtung des Weiteren ein Gehäuse beinhaltet, kann beispielsweise das Verformungseingabeelement an dem Gehäuse angeordnet sein. Zudem können das Verformungseingabeelement und der Verformungssensor miteinander in einem Zustand vor der Expansion des Außenhüllenmaterials in Kontakt stehen. In einem Fall, in dem das Verformungseingabeelement und der Verformungssensor miteinander in einem Zustand vor der Expansion des Außenhüllenmaterials in Kontakt stehen, kann die anfängliche Expansion des Außenhüllenmaterials leichter erfasst werden.
    • (4) Bei dem Aufbau entsprechend (3) kann das Verformungseingabeelement vorzugsweise ein Stangenelement oder ein Fadenelement mit einem gekrümmten Oberflächenabschnitt sein, der an dem Verformungssensor anliegt, und das Stangenelement oder das Fadenelement kann derart angeordnet sein, dass es den Verformungssensor schneidet.
  • Bei dem Aufbau wird ein Stangenelement oder ein Fadenelement als Verformungseingabeelement verwendet. Das Stangenelement oder das Fadenelement ist derart angeordnet, dass es den Verformungssensor durchschneidet. Dies erlaubt eine verlässliche Eingabe einer Biegeverformung in die Sensormembran bei einfachem Aufbau.
    • (5) Bei dem Aufbau entsprechend (1) kann die dehnungsfähige Oberfläche des Außenhüllenmaterials vorzugsweise einen zurückgenommenen Abschnitt beinhalten und die Sensormembran kann in einem Zustand angeordnet sein, in dem sie einer Biegeverformung entlang des zurückgenommenen Abschnittes unterworfen wird.
  • Bei dem Aufbau ist die Sensormembran in einem Zustand angeordnet, in dem sie einer Biegeverformung in dem zurückgenommenen Abschnitt in der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials unterworfen wird. Expandiert das Außenhüllenmaterial, so wird der zurückgenommene Abschnitt näher hin zu einem flachen Zustand versetzt. Dies ermöglicht, dass die Sensormembran ihren natürlichen Zustand wiederherstellt, bevor sie einer Biegeverformung unterworfen wird. Die Expansion des Außenhüllenmaterials wird auf Grundlage von Schwankungen des elektrischen Widerstandes der Sensormembran erfasst, die im Laufe eines Vorganges bewirkt werden, bei dem die Sensormembran ihren natürlichen Zustand wiederherstellt. Bei diesem Aufbau kann zudem der Verformungssensor in dem zurückgenommenen Abschnitt in der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet sein. Dies erleichtert die Herstellung der Elektrizitätssammelvorrichtung. Daher kann entsprechend dem Aufbau die Expansion des Außenhüllenmaterials bequem und zu geringen Kosten unter Verwendung des zurückgenommenen Abschnittes in der dehnungsfähigen Oberfläche erfasst werden. Zudem ist der Verformungssensor in dem zurückgenommenen Abschnitt in der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet, weshalb die Elektrizitätssammelvorrichtung kompakt ausgebildet werden kann. Daher kann eine Mehrzahl von Elektrizitätssammelvorrichtungen laminiert werden, um ein Modul mit raumsparendem Aufbau zu bilden.
  • In demjenigen Fall, in dem ein Laminatfilm als Außenhüllenmaterial verwendet wird, wird beispielsweise eine Vakuumbildung vorgenommen, nachdem das Elektrizitätssammelelement von dem Laminatfilm bedeckt worden ist. Dies ermöglicht, dass der Laminatfilm eng entlang der Form des Elektrizitätssammelelementes anhaftet. Damit kann beispielsweise der zurückgenommene Abschnitt bequem in der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials durch vorab erfolgendes Bilden eines zurückgenommenen Abschnittes in einem Teil des Elektrizitätssammelelementes gebildet werden.
    • (6) Bei dem Aufbau entsprechend (1) kann das Außenhüllenmaterial vorzugsweise aus einem Filmelement bestehen, wobei die dehnungsfähige Oberfläche des Außenhüllenmaterials einen Dichtungsabschnitt beinhalten kann, an dem Endabschnitte des Filmelementes aneinander angebracht sind, die Sensormembran an der dehnungsfähigen Oberfläche und dem Dichtungsabschnitt, der kontinuierlich mit der dehnungsfähigen Oberfläche ist, angeordnet sein kann, und die Sensormembran einer Biegeverformung unterworfen werden kann, wenn das Außenhüllenmaterial expandiert, was bewirkt, dass der Dichtungsabschnitt aufrecht steht.
  • In demjenigen Fall, in dem das Außenhüllenmaterial aus einem Filmelement, so beispielsweise einem Laminatfilm, besteht, können das eine Ende und das andere Ende des Filmelementes aneinander mittels Wärmesiegeln (heat sealing) oder dergleichen zur Bildung einer Dichtung angebracht werden. Bei dem Aufbau wird die Expansion des Außenhüllenmaterials unter Verwendung des Dichtungsabschnittes erfasst, an dem Endabschnitte des Filmelementes aneinander angebracht sind. Dies bedeutet, dass die Sensormembran an der dehnungsfähigen Oberfläche und dem Dichtungsabschnitt, der mit der dehnungsfähigen Oberfläche kontinuierlich ist, angebracht ist. Mit anderen Worten, die Sensormembran ist über die dehnungsfähige Oberfläche und den Dichtungsabschnitt hinweg angeordnet. Expandiert das Außenhüllenmaterial, so steht der Dichtungsabschnitt aufrecht. Infolgedessen wird die Sensormembran gebogen. Die Expansion des Außenhüllenmaterials wird auf Grundlage von Schwankungen des elektrischen Widerstandes der Sensormembran infolge dieses Prozesses erfasst. Bei dem Aufbau kann zudem der Verformungssensor derart angeordnet werden, dass ein Teil der Sensormembran den Dichtungsabschnitt überlappt. Dies erleichtert die Herstellung der Elektrizitätssammelvorrichtung. Daher kann entsprechend dem Aufbau eine Expansion des Außenhüllenmaterials bequem und zu geringen Kosten unter Verwendung des Dichtungsabschnittes erfasst werden. Zudem ist der Verformungssensor an dem Dichtungsabschnitt der dehnungsfähigen Oberfläche angeordnet. Daher nimmt die Größe der Elektrizitätssammelvorrichtung sogar dann nicht zu, wenn der Verformungssensor vorgesehen ist. Daher kann eine Mehrzahl von Elektrizitätssammelvorrichtungen laminiert werden, um ein Modul mit raumsparendem Aufbau zu bilden.
    • (7) Bei dem Aufbau entsprechend (1) kann die Elektrizitätssammelvorrichtung vorzugsweise des Weiteren ein Gehäuse umfassen, das dafür ausgelegt ist, das Elektrizitätssammelelement, das Außenhüllenmaterial und den Verformungssensor aufzunehmen, wobei ein Ende des Verformungssensors an dem Gehäuse angebracht sein kann und das andere Ende des Verformungssensors an der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angebracht sein kann.
  • Bei dem Aufbau ist der Verformungssensor derart angeordnet, dass er sich zwischen dem Gehäuse und dem Außenhüllenmaterial erstreckt. Expandiert das Außenhüllenmaterial, so wird der Spalt zwischen dem Gehäuse und dem Außenhüllenmaterial verringert. Infolgedessen wird die Sensormembran des Verformungssensors gebogen. Die Expansion des Außenhüllenmaterials wird auf Grundlage von Schwankungen des elektrischen Widerstandes der Sensormembran infolge dieses Prozesses erfasst. Daher kann entsprechend dem Aufbau die Expansion des Außenhüllenmaterials bequem und zu geringen Kosten unter Verwendung des Gehäuses erfasst werden.
    • (8) Bei dem Aufbau entsprechend irgendeinem der Punkte (1) bis (7) kann das Basismaterial der Sensormembran vorzugsweise ein Harz sein, wobei Risse vorab in der Sensormembran derart ausgebildet werden, dass sie sich in einer derartigen Richtung erstrecken, dass der leitfähige Weg durchschnitten wird, wenn die Sensormembran einer Biegeverformung unterworfen wird.
  • Die Sensormembran entsprechend dem Aufbau wird durch Füllen eines Harzes mit leitfähigen Füllkörpern gebildet. Wie unter (1) vorstehend beschrieben worden ist, wird ein dreidimensionaler leitfähiger Weg in der Sensormembran durch einen Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern gebildet, und es nimmt der elektrische Widerstand bei einer Zunahme des Ausmaßes der Verformung aus einem natürlichen Zustand heraus zu. Zudem werden vorab Risse in der Sensormembran entsprechend dem Aufbau derart ausgebildet, dass sie sich in einer derartigen Richtung erstrecken, dass der leitfähige Weg durchschnitten wird, wenn die Sensormembran einer Biegeverformung unterworfen wird. 12 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer vergrößerten Umgebung eines Teiles eines Risses in der Sensormembran. 12 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung der Sensormembran entsprechend dem Aufbau. Daher beschränkt 12 die Form des Risses, die Richtung der Erstreckung des Risses, die Form der leitfähigen Füllkörper oder dergleichen mehr überhaupt nicht. 12A zeigt einen natürlichen Zustand vor der Biegeverformung, während 12B einen Zustand nach der Biegeverformung zeigt.
  • Wie in 12A gezeigt ist, beinhaltet eine Sensormembran 800 ein Harz 801, das als Basismaterial dient, leitfähige Füllkörper 802 und einen Riss 803. Ein leitförmiger Weg P ist in der Sensormembran 800 durch einen Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern 802 ausgebildet. Der Riss 803 ist derart ausgebildet, dass er sich in einer Richtung erstreckt, die die Links-Rechts-Richtung (Dehnungsrichtung) in 12 schneidet. Wird die Sensormembran 800 einer Biegeverformung mit Dehnung in der Links-Rechts-Richtung unterworfen, so wird der Riss 803, wie in 12B gezeigt ist, geöffnet. Infolgedessen wird der Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern 802 unterbrochen, und es wird der leitfähige Weg P durchschnitten. Dies führt zu einer Zunahme des elektrischen Widerstandes. Stellt die Sensormembran 800 ihren ursprünglichen Zustand (den natürlichen Zustand von 12A) wieder her, so kehrt der Riss 803 ebenfalls in seinen ursprünglichen Zustand zurück.
  • Daher wird bei der Sensormembran entsprechend dem Aufbau der leitfähige Weg ohne die Notwendigkeit durchschnitten, auf eine elastische Verformung des Harzes zu warten, wenn eine Biegeverformung verursacht wird (Man beachte jedoch, dass ein Fall, in dem der leitfähige Weg durch eine elastische Verformung des Harzes durchschnitten wird, nicht ausgeschlossen ist). Daher ist es weniger wahrscheinlich, dass eine Reaktionsverzögerung bewirkt wird. Darüber hinaus wird der leitfähige Weg hauptsächlich durch das Öffnen des Risses durchschnitten. Damit kann sogar eine kleine Verformung im Vergleich zu einem Fall genau erfasst werden, in dem der leitfähige Weg nur durch eine elastische Verformung des Harzes durchschnitten wird. Daher kann eine Expansion des Außenhüllenmaterials sogar in einem Fall erfasst werden, in dem die Versetzung der dehnungsfähigen Oberfläche klein ist.
  • Effekte der Erfindung
  • Entsprechend der vorliegenden Erfindung kann eine Elektrizitätssammelvorrichtung bereitgestellt werden, die in der Lage ist, eine Expansion eines Außenhüllenmaterials zu erfassen, und dies mit einfachem Aufbau, zu niedrigen Kosten und zur Erreichung eines hohen Niveaus an Sicherheit.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend einem ersten Ausführungsbeispiel.
  • 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1 zum Zeitpunkt der Gaserzeugung.
  • 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend einem zweiten Ausführungsbeispiel.
  • 4 ist eine Schnittansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung.
  • 5 ist eine vergrößerte Ansicht innerhalb des Bereiches V von 4.
  • 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend einem dritten Ausführungsbeispiel.
  • 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII von 6.
  • 8 ist eine Schnittansicht einer Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend einem vierten Ausführungsbeispiel.
  • 9 ist eine Schnittansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung zum Zeitpunkt der Gaserzeugung.
  • 10 ist eine Schnittansicht einer Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend einem fünften Ausführungsbeispiel.
  • 11 ist ein Schaltungsmodelldiagramm zur Darstellung eines Beispieles für eine Ladeschaltung einer Elektrizitätssammelvorrichtung.
  • 12 ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer vergrößerten Umgebung eines Teiles eines Risses in einer Sensormembran zur Bildung eines Verformungssensors, wobei 12A einen natürlichen Zustand vor der Biegeverformung zeigt, während 12B einen Zustand nach der Biegeverformung zeigt.
  • 13 ist ein Graph zur Darstellung von zeitabhängigen Schwankungen des elektrischen Widerstandes eines Verformungssensors und eines Ausmaßes der Expansion eines Außenhüllenmaterials.
  • 14 ist ein Graph zur Darstellung von zeitabhängigen Schwankungen des elektrischen Widerstandes eines Verformungssensors und eines Ausmaßes der Expansion eines Außenhüllenmaterials.
  • 15 ist ein Graph zur Darstellung von zeitabhängigen Schwankungen des elektrischen Widerstandes eines Verformungssensors und eines Ausmaßes der Versetzung der unteren Oberfläche eines zurückgenommenen Abschnittes.
  • Ausführungsweisen der Erfindung
  • Nachstehend werden Elektrizitätssammelvorrichtungen entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
  • Erstes Ausführungsbeispiel
  • Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Zunächst wird der Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 2 ist eine Schnittansicht entlang der Linie II-II von 1 zum Zeitpunkt der Gaserzeugung. In 1 ist ein Abdeckfilm, der an der am weitesten oben befindlichen Oberfläche eines Verformungssensors angeordnet ist, nicht gezeigt, und es sind Elektroden als transparent gezeigt. Wie in 1 und 2 gezeigt ist, beinhaltet eine Elektrizitätssammelvorrichtung 1 ein Elektrizitätssammelelement 10, ein Außenhüllenmaterial 20 und einen Verformungssensor 30.
  • Das Elektrizitätssammelelement 10 weist die Form eines rechteckigen Parallelepipedes auf und beinhaltet ein Elektrodenlaminat (nicht gezeigt), in dem eine Mehrzahl von Zellen laminiert ist. Jede Zelle beinhaltet eine Positivelektrode und eine Negativelektrode, die einander gegenüberliegend über einen Separator angeordnet sind, sowie einen Stromkollektor. Die Positivelektrode und die Negativelektrode sind mit einer Elektrolytlösung imprägniert.
  • Das Außenhüllenmaterial 20 besteht aus einem Laminatfilm. Der Laminatfilm beinhaltet eine Aluminumfolie und ein Paar von Harzfilmen, die auf beiden Seiten des Aluminiumfilmes laminiert sind. Das Außenhüllenmaterial 20 beschichtet die Außenumfangsoberfläche des Elektrizitätssammelelementes 10. Eine obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 ist in der dehnungsfähigen Oberfläche entsprechend der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
  • Der Verformungssensor 30 ist an der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Der Verformungssensor 30 beinhaltet ein Substrat 31, eine Sensormembran 32, ein Paar von Elektroden 33a, 33b, Drähte 34a, 34b und einen Abdeckfilm 35.
  • Das Substrat 31 besteht aus Polyimid und weist die Form eines L-förmigen Bandes bzw. Gurtes auf. Das Substrat 31 beinhaltet einen Sensorabschnitt 310 und einen Verdrahtungsabschnitt 311. Der Sensorabschnitt 310 ist derart angeordnet, dass er sich von dem linken Ende zu dem rechten Ende der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 erstreckt. Der Sensorabschnitt 310 ist derart angeordnet, dass er eine Fläche um die Mitte der oberen Oberfläche 21 herum bedeckt.
  • Die Sensormembran 32 verfügt über die Form eines Bandes bzw. Gurtes mit Erstreckung in der Links-Rechts-Richtung. Die Sensormembran 32 ist an der oberen Oberfläche des Sensorabschnittes 310 des Substrates 31 angeordnet. Die Sensormembran 32 ist mit einer Erstreckung von dem linken Ende zu dem rechten Ende der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Die Sensormembran 32 wird mittels Füllen von EPDM (Ethylen-Propylen-Dien-Kopolymer) mit Carbonperlen bzw. Kohlenstoffperlen (leitfähige Füllkörper) gebildet. Die Füllrate der Carbonperlen liegt bei etwa 45 Vol.-% bezogen auf das Volumen der Sensormembran 32 von 100 Vol.-%.
  • Jede von dem Paar von Elektroden 33a, 33b weist die Form eines dünnen Stücks auf. Jede von dem Paar von Elektroden 33a, 33b ist zwischen dem Substrat 31 und der Sensormembran 32 angeordnet. Die Elektrode 33a ist an dem linken Ende der Sensormembran 32 angeordnet. Ein erstes Ende des Drahtes 34a ist mit der Elektrode 33a verbunden. Die Elektrode 33b ist an dem rechten Ende der Sensormembran 32 angeordnet. Ein erstes Ende des Drahtes 34b ist mit der Elektrode 33b verbunden.
  • Die Drähte 34a, 34b sind an den oberen Oberflächen des Sensorabschnittes 310 und des Verdrahtungsabschnittes 311 des Substrates 31 angeordnet. Jedes der zweiten Enden der Drähte 34a, 34b ist mit einer Steuer- bzw. Regeleinheit (nicht gezeigt) verbunden.
  • Der Abdeckfilm 35 besteht aus Acrylgummi und weist die Form eines L-förmigen Bandes bzw. Gurtes wie bei dem Substrat 31 auf. Der Abdeckfilm 35 deckt das Substrat 31, die Sensormembran 32 und die Drähte 34a, 34b von oben her ab.
  • Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Nachstehend wird der Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Wird ein Gas in dem Elektrizitätssammelelement 10 erzeugt, wie durch die weißen Pfeile in 2 angedeutet ist, so schwillt die obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 nach oben an. Sodann wird der Verformungssensor 30 ebenfalls von unten her zusammen mit der oberen Oberfläche 21 nach oben geschoben. Dies bewirkt, dass die Sensormembran 32 einer Biegeverformung unterworfen wird, was eine Wölbung nach oben bewirkt.
  • In einem natürlichen Zustand vor der Biegeverformung gemäß Darstellung in 1 ist eine Vielzahl von leitfähigen Wegen in der Sensormembran 32 durch einen Kontakt zwischen den Carbonperlen ausgebildet. Damit ist der elektrische Widerstand der Sensormembran 32, der zwischen den Elektroden 33a, 33b erfasst wird, vergleichsweise niedrig. In einem Zustand nach der Biegeverformung der Sensormembran 32 gemäß Darstellung in 2 sind jedoch die leitfähigen Wege aufgrund einer Änderung des Kontaktzustandes zwischen den leitfähigen Perlen durchschnitten. Dies erhöht den elektrischen Widerstand der Sensormembran 32, der zwischen den Elektroden 33a, 33b erfasst wird, derart, dass er höher als der elektrische Widerstand in dem natürlichen Zustand vor der Biegeverformung ist. Daher wird eine Expansion des Außenhüllenmaterials 20 in der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 auf Grundlage einer Zunahme des ausgegebenen elektrischen Widerstandes erfasst.
  • Funktionen und Effekte
  • Nachstehend werden Funktionen und Effekte der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind das Substrat 31, die Sensormembran 32 und der Abdeckfilm 35, die den Verformungssensor 30 bilden, alle flexibel. Daher kann der Verformungssensor 30 derart angeordnet werden, dass er zur Form der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 passt. Dies erlaubt eine genaue Erfassung der Expansion des Außenhüllenmaterials 20. Darüber hinaus wird die Versetzung der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 direkt in die Sensormembran 32 über das Substrat 31 eingegeben. Daher kann die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 leicht sogar in einem Fall erfasst werden, in dem die Versetzung der oberen Oberfläche 21 klein ist, so beispielsweise in der anfänglichen Phase der Expansion.
  • Darüber hinaus ist die Sensormembran 32 mit einer Erstreckung von dem linken Ende zu dem rechten Ende der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Daher kann die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 leicht und fehlerlos erfasst werden. Des Weiteren ist die Sensormembran 32 derart angeordnet, dass sie eine Fläche um die Mitte der oberen Oberfläche 21 herum umfasst. Die Expansion wird tendenziell um die Mitte der oberen Oberfläche 21 herum erzeugt. Dies bedeutet, dass die Versetzung um die Mitte der oberen Oberfläche 21 herum größer als die Versetzung um die vier Seiten der oberen Oberfläche 21 herum ist. Daher kann eine Expansion des Außenhüllenmaterials 20 leicht erfasst werden.
  • Darüber hinaus kann die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 leicht durch Anbringen des Verformungssensors 30 an der oberen Oberfläche des Außenhüllenmaterials 20 hergestellt werden. Zudem weist der Verformungssensor 30 eine Form eines Bogens bzw. einer Platte auf. Daher kann die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 kompakt ausgebildet werden. Damit kann eine Mehrzahl von Elektrizitätssammelvorrichtungen 1 leicht laminiert werden, um ein Modul mit raumsparendem Aufbau zu bilden.
  • Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 auf Grundlage einer Zunahme des elektrischen Widerstandes bei einer Biegeverformung der Sensormembran 32 erfasst werden. Damit stellt die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 ein hohes Niveau an Sicherheit bereit. Darüber hinaus kann die Lebensdauer der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 durch Steuern bzw. Regeln des Ladens bzw. Entladens unter Verwendung des Expansionsverhaltens des Außenhüllenmaterials 20 verbessert werden. Zudem ist es nicht notwendig, getrennt eine Schutzschaltung vorzusehen, die das Laden in dem Fall anhält, in dem die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 einen vorgeschriebenen Wert übersteigt, indem eine Sensorschaltung in einer Ladeschaltung des Elektrizitätssammelelementes 10 gemäß nachstehender Beschreibung eingebaut wird. 11 zeigt ein Beispiel für die Ladeschaltung.
  • Wie in 11 gezeigt ist, werden der elektrische Widerstand Rx der Sensormembran 32 und der Referenzwiderstand R0 verglichen, um das ON/OFF eines IGBT (Isolierungsgate-Bipolartransistor) zu steuern bzw. zu regeln. Infolgedessen kann der IGBT abgeschaltet werden, um das Laden des Elektrizitätssammelelementes 10 in dem Fall anzuhalten, in dem der elektrische Widerstand Rx der Sensormembran 32 größer als der Referenzwiderstand R0 wird, das heißt in demjenigen Fall, in dem beispielsweise das Außenhüllenmaterial 20 merklich expandiert.
  • Zweites Ausführungsbeispiel
  • Die Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich durch den Aufbau des Verformungssensors sowie dadurch, dass ein Verformungseingabeelement vorgesehen ist. Nachstehend werden nur die Unterschiede beschrieben.
  • Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Zunächst wird der Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. 3 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 4 ist eine Schnittansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung. 5 ist eine vergrößerte Ansicht innerhalb des Bereiches V von 4. 3 entspricht 1. Elemente in 3, die denjenigen in 1 entsprechen, sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In 3 sind die Elektroden, die Sensormembran und die Drähte des Verformungssensors transparent dargestellt. In 5 ist zur leichteren Beschreibung ein Riss C1 übertrieben dargestellt. Wie in 3 bis 5 gezeigt ist, beinhaltet die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 einen Vorrichtungshauptkörper 40, ein Gehäuse 41 und ein Stangenelement 42. Der Vorrichtungshauptkörper 40 beinhaltet das Elektrizitätssammelelement 10, das Außenhüllenmaterial 20 und einen Verformungssensor 50.
  • Der Verformungssensor 50 ist an der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Der Verformungssensor 50 beinhaltet ein Substrat 51, eine Sensormembran 25, ein Paar von Elektroden 53a, 53b und Drähte 54a, 54b.
  • Das Substrat 51 besteht aus Polyimid und weist die Form eines L-förmigen Bandes bzw. Gurtes auf. Das Substrat 51 beinhaltet einen Sensorabschnitt 510 und eine Verdrahtungsabschnitt 511. Der Sensorabschnitt 510 ist mit Erstreckung von dem linken Ende zu dem rechten Ende der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Der Sensorabschnitt 510 ist derart angeordnet, dass er eine Fläche um die Mitte der oberen Oberfläche 21 herum bedeckt.
  • Die Sensormembran 52 weist die Form eines kurzen Streifens mit Erstreckung in der Links-Rechts-Richtung auf. Die Sensormembran 52 ist um die Mitte der unteren Oberfläche des Sensorabschnittes 510 herum angeordnet. Dies bedeutet, dass die Sensormembran 52 zwischen dem Substrat 51 und der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet ist. Die Sensormembran 52 ist mit der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 verbunden.
  • Die Sensormembran 52 wird durch Füllen eines Epoxidharzes mit Carbonperlen gebildet. Die Füllrate der Carbonperlen liegt bei etwa 45 Vol.-% bezogen auf das Volumen der Sensormembran 52 von 100 Vol.-%. In einem natürlichen Zustand vor der Biegeverformung ist eine Vielzahl von leitfähigen Wegen in der Sensormembran 52 durch einen Kontakt zwischen den Carbonperlen gebildet. Darüber hinaus ist, wie schematisch in 5 gezeigt ist, eine Mehrzahl von Rissen C1 vorab in der Sensormembran 52 gebildet. Die Risse C1 sind derart gebildet, dass die leitfähigen Wege durchschnitten werden, wenn die Sensormembran 52 einer Biegeverformung unterworfen wird. Dies bedeutet, dass die Risse C1 mit Erstreckung in der Dickenrichtung (Oben-Unten-Richtung) der Sensormembran 52 gebildet werden.
  • Ein Verfahren zur Herstellung der Sensormembran 52 wird nunmehr beschrieben. Zunächst werden ein Epoxidharz vor dessen Aushärtung, ein Aushärtmittel und Carbonperlen gemischt, woraus sich eine Sensorfarbe ergibt. Als Nächstes wird die Sensorfarbe auf die Oberfläche des Substrates 51 aufgebracht. Sodann wird das Substrat 51 mit der beschichteten Membran der Sensorfarbe auf der Innenseite krümmt und erwärmt, damit die beschichtete Membran aushärtet. Anschließend kehrt das Substrat 51 von dem gekrümmten Zustand in den ursprünglichen flachen Zustand zurück. Bei diesem Vorgang werden Risse C1 in der ausgehärteten beschichteten Membran (Sensormembran) gebildet.
  • Jede von dem Paar von Elektroden 53a, 53b weist die Form eines dünnen Stücks auf. Jede von dem Paar von Elektroden 53a, 53b ist zwischen dem Substrat 51 und der Sensormembran 52 angeordnet. Die Elektrode 53a ist an dem linken Ende der Sensormembran 52 angeordnet. Ein erstes Ende des Drahtes 54a ist mit der Elektrode 53a verbunden. Die Elektrode 53b ist an dem rechten Ende der Sensormembran 52 angeordnet. Ein erstes Ende des Drahtes 54b ist mit der Elektrode 53b verbunden.
  • Die Drähte 54a, 54b sind an den unteren Oberflächen des Sensorabschnittes 510 und des Verdrahtungsabschnittes 511 des Substrates 51 angeordnet. Jedes der zweiten Enden der Drähte 54a, 54b ist mit einer Steuer- bzw. Regeleinheit (nicht gezeigt) verbunden.
  • Das Gehäuse 41 beinhaltet einen Hauptkörperabschnitt 43, einen Deckelabschnitt 44 und ein Paar von Abfederungsmaterialien 45a, 45b. Der Hauptkörperabschnitt 43 weist die Form eines Kastens auf. Der Hauptkörperabschnitt 43 nimmt den Vorrichtungshauptkörper 40 zusammen mit dem Paar von Abfederungsmaterialien 45a, 45b auf. Das Abfederungsmaterial 45a besteht aus thermoplastischem Gummi und weist die Form eines rechteckigen Parallelepipeds auf. Ein stütztechnischer zurückgenommener Abschnitt 450a ist in dem Abfederungsmaterial 45a ausgebildet. Das linke Ende des Vorrichtungshauptkörpers 40 ist in dem stütztechnischen zurückgenommenen Abschnitt 450a ausgebildet. Auf ähnliche Weise besteht das Abfederungsmaterial 45b aus thermoplastischem Gummi und weist die Form eines rechteckigen Parallelepipeds auf. Ein stütztechnischer zurückgenommener Abschnitt 450b ist in dem Abfederungsmaterial 45b ausgebildet. Das rechte Ende des Vorrichtungshauptkörpers 40 ist in dem stütztechnischen zurückgenommenen Abschnitt 450b aufgenommen. Der Deckelabschnitt 44 ist derart angeordnet, dass er die obere Öffnung des Hauptkörperabschnittes 43 bedeckt. Ein Anbringabschnitt 440 mit Erstreckung in der Vorne-Hinten-Richtung ist an der unteren Oberfläche des Deckelabschnittes 44 angeordnet.
  • Das Stangenelement 42 weist die Form einer kreisförmigen Säule mit Erstreckung in der Vorne-Hinten-Richtung auf. Das Stangenelement 42 ist an dem Anbringabschnitt 440 des Deckelabschnittes 44 angebracht. Das Stangenelement 42 beinhaltet einen gekrümmten Oberflächenabschnitt 420. Der gekrümmte Oberflächenabschnitt 420 liegt an der oberen Oberfläche des Substrates 51 des Verformungssensors 50 an. Das Stangenelement 42 ist mit einer Erstreckung im Allgemeinen senkrecht zu einer Linie, die eine Verbindung zwischen dem Paar von Elektroden 53a, 53b des Verformungssensors 50 herstellt, angeordnet. Mit anderen Worten, das Stangenelement 42 ist mit einer Erstreckung im Allgemeinen senkrecht zu der Sensormembran 52 angeordnet.
  • Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Nachstehend wird der Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Wird ein Gas in dem Elektrizitätssammelelement 10, wie vergrößert in 5 gezeigt ist, erzeugt, so schwillt die obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 nach oben an. Sodann wird der Verformungssensor 50 ebenfalls von unten her zusammen mit der oberen Oberfläche 21 nach oben geschoben. Bei diesem Vorgang wird die Sensormembran 52 durch das Stangenelement 42 gedrückt und einer Biegeverformung mit Wölbung nach unten entlang des gekrümmten Oberflächenabschnittes 420 des Stangenelementes 42 unterworfen.
  • Wird die Sensormembran 52 gebogen, so werden die Risse C1 in der Sensormembran 52 geöffnet. Infolgedessen werden die leitfähigen Wege durchschnitten. Darüber hinaus werden die leitfähigen Wege durch eine Änderung des Kontaktzustandes zwischen den Carbonperlen durchschnitten. Im Ergebnis wird der elektrische Widerstand der Sensormembran 52, der zwischen den Elektroden 53a, 53b erfasst wird, größer als der elektrische Widerstand in einem Zustand vor der Biegeverformung. Damit wird die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 in der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 auf Grundlage einer Zunahme des ausgegebenen elektrischen Widerstandes erfasst.
  • Funktionen und Effekte
  • Nachstehend werden Funktionen und Effekte der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht dieselben Funktionen und Effekte wie diejenigen des ersten Ausführungsbeispieles für einen Abschnitt, den sie mit der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel gemeinsam hat. Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zusätzlich die Sensormembran 52 einer Biegeverformung hauptsächlich durch eine Anlage an dem Stangenelement 42 unterworfen. Damit ist das Ausmaß der Biegeverformung der Sensormembran 52 im Vergleich zu einem Fall größer, in dem die Sensormembran 52 einer Biegeverformung nur durch die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 unterworfen wird. Dies bewirkt eine größere Zunahme des elektrischen Widerstandes in Bezug auf eine Versetzung des Außenhüllenmaterials 20. Dies bedeutet, dass die Empfindlichkeit des Verformungssensors 50 mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau verbessert werden kann, bei dem das Stangenelement 52 vorgesehen ist. Damit kann bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 sogar in einem Fall erfasst werden, in dem die Versetzung der oberen Oberfläche 21 klein ist.
  • Darüber hinaus liegen das Stangenelement 42 und der Verformungssensor 50 aneinander in einem Zustand vor der Expansion des Außenhüllenmaterials 20 an. Dies ermöglicht, dass eine Biegeverformung der Sensormembran 52 in der anfänglichen Phase der Expansion des Außenhüllenmaterials 20 beginnt. Damit kann die anfängliche Expansion des Außenhüllenmaterials 20 genau erfasst werden. Darüber hinaus ist das Stangenelement 42 mit Erstreckung im Allgemeinen senkrecht zu der Sensormembran 52 angeordnet. Daher wird die Sensormembran 52 leicht der Biegeverformung unterworfen.
  • Zusätzlich sind die Risse C1 in der Sensormembran 52 ausgebildet. Wird die Sensormembran 52 der Biegeverformung unterworfen, so werden die Risse C1 geöffnet. Infolgedessen werden leitfähige Wege durchschnitten, und der elektrische Widerstand der Sensormembran 52 nimmt unmittelbar zu. Damit wird eine kurze Reaktionsverzögerung bewirkt. Darüber hinaus werden die leitfähigen Wege hauptsächlich durch das Öffnen der Risse C1 durchschnitten. Damit kann sogar eine kleine Verformung im Vergleich zu einem Fall genau erfasst werden, in dem die leitfähigen Wege nur durch eine elastische Verformung des Epoxidharzes durchschnitten werden. Damit kann eine Expansion des Außenhüllenmaterials 20 sogar in einem Fall erfasst werden, in dem die Versetzung der oberen Oberfläche 21 klein ist.
  • Drittes Ausführungsbeispiel
  • Die Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich durch Aufbau und Anordnung des Verformungssensors. Nachfolgend werden nur die Unterschiede beschrieben.
  • Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Zunächst wird der Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. 6 ist eine perspektivische Ansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 7 ist eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII von 6. 6 entspricht 1. Es werden Elemente in 6, die denjenigen in 1 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. In 6 sind die Elektroden, die Sensormembran und die Drähte des Verformungssensors transparent dargestellt. Wie in 6 und 7 gezeigt ist, beinhaltet die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 das Elektrizitätssammelelement 10, das Außenhüllenmaterial 20 und den Verformungssensor 50.
  • Ein zurückgenommener Abschnitt 22 ist um die Mitte des vorderen Endabschnittes der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 herum ausgebildet. Der zurückgenommene Abschnitt 22 weist im Schnitt die Form eines Trapezes bzw. Trapezoides auf. Der Verformungssensor 50 beinhaltet das Substrat 51, die Sensormembran 52, das Paar von Elektroden 53a, 54a und die Drähte 54a, 54b. Der Aufbau des Verformungssensors 50 ist derselbe wie beim zweiten vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel. Daher wird auf eine Beschreibung hiervon verzichtet.
  • Der Verdrahtungsabschnitt 511 des Substrates 51 des Verformungssensors 50 ist entlang des rechten Endes der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Der Sensorabschnitt 510 des Substrates 51 ist entlang dem vorderen Ende der oberen Oberfläche 21 angeordnet. Ein Abschnitt des Sensorabschnittes 510 um dessen Mitte herum wird bei gleichzeitiger Biegung derart angeordnet, dass er zur Form des zurückgenommenen Abschnittes 22 passt. Die Sensormembran 52 ist um die Mitte der unteren Oberfläche des Sensorabschnittes 510 herum angeordnet. Die Sensormembran 52 wird angeordnet, während sie einer Biegeverformung derart unterworfen wird, dass sie der Form des zurückgenommenen Abschnittes 22 entspricht.
  • Ein Verfahren zur Herstellung des Verformungssensors 50 wird nachstehend beschrieben. Zunächst wird ein gekerbter Abschnitt, der allgemein dieselbe Form wie die Form des zurückgenommenen Abschnittes 22 aufweist, um die Mitte des vorderen Endes der oberen Oberfläche des Elektrizitätssammelelementes 10 herum ausgebildet. Als Nächstes wird das Elektrizitätssammelelement 10 durch das Außenhüllenmaterial 20 beschichtet. Anschließend wird der Verformungssensor 50 entlang dem vorderen Ende und dem rechten Ende der oberen Oberfläche des Außenhüllenmaterials 20 verbunden. Anschließend wird Luft innerhalb des Außenhüllenmaterials 20 mittels Vakuumbildung entfernt. Sodann haftet das Außenhüllenmaterial 20 an der Außenumfangsoberfläche des Elektrizitätssammelelementes 10 eng an. Im Ergebnis wird der zurückgenommene Abschnitt 22 in der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 entlang des gekerbten Abschnittes des Elektrizitätssammelelementes 10 gebildet. Gleichzeitig wird ein Abschnitt des Sensorabschnittes 510 entlang der Mitte hiervon ebenfalls derart verformt, dass er zur Form des zurückgenommenen Abschnittes 22 zusammen mit dem Außenhüllenmaterial 20 passt. Bei diesem Vorgang wird eine Zugwölbung (tensile warp) in die Sensormembran 52 eingegeben. Sodann wird die Sensormembran 52 angeordnet, während sie einer Biegeverformung derart unterworfen wird, dass sie der Form des zurückgenommenen Abschnittes 22 entspricht.
  • Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Nachstehend wird der Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Wird ein Gas in dem Elektrizitätssammelelement 10 erzeugt, so schwillt die obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 nach oben an. Bei diesem Vorgang schwillt die untere Oberfläche des zurückgenommenen Abschnittes 22 ebenfalls nach oben an. Dies bewirkt, dass der Verformungssensor 50 von unten her zusammen mit dem zurückgenommenen Abschnitt 22 nach oben geschoben wird und an einen flachen Zustand (natürlicher Zustand) herangebracht wird. Dies bedeutet, dass die Sensormembran 52 gedrängt wird, in ihren natürlichen Zustand zurückzukehren, bevor sie einer Biegeverformung unterworfen wird.
  • Bei der Sensormembran 52 in dem Biegeverformungszustand vor der Gaserzeugung sind einige der leitfähigen Wege aufgrund einer Öffnung der Risse C1 und Schwankungen im Kontaktzustand zwischen den Carbonperlen durchschnitten. Damit ist der elektrische Widerstand der Sensormembran 52, der zwischen den Elektroden 53a, 53b erfasst wird, vergleichsweise groß. Im Verlauf des Vorgangs, bei dem die Sensormembran 52 ihren natürlichen Zustand nach der Gaserzeugung wiederherstellt, werden die Risse C1 indes geschlossen, und es wird der Kontaktzustand zwischen den Carbonperlen wiederhergestellt, sodass sich leitfähige Wege bilden. Dies verringert den elektrischen Widerstand der Sensormembran 52, der zwischen den Elektroden 53a, 53b erfasst wird, dahingehend, dass er niedriger als der elektrische Widerstand in dem Biegeverformungszustand ist. Damit wird die Anfangsphase der Expansion des Außenhüllenmaterials 20 in der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 auf Grundlage einer Abnahme des ausgegebenen elektrischen Widerstandes erfasst.
  • Funktionen und Effekte
  • Nachstehend werden Funktionen und Effekte der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht dieselben Funktionen und Effekte wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele für einen Abschnitt, den sie mit den Elektrizitätssammelvorrichtungen 1 entsprechend den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gemeinsam hat. Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann darüber hinaus die Anfangsphase der Expansion des Außenhüllenmaterials 20 auf Grundlage einer Abnahme des elektrischen Widerstandes erfasst werden, der im Verlauf eines Vorganges bewirkt wird, bei dem die Sensormembran 52 ihren natürlichen Zustand vor dem Biegeverformungszustand wiederherstellt. Daher ist die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dafür geeignet, das Verhalten zu Beginn der Gaserzeugung zu erfassen. Darüber hinaus kann die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 bequem und zu geringen Kosten unter Verwendung des zurückgenommenen Abschnittes 22 in der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 erfasst werden. Darüber hinaus ist die Sensormembran 52 in dem zurückgenommenen Abschnitt 22 angeordnet, weshalb die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 kompakt ausgebildet werden kann. Daher kann eine Mehrzahl von Elektrizitätssammelvorrichtungen 1 zur Bildung eines Moduls mit raumsparendem Aufbau gestapelt werden.
  • Viertes Ausführungsbeispiel
  • Die Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel hauptsächlich durch Aufbau und Anordnung des Verformungssensors. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede beschrieben.
  • Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Zunächst wird der Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. 8 ist eine Schnittansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. 9 ist eine Schnittansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung zum Zeitpunkt der Gaserzeugung. Wie in 8 und 9 gezeigt ist, beinhaltet die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 das Elektrizitätssammelelement 10, das Außenhüllenmaterial 20 und den Verformungssensor 50.
  • Das Außenhüllenmaterial 20 besteht aus einem Laminatfilm. Ein Dichtungsabschnitt 23 mit Erstreckung in Vorne-Hinten-Richtung ist an der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 angeordnet. Der Dichtungsabschnitt 23 wird durch Wärmesiegeln des einen Endes und des anderen Endes des Außenhüllenmaterials 20, die einander an der oberen Oberfläche des Elektrizitätssammelelementes 10 überlappen, gebildet. Der Dichtungsabschnitt 23 ist derart angeordnet, dass er nach oben gefaltet bzw. geklappt ist. Der Dichtungsabschnitt 23 und die obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 sind nicht aneinander fixiert.
  • Der Verformungssensor 50 beinhaltet das Substrat 51, die Sensormembran 52, das Paar von Elektroden 53a, 53b und die Drähte (nicht gezeigt). Das Substrat 51 besteht aus Polyimid und weist die Form eines Gurtes bzw. Bandes auf. Das Substrat 51 ist derart angeordnet, dass es sich von dem linken Ende der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 aus derart erstreckt, dass es mit dem Dichtungsabschnitt 23 überlappt.
  • Die Sensormembran 52 weist die Form eines kurzen Streifens mit Erstreckung in der Links-Rechts-Richtung auf. Die Sensormembran 52 ist derart angeordnet, dass sie sich von einer Fläche um die Mitte der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 herum derart erstreckt, dass sie mit dem Dichtungsabschnitt 23 überlappt. Die Sensormembran 52 ist zwischen dem Substrat 51 und dem Außenhüllenmaterial 20 angeordnet. Der Aufbau des Verformungssensors 52 und das Verfahren zur Herstellung des Verformungssensors 52 sind dieselben wie beim vorbeschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel. Daher wird auf eine Beschreibung hiervon verzichtet.
  • Jede von dem Paar von Elektroden 53a, 53b weist die Form eines dünnen Stücks auf. Jede von dem Paar von Elektroden 53a, 53b ist zwischen den Substrat 51 und der Sensormembran 52 angeordnet. Die Elektrode 53a ist am linken Ende der Sensormembran 52 angeordnet. Die Elektrode 53b ist am rechten Ende der Sensormembran 52 angeordnet. Die jeweiligen einen Enden der Drähte sind mit den Elektroden 53a, 53b verbunden.
  • Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Nachstehend wird der Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Wird Gas in dem Elektrizitätssammelelement 10 erzeugt, wie durch weiße Pfeile in 9 angedeutet ist, so schwillt die obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 nach oben an. Sodann steht der Dichtungsabschnitt 23, der gefaltet bzw. geknickt ist, aufrecht. Steht der Dichtungsabschnitt 23 aufrecht, so steht der Abschnitt des Verformungssensors 50, der mit dem Dichtungsabschnitt 23 überlappt, aufrecht. Dies bedeutet, dass die Sensormembran 52 einer Biegeverformung unterworfen ist.
  • Wird die Sensormembran 52 gebogen, so werden die Risse C1 in der Sensormembran 52 geöffnet. Infolgedessen werden die leitfähigen Wege durchschnitten. Zusätzlich werden die leitfähigen Wege infolge einer Änderung des Kontaktzustandes zwischen den Carbonperlen durchschnitten. Im Ergebnis wird der elektrische Widerstand der Sensormembran 52, der zwischen den Elektroden 53a, 53b erfasst wird, höher als der elektrische Widerstand in einem Zustand vor der Beugeverformung. Damit wird eine Expansion des Außenhüllenmaterials 20 in der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 auf Grundlage einer Zunahme des ausgegebenen elektrischen Widerstandes erfasst.
  • Funktionen und Effekte
  • Nachstehend werden Funktionen und Effekte der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht dieselben Funktionen und Effekte wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele für einen Abschnitt, den sie mit den Elektrizitätssammelvorrichtungen 1 entsprechend den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gemeinsam hat. Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann darüber hinaus der Verformungssensor 50 derart angeordnet sein, dass ein Teil der Sensormembran 52 mit dem Dichtungsabschnitt 23 überlappt. Dies erleichtert die Herstellung der Elektrizitätssammelvorrichtung 1. Damit kann bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Expansion des Außenhüllenmaterials 20 bequem und zu geringen Kosten unter Verwendung des Dichtungsabschnittes 23 des Außenhüllenmaterials 20 erfasst werden. Zudem ist der Verformungssensor 50 an der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 und des Dichtungsabschnittes 23 angeordnet. Daher kann die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 kompakt gebildet werden. Damit kann eine Mehrzahl von Elektrizitätssammelvorrichtungen 1 laminiert werden, um ein Modul mit raumsparendem Aufbau zu bilden.
  • Fünftes Ausführungsbeispiel
  • Die Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel hauptsächlich durch die Anordnung des Verformungssensors sowie dadurch, dass ein Verformungseingabeelement nicht vorgesehen ist. Im Folgenden werden nur die Unterschiede beschrieben.
  • Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Zunächst wird der Aufbau der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel beschrieben. 10 ist eine Schnittansicht der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend dem Ausführungsbeispiel. 10 entspricht 4. Daher sind die Elemente in 10, die denjenigen in 4 entsprechen, mit den denselben Bezugszeichen bezeichnet. Wie in 10 gezeigt ist, beinhaltet die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 den Vorrichtungshauptkörper 40 und das Gehäuse 41. Der Vorrichtungshauptkörper 40 beinhaltet das Elektrizitätssammelelement 10, das Außenhüllenmaterial 20 und den Verformungssensor 50.
  • Der Verformungssensor 50 ist zwischen dem Außenhüllenmaterial 20 und dem Deckelabschnitt 44 des Gehäuses 41 angeordnet. Der Verformungssensor 50 beinhaltet das Substrat 51, die Sensormembran 52, das Paar von Elektroden 53a, 53b, die Drähte (nicht gezeigt) und einen Abdeckfilm 55.
  • Das Substrat 51 besteht aus Polyimid und weist die Form eines kurzen Streifens auf, der im Schnitt C-förmig ist. Das obere Ende des Substrates 51 ist an dem Deckelabschnitt 44 des Gehäuses 41 fixiert. Darüber hinaus ist das untere Ende des Substrates 51 an der oberen Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 fixiert.
  • Die Sensormembran 52 weist die Form eines kurzen Streifens mit Erstreckung in der Oben-Unten-Richtung auf. Die Sensormembran 52 ist an der linken Oberfläche des Substrates 51 angeordnet. Der Aufbau der Sensormembran 52 und das Verfahren zur Herstellung der Sensormembran 52 sind dieselben wie beim vorbeschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel. Daher wird auf eine Beschreibung verzichtet.
  • Jede von dem Paar von Elektroden 53a, 53b weist die Form eines dünnen Stücks auf. Jede von dem Paar von Elektroden 53a, 53b ist zwischen dem Substrat 51 und der Sensormembran 52 angeordnet. Die Elektrode 53a ist an dem oberen Ende der Sensormembran 52 angeordnet. Die Elektrode 53b ist an dem unteren Ende der Sensormembran 52 angeordnet. Die jeweiligen einen Enden der Drähte sind mit den Elektroden 53a, 53b verbunden.
  • Der Abdeckfilm 55 besteht aus Acrylgummi und weist die Form eines kurzen Streifens mit Erstreckung in Oben-Unten-Richtung auf. Der Abdeckfilm 55 beschichtet die Sensormembran 52 von links her.
  • Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung
  • Als Nächstes wird der Betrieb der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel beschrieben. Wird ein Gas in dem Elektrizitätssammelelement 10 erzeugt, so schwillt die obere Oberfläche 21 des Außenhüllenmaterials 20 nach oben an. Dies macht den Abstand zwischen der oberen Oberfläche 21 und dem Deckelabschnitt 44 des Gehäuses 41 kürzer. Das untere Ende des Verformungssensors 50 ist an der oberen Oberfläche 21 fixiert, weshalb die Sensormembran 52 einer Biegeverformung mit nach links erfolgender Wölbung unterworfen wird, wenn die obere Oberfläche 21 anschwillt.
  • Wird die Sensormembran 52 gebogen, so werden die Risse C1 in der Sensormembran 52 geöffnet. Infolgedessen werden die leitfähigen Wege durchschnitten. Darüber hinaus werden die leitfähigen Wege infolge einer Änderung des Kontaktzustandes zwischen den Carbonperlen durchschnitten. Im Ergebnis wird der elektrische Widerstand der Sensormembran 50, der zwischen den Elektroden 53a, 53b erfasst wird, höher als der elektrische Widerstand vor der Biegeverformung. Damit wird die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 in der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 auf Grundlage einer Zunahme des ausgegebenen elektrischen Widerstandes erfasst.
  • Funktionen und Effekte
  • Nachstehend werden Funktionen und Effekte der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erreicht dieselben Funktionen und Effekte wie diejenigen der ersten und zweiten Ausführungsbeispiele für ein Abschnitt, den sie mit den Elektrizitätssammelvorrichtungen 1 entsprechend den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen gemeinsam hat. Bei der Elektrizitätssammelvorrichtung 1 entsprechend dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann darüber hinaus die Expansion des Außenhüllenmaterials 20 bequem und zu niedrigen Kosten unter Verwendung des Gehäuses 41 erfasst werden.
  • Weitere Ausführungsbeispiele
  • Elektrizitätssammelvorrichtungen entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind vorstehend beschrieben worden. Gleichwohl ist die Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung nicht auf das Vorbeschriebene beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann auch in einer Vielzahl von modifizierten oder verbesserten Formen, die sich einem Fachmann auf dem einschlägigen Gebiet erschließen, implementiert werden.
  • So sind beispielsweise Form und Aufbau des Verformungssensors nicht auf die bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebenen beschränkt. Beim ersten Ausführungsbeispiel wird EPDM als Basismaterial der Sensormembran verwendet. Gleichwohl unterliegt die Art des Elastomers für das Basismaterial keiner speziellen Einschränkung. Beispiele für das Basismaterial beinhalten Naturgummi, Isopren-Gummi, Butadien-Gummi, Acrylonitril-Butadien-Kopolymer-Gummi, Styrol-Butadien-Kopolymer-Gummi, Butyl-Gummi, halogenierten Butyl-Gummi, hydrogenierten Nitril-Gummi, Chloropren-Gummi, Acryl-Gummi, chlorsulfonierten Polyethylen-Gummi, Hydrin-Gummi, Silikongummi, Fluorgummi und Urethan-Gummi.
  • In den zweiten bis fünften Ausführungsbeispielen wird Epoxidharz als Basismaterial für die Sensormembran verwendet. Die Art des Harzes für das Basismaterial unterliegt jedoch keinen speziellen Einschränkungen. Beispiele für Thermosetting-Harze beinhalten ein Alkyd-Harz, ein Phenol-Harz, ein Urea-Harz, ein Melamin-Harz, ein ungesättigtes Polyester-Harz, Polyurethan und Polyimid. Beispiele für thermoplastische Harze beinhalten, Polyethylen, Polypropylen, Polyvinylchlorid, Polystyrol, Polyvinylacetat, Polytetrafluorethylen, ein Acrylonitril-Butadien-Styrol-Harz, ein Akryl-Harz, Polyamid, Polyacetal, Polycarbonat, Polyphenylenoxid, Polyethylentherephthatlat und Polybutylentherephthalat.
  • Die leitfähigen Füllkörper, mit denen das Basismaterial gefüllt ist, können beliebige leitfähige Teilchen sein. Beispiele für die leitfähigen Füllkörper beinhalten winzige Teilchen eines Carbon- bzw. Kohlenstoffmaterials, eines Metalls und dergleichen mehr. Unter diesen kann eine Art allein oder können zwei oder mehr Arten in Kombination verwendet werden. Vom Standpunkt des Füllens des Basismaterials mit den leitfähigen Füllkörpern in dem am dichtesten gepackten Zustand zur Bildung von leitfähigen Wegen werden vorzugsweise kugelförmige Teilchen als leitfähige Füllkörper eingesetzt. Anzahl, Form und Anordnung der Elektroden kann geeignet gewählt werden.
  • Bei den zweiten bis fünften Ausführungsbeispielen sind Risse in der Sensormembran gebildet. Das Verfahren zur Bildung der Risse ist nicht auf die bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen beschriebenen beschränkt. So kann beispielsweise eine Sensorfarbe auf die Oberfläche des Substrates mit Ausnehmungen und Vorsprüngen zur Aushärtung aufgedruckt werden. Damit können Risse infolge einer Belastungskonzentration an Eckabschnitten der Ausnehmungen und Vorsprünge gebildet werden, wenn die beschichtete Membran ausgehärtet wird. Des Weiteren kann durch Biegen der Sensormembran nach dem Aushärten die Anzahl von Rissen vergrößert werden, und die Risse können in dem Harz verteilt werden.
  • Bei den ersten und fünften Ausführungsbeispielen ist ein Abdeckfilm angeordnet, um die Oberfläche der Sensormembran anzuordnen. Gleichwohl ist der Abdeckfilm nicht zwangsweise erforderlich.
  • Bei dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Verformungssensor derart angeordnet, dass er sich von dem linken Ende zu dem rechten Ende der oberen Oberfläche (dehnungsfähige Oberfläche) des Außenhüllenmaterials erstreckt. Gleichwohl unterliegt der Ort, an dem der Verformungssensor angeordnet ist, keiner speziellen Einschränkung. So kann der Verformungssensor beispielsweise derart angeordnet werden, dass die Sensormembran die gesamte dehnungsfähige Oberfläche bedeckt.
  • Beim zweiten Ausführungsbeispiel wird ein Stangenelement in Form einer kreisförmigen Säule als Verformungseingabeelement verwendet. Form, Anordnung und dergleichen mehr des Verformungseingabeelementes unterliegen jedoch keinen speziellen Einschränkungen. Das Verformungseingabeelement kann an dem Gehäuse fixiert sein oder kann direkt an der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angeordnet sein. So kann der Verformungshauptkörper (Elektrizitätssammelelement plus Außenhüllenmaterial plus Verformungssensor) mit einem Fadenelement verbunden sein, wobei das Fadenelement als Verformungseingabeelement verwendet wird. Beim zweiten Ausführungsbeispiel ist zudem das Verformungseingabeelement im Allgemeinen senkrecht zur Sensormembran angeordnet. Die Richtung der Anordnung des Verformungseingabeelementes in Bezug auf die Sensormembran unterliegt jedoch keinen speziellen Einschränkungen. Das Verformungseingabeelement kann derart angeordnet sein, dass es die Sensormembran durchschneidet. Das Verformungseingabeelement kann beispielsweise schräg in Bezug auf die Sensormembran angeordnet sein. Vom Standpunkt des Umstandes aus, dass die Sensormembran einer Biegeverformung unterworfen wird, wird vorgezogen, wenn das Verformungseingabeelement einen gekrümmten Oberflächenabschnitt aufweist, der an dem Verformungssensor anliegt.
  • Beim dritten Ausführungsbeispiel ist die Sensormembran in dem zurückgenommenen Abschnitt in der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angeordnet. In diesem Fall unterliegen Form, Anzahl, Ort und dergleichen mehr des zurückgenommenen Abschnittes keinen speziellen Einschränkungen. Beim dritten Ausführungsbeispiel ist zudem die Sensormembran an der unteren Oberfläche des Substrates angeordnet. Dies bedeutet, dass die Sensormembran mit einigen der Risse, die infolge einer Biegeverformung geöffnet werden, angeordnet ist. Es sind keine speziellen Einschränkungen dahingehend gegeben, ob die Risse mit der Sensormembran in dem Anfangszustand geöffnet sind oder nicht. Der Verformungssensor entsprechend dem dritten vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel kann beispielsweise entgegengesetzt bzw. gegenüberliegend in der Oben-Unten-Richtung angeordnet sein (wobei die Sensormembran an der oberen Oberfläche des Substrates angeordnet ist).
  • Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird ein Laminatfilm als Außenhüllenmaterial verwendet. Gleichwohl unterliegt das Material des Außenhüllenmaterials keinen speziellen Einschränkungen. Das Außenhüllenmaterial kann beispielsweise ein aus Stahl bestehender Kasten sein. Bei den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Sensormembran darüber hinaus in Form eines Bandes bzw. Gurtes oder eines kurzen Streifens zur Verbindung des Paares von Elektroden ausgebildet. Gleichwohl unterliegt die Form der Sensormembran keinen speziellen Einschränkungen. Die Form der Sensormembran kann je nach Bedarf geeignet derart gewählt werden, dass der anfängliche Widerstandswert der Sensormembran ein gewünschter Einstellwert ist. Die Sensormembran kann beispielsweise je nach Bedarf als gerade oder gekrümmte Linie zur Verbindung des Paares von Elektroden ausgebildet sein.
  • Beispiele
  • Nachstehend wird die vorliegende Erfindung anhand von Beispielen spezifisch beschrieben.
  • Erstes Reaktionsexperiment
  • Ein Modell der Elektrizitätssammelvorrichtung mit demselben Aufbau wie beim vorbeschriebenen ersten Ausführungsbeispiel wurde hergestellt, und es wurde das Außenhüllenmaterial zur Bewertung der Reaktionsfähigkeit des Verformungssensors in Bezug auf das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials zur Expansion gebracht. Das Modell der Elektrizitätssammelvorrichtung war derart bemessen, dass es eine längsläufige Länge (Länge in Links-Rechts-Richtung) von 260 mm, eine seitliche Länge (Länge in Vorne-Hinten-Richtung) von 230 mm und eine Dicke (Länge in der Oben-Unten-Richtung) von 48 mm aufwies. Die Sensormembran war derart bemessen, dass sie eine linksläufige Länge von 260 mm und eine seitliche Länge von 5 mm aufwies. 13 zeigt zeitabhängige Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors und das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials. In 13 ist die Rate der Zunahme des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors durch eine dicke Linie bezeichnet, während das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials durch eine dünne Linie bezeichnet ist. Die Rate der Zunahme des Widerstandes gemäß Darstellung durch die vertikale Achse von 13 wird durch nachfolgende Gleichung (1) berechnet. Das Ausmaß der Expansion wurde durch Messen der Versetzung einer Fläche um die Mitte des Modells der Elektrizitätssammelvorrichtung herum in der Dickenrichtung unter Verwendung eines Laserversetzungsmessgerätes (laser displacement meter) ermittelt. Rate der Zunahme des Widerstandes (–) = ΔR/R0 = (R – R0)/R0 (1) (R0: anfänglicher elektrischer Widerstandswert vor der Expansion des Außenhüllenmaterials, R: elektrischer Widerstandswert gemäß Messung nach der Expansion des Außenhüllenmaterials)
  • Wie in 13 gezeigt ist, wurde der elektrische Widerstand des Verformungssensors vergrößert, als das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials zunahm. Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors fielen im Allgemeinen mit dem Verhalten der Expansion und Kontraktion des Außenhüllenmaterials zusammen.
  • Zweites Reaktionsexperiment
  • Ein Modell einer Elektrizitätssammelvorrichtung mit demselben Aufbau wie beim vorbeschriebenen zweiten Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, dass kein Gehäuse vorgesehen war, wurde hergestellt, und es wurde das Außenhüllenmaterial zur Bewertung des Reaktionsvermögens des Verformungssensors in Bezug auf das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials zur Expansion gebracht. Das Stangenelement wurde durch ein separates Stützelement zur Anlage an dem Verformungssensor gestützt. Das Stangenelement wies einen Durchmesser von 9 mm auf. Die Größe des Vorrichtungshauptkörpers war dieselbe wie diejenige des Modells beim ersten Reaktionsexperiment. Die Sensormembran war derart bemessen, dass sie eine längsläufige Länge von 30 mm und eine seitliche Länge von 5 mm aufwies. Das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials wurde durch Messen der Versetzung eines Abschnittes des Vorrichtungshauptkörpers auf der linken Seite des Stangenelementes in der Dickenrichtung unter Verwendung eines Laserversetzungsmessgerätes ermittelt. 14 zeigt zeitabhängige Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors und das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials. In 14 ist die Rate der Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors durch die dicke Linie bezeichnet, während das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials durch die dünne Linie bezeichnet ist. Die Schwankungsrate des Widerstandes gemäß Darstellung durch die vertikale Achse von 14 wird durch die nachfolgende Gleichung (2) berechnet. Schwankungsrate des Widerstandes (–) = R/R0 (2)
  • Wie in 14 gezeigt ist, wurde der elektrische Widerstand des Verformungssensors erhöht, als das Ausmaß der Expansion des Außenhüllenmaterials zunahm. Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors fielen im Allgemeinen mit dem Verhalten der Expansion und Kontraktion des Außenhüllenmaterials zusammen.
  • Drittes Reaktionsexperiment
  • Ein Modell einer Elektrizitätssammelvorrichtung mit demselben Aufbau wie beim vorbeschriebenen dritten Ausführungsbeispiel wurde hergestellt, und es wurde das Außenhüllenmaterial zur Bewertung des Reaktionsvermögens des Verformungssensors in Bezug auf das Ausmaß der Versetzung der unteren Oberfläche des zurückgenommenen Abschnittes zur Expansion gebracht. Die Größe des Modells der Elektrizitätssammelvorrichtung war die gleiche wie beim Modell des ersten Reaktionsexperimentes. Der zurückgenommene Abschnitt war derart bemessen, dass die trapezartige Schnittform des zurückgenommenen Abschnittes eine obere Basislänge von 40 mm, eine untere Basislänge von 20 mm und eine Höhe von 5 mm aufwies. Die Sensormembran vor der Anordnung in dem zurückgenommenen Abschnitt war derart bemessen, dass sie eine längsläufige Länge von 60 mm und eine seitliche Länge von 5 mm aufwies. Das Ausmaß der Versetzung der unteren Oberfläche des zurückgenommenen Abschnittes wurde durch Messen der Versetzung der unteren Oberfläche des zurückgenommen Abschnittes in der Oben-Unten-Richtung unter Verwendung eines Laserversetzungsmessgerätes ermittelt. 15 zeigt zeitabhängige Schwankungen des elektrischen Widerstandes des Verformungssensors und das Ausmaß der Versetzung der unteren Oberfläche des zurückgenommenen Abschnittes. In 15 ist die Schwankungsrate des Widerstandes des Verformungssensors durch die dicke Linie bezeichent, während das Ausmaß der Versetzung der unteren Oberfläche des zurückgenommene Abschnittes durch die dünne Linie bezeichnet ist. Die Schwankungsrate des Widerstandes gemäß Darstellung durch die vertikale Achse von 15 wird unter Verwendung von vorstehender Gleichung (2) berechnet.
  • Wie in 15 gezeigt ist, nahm der elektrische Widerstand des Verformungssensors abrupt ab, als die untere Oberfläche des zurückgenommenen Abschnittes mit der Versetzung nach oben bei der Expansion des Außenhüllenmaterials begann. Damit kann bei der Elektrizitätssammelvorrichtung entsprechend diesem Ausführungsbeispiel die Expansion des Außenhüllenmaterials, die unmittelbar nach der Gaserzeugung bewirkt wird, genau gemessen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Elektrizitätssammelvorrichtung
    10
    Elektrizitätssammelelement
    20
    Außenhüllenmaterial
    21
    obere Oberfläche (dehnungsfähige Oberfläche)
    22
    zurückgenommener Abschnitt
    23
    Dichtungsabschnitt
    30
    Verformungssensor
    31
    Substrat
    32
    Sensormembran
    33a, 33b
    Elektrode
    34a, 34b
    Draht
    35
    Abdeckfilm
    310
    Sensorabschnitt
    311
    Verdrahtungsabschnitt
    40
    Vorrichtungshauptkörper
    41
    Gehäuse
    42
    Stangenelement
    43
    Körperabschnitt
    44
    Deckelabschnitt
    45a, 45b
    Abfederungsmaterial
    420
    gekrümmter Oberflächenabschnitt
    440
    Anbringabschnitt
    450a, 450b
    stütztechnischer zurückgenommener Abschnitt
    50
    Verformungssensor
    51
    Substrat
    52
    Sensormembran
    53a, 53b
    Elektrode
    54a, 54b
    Draht
    55
    Abdeckfilm
    510
    Sensorabschnitt
    511
    Verdrahtungsabschnitt
    800
    Sensormembran
    801
    Harz
    802
    leitfähiger Füllkörper
    803
    Riss
    C1
    Riss
    P
    leitfähiger Weg

Claims (8)

  1. Elektrizitätssammelvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass sie umfasst: ein Elektrizitätssammelelement; ein Außenhüllenmaterial, das dafür ausgelegt ist, das Elektrizitätssammelelement aufzunehmen; und einen Verformungssensor, der an einer dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angeordnet ist, wobei der Verformungssensor beinhaltet: eine Sensormembran, die ein Basismaterial, das aus einem Elastomer oder einem Harz besteht, und leitfähige Füllkörper, die das Basismaterial mit einer Füllrate von gleich oder mehr als 30 Vol.-% füllen, aufweist, wobei die Sensormembran einer Biegeverformung bei einer Expansion des Außenhüllenmaterials unterworfen wird, und wenigstens ein Paar von Elektroden, die mit der Sensormembran verbunden sind, wobei ein dreidimensionaler leitfähiger Weg in der Sensormembran durch einen Kontakt zwischen den leitfähigen Füllkörpern gebildet wird, ein elektrischer Widerstand bei einer Zunahme des Ausmaßes der Verformung der Sensormembran aus einem natürlichen Zustand heraus zunimmt und eine Expansion des Außenhüllenmaterials auf Grundlage der Schwankungen des elektrischen Widerstandes bei einer Biegeverformung der Sensormembran erfasst wird.
  2. Elektrizitätssammelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sensormembran derart angeordnet ist, dass sie sich von einem Ende zu dem anderen Ende der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials erstreckt.
  3. Elektrizitätssammelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Verformungssensor ein Substrat beinhaltet, an dem die Sensormembran angeordnet ist, mit der Sensormembran auf einer der dehnungsfähigen Oberfläche zu eigenen Seite des Außenhüllenmaterials angeordnet ist und des Weiteren ein Verformungseingabeelement beinhaltet, das auf einer Substratseite angeordnet und dafür ausgelegt ist, die Sensormembran zusammen mit dem Außenhüllenmaterial bei einer Expansion des Außenhüllenmaterials zu drücken, um ein Ausmaß der Biegeverformung der Sensormembran zu vergrößern.
  4. Elektrizitätssammelvorrichtung nach Anspruch 3, wobei das Verformungseingabeelement ein Stangenelement oder ein Fadenelement mit einem gekrümmten Oberflächenabschnitt ist, der an dem Verformungssensor anliegt, und das Stangenelement oder das Fadenelement derart angeordnet ist, dass es den Verformungssensor schneidet.
  5. Elektrizitätssammelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die dehnungsfähige Oberfläche des Außenhüllenmaterials einen zurückgenommenen Abschnitt beinhaltet und die Sensormembran in einem Zustand angeordnet ist, in dem sie einer Biegeverformung entlang des zurückgenommenen Abschnittes unterworfen wird.
  6. Elektrizitätssammelvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Außenhüllenmaterial aus einem Filmelement hergestellt ist, die dehnungsfähige Oberfläche des Außenhüllenmaterials einen Dichtungsabschnitt beinhaltet, an dem Endabschnitte des Filmelementes aneinander angebracht sind, die Sensormembran an der dehnungsfähigen Oberfläche und dem Dichtungsabschnitt, der kontinuierlich mit der dehnungsfähigen Oberfläche ist, angeordnet ist und die Sensormembran einer Biegeverformung unterworfen wird, wenn das Außenhüllenmaterial expandiert, was bewirkt, dass der Dichtungsabschnitt aufrecht steht.
  7. Elektrizitätssammelvorrichtung nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend ein Gehäuse, das dafür ausgelegt ist, das Elektrizitätssammelelement, das Außenhüllenmaterial und den Verformungssensor aufzunehmen, wobei ein Ende des Verformungssensors an dem Gehäuse angebracht ist und das andere Ende des Verformungssensors an der dehnungsfähigen Oberfläche des Außenhüllenmaterials angebracht ist.
  8. Elektrizitätssammelvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Basismaterial der Sensormembran ein Harz ist, und Risse vorab in der Sensormembran derart ausgebildet werden, dass sie sich in einer derartigen Richtung erstrecken, dass der leitfähige Weg durchschnitten wird, wenn die Sensormembran einer Biegeverformung unterworfen wird.
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