JP2022035698A - Liquid detection sensor and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、水などの水溶液の存在を検出する液体検出センサ及びその製造方法に関し、特に、該水溶液の存在により一次電池を構成して発生させる起電力で検出する液体検出センサ及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a liquid detection sensor for detecting the presence of an aqueous solution such as water and a method for manufacturing the same, and more particularly to a liquid detection sensor for detecting by an electromotive force generated by forming a primary battery due to the presence of the aqueous solution and a method for manufacturing the same. ..
水などの液体の存在を検出する液体検出センサとして、液体の導電性を利用するものがある。一般的には、水などの液体が介在することによる電極間の抵抗値変化などを測定することで、該電極間における液体の存在の有無を簡便に検知することができるが、一方で、回路を構成するための電源が必要となる。そこで、このような液体センサのうち、無電源で動作可能とする液体検出センサが提案されている。 As a liquid detection sensor that detects the presence of a liquid such as water, there is one that utilizes the conductivity of the liquid. Generally, by measuring the change in resistance value between electrodes due to the intervention of liquid such as water, the presence or absence of liquid between the electrodes can be easily detected, but on the other hand, a circuit. A power supply is required to configure. Therefore, among such liquid sensors, a liquid detection sensor that can operate without a power source has been proposed.
例えば、特許文献1では、水、または尿などの水溶液の有無を検出する液体検出センサとして、プローブ(検知部)が電池を兼ねた液体センサを開示している。別個に動作のための電池のような電源を用意する必要が無く、設置環境に依存せず、メンテナンス性にも優れるとしている。ここでは、負極となるNi電極と、正極となるカーボン電極と、をアルミナなどのセラミック板で構成された基板上に互いに接触しないように間隙を設けたくし歯状に印刷し、この電極を含む基板上に、塩化アンモニウムのような電解質を含むPVA(ポリビニルアルコール)粉末や澱粉などからなる吸水剤が自然乾燥した状態で膜状に与えられている。水等が供給されて吸水剤に吸水されると、塩化アンモニウムがイオンに分解し、一次電池として機能し、起電力を発生することで検知回路を駆動させて液体を検出できる。吸水剤には、併せて、二酸化マンガンのような減極剤が混合され、イオン化反応を促進するようになされている。
For example,
また、特許文献2では、平板状の両電極の間に毛細管現象で電解質溶液を吸い上げることのできる絶縁体からなる平板状のセパレータを配置し、少量の液体で一次電池を機能させる液体検出センサが開示されている。
Further, in
上記したように、電極間の間隙を埋めるように液体が与えられて一次電池を構成しこの起電力で回路を構成する液体検出センサでは、電極間距離を小さくする方がより少量の液体でその間を埋めることができ、検知精度を高め得る。ところが、液体を与えないときでも電極間が電気的に短絡しやすくなって誤動作を生じさせるなど、信頼性に欠けるといった問題が生じた。また、このような電極を印刷によって製造するには、材料の選択や精度の高い印刷工程の管理など、製造コストを上昇させる要因ともなる。 As described above, in the liquid detection sensor in which a liquid is given so as to fill the gap between the electrodes to form a primary battery and a circuit is formed by this electromotive force, it is better to reduce the distance between the electrodes with a smaller amount of liquid. Can be filled in and the detection accuracy can be improved. However, there has been a problem of lack of reliability, such as a malfunction due to an electric short circuit between the electrodes even when no liquid is applied. Further, in order to manufacture such an electrode by printing, it becomes a factor to increase the manufacturing cost such as selection of a material and control of a highly accurate printing process.
本発明は、上記したような実情を鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、水などの水溶液の存在により一次電池を構成して発生させる起電力で検知するにあたって、その検知精度に優れるとともに、信頼性が高く、製造の簡便な液体検出センサ及びその製造方法を提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to detect an electromotive force generated by constituting a primary battery due to the presence of an aqueous solution such as water. It is an object of the present invention to provide a liquid detection sensor which is excellent in accuracy, has high reliability, and is easy to manufacture, and a method for manufacturing the same.
本発明による液体検出センサは、正極及び負極の一対の電極間に液体を与えることで一次電池を構成しこれにより発生する起電力によって該液体を検出する液体検出センサであって、基板の上に与えられた導電体からなる一対の集電体の表面をそれぞれ覆うようにして、正極活物質及び負極活物質による粉体からなる前記正極及び前記負極が境界を接して設けられ、前記正極及び前記負極の抵抗率のそれぞれが前記境界上に液体を与えたときに短絡せずに前記電極間に起電力を与えるように調整されていることを特徴とする。 The liquid detection sensor according to the present invention is a liquid detection sensor that constitutes a primary battery by applying a liquid between a pair of electrodes of a positive electrode and a negative electrode, and detects the liquid by the electromotive force generated by the liquid, and is on a substrate. The positive electrode and the negative electrode made of powder made of a positive electrode active material and a negative electrode active material are provided so as to cover the surfaces of a pair of current collectors made of a given conductor so as to be in contact with the boundary between the positive electrode and the negative electrode. Each of the resistors of the negative electrode is adjusted so as to apply an electromotive force between the electrodes without short-circuiting when a liquid is applied on the boundary.
かかる特徴によれば、水などの水溶液の検知精度に優れ、信頼性の高い、製造の簡便な液体検出センサとできるのである。 According to these characteristics, it is possible to obtain a highly reliable and easy-to-manufacture liquid detection sensor having excellent detection accuracy of an aqueous solution such as water.
上記した発明において、前記抵抗率は、前記粉体とともに与えられる導電助剤によって調整されることを特徴としてもよい。また、前記抵抗率は、前記粉体の径及び密度によって調整されることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、抵抗率を簡便に調整できて、水などの水溶液の検知精度に優れ、信頼性の高い、製造の簡便な液体検出センサとすることができる。 In the above invention, the resistivity may be adjusted by a conductive auxiliary agent given together with the powder. Further, the resistivity may be adjusted by the diameter and density of the powder. According to these characteristics, the resistivity can be easily adjusted, the detection accuracy of an aqueous solution such as water is excellent, and a highly reliable liquid detection sensor can be obtained, which is easy to manufacture.
上記した発明において、前記正極活物質は酸化銀であり前記負極活物質は亜鉛であることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、高い起電力を得られて、水などの水溶液の検知精度に特に優れる液体検出センサとすることができる。 In the above invention, the positive electrode active material may be silver oxide and the negative electrode active material may be zinc. According to such a feature, a high electromotive force can be obtained, and a liquid detection sensor having particularly excellent detection accuracy of an aqueous solution such as water can be obtained.
また、本発明による液体検出センサの製造方法は、正極及び負極の一対の電極間に液体を与えることで一次電池を構成しこれにより発生する起電力によって該液体を検出する液体検出センサの製造方法であって、基板の上に与えられた導電体からなる一対の集電体の表面をそれぞれ覆うようにして、正極活物質及び負極活物質による粉体からなる前記正極及び前記負極について境界を接するように印刷によって設け、前記正極及び前記負極の抵抗率のそれぞれが前記境界上に液体を与えたときに短絡せずに前記電極間に起電力を与えるように調整されることを特徴とする。 Further, the method for manufacturing a liquid detection sensor according to the present invention is a method for manufacturing a liquid detection sensor in which a primary battery is formed by applying a liquid between a pair of electrodes of a positive electrode and a negative electrode, and the liquid is detected by the electromotive force generated by the primary battery. The positive electrode and the negative electrode, which are made of powder of the positive electrode active material and the negative electrode active material, are in contact with each other so as to cover the surfaces of the pair of current collectors made of conductors given on the substrate. As described above, the resistances of the positive electrode and the negative electrode are adjusted so as to apply electromotive force between the electrodes without short-circuiting when the liquid is applied on the boundary.
かかる特徴によれば、水などの水溶液の検知精度に優れ、信頼性の高い、液体検出センサを簡便に製造できるのである。 According to these features, it is possible to easily manufacture a highly reliable liquid detection sensor having excellent detection accuracy of an aqueous solution such as water.
上記した発明において、前記抵抗率は、前記粉体とともに与えられる導電助剤によって調整されることを特徴としてもよい。また、前記抵抗率は、前記粉体の径及び密度によって調整されることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、抵抗率を簡便に調整できて、水などの水溶液の検知精度に優れ、信頼性の高い、液体検出センサを簡便に製造できる。 In the above invention, the resistivity may be adjusted by a conductive auxiliary agent given together with the powder. Further, the resistivity may be adjusted by the diameter and density of the powder. According to these characteristics, the resistivity can be easily adjusted, the detection accuracy of an aqueous solution such as water is excellent, and a highly reliable liquid detection sensor can be easily manufactured.
上記した発明において、前記正極活物質は酸化銀であり前記負極活物質は亜鉛であることを特徴としてもよい。かかる特徴によれば、高い起電力を得られて水などの水溶液の検知精度に特に優れる液体検出センサを簡便に製造できる。 In the above invention, the positive electrode active material may be silver oxide and the negative electrode active material may be zinc. According to such a feature, it is possible to easily manufacture a liquid detection sensor which can obtain a high electromotive force and has particularly excellent detection accuracy of an aqueous solution such as water.
本発明の1つの実施形態について図1を用いて説明する。 One embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
図1に示すように、液体検出センサ10は、基板1と、基板1上に配置された正極2a及び負極2bからなる一対の電極と、を含む。正極2a及び負極2bのそれぞれは、基板1上に離間して設けられた一対の集電体3の表面を覆うように配置され、互いにその境界Bを接するようにして印刷によって設けられる。なお、境界Bは必ずしも、基板1に対して垂直に形成されるものではなく、例えば、正極2aが負極2bの上に乗り上げていてもよい。そして、集電体3は導電体からなり、それぞれの端子4に電気的に接続されて、正極2a及び負極2b間に生じる起電力を外部に取り出すことができる。正極2aは正極活物質による粉体からなり、例えば同粉体を含むペーストを焼成して形成される。負極2bも同様に負極活物質による粉体によって形成される。
As shown in FIG. 1, the
また、上記したように正極2a及び負極2bは互いにその境界Bで接するように形成されるが、境界Bに間隙が形成されてもよい。つまり、形成された結果として近接していれば間隙の有無や接触の有無は問わない。
Further, as described above, the
ここで、境界B上に水溶液などの液体Lが供給されると、液体検出センサ10は正極活物質及び負極活物質によって一次電池を構成し、起電力を発生する。かかる起電力を端子4同士の間で検出することで、液体Lが電極間である境界B上に存在することを検出できる。
Here, when a liquid L such as an aqueous solution is supplied on the boundary B, the
ところで、上記したように正極2a及び負極2bは互いに境界Bで接するように形成されており、液体Lが供給されたときに短絡を生じてしまうと起電力を外部にとりだせず液体Lの存在を検出できなくなってしまう。そこで、液体検出センサ10では、境界B上に液体Lを与えられたときに短絡せずに電極間に起電力を与えるように、正極2a及び負極2bの抵抗率が調整されている。
By the way, as described above, the
このような抵抗率を得るために、例えば、それぞれの活物質の粉体に対して絶縁性物質の量を調整するなどして得た混合物によって電極を形成し得る。より詳細には、それぞれの活物質の粉体と、絶縁性のバインダーとの混合物からなるペーストを基板及び集電体の上に塗布し、焼成するなどして電極とし得る。この場合、塗布を印刷によって行うと製造を簡便とし得て好ましい。また、正極活物質及び負極活物質のそれぞれについて、電極として形成したときの抵抗率の大きなものを選択したり、導電助剤の添加量を減じたり導電助剤を添加しなかったりすることも好ましい。このようにして、ペースト中の活物質及びバインダーの配合比率や導電助剤の添加量、ペースト中の粉体の径や密度、活物質としての材料の選択、焼成条件の設定を適宜行うことで抵抗率を調整する。 In order to obtain such a resistivity, an electrode can be formed from a mixture obtained by, for example, adjusting the amount of an insulating substance with respect to the powder of each active material. More specifically, a paste composed of a mixture of powders of each active material and an insulating binder can be applied onto a substrate and a current collector and fired to obtain an electrode. In this case, it is preferable to perform the coating by printing because the production can be simplified. Further, it is also preferable to select a positive electrode active material and a negative electrode active material having a large resistivity when formed as an electrode, reduce the amount of the conductive auxiliary agent added, or do not add the conductive auxiliary agent. .. In this way, the mixing ratio of the active material and the binder in the paste, the amount of the conductive auxiliary agent added, the diameter and density of the powder in the paste, the selection of the material as the active material, and the setting of the firing conditions are appropriately set. Adjust the resistance.
以上のように、液体検出センサ10によれば、液体Lを電極間の境界Bに与えたときに電極同士に接触があっても短絡を生じず、信頼度の高い液体検出センサとして使用できる。また、正極2a及び負極2bの境界Bを互いに接するように製造するだけでよいので寸法の制御が容易であり、簡便に製造することができる。
As described above, according to the
[製造試験]
上記した液体検出センサを試作して液体の検出試験を行った結果について図2~図4を用いて説明する。
[Manufacturing test]
The results of the above-mentioned trial production of the liquid detection sensor and the liquid detection test will be described with reference to FIGS. 2 to 4.
図2に示すように、矩形の正極2a及び負極2bの長辺同士を接触させるように配置した電極セルについて、3つを直列に接続するように基板1上に形成し、液体検出センサ10’とした。
As shown in FIG. 2, the electrode cells arranged so that the long sides of the rectangular
詳細には、まず、厚さ125μmのポリイミド基板上に、銀インクによる集電体を正極及び負極それぞれの位置に印刷し、130~150℃に加熱して30分間保持することで焼成した。 Specifically, first, a current collector with silver ink was printed on a polyimide substrate having a thickness of 125 μm at the positions of the positive electrode and the negative electrode, heated to 130 to 150 ° C., and held for 30 minutes for firing.
次いで、負極側の集電体上に負極活物質となる亜鉛粒子にバインダーを混合した亜鉛ペーストを印刷によって塗布し、200℃に加熱して30分間保持して焼成した。さらに、正極側の集電体の上に正極活物質となる酸化銀粒子にバインダーを混合した酸化銀ペーストを印刷によって塗布し、150℃に加熱して30分間保持して焼成した。特に、亜鉛及び酸化銀のペーストは焼成しても導電性を有さないため、正極2a及び負極2bのそれぞれに高い抵抗率を付与することができた。なお、酸化銀は160℃以上の加熱で還元してしまうため、最後に焼成するようにした。なお、上記したペーストの材料として、亜鉛粒子には破砕して得た亜鉛の粉末を使用し、酸化銀粒子には破砕して得た酸化銀の粉末を使用した。また、バインダーにはポリエステル樹脂を使用し、希釈材としてSC0024溶剤(藤倉化成株式会社製)を使用し、導電助剤は添加しなかった。
Next, a zinc paste in which a binder was mixed with zinc particles as a negative electrode active material was applied by printing on a current collector on the negative electrode side, heated to 200 ° C., held for 30 minutes, and fired. Further, a silver oxide paste in which a binder was mixed with silver oxide particles to be a positive electrode active material was applied by printing on a current collector on the positive electrode side, heated to 150 ° C., held for 30 minutes, and fired. In particular, since the zinc and silver oxide pastes do not have conductivity even when fired, high resistivity can be imparted to each of the
また、上記した電極セルの集電体同士を接続するよう配線することで電気的に直列に接続して両端に端子を設けた。以上によって液体検出センサ10’を得た。また、液体検出センサ10’の端子には、LED6(図3参照)を接続した。 Further, by wiring so as to connect the current collectors of the above-mentioned electrode cells, they are electrically connected in series and terminals are provided at both ends. From the above, the liquid detection sensor 10'was obtained. Further, an LED 6 (see FIG. 3) was connected to the terminal of the liquid detection sensor 10'.
図3に示すように、得られた液体検出センサ10’の3つの電極セルそれぞれの正極2a及び負極2bの境界上に液体Lとして1%食塩水を滴下した。すると、液体検出センサ10’に接続されたLED6が点灯し、液体Lを検出できることを確認した。なお、上記したペーストのバインダーとして、ポリエステル樹脂の代わりにセルロース樹脂を使用した場合でも同等の結果を得られた。
As shown in FIG. 3, 1% saline solution was dropped as liquid L on the boundary between the
また、図4に示すように、くし歯状の正極及び負極を互い違いに入れ込むように形成した液体検出センサ10’’を作成した。液体検出センサ10’’についても同様に液体の検出を可能とすることが確認された。亜鉛及び酸化銀の組み合わせにより、高い起電力を得られて、水などの水溶液の検知精度に特に優れる液体検出センサとすることができるのである。
Further, as shown in FIG. 4, a
ここまで本発明による代表的実施例及びこれに基づく改変例について説明したが、本発明は必ずしもこれらに限定されるものではない。当業者であれば、添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、種々の代替実施例を見出すことができるだろう。 Although typical examples according to the present invention and modifications based on the same have been described so far, the present invention is not necessarily limited to these. Those skilled in the art will be able to find various alternative examples without departing from the attached claims.
1 基板
2a 正極
2b 負極
3 集電体
4 端子
10 液体検出センサ
L 液体
B 境界
1
Claims (8)
基板の上に与えられた導電体からなる一対の集電体の表面をそれぞれ覆うようにして、正極活物質及び負極活物質による粉体からなる前記正極及び前記負極が境界を接して設けられ、
前記正極及び前記負極の抵抗率のそれぞれが前記境界上に液体を与えたときに短絡せずに前記電極間に起電力を与えるように調整されていることを特徴とする液体検出センサ。 A liquid detection sensor that constitutes a primary battery by applying a liquid between a pair of electrodes of a positive electrode and a negative electrode, and detects the liquid by the electromotive force generated by the liquid.
The positive electrode and the negative electrode made of powder made of a positive electrode active material and a negative electrode active material are provided so as to cover the surfaces of a pair of current collectors made of conductors given on the substrate, respectively, with their boundaries in contact with each other.
A liquid detection sensor characterized in that each of the resistivityes of the positive electrode and the negative electrode is adjusted so as to apply an electromotive force between the electrodes without short-circuiting when a liquid is applied on the boundary.
基板の上に与えられた導電体からなる一対の集電体の表面をそれぞれ覆うようにして、正極活物質及び負極活物質による粉体からなる前記正極及び前記負極について境界を接するように印刷によって設け、前記正極及び前記負極の抵抗率のそれぞれが前記境界上に液体を与えたときに短絡せずに前記電極間に起電力を与えるように調整されることを特徴とする液体検出センサの製造方法。 It is a method of manufacturing a liquid detection sensor that constitutes a primary battery by applying a liquid between a pair of electrodes of a positive electrode and a negative electrode and detects the liquid by an electromotive force generated by the primary battery.
By printing so as to cover the surface of each pair of current collectors made of conductors given on the substrate, and to touch the boundary between the positive electrode and the negative electrode made of powder made of the positive electrode active material and the negative electrode active material. Manufacture of a liquid detection sensor provided, wherein the resistance of each of the positive electrode and the negative electrode is adjusted so as to apply an electromotive force between the electrodes without short-circuiting when the liquid is applied on the boundary. Method.
The method for manufacturing a liquid detection sensor according to one of claims 5 to 7, wherein the positive electrode active material is silver oxide and the negative electrode active material is zinc.
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