JP4095963B2 - 電解液傾き検出器 - Google Patents

Description

本発明は、一般に電気化学装置に関する。特に、本発明は、機械的利点を備えた電解液傾き検出器、および電解液傾き検出器を作成する方法に関する。

電解液傾き検出器は、当初は兵器の発射および航空機の航行のために考え出されたものであったが、現在は、石油掘削装置の水平化、試錐孔の角度付け、建築用レーザ装置、船舶の安定化、自動推進車両の位置合わせ、地震および地球物理学の監視、仮想現実装置、ロボットマニピュレータ、その他の用途に使用されている。

電解液傾き検出器は、適切な電気回路内に配置される場合に、傾き角度に比例する出力電圧と、傾き方向を示す位相とを提供する。電解液傾き検出器は、通常、電解質溶液が部分的に満たされたガラス製の封体部または非導電性のハウジングと、１つの共通電極を含めて電解質溶液内に少なくとも部分的に浸漬された複数の導電性電極とを含む。満たされていないセルの一部分は、気体状の泡を画成し、この気泡は、セルが傾くときに移動するとともに、電解液を移動させる。その結果、電極は、気泡が移動するときに、電解液に、より多くあるいはより少なく浸漬されるようになる。この移動によって、電極被覆領域が変化し、その結果、任意の１つの電極と共通電極との間のインピーダンスの変化が生じる。傾き検出器の電極が、適切な電気回路の一部として構成される場合、傾きの角度は、回路の出力電圧と相関し得る。

容器の幾何学的な形状、および電極の配置や形状は、出力信号の直線性および感度などを含む各傾き検出装置の特性および性能に影響を及ぼす。これらの装置の容器のさまざまな幾何学的な形状が、従来技術に開示されてきており、例えば、米国特許第２，７１３，７２６号は、矩形の容器を開示しており、米国特許第３，４８７，３０３号は、球状ハウジングを開示しており、米国特許第３，８２３，４８６号は、ドーナツ形をした形状を有しており、また、米国特許第５，１７０，５６７号は、円筒形ハウジングを開示している。

相対的に狭い作動範囲で使用される従来の電解液傾き検出器（すなわち、「狭い角度」の傾き検出器）は、図１に例示される。狭い角度の傾き検出器１０は、管状または「バナナ形」のガラス製の封体部ハウジング１２と、活性電極１４ａ、１４ｂと、封体部１２の内部に延びる共通電極１４ｃと、電極１４ａ、１４ｂの少なくとも一部分と共通電極１４ｃの全体を取り囲む電解質溶液１６と、蒸気の気泡２０とを含む。一般に、封体部と電極の間には密封シールがあり、それによって、電解質溶液と蒸気の気泡は、完全に封体部内に留まる。

容器の形状、電解液、電極の配置、および電極の数は、所望の作動特性を提供するように変わり得る。電極は、白金から構成でき、電解液は、エタノール中に溶解したヨウ化カリウムの溶液とすることができる。ハウジングの湾曲Ｍは、装置の作動および感度範囲を決定し得る。交流（「Ａ．Ｃ．」）が、電解液傾き検出器に掛けられる。図２および図２Ａは、この傾き検出器と共に使用される２つの代替の通常の電気回路を示す。

従来の封体部傾き検出器に関連して知られている欠点は、検出器の製造の困難さを含む。さらに、傾き検出器の製造は、所望のパラメータを達成するのに部品に対する技術者のかなりの程度の技量、取付け、および労働集約的な手仕事および技術を必要とする。工程中のガラス製ハウジングの公差は、大いに変わり得る。この結果、部品には、より高い不合格品の割合とより大きな範囲の機械的および電気的公差との少なくとも一方が生じる。さらに、傾き検出器の構成部材は、そのガラス製の構成に起因して相対的に壊れやすく、注意して取り扱う必要がある。また、これらは、製造するのに費用がかかるとともに、一般に高価な金属電極を使用する。

金属製または部分的に金属製の封体部などといった導電性の封体部を有する電解液傾き検出器が、従来技術に開示されている（例えば、クロサン ジュニア（Ｃｒｏｓｓａｎ， Ｊｒ．）に付与された米国特許第５，６３０，２８０号、およびバルスキー（Ｂａｒｓｋｙ）らに付与された米国特許第６．２４９，９８４号を参照のこと）。クロサン ジュニアの傾き検出器（米国特許第５，６３０，２８０号）は、容器により画成された球状室内に延びる４つの弓状検出用電極を含む。容器は、金属製の封じ込めハウジングと、ガラスなどの非導電性材料から形成されたヘッダとを含む。金属製の封じ込めハウジングは、共通電極として機能し、同時に、ヘッダは、検出用電極を固定し、かつ、金属製の封じ込め容器からそれらを絶縁する。クロサン ジュニアの傾き検出器は、広い作動範囲で使用するためのものであり、球状室と共同して弓状電極から生じる出力電圧の直線性の向上などといった特定の利点を有する。

バルスキーら（米国特許第６．２４９，９８４号）に開示される傾き検出器の内容の全体は、引用することにより本願に含まれるものであり、金属製の封体部と、この封体部に溶接された金属製のヘッダと、封体部内に配置された複数の電極とを含む。各電極は、略直線状の形状であり、金属製のシールに対してガラスにより絶縁されると同時にヘッダを通して垂直に取り付けられている。クロサン ジュニアと同様に、この傾き検出器もまた、相対的に広い範囲の傾き角度に使用されるためのものである。

従って、本発明は、狭い傾き角度への適用において使用するための電解液傾き検出器を提供することにより、従来技術の傾き検出器のさらなる改良および向上に向けられている。

本発明の好ましい一実施態様に従うと、電解液傾き検出器は、金属製の容器とヘッダとを有する封じ込め封体部を含む。封体部は、室を画成しており、封体部を通って形成された少なくとも一対の孔を有する。傾き検出器は、少なくとも部分的に室を満たす電解質溶液と、少なくとも一対の電極とをさらに含む。各電極は、金属製の容器の頂部の内面と略平行な関係で室内に配置された電気的に活性な横方向部分と、各孔を通って封体部の外部へ延びるリード部分とを含む。シール用材料が、封体部に対して各電極をシールしかつ絶縁支持するように封体部の各孔内に配置される。

好ましい一実施態様では、本発明の電解液傾き検出器は、単一の傾き軸線を画定するように位置合わせされた横方向部分を有する一対の電極を含む。別の実施態様では、本発明の電解液傾き検出器は、二重傾き軸線を画定するように直交位置合わせされた横方向部分を有する二対の電極を含む。

本発明は、電解液傾き検出器を作成する方法をさらに開示する。

本発明の好ましい実施態様は、図面を参照してここで説明される。
ここで図面を参照すると、図３−図４Ｂは、本発明の一実施態様に従う電解液傾き検出器３０を例示する。電解液傾き検出器３０は、金属製の容器３２と、金属製の容器３２に流体密関係で接続されたヘッダ電極組立体３４とを含む。組み立てられた構成部材は、室３６を画成する封じ込め封体部を提供する。室３６は、部分的に電解質溶液３７で満たされており、参照符号「Ｂ」により示される気体状の泡を有する。

図４を特に参照すると、金属製の容器３２は、頂壁部３８と、頂壁部３８から垂れ下がっている側壁部４０とを含む。側壁部４０は、ヘッダ電極組立体３４に面する開口部４２を画成する。金属製の容器３２は、シート状金属から形成するのが好ましい。好ましくは、側壁部は、略半円筒形または卵形様の形状を有しており、頂壁部は、その長さに沿って弓状または半円形の内面を有している。頂壁の内面は、図３または図３Ａに示すように一定の半径の湾曲「Ｃ」を有し得るか、あるいは、代替として、図３Ｂに示すように変化する半径の複合湾曲「ＣＣ」を有し得る。頂壁の内面の湾曲「Ｃ」または複合湾曲「ＣＣ」は、検出器の特定の設計によって決定され得るものであり、一般に、装置の感度、直線性、および作動範囲の少なくとも１つと関係がある。湾曲は、流体電解質移動の力学にも関係する。側壁部は、矩形、アール付き、溝付き、または好ましい他の軸対称形状などといった別の形状とし得る。側壁部４０の下端は、外側へ屈曲した縁部またはフランジ４３で終わっている。ヘッダアッセンブリへの取り付けを容易にするようにフランジを備えるのが好ましいとはいえ、フランジを備える必要はない。代替の実施態様においては、金属製の容器３２の外面は、プラスチック外皮、保護ポリマー被覆、またはその他の非導電性外層を含み得る。金属製の容器は、ニッケル、ステンレス鋼、または他の金属などの商業上入手可能な材料から打ち抜くかあるいは形成されるのが好ましい。

ヘッダ電極アッセンブリ３４は、内部に形成された２つの孔４６を有するヘッダ４４を含む。ヘッダ４４は、金属製の容器３２の開口部４２内に収容される形状および寸法とされた基部４８を含む。基部４８は、周方向のフランジ５０を有し、フランジ５０は、所望の用途に装置を取り付けるための複数の孔９０を含む。密封連続シールが、容器３２のフランジ４３とヘッダ４４のフランジ５０の間の界面に、好ましくは溶接によって、設けられる。フランジ４３、５０を互いに溶接する好ましい方法は、フランジ５０上へ溶接用の環状隆起部５１（図４Ａ）を組み込むことである。溶接中に、溶接用の隆起部５１は、溶接用の電流を集中させ、それによって、溶融して溶接ヘッドを形成し、この溶接ヘッドが、ヘッダ４４を金属製の容器３２へ接続しかつ密封シールを提供する。ヘッダ４４は、好ましくは、容器３２のように、ニッケル、ステンレス鋼、または他の金属などの金属製材料から形成される。代替として、ヘッダは、電気伝導性に形成されたキャップを有するセラミック材料から形成され得る。ヘッダ４４が、セラミック、またはその他から形成されている場合は、ガラスフリット、ガラス対金属シール、またはエポキシ接着剤による接続などといった既知の接続方法によって、金属製の容器３２に接続され得る。

ヘッダ電極アッセンブリ３４は、さらに、ヘッダ４４のそれぞれの孔４６に差し込まれた複数のガラスビーズ付き電極５２を含む。電極５２は、電気伝導性の横方向部分５４を有する湾曲形状を含み、横方向部分５４は、容器の頂壁部３８の内面と略平行関係に室３６内に配置されるとともに、含有される電解質溶液３７内への浸漬を受けるように、適合される。電極５２は、さらに、当業技術内で知られるように、適切な電気回路へ傾き検出器を接続するようにヘッダアッセンブリ３４の外部へと延びるリード部分５８を有する垂直部分５６を含む。電極５２は、湾曲部分５５の下に配置されるとともにそこでヘッダ４４の孔４６内に収容される絶縁体またはガラスビーズ６０により、ヘッダ４４からシールして支持されかつ電気的に絶縁されている。電極の実際の形状および寸法は、ある程度まで、検出器の特定の目的に従って変わり得る。

図４Ａを参照すると、ヘッダ４４は、さらに、導電性リード６４を収容する受容キャビティ６２を底面側に含み、導電性リード６４は、溶接、ろう付け、または外部電気回路に封じ込め封体部（すなわち、共通電極）を接続する適切な手段によって配置される。リード６４は、代替として、金属製の容器３２の外周に取り付けられ得る。電極５２は、コバール（Ｋｏｖａｒ）、合金５２（Ａｌｌｏｙ ５２）、または同様の材料から形成でき、好ましくは、白金または金などの貴金属で被覆される。ガラス絶縁体は、ヘッダおよび電極の熱係数に一致する材料から形成されるのが好ましい。電解質溶液３７は、非水溶液、半水溶液、および非腐食性溶液から成る群より選択され得る。好ましくは、電解質溶液は、好ましい実施態様の非貴金属構成部材に一般に有害な影響を及ぼさない非ハロゲン化溶液である。ハロゲン化溶液を使用するとしたら、純粋なまたは被覆の貴金属構成部材にのみ使用することになる。

室３６が、電解質溶液３７で部分的に満たされ、それによって、電極の各横方向部分５４の少なくとも一部が、図３に示すように、気体状の泡「Ｂ」に曝されることは、留意する必要がある。代替として、図３Ａおよび図３Ｂに示すように、室３６は、さらに電解質溶液で満たされることができ、それによって、電極の全体が、溶液内に浸漬され、電極は、気泡「Ｂ」に貫入しない。この構成は、金属製の容器３２が、共通電極であるので、実行可能であり、電極が、その非摩擦関係により気泡の移動を妨げないので、いくぶん有利になり得る。

図４に例示するように、２つの検出用電極５２は、横方向部分５４の末端の間に適切な間隙を残してヘッダの中心線「ｘ」に沿って位置合わせされて横方向部分５４と離間した関係でヘッダ４４に取り付けられている。中心線「ｘ」は、傾き軸線を画定しており、この傾き軸線に関して、適切な回路により出力電圧の変化を検出することによって、傾きの程度が測定される。

図５を参照すると、電解液傾き検出器７０が示されており、これは、本発明の代替の実施態様を例示している。電解液傾き検出器７０は、図３−図４Ｂを用いて上述した傾き検出器３０とほぼ同様であるが、第２の対の電極を含む。傾き検出器７０は、金属製の容器７２と、金属製の容器７２と流体密関係で接続されそれらの間に室を画成するヘッダ電極アッセンブリ７４とを含み、この室は、図３−図３Ｂに示すのと同様の仕方で、部分的に電解質溶液で満たされている。金属製の容器７２の頂壁部７３は、図３−図３Ｂに示すのと同様に、湾曲「Ｃ」または複合湾曲「ＣＣ」を有する丸い形状であるのが好ましい。ヘッダ電極アッセンブリは、内部に形成された４つの孔７８を有するヘッダ７６を含む。ヘッダ７６は、容器７２と密封シールされる、フランジ部７６ａおよび取り付け部７６ｂを含み得る。溶接用の環状隆起部７６ｃが、上述した抵抗溶接によりシールするために備えられ得る。ヘッダ電極アッセンブリは、さらに、室の中心軸線周りに方形に配置される横方向部分８２を有する二対すなわち４つの検出用電極８０を含む。方形に配置されているので、二対の正反対の電極は、２つの直交する傾き軸線、例えば、デカルト「Ｘ」および「Ｙ」軸を画定する。この構成で、検出用電極の出力電圧が測定されかつ互いに相関されて、方向にかかわらず傾き角度を与える。さらに、方向の参照が確立される場合、出力電圧は、傾きの方向を決定するのにさらに使用され得る。ヘッダ電極アッセンブリが、室の中心線周りに配置されるとともに上述したのと同様の仕方で対応する数の傾き軸線を画定する、三対またはそれを上回る複数対の検出用電極を含み得ることは、留意する必要がある。

図５Ａを参照すると、電解液傾き検出器７０は、拡大されたヘッダ８６を随意に含み得る。拡大されたヘッダ８６は、意図された用途に傾き検出器を組み込むように、内部に形成された複数の取り付け孔９０を有する拡大されたフランジ部８６ａを含む以外は、図５のヘッダ７６と同様である。

図６をここで参照すると、図３または図４の単一軸線の一定半径の傾き検出器の特定の性能特性の例示的なグラフ図が示される。複合湾曲型（図３Ｂ）が使用される場合は、出力曲線の形状は、特定の用途に調整され得る。

本発明の傾き検出器を作成する方法が、ここで説明される。

第一に、無制限に金属製の容器およびヘッダを含む図４および図５に示すような傾き検出器の構成部材が、好ましくは打ち抜き加工、機械加工、または引き抜き加工によって、作成される。

ヘッダアッセンブリの作成では、図４Ｂに示すように、ガラスビーズ６０が、湾曲部分の下で電極の中間部分の周りに適切な固定具を用いて詰められる。装填された固定具は、次に、ビーズをプロフィール溶融しかつビーズ６０と電極５２の間にガラス対金属シールを形成する温度での加熱を受ける。この方法では、固定具は、ガラス対金属シールを形成する予め設定された温度におけるコンベヤーキルンを通して送られることができる。ガラスビーズ付き電極は、次に、ヘッダ内に設けられた各孔４６または７８内へ予め決められた深さまで差し込まれる。再度、適切な固定具を用いて、下位部品組立てを行ったヘッダ電極アッセンブリは、「橋架け」ビーズ付き電極によるガラス対金属シールを形成する温度におけるコンベヤーキルン内で加熱を受け、それによって、実質的に流体密のシールをそれらの間に与える。代替として、セラミックヘッダが使用される場合は、ガラスビーズ付き電極は、ガラス接続により、またはエポキシ接着剤などの適切な接着剤を施すことにより、ヘッダにシールして接続される。非腐食性の電解液が、開口部側を上に向けた容器３２または７２の容積部内へ正確に計量して供給される。この満たすレベルが、傾き角度範囲を決定し、図３−図３Ｂに関連して上述した適切な大きさの気泡を保証する。ヘッダアセンブリは、ここで、電解質で適切に満たされた金属製の容器上に配置され、手作業、半手作業、または完全自動の抵抗型溶接機械を用いて溶接される。溶接用機械は、ヘッダアッセンブリを受けるための上部電極と、金属製の容器と接触するための下部電極とを含むのが好ましい。代替として、セラミックヘッダを使用するときは、セラミックヘッダは、適切な接着剤、例えばエポキシ接着剤により容器にシールして接続され得る。

本発明の特有の一利点は、検出器が自給式であること、すなわち、検出器を組み立てることができ、電解液を、充填孔の必要なしに容器内に導入することができることである。これによって、検出器は、製作がより容易になり、充填孔をシールする必要性が解消される。充填孔が無いことは、容器の完全性を向上させ、かつ検出器の全体の信頼性を向上させる。

上述した方法は、本発明に従う電解液傾き検出器を製造する迅速かつ効率的な方法である。しかしながら、組立ての他の方法も使用できる。

本発明は、その例示的な実施態様に関して説明および例示したとはいえ、本発明の精神および範囲から逸脱せずに、上述したものおよびさまざまな他の変更、省略、および追加が、本発明内におよび本発明に行われ得ることは、当業者には理解されるであろう。

従来の電解液傾き検出器の断面図。 図１の傾き検出器を組み込んだ電気回路。 図１の傾き検出器を組み込んだ電気回路。 本発明の電解液傾き検出器の長手方向断面図。 電極が電解質溶液内に完全に浸漬されている代替の傾き検出器の構成を例示する図３と同様の長手方向断面図。 頂壁面部が化合物の内側湾曲部を有する代替の傾き検出器の構成を例示する図３と同様の長手方向断面図。 図３に示される傾き検出器の分解斜視図。 ヘッダに接続されたリードと、容器とヘッダの間の溶接用リッジとを例示する図４のＡ−Ａ線に沿って取った傾き検出器の拡大部分断面図。 電極上に形成された絶縁／ガラスビーズを有する電極の１つの拡大斜視図。 電解液傾き検出器の代替の実施態様の分解斜視図。 拡大したフランジ部を有する代替のヘッダの構成を例示する斜視図。 傾き検出器の一定半径の変形物での傾き角度に対する出力の例示的なグラフ。

Claims (15)

1. 頂部と、頂部から垂れ下がっている側部とを有する金属製の容器と、ヘッダとを含み、室を画成する封じ込め封体部であって、封体部を通って形成された少なくとも一対の孔を有する、封じ込め封体部と、
   少なくとも部分的に室を満たす電解質溶液と、
   少なくとも一対の電極であって、各電極が、金属製の容器の頂部の内面と略平行な関係で室内に配置された電気的に活性な横方向部分と、少なくとも一対の孔の各孔を通って封体部の外部へ延びるリード部分とを含み、一対の電極の横方向部分が、少なくとも１つの傾き軸線を画定するように概略位置合わせされている、少なくとも一対の電極と、
   を備えることを特徴とする電解液傾き検出器。
2. 電極の周りに実質的に流体密なシールを形成するように、封体部の各孔内に配置されたシール用材料をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
3. 傾き検出器は、横方向部分が単一の傾き軸線を画定する一対の電極を有することを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
4. 傾き検出器は、横方向部分が複数の傾き軸線を画定する少なくとも二対の電極を有することを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
5. ヘッダは、導電性材料から形成されることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
6. ヘッダは、非導電性材料から形成されることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
7. 金属製の容器の頂部は、弓状の内面を有することを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
8. 金属製の容器は、非貴金属から形成されることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
9. 金属製の容器は、非導電性材料の外層をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
10. 前記孔は、ヘッダ内に配置されていることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
11. 金属製の容器とヘッダは、互いに溶接されていることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
12. 金属製の容器とヘッダは、接着剤により互いに接続されていることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
13. ヘッダは、傾き検出器の組み込みのための取り付け孔をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
14. シール用材料は、ガラスであることを特徴とする請求項１記載の電解液傾き検出器。
15. ガラスは、封体部および対応する電極とのガラス対金属シールを形成することを特徴とする請求項１４記載の電解液傾き検出器。

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