JPH04232826A - 電気化学的力センサ - Google Patents
電気化学的力センサInfo
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
知して生成する装置、特に電気化学的プロセスによって
電圧に機械的な力または圧力を可逆的に変換する圧力変
換器に関する。
は技術的に知られている。重力列測定を除いて、このよ
うな方法は一般に与えられた圧力を電圧に変換するため
に圧力変換器を使用する。圧力変換器は一般に電圧を発
生するために与えられた圧力によって導出された中間的
な物理的変位に依存している。変換原理または物理的変
位を電圧または電流回路中の変化に変換する手段は、最
近の科学において知られている多数の物理的な関係によ
って変化する。しかしながら、変換技術の一般的な使用
は比較的少数のものに限定されている。これらは本質的
に抵抗、インダクタンスおよび磁気抵抗の変化に関与し
ている。有効なデータは、このような変換器に入力電圧
を供給し、測定されるべき圧力または力の供給の中間結
果として生成された変位の変化の関数として出力電圧を
発生することによって得られる。
イヤタイプが最も普通に使用されている。圧電変換器は
時間にわたる歪の変化率に比例して出力電圧を生成する
結晶材料を使用する。出力電圧はダイナミック状況下だ
けで生成されるため、圧電装置は静止または一定状態の
圧力または力測定に対して使用されることができない。 それは通常振動またはダイナミック圧力を測定する小型
計器として使用される。
与えられた圧力または力に応じて変化するように支持さ
れた微細なワイヤを含んでいる。このワイヤが永久磁石
の磁極間に存在する場合、それは発振電圧の供給時にそ
の自然周波数で振動する。振動ワイヤ変換出力は、与え
られた圧力または力によって誘導されたワイヤ張力の変
化に応じて周波数が変化する発振電圧である。
電圧出力を発生するために変位を必要とする。圧力測定
は、制限された移動が許容されているフレキシブルな材
料にわたって与えられた圧力を合計することによって行
われる。フレキシブル部材はダイヤグラム、カプセル、
ベローズまたはオルガンの管等の種々の形態にすること
ができる。これらはそれぞれ与えられた圧力下で制限さ
れた変位を行う。絶対的な圧力は一般に通常ゼロに近い
基準圧力でカプセルまたはベローズ構造、或は計器室の
いずれかを密封することによって決定される。ゲージ圧
力(周辺大ガス圧力に関する)は一般に周辺状態に計器
の基準側を接続することによって測定される。圧力差は
、感知部材の対向した側にアクセスする2つの圧力を導
くことによって測定される。
ぞれいくつかの制限を受ける。圧電変換器を除いて、こ
のような方法は全て分離した電源を必要とする。圧電変
換器は分離した電源を必要としないが、静止圧力測定に
は利用できない。圧電変換器を除いて、上記の変換技術
は自己較正を行うことができない。圧電変換器は往復原
理によって自己較正されることができるが、この方法は
ダイナミック(正弦曲線的に変動する)圧力に対しての
み有効である。較正基準を参照せずに静止圧力の絶対値
を正確に感知するように較正されることができる簡単な
自己較正圧力センサは技術的に知られていない。
つの別の関連した感知要求が技術的に存在する。第1に
、混合気体中の1つの気体の分圧の測定がしばしば要求
される。例えば、酸素(O2 )の分圧の直接感知は医
療、生物学、自動車エンジニアリング、化学、石油エン
ジニアリングその他において技術的に要求されている。 第2に、ロボット技術において力または圧力を感知する
性能に所望の力または圧力を生成する性能を結合する変
換器が必要とされていることは良く知られている。この
ような装置は力または圧力センサ/作動体と考えられて
よく、ロボット操作装置に有効である。変換現象が非可
逆的であるか、或は(圧電変換器の場合のように)変換
現象が静止状況下において存在しないため、上記の力変
換技術はこれらの重要な要求のいずれかを満足させるこ
とができない。
ichter氏により論文(“MeasuringAb
solute Oxygen Pressure ”,
NASA Tech Brief 8 ,No.3,I
tem#97 ,1984年,Jet Propul
sion Laboratory )において報告され
ている。Richter氏は高温(>1000℃)のジ
ルコニア電解質燃料電池で酸素の分圧の測定のために使
用した。Richter氏の方法は酸素の分圧を測定す
るのに有効ではない。Richter氏の方法は周辺温
度で他の電気化学アクチブガス(例えば、H2 ,Cl
2 等)の分圧を測定するのにも有効ではない。
れと間に接触して電解質膜を位置することによって形成
される。このようなセルは電気を発生するか(燃料セル
として)、或は機械動作を行うか(モータとして)のい
ずれかが可能であるが、これまで力または圧力を感知ま
たは生成する変換器として使用されてはいない。セルが
電気を発生する燃料セルとして構成された場合、Wen
tworth氏により米国特許第3,418,168
号明細書に記載されているように水素のような燃料ガス
は陽極に供給され、酸素のようなガス状酸化体は陰極に
供給される。セルが機械エネルギを生成するためにモー
タとして構成された場合、Magnet 氏よる米国特
許第4,402,817 号明細書に記載されているよ
うに電圧は陽極・陰極間に供給され、酸化/還元反応に
入ることができる電気化学的にアクチブなガスは陽極に
供給される。これらの特許出願はいずれも力または圧力
センサとしての電気化学セルの使用を教示および示唆し
ていない。このような適応は本発明者による米国特許出
願07/563,050号明細書(“Efficien
t Electrochemical Motor ”
)に簡単に記載されている。
圧力差と電圧との間の可逆的な変換をする圧力変換器と
して電解質膜を使用する電気化学反応力センサである。 本発明は接触力を感知して反応することができる反応接
触センサを提供する。これは、電解質膜センサおよび反
応駆動装置を集積して簡単な小型制御装置によって動作
される単一の素子にする実施態様によって実現される。 本発明はまた圧力基準を参照せずに、簡単な自己較正過
程を使用することによって絶対圧力の正確な測定を行う
簡単な自己較正型の受動圧力センサを提供する。本発明
の利点は、別の実施態様において酸素(O2 )、水素
(H2 )およびいくつかのハロゲンのような複数の電
気化学的にアクチブなガス用の直接分圧ガスセンサ提供
することである。
の利点を提供する。電気化学変換現象は可逆的である。 これは本発明が力の感知および供給または作用の両者に
十分適合することを意味する。電気化学力センサ/作動
体の精度は、変換現象の特性により内部較正を特に行わ
なくても0.05%を越える。
簡単な自己較正過程に対する能力である。電気化学圧力
センサの二重室の実施例は、出力電圧を最初に測定し、
既知の期間既知の直流電流を供給し、出力電圧を再測定
することによって自己較正されることができる。簡単な
代数関係を使用すると、電解質膜の両側の電気化学ガス
の絶対圧力は電圧および電流測定手段だけによって制限
される精度および正確さにより較正されることができる
。適用できる式は、電解質膜を通る電流が1単位時間当
たり電解質膜を横切って転送されたイオン数に等しい電
気化学変換現象の試験から理解されることができる。 電解質膜を横切るガス圧力比はまた膜を横切って転送さ
れたイオン数(ガス分子)に関連し、正確な関係は膜電
流と膜圧力比との間に存在する。すなわち、流れている
電子の数は、電解質膜を横切る圧力差によって生じた拡
散損失を除いて、転送されたガス分子数と厳密に関連し
ている。センサ電圧出力に応答して電解質膜にバイアス
電流を供給する簡単な制御手段は拡散損失を補償する。 すなわち、逆拡散ガス流は測定された圧力差に対して計
算された拡散評価に応答して制御装置によって自動的に
誘起される。
さらに別の利点は、同じ感知装置を使用して所望の力を
生成する性能である。これは、機械的なグリッパーまた
は操作装置において使用するロボット技術への適応性を
有する。ほとんどの接触センサは受動的である。機械的
な作動体は操縦装置を接触力に応答させるためにかなり
のフィードバックおよび計算を要求する。本発明は、電
解質膜に電流を供給する手段へのセンサ出力電圧の簡単
なフィードバックを含む簡単な局部制御手段により接触
力を感知して応答することができる実施態様を許容する
。作動体/センサによって与えられた力は供給された電
流に対して直ちに正確に応答する。
与する電気化学的にアクチブなガスの分子だけを転送す
るため、本発明は特に水素、酸素およびハロゲンのよう
な選択された電気化学的にアクチブなガスの分圧の測定
に適している。事実、電解質膜の一面が測定中にガスに
さらされた場合、電解質膜出力電圧は常にガス混合圧の
比ではなく電解質膜を横切る分圧の比に直接関連してい
る。
る。電解質膜からの出力電圧は膜面積に関連していない
。したがって、例えば2mm2 より小さい面積を持つ
膜は体内血圧および細胞圧の測定用の導管内で使用する
圧力センサとして効果的に機能することができる。技術
的に知られている従来の典型的な圧力センサ変換器は、
変換器出力信号を発生するいくつかの物理的な変位に依
存し、これらのセンサは多数の可動部品を具備している
ことが多く、それによって小型化の実現を制限している
。
びフレキシブルな幾何学形状の利点を提供する。これら
全ての利点は可動部品(フレキシブルなベローズまたは
ダイヤグラムを除く)を不要にし、結果的に本発明の好
ましい実施例に対して生産コストを低くする。
学セルの両側に電気的に接続する手段を有するセンサハ
ウジング中に配置された電気化学セルを含む。二重室型
圧力または力センサの実施例はさらに2つの内部ガス室
の一方に外部圧力を伝達するためにハウジングの一端に
ダイヤグラムまたはベローズを含む。2つの内部ガス室
はそれぞれ電気化学的にアクチブなガス、好ましくは水
素を充填されている。2つの内部ガス室の一方は温度セ
ンサを含む。温度センサ出力および電気化学セル出力電
圧に応答するセンサ/作動体制御手段は、膜を横切るガ
ス拡散によって生じた圧力差を補償するために必要なバ
イアス電流および装置によって感知された圧力値を計算
して表示するために必要な信号を供給する。
化学セル駆動電流用の付加的な小型制御装置を含み、電
気化学セル出力電圧(感知された圧力)および所望の接
触を設定する遠隔ロボット制御信号に応答する。この局
部的な小型制御装置は、駆動電流を変化し、それによっ
てダイヤグラムまたはベローズ下のガス圧力を変化する
ことによって感知された力に応答する。局部的に制御さ
れる圧力変化は、ロボット機械操作装置に有効な外部環
境との物理的な圧力相互作用を構成する。
願07/563,050号明細書(“Efficien
t Electrochemical Motor ”
)に記載されているように理想的に電気化学モータにお
ける内部圧力センサとしての適応に適している。
点は、以下の説明、特許請求の範囲および添付図面から
明らかになるであろう。
び力センサおよび作動体として最も重要である。
よび20と、電極/イオノマー装置の両側に堅牢な支持
体を構成する印刷回路板(PCB)17および19を有
する堅牢に支持された電解質膜16によって分離された
基準室12および感知室14を有する二重室電気化学圧
力センサ10を示す。感知室14は、感知室14内の圧
力が外部測定圧力と等しくなるまで外部測定圧力下で変
形するフレキシブルなダイヤグラム22を具備している
。室12および14は共に電気化学的にアクチブなガス
を含んでいる。堅牢な支持部17および19、並びに電
極18および20は電気化学的にアクチブなガスに対し
て透過性であり、ガス分子が電極面からイオノマー16
の表面間を移動することを可能にする。
的に電極12とイオノマー16との間の表面のガス分子
の還元、並びにイオノマー16と電極20との間の境界
面におけるガスイオンの酸化を発生させる良く知られた
プロセスが生じる。このプロセスに関して、水素ガスの
場合、電子はこのような各還元に対して電極18から除
去され、このような各酸化に対して電子が電極20に与
えられる。このプロセスは室2 および14の圧力比を
逆にするだけで逆転される。全体的なプロセスは結果的
に電極18と20との間に電圧を生成し、これは電圧計
24によって測定される。電圧計24の内部インピーダ
ンスが非常に高い場合、電極18および20間に電流は
流れず、膜16を横切るイオン転送は生ぜず、それによ
り圧力により生じる拡散損失を除いて室12と14間の
相対圧力差を他の影響を受けることなく維持する。
図1において膜16、電極18および20並びにPCB
17および19の組合せとして示された堅牢に支持され
たEEセルを使用することが必要である。このようなセ
ルまたはセパレータは高いイオン導電性およびセパレー
タを横切る圧力差によって誘導される低いガス拡散を有
していなければならない。ペルフロロスルホン化された
イオノマー膜はこの目的に良く適しており、技術的に良
く知られている。例えば、H.Maget氏による論文
(“Ion Exchange Membrane
Fuel Cells”,Handbook of
Fuel Cell Technology ,C.B
erger ,Editor ,Prentice−H
all ,1968年)を参照されたい。
(“Electrode Materials an
d Processes for Energy
Conversions”,ECS Proceed
ings,354 乃至374 頁,1977年)を参
照されたい。
ガスセンサである。図2Aは、基準室12および膜16
、電極18および20、並びに測定されるガス圧力にさ
らされた堅牢な支持部17および19を含む電気化学セ
ルを有するガスセンサ26を示す。基準室12は酸素で
あることができる電気化学的にアクチブなガスを含む。 電極20が空気混合物にさらされた場合、電気化学セル
を横切って生じる酸化物還元プロセスは空気混合物28
中の電気化学的にアクチブなガス圧力に対する基準室1
2中の電気化学的にアクチブなガス圧力の比を関連させ
る電圧を電極18と20間に誘導する。したがって、図
2Aに示された実施例は、空気混合物28の電気化学的
にアクチブなガス成分の分圧を測定するように動作する
ことが理解される。水素、酸素または選択されたハロゲ
ンのいずれかの所望の成分は基準室12中の電気化学的
にアクチブなガスの化学的比で形成される。
ンサの実施例が示されている。しかしながら、半透過性
の膜30はイオノマー16の湿気成分の蒸発を防止する
ように電気化学セル装置をカバーするように付加される
。膜30は測定される電気化学ガスに対しては透過性で
あり、一方湿気に対しては非透過性であるように選択さ
れる。
る図3に示された二重室力センサである。
は医療適用に適切な導管(カテーテル)ベースの実施例
に含まれている。図3Bは導管36の外側および内側の
、それぞれめっきされた導体管32および34の図3A
で矢印で示された断面を示す。導体管32および34は
、感知室14に対する基準室12の圧力比に応答して電
気化学セルの出力電圧を監視するために電極18および
20への接続手段を提供する。導管36は実質的に直径
が1.6mm である。電極18への電気接続は、内部
めっきされた電極34と接触している堅牢な導電壁38
との接触によって形成される。電極20への電気接続は
、外部めっきされた電極32と接触している金属体40
によって行われる。
明するために、図1および図4を考慮する。室12およ
び14のボリュームは同一、或いは特定の関係である必
要はない。基準室12は酸素または水素のような既知の
量の電気化学的にアクチブガスを含み、基準圧力として
使用される。図4において、この基準圧力はP1 であ
る。感知室14もまた最初に圧力P1 であるならば、
システムは平衡状態であり、電圧計24の電圧はゼロで
ある。外部圧力がP2 まで増加した場合、圧力差は室
12と14との間で生成される。この状態は以下の熱力
学的な関係によって示される。
(1)ここで
、 V=圧力差の結果生じた電極18と20間の電圧(
ボルト)、 R=ガス定数、 T=絶対温度(°K) n=アクチブガスの分子当りの電気化学レドックス
(酸化還元)プロセスに含まれる電子の数(レドックス
結合水素/水素に対してn=2)、 F=ファラデイ
定数。
mVに等しい。PR が圧力比P2 /P1 として定
められ、1に近いと定められた場合、式(1)は以下の
ように示されることができる。
(2)式(2)は電気化学的にアクチブなガスと
して水素を使用する電気化学圧力センサに対して有効で
ある。例えば、PR が1.01に等しい場合、電圧計
24は0.13mVの電圧を読取る。
るため、室12中の圧力はゼロを含む任意の値を仮定し
てもよい。電気化学圧力センサは膜16の機械限界まで
の任意の圧力レベルで動作することができる。膜16の
両面間の過度の圧力差を防止するために、基準室12中
の基準圧力はセンサ室14において測定される外部圧力
に近いように設定されることができる。
よい。適切なガスは酸素/水、塩素/塩化水素酸等の可
逆的レドックス反応に参加することができる全てを含む
。その他のレドックス結合の使用を説明するために、酸
素/水システムを考慮する。酸素が室12および14中
に存在し、水がイオノマー16中の電解質内で利用でき
る場合、レドックス結合の全ての化学成分は利用可能で
ある。式(1)および(2)はn=4であり、式(2)
がV=0.0065(R−1)になることを除き、適用
可能である。
(0.13mm乃至0.50mm)の厚さであることが
できる。電極18および20は望ましくないおよび予測
できない過剰電位を避けるために十分に電気化学的にア
クチブでなければならず、白金またはパラジウム金属ブ
ラックから構成されるか、多孔性の金属または非導電性
の堅牢な支持部17および19によって堅牢に支持され
てもよい。電極18および20からの電子導電は金属ス
クリーンまたは類似の電流キャリアによって行われるこ
とができる。
用により変動する。電極18および20は、膜16の表
面領域の分離された一部分をカバーするいくつかの絶縁
体対を含んでいてもよい。これらの対は強化された出力
電圧に対して相互接続されるか、或いは良く知られた電
気技術を使用してアクチブポンプ動作、受動感知または
その両方のために分離して接続されてもよい。単一の対
はアクチブおよび受動の両機能を以下図6により説明さ
れるような適切な制御手段により提供するが、2つの絶
縁された対は図5、図8および図9示されたアクチブ/
受動適用に対して好ましい。
膜16を貫通するイオン転送の比よりも圧力の比に関連
しているため重要ではない。ダイヤグラム22はまた圧
力変動に応答するようにベローズその他の類似したフレ
キシブルな構造であることも可能である。
を充填されている場合、センサ26は酸素センサとして
機能する。イオノマー16の汚染または乾燥を避けるた
めに、保護フィルム30は図2Bに示されるように電極
20上に位置されることができる。フィルム30はシリ
コンシートまたはその他の類似した半透過性材料である
ことができる。
したがって電圧に圧力比を変換することができる。既知
の基準圧力または以下に論じられる自己較正方法のいず
れかは示された実施例が絶対圧力を正確に測定すること
を可能にする。既知の基準圧力を提供する1つの有効な
方法は基準室12をポンプで排気して高い真空状態(ゼ
ロ圧力)にすることである。しかしながら、電気化学的
アクチブガスは室12と14との間の圧力差に応答して
イオノマー16を貫通して拡散する傾向があり、最終的
に室12と14との間の圧力を等しくする。本発明の重
要な部分は、膜16を横切る圧力によって生じる拡散を
消去するガス逆流を導く手段を含む。これは、拡散フラ
ックスと反対方向にバイアス電流を供給することによっ
て実現される。 平衡は以下のパラメータに関連している。
P1 (水素/水素)、圧力差によって誘導されたガス
フラックス、F=A(P1 −P2)、ここで比例係数
Aは正確に知られることができる。
された場合、I=−kA(P2 −P1 )であり、k
が係数であり、ガス流に関連した電流である。
=−kAP1 [exp(nF/RT)V−1
] (3) 室温において式(3
)は、 I=−kAP1 [exp(V/0.013
)−1]および、非常に小さい圧力差に対して、 I=−kAP1 V/0.013
(4)したがって、拡散フラックス補償バイアス電流は
図1における電圧計24によって測定された電流Vおよ
び基準室12中の最初の圧力P1 から計算されること
ができることが理解される。このバイアス電流は高圧範
囲にわたって動作するセンサの精度を維持するために有
効であるが、低圧範囲にわたって動作するセンサには不
要である。
する。圧力測定は、海面レベルで人体において見られる
ように760 乃至1,000 mmHg の範囲にわ
たって要求されると仮定する。またP1 は最初に88
0 mmHg に維持され、したがって±120 mm
Hg変動すると仮定する。水素電極が選択された場合、
イオノマー16を横切る水素透過率は10−8(cm3
/sec )cm2 面積/cm−厚さ/atm で
ある。0.02cm2 面積および0.05cmの厚さ
に対して、拡散率はゼロと±6(10)−10 cm3
/sec との間または5(10)−5cm3 /日
の間で変動する。基準室12中のガスのボリュームは0
.05cm3 であり、この拡散は±0.1 %/日の
圧力の変化を表す。すなわち、基準室12の圧力が最初
に 760mmHg ならば、それは長期間安定し、最
大1,000mm Hg レベルで使用された場合、0
.2 %/日ドリフトするに過ぎない。したがって、装
置の安定性は拡散補償バイアス電流手段を使用せずに低
圧範囲にわたって全ての適切な目的に適していることが
理解される。
ンサ10の適用を考えると、基準室12の圧力は最初に
1気圧に設定されると仮定する。センサ室14中の圧力
が10気圧である場合、水素拡散率は 4(10)−3
cm3 /日である。0.05cm3 の基準室12の
ボリュームに対して、この拡散は8%/日のドリフト率
を表す。この拡散流と反対方向に対応する3.3 マイ
クロアンペアのバイアス電流は上記の式(4)にしたが
って基準室12において一定の1気圧を維持する。
示されたセンサの実施例の自己較正の性能である。以下
の論議は、図4に示された既知のボリュームV1 およ
びV2 が任意の二重室電気化学圧力センサに対して知
られていない圧力P1 およびP2 を計算するために
どのように使用されることができるかを表す。
らの開回路電圧Eおよび圧力比率PR の関係に基づい
ている。
(5)最初に
、P2 /P1 =ebEを生成するEを測定する。こ
こで、 25℃において、b=nF/RT,b=1/29.5(
mV)−1=0.078 (mV)−1 いずれかの方向における時間t(秒)に対する駆動電流
I(アンペア)に対する関係は、aI=−V1 (dP
2 /dt),ここでaは0.12ml−気圧/アンペ
ア−秒に近似している。
P2 +B=P2 + aIt /V2
(6)
以下の関係: (P2 +B)/(P1 −A)=ebE’
=(P2 + aIt /V2 )/(P1
− aIt /V1 )が成立するように、新しい開回
路電圧E´を測定する。
(V1 /V2 )] /(ebE’ −ebE)
…(7) P2 = (aIt)(1/V2 )(ebE)[1+(V2
/V1 )ebE’ ] /(ebE’ −ebE)
…(8)近似すると、bEおよびbE´の小さ
い値に対して、 ebE’ =1+bE;ebE’
=1+bE´;およびebE1 −ebE=b(E1
−E) したがって、 P1 =(aIt/V1 )[1+(V1 /
V2 )ebE’ ] /(E´−E)]および P2 =(1+bE)P1
(9)
式(9)は電圧測定EおよびE´、並びに物理的定数a
およびbに関係する室12および14(既知のボリュー
ムV1 およびV2 を有する)における圧力P1 お
よびP2 を表していることに留意すべきである。この
自己較正方法は、図5に示されているような局部的制御
手段を使用する圧力センサ実施例において有効である。 拡散補償バイアス電流はセンサ較正ドリフトを最小にす
るが、式(9)の関係は任意時のセンサ再較正がバイア
ス電流の補償されない全てのドラフトに対して補正する
ことを可能にする。
サ42を付加されている図1に対して上記したものと本
質的に同様に構成されている。温度センサ42は式1お
よび式5が温度依存性であるため必要とされる。電圧計
24および温度センサ42はA/D変換器44にアナロ
グ信号を供給する。変換器44はマイクロプロセッサ4
6にデジタル温度および圧力データを送る。マイクロプ
ロセッサ46は蓄積されたプログラム制御の下において
いくつかの機能を実行する。最初に、電圧計24からの
圧力データはディスプレイ48に適した形態に変換され
る。式4からの拡散補償バイアス電流は、マイクロプロ
セッサ46によって計算され、可変抵抗52および電源
(バッテリィ)54によってイオノマー膜16を通る電
流レベルを対応して調節する電流制御装置50に送られ
る。
対して、42乃至54の素子は除去されることができ、
実施例は図1に示されたものと同じになる。
極による24.3℃における)は、1乃至2気圧におい
てマイクロボルトで平衡電圧が50+12800 ln
(P2 /P1 )に等しいことを確認している。50
マイクロボルトバイアス電圧は、電極間の小さい差また
は2つの電極・膜境界部の一方におけるイオン濃度の差
の結果である。係数の理論的な値は、測定された値と実
質的に同じ12818 マイクロボルトである。10マ
イクロボルトの電圧計読取りエラーは、0.6mm H
g の圧力のエラーに等しい。1.5 気圧の圧力にお
いてこれは0.05%の精度に等しく、本発明の高精度
を示す。
ンサの原理は図6に示されたような電気化学装置内の圧
力差を監視するために2つの異なる方法で使用されるこ
とができる。1つの方法は短い遮断期間中に圧力を監視
するために単一の対の駆動電極を使用する。水素ガスは
パラジウムブラック電極と共に使用されると仮定すると
、ガスは電流制御装置50および可変抵抗52によって
ポンプ室56と58との間で往復運動する。ガスの往復
移動は電気化学的モータ(示されていない)内の作用生
成プロセスの一部である。電流制御装置50は遮断装置
60によって駆動回路において電流遮断を開始する。電
圧センサ24および温度センサ42はA/D変換器44
およびマイクロプロセッサ46に情報を提供し、ディス
プレイ48によって示された圧力比を生成するようにデ
ータに作用する。電流遮断の終端部において、電源54
は電流制御装置50の方向において遮断装置60によっ
て再接続される。遮断期間はほぼ20乃至50m秒であ
る。モータ動作中、電極18と20との間の電圧はVD
=IRD +0.013 lnP2 /P1 であり
、ここでRD はイオン膜16の抵抗である。駆動電流
が遮断されたとき、VD はV0 =VD −IRD
=0.013 lnP2 /P1 に低下する。VD
からV0 への低下が急速ならば、圧力比は測定され、
電流は短い遅延の直後に再開されることができる。
よって開始された非常に短い電流遮断サイクルが単一の
電極対を有する電気化学モータまたはセンサ/作動体中
の圧力比の計算および表示を可能にすることを示す。モ
ータ内の圧力を監視する第2の方法は、モータ膜上で分
離された圧力センサ電極を使用することである。この第
2の方法は、図1に関して論じられた方法でモータ駆動
回路を遮断せずに連続的な圧力の監視を行う。
二重室型センサは受動または反応的な感応モードに有効
である。受動感知モードは測定された圧力の関数として
変動する電圧出力を供給するだけである。反応的な感知
モードは圧力感知出力を供給し、センサに与えられた駆
動電流に応答した測定点における所望の圧力を維持する
。図8は測定点で所望の力を与える二重室型センサの実
施例を示す。
の特性を示す。図7のAは与えられた力との相互作用を
持たない受動センサの特性を示す。与えられた力の特性
82はガス圧力特性84およびセンサ出力電圧特性86
を生成する。図7のAにおける重要な特性は与えられた
力特性82、ガス圧力特性84およびセンサ出力電圧特
性86の類似した形状である。
ンサとしてのセンサ動作を示す。力特性82に対するゼ
ロ純粋力平衡を維持するために要求される反応駆動電流
は駆動電流特性88として示される。力特性82および
電流特性88の組合せは結果的にガス圧力特性90およ
びセンサ出力電圧特性92を生じる。ガス圧力特性90
は本質的に平坦であることに留意されたい。
するために強制された接触センサまた作動体として動作
する類似したセンサ反応モードを示す。駆動電流94は
、供給された力82に応答する制御手段(示されていな
い)によって接触センサに与えられる。ガス圧力特性9
6およびセンサ出力電圧特性98は結果的に力特性82
および電流特性94の組合せから生じる。圧力および電
圧出力の両者はゼロでスタートし、所望の力レベルに急
速に上昇し、以降実質的に固定された力レベルを維持す
る。
与えられた力にどのように応答するかを示し、反応セン
サは蓄積されたプログラム制御に応答する環境によりソ
フト接触(ゼロ力)またはハード接触(非ゼロ力)を維
持する。反応センサは、センサ室14中のガス圧力を変
化する電気化学セル膜16に電流を供給することによっ
て外部的な力の刺激に応答する。図8はこのような力セ
ンサを示す。
びに堅牢に支持された膜16は上記の図1に対して示さ
れたように動作する。導電体68および70は単一の膜
16上の感知電極(図示せず)の1つ以上の独立した対
へのアクセスを行い、導電体72および74はアクチブ
駆動電極(示されていない)の1つ以上の独立した対へ
のアクセスを行なわせる。電極の両セットは互いに分離
され、図1および図5に対して示された方法で膜16の
両側に配置されている。ベローズ76および接触子78
は、80で感知された外力を感知室14に伝達するよう
に動作する。図8Aにおいて、室14は室12よりも大
きく示されている。図8Bにおいて、室12は室14に
関して拡大され、膜16の領域は室12における適当に
一定の蓄積圧力レベルで高い透過率を可能にするように
拡大される。
つ以上の独立センサを持つ多数の反応力センサを示す。 この場合、各センサは局部的蓄積プログラム制御の下で
別々に動作し、2つの外部力180 および280 を
生成する。 図9のBにおいて、2つ以上の接触子は同じセンサ室1
4を共有する。この場合、単一の電解質膜16は単一の
センサ室14の圧力を有するいくつかの接触子を制御す
るように動作し、2つの接触子178 および278
を持つ単一の外力を生成する。図9のAに示された実施
例は、制御技術において良く知られたタイプの、図7を
参照して述べられたものに類似した適切な局部マイクロ
プロセッサ制御ルーチンを付加されたロボット操縦装置
の適用に対して有効であることが理解されるであろう。
ダイヤグラム感知室または等価なものを含んでいる。ベ
ローズ感知室により、センサは自己較正ステップを含む
以外の方法で圧力を測定するために使用されることがで
きる。図10を参照すると、この“フレキシブルな壁”
の概念は以下の説明から理解されることができる。
を押すことを可能にするオリフィス102 を持つ堅
牢な壁100 を考慮する。センサの最初の状態はベロ
ーズ104 の変形がなく、ベローズ104の端部が堅
牢な壁100 (x=0)と接触しているようにセンサ
室14の圧力P1 =Pe である。蓄積室12のボリ
ュームVs は知られている。蓄積室12の圧力P2
は知られていない。
意の圧力より小さいPe において行われる。較正する
ために電流Iは、壁100 からベローズ104 への
導電率(示されていない)を監視することによって決定
されるような方法でベローズ104 が堅牢な壁100
と接触するまで電源54から流れる。接触時に距離x
=0であり、Ps /P1 =Ps /Pe =ebE
1 ここでbは最初に定められた物理的定数であり、E
1 は電圧計24におけるセンサ電圧出力である。
るため、 Ps =Pe (ebE1 ) センサ較正に続いて、外部圧力Pe は意図された測定
範囲Pe ´内の値まで増加することが可能である。ベ
ローズ104 は距離xだけ壁100 から離れ、電圧
計24が電圧E2 を読取る。センサ室圧力P2 に対
して以下の関係が得られる。
ローズばね定数、 およびPs /Pe =ebE2 したがって、P2 Ps /(ebE2 )はPs
およびE2 が知られているために計算されることが
できる。
に較正された場合、Pe ´=Ps +kx/sも計算
されることができる。ベローズが較正されない場合、P
e ´は以下の過程で発見されることができる。
4 と壁100 との間の定数を再設定する。電流I、
時間Tおよび電圧計24の電圧はe3 を測定する。
新しい蓄積室圧力である。
s =Peにおける最初の較正ステップから計算された
最初の蓄積室圧力。
/)−[ (Ps − aIt /Vs )/Pe /
] =ebE3 I,
t,b,E3 ,Vs ,aおよびPs は知られてい
るため、 P3 =Pe / =(Ps − a
It/Vs )/ebE3 上記の関係は新しい外部圧力Pe ´の計算を可能にす
る。
サの示された実施例と共に使用するのに適している別の
自己較正圧力感知方法である。
はこれらの技術の検討から当業者によって容易に理解さ
れるであろう。したがって、本発明は上記の説明および
添付図面を考慮するとこのような明らかな実施例および
修正を全て包括している特許請求の範囲によってのみ限
定されるものである。
式の概略断面図。
センサの概略断面図。
概略断面図。
を備えた電気化学的分圧センサの概略図。
えた電気化学分圧センサの概略図。
体の両者に関する時間に対する与えられた力、ガス圧力
およびセンサ電圧特性を示す特性図。
気化学的力センサ/作動体構造の2つの形態の概略断面
図。
センサ/作動体構造の概略断面図。
の動作説明図。
Claims (16)
- 【請求項1】 2つの端部の第1の端部における第1
の壁を有する気密のハウジングと、前記気密のハウジン
グの第2の端部に第2の壁を形成するように配置された
、電気化学的にアクチブなガスの供給を保持するために
蓄積室を限定する堅牢に支持された電解質膜と、前記電
解質膜の両側面上にそれと接触して配置された1以上の
透過性電極と、前記1以上の電極対間の電圧を測定する
測定手段とを具備し、前記電解質膜の前記第1の側面上
の前記1以上の電極が間隔を隔てられて互いに分離され
、前記電解質膜の前記第2の側面上の前記1以上の電極
が前記第1の側面上の前記1以上の電極と共に前記電解
質膜によって分離された1以上の電極対を形成するよう
に配置され、前記ガスは、前記1以上の電極対の一方の
電極側でガス分子が前記電解質膜を通じて転送可能なイ
オンに変換される陽極反応に入り、また前記1以上の電
極対の他方の電極側で前記イオンがガス分子に再変換さ
れる陰極反応に入るように電気化学的に可逆的にアクチ
ブであることを特徴とするガス圧力センサ。 - 【請求項2】 さらに気密のハウジングの外側に配置
された前記電解質膜の部分上を覆っている半透過性カバ
ーを具備し、前記半透過性カバーが水蒸気に対して不浸
透性であり、前記電気化学的にアクチブなガスに対して
は透過性である請求項1記載のガス圧力センサ。 - 【請求項3】 前記電気化学的にアクチブなガスは酸
素(O2 )である請求項2記載のガス圧力センサ。 - 【請求項4】 前記電気化学的にアクチブなガスは水
素(H2 )である請求項2記載のガス圧力センサ。 - 【請求項5】 2つの端部の第1の端部における第1
の壁を有する流体密のハウジングと、前記流体密のハウ
ジングの第2端部における第2の壁を形成し、電気化学
的にアクチブなガスの供給を保持する蓄積室を限定する
ように配置されたフレキシブルなダイヤグラムと、小さ
い蓄積室およびセンサ室に前記蓄積室を分割するように
前記第1および第2の壁の間に配置された2つの側面を
有する堅牢に支持された電解質膜と、前記電解質膜の前
記各側面上に設けられ、それと接触している1以上の透
過性電極と、前記1以上の電極対間の電圧を測定する測
定手段とを具備し、前記電解質膜の第1の側面上の前記
1以上の電極が間隔を隔てて互いに分離され、前記電解
質膜の前記第2の側面上の前記1以上の電極が前記第1
の側面上の前記1以上の電極と共に前記電解質膜によっ
て分離された1以上の電極対を形成するように設けられ
、前記ガスは、前記1以上の電極対の一方の電極側でガ
ス分子が前記電解質膜を通じて転送可能なイオンに変換
される陽極反応に入り、また前記1以上の電極対の他方
の電極側で前記イオンがガス分子に再変換される陰極反
応に入るように電気化学的に可逆的にアクチブであるこ
とを特徴とする流体圧力センサ。 - 【請求項6】 前記流体密のハウジングは内面および
外面を有する長い中空のシリンダを含む堅牢な導管のチ
ップの内側に配置されている請求項5記載の流体圧力セ
ンサ。 - 【請求項7】 前記1以上の電極対に反転可能な電流
を供給する手段であって、前記電流が前記電解質膜を通
じて前記イオンを転送し、それによって前記ガスが前記
蓄積室と前記センサ室との間で可逆的にポンプ動作され
る手段と、前記電解質膜の両面間のガス圧力差によって
生じた前記電解質膜を通っての拡散の影響を除去するた
めに前記ガスを1つの前記室から他の室に流動させるよ
うに前記電流の大きさおよび方向を変化する制御手段と
を具備している請求項5記載の流体圧力センサ。 - 【請求項8】 前記センサの自動較正を行う第2の制
御手段を具備している請求項7記載の流体圧力センサ。 - 【請求項9】 前記電気化学的にアクチブなガスの温
度を決定する温度感知手段と、前記センサの自動較正を
行うために前記温度感知手段に応答する第2の制御手段
とを具備している請求項8記載の流体圧力センサ。 - 【請求項10】 2つの端部および第1の端部におけ
る第1の壁を有する流体密のハウジングと、前記センサ
に外力を伝達する接触面を有し、前記流体密のハウジン
グの第2の端部に第2の壁を形成するように配置され、
電気化学的にアクチブなガスの供給を保持するために蓄
積室を限定するフレキシブルなベローズと、小さい蓄積
室およびセンサ室に前記蓄積室を分割するように前記第
1および第2の壁の間に配置された2つの側面を有する
堅牢に支持された電解質膜と、前記電解質膜の前記各側
面上に設けられ、それと接触している1以上の透過性電
極と、それら1以上の電極の対間の電圧を測定する測定
手段とを具備し前記電解質膜の第1の側面上の前記1以
上の電極が間隔を隔てて互いに分離され、前記電解質膜
の前記第2の側面上の前記1以上の電極が前記第1の側
面上の前記1以上の電極と共に前記電解質膜によって分
離された1以上の電極対を形成するように設けられ、前
記ガスは、前記1以上の電極対の一方の電極側でガス分
子が前記電解質膜を通じて転送可能なイオンに変換され
る陽極反応に入り、また前記1以上の電極対の他方の電
極側で前記イオンがガス分子に再変換される陰極反応に
入るように電気化学的に可逆的にアクチブであることを
特徴とする力センサ。 - 【請求項11】 請求項10記載の力センサを具備し
、さらに、前記1以上の電極対に可逆的な電流を供給す
る手段であって、前記電流が前記電解質膜を通って前記
イオンを転送するように動作し、それによって前記ガス
が前記蓄積室から前記センサ室まで可逆的にポンブ動作
で移送される手段と、前記ガスを前記室の一方から他方
に流動させるように電流の大きさおよび方向を変化させ
る制御手段とを具備していることを特徴とする力センサ
/作動体。 - 【請求項12】 前記センサ/作動体の自動較正を行
うために第2の制御手段を具備している請求項11記載
の信号センサ/作動体。 - 【請求項13】 電解質膜の両面間のガス圧力の差に
よって生じる前記電解質膜を通じて拡散の影響を消去さ
せるように前記1以上の電極対に前記電流を供給する第
2の制御手段を具備している請求項12記載の力センサ
/作動体。 - 【請求項14】 前記電気化学的にアクチブなガスの
温度を決定する温度感知手段と、前記センサの自動較正
を行うための前記温度感知手段に応答する第2の制御手
段とを具備している請求項12記載の力センサ/作動体
。 - 【請求項15】 1以上の電極対を具備した電解質膜
を有する電気化学的な流体圧力センサの蓄積室およびセ
ンサ室中の電気化学的にアクチブなガスの圧力を決定す
る方法において、前記1以上の電極対間の電圧を測定し
、ある時間の間前記1以上の電極対に電流を供給し、前
記1以上の電極対間の電圧を再測定し、前記電解質膜の
両側における電気化学的にアクチブなガス圧力を計算す
るステップを含むことを特徴とする電気化学的にアクチ
ブなガスの圧力を決定する方法。 - 【請求項16】 1以上の電極対を具備した電解質膜
およびセンサ室のフレキシブルな壁と接触するように配
置された堅牢な壁を有する二重室型電気化学圧力センサ
を較正する方法において、前記フレキシブルな壁および
堅牢な壁が接触し、測定された圧力が知られているとき
に、前記1以上の電極対間の電圧を測定し、測定された
圧力が知られている場合に前記フレキシブルな壁および
堅牢な壁を接触させるように必要な時間の間前記1以上
の電極対に電流を供給し、前記フレキシブルな壁および
堅牢な壁が接触したとき前記1以上の電極対間の電圧を
再測定し、知られていない測定された圧力を計算するス
テップを含むことを特徴とする電気化学圧力センサの較
正方法。
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