JPH0367210B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、圧力とくに温度補正された圧力の測
定に関するものである。本発明は生産中の油井の
ような井戸の内部の流体圧の測定にとくに応用さ
れる。 油井の生産性パラメータを決定するためには圧
力測定が極めて重要であることが知られている。
とくに、ある与えられた深度レベルにおいて生産
される流体の圧力の比較的小さい変動を検出でき
ることが重要であり、それらの変動を解釈するこ
とによりその井戸からの石油資源の合理的な産出
量を見積ることが可能である。含油地層は非常に
深い地下に存在することがしばしばであるから、
そのような深い地層における静水圧は非常に高
く、現在では1000〜1400バールに達している。一
方、検出すべき圧力の変動は７×10^-4バールとい
うように非常に小さいことがある。したがつて、
ここで考えている圧力測定は比較的高い確度で行
わなければならない。 油井中の圧力測定を高い確度で行うことが必要
であるばかりでなく、油井が非常に深いために高
温、高圧における厳しい環境に耐えることができ
るトランスデユーサを使用しなければならない。
それらのトランスデユーサは高確度でなければな
らないとともに、地熱の勾配のために異なる深度
における２つの測定点の間でかなりの値になるこ
とがある温度変動に対して非常に高い感度も有し
なければならない。 油井中の圧力を測定するために圧電結晶共振器
を使用することが提案されている。それらの圧電
結晶共振器は求められている圧力感度特性を実際
に有する。一方、結晶共振器は温度に対する感度
が極めて高く、何分の１度という小さい温度変動
を検出できる。セ氏は、行われる圧力測定を大き
く歪ませるのに一般に十分である。この欠点を解
消するために、油井の中に降すことができるゾン
デの外側の圧力にさらされる結晶共振器と、頑丈
なケースの中に納められて外部圧力から保護さ
れ、基準圧力にさらされる、前記結晶共振器と同
一の結晶共振器との２個の同一の結晶共振器を前
記ゾンデの中に互いに近接して納めて構成したト
ランスデユーサが提案されている。そのような条
件の下においては、基準共振器の振動数は温度変
動のみにより変化させられる。原理的には圧力の
変化によつてのみ変化し、ゾンデの周囲の温度変
化とは独立しているうなり周波数を得るためには
基準共振器の出力振動数と測定共振器の出力振動
数を組合わせるだけで十分である。それらの共振
器はたとえば円筒の中に横方向に配置されるダイ
アフラムまたはペレツトで作ることができる。そ
の円筒とペレツトは同じ結晶ブリツジの部分を形
成する。円筒の外側に作用する圧力はその円筒に
よりダイアフラムへ伝えられる。そのような圧力
トランスデユーサがたとえば米国特許第3561832
号に開示されている。 しかし、上記装置は、１個の共振器に作用する
温度変動が他の共振器に同時には作用しないよう
に、互いに必ず分離させなければならない２個の
共振器を必要とするのが欠点である。この欠点
は、前記したようにこのトランスデユーサの感度
が極めて高いから、測定効率を低下させる原因の
大きな割合を占める。 この欠点を同じ欠点が、端と端が接合された２
共振器−ダイアフラム型円筒を用いる、前記米国
特許に開示されている圧力トランスデユーサの変
更例にもある。それらの円筒の１つにおいては、
ダイアフラムは、直径の両端に設けられている２
つの舌片により円筒の内壁にとりけられてる。そ
れらの舌片の方向により最大の負圧力感度係数を
得ることが可能となる。それら２個の共振器の出
力側に得られた信号が組み合わされて、得られた
信号の圧力感度を高くし、２つのダイアフラムの
挙動に対する温度の影響が互いに補償し合う。し
かし、その相互補償は２つのダイアフラムの温度
が同一であることを仮定している。しかし、周知
のように２つのダイアフラムの温度が常に等しい
とは限らず、とくに温度変化が速やかに起る場合
にはそうである。 本発明の目的は、とくに、油井または地球熱学
において見られる特定の利用条件の下における測
定に用いるために、加えられている圧力と温度を
高い確度で測定できる圧電共振器トランスデユー
サを得ることである。 この目的を達成するために、測定すべき圧力を
外面に受けることができる外部素子、たとえば角
張つた部分、およびその外部素子に加えられた圧
力に対応する力を受けるために縁部が外部素子に
連結され、たとえば環状素子の内部にとりつけら
れて圧力の直接作用を受けない共振器ペレツトと
を含む圧電結晶ブロツクを備える圧力トランスデ
ユーサを本発明は提供するものである。特徴とす
る点は、カツトが第１と第２のモード、たとえば
擬似横振動モードを有するように、ペレツトは結
晶からカツトされる。そのペレツトの縁部はある
間隔をおいて外部素子の内面から分離される。そ
の間隔に沿つて外部素子への連結ブリツジが設け
られる。その連結ブリツジは、前記力に対するペ
レツトの可能な複数の共振振動数から選択された
共振振動数の感度が第１の振動モードでは高く、
第２の振動モードでは事実上零であるように、前
記連結ブリツジは、前記カツトの少くとも１つの
結晶軸に関連して選択される方位を有する向きに
前記力を前記ペレツトまで伝える。圧電結晶のカ
ツトは一回転カツトにすることができるが、二重
回転カツトまたは三重回転カツトとすると有利で
ある。更に、上で概要を説明した動作が好適な動
作である。本発明は、圧電結晶の、現在記号Ａ，
Ｂ，Ｃで示されている３種類の振動モードの基本
振動数または部分振動数もしくは非調波振動数
（partial or anharmonic frequecies）のうちか
ら任意の２つの振動数を用いることも含むもので
ある。 水晶結晶のような圧電体のある結晶カツト、と
くにいわゆる二重回転カツトにおいては、ある向
きに沿つて加えられる力に対するその結晶の共振
振動数の感度が他の向きに沿つて加えられる力に
対するその結晶の共振振動数の感度よりも高いよ
うな向きが存在する、という観察を本発明は基に
しているものである。また、それらのカツトのう
ちの少くともいくつかにおいては、可能な振動モ
ードのうちの少くとも１つに従つて、振動数がそ
れらの力の強さに実際上感じないようにペレツト
に加える力の向きを選択することが可能であり、
それにより温度変動のみを表す信号を高い確度お
よび高い安定度で得ることを可能にするというこ
とも本発明は基にしている。 圧電共振器において２種類の振動モードにより
生じた周波数を有する信号を拾うための方法が、
たとえば米国特許第4079280号に開示されている。
それらの信号のうちの１つが結晶の内部温度に用
いられ、他の１つの信号が基準周波数として用い
られる。温度測定に用いる信号は、他の信号によ
り得られた測定値を補正するために、または他の
信号の周波数を安定にするために使用できる。 本発明は、圧力感知トランスデユーサの特別の
場合に、圧力により生じた力がブリツジにより加
えられる向きを適当に選択することにより、実際
には温度のみに関係し、圧力には関係しない信号
を得ることが可能であるという事実により、それ
らの技術とは異なるものである。とくに、本発明
は、力を加えるそのような向きに対して、力の変
動に対する他のモードの感度を高くすることが可
能であるという注目すべき観察を基にしているの
である。したがつて、１つの振動モードにおいて
は力の値に対する周波数の感度を高く、場合によ
つては最高にすること、および他の振動モードに
おいてはその感度を事実上零にすることが可能で
ある。とくに、圧力により生じた力をペレツトに
加えるためのブリツジの位置を適当に選択するこ
とにより、第１のモードにおいて希望の信頼度で
圧力測定値を得るために十分な再現性と安定度で
力に対する感度を高くすることができ、第２のモ
ードにおける周波数変動が圧力とは独立に温度変
動についての情報が得られるような圧電結晶のカ
ツトがある。温度変動についてのその情報は圧力
感知モードに及ぼす温度変動の影響を高い確度で
無くすために使用できる。 この高い確度は、圧力トランスデユーサの温度
変動による影響を補正するために圧力トランスデ
ユーサの外部素子を使用する必要がないという事
実からとくに達成されるものである。それらの温
度変動は、別の振動モードを含む同じ結晶につい
ての測定により、実際に直接考慮に入れられる。 これに関連して、前記したような種類の圧電体
ブリツジを備える温度トランスデユーサも本発明
は含むことに注意されたい。変化する応力が外部
から加えられるような環境においてそのようなト
ランスデユーサを使用する場合には、それらの応
力から発生される力を共振器へまで選択された向
きに伝えるブリツジにより共振器ペレツトが外部
素子に連結される。それらのブリツジの構成は、
ペレツトへ伝えられた力に対するペレツトの共振
振動数の感度が、そのペレツトの振動モードの１
つにおいて事実上零であるように、選択される。 本発明は、希望の効果を得ることを可能にする
圧電体のカツトの選択と、力を伝える外部素子へ
ペレツトを連結するブリツジの数と構成とに関し
て、種々の態様をとることができる。これに関連
して、本発明により、力を同一方向に沿つて互い
に異なる向きに伝える２つのブリツジと、２つず
つ整列させられる方向に向けられた３つのブリツ
ジを表す二対のそのようなブリツジとのいずれか
を用いることを可能にする構造がとくに得られ
る。 また、共振器として用いられる材料の老化によ
る影響を小さくできる構成を使用することを本発
明は容易にするものである。とくに、本発明によ
り、BVA（改良したエージング・ケーシング）と
して知られている構造を用いることができる。 以下、図面を参照して本発明を詳しく説明す
る。 第１，２図において、共振器は円形のモノリシ
ツクな水晶板１０を有する。この水晶板１０は円
筒形の環を構成する角度部分の外部素子１２を構
成する。その外部素子１２の下面１３と上面１４
は、互いに向き合う半球形の下側キヤツプ２０と
上側キヤツプ２１の間に保たれる。したがつて、
第１図に示されているアセンブリはほぼ球形であ
つて、水晶板１０の外縁部１８に測定すべき圧力
を加えることができるゾンデ内の位置に装置させ
ることができる。もちろん、その球形の全外面に
圧力が加えられるようにトランスデユーサを装置
することが可能である。２つのキヤツプ２０，２
１が接着剤により、または予め付着させておいた
金属を用いる熱圧接によりその水晶板に接合され
る。 水晶板１０の中央部には、外部素子１２が作ら
れているのと同じ結晶ブリツジ中に形成された円
形ペレツト１６が設けられる。その円形ペレツト
１６は、直径上で向き合つて配置される一体構造
の素子すなわちブリツジ２２，２３により水晶板
１０に連結される。ペレツト１６の縁部と外部素
子１２の内縁部２５の間には円弧状の間隙２６が
設けられる。このような構成により、外部素子１
２の外縁部１８に加えられた圧力により生じた力
が、２つのブリツジ２２，２３によりペレツト１
６の面に平行な方向にペレツト１６へ伝えられ
る。 ペレツト１６の上面２７と下面２８は、ペレツ
ト１６の振動の励振エネルギーを捕えることがで
きるように凸状の曲率半径を有する。ペレツト１
６は外縁部へ近づくにつれて薄くなる。ブリツジ
２２，２３によりペレツト１６を環状外部素子１
２の内部に支持できる。 各キヤツプ２０，２１は中央部に中空部３０，
３１をそれぞれ有する。それらの中空部はペレツ
ト１６の上面２７と下面２８により挟まれ、間隙
２６により通じるチヤンバを形成する。それらの
チヤンバはブリツジ２０と２１の内部に切りこま
れ、その各切りこみ部３２，３３はペレツト１０
の面にほぼ等しい曲率半径を有する凹状の端面を
有するか、または単にペレツト１６の面に平行な
平らな端面を有する。それらの端面には電極３
４，３５が付着される。それらの電極はペレツト
１６の端面２７と２８に数ミクロンの距離をおい
て向き合わされる。 各電極３４，３５は励振回路（図示せず）に接
続される。この励振回路はペレツト１６をある振
動数で振動させることができる。その振動数はそ
の振動を起させるために用いられる電気信号の周
波数により測定できる。 ペレツト１６のようなペレツトの振動にはいく
つかのモード、すなわち、擬似縦振動モード（時
にはモードＡと呼ばれる）と、このモードＡに対
して、および相互に垂直な２つの擬似横振動モー
ド（Ｂ，Ｃと呼ばれる）などのいくつかのモード
を含む。それらの疑似横振動モードにおいては、
振動の方向はエネルギーの伝播方向に直角であ
る。したがつて、それらのモードＢ，Ｃのことを
厚みすべりモードとも呼ぶ。 それらのモードの検出はそれぞれのモードにお
いて発生される振動数を基にして行うことができ
る。モードＡにおいて発生される音波の伝わる速
度は最高であり、モードＣにおいて発生される音
波の速度は最低である。 また、当業者に周知の適当な寸法決定技術によ
り、１つまたはいくつかの振動モードにおいて発
生される振動の振幅を他の振動モードにおける振
動の振幅を犠牲にして大きくすることも可能であ
る。実際には、それらのモードにおける振動のそ
れぞれの振幅の値はまずカツトに、次いで上面２
７と下面２８との曲率半径に依存する。 水晶は光学的および電気的な観点からは異方性
物質であり、光軸Ｚと電気軸Ｘを有する。水晶ブ
リツジ内の面を定める角度は直角三面体OXXZ
に関連して記されている。その直角三面体におい
ては、Ｙ軸は光軸と電気軸とに対して直角であ
る。 一例として第５図に示されている圧電板４０に
対しては、カツト面を軸OXとOX″の間の角度φ
と、軸OZ″と光軸OZとの間の角度θとにより定
めることができる。軸OX″はOXY平面内におけ
る圧電板の平面の軌跡であり、軸OZ″は圧電板４
０の平面内で軸OX″に垂直な軸であ。その圧電板
４０の平面内においては、任意の方向４２を軸
OY″に対して成す角度による方位φで定めること
ができる。あるカツトがそれを定める零でない角
度φとθを含む時には、そのカツトは二重回転カ
ツトとして最もしばしば定義される。そのような
カツトに従つて得られた振動ペレツトにより、２
つの擬似横振動モードＢ，Ｃが得られるという利
点が得られる。それらの擬似横振動モードは、本
発明に従つて圧力測定の枠内で利用できる。 一般に、ペレツト１６のようなペレツトの各振
動モードは、ペレツトの面に平行な力Ｆを加える
向きに対するそのペレツトの共振振動数の感度に
より特徴づけることができる。その力の向きはそ
れの方位φにより識別できる。更に、それらの各
振動数は、第２の特性に従つて温度の関数として
一般に変化する。 力に対する共振振動数の感度係数は次式により
定められる。 K_F（）△ｆ／fo×１／Ｆ：eD／Ｎ ここに、は力を加える向きの方位、 Ｆは加えられた力の強さ、 ｅは共振器の厚さ、 Ｄは共振器の直径、 Ｎは伝えられる波の振動数定数、 △ｆ／foは力Ｆの印加に対応す
る相対的な振動数変動である。 温度の関数としての振動数の相対的な変動は次
のように三次の多項式により満足に表すことがで
きる。 △ｆ／fo＝ａ（Ｔ−To）＋ｂ（Ｔ−To）² ＋ｃ（Ｔ−To）³＋a〓dT／dt この式において、ａ，ｂ，ｃは静的な係数、ａ
は第１種の動的な係数、Ｔは温度、Toは基準温
度、a〓dT／dtは時間変化Ｔの間における過渡効果
を表す。 第６図においては、横振動モードＣ、すなわ
ち、角度θ＝33.93゜およびφ＝21.93゜により定め
られるSC（応力を補償された）群に属するカツト
に対する低速モード、における力を加える向きの
方位の関数としての感度K_Fの変化がカーブ５
０によにより表されている。この感度カーブは周
期がπのほぼ正弦波形を成していることに注意す
べきである。高速横振動モードＢに対する対応す
るカーブが６０で表されている。このカーブ６０
もほぼ正弦波形を成しているが、K_Fの正の値の
側にカーブ５０からずれている。それらの２つの
カーブ５０，６０は互いにずれているから、108゜
〜120゜の間の典型的な角度部分（図にハツチング
を施して示されている部分）における向きについ
て考えると、カーブ５０(C)により与えられる感度
値は絶対最高値（負の感度）に近く、モードＢ
（カーブ６０）における対応する感度値はほぼ零
に近いことに注意されたい。 このことは、ブリツジ２２，２３によりペレツ
ト１６まで半径方向逆向きに伝えられる基本的な
力が、ブリツジ角度幅β＝12゜に対応する範囲を
形成するように、第２図に示されている水晶板の
ような水晶板において、ブリツジ２２，２３の軸
の向きを定めるために本発明に従つて用いられ
る。ブリツジ角度幅βの２等分線は、方向X″に
対して整列され角度を形成する。 そのような水晶板１０では、その水晶板１０の
とくに縁部１８に作用する圧力の作用の下に伝え
られる力に対するペレツト１６の感度Ｋはモード
Ｃにおいて約−1.1×10^-14m.sec／Ｎである。し
かし、対応する振動数測定値は前記した関数に従
つて温度に依存する。 一方、振動数がモードＢで測定されるものとす
ると（カーブ６０）、それは測定ケーシングの周
囲の圧力の値による影響は受けない。したがつ
て、それの振動数変動は主として温度の値に依存
する。 第９図には産出パイプ１２０を含む油井が示さ
れている。その産出パイプの中には、地上１２２
の測定ステーシヨン１０１に連結されているケー
ブル１０４の端部に連結されたゾンデ１０６が降
ろされる。そのゾンデ１０６の内部には本発明の
トランスデユーサ１０８を含む測定装置１０７が
納められる。トランスデユーサ１０８の構成が破
線１０７で囲まれた部分に示されている。トラン
スデユーサ１０８の電極１０９と１１０が増幅器
１１１と１１２に接続される。増幅器１１１はモ
ードＢの周波数f_Bに同調され、増幅器１１２はモ
ードＣの周波数f_Cに同調される。それらの増幅器
１１１，１１２の出力はフイルタ１１３，１１４
によりそれぞれ波され、回路１１５，１１６に
よりそれぞれ整形される。回路１１５，１１６の
出力信号パルスはカウンタ１１７，１１８により
それぞれカウントされる。それらのカウンタは周
波数f_B，f_Cのデジタル指示値をメモリおよび処理
回路１２０へ与える。この回路はたとえばマイク
ロプロセツサで構成できる。回路１２０により周
波数f_Cから測定圧力の修正された値を、温度f_Bを
表す信号の関数として決定することが可能であ
る。 本発明の装置により、圧力測定値（モードＣ）
に対する振動数の相対的な安定度として約５×
10^-11が得られ（観測時間１分台）、同じ条件の下
で温度測定値に対する振動数の相対的な安定度と
して約10^-9が得られる。 たとえば、動作振動数（fo）が5MHzの公称モ
ードＣに対して、力に対するそれの感度を考えて
みると、それらの安定度は1360バールの公称圧力
に対して７×10^-4バールの分解能で低い圧力測定
値を得るのに十分である。 ０〜200℃の温度範囲内では、モードＢの温度
感度（絶対値）（これは、第１の近似として25×
10^-6／℃と見なすことができる）により、5.5M
Hzにおける測定振動数の変動値0.05Hzに対して約
５×10^-4℃の変動を検出可能である。モードＢに
おける振動数のこの変動により、十分に正確な温
度測定値が得られ、力したがつて圧力の測定値が
希望の確度で得られる。 したがつて、選択したカツトの結晶樹OX″に関
連してペレツト１６へ力を加える線を適当に選択
することにより、圧力変動に対する感度が高く、
温度測定確度が高い測定を行える。この結果は、
圧力測定を行う結晶から温度測定値が直接得られ
るという事実からとくに達成される。 第２図において、点２２，２３の位置が、ペレ
ツト１６をカツトする応力補償カツトの軸OX″に
対して約115度の角度を成す平均直径線に沿つ
て整列させられているのが示されている。 第６図に示されているカーブ５０(C)と６０(B)の
相対的な位置は、実際には選択した結晶カツトに
対応するデータである。それについては、ある調
整パラメータに関して先に述べた。したがつて、
本発明の圧力トランスデユーサを得るために、と
くに２つの要因に働きかけることが可能である。
まず、ブリツジ２２，２３のようなブリツジの位
置を定め、かつ必要があればブリツジの数を増す
ことにより、圧力により生ずる共振器ペレツト１
６へ加えられる際の力線の数と位置をまず修正で
きる。たとえば、第８Ａ図に示されている４ブリ
ツジの実施例においては、ペレツト１６Ａは２つ
ずつ整列させられている４つのブリツジ５２，５
３，５４，５５により圧力印加環１２Ａに連結さ
れる。ブリツジ５２，５４の整列方向は、SCカ
ツトの場合には約30度に等しい角度₁により定
められ、ブリツジ５３，５５は約170度の方位方
向₂に整列させられる。第６図において、点５
６は偶数番号のブリツジの整列線に対応するもの
である。この点に対して、モードＣにおける感度
の値は最高（1.4×10^-14m.sec／Ｎ）に非常に近
いことがわかる。モードＢに対応する感度は縦軸
上の点５７に対応し、0.7×10^-14m.sec／Ｎであ
る。方位方向₂に対して、モードＣにおける感
度値は零（点５８）である。一方、点５９の縦座
標により示されているように、モードＢにおける
感度値は点５７における感度値とは逆極性であつ
て、−0.7×10^-14m.sec／Ｎである。したがつて、
モードＢに対する応力の作用は打ち消される。 また、ペレツト１６Ｂと環１２Ｂの間に３つの
ブリツジ６２，６３，６４（第８Ｂ図）を用いる
ことにより、力を加える点の位置に適応させるこ
とが可能である。ブリツジ６２の位置はこのブリ
ツジの角度βの二等分線６５に対応する方位角
₃により定められる。各ブリツジ６３，６４の
対応する二等分線６６，６７は方向６５に対して
それぞれα₁，α₂の角度だけ隔てられる。ブリツジ
を３つ用いる一般的な場合には、角度α₁とα₂を異
ならせることができる。第８Ｂ図に示されている
特別なケースでは、角度α₁とα₂は共通の角αに等
しくできる。 第１０Ａ図には第６図に示されているのと同じ
種類の感度カーブが示されている。それらのカー
ブには、応力が補償されたカツトに対して、角度
αの値に従つてパラメータが割当てられる。した
がつて、モードＣにおいては、引き続く角度値
0゜，20゜，40゜，60°，65゜，70゜，75゜，80゜に対
して８
つのカーブ５００（０）〜５００（８０）が得ら
れる。モードＢに対してはαの角度値70゜，75゜，
80゜に対してカーブ５０１（７０）、５０１（７
５）、５０１（８０）が得られる。角度70゜，80゜
は各ブリツジ６３，６４によりカバーされている
10゜の円弧の端子に対応できる。それらのブリツ
ジの平均感度はカーブ５００（75゜）（モードＣ）、
５０１（75゜）（モードＢ）により表される。70゜
またはそれ以上のαの値に対しては、モードＣに
おける感度は高くなることに注意されたい。これ
は３点構造によるすべり応力が大きくなることか
ら生ずるものである。第１０Ａ図においては、線
対５０５と５０６の間および５７０と５０８の間
にブリツジ６２（第１０Ｃ図）に対応できる方位
の範囲が配置されている。 第８Ｃ図は３つのブリツジを用いる別の特殊な
例を示す。この例においては、ブリツジ７２，７
４が、方位角₄の線７５により定められる方向
で、直径上で向き合つて配置される。第３のブリ
ツジ７６が、線７５に対して角度α₄を成す方向に
配置される。 第８Ｂ図に示されている例のように、第８Ｃ図
の例においては、パラメータ化された感度図を、
モードＢ，Ｃに対して角度α₄の関数として描くこ
とが可能である。それから、モードＣにおける圧
力感度を最高にするため、および一方では、ほぼ
温度のみに依存する振動数変動を得るように、モ
ードＢにおける同じパラメータに対する感度を最
低にするために、ブリツジ７５，７６の方向の最
適位置を決定できる。 もちろん、３つのブリツジを用いる例において
α₁とα₂の値が異なる場合に、角度α₁とα₂の値の関
数としてパラメータ化された感度図を描くことが
可能である。 以上の説明は応力が補償された（SC）カツト
（第６図）について行つたものである。本発明は
他のカツトとくに二重回転カツトを用いて実施す
ることもできる。第７図には、モードＢとモード
ＣにおいてRT（室温）カツトに対して得られた
再現された感度カーブ図が示されている。このカ
ツトの感度は、とくにモードＢにおいて、カツト
の角度パラメータφの値に応じて97゜と102゜の間
の点で零を通る（線８２）。カーブ５０３，５０
４はこのカツトにおいて、２つの値φ₁，φ₂に対
するモードＣの感度を表すものである。カープ５
０３は横軸に交わるが、カーブ５０４は交わらな
い。この種のグラフでは、モードＢにおいて圧力
変動の影響をなくすことができる位置（たとえば
の値が50゜と140゜に近い位置）に２つずつ整列
させられる４つのブリツジにより、モードＢ，Ｃ
における良好な測定値を得ることが可能である。 第１０Ｂ図は、第８Ｂ図（α₁＝α₂＝α）に示さ
れているトランスデユーサに類似する、３つのブ
リツジを用いるRTカツト・ペレツトに対する、
αの異なる値についての力の感度の変化を示すグ
ラフである。αの値はモードＢ（カーブ５１０）
とモードＣ（カーブ５１１）においてそれぞれ
68゜，72゜，76゜である（α＝82゜を含む）。適当に選
択することにより、モードＣにおける感度は171゜
から201゜へほぼ延びる方位角の範囲（領域５１２
と５１３）内で高くでき、同じ範囲でモードＢに
おける感度はほぼ零である（第１０Ｄ図参照）。 水晶結晶に対しては別の適当なカツト・モー
ド、たとえばＸ×30゜カツト、またはSBTC（モー
ドＢに対しては応力補償、モードＣに対しては温
度補償）カツトがある。後者のカツトは、RTカ
ツトのような、直径上で向き合うブリツジ対に使
用できる。 それらのカツトを定める角度を以下に示す。 SCカツト θ＝33.93゜±2゜ φ＝21.93゜±2゜ Ｘ＋30゜カツト θ＝34゜±2゜ φ＝30゜±2゜ RTカツト θ＝−34゜±2゜ φ＝15゜±2゜ SBTCカツト θ＝−34.5゜±2゜ φ＝16.3゜±2゜ 第表に、本発明を応用するための、適当な測
定を行う共振器ペレツト１６のような共振器ペレ
ツトの構造の例をまとめて示す。種々の結晶カツ
トに対してブリツジの数を示してある。すすなわ
ち、第２図に示されている例では２、第８Ａ図に
示す例では４、第８Ｃ図に示す例では２＋１、第
８Ｂ図に示す例では３である。また、ブリツジの
方位角を定める角度の値と、先に定義した角度の
値も示してある。 最後に、各ブリツジの角度の開きを記号βで示
してある。第８Ｂ図に示されている３つのブリツ
ジを用いる例においては、ブリツジ６２の角角度
幅はブリツジ６３，６４の角度幅で２倍であるこ
とに注意されたい。

【表】 第１，２図を再び参照して、図示のトランスデ
ユーサはBVA技術に従つて製作したものである。
とくに、電極３４，３５は振動ペレツト１６の表
面に直接とりつける代りに、突出部３２，３３の
メタライズにより得られる。これによりペレツト
の表面仕上をそのままにしておくことができ、振
動する結晶の内部に金属イオンが入ることが避け
られ、ヒステリシス現象が最少限になる。もちろ
んこれは好適な実施例である。結晶面に金属を直
接付着する簡単な方法も可能である。ブロツク２
０，２１も水晶板１０と同じカツトである。結晶
が測定すべき外圧の作用により圧縮された状態で
機能するようにこのアセンブリは構成される。一
般に、このトランスデユーサの構造的な諸特徴
は、経時変化によるトランスデユーサ自体の共振
振動数の変化を最少にするために決定される。内
部にペレツト１６が入れられるケーシング３１も
二次真空の下に置かれる。 第３図はトランスデユーサの別の実施例を示
す。この実施例においては、第１，２図の水晶板
１０とほぼ同様にして構成され、かつ振動ペレツ
ト１６を力伝達リング２１２に連結するための２
つのブリツジ２２２，２２３を有する水晶板２１
０が２つの円筒形結晶キヤツプ２３０と２４０の
間に配置される。それらのキヤツプの一端は閉じ
られる。たとえば、キヤツプ２３０の一端は表面
２３２により閉じられる。キヤツプ２３０，２４
０の他端部は中空であつて、環２１２のそれぞれ
の面に接着剤（または熱圧接）により接合され
る。この共振器の電極は、第３図の場合には、ペ
レツト２１６の各面にメタライズにより直接付着
される。それらの電極２３４などは、キヤツプ２
３０，２４０と水晶板１０により形成されている
ケーシングの外部へ、水晶板２１０の外面２１９
の縁部まで延びている金属層２３５により接続さ
れる。その外面２１９は圧力を受けることができ
る。キヤツプ２３０と２４０はほぼ球状にするこ
ともできる。 第４図において、トランスデユーサのケーシン
グ３００は細長い、中空円筒ボデー３１０を有
し、このボデー３１０の内部の中央部には横方向
の共振器ペレツト３１６が一体構造で形成され
る。エネルギーを捕えるために、ペレツト３１６
の上面３１７と下面３１８は突出している。ボデ
ー３１０の縦断面はＨ形である。ボデー３１０の
両端は円筒形のキヤツプ３２０，３３０により閉
じられる。それらのキヤツプはボデー３１０の両
端面３２２，３３２に接着剤または熱圧接により
接合される。キヤツプ３２０，３３０の他端部は
隔壁３２３，３３３によりそれぞれ閉じられる。
それらの隔壁３２３，３３３の底にはブロツク３
２４，３３４が組合わされる。それらのブロツク
３２４，３３４はペレツト３１６の突出面３１
７，３１８に向き合う面３２５，３３５をそれぞ
れ有する。それらの面３２５，３３５には電極用
の金属層が付着される。ボデー３１０の高さは、
接合面３２２，３３２におけるすべり応力が最小
となるように選択される。ペレツト３１６は、直
径上で向き合う２つのブリツジ３１１，３１２に
よりボデー３１０に連結される。それらのブリツ
ジは前記ブリツジと同様にして作られ、前記した
希望の効果が得られるように、ボデーすなわちケ
ーシングの結晶が切り出されるカツトの結晶軸に
対して位置させられる。先に説明した所に従つ
て、ペレツト３１６は２つ以上（たとえば３また
は４）のブリツジによりボデー３１０に連結する
こともできる。キヤツプ３２０，３３０はボデー
３１０と同じカツトで切り出される。ケーシング
すなわちボデーが外圧の作用による圧縮の下に全
ての点で動作するように、ボデー３１０とキヤツ
プ３２０，３３０のアセンブリは薄い殻の理論
（thin shell theory）に従つて計算される。第４
図に示されている構造においては、圧力変化の作
用の下に、振動ペレツト３１６に与えられる応力
の変化を増幅する作用があり、そのためにこのト
ランスデユーサの感度は高くできる。ボデー３１
０とキヤツプ３２０，３３０により囲まれた空間
は真空にされ、またはヘリウムその他の不活性ガ
スが充填される。 本発明は円形の振動ペレツトに限定されるもの
ではない。たとえば長方形のペレツトを用いるこ
とも可能である。そのようなペレツトを用いた例
が第１１図に示されている。円筒形のケーシング
４００が、そのケーシング４００の軸線を通る平
面に平行な長方形板４１６と一体の構造として、
水晶結晶からカツトされる。板４１６の長手方向
側面４２５がブリツジ４２０，４２１によりケー
シング４００の内面４０２に連結される。それら
のブリツジは板４１６の長手方向寸法のほぼ半分
の所に、ケーシング４００の長手軸４２６を横切
る方向に整列して設けられる。ブリツジ４２０，
４２１の横整列方向が、板４１６がそれに平行に
延びるようなカツトの結晶軸に対して先に選択さ
れた方位角を成すように、第１１図に示すアセン
ブリが形成される結晶のカツトが選択される。そ
の方位角は、先に説明した事項を基にして選択さ
れる。板４１６の上面４３０と下面４３１の主面
は凸状４３２をしており、板の中央部から端面４
３４へいくにつれて板は次第に薄くなる。ケーシ
ング４００の内部を高真空に保つために、中空ケ
ーシング４００の環状端部４０６，４０８にはペ
レツトが接着される。それらのペレツト（図示せ
ず）には舌片を組合わせることができる。それら
の舌片はケーシング４００の内部に進み、ペレツ
ト４１６の上面４３０と下面４３１のすぐ近くに
電極が設けられて、板４１６に振動を起させ、か
つその振動を保持させる。ケーシング４００の外
側４２７に圧力が加えられると、大きさが等し
く、かつ互いに逆向きの力がケーシングの内壁
を、板４１６に平行な平面内を長手軸４２６に垂
直な方向に、板４１６まで伝えられる。与えられ
た圧力に対するそれらの力の大きさは、ブリツジ
４２０，４２１の長手方向寸法により調節でき
る。この例では、板４１６の長手方向寸法はケー
シング４００の長手方向寸法より僅かに小さい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のトランスデユーサの一実施例
を示す、第２図の−面に沿う断面図、第２図
は第１図の共振器のペレツトの平面図、第３図は
共振器の第２の実施例の斜視図、第４図は圧力ト
ランスデユーサの一実施例の断面図、第５図は二
重回転カツトの定義を示す線図、第６図は２つの
横振動モードにおける力を加える向きと振動数感
度との関係を示すグラフ、第７図は別の結晶カツ
ト群の１つの角度パラメータの２つの異なる値に
従う別の結晶カツト群に対する同様なグラフ、第
８Ａ〜８Ｃ図は圧力を伝える要素から振動ペレツ
トを支持するために用いられるブリツジの異なる
構成を示す線図、第９図は油井中のトランスデユ
ーサの測定回路を示すブロツク図、第１０Ａ，１
０Ｂ図は第１０Ｃ，１０Ｄ図に示されている方向
に対する他の２つの力感度のグラフ、第１０Ｃ，
１０Ｄ図は力の加えられる向きを示す線図、第１
１図は本発明のトランスデユーサの別の実施例を
示す切り欠き斜視図、である。 １０，２１０，３１０，４１０……水晶板、１
２，２１２，３１２……環状素子、２０，２１…
…キヤツプ、１６，２１６，３１６，４１６……
ペレツト、２２，２３，２２２，２２３，３１
１，３１２，４２０，４２１……ブリツジ、３
４，３５，２３４……電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 測定すべき圧力を表面に受けることができる
   外部素子、およびその外部素子が受けた圧力に対
   応する力を受けるためにその外部素子に連結さ
   れ、圧力の直接作用を受けない共振器ペレツトを
   有する圧電結晶ブロツクと、前記ペレツトを共振
   させてそれの振動数を測定するために前記ペレツ
   トの各側に取付けられる２個の電極を備える要素
   とを備え、深い油井でとくに使用するための圧電
   圧力トランスデユーサにおいて、少くとも２つの
   振動モードを有するカツトで圧電結晶からカツト
   された前記ペレツト１６の縁部が自由な間隔で前
   記外部素子１２から分離され、その間隔に沿つて
   連結ブリツジ２２，２３が分布され、前記力に対
   するペレツト１６の共振振動数の感度が第１の振
   動モードでは高く、第２の振動モードでは事実上
   零であるように、前記連結ブリツジ２２，２３は
   外圧の作用の下に、前記カツトの面にほぼ平行な
   平面内を、前記カツトの結晶軸に関連して選択さ
   れる方位を有する向きに前記力を前記ペレツトま
   で伝えることを特徴とする深い油井で使用するた
   めの圧電圧力トランスデユーサ。 ２ 特許請求の範囲第１項記載のトランスデユー
   サであつて、２つずつ互いに向き合う方向に力を
   伝える４つの連結ブリツジ５２〜５３を備え、第
   １のモードにおける力の感度はそれらの方向の一
   方において最高に近く、かつそれらの方向の他方
   において零に近く、第２のモードにおける力の感
   度は両方の方向においてほぼ等しく、かつ反対で
   あることを特徴とするトランスデユーサ。 ３ 特許請求の範囲第１項記載のトランスデユー
   サであつて、３つの連結ブリツジが設けられるこ
   とを特徴とするトランスデユーサ。 ４ 特許請求の範囲第３項記載のトランスデユー
   サであつて、２つのブリツジ６３，６４が第３の
   ブリツジ６２により伝えられる力の向きに関連し
   て対称的な向きで力をペレツト１６Ｂへ伝え、第
   ３のブリツジ６２により力が伝えられる向きは２
   つのモードのうち１つのモードにおける力の感度
   が零である向きに対応することを特徴とするトラ
   ンスデユーサ。 ５ 特許請求の範囲第４項記載のトランスデユー
   サであつて、２つのブリツジの組合わされた幅は
   第３のブリツジの幅にほぼ等しいことを特徴とす
   るトランスデユーサ。 ６ 特許請求の範囲第３項記載のトランスデユー
   サであつて、２つの前記ブリツジ７２，７４はペ
   レツトの中心に関して１本の直径の両側に配置さ
   れることを特徴とするトランスデユーサ。 ７ 特許請求の範囲第１〜６項のいずれかに記載
   のトランスデユーサであつて、前記カツトはSC
   カツトまたはＸ＋30゜カツトであることを特徴と
   するトランスデユーサ。 ８ 特許請求の範囲第２項のトランスデユーサで
   あつて、前記カツトはRTカツトまたはSBTCカ
   ツトであることを特徴とするトランスデユーサ。 ９ 特許請求の範囲第１〜８項のいずれかに記載
   のトランスデユーサであつて、ペレツトは外部素
   子とともにプレートを形成し、外部素子の外側の
   各面には、共振器ペレツト１６の周囲に真空の下
   に置くことができる空洞を形成する中空のキヤツ
   プが組合わさせることを特徴とするトランスデユ
   ーサ。 １０ 特許請求の範囲第９項の記載のトランスデ
   ユーサであつて、前記キヤツプの外形はほぼ半球
   状であり、前記キヤツプは、それの直径平面内
   に、プレート１０の環状素子の１つの面に接触す
   るリングを含むことを特徴とするトランスデユー
   サ。 １１ 特許請求の範囲第１〜８項のいずれかに記
   載のトランスデユーサであつて、外部素子の形は
   細長い中空円筒状３１０であり、その円筒形の中
   間部分に前記ペレツト３１６が横方向に置かれ、
   その円筒の端面にとりつけられたキヤツプ３２
   ０，３３０によりその円筒の端部は閉じられるこ
   とを特徴とするトランスデユーサ。 １２ 特許請求の範囲第１項に記載のトランスデ
   ユーサであつて、前記外部素子は管状の素子４０
   ０であり、前記ペレツト４１６は前記管状素子の
   軸線４２６を含む平面に平行な長方形板の形をし
   ており、その長方形の各側は２つの連結ブリツジ
   ４２０，４２１により管状素子の内面に連結され
   ることを特徴とするトランスデユーサ。