JPH0445057B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は流体内の圧力を測定する目的に使用さ
れる結晶共振器に関するものである。

各種物理的環境下での圧力の測定を行なうこと
が必要であり又は望ましいものである。圧力測定
が必要とされる最も苛酷な環境の１つは深い油井
及びガス井の場合である。こうした環境における
圧力測定に使用される現在の技術の１つには共振
器部分の一体構造部分として形成された中空の円
筒ハウジング内に周縁部が支持された円形共振部
を含む水晶製の結晶変換装置を使用することが含
まれる。米国特許第3617780号及び同第3561832号
を参照。こうした装置の共振器部分は共振器部分
に設定された電極に与えられる振動する電気信号
により振動される。共振器部分の振動周波数はハ
ウジング上の圧力により発生される共振器部分内
の半径方向に向けられた応力の変動と共に変化す
る。従つて、共振器部分の振動周波数における変
動はハウジングが受ける圧力の測定値を提供す
る。

圧力を測定する前述した如き装置を使用する際
の諸問題の１つはいわゆる熱衝撃の問題である。
この熱衝撃は共振器の出力周波数が温度変化の結
果シフトすることから生ずるが、更に詳細に述べ
れば、過渡温度と称する急激な温度変化の結果生
ずるものである。この装置を油井及びガス井内の
圧力測定に使用する場合には装置を当該井戸内に
降下させて当該井戸から上へ引上げる際著しい温
度変化があり、又、振動周波数における変動は圧
力測定に使用されるところから温度が原因となる
誤差が生ずる。共振器部分に対する過渡温度効果
は半径方向に向けられる応力を発生する温度勾配
により発生される。これらの温度勾配は共振器部
分の表面を被覆する金属製電極から共振器部分の
ハウジングと共振器部分の両方に流入する別の流
れから生ずるものである。

現在使用されている水晶共振変換器に固有の他
の問題は（周波数対圧力勾配の）スケール・フア
クターも温度に依存することにある。温度が原因
となる誤差を補償する目的で周波数出力の修正目
的に使用可能な温度測定を提供することが必要で
ある。然し乍ら、こうした温度測定は水晶共振変
換器の個所から相当の距離離れた個所で行なわね
ばならず、そのため変換器の個所における正確な
温度測定が困難となる。

水晶共振変換器、特にSCカツト水晶結晶の結
晶学軸線の向きを適当にすることにより変換器の
出力周波数は過渡温度とは無関係に出来ることが
判明している。実際、水晶共振器の周波数は過渡
温度により生ずる均一な半径方向に向けられた応
力とは独立で無関係なものにされる。然し乍ら、
過渡温度の効果を無くす過程中に変換器のハウジ
ング上の圧力により生ずる均一な半径方向に向け
られた応力も先行技術の装置で無くされる。

米国特許第3561832号ではスロツトが共振器部
分の周縁部と殻体又はハウジングの間に選択的に
位置付けられること、実際、共振器部分が共振器
部分とハウジングの間に延在するタブにより所定
位置に保持されることが提案されている。この様
式にて所定位置に保持される２個の軸方向に変位
される共振器部分を使用することにより当該両部
分の温度依存型特性を無くすことが出来ると思わ
れる。然し乍ら、高圧力を測定するこの構成を使
用することは結果的にタブに高応力集中を生じ、
亀裂を生ぜしめることもあり得る。又、この構成
は設計及び構造が一段と複雑であり、これが逆に
信頼性を低減化させることになる。

本発明の目的は、苛酷な環境下での圧力を正確
に測定することが出来る共振圧力変換器を提供す
ることにある。

実質的に過渡温度とは無関係の変換器を提供す
ることも本発明の目的である。

本発明の他の目的はスケール・フアクターが実
質的に温度に依存しない変換器を提供することに
ある。

本発明の更に他の目的は設計と構造が簡単であ
り、製造が比較的容易な変換器を提供することに
ある。

本発明の前掲の目的と他の目的は全体的に円板
形状の共振器部分と、共振器部分を包囲し且つ共
振器の周縁部に結合されたハウジングを含む特定
の例示的な実施態様で実現される。ハウジングに
は全体的に共振器部分の平面に対して直角に延在
する側壁が備えられ、側壁の少なくとも１つの選
択された部分はハウジングが流体内に浸漬される
際共振器部分に一定でない応力が生ずるよう残り
の部分より薄くされている。この不均一な応力は
一般に不均一な半径方向応力及び不均一な接線方
向応力で構成されている。いずれか一方の応力成
分は共振器部分の共振周波数の変動を生ぜしめ
る。ハウジングの選択された薄い壁部分の位置と
対称性は共振器部分における応力パターンを決定
する。薄い壁部分を適当に設定することにより温
度に依存するスケール・フアクターを削減出来
る。共振器部分を振動させる回路も含まれ、ここ
では振動周波数がハウジングの側壁に適用される
力の変動と共に変化する。

本発明の一局面によれば、振動周波数が実質的
に過渡温度とは無関係の様式で共振器部分が水晶
で作成してある。元来、この共振器部分にはSC
カツト水晶の結晶が使用される。薄い側壁と一致
した形で形成される平坦な部分を有する全体的に
円筒形のハウジングを含むハウジング内の薄い側
壁部分を提供する目的に使用可能な多数の異なる
ハウジング構成も存在している。

本発明の前掲の目的と他の目的、特徴及び利点
については添附図面に関連して提供される以下の
詳細な説明を考察することから明らかとなろう。

詳細な説明 本発明の共振圧力変換器では共振器が流体内に
浸漬される際不均一な応力が共振器部分内に生ず
るよう不均一な殻体又はハウジングが使用されて
いる。その上、温度変化、更に詳細には過渡温度
が原因で生ずる応力といつた不均一な半径方向応
力が原因で周波数の変化が実質的に削減されるよ
う共振器部分の結晶学的向きが選択される。ここ
で測定すべき圧力は共振器部分に不均一な応力を
発生し、共振器部分の振動周波数を変化させるの
で圧力を測定することが出来る。

図面中の図は利用される３つの異なる殻体即ち
ハウジングの構成を示す。第１図は円筒状空洞８
を有する全体的に円筒状のハウジング４の部分的
に破断した斜視図を示す。円筒状空洞８内には円
板形状の共振器部分１２が配設され、その周縁部
にはハウジングの側壁が一体構造的に形成してあ
る。ハウジング４の側壁は共振器部分１２を包囲
し、反対方向で全体的に共振器部分の平面に対し
て直角に延在している。ハウジング４及び共振器
部分１２は水晶で一体構造的に形成されるのが有
利である。

ハウジング４の外側面には２個の対面する平坦
な部分１６及び１８が形成され、当該平坦部分は
側壁の残りの部分より薄くなつている側壁の２つ
の直径方向に対向する部分２２及び２４になつて
いる。この構造の場合、ハウジング４が流体内に
浸漬されると、高い圧力が残りの厚い部分を通じ
てよりもむしろ薄い側壁部分たる対向部分２２及
び２４を通じて伝えられるところから、不均一な
半径方向応力が共振器部分１２に発生される。

共振器部分１２のスケール・フアクター（周波
数対圧力勾配）に対する温度の効果を削減するた
めハウジング４の平坦部分１６及び１８の直径方
向の整合が水晶材料のX′軸線から或る角度ｄ回
転される。例えば、SCカツト水晶に対しては約
45゜の角度ｄを選択することが有利であることが
判明しており、一方、回転されるＸカツト水晶に
対しては約70ないし100゜の角度ｄを選択すること
が有利であることが判明している。スケール・フ
アクターに対する温度変動の効果を削減する最適
の角度は水晶又は他の圧電材料の各種カツトに対
する実験で容易に決定出来る。この最適の角度は
とりわけ平坦部分の相対的厚さ、平坦部分の個数
及び共振器部分内に発生する応力パターンに依存
している。

ハウジング４及び共振器部分１２に対してカツ
トされた適当な圧電材料を選択することによつて
共振器部分１２における均一な半径方向応力から
周波数シフトをなくし、従つて過渡温度に起因す
る周波数シフトが無くなることになる。

共振器部分１２を振動させる回路には各々第１
図に示す如く共振器部分の対向する表面上に各々
（例えば、真空蒸着により）配設された２個の電
極２８及び３２が含まれている。電極２８及び３
２は発振器３６に接続され、当該発振器は共振器
部分１２を公知様式にて振動させるよう両電極に
適用する発振信号を発生する。表示器４０は発振
器の発振周波数を表示するため発振器に接続され
る。ハウジング４に対する、従つて、共振器部分
１４に対する外部圧力が変化するのに伴ない、共
振器部分の振動周波数が変化し、発振器３６は共
振器部分と同じ周波数で発振するよう周波数変化
に追随する。従つて、共振器部分１２の振動周波
数における変化を検出出来且つハウジング４が受
ける圧力の測定値を提供するよう表示可能であ
る。

ハウジングの内部をシールし、圧力が測定され
ている流体の流入を防止するためハウジング４の
両端部には端部キヤツプ４４の如き端部キヤツプ
が設けてある。以後、『ハウジング』を参照する
場合は第１図に示された如き包囲された構造体を
意味するが、共振器部分１２をハウジングの外部
から隔離出来る両端部キヤツプを含むものと理解
する。

第２図は本発明の装置の他の実施態様の横断面
図を示す。この実施態様において、ハウジング５
０は共振器部分５４を包囲する全体的に矩形の横
断面を有するよう形成してある。この場合もハウ
ジングにはハウジングの残りの壁より薄い２つの
直径方向に対向する壁５８及び６２が含まれてい
る。従つて、ハウジング５０が流体内に浸漬され
る際共振器部分６４には不均一な半径方向応力が
発生されよう。

第３図は本発明の更に他の実施態様を示す。こ
の実施態様においてハウジング７０は共振器部分
７４を包囲し且つ薄くて直径方向に対向する側壁
７８及び８２を含むよう横断面が全体的に楕円形
に形成される。

第４図は共振器部分９４の周わりに対称的に位
置付けられたハウジングの３つの薄い壁部分９０
を含む本発明の第４実施態様を示す。ハウジング
の側壁にかかる圧力は共振器部分９４内に不均一
な半径方向応力を発生し、当該共振器部分は逆に
共振器部分の振動周波数に影響を与え、これが圧
力の正確な測定を可能にする。

前述した様式で単純且つ組立てが容易な共振圧
力変換器が提供される。変換器には全体的に共振
器部分の平面に対し直角に延在する側壁を備えた
ハウジングにより周縁部が結合され且つハウジン
グにより包囲されている全体的に円板形状の共振
器部分が含まれている。圧力を測定すべき流体内
にハウジングが浸漬される際（全体的に半径方向
に向けられる）不均一な応力が共振器部分に発生
されるよう側壁の残りの部分より側壁の選択され
た部分又は複数個の部分が薄くされる。

前述の配列は本発明の諸原理の適用の例示的な
ものに過ぎないことを理解すべきである。当技術
の熟知者には本発明の技術思想と範囲から逸脱せ
ずに多数の改変と代替的な配列を案出可能であり
前掲の特許請求の範囲はこうした改変例と配列を
対象とする意図を備えている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理により作成された共振圧
力変換器の部分的に破断した斜視図を示す。第２
図は変換器のハウジングの別の実施態様の上部横
断面図である。第３図は変換器のハウジングの更
に別の実施態様の上部横断面図である。第４図は
変換器のハウジングの第４実施態様の上部の横断
面図である。 ４，５０，６０……ハウジング、１２，５４，
７４，９４……共振器部分、３６……発振器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 共振圧力変換器であつて、 全体的に円板形状の共振器部分と、 共振器部分を包囲し共振器部分の周縁部に接続
   され、側壁を全体的に共振器部分の平面に対し直
   角に延在せしめ、流体内に浸漬する際共振器部分
   に不均一な応力が発生するよう側壁の選択された
   部分を側壁の残りの部分より薄くしてあるハウジ
   ングと、 前記共振器部分を振動させ振動周波数をハウジ
   ングの側壁に与えられる圧力変動と共に変化させ
   る装置から成る共振圧力変換器。 ２ 前記共振器部分がハウジングの側壁と一体構
   造になつている特許請求の範囲第１項に記載の共
   振圧力変換器。 ３ 振動周波数が実質的に過渡温度と無関係にな
   るよう結晶性水晶により形成してある特許請求の
   範囲第１項に記載の共振圧力変換器。 ４ 前記共振器部分がSCカツト水晶である特許
   請求の範囲第３項に記載の共振圧力変換器。 ５ 薄い側壁部分が直径的に相互に対向している
   特許請求の範囲第４項に記載の共振圧力変換器。 ６ 薄い壁部分の直径方向の整合が水晶のX′軸
   線から約45゜回転されるようにした特許請求の範
   囲第５項に記載の共振圧力変換器。 ７ 振動周波数が実質的に過渡温度とは無関係に
   なるよう前記共振器部分が結晶性水晶で形成して
   ある特許請求の範囲第１項に記載の共振圧力変換
   器。 ８ 前記共振器部分がATカツト水晶であるよう
   にした特許請求の範囲第７項に記載の共振圧力変
   換器。 ９ 前記共振器部分がBTカツト水晶であるよう
   にした特許請求の範囲第７項に記載の共振圧力変
   換器。 １０ 前記ハウジングが全体的に円筒形状であり
   直径方向に対向する側壁部分がその外側面に平坦
   部又は弦状カツトが形成してある特許請求の範囲
   第１項に記載の共振圧力変換器。 １１ ハウジングの横断面が矩形になつている特
   許請求の範囲第１項に記載の共振圧力変換器。 １２ ハウジングの横断面が楕円になつている特
   許請求の範囲第１項に記載の共振圧力変換器。 １３ ハウジングが３つの全体的に等間隔に隔置
   された薄い側壁部分を含むようにした特許請求の
   範囲第１項に記載の共振圧力変換器。 １４ 圧力検出装置であつて、 振動信号に応答して振動するよう適合し振動の
   周波数が共振器部分の周縁部に与えられる力の変
   動と共に変動するような全体的に円板形状の水晶
   共振器部分と、 共振器部分を包囲し共振器部分の平面に対し直
   角に反対方向に延在するよう共振器部分の周縁部
   に接合された側壁を有し側壁の選択された部分を
   残りの部分より薄くしてあるハウジングと、 共振器部分を振動させるため前記共振器部分に
   振動信号を供給する装置から成る圧力検出装置。 １５ 振動周波数が実質的に過渡温度とは無関係
   になるよう前記共振器部分が水晶で作成され、選
   択された部分が直径方向に対向する２つの側壁を
   含み、直径方向に対向する側壁の整合が水晶の
   X′軸線から角度ｄだけ回転されるようにした特
   許請求の範囲第１４項に記載の圧力検出装置。 １６ 共振器部分がSCカツト水晶であり、角度
   ｄが約45゜であるような特許請求の範囲第１５項
   に記載の圧力検出装置。 １７ 前記ハウジングが全体的に円筒形であり、
   対向して面する平坦な部分が薄い壁と一致して形
   成される特許請求の範囲第１６項に記載の圧力検
   出装置。 １８ ハウジングの横断面が矩形であり横断面の
   長い次元の側部が薄い壁と一致している特許請求
   の範囲第１６項に記載の圧力検出装置。 １９ ハウジングの横断面が楕円形であり、横断
   面の長い次元の側部が薄い壁と一致している特許
   請求の範囲第１６項に記載の圧力検出装置。 ２０ 共振器部分がハウジングの側壁と一体構造
   になつている特許請求の範囲第１６項に記載の圧
   力検出装置。