JPS60138432A - 共振圧力変換器及び圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
あり又は望捷しいものである。圧力測定が必要とされる
最も苛酷す環境の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合
まれる。米国特許第３，６１７．７８０号及び同第３．
５６１，８３２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
ジング上の圧力にょシ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。従って、共
振器部分の振動周波数における変動はハウソングが受け
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ｔ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扁度変化の結果ソフ
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
け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シ発生
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）スクール・ファクターも温度に
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カント水晶結晶の結晶学軸線
の向きを適当にすることによ！ｌｌ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３，５６１．８３２号ではスロットが共振器
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
伺けられること、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Ｈ［定位置に保持され
ることが提案されている。この様式にて所足位随に保持
される２個の１１η１１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画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グに重石力集中
を生じ、亀裂を生ぜしめることもありイ↓↑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全提供することも
本発明の目的である。

本発明の他の目的はスケール・ファ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ｍ１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ｆ：合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
帽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カバターンを決定する。

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・ファ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、ここでは撮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である
。元来、との共振器部分にはＳＣカット水晶の結晶が使
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
る際不拘−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った
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昆、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
に円筒状のハウソング４０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
に形成しである。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１
２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１
６及び】８が形成され、当該平坦部分は１１１！Ｉ壁の
残ｐの部分より薄くなっている側壁の２つの直径方向に
対向する部分２２及び２４になっている。この構造の場
合、ノ・ウヅング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・ファクター（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′軸軸線ら成る角度ｄ回転される。例えは、ＳＣカッ
ト水晶に対しては約４５゜の角［（１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カッ
ト水晶に対しては約７０ないし１００の角度ｄｉ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
ァ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ッ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
る応カバターンに依存している。

ハウジング４及び共振器部分１２に対してカットされた
適当な圧電材料を選択することによって共振器部分１２
における均一な半径方向応力から周波数ソフトをなくし
、従って過渡温度に起因する周波数ソフトが無くなるこ
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光面上に各々（例えば、真空
蒸着によ！１１）配設された２個の電極２８及び３２が
きまれでいる。電極２８及び３２は発振器３６に接続さ
れ、当該発振器は共振器部分１２全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。

ハ々ジング４に対する、従って、共振器部分Ｊ４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。従って、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ソールし、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
キャップ４４の如き端部ギャップが設けである。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ャップを含むもの
と理解する。

第２図は本発明の装置の他の実Ｍｌ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゜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
成しである。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６
２が含まれている。

従って、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回応カが発生されよう。

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７ｏは共振器部分７４を包囲し且
つ薄くて直径方向に灯同する側壁７８及び８２を合むよ
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実施傳様を示す。ハウジングの側壁にかかる圧力ば
共振器部分９４内に不均一な半径方間応力を発生し、当
該共据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答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シ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４．ｙ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ｎ」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力′１Ｌｌｊ
川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実施悪様の上部の横
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】 】）共振圧力変換器であって、 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、Ｉ
   ｔｌｌＩ譬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ｌ１ｌｌＩ壁の選択された部分を側壁
   の残りの部分より薄くしである／・ウジングと、 前記共振器部分を振動させ振動周波数Ｖ　’・ウジング
   の１１１１１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１１１１壁と一体構
   造になっ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で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カン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′軸軸線ら
   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である特許請求
   の範囲第１）項に記載の共振圧力変換器。 ８）前記共振器部分が回転されるＸカント水晶である特
   許請求の範囲第７）項に記載の共振圧力変換器。 ９）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８）項に記載の共振圧力変換器。 １０）薄い壁部分の直径方向の整合が水晶のＸ′軸軸線
   ら約７０ないし１００回転されるようにした特許請求の
   範囲第９）項に記載の共振圧力変換器。 １１）前記共振器部分がＡＴカッ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。 １２）前記共振器部分がＢＴカッ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ＦＥ力変換器。 １３）　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
   カットが形成しである特許請求のｆｌｉＱ囲第Ｊ）項に
   記載の共振圧力変換器。 １４）ハウジングの横断面が全体的に矩形になっている
   特許請求の範囲第１）項に記載の共振圧力変換器。 耽）ハウジングの横断面が全体的に楕円になっている特
   許請求の範囲第］）項に記載の共振圧力変換器。 １６）ハウジングが３つの全体的に宿間隔に隔置された
   薄い側壁部分を含むようにしたら許請求の範囲第１）項
   に記載の共振圧力変換器。 １７）　圧力検出装置であって、 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力先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５１７面に刑し直角に
   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
   た側壁を不し側壁の選択された部分を残りの部分よシ薄
   くしであるハウソングと、共振器部分を振動させるため
   ＭｉＪ記共掘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。 １８）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′軸軸線ら角度ｄだけ回転
   されるようにした特許請求の範囲第１７）項に記載の圧
   力検出装置。 １９）共振器部分がＳＣカント水晶であり、角度ｄが約
   ４５であるような特許請求の範囲第１８）項に記載の圧
   力検出装置。 ２０）共振器部分が回転されるＸカット水晶であり、選
   択された部分が２つの直径方向に対向する側壁を含み、
   直径方向に対向する側壁の整合が水晶のＸ′軸軸線ら約
   ７０ないし１００の角度に亘９回転されるようにした特
   許請求の範囲第Ｊ７）項に記載の圧力検出装置。 ２１）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１９）項又は同第２０）項に記載の圧力検
   出装置。 ２２）ハウジングの横断面が全体的に矩形であり横断面
   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１２）項又は同第２０）項に記載の圧力検出装置。 ２３）ハウジングの横断面が全体的に楕円形であり、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１９）項又は同ｉ　２０）項に記載の圧力検出
   装置。 ２４）共振器部分がハウジングの側壁と一体構造になっ
   ている特許請求の範囲第１９）項又は同第２０）項に記
   載の圧力検出装置。 ２５）共振圧力変換器であって、 全体的に円板形状の共振器部分と、 共振器部分を包囲し当該共振器部分の周縁部に結合され
   、側壁を全体的に共振器の平面に対して直角に延在せし
   め、流体内に浸漬させる際−足でない応力が共振器部分
   に発生されるよう１１１１１壁の少なくとも一部分を残
   りの部分より簿くするようにしたハウソングと、 前記共振器部分も振動させ振動周波数をハウジング側壁
   に与えられる圧力変動と共に変動させる装置から成る共
   振圧力変換器。