JP2006292760A - 可変軸感度を有する３軸加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】慣性質量１０、固定基部３０、および支持システムを不静定にする基部から質量を支持するための少なくとも１つまたは複数の支持材／センサ（１２、１４、１６、１８、２０、２２、２４）を備える加速度計を提供すること。
【解決手段】支持材／センサは、取り付けパッドの間に吊され、発振器４０により振動を発生する両頭デュアルビーム音叉３４であるのが好ましい。静定支持システムに必要な支持材／センサを超える１つまたは複数の支持材／センサを加えることにより、支持システムは不静定にされ、したがって１つまたは複数の方向で敏感である。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般的には、加速度計に関するものであり、具体的には、与えられた任意の方向においてセンサ軸感度を変える機能を有する単一パッケージの水晶振動子利用３軸加速度計に関するものである。

加速度計を使用する航行計器は、さまざまな環境において使用されている。例えば、ダウンホール石油探査ツールでは、通常、加速度を測定するために３つの独立一軸センサを使用する。しかし、一軸センサは、不都合なことに、探査ツール内にかなりのスペースを占有する。さらに、ほとんどの現行の一軸センサは、磁気的に回復されるプルーフマスを使用する力平衡方式サーボ型加速度計であり、したがって、周囲に磁気的影響を及ぼす。しかし、慣性航行計器は、さらに、磁力計も含む。高磁気加速度計と磁力計との間の潜在的相互作用のために、加速度計を磁力計から最小距離のところに配置する必要がある。さらに、水晶振動子利用共振器は、すでに、センサ内で採用されており、３軸加速度計において使用することについて提案されている。例えば、米国特許第６，８２６，９６０号公報を参照のこと。その特許の３軸加速度計は、個別の水晶サイズまたは形状を修正しないと１つまたは複数の方向で感度に対応しない、または可変感度を使用可能にしない静定システムを伴う。
米国特許第６，８２６，９６０号公報 米国特許第５，９６２，７８８号公報 米国特許第４，２１５，５７０号公報 米国特許第３，２３８，７８９号公報 米国特許第４，３９８，４１７号公報 米国特許出願公開第２００４／０，０２５，５９０号公報 米国特許第３，０５７，２０８号公報 米国特許第３，３８２，７２４号公報 米国特許第５，５３１，１１５号公報

したがって、１つの標準支持システム（つまり、支持水晶振動子）を使用できる可変軸感度機能を備える改善された３軸加速度計が必要である。

本発明の好ましい一実施形態では、慣性質量および基部および基部と慣性質量との間に延びて直交方向に慣性質量を吊すことで不静定構造物をなす複数の支持部材を含む慣性質量用の支持システムとを含む３つの次元で加速度を測定するためのセンサ、および支持部材内の加速度誘起応力を測定しそれにより質量の加速度の測定を行えるようにするための応力センサを実現する。

本発明の好ましい他の実施形態では、慣性質量と、基部および基部と慣性質量との間に延びて直交方向に慣性質量を吊すことで不静定構造物をなす複数の支持部材を含む慣性質量用の支持システムとを含む加速度計、および支持部材内の加速度誘起応力を測定して質量の加速度の測定を行えるようにするためのそれぞれの応力センサを構成する少なくとも６つの支持部材を備える。

図１では、例示されている立方体により表される慣性質量１０の概略が示されている。しかし、質量１０は、任意の幾何学的形状を取りうることは理解されるであろう。例示のため、質量１０は、６つの直交関係を有する支持材、つまり支持材１２と１４、１６と１８、および２０と２２により支持される。追加の支持材２４もある。それぞれの支持材の反対端は、質量１０に固定され、また例えば、加速度計用の筐体を含むことがある固定式不動支持基部に固定される。例示されているように、支持材１２と１４、１６と１８、２０と２２は、直交座標系のそれぞれのＸ、Ｙ、およびＺと一致するように配列される。例示されているような質量１０の支持システムは、７つの支持材を備え、したがって、不静定支持システムを構成する。特に、質量１０がもっぱら、６つの支持材１２と１４、１６と１８、２０と２２により支えられている場合、支持材の静止システムは、静定支持構造物である。システムは、未知の力の数が自由空間内の質量の運動を記述するために必要な運動方程式の数に等しい場合に静定構造物である。つまり、支持材または抑制材は、自由度の数および種類に等しく、独立である。したがって、静定システムにおいて、均衡方程式を解くことにより支持材のすべての軸力および支持材におけるすべての反作用を決定することが可能である。

対照的に、支持システムは、ここでのように、独立の静定構造物を備えるのに必要な以上の制約がある、つまり、外部荷重のバランスを独立にとるのに必要な以上の支持材がある場合に不静定である。別の言い方をすると、システムは、制約の数が自由度の数よりも多い場合に不静定であり、自由度毎に少なくとも１つの制約があり、例えば、Ｘ、Ｙ、およびＺ軸に関する平行移動およびそれらの軸を中心とする回転がある。不静定構造物のダイナミクスを解くには、静的平衡方程式を解く以上のことを必要とし、特に、支持システムの特性についてさらに詳しく知っている必要がある。

前記の定義を念頭に置き、６つの支持材１２と１４、１６と１８、２０と２２が互いに直交する形で配列されている図１に例示されている質量１０用の支持システムは、静定支持システムを構成することは理解されるであろう。しかし、追加の支持材２４を含む７つの支持材を使用する図１に例示されている支持システムは、不静定支持システムを構成する。つまり、外部荷重を独立にバランスを取るために必要なよりも少なくとも１つ多い支持材がある。不静定システムは、さらに、図１に例示されている単一の追加の支持材よりも多い追加の支持材を包含し、少なくとも１つまたは複数の追加の支持材を含む静定支持システムにより特徴付けられうる。

本発明の一態様では、不静定支持構造物において固定基部と慣性質量との間で直交方向に延びる支持材を備える慣性質量用の支持システムを実現する。例えば、図１の７つの支持材により示されているのと同じ支持システムを本質的にさらに詳しいレベルで示している図２に例示されているように、それぞれの支持材は、多数の異なる力感知反応センサのうちの１つを備えることができる。例えば、歪みゲージなどの応力検出デバイスを使用することができる。他の実施例として、米国特許第６，８２６，９６０号公報の図３Ａに開示されているようなシングルビーム共振器システムを採用することができる。しかし、デュアルビーム両頭音叉（ＤＥＴＦ）は、質量１０と固定基部との間に支持材／センサを備え、その基部は、加速装置モジュール３２用の筐体３０を備えることができる。デュアルビーム両頭音叉３４の実施例は図３に例示されている。取り付けパッド３６および３８は、ＤＥＴＦ力感知支持材／センサの反対端に用意される。発振器４０は、リード線４２および４４によりパッド３８上の電気的接続部に電気的に接続され、それにより、発振器はセンサ３４のビームを振動させるための電気エネルギーを供給する。したがって、支持構造物のデュアルビームが質量１０の加速度により引き起こされる直線力および角回転と反対の方向の張力または圧縮力を受けると、発振振動数は荷重とともに変化し、したがって、加速度の測定値に比例する。歪みゲージは、加速度に比例する信号出力を供給するために同様の方法で使用することができる。

図２に戻って参照すると、図１に概略が例示されている力感知支持材１２と１４と２４、１６と１８、および２０と２２は、好ましい実施形態において、質量１０と固定基部３０との間に接続されたそれぞれの力感知デュアルビーム両頭音叉３４を構成する。したがって、図２では、それぞれの支持材／センサ３４上のパッドの１つ、例えば３６は、慣性質量１０に固定されるが、反対側のパッド、例えば３８は、固定基部３０に固定される。特に、支持材／センサ１２、１４は、Ｘ方向で支持し、支持材／センサ１６、１８は、Ｙ方向で支持し、支持材／センサ２０、２２は、Ｚ方向で支持する。追加の支持材／センサ２４は、さらに、Ｘ方向で支持し、したがって、さらに、Ｘ方向で剛性を持つ。この追加の支持材は、図２の支持システムを不静定にする。他の図において以下で指摘されているように、１つまたは複数の追加の支持材を静定支持システムに加えて、支持システムを不静定にすることができる。

追加の支持材は荷重感知支持材を構成する必要はないことも理解されるであろう。したがって、本発明の加速度計に関連して不静定構造物を実現するには、１つまたは複数の追加の支持材と併せてそれぞれの自由度について最低でも１つの荷重感知支持材が必要である。それぞれの追加の支持材は、荷重感知型である場合もない場合もあり、例えば、１つまたは複数の追加の支持材を丸ごと構造物とすることも可能である。

また、図２には、６つのストッパー４０が例示されている。これらのストッパーは、６つの直交する方向のそれぞれにおいて対として例示されている。ストッパー４０は、基部３０に装備され、支持部材の加速度誘起応力を測定できるように、応力センサの能力を超える直交方向の慣性質量距離の移動を妨げる。６面のストッパーの配列および個数はさまざまであり、例えば、コーナーに４つ、または６つ（４つのコーナーと真ん中に２つ）とすることができ、また特に開示されている配列および数は、例にすぎないことが理解されるであろう。

図１および２を参照すると、慣性質量１０の不静定支持構造物により、与えられた１つまたは複数の方向で加速度計の感度を変化させることができる。不静定支持材を用意することにより、支持基部３０に対する任意の１つまたは複数の方向の加速度計の剛性を高めることができる。これは、例えば、ダウンホール石油探査ツールの低振動環境において、非常に望ましい支持システムの固有振動数を高めるという利点を有する。特定の実施例では、好ましくは石油探査機器の加速度計は約１５００Ｈｚを超える固有振動数を持つ必要がある。例示されている実施形態では、追加の支持材／センサ２４は、Ｘ方向でＸ軸に平行であり、したがって、その方向の剛性を高められる。したがって、不静定構造物では、与えられた軸にそってさまざまな感度を与える１つまたは複数の方向の比感度は、１つまたは複数の追加の支持材／センサ、例えば、質量の与えられた１つまたは複数の側面のデュアルビーム両頭音叉を追加することにより達成される。これは、支持材／センサが１つの基本デュアルビーム共振器を採用するため、加速度計メーカーはより高価になるであろう複数のサイズのデュアルビーム共振器を製造しなくて済むという利点をさらに有する。

図５〜８を参照すると、不静定支持システムは、固定基部からの慣性質量を支持するためさまざまな形状で配列できることは理解されるであろう。そのため、本明細書で特に説明され、例示されている不静定支持システムは、代表的なものとみなされるが、制限するものとしてはみなされない。意図されている用途に応じて、本明細書で特に開示されているよりも多い他の組み合わせを使用することができる。したがって、図５では、３つの支持材／センサ１２、１４、２４は、慣性質量１０と固定基部３０との間でＸ方向に相互接続されているように示されている。２つの支持材／センサ１６、１８は、慣性質量１０と固定基部３０との間でＹ方向に固定されている。３つの支持材／センサ２０、２２、４２は、慣性質量１０と固定基部３０との間でＺ方向に固定されている。つまり、支持材／センサ１２と１４、１６と１８、２０と２２からなる他の何らかの静定支持システムは、支持システムを不静定にするＸおよびＺ方向の２つの追加のセンサ／支持材２４、４２により補強されている。また、加速度計の感度は、ＸおよびＺ方向に強化される。

図６では、３つのセンサ／支持材１２、１４、２４は、慣性質量１０と固定された支持材３０との間でＸ方向に延び、３つの支持材／センサ１６、１８、４４はＹ軸方向に延び、３つの支持材／センサ２０、２２、４２は、Ｚ方向に延び、合計９つの支持材／センサがある。そのため、３つの支持材／センサは、他の何らかの静定支持システムを超えて直交方向に用意され、支持システムを不静定にする。

図７を参照すると、１つまたは複数の追加の支持材／センサが他の何らかの静定支持システム構造物を不静定にするならば、不静定支持システムは、Ｘ、Ｙ、Ｚ直交座標系の６本の軸に一致するまたは平行な慣性質量と基部との間に延びる支持材／センサを備える必要はないことは理解されるであろう。そのため、図７では、支持材／センサは、正のＸ方向に延びる支持材／センサ５０、５２、６２を含み、支持材／センサ５４、５６は、正のＹ方向に延び、支持材／センサ５８、６０は、正のＺ方向に延びる。どのような支持材も、質量１０と基部３０との間で負のＸ、Ｙ、およびＺ方向には延びない。前記の支持材／センサ５０と５２、５４と５６、５８と６０は、質量１０に対する静定支持システムを実現することは理解されるであろう。１つまたは複数のセンサ／支持材を追加する、例えば、センサ／支持材６２を正のＸ方向に追加すると、支持システムは不静定になる。したがって、図７の支持システムは、Ｘ方向に剛性を増す。

図８を参照すると、支持センサの対は、直交座標系の正と負の両方向に延びる。したがって、図８の不静定支持システムでは、支持材／センサは、それぞれの正および負のＸ方向に延びる支持材／センサ７０、７２および７４、７６、それぞれの正および負の方向に延びる支持材／センサ７８、８０および８２、８４、およびそれぞれの正および負のＺ方向に延びる支持材／センサ８６、８８および９０、９２を含む。必要な６つの支持材を超えて１つまたは複数のセンサ／支持材を追加することで、支持システムは不静定になる。したがって、図８の支持システムは、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向で剛性が向上し、与えられた方向においてより高い荷重／使用可能荷重範囲が実現される。前記のことから、本発明の３軸加速度計は、支持システムを静定にする支持材／センサに加えて、１つまたは複数の支持材／センサの追加を利用することは理解されるであろう。

図３を参照すると、本発明の加速度計モジュール３２を組み込むことができる石油探査ツール７０が例示されている。例えば、モジュール３２は、ツール７０の円筒形ケーシング内に配置することが可能である。モジュール３２は、固定基部３０、およびコンパクトで、航行探査ツール７０の電子回路を装着し、統合することが簡単な慣性重量用の不静定支持システムを収納する。

本発明は、最も実用的で、好ましい実施形態であると現在考えられているものに関して説明されているが、本発明は、開示されている実施形態に限定されず、却って、付属の請求項の精神および範囲内に含まれるさまざまな修正形態および同等の配列を対象とすることを意図されている。

センサにより直交方向に支持され、不静定構造物を実現するプルーフマスの概略図である。 不静定構造物の慣性質量、センサ、固定支持材、およびストッパーを例示する加速度計モジュールの概略図である。 本発明の一態様において支持材／センサとして使用される水晶振動子デュアルビーム両頭音叉の概略図である。 本発明の好ましい態様による３軸加速度計を具現化するダウンホール石油掘削探査ツールの概略図である。 さまざまな不静定構造物内の慣性質量の支持材を例示するさまざまな実施形態の概略図である。 さまざまな不静定構造物内の慣性質量の支持材を例示するさまざまな実施形態の概略図である。 さまざまな不静定構造物内の慣性質量の支持材を例示するさまざまな実施形態の概略図である。 さまざまな不静定構造物内の慣性質量の支持材を例示するさまざまな実施形態の概略図である。

符号の説明

１０ 慣性質量
１２，１４；１６，１８；２０，２２ 支持材
３０ 筐体
３２ 加速装置モジュール
３４ 音叉または支持材／センサ
３６、３８ 取り付けパッド
４０ 発振器
４２ 支持材／センサ
４４ 支持材／センサ
４２、４４ リード線
２４ 支持材／センサ
５０、５２、６２ 支持材／センサ
５４、５６ 支持材／センサ
５８、６０ 支持材／センサ
７０、７２、７４、７６ 支持材／センサ
７８、８０、８２、８４ 支持材／センサ
８６、８８、９０、９２ 支持材／センサ

Claims (10)

1. ３つの次元で加速度を測定するためのセンサであって、
   慣性質量（１０）、および前記慣性質量用の支持システムであって、基部（３０）および前記基部と前記慣性質量との間に延びて前記慣性質量を直交方向で吊し不静定構造物をなす複数の支持部材（１２、１４、１６、１８、２０、２２、２４）を備える支持システムと、
   前記支持部材内の加速度誘起応力を測定し、それにより質量の加速度の測定を行えるようにする応力センサ（３４）とを備えるセンサ。
2. 前記複数の支持部材は、前記基部と前記慣性質量との間に少なくとも７つの支持部材（１２、１４、１６、１８、２０、２２、２４）を含む請求項１記載のセンサ。
3. 前記複数の支持部材は、それぞれ前記直交方向で前記基部と前記慣性質量との間に延びる支持部材の対（１２と１４、１６と１８、２０と２２と２４）を含み、支持部材のそれぞれの対の個々の支持部材は互いに平行に延びており、前記複数の支持部材はさらに前記直交方向のうちの１つの方向に前記基部と前記慣性質量との間で延びて前記一方の直交方向の剛性が他方の直交方向における剛性を超えるようにする他の支持部材（２４）を含む請求項１記載のセンサ。
4. 前記複数の支持部材の個々の支持部材（１２と１４、１６と１８、２０と２２と２４）は、前記直交方向に概して平行な前記質量の反対側から延びる請求項１記載のセンサ。
5. 前記複数の支持部材（１２と１４、１６と１８、２０と２２と２４）は、それぞれ前記直交方向で前記基部と前記慣性質量との間に延びる支持部材の対を含み、支持部材のそれぞれの対の個々の支持部材は互いに平行に延びており、前記複数の支持部材（２４）のうちの少なくとも１つは前記直交方向のうちの少なくとも他の１つの方向で加えられる加速度に対する感度と異なる前記直交方向のうちの１つの方向で加えられる加速度に対する感度をもたらす請求項１記載のセンサ。
6. 前記支持部材（２４）は、さもなければ前記支持システムを静定にする支持部材の３つの対（１２と１４、１６と１８、２０と２２）に加えて支持部材である請求項５記載のセンサ。
7. 前記支持部材のそれぞれの対の個々の支持部材（１２、１４、１６、１８、２０、２２）は、前記質量の反対側から延びる請求項６記載のセンサ。
8. 前記複数の支持部材（１２と１４、１６と１８、２０と２２と２４）は、それぞれ前記直交方向で前記基部と前記慣性質量との間に延びる支持部材の対を含み、支持部材のそれぞれの対の個々の支持部材は互いに平行に、前記質量の反対側から延びており、前記複数の支持部材はさらに前記直交方向のうちの２つの方向で前記慣性質量と前記基部との間に少なくとも２つの追加の支持部材（２２、２４）を含み、それぞれ前記２つの直交方向の剛性が他方の直交方向の剛性を超えるようにする請求項１記載のセンサ。
9. 前記支持部材のそれぞれは、水晶振動子ビーム共振器を備える請求項１記載のセンサ。
10. 前記支持部材のそれぞれは、水晶振動子デュアルビーム共振器を備える請求項１記載のセンサ。
    

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