(57)【要約】      （修正有）【課題】外圧の変化に対応して内圧を調整する圧電変換器を収容するための圧力補償型変換器アセンブリを提供する。【解決手段】閉じられた変換器端部４ａを有する内側ハウジング４と、開かれた変換器端部６ａを有する外側ハウジング６とを含む。セラミック層１，２，裏材３は、内側ハウジング４の閉じられた変換器端部４ａにある。液体で満たされたチャネル１９は、外側ハウジング６と内側ハウジング４との間にあり、環境２０に対して開かれた変換器端部１９ａと、第１の内部空間４ｃに対して開かれた接続端部１９ｂとを有する。遮断部材１０は、チャネル１９の変換器端部１９ａを接続端部１９ｂから分離し、２つの端部間の流体の流れを防止する。遮断部材１０は、環境２０と第１の内部空間４ｃとの間の圧力差に対応してチャネル１９内を移動可能である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
変換器端部分と接続端部分とを有する圧力補償型変換器アセンブリであって、アセンブリは、
閉じられた変換器端部と側壁とを有して第１の内部空間を規定する内側ハウジングと、
開かれた変換器端部と側壁とを有して第２の内部空間を規定する外側ハウジングと、
前記第１の内部空間の前記変換器端部にある変換器と、
前記外側ハウジングと前記内側ハウジングとの間のハウジング間空間とを備え、前記ハウジング間空間は、前記内側ハウジングの前記変換器端部に隣接する環境に対して開かれた変換器端部分と、前記第１の内部空間に対して開かれた接続端部分とを有し、アセンブリはさらに、
前記ハウジング間空間にある遮断部材を備え、前記遮断部材は、前記ハウジング間空間の変換器端部分を前記ハウジング間空間の接続端部分から分離および規定するのに有効であるとともに、前記接続端部から前記変換器端部への流体の流れおよびその逆の流れを防止するのに有効であり、アセンブリはさらに、
前記第１の内部空間にあって前記ハウジング間空間の前記接続端部分に延在する内部液体を備え、
前記遮断部材は、前記ハウジング間空間の前記変換器端部に対して前記環境によって加えられる前記圧力と前記ハウジング間空間の前記接続端部に対して前記内部液体によって加えられる前記圧力との間の圧力差に対応して前記ハウジング間空間内を移動可能である、圧力補償型変換器アセンブリ。
【請求項２】
前記変換器は、１つ以上の圧電セラミック素子と、前記ピエゾセラミック素子と前記ハウジングの前記接続端部との間に配置される裏材とを備え、前記１つ以上のピエゾセラミック素子によって生成される音響波が前記ハウジングの前記変換器端部を介して伝播される、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項３】
前記内部液体は油である、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項４】
前記内側ハウジングの前記変換器端部の外側に隣接および接触する面板をさらに備える、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項５】
前記ハウジング間空間の前記液体で満たされた前記接続端部分は、前記圧電変換器の前記内面を前記内側ハウジングの内側から音響的に切り離すのには有効でない、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項６】
前記内側ハウジングは、前記ハウジング間空間が前記内側ハウジングを囲うように、実質的に前記外側ハウジング内において離間されている、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記ハウジング間空間は、前記内側ハウジングと前記外側ハウジングとの間に１つ以上のチャネルを含み、前記チャネルは、一端が前記内側ハウジングの前記変換器端部に隣接する前記環境に対して開かれ、他端が前記第１の内部空間に対して開かれる、請求項１に記載のアセンブリ。
【請求項８】
高温かつ高圧の環境において使用される音響変換器であって、
ａ）変換器端面を有し、閉じられて油で満たされた内部空間を規定するハウジングと、
ｂ）前記油で満たされた内部空間にある圧電変換器アセンブリと、
ｃ）前記変換器の周りの前記外部環境に対して前記油で充填された内部空間を接続するチャネルとを備え、前記チャネルは、一端が前記変換器端面に隣接する前記外部環境に対して開かれ、一端が前記内部空間に対して開かれ、音響変換器はさらに、
ｄ）前記チャネル内を自由に移動し、前記チャネルを介した前記内部空間から前記外部環境への流体の流れ、およびその逆の流れを防止するのに有効である遮断要素を備え、
前記外部環境において圧力が蓄積するにつれ、前記遮断要素は、前記内部空間と前記外部環境の圧力の差が釣り合うまで前記チャネル内を移動する、音響変換器。
【請求項９】
前記遮断部材はＯリングである、請求項８に記載の変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の詳細な説明
発明の背景
変換器にとって高圧および高温が課題となるダウンホール掘削環境において圧電変換器を使用することが知られている。このような環境においては、圧力が２５Ｋｐｓｉ以上となり、温度が６００°Ｆを超え得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
環境における圧力が変換器の内部の圧力を超える場合、変換器の性能が低下し得る。外圧の変化に対応して内圧を調整する様々な機構が考案されてきたが、いずれも完全に満足できるものではなかった。
【０００３】
このため、圧電変換器または他の機能素子を収容するための圧力補償型アセンブリに対する需要がある。本発明は、この需要に対応するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
発明の概要
本発明の一実施形態によれば、圧力補償型変換器アセンブリが提供される。
【０００５】
アセンブリは、閉じられた端部と側壁とを有して第１の内部空間を規定する内側ハウジングを含むのが好ましい。閉じられた端部は、動作する電子機器への取り付け点から遠位の（離れた）端部である。
【０００６】
アセンブリは、開かれた変換器端部と側壁とを有して第２の内部空間を規定する外側ハウジングも含む。 
【０００７】
圧電変換器であり得る機能素子が第１の内部空間内に設けられる。機能素子が圧電変換器である場合、圧電材は内側壁の閉じられた端部に接触する面を有するディスク（またはディスクスタック）として設けられるのが好ましい。ピエゾ素子またはピエゾスタックは、ピエゾ素子がハウジング床を振動させて音響波を装置から伝播させるように内側ハウジング内に位置決めされる。変換器面板は、ハウジング床の外表面に設けられるのが好ましく、この場合において音響波は変換器面板から放射される。
【０００８】
外側ハウジングの少なくとも一部は内側ハウジングから離間し、外側ハウジングと内側ハウジングとの間の空間にチャネルが設けられ、チャネルは環境に対して開かれた第１の端部と第１の内部空間に対して開かれた第２の端部とを有する。環境に対して開かれたチャネルの端部は、変換器に隣接した環境に対して開かれるのが好ましく、より特定的には変換器面板に隣接した環境に対して開かれるのが好ましい。
【０００９】
遮断部材は、チャネル内に設けられ、そのチャネル内で移動可能である。移動可能な遮断部材は、接続端部チャネル部分および変換器端部チャネル部分を規定する。
【００１０】
比較的非圧縮性の流体は、第１の内部空間内に設けられ、接続端部チャネル部分内へ遮断部材に向けて延在する。比較的非圧縮性の流体は好ましくは液体であり、より好ましくは油である。
【００１１】
移動可能な遮断部材は、接続端部チャネル部分から変換器チャネル部分への流体の流れを防止するのに有効である。移動可能な遮断部材は、装置の内側の圧力と変換器の外部の圧力とを均等化するのにも有効である。変換器の外側の圧力が高まるにつれ、移動可能な部材がチャネル内を移動し、装置の内側に接続されるチャネルの部分の大きさ（容量）が小さくなる。内部およびチャネル内の液体は比較的非圧縮性であることから、圧力が等しくなって移動可能な部材の移動が止まるまで内部の圧力が高まる。
【００１２】
液体で満たされたチャネルは、変換器の内面を内側ハウジングの内面から音響的に分離する効果を有さないのが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の圧力補償型変換器アセンブリの一実施形態の全断面を示す側面図である。
【図２】本発明の圧力補償型変換器アセンブリの他の実施形態の全断面を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
発明の原理に関する理解を促す目的で、特定の好ましい実施形態がここで参照され、これを説明するために具体的な用語が使用される。それでもなお、これによって発明の範囲を限定することは意図しておらず、例示される装置に対する置換およびさらなる変更、ならびに例示される発明の原理のさらなる適用が、発明に関係する当業者によって通常行われることが考えられ得ることが理解される。
【００１５】
上に示されるように、本発明の一実施形態は、ダウンホール油井などの環境においてセンサとして使用され得る圧力補償型変換器アセンブリを提供する。このような変換器は、圧電材を使用して音響波を送信および受信し得る。アセンブリは、通常は一端が電子制御部に接続され、他端から音響波を伝播させる。このため、本開示の目的のため、アセンブリは変換器端部と接続端部とを有するものとして記載され、変換器端部は、環境に対して音響波が伝播されるアセンブリの端部であり、接続端部は、制御電子機器に接続される端部である。
【００１６】
好ましい実施形態において、アセンブリは、内側ハウジングと、外側ハウジングと、これら２つのハウジングの全体または一部の間のハウジング間空間とを含む。内側ハウジングは、好ましくは閉じられた端部と側壁とを含み、第１の内部空間を規定する。外側ハウジングは、好ましくは開かれた端部と側壁とを含み、第２の内部空間を規定する。２つのハウジングは、内側ハウジングが実質的に外側ハウジング内に置かれるように位置決めされ、内側ハウジングの閉じられた端部が外側ハウジングの開かれた端部に隣接するように位置決めされるのが好ましい。最も好ましい実施形態において、ハウジングの形状は概して筒状であり、閉じられた端部を有する内側ハウジングは、内側ハウジング側壁に対して直円筒（選択的に開かれた端部を有する）を形成する。外側ハウジングは、内側ハウジングを覆い、内側ハウジングの閉じられた端部は外側ハウジングの開かれた端部において、またはその付近に位置決めされる。
【００１７】
圧電変換器であり得る機能素子は、第１の内部空間においてハウジングの閉じられた（変換器）端部に設けられる。好ましい実施形態において、変換器は、閉じられたハウジング端部の内側床上においてディスク（またはディスクスタック）の底面に対して位置決めされる圧電ディスク（もしくはスタック、または２つ以上の圧電ディスク）を含む。ディスクまたはディスクスタックは、ディスク／スタックの振動が対応するハウジング床の振動を引き起こすようにハウジング床に接触し得る。ピエゾ素子は、好ましくは、ダウンホール掘削環境における遠隔感知に適した音響波を放射するのに有効な周波数および出力で振動するのに有効である。
【００１８】
裏材は、ディスクまたはディスクスタックの上側に配置され得る。たとえば、タングステンなどの高音響インピーダンス材料が使用され得る。他の実施形態において、裏材は、粉末状のタングステンを伴う、または粉末状のタングステンを伴わないエポキシ／ポリマーなど、高音響インピーダンス材料の混合物であり得る。ピエゾ素子および裏材を適切に圧縮した状態を維持する引張ロッドまたは他のアセンブリが設けられ得る。
【００１９】
変換器アセンブリは、内側ハウジングの変換器端部に隣接して接触する面板を含み得る。一実施形態において、面板は、耐摩耗性を有してハウジング床の音響インピーダンスよりも低い音響インピーダンスを有する薄い材料である。好ましい面板の材料は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などのポリマーを含む。面板は、内側変換器ハウジングの外側に対して接着され得る。
【００２０】
ディスクまたはディスクスタックは、当該技術において知られるように、ディスクまたはディスクスタックの接続面に取り付けられた電子機器によって駆動および制御される。
【００２１】
上に示したように、内側ハウジングおよび外側ハウジングは、形が筒状であるのが好ましく、外側ハウジングは、内側ハウジングから離間される。ハウジング間空間は、外側ハウジングと内側ハウジングとの間に設けられ、空間は、内側ハウジングの全体またはほぼ全体を選択的に囲う。代替的に、内側ハウジングの空間は、内側ハウジングと外側ハウジングとの間に設けられる１つ以上のチャネルであり得る。
【００２２】
ハウジング間空間は、環境に対して開かれた変換器端部分と、第１の内部空間に対して開かれた、または第１の内部空間に接続される接続端部分とを有する。遮断部材は空間内に設けられ、空間内で移動可能である。移動可能な遮断部材は、ハウジング間空間の変換器端部分および接続端部分を規定し、接続端部から変換器端部の流体の流れ、またはその逆の流れを防止するのに有効である。
【００２３】
液体は、第１の内部空間に設けられ、ハウジング間空間の接続端部分に延在する。液体は、高温のシリコーン油などの油であるのが好ましい。装置に設けられる液体の容量は固定であり、約１５ｐｓｉの環境圧においてハウジング間空間の変換器端部の付近（しかし、十分に空間の範囲内にある）に移動可能な部材を位置決めするのに足りる圧力を維持するのに十分なものである。
【００２４】
アセンブリの外側の環境圧が高まるにつれ（アセンブリが油田内に降下する場合など）、移動可能な遮断部材は、空間の変換器端部分の大きさ／容量が大きくなり、空間の接続端部分の大きさ／容量が小さくなるように、ハウジング間空間内を移動する。ハウジング間空間の接続端部分を含む空間と内側ハウジングの空間とは、所定量の液体で満たされ、装置の内側に対して液体が加える圧力は、外圧が高まるにつれて高まる。これにより、ダウンホール掘削泥または他の厳しい環境に装置が置かれる場合に、圧力の変化に対する圧力が補償される。最も好ましくは、圧力補償は２０，０００ｐｓｉ以上の環境圧に対応するのに有効である。
【００２５】
比較的非圧縮性の流体で満たされたチャネルは内側ハウジングの内部から機能素子の内側面を音響的に切り離すのには有効とはなり得ないことが理解される。これは、気体で満たされ、内側ハウジングの内部から機能素子の内側面を音響的に切り離すチャネルを含む同様の構造の装置とは対照的である。
【００２６】
ここで図面を参照すると、図１は、本発明の圧力補償型変換器アセンブリの一実施形態を示し、アセンブリは、閉じられた変換器端部４ａと側壁４ｂとを有して第１の内部空間４ｃを規定する内側ハウジング４を含む。アセンブリは、開かれた変換器端部６ａと側壁６ｂとを有して第２の内部空間を規定する外側ハウジング６も含む。機能素子は、第１の内部空間に設けられる。示される機能素子は、第１のセラミック層１と、第２のセラミック層２と、裏材３とを含む。セラミック層および裏材層は、機械的な圧縮力によって互いに合わせて内側ハウジングに対して保持されるのが好ましい。ＰＥＥＫ面板１７は、内側ハウジングの外側に接着されるのが好ましく、内側ハウジング端部４ａ、第１のセラミック層１、第２のセラミック層２、および裏材３と協働して音波サウンダをもたらす。
【００２７】
内側ハウジング４および外側ハウジング６は、内側ハウジングから外側ハウジングが離間するように設けられる。チャネル１９は、外側ハウジングと内側ハウジングとの間の空間に設けられ、チャネルは、環境２０に対して開かれた変換器端部１９ａと第１の内部空間４ｃに開かれた接続端部１９ｂとを有する。
【００２８】
Ｏリングなどの遮断部材１０は、チャネル１９に設けられ、チャネル１９内を移動可能である。遮断部材の位置は、接続端部チャネル部１９ｂと変換器端部チャネル部１９ａとを規定する。遮断部材は、接続端部チャネル部分から変換器チャネル部分への流体の流れを防止するのに有効である。
【００２９】
比較的非圧縮性の流体は、第１の内部空間に設けられ、接続端部チャネル部内へ遮断部材に向けて延在する。流体は、高圧かつ高温の環境において機能することが可能な天然油または合成油であるのが好ましい。一部の用途においては、高温シリコーン油が好ましい。
【００３０】
第２のＯリング８が、接続端部アセンブリの周囲に設けられ、制御電子機器から内部空間４ｃを封止し得る。油で満たされた内側ハウジング空間は、圧力補償機構が正常に機能するように閉じられた空間でなければならない。このため、内部空間４ｃから制御電子機器への油の漏洩を防止しなければならない。
【００３１】
制御電子機器５は、接続端部アセンブリを介して装置内に入る。制御電子機器は、ピエゾ素子を駆動および制御し、動作中の装置が「送信」モードである場合には音響波を送信し、装置が「受信」モードである場合には音響波を受信する。
【００３２】
図２は、認識された同じ機能素子を有する本発明の圧力補償型変換器アセンブリの他の実施形態を示す。示される変換器アセンブリは、閉じられた変換器端部４ａと側壁４ｂとを有して第１の内部空間４ｃを規定する内側ハウジング４を含む。外側ハウジング６は、開かれた変換器端部６ａと側壁６ｂとを有し、第２の内部空間を規定する。機能素子は、第１の内部空間に設けられる。示される機能素子は、第１のセラミック層１と、第２のセラミック層２と、裏材３とを有する圧電変換器である。圧電変換器は、ピエゾディスクの面がハウジング床４ａの内側面と密着して保持されるように、内部空間４ｃに位置決めされる。ＰＥＥＫ面板１７は、内側ハウジング床４ａの外側面に接着され、ハウジング床ならびに第１のセラミック層１、第２のセラミック層２、および裏材３と協働して、音波サウンダをもたらす。
【００３３】
チャネル１９は、外側ハウジングと内側ハウジングとの間の空間に設けられ、チャネルは、環境２０に対して開かれた変換器端部１９ａと第１の内部空間４ｃに対して開かれた接続端部１９ｂとを有する。好ましい実施形態において、チャネル１９は、変換器によって音響波が放射される変換器アセンブリに隣接した位置で環境に対して開かれる。示されるように変換器アセンブリが面板を含む場合、チャネル１９は、面板に隣接する位置で環境に対して開かれる。最も好ましいチャネル１９は、変換器によって音響波が放射される方向に開かれる。
【００３４】
チャネル１９は、掘削泥などからの流体が変換器に隣接する環境からチャネル１９の変換器端部１９ａに流れることができるように大きさが設定される。したがって、チャネル１９の変換器端部１９ａの内圧は、音響波が放射される変換器アセンブリの外表面にかかる圧力、またはそれに非常に近い圧力となる。
【００３５】
遮断部材１０は、チャネル１９に設けられ、チャネル１９内を移動可能である。遮断部材の位置は、接続端部チャネル部分１９ｂと変換器端部チャネル部分１９ａとを規定する。遮断部材は、接続端部チャネル部分から変換器チャネル部分への流体の流れを防止するのに有効である。
【００３６】
比較的非圧縮性の流体は、第１の内部空間に設けられ、接続端部チャネル部分へ遮断部材に向けて延在する。
【００３７】
制御電子機器５は、接続端部を介して装置に入る。
動作時において、アセンブリの外側の環境圧が高まるにつれ（アセンブリが油田内に降下する場合など）、移動可能な遮断部材１０は、高まった環境圧に対応してチャネル１９内で移動する。環境圧が高まると、遮断部材１０はチャネル１９の変換器端部１９ａから離れて接続端部１９ｂに向けて移動する。これにより、チャネル１９の接続端部１９ｂの大きさ／容量が小さくなる。空間１９ｂの容量が減少するにつれ、装置の内部に液体が加える圧力は、装置内の圧力が変換器面にかかる圧力と釣り合うまで高まる。
【００３８】
図面および前述の記載において本発明が詳細に例示および記載されたが、これは例示として考えられ、性質的に限定ではなく、好ましい実施形態のみが示されて記載され、発明の主旨の範囲内における全ての変化および変更に対して保護を求めることが理解される。
【００３９】
加えて、ここに記載される要素は、好ましい実施形態として記載されたもの以外の組み合わせおよび下位の組み合わせで組み合わされ得ることがわかる。さらに本発明の装置は、開示された要素の一部またはすべての組み合わせを含み得る、または本発明の装置は実質的に開示された要素の一部またはすべての組み合わせから構成され得る。
【図１】
2015213242.tif 000003
【図２】
2015213242.tif 000004
【外国語明細書】
2015213242000001.pdf