(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地表下用途のための音響変換器アセンブリであって、
フレームと、
前記フレーム上に配置された音響変換器素子と、
前記フレーム上に配置され、前記音響変換器素子に接続された電子機器モジュールと、  を含み、
前記電子機器モジュールは、前記変換器素子に関連する信号を処理するようになっており、前記音響変換器アセンブリは、管状体の外面の周囲に配置される構成とされており、
前記音響変換器素子及び前記電子機器モジュールは、外部流体から保護するために密封されていることを特徴とする、地表下用途のための音響変換器アセンブリ。
【請求項２】
前記電子機器モジュールは、前記変換器素子に関連する信号をデジタル化するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項３】
前記電子機器モジュールは、アナログ信号を処理するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項４】
前記変換器素子は、音響エネルギを放射するようになっていることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項５】
前記変換器素子は、音響エネルギを受け取るようになっていることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項６】
前記電子機器モジュールに接続したマルチプレクサモジュールを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項７】
前記音響変換器素子は、圧電素子、チタン酸鉛素子、ジルコン酸チタン酸鉛素子、及び１−３圧電複合型素子から成る群から選択されることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項８】
前記変換器素子、前記電子機器モジュール、及び前記フレームは、外部流体から保護するために密封材料で覆われることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項９】
前記覆われたアセンブリは、液体を含まないことを特徴とする請求項８に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１０】
前記フレームは、可撓性材料で形成されることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１１】
前記フレームは、回路基板として形成されることを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１２】
電子機器モジュール及び音響変換器素子が配置された互いに連結した複数の個々のフレームを含むことを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１３】
前記変換器素子を選択的に作動させて音響エネルギを受け取るか又は放射することができるように前記電子機器モジュール及び変換器素子を連結するスイッチを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１４】
第２の表面の反対側に第１の表面を有する円板形音響変換器素子と、
前記変換器素子の前記第２の表面に結合して前記音響変換器素子に関連する信号を処理するようになった、少なくとも１つの信号リードが結合した電子機器モジュールと、
前記電子機器モジュールと前記音響変換器素子との回りに配置された音響減衰材料と、  を含み、
前記音響変換器素子、前記電子機器モジュール、及び前記減衰材料は、前記少なくとも１つのリードを露出したままにして密封材料内に封入される、
ことを特徴とする、地表下用途のための音響変換器アセンブリ。
【請求項１５】
前記音響変換器素子は、圧電素子、チタン酸鉛素子、ジルコン酸チタン酸鉛素子、及び１−３圧電複合型素子から成る群から選択されることを特徴とする請求項１４に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１６】
前記電子機器モジュールは、前記音響変換器素子の前記第１の表面で受け取った音響エネルギに関連する信号を増幅するようになっていることを特徴とする請求項１４に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１７】
前記電子機器モジュールは、回路基板を含むことを特徴とする請求項１４に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１８】
前記電子機器モジュールは、前記変換器素子に関連する信号をデジタル化するようになっていることを特徴とする請求項１７に記載の変換器アセンブリ。
【請求項１９】
前記変換器素子を選択的に作動させて前記第１の表面を通じて音響エネルギを受け取るか又は放射することができるように前記電子機器モジュール及び変換器素子を連結するスイッチを更に含むことを特徴とする請求項１４に記載の変換器アセンブリ。
【請求項２０】
音響変換器を組み立てる方法であって、
音響変換器素子をフレーム手段上に配置する段階と、
電子機器モジュールを前記フレーム手段上に配置する段階と、
前記音響変換器素子を該変換器素子に関連する信号をデジタル化するようになった前記電子機器モジュールに連結する段階と、
前記変換器素子及び前記電子機器モジュールを密封材料で覆って液体を含ませない段階と、
管状体の外側表面の周囲に配置されるよう音響変換器を組み立てる段階とを含み、
前記音響変換器素子及び前記電子機器モジュールは、外部流体から保護するために密封されていることを特徴とする、音響変換器を組み立てる方法。
【請求項２１】
さらに、遠隔測定手段との間で信号又は電力を伝達するためのコネクタを備えることを特徴とする請求項１に記載の音響変換器アセンブリ。
【請求項２２】
さらに、遠隔測定手段との間で信号又は電力を伝達するためのコネクタを備えることを特徴とする請求項１４に記載の音響変換器アセンブリ。
【請求項２３】
さらに、遠隔測定手段との間で信号又は電力を伝達するためのコネクタを備えることを特徴とする請求項２０に記載の音響変換器アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本発明は、２００４年１月８日出願の米国特許仮出願出願番号第６０／５３５，０６２号及び２００４年１月８日出願の米国特許仮出願出願番号第６０／５３４，９００号の合衆国法典３５セクション１１９に従った優先権を請求するものである。
本発明は、一般的に音響変換器に関する。より具体的には、本発明は、地表下用途のための改良型音響源及びセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
石油及びガス業界では、地表下の累層の探査は、一般的に、累層特性を判断するためにボーリング検層機器によって行われる。これらの機器のうち、音波ツールは、累層に関する画像の生成又は関連特性の導出に使用することができる地表下音響特性に関する貴重な情報が得られることが分かっている。
音波は、地表下累層のような媒体の中を伝播する音響エネルギから生じる周期的な振動外乱である。音波は、一般的に、その周波数、振幅、伝播速度に関して特徴付けられる。累層に関連する音響特性は、圧縮波速度、剪断波速度、ボアホールモード、及び累層緩慢を含むことができる。更に、ボアホール壁の状態及びボアホールから離れた場所での他の地学的特徴を示すのに音響画像を使用することができる。これらの音響測定は、地震相関、油層岩石物理学、岩石力学、及び他の分野において用途がある。
【０００３】
深度の関数としての音響特性の記録は、音波検層として公知である。音波検層から得られる情報は、井戸間の相関関係、間隙率の判断、岩質を示すための機械的又は弾性岩石パラメータの判断、過圧累層帯の検出、累層内の測定音速に基づく地震時間トレースの深度トレースへの変換を含む様々な用途で有用であろう。
地球の累層の音波検層は、音波検層機器又はツールを累層を横断するボアホール内に降ろすことを伴う。この機器は、一般的に、音響エネルギを地表下累層に発するための１つ又はそれ以上の音波源（すなわち、送信器）、及び音響エネルギを受け取るための１つ又はそれ以上の音響センサ又は受信器を含む。送信器は、音響エネルギのパルスをボアホール内に発するために周期的に作動され、パルスは、ボアホール内を進行して累層に入る。ボアホール及び累層内を伝播した後、音響エネルギの一部は受信器に伝わり、そこで検出される。検出された音響エネルギの様々な属性は、その後、関連の地表下又はツール特性と関連付けられる。
【０００４】
図１は、従来のダウンホール音波ツールを示す。ツール１０は、地球累層２０を横断するボアホール１２に配置された状態で示されている。ボアホール１２は、一般的に、ボアホール掘削中に使用される掘削流体（掘穿泥水）が充填されている。ツール１０は、通常、管状支持体１３で実施され、これは、ドリルカラーの場合は、掘削流体１４が当業技術で公知のように掘削ストリング（図示せず）の底部の泥水モータ及び／又はドリルビットに到達するための内部通路１３Ａを含む。検層ツール１０は、管状体１３上に配置された１つ又はそれ以上の音響発信器１６及び複数の音響受信器１８を含む。受信器１８は、ツール１０の縦軸線に沿って選択された距離ｈで互いに間隔の空いた状態で示されている。発信器１６に最も近い受信器１８の１つは、選択された距離ａだけ発信器から軸線方向に間隔が空いている。また、ツール１０は、当業技術で公知のような波形信号データを処理するためのマイクロプロセッサ、メモリ、及びソフトウエアを含む１つ又はそれ以上の従来のコンピュータモジュール２１を収納する。同じく当業技術で公知のように、コンピュータモジュール２１は、機器内か又は地表に配置するか、又は図１に示すようにこれら２つの間で組み合わせることができる。音響エネルギ波２２は、ボアホールを伝播している状態で示されている。従来の音波ダウンホールツールは、米国特許第５，８５２，５８７号、第４，５４３，６４８号、第５，５１０，５８２号、第４，５９４，６９１号、第５，５９４，７０６号、第６，０８２，４８４号、第６，６３１，３２７号、第６，４７４，４３９号、第６，４９４，２８８号、第５，７９６，６７７号、第５，３０９，４０４号、第５，５２１，８８２号、第５，７５３，８１２号、第ＲＥ３４，９７５号、及び第６，４６６，５１３号に説明されている。
【０００５】
従来の音響ツールは、圧電素子のような音響変換器素子を装備している。一般的に、音響変換器は、エネルギを電気及び音響形態間で変換し、音響源又はセンサとして作用するように適応させることができる。音響変換器は、一般的に、図１に示すような検層ツールの本体に取り付けられる。ダウンホールツールで使用される従来の音波供給源及びセンサは、米国特許第６，４６６，５１３号、第５，８５２，５８７号、第５，８８６，３０３号、第５，７９６，６７７号、第５，４６９，７３６号、及び第６，０８４，８２６号に説明されている。スペースの制約を含む様々な理由から、これらの変換器は、一般的に、複数の構成要素をパッケージにまとめてツール上に取り付けており、フロントエンド電子機器及び回路は、変換器素子から遠隔に配置される。
【０００６】
音響変換器素子はまた、プリント回路基板（ＰＣＢ）を使用する構成に組み込まれている。米国特許第６，５０１，２１１号では、ボルトヘッドに取り付けるためにＰＣＢで実施される超音波変換器が説明されている。提案された変換器は、変換器を使用してボルトの識別を行うためにリモートコンピュータに結合される。米国特許第４，５２５，６４４号では、ＰＣＢ接続パッドの隣に位置して接続パッドとコネクタの間の係合力を大きくする圧電素子を使用する機構が説明されている。ＥＰ１４６７０６０Ａ１では、ダウンホールツールと共に使用してこのツールを通じて音響信号を遠隔測定するための撓み式圧電変換器が説明されている。これらの従来の音響変換器システムの欠点には、感度不良及びどこか他の場所に配置される大きな電子機器パッケージ（例えば、大型前置増幅器段）の必要性が含まれる。
【０００７】
【特許文献１】米国特許仮出願出願番号第６０／５３５，０６２号
【特許文献２】米国特許仮出願出願番号第６０／５３４，９００号
【特許文献３】米国特許第５，８５２，５８７号
【特許文献４】米国特許第４，５４３，６４８号
【特許文献５】米国特許第５，５１０，５８２号
【特許文献６】米国特許第４，５９４，６９１号
【特許文献７】米国特許第５，５９４，７０６号
【特許文献８】米国特許第６，０８２，４８４号
【特許文献９】米国特許第６，６３１，３２７号
【特許文献１０】米国特許第６，４７４，４３９号
【特許文献１１】米国特許第６，４９４，２８８号
【特許文献１２】米国特許第５，７９６，６７７号
【特許文献１３】米国特許第５，３０９，４０４号
【特許文献１４】米国特許第５，５２１，８８２号
【特許文献１５】米国特許第５，７５３，８１２号
【特許文献１６】米国特許第ＲＥ３４，９７５号
【特許文献１７】米国特許第６，４６６，５１３号
【特許文献１８】米国特許第５，８８６，３０３号
【特許文献１９】米国特許第５，４６９，７３６号
【特許文献２０】米国特許第６，０８４，８２６号
【特許文献２１】米国特許第６，５０１，２１１号
【特許文献２２】米国特許第４，５２５，６４４号
【特許文献２３】ＥＰ１４６７０６０Ａ１
【特許文献２４】米国特許第６，３５１，１２７号
【特許文献２５】米国特許第６，６９０，１７０号
【特許文献２６】米国特許第６，６６７，６２０号
【特許文献２７】米国特許第６，３８０，７４４号
【特許文献２８】米国特許第６，２０８，０３１号
【特許文献２９】米国特許第６，７８８，０６５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
性能及び感度を犠牲にすることなく統合された電子機器及び処理手段を備えた改良型音響変換器を有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様は、地表下用途のための音響変換器アセンブリを提供する。アセンブリは、フレーム、フレーム上に配置された音響変換器素子、及びフレームに配置されて音響変換器素子に連結した電子機器モジュールを含み、電子機器モジュールは、変換器素子に関連する信号を処理するようになっている。
本発明の１つの態様は、地表下用途のための音響変換器アセンブリを提供する。アセンブリは、第２の表面の反対側に第１の表面を有する円板形音響変換器素子、変換器素子の第２の表面に結合してこの音響変換器素子に関連する信号を処理するようになった、少なくとも１つの信号リードが結合した電子機器モジュール、及び電子機器モジュールと音響変換器素子との回りに配置された音響減衰材料を含み、音響変換器素子、電子機器モジュール、及び減衰材料は、少なくとも１つのリードを露出したままにして密封材料内に封入される。
【００１０】
本発明の１つの態様は、音響変換器を組み立てる方法を提供する。本方法は、音響変換器素子をフレーム手段上に配置する段階、電子機器モジュールをフレーム手段上に配置する段階、音響変換器素子に関連する信号をデジタル化するようになった電子機器モジュールに音響変換器素子を連結する段階、及び音響変換器素子及び電子機器モジュールを密封材料で覆って液体を含ませない段階を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の音響変換器は、地表下井戸のような厳しい環境への露出に適するようにパッケージ化された電子機器技術を含む。本発明の変換器は、従来の設計と比較すると、要素及び関連電子機器の数を少なくして構成することができる。回路は最小化され、信号データは、好ましくは変換器の近くでデジタル化される。
ボアホール内で音波を測定するための音響受信器アレイとして使用される変換器は、小型であって、好ましくは、単極、二極、四極、及びそれ以上の次数のモードのようなボアホールを伝播する音波モードを測定するために個別であるべきである。同様に、これらの音響変換器は、不要なモードを受け入れないように異なるモードで作動すべきである。例えば、二極又は四極モードでの測定においては、単極モードを受け入れないことにより、より良い品質の測定結果を取得することができる。本発明の実施形態は、独立式であって地表下の状況に露出されることに適する、統合電子機器を備えた能動的センサを含む。
【００１２】
図２は、本発明の変換器３０の実施形態を示す。変換器３０は、音響変換器素子３６と一体化されてフレーム３８に配置されたアナログ／デジタル回路３４を備えたフロントエンド電子機器モジュール３２を含む。電子機器モジュール３２と変換器素子３６の間の結合については以下で説明する。変換器素子３６は、圧電素子、チタン酸鉛（ＰＴ）素子、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）素子、１−３圧電複合型素子、又は当業技術で公知の任意の他の材料から構成することができる。本発明の変換器素子３６は、信頼性及び性能を追加するために、従来の変換器と共にフレーム３８上に配置することができる。
【００１３】
フレーム３８は、分かりやすいように、二次元つまり平面として表された状態で示されている。いくつかの実施形態では、フレーム３８は、フレックス回路とも呼ばれるストリップとして形成することができる（米国特許第６，３５１，１２７号、第６，６９０，１７０号、第６，６６７，６２０号、及び第６，３８０，７４４号で説明されている）。フレックス回路フレームの実施形態は、曲げ又は撓みを可能にするように（例えば、管状体を取り囲むか又は管状体の空隙に嵌合するように）選択された厚みを有するポリイミドフィルム又はポリエステルフィルムのような任意の適切な非導電材料又は誘電フィルム基板で形成することができる。可撓性フレームを形成するためにストリップを生成する技術は、米国特許第６，２０８，０３１号に説明されている。可撓性フレーム３８に加えて、他の実施形態を単相又は多層ＰＣＢフレームを用いて実施することができる。フレーム３８上の導体は、当業技術で公知のように、フレームに配置された銅又は他の適切な材料の細いストリップで形成することができる。本発明の変換器の実施形態は、図３に示すように、モジュール及び変換器アセンブリを適切な樹脂又は化合物４０（例えば、ゴム層）で覆うか又は密封することによって防水にすることができる。電子機器モジュール３２に接続された１つ又はそれ以上のリードは、信号／電力伝達のために露出状態のままである。
【００１４】
本発明の実施形態はまた、単一フレーム３８上に配置された複数の変換器素子３６で実施することができる。図４は、互いに分離された（例えば、数ミリメートル）個々の音響変換器素子から成るアレイを示す。変換器アレイは、フレーム３８上に取り付けられた「ｎ」個の素子３６で実施することができる。受信器として実施された時、多要素変換器３０は、いかなるボアホール音響モードを測定するのにも使用することができる。多要素３６の変換器実施形態は、変換器素子３６へ又はそれからの信号通信を平滑化するために電子マルチプレクサモジュール４４を備えることが好ましい。上述のように、導体及び回路素子（例えば、図３のアイテム４６）は、構成要素間の信号通路を形成する。導体及び回路素子は、分かりやすくするために全ての図において示されていない。これらの実施形態では、変圧器アレイあたりの音響チャンネルの数は、それらをデジタル的に多重化することができるので増すことができる。
【００１５】
変換器３０はまた、不要な振動を拒絶するために音響減衰材料を備えることができる。図５は、変換器素子３６の片側に位置する減衰素子４８を含む変換器実施形態の側面図を示す。減衰素子４８は、当業技術で公知のように、重質量材料（例えば、タングステン）又は任意の他の適切な材料で形成することができる。変換器素子３６を音響源として作動させた時、減衰素子４８は、側面Ａからの音の方向性を改善すると同時に、変換器素子の側面Ｂでの振動を低減するのを助ける。減衰素子４８は、図５では変換器素子３６の一方の側面上で示しているが、他の実施形態は、異なる方法で（例えば、変換器素子を完全に取り囲み、側面Ａをクリアにして）配置した減衰材料を用いて実施することができる。音響変換器／減衰素子アセンブリは、フレーム３８の表面上又はフレーム内の空隙又は切り取り部に配置するか、又はフレームを形成するゴム化合物に完全に入れてしまうことができる（図３のアイテム４０を参照）。
【００１６】
図６は、本発明の別の変換器アセンブリ３０を示す。複数のフレーム３８は、変換器アセンブリ延長部を形成するためにリード４２と接続されている。各フレーム３８は、「ｎ」個のデジタルチャンネルの音響アレイを生成するために複数の変換器素子３６及び電子機器モジュール３２で実施することができる。アレイは、変換器素子／電子機器モジュールに関連する信号を効率的にチャンネルで伝達するために１つ又はそれ以上のフレーム３８上に配置された１つ又はそれ以上のマルチプレクサモジュール４４を含むことができる。図６に示す実施形態は、単一の信号／電力接続を実現するためにアセンブリに接続されたコネクタ５０（「バルクヘッド」とも呼ばれる）を含む。当業技術で公知のように、本発明を実施するために従来のコネクタ５０を使用することもできる。
【００１７】
フレーム３８を強化することによって本発明の変換器アセンブリの構造的補強を達成することができる。図７は、変換器素子／電子機器モジュールの堅牢な基部を形成する支持体５２を備えた変換器３０実施形態の側面図を示す。支持体５２は、金属のような任意の適切な材料で形成される。支持体５２は、接着剤、ファスナ、又は当業技術で公知の任意の適切な手段を用いて可撓性フレーム３８に接合することができる。図７に示す実施形態は、図３に示す実施形態と類似のゴム化合物でオーバーモールドされた変換器素子３６、電子機器モジュール３２、及びマルチプレクサモジュール４４のアセンブリで形成される。支持体５２は、矩形変換器アセンブリの底側に取付けられる。支持体５２はまた、必要に応じてゴム化合物内に入れ込んでしまうこともできる。いくつかの実施形態は、変換器アセンブリ上の他の表面（例えば、上面及び底面上）に接合した複数の支持体５２、又は特定の実施例に対して必要な分割された支持体５２（図示せず）を備えることができる。重質量支持体５２はまた、振動減衰をもたらし、図５に関して説明した実施形態と類似の音響方向性を助けることもできる。
【００１８】
図８は、本発明の変換器における電子機器モジュール３２の全体的な概略配置図を示す。モジュール３２は、前置増幅器段１００、フィルタ段１０２、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）段１０４、及び電力増幅器段１０６を含む。モジュール３２は、リード４２を通じた出力のために１つのチャンネルに「ｎ」個の信号を流すようになったｎ対１のマルチプレクサ（ＭＵＸ）ユニット４４に接続された状態で示されている。変換器素子３６に接続されたスイッチ１０８は、位置１と位置２の間で切り換えを行う。位置１においては、変換器素子３６は、電力増幅器段１０６によって起動され、変換器は、送信器として実施される。スイッチ１０８が位置２の状態では、前置増幅器段１００は、素子３６によって検出されたアナログ音響エネルギ信号を受信し、その信号は、受信器を実施するためにモジュール３２を通じて処理される。変換器素子３６と一体化した小型パッケージ及び低電力電子機器モジュール３２は、電力消費量を最小限に抑え、デジタル信号の方がアナログ信号に比較するとクリーンなのでノイズ低減を改善する。また、デジタル化された信号データは、必要に応じて、不要なノイズのない付加的な処理を行うために遠距離にルーティングすることもできる。
【００１９】
本発明の二重目的変換器（すなわち、ソース−センサ）は、パルスエコー測定を考慮したものである。当業技術で公知のように、ボアホール１２壁から反射したパルスエコー信号の双方向移動時間の測定値は、ボアホールの幾何学形状、例えばその半径の判断に使用することができる。図９は、パルスエコーモードで作動する本発明の実施形態を示す。ダウンホール管状体１３は、いくつかの軸線方向及び方位角に分散した本発明の変換器３０を備える。電子機器モジュール３２を使用して、変換器素子３６は、ボアホール１２内のパルスエコー測定値を取得するためにモード間で切り換わることができる。測定された音響信号データは、当業技術で公知の従来の技術を用いて処理することができる。
【００２０】
図１０は、本発明の別の音響変換器３０の実施形態を示す。変換器３０の側面図が示されているが、アセンブリは、第１の表面Ａ及び第２の表面Ｂを有する収納式円板形変換器素子３６を備えた「カップ」形である。変換器素子３６は、圧電素子、チタン酸鉛（ＰＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、１−３圧電複合型合成材料、又は当業技術で公知の任意の他の適切な材料から構成することができる。荷電増幅器段を含む電子機器モジュール５８は、変換器素子表面Ｂに当接し、変換器表面Ａで検出された音響エネルギを検出音圧に比例する電圧信号に変換する。
【００２１】
信号／電力は、パルスエコーモードで又はデジタル受信器として変換器を作動させるために、電子機器モジュール５８に結合された１つ又はそれ以上のリード６０に沿って送られる。減衰材料６２は、電子機器モジュール／変換器アセンブリを取り囲んでカップを形成し、変換器表面Ａをクリアな状態のままにする。当業技術で公知の任意の適切な減衰材料を使用することができる。カップアセンブリ全体は、センサを防水にするために適切な材料６４（例えば、ゴム化合物）内に入れるか又は密封され、リード６０が露出したパックを形成する。この変換器実施形態は、従来のカップ型変換器に比較すると、パッケージが遥かに小型のものとなり、任意の大きさの管状体内で使用することができる。例えば、本発明のカップ型変換器３０は、直径２．５４ｃｍ×高さ１．３ｃｍの範囲の寸法で組み立てることができる。また、図１０の変換器３０実施形態の電子機器モジュール５８は、必要に応じてソース又はセンサを実施するために、図８に説明するようにスイッチング手段及び処理回路５９と共に構成することができる。
【００２２】
本発明の変換器によって提供される小型、高感度、方向性、及び低電力消費量は、限りない数の環境及び用途での実施を実現可能なものにする。図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）は、本発明の音響変換器３０の実施形態を装備した図１の管状体に類似の３つダウンホール管状体１３を示す。図１１（Ａ）の実施形態は、方位角変換器アレイを示す。これらの構成における変換器３０は、本明細書で説明するフレックス回路フレーム３８、個々のＰＣＢフレーム３８、又は連結フレーム３８を使用することができる。図１１（Ｃ）の実施形態は、図１０に示すカップ型変換器３０の実施形態を用いるアレイを示す。小型のカップ型変換器３０構成は、点音源を表す。これらのアレイのいずれも、多極音響測定に使用することができる。開示した変換器構成の任意の組合せを用いて他の実施形態を実施することもできる。例えば、管状体は、図１１（Ｂ）及び図１１（Ｃ）に示す軸線方向及びカップ型変換器（図示せず）を装備することができるであろう。複数の測定をもたらすことに加えて、このような構成はまた、故障の場合の予備音響源及びセンサを提供すると考えられる。
【００２３】
図１２（Ａ）は、図１１（Ａ）に示す実施形態からの方位角変換器バンドを示す。変換器３０は、図１１（Ａ）で形成された浅い窪み６６に配置される。図１２（Ｂ）は、窪み６６内の変換器３０の上面図を示す。変換器３０は、防水密封されてボアホールに露出することができるので、当業技術で公知の任意の適切な手段を用いて管状体上に取り付けることができる（例えば、ゴム化合物と共に入れ込むことにより）。また、磨耗に対して変換器３０を覆って保護するために、シールドアセンブリ６８を管状体１３上に置いてもよい。シールド６８は、金属、プラスチック化合物（例えば、「ＰＥＥＫ（登録商標）」）、又は当業技術で公知の任意の適切な材料で形成することができる。米国特許第６，７８８，０６５号では、本発明の実施形態を実施するのに使用することができる窪み及びシールド構成で構成された様々な管状体が説明されている。シールド６８は、シールドと変換器３０の面の間の間隔内のボアホール流体の通過を可能にするために、空隙又は開口（例えば、穴又は溝穴）で構成されることが好ましい。シールド６８は、ファスナ又は当業技術で公知の任意の適切な手段を用いて管状体１３上に取り付けることができる。
【００２４】
図１１（Ａ）及び図１２（Ａ）に示す方位角変換器３０のアレイは、管状体１３の全円周を取り囲むか、図１２（Ｂ）に示すような特定の扇形を取り囲むか、又は管状体の縦軸線に沿って千鳥の方位角扇形（図示せず）になるように配置することができる。図１２（Ｃ）は、管状体１３の円周回りに配置された変換器３０アレイの上面図を示す。本発明の変換器の実施形態の小型化は、従来の変換器設計に比較すると、管状体１３内のより小さな空隙内での配置を可能にするものである。これは、機械的強度が向上し、音響応答が向上したダウンホールツールを提供する。変換器３０の小型化により、変換器素子３６間の最小間隔でそれらを管状体上に配置することが可能になる。例えば、図１３に示すようなほんの数センチメートル（例えば、５〜１６センチメートル）だけ間隔の空いた変換器３０の軸線方向アレイを装備したダウンホールツールを使用して、ボアホールに沿う望ましい長さに沿って音波のより狭い包絡線を送受信することができる。このような測定は、改善された撮像及び累層解析機能をもたらすことになる。
【００２５】
図１３は、図１１（Ｂ）に示す実施形態と類似の軸線方向変換器アレイを示す。管状体に形成された浅いチャンネル又は窪み７０に、１つの変換器３０又は一連の変換器３０（図６を参照）を配置することができる。上述のように、磨耗から保護するために、変換器３０を覆うようにシールド７２を置くことができる。シールド７２は、任意の適切な材料で形成することができ、好ましくは、１つ又はそれ以上の開口から成る。図１３に示すように、開口７４は、シールド７２の異なる位置に形成することができる。図１３の左から右にかけて、第１のシールド７２は、シールドの縁部に形成された２つの半月形開口７４で構成される。中間のシールド７２は、シールドの中央に形成された開口７４で構成される。一番右のシールド７２は、シールドの反対端に形成された開口７４で構成される。分かりやすいように全ての図で示していないが、当業技術で公知のように、本発明の変換器に又はそこからの信号／電力の伝達は、任意の適切な手段を用いてもたらされる。
【００２６】
図１４は、図１３に示すものと類似の実施形態の側面図を示す。この実施形態では、窪み７０は、一端に傾斜部を設けて形成され、一連の連結変換器３０が窪みに配置される。ワンピースシールド７２又はいくつかの個々のシールド（図１３を参照）を使用して変換器３０を覆うことができる。変換器３０は、上述のように互いに結合され、信号／電力は、図６で説明したようにコネクタ５０を通じてルーティングされる。コネクタ５０は、当業技術で公知のように、変換器３０と他の構成要素（例えば、電子機器、遠隔測定機器、メモリストレージ、その他）の間の信号／電力の伝達が行われるように、１つ又はそれ以上のリード８２を通じてフィードスルーとも呼ばれる通路８０に接続する。
【００２７】
図１５は、管状体１３に配置された本発明の変換器の実施形態の断面図を示す。この実施形態では、音響変換器素子３６は、矩形に形成されたゴム複合物４０（図３を参照）内に入れ込まれているか又はオーバーモールドされる。複合物４０は、肩部８４が形成されるように段付き又は高くした中心部分で形成される。矩形シールド７２は、変換器を覆っている。シールド７２は、肩部８４の上に適合した突出部８５によって変換器複合物４０に一致し、管状体１３の外部との同一表面を形成する。管状体１３内の窪み７０は、変換器／シールド構造体を受け入れ、シールド７２を保持する延長部又はリップ部を伴って形成される。必要に応じて、支持体５２を複合物４０に追加することができる（図７を参照）。図１５では１つの変換器素子３６が示されているが、変換器は、多要素又は分割された変換器（図６を参照）アレイを用いて実施することができる。図１４に戻ると、図１５の変換器複合物４０構造体及びシールド７２が傾斜部７６を下って摺動し、リップ部８６の下にある窪み７０に入る方法が描かれている。シールド７２は、窪み７０に入った状態で、ファスナ（例えば、ネジ）又は当業技術で公知の任意の適切な手段を用いて管状体１３に締結することができる。
【００２８】
図１６は、本発明の別の変換器３０の実施形態を示す。１つ又はそれ以上の変換器素子３６、電子機器モジュール３２、及び本明細書で説明するような任意的なマルチプレクサ４４を装備したフレーム３８は、細長く実質的に矩形の変換器アセンブリ（図３と類似）を形成するために、ゴム複合物４０に入れて密封される。オーバーモールド複合物４０は、矩形アセンブリの対向する縁部の複数の延長タブを用いて構成される。変換器３０は、必要に応じていずれかの表面（図示せず）上の支持体（図７のアイテム５２を参照）を用いて実施することができる。信号／電力リードは、分かりやすいように図示されていない。
【００２９】
図１７は、図１６に示す変換器３０を受け取るように窪み７０を用いて構成されたダウンホール管状体１３を示す。窪み７０は、変換器３０アセンブリを収容するための下部溝７５を用いて段付きで形成される。変換器３０の側面から延びるタブ４１と適合するように、下部溝７５の側面には一連の凹部７７が形成される。タブ４１は、下部溝７５に置かれた時に変換器アセンブリを保持し、半径方向及び軸線方向の動きを防止する。窪み７０はまた、チャンネルの両側面上に沿って延びる延長部又はリップ部８６を用いて構成される。図１８は、図１７に示す管状体の断面を図１６に示す変換器実施形態と共に示す。
【００３０】
図１８に示すように、シールド７２は、窪み７０内で変換器３０の上に配置される。シールド７２は、突出部８５を用いて構成され、上述のように管状体１３の外部との同一表面を形成する。シールド７２上の突出部８５は、変換器３０上のゴムタブ４１を圧縮し、変換器を窪み７０内に固定する。また、タブ４１に対する圧縮は反力をもたらし、シールド７２をリップ部８６に押し当ててそのがたつきを防止する。図１９（Ａ）は、本発明のシールド７２の実施形態を示す。図１９（Ｂ）は、それよりも小型の突出部８５を伴う本発明の別のシールド７２の実施形態を示す。これらのシールドは、上述のように、１つ又はそれ以上の開口７４を用いて構成することができる。
【００３１】
図１７に戻ると、窪み７０の１つのセグメントは、チャンネル幅Ｄを有する別のセグメントと比較すると、狭いチャンネルＣを用いて形成された状態で示されている。幅の広い窪み７０のセグメントは、チャンネルの両側に形成された拡大した凹部７８を用いて構成される。この実施形態を用いると、図１６の変換器３０のアセンブリは、単に窪み７０に落とし込まれ、修理及び交換を容易にする。変換器３０を窪み７０内に配置し、適切な信号／電力接続が当業技術で公知のように行われた状態で、シールド７２は、幅の広い窪み７０に単に落とし込まれ、リップ部８６の下を摺動して変換器３０のすぐ上で所定の位置に収まる。変換器３０の長さに基づいて、変換器の全長を覆うように１つ又はそれ以上のシールド７２を使用することができる。
【００３２】
図２０は、本発明の別のシールド７９の実施形態を示す。このシールド７９は、フランジ付き突出部（図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）のアイテム８５）を用いずに形成されてその側面から延びるレセプタクル８１を含む点を除き、図１９（Ａ）及び図１９（Ｂ）に示すシールドと類似のものである。シールド７９は、幅の広いチャンネル部分Ｄにきっちりと嵌合するように適切な幅を持たせて構成され、本明細書で説明するように、１つ又はそれ以上の開口７４を用いて構成することもできる。シールド７９は、任意の適切な材料で形成することができる。本発明のシールド７２及び７９は、必要に応じて滑らかな（すなわち、平坦な）又は丸い表面を用いて構成することができ、当業技術で公知の適切な材料（例えば、金属、プラスチック、合成化合物、複合材）で形成することができる。
【００３３】
図２１は、本発明の一対の軸線方向変換器３０の実施形態（図１１（Ｂ）を参照）を装備した管状体１３を示す。この実施形態は、図１６〜図２０で説明したように変換器３０、窪み７０、及びシールド７２及び７９を用いて実施するものである。複数の個々のシールド７２は、上述のように、変換器３０を覆うために摺動させて窪み７０内に入れ込んだものである。各組のシールド７２は、摺動して窪み７０から出たりしないように、図２０に示すようにシールド７９によって保持される。シールド７９は、レセプタクル８１を通り管状体に形成された適切なオリフィス（図１７のアイテム８７を参照）の中に挿入されたファスナ手段（例えば、ネジ、リベット）で管状体１３上に固定される。
【００３４】
従来の音響変換器（例えば、油補正変換器）と異なり、開示した変換器３０は、小型で一体化構成であるために、当業技術で公知の様々な手段を用いて管状体内に取り付けて保持することができる。例えば、ワイヤライン計器又は磨耗が決定的な要素ではない他の用途で実施される時、変換器３０は、計器（図示せず）の空隙内に適切な複合物と共に入れ込むことができる。
本発明の音響変換器の実施形態を組み立てる方法は、本明細書で説明したように音響変換器素子をフレーム手段上に配置する段階を伴う。次に、変換器素子に関連する信号をデジタル化するようになった電子機器モジュールがフレーム手段上に配置され、音響変換器素子と接続される。変換器素子及び電子機器モジュールは、次に、液体のないアセンブリをもたらすために密封材料で覆われる。
【００３５】
図２２は、本発明の別の実施形態を示す。この実施形態は、図１０に示すカップ型変換器３０を含む。変換器３０は、地球の累層を貫通するボアホール１２に配置されたダウンホールツール９０に取付けられる。変換器３０は、変換器素子３６がボアホールに露出されるように配置される。ツール９０はまた、地表下測定のための多軸電磁アンテナ９１と適切な回路を有する電子機器９２及び９３とを含む。ツール９０は、ワイヤラインシステムの場合は検層ケーブル５９により、掘削時システムの場合は掘削ストリング９５によってボアホール３０に支持された状態で示されている。ワイヤライン用途に関しては、ツール９０は、地表機器９８によって制御されたウィンチ９７によってボアホール３０内で昇降される。検層ケーブル又は掘削ストリング９５は、信号及び制御通信のためにダウンホール電子機器９２及び９３を地表機器９８に接続する導体９９を含む。代替的に、これらの信号は、ツール９０内で処理又は記録され、処理されたデータは、当業技術で公知のように地表機器９８に伝達することができる。本発明の変換器は、様々な公知の技術を用いて従来のダウンホールツールに取り付けることができる。本発明の変換器からの電気リードは、電子機器モジュール／マルチプレクサが長尺ケーブルを延ばすことができるので、望むようにルーティングすることができる。従来の電子機器、接続用構成要素（例えば、光ファイバ）、及びコネクタを使用して、開示した変換器実施形態を当業技術で公知の測定及び通信装置内で実施することができる。
本発明は、音響変換器が使用される任意の分野に適用可能であってその分野で実施することができ、本発明は、地表下の用途に限定されないことを当業者は認めるであろう。また、開示した変換器は、いかなる特定の周波数又は周波数範囲の作動にも限定されないことも認められる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来のダウンホール音波ツールの概略図である。
【図２】本発明による変換器の概略図である。
【図３】本発明による密封変換器の斜視図である。
【図４】本発明による多要素変換器の概略図である。
【図５】本発明による減衰変換器の側面図である。
【図６】本発明による分割変換器アレイを示す図である。
【図７】本発明による補強変換器の側面図である。
【図８】本発明による変換器電子機器モジュール及びマルチプレクサモジュールの概略図である。
【図９】本発明の音響変換器を装備したダウンホール管状体を示す図である。
【図１０】本発明による「カップ」型変換器の概略図である。
【図１１Ａ】本発明による方位角配置変換器を組み込むダウンホール管状体の概略図である。
【図１１Ｂ】本発明による軸線方向配置変換器を組み込むダウンホール管状体の概略図である。
【図１１Ｃ】本発明によるカップ型変換器を組み込むダウンホール管状体の概略図である。
【図１２Ａ】本発明による方位角配置変換器の概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａの方位角型変換器の上面図である。
【図１２Ｃ】管状体の円周回りに方位角配置された本発明の変換器の上面図である。
【図１３】本発明により管状体に配置された軸線方向型変換器の概略図である。
【図１４】本発明により管状体に配置された連結変換器の側面図である。
【図１５】本発明により管状体に配置された変換器の断面図である。
【図１６】本発明による封入変換器の斜視図である。
【図１７】図１６の変換器を受け入れるように構成された管状体の斜視図である。
【図１８】図１７の管状体に配置された図１６の変換器の断面図である。
【図１９Ａ】本発明による変換器シールドの斜視図である。
【図１９Ｂ】本発明による別の変換器シールドの斜視図である。
【図２０】本発明による別の変換器シールドの斜視図である。
【図２１】本発明による変換器及びシールドで構成された管状体の斜視図である。
【図２２】本発明による変換器の実施形態を組み込むダウンホールツールの概略図である。
【符号の説明】
【００３７】
１２  ボアホール
３０  カップ型変換器
９０  ダウンホールツール
９１  多軸電磁アンテナ
９２、９３  電子機器
９７  ウィンチ
９８  地表機器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0004771708.tif 000011
【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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