(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のマルチチップ・モジュール電子組立体を受けるように構成され、かつ集積デジタル回路を有するシャシーと、
特定用途向け集積回路に形成された低温同時焼成セラミック基板に形成され、前記シャシーに結合され、ユニバーサル非同期受信機送信機（ＵＡＲＴ）により前記集積デジタル回路と通信するように構成された電子モジュールと
を備える小型方向指示装置。
【請求項２】
請求項１に記載の小型方向指示装置において、前記電子モジュールに結合された２つの三つ組の方向センサを更に備える小型方向指示装置。
【請求項３】
請求項２に記載の小型方向指示装置において、前記三つ組の方向センサの１つが三つ組の磁力計である、小型方向指示装置。
【請求項４】
請求項３に記載の小型方向指示装置において、前記三つ組の磁力計が、セラミック基板に形成され同じ場所に位置する駆動電子装置及び検知電子装置を備える、小型方向指示装置。
【請求項５】
請求項２に記載の小型方向指示装置において、前記三つ組の方向センサのうちの１つの三つ組が３つの線形加速度計を備える、小型方向指示装置。
【請求項６】
請求項５に記載の小型方向指示装置において、前記加速度計はパッケージ材料とセンサ機構とを備える、小型方向指示装置。
【請求項７】
請求項６に記載の小型方向指示装置において、前記センサ機構はセラミック・パッケージングを備え、前記セラミック・パッケージングは、前記加速度計における集積化された機械的及び電気的な信号のルーティングを提供する、小型方向指示装置。
【請求項８】
請求項５に記載の小型方向指示装置において、前記加速度計は振動ビーム加速度計である、小型方向指示装置。
【請求項９】
請求項５に記載の小型方向指示装置において、前記加速度計はマイクロマシン加工されたシリコンの加速度計である、小型方向指示装置。
【請求項１０】
請求項１に記載の小型方向指示装置において、前記電子モジュールは、集積化され低温で共焼成されたセラミック基板に形成される、小型方向指示装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の小型方向指示装置において、複数の電子組立体を更に備え、前記電子組立体は、集積化され低温で共焼成されたセラミック基板に形成されるマルチチップ・モジュール電子組立体であり、前記電子組立体は前記電子モジュールに結合される、小型方向指示装置。
【請求項１２】
複数のマルチチップ・モジュール電子組立体を受けるように構成され、かつ集積デジタル回路を有するシャシーと、
セラミック基板に形成された集積された駆動電子装置及び検知電子装置をもつ三つ組の磁力計と、
セラミック・パッケージングを備え、前記シャシーに結合される三つ組の振動ビーム加速度計と、
特定用途向け集積回路に形成された低温同時焼成セラミック基板に形成され、前記三つ組の磁力計および前記三つ組の加速度計に結合され、ユニバーサル非同期受信機送信機（ＵＡＲＴ）により前記集積デジタル回路と通信するように構成される主システム電子モジュールと、
セラミック基板に形成され、前記主システム電子モジュールに結合される電力調整器電子組立体と
を備える小型方向指示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連の出願
この出願は、１９９７年１２月１８日に提出された米国仮出願第０／０６８０２０号からの優先権を主張する。
【０００２】
発明の背景
この発明は、方向指示装置、特に、高温においても動作可能な小型方向指示採掘装置に関する。
【０００３】
油井及びガス井の採掘・測量の分野は、他の多くの産業分野と同様に、高精度で信頼性の高い測定装置及びセンサを必要とする。油井及びガス井の採掘・測量の分野及び例えば航空機器械や軍用配置のような他の多くの産業分野で使用される測定装置及びセンサは、例えば、極端な振動や凍結以下から数百度にわたる温度で経験される衝撃を含む極端な環境条件において精確に測量を行い且つ動作しなければならない。こうした応用分野においては、測定装置やセンサは、２０ｇＲＭＳのような極端な広範囲振動環境、２０００ｇの範囲における衝撃環境及び−４０〜＋２００度Ｃにわたる極端な温度状態において試験されることが多い。
【０００４】
典型的には、ウェル採掘・検層処理は、遠隔地において、極めて広範な装備と高度に熟練された労働者を必要とする。この要因の組合わせは、一日当たり５０万ドル以上にもなる操作コストを生じる結果となる。つまり、操業を停止させる装置の故障は極めて高価につく。予備のパーツは極めて高価ではあるが、装置の故障に関連するコストを制限するために、多くの操業者は、予備の測定装置やセンサを含む予備のパーツを手元に置く。極端な環境条件でのこうしたコスト高の操業は、コンパクトで極めて丈夫で信頼性の高いセンサ及び測定装置を必要とする。
【０００５】
石油及びガス産業においては、ウェル採掘及び検層環境は、埋蔵物が一層深いボアホールで探索されるので、一層厳しくなっている。ボアホールが深くなればなるほど、ドリル・ストリング及びドリル・ストリング操作工具を操作しなければならない温度は極端になる。方向性採掘がしばしば採用されるが、ボアホールはその深さに沿う種々の地点での方向の変化を含む。例えば、ボアホールは短い距離で垂直から水平へと変化する。しばしば、深くて角度のあるボアホールは、直径１インチ以下であり得る極めて小さな空間で動作するようドリル・ストリングを誘導する測定装置及びセンサを必要とする。しかし、現行の方向装置は大きすぎるので、こうした応用分野では有効に動作し得ない。例えば、現在の装置は典型的には直径１．２５〜１．５インチである。
【０００６】
方向性採掘プロセスは、採掘ビットの場所、方向及び位置変化率を決定するために採掘ビットが下方に置かれた感知システムに組み込まれた感知装置を使用する。エネルギ開発において使用される現在の方向センサ・システムは、典型的には、センサと電子装置との混合である。典型的な方向センサ・システムは、入力電力・駆動信号と感知出力信号とを与えるディスクリートな電子装置を有する個別の加速度及び磁界センサからなる。典型的には、個別のセンサ及び戦機装置組み立て体は単一のシャーシー上に取り付けられる。
【０００７】
一層深いボアホールは、一層小さい直径の採掘パイプと高温方向感知システムとを要求するので、方向感知装置の現在の生成に新たな且つ一層重い負担を課すことになる。サイズの制限は、多くの深いボアホール採掘システムにおける現在の生成の方向感知装置の使用を禁止する。現在の大径方向感知システムは、採掘・方向感知システムの周囲の泥流を採掘するような他の操作を厳格には含むことなしには、ドリル・ステム・ボアに取り付けることができない。深い穴においては、水平採掘操作に必要な鋭い回転半径が、追加の長さ制限を方向センサ・システムに課す。現在の方向センサ・システムは、典型的には２４インチのオーダーの長さを有しているために、回転半径が制限される。
【０００８】
現在の方向感知システムでは、入力電力・駆動信号を提供し出力信号を感知するディスクリートな電子装置で構成された電子パッケージを用いることにより、現在の装置が曝される衝撃及び振動環境が制限されることになる。例えば、ディスクリートな電子装置と印刷配線基板との間の長いワイヤ・ボンディングは、印刷配線基板の内在的な振動感度と共に、現在の装置の動作時及び非常時の両方の衝撃及び振動露出の限度を制限することになる。様々な電子パッケージとセンサとの間の相互接続配線は、現在の装置が曝され得る衝撃及び振動環境を更に制限することになる。
【０００９】
現在の方向装置は、典型的には、＋１５０℃以下の温度環境で動作するように制限されている。従って、現在の方向装置は、温度に関する感度が強すぎるために、＋１５０℃を超える環境で効果的に動作することはできない。例えば、現在の装置は、温度に関する感度が強すぎるので、より深く、より熱いボアホールにおける応用例において動作することはできない。感知素子において用いられる素子の間の熱膨張係数が異なっていることの結果として、ノイズ及びそれ以外の制限が上昇する。例えば、パッケージ材料の熱膨張係数の差と加速センサ機構とによって、加速度計に歪みが生じ、それにより、センサの精度及び性能が低下する。更に、典型的なディスクリートなパッケージングがなされた電子装置は、１５０℃を超える高温での動作ではブレークダウンを生じる。
【００１０】
更に、現在の方向感知システムは、アナログ・センサ信号電圧を出力し、これは、信号が表面に伝達される前にアナログ・デジタル変換を必要とする。実際には、ドリル・ストリング実装されたマイクロプロセッサにおけるアナログ・デジタル・コンバータ回路が、大きなモデリング誤差を生じさせる。
【００１１】
発明の概要
本発明は上昇された温度で動作できる新規な設計のより小さい方向指示センサ・システムを提供することにより先行技術の制限を克服する。本発明の一面によると、本発明は、例えば、１．２５から１．５０インチの直径の典型的な現在の方向センサ・システムと比較して、１インチよりかなり少ない長さの直径を有し、１８から２４インチの典型的な方向センサ・システムと比較して長さにおいて７インチの長さである、方向センサ・システムを提供する。即ち、本発明の方向センサ・システムは、現在の大きい方向センサが除外されるアプリケーションにおける角度測定を提供する。
【００１２】
本発明のより小さい方向センサ・システムにおいて固有の付加的な利点は、例えば、増加する衝撃および振動への抵抗力を含む。例えば、本発明の方向指示システムは、１．２５から１．５インチの直径および１８から２４インチの長さを有するデバイスと比較して、１インチ以下の直径および７インチの長さを有しており、現在の方向センサ・システムよりもよりコンパクトである。このため、システム・シャシーは現システムのシャシーよりも固有のより高い共振周波数または「Ｑ」をもつ。現在の方向指示システムは本発明のデバイスよりも容量において５から１０倍大きい。この結果、本発明の方向指示システムは、その固有のより低い質量の結果として、増加した衝撃および振動に対する抵抗力を有する。
【００１３】
部分的に、本発明による方向指示システムのコンパクト性は電源、センサ・ドライブおよびセンサ回路を厚膜またはマルチチップ・モジュール電子部品組立体へと実装したことによる。厚膜またはマルチチップ・モジュール電子部品組立体はまた、本発明の方向センサ・システムの増加した衝撃および振動への抵抗力に対して寄与する。例えば、厚膜またはマルチチップ・モジュール電子部品組立体は更にコンパクトであり、そして印刷配線ボード上に設けられた個別のコンポーネントを使用して実装された同等の回路よりも、更に小さいコンポーネントの大きさと短いワイヤ結合とを有する。加えて、よりコンパクトなマルチチップ・モジュール電子部品組立体またはハイブリッド電子部品組立体は、印刷配線ボード上の個々のパッケージされた集積回路を使用する現在の技術によって可能であるものよりも、より有効に衝撃および振動から隔離した取付けに役立つ。センサ・ドライブおよびセンサ機能は、１以上の特定用途向け集積回路に実現され、そして一層のコンパクト性のためにマルチチップ・モジュール電子部品組立体と共に集積され得る。１以上のマルチチップ・モジュール電子部品組立体にセンサ駆動および検知回路を実現するような方法は、ノイズを減少し、制御電子部品が個々のセンサと共に配置されることを許容する。
【００１４】
本発明の更に別の面によると、マイクロ電子部品が、センサ・システムの主電子部品パッケージを含む、センサ・システムの電子的特徴の信頼性を改善するために使用される。例えば、センサ・システム電子部品パッケージは１以上のハイブリッド電子パッケージに実装され得る。ひとつの例において、電力調整、絶縁、およびフィルタリングの機能が１以上のハイブリッド電子部品パッケージに実現される。他の例において、主システム電子部品モジュール上に与えられるデジタル・コントローラ・チップは、本発明の方向検知システムの機能を制御する。主システム電子部品モジュールは３つの直交して設けられた加速度計、３軸磁気計、温度信号出力およびステータス・ワードを含む方向センサのシリアル・デジタル出力信号を提供する。
【００１５】
本発明の別の面によると、本発明は、現在の方向指示センサ・システムよりも高い温度で動作できる方向指示センサ・システムを提供することにより、先行技術における固有の温度制限を克服する。本発明は、上昇した温度、例えば摂氏２００度で動作できる方向指示センサ・システムを提供する。本発明により与えられる改良された温度能力は、厚膜またはマルチチップ・モジュール電子部品組立体における電源、ドライブおよび検知回路の使用を通じて、および個々の集積回路を特定用途向け集積回路と置き換えることにより、引き出される他の利点である。この結果、本発明は、大きくて温度制限のある方向指示センサ・システムと同一またはそれらよりも良い性能を提供しつつ、高い温度及び典型的な環境上の衝撃および振動の状況の中で動作できる小型の方向指示センサ・システムを提供する。
【００１６】
本発明の更に他の面によると、小型の方向指示センサ・システムは、方向および熱センサを表すシリアル・デジタル出力信号を提供することにより、正確度を高める。センサ信号のアナログからデジタルへの変換は本発明により提供される電圧／周波数コンバータにおいて実現される。さらに、本発明による小型の方向指示センサ・システムは、全てのセンサ・チャンネルの同時のサンプリングを提供することにより、チャンネル間のデータ遅延を排除する。
【００１７】
好適な実施形態の詳細な説明
図１ａは、本発明の１つの好適な実施形態に対する代表的な穴（ウエル、ｗｅｌｌ）空けの環境を示し、本発明は、ボアホールの初期の穴空けの間にドリル・システム１０を案内するために用いられ、この技術は、「ドリル中測定（メジャー・ホワイル・ドリリング、ｍｅａｓｕｒｅ  ｗｈｉｌｅ  ｄｒｉｌｌｉｎｇ）」または「ＭＷＤ」として知られている。地表１２の下には、１４で全体を示すボアホールが延びている。ドリル・システム１０はまた、ドリル・ストリングとして知られており、ボアホール１４をあけるために使用され、例えば、４つの部分、ユーザが供給するマイクロプロセッサ１６、以下に詳細に説明する本発明の小型方向指示システム１８、マッド・モータ２２により駆動されるドリル・ビット２０を含む。ドリル・システム１０は、更なるユーザが供給する装置、例えば、種々のユーザ供給の電子装置パッケージを含んでもよい。
【００１８】
第一のドリル・システム部分、マイクロプロセッサ１６は、チューブ２４に接続される。チューブ２４は、ドリル用液体又はドリル用「マッド（泥）」をマッド・モータ２２へ供給するように働く。ドリル用液体又は「マッド」は、チューブ２４を通じての圧力のもとにドリル・システム１０へ供給される。圧力を加えられたドリル用液体又は「マッド」は、チューブ２４に沿って、ドリル・システム１０およびマッド・モータ２２を通じて流れ、図１ａの矢印で示すように、ドリル・システム１０の外側の周りを流れて戻り、チューブ２４外側のボアホール１４に沿って戻り、ボアホール１４を充填する。ドリル用液体又は「マッド」は、更に、ドリル・システム１０から表面（地表）へデータを送るたの送信媒体を提供する。信号は、例えば、ボアホール１４を充填するドリル用液体又は「マッド」を通じて送信される圧力インパルスによって、方向指示装置１８とウエルヘッド（ｗｅｌｌｈｅａｄ）との間で送信することができる。
【００１９】
小型センサ・システムは、深いドリル作業に使用する小さい直径のドリル・システムの内側に、より容易に適合する。本発明は、以下に説明するように、特別に開発されたセンサおよびセラミック基板マイクロエレクトロニクスを用い、それらは、深い穴で経験される上昇した温度で動作し、かつ深いドリリング（穴掘り）での極度なショックや振動の起こる環境で生存することができる。本発明の小型センサ・システムはまた、方向型のドリリングにも適している。
【００２０】
図１ｂは、本発明の１つの好適な実施形態に対しての代表的なワイヤ線探査又は「ウエル・ロギング（ｗｅｌｌ  ｌｏｇｇｉｎｇ）」環境を示し、本発明は、現存するボアホールをマップ又は「ログ」するために用いられる。地表１２の下には、３２で全体を示す現存するボアホールが延びている。ボアホール３２を通じて移動するために、ボアホール３２にプローブが挿入され、このプローブは、例えば、２つの部分を含む。第一の部分は、ユーザが供給するマイクロプロセッサ１６であり、第二の部分は、以下に詳細に説明する本発明の小型方向指示システム１８である。第一のプローブ部分、マイクロプロセッサ１６は、ケーブル３６によりケーブル・リール３４に接続される。ケーブル３６はボアホール３６に沿ってプローブを下げるように働く。１つの例では、ケーブル３６は更に、プローブから地表までケーブル３６を通じてデータを送信するための送信媒体を提供する。ケーブル３６は、例えば、従来の構成でよく、１以上の電気的導体からなるコアを有するマルチストランドの可撓性のスチール・ケーブルでよい。
【００２１】
典型的なボアホール探査応用は、図１ｂのケーブル３６におけるハードワイヤ・プルアップ・ライン、即ち、コア電気的導体用い、方向センサとボアホール入口又はウエルヘッドとの間をインターフェースし、情報信号をマイクロプロセッサ１６又は方向指示装置１８からウエルヘッドへ送信する。典型的な「ドリル中測定」の応用は、ボアホール１４を充填するドリル用液体又は「泥」を通じて送られる圧力インパルスを用い、情報信号をマイクロプロセッサ１６又は方向指示装置１８からウエルヘッドへ送る。
【００２２】
実際には、マイクロプロセッサ１６は典型的に、方向指示装置１８の直ぐ後ろのボアホールに位置する。好適な実施形態において、本発明は、マイクロプロセッサ１６への直接デジタル・インターフェースを提供する。通信は、パラレル又はシリアルのインターフェースの何れかを介すればよい。例えば、バス構造は、８つの１６ビット・データ・ワード、即ち、１つの同期／識別ワード、３つの軸のそれぞれに対して１つの、３つの磁気計ワード、１つの温度ワード、および３つの軸のそれぞれに対して１つの、３つの加速度計ワード、を出力する。１つの実施形態において、パラレル・データ・バス（図示せず）は、方向指示装置１８とマイクロプロセッサ１６との間のデジタル・インターフェースを提供する。直接デジタル・インターフェースを提供するためにパラレル・データ・バスを用いる本発明の一実施形態は、マイクロプロセッサ１６と方向指示装置１８との間で１６ワイヤ・インターフェースを用い、１つのワイヤが１６ビット・データ・ワードのそれぞれに対するものである。パラレル・データ・バスを用いる代替的な実施形態は、８ワイヤ・インターフェースの８ビット・パラレル・データ・バスを提供し、逆方向（相互）の通信を除く。別の実施形態において、データ・バス、例えば、ＲＳ２３２型の構造を用い、１６ビット・データ・ワードを出力するシリアル・バスを使用することにより、２ワイヤ・インターフェース、送信ワイヤおよびグラウンド・ワイヤ、を有するシステム・コンフィギュレーションを提供する。互換的に、本発明は、マイクロプロセッサ１６と方向指示装置１８との間の逆方向（相互）「ハンドシェーク」通信のための第三のワイヤを含む。
【００２３】
図２に示す実施形態によると、本発明の方向指示センサ・システム１８は、耐久性があり、信頼性があるシャシー５２を提供し、これは、適当な非磁気的材料、例えば、アルミニウムで製造される。２つのトライアッド（３つ組）の方向センサ５４、５６は、シャシー５２に取り付けられる。第一のトライアッドは、相互直交３軸磁気計５４であり、３つの直交する軸のそれぞれにおける地球の磁界のコンポーネントを示す。第二のトライアッドは、それぞれが、シャシー５２に取り付けられて、相互に直交する入力軸Ｘ、Ｙ、Ｚを有するようにされた３つの線形加速度計５６ａ、５６ｂ、５６ｃを備え、３つの軸のそれぞれにおける地球の引力のベクトルのコンポーネントを示す。
【００２４】
本発明の１つの実施形態によると、シャシー５２は、センサ・システム全体の寸法が７インチ（約１７７．８ミリメートル）の長さになるようにされ、それには、電力を入力するため及びセンサ信号を出力するための電子コネクタ５８および基準軸と外部装置をアライメントするためのインデキシング・プラグ６０が含まれるようにする。対照的に、典型的な方向指示ドリリング装置は、長さが２４インチ（約６０９．６ミリメートル）である。また、１．２５インチ（約３１．８ミリメートル）又はそれ以上である典型的なセンサの直径と比較して、シャシー５２はまた、センサの全体の直径が０．８５インチ（約２１．６ミリメートル）となるようにし、それには、センタリング用Ｏリング６２が除かれるようにする。１つの耐久性があり信頼性があるシャシー・マウントにより、振動および衝撃又は衝突の作業および生存能力が向上する。例えば、シャシー５２は好適に１つのユニットとして形成され、シャシー５２の共振周波数又は「Ｑ」を最大化することにより、衝撃および振動の抵抗力を最大化する。
【００２５】
本発明はマイクロエレクトロニクスを用い、センサ・システムの電子的特徴の信頼性を改善する。例えば、電力の調節、分離、およびフィルタリングの機能が、１つ以上のハイブリッド・エレクトロニクス・パッケージにおいて実現される。別の例において、主システム・エレクトロニクス・モジュールは、方向センサおよび温度センサのシリアル・デジタル出力信号を提供し、１以上のハイブリッド・エレクトロニクス・パッケージで実現される。このモジュールについては以下に詳細に説明する。複雑な回路のハイブリッド化は、多種のコンポーネント間で信号を搬送する垂直的に別の層の導電性トレースを「スタッキング（積み重ねる）」し、インターフェアレンスまたは「クロストーク」することなくトレースが互いに交差することを可能し、また回路コンポーネントの下を通ることを可能にすることにより、高いコンポーネント密度を提供する。
【００２６】
図３は、二層ハイブリッド・エレクトロニクス・パッケージ又はマルチチップ・モジュールの例を示す。当業者は、回路の複雑度によって、実際には、ハイブリッド・エレクトロニクス・パッケージが３０以上の層で実現でき得ることを理解するであろう。図３のハイブリッド・エレクトロニクス・パッケージ１００は、例えば、基板１１０及び１１２を備え、それらは任意の適当な材料、例えば、セラミックで形成され得る。トレース１１４、１１６、１１８は、基板１１０、１１２の各表面に、回路設計に従って信号を送るパターンに、シルク・スクリーンにより作成される。トレース１１４、１１６は、例えば、金のような適当な導電性材料で形成されるペーストを用いて形成される。基板１１０、１１２あけられた穴又は「バイア」１２０、１２２は、導電性ペーストで充填され、基板１００により形成される第一層上のトレース１１４を、基板１１２により形成される第二層上のトレース１１６へ電気的に接続する。シルク・スクリーン処理を行った後に、基板１１０、１１２は垂直方向に積み重ねられ、トレース１１４、１１６、１１８およびバイア１２０、１２２がアライメントされるようにし、そのスタックされたものが焼成または「熱せ」られ、導電性トレースが挟み込まれた基板材料の本質的に強固なブロックが形成される。
【００２７】
それぞれがそれ自体の鑞付パッド１２６に取り付けられるコンポーネント又はダイ１２４が、１以上の表面１２８、１３０に取り付けられる。コンポーネント１２４は、例えば、コンポーネント１２４上のワイヤ結合パッド１３４と基板１１０上のワイヤ結合パッドとの間の金のワイヤのような結合用導体により、アクセスされる。それぞれがそれ自体の鑞付パッド１４０に取り付けられる１以上のピン１３８が、１以上の表面１２８、１３０に取り付けられる。ピン１３２は、最終的なハイブリッド回路１００の信号入力および出力を提供する。
【００２８】
図４は、自蔵型小型エレクトロニクスの例示的なブロック図を示し、このエレクトロニクスは、本発明の方向指示装置に含まれる方向センサの２つのトライアッドに電力を供給し、検知を行う。主システム・エレクトロニクス・モジュール２００を集積低温同時焼成セラミック（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｌｏｗ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏ−ｆｉｒｅｄ ｃｅｒａｍｉｃ）基板で実現することにより、従来の厚膜ハイブリッド技術を用いて可能なものよりも密度の高い回路構成が可能となる。マイクロエレクトロニクスの利点は、集積デジタル回路２１０がデジタル・フォーマットで第一のデジタルの用途特定集積回路（ＡＳＩＣ）として実施されたときに、実現され得る。本発明の１つの特徴によると、主システムのエレクトロニクス・システム２００はハイブリッド回路で実現され、これは、当該技術ではマルチチップ・モジュールとしても知られる集積低温同時焼成セラミック（ＬＴＣＣ）基板に取り付けられた幾つかのアクティブなコンポーネントを含む。
【００２９】
１以上の電子組立体が、方向装置１８の電子的機能を提供する。例えば、電子組立体は、１以上の厚膜又はマルチチップ・モジュール（ＭＣＭ）電子組立体で実現することができる。本発明の１つの実施形態によると、２つの厚膜又はマルチチップ・モジュール電子組立体が、電子回路を実現するために用いられる。第一の電子組立体は、厚膜エレクトロニクス・ハイブリッドに実現される従来の電力レギュレータ６４である。電力レギュレータ６４は、＋１４．５Ｖｄｃから＋２８Ｖｄｃの範囲の電圧レベルを有する一側になっている入力電力を、調整されたシステム及びセンサ電力に変換する。可撓性回路相互接続６６は、入力電力およびセンサ出力信号を、多種のシステム・コンポーネントの間で伝える。
【００３０】
第二の電子組立体は、主システムのエレクトロニクス・モジュール２００である。主システムのエレクトロニクス・モジュール２００は、センサ信号を集め、それらの信号をデジタル形式に変換し、内部の従来のユニバーサル非同期受信機送信機（ＵＡＲＴ）を通じて送信する。好適な実施形態において、主システム・エレクトロニクス・モジュール２００は、３つの集積回路を含む。
【００３１】
第一の集積回路、集積デジタル回路２１０は、７バンクの集積回路であり、カウンタ、タイマ、およびシーケンサを含む。図５は、集積デジタル回路２１０の信号送信を例示する。集積デジタル回路２１０は、センサ・システムを動作させる。即ち、センサ信号を収集し、それらの信号を、シリアル・ポートを通じての直接シリアル・データ・インターフェースのために内部の従来のＵＡＲＴ２１２を介して送信するために、デジタル形式に変換する。ＵＡＲＴ２１２は、内部８ビット・パラレル・データ・バス２１４を介してアドレスされる。
【００３２】
集積制御回路２１８により発生される磁気計５４および温度センサ２３４の周波数信号は、サンプル・レートにわたって集積デジタル回路２１０においてカウント又はサンプリングされる。集積デジタル回路２１０内部の周波数カウント回路は、周波数信号を、１６ビット分解能を有するデジタル信号に変換する。好適な実施形態において、本発明はまた、選択可能なデータ・レートおよびサンプリング・レートを提供する。例えば、データ・レートは１９．２ｋボーまで選択可能である。サンプリング・レートもまた、選択可能とすることができる。例えば、１つの好適な実施形態において、サンプリング・レートは１Ｈｚ、１０Ｈｚ、２０Ｈｚ、１００Ｈｚで選択可能である。当業者は、データ・レート及びサンプリング・レートを、他のサンプリング・レートに選択可能とすることができることを理解するであろう。
【００３３】
集積デジタル回路２１０は、センサ信号を継続してカウントし、センサ信号をシリアル・ポートを通じて送信する前に、ＵＡＲＴ２１２へ適用するために、それらの信号をフォーマットする。２．４５７６ＭＨｚで動作するＣＭＯＳシステム・クロック２１６は、それを集積デジタル回路２１０へ供給する。集積デジタル回路２１０は、システム・クロック２１６をカウント・ダウンし、磁気計集積制御回路２１８、内部ＵＡＲＴ２１２、及び内部カウンタの動作のための種々の動作タイミング信号を提供する。例えば、ドライバ回路２２０、２２２は、クロック信号を９８．３ＫＨｚおよび１．２３ＭＨｚにそれぞれ低減し、その低減したクロック信号を磁気計の電圧／周波数コンバータ（変換器）２２４へ供給する。
【００３４】
ＣＭＯＳシステム・クロック２１６は、集積デジタル回路２１０のタイマ２２６部分へ信号を供給し、そこでクロック信号は１／９分割され、２７３ＫＨｚのクロック信号がカウンタ部分２２８へ供給されるようにする。カウンタ部分２２８は、加速度計５６の出力信号のタイミングをとるための第一カウンタ回路２３０と、磁気計５４及び温度センサ２３４の出力信号のタイミングをとるための第二カウンタ回路２３２とを含む。
【００３５】
集積デジタル回路２１０は８チャンネル・マルチプレクサ２３６を含み、それはデジタル出力をＵＡＲＴ２１２へ順に送り、シリアル・インターフェースを通じてマイクロプロセッサ１６へシリアル送信するようにする。集積デジタル回路２１０は、従来の周波数計数技術を用いてアナログ／デジタル変換を提供し、それにより、マイクロプロセッサ１６が幾つかのアナログ／デジタル変換器、またはマルチプレクサ・スイッチ及びアナログ／デジタル変換器の何れかを含む必要性が除かれる。実際には、マイクロプロセッサ１６のアナログ／デジタル変換器回路は、大きなモデリング・エラーにかかわることがある。従って、集積デジタル回路２１０内の周波数カウント回路は精度を向上させる。更に、集積デジタル回路２１０は、すべての加速度計および磁気計のチャンネルの同時サンプリングを提供する。従って、チャンネル間でのデータ・ラグがない。それに対して、マルチプレクサを基にしたマルチプレクサは、チャンネル間のラグ（遅れ）を避けるために各チャンネルの専用のアナログ／デジタル変換器を必要とし、それにより費用が多くなり、また、前述の大きなモデリング・エラーの影響によりモデリング精度を低下させる。
【００３６】
リング・コア・フラックス・ゲート磁気計
磁場センサは地球の自然の磁場を測定する。典型的なリング・コア・フラックス・ゲート磁気計は、サイズが小さくなると精度をなくし、ノイズが増える。方向指示装置１８は、磁場センサ、磁気計５４を含む。磁気計５４は、三軸リング・コア・フラックス・ゲート磁気計であり、現在のリング・コア・フラックス・ゲート磁気計の直径の約半分の直径を有する。１インチ（約２５．４ミリメートル）の直径および４インチ（約１０１．６ミリメートル）の長さを有する典型的な磁気計センサと比較して、磁気計５４は、直径が０．５インチ（約１２．７ミリメートル）で、長さが０．７５インチ（約１９．１ミリメートル）である。摂氏２００度で動作させたときに、磁気計５４は、体積が５ないし１０倍大きい現在使用されている装置と同等か、又はそれらより良い性能を発揮する。本発明の１つの実施形態は、集積化した駆動エレクトロニクスおよび検知エレクトロニクスを用いた、直径が小さい磁場センサを提供する。
【００３７】
図６および図７は、磁気計集積制御回路２１８を説明する。本発明において、磁気計５４は駆動及び検知回路を提供し、それらは従来小型化に関連していた欠点を避ける。マイクロエレクトロニクスの使用により、磁気計５４の寸法を減らすこと及び信頼性を向上させることが支援される。リング・コアを駆動するために集積デジタル回路２１０及び磁気計集積制御回路２１８を使用すると、電力消費及びノイズを低減することにより、磁気計５４の性能の向上に寄与することになる。更に、特定用途向け集積回路を使用することにより、モデリング特性が改善される。例えば、特定用途向け集積回路は、個別のパッケージ化された集積回路を用いて実現される回路よりも均一な特性を有する。信頼性が向上される。なぜなら、例えば、この小型の単一のエレクトロニクス・パッケージは、印刷配線ボード上の個別のパッケージ化された集積回路よりも、衝撃や振動に対してより効果的に取り付けられ得るからである。特定用途向け集積回路を用いると、１つの集積回路で多数の機能を提供することにより、信頼性が更に向上する。故障モードおよび効果分析（ｆａｉｌｕｒｅ  ｍｏｄｅ  ａｎｄ  ｅｆｆｅｃｔｓ  ａｎａｌｙｓｉｓ）（ＦＭＥＡ）において、単一コンポーネントの故障の統計的確率は、複数の個別のコンポーネントを用いて作った同じ回路に関する故障の確率よりも、かなり少ない。
【００３８】
磁気計５４のサイズは、センサと、関連する電子回路とを一緒に配置することにより低減され、それにより、方向指示システム１８の小型化を可能にする。小型化された方向指示システム１８は、広い応用範囲に適する。例えば、他の応用のための１つの代替的な構成が、図１５を参照すると詳細に示されている。
【００３９】
現代のセラミック基板及び直接チップ接着（ＤＣＡ）法は、表面実装又はスルーホール技術のいずれかを用いて製造されたプリント配線ボード上の離散パッケージングのなされた集積回路を用いる原稿の技術と比較して、高密度の電子アセンブリを提供する。直接チップ接着技術を用いることにより、センサ信号を制御してデジタル・コントローラを形成するＡＳＩＣの開発が可能となった。例えば、集積化された制御回路２１８は、図６ないし図８に詳細が図示されているように、３つの軸とデジタル温度チャンネル２４８とのすべてに対してセンサ駆動及び感知機能を提供するが、磁力計ＡＳＩＣ２１８としてのチップ形式で実現することができる。
【００４０】
磁気計（磁力計）５４は、磁力計が集積化された制御回路２１８によって制御される３つの直交方向に向けられたセンサを含む。磁力計が集積化された制御回路２１８は、磁力計５４のそれぞれの軸に磁界を誘導する電流を駆動する。ＭＯＳＦＥＴ電流ドライバ２４２は、磁力計が集積化された制御回路２１８からのコマンドに従ってリング・コア磁力計５４センサを飽和させる。電流によって誘導された磁界は、地球の自然な磁界と相互作用する。地球による自然な磁界は、磁力計の電流によって誘導された磁界に対して加算又は減算を行い、磁力計は過剰平衡状態（over balanced）になる。集積化された制御回路２１８は、フィードバック信号を提供して、磁力計センサ５４を平衡させる。
【００４１】
本発明は、方向指示システム１８のマイクロ電子装置（エレクトロニクス）との集積化を通じて強化される磁力計駆動及び感知電子装置を含む。集積化された制御回路２１８は、アナログ・デジタル変換のための集積化された４チャンネルの電圧・周波数コンバータ２２４を含む。電圧・周波数コンバータ２２４の３つのチャンネルは、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸センサからのアナログ磁力計信号をデジタル信号に変換する。第４のチャンネルは、方向指示装置１８の性能特性の熱的なモデリングを行うのに用いられるデジタル温度チャンネルである。
【００４２】
図６は、磁力計が集積化された駆動回路２４４における従来型の電流フィードバック回路を図解しており、この回路は、測定された量の電流を磁力計５４のＸ軸センサに提供して、磁力計の平衡を回復する。これは、感知された地球の磁場を「零化」する（nulling）とも称される。電流信号の回復又は零化は、磁力計集積化された駆動回路２４４におけるスケーリング抵抗２５０を通じて電圧信号に変化する。
【００４３】
本発明のある側面によると、マイクロ電子装置の効果は、磁力計集積化された駆動回路２４４において実現される。例えば、ある実施例では、図６に図解されているＸ軸磁力計センサのための磁力計集積化された駆動回路２４４は、磁力計ＡＳＩＣ２１８におけるＹ軸及びＺ軸磁力計センサに対する同等の磁力計駆動回路と組み合わせることによって実現される。ただし、この場合に、例えば、ＭＯＳＦＥＴ電流ドライバ２４２、スケーリング抵抗２５０、結合コンデンサ２５２、２５４、入力抵抗２５６、２５８、２６０、接地抵抗２６２及び接地コンデンサ２６４、２６８は含まれない。
【００４４】
図７は、磁力計制御回路２１８の電圧・周波数コンバータ部分２２４を図解している。電圧・周波数コンバータ２２４は、Ｘ軸チャンネルに対して示されているが、従来型の電圧・周波数コンバータ回路であって、磁力計５４の電圧出力信号を周波数信号に変換する。本発明は、Ｙ軸チャンネル及びＺ軸チャンネルに対する同等の電圧・周波数コンバータ回路を含む。電圧・周波数コンバータ２２４は、また、デジタル温度チャンネルに対する第４の電圧・周波数コンバータを含む。
【００４５】
電圧・周波数コンバータ２２４は、図７においてＸ軸チャンネルに対して示されているが、Ｙ軸及びＺ軸チャンネルに対する類似の電圧・周波数コンバータと組み合わされて別のＡＳＩＣにおいて実現することができる。あるいは、３つの軸すべてに対する電圧・周波数コンバータ２２４を、３つの軸すべてに対する磁力計集積化された駆動回路と１つの磁力計ＡＳＩＣ２１８において組み合わせることもできる。例えば、ある好適実施例では、Ｘ、Ｙ及びＺ軸の電圧・周波数コンバータ２２４は、ＦＥＴドライバ２６６を含むＸ、Ｙ及びＺ軸磁力計が集積化された駆動回路２４４と組み合わされて１つの磁力計ＡＳＩＣ２１８において実現することが可能である。一実施例において、電圧・周波数コンバータ２２４は、例えば、フィードバック・コンデンサ２６８、磁力計出力抵抗２７０、２７２、電力入力抵抗２７４、及び接地コンデンサ２７６を除いて、磁力計ＡＳＩＣ２１８に集積化される。
【００４６】
図８は、本発明による周波数温度チャンネル２４８を示しており、温度ダイオード２３４は、集積回路２１８の外部に設けられている。磁力計ＡＳＩＣ２１８はまた、ＦＥＴドライバ２８０を含む、図８に示された、デジタル温度チャンネル２４８の回路も集積化できる。一実施例において、デジタル温度チャンネル２４８は、例えば、フィードバック・コンデンサ２８２、及び温度ダイオード２３４を除いて、磁力計ＡＳＩＣ２１８に集積化できる。
【００４７】
加速度計
本発明の一実施例によれば、マイクロマシン加工されたシリコン・センサを使用する図２に示された３つのリニア加速度計５６ａ、５６ｂ、５６ｃが、方向指示装置１８に使用される。好適な実施例において、マイクロマシン・センサは、振動ビーム加速度計を含む。これらのセンサは、検出された加速度に比例する公称共振からの変化を有する可変周波数として、加速度信号を出力する。振動ビームは、非常に安定なスケール・ファクタを与え、且つ、信号が既にデジタル・ドメインにあるので、信号の使用を容易にする。当該技術分野で既知の集積回路は、加速度センサを条件づける信号を与える。シリコンで形成される振動ビーム加速度検知のメカニズムは、他のタイプの加速度センサよりも、ダウンホールの掘削環境の高いショックと振動レベルに対する感度が本来低い。シリコンは、深いウェルの極めて高い温度において、優れた動作特性を維持する。
【００４８】
図９は、振動ビーム加速度感知機構４００を例として図示する。典型的な振動ビーム加速度感知機構は、適切な基板材料、例えばシリコン又は石英から形成されたフレーム４１０を備える。反応質量体又はプルーフ（ｐｒｏｏｆ）質量体４１２が、フレーム４１０から１つ以上のヒンジ４１４により回転可能に取り付けられている。１つ以上の力感知トランスジューサ４１６が、フレーム４１０と反応質量体４１２との間に吊られている。フレーム４１０は、反応質量体４１２の板に対して垂直の入力軸４２０に沿って入力される力に応答してヒンジ軸４２０の周りに回転するため反応質量体４１２から限定された空間離れた適切なプラットフォーム上に取り付けられる。反応質量体４１２が入力軸４２０に沿って受ける力に応答してフレーム４１０に対して相対的に回転するにつれ、力感知トランスジューサ４１６は、圧縮力又は張力をその長手方向軸４２２に沿って受ける。換言すると、力感知トランスジューサ４１６は、反応質量体４１２がフレーム４１０に対して相対的にゼロ点から離れるよう変位又は回転されるとき、フレーム４１０と反応質量体４１２との間で圧縮又は引っ張れる。
【００４９】
多くの場合、コモン・モード（ｃｏｍｍｏｎ  ｍｏｄｅ）効果を低減又は排除するため、２つの力感知トランスジューサ４１６が用いられる。２つの力感知トランスジューサ４１６が用いられるとき、その２つの力感知トランスジューサ４１６は、反応質量体４１２の変位又は回転が第１のトランスジューサを圧縮状態に置き、一方第２のトランスジューサを引っ張り状態に置くように取り付けられる。例えば、第１の力感知トランスジューサ４１６は、フレーム４１０の上側表面４２４上に取り付けられ、第２の力感知トランスジューサ（図示せず）がフレーム４１０の反対表面に取り付けられ得る。反応質量体４１２の変位又は回転が第１のトランスジューサを圧縮状態に置き、そして第２のトランスジューサを引っ張り状態に置くように、第１及び第２の力感知トランスジューサが取り付けられる他の構成は、当業者には既知である。例えば、幾つかの代替構成が、米国特許Ｎｏ．５，００５，４１３に記載され、本明細書に援用されている。
【００５０】
マイクロマシン加工されたシリコン加速度センサ４００は、加速度信号出力を、感知された加速度に比例した公称共振からの変化を有する可変周波数として提供する。換言すると、図９の反応質量体４１２がフレーム４１０に対して相対的に変位又は回転するとき、力感知トランスジューサ４１６は、圧縮状態又は引っ張り状態に置かれる。力感知トランスジューサ４１６の自然周波数は、力感知トランスジューサ４１６が圧縮又は引っ張れたとき変化する。力感知トランスジューサ４１６の自然周波数は、力感知トランスジューサ４１６が圧縮されたとき公称共振より下に低減し、そして力感知トランスジューサ４１６が引っ張れたとき公称共振より上に増大する。その結果生じる周波数変化は、反応質量体４１２に印加される力又は加速度に比例する。この押しつけ／引っ張り現象は、米国特許Ｎｏ．５，００５，４１３に詳細に記載されている。
【００５１】
図１０は、２タイン（ｔｉｎｅ、枝）型振動ビーム力感知トランスジューサ４１６の詳細例である。マイクロマシン加工されたシリコン加速度センサは、例えば、図１０に示される一般的な構成の振動ビーム力感知トランスジューサを採用する場合が多い。力感知トランスジューサ４１６は、取り付けタブ（ｔａｂ）４３４、４３６に装着された２つのタイン４３０、４３２を備える。タイン４３０、４３２は、駆動回路により印加された駆動信号に応答してそれらの各自然周波数で振動するよう適合される。
【００５２】
図１１は、トランスジューサ４１６の機械的動作を示している。タイン（ｔｉｎｅ：枝歯）４３０、４３２に振動を誘導する種々の方法が知られている。例えば、タイン４３０、４３２を例えば導電体ポリシリコンがドーピングされた半導体材料で形成することによって、タイン４３０、４３２が電流を流すように構成することができる。他の例として、図１１に示すように、導電体フィルム電極４３８をタイン４３０、４３２の表面に形成してもよい。タイン４３０、４３２の揺れすなわち振動は、種々の手段によって実現することができる。例えば、通常の磁気デバイス・センサにおいては、タイン４３０、４３２が１又は複数の永久磁石の磁界Ｂ中に配置される。ドライブ回路４４０が、振動電流すなわち交流電流Ｉを導電性フィルム電極４３８に供給し、それによって、導電性フィルム電極４３８に交番磁界を生成する。交番すなわち振動する電流によって導電性フィルム電極４３８に生成された磁界は、永久磁石の磁界Ｂと相互作用して力Ｆ１及びＦ２を生じさせ、タイン４３０、４３２を振動させる。別の構成（不図示）においては、力検出センサ４１６を４つのタインを有するように製造することができる。４つのタインを備えたトランスジューサにおいて、検出回路を２対の駆動及び検出タインで構成することができ、各対は、米国特許第５３６７２１７号及び第５３３１２４２号に開示されているように、内部タイン及び外部タインで構成される。なお、これら米国特許は、この言及により、本明細書に含まれているものとする。
【００５３】
このように構成する代わりに、本発明は、図１２に示すような静電又は容量性駆動の振動システム４５０を用いて、実現することができる。図１２の実施例においては、タインの振動は、タイン４５２、４５４の導電性表面と、該タイン４５２、４５４の導電性表面に隣接して同方向に延びているフレーム４１０に保持された隣接する導電体４５６、４５８との間に、交番するすなわち振動する静電的な力を導入することによって、駆動される。静電的駆動による振動ビーム力の２つのトランスジューサが知られており、該トランスジューサは米国特許第４９０１５８６号及び第５４５６１１１号並びに１９９６年５月５日に出願された「加速度計用の静電駆動装置」と題する米国特許出願第０８／６５１９２７号に開示されている。これらは、本出願人に上とされており、また、本明細書において参照している。本発明において用いることができるマイクロマシン・シリコン加速度センサの他の例が、米国特許第４７６６７６８号及び第５２４１８６１号に開示されており、これらもこの言及により本明細書に含まれているものとする。
【００５４】
加速度計５６ａ、５６ｂ、５６ｃの動作は、パッケージ材料とシリコン加速度センサのメカニズムとの熱拡散係数を近似させることによって、増強することができる。このような熱拡散係数の一致により、動作可能なすべての温度範囲に渡って、シリコン・センサ・メカニズムに生じるストライン（ｓｔｒａｉｎ）を低減することができる。ストラインを低減することにより、センサの精度すなわち特性を改善する。
【００５５】
加速度センサにはさらに、マイクロ電子回路（エレクトロニクス）が組み入れられており、これにより、センサ駆動及び感知機能を提供する。図１３は、汎用の単一振動ビーム加速度センサに用いられている汎用の加速度検出回路４４４の単純化した例を示している。感知すなわち周波数測定回路４４２が、タイン４３０、４３２が伸縮したときに生じる周波数の変化を検出し、また、加速度検出出力信号Ｆｏｕｔに検出された周波数変化を低減する。加速度検出回路４４４は、駆動回路４４０と検出回路４４２とを備えている。加速度検出回路４４４は、力検出用の２つのトランスジューサ４１６、すなわち伸張（テンション）用トランスジューサ及び圧縮（コンプレッション）用トランスジューサが用いられたときに、基本的に２重使用となる。
【００５６】
図１２の例では、力検知トランスジューサ４１６の振動歯（タイン）４３０、４３２の電極４３８は、駆動回路４４０からの駆動電流ＩDRIVE（Ｉ駆動）を受け入れ、そして出力電流ＩOUTPUT（Ｉ出力）を検知回路４４２に戻し、そしてこれは、加速度に比例している。出力電流ＩOUTPUTは、検知回路４４２に印加し、この回路は、演算増幅器５４８と、フィードバック抵抗器５５０と、そして接地抵抗器５５２とを備えている。検知回路４４２は、出力電流ＩOUTPUTを対応する電圧に変換する。結合キャパシタ５５４は、検知回路４４２の電圧出力をフィルタ４４６、駆動回路４４０およびグラウンドに対し接地抵抗器４５６を介して印加する前に、ＤＣバイアスを除去する。
【００５７】
発振器を作るため、検知回路４４２の出力は、電極４３８に対し駆動回路４４０によってフィードバックする。駆動回路４４０は、演算増幅器５５８と、フィードバック抵抗器５６０、５６２、接地抵抗器５６４並びに接地キャパシタ５６６とを備えている。電圧制限は、二対の直列接続したダイオード５６８、５７０により提供し、これらは、入力抵抗器５７２、５７４を介して＋電圧および−電圧に結合している。駆動回路４４０の出力は、トランスジューサ電極４３８に対し入力抵抗器５７６を介して印加する。
【００５８】
検知回路４４２の電圧出力は、フィルタ４４６に供給し、そしてこのフィルタは、演算増幅器５７８と、フィードバック抵抗器５８０と、キャパシタ５８２と、そして接地抵抗器５８４とを備えている。フィルタ回路４４６は、検知回路４４２の出力から直交信号を減算し、この減算は、その出力信号を演算増幅器５７８の反転入力および非反転入力に印加することにより行う。検知回路４４２の出力のフィルタ４４６への印加は、不必要な電圧レベルを除くことにより、駆動回路４４０の動作を最適化する。従来の加速度計回路の更なる詳細な説明は、米国特許５，４５６，１１１号に示されており、この米国特許は、言及により本文に含めるものとする。
【００５９】
マイクロエレクトロニクスは、更にサイズ減少を可能にし、また、加速度計１６ａ、１６ｂ、１６ｃの衝撃（ショック）および振動の能力を強化する。加速度計回路４４４は、駆動回路４４０と、検知回路４４２とフィルタ４４６とを含むが、これは、１つ以上の用途特定集積回路において実現することによって、マイクロエレクトロニクス・パッケージの使用に関連して、サイズ減少および強化したショックおよび振動能力を実現するようにすることができる。本発明の加速度計１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび方向センサ・システム１８のマイクロエレクトロニクスは、摂氏２００度の高い温度において連続した期間の間満足に動作する。これと対照的に、代表的な個別パッケージのエレクトロニクスは、摂氏１５０度を超える高い温度での動作中にブレークダウンする。
【００６０】
この方向指示装置の一実施形態において使用する加速度センサは、最新のセラミック・パッケージング技術を導入し、これは、この加速度センサの機械的および電気的信号ルーティング（送信）を集積化する。セラミック・パッケージング技術は、より小さく、しかも本質的にショックおよび振動に耐える加速度センサをもたらす。
【００６１】
一般に、方向指示装置１８は、例えば、同時係属の出願６０／０６８，０２２に記述されたタイプの加速度計を使用して具体化することができ、この出願は、本願の発明者と同じ名前で本願と同日に出願され、しかも同じ譲受人に譲渡された、「集積した電気および機械のパッケージングを使用したシリコン・マイクロマシン加工の加速度計（Silicon Micro-machined Accelerometer Using Integrated Electrical And Mechanical Packaging）」と題するものであり、これはこの言及により本文に含めるものとする。
【００６２】
図１４は、加速度計回路２００のミキサ／フィルタ部６００を示している。加速度計５６ａ、５６ｂ、５６ｃの出力は、加速度計回路２００のミキサ／フィルタ部６００に送られる。振動ビーム加速度計５６の出力信号は、周波数ドメインにあり、これは、擬似デジタル・ドメインである。加速度計５６の出力は、圧縮トランスジューサＦCの出力と、テンション・トランスジューサＦTの出力を含み、これらは、ミキサ／フィルタ部６００における加速度計回路４４４に対しフレキシブル回路相互接続体６６を介して供給する。ミキサ／フィルタ６００は、結合キャパシタ６１０、６１２と、抵抗器６１４、６１６とをトランスジューサ入力に備える。これらトランスジューサ入力は、トランスインピーダンス増幅器６１８、６２０に供給し、そしてこれら増幅器は、演算増幅器６２２、６２４、フィードバック抵抗器６２６、６２８、キャパシタ６３０、６３２、接地抵抗器６３４、６３６を備えている。トランスインピーダンス増幅器６１８、６２０の出力は、ミキサ６３８に結合し、そしてこのミキサで、それら信号をヘテロダイン混合する。この混合した信号は、フィルタ６４０でフィルタ処理して、加速度計５６が受けた加速度に比例した差信号周波数を抽出する。フィルタ６４０は、入力の抵抗器６４２およびキャパシタ６４４と、そして抵抗器−キャパシタ回路網の形態とすることができるフィードバック抵抗器６４８とキャパシタ６５０を備えた演算増幅器６４６とを含む。演算増幅器６４６の出力は、第２の演算増幅器６５２に対し入力抵抗器６５４を介して印加する。各演算増幅器６４６、６５２は、接地抵抗器６５６、６５８を介してグラウンドに対し結び付けている。この出力は、二乗し、そして選択したサンプル・レートでカウントしそしてＵＡＲＴ２１２を介して出力する集積デジタル回路２１０に対し印加する。
【００６３】
代替の実施例
この小型方向指示装置の構造が井戸掘削装置やエネルギー探査産業に限定される物でないことは、当業者には了解できるであろう。本発明に従って実践する装置の他の用途は、限定される物ではないが、地表近くや大深度の地下のトンネルの掘削における方向指示、例えば石炭採掘のような鉱山採掘におけるメタンガスや空気管掘削、そして航法用途の一般的な方向指示装置である。
【００６４】
本発明の好適な代替実施例は、航法補助用の小型の立方体形状から成る。この小型の立方体形状の実施例は、センサ及び電子部品を、航空機、宇宙航行装置、陸地及び海上の輸送手段のための統合慣性航法システム内の他の航法センサと統合するための最小の空間に形成する。
【００６５】
図１５は、本発明の小型立方体形状の実施例を例示する図である。方向検出システム７００は、検出システム全体の容積を含む大きさのシャーシ７１０を含み、電力の入力とセンサ信号の出力のための電気的接点７１２を含んで最小にされている。単一の頑丈な、信頼できるシャシー・マウントが、振動及び衝撃下の動作や残存能力を増大させる。
【００６６】
方向検出システム７００は、シャシー７１０の３つの直行軸上の１つに載せられた３軸磁力計７１４を含む。Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の加速度計７１６ａ、７１６ｂ、７１６ｃがシャーシ７１０の３つの各直行軸上に載せられている。蓋（図示せず）が、センサの環境への暴露から守っている。方向検出システム７００は、方向検出システム７００は、の機能を制御する主電子パッケージ７１８を含む。主電子パッケージ７１８は、加速度計７１６ａ、７１６ｂ、７１６ｃ及び３軸磁力計７１４のシリアル・デジタル出力信号、温度信号出力、及び状態ワードを提供する。主電子パッケージ７１８と電力安定化電子パッケージ７２０は、シャシー７１０の基底部内に置かれている。主電子パッケージ７１８と電力安定化電子パッケージ７２０は、蓋板７２２によって環境から守られている。柔軟な回路相互接続装置（図示せず）が種々のシステム構成要素の間で入力電力及びセンサ出力信号を導いている。
【００６７】
本発明の更に他の状況において、主電子パッケージ７１８を含むセンサ・システムの電子的特性の信頼性の向上のためにマイクロ・エレクトロニクスが利用される。同様に、電力安定化、絶縁及びフィルタ機能を含むシステム電力安定化電子パッケージ７２０は、１つ以上のハイブリッド電子パッケージとして実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１ａは、本発明の１つの代替的な実施形態に対しての第一の代表的環境を示す。
図１ｂは、本発明の１つの代替的な実施形態に対しての第二の代表的環境を示す。
【図２】  図２は、本発明の１つの代替的な実施形態を分解図で示す。
【図３】  図３は、２層ハイブリッド・エレクトロニクス・パッケージ又はマルチチップ・モジュールの例を示す。
【図４】  図４は、本発明の一実施形態に従う自蔵型の小型電子回路の例示的なブロック図を示す。
【図５】  図５は、本発明の一実施形態に従う信号送信の例を示す。
【図６】  図６は、本発明の一実施形態に従う磁気計一体化駆動回路における電流フィードバック回路を示す。
【図７】  従来の電圧／周波数コンバータを示す。
【図８】  図８は、本発明の一実施形態に従うデジタル温度チャンネルを示す。
【図９】  図９は、シリコン加速検知機構を例により示す。
【図１０】  図１０は、二枝振動ビーム・フォース検知トランスジューサを例により示す。
【図１１】  図１１は、二枝振動ビーム・フォース検知トランスジューサの機械的動作を示す。
【図１２】  図１２は、静電駆動振動加速度計システムを示す。
【図１３】  図１３は、加速度計駆動回路および検知回路を含む加速度計回路を示す。
【図１４】  図１４は、加速度計回路のミクサ／フィルタの部分を示す。
【図１５】  図１５は、コンパクトな立体的な形式で本発明の代替的な実施形態を示す。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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