(57)【要約】【課題】リードのパドル表面に一体的に形成された偏位パッドまたはスペーサを用いて磁気回路から偏位されたプルーフマスを有するフレクチャタイプの加速度計を提供すること。【解決手段】フレクチャタイプの磁気および容量回路加速度計用のプルーフマスは、溶融シリカパドル上にエッチングまたはパターニングされるなど、溶融シリカパドル上に一体的に形成された１つまたは複数の隆起パッドを含む。さらに、隆起パッドは、１つの作用コイルの少なくとも一部を、加速度計の磁気回路の直線磁束領域に近接して、またはその領域内にさえも配置するのに十分な厚さを有する。このように、プルーフマスは、加速度計の選択された稼動寿命にわたって一貫した安定的な方式で、磁気回路とともに機能するように構成される。【選択図】図３
2009192534.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加速度計用のプルーフマスにおいて、
外縁部材に回転可能に連結された可動式のシリカパドルを有するリードであって、前記シリカパドルが、前記シリカパドルに一体的に連結され、前記シリカパドルから延在する第１シリカ隆起パッドを有するリードと、
前記第１シリカ隆起パッドに連結された上側および下側のコイル部材であって、前記シリカパドルがゼロ加速度をかけられるときに、前記第１シリカ隆起パッドが、前記コイル部材の少なくとも１つを前記シリカパドルからより遠くに、および前記加速度計の固定子内に配置された磁気回路のより近くに配置するように構成されるコイル部材とを備えるプルーフマス。
【請求項２】
少なくとも１つの空洞部を有する上側の固定子と、
前記上側の固定子に連結され、少なくとも１つの空洞部を有する下側の固定子と、
磁極片と整列された磁石を有する磁気回路であって、前記磁極片の少なくとも一部が、前記下側の固定子の前記少なくとも１つの空洞部内に受けられる磁気回路と、
プルーフマスであって、
外縁部材に回転可能に連結された可動式のシリカパドルを有するリードであって、前記シリカパドルが、前記シリカパドルに一体的に連結され、前記シリカパドルから延在する第１シリカ隆起パッドを有するリード、ならびに、
前記シリカパドルに連結された上側および下側のコイル部材であって、前記上側のコイル部材の少なくとも一部が、前記上側の固定子の前記少なくとも１つの空洞部の中へ少なくとも部分的に延在し、前記下側のコイル部材の少なくとも一部が、前記下側の固定子の前記少なくとも１つの空洞部の中へ少なくとも部分的に延在し、前記シリカパドルがゼロ加速度をかけられるときに、前記第１シリカ隆起パッドが、少なくとも前記下側のコイル部材を前記シリカパドルからより遠くに、および前記磁気回路の前記磁石のより近くに配置するように構成されるコイル部材を備えるプルーフマスとを備える加速度計。
【請求項３】
加速度計用のプルーフマスを作製する方法において、
シリカ基板上に複数の形状構成を形成するようにシリカ基板を遮蔽するステップと、
外縁に回転可能に連結されたパドルを有するリードを形成するように、前記シリカ基板から所定量の材料を除去するステップと、
シリカ隆起パッドおよび前記パドルの実質的に平坦な表面を形成するように、前記パドルの他の部分を選択的に除去するステップであって、前記シリカ隆起パッドが、前記実質的に平坦な表面から延在し、前記実質的に平坦な表面に対して直角の方向に延在する厚さを有するステップと、
コイル部材を前記シリカ隆起パッドに取り付けるステップとを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
従来式のフレクチャタイプの加速度計は、一般に、実質的に衝撃吸収性または振動吸収性であるように構成された柔軟なスペーサを用いて磁気回路から選択的に偏位されたプルーフマス（ｐｒｏｏｆ  ｍａｓｓ）を含む。その堅牢な構成のため、従来式のフレクチャタイプの加速度計は、地下堀削の厳しい環境などの様々な環境において使用される。１タイプの従来式のフレクチャタイプの加速度計は、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，Ｉｎｃによって作製されるＱ−ＦＬＥＸ（登録商標）加速度計である。
【０００２】
Ｑ−ＦＬＥＸ（登録商標）加速度計と同等または同様であり得る、ある従来式のフレクチャタイプの加速度計は、作用コイルと非作用コイルとの間に配置されたリードを有するプルーフマスを含む。リードは、結晶質（石英）シリカまたは非晶質（溶融）シリカから作製され得る。加速度計が高振動または高衝撃の負荷にさらされ得る用途においては、好ましくは溶融シリカが用いられる。リードは、典型的には溶融シリカの基板またはブランクにエッチングされる、いくつかの操作上の特徴を含む。さらに、リードは、静止した外縁に蝶番式に取り付けられた可動式の内部パドルを含む。外縁は、パドルと磁気回路の磁極片との間に間隙または空間を与えるように配置された、いくつかの隆起したパッドを含む。この従来式のフレクチャタイプの加速度計は、パドル上に配置された接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドまたはスペーサをさらに含む。
【０００３】
接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドは、実質的に薄い、テープ状の材料から製造される、レーザカットされたクローバー形状の工具を用いて形成される。材料の薄さのために、結果として生じる工具の形状は、正確にレーザカットするのが困難であり得る。たとえば、レーザ切断工程によって、工具の縁部が、時折、上を向いたりまたは擦り切れたりすることがある。接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドを形成するとき、この工具は整列および配置用の機構として働く。工具を切断した結果、上を向いたりまたは擦り切れたりした部分が生じた場合、接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドは、平坦でない表面または不必要な凹凸を有することになり得る。
【０００４】
接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドおよびその形成は、いくつかの欠点を有する。工具は正確に切断するのが困難であり、その厚さがばらつく可能性があり、それは、接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドの厚さが、工具に関するあらゆるばらつきまたは凹凸に対処するように作製されなければならないことを意味する。さらに、工具は作製が困難かつ高価であり、工具が廃棄されるまでに比較的短い耐用寿命を有する。さらに、工具は硬化工程の後に取り外されなければならず、慎重に行われないと、取り外しの工程が、接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドの形成によって達成されるはずであったコイルの所望の偏位距離に、混乱または悪影響を与えかねない。
【０００５】
別の欠点は、接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドがうまく形成された後、作動中にパッドの硬化された接着材料が除気され得ることである。この除気は作動中、加速度計によって経験される十分に高い温度での休止の結果として一般に発生し、経時により接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドの厚さの変化（たとえば収縮）が起こることが知られている。
【０００６】
それぞれの加速度計は、作動を認可される前にテストされ、個別の仕様シートを与えられる。個別の仕様シートは、基線のバイアス係数および目盛係数の係数値を含む。しかしながら、作動中の接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドの除気は、パッドの厚さを変化させ、したがって、取り付けられたコイルと磁石に連結された磁極片との間の空間的な関係を変化させる。結果として、加速度計のバイアス係数および目盛係数は、その仕様シートの基線の値から外れ、いわゆる「仕様外」になる。
【０００７】
たとえば、従来式のＱ−ＦＬＥＸ（登録商標）加速度計においては、接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドを形成するのに用いられる接着剤は、高温における３００時間の休止まで安定しない。油井の掘削用途において、加速度計の最長期待寿命は、高温および高衝撃のために１０００時間であるが、他の用途では、期待寿命は２０年以上であり得る。正確なひな型を得るために、加速度計は、高温での３００時間が累積されるまで比較的頻繁に較正される必要があり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，１１１，６９４号
【特許文献２】米国特許第５，９５９，２０７号
【特許文献３】米国特許第５，７６３，７７９号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一般に、プルーフマスの部分を構成するリードのパドル表面に一体的に形成された偏位パッドまたはスペーサを用いて磁気回路から偏位されたプルーフマスを有するフレクチャタイプの加速度計に関する。一実施形態では、偏位パッドは、他の形状構成が基板にエッチングされるときに、同時にまたは同時期に、溶融シリカの基板またはブランクにエッチングされる。さらに、偏位パッドを形成するのに特殊工具は必要とされず、偏位パッドは、溶融シリカ基板の延長部であるので除気を受けにくい。有利には、偏位パッドの厚さは、加速度計の稼動寿命にわたって実質的に一定のままとなり、加速度計の基線のバイアス係数および目盛係数は、再計算される必要はなく、処理時間、複雑さ、およびコストが十分に低減される。
【００１０】
本発明の一態様では、加速度計用のプルーフマスは、外縁部材に回転可能に連結された可動式のシリカパドルを有するリードであって、シリカパドルが、シリカパドルに一体的に連結され、シリカパドルから延在する第１シリカ隆起パッドを有するリードと、シリカパドルに連結された上側および下側のコイル部材であって、シリカパドルがゼロ加速度をかけられるときに、第１シリカ隆起パッドが、コイル部材の少なくとも１つをシリカパドルからより遠くに、および加速度計の固定子内に配置された磁気回路のさらに中へ配置するように構成されるコイル部材とを含む。
【００１１】
本発明の別の態様では、加速度計は、少なくとも１つの空洞部を有する上側の固定子と、上側の固定子に連結され、少なくとも１つの空洞部を有する下側の固定子と、磁極片と整列された磁石を有する磁気回路であって、磁極片の少なくとも一部が、下側の固定子の少なくとも１つの空洞部内に受けられる磁気回路とを含む。加速度計は、プルーフマスをさらに含み、このプルーフマスは、外縁部材に回転可能に連結された可動式のシリカパドルを有するリードであって、シリカパドルが、シリカパドルに一体的に連結され、シリカパドルから延在する第１シリカ隆起パッドを有するリードと、シリカパドルに連結された上側および下側のコイル部材であって、上側のコイル部材の少なくとも一部が、上側の固定子の少なくとも１つの空洞部の中へ少なくとも部分的に延在し、下側のコイル部材の少なくとも一部が、下側の固定子の少なくとも１つの空洞部の中へ少なくとも部分的に延在し、シリカパドルがゼロ加速度をかけられるときに、第１シリカ隆起パッドが、少なくとも下側のコイル部材をシリカパドルからより遠くに、および磁気回路の磁石のより近くに配置するように構成されるコイル部材とを含む。
【００１２】
本発明のさらに別の態様では、加速度計用のプルーフマスを作製する方法は、（１）シリカ基板上に複数の形状構成を形成するようにシリカ基板を遮蔽するステップと、（２）外縁に回転可能に連結されたパドルを有するリードを形成するように、シリカ基板から所定量の材料を除去するステップと、（３）シリカ隆起パッドおよびパドルの実質的に平坦な表面を形成するように、パドルの他の部分を選択的に除去するステップであって、シリカ隆起パッドが、実質的に平坦な表面から延在し、実質的に平坦な表面に対して直角の方向に延在する厚さを有するステップと、（４）コイル部材をシリカ隆起パッドに取り付けるステップとを含む。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態および代替実施形態は、以下の図面を参照して下記に詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、プルーフマスの可動式のパドル上に配置された、一体的に形成された隆起パッドを有する加速度計の断面図である。
【図２】本発明の例示的な実施形態による、上側および下側のコイルに連結された、一体的に形成された隆起パッドを備えたリードを有する、図１のプルーフマスの図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による、上に形成された一体的に形成された隆起パッドを備えた図２のリードの図である。
【図４】図３の隆起パッドの拡大図である。
【図５】図４の線５−５に沿って取られた隆起パッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下の説明では、本発明の様々な実施形態の完全な理解をもたらすために、ある特定の詳細が述べられる。しかしながら、当業者は、本発明がこれらの詳細なくして、またはこれらの詳細の様々な組み合わせを用いて実施可能であることを理解するであろう。他の場合では、磁気回路から選択的に間隔を置かれたプルーフマスを有するフレクチャタイプの磁気回路加速度計に関連するよく知られた構造および方法、ならびに該加速度計を作製する方法は、本発明の実施形態の説明を不必要に不明瞭にするのを回避するために、詳細には図示または説明されない。
【００１６】
以下の説明は、一般に、溶融シリカの基板またはブランクから一体的に形成される１つまたは複数の隆起パッドを用いて、磁気回路から選択的に間隔を置かれたプルーフマスを有する、フレクチャタイプの磁気および容量回路加速度計に関する。一実施形態では、１つまたは複数の隆起パッドは、溶融シリカ基板に選択的にエッチングされ、したがって隆起パッド自体がシリカからなる。さらに、隆起パッドは、１つの作用コイルの少なくとも一部を、磁気回路の直線磁束領域に近接して、またはその領域内にさえも配置するのに十分な厚さを有する。このように、プルーフマスは、顧客へと出荷される前にそれぞれの個別の加速度計に関連したバイアス係数または目盛係数のいずれをも改作する必要なく、加速度計の選択された稼動寿命にわたって一貫した安定した方式で、磁気回路とともに機能するように構成される。
【００１７】
図１は、一般に「腹巻」と称されるストラップまたは帯１０６を使用して下側の（作用）固定子１０４に連結された上側の（非作用）固定子１０２を有する加速度計１００を示す。固定子１０２、１０４は、また、励磁リングまたはｅリングと一般に称される。下側の固定子１０４は、磁束空洞部１０８の周囲に磁気回路１１２の磁場１１０を掛けるように構成される磁束空洞部１０８を含む。図示の実施形態では、磁場１１０は、例示および説明の目的のためのみに磁束線として概略的に示されており、他の形態を取ったり、異なる方向に移動したりなどしてよい。磁気回路１１２は、磁石１１４と磁石１１４に連結された磁極片１１６とを含む。磁極片１１６は、磁束空洞部１０８に隣接して配置される穴１１８内に嵌るサイズにされる。さらに、上側の固定子１０２は、対応するサイズの穴１２０を含む。穴１１８、１２０の目的およびサイズは、下記にさらに詳しく説明される。
【００１８】
加速度計１００は、上側の固定子１０２と下側の固定子１０４との間に配置されるプルーフマス１２２をさらに含む。プルーフマス１２２は、上側の（非作用）コイル部材１２６と下側の（作用）コイル部材１２８との間に配置されるリード１２４を含む。分かりやすくするために、プルーフマス１２２の詳細な形状構成および態様は、以下の図面について下記に説明される。
【００１９】
図２は、本発明の例示的な実施形態によるコイル部材１２６、１２８の間に配置されたリード１２４を有するプルーフマス１２２を示す。一実施形態では、それぞれのコイル１２６、１２８は、アルミニウム製のボビン１３０を含み、ボビン１３０の周囲には銅線１３２が巻かれている。上側のコイル１２６は、リード１２４の上面１３４に配置され、磁石１１４（図１）または磁極片１１６（図１）と直接的には相互作用しないので、非作用コイルと称される。同様に、下側のコイル１２８は、下側の固定子１０４（図１）に受けられ、したがって作用磁気回路１１２の一部を形成するので、作用コイルと称される。
【００２０】
リード１２４は、たとえばフレクチャを介して、外縁１３８に機械的かつ回転可能に連結されたパドル１３６を含む。外縁１３８は、パドルの厚さ１４４より大きいスペーサの厚さ１４２をそれぞれが有する１つまたは複数のスペーサ領域１４０を含んでよい。フレクチャ１４６は、パドル１３６の後部分１４８を外縁１３８の対応する部分１５０に連結する薄い膜の形態を取ってよい。フレクチャ１４６は、パドル１３６を、フレクチャ線１５２を中心に＋Ｇまたは−Ｇの方向の両方に回転させる。±Ｇ方向は、コイル１２６、１２８の内径面１５１（図２）によって画定される円筒形の軸（図示せず）に対して実質的に平行である。
【００２１】
例示し、分かりやすくするために、図３は、取り付けられたコイル１２６、１２８を外したリード１２４を示す。パドル１３６は、複数の隆起パッド１５６を実質的に、しかし完全にではなく囲む複数の熱絶縁アームまたは応力除去形状構成１５４を含む。例として、米国特許第５，１１１，６９４号は、パドル１３６にコイル１２６、１２８を取り付けるいくつかの取り付け部位を説明し、この取り付け部位が、熱的に誘導されたひずみを吸収する応力除去形状構成として働き得ることをさらに説明する。
【００２２】
隆起パッド１５６は、パドル１３６と一体的に形成される。図示の実施形態では、隆起パッド１５６およびパドル１３６は、両方とも、溶融シリカ基板またはブランクから形成され、形成工程の間、材料は除去され得るが、加えられない。一実施形態では、形成工程は、シリカ構造体を作製する当技術において既知のエッチング工程およびリソグラフィパターニング工程を含み得る。それゆえに、隆起パッド１５６は、リード１２４の１つまたは複数の他の形状構成がエッチングで形成されるときに、同時にまたは同時期に形成可能である。シリカ隆起パッド１５６は、弓形または長方形の形状のパッドなどであるがこれに限定されない様々な形状を取ることができる。さらに、シリカ隆起パッド１５６は、応力除去形状構成１５４に一体的に連結される。
【００２３】
複数のシリカ隆起パッド１５６が、対称軸１５７に対して配置されてよい。図３の例示的な実施形態では、パドル１３６上に対称的に配置された４つのシリカ隆起パッド１５６がある。ある実施形態では、少なくとも左右および上下の対称性を有することは、コイル１２６（図２）の中央を、磁石１１４、磁極片１１６および穴１１８、１２０（図１）と同軸上に整列して配置するように働いてよく、一方で前後の対称性は、加速度計の感知軸に沿った不整列を低減することを助けてよい。
【００２４】
図４および５は、上側パッド表面１６０と下側パッド表面１６２とによって画定されるパッド厚さ１５８をそれぞれが有するシリカ隆起パッド１５６を示す。パッド厚さ１５８は、パドル厚さ１４４（図２）よりも大きい。パッド厚さ１５８は、下側のコイル１２８（図１）がパッド１５６に連結されるとき、下側のコイル１２８（図１）の少なくとも一部が、磁極片１１６（図１）の頂部部分の近くの磁束の大きい勾配による影響を受けにくいように、十分な量だけ磁場１１０（図１）の中へ延在するように選択される。磁気回路１１２（図１）の直線性は、磁極片１１６（図１）の頂部の近くでより大きい勾配を有し、磁極片１１６（図１）と磁石１１４（図１）との間の界接面の近くでより小さい勾配（すなわち、より直線）を有することが知られている。それぞれのコイル１２６、１２８は、薄い接着材料または結合材料を用いてそれぞれの隆起パッド１５６に連結される。
【００２５】
たとえばリソグラフィパターニングによるなど、パッドをエッチングすることによって、パドル１３６と同時または同時期に隆起パッド１５６を一体的に形成することは、隆起パッド１５６を作製するために現在使用されているクローバー形状の工具の必要を有利には排除する。具体的には、上記の一体的に形成された隆起パッド１５６は、クローバー形状の工具を排除し、製造される加速度計につき少なくとも２つの製造ステップを排除することによって、プルーフマス１２２の製造工程を単純化する。さらに、シリカ隆起パッド１５６は、より堅牢で、背景技術において説明された接着剤ベースのコイル／リード隆起パッドに関連する除気および劣化の問題に影響されにくい。同様に、シリカ隆起パッド１５６は、その寿命にわたって加速度計の安定性および作動の一貫性を向上させ、一方で、磁気回路の直線範囲により近く、またはその範囲内に作用コイルを配置する目的を達成する。
【００２６】
上述される様々な実施形態は、さらなる実施形態を提供するために組み合わせ可能である。この明細書に参照された上記の米国特許、特許出願、および出版物の全て、ならびに米国特許第５，９５９，２０７号、第５，７６３，７７９号、および第５，１１１，６９４号は、その全体が本明細書に援用される。さらなる実施形態を提供するために、態様は、必要に応じて、様々な特許、特許出願および出版物の装置、形状構成、および概念を用いるように変更可能である。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態が、上記のように例示され、説明されてきたが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、多くの変更が行われ得る。したがって、本発明の範囲は、好ましい実施形態の開示によっては限定されない。代わりに、本発明は、以下の請求項を参照して完全に確定されるべきである。
【００２８】
独占的な所有権または特権が請求される本発明の実施形態は、以下のように規定される。
【符号の説明】
【００２９】
１００  加速度計
１０２  上側の固定子
１０４  下側の固定子
１０６  帯
１０８  磁束空洞部
１１０  磁場
１１２  磁気回路
１１４  磁石
１１６  磁極片
１１８  穴
１２０  穴
１２２  プルーフマス
１２４  リード
１２６  上側のコイル部材
１２８  下側のコイル部材
１３０  ボビン
１３２  銅線
１３４  上面
１３６  パドル
１３８  外縁
１４０  スペーサ領域
１４２  スペーサの厚さ
１４４  パドルの厚さ
１４６  フレクチャ
１４８  後部分
１５０  部分
１５１  内径面
１５２  フレクチャ線
１５４  応力除去形状構成
１５６  隆起パッド
【図１】
2009192534.tif 000003
【図２】
2009192534.tif 000004
【図３】
2009192534.tif 000005
【図４】
2009192534.tif 000006
【図５】
2009192534.tif 000007
【外国語明細書】
2009192534000001.pdf