JP3249312B2

JP3249312B2 - 管体伝送装置

Info

Publication number: JP3249312B2
Application number: JP26548994A
Authority: JP
Inventors: 良輔谷口; 隆史島田; 隆博坂本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 2002-01-21
Anticipated expiration: 2017-01-21
Also published as: JPH08130511A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば石油やガス井
の掘削時等に用いて、地中情報をリアルタイムに地上に
伝送する管体伝送装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、掘削コストの低減や安全性の向上
を図り、即座に掘削情報を入手して掘削制御をするため
に、掘削しながら地層情報や掘削情報をリアルタイムで
地上に伝送するＭＷＤ（Measurement While Drilling）
システムが開発されている。この技術は例えばヨーロッ
パ特許公開ＥＰ０５５２８３３Ａ１号公報に記載されて
いるように、圧電セラミックスを発信源として用いた音
波による管体伝送システムである。

【０００３】図１４は従来の管体伝送システムの坑底の
システム構成を示す側面図である。図において、１は圧
電セラミックスを用い、この圧電セラミックスのピエゾ
効果を用いて発信させる発信器であり、バースト電圧を
印加することにより超音波振動が発生する。２は受信側
のレシーバ管、３は受信した音波を電気信号に変換する
受信トランスデューサ、４はＭＷＤツール、５はドリル
パイプであり、このようにして継ぎ足されたドリルパイ
プ５の列をドリルストリングという、６はドリルパイプ
５を連結するためのドリルカラーである。

【０００４】次に動作について説明する。発信器１から
発生した超音波は、ドリルカラー６、ドリルパイプ５か
ら成る管体に伝達され、上方に伝搬する。この従来例で
は、管体の途中に設置されたレシーバ管２上の受信トラ
ンスデューサ３により超音波が受信され、更にＭＷＤツ
ール４を介して、例えばマッドパルスを用いた方法で地
上に向けて情報が送信される。

【０００５】図１５は発信器の構造を示した分解斜視図
であり、図において、７は積層されたセラミックス結晶
である。図１６は発信器の断面図であり、８はスプリン
グ等の弾性体、９は発信器１と管体を結合するカップリ
ング部である。発信器１は管体に設けられた凹所に設置
され、一端のカップリング部９がドリルストリングの横
表面に押し当てられ、弾性体８が発信器１の振動を管体
にカップルするようにバイアス力を積層セラミックス結
晶７に与える構造となっている。

【０００６】次に、管体を伝搬する波形信号について説
明する。図１７（ａ）は従来例の管体伝送装置の発信器
の駆動電圧波形を示す波形図であり、図１７（ｂ）は従
来例の管体伝送装置の伝搬信号波形を示す波形図であ
る。図において、１０は発信器１の駆動電圧波形、１
１、１２は管体で発生する伝搬波形である。

【０００７】管体を伝搬する信号は、まず発信器１の共
振周波数に対応する約２０ｋＨｚの周波数の搬送波を４
波バースト電圧としてセラミックス結晶７に印加し、セ
ラミックス結晶７を励振する。このセラミックス結晶７
の振動はカップリング部９を介して管体に伝搬し、これ
により縦波１１、横波１２から成る超音波振動が管体に
発生する。

【０００８】さらに、発信器１の励振電圧の変調方式を
説明する。図１８（ａ）は従来例の管体伝送装置の発信
器のビット”１”を示す電圧波形図であり、図１８
（ｂ）は従来例の管体伝送装置の発信器のビット”０”
を示す電圧波形図である。この励振電圧はリピートレー
トでコード化され、第一のレートはビット”１”に対応
させ、この従来例では６．２ｍｓｅｃであり、第二のレ
ートはビット”０”に対応させて、この従来例では１
２．４ｍｓｅｃである。

【０００９】発信器１から伝搬された超音波振動はドリ
ルストリングを上方に伝搬し、発信器１と同様の構造を
した受信トランスデューサ３で検出され、この受信トラ
ンスデューサ３の圧電結晶の振動により出力電圧が発生
される。あるいは、圧電加速度計が前記超音波振動の検
出に用いられる。

【００１０】受信トランスデューサ３で検出された弾性
波は、電気信号に変換された後、図示しないフィルタを
介して雑音成分を除去し、更に図示しないＡ／Ｄ変換器
でディジタル信号に変換され、ＭＷＤツール４に入力さ
れ、例えばマッドパルスにより更に上方に伝送される。

【００１１】しかし、従来の管体伝送装置では、圧電セ
ラミックスを用いてこの圧電セラミックスのピエゾ効果
を用いて音響信号を発生させるように構成されているの
で、リピートレートで変調するにしても搬送波が必要と
なるが、この搬送波による励磁は、エネルギーの伝達が
カップリング部９による振動結合によるため、管体への
エネルギーの伝達に限界があり、圧電セラミックスの効
率を低下させていた。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】従来の管体伝送装置は
以上のように構成されているので、圧電セラミックスの
効率は１％以下と極めて悪く、搬送波直接励振による管
体伝送を行うためには大きなエネルギーを出力すること
ができる大型発振子とそれに伴う大型電源を確保する必
要があった。しかし、発信器１を格納しているドリルパ
イプ５自体が細いため、大型発振子とそれに伴う大型電
源を確保することは極めて困難であり、その結果、従来
の管体伝送装置は、例えばマッドモータを介した十数ｍ
のローカル伝送にしか使用することができず、地中情報
を数ｋｍにおよぶ坑底から地上へ伝送することは困難で
あるなどの問題点があった。

【００１３】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、地中情報の管体伝送の効率を向
上させ、伝送距離を延ばすことができる管体伝送装置を
得ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る管
体伝送装置は、地中情報にもとづいて励磁電流を磁歪素
子に供給し弾性波を発生させるとともに、共鳴管体が磁
歪素子の固有周波数と同じ周波数で共振し、この共振振
動をドリルストリング中に伝搬させるようにしたもので
あり、共鳴管体を磁歪素子で発生した弾性波の伝搬速度
と共鳴管体の全長で決まる固有周期で共振するようにし
たものである。

【００１５】

【００１６】

【００１７】請求項２の発明に係る管体伝送装置は、地
中情報にもとづいて励磁電流を磁歪素子に供給し弾性波
を発生させるとともに、共鳴管体が磁歪素子の固有周波
数と同じ周波数で共振し、この共振振動をドリルストリ
ング中に伝搬させるようにしたものであり、磁歪素子の
発振周波数と共鳴管体の共振周波数とが重なり合うよう
に、磁歪素子に印加する励磁インパルス電流の周期を共
鳴管体の固有周期と一致させるようにしたものである。

【００１８】請求項３の発明に係る管体伝送装置は、磁
歪素子を共鳴管体の振動振幅を最大にするように共鳴管
体の中央に位置させるようにしたものである。

【００１９】

【作用】請求項１の発明における管体伝送装置は、複数
の検出器により地中情報を検出させ、磁歪発生制御装置
によりこれらの複数の検出器からの地中情報に基づいて
励磁電流を出力し、磁歪素子により磁歪発生制御装置か
らの励磁電流に応じて弾性波を発生させ、磁歪素子の固
有周波数と同じ周波数で共振するとともに、この共振振
動を上側に位置するドリルストリングに伝搬する共鳴管
体を設けたことにより、磁歪素子の弾性波信号の振動エ
ネルギーを増大させることができるようになる。また、
磁歪素子で発生した弾性波の伝搬速度と当該共鳴管体の
全長で決まる固有周期で共振する共鳴管体を設けたこと
によって、磁歪素子の弾性波の振動エネルギーを増大さ
せることができるようになる。

【００２０】

【００２１】

【００２２】請求項２の発明における管体伝送装置は、
複数の検出器により地中情報を検出させ、磁歪発生制御
装置によりこれらの複数の検出器からの地中情報に基づ
いて励磁電流を出力し、磁歪素子により磁歪発生制御装
置からの励磁電流に応じて弾性波を発生させ、磁歪素子
の固有周波数と同じ周波数で共振するとともに、この共
振振動を上側に位置するドリルストリングに伝搬する共
鳴管体を設けたことにより、磁歪素子の弾性波信号の振
動エネルギーを増大させることができるようになる。ま
た、共鳴管体の固有周期と一致した励磁インパルス電流
の周期で振動加速度を生じさせることができる磁歪素子
を設けたことにより、磁歪素子の弾性波の振動エネルギ
ーに共鳴管体の振動エネルギーが重畳され、磁歪素子の
弾性波信号の振動エネルギーをさらに増大させることが
できるようになる。

【００２３】請求項３の発明における管体伝送装置は、
磁歪素子を中央に位置させた共鳴管体を設けたことによ
り、共鳴管体の最大の振動エネルギーを磁歪素子の弾性
波の振動エネルギーに重畳させることができるようにな
る。

【００２４】

【実施例】

実施例１．以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図１はこの発明の一実施例による管体伝送装置を
示す構成図であり、図２はこの発明の一実施例による管
体伝送装置の送信器管を示す構成図である。図におい
て、２１は送信器を収納した送信器管、２２は後述の磁
歪発生制御装置を収納するとともに、後述の磁歪発振子
（磁歪素子）３４が中央部に装着された共鳴管体、２３
はマッドタービン発電機、２４はドリルパイプ、２５は
坑底の検出器、２６は音響センサ２６ａを収納した受信
管（音波受信機）、２７は地上に設置されデータを記録
蓄積するためのロギングステーションである。

【００２５】２８は共鳴管体２２に搭載される磁歪発生
制御装置であり、磁歪発振子３４に励磁電流を供給する
とともに、インパルス電流を供給する。２９は検出器２
５との情報通信を行う情報通信機構、３０は検出器２５
の検出したデータを坑底から地上への伝送信号に衝撃変
調する変調回路、３１はマッドタービン発電機２３から
供給された電力を変調回路３０や他の電子回路に定電圧
で供給する制御用電源、３２は発振子に高電流を供給す
る定電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ、３３はインパルス電流
を流す高速スイッチング回路（励磁インパルス電流発生
回路）である。３４は磁歪発生制御装置２８からの励磁
電流を供給されることにより磁歪現象を生じる磁歪発振
子であり、この磁歪現象により生じた弾性波はドリルス
トリング中を伝搬する。

【００２６】また、衝撃変調とは１ビットの情報を代表
的には１個の衝撃インパルスで変調する変調方式のこと
であり、例えばビット”１”を衝撃インパルスを印加し
て、ビット”０”を衝撃インパルスを印加しないで変調
することによって表現する。衝撃変調によれば搬送波を
用いた変調方式に比べて伝送媒体であるドリルパイプ２
４に有効にエネルギーの伝達を図れる効果がある。但
し、１ビットの情報を複数の衝撃インパルスで変調する
ことも可能である。

【００２７】次に、磁歪発振子３４の構成について説明
する。図３はこの発明の一実施例による管体伝送装置の
磁歪発振子の構成を示す斜視図である。図において、３
５はコア形状をした磁歪材、３６は磁歪材３５の歪み方
向と直角方向に巻回された励磁巻線である。励磁巻線３
６には励磁電流が供給され、磁歪材３５に磁界を発生
し、この磁界により磁歪材３５に急峻な磁歪現象が発生
する。磁界の印加により歪みを発生する磁歪材３５とし
ては、ニッケルやコバルト等の金属系の磁歪材料のほ
か、超磁歪材料としてターフェノールＤ（Terfenol-D）
等の材料が知られている。本実施例では材料強度の大き
い金属材料として例えばニッケル系の磁歪材料を使用す
る。

【００２８】励磁巻線３６に急峻なインパルス電流を流
し磁歪材３５に磁界を印加する際、磁歪材３５が金属、
例えばニッケルである場合には、磁界の変化に反応して
磁歪材３５の内部で渦電流が磁歪材３５の断面（磁界と
垂直面）内で外部磁界を打ち消す方向に発生し、磁歪材
３５の内部に有効な磁界が印加されない現象が起こる。
この現象の発生を防ぐため、磁界と垂直な断面内で渦電
流が発生しにくいように、磁歪材３５を絶縁層を介し
て、図３に示す薄板形状の磁歪材３５ａを積層して磁歪
材３５を構成している。このようにすることにより、磁
歪材３５の表皮のみにしか発生しなかった磁歪現象が、
積層磁歪構造内の全体で発生できる。

【００２９】図４はこの発明の一実施例による管体伝送
装置の磁歪発振子の磁気回路を示す側面図、図５はこの
発明の一実施例による管体伝送装置の磁歪材の磁歪特性
を示すグラフ図である。磁界の印加による磁歪材３５の
歪みは、磁界の向きにかかわらず一方向に伸縮する特性
を示す。純ニッケルの磁歪材３５の場合は、磁界印加に
ともない磁界方向に縮む特性がある。磁歪発振子３４の
形状を図４のように閉回路とし、それぞれの励磁巻線３
６ａ、３６ｂを同一の巻回数Ｎ１、Ｎ２で互いに反対方
向に巻回することにより、励磁巻線３６ａ、３６ｂによ
り磁歪発振子３４に発生する磁界が磁歪材３５の内部で
磁気的に閉回路となるように構成されている。磁歪発振
子３４の両翼の磁界３７ａ、３７ｂは逆向きであるが、
長軸側端面における磁歪の変化ε1 、ε2 は左右で同じ
方向に変化するため、この磁歪発振子３４は全体として
長軸方向に伸縮する。言い換えれば、磁気リターン回路
構成も磁歪に有効に作用する、磁気リークの極めて少な
い磁歪発振子３４を提供することに寄与する。

【００３０】図６（ａ）はこの発明の一実施例による管
体伝送装置の磁歪発振子を示す平面図、図６（ｂ）はこ
の発明の一実施例による管体伝送装置の磁歪発振子を共
鳴管体に装着したときの状態を示す側面断面図である。
図において、３８は磁歪材３５の音響放射面に接合され
た音響ホーンであり、固定用ボルト３９及び固定ナット
４０により一定の締め付けトルクにより共鳴管体２２に
圧接されている。４１はジャッキボルト４１ａ及び回り
止め用固定ナット４１ｂにより当金４２を介して磁歪材
３５を音響ホーン３８に密着させるプリロード機構、４
３は磁歪材３５の上下方向の調節のための押え板、４４
は磁歪発振子３４の収容溝として共鳴管体２２に設けら
れた実装凹部である。

【００３１】また、音響ホーン３８は、共鳴管体２２へ
のエネルギー伝達において、磁歪発振子３４で発生した
急峻な加振力を効率よく共鳴管体２２に伝達するために
磁歪発振子３４の放射面に接合されている。この音響ホ
ーン３８は、エネルギーを集中させる理論的な形状であ
るエクスポーネンシャル形状構造を持ち、インパルス性
の加速度により発生した加振力のエネルギー密度を（エ
クスポーネンシャルに）集中増幅し、効率よく共鳴管体
２２へ注入するものである。

【００３２】また、本実施例の磁歪発振子３４は、該磁
歪発振子３４で発生される急峻な加振力を共鳴管体２２
に効率よく、かつ機械強度的に安全に伝達するために伝
達面に確実に密着させる必要がある。すなわち磁歪発振
子３４と共鳴管体２２の壁面との間に空隙があると急峻
な磁歪で発生する加振力により、磁歪発振子３４、音響
ホーン３８及び共鳴管体２２の壁面等に衝撃破壊が発生
する危険性がある。このため、磁歪発振子３４を共鳴管
体２２の壁面に確実に密着させ、衝撃破壊を防止するた
めにこのプリロードがなされている。磁歪発信子３４を
実際に共鳴管体２２中に実装するには、磁歪発信子３４
を実装凹部４４中に挿入した後、プリロード機構４１の
ジャッキボルト４１ａを回してプリロード機構４１を伸
長させればよい。こうすることにより、プリロード機構
４１の頭部と音響ホーン３８とがそれぞれ実装凹部４４
にがっちりと嵌着されて磁歪発信子３４と共鳴管体２２
との空隙はなくなる。

【００３３】次に磁歪発振子３４を共鳴管体２２の中央
に位置させたときの振動波形について説明する。図７は
この発明の一実施例による管体伝送装置の磁歪発振子を
共鳴管体の中央に位置させたときの振動を示す波形図で
ある。磁歪発振子３４の振動注入位置を共鳴管体２２の
中央にすると、共鳴管体２２の全長を一周期とする周波
数成分の弾性波４５が発生する。そこで、ドリルパイプ
２４中の伝搬速度が既知の時、共鳴管体２２の全長を変
更することで任意の共振周波数を得ることが可能にな
る。共鳴管体２２の全長は必要とする共振周波数と共鳴
管体２２の弾性波の伝搬速度で以下のように決定する。

【００３４】Ｌ₀ ＝Ｖ／ｆ_c0 ・・・（１）Ｌ₀ ：共鳴管体２２の全長（ｍ）Ｖ：伝搬速度（ｍ／ｓ）ｆ_c0：共振周波数（Ｈｚ）

【００３５】例えば、ドリルパイプ２４中を伝搬する弾
性波の伝搬速度Ｖが５００５ｍ／ｓｅｃ、共鳴管体２２
の全長Ｌ₀ を２．７８ｍ、音響ホーン３８の取付位置を
１．３９ｍとすると、１８００Ｈｚの共振周波数ｆ_c0を
得ることができる。

【００３６】以上のように、磁歪発振子３４の固有振動
数と同じ周波数で共振する共鳴管体２２に磁歪発振子３
４を装着することにより、共鳴管体２２で発生する振動
エネルギーが磁歪発振子３４で発生する弾性波の振動エ
ネルギーに加わり、磁歪発振子３４の振動エネルギーが
増大することになる。

【００３７】さらに、磁歪発振子３４を共鳴管体２２で
の最大の振動エネルギーを発生させる中央部に位置させ
ることにより、磁歪発振子３４の振動エネルギーがさら
に増大されることになる。

【００３８】次に磁歪発生制御装置２８について説明す
る。図８はこの発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪発生制御装置を示す構成図である。図９はこの発明の
一実施例による管体伝送装置の磁歪発振子にインパルス
電流を印加したときのドリルパイプに伝搬する弾性波を
示す波形図である。高速スイッチング回路３３は、外部
抵抗器３３ｂを介してコンデンサ３２ｄに充電された電
荷を磁歪発振子３４に供給するドライバであり、大電流
を流すことができる高速スイッチングトランジスタ３３
ａにより駆動する。スイッチング制御回路３３ｃはスイ
ッチングトランジスタ３３ａのゲートを制御する回路で
あり、変調回路３０内のパルス発生回路の出力タイミン
グでスイッチングトランジスタ３３ａを駆動し、コンデ
ンサ３２ｄに蓄えられた電荷を急速にスイッチングして
インパルス電流を発生する。このインパルス電流出力は
立ち上がり時間τが急峻であり、磁歪材３５が有する立
ち上がり応答速度と同程度の立ち上がり時間を有する電
流パルスである。このパルス電流の立ち上がり時間は、
磁歪発振子３４のインダクタンスＬと内部抵抗ｒによっ
て決まるが、立ち上がりの急峻なインパルス電流を流す
ため磁歪発振子３４と直列に外部抵抗器３３ｂを接続し
ている。

【００３９】高速スイッチング回路３３から出力された
インパルス電流は磁歪発振子３４に巻回された励磁巻線
３６により磁歪材３５の内部にインパルス電流に比例し
た大きさの磁界を発生させる。磁歪材３５内部での渦電
流による反磁界方向の反作用が無視できるため（磁歪発
振子３４が積層構造であるため）、磁歪材３５の内部磁
界の立ち上がりはインパルス電流の立ち上がりに等し
く、磁歪発振子３４のインダクタンスＬと外部抵抗器３
３ｂの抵抗値Ｒにより決まる立ち上がり速度で歪みが発
生する。磁歪発生時の加速度ａは以下の式２により求め
ることができる。

【００４０】ａ＝Δｌ／（Δｔ）² ・・・（２） Δｌ：歪量 Δｔ：立ち上がり時間

【００４１】磁歪材３５として例えば純ニッケルを使用
した場合、Δｌを数μｍ、Δｔを数十μｓｅｃとできる
ため、１０００Ｇ程度の加速度を実現することが可能で
ある。

【００４２】次に磁歪発振子にインパルス電流を印加し
ドリルパイプを伝搬してきた弾性波について説明する。
図１０はこの発明の一実施例による管体伝送装置の磁歪
発振子の励磁巻線に印加するインパルス電流列を示す波
形図、図１１（ａ）はこの発明の一実施例による管体伝
送装置の磁歪発振子に印加するインパルス電流の周波数
を共鳴管体の固有周波数に一致させなかったときの弾性
波を示す波形図、（ｂ）はこの発明の一実施例による管
体伝送装置の磁歪発振子に印加するインパルス電流の周
波数を共鳴管体の固有周波数に一致させなかったときの
弾性波の周波数成分を示す波形図、図１２（ａ）はこの
発明の一実施例による管体伝送装置の磁歪発振子に印加
するインパルス電流の周波数を共鳴管体の固有周波数に
一致させたときの弾性波を示す波形図、（ｂ）はこの発
明の一実施例による管体伝送装置の磁歪発振子に印加す
るインパルス電流の周波数を共鳴管体の固有周波数に一
致させたときの弾性波の周波数成分を示す波形図であ
る。

【００４３】図において、ｆ₀₀およびｆ₀₁は磁歪発振子
３４の固有周波数であり、ｆ_c0は共鳴管体の固有周波数
である。磁歪発振子３４に磁歪材３５の歪み応答速度よ
り、立ち上がりの早いインパルス電流、例えば、この実
施例ではパルス幅ｄｔを４０μｓに設定し、パルス列間
隔Ｔを５５５μｓで１０パルスのインパルス電流を流す
と磁歪が急激に発生し、強力、例えば、１０００Ｇを超
える振動加速度がおこり、この振動加速度によって、ま
ず、磁歪発振子３４自身のもつ構造、寸法による周波数
で共振した後に、この振動加速度は磁歪発振子３４を搭
載した共鳴管体２２に伝達され、共鳴管体２２の有する
構造寸法で決まる周波数で共振する（図１１参照）。な
お、共鳴管体２２の共振周波数は磁歪発振子３４の共振
周波数成分に比べると、成分は低いが、一定レベルの共
振周波数が生成されている。

【００４４】さらに、磁歪発振子３４に印加するインパ
ルス電流の周波数を共鳴管体２２の固有周波数ｆ_c0に一
致させることにより、すなわち、下記の式３に示すよう
に磁歪発振子３４のインパルス周期を共鳴管体２２の固
有周波数ｆ_c0と一致させることにより、振動エネルギー
が大きくなり、図１２（ｂ）に示すように共鳴管体２２
の固有周波数ｆ_c0の周波数成分が大きくなる。

【００４５】ｄＴ＝１／ｆ_c0 ・・・（３）ｄＴ：磁歪発振子に印加するインパルス電流の時間間隔ｆ_c0：共鳴管体の固有周波数

【００４６】このように、まず必要とする周波数に共振
する寸法構造の共鳴管体２２を作成し、これに比較的小
型の磁歪発振子３４を搭載して、強制的に複数のインパ
ルス電流で共振させることにより、低い周波数の弾性波
を生成することができる。

【００４７】次に衝撃変調について説明する。図１３は
この発明の一実施例による管体伝送装置の変調信号の出
力波形を示す波形図である。変調回路３０は、坑底の検
出器５により収集された情報をディジタルにて符号化
し、変調する機能を有している。この変調信号に基づき
高速スイッチング回路３３から駆動パルス列が出力され
る。本実施例においては前述した衝撃変調がなされる。

【００４８】衝撃変調により発生されるパルス列の時間
間隔はドリルパイプ５の伝搬特性により決定される。こ
れは、ドリルパイプ５を伝搬する音響波形がドリルパイ
プ５の伝搬時に減衰、反射、分散し、連続するパルス間
で干渉が起こるためである。このためディジタルにて符
号化された１ビットごとの情報を復調により情報の解読
が可能な時間間隔だけあけた後、次の１ビットの情報を
送出する。図１３の１行目が出力されるデータのビット
情報を表し、この情報を送出するための出力タイミング
を２行目に示している。本図の場合は、ビット列”１１
１００１０１００”のデータが送信される場合を示して
いる。ビットレートが１０ｂｉｔ／ｓｅｃのとき、タイ
ミングは１００ｍｓｅｃ毎であり、１００ｂｉｔ／ｓｅ
ｃのときは１０ｍｓｅｃごとである。この出力タイミン
グに対応して駆動電流が３行目に示すように出力され
る。インパルス電流に伴い、磁歪発振子３４が４行目に
示すように発振し、出力波形に示すようなインパルス性
の加速度が発生する。最終行の波形がこの加速度に伴う
衝撃力により励起されるドリルパイプ２４の伝搬波形で
ある。

【００４９】次に動作について説明する。坑底では各種
の検出器２５をドリルビット（図示なし）の近傍に配設
し、この検出器２５の検出した上述した各種情報を送信
器管２１内の情報通信機構２９を介して取り込み、変調
回路３０で衝撃変調する。すなわち、磁歪発振子３４の
磁歪材３５の応答速度と同一の立ち上がり速度の電流を
該磁歪発振子３４の励磁巻線３６に高速スイッチング回
路３３を介して流し、磁界が目的値に達した時点でその
電流を遮断する。すると磁歪材３５はその材料特性によ
って伸縮し、その伸縮特性によって強大な加速度を発生
させ、弾性波が発生する。該弾性波は信号となり、ドリ
ルストリングを伝搬し、地上の受信管２６に到達する。

【００５０】そして、受信管２６においては、受信管２
６でドリルストリングを伝搬して来た信号を検出し、フ
ィルタ（図示なし）で低周波雑音を除去した後、この信
号を送信アンテナ（図示なし）からロギングステーショ
ン７に送信する。ロギングステーション７では、受信ア
ンテナ（図示なし）、無線受信器（図示なし）でこの電
波を受信し、復調装置（図示なし）で復調して再びもと
のデータに戻す。これらの復調データはデータ出力装置
（図示なし）により、ディスクに保存したり、時間情報
又は掘削進度情報のもとにプリントアウトしたり、ディ
スプレイに表示したりする。また、他の掘削や地層の解
析システムと情報の通信を行う。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、地中情報に基づいて励磁電流を磁歪素子に供給し弾
性波を発生させるとともに、共鳴管体が磁歪素子の固有
周波数と同じ周波数で共振し、この共振振動をドリルス
トリング中に伝搬させるように構成し、共鳴管体を磁歪
素子で発生した弾性波の伝搬速度と共鳴管体の全長で決
まる固有周期で共振するように構成したので、地中情報
の管体伝送の効率を向上させ、伝送距離を延ばすことが
できる効果がある。

【００５２】

【００５３】

【００５４】請求項２の発明によれば、地中情報に基づ
いて励磁電流を磁歪素子に供給し弾性波を発生させると
ともに、共鳴管体が磁歪素子の固有周波数と同じ周波数
で共振し、この共振振動をドリルストリング中に伝搬さ
せるように構成し、磁歪素子に印加する励磁インパルス
電流の周期と共鳴管体の共振周波数とが重なり合うよう
に、磁歪素子の固有周期を共鳴管体の固有周期と一致さ
せるように構成したので、地中情報の管体伝送の効率を
向上させ、伝送距離を延ばすことができる効果がある。

【００５５】請求項３の発明によれば、磁歪素子を共鳴
管体の振動振幅を最大にするように共鳴管体の中央に位
置させるように構成したので、地中情報の管体伝送の効
率を向上させ、伝送距離を延ばすことができる効果があ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による管体伝送装置を示
す構成図である。

【図２】この発明の一実施例による管体伝送装置の送
信器管を示す構成図である。

【図３】この発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪発振子の構成を示す斜視図である。

【図４】この発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪発振子の磁気回路を示す側面図である。

【図５】この発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪材の磁歪特性を示すグラフ図である。

【図６】（ａ）はこの発明の一実施例による管体伝送
装置の磁歪発振子を示す平面図、（ｂ）はこの発明の一
実施例による管体伝送装置の磁歪発振子を共鳴管体に装
着したときの状態を示す側面断面図である。

【図７】この発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪発振子を共鳴管体の中央に位置させたときの振動を示
す波形図である。

【図８】この発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪発生制御装置を示す構成図である。

【図９】この発明の一実施例による管体伝送装置の磁
歪発振子にインパルス電流を印加したときのドリルパイ
プに伝搬する弾性波を示す波形図である。

【図１０】この発明の一実施例による管体伝送装置の
磁歪発振子の励磁巻線に印加するインパルス電流列を示
す波形図である。

【図１１】（ａ）はこの発明の一実施例による管体伝
送装置の磁歪発振子に印加するインパルス電流の周波数
を共鳴管体の固有周波数に一致させなかったときの弾性
波を示す波形図、（ｂ）はこの発明の一実施例による管
体伝送装置の磁歪発振子に印加するインパルス電流の周
波数を共鳴管体の固有周波数に一致させなかったときの
弾性波の周波数成分を示す波形図である。

【図１２】（ａ）はこの発明の一実施例による管体伝
送装置の磁歪発振子に印加するインパルス電流の周波数
を共鳴管体の固有周波数に一致させたときの弾性波を示
す波形図、（ｂ）はこの発明の一実施例による管体伝送
装置の磁歪発振子に印加するインパルス電流の周波数を
共鳴管体の固有周波数に一致させたときの弾性波の周波
数成分を示す波形図である。

【図１３】この発明の一実施例による管体伝送装置の
変調信号の出力波形を示す波形図である。

【図１４】従来の管体伝送システムの坑底のシステム
構成を示す側面図である。

【図１５】従来の管体伝送装置の発信器の構造を示し
た分解斜視図である。

【図１６】従来の管体伝送装置の発信器の断面図であ
る。

【図１７】（ａ）は従来例の管体伝送装置の発信器の
駆動電圧波形を示す波形図、（ｂ）は従来例の管体伝送
装置の伝搬信号波形を示す波形図である。

【図１８】（ａ）は従来例の管体伝送装置の発信器の
ビット”１”を示す電圧波形図、図１８（ｂ）は従来例
の管体伝送装置の発信器のビット”０”を示す電圧波形
図である。

【符号の説明】

２２共鳴管体、２６受信管（音波受信機）、２８
磁歪発生制御装置、３３高速スイッチング回路（励磁
インパルス電流発生回路）、３４磁歪発振子（磁歪素
子）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者坂本隆博長崎市丸尾町６番14号三菱電機株式会社長崎製作所内 (56)参考文献特開平７−294658（ＪＰ，Ａ) 特表平３−501408（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のドリルパイプを接続したドリルス
トリングの先端近傍に配設され、地中情報を検出する検
出器と、この検出器からの地中情報に基づいて励磁電流
を出力する磁歪発生制御装置と、磁歪現象による弾性波
を発生する磁歪材を有し、上記磁歪発生制御装置からの
励磁電流に応じて上記弾性波を発生させる磁歪素子と、
上記ドリルストリングの先端近傍に装着され、上記磁歪
素子の固有周波数と同じ周波数で共振するとともに、こ
の共振振動を上記ドリルストリングの他端に伝搬する共
鳴管体と、上記ドリルストリング中を伝搬する上記弾性
波を受信して電気信号に変換し出力する音波受信機とを
備え、上記共鳴管体は、上記磁歪素子で発生した弾性波の伝搬
速度と当該共鳴管体の全長で決まる固有周期で共振する
ことを特徴とする管体伝送装置。
【請求項２】複数のドリルパイプを接続したドリルス
トリングの先端近傍に配設され、地中情報を検出する検
出器と、この検出器からの地中情報に基づいて励磁電流
を出力する磁歪発生制御装置と、磁歪現象による弾性波
を発生する磁歪材を有し、上記磁歪発生制御装置からの
励磁電流に応じて上記弾性波を発生させる磁歪素子と、
上記ドリルストリングの先端近傍に装着され、上記磁歪
素子の固有周波数と同じ周波数で共振するとともに、こ
の共振振動を上記ドリルストリングの他端に伝搬する共
鳴管体と、上記ドリルストリング中を伝搬する上記弾性
波を受信して電気信号に変換し出力する音波受信機とを
備え、上記磁歪素子に供給する上記励磁インパルス電流の周波
数と上記共鳴管体の固有周波数とが一致するように、上
記磁歪素子に供給する上記励磁インパルス電流の周期を
上記共鳴管体の固有周期と一致させることを特徴とする
管体伝送装置。
【請求項３】上記磁歪素子は、上記共鳴管体の振動振
幅を最大にするように、上記共鳴管体の中央に位置させ
ることを特徴とする請求項１または請求項２記載の管体
伝送装置。