JP3374652B2 - 掘削管体伝送用弾性波発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、石油や天然ガス
などの坑井における坑底から地上への、または地上から
坑底への、あるいは坑底から他の坑底へ情報を伝達する
情報伝達装置に用いられる掘削管体伝送用弾性波発生装
置（以下、単に弾性波発生装置という場合もある）に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、掘削費用の削減や掘削作業の安全
性の向上を図ることを目的に、掘削しながら地層の情報
や掘削機の状態をリアルタイムに地上へ伝送するＭＷＤ
（Measurement While Drilling）システムが開発されて
いる。実用化されているＭＷＤシステムは情報の伝送手
段により、ａ．マッドパルス（Mud pulse）方式、ｂ．
電磁波方式の２つの方式が存在した。しかし、伝送レー
トや機器の信頼性もしくは適用可能な動作環境の制限に
より実用的には不十分なものであった。そこでこのよう
な課題を解決するために、掘削に用いられる管体を媒体
にした音響弾性波で情報の伝送を行う音響方式によるＭ
ＷＤシステムが注目されている。

【０００３】従来の音響方式によるＭＷＤシステムとし
て、圧電セラミックを発信源として用いた管体伝送装置
があった。図１２〜図１６は、例えばヨーロッパ特許庁
発行の特許出願公開公報 第０５５２８３３ Ａ１号公
報に記載された従来の管体伝送装置を示すものである。
図１２は音響弾性波を用いた管体伝送装置の構成を示す
側面図、図１３は発振器の構造を示す分解斜視図であ
る。図１４は発振器の装着状態を示す断面図である。図
１５は動作を説明するための波形図であり、図１５
（ａ）は発振器の駆動電流の波形を表す波形図、図１５
（ｂ）はドリルカラーに発生する音響弾性波を示す波形
図である。図１６は発振器の駆動電流変調方式を示すも
ので、図１６（ａ）は二進符号の“１”、図１６（ｂ）
は二進符号の“０”を表す信号波形図である。

【０００４】図１２〜図１６において、３０１は圧電セ
ラミックを用いた音響弾性波の発振器であり後述のドリ
ルカラー３０６に設けられた凹所に設置されている。３
０２は受信側のレシーバサブ、３０３はレシーバサブ３
０２の内壁に密着して設けられた受信トランスデュー
サ、３０４はＭＷＤツール、３０５はドリルパイプ、３
０６はドリルカラーである。レシーバサブ３０２はドリ
ルカラー３０６の途中に設けられている。

【０００５】ここで、発振器３０１の詳細構成を図１
３、図１４により説明する。これらの図において、３１
１は圧電素子３１１ａを積層して構成された振動子、３
１２は振動子３１１の一方の端部側に設けられたカップ
リング部である。３２１はスプリング等で構成された弾
性体である。発振器３０１はドリルカラー３０６に設け
られた凹所に図１４に示すように設置され、弾性体３２
１にてドリルカラー３０６を押圧することによりカップ
リング部３１２をドリルカラー３０６に押しつけるよう
にして装着されている。弾性体３２１は発振器３０１の
振動をドリルカラー３０６に伝達するようにバイアス力
を振動子３１１に与えるものである。３１４は電圧リー
ドであり、振動子３１１に電圧を印加するためのもので
ある。

【０００６】次に、動作について説明する。発振器３０
１より発生した音響弾性波は管体（ドリルカラー３０
６，ドリルパイプ３０５）に伝達され上方へ向けて伝搬
していく。音響弾性波はドリルカラー３０６の途中に設
置されたレシーバサブ３０２内の受信トランスデューサ
３０３により受信される。さらに、ＭＷＤツール３０４
を介して例えば掘削用の泥水に弾性波を発生させて情報
を伝送するマッドパルス方式のような方法で地上へ向け
て情報が送信される。

【０００７】ドリルカラー３０６に伝達される音響弾性
波を次のようにして発生する。発振器３０１の駆動電流
として振動子３１１の共振周波数に一致した周期の、例
えば図１５（ａ）に示されるような正弦波の交番バース
ト電流Ｊを印加する。振動子３１１を構成する圧電素子
３１１ａは印加された電流の大きさに応じて歪みを生ず
る特性を持つため、印加電流Ｊの周期に応じた振動が振
動子３１１より発生する。このとき、印加電流の周波数
を振動子３１１固有の共振周波数に合致させて与える
と、振動子３１１は共振振動を始め、振幅の大きな振動
が得られ、ドリルカラー３０６に図１５（ｂ）に示され
るような音響弾性波ＳＷを発生できる。なお、音響弾性
波ＳＷは励磁電流Ｊに対して時間ｔｄの遅れを生じる。

【０００８】次に、伝送される情報の変調方式について
説明する。伝送する情報は例えば二進符号化され、弾性
波に変調される。そこで、発振器３０１で発生させる音
響弾性波の間隔に伝送する二進符号を対応させて管体を
加振する。例えば、Ｔ１の加振間隔と伝送する二進符号
の“１”とを、Ｔ２の加振間隔と伝送する二進符号の
“０”とを対応させて情報を送信する。すなわち、送信
する二進符号が“１”の場合は図１６（ａ）に示すよう
に駆動電流をＴ１の間隔で流し、“０”の場合は図１６
（ｂ）に示すようにＴ２の間隔で駆動電流を流すことで
加振間隔の異なる弾性波を発生させて変調する。

【０００９】発振器３０１から送信された音響弾性波は
ドリルカラー３０６を上方に伝搬し、受信トランスデュ
ーサ３０３で検出される。受信トランスデューサ３０３
は検出する振動の大きさにしたがって電圧を出力し、送
信された音響弾性波を電気信号に変換する。

【００１０】受信トランスデューサ３０３で電気信号に
変換された音響弾性波信号は、フィルタなどで雑音成分
を除去したあと、時間間隔がＴ１の場合を二進符号の
“１”、時間間隔がＴ２の場合を二進符号の“０”に対
応づけることで送信された信号を復調する。復調された
ディジタル信号は、ＭＷＤツール３０４に入力され、例
えばマッドパルス方式のＭＷＤシステムにて更に上方に
送信される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】以上のように従来の管
体伝送装置の発信器３０１における振動子３１１は圧電
素子３１１ａの圧電効果を用いて音響弾性波を発生させ
るように構成されているので、次のような問題点があっ
た。

【００１２】すなわち、 （１）圧電素子の機械強度が金属材料に比較し弱いこ
と。 （２）圧電素子、例えば圧電セラミックはキュリー温度
が１２０［℃］程度であり、この温度を超えると歪みが
発生しなくなるので高温環境下では使用できないこと。 （３）電界を印加する方向と結晶歪軸が一致するため、
加振時に圧電素子自体の歪みにより電極部へストレスが
かかり、電極の損傷が懸念されること。 （４）圧電素子の厚さに応じてその発振周波数が固定さ
れてしまうので、管体の情報伝送に必要な低周波の加振
を実現するためには振動子３１１として１［ｍ］以上の
長さが必要となる。また、このような大型の振動子を駆
動するには、所用エネルギが大きすぎ坑底システムでは
電源の確保が極めて困難であること。

【００１３】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、磁歪材を用いて掘削の振動や高
い温度に耐えるとともに、情報を掘削管体により伝送す
るのに必要な大きさと周波数の弾性波を低電力で発生さ
せることのできる、また小型にできる掘削管体伝送用弾
性波発生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】この発明の請求項１に記
載の掘削管体電送用弾性波発生装置は、掘削管体を伝播
する弾性波の伝播速度と掘削管体の長さとに基づいて決
まる共振周波数に一致した共振周波数を有する磁歪振動
子を有し、伝送する情報を変調した励磁電流により磁歪
振動子を励磁することにより共振周波数と同じ周期を有
し掘削管体を伝播する弾性波を発生させるものである。
請求項１記載のものにおいては、磁歪振動子はキュリー
点が高いので高温環境下においても使用できる。また、
磁歪振動子は掘削管体の共振周波数と同じ共振周波数を
持つため、効率よく弾性波を発生させることができ、消
費電力が少ない。

【００１５】この発明の請求項２に記載の掘削管体電送
用弾性波発生装置は、励磁電流により掘削管体の共振周
波数の周期と同じ周期の交番弾性波を磁歪振動子に発生
させるものである。請求項２記載のものにおいては、交
番弾性波の周期と掘削管体の共振周波数の周期とが同じ
であるので、掘削管体が共振振動を起し、振幅の大きな
弾性波が発生する。

【００１６】この発明の請求項３に記載の掘削管体電送
用弾性波発生装置は、磁歪振動子が金属系の磁歪材料製
の薄板を積層して形成され、励磁電流が掘削管体の共振
周波数の周期の半分の周期を有する交流あるいは脈動分
が共振周波数の周期と同じ周期を有する脈動電流である
ものである。請求項３記載のものにおいては、金属系の
磁歪材料製の薄板はキュリー点が高く高温環境下におい
ても動作する。金属系の磁歪材料、例えばニッケルの場
合、励磁される磁界の極性によらず、縮む方向にのみ歪
むので、励磁磁界の極性を零点を中心に交番させると極
性が変化する毎に磁歪材は歪み、励磁電流の倍周期の振
動が発生する。これを回避するためには、直流の磁気バ
イアスを加えて、脈動電流とするか、交流を印加する場
合は、共振周波数の１／２の周波数の交流とする。

【００１７】この発明の請求項４に記載の掘削管体電送
用弾性波発生装置は、励磁電流が掘削管体の共振周波数
の周期と同じ周期を有するパルス列であるものである。
請求項４記載のものにおいては、パルス性の励磁電流を
磁歪振動子の共振周波数の周期に一致した周期で供給す
ることにより、掘削管体の共振振動を効率良く発生させ
る。

【００１８】この発明の請求項５に記載の掘削管体電送
用弾性波発生装置は、磁歪振動子の加振面が掘削管体に
おける軸方向の共振モードの節点と節点との間にあるよ
うにして掘削管体に弾性波を発生させるものである。請
求項５記載のものにおいては、磁歪振動子の加振面を伝
送する掘削管体の共振モードの節点と節点との間に設け
ることで、掘削管体の共振振動を効率良く発生させてい
る。

【００１９】この発明の請求項６に記載の掘削管体電送
用弾性波発生装置は、磁歪振動子の振動方向の一方の面
を加振面とし他方の面を自由振動端として一方の面によ
り掘削管体に弾性波を発生させるものである。請求項６
記載のものにおいては、磁歪振動子の振動方向の一方の
面のみを固定し、他方の面を自由振動端として弾性波を
発生させるので、磁歪振動子の長さを短くしても振幅の
大きな共振振動が発生する。

【００２０】

【発明の実施の形態】

発明の実施の形態１．図１〜図７はこの発明の実施の一
形態を示すものであり、図１はＭＷＤシステムである管
体電送装置を示す構成図、図２は掘削管体の断面図、図
３は弾性波発生装置の構成を示すブロック図である。図
４は弾性波発生装置の弾性波発生用管体への装着状態を
示す平面図である。図５は磁歪振動子を示すもので、図
５（ａ）は磁歪振動子の斜視図、図５（ｂ）は磁歪素子
の斜視図、図５（ｃ）は磁歪素子の平面図である。図６
は掘削管体の振動系をモデル化しその振動解析を行った
結果を示すモデル図、図７は振動系の軸方向の振動の伝
達関数を示す図である。

【００２１】図１において、１０はドリルビット、１１
は坑底センサ搭載用管体、１２は弾性波発生用管体、１
３は掘削管体、１４は受信用管体であり、これらが図示
のように直列に連結されている。受信用管体１４は掘削
管体１３の上方に設けられている。掘削管体１３は、こ
の実施の形態では、図６に示すように１０本の単管１３
ａを直列に接続して構成されている。単管１３ａは、図
２に示すように一本の長さＡが９［ｍ］で、その両端に
外形寸法の異なるジョイント部１３ｂ，１３ｃ（その長
さはそれぞれＢ，Ｃ）を有している。

【００２２】１６は復調装置であり、受信用管体１４に
設けられた図示しない受信トランスデューサ（図１２の
受信トランスデューサ３０３と同様のもの）により電気
信号に変換された音響弾性波信号を復調する。図３にお
いて、２１は坑底センサ搭載用管体１２に設けられた坑
底センサである。２２は弾性波発生装置であり、この実
施の形態においては弾性波発生用管体１２に図４に示す
ようにして設けられている。振動発生器２５は、図４に
おいて断面ではないが分りやすくするためにハッチング
を施して示した磁歪振動子２６が、図１４における従来
の振動子３１１と同様にして弾性波発生用管体１２に装
着されている。すなわち、振動面の一方の面がカップリ
ング部２８を介して弾性波発生用管体１２に当接し、他
方の面側がばね２９を圧縮した状態で弾性波発生用管体
１２に装着され、上記振動面の一方側が弾性波発生用管
体１２にばね２９の弾性力により押圧されている。

【００２３】次に、弾性波発生装置２２の詳細構成を図
３〜図５により説明する。弾性波発生装置２２は、図３
に示すように制御装置２３、励磁電流供給装置２４、振
動発生器２５を有する。振動発生器２５は磁歪振動子２
６、励磁コイル２７を有する。磁歪振動子２６は図５
（ａ）に示すように薄板の磁歪素子３１を所定枚数積層
・接着したものであり、対向する両辺に励磁コイル２７
が巻回されている。

【００２４】磁歪素子３１は、図５（ｂ）のような中抜
きの長方形の形状を有し、ニッケルの薄板で製作されて
おり、図５（ｃ）に示すような各部寸法を有している。
磁歪素子３１として、材料強度が大きくキュリー点の高
い金属系の磁歪材料、例えばキュリー点３５８［℃］の
ニッケルを選定すると高い温度の掘削環境にも耐える磁
歪振動子２６を得ることができる。

【００２５】磁歪振動子２６は、磁歪素子３１に磁歪素
子３１の歪み方向（図５の矢印Ｓ）と直角に励磁コイル
２７の素線が巻回され、この励磁コイル２７に電流を供
給することで磁界を発生させ磁歪現象を励起する。この
構造の特徴は磁歪材料（磁歪素子３１）とこの磁歪材料
を励磁する電気系（励磁コイル２７）とが鎖交関係にあ
り、かつ非接触で力学的に独立していることである。す
なわち、圧電素子のような電極へのストレスがなく、損
傷の懸念がない。

【００２６】また、励磁による渦電流損を低減するた
め、磁歪振動子２６は一般的に薄板の積層構造とされて
いるが、積層の方向と振動方向が直交関係にあり、各磁
歪素子３１の位相や振幅は同期して伸縮する。よって、
各磁歪素子３１の接着面を剥離するような大きな応力が
加わることなく磁歪振動子２６の強度を確保できる。

【００２７】一般に用いられる磁歪振動子２６は、上記
のように渦電流損を低減するため薄板に圧延した磁歪素
子３１を積層した角形の構造が採用されている。その共
振周波数は磁歪素子３１の形状寸法により決定される。
例えば、一般的に知られている角形の磁歪振動子２６の
場合、図５（ｃ）に示す各部寸法より一次共振周波数の
波長λは、次の（１）の特性方程式を満たし、その全長
は概ね共振周波数の１／４波長の整数倍となる。 ｔａｎ（α・２／π）・ｔａｎ（β・２／π）＝ｋ …（１） ここに、 ｋ＝Ｓｃ（柱部の面積）／Ｓｔ（端面部の面積） α＝４・ａ（端部の長さ）／λ（波長） β＝２・ｂ（柱部の長さ）／λ（波長） つまり、磁歪振動子２６の形状を変えることで任意の帯
域の共振振動を得ることができる。

【００２８】次に、掘削管体１３の振動解析の結果につ
いて説明する。図６は掘削管体１３が長さ９［ｍ］の単
管１３ａを１０本接続して構成されている場合の振動系
をモデル化し、その振動解析を行った結果を示す図であ
る。このような構造の単管１３ａを１０本接続した掘削
管体１３のモデルについて、その軸方向の振動モードを
解析する。その結果は、図７の曲線Ｇに示す伝達関数を
持ち、伝達効率の良い共振周波数において、その半波長
の整数倍と単管１３ａの全長Ａとが一致する。すなわ
ち、弾性波の伝播速度と掘削管体１３の全長で決まる周
波数で掘削管体１３は共振モードＭ、すなわち図６に示
す一次共振モードＭ１、二次共振モードＭ２、三次共振
モードＭ３で共振振動を起こす。例えば、三次共振周波
数は掘削管体１３の２／３倍の波長を持ち、弾性波の伝
播速度を５０００［ｍ／ｓ］、単管長９［ｍ］とする
と、８３３［Ｈｚ］となる。

【００２９】したがって、磁歪振動子２６の共振周波数
を掘削管体１３の共振周波数に一致させることで振幅の
大きな振動を効率よく掘削管体１３に発生させることが
可能となり、より大深度からの情報伝送が可能となる。
制御装置２３はこのような周波数である三次共振周波数
８３３［Ｈｚ］を発生させるようにしている。なお、こ
のように従来のものに比し数十倍高い数百ヘルツの搬送
周波数を用いているため、情報の伝送レートが数倍ない
し十数倍向上する。

【００３０】ニッケルの場合、励磁される磁界の極性に
よらず、縮む方向にのみ歪む。よって、励磁磁界の極性
を零点を中心に交番させると極性が変化する毎に磁歪材
は歪み、励磁電流の倍周期の振動が発生する。これを回
避するためには、直流の磁気バイアスを加える。このた
めに、制御装置２３により励磁電流供給装置２４を制御
して直流電流を励磁電流に重畳して脈動電流としてい
る。なお、磁歪振動子２６にプリストレスを与え外部の
応力によりあらかじめ歪みを生じさせたり、磁歪素子３
１を着磁して残留磁気を持たせたりする方法が採られる
場合もある。また、交流を印加する場合は、上記共振周
波数の１／２の周波数の交流とする。

【００３１】次に動作について説明する。本装置は石油
およびガス井掘削で使用する目的で構成されたＭＷＤ
（Measurement While Drilling）システムであり、単管
体を接続した掘削管体（ドリルストリング）を介して伝
播する音響弾性波で坑底の地層、掘削状況、方位などの
情報を地上に送信し、掘削の安全と効率を高め掘削費用
の削減を行おうとするものである。

【００３２】坑底センサ２１で得られた情報は、弾性波
発生用管体１２に実装された弾性波発生装置２２にて変
調され、伝送する情報を含んだ弾性波を掘削管体１３に
発生する。地上では伝送されてきた弾性波を受信用管体
１４にて受信し、復調装置１６にて信号を復調し、坑底
の情報を得る。

【００３３】磁歪現象による歪みの大きさは、励磁電流
の大きさに比例し、その応答速度は数十マイクロ秒（μ
ｓ）以下と必要な情報の伝送速度に比べて充分速い。そ
こで、励磁電流の周波数や位相、振幅などを送信する信
号に対応して変化させると、情報に対応した弾性波が磁
歪振動子２６より発生し情報の伝送が可能となる。ま
た、磁歪振動子２６の共振周波数を上記のように掘削管
体１３の共振周波数に一致させ、振幅の大きな振動を効
率よく掘削管体に発生させることができるようにしてい
る。

【００３４】ここで、圧電セラミックの振動子の場合と
磁歪振動子の場合とについてその寸法及び弾性波を発生
させるのに必要な電力を試算する。圧電セラミックの材
料特性として、厚み伸び特性（ＴＥ）モードの周波数定
数がＨのとき、その厚みδ［ｍ］は、周波数をｆ１［Ｈ
ｚ］とすると、次の式で求められる。 δ＝Ｈ／ｆ１ 圧電材料として、例えばＰＺＴ−４（米国、クレイバイ
ト社の商品名）のＴＥモードの周波数定数は、２０００
［Ｈｚ・ｍ］と与えられており、管体伝送に必要な周波
数１０００［Ｈｚ］以下の周波数ではセラミックの厚み
は数メートルにも及ぶ（根岸・高木著 「超音波技術」
東京大学出版会刊 第３２頁〜第３６頁）。

【００３５】次に、必要な電力を見積る。例えば、圧電
セラミックを用いた洗浄機用の振動子（Bolt-clamped L
angevin type transducer:BLT ）の最大電気入力パワー
Ｐは、能力係数をＫ（通常０．４〜０．５程度）、圧電
セラミックの体積をＶ［ｃｃ］、周波数を１［ｋＨｚ］
とすると次式で見積ることができる（日本機械工業会編
「超音波工学」 コロナ社刊 第１０頁〜第１７頁）。 Ｐ＝Ｋ・Ｖ／ｆ いま、伝送に必要な周波数を１［ｋＨｚ］、セラミック
の長さを１［ｍ］、底面積を１００［ｃｍ×ｃｍ］とす
ると、必要な電力は５０［ｋＷ］になる。一方、磁歪振
動子の場合、最大５０［Ｗ］で１［ｋＨｚ］以下の振動
を発生させることが可能であり、消費電力を大幅に低減
できる。

【００３６】また、上記のように磁歪振動子２６と励磁
する励磁コイル２７は非接触な鎖交関係にあり、力学的
に独立しているため、圧電素子のような電極へのストレ
スがなく、損傷のおそれがなく、信頼性も高い。さら
に、磁歪素子３１の積層の方向と振動方向が垂直であ
り、各磁歪素子３１の振動の位相や振幅も同期して伸縮
するため、磁歪素子３１の接着面が剥離するような大き
な応力が加わることがなく振動子としての強度を保持で
きる。したがって、坑底の高温、高圧、掘削衝撃、例え
ば１７５［℃］、１４００気圧、２５０［Ｇ］などとい
った過酷な環境で使用可能となる。

【００３７】磁歪振動子２６は、一般的に磁歪素子３１
を積層した角形の構造を有し、その共振周波数は（１）
式で示したように磁歪材料３１の形状寸法で決定され
る。したがって、磁歪振動子２６の形状を変えることに
より、任意の帯域の共振振動を得ることができる。よっ
て、磁歪振動子２６の共振周波数を掘削管体１３の共振
周波数に一致させることにより、振幅の大きな振動を効
率よく掘削管体に発生させ、より大深度からの情報伝送
が可能となる。なお、磁歪振動子３１は、ニッケルの代
わりに他の金属系の磁歪材料、例えばアルフェロ合金
（鉄８７％、アルミニュウム１３％）等を使用すること
もできる。

【００３８】発明の実施の形態２．図８は、この発明の
他の実施の形態を示す弾性波発生装置における励磁電流
供給装置の出力波形を示す波形図である。図３における
磁歪振動子２６の励磁コイル２７に正弦波などの交流電
流を供給し、その周波数を磁歪振動子２６の共振周波数
に一致させることで、その共振振動を励起し、振幅の大
きな振動を掘削管体１３に発生させることができる。そ
こで、交流電流として例えば図８に示すように正弦波で
送信する符号を変調すれば、坑底の情報を効率よく伝送
できる。

【００３９】例えば、ＡＳＫ方式（振幅偏移変調方式、
Amplitude-shift keying変調方式）にて二値符号を変調
する場合、符号の“１”を加振“あり”に、符号の
“０”を加振“なし”に対応づけて符号列“１０１１”
を変調すれば、図８に示す励磁電流波形Ｊ１となる。

【００４０】発明の実施の形態３．図９は、さらにこの
発明の他の実施の形態を示す弾性波発生装置における励
磁電流供給装置の出力波形を示す波形図である。図３に
おける磁歪振動子２６は励磁電流の大きさに応じた振幅
の歪みを数十マイクロ秒（μｓ）以下の応答速度で発生
する。そこで、瞬時に大電流を励磁コイル２７に供給す
ることで、大きな振幅の歪みを低い消費電力で発生でき
る。

【００４１】この実施の形態においては、磁歪振動子２
６の励磁コイル２７に、このようなパルス性の励磁電流
を供給し、さらに電流を印加する時間間隔、すなわちパ
ルス間隔を磁歪振動子２６の共振周波数の周期に一致さ
せることで、その共振振動を励起し、振幅の大きな振動
を掘削管体１３に発生させる。すなわち、図９に示すよ
うに、パルス列で送信する符号を変調すれば、坑底の情
報を効率よく伝送できる。例えばＡＳＫ方式にて二値符
号を変調する場合、符号の“１”を加振“あり”に符号
の“０”を加振“なし”に対応づけて符号列“１０１
１”を変調すれば、励磁電流波形Ｊ２となる。

【００４２】発明の実施の形態４．図１０は、さらにこ
の発明の他の実施の形態を示す弾性波発生装置における
磁歪振動子の実装状態及び弾性波の波形を示す模式図で
ある。図において、ＮＤは掘削管体１３の共振振動Ｗの
節点である。掘削管体１３の共振モードでは共振周波数
により一定の間隔で振動の節ＮＤを持つ。共振振動の節
ＮＤは加振しても振動しない点であり、例えば一本の長
さが９［ｍ］の単管１３ａの場合、前述した図６におけ
る一次共振モードＭ１では９ｍ毎に、二次共振モードＭ
２では４．５ｍ毎に、三次共振モードＭ３では３ｍごと
に節ＮＤを持つ。

【００４３】よって、掘削管体１３に共振振動Ｗを発生
させるには、この節ＮＤをさけて、図１０のように節Ｎ
Ｄと節ＮＤとの間に被加振面（打点）１２ｄを設けて磁
歪振動子２６の加振面２６ａにより加振する。なお、被
加振面１２ｄから節ＮＤまでの距離Ｄが大きく振動の腹
に近いほど、掘削管体１３に共振振動を発生させる効率
は向上する。

【００４４】発明の実施の形態５．図１１はさらにこの
発明の他の実施の形態を示す磁歪振動子の弾性波発生用
管体への実装状態を示すもので、図１１（ａ）は断面
図、図１１（ｂ）は平面図である。これらの図におい
て、５２は弾性波発生用管体であり、図１における弾性
波発生用管体１２と同様のもので、その側面に長方形の
凹設部５２ａ、２本の溝５２ｂ、２個の箱穴５２ｃが設
けられており、凹設部５２ａの側壁が被加振面５２ｄと
されている。なお、図１１における左方が地上側であ
る。

【００４５】６１は固定部材であり、磁歪振動子２６の
振動方向から見て門形の形状を有する。固定部材６１
は、弾性波発生用管体５２の溝５２ｂに収容されたボル
ト６２ａを箱穴５２ｃにおいてナット６２ｂにより固定
することにより、図示のように磁歪振動子２６の加振面
２６ａを弾性波発生用管体５２の被加振面５２ｄに押圧
している。なお、図１１（ｂ）においては断面を表すも
のではないが磁歪振動子２６にハッチングをして表して
いる。

【００４６】上記のようにして装着された磁歪振動子２
６は、図１１（ａ）に示すような一次の共振モードＭ１
１、二次の共振モードＭ２２を有する。磁歪振動子２６
の共振周波数は（１）式の特性方程式を満たす周波数で
決定され、その一次共振周波数の半波長は単管１３ａの
全長にほぼ一致する（図６の波形Ｍ１を参照）。また、
例えば磁歪振動子２６の共振周波数の内、最長の波長を
持つ一次共振周波数を単管１３ａの三次共振周波数に一
致させるには、全長、約３ｍの磁歪振動子２６が必要と
なる。

【００４７】そこで、磁歪振動子２６の加振面２６ａを
固定部材６１で弾性波発生管体５２の被加振面５２ｄに
押圧固定し、他方の面を自由振動端として弾性波発生用
管体５２に実装する。この場合、図１１（ａ）の一次及
び二次共振モードＭ１１，Ｍ２２に示されるように、加
振面２６ａを振動の節、他方の面を振動の腹とするモー
ドで共振振動を起こす。このとき、一次共振周波数の１
／４波長が磁歪振動子２６の全長にほぼ一致する。

【００４８】磁歪振動子２６の全長を単管１３ａの三次
共振周波数に一致させると磁歪振動子２６の全長は１．
５ｍですむ。すなわち、加振面２６ａのみを固定する装
着方式を採ることにより、より小型の磁歪振動子２６で
その共振周波数を掘削管体の共振周波数に一致させ、効
率よく大きな振動を発生させることが可能となる。

【００４９】この場合、磁歪振動子２６にプリストレス
を加えると共振周波数は２倍になるため、励磁コイル２
７（図５）を直流電流が重畳された脈動電流で励磁した
り、磁歪素子３１自体をあらかじめ着磁したりする必要
がある。

【００５０】なお、図４、図１０、図１１の形態におい
ては、振動発生器２５を弾性波発生用管体１２に設け、
この弾性波発生用管体１２を掘削管体１３に連結して加
振するものを示したが、単管１３ａに磁歪振動子２６を
直接設けてもよい。また、弾性波は上記各実施の形態で
示した波形の励磁電流によって発生するものに限られ
ず、三角波等であってもよく、変調方式もその他のディ
ジタル変調方式であってもよい。

【００５１】

【発明の効果】以上のように、この発明の請求項１に記
載の掘削管体伝送用弾性波発生装置によれば、掘削管体
を伝播する弾性波の伝播速度と掘削管体の長さとに基づ
いて決まる共振周波数に一致した共振周波数を有する磁
歪振動子を有し、伝送する情報を変調した励磁電流によ
り磁歪振動子を励磁することにより共振周波数と同じ周
期を有し掘削管体を伝播する弾性波を発生させるもので
あるので、掘削の振動や高い温度に耐えるとともに、掘
削管体を伝搬する弾性波を低電力で発生させることがで
きる。

【００５２】この発明の請求項２に記載の掘削管体伝送
用弾性波発生装置によれば、励磁電流により掘削管体の
共振周波数の周期と同じ周期の交番弾性波を磁歪振動子
に発生させるものであるので、磁歪振動子の共振を効率
よく誘発でき、振幅の大きな弾性波を掘削管体に発生さ
せることが可能になる。

【００５３】この発明の請求項３に記載の掘削管体伝送
用弾性波発生装置によれば、磁歪振動子が金属系の磁歪
材料製の薄板を積層して形成され、励磁電流が掘削管体
の共振周波数の周期の半分の周期を有する交流あるいは
脈動分が共振周波数の周期と同じ周期を有する脈動電流
であるので、高い温度の環境下においても振幅の大きな
弾性波を掘削管体に発生させることができる。

【００５４】この発明の請求項４に記載の掘削管体伝送
用弾性波発生装置によれば、励磁電流が掘削管体の共振
周波数の周期と同じ周期を有するパルス列であるので、
低電力で磁歪振動子の共振を誘発でき、振幅の大きな弾
性波を掘削管体に発生させることが可能になる。

【００５５】この発明の請求項５に記載の掘削管体伝送
用弾性波発生装置によれば、磁歪振動子の加振面が掘削
管体における軸方向の共振モードの節点と節点との間に
あるようにして掘削管体に弾性波を発生させるものであ
るので、効率よく掘削管体の共振を発生させることが可
能となる。

【００５６】この発明の請求項６に記載の掘削管体伝送
用弾性波発生装置によれば、磁歪振動子の振動方向の一
方の面を加振面とし他方の面を自由振動端として一方の
面により掘削管体に弾性波を発生させるものであるの
で、小型の磁歪振動子でその共振周波数を掘削管体の共
振周波数に一致させることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の一形態を示す管体伝送装置
を示す構成図である。

【図２】 図１における掘削管体の断面図である。

【図３】 この発明の実施の一形態を示す弾性波発生装
置の構成を示すブロック図である。

【図４】 図３の弾性波発生装置の弾性波発生用管体へ
の装着状態を示す平面図である。

【図５】 この発明の実施の一形態における磁歪振動子
を示すもので、図（ａ）は磁歪振動子の斜視図、図
（ｂ）は磁歪素子の斜視図、図（ｃ）は磁歪素子の平面
図である。

【図６】 図１における掘削管体の振動系をモデル化し
その振動解析を行った結果を示すモデル図である。

【図７】 図１における掘削管体の振動系の軸方向の振
動の伝達関数を示す図である。

【図８】 この発明の他の実施の形態を示す弾性波発生
装置における励磁電流供給装置の出力波形を示す波形図
である。

【図９】 さらに、この発明の他の実施の形態を示す弾
性波発生装置における励磁電流供給装置の出力波形を示
す図である。

【図１０】 さらに、この発明の他の実施の形態を示す
弾性波発生装置における磁歪振動子の実装状態及び発生
する弾性波の波形を示す模式図である。

【図１１】 さらに、この発明の他の実施の形態を示す
磁歪振動子の弾性波発生用管体への実装状態を示すもの
で、図（ａ）は断面図、図（ｂ）は平面図である。

【図１２】 従来の音響弾性波を用いた管体伝送装置の
構成を示す側面図である。

【図１３】 従来の発振器の構造を示す分解斜視図であ
る。

【図１４】 図１３の発振器の装着状態を示す断面図で
ある。

【図１５】 動作を説明するための波形図であり、図
（ａ）は発振器の駆動電流の波形を表す波形図、図
（ｂ）はドリルカラーに発生する音響弾性波を示す波形
図である。

【図１６】 図１３における発振器の駆動電流変調方式
を示すもので、図（ａ）は二進符号の“１”、図（ｂ）
は二進符号の“０”を表す信号波形図である。

【符号の説明】

１２：弾性波発生用管体、１２ｄ：被加振面、１３：掘
削管体、１３ａ：単管、１４：受信用管体、１６：復調
装置、２２：弾性波発生装置、２３：制御装置、２４：
励磁電流供給装置、２５：振動発生器、２６：磁歪振動
子、２６ａ：加振面、２７：励磁コイル、３１：磁歪素
子、５２：弾性波発生用管体、５２ｄ：被加振面、６
１：固定部材。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−294658（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−130511（ＪＰ，Ａ) 米国特許5373481（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01V 1/02 E21B 47/00 E21B 47/01 G01V 1/40

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 磁歪現象により弾性波を発生する磁歪材
   で形成されるとともに掘削管体を伝播する弾性波の伝播
   速度と上記掘削管体の長さとに基づいて決まる共振周波
   数に一致した共振周波数を有する磁歪振動子を設けたも
   のであって、伝送する情報を変調した励磁電流により上
   記磁歪振動子を励磁することにより上記共振周波数の周
   期と同じ周期を有し上記掘削管体を伝播する弾性波を発
   生させる掘削管体伝送用弾性波発生装置。
2. 【請求項２】 励磁電流は、掘削管体の共振周波数の周
   期と同じ周期の交番弾性波を磁歪振動子に発生させるも
   のであることを特徴とする請求項１記載の掘削管体伝送
   用弾性波発生装置。
3. 【請求項３】 磁歪振動子は金属系の磁歪材料製の薄板
   を積層して形成されたものであり、励磁電流は掘削管体
   の共振周波数の周期の半分の周期を有する交流あるいは
   脈動分が共振周波数の周期と同じ周期を有する脈動電流
   であることを特徴とする請求項２記載の掘削管体伝送用
   弾性波発生装置。
4. 【請求項４】 励磁電流は、掘削管体の共振周波数の周
   期と同じ周期を有するパルス列であることを特徴とする
   請求項１記載の掘削管体伝送用弾性波発生装置。
5. 【請求項５】 磁歪振動子は、その加振面が掘削管体に
   おける軸方向の共振モードの節点と節点との間にあるよ
   うにして掘削管体に弾性波を発生させるものであること
   を特徴とする請求項１記載の掘削管体伝送用弾性波発生
   装置。
6. 【請求項６】 磁歪振動子の振動方向の一方の面を加振
   面とし他方の面を自由振動端として上記一方の面により
   掘削管体に弾性波を発生させるものであることを特徴と
   する請求項１記載の掘削管体伝送用弾性波発生装置。