JP3311484B2

JP3311484B2 - 信号伝送装置及び信号伝送方法

Info

Publication number: JP3311484B2
Application number: JP8694194A
Authority: JP
Inventors: 良輔谷口; 晋一服部; 隆博坂本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1994-04-25
Filing date: 1994-04-25
Publication date: 2002-08-05
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JPH07294658A; US5568448A

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
伝送する信号伝送装置及び信号伝送方法に関するもので
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）
システムが用いられている。このＭＷＤ技術の詳細につ
いては、例えば電気学会誌１１２巻１１号（平成４年発
行）の８７７頁乃至８８４頁に記載されている。

【０００３】図３０，３１，３２は、従来の信号伝送装
置及び信号伝送方法を示す概念図であり、図において、
１０１は地上に設けられた掘削リグ、１０２は掘削リグ
１０１に支えられ、坑井１００中で回転するドリルパイ
プである。ドリルパイプ１０２は所定の長さを有し（例
えば約９メートル）、その両端にネジが設けられてい
て、掘削時に坑井１００が深くなるにつれて、次々に継
ぎ足して全長を長くできるようになっている。

【０００４】このようにして継ぎ足されたドリルパイプ
１０２の列（この列を「ドリルストリング」と称する）
の先端部には、図３１に示すように、該ドリルパイプ１
０２を連結するためのドリルカラー１０２ａが接続さ
れ、更にその先端には切刃であるドリルビット１０２ｂ
が取り付けられ、ドリルパイプ１０２の回転によって坑
井１００を掘削するようになっている。

【０００５】１０３はドリルパイプ１０２中に泥の混じ
った水（これを「マッド」と称する）を地上から送り込
む泥水ポンプ、１０３ａは泥水を貯留しておく泥水タン
クである。泥水タンク１０３ａ中の泥水は、泥水ポンプ
１０３によってドリルパイプ１０２中に下方に向けて圧
送され、ドリルビット１０２ｂに達した後、坑井１００
とドリルパイプ１０２の外側との間を通って地上に向か
い、再び泥水タンク１０３ａ中に戻される。

【０００６】１０５ａ〜１０５ｎは坑底における掘削に
必要な情報を検出する各種の検出器であり、ドリルカラ
ー１０２ａの先端部に取り付けられ、次のような物理量
が検出される。すなわち、（１）掘削情報として：ドリルビット荷重、ドリルビッ
トトルク、曲げモーメント、振動値など（２）坑井情報として：方位（坑井が所定の方向に掘ら
れているか否かを評価するため）、傾斜、圧力、温度な
ど（３）地層評価情報として：地層ガンマ線量、地層比抵
抗（電気抵抗）などである。

【０００７】１０４ｂはドリルカラー１０２ａの先端部
に設けられ、検出器１０５ａ〜１０５ｎからの掘削中に
おける坑底からの各種検出信号を変調して、送信機１０
４に送信する変調装置である。１０４は変調装置１０４
ｂからの信号を増幅して送信アンテナ１０４ｃに出力す
る送信機である。

【０００８】１０４ａは送信機１０４、変調装置１０４
ｂ及び検出器１０５ａ〜１０５ｎ等に稼働電力を供給す
る発電機、１０４ｇは泥水の流れによって回転するター
ビンの動翼であり、この動翼１０４ｇの回転によって発
電機１０４ａが回転し、発電がなされる。１０４ｈは泥
水の流れの方向を変えるタービンの静翼である。

【０００９】以上の送信装置（送信機１０４、変調装置
１０４ｂ等）及び検出器１０５ａ〜１０５ｎは、図３１
に示すように、ドリルカラー１０２ａ内の格納容器１０
４ｆ内に収容され、泥水の影響を受けないように密封さ
れている。また、発電機１０４ａ、タービンもその上部
に結合されている。

【００１０】１０４ｃはドリルカラー１０２ａの外周部
分の一部に絶縁材１０４ｅにより隔てられて設けられた
送信アンテナであり、ドリルカラー１０２ａに絶縁され
て取り付けられたボルト１０４ｄによってドリルカラー
１０２ａを貫いて送信機１０４に電気的に接続されてい
る。

【００１１】１０６は地上に設けられた受信アンテナ、
１０７は受信アンテナ１０６で受信した信号を増幅する
受信増幅器、１０８は受信増幅器１０７からの信号を復
調する復調装置、１０９は復調装置１０８からの信号を
Ａ／Ｄ変換等の信号処理をした後、その値に記憶、演算
等のデータ処理を施すデータ処理装置、１１０はデータ
処理装置１０９からのデータを表示又は警報する表示装
置である。

【００１２】次に動作について説明する。石油やガス井
の掘削は、掘削リグ１０１からドリルパイプ１０２及び
ドリルカラー１０２ａを順次接続し、ドリルカラー１０
２ａの先端に取り付けたドリルビット１０２ｂを回転し
て行われる。掘削中は、泥水タンク１０３ａの掘削泥水
を泥水ポンプ１０３より送出し、ドリルパイプ１０２、
ドリルビット１０２ｂ、坑壁を通して泥水タンク１０３
ａに循環し、掘削屑を地上に搬出する。

【００１３】坑底には送信機１０４が設置され、泥水ポ
ンプ１０３から掘削泥水が送出され規定流量に達する
と、送信機１０４に搭載された発電機１０４ａが掘削泥
水により駆動されて起動し、送信機１０４に電力が供給
される。送信機１０４に電力が供給されると、検出器１
０５ａ〜１０５ｎで検出され、変調装置１０４ｂで変調
されたデータが送信機１０４から送信アンテナ１０４ｃ
に出力され、該送信アンテナ１０４ｃから地層中に電波
の形態で発信される。この電波を地上の受信アンテナ１
０６で受信し、受信増幅器１０７でフィルタリングと増
幅を行い、復調装置１０８に入力する。復調装置１０８
では、入力された信号の復調処理を行い、検出器１０５
ａ〜１０５ｎの検出したデータの形に復調する。この復
調されたデータはデータ処理装置１０９に入力され、該
データ処理装置１０９では入力されたデータを時間、深
度等の地上情報と照合して表示の目的に応じたデータ処
理を行い、表示装置１１０上に表示する。

【００１４】このような従来の電波による信号伝送装置
及び信号伝送方法は、例えばグルジンスキ（R.GRUDZINS
KI）他、「ドリルパイプストリングに沿った電磁波の伝
播を用いた遠隔測定（ TELEMETRY USING THE PROPAGATI
ON OF AN ELECTROMAGNETICWAVE A LONG A DRILL PIPE S
TRING ）」（MWD SYMPOSIUM PROCEEDINGS pp49-51,FEBR
UARY 26-27 1990, LOUISIANA STATE UNIVERSITY, LOUIS
IANA）に記載されているように、電波は地中での減衰が
比較的大きくて到達距離が短く、例えば６０００メート
ル級の深井戸には適用しにくい欠点があった。

【００１５】電波を信号伝送媒体として用いた場合のこ
のような欠点を解消するため、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
管体伝送システムが提案されている。

【００１６】図３３はこ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、３３２は
圧電セラミックスを用いた発信器、３３４は受信側のレ
シーバサブ、３３５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、３１９はＭＷＤツール、３１
１はドリルパイプ、３１２はドリルカラーである。

【００１７】次に動作について説明する。発信器３３２
から発生した超音波は、ドリルカラー３１２、ドリルパ
イプ３１１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サブ
３３４上の受信トランスデューサ３３５により前記超音
波が受信され、更にＭＷＤツール３１９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。

【００１８】図３４は発信器３３２の構造を示した分解
斜視図であり、図において、３７２は積層されたセラミ
ックスの結晶である。図３５は発信器３３２の断面図で
あり、３５３はスプリング等の弾性体、３３７は発信器
３３２と管体を結合するカップリング部である。発信器
３３２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３３７がドリルストリングの横表面に押し当
てられ、弾性体３５３が発信器３３２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３
７２に与える構造となっている。

【００１９】図３６は図３３〜図３５の従来例の発信器
３３２の駆動電圧波形（図３６（１））と管体の伝搬信
号波形を表す波形図である（図３６（２））。符号３６
６は発信器３３２の駆動電圧波形、３６７，３６８は管
体で発生する伝搬波形である。

【００２０】管体を伝搬する信号は次のようにして生成
される。すなわち、まず発信器３３２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３７２に印加し、セラミック
ス結晶３７２を励振する。このセラミックス結晶３７２
の振動はカップリング部３３７を介して管体に伝搬し、
これにより縦波３６７、横波３６８から成る超音波振動
が管体に発生する。

【００２１】図３７は発信器３３２の励振電圧の変調方
式を示す波形図である。図３７の（１）はビット”１”
の場合の励振電圧波形を示し、図３７の（２）はビッ
ト”０”の場合の励振電圧波形を示す。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１２．４ｍｓｅｃである。

【００２２】発信器３３２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３３２と同様
の構造をした受信トランスデューサ３３５で検出され、
この受信トランスデューサ３３５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。

【００２３】受信トランスデューサ３３５で検出された
音波信号は、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３１
９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。

【００２４】

【発明が解決しようとする課題】従来の信号伝送装置及
び信号伝送方法は以上のように圧電セラミックスを用い
て該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、次のような問題
点があった。すなわち、（１）圧電セラミックスは強度が金属材料に比較して弱
いこと。（２）圧電セラミックスはキューリー温度が１２０°Ｃ
程度であり、この温度を超えると圧電歪みが発生しなく
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み軸とが一致し、事
前に圧力を付加しておくプリロードをかける場合に、電
極部にストレスがかかり、電極が損傷する恐れがあるこ
と。（４）圧電セラミックスの厚さ等の寸法に応じてその発
信周波数が固定されてしまうこと。すなわち、そのディ
メンジョンに対応する発信周波数での励振が必要であ
り、管体に効率よく音波を発生させるに足るインパクト
性のエネルギー注入が不可欠となること。（５）リピートレートで変調するにしても搬送波が必要
となり、搬送波による励振は、エネルギーの伝達がカプ
リング部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ること。（６）リピートレートによる信号伝達方式は、リピート
レートを判別するためにバースト信号を繰り返し発生さ
せる必要があり、１ビット当たりの情報を発生伝達する
ための最小時間が制限され、ビットレートを上げること
が難しいこと。

【００２５】請求項１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、小振幅の励振振幅で大き
な励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、か
つ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号伝
送ができると共に、搬送波を用いずに変調でき、加振力
が高く、かつビット当たりの電力が少ないので確保し得
る電力容量に制限のあるＭＷＤ伝送システムに用いるの
適し、更に高ビットレートの伝送の可能な信号伝送装置
を得ることを目的とする。

【００２６】請求項２の発明は、小振幅の励振振幅で大
きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、
かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができると共に、高インパルス電流による渦電流損
が少なく出力の大きい発信のできる信号伝送装置を得る
ことを目的とする。

【００２７】請求項３の発明は、小振幅の励振振幅で大
きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、
かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができると共に、発信出力が大きく発信効率が高
く、従って小型化の可能な信号伝送装置を得ることを目
的とする。

【００２８】請求項４の発明は、小振幅の励振振幅で大
きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、
かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができると共に、構造が簡単で実装性の高い信号伝
送装置を得ることを目的とする。

【００２９】請求項５の発明は、小振幅の励振振幅で大
きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、
かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができると共に、加振力を音波の伝送媒体に効率よ
く伝達できる信号伝送装置を得ることを目的とする。

【００３０】請求項６の発明は、大きな加振力を伝達で
きる信号伝送装置を得ることを目的とする。

【００３１】請求項７の発明は、小振幅の励振振幅で大
きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、
かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができると共に、大きな加振力を伝達できる信号伝
送装置を得ることを目的とする。

【００３２】請求項８の発明は、構成が簡単でコストの
安い信号伝送装置を得ることを目的とする。

【００３３】請求項９の発明は、小振幅の励振振幅で大
きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であって、
かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができると共に、伝送された音波同士が重なり合わ
ず互いに干渉することのない信号伝送装置を得ることを
目的とする。

【００３４】請求項１０の発明は、小振幅の励振振幅で
大きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であっ
て、かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に
信号伝送ができると共に、大きな加振出力の得られる信
号伝送装置を得ることを目的とする。

【００３５】請求項１１〜１４，１６，１７の発明は、
小振幅の励振振幅で大きな励振加速度が得られ、従って
保持が容易であって、かつ長いドリルストリングを用い
た場合にも確実に信号伝送ができると共に、Ｓ／Ｎ比の
良い信号伝送のできる信号伝送装置を得ることを目的と
する。

【００３６】請求項１５の発明は、小振幅の励振振幅で
大きな励振加速度が得られ、従って保持が容易であっ
て、かつ長いドリルストリングを用いた場合にも確実に
信号伝送ができると共に、高感度の受信ができる信号伝
送装置を得ることを目的とする。

【００３７】

【００３８】

【００３９】

【００４０】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明に係る信
号伝送装置は、磁歪現象により信号音波を棒状体に伝達
して、この信号音波を音波受信器で受信することにより
信号伝送を行うと共に、磁歪材の歪む速度又は該速度と
同程度の立ち上がり速度の励磁電流を励磁巻線に供給す
るようにしたものである。

【００４１】請求項２の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号音
波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行うと
共に、薄板状の磁歪材を複数枚積層して磁歪素子を構成
したものである。

【００４２】請求項３の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号音
波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行うと
共に、磁歪素子の励磁巻線をリターン回路構成としたも
のである。

【００４３】請求項４の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号音
波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行うと
共に、内鉄型のトランス構造の磁歪材に閉磁界を構成し
て磁歪素子としたものである。

【００４４】請求項５の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号音
波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行うと
共に、磁歪素子の先端部に音響ホーンを設けたものであ
る。

【００４５】請求項６の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪素子の音響ホーンの先端部を適当な圧力で棒状体に圧
接するようにしたものである。

【００４６】請求項７の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号音
波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行うと
共に、複数の磁歪素子の励磁巻線に互いに同期した励磁
電流を供給するようにしたものである。

【００４７】請求項８の発明に係る信号伝送装置は、複
数の磁歪素子の各励磁巻線に対して直列に接続された１
個の抵抗器を設けたものである。

【００４８】請求項９の発明に係る信号伝送装置は、磁
歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号音
波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行うと
共に、棒状体中を伝搬する衝撃波が重なり合わない時間
間隔で励磁インパルス電流を発生するようにしたもので
ある。

【００４９】請求項１０の発明に係る信号伝送装置は、
磁歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号
音波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行う
と共に、棒状体中を伝搬する衝撃波のピークが同相で重
なり合うように、複数個のインパルス電流を磁歪素子に
供給するようにしたものである。

【００５０】請求項１１の発明に係る信号伝送装置は、
磁歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号
音波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行う
と共に、小信号成分を抑制し有効信号成分を強調する検
波回路を音波受信器に設けたものである。

【００５１】請求項１２の発明に係る信号伝送装置は、
磁歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号
音波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行う
と共に、送信側の信号送信周期を検出する周期検出手段
と、該送信周期に同調して送信信号をサンプリングする
サンプリング手段とを設けたものである。

【００５２】請求項１３の発明に係る信号伝送装置は、
磁歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号
音波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行う
と共に、棒状体中での信号音波の反射及び共振による雑
音成分を算出する雑音成分算出手段と、該雑音成分算出
手段の算出した雑音成分の影響を信号成分から除去する
雑音成分除去手段とを設けたものである。

【００５３】請求項１４の発明に係る信号伝送装置は、
磁歪現象により信号音波を棒状体に伝達して、この信号
音波を音波受信器で受信することにより信号伝送を行う
と共に、棒状体中での信号音波の反射及び共振による雑
音成分のパターンを予め記憶する記憶手段と、該記憶手
段の記憶した雑音成分の影響を信号成分から除去する雑
音成分除去手段とを設けたものである。

【００５４】

【００５５】請求項１５の発明に係る信号伝送装置は、
棒状体を伝搬してくる音響信号を拡大する少なくとも１
個の音響ホーンと、該音響ホーンにより拡大された音響
信号を電気信号に変換する電気音響変換器を設けたもの
である。

【００５６】請求項１６の発明に係る信号伝送装置は、
音波受信器が、複数の電源電圧を出力する複合電池から
成る電源を備えたものである。

【００５７】請求項１７の発明に係る信号伝送装置は、
棒状体を伝搬する音響信号を電気信号に変換する電気音
響変換器を複数設けたものである。

【００５８】

【００５９】

【００６０】

【００６１】

【００６２】

【００６３】

【作用】請求項１の発明における信号伝送装置は、磁歪
現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁歪現
象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持が簡
単である。また、超音波は音波であるので、電波を用い
る場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリングを用
いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素子は
磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪材と
励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立している。
そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いられる
圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致するた
め、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝達に
必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点がな
い。また、高速で立ち上がる磁歪現象を発生させ、これ
により磁歪現象に特有な雪崩現象を誘起せしめ、急峻な
磁歪発生時の加速度に伴う衝撃力を棒状体に伝達する。
これにより磁歪材料に特有なインパクト反応域での効率
の良い電気機械音響結合が実現でき特定周波数の搬送波
を用いた励振結合では得られない大きな超音波エネルギ
ーへの変換が可能となる。更にインパクト性の超音波信
号１個に対して１ビットを割り当てることが可能である
ため、１ビットあたりの情報を表現するのに必要な最小
時間を圧縮することができ、高ビットレートの信号伝送
が可能となる。

【００６４】請求項２の発明における信号伝送装置は、
磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁
歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持
が簡単である。また、超音波は音波であるので、電波を
用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリング
を用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素
子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪
材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立してい
る。そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いら
れる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致す
るため、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝
達に必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点が
ない。また、薄板状の磁歪材を積層してあるので、磁歪
素子の駆動電流の変化により生じる磁歪材の渦電流損が
少なくなり、かつ磁歪素子内部まで磁歪が発生して、１
枚の磁歪材で構成した磁歪素子に比べてその数倍の出力
が得られる。

【００６５】請求項３の発明における信号伝送装置は、
磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁
歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持
が簡単である。また、超音波は音波であるので、電波を
用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリング
を用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素
子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪
材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立してい
る。そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いら
れる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致す
るため、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝
達に必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点が
ない。また、磁気回路がリターン構成となっているの
で、励磁巻線で発生した磁束が同一方向に流れ、磁気回
路の損失の少ない大きな出力が得られる。

【００６６】請求項４の発明における信号伝送装置は、
磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁
歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持
が簡単である。また、超音波は音波であるので、電波を
用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリング
を用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素
子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪
材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立してい
る。そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いら
れる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致す
るため、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝
達に必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点が
ない。また、角形の内鉄型トランス構造をしているの
で、構造が簡単で、棒状体の中心部等の積層型の磁歪素
子を設置しにくい場所にも設置でき、実装性が高い。

【００６７】請求項５の発明における信号伝送装置は、
磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁
歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持
が簡単である。また、超音波は音波であるので、電波を
用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリング
を用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素
子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪
材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立してい
る。そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いら
れる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致す
るため、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝
達に必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点が
ない。また、音響ホーンが設けられているので、該音響
ホーンによりエネルギーが集中し、超音波のエネルギー
密度が増幅されて棒状体に注入される。これにより結晶
格子エネルギーの伝達レベルでのエネルギー伝達が有効
となり、効率よく棒状体に加振力が伝達される。

【００６８】請求項６の発明における信号伝送装置は、
音響ホーンの先端部が適当な圧力（プリロード）で棒状
体に圧接されているので、音響ホーンの先端部と棒状体
との間に隙間がなく、磁歪素子に発生する歪みを効率よ
く棒状体に伝達でき、また、先端部が歪みによる加振力
で破損される恐れもない。

【００６９】請求項７の発明における信号伝送装置は、
磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁
歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持
が簡単である。また、超音波は音波であるので、電波を
用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリング
を用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素
子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪
材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立してい
る。そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いら
れる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致す
るため、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝
達に必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点が
ない。また、複数個の磁歪素子が同期して歪むので、個
々の加振力が加算され全体として大きな加振力が得られ
る。

【００７０】請求項８の発明における信号伝送装置は、
各励磁巻線に共通な１個の抵抗器が設けられているの
で、部品点数が少なくてすみ、コスト的に安価となると
ともに、部品の実装容積も少なくてすむので、装置全体
の形状を小型化できる。

【００７１】請求項９の発明における信号伝送装置は、
磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する。磁
歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるので保持
が簡単である。また、超音波は音波であるので、電波を
用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルストリング
を用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に磁歪素
子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるので、磁歪
材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独立してい
る。そのため、従来の音波による信号伝達装置に用いら
れる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向と一致す
るため、電極そのものが応力を受け、音波の管体への伝
達に必要なプリロードが十分にかけられなかった欠点が
ない。また、衝撃波が重なり合わない時間間隔で励磁イ
ンパルス電流が流れるので、音響信号相互間の干渉が発
生することがなく、信頼性の高い信号伝送が行える。

【００７２】請求項１０の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、衝撃波のピークが同相で重なり合
うように複数個のインパルス電流が磁歪素子に流れるの
で、各インパルス電流により発生する衝撃波のピークが
重なり合い、全体として大振幅の衝撃波が得られる。

【００７３】請求項１１の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、雑音成分がフィルタと検波回路と
により除去され、信号成分は検波回路により強調され
る。これによりＳ／Ｎ比が改善される。

【００７４】請求項１２の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、送信側の信号送信周期を検出し
て、検出周期に同調して送信信号サンプリングするの
で、確実に送信信号を受信でき、Ｓ／Ｎ比の高い安定し
た復調処理が可能となる。

【００７５】請求項１３の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、雑音成分を検出してその影響を信
号成分から除去するので、Ｓ／Ｎ比の良い復調処理が可
能となる。

【００７６】請求項１４の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、予め記憶された棒状体中での信号
音波の反射及び共振による雑音成分のパターンを信号成
分から除去するので、Ｓ／Ｎ比の良い復調処理が可能と
なる。

【００７７】

【００７８】請求項１５の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、音響ホーンにより棒状体を伝搬し
てくる音波信号を集音して受信するので、微弱な音波で
も受信できる。

【００７９】請求項１６の発明における信号伝送装置
は、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送す
る。磁歪現象は振幅が小さく大きな加速度が得られるの
で保持が簡単である。また、超音波は音波であるので、
電波を用いる場合に比べて減衰が少なく長いドリルスト
リングを用いた場合にも確実に信号伝送ができる。更に
磁歪素子は磁歪材に励磁巻線を巻回して構成されるの
で、磁歪材と励磁巻線とが鎖交関係にあり、力学的に独
立している。そのため、従来の音波による信号伝達装置
に用いられる圧電素子が、その歪み方向が電界印加方向
と一致するため、電極そのものが応力を受け、音波の管
体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられなかっ
た欠点がない。また、複合電池から複数の電源電圧を供
給するので、コンバータが不要となり、スイッチングノ
イズ等の雑音が発生せず、損失も少ない。

【００８０】請求項１７の発明における信号伝送装置
は、複数個の電気音響変換器で受信した音響信号を電気
信号に変換するので、信号成分を確実に受信でき、Ｓ／
Ｎ比の良い安定した復調処理が可能となる。

【００８１】

【００８２】

【００８３】

【００８４】

【００８５】

【００８６】

【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
は実施例１の全体的構成を示す概念図である。図１にお
いて、１は送信器を収納した送信器サブ、２は発信器を
収納した発信子サブ、３はマッドタービン発電機、４は
ドリルパイプ、５は坑底の検出器、６は受信器を収納し
た受信サブ、７は地上に設置される、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。

【００８７】図２は実施例１の主として送信器サブ１の
回路構成を模式的に示す図である。（なお、この部分の
空間的配置関係は図５に示してある）。図２において、
１１は検出器５との情報通信を行う情報通信機構、１２
は検出器５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、１３は変調回路１２や他の
電子回路に定電圧で電力を供給する制御用電源、１４は
発振子に高電流を供給する定電圧ＤＣ／ＤＣコンバー
タ、１５はインパクト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。以上の情報通
信機構１１、変調回路１２、制御用電源１３、定電圧Ｄ
Ｃ／ＤＣコンバータ１４及び高速スイッチング回路１５
は磁歪発生制御装置１０を構成し、送信器サブ１に搭載
される。なお、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。

【００８８】２１は磁歪振動を発生する磁歪発振子（磁
歪素子）で、発振子サブ２に搭載される。

【００８９】図３は受信サブ６内に搭載される音波受信
器６０及びロギングステーション７の構成を示すブロッ
ク図である。図において、６１はドリルストリングを伝
搬してくる音響信号を検出する音響検出器（電気音響変
換器）、６２は低周波雑音を除去する高域通過特性を有
するパッシブフィルタ（フィルタ）、６３は高利得交流
増幅器、６４は二乗検波回路や包絡線検波回路等を備え
た検波回路、６５は入力されたデータをＡ／Ｄ変換して
各種のデータ処理をした後Ｄ／Ａ変換して出力する信号
処理プロセッサ、６６は入力された信号を振幅変調する
無線伝送変調器、６７は入力された信号を無線周波数で
発振する無線送信器、６８は送信アンテナである。

【００９０】７１は受信アンテナ、７２は無線受信器、
７３はＡＭ復調回路、７４は伝送された坑底データをフ
ァイルしたり、表示及びプリントアウト又は通信回線へ
外部への情報を出力するデータ出力装置である。

【００９１】次に動作について説明する。本実施例は、
ドリルパイプ４を接続したドリルストリングを介して音
響信号を伝搬させ、坑底の地層、掘削状況、方位などの
情報を地上に送信するＭＷＤにより、石油及びガス井掘
削等掘削の効率と安全を高め掘削費用の削減を図る目的
で使用するのに適している。

【００９２】坑底では各種の検出器５をドリルビットの
近傍に配設し、該検出器５の検出した上述した各種情報
を送信器サブ１内の情報通信機構１１を介して取り込
み、変調回路１２で衝撃変調する。すなわち、磁歪発振
子２１の磁歪材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２１の励磁巻線に高速スイッチング回
路１５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、衝撃波が発生する。該衝撃波は音響信号となり、ド
リルストリングを伝搬し、地上の受信サブ６に到達す
る。

【００９３】受信サブ６においては、音響検出器６１で
ドリルストリングを伝搬して来た信号を検出し、パッシ
ブフィルタ６２で低周波雑音を除去し、高利得交流増幅
器６３で増幅して、検波回路６４で検波することにより
雑音を除去し、信号処理プロセッサ６５により元の符号
化されたデータ信号に復調する。ドリルストリングの最
上部は一般に回転構造であるため、直接有線で信号を取
り出すことができず、変調器６６において信号処理プロ
セッサ６５から入力されるデータにより無線搬送波を変
調して無線送信器６７で送信電波として送信アンテナ６
８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７１、無線受信器７２
でこの電波を受信し、復調装置７３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
７４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。

【００９４】磁歪発振子２１には図４の（１）のような
波形のパルス時間が極めて短いインパルス電流が高速ス
イッチング回路１５から供給され、これにより図４
（２）に示すような急激な衝撃波が発生し、ドリルスト
リングを伝搬する。この衝撃波の主要成分の幅も非常に
短いため、従来のマッドパルス伝送レートの数十倍での
伝送が行われる。

【００９５】図１０は磁歪発生制御装置１０の具体的な
回路構成を示すブロック図である。図において、１３ａ
はマッドタービン発電機３からの出力電圧を整流する整
流回路、１４ａは整流回路１３ａで整流された直流電圧
を高周波でスイッチングする高周波スイッチング回路、
１４ｂは高周波トランス、１４ｃは高周波トランス１４
ｂの二次側出力電圧を整流する高周波整流回路、１４ｄ
は波形平滑用のコンデンサ、１４ｅは高周波整流回路１
４ｃの出力電圧を制御する定電圧制御回路である。１５
ａは高速大電流スイッチングトランジスタ、１５ｂは外
付抵抗器、１５ｃはトランジスタ１５ａのスイッチング
時間を制御するスイッチング制御回路である。なお、本
実施例を含めて以後のすべての実施例において、それ以
前に説明した構成要素と同一の構成要素には同一番号を
付し、その説明を省略する。

【００９６】次にこの磁歪発生制御装置１０の動作につ
いて説明する。マッドタービン発電機３により生成され
る３相交流は、整流回路１３ａにより整流され、定電圧
ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給される。定電圧ＤＣ／
ＤＣコンバータ１４は、この整流電圧を高周波スイッチ
ング回路１４ａにてスイッチングし、高周波トランス１
４ｂにより昇圧した後、高周波整流回路１４ｃを介して
コンデンサ１４ｄに充電する。定電圧ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ１４でのスイッチング動作は、例えばパルス幅変調
方式により制御され、磁歪発振子２１に安定的に定電圧
を供給するため、一定電圧に定値制御される。定電圧制
御回路１４ｅは変調回路１２からの指令により高周波整
流回路１４ｃの出力電圧レベルを必要に応じた値に変更
することが可能である。一方、整流回路１３ａにて整流
された電圧は制御用電源回路１３にも供給され、変調回
路１２などの制御回路に必要な直流電源電圧を供給す
る。マッドタービン発電機３は、図６に示すような電池
２０でもよく、この場合には電池２０の定電圧出力が直
接定電圧ＤＣ／ＤＣコンバータ１４に供給される。

【００９７】高速スイッチング回路１５は、直列抵抗器
１５ｂを介してコンデンサ１４ｄに充電された電荷を磁
歪発振子２１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１５ａによ
り駆動する。スイッチング制御回路１５ｃはスイッチン
グトランジスタ１５ａのゲートを制御する回路であり、
変調回路１２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１５ａを駆動し、コンデンサ１
４ｄに蓄えられた電荷を急速にスイッチングしてインパ
クト電流を発生する。このインパクト電流出力は立ち上
がりが急峻であり、磁歪材が有する立ち上がり応答速度
と同程度の立ち上がり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２１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
りの急峻なインパクト電流を流すため磁歪発振子２１と
直列に外部抵抗器１５ｂを接続している。

【００９８】高速スイッチング回路１５から出力された
インパクト電流は磁歪発振子２１に巻回された励磁巻線
により磁歪材の内部にインパクト電流に比例した大きさ
の磁界を発生させる。磁歪材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２１が積
層構造であるため）、磁歪材内部磁界の立ち上がりはイ
ンパクト電流の立ち上がりに等しく、磁歪発振子２１の
インダクタンスＬと外部抵抗器１５ｂ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
加速度は、歪量をΔｌ、立ち上がり時間をΔｔとする
と、加速度ａは、概ねａ＝Δｌ／（Δｔ）2であり、磁
歪材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。

【００９９】磁歪発振子２１に発生する加速度と駆動電
流との関係を図１４に示す。図に示すように、磁歪発振
子２１に発生する加速度は巻線に印加する電流が増大す
るにつれて増大し、ある領域を越えると飽和傾向を示
す。この駆動電流による飽和現象は、磁歪の磁界に対す
る飽和現象のためである。図１４に示す電流と加速度と
の関係は一例であり、この関係は、磁歪発振子２１の構
造、磁気回路、伝達機構に依存して特性が異なる。な
お、図１５には発振子の出力波形を示し、図において、
Ｐは最大ピーク値を示す。

【０１００】次に、磁歪発振子２１に発生する加速度と
駆動電流の立ち上がり時間の関係を図１６に示す。駆動
電流の立ち上がり時間が短くなるにつれて発生する加速
度が増大する。また、電流パルスの幅には加速度はあま
り依存しない。加速度の増大の上限は磁歪材そのものの
応答時間に対応し、それ以上の急峻な立ち上がりは加速
度の増大に寄与しない。

【０１０１】本実施例は以上の事実に基づき、インパク
ト性の強大な加速度を発生せしめるため、高速なスイッ
チング回路構成を用いたものである。この急峻な加速度
に伴う衝撃力を音響信号としてドリルストリングに伝達
することにより棒状体格子と音響結合が発生し、図１２
に示すような加速度に伴う衝撃力が棒状体内に発生す
る。なお、図１２中のτは駆動電流の立ち上がり時間を
表す。

【０１０２】磁歪発振子２１に衝撃波を発生させるため
の駆動電流パルスは図１２に示すような単一の駆動パル
ス電流を用いてもよく、また、図１３の（１），（２）
の下段に示すように、複数の駆動パルス電流を時間をず
らせて多重に発生させ、これらのパルス電流により発生
する衝撃波のピークが同相で互いに重なり合うようにし
てもよい。図１３は単発の駆動パルスによる場合（上
段）と１０個の駆動パルスによった場合（下段）とを比
較して示す波形図である。図１３（１）は駆動パルス電
流の波形、図１３の（２）は発生した衝撃波の波形を示
す。図から明らかなように、１０発の駆動パルスを多重
に用いた場合の衝撃波のピーク値は単発パルスの場合の
ピーク値の約１０倍の大きさを示している。この多重パ
ルスの印加は変調回路１２により制御される。多重され
るパルスの間隔は、衝撃波の主要な周波数の波長の整数
倍を基本にして設定される。

【０１０３】変調回路１２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１５から駆動パルス列が出力される。本実施例のお
いては前述した衝撃変調がなされる。

【０１０４】衝撃変調により発生されるパルス列の時間
間隔は棒状体の伝搬特性により決定される。これは、棒
状体を伝搬する音響波形が棒状体伝搬時に減衰、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明けた
後、次の１ビットの情報を送出する。このような変調信
号の出力波形を図１１に示す。図１１は、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”1110010100”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/sec 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
クト電流に伴い、磁歪発振子２１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クト性の加速度が
発生する。最終行の波形がこの加速度に伴う衝撃力によ
り励起される棒状体の伝搬波形である。

【０１０５】以上に述べたように、衝撃波を生成するた
めには立ち上がりの急峻な電流で磁歪発振子２１を駆動
する必要がある。急峻な立ち上がり特性を実現するた
め、磁歪発振子２１の励磁巻線のインダクタンスＬは小
さくする必要がある。また上述したように外部抵抗器１
５ｂを必要とするが、一方ではこの抵抗器はパワーロス
の要因にもなる。坑底で発生できる電力には制限がある
ため、急峻な立ち上がり特性を確保しながらパワーロス
を最小にするような回路定数の選定が坑底機器の設計上
極めて重要である。

【０１０６】このため、本実施例においては、磁歪が所
定レベルに達した時点をもって電流を遮断する方式を発
明して適用した。この方式を以下に述べる。図１７は、
励磁巻線、外部抵抗値と立ち上がり時間の関係（図の実
線）、及び外部抵抗値と抵抗器１５ｂにおけるパワーロ
スの関係（図の破線）の関係を図示したものである。立
ち上がり時間は磁歪発振子２１のインダクタンス（Ｌ
１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４）と抵抗値Ｒにより約Ｌ／Ｒにて
近似できる。図中Ｌ１＜Ｌ２＜Ｌ３＜Ｌ４である。一
方、抵抗器１５ｂにおけるパワーロスはＩ2Ｒ×ΔＴ×
ＢＲで表される。ここでΔＴは電流インパルスの幅を、
ＢＲはビットレートを表している。なお、図中の一点鎖
線はインパルスの幅を一定にして出力した場合に抵抗値
Ｒの変化に応じた立ち上がり時間の変化の様子を示す。

【０１０７】励磁巻線のインダクタンスが大きいほど磁
歪発振子２１内に発生する磁界は強くなるが、磁歪が飽
和現象を示すため、必要以上に大きくすることは意味が
ない。また、急峻なパルスを発生するという観点から
は、むしろ励磁巻線のインダクタンスは小さいほうが望
ましい。抵抗値Ｒを大きくすると立ち上がり時間は短く
なるが、パワーロスは増大する。また、抵抗値Ｒを小さ
くすると、抵抗器１５ｂにおけるパワーロスが小さくな
るが、立ち上がり時間が長くなり、急峻な加速度の発生
が難しくなる。これにより抵抗値Ｒは、磁歪の物理的な
応答時間以上の応答が可能な限界の立ち上がり時間を実
現する抵抗値Ｒを設定するのが最適であると分かる。

【０１０８】以上に基づき、励磁巻線のインダクタンス
Ｌ、抵抗値Ｒの回路定数を以下のように決定する。（１）インダクタンスＬ：磁歪飽和に対応する磁界の強
さＨ（約１０エールステッド）を生成するインダクタン
ス（２）抵抗Ｒ：上記インダクタンスＬにたいし、磁歪の
応答時間相当の立ち上がり時間を与える抵抗値今インパルスの幅を磁歪の立ち上がり時間Ｌ／Ｒに等し
く設定すると、抵抗器１５ｂにおけるパワーロスはＩ2
Ｌ×ＢＲとなり、図の一点鎖線で示すごとく抵抗値Ｒに
依存しなくなる。

【０１０９】磁歪発振子２１を発振子サブ２に実装する
ときには、単一の磁歪発振子２１を発振子サブ２に実装
してもよいが、図２２、２３あるいは図２４、２５（図
２４、２５は小径発信子サブに実装する場合の一形態を
示す図である）に示すように、複数の磁歪発振子２１を
管体上に配置してもよい。この場合に、これらの磁歪発
振子２１の駆動時にはそれぞれの駆動回路を並列に接続
する。例えば４個の磁歪発振子２１が配設される場合に
は、個々に励磁巻線が巻回され、それらの励磁巻線に対
して１個づつ外部抵抗器１５ｂを接続してもよいし、４
個の励磁巻線２１に対して１個の外部抵抗器１５ｂを接
続してもよい。後者の場合を、外部抵抗器１５ｂの抵抗
値Ｒは４個設ける場合のときの１／４とする。この場合
は外部抵抗器１５ｂの数を減らすことができ、コスト削
減と発振子サブ２の形状の小型化に寄与する。

【０１１０】ビットレートと消費電力の関係は、Ｗ＝Ｖ
Ｉ×ΔＴ×ＢＲで表現できる。ビットレートの増大は坑
底電源の電力消費の増大をもたらす。このため、電源容
量に基づき、電力の供給できる範囲内で所定のビットレ
ートを確保するため、電流値を低減するか、あるいはイ
ンパルスの幅を小さくして電流を出力する機能が必要と
なる。これを実現するため、スイッチング制御回路１５
ｃのパルス制御を調整し、パルス幅を制御する機能も変
調回路１２に内蔵されている。

【０１１１】図７に磁歪発振子２１の磁気回路の側面
図、図８に磁歪材の一例（純ニッケル）に磁歪特性のグ
ラフを示す。磁界の印加により歪みを発生する磁歪材と
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。このことにより、棒状体に音波を効率よく伝達する
ためのプリロードに磁歪材が耐えられ、プリロード機構
を取ることが可能となった。また、ニッケル系の磁歪材
料はキューリー温度が３５８°Ｃと高く、高温環境下で
安定な特性を得ることができる。

【０１１２】磁界の印加による磁歪材の歪みは、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。この特性を図８のグラフに示す。磁歪
発振子２１の形状を図７のように閉回路とし、それぞれ
の励磁巻線２３ａ、２３ｂ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２３
ａ、２３ｂにより磁歪発振子２１に発生する磁界が磁歪
材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２１の両翼の磁界２９ａ、２９ｂ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２１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２１を提供することに寄与す
る。

【０１１３】図９（１）及び図９（２）は磁歪発振子２
１の構成を示す斜視図である。図において、２２はコア
形状をした磁歪材、２３は磁歪材２２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２３には励
磁電流が供給され、磁歪材２２に磁界を発生し、この磁
界により磁歪材２２に急峻な磁歪現象が発生する。

【０１１４】励磁巻線２３に急峻なインパクト電流を流
し磁歪材２２に磁界を印加する際、磁歪材２２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２２の内部で渦電流が磁歪材２２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
２２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２２を絶縁層を介し
て、図９（２）に示す薄板形状の磁歪材２２ａを積層し
て磁歪材２２を構成している。このようにすることによ
り、磁歪材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。

【０１１５】図２２は発振子サブ２の一部切り欠き斜視
図であり、図２３はその断面図である。図において、２
４は磁歪材２２の音響放射面に接合された音響ホーン、
２５は音響ホーン２４と棒状体の伝達面に与圧を与える
プリロード機構である。発振子サブ２は磁歪発振子２
１、磁歪材２２、励磁巻線２３、音響ホーン２４及びプ
リロード機構２５を搭載するために棒状体（本実施例で
は内部が中空の管体となっている）外周部を実装箱とし
たドリルカラーであり、２６は磁歪発振子２１を泥水及
び坑底圧力から遮断するための保護外筒である。図２３
の断面図にはドリルパイプへの伝送加振力を強化するた
めに磁歪発振子２１を４個配置した場合を示している。
なお、発振子サブ２の両端にはドリルストリングと接続
するためのＡＰＩ規格に基づいたロータリーツールジョ
イントのネジ部が設けられている。

【０１１６】このように、磁歪発振子２１をドリルカラ
ーに直接搭載し、プリロード機構２５による与圧と、磁
歪伝達面及びドリルパイプに平行でかつ直接加振力を伝
達する配置構造を取るため、本実施例においては磁歪発
振子２１の発生する加振力の伝達効率が極めて高い。ま
た、ドリルカラーに搭載する構造を取るため、掘削作業
に制約を与えない効果も得られる。

【０１１７】図１８〜２１は本実施例の磁歪発振子２１
の実装状態を更に詳細に示す図である。各図において、
２４ａは音響ホーン２４の尾部、２５ａはプリロード機
構２５のスクリュージャッキ、２５ｂはプリロード機構
２５の頭部、２５ｃは磁歪発振子２１で発生する加振力
で反伝達方向の加振力を吸振する吸振合金ブロック、１
２０はドリルカラー１０２ａに設けられた磁歪発振子２
１の収容溝である実装箱、１２０ａは音響ホーンの尾部
２４ａを受け入れるためにドリルカラー１０２ａに設け
られた嵌合溝、１２０ｂはプリロード機構の頭部２５ｂ
を受け入れるためにドリルカラー１０２に設けられた窪
みである凹部、１３０ａ、１３０ｂはドリルパイプ連結
用ネジ、２２１は保護外筒２６をドリルカラー１０２ａ
に固定するための固定ボルト、２２２は保護外筒２６の
ドリルカラー１０２ａへの固定を確実にするためのＯリ
ングである。

【０１１８】本実施例の磁歪発振子２１は、該磁歪発振
子２１で発生される急峻な加振力を管体に効率よく、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２１とドリル
カラー１０２ａ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２１、音響ホーン
２４及びドリルカラー１０２ａ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２１をドリ
ルカラー１０２ａ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２１を実際にドリルカラー１０２ａ中に実装するに
は、磁歪発信子２１を実装箱１２０中に挿入した後、プ
リロード機構２５のスクリュージャッキ２５ａを回して
プリロード機構２５を伸長させればよい。こうすること
により、プリロード頭部２５ｂとホーン尾部２４ａとが
それぞれ凹部１２０ｂ及び嵌合溝１２０ａにがっちりと
嵌着されて磁歪発信子２１とドリルカラー１０２ａとの
空隙はなくなる。

【０１１９】掘削等の深さに応じたプリロードは、磁歪
材２２のもつ飽和磁歪値（λ）からの歪み量、高温環境
中における各材料の線膨張係数の差異、及び掘削時ドリ
ルカラー１０２ａに加わる掘削荷重（Weight On Bit ）
によるドリルカラー１０２ａの圧縮歪み量を考慮して、
音響ホーン２４の尾部２４ａがドリルカラー１０２ａの
嵌合溝１２０ａの壁面を適宜な押圧力で与圧するように
設定される。もちろん、プリロード機構２５は、本実施
例の機構に限定されるものでなく、油圧シリンダー装置
又は坑底圧力を利用した液圧アクチュエータ方式の機構
でもよい。

【０１２０】音響ホーン２４は、ドリルカラー１０２ａ
へのエネルギー伝達において、磁歪発振子２１で発生し
た急峻な加振力を効率よくドリルカラー１０２ａに伝達
するために磁歪発振子２１の放射面に接合されている。
この音響ホーン２４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
ンパクト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
くドリルカラー１０２ａへ注入するものである。

【０１２１】本実施例においては、薄板状の磁歪材２２
ａを積層して磁歪材２２とした磁歪発振子２１を用いて
いるが、磁歪発振子の磁歪材の構造は積層型に限定され
るものではなく、例えば角形の内鉄型トランス構造をし
たものなど、他の型のものであってよい。図２６はソリ
ッド型の磁歪材の一例を示す断面図である。図におい
て、２２’はソリッド型磁歪棒、２１０はプリロード機
構２５の支持機構、２１２は磁気閉回路を構成するため
の磁気リターン回路である。

【０１２２】このように１個の素材からなるソリッド型
の磁歪材からなる磁歪発振子は、積層型磁歪材からなる
磁歪発振子と異なり、構成が簡単であり、また、ドリル
カラー１０２ａの管壁に磁歪発振子設置できない場合等
に、設置位置の自由度が大きいという利点がある。図２
６は磁歪発振子をドリルカラー１０２の中心位置に実装
した例である。

【０１２３】図２７は受信サブ６内に搭載された音波受
信機６０の変形例の各構成要素の配置関係を示す一部切
り欠き側面図であり、図２８はその断面図、図２９はそ
の回路構成を示すブロック図である。図において、６１
０はドリルパイプ４を伝播してくる音響信号を集音する
音響ホーンであり、図２８に示すように、この変形例で
は４個の音響ホーン６１０が受信サブ６の内壁部に配置
されている。各音響ホーンの集音部には音響検出器６１
が１個ずつ取り付けられている。６２’はフィルタユニ
ットであり、高域通過フィルタと該高域通過フィルタの
出力信号を増幅する高感度増幅器を備えている。フィル
タユニット６２’の入力端は各音響検出器６１の出力端
に接続されている。６１１は加算器であり、各フィルタ
ユニット６２’からの出力信号を加算して出力する。検
波回路６４には１段乃至複数段の二乗検波回路と該二乗
検波回路の出力端に接続された包絡線検波回路の作用を
果たす低域通過フィルタとが設けられている。６９は複
合電池であり、各回路ユニットに必要な電源電圧を個別
に出力する電池ユニットである。このように個別に必要
な電源電圧を電池から得ることにより、コンバータが不
要となり、スイッチングノイズ等の雑音が発生せず、構
成も簡単となる。受信サブ６は掘削リグ１０１のドリル
パイプ１０２の最上段又はケリー（ドリルパイプ保持装
置）にネジ込みで接続される。

【０１２４】次に動作を説明する。ドリルパイプ１０２
を伝搬して来た高周波の音響信号は音響ホーン６１０で
拡大された後、音響検出器６１で電気信号に変換され
る。音響検出器６１から出力される出力信号はフィルタ
ユニット６２’で低域成分の雑音と不要成分が除去され
高利得で増幅される。各フィルタユニット６２’の出力
信号は加算器６１１で加算され、検波回路６４で二乗検
波及び包絡線検波が行われる。二乗検波では雑音に起因
する小信号が抑制され衝撃波に起因する真の信号に対応
する有効成分が増幅される。二乗検波回路を複数段も受
け、二乗検波を数回行えば更にＳ／Ｎ比が改善される。
二乗検波された信号は、衝撃波の包絡線信号が持つ帯域
に合わせた低域通過フィルタを通過することにより包絡
線検波され、衝撃波の音響信号の形状を認識し安定に復
調できるようになる。

【０１２５】検波回路６４の出力信号は信号処理プロセ
ッサ６４で信号処理がなされる。まず伝送波形の抽出に
おいては、送信側の信号送信周期を検出し、この検出し
た送信周期に同調してサンプリングを行う。または入力
のためのウィンドウを開き、信号がくると想定されるロ
ケーションを選択的に入力することにより、不要成分を
取り入れる事なくＳ／Ｎ比の高い安定した復調処理が可
能となる。また更に、ドリルストリング中のドリルパイ
プ１０２の接続部等での信号の反射及び共振による影響
を予め予測し、この予測値に基づいて受信データの照合
を行い、信頼性の高い受信データの復調を行う。この反
射及び共振の影響の予測は予めメモリに記憶させておい
ても良いし、１ビットの信号を受信するごとにそれ以降
の信号がどのような波形を呈するかを刻々計算して求め
ても良い。このようにして信号処理プロセッサ６４は、
信頼性の高いＳ／Ｎ比の良い伝送波形を得た後、予め判
明している伝送パルス間隔を加味して元の伝送情報への
変換を行う。信号処理プロセッサ６４からの出力新都合
は無線伝送変調器６６により無線変調され、無線送信器
６７、送信アンテナ６８を介して無線送信される。本変
形例においては複数の音響検出器６１で音波を検出する
ので、Ｓ／Ｎ比の改善、信号検出性能の増大も図られ
る。

【０１２６】なお、積層磁歪材２２は７００°Ｃ程度に
加熱した後、焼きなましを行うことにより結晶方位のそ
ろった良質の素材が得られる。また、本発明において
は、例えば図２０に示すようにドリルカラー１０２ａの
壁面の外面（又は内面）から実装できる箱穴を開けてあ
るので、効率の良い実装が可能となる。さらに音響検出
器６１として磁歪素子を用いれば、受信部での音響イン
ピーダンスを最小にして音響信号を検出でき、感度の高
い受信が可能となる。また、磁歪素子はキューリー温度
が高いため、高温環境下でも差動できる受信システムを
構築できる。さらに、送信器、受信器が共用でき、双方
向信号伝送装置として用いる場合にコンパクトで効率の
良い信号伝送装置とすることができる。

【０１２７】なお、本明細書中「棒状体」とは、内心部
まで中身の詰まったいわゆる「棒」の他、中身の中空な
管体をも含み、またその材質は金属は言うに及ばず、セ
ラミックス等の材質であってもよく、要するに音波を伝
搬し得る固体であればよい。また、本発明は石油井の掘
削を例にとって説明してきたが、本発明の用途はこれに
限られるものでなく、地熱井などの掘削におけるＭＷＤ
システムの情報伝送装置、電力ケーブル、電話ケーブル
などの配管工事における自動又は機械掘削装置の情報伝
達手段としての利用、人工地震の起震源としての利用、
遠距離物体中の非破壊検査、診断等に利用することも可
能である。例えば、遠距離物体中の非破壊検査、診断等
の利用としては、長距離にわたって架設された線路、橋
梁、トンネル、塔等の構造物を瞬間的に加振して、音波
の反射波、又は透過波を測ることにより、構造物の稼動
中に非破壊で欠陥の検査や監視、診断ができる。

【０１２８】

【発明の効果】以上のように、請求項１の発明によれ
ば、磁歪現象により超音波を発生し棒状体中を伝送する
と共に、高速で立ち上がる磁歪現象を発生させ、急峻な
磁歪発生時の加速度に伴う衝撃力を棒状体に伝達するよ
うに構成したので、保持が簡単で、長いドリルストリン
グを用いた場合にも確実に信号伝送ができ、音波の管体
への伝達に必要なプリロードが十分にかけられると共
に、インパクト反応域での効率の良い電気機械音響結合
が実現でき、大きな超音波エネルギーへの変換が可能と
なり、高ビットレートの信号伝送が可能となるなどの効
果がある。

【０１２９】請求項２の発明によれば、磁歪現象により
超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、薄板状の磁
歪材を積層するように構成したので、保持が簡単で、長
いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号伝送が
でき、音波の管体への伝達に必要なプリロードが十分に
かけられると共に、磁歪素子の駆動電流の変化により生
じる磁歪材の渦電流損が少なくなり、かつ磁歪素子内部
まで磁歪が発生して、１枚の磁歪材で構成した磁歪素子
に比べてその数倍の出力が得られるなどの効果がある。

【０１３０】請求項３の発明によれば、磁歪現象により
超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、磁気回路を
リターン構成となるように構成したので、保持が簡単
で、長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができ、音波の管体への伝達に必要なプリロードが
十分にかけられると共に、励磁巻線で発生した磁束が同
一方向に流れ、磁気回路の損失の少ない大きな出力が得
られるなどの効果がある。

【０１３１】請求項４の発明によれば、磁歪現象により
超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、角形の内鉄
型トランス構造をとるように構成したので、保持が簡単
で、長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができ、音波の管体への伝達に必要なプリロードが
十分にかけられると共に、構造が簡単で、棒状体の中心
部等の積層型の磁歪素子を設置しにくい場所にも設置で
き、実装性が高いなどの効果がある。

【０１３２】請求項５の発明によれば、磁歪現象により
超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、音響ホーン
を設るように構成したので、保持が簡単で、長いドリル
ストリングを用いた場合にも確実に信号伝送ができ、音
波の管体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられ
ると共に、超音波のエネルギー密度が増幅されて棒状体
に注入さ、これにより結晶格子エネルギーの伝達レベル
でのエネルギー伝達が有効となり、効率よく棒状体に加
振力が伝達されるなどの効果がある。

【０１３３】請求項６の発明によれば、音響ホーンの先
端部が適当な圧力（プリロード）で棒状体に圧接される
ように構成したので、音響ホーンの先端部と棒状体との
間に隙間がなく、磁歪素子に発生する歪みを効率よく棒
状体に伝達でき、また、先端部が歪みによる加振力で破
損される恐れもないなどの効果がある。

【０１３４】請求項７の発明によれば、磁歪現象により
超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、複数個の磁
歪素子が同期して歪むように構成したので、保持が簡単
で、長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができ、音波の管体への伝達に必要なプリロードが
十分にかけられると共に、個々の加振力が加算され全体
として大きな加振力が得られるなどの効果がある。

【０１３５】請求項８の発明によれば、各励磁巻線に共
通な１個の抵抗器を設けるように構成したので、部品点
数が少なくてすみ、コスト的に安価となるとともに、部
品の実装容積も少なくてすむので、装置全体の形状を小
型化できるなどの効果がある。

【０１３６】請求項９の発明によれば、磁歪現象により
超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、衝撃波が重
なり合わない時間間隔で励磁インパルス電流が流れるよ
うに構成したので、保持が簡単で、長いドリルストリン
グを用いた場合にも確実に信号伝送ができ、音波の管体
への伝達に必要なプリロードが十分にかけられると共
に、音響信号相互間の干渉が発生することがなく、信頼
性の高い信号伝送が行えるなどの効果がある。

【０１３７】請求項１０の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、衝撃波の
ピークが同相で重なり合うように複数個のインパルス電
流が磁歪素子に流れるように構成したので、保持が簡単
で、長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号
伝送ができ、音波の管体への伝達に必要なプリロードが
十分にかけられると共に、各インパルス電流により発生
する衝撃波のピークが重なり合い、全体として大振幅の
衝撃波が得られるなどの効果がある。

【０１３８】請求項１１の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、雑音成分
がフィルタと検波回路とにより除去され、信号成分は検
波回路により強調されるように構成したので、保持が簡
単で、長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信
号伝送ができ、音波の管体への伝達に必要なプリロード
が十分にかけられると共に、Ｓ／Ｎ比が改善されるなど
の効果がある。

【０１３９】請求項１２の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、送信側の
信号送信周期を検出して、検出周期に同調して送信信号
サンプリングするように構成したので、保持が簡単で、
長いドリルストリングを用いた場合にも確実に信号伝送
ができ、音波の管体への伝達に必要なプリロードが十分
にかけられると共に、確実に送信信号を受信でき、Ｓ／
Ｎ比の高い安定した復調処理が可能となるなどの効果が
ある。

【０１４０】請求項１３の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、雑音成分
を検出してその影響を信号成分から除去するように構成
したので、保持が簡単で、長いドリルストリングを用い
た場合にも確実に信号伝送ができ、音波の管体への伝達
に必要なプリロードが十分にかけられると共に、Ｓ／Ｎ
比の良い復調処理が可能となるなどの効果がある。

【０１４１】請求項１４の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、予め記憶
された棒状体中での信号音波の反射及び共振による雑音
成分のパターンを信号成分から除去するように構成した
ので、保持が簡単で、長いドリルストリングを用いた場
合にも確実に信号伝送ができ、音波の管体への伝達に必
要なプリロードが十分にかけられると共に、Ｓ／Ｎ比の
良い復調処理が可能となるなどの効果がある。

【０１４２】

【０１４３】請求項１５の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、音響ホー
ンにより棒状体を伝搬してくる音波信号を集音して受信
するように構成したので、保持が簡単で、長いドリルス
トリングを用いた場合にも確実に信号伝送ができ、音波
の管体への伝達に必要なプリロードが十分にかけられる
と共に、微弱な音波でも受信できるなどの効果がある。

【０１４４】請求項１６の発明によれば、磁歪現象によ
り超音波を発生し棒状体中を伝送すると共に、複合電池
から複数の電源電圧を供給するように構成したので、保
持が簡単で、長いドリルストリングを用いた場合にも確
実に信号伝送ができ、音波の管体への伝達に必要なプリ
ロードが十分にかけられると共に、スイッチングノイズ
等の雑音が発生せず、損失も少ないなどの効果がある。

【０１４５】請求項１７の発明によれば、複数個の電気
音響変換器で受信した音響信号を電気信号に変換するよ
うに構成したので、信号成分を確実に受信でき、Ｓ／Ｎ
比の良い安定した復調処理が可能となるなどの効果があ
る。

【０１４６】

【０１４７】

【０１４８】

【０１４９】

【０１５０】

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施例による信号伝送装置を示
す側面図である。

【図２】この発明の一実施例による信号伝送装置の磁
歪発生制御装置を模式的に示す図である。

【図３】この発明の一実施例による信号伝送装置の磁
歪発生制御装置の音波受信器の構成を示すブロック図で
ある。

【図４】この発明の一実施例による信号伝送装置の動
作波形の一例を示す波形図である。

【図５】この発明の一実施例による信号伝送装置の送
信器サブの空間的配置を示す配置図である。

【図６】この発明の一実施例による信号伝送装置の電
池の空間的配置を示す配置図である。

【図７】この発明の一実施例による信号伝送装置の磁
歪発信子の磁器回路の構成を示す側面図である。

【図８】この発明の一実施例による信号伝送装置の磁
歪材の磁気特性を示すグラフである。

【図９】この発明の一実施例による信号伝送装置の磁
歪材の斜視図である。

【図１０】この発明の一実施例による信号伝送装置の
磁歪発生制御装置の回路構成を示すブロック図である。

【図１１】この発明の一実施例による信号伝送装置の
音波信号の波形を示す波形図である。

【図１２】この発明の一実施例による信号伝送装置の
駆動電流と伝搬音波波形を示す波形図である。

【図１３】この発明の一実施例による信号伝送装置の
駆動電流と伝搬音波波形を示す波形図である。

【図１４】この発明の一実施例による信号伝送装置の
駆動電流と加速度との関係を示すグラフ図である。

【図１５】この発明の一実施例による信号伝送装置の
伝搬音波波形を示す波形図である。

【図１６】この発明の一実施例による信号伝送装置の
駆動電流と加速度との関係を示すグラフ図である。

【図１７】この発明の一実施例による信号伝送装置の
駆動電流の立ち上がり時間とパワー損失の関係を示すグ
ラフ図である。

【図１８】この発明の一実施例による信号伝送装置の
磁歪発信子の構成を示す斜視図である。

【図１９】この発明の一実施例による信号伝送装置の
磁歪発信子の構成を示す平面図である。

【図２０】この発明の一実施例による信号伝送装置の
磁歪発信子の構成を示す一部切り欠き側面図である。

【図２１】図２０の磁歪発信子の断面図である。

【図２２】図２０の磁歪発信子の斜視図である。

【図２３】図２２の磁歪発信子の断面図である。

【図２４】この発明の一実施例による信号伝送装置の
磁歪発信子の他の構成を示す斜視図である。

【図２５】図２４の磁歪発信子の断面図である。

【図２６】この発明の一実施例による信号伝送装置の
磁歪発信子の他の構成を示す斜視図である。

【図２７】この発明の一実施例による信号伝送装置の
音波受信器の空間的配置を示す配置図である。

【図２８】図２７の音波受信器の断面図である。

【図２９】図２７の音波受信器の回路構成を示すブロ
ック図である。

【図３０】従来の信号伝送装置の他の例の構成を示す
模式図である。

【図３１】図３０の信号伝送装置の信号発信器部分を
示す断面図である。

【図３２】図３０の信号伝送装置の信号発信器部分を
示す模式図である。

【図３３】従来の信号伝送装置の一例の地中における
側面図である。

【図３４】図３３の信号伝送装置の磁歪発信子の構成
を示す斜視図である。

【図３５】図３４の磁歪発信子の側面図である。

【図３６】図３４の信号伝送装置の信号波形を示す波
形図である。

【図３７】図３４の信号伝送装置の信号波形を示す波
形図である。

【符号の説明】

４ドリルパイプ（棒状体）、１０磁歪発生制御装
置、１５高速スイッチング回路（励磁インパルス電流
発生回路）、２０電池、２１磁歪発信子（磁歪素
子）、２２磁歪材、２３，２３ａ，２３ｂ励磁巻
線、６０音波受信器、６１音響検出器（電気音響変
換器）、６２パッシブフィルタ（フィルタ）、６４
検波回路、６５信号処理プロセッサ、６９複合電
池、６１０音響ホーン。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０１Ｈ 3/00 Ｇ０８Ｃ 19/00 Ｈ０４Ｂ 11/00 (56)参考文献特開昭56−125595（ＪＰ，Ａ) 特表平３−501408（ＪＰ，Ａ) 「石油掘削における地中伝送技術」, 電気学会誌112巻第11号，第667〜884頁 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01V 1/00 E21B 47/12 E21B 47/14 G01H 3/00 G08C 19/00 H04B 11/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪材
に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動すると共に、前記磁歪材の歪む速度以
上又は該速度と同程度の立ち上がり速度の励磁電流を前
記励磁巻線に供給する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備えたことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項２】磁歪現象を発生する薄板状の磁歪材を複
数枚積層させ、これに励磁巻線を巻回してなる磁歪素子
と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、該磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備えたことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項３】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪材
に巻回された励磁巻線を有し、前記励磁巻線がリターン
回路構成の磁気回路を構成する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、該磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備えたことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項４】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪材
に巻回された励磁巻線を有し、前記磁歪材の形状が角形
の内鉄型のトランス構造であり、前記励磁巻線が閉磁界
を構成する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、該磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備えたことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項５】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪材
に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の音波出力発生方向の先端部に設けた音響
ホーンと、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備えたことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項６】前記音響ホーンの先端部を適当な圧力で
前記棒状体に圧接する圧接手段を備えたことを特徴とす
る請求項５記載の信号伝送装置。
【請求項７】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪材
に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器と、前記磁歪素子を複数個配設する壁面を有する管体とを備
え、前記磁歪発生制御装置が前記複数の磁歪素子の励磁巻線
に互いに同期した励磁電流を供給することを特徴とする
信号伝送装置。
【請求項８】前記磁歪発生制御装置が、前記複数の磁
歪素子の各励磁巻線に対して直列に接続された１個の抵
抗器を備え、該抵抗器の抵抗値と前記各励磁巻線のイン
ダクタンスとにより規定される励磁電流の応答速度が前
記磁歪素子の磁歪材の歪む速度以上又は該速度と同等と
なるようにせしめたことを特徴とする請求項７記載の信
号伝送装置。
【請求項９】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪材
に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪発生制御装置に設けられ、励磁インパルス電流
を前記磁歪素子に供給する励磁インパルス電流発生回路
と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備え、前記励磁インパルス電流発生回路は、前記棒状体中を伝
搬する衝撃波が重なり合わない時間間隔で前記励磁イン
パルス電流を発生することを特徴とする信号伝送装置。
【請求項１０】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪発生制御装置に設けられ、励磁インパルス電流
を前記磁歪素子に供給する励磁インパルス電流発生回路
と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置された音波
受信器とを備え、前記励磁インパルス電流発生回路は、前記棒状体中を伝
搬する衝撃波のピークが同相で重なり合うように、複数
個のインパルス電流を前記磁歪素子に供給することを特
徴とする信号伝送装置。
【請求項１１】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置され、音響
信号を電気信号に変換する電気音響変換器と、雑音を除
去するフィルタと、小信号成分を抑制し有効信号成分を
強調する検波回路とを有する音波受信器とを備えたこと
を特徴とする信号伝送装置。
【請求項１２】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置され、音響
信号を電気信号に変換する電気音響変換器と、雑音を除
去するフィルタと、信号処理を行う信号処理プロセッサ
とを有する音波受信器と、該信号処理プロセッサが送信側の信号送信周期を検出す
る周期検出手段と、該送信周期に同調して送信信号をサンプリングするサン
プリング手段とを備えたことを特徴とする信号伝送装
置。
【請求項１３】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置され、音響
信号を電気信号に変換する電気音響変換器と、雑音を除
去するフィルタと、信号処理を行う信号処理プロセッサ
とを有する音波受信器とを備え、該信号処理プロセッサは、前記棒状体中での前記信号音
波の反射及び共振による雑音成分を算出する雑音成分算
出手段と、該雑音成分算出手段の算出した雑音成分の影
響を信号成分から除去する雑音成分除去手段とを備えた
ことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項１４】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体中を伝搬する前記信号音波を受信して電気信号
に変換し出力する該棒状体の所定位置に配置され、音響
信号を電気信号に変換する電気音響変換器と、雑音を除
去するフィルタと、信号処理を行う信号処理プロセッサ
とを有する音波受信器と備え、該信号処理プロセッサは、前記棒状体中での前記信号音
波の反射及び共振による雑音成分のパターンを予め記憶
する記憶手段と、該記憶手段の記憶した雑音成分の影響
を信号成分から除去する雑音成分除去手段とを備えたこ
とを特徴とする信号伝送装置。
【請求項１５】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体の所定位置に配置され、前記棒状体を伝搬して
くる前記音響信号を拡大する少なくとも１個の音響ホー
ンと、該音響ホーンにより拡大された音響信号を電気信
号に変換する電気音響変換器とを有する音波受信器と備
え、前記電気音響変換器は、前記音響ホーンのそれぞれに固
着されていることを特徴とする信号伝送装置。
【請求項１６】磁歪現象を発生する磁歪材及び該磁歪
材に巻回された励磁巻線を有する磁歪素子と、該磁歪素子を駆動する磁歪発生制御装置と、前記磁歪素子の発生した信号音波を伝達する棒状体と、該棒状体の所定位置に配置され、複数の電源電圧を出力
する複合電池から成る電源を有する音波受信器とを備え
たことを特徴とする信号伝送装置。
【請求項１７】前記音波受信器が、前記棒状体を伝搬
する音響信号を電気信号に変換する電気音響変換器を複
数備えたことを特徴とする請求項１から請求項１６のう
ちのいずれか１項記載の信号伝送装置。