JPH08130511A - Pipe transmission device - Google Patents
Pipe transmission deviceInfo
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- JPH08130511A JPH08130511A JP26548994A JP26548994A JPH08130511A JP H08130511 A JPH08130511 A JP H08130511A JP 26548994 A JP26548994 A JP 26548994A JP 26548994 A JP26548994 A JP 26548994A JP H08130511 A JPH08130511 A JP H08130511A
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- E21B—EARTH OR ROCK DRILLING; OBTAINING OIL, GAS, WATER, SOLUBLE OR MELTABLE MATERIALS OR A SLURRY OF MINERALS FROM WELLS
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- E21B47/12—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling
- E21B47/14—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling using acoustic waves
- E21B47/16—Means for transmitting measuring-signals or control signals from the well to the surface, or from the surface to the well, e.g. for logging while drilling using acoustic waves through the drill string or casing, e.g. by torsional acoustic waves
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 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。
【構成】 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３４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。
(57) [Abstract] [Purpose] An object of the present invention is to obtain a tubular body transmission device capable of improving the efficiency of underground transmission of underground information and extending the transmission distance. By mounting the magnetostrictive oscillator 34 on the resonance tube body 22 that resonates at the same frequency as the natural frequency of the magnetostrictive oscillator 34, the vibration energy generated in the resonance tube body 22 is elastically generated in the magnetostriction oscillator 34. In addition to the vibration energy of the wave, the vibration energy of the magnetostrictive oscillator 34 increases.
Description
【０００１】[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。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a pipe transmission device for transmitting underground information to the ground in real time, which is used, for example, when excavating an oil or gas well.
【０００２】[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。2. Description of the Related Art In recent years, in order to reduce excavation costs and improve safety and to immediately obtain excavation information and control excavation, MWD that transmits formation information and excavation information to the ground in real time while excavating. (Measurement While Drilling)
The system is being developed. This technique is, for example, as described in European Patent Publication EP 0552833A1, a sound wave tube transmission system using piezoelectric ceramics as a transmission source.
【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。FIG. 14 is a side view showing the system configuration of the bottom of a conventional pipe transmission system. In the figure, reference numeral 1 is a transmitter which uses piezoelectric ceramics and transmits by using the piezoelectric effect of the piezoelectric ceramics, and ultrasonic vibration is generated by applying a burst voltage. Reference numeral 2 is a receiver tube on the receiving side, 3 is a receiving transducer for converting a received sound wave into an electric signal, 4 is an MWD tool, 5 is a drill pipe, and a row of the drill pipes 5 thus added is called a drill string. , 6 are drill collars for connecting the drill pipes 5.
【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。Next, the operation will be described. The ultrasonic wave generated from the transmitter 1 is transmitted to the pipe body including the drill collar 6 and the drill pipe 5 and propagates upward. In this conventional example, the ultrasonic wave is received by the receiving transducer 3 on the receiver tube 2 installed in the middle of the tube body, and further information is transmitted to the ground via the MWD tool 4 by, for example, a method using a mud pulse. Sent.
【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。FIG. 15 is an exploded perspective view showing the structure of the oscillator. In the figure, 7 is a laminated ceramic crystal. FIG. 16 is a sectional view of the oscillator, in which 8 is an elastic body such as a spring, and 9 is a coupling portion for connecting the oscillator 1 and the tube body. The transmitter 1 is installed in a recess provided in the pipe body, the coupling portion 9 at one end is pressed against the lateral surface of the drill string, and the elastic body 8 couples the vibration of the transmitter 1 to the pipe body. The structure is such that a bias force is applied to the laminated ceramic crystal 7.
【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。Next, the waveform signal propagating through the tube will be described. FIG. 17A is a waveform diagram showing the drive voltage waveform of the oscillator of the conventional tube transmission device, and FIG. 17B is a waveform diagram showing the propagation signal waveform of the conventional tube transmission device. . In the figure, 10 is a drive voltage waveform of the oscillator 1, 1
Reference numerals 1 and 12 are propagation waveforms generated in the tubular body.
【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。The signal propagating through the pipe is first a carrier wave having a frequency of about 20 kHz corresponding to the resonance frequency of the oscillator 1.
A wave burst voltage is applied to the ceramic crystal 7 to excite the ceramic crystal 7. This ceramic crystal 7
Vibration propagates through the coupling portion 9 to the tubular body, and as a result, ultrasonic vibration composed of longitudinal waves 11 and transverse waves 12 is generated in the tubular body.
【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。Further, the modulation method of the excitation voltage of the oscillator 1 will be described. 18 (a) is a voltage waveform diagram showing bit "1" of the oscillator of the conventional tube transmission device.
(B) is the bit “0” of the transmitter of the conventional tube transmission device.
FIG. 6 is a voltage waveform diagram showing This excitation voltage is coded at a repeat rate, the first rate corresponds to bit "1", in this conventional example 6.2 msec, and the second rate corresponds to bit "0". 1 in the example
It is 2.4 msec.
【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。The ultrasonic vibration propagated from the oscillator 1 propagates up the drill string and is detected by the receiving transducer 3 having the same structure as the oscillator 1, and the output voltage is generated by the vibration of the piezoelectric crystal of the receiving transducer 3. Is generated. Alternatively, a piezoelectric accelerometer is used to detect the ultrasonic vibrations.
【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。The elastic wave detected by the receiving transducer 3 is converted into an electric signal, the noise component is removed through a filter (not shown), and further converted into a digital signal by an A / D converter (not shown), and the MWD is used. It is input to the tool 4 and transmitted further upward by, for example, a mud pulse.
【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。However, in the conventional tube transmission device, the piezoelectric ceramic is used to generate the acoustic signal by using the piezo effect of the piezoelectric ceramic, so that the carrier wave is generated even if it is modulated at the repeat rate. Although required, the excitation by the carrier wave has a limitation in the energy transmission to the tubular body because the energy transmission is due to the vibration coupling by the coupling portion 9, and the efficiency of the piezoelectric ceramics is lowered.
【００１２】[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。Since the conventional tubular body transmission device is constructed as described above, the efficiency of piezoelectric ceramics is extremely low at 1% or less, and in order to perform tubular body transmission by direct excitation of a carrier wave. It was necessary to secure a large oscillator capable of outputting a large amount of energy and a large power supply accompanying it. However, it is extremely difficult to secure a large-sized oscillator and a large-sized power source accompanying it because the drill pipe 5 itself that stores the oscillator 1 is thin, and as a result, the conventional tubular body transmission device is, for example, a mud motor. Over ten meters through
However, there is a problem that it is difficult to transmit the underground information from the bottom of the pit which extends over several km to the ground.
【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。The present invention has been made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to obtain a pipe transmission device capable of improving the pipe transmission efficiency of underground information and extending the transmission distance. To aim.
【００１４】[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、この弾性波信
号を共鳴管体により共振させ、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る。According to a first aspect of the present invention, there is provided a tubular body transmission device, wherein an exciting current is supplied to a magnetostrictive element based on underground information to generate an elastic wave, and the elastic wave signal is transmitted to a resonance tube. The body is made to resonate, and this resonance vibration is propagated in the drill string.
【００１５】請求項２の発明に係る管体伝送装置は、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。According to a second aspect of the present invention, there is provided a tubular body transmission device in which a resonant tubular body resonates at a natural period determined by a propagation velocity of an elastic wave generated by a magnetostrictive element and a total length of the resonant tubular body.
【００１６】請求項３の発明に係る管体伝送装置は、磁
歪素子の歪み応答速度よりも立ち上がりの早い励磁イン
パルス電流を磁歪素子に印加して、インパルス性の加速
度を発生させ、共鳴管体を共振させるようにしたもので
ある。According to a third aspect of the present invention, there is provided a tubular body transmitting apparatus, wherein an exciting impulse current having a rising speed faster than a strain response speed of a magnetostrictive element is applied to the magnetostrictive element to generate an impulse-like acceleration, thereby causing the resonant tubular body to move. It is designed to resonate.
【００１７】請求項４の発明に係る管体伝送装置は、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。According to a fourth aspect of the present invention, in the tubular body transmission device, the cycle of the excitation impulse current applied to the magnetostrictive element is set so that the oscillation frequency of the magnetostrictive element and the resonant frequency of the resonant tubular body overlap. It is designed to match the cycle.
【００１８】請求項５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。In the tubular body transmission device according to the fifth aspect of the present invention, the magnetostrictive element is located at the center of the resonant tubular body so as to maximize the vibration amplitude of the resonant tubular body.
【００１９】[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、磁歪素子で発
生した上記弾性波に共振するとともに、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。In the pipe transmission apparatus according to the present invention, the plurality of detectors detect the underground information, and the magnetostriction generation control device outputs the exciting current based on the underground information from the plurality of detectors. Then, the magnetostrictive element generates an elastic wave in accordance with the exciting current from the magnetostriction generation control device, resonates with the elastic wave generated by the magnetostrictive element, and a resonance tube that propagates this resonance vibration to the drill string located on the upper side. By providing the body, the vibration energy of the elastic wave signal of the magnetostrictive element can be increased.
【００２０】請求項２の発明における管体伝送装置は、
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。According to a second aspect of the present invention, there is provided a tubular transmission device,
By providing a resonance tube that resonates at a natural period determined by the propagation velocity of the elastic wave generated in the magnetostrictive element and the total length of the resonance tube, the vibration energy of the elastic wave of the magnetostrictive element can be increased. .
【００２１】請求項３の発明における管体伝送装置は、
磁歪素子の歪み応答速度よりも立ち上がりの早い励磁イ
ンパルス電流を磁歪素子に印加してインパルス性の加速
度を発生させ、共鳴管体を共振させる磁歪発生制御装置
を設けたことにより、磁歪素子に磁歪現象を急激に発生
させ、振動加速度を生じさせることができるようにな
る。According to a third aspect of the present invention, there is provided a tubular transmission device,
Magnetostriction phenomenon occurs in the magnetostrictive element by providing a magnetostriction generation control device that applies an excitation impulse current that rises faster than the strain response speed of the magnetostrictive element to the magnetostrictive element to generate impulsive acceleration and resonate the resonant tubular body. It becomes possible to rapidly generate the vibration acceleration.
【００２２】請求項４の発明における管体伝送装置は、
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。According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a tubular transmission device,
By providing a magnetostrictive element that can generate vibration acceleration in the cycle of the excitation impulse current that matches the natural cycle of the resonant tube, the vibration energy of the resonant tube is superimposed on the vibration energy of the elastic wave of the magnetostrictive element, It is possible to further increase the vibration energy of the elastic wave signal of the magnetostrictive element.
【００２３】請求項５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。The pipe transmission device according to the invention of claim 5 is
By providing the resonance tube body in which the magnetostrictive element is located at the center, the maximum vibration energy of the resonance tube body can be superimposed on the vibration energy of the elastic wave of the magnetostrictive element.
【００２４】[0024]
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。Example 1. An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a tube transmission device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram showing a transmitter tube of the tube transmission device according to an embodiment of the present invention. In the figure, 21 is a transmitter tube containing a transmitter, 22 is a resonance tube body in which a magnetostriction generation control device to be described later is housed, and a magnetostrictive oscillator (magnetostrictive element) 34 to be described later is mounted in the central portion,
Is a mud turbine generator, 24 is a drill pipe, 25 is a detector at the bottom of the pit, 26 is a receiving pipe (acoustic wave receiver) accommodating the acoustic sensor 26a, and 27 is a logging station installed on the ground for recording and storing data. Is.
【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。Reference numeral 28 denotes a magnetostriction generation control device mounted on the resonance tube body 22, which supplies an exciting current and an impulse current to the magnetostrictive oscillator 34. 29 is the detector 2
5, an information communication mechanism for performing information communication with 5, and a detector 25
A modulation circuit that shock-modulates the data detected by the transmission signal from the mine bottom to the ground, 31 is a control power supply that supplies the power supplied from the mud turbine generator 23 to the modulation circuit 30 and other electronic circuits at a constant voltage. , 32 is a constant voltage DC / DC converter that supplies a high current to the oscillator, and 33 is a high-speed switching circuit (excitation impulse current generation circuit) that supplies an impulse current. Reference numeral 34 is a magnetostrictive oscillator that causes a magnetostriction phenomenon by being supplied with an exciting current from the magnetostriction generation control device 28, and an elastic wave generated by this magnetostriction phenomenon propagates in the drill string.
【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。The shock modulation is a modulation method in which 1-bit information is typically modulated by one shock impulse. For example, bit "1" is applied with a shock impulse and bit "0" is applied. Is expressed by modulating without applying an impact impulse. According to the shock modulation, compared to the modulation method using the carrier wave, the transmission medium is the drill pipe 2
4 has the effect of effectively transmitting energy. However, it is also possible to modulate 1-bit information with a plurality of impact impulses.
【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。Next, the structure of the magnetostrictive oscillator 34 will be described. FIG. 3 is a perspective view showing the configuration of a magnetostrictive oscillator of a tubular transmission device according to an embodiment of the present invention. In the figure, 3
Reference numeral 5 is a core-shaped magnetostrictive material, and 36 is an exciting winding wound in a direction perpendicular to the strain direction of the magnetostrictive material 35. Excitation winding 3
An exciting current is supplied to 6 to generate a magnetic field in the magnetostrictive material 35, and this magnetic field causes a steep magnetostrictive phenomenon in the magnetostrictive material 35. As the magnetostrictive material 35 that generates a strain by applying a magnetic field, in addition to metal-based magnetostrictive materials such as nickel and cobalt, terphenol D (Terfenol-D) is used as a giant magnetostrictive material.
Materials such as are known. In this embodiment, for example, a nickel-based magnetostrictive material is used as the metal material having high material strength.
【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９（２）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。When a steep impulse current is applied to the excitation winding 36 to apply a magnetic field to the magnetostrictive material 35, the magnetostrictive material 35 is made of metal,
In the case of nickel, for example, in response to a change in the magnetic field, an eddy current is generated inside the magnetostrictive material 35 in the direction of canceling the external magnetic field in the cross section (plane perpendicular to the magnetic field) of the magnetostrictive material 35, and A phenomenon occurs in which an effective magnetic field is not applied inside.
In order to prevent the occurrence of this phenomenon, a thin plate-shaped magnetostrictive material 35a shown in FIG. 9 (2) is laminated with the magnetostrictive material 35 via an insulating layer so that an eddy current is less likely to occur in a cross section perpendicular to the magnetic field. Thus forming the magnetostrictive material 35. By doing so, the magnetostriction phenomenon that occurred only in the skin of the magnetostrictive material 35 can occur in the entire laminated magnetostrictive structure.
【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。FIG. 4 is a side view showing a magnetic circuit of a magnetostrictive oscillator of a tube transmission device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 5 shows magnetostrictive characteristics of a magnetostrictive material of the tube transmission device according to an embodiment of the present invention. It is a graph figure which shows. The strain of the magnetostrictive material 35 due to the application of the magnetic field has a characteristic of expanding and contracting in one direction regardless of the direction of the magnetic field. The pure nickel magnetostrictive material 35 has a characteristic of contracting in the magnetic field direction as a magnetic field is applied. The magnetostrictive oscillator 34 is formed into a closed circuit as shown in FIG.
By winding 6a and 36b in the opposite directions with the same number of turns N1 and N2, the magnetic field generated in the magnetostrictive oscillator 34 by the excitation windings 36a and 36b magnetically forms a closed circuit inside the magnetostrictive material 35. Is configured to be. Although the magnetic fields 37a and 37b of both wings of the magnetostrictive oscillator 34 are in opposite directions,
Since the magnetostriction changes ε 1 and ε 2 on the end face on the major axis side change in the same direction on the left and right, the magnetostrictive oscillator 34 expands and contracts in the major axis direction as a whole. In other words, the magnetic return circuit configuration also contributes to the provision of the magnetostrictive oscillator 34 in which the magnetic leakage is effective and the magnetic leakage is extremely small.
【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。FIG. 6A is a plan view showing a magnetostrictive oscillator of a tube transmission device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a magnetostrictive oscillator of the tube transmission device according to an embodiment of the present invention. FIG. 7 is a side sectional view showing a state in which the is attached to the resonance tube body.
In the figure, 38 is an acoustic horn joined to the acoustic radiation surface of the magnetostrictive material 35, and is pressed against the resonance tube body 22 with a fixed tightening torque by a fixing bolt 39 and a fixing nut 40. Reference numeral 41 designates a preload mechanism for bringing the magnetostrictive material 35 into close contact with the acoustic horn 38 via the abutment 42 by means of a jack bolt 41a and a non-rotating fixing nut 41b.
3 is a holding plate for vertically adjusting the magnetostrictive material 35, and 44
Is a mounting recess provided in the resonance tube body 22 as a housing groove for the magnetostrictive oscillator 34.
【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。Further, the acoustic horn 38 radiates the magnetostrictive oscillator 34 in order to efficiently transmit the steep excitation force generated in the magnetostrictive oscillator 34 to the resonant tubular body 22 in the energy transmission to the resonant tubular body 22. It is joined to the surface. The acoustic horn 38 has an exponential shape structure that is a theoretical shape for concentrating energy, and intensively (exponentially) amplifies the energy density of the exciting force generated by the impulsive acceleration, and efficiently. It is injected into the resonance tube body 22.
【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。Further, the magnetostrictive oscillator 34 of the present embodiment applies the sharp excitation force generated by the magnetostrictive oscillator 34 to the resonance tube 22.
In order to efficiently and safely transmit mechanical strength, it is necessary to firmly contact the transmission surface. That is, when there is a gap between the magnetostrictive oscillator 34 and the wall surface of the resonance tube body 22, the excitation force generated by the steep magnetostriction causes impact destruction on the wall surfaces of the magnetostrictive oscillator 34, the acoustic horn 38, and the resonance tube body 22. May occur. For this reason, this preload is performed in order to securely bring the magnetostrictive oscillator 34 into close contact with the wall surface of the resonance tube body 22 and prevent impact damage. To actually mount the magnetostrictive oscillator 34 in the resonance tube body 22, the magnetostrictive oscillator 34 is used.
After inserting into the mounting recess 44, the jack bolt 41a of the preload mechanism 41 may be rotated to extend the preload mechanism 41. By doing so, the head of the preload mechanism 41 and the acoustic horn 38 are respectively mounted in the mounting recesses 44.
The magnetostrictive oscillator 34 and the resonance tube 22 are fitted tightly together.
The void between and disappears.
【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。Next, the vibration waveform when the magnetostrictive oscillator 34 is positioned at the center of the resonance tube 22 will be described. FIG. 7 is a waveform diagram showing vibrations when the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to one embodiment of the present invention is positioned at the center of the resonant tubular body. When the vibration injection position of the magnetostrictive oscillator 34 is set at the center of the resonance pipe body 22, an elastic wave 45 having a frequency component having the entire length of the resonance pipe body 22 as one cycle is generated. Therefore, when the propagation velocity in the drill pipe 24 is known, it is possible to obtain an arbitrary resonance frequency by changing the total length of the resonance pipe body 22. The total length of the resonance pipe body 22 is determined as follows based on the required resonance frequency and the propagation velocity of the elastic wave in the resonance pipe body 22.
【００３４】 Ｌ0 ＝Ｖ／ｆc0 ・・・（１） Ｌ0 ：共鳴管体２２の全長（ｍ） Ｖ：伝搬速度（ｍ／ｓ） ｆc0：共振周波数（Ｈｚ）L 0 = V / f c0 (1) L 0 : Total length of resonant tube 22 (m) V: Propagation velocity (m / s) f c0 : Resonance frequency (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ｆc0を
得ることができる。For example, the propagation velocity V of the elastic wave propagating in the drill pipe 24 is 5005 m / sec, and the resonance pipe body 22.
Assuming that the total length L 0 is 2.78 m and the mounting position of the acoustic horn 38 is 1.39 m, a resonance frequency f c0 of 1800 Hz can be obtained.
【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。As described above, the magnetostrictive oscillator 3 is attached to the resonance tube body 22 which resonates at the same frequency as the natural frequency of the magnetostrictive oscillator 34.
By mounting No. 4, the vibration energy generated in the resonance tube body 22 is added to the vibration energy of the elastic wave generated in the magnetostrictive oscillator 34, and the vibration energy of the magnetostrictive oscillator 34 is increased.
【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。Further, by locating the magnetostrictive oscillator 34 at the center of the resonance tube body 22 where the maximum vibration energy is generated, the vibration energy of the magnetostrictive oscillator 34 is further increased.
【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。Next, the magnetostriction generation control device 28 will be described. FIG. 8 is a block diagram showing a magnetostriction generation control device for a tube transmission device according to an embodiment of the present invention. FIG. 9 is a waveform diagram showing elastic waves propagating in the drill pipe when an impulse current is applied to the magnetostrictive oscillator of the tubular transmission device according to the embodiment of the present invention. The high-speed switching circuit 33 is a driver that supplies the charge charged in the capacitor 32d through the external resistor 33b to the magnetostrictive oscillator 34, and can flow a large current.
It is driven by a. The switching control circuit 33c is a circuit that controls the gate of the switching transistor 33a. The switching control circuit 33c drives the switching transistor 33a at the output timing of the pulse generation circuit in the modulation circuit 30 to rapidly switch the electric charge stored in the capacitor 32d to make an impulse. Generates electric current. The impulse current output has a steep rise time τ and is a current pulse having a rise time approximately equal to the rise response speed of the magnetostrictive material 35. The rise time of this pulse current is
Although determined by the inductance L and the internal resistance r of the magnetostrictive oscillator 34, an external resistor 33b is connected in series with the magnetostrictive oscillator 34 in order to pass an impulse current having a steep rise.
【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。The impulse current output from the high speed switching circuit 33 causes a magnetic field having a magnitude proportional to the impulse current to be generated inside the magnetostrictive material 35 by the exciting winding 36 wound around the magnetostrictive oscillator 34. Since the reaction in the demagnetizing field direction due to the eddy current inside the magnetostrictive material 35 can be ignored (because the magnetostrictive oscillator 34 has a laminated structure), the rise of the internal magnetic field of the magnetostrictive material 35 is equal to the rise of the impulse current, and the magnetostrictive oscillator Inductance L of 34 and external resistor 3
Distortion occurs at a rising speed determined by the resistance value R of 3b. The acceleration a when magnetostriction occurs can be obtained by the following equation 2.
【００４０】 ａ＝Δｌ／（Δｔ）2 ・・・（２） Δｌ：歪量 Δｔ：立ち上がり時間A = Δl / (Δt) 2 (2) Δl: distortion amount Δt: rising time
【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。When pure nickel, for example, is used as the magnetostrictive material 35, Δl can be several μm and Δt can be several tens μsec, so that an acceleration of about 1000 G can be realized.
【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。Next, an elastic wave propagating in the drill pipe by applying an impulse current to the magnetostrictive oscillator will be described.
FIG. 10 is a waveform diagram showing an impulse current train applied to an exciting winding of a magnetostrictive oscillator of a tube transmission device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 11A is a tube transmission device according to an embodiment of the present invention. 3B is a waveform diagram showing an elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator is not matched with the natural frequency of the resonant tubular body, and FIG. 7B is a magnetostrictive oscillation of the tubular body transmission device according to the embodiment of the present invention. FIG. 12 (a) is a waveform diagram showing the frequency components of the elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the child is not matched with the natural frequency of the resonant tubular body. FIG. 12 (a) shows the tubular body transmission device according to one embodiment of the present invention. FIG. 3B is a waveform diagram showing an elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator is made to match the natural frequency of the resonant tubular body, and FIG. 7B shows the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to one embodiment of the present invention. Impulse current to be applied Is a waveform diagram showing the frequency components of the acoustic wave when to match the frequency to the natural frequency of the resonance tube.
【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、ｆc0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。In the figure, f 00 and f 01 are the natural frequencies of the magnetostrictive oscillator 34, and f c0 is the natural frequency of the resonant tube. Impulse current having a faster rise than the strain response speed of the magnetostrictive material 35, for example, a pulse width dt of 40 μs is set in the magnetostrictive oscillator 34, and a pulse train interval T of 555 μs causes a magnetostriction of 10 pulses. Suddenly occurs, and a strong vibration acceleration of, for example, more than 1000 G occurs, and the vibration acceleration first resonates at a frequency according to the structure and dimensions of the magnetostrictive oscillator 34 itself. Is transmitted to the resonance tube body 22 in which is mounted, and resonates at a frequency determined by the structural dimensions of the resonance tube body 22 (see FIG. 11). The resonance frequency of the resonance tube body 22 is lower than the resonance frequency component of the magnetostrictive oscillator 34, but a resonance frequency of a constant level is generated.
【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ｆc0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ｆc0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ｆc0の周波数成分が大きくなる。Further, by matching the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator 34 with the natural frequency f c0 of the resonance tube 22, that is, the impulse period of the magnetostrictive oscillator 34 is expressed by the following equation (3). By making the natural frequency f c0 of the resonance tube 22 match, the vibration energy increases, and as shown in FIG.
The frequency component of the natural frequency f c0 of is increased.
【００４５】 ｄＴ＝１／ｆc0 ・・・（３） ｄＴ：磁歪発振子に印加するインパルス電流の時間間隔 ｆc0：共鳴管体の固有周波数DT = 1 / f c0 (3) dT: time interval of impulse current applied to magnetostrictive oscillator f c0 : natural frequency of resonant tube
【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。In this way, first, the resonance tube body 22 having a size structure that resonates at a required frequency is prepared, and a relatively small magnetostrictive oscillator 34 is mounted on the resonance tube body 22 to forcibly resonate with a plurality of impulse currents. By doing so, it is possible to generate an elastic wave having a low frequency.
【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。本実施例のおいては前述した衝撃変調がなされる。Next, impact modulation will be described. FIG. 13 is a waveform diagram showing the output waveform of the modulation signal of the tubular transmission device according to the embodiment of the present invention. The modulation circuit 30 has a function of digitally encoding and modulating the information collected by the detector 5 at the bottom of the hole. A drive pulse train is output from the high-speed switching circuit 33 based on this modulation signal. In the present embodiment, the above-mentioned shock modulation is performed.
【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１２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。The time interval of the pulse train generated by the shock modulation is determined by the propagation characteristics of the drill pipe 5. This is because the acoustic waveform propagating through the drill pipe 5 is attenuated, reflected and dispersed when propagating through the drill pipe 5, and interference occurs between successive pulses. Therefore, the digitally encoded information for each bit is opened by a time interval at which the information can be decoded by demodulation, and then the next 1-bit information is transmitted. The first line in FIG. 12 represents the bit information of the output data, and the output timing for sending this information is shown in the second line. In the case of this figure, the bit string "11"
10010100 ″ data is transmitted. When the bit rate is 10 bits / sec, the timing is every 100 msec, and 100 bits / se.
When it is c, it is every 10 msec. The drive current is output as shown in the third row in correspondence with this output timing. With the impulse current, the magnetostrictive oscillator 34 oscillates as shown in the fourth row, and impulse-like acceleration as shown in the output waveform is generated. The waveform in the last row is the propagation waveform of the drill pipe 24 excited by the impact force associated with this acceleration.
【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。Next, the operation will be described. At the bottom of the mine, various detectors 25 are arranged in the vicinity of a drill bit (not shown), and the above-mentioned various information detected by the detector 25 is taken in via the information communication mechanism 29 in the transmitter pipe 21 and modulated. The circuit 30 performs shock modulation. That is, a current having the same rising speed as the response speed of the magnetostrictive material 35 of the magnetostrictive oscillator 34 is passed through the exciting winding 36 of the magnetostrictive oscillator 34 through the high-speed switching circuit 33, and when the magnetic field reaches the target value. Cut off the current. Then, the magnetostrictive material 35 expands and contracts due to its material characteristics, and due to the expansion and contraction characteristics, a strong acceleration is generated and elastic waves are generated. The elastic wave becomes a signal, propagates through the drill string, and reaches the receiving tube 26 on the ground.
【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。Then, in the receiving tube 26, the receiving tube 2
A signal propagating through the drill string is detected by 6 and low frequency noise is removed by a filter (not shown), and then this signal is transmitted to a logging station 7 from a transmitting antenna (not shown). In the logging station 7, a reception antenna (not shown) and a wireless receiver (not shown) receive this radio wave, a demodulator (not shown) demodulates it, and restores the original data again. These demodulated data are stored in a disk, printed out based on time information or excavation progress information, or displayed on a display by a data output device (not shown). It also communicates information with other excavation and formation analysis systems.
【００５１】[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、この弾性波を共鳴管体によ
り共振させ、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。As described above, according to the invention of claim 1, an exciting current is supplied to the magnetostrictive element based on the underground information to generate an elastic wave, and the elastic wave is resonated by the resonance tube body. Since the resonance vibration is propagated in the drill string, there is an effect that the efficiency of pipe transmission of underground information can be improved and the transmission distance can be extended.
【００５２】請求項２の発明によれば、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。According to the second aspect of the present invention, since the resonance tubular body is configured to resonate at a natural period determined by the propagation velocity of the elastic wave generated by the magnetostrictive element and the total length of the resonance tubular body, the underground information pipe There is an effect that the efficiency of body transmission can be improved and the transmission distance can be extended.
【００５３】請求項３の発明によれば、磁歪素子の歪み
応答速度よりも立ち上がりの早い励磁インパルス電流を
磁歪素子に印加して、インパルス性の加速度を発生さ
せ、共鳴管体を共振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。According to the third aspect of the present invention, an exciting impulse current that rises faster than the strain response speed of the magnetostrictive element is applied to the magnetostrictive element to generate impulse acceleration and resonate the resonance tube body. Since it is configured, there is an effect that the efficiency of pipe transmission of underground information can be improved and the transmission distance can be extended.
【００５４】請求項４の発明によれば、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。According to the fourth aspect of the invention, the natural period of the magnetostrictive element is matched with the natural cycle of the resonant tube so that the cycle of the excitation impulse current applied to the magnetostrictive element and the resonant frequency of the resonant tube overlap. With this configuration, there is an effect that the efficiency of pipe transmission of underground information can be improved and the transmission distance can be extended.
【００５５】請求項５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。According to the fifth aspect of the present invention, the magnetostrictive element is arranged at the center of the resonance pipe body so as to maximize the vibration amplitude of the resonance pipe body. It is possible to improve the transmission efficiency and extend the transmission distance.
【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。FIG. 1 is a configuration diagram showing a tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 2 is a configuration diagram showing a transmitter tube of a tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 3 is a perspective view showing a configuration of a magnetostrictive oscillator of a tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 4 is a side view showing a magnetic circuit of a magnetostrictive oscillator of a tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 5 is a graph showing a magnetostrictive characteristic of a magnetostrictive material of a tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention.
【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。6A is a plan view showing a magnetostrictive oscillator of a tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 6B is a resonance tube of the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to an embodiment of the present invention. It is a side sectional view showing the state when it was equipped to the body.
【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。FIG. 7 is a waveform diagram showing vibrations when the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to the embodiment of the present invention is positioned at the center of the resonant tubular body.
【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。FIG. 8 is a configuration diagram showing a magnetostriction generation control device for a tube transmission device according to an embodiment of the present invention.
【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。FIG. 9 is a waveform diagram showing elastic waves propagating in the drill pipe when an impulse current is applied to the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to the embodiment of the present invention.
【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。FIG. 10 is a waveform diagram showing an impulse current train applied to the excitation winding of the magnetostrictive oscillator of the tubular transmission device according to the example of the present invention.
【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。FIG. 11A is a waveform diagram showing an elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to one embodiment of the present invention is not matched with the natural frequency of the resonant tubular body. , (B) is a waveform diagram showing the frequency components of an elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to one embodiment of the present invention is not matched with the natural frequency of the resonant tubular body. Is.
【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。FIG. 12A is a waveform diagram showing an elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator of the tubular body transmission device according to the embodiment of the present invention is made to match the natural frequency of the resonant tubular body, FIG. 6B is a waveform diagram showing the frequency components of the elastic wave when the frequency of the impulse current applied to the magnetostrictive oscillator of the tubular transmission device according to the embodiment of the present invention is made to match the natural frequency of the resonant tubular body. .
【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。FIG. 13 is a waveform diagram showing an output waveform of a modulation signal of the tubular body transmission device according to the embodiment of the present invention.
【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。FIG. 14 is a side view showing a system configuration of a pit bottom of a conventional pipe transmission system.
【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。FIG. 15 is an exploded perspective view showing a structure of a transmitter of a conventional tubular body transmission device.
【図１６】 従来の管体伝送装置の発信器の断面図であ
る。FIG. 16 is a cross-sectional view of a transmitter of a conventional tubular body transmission device.
【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。FIG. 17A is a waveform diagram showing a drive voltage waveform of an oscillator of a conventional tube transmission device, and FIG. 17B is a waveform diagram showing a propagation signal waveform of the conventional tube transmission device.
【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。FIG. 18 (a) is a voltage waveform diagram showing a bit “1” of the oscillator of the conventional tube transmission device, and FIG. 18 (b) is a bit waveform “0” of the oscillator of the conventional tube transmission device. FIG. 6 is a voltage waveform diagram showing
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）。22 resonance tube body, 26 receiving tube (sound wave receiver), 28
Magnetostriction generation control device, 33 high-speed switching circuit (excitation impulse current generation circuit), 34 magnetostriction oscillator (magnetostriction element).
───────────────────────────────────────────────────── 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 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takahiro Sakamoto 6-14 Maruo-cho, Nagasaki-shi Mitsubishi Electric Corporation Nagasaki Works
Claims (5)
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
素子で発生した上記弾性波に共振するとともに、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
た管体伝送装置。1. A detector arranged near the tip of a drill string connecting a plurality of drill pipes for detecting underground information, and magnetostriction generation for outputting an exciting current based on the underground information from the detector. A controller and a magnetostrictive material that generates an elastic wave due to a magnetostriction phenomenon, and a magnetostrictive element that generates the elastic wave according to an exciting current from the magnetostriction generation controller,
Attached near the tip of the drill string, resonate with the elastic wave generated in the magnetostrictive element, a resonance tube body that propagates this resonance vibration to the other end of the drill string, and propagates in the drill string. A tubular body transmission device comprising: a sound wave receiver that receives an elastic wave, converts it into an electric signal, and outputs the electric signal.
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請求項１記載の管体伝
送装置。2. The tube transmission device according to claim 1, wherein the resonance tube resonates at a natural period determined by a propagation velocity of an elastic wave generated in the magnetostrictive element and a total length of the resonance tube. .
ス電流を上記磁歪素子に供給する励磁インパルス電流発
生回路を有し、上記磁歪素子の歪み応答速度よりも立ち
上がりの早い上記励磁インパルス電流を上記磁歪素子に
印加してインパルス性の加速度を発生させ、上記共鳴管
体を共振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。3. The magnetostriction generation control device includes an excitation impulse current generation circuit that supplies an excitation impulse current to the magnetostrictive element, and the magnetostriction element generates the excitation impulse current that rises faster than the distortion response speed of the magnetostrictive element. The tubular body transmission device according to claim 1 or 2, wherein the resonant tubular body is resonated by applying an impulse to the element to generate an impulse-like acceleration.
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
とを特徴とする請求項１記載の管体伝送装置。4. The cycle of the exciting impulse current supplied to the magnetostrictive element is set so that the frequency of the exciting impulse current supplied to the magnetostrictive element matches the natural frequency of the resonant tube. The pipe transmission device according to claim 1, wherein the pipe transmission device matches the natural period.
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から請求項４のうち何れか
１項に記載の管体伝送装置。5. The magnetostrictive element is positioned at the center of the resonance tube body so as to maximize the vibration amplitude of the resonance tube body, according to any one of claims 1 to 4. The tube transmission device according to item.
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26548994A Expired - Fee Related JP3249312B2 (en) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | Pipe transmission device |
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|---|---|
| JP (1) | JP3249312B2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6272916B1 (en) | 1998-10-14 | 2001-08-14 | Japan National Oil Corporation | Acoustic wave transmission system and method for transmitting an acoustic wave to a drilling metal tubular member |
| WO2011158473A1 (en) * | 2010-06-18 | 2011-12-22 | 国立大学法人金沢大学 | Power generation element and power generation apparatus provided with power generation element |
| JP2014037739A (en) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | Kyushu Univ | Information transmission device of non-open-cut drilling machine |
| JP2020060036A (en) * | 2018-10-10 | 2020-04-16 | 株式会社竹中工務店 | Frequency determination method and rod position detection method |
-
1994
- 1994-10-28 JP JP26548994A patent/JP3249312B2/en not_active Expired - Fee Related
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| JP4905820B2 (en) * | 2010-06-18 | 2012-03-28 | 国立大学法人金沢大学 | Power generation element and power generation device including power generation element |
| US8766495B2 (en) | 2010-06-18 | 2014-07-01 | National University Corporation Kanazawa University | Power generation element and power generation apparatus including the power generation element |
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