(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励磁コイル、正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが変わる金属系結晶構造の磁歪板を積層して形成され前記励磁コイルが巻回された剛性の磁歪発振子、及びこの磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する一端面にシュリンクフィットする一方の支承面と、前記磁歪発信子の前記長さが変わる方向と交差する他端面にシュリンクフィットする他方の支承面とを有し、前記励磁コイルの励磁による前記磁歪発振子の長さの変化を前記磁歪発振子の両端面から前記両支承面が直接的に受ける非磁性の発振子支承体を備えた弾性波発生装置。
【請求項２】
励磁コイル、正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが変わる金属系結晶構造の磁歪板を積層して形成され前記励磁コイルが巻回された剛性の磁歪発振子、この磁歪発振子と磁路を共有する磁気バイアス装置、及びこの磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する一端面とシュリンクフィットする一方の支承面と、前記磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する他端面とシュリンクフィットする他方の支承面とを有し、前記励磁コイルの励磁による前記磁歪発振子の長さの変化を前記磁歪発振子の両端面から前記両支承面が直接的に受ける非磁性の発振子支承体を備えた弾性波発生装置。
【請求項３】
励磁コイルを励磁することにより磁歪発振子に発生する磁歪量の実質的全量が、前記磁歪発振子の両端面と発振子支承体の両支承面とのシュリンクフィット面における内部応力となる請求項１又は請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項４】
磁歪発振子の一端面と発振子支承体の一方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度、及び前記磁歪発振子の他端面と発振子支承体の他方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度が、前記磁歪発振子に要求される初期設定圧縮応力である請求項１に記載の弾性波発生装置。
【請求項５】
磁歪発振子の一端面と発振子支承体の一方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度、及び前記磁歪発振子の他端面と発振子支承体の他方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度が、磁気バイアス装置による磁気バイアスとにより、前記磁歪発振子に要求される初期設定圧縮応力にする程度の応力である請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項６】
磁歪発振子の一端面と発振子支承体の一方の支承面とのシュリンクフィット、及び前記磁歪発振子の他端面と発振子支承体の他方の支承面とのシュリンクフィットは、極低温環境下で冷却された前記磁歪発振子を前記発振子支承体の前記両支承面間に設置した後に前記磁歪発振子の温度を上昇させることにより行われる請求項１又は請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項７】
磁歪発振子の一端面と発振子支承体の一方の支承面とのシュリンクフィット、及び前記磁歪発振子の他端面と発振子支承体の他方の支承面とのシュリンクフィットは、高温環境下で加熱された前記発振子支承体の前記両支承面間に前記磁歪発振子を設置した後に前記発振子支承体の温度を下降させることにより行われる請求項１又は請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項８】
磁歪発振子は、金属系結晶構造の磁歪薄板を積層した状態で硬化材により各磁歪薄板を接着硬化して一体化することにより構成されている請求項１又は請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項９】
発振子支持体にポケットを形成し、該ポケットの発振子長さが変わる方向と交差している一壁面を発振子支持体の一方の支承面とし、前記一壁面と対峙し前記磁歪発振子長さが変わる方向と交差している他壁面を前記発振子支持体の他方の支承面とした請求項１又は請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項１０】
発振子支持体は磁歪発振子とほぼ同等の熱膨張係数を持つ材質である請求項１又は請求項２に記載の弾性波生装置。
【請求項１１】
磁歪発振子が金属系結晶構造の磁歪薄板を積層した状態で硬化材により各磁歪薄板を接着硬化して一体化することにより構成され、発振子支持体が磁歪発振子とほぼ同等の熱膨張係数を持ち、磁歪発振子の一端面と発振子支承体の一方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度及び前記磁歪発振子の他端面と発振子支承体の他方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度が前記磁歪発振子に要求される初期設定圧縮応力である請求項１に記載の弾性波生装置。
【請求項１２】
磁歪発振子が金属系結晶構造の磁歪薄板を積層した状態で硬化材により各磁歪薄板を接着硬化して一体化することにより構成され、発振子支持体が磁歪発振子とほぼ同等の熱膨張係数を持ち、磁歪発振子の一端面と発振子支承体の一方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度及び前記磁歪発振子の他端面と発振子支承体の他方の支承面とのシュリンクフィットによるシュリンクフィット面における内部応力の程度が、磁気バイアス装置による磁気バイアスとにより、前記磁歪発振子に要求される初期設定圧縮応力にする程度の応力である請求項２に記載の弾性波発生装置。
【請求項１３】
発振子支承体の支承面と磁歪発振子との間に、非磁性体のスペーサを備えた請求項１又は請求項２に記載の弾性波生装置。
【請求項１４】
励磁コイルを附勢するための励磁電流供給装置を設け、前記励磁電流供給装置は、その出力がセンサの出力によって制御されるものである請求項１又は請求項２に記載の弾性波生装置。
【請求項１５】
金属系磁歪材の薄板を、電気絶縁性の接着剤で複数枚互いに接着積層した後、励磁コイルを巻装し、この励磁コイルに励磁電流を流して前記薄板の面に平行な方向に弾性波を発生させる磁歪発振子を、この弾性波を放射するべき対象物に取付けるための磁歪発振子の取付け構造であって、
前記磁歪発振子は、弾性波放射方向に直交し、互いの間の距離が常温でＡ、冷却したときＡ１である２つの平行面を有し、
前記対象物は、前記弾性波放射方向に直交し、常温で互いの距離がＢである平行な２壁面を持つ穴もしくは窪みを有し、
Ａ＞Ｂ＞Ａ１なる関係があり、
前記磁歪発振子が冷却、縮小されて、前記穴もしくは前記窪みに挿入後、常温に戻して伸長することにより、前記穴もしくは窪みの前記壁面にシュリンクフィットして保持されることを特徴とする磁歪発振子の取付け構造。
【請求項１６】
対象物は非磁性体であることを特徴とする請求項１５に記載の磁歪発振子の取付け構造。
【請求項１７】
対象物は管体であることを特徴とする請求項１６に記載の磁歪発振子の取付け構造。
【請求項１８】
金属系磁歪材の薄板は管体表面の曲率にほぼ等しい曲率を有する曲げ板であることを特徴とする請求項１７に記載の磁歪発振子の取付け構造。
【請求項１９】
窪みは管体の周囲全周に連続して設けられた溝を構成していることを特徴とする請求項１７に記載の磁歪発振子の取付け構造。
【請求項２０】
管体は掘削におけるドリルパイプであることを特徴とする請求項１７に記載の磁歪発振子の取付け構造。
【請求項２１】
発振子支承体の支承壁面と磁歪発振子との間に、非磁性体のスペーサを備えた請求項１５記載の弾性波生装置。
【請求項２２】
金属系磁歪材の薄板を、電気絶縁性の接着剤で複数枚互いに接着積層した後、励磁コイルを巻装し、この励磁コイルに励磁電流を流して、前記薄板の面に平行な方向に弾性波を発生させる磁歪発振子を、この弾性波を放射するべき対象物に取付ける磁歪発振子の取付け方法であって、
前記薄板の積層によって生じた相対する２つの弾性波放射面を、前記弾性波放射方向に直交し、互いの間の距離が常温でＡである２つの平行面に加工する磁歪発振子加工工程と、
前記対象物の表面に、弾性波放射方向に直交し互いに平行な２壁面を有する穴もしくは窪みであって、常温ではこの２壁面間の距離Ｂが前記Ａより小さい値となるものを加工する対象物加工工程と、
前記磁歪発振子を、前記寸法Ａが前記穴もしくは前記窪みの寸法Ｂより小さいＡ１となるまで冷却する冷却工程と、
冷却した前記磁歪発振子を前記穴又は窪みに挿入する挿入工程とを有することを特徴とする磁歪発振子の取付け方法。
【請求項２３】
冷却工程は液体窒素により冷却するものであることを特徴とする請求項２２に記載の磁歪発振子の取付け方法。
【請求項２４】
穴もしくは窪みの常温での寸法Ｂを、磁歪発振子の液体窒素冷却時の寸法Ａ１より大きく、常温で前記磁歪発振子に磁気バイアスを加えたときの寸法Ａ２より小さく加工することを特徴とする請求項２３に記載の磁歪発振子の取付け方法。
【請求項２５】
発振子支承体の窪み内に磁歪発振子を挿入する工程が、非磁性体のスペーサを窪み内に挿入する工程を含む請求項２２記載の磁歪発振子の取付け方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
この発明は弾性波発生装置及び磁歪発振子の取付け構造並びに取付け方法に関するものである。
弾性波発生装置は、音響縦弾性波の生成装置とも言えるものであって、例えば、次のような広い分野への利用が期待されるものである。
（１）掘削管体を音響信号の伝送媒体とする音響伝送装置の送信機
（２）金属構造体または剛性をもつ構造体を音響信号の伝送媒体とする音響伝送装置の送信機
（３）構造体の特性、材質変化、傷などを調べるためにコンクリートや金属の構造体に縦弾性波を注入、または内部発生させて診断する装置
（４）建築物、機械構造物の構造解析を行うためにコンクリートや金属の構造体に縦弾性波を注入、または内部発生させる装置
（５）地層などの構造を調査するための地震波発生装置
（６）地層などの特性を計測する音響速度計測装置
（７）その他、比較的大きな振動が有効となる、非破壊検査、計測、探査、情報伝達などを行うための装置、等の各種分野
背景技術
従来、機械構造物に対する応力を加える方法としては、油圧プレスにより静的な圧縮応力を加える方法、引っ張り試験機により静的張力を加える方法、またハンマーあるいは落下物体により動的応力を加える方法があった。しかしながら、特にハンマーや落下物体による動的応力生成方法は任意のコントロールが困難であり被試験体の詳細な調査に対応できなかった。
一方、応力を自由に制御するための方法として歪みを応力に変換する方法があり、この方法は比較的薄い物質や均一な組成を持つ比較的小さい構造体の音響計測などには用いられていた。しかしながら、この方法は大きな応力を必要とする大型構造物や組成の荒い材質に用いるには適当でなかったため、これらの用途にはハンマーや落下体により大きな応力を発生させて計測を行なうしかなかった。
そこで制御された大きな応力を発生させるために、巨大な歪み特性を持つ材料が着目され、これらの材料（電歪材、超磁歪材）を用いた歪み応力変換装置が検討された。しかしこれらの材料は、これまで焼結合金のように脆弱なもの、あるいは湾曲・変形しやすいもの等であって、圧縮強度が極めて小さいものであった。
電歪材や磁歪材に予め応力を与えた状態で附勢して歪みを発生させると、発生する歪みが大きくなることは知られていたが、圧縮強度があまりにも小さく、予め与える応力が僅かなものであっても歪みを発生させたときに自己破壊を起こすなどの不都合が合った。従って、強い弾性波（音響信号）を発生させるために自由に任意の大きな応力、例えば１０〜３０ｋｇｆ／ｍｍ２を得ることが出来ず、大型の構造物や組成の荒い材料には適用が不適当であった。
従って、大きな歪み特性を持つ材料（電歪材、超磁歪材）を用いた歪み応力変換装置は、比較的薄い物質や均一な組成を持つ構造体の音響計測などには用いられているが、大型構造物や組成の荒い材料には使用できず、これまではハンマーや落下体による計測が行われていた。また、例えば数百メートルから数千メートルの石油掘削の掘削管体を伝送媒体とする音響伝送もその可能性を信じられながらも、大きな応力波を発生できる本格的な音響縦弾性波の発生装置が実現出来なかったために掘削泥水を媒体とする圧力波伝送、マッドパルス方式が使用されている。
これら従来の利用分野において、本件発明の発明者等の研究・分析によれば、未解決の技術的課題としては、次のようなものがある。
（１）大型の金属構造物での任意の応力波の発生と注入
（２）コンクリートや岩石、プラスチックなど内部の乱反射の多い組成をもつ構造体への任意の応力波の注入
（３）数Ｈｚから数１０ｋＨｚの音響縦波の構造物での生成と構造物への注入
次に、この発明は前述のように、広い分野への利用が期待されるものであるのが、説明の便宜上、従来の技術の具体的事例、この発明の実施の形態の何れも石油掘削の分野への利用の場合の一例について、以下説明していく。
例えば特開平８−１３０５１１号公報に記載のものは、石油掘削における掘削中の坑底の情報を、ドリルパイプを伝送媒体として弾性波（音響）信号によって伝送するものである。
図２３〜図２５ｂは特開平８−１３０５１１号公報に記載のものを示す図で、図２３は石油掘削設備の全体構成を示す図、図２４はドリルパイプの坑底におけるドリルカラーの部分を示す部分断面図、図２５は磁歪発振子の取付部分を拡大した図で、図２５ａは平面図、図２５ｂは側面断面図である。
これら図２３〜図２５ｂにおいて、１００は石油等を掘削するための櫓である。２４はこの櫓１００から地底に挿入されているドリルパイプで、長さが約８メートルの単体の直円管を連結して数１００メートル〜数１０００メートルもの長さに構成された物であり、櫓１００上の図示しない駆動機械装置により回転駆動される。このドリルパイプ２４の坑底内の部分におけるドリルカラー２２に磁歪発振子３４が取付けられている。２５は掘削に必要な各種情報を検出するセンサで、このセンサ２５により検出された坑底の各種情報信号はデジタル信号に変調され、この変調されたデジタル情報信号に応じて変化する電流が磁歪発振子３４の励磁コイル３６に供給され、磁歪発振子３４から弾性波（音響）となってドリルパイプ２４を伝送媒体として地上に伝送される。２６はドリルパイプ２４の櫓１００の部分に設置されたレシーバ、２７は信号処理装置で、前記レシーバ２６の受信信号を復調し、坑底の温度、ドリル先端の傾き等、坑底の状況を監視が出来るように処理するものである。
ところで、磁歪発振子３４のドリルカラー２２への取付けは、図２５ａ及び図２５ｂの側面断面図に示されるように、締め付けネジ３９及び固定ナット４０によって片持ち取り付け（カンチレバー方式）されており、磁歪発振子３４が附勢により伸長したとき、その自由端側に設けられた慣性錘り４２からの反作用力がホーン３８を介してドリルカラー２２に伝達されて弾性波となるようにしてある。従って、磁歪発振子３４からドリルパイプ２４への弾性波（音響）エネルギーの注入効率は、０．０１〜０．１程度しかなく、ドリルパイプ２４に発生する弾性波が小さいものでしかない。このような小さい弾性波は、数１００メートル〜数１０００メートルもの長さのドリルパイプ２４を伝送媒体とした場合に、その地上部分のレシーバ２６迄には到達しないのが現実であり、これまで石油掘削には実用化されていない。石油掘削の場合には、掘削泥水を媒体とする圧力波伝送、マッドパルス方式が使用されている。
このように、従来の磁歪発振子３４を用いた弾性波発生装置によれば、大型の構造物での任意の大きな応力波（弾性波）の発生と注入は困難であるという問題があった。
発明の開示
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、任意の大きな応力波（弾性波）の発生と注入を可能にする弾性波発生装置、磁歪発振子の取付け構造および取付け方法を提供することを目的とするものである。
この発明に係る弾性波発生装置は、励磁コイル、正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが変わる金属系結晶構造の磁歪板を積層して形成され前記励磁コイルが巻回された剛性の磁歪発振子、及びこの磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する一端面とシュリンクフィットする一方の支承面と前記磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する他端面とシュリンクフィットする他方の支承面とを有し前記励磁コイルの励磁による前記磁歪発振子の流さの変化を前記磁歪発振子の両端面から前記両支承面が直接的に受ける非磁性の発振子支承体を備えたものとしたので、従来未解決であった任意の大きな応力波（弾性波）の発生と注入が可能な製品を実現できる。
この発明に係る他の振動発生装置は、励磁コイル、正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが変わる金属系結晶構造の磁歪板を積層して形成され前記励磁コイルが巻回された剛性の磁歪発振子、この磁歪発振子と磁路を共有する磁気バイアス装置、及び前記磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する一端面とシュリンクフィットする一方の支承面と前記発振子の前記長さが変わる方向と交差する他端面とシュリンクフィットする他方の支承面とを有し前記励磁コイルの励磁による前記磁歪発振子の長さの変化を前記発振子の両端面から前記両支承面が直接的に受ける非磁性の発振子支承体を備えたものとしたので、従来未解決であった任意の大きな応力波（弾性波）の発生と注入が可能な製品を実現できると共に、動作点の任意の設定が可能な製品を実現できる。
この発明に係る磁歪発振子の取付け構造は、金属系磁歪材の薄板を、電気絶縁性の接着剤で複数枚互いに接着積層した後、励磁コイルを巻装し、この励磁コイルに励磁電流を流して前記薄板の面に平行な方向に弾性波を発生させる磁歪発振子を、この弾性波を放射するべき対象物に取付けるための磁歪発振子の取付け構造であって、前記磁歪発振子は、弾性波放射方向に直交し、互いの間の距離が常温でＡ、冷却したときＡ１である２つの平行面を有し、前記対象物は、前記弾性波放射方向に直交し、常温で互いの距離がＢである平行な２壁面を持つ穴もしくは窪みを有し、Ａ＞Ｂ＞Ａ１なる関係があり、前記磁歪発振子が冷却、縮小されて、前記穴もしくは前記窪みに挿入後、常温に戻して伸長することにより、前記穴もしくは窪みの前記壁面にシュリンクフィットして保持される、つまり、シュリンクフィットにより磁歪発振子にプリロードが加わった状態で保持されるので、従来の締め付けネジによるものと比較にならない強いプリロードがかけられた製品を実現できる。
この発明に係る磁歪発振子の取付け方法は、金属系磁歪材の薄板を、電気絶縁性の接着剤で複数枚互いに接着積層した後、励磁コイルを巻装し、この励磁コイルに励磁電流を流して、前記薄板の面に平行な方向に弾性波を発生させる磁歪発振子を、この弾性波を放射するべき対象物に取付ける磁歪発振子の取付け方法であって、前記薄板の積層によって生じた相対する２つの弾性波放射面を、前記弾性波放射方向に直交し、互いの間の距離が常温でＡである２つの平行面に加工する磁歪発振子加工工程と、前記対象物の表面に、弾性波放射方向に直交し互いに平行な２壁面を有する穴もしくは窪みであって、常温ではこの２壁面間の距離Ｂが前記Ａより小さい値となるものを加工する対象物加工工程と、前記磁歪発振子を、前記寸法Ａが前記穴もしくは前記窪みの寸法Ｂより小さいＡ１となるまで冷却する冷却工程と、冷却した前記磁歪発振子を前記穴又は窪みに挿入する挿入工程とを有することを特徴とする磁歪発振子の取付け方法であり、前記磁歪発振子は、冷却前の温度に戻れば、伸長することにより、前記穴もしくは窪みの前記壁面にシュリンクフィットして保持される、つまり、シュリンクフィットにより磁歪発振子にプリロードが加わった状態で保持されるので、従来の締め付けネジによるものと比較にならない強いプリロードを前記磁歪発振子にかけることができる。
発明を実施するための最良の形態
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１による弾性波発生装置について図により説明する。
先ず、この発明を石油掘削に適用した場合の事例、つまり発振子支承体（対象物）が、石油掘削に於けるドリルカラー（管体）である場合について説明する。図１は磁歪発振子の取付け状態を示す平面図、図２は図１のＹ−Ｙ線における断面を矢印方向に見たＹ−Ｙ断面図、図３は回路図である。
これら図１〜図３において、２２は取付け対象物である非磁性の発振子支承体で、石油掘削においてはステンレススティール製のドリルカラー（管体）で、表面には、平面形状が矩形の窪み１が穿設されている。１Ａ及び１Ｂは互いに平行を成す平坦な支承面で、ミクロに見ても鏡面状に研磨加工されている。１Ｃは前記窪み１の扁平な底部で、前記支承面１Ａ及び１Ｂと直角を成している。１Ｄ及び１Ｅは前記支承面１Ａ及び１Ｂと直角を成す側壁面で、相互に平行を成している。
３４は正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが伸びる磁歪発振子で、鉄クロム合金、鉄コバルト合金等の金属系結晶構造の磁歪薄板を、各磁歪薄板間が電気絶縁された状態で、複数枚積層して形成し、更に熱硬化性樹脂で一体に結合されて剛体化されている。
正の歪み特性を持つ実用的な磁歪薄板としては、特開平１０−８８３０１号公報「鉄−コバルト合金板の製造方法」に記載されているＦｅ−Ｃｏ磁歪合金（例えばＣ：０．００８重量％、Ｓｉ：０．０８重量％、Ｍｎ：０．０７重量％、Ｃｏ：４９．２２重量％、Ｖｔ：１．５４６重量％、Ｆｅ：残部）が好適である。鉄−コバルト合金としてはＦｅ−７０重量％Ｃｏの合金が、また磁歪率の小さい合金でＦｅ−Ａｌ合金が知られているが、これらは本発明の目的に使用するには適当でない。
そして、磁歪発振子３４の一端面３４Ａが前記窪み１の一方の支承面１Ａにシュリンクフィットし、又、その他端面３４Ｂが前記窪み１の他方の支承面１Ｂにシュリンクフィットした状態に、前記窪み１内に、磁歪発振子３４は前記発振子支承体２２と前記シュリンクフィットにより一体に結合されている。また、前記磁歪発振子３４の各端面３４Ａ、３４Ｂは何れも、前記発振子支承体２２の両支承面１Ａ、１Ｂと同様に、ミクロに見ても鏡面状に平坦に研磨加工されている。なお、前記シュリンクフィット（ｓｈｒｉｎｋ−ｆｉｔ）は、冷やし嵌め、焼き嵌めを意味する。このときシュリンクフィットにより磁歪発振子３４に与えられるプリロード（予圧）は、１０〜３０ｋｇ／ｍｍ２であり、３０ｋｇ／ｍｍ２のプリロードの場合には磁歪発振子３４の材料の圧縮耐力は１２５ｋｇ／ｍｍ２程度を必要とする。
３６は前記磁歪発振子３４に巻回された励磁コイルで、前記磁歪発振子３４と共に前記窪み１に、該窪み１からはみ出ないように、完全に該窪み１内に位置している。そして、この励磁コイル３６には、石油掘削においては坑底の温度、ドリルパイプ２２の最下端のドリル刃の傾き、方位等の坑底情報をセンサ２５で検出しその出力を変調器２５Ｍで変調してディジタル信号とし、この坑底情報であるディジタル信号に応じて電流供給装置３６Ｓが、坑底情報応じた出力電流を前記励磁コイル３６に供給する。
坑底情報に応じた出力電流が励磁コイル３６に供給されると、励磁コイル３６は坑底情報に応じた磁界を発生し、正の歪み特性を持つ磁歪発振子３４は、前記坑底情報に応じた磁界によってその磁性分子が磁界に沿って整列し、磁歪発振子３４は図１の矢印Ｗ方向に伸びる。その結果、相互のシュリンクフィットにより磁歪発振子３４及び発振子支承体２２の各内部に予め生じていた大きな内部応力（プリロード）は更に大きくなり、大きな応力波（弾性波）として、相互連結されたドリルカラーにより構成されたドリルパイプを次々に高速で伝搬していき、地上のレシーバ（図２１のレシーバ２６）に伝送されて、地上の復調器２７（図２１）の出力によって、坑底の状況が監視される。
前記磁歪発振子３４の両端面３４Ａ、及び前記発振子支承体２２の前記両支承面１Ａは、図１にも示されるように、磁歪発振子３４が励磁コイル３６によって励磁されることにより伸びる方向（矢印Ｗの方向）と交差（図１では直交）するように構成されている。
なお、発明者等の実用試験によれば、磁歪発振子３を、正の歪み特性を持ち、励磁されると方向性をもって長さが変わる金属系結晶構造の磁歪板を積層して形成され、前記励磁コイル３６が巻回された剛性のものとし、非磁性の発振子支承体２２を、磁歪発振子３４の前記長さが変わる方向と交差する一端面３４Ａにシュリンクフィットする一方の支承面１Ａと、磁歪発振子３４の長さが変わる方向と交差する他端面３４Ｂにシュリンクフィットする他方の支承面１Ｂとを有し、励磁コイル３６の励磁による磁歪発振子３４の長さの変化を前記磁歪発振子３４の両端面から前記両支承面１Ａ、１Ｂが直接的に受けるものとしたので、従来の技術の延長線上では予期できなかった、大きな応力、例えば１０〜３０ｋｇｆ／ｍｍ２もの応力を任意に得ることを実現出来た。
又、磁歪発振子３４から発振子支承体２２（ドリルカラー、管体、対象物）への弾性波（応力波、音響）エネルギーの注入効率は、従来の０．０１〜０．１とは桁違いのほぼ１を実現できた。
更に又、石油掘削において、数１００メートル〜数１０００メートルもの長さのドリルパイプ２４を弾性波伝送媒体として、坑底から地上のレシーバ２７迄、弾性波を伝送することは、従来では不可能と考えられていたが、この発明により十二分に伝送ができた。
図４は、この発明の磁歪発振子の取付け方法の基本的な工程を示すフローチャートである。
まず、ステップＳ１で図５ａに示す磁歪発振子のコア３５を製作する。この時、用いる素材は磁歪発振子３４が使用される環境温度に耐え得るものであることは言うまでもないが、更に、液体窒素温度（マイナス約１９６℃）による冷却に耐え得るような素材を用いる。正の歪み特性を持つ実用的な磁歪薄板としては、先に述べた通り、特開平１０−８８３０１号公報「鉄−コバルト合金板の製造方法」に記載されているＦｅ−Ｃｏ磁歪合金（例えばＣ：０．００８重量％、Ｓｉ：０．０８重量％、Ｍｎ：０．０７重量％、Ｃｏ：４９．２２重量％、Ｖｔ：１．５４６重量％、Ｆｅ：残部）が好適である。
次にステップＳ１１で、研磨工程にはいる。
研磨工程では、ステップＳ１で製作したコア３５に対し、その振動方向に直交する２つの面（音響放射面３４ａ）を、図６に示すように正確に直交し、かつ、互いに平行であるように加工する。ここで、この２面間の距離は常温でＡであるとする。加工面はできるだけ平滑にする。
ここで、直交角度が９０°よりずれていると、振動を加えたとき、対象物と磁歪発振子３４との間に、接触面に平行な分力が生じ、振動中に磁歪発振子３４が移動するなどの不具合が生じる。
また、平行でない場合は、磁歪発振子３４の音響放射面３４ａが対象物２２に密着しない恐れがあるので音響伝達効率が低下する。
次に、ステップＳ２１で巻き線工程となり、ステップＳ１１で加工したコア３５に図７の如くコイル３６を巻装して磁歪発振子３４に仕上げる。ここで、コイル３６の構成素材もステップＳ１と同様に液体窒素温度に耐え得るものを使用する。マイナス２００℃に耐え得る絶縁素材は超電導技術分野で良く知られた公知の素材がある。
上記のＳ１〜Ｓ２１の工程とは別の工程として、ステップＳ４１で対象物に磁歪発振子３４を装着するための穴又はくぼみを加工する。図８ａは対象物として管体２２を用い、加振方向が管体２２の長手方向になるように、管体２２の表面２２ａにくぼみ１を加工した例を示すもので、図８ｂは長手方向の断面図、図８ｃは管軸に直交する断面図である。
ここで、管体２２は非磁性金属製（例えばステンレス）であり、管体２２の肉厚は磁歪発振子３４のコア３５の積層厚みｈよりも充分に大きくしてある。
くぼみ１は、その音響放射方向の常温での寸法をＢ、これに直交する方向の寸法をＣ、深さをＤとする。寸法Ｂはコア３５の寸法Ａより小さい値とする。寸法ＣおよびＤはコイル３６を巻装した磁歪発振子３４（図７）のコイル３６の外側の幅より若干大きい程度とするのがよい。
次にステップＳ４１は冷却工程であり、図７の磁歪発振子３４を、図９のように容器３９内の常圧の液体窒素３８で冷却する。
この冷却によって、コア３５の寸法ＡはＡ１に縮小する。
次に、ステップＳ５１は挿入工程であり、図１０に示すように、ステップＳ３１で冷却した磁歪発振子３４を、ステップＳ４１で加工したくぼみ１の中に挿入する。
窪み１の加振方向（管体２２の長手方向）側の壁面間の常温での距離Ｂは磁歪発振子３４の常温寸法Ａより小さく、液体窒素温度での寸法Ａ１より大きいように加工しておけば、挿入は容易に行われ圧大作業の必要はない。
加工工程（ステップＳ４１）で、常温での寸法Ｂを寸法ＡとＡ１の間に決定するとき、その値によって磁歪発振子３４に加え得るプリロードの大きさは図１１のようになる。
ＡとＡ１の差は前述のとおり、Ａの０．２％程度で、これは例えばＡが１００ｍｍのとき０．２ｍｍ程度であるから、必要な穴の加工精度は、２／１００ｍｍ程度あれば充分で、困難なものではない。
Ｂの値は、必要なプリロードから決定すべきだが、実際的に加工精度や挿入作業の難易度から
Ｂ＝Ａ−（Ａ−Ａ１）２／３
程度に選定してもよい。
挿入後、常温に戻すことによって、磁歪発振子３４の寸法Ａ１は、元のＡまで伸びようとするが、くぼみ１の寸法Ｂの壁面によって伸びが阻止され、結果的にコア３５の両端からコア３５にプリロードが掛る。
管体２２の肉厚は充分に大きいので、このプリロードを掛けたためにくぼみ１の方が変形してしまうことはない。
図１は上記のようにしてくぼみ１に挿入された磁歪発振子３４の挿入状態を示す上面図、図２は図１のＢ−Ｂ断面図である。
Ｂの寸法を図１１のＡとＡ１の間のどこに選定し、どの程度のプリロードＦを生じさせるかは、応力波（弾性波）を何のためにどのように使用するかによって様々の値を用い得る。
発生するプリロードＦは
Ｆ＝ＥＳ（Ａ−Ｂ）／Ｌ
Ｓはコアの断面積  （図５ｂの２Ｗ１ｈ）
Ｅは縦弾性係数
Ｌはコアの長さ（図５ａに示す）である。
図１２は、発明者等の実験結果を、プリロード下（圧縮荷重）における磁歪特性を、説明の都合上簡略化して示すものである。図１２に於いて、曲線ａは磁歪発振子にプリロードが掛けてない場合、曲線ｂは図２３に示す従来の取付方法（カンチレバー方式）により取付られ、磁歪発振子に小さな圧縮応力が加えられている場合の曲線、曲線ｃは本発明の取付け方法により磁歪発振子に大きなプリロードを加えた場合を示す。
図１２に示すように、プリロードが大きくなるにつれ、磁化の強さに対する歪み率にヒステリシスが観測されなくなるとともに、飽和磁化での歪み率が大きくなり、また、磁化の強さと歪み率との関係が直線的となる。従って、大きな応力を必要として大きな歪み率を得る目的の場合は、曲線ｃに近い磁歪特性となるまでプリロードを加えることができるような磁歪発振子を研究開発する必要がある。しかしながら、これまでには、図１２の曲線ｂで表される磁歪特性程度のものしか開発されておらず、従って、石油掘削、他、比較的大型の構造物に使える磁歪発振子は開発されてないのが現状である。曲線ｃでは磁化信号に対して得られる歪みの最大歪み率（振幅）はＥｃとなり、プリロードしないときの最大歪み率Ｅａに比べて歪み出力が数倍に大きくなる。
なお、図１および図２において、磁歪発振子３４は磁歪材３５ａの面が管体２２の表面と平行となる方向に挿入された図となっているが、管体２２の表面と直交又は斜めに挿入しても良い。１つのくぼみ１に２個以上の磁歪発振子３４を挿入しても良い。
実施の形態２．
図６のくぼみ１の代りに、管体２２に設けた穴３の断面図である図１３ａおよび図１３ｂに示すようにくぼみ１の底を管体２２の肉厚を貫通させて穴３としても良い。これらの図に示す構造では、冷却した磁歪発振子３４を挿入する作業の際、磁歪発振子３４が穴３の下に落下しかねないので、実際には穴３の壁面に適当なつばの様なものを適宜設けて落下防止としても良い。
実施の形態３．
本発明の実施の形態３による磁歪発振子の取付け方法を図１４により説明する。図１３において、１３５は所定の曲率を有する磁歪材１３５ａを積層して構成した曲率付コアである。
ここで、所定の曲率とは磁歪材１３５ａが、加振方向に直交する方向に向って曲げられており、その曲率が最終的に挿入される対象物（管体２２）の表面の曲率に合わせてあるものである。
図１５は図１４の曲率付コア１３５にコイル３６を巻装して仕上げた曲率付磁歪発振子１３５を管体２２のくぼみ１に挿入したときの断面を示すものである。曲率付コア１３５はくぼみ１の断面空間を有効に利用して、積層厚みｈを大きくし、最大断面積のコアとすることができるとともに、コア１３５の座屈限界を同一断面の曲率のないコア３５よりも高めることができる。
実施の形態４．
１つの穴３又はくぼみ１に複数個の磁歪発振子３４を挿入すること、あるいは対象物に対して、穴３又はくぼみ１を複数個設けて、これらにそれぞれ１個以上の磁歪発振子３４を挿入し、これらを互いに一定の位相関係で駆動することにより、より大きい音響出力を対象物中に放射することができる。
対象物が管体２２である場合に、図１６のようにくぼみ１を管体２２の周囲に連続して設けることにより、幅寸法がＢの溝４を形成し、この溝４に複数個の磁歪発振子３４を挿入しても良い。この場合、プリロードの力は管体２２の溝４の底の部分によって受けることになるから、この部分が相応の厚みを有するものであることは当然である。
実施の形態５．
磁歪発振子３４には、適当な磁気バイアスを加えることにより、磁化の動作点を移動して、磁化に対する歪み率の直線性を向上させる方法が従来から知られている。
このような磁気バイアスを加える場合、コアはこの磁気バイアスによって歪む（伸びる）から、図１および図２に示すように取付けられたコア３５に掛るプリロードは更に増大する。もっとも、コアの常温での寸法Ａが飽和磁化によって伸びる率は、０．０１％程度で、温度１０℃に対する伸びと同程度であり、プリロードの値に対する磁気バイアスの影響はそれ程大きいものではない。
それでも、より良い結果を得るには磁気バイアスによる伸びを考慮して、穴３又はくぼみ１又は溝４の寸法Ｂを決定することは有効なことである。
コアの常温での寸法をＡ、液体窒素による冷却時の寸法をＡ１、常温で磁気バイアスを掛けたときの寸法をＡ２とすると、穴３またはくぼみ１の寸法Ｂは、
Ａ２＞Ｂ＞Ａ１
でなければ挿入が不可能となるか、又は、挿入できても隙間が生じてプリロードが掛らない。この関係を図１７に図示する。
ここで、磁気バイアス量は、最も広い直線動作範囲を得るため、一般には飽和磁化レベルの半分程度とするが、この発明の取付け方法を採る場合は前述のとおり、飽和磁化レベルはプリロードによって増加するから、この増加を見込んだ磁気バイアスを設定しなければならない。
磁気バイアスを加える手法そのものは、永久磁石を用いる方法、直流励磁コイルを設ける方法、あるいはコイル３６に直流電流を重畳して流すなどの方法を採用すれば実現可能である。
このような配慮をした磁気バイアス付コア１３７の例を図１８に示す。図に於いて、１０１は磁気バイアスを与えるためのバイアス磁界を発生する永久磁石であり、ほぼＵ字型の磁性板１３６を多数積層して樹脂で固めて作ったＵ字型コア１３７の開端１０２間に挿入されて保持されている。
図１９には、図１８に示す磁気バイアスされた弾性波発生装置の磁気コア１３７を製造する工程が示されており、図４に示す弾性波発生装置の製造工程のうちの挿入工程Ｓ５１の後に、磁歪Ｕ字型コア１３７の開端１０２の間に挿入されている。
実施の形態６
図２０および図２１に示す実施形態に於いては、発振子支承体２２の支承面１Ａ、１Ｂと磁歪発振子３４の端面３４Ａ、３４Ｂとの間に非磁性体のスペーサ５０が設けられている。図に示す如くスペーサ５０は、管体２２の窪み１の支承面１Ａと磁歪発振子３４の端面３４Ａとの間と、窪み１の支承面１Ｂと磁歪発振子３４の端面３４Ｂとの間とにシュリンクフィットにより挿入されていて、窪み１内で磁歪発振子３４の両端に設けられている。
スペーサ５０は例えばステンレス鋼等の非磁性金属材料等の非磁性材料で作ってあり、図示の例では支承面１Ａあるいは１Ｂに接する端面５１Ａ、発振子３４の端面３４Ａあるいは３４Ｂに接する端面５１Ｂの両面が鏡面仕上げされた平行な面とされている。窪み１の支承面１Ａおよび１Ｂが鏡面仕上げされた互いに平行な鏡面であるので、スペーサ５０の端面３４Ａおよび３４Ｂにより構成される磁歪発振子３４の支承面は互いに平行である。換言すれば、磁歪発振子３４を支持するための支承体２２の支承面が、非磁性体のスペーサ５０の表面５１Ｂにより構成されていると言うこともできる。
このような構成によれば、管体が鉄、鋼等の磁性体材料である場合にその磁気的影響を非磁性体のスペーサ５０により回避することができる。従って、発振子支承体２２が磁性体である場合にも本発明を利用できる。
スペーサ５０を磁歪発振子３４と共に窪み１の中にシュリンクフィットにより挿入するにあたっては、磁歪発振子３４およびスペーサ５０のいずれかまたは両方を先の実施形態で説明したのと同様に冷却して同時に窪み１内に挿入し、常温に戻せば良い。管体２２を加熱する場合にも、加熱により拡大された窪み１内に磁歪発振子３４とスペーサ５０とを同時に挿入し、管体２２を常温に戻せば、磁歪発振子３４とスペーサ５０とは強固にシュリンクフィットされる。
前述の実施の形態１〜４の説明の技術的要点を整理してみると、次のとおりであり、次の手段を用いて、発振子の歪みを必要とする大きさの、正および負、周波数を任意に制御出来る縦弾性波発生装置の実現を見ることができた。
（１）正の歪み特性を持つ金属系結晶構造の磁歪薄板を積層面を電気絶縁し、接着剤により積層硬化して鋼と同等の機械強度を持たせた磁歪素子に、
（２）磁歪方向に励磁巻線を施すとともに、永久磁石により任意の応力値になるように動作点を調整した磁歪発振子を用いた。
（３）励磁電流により発生する磁歪量がすべてが内部応力値に変換出来るように、磁歪材と同等の熱膨張係数を持つ剛性の非磁性金属材の管または棒または角材に磁歪材が必要とする初期圧縮応力となる長さのポケットを加工して、
（４）磁歪材と、非磁性金属材の管または棒または角材との、双方の温度差を用いた冷やしばめ、または焼きばめによって一体化した。
図２２はプリロードによって一体化する磁歪発振子の磁気歪み特性を示す。曲線１は磁気バイアスや外部応力の無い状態での磁気歪み曲線である。曲線２から曲線４は外部応力を加えた状態での磁気歪み曲線を示す。外部応力の増加に従い曲線番号は増加する。縦線Ａ、Ａ’は永久磁石また直流励磁による磁気バイアス値を示す。横線Ｂ、Ｂ’およびＣ、Ｃ’は制御すべき歪みの範囲を示している。磁気バイアスの値は正負の応力波を発生する場合は図１の縦線Ａ、Ａ’に設定し、正のみ応力やインパルスの応力の場合は縦線Ｄ、Ｄ’に設定する。
磁歪発振子に加える外部応力の値は制御を行おうとする磁界の最大値に相当する磁歪力以上を予め与えておく。この外部応力は磁歪発振子の応力発生面の断面積と磁歪材のヤング率および縮み量で決める。その縮み量に相当する長さだけポケットの長さより大きくした磁歪発振子を液体窒素など低温冷却材で縮めてポケットに埋め込み、埋め込んだ後加熱して発振子を元に戻せば磁歪発振子には静的応力（プリロード）が常時加わる。この状態で磁歪発振子を励磁すれば、発振子の励磁による歪み量は応力すなわち縦弾性波に変換される。一方、磁歪材はそれ単体では正（延び）または負（縮み）いずれかの一方向の歪みしか生じ得ない。このため正方向の磁歪材を用いて負方向の弾性波を生成するには、磁歪材で正方向の歪み応力を作っておく必要がある。そこで永久磁石または励磁巻線に直流の励磁電流を流してこの応力を発生させて置く。そして励磁電流を負方向に流せば、応力が減少する。すなわち負の応力が発生することになる。このように正負の応力すなわち縦弾性波を制御するには磁歪発振子の磁気特性の調整と制御が要素となる。もし一体化する構造体が磁気特性を持っておれば、磁歪発振子の特性すなわち応力の制御に大きく影響する。そこで一体化のための構造体は非磁性体を使用した。
そして、正の歪み特性をもつ金属結晶系の磁歪材の採用によって、
（１）磁歪発振子に強大なプリロードをかけることが出来、大きな歪み応力を生成出来るようになった。
（２）磁歪発振子が鋼と同等の機械強度を持つために過大な振動や衝撃に耐えられるようになった。
また、冷やしばめによるプリロードによって、
（３）磁気歪みの殆どが応力に変換され発振効率が高くなった。
（４）周波数帯域が広くなり直流から高周波まで自由に制御出来るようになった。
（５）発振子と構造体の音響結合係数が飛躍的に向上し、注入効率と伝搬効率が高くなった。
（６）適正な磁気バイアスとプリロードで正と負の応力を自由に生成出来るようになった
（８）一体化する構造体に非磁性材料を使用したことで、磁歪素子単独の磁気調整が可能になり地磁気の影響を受けなくなった。
（９）この結果から巨大な構造物やドリルパイプなど従来不可能であった診断や伝送などが高い精度、高い信頼性で実施出来るようになった。
産業上の利用可能性
以上、実施の形態１〜４の説明において、対象物は掘削リグにおけるドリルストリングの管体を例として説明したが、この発明は、もちろんこのような管体に限るものではなく、平らな表面、例えば鉄板、Ｈ形鋼などでも良い。例えば橋梁や、ビルの鉄骨などの鉄鋼建造物の鉄骨の一部に取付けておき、検査点検に用いることなども可能である。
以上のように、この発明に係る弾性波発生装置は、励磁コイル、正の歪み特性を持ち励磁されると方向性をもって長さが変わる磁歪合金板を積層して形成され前記励磁コイルが巻回された剛性の磁歪発振子、及びこの磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する一端面にシュリンクフィットする一方の支承面と、前記磁歪発振子の前記長さが変わる方向と交差する他端面にシュリンクフィットする他方の支承面とを有し前記励磁コイルの励磁による前記磁歪発振子の長さの変化を前記磁性体の両端面から前記両支承面が直接的に受ける非磁性の発振子支承体を備えた構成にしたので、従来未解決であった大型の構造物での任意の大きな応力波の発生と注入ができる弾性波発生装置を実現できる。
この発明の磁歪発振子の取付け構造は、磁歪発振子の寸法より小さい寸法の穴又はくぼみに磁歪発振子が挿入されることにより、磁歪発振子にプリロードが加わった状態で保持されるので、従来の片持ちの締め付けネジによるものと比較にならない強いプリロードを掛けることができ、大きな応力を発生できる。
また、この発明の磁歪発振子の取付け方法によれば、磁歪材の温度係数に基づく伸縮力を利用して、プリロードを掛ける工程としたので、きわめて大きいプリロードを掛けることができる。
また、この発明の磁歪発振子の取付け方法によれば、穴又はくぼみの寸法を磁歪発振子の液体窒素冷却寸法よりおおきく、常温で磁気バイアスを加えたときの寸法よりも小さくしているので、磁気バイアスによる磁歪変形の効果をプリロードの発生に利用することができプリロードをより大きくする事ができる。
【図面の簡単な説明】
図１はこの発明の実施の形態１による弾性波発生装置の平面図である。
図２は図１の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
図３はこの発明の実施の形態１による回路図である。
図４はこの発明の実施の形態１による磁歪発振子取付け方法のフローチャートである。
図５ａおよび図５ｂは図４のフローチャートにおけるステップＳ１の工程を説明する図である。
図６は図４のフローチャートにおけるステップＳ１１の研磨工程を説明する図である。
図７は図４のフローチャートにおけるステップＳ２１の巻き線工程を説明する図である。
図８ａ乃至図８ｃは図４のフローチャートにおけるステップＳ４１の加工工程を説明する図である。
図９は図４のフローチャートにおけるステップＳ３１の冷却工程を説明する図である。
図１０は図４のフローチャートにおけるステップＳ５１の挿入工程を説明する図である。
図１１はくぼみ寸法とコア寸法との差によるプリロードの値を説明する図である。
図１２はプリロードの差による飽和磁化歪み率の変化の説明図である。
図１３ａおよび図１３ｂは実施の形態２による磁歪発振子の取付け用穴の断面図である。
図１４は実施の形態３による磁歪発振子の取付け方法のコアの積層作業説明図である。
図１５は図１４の取付け状態説明図である。
図１６は実施の形態４による弾性波発生装置を示す斜視図である。
図１７は実施の形態５による取付け方法における寸法の関係説明図である。
図１８は実施の形態５による取付方法のコアの組立状態説明図である。
図１９は図１８の作業のフローチャートである。
図２０はこの発明の実施の形態６による弾性波発生装置の平面図である。
図２１は図２０の線Ａ−Ａに沿った断面図である。
図２２はプリロードによって一体化する磁歪発振子の磁気歪み特性を示す特性図である。
図２３は従来の石油掘削設備の説明図である。
図２４は図２３のドリルパイプの坑底部分の詳細断面図である。
図２５ａおよび図２５ｂは図２４の磁歪発振子の取付け状態を示す平面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【図９】
0004297613.tif 000013
【図１０】
0004297613.tif 000014
【図１１】
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【図１２】
0004297613.tif 000016
【図１３ａ】
0004297613.tif 000017
【図１３ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５ａ】
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【図２５ｂ】
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