JP2877507B2

JP2877507B2 - 重力勾配計

Info

Publication number: JP2877507B2
Application number: JP50142590A
Authority: JP
Inventors: バン・カン，フランク・ジヨウキム; バツキンガム，マイケル・ジヨスリン
Original assignee: AARU TEII ZETSUTO MAININGU ANDO EKUSUPUROREISHON Ltd; YUNIBAASHITEI OBU UESUTAN OOSUTORARIA ZA
Current assignee: AARU TEII ZETSUTO MAININGU ANDO EKUSUPUROREISHON Ltd; YUNIBAASHITEI OBU UESUTAN OOSUTORARIA ZA
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1989-12-20
Publication date: 1999-03-31
Anticipated expiration: 2014-03-31
Also published as: JPH04502362A

Description

【発明の詳細な説明】発明の分野本発明は、重力勾配計、特に重力勾配テンソルの対角
外成分（off−diagonal components）を測定するための
勾配計に係わり、更に、限定的ではないが特に重力勾配
計に適用される新規の撓みピボット軸受を提供する。

重力計は、地球の重力ポテンシャル関数の１階微分、
即ち重力場を測定するために地質調査において幅広く使
用されている。重力の場所的変動を走行車両の加速度の
一時的揺らぎと区別するのが困難であるが故に、かかる
測定は地上設置の固定装置でのみ、有効調査に十分な精
度になり得る。この困難は主としてポテンシャルの２次
微分、即ち重力勾配を測定することによって回避される
が、今日までのところ、満足の行く重力計装置を開発す
ることでの成功には限界がある。重力勾配法は、炭化水
素を担う地質構造の所在探査や、地質図作成や、高密度
（例えばスルフィド及び鉄鉱床）及び低密度（例えば炭
酸カリ）鉱物堆積層の所在探査に特に適していると考え
られている。

重力の勾配について議論することは厳密には正しくな
いが、この用語の使用は一般に受け入れられており、本
明細書においても使用する。形式的には、重力ポテンシ
ャルの２枚微分とは重力の勾配と定義され、便宜的にＺ
軸を局所鉛直に平行にとって成分g_xx、g_xy・・・g_zzを
有する重力勾配テンソルを構成する。このような９つの
成分があるが、テンソルは明らかに対称であり、ポテン
シャルはラプラスの方程式に従うスカラー場であるの
で、そのうちの５つだけが独立である。

従来技術重力勾配計の主要エレメントは、間隔を置いて設置さ
れた実質的に同一の１対の質点（mass）であり、その目
的は、それぞれの質点にかかる重力の差を測定すること
である。有効であるためには、この差が正常重力の10¹²
分の１になったときの測定値が必要である。重力勾配を
測定する方法は広義には２種類に分類される。第１の方
法は、２つの質点の重力加速度の差による信号またはパ
ラメータの微分変調を含み、第２の方法、一方の質点の
他方の質点に対する正味重力加速度の直接測定を含む。

Standard Oil Companyによる英国特許公開第2022243
号は、上記第１の方法における重力勾配計を開示してい
る。質点双極子として、より正確には質点四極子（mass
quadrupole）という用語で上記特許公開に記載のエレ
メントは、トルクの負荷に応答して円偏光モードを微分
変調するために、環状レーザ管のキャビティ内に設置さ
れた光弾性変調素子の一端に同軸に取り付けられてい
る。好ましい形態においては２つの質点四極子は、回転
加速度ノイズを平衡化するために変調素子の相対する端
部に取り付けられている。米国特許第4255969号に記載
の同じ発明者Lautzenhiserによる関連の深い発明は、そ
れぞれが光弾性変調素子と一緒に真の質点双極子を使用
している。

別の変調技術は、適当な質点対構成体を支持している
プラットホームを回転させることを含む。この種の種々
の装置は、Jekeliによって69 EOS（No.8）にまとめられ
ている。そのうちの１つのMetzgerによるものは更に改
良されており、回転するプラットホーム上の電気的に整
合された加速度計対で構成されている。プラットホーム
は、その回転度数の２倍の周波数を有する相対する加速
度信号の和を変調する。かかる変調系では回転に厳密な
均一性が要求され、軸受及び回転駆動装置や、測地学的
測量とは対照的に、地球物理学的資源探査のための航空
機によるまたは移動しながらの地上ベースの測定の適当
な規模での実用化に装置を適合させる標準とは未だなっ
ていないモニタリング技術を使用せねばならない。重力
勾配成分を直接測定する別の方法では、要求される測定
精度を得るためには極めて高度の電気、磁気、熱及び振
動の隔絶が必要である。そうすると装置は場所をとる大
きなものとなり、ノイズレベルも高くなる。

重力勾配テンソルの対角成分g_xx、g_yy及びg_xxを測定
する装置は、van Kannらにより公開論文IEEE Trans.Mag
m.MAG−21,610（1985）に記載されており、更にNERDDP
End−Of−Grant Report（1986）にプロジェクト番号738
で詳しく述べられている。この装置は、感度軸が一直線
に取り付けられた１対の加速度計からなる。加速度計の
変位の差は所与のテンソル勾配に比例し、おおよそ超伝
導性のコイルのインダクンスの変調によって感知され
る。この装置は、ダイヤフラムばねが、質点のための支
持体と勾配センサとの両方の役割を担うという欠点を有
する。前者の役割のためにはばねにより大きな剛性が必
要であり、一方、センサの役割にはばねの柔軟性を強調
する必要がある。van Kannの装置では、精度追求に必要
な共通モードの加速度失効比（acceleration rejectio
n. ratios）を得るために、要求される精度で質点の軸
方向整列及びばねの取り付けの調整をするのも困難であ
る。

発明の概要本発明の第１点では、van Kannの装置より顕著な有益
性を得ることができ、撓みピボットによって支持される
１つ、好ましくは２つの回動する質点四極子によって重
力勾配テンソルの対角外成分を測定し、比較的柔軟な屈
曲ばね特性によって与えられる感知関数とは区別される
比較的剛性な引張りばね特性によって質点支持体を製造
することにより、重力勾配の直接測定をより容易にし得
る。

第１に本発明は、重力勾配テンソルの対角外成分を測
定するための重力勾配計であって、一方が他方の内側に
配備された１対の電磁遮蔽包囲体を含むハウジングと、
内側包囲体内に設置された超伝導性材料を含むボディで
あって、実質的に該ボディの重心を通る軸の周りでの微
小回動撓みのための質点四極子としてのボディとを含む
重力勾配計を提供する。超伝導コイルのアレーは、撓み
軸に関する回転力をボディに反磁性的に与えるため及び
／またはボディを横切る重力勾配から生じるボディの回
動撓みにインダクタンスの変調によって応答するため
に、外側包囲体によって支持されており且つボディに極
めて接近して配置されている。このアレーは、両回転方
向において回転力を与えるように及びいずれかの回転方
向における撓みに応答するように構成されている。

２つの包囲体はぴったりと嵌め合わされた長方形の箱
であるのが都合良く、四極子ボディは相補形状の整合中
実ボディであるのが好ましい。好ましい実施態様におい
ては、撓み回動軸の両側で四極子ボディのの各アームの
向かい合った側部に超伝導コイルがある。ボディの並進
運動をモニタリングするためには、ボディの両側で軸の
ところと各端部とに別のコイルを置くことができる。

本明細書中「超伝導」なる用語は、慣例により、少な
くとも特性臨界温度以下で超伝導を示す材料を指して使
用する。適当なこのような材料は、臨界温度約9Kを有す
るニオビウムである。

上記重力勾配計は当然ながら前記End−Of−Grant Rep
ortに記載のものと同様に電気的、磁気的、熱的及び振
動的に遮蔽されている系内に支持されるのが好ましい。

好ましくは、２つの四極子ボディのそれぞれの撓み軸
が平行か好ましくは一致しており、更に２つの四極子ボ
ディが相互に垂直で且つ撓み軸とも垂直であるように、
１対の勾配計が単一の装置内に一緒に連結される。

質点四極子ボディを回動撓み式に取り付けるには、市
販のBendixピボットのような撓み軸受を含むことができ
る。しかしながらこの軸受は、合わせて固定された幾つ
かの異なる金属で構成されており、このために熱膨張係
数の差、及び本発明の主旨に望まれる種類の精度におい
ては重要となる他のパラメータの変動の差に起因する重
要な問題が生じるが故に、全く満足が行くわけではな
い。

従って本発明は第２に、極めて小さい間隔で向かい合
った面を有する１つの部材を含む撓みピボット軸受を提
供する。前記面は、それらと交差する平面内にある微小
な厚さのウェブによって連結されている。これら部材及
びウェブは、実質的に均一な材料の一体品で構成されて
おり、部材は、ウェブと一直線上をなす回動軸の周りで
の相互の回動撓みに適合されている。

本発明の第２の点において特に有効な用途は、本発明
の第１の点に従う前述の重力勾配計の質点四極子ボディ
のためのマウントとしての使用である。このためには軸
受は、ニオビウムのような超伝導材料の単一塊から切抜
きされるのが好ましい。

軸受の２つの部材は、ほぼ環状の本体と、この環状本
体内にある第２本体とすることができる。

より一般的な第３の点においては本発明は、幅広い用
途を有し、高い感度を要求す超伝導素子を必要としない
重力勾配計であって、ハウジングと、前記ハウジング内に取り付けられたボディであって、
実質的に該ボディの重心を通る軸の周りでの微小回動撓
みのための質点四極子としてのボディと、前記撓み軸に関する回転力を前記ボディに与えるため
及び／または前記ボディを横切る重心勾配から生じるボ
ディの回動撓みにインダクタンスもしくはキャパシタン
スの変調により応答するために、前記ハウジング内に支
持されており且つ前記ボディに極めて接近して配置され
た変換素子のアレーであって、該アレーが、両回転方向
において前記力を与えるように及びいずれかの回転方向
において撓みに応答するように構成されているアレーと
を具備する重力勾配計を提供する。この場合には好まし
くは、前記ボディは、極めて小さい間隔で向かい合った
面を有し且つ前記面がこれらと交差する平面内にある微
小な厚さのウェブによって連結されている１対の部材を
含む撓みピボット軸受によって取り付けられており、前
記部材及び前記ウェブは実質的に均一の材料の一体品で
構成されており、前記撓み軸は前記ウェブと一直線をな
している。

図面の簡単な説明添付の図面を参照し、実施例によって本発明を詳細に
説明する。

図１は、回転運動が安定化された低温動作のための真
空缶内でジンバル式マウント上に支持された本発明の第
１の点に従う重力勾配計アセンブリの概略軸方向断面図
である。

図２は、実寸の勾配計アセンブリを示す図１の一部分
の拡大図である。

図３は、図２の線分３−３における断面図である。

図４は、勾配計アセンブリ内で相互に垂直な質点四極
子バーの各々が支持される撓みピボット軸受の各大図
（倍率５倍）である。

図5Aは、軸受のウェブ領域をより拡大した図（倍率50
倍）である。

図5Bは、別のピボット軸受の図5Aと同様の図である。

図６は、コイル／コイルホルダーアセンブリの１つの
より詳細な軸方向断面図である。

図７及び図８は、図６に示したアセンブリのそれぞれ
の端面図である。

図９は、勾配計用の超伝導性回路の模式図である。

本発明を実施する最良の方法図示した装置10は、真空缶16内に二軸または三軸ジン
バル懸吊部材14によって支持された勾配計アセンブリ12
を含んでいる。装置10は、デュワー（図示なし）内部に
懸吊され、そこで液体ヘリウム内に浸没され得るデュワ
ープローブを形成する。缶16は、勾配計アセンブリ12の
低温動作のために液体ヘリウム温度またはその近傍の温
度に維持され得る排気可能な包囲体を提供する。勾配計
アセンブリと真空缶との間の放射及び気体対流による熱
伝導を小さくすために、熱シールド17を勾配計アセンブ
リの周囲に取り付けることができる。デュワーを含む装
置全体は、航空機または他の走行車両に容易に搭載する
ことができる。

勾配計アセンブリ12は実際は、重力勾配テンソルの成
分g_xy及びg_yxを測定するように配向された実質的に同一
の２つの勾配計20及び20′を含んでいる。勾配計20及び
20′は、中央箱形構造体40の上方及び下方にボルト止め
されており、各々が、一方が他方の内部に配備された１
対の例えばニオビウムの直方包帯22及び23と、電磁放射
に対する周囲シールドを形成する外側ニオビウム側部プ
レート60とを含んでいる。包囲体22及び23は典型的には
ニオビウムであり、更に２重のレベルの完全電磁遮蔽を
提供する。

ニオビウムのような超伝導材料の中実バー25は、実質
的にこのバーの重心を通る軸８の周りでの微小回動撓み
のための質点四極子として、内側包囲体23内で軸受21上
に取り付けられている。２つのバー25,25′の撓み軸は
一致しており、バーは水平面内で相互に垂直にｘ方向及
びｙ方向に延伸している。１対の相互に垂直な四極子バ
ーを設置することにより、共通モードの回転加速度、即
ち各バーにおける回転ノイズの正味消去をなし得る。勾
配計は当然のこと、問題の勾配成分に従って別様に配向
することができる。

各勾配計20,20′は更に、ホルダー70上に取り付けら
れた超伝導コイル30のアレーを含む。ホルダー70は更に
外側包囲体22によって支持されている。コイル30は、四
極子バー25に極めて接近して配置されている。

デュワー（図示なし）は典型的には、直径約450mm及
び高さ1.3mの外側真空容器と、外側シェルの頂部にある
口からガラスファイバネックチューブによって懸吊され
ている直径300mmの内側ウェルとで構成されるであろ
う。内側ウェルと外側シェルとの間のスペースは恒常的
に真空であり、典型的には、多数のアルミニウム被覆マ
イラー超絶縁層（layers of aluminised mylar superin
sulation）によって包囲された熱放射シールドが取り付
けられている。真空缶16はデュワー内に、デュワーの口
に装着されているアルミニウム頂部プレートから支持さ
れている。頂部プレートと真空缶とはネックチューブ13
によって連結されており、ネックチューブ13を通して真
空缶は例えば10^-8〜10^-10Torrの範囲まで排気される。
ジンバル懸吊部材14は、ネックチューブの底部フランジ
15aにボルト止めされており且つ缶16の蓋を形成する厚
さ25mmの剛性アルミニウムプレートに取り付けられてい
る。

ジンバル懸吊部材14は、Bendix直交ウェブピボットの
ような撓みピボット（詳細は記載しない）上に取り付け
られた３つのジンバルフレーム43,44,45からなる。懸吊
部材14は、勾配計アセンブリ12における三軸の回転を独
立させるものであり、それぞれｘ軸及びｙ軸における光
ファイバ回転センサ（図示なし）と、回転センサによっ
て制御されるサーボ回路における能動安定化に関係する
超伝導電気機械反磁性アクチュエータとを備えている。

光ファイバ回転センサに代えて、安定化が物理的に分
離してなされ且つ室温ジャイロスコープを使用し得る光
学遠隔検出構成を使用することもできる。この構成（図
示なし）においては、室温ジャイロスコープ慣性基準系
にしっかりと取り付けられたレーザまたは発光ダイオー
ドからのコリメート光ビームが、勾配計アセンブリにし
っかりと取り付けられた平面鏡によって反射される。光
ビームと垂直な任意の軸の周りで勾配計アセンブリが回
転すると、この回転は、入射ビームと反射ビームとの角
度を測定することによって検出され得る。この測定は、
光源にしっかりと取り付けられた位置感知光検出器のビ
ームと垂直な感知平面によって行われる。この検出器は
実際には反射ビームからの光点の位置のｘ座標及びｙ座
標を測定し、これを、勾配計アセンブリの相対的向きを
モニターするのに使用する。機械的振動から隔絶する方
法は図示していないが、確立された方法で提供され得
る。

外側装置とのリード線を伝ってデュワーに到達する振
動は、嵩高のリードブロックへの中間点近傍にありそれ
自体は柔軟なばね上に懸吊されている全ケーブルの装着
部材によって遮断され得る。

各勾配計20,20′は実質的に同一であり、従ってここ
では勾配計20の構造のみを特に図２及び図３を参照して
詳細に説明する。既に述べたように包囲体22,23は、頂
部、底部、側部及び端部の各プレートの組立てによりで
きた直方体様の構成である。内側包囲体23は外側包囲体
22にぴったりと嵌め合わされているが、外側包囲体22の
底部プレートを取り外せばスライド式に出し入れされる
ようになっている。内側包囲体には、それぞれがコイル
ホルダー70を受容する複数の円形開口24が備えられてお
り、その底部プレート23aには、バー25を支持する撓み
軸受21のためのブッシュ26が備えられている。

撓み軸受21は拡大図４、5A及び5Bに詳細を示してあ
る。これは、バー重心のところで軸８に沿ってバーの幅
方向に延伸する微薄なウェブ29を残し、軸８と平行なほ
とんど連続の切れ目をバー25を貫いて電気放電機械加工
（EDM）することにより形成される。図5Aの実施態様の
切れ目27は、コアをブッシュ26に取り付けるために一方
の端部に３つのねじ孔28aが備えらた270°の部分円筒形
コア28を規定している。コアは当然ながら、所望または
必要であれば、両端部で支持することもできる。

軸８の周りでバーの質量バランスを部分的に得るよう
にその位置を動かし得る小ねじを収容するために、別の
ねじ釦（図示なし）もバー内に設けられている。切れ目
27の半径方向部分27aはそれらの内側端部で直角部分27b
に移行している。これら２つの直角部分27bは整列して
はいるが、ウェブ29によって分離されている。ウェブの
両側で切れ目は、ウェブを長くし且つピボットとして作
用する際のその剛性を小さくするために、両側部の部位
27cのところでわずかに張出している。ウェブ29は、厚
さ約0.030mm、長さ約0.200mm及び「幅」約30mm（即ちバ
ー25の幅）の超小型ピボットを規定する。図5Bは図5Aと
は別の切れ目を示している。

特に図４と図5A及び図5Bとから、コア28と、これに隣
り合って内側に突出しているランド31とは、バーの幅に
広がる平面内でウェブ29によって結合され且つ極めて小
さい間隔で向かい合った領域28b、31bまたは28b′、31
b′を含む１対の部材を規定することを理解されたい。
これらの部材は、ウェブ29と一直線をなす回動軸の周り
での相互の回動撓みに適合されている。更に、部材28,3
1及びウェブは、実質的に均一の材料、この場合にはニ
オビウムの一体品で構成されていることにも留意された
い。特に四極子バー25は、切れ目27の半径方向部分27a
の向かい合った面間の接触によって決定される角度限界
の間で超小型ピボットウェブ29によって微小の回動撓み
を生起し得る。この角度範囲は約３度であり、いかなる
場合にもウェブの非弾性変形を生じるであろうおおよそ
の大きさである。

バー25の寸法は30.00mm四方×長さ90.0mmと選択さ
れ、そうすることで、バー及びピボットウェブ29の弾性
変形による加速度に対する感度が比較的小さくされる約
1Hzの固有周波数を有する勾配テンソルが生成される。

各超伝導コイル30の取り付けは図６〜図８から最も良
く判る。ニオビウムの機械加工片である各ホルダー70は
円形横断面を有しており、外側周囲保持フランジ72を備
えている。ホルダーは更に、ガラスファイバコイル巻型
74のための同軸内側凹部71を有している。コイル30はパ
ンケーキ形コイル、即ち巻型74の露出表面上に平らにな
るように螺旋形に巻き且つエポキシによってそこに保持
したものである。必然的には超伝導性であり都合良くは
formvarで絶縁されたニオビウムであるワイヤ80は、巻
型74にある対角方向入口孔76を通って螺旋形の中心に入
り込み、巻型に数回巻き付き、巻型にあるチャネルを通
って出る。巻型74にある孔75は、巻取りの間アセンブリ
を一時的に把持するためのものである。ワイヤの両端部
はホルダー70の孔78を通り、次いで包囲体22の外側面に
機械加工された種々のチャネル（図示なし）を抜け、更
に包囲体40内の孔を通る。

ホルダー70は、両包囲体にある開口24と位置合わせし
て適所に保持され、ねじ73などによって外側包囲体22上
の適所に固定されたならば遮蔽プレート60の１つによっ
てカバーされる。そのうちの４つは各包囲体22の側部上
にあるプレート60は、コイル30から包囲体40へと走るワ
イヤを遮蔽している。各コイルの内側端部は、バー25の
面に極めて近いところにある内側包囲体23の内側面と実
質的に同平面である。

コイル30は、四極子バーの各側部に沿って３つずつ及
び四極子バーの各端部に１つずつ、それらの軸が共通水
平面内にあるように設置されている。側部にあるコイル
は、一つの対はその軸が軸８と同一平面内にあるよう
に、また他の２つ対は軸がそれぞれ四極子バー25の各端
部の近くにあるように向かい合った同軸の対として配備
されている。一方の側部上で端にあるコイル30a及び30b
は、軸８の周りでそれぞれの回転方向の回転力を超伝導
性バーに反磁性的に与え、その方向での超伝導性バーの
ねじれ剛性を増大させるブッシュコイルとして使用され
る。他方の側部上にありこれのコイルと向かい合った２
つのコイル30c及び30dは、バー25を横切る重力勾配から
生じるバー25の回動撓みにインダクタンスの変調によっ
て応答するために使用される。各コイルは、軸８の周り
でのそれぞれの回転方向における撓みに応答する。更に
残りの４つのコイルはセンサコイルとして使用されもの
で、ｘ及びｙ方向におけるバーの並進運動を検出するた
めのものである。これらのコイルは実質的に同一であ
り、従って、ブッシュコイルもしくはセンサコイルとし
てまたは両方に、相互に交換して使用し得る。

ブッシュコイルには、フィードバック制動を備えるこ
とと、軸８の周りの共通モード角加速度に対するそれら
の応答を正確に整合させるための四極子バーのねじれ共
振周波数を微調整することが要求される。

四極子バー25は、コイル30との相互作用のために超伝
導性材料を含む限り、ニオビウムのような中実の超伝導
性材料で形成されることが絶対に必要であるわけではな
いことを理解されたい。例えば各バーは、動作コイルと
対面する表面の部分にニオビウムでライニングされたま
たはその部分にニオビウムを含むように処理されたアル
ミニウム塊とすることができる。

各組の８つのコイルは、図９に模式的に示したように
超伝導性回路に配線される。これらの回路に係わる詳細
を以下に説明する。

コイルからでた超伝導性ワイヤ80は、包囲体22にある
機械加工チャネルを通して包囲体40内にある超伝導性接
続インターフェース41に供給される。必要とされる種々
の変換器もまた包囲体40内に収容されている。

更にこのインターフェースからのリード線はフィード
スルー46を横切ってアセンブリの外部に出る。ブッシュ
コイルは、制御された永久電流の挿入を可能とするヒー
トスイッチを使用することにより作動され、一方で、セ
ンサコイルのインダクタンス変化を検出する手段は、微
分運動を感知する１つ以上の低温SQUID（超伝導性量子
干渉素子）を備えている。ヒートスイッチ及びSQUIDは
真空缶16内に収容されている。スイッチ及び電流源は典
型的にはコンピュータ制御下にある。

SQUIDセンサ系は、磁速の極めてわずかな変化にもか
なりの高感度を示すので、全てのリード線及び素子は、
例えば超薄手のニオビウムチューブ材料のような密閉超
伝導性シールドによって遮蔽されている。外部磁場は、
それがシールドによって提供される包囲体に入ると指数
関数的に減衰される。なぜならばチューブ材料の形状
は、地球の周囲磁場がシールド内で１磁束素量（flux q
uantum）未満になるような態様とされているからであ
る。

低温で作動される図示された装置は、約10^-12ラジア
ンの大きさの角度変位を測定し得る。図示したアセンブ
リにはニオビウム以外の材料を使用し得ることも理解さ
れたい。しかしながら、選択させた材料は類似の熱膨張
係数を有し、少なくともワイヤ、ワイヤシールド及びバ
ー表面は超伝導性材料で形成されるのが好ましい。優れ
た温度制御のためには包囲体を、勾配計を横切る温度勾
配を最小化するために熱伝導性に優れた材料で製造する
のが望ましい。勾配計ボディ（バー、包囲体、シール
ド）に好ましい材料はニオビウムである。

超伝導性回路の説明（図９）勾配計に好ましい回路は、３つの異なるタイプの５つ
の回路からなる。３つの異なるタイプとは、MAIN READO
UT（図9A）と、ACCELERATION MONITOR CIRCUITS（図9
B）と、PUSH CIRCUITS（図9C）とである。このうち、加
速度モニター回路はｘ方向及びｙ方向の加速度を測定す
るために２つ必要であり、ブッシュ回路はそれぞれバー
25及び25′のために２つ必要である。３つの回路タイプ
を説明する前に、幾つかの一般的な留意事項を記載す
る。

1.原則として装置は、重力勾配テンソルの任意の対角外
成分を測定するように配向することができる。全図面を
通して全ての図は、鉛直方向に平行なｚ軸を有する勾配
計を示す。バーの長軸に平行なｘ軸を示す図３は、図２
に示した下方コイル包囲体の横断面図である。即ち、ｘ
軸は底部四極子バー25の長軸と平行であり、ｙ軸は上部
バー25′の長軸と平行である。

2.回路において、バーの超伝導性表面を感知するのに使
用されるパンケーキ形コイルにはそれらの用途に従って
標識されている。即ち、PUSH1及びPUSH2はプッシュコイ
ルであり、Ｘ及びＹは加速度センサコイルであり、θ＋
及びθ−は回転センサコイルである。

3.回路は幾つかのエレメントで構成されている。各回路
の出力はSQUIDから出るものであり、SQUIDの入力は、遮
蔽されたドーナツ形の空心変換器によって回路の残りの
部分に接続されている。即ち、各回路に１つずつ合計５
つのSQUIDがある。

4.誘導子は、ドーナツ形または平形螺旋形（パンケーキ
形）の２つのタイプからなる。四極子バー表面に対面し
ているコイルは全てがパンケーキ形である。誘導子の残
りの部分はドーナツ形である。

5.図示した装置においては、「ヒートスイッチ」は、チ
ューブと十分に熱接触しているが電気的には絶縁してい
る超伝導性ワイヤのループを含む薄い超伝導性チューブ
と密接に熱接触している加熱器からなる。チューブは、
熱伝導性回路の一部であるループのための電磁遮蔽を提
供する。加熱器を作動化することにより、ループの一部
を、超伝導性転移温度緒以上の温度に加熱することがで
きる。この非超伝導性部分は電気抵抗になり、ループを
通る電流を散逸し、ポンプリード（pumpleads）を介し
て新たな電流を注入し得る。

一般にヒートスイッチの態様は、超伝導性回路におい
て電流の散逸及び注入をなし得る幾つかの種の他の方法
で改良したり置き換えたり得る。

原則として重力勾配計は線加速度に本質的に低感度で
あるが、達成可能な共通モードの加速度失効比における
制限と、超小型ピボットウェブ29と四極子バー25及び2
5′との弾性変形によって誘導される二次作用との故
に、実際には線加速度は効果を有し得る。結果として、
加速効果を勾配信号から適当に減算し得るようにまた後
のデータ解析において加速度を記録し得るように、加速
度を測定するための加速度計が必要とされる。

上記弾性変形の結果として四極子バー25または25′の
動きを加速度計として使用することもできるし、この機
能を実行するための別個の加速度計を勾配計パッケージ
に取り付けることもできる。いずれの場合も、各々が四
極子バーの長軸と平行な線加速度を測定する２つの加速
度計を使用する。これらを、かかる軸の方向に従ってＸ
及びＹと標識する。これらもまたＸ及びＹと標識された
２つの加速度モニター回路（そのうちの１つを図9Bに表
わす）は単に、記録用の加速度データを提供する機能を
実行する。

２つのプッシュ回路（各バーに１つずつ）は同一であ
り、従って１つのみを図9Cに示す。一方に対して行なう
以下の説明は他方にも適用される。

プッシュ回路ループは、調整及び蓄積され得る永久電
流を担う。ループ内に得られる磁束は、プッシュコイル
が磁気ばねとして作用し、それによって四極子バーの機
械的ねじれ共振周波数を増大することを意味する。この
技法は、２つのバーのねじれ共振周波数を整合させるた
めに使用される。ｚ軸の周りの角加速度の失効は、これ
らの周波数をいかにうまく整合されるかに従う。電流の
変調はバーの角運動から生じるものであり、この変調
は、プッシュループをSQUIDに接続することにより感知
される。この出力は、ｚ軸の周りの角加速度をサーボ制
御するフィードバックに使用され得る。

図9Aに示した主読取り回路は、重力勾配に比例する温
度補償出力信号を提供するために、各応答器からの角度
情報をｘ及びｙ方向加速度情報と組み合わせる機能を実
行する。全部で５つのループがあり、各々には独立に磁
束が印加され、次いで固定される。５つのループとは、
上部バーのためのθループと、底部バーのためのθルー
プと、Ｘ加速度ループ（底部バー）と、Ｙ加速度ループ
（上部バー）と、最後に、その中にSQUID入力変換器が
接続されている温度感知ループとである。Ｘ及びＹルー
プ内の磁束は、SQUID出力がこれら２つの加速度とは独
立であるように調整される。同様に、２つのθループの
各々における磁束は、ｚ軸の周りの回転加速度の作用を
相殺するように印加される。温度ループの磁束は、勾配
計内のわずかな温度不均一の一次的な相殺を行なうよう
に調整される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者バン・カン，フランク・ジヨウキムオーストラリア連邦、ウエスタン・オーストラリア、6010、クレアモント、ロフタス・ストリート・42 (72)発明者バツキンガム，マイケル・ジヨスリンオーストラリア連邦、ウエスタン・オーストラリア、6010、クレアモント、リザーブ・ストリート・24 (56)参考文献特開昭64−91000（ＪＰ，Ａ) 特開昭64−74491（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01V 7/00 - 7/10

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】重力勾配テンソルの対角外成分を測定する
ための重力勾配計であって、一方が他方の内部に設置された１対の電磁遮蔽包囲体を
含むハウジングと、前記内側の包囲体内に取り付けられた超伝導性材料を含
むボディであって、実質的に該ボディの重心を通る軸の
周りでの微小な回動撓みのための質点四極子としてのボ
ディと、前記撓み軸に関する回転力を前記ボディに反磁性的に与
えるため及び／または前記ボディを横切る重力勾配から
生じる前記ボディの回動撓みに、インダクタンスの変調
によって応答するために、前記外側の包囲体によって支
持されており且つ前記ボディに極めて接近して配置され
ている超伝導性コイルのアレーであって、該アレーが、
両回転方向において前記力を与えるように及びいずれの
回転方向においても撓みに応答するように構成されてい
るアレーとを具備している重力勾配計。
【請求項２】前記撓み軸が前記ボディを、該軸の両側に
ある前記ボディの２つのアームに分割し、各アームの向
かい合った側部に超伝導性コイルがある請求項１に記載
の重力勾配計。
【請求項３】前記ボディが、極めて小さい間隔で向かい
合った面を有し且つ前記面がこれらと交差する平面内に
ある微小な厚さのウェブによって連結されている１対の
部材を含む撓みピボット軸受によって取り付けられてお
り、前記部材及び前記ウェブが実質的に均一の材料の一
体品で構成されており、前記撓み軸が前記ウェブと一直
線をなしている請求項１または２に記載の重力勾配計。
【請求項４】前記軸受が、超伝導性材料の単一塊から切
抜きされている請求項３に記載の重力勾配計。
【請求項５】前記部材の一方が、前記四極子ボディと一
体的である請求項３または４に記載の重力勾配計。
【請求項６】前記軸受の２つの部材が、ほぼ環状の本体
と前記環状本体内にある第２本体とである請求項３から
５のいずれか一項に記載の重力勾配計。
【請求項７】それぞれの四極子ボディの撓み軸が相互に
平行であり、更に四極子ボディが相互に直交し且つ前記
撓み軸とも直交するように単一の装置内に一緒に連結さ
れた請求項１から６のいずれか一項に記載の重力勾配計
の１対を備えた装置。
【請求項８】極めて小さい間隔で向かい合った面を有し
且つ前記面がこれらと交差する平面内にある微小な厚さ
のウェブによって連結されている１対の部材を含む撓み
ピボット軸受であって、前記部材及び前記ウェブが実質
的に均一の材料の一体品で構成されており、前記部材が
前記ウェブと一直線をなす回動軸の周りでの相互の回動
撓みに適合する撓みピボット軸受。
【請求項９】前記軸受が、超伝導性材料の単一塊から切
抜きされている請求項８に記載の撓みピボット軸受。
【請求項１０】ハウジングと、前記ハウジング内に取り付けられたボディであって、実
質的に該ボディの重心を通る軸の周りでの微小な回動撓
みのための質点四極子としてのボディと、前記撓み軸に関する回転力を前記ボディに与えるため及
び／または前記ボディを横切る重心勾配から生じるボデ
ィの回動撓みにインダクタンスもしくはキャパシタンス
の変調により応答するために、前記ハウジング内に支持
されており且つ前記ボディに極めて接近して配置されて
いる変換素子のアレーであって、該アレーが、両回転方
向において前記力を与えるように及びいずれの回転方向
においても撓みに応答するように構成されているアレーとを具備している重力勾配計。
【請求項１１】前記ボディが、極めて小さい間隔で向か
い合った面を有し且つ前記面がこれらと交差する平面内
にある微小な厚さのウェブによって連結されている１対
の部材を含む撓みピボット軸受によって取り付けられて
おり、前記部材及び前記ウェブが実質的に均一の材料の
一体品で構成されており、前記撓み軸が前記ウェブと一
直線をなしている請求項10に記載の重力勾配計。
【請求項１２】前記部材の一方が、前記四極子ボディと
一体的である請求項11に記載の重力勾配計。
【請求項１３】前記軸受の２つの部材がほぼ環状の本体
と前記環状本体内にある第２本体とである請求項11また
は12に記載の重力勾配計。
【請求項１４】ハウジングと、記ハウジング内に設けられたボディと、実質的にボディの重心を通る軸の周りで回転するように
ボディを取り付けるための軸受けであって、ボディが前
記軸の周りで回転できるように制限された弾性変形を受
けるウェブを含む軸受けと、ハウジング内に設けられており、ボディを横切る重心勾
配から生じる前記軸の周りのボディの回転に応答して出
力を生じる変換素子とを具備する重力勾配計。
【請求項１５】前記複数の変換素子が前記ボディに回転
力を与えるように構成されている請求項14に記載の重力
勾配計。
【請求項１６】前記回転力がウェブの有効な剛性を変化
させるように作用する請求項15に記載の重力勾配計。
【請求項１７】前記ウェブは薄く、前記軸の方向に伸長
している請求項14から16のいずれか一項に記載の重力勾
配計。
【請求項１８】前記軸受けが一対の部材を有し、前記ウ
ェブが前記部材間を延伸し、前記ウェブが前記部材の少
なくとも一つと一体的である請求項17に記載の重力勾配
計。
【請求項１９】前記ウェブが前記部材の双方と一体的で
ある請求項18に記載の重力勾配計。
【請求項２０】前記部材が前記ボディと一体的である請
求項18または19に記載の重力勾配計。
【請求項２１】前記ウェブが前記軸を含む垂直面に関し
て対称的に配置されたほぼ平坦な対向する平行面を有し
ており、前記ボディが前記部材と前記ウェブを規定する
切り抜きを有しており、一方の部材が前記ハウジングに
連結されているコアを含んでおり、他方の部材が前記切
り抜きによりボディに形成された空洞の隣接面を有する
請求項20に記載の重力勾配計。
【請求項２２】前記ボディが超伝導性材料からなる請求
項14から21のいずれか一項に記載の重力勾配計。
【請求項２３】前記ハウジングが一方が他方の内部に設
けられた１対の電磁遮蔽包囲体を含んでおり、前記ボデ
ィが超伝導性材料を含むと共に内側の前記包囲体の内部
に取り付けられており、前記変換素子が、外側の前記包
囲体により支持されており且つ前記ボディに極めて接近
して配置されている超伝導性コイルのアレイを有する請
求項14から22のいずれか一項に記載の重力勾配計。
【請求項２４】請求項14から23のいずれか一項に記載の
重力勾配計の一対を備える装置であって、一対の重力勾
配計のハウジングが相互間で相対運動がないように一緒
に連結されており、勾配計の軸が同軸であり、ボディが
相互に直交している装置。