JP2001108705A - 3軸超電導加速度計 - Google Patents

3軸超電導加速度計

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JP2001108705A
JP2001108705A JP28700099A JP28700099A JP2001108705A JP 2001108705 A JP2001108705 A JP 2001108705A JP 28700099 A JP28700099 A JP 28700099A JP 28700099 A JP28700099 A JP 28700099A JP 2001108705 A JP2001108705 A JP 2001108705A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ヒンジを介さずに慣性質量を支持することに
よって、3軸方向に自由な変位ができて3軸方向の加速
度を精密に計測可能とし、しかもヒンジによる抵抗がな
く超高分解能で微小加速度を測定でき、且つ耐衝撃性が
あり取扱の容易な3軸超電導加速度計を得る。 【解決手段】 磁気シールドされた慣性空間内におい
て、永久磁石片5の組合せで形成された球状空間内に、
超電導球体で形成された慣性質量3を、マイスナー効果
により浮遊保持する。加速度が作用すると加速度の作用
方向に完全反磁性の性質をもつ慣性質量3が変位し、永
久磁石片5との間隔が変化して磁束密度が変化する。そ
の変化分をジョセフソン効果を利用した各SQUID磁
束計10で計測する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、超電導加速度計、
特に慣性質量が3軸自由度を有するようにした3軸超電
導加速度計に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、加速度を検出するセンサとして動
電型加速度計、圧電型加速度計、歪ゲージ型加速度計、
サーボ型加速度計、静電支持型加速度計、超電導加速度
計がある。その中で、超電導加速度計は、従来の高感度
と言われているサーボ型加速度計と比べても極端に高い
分解能を持つ加速度計であり、高精度の加速度検出が要
求される例えば、慣性航法や重力分布計測等の分野への
利用が期待されている。
【0003】従来提案されている超電導加速度計は、各
構成要素に液体ヘリウムで冷却可能な低温超電導体(例
えば、ニオブ、チタン、錫等、或いはこれらの合金系材
料、化合物系材料等)を用いて、その特性であるゼロ抵
抗(完全電導性)、完全反磁性(マイスナー効果)、ジ
ョセフソン効果を利用して加速度計を構成したものであ
り、液体ヘリウム(4.2K以下)での冷却状態下で使
用するものである。
【0004】超電導加速度計の原理の概要を図3に示
す。慣性質量(プルーフ・マス)20は低温超電導体で
作られ、液体ヘリウム26が充填されている超電導磁気
シールド21内に、ヒンジ22を介して支持されて慣性
空間に静止している。低温超電導体で作られた超電導コ
イル23には、永久電流が流れて周囲には磁場が発生し
ている。ここで加速度が作用すると、完全反磁性の性質
を持っプルーフ・マス20と超電導コイル23の間隔が
変化して磁束密度が変化する。その変化分をジョセフソ
ン効果を利用したSQUID(超電導量子干渉素子)磁
束計25で計測して加速度量を得るようにしたものてあ
る。
【0005】慣性質量20を懸垂している前記ヒンジ2
2は、一般に図4に示す断面形状をし、図においてY軸
方向(入力軸方向)の運動のみ許し、他の軸方向の運動
に対して高い剛性を与えるようになっている。しかも、
入力軸方向の運動に対しても、ヒンジの弾性や摩擦抵抗
等の反力が作用するので、加速度の変化に慣性質量の変
位を完全に追従させるのは不可能である。従って、ヒン
ジを使用した従来の超電導加速度計において、加速度を
高分解能で測定するためには少なくとも入力軸方向に対
してはヒンジの抵抗を極力小さくすることが望ましい。
一例として、従来のヒンジの最薄部分の厚さは、10μ
m、幅2.2mm、材質にベリリウム銅合金を使用してい
る。そのため、ヒンジの耐衝撃は極めて低く、ヒンジを
固定端からの距離により断面積が変化する片持ち梁であ
ると考えると、上記の例で、例えば26グラムの振子を
付けた場合、振子軸方向の耐Gは53gである。これで
は、通常の取扱や輸送で遭遇する加速度環境に耐えるこ
とができず、ヒンジを薄くするにも限界がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
超電導加速度計は、慣性質量をヒンジを介して支持して
いるので、1軸方向にしか変位できない1軸構成であ
り、しかもヒンジを薄くするにも限界があるので、加速
度分解能の向上に制限を受けている。また、ヒンジを極
力薄く形成する必要上、取扱や輸送での耐衝撃性に弱く
取扱が困難である等の問題点がある。
【0007】そこで、本発明は従来の超電導加速度計の
上記問題点を解消しようとするものであり、ヒンジを介
さずに慣性質量を支持することによって、ヒンジ使用に
よる制限を受けることなくして、直角座標系における3
軸方向に自由な変位ができて3軸方向の加速度を精密に
計測可能とし、しかもヒンジ等による抵抗がなく超高分
解能で微小加速度を測定でき、且つ耐衝撃性があり取扱
の容易な3軸超電導加速度計を提供することを目的とす
る。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の超電導加速度計
は、超電導体からなる慣性質量、磁界発生手段、磁束計
測手段が磁気シールドされた慣性空間に配置されてなる
超電導加速度計において、前記慣性質量をマイスナー効
果により慣性空間に浮遊保持するという技術的手段を採
用することによって、上記問題点を解決したものであ
る。
【0009】前記慣性質量を超電導球体で構成し、且つ
前記磁界発生手段を前記超電導球体と同心球状に配置さ
れた複数個の永久磁石片に構成することによって、オー
トセンタリング機能が生じ、慣性質量が自動的に定位置
に安定して位置し、常に同一初期条件で計測が可能とな
る。また、前記永久磁石片の内面に緩衝材を設けること
が非作動時の慣性質量の保護のために望ましい。前記磁
束計測手段は、1軸に対して1個又は2個配置可能であ
るが、各軸に対して2個対向配置するのが望ましい。前
記慣性空間は、気体雰囲気又は真空雰囲気とすること
で、液体窒素等の冷却液の発泡によるノイズの発生のお
それがない。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を詳細に
説明する。図1は、本発明の実施形態に係る3軸超電導
加速度計の構成を示す模式図である。本実施形態では、
超電導体はすべて、希ガスである液体ヘリウムを使用す
ることなく冷却できる高温超電導体、例えば液体窒素沸
点温度で超電導現象を示すイットリウム系酸化物高温超
電導体(YBCO)を採用したが、特にそれに限定され
るものでなく、タリウム系酸化物高温超電導体等他の高
温超電導体を採用しても良い。また、超電導体は、上記
のように高温超電導体を採用するのが望ましいが、本発
明では必ずしも高温超電導体に限らず、低温超電導体の
採用も可能である。
【0011】図中1は、高温超電導体で形成された超電
導磁気シールドであり、その外周部には断熱層2が設け
られ、内部の慣性空間は気体又は真空状態に保持され、
内部温度が95K以下に保たれるように適宜の冷却手段
によって冷却されている。慣性質量3は、球形の超電導
体で形成され、図示のように凹面状の複数の永久磁石片
5の組合せで形成された球状空間内にマイスナー効果に
より浮遊保持されている。磁束発生手段である永久磁石
片は、本実施形態では図2に示すように、中空球体を上
下方向に3分割で輪切り状にし、中間部を更に縦方向に
4分割して形成された、上下の凹面鏡状永久磁石片51
が2個、中間部のバレル状磁石片52が4個の合計6個
の永久磁石片からなり、それぞれが磁気シールド内に適
宜の手段で変位しないように固定されされている。以下
の説明では、凹面鏡状永久磁石片5 1とバレル状磁石片
2を含めて、単に永久磁石片5とする。
【0012】前記各永久磁石片5には、後述するSQU
ID(超電導量子干渉素子)磁束計10に対向する位置
に磁束通過孔6が形成されている。本実施形態では前記
永久磁石片は、磁束密度が3000ガウスのネオジュウ
ムを採用した。永久磁石片5の内面には、非作動時に慣
性質量3が不用な動きで永久磁石片5に当たる衝撃で破
損することを防止するために、各永久磁石片の内面には
緩衝材7を設けてある。
【0013】また、磁気シールドで形成される慣性空間
4内には、前記永久磁石片の磁束通過孔6に対向させ
て、SQUID(超電導量子干渉素子)磁束計10が1
軸に対して1個又は2個(本実施形態では2個)づつ3
軸に配置してある。該SQUID磁束計10は、従来公
知のものを採用することができ、各磁束計が各永久磁石
片5に対して一定の同一距離となるように、適宜の係止
手段で筐体内に固定されている。
【0014】本実施形態の高温超電導加速度計は、以上
のように構成され、超電導体の慣性質量3は、超電導体
の基本的性質であるマイスナー効果により、その周囲に
球状に配置された永久磁石片5によって形成される磁場
が均一に反発されるので、通常は同心的に中央に浮遊し
ている状態にある。その状態で加速度が作用すると加速
度の作用方向に完全反磁性の性質をもつ慣性質量3が変
位し、永久磁石片5との間隔が変化して磁束密度が変化
する。その変化分をジョセフソン効果を利用した各SQ
UID磁束計10で計測することによって、3軸の加速
度量を得ることができる。
【0015】上記作動において、特に本発明では、慣性
質量3は、従来と違ってヒンジを使用しないでマイスナ
ー効果により浮上させているので、ヒンジによる入力軸
の反力(摩擦、弾性)がなく正確に加速度の変化に追従
して変位する。しかも、磁気シールド内に液体窒素が充
填されてないため、各構成要素が液体窒素中に浸漬され
ず、気体雰囲気中で動作させることができるので、液体
の沸騰による気泡の発生等に影響されることがない。ま
た、動特性に優れている。それらの好条件により、本発
明の3軸超電導加速度計では、3軸方向の10-12gま
での微小加速度も高分解能で計測することが可能であ
る。
【0016】従って、本発明で得られる3軸超電導加速
度計は、先進慣性航法の関連要素技術としての重力傾斜
計としても利用できる。重力傾斜計は、距離をおいて複
数個の加速度計を配置して、その加速度量の差を検出
し、重力分布を計測するものであり、その応用として慣
性航法の高精度化はもとより、重力異常、地殻変動、地
球の重力分布計測等がある。このような装置に内蔵され
る加速度計は、2点間の重力加速度の差異と同程度の極
めて微小な出力(10-10g〜10-13g程度)が精度良
く検出可能であることが要求される。従来の加速度計の
分解能は、10-7gが限界であったため、このような要
求を満たすことができなかったが、本発明の高温超電導
加速度計によればこのような高精度の要求を満たすこと
ができ、重力傾斜計はもとより地震予知、資源探査、重
力波検出にも有効である。
【0017】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の3軸超電導加速度計は次のような格別な効果を奏する
ものである。 1)慣性質量はヒンジを使用しないで、マイスナー効果
により浮上させているので、ヒンジが破損するおそれが
なく、対衝撃性が大幅に向上した高温超電導加速度計を
得ることができる。 2)ヒンジによる入力軸の反力(摩擦、弾性)がなく、
しかも3軸任意の方向に変位可能であるので、慣性質量
は正確に加速度の変化に追従して変位する。従って、高
分解能の超電導加速度を得ることができる。 3)筐体内部を冷却するだけで、慣性質量は自動的に定
位置に安定するオートセンタリング機能があるので、常
に安定した初期条件で計測することができる。 4)ヒンジを有する支持具を使用しないので、X、Y、
Z軸の一体型3軸構成が可能である。そのため装置の小
型化が可能となる。 5)磁界発生手段はマイスナー効果発生用永久磁石を兼
用するので、超電導コイルが不要である。そのため、高
温超電導体使用に伴うコイル整形の困難さ、臨界磁場の
低さの問題点を克服でき、液体窒素沸点温度で作動可能
で且つ高分解能で加速度を計測できると共に、構成要素
数が減少して故障率が低下する。 6)SQUID磁束計を1軸に2個対向配置する差動方
式の構成が容易に取れるので、信号/雑音(S/N)比
に優れている。 7)永久磁石片の内側に緩衝材を挿入しているので、非
作動時に慣性質量が不用な動きによる衝撃が少なく破損
を防止できる。 8)磁気シールド内に液体窒素が充填されていないの
で、各構成要素が液体窒素中に浸漬されず、気体雰囲気
中で動作させることができる。そのため、動特性に優れ
た超電導加速度計を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る3軸超電導加速度計の
模式図である。
【図2】図1の3軸超電導加速度計における永久磁石片
を示し、(a)は全体配置の平面図、(b)はバレル状
磁石片の断面図である。
【図3】従来の低温超電導加速度計の模式図である。
【図4】従来の低温超電導加速度計におけるヒンジの形
状特性説明図である。
【符号の説明】
1 超電導磁気シールド 2 断熱層 3 慣性質量 4 慣性空間 5 永久磁石片(磁界発生手段) 6 磁束通過孔 10 SQUID(超電導量子干渉素子)磁束計

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 超電導体からなる慣性質量、磁界発生手
    段、磁束計測手段が磁気シールドされた慣性空間に配置
    されてなる超電導加速度計において、前記慣性質量をマ
    イスナー効果により慣性空間に浮遊保持していることを
    特徴とする超電導加速度計。
  2. 【請求項2】 前記慣性質量が超電導球体であり、前記
    磁界発生手段が前記超電導球体と同心球状に配置された
    複数個の永久磁石片である請求項1記載の超電導加速度
    計。
  3. 【請求項3】 前記永久磁石片の内面に緩衝材が設けら
    れている請求項2記載の超電導加速度計。
  4. 【請求項4】 前記磁束計測手段が3軸に設けられ、且
    つ各一軸に対して2個対向配置されている請求項1〜3
    何れか記載の超電導加速度計。
  5. 【請求項5】 前記慣性空間は、気体雰囲気又は真空雰
    囲気となっている請求項1〜4何れか記載の超電導加速
    度計。
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20030096807A (ko) * 2002-06-17 2003-12-31 김승한 가속도계 어셈블리
FR2918757A1 (fr) * 2007-07-12 2009-01-16 Agence Spatiale Europeenne Procede et dispositifs pour la mesure de l'acceleration gravitationnelle et/ou inertielle d'un corps en mouvement dans un champ gravitationnel.
WO2015037874A1 (en) * 2013-09-13 2015-03-19 Korea Research Institute Of Standards And Science Thin film superconducting acceleration measuring apparatus
CN104779841A (zh) * 2015-04-09 2015-07-15 浙江东晶电子股份有限公司 一种超导飞轮用球形线圈支承结构及其超导转子的悬浮方法
JP2016048169A (ja) * 2014-08-27 2016-04-07 公益財団法人国際超電導産業技術研究センター 振動センサ及び振動センシングシステム

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