JP2009115525A

JP2009115525A - 重力勾配計測装置

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Publication number: JP2009115525A
Application number: JP2007286931A
Authority: JP
Inventors: Kazuaki Kuroda; 和明黒田; Jun Nishimura; 純西村
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2007-11-05
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2027-11-05
Also published as: JP5099424B2

Abstract

【課題】
重力勾配計における計測の繰り返し回数及び計測精度を向上させる。
【解決手段】
マイケルソン干渉計の２つの鏡に相当する物体を別々に自由落下させ、それらの間の変位の時間変化を干渉計の出力で計測する。第１反射鏡４Ａ及びビームスプリッタ５を備えた第１自由落下体１と、第２反射鏡４Ｂを備えた第２自由落下体２と、を自由落下させる。自由落下体１，２のリリース機構は、圧電素子１６０を用いている。重力勾配計測装置は、落下機構及び復帰機構を構成する第１支持機構１２，１３、第２支持機構１４，１５を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、重力勾配計測装置に係り、好ましくは、移動体に搭載して用いられる重力勾配計測装置に関するものである。

重力加速度の測定において、１マイクロGalの感度で重力加速度を計測できる装置としては、FG5絶対重力加速度計とLaCoste Romberg重力計が知られている。FG5絶対重力加速度計（特許文献１）は、自由落下による落体の絶対加速度をμGalの精度で計測する。La-Coste Romberg 重力計は、相対的な重力加速度を1μGalの精度で計測するものであり、主としてフィールドワーク用として用いられる。いずれも資源探査や地球物理学研究に応用されているが、短時間に広範囲の面積をサーベイするために飛行船等の移動体上でしようすると計測時における運動体の加速度を差し引かなければ正しい計測値にならない。しかし、運動体の加速度を１マイクロGalレベルで知ることはＧＰＳや地上とのレーザ測距技術で位置の計測精度を８桁に高めることを意味し現実には不可能である。

そこで、資源探査等で要求される重力加速度値は絶対値ではなく重力加速度の変化（勾配）であることに着目し、飛行船等の運動が計測に影響を及ぼさない形式で精密に重力加速度の勾配を計測することを考えた。重力勾配の測定原理はマイケルソン干渉計の２つの鏡に相当する物体を別々に自由落下させ、それらの間の変位の時間変化を干渉計の出力で計測することである。重力勾配計測は、地球重力が打ち消される測定原理を採用しており、局所的な質量分布による重力の変化のみを取り出すようになっている。この工夫のおかげで、計測器自体が加速度運動をしていてもその加速度は測定値に反映しないため、移動体の加速度の影響を受けない。

重力勾配計については、既に、幾つかの提案がなされている（特許文献２乃至特許文献６）。これらは、重力加速度の勾配を計測するという基本的なアイデアを開示するものであるが、実用を考えた場合には、計測の繰り返し回数の制限や精度の面で課題がある。実際、この種の重力勾配計はかなり前にそのアイデアが示されたにもかかわらず、長年に亘って実用化には至っていない。すなわち、重力勾配計における計測の繰り返し回数の向上や計測精度の向上は長年に亘って解決できなかった課題である。

十分な計測精度を備えた２台のFG5絶対重力加速度計を用い同時計測を行って重力勾配を計測することも想定し得るが、その場合には重力加速度の基準となる参照反射鏡の加速度の同一性が補償されず、系統誤差が発生するおそれがあると共に装置全体が大型化しコストも増大する。
米国特許第５３５１１２２号特開昭４７−１８５７８号米国特許第３６８８５８４号米国特許第３６９３４５１号米国特許第３７０４６２６号米国特許第３７２７４６２号

本発明は、上述の課題を解決することを目的とするものである。

かかる課題を解決するために本発明が採用した重力勾配計測装置は、
第１反射鏡を備えた第１自由落下体と、
第２反射鏡を備えた第２自由落下体と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第１自由落下体を吊持してなる第１吊持機構と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第２自由落下体を吊持してなる第２吊持機構と、
第１自由落下体を、上側位置にある第１吊持機構の可動部からリリースさせる第１リリース機構と、
第２自由落下体を、上側位置にある第２吊持機構の可動部からリリースさせる第２リリース機構と、
第１吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第１自由落下体のリリース時に第１自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第１自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第１自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第１支持機構と、
第２吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第２自由落下体のリリース時に第２自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第２自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第２自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第２支持機構と、
少なくとも、前記第１自由落下体、第２自由落下体を真空状態で収容するケーシングと、
光源と、
前記第１自由落下体及び前記第２自由落下体の自由落下時に、前記光源から出射された光ビームを前記第１反射鏡、前記第２反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡からの両反射光ビームの干渉を生成するようなマイケルソン干渉計を構成する光学系と、
前記光学系によって生成された干渉光を受光する光検出器と、
前記光検出器で受光された干渉光から重力勾配を取得する手段と、
からなる。

一つの好ましい態様では、前記第１自由落下体は、さらにビームスプリッタを備えており、前記第１自由落下体及び前記第２自由落下体は、光源から出射された光ビームを当該ビームスプリッタで前記第１反射鏡、前記第２反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡からの反射光ビームを当該ビームスプリッタが受光して両反射光ビームの干渉を生成するように配設されている。

一つの好ましい態様では、前記第１リリース機構及び第２リリース機構は、それぞれの可動部に設けられた圧電素子を備えており、電圧印加に応じて、各圧電素子を伸長させて各自由落下体を上動させた後に瞬時に伸縮させることで、各自由落下体を各吊持機構の可動部からリリースするように構成されている。

一つの態様では、前記圧電素子は、各可動部が各自由落下体を支承する支承部に設けてある。より具体的な態様例では、各可動部は、四周枠体であり、前記支承部は、当該四周枠体の水平状の下フレームに形成されている。

一つの態様では、前記圧電素子は、各可動部の部位において、各可動部を上方に伸長させるように配設してあり、当該圧電素子を伸長させることで、各可動部から吊持されている各自由落下体の高さを上動させるように構成されている。より具体的な態様例では、各可動部は、四周枠体であり、前記圧電素子は、当該四周枠体の左右の側フレームに設けてある。

一つの態様では、各自由落下体は、点接触で各可動部から吊持されている。より具体的な態様例では、可動部の支承部の上端に小球を設け、当該小球を介して自由落下体を支持する。あるいは、各自由落下体側に小球を設け、可動部の支承部の上端に小球の受部を形成してもよい。

一つの態様では、各支持機構は、
上側位置にある各可動部を下側に向かって付勢する手段と、
上側位置にある各可動部に対して係脱自在であり、可動部を上側位置で保持する係止手段と、
各可動部を下側位置から上側位置に上動させる手段と、
を備えている。
さらに具体的な態様例では、前記上動手段は、各可動部に連結された引き上げ棒と、引き上げ棒を上動させる駆動手段と、を備えている。駆動手段の駆動源としては典型的にはモータが例示される、モータの回転力を伝動手段を介して引き上げ棒の上下動に伝達することで、引き上げ棒を上下動できるように構成される。伝動手段としては、カムを用いたものやギアを用いたものが例示される。

一つの態様では、前記第１自由落下体、前記第２自由落下体は、垂直方向に間隔を存して配置されており、垂直重力勾配を計測するように構成されている。

一つの態様では、前記第１自由落下体、前記第２自由落下体は、水平方向に間隔を存して配置されており、水平重力勾配を計測するように構成されている。

一つの態様では、
前記第１自由落下体の落下体本体には、第１反射鏡を抜き差し自在に収容する２つの収容部が形成されており、
第１反射鏡が第１収容部に位置する時は、第１の方向からの光ビームを反射し、
第１反射鏡が第２収容部に位置する時は、第１の方向とは直交する第２の方向からの光ビームを反射する。
こうすることで、垂直重力勾配測定・水平重力勾配測定兼用の自由落下体を形成することができる。

一つの態様では、
前記第２自由落下体の落下体本体には、互いに直交する方向に延出する第１吊持部と第２吊持部とが設けあり、
前記第１吊持部及び第２吊持部は、それぞれ可動部に対して脱着可能となっており、
第２自由落下体が第１吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第２反射鏡は、第１の方向からの光ビームを反射し、
第２自由落下体が第２吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第２反射鏡は、第１の方向とは直交する第２の方向からの光ビームを反射する。
第１吊持部及び第２吊持部を可動部に対して脱着可能とする構成は、これら吊持部と可動部のいずれか一方あるいは両方を分解自在あるいは部分を回動自在とすることで可能である。
こうすることで、垂直重力勾配測定・水平重力勾配測定兼用の自由落下体を形成することができる。

本発明によれば、計測の繰り返し回数を上げることができる重力勾配計測装置を提供することができる。具体的には、落下機構及び復帰機構を構成する第１支持機構、第２支持機構を採用することで、計測の繰り返し回数を上げることができる。

本発明は、シンプルな構成でありながら、計測精度を向上させることができる。具体的には、ビームスプリッタを第１自由落下体に搭載することで、そうでない場合に必要な光学鏡の数を減らすことができ（結果として、それらの機械的振動の影響を除くことができる）、また、測定時間内に起こるビームスプリッタおよび必要な鏡の機械的振動の影響を無くすことができる。さらに、自由落下体のリリース機構として圧電素子を用いることで、自由落下体の傾き回転速度が小さくなるように高速で切り離すことができる。すなわち、高精度測定に必須の要件である落下体の角速度を最小限に抑えることができる。

重力勾配計測装置は、重力だけのもとで自由に運動する２つの自由落下体の間の相対加速度を計測するものである。以下に、本発明に係る垂直重力勾配計測装置及び水平重力勾配計測装置について、図面を参照しつつそれぞれ説明する。各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付してある。また、同一の参照番号を付した部材に関する記載は、垂直重力勾配計測装置と水平重力勾配計測装置との間で必要に応じて互いに援用することができるものとする。

垂直重力勾配計測装置について、図１乃至図５に基づいて説明する。垂直重力勾配計測装置は、第１自由落下体１と、第２自由落下体２と、を備えている。垂直重力勾配計測装置の本体ケーシング３の内部空間は、仕切壁３０を介して超高真空部３Ａと、超高真空部３Ａの下方の大気圧部３Ｂとに区分けされている。本体ケーシング３の壁面には超高真空部３Ａを形成するための真空排気装置３１が連結されている。第１自由落下体１及び第２自由落下体２は、本体ケーシング３の超高真空部３Ａ内に垂直方向に間隔を存して配置されている。図示の態様例では、第１自由落下体１が下側に、第２自由落下体２が上側に配置されている。

第１自由落下体１は、本体１０と、本体１０の上端に形成された吊持部１１と、からなる。本体１０には、第１反射鏡４Ａ、ビームスプリッタ５、反射鏡６Ａが備わっている。吊持部１１は、本体１０の上端から上方に立ち上がり状に延出する左右の側フレーム１１ａ，１１ｂと、左右の側フレーム１１ａ，１１ｂの上端間を一体的に連結する上側の水平フレーム１１ｃとからなる。本体１０には、第１反射鏡４Ａを抜き差し自在に挿入する第１収容部１００（図６参照）、第２収容部１０１が形成されており、図１に示す態様では、第１反射鏡４Ａは第１収容部１００に挿入されている。第１自由落下体１は、第１自由落下体１の重心と第１反射鏡４Ａの光学中心とが一致するように設計されている。第１反射鏡４Ａがコーナーキューブプリズムの場合には、光学中心は、入射面を底面とする３角錐と考える場合の高さをｈとすると、頂点から下に向かってｈ（１−１／ｎ）（ただしｎはプリズム材の屈折率）の位置にある。屈折率が１．５のガラスの場合、高さが１１ミリなら頂点から下に約３．７ミリの位置に光学中心がある。第１自由落下体１の場合には、第１反射鏡（コーナーキューブプリズム）４Ａがビームスプリッタ５の反射でできる鏡像の位置にあると考えて光学中心と重心位置を一致させる。このため、第１自由落下体１ではその上側に密度の高い物質を集中させて全体の重心がその位置に来るように設計する。例えば、吊持部１１の材料の密度や形状を大きくすることで重心を調整する。第１反射鏡４Ａが、コーナーレフレクタの場合には、光学中心は、その頂点にある。

第２自由落下体２は、本体２０と、本体２０の上端に突成された吊持部２１と、からなる。本体２０には、第２反射鏡４Ｂが備わっている。第１自由落下体１と同様に、第２自由落下体２は、第２自由落下体２の重心と第２反射鏡４Ｂの光学中心とが一致するように設計されている。第２自由落下体２では第２反射鏡（コーナーキューブプリズム）４Ｂの中に光学中心がある。吊持部２１は、本体２０の上端から上方に立ち上がり状に延出する左右の側フレームと、左右の側フレームの上端間を一体的に連結する上側の水平フレームとからなる。図１では一方の側フレーム２１ａのみ図示されている。本体２０は、さらに、吊持部２２、突出部２３が突成されているが、これらの部材については後述する。

垂直重力勾配装置は、さらに、レーザ光源７と、マイケルソン干渉計を構成する光学系と、前記光学系によって生成された干渉縞を受光する光検出器８と、前記光検出器で受光された干渉縞から重力勾配を取得する手段９と、を備えている。光検出器８で受光された干渉は電気信号に変換され、その後の処理のために、増幅器９ａで増幅され、電力勾配取得手段９で電気信号を処理することで重力勾配を取得する。レーザ光源７及び検出器８は、本体ケーシング３の大気圧部３Ｂに設けてある。レーザ光源７から出射された光ビームは仕切壁３０に形成された光学窓３０ａを通して超高真空部３Ａに導入される。図１では、レーザ光源７及び光検出器８は自由落下体１，２の下方に配置しているが、光学系の取り方によってはレーザ光源７及び光検出器８を自由落下体１、２の上部に設置することもできることは当業者に理解される。

マイケルソン干渉計を構成する光学系は、第１自由落下体１及び第２自由落下体２の自由落下時に、レーザ光源７から出射された光ビームを第１反射鏡４Ａ、第２反射鏡４Ｂにそれぞれ仕向け、第１反射鏡４Ａ及び第２反射鏡４Ｂからの反射光ビームを受光して両反射光ビームの干渉を生成するように構成されている。

図２は、図１のマイケルソン干渉計を構成する光学系のみを取り出して示す概略図である。レーザ光源７から出射された光は反射鏡６Ｂで上方に仕向けられ、下壁に形成された光学窓３０ａを通して、第１自由落下体１に設けられたビームスプリッタ５（ハーフミラー）で第１光ビームと第２光ビームの２つの光ビームに分割される。水平方向に左に向かって進む第１光ビームは、第１自由落下体１に設けられた反射鏡（コーナーキューブプリズムまたはコーナーリフレクタ）４Ａで反射され、上方に進む第２光ビームは、第２自由落下体２の反射鏡（コーナーキューブプリズムまたはコーナーリフレクタ）４Ｂで反射される。反射鏡４Ａで反射された第１光ビーム及び反射鏡４Ｂで反射された第２光ビームは、第１自由落下体１に設けられたビームスプリッタ５に仕向けられ、前記反射された第１光ビーム及び前記反射された第２光ビームの水平方向に右に向かって進む光ビーム同士が干渉する。干渉光は反射鏡６Ａで下方へ仕向けられ、仕切壁３０に形成された光学窓３０ｂを通って下方の空間（大気圧部３Ｂ）に仕向けられた干渉光は、さらに反射鏡６Ｃで水平方向に仕向けられて、光検出器８で受光される。反射鏡６Ａ，６Ｂ，６Ｃは、レーザ光源７、光検出器８の配置に応じて適宜設置されるものであり、その向きや配置は適宜変更され得ることは当業者に容易に理解される。

２つの自由落下体１，２の自由落下時に、それぞれの第１反射鏡、第２反射鏡とビームスプリッタ（ハーフミラー）５の初速度に応じて、それらの間の距離がほぼ一定の速さで変化して行き、一定から外れる変化が相対加速度となる。相対加速度の値は、光検出器で捉えられる干渉フリンジの位相データを時間の２次関数でフィットすることで取得される。干渉計によって取得された干渉縞からの相対加速度の算出方法は当業者においてよく知られているので、詳細な記載は省略する。また、干渉からの重力勾配の取得は、例えば、特許文献２に記載されている。

図１に示すように、ケーシング３内には、第１自由落下体１、第２自由落下体２をそれぞれ吊持する第１吊持機構１２、第２吊持機構１３が垂直方向に間隔を存して配置されている。ケーシング３内には、さらに、第１吊持機構１２、第２吊持機構１３をそれぞれ支持する第１支持機構１４、第２支持機構１５が垂直方向に間隔を存して配置されている。

図４、図５に示すように、第１吊持機構１２は、固定部１２０と固定部１２０に対して上下動可能な可動部１２１とを備え、第１自由落下体１は、可動部１２１に吊持されている。尚、図４、図５では、第１自由落下体１は省略されているので、適宜図１、図３を参照されたい。可動部１２１は上側位置（図４）と下側位置（図５）との間でスライド自在に固定部１２０に設けてある。固定部１２０は、左右の側フレーム１２０ａ，１２０ｂと上フレーム１２０ｃとから門型に形成され、下側が開放された枠体である。固定部１２０は、上フレーム１２０ｃを介して第１支持機構１４に支持されている。可動部１２１は、左右の側フレーム１２１ａ，１２１ｂ、上フレーム１２１ｃ、下フレーム１２１ｄとから縦長の長方形状に形成された四周枠体である。図示の例では、高さ方向中間部位に横フレーム１２１ｅを備えている。可動部１２１の左右の側フレーム１２１ａ，１２１ｂの外側には垂直方向に延出するガイド溝が形成されており、固定部１２０の左右の側フレーム１２０ａ，１２０ｂの内側に対して垂直方向にスライド自在となっている。

可動部１２１の上フレーム１２１ｃと固定部１２０の上フレーム１２０ｃとの間には押しバネ１４０が設けてあり、可動部１２１は押しバネ１４０によって固定部１２０に対して下側に移動する方向に付勢されている。

可動部１２１の左右の側フレーム１２１ａ，１２１ｂの上端には爪部１２１ｆ，１２１ｇが突成されている。一方、固定部１２０の側フレーム１２０ａ，１２０ｂには、側フレーム１２０ａ，１２０ｂに沿って延出するバネ製のダンパー１２０ｄ，１２０ｅの下端が固定されている。可動部１２１が押しバネ１４０のバネ力とその自重で下方に移動した場合には、ダンパー１２０ｄ，１２０ｅの上端に爪部１２１ｆ，１２１ｇがそれぞれ当接して、可動部１２１のそれ以上の下動が規制されている（図５）。

図３に示すように、第１自由落下体１の吊持部１１の上フレーム１１ｃは、第１吊持機構１２の可動部１２１の下フレーム１２１ｄに支承部１６を介して支承されており、これをもって、第１自由落下体１が可動部１２１から吊持される。支承部１６は、可動部１２１の下フレーム１２１ｄの長さの中央部位に立ち上がり状に設けてあり、圧電素子１６０が備わっている。支承部１６の上端には、第１自由落下体１の吊持部１１の上フレーム１１ｃを点接触で支持する小球１６１が設けてある。小球１６１としては、サファイア球、ルビー球、金属球、セラミックス球、プラスチック球、ガラス球が例示される。一般にボール軸受に用いられているようなボールを小球１６１として用いることができる。支承部１６の上端の小球１６１は圧電素子１６０によって支承されており、小球１６１の高さ位置は、圧電素子１６０の上下方向の伸縮に伴って、高さ方向に変更可能となっている。尚、支承部１６の上端に小球１６１を固定することに代えて、可動部１２１の下フレーム１２１ｄの下面に小球を固定し、支承部１６の上端に受部を形成してもよい。

支承部１６に備わっている圧電素子１６０は、第１自由落下体１を第１吊持機構１２の可動部１２１からリリースさせる第１リリース機構を構成している。図示しない電圧供給手段によって、圧電素子１６０に所定の電圧を印加することで、圧電素子１６０を上方に伸長させて小球１６１を介して第１自由落下体１を上動させ、その状態で、圧電素子１６０の印加電圧を急激に下げて０Ｖとすることで瞬時に圧電素子１６０を縮小させると、小球１６１と第１自由落下体１との間に例えば１０マイクロメートル程度の隙間が形成される。こうして、第１自由落下体１のリリースが行われる。

第２吊持機構１３の構成は第１吊持機構１２の構成と同様であって、第１吊持機構１２の説明は、第２吊持機構１３に援用することができる。第２自由落下体を第２吊持機構の可動部からリリースさせる第２リリース機構の構成も同様であり、上記記載を援用することができる。

第１支持機構１４は、第１吊持機構１２の可動部１２１を上下動自在に支持する機構であって、かつ、第１自由落下体１のリリース時に第１自由落下体１の自由落下よりも大きい加速度で可動部１２１を下動させ、第１自由落下体１の自由落下後には、下側位置にある可動部１２１を当該可動部１２１に吊持された第１自由落下体１と共に上側位置まで上動させるように構成されている。

第１支持機構１４について図４、図５に基づいて説明する。第１支持機構１４は、上側位置にある可動部１２１を下側に向かって付勢する手段と、上側位置にある可動部１２１に対して係脱自在であり、可動部１２１を上側位置で保持する係止手段と、可動部１２１を下側位置から上側位置に上動させる手段と、を備えている、

可動部１２１を下側に向かって付勢する手段は、既述の、可動部１２１の上フレーム１２１ｃと固定部１２０の上フレーム１２０ｃとの間に設けた押しバネ１４０から構成されている。可動部１２１が上側位置にある場合には、圧縮された押しバネ１４０のバネ力によって、可動部１２１に対して、可動部１２１を下方に移動させる方向の力が作用する。

上側位置にある可動部１２１に係脱する手段は、押しバネ１４０を上側に圧縮することでのバネ力に抗して可動部１２１が上側に位置した状態で、可動部１２１に係脱可能なように設けられた回動係止レバー１４１からなる。回動係止レバー１４１の先端には係止爪１４１ａが設けてあり、可動部１２１の一方（右側）の側フレーム１２１ａの上端に突成された爪部１２１ｇが被係止部を形成しており、爪部１２１ｇに係止爪１４１ａが下方から係止することで、可動部１２１の下方への移動が規制されている（図４）。すなわち、回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａが可動部１２１の爪部１２１ｇに係止することで、可動部１２１は上側位置に保持される。

回動係止レバー１４１は、図示しないバネ手段によって水平姿勢が維持されるように付勢されており、電磁アクチュエータ１４２によって回動係止レバー１４１の基端側を強制的に上方に回動させて先端側の係止爪１４１ａを下方に回動させながら横方向に移動させることで、係止爪１４１ａが被係止部１２１ｇから外れて係止状態が解除され、可動部１２１が押しバネ１４０のバネ力によって下方に移動するように構成されている。

可動部１２１を下側位置から上側位置に上動させる手段は、その下端側が可動部１２１の上フレーム１２１ｃに連結されている引き上げ棒１４３と、引き上げ棒１４３を上方に引き上げる駆動機構と、からなる。

引き上げ棒１４３の軸部の下端側は可動部１２１の上フレーム１２１ｃに形成された挿通孔（図示せず）を挿通していると共に、軸部の下端部は前記挿通孔よりも大きな外形寸法に形成した抜け止め部１４３ａに形成されている。引き上げ棒１４３は、固定部１２０の上フレーム１２０ｃも挿通しており、その上端部１４３ｂはフレキシブルワイヤ１４７の下端に設けた連結部１４３ｃに連結されている。

上記駆動機構は、モータ１４４と、ケース１４５内で水平方向に延出するロッド（図示せず）と、前記ロッドの一端側に設けられ、モータ１４４の軸部の回転を前記ロッドの水平方向の移動に伝達する図示しないカム機構と、ロッドの他端に設けられたベローズ式真空導入端子１４６と、真空導入端子１４６と引き上げ棒１４３の上端とを連結するフレキシブルワイヤ１４７と、フレキシブルワイヤ１４７を水平方向と垂直方向との間で変向案内するプーリ１４８と、復帰スプリング１４９と、を備えている。復帰スプリング１４９の下端は、フレキシブルワイヤ１４７と引き上げ棒１４３の上端部１４３ｂとの連結部１４３ｃに当接しており、復帰スプリング１４９の上端は、要素１４９Ａに当接されている。

第１支持機構１４は、本体ケーシング３の一方の側壁に片持ち状に固定された支持パネル１４Ａを備え、パネル１４Ａの下方の水平プレート１４０Ａの下面に固定部１２０の上フレーム１２０ｃが連結されており、回動レバー１４１を支持する電磁アクチュエータ１４２もパネル１４０Ａに支持されている。さらに、プーリ１４８、復帰スプリング１４９の上端側を固定する要素１４９Ａも、パネル１４０Ａに支持されている。

モータ１４４により、真空導入端子１４６が図中の左側に向かって運動することで、真空導入端子１４６に連結されたフレキシブルワイヤ１４７が引っ張られ、その向きがプーリ１４８により上向きの運動に変えられて引き上げ棒１４３が引き上げられる。モータ１４４の回転力は、ケース１４５に内装された図示しないカムとリンクによって直線運動に変換されて、引き上げ棒１４３の上動及び下動が行われる。カムとリンクについては、後述する水平重力勾配計測装置において説明する。下側位置（図５）にある可動部１２１が、上側位置（図４）まで引き上げられた後には、引き上げ棒１４３を最下位置まで下動させるが、ここでは復帰バネ１４９の張力によりワイヤ１４７は常に張力状態におかれる。

第１支持機構の動作、すなわち、第１自由落下体１の自由落下及び復帰動作について説明する。いま、図４に示すように、可動部１２１が上側位置にあり、可動部１２１に第１自由落下体１が吊持されているとする。この状態で、モータ１４４の回転に伴うカム・リンク機構によって、引き上げ棒１４３が下方に移動する。圧電素子１６０に所定の電圧を印加することで、圧電素子１６０が上方に伸長し、支承部１６を介して第１自由落下体１が上方に持ち上げられる。尚、引き上げ棒１４３が下方に移動する前に、圧電素子１６０を伸長させてもよい。第１自由落下体１をリリースする際は、一旦ゆっくりと増加する電圧をかけて圧電素子１６１を最大に伸長させた状態にしておいて（電圧を保ったままにしておいて）、リリースの瞬間に電圧を急激に下げて０Ｖにする。第１自由落下体１のリリース時に、電磁アクチュエータ１４２により回動係止レバー１４１の基端側を強制的に上方に回動して先端側の係止爪１４１ａを下方に回動させながら横方向に移動させて、回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａと可動部１２１の爪部１２１ｇとの係止状態を解除して、可動部１２１を、押しバネ１４０のバネ力で第１自由落下体１より速い加速度で下方にスライドさせる。

ここでリリースとは、可動部１２１の支承部１６が縮んで、支承部１６の上端の小球１６１と第１自由落下体１の吊持部１１の上フレーム１１ｃ下面との間に１０マイクロメーター程度の隙間ができ、この隙間を第１自由落下体１が自由落下する短い時間の間に、回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａと可動部１２１の爪部１２１ｇとの係止状態を解除するように、電磁アクチュエータ１２の駆動時期と圧電素子１６の駆動時期が調整される。可動部１２１の慣性質量、押しバネ１４０の強さは落下加速度を考慮して適宜決定される。また、図示の態様では、第１自由落下体１を支持する支承部１６に圧電素子１６０が設けられているが、圧電素子１６０の駆動距離が短いことによる問題がある場合のために、可動部１２１の側フレーム１２１ａ，１２１ｂのそれぞれ一部に圧電素子を組み込むことにより、より長い駆動距離をもつ圧電素子を利用できる構造とすることができる。

下方に移動した可動部１２１は、側フレーム１２１ａ，１２１ｂの上端に形成した爪部１２１ｆ，１２１ｇが、ダンパー１２０ｄ，１２０ｅの上端に当接することで停止する。その間、第１自由落下体１は自由落下し、下側位置にある可動部１２１の支承部１６の上端の小球１６１に当接して停止する。この状態では、第１自由落下体１は、下側位置にある可動部１２１から吊持された状態である。

駆動手段により引き上げ棒１４３を引き上げることで、可動部１２１及び第１自由落下体１を上方に移動させる。可動部１２１は、真空導入端子により吊り棒５を上方へ引き上げることにより回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａの位置まで引き上げられて、回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａが爪部１２１ｇに係止することで、その位置に保持される。この時、電磁アクチュエータへの通電を解除しておくことで、回動係止レバー１４１が図示しないバネによって水平姿勢に復帰しており、可動部１２１の上動にしたがって、爪部１２１ｇの傾斜面が爪部１４１ａの傾斜部に接触して案内されながら自動的に係合状態となる。可動部１２１が上側位置で固定されたら、引き上げ棒１４３は下方に移動して、可動部１２１が下側へ移動した場合に、可動部１２１と引き上げ棒１４３とが衝突することを避ける。

第２支持機構１５は、第２吊持機構１３の可動部を上下動自在に支持する機構であって、かつ、第２自由落下体２のリリース時に第２自由落下体２の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第２自由落下体２の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第２自由落下体２と共に上側位置まで上動させるように構成されている。第２支持機構１５の具体的な構成は、上述の第１支持機構の説明を援用することができる。第１自由落下体１、第２自由落下体２が同時に自由落下するように第１支持機構、第２支持機構を制御することで、マイケルソン干渉計を用いて干渉縞を取得し、そこから、垂直重力勾配を取得する。

垂直重力勾配計測装置では、下側の第１自由落下体１のビームスプリッタ５から光ビームが上方に向かう光学系が採用されるために、第１吊持機構１２、第１支持機構１４により第２自由落下体２の反射鏡４Ｂに向かう光ビームの光路が邪魔されないようにする必要がある。このことは、各機構及び構成要素の寸法や形状、配置態様の設計によって解決できることは当業者に理解される。例えば、光ビームの往復光路に相当する部分を確保するように第１吊持機構１２、第１支持機構１４の構成要素にビーム穴を形成することが可能である。図１では、第２自由落下体２の第２支持機構１５も、第１支持機構１４と同様に、本体ケーシング３の側壁から持ち出しているが、第２自由落下体２の第２支持機構を本体ケーシング３の上壁から垂下させてもよい（図７乃至図９参照）。

次に、水平重力勾配計測装置について、図６乃至図９に基づいて説明する。図６乃至図９に示す水平重力勾配計測装置において、図１乃至図５に示す垂直重力勾配計測装置と同一の参照番号が付されている部材については、垂直重力勾配計測装置についての記載を援用することができる。

図６に示すように、本体ケース３の超高真空部３Ａには、第１自由落下体１及び第２自由落下体２が水平方向に間隔を存して配置されている。第１自由落下体１は、第１吊持機構１２から吊持されており、第１吊持機構１２は、第１支持機構１４に支持されている。第２自由落下体２は、第１吊持機構１３から吊持されており、第１吊持機構１３は、第１支持機構１５に支持されている。垂直重力勾配計測装置では、第１支持機構１４、第２支持機構１５は本体ケース３の側壁に取り付けてあるのに対して、水平重力勾配計測装置では、第１支持機構１４、第２支持機構１５は本体ケース３の上壁に取り付けてある。大気圧部３Ｂに配置されたレーザ光源７から出射された光ビームは、反射鏡６Ｂで上向きに仕向けられ、光学窓３０ｃを通して超高真空部３Ａに導入され、第１自由落下体１のビームスプリッタ５で上向きの光ビームと左向きの光ビームに分割される。左向き水平に進む光ビームは第２自由落下体２の反射鏡（例えば、コーナーキューブプリズム）４Ｂにより反射される。上向きの光ビームは第１自由落下体１の反射鏡（例えば、コーナーキューブプリズム）４Ａにより反射され、それぞれの反射光ビームは再びビームスプリッタ５で合わさり干渉を起こす。この干渉光は反射鏡６Ａにより下向きに仕向けられ、光学窓３０ｃを通して大気圧部３Ｂ導入され、反射鏡６Ｃで水平方向に仕向けられた後に光検出器７に入り、電気信号に変換され、増幅されて適切なAD変換の後、記録される。

第１自由落下体１、第２自由落下体２の可動部からリリース機構についても、垂直重力勾配計測装置のリリース機構と同様であって、図３及び図３に関連する記載を援用することができる。

第１自由落下体１の自由落下及び復帰動作について図７乃至図９に基づいて説明する。いま、図７に示すように、可動部１２１が上側位置にあり、可動部１２１に第１自由落下体１が吊持されているとする。この状態から、制御部１４４ａからモータ１４４に駆動信号を送信することで、モータ１４４の回転軸に連動してカム１５０が回転し、カム１５０と係り合うリンク１５１が下方に移動することで、真空導入端子１４６を介して、引き上げ棒１４３が下方に移動する（図８）。

圧電素子１６０に所定の電圧を印加することで、圧電素子１６０が上方に伸長し、支承部１６を介して第１自由落下体１が上方に持ち上げられる。圧電素子１６０を最大に伸長させた状態を保持しておき、リリースの瞬間に電圧を急激に下げて０Ｖにする。第１自由落下体１のリリース時に、電磁アクチュエータ１４２により回動係止レバー１４１の基端側を強制的に上方に回動させて先端側の係止爪１４１ａを下方に回動させながら横方向に移動させて、回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａと可動部１２１の爪部１２１ｇとの係止状態を解除して、可動部１２１を、押しバネ１４０のバネ力で第１自由落下体１より速い加速度で下方にスライドさせる。

下方に移動した可動部１２１は、側フレーム１２１ａ，１２１ｂの上端に形成した爪部１２１ｆ，１２１ｇが、ダンパー１２０ｄ，１２０ｅの上端に当接することで停止する。その間、第１自由落下体１は自由落下し、下側位置にある可動部１２１の支承部１６の上端の小球１６１に当接して停止する（図９）。この状態では、第１自由落下体１は、下側位置にある可動部１２１から吊持された状態である。

制御部１４４ａからモータ１４４に駆動信号を送信することで、モータ１４４の回転軸に連動してカム１５０が回転し、カム１５０と係り合うリンク１５１が上方に移動することで、真空導入端子１４６を介して、引き上げ棒１４３を上方に引き上げて、可動部１２１及び第１自由落下体１を上方に移動させる。可動部１２１は、引き上げ棒１４３を上動させることにより回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａの位置まで引き上げられて、回動係止レバー１４１の係止爪１４１ａが爪部１２１ｇに係止することで、その位置に保持される。

第２支持機構１５は、第２吊持機構１３の可動部を上下動自在に支持する機構であって、かつ、第２自由落下体２のリリース時に第２自由落下体２の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第２自由落下体２の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第２自由落下体２と共に上側位置まで上動させるように構成されている。第２支持機構１５の具体的な構成は、上述の第１支持機構の説明を援用することができる。第１自由落下体１、第２自由落下体２が同時に自由落下するように第１支持機構、第２支持機構を制御することで、マイケルソン干渉計を用いて干渉縞を取得し、そこから、水平重力勾配を取得する。

重力勾配計測装置の構成要素の一部を垂直重力勾配計測装置と水平重力勾配計測装置で共通化することができる。第１自由落下体１の本体１０には、第１収容部１００、第２収容部１０１が設けてあり、第１反射鏡４Ａは、各収容部１００，１０１に抜き差し自在に挿入できるように構成されている。第１反射鏡４Ａが第１収容部１００内に位置する時（垂直重力勾配計測）には、水平方向からの光ビームを反射するように配置され、第１反射鏡４Ａが第２収容部１０１内に位置する時（水平重力勾配計測）には、垂直方向からの光ビームを反射するように配置されている。

第２自由落下体２の本体２０には、互いに直交して延出する２つの吊持部２１、２２が設けてあり、吊持部２１、２２は、可動部に対して脱着可能なように分解自在となっている。垂直重力勾配計測装置では、第２自由落下体２が吊持部２１から吊持され、水平重力勾配計測装置では、第２自由落下体２が吊持部２２から吊持される。突出部２３は、吊持部２２と同形・同重量の要素であり、第２自由落下体２が吊持部２１から吊持される時のバランスを取るようになっている。突出部２３を可動部に対して脱着可能な吊持部から構成してもよい。重力勾配計測装置の各構成要素を本体ケーシング３に対して着脱自在に構成しておけば、垂直重力勾配計測用の本体ケーシング、水平重力勾配計測用の本体ケーシングを用意するのみで、その他の構成要素を共通化させることができる。あるいは、超高真空部３Ａの高さ寸法の大きい本体ケーシングを用いてれば、その他の構成要素の取り付け位置や配置態様を変更するのみで、
垂直・水平両用の重力勾配が計測できる装置を構成することができる。

特許文献２乃至６に開示された重力勾配計測装置は、いずれも垂直重力勾配の計測に係るものである。そこで、本発明の一つの態様である水平重力勾配計測装置の応用について説明する。先ず、資源探査への応用が挙げられる。地球が球対称である場合には、水平方向の加速度は０であるが、海中や地中に局所的に分布する質量は、垂直方向の重力加速度を変化させるだけでなく水平方向の重力加速度も発生する。その大きさは、斜め方向の場合には垂直方向の大きさに匹敵する大きさとなる。垂直方向の加速度計測データと併せることでより精度の高い資源探査が可能となる。また、地球物理的計測においても、上の資源探査と同様に、垂直方向の計測データと併せることよりで質の高い情報を得ることが可能になる。さらに、大型移動物体等の重さ推定に応用することもできる。高速道路における大型貨物自動車の重量を測定するためには停止して秤に載せる必要があるが、水平方向の重力勾配測定により全重量の推定が可能となる。同様に貨物船に積み降ろされる１０トンのオーダーの重量物の重量を秤に載せることなく推定できるデータを提供できる。ただし、形状と被測定物までの距離が分かっている必要がある。同様に、大型の建築物の重量推定、オイルタンクの内容物の重さなどの推定にも応用できる。この場合も形状と被測定物までの距離が分かっている必要があるが、秤に載せることが不可能である場合には有用である。

本発明の重力勾配計測装置について、垂直重力勾配計測装置並びに水平重力勾配計測装置に基づいて説明した。資源探査や地球物理学的調査のために運搬体に搭載して広範囲を短時間に計測できる重力計はせいぜい５０マイクロGalの精度しか出せなかったが、加速度計測を重力勾配の計測に置き換える本手法により、計測精度を１マイクロGal以上に上げることが可能となる。本発明は、飛行機や船など加速度を有する移動体に搭載して、空中あるいは船上から資源探査、活断層探査などを行う目的でなされる重力測定に適している。

本発明は、重力勾配計として利用することができる。重力勾配計の適用例としては、大洋海底に眠る資源探査、陸地に眠る資源探査、危険な隠れた断層の発見、火山のマグマの運動モニターが例示される。より具体的に説明する。本発明によると、鉱物資源やエネルギー資源の埋蔵場所をこれまでより効率的に発見できる可能性が生まれる。これは航空機などで上空からこれまでにない精密さで埋蔵物の推定が可能となるからである。また、知られていない活断層位置の候補を短時間にサーベイできるため、危険にさらされる原子力発電所の設置を容易に回避できる期待が生まれる。また、噴火寸前の火山のマグマの移動に関して精密な情報を提供できるため、防災という観点からも有効である。

本発明に係る垂直重力勾配計測装置の全体図である。本発明に係る垂直重力勾配計測装置の光学系を示す図である。第１自由落下体の吊持構造を説明する部分図である。本発明に係る垂直重力勾配計測装置の第１吊持機構、第１支持機構を示す図であり、可動部が上側位置にある状態を示している。図４において、第１自由落下体は省略されている。本発明に係る垂直重力勾配計測装置の第１吊持機構、第１支持機構を示す図であり、可動部が下側位置にある状態を示している。図５において、第１自由落下体は省略されている。本発明に係る水平重力勾配計測装置の全体図である。本発明に係る水平重力勾配計測装置の第１吊持機構、第１支持機構を示す図であり、可動部が上側位置にある状態を示している。図７において、第１自由落下体は省略されている。図７の状態から、引き上げ棒が下動した状態を示す図である。本発明に係る水平重力勾配計測装置の第１吊持機構、第１支持機構を示す図であり、可動部が下側位置にある状態を示している。図９において、第１自由落下体は省略されている。

符号の説明

１第１自由落下体
１０本体
１１吊持部
２第２自由落下体
２０本体
２１吊持部
３本体ケーシング
３Ａ超高真空部
３Ｂ大気圧部
４Ａ第１反射鏡
４Ｂ第２反射鏡
５ビームスプリッタ
７レーザ光源
８光検出器
９重力勾配取得手段
１２第１吊持機構
１２０固定部
１２１可動部
１３第２吊持機構
１４第１支持機構
１５第２支持機構

Claims

第１反射鏡を備えた第１自由落下体と、
第２反射鏡を備えた第２自由落下体と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第１自由落下体を吊持してなる第１吊持機構と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第２自由落下体を吊持してなる第２吊持機構と、
第１自由落下体を、上側位置にある第１吊持機構の可動部からリリースさせる第１リリース機構と、
第２自由落下体を、上側位置にある第２吊持機構の可動部からリリースさせる第２リリース機構と、
第１吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第１自由落下体のリリース時に第１自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第１自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第１自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第１支持機構と、
第２吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第２自由落下体のリリース時に第２自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第２自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第２自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第２支持機構と、
少なくとも、前記第１自由落下体、第２自由落下体を真空状態で収容するケーシングと、
光源と、
前記第１自由落下体及び前記第２自由落下体の自由落下時に、前記光源から出射された光ビームを前記第１反射鏡、前記第２反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡からの両反射光ビームの干渉を生成するようなマイケルソン干渉計を構成する光学系と、
前記光学系によって生成された干渉光を受光する光検出器と、
前記光検出器で受光された干渉光から重力勾配を取得する手段と、
からなる、
重力勾配計測装置。
前記第１自由落下体は、さらにビームスプリッタを備えており、前記第１自由落下体及び前記第２自由落下体は、光源から出射された光ビームを当該ビームスプリッタで前記第１反射鏡、前記第２反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第１反射鏡及び前記第２反射鏡からの反射光ビームを当該ビームスプリッタが受光して両反射光ビームの干渉を生成するように配設されている、請求項１に記載の重力勾配計測装置。
前記第１リリース機構及び第２リリース機構は、それぞれの可動部に設けられた圧電素子を備えており、電圧印加に応じて、各圧電素子を伸長させて各自由落下体を上動させた後に瞬時に伸縮させることで、各自由落下体を各吊持機構の可動部からリリースするように構成されている、請求項１，２いずれかに記載の重力勾配計測装置。
前記圧電素子は、各可動部が各自由落下体を支承する支承部に設けてある、請求項３に記載の重力勾配計測装置。
各可動部は、四周枠体であり、前記支承部は、当該四周枠体の水平状の下フレームに形成されている、請求項４に記載の重力勾配計測装置。
前記圧電素子は、各可動部の部位において、各可動部を上方に伸長させるように配設してあり、当該圧電素子を伸長させることで、各可動部から吊持されている各自由落下体の高さを上動させるように構成されている、請求項３乃至５いずれかに記載の重力勾配計装置。
各可動部は、四周枠体であり、前記圧電素子は、当該四周枠体の左右の側フレームに設けてある、請求項６に記載の重力勾配計測装置。
各自由落下体は、点接触で各可動部から吊持されている、請求項１乃至７いずれかに記載の重力勾配計測装置。
各支持機構は、
上側位置にある各可動部を下側に向かって付勢する手段と、
上側位置にある各可動部に対して係脱自在であり、可動部を上側位置で保持する係止手段と、
各可動部を下側位置から上側位置に上動させる手段と、
を備えている、請求項１乃至８いずれかに記載の重力勾配計測装置。
前記上動手段は、各可動部に連結された引き上げ棒と、引き上げ棒を上動させる駆動手段と、を備えている、請求項９に記載の重力勾配計測装置。
前記第１自由落下体、前記第２自由落下体は、垂直方向に間隔を存して配置されており、垂直重力勾配を計測するように構成されている、請求項１乃至１０いずれかに記載の重力勾配計測装置。
前記第１自由落下体、前記第２自由落下体は、水平方向に間隔を存して配置されており、水平重力勾配を計測するように構成されている、請求項１乃至１０いずれかに記載の重力勾配計測装置。
前記第１自由落下体の落下体本体には、第１反射鏡を抜き差し自在に収容する２つの収容部が形成されており、
第１反射鏡が第１収容部に位置する時は、第１の方向からの光ビームを反射し、
第１反射鏡が第２収容部に位置する時は、第１の方向とは直交する第２の方向からの光ビームを反射する、
請求項１１，１２いずれかに記載の重力勾配計測装置。
前記第２自由落下体の落下体本体には、互いに直交する方向に延出する第１吊持部と第２吊持部とが設けあり、
前記第１吊持部及び第２吊持部は、それぞれ可動部に対して脱着可能となっており、
第２自由落下体が第１吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第２反射鏡は、第１の方向からの光ビームを反射し、
第２自由落下体が第２吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第２反射鏡は、第１の方向とは直交する第２の方向からの光ビームを反射する、
請求項１１乃至１３いずれかに記載の重力勾配計測装置。