JP2009510461A - 重力勾配計 - Google Patents

Abstract

第１マウント・セクション１０および第２マウント・セクション２０を有するマウンティング５上に支持されたバー４１および４２の形態のセンサを有する重力勾配計が開示される。第１フレクシャ・ウェブ３３が、第１軸線の周りで第１マウント・セクションと第２マウント・セクションを旋回可能に連結させる。第２マウントは、第１部品２５、第２部品２６および第３部品２７を有している。部品２５および２６は、第２フレクシャ・ウェブ３７によって接続され、部品２６および２７は、第３フレクシャ・ウェブ３５によって接続される。バー４１および４２はハウジング４５および４７内に配置され、ハウジング４５および４７とのモノリシック構造をそれぞれ形成している。ハウジング４５および４７は、第２マウント・セクション２０の反対側に接続される。バー４１および４２は、フレクシャ・ウェブ５９によってそれぞれのハウジングに接続される。

Description

本発明は重力勾配計に関し、特に、排他的ではないが、航空機用途のための重力勾配計に関する。本発明は、重力勾配テンソルの対角成分および非対角成分を測定するための特定のアプリケーションを有する。

地球の重力場の１次導関数を測定する重力計が、地質探査において広く使用されている。地球の重力場の１次導関数を測定することができる重力計の開発はある程度進歩してきたが、場の空間変動と、移動する乗り物の加速度の時間変動とを区別することが困難であるため、これらの測定は通常、地上の静止機器を用いてだけ、有用な探査に十分な精度で行われ得る。

重力勾配計（重力計とは異なる）は、重力場の２次導関数を測定するのに使用され、重力場間の差を、通常重力の最低１０^１２分の１まで測定することを要求されるセンサを使用する。

通常、そのようなデバイスは、鉄鉱石を含む鉱石鉱床などの鉱床および炭化水素を含む地質構造を探索しようとするのに使用されてきた。

本出願人の関連会社によって部分的に所有される国際公開第９０／０７１３１号パンフレットが重力勾配計を開示している。勾配計は、検出機器が内部に搭載された３つの同心リングからなるジンバル担持装置を含む。検出機器は一般に、遮蔽（ｓｈｉｅｌｄ）されたハウジング内にそれぞれ配置される２つの離間したバーであって、ウェブ担持体上にそれぞれ搭載される２つの離間したバーを有する。前記出願で開示された機器は、多数の部品を含み且つ比較的重いという点で比較的複雑であり、これは特に航空機用途で欠点である。

本発明は、重力勾配テンソルの成分を測定する重力勾配計を提供し、この重力勾配計は、
横切るように配列された（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅｌｙ ａｒｒａｎｇｅｄ）一対の質量（ｍａｓｓ）を有する重力勾配センサ、
重力勾配計の極低温動作の前に、上記質量が室温で釣り合っているかどうかを検知するための較正センサ、および
重力勾配計の極低温動作の前の上記質量の釣り合いを調整する調整機構を有している。

好ましくは、較正センサは、
誘導子およびコンデンサを有する共振回路であって、コンデンサが、上記質量の一方の表面によって形成された第１板および上記質量の一方の上記表面から離れて配置された第２板を有している共振回路、および
共振回路からの信号を受け取るため、および上記質量の釣り合いを示す出力信号を生成するための発振器を有している。

好ましくは、各質量は、各質量の各端部に関連する共振回路を有し、それによって、上記質量が回転したときに上記質量は旋回して、一方の共振回路の第１板と第２板との間のギャップが増加し、他の共振回路の第１板と第２板との間のギャップが減少する。

好ましくは、発振器は増幅器である。

増幅器は単一の電界効果トランジスタによって形成されてもよい。

好ましくは、増幅器の出力は、周波数カウンタによってデジタル化される。

好ましくは、共振回路は、複数のコンデンサによって発振器に結合される。

好ましくは、調整機構は、上記質量を釣り合わせるために上記質量内で移動可能な複数のねじ部材を有する。

好ましくは、上記質量は、ハウジング内に設けられ、且つフレクシャ・ウェブによってハウジングに接続される。ハウジングは周辺壁を有し、ねじ部材は上記質量内のボア内に配置され、上記周辺壁が、ボアと位置合わせされた穴を有し、それによってツールが穴を通してボア内に通されることができ、それによって上記質量を釣り合わせるように上記質量内で上記ねじ部材の位置を調整することができる。

本発明の好ましい実施例が、添付図面を参照して以下で例として説明される。

図１は、本発明の好ましい実施例による重力勾配計の略図である。

図１に示す勾配計は、外部プラットフォーム２において支持される二重壁デュア１を有する。外部プラットフォーム２は、デュアを、したがってデュアの内容物を、３つの直交軸線の周りで調整することを可能にする。外部プラットフォーム２は一般に知られており、適当なモータなどによるその調整もまた知られている。したがって詳細な説明は行わない。

真空キャニスタ３がデュア内に設けられ、デュアは、勾配計が極低温で動作できるように、液体ヘリウムＨｅなどの液体ガスを供給される。デュア１は、電気リード線（図示せず）を外部コンポーネント（図示せず）に接続するコネクタ５ａを含むエンドプレート４によって閉じられる。

キャニスタ３は、電気リード線（図示せず）をコネクタ５ａに接続するコネクタ５ｂを含むエンドプレート９によって閉じられる。勾配計は、１２面リング６２および半球ドーム６３から形成されたメイン・ケーシング６１を有する（図１２参照）。内部マウンティング５がリング６２に接続される。リング６２はサポート６５を担持し、このサポート６５にフィード・スルー・フランジ９が連結される。発泡体１１ｂを挟み込んだバッフル１１ａから形成されたネック・プラグ１１がキャニスタ３の上に設けられる。バッフル１１ａは、キャニスタ３まで延びる中空ロッド９３であって、キャニスタ３を真空排気するのにも使用される中空ロッド９３上に支持される。

図２を参照すると、勾配計の回転可能マウンティング５（図７）の第１マウント１０が示され、これはベース１２および直立周辺壁１４を有する。周辺壁１４は、複数のカットアウト部１６を有する。ベース１２は、ハブ１８を支持する。

図３および図４は、周辺壁２２および上部壁２４を有する第２マウント２０を示す。周辺壁２２は、マウントをケーシング６１に接続する４つのラグ１３を有する。上部壁２４および周辺壁２２は、開口２８を画定する。周辺壁２２は、第１部品２５、第２部品２６、および第３部品２７を有する。第２マウント２０はモノリシック一体構造であり、第１部品２５は、以降で述べるフレクシャ・ウェブの形成を除いて、周辺壁を貫通する円周カット部１９を作成することによって形成される。第３部品２７は、同様に以降で述べるフレクシャ・ウェブを除いて、周辺壁２２を貫通する第２円周カット部２９を作成することによって形成される。第２マウント２０は開口２８内にハブ１８を配置することによって、また図７に示すようにそれぞれのカットアウト部１６を通してラグ１３を配置することによって、第１マウント１０上に搭載される。

第１マウント１０は、第２マウント２０に結合される。第１フレクシャ・ウェブ３１が第１マウント１０内に形成され、それによってマウント１０のメイン・マウント部は、マウント１０の副次的マウント部に対してウェブ３１の周りで旋回することができる。これは、図１３〜２１に示す第２の実施例を参照してより詳細に述べられるであろう。

ラグ１３は、キャニスタ３内でマウンティング５を接続し、キャニスタ３は次いで、勾配計の極低温動作のためにデュア１内に配置される。

デュアは次いで、３つの直交するｘ軸線、ｙ軸線、ｚ軸線の周りでの勾配計の精度の粗い回転制御のために第１外部プラットフォーム内に搭載される。マウンティング５は、特に勾配計が空中輸送中であるときに測定を行う間に勾配計を安定させるため、ｘ軸線、ｙ軸線、およびｚ軸線の周りでの非常に精密な回転調整のためのセンサ４０（以降でより詳細に述べられることになり、また、好ましくは、質量４重極の形態である）を搭載する。

第１フレクシャ・ウェブ３１は、第１マウント１０が、図７に示すｚ軸線の周りで第２マウント２０に対して運動することを可能にする。

図５および図６は、図３に示すカット部１９および２９に沿うラインＩＶおよびＶにそれぞれ沿った図である。周囲壁２２は、ワイヤ・カッタなどのような任意の適した切取機器によって切り取られてもよい。図５は、カット部２７によって形成された底部表面１９ａを示す。図３および図５から明らかであるように、カット部２７は、２つの逆ｖ形状ピーク３４を有する。ピーク３４の頂点は切り取られておらず、したがって第１部品２５を第２部品２６に結合させる第２フレクシャ・ウェブ３３を形成する。したがって第２部品２６は、図７においてｘ軸線の周りで第１部品２５に対して旋回可能に回転することができる。第２カット部２９は図６に示されており、やはりカット部２９によって形成された底部表面２９ａが見える。第２カット部２９は、やはり２つのｖ形状ピーク３５を形成し、ピーク３５の頂点は切り取られておらず、したがって第２部品２６を第３部品２７に結合させる第３フレクシャ・ウェブ３７を形成する。したがって第３部品２７は、図７においてｙ軸線の周りで旋回可能に回転することができる。

図８は、マウンティング上に搭載されたセンサ４０を示す。センサ４０は、第１バー４１と、バー４１に直交し且つバー４１と同じ形状である第２バー４２（図８には示さず）の形態である第１質量および第２質量から形成された直交四極子応答機ＯＱＲである。

バー４１は第１ハウジング４５内に形成され、バー４２は第２ハウジング４７内に形成される。バー４１およびハウジング４５は、バーが直交するように一方が他方に対して９０°回転していることを除いて、バー４２およびハウジング４７と同じである。したがってハウジング４５だけが説明される。

ハウジング４５は、端壁５１および周辺側壁５２ａを有する。端壁５１は、ねじなど（図示せず）によって、第１マウント１０の壁１４のリム７５（図２および図７）に接続される。バー４１は、バー４１を壁５１に結合する第４フレクシャ・ウェブ５９を除いて、壁５１内のカット部５７によって形成される。フレクシャ・ウェブは、図９のバー４１の平面図において拡大して示される。したがってバー４１は、重力場の変化に応答して、ハウジング４５に対して旋回することができる。バー４２は上述した方法と同じ方法で搭載され、同様に第５フレクシャ・ウェブ５９の周りで、重力場の変化に応答してハウジング４７に対して旋回することができる。ハウジング４７は、第１マウント１０のベース１２（図２）に接続される。

バー４１およびハウジング４５は、フレクシャ・ウェブ５９と共に、モノリシック一体構造である。

変換器７１（図２〜６では示さず）は、バーの運動を測定するため、および運動の量、すなわちバーによって検知された重力場の差の測定値を指示する出力信号を生成するために設けられる。

図１０は、マウンティング５を、３つの直交軸線（ｘ，ｙ，ｚ）の周りに回転させることによって、勾配計を安定化させるためのアクチュエータ制御を示すブロック略図である。コンピュータ、マイクロプロセッサなどとすることのできるコントローラ５０が、アクチュエータ５２、５３、５４、および５５に信号を出力する。アクチュエータ５２は、ｘ軸線の周りにマウンティング５を回転させることができ、アクチュエータ５４は、ｙ軸線の周りにマウンティング５を回転させることができ、アクチュエータ５４は、ｚ軸線の周りにマウンティング５を回転させることができる。しかし、好ましい実施例では、４つのアクチュエータ５２、５３、５４、および５５のうちの２つのアクチュエータは、２つのアクチュエータから提供される２つの直線運動の組合せによって各軸線周りの回転が生じるように、各軸線の周りでマウンティングを回転させるのに使用される。各アクチュエータによって提供される直線運動は、図３１および図３２を参照して述べられるであろう。マウンティング５の位置は監視され、それによって適切なフィードバックがコントローラ５０に提供され、また適切な制御信号がアクチュエータに提供されて、航空機内の、または航空機の背後に牽引されたサポートが空中を移動する際に安定するように、必要に応じてサポート１０を回転させる。

好ましい実施例はまた、バー４１および４２に形状が似た角加速度計を含むが、その形状は、ゼロ四極子モーメントについて調整される。直線加速度計は、単一のマイクロ・ピボットが曲げヒンジの役目を果たす、単純な振り子デバイスである。

図１１は、好ましい実施例で使用されるフィードバック制御である。

図１２は、極低温動作のための、デュア１内に搭載する準備ができた勾配計の切取図であり、デュア１は、次いで、外部プラットフォーム内に搭載される。図２〜８は、バー４１および４２が上部および底部となる勾配計を示すが、機器は、実際には、図１２に示すようにバー４１および４２が端になるように側面に（９０°）向けられる。

図１２は、ケーシング６１内に配列され、リング６２および透明半球端６３によって形成されたマウンティング５を示す。リング２２は、ケーシング６１内に配置された変換器７１（図８を参照されたい）およびＳＱｕＩＤ（超伝導量子干渉装置（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ））電子機器からの内部配線をコネクタ５ｂ（図１）に接続するコネクタ６９を有する。

変換器７１は、バー４１および４２の偏移角度を測定し、制御回路要素（図示せず）は、偏移角度間の差を測定するように構成される。

誤差の補正は、加速度計および温度センサからのデジタル化された信号に基づいて、数値的に実施することができる。

変換器７１は、ＳＱｕＩＤベース変換器であり、誤差補正は、おそらくＳＱｕＩＤベース変換器の広いダイナミック・レンジおよび直線性によって行われる。

図１３〜２１は、第２の実施例を示し、同様の部品は、先に述べたコンポーネントと同様のコンポーネントを指示している。

この実施例では、第１マウント１０はカットアウト部８０を有し、カットアウト部８０は、カットアウト部８０内でマウント１０に接続されるラグであって、同様に図１９〜２１に示す第２マウント２０に接続されるラグ（図示せず）を受け入れるスロットを効果的に形成する。この実施例では、第２フレクシャ・ウェブ３３および第３フレクシャ・ウェブ３７を形成する第２マウント・セクション２０とともに切り出されるよりも、より小さく且つより容易にラグを作ることができるように、ラグは別個のコンポーネントである。

図１３では、ハブ１８の部品１８ａを画定するために、カット部８７が作成される。カット部８７はその後、８８において半径方向内側に延び、次いで、カット部１０１によって示すように、中心セクション１８ｃの周りに延びる。カット部１０１は、その後、切取ライン１８ｄおよび１８ｅに沿って中心セクション１８ｃ内に入って、コア部１８ｆが画定される。コア部１８ｆは、切取ライン１８ｅと１８ｄとの間の非カット部品であるフレクシャ・ウェブ３１によって中心セクション１８ｃに接続される。部品１０ａはしたがって、マウント１０のメイン・マウント部を形成し、このメイン・マウント部は、部分１８ａがフレクシャ・ウェブ３１によって部分１０ａに結合している場所を除いて、マウント１０の副次的マウント部１０ａから分離されている。部品１８ａは、フレクシャ・ウェブ３１の周りでの部分１０ａに対する部品１８ａの回転を可能にするｚ方向の機軸を効果的に形成する。

図１４に示すように、切取ライン８８は、図１４に示す上端から下端へ外向きにテーパが付き、コア部１８ｃは、図１７に最もよく示されるように、相応する形状で外向きにテーパが付く。

図１３〜１８から明らかであるように、第１マウント１０は、先の実施例と同様に、丸いのではなく、形状が八角形である。

図１９〜２１は、第２マウント２０を示す。図１６は、第１マウント１０内に搭載された第２マウント２０を示す。図１９および図２０に最もよく示されるように、第２マウント２０は、ラグ（図示せず）を受け入れるカットアウト部８０に位置が合うカットアウト部１２０を有する。ラグは、ラグを貫通してボルト穴１２１内に通るボルトによって、第２マウント２０にボルト止めされることができる。ラグ（図示せず）は、マウント２０が第１マウント１０に固定される前に、マウント２０に搭載される。

図１９および図２０の実施例では、ピーク３４および逆ピーク３５は、先の実施例と同様のＶ形状ではなく平担である。

この実施例では、上部壁２４は、中心穴１３７および２つの取り付け穴１３８ａを備える。３つの小さな穴１３９ａは、分解が要求される場合に、部品１８ａからのハウジング４５の離脱を容易にするために設けられる。第２マウント２０が第１マウント１０内に配置されると、中央セクション１８ｃの上部部品は、図１６に最もよく示されるように、穴１３７から突出する。マウント２０はその後、固定具によってマウント１０に接続されることができ、固定具は、穴１３８を通過し、部品１８ａ内の穴１３９ｂ（図１３を参照されたい）に係合する。

したがって、第１ハウジング４５およびその関連するバー４１がハウジング１０のリム７５に接続され、第２ハウジング４７がベース１２に接続されたとき、ハウジング４５および４７、ならびにその関連するバー４１および４２は、それゆえ、フレクシャ・ウェブ３１、フレクシャ・ウェブ３３、およびフレクシャ・ウェブ３７によって画定された３つの直交軸線の周りに運動することができる。

第２マウント２０を構成する３つの部品２５、２６、および２７の分解図である図２１に最もよく示されるように、穴１３７、穴１３８、および穴１３９によって形成される開口が、マウント２０を貫通して延びている。図２１に示すマウント２０は、モノリシック構造であり、フレクシャ・ウェブ３３および３５のロケーションをはっきり示すために分解図で示されているだけであることが理解されるべきである。明らかに、図２１に示すフレクシャ・ウェブ３３は、部品２６と結合し、図２１に示すフレクシャ・ウェブ３５は、部品２７と結合する。穴１３７、１３８、および１３９は、第２マウント２０が第１マウント１０内に配置されたときに、第１マウント１０の機軸または第１部分１８ａが、そこを通して延びることができる通路を画定する。

したがって、第２マウント２０が部品１８ａに固定されたとき、第２マウント２０は、フレクシャ・ウェブ３１によって画定されるｚ軸線の周りで第１マウント１０の第１部分１０ａに関して旋回することができ、一方、部品１８ａによって形成される第２部分は、静止したままである。ｘ軸線およびｙ軸線の周りの運動は、先に述べたように、フレクシャ・ウェブ３３および３５の周りの第２マウント２０の旋回運動によって達成される。

図２２は、ハウジング４５および４７に固定された線加速度計および環状加速度計９０を示す。

重力勾配計は、非ゼロ四極子モーメントを有すると仮定すると、任意の質量分布で剛性物体にトルクを加える。ｘ−ｙ平面内で、且つｚ軸線の周りで旋回する平面物体の場合、四極子は、ｘ方向の慣性モーメントとｙ方向の慣性モーメントとの差である。したがって四角形または円はゼロ四極子モーメントを有し、一方、長方形は非ゼロ値を有する。

生成されるトルクは、勾配計によって測定される信号を構成するものである。

２つの動的な外乱が存在し、それらもまたトルクを生成する可能性があり、したがって誤差源である。

第１は線加速度である。

これは、質力中心が正確に回転中心でない場合にトルクを生成する。すなわち、バーは「釣り合っていない」。バー４１および４２は、（質量中心の位置を調整するウォームねじを使用して）できる限りうまく釣り合うが、これは完全であるわけでないため、残留誤差が存在する。この誤差は、線加速度を測定し、加速度を使用して信号の誤差部分を数値的に減算除去することによって補正されることができる。

第２は角度運動である。

角度運動に対して２つの観点が存在し、それぞれ、異なる誤差を生成する。

第１は、観点角加速度である。

角加速度は、その慣性モーメントによって質量分布にトルクを生成する（四極子モーメントがゼロであっても）。これは大きな誤差であり、その誤差に対処するために２つの好ましい技法が使用される。

第１は、内部回転安定化を使用することである。これは、図１０のブロック図に示されている。ここで、Ｈｏ（複数可）は、マウンティング５の周りで旋回するセンサ・アセンブリを表す（図９のとおり）。ブロックＡ（複数可）はアクチュエータを表し、アクチュエータは、加えられた外乱を相殺することによって安定化をもたらすフィードバック・トルクを提供する。Ｔ（複数可）は、加えられた外乱の作用を測定するセンサ（または変換器）を表す。これは角加速度計である。回転制御において角加速度計を使用することは珍しい（通常はジャイロおよび／または高減衰傾斜計が使用される）が、本発明者等の目的については、誤差が角加速度外乱に比例するため、角加速度計がより適する。

第２は、同相モード除去ＣＭＲＲを使用することであり、それは、２つの直交バーが必要とされるからである。２つのバーの場合、角加速度計によって生成される誤差トルクは同じ方向であるが、重力勾配計によって生成される信号トルクは反対方向である。

それゆえ、２つのバー間の偏移の差を測定することによって勾配が検知されるが、角加速度は検知されない。

それゆえ、２つの別個の角加速度計９０（識別を容易にするために、図２２で９０’と表示される）が設けられる。ＯＱＲバー４１および４２の対から２つの独立した出力信号が得られる。第１は、勾配信号を与える偏移の差に比例し、第２は、角加速度に比例する偏移の和に比例し、ｚ軸線回転制御用のセンサを提供する。

ｘ軸線およびｙ軸線は、別個の角加速度計を必要とする。これらの軸線の周りの回転安定化は、２つのバーの旋回軸線が正確に平行でないために、また以下で説明するように角度外乱によって生成される第２の形態の誤差に対処するために必要とされる。

第２の観点は角速度である。

角速度は、誤差源でもある遠心力を生成する。アクチュエータによって提供される内部回転安定化は、誤差が１エトヴェシュ（Ｅｏｔｖｏｓ）より小さくなるように角度運動を減少させる。

図２３は、メイン本体部６１およびコネクタ６９を示し、半球端は除去されている。

図２４は、本発明のさらなる実施例によるハウジング４５の平面図である。図２４から明らかであるように、ハウジング４５は、図８の実施例の場合にそうであるように八角形ではなく円形である。

ハウジング４５は、バー４１の質量中心に配置されるフレクシャ・ウェブ５９によって、述べられた方法と同じ方法でバー４１を支持する。バー４１は、矢羽根形状であるが、矢羽根形状部は、先の実施例の形状と少し異なり、フレクシャ・ウェブ５９に対向する、より丸い縁部４１ｅおよびフレクシャ・ウェブ５９に隣接するトラフ（凹）形状の壁セクション４１ｆ、４１ｇ、および４１ｈを有する。バー４１の端は、ウォームねじなどのようなプラグの形態であってよいねじ山の付いた部材３０１を受け入れるねじ山の付いたボア３００を有する。ボア３００は、ハウジング４５の周辺壁５２ａ内の穴３０２に位置が合う。穴３０２は、ねじ回しまたは他のツールによってプラグ３０１に対するアクセスを可能にし、それによりプラグ３０１はねじを回してボア３００から出し入れされて、重心がフレクシャ・ウェブ５９になるように質量４１を釣り合わせるために、ボア内のプラグの位置が調整される。

図２４に示すように、ボア３００は、図２４の水平および垂直に対して４５°の角度である。そのため図２４に示す２つのボア３０２は、互いに直角である。

図２４は、バー４１の運動を監視し、ＳＱＵＩＤデバイスに伝達される信号を生成する変換器７１を受け入れる開口３０５も示す。通常、変換器はコイルの形態であり、バーの端における重力差のために、バー４１がわずかに移動するにつれて静電容量の変化が生じ、静電容量の変化はコイル内の電流を変化させ、それによりバー４１の運動を指示する信号が提供される。

図２５は、開口３０５を示す図２４のハウジングの一部のより詳細な図である。図２５を見てわかるように、開口３０５は、溝４０２を形成する肩部４０１を有する。ばね４０３が表面４０６に隣接して配置される。

図２６は変換器７１を示す。変換器７１は、円形ボス４０７を有する全体が四角形のマコール（ｍａｃｏｒ）板４１０によって形成される。コイル４０８がボス４０７の周りに巻かれ、樹脂などによって所定場所に保持されてもよい。コイル４０８は、多層または単層コイルであってよい。

図２７は、開口３０５内の板４１０のロケーションを示し、開口３０５内において板は溝４０２内に位置し、肩部４０１に当たるようにばね４０３によって付勢されて、板４１０が所定場所に保持され、コイル４０８は、バー４１の縁面４１ａに隣接する。

したがってコイル４０８およびバー４１はＬＣ回路を形成し、それにより、バー４１が移動すると、コイル４０８を通過する電流が変化する。

図２４から明らかになるように、４つの変換器７１がバー４１の縁に隣接して配列される。他のハウジング４７もまた、バー４２に隣接して配列された４つの変換器を有する。したがって８つの変換器７１が勾配計内に設けられる。

図２８は、バー４１および４２の図であり、「使用中」の構成でバーを示す。開口３０５内に配置される変換器は、図２９および図３０の回路図に等しい参照数字７１ａ〜７１ｅで示される。

図２９および図３０を参照すると、バー４１に関連する変換器７１ａおよび７１ｂ、ならびにバー４２に関連する変換器７１ｇおよび７１ｅが、重力勾配測定値を提供するのに使用される。

入力端子３６１は、図２９に示す超伝導回路に入力電流を提供する。抵抗器３６２の形態であってよい加熱スイッチが設けられ、回路内で超伝導電流を最初に設定するのに使用される。抵抗器３６２が配置される回路の部分を加熱するように、加熱スイッチ３６２は、最初に非常に短期間の間オンして、回路のその部分が超伝導状態にならないようにする。電流は、その後、超伝導回路に加えられることができ、抵抗器３６２によって形成される加熱スイッチがオフすると、回路の関連部分は再び超伝導状態になり、それにより電流は、以降で述べるように重力勾配および角加速度の影響の下でバー４１および４２の運動によって引き起こされる何らかの変化を受けて、回路を通して流れることができる。

変換器７１ａ、７１ｂ、７１ｇ、および７１ｅは、ＳＱＵＩＤ３６７に接続された回路ライン３６５および回路ライン３６６に並列に接続される。

したがって、バー４１および４２がそれぞれのフレクシャ・ウェブの周りに回転すると、例えばバー４１および４２は、それぞれ、変換器７１ａに近づき、したがって変換器７１ｂからさらに離れ、また変換器７１ｈに近づき、変換器７１ｇからさらに離れる。これはそれゆえ、変換器を通って流れる電流を変化させ、これらの電流は、効果的に減算されて、重力勾配の尺度を提供する信号を提供する。

図３１に示すように、変換器７１ｃおよび７１ｄは別個の回路を形成し、バー４１ならびに変換器７１ａおよび７１ｂの周波数チューニングのために使用される。同様に、変換器７１ｅおよび７１ｆは、バー４２ならびに変換器７１ｇおよび７１ｈの周波数チューニングのために使用される。角加速度を排除するためにバーは同一であるべきであるため、バーの周波数チューニングは重要である。それゆえ、周波数チューニング回路によって、バーの電子チューニングが共振周波数を一致させ、バーがそれぞれ、実際に同じ様式で機能するようにモード除去を達成することが可能になる。

変換器７１ａ、７１ｂ、７１ｇ、および７１ｈはまた、マウンティング５の角度運動を測定する角加速度計を形成するのに使用され、それにより、その角度運動を補償するためのフィードバック信号を提供することができる。

このために、ライン３６６が変圧器３７０に接続される。変換器７１ａ、７１ｂ、７１ｇ、および７１ｈからの信号の極性は反転され、それにより、勾配が測定されたときにそうであるように、ライン３７１および３７２上の変換器３７０の出力は、減算ではなく、信号の加算になり、信号の加算は、バーの角度運動の尺度を与える。出力３７１および３７２は、角加速度の尺度を提供するＳＱＵＩＤデバイス３７５に接続され、角加速度の尺度は、図１０の回路で使用されて、マウンティング５を安定化する補償信号を提供することができる。

したがって本発明の好ましい実施例によれば、角加速度計９０’は、例えばｘ軸線およびｙ軸線の周りの角加速度の測定値を提供し、バー４１および４２ならびに変換器７１ａ、７１ｂ、７１ｇ、および７１ｈによって形成された角加速度計は、例えばｚ軸線の周りの角加速度計の尺度を提供する。

図３１および図３２は、マウンティング５の角度運動に応答してマウンティングを調整するための制御信号を受け取るアクチュエータを示す。

図３１および図３２に示すアクチュエータは、参照数字５２、５３、５４、および５５によって図１０で概略的に示される。アクチュエータはすべて同じであり、図３１および図３２は、図１０に示すｘ軸線の周りで調整を行うアクチュエータ５２を参照して述べられる。

図３１に示すアクチュエータ５２は中空円盤ハウジング３１０を有し、中空円盤ハウジング３１０は、円盤ハウジング３１０をマウンティング５に接続するマウンティング・ブラケット３１１を有する。中空円盤ハウジング３１０はそれゆえ、円盤３１３の形態であるコイル支持板がその中に配置される内部チャンバ３１２を画定する。円盤３１３は、幅広のハブ・セクション３１４、ならびにコイルの巻き線Ｗ１およびＷ２がハブ３１４の周りで巻かれている２つの環状表面３１５および３１６を有する。

円盤３１３はまた、半径方向ボア３１９、およびボア３１９に連通する、円盤３１３の周縁にある穴３２０を備える。穴３２１は、ハブ３１４に設けられる中空ロッド３２８であって、ボア３１９に連通し、且つ管３３０内に位置する中空ロッド３２８まで延びる。ロッド３３０は円盤３１３に固定されており、さらに、メイン本体部６１（図３１には示さず）に固定された支持フレーム３４０に固定されている。管３３０は、円盤ハウジング３１０が、円盤３１３、ロッド３２８、およびフレーム３４０に対して移動するために、円盤ハウジング３１０に接続される。

面３１５上に設けられる巻き線Ｗ１はリード線３３１を有し、リード線３３１は、図３１に示すように穴３２０を通過し、次いでボア３１９を通って穴３２１まで行き、次に、管３２８を通って右に進む。巻き線Ｗ１の他端からのリード線３３２は、穴３２１を通過し、中空ロッド３２８を通って同様に右に進み、それによって電流はリード線３３１および３３２を通して巻き線Ｗ１に供給されることができる。

面３１６上に設けられる第２巻き線Ｗ２はリード線３３３を有し、リード線３３３は、図３１において、円盤３１３内の半径方向穴３３４およびボア３４５を通過し、次いで穴３３７を通って管３２８まで行き、そして、左に進む。巻き線Ｗ２の他端は、図３１において、リード線３３８を有しており、リード線３３８は、穴３３７を通過して管３２８に入り、左に進む。こうして電流は、リード線３３３および３３８を介して巻き線Ｗ２を通って流れることができる。

巻き線Ｗ１およびＷ２に電圧が印加されるか、巻き線を通過する電流が変化すると、円盤ハウジング３１０は、円盤３１３およびフレーム３４０に対して移動し、また円盤ハウジング３１０がブラケット３１１によってマウンティング５に接続されているため、アクチュエータ５２の場合、マウンティング５が調整される。円盤ハウジング３１０の運動は、概ね管３３０およびロッド３２８の軸線方向の長手方向運動（すなわち直線運動）である。こうした運動を容易にするために、ロッド３３０の端とフレーム３４０の端との間、および円盤３１３の周りに隙間が設けられる。ブラケット３１１は、フレクシャ・ウェブ（フレクシャ・ウェブ３７など）に対してずれており、それによってハウジング３１０の運動はマウンティング５の第１部品２５にトルクを加えて、フレクシャ・ウェブ３７の周りにおける部品２５の回転を引き起こす。

本発明の好ましい実施例では、種々の軸線およびフレクシャ・ウェブの周りで実際の調整を行うために４つのアクチュエータが設けられ、アクチュエータは、角加速度計から受け取った信号に応答して組み合わされて動作し、勾配計が使用中であるときに、マウンティング５の安定性を維持する。

勾配計の極低温動作の場合、先に参照したマウンティング５、ハウジング４５および４７、バー４１および４２、中空円盤ハウジング３１０、コイル、ならびに電気リード線はすべて、ニオブなどの超伝導材料で作られる。

勾配計が極低温で動作しない本発明の実施例では、コンポーネントは、アルミニウムなどの他の材料で形成されることができる。

角加速度計９０’はゼロ四極子モーメントを有し、ゼロ四極子モーメントは、質量中心がフレクシャ・ウェブに一致すること、およびその結果、両者が重力勾配と遠心力の両方に感度が無いことを意味する。線加速度計９０”（図２２）も設けられることができる。線加速度計９０”は、能動的な補償を適用せず、しかし測定した最終勾配データに補正を適用してもよい。こうして線加速度に関連するデータが記録され、後の処理において使用されることができる。

先に述べたアクチュエータの制御によってマウンティング５の運動を補償するために、適切なフィードバック信号を生成することができるように、マウンティング５の角度運動の尺度を提供する角加速度計として、バー４１と４２の一方または両方を使用することもできる。

好ましい実施例では、４つの角加速度計が設けられ、加速度計のうちの２つはバー４１および４２によって形成される。互いに対して４５°の角度で配置された４つの加速度計の使用は、任意の時間において、アクチュエータの２つ以上から供給されるトルクによりｘ軸線、ｙ軸線およびｚ軸線の周りの調整を可能にする。

円盤３１０は、巻き線Ｗ１およびＷ２からの磁束がアクチュエータを出ることを防止し、リード線３３１および３３２および３３３および３３８が細長い管３３０を通してアクチュエータを出るため、磁束がアクチュエータから流出する能力が実質的になくなる。

したがって機器の動作に悪影響を及ぼす可能性がある擬似磁界は、アクチュエータによって発生せず、機器の感度または動作に影響を与えない。

管３３０は、好ましくは、少なくとも１０：１の長さ対直径比を有する。

円盤板３１６は、好ましくはマコールから形成され、中空円盤ハウジング３１０は、２つの部品３１０ａおよび３１０ｂで形成される。部品３１０ｂは閉鎖パネルを形成し、これは、円盤３１３がチャンバ３１２内に配置されること、および引き続いて板３１０ｂを所定場所に配置して円盤ハウジング３１０を閉じることを可能にする。

図３３および図３４を参照して、バーの４１および４２の釣り合いが達成される方法が述べられる。コンデンサ４００および４０１によって形成された一対の偏移センサは、２つの主要な目的、すなわち、
（１）各バー４１（および４２）の残留線加速度感度を測定して、低温で動作させる前に、図２４を参照して説明したウォームねじ３０１を用いてバーを機械的に釣り合わせることを可能にするため、および
（２）各バー４１および４２の誘導線加速度感度を測定するため
に設けられる。

バー４１および４２は、それぞれのハウジング内で、あるジグ（図示せず）内で３６０°回転する。これは、２ｇ_Ｅの加速度範囲を提供し、その範囲は通常、低温で好都合に加えられてもよい加速度の１００倍である。典型的な要件は、コンデンサ４００および４０１が、１〜２０分間にわたって０．１ｎｍを検出できることである。一対のコンデンサ４００および４０１は、各バーがセンサ・ドリフトに対してある程度の識別を与えるために必要とされる。それは、バー４１の回転によって一方のコンデンサ４００が増加し、他のコンデンサ４０１が、図３３に示すように同じ量だけ減少することになり、一方、熱膨張によってコンデンサ４００および４０１の両方の出力が増加するからである。コンデンサ４００および４０１は、たとえ低温で使用できなくても所定場所に存在し続け、したがってそのコンポーネントは、勾配計、特にその近くの超伝導回路要素の動作に干渉しないように、非磁性である必要がある。

図３３は、バー４１が旋回するにつれて、コンデンサ４００に適用可能な隙間が減少し、コンデンサ４０１の隙間が増加することを示す。

コンデンサ４００および４０１は、バー４１の面４１ａ（および他のバー４２上の対応する面）、ならびに面４１ａから離間した第２板４０５によって形成される。それぞれのコンデンサ４００および４０１の板間の隙間は、通常、約１ｐｐｍまで分解されなければならない。

図３４は、コンデンサ４００に適用可能な較正回路を示す。他のコンデンサ４０１用の回路は同じである。

コンデンサ４００は、誘導子４１０を有する高Ｑファクタ共振回路を形成する。誘導子４１０およびコンデンサ４００は、コンデンサ４１１および４１２に並列に設けられ、コンデンサ４１３を介して増幅器４１４に接続する。増幅器４１４の出力は、周波数カウンタ４１５に提供され、ライン４１６によって、コンデンサ４１２と４１１との間にフィードバックされる。したがってコンデンサ４００は、増幅器４１４の動作周波数を決定し、動作周波数は、高精度で読み取られることができる。

バー４１の釣り合いがとれない場合、バーは不安定であるため、周波数カウンタ４１５はドリフトする傾向がある。これは、釣り合いがとれるまで、先に述べたようにウォームねじ３０１を質量に対して出し入れすることによって調整されることができる。増幅器４１４はその後、周波数カウンタ４１５から外されることができ、それによって勾配計は、図３４に示す回路の他の部品が所定場所にあるまま、デュア１内に配置されることができる。

本発明の精神および範囲内の変更は、当業者によって容易に実施されてもよいので、本発明は、先に例として述べられた特定の実施例に限定されないことが理解される。

添付の特許請求の範囲および本発明の先の説明において、言語または必要な言外の意味を表現するために、文脈が別途要求する場合を除いて、用語「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、あるいは「有する（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」または「有している（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」といった変形用語は、包含的な意味で使用され、すなわち記載した特徴の存在を特定するために、しかし本発明の種々の実施例におけるさらなる特徴の存在または追加を排除しないように使用される。

本発明の一実施例の勾配計の概略図である。 好ましい実施例の勾配計のマウンティングの一部を形成する第１マウントの斜視図である。 マウンティングの第２マウントの図である。 図３のマウントの下からの図である。 図３のラインＩＶ−ＩＶに沿った断面図である。 図３のラインＶ−Ｖに沿った断面図である。 組み立てられた構造の図である。 ジンバル構造上に搭載されたセンサを示す図である。 好ましい実施例のバーの平面図である。 アクチュエータ制御を示す図である。 回転可能支持システムの動作を示すブロック図である。 好ましい実施例の勾配計の図である。 第２実施例の第１マウントの図である。 第１マウントのフレクシャ・ウェブの位置および大きさを示すための、図１３のマウンティングの一部の図である。 図１３のマウンティングの下からの図である。 第２実施例の第２マウントを含む図１３のマウンティングの図である。 図１６に示すアセンブリを通る断面図である。 図１７に示す断面の下からの図である。 第２実施例の第２マウントの下からの図である。 図１９の第２マウントの上からの図である。 第２実施例の第２マウントの分解図である。 第２実施例による組み立てられたマウンティングおよびセンサの図である。 外側真空コンテナの一部を除去した状態の勾配計の斜視図である。 本発明のさらなる実施例による、バーを支持するハウジングの平面図である。 図２４のハウジングの一部の詳細図である。 好ましい実施例で使用される変換器の図である。 図２６の変換器が所定場所にあることを示す以外は、図２５と同じ図である。 図２９および図３０の回路の説明を補助する図である。 センサのうちの１つを特に角加速度計として使用することを示す、本発明の好ましい実施例に関連する回路図である。 周波数チューニング回路を示す図である。 本発明の一実施例によるアクチュエータを通る断面図である。 図３１のアクチュエータの一部の図である。 好ましい実施例の勾配計のセンサの釣り合いを示す図である。 勾配計を釣り合わせるときに使用される較正センサの回路図である。

Claims (9)

1. 重力勾配テンソルの成分を測定するための重力勾配計であって、
   横切るように配置された一対の質量を有する重力勾配センサと、
   前記重力勾配計の極低温動作の前に、前記質量が室温で釣り合っているかどうかを検知するための較正センサと、
   前記重力勾配計の極低温動作の前の前記質量の釣り合いを調整する調整機構と
   を有する重力勾配計。
2. 前記較正センサが、
   誘導子およびコンデンサを有する共振回路であって、前記コンデンサは、前記質量の一方の表面によって形成された第１板、および前記質量の一方の前記表面から離れて配置された第２板を有している共振回路と、
   前記共振回路からの信号を受け取るため、および前記質量の釣り合いを示す出力信号を生成するための発振器と
   を有している請求項１に記載の重力勾配計。
3. 各質量は、各質量の各端部に関連する共振回路を有し、それによって、前記質量が回転したときに前記質量が旋回して、一方の共振回路の第１板と第２板との間のギャップが増加し、他の共振回路の第１板と第２板との間のギャップが減少する請求項１に記載の重力勾配計。
4. 前記発振器が増幅器である請求項１に記載の重力勾配計。
5. 前記増幅器が単一の電界効果トランジスタである請求項４に記載の重力勾配計。
6. 前記増幅器の出力が周波数カウンタによってデジタル化される請求項４に記載の重力勾配計。
7. 前記共振回路は、複数のコンデンサによって前記発振器に結合される請求項１に記載の重力勾配計。
8. 前記調整機構は、前記質量を釣り合わせるために前記質量内で移動可能な複数のねじ部材を有する請求項１に記載の重力勾配計。
9. 前記質量は、ハウジング内に設けられ、且つフレクシャ・ウェブによって前記ハウジングに接続されており、前記ハウジングは周辺壁を有し、前記ねじ部材は前記質量のボア内に配置され、前記周辺壁は、前記ボアと位置合わせされた穴を有し、それによってツールが前記穴を通して前記ボア内に通されることができ、それによって前記質量を釣り合わせるように前記質量内で前記ねじ部材の位置を調整することができる請求項１に記載の重力勾配計。

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