JP2016048169A - 振動センサ及び振動センシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】振動センサ及び振動センシングシステムにおいて、低周波振動を高精度に検出する。【解決手段】固定部材に固定した超電導量子干渉計を差交する磁場の振動に起因する変化を振動として二次的に検知する。【選択図】図１

Description

本発明は、振動センサ及び振動センシングシステムに関するものであり、例えば、地震計および弾性波検査用の振動センサに用いる超電導量子干渉計（ＳＱＵＩＤ）を用いた振動センサ及び振動センシングシステムに関するものである。

資源探査をはじめとする地下情報を得るための人工地震を用いた探査において、地震計および弾性波検査用の振動センサが用いられている。従来、この弾性波診断用の振動センサとしては、ジオフォン（例えば、特許文献１参照）やＭＥＭＳ振動センサ（例えば、特許文献２参照）が用いられ、弾性波診断によって地下の有益な情報が取得できるようになっている。

そして近年、シェールガス開発や、石油増産（ＥＯＲ）などの新しい資源開発においても弾性波診断による地下の情報収集は益々重要になってきており、中でも低周波の弾性波診断が重要になってきている。

特開平０５−２４８１７５号公報 特開２０１１−２０９２００号公報

しかし、ジオフォンはコイルをスプリングで固定し、筐体とともに動く永久磁石との相互運動によって誘導起電力を生じ、振動をとらえるもので、低周波の検知を不得意とするという問題がある。また、ＭＥＭＳセンサも同様である。さらに、人工的に発生した磁気信号を用いた地中探査技術も開発がすすみ、多様なセンシング技術の融合が求められている。

したがって、振動センサ及び振動センシングシステムにおいて、低周波振動を高精度に検出することを目的とする。

開示する一観点からは、固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有し、振動源からの振動を、前記振動によって生じた前記超電導量子干渉計を差交する磁場の変化として二次的に検知することを特徴とする振動センサが提供される。

また、開示する別の観点からは、上述の振動センサと、前記振動源に対して前記振動センサより遠隔に設置して前記振動に起因しない地磁気の変化分を検知する磁力計と、前記振動センサの出力から前記磁力計の出力を減算して振動による地磁気の変化分のみを差分として抽出する抽出手段とを備えたことを特徴とする振動センシングシステムが提供される。

また、開示する別の観点からは、上述の振動センサと、前記振動センサの近傍に設置して地磁気以外の磁気を検知する磁力計と、前記磁力計の振動を抑制する除振機構とを備えたことを特徴とする振動センシングシステムが提供される。

また、開示する別の観点からは、固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有する振動センサを収容した筐体を地中に埋設した磁化した鋼管内に設置し、前記鋼管の発する磁場を磁場発生源として利用することを特徴とする振動センシングシステムが提供される。

また、開示するさらに別の観点からは、固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有する振動センサを収容した磁気信号の遮断周波数が１ｋＨｚ以上となるシールドを外装に備えた筐体を地中に埋設した鋼管内に設置したことを特徴とする振動センシングシステムが提供される。

開示の振動センサ及びセンシングシステムによれば、低周波振動に対する高精度に検出することが可能になる。

本発明の実施の形態の振動センサの説明図である。 本発明の実施の形態の振動センサの検知原理の説明図である。 本発明の実施例１の振動センサの説明図である。 本発明の実施例１の振動センサの本体部の説明図である。 本発明の実施例１の振動センサの設置状態の説明図である。 本発明の実施例２の振動センサの本体部の説明図である。 本発明の実施例３の振動センサの本体部の概念的構成図である。 本発明の実施例４の振動センシングシステムの概念的構成図である。 本発明の実施例５の振動センシングシステムの概念的構成図である。 本発明の実施例６の振動センシングシステムの概念的構成図である。 本発明の実施例７の振動センシングシステムの概念的構成図である。

ここで、図１及び図２を参照して、本発明の実施の形態の振動センサ及び振動センシングシステムを説明する。図１は本発明の実施の形態の振動センサの説明図であり、超電導量子干渉計１を収容した容器２を固定部材３に固定して振動センサの本体部を形成する。超電導量子干渉計１としては、Ｙなどの希土類材料, Ｂａ, Ｃｕを主原料とする高温超電導体で構成し、液体窒素温度７７ Ｋで動作するものであれば良い。また、超電導量子干渉計１に用いられるＳＱＵＩＤの素子構造としては、ランプエッジ型ジョセフソン素子やステップエッジ型ジョセフソン素子、バイクリスタル型など、種々の高温超電導接合を用いることができる。

また、超電導量子干渉計１を、固定部材３に対してｘｙｚ直交座標系のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３方向に固定することが望ましい。このように、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３方向に固定した各超電導量子干渉計１により振動源の方向を特定することができる。また、各超電導量子干渉計１の出力を合波して振動解析することによって、振動源の位置によらず、精度の高い振動検知が可能になる。

この時、固定部材３の固定軸径及び長さを、固定軸が固定点４に対して振り子運動が可能なサイズにしても良く、それにより、差交する磁場の変化が大きくなるので、固体部材３の個有振動周辺の周波数に対する感度をより高くすることができる。例えば、固定軸の直径を２５ｍｍ以下にし、長さを１００ｍｍ以上にする。

図２は本発明の実施の形態の振動センサの検知原理の説明図である。図２（ａ）は初期状態を示す図であり、超電導量子干渉計１は磁場５と所定の角度で差交している。図２（ｂ）に示すように、振動源からの振動によって超電導量子干渉計１が振動すると、超電導量子干渉計１と磁場５の相対位置が変化し、それに伴って超電導量子干渉計１に差交する磁場５が変化する。

図２（ｃ）に示すように、この磁場の変化を超電導量子干渉計１で測定することによって、振動を二次的に検出することができる。この場合、超電導量子干渉計１は、ＤＣから１００ｋＨｚまで高感度な性能を持っているので、低周波の振動を感度よく検知することができる。

測定対象となる磁場５は、地磁気でも良く或いは人工的な磁場でも良い。人工的な磁場としては、永久磁石と、永久磁石をマイスナー効果とピニング効果によって浮上固定する高温超電導部材とを備えた磁場発生源を用いれば良い。

このような、振動センサを用いて振動をセンシングするには、振動に起因しない地磁気の変化分を測定するために、震動源に対して振動センサより遠隔に磁力計を設置することが望ましい。このように、磁力計を別途設け、振動センサの出力から磁力計の出力を減算して振動による地磁気の変化分のみを差分として抽出することにより、地磁気の自然変動に影響されない高精度の検知が可能になる。

また、人工的な磁気の影響を排除するために、振動センサの近傍に基準となる磁力計を設置しても良く、この場合には、磁力計を検知したい周波数の振動を除去できる除振機構を介して設置することが望ましい。なお、磁力計としては遠隔配置の場合も含めて、計測精度を保つため、フラックスゲート磁力計、光ポンピング磁力計、超電導量子干渉素子など、感度が１ｎＴ以上の磁力計を用いることが望ましい。

或いは固定部材３に固定した超電導量子干渉計１を有する振動センサを収容した筐体を地中に埋設した磁化した鋼管内に設置し、鋼管の発する磁場を磁場発生源として利用するようにしても良い。

或いは、固定部材３に固定した超電導量子干渉計１を有する振動センサを収容した磁気信号の遮断周波数が１ｋＨｚ以上となるシールドを外装に備えた筐体を地中に埋設した鋼管内に設置しても良い。この場合には、人工的に発信コイルから発信された磁気信号を受信することができるため、電磁探査と地震探査の両方のセンサとして活用することができる。

本発明の実施の形態においては、超電導量子干渉計１を用いて振動を磁場の変化として検出しているので、地下資源探査に必要なＤＣから１００ｋＨｚまでの低周波の弾性波探査が可能になる。また、電磁探査法も同じセンサシステムを活用することで探査の効率化と高精度化を図ることが可能となり、資源探査や地中モニタリングの技術向上に大きく進展させることができる。

次に、図３乃至図５を参照して、本発明の実施例１の振動センサ及び振動センシングシステムを説明する。図３は、本発明の実施例１の振動センサの説明図であり、ここでは、一部切り欠き斜視図として示している。振動センサ本体部は、固定支柱１３にＳＱＵＩＤを収容した容器１２をｘｙｚ３軸方向に固定したものを用いる。

この振動センサ本体部を格納する筐体は、アルミフレーム２１からなる外囲器と、外囲器中に防振用発泡ゲル２２を介して収容したガラスデュワー２３を備えている。このガラスデュワー２３はアルミコートメラミンフォーム２４を介してシールド用スプリングスパイラル２５で封止・固定される。固定支柱１３はシールド用スプリングスパイラル２５と一体になった蓋部材に取り付けられて、ガラスデュワー２３内に注入された液体窒素２６中に浸漬される。

図４は、本発明の実施例１の振動センサ本体部の説明図であり、ＳＱＵＩＤ１１を収容した容器１２を固定支柱１３にｘｙｚ３軸方向に固定して振動センサの本体部を形成する。ここでは、ＳＱＵＩＤ１１として、イットリウム系およびランタノイド系高温超電導を用いたランプエッジ型ジョセフソン素子を用いたＳＱＵＩＤとする。

図５は、本発明の実施例１の振動センサの設置状態の説明図であり、ここでは、磁場として地磁気４０を利用し、制御回路３０で振動センサ１０を制御して振動の検知を行う。
振動センサ１０は振動面に固定する。振動面とは例えば地面の振動を検知する場合には地面である。機械的に接続されていない地磁気４０を利用することで、機械的な固有振動を極限まで減少させることが可能である。

この例では、ＳＱＵＩＤ１１の固定においては測定したい振動の周波数帯域において、ＳＱＵＩＤ１１の固定軸が固定点１４を中心とした共振を起こさないように堅固に固定する。例えば、図４に示すようにＳＱＵＩＤ１１の固定軸には３０ｍｍφ以上の円筒状の固定支柱１３を用いる。ここでは、直径ｄを３０ｍｍφ、長さｈを８０ｍｍとする。

このように、本発明の実施例１においては、ＳＱＵＩＤ１１を収容した容器１２をｘｙｚ３軸方向に固定しているので、振動方向を特定できる。なお、振動強度は、ｘｙｚ３軸方向に固定した３つのＳＱＵＩＤ１１の出力を合波して求める。

次に、図６を参照して、本発明の実施例２の振動センサを説明するが、全体構造は図３に示した上記の実施例１と同様であるので、振動センサ本体部のみを説明する。図６は本発明の実施例２の振動センサ本体部の説明図であり、ここでも、ＳＱＵＩＤ１１を収容した容器１２を固定支柱１５にｘｙｚ３軸方向に固定して振動センサの本体部を形成する。

この実施例２においては、ＳＱＵＩＤ１１の固定には敢えて軸揺れを起こす柔軟性を持たせている。このように柔軟性を持たせることにより、固有振動の制約をうける一方、軸の固定点１６を中心とした振り子運動をする。そのため振動センサは地磁気に対してより大きく傾くことになり、差交する磁場の変化が大きくなるため、固有振動周辺の周波数に対してより高感度に検知できる。

低周波の磁場の変化を高感度に検知するため、固定軸には２５ｍｍφ以下で、１００ｍｍ以上の長さの円筒状の固定支柱１５を用いる。ここでは、直径ｄを２０ｍｍφ、長さｈを１２０ｍｍとする。

次に、図７を参照して、本発明の実施例３の振動センサを説明するが、基本的に実施例１と同様に液体窒素中に浸漬して使用するので、ここでは、振動センサ本体部を説明する。図７は本発明の実施例３の振動センサ本体部の概念的構成図であり、磁場発生源とセンサ部を一体にしたものである。

ここでは、磁場発生源としてネオジウム磁石４３からなる永久磁石を用い、ネオジウム磁石４３を高温超電導体４１，４２を用いてマイスナー効果とピニング効果により浮上固定する。ここでは、ネオジウム磁石４３の回転を防ぐために、２つの高温超電導体４１,４２を用いて２軸方向のピニングにより固定を行っている。

一方、ＳＱＵＩＤ１１を収容した容器１２も筐体に対して固定されるとともに、高温超電導体４１，４２に対しても相対的に固定される。振動が発生した場合、ネオジウム磁石４３が高温超電導体４１，４２及びＳＱＵＩＤ１１に対して相対的に動くために、ネオジウム磁石４３からの差交磁場が変化し、この差交磁場の変化を検出することで振動を検出することができる。なお、環境ノイズを回避するためにＳＱＵＩＤ１１及び磁場発生源を格納する筐体に磁気シールドを施しても良い。

地磁気は日常的に一日あたり１００ｎＴ程度変化するが、本発明の実施例３では人工的な磁場発生源を用いているので、地磁気の変動に影響されずに、高精度の振動検知を行うことができる。

次に、図８を参照して、本発明の実施例４の振動センシングシステムを説明する。図８は本発明の実施例４の振動センシングシステムの概念的構成図であり、ここでは、人工的に振動を発生させる弾性波診断の例として説明する。まず、抗井の内壁となるボーリングケーシング５４内に振動センサ５１〜５３を挿入し、振動センサ５１〜５３を制御回路５５で制御する。ここでは、日常的に変動する地磁気そのものの変化を振動による地磁気の相対変化と区別するために、基準となる基準フラックスゲート５６を別途設ける。

なお、この場合の振動センサ５１〜５３としては、上記の実施例１の振動センサを用いても良いし、或いは、ＳＱＵＩＤを１個だけ筐体に収容した振動センサを用いても良い。この場合には、例えば、振動センサ５１においてはＳＱＵＩＤをｘ方向に固定し、振動センサ５２においてはＳＱＵＩＤをｙ方向に固定し、振動センサ５３においてはＳＱＵＩＤをｚ方向に固定すれば良い。

上述のように、地磁気の変化は日常的に一日あたり１００ｎＴ程度変化し、また、地磁気の大きさは、１００ｋｍ程度の範囲内では差がほとんど認められない。そこで、人工的に振動を発生させる弾性波診断の場合には、振動検知用の振動センサ５１〜５３から遠方に数ｋｍ、例えば、３ｋｍ離した位置に感度が１ｎＴ以上の基準フラックスゲート５６を設置する。なお、フラックスゲートの代わりに、光ポンピング磁力計、超電導量子干渉素子などの磁力計を用いても良い。

人工震源５７により地震波５８を発生させると、ボーリングケーシング５４内に収容されてセントライザで固定されている振動センサ５１〜５３は地殻とともに振動するため、各ＳＱＵＩＤと地磁気５９の相対位置が変化する。それに伴ってＳＱＵＩＤに差交する磁場が変化するので、この磁場の変化を検知することで振動を検知することができる。

この時、検知出力から基準フラックスゲート５６で検出した地磁気５９の日常的な変化分を減算することで、正確に振動を検知することができる。

次に、図９を参照して、本発明の実施例５の振動センシングシステムを説明する。図９は本発明の実施例５の振動センシングシステムの概念的構成図であり、基本的な構成は上記の実施例４と同様であるが、ここでは、振動センサの近傍に基準ＳＱＵＩＤを設けている。

ここでも、人工的に振動を発生させる弾性波診断の例として説明する。まず、抗井の内壁となるボーリングケーシング５４内に振動センサ５１〜５３を挿入し、振動センサ５１〜５３を制御回路５５で制御する。ここでは、商用電源などの人工的な磁気変化を除去するために、振動センサ５１〜５３の設置位置の近傍に基準となる基準ＳＱＵＩＤ６０を設置する。この場合には基準ＳＱＵＩＤ６０で検知したい周波数領域の振動を除去できる防振機構６１を用いて基準ＳＱＵＩＤ６０を設置して、振動以外の磁場変化を除去することが望ましい。この場合にも、日常的に変動する地磁気そのものの変化を振動による地磁気の相対変化と区別するために、基準となる基準フラックスゲート５６を併設しても良い。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例６の振動センシングシステムを説明する。図１０は本発明の実施例６の振動センシングシステムの概念的構成図であり、基本的な構成は上記の実施例４と同様であるが、ここでは、地磁気ではなく磁化した鋼管から発生した磁場を用いる。鋼管６２を磁化するためには、人工的に磁化しても良いし、地磁気による自然磁化を利用しても良い。

ここでも、人工的に振動を発生させる弾性波診断の例として説明する。まず、抗井の内壁となるボーリングケーシングとして、磁化した鋼管６２を用い、この鋼管６２内に振動センサ５１〜５３を挿入し、振動センサ５１〜５３を制御回路５５で制御する。この時、振動センサ５１〜５３は、セントラライザで鋼管６２内のほぼ中央に保持しつつも、微小な鋼管６２の振動を検知できるよう鋼管６２と振動センサ５１〜５３には遊びを設ける。

人工震源５７によって、地震波５８を発生させると、鋼管６２が振動し、この鋼管６２の振動に伴って振動センサ５１〜５３と差交する鋼管６２から生じる磁気信号をＳＱＵＩＤで検知することにより振動を検知することができる。なお、鋼管６２は磁気シールドとなるので、振動センサ５１〜５３に対する地磁気の影響をシールドすることができる。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例７の振動センシングシステムを説明する。図１１は本発明の実施例７の振動センシングシステムの概念的構成図であり、基本的な構成は上記の実施例４と同様であるが、ここでは、人工的に磁気信号を発生させている。

ここでも、人工的に振動を発生させる弾性波診断の例として説明する。まず、抗井の内壁となるボーリングケーシング５４内に振動センサ５１〜５３を挿入し、振動センサ５１〜５３を制御回路５５で制御する。ここでも、日常的に変動する地磁気そのものの変化を振動による地磁気の相対変化と区別するために、基準となる基準フラックスゲート５６を別途設ける。なお、振動センサ５１〜５３の筐体として、遮断周波数が１ｋＨｚ以上のＲＦシールド材を用いてシールドする。また、別の抗井の内壁となるボーリングケーシング６３内に発振コイル６４を挿入し、発振コイル６４を発振回路６５で制御して、磁気信号６６を発生させる。

この実施例７における振動検知は、実施例４と全く同様であり、人工震源５７により地震波５８を発生させると、振動センサ５１〜５３は地殻とともに振動するため、各ＳＱＵＩＤと地磁気５９の相対位置が変化する。それに伴ってＳＱＵＩＤに差交する磁場が変化するので、１ｋＨｚ以上の高周波成分を除いた低周波の磁場の変化を検知することで振動を検知することができる。

また、振動検知以外に、ボーリングケーシング６３内に挿入した発振コイル６４により磁気信号６６を発生させ、振動センサ５１〜５３でこの磁気信号６６を検知することで、
比抵抗構造を分析する電磁検層としてのセンサ機能を持たせることができる。

本発明の実施例７の振動センシングシステムにおいては、弾性波検層と電磁検層を同じセンサを用いて行うことが可能となる。その結果、設備の利用効率や作業効率を向上し、複数の検層を同時に行うことで、より詳細な地下構造の分析が可能となる。

ここで、実施例１乃至実施例７を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有し、振動源からの振動を、前記振動によって生じた前記超電導量子干渉計を差交する磁場の変化として二次的に検知することを特徴とする振動センサ。
（付記２）前記超電導量子干渉計を、固定部材に対してｘｙｚ直交座標系のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３方向に固定したことを特徴とする付記１に記載の振動センサ。
（付記３）前記ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３方向に固定した各超電導量子干渉計の出力を合波して振動解析することを特徴とする付記２に記載の振動センサ。
（付記４）前記固定部材の固定軸径及び長さを、前記固定軸が固定点に対して振り子運動が可能なサイズにしたことを特徴とする付記２または付記３に記載の振動センサ。
（付記５）前記磁場の変化が、前記超電導量子干渉計が地磁気中を振動することによって生じる、地磁気の変化であることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の振動センサ。
（付記６）磁場発生源としての永久磁石と、前記永久磁石をマイスナー効果とピニング効果によって浮上固定する高温超電導部材とを備え、前記磁場の変化が、前記振動により変動する永久磁石の磁場の変化であることを特徴とする付記１乃至付記４のいずれか１に記載の振動センサ。
（付記７）付記１乃至付記５のいずれか１に記載の振動センサと、前記振動源に対して、前記振動センサより遠隔に設置して前記振動に起因しない地磁気の変化分を検知する磁力計と、前記振動センサの出力から前記磁力計の出力を減算して振動による地磁気の変化分のみを差分として抽出する抽出手段とを備えたことを特徴とする振動センシングシステム。
（付記８）付記１乃至付記５のいずれか１に記載の振動センサと、前記振動センサの近傍に設置して地磁気以外の磁気を検知する磁力計と、前記磁力計の振動を抑制する除振機構を備えたことを特徴とする振動センシングシステム。
（付記９）固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有する振動センサを収容した筐体を地中に埋設した磁化した鋼管内に設置し、前記鋼管の発する磁場を磁場発生源として利用することを特徴とする振動センシングシステム。
（付記１０）固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有する振動センサを収容した磁気信号の遮断周波数が１ｋＨｚ以上となるシールドを外装に備えた筐体を地中に埋設した鋼管内に設置したことを特徴とする振動センシングシステム。

１ 超電導量子干渉計
２ 容器
３ 固定部材
４ 固定点
５ 磁場
１０ 振動センサ
１１ ＳＱＵＩＤ
１２ 容器
１３，１５ 固定支柱
１４，１６ 固定点
２１ アルミフレーム
２２ 防振用発泡ゲル
２３ ガラスデュワー
２４ アルミコートメラミンフォーム
２５ シールド用スプリングスパイラル
２６ 液体窒素
３０ 制御装置
４０ 地磁気
４１，４２ 高温超電導体
４３ ネオジウム磁石
４４，４５ 磁束
５１〜５３ 振動センサ
５４，６３ ボーリングケーシング
５５ 制御回路
５６ 基準フラックスゲート
５７ 人工震源
５８ 地震波
５９ 地磁気
６０ 基準ＳＱＵＩＤ
６１ 除振機構
６２ 鋼管
６４ 発振コイル
６５ 発振回路
６６ 磁気信号

Claims (7)

1. 固定部材と、
   前記固定部材に固定した超電導量子干渉計と
   を有し、
   振動源からの振動を、前記振動によって生じた前記超電導量子干渉計を差交する磁場の変化として二次的に検知することを特徴とする振動センサ。
2. 前記超電導量子干渉計を、固定部材に対してｘｙｚ直交座標系のｘ方向、ｙ方向及びｚ方向の３方向に固定したことを特徴とする請求項１に記載の振動センサ。
3. 磁場発生源としての永久磁石と、
   前記永久磁石をマイスナー効果とピニング効果によって浮上固定する高温超電導部材とを備え、
   前記磁場の変化が、前記振動により変動する永久磁石の磁場の変化であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動センサ。
4. 請求項１または請求項２に記載の振動センサと、
   前記振動源に対して前記振動センサより遠隔に設置して前記振動に起因しない地磁気の変化分を検知する磁力計と、
   前記振動センサの出力から前記磁力計の出力を減算して振動による地磁気の変化分のみを差分として抽出する抽出手段と
   を備えたことを特徴とする振動センシングシステム。
5. 請求項１または請求項２に記載の振動センサと、
   前記振動センサの近傍に設置して地磁気以外の磁気を検知する磁力計と、
   前記磁力計の振動を抑制する除振機構と
   を備えたことを特徴とする振動センシングシステム。
6. 固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有する振動センサを収容した容器を地中に埋設した磁化した鋼管内に設置し、
   前記鋼管の発する磁場を磁場発生源として利用することを特徴とする振動センシングシステム。
7. 固定部材と、前記固定部材に固定した超電導量子干渉計とを有する振動センサを収容した磁気信号の遮断周波数が１ｋＨｚ以上となるシールドを外装に備えた筐体を地中に埋設した鋼管内に設置したことを特徴とする振動センシングシステム。

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