JP3174853B2 - 超電導加速度計 - Google Patents

超電導加速度計

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JP3174853B2 JP18015399A JP18015399A JP3174853B2 JP 3174853 B2 JP3174853 B2 JP 3174853B2 JP 18015399 A JP18015399 A JP 18015399A JP 18015399 A JP18015399 A JP 18015399A JP 3174853 B2 JP3174853 B2 JP 3174853B2
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繁治 円居
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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、
特に冷却媒体の発泡現象による加速度内乱の発生を防止
した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2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で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2
3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】超電導加速度計は、前記のように各構成要
素の超電導現象の特性であるゼロ抵抗、マイスナー効
果、ジョセフソン効果を利用するものであるので、それ
が作動するためには、各構成要素を超電導転移温度以下
に冷却しなければならない。そのため、従来図2示すよ
うに、磁気シールド内に低温超電導体の場合は液体ヘリ
ウムを、高温超電導体の場合は液体窒素を冷却媒体とし
て充填して、該冷却媒体内に各構成要素を浸漬すること
により、超電導転移温度以下に冷却している。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、冷却媒
体である液体ヘリウム及び液体窒素は超低温の液体であ
るため、磁気シールドが断熱構造であっても完全断熱で
ない限り常時沸騰しており、液体ヘリウム又は液体窒素
内部から泡が発生している状態にある。その結果、冷却
媒体内では絶えず対流が発生し、慣性空間内に静止して
いなければならない慣性質量が対流の影響で揺らぐこと
によって、加速度内乱が生じ、それがノイズ成分として
出力される。図3は実験装置で測定した液体窒素の発泡
によるノイズ成分を計測した結果を示し、該グラフによ
れば約10-3gの量のノイズが発生していることが判
る。該ノイズの範囲は、高分解能が期待される超電導加
速度計にとって、許容出来ない大きな問題点である。
【0007】一方、液体ヘリウム温度で超電導を示す低
温超電導体を使用する従来の低温超電導加速度計は、大
型で且つ複雑な構造の冷却装置を必要とする問題がある
と共に、ヘリウムは地球上にわずかしか存在しない希ガ
スであり、資源の枯渇の点から回収に手間をかけて使用
しなければならない問題点がある。また、近時液体窒素
沸点温度(77.4K)以上の超電導転移温度を有する
酸化物系高温超電導体が見出されたのに伴い、高温超電
導体を使用した高温超電導加速度計も試みられている。
高温超電導体を使用すると、従来の低温超電導加速度計
に比べて温度管理が容易になり、冷却装置の小型化が可
能となることが予測される。また、液体窒素は気化潜熱
が液体ヘリウムの60倍もあり、密度も高く冷却能力が
大きい利点がある。しかも液体窒素資源は、無尽蔵であ
り地球資源にも配慮したものとなる。
【0008】しかしながら、高温超電導体はセラミック
系酸化物であり、硬度が高く脆い欠点がある。そのた
め、線材成形加工が極めて困難であり、超電導加速度計
に必要な構成部材であるコイルへの加工に困難性がある
という問題点がある。また、超電導体は環境磁場で超電
導が崩壊する現象(クエンチ)があり、高温超電導体
は、その量が極端に低く数ガウス程度である。これで
は、超電導加速度計の本来の高分解能を期待することが
出来ないという問題点があり、未だ高温超電導加速度計
の実用化が阻まれている要因となっている。
【0009】そこで、本発明は、超電導加速度計におけ
る加速度内乱の要因となる液体ヘリウム又は液体窒素の
発泡現象による影響を除去することによって、超電導加
速度計の本来の高分解能を有する超電導加速度計を得る
ことを第1の目的とし、従来の低温超電導加速度計に代
わって、冷却設備を小型化簡素化できると共に希ガスの
液体ヘリウムに代えて無尽蔵資源である液体窒素の使用
を可能とる高分解能を有する高温超電導加速度計を得る
ことを第2の目的とするものである。
【0010】
【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、及び磁
束検出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、磁気シ
ールドされた慣性空間内で前記磁界発生手段とは分離独
立して揺動可能に配置された冷却槽内に定置するという
技術的手段を採用することによって、前記第1の目的を
達成したものである。
【0011】前記技術的手段は、冷却媒体として液体ヘ
リウムを使用する低温超電導加速度計又は液体窒素を使
用する高温超電導加速度計の何れにも適用できるが、前
記第2の目的も併せて達成するためには、前記慣性質量
を液体窒素沸点温度以上の超電導転移温度を有する高温
超電導体で構成し、冷却槽内に液体窒素を充填する高温
超電導加速度計として構成する必要がある。そして、そ
の際、前記磁界発生手段として永久磁石を採用すること
によって、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することができ、高
分解能が期待できる高温超電導加速度計を得ることがで
きる。さらに、前記磁束計測手段は超電導量子干渉素子
磁束計を採用するのが望ましい。
【0012】
【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高温超電導
加速度計の構成を示す模式図である。図中1、超電導体
で形成された超電導磁気シールドであり、その内部に、
慣性質量を収納する第1冷却槽2と、永久磁石及び超電
導量子干渉素子磁束計又はその磁界検出部を収納する第
2冷却槽3が、それぞれ分離独立して設けられている。
【0013】第1冷却槽2は、ヒンジ5を有する連結片
6で超電導磁気シールド1内に懸架され、その内部に高
温超電導材で形成された慣性質量7が定置されている。
また、第2冷却槽3は超電導磁気シールド1内に固定さ
れ、その内部に磁界発生手段である永久磁石8が槽外に
位置する前記慣性質量と対向するように適宜の手段で固
定されていると共に、超電導量子干渉素子磁束計9が固
定されて収納されている。本実施形態では、前記永久磁
石8は、サマリウム・コバルトを採用し、磁束密度が2
000ガウスのものを採用したが、本発明は必ずしもこ
れに限るものではない。
【0014】また、本実施形態では、上記超電導体は全
て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、例えば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。そし
て、図1に模式的に示すように、第1冷却槽には慣性質
量7が、第2冷却槽3には、永久磁石8及び超電導量子
干渉素子磁束計9が、液体窒素内に完全に浸漬して液体
窒素沸点温度に冷却されるようにそれぞれ液体窒素4が
充填されている。前記第1冷却槽2、第2冷却槽3は、
それぞれ収納されている液体窒素4の気化による内圧の
上昇を防ぐために、図示しない圧力調整バルブを介して
大気に解放され、ヘッドスペースの内圧は常時大気圧に
保たれており、圧力変化による加速度への影響を回避し
ている。同様に、超電導磁気シールド内も大気に解放さ
れ、常に大気圧に保たれている。
【0015】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、加速度が作用すると完全反磁性の性
質をもつ慣性質量7が第1冷却槽2ごと変位して永久磁
石8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超電導量子干渉素子磁
束計9で計測して加速度量を得ることができる。
【0016】その際、第1冷却槽及び第2冷却槽では、
常時液体窒素の発泡現象が起こっているが、本実施形態
では慣性質量7は第1冷却槽の底部に定置状態であるの
で、慣性質量7自体が液体窒素の対流で揺らぐことがな
く、液体窒素の発泡現象によるノイズを完全に解消する
ことができ、高分解能加速度計を得ることができる。
【0017】また、本実施形態では超電導コイルに代え
て永久磁石を使用したので、高温超電導体をコイルに成
形する必要もなく、強い磁場を安定して正確に発生させ
ることができるので、加速度を10-12g程度の高分解
能で計測することが可能となった。
【0018】本発明の高温超電導加速度計は、10-12
gの極端に高い分解能を得ることができるセンサーであ
るため、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
微小な加速度(10-10g〜10-13g程度)を精度良く
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。
【0019】上記実施形態では、高温超電導加速度計に
ついて説明したが、本発明は低温超電導加速度計にも適
用可能である。即ち、低温超電導加速度計においても、
慣性質量を上記実施形態と同様に磁気シールドされた慣
性空間内で前記磁界発生手段とは分離独立した冷却槽内
に配置することによって、液体ヘリウムの発泡現象によ
る慣性質量の揺らぎを解消することができ、発泡現象の
影響を除去することができる。また、高温超電導加速度
計において、超電導コイルの成形の困難さを回避し、且
つ強い磁場を形成するためには超電導コイルに代えて永
久磁石を採用するのが望ましいが、成形しやすく且つ臨
界電流の高い高温超電導材が得られれば、低温超電導加
速度計と同様に超電導コイルを採用してもよい。
【0020】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、慣性質
量は慣性空間内に磁界発生手段とは分離独立して揺動可
能に支持された冷却槽内に定置状態であるので、慣性質
量自体が液体窒素又は液体ヘリウムの発泡現象で起こる
対流により揺らぐことがなく、冷却媒体液体の発泡現象
によるノイズを完全に解消することができ、高分解能を
有する超電導加速度計を得ることができる。
【0021】さらに、請求項2及び3の構成によれば、
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して、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、冷却設備の小型
化・簡素化・低廉化を図ると共に希ガスの液体ヘリウム
に代えて無尽蔵資源である液体窒素の使用を可能とする
高温超電導加速度計を得ることができる。それにより、
超電導加速度計のより小型化、軽量化ができ、航空・宇
宙機に搭載しての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に有用な高温超電
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高温超電導加速度計の
模式図である。
【図2】従来の低温超電導加速度計の模式図である。
【図3】液体窒素の発泡現象による加速度内乱を測定し
た線図である。
【符号の説明】
1 超電導磁気シールド 2 第1冷却槽 3 第2冷却槽 4 液体窒素 5 ヒンジ 6 連結片 7 慣性質量 8 永久磁石 9 超電導量子干渉素子磁束計
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭64−47957(JP,A) 特開 平8−50140(JP,A) 特開 平1−209378(JP,A) 特開 昭63−317776(JP,A) 特開 平1−134266(JP,A) 特開 平1−134267(JP,A) 特開 平1−100462(JP,A) 特開 平1−167675(JP,A) 特開2001−4651(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01P 15/105 G01P 15/11 G01R 33/035 ZAA

Claims (4)

    (57)【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、及び磁束検出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
    は、磁気シールドされた慣性空間内で前記磁界発生手段
    とは分離独立して揺動可能に配置された冷却槽内に定置
    されていることを特徴とする超電導加速度計。
  2. 【請求項2】 前記超電導加速度計は、液体窒素沸点温
    度以上で作動する高温超電導加速度計であり、前記慣性
    質量が液体窒素沸点温度以上の超電導転移温度を有する
    高温超電導体で構成され、前記冷却槽内には液体窒素が
    充填されている請求項1記載の超電導加速度計。
  3. 【請求項3】 前記磁界発生手段が永久磁石である請求
    項1又は2記載の超電導加速度計。
  4. 【請求項4】 前記超電導加速度計は、低温超電導加速
    度計であり、前記慣性質量が液体ヘリウム温度以上の超
    電導転移温度を有する低温超電導体で構成され、前記冷
    却槽内には液体ヘリウムが充填されている請求項1記載
    の超電導加速度計。
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