JP4212125B2 - 保証質量支持システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超伝導加速度計又は重力勾配計に特に使用される保証質量支持及び感知システムに係る。
【０００２】
【従来の技術】
既知の超伝導重力勾配計（ＳＧＧ）は、非常に感度の高い超伝導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）を使用して、重力信号により装置に誘起された磁束を測定する。勾配計は、超伝導保証質量及びそれに関連した支持システムを含む加速度計を組み込んでおり、その変位によって感知コイルのインダクタンスが変調される。閉ループ感知コイル回路の磁束は一定に維持されるべきものであるから、感知コイルのインダクタンスが変化すると、電流が流れ、これがＳＱＵＩＤ入力コイルによって感知される。
【０００３】
ＵＳ−Ａ−４８４１７７２は、温度上昇の影響を克服するために保証質量の同じ側に感知コイル及び浮揚コイルが取り付けられた勾配計を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
勾配計は、望ましくは、共通モード信号を除去しなければならないが、これを行う能力は、整列エラーを最小にすることに依存している。従来の保証質量支持システムは、これらの整列エラーを最小にする手段を有していない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、保証質量の休止位置を制御するための一対の整列コイルを備えた保証質量支持システムであって、上記整列コイルは、上記保証質量の長さに沿って変化する電流を搬送するときに浮揚力を発生するように構成され、そして上記整列コイルにより定められた１つ以上の自由度に対し超伝導保証質量に所定の向きをとらせるように上記整列コイルにおける電流の相対的な強度をチューニングする手段を備えた保証質量支持システムが提供される。
【０００６】
保証質量は、その位置を微調整することのできるチューニング可能な整列コイルを設けることにより感度的に整列できることが分かっている。これは、通常、保証質量の質量中心に対して合成モーメントをもつ浮揚力を与える（即ち、保証質量に対して回転及び直線加速度を与える）整列コイルの対を設けることにより達成される。典型的に、これらコイルの一方は、所与の軸のまわりで時計方向の回転力を与え、そして他方のコイルは、その同じ軸に対して反時計方向の回転力を与える。これは、コイル対の合成回転力を、それらの相対的な強度を変更することにより制御できるようにする。
【０００７】
典型的に、本システムは、関連する調整可能な支持システムを各々有する２つ以上の保証質量を備えた加速度計又は重力勾配計の一部分として設けられ、これにより、整列エラーを実質的に克服することができ、即ち各保証質量が実質的に同一直線上となるか又は互いに垂直となるよう確保するように保証質量の向きを制御できる。
【０００８】
単一の保証質量のみを備えた加速度計の場合に、本発明による調整可能な支持システムは、加速度計の感知軸を重力場に対して正確に整列することができる。
【０００９】
典型的に、保証質量はニオブのような超伝導材料で形成され、マイスナー効果により浮揚される。或いは又、保証質量は非超伝導材料であって、渦電流を用いることにより浮揚されてもよい。
【００１０】
保証質量が超伝導である場合には、整列コイルも、電流を永続的な超伝導電流とし得る超伝導材料（ニオブ又はニオブ／チタンのような）で形成されるのが好ましい。
【００１１】
或いは又、整列コイルは、通常の金属で形成されて、渦電流浮揚のための交流電流を搬送してもよい。
【００１２】
以下の説明において、１組の直交するｘ、ｙ及びｚ軸が使用され、一般に次のように定められる。
【００１３】
整列コイルは、ｘ方向に変化する浮揚力を与える。一般に、この方向は、保証質量の感知軸と平行である。通常、保証質量は円筒状であり、ｘ軸はこの円筒の回転軸に沿って存在するものと定められる。ｙ及びｚ軸はｘ軸から垂直に延び、
向けるようにすることによりｚ軸が一般的に定められる。これらの軸は整列コイルによって制御される自由度を定める。
【００１４】
通常、整列コイルは、保証質量の長さに沿って延びる細長いコイルであって、電流を搬送するときにそれらの長さに沿って変化する浮揚力を与えるように構成された細長いコイルより成る。
【００１５】
この場合に、整列コイルは、通常、第１方向に延びる細長い曲がりくねったパターンのコイルを備え、このコイルは、第１方向に垂直な第２方向に、コイルの長さに沿って変化する浮揚力を発生する。これは、第１及び第２方向に実質的に垂直な軸のまわりの回転を、コイル対における電流の相対的な強度をチューニングすることによって制御できることを意味し、各コイルは実質的に同じ方向に延びそしてその浮揚力はそれらの長さに沿って互いに逆方向に変化する。例えば、コイルの対は、上部ｚ軸整列コイル（負のｚ方向に浮揚力を与える）を備え、これは、ｘ方向に延びていて、ｙ軸のまわりで保証質量を回転するように変化することのできる可変の力をｘ軸に沿って与える。又、通常、支持システムは、一対の下部ｚ軸整列コイル（正のｚ方向に浮揚力を与える）と、付加的な２対の左右のｙ軸整列コイルとを備え、これらも全てｘ方向に延びる。
【００１６】
細長い整列コイルにより与えられる浮揚力は、コイルから保証質量の表面までの距離、或いはコイルの単位長さ当たりの巻回数の一方又は両方を変えることによって変化し得る。
【００１７】
コイルから保証質量の表面までの距離は、型の表面にコイルを巻くことによって変えることができ、型は、その長さに沿って深さの増加する溝を有する。
【００１８】
好ましくは、勾配計は、更に、整列コイルが巻かれる加工された溝を有する型を備え、溝の深さは、型の長さに沿って一定量だけ増加する。この深さの変化は整列コイルの対間にクロスオーバー作用を発生する。
【００１９】
典型的に、整列コイルは、実質的に円筒状の型に巻かれる。
【００２０】
１つの例において、整列コイルは、多数の平行なワイヤのインターリーブされたセットを備えている。
【００２１】
多数の平行なワイヤがコイル型の表面を取り巻くように整列コイルのインターリーブされたセットを巻くことにより、電流逆転の間の距離を長くすることができ、そして保証質量を更に浮揚し、バネ定数を減少し、ダイナミックレンジを広げ、そして加工裕度を低減することができる。
【００２２】
或いは又、整列コイルは、溝に巻かれた一対の非平行なインターリーブされたコイルを備えている。
【００２３】
別の例において、コイルは、一対の実質的に平行なテーパ付けされたコイルで構成されてもよい。
【００２４】
整列コイルはニオブのような適当な超伝導材料で作られ、そして型は、石英、マコア（ｍａｃｏｒ）、サファイア又は他の適当な絶縁体である。或いは又、整列コイルは、銅の型に巻かれて接合された銅被覆ニオブ又はニオブ／チタンワイヤより成る。
【００２５】
上記の整列コイル（それらの長さに沿って可変浮揚力を与える）とは別に、コイルの対は、保証質量の質量中心に対して変位された従来のコイル（一般にそれらの長さに沿って実質的に一定の浮揚力を与える）であってもよい。
【００２６】
又、支持システムは、通常、ｘ軸（この場合は、加速度計の「感知軸」）に沿った保証質量の移動を検出するための感知コイルも備え、これも、正及び負のｘ方向に浮揚力を与える。ｘ軸感知コイルは、典型的に、感知軸に沿って所要の低いバネ定数を与えるパンケーキ型コイルである。
【００２７】
ｘ、ｙ及びｚの感知及び整列コイルのこの全要素は、いかなる方向を向く重力場においても保証質量を浮揚できるようにする。
【００２８】
一般的に、保証質量は、実質的に円筒状である。
【００２９】
２つの保証質量を備えた重力勾配計の場合に、通常、各保証質量に、１つ以上の差動モード感知コイルと、１つ以上の共通モード感知コイルとが設けられる。差動モード感知コイルは、２つの保証質量の差の動きを検出する差動モード感知回路へ接続される。共通モード感知コイルは、共通の動き（即ち、同じ方向の）を検出する共通モード感知回路に接続される。好ましくは、共通モード及び差動モード感知回路は互いにデカップルされる。これは、大きな共通モードバックグランドに関わりなく小さな差動信号を正確に測定できるようにする。典型的に、共通モード感知回路は受動的な制動手段を備え、そして差動モード感知回路は能動的な制動手段を備えている。
【００３０】
従来の保証質量支持システムは、感知軸のまわりで保証質量を回転することができ、これは測定エラーを招く。
【００３１】
本発明の第２の特徴によれば、保証質量支持システムは、少なくとも１つの保証質量と、１組のコイルとを備え、その少なくとも１つは保証質量に浮揚力を与えるように構成されそしてその少なくとも１つは抗回転コイルより成るもので、この抗回転コイルに電流が流れたときに保証質量に回復力を与えるように構成され、上記保証質量は上記回復力と共働するように形成され、これにより、回復力が保証質量を所定の回転方向に向けさせる。
【００３２】
本発明の第２の特徴による支持システムは、保証質量の向きを制御するための別の方法を提供する。浮揚力を与える浮揚コイル（１つ又は複数）は、従来型のものでもよいし、或いは本発明の第１の特徴による整列コイルでもよい。
【００３３】
通常、保証質量は、抗回転コイルと整列する傾向があって低エネルギー配向を用いたくぼみをもつ超伝導材料で形成される。例えば、抗回転コイルは、ｘ方向に延びるパンケーキ型のコイルであって、これも又ｘ方向に延びる保証質量の溝と整列するようなパンケーキ型のコイルで構成される。これは、保証質量が低エネルギー配向を採用するようにさせ、ｘ軸のまわりでの保証質量の回転を実質的に防止する。
【００３４】
又、抗回転力コイルが浮揚力を与えてもよく、この場合には、付加的な浮揚力コイルが必要とされない。
【００３５】
２つの保証質量を有する従来の加速度計又は重力勾配計は、単一の感知軸に沿った各保証質量の加速度のみを測定する。
【００３６】
本発明の第３の特徴によれば、関連感知システムを各々有する第１及び第２の保証質量を備えた加速度計又は重力勾配計であって、上記感知システムは、
（ｉ）保証質量の分離に対して平行な第１方向に保証質量の加速度を感知するように保証質量に対して配向された第１感知コイル（１つ又は複数）と、
（ｉｉ）第２方向に保証質量の加速度を感知するように保証質量に対して配向された第２感知コイル（１つ又は複数）と、
（ｉｉｉ）第３方向に保証質量の加速度を感知するように保証質量に対して配向された第３感知コイル（１つ又は複数）と、
を備えた加速度計又は重力勾配計が提供される。
【００３７】
これは、更に、加速度又は重力勾配成分を測定できるようにする。
【００３８】
通常、第２の方向は第１の方向に直交し、そして第３の方向は第１及び第２の両方の方向に直交する。
【００３９】
通常、各保証質量に関連した第１の感知コイル（１つ又は複数）は、第１方向に沿った保証質量の直線差動及び共通モード加速度を測定する回路（１つ又は複数）に接続される。通常、各保証質量に関連した第２の感知コイル（１つ又は複数）は、第２方向に沿った保証質量の差動及び共通モード加速度を測定する回路（１つ又は複数）に接続される。共通モード信号は、第２方向に沿った保証質量の直線加速度を与える。差動モード信号は、第３軸のまわりの保証質量の回転加速度を与える。
【００４０】
同様に、各保証質量に関連した第３の感知コイル（１つ又は複数）は、通常、第３方向に沿った保証質量の直線加速度と、第２方向のまわりの回転加速度とを測定する回路（１つ又は複数）に接続される。
【００４１】
本発明の第３の特徴により３つの重力勾配計又は加速度計を組み合わせることにより、重力勾配テンソルの全ての成分を測定するテンソル重力勾配計を構成することができる。
【００４２】
通常、第２及び第３組の感知コイルは、本発明の第２の特徴による抗回転コイルを備えている。即ち、勾配計又は２成分加速時計における２つの保証質量の抗回転コイルは、半径方向直線及び角加速度に対する感知回路の一部分として組み合わせることができる。
【００４３】
次の説明は、本発明の全ての特徴によるシステムに関連したものである。
【００４４】
好ましくは、各保証質量は、表面積対体積の比が大きく、そして重力に対する保証質量の浮揚が実質的に全ての方向に生じる。
【００４５】
典型的に、各保証質量は、実質的に円筒状である。
【００４６】
本発明の第１及び第２の特徴による浮揚コイルに加えて、保証質量に対する付加的な支持体として片持梁スプリングを設けてもよい。
【００４７】
通常、保証質量は、主本体区分及びそこから延びる１つ以上のリングを備え、主本体区分から離れた各リングの表面はカーブしており、そしてリングの表面の半径方向外方にコイルが配置されていて、使用中に、負のバネが形成される。負のバネを形成する別の方法は、１組の凹状整列コイルを設けることであり、これらコイルは、保証質量を浮揚すると共に、使用中に不安定平衡を生じさせて使用中に負のバネが形成されるようにする。
【００４８】
本発明の３つの特徴は、次のものを含む種々様々な加速度計及び重力勾配計構成に組み込むことができる。
１）単一保証質量の加速度計。
２）インライン型重力勾配計（感知軸が同一直線上にある２つの保証質量を有する）。
３）３軸重力勾配計（感知軸が３つの直交方向にある３つのインライン型の重力勾配計より成る）。
４）２成分加速度計（感知軸がそれらの分離に対して垂直な２つの保証質量を備えた）。
５）クロス成分重力勾配計（互いに直交する向きにされた一対の２成分加速度計より成る）。
６）差動加速度計（同じ感知軸及び同一の質量中心をもつ２つの同心的保証質量を有した加速度計）。
７）６軸加速度計（３つの直線加速度計及び３つの角加速度計より成る）。
８）テンソル重力勾配計（３つのインライン勾配計及び３つのクロス成分勾配計より成る）。
【００４９】
【実施例】
以下、添付図面を参照し、本発明による勾配計を一例として説明する。識別の目的で、コイルは、以下の説明においてそれらの主たる機能を示すように「整列コイル」、「感知コイル」及び「抗回転（ａｎｔｉ−ｒｏｔａｔｉｏｎ）コイル」として種々に述べる。しかしながら、ある場合には、これらのコイルは、浮揚といった付加的な機能を与えることもできる。
【００５０】
図１は本発明による保証質量支持システムを備えた加速度計の分解図である。この加速度計は内部型１を備え、その上には超伝導ｙ及びｚ軸整列コイル４２、４４（及び図示されない反対側では４２’、４４’）が取り付けられ、これらのコイルはｘ方向に延びると共に、型１の上に配置される円筒状超伝導ニオブ保証質量３の縁を越えて延びる。外部型３４にはｘ軸感知コイル７、８が巻かれる。更に別のｘ軸感知コイル５、６（図３に示す）は、外部型３３に巻かれる。これらｘ軸コイル５、６、７、８は通常はパンケーキ型コイルであり、即ち実質的に平らなワイヤ螺旋である。
【００５１】
図１に示す保証質量の形状（円筒状殻の主本体区分１００及びその外側のリング又はバンド１０１）は、保証質量を重力に抗して全ての方向に浮揚できるようにする大きな表面対体積比を与えるもので、全ての自由度に対して比較的堅牢な構造をしている。又、この構成は、ｘ方向の動き及び負のバネの（以下に示す）の付与を感知できるようにする。主本体区分には２つ以上のリング１０１を設けてもよく、例えば、各端にリングを設けてもよい。
【００５２】
使用に際し、加速度計は、超伝導性を確保するために液体ヘリウムの温度まで冷却される。
【００５３】
図２は、重力勾配計に使用するための一対の加速度計を示す断面図である。ｙ及びｚ軸整列コイルは、明瞭化のために省略されている。各内部型１、２が設けられ、そして保証質量３、４はこれら内部型の半径方向外方に配置されている。外部型３３、３４（図１に示され、図２には示さず）は、ｘ軸感知コイル、例えば、保証質量３のためのパンケーキ型コイルＬc11、Ｌd11、Ｌc12及びＬd12（各々、５、６、７、８）を支持する。同様に、付加的な外部型（図１３に示す３３’、３４’）は、保証質量４のためのｘ軸感知パンケーキ型コイルＬc21、Ｌd21、Ｌc22及びＬd22（各々、２９、３０、３１、３２）を支持する。図２に示すコイルは各々４巻回を有する。しかしながら、浮揚及び感知回路の要件に対し、必要に応じて、それより多数の巻回を選択してもよいしそれより少数の巻回を選択してもよい。
【００５４】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った部分断面図であって、ｘ軸感知コイル５、６と、４対のｙ及びｚ軸整列コイル各々４２、４２’及び４４、４４’との関係を概略的に示している。ｙ及びｚ軸整列コイルの対は、一般に、４２（右側対のｙコイルＬy11+/-）、４２’（左側対のｙコイルＬy12+/-）、４４（上方対のｚコイルＬz12+/-）及び４４’（下方対のｚコイルＬz11+/-）で示されている。各対のコイルは、一対のインターリーブされた曲がりくねったパターンのコイル（例えば、左側対のｙコイル４２’の場合は２１（Ｌy12+）及び２２（Ｌy12-）より成る。図３には、整列コイルの一般的な表示Ｌ+。及びＬ-。がなされており、これはコイルの傾斜の方向を示している。図３は負のｘ方向から見た図である。例えば、Ｌ-の指示は、正のｘ方向に進むときに、コイルのｙ又はｚ座標がｘと共に減少する場合に与えられる。それ故、＋及び−の指示は、電流の流れを示すものではなく、傾斜即ちテーパの方向を示すものである（図８ないし１０を参照されたい）。図４は、左側対のｙ整列コイル４２’を詳細に示している。図４から明らかなように、コイル２１（Ｌy12-）及び２２（Ｌy12+）の対の各個別巻回は、３本のワイヤより成る（各ワイヤは、使用中に、他の２つの関連ワイヤと同じ電流を搬送する）。
【００５５】
コイル２１のワイヤは溝１９内に存在し、そしてコイル２２のワイヤは型１の外面１０４において溝２０内に存在する。巻回２１、２２に流れる電流の交番方向が１０２及び１０３で示されている。
【００５６】
従来の単一コイル勾配計においては、保証質量はそれ自体で半径方向浮揚コイルに平行に整列する傾向がある。実際には、保証質量に完全な表面を加工することはできず、これは、保証質量の一端に向かう方がその他端に向かうよりも大きな質量となるようなエラーを招く。この質量はそれに沿った全ての部分で同じ力で支持され、それ故、保証質量は水平にならない。又、加工エラーは、浮揚コイルを水平軸からそらせることにもなる。
【００５７】
本発明の例では、３軸の超伝導重力勾配計（ＳＧＧ）（図２２）において３つの直交方向に同じ保証質量コイル構成が与えられる。図２及び３へ戻ると、コイルＬd11、Ｌd12、６、８及びＬc11、Ｌc12、５、７は、低いバネ定数をもつ浮揚力で保証質量を浮揚すると共に、ｘ方向に沿った保証質量３の差動及び共通モード運動を各々検出する超伝導の螺旋コイルである。Ｌy12-（２１）、Ｌy12+（２２）及びＬy11-（２１’）、Ｌy12+（２２’）は、保証質量１をｙ方向に懸垂する超伝導の曲がりくねったパターンの整列コイル（以下に定める形状を有する）である。同様に、Ｌz11+、Ｌz11-、４４’及びＬz12+、Ｌz12-、４４は、保証質量３をｚ方向に懸垂する超伝導の曲がりくねったパターンの整列コイルである。ｙ及びｚの整列コイルは、高いスチフネス（即ち、高いバネ定数）をもつ力をそれらの各方向に与えるように構成される。保証質量４に対し、対応するコイル構成が与えられる。地球の重力加速度がｚ方向にあるときには、ｚ軸コイルが重力に対して浮揚力を与える。一般に、感知ｘ軸が地球の重力に対して任意の方向を指すときには、全てのコイルが保証質量の浮揚に関与する。
【００５８】
ＳＧＧの保証質量３、４はそれらの各感知軸に沿った重力成分に応答し、そして差動モード感知回路（以下に述べる）がそれにより生じる２つの変位の差を測
ットホームの運動が存在しない場合のＳＧＧ出力は次のようになる。
【００５９】
等の方法で表すことができる。ここでは、勾配計の感知軸の平均的な向きとして次のように表す。
られ、これらは次の通りである。
【００６０】
し、Γxx（式１）にエラー項を招く。これらエラー項は、勾配計のベースラインをｌとすれば、各々次のように表される。
勾配計の特定の用途において、これらのエラーは計器の重力分解能を容易に制限し得る。
【００６１】
ｚ軸整列コイル４４、４４’の各対の１つを考え、そして図６のように、単位面積当たりの浮揚力ｄＦ／ｄＡが２つの対向するコイルにおいてｘ軸に沿って互いに逆方向に変化するように２つのコイルを構成するものとする。例えば、上方の整列コイル４４に対するｄＦ／ｄＡがｘと共に増加しそして下方の整列コイル４４’に対するｄＦ／ｄＡがｘと共に減少する場合には、保証質量３の静止位置は傾斜したものとなる。更に、ｘ方向に加速度又は重力信号がある場合には、保証質量３はその傾斜した軸３６に沿って移動する。というのは、保証質量は、それが前方に移動するにつれて増加した上方の差の力を感じるからである。
【００６２】
ここで、一対の整列コイルを両側に設け、一方の対においては浮揚力がｘに沿って増加しそして他方の対においてはｘに沿って減少するようにした場合に、整列コイルの永続電流を調整することによって所望の量だけ感知軸の整列をアップ又はダウン方向に調整できねばならない。浮揚力は、ｚ軸又はｙ軸のいずれ（又はその両方）に沿ったものでもよい。
【００６３】
曲がりくねったパターンの超伝導コイル１１０（図７）は、ピッチ（ワイヤの隣接巻回間の中心対中心距離）がｗで、超伝導保証質量の表面１１１から距離ｄにあって、電流Ｉを搬送するものであり、次のような単位面積当たりの力を保証質量に及ぼす。
但し、μ0は真空の透磁率である。従って、ｄＦ／ｄＡは、コイルギャップｄ又はピッチｗ或いはその両方を感知軸に沿って変えることによって変更できる。有効な浮揚力を得るには、ｄはｗにほぼ等しくなければならない。
【００６４】
整列コイルを構成する仕方の３つの特定例を以下に述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。その第１（図８及び９に示す）は、２つの相互にインターリーブされた曲がりくねったパターンのコイルを有することであり、その一方２１は小さな角度δθだけアップ方向に傾斜され、そしてその他方２２は同じ角度δθだけダウン方向に傾斜される。これは、図３及び４に示す構成に対応する（巻回当たり１本のワイヤしか示されていないことを除いて）。アップ方向に傾斜されたコイル２１に全ての電流が流れそしてダウン方向に傾斜されたコイル２２に全く電流が流れない場合には、保証質量３は、ｘ軸と角度δθでアップ方向に傾斜したコイルと平行に整列される。同様に、ダウン方向に傾斜したコイル２２に全ての電流が流れそしてアップ方向に傾斜したコイル２１に全く電流が流れない場合には、保証質量は、ｘ軸と角度−δθでダウン方向に傾斜したコイルに対して平行に整列される。中間電流分布の場合には、感知軸は、これら２つの限界角度の間に存在する。
【００６５】
これらコイルは多数の異なる方法で巻くことができ、そして各コイルを平行な多数のワイヤとしてアップ方向に傾斜させそしてダウン方向に傾斜させることにより電流逆転部の間の距離を変更することができる。これは、図１０及び４においてコイル２１、２２で示されている。各溝には、多数のワイヤを並列に配置することができる。これは、浮揚力を大きく分離させ、バネ定数を下げそして大きなダイナミックレンジを付与できるという効果を有する。
【００６６】
実際に、保証質量は、一般に、２つのコイルを等しい電流で付勢することによって支持される。次いで、保証質量を水平にするための最終的な調整が、２つのコイルに差の電流を送ることによりなされる。各コイルの電流を制御することにより、保証質量が最適な整列をもつような結果が得られる。
【００６７】
全く独立して、第２の保証質量４も、第１の保証質量３と同一直線上となるように同様に整列することができ、これは、正確な測定を行うための重要な要件である。
【００６８】
図１１及び１２は、本発明に使用するためのコイル型１の例を示している。型の表面にはコイル巻線を受け入れるために長手方向に多数の溝１９、２０が切られており、これらの溝は、金属のコイル型の場合にはワイヤ放電加工（ＥＤＭ）によって切られる。
【００６９】
型１は、通常、サファイア又は適当な絶縁材料で作られ、中空の中央部分３５を有している。これらワイヤは、絶縁されたニオブ線であって、サファイアの型１の溝１９、２０に適当な接着剤と共に配置されて、そこに接合される。
【００７０】
或いは又、型は銅であってもよく、そしでワイヤは、その銅の型１に直接接合される銅被覆ニオブ又はニオブ／チタンであってもよい。
【００７１】
ニオブ−チタン（ＮｂＴｉ）ワイヤで遭遇する問題は、磁束クリーブである。これを減少するために、マルチフィラメントのＮｂＴｉ銅クラッドワイヤ、例えば、直径が０．１ｍｍの６０フィラメントＮｂＴｉワイヤを使用できる。
【００７２】
銅の型にワイヤを接合する目的は、感知軸共振を除く全てについての受動的な制動を達成することである。それとは別にそしてより容易なことに、これらの共振は、当該コイルの外部の抵抗器を用いて受動的に制動することができ、これら抵抗器は絶縁性の型に取り付けることができる。
【００７３】
図１３は、上記の２組の加速度計を組み込んだＳＧＧのハウジングを示す断面図である。ハウジング、及びビヒクル（図示せず）のような固体支持体は、プラットホームを形成し、その動きが、ＳＧＧから得られる結果に影響を及ぼし得る。ハウジングは、使用の際に液体ヘリウムのバスにおいて冷却される。内側の型１、２及び外側の型（３３、３４）及び（３３’、３４’）は、ニオブ（Ｎｂ）の内部チューブ１４に取り付けられ、そしてＮｂの外部ハウジング１１でシールドされる。ハウジングは一般に加速度計を取り巻く円筒であり、ＳＱＵＩＤのハウジングを形成する空洞１６と、電気ワイヤ１５のジャンクションボックスのための空洞１８とが設けられる。Ｎｂカバー１７、１９がこれら空洞の上に設けられる。加速度計を取り巻く超伝導ハウジングは、電気的及び磁気的な干渉による不当な外部の影響を受けないように確保する。ハウジングは全ての周波数においてシールド作用を与えるが、重力については透過的である。付加的な外部遮蔽が低温装置（図示せず）によって与えられる。浮揚コイルの型１、２は、銅又はアルミニウムのような金属であってもよいし、或いはマコア、石英又はサファイアのような絶縁体であってもよい。感知コイルは、マコア、溶融石英又はサファイアのコイル型３３、３４、３３’、３４’に取り付けられる。
【００７４】
異なる量の電流を種々の整列コイルに蓄積する方法は多数ある。その一例が図１４に示されている。保証質量３のための４つのｚ軸整列コイル１２２’、１２２、１２１、１２１’（各々Ｌz11+、Ｌz12+、Ｌz12-、Ｌz11-）が全て一緒に接続され、永続電流Ｉz1が蓄積されるループが形成される。同様に、保証質量４のための４つのｚ軸整列コイル１２３’、１２３、１２４、１２４’（各々Ｌz21+、Ｌz22+、Ｌz22-、Ｌz21-）が全て一緒に接続され、永続電流Ｉz2が蓄積されるループが形成される。
【００７５】
これら２つの超伝導コイルは、インダクタＬz3及びシャント抵抗器Ｒz3に並列に接続され、同じ傾斜（即ち、テーパ）をもつコイルがループの同じ枝路に常に留まるようにする。インダクタＬz4及びシャント抵抗器Ｒz4を含む別の超伝導ループが、変成器を通して、Ｌz3を共有する２つのループに接続される。
【００７６】
永続的な電流Ｉz1−Ｉz4は、超伝導ループに接続されたリードを経て電流源からの電流を注入することにより蓄積又は変更され、これら電流により熱スイッチ抵抗器１２４、１２５、１２６、１２７が作動される。
【００７７】
電流Ｉz1及びＩz2は、保証質量３及び４を浮揚し、ｚ及θy（ｙ軸のまわりの回転）自由度に対してスチフネスを与える。ここで、永続電流Ｉz3がインダクタを介して蓄積された場合には、この電流が整列コイルを含む４つの経路に分割され、アップ方向に傾斜された（又はアップ方向にテーパ付けされた）コイルを通る電流を弱めると共に、ダウン方向に傾斜された（又はダウン方向にテーパ付けされた）コイルを通る電流を強める。それ故、両保証質量はダウン方向に傾斜
な値に減少できると共に、ｙ軸のまわりの角加速度αyに対するＳＧＧの感度を排除することができる。
【００７８】
Ｌz4を含むループに永続電流Ｉz4が蓄積される場合には、これが主ループに遮蔽電流を誘起し、保証質量３において、アップ方向に傾斜した（又はアップ方向にテーパ付けされた）コイルの電流が増加しそしてダウン方向に傾斜した（又はダウン方向にテーパ付けされた）コイルの電流が減少し、保証質量をアップ方向に傾斜させる。電流Ｉz4は、保証質量４において電流に逆の作用を誘起し、保証質量をダウン方向に傾斜させる。それ故、右方向を選択しそして熱スイッチ１２
意の小さな値に減少できると共に、ｚ軸のまわりの直線加速度ａzに対するＳＧＧの感度を排除することができる。
【００７９】
シャント抵抗器Ｒz3及びＲz4は、保証質量の角共振加速度（αy）及び直線共振加速度（ａz）の受動的な制動を行う。
【００８０】
図１４に示すものと同様の回路が、ｙ軸整列コイルに対しても設けられる。
【００８１】
従来の感知回路とは異なり、ｘ軸感知コイルに対する差動モード及び共通モード感知回路は分離される。これは、共通モード加速度が差動モード回路においてバランス除去されるだけでなく、差動モード加速度が共通モード回路においてバランスされ、これにより、２つの感知回路を互いに実質的にデカップリングするという改善を与える。これは、共通モードに対して受動的な制動を使用できるようにする一方、熱的なブラウン運動ノイズの増加を回避するために差動モードに対して要求される能動的な制動を差動モードに対して使用できるようにする。
【００８２】
差動モード感知回路が図１５に示されている。電流Ｉd1、Ｉd2は、差動モード共振周波数を同調する。比Ｉd2／Ｉd1は、差動モード（ΓXX）ＳＱＵＩＤ１２８の出力において共通モードをバランス除去する（つまり、ＳＱＵＩＤ１２８が共通モードに対して何らの応答も示さないように、例えば、Ｉ d2 を僅かに変化させる）ように調整される。Ｉd3は、広帯域共通モードバランスを達成するために使用される。
【００８３】
共通モード感知回路が図１６に示されている。電流Ｉc1、Ｉc2は、共通モード共振周波数を同調する。比Ｉc2／Ｉc1は、共通モード（ａx）ＳＱＵＩＤ１２９の出力において差動モードをバランス除去するよう調整される。Ｒc3（１３０）は、共通モードを受動的に制動するためのシャント抵抗である。差動モードは、ＳＱＵＩＤに接続されるＬc3経路からバランス除去されている（つまり、ＳＱＵＩＤ１２９が差動モードに対して何らの応答も示さないように、例えば、Ｉ c2 を僅かに変化させている）ので、Ｒc3は差動モードを制動しない。
【００８４】
差動モードの能動的な制動は、次の手段によって達成される。差動モードＳＱＵＩＤ１２８の出力Γxxは、その共振点のまわりの狭帯域であって、９０°移相されて制動項を形成する。この電圧信号は、電流信号ｉdに変換され、共通モード感知回路のインダクタＬc5へフィードバックされる。この電流は、差動モード共振を制動する。もし所望ならば、Ｌc5を介して力再バランスフィードバックを与えることもできる。
【００８５】
高い勾配感度をもつためには、差動モード周波数を低く維持しなければならない。一方、プラットホームの振動及びアンバランスな差動モードフィードバック電流に対する保証質量の共通モード応答を減少するためには、共通モード周波数をできるだけ高くしなければならない。本発明では、これは、共通モード回路の感知コイルインダクタンスに比してＬc3を小さくしそしてＬc4を大きくして、
共通モード及び差動モードが各々ほとんど短絡した又はほとんど開路した出力インダクタンスを見るようにすると共に、差動モード感知電流を低くしそして共通モード感知電流を高くすることにより達成される。
【００８６】
差動モード及び共通モードに対して個別の回路を設けることにより、差動モードを共通モード回路においてバランスすることができると共に、各回路の感度を独立して調整することができる。共通モード回路における差動モードのバランスは、差動モード及び共通モードが同じ組のコイルから測定される従来の構成では行うことができない。
【００８７】
差動モード及び共通モードの周波数は、感知軸に沿って付加的な超伝導の負のバネを付与することにより更に分離することができる。
【００８８】
負のバネを与える１つの方法は、図１７に示すように、カーブした浮揚コイルを使用することである。凹状の浮揚コイル４４Ａ、４４Ａ’（４４及び４４’と同様の）は、保証質量３のｘ位置に対して不安定平衡を形成し、ｘ方向に負のバネを効果的に形成する。
【００８９】
別の構成は、リング状の超伝導コイル４５を保証質量３の中央リング１０１の外側に配置することによるもので、中央リングの表面は、この場合には、図１８に４７で示しそして図１９の拡大図に４７で示すように丸みつけされている。コイル４５に蓄積された永続的電流は、保証質量３のｘ位置に対して不安定平衡を形成し、所望の負のバネを与える。負のバネは、差動モード周波数をほぼ０に減少する一方、共通モードに対して比較的高い周波数を維持し、これにより、ＳＧＧの感度及び共通モード除去を改善することができる。
【００９０】
図２０及び２１は、本発明の第２の特徴による保証質量支持システムの第１及び第２の実施例を示している。
【００９１】
ｘ軸（θx）のまわりでの保証質量の回転は、保証質量の表面の不規則性を勾配計においてノイズに変換する。θx回転は、図２０に示すように、外部型（図示せず）の内周に等離間された２つの単一巻回の抗回転コイル４８、４９を設けることにより停止することができる。保証質量３には４つの整合溝５０が設けられる。２つのループに蓄積される永続的電流は、保証質量にθx方向の回復力を与え、従って、保証質量の無制御回転を防止する。
【００９２】
回転を防止する別の方法が図２１に示されており、図２０に示された溝５０に代わって、例えば、円形の溝５５の形態の欠切部が保証質量３の内部長さ全体に沿って作られる。パンケーキ型の抗回転コイル５１、５２、５３、５４（Ｌz'11、Ｌz'12、Ｌy'11、Ｌy'12）は、浮揚コイルの型１に巻かれる。ｙ’及びｚ’軸は、ｙ及びｚ軸から４５°回転された軸である。保証質量は、欠切部５５がコイル５１ないし５４に対向するときに最小エネルギー位置となる。これらの抗回転コイルは、ｚ及びｙ軸の運動を強化する際に別の有用な機能を有する。上方コイル５２及び５３が使用される場合に、これらコイルは、重力（負のｚ方向）に対して付加的な浮揚力を与えると共に、コイルの型及び保証質量を同心状態に近づける助けをする。ゼロｇの環境においては、抗回転コイルは、曲がりくねったパターンの整列コイル４２、４２’、４４、４４’の電流が小さく保たれる場合にｙ及びｚ運動に対して主たる強化要素となり得る。曲がりくねったパターンのコイルに流れる小さな電流は、最終的に、感知軸に対し非常に低い共振周波数をもたらす。
【００９３】
保証質量がコイルの型のまわりで対称的に浮動するときには、曲がりくねったパターンのコイルは、もはや浮揚力を与えない。コイルＬz12-により与えられる浮揚力は、コイルＬz11-によって厳密に打ち消される。しかしながら、これらコイルは、依然として、ここではその主たる機能であるスチフネス及び整列制御を与える。
【００９４】
ゼロｇの場合に、全ての抗回転コイルは、回転を防止する目的で付勢される。地球の重力において、永続的電流を搬送する必要があるのは上方コイル５２及び５４のみである。
【００９５】
抗回転コイルは、半径方向の直線及び角加速度を感知するのに使用される。図２２には、保証質量３の抗回転コイルＬz'11及びＬz'12（５１、５２）と、保証質量４に関連した対応コイルＬz'21及びＬz'22（５６、５７）を感知ＳＱＵＩＤ５８及び５９に接続する感知回路が示されている。電流Ｉz'1及びＩz'2が図示された方向に蓄積された状態では、ＳＱＵＩＤ５８、５９は、ｚ’軸に沿った直線加速度（ａz'）と、ｙ’軸のまわりでの角加速度（αy'）を各々測定し、ここで、ｙ’及びｚ’は、ｙ及びｚ軸から４５°回転された軸である。抗回転コイルＬy'11、Ｌy'12、Ｌy'21及びＬy'22に対しても同様の回路を設けて、ｙ’軸に沿った直線加速度（ａy'）及びｚ’軸のまわりでの角加速度（αz'）を感知することができる。
【００９６】
ｙｚ座標における加速度成分は、ｙ’ｚ’座標において測定された加速度成分から次の式により得ることができる。
【００９７】
角加速度出力αy及びαzを積分してプラットホームの角速度Ωy及びΩzが得られ、これを用いて遠心加速に必要な修正を行うことができる。
【００９８】
シャント抵抗器Ｒz'3及びＲz'4は、半径方向並進移動（ａz'）及び回転（αy'）モードに対して受動的な制動を与える。
【００９９】
出力インダクタンスＬz'3、Ｌz'4は、パンケーキ型コイル（５１、５２、５６、５７）のインダクタンスに比して小さく保持され、半径方向並進移動及び回転自由度の両方に対して最大のスチフネスを得ると共に、ＳＱＵＩＤ５８及び５９のオーバーロードを防止する。これは、ＳＱＵＩＤ入力コイルにまたがる小さなシャントインダクタンスを付加することによって達成される。
【０１００】
勾配計は完全に超伝導であるから、低温装置に保管して必要な動作温度まで冷却しなければならない。航空機搭載の用途では、デューアのサイズを、例えば、４フィート高さｘ２フィート外径までに保持することが所望される。液体ヘリウムは、真空ジャケット内部のミューメタル又はクライオペルム（ｃｒｙｏｐｅｒｍ）シールド内に保管される。真空ジャケットは、貫通溶接によりニオブから形成することができる。３次元測定を行うべき場合には、勾配計は３点懸架を必要とする。
【０１０１】
浮揚式保証質量の勾配計は、多数の利点を有する。低い共振周波数を用いることにより、高い感度を得ることができる。１０-3ないし１０-1Ｈｚの信号帯域巾の場合には、ωd／２πをほぼ０．２Ｈｚにおいて維持することができ、但し、ωdは差動モードの共振周波数である。所与の周波数における変位は、次の式で表される。
【０１０２】
得られたωd／２πの値は、ωd／２πが５ないし１０Ｈｚの範囲にあるところの機械的なバネをもつ勾配計に勝る著しい改善であり、従って、本発明において１０-3Ｅ Ｈｚ-0.5の勾配感度を得るには０．１ｋｇの保証質量で充分である（但し、１Ｅ＝１０-9ｓ-2である）。
【０１０３】
更に別の特徴は、改善された整列により良好な共通モード除去が得られることである。整列コイルの特定の配列において、直線及び角加速度の両方に対し完全な整列が得られる。機械的に懸架される保証質量は、１０-3ないし１０-4の間の
少することができる。
【０１０４】
図２３ないし２６を参照し、上記の単一軸の重力勾配計に対する多数の別の構成を以下に説明する。これら構成の各々は、本発明の第１及び第２の特徴による保証質量支持システム及び／又は本発明の第３の特徴による感知システムを組み込むことができる。
【０１０５】
３軸重力勾配計
ほとんどの環境においては、重力勾配テンソルの異なる成分を測定するために多数の勾配計が並列に使用される。特に有用な１つは、Γxx、Γyy及びΓzzを測定する３軸インライン成分勾配計である。この構成の主たる利点の１つは、自由空間において
という事実に関連している。
【０１０６】
対角方向エレメントの和がゼロであることは、このような計器にとって非常に有用な自己チェック特徴であり、最も感度の高い測定を行えるようにする。上記の単一軸勾配計を３軸構成において使用して、このような構成が付与する全ての利点を発揮できることが明らかである。
【０１０７】
その構成が図２３に概略的に示されている。インライン保証質量２３０、２３１、２３２の対より成る３つのインライン重力勾配計は、それらの感知軸が３つの直交する方向（ｘ、ｙ、ｚ）にあるように構成される。地球のフィールドにおいては、全ての軸が重力の方向に対して同じ角度をとるように「雨傘」構成がしばしば使用される。従って、各成分はほぼ同じであり、それらの和がゼロであるときには、その各々が小さな信号のみを測定する。
【０１０８】
ＳＱＵＩＤ感知及び浮揚回路、整列コイル及び負のバネは、全て、上記単一軸勾配計と実質上同様に適用される。
【０１０９】
２成分加速度計
本発明の更に別の実施例が、保証質量６０をもつ第１加速度計及び保証質量６１をもつ第２加速度計を備えた２成分加速度計の概略図である図２４に示されている。各加速度計は、ｘ方向の加速度／重力を感知する。
【０１１０】
単一軸勾配計について既に示したのと同様にＳＱＵＩＤ検出回路を結合することにより、感知軸に垂直なベースラインにわたり２つの保証質量間の加速度の差を測定することができる。この装置は、クロス成分重力勾配が存在しないところで角加速度を測定する。
【０１１１】
又、別のＳＱＵＩＤ回路を用いると、直線加速度ａxも測定できることが明らかである。従って、この計器は、ａx、及びαzを測定するように構成することができる（即ち、２成分加速度計である）。上記した重力勾配計の場合と同様に、図２４の構成を用いて他の全ての加速度成分も測定できるが、感度は低下する。
【０１１２】
クロス成分重力勾配計
図２５に示すように感知軸が互いに直交する２つのこのような２成分加速度計を組み合わせることにより、クロス成分重力勾配計を形成することができる。この勾配計は、一対の保証質量１７０、１７１を含む第１の２成分加速度計と、一対の保証質量１７２、１７３を含む第２の同一平面の２成分加速度計とを備えている。図２５に示すように永続的電流が蓄積される状態で、ＳＱＵＩＤ１４４、１４５は、クロス成分重力勾配Γxy及び角加速度αzを各々測定する。
【０１１３】
感知軸は、上記の勾配計に使用したものと同じ手順を用いることによって整列することができる。
【０１１４】
差動加速度計
この２成分加速度計を拡張すると、保証質量が同じ感知軸及び同じ重心をもつものとなる。これは、差動加速度計（図示せず）を形成し、その整列手順は単一軸ＳＧＧに対するものと同一である。
【０１１５】
差動加速度計において異なる材料の２つの保証質量を形成することによりアインシュタインの等価原理をテストすることができる。
【０１１６】
６軸加速度計
３つの２成分加速度計を使用することにより、６つの考えられる加速度成分、即ち３つの直線加速度及び３つの角加速度を全て測定する計器を形成することができる。
【０１１７】
この構成は、図２６に示す６軸加速度計と概念的に同様に見える。これは、３つの２成分加速度計２７０、２７１、２７２を直交配列したものより成る。
【０１１８】
テンソル重力勾配計
図２２に示す半径方向感知回路を図２３の６軸勾配計又は図２６の６軸加速度計に使用することにより、３つのインライン及び３つのクロス成分重力勾配を全て測定するテンソル重力勾配計を、測定回路の倍率の整合を確保することにより構成することができる。
【０１１９】
ｙ及びｚ軸整列コイルの更に別の実施例が、単一保証質量支持システムのｚ軸整列コイルの断面図である図２７に示されている。この場合に、上方のｚ軸整列コイル１７５、１７６と、下方のｚ軸整列コイル１７７、１７８は、従来の曲がりくねったパターンのコイル又はパンケーキ型コイルである（即ち、その各々はｘ方向に実質的に一定の浮揚力を与える）。しかしながら、コイル１７５ないし１７８は、保証質量１７９の質量中心に対して変位されるので、それらの浮揚力はｙ軸のまわりのモーメントを与える。それ故、隣接コイル１７５、１７６及び１７７、１７８により与えられる相対的な浮揚力を調整することにより、保証質量の感知軸をｘ軸と整列することができる。図１４に示す回路において、コイル１２２、１２２’に代わってコイル１７５、１７８（図２７に示す）を使用しそして１２１、１２１’に代わってコイル１７６、１７７を使用する場合には、整列回路が同様に機能する。ｙ軸整列コイル（図示せず）も同様に配列される。
【０１２０】
アインシュタインの等価原理により、上記した全ての単一保証質量加速度計は重力計でもあり、従って、高感度の重力計としても明らかに使用できることに注意されたい。
【０１２１】
上記の保証質量支持システムは、全て、浮揚コイルを用いて超伝導保証質量を浮揚する（マイスナー効果により）もので、機械的なバネを使用するものではない。しかしながら、別の実施例においては、保証質量（１つ又は複数）における浮揚力の一部分を片持梁バネによって与えることもできる。
【０１２２】
本発明の第１及び第２の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ加速度計又は重力勾配計の典型的な用途は、超高感度重力測定、重力勾配及び加速度測定が必要とされるあらゆる分野である。
【０１２３】
重力勾配計は、重力勾配を予想値と比較することにより核弾頭がデコミッショニングされたことをテストするのに使用される。鉱石、石油及びガスの踏査に対し地表面上に計器を移動することにより重力場の低ノイズ再構成を達成することができる。
【０１２４】
重力計又は重力勾配計は、地震又は火山活動の前に地球のマントル及び地殻の動きを検出するのに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ勾配計の一部分の分解図である。
【図２】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ勾配計の一部分の縦断面図である。
【図３】 図２のＡ−Ａ線に沿った横断面図である。
【図４】 図３の断面の一部分の詳細図である。
【図５】 図３に示す勾配計の一般的な整列エラーを示す図である。
【図６】 整列コイルが作動された状態の図２の勾配計の一部分の断面図である。
【図７】 勾配計のコイル巻線に影響するパラメータを示す図である。
【図８】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムの一対のインターリーブされた巻線を示す平面図である。
【図９】 図８の巻線の断面図である。
【図１０】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムの一対のインターリーブされた巻線に対する別の構成を示す平面図である。
【図１１】 本発明の第１及び／又は第２の特徴による保証質量支持システムの型の一例を示す図である。
【図１２】 図１１の型の断面図である。
【図１３】 ハウジングを含む本発明の第１及び／又は第２の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ勾配計の断面図である。
【図１４】 ｚ軸整列コイルの回路図である。
【図１５】 ｘ軸感知コイルの回路図である。
【図１６】 ｘ軸感知コイルの回路図である。
【図１７】 負のバネを形成するカーブした浮揚コイルを使用する保証質量の縦断面図である。
【図１８】 負のバネを形成するリング状コイルを用いた別の保証質量の縦断面図である。
【図１９】 図１８の部分拡大図である。
【図２０】 本発明の第２の特徴による第１の保証質量支持システムの断面図である。
【図２１】 本発明の第２の特徴による別の回転防止構成を示す断面図である。
【図２２】 本発明の第３の特徴によるｚ’軸抗回転コイルの回路図である。
【図２３】 多軸勾配計の構成を示す図である。
【図２４】 ２成分加速度計の構成を示す図である。
【図２５】 クロス成分重力勾配計の感知回路及び保証質量構成を示す図である。
【図２６】 ６軸加速度計の構成を示す図である。
【図２７】 本発明の第１の特徴による別の保証質量支持システムの断面図である。
【符号の説明】
１ 内部型
３、４ 保証質量
５、６、７、８ ｘ軸感知コイル
１６、１８ 空洞
１９、２０ 溝
２１、２２ コイル
３３、３４ 外部型
３６ 傾斜軸
４２、４４ 整列コイル
１００ 本体区分
１０１ リング
【産業上の利用分野】
本発明は、超伝導加速度計又は重力勾配計に特に使用される保証質量支持及び感知システムに係る。
【０００２】
【従来の技術】
既知の超伝導重力勾配計（ＳＧＧ）は、非常に感度の高い超伝導量子干渉装置（ＳＱＵＩＤ）を使用して、重力信号により装置に誘起された磁束を測定する。勾配計は、超伝導保証質量及びそれに関連した支持システムを含む加速度計を組み込んでおり、その変位によって感知コイルのインダクタンスが変調される。閉ループ感知コイル回路の磁束は一定に維持されるべきものであるから、感知コイルのインダクタンスが変化すると、電流が流れ、これがＳＱＵＩＤ入力コイルによって感知される。
【０００３】
ＵＳ−Ａ−４８４１７７２は、温度上昇の影響を克服するために保証質量の同じ側に感知コイル及び浮揚コイルが取り付けられた勾配計を開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
勾配計は、望ましくは、共通モード信号を除去しなければならないが、これを行う能力は、整列エラーを最小にすることに依存している。従来の保証質量支持システムは、これらの整列エラーを最小にする手段を有していない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、保証質量の休止位置を制御するための一対の整列コイルを備えた保証質量支持システムであって、上記整列コイルは、上記保証質量の長さに沿って変化する電流を搬送するときに浮揚力を発生するように構成され、そして上記整列コイルにより定められた１つ以上の自由度に対し超伝導保証質量に所定の向きをとらせるように上記整列コイルにおける電流の相対的な強度をチューニングする手段を備えた保証質量支持システムが提供される。
【０００６】
保証質量は、その位置を微調整することのできるチューニング可能な整列コイルを設けることにより感度的に整列できることが分かっている。これは、通常、保証質量の質量中心に対して合成モーメントをもつ浮揚力を与える（即ち、保証質量に対して回転及び直線加速度を与える）整列コイルの対を設けることにより達成される。典型的に、これらコイルの一方は、所与の軸のまわりで時計方向の回転力を与え、そして他方のコイルは、その同じ軸に対して反時計方向の回転力を与える。これは、コイル対の合成回転力を、それらの相対的な強度を変更することにより制御できるようにする。
【０００７】
典型的に、本システムは、関連する調整可能な支持システムを各々有する２つ以上の保証質量を備えた加速度計又は重力勾配計の一部分として設けられ、これにより、整列エラーを実質的に克服することができ、即ち各保証質量が実質的に同一直線上となるか又は互いに垂直となるよう確保するように保証質量の向きを制御できる。
【０００８】
単一の保証質量のみを備えた加速度計の場合に、本発明による調整可能な支持システムは、加速度計の感知軸を重力場に対して正確に整列することができる。
【０００９】
典型的に、保証質量はニオブのような超伝導材料で形成され、マイスナー効果により浮揚される。或いは又、保証質量は非超伝導材料であって、渦電流を用いることにより浮揚されてもよい。
【００１０】
保証質量が超伝導である場合には、整列コイルも、電流を永続的な超伝導電流とし得る超伝導材料（ニオブ又はニオブ／チタンのような）で形成されるのが好ましい。
【００１１】
或いは又、整列コイルは、通常の金属で形成されて、渦電流浮揚のための交流電流を搬送してもよい。
【００１２】
以下の説明において、１組の直交するｘ、ｙ及びｚ軸が使用され、一般に次のように定められる。
【００１３】
整列コイルは、ｘ方向に変化する浮揚力を与える。一般に、この方向は、保証質量の感知軸と平行である。通常、保証質量は円筒状であり、ｘ軸はこの円筒の回転軸に沿って存在するものと定められる。ｙ及びｚ軸はｘ軸から垂直に延び、
【００１４】
通常、整列コイルは、保証質量の長さに沿って延びる細長いコイルであって、電流を搬送するときにそれらの長さに沿って変化する浮揚力を与えるように構成された細長いコイルより成る。
【００１５】
この場合に、整列コイルは、通常、第１方向に延びる細長い曲がりくねったパターンのコイルを備え、このコイルは、第１方向に垂直な第２方向に、コイルの長さに沿って変化する浮揚力を発生する。これは、第１及び第２方向に実質的に垂直な軸のまわりの回転を、コイル対における電流の相対的な強度をチューニングすることによって制御できることを意味し、各コイルは実質的に同じ方向に延びそしてその浮揚力はそれらの長さに沿って互いに逆方向に変化する。例えば、コイルの対は、上部ｚ軸整列コイル（負のｚ方向に浮揚力を与える）を備え、これは、ｘ方向に延びていて、ｙ軸のまわりで保証質量を回転するように変化することのできる可変の力をｘ軸に沿って与える。又、通常、支持システムは、一対の下部ｚ軸整列コイル（正のｚ方向に浮揚力を与える）と、付加的な２対の左右のｙ軸整列コイルとを備え、これらも全てｘ方向に延びる。
【００１６】
細長い整列コイルにより与えられる浮揚力は、コイルから保証質量の表面までの距離、或いはコイルの単位長さ当たりの巻回数の一方又は両方を変えることによって変化し得る。
【００１７】
コイルから保証質量の表面までの距離は、型の表面にコイルを巻くことによって変えることができ、型は、その長さに沿って深さの増加する溝を有する。
【００１８】
好ましくは、勾配計は、更に、整列コイルが巻かれる加工された溝を有する型を備え、溝の深さは、型の長さに沿って一定量だけ増加する。この深さの変化は整列コイルの対間にクロスオーバー作用を発生する。
【００１９】
典型的に、整列コイルは、実質的に円筒状の型に巻かれる。
【００２０】
１つの例において、整列コイルは、多数の平行なワイヤのインターリーブされたセットを備えている。
【００２１】
多数の平行なワイヤがコイル型の表面を取り巻くように整列コイルのインターリーブされたセットを巻くことにより、電流逆転の間の距離を長くすることができ、そして保証質量を更に浮揚し、バネ定数を減少し、ダイナミックレンジを広げ、そして加工裕度を低減することができる。
【００２２】
或いは又、整列コイルは、溝に巻かれた一対の非平行なインターリーブされたコイルを備えている。
【００２３】
別の例において、コイルは、一対の実質的に平行なテーパ付けされたコイルで構成されてもよい。
【００２４】
整列コイルはニオブのような適当な超伝導材料で作られ、そして型は、石英、マコア（ｍａｃｏｒ）、サファイア又は他の適当な絶縁体である。或いは又、整列コイルは、銅の型に巻かれて接合された銅被覆ニオブ又はニオブ／チタンワイヤより成る。
【００２５】
上記の整列コイル（それらの長さに沿って可変浮揚力を与える）とは別に、コイルの対は、保証質量の質量中心に対して変位された従来のコイル（一般にそれらの長さに沿って実質的に一定の浮揚力を与える）であってもよい。
【００２６】
又、支持システムは、通常、ｘ軸（この場合は、加速度計の「感知軸」）に沿った保証質量の移動を検出するための感知コイルも備え、これも、正及び負のｘ方向に浮揚力を与える。ｘ軸感知コイルは、典型的に、感知軸に沿って所要の低いバネ定数を与えるパンケーキ型コイルである。
【００２７】
ｘ、ｙ及びｚの感知及び整列コイルのこの全要素は、いかなる方向を向く重力場においても保証質量を浮揚できるようにする。
【００２８】
一般的に、保証質量は、実質的に円筒状である。
【００２９】
２つの保証質量を備えた重力勾配計の場合に、通常、各保証質量に、１つ以上の差動モード感知コイルと、１つ以上の共通モード感知コイルとが設けられる。差動モード感知コイルは、２つの保証質量の差の動きを検出する差動モード感知回路へ接続される。共通モード感知コイルは、共通の動き（即ち、同じ方向の）を検出する共通モード感知回路に接続される。好ましくは、共通モード及び差動モード感知回路は互いにデカップルされる。これは、大きな共通モードバックグランドに関わりなく小さな差動信号を正確に測定できるようにする。典型的に、共通モード感知回路は受動的な制動手段を備え、そして差動モード感知回路は能動的な制動手段を備えている。
【００３０】
従来の保証質量支持システムは、感知軸のまわりで保証質量を回転することができ、これは測定エラーを招く。
【００３１】
本発明の第２の特徴によれば、保証質量支持システムは、少なくとも１つの保証質量と、１組のコイルとを備え、その少なくとも１つは保証質量に浮揚力を与えるように構成されそしてその少なくとも１つは抗回転コイルより成るもので、この抗回転コイルに電流が流れたときに保証質量に回復力を与えるように構成され、上記保証質量は上記回復力と共働するように形成され、これにより、回復力が保証質量を所定の回転方向に向けさせる。
【００３２】
本発明の第２の特徴による支持システムは、保証質量の向きを制御するための別の方法を提供する。浮揚力を与える浮揚コイル（１つ又は複数）は、従来型のものでもよいし、或いは本発明の第１の特徴による整列コイルでもよい。
【００３３】
通常、保証質量は、抗回転コイルと整列する傾向があって低エネルギー配向を用いたくぼみをもつ超伝導材料で形成される。例えば、抗回転コイルは、ｘ方向に延びるパンケーキ型のコイルであって、これも又ｘ方向に延びる保証質量の溝と整列するようなパンケーキ型のコイルで構成される。これは、保証質量が低エネルギー配向を採用するようにさせ、ｘ軸のまわりでの保証質量の回転を実質的に防止する。
【００３４】
又、抗回転力コイルが浮揚力を与えてもよく、この場合には、付加的な浮揚力コイルが必要とされない。
【００３５】
２つの保証質量を有する従来の加速度計又は重力勾配計は、単一の感知軸に沿った各保証質量の加速度のみを測定する。
【００３６】
本発明の第３の特徴によれば、関連感知システムを各々有する第１及び第２の保証質量を備えた加速度計又は重力勾配計であって、上記感知システムは、
（ｉ）保証質量の分離に対して平行な第１方向に保証質量の加速度を感知するように保証質量に対して配向された第１感知コイル（１つ又は複数）と、
（ｉｉ）第２方向に保証質量の加速度を感知するように保証質量に対して配向された第２感知コイル（１つ又は複数）と、
（ｉｉｉ）第３方向に保証質量の加速度を感知するように保証質量に対して配向された第３感知コイル（１つ又は複数）と、
を備えた加速度計又は重力勾配計が提供される。
【００３７】
これは、更に、加速度又は重力勾配成分を測定できるようにする。
【００３８】
通常、第２の方向は第１の方向に直交し、そして第３の方向は第１及び第２の両方の方向に直交する。
【００３９】
通常、各保証質量に関連した第１の感知コイル（１つ又は複数）は、第１方向に沿った保証質量の直線差動及び共通モード加速度を測定する回路（１つ又は複数）に接続される。通常、各保証質量に関連した第２の感知コイル（１つ又は複数）は、第２方向に沿った保証質量の差動及び共通モード加速度を測定する回路（１つ又は複数）に接続される。共通モード信号は、第２方向に沿った保証質量の直線加速度を与える。差動モード信号は、第３軸のまわりの保証質量の回転加速度を与える。
【００４０】
同様に、各保証質量に関連した第３の感知コイル（１つ又は複数）は、通常、第３方向に沿った保証質量の直線加速度と、第２方向のまわりの回転加速度とを測定する回路（１つ又は複数）に接続される。
【００４１】
本発明の第３の特徴により３つの重力勾配計又は加速度計を組み合わせることにより、重力勾配テンソルの全ての成分を測定するテンソル重力勾配計を構成することができる。
【００４２】
通常、第２及び第３組の感知コイルは、本発明の第２の特徴による抗回転コイルを備えている。即ち、勾配計又は２成分加速時計における２つの保証質量の抗回転コイルは、半径方向直線及び角加速度に対する感知回路の一部分として組み合わせることができる。
【００４３】
次の説明は、本発明の全ての特徴によるシステムに関連したものである。
【００４４】
好ましくは、各保証質量は、表面積対体積の比が大きく、そして重力に対する保証質量の浮揚が実質的に全ての方向に生じる。
【００４５】
典型的に、各保証質量は、実質的に円筒状である。
【００４６】
本発明の第１及び第２の特徴による浮揚コイルに加えて、保証質量に対する付加的な支持体として片持梁スプリングを設けてもよい。
【００４７】
通常、保証質量は、主本体区分及びそこから延びる１つ以上のリングを備え、主本体区分から離れた各リングの表面はカーブしており、そしてリングの表面の半径方向外方にコイルが配置されていて、使用中に、負のバネが形成される。負のバネを形成する別の方法は、１組の凹状整列コイルを設けることであり、これらコイルは、保証質量を浮揚すると共に、使用中に不安定平衡を生じさせて使用中に負のバネが形成されるようにする。
【００４８】
本発明の３つの特徴は、次のものを含む種々様々な加速度計及び重力勾配計構成に組み込むことができる。
１）単一保証質量の加速度計。
２）インライン型重力勾配計（感知軸が同一直線上にある２つの保証質量を有する）。
３）３軸重力勾配計（感知軸が３つの直交方向にある３つのインライン型の重力勾配計より成る）。
４）２成分加速度計（感知軸がそれらの分離に対して垂直な２つの保証質量を備えた）。
５）クロス成分重力勾配計（互いに直交する向きにされた一対の２成分加速度計より成る）。
６）差動加速度計（同じ感知軸及び同一の質量中心をもつ２つの同心的保証質量を有した加速度計）。
７）６軸加速度計（３つの直線加速度計及び３つの角加速度計より成る）。
８）テンソル重力勾配計（３つのインライン勾配計及び３つのクロス成分勾配計より成る）。
【００４９】
【実施例】
以下、添付図面を参照し、本発明による勾配計を一例として説明する。識別の目的で、コイルは、以下の説明においてそれらの主たる機能を示すように「整列コイル」、「感知コイル」及び「抗回転（ａｎｔｉ−ｒｏｔａｔｉｏｎ）コイル」として種々に述べる。しかしながら、ある場合には、これらのコイルは、浮揚といった付加的な機能を与えることもできる。
【００５０】
図１は本発明による保証質量支持システムを備えた加速度計の分解図である。この加速度計は内部型１を備え、その上には超伝導ｙ及びｚ軸整列コイル４２、４４（及び図示されない反対側では４２’、４４’）が取り付けられ、これらのコイルはｘ方向に延びると共に、型１の上に配置される円筒状超伝導ニオブ保証質量３の縁を越えて延びる。外部型３４にはｘ軸感知コイル７、８が巻かれる。更に別のｘ軸感知コイル５、６（図３に示す）は、外部型３３に巻かれる。これらｘ軸コイル５、６、７、８は通常はパンケーキ型コイルであり、即ち実質的に平らなワイヤ螺旋である。
【００５１】
図１に示す保証質量の形状（円筒状殻の主本体区分１００及びその外側のリング又はバンド１０１）は、保証質量を重力に抗して全ての方向に浮揚できるようにする大きな表面対体積比を与えるもので、全ての自由度に対して比較的堅牢な構造をしている。又、この構成は、ｘ方向の動き及び負のバネの（以下に示す）の付与を感知できるようにする。主本体区分には２つ以上のリング１０１を設けてもよく、例えば、各端にリングを設けてもよい。
【００５２】
使用に際し、加速度計は、超伝導性を確保するために液体ヘリウムの温度まで冷却される。
【００５３】
図２は、重力勾配計に使用するための一対の加速度計を示す断面図である。ｙ及びｚ軸整列コイルは、明瞭化のために省略されている。各内部型１、２が設けられ、そして保証質量３、４はこれら内部型の半径方向外方に配置されている。外部型３３、３４（図１に示され、図２には示さず）は、ｘ軸感知コイル、例えば、保証質量３のためのパンケーキ型コイルＬc11、Ｌd11、Ｌc12及びＬd12（各々、５、６、７、８）を支持する。同様に、付加的な外部型（図１３に示す３３’、３４’）は、保証質量４のためのｘ軸感知パンケーキ型コイルＬc21、Ｌd21、Ｌc22及びＬd22（各々、２９、３０、３１、３２）を支持する。図２に示すコイルは各々４巻回を有する。しかしながら、浮揚及び感知回路の要件に対し、必要に応じて、それより多数の巻回を選択してもよいしそれより少数の巻回を選択してもよい。
【００５４】
図３は、図２のＡ−Ａ線に沿った部分断面図であって、ｘ軸感知コイル５、６と、４対のｙ及びｚ軸整列コイル各々４２、４２’及び４４、４４’との関係を概略的に示している。ｙ及びｚ軸整列コイルの対は、一般に、４２（右側対のｙコイルＬy11+/-）、４２’（左側対のｙコイルＬy12+/-）、４４（上方対のｚコイルＬz12+/-）及び４４’（下方対のｚコイルＬz11+/-）で示されている。各対のコイルは、一対のインターリーブされた曲がりくねったパターンのコイル（例えば、左側対のｙコイル４２’の場合は２１（Ｌy12+）及び２２（Ｌy12-）より成る。図３には、整列コイルの一般的な表示Ｌ+。及びＬ-。がなされており、これはコイルの傾斜の方向を示している。図３は負のｘ方向から見た図である。例えば、Ｌ-の指示は、正のｘ方向に進むときに、コイルのｙ又はｚ座標がｘと共に減少する場合に与えられる。それ故、＋及び−の指示は、電流の流れを示すものではなく、傾斜即ちテーパの方向を示すものである（図８ないし１０を参照されたい）。図４は、左側対のｙ整列コイル４２’を詳細に示している。図４から明らかなように、コイル２１（Ｌy12-）及び２２（Ｌy12+）の対の各個別巻回は、３本のワイヤより成る（各ワイヤは、使用中に、他の２つの関連ワイヤと同じ電流を搬送する）。
【００５５】
コイル２１のワイヤは溝１９内に存在し、そしてコイル２２のワイヤは型１の外面１０４において溝２０内に存在する。巻回２１、２２に流れる電流の交番方向が１０２及び１０３で示されている。
【００５６】
従来の単一コイル勾配計においては、保証質量はそれ自体で半径方向浮揚コイルに平行に整列する傾向がある。実際には、保証質量に完全な表面を加工することはできず、これは、保証質量の一端に向かう方がその他端に向かうよりも大きな質量となるようなエラーを招く。この質量はそれに沿った全ての部分で同じ力で支持され、それ故、保証質量は水平にならない。又、加工エラーは、浮揚コイルを水平軸からそらせることにもなる。
【００５７】
本発明の例では、３軸の超伝導重力勾配計（ＳＧＧ）（図２２）において３つの直交方向に同じ保証質量コイル構成が与えられる。図２及び３へ戻ると、コイルＬd11、Ｌd12、６、８及びＬc11、Ｌc12、５、７は、低いバネ定数をもつ浮揚力で保証質量を浮揚すると共に、ｘ方向に沿った保証質量３の差動及び共通モード運動を各々検出する超伝導の螺旋コイルである。Ｌy12-（２１）、Ｌy12+（２２）及びＬy11-（２１’）、Ｌy12+（２２’）は、保証質量１をｙ方向に懸垂する超伝導の曲がりくねったパターンの整列コイル（以下に定める形状を有する）である。同様に、Ｌz11+、Ｌz11-、４４’及びＬz12+、Ｌz12-、４４は、保証質量３をｚ方向に懸垂する超伝導の曲がりくねったパターンの整列コイルである。ｙ及びｚの整列コイルは、高いスチフネス（即ち、高いバネ定数）をもつ力をそれらの各方向に与えるように構成される。保証質量４に対し、対応するコイル構成が与えられる。地球の重力加速度がｚ方向にあるときには、ｚ軸コイルが重力に対して浮揚力を与える。一般に、感知ｘ軸が地球の重力に対して任意の方向を指すときには、全てのコイルが保証質量の浮揚に関与する。
【００５８】
ＳＧＧの保証質量３、４はそれらの各感知軸に沿った重力成分に応答し、そして差動モード感知回路（以下に述べる）がそれにより生じる２つの変位の差を測
【００６１】
ｚ軸整列コイル４４、４４’の各対の１つを考え、そして図６のように、単位面積当たりの浮揚力ｄＦ／ｄＡが２つの対向するコイルにおいてｘ軸に沿って互いに逆方向に変化するように２つのコイルを構成するものとする。例えば、上方の整列コイル４４に対するｄＦ／ｄＡがｘと共に増加しそして下方の整列コイル４４’に対するｄＦ／ｄＡがｘと共に減少する場合には、保証質量３の静止位置は傾斜したものとなる。更に、ｘ方向に加速度又は重力信号がある場合には、保証質量３はその傾斜した軸３６に沿って移動する。というのは、保証質量は、それが前方に移動するにつれて増加した上方の差の力を感じるからである。
【００６２】
ここで、一対の整列コイルを両側に設け、一方の対においては浮揚力がｘに沿って増加しそして他方の対においてはｘに沿って減少するようにした場合に、整列コイルの永続電流を調整することによって所望の量だけ感知軸の整列をアップ又はダウン方向に調整できねばならない。浮揚力は、ｚ軸又はｙ軸のいずれ（又はその両方）に沿ったものでもよい。
【００６３】
曲がりくねったパターンの超伝導コイル１１０（図７）は、ピッチ（ワイヤの隣接巻回間の中心対中心距離）がｗで、超伝導保証質量の表面１１１から距離ｄにあって、電流Ｉを搬送するものであり、次のような単位面積当たりの力を保証質量に及ぼす。
【００６４】
整列コイルを構成する仕方の３つの特定例を以下に述べるが、本発明はこれらに限定されるものではない。その第１（図８及び９に示す）は、２つの相互にインターリーブされた曲がりくねったパターンのコイルを有することであり、その一方２１は小さな角度δθだけアップ方向に傾斜され、そしてその他方２２は同じ角度δθだけダウン方向に傾斜される。これは、図３及び４に示す構成に対応する（巻回当たり１本のワイヤしか示されていないことを除いて）。アップ方向に傾斜されたコイル２１に全ての電流が流れそしてダウン方向に傾斜されたコイル２２に全く電流が流れない場合には、保証質量３は、ｘ軸と角度δθでアップ方向に傾斜したコイルと平行に整列される。同様に、ダウン方向に傾斜したコイル２２に全ての電流が流れそしてアップ方向に傾斜したコイル２１に全く電流が流れない場合には、保証質量は、ｘ軸と角度−δθでダウン方向に傾斜したコイルに対して平行に整列される。中間電流分布の場合には、感知軸は、これら２つの限界角度の間に存在する。
【００６５】
これらコイルは多数の異なる方法で巻くことができ、そして各コイルを平行な多数のワイヤとしてアップ方向に傾斜させそしてダウン方向に傾斜させることにより電流逆転部の間の距離を変更することができる。これは、図１０及び４においてコイル２１、２２で示されている。各溝には、多数のワイヤを並列に配置することができる。これは、浮揚力を大きく分離させ、バネ定数を下げそして大きなダイナミックレンジを付与できるという効果を有する。
【００６６】
実際に、保証質量は、一般に、２つのコイルを等しい電流で付勢することによって支持される。次いで、保証質量を水平にするための最終的な調整が、２つのコイルに差の電流を送ることによりなされる。各コイルの電流を制御することにより、保証質量が最適な整列をもつような結果が得られる。
【００６７】
全く独立して、第２の保証質量４も、第１の保証質量３と同一直線上となるように同様に整列することができ、これは、正確な測定を行うための重要な要件である。
【００６８】
図１１及び１２は、本発明に使用するためのコイル型１の例を示している。型の表面にはコイル巻線を受け入れるために長手方向に多数の溝１９、２０が切られており、これらの溝は、金属のコイル型の場合にはワイヤ放電加工（ＥＤＭ）によって切られる。
【００６９】
型１は、通常、サファイア又は適当な絶縁材料で作られ、中空の中央部分３５を有している。これらワイヤは、絶縁されたニオブ線であって、サファイアの型１の溝１９、２０に適当な接着剤と共に配置されて、そこに接合される。
【００７０】
或いは又、型は銅であってもよく、そしでワイヤは、その銅の型１に直接接合される銅被覆ニオブ又はニオブ／チタンであってもよい。
【００７１】
ニオブ−チタン（ＮｂＴｉ）ワイヤで遭遇する問題は、磁束クリーブである。これを減少するために、マルチフィラメントのＮｂＴｉ銅クラッドワイヤ、例えば、直径が０．１ｍｍの６０フィラメントＮｂＴｉワイヤを使用できる。
【００７２】
銅の型にワイヤを接合する目的は、感知軸共振を除く全てについての受動的な制動を達成することである。それとは別にそしてより容易なことに、これらの共振は、当該コイルの外部の抵抗器を用いて受動的に制動することができ、これら抵抗器は絶縁性の型に取り付けることができる。
【００７３】
図１３は、上記の２組の加速度計を組み込んだＳＧＧのハウジングを示す断面図である。ハウジング、及びビヒクル（図示せず）のような固体支持体は、プラットホームを形成し、その動きが、ＳＧＧから得られる結果に影響を及ぼし得る。ハウジングは、使用の際に液体ヘリウムのバスにおいて冷却される。内側の型１、２及び外側の型（３３、３４）及び（３３’、３４’）は、ニオブ（Ｎｂ）の内部チューブ１４に取り付けられ、そしてＮｂの外部ハウジング１１でシールドされる。ハウジングは一般に加速度計を取り巻く円筒であり、ＳＱＵＩＤのハウジングを形成する空洞１６と、電気ワイヤ１５のジャンクションボックスのための空洞１８とが設けられる。Ｎｂカバー１７、１９がこれら空洞の上に設けられる。加速度計を取り巻く超伝導ハウジングは、電気的及び磁気的な干渉による不当な外部の影響を受けないように確保する。ハウジングは全ての周波数においてシールド作用を与えるが、重力については透過的である。付加的な外部遮蔽が低温装置（図示せず）によって与えられる。浮揚コイルの型１、２は、銅又はアルミニウムのような金属であってもよいし、或いはマコア、石英又はサファイアのような絶縁体であってもよい。感知コイルは、マコア、溶融石英又はサファイアのコイル型３３、３４、３３’、３４’に取り付けられる。
【００７４】
異なる量の電流を種々の整列コイルに蓄積する方法は多数ある。その一例が図１４に示されている。保証質量３のための４つのｚ軸整列コイル１２２’、１２２、１２１、１２１’（各々Ｌz11+、Ｌz12+、Ｌz12-、Ｌz11-）が全て一緒に接続され、永続電流Ｉz1が蓄積されるループが形成される。同様に、保証質量４のための４つのｚ軸整列コイル１２３’、１２３、１２４、１２４’（各々Ｌz21+、Ｌz22+、Ｌz22-、Ｌz21-）が全て一緒に接続され、永続電流Ｉz2が蓄積されるループが形成される。
【００７５】
これら２つの超伝導コイルは、インダクタＬz3及びシャント抵抗器Ｒz3に並列に接続され、同じ傾斜（即ち、テーパ）をもつコイルがループの同じ枝路に常に留まるようにする。インダクタＬz4及びシャント抵抗器Ｒz4を含む別の超伝導ループが、変成器を通して、Ｌz3を共有する２つのループに接続される。
【００７６】
永続的な電流Ｉz1−Ｉz4は、超伝導ループに接続されたリードを経て電流源からの電流を注入することにより蓄積又は変更され、これら電流により熱スイッチ抵抗器１２４、１２５、１２６、１２７が作動される。
【００７７】
電流Ｉz1及びＩz2は、保証質量３及び４を浮揚し、ｚ及θy（ｙ軸のまわりの回転）自由度に対してスチフネスを与える。ここで、永続電流Ｉz3がインダクタを介して蓄積された場合には、この電流が整列コイルを含む４つの経路に分割され、アップ方向に傾斜された（又はアップ方向にテーパ付けされた）コイルを通る電流を弱めると共に、ダウン方向に傾斜された（又はダウン方向にテーパ付けされた）コイルを通る電流を強める。それ故、両保証質量はダウン方向に傾斜
【００７８】
Ｌz4を含むループに永続電流Ｉz4が蓄積される場合には、これが主ループに遮蔽電流を誘起し、保証質量３において、アップ方向に傾斜した（又はアップ方向にテーパ付けされた）コイルの電流が増加しそしてダウン方向に傾斜した（又はダウン方向にテーパ付けされた）コイルの電流が減少し、保証質量をアップ方向に傾斜させる。電流Ｉz4は、保証質量４において電流に逆の作用を誘起し、保証質量をダウン方向に傾斜させる。それ故、右方向を選択しそして熱スイッチ１２
【００７９】
シャント抵抗器Ｒz3及びＲz4は、保証質量の角共振加速度（αy）及び直線共振加速度（ａz）の受動的な制動を行う。
【００８０】
図１４に示すものと同様の回路が、ｙ軸整列コイルに対しても設けられる。
【００８１】
従来の感知回路とは異なり、ｘ軸感知コイルに対する差動モード及び共通モード感知回路は分離される。これは、共通モード加速度が差動モード回路においてバランス除去されるだけでなく、差動モード加速度が共通モード回路においてバランスされ、これにより、２つの感知回路を互いに実質的にデカップリングするという改善を与える。これは、共通モードに対して受動的な制動を使用できるようにする一方、熱的なブラウン運動ノイズの増加を回避するために差動モードに対して要求される能動的な制動を差動モードに対して使用できるようにする。
【００８２】
差動モード感知回路が図１５に示されている。電流Ｉd1、Ｉd2は、差動モード共振周波数を同調する。比Ｉd2／Ｉd1は、差動モード（ΓXX）ＳＱＵＩＤ１２８の出力において共通モードをバランス除去する（つまり、ＳＱＵＩＤ１２８が共通モードに対して何らの応答も示さないように、例えば、Ｉ d2 を僅かに変化させる）ように調整される。Ｉd3は、広帯域共通モードバランスを達成するために使用される。
【００８３】
共通モード感知回路が図１６に示されている。電流Ｉc1、Ｉc2は、共通モード共振周波数を同調する。比Ｉc2／Ｉc1は、共通モード（ａx）ＳＱＵＩＤ１２９の出力において差動モードをバランス除去するよう調整される。Ｒc3（１３０）は、共通モードを受動的に制動するためのシャント抵抗である。差動モードは、ＳＱＵＩＤに接続されるＬc3経路からバランス除去されている（つまり、ＳＱＵＩＤ１２９が差動モードに対して何らの応答も示さないように、例えば、Ｉ c2 を僅かに変化させている）ので、Ｒc3は差動モードを制動しない。
【００８４】
差動モードの能動的な制動は、次の手段によって達成される。差動モードＳＱＵＩＤ１２８の出力Γxxは、その共振点のまわりの狭帯域であって、９０°移相されて制動項を形成する。この電圧信号は、電流信号ｉdに変換され、共通モード感知回路のインダクタＬc5へフィードバックされる。この電流は、差動モード共振を制動する。もし所望ならば、Ｌc5を介して力再バランスフィードバックを与えることもできる。
【００８５】
高い勾配感度をもつためには、差動モード周波数を低く維持しなければならない。一方、プラットホームの振動及びアンバランスな差動モードフィードバック電流に対する保証質量の共通モード応答を減少するためには、共通モード周波数をできるだけ高くしなければならない。本発明では、これは、共通モード回路の感知コイルインダクタンスに比してＬc3を小さくしそしてＬc4を大きくして、
差動モード及び共通モードに対して個別の回路を設けることにより、差動モードを共通モード回路においてバランスすることができると共に、各回路の感度を独立して調整することができる。共通モード回路における差動モードのバランスは、差動モード及び共通モードが同じ組のコイルから測定される従来の構成では行うことができない。
【００８７】
差動モード及び共通モードの周波数は、感知軸に沿って付加的な超伝導の負のバネを付与することにより更に分離することができる。
【００８８】
負のバネを与える１つの方法は、図１７に示すように、カーブした浮揚コイルを使用することである。凹状の浮揚コイル４４Ａ、４４Ａ’（４４及び４４’と同様の）は、保証質量３のｘ位置に対して不安定平衡を形成し、ｘ方向に負のバネを効果的に形成する。
【００８９】
別の構成は、リング状の超伝導コイル４５を保証質量３の中央リング１０１の外側に配置することによるもので、中央リングの表面は、この場合には、図１８に４７で示しそして図１９の拡大図に４７で示すように丸みつけされている。コイル４５に蓄積された永続的電流は、保証質量３のｘ位置に対して不安定平衡を形成し、所望の負のバネを与える。負のバネは、差動モード周波数をほぼ０に減少する一方、共通モードに対して比較的高い周波数を維持し、これにより、ＳＧＧの感度及び共通モード除去を改善することができる。
【００９０】
図２０及び２１は、本発明の第２の特徴による保証質量支持システムの第１及び第２の実施例を示している。
【００９１】
ｘ軸（θx）のまわりでの保証質量の回転は、保証質量の表面の不規則性を勾配計においてノイズに変換する。θx回転は、図２０に示すように、外部型（図示せず）の内周に等離間された２つの単一巻回の抗回転コイル４８、４９を設けることにより停止することができる。保証質量３には４つの整合溝５０が設けられる。２つのループに蓄積される永続的電流は、保証質量にθx方向の回復力を与え、従って、保証質量の無制御回転を防止する。
【００９２】
回転を防止する別の方法が図２１に示されており、図２０に示された溝５０に代わって、例えば、円形の溝５５の形態の欠切部が保証質量３の内部長さ全体に沿って作られる。パンケーキ型の抗回転コイル５１、５２、５３、５４（Ｌz'11、Ｌz'12、Ｌy'11、Ｌy'12）は、浮揚コイルの型１に巻かれる。ｙ’及びｚ’軸は、ｙ及びｚ軸から４５°回転された軸である。保証質量は、欠切部５５がコイル５１ないし５４に対向するときに最小エネルギー位置となる。これらの抗回転コイルは、ｚ及びｙ軸の運動を強化する際に別の有用な機能を有する。上方コイル５２及び５３が使用される場合に、これらコイルは、重力（負のｚ方向）に対して付加的な浮揚力を与えると共に、コイルの型及び保証質量を同心状態に近づける助けをする。ゼロｇの環境においては、抗回転コイルは、曲がりくねったパターンの整列コイル４２、４２’、４４、４４’の電流が小さく保たれる場合にｙ及びｚ運動に対して主たる強化要素となり得る。曲がりくねったパターンのコイルに流れる小さな電流は、最終的に、感知軸に対し非常に低い共振周波数をもたらす。
【００９３】
保証質量がコイルの型のまわりで対称的に浮動するときには、曲がりくねったパターンのコイルは、もはや浮揚力を与えない。コイルＬz12-により与えられる浮揚力は、コイルＬz11-によって厳密に打ち消される。しかしながら、これらコイルは、依然として、ここではその主たる機能であるスチフネス及び整列制御を与える。
【００９４】
ゼロｇの場合に、全ての抗回転コイルは、回転を防止する目的で付勢される。地球の重力において、永続的電流を搬送する必要があるのは上方コイル５２及び５４のみである。
【００９５】
抗回転コイルは、半径方向の直線及び角加速度を感知するのに使用される。図２２には、保証質量３の抗回転コイルＬz'11及びＬz'12（５１、５２）と、保証質量４に関連した対応コイルＬz'21及びＬz'22（５６、５７）を感知ＳＱＵＩＤ５８及び５９に接続する感知回路が示されている。電流Ｉz'1及びＩz'2が図示された方向に蓄積された状態では、ＳＱＵＩＤ５８、５９は、ｚ’軸に沿った直線加速度（ａz'）と、ｙ’軸のまわりでの角加速度（αy'）を各々測定し、ここで、ｙ’及びｚ’は、ｙ及びｚ軸から４５°回転された軸である。抗回転コイルＬy'11、Ｌy'12、Ｌy'21及びＬy'22に対しても同様の回路を設けて、ｙ’軸に沿った直線加速度（ａy'）及びｚ’軸のまわりでの角加速度（αz'）を感知することができる。
【００９６】
ｙｚ座標における加速度成分は、ｙ’ｚ’座標において測定された加速度成分から次の式により得ることができる。
角加速度出力αy及びαzを積分してプラットホームの角速度Ωy及びΩzが得られ、これを用いて遠心加速に必要な修正を行うことができる。
【００９８】
シャント抵抗器Ｒz'3及びＲz'4は、半径方向並進移動（ａz'）及び回転（αy'）モードに対して受動的な制動を与える。
【００９９】
出力インダクタンスＬz'3、Ｌz'4は、パンケーキ型コイル（５１、５２、５６、５７）のインダクタンスに比して小さく保持され、半径方向並進移動及び回転自由度の両方に対して最大のスチフネスを得ると共に、ＳＱＵＩＤ５８及び５９のオーバーロードを防止する。これは、ＳＱＵＩＤ入力コイルにまたがる小さなシャントインダクタンスを付加することによって達成される。
【０１００】
勾配計は完全に超伝導であるから、低温装置に保管して必要な動作温度まで冷却しなければならない。航空機搭載の用途では、デューアのサイズを、例えば、４フィート高さｘ２フィート外径までに保持することが所望される。液体ヘリウムは、真空ジャケット内部のミューメタル又はクライオペルム（ｃｒｙｏｐｅｒｍ）シールド内に保管される。真空ジャケットは、貫通溶接によりニオブから形成することができる。３次元測定を行うべき場合には、勾配計は３点懸架を必要とする。
【０１０１】
浮揚式保証質量の勾配計は、多数の利点を有する。低い共振周波数を用いることにより、高い感度を得ることができる。１０-3ないし１０-1Ｈｚの信号帯域巾の場合には、ωd／２πをほぼ０．２Ｈｚにおいて維持することができ、但し、ωdは差動モードの共振周波数である。所与の周波数における変位は、次の式で表される。
得られたωd／２πの値は、ωd／２πが５ないし１０Ｈｚの範囲にあるところの機械的なバネをもつ勾配計に勝る著しい改善であり、従って、本発明において１０-3Ｅ Ｈｚ-0.5の勾配感度を得るには０．１ｋｇの保証質量で充分である（但し、１Ｅ＝１０-9ｓ-2である）。
【０１０３】
更に別の特徴は、改善された整列により良好な共通モード除去が得られることである。整列コイルの特定の配列において、直線及び角加速度の両方に対し完全な整列が得られる。機械的に懸架される保証質量は、１０-3ないし１０-4の間の
【０１０４】
図２３ないし２６を参照し、上記の単一軸の重力勾配計に対する多数の別の構成を以下に説明する。これら構成の各々は、本発明の第１及び第２の特徴による保証質量支持システム及び／又は本発明の第３の特徴による感知システムを組み込むことができる。
【０１０５】
３軸重力勾配計
ほとんどの環境においては、重力勾配テンソルの異なる成分を測定するために多数の勾配計が並列に使用される。特に有用な１つは、Γxx、Γyy及びΓzzを測定する３軸インライン成分勾配計である。この構成の主たる利点の１つは、自由空間において
【０１０６】
対角方向エレメントの和がゼロであることは、このような計器にとって非常に有用な自己チェック特徴であり、最も感度の高い測定を行えるようにする。上記の単一軸勾配計を３軸構成において使用して、このような構成が付与する全ての利点を発揮できることが明らかである。
【０１０７】
その構成が図２３に概略的に示されている。インライン保証質量２３０、２３１、２３２の対より成る３つのインライン重力勾配計は、それらの感知軸が３つの直交する方向（ｘ、ｙ、ｚ）にあるように構成される。地球のフィールドにおいては、全ての軸が重力の方向に対して同じ角度をとるように「雨傘」構成がしばしば使用される。従って、各成分はほぼ同じであり、それらの和がゼロであるときには、その各々が小さな信号のみを測定する。
【０１０８】
ＳＱＵＩＤ感知及び浮揚回路、整列コイル及び負のバネは、全て、上記単一軸勾配計と実質上同様に適用される。
【０１０９】
２成分加速度計
本発明の更に別の実施例が、保証質量６０をもつ第１加速度計及び保証質量６１をもつ第２加速度計を備えた２成分加速度計の概略図である図２４に示されている。各加速度計は、ｘ方向の加速度／重力を感知する。
【０１１０】
単一軸勾配計について既に示したのと同様にＳＱＵＩＤ検出回路を結合することにより、感知軸に垂直なベースラインにわたり２つの保証質量間の加速度の差を測定することができる。この装置は、クロス成分重力勾配が存在しないところで角加速度を測定する。
【０１１１】
又、別のＳＱＵＩＤ回路を用いると、直線加速度ａxも測定できることが明らかである。従って、この計器は、ａx、及びαzを測定するように構成することができる（即ち、２成分加速度計である）。上記した重力勾配計の場合と同様に、図２４の構成を用いて他の全ての加速度成分も測定できるが、感度は低下する。
【０１１２】
クロス成分重力勾配計
図２５に示すように感知軸が互いに直交する２つのこのような２成分加速度計を組み合わせることにより、クロス成分重力勾配計を形成することができる。この勾配計は、一対の保証質量１７０、１７１を含む第１の２成分加速度計と、一対の保証質量１７２、１７３を含む第２の同一平面の２成分加速度計とを備えている。図２５に示すように永続的電流が蓄積される状態で、ＳＱＵＩＤ１４４、１４５は、クロス成分重力勾配Γxy及び角加速度αzを各々測定する。
【０１１３】
感知軸は、上記の勾配計に使用したものと同じ手順を用いることによって整列することができる。
【０１１４】
差動加速度計
この２成分加速度計を拡張すると、保証質量が同じ感知軸及び同じ重心をもつものとなる。これは、差動加速度計（図示せず）を形成し、その整列手順は単一軸ＳＧＧに対するものと同一である。
【０１１５】
差動加速度計において異なる材料の２つの保証質量を形成することによりアインシュタインの等価原理をテストすることができる。
【０１１６】
６軸加速度計
３つの２成分加速度計を使用することにより、６つの考えられる加速度成分、即ち３つの直線加速度及び３つの角加速度を全て測定する計器を形成することができる。
【０１１７】
この構成は、図２６に示す６軸加速度計と概念的に同様に見える。これは、３つの２成分加速度計２７０、２７１、２７２を直交配列したものより成る。
【０１１８】
テンソル重力勾配計
図２２に示す半径方向感知回路を図２３の６軸勾配計又は図２６の６軸加速度計に使用することにより、３つのインライン及び３つのクロス成分重力勾配を全て測定するテンソル重力勾配計を、測定回路の倍率の整合を確保することにより構成することができる。
【０１１９】
ｙ及びｚ軸整列コイルの更に別の実施例が、単一保証質量支持システムのｚ軸整列コイルの断面図である図２７に示されている。この場合に、上方のｚ軸整列コイル１７５、１７６と、下方のｚ軸整列コイル１７７、１７８は、従来の曲がりくねったパターンのコイル又はパンケーキ型コイルである（即ち、その各々はｘ方向に実質的に一定の浮揚力を与える）。しかしながら、コイル１７５ないし１７８は、保証質量１７９の質量中心に対して変位されるので、それらの浮揚力はｙ軸のまわりのモーメントを与える。それ故、隣接コイル１７５、１７６及び１７７、１７８により与えられる相対的な浮揚力を調整することにより、保証質量の感知軸をｘ軸と整列することができる。図１４に示す回路において、コイル１２２、１２２’に代わってコイル１７５、１７８（図２７に示す）を使用しそして１２１、１２１’に代わってコイル１７６、１７７を使用する場合には、整列回路が同様に機能する。ｙ軸整列コイル（図示せず）も同様に配列される。
【０１２０】
アインシュタインの等価原理により、上記した全ての単一保証質量加速度計は重力計でもあり、従って、高感度の重力計としても明らかに使用できることに注意されたい。
【０１２１】
上記の保証質量支持システムは、全て、浮揚コイルを用いて超伝導保証質量を浮揚する（マイスナー効果により）もので、機械的なバネを使用するものではない。しかしながら、別の実施例においては、保証質量（１つ又は複数）における浮揚力の一部分を片持梁バネによって与えることもできる。
【０１２２】
本発明の第１及び第２の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ加速度計又は重力勾配計の典型的な用途は、超高感度重力測定、重力勾配及び加速度測定が必要とされるあらゆる分野である。
【０１２３】
重力勾配計は、重力勾配を予想値と比較することにより核弾頭がデコミッショニングされたことをテストするのに使用される。鉱石、石油及びガスの踏査に対し地表面上に計器を移動することにより重力場の低ノイズ再構成を達成することができる。
【０１２４】
重力計又は重力勾配計は、地震又は火山活動の前に地球のマントル及び地殻の動きを検出するのに使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ勾配計の一部分の分解図である。
【図２】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ勾配計の一部分の縦断面図である。
【図３】 図２のＡ−Ａ線に沿った横断面図である。
【図４】 図３の断面の一部分の詳細図である。
【図５】 図３に示す勾配計の一般的な整列エラーを示す図である。
【図６】 整列コイルが作動された状態の図２の勾配計の一部分の断面図である。
【図７】 勾配計のコイル巻線に影響するパラメータを示す図である。
【図８】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムの一対のインターリーブされた巻線を示す平面図である。
【図９】 図８の巻線の断面図である。
【図１０】 本発明の第１の特徴による保証質量支持システムの一対のインターリーブされた巻線に対する別の構成を示す平面図である。
【図１１】 本発明の第１及び／又は第２の特徴による保証質量支持システムの型の一例を示す図である。
【図１２】 図１１の型の断面図である。
【図１３】 ハウジングを含む本発明の第１及び／又は第２の特徴による保証質量支持システムを組み込んだ勾配計の断面図である。
【図１４】 ｚ軸整列コイルの回路図である。
【図１５】 ｘ軸感知コイルの回路図である。
【図１６】 ｘ軸感知コイルの回路図である。
【図１７】 負のバネを形成するカーブした浮揚コイルを使用する保証質量の縦断面図である。
【図１８】 負のバネを形成するリング状コイルを用いた別の保証質量の縦断面図である。
【図１９】 図１８の部分拡大図である。
【図２０】 本発明の第２の特徴による第１の保証質量支持システムの断面図である。
【図２１】 本発明の第２の特徴による別の回転防止構成を示す断面図である。
【図２２】 本発明の第３の特徴によるｚ’軸抗回転コイルの回路図である。
【図２３】 多軸勾配計の構成を示す図である。
【図２４】 ２成分加速度計の構成を示す図である。
【図２５】 クロス成分重力勾配計の感知回路及び保証質量構成を示す図である。
【図２６】 ６軸加速度計の構成を示す図である。
【図２７】 本発明の第１の特徴による別の保証質量支持システムの断面図である。
【符号の説明】
１ 内部型
３、４ 保証質量
５、６、７、８ ｘ軸感知コイル
１６、１８ 空洞
１９、２０ 溝
２１、２２ コイル
３３、３４ 外部型
３６ 傾斜軸
４２、４４ 整列コイル
１００ 本体区分
１０１ リング
Claims (20)
- 軸を有する保証質量が周囲に配置された細長い内部型と；上記保証質量の休止位置を制御する一対の整列コイルであって、これら整列コイルは、上記内部型に沿って延び、且つ、各整列コイルが電流を搬送するときに上記保証質量に該保証質量の軸に沿って変化する浮揚力を生成するように構成されており、上記一対の整列コイルのうちの一方の整列コイルによる力は上記一対の整列コイルのうちの他方の整列コイルによる力に対して逆であり、これらの力によって生じた上記保証質量における力によって該保証質量は回転、及び／又は、並進移動する、上記一対の整列コイルと；上記整列コイルにより定められる１つ以上の自由度に対し上記保証質量に所定の向きをとらせるように上記整列コイルにおける電流の相対的な強度をチューニングする手段と、を備えることを特徴とする保証質量支持システム。
- 上記保証質量は超伝導材料で形成され、上記整列コイルは超伝導材料で形成され、これにより、上記電流は永続的な電流より成る請求項１に記載のシステム。
- 上記自由度の少なくとも１つは、浮揚力の方向及びコイルの長さに直交する軸のまわりの回転より成る請求項１又は２に記載のシステム。
- 上記整列コイルは、曲がりくねったパターンのコイルより成る請求項３に記載のシステム。
- 各整列コイルから上記保証質量の表面までの距離は上記保証質量の軸に沿って変化し、一方の整列コイルの距離の変化は他方の整列コイルの距離の変化に対して逆である請求項１ないし４のいずれかに記載のシステム。
- 上記整列コイルが巻かれる溝を有する型を更に備え、溝の深さは型の長さに沿って増加する請求項５に記載のシステム。
- 上記整列コイルは、複数のワイヤのインターリーブされた組より成る請求項１ないし６のいずれかに記載のシステム。
- 上記整列コイルは、絶縁型に巻かれたニオブワイヤより成る請求項１ないし７のいずれかに記載のシステム。
- 上記保証質量は、主本体区分及びそこから延びる１つ以上のリングを備えた請求項１ないし８のいずれかに記載のシステム。
- 上記主本体区分から離れた各リングの表面はカーブしており、そしてそのリングの表面の半径方向外方にコイルが配置され、使用中に、負のバネが形成される請求項９に記載のシステム。
- 上記一対の整列コイルは、使用中に不安定平衡を生じさせて負のバネが形成されるようにする一対の凹状整列コイルである請求項１ないし１０のいずれかに記載のシステム。
- 上記整列コイルは保証質量の長さに沿って延び、そして電流を搬送するときにコイルの長さに沿って所定の仕方で変化する浮揚力を与えるように構成される請求項１ないし１１のいずれかに記載のシステム。
- 上記整列コイルの対は、保証質量の長さに沿って保証質量の質量中心に対して変位される請求項１ないし１２のいずれかに記載のシステム。
- 請求項１ないし１３のいずれかに記載のシステムにより支持された保証質量と、感知軸に対する保証質量の加速度により保証質量の動きを監視する少なくとも１つの感知コイルとを備えたことを特徴とする加速度計。
- 請求項１ないし１３のいずれかに記載のシステムにより支持された２つ以上の保証質量を備え、各保証質量は、感知軸に対する保証質量の動きを監視するための少なくとも１つの関連感知コイルを有する加速度計。
- 請求項１４又は１５に記載の一対の加速度計を備えた重力勾配計。
- 整列コイルが各保証質量の感知軸を向くように構成され、更に、保証質量の感知軸を互いに整列して整列エラーを最小にするように整列コイルの電流の相対的な強度をチューニングする手段を備えた請求項１５に記載の加速度計。
- 重力フィールドの強度の変化を感知するために感知コイルに接続された差動モード感知回路及び共通モード感知回路を更に備え、共通モード感知回路は、差動モード回路からデカップリングされる請求項１５または１７に記載の加速度計。
- 整列コイルが各保証質量の感知軸を向くように構成され、更に、保証質量の感知軸を互いに整列して整列エラーを最小にするように整列コイルの電流の相対的な強度をチューニングする手段を備えた請求項１６に記載の勾配計。
- 重力フィールドの強度の変化を感知するために感知コイルに接続された差動モード感知回路及び共通モード感知回路を更に備え、共通モード感知回路は、差動モード回路からデカップリングされる請求項１６または１９に記載の勾配計。
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| EP1949140A4 (en) * | 2006-11-23 | 2010-12-08 | Tech Resources Pty Ltd | GRADIOMETER OF GRAVITY |
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| CA2612683A1 (en) * | 2006-11-23 | 2008-05-23 | Technological Resources Pty. Limited | Gravity gradiometer |
| AU2007249048B2 (en) * | 2006-11-23 | 2013-07-25 | Technological Resources Pty. Limited | Gravity gradiometer |
| EA027249B1 (ru) | 2008-09-25 | 2017-07-31 | Текнолоджикал Ресорсиз Пти Лтд. | Детектор для обнаружения градиента силы тяжести |
| AU2009295360B2 (en) * | 2008-09-25 | 2014-12-04 | Technological Resources Pty Ltd | A gravity gradiometer |
| AU2009308266B2 (en) * | 2008-10-24 | 2015-08-13 | Martin Vol Moody | Gravity gradiometer with torsion flexure pivots |
| WO2010045738A1 (en) * | 2008-10-24 | 2010-04-29 | Gedex Inc. | Gravity gradiometer with torsion flexure pivots |
| US20130055808A1 (en) * | 2010-03-29 | 2013-03-07 | Frank Joachim Van Kann | Gravity gradiometer with correction of external disturbance |
| US9229026B2 (en) | 2011-04-13 | 2016-01-05 | Northrop Grumman Guaidance and Electronics Company, Inc. | Accelerometer systems and methods |
| CN102866431B (zh) * | 2012-09-13 | 2015-09-09 | 中国科学院电工研究所 | 测量重力的低温超导装置 |
| US9702897B2 (en) | 2012-10-08 | 2017-07-11 | Northrop Grumman Systems Corporation | Dynamic self-calibration of an accelerometer system |
| KR101465645B1 (ko) * | 2013-09-13 | 2014-11-26 | 한국표준과학연구원 | 박막형 초전도 가속도 측정 장치, squid 센서 모듈, 및 squid 센서 모듈의 제조 방법 |
| JP6411131B2 (ja) * | 2014-08-27 | 2018-10-24 | 超電導センシング技術研究組合 | 振動センサ及び振動センシングシステム |
| DE102016111157B4 (de) * | 2016-06-17 | 2021-11-11 | Bundesrepublik Deutschland, Vertreten Durch Das Bundesministerium Für Wirtschaft Und Energie, Dieses Vertreten Durch Den Präsidenten Der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt | Gravimeter |
| CN107329184B (zh) * | 2017-08-25 | 2023-10-20 | 中国科学院精密测量科学与技术创新研究院 | 轴对称弹性系统及重力仪 |
| CN108918913B (zh) * | 2018-05-16 | 2019-08-13 | 华中科技大学 | 一种固有频率可调的垂向超导磁力弹簧振子 |
| US11733263B2 (en) | 2018-09-21 | 2023-08-22 | Analog Devices, Inc. | 3-axis accelerometer |
| US11099207B2 (en) | 2018-10-25 | 2021-08-24 | Analog Devices, Inc. | Low-noise multi-axis accelerometers and related methods |
| CN116184616B (zh) * | 2022-12-06 | 2023-11-14 | 中国科学院空间应用工程与技术中心 | 一种重力仪棱镜位姿控制的方法以及系统 |
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| US4841772A (en) * | 1987-12-03 | 1989-06-27 | University Of Maryland, College Park | Three-axis superconducting gravity gradiometer |
| CA2006145C (en) * | 1988-12-20 | 2000-02-22 | Frank Joachim Van Kann | Gravity gradiometer |
| US5224380A (en) * | 1990-05-21 | 1993-07-06 | The University Of Maryland | Superconducting six-axis accelerometer |
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