JP4984242B2 - 電磁コイルを利用した定常震源 - Google Patents

Description

本発明は、主に地震の早期発見のため地下の構造や状態を監視、観測するために人工的に定常弾性波を発生し、地中内に送信するための精密制御定常震源（Accurately Controlled Routine Operated Seismic Source, ACROSS）に関するものである。

従来、超電導コイル等による電磁力を利用した精密制御定常震源は考えられていなかった。現在、精密制御定常震源としては、大きな定常震動を得るために遠心力を利用した機械式なものが使われているが、機械的接触をともなうため軸受損失が極めて大きく、騒音、寿命の問題もある。また、最近、静圧流体軸受を支持軸受として用いることが提案され、２００ｋｇｆ程度の偏心負荷を与える震源が試作され、良好な結果を得ているが、大容量震源では、大面積の精密加工の困難さ、軸受流量の増大による消費電力の増大、また、大型で大重量の物体が空気中を回転するため風損によるエネルギー損失も大きいという欠点がある。さらに、ピン止め型超電導磁気浮上を用いた遠心力利用型の省エネルギー定常震源も提案さえているが、いずれの場合も１Ｈｚ以下の極低い周波数では、装置の大型化、エネルギーの大量消費、コストの増大など問題点が多く、製作も困難である。

図１に従来使用されている機械式軸受（ローラー軸受）を用いた精密制御定常震源の構造図を示す。偏心質量は、同図に示されるように大きなシャフトの一部に切り欠きを設けることにより作り出している。そのため、軸受は大きな高重量のシャフトを支えるとともに半径方向には高速回転で作り出される遠心力に耐えうるものでなくてはならず、軸受の発熱を引き起こし、駆動電力の増大、さらには軸受破壊に至るという問題を抱えている。

図２は、非接触に回転体を磁気浮上させるピン止め型超電導磁気浮上ガイドを利用した精密制御定常震源の概念図を示す。円筒内面側に永久磁石と磁性体とで構成する磁気レールを配置し、バルク超電導体を設置した走行車両を超電導現象の一つであるピン止め効果を利用して非接触に内面側に磁気浮上させた精密制御定常震源を示したものである。超電導磁気浮上では、回転走行車両そのものの質量が偏心質量となり、例えば、図３に示したように重量５ｋｇの車両は、回転によって数十トンという大きな遠心力が発生する。しかし、数ｒｐｓ以下の回転数では、大きな発生力を作り出すことが難しくなる。遠心力Ｆは、Ｆ＝ｍＲω^２（ｍ：ロータ質量、Ｒ：回転半径、ω：角速度２πｆ、ｆ：１秒当たりの回転数）で与えられるため、特に０．５ｒｐｓ以下の回転数では、ω^２が重力加速度より小さくなるため図４に示すように５トンの発生力を得るのに０．５ｒｐｓ以下の回転数では偏心負荷となるロータの重量のほうが大きくなり、もはや遠心力で大きな発生力を作り出すことは製作上困難になる。
特開平１０−１４２３４５号公報 特開２００６−２５０５６８号公報

本発明の課題は、電気抵抗がゼロにより大電流を流せる超電導電磁コイル等を利用して高磁場を発生させ、高磁場の反発力あるいは吸引力の電磁力により大規模の人工震動を発生できる全く新しい形式の精密制御定常震源で、従来の精密制御定常震源に比較して、小型で、駆動・消費エネルギーも極めて少ない反永久的寿命を持つ精密制御定常震源を提供することにある。

上記課題は次のような手段により解決される。
（１）永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルとを隣接して配置し、永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルとの間の電磁力を利用した定常震源。
（２）永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルとを隣接して配置し、永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルのいずれか一方を任意の位置において固定することにより、永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルとの間の電磁力に起因して発生する加振力を利用した定常震源。
（３）永久磁石又は直流電磁コイルを、交流電磁コイルの両側面に直結して配置するとともに、交流電磁コイルを任意の位置において固定することを特徴とする（２）に記載の定常震源。
（４）地中とコイルとを連結するカプラーと一体となった永久磁石又は直流電磁コイルとを、交流電磁コイルの両側面に配置するとともに、交流電磁コイルを任意の位置において固定することを特徴とする（２）に記載の定常震源。
（５）地中とコイルとを連結する第１のカプラー及び第１の永久磁石又は直流電磁コイルを交流電磁コイルの一方の側面に配置し、地中とコイルとを連結する第２のカプラー及び第２の永久磁石又は直流電磁コイルを交流電磁コイルの他方の側面に配置した定常震源であって、交流電磁コイルを任意の位置において固定するとともに、第１のカプラーと第２の永久磁石又は直流電磁コイル、及び第２のカプラーと第１の永久磁石又は直流電磁コイルとがそれぞれ対となり連結されていることを特徴とする（２）に記載の定常震源。
（６）上記直流電磁コイル及び交流電磁コイルの少なくともいずれか一方は、超電導電磁コイルであることを特徴とする（１）乃至（５）のいずれかに記載の定常震源。

本発明によれば、超電導電磁コイル等で発生する電磁力を用いることにより大出力の震動発生力を小型で損失が少なく、半永久的な寿命を持ち、しかも、任意の電流波形に比例した発生力、制御のし易さ、極めて低い周波数領域から高い周波数領域まで動作可能な精密制御定常震源を実現することができる。

さらに請求項３、４の構成によれば、二つの直流超電導電磁コイルに直流電流を流して直流磁場を発生させ、その間に設置されている交流超電導電磁コイルに交流電流を流すことにより二つの直流超電導コイルと交流超電導電磁コイルとの間に交流電流に比例した反発力及び吸引力の電磁力が発生する。この電磁力Ｆは、磁場Ｂ中に流れる電流Ｉに比例（Ｆ∝ＢＩ）するため交流電流の周波数、電流波形及び電流値などに比例して発生することになり、すなわち、直流電磁コイルあるいは交流電磁コイルの任意の位置においてどちらか一方を固定することにより加振力が発生し、精密制御定常震源を創出することになる。

本発明は、振動周波数の非常に低い領域から小型で大きな発生力を作り出すために超電導電磁コイル等を用いて遠心力に代えて電磁力を使うことを特徴とするもので、基本構造の一例は、図５に示すように二つの直流超電導電磁コイルとその中間に設置された交流超電導電磁コイルから成っている。超電導電磁コイルは、液体窒素温度以下に冷却、保冷されるためその周辺は、真空断熱層で囲まれている。二つの直流超電導電磁コイルは、直結されており、励磁後、超電導スイッチを短絡することにより永久電流モードで永久磁石とすることもできる。また、超電導電磁コイルに代えて、バルク超電導体を用いてピン止め型永久磁石を形成することも可能である。
二つの直流超電導電磁コイルは、互いに向き合う極性に励磁され、中間の交流超電導電磁コイルに交流電流を流すことにより、片側の直流超電導電磁コイルと吸引し、もう一方の直流超電導電磁コイルと反発し合うことにより交流波形及び周波数、電流値に応じた電磁力が発生する。

一例として、超電導電磁コイルの直径３００ｍｍ、内径１５０ｍｍ、二つの直流超電導コイルの幅３０ｍｍ（巻き数：超電導線４８０回）、交流超電導電磁コイルの幅５０ｍｍ（巻き数：超電導線８００回）、各電磁コイル間３０ｍｍの構成では、電流２００Ａを流すことにより震動発生力５トンの非常に小型な精密定常震源が得られることになる。

図６は、図５に示した精密制御定常震源の電源、冷凍機などを含めた全体の構成を示したものである。直流超電導電磁コイルの代わりに永久磁石を用いた場合には、冷却が必要ないためその部分の構造が簡単になる。しかし、現在、得られる希土類永久磁石のオープン表面磁場は０．５Ｔ程度であるため発生力５トンを得るためには磁束密度Ｂの二乗の関係からやや大型のシステムになる。

次に図７〜８に超電導電磁コイルを用いた精密制御定常震源の概念図を示す。
図７は、交流超電導電磁コイルの両側に地中とコイルとを連結するカプラーと一体となった直流電磁石を設け、中央の交流電磁石に変動電流を流して両側の電磁石との反発力でカプラーを介して地中に震動を与える反発型定常震源である。中央の超電導電磁コイルに流れる電流は、図９に示すようなバイアス電流となっており、常時カプラー１及びカプラー２には圧縮力が加わるようになっている。
なお図７において直流電磁石に代えて超電導電磁コイルあるいは永久磁石やバルク超電導体を用いた永久磁石を用いてもよい。またもう一つ超電導電磁コイルを用いて直流電流を流しバイアス磁場を加えることもできる。

図８は、両側の直流電磁石と中央の超電導電磁コイルと常時吸引力で作用させて地中に震動を与える吸引型定常震源である。直流電磁石１とカプラー２及び直流電磁石２とカプラー１がそれぞれ対となり連結されていて、反発型と同様、カプラーには常に変動圧縮力が加わる。
この構造は、中央の交流超電導電磁コイルには両サイドから同等の反発力あるいは吸引力が働くため中央の超電導電磁コイルは地中に頑固に固定されていることになる。
このため小型で０〜数Ｈｚ程度の低周波領域でも大きな加振力を持つ定常震源が可能となる。

なお、上記の例は、あくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明はこれに限定されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく変形、他の態様は、当然本発明に包含されるものである。
例えば二つの直流超電導電磁コイルとその中間に設置された交流超電導電磁コイルを有する定常震源を例示したが、一つの直流超電導電磁コイルと交流超電導電磁コイルの場合であってもよく、また直流電磁コイル及び交流電磁コイルは、一方あるいは両方が通常の（常電導）電磁コイルであってもよい。

実際に稼動している機械式軸受支持の２０ｔ級精密制御定常震源の構造 提案されている超電導磁気浮上支持による円筒型精密制御定常震源の概念図 回転走行車両荷重５ｋｇにおける回転数に対する遠心力の計算値 ５ｔの遠心力を得るために必要な３Ｈｚ以下の周波数をパラメータとした回転体重量と回転半径の関係 本発明の超電導電磁コイルを用いたリニア型精密制御定常震源の概略図 本発明のリニア型精密制御定常震源の超電導体の冷却、真空断熱などを配置した構成図 超電導電磁コイルを用いた反発型精密制御定常震源の概念図 超電導電磁コイルを用いた吸引型精密制御定常震源の概念図 バイアス電流図

Claims (6)

1. 超電導電磁コイルとその冷却装置とを備える定常震源であって、永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルとを隣接して配置し、永久磁石又は直流電磁コイルと交流電磁コイルとの間の電磁力を利用し、前記直流電磁コイル及び前記交流電磁コイルの少なくともいずれか一方は超電導電磁コイルであり、少なくとも０から数Ｈｚの低周波において震動発生力を発生し得ることを特徴とする定常震源。
2. 請求項１に記載の定常震源であって、前記永久磁石又は前記直流電磁コイルと前記交流電磁コイルのいずれか一方を任意の位置において固定することにより、前記永久磁石又は前記直流電磁コイルと前記交流電磁コイルとの間に発生する前記震動発生力を加振力として利用した定常震源。
3. 前記永久磁石又は前記直流電磁コイルを、前記交流電磁コイルの両側面に直結して配置するとともに、前記交流電磁コイルを任意の位置において固定することを特徴とする請求項２に記載の定常震源。
4. 地中とコイルとを連結するカプラーと一体となった前記永久磁石又は前記直流電磁コイルとを、前記交流電磁コイルの両側面に配置するとともに、前記交流電磁コイルを任意の位置において固定することを特徴とする請求項２に記載の定常震源。
5. 地中とコイルとを連結する第１のカプラー及び第１の永久磁石又は直流電磁コイルを前記交流電磁コイルの一方の側面に配置し、地中とコイルとを連結する第２のカプラー及び第２の永久磁石又は直流電磁コイルを前記交流電磁コイルの他方の側面に配置した定常震源であって、前記交流電磁コイルを任意の位置において固定するとともに、第１のカプラーと第２の永久磁石又は直流電磁コイル、及び第２のカプラーと第１の永久磁石又は直流電磁コイルとがそれぞれ対となり連結されていることを特徴とする請求項２に記載の定常震源。
6. 直流電磁コイルと交流電磁コイルからなり、そのいずれもが超電導電磁コイルであって、小型定常震源であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の定常震源。