JPH04502362A - 重力勾配計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 重力勾配計 発明の分野 本発明は、重力勾配計、特に重力勾配テンソルの対角外成分（ｏｆｆ−ｄｉａｇ ｏｎａｌ　ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ）を測定するための勾配計に係わり、更に、限 定的ではないが特に重力勾配計に適用される新規の撓みピボット軸受を提供する 。

重力計は、地球の重力ポテンシャル関数の１階微分、即ち重力場を測定するため に地質調査において幅広く使用されている０重力の場所的変動を走行車両の加速 度の一時的揺らぎと区別するのが困難であるが故に、かかる測定は地上設置の固 定装置でのみ、有効調査に十分な精度になり得る。この困難は主としてポテンシ ャルの２次微分、即ち重力勾配を測定することによって回避されるが、今日まで のところ、満足の行く重力計装置を開発することでの成功に龜限界がある１重力 勾配法は、炭化水素を担う地質構造の所在探査や、地質図作成や、高密度（例え ばスルフィド及び鉄鉱床）及び低密度（例えば炭酸カリ）鉱物堆積層の所在探査 に特に適していると考えられている。

重力の勾配について議論することは厳密には正しくないが、この用語の使用は一 般に受け入れられており、本明細書においても使用する。形式的には、重力ポテ ンシャルの２次微分とは重力の勾配と定義され、便宜的にＺ軸を局所鉛直に平行 にとって成分ｇｍ、、ｇ　ＩＩＦ・・・ｇｇｇを有する重力勾配テンソルを構成 する。このような９つの成分があるが、テンソルは明らかに対称であり、ポテン シャルはラプラスの方程式に従うスカラー場であるので、そのうちの５つだけが 独立である。

良米蓋韮 重力勾配計の主要エレメントは、間隔を置いて設置された実質的に同一の１対の 質点（ｍａｓｓ）であり、その目的は、それぞれの質点にかかる重力の差を測定 することである。

有効であるためには、この差が正常重力の１０１２分の１になったときの測定値 が必要である１重力勾配を測定する方法は広義には２種類に分類される。第１の 方法は、２つの質点の重力加速度の差による信号またはパラメータの微分変調を 含み、第２の方法は、一方の質点の他方の質点に対する正味重力加速度の直接測 定を含む。

５ｔａｎｄａｒｄ　Ｏｉｌ　Ｃｏｍｐａｎｙによる英国特許公開第２０２２２４ ３号は、上記第１の方法における重力勾配計を開示している。

質点双極子として、より正確には質点四極子（論ａｓｓ　ｑｕａｄｒｕｐｏｌｅ ）という用語で上記特許公開に記載のエレメントは、トルクの負荷に応答して円 偏光モードを微分変調するために、環状レーザ管のキャビティ内に設置された光 弾性変調素子の一端に同軸に取り付けられている。好ましい形態においては２つ の質点四極子は、回転加速度ノイズを平衡化するために変調素子の相対する端部 に取り付けられている。

米国特許第４２５５９８９号に記載の同じ発明者Ｌａｕｔｚｅｎｈｉｓｅｒによ る関連の深い発明は、それぞれが光弾性変調素子と一緒に真の質点双極子を使用 している。

別の変調技術は、適当な質点対構成体を支持しているプラットホームを回転させ ることを含む、この種の種々の装置は、Ｊｅｋｅ　Ｉ　ｉによって６９　ＥＯＳ （Ｎｏ、８）にまとめられている。

そのうちの１つのＮｅｔｚｇｅｒによるものは更に改良されており、回転するプ ラットホーム上の電気的に整合された加速度計対で構成されている。プラットホ ームは、その回転度数の２倍の周波数を有する相対する加速度信号の相を変調す る。かかる変調系では回転に厳密な均一性が要求され、軸受及び回転駆動装置や 、測地学的測量とは対照的に、地球物理学的資源探査のための航空機によるまた は移動しながらの地上ベースの測定の適当な規模での実用化に装置を適合させる 標準とは未だなっていないモニタリング技術を使用せねばならない０重力勾配酸 分を直接測定する別の方法では、要求される測定精度を得るためには極めて高度 の電気、磁気、熱及び振動の隔絶が必要である。そうすると重力勾配テンソルの 対角成分ｇ、、、ｇ　ｙｙ及びｇｘｔを測定する装置は、ｖａｎ　Ｋａｎｎらに より公開論文ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓ、Ｈａｇｍ。

１４Ａに−２１，６１０＜１９８５）に記載されており、更にＮＥＲＤＤＰ　Ｅ ｎｄ−Ｏｆ−にｒａｎｔ　Ｒｅｐｏｒｔ（１９８６）にプロジェクト番号７３８ で詳しく述べられている。この装置は、感度軸が一直線に取り付けられた１対の 加速度計からなる。加速度計の変位の差は所与のテンソル勾配に比例し、おおよ そ超伝導性のコイルのインダクタンスの変調によって感知される。この装置は、 ダイヤフラムばねが、質点のための支持体と勾配センサとの両方の役割を担うと いう欠点を有する。前者の役割のためにはばねにより大きな剛性が必要であり、 一方、センサの役割にはばねの柔軟性を強調する必要がある。　ｖａｎ　Ｋａｎ ｎの装置では、精度追求に必要な共通モードの加速度失効比（ａｃｅｅｌｅｒａ ｔｉｏｎ　ｒｅｊｅｃｔｉｏｎ　ｒａｔｉｏｓ）を得るために、要求される精度 で質点の軸方向整列及びばねの取り付けの調整をするのも困難である。

発明の概要 本発明の第１点では、ｖａｎ　Ｋａｒ＋＋＋の装置より顕著な有益性を得ること ができ、撓みピボットによって支持される１つ、好ましくは２つの回動する質点 四極子によって重力勾配テンソルの対角性成分を測定し、比較的柔軟な屈曲ばね 特性によって与えられる感知関数とは区別される比較的剛性な引張りばね特性に よって質点支持体を製造することにより、重力勾配の直接測定をより容易にし得 る。

第１に本発明は、重力勾配テンソルの対角性成分を測定するための重力勾配計で あって、一方が他方の内側に配備された１対の電磁遮蔽包囲体を含むハウジング と、内側包囲体内に設置された超伝導材料を含むボディであって、実質的に該ボ ディの重心を通る軸の周りでの微小回動撓みのための質点四極子としてのボディ とを含む重力勾配計を提供する。超伝導コイルのアレーは、撓み軸に関する回転 力をボディに反磁性的に与えるため及び／またはボディを横切る重力勾配から生 じるボディの回動撓みにインダクタンスの変調によって応答するために、外側包 囲体によって支持されており且つボディに極めて接近して配置されている。

このアレーは、両回転方向において回転力を与えるように及びいずれかの回転方 向における撓みに応答するように構成されている。

２つの包囲体はぴったりと嵌め合わされた長方形の箱であるのが都合良く、四極 子ボディは相補形状の整合充実ボディであるのが好ましい、好ましい実施態様に おいては、撓み回動軸の両側で四極子ボディの各アームの向かい合った側部に超 伝導コイルがある。ボディの並進運動をモニタリングするためには、ボディの両 側で軸のところと各端部とに別のコイルを置くことができる。

本明細書中「超伝導」なる用語は、慣例により、少なくとも特性臨界温度以下で 超伝導を示す材料を指して使用する。適当なこのような材料は、臨界温度約９Ｋ を有するニオビウムである。

上記重力勾配計は当然ながら前記Ｅｎｄ−Ｏｆ−Ｇｒａｎｔ　Ｒｅｐｏｒｔに記 載のものと同様に電気的、磁気的、熱的及び振動的に遮蔽されている系内に支持 されるのが好ましい。

好ましくは、２つの四極子ボディのそれぞれの撓み軸が平行か好ましくは一致し ており、更に２つの四極子ボディが相互に垂直で且つ撓み軸とも垂直であるよう に、１対の勾配計が単一の装置内に一緒に連結される。

質点四極子ボディを回動撓み式に取り付けるには、市販のＢｅｎｃｌｉｘピボッ トのような撓み軸受を含むことができる。

しかしながらこの軸受は、合わせて固定された幾つかの異なる金属で構成されて おり、このために熱膨張係数の差、及び本発明の主旨に望まれる種類の精度にお いては重要となる他のパラメータの変動の差に起因する重要な問題が生じるが故 に、全く満足が行くわけではない。

従って本発明は第２に、極めて小さい間隔で向かい合った面を有する１つの部材 を含む撓みピボット軸受を提供する。前記面は、それらと交差する平面内にある 微小な厚さのウェブによって連結されている。これら部材及びウェブは、実質的 に均一な材料の一体品で構成されており、部材は、ウェブと一直線上をなす回動 軸の周りでの相互の回動撓みに適合されている。

本発明の第２の点において特に有効な用途は、本発明の第１の点に従う前述の重 力勾配計の質点四極子ボディのためのマウントとしての使用である。このために は軸受は、ニオビウムのような超伝導材料の単−塊から切抜きされるのが好まし い。

軸受の２つの部材は、はぼ環状の本体と、この環状本体内にある第２本体とする ことができる。

より一般的な第３の点においては本発明は、幅広い用途を有し、高い感度を要求 する超伝導素子を必要としない重力勾配計であって、 ハウジングと、 前記ハウジング内に取り付けられたボディであって、実質的に該ボディの重心を 通る軸の周りでの微小回動撓みのための質点四極子としてのボディと、 前記撓み軸に関する回転力を前記ボディに与えるため及び／または前記ボディを 横切る重力勾配から生じるボディの回動撓みにインダクタンスもしくはキャパシ タンスの変調によって応答するための、前記ハウジング内に支持されており且つ 前記ボディに極めて接近して配置された変換素子のアレーであって、該アレーが 、両回転方向において前記力を与えるように及びいずれかの回転方向において撓 みに応答するように構成されているアレーとを具備する重力勾配計を提供する。

この場合には好ましくは、前記ボデイは、極めて小さい間隔で向かい合った面を 有し且つ前記面がこれらと交差する平面内にある微小な厚さのウェブによって連 結されている１対の部材を含む撓みピボット軸受によって取り付けられており、 前記部材及び前記ウェブは実質的に均一の材料の一体品で構成されており、前記 撓み軸は前記ウェブと一直線をなしている。

図面の簡単な説明 添付の図面を参照し、実施例によって本発明の詳細な説明する。

図１は、回転運動が安定化された低温動作のための真空缶内でジンバル式マウン ト上に支持された本発明の第１の点に従う重力勾配計アセンブリの概略軸方向断 面図である。

図２は、実寸の勾配計アセンブリを示す図１の一部分の拡大図である。

図３は、図２の線分３−３における断面図である。

図４は、勾配計アセンブリ内で相互に垂直な質点四極子バーの各々が支持される 撓みピボット軸受の拡大図（倍率５倍〉である。

図５Ａは、軸受のウェブ領域をより拡大した図（倍率５０倍）である。

図５Ｂは、別のピボット軸受の図５Ａと同様の図である。

図６は、コイル／コイルホルダーアセンブリの１つのより詳細な軸方向断面図で ある。

図７及び図８は、図６に示したアセンブリのそれぞれの端面図である。

図９は、勾配計用の超伝導性回路の模式図である。

本発明を実施する最良の方法 図示した装置１０は、真空缶１６内に二軸または三軸ジンバル懸吊部材１４によ って支持された勾配計アセンブリ１２を含んでいる。装置１０は、デユワ−（図 示なし）内部に懸吊され、そこで液体ヘリウム内に浸没され得るデユワ−プロー ブを形成する０缶１６は、勾配計アセンブリ１２の低温動作のために液体ヘリウ ム温度またはその近傍の温度に維持され得る排気可能な包囲体を提供する。勾配 計アセンブリと真空缶との間の放射及び気体対流による熱伝導を小さくするため に、熱シールド１７を勾配計アセンブリの周囲に取り付けることができる。デユ ワ−を含む装置全体は、航空機または他の走行車両に容易に搭載することができ る。

勾配計アセンブリ１２は実際は、重力勾配テンソルの成分ｇ、、及びｇｙｗを測 定するように配向された実質的に同一の２つの勾配計２０及び２０′を含んでい る。勾配計２０及び２０°は、中央箱形構造体４０の上方及び下方にボルト止め されており、各々が、一方が他方の内部に配備された１対の例えばニオビウムの 直方包囲体２２及び２３と、電磁放射に対する周囲シールドを形成する外側ニオ ビウム側部プレート６０とを含んでいる。包囲体２２及び２３は典型的にはニオ ビウムであり、更に２重のレベルの完全電磁遮蔽を提供する。

ニオビウムのような超伝導材料の充実バー２５は、実質的にこのバーの重心を通 る軸８の周りでの微小口動撓みのための質点四極子として、内側包囲体２３内で 軸受２１上に取り付けられている。２つのバー２５．２５’の撓み軸は一致して おり、バーは水平面内で相互に垂直にＸ方向及びＸ方向に延伸している。１対の 相互に垂直な四極子バーを設置することにより、共通モードの回転加速度、即ち 各バーにおける回転ノイズの正味消去をなし得る。勾配計は当然のこと、問題の 勾配成分に従って別様に配向することもできる。

各勾配計２０．２０’は更に、ホルダー７０上に取り付けられた超伝導コイル３ ０のアレーを含む、ホルダー７０は更に外側包囲体２２によって支持されている 。コイル３０は、四極子バー２５に極めて接近して配置されている。

デユワ−（図示なし）は典型的には、直径約４５０ｍｍ及び高さ１．３ｍの外側 真空容器と、外側シェルの頂部にある口からガラスファイバネックチューブによ って懸吊されている直径３００ｍｍの内側ウェルとで構成されるであろう。内側 ウェルと外側シェルとの間のスペースは恒常的に真空であり、典型的には、多数 のアルミニウム被覆マイラー超絶縁層（ｌａｙｅｒｓ　ｏｆ　ａｌｕｍｉｎｉｓ ｅｄ　ｍｙｌａｒ　５ｕｐｅｒｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ）によって包囲された熱放 射シールドが取り付けられている。真空缶１６はデユワ−内に、デユワ−の口に 装着されているアルミニウム頂部プレートから支持されている。

頂部プレートと真空缶とはネックチューブ１３によって連結されており、ネック チューブ１３を通して真空缶は例えば１１”〜１０−１°Ｔｏｒｒの範囲まで排 気される。ジンバル懸吊部材１４は、ネックチューブの底部フランジ１５ａにボ ルト止めされており且つ缶１６の蓋を形成する厚さ２５ｍｍの剛性アルミニウム プレートに取り付けられている。

ジンバル懸吊部材１４は、Ｂｅｎｄｉｘ直交ウェブピボットのような撓みピボッ ト（詳細は記載しない）上に取り付けられた３つの遊動環４３．４４．４５から なる。懸吊部材１４は、勾配計アセンブリ１２における三軸の回転を独立させる ものであり、それぞれＸ軸及びｙ軸における光フアイバ回転センサ（図示なし） と、回転センサによって制御されるサーボ回路における能動安定化に関係する超 伝導電気機械反磁性アクチュエータとを備えている。

光フアイバ回転センサに代えて、安定化が物理的に分離してなされ且つ室温ジャ イロスコープを使用し得る光学遠隔検出構成を使用することもできる。この構成 （図示なし）においては、室温ジャイロスコープ慣性基準系にしっかりと取り付 けられたレーザまたは発光ダイオードからのコリメート光ビームが、勾配計アセ ンブリにしっかりと取り付けられた平面鏡によって反射される。光ビームと垂直 な任意の軸の周りで勾配計アセンブリが回転すると、この回転は、入射ビームと 反射ビームとの角度を測定することによって検出され得る。この測定は、光源に しっかりと取り付けられた位置感知光検出器のビームと垂直な感知平面によって 行われる。この検出器は実際には反射ビームからの光点の位置のＸ座標及びＸ座 標を測定し、これを、勾配計アセンブリの相対的向きをモニターするのに使用す る０機械的振動から隔絶する方法は図示していないが、確立された方法で提供さ れ得る。

外側装置とのリード線を伝ってデユワ−に到達する振動は、嵩高のリードブロッ クへの中間点近傍にありそれ自体は柔軟なばね上に懸吊されている全ケーブルの 装着部材によって遮断され得る。

各勾配計２０．２０’は実質的に同一であり、従ってここでは勾配計２０の構造 のみを特に図２及び図３を参照して詳細に説明する。既に述べたように包囲体２ ２．２３は、頂部、底部、側部及び端部の各プレートの組立てによりできた直方 体様の構成である。内側包囲体２３は外側包囲体２２にぴったりと嵌め合わされ ているが、外側包囲体２２の底部プレートを取り外せばスライド式に出し入れさ れるようになっている。内側包囲体には、それぞれがコイルホルダー７０を受容 する複数の円形開口２４が備えられており、その底部プレート２３ａには、バー ２５を支持する撓み軸受２１のためのブツシュ２６が備えられている。

撓み軸受２１は拡大図４．５Ａ及び５Ｂに詳細を示しである。これは、バーの重 心のところで軸８に沿ってバーの幅方向に延伸する微薄なウェブ２９を残し、軸 ８と平行なほとんど連続の切れ目をバー２５を貫いて電気放電機械加工（ＥＤＭ ）することにより形成される６図５Ａの実施態様の切れ目２７は、コアをブツシ ュ２６に取り付けるために一方の端部に３つのねじ孔２８ａが備えられた２７０ ゜の部分円筒形コア２８を規定している。コアは当然ながら、所望または必要で あれば、両端部で支持することもできる。

軸８の周りでバーの質量バランスを部分的に得るようにその位置を動かし得る小 ねじを収容するために、別のねじ孔（図示なし）もバー内に設けられている。切 れ目２７の半径方向部分２７ａはそれらの内側端部で直角部分２７ｂに移行して いる。これら２つの直角部分２７ｂは整列してはいるが、ウェブ２９によって分 離されている。ウェブの両側で切れ目は、ウェブを長くし且つピボットとして作 用する際のその剛性を小さくするために、両側部の部位２７Ｃのところでわずか に張出している。ウェブ２９は、厚さ約０．０３０ｍｍ、長さ約０．２００ｍｍ 及び「幅」約３０ｍｍ（即ちバー２５の幅）の超小型ピボットを規定する。

図５Ｂは図５Ａとは別の切れ目を示している。

特に図４と図５Ａ及び図５Ｂとから、コア２８と、これに隣り合って内側に突出 しているランド３１とは、バーの幅に広がる平面内でウェブ２９によって結合さ れ且つ極めて小さい間隔で向かい合った領域２８ｂ、３１ｂまたは２８ｂ’、３ １ｂ′を含む１対の部材を想定することを理解されたい、これらの部材は、ウェ ブ２９と一直線をなす回動軸の周りでの相互の回動撓みに適合されている。更に 、部材２８．３１及びウェブは、実質的に均一の材料、この場合にはニオビウム の一体品で構成されていることにも留意されたい。特に四極子バー２５は、切れ 目２７の半径方向部分２７ａの向かい合った面間の接触によって決定される角度 限度間の超小型ピボットウェブ２９において微小の回動撓みを生起し得る。この 角度範囲は約３度であり、いがなる場合にもウェブの非弾性変形を生じるであろ うおおよその大きさである。

バー２５の寸法は３０．００ｍｍ四方×長さ９０．０ｍｍと選択され、そうする ことで、バー及びピボットウェブ２９の弾性変形による加速度に対する感度が比 較的小さくされる約ＩＨｚの固有周波数を有する勾配テンソルが生成される。

各超伝導コイル３０の取り付けは図６〜図８から最も良く判る。ニオビウムの機 械加工片である各ホルダー７０は円形横断面を有しており、外側周囲保持フラン ジ７２を備えている。ホルダーは更に、ガラスファイバコイル巻型７４のための 同軸内側凹部７１を有している。コイル３０はパンケーキ形コイル、即ち巻型７ ４の露出表面上に平らになるように螺旋形に巻き且つエポキシによってそこに保 持したものである。必然的には超伝導性であり部会長くはｆ。

ｒ＋＊ｖａｒで絶縁されたニオビウムであるワイヤ８０は、巻型７４にある対角 方向人口孔７６を通って螺旋形の中心に入り込み、巻型に数回巻き付き、巻型に あるチャネルを通って出る０巻型７４にある孔７５は、巻取りの間アセンブリを 一時的に把持するためのものである。ワイヤの両端部はホルダー７０の孔７８を 通り、次いで包囲体２２の外側面に機械加工された種々のチャネル（図示なし） を抜け、更に包囲体４０内の孔を通る。

ホルダー７０は、両包囲体にある開口２４と位置合わせして適所に保持され、ね じ７３などによって外側包囲体２２上の適所に固定されたならば遮蔽プレート６ ０の１つによってカバーされる。そのうちの４つは各包囲体２２の側部上にある プレート６０は、コイル３０から包囲体４０へと走るワイヤを遮蔽している。各 コイルの内側端部は、バー２５の面に極めて近いところにある内側包囲体２３の 内側面と実質的に同平面である。

コイル３０は、四極子バーの各側部に沿って３つずつ及び四極子バーの各端部に １つずつ、それらの軸が共通水平面内にあるように設置されている。側部にある コイルは、一つの対はその軸が軸８と同一平面内にあるように、また他の２つ対 は軸がそれぞれ四極子バー２５の各端部の近くにあるように向かい合った同軸の 対として配備されている。

一方の側部上で端にあるコイル３０ａ及び３０ｂは、軸８の周りでそれぞれの回 転方向の回転力を超伝導性バーに反磁性的に与え、その方向での超伝導性バーの ねじれ剛性を増大させるブツシュコイルとして使用される。他方の側部上にあり これのコイルと向かい合った２つのコイル３０ｃ及び３０ｄは、バー２５を横切 る重力勾配から生、しるバー２５の回動撓みにインダクタンスの変調によって応 答するために使用される。各コイルは、軸８の周りでのそれぞれの回転方向にお ける撓みに応答する。更に残りの４つのコイルはセンナコイルとして使用されも ので、Ｘ及びｙ方向におけるバーの並進運動を検出するためのものである。これ らのコイルは実質的に同一であり、従って、ブツシュコイルもしくはセンサコイ ルとしてまたは両方に、相互に交換して使用し得る。

ブツシュコイルには、フィードバック制動を備えることと、軸８の周りの共通モ ード角加速度に対するそれらの応答を正確に整合させるために四極子バーのねじ れ共振周波数を微調整することとが要求される。

四極子バー２５は、コイル３０との相互作用のために超伝導性材料を含む限り、 ニオビウムのような充実の超伝導性材料で形成されることが絶対に必要であるわ けではないことを理解されたい０例えば各バーは、動作コイルと対面する表面の 部分にニオビウムでライニングされたまたはその部分にニオビウムを含むように 処理されたアルミニウム塊とすることができる。

各組の８つのコイルは、図９に模式的に示したように超伝導性回路に配線される 。これらの回路に係わる詳細を以下に説明する。

コイルからでた超伝導性ワイヤ８０は、包囲体２２にある機械加工チャネルを通 して包囲体４０内にある超伝導性接続インターフェース４１に供給される。必要 とされる種々の変換器もまた包囲体４０内に収容されている。

更にこのインターフェースからのリード線はフィードスルー４６を横切ってアセ ンブリの外部に出る。プ・ンシュコイルは、制御された永久電流の挿入を可能と するヒートスイッチを一使用することにより作動され、一方で、センサコイルの インダクタンス変化を検出する手段は、微分運動を感知する１つ以上の低温５Ｑ ＵＩＤ（超伝導性量子干渉素子）を備えている。ヒートスイッチ及び５ＱＵＩＤ は真空缶１６内に収容されている。スイッチ及び電流源は典型的にはコンピュー タ制御下にある。

５ＱＵＩＤセンサ系は、磁束の極めてわずかな変化にもかなりの高感度を示すの で、全てのリード線及び素子は、例えば超薄手のニオビウムチューブ材料のよう な密閉超伝導性シールドによって遮蔽されている。外部磁場は、それがシールド によって提供される包囲体に入ると指数関数的に減衰される。なぜならばチュー ブ材料の形状は、地球の周囲磁場がシールド内で１磁束素量（ｆｌｕｘ　ｑｕａ ｎｔｕｍ）未満になるような態様とされているからである。

低温で作動される図示された装置は、約１０−”ラジアンの大きさの角度変位を 測定し得る６図示したアセンブリにはニオビウム以外の材料を使用し得ることも 理解されたい、しかしながら、選択された材料は類似の熱膨張係数を有し、少な くともワイヤ、ワイヤシールド及びバー表面は超伝導性材料で形成されるのが好 ましい、優れた温度制御のためには包囲体を、勾配計を横切る温度勾配を最小化 するために熱伝導性に優れた材料で製造するのが望ましい。

勾配計ボディ（バー、包囲体、シールド）に好ましい材料はニオビウムである。

超伝導性回路の説明（図９） 勾配計に好ましい回路は、３つの異なるタイプの５つの回路からなる。３つの異 なるタイプとは、ＭＡＩＮ　ＲＥＡＤＯＵＴ（図９Ａ）と、ＡＣＣＥＬＥＲＡＴ ＩＯＮ　ＭＯＮＩＴＯＲＣＩＲＣＵＩＴＳ（図９Ｂ）と、ＰＵＳＨＣＩＲＣＵＩ ＴＳ（図９Ｃ）とである。このうち、加速度モニター回路はＸ方向及びｙ方向の 加速度を測定するために２つ必要であり、７ツシユ回路はそれぞれバー２５及び ２５°のために２つ必要である。３つの回路タイプを説明する前に、幾つかの一 般的な留意事項を記載する。

１、原則ケして装置は、重力勾配テンソルの任意の対角外成分を測定するように 配向することができる。全図面を通して全ての図は、鉛直方向に平行なＺ軸を有 する勾配計を示す、バーの長軸に平行なＸ軸を示す図３は、図２に示した下方コ イル包囲体の横断面図である。即ち、Ｘ軸は底部四極子バー２５の長軸と平行で あり、ｙ軸は上部バー２５′の長軸と平行である。

２、回路において、バーの超伝導性表面を感知するのに使用されるパンケーキ形 コイルにはそれらの用途に従って標識されている。即ち、ＰＵＳＨＩ及びＰＵＳ Ｈ２はブツシュコイルであり、Ｘ及びＹは加速度センサコイルであり、θ＋及び θ−は回転センサコイルである。

３、回路は幾つかのエレメントで構成されている。各回路の出力は５ＱＵＩＤか ら出るものであり、５ＱＵＩＤの入力は、遮蔽されたドーナツ形の空心変換器に よって回路の残りの部分に接続されている。即ち、各回路に１つずつ合計５つの ５ＱＵＩＤがある。

４、誘導子は、ドーナツ形または平形螺旋形（パンケーキ形）の２つのタイプか らなる。１！？Ｗ子バ一表面に対面しているコイルは全てがパンケーキ形である 。誘導子の残りの部分はドーナツ形である。

５、図示した装置においては「ヒートスイッチ」は、チューブと十分に熱接触し ているが電気的には絶縁している超伝導性ワイヤのループを含む薄い超伝導性チ ューブと密接に熱接触している加熱器からなる。チューブは、超伝導性回路の一 部であるループのための電磁遮蔽を提供する。加熱器を作動化することにより、 ループの一部を、超伝導性転移温度以上の温度に加熱することができる。この非 超伝導性部分は電気抵抗になり、ループを通る電流を散逸し、ポンプリード（ｐ ｕｍｐ　１ｅａｄｓ）を介して新たな電流を注入し得る。

一般にヒートスイッチの態様は、超伝導性回路において電流の散逸及び注入をな し得る幾つかの種の他の方法で改良したり置き換えたりし得る。

原則として重力勾配計は線加速度に本質的に低感度であるが、達成可能な共通モ ードの加速度失効比における制限と、超小型ピボットウェブ２つと四極子バー２ ５及び２５°との弾性変形によって誘導される二次作用との故に、実際には線加 速度は効果を有し得る。結果として、加速効果を勾配信号から適当に減算し得る ようにまた後のデータ解析において加速度を記録し得るように、加速度を測定す るための加速度計が必要とされる。

上記弾性変形の結果として四極子バー２５または２５゜の動きを加速度計として 使用することもできるし、この機能を実行するための別個の加速度計を勾配計パ ッケージに取り付けることもできる。いずれの場合も、各々が四極子バーの長軸 と平行な練加速度を測定する２つの加速度計を使用する。これらを、かかる軸の 方向に従ってＸ及びＹと標識する。これらもよたＸ及びＹと標識された２つの加 速度モニター回路（そのうちの１つを図９Ｂに表わす）は単に、記録用の加速度 データを提供する機能を実行する。

２つのブツシュ回路（各バーに１つずつ）は同一であり、従って１つのみをｌ１ ｆｆｉ９Ｃに示す、一方に対して行なう以下の説明は他方にも適用される。

ブツシュ回路ループは、調整及び蓄積され得る永久電流を担う、ループ内に得ら れる磁束は、ブツシュコイルが磁気ばねとして作用し、それによって四極子バー の機械的ねじれ共振周波数を増大することを意味する。この技法は、２つのバー のねじれ共振周波数を整合させるために使用される。Ｚ軸の周りの角加速度の失 効は、これらの周波数をいかにう才く整合させるかに従う、電流の変調はバーの 角運動から生じるものであり、この変調は、ブツシュループを５ＱＵＩＤに接続 するこよにより感知される。この出力は、Ｚ軸の周りの角加速度をサーボ制御す るフィードバックに使用され得る。

図９Ａに示した主読取り回路は、重力勾配に比例する温度補償出力信号を提供す るために、各応答器からの角度情報をＸ及びｙ方向加速度情報と組み合わせる機 能を実行する。全部で５つのループがあり、各々には独立に磁束が印加され、次 いで固定される。５つのループとは、上部バーのためのθループと、底部バーの ためのθループと、Ｘ加速度ループ（底部バー）と、Ｙ加速度ループ（上部バー ）と、最後に、その中にＳＱＵ　Ｉ　Ｄ入力変換器が接続されている温度感知ル ープとである。Ｘ及びＹループ内の磁束は、５ＱＵＩＤ出力がこれら２つの加速 度とは独立であるように調整される。同様に、２つのθルーズの各々における磁 束は、Ｚ軸の周りの回転加速度の作用を相殺するように印加される。温度ループ の磁束は、勾配計内のわずかな温度不均一の一次的な相殺を行なうように調整さ れる。

国際調査報告 Ｉｎ＋ｅｒＩ′Ｉａｔｌｅ＋＋ｓＬ＾ｐｉｌｌ　ｔｏｎ　１＋１１．　Ｋゴ／Ａ Ｈｔｌａ１０ＩＢ４３ＮｅＥｘＴＯＭ　ｌＮ１ａＮＡＴＩα［５ＥＡＲＧＩ　Ｒ ＥＰＧＩＴ　ＯＮｎ打υ廿挾Ｔ工αＭ　ＭＰＩＪＣＡｆｆｉＧＪ　閏、　ＰＣＴ 　ＡＵ　３カのｆｆλ９征Ｘ

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．重力勾配テンソルの対角外成分を測定するための重力勾配計であって、 一方が他方の内部に設置された１対の電磁遮蔽包囲体を含むハウジングと、 前記内側の包囲体内に取り付けられた超伝導性材料を含むボディであって、実質 的に該ボディの重心を通る軸の周りでの微小な回動撓みのための質点四極子とし てのボディと、 前記撓み軸に関する回転力を前記ボディに反磁性的に与えるため及び／または前 記ボディを横切る重力勾配から生じる前記ボディの回動撓みにインダクタンスの 変調によって応答するための、前記外側の包囲体によって支持されており且つ前 記ボディに極めて接近して配置されている超伝導性コイルのアレーであって、該 アレーが、両回転方向において前記力を与えるように及びいずれかの回転方向に おいて撓みに応答するように構成されているアレーとを具備している重力勾配計 。
2. ２．前記２つの包囲体が都合良くはぴったりと嵌め合いされた長方形の箱であり 、前記ボディが好ましくは相補形の整合充実ボディである請求項１に記載の重力 勾配計。
3. ３．前記撓み軸が前記ボディを、該軸の両側にある前記ボディの２つのアームに 分別し、各アームの向かい合った側部に超伝導性コイルがある請求項１または２ に記載の電力勾配計。
4. ４．前記ボディの並進移動をモニターするために、該ボディの両面郡上で前記軸 のところと該ボディの各端部とに更にコイルがある請求項３に記載の重力勾配計 。
5. ５．前記超伝導性材料がニオビウムである請求項１から４のいずれか一項に記載 の重力勾配計。
6. ６．電気的、磁気的、熱的及び振動的に遮蔽されている系内に支持されている請 求項１から５のいずれか一項に記載の重力勾配計。
7. ７．前記ボディが、極めて小さい間隔で向かい合った面を有し且つ前記面がこれ らと交差する平面内にある微小な厚さのウェブによって運結されている１対の部 材を含む撓みビボット軸受によって取り付けられており、前記部材及び前記ウェ ブが実質的に均一の材料の一体品で構成されており、前記撓み軸が前記ウェブと 一直線をなしている請求項１から６のいずれか一項に記載の重力勾配計。
8. 　８．前記軸受が、超伝導性材料の単一塊から切抜きされている請求項７に記載 の重力勾配計。
9. ９．前記部材の一方が、前記四極子ボディと一体的である請求項７または８に記 載の重力勾配計。
10. １０．前記軸受の２つの部材が、ほぼ環状の本体と前記環状本体内にある第２本 体とである請求項７から９のいずれか一項に記載の重力勾配計。
11. １１．２つの四優子ボディのそれぞれの撓み軸が相互に平行であり、更に２つの 四極子ボディが相互に垂直で且つ前記撓み軸とも垂直であるように単一の装置内 に一緒に連結された請求項１から１０のいずれか一項に記載の重力勾配計の対を 備えた装置。
12. １２．前記四極子ボディの各々の撓み軸が実質的に一致している請求項１１に記 載の装置。
13. １３．前記２つの四極子ボディと協働する超伝導性コイルのアレーが、各々の中 に磁束が独立に印加され固定され得る５つの超伝導性ループ内に接続されており 、各ループが、前記四極子ボディの一方の一端または両端にコイルを含む第１ル ープと、前記四極子ボディの他方の一端または両端にコイルを含む第２ループと 、前記四極子ボディのそれぞれに回転力を与えるため及び／または前記四極子ボ ディのそれぞれの回動撓みに応答するためのコイルを含む第３及び第４のループ と、前記四極子ボディの周りの温度に応答する第５ループとを含む請求項１１ま たは１２に記載の装置。
14. １４．極めて小さい間隔で向かい合った面を有し且つ前記面がこれらと交差する 平面内にある微小な厚さのウェブによって連結されている１対の部材を備えてい る撓みビボット軸受であって、前記部材及び前記ウェブが実質的に均一の材料の 一体品で構成されており、前記部材が、前記ウェブと一直線をなす回動軸の周り での相互の回動撓みに適合されている撓みビボット軸受。
15. １５．前記軸受が、超伝導性材料の単一塊から切抜きされている請求項１４に記 載の撓みビボット軸受。
16. １６．前記軸受の２つの部材が、ほぼ環状の本体と前記環状本体内の第２本体と である請求項１４または１５に記載の撓みビボット軸受。
17. １７．ハウジングと、 前記ハウジング内に取り付けられたボディであって、実質的に該ボディの重心を 通る軸の周りでの微小な回動撓みのための質点四極子としてのボディと、前記撓 み軸に関する回転力を前記ボディに与えるため及び／または前記ボディを横切る 重力勾配から生じるボディの回動撓みにインダクタンスもしくはキャパシタンス の変調により応答するための、前記ハウジング内に支持されており且つ前記ボデ ィに極めて接近して配置されている変換素子のアレーであって、該アレーが、両 回転方向において前記力を与えるように及びいずれかの回転方向において撓みに 応答するように構成されているアレーとを具備している重力勾配計。
18. １８．前記ボディが、極めて小さい間隔で向かい合った面を有し且つ前記面がこ れらと交差する平面内にある微小な厚さのウェブによって連結されている１対の 部材を含む撓みビボット軸受によって取り付けられており、前記部材及び前記ウ ェブが実質的に均一の材料の一体品で構成されており、前記撓み軸が前記ウェブ と一直線をなしている請求項１７に記載の重力勾配計。
19. １９．前記部材の一方が、前記四極子ボディと一体的である請求項１８に記載の 重力勾配計。
20. ２０．前記軸受の２つの部材がほぼ環状の本体と前記環状本体内にある第２本体 とである請求項１８または１９に記載の重力勾配計。
21. ２１．２つの四極子ボディのそれぞれの撓み軸が平行であり、更に２つの四極子 ボディが相互に垂直で且つ前記撓み軸とも垂直であるように単一の装置内に一緒 に連結された請求項１７から２０のいずれか一項に記載の重力勾配計の対を備え た装置。
22. ２２．実質的に添付の図面を参照して本明細書に記載した重力勾配計または撓み ビボット軸受。