JPH0850140A

JPH0850140A - 保証質量支持及び感知システム

Info

Publication number: JPH0850140A
Application number: JP7108942A
Authority: JP
Inventors: John M Lumley; モーリスラムリージョン; Ho J Paik; ユングパイクホー
Original assignee: OXFORD INSTR U K Ltd; Oxford Instruments UK Ltd
Current assignee: OXFORD INSTR U K Ltd; Oxford Instruments UK Ltd
Priority date: 1994-03-30
Filing date: 1995-03-29
Publication date: 1996-02-20
Anticipated expiration: 2024-01-21
Also published as: AU683135B2; EP0675375A3; JP4212125B2; EP0675375A2; US5817939A; EP0675375B1; DE69521235D1; AU1612695A; DE69521235T2; US5587526A

Abstract

(57)【要約】【目的】超伝導加速度計又は重力勾配計に使用する保
証質量支持及び感知システムを提供する。【構成】保証質量支持システムは、細長い保証質量
（３，４）の休止位置を制御するための一対の整列コイ
ル（４２，４２’．４４，４４’）を備えている。これ
らの整列コイルは、保証質量（３，４）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与えるように構
成される。整列コイルにより定められた１つ以上の自由
度に対し保証質量に所定の向きをとらせるように整列コ
イルの電流の相対的な強度をチューニングする手段が設
けられる。別の形態においては、１つ以上の抗回転コイ
ル（４６，５１，４９，５０）は、電流が通過するとき
に保証質量に回復力を付与するように構成され、保証質
量は回復力と共働するように形成され、回復力は保証質
量が所定の向きから離れて回転しないように作用する。
このシステムは、通常は、超伝導加速度計又は重量勾配
計の一部分として設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【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】単位長さ当たりの巻回数は、必要とされる
方向に沿って変化するテーパをもつ曲がりくねったパタ
ーンのコイルを設けることにより変えることができる。

【００１９】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。

【００２０】典型的に、整列コイルは、実質的に円筒状
の型に巻かれる。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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（ｍａｃｏ
ｒ）、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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】一般的に、保証質量は、実質的に円筒状で
ある。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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、（ｉ
ｉｉ）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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】典型的に、各保証質量は、実質的に円筒状
である。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】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）。

【００５０】

【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。

【００５１】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４
２、４４（及び図示されない反対側では４２’、４
４’）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。

【００５２】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１０
１）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。

【００５３】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。

【００５４】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Ｌ_ｃ１１、
Ｌ_ｄ１１、Ｌ_ｃ１２及びＬ_ｄ１２（各々、５、６、７、
８）を支持する。同様に、付加的な外部型（図１５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Ｌ_ｃ２１、Ｌ_ｄ２１、Ｌ_ｃ２２及びＬ
_ｄ２２（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。

【００５５】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
Ｌ_{ｙ１１＋／−}）、４２’（左側対のｙコイルＬ
_{ｙ１２＋／−}）、４４（上方対のｚコイルＬ
_{ｚ１２＋／−}）及び４４’（下方対のｚコイルＬ
_{ｚ１１＋／−}）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（Ｌ
_ｙ１２＋）及び２２（Ｌ_ｙ１２−）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１２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
（Ｌ_ｙ１２−）及び２２（Ｌ_ｙ１２＋）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）。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】本発明の例では、３軸の超伝導重力勾配計
（ＳＧＧ）（図２４）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Ｌ_ｄ１１、Ｌ_ｄ１２、６、８及びＬ_ｃ１１、Ｌ
_ｃ１２、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。Ｌ_ｙ１２−（２１）、Ｌ_ｙ１２＋（２２）及び
Ｌ_ｙ１１−（２１’）、Ｌ_ｙ１２＋（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、Ｌ_ｚ１１＋、Ｌ_ｚ１１−、４４’及びＬ
_ｚ１２＋、Ｌ_ｚ１２−、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。

【００５９】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。

【００６０】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。

【００６１】し、Γ_ｘｘ（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。

【００６２】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４
４’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。

【００６３】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。

【００６４】曲がりくねったパターンの超伝導コイル１
１０（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、μ_０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。

【００６５】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。

【００６６】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。

【００６７】第３の構成（図１１及び１２に示す）は、
増加するテーパ３９が減少するテーパ４０と互いにイン
ターリーブされた１つの曲がりくねったパターンのコイ
ルを有することである。ここで、アップ方向にテーパ付
けされたコイル３９に全ての電流が蓄積されそしてダウ
ン方向にテーパ付けされたコイル４０に全く電流が蓄積
されない場合には、ｘが増加するにつれて巻回がより均
一に離間されるので、保証質量は右側にアップするよう
に傾斜され、これにより、右側の方が左側よりも効果的
に大きなピッチ（ｗ）となる。同様に、全ての電流がダ
ウン方向にテーパ付けされたコイル４０に流れそしてア
ップ方向にテーパ付けされたコイル３９には全く電流が
流れない場合には、保証質量は右側にダウンするように
傾斜される。中間電流分布の場合には、感知軸がこれら
２つの限界角度間に存在する。

【００６８】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。

【００６９】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。

【００７０】図１３及び１４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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】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。

【００７４】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。

【００７５】図１５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’、３
４’）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洞１
８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。

【００７６】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１６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１２
２’、１２２、１２１、１２１’（各々Ｌ_ｚ１１＋、Ｌ
_ｚ１２＋、Ｌ_ｚ１２−、Ｌ_ｚ１１−）が全て一緒に接続
され、永続電流Ｉ_ｚ１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
Ｌ_ｚ２１＋、Ｌ_ｚ２２＋、Ｌ_ｚ２２−、Ｌ_ｚ２１−）が
全て一緒に接続され、永続電流Ｉ_ｚ２が蓄積されるルー
プが形成される。

【００７７】これら２つの超伝導コイルは、インダクタ
Ｌ_ｚ３及びシャント抵抗器Ｒ_ｚ３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Ｌ_ｚ４及びシャ
ント抵抗器Ｒ_ｚ４を含む別の超伝導ループが、変成器を
通して、Ｌ_ｚ３を共有する２つのループに接続される。

【００７８】永続的な電流Ｉ_ｚ１−Ｉ_ｚ４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。

【００７９】電流Ｉ_ｚ１及びＩ_ｚ２は、保証質量３及び
４を浮揚し、ｚ及θ_ｙ（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Ｉ_ｚ３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α_ｙ
に対するＳＧＧの感度を排除することができる。

【００８０】Ｌ_ｚ４を含むループに永続電流Ｉ_ｚ４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Ｉ_ｚ４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ａ_ｚに対するＳＧＧの感度を排除することができ
る。

【００８１】シャント抵抗器Ｒ_ｚ３及びＲ_ｚ４は、保証
質量の角共振加速度（α_ｙ）及び直線共振加速度
（ａ_ｚ）の受動的な制動を行う。

【００８２】図１６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。

【００８３】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。

【００８４】差動モード感知回路が図１７に示されてい
る。電流Ｉ_ｄ１、Ｉ_ｄ２は、差動モード共振周波数を同
調する。比Ｉ_ｄ２／Ｉ_ｄ１は、差動モード（Γ_ｘｘ）Ｓ
ＱＵＩＤ１２８の出力において共通モードをバランス除
去するように調整される。Ｉ_ｄ３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。

【００８５】共通モード感知回路が図１８に示されてい
る。電流Ｉ_ｃ１、Ｉ_ｃ２は、共通モード共振周波数を同
調する。比Ｉ_ｃ２／Ｉ_ｃ１は、共通モード（ａ_ｘ）ＳＱ
ＵＩＤ１２９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。Ｒ_ｃ３（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Ｌ_ｃ３経路からバラン
ス除去されているので、Ｒ_ｃ３は差動モードを制動しな
い。

【００８６】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
Γ_ｘｘ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ｉ_ｄに変換され、共通モード感知回路のインダクタ
Ｌ_ｃ５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、Ｌ_ｃ５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。

【００８７】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Ｌ_ｃ３を小さくしそし
てＬ_ｃ４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。

【００８８】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。

【００８９】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。

【００９０】負のバネを与える１つの方法は、図１９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４
４’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。

【００９１】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
２０に４７で示しそして図２１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。

【００９２】図２２及び２３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。

【００９３】ｘ軸（θ_ｘ）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。θ_ｘ回転は、図２２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θ_ｘ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。

【００９４】回転を防止する別の方法が図２３に示され
ており、図２２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５
１、５２、５３、５４（Ｌ_ｚ’１１、Ｌ_ｚ’１２、Ｌ
_ｙ’１１、Ｌ_ｙ’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。

【００９５】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Ｌ_ｚ１２−により
与えられる浮揚力は、コイルＬ_ｚ１１−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。

【００９６】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５
２及び５４のみである。

【００９７】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２４には、保証質量
３の抗回転コイルＬ_ｚ’１１及びＬ_ｚ’１２（５１、５
２）と、保証質量４に関連した対応コイルＬ_ｚ’２１及
びＬ_ｚ’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Ｉ_ｚ’１
及びＩ_ｚ’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
（ａ_ｚ’）と、ｙ’軸のまわりでの角加速度（α_ｙ’）
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
Ｌ_ｙ’１１、Ｌ_ｙ’１２、Ｌ_ｙ’２１及びＬ_ｙ’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（ａ_ｙ’）及びｚ’軸のまわりでの角加速度
（α_ｚ’）を感知することができる。

【００９８】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。

【００９９】角加速度出力α_ｙ及びα_ｚを積分してプラ
ットホームの角速度Ω_ｙ及びΩ_ｚ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。

【０１００】シャント抵抗器Ｒ_ｚ’３及びＲ_ｚ’４は、
半径方向並進移動（ａ_ｚ’）及び回転（α_ｙ’）モード
に対して受動的な制動を与える。

【０１０１】出力インダクタンスＬ_ｚ’３、Ｌ
_ｚ’４は、パンケーキ型コイル（５１、５２、５６、５
７）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。

【０１０２】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（ｃｒｙｏｐｅｒ
ｍ）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。

【０１０３】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、ω_ｄ／２πをほぼ０．２Ｈｚにお
いて維持することができ、但し、ω_ｄ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。

【０１０４】得られたω_ｄ／２πの値は、ω_ｄ／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^−３ＥＨｚ^−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）。

【０１０５】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。

【０１０６】図２５ないし２８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。

【０１０７】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、Γ_ｘｘ、Γ_ｙｙ及びΓ_ｚｚ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。

【０１０８】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。

【０１０９】その構成が図２５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。

【０１１０】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。

【０１１１】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２６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。

【０１１２】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。

【０１１３】又、別のＳＱＵＩＤ回路を用いると、直線
加速度ａ_ｘも測定できることが明らかである。従って、
この計器は、ａ_ｘ、及びα_ｚ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２６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。

【０１１４】クロス成分重力勾配計図２７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２７に
示すように永続的電流が蓄積される状態で、ＳＱＵＩＤ
１４４、１４５は、クロス成分重力勾配Γ_ｘｙ及び角加
速度α_ｚを各々測定する。

【０１１５】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。

【０１１６】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。

【０１１７】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。

【０１１８】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。

【０１１９】この構成は、図２８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。

【０１２０】テンソル重力勾配計図２４に示す半径方向感知回路を図２５の６軸勾配計又
は図２８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。

【０１２１】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２９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１
７５、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１６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２９に示す）を使用しそして１２１、１２
１’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。

【０１２２】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。

【０１２３】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。

【０１２４】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。

【０１２５】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。

【０１２６】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の特徴による保証質量支持シス
テムの整列コイルに対するテーパ付けされた巻線構成を
示す平面図である。

【図１２】図１１のテーパ付け構成の断面図である。

【図１３】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１４】図１３の型の断面図である。

【図１５】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１６】ｚ軸整列コイルの回路図である。

【図１７】ｘ軸感知コイルの回路図である。

【図１８】ｘ軸感知コイルの回路図である。

【図１９】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２０】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２１】図２０の部分拡大図である。

【図２２】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２３】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２４】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２５】多軸勾配計の構成を示す図である。

【図２６】２成分加速度計の構成を示す図である。

【図２７】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２８】６軸加速度計の構成を示す図である。

【図２９】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、８ｘ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 595065219 ホーユングパイクアメリカ合衆国メリーランド州 20742 カレッジパーク（番地なし）ユニヴァーシティーオブメリーランドデパートメントオブフィジクス気付 (72)発明者ジョンモーリスラムリーイギリスケンブリッジシービー３０イージーマーディングリーロード 13エイ (72)発明者ホーユングパイクアメリカ合衆国メリーランド州 20742 カレッジパーク（番地なし）ユニヴァーシティーオブメリーランドデパートメントオブフィジクス気付

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】細長い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に
おいて、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ことを特徴とする保証質量
支持システム。
【請求項２】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。
【請求項３】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実質的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。
【請求項４】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。
【請求項５】コイルの一方又は両方から保証質量の表
面までの距離は、コイルの長さに沿って変化する請求項
１ないし４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】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。
【請求項７】上記整列コイルは、多数のワイヤのイン
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。
【請求項８】上記コイルの一方又は両方の単位長さ当
たりの巻回数は、コイルの長さに沿って変化する請求項
１ないし７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】上記整列コイルは、一対のテーパ付けさ
れたインターリーブされたワイヤより成る請求項８に記
載のシステム。
【請求項１０】上記保証質量は実質的に円筒状である
請求項１ないし９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】他の方向に浮揚力を発生する付加的な
整列コイルを更に備え、これにより、重力に対する保証
質量の浮揚を、重力フィールドに対して保証質量の実質
的に全ての方向に達成できる請求項１ないし１０のいず
れかに記載のシステム。
【請求項１２】上記付加的な整列コイルの少なくとも
２つは、上記第１対の整列コイルと実質的に同じ方向に
延びる第２対の細長いコイルより成り、この第２対の整
列コイルは、それら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与えるように構成され、上記システ
ムは、更に、上記第２対の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付加的な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請求項１
１に記載のシステム。
【請求項１３】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１２のいずれかに
記載のシステム。
【請求項１４】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１
３のいずれかに記載のシステム。
【請求項１５】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１４に記載のシステム。
【請求項１６】上記保証質量を浮揚しそして使用中に
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１組の凹状整列コイルを更に備えた請求項１
ないし１５のいずれかに記載のシステム。
【請求項１７】請求項１ないし１６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１８】請求項１ないし１６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１９】請求項１７又は１８に記載の一対の加
速度計を備えた重力勾配計。
【請求項２０】浮揚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
１８に記載の加速度計又は請求項１９に記載の勾配計。
【請求項２１】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実質的にデカップリングされる
請求項１８ないし２０のいずれかに記載の勾配計又は加
速度計。
【請求項２２】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２１のいずれかに記載のシステ
ム。
【請求項２３】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２２のいずれかに記載のシステム。
【請求項２４】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つのコイルは保証質
量に浮揚力を与えるように構成されそして少なくとも１
つのコイル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
ように構成された保証質量支持システムにおいて、上記
保証質量は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こ
とを特徴とする保証質量支持システム。
【請求項２５】上記保証質量は超伝導材料で形成さ
れ、上記抗回転コイルは型の表面における複数の超伝導
ワイヤで形成された超伝導ループを備え、保証質量の表
面には対応する溝が形成され、これにより、上記ループ
に蓄積された永続電流から保証質量に回復力が与えられ
る請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】型の表面に巻かれた１つ以上の抗回転
パンケーキコイルを備え、各々の抗回転パンケーキコイ
ルは保証質量の表面に関連する溝を有している請求項２
５に記載のシステム。
【請求項２７】複数の抗回転コイルを備え、これら抗
回転コイルに接続された検出回路を更に備え、この検出
回路は、保証質量の半径方向直線及び角加速度を測定す
るものである請求項２４ないし２６のいずれかに記載の
システム。
【請求項２８】請求項１ないし２３のいずれか及び請
求項２４ないし２７のいずれかに記載のシステム。
【請求項２９】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、を備えたことを特徴とする加速度計又は重
力勾配計。
【請求項３０】各保証質量は、請求項２４ないし２８
のいずれかに記載のシステムにより支持され、そして各
第２感知コイルは抗回転コイルによって形成される請求
項２９に記載の加速度計又は重力勾配計。