(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースフレームと、
慣性質量体と、
前記質量体を前記ベースフレームに直接的に接続する少なくとも１つのバネであって、第１の軸に沿って前記慣性質量体に加わる重力の力と実質的に釣り合った力を前記第１の軸に沿って及ぼす少なくとも１つのバネと、
少なくとも１つの力感知共振器であって、前記質量体と前記ベースフレームとの間に加わる、加速度による力が、前記軸に沿って前記力感知共振器に伝達されるよう、前記ベースフレームに接続された第１の端部と前記慣性質量体に接続された第２の端部とを有する少なくとも１つの力感知共振器と、
を備える地震及び重力センサ。
【請求項２】
前記バネは、前記第１の軸に沿った前記力感知共振器のバネレートよりも実質的に柔らかい、請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
前記共振器は水晶から製造される、請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
前記バネは、離間された２つのカンチレバー型ビームを含む、請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
前記バネは水晶から作られている、請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
コンプライアントな支持部材が前記力感知共振器と直列に追加されている、請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
前記慣性質量体の動きを制限する複数の機械ストップを更に備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
近接して離間配置された面の間、すなわち、前記慣性質量体に接続された一方の面と、前記ベースフレームに接続された他方の面との間、の不活性ガスで前記慣性質量体の動きを減衰させる手段を更に備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
誘導された電磁界で前記慣性質量体の動きを減衰させる手段を更に備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項１０】
前記ベースフレームは、減衰型の外部バネ配列を含んだ機械的分離フィルタに取り付けられている、請求項１記載のセンサ。
【請求項１１】
前記ベースフレームに接続された第１の端部と、力伝達構造に接続された第２の端部と、を有する少なくとも１つの力感知共振器であって、前記力伝達構造は前記質量体の加速度による負荷を前記力感知共振器に伝達するよう動作可能である、少なくとも１つの力感知共振器を備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項１２】
加速度による負荷が引張応力を与えるよう前記慣性質量体に接続された力感知共振器を有する第１のセンサと、
加速度による負荷が圧縮応力を与えるよう前記慣性質量体に接続された力感知共振器を有する第２のセンサと、
を備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項１３】
前記慣性質量体に取り付けられた３対の力感知共振器であって、各々の対が、互いに実質的に直交するそれぞれの軸に沿った実質的に平行な方向に前記慣性質量体から延びており、各々の対における前記力感知共振器が、前記慣性質量体を前記それぞれの軸に沿って吊り下げるよう、互いに離間されており、また、加速度による前記慣性質量体の負荷が接続手段によって前記力感知共振器へ伝達される、３対の力感知共振器を備える、請求項１記載のセンサ。
【請求項１４】
請求項１記載のセンサを用いて地震加速度及び重力変動を測定する方法であって、
重力変動と加速度による負荷とを、慣性質量体とベースとの間に接続された力感知共振器に伝達することと、
前記慣性質量体の重量を１つの軸に沿って実質的に支持することと、
前記共振器の固有共振周波数を励起することと、
前記共振器の前記励起された固有共振周波数を測定することと、
を含む方法。
【請求項１５】
温度によるエラーのために前記力感知共振器に伝達された負荷を補正することを更に含む、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検知素子としての共振変換器（共振トランスデューサ）を備えた、新型かつ改良型の高分解能の地震計及び重力計に関する。
【背景技術】
【０００２】
遠方での地震からの地面の動きを測定する技術の進歩は、主にここ百年のことである。主要な発展となったのは、１９３４年におけるラコステ（La Coste）及びロンベルク（Romberg）による長期型垂直地震計（long-period vertical seismograph）の発明と、１９６０年代におけるブロック（Block）及びムーア（Moore）によって先駆けとなったアクティブ電子センシング及びフィードバックの導入であり、これらにより、１９８２年におけるヴィーラント（Wielands）及びシュトックアイゼン（Stockeisen）による、依然として最新式である長期型板バネ地震計（long-period leaf-spring seismometer）がもたらされている。これらの地震計は、柔軟な螺旋バネ又は湾曲した板バネによって支持された大きな慣性質量体と、力平衡（フォースバランス）式フィードバックシステムとで構成されている。改良点には、一定係数の材料からなるバネと、先進的なアナログ／デジタル変換器と、デジタルフィルタとを使用することが含まれている。その主要な出力は、地動速度に関連付けられたアナログ信号であり、これは微分によって地動加速度に変換可能である。遅い地動加速度に対する典型的な感度は、ナノｇ（nano-g’s）又はそれよりも小さな単位で測定される。高感度を達成するためには、通常、加わる加速度が地球の重力のほんの１％程度に制限される。このように、フルスケールレンジが制限され、かつ、強い地震の場合は出力がクリップされる。
【０００３】
一方、例えば力平衡式加速度計で地動加速度を直接測定する技術による結果、一層大きな加速度フルスケールを有し、かつ、特に短い時間間隔において感度の良いデバイスが得られた。これらのデバイスは、一般に、強震センサ（strong-motion sensors）と呼ばれている。それらの欠点は、長期の弱い垂直地動加速度に対しては感度があまり良くないということである。
【０００４】
従来の長期型の強震地震計の他の欠点は、センサのアナログ出力が、ダイナミックレンジの数値制限された、かつ、長期安定性に乏しいアナログ／デジタル変換器によって、デジタル信号へ変換される、ということである。非常に正確なクロック基準に関連した時間ドメイン内で測定可能な周波数出力を有する、本来的にデジタルの地震及び重力センサは、非常に高い短期分解能と、最高の長期安定性とを提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、加速度を直接測定する、高分解能で本来的にデジタルの地震及び重力センサ、特には、サイズがコンパクトで、低電力を使用し、温度感応性が低く、かつ、非磁性材料を用いたセンサが、必要とされている。
【０００６】
先行技術には、数多くの力感知共振器が記載されている。単一振動ビーム型の力センサが、米国特許第３，４７０，４００号、第３，４７９，５３６号、第４，４４５，０６５号、第４，６５６，３８３号、第４，６５８，１７４号、第４，６５８，１７５号、第４，７４３，７９０号、第４，９８０，５９８号、第５，１０９，１７５号、及び第５，５９６，１４５号に記載されている。双音叉（「ＤＥＴＦ」：Double-Ended Tuning Forks）と称される双振動ビーム型の力センサが、米国特許第２，８５４，５８１号、第３，１４８，２８９号、第３，２３８，７８９号、４，２１５，５７０号、第４，３７２，１７３号、第４，４１５，８２７号、第４，４６９，９７９号、第４，５３１，０７３号、第４，７５７，２２８号、及び第４，９１２，９９０号に記載されている。これらのデバイスでは、共振型力センサの振動周波数の変化が、加えられた力の変化の測定値となる。
【０００７】
共振器ビームを用いた１軸型の加速度計が、米国特許第２，９８４，１１１号、第３，１９０，１２９号、第３，２３８，７８９号、第３，４４０，８８８号、第３，４６５，５９７号、第４，０９１，６７９号、第４，４７９，３８５号、第４，９８０，５９８号、第５，１０９，１７５号、第５，１７０，６６５号、第５，３３４，９０１号、及び第５，５９６，１４５号に記載されている。これらの特許に開示されたデバイスは、概して、サーボフィードバックなしの開ループ型センサであり、感知軸に沿った加速度下で共振器に力を及ぼす慣性質量体からなっている。この慣性質量体は、通常、サスペンションシステム又はたわみ構造によってガイドされる。これらのデバイスのいずれも、最新式の長期型地震計の感度には達していない。これは、そのフルスケールが常に地球の重力加速度を超過しており、かつ、そのダイナミックレンジがナノｇ又はそれ以上の感度に達する程には十分高くないためである。力感知共振器を備えた３軸型の加速度計が、米国特許第６，８２６，９６０号及び米国特許第７，１７８，４０１号に開示されている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
地震加速度及び重力場の変動を高分解能で本来的にデジタルで測定するためのセンサが、開示される。このセンサは、１つまたは複数の力感知共振器に接続された慣性質量体を含む。この慣性質量体の重量は、静重力場の力に曝された時に、バネ配列によって実質的に負荷が排除される。地動加速度又は重力場の変動によって生成された力が、直接に、或いは、力又はトルク伝達構造を介して、負荷感知共振器に結合される。慣性質量体の小さな動きを制限するための機械的な過負荷ストップを配置することで、負荷が力感知共振器の許容可能レンジ内にとどまるようにしてもよい。バネの材料や、ベースフレーム、サスペンション要素、相互接続部、及び共振器からなる機械要素の材料は、センサの温度感応性を最小にするよう選択されてもよい。上記力感知共振器は、電子的な手段によって、その固有共振周波数に設定され、また、その結果得られる周波数出力信号は、高分解能の周波数カウンタによって測定される。このように、加速度による共振周波数の変化が、地震入力又は重力場の変動の高分解能で本来的にデジタルな測定値となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１Ａ】従来の単一ビーム型共振変換器の斜視図である。
【図１Ｂ】従来の双ビーム型共振変換器の斜視図である。
【図２Ａ】デジタル高分解能地震及び重力センサの基本要素（慣性質量体、重力補償バネ、及び力感知共振器）の平面図である。
【図２Ｂ】慣性質量体、重力補償部、力感知デジタル共振器に負荷を加える伝達手段、及び過負荷機械ストップを有する、デジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。
【図３】力感知共振器に結合されたクロスヒンジたわみ上の負荷伝達バランスアームによって慣性質量体を支持する、重力補償部としての双カンチレバー型バネを有する、デジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。
【図４】たわみサスペンションによって力感知共振器に結合された慣性質量体を支持する湾曲板バネを有する、デジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。
【図５】力感知共振器に結合された、低バネレートの螺旋バネによって吊り下げられた２つの慣性質量体を有する、デジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。慣性質量体に加えられる加速度について、一方の共振器が圧縮応力を検知し、他方の共振器が引張応力を検知する。
【図６】デジタル力感知共振器に結合されたカンチレバー型バネによって支持された慣性質量体を有する、コンパクトな円筒型のデジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。
【図７】６つの力感知共振器及び１つの重力補償螺旋バネによって保持された慣性質量体を有する、３軸型のデジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。
【図８】６つの力感知共振器及び３つの重力補償螺旋バネによって保持された慣性質量体を有する、３軸型のデジタル高分解能地震及び重力センサの斜視図である。
【図９】図５に示された双質量型のデジタル高分解能地震及び重力センサからなる地震測定システムの主要な構成要素のブロック図であり、これは、互いに反対の引張／圧縮の極性を持つ出力Ａ及びＢ、温度プローブ、及び高周波数のクロック基準を有している。高分解能の周波数カウンタが、基準クロックと比較して地震及び重力センサの周波数出力を測定し、デジタル信号を処理ユニットへと送る。この処理ユニットは、アンチエイリアシングフィルタ、デジタル信号処理、温度補償、出力Ａ及びＢ間のコモンモードエラー補償、並びに、重力工学単位への周波数信号の線形化を含む。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
地震計は、地面の動き、速度、又は加速度を測定する計器である。これら３つの量はニュートン物理学によって相互に関係付けられる。それらのうちの１つの時系列測定を利用して、積分又は微分のいずれかにより、他の２つを見出すことが可能である。理論上では、最初にどの量を測定するかは重要でないが、今までのところ、実際には速度ベースの地震計が好まれている。その主な理由は、感度及び帯域幅である。地震検知において最大の関心となる帯域幅は、約１〜１００秒の時間レンジ内にあり、この時間レンジは、通常、長期ドメイン（long-period domain）と称される。従来の地震計は、長期レンジ内において制動された固有振動を有する弱いバネによって支持された、大型の慣性質量体を有している。そのように、従来の地震計は、長期の速度測定用に最適化されている。地面の速い動きや、加速度又は重力の非常に遅い変化では、感度が薄れてしまう。
【００１１】
本発明の各種実施形態に係る地震及び重力センサは、加速度を直接測定する。機械的に言えば、その応答は、はるかに大きな帯域幅において、具体的には、１００Ｈｚよりも高くあり得る、デバイスの共振ポール（resonant pole）と、無限期間の静的ドメインとの間において、フラットである。そのように、本発明の地震及び重力センサは、地震運動に対して感応するだけでなく、非常に長期間に渡る重力場の変化、例えば月の通過によって生じる重力場の変化、を測定することも可能である。
【００１２】
今まで、加速度の測定をベースにしたアナログ地震計は、同様にアナログである従来の速度ベースの地震計ほどには感度が良くなかった。よって、より良い感度及び分解能を有する、本来的にデジタルの地震及び重力センサを作成することの利点を理解することは、重要である。そのダイナミックレンジは、センサ分解能とフルスケール出力との間の領域として定義される。そのダイナミックレンジは、通常、デシベル（ｄＢ）で表現され、これは、フルスケールと分解能との比の常用対数（１０を底とする対数）に２０を掛けたものとして定義される。例えば、フルスケールレンジの１００万分の１の感度を有する出力を提供するセンサは、１２０ｄＢのダイナミックレンジを有する。従来の最新式の地震計は、アナログ電圧出力を生成し、この出力がアナログ／デジタル変換器によってデジタル形式に変換される。この変換は、現在、オーバーレンジングのマージンを一部含む２４バイナリビット（１４４ｄＢ）を用いてなされている。０．１ナノｇ（nano-g）の加速度レンジにおける感度を達成するためには、フルスケールが数ミリｇ（milli-g）よりも大きくてはだめで、これは大きな地震運動の測定を制限することになる。
【００１３】
本明細書に記載された、高分解能かつ高ダイナミックレンジの地震及び重力センサは、本来的にデジタルの力感知共振器で地震入力を測定する原理に基づいている。力感知共振器の出力は、加速度入力で変化する固有共振周波数の増幅波形である。従って、共振周波数の変化は、地動加速度の測定値である。その周波数出力は、時間ドメイン内の高速クロックで測定され、これは、アナログ信号をデジタル信号に変換することよりも、本来的に非常に正確である。２００〜３００ＭＨｚのカウントクロックを有する、従来の市販の周波数カウンタは、２００ｄＢのダイナミックレンジにわたる周波数を１Ｈｚサンプリングで測定可能である。力感知共振器の周期変動は、加速度のダイナミックレンジを１８０ｄＢにできるよう、典型的には周波数の１０％である。オーバーサンプリングをＦＩＲ又はＩＩＲフィルタ、高速クロック、及びプロセッサと関連させることに基づく新規のカウントアルゴリズムも、使用可能である。本発明の各種実施形態は、１つまたは複数のバネを用いて、１つまたは複数のデジタル力感知共振器の結合された慣性質量体の重量の負荷の（たとえ全てでないにしても）ほとんどを排除するので、高分解能の地震及び重力測定が可能である。これらのバネは、重力場の軸に沿って作用し、そして、慣性質量体の重量の負荷のほとんどを排除することにより、地震加速度及び重力変動が非常に小さい場合に共振器に加わる力を測定可能にする。
【００１４】
測定の大きなダイナミックレンジと、慣性質量体の重力負荷をバネによってオフセットする設計及び方法とが結合される結果、非常に高分解能の地震及び重力センサが得られる。実際、フルスケールレンジが０．１ｇという高さの場合は０．１ナノｇという小ささの感度が可能であり、その結果、加速度のダイナミックレンジは１８０ｄＢ以上となる。従って、今は、強い地震を高分解能で測定することが可能である。力感知共振器に基づく地震及び重力センサは、それと同じフルスケールを有するアナログの長期型地震計器よりも、何百倍も感度が良い。
【００１５】
クロックベースのデジタル測定の他の利点は、共振器センサ及びカウントシステム内の基準クロックが長期安定性を持つということである。重力場のゆっくりとした変化を検知可能である。そのような計器は重力計と呼ばれ、地震計及び重力計という２つの目的を果たし得る。
【００１６】
図１Ａ及び１Ｂは、従来技術の高精度共振検知素子を示しており、これらはそれぞれ取り付けパッド１２間及び取り付けパッド１７間に装着されている。図１Ａに示されるように、その共振器は中央スパン型の振動ビーム１１であり、これは、分離質量体１３と、取り付けパッド１２及び質量体１３間の分離バネ１６とから構成された低周波機械フィルタによって分離されている。共振変換器は、図１Ｂに示されるような双音叉で作成し得る。この音叉は、変換器の共振周波数が、加えられた引張又は圧縮の確固たる関数となるよう選択された寸法を有する、長尺状ビームの形態の歯１８を含んでいる。これらの高精度共振変換器は、加えられた負荷に対して高感度となるよう設計及び構成されており、また、きつく拘束されている結果、力軸に沿って僅かしか移動しない。これらの共振器が圧電水晶から製造されている場合、それらは、それぞれ導電性リード１５及び２０によって発振器回路に接続された電気トレース１４及び１９によって、それぞれそれらの固有共振周波数に励起され得る。従って、発振器の周波数出力を測定することは、共振器に加えられた力を測定することになる。
【００１７】
図２Ａは、本発明の一実施形態に係る地震及び重力センサの一例を示している。ぶらぶらとした慣性質量体１００が、柔らかい螺旋バネ１２０によって、ベースフレーム１１０から吊り下げられている。バネ１２０は、静重力場ベクトル（Ｇ）１３０に起因する質量体１００上の力と釣り合うことで、質量体１００を、たわみヒンジピボット１４０を中心とするバランスのとれた中立位置に維持する。質量体１００が重力場１３０内でバネ１２０により実質的にバランスのとれた中立位置に吊り下げられている時、力感知共振器１６０の第１の端１５０が質量体１００に接続され、かつ、力感知共振器１６０の第２の端１７０がベースフレーム１１０に接続されている。力感知共振器１６０の等価バネレートは、支持バネ１２０の等価バネレートよりも実質的に高い。地震活動に起因するような、重力場１３０の変化又は追加の加速度入力が、力感知共振器１６０への負荷の変化を生成する。よって、力感知共振器１６０の周波数変化が、加速度入力及び重力場１３０の変化の測定値である。
【００１８】
図２Ｂは、本発明のもう１つの実施形態に係る地震及び重力センサの一例を示している。慣性質量体２１が、双カンチレバー型の板バネ２２によって、センサフレーム２９から吊り下げられている。力感知共振器２６が、取り付けパッド２５によって、慣性質量体２１と負荷搬送ビーム２３との間に取り付けられている。ビーム２３は、フレーム２９に取り付けられ、質量体２１中の開口を通って延びている。地震活動に起因するような、重力場１８０の変化や追加の加速度入力が、負荷搬送ビーム２３を介して力感知共振器２６に加えられる質量体２１上への負荷の変化を生成する。従って、力感知共振器２６の周波数変化が、加速度入力及び重力場１８０の変化の測定値である。加速度による力が質量体２１とフレーム２９との間で伝達されるよう、負荷搬送ビーム２３及びノッチ２４が共振器２６と直列になっている。一実施形態では、加速度による負荷に曝された場合に質量体２１の変位が増大し得るよう、ビーム２３及びノッチ２４のコンプライアンスが調整されている。
【００１９】
質量体２１の動きが増大することで、共振器２６に加わる最大の力を正確に制限し得る位置に、機械的過負荷ストップ２７を配置することが容易になる。慣性質量体２１の正常な変位運動の下では、各ストップ２７がギャップ２８だけ離間されており、また、この慣性質量体はストップ限界内で自由に移動可能である。このセンサ全体が、密封及びガス充填されたハウジング内に組み込み可能であり、これにより、ギャップ２８は質量／バネ配列のスクイーズ膜（squeeze-film）減衰をもたらし得る。
【００２０】
本発明の一実施形態によれば、共振器２６が重力（Ｇ）１８０の加速度にのみ曝されている時には実質的に負荷が排除されるよう、板バネ２２が質量体２１の重量のほとんどを相殺する。これは、重力（Ｇ）１８０にのみ起因する加速度の存在下で共振器２６に圧力を加えずに、共振器２６を質量体２１及びビーム２３に取り付けることによって、実現可能である。
【００２１】
図２Ｂの地震及び重力センサの設計において考慮される他の点は、力感知共振器の堅固さによって吊り下げられる慣性質量体の固有周波数である、デバイスの共振ポールの周波数についてである。人為的（人工の）ノイズの励起と関連する周波数レンジを十分に上回って共振ポールを配置することが望まれる。典型的な実用的共振器２６は、支持バネ２２よりも非常に堅固であり、質量体／バネ配列の固有周波数、すなわち共振ポールの周波数は、人為的ノイズを避け得るほどに十分高い。
【００２２】
図３は、先に述べた例と同じ原理に基づくものではあるが更なる特徴を備えた本発明の一実施形態の斜視図である。この例では、質量体３１が、好ましくは水晶でできた、双カンチレバー型のバネ３２によって、吊り下げられている。水晶バネは、他のバネ材料に対して熱的な利点を有する。従来の地震計に使用されているほとんどのバネは、低い熱弾性係数（温度に対するヤングの弾性率の変化が小さい）を有する一定率の金属でできている。これら一定率の合金は、正確な化学組成、加工硬化、熱処理、及び磁界への暴露を注意深く組み合わせることによって得られる。水晶は、その弾性振動が温度に本質的に感応しないよう、好みの方向に切断可能であり、これは水晶時計の設計において非常に有用な特徴である。このように、水晶バネを有することで、温度の影響を最小にできる。低い温度係数を有する水晶カットについては、Ｒ．ハイジンク（R. Heising）、Ｗ．Ｐ．メイソン（W.P. Mason）、及びＲ．Ａ．サイクス（R.A. Sykes）による論文中で論じられている。熱特性の正確な数学的計算が開発されており、それは結晶方向のＩ．Ｒ．Ｅ角度を含んでいる。水晶を使用することの更なる利点は、熱特性が本質的に安定しており、かつ、熱処理履歴及び合金の正確な化学組成に依存しない、ということである。
【００２３】
図３を更に参照すると、地震の加速度及び重力場の変化が、ベース３９と質量体３１との間に負荷を生成し、この負荷が力感知共振器３５に伝達される。加速度による力が、負荷伝達ビーム３３と、同様に好ましくは水晶でできたクロスヒンジ３４からなる、ベース３９上に搭載されたたわみとを介して、共振器３５に加えられる。クロスヒンジ３４の中心３６の回りに枢軸回転する負荷伝達ビーム３３を使用することで、共振器３５に過剰な負荷を加えることなく、慣性質量体３１の一層大きな変位が可能になり、従って、機械的過負荷ストップ３８の配置が容易になる。更に、負荷伝達ビーム３３を使用することで、共振器３５に加わる力を、バランスアームのレバーアーム比を用いて計測することが可能になる。
【００２４】
図３の実施形態に係る地震及び重力センサの有利な特性は、双カンチレバー型のバネ３２及びヒンジ３４に水晶を使用することで、水晶共振器３５の熱膨張係数のバランスをとることができる、ということである。たわみ構造における熱膨張のバランスを完全にとるために、もう１つの水晶ストラップ（不図示）が負荷伝達ビーム３３及び慣性質量３１に接続される。装置全体を密封、排気、また随意ではあるが、不活性ガスで充填することができる。不活性ガスが慣性質量体３１の動きを減衰させるよう、過負荷ストップ３８が或る停止距離に保持されている。密封型のフィードスルー３７が、共振器の電気リードを外部発振器回路に接続する。
【００２５】
図２Ｂのセンサの場合と同様、図３のセンサは、好ましくは、双カンチレバー型のバネ３２を用いることで、静重力場（Ｇ）１９０の加速度にのみ曝されている時に実質的に質量３１のバランスをとると共に質量３１から負荷を排除する。
【００２６】
図４は、曲線状の板バネ４２によって吊り下げられた慣性質量体４１を有する高分解能の地震及び重力センサの一実施形態の斜視図である。バネ４２の温度感度を最小にするため、バネの材料は、低い熱弾性係数を有しているのがよい。地震加速度及び重力変動は、質量体４１からアーム４４及びたわみピボット４５を介して力感知共振器４６に伝達される負荷を生成する。他の実施形態の場合と同様、高分解能を可能にするために、バネ４２が静重力場（Ｇ）１９２内の共振器４６から負荷を排除することができる。図４に示された地震及び重力センサは、慣性質量体４１の表面から短い距離の所に配置された１つまたは複数の任意の永久磁石又は磁石コイル４７を含んでいる。その磁場が、慣性質量体４１中で消散される電流を誘導し、それにより、慣性質量体４１の動きが減衰される。
【００２７】
図５は、静重力場（Ｇ）１９４を実質的に打ち消すようにそれぞれの螺旋バネ５３によって吊り下げられた２つの慣性質量体５１を有する、デジタル高分解能地震及び重力センサの一実施形態の斜視図である。ベースフレーム５２に加えられた加速度が、質量体５１に負荷を生成し、この負荷はたわみピボット５４を介して力感知共振器５６及び５８に結合される。質量体５１及びバネ５３からなる対の各々の構造は、力共振器５６、５８の取付け方が異なるということを除き、ほぼ同じである。力共振器５６への負荷は、質量体５１の下方への負荷の下で圧縮負荷であり、一方、力共振器５８への負荷は、同じく質量５１の下方への負荷の下で引張負荷である。２つの共振器５６、５８の出力は、力対周波数感度（force to frequency sensitivity）の極性が逆であるということを除き、同じである。この相違は、測定システムにおける地震及び重力センサの性能を更に改善するために使用可能である。共振器の固有共振周波数は、加えられた力に対して非線形であってもよい。線形システムでは、感知軸に沿ったより高い周波数振動の平均がゼロになるが、非線形システムでは、その平均化された測定値は中間値から僅かにずれることがある。この現象は、振動整流（vibration rectification）と呼ばれる。その大きさは、センサの向きに依存しない。図５に示された例では、２つの共振器５６、５８が、地震入力に対して、反対の周波数変化を生成する。従って、それら出力の相違により、振動整流のようなコモンモードエラーと、実際の地震入力からのコモンモードエラーとが区別される。温度に起因するような他のコモンモードエラーは、このプッシュプル型の引張／圧縮設計によって低減される。
【００２８】
図６は、コンパクトな円筒状形態のデジタル高分解能地震及び重力センサの一実施形態である。慣性質量体６１が、３つのカンチレバー型バネ６３によって、円筒状フレーム６２の上端から吊り下げられており、そして、慣性質量体６１をデバイスの円筒軸に沿ってガイドするために、同様な３つのバネ６３がフレーム６２の底部に設けられている。地震加速度及び静重力場（Ｇ）１９６の変化が力感知共振器６４中に負荷を発生させるが、この負荷は、接続部６５、６７を介して共振器６４に結合されるものである。他の実施形態の場合と同様に、バネ６３が、静重力場（Ｇ）１９６内にある力感知共振器６４から実質的に負荷を排除し得る。電気ワイヤ６６が、発振器回路（不図示）へと延びている。また、フレーム６２に対する質量体６１の変位を大きくするよう、かつ、先に図２Ｂを参照して説明した利点を提供するよう、ビーム６５及び６７のコンプライアンスが調整されてもよい。
【００２９】
図７は、本発明のもう１つの実施形態に係る３軸型の高分解能地震及び重力センサの斜視図である。慣性質量体７１が、少なくとも１つのバネ７３と、慣性質量体７１に取り付けられた３対の支持部材７５とによって、ベース７４から支持されている。支持部材７５の各対は、慣性質量体７１から、互いに直交するそれぞれの軸に実質的に平行な方向に延びている。各対における支持部材７５は、互いに離間されて、実質的に直交する３方向に慣性質量体７１を吊り下げている。加速度による慣性質量体７１の負荷は、支持部材７５に伝達される。支持部材７５は、力感知共振器であるか、或いは、支持部材に加えられた力を測定する応力センサを備えている。螺旋バネ７３が、慣性質量体７１の中心７２に作用して、垂直方向の重力場（Ｇ）７６と実質的にバランスをとることで、センサが非常に高い分解能を有することを可能にしている。バネ７３が、垂直方向の共振器７５Ａから負荷を排除し得るので、共振器７５Ａに過剰な応力を加えることなく、センサの感度を高めるように質量体７１のサイズを非常に大きくすることが可能である。バネ７３の材料は、選択的に、低い熱弾性係数を有する材料でできている。或いは、上昇する温度下でのバネ７３の膨張に起因する力がバネの弱化を相殺するよう、整合のとれた膨張係数を有する材料でできていてもよい。１つの軸に沿った加速度のみを測定可能である前述のセンサの幾つかとは異なり、図７に示されたセンサはどの方向の加速度でも測定可能である。
【００３０】
図８は、本発明のもう１つの実施形態に係る３軸型のデジタル高分解能地震及び重力センサを示している。このセンサは、３つの直交方向に沿って延びるバネ８２により自体の立体対角線に沿って吊り下げられた質量体８１を含んでいる。そのようなバネ配列の利点は、全ての共振器８４の出力を対称にすることである。各バネは、例えば、フレーム取り付け具８３を動かすことにより、任意の重力場ベクトルに適応するように調整可能である。異なる負荷能力の共振器８４を用いることにより、フルスケールレンジを変更可能である。バネ８２は、ここでも、共振器８４から実質的に負荷を排除するために使用されてもよい。
【００３１】
図９は、本発明の一実施形態に係る地震及び重力測定システムの主要な構成要素を示すブロック図である。このシステムはデジタル高分解能地震及び重力センサ９１を含んでおり、このセンサは、圧縮負荷対共振器感度を有する加速度を表す周波数での信号出力Ａを提供する。デジタル高分解能地震及び重力センサ９２は、引張負荷対共振器周波数感度を有する加速度を表す周波数での信号出力Ｂを提供可能である。信号出力Ａ及びＢの両方が、オーバーサンプリング周波数カウンタ９４に与えられ、このカウンタは高周波クロック基準９３からの入力も受信する。このカウンタ９４は、基準クロック９３によって提供される時間ベースと比較して、地震及び重力センサ９１、９２の出力Ａ及びＢの周波数をそれぞれ測定する。カウンタ９４は、そのデジタル信号を処理ユニット９７へと送る。処理ユニット９７は、アンチエイリアシングＦＩＲ又はＩＩＲフィルタ、温度プローブ９５からの出力を用いた温度補償、出力Ａ及びＢ間の振動整流及びコモンモード補償、並びに、重力工学単位９８への周波数信号の線形化、を有するデジタル信号処理を含む。
【００３２】
本発明の特定の実施形態は本明細書に例示目的で記載されたものであるが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の変更を加えてもよいということが、これまでの記載から理解されよう。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲による限定を除き、他から限定されるものではない。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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