(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地面に置かれる真空容器と、
真空容器内に支持された参照鏡と、
真空容器内で落下される落下鏡と、
落下鏡を一定の距離投げ上げるための投げ上げ装置と、
高い精度で時刻を特定し得る原子時計と、
落下鏡の位置を時系列的に測定するための干渉計であって、干渉波形そのものを取得し得る干渉計と、
干渉計で得られる干渉波形と原子時計で特定される時刻とに基づいて重力加速度を算出する演算部とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項２】
請求項１において、
干渉計は、光ビームを発射する光源部と、光ビームを参照鏡に向かう第一の光ビームと落下鏡に向かう第二の光ビームとに分割するとともに、参照鏡を経由した第一の光ビームと落下鏡を経由した第二の光ビームとを再結合させる無偏光ビームスプリッターと、再結合された光を検出するための光検出部と、光検出部の出力信号を高速サンプリングして干渉波形を取得する高速信号取得装置とを有し、
さらに、干渉計は、無偏光ビームスプリッターに入射する光ビームに二種類の偏光成分を与えるための第一の位相板と、二種類の偏光の間に位相差を与える第二の位相板とを更に有し、光検出部は、光ビームを第一の偏光のビームと第二の偏光のビームとに分割する偏光ビームスプリッターと、第一の偏光を検出する第一の光検出器と、第二の偏光を検出する第二の光検出器とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項３】
請求項２において、
参照鏡を地面に垂直な方向に変位可能に支持する支持機構と、
参照鏡を地面と同位相で振動させるための駆動機構とを更に有し、
演算部は、干渉波形から算出された重力加速度から、駆動機構の駆動信号に基づいて得られる地面の震動の加速度を減算する、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項４】
請求項３において、駆動機構は、
参照鏡を地面に垂直な方向に変位させるための制御力印加部と、
参照鏡の位置を検出するための位置センサーと、
位置センサーにより得られる参照鏡の位置情報を一定に維持するように制御力印加部を制御する制御回路とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項５】
請求項３において、支持機構は、
参照鏡を含むユニットを片持ち支持する弾性レバーと、
地面の高周波の振動の伝達を抑える防振機構とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項６】
請求項４において、
参照鏡と落下鏡と投げ上げ装置と支持機構と無偏光ビームスプリッターと第二の位相板と制御力印加部と位置センサーは共に真空容器の中に配置されており、光源部と光検出部と高速信号取得装置と演算部は真空容器の外に配置されており、
真空容器は光の通過を許す光学窓を有しており、光源部からの光ビームは光学窓を通って真空容器の中に入り、再結合された光ビームすなわち干渉光のビームは光学窓を通って真空容器の外に出る、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項７】
地面に置かれる真空容器と、
真空容器内に支持された参照鏡と、
真空容器内で落下される落下鏡と、
落下鏡を一定の距離投げ上げるための投げ上げ装置と、
高い精度で時刻を特定し得る原子時計と、
落下鏡の位置を時系列的に測定するための干渉計と、
参照鏡を地面に垂直な方向に変位可能に支持する支持機構と、
参照鏡を地面と同位相で振動させるための駆動機構と、
干渉計と原子時計からの情報に基づいて暫定的な重力加速度を算出し、算出された暫定的な重力加速度から、駆動機構の駆動信号に基づいて得られる地面の震動の加速度を減算して、重力加速度を算出する演算部とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項８】
請求項７において、駆動機構は、
参照鏡を地面に垂直な方向に変位させるための制御力印加部と、
参照鏡の位置を検出するための位置センサーと、
位置センサーにより得られる参照鏡の位置情報を一定に維持するように制御力印加部を制御する制御回路とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【請求項９】
請求項７において、支持機構は、
参照鏡を含むユニットを片持ち支持する弾性レバーと、
地面の高周波の振動の伝達を抑える防振機構とを有している、微小距離投げ上げ式絶対重力計。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、重力加速度を測定するための重力計、特に測定地点の重力値そのものを測定するための絶対重力計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
重力計は、例えば地球科学の分野において、重力加速度の変化から地面の上昇や下降あるいは地中での物質変動をとらえるために、また重力分布から地質を推定するために利用されている。
【０００３】
重力計には大きく分けて絶対重力計と相対重力計がある。絶対重力計は、重力加速度の絶対値そのもの(9.79・・・m/s2)を小数点以下８〜９桁の精度で測定するものである。
【０００４】
一方、相対重力計は、二つの測定地点の間の重力差や一つの測定地点での重力の時間的変化を測定するものであり、LaCoste重力計が有名である。相対重力計は一般に小型であり、機動性には優れているが、ばねのドリフトのために、長期的な変動の観測には利用できない。そのため、重力値の確定した基準点との間の重力差をはかって絶対値を推定するが、この場合もドリフトの補正をするために短時間に往復測定するなど工夫が必要である。
【０００５】
現在、市販されているものとしては、唯一、米国のMicro-g Solutions社製のＦＧ５絶対重力計がある。ＦＧ５絶対重力計は、機械式エレベーターで落下鏡を持ち上げ、そこから落下鏡を単純落下させ、落下鏡の位置と経過時間との関係を求めることにより、重力加速度を求めている。落下鏡の位置は、スプリングに支持された参照鏡と、落下鏡の間の干渉計により、干渉縞を計数することにより測定されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のＦＧ５絶対重力計は、干渉縞を計数して落下鏡の位置を特定しているために落下鏡の位置分解能が悪く、十分な個数のデータを得るために、落下距離は約２０ｃｍという長い距離に設定されている。このため、装置構成が大型である。また、得られた重力値に対して、落下距離間の重力勾配の寄与を補正する必要がある。さらに、参照鏡を経由する光ビームと落下鏡を経由する光ビームの光路差が大きいため、レーザー光源の周波数ゆらぎ誤差の補正も必要である。
【０００７】
落下鏡を機械式エレベーターで持ち上げるために、最低でも１０秒程度の時間を要するので、連続測定に不向きである。また、真空中でのこのような機械動作は信頼性が低い。
【０００８】
加えて、真空度や光速度など、いくつかの系統誤差の補正が必要である。つまり、落下鏡は一方向のみに移動するため、チャンバー内に残留する空気等の分子の抵抗や、光の相対速度の影響（光の速度が有限値であることに起因する影響）を補正する必要がある。
【０００９】
参照鏡は、スプリングで支持されており、高周波の地面振動の影響はほとんど受けないが、低周波地面振動の影響が避けられず、事実上分解能は地面振動に励起されたスプリングの固有振動などで決まってしまう。
【００１０】
地震や火山活動の観測や今後の予測等にとって絶対重力測定は重要である。しかし、従来の絶対重力計は非常に大型であり、野外観測に必要とされる機動性に欠けている。また、装置が非常に高価なため、火山噴火などの緊急事態に対して、現状では多点に設置するには至っていない。
【００１１】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その主な目的は、小型で安価な絶対重力計を提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、微小距離投げ上げ式絶対重力計であり、地面に置かれる真空容器と、真空容器内に支持された参照鏡と、真空容器内で落下される落下鏡と、落下鏡を一定の距離投げ上げるための投げ上げ装置と、高い精度で時刻を特定し得る原子時計と、落下鏡の位置を時系列的に測定するための干渉計であって、干渉波形そのものを取得し得る干渉計と、干渉計で得られる干渉波形と原子時計で特定される時刻とに基づいて重力加速度を算出する演算部とを有している。
【００１３】
本発明の別の微小距離投げ上げ式絶対重力計は、地面に置かれる真空容器と、真空容器内に支持された参照鏡と、真空容器内で落下される落下鏡と、落下鏡を一定の距離投げ上げるための投げ上げ装置と、高い精度で時刻を特定し得る原子時計と、落下鏡の位置を時系列的に測定するための干渉計と、参照鏡を地面に垂直な方向に変位可能に支持する支持機構と、参照鏡を地面と同位相で振動させるための駆動機構と、干渉計と原子時計からの情報に基づいて暫定的な重力加速度を算出し、算出された暫定的な重力加速度から、駆動機構の駆動信号に基づいて得られる地面の震動の加速度を減算して、重力加速度を算出する演算部とを有している。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の微小距離投げ上げ式絶対重力計の一実施形態が図１に示される。
【００１５】
図１に示されるように、微小距離投げ上げ式絶対重力計１００は、地面に置かれる真空容器１１０と、真空容器内に支持された参照鏡１２２と、真空容器内で落下される落下鏡１２４と、落下鏡１２４を一定の距離投げ上げるための投げ上げ装置１８０と、高い精度で時刻を特定あるいは時間を測定し得る原子時計１６４と、落下鏡１２４の位置を時系列的に測定するための干渉計であって、干渉波形そのものを取得し得る干渉計と、干渉計で得られる干渉波形と原子時計１６４で特定される時刻あるいは測定される時間とに基づいて重力加速度を算出する演算部１６６とを有している。
【００１６】
ここにおいて、原子時計１６４とは、小数点以下８桁以上の精度で時刻を特定あるいは時間を測定し得る時計を言う。原子時計１６４は、原子周波数標準を用いた高精度の時計であり、例えば一般的に広く知られているセシウムを用いた原子時計であるが、衛星から時刻情報あるいは時間情報を取得し得るＧＰＳ時計であってもよい。
【００１７】
干渉計は、光ビームを発射する光源部を有しており、これは、光を生成する光源１４２と、そこで生成された光を導く光ファイバー１４４とで構成されている。光源１４２は、好ましくは単波長レーザーであり、より好ましくは波長安定化レーザーである。光源１４２は、例えば、可視光ないし近赤外光、言い換えれば波長が４００ｎｍ〜１μｍ程度の光を発する。
【００１８】
干渉計は、さらに、光ファイバー１４４から発射された光ビームを参照鏡１２２に向かう第一の光ビームと落下鏡１２４に向かう第二の光ビームとに分割するとともに、参照鏡１２２を経由した第一の光ビームと落下鏡１２４を経由した第二の光ビームとを再結合させる無偏光ビームスプリッター１４８と、再結合された光を検出するための光検出部１５２と、光検出部１５２の出力信号を高速サンプリングして干渉波形を取得する高速信号取得装置１６２とを有している。
【００１９】
さらに、干渉計は、落下鏡１２４の移動方向を検知するために、位相の異なる二種類の干渉波形を取得し得る。このため、干渉計は、例えば、光ファイバー１４４と無偏光ビームスプリッター１４８の間の光路上に配置された位相板たとえば１／２波長板１４６と、無偏光ビームスプリッター１４８と参照鏡１２２の間の光路上に配置された位相板たとえば１／４波長板１５０とを有している。
【００２０】
１／２波長板１４６は、無偏光ビームスプリッター１４８に入射する光ビームに二種類の偏光成分を与え、１／４波長板１５０は、これを通過する二種類の偏光成分にπ／２の位相差を与える。１／２波長板１４６の位置は光ファイバー１４４と無偏光ビームスプリッター１４８の間に限定されるものではなく、光源１４２と無偏光ビームスプリッター１４８の間の光路上の任意の位置に配置されてもよい。
【００２１】
例えば、光ファイバー１４４から発射される光をｐ偏光とすると、１／２波長板１４６は、これに入射するｐ偏光の偏光面を４５度回転させて、ｐ偏光とｓ偏光を等しく含む光に変える。１／４波長板１５０は、ｐ偏光とｓ偏光の間にπ／２の位相差を与える。
【００２２】
光検出部１５２は、二種類の偏光の各々を独立に検出するために、光ビームを第一の偏光のビームと第二の偏光のビームとに分割する偏光ビームスプリッター１５４と、第一の偏光（例えばｓ偏光）を検出する第一の光検出器１５６と、第二の偏光（例えばｐ偏光）を検出する第二の光検出器１５８とを有している。
【００２３】
高速信号取得装置１６２は、第一の光検出器１５６の出力信号と第二の光検出器１５８の出力信号とを独立に高速サンプリングすることにより、第一の偏光（例えばｓ偏光）の干渉波形と第二の偏光（例えばｐ偏光）の干渉波形とを取得し得る。高速信号取得装置１６２は、例えばＡ／Ｄ変換器であり、そのサンプリング周波数は１ＭＨｚ以上であるとよい。
【００２４】
演算部１６６は、高速信号取得装置１６２で得られた位相の異なる二つの干渉波形、例えば位相がπ／２ずれている第一の偏光（例えばｓ偏光）の干渉波形と第二の偏光（例えばｐ偏光）の干渉波形とに基づいて、ＧＰＳ時計すなわち原子時計１６４で特定される各時刻における落下鏡１２４の移動方向と位置とを算出する。例えば、演算部１６６は、干渉波形を理論曲線である正弦関数や余弦関数と数式でフィッティングして方向も含めて位相情報を計算をする。
【００２５】
参照鏡１２２は、１／２波長板１４６と無偏光ビームスプリッター１４８と１／４波長板１５０と共に、一つのユニット（参照鏡ユニット）１３２に収容されている。参照鏡１２２と１／２波長板１４６と無偏光ビームスプリッター１４８と１／４波長板１５０は共にユニット１３２に固定されており、これらの相対位置は一定に保たれている。
【００２６】
絶対重力計１００は、参照鏡ユニット１３２を地面に垂直な方向に変位可能に支持する支持機構と、参照鏡ユニット１３２を地面と同位相で振動させるための駆動機構とを更に有している。
【００２７】
支持機構は、真空容器１１０の中に立てられている柱１３４と、参照鏡ユニット１３２を片持ち支持する弾性レバー１３６と、参照鏡ユニット１３２への地面の高周波の振動の伝達を抑える防振機構いわゆるダンパー１３８とを有している。参照鏡ユニット１３２の支持は、片持ちに限定されるものではなく、両持ちその他、任意の形態で支持されてもよい。防振機構１３８は例えば２５Ｈｚ以上の高い周波数の振動を防振する。防振機構１３８は例えばスプリングで構成されるが、これに限定されるものではなく、他の任意の好適な機構や部材で構成されてもよい。
【００２８】
駆動機構は、参照鏡ユニット１３２の地面に垂直な方向の位置を検出するための位置センサー１７２と、参照鏡ユニット１３２を地面に垂直な方向に変位させるための制御力印加部１７４と、位置センサー１７２により得られる参照鏡ユニット１３２の位置情報を一定に維持するように制御力印加部１７４を制御する制御回路１７６とを有している。これにより、参照鏡ユニット１３２は、地面に垂直な方向の位置が帰還制御（フィードバック制御）され、地面と同位相で振動される。
【００２９】
位置センサー１７２は、例えば、半導体レーザーと二分割フォトダイオードとで構成される光学式位置検出器で構成されるが、これに限定されるものではなく、他の好適な任意のセンサーであってもよい。制御力印加部１７４は、例えば、ソレノイドを用いたアクチュエーターであるが、これに限定されるものではなく、他の好適な任意のアクチュエーターで構成されてもよい。
【００３０】
参照鏡ユニット１３２と落下鏡１２４と投げ上げ装置１８０と支持機構（すなわち柱１３４と弾性レバー１３６と防振機構１３８）と位置センサー１７２と制御力印加部１７４は共に真空容器１１０の中に配置されている。光源部（すなわち波長安定化レーザー１４２と光ファイバー１４４）と光検出部１５２と高速信号取得装置１６２と原子時計１６４と演算部１６６は真空容器１１０の外に配置されている。参照鏡ユニット１３２に含まれる１／２波長板１４６は、真空容器１１０の外に配置されてもよい。
【００３１】
真空容器１１０は光の通過を許す光学窓１１２を有しており、光ファイバー１４４からの光ビームは光学窓１１２を通って真空容器１１０の中に入り、再結合された光ビームすなわち干渉光のビームは光学窓１１２を通って真空容器の外に出て光検出部１５２に達する。
【００３２】
投げ上げ装置１８０は、図２に示されるように、落下鏡１２４が載せられる投げ上げ台１８２と、投げ上げ台１８２を鉛直方向に移動可能に支持する支持機構と、投げ上げ台１８２を付勢するためのばね１９４と、ばね１９４を圧縮するためのカム機構と、投げ上げ台１８２の上方への移動を止めるためのストッパー２００とを有している。
【００３３】
投げ上げ台１８２は、落下鏡１２４に設けられた丸足１２６を受ける複数のＶ溝を有している。支持機構は、ベース１９２と、これに立てられた支柱１８８と、これに設けられたガイド１９０とを有している。カム機構は、投げ上げ台１８２に設けられた爪部１８６と、これに係合するカム１９８と、カム１９８を回転させるモーター１９６とを有している。
【００３４】
カム１９８は、モーター１９６によって回転され、投げ上げ台１８２に設けられた爪部１８６を押し下げる。これにより、投げ上げ台１８２はガイド１９０に沿って下方に移動し、ばね１９４が圧縮される。
【００３５】
カム１９８が更に回転されると、カム１９８と爪部１８６の係合が外れ、ばね１９４の復元力によって投げ上げ台１８２が上方に打ち上げられる。投げ上げ台１８２はストッパー２００の端部２０２に当たることで停止される。投げ上げ台１８２に載置された落下鏡１２４は上方に投げ上げられる。
【００３６】
ばね１９４はカム機構によって安定して毎回同じ量だけ圧縮されるので、投げ上げ台１８２は、落下鏡１２４を一定の距離、例えば２ｍｍ程度の距離、再現性良く投げ上げることができる。さらに、例えばカム１９８を一定の速度で回転させることにより、投げ上げ台１８２は、落下鏡１２４を連続的に投げ上げることができる。
【００３７】
図１において、落下鏡１２４は、投げ上げ装置１８０によって、２ｍｍ程度の距離だけ投げ上げられる。落下鏡１２４が投げ上げられている間、言い換えれば自由落下している間、落下鏡１２４の位置が干渉計によって時系列的に測定される。
【００３８】
前述したように、高速信号取得装置１６２による高速サンプリングによって、位相がπ／２ずれている二つの偏光の干渉波形が得られる。演算部１６６は、これら二つの干渉波形に基づいて、落下鏡１２４の移動方向と位置とを算出する。落下鏡１２４の位置は、干渉波形そのものを解析して求められるので、高い精度で求められる。
【００３９】
さらに、演算部１６６は、原子時計すなわちＧＰＳ時計１６４によって特定される時刻と、干渉波形から求めた各時刻における落下鏡１２４の移動方向と位置とに基づいて、重力加速度を暫定的に算出する。
【００４０】
また、前述したように、位置センサー１７２と制御力印加部１７４と制御回路１７６とで構成されるフィードバック制御系によって、参照鏡ユニット１３２は地面と同位相で振動される。このフィードバック制御系において、制御回路１７６から制御力印加部１７４に供給される駆動信号は、地面の震動の加速度に対応している。つまり、この駆動信号は、地面の震動の加速度そのものを表している。
【００４１】
演算部１６６は、先に算出した暫定的な重力加速度から、地面の震動の加速度を減算して、重力加速度を算出する。
【００４２】
これまでの説明から分かるように、本実施形態の絶対重力計１００は、干渉波形そのものを解析して落下鏡１２４の位置を求めているので、投げ上げ距離を２ｍｍ程度の短い距離に設定し得る。これにより装置構成が小型化される。
【００４３】
投げ上げ距離が短いので、重力勾配の影響や光源１４２の周波数ゆらぎの影響も実質的に無視できる。つまり、重力勾配の影響や光源１４２の周波数ゆらぎの影響を補正する必要がない。これにより誤差要因の補正が単純化される。
【００４４】
絶対重力計１００は、単純落下方式でなく投げ上げ式であるので、真空度や光速度の系統誤差が打ち消される。つまり、真空容器内に僅かに残留する気体による抵抗や、落下鏡に対する光の進行方向の違いによる影響が、上昇時と下降時とで互いに相殺される。これにより真空システムが簡素化されるとともに誤差要因の補正が単純化される。
【００４５】
投げ上げ距離が短いので、投げ上げ装置１８０は、振動の発生を殆ど伴うことなく、落下鏡１２４を連続的に投げ上げることができる。従って、絶対重力計１００は連続的な測定に好適である。
【００４６】
従って、本実施形態の微小距離投げ上げ式絶対重力計１００は、高い測定精度を維持しながらも、小型で安価に作製され得る。
【００４７】
本実施形態の絶対重力計１００は、火山噴火などの緊急事態に対して、安価なので多点に設置できるとともに、小型なので設置も容易に行なえる。これにより、火山に近い危険な地域の重力加速度を、安全な遠隔地において測定することが可能になる。
【００４８】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【００４９】
本実施形態では、２５Ｈｚ以上の比較的高い周波数の地面の震動を防振機構でカットし、２５Ｈｚ以下の比較的低い周波数の地面の震動を数値計算で落としているが、２５Ｈｚ以上の比較的高い周波数の地面の震動も数値計算によって落としてもよい。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、小型で安価な絶対重力計が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の微小距離投げ上げ式絶対重力計の一実施形態を示している。
【図２】図１に示される投げ上げ装置の概略的な構成を示している。
【符号の説明】
１１０  真空容器
１２２  参照鏡
１２４  落下鏡
１４２  光源
１４４  光ファイバー
１４６  １／２波長板
１４８  無偏光ビームスプリッター
１５０  １／４波長板
１５２  光検出部
１５４  偏光ビームスプリッター
１５６  光検出器
１５８  光検出器
１６２  高速信号取得装置
１６６  演算部
１７２  位置センサー
１７４  制御力印加部
１７６  制御回路
１８０  投げ上げ装置
【図１】
0003689737.tif 000002
【図２】
0003689737.tif 000003