(57)【要約】【課題】並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ地震計および振動センサが提供される。【解決手段】本発明の一態様において、地震計が提供される。地震計は、１対の双極子ライン磁石と、双極子ライン磁石の上に浮遊する反磁性オブジェクトとを有する、少なくとも１つのＰＤＬトラップと、双極子ライン磁石に対する反磁性オブジェクトの位置を決定するため、および、変位または加速度に関して地震信号をもたらすための、感知システム（受動または能動の感知）とを含む。本ＰＤＬトラップ地震計および振動センサを使用して振動を感知するための方法も提供される。【選択図】図１
2019522205.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地震計であって、
１対の双極子ライン磁石と、前記双極子ライン磁石の上に浮遊する反磁性オブジェクトとを有する、少なくとも１つの並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ、および、
前記双極子ライン磁石に対する前記反磁性オブジェクトの位置を決定するための感知システム、
を備える、地震計。
【請求項２】
前記感知システムは、
前記ＰＤＬトラップの一方の側の光源、および、
前記光源と反対の前記ＰＤＬトラップの別の側の光検出器、
を備える、請求項１に記載の地震計。
【請求項３】
前記光源は、白熱電球、発光ダイオード、レーザ、およびそれらの組合せからなるグループから選択される、請求項２に記載の地震計。
【請求項４】
前記光検出器は、半導体光検出器、光依存性抵抗器、およびそれらの組合せからなるグループから選択される、請求項２に記載の地震計。
【請求項５】
前記感知システムは、
前記反磁性オブジェクトの画像をキャプチャするように位置決めされた、少なくとも１つのデジタル・ビデオ・カメラを備える、
請求項１に記載の地震計。
【請求項６】
前記感知システムは、前記反磁性オブジェクトの画像をキャプチャするように位置決めされた、複数のデジタル・ビデオ・カメラを備える、請求項５に記載の地震計。
【請求項７】
前記感知システムは、前記ＰＤＬトラップの上方に位置決めされた少なくとも１つの第１のデジタル・ビデオ・カメラと、前記ＰＤＬトラップの側面の近傍に位置決めされた少なくとも１つの第２のデジタル・ビデオ・カメラとを備える、請求項６に記載の地震計。
【請求項８】
前記感知システムは、
前記反磁性オブジェクトを封入しているが接触していない、少なくとも１対の電極を備える、
請求項１に記載の地震計。
【請求項９】
前記感知システムは、
少なくとも１つの第１の対の電極と、
少なくとも１つの第２の対の電極であって、前記第１の対の電極および前記第２の対の電極は前記ＰＤＬトラップの反対側の端部の上に存在する、前記少なくとも１つの第２の対の電極と、
前記第１の対の電極および前記第２の対の電極を接続する抵抗器であって、前記第１の対の電極および前記第２の対の電極と共に抵抗器−コンデンサ・ブリッジを形成する、前記抵抗器と、
を備える、請求項８に記載の地震計。
【請求項１０】
前記感知システムは、
前記反磁性オブジェクトの画像をキャプチャするように位置決めされた、少なくとも１つのデジタル・ビデオ・カメラと、
前記反磁性オブジェクトの近傍の、前記ＰＤＬトラップの反対側の端部の上の、少なくとも１つの第１の電極および少なくとも１つの第２の電極と、
を備える、請求項１に記載の地震計。
【請求項１１】
複数のＰＤＬトラップを備える、請求項１に記載の地震計。
【請求項１２】
少なくとも１つの第１のＰＤＬトラップおよび少なくとも１つの第２のＰＤＬトラップを備え、前記第１のＰＤＬトラップおよび前記第２のＰＤＬトラップは水平面上に互いに直交して配向される、請求項１１に記載の地震計。
【請求項１３】
少なくとも１つの第１のＰＤＬトラップ、少なくとも１つの第２のＰＤＬトラップ、および少なくとも１つの第３のＰＤＬトラップを備える、請求項１１に記載の地震計。
【請求項１４】
前記第１のＰＤＬトラップ、前記第２のＰＤＬトラップ、および前記第３のＰＤＬトラップは、同じ傾斜角θＩＮＣＬＩＮＡＴＩＯＮの３つの傾斜面上に配向される、請求項１３に記載の地震計。
【請求項１５】
前記傾斜角θＩＮＣＬＩＮＡＴＩＯＮは、約０．５度から約５度まで、およびそれらの範囲内である、請求項１４に記載の地震計。
【請求項１６】
振動を感知するための方法であって、
１対の双極子ライン磁石と、前記双極子ライン磁石の上に浮遊する反磁性オブジェクトとを有する、少なくとも１つのＰＤＬトラップを備える、地震計を提供すること、および、
前記双極子ライン磁石に対する前記反磁性オブジェクトの位置を決定すること、
を含み、
前記ＰＤＬトラップにおける前記反磁性オブジェクトの変位は前記振動の大きさに対応する、
振動を感知するための方法。
【請求項１７】
前記地震計は、前記ＰＤＬトラップの一方の側の光源、および、前記光源と反対の前記ＰＤＬトラップの別の側の光検出器をさらに備え、前記方法は、
前記光源を使用して前記反磁性オブジェクトを照明すること、
前記光検出器から光電流信号を読み取ること、および、
前記光電流信号を使用して前記反磁性オブジェクトの前記変位を計算すること、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記地震計は、前記ＰＤＬトラップの近傍の少なくとも１つのデジタル・ビデオ・カメラをさらに備え、前記方法は、
前記デジタル・ビデオ・カメラを使用して前記反磁性オブジェクトの画像をキャプチャすること、および、
前記反磁性オブジェクトの位置を時間の関数として検出するために、前記画像を分析すること、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記地震計は、前記ＰＤＬトラップの反対側の端部の上の少なくとも１つの第１の対の電極および少なくとも１つの第２の対の電極と、前記第１の対の電極および前記第２の対の電極を接続する抵抗器と、をさらに備え、前記抵抗器は、前記第１の対の電極および前記第２の対の電極と共に抵抗器−コンデンサ・ブリッジを形成し、前記方法は、
前記第１の対の電極および前記第２の対の電極ならびに前記１対の双極子ライン磁石に、バイアス電圧を印加すること、
前記抵抗器−コンデンサ・ブリッジを使用して、前記第１の対の電極と前記第２の対の電極との間のブリッジ電圧を測定すること、および、
前記ブリッジ電圧を使用して、前記双極子ライン磁石に対する前記反磁性オブジェクトの前記位置を決定すること、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記地震計は、前記ＰＤＬトラップの一方の側の光源と、前記光源と反対の前記ＰＤＬトラップの別の側の光検出器と、前記ＰＤＬトラップの反対側の端部の上の少なくとも１つの第１の対の電極および少なくとも１つの第２の対の電極と、をさらに備え、前記方法は、
前記光検出器を使用して、前記双極子ライン磁石に対する前記反磁性オブジェクトの運動を検出すること、
前記光検出器を使用して、前記双極子ライン磁石に対する前記反磁性オブジェクトの速度を決定すること、
前記反磁性オブジェクトの前記運動を停止させるための反作用力として働くために、前記第１の対の電極および前記第２の対の電極にバイアス電圧を印加すること、および、
出力地震信号として、前記印加されたバイアス電圧から力を計算すること、
をさらに含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁気並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ・システムに関し、より具体的には、ＰＤＬトラップ地震計および振動センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
地震計は、地震、火山活動、または他の発生源によって発生する地震活動に起因する地面の運動を測定する計器である。地震計を使用して、地球の内部をマッピングし、地震活動のこれらの発生源のサイズおよび場所を測定することができる。原則として、地震計は振動センサでもある。低コストおよび高感度の地震計は、地震活動の分散感知にとって大きな需要がある。
【０００３】
振り子ベースの地震計、および圧電センサまたは微小電気機械（ＭＥＭＳ）センサを使用する加速度計などの、様々なタイプの地震計が使用可能である。これらの地震計の多くは、強震検出に適している。しかしながら、低コストの弱震検出センサは依然として不足している。たとえば、Merchant, “MEMS Applications in Seismology,” Seismic Instrumentation Technology Symposium, November 2009 (31pages)を参照されたい。
【０００４】
したがって、改良された運動感知センサ設計が望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８，８９５，３５５号
【特許文献２】米国特許第９，０９３，３７７号
【特許文献３】米国特許第９，２３６，２９３号
【特許文献４】米国特許第９，２６３，６６９号
【特許文献５】米国特許出願第１４／８２６，９３４号
【特許文献６】米国特許出願第１５／１３１，５６６号
【特許文献７】米国特許出願第１５／１３１，４４３号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Merchant, “MEMS Applications in Seismology,” Seismic Instrumentation Technology Symposium, November 2009 (31 pages)
【非特許文献２】Gunawan et al., “A parallel dipole line system,” Applied Physics Letters 106, pp. 062407-1-5 (February 2015)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ地震計および振動センサならびにそれらにより振動を感知するための方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様において、地震計が提供される。地震計は、１対の双極子ライン磁石と、双極子ライン磁石の上に浮遊する反磁性オブジェクトとを有する、少なくとも１つの並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ、および、双極子ライン磁石に対する反磁性オブジェクトの位置を決定するための感知システムを含む。
【０００９】
本発明の別の態様において、振動を感知するための方法が提供される。方法は、１対の双極子ライン磁石と、双極子ライン磁石の上に浮遊する反磁性オブジェクトとを有する、少なくとも１つのＰＤＬトラップを含む、地震計を提供すること、および、双極子ライン磁石に対する反磁性オブジェクトの位置を決定することを含み、ＰＤＬトラップにおける反磁性オブジェクトの変位は振動の大きさに対応する。
【００１０】
本発明のより完全な理解ならびに本発明のさらなる特徴および利点は、下記の詳細な説明および図面を参照することによって得られる。
【００１１】
次に、添付の図面を参照しながら、本発明の実施形態を単なる例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に従った、横方向に磁化された（直径方向とも呼ばれる）磁石を使用してトラップされた反磁性円筒形オブジェクトを有する磁気並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ・システムを示す図である。
【図２】本発明の実施形態に従った、トラップ・ロッドおよびＰＤＬ磁石ベースの相対的な動きに基づいた、地震信号を示す図である。
【図３】本発明の実施形態に従った、光学受動感知方式を示す正面図である。
【図４】本発明の実施形態に従った、光学受動感知方式を示す側面図である。
【図５】本発明の実施形態に従った、ビデオ受動感知方式を示す正面図である。
【図６】本発明の実施形態に従った、ビデオ受動感知方式を示す側面図である。
【図７】本発明の実施形態に従った、受動容量感知方式を示す正面図である。
【図８】本発明の実施形態に従った、受動容量感知方式を示す側面図である。
【図９】本発明の実施形態に従った、能動（力フィードバック感知）方式を示す正面図である。
【図１０】本発明の実施形態に従った、能動（力フィードバック感知）方式を示す側面図である。
【図１１】本発明の実施形態に従った、本ＰＤＬトラップベース地震計および光学感知方式を使用する振動感知のための例示的方法を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に従った、本ＰＤＬトラップベース地震計およびビデオ感知方式を使用する振動感知のための例示的方法を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態に従った、本ＰＤＬトラップベース地震計および容量感知方式を使用する振動感知のための例示的方法を示す図である。
【図１４】本発明の実施形態に従った、本ＰＤＬトラップベース地震計および能動感知方式を使用する振動感知のための例示的方法を示す図である。
【図１５】本発明の実施形態に従った、複数方向の地震信号を検出するための例示的２軸システムを示す上面図である。
【図１６】本発明の実施形態に従った、複数方向の地震信号を検出するための例示的３軸システムを示す上面図である。
【図１７】本発明の実施形態に従った、３軸システムを示す側面図である。
【図１８】本発明の実施形態に従った、本明細書に提示される方法のうちの１つまたは複数を実行するための例示的装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本明細書では、磁気並列双極子ライン（ＰＤＬ）トラップ・システムを使用する地震感知のための技法が提供される。有利なことに、ＰＤＬトラップベース設計を使用することで、低コストおよび高感度の（すなわち、弱震活動を検出することが可能な）地震計センサ・ソリューションが提供される。すなわち、本地震計／運動センサは、１ｎｇ／Ｈｚ０．５未満のノイズを検出することが可能であり、約０．１ヘルツ（Ｈｚ）から約１０Ｈｚまでの帯域幅、約０．２５ｇ（ここで、ｇは地表上での重力加速度である）未満のピーク加速度、および約１２０デシベル（ｄＢ）よりも大きいダイナミック・レンジを有するが、なおもそれほど複雑でない、したがって費用の掛からない構成要素を必要とする。
【００１４】
ＰＤＬトラップは、ＰＤＬシステムとして働く横方向に磁化された（直径方向とも呼ばれる）磁石を使用して、反磁性円筒形オブジェクト（すなわち、「トラップ・ロッド」）のトラッピングを可能にする。図１を参照されたい。トラップの主な特徴は、安定したトラッピングを提供する、縦（すなわち、主）軸に沿った「キャメルバック磁気ポテンシャル」である。たとえば、Gunawan et al., “A parallel dipole line system,” Applied Physics Letters 106, pp. 062407-1-5 (February 2015) （以下「Ｇｕｎａｗａｎ」）、ならびに、本明細書に全文が示されているかのように各々の内容が参照により組み込まれ、すべてＣａｏ等に対して発行された、「Magnetic Trap for Cylindrical Diamagnetic Materials」という名称の、米国特許第８，８９５，３５５号、米国特許第９，０９３，３７７号、米国特許第９，２３６，２９３号、および米国特許第９，２６３，６６９号を参照されたい。「キャメルバック磁気ポテンシャル」は、縦方向（ｚ軸）に沿って存在し、すなわち、臨界長さＬＣを超える長さ、ここでは、１対の円筒型直径方向磁石システムについてＬＣ〜２．５ａで、直径方向磁石に対して生じる双極子ラインの縁部近くでの磁場の増大であり、ａは磁石の半径である。
【００１５】
ＰＤＬトラップにおける磁石は、円筒、バー、またはストライプなどの細長い形状を有し、その磁化は横方向（長軸に対して垂直）である。これらの磁石は、本明細書では「双極子ライン」または「直径方向」磁石と呼ぶ。グラファイト・ロッドなどのトラップされたオブジェクトは、中央でトラップすることができる。トラップされたオブジェクトは、１対の直径方向磁石の上で浮遊することになる。トラップされたオブジェクトは浮遊しているため、空間内にサスペンドされ、したがって周辺のオブジェクトとの接触から隔離され、非常に敏感な力の検出が可能になる。
【００１６】
動作している間、ＰＤＬトラップは水平位置に維持されるはずであるため、ロッドは中央でトラップされる。地面の振動が存在する場合、トラップ・ロッドはその慣性に起因して（振動が磁石ベースを移動させる間）固定された位置に留まる傾向がある。トラップ・ロッドとＰＤＬ磁石ベースとの間の相対的な動きは、図２に示されるような地震信号として検出および測定することができる。図２は、時間ｔ（秒（ｓ）単位で測定される）の関数としてＰＤＬ磁石ベース（ミリメートル（ｍｍ）単位で測定される）に対するトラップ・ロッドの変位ｚを示す図である。
【００１７】
地表加速度ａＧは、
ａＧ＝ｄ２ｚ／ｄｔ２＋ｂ／ｍ×ｄｚ／ｄｔ＋ｋ／ｍ×ｚ                    （１）
によって推定可能であり、上式で、ｚはロッド変位であり、ｂは周辺空気に起因するロッドの抵抗係数であり、ｋはＰＤＬトラップの中央でのキャメルバックばね定数であり、ｍはロッド質量である。
【００１８】
本ＰＤＬトラップベース地震計システムの１つの顕著な利点は、生来、１Ｄ発振器であるため、設計を簡略化し、他の次元からの発振モードとの干渉を最小限にすることである。下記で詳細に説明するように、複数方向の振動を検出するために多軸の地震感知が容易に実装可能である。
【００１９】
本ＰＤＬトラップベース地震計システムの別の顕著な利点は、ＰＤＬ磁石のアスペクト比（すなわち、長さ対半径またはＬ／ａ、Ｌは磁石の長さ）を変化させることによって調整することができる、高感度を提供することである。この高感度は、トラップ・ロッドの長い発振周期（Ｔ）に起因する。たとえば、Ｔ＝３秒の（長い）周期は、アスペクト比Ｌ／ａ＝１６および磁石磁化Ｍ＝１０６Ａ／ｍを伴うＰＤＬトラップについて、容易に取得可能である。感度の上昇は、アスペクト比（Ｌ／ａ）を増加させることによって実現可能である。すなわち、Ｌ／ａが大きいほど「キャメルバック・ポテンシャル」が外側に広がり、結果として閉じ込めポテンシャルが「弱く」なる（すなわち、これによってＰＤＬトラップのばね定数ｋｚ’が増加する）。たとえば、Ｇｕｎａｗａｎの図２を参照されたい。具体的に言えば、磁石が長くなるほど、またはより大きなアスペクト比（長さ／半径）においてキャメルバック・ポテンシャルが広くなるほど、感度は良くなる（解像度は小さくなる）。したがって、磁石の半径（ａ）に対する磁石の長さ（Ｌ）を増加させることによって、本ＰＤＬトラップ地震計の感度を上昇させることができる。
【００２０】
本ＰＤＬトラップベース地震計のさらに別の利点は、グラファイト・ロッドの直径を選択することによって減衰係数を容易に調整できることである。すなわち、トラップ・ロッドは、変位されたとき、トラップの中央で発振する傾向にある。たとえば、Ｇｕｎａｗａｎ（図３ａ−ビデオから抽出された１Ｄキャメルバック・ポテンシャル上でのロッド発信を示す）を参照されたい。しかしながら、発振は、空気摩擦に起因して減衰される。たとえば、本明細書に全文が示されているかのようにその内容が参照により組み込まれた、Ｇｕｎａｗａｎ等による「Parallel Dipole Line Trap Viscometer and Pressure Gauge」という名称の米国特許出願第１４／８２６，９３４号（以下、「米国特許出願第１４／８２６，９３４号」）を参照されたい。米国特許出願第１４／８２６，９３４号に記載されるように、ロッドの直径が小さくなるにつれて減衰がより激しくなり（減衰がより強くなり）、すなわち、ロッドの直径が小さくなると共に減衰時定数τは減少する。その逆に、ロッドの直径が大きくなると共にτは増加する（減衰がより弱くなる）。さらにまた減衰時定数τは、ロッドが長くなると共に増加する。
【００２１】
言い換えれば、ロッドの直径および長さはこの発振器のＱ係数を以下のように制御し、
Ｑ＝πτｆ０                                                        （２）
上式で、τは減衰時定数であり、ｆ０は発振周波数である。トラップを真空エンクロージャ内に封入することによって、減衰時定数を、またしたがってＱを増加させることも可能である。これによって、ロッド上での粘性抵抗を除去し、減衰を消去することになる。
【００２２】
前述のように、読み取りには、浮遊しているトラップ・ロッドに対するＰＤＬ磁石ベースの動きの測定が含まれる。本地震計が（地面などの）表面上に配置される場合、トラップ・ロッドはその慣性に起因して固定された位置に留まる傾向がある。したがって、地動があると、ＰＤＬ磁石ベースは（地面と接触しているため）（定常の）トラップ・オブジェクトに対して動くことになる。大抵の場合、より高い感度を達成し、地震信号の雑音フロアをより低くするためには、より大きな直径およびより長い反磁性ロッドを使用すること、または、真空エンクロージャを付加すること（たとえば、図１５を参照のこと）、あるいはその両方によって達成される、より大きなＱ係数を有することが望ましい。
【００２３】
本明細書では、本ＰＤＬ地震計を使用する２つの異なるタイプの地震感知方式を提示している。第１のタイプは受動感知方式であり、トラップ・ロッドに対するＰＤＬ磁石ベースの運動が、たとえば光学感知、ビデオ感知、容量感知などを使用して単に測定される。その後、観察されたロッド変位値を使用して、地震活動の大きさを決定することができる。他方のタイプは能動感知方式であり、トラップ・ロッドを（受動的に）監視し、たとえば地動などに起因した（ＰＤＬ磁石ベースに対する）ロッドの動きが検出されたとき、ロッドを定常に維持するため（すなわち、ＰＤＬ磁石ベースに対するロッドの動きを防ぐため）に、反作用力が（能動的に）ロッドに印加される。反作用力または加速度の大きさは、出力地震信号になる。次に、これらの異なるタイプの感知方式を詳細に説明する。
【００２４】
受動感知：第１の例示的実施形態において、図３（正面図）および図４（側面図）に示されるような光学受動感知方式が採用される。図３および図４に示されるように、光学感知方式は、ＰＤＬトラップの一方の（たとえば、上部）側の光源と、光源の下方／反対のＰＤＬトラップの下部側の差動光検出器とを含み、トラップ・ロッドが光源と光検出器との間を通って後者の光検出器に陰影を付けることができる。たとえば、図３および図４に示された例において、光源はＰＤＬトラップの上方にあり、光検出器はＰＤＬトラップの下方にあるが、本技法は、光源がトラップの下方にあり、光検出器がトラップの上方にある場合でも、説明するのと同じ様式で実装可能である。好適な光源は、限定されないが、白熱電球、発光ダイオード、またはレーザ、あるいはその組合せを含み、好適な光検出器は、限定されないが、半導体光検出器または光依存性抵抗器（ＬＤＲ）あるいはその両方を含む。
【００２５】
たとえば図３に示されるように、光源と光検出器アレイとの間に見通し線を提供するために、ＰＤＬ磁石の間にギャップを開けることが望ましい場合がある（すなわち、ＰＤＬ磁石は本来結合するが、トラップされたオブジェクトが落ちないように、磁石の間に小さなギャップを開けることができる）。このギャップは、たとえば、そのコピーが本出願に提供されている、「Parallel Dipole Line Trap with Variable Gap and Tunable Trap Potential」という名称の米国特許出願第１５／１３１，５６６号に記載されているような、たとえば固定スペーサまたは固定／可変装着固定具を使用して、作成可能である。
【００２６】
図４に示されるように、オブジェクトはＰＤＬ磁石ベースに対して移動するとき、光源と光検出器との間を通過する。オブジェクトはトラップの左側へと移動する場合、光源からの光がトラップの左側の光検出器に達するのを遮断する一方で、光源からの光はトラップの右側の光検出器に達することになる。オブジェクトはトラップの右側へと移動するとき、光源からの光がトラップの右側の光検出器に達するのを遮断する一方で、光源からの光はトラップの左側の光検出器に達することになる。
【００２７】
普通であれば一定の照明をトラップ・ロッドの動きによってこのように妨害することで、結果として光検出器からの差動光電流信号が生じることになる。図４に示されるように、位置検出器回路を採用して、光検出器からこの信号を受信し、ＰＤＬトラップにおけるロッドの変位を計算するマイクロコンピュータに信号データを送ることが可能である。例示的実施形態によれば、位置検出器回路は、差動動作または計装用増幅器からなる。
【００２８】
この受動光学感知方式は、低コストであり、かつ応答時間が速い（最高１メガヘルツの帯域幅）ため、有利である。この受動光学感知方式はロッドの水平運動を正確に検出する一方で、地震活動は垂直運動成分も含む可能性がある。下記に、垂直運動を感知するための技法を説明する。
【００２９】
別の例示的実施形態において、図５（正面図）および図６（側面図）に示されるようなビデオベースの受動感知方式が採用される。図５および図６に示されるように、ＰＤＬ磁石ベースに対するロッドの運動のデジタル・ビデオ画像をキャプチャするために、少なくとも１つのデジタル・ビデオ・カメラが（たとえば、トラップの上方または近傍あるいはその両方に）位置決めされる。ビデオ・カメラは、ＰＤＬトラップ磁石と同じシャーシ上に装着されるため、ビデオ・カメラおよびＰＤＬトラップ磁石の相互に対する位置は固定されることに留意されたい。図６に示される例において、デジタル・ビデオ・カメラは、ＰＤＬトラップ／ロッドの画像をマイクロコンピュータに中継し、コンピュータ・ビジョン・プログラムを使用してトラップにおけるロッドの位置を経時的に検出するために、画像データは分析される。たとえば、米国特許出願第１４／８２６，９３４号に詳細に記載されているように、デジタル・カメラ内のピクセルは光子を収集し、この光子は強度を表す電荷に変換される。画像分析の間、画像ピクセルの強度は、各ビデオ・フレームまたはライン走査、たとえば、ロッドの縦軸に沿ったライン走査から測定可能である。単なる例として、トラップにおけるロッドの位置は、「縁部しきい値」と呼ばれるロッドの縁部をマークする一定の強度値を選択することによって決定可能である。たとえば、Ｇｕｎａｗａｎ（補足資料Ａ．２）を参照されたい。
【００３０】
任意選択として、図６に示されるように、複数の次元でのロッドの動きを検出することが可能な複数のビデオ・カメラを採用することができる。すなわち、地動が生じたとき、トラップ・ロッドは、（ＰＤＬ磁石ベースに対して）ｙ（垂直）およびｚ（水平）の両方の方向に沿って移動し得（図６を参照のこと）、すなわち、地震活動は、横方向の地面のシフトおよび上下運動の両方を含み得る。トラップの上方に位置決めされたビデオ・カメラ（ビデオ・カメラ＃１）は、水平（ｚ）方向に沿ったロッドの動きをキャプチャする。しかしながら、垂直（ｙ）方向に沿ったロッドの動きをキャプチャするために、トラップの側面の近傍に位置決めされた第２のビデオ・カメラが採用可能である（ビデオ・カメラ＃２）。このビデオ・カメラ＃２は、ＰＤＬ磁石ベースに対するロッドのいずれの上下運動をもキャプチャする。したがって、この例示的実施形態によれば、本技法は２次元の（すなわち、ｙおよびｚの方向に沿った）運動を検出するために適用可能である。
【００３１】
さらに別の例示的実施形態において、図７（正面図）および図８（側面図）に示されるような受動容量感知方式が採用される。図７および図８に示されるように、電極（電極＃１および電極＃２）は、ロッドに接触することなくロッドを封入するように配置された１対の半円筒シェルからなる、円筒ケース電極である。ケース電極シェルは、トラップの両端の固定具に装着される（たとえば、図８を参照のこと）。ロッドは浮遊したままであり、電極シェルに接触することなく縦軸ｚに沿って自由に移動可能である。たとえば、そのコピーが本出願に配置されている、Ｏｋｉ  Ｇｕｎａｗａｎによる「Voltage-Tunable 1D Electro-Magnet Potential and Probe System with Parallel Dipole Line Trap」という名称の米国特許出願第１５／１３１，４４３号（以下、「米国特許出願第１５／１３１，４４３号」）を参照されたい。電極は２つの抵抗器（Ｒ）に接続される。抵抗器は、電極と共に抵抗器−コンデンサ（ＲＣ）ブリッジを形成する。当分野で知られているように、ブリッジ回路は、電圧計ＶＢを含む第３の分岐によって「ブリッジ」された、２つの回路分岐を含む。図８に示されるように、交流電流（ＡＣ）電圧源（ＶＳ）がＲＣブリッジおよびＰＤＬ磁石に接続される。各分岐において、ＲＣネットワークは分圧器として働く。したがって、ＶＢを使用して電極間の差動電圧を測定することによって、ブリッジにおける電圧の不均衡を測定し、それによってロッドの変位を推定することができる。図８に示されるように、このデータはマイクロコンピュータによって収集／分析される。容量感知を使用するロッド位置決めの検出に関するさらなる詳細は、米国特許出願第１５／１３１，４４３号に提供されている。
【００３２】
一般に、容量感知の場合、ＰＤＬトラップにおけるロッドの位置は、ロッドが電極と磁石との間を通る際の容量の変化に基づいて決定される。例として図７および図８に示されるシステムを使用すると、ロッドがトラップ内を移動するにつれて、システムの容量が変化する（すなわち、ロッド（導体）が電極と磁石との間に入ったとき、システムの容量が変化する（たとえば、増加する））。したがって、ロッド（ｚ）の位置は、システムから読み取られる電圧ＶＢから決定可能である。
【００３３】
能動感知：米国特許出願第１５／１３１，４４３号に記載されているように、トラップにおけるロッドの位置は、ＰＤＬトラップの上に位置決めされた電極を使用して操作可能である。すなわち、直流電流（ＤＣ）バイアス電流ＶＳが磁石および電極に印加されると、ロッドは（印加された電圧によって）電極に向けて引っ張られることになる。この概念は、本技法に従って活用され、ロッドの位置を単に（受動的に）監視する代わりに、ロッドを定常に維持するためにロッドに反作用力が印加される、能動感知方式を提供することができる。その後、ロッドを定常に維持するために必要な反作用力の大きさを使用して、地動の大きさを評価することができる（すなわち、地動が増加するにつれて大きな反作用力が必要になる）。したがって、ロッドを作動させるためにバイアス電圧ＶＳを印加するのではなく、印加されたバイアス電圧を使用して、ロッドの運動に反作用させ、トラップまたは磁石に関してロッドを定常に維持する。
【００３４】
能動（力フィードバック感知）方式が、図９（正面図）および図１０（側面図）に示されている。図９および図１０に示されるように、２セットの円筒ケース電極（電極＃１および電極＃２）であり、各セットがロッドを封入しているが接触しないように位置決めされたシェル電極を有する。電極＃１および電極＃２は、各々、マイクロコンピュータによって制御される独立したＤＣ電源（すなわち、それぞれＶＳ１およびＶＳ２）に接続される。電極（電極＃１および電極＃２）は、トラップ・ロッド上に力を及ぼすことになるＤＣ電圧によってバイアスすることができる。例示的実施形態によれば、光学感知方式は（上記、図３および図４の記述に関連して説明したように）、ロッドの位置または運動を検出するために使用される。図９に示されるように、電極シェルは、中央に、光を差動光検出器へと通過させることが可能であり、したがってロッド運動の検出が可能な、開口ギャップを有する。
【００３５】
地面が振動すると、システムはその動きを検出し、電子フィードバック・システムは２つの電極にエネルギーを与え、２つの電極はロッドが定常状態になるように反作用力を印加する。マイクロコンピュータはビデオ・データを収集し、磁石ベースに対してロッドを定常に維持するためにＶＳ１およびＶＳ２をレギュレートする。よく知られた比例・積分・差分（ＰＩＤ）制御方式が使用可能であり、Ｐ、Ｉ、およびＤの利得パラメータを調整することによって、システムの性能または応答時間を最適化することができる。
【００３６】
次に、振動検出のための本受動および能動の感知方式の使用を、図１１〜図１４を参照しながら説明する。たとえば、図１１は、（上記で、図３および図４の記述に従って説明したように）光学感知方式を使用して振動を感知するための例示的方法１１００を提供する。前述のように、光学感知方式は、光源と、トラップ・ロッドが間を通過できるようにＰＤＬトラップの反対側に配置された光検出器とを含む。
【００３７】
ステップ１１０２において、光源はトラップ・ロッドを照明する。トラップ・ロッドが定常であるとき、光検出器は一定の照明を受け取ることになる。しかしながら、ＰＤＬ磁石ベースに対してトラップ・ロッドが移動すると、光検出器から差動光電流信号が生じることになり、この信号がステップ１１０４で読み取られる。すなわち、移動するロッドが光源と光検出器との間を通過するにつれて、光電流信号は変化、すなわち全照明から（移動ロッドからの）部分閉塞または全閉塞へと変化する。光電流信号は、振動の大きさと同等のＰＤＬ磁石ベースに対するロッドの変位（すなわち、より大きい振動は、結果としてより大きいロッドの変位を生じさせる）を計算するために、ステップ１１０６で使用される。基本的には、光検出器はＰＤＬ磁石ベースの水平軸に沿った固定ポイントにあるため、差動光電流信号を記録するそれらの光検出器を使用して、ベースに対するロッドの正確な動きを評価することができる。
【００３８】
図１２は、（上記で、図５および図６の記述に従って説明したように）ビデオ感知方式を使用して振動を感知するための例示的方法１２００を提供する。上記で詳述したように、ビデオ感知方式は、少なくとも１つのビデオ・カメラを使用して、トラップにおけるロッドのデジタル・ビデオ画像をキャプチャすることを含む。任意選択として、複数のビデオ・カメラを採用して、複数（たとえば、垂直および水平）の方向のロッドの動きを分析することができる。
【００３９】
ステップ１２０２において、トラップ・ロッドのデジタル・ビデオ画像がビデオ・カメラによってキャプチャされる。ステップ１２０４において、デジタル・ビデオ画像は、（磁石ベースに対する）ロッドの位置を時間の関数として検出するために、コンピュータ・ビジョン・プログラム（上記を参照のこと）を使用して分析される。前述のように、トラップ・ロッドの位置は、（複数の）カメラからのデジタル・ビデオ画像を使用して、水平および垂直の両方の方向でキャプチャすることができる。
【００４０】
図１３は、（上記で、図７および図８の記述に従って説明したように）容量感知方式を使用して振動を感知するための例示的方法１３００を提供する。上記で詳述したように、容量感知方式は、２つの抵抗器、ＡＣ電源、およびＡＣ電圧計と接続された、トラップの上方の電極を利用する。
【００４１】
ステップ１３０２において、バイアス電圧が（電源ＶＳおよびＲＣブリッジを介して）電極およびＰＤＬ磁石に印加される。ステップ１３０４において、電極間の差動（またはブリッジ）電圧ＶＢが（ＡＣ電圧計を介して）測定される。ステップ１３０６において、このブリッジ電圧ＶＢ信号を使用して、ＰＤＬ磁石ベースに対するロッドの位置が決定される。たとえば、米国特許出願第１５／１３１，４４３号の数式８を参照されたい。
【００４２】
図１４は、（上記で、図９および図１０の記述に従って説明したように）能動感知方式を使用して振動を感知するための例示的方法１４００を提供する。上記で詳述したように、能動感知方式は、バイアスされた直流電流（ＤＣ）電圧を、トラップの上方に配置された電極に印加することによって、トラップ・ロッドの位置を操作する機能を利用する。より具体的に言えば、振動が（たとえば、地震活動に起因して）発生しているときに、ロッドを定常に維持するためにロッドに反作用力を与えるために、電極が使用されることになる。ロッドを定常に維持するために必要な反作用力の大きさは、地動の大きさに比例する。
【００４３】
ステップ１４０２において、ＰＤＬトラップはロッドの運動を検出するために監視される。例示的実施形態によれば、受動光学感知方式がステップ１４０２で採用される。すなわち、ロッドを照明するためにトラップの上方に光源が位置決めされる。ロッドの影は、下にある差動光検出器上に投じられ、光電流信号を分析してロッドの位置を時間の関数として決定することができる。ステップ１４０４において、トラップに対してロッドが移動しているかどうかに関して判別される。基本的に、いずれの振動（たとえば、地震活動）も、ロッド（その慣性に起因して定常である）に対してＰＤＬ磁石ベースを移動させることになる。光検出器はこの運動を捕らえることになる。
【００４４】
ステップ１４０４において、トラップ・ロッドが移動していないもの（いいえ）と判別された場合、プロセスはリアルタイムでロッドの監視を続行する。他方で、ステップ１４０４において、トラップ・ロッドが移動しているもの（はい）、すなわちＰＤＬトラップにおけるロッドの位置が変化しているものと判別された場合、電極は、動きに対する反作用力としてエネルギーが与えられる（すなわち、それぞれ、独立した電源ＶＳ１およびＶＳ２を介して、電極１および２にバイアス電圧が印加される）。
【００４５】
この反作用力は、（たとえば、受動光学感知方式によって決定されるような）ＰＤＬトラップにおけるロッドの位置に基づくフィードバック・ループとして印加およびレギュレートされる。すなわち、ステップ１４０６において、ロッドの速度は差動光検出器信号から計算され（すなわち、差動光検出器信号は主にロッド位置をもたらし、速度情報は差動計算を介して取得可能である）、ステップ１４０８において、ロッドの動きを停止させるための反作用力として、バイアス電圧がそれぞれの電極に印加される。したがって、たとえばロッドがトラップの右側へと移動している場合、バイアス電圧を左側の電極（上記の例では電極＃１）に印加することで、ロッドを左の電極に向けて引き戻そうとする力を印加することによって、この運動に反作用することになる。同様に、ロッドをトラップの左側へと移動させる振動は、右側の電極（上記の例では電極＃２）にバイアス電圧を印加することによって反作用を受けることが可能であり、これによってロッドを右側の電極に向けて引っ張ろうとすることになる。地震活動は、複数の方向でロッド運動に影響を与える可能性がある。たとえば、地面の振動は、ロッドを磁石ベースに対して前後に移動させることができる。したがって、ロッドの位置を正確に測定し、反作用力を印加するための本フィードバック・システムは、図１４に示されるように反復的に実行される。ステップ１４１０において、このプロセスにおいて印加される力は、地震信号として計算される。力Ｆは、下記のように与えられる印加バイアスに関し、
【数１】
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上式で、Ｖは印加電圧であり、Ｃ（ｚ）はロッド位置の関数としてのバイアス下での電極の容量である。
【００４６】
上記で与えられる地震計設計を用いると、運動検出は水平方向（および、場合によっては垂直方向）に沿って行うことができる。総合的な評価のためには、複数方向の運動を検出することが望ましい。そのために、上記地震計設計のうちのいずれかを単一の（多軸）システムに組み合わせることができる。たとえば、図１５および図１６を参照されたい。図１５および図１６に示されるように、システムはエンクロージャ内部に配置することも可能である。エンクロージャは、真空を作るために空気を抜くことが可能であり、真空は減衰を最小限にするため、およびＰＤＬトラップ発振器の品質（Ｑ）係数（上記を参照のこと）を増加させるために有用である。
【００４７】
たとえば図１５（上面図）に示されるように、２軸システムを用いると、本ＰＤＬトラップ地震計のうちの２つが水平面上に互いに直交して配置される。示された例において、上部のＰＤＬトラップはｙ方向と平行な長軸を有し、下部のＰＤＬトラップはｘ方向と平行な長軸を有する。矢印を使って、前述の様式でのトラップにおけるロッドの進行方向が示される。したがって、このシステムは、ｘ軸およびｙ軸に沿った水平の動きを検出するために使用可能である。
【００４８】
例示的な３軸システムが図１６（上面図）および図１７（側面図）に示されている。ここでは、３つのＰＤＬトラップ地震計（Ａ、Ｂ、およびＣ）が採用されている。図１６を参照されたい。図１７に示されるように、３傾斜面設計が使用され、地震計は同じ傾斜度、たとえば、約０．５度から約５度まで、およびそれらの範囲内の傾斜角θＩＮＣＬＩＮＡＴＩＯＮの、３つの傾斜面に配置される。ＰＤＬトラップの主軸は互いに関して１２０度で配向される。最終的な３軸地震信号Ｓｘ、Ｓｙ、およびＳｚは、ＰＤＬトラップＡ、Ｂ、およびＣで測定された信号の線形結合を使用して計算可能である。
【００４９】
次に図１８に進むと、本明細書で提示される方法のうちの１つまたは複数を実装するための装置１７００のブロック図が示されている。たとえば、例示的実施形態によれば、前述の感知方式におけるマイクロコンピュータは装置１７００内で具体化され得る。
【００５０】
装置１７００は、コンピュータ・システム１７１０および取り外し可能メディア１７５０を含む。コンピュータ・システム１７１０は、プロセッサ・デバイス１７２０、ネットワーク・インターフェース１７２５、メモリ１７３０、メディア・インターフェース１７３５、およびオプションのディスプレイ１７４０を含む。ネットワーク・インターフェース１７２５はコンピュータ・システム１７１０をネットワークに接続可能にし、メディア・インターフェース１７３５はコンピュータ・システム１７１０を、ハード・ドライブまたは取り外し可能メディア１７５０などのメディアと対話可能にする。
【００５１】
プロセッサ・デバイス１７２０は、本明細書で開示される方法、ステップ、および機能を実装するように構成可能である。メモリ１７３０は分散型または局所型とすることが可能であり、プロセッサ・デバイス１７２０は分散型または単体とすることが可能である。メモリ１７３０は、電気、磁気、または光のメモリ、あるいは、これらまたは他のタイプの記憶デバイスの任意の組合せとして実装可能である。さらに、「メモリ」という用語は、広義には、プロセッサ・デバイス１７２０によってアクセスされるアドレス可能スペース内のアドレスからの読み取りまたはアドレスへの書き込みが可能な、任意の情報を包含するのに十分であると解釈されたい。この定義によれば、ネットワーク・インターフェース１７２５を介してアクセス可能なネットワーク上の情報は、プロセッサ・デバイス１７２０がネットワークから情報を取り出すことが可能であるため、依然としてメモリ１７３０内にある。プロセッサ・デバイス１７２０を構成する各分散型プロセッサは、一般に、それ独自のアドレス可能メモリ・スペースを含むことに留意されたい。コンピュータ・システム１７１０の一部またはすべてを、特定用途向けまたは汎用の集積回路に組み込むことが可能であることにも留意されたい。
【００５２】
オプションのディスプレイ１７４０は、装置１７００の人間のユーザと対話するのに適した任意のタイプのディスプレイである。一般に、ディスプレイ１７４０はコンピュータ・モニタまたは他の同様のディスプレイである。
【００５３】
本明細書において、本発明の例示的実施形態について説明してきたが、本発明はそれらの精密な実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく当業者による様々な他の変更および修正が可能であることを理解されよう。
【図１】
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【図２】
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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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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