(57)【要約】【課題】落体の自由落下中の機械振動発生を無くすと共に、落下中の落体の回転量を抑制して自由落下させることで、重力加速度を、高精度かつ安定に測定する。【解決手段】落体２に設けた反射鏡２０の光学中心と落体２全体の重心とを一致させてある。落体２の保持・離脱手段は、横方向に変位可能な複数の接触子３６２を備え、複数の接触子３６２は、前記重心を通る水平面上の複数点で落体２に接触することで落体２を初期状態に保持し、前記複数点において落体２に接触している複数の接触子３６２を落体２から離れる方向に同時に変位させることで落体２を初期状態から離脱させて自由落下させる。【選択図】図３
2011209276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射鏡を備えた落体と、
前記落体の保持・離脱手段と、
初期状態から離脱して落下した落体を受け取る受け部と、
を備え、
前記反射鏡の光学中心と当該反射鏡を含む落体全体の重心とを一致させてあり、
前記保持・離脱手段は、横方向に変位可能な複数の接触子を備え、前記複数の接触子は、各接触子と落体との接触点において、各接触点と前記重心を結ぶ方向の力により落体を初期状態に保持し、前記複数点において落体に接触している前記複数の接触子を落体から離れる方向に同時に変位させることで落体を初期状態から離脱させて自由落下させるように構成されている、重力計に用いられる自由落下装置。
【請求項２】
前記複数の接触子は、前記重心を通る平面上の複数点で落体に接触することで落体を初期状態に保持する、請求項１に記載の自由落下装置。
【請求項３】
各接触子の変位方向は、前記重心と各接触点を通る直線上にある、請求項１、２いずれかに記載の自由落下装置。
【請求項４】
前記複数の接触子は水平方向に変位可能であり、
前記複数の接触子は、前記重心を通る水平面上の複数点で落体側面に水平方向から接触することで落体を初期状態に保持し、前記複数点において落体に接触している前記複数の接触子を落体から離れる方向に水平方向に同時に変位させることで落体を初期状態から離脱させる、
請求項１乃至３いずれかに記載の自由落下装置。
【請求項５】
前記保持・離脱手段の各接触子が落体から離れる方向に変位する時間は、１．０ｍｓ以下である、請求項１乃至４いずれかに記載の自由落下装置。
【請求項６】
前記保持・離脱手段の各接触子は、ピエゾ素子の伸縮によって変位する、請求項１乃至５いずれかに記載の自由落下装置。
【請求項７】
前記落体は、少なくとも下端が開口状の筒状のケースと、前記ケース内に設けた落下鏡と、を備え、
前記ケースの外周面には全周に亘って突縁部が形成されており、前記突縁部は前記重心を通る平面上に位置しており、前記接触子は、前記突縁部の周面に接触するようになっており、
自由落下する落体は、当該落体の突縁部の周面以外の部位で前記受け部に当接して受け取られる、
請求項１乃至６いずれか１項に記載の自由落下装置。
【請求項８】
前記突縁部の周面は球面であり、前記重心を通る平面は前記球面の最外縁部分を通っており、前記接触子は、前記最外縁部分に接触することで前記落体を保持する、請求項７に記載の自由落下装置。
【請求項９】
前記接触子の接触部は平面であり、当該平面が前記最外縁部分に接触することで前記落体を保持する、請求項８に記載の自由落下装置。
【請求項１０】
前記ケースの外周面には、前記突縁部の下側に位置して第２の突縁部が形成されており、自由落下する落体は、前記第２の突縁部で前記受け部に当接して受け取られる、請求項７乃至９いずれか１項に記載の自由落下装置。
【請求項１１】
前記自由落下装置は、受け部で受け取られた落体を初期状態に復帰させるための復帰機構を備えており、
前記復帰機構は、昇降可能な昇降台と、前記昇降台を下方位置と上方位置との間で昇降させる移動機構と、を備え、
前記昇降台は、前記落体のケースの内部に当該ケースの下端から挿入する落体セット台座と、先端側に前記落体セット台座が設けられ、基端側が前記移動機構に連結されたアームと、からなり、
落体が初期状態にある時には、前記昇降台は下方位置にあって前記落体セット台座は前記受け部内で待機姿勢にあり、
落体が自由落下して受け部に受け取られると、前記移動機構によって前記昇降台が上昇することで、前記落体セット台座が前記落体のケース内部に下端から挿入して落体に下方から当接した状態で上方位置まで移動し、前記保持・離脱手段が落体を初期状態に保持し、
落体を初期状態に保持した後は、前記昇降台は、前記移動機構によって下方位置まで下降して待機姿勢となる、
請求項７乃至１０いずれか１項に記載の自由落下装置。
【請求項１２】
前記落体の下方部位の外周面は、複数の面から平面視多角形状に形成されており、前記受け部は、前記落体が落下する時に、前記下方部位の複数の面に摺接する複数の摺接面を備えている、請求項１乃至１１いずれか１項に記載の自由落下装置。
【請求項１３】
前記摺接面は、板バネから形成されている、請求項１２に記載の自由落下装置。
【請求項１４】
請求項１乃至１３いずれか１項に記載された自由落下装置を備えた重力計。
【請求項１５】
前記重力計は、絶対重力計であって、
少なくとも前記自由落下装置を格納する真空容器と、
参照鏡と、
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、
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、請求項１４に記載の重力計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、重力計に用いられる自由落下装置に係り、詳しくは、真空中で物体（光学素子）を自由落下させるための装置に関するものである。
本発明に係る自由落下装置は、典型的には絶対重力計に用いられるが、自由落下装置を上下２段に配置することで、重力の高さ方向の違いを求める重力偏差計に用いることも可能である。本明細書において、「重力計」には「重力偏差計」も含まれるものとする。
【背景技術】
【０００２】
重力加速度を計測するための装置としては、主として、重力の絶対値を測定する絶対重力計と、重力差や重力変化を測定する相対重力計と、が知られている。絶対重力計は、真空中で自由落下する物体あるいは投げ上げた物体の落下距離と経過時間を計測し、これらの計測結果から重力加速度を算出する。
【０００３】
重力加速度計測の基本的な考え方は、真空中を自由落下する物体の落下距離ｙｉ、経過時間tｉの関係を、物体の初期位置をｙ0、初期速度をv 0、重力加速度をg として、
2011209276.tif 000003
で表し、落下中の３ヶ所以上で（ｙｉ, tｉ）を測定して、未知数ｙ0、v0、gを同時に決定することで重力加速度ｇを得るものである。
そして、落下する物体の位置（落下距離）は、図１に示すようなレーザ干渉計を用いて取得できることが当業者に良く知られている。
【０００４】
絶対重力計としては、Micro-g LaCoste社のＦＧ５絶対重力計（特許文献１）やＡ１０絶対重力計が知られている。また、本願の発明者の一人は、微小距離投げ上げ式絶対重力計（特許文献２）を提案している。
【０００５】
重力加速度の計測に広く利用されているＦＧ５絶対重力計は、ドラッグフリーチャンバーと呼ばれるカートで落下鏡を持ち上げ、そこから落下鏡を自由落下させ、マイケルソン型のレーザ干渉計を用いて計測される落下鏡の位置と原子時計によって計測される経過時間との関係から重力加速度を求めている。
【０００６】
ドラッグフリーチャンバー方式では、落下鏡を格納したカート（一種のエレベータ）を、内部に格納した落下鏡と接触を断った状態を保ちつつ駆動装置によって下方に移動させて、結果的に落下鏡の自由落下を実現している。この方式では、自由落下中にもモータ等の駆動装置が動作しているため、重力加速度以外に機械振動の加速度も重畳されてしまう。機械振動に起因するこの加速度は、重力加速度の絶対値を決定する際に系統誤差を発生させるおそれがある。また、Ａ１０絶対重力計においても、カム振動が生じるため、同様に、機械振動による系統誤差が発生するおそれがある。
【０００７】
このように自由落下装置自体から発生する機械振動加速度は、測定精度に悪影響を及ぼし得ることから、自由落下装置では落体の自由落下中の機械振動加速度を低く抑えるあるいは無くすことが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５３５１１２２号
【特許文献２】特許第３６８９７３７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、落体の自由落下中の機械振動発生を無くすと共に、落下中の落体の回転量を抑制して自由落下させることで、重力加速度を、高精度かつ安定に測定することを可能とする自由落下装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる課題を解決するために本発明が採用した自由落下装置は、
反射鏡を備えた落体と、
前記落体の保持・離脱手段と、
初期状態から離脱して落下した落体を受け取る受け部と、
を備え、
前記反射鏡の光学中心と当該反射鏡を含む落体全体の重心とを一致させてあり、
前記保持・離脱手段は、横方向に変位可能な複数の接触子を備え、前記複数の接触子は、各接触子と落体との接触点において、各接触点と前記重心を結ぶ方向の力により落体を初期状態に保持し、前記複数点において落体に接触している前記複数の接触子を落体から離れる方向に同時に変位させることで落体を初期状態から離脱させて自由落下させるように構成されている。
各接触点から重心の方向に向かって力を加えて落体を保持することによって、解放時の最後の接触点（本発明では複数の接触子を同時に変位させるものではあるが、厳格に見ると各接触子が落体から離れる瞬間には時差があると考えられる）から作用する力が落体に回転を与えないようにする。
【００１１】
1つの態様では、前記複数の接触子は、前記重心を通る平面上の複数点で落体に接触することで落体を初期状態に保持する。
1つの態様では、各接触子の変位方向は、前記重心と各接触点を通る直線上にある。
１つの態様では、前記複数の接触子は水平方向に変位可能であり、
前記複数の接触子は、前記重心を通る水平面上の複数点で落体側面に水平方向から接触することで落体を初期状態に保持し、前記複数点において落体に接触している前記複数の接触子を落体から離れる方向に水平方向に同時に変位させることで落体を初期状態から離脱させる。
１つの態様では、前記保持・離脱手段の各接触子が落体から離れる方向に変位する時間（解放時間）は、１．０ｍｓ以下である。解放時間は短い方が望ましく、より好ましくは、０．５ｍｓ以下、さらに好ましくは、０．２ｍｓ以下、さらに好ましくは、０．１ｍｓ以下である。
１つの態様では、前記保持・離脱手段の各接触子は、ピエゾ素子の伸縮によって水平方向に変位する。ピエゾ素子の伸縮時の変位量がそのまま接触子の変位量となる。ピエゾ素子を用いることで、０．１ｍｓ以下の解放時間を実現することができる。
１つの態様では、接触子は、落体に点接触する球面状接触子である。
１つの態様では、接触子は、落体（球面状の保持部を備える）に点接触する平面状の接触部を備えている。
【００１２】
１つの態様では、前記落体は、少なくとも下端が開口状の筒状のケースと、前記ケース内に設けた落下鏡と、を備え、
前記ケースの外周面には全周に亘って突縁部が形成されており、前記突縁部は前記重心を通る平面上に位置しており、前記接触子は、前記突縁部の周面に接触するようになっており、
自由落下する落体は、当該落体の突縁部の周面以外の部位で前記受け部に当接して受け取られる。
1つの態様では、落体は、当該落体の突縁部の周面よりも下方部位で前記受け部に当接して受け取られる。
1つの態様では、突縁部は、接触子が接触する周面と、下面と、を備えており、落体は、前記下面が前記受け部に当接して受け取られる。
1つの態様では、突縁部の周面は垂直面である。
1つの態様では、突縁部の周面は下方から上方に向かって拡径する傾斜面である。
１つの態様では、前記突縁部の周面は球面であり、前記重心を通る平面は前記球面の最外縁部分を通っており、前記接触子は、前記最外縁部分に接触することで前記落体を保持する。こうすることで、落体の離脱位置を、常に重心（光心）を通る水平面に一致させることができ、より安定した落下特性を得ることが可能となる。さらに、１つの態様では、前記接触子の接触部は平面であり、当該平面が球面の最外縁部分に接触することで前記落体を保持する。
１つの態様では、前記ケースの外周面には、前記突縁部の下側に位置して第２の突縁部が形成されており、自由落下する落体は、前記第２の突縁部で前記受け部に当接して受け取られる。こうすることで、落下する落体が落体受けに入るとき、落体の保持部である上側の突縁部に直接衝撃が加わることを防止して、上側の突縁部の周面を保護する。
【００１３】
１つの態様では、前記自由落下装置は、受け部で受け取られた落体を初期状態に復帰させるための復帰機構を備えており、前記復帰機構は、昇降可能な昇降台と、前記昇降台を下方位置と上方位置との間で昇降させる移動機構と、を備え、
前記昇降台は、前記落体のケースの内部に当該ケースの下端から挿入する落体セット台座と、先端側に前記落体セット台座が設けられ、基端側が前記移動機構に連結されたアームと、からなり、
落体が初期状態にある時には、前記昇降台は下方位置にあって前記落体セット台座は前記受け部内で待機姿勢にあり、
落体が自由落下して受け部に受け取られると、前記移動機構によって前記昇降台が上昇することで、前記落体セット台座が前記落体のケース内部に下端から挿入して落体に下方から当接した状態で上方位置まで移動し、前記保持・離脱手段が落体を初期状態に保持し、
落体を初期状態に保持した後は、前記昇降台は、前記移動機構によって下方位置まで下降して待機姿勢となる。
【００１４】
１つの態様では、前記落体の下方部位の外周面は、複数の面から平面視多角形状に形成されており（すなわち、多角形筒状部位となっている）、前記受け部は、前記落体が落下する時に、前記下方部位の複数の面に摺接する複数の摺接面を備えている。こうすることで、落体が落体受けに入る時に衝撃で光軸周りに回転することを防止し、したがって、落下する反射鏡（コーナリフレクター）の光軸周りでの回転が防止されるので、常に一定の偏光特性が保証され有利である。
１つの態様では、多角形筒状部位は、６つの垂直面を備えた六角形筒状部位であり、受け部には、前記６つの垂直面のうちの５つの垂直面に摺接する５つの摺接面が設けられるが、落体の光軸周りの回転を防止するためには、多角形筒状部位の面の数は６つに限定される必要はなく、また、摺接面の数も（面数−１）に限定されるものではない。
１つの態様では、前記摺接面は、板バネから形成されている。摺接面を板バネから形成することで、落体の多角形筒状部位の面が摺接面に接触した時に良好にブレーキが掛けられると同時に、落体の光軸周りの回転を防止できる。
【００１５】
本発明は、上記自由落下装置を備えた重力計としても提供される。
１つの態様では、前記重力計は絶対重力計であって、
少なくとも前記自由落下装置を格納する真空容器と、
参照鏡と、
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、
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。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、機械振動による系統誤差混入を最小にし、かつ、落下中の物体の回転量を抑制して自由落下させることで、重力加速度の絶対値を、高精度かつ安定に測定することを可能とする。
保持・離脱手段によって落体を離脱させて単純に自由落下させるため、自由落下中の機械振動の発生が無い。
【００１７】
昇降可能な昇降台と前記昇降台を下方位置と上方位置との間で昇降させる移動機構と有する復帰機構を備えたものであっても、落体の自由落下中では、昇降台は待機姿勢にあって復帰機構の駆動系は停止しているため、機械振動の加速度は無視できる。
本発明では、落体の解放に用いる保持・離脱手段と、落体を受け取る受け部、落体を初期状態に復帰させる復帰機構とを分離している。この点において、全てをカートが兼用する上述のＦＧ５絶対重力計とは異質である。
【００１８】
落体２に突縁部を設け、突縁部の周面に重心を設定して、当該周面で落体を保持するものでは、自由落下する落体は、突縁部から下の部分が受け部に挿入されるため、突縁部の周面には傷が付かない。自由落下装置では、突縁部の周面で落体を保持するため、突縁部の周面に傷が付いて落下特性を損ねることがない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】重力加速度の測定の原理を示す図である。
【図２】絶対重力計の全体概略図である。
【図３】自由落下装置の全体概略図である。
【図４】落体を分解して示す図である（落下鏡は図示せず）。
【図５】ピエゾブロックを示す図である。
【図６】落下鏡の回転に伴う誤差を説明する図である。
【図６Ａ】各接触点と重心を結ぶ方向の力を示す概略図である。便宜上、２つの接触点及び２方向の力のみを示す。
【図７】受け部を示す図である。
【図８】昇降台を分解して示す図である。
【図９】第１支柱を示す図である。
【図１０】自由落下装置のクランプ位置（接触子と落体の接触点)がほぼ落体の重心を通る水平面上の場合で、解放時間を変えた際の落体の落下中の角速度を示す図である。解放時間を、１．０ｍｓ、０．４６ｍｓ、０．２０ｍｓ、０．１０ｍｓとして測定を行った。
【図１１】自由落下装置のクランプ位置(接触子と落体の接触点)がほぼ落体の重心を通る水平面上の場合で、解放時間0.1msの場合の測定結果を示す。
【図１２】自由落下装置のクランプ位置(接触子と落体の接触点)が落体の重心から20mm上の水平面上で、解放時間0.1msの場合の測定結果を示す。
【図１３】他の実施形態に係る落体の筒状ケースを示す図である。
【図１４】他の実施形態に係る落体受け部を構成する受け部本体を示す図である。
【図１５】受け部本体が取り付けられる支持プレートを示す図である。
【図１６】支持プレートの下面に取り付けられる板バネ材を示す図である。
【図１７】他の実施形態に係る落体が、他の実施形態に係る落体受け部に受け入れられた状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［Ａ］絶対重力計の全体構成
本発明に係る自由落下装置を備えた絶対重力計の実施形態について図面を参照しながら説明する。図２に示すように、絶対重力計は、真空容器１と、真空容器１内に設けられた落体鏡２０を備えた落体２及び落体２を自由落下させる自由落下装置３と、参照鏡４と、光源５と、光源５から出射された光ビームを落体２に設けた落下鏡２０及び参照鏡４に入射し、落下鏡２０及び参照鏡４からの反射光の干渉を生成する光学系と、光学系により生成された干渉光を受光する光検出器６と、光検出部６の出力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７と、原子時計８と、得られた干渉波形と原子時計（ＧＰＳ時計）８での計測時間から重力加速度を算出する演算部９と、を備えている。
【００２１】
絶対重力計は、地面上に置かれた架台上に載設されている。図示の態様では、絶対重力計の上部構造（落体２、自由落下装置３を格納する真空容器１）と下部構造とは別個の架台に載設されているが、絶対重力計全体を共通の１つの架台に載せてもよい。真空容器１への光の入射、真空容器１からの光の出射は真空容器１に形成した光学窓を通して行う。落下鏡２０、参照鏡４を構成する光学素子としては、コーナキューブプリズムまたはコーナリフレクターが例示される。
【００２２】
絶対重力計において、落下鏡２０、参照鏡４、光源５、前記光学系、光検出器６、高速信号取得装置７から干渉計が構成されている。より具体的には、干渉計は、光ビームを出射する光源５としての波長安定化レーザと、光源５から出射された光ビームの導光部としての光ファイバー５Ａと、光ファイバー５Ａから出射された光ビームを参照鏡４に向かう第１の光ビームと落下鏡２０に向かう第２の光ビームとに分割するとともに、参照鏡４を経由した第１の光ビームと落下鏡２０を経由した第２の光ビームとを再結合させるビームスプリッター４Ａと、再結合された光ビームの導光部としての光ファイバー５Ｂと、再結合された光を光ファイバー５Ｂを通して受光する光検出器６と、光検出器６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７と、を有している。尚、光ファイバー５Ａ、５Ｂの先端にはコリメータが設けてある。
【００２３】
演算部は、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が、重力測定は地面振動加速度の影響を受けるので、本実施形態では地面振動を取得して、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。
【００２４】
地面振動の加速度の取得について説明する。参照鏡４及びビームスプリッター４Ａは、地面に垂直な方向に変位可能に片持ち状に支持された振り子４０（コイルスプリング等のバネ材４１により支持されている）に搭載されることで参照鏡ユニットを構成している。参照鏡ユニットは、制御機構によって、地面と参照鏡ユニットとの相対位置を保つように地面と同位相で振動するように制御される。制御機構は、参照鏡ユニット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４２と、位置センサー４２により得られる参照鏡ユニットの位置情報を一定に維持するように、参照鏡ユニットを地面に垂直な方向に変位させる制御部４３と、を有している。制御部４３から供給される制御信号（参照鏡ユニットの振動を発生させる制御力）は、地面の震動の加速度に対応している。
【００２５】
重力測定手法は基本的には特許文献２に記載されている手法と同じであり、必要に応じて特許文献２を参照することができる。また、本発明に係る自由落下装置が用いられる重力計は、上記の構成及び重力測定手法に限定されるものではなく、落体自由落下方式を採用する重力計全般に広く適用することができる。
【００２６】
［Ｂ］自由落下装置
自由落下装置３は、落体２を初期状態に保持し、初期状態にある落体２を自由落下させるための保持・離脱機構と、自由落下する落体２を衝撃を吸収しつつ受け取る落体受け機構と、受け機構に受け取られた落体２を初期状態に復帰させるための復帰機構と、を備えている。復帰機構によって、落下して受け機構に受け取られた落体２を、再度、初期状態の高さまで運搬して、保持・離脱機構によって保持することで、落体２の再落下を可能とする。保持・離脱機構、落体受け機構、復帰機構は互いに独立している。
【００２７】
［Ｂ−１］落体の構成
落体２は、鍔の付いた円筒形状のケース２１と、ケース２１内部に取り付けられた落下鏡（コーナリフレクター）２０と、を備えている。すなわち、ケース２１は、円筒形状のケース本体と、ケース本体の外周面から水平方向に突出形成した突縁部（鍔）２１０と、を備えている。ケース２１の下端は開口状となっており、ケース２１の上端面の中央には小径の螺子孔２１１が形成されている。
【００２８】
ケース２１の上端面の上方には落下鏡２０を固定するための円柱状ないし円筒状のシャフト２２が取り付けられている。シャフト２２の下端には螺子軸２２０が垂下状に設けてあり、シャフト２２は、螺子軸２２０をケース２１の上端面の螺子孔２１１に螺合させることでケース２１に取り付けられる。螺子軸２２０の下端側は螺子孔２１１を通ってケース２１の内部空間にまで延びており、螺子軸２２０の下端側に落下鏡２０が取り付けられる。
【００２９】
また、シャフト２２の上面には、落体の姿勢モニター用の円板状の平面鏡２２１が設けてある。上方からレーザ光を照射し、平面鏡２２１から反射してきたレーザ光の軌道から落体２の回転角速度を得ることができる。そこから落体２の回転によるみかけの重力誤差の予想値を計算することで、予測値を用いて重力値の補正を行うことができる。
【００３０】
落体２において、落下鏡（コーナリフレクター）２０の光学中心（光心）と落体２全体の重心とを一致させてある。本明細書において、光学中心と重心とを一致させるとは、光学中心と重心とのズレが１ｍｍ以下であるような精度であることを意味し、このズレは０に近ければ近い方が望ましく、例えば、０．５ｍｍ以下の精度で光学中心と重心とのズレを一致させることは技術的に可能である。落下鏡２０はケース２１の内部空間の上方部位に取り付けられており、落下鏡２０が取り付けられた高さ位置に対応して突縁部２１０が形成されている。シャフト２２には、バランスリング２３が取り付けられており、バランスリング２３の高さ位置を調整することで、落体２全体の重心の高さを調整して、落下鏡２０の光学中心と落体２全体の重心を一致させ、かつ、重心を通る水平面上に突縁部２１０の周面が位置するようにしてある。すなわち、落体２の製作に際して、突縁部２１０の周面を通る平面上に落体２の重心及び落下鏡２０の光学中心を位置させる。
【００３１】
後述するように、自由落下する落体２は、突縁部２１０から下の部分が落体受け部３７に挿入されるため、突縁部２１０の側面（周面）には傷が付かない。自由落下装置３では、突縁部２１０の側面で落体２を保持するため、突縁部２１０の側面に傷が付いて落下特性を損ねることがない。
【００３２】
［Ｂ−２］自由落下装置本体の構成
図３に示すように、自由落下装置３は、円板状の底板３０と、底板３０上に、互いに対向するように垂直状に立設された第１支柱３１及び第２支柱３２と、第１支柱３１、第２支柱３２の上端に水平状に設けられた円板状の天板３３と、天板３３の上に水平状に設けられた円板状の上部取付台３４と、自由落下装置３の下方側において、底板３０の上方に位置させて、第１支柱３１と第２支柱３２間に水平状に支持された方形状の中間取付台３５と、を備えている。底板３０、天板３３、上部取付台３４、中間取付台３５の平面視の形状は上記形状に限定されない。
【００３３】
上部取付台３４には、保持・離脱機構が搭載されており、中間取付台３５には、落体２の受け機構が搭載されており、第１支柱３１には、受け機構に受け取られた落体２を上昇させる復帰機構が設けてある。
【００３４】
［Ｂ−３］落体の保持・離脱機構
落体２の保持・離脱機構は、３組のピエゾブロック３６を備えている。図５に示すように、各ピエゾブロック３６は、互いに離間する垂直状の前後壁３６００、３６０１を備えた支持台３６０と、支持台３６０の前壁３６００に水平方向にベアリング等を介して移動可能に水平状に支持されるスライドシャフト３６１と、スライドシャフト３６１の先端に設けた球面状接触子３６２と、スライドシャフト３６１の基端と支持台３６０の後壁３６０１間に設けたピエゾ素子３６３と、を備えている。支持台３６０の後壁３６０１にはピエゾ素子３６３へ電圧を印加ためのリード線の挿通孔が形成されている。本実施態様では、球面状接触子３６２はタングステン球面チップであり、ピエゾ素子は積層型ピエゾ素子である。
【００３５】
上部取付台３４には、中央の開口３４０を中心として、放射状に３つの凹部（図示せず）が１２０度間隔で延びており、各凹部に各ピエゾブロック３６を配置することで、３組のピエゾブロック３６は１２０度間隔で配置される。ピエゾブロック３６は、上部取付台３４の上面に形成した凹部に受け入れられた状態で固定金具３６４を用いて上部取付台３４に固定される。ピエゾブロック３６は先端の球面状接触子３６２の先端の高さが落体２の突縁部２１０の高さ範囲で落体２の重心を通る水平面上に位置するように調整される。ピエゾブロック３６の数は３つに限定されるものではなく、複数の接触子が落体に側方から接触して落体を初期状態に保持できるものであれば、ピエゾブロック３６の数は限定されない。例えば、中央の開口３４０を中心として、等間隔で放射状に延びる４組以上のピエゾブロックを配置してもよい。
【００３６】
リード線（図示せず）を通してピエゾ素子３６３に電圧を供給すると、ピエゾ素子３６３が伸びてスライドシャフト３６１の先端の球面状接触子３６２が開口３４０に受け入れられた状態で後述する昇降台３８に支持された落体２に向かって水平方向に変位して、球面状接触子３６２の先端が落体２の側面、具体的には、突縁部２１０の周面に点接触する。
ピエゾ素子３６３にチャージされた電荷を最適な時定数で放電すると、ピエゾ素子３６３は初期寸法まで縮んで、球面状接触子３６２は落体２（突縁部２１０の周面）から離れる方向に変位する。
【００３７】
落体２の重心（落下鏡２０の光学中心と一致している）を通る水平面上の３点で落体２を保持した後、この３点を自由落下装置から同時に高速離脱させることで、落体２を自由落下させる。落体２の離脱および重心の水平ラインを一致させる事により、落体２が保持された初期状態から自由落下に移行した時点における、落体２の重心点周りの回転を最小限に抑えることができる。
つまり、落体２が自由落下装置から離脱する際に、離脱線上に落体２の重心および光学素子の光心を置き、落体２の重心点周りに加わる力のモーメントを最小とすることで、離脱直後および自由落下中の落体２の回転を低減させる。
【００３８】
自由落下時に保持された初期状態の落体の姿勢を維持させるため、離脱の際の力積を小さくする。具体的には、落体２の保持と離脱を実行する自由落下装置の接触子３６２の変位に、ピエゾ素子３６３の高速変位駆動特性を直接利用して、落体２の保持および離脱（自由落下）を行う。ピエゾ素子の駆動側に、硬度が大きいタングステン製の球面状接触子部を有することで、落体の離脱特性を向上させる。
ピエゾ素子の変位量を機械的に拡大しないで、本来の高速変位特性（高い共振周波数）を直接利用する事で、落体２の自由落下装置からの高速離脱により落体２に与える力積を最小とし、離脱直後および自由落下中の落体２の回転を低減させる。
【００３９】
このように、本実施形態では、落体全体の重心を通る水平面上を通るように真横から３つの接触子３６２で落体２の側面を把持し、短時間で解放することで、落体２に加わる実効トルクを低減し、落体２の回転を低減する。
このことは、理論的にも裏付けられる。落体の位置ｘ、時間ｔ、角速度ω、落体の重心と光学中心のズレｈとすると、落体の回転による誤差は以下のように考えることができる（図６参照）。
2011209276.tif 000004
【００４０】
上記式から、光学中心と重心が一致していない場合、落体の回転にともない重力値誤差△ｇ＝ｈω２が発生することがわかる（ズレｈが正ならば重力加速度ｇは必ず小さくなる。図１１と図１２を比較することで、図１２における重力加速度が図１１における重力加速度よりも小さいことがわかる）。すなわち、重力値誤差を低減させるには、角速度を小さくする必要がある。例えば、妥協レベルの誤差として、h=0.1mm、Δg=10μgalを想定した場合には、ω<30mrad/s、となる。また、目標クリアレベルとして、h=1.0mm、Δg=1μgalを想定した場合には、ω<3mrad/s、となる。
【００４１】
落体の回転を低減するには、落体にかかる実効トルクＩω（ｒ：重心から接触子までの位置ベクトル、△Ｆが水平方向の場合には、落体の重心と力の作用点の位置の高さの差、△ｔ：解放時間（速度）、△Ｆ：接触子により落体が受ける力のベクトル）を小さくすればよい。
2011209276.tif 000005
r・ΔFの部分は（重心から接触子までの位置ベクトル）×（接触子により落体が受ける力のベクトル）である（両者のベクトル積）。rは接触点を通り△Ｆの方向の延長線に対して重心から垂線を下ろしたときの足の長さに対応し、ΔＦは接触子により落体が受ける力の大きさに対応する。
保持力（F）がほぼ水平を向いている場合には、落下直前に残った力（ΔF）も同様ほぼ水平を向いているとすることができ、重心と保持力の作用点の高さの差がrとなる。したがって、1つの態様では、落体の重心を通る水平面上において、落体を真横から挟むことで、ｒを０に近づけることができる(図６Ａの左図)。尚、図６Ａの中央図、右図に示すように、斜め方向から重心に向けてFの力で落体を保持することで、ｒを０に近づけることができる。
また、ピエゾ素子を利用した高速離脱によって解放時間を短くすることで、Δtを０に近づけることができる。本実施形態では、ピエゾ素子を利用して、落体を、落体の重心を通る水平面上の複数点で水平方向から落体側面に当接することで落体を保持し、落体を保持する前記複数点において複数の接触子を同時に水平方向に落体から退避（離間）することで落体を離脱させて、ω<2.4mrad/sを達成することができる。
図１０に解放時間を変えた際の落体の落下中の角速度を示す。解放時間を、１．０ｍｓ、０．４６ｍｓ、０．２０ｍｓ、０．１０ｍｓとして測定を行った。解放速度は、ピエゾ素子に印加する電圧を変化させることで変化させることができる。解放時間が０．４６ｍｓ、０．２０ｍｓ、０．１０ｍｓの場合には、ω<3mrad/sを満たすことがわかる。
【００４２】
底板３０、天板３３、上部取付台３４、中間取付台３５の中央には同心状の円形の開口３００、３４０、３５０が形成されており、各開口の中心は同一鉛直線軸上にある。取付台３４の開口３４０は、落体２が挿通できる寸法に形成されており、落体２は上半部が取付台３４の上方に突出した姿勢で保持・離脱機構に保持され、落体２は離脱時に開口３４０を通して自由落下する。
【００４３】
［Ｂ−４］落体の受け機構
図７に示すように、受け機構を構成する受け部３７は、上下端が開口状の円筒状部からなり、円筒状部の上方部位は大径の縁部３７０が一体形成されており、縁部３７０には３つの挿通孔３７１が形成されている。各挿通孔３７１には円筒状のリニアブッシュ（図示せず）が挿入されており、受け部３７の上下方向ガイドに使用される。また、受け部３７の第１支柱３１に対向する部位は高さ全体に亘って切り欠かれており、スリット３７２が形成されており、受け部３７は平面視Ｃ型の円筒形状となっている。受け部３７の中央の開口内には、円筒形状の内側面に沿って、スリットの入った平面視Ｃ型形状のリニアブッシュ（図示せず）が設けてある。
【００４４】
中間取付台３５には３本のロッド３５１が立設されており、ロッド３５１には圧縮バネ３５２が外装されている。受け部３７の縁部３７０の挿通孔３７１にはロッド３５１が上記３つのリニアブッシュによって上下方向に案内されるように挿通されており、受け部３７は３本の圧縮バネ３５２を介してロッド３５１に上下動可能に支持されており、自由落下した落体２が受け部３７に当接した時の衝撃を吸収している。上記中央のリニアブッシュが落体２に接することで、受け部３７に受け取られた落体２は定められた位置（後述する昇降台３８の上昇時に、落体２の下端の開口が後述する落体セット台座３８１にスムーズに嵌るような位置）にガイドされる。
【００４５】
自由落下する落体２は、落体２のケース２１の略下半部が受け部３７の上端の開口から内部空間に進入し、落体２のケース２１の突縁部２１０の下面が受け部３７の上面に当接することで受け部３７に受け取られる。したがって、落体２の自由落下の際に、接触子３６２が接触する部位である突縁部２１０の周面に傷が付くようなことがない。本実施形態では、落体２を自由落下させるために解放する機構の工作精度が高いために、落体２の突縁部２１０の周面に傷があるとうまく解放されず、落下タイミングがずれたり、落体２に回転が発生するおそれがある。
【００４６】
［Ｂ−５］復帰機構
復帰機構は、受け部３７に受け取られた落体２に下方から係止して、落体２を上部取付台３４まで上昇させる昇降可能な昇降台３８と、昇降台３８を下方位置と上方位置との間で昇降させる移動機構と、からなる。昇降台３８は天板３３の下面に接近した高さ（上方位置）と受け部３７の底部（下方位置）との間を移動し、上方位置において、自由落下させる落体２を保持する初期状態の高さ位置にセットする位置決め状態をとり、下方位置において、落体２の落下を待ち受ける待機状態をとる。真空中の昇降台３８の移動は、回転導入機を介して、大気側からモータを駆動源として行う。
【００４７】
第１支柱３１には、第１支柱３１の高さ方向に沿って垂直状に延びる溝部３１０が形成されており、溝部３１０には真空対応型の直動機構（テーブル３８２とガイド３８３とからなるＬＭガイド）が設けてあり、テーブル３８２が垂直状に延びるガイド３８３上を上下方向に移動可能となっている。
【００４８】
第１支柱３１の下方部位には、ガイド溝３１０の下側に位置して、水平状に延びる第１軸３１１、第２軸３１２が回転自在に支持されている。第１軸３１１の基端側は真空容器１の壁面に設けた回転導入機（図示せず）を介して大気圧側のモータ（図示せず）の回転軸に連結されている。第１軸３１１、第２軸３１２には、径の異なるスプロケット３１３、３１４が設けてあり、スプロケット３１３とスプロケット３１４はチェーン３１５によって伝動連結されている。スプロケット３１３、３１４とチェーン３１５は変速機構を構成している。第２軸３１２の先端側にはスプロケット３１６が設けてある。
【００４９】
上部取付台３４には、第１支柱３１の直上に位置して、水平状に延びる第３軸３１７が回転自在に設けてあり、第３軸３１７の先端側にはスプロケット３１８が設けてある。スプロケット３１６とスプロケット３１８は同一鉛直線軸上に位置しており、スプロケット３１６とスプロケット３１８との間にはチェーン３１９が巻き掛けされている。天板３３及び上部取付台３４には、チェーン３１９を挿通させるための開口が形成されている。
【００５０】
昇降台３８は、水平状に延びるアーム３８０と、アーム３８０の先端に設けた落体セット台座３８１と、からなり、アーム３８０の基端はＬＭガイドのテーブル３８２に連結されており、昇降台３８は上下動可能となっている。テーブル３８２は鉛直方向に平行状に延びるチェーン３１９の一方と連結されており、スプロケット３１６、３１８間に巻回されたチェーン３１９の回転によりチェーン３１９の一方が昇降することに連動してテーブル３８２、すなわち、昇降台３８が昇降するようになっている。
【００５１】
落体セット台座３８１は上下端が開口状（レーザ光を通すため）の略円筒形状を備え、上方部位は上方に向かって漸次縮径するテーパ状となっている。落体セット台座３８１は落体２のケース２１の下端の開口から落体底部内面に挿入して下方から落体２に係止し、昇降台３８を上昇させることで落体２を上方に移動させる。落体セット台座３８１の下方部位の直径は、落体２の保持時の位置決め精度を確保するため、落体２の下半部の内部空間に挿入してフィットするように高精度に加工されている。より具体的には、落体２の下半部の内径と落体セット台座３８１の下方部位の外径は略同じである。保持・離脱手段の接触子３６２の水平方向の変位量（ピエゾ素子３６３の変位量）は小さく、落体２と接触子３６２（落体２から離れる方向に変位した状態）とのギャップは狭くなっており、昇降台３８は、このような狭いギャップの範囲内に落体２を位置させるべく、上方位置（位置決め状態）において、精度良く落体２の位置決めを行う必要がある。
【００５２】
昇降台３８は、アーム３８０が受け部３７のスリット３７２を通過することで、受け部３７と接触することなく上下に移動できるため、昇降台３８の昇降時に受け部３７に傷が付くことがない。このように受け部３７にも傷が付きにくいため、受け部の傷が落体を上部に移動させる際に抵抗になったり、傷から発生した粉末が光学特性に影響を与えたりすることがない。
また、昇降台３８の落体セット台座３８１が落体底部内面に挿入した状態で落体２の内側を用いて支持しながら上昇するため、仮に、落体の外側表面や受け部に傷が付いていたとしても、傷による抵抗や位置決め誤差等の影響を受けない。
【００５３】
図示しないモータによって第１軸３１１を回転させると、第１軸３１１に伝動連結された第２軸３１２が回転し、スプロケット３１６とスプロケット３１８との間に巻回したチェーン３１９が回転する。平行するチェーン３１９の一方の昇降に連動して昇降台３８が昇降する。
移動機構は図示のものに限定されるものではなく、高真空対応部品からなる他の伝動機構を用い得ることが当業者に理解される。例えば、巻き掛け伝動機構について、チェーンとスプロケットの組み合わせに代えて、ベルトとプーリを用いてもよい。また、巻き掛け伝動に代えて、ギア同士を直接噛合させた伝動機構を用いてもよい。
【００５４】
［Ｃ］他の実施形態
本発明の他の実施形態を、図１３〜図１７に基づいて説明する。落体２の基本的な構成は既述の実施形態の記載を参照することができ、また、同一の参照番号が付された要素については既述の記載を援用することができる。
【００５５】
［Ｃ−１］落体の構成
図１３に示すように、落体２の落体ケース２１´は、図４下図に示す落体ケース２１と同様に、上端面を備え、下端側が開口状の略円筒形状を備えている。
より具体的には、ケース２１´は、外周面が平面視円形状である円筒部位２１Ａと、外周面が６つの垂直面から平面視六角形状に形成されている下方部位（多角形筒状部位）２１Ｂと、からなる。
円筒部位２１Ａの外周面には、上側の第１突縁部１１、下側の第２突縁部１２が、それぞれ外周面全周から水平方向に突出形成されている。
落体ケース２１´の内部には反射鏡が取り付けられ、上端面には落下鏡固定用のシャフトが取り付けられ、また、シャフトにはカウンターウェイト（バランスリング）が取り付けられるが、これらの要素の構成や説明については、既述の記載を参照することができる。
【００５６】
落体ケース２１´の円筒部位２１Ａに形成されたリング状の第１突縁部１１は縦断面視半円状であり、すなわち、周面が球面状に形成されている。第１突縁部１１の周面を球面状に形成することで、落体全体の重心と反射鏡（コーナリフレクタ）の光心を一致させてなる落体が、自由落下装置から離脱されて落下する際、重心（光心）を通る水平面上の複数点（典型的には３点）で確実に離脱できるようにしている。
図１３を参照して説明すると、第１突縁部１１の球面の中心を通る水平面Ｐが円筒状の落体ケース２１´の円筒部位２１Ａの中心を通る点に、反射鏡（コーナリフレクタ）の光心（同時に落体の重心）をセットする。すなわち、第１突縁部１１の最外縁部を通る水平面Ｐ上に落体２の重心及び落下鏡２０の光学中心を位置させる。
落体ケース２１´の外周面の全周において水平状に突成された第１突縁部１１の球面状の周面の最外縁部を通る水平面Ｐが落体の重心（光心）を通る水平面上に一致させるように落体を製作することで、落体回転を最小限に抑えることができる。落体の第１突縁部１１の最外縁部に接触して落体を保持する複数の接触子３６２´の先端の接触部を平面（典型的には垂直面）から形成し、各接触子３６２´の平面状の接触部が落体の第１突縁部１１の最外縁部に接触して落体を保持し、また、接触状態から離間させることで、落体の離脱位置を、常に重心（光心）を通る水平面に一致させることができ、より安定した落下特性を得ることが可能となる。
【００５７】
下側の第２突縁部１２は、落体２が自由落下して落体受け部３７´に挿入される際のストッパーであり、第１突縁部１１の球面を落下時の衝撃から保護している。自由落下する落体２は、第２突縁部１２より下側の部分が落体受け部３７´に挿入されて、第２突縁部１２の水平状の下面が落体受け部３７´に当接するため、上側の第１突縁部１１の球面（落体の保持部）に直接衝撃が加わることがなく、繰り返しの使用や経年使用等によって、落下特性を損ねることがない。
【００５８】
［Ｃ−２］受け部の構成
落体受け部３７´は、受け部本体３７Ａと、受け部本体３７Ａを支持する支持プレート３７Ｂと、支持プレート３７の下面に取り付けられる５枚の板バネ材３７Ｃと、からなる。
図１４に示すように、受け部本体３７Ａは、中空部に落体を受け入れる円筒状部３７０Ａと、円筒状部の上端部位に一体形成した大径の縁部３７１Ａと、からなり、また、側部を高さ全体に亘って切り欠いてスリット３７２Ａが形成されており、平面視Ｃ型の円筒形状となっている。図１７に示すように、落下する落体２の落体ケース２１´の第２突縁部１２の下面は、縁部３７１Ａの上面に当接する。
図１５に示すように、支持プレート３７Ｂは、中心に開口３７０Ｂを備えた円板を切り欠くと共に、切り欠き部から開口３７０Ｂと連通するスリット３７２Ｂを形成することで平面視Ｃ型に形成されたプレートである。支持プレート３７Ｂは、３つの挿通孔３７１Ｂを介して、図示しない３本のロッドにより所定の高さ位置に支持固定される。
支持プレート３７Ｂの中央の開口３７０Ｂは受け部本体３７Ａの円筒状部３７０Ａを挿通できる寸法となっており、受け部本体３７Ａは、スリット３７２Ａとスリット３７２Ｂを一致させるように位置合わせし、円筒状部３７０Ａが支持プレート３７Ｂの開口３７０Ｂを挿通して下方に突出し、縁部３７１Ａの下面が支持プレート３７Ｂの上面に当接した状態で支持プレート３７Ｂに取り付けられる（図１７参照）。
図１６に示すように、板バネ材３７Ｃは、支持プレート３７Ｂの下面に固定される水平状の取付片３７０Ｃと、支持プレートＢの下面よりも下方に延びる受け部本体３７Ａの円筒状部３７０Ａの外周面に沿って延びる片３７１Ｃと、円筒状部３７０Ａの中空部の下方に位置して垂下する垂直片３７２Ｃと、垂直片３７２Ｃの下端から外側に向かって傾斜状に延びる傾斜片３７３Ｃと、からなる。落下する落体２が受け部３７´に受け取られる時に、円筒状部３７０Ａの中空部を挿通して下方に突出する落体ケース２１´の下方部位２１Ｂの垂直面１３が板バネ材３７Ｃの垂直片３７２Ｃの面に接触するようになっている。
５つの板バネ材３７Ｃは、各垂直片３７２Ｃが、落体ケース２１´の下方部位２１Ｂの６つの垂直面１３の５つの垂直面にそれぞれ対応して位置するように、支持プレート３７Ｂの下面に取り付けられる。より具体的には、落体が落下して受け部３７´に受け取られる時に、落下する落体の落体ケース２１´の下方部位２１Ｂの５つの垂直面１３が５つの垂直片３７２Ｃに摺接しながら下方に移動するように配置される。落体が落下する時に、複数の板バネ材３７Ｃの垂直片３７２Ｃが、受け部本体３７Ａから下方に突出する落体ケース２１´の下方部位２１Ｂに摺接しながら押さえ込んでブレーキを掛けて、衝撃吸収と回転防止作用を発揮する。
昇降台３８との干渉を防止するために、受け部本体３７Ａのスリット３７２Ａ、支持プレート３７Ｂのスリット３７２Ｂに対応する位置には、板バネ材３７Ｃは設けられない。１つの態様では、板バネ材３７Ｃの幅寸法は、少なくともスリット３７２Ａ、３７２Ｂの幅寸法よりも大きい寸法を備えている。
【００５９】
本実施形態では、落体ケース２１´の下方部位２１Ｂの外周面の形状と、複数枚の板バネ材３７Ｃによって、落体の光軸まわりの回転を規制している。落体の鉛直軸つまり、落下する反射鏡（コーナリフレクタ）の光軸回りの回転は、反射光の偏光特性に影響を与えるため、好ましくない。通常の円筒状の落体形状では、落下時に落体が落体受けに挿入される際の衝撃で、光軸回りの回転が生じ得る。これを防止するため、落体ケース２１´の下方部位２１Ｂを六角筒状に形成して、この六角平面に対して、落体受け部３７´の下方側に設けた複数（本実施形態では５枚）の板バネ材３７Ｃの垂直片３７２Ｃが摺接して接触摩擦で押さえ込むことで、落下する落体２の衝撃を吸収すると共に、回転を抑制する。この方式を採用することで、落下回数によらず、常に一定の偏光特性を維持し、干渉縞信号の特性を向上できる。
【００６０】
本発明に係る自由落下装置は、シンプルな構造であるため、絶対重力計の小型軽量化が可能になり、小型で可搬性に優れかつ安価な絶対重力計が提供できると共に、観測作業の効率化が計れる。
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得ることが当業者に理解される。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
本発明は小型軽量の絶対重力計を提供することができ、重力測定が必要とされる地震火山噴火予知研究や物理標準（質量）、資源探査、精密計測技術の研究開発などに利用可能である。
【符号の説明】
【００６２】
２  落体
２０  落下鏡
２１  ケース
２１０  突縁部
３  自由落下装置
３６２  接触子
４  参照鏡
【図１】
2011209276.tif 000006
【図２】
2011209276.tif 000007
【図３】
2011209276.tif 000008
【図４】
2011209276.tif 000009
【図５】
2011209276.tif 000010
【図６】
2011209276.tif 000011
【図６Ａ】
2011209276.tif 000012
【図７】
2011209276.tif 000013
【図８】
2011209276.tif 000014
【図９】
2011209276.tif 000015
【図１０】
2011209276.tif 000016
【図１１】
2011209276.tif 000017
【図１２】
2011209276.tif 000018
【図１３】
2011209276.tif 000019
【図１４】
2011209276.tif 000020
【図１５】
2011209276.tif 000021
【図１６】
2011209276.tif 000022
【図１７】
2011209276.tif 000023