(57)【要約】【課題】マイクログラビティ環境における小型軽量質量測定装置及び方法を提供する。【解決手段】対象物５と、垂直ベース４とは、紐状ゴム弾性体７の張力に抗して所定距離以上、離れさせることによって、力センサ８には、紐状ゴム弾性体７の反力として張力と等価の作用力が働く。対象物５を、水平ベース３の右端まで紐状ゴム弾性体７の張力に抗して移動させて止める。対象物５を解放する。解放された対象物５の加速度運動を監視するために本例では、レーザービームを対象物５に対して照射し、反射したレーザービームを解析することによって対象物５の動きを把握できる。マイクログラビティ環境において小型軽量装置により短時間で高精度に質量を測定することができる。【選択図】図１
2008026263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
質量測定を行うべき対象物と、当該対象物に結合され、当該対象物に対して引っ張り力を作用させる張力発生手段と、
前記張力発生手段が所望の張力を発生する位置において解放された対象物の加速度を計測する加速度計測手段、
前記張力発生手段の張力を計測する張力計測手段、
前記張力と前記加速度に基づいて対象物の質量を演算する演算手段、とを備えたことを特徴とする質量測定装置。
【請求項２】
さらに、張力発生手段に結合された対象物を移動させて前記張力発生手段が張力を生じさせた状態で所定位置に保持する保持手段、
前記対象物を前記保持手段から解放する解放手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記張力発生手段が、一端がベースに接続され、他端が対象物に連結されたゴム紐状弾性体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記張力発生手段が、一端がベースに接続された滑車に通され、他端が対象物に連結されたワイヤであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の装置。
【請求項５】
さらに前記保持手段から解放された対象物の速度に比例したドップラーシフト周波数を測定し、該周波数に基づいて加速度を計測するようになっていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかの請求項に記載の装置。
【請求項６】
前記加速度計測手段が、光波干渉計と、該光波干渉計と協働する参照鏡とから構成され、
前記参照鏡が張力発生手段が接続されたベース近傍に設置され、前記光波干渉計が前記対象物と一体的に移動可能な剛体部品に接続されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかの請求項に記載の装置。
【請求項７】
前記張力発生手段と前記対象物の間に配設される剛体部品をさらに備え、該剛体部品と前記対象物とがヒンジ機構で結合されたことを特徴とする請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記加速度計測手段と前記張力計測手段とが前記剛体部品に取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載の装置。
【請求項９】
質量測定を行うべき対象物を張力発生手段に結合し、
前記張力発生手段が前記対象物を所望の位置まで移動し、
前記所望の位置において前記対象物を解放し、
該解放後に移動する前記対象物の加速度を測定し、
前記解放時の前記張力発生手段の張力を計測し、前記張力と前記加速度に基づいて対象物の質量を演算する段階とを、備えたことを特徴とする質量測定方法。
【請求項１０】
前記解放時の前記対象物の加速度を測定する段階が、対象物と一体的に移動可能に接続されたレーザ光源と、前記ベース近傍に配置された反射鏡と、光学干渉計とを用意し、前記反射鏡で反射された前記レーザ光源からのレーザビームを入力させることによって移動する対象物の位置と時間との関係を測定し、これによって前記対象物の解放後の加速度を検出するようになっていることを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は対象物の質量測定にかかるものであって、特に、無重力ないし微小重力状態における質量測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
既に運用が始まっている国際宇宙ステーション（International Space Station、 ISS）に代表される微小重力（マイクログラビティ）環境下においては、４つの基本単位（m、kg、s、A）で表される国際単位系の中で質量は、地上で通常使われている測定器を用いても測定することができないという事情がある。質量の測定に使われる天秤、ロードセルなど質量測定器が一様かつ一定の重力加速度場を前提にした質量測定を行っているためである。
【０００３】
質量を測定するべき対象物の質量は、当該対象物に対して加速度が作用すると、力、運動量、エネルギーなどの形としての比較・測定が可能となる。無重力ないし微小重力環境下での質量を測定するためには、何らかの形で人為的に加速度場を作ることが必要となるが、その加速度場の時間的、空間的な一様性について注意を払う必要がある。それらが一様でない場合には、測定対象の密度分布、速度分布について考慮する必要がある。
【０００４】
従来、無重力ないし微小重力環境下での質量測定に関しては、NASAをはじめとして、多くの研究機関が研究開発を行ってきている。しかしながら、この分野の研究開発は、未だに初歩的な段階にある。
【０００５】
今後、国際宇宙ステーション（ISS）の本格的稼動をはじめとして、宇宙空間での実験室、工場の建設など、宇宙における活動の活発化・多様化が見込まれる。このような環境において、基本的な物理量である質量を正確に測定することに対するニーズは高まっている。この場合、無重力ないし微小重力環境下における質量測定は、測定レンジ、精度、測定対象（剛体、弾性体、液体、粉体、混合物など）、装置サイズ、測定時間など、多様な観点から追求されることが望ましい。
【０００６】
従来から、無重力ないし微小重力環境下での質量測定に関しては、NASA、旧ソ連をはじめてとして、多くの研究機関が多くの提案、研究開発を行ってきているが、従来の質量測定手法を、測定原理に基づいて大きく分類すると以下の３つの原理・方法に分類することができる。
【０００７】
(1) 固有振動数を利用する方法
この方法では、たとえば、板バネと、その先端に固定した物体（質量）とからなる系の固有振動数を測定する。この場合、加速度場は時間的にも空間的にも一様でないので、測定対象の密度分布、速度分布を考慮しなければならない。このため、動物、弾性体、液体など、剛体以外のものの質量を測定することは難しい。また、支点を強固に固定する必要があるが、これは実際には困難である。さらに国際宇宙ステーション（ISS）などのように他の精密実験、精密計測を同時進行で行う必要のある宇宙ステーションでは、振動の発生はこれら他の精密作業に悪影響を及ぼすという問題がある。
(2) 遠心力を利用する方法
この方法では、たとえば、回転台の上で質量測定すべき対象物に遠心力が作用するように回転させ、遠心力の大きさを力センサーで測定する。この方法では時間的に一様な加速度場を実現できるという利点がある。地上実験において500gの剛体の質量を約2×10-4の不確かさで推定できたという報告がある。この方法は、荷重交換装置と参照分銅の導入により、剛体質量測定において高精度化が期待でき、小物体では実用可能性がある。宇宙ステーションに伝達される回転トルク、および、力を抑制する為には、それぞれ、フライホイール、および、カウンターウェイトの導入が有効と考えられる。
しかし、一般に物体は密度分布が不均一であること、半径方向に変化する加速度場であることから、測定対象の重心位置の特定に困難があると考えられる。
(3) 運動量保存を用いる方法
測定の対象物の運動量変化と作用する力積が等しいことを利用した方法であって、対象物と参照分銅とで構成される系の運動量保存を用いる方法等のいくつかの研究例がある。この方法も原理は単純であるが、問題点は、いかにして、次の２つの要請を満足させるかである。
Ａ．摩擦等の外力を抑制すること。
Ｂ．物体の重心の速度（あるいは、加速度）を高精度で測定すること。
【０００８】
微小加速度環境下においては、物体を空間内に浮遊させることができる。微小加速度場という環境は、工夫すれば、物体を浮遊させ、その物体の持つ運動量を十分に小さな摩擦で力に変換・計測する上で、望ましい環境とすることができる。したがって、この方法では望ましい環境と高精度の距離測定技術の組み合わせが必要となる。
【０００９】
【特許文献１】特許第３０３０３０７号公報
【非特許文献１】Y． Fujii， H． Fujimoto， S． Namioka， “Mass measurement under weightless conditions”， Review of Scientific Instruments， Vol． 70， No．1， pp．111-113， 1999．
【非特許文献２】Y． Fujii， H． Fujimoto， Y． Miki， R． Watanabe， “Proposal for a method for measuring mass under microgravity conditions”， 日本マイクログラビティ応用学会誌 (J． Jpn． Soc． Microgravity Appl．)， Vol．16， Supplement， p．112， （東京理科大学，東京）1999．
【非特許文献３】Y． Fujii， H． Fujimoto， Y． Miki， “A balance for measuring mass under microgravity conditions”， Proc 38th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit， AIAA 2000-0567， (Reno， USA)， January 2000．
【非特許文献４】Y． Fujii， H． Fujimoto， R． Watanabe， Y． Miki， “Balance for measuring mass under microgravity conditions”， AIAA Journal， Vol．39， No．3， pp．455-457， 2001．
【非特許文献５】藤井雄作，“マイクログラビティ環境下における質量測定法  ― 被測定物が剛体でない場合に関する検討 ―”，計測自動制御学会論文集，Vol．38， No．4， pp．337-344， 2002．
【非特許文献６】W． Thornton and J． Ord， “Specimen mass measurement”， NASA Tech． Report， N74-11867 (1974)．
【非特許文献７】W． E． Oakey， R． Lorenz， “Survey and experimental testing of nongravimetric mass measurement devices”， NASA Tech． Report， N77-26456 (1977)．
【非特許文献８】V． A． Sarychev et al．， “Measurement of mass under weightless condition”， KOSM． ISSLED (USSR)， Vol．18， No．4， pp536-549， 1980 (in Russian)
【非特許文献９】N． Beyer， J． Lomme， H． McCollough， B． Price， H． Weber， “Proposal for an astronaut mass measurement device for the space shuttle”， NASA Tech． Report， N95-14854 (1995)．
【非特許文献１０】T． Ono， H． Uozumi， O． Honda， K． Nagata， “Mass-measurement under weightless conditions by the frequency-controlled method”， Measurement， Vol． 22， pp．87-95 (1997)．
【非特許文献１１】A． Rivetti， G． Martini， F． Alasia， G． Birello， L． Gatti and F． Solitro， "An inertial， low-capacity balance to be accomodated on board the International Space Station"， Proceedings of the 2nd European Symposium on the Utilization of the International Space Station， ESTEC， pp．93-98  (Noordwijk， The Netherlands， 1998)
【非特許文献１２】水野毅，箕輪淳，“運動量保存則に基づく質量測定の研究−衝撃電磁力を利用した質量測定装置−”，計測自動制御学会論文集， Vol．36， No．12， pp．1059-1064， 2000．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、マイクログラビティすなわち無重力ないし微小重力環境で動作する小型軽量な質量測定装置および方法を提供するものであって、マイクログラビティ環境において、小型軽量の質量測定装置により、短時間で高精度に質量を測定することを目的とする。特に、人間の体重（質量）測定に好適な装置、方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は以下のように構成される。すなわち、本発明の１つの特徴によれば、質量測定を行うべき対象物と、当該対象物に結合され、当該対象物に対して引っ張り力を作用させる張力発生手段と、
前記張力発生手段が所望の張力を発生する位置において解放された対象物の加速度を計測する加速度計測手段、
前記張力発生手段の張力を計測する張力計測手段、
前記張力と前記加速度に基づいて対象物の質量を演算する演算手段、とを備えたことを特徴とする質量測定装置が提供される。
【００１２】
この場合、さらに、張力発生手段に結合された対象物を移動させて前記張力発生手段が張力を生じさせた状態で所定位置に保持する保持手段、
前記対象物を前記保持手段から解放する解放手段とが設けられることが好ましい。
【００１３】
さらに前記張力発生手段は、好ましい態様では一端がベースに接続され、他端が対象物に連結されたゴム紐状弾性体である。
【００１４】
また、前記張力発生手段を一端がベースに接続され、他端が対象物に連結された鋼製ワイヤと該鋼製ワイヤの巻き取り装置とすることもできる。
【００１５】
さらに、前記張力発生手段が、一端がベースに接続された滑車に通され、他端が対象物に連結されたワイヤとすることができる。
【００１６】
好ましくは、前記保持手段から解放された対象物の速度に比例したドップラーシフト周波数を測定し、該周波数に基づいて加速度を計測するようになっている。
【００１７】
また、好ましい態様では、前記加速度計測手段は、光波干渉計と、該光波干渉計と協働する参照鏡とから構成され、
前記参照鏡が張力発生手段が接続されたベース近傍に設置され、前記光波干渉計が前記対象物と一体的に移動可能な剛体部品に接続されている。
【００１８】
この場合、好ましくは前記張力発生手段と前記対象物の間に配設される剛体部品をさらに備え、該剛体部品と前記対象物とがヒンジ機構で結合される。
【００１９】
好ましい態様では、前記加速度計測手段と前記張力計測手段とが前記剛体部品に取り付けられている。
【００２０】
本発明の別の特徴によれば、質量測定を行うべき対象物を張力発生手段に結合し、
前記張力発生手段が前記対象物を所望の位置まで移動し、
前記所望の位置において前記対象物を解放し、
該解放後に移動する前記対象物の加速度を測定し、
前記解放時の前記張力発生手段の張力を計測し、前記張力と前記加速度に基づいて対象物の質量を演算する段階とを、備えたことを特徴とする質量測定方法が提供される。
【００２１】
この場合、好ましくは前記解放時の前記対象物の加速度を測定する段階が、対象物と一体的に移動可能に接続されたレーザ光源と、前記ベース近傍に配置された反射鏡と、光学干渉計とを用意し、前記反射鏡で反射された前記レーザ光源からのレーザビームを入力させることによって移動する対象物の位置と時間との関係を測定し、これによって前記対象物の解放後の加速度を検出するようになっている。
【００２２】
本発明の実施において、宇宙ステーション内等の微小重力環境においては、たとえば人の体重、すなわち質量も本発明を用いて正確に測定することができる。この場合、人をワイヤ（ゴム紐，化学繊維製ワイヤ，鋼製ワイヤなど）の一端に結合し、他端側から引っ張りあるいはワイヤを巻き取るようにしてワイヤに張力を付与し、この張力に引っ張られて人の身体が移動する際の加速度を検出することによって、その人の質量あるいは重量を正確に測定することができる。また、紐状弾性体の一端を質量測定対象者となる人に結合し、弾性力によってその人を移動させるようにして、人の質量測定を行うことができる。この場合には、測定対象者となる宇宙飛行士が自ら弾性力に抗して移動したのち、所定位置において弾性力の作用がある状態で自らを解放し、弾性力により移動させられるときにおいて、その移動状態を測定することにより当該宇宙飛行士が自らの質量を正確に測定することができる。
【００２３】
この場合には、質量測定をおこなう際の測定補助者を必要としない構成とすることができるので、質量測定の作業性が良い。
【００２４】
たとえば、人間に与える力を紐状ゴム弾性体(bungee cord、 rubber string)の張力で与える。紐状ゴム弾性体は国際宇宙ステーション上に標準搭載されており入手性も高い。測定者（＝被測定者）は、予め、紐状ゴム弾性体が伸び位置まで移動後、国際宇宙ステーション内の手すりなどに掴まり、平衡状態を作る。次に、手すりなどから手を離し、測定を開始する。この場合、紐状ゴム弾性体張力Ｆは、小型の力センサで測定する。人体にかかる加速度αは、レーザー干渉計により高精度で測定を行う。その際、力の向きと平行な成分を測定する必要があるが、対象物の結合端をヒンジとこれに接続される細長い棒状の剛体を用いることにより、対象物の向きを紐状ゴム弾性体の向きに自動的に合わせることができる。上記の場合には、紐状ゴム弾性体の張力により、力を発生させる。これにより、特別なアクチュエータは必要とならない。人体の質量ｍは、ｍ＝Ｆ／αで求められる。ただし、ここで、αは人体の重心の加速度である必要があるが、測定点と重心は一致しないことに注意する必要がある。この問題に対処するために長い紐状ゴム弾性体を用いるのが望ましい。宇宙機はキャビンが大きいので、この対応は可能である。長距離にわたる直線運動を測定することにより、長時間（数秒間）にわたる平均をとることができる。これにより、測定点の加速度と、重心の加速度は０.２％程度の誤差範囲内で測定することができる。
【００２５】
本発明の構成により、実験ペイロード装置など人体以外の大きなものの測定にも適用でき、これによって船外活動中に物品の質量を測定することも可能である。
【発明の効果】
【００２６】
本発明により、マイクログラビティ（無重力ないし微小重力）環境において、小型軽量な質量測定装置により、短時間で、高精度に、質量を測定することが可能となる。特に、本発明により人の体重測定に好適な質量測定装置及び方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
図１には、本発明に従う質量測定の原理を地上において確認するための質量測定装置１が示されている。本発明にかかる質量測定装置１は、基台２を備えており、該基台２は水平ベース３とこの水平ベース３の一端部から垂直上方に延びる垂直ベース４とを備えている。本例の装置１においては、水平面内運動に関して無重力状態と等価な状態を実現するために、摩擦抵抗の小さな空気層支持方式の静圧空気軸受（NTN（株）のエアスライド）を用いている。具体的には、水平ベース３には、該水平ベース３上に水平に延びる静圧空気軸受すなわち対象物５を空気圧で浮上させて対象物と直接接触することなく水平方向に移動可能に支持するガイド６が敷設されており、このガイド６には、質量を測定するための対象物５が移動可能に載置されている。
【００２８】
本例の装置１は、重力加速度の存在する地上の条件下において質量測定を行うものであるが、宇宙空間等の微小重力環境下においても好適に使用できるものである。静圧空気直動軸受の対象物（慣性質量）すなわち質量測定の対象物の実験用の質量は、金属製付加質量の脱着により、11 kg、 18 kg 及び、24 kg の３段階の質量水準をとることができるようになっている。
【００２９】
対象物５と、上記垂直ベース４とは、弾性手段、本例では、紐状ゴム弾性体７によって結合されている。対象物５が紐状ゴム弾性体７の張力に抗して所定距離以上、離れさせることによって、質量測定可能となる。この場合、紐状ゴム弾性体７の張力は、垂直ベース４に取付けられた力センサ８によって計測される。力センサ８が垂直ベース４に固定され、力センサ８の一端に上記紐状ゴム弾性体７が結合される。したがって、紐状ゴム弾性体７の張力は力センサ８にかかる。力センサ８には、紐状ゴム弾性体７の反力として張力と等価の作用力が働く。紐状ゴム弾性体７の張力により、対象物５を、図１において水平ベース３の右端まで紐状ゴム弾性体７の張力に抗して移動させて止める。この状態において対象物５を解放する。対象物５は図において、左方向に引っ張られ、加速度運動を行う。このとき、紐状ゴム弾性体７の質量を無視すれば、力センサ８が紐状ゴム弾性体７から受ける力F0と、対象物が紐状ゴム弾性体７から受ける力Fmassは、作用と反作用の法則により、同じ大きさで、逆向きとなる。ここで、力センサ８が紐状ゴム弾性体７に作用させる力をFtransducerとおくと、Ftransducer = Fmass = - F0となる。
【００３０】
本例の質量測定装置１は図1にブロックで示すように力センサ８の出力を増幅する増幅器９及びこれを電圧として出力する電圧計１０を備えている。また、解放された対象物５の加速度運動を監視するために本例では、レーザービームを対象物５に対して照射し、反射したレーザービームを解析することによって対象物５の動きを把握できるようになっている。
【００３１】
本例の装置１においてはレーザ光源として、ゼーマンタイプの２周波ヘリウムネオンレーザ１２を用いている。レーザが発振する直交する２つの直線偏光が干渉することにより作る明暗信号（ビート信号）は、グラントムソンプリズム(GTP)１３、１３と、フォトダイオード（PD0）１４及びフォトダイオード（PD1）１５により、電気信号として取り出される。すなわち、レーザーが発振する直交する２つの直線偏光の差周波数frestは、フォトダイオード（PD0）及びフォトダイオード（PD1）１５の出力信号の周波数として、測定される。
【００３２】
図１に示すように本例の装置のレーザ光解析の光学系はさらにレーザ光のライン上に偏光ビームスプリッタ１６及び非偏光ビームスプリッタ１７、三角プリズム１８、１９、周波数カウンタ２０、２１をそれぞれ備えている。これらの光学要素からなる光学系は、紐状ゴム弾性体７が所定の張力を生じる位置まで水平移動された対象物が解放されたとき、運動を経時的に監視する干渉計２２を構成する。さらに本例の質量測定装置１は、この光学系からのデータを受け入れるデジタルアナログ変換器２３及びデータ解析演算のためのコンピュータ２４を備えている。
【００３３】
運動力学に式から対象物に作用する力Fmassは、対象物５の質量Mと、対象物５の加速度aの積として表せる。すなわち、
Fmass  = M a
空気軸受のガイド６を用いた場合には、対象物５との間の摩擦が無視できるため、Fmassは、対象物５が力センサ８から受ける力と等しい。また、作用と反作用の法則により、Fmassは、力センサ８が対象物から受ける力と同じ大きさで逆向きになる。
【００３４】
対象物５の速度vは、干渉計２２で測定されるドップラーシフト周波数fDopplerを用いて、以下のように表せる。
v =λair (fDoppler)/2 、
fDoppler = - (fbeat - frest)、
ここで、λair は測定環境における空気の屈折率、fbeat は信号光と参照光の差周波数でありPD1で測定される。なお、干渉計２２における信号光の周波数は、対象物の動きに比例したドップラーシフトを受ける。対象物５の速度vから、対象物５の位置x、対象物５の加速度a、対象物５に作用する力Fmass (=Ma ) が、数値的に計算される。座標軸は、図１の右方向を正にとる。
【００３５】
PD1の出力電気信号の周波数fbeatは、周波数カウンター（model: R5363; manufactured by Advantest Corp.，Japan）により測定される。このカウンターは、休止時間（dead time）なしに、サンプリング間隔T=4000/fbeatで2000回の測定を行い、それを、メモリに蓄える。入力周波数が2.7 MHzの時、サンプリング間隔は約1．5msになる。同様に、フォトダイオード（PD0）の出力電気信号の周波数frestも、周波数カウンター（model: R5363; manufactured by Advantest Corp．，Japan）により測定される。
【００３６】
ガイド６すなわち静圧空気軸受（model: Air-Slide TAAG10A-02、 manufactured by NTN Co．， Ltd．， Japan）は、傾斜微調整機構の付いた水平ベース４に固定されている。力センサ８の出力は、デジタル電圧計voltmeter (model: VP5481L; manufactured by Panasonic Corp．，Japan)により、サンプリング間隔0．01秒で測定される。２台の周波数カウンター（R5363）と、１台のデジタル電圧計（VP5481L）の測定は、デジタルアナログ変換器(DAC（digital-to-analog converter）)が発生するシャープなトリガー信号により、同時に開始される。
【００３７】
オペレータは、対象物５（慣性質量）を図１において、右端の近辺で支持した状態に維持する。このとき、紐状ゴム弾性体７は、自然長である約0．6ｍから、約0．3m伸ばされ、全長0．9mになっている。PC制御の計測システムがトリガー信号を発し、計測が開始されると同時に、スタート信号発生装置２５から開始信号手動で開始する場合にはたとえば、ブザー音がスピーカーから流れる。このブザー音により、オペレータは、対象物５から解放する。これによって、対象物５は、紐状ゴム弾性体７の復元力（張力）より、左方に運動を始める。
【００３８】
座標軸は、図１の右方を正とする。また、対象物５可はガイドの左方の配置されるダンパ２６に衝突して停止する。本例の質量測定装置１の時間ｔと位置ｘの原点は、対象物５に作用する合力Fmassが負から正に変化する点としている。
【００３９】
３質量水準の対象物５、11kg、 11kg および 24kgのそれぞれに対して２２回の計測（sliding measurement）を行った。
【００４０】
図２には計測データから加速度を算出する計測データの処理手順を示す状態がグラフの形態で示されている。対象物５の運動の間、frestおよび fbeatは、それぞれ、光波干渉計の２つのフォトダイオード(PD0)１４およびフォトダイオード(PD1)１５の出力として測定される。対象物５の速度 v、位置 x、加速度 a および 慣性力 -Fmass は、frestおよびfbeatから計算される。すなわち、frestおよび fbeat は、それぞれ、光波干渉計の２つのフォトダイオード(PD0)１４およびフォトダイオード(PD1)１５の出力から対象物５で反射する光の周波数のドップラーシフトΔｆが得られる。このドップラーシフトΔｆ
→対象物５の速度  v  （v＝Δｆ(λ/2)
→vを時間積分して，位置x
→ｖを時間微分して，加速度a
→aにＭを乗じて，慣性力Ｆ  （＝Ｍａ）
の手順で質量Ｍを求めることができる。
【００４１】
実施例では、干渉計２２はまず、速度に比例したドップラーシフト周波数を測定し、この周波数から、速度、加速度、位置を算出している。ただし、ドップラーシフトを時間軸上で測定することは、速度、加速度、位置を時間軸上で測定することと等価である。したがって、干渉計２２で測定する対象は、ドップラーシフト周波数、対象物５の速度、加速度、位置である。
【００４２】
図には、対象物５の質量M = 11kgのときの測定精度を検証した測定例が示されている。対象物５が解放されて、約0.4秒間の測定中に、対象物５は紐状ゴム弾性体７の弾性力により左方に引っ張られて図１においてガイドの左側のダンパと衝突して停止する。本例では、ダンパへの衝突の瞬間はｔ＝０と表示する。したがって、ｔ＜０は，衝突の前を意味する。本例においては、質量測定は，ダンパーに衝突する前，すなわち，ｔ＜０のデータを使する。時間ｔが1.2 0.0と0.1の間で大きく値が変化している。この理由は以下のとおりである。対象物５が，0.0秒で左側のダンパに衝突し，ダンパからの反力により，速度（対象物５で反射した光の周波数）は急激に変化する。その後，可動部はダンパから離れ，逆向きに運動し始めることを示す。ダンパからの反力は，右下の加速度aのグラフに質量をＭを乗じたものとなる。
【００４３】
図３は、対象物５の位置ｘに対する対象物５の加速度a（図３（a））、力センサが検知する力Ftransducer (= Fmass) （図３（b））、および、それら２者から計算される推定質量Mmeas (= F / a ) （図３（c））を示す。対象物５の位置が左方に動き、紐状ゴム弾性体７の伸びが小さくなるに従い、対象物５に作用する力は小さくなっていく。10 mm < x < 70 mmの領域において、図３の加速度aはほぼ直線状であるのに対して、Ftransducerの変化には大きな脈動が見られる。このFtransducerの脈動（変動）は、力センサの不安定性に起因するものと考えられる。本例の装置１においては、10 mm < x < 70 mmの領域を対象とした。10 mm < x < 70 mmの領域内における質量Mmeasの測定結果の平均値Mmeas,meanと標準偏差Mmeas,sigmaは、それぞれ、11kg と 0．22 kgであった。相対相対計測誤差Er= Mmeas,mean / Mcal 1 は 0． 0059 (-0． 59%)であった。図３で，加速度は安定しているのに対して，力センサの出力には，脈動が見られる。加速度が安定していることから，力センサ出力の脈動は，実際に作用する力が脈動しているのではなく，力センサの動的特性の不安定性に起因するものと考えられる。
【００４４】
図４に、６６回にわたって質量を計測した結果が示されている。相対計測誤差としてEr．= Mmeas,mean / Mcal 1を、対象物５の３水準の質量値を横軸として、○印で示す。（図には６６個の○印がプロットされている。）また、対象物５の３質量水準の質量値ごとの、相対計測誤差としてEr,meanを−印で示す。６６個の相対計測誤差Erの平均値、標準偏差、RMS値は、それぞれ、0．0016 (-0．16%) 、0．0080 (0．80 %)、 0．0081 (0．81 %）であった。
【００４５】
本発明により、極めて精度の高い質量測定が達成できることが判明する。
【００４６】
図５を参照すると本発明の他の実施例にかかる装置３０の概略構成か示されている。
【００４７】
図５の構成においては、所定位置に固定されるベース３１に弾性体、ゴム部材３２の一端が結合されている。ゴム部材３２の他端側は力センサ３３及び剛性バー３４を介して、対象物３５に結合されている。剛性バー３４には、レーザ発光源を備えた光学干渉計３６が設置されている。一方、ベース３１にはレーザ光を反射する参照鏡ないし反射鏡３７が設けられ上記レーザ光の発光源からのレーザを反射して光学干渉計３６に入力するようになっている。
【００４８】
本例の装置３０では、宇宙ステーション内等の微小重力環境において好適に使用することができる。たとえば人間の体重、質量も本発明を用いて正確に測定することができる。この場合には、測定対象者となる宇宙飛行士が自ら弾性力に抗して移動し、自ら所定位置において拘束を解き、弾性力により移動させられる。この移動状態を測定することにより宇宙飛行士自身の質量を正確に測定することができる。
【００４９】
この場合には、測定の補助者を必要としない構成とすることができ作業性を高くするができる。
【００５０】
たとえば、人体に与える力を紐状ゴム弾性体３２の張力で与えることができる。ゴム弾性体３２は国際宇宙ステーション上に標準搭載されており入手性も高い。測定者（＝被測定者）は、ゴム弾性体３２が伸びて張力が発生する位置まで移動後、国際宇宙ステーション内の手すりなどに掴まり、平衡状態を作る。次に、手すり３８などから手を離し、測定を開始する。この場合、紐状ゴム弾性体張力Ｆは、小型の力センサ３３で測定する。人体の加速度αは、レーザー干渉計３６により高精度で測定を行う。その際、力の向きと平行な成分を測定する必要があるが、図５に示すように対象物３５の結合点はヒンジ機構３９により結合されているとともに、ゴム弾性体の延長方向に一致した方向に延びる上記の剛性バー３４が結合されている。これによって対象物３５に作用する作用力と対象物３５の運動方向を紐状ゴム弾性体３２の向きに自動的に合わせることができる。上記の場合には、紐状ゴム弾性体の張力により、力を発生させるので、特別な動力等は必要とならない。上記したように対象物３５の質量ｍは、ｍ＝Ｆ／αで求められる。ただし、αは人体の重心の加速度である必要があるが、測定点と重心は一致しないことに注意する必要がある。このために長い紐状ゴム弾性体を用いるのが望ましい。宇宙機においては大きい空間容積を有するキャビンを利用して計測距離を確保するのが好適である。長距離にわたる直線運動を測定することにより、長時間（数秒間）にわたる平均をとるができる。これにより、測定点の加速度と、重心の加速度は、０．２％程度の誤差で測定することができる。例えば、測定中の移動距離を５ｍとすれば、移動期間における「測定点と重心のブレ（＝手足の微妙な動きなどにより発生）」が１ｃｍの場合には、相対誤差は１／５００＝０．２％となる。
【００５１】
本発明の構成により、実験ペイロード装置など人体以外の大きなものの測定にも適用でき、これによって船外活動中に物品の質量を測定することも可能である。
【００５２】
運動する方向の周りの回転を抑制する手段として、扁平、もしくは、平らな断面を有するワイヤの使用も好適である．同様に、運動する方向の周りの回転を抑制する手段として、３本のワイヤ、あるいは、３本の紐状ゴム弾性体で三角錐構造を作ることも、有効である。この場合、同じ自然長の３本の紐状ゴム弾性体を、図５のベース上に設けた３点（正三角形を構成する３点）に取り付け、３本の紐状ゴム弾性体のもう一方の端を、力センサの受感部で結合すると良い。この場合、測定開始において、３本の紐状ゴム弾性体の伸びが均等になる位置、すなわち、ベース３１上の紐状ゴム弾性体接合点３点の中点と、力センサ受感部を結ぶ直線が、紐状ゴム弾性体接合点３点の作る平面とできる限り垂直になるようにすることが望ましい。
【００５３】
このように構成すれば、対象物の運動方向をより高精度に作用力の方向に位置決めすることができ、対象物の質量測定の精度を高めることができる。
【００５４】
従来の質量測定技術に対して、本発明の特徴は、以下のとおりである。
【００５５】
加速度発生手段として、ゴム紐、ないし、ワイヤを使うこと。これにより、装置の軽量化が図られると共に、加速度発生時間、距離を大きくとることが可能になる。とくに、後者は、被測定物が人体などの非剛体である場合において、重心位置と測定点位置との相対変位の影響を相対的に小さくする効果がある。
【００５６】
被測定物（人体など）と、張力発生手段（ゴム紐、ワイヤ）との間に、剛体部品を挿入し、当該剛体部品と被測定物とがヒンジ（弾性ヒンジ、機械ヒンジ）で結合されること。これにより、張力の作用する方向を指し示すことができる。ここに、光干渉計（レーザ光源を含む）を取り付けることにより、張力の方向（ゴム紐、ワイヤの方向）と平行に信号光を発することが自動的に（＝特別な制御を行うことなく）可能になる。
【００５７】
被測定物に、ベルト状の締結具で、測定装置を取り付ける。人体の重心は臍のあたりにあるので、測定点を重心位置に近づける上でもベルトの使用は、好適である。また、人体以外の、大きな物体の質量測定を行う上でも、ベルトの使用は好適である。
【００５８】
図５に示した実施例の特徴は以下のとおりである。
【００５９】
測定補助者なしの構成としたので作業性が向上する。人体に与える力をゴム紐(bungee cord、 rubber string)の張力で与える。ゴム紐はISS上に標準搭載されており入手性も高い。測定者（＝被測定者）は、予め、ゴム紐が伸び位置まで移動後、ＩＳＳ内の手すりなどに掴まり、平衡状態を作る。次に、手すりなどから手を離し、測定を開始する。ゴム紐張力Ｆは、小型の力センサで測定する。人体の加速度αは、レーザ干渉計により高精度で測定を行う。その際、力の向きと平行な成分を測定する必要があるが、図中の「蝶番hingeと長い剛体rigid bar」により、Ｌａｓｅｒの向きをゴム紐の向きに自動的に合わせることができる。ゴム紐の張力により、力を発生させる。これにより、特別なアクチュエータを必要としない構成にできる。人体の質量ｍは、ｍ＝Ｆ／αで求められる。ここで、注意すべき点は、αは人体の重心の加速度である必要があるが、測定点と重心は一致しない。（Ｍδｖ＝∫Ｆｄｔを用いても同様である。上記おいてα、Ｆに時間平均値を用いていることによる。）上記(f)の問題は長い紐状ゴム弾性体を用いることにより緩和できる。たとえば宇宙機のキャビンの大空間を好適に利用できる。長距離にわたって直線運動を測定することにより、長時間（数秒間）にわたる平均をとることができる。測定点の加速度と、重心の加速度は、0.1 %程度の誤差範囲とすることができる。例えば、測定中の移動距離を5 m (5000 mm)とり、移動期間における「測定点と重心の差異（＝手足の動きなどにより発生）」を5 mmとすれば、相対誤差は5／5000＝0.1 %となる。参照質量には、ＩＳＳ本体など宇宙機全体を用いる。（十分大きいものとして、その運動の影響は無視することができる。）質量測定構成をシンプルにでき、実験ペイロード装置など人体以外の大型物体の測定にも好適である。船外活動中に物品の質量を測定することも可能である。
【００６０】
データ解析にはＰＣを用いる。光干渉計の出力信号は、デジタイザにより波形をそのままＰＣに入力して測定作業後に、解析する。また、力センサの出力信号も、ＰＣに入力する。運動量保存則の利用、光干渉計の利用、長い測定区間に渡る平均化の効果により、50 kg-110 kg の範囲の宇宙飛行士の体重を、0．2%より小さな相対標準誤差範囲内で測定することができると予想される。
【００６１】
本発明に基づく質量測定装置は、宇宙飛行士の質量測定のほか、ゴミの質量測定、各種、大型構造物の質量測定にも使うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００６２】
本発明は、マイクログラビティ（微小重力）環境で動作する小型軽量な質量測定器及び質量測定方法である。限定されるものではないが、以下に本発明の特徴ないし利点を列挙する。
【００６３】
本発明により、マイクログラビティ環境において、小型軽量な装置により、短時間で、高精度に、質量を測定することが可能となる。特に、人体の体重測定に好適な装置、方法を提供するができる。
【００６４】
実際の宇宙機上で使用できる。これには有害または危険な部品を使用していない。電池については標準品を使用することにより搭載審査は不要である。
【００６５】
宇宙機のキャビンの大きさを利用することができ、既存設備を有効に利用できる。
【００６６】
従来の軌道上人体質量測定装置に比べて小型・軽量かつ運用性に優れている。従来の軌道上人体質量測定装置に比べて高精度である。
【００６７】
高価な部品を必要としない。
【００６８】
実用の前の試験が地上の弾道飛行飛行機上で容易に精密に行える装置構成である。（性能検証が容易である。弾道飛行飛行を使った試験では、試験の直前、直後に、被験者の体重を、通常の体重計で精密測定できる。）
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】本発明の１実施例にかかる質量測定装置のブロック図。
【図２】計測データから加速度を算出する計測データの処理手順を示す状態を示すグラフ。
【図３】計測データに基づいて算出された加速度、作用力、及び質量の経時変化を示すグラフ。
【図４】計測データから得られた質量と実際の質量との誤差を示すグラフ。
【図５】本発明の他の実施例にかかる概略説明図。
【符号の説明】
【００７０】
１  質量測定装置
２  基台
３  水平ベース
４  垂直ベース
５  対象物
６  ガイド
７  紐状ゴム弾性体
８  力センサ
９  増幅器
１０  電圧計
１２  ２周波ヘリウムネオンレーザ
１３、１３  グラントムソンプリズム(GTP)
１４、１５  フォトダイオード（PD0）、(PD1)
１６  偏光ビームスプリッタ
１７  非偏光ビームスプリッタ
１８、１９  三角プリズム
２０、２１  周波数カウンタ
２２  干渉計
２３  デジタアナログ変換器
２４  コンピュータ
２５  スタート信号発生装置
２６  ダンパ
３０  質量測定装置
３１  ベース
３２  ゴム部材
３３  力センサ
３４  剛性バー
３５  対象物
３６  光学干渉計
３７  反射鏡
３８  手すり
３９  ヒンジ機構
【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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