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JP5099424B2 - Gravity gradient measuring device - Google Patents
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Description

本発明は、重力勾配計測装置に係り、好ましくは、移動体に搭載して用いられる重力勾配計測装置に関するものである。   The present invention relates to a gravity gradient measuring apparatus, and preferably relates to a gravity gradient measuring apparatus used by being mounted on a moving body.

重力加速度の測定において、1マイクロGalの感度で重力加速度を計測できる装置としては、FG5絶対重力加速度計とLaCoste Romberg重力計が知られている。FG5絶対重力加速度計(特許文献1)は、自由落下による落体の絶対加速度をμGalの精度で計測する。La-Coste Romberg 重力計は、相対的な重力加速度を1μGalの精度で計測するものであり、主としてフィールドワーク用として用いられる。いずれも資源探査や地球物理学研究に応用されているが、短時間に広範囲の面積をサーベイするために飛行船等の移動体上でしようすると計測時における運動体の加速度を差し引かなければ正しい計測値にならない。しかし、運動体の加速度を1マイクロGalレベルで知ることはGPSや地上とのレーザ測距技術で位置の計測精度を8桁に高めることを意味し現実には不可能である。   FG5 absolute gravitational accelerometer and LaCoste Romberg gravimeter are known as devices capable of measuring gravitational acceleration with a sensitivity of 1 micro Gal in measuring gravitational acceleration. The FG5 absolute gravitational accelerometer (Patent Document 1) measures the absolute acceleration of a fallen body due to free fall with μGal accuracy. The La-Coste Romberg gravimeter measures relative gravitational acceleration with an accuracy of 1μGal and is mainly used for field work. Both have been applied to resource exploration and geophysical research, but if you are on a moving body such as an airship to survey a wide area in a short time, the correct measurement value will not be obtained unless the acceleration of the moving body is subtracted. do not become. However, knowing the acceleration of the moving body at the 1 micro Gal level means that the position measurement accuracy is increased to 8 digits by GPS or laser distance measurement technology with the ground, which is impossible in reality.

そこで、資源探査等で要求される重力加速度値は絶対値ではなく重力加速度の変化(勾配)であることに着目し、飛行船等の運動が計測に影響を及ぼさない形式で精密に重力加速度の勾配を計測することを考えた。重力勾配の測定原理はマイケルソン干渉計の2つの鏡に相当する物体を別々に自由落下させ、それらの間の変位の時間変化を干渉計の出力で計測することである。重力勾配計測は、地球重力が打ち消される測定原理を採用しており、局所的な質量分布による重力の変化のみを取り出すようになっている。この工夫のおかげで、計測器自体が加速度運動をしていてもその加速度は測定値に反映しないため、移動体の加速度の影響を受けない。   Therefore, focusing on the fact that the gravitational acceleration value required for resource exploration etc. is not an absolute value but a change (gradient) in gravitational acceleration, the gravitational acceleration gradient is precisely measured in a form in which the motion of the airship does not affect the measurement. I thought to measure. The principle of gravitational gradient measurement is to make an object corresponding to two mirrors of a Michelson interferometer freely fall separately and measure the temporal change in displacement between them by the output of the interferometer. Gravity gradient measurement adopts the measurement principle that the earth's gravity is canceled and takes out only the change of gravity due to local mass distribution. Thanks to this ingenuity, even if the measuring instrument itself is accelerating, the acceleration is not reflected in the measured value, and therefore is not affected by the acceleration of the moving object.

重力勾配計については、既に、幾つかの提案がなされている(特許文献2乃至特許文献6)。これらは、重力加速度の勾配を計測するという基本的なアイデアを開示するものであるが、実用を考えた場合には、計測の繰り返し回数の制限や精度の面で課題がある。実際、この種の重力勾配計はかなり前にそのアイデアが示されたにもかかわらず、長年に亘って実用化には至っていない。すなわち、重力勾配計における計測の繰り返し回数の向上や計測精度の向上は長年に亘って解決できなかった課題である。   Some proposals have already been made on the gravity gradient meter (Patent Documents 2 to 6). These disclose the basic idea of measuring the gradient of gravitational acceleration, but there are problems in terms of limiting the number of repetitions of measurement and accuracy when considering practical use. In fact, this kind of gravimeter has not been put into practical use for many years, even though its idea was shown long ago. That is, improvement in the number of repetitions of measurement in the gravity gradient meter and improvement in measurement accuracy are problems that have not been solved for many years.

十分な計測精度を備えた2台のFG5絶対重力加速度計を用い同時計測を行って重力勾配を計測することも想定し得るが、その場合には重力加速度の基準となる参照反射鏡の加速度の同一性が補償されず、系統誤差が発生するおそれがあると共に装置全体が大型化しコストも増大する。
米国特許第5351122号 特開昭47−18578号 米国特許第3688584号 米国特許第3693451号 米国特許第3704626号 米国特許第3727462号
It is also possible to measure the gravitational gradient using two FG5 absolute gravitational accelerometers with sufficient measurement accuracy, but in this case, the acceleration of the reference reflector that is the basis of gravitational acceleration is assumed. The identity is not compensated, and there is a risk that a system error may occur, and the entire apparatus becomes larger and the cost increases.
US Pat. No. 5,351,122 JP 47-18578 U.S. Pat. No. 3,688,584 US Pat. No. 3,693,451 U.S. Pat. No. 3,704,626 U.S. Pat. No. 3,727,462

本発明は、上述の課題を解決することを目的とするものである。   The present invention aims to solve the above-mentioned problems.

かかる課題を解決するために本発明が採用した重力勾配計測装置は、
第1反射鏡を備えた第1自由落下体と、
第2反射鏡を備えた第2自由落下体と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第1自由落下体を吊持してなる第1吊持機構と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第2自由落下体を吊持してなる第2吊持機構と、
第1自由落下体を、上側位置にある第1吊持機構の可動部からリリースさせる第1リリース機構と、
第2自由落下体を、上側位置にある第2吊持機構の可動部からリリースさせる第2リリース機構と、
第1吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第1自由落下体のリリース時に第1自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第1自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第1自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第1支持機構と、
第2吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第2自由落下体のリリース時に第2自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第2自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第2自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第2支持機構と、
少なくとも、前記第1自由落下体、第2自由落下体を真空状態で収容するケーシングと、
光源と、
前記第1自由落下体及び前記第2自由落下体の自由落下時に、前記光源から出射された光ビームを前記第1反射鏡、前記第2反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第1反射鏡及び前記第2反射鏡からの両反射光ビームの干渉を生成するようなマイケルソン干渉計を構成する光学系と、
前記光学系によって生成された干渉光を受光する光検出器と、
前記光検出器で受光された干渉光から重力勾配を取得する手段と、
からなる。
In order to solve such a problem, the gravity gradient measuring device adopted by the present invention is:
A first free-falling body comprising a first reflecting mirror;
A second free-falling body provided with a second reflecting mirror;
A first suspension mechanism comprising: a fixed portion; and a movable portion movable up and down between an upper position and a lower position with respect to the fixed portion, and a first free-falling body suspended from the movable portion. ,
A second suspension mechanism comprising: a fixed portion; and a movable portion that can move up and down between an upper position and a lower position relative to the fixed portion, and a second free-falling body is suspended from the movable portion. ,
A first release mechanism for releasing the first free-falling body from the movable part of the first suspension mechanism in the upper position;
A second release mechanism for releasing the second free-falling body from the movable part of the second suspension mechanism in the upper position;
A mechanism for moving the movable part of the first suspension mechanism up and down, wherein when the first free-falling body is released, the movable part is moved down with an acceleration larger than the free fall of the first free-falling body, and the first free-falling body A first support mechanism configured to move the movable part at the lower position to the upper position together with the first free faller suspended by the movable part after the free fall;
A mechanism for moving the movable part of the second suspension mechanism up and down, wherein when the second free-falling body is released, the movable part is moved down with an acceleration larger than the free fall of the second free-falling body, and the second free-falling body A second support mechanism configured to move the movable part at the lower position to the upper position together with the second free-falling body suspended by the movable part after the free fall;
At least a casing for accommodating the first free fall body and the second free fall body in a vacuum state;
A light source;
When the first free-falling body and the second free-falling body are free-falling, the light beam emitted from the light source is directed to the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, respectively. An optical system constituting a Michelson interferometer that generates interference of both reflected light beams from two reflecting mirrors;
A photodetector for receiving the interference light generated by the optical system;
Means for obtaining a gravitational gradient from the interference light received by the photodetector;
Consists of.

一つの好ましい態様では、前記第1自由落下体は、さらにビームスプリッタを備えており、前記第1自由落下体及び前記第2自由落下体は、光源から出射された光ビームを当該ビームスプリッタで前記第1反射鏡、前記第2反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第1反射鏡及び前記第2反射鏡からの反射光ビームを当該ビームスプリッタが受光して両反射光ビームの干渉を生成するように配設されている。   In one preferable aspect, the first free fall body further includes a beam splitter, and the first free fall body and the second free fall body have the beam splitter emit a light beam emitted from a light source. The beams are directed to the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, respectively, so that the beam splitter receives the reflected light beams from the first reflecting mirror and the second reflecting mirror and generates interference between the reflected light beams. It is installed.

一つの好ましい態様では、前記第1リリース機構及び第2リリース機構は、それぞれの可動部に設けられた圧電素子を備えており、電圧印加に応じて、各圧電素子を伸長させて各自由落下体を上動させた後に瞬時に伸縮させることで、各自由落下体を各吊持機構の可動部からリリースするように構成されている。   In one preferable aspect, each of the first release mechanism and the second release mechanism includes a piezoelectric element provided in each movable portion, and each piezoelectric element is extended in response to voltage application to each free fall body. Each free-falling body is configured to be released from the movable portion of each suspension mechanism by instantaneously expanding and contracting after moving up.

一つの態様では、前記圧電素子は、各可動部が各自由落下体を支承する支承部に設けてある。より具体的な態様例では、各可動部は、四周枠体であり、前記支承部は、当該四周枠体の水平状の下フレームに形成されている。   In one aspect, the piezoelectric element is provided in a support portion where each movable portion supports each free-falling body. In a more specific embodiment, each movable part is a quadrilateral frame, and the support part is formed on a horizontal lower frame of the quadrilateral frame.

一つの態様では、前記圧電素子は、各可動部の部位において、各可動部を上方に伸長させるように配設してあり、当該圧電素子を伸長させることで、各可動部から吊持されている各自由落下体の高さを上動させるように構成されている。より具体的な態様例では、各可動部は、四周枠体であり、前記圧電素子は、当該四周枠体の左右の側フレームに設けてある。   In one aspect, the piezoelectric element is arranged so as to extend each movable part upward at each movable part, and is suspended from each movable part by extending the piezoelectric element. Each free fall body is configured to move up. In a more specific mode example, each movable part is a quadrilateral frame, and the piezoelectric elements are provided on the left and right side frames of the quadruple frame.

一つの態様では、各自由落下体は、点接触で各可動部から吊持されている。より具体的な態様例では、可動部の支承部の上端に小球を設け、当該小球を介して自由落下体を支持する。あるいは、各自由落下体側に小球を設け、可動部の支承部の上端に小球の受部を形成してもよい。   In one aspect, each free fall body is suspended from each movable part by point contact. In a more specific example, a small sphere is provided at the upper end of the support portion of the movable portion, and the free fall body is supported via the small sphere. Alternatively, a small ball may be provided on each free-falling body side, and a small ball receiving portion may be formed at the upper end of the support portion of the movable portion.

一つの態様では、各支持機構は、
上側位置にある各可動部を下側に向かって付勢する手段と、
上側位置にある各可動部に対して係脱自在であり、可動部を上側位置で保持する係止手段と、
各可動部を下側位置から上側位置に上動させる手段と、
を備えている。
さらに具体的な態様例では、前記上動手段は、各可動部に連結された引き上げ棒と、引き上げ棒を上動させる駆動手段と、を備えている。駆動手段の駆動源としては典型的にはモータが例示される、モータの回転力を伝動手段を介して引き上げ棒の上下動に伝達することで、引き上げ棒を上下動できるように構成される。伝動手段としては、カムを用いたものやギアを用いたものが例示される。
In one embodiment, each support mechanism is
Means for urging each movable part in the upper position toward the lower side;
A locking means that is detachable with respect to each movable part in the upper position, and holds the movable part in the upper position;
Means for moving each movable part from the lower position to the upper position;
It has.
In a more specific embodiment, the upward movement means includes a lifting bar connected to each movable portion and a driving means for moving the lifting bar upward. A motor is typically exemplified as a drive source of the drive means, and it is configured so that the lifting rod can be moved up and down by transmitting the rotational force of the motor to the vertical movement of the lifting rod through the transmission means. Examples of the transmission means include those using a cam and those using a gear.

一つの態様では、前記第1自由落下体、前記第2自由落下体は、垂直方向に間隔を存して配置されており、垂直重力勾配を計測するように構成されている。   In one aspect, the said 1st free fall body and the said 2nd free fall body are arrange | positioned at intervals in the perpendicular direction, and it is comprised so that a vertical gravity gradient may be measured.

一つの態様では、前記第1自由落下体、前記第2自由落下体は、水平方向に間隔を存して配置されており、水平重力勾配を計測するように構成されている。   In one aspect, the said 1st free fall body and the said 2nd free fall body are arrange | positioned at intervals in the horizontal direction, and are comprised so that a horizontal gravity gradient may be measured.

一つの態様では、
前記第1自由落下体の落下体本体には、第1反射鏡を抜き差し自在に収容する2つの収容部が形成されており、
第1反射鏡が第1収容部に位置する時は、第1の方向からの光ビームを反射し、
第1反射鏡が第2収容部に位置する時は、第1の方向とは直交する第2の方向からの光ビームを反射する。
こうすることで、垂直重力勾配測定・水平重力勾配測定兼用の自由落下体を形成することができる。
In one embodiment,
In the falling body main body of the first free-falling body, two accommodating portions for accommodating the first reflecting mirror so as to be freely inserted and removed are formed,
When the first reflecting mirror is located in the first housing part, it reflects the light beam from the first direction,
When the first reflecting mirror is positioned in the second housing portion, the light beam from the second direction orthogonal to the first direction is reflected.
By doing so, it is possible to form a free fall body that is used for both vertical gravity gradient measurement and horizontal gravity gradient measurement.

一つの態様では、
前記第2自由落下体の落下体本体には、互いに直交する方向に延出する第1吊持部と第2吊持部とが設けあり、
前記第1吊持部及び第2吊持部は、それぞれ可動部に対して脱着可能となっており、
第2自由落下体が第1吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第2反射鏡は、第1の方向からの光ビームを反射し、
第2自由落下体が第2吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第2反射鏡は、第1の方向とは直交する第2の方向からの光ビームを反射する。
第1吊持部及び第2吊持部を可動部に対して脱着可能とする構成は、これら吊持部と可動部のいずれか一方あるいは両方を分解自在あるいは部分を回動自在とすることで可能である。
こうすることで、垂直重力勾配測定・水平重力勾配測定兼用の自由落下体を形成することができる。
In one embodiment,
The falling body body of the second free-falling body is provided with a first hanging portion and a second hanging portion that extend in directions orthogonal to each other,
Each of the first suspension part and the second suspension part is detachable from the movable part,
When the second free fall body is suspended from the movable part via the first suspension part, the second reflecting mirror reflects the light beam from the first direction,
When the second free fall body is suspended from the movable part via the second suspension part, the second reflecting mirror reflects the light beam from the second direction orthogonal to the first direction. .
The structure which makes the 1st suspension part and the 2nd suspension part detachable with respect to a movable part makes disassembly of one or both of these suspension parts and a movable part, or a part rotatable. Is possible.
By doing so, it is possible to form a free fall body that is used for both vertical gravity gradient measurement and horizontal gravity gradient measurement.

本発明によれば、計測の繰り返し回数を上げることができる重力勾配計測装置を提供することができる。具体的には、落下機構及び復帰機構を構成する第1支持機構、第2支持機構を採用することで、計測の繰り返し回数を上げることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the gravity gradient measuring apparatus which can raise the frequency | count of measurement repetition can be provided. Specifically, the number of repetitions of measurement can be increased by adopting the first support mechanism and the second support mechanism that constitute the drop mechanism and the return mechanism.

本発明は、シンプルな構成でありながら、計測精度を向上させることができる。具体的には、ビームスプリッタを第1自由落下体に搭載することで、そうでない場合に必要な光学鏡の数を減らすことができ(結果として、それらの機械的振動の影響を除くことができる)、また、測定時間内に起こるビームスプリッタおよび必要な鏡の機械的振動の影響を無くすことができる。さらに、自由落下体のリリース機構として圧電素子を用いることで、自由落下体の傾き回転速度が小さくなるように高速で切り離すことができる。すなわち、高精度測定に必須の要件である落下体の角速度を最小限に抑えることができる。   The present invention can improve measurement accuracy while having a simple configuration. Specifically, by mounting the beam splitter on the first free-falling body, it is possible to reduce the number of optical mirrors that are necessary otherwise (as a result, the influence of those mechanical vibrations can be eliminated). ), And the influence of mechanical vibrations of the beam splitter and the necessary mirror occurring within the measurement time can be eliminated. Furthermore, by using a piezoelectric element as a release mechanism for the free fall body, the free fall body can be separated at a high speed so as to reduce the tilt rotation speed. That is, the angular velocity of the falling body, which is an essential requirement for high-accuracy measurement, can be minimized.

重力勾配計測装置は、重力だけのもとで自由に運動する2つの自由落下体の間の相対加速度を計測するものである。以下に、本発明に係る垂直重力勾配計測装置及び水平重力勾配計測装置について、図面を参照しつつそれぞれ説明する。各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付してある。また、同一の参照番号を付した部材に関する記載は、垂直重力勾配計測装置と水平重力勾配計測装置との間で必要に応じて互いに援用することができるものとする。   The gravity gradient measuring device measures the relative acceleration between two free-falling bodies that freely move under gravity alone. Hereinafter, a vertical gravity gradient measuring apparatus and a horizontal gravity gradient measuring apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same members are denoted by the same reference numerals. Moreover, the description regarding the member which attached | subjected the same reference number shall mutually be used as needed between a vertical gravity gradient measuring apparatus and a horizontal gravity gradient measuring apparatus.

垂直重力勾配計測装置について、図1乃至図5に基づいて説明する。垂直重力勾配計測装置は、第1自由落下体1と、第2自由落下体2と、を備えている。垂直重力勾配計測装置の本体ケーシング3の内部空間は、仕切壁30を介して超高真空部3Aと、超高真空部3Aの下方の大気圧部3Bとに区分けされている。本体ケーシング3の壁面には超高真空部3Aを形成するための真空排気装置31が連結されている。第1自由落下体1及び第2自由落下体2は、本体ケーシング3の超高真空部3A内に垂直方向に間隔を存して配置されている。図示の態様例では、第1自由落下体1が下側に、第2自由落下体2が上側に配置されている。   A vertical gravity gradient measuring device will be described with reference to FIGS. The vertical gravity gradient measuring device includes a first free fall body 1 and a second free fall body 2. The internal space of the main body casing 3 of the vertical gravity gradient measuring device is divided into an ultrahigh vacuum portion 3A and an atmospheric pressure portion 3B below the ultrahigh vacuum portion 3A via a partition wall 30. A vacuum exhaust device 31 for forming the ultra-high vacuum portion 3 </ b> A is connected to the wall surface of the main casing 3. The first free-falling body 1 and the second free-falling body 2 are arranged in the ultrahigh vacuum part 3A of the main body casing 3 with a space in the vertical direction. In the illustrated embodiment, the first free fall body 1 is disposed on the lower side, and the second free fall body 2 is disposed on the upper side.

第1自由落下体1は、本体10と、本体10の上端に形成された吊持部11と、からなる。本体10には、第1反射鏡4A、ビームスプリッタ5、反射鏡6Aが備わっている。吊持部11は、本体10の上端から上方に立ち上がり状に延出する左右の側フレーム11a,11bと、左右の側フレーム11a,11bの上端間を一体的に連結する上側の水平フレーム11cとからなる。本体10には、第1反射鏡4Aを抜き差し自在に挿入する第1収容部100(図6参照)、第2収容部101が形成されており、図1に示す態様では、第1反射鏡4Aは第1収容部100に挿入されている。第1自由落下体1は、第1自由落下体1の重心と第1反射鏡4Aの光学中心とが一致するように設計されている。第1反射鏡4Aがコーナーキューブプリズムの場合には、光学中心は、入射面を底面とする3角錐と考える場合の高さをhとすると、頂点から下に向かってh(1−1/n)(ただしnはプリズム材の屈折率)の位置にある。屈折率が1.5のガラスの場合、高さが11ミリなら頂点から下に約3.7ミリの位置に光学中心がある。第1自由落下体1の場合には、第1反射鏡(コーナーキューブプリズム)4Aがビームスプリッタ5の反射でできる鏡像の位置にあると考えて光学中心と重心位置を一致させる。このため、第1自由落下体1ではその上側に密度の高い物質を集中させて全体の重心がその位置に来るように設計する。例えば、吊持部11の材料の密度や形状を大きくすることで重心を調整する。第1反射鏡4Aが、コーナーレフレクタの場合には、光学中心は、その頂点にある。   The first free fall body 1 includes a main body 10 and a suspension part 11 formed at the upper end of the main body 10. The main body 10 includes a first reflecting mirror 4A, a beam splitter 5, and a reflecting mirror 6A. The suspension part 11 includes left and right side frames 11a and 11b extending upward from the upper end of the main body 10, and an upper horizontal frame 11c integrally connecting the upper ends of the left and right side frames 11a and 11b. Consists of. The main body 10 is formed with a first housing part 100 (see FIG. 6) and a second housing part 101 into which the first reflecting mirror 4A is removably inserted. In the embodiment shown in FIG. Is inserted into the first housing part 100. The first free fall body 1 is designed such that the center of gravity of the first free fall body 1 and the optical center of the first reflecting mirror 4A coincide. When the first reflecting mirror 4A is a corner cube prism, the optical center is h (1-1 / n) downward from the apex, assuming that the height is h when the height is assumed to be a triangular pyramid with the incident surface as the bottom surface. ) (Where n is the refractive index of the prism material). In the case of glass with a refractive index of 1.5, if the height is 11 mm, the optical center is at a position of about 3.7 mm below the apex. In the case of the first free-falling body 1, it is assumed that the first reflecting mirror (corner cube prism) 4A is in a mirror image position formed by the reflection of the beam splitter 5, and the optical center and the position of the center of gravity are made to coincide. For this reason, the first free fall body 1 is designed so that a high-density substance is concentrated on the upper side so that the entire center of gravity comes to the position. For example, the center of gravity is adjusted by increasing the density and shape of the material of the suspension part 11. When the first reflecting mirror 4A is a corner reflector, the optical center is at its apex.

第2自由落下体2は、本体20と、本体20の上端に突成された吊持部21と、からなる。本体20には、第2反射鏡4Bが備わっている。第1自由落下体1と同様に、第2自由落下体2は、第2自由落下体2の重心と第2反射鏡4Bの光学中心とが一致するように設計されている。第2自由落下体2では第2反射鏡(コーナーキューブプリズム)4Bの中に光学中心がある。吊持部21は、本体20の上端から上方に立ち上がり状に延出する左右の側フレームと、左右の側フレームの上端間を一体的に連結する上側の水平フレームとからなる。図1では一方の側フレーム21aのみ図示されている。本体20は、さらに、吊持部22、突出部23が突成されているが、これらの部材については後述する。   The second free-falling body 2 includes a main body 20 and a suspension portion 21 that protrudes from the upper end of the main body 20. The main body 20 includes a second reflecting mirror 4B. Similar to the first free fall body 1, the second free fall body 2 is designed such that the center of gravity of the second free fall body 2 and the optical center of the second reflecting mirror 4B coincide. In the 2nd free fall object 2, an optical center exists in the 2nd reflective mirror (corner cube prism) 4B. The suspension portion 21 includes left and right side frames extending upward from the upper end of the main body 20 and an upper horizontal frame integrally connecting the upper ends of the left and right side frames. In FIG. 1, only one side frame 21a is shown. The main body 20 is further provided with a hanging portion 22 and a protruding portion 23, which will be described later.

垂直重力勾配装置は、さらに、レーザ光源7と、マイケルソン干渉計を構成する光学系と、前記光学系によって生成された干渉縞を受光する光検出器8と、前記光検出器で受光された干渉縞から重力勾配を取得する手段9と、を備えている。光検出器8で受光された干渉は電気信号に変換され、その後の処理のために、増幅器9aで増幅され、電力勾配取得手段9で電気信号を処理することで重力勾配を取得する。レーザ光源7及び検出器8は、本体ケーシング3の大気圧部3Bに設けてある。レーザ光源7から出射された光ビームは仕切壁30に形成された光学窓30aを通して超高真空部3Aに導入される。図1では、レーザ光源7及び光検出器8は自由落下体1,2の下方に配置しているが、光学系の取り方によってはレーザ光源7及び光検出器8を自由落下体1、2の上部に設置することもできることは当業者に理解される。   The vertical gravity gradient apparatus is further received by the laser light source 7, an optical system constituting a Michelson interferometer, a photodetector 8 that receives interference fringes generated by the optical system, and the photodetector. Means 9 for obtaining a gravitational gradient from the interference fringes. The interference received by the photodetector 8 is converted into an electrical signal, amplified for later processing by the amplifier 9a, and the electrical gradient is acquired by processing the electrical signal by the power gradient acquisition means 9. The laser light source 7 and the detector 8 are provided in the atmospheric pressure part 3 </ b> B of the main body casing 3. The light beam emitted from the laser light source 7 is introduced into the ultrahigh vacuum portion 3A through the optical window 30a formed in the partition wall 30. In FIG. 1, the laser light source 7 and the light detector 8 are arranged below the free fall bodies 1 and 2. It will be understood by those skilled in the art that it can be installed on the top of the.

マイケルソン干渉計を構成する光学系は、第1自由落下体1及び第2自由落下体2の自由落下時に、レーザ光源7から出射された光ビームを第1反射鏡4A、第2反射鏡4Bにそれぞれ仕向け、第1反射鏡4A及び第2反射鏡4Bからの反射光ビームを受光して両反射光ビームの干渉を生成するように構成されている。   The optical system that constitutes the Michelson interferometer is configured so that the light beams emitted from the laser light source 7 when the first free-falling body 1 and the second free-falling body 2 fall freely are the first reflecting mirror 4A and the second reflecting mirror 4B. Are respectively configured to receive the reflected light beams from the first reflecting mirror 4A and the second reflecting mirror 4B and generate interference between the reflected light beams.

図2は、図1のマイケルソン干渉計を構成する光学系のみを取り出して示す概略図である。レーザ光源7から出射された光は反射鏡6Bで上方に仕向けられ、下壁に形成された光学窓30aを通して、第1自由落下体1に設けられたビームスプリッタ5(ハーフミラー)で第1光ビームと第2光ビームの2つの光ビームに分割される。水平方向に左に向かって進む第1光ビームは、第1自由落下体1に設けられた反射鏡(コーナーキューブプリズムまたはコーナーリフレクタ)4Aで反射され、上方に進む第2光ビームは、第2自由落下体2の反射鏡(コーナーキューブプリズムまたはコーナーリフレクタ)4Bで反射される。反射鏡4Aで反射された第1光ビーム及び反射鏡4Bで反射された第2光ビームは、第1自由落下体1に設けられたビームスプリッタ5に仕向けられ、前記反射された第1光ビーム及び前記反射された第2光ビームの水平方向に右に向かって進む光ビーム同士が干渉する。干渉光は反射鏡6Aで下方へ仕向けられ、仕切壁30に形成された光学窓30bを通って下方の空間(大気圧部3B)に仕向けられた干渉光は、さらに反射鏡6Cで水平方向に仕向けられて、光検出器8で受光される。反射鏡6A,6B,6Cは、レーザ光源7、光検出器8の配置に応じて適宜設置されるものであり、その向きや配置は適宜変更され得ることは当業者に容易に理解される。   FIG. 2 is a schematic view showing only the optical system constituting the Michelson interferometer of FIG. The light emitted from the laser light source 7 is directed upward by the reflecting mirror 6B, passes through the optical window 30a formed on the lower wall, and the first light is emitted from the beam splitter 5 (half mirror) provided in the first free fall body 1. The light beam is divided into two light beams, a beam and a second light beam. The first light beam traveling leftward in the horizontal direction is reflected by a reflecting mirror (corner cube prism or corner reflector) 4A provided on the first free fall body 1, and the second light beam traveling upward is second The light is reflected by the reflecting mirror (corner cube prism or corner reflector) 4B of the free-falling body 2. The first light beam reflected by the reflecting mirror 4A and the second light beam reflected by the reflecting mirror 4B are directed to the beam splitter 5 provided in the first free fall body 1, and the reflected first light beam is reflected. The light beams traveling toward the right in the horizontal direction of the reflected second light beams interfere with each other. The interference light is directed downward by the reflecting mirror 6A, and the interference light directed to the lower space (atmospheric pressure part 3B) through the optical window 30b formed in the partition wall 30 is further horizontally directed by the reflecting mirror 6C. The light is directed and received by the photodetector 8. The reflecting mirrors 6A, 6B, and 6C are appropriately installed according to the arrangement of the laser light source 7 and the photodetector 8, and it is easily understood by those skilled in the art that the orientation and arrangement thereof can be changed as appropriate.

2つの自由落下体1,2の自由落下時に、それぞれの第1反射鏡、第2反射鏡とビームスプリッタ(ハーフミラー)5の初速度に応じて、それらの間の距離がほぼ一定の速さで変化して行き、一定から外れる変化が相対加速度となる。相対加速度の値は、光検出器で捉えられる干渉フリンジの位相データを時間の2次関数でフィットすることで取得される。干渉計によって取得された干渉縞からの相対加速度の算出方法は当業者においてよく知られているので、詳細な記載は省略する。また、干渉からの重力勾配の取得は、例えば、特許文献2に記載されている。   When the two free-falling bodies 1 and 2 fall freely, the distance between the first reflecting mirror, the second reflecting mirror, and the beam splitter (half mirror) 5 is almost constant according to the initial speed of each beam. The relative acceleration is the change that deviates from constant. The value of the relative acceleration is obtained by fitting the interference fringe phase data captured by the photodetector with a quadratic function of time. A method for calculating the relative acceleration from the interference fringes acquired by the interferometer is well known to those skilled in the art, and thus detailed description thereof is omitted. Moreover, acquisition of the gravity gradient from interference is described in Patent Document 2, for example.

図1に示すように、ケーシング3内には、第1自由落下体1、第2自由落下体2をそれぞれ吊持する第1吊持機構12、第2吊持機構13が垂直方向に間隔を存して配置されている。ケーシング3内には、さらに、第1吊持機構12、第2吊持機構13をそれぞれ支持する第1支持機構14、第2支持機構15が垂直方向に間隔を存して配置されている。   As shown in FIG. 1, a first suspension mechanism 12 and a second suspension mechanism 13 that respectively suspend the first free fall body 1 and the second free fall body 2 are vertically spaced in the casing 3. Exist. In the casing 3, a first support mechanism 14 and a second support mechanism 15 that respectively support the first suspension mechanism 12 and the second suspension mechanism 13 are arranged in the vertical direction with a space therebetween.

図4、図5に示すように、第1吊持機構12は、固定部120と固定部120に対して上下動可能な可動部121とを備え、第1自由落下体1は、可動部121に吊持されている。尚、図4、図5では、第1自由落下体1は省略されているので、適宜図1、図3を参照されたい。可動部121は上側位置(図4)と下側位置(図5)との間でスライド自在に固定部120に設けてある。固定部120は、左右の側フレーム120a,120bと上フレーム120cとから門型に形成され、下側が開放された枠体である。固定部120は、上フレーム120cを介して第1支持機構14に支持されている。可動部121は、左右の側フレーム121a,121b、上フレーム121c、下フレーム121dとから縦長の長方形状に形成された四周枠体である。図示の例では、高さ方向中間部位に横フレーム121eを備えている。可動部121の左右の側フレーム121a,121bの外側には垂直方向に延出するガイド溝が形成されており、固定部120の左右の側フレーム120a,120bの内側に対して垂直方向にスライド自在となっている。   As shown in FIGS. 4 and 5, the first suspension mechanism 12 includes a fixed portion 120 and a movable portion 121 that can move up and down with respect to the fixed portion 120, and the first free fall body 1 includes the movable portion 121. Suspended by. In FIGS. 4 and 5, the first free-falling body 1 is omitted, so please refer to FIGS. 1 and 3 as appropriate. The movable portion 121 is provided on the fixed portion 120 so as to be slidable between an upper position (FIG. 4) and a lower position (FIG. 5). The fixing portion 120 is a frame body that is formed in a gate shape from the left and right side frames 120a and 120b and the upper frame 120c, and whose lower side is open. The fixing portion 120 is supported by the first support mechanism 14 via the upper frame 120c. The movable portion 121 is a quadrilateral frame formed in a vertically long rectangular shape from the left and right side frames 121a and 121b, the upper frame 121c, and the lower frame 121d. In the illustrated example, a horizontal frame 121e is provided at an intermediate portion in the height direction. Guide grooves extending in the vertical direction are formed on the outer sides of the left and right side frames 121a and 121b of the movable portion 121, and are slidable in the vertical direction with respect to the inner sides of the left and right side frames 120a and 120b of the fixed portion 120. It has become.

可動部121の上フレーム121cと固定部120の上フレーム120cとの間には押しバネ140が設けてあり、可動部121は押しバネ140によって固定部120に対して下側に移動する方向に付勢されている。   A push spring 140 is provided between the upper frame 121c of the movable part 121 and the upper frame 120c of the fixed part 120. The movable part 121 is attached to the fixed part 120 in a direction of moving downward with respect to the fixed part 120. It is energized.

可動部121の左右の側フレーム121a,121bの上端には爪部121f,121gが突成されている。一方、固定部120の側フレーム120a,120bには、側フレーム120a,120bに沿って延出するバネ製のダンパー120d,120eの下端が固定されている。可動部121が押しバネ140のバネ力とその自重で下方に移動した場合には、ダンパー120d,120eの上端に爪部121f,121gがそれぞれ当接して、可動部121のそれ以上の下動が規制されている(図5)。   Claw portions 121f and 121g project from the upper ends of the left and right side frames 121a and 121b of the movable portion 121. On the other hand, the lower ends of spring dampers 120d and 120e extending along the side frames 120a and 120b are fixed to the side frames 120a and 120b of the fixing portion 120. When the movable portion 121 moves downward due to the spring force of the push spring 140 and its own weight, the claw portions 121f and 121g come into contact with the upper ends of the dampers 120d and 120e, respectively, and further downward movement of the movable portion 121 is caused. It is regulated (Fig. 5).

図3に示すように、第1自由落下体1の吊持部11の上フレーム11cは、第1吊持機構12の可動部121の下フレーム121dに支承部16を介して支承されており、これをもって、第1自由落下体1が可動部121から吊持される。支承部16は、可動部121の下フレーム121dの長さの中央部位に立ち上がり状に設けてあり、圧電素子160が備わっている。支承部16の上端には、第1自由落下体1の吊持部11の上フレーム11cを点接触で支持する小球161が設けてある。小球161としては、サファイア球、ルビー球、金属球、セラミックス球、プラスチック球、ガラス球が例示される。一般にボール軸受に用いられているようなボールを小球161として用いることができる。支承部16の上端の小球161は圧電素子160によって支承されており、小球161の高さ位置は、圧電素子160の上下方向の伸縮に伴って、高さ方向に変更可能となっている。尚、支承部16の上端に小球161を固定することに代えて、可動部121の下フレーム121dの下面に小球を固定し、支承部16の上端に受部を形成してもよい。   As shown in FIG. 3, the upper frame 11c of the suspension part 11 of the first free-falling body 1 is supported on the lower frame 121d of the movable part 121 of the first suspension mechanism 12 via the support part 16. With this, the first free fall body 1 is suspended from the movable portion 121. The support portion 16 is provided in a rising shape at the central portion of the length of the lower frame 121 d of the movable portion 121 and includes a piezoelectric element 160. A small ball 161 that supports the upper frame 11c of the suspension portion 11 of the first free-falling body 1 by point contact is provided at the upper end of the support portion 16. Examples of the small sphere 161 include a sapphire sphere, a ruby sphere, a metal sphere, a ceramic sphere, a plastic sphere, and a glass sphere. Balls that are generally used for ball bearings can be used as the small balls 161. The small sphere 161 at the upper end of the support portion 16 is supported by the piezoelectric element 160, and the height position of the small sphere 161 can be changed in the height direction as the piezoelectric element 160 expands and contracts in the vertical direction. . Instead of fixing the small ball 161 to the upper end of the support portion 16, a small ball may be fixed to the lower surface of the lower frame 121 d of the movable portion 121 and a receiving portion may be formed at the upper end of the support portion 16.

支承部16に備わっている圧電素子160は、第1自由落下体1を第1吊持機構12の可動部121からリリースさせる第1リリース機構を構成している。図示しない電圧供給手段によって、圧電素子160に所定の電圧を印加することで、圧電素子160を上方に伸長させて小球161を介して第1自由落下体1を上動させ、その状態で、圧電素子160の印加電圧を急激に下げて0Vとすることで瞬時に圧電素子160を縮小させると、小球161と第1自由落下体1との間に例えば10マイクロメートル程度の隙間が形成される。こうして、第1自由落下体1のリリースが行われる。   The piezoelectric element 160 provided in the support portion 16 constitutes a first release mechanism that releases the first free fall body 1 from the movable portion 121 of the first suspension mechanism 12. By applying a predetermined voltage to the piezoelectric element 160 by a voltage supply means (not shown), the piezoelectric element 160 is extended upward to move the first free-falling body 1 through the small ball 161, and in this state, When the applied voltage of the piezoelectric element 160 is suddenly reduced to 0 V to instantaneously reduce the piezoelectric element 160, a gap of, for example, about 10 micrometers is formed between the small ball 161 and the first free-falling body 1. The In this way, the first free fall body 1 is released.

第2吊持機構13の構成は第1吊持機構12の構成と同様であって、第1吊持機構12の説明は、第2吊持機構13に援用することができる。第2自由落下体を第2吊持機構の可動部からリリースさせる第2リリース機構の構成も同様であり、上記記載を援用することができる。   The configuration of the second suspension mechanism 13 is the same as the configuration of the first suspension mechanism 12, and the description of the first suspension mechanism 12 can be applied to the second suspension mechanism 13. The structure of the 2nd release mechanism which releases the 2nd free fall body from the movable part of the 2nd suspension mechanism is also the same, and the above statement can be used.

第1支持機構14は、第1吊持機構12の可動部121を上下動自在に支持する機構であって、かつ、第1自由落下体1のリリース時に第1自由落下体1の自由落下よりも大きい加速度で可動部121を下動させ、第1自由落下体1の自由落下後には、下側位置にある可動部121を当該可動部121に吊持された第1自由落下体1と共に上側位置まで上動させるように構成されている。   The first support mechanism 14 is a mechanism that supports the movable portion 121 of the first suspension mechanism 12 so as to be movable up and down, and from the free fall of the first free fall body 1 when the first free fall body 1 is released. The movable part 121 is moved downward with a large acceleration, and after the first free-falling body 1 is freely dropped, the movable part 121 at the lower position is moved upward together with the first free-falling body 1 suspended by the movable part 121. It is configured to move up to a position.

第1支持機構14について図4、図5に基づいて説明する。第1支持機構14は、上側位置にある可動部121を下側に向かって付勢する手段と、上側位置にある可動部121に対して係脱自在であり、可動部121を上側位置で保持する係止手段と、可動部121を下側位置から上側位置に上動させる手段と、を備えている、   The 1st support mechanism 14 is demonstrated based on FIG. 4, FIG. The first support mechanism 14 is detachable with respect to the means for urging the movable part 121 in the upper position toward the lower side and the movable part 121 in the upper position, and holds the movable part 121 in the upper position. Locking means for performing, and means for moving the movable portion 121 from the lower position to the upper position,

可動部121を下側に向かって付勢する手段は、既述の、可動部121の上フレーム121cと固定部120の上フレーム120cとの間に設けた押しバネ140から構成されている。可動部121が上側位置にある場合には、圧縮された押しバネ140のバネ力によって、可動部121に対して、可動部121を下方に移動させる方向の力が作用する。   The means for urging the movable portion 121 downward includes the above-described pressing spring 140 provided between the upper frame 121c of the movable portion 121 and the upper frame 120c of the fixed portion 120. When the movable part 121 is in the upper position, a force in the direction of moving the movable part 121 downward acts on the movable part 121 by the spring force of the compressed push spring 140.

上側位置にある可動部121に係脱する手段は、押しバネ140を上側に圧縮することでのバネ力に抗して可動部121が上側に位置した状態で、可動部121に係脱可能なように設けられた回動係止レバー141からなる。回動係止レバー141の先端には係止爪141aが設けてあり、可動部121の一方(右側)の側フレーム121aの上端に突成された爪部121gが被係止部を形成しており、爪部121gに係止爪141aが下方から係止することで、可動部121の下方への移動が規制されている(図4)。すなわち、回動係止レバー141の係止爪141aが可動部121の爪部121gに係止することで、可動部121は上側位置に保持される。   The means for engaging / disengaging the movable part 121 located at the upper position can be engaged / disengaged with the movable part 121 in a state where the movable part 121 is located on the upper side against the spring force by compressing the push spring 140 upward. The rotation locking lever 141 is provided. A locking claw 141a is provided at the tip of the rotation locking lever 141, and a claw portion 121g protruding from the upper end of one (right side) side frame 121a of the movable portion 121 forms a locked portion. Thus, the downward movement of the movable portion 121 is restricted by the locking claw 141a being locked to the claw portion 121g from below (FIG. 4). That is, when the locking claw 141a of the rotation locking lever 141 is locked to the claw portion 121g of the movable portion 121, the movable portion 121 is held at the upper position.

回動係止レバー141は、図示しないバネ手段によって水平姿勢が維持されるように付勢されており、電磁アクチュエータ142によって回動係止レバー141の基端側を強制的に上方に回動させて先端側の係止爪141aを下方に回動させながら横方向に移動させることで、係止爪141aが被係止部121gから外れて係止状態が解除され、可動部121が押しバネ140のバネ力によって下方に移動するように構成されている。   The rotation locking lever 141 is biased so as to maintain a horizontal posture by a spring means (not shown), and the electromagnetic actuator 142 forcibly rotates the base end side of the rotation locking lever 141 upward. By moving the locking claw 141a on the distal end sideways while rotating downward, the locking claw 141a is disengaged from the locked portion 121g and the locked state is released, and the movable portion 121 is pushed by the push spring 140. It is comprised so that it may move below with the spring force of.

可動部121を下側位置から上側位置に上動させる手段は、その下端側が可動部121の上フレーム121cに連結されている引き上げ棒143と、引き上げ棒143を上方に引き上げる駆動機構と、からなる。   The means for moving the movable portion 121 upward from the lower position to the upper position includes a pulling rod 143 whose lower end is connected to the upper frame 121c of the movable portion 121, and a drive mechanism for pulling the pulling rod 143 upward. .

引き上げ棒143の軸部の下端側は可動部121の上フレーム121cに形成された挿通孔(図示せず)を挿通していると共に、軸部の下端部は前記挿通孔よりも大きな外形寸法に形成した抜け止め部143aに形成されている。引き上げ棒143は、固定部120の上フレーム120cも挿通しており、その上端部143bはフレキシブルワイヤ147の下端に設けた連結部143cに連結されている。   The lower end side of the shaft portion of the lifting rod 143 is inserted through an insertion hole (not shown) formed in the upper frame 121c of the movable portion 121, and the lower end portion of the shaft portion has a larger outer dimension than the insertion hole. It is formed in the formed retaining portion 143a. The lifting rod 143 is also inserted through the upper frame 120 c of the fixed portion 120, and the upper end portion 143 b is connected to a connecting portion 143 c provided at the lower end of the flexible wire 147.

上記駆動機構は、モータ144と、ケース145内で水平方向に延出するロッド(図示せず)と、前記ロッドの一端側に設けられ、モータ144の軸部の回転を前記ロッドの水平方向の移動に伝達する図示しないカム機構と、ロッドの他端に設けられたベローズ式真空導入端子146と、真空導入端子146と引き上げ棒143の上端とを連結するフレキシブルワイヤ147と、フレキシブルワイヤ147を水平方向と垂直方向との間で変向案内するプーリ148と、復帰スプリング149と、を備えている。復帰スプリング149の下端は、フレキシブルワイヤ147と引き上げ棒143の上端部143bとの連結部143cに当接しており、復帰スプリング149の上端は、要素149Aに当接されている。   The drive mechanism is provided on the motor 144, a rod (not shown) extending in the horizontal direction in the case 145, and one end of the rod, and the shaft of the motor 144 rotates in the horizontal direction of the rod. A cam mechanism (not shown) that transmits the movement, a bellows type vacuum introduction terminal 146 provided at the other end of the rod, a flexible wire 147 that connects the vacuum introduction terminal 146 and the upper end of the pulling rod 143, and the flexible wire 147 are arranged horizontally. A pulley 148 that changes the direction between the vertical direction and the vertical direction, and a return spring 149. The lower end of the return spring 149 is in contact with the connecting portion 143c between the flexible wire 147 and the upper end portion 143b of the lifting rod 143, and the upper end of the return spring 149 is in contact with the element 149A.

第1支持機構14は、本体ケーシング3の一方の側壁に片持ち状に固定された支持パネル14Aを備え、パネル14Aの下方の水平プレート140Aの下面に固定部120の上フレーム120cが連結されており、回動レバー141を支持する電磁アクチュエータ142もパネル140Aに支持されている。さらに、プーリ148、復帰スプリング149の上端側を固定する要素149Aも、パネル140Aに支持されている。   The first support mechanism 14 includes a support panel 14A fixed to one side wall of the main body casing 3 in a cantilever manner, and the upper frame 120c of the fixing portion 120 is connected to the lower surface of the horizontal plate 140A below the panel 14A. The electromagnetic actuator 142 that supports the rotating lever 141 is also supported by the panel 140A. Further, an element 149A that fixes the pulley 148 and the upper end side of the return spring 149 is also supported by the panel 140A.

モータ144により、真空導入端子146が図中の左側に向かって運動することで、真空導入端子146に連結されたフレキシブルワイヤ147が引っ張られ、その向きがプーリ148により上向きの運動に変えられて引き上げ棒143が引き上げられる。モータ144の回転力は、ケース145に内装された図示しないカムとリンクによって直線運動に変換されて、引き上げ棒143の上動及び下動が行われる。カムとリンクについては、後述する水平重力勾配計測装置において説明する。下側位置(図5)にある可動部121が、上側位置(図4)まで引き上げられた後には、引き上げ棒143を最下位置まで下動させるが、ここでは復帰バネ149の張力によりワイヤ147は常に張力状態におかれる。   The motor 144 moves the vacuum introduction terminal 146 toward the left side in the drawing, whereby the flexible wire 147 connected to the vacuum introduction terminal 146 is pulled, and its direction is changed to an upward movement by the pulley 148 and pulled up. The rod 143 is pulled up. The rotational force of the motor 144 is converted into a linear motion by a cam and a link (not shown) built in the case 145, and the lifting rod 143 is moved up and down. The cam and the link will be described in the horizontal gravity gradient measuring device described later. After the movable portion 121 in the lower position (FIG. 5) is pulled up to the upper position (FIG. 4), the pulling rod 143 is moved down to the lowest position. Here, the wire 147 is pulled by the tension of the return spring 149. Is always in tension.

第1支持機構の動作、すなわち、第1自由落下体1の自由落下及び復帰動作について説明する。いま、図4に示すように、可動部121が上側位置にあり、可動部121に第1自由落下体1が吊持されているとする。この状態で、モータ144の回転に伴うカム・リンク機構によって、引き上げ棒143が下方に移動する。圧電素子160に所定の電圧を印加することで、圧電素子160が上方に伸長し、支承部16を介して第1自由落下体1が上方に持ち上げられる。尚、引き上げ棒143が下方に移動する前に、圧電素子160を伸長させてもよい。第1自由落下体1をリリースする際は、一旦ゆっくりと増加する電圧をかけて圧電素子161を最大に伸長させた状態にしておいて(電圧を保ったままにしておいて)、リリースの瞬間に電圧を急激に下げて0Vにする。第1自由落下体1のリリース時に、電磁アクチュエータ142により回動係止レバー141の基端側を強制的に上方に回動して先端側の係止爪141aを下方に回動させながら横方向に移動させて、回動係止レバー141の係止爪141aと可動部121の爪部121gとの係止状態を解除して、可動部121を、押しバネ140のバネ力で第1自由落下体1より速い加速度で下方にスライドさせる。   The operation of the first support mechanism, that is, the free fall and return operation of the first free fall body 1 will be described. Now, as shown in FIG. 4, it is assumed that the movable part 121 is in the upper position, and the first free-falling body 1 is suspended from the movable part 121. In this state, the lifting rod 143 moves downward by the cam / link mechanism accompanying the rotation of the motor 144. By applying a predetermined voltage to the piezoelectric element 160, the piezoelectric element 160 extends upward, and the first free fall body 1 is lifted upward via the support portion 16. Note that the piezoelectric element 160 may be extended before the pulling rod 143 moves downward. When releasing the first free-falling body 1, a voltage that slowly increases is once applied to keep the piezoelectric element 161 extended to the maximum (while keeping the voltage), and the moment of release. The voltage is rapidly reduced to 0V. When the first free-falling body 1 is released, the electromagnetic actuator 142 forcibly rotates the proximal end side of the rotation locking lever 141 upward and rotates the locking claw 141a on the distal end side in the lateral direction. To release the locking state between the locking claw 141 a of the rotation locking lever 141 and the claw part 121 g of the movable part 121, and the movable part 121 is first dropped by the spring force of the push spring 140. Slide downward at a faster acceleration than the body 1.

ここでリリースとは、可動部121の支承部16が縮んで、支承部16の上端の小球161と第1自由落下体1の吊持部11の上フレーム11c下面との間に10マイクロメーター程度の隙間ができ、この隙間を第1自由落下体1が自由落下する短い時間の間に、回動係止レバー141の係止爪141aと可動部121の爪部121gとの係止状態を解除するように、電磁アクチュエータ12の駆動時期と圧電素子16の駆動時期が調整される。可動部121の慣性質量、押しバネ140の強さは落下加速度を考慮して適宜決定される。また、図示の態様では、第1自由落下体1を支持する支承部16に圧電素子160が設けられているが、圧電素子160の駆動距離が短いことによる問題がある場合のために、可動部121の側フレーム121a,121bのそれぞれ一部に圧電素子を組み込むことにより、より長い駆動距離をもつ圧電素子を利用できる構造とすることができる。   Here, the release means that the support portion 16 of the movable portion 121 is contracted, and 10 micrometers between the small ball 161 at the upper end of the support portion 16 and the lower surface of the upper frame 11c of the suspension portion 11 of the first free-falling body 1. A gap of a certain degree is formed, and the locking state between the locking claw 141a of the rotation locking lever 141 and the claw part 121g of the movable part 121 is short in a short time during which the first free-falling body 1 freely falls. The driving timing of the electromagnetic actuator 12 and the driving timing of the piezoelectric element 16 are adjusted so as to be released. The inertial mass of the movable part 121 and the strength of the push spring 140 are appropriately determined in consideration of the fall acceleration. In the illustrated embodiment, the piezoelectric element 160 is provided on the support portion 16 that supports the first free-falling body 1. However, in the case where there is a problem due to a short driving distance of the piezoelectric element 160, the movable portion By incorporating a piezoelectric element into a part of each of the 121 side frames 121a and 121b, a structure in which a piezoelectric element having a longer driving distance can be used can be obtained.

下方に移動した可動部121は、側フレーム121a,121bの上端に形成した爪部121f,121gが、ダンパー120d,120eの上端に当接することで停止する。その間、第1自由落下体1は自由落下し、下側位置にある可動部121の支承部16の上端の小球161に当接して停止する。この状態では、第1自由落下体1は、下側位置にある可動部121から吊持された状態である。   The movable part 121 moved downward is stopped when the claw parts 121f and 121g formed at the upper ends of the side frames 121a and 121b come into contact with the upper ends of the dampers 120d and 120e. In the meantime, the first free fall body 1 falls freely and comes into contact with the small ball 161 at the upper end of the support portion 16 of the movable portion 121 at the lower position and stops. In this state, the first free-falling body 1 is in a state of being hung from the movable part 121 located at the lower position.

駆動手段により引き上げ棒143を引き上げることで、可動部121及び第1自由落下体1を上方に移動させる。可動部121は、真空導入端子により吊り棒5を上方へ引き上げることにより回動係止レバー141の係止爪141aの位置まで引き上げられて、回動係止レバー141の係止爪141aが爪部121gに係止することで、その位置に保持される。この時、電磁アクチュエータへの通電を解除しておくことで、回動係止レバー141が図示しないバネによって水平姿勢に復帰しており、可動部121の上動にしたがって、爪部121gの傾斜面が爪部141aの傾斜部に接触して案内されながら自動的に係合状態となる。可動部121が上側位置で固定されたら、引き上げ棒143は下方に移動して、可動部121が下側へ移動した場合に、可動部121と引き上げ棒143とが衝突することを避ける。   By pulling up the lifting rod 143 by the driving means, the movable portion 121 and the first free fall body 1 are moved upward. The movable portion 121 is pulled up to the position of the locking claw 141a of the rotation locking lever 141 by pulling the suspension rod 5 upward by the vacuum introduction terminal, and the locking claw 141a of the rotation locking lever 141 is pulled up to the claw portion. By being locked to 121g, it is held in that position. At this time, by de-energizing the electromagnetic actuator, the rotation locking lever 141 is returned to the horizontal posture by a spring (not shown), and the inclined surface of the claw portion 121g is moved in accordance with the upward movement of the movable portion 121. Is automatically engaged while being guided by contact with the inclined portion of the claw portion 141a. When the movable portion 121 is fixed at the upper position, the lifting rod 143 moves downward, and when the movable portion 121 moves downward, the movable portion 121 and the lifting rod 143 are prevented from colliding.

第2支持機構15は、第2吊持機構13の可動部を上下動自在に支持する機構であって、かつ、第2自由落下体2のリリース時に第2自由落下体2の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第2自由落下体2の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第2自由落下体2と共に上側位置まで上動させるように構成されている。第2支持機構15の具体的な構成は、上述の第1支持機構の説明を援用することができる。第1自由落下体1、第2自由落下体2が同時に自由落下するように第1支持機構、第2支持機構を制御することで、マイケルソン干渉計を用いて干渉縞を取得し、そこから、垂直重力勾配を取得する。   The second support mechanism 15 is a mechanism that supports the movable part of the second suspension mechanism 13 so as to be movable up and down, and is more effective than the free fall of the second free fall body 2 when the second free fall body 2 is released. The movable part is moved downward with a large acceleration, and after the second free-falling body 2 is freely dropped, the movable part at the lower position is moved up to the upper position together with the second free-falling body 2 suspended by the movable part. It is configured to let you. For the specific configuration of the second support mechanism 15, the description of the first support mechanism described above can be used. By controlling the first support mechanism and the second support mechanism so that the first free fall body 1 and the second free fall body 2 fall free at the same time, an interference fringe is obtained using a Michelson interferometer. Get vertical gravity gradient.

垂直重力勾配計測装置では、下側の第1自由落下体1のビームスプリッタ5から光ビームが上方に向かう光学系が採用されるために、第1吊持機構12、第1支持機構14により第2自由落下体2の反射鏡4Bに向かう光ビームの光路が邪魔されないようにする必要がある。このことは、各機構及び構成要素の寸法や形状、配置態様の設計によって解決できることは当業者に理解される。例えば、光ビームの往復光路に相当する部分を確保するように第1吊持機構12、第1支持機構14の構成要素にビーム穴を形成することが可能である。図1では、第2自由落下体2の第2支持機構15も、第1支持機構14と同様に、本体ケーシング3の側壁から持ち出しているが、第2自由落下体2の第2支持機構を本体ケーシング3の上壁から垂下させてもよい(図7乃至図9参照)。   In the vertical gravitational gradient measuring apparatus, an optical system in which the light beam is directed upward from the beam splitter 5 of the lower first free-falling body 1 is employed, so that the first suspension mechanism 12 and the first support mechanism 14 perform the first operation. (2) It is necessary to prevent the optical path of the light beam toward the reflecting mirror 4B of the free-falling body 2 from being obstructed. It will be understood by those skilled in the art that this can be solved by designing the size and shape of each mechanism and component, and the layout. For example, it is possible to form beam holes in the components of the first suspension mechanism 12 and the first support mechanism 14 so as to secure a portion corresponding to the reciprocating optical path of the light beam. In FIG. 1, the second support mechanism 15 of the second free-falling body 2 is also taken out from the side wall of the main body casing 3 in the same manner as the first support mechanism 14, but the second support mechanism of the second free-falling body 2 is You may make it hang from the upper wall of the main body casing 3 (refer FIG. 7 thru | or FIG. 9).

次に、水平重力勾配計測装置について、図6乃至図9に基づいて説明する。図6乃至図9に示す水平重力勾配計測装置において、図1乃至図5に示す垂直重力勾配計測装置と同一の参照番号が付されている部材については、垂直重力勾配計測装置についての記載を援用することができる。   Next, a horizontal gravity gradient measuring device will be described with reference to FIGS. In the horizontal gravity gradient measuring apparatus shown in FIGS. 6 to 9, the description of the vertical gravity gradient measuring apparatus is used for members having the same reference numerals as those of the vertical gravity gradient measuring apparatus shown in FIGS. can do.

図6に示すように、本体ケース3の超高真空部3Aには、第1自由落下体1及び第2自由落下体2が水平方向に間隔を存して配置されている。第1自由落下体1は、第1吊持機構12から吊持されており、第1吊持機構12は、第1支持機構14に支持されている。第2自由落下体2は、第1吊持機構13から吊持されており、第1吊持機構13は、第1支持機構15に支持されている。垂直重力勾配計測装置では、第1支持機構14、第2支持機構15は本体ケース3の側壁に取り付けてあるのに対して、水平重力勾配計測装置では、第1支持機構14、第2支持機構15は本体ケース3の上壁に取り付けてある。大気圧部3Bに配置されたレーザ光源7から出射された光ビームは、反射鏡6Bで上向きに仕向けられ、光学窓30cを通して超高真空部3Aに導入され、第1自由落下体1のビームスプリッタ5で上向きの光ビームと左向きの光ビームに分割される。左向き水平に進む光ビームは第2自由落下体2の反射鏡(例えば、コーナーキューブプリズム)4Bにより反射される。上向きの光ビームは第1自由落下体1の反射鏡(例えば、コーナーキューブプリズム)4Aにより反射され、それぞれの反射光ビームは再びビームスプリッタ5で合わさり干渉を起こす。この干渉光は反射鏡6Aにより下向きに仕向けられ、光学窓30cを通して大気圧部3B導入され、反射鏡6Cで水平方向に仕向けられた後に光検出器7に入り、電気信号に変換され、増幅されて適切なAD変換の後、記録される。   As shown in FIG. 6, the first free-falling body 1 and the second free-falling body 2 are disposed in the ultra-high vacuum portion 3 </ b> A of the main body case 3 with an interval in the horizontal direction. The first free fall body 1 is suspended from a first suspension mechanism 12, and the first suspension mechanism 12 is supported by a first support mechanism 14. The second free fall body 2 is suspended from the first suspension mechanism 13, and the first suspension mechanism 13 is supported by the first support mechanism 15. In the vertical gravity gradient measuring device, the first support mechanism 14 and the second support mechanism 15 are attached to the side wall of the main body case 3, whereas in the horizontal gravity gradient measuring device, the first support mechanism 14 and the second support mechanism. 15 is attached to the upper wall of the main body case 3. The light beam emitted from the laser light source 7 disposed in the atmospheric pressure portion 3B is directed upward by the reflecting mirror 6B, introduced into the ultrahigh vacuum portion 3A through the optical window 30c, and the beam splitter of the first free fall body 1 5, the light beam is divided into an upward light beam and a left light beam. The light beam traveling horizontally to the left is reflected by a reflecting mirror (for example, a corner cube prism) 4B of the second free-falling body 2. The upward light beam is reflected by a reflecting mirror (for example, a corner cube prism) 4A of the first free-falling body 1, and the reflected light beams are again combined by the beam splitter 5 to cause interference. The interference light is directed downward by the reflecting mirror 6A, introduced into the atmospheric pressure portion 3B through the optical window 30c, and directed horizontally by the reflecting mirror 6C, and then enters the photodetector 7, where it is converted into an electrical signal and amplified. And recorded after appropriate AD conversion.

第1自由落下体1、第2自由落下体2の可動部からリリース機構についても、垂直重力勾配計測装置のリリース機構と同様であって、図3及び図3に関連する記載を援用することができる。   The release mechanism from the movable part of the first free fall body 1 and the second free fall body 2 is the same as the release mechanism of the vertical gravity gradient measuring device, and the description related to FIGS. 3 and 3 can be used. it can.

第1自由落下体1の自由落下及び復帰動作について図7乃至図9に基づいて説明する。いま、図7に示すように、可動部121が上側位置にあり、可動部121に第1自由落下体1が吊持されているとする。この状態から、制御部144aからモータ144に駆動信号を送信することで、モータ144の回転軸に連動してカム150が回転し、カム150と係り合うリンク151が下方に移動することで、真空導入端子146を介して、引き上げ棒143が下方に移動する(図8)。   The free fall and return operation | movement of the 1st free fall body 1 is demonstrated based on FIG. 7 thru | or FIG. Now, as shown in FIG. 7, it is assumed that the movable part 121 is in the upper position, and the first free-falling body 1 is suspended from the movable part 121. From this state, by transmitting a drive signal from the control unit 144a to the motor 144, the cam 150 rotates in conjunction with the rotation shaft of the motor 144, and the link 151 that engages with the cam 150 moves downward, thereby The pulling rod 143 moves downward through the introduction terminal 146 (FIG. 8).

圧電素子160に所定の電圧を印加することで、圧電素子160が上方に伸長し、支承部16を介して第1自由落下体1が上方に持ち上げられる。圧電素子160を最大に伸長させた状態を保持しておき、リリースの瞬間に電圧を急激に下げて0Vにする。第1自由落下体1のリリース時に、電磁アクチュエータ142により回動係止レバー141の基端側を強制的に上方に回動させて先端側の係止爪141aを下方に回動させながら横方向に移動させて、回動係止レバー141の係止爪141aと可動部121の爪部121gとの係止状態を解除して、可動部121を、押しバネ140のバネ力で第1自由落下体1より速い加速度で下方にスライドさせる。   By applying a predetermined voltage to the piezoelectric element 160, the piezoelectric element 160 extends upward, and the first free fall body 1 is lifted upward via the support portion 16. The state in which the piezoelectric element 160 is extended to the maximum is maintained, and the voltage is suddenly reduced to 0 V at the moment of release. When the first free-falling body 1 is released, the electromagnetic actuator 142 forcibly rotates the proximal end side of the rotation locking lever 141 upward and rotates the locking claw 141a on the distal end side in the lateral direction. To release the locking state between the locking claw 141 a of the rotation locking lever 141 and the claw part 121 g of the movable part 121, and the movable part 121 is first dropped by the spring force of the push spring 140. Slide downward at a faster acceleration than the body 1.

下方に移動した可動部121は、側フレーム121a,121bの上端に形成した爪部121f,121gが、ダンパー120d,120eの上端に当接することで停止する。その間、第1自由落下体1は自由落下し、下側位置にある可動部121の支承部16の上端の小球161に当接して停止する(図9)。この状態では、第1自由落下体1は、下側位置にある可動部121から吊持された状態である。   The movable part 121 moved downward is stopped when the claw parts 121f and 121g formed at the upper ends of the side frames 121a and 121b come into contact with the upper ends of the dampers 120d and 120e. In the meantime, the first free fall body 1 falls freely and comes into contact with the small ball 161 at the upper end of the support portion 16 of the movable portion 121 at the lower position and stops (FIG. 9). In this state, the first free-falling body 1 is in a state of being hung from the movable part 121 located at the lower position.

制御部144aからモータ144に駆動信号を送信することで、モータ144の回転軸に連動してカム150が回転し、カム150と係り合うリンク151が上方に移動することで、真空導入端子146を介して、引き上げ棒143を上方に引き上げて、可動部121及び第1自由落下体1を上方に移動させる。可動部121は、引き上げ棒143を上動させることにより回動係止レバー141の係止爪141aの位置まで引き上げられて、回動係止レバー141の係止爪141aが爪部121gに係止することで、その位置に保持される。   By transmitting a drive signal from the control unit 144a to the motor 144, the cam 150 rotates in conjunction with the rotation shaft of the motor 144, and the link 151 engaged with the cam 150 moves upward, so that the vacuum introduction terminal 146 is moved. Accordingly, the pulling rod 143 is lifted upward to move the movable portion 121 and the first free fall body 1 upward. The movable portion 121 is pulled up to the position of the locking claw 141a of the rotation locking lever 141 by moving the lifting rod 143 upward, and the locking claw 141a of the rotation locking lever 141 is locked to the claw portion 121g. Is held in that position.

第2支持機構15は、第2吊持機構13の可動部を上下動自在に支持する機構であって、かつ、第2自由落下体2のリリース時に第2自由落下体2の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第2自由落下体2の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第2自由落下体2と共に上側位置まで上動させるように構成されている。第2支持機構15の具体的な構成は、上述の第1支持機構の説明を援用することができる。第1自由落下体1、第2自由落下体2が同時に自由落下するように第1支持機構、第2支持機構を制御することで、マイケルソン干渉計を用いて干渉縞を取得し、そこから、水平重力勾配を取得する。   The second support mechanism 15 is a mechanism that supports the movable part of the second suspension mechanism 13 so as to be movable up and down, and is more effective than the free fall of the second free fall body 2 when the second free fall body 2 is released. The movable part is moved downward with a large acceleration, and after the second free-falling body 2 is freely dropped, the movable part at the lower position is moved up to the upper position together with the second free-falling body 2 suspended by the movable part. It is configured to let you. For the specific configuration of the second support mechanism 15, the description of the first support mechanism described above can be used. By controlling the first support mechanism and the second support mechanism so that the first free fall body 1 and the second free fall body 2 fall free at the same time, an interference fringe is obtained using a Michelson interferometer. Get the horizontal gravity gradient.

重力勾配計測装置の構成要素の一部を垂直重力勾配計測装置と水平重力勾配計測装置で共通化することができる。第1自由落下体1の本体10には、第1収容部100、第2収容部101が設けてあり、第1反射鏡4Aは、各収容部100,101に抜き差し自在に挿入できるように構成されている。第1反射鏡4Aが第1収容部100内に位置する時(垂直重力勾配計測)には、水平方向からの光ビームを反射するように配置され、第1反射鏡4Aが第2収容部101内に位置する時(水平重力勾配計測)には、垂直方向からの光ビームを反射するように配置されている。   Some of the components of the gravity gradient measurement device can be shared by the vertical gravity gradient measurement device and the horizontal gravity gradient measurement device. The main body 10 of the first free-falling body 1 is provided with a first housing part 100 and a second housing part 101, and the first reflecting mirror 4A can be inserted into the housing parts 100 and 101 so as to be freely inserted and removed. Has been. When the first reflecting mirror 4A is located in the first housing part 100 (measurement of vertical gravity gradient), the first reflecting mirror 4A is arranged to reflect the light beam from the horizontal direction, and the first reflecting mirror 4A is disposed in the second housing part 101. When it is located inside (horizontal gravity gradient measurement), it is arranged to reflect the light beam from the vertical direction.

第2自由落下体2の本体20には、互いに直交して延出する2つの吊持部21、22が設けてあり、吊持部21、22は、可動部に対して脱着可能なように分解自在となっている。垂直重力勾配計測装置では、第2自由落下体2が吊持部21から吊持され、水平重力勾配計測装置では、第2自由落下体2が吊持部22から吊持される。突出部23は、吊持部22と同形・同重量の要素であり、第2自由落下体2が吊持部21から吊持される時のバランスを取るようになっている。突出部23を可動部に対して脱着可能な吊持部から構成してもよい。重力勾配計測装置の各構成要素を本体ケーシング3に対して着脱自在に構成しておけば、垂直重力勾配計測用の本体ケーシング、水平重力勾配計測用の本体ケーシングを用意するのみで、その他の構成要素を共通化させることができる。あるいは、超高真空部3Aの高さ寸法の大きい本体ケーシングを用いてれば、その他の構成要素の取り付け位置や配置態様を変更するのみで、
垂直・水平両用の重力勾配が計測できる装置を構成することができる。
The main body 20 of the second free-falling body 2 is provided with two suspension portions 21 and 22 that extend orthogonal to each other so that the suspension portions 21 and 22 can be attached to and detached from the movable portion. It can be disassembled. In the vertical gravity gradient measurement device, the second free fall body 2 is suspended from the suspension portion 21, and in the horizontal gravity gradient measurement device, the second free fall body 2 is suspended from the suspension portion 22. The projecting portion 23 is an element having the same shape and weight as the suspension portion 22, and balances when the second free fall body 2 is suspended from the suspension portion 21. You may comprise the protrusion part 23 from the suspension part which can be attached or detached with respect to a movable part. If each component of the gravity gradient measuring device is configured to be detachable from the main body casing 3, only a main body casing for vertical gravity gradient measurement and a main body casing for horizontal gravity gradient measurement are prepared. Elements can be shared. Alternatively, if a main body casing having a large height of the ultra-high vacuum part 3A is used, only the mounting position and arrangement mode of other components are changed,
A device capable of measuring a gravity gradient for both vertical and horizontal can be configured.

特許文献2乃至6に開示された重力勾配計測装置は、いずれも垂直重力勾配の計測に係るものである。そこで、本発明の一つの態様である水平重力勾配計測装置の応用について説明する。先ず、資源探査への応用が挙げられる。地球が球対称である場合には、水平方向の加速度は0であるが、海中や地中に局所的に分布する質量は、垂直方向の重力加速度を変化させるだけでなく水平方向の重力加速度も発生する。その大きさは、斜め方向の場合には垂直方向の大きさに匹敵する大きさとなる。垂直方向の加速度計測データと併せることでより精度の高い資源探査が可能となる。また、地球物理的計測においても、上の資源探査と同様に、垂直方向の計測データと併せることよりで質の高い情報を得ることが可能になる。さらに、大型移動物体等の重さ推定に応用することもできる。高速道路における大型貨物自動車の重量を測定するためには停止して秤に載せる必要があるが、水平方向の重力勾配測定により全重量の推定が可能となる。同様に貨物船に積み降ろされる10トンのオーダーの重量物の重量を秤に載せることなく推定できるデータを提供できる。ただし、形状と被測定物までの距離が分かっている必要がある。同様に、大型の建築物の重量推定、オイルタンクの内容物の重さなどの推定にも応用できる。この場合も形状と被測定物までの距離が分かっている必要があるが、秤に載せることが不可能である場合には有用である。   The gravity gradient measuring devices disclosed in Patent Documents 2 to 6 all relate to the measurement of the vertical gravity gradient. Then, the application of the horizontal gravity gradient measuring apparatus which is one aspect of this invention is demonstrated. First, there is an application to resource exploration. When the earth is spherically symmetric, the horizontal acceleration is zero, but the mass distributed locally in the sea and in the ground not only changes the vertical gravitational acceleration but also the horizontal gravitational acceleration. appear. In the case of the oblique direction, the size is comparable to the size in the vertical direction. Combined with the acceleration measurement data in the vertical direction, more accurate resource exploration becomes possible. Also, in geophysical measurement, high-quality information can be obtained by combining it with measurement data in the vertical direction, similar to the above resource exploration. Furthermore, it can also be applied to weight estimation of large moving objects and the like. In order to measure the weight of a large lorry on a highway, it is necessary to stop and place it on a scale, but it is possible to estimate the total weight by measuring the gravitational gradient in the horizontal direction. Similarly, it is possible to provide data capable of estimating the weight of a heavy object on the order of 10 tons loaded and unloaded on a cargo ship without placing it on a scale. However, it is necessary to know the shape and the distance to the object to be measured. Similarly, it can be applied to estimate the weight of large buildings and the weight of the contents of oil tanks. In this case as well, it is necessary to know the shape and the distance to the object to be measured, but it is useful when it is impossible to place it on the scale.

本発明の重力勾配計測装置について、垂直重力勾配計測装置並びに水平重力勾配計測装置に基づいて説明した。資源探査や地球物理学的調査のために運搬体に搭載して広範囲を短時間に計測できる重力計はせいぜい50マイクロGalの精度しか出せなかったが、加速度計測を重力勾配の計測に置き換える本手法により、計測精度を1マイクロGal以上に上げることが可能となる。本発明は、飛行機や船など加速度を有する移動体に搭載して、空中あるいは船上から資源探査、活断層探査などを行う目的でなされる重力測定に適している。   The gravity gradient measuring device of the present invention has been described based on a vertical gravity gradient measuring device and a horizontal gravity gradient measuring device. A gravimeter that can be mounted on a carrier for resource exploration and geophysical surveys and can measure a wide range in a short time can only produce an accuracy of 50 microgal at best, but this method replaces acceleration measurement with gravitational gradient measurement. Therefore, it is possible to increase the measurement accuracy to 1 micro Gal or more. The present invention is suitable for gravity measurement which is mounted on a mobile body having acceleration, such as an airplane or a ship, for the purpose of performing resource exploration, active fault exploration or the like from the air or on the ship.

本発明は、重力勾配計として利用することができる。重力勾配計の適用例としては、大洋海底に眠る資源探査、陸地に眠る資源探査、危険な隠れた断層の発見、火山のマグマの運動モニターが例示される。より具体的に説明する。本発明によると、鉱物資源やエネルギー資源の埋蔵場所をこれまでより効率的に発見できる可能性が生まれる。これは航空機などで上空からこれまでにない精密さで埋蔵物の推定が可能となるからである。また、知られていない活断層位置の候補を短時間にサーベイできるため、危険にさらされる原子力発電所の設置を容易に回避できる期待が生まれる。また、噴火寸前の火山のマグマの移動に関して精密な情報を提供できるため、防災という観点からも有効である。   The present invention can be used as a gravimeter. Examples of applications of gravity gradiometers include exploring resources sleeping on the ocean floor, exploring resources sleeping on land, finding dangerous hidden faults, and monitoring volcanic magma motion. This will be described more specifically. According to the present invention, there is a possibility that a place where mineral resources and energy resources are buried can be found more efficiently than before. This is because it is possible to estimate reserves from the sky with an unprecedented precision by aircraft. In addition, because unknown fault candidates can be surveyed in a short period of time, there is an expectation that installation of a nuclear power plant at risk can be easily avoided. It is also effective from the viewpoint of disaster prevention because it can provide precise information on the movement of the magma of the volcano just before the eruption.

本発明に係る垂直重力勾配計測装置の全体図である。1 is an overall view of a vertical gravity gradient measuring device according to the present invention. 本発明に係る垂直重力勾配計測装置の光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system of the vertical gravity gradient measuring apparatus which concerns on this invention. 第1自由落下体の吊持構造を説明する部分図である。It is a fragmentary figure explaining the suspension structure of a 1st free fall body. 本発明に係る垂直重力勾配計測装置の第1吊持機構、第1支持機構を示す図であり、可動部が上側位置にある状態を示している。図4において、第1自由落下体は省略されている。It is a figure which shows the 1st suspension mechanism and 1st support mechanism of the vertical gravity gradient measuring apparatus which concern on this invention, and has shown the state which has a movable part in an upper position. In FIG. 4, the first free-falling body is omitted. 本発明に係る垂直重力勾配計測装置の第1吊持機構、第1支持機構を示す図であり、可動部が下側位置にある状態を示している。図5において、第1自由落下体は省略されている。It is a figure which shows the 1st suspension mechanism of the vertical gravity gradient measuring apparatus which concerns on this invention, and a 1st support mechanism, and has shown the state which has a movable part in a lower position. In FIG. 5, the first free-falling body is omitted. 本発明に係る水平重力勾配計測装置の全体図である。1 is an overall view of a horizontal gravity gradient measuring apparatus according to the present invention. 本発明に係る水平重力勾配計測装置の第1吊持機構、第1支持機構を示す図であり、可動部が上側位置にある状態を示している。図7において、第1自由落下体は省略されている。It is a figure which shows the 1st suspension mechanism of the horizontal gravity gradient measuring apparatus which concerns on this invention, and a 1st support mechanism, and has shown the state which has a movable part in an upper position. In FIG. 7, the first free-falling body is omitted. 図7の状態から、引き上げ棒が下動した状態を示す図である。It is a figure which shows the state which the pulling-up rod moved down from the state of FIG. 本発明に係る水平重力勾配計測装置の第1吊持機構、第1支持機構を示す図であり、可動部が下側位置にある状態を示している。図9において、第1自由落下体は省略されている。It is a figure which shows the 1st suspension mechanism of the horizontal gravity gradient measuring apparatus which concerns on this invention, and a 1st support mechanism, and has shown the state which has a movable part in a lower position. In FIG. 9, the first free-falling body is omitted.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1自由落下体
10 本体
11 吊持部
2 第2自由落下体
20 本体
21 吊持部
3 本体ケーシング
3A 超高真空部
3B 大気圧部
4A 第1反射鏡
4B 第2反射鏡
5 ビームスプリッタ
7 レーザ光源
8 光検出器
9 重力勾配取得手段
12 第1吊持機構
120 固定部
121 可動部
13 第2吊持機構
14 第1支持機構
15 第2支持機構
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st free fall body 10 Main body 11 Suspension part 2 2nd free fall body 20 Main body 21 Suspension part 3 Main body casing 3A Ultra-high vacuum part 3B Atmospheric pressure part 4A 1st reflective mirror 4B 2nd reflective mirror 5 Beam splitter 7 Laser light source 8 Photo detector 9 Gravity gradient acquisition means 12 First suspension mechanism 120 Fixed portion 121 Movable portion 13 Second suspension mechanism 14 First support mechanism 15 Second support mechanism

Claims (14)

第1反射鏡を備えた第1自由落下体と、
第2反射鏡を備えた第2自由落下体と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第1自由落下体を吊持してなる第1吊持機構と、
固定部と、固定部に対して上側位置と下側位置との間で上下動可能な可動部とを備え、前記可動部に第2自由落下体を吊持してなる第2吊持機構と、
第1自由落下体を、上側位置にある第1吊持機構の可動部からリリースさせる第1リリース機構と、
第2自由落下体を、上側位置にある第2吊持機構の可動部からリリースさせる第2リリース機構と、
第1吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第1自由落下体のリリース時に第1自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第1自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第1自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第1支持機構と、
第2吊持機構の可動部を上下動させる機構であって、第2自由落下体のリリース時に第2自由落下体の自由落下よりも大きい加速度で可動部を下動させ、第2自由落下体の自由落下後には、下側位置にある可動部を当該可動部に吊持された第2自由落下体と共に上側位置まで上動させるように構成された第2支持機構と、
少なくとも、前記第1自由落下体、第2自由落下体を真空状態で収容するケーシングと、
光源と、
前記第1自由落下体及び前記第2自由落下体の自由落下時に、前記光源から出射された光ビームを前記第1反射鏡、前記第2反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第1反射鏡及び前記第2反射鏡からの両反射光ビームの干渉を生成するようなマイケルソン干渉計を構成する光学系と、
前記光学系によって生成された干渉光を受光する光検出器と、
前記光検出器で受光された干渉光から重力勾配を取得する手段と、
からなる、
重力勾配計測装置。
A first free-falling body comprising a first reflecting mirror;
A second free-falling body provided with a second reflecting mirror;
A first suspension mechanism comprising: a fixed portion; and a movable portion movable up and down between an upper position and a lower position with respect to the fixed portion, and a first free-falling body suspended from the movable portion. ,
A second suspension mechanism comprising: a fixed portion; and a movable portion that can move up and down between an upper position and a lower position relative to the fixed portion, and a second free-falling body is suspended from the movable portion. ,
A first release mechanism for releasing the first free-falling body from the movable part of the first suspension mechanism in the upper position;
A second release mechanism for releasing the second free-falling body from the movable part of the second suspension mechanism in the upper position;
A mechanism for moving the movable part of the first suspension mechanism up and down, wherein when the first free-falling body is released, the movable part is moved down with an acceleration larger than the free fall of the first free-falling body, and the first free-falling body A first support mechanism configured to move the movable part at the lower position to the upper position together with the first free faller suspended by the movable part after the free fall;
A mechanism for moving the movable part of the second suspension mechanism up and down, wherein when the second free-falling body is released, the movable part is moved down with an acceleration larger than the free fall of the second free-falling body, and the second free-falling body A second support mechanism configured to move the movable part at the lower position to the upper position together with the second free-falling body suspended by the movable part after the free fall;
At least a casing for accommodating the first free fall body and the second free fall body in a vacuum state;
A light source;
When the first free-falling body and the second free-falling body are free-falling, the light beam emitted from the light source is directed to the first reflecting mirror and the second reflecting mirror, respectively. An optical system constituting a Michelson interferometer that generates interference of both reflected light beams from two reflecting mirrors;
A photodetector for receiving the interference light generated by the optical system;
Means for obtaining a gravitational gradient from the interference light received by the photodetector;
Consist of,
Gravity gradient measuring device.
前記第1自由落下体は、さらにビームスプリッタを備えており、前記第1自由落下体及び前記第2自由落下体は、光源から出射された光ビームを当該ビームスプリッタで前記第1反射鏡、前記第2反射鏡にそれぞれ仕向け、前記第1反射鏡及び前記第2反射鏡からの反射光ビームを当該ビームスプリッタが受光して両反射光ビームの干渉を生成するように配設されている、請求項1に記載の重力勾配計測装置。   The first free-falling body further includes a beam splitter, and the first free-falling body and the second free-falling body use the beam splitter to transmit the light beam emitted from a light source to the first reflecting mirror, Each of the second reflecting mirrors is directed so that the beam splitter receives the reflected light beams from the first reflecting mirror and the second reflecting mirror and generates interference between the reflected light beams. Item 4. The gravity gradient measuring device according to Item 1. 前記第1リリース機構及び第2リリース機構は、それぞれの可動部に設けられた圧電素子を備えており、電圧印加に応じて、各圧電素子を伸長させて各自由落下体を上動させた後に瞬時に伸縮させることで、各自由落下体を各吊持機構の可動部からリリースするように構成されている、請求項1,2いずれかに記載の重力勾配計測装置。   Each of the first release mechanism and the second release mechanism includes a piezoelectric element provided in each movable portion, and after extending each piezoelectric element and moving each free-falling body according to voltage application, The gravity gradient measuring device according to any one of claims 1 and 2, configured to release each free-falling body from a movable part of each suspension mechanism by extending and contracting instantaneously. 前記圧電素子は、各可動部が各自由落下体を支承する支承部に設けてある、請求項3に記載の重力勾配計測装置。   The gravitational gradient measuring device according to claim 3, wherein each of the piezoelectric elements is provided in a support portion where each movable portion supports each free-falling body. 各可動部は、四周枠体であり、前記支承部は、当該四周枠体の水平状の下フレームに形成されている、請求項4に記載の重力勾配計測装置。   5. The gravity gradient measuring device according to claim 4, wherein each movable part is a quadrilateral frame, and the support part is formed on a horizontal lower frame of the quadrilateral frame. 前記圧電素子は、各可動部の部位において、各可動部を上方に伸長させるように配設してあり、当該圧電素子を伸長させることで、各可動部から吊持されている各自由落下体の高さを上動させるように構成されている、請求項3乃至5いずれかに記載の重力勾配計装置。   The piezoelectric element is arranged so that each movable part extends upward at each movable part, and each free fall body suspended from each movable part by extending the piezoelectric element. The gravity gradient meter device according to any one of claims 3 to 5, wherein the device is configured to move the height of the gravity gradient meter upward. 各可動部は、四周枠体であり、前記圧電素子は、当該四周枠体の左右の側フレームに設けてある、請求項6に記載の重力勾配計測装置。   The gravity gradient measuring device according to claim 6, wherein each movable part is a quadrilateral frame, and the piezoelectric elements are provided on left and right side frames of the quadruple frame. 各自由落下体は、点接触で各可動部から吊持されている、請求項1乃至7いずれかに記載の重力勾配計測装置。   The gravity gradient measuring device according to any one of claims 1 to 7, wherein each free-falling body is suspended from each movable part by point contact. 各支持機構は、
上側位置にある各可動部を下側に向かって付勢する手段と、
上側位置にある各可動部に対して係脱自在であり、可動部を上側位置で保持する係止手段と、
各可動部を下側位置から上側位置に上動させる手段と、
を備えている、請求項1乃至8いずれかに記載の重力勾配計測装置。
Each support mechanism
Means for urging each movable part in the upper position toward the lower side;
A locking means that is detachable with respect to each movable part in the upper position, and holds the movable part in the upper position;
Means for moving each movable part from the lower position to the upper position;
The gravity gradient measuring device according to claim 1, comprising:
前記上動手段は、各可動部に連結された引き上げ棒と、引き上げ棒を上動させる駆動手段と、を備えている、請求項9に記載の重力勾配計測装置。   The gravity gradient measuring device according to claim 9, wherein the upward movement means includes a lifting rod connected to each movable portion, and a driving means for moving the lifting rod upward. 前記第1自由落下体、前記第2自由落下体は、垂直方向に間隔を存して配置されており、垂直重力勾配を計測するように構成されている、請求項1乃至10いずれかに記載の重力勾配計測装置。   The said 1st free fall body and the said 2nd free fall body are arrange | positioned at intervals in the perpendicular direction, and are comprised so that a vertical gravity gradient may be measured. Gravity gradient measuring device. 前記第1自由落下体、前記第2自由落下体は、水平方向に間隔を存して配置されており、水平重力勾配を計測するように構成されている、請求項1乃至10いずれかに記載の重力勾配計測装置。   The said 1st free fall body and the said 2nd free fall body are arrange | positioned at intervals in the horizontal direction, and are comprised so that a horizontal gravity gradient may be measured. Gravity gradient measuring device. 前記第1自由落下体の落下体本体には、第1反射鏡を抜き差し自在に収容する2つの収容部が形成されており、
第1反射鏡が第1収容部に位置する時は、第1の方向からの光ビームを反射し、
第1反射鏡が第2収容部に位置する時は、第1の方向とは直交する第2の方向からの光ビームを反射する、
請求項11,12いずれかに記載の重力勾配計測装置。
In the falling body main body of the first free-falling body, two accommodating portions for accommodating the first reflecting mirror so as to be freely inserted and removed are formed,
When the first reflecting mirror is located in the first housing part, it reflects the light beam from the first direction,
When the first reflecting mirror is located in the second housing portion, the light beam from the second direction orthogonal to the first direction is reflected.
The gravity gradient measuring device according to claim 11.
前記第2自由落下体の落下体本体には、互いに直交する方向に延出する第1吊持部と第2吊持部とが設けあり、
前記第1吊持部及び第2吊持部は、それぞれ可動部に対して脱着可能となっており、
第2自由落下体が第1吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第2反射鏡は、第1の方向からの光ビームを反射し、
第2自由落下体が第2吊持部を介して可動部から吊持されている時は、第2反射鏡は、第1の方向とは直交する第2の方向からの光ビームを反射する、
請求項11乃至13いずれかに記載の重力勾配計測装置。

The falling body body of the second free-falling body is provided with a first hanging portion and a second hanging portion that extend in directions orthogonal to each other,
Each of the first suspension part and the second suspension part is detachable from the movable part,
When the second free fall body is suspended from the movable part via the first suspension part, the second reflecting mirror reflects the light beam from the first direction,
When the second free fall body is suspended from the movable part via the second suspension part, the second reflecting mirror reflects the light beam from the second direction orthogonal to the first direction. ,
The gravity gradient measuring device according to claim 11.

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