JPH0664156B2

JPH0664156B2 - 光電加速度測定装置

Info

Publication number: JPH0664156B2
Application number: JP62045386A
Authority: JP
Inventors: ベルント・クンケル; カルル・ケラー; ラインホルト・ルツツ
Original assignee: METSUSAASHUMITSUTO BERUKO BUROOMU GmbH
Current assignee: METSUSAASHUMITSUTO BERUKO BUROOMU GmbH
Priority date: 1986-03-03
Filing date: 1987-03-02
Publication date: 1994-08-22
Anticipated expiration: 2009-08-22
Also published as: FR2595142A1; JPS62266485A; US4819486A; DE3606875A1; DE3606875C2; FR2595142B1

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕この発明は、測定本体を用いて或る方向に働く加速度を
測定する、特に地球周回軌道上で重力場を測定する装置
であって、前記測定本体が測定すべき加速度の方向に垂
直な平面内に硬く保持され、測定本体に働く復帰力の場
が非線形成分を含むように測定すべき加速度の方向内に
緩く保持されていて、位置検出装置が測定本体の位置を
検出し、加速度を測定する評価ユニットが前記位置装置
の出力信号を評価する測定装置に関する。

〔従来の技術〕

冒頭に述べた種類の構成を備えた高精度加速度測定装置
は、例えば米国特許第4,384,487号明細書により公知で
ある。この公知の測定装置では、それぞれ対にされた６
個の電極によって発生する均一電界中で帯電物体の加速
度を測定する。重力場の変動も10^−１ｇの範囲で分離す
るため、米国特許第4,384,487号明細書により公知の測
定装置では、物体のそれぞれの位置を干渉法で測定して
いる。従って、冒頭に述べた種類の上記公知測定装置に
は、一連の難点がある。即ち、例えば、全部で３個の干渉計を使用する位置検出装置は
非常に高価であるだけでなく、占有空間が大きく、正確
に調節する必要もある。これ等の要求は、上記公知測定
装置をロケットまたは宇宙船で打ち上げる地球周回軌道
上で、この公知の測定装置を用いて所望の精度を達成で
きるかどうかを、既に疑わしくしている。

更に、この公知の測定装置では「測定物体」を懸垂また
は配設している力の場が電界により生じている。従っ
て、この公知の測定装置はかなり多量の電力を消費し、
宇宙船でも不利である。

加速度を測定する他の測定装置は、Proceeding of th
e IEEE,Position Location and Navigation Symbo
siumに発表されたV.S.Reinhardt et al,“Ａ Supers
enstive Accelerometer for Spacecraft Gradiomet
ry"なる論文により公知である。

この測定装置では、10^−３〜10^−４エートベス（Ｅtv
s;人名）単位の分解能を得るため、超伝導空洞共振器
の周波数変動を測定している。しかし、この測定装置の
完成は未だ決着していない。

〔発明の課題〕

この発明の課題は、広い動的範囲内で高い分解能を有
し、特に宇宙船で使用するのに適しているため、例えば
狭い空間と少ない電力消費をもたらす高精度の加速度測
定装置を提供することある。

〔課題を解決する手段〕

上記の課題は、この発明により、測定本体を用いて或る
方向に働く加速度を測定する、特に地球周回軌道上で重
力場を測定する装置であって、前記測定本体が測定すべ
き加速度の方向に垂直な平面内に硬く保持され、測定本
体に働く復帰力の場が非線形成分を含むように測定すべ
き加速度の方向内に緩く保持されていて、位置検出装置
が測定本体の位置を検出し、加速度を測定する評価ユニ
ットが前記位置装置の出力信号を評価する測定装置にあ
って、加速度の方向（ｚ）には、更に復帰力の場の線形成分の
みを相殺する調節可能な力が測定本体（５）に作用し、加速度を測定する評価ユニットが前記非線形成分のみを
評価することによって解決されている。

この発明による他の有利な構成は、特許請求の範囲の従
属請求項に記載されている。

〔作用と効果〕

この発明によれば、慣性質量を加速する物体は非等方性
で非線形の力の場内に配設されている。従って、物体に
働く力がこの物体の休止位置からのずれに直線的に依存
していない。この非線形依存性によって力の場を物体の
休止位置の領域で「非常にソフトに」、また休止位置か
ら大きいずれの領域で益々「よりハードに」構成でき
る。それ故、加速度が一定の場合、物体の休止位置の領
域で大きいずれとなり、全体の系が物体の大きなずれの
ため不安定になることはない。

この発明の上記設計思想によれば、例えば特許請求の範
囲第２項により、物体の休止位置で測定すべき加速度方
向に垂直な平面内に設置され、各対がそれぞれ互いに直
交する４個の引張バネで物体を懸垂している。この種の
測定装置では、物体が休止位置から加速度方向に僅かに
ずれると、物体のずれの一次および三次に依存する力が
得られる。一次の力成分は、物体の加速度方向のずれに
直線的に依存する調節可能な力をこの物体に更に作用さ
せて相殺できる。従って、物体に作用する「正味の力」
は休止位置からのずれの３次に依存する。

特許請求の範囲第３項〜第５項には、この発明で使用す
る不均一で「非線形」の力の他の可能性が呈示されてい
る。例えば、特許請求の範囲第３項の力の場は、物体が
ダイヤフラム中に埋め込んだ球である。更に、一平面内
にある点状の極によって発生する不均一の反発電界中の
誘電体の球ないしは帯電した球（特許請求の範囲第４
項）、あるいは一平面内にある磁極の間で不均一質量分
布を有する常磁性の棒ないしは反磁性の棒（特許請求の
範囲第５項）によって力の場を発生させることができ
る。

物体に作用する調節可能な付加的な力を加速度方向に発
生させる種々の可能性は、特許請求の範囲第６項〜第８
項に提示されている。

この力は、例えば静電力あるいは電磁力であってもよ
い。しかし、輻射圧（光ビーム、Ｘ線ビーム）や空圧的
に（例えば、指向性ガスビームにより）発生させること
もできる。

何れにしても、この発明の測定装置には、基準質量とし
て使用する物体の位置を種々の方式で測定できると言う
利点がある。

例えば、物体を逆反射体として使用し、その位置を公知
の干渉測定法だけでなく、半導体位置検出装置（特許請
求の範囲第９項）で測定することもできる。例えば、位
置測定装置が距離10^−６ｍを分解できる場合、特許請求
の範囲第２項の測定装置と半導体検出装置を使用する
と、重量分解能10⁻¹²ｇが得られる。

更に、物体の位置を電磁誘導測定法（特許請求の範囲第
12項）、容量測定法（特許請求の範囲第11項）あるいは
共振回路の共振周波数（特許請求の範囲第13項）によっ
て測定することもできる。

特許請求の範囲第14項以降では、不均一の非線形力の場
を調節可能に構成できる種々の可能性が提案されてい
る。

この発明による装置は、種々の動作方式で動作させるこ
とができる。即ち、例えば、物体の自由運動を測定したい物体を目標位置
（ずれがほぼ零に等しい）に制御するか、あるいは加速
度方向に周期的に運動を与えることができる。更に、物
体が振動する振動周波数を測定することもできる。

これ等の測定法を組み合わせることも、当然考えられ
る。

〔実施例〕

以下に、この発明を実施例に基づき添付図面を参照して
より詳しく説明する。

ｘ／ｙ平面内に設けた４つのバネ１〜４は、一方で質量
ｍの物体５に、また他方で調節部材６〜９に連結してい
る。これ等の調節部材６〜９はバネの連結点を調節する
ために使用され、例えばマイクロメータネジ、圧電部材
あるいは可動コイル等でもよい。これ等の調節部材６〜
９によって、バネの連結点を調節して、例えば製造公
差、温度勾配等から生じ得る物体に作用するバネ力のア
ンバランスを、実際上零にできない場合、少なくとも最
小にすることができる。

更に、同じように物体に作用するｚ方向の電界成分Ε_Ｐ
を発生する二つの電極11と12が配設されている。

物体５の瞬時位置を検出するため、この物体５は逆反射
体として形成されていて、光源13によって照明されてい
る。物体５から反射した光は、レンズ14によってただ模
式的にのみ示す半導体位置検出装置15上に結像する。こ
の検出装置の出力信号は反射された光点のｘとｙ方向の
位置を表す。

更に、位置検出装置15の出力信号を評価し、特に電界成
分Ε_Ｐの強度を制御する制御ユニット（図示せず）が配
設されている。

この測定装置を用いると、物体５が測定すべき加速度に
よって休止位置からΔｚだけずれると、ｚ方向の力の均
衡が生じる。このずれはΔｚの一次とΔｚの三次に依存
する。一次の項は電界成分Ε_Ｐによって生じる力を適当
に調節して、実際上完全に相殺できるので、物体が運動
する力の場はΔｚの三次にしか依存しない。

従って、物体５の位置を10^−７ｍで分解できる光学位置
検出装置、約10^８Ｎ／ｍのバネ定数k,約10^−２ｍのバネ
長および約２×10^−１kgの物体の質量を用いて約10⁻¹²
ｇの重力分解能が得られる。更に、この系の固有周波数
は数百ヘルツの範囲、つまり技術的に望ましい範囲内に
ある。

上記のように、実施例に基づきこの発明を説明した、こ
の一般的な発明の思想内で、当然種々の改良も可能であ
る。

例えば、半導体位置検出装置を他の位置測定系に交換す
ることもできる。半導体位置検出装置を使用すると、分
解能と占有場所に関して有利である。

更に、バネの連結点の移動は任意の方式で行える。更
に、前記の移動機構を省き、例えばバネを流れる電流に
よってバネ長を制御することもできる。

位置検出装置の出力信号から測定すべき加速度を算出す
る制御ユニットは、電界も制御できるし、一定の動作様
式で前記例示した測定装置を駆動できる。例えば電界を
変えて物体５を休止位置に移行させることもできる。何
れにせよ、この制御ユニットにはマイクロプロセッサが
あると有利である。

【図面の簡単な説明】

添付図面はこの発明による光電加速度測定装置の模式図
である。図中参照符号：１〜４……引張バネ５……物体６〜９……連結点ｘ／ｙ……平面ｚ……加速度方向 Ε_Ｐ……静電界

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者ラインホルト・ルツツドイツ連邦共和国、ベルンハウプテン、ホルツハウゼネル・ストラーセ、４ (56)参考文献特開昭53−48581（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−43783（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−202067（ＪＰ，Ａ) 米国特許3713343（ＵＳ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定本体を用いて或る方向に働く加速度を
測定する、特に地球周回軌道上で重力場を測定する装置
であって、前記測定本体が測定すべき加速度の方向に垂
直な平面内に硬く保持され、測定本体に働く復帰力の場
が非線形成分を含むように測定すべき加速度の方向内に
緩く保持されていて、位置検出装置が測定本体の位置を
検出し、加速度を測定する評価ユニットが前記位置装置
の出力信号を評価する測定装置において、加速度の方向（ｚ）には、更に復帰力の場の線形成分の
みを相殺する調節可能な力が測定本体（５）に作用し、加速度を測定する評価ユニットが前記非線形成分のみを
評価することを特徴とする測定装置。
【請求項２】物体５は、この物体の休止位置で測定すべ
き加速度方向（ｚ）に垂直な平面（ｘ／ｙ）内に配設さ
れ、それぞれ隣のバネと直角をなす４本の引張バネ（１
〜４）に懸垂されていることを特徴とする特許請求の範
囲第１項に記載の測定装置。
【請求項３】物体はダイヤフラムの中に埋め込んである
球であることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載
の測定装置。
【請求項４】物体は一平面内の点状の極が発生する不均
一な反発電界内にある誘電体の球ないしは帯電した球で
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の測
定装置。
【請求項５】物体は一平面内の磁極の間に配設された不
均一な質量分布の常磁性ないしは反磁性の棒であること
を特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の測定装置。
【請求項６】制御可能な力は静電力（Ε_Ｐ）であること
を特徴とする特許請求の範囲第１〜５項の何れか１項に
記載の測定装置。
【請求項７】制御可能な力は電磁力であることを特徴と
する特許請求の範囲第１〜５項の何れか１項に記載の測
定装置。
【請求項８】制御可能な力は指向性ガスビームによって
空圧的に発生することを特徴とする特許請求の範囲第１
〜５項の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項９】位置検出装置は、逆反射体として構成され
た物体を照らす光源と、反射された光ビームの位置を検
出する半導体位置検出装置を有することを特徴とする特
許請求の範囲第１〜８項の何れか１項に記載の測定装
置。
【請求項１０】位置検出装置は、逆反射体として構成さ
れた物体を照らす光源と、物体の位置を干渉測定する干
渉計とを有することを特徴とする特許請求の範囲第１〜
９項の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項１１】位置検出装置は、物体の位置を電気容量
的に検出することを特徴とする特許請求の範囲第１〜９
項の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項１２】位置検出装置は、物体の位置を電磁誘導
的に検出することを特徴とする特許請求の範囲第１〜９
項の何れか１項に記載の測定装置。
【請求項１３】物体は超伝導空洞共振器の底部を形成
し、物体の位置は共振周波数の変化を測定して検出でき
ることを特徴とする特許請求の範囲第１〜９項の何れか
１項に記載の測定装置。
【請求項１４】力の場は調節可能であることを特徴とす
る特許請求の範囲第１〜13項の何れか１項に記載の測定
装置。
【請求項１５】物体５の休止位置で測定すべき加速度方
向ｚに垂直な平面ｘ／ｙ内に配設され、それぞれ隣のバ
ネと直角をなす４本の引張バネ１〜４に物体が懸垂さ
れ、バネの接続点は調節できることを特徴とする特許請
求の範囲第14項に記載の測定装置。
【請求項１６】長さの可変はリニヤモータ、マイクロメ
ータネジ、圧電結晶あるいは通電されたコイルによって
行われることを特徴とする特許請求の範囲第15項に記載
の測定装置。
【請求項１７】バネ長は、通電によって、あるいは適当
な温度変化によって調節できることを特徴とする特許請
求の範囲第15項に記載の測定装置。
【請求項１８】バネの連結点は、油圧で調節できること
を特徴とする特許請求の範囲第17項に記載の測定装置。
【請求項１９】加速度方向に制御可能な力が、物体に更
に作用し、物体が休止位置に向けて制御されることを特
徴とする特許請求の範囲第１〜18項の何れか１項に記載
の測定装置。
【請求項２０】加速度方向に制御可能な力が、物体に更
に作用し、周期的な運動が加速度の方向に強制されるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１〜18項の何れか１項
に記載の測定装置。
【請求項２１】力の場は周期的に可変されることを特徴
とする特許請求の範囲第１〜18項の何れか１項に記載の
測定装置。