2019 Fiscal Year Research-status Report
反磁性体磁気浮上を応用した地球観測用慣性センサーの開発
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19K04012
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
高森 昭光 東京大学, 地震研究所, 助教 (00372425)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
今西 祐一 東京大学, 地震研究所, 准教授 (30260516)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 磁気浮上 / 反磁性体 / 傾斜計 / 重力計 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では反磁性体を用いた磁気浮上を応用し、これまでにない地球観測用機器を開発することを目標とする。最大の特色は、従来の機器で問題であった参照振り子の機械特性による制約を解消するために、磁気浮上振り子を用いる事である。また、低コストで実用的な装置とするために、磁気浮上方式として反磁性体と永久磁石の組み合わせを採用する。このような磁気浮上方式による傾斜計を理論（モデル）、実験の両面から研究開発するのとあわせて、将来的な展望として重力計への応用を視野に入れ、電磁力学モデルを構築して浮上体の特性を調査することとする。
傾斜計試作に関して、本年度（2019年度）は半解析的モデルの研究を中心に行った。具体的には、モデルに対応する浮上系を製作して浮上高さや水平方向の共振周波数を比較することによりモデルの正しさを確認しつつ、精度を向上させるための修正を行った。これにより試作傾斜計の参照振り子の傾斜応答を正確に見積もることができるようになったため、振り子部分の設計の設計を行い部材を調達することにした。並行して、傾斜計のフィードバック制御に用いるためのピエゾアクチュエータドライバの整備などを行った。これらは、次年度の傾斜計試作のために必須の作業である。
重力計に向けた研究としては、まず従来の超伝導重力計において超伝導を用いた磁気浮上体の非線形効果の影響を定量的に見積もる研究を行った。同様の効果は反磁性体による磁気浮上装置でも予見される。このような研究を通して、次に開発する電磁力学モデル（有限要素モデル）で非線形効果を計算するために必要な精度や浮上体に求められる重力応答などを見積もることが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では（1）反磁性体による磁気浮上を用いて無定位またはそれに準ずる長周期の振り子を作成して、その振り子を参照マスとした傾斜計を開発することと、（2）より長期的な目標としての反磁性体浮上方式の重力計の開発に必要な電磁力学モデルを構築することを目的としている。
（1）については、実際に0.5 Hz程度の水平共振周波数を持つ磁気浮上体を作成して、電磁力学モデル（数値計算モデル）を検証した結果、実測と良い精度で一致することを確認した。あわせて、数値計算の速度を向上させるための改良も行った。モデルの精度が確認できたので、これを元に傾斜計設計に有用な情報を得ることもできた。たとえば、振り子周期の温度依存性を予想して傾斜計の温度安定性を見積もることや、振り子に用いている反磁性体の物理特性を推定することなどが可能になった。
試作傾斜計では無定位に近い振り子の位置を安定化するためピエゾアクチュエータを用いたフィードバック系を採用するので、アクチュエータを準備した。
（2）については、予備的な研究として、磁気浮上を利用して実用化されている超伝導重力計の上下方向の非線形性の影響を定量的に評価して、その影響が十分小さく、実際の観測には大きな影響を与えないことを示した。非線形効果は反磁性体を利用した磁気浮上式重力計でも生じうるので、今後の電磁力学モデル（有限要素モデル）での解析において、その影響がなるべく小さくなるようなパラメータを決定して、重力計に適した装置設計に繋げる必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
（1）試作傾斜計の設計、開発を行う。参照マスとなる磁気浮上体についてはこれまでのモデルによる設計に基づき、無定位振り子（あるいは準無定位振り子）を作成して特性を評価する。あわせて反射式光位置センサーの高感度化とピエゾアクチュエータによるフィードバック系の開発を行い、これらを組み合わせて傾斜計を試作する。可能であれば真空容器内に設置して空気や温度変化の影響を低減させた状態で性能を評価する。
（2）重力計で用いるための反磁性体磁気浮上系の特性を、モデルを用いて評価して最適なパラメータ（永久磁石、反磁性浮上体の形状や配置）を検証する。これまでに開発した有限要素モデルでは要素数の制限により精度が確保できなかったので、より大規模なモデルを作成して精度を上げた上で研究を進める方針である。モデルの精度を上げることによって、前述した非線形効果の影響や、上下-水平カップリングなどの検証を試みる。
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| Causes of Carryover |
重力計の電磁力学モデルの開発に利用する有限要素計算ソフト（ANSYS)の1年間ライセンスを購入する計画であったが、本年度は当該のソフトを必要としない予備研究を充実させたため、ライセンスを最大限に有効活用するためには次年度に購入した方が効果的であると判断したため。
また、試作傾斜計の設計に用いる数値モデルの精度向上に注力したため、部材の購入を遅らせることにしたため。
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Research Products
(1 results)
