JP2018132500A - 微小粒子を用いる加速度計 - Google Patents

Abstract

【課題】高感度に加速度を計測可能な微小粒子を用いる加速度計を提供する。
【解決手段】微小粒子の運動を観測することで微小粒子に作用する加速度を計測する加速度計は、光源部１０と、光学系２０と、真空チャンバ３０と、光検出部４０と、加速度算出部５０とからなる。光源部１０は、右回りの光渦と左回りの光渦を合成し、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるように生成されるドーナツ型分布レーザ光を出力する。光学系２０は、光源部１０からのドーナツ型分布レーザ光を集光し微小粒子を焦点にトラップするためのものである。真空チャンバ３０は、微小粒子がトラップされる焦点を真空状態とする光検出部４０は、ドーナツ型分布レーザ光にトラップされる微小粒子の振動周波数を検出する加速度算出部５０は、光検出部４０により検出される微小粒子の振動周波数から微小粒子に作用する加速度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は微小粒子を用いる加速度計に関し、特に、微小粒子の運動を観測することで加速度を計測する加速度計に関する。

現在、加速度計は、自動車や携帯端末、ゲーム機器等に広く用いられている。一般的な加速度計は、既知のばね定数のコイルばねや板ばね等に接続される既知の質量の重りの位置変化を測定することで、加速度を計測できるものである。より高感度の加速度計としては、例えばＭＥＭＳにより構成した圧電素子等を用いたマイクロ加速度計等も存在する（例えば特許文献１）。

ここで、加速度計とは無関係な技術であるが、ラゲールガウスビームやベッセルビームによる光渦を媒質中の微小体に集光照射することで、微小体を光トラップする技術が知られている（例えば特許文献２や特許文献３）。光渦は、伝搬軸上に位相特異点を有し、伝搬軸上では光強度がゼロであり、伝搬軸からある距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。光渦は、ドーナツ型の光強度分布を有する他、軌道角運動量を有する点でも特徴的である。軌道角運動量を有する光渦が媒質中の微小体に照射されると、その微小体は、光渦から角運動量を受け取り、伝搬軸の周りの光強度が大きい軌道に沿って回転する。即ち、光渦は、媒質中の微小体を光トラップすると共に、微小体の運動を制御することが出来る。

特開２００６−０２３２９０号公報 特開２００８−２１６６４１号公報 特開２０１５−０８５３００号公報

従来の加速度計では、高感度加速度計であっても、１０^−６ｇ（但し、ｇは重力加速度を表す）程度の感度である。しかしながら、より高感度な加速度計の開発が望まれていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、高感度に加速度を計測可能な微小粒子を用いる加速度計を提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による微小粒子を用いる加速度計は、右回りの光渦と左回りの光渦を合成し、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるように生成されるドーナツ型分布レーザ光を出力する光源部と、光源部からのドーナツ型分布レーザ光を集光し微小粒子を焦点にトラップするための光学系と、微小粒子がトラップされる焦点を真空状態とする真空チャンバと、ドーナツ型分布レーザ光にトラップされる微小粒子の振動周波数を検出するための光検出部と、光検出部により検出される微小粒子の振動周波数から微小粒子に作用する加速度を算出する加速度算出部と、を具備するものである。

ここで、光源部は、ラゲールガウスビーム又はベッセルビームによる光渦を用いるものであれば良い。

また、加速度算出部は、さらに、測定される加速度を用いて加速度計の重力方向に対する傾斜角も算出するものであっても良い。

さらに、微小粒子に作用する加速度がゼロのときに光検出部により検出される振動周波数がゼロとなるように、光源部の右回りの光渦と左回りの光渦との合成を制御する制御部を具備するものであっても良い。

本発明の微小粒子を用いる加速度計には、高感度に加速度を計測可能であるという利点がある。

図１は、本発明の加速度計を説明するための概略ブロック図である。 図２は、本発明の加速度計の光源部の構成の一例を説明するための概略ブロック図である。 図３は、本発明の加速度計の光検出部の一例を説明するための概略図である。 図４は、本発明の加速度計においてドーナツ型分布レーザ光の焦点にトラップされた微小粒子を説明するために焦点部分を拡大した概略図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。本発明の加速度計は、微小粒子の運動を観測することで微小粒子に作用する加速度を計測するものである。図１は、本発明の加速度計を説明するための概略ブロック図である。図示の通り、本発明の加速度計は、光源部１０と、光学系２０と、真空チャンバ３０と、光検出部４０と、加速度算出部５０とから主に構成されている。なお、微小粒子としては、ナノサイズのものが好ましく、例えば直径１００ｎｍ程度、好ましくは５０ｎｍ程度のシリカであれば良い。しかしながら、本発明で用いられる微小粒子は特にこれに限定されず、レーザ光の熱に対してある程度の耐熱性を有しており、加速度計に加えられた加速度に対して運動可能なものであれば良い。

光源部１０は、ドーナツ型分布レーザ光を出力するものである。ドーナツ型分布レーザ光は、光渦を用いて生成されるものである。光渦は、伝搬軸上に位相特異点を有し、伝搬軸上では光強度がゼロであり、伝搬軸からある距離のところで光強度が最大となるドーナツ型の光強度分布を有する。ここで、本発明の加速度計の光源部１０により生成されるドーナツ型分布レーザ光は、右回りの光渦と左回りの光渦を合成し、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるように生成されるものである。即ち、一般的なドーナツ型分布レーザ光は、軌道角運動量を有するものであるが、本発明の加速度計で用いられる光源部１０により出力されるドーナツ型分布レーザ光は、実効的に軌道角運動量がゼロとなるように調整されるものである。ここで、微小粒子が一般的なラゲールガウスビーム等によりトラップされると、光渦が軌道角運動量をもったビームであるため、その光子を微小粒子が散乱した場合、微小粒子はドーナツ型分布内で回転運動を始める。この回転運動は、高感度に加速度を計測するには抑制することが必要となる。このため、本発明の加速度計の光源部１０では、右回りの光渦と左回りの光渦を合成し、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるようにドーナツ型分布レーザ光を生成するように構成している。

光学系２０は、光源部１０からのドーナツ型分布レーザ光を集光し微小粒子を焦点にトラップするためのものである。具体的には、凸レンズからなるものであれば良く、光源部１０から生成された平行光であるドーナツ型分布レーザ光を集光できるものであれば良い。また、光学系２０は、後述の光検出部４０で検出可能なように、焦点に集光されたドーナツ型分布レーザ光を再度平行光に戻すように構成されれば良い。光学系２０は、レーザ光を回折限界付近まで絞ることが可能であれば良い。

ここで、本発明の加速度計において、光源部１０は、微小粒子の回転運動を抑制するために、互いに逆回りの右回りの光渦と左回りの光渦の２つのドーナツ型分布レーザ光を重ねて光学系２０へ入射させている。ここで、２つの光渦のレーザ光同士の干渉を避けるため、２つのレーザ光の間には、数ＭＨｚ以上の周波数差を設けることで、微小粒子が干渉の影響を受けないようにしておけば良い。例えば、直径５０ｎｍ程度の微小粒子による光散乱の割合は、ビーム直径が１μｍ程度で出力が１００ｍＷのレーザ強度に対して０．１ｋＨｚ程度であることが知られている。このため、出力が１００ｍＷの２つのレーザ光が０．１％程度の強度差を有する場合、光散乱は０．１Ｈｚ程度である。即ち、単位時間に受ける軌道角運動量は、０．１ｈ程度（ｈはプランク定数を２πで割った定数であり、ｈ＝１．０５×１０^−３４Ｊｓ）である。

真空中でトラップされた微小粒子のドーナツ型分布内での回転角φに関する運動方程式は、以下の式で表される
但し、ｍは微小粒子の典型的な質量であり、例えばｍ≒１０^−１８ｋｇであり、ｌはドーナツ型分布の半径であり、回折限界付近まで絞られたレーザ光の場合、ｌ≒１μｍである。

即ち、この式から、トラップされ静止していた微小粒子は、ｔ秒後に０．１ｈｔ^２／２ｍｌ^２程度回転することになることが分かる。振動の観測時間をｔ＝１００ｓとすれば、この間の光散乱による回転角は０．１ｒａｄ程度であるから、結局、レーザ光の強度を０．１％以内で安定化しておけば、加速度計測において問題とならないことが分かる。

ここで、光源部１０は、ラゲールガウスビーム又はベッセルビームによる光渦を用いるものであれば良い。ラゲールガウスビームを用いた光源部１０の詳細について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の加速度計の光源部の構成の一例を説明するための概略ブロック図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。本発明の加速度計の光源部１０は、レーザ光源１１と、レーザ光源１１から出力された光から右回りの光渦と左回りの光渦を生成すると共に合成するための合成部１２とから構成されている。レーザ光源１１は、市販の連続波且つ単一周波数のものであれば良く、また、今後開発されるべきあらゆるものが適用可能である。合成部１２は、分離用ビームスプリッタ１３、右回り用光変調部１４、左回り用光変調部１５、合成用ビームスプリッタ１６、光共振器１７から主に構成されている。分離用ビームスプリッタ１３や合成用ビームスプリッタ１６は、市販のものであれば良く、また、今後開発されるべきあらゆるものが適用可能である。右回り用光変調部１４や左回り用光変調部１５としては、例えば音響光学素子を用いたものであれば良い。また、他のラゲールガウスビームやベッセルビームの生成方法として、空間光変調器を用いる手法もある。この場合には、光共振器は用いずに、音響光学素子に加えて空間光変調器を加えた構成とすれば良い。

真空チャンバ３０は、微小粒子がトラップされる焦点を真空状態とするものである。即ち、真空チャンバ３０は、ドーナツ型分布レーザ光の焦点の位置を真空状態とすることが可能なものであれば良い。真空チャンバ３０には、窓等が適宜設けられており、ドーナツ型分布レーザ光が真空チャンバ３０内に入射可能に構成されていれば良い。真空チャンバ３０は、微小粒子がトラップされた後に真空状態を保てるものであれば良い。具体的には、微小粒子をトラップした後に減圧を始め、真空状態となったところで加速度検出が可能な状態となる。

光検出部４０は、ドーナツ型分布レーザ光にトラップされる微小粒子の振動周波数を検出するためのものである。光検出部４０は、例えば、フォトダイオードにより構成される。光検出部４０には、微小粒子により位相のずれた光と、微小粒子に影響を受けなかった光が共に入射するように構成する。そして、微小粒子の位置により、位相のずれの大きさが異なる。即ち、粒子の位置によりフォトダイオードにおける光強度が変化することになる。光検出部４０は、この粒子の運動をリアルタイムに観測可能なものであれば良い。

光検出部４０は、具体的には例えば２つのフォトダイオードから構成されるものであれば良い。図３は、本発明の加速度計の光検出部の一例を説明するための概略図であり、図３（ａ）は光検出部が２つのフォトダイオードにより構成される例を説明するための概略平面図であり、図３（ｂ）は光検出部により検出される信号を説明するためのグラフである。図示の通り、光検出部４０は、２つのフォトダイオード４１，４２から構成されている。２つのフォトダイオード４１，４２は、その繋ぎ目が検出したい加速度の方向に対して平行となるように配置される。図３（ａ）上では、加速度の検出方向は上下方向となり、フォトダイオード４１，４２の繋ぎ目が縦方向、即ち、左右にフォトダイオード４１，４２が配置されている。そして、フォトダイオード４１，４２の検出面が、光渦の伝搬軸に垂直となるように配置される。このように構成されると、ドーナツ型分布レーザ光によりトラップされた微小粒子に作用する加速度がゼロのとき、光検出部４０からの出力はゼロとなる。即ち、図３（ｂ）に示される通り、時間０までのように、検出される信号がゼロとなる。そして、微小粒子に加速度が加わり、円周方向に僅かな初速度が与えられると、微小粒子がドーナツ型分布内で左右に振動する。具体的には、図３（ａ）上では、上下方向に作用する加速度により微小粒子が左右に振動する。この振動は、光渦の光の変化として左右に配置された２つのフォトダイオードにより順に検出されることになる。即ち、図３（ｂ）に示される通り、微小粒子の左右の振動が、所定の振動周波数を持った信号として検出されることになる。なお、微小粒子が完全に静止している状態の場合であっても、フォトダイオード４１，４２の繋ぎ目方向に完全に一致した加速度が加わることは稀であるため、微小粒子に僅かな初速度が与えられ左右に振動することになる。フォトダイオード４１，４２の繋ぎ目方向に完全に一致した加速度が加わった場合には、微小粒子は左右に振動しない。このため、測定開始時に一旦僅かに初速度を与えるように構成しても良い。具体的には、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるように調整されたドーナツ型分布レーザ光に対して、測定開始の瞬間に短時間だけ僅かに強度比をずらして初速度を与えても良い。

ドーナツ型分布レーザ光によりトラップされた微小粒子は、ドーナツ型分布内で自由に動くことが可能である。但し、本発明の加速度計の光源部１０では、右回りの光渦と左回りの光渦を合成し、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるようにドーナツ型分布レーザ光が生成されているため、微小粒子に作用する加速度がゼロの場合には、トラップされた微小粒子は静止している。微小粒子がトラップされ静止しているときには、光検出部４０からの出力はゼロとなるはずであるが、右回りの光渦と左回りの光渦との強度比が１ではない場合には、軌道角運動量の影響により、微小粒子がドーナツ型分布内で円周方向に回転運動を始めてしまう。そこで、本発明の加速度計では、微小粒子に作用する加速度がゼロのときに光検出部４０により検出される振動周波数がゼロとなるように制御しても良い。即ち、光源部１０の右回りの光渦と左回りの光渦との合成を制御する制御部をさらに有するように構成しても良い。制御部により光源部１０による合成をフィードバック制御することで、円周方向の揺らぎを冷却可能となる。具体的には、光検出部４０の出力を観察しながら、右回りの光渦と左回りの光渦の２つの光の光強度比に対してフィードバックを返せば良い。

微小粒子は、微小粒子が元々持つ運動、即ち、室温に相当する運動エネルギを持って、円周方向に垂直な方向である径方向に運動している。これは、条件によっては微小粒子に作用する加速度によって引き起こされる振動の観測に影響を及ぼし得る。そこで、室温に相当する運動エネルギによる径方向の揺らぎについても、制御部にてフィードバック制御することで、径方向の揺らぎを冷却可能となる。具体的には、光検出部４０により微小粒子の振動を観測しながら、右回りの光渦と左回りの光渦の２つの光の合計強度に対してフィードバックを返せば良い。

具体的には、トラップされた微小粒子の径方向の揺らぎの大きさΔｘは、以下の式で表される
但し、Ｔは温度である。

例えばω_ｒ＝２π×１００ｋＨｚとし、制御部によるフィードバック制御によりＴ＝１ｍＫまで冷却したとする。このとき、Δｘ≒１０^−１０ｍ程度となる。即ち、回折限界付近まで絞られたドーナツ型分布レーザ光の半径が１μｍ程度の場合、これと比べてΔｘが十分小さいため、加速度測定において径方向の揺らぎは無視できる程度であることが分かる。

加速度算出部５０は、光検出部４０により検出される微小粒子の振動周波数から微小粒子に作用する加速度を算出するものである。図４を用いてトラップされた微小粒子の詳細について説明する。図４は、本発明の加速度計においてドーナツ型分布レーザ光の焦点にトラップされた微小粒子を説明するために焦点部分を拡大した概略図である。図示の通り、微小粒子に力（加速度）αが作用する場合、重力下で振り子が周期的運動を行うように、微小粒子が振動する。このときの振動周波数ω_ｎは、以下の式で表される。
但し、ｌはドーナツ型分布の半径であり、回折限界付近まで絞られたドーナツ型分布レーザ光の場合、ｌ≒１μｍである。
即ち、加速度算出部５０では、以下の式を用いて加速度αを算出すれば良い。

具体的には、微小粒子を真空チャンバ３０内の真空中でトラップした場合、１０^−６ｍｂａｒ程度の比較的容易に達成できる真空度において、空気分子との衝突によって振動が減衰する割合は、１ｍＨｚ程度であることが知られている。したがって、この程度の真空度において、微小粒子の振動を検出する場合、ω_ｎ≒２π×０．０１Ｈｚ程度の振動の観測を行うことが可能である。これらの値に基づいて観測可能な加速度αを算出すると、α＝ｌω_ｎ ^２≒４×１０^−９ｍ／ｓ^２となる。この値は、重力加速度ｇ＝９．８ｍ／ｓ^２を単位として、α≒４×１０^−１０ｇと表される。なお、既存の圧電素子を用いた高感度なマイクロ加速度計の感度は１０^−６ｇである。即ち、本発明の加速度計は、既存の加速度計よりも４桁程度高い感度を有していることが分かる。

さらに、本発明の加速度計は、加速度算出部が、測定された加速度を用いて傾斜角も算出しても良い。本発明の加速度計は、ドーナツ型分布を重力加速度に対して垂直に配置した場合に、最も微弱な加速度の検出に用いることが可能となる。これは、ドーナツ型分布が重力方向に対して角度θだけ傾いている場合には、微小粒子にはｇｓｉｎθの加速度が働くためである。本発明では、これを利用し、重力方向に対する加速度センサの傾斜角θを求めるように構成しても良い。θが小さい場合、ｓｉｎθ≒θと近似できるため、測定された加速度α、及び既知の重力加速度ｇの値を用いて、θ＝α／ｇのように傾斜角を求めれば良い。上述の加速度の感度と同様に考察すると、本発明の加速度計による傾斜角は、θ≒１０^−１０ｒａｄ程度まで測定可能である。既存の気泡を用いた精密傾斜計の感度がθ≒１０^−８ｒａｄ程度であることに鑑みれば、既存の傾斜計よりも２桁程度高い感度を有していることが分かる。

なお、本発明の微小粒子を用いる加速度計は、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１０ 光源部
１１ レーザ光源
１２ 合成部
１３ 分離用ビームスプリッタ
１４ 右回り用光変調部
１５ 左回り用光変調部
１６ 合成用ビームスプリッタ
１７ 光共振器
２０ 光学系
３０ 真空チャンバ
４０ 光検出部
４１，４２ フォトダイオード
５０ 加速度算出部

Claims (4)

1. 微小粒子の運動を観測することで微小粒子に作用する加速度を計測する加速度計であって、該加速度計は、
   右回りの光渦と左回りの光渦を合成し、トラップされる微小粒子に与える軌道角運動量がゼロとなるように生成されるドーナツ型分布レーザ光を出力する光源部と、
   前記光源部からのドーナツ型分布レーザ光を集光し微小粒子を焦点にトラップするための光学系と、
   微小粒子がトラップされる焦点を真空状態とする真空チャンバと、
   ドーナツ型分布レーザ光にトラップされる微小粒子の振動周波数を検出するための光検出部と、
   前記光検出部により検出される微小粒子の振動周波数から微小粒子に作用する加速度を算出する加速度算出部と、
   を具備することを特徴とする加速度計。
2. 請求項１に記載の加速度計において、前記光源部は、ラゲールガウスビーム又はベッセルビームによる光渦を用いることを特徴とする加速度計。
3. 請求項１又は請求項２に記載の加速度計において、前記加速度算出部は、さらに、測定される加速度を用いて加速度計の重力方向に対する傾斜角も算出することを特徴とする加速度計。
4. 請求項１乃至請求項３の何れかに記載の加速度計であって、さらに、微小粒子に作用する加速度がゼロのときに光検出部により検出される振動周波数がゼロとなるように、光源部の右回りの光渦と左回りの光渦との合成を制御する制御部を具備することを特徴とする加速度計。