JP6256876B2

JP6256876B2 - 加速度センサーとそれを用いた能動除振装置

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Publication number: JP6256876B2
Application number: JP2014060127A
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Inventors: 哲也井戸
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Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-03-24
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-03-24
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Description

原子の遷移周波数に発光素子からの光の周波数を安定化することで極めて正確な原子時計が実現されている。この際、その光のスペクトル線幅を極めて狭くしたクロックレーザー光を出力する光源が用いられるが、これは、外部光共振器を用いて構成される場合がある。その外部共振器は設置された環境から振動の影響を受ける事が知られている。本発明は、その振動の影響をその振動加速度の負帰還制御で抑制するための、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による、加速度センサーとそれを用いた能動除振装置に関するものである。

狭いスペクトル線幅のレーザー光源としては、次の方式のものが知られている。
（１）図８（ａ）に示す様に、ピエゾ素子で光共振器の長さを調整できるレーザー発振器からのレーザー光を、それと同様にピエゾ素子で長さを調整できるファブリペロー光干渉計に通し、ファブリペロー光干渉計で波長走査しその走査に同期して光検出を行い、検出した光強度で、ＰＩＤ（Proportional Integral Derivative、比例積微分）制御で光共振器のピエゾ素子を制御することで、ファブリペロー光干渉計の透過スペクトルの頂点にロックするレーザー光源。
（２）図８（ｂ）に示す様に、ピエゾ素子で光共振器の長さを調整できるレーザー発振器からのレーザー光を、参照用のファブリペロー光干渉計に通し、ファブリペロー光干渉計による吸収信号で、上記光共振器の長さを調整することで、参照するファブリペロー光干渉計の透過スペクトルのスロープにロックするレーザー光源。
（３）図８（ｃ）に示す様に、電圧で発振波長を制御可能なレーザー発振器からの光を位相変調して、参照するファブリペロー光干渉計に入力し、その反射光を上記位相変調信号で同期検波して得た信号を帰還して上記レーザー発振器の発振波長を制御することで、その発振波長を、参照するファブリペロー光干渉計の透過スペクトルにロックすることができる。これは、ＰＤＨ法（Pound-Drever-Hall method）として、知られている。
（４）また、充分に出力光波長が安定なレーザー光源があり波長の安定なレーザー光を用いることが可能な場合は、そのレーザー光をＶＣＯ（電圧制御発振器）の出力でシフトする波長シフターに入力することで、波長上記のいずれのレーザー発振器でもその代わりとすることができる。

非特許文献２には、図９に示す、Ｓｒ用クロックレーザー安定化システム全体図が記載されている。非特許文献１の図３におけるクロックレーザーでは、まずダイオードレーザーを用いた上記ＰＤＨ法による予備安定化共振器（prestabilization共振器）部分で、比較的波長の安定なレーザー光を生成する。このレーザー光の波長を波長シフター（その図３ではＡＯＭ）で波長を僅かに変えて、ＵＬＥ共振器に入力する。このＵＬＥ共振器は、ＵＬＥスペーサーのファブリペロー共振器で、上記の様に、共振波長が非常に安定な特性を示す。また、このＵＬＥ共振器は、フィネスＦが非常に高く、透過スペクトルの幅は非常に狭い。上記波長シフターは、上記ＵＬＥ共振器の透過スペクトルに一致するように、波長シフターを用いて予備安定化共振器で安定化したレーザー光を調整する。この調整は、ＰＤＨ法によるもので、帰還信号として、レーザー光と上記安定化したレーザー光とのずれに応じた電圧または電流が帰還信号となる。例えば電圧に応じて発振周波数の変化するＶＣＯ（電圧制御発振器）で、この帰還信号を周波数の変化に変換し、上記波長シフターに印加する。この帰還ループによって、上記ＵＬＥ共振器の透過スペクトルにロックされたクロックレーザー光を得ることができる。

光共振器はその安定な共振器長をレファレンス（基準）として周波数変動のない局部光発振器を作成するためのキーとなる部品である。

ファブリペロー光干渉計のスペーサーの材料としては、ＵＬＥ（Ultra-Low-Expansion、Corning社）ガラスが望ましいことが知られている。これは、非特許文献１の記載にあるように、ＵＬＥガラスの熱膨張係数は約１０^-8／Ｋ、クリープは０．２〜０．５×１０^-15／ｓ、とそれぞれ小さいことからである。１つのＵＬＥガラス部材には、従来１つの光共振器が設けられている。

ＵＬＥガラスは上記の様に比較的熱膨張係数やクリープ値が小さい。しかし、一般に、原子時計に求められる安定度を実現するためには、ミリケルビン単位の温度管理が求められる。

一般に、共振器長は共振器を支持する点から伝わる地面振動や真空ポンプ等からの振動によって変化するため、除振性能は極めて重要である。通常、上記のクロックレーザーは、大型の除振台上に設置され、全体としては大規模な装置となり、現状では可搬性に問題がある。そこで、可搬性の改善を目的に、除振台自体を省略するか、少なくとも簡易型の除振台で済ませることができるようにすることが望まれている。

より具体的には、例えば、地面振動の影響を抑制するためには除振台を利用するが、一般に除振台は共振周波数を持ち、除振性能が発揮されるのは、この共振周波数より高周波側である。例えば、光周波数標準の用途に使用されるフットプリントサイズが１ｍ×１ｍ程の市販の除振台では、最も低い共振周波数でも０．５Ｈｚとなっている。地面振動は、例えば、海岸に打ち寄せる波の影響を受けて、周期が数秒以上の周波数領域に振幅のピークを持ち、その振幅は極めて小さいものであるが、共振器の支持点に到達する上記地面振動の影響を抑えるのは現在極めて困難である。このため、通常、その支持点が振動しても共振器長が変化しないような共振器の形状を工夫して、その影響を低減することが行われている。

除振装置は、受動型除振装置と能動型除振装置とに分類することができる。概して、前者には大質量の台（またはステージ）が用いられ、後者は小質量の台が用いられる。この分類において、本発明は、能動型除振装置に属する。

一般に、能動型除振装置でも、テーブルトップのサイズの場合、共振器に到達する０．１Ｈｚ域の振動に感度を持つ加速度センサーの作成は困難である。このように、低周波数域で感度をもつ加速度計の作成が困難である理由は、非常にゆっくりした振動を振動として峻別する際に必要な、謂わば「動かないレファレンス」が無いことによる。

光共振器を用いた従来の加速度センサーとしては、例えば、特許文献１（米国特許出願公開第２０１３／０３２７１４６号明細書）の開示がある。この開示では、光共振器の一方の反射鏡をバネ仕掛けで可動にし、共振器に加速度が印加されると上記光共振器の共振周波数が変化することを用い、その共振周波数の変化を計測することで、その共振器に印加された加速度を検出するものである。しかし、本発明は、これとは異なる構造のものを用いる。

また、光共振器自体を振動に対して鈍感にする工夫もなされており、非特許文献３には、光共振器スペーサーの中心に空洞があり両端に高反射率の平面鏡と球面鏡が1枚ずつついた光共振器をマウントで横向きに支持した振動不感型光共振器が記載されている。この振動不感型光共振器は、マウントの支持位置を最適化することで振動不感型にするものである。また、非特許文献４には、光共振器を縦にマウントした光共振器を用いて、ダイオードレーザーからの出力光の波長を安定化した例が記載されている。

また、クロックレーザー光の発生器例としては、非特許文献２の図３に、Ｓｒ用クロックレーザー安定化システム全体図が記載されている。非特許文献１の図３におけるクロックレーザーでは、まずダイオードレーザーを用いた上記ＰＤＨ法による予備安定化共振器（prestabilization共振器）部分で、比較的波長の安定なレーザー光を生成する。このレーザー光の波長を波長シフター（その図３ではＡＯＭ）で波長を僅かに変えて、ＵＬＥ共振器に入力する。このＵＬＥ共振器は、ＵＬＥスペーサーのファブリペロー共振器で、上記の様に、共振波長が非常に安定な特性を示す。また、このＵＬＥ共振器は、フィネスＦが非常に高く、透過スペクトルの幅は非常に狭い。上記波長シフターは、上記ＵＬＥ共振器の透過スペクトルに一致するように、波長シフターを用いて予備安定化共振器で安定化したレーザー光を調整する。この調整は、ＰＤＨ法によるもので、帰還信号として、レーザー光と上記安定化したレーザー光とのずれに応じた電圧または電流が帰還信号となる。例えば電圧に応じて発振周波数の変化するＶＣＯ（電圧制御発振器）で、この帰還信号を周波数の変化に変換し、上記波長シフターに印加する。この帰還ループによって、上記ＵＬＥ共振器の透過スペクトルにロックされたクロックレーザー光を得ることができる。

米国特許出願公開第２０１３／０３２７１４６号明細書米国特許出願公開第２００８／０２７１５３３号明細書

「光格子時計のための線幅1Hz級レーザの開発」、産総研計量標準報告 Vol. 7, No. 1 2008年3月 11-24頁「３−３ストロンチウム光格子時計」、情報通信研究機構季報 135-144 Vol.56 Nos.3/4 2010 S. A. Webster, M. Oxnorrow, and P. Gill, Phys. Rev. A 75, 011７０１(R) (2007) A. D. Ludlow, X. Huang, M. Notcutt, M. Zanon-Willette, S. M. Foreman, M. M. Boyd, and J. Ye, Opt. Lett. 32, 641 (2007)

外部光共振器を用いて構成したクロックレーザー光を出力する光源について、設置された環境から振動の影響を受ける事が知られている。本発明は、その振動の影響を抑制するために、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを実現し、さらに、その加速度センサーを用いて、上記の影響を振動加速度の負帰還制御で抑制する能動除振装置を実現するものである。

本発明の加速度センサーでは、光共振器のスペーサーの中心に設けられたメインの共振光学パス以外に、そのスペーサーの偏心位置に複数の光学パスを配置し、これらの共振器の共振周波数の相対値の変動は共振器に到達した振動を反映するものである、という特性を利用する。この場合、上述の「動かないレファレンス」は光共振器そのものであり、また、上記相対値の変動は差動検出で得られるため、温度変化による共振器長変動などのコモン成分は相殺される。さらには、共振器スペーサーの材料として例えばシリコン単結晶等の結晶性材料を利用すれば、ガラスの場合と異なり、共振器長のエージングドリフトが少なく、その超低周波数領域での周波数成分が低減され、振動感度を一段と低域まで持たせることができる。さらに負帰還として、この共振器を可動ピエゾステージ等に設置し、上記相対値の変動として検出される振動が抑制されるように上記ピエゾステージを駆動する。これによってアクティブ除振が可能となる。この場合、加速度センサーは共振器そのものであるため、一般に生じやすいセンサーから光共振器長への伝達関数における位相遅れ等も気にする必要がなくなる。

このため、本発明は、共振器に到達した振動を検出することができる加速度センサーで共通のスペーサーに設けた複数の光共振器であり、特に、
ファブリペロー型光共振器の共振周波数の変化をレーザー光を用いて測定し加速度を検出する加速度センサーであって、
複数の光共振器を備える複合光共振器と、
上記複数の光共振器のそれぞれの共振周波数の少なくとも２つの比較から上記複合光共振器に印加された加速度を導出する加速度導出手段と、を備え、
上記複合共振器は、中心線に対する回転対称性を有するスペーサー材を共通のスペーサーとする３つ以上の光共振器用にそれぞれの空洞を備える複合光共振器であり、
上記空洞のそれぞれは互いに並行し、
上記空洞の１つは上記中心線を含む位置に設けられ、他の空洞は上記中心線を含まない位置で該中心線についての対称位置に設けられたものである。

上記複合光共振器は、重力方向に光路が設けられ、
上記共通のスペーサーの外周に設けられた支持部における支持点で支持され、
上記支持点の各々は、上記中心線を含まない位置に設けられたいずれか２つの上記空洞からの等距離面上の上記中心線から等距離の位置に設けたものである。

上記スペーサー材に単結晶を用いることで、共振周波数における経年変化が抑制された光共振器を構成することができる。

また、上記中心線を含まない位置に設けられた上記光共振器の数と上記支持点の数は各々３であり、
上記光共振器を順にＡ、Ｂ、Ｃとし、該Ａ、Ｂ、Ｃの上記中心線に対するそれぞれの反対側にある支持点を支持点Ａ、Ｂ、Ｃとし、支持点Ａ、Ｂ、Ｃを含む平面上の直交座標をｘｙ座標とするとき、
上記加速度導出手段は、ｙ方向加速度をＢとＣの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からのそれぞれの共振周波数偏移の差から導出し、ｘ方向加速度をＡの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移から導出するものである。

また、上記ｘｙ座標について、
ｘ方向の加速度を、ＢとＣの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移の平均からＡの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移を引くことで、得るものである。

上記Ａ、ＢおよびＣの各々の共振周波数偏移は、上記光共振器Ａ、Ｂ、Ｃに入射される、上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器にロックされたレーザー光の周波数からのＡ、ＢおよびＣのそれぞれの共振周波数の偏移である。

また、本発明は、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを用いた能動除振装置であって、
上記複合光共振器を搭載する被駆動台と、
面上を動く様に上記被駆動台を駆動する駆動系と、
上記加速度導出手段の出力を上記駆動系に印加して負帰還する負帰還回路と、を備え、
上記負帰還によって上記加速度検出手段の出力を抑制するものである。

本発明によって、光共振器に於いて従来１Ｈｚ以下の地面振動の影響を除振することが困難であった問題が解消する。現在１秒の安定度で１０の１６乗台の光共振器が実現し、さらなる改善のためには除振性能の一段の向上が求められている。また、従来は低域にある共振器材料のエージングの効果と振動による共振器長の変化を峻別することが困難であったが、単結晶材料を共振器として利用することでエージングの効果が低減されたため、本発明はこの点を解決する。また、重量のある除振台の利用が困難な可搬型や衛星搭載の局部光周波数発振器においても本発明を利用することによって除振性能を与えることが出来る。そのほか、極低温下で動作させる究極の光共振器においては、冷凍機の振動に対する処方箋が求められている。本発明は冷凍機の振動に対する除振としても有効である。

本発明の構成例の1部分となる、光共振器１０５の共振波長にレーザー光源１０１の発振波長をロックすることで波長安定化した安定化光源１００の例を示すブロック図である。安定化光源１００のレーザー光源１０１の代わりに、レーザー光２０１が入力される場合に光共振器２０５の共振波長にロックすることで波長安定化した安定化光源２００のブロック図である。本発明の共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを構成する光共振器を示す模式図である。共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーの構成例を示すブロック図である。加速度センサーの構成例を示すブロック図である。共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを用いた能動除振装置で、除振台を駆動する方式の構成例を示し、（ａ）正面図、（ｂ）平面図であり、（ｃ）は、駆動電圧発生器である。共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーを用いた能動除振装置で、複合光共振器の筐体を駆動する方式の構成例を示し、（ａ）正面図、（ｂ）平面図であり、（ｃ）は、駆動電圧発生器である。従来方式の狭いスペクトル線幅のレーザー光源例を示す図である。（ａ）は、ピエゾ素子で光共振器の長さを調整するもの、（ｂ）は、参照するファブリペロー光干渉計の透過スペクトルのスロープにロックするもの、（ｃ）は、ＰＤＨ法（Pound-Drever-Hall method）として、知られているものである。従来の、Ｓｒ用クロックレーザー安定化システム全体図を示す図である。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１に、本発明の構成例の1部分となる、光共振器１０５の共振波長にレーザー光源１０１の発振波長をロックすることで波長安定化した安定化光源１００の例を示す。これは、上記ＰＤＨ法に沿ったものである。この例では、レーザー光源１０１には半導体レーザーを用いており、印加する電流を変えることで発振波長を僅かに調整することができる。出力されるレーザー光は、ビームスプリッタ１０７で分岐されたものである。アイソレータ１０２は、レーザー光源１０１の発振動作の戻り光による擾乱を防止するものである。光変調器１０３において発振器１１０からの信号で位相変調された光は、その光量が半波長板１１１と偏光ビームスプリッタ１０４で調整され、光共振器１０５に入射する。光共振器からの出力光はアイソレーション用の４分の１波長板１０６を透過した後偏光ビームスプリッタ１０４で反射され、光検出器１０８に入射する。帰還光は光検出器１０８で電気信号に変換され、同期検波器２０９において発振器１１０からの信号で同期検波される。同期検波の出力は、ＰＩＤ１１２で平滑され、上記半導体レーザーに帰還する。この帰還ループによって、レーザー光源の出力波長を光共振器の共振スペクトルにロックすることができる。上記の様に帰還制御されない状態のレーザー光源１０１の出力光の半値全幅は、光共振器１０５の共振（共鳴）スペクトルの半値全幅よりも大きい。しかし、一般に、上記の帰還制御でロックされた状態のレーザー光源１０１の出力光の半値全幅は、光共振器１０５の共振（共鳴）スペクトルの半値全幅よりも小さい。

当然のことながら、上記のロック動作によって、上記プローブ光生成手段である安定化光源１００の上記帰還信号によるレーザー光の波長調整可能速度は、抑制しようとする上記ファブリペロー型光共振器の共振波長のドリフト速度よりも大きいことが必要である。つまり、抑制できる上記ドリフトの周波数帯域は、上記帰還信号による帰還制御の周波数帯域に限られる。

ここで、光共振器としては、上記の様にＵＬＥスペーサーを用いミリケルビン範囲で温度管理したもので、外界の振動を遮断した状態で使用することで安定化したものや、所定の原子やイオンの吸収スペクトルを用いたものでもよい。

本発明の構成例の1部分となり、上記とは別の部分の例を図２に示す。図２は、安定化光源１００のレーザー光源１０１の代わりに、レーザー光２０１が入力される場合に光共振器２０５の共振波長にロックすることで波長安定化した安定化光源２００のブロック図である。この例では、レーザー光２０１を波長シフター２０２でシフトすることで波長を可変にしている。また、同期検波器２０９の出力である帰還信号は、ＰＩＤ１１２で平滑された後、ＶＣＯ（電圧制御発振器）２１３で、帰還信号の強度に応じた周波数の交流信号を含む波長シフター用信号に変換される。この波長シフター用信号の上記周波数のオフセットは、オフセット電圧源２１４の電圧を調整することで設定することができる。この安定化光源２００は、光共振器２０５を基準とした入射レーザー光２０１の波長変動を反映した電気信号を出力する(出力ｂ)。ここでＰＤＨ法のための変調は独立な光変調器２０３を利用して行うほか、安定化光源２０１からの変調されている出力光を利用することもできる。当然のことであるが、上記ＶＣＯの代わりにシンセサイザー方式の信号発生器を用いることができる。

この場合も、上記と安定化光源１００の場合と同様に、上記プローブ光生成手段である安定化光源２００の上記帰還信号によるレーザー光の波長調整可能速度は、抑制しようとする上記ファブリペロー型光共振器の共振波長のドリフト速度よりも大きいことが必要である。つまり、抑制できる上記ドリフトの周波数帯域は、上記帰還信号による帰還制御の周波数帯域に限られる。

本発明の、共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサーに用いる複合光共振器３００の例を図３に、その複合光共振器３００を用いた加速度センサーの例を図４、図５に示す。図３は、光共振器の構成例とともに、その光共振器に、図中の矢印方向に地上の重力加速度に相当する9.8m/s²の加速度が印加された場合の数値シミュレーションによる結果で、その光共振器に起こる歪による各点の光軸方向(z方向)の変位量分布を示す。色の濃い部分の歪が大きく、共振器Ｂ側で窪み、Ｃ側で出張る。

図３に示す複合光共振器３００は、例えば上記ＵＬＥ製の樽型スペーサーを鉛直にして共通スペーサーとし、縦に並行する４本の空洞を設け、それらの空洞の両端に高反射率の反射鏡Ｍ１、Ｍ２、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２、Ｃ１、Ｃ２を設けて、各々の空洞を光共振器（３１０、３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ）として用いる複合光共振器である。因みにＭ１、Ｍ２は、中心にある光共振器のものであり、その他は、その周りの光共振器のものである。上記空洞の１つ（中心空洞の光共振器３１０）は上記樽型スペーサーの中心線を含み、その中心線と空洞との中心線とは一致するようにする。他の空洞（光共振器３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ）は、この例では、上記中心空洞の周りの回転対象の位置に、その中心から等距離に配置している。その空洞の配置例は、上記空洞の１つは上記中心線を含む位置に設けられ、他の空洞は上記中心線を含まない位置で該中心線についての対称位置に設ける。共通スペーサーの構成材料としては、上記ＵＬＥ等低熱膨張ガラスの他に、例えばシリコンやサファイアなどの、単結晶を用いることができる。この場合、経年変化を抑制することができるが、より高度の温度制御が求められる場合がある。

上記共通スペーサーは、その外周に支持用の台や枠を有しそれに支持部を設けて支持する。この支持については、台座から上に伸びる支持具や、上からつりさげる支持具などを用いることができる。例えば、上記共通スペーサーの中心線の円周上の位置に等距離で各空洞を設ける場合、その円周を等分し上記支持部の２つの支持点の中間に設ける。

図４に本発明の共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサー４００の例を示す。これは、図３に示す複合光共振器３００を用いたものである。まず、レーザー光源５０１からのレーザー光は、図１の安定化光源１００と同様な構成で光共振器４１０にロックされ、上記レーザー光は光分岐器４０７で分岐され分岐器４０７Ａ、４０７Ｂ、４０７Ｃに順次送られる。光分岐器４０７で分岐されたレーザー光が安定化光源１００における出力ａに相当する。この構成で光共振器４１０の周りに配置された光共振器４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃには、光共振器４１０で安定化されたレーザー光がほぼ等しく分岐されて供給される。同調部４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃには、例えば、それぞれ図２の同調部２５０の構成を適用することができる。また、図２におけるＶＣＯから分岐された出力ｂが、上記のそれぞれの共振器についての周波数ｆ_A、ｆ_B、ｆ_Cに相当する。また、周知の様に周波数と位相は同等であって、微小な周波数変化を検出する際には、角速度に時間を乗じた位相についての位相変化を検出することがよく行われている。この周波数ｆ_A、ｆ_B、ｆ_Cについては、印加された加速度に起因しないオフセット分がそれぞれ含まれているのでその周波数分を低減しておくことが望ましい。

上記周波数ｆ_Aの信号について、周波数から電流または電圧に変換する変換器４０３を用いて、ｘ方向の加速度(ａ_x)に比例した電圧信号（または電流信号）に変換する。また、上記周波数ｆ_B、ｆ_Cの信号について、周波数混合器４０４で信号積をとることで混合し、低周波側濾波器４０５でその低周波数側の側帯波成分を選択する。この側帯波成分については、変換器４０６を用いて、ｙ方向の加速度（ａ_y）に比例した電圧信号（または電流信号）に変換する。この変換の出力におけるオフセット分を差し引くことで、上記の様に周波数を差し引くことの代わりとすることもできる。また、上記変換器４０３、４０６は、デジタル信号に変換してそれを出力するものであってもよい。この際に、上記オフセット分を除去した分についてデジタル変換することが望ましい。

また、上記周波数ｆ_A、ｆ_B、ｆ_Cについて、各々を周波数カウンタあるいは位相計測器を用いてデジタル信号に変換することで、周波数ｆ_Aがｘ方向の加速度(ａ_x)の線形関数になり、周波数ｆ_Bとｆ_Cとの差がｙ方向の加速度（ａ_y）の線形関数となるので、容易に上記の乗算器や濾波器をデジタル演算装置で置き換えることができる。

図５に示す共通のスペーサーに設けた複数の光共振器による加速度センサー５００の例では、図４における上記周波数ｆ_B、ｆ_Cの信号について、周波数混合器５０４で信号積をとることで混合し、低周波側濾波器５０６でその低周波数側の側帯波信号成分を選択する。この側帯波信号については、変換器５０８を用いて、ｙ方向の加速度（ａ_y）に比例した電流信号（または電圧信号）に変換する。また、周波数ｆ_B、ｆ_Cの信号の上記混合による信号について、高周波側濾波器５０９で、その高周波数側の側帯波成分を選択し、この信号を分周器５１０に通して半分の周波数に分周し、この分周した信号と周波数ｆ_Aの信号と周波数混合器５０３で信号積をとることで混合し、低周波側濾波器５０５でその低周波数側の側帯波信号成分を選択する。この選択された信号は、変換器５０７を用いてｘ方向の加速度(ａ_x)に比例した電流信号（または電圧信号）に変換する。上記変換器５０７、５０８は、デジタル信号を出力するものであってもよい。

また、上記実施例１の場合と同様に、上記周波数ｆ_A、ｆ_B、ｆ_Cについて、各々を周波数カウンタあるいは位相計測器を用いてデジタル信号に変換することで、周波数ｆ_Bとｆ_Cとの平均と周波数ｆ_Aとの差がｘ方向の加速度(ａ_x)の線形関数となり、また、周波数ｆ_Bとｆ_Cとの差がｙ方向の加速度（ａ_y）の線形関数となるので、容易に上記の乗算器や濾波器をデジタル演算装置で置き換えることができる。

上記加速度センサーの出力を用いて、その複合光共振器にかかる加速度を能動的に抑制することができる。これによって、複合光共振器３００に印加される加速度が抑制され、特に光共振器３１０や４１０に印加される加速度が抑制されるため、図４または図５の光出力の周波数をより安定化することができる。

図６、図７に、上記加速度出力を負帰還に用いて、複合光共振器３００に印加される加速度を抑制するための構成例を示す。

図６の（ａ）正面図と（ｂ）の平面図は、第１除振台６０１上に除振台支柱６０３ｘ、６０３ｙ、６０４で支えられた第２除振台６０２上に複合光共振器を複合光共振器支柱６０５Ａ、６０５Ｂ、６０５Ｃで支持する構成を示す。複合光共振器支柱と第２除振台６０２との間に、例えば電歪素子や磁歪素子からなる駆動素子６１０ｘ、６１０ｙとばね６０６ｘ、６０６ｙを設けて、駆動電圧Ｖｘ、Ｖｙを印加し、検出した加速度ベクトルと逆に、ｘ、ｙ方向に駆動して複合光共振器に印加される振動加速を抑制するように能動除振装置を構成する。上記複合光共振器３００は、その第２除振台６０２に設置される。上記加速度出力を増幅した後、駆動素子６１０ｘ、６１０ｙに上記加速度が抑制される極性で印加する。上記駆動電圧Ｖｘ、Ｖｙは、実施例１での記載の様に図４（４０３から４０６）や図５（５０３から５１０）のブロック図に沿った処理で得ることができるが、デジタル化された上記ｆ_A、ｆ_B、ｆ_Cについては、図６（ｃ）に示すように、演算器６０５で３元ベクトルを２元ベクトルに変換する所定の変換行列に従って変換することで上記駆動電圧Ｖｘ、Ｖｙを得ることができる。また、上記駆動素子は、電歪素子や磁歪素子の働きがプッシュプルになるように第２除振台６０２を挟んで向かい合う様に配置してもよい。但し、この場合、プッシュプルとなる一対の駆動素子によって新たな歪が光共振器に誘起されない様にするため、ばねを駆動素子と第２除振台６０２の間に挟むことが有効な場合もある。

図７の（ａ）正面図と（ｂ）の平面図は、第１除振台上の複合光共振器３００を電歪素子や磁歪素子で３方向に駆動するものである。その電歪素子や磁歪素子は、光共振器３００を支持する他に、ｘｙ面上での動きを駆動する。上記加速度出力は、ｘｙ直交２元ベクトルから１２０度の角度で交わる３元ベクトルの各成分に変換され、また増幅された後、その電歪素子や磁歪素子に上記加速度が抑制される極性で印加する。

また、図７（ｃ）の場合、デジタル信号に変換された周波数ｆ_A、ｆ_B、ｆ_Cについて、各々を周波数カウンタあるいは位相計測器を用いてデジタル信号に変換することで、負帰還を実現するために、これらの値を入力して各電歪素子や磁歪素子に印加すべき電流値や電圧値に変換するための変換行列を構成することは、容易である。

一般に、上記の３元ベクトルでの駆動による場合は、力の合成を光共振器のスペーサーで行うことで新たな歪が光共振器に発生しやすいので、駆動力の合成は光共振器の枠とは異なる枠または台で行って、光共振器に歪が発生しない構造とすることは容易である。

本発明によって、光共振器に於いて従来１Ｈｚ以下の地面振動の影響を省スペースで除振することが困難であった問題が解消する。現在１秒の安定度で１０のマイナス１６乗台の光共振器が実現し、さらなる改善のためには除振性能の一段の向上が求められている。また、従来は低域にある共振器材料のエージングの効果と振動による共振器長の変化を峻別することが困難であったが、単結晶材料を共振器として利用することでエージングの効果が低減されたため、本発明はこの点を解決する。また、重量のある除振台の利用が困難な可搬型や衛星搭載の局部光周波数発振器においても本発明を利用することによって除振性能を与えることが出来る。そのほか、極低温下で動作させる究極の光共振器においては、冷凍機の振動に対する処方箋が求められている。本発明は冷凍機の振動に対する除振としても有効である。

１００安定化光源
１０１レーザー光源
１０２アイソレータ
１０３光変調器
１０４偏光ビームスプリッタ
１０５光共振器
１０６４分の１波長板
１０７分岐器
１０８光検出器
１０９同期検波器
１１０発振器
１１１半波長板
１１２ＰＩＤ
２００安定化光源
２０１レーザー光
２０２波長シフター
２０３光変調器
２０４偏光分岐器
２０５光共振器
２０６４分の１波長板
２０８光検出器
２０９同期検波器
２１０発振器
２１１半波長板
２１２ＰＩＤ
２１３ＶＣＯ
２１４オフセット電圧源
２５０同調部
３００複合光共振器
３１０、３１０Ａ、３１０Ｂ、３１０Ｃ光共振器
４００加速度センサー
４０２Ａ、４０２Ｂ、４０２Ｃ同調部
４０３周波数電圧変換器
４０４周波数混合器
４０５低周波側濾波器
４０６周波数電圧変換器
４０７、４０７Ａ、４０７Ｂ、４０７Ｃ光分岐器
４１０、４１０Ａ、４１０Ｂ、４１０Ｃ光共振器
５００加速度センサー
５０３、５０４周波数混合器
５０５、５０６低周波側濾波器
５０７、５０８周波数電圧変換器
５０９高周波側濾波器
５１０分周器
６０１、６０２除振台
６０３ｘ、６０３ｙ、６０４除振台支柱
６０５Ａ、６０５Ｂ、６０５Ｃ複合光共振器支柱
６０６ｘ、６０６ｙばね
６１０ｘ、６１０ｙ駆動素子
７０１除振台
７１０Ａ、７１０Ｂ、７１０Ｃ駆動素子

Claims

ファブリペロー型光共振器の共振周波数の変化をレーザー光を用いて測定し加速度を検出する加速度センサーであって、
複数の光共振器を備える複合光共振器と、
上記複数の光共振器のそれぞれの共振周波数の少なくとも２つの比較から上記複合光共振器に印加された加速度を導出する加速度導出手段と、を備え、
上記複合共振器は、中心線に対する回転対称性を有するスペーサー材を共通のスペーサーとする３つ以上の光共振器用にそれぞれの空洞を備える複合光共振器であり、
上記空洞のそれぞれは互いに並行し、
上記空洞の１つは上記中心線を含む位置に設けられ、他の空洞は上記中心線を含まない位置で該中心線についての対称位置に設けられていることを特徴とする加速度センサー。
上記複合光共振器は、重力方向に光路が設けられ、
上記共通のスペーサーの外周に設けられた支持部における支持点で支持され、
上記支持点の各々は、上記中心線を含まない位置に設けられたいずれか２つの上記空洞からの等距離面上の上記中心線から等距離の位置に設けたものであることを特徴とする、請求項１に記載の加速度センサー。
上記中心線を含まない位置に設けられた上記光共振器の数と上記支持点の数は各々３であり、
上記光共振器を順にＡ、Ｂ、Ｃとし、該Ａ、Ｂ、Ｃの上記中心線に対するそれぞれの反対側にある支持点を支持点Ａ、Ｂ、Ｃとし、支持点Ａ、Ｂ、Ｃを含む平面上の直交座標をｘｙ座標とし、ｘ軸方向を上記中心線から支持点Ａに向かう方向とし、ｙ軸方向を支持点Ｃから支持点Ｂに向かう方向とするとき、
上記加速度導出手段は、ｙ方向加速度をＢとＣの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からのそれぞれの共振周波数偏移の差から導出し、ｘ方向加速度をＡの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移から導出するものであることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１つに記載の加速度センサー。
上記中心線を含まない位置に設けられた上記光共振器の数と、上記支持点の数は、各々３であり、
上記光共振器を順にＡ、Ｂ、Ｃとし、該Ａ、Ｂ、Ｃの上記中心線に対するそれぞれの反対側にある支持点を支持点Ａ、Ｂ、Ｃとし、支持点Ａ、Ｂ、Ｃを含む平面上の直交座標をｘｙ座標とし、ｘ軸方向を上記中心線から支持点Ａに向かう方向とし、ｙ軸方向を支持点Ｃから支持点Ｂに向かう方向とするとき、
上記加速度導出手段は、ｙ方向加速度をＢとＣの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からのそれぞれの共振周波数偏移の差から導出し、ｘ方向の加速度を、ＢとＣの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移の平均からＡの上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器からの共振周波数偏移を引くことで、得るものであることを特徴とする、請求項１または２のいずれか１つに記載の加速度センサー。
上記Ａ、ＢおよびＣの各々の共振周波数偏移は、上記光共振器Ａ、Ｂ、Ｃに入射される、上記中心線を含む位置に設けられた上記光共振器にロックされたレーザー光の周波数からのＡ、ＢおよびＣのそれぞれの共振周波数の偏移であることを特徴とする、請求項３または４のいずれか１つに記載の加速度センサー。
上記複合光共振器を搭載する被駆動台と、
面上を動く様に上記被駆動台を駆動する駆動系と、
上記加速度導出手段の出力を上記駆動系に印加して負帰還する負帰還回路と、を備え、
上記負帰還によって上記加速度検出手段の出力を抑制するものであることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１つに記載の加速度センサーを用いた能動除振装置。