(57)【要約】【課題】超伝導リングの磁束量子化というマクロ量子現象に基づいた新しい概念の力発生装置を提供する。【解決手段】磁束量子数に比例する磁気モーメントを有する超伝導量子トラップ手段１と、前記超伝導量子トラップ手段１が設置され、弾性を有し、磁場勾配に置かれた前記超伝導量子トラップ手段１が受ける力によって変位される超高感度カンチレバー２と、前記超伝導量子トラップ手段１に磁場を加える磁場発生手段３とを含んで量子ベースの力発生装置を構成する。【選択図】図１
2008051794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁束量子数に比例する磁気モーメントを有する超伝導量子トラップ手段と、
前記超伝導量子トラップ手段が設置され、弾性を有し、磁場勾配に置かれた前記超伝導量子トラップ手段が受ける力によって変位される超高感度カンチレバーと、
前記超伝導量子トラップ手段に磁場を加える磁場発生手段とから構成されることを特徴とする量子ベースの力発生装置。
【請求項２】
前記超伝導量子トラップ手段は、ニオビウム（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）などの低温超伝導体から構成されることを特徴とする請求項１に記載の量子ベースの力発生装置。
【請求項３】
前記超伝導量子トラップ手段は、超伝導量子干渉回路であることを特徴とする請求項１または２に記載の量子ベースの力発生装置。
【請求項４】
前記超伝導量子トラップ手段は、超伝導リングであることを特徴とする請求項１または２に記載の量子ベースの力発生装置。
【請求項５】
磁束量子数に比例する磁気モーメントを有する超伝導量子トラップ手段と、
前記超伝導量子トラップ手段が設置され、弾性を有し、磁場勾配に置かれた前記超伝導量子トラップ手段が受ける力によって変位される超高感度カンチレバーと、
前記超伝導量子トラップ手段に磁場を加える磁場発生手段と、
前記カンチレバーの変位を感知する光ファイバー干渉計と、
前記各手段を制御して得られたデータから力を算出するコンピュータとから構成されることを特徴とする量子ベースの力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、標準力発生装置に関するもので、一層詳しくは、超高感度カンチレバーに数マイクロン大きさの超伝導リングや超伝導量子干渉回路を構成し、磁束量子数に比例する力を発生させる超伝導磁束量子を用いた標準力発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
産業が日々に高度化するにつれて、測定標準の正確度が重要になりつつある。力測定の場合、その分野は、数十ＭＮ（メガニュートン）以上の荷重を取り扱う航空宇宙産業、重化学工業、プラント産業から、数十μｇ以下の質量を測定する超精密天秤分野及びナノニュートン（ｎＮ）を感知する原子顕微鏡に至るまで広範囲であり、各国では、国家標準機関ごとに実荷重力標準器を開発して主に5N〜500KN範囲内の力の国家標準用に用いているが、これら実荷重力標準器の正確度を評価することが一つの課題となっている。
【０００３】
上記のような力標準器に用いられる装置が力発生装置であり、この力発生装置は、分銅によって発生する力を力測定器に伝達するための装置で、力測定器の正確度を確認する装備である。
【０００４】
最近、測定感度の著しい発達と伴い、力測定は、尖端ナノ／バイオ研究で非常に有用かつ必須的なものとして認識されている。この力測定は、蛋白質フォルディング研究、高集積データ保存、ナノスケールイメージング、非ニュートン式重力測定などにわたって広く用いられている。
【０００５】
さらに、力測定領域は、徐々に微小領域にまで拡張され、単一電子スピンも判読可能な磁気共鳴力顕微鏡で見るようにアットニュートン（１０−１８Ｎ：αＮ）に達している。
【０００６】
しかしながら、国際標準系（Ｓｙｓｔｅｍ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ：ＳＩ）遡及が可能な力標準や力発生は、１ニュートン（Ｎ）以下でさえ確立されていない状況で、既存の実荷重（ｄｅａｄｗｅｉｇｈｔ）方式は、マイクロニュートン（μＮ）以下では用いられない。最近、米国国立技術標準院（Ｎａｔｉｏｎａｌ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ  ａｎｄ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：ＮＩＳＴ）では、電気的な方式で１０マイクロニュートン以下の力を発生させるためのマイクロ力実現及び測定プロジェクトに着手した。これは、所定の電圧がかかったキャパシタの二つの電極間に作用する力を用いるもので、力が電圧などの電気的単位で表現される。また、これら電気的単位は、ジョセフソン効果や分数ホール効果によって提供される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記のような既存の力標準器においては、ナノニュートン（ｎＮ）、ピコニュートン（ｐＮ）以下の力に対する力具現方式や標準方式が未だに提示されておらず、電気的単位とは異なって、量子現象に直接基づいた機械的な力発生方式も未だに提起されていない。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、超伝導リングの磁束量子化というマクロ量子現象に基づいた新しい概念の力発生装置を提供することを目的とする。
【０００９】
さらに、本発明は、磁束量子数の変化を通して、所定大きさである単位力の整数倍だけ力を増加または減少させることができ、その単位大きさがサブピコニュートン程度であり、磁束量子がサブピコニュートン大きさの分銅としての役割をし、国際標準系遡及性を有し、それぞれの大きさが量子力学的に均一な力発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記のような本発明の目的を達成するための量子ベースの力発生装置は、磁束量子数に比例する磁気モーメントを有する超伝導量子トラップ手段と、前記超伝導量子トラップ手段に超電流を供給するための電源供給手段と、前記超伝導量子トラップ手段が設置され、弾性を有し、磁場勾配に置かれた前記超伝導量子トラップ手段が受ける力によって変位される超高感度カンチレバーと、前記超伝導量子トラップ手段に磁場を加える磁場発生手段とから構成されることを特徴とする。
【００１１】
また、上記のような本発明の目的を達成するための量子ベースの力測定装置は、磁束量子数に比例する磁気モーメントを有する超伝導量子トラップ手段と、前記超伝導量子トラップ手段が設置され、弾性を有し、磁場勾配に置かれた前記超伝導量子トラップ手段が受ける力によって変位される超高感度カンチレバーと、前記超伝導量子トラップ手段に磁場を加える磁場発生手段と、前記カンチレバーの変位を感知する光ファイバー干渉計と、前記各手段を制御して得られたデータから力を算出するコンピュータとから構成されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によると、量子に基づいた微細な力を発生させ、力を量子単位で微細に制御し、ピコニュートン領域で標準力を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の好適な実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。本発明の実施形態は、当業者が容易に理解して再現可能な程度に詳細に説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る量子ベースの力発生器を示した斜視図で、図２は、本発明に係る量子ベースの力発生器を用いた力測定器の構成図である。
【００１５】
図示したように、本発明に係る力発生装置は、超伝導量子トラップ手段１である超伝導リングと、該超伝導リング１が設置された超高感度カンチレバー２と、超伝導量子トラップ手段１に磁場を加える磁場発生手段３と、を含んで構成される。
【００１６】
前記超伝導量子トラップ手段１は、図１に示すように、マイクロ大きさの超伝導リングや超伝導量子干渉回路（ＳＱＵＩＤ）で構成されるが、本発明では、超伝導リングを一例として説明する。
【００１７】
前記超伝導リング１は、低温超伝導体であるニオビウム（Ｎｂ）、アルミニウム（Ａｌ）などの物質で構成され、臨界温度以下では、これを通過する磁束が不連続的な値を有する量子化現象が発生する。このように発生した磁束量子により、磁気モーメントが特定値の整数倍に比例するようになる。このような磁気モーメントを有する超伝導リング１は、磁場勾配に置かれて力を受けるようになり、この力によって超高感度カンチレバー３の変位が発生する。
【００１８】
上記の例では、超伝導物質としてニオビウム及びアルミニウムが挙げられたが、この超伝導物質には多様な種類があり、これら超伝導物質を選択的に使用できることは、本発明の属する技術分野で容易に理解可能であるので、これに対する具体的な羅列は省略する。
上記のように超伝導リング１に磁場を与える手段として、前記磁場発生手段３を備えており、この磁場発生手段３は、通常の磁石や超伝導コイル磁石などで構成される。
【００１９】
発生する力は、磁束量子数の変化によって調節できる。
【００２０】
上記のように構成された力発生装置を用いて、量子ベースの力測定装置が具現される。この量子ベースの力測定装置は、上記のように構成された力発生装置に、前記超高感度カンチレバー３の変位を感知する光ファイバー干渉計５と、前記各手段を制御して得られたデータから力を算出するコンピュータ５と、をさらに設置して構成される。
【００２１】
すなわち、前記磁場発生手段３の磁場によって超伝導リング１を通過する磁束が量子化されることで力が発生し、この力によって超高感度カンチレバー２の変位が発生すると、この変位を前記光ファイバー干渉計４で感知して測定し、コンピュータ５で力に換算するようになる。
【００２２】
以下、上記のような量子ベースの力発生装置を用いた力の発生過程を説明する。
まず、力は、磁気モーメントと磁場勾配との乗算によって求められ、磁気モーメントを求める過程は下記の通りである。
【００２３】
超伝導リング（１）によって量子化された磁束の大きさは、式Φ＝ｎφ0＝ｎｈ／２ｅ
で表現される。
【００２４】
上式中、ｎは、磁束量子数として正の整数であり、磁束単位量子φ０は、基本常数であるプランク常数ｈと電子電荷ｅによって決定される。
【００２５】
超伝導リングのインダクタンス近似値を表現する式Ｌ＝２μ０Ｒと、超電流ＩＳによる磁気モーメントを表現する式ｍ＝ＩＳπＲ２を用いると、磁束量子による磁気モーメントは、式
【００２６】
【数１】
2008051794.tif 000003
【００２７】
で簡単に表現される。
【００２８】
上式中、μ０＝４π×１０-７で、Ｒは、超伝導リングの半径である。
【００２９】
一層正確な値は、超伝導リング内部の３次元的電流分布を求めた後、式
【００３０】
【数２】
2008051794.tif 000004
【００３１】
によって積分して求める。
【００３２】
上式中、ａ、ｂは、超伝導リングの内半径と外半径で、Ｊ（ｒ）は、超伝導リングの中心からｒだけ離れた部分の電流密度である。電流密度の分布Ｊ（ｒ）は、Ｇｉｎｚｂｕｒｇ-Ｌａｕｄａｕ方程式及びＭａｘｗｅｌｌ電磁気方程式で求められ、結果的に、磁気モーメントは、式
【００３３】
【数３】
2008051794.tif 000005
【００３４】
で表現される。
【００３５】
上式中、関数ｇ（ａ、ｂ、Λ）は、電流密度分布によるもので、長さ量ａ、ｂと磁場の浸透深さ によって決定され、一般的に、数値計算によって求められる。
【００３６】
したがって、量子力は、式
【００３７】
【数４】
2008051794.tif 000006
【００３８】
で表現され、基本常数ｈ、ｅ、長さ量及び磁場勾配によって決定される。
【００３９】
例えば、ニオビウム（Ｎｂ）超伝導リングの内半径が５ｕｍ、外半径が１０ｕｍ、厚さが５０ｎｍ、磁場勾配が１０Ｔ／ｍである場合、単位量子数による磁気モーメントは、式
【００４０】
【数５】
2008051794.tif 000007
【００４１】
で表現され、これによる単位力は、式
【００４２】
【数６】
2008051794.tif 000008
【００４３】
で表現される。
【００４４】
磁束量子による力の最大限界は、式
【００４５】
【数７】
2008051794.tif 000009
【００４６】
で表現される。
【００４７】
上式中、IＣは、超伝導物質の臨界電流であり、計算には、ニオビウム物質の臨界電流密度値を用いた。
【００４８】
以上では、単位磁束量子による力を計算したが、総磁気モーメント（ｍｔｏｔａｌ）は、式ｍｔｏｔａｌ＝ｎｍＱ＋χＢｅｘｔに示すように、磁束量子の数(ｎ)の他に、外部磁場（Ｂｅｘｔ）によっても変わるので、所望の力を精密に発生するためには、磁束量子による力成分のみを抽出する特別なプロシージャが必要となる。
【００４９】
本発明者たちが提案するプロシージャは、次の通りである。まず、Ｂｅｘｔ＝０、温度が転移温度（ＴＣ）以下である初期状態（ｎ＝０）から始めて磁場（Ｂｅｘｔ）を徐々に増加させ、超伝導リングに所望の数（ｎ）の磁束量子を通過させる。このとき、温度を転移温度以上に高めてから再び低下させた後、磁場を消すと、Ｂｅｘｔ＝０である最終状態でもｎ個の磁束量子が残るようになる。外部磁場が初期状態と同一であるので、結果的に、ｎ個の磁束量子による力のみが追加的に発生するようになる。プロシージャ前後の超高感度カンチレバーの変位差（Ｄｚ）を測定すると、式ｋ＝Ｆ／Δｚによって、標準力を用いてカンチレバーのスプリング常数を校正できる。このプロシージャは、初期磁場と最終磁場とが同じ場合に依然として有効であり、背景磁場などによって外部磁場が正確に０でないときも適用できるという長所がある。
【００５０】
以上、本発明を好ましい実施形態に基づいて説明してきたが、特許請求の範囲によって提示される本発明の範疇と技術的思想から逸脱しない限り、多様な修正及び変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る量子ベースの力発生器を示した斜視図である。
【図２】本発明に係る量子ベースの力発生器を用いた力測定器の構成図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  超伝導リング
２  カンチレバー
３  磁場発生手段
４  光ファイバー干渉計
５  コンピュータ
【図１】
2008051794.tif 000010
【図２】
2008051794.tif 000011