JP5559122B2 - 微小機械振動子および微小機械振動子の制御方法 - Google Patents
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Description
また、本発明の微小機械振動子の1構成例において、前記励振手段は、前記第1の信号に応じた圧電効果による力、前記第1の信号に応じた光照射による熱応力、前記第1の信号に応じた静電力、あるいは前記第1の信号に応じたローレンツ力のいずれかを用いて前記振動部を励振し、前記混合手段は、前記第2の信号に応じた圧電効果による力、前記第2の信号に応じた光照射による熱応力、前記第2の信号に応じた静電力、あるいは前記第2の信号に応じたローレンツ力のいずれかを用いて、前記振動部を前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態で振動させることを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の1構成例において、前記混合手段は、前記振動部の振動モードを前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態に切り換えた時点から、前記第1の振動モードのエネルギーが最初に極小になる時間だけ、前記第2の信号を前記振動部に加えることを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の1構成例は、前記第1の振動モードのQ値に比べ、前記第2の振動モードのQ値が小さいことを特徴とするものである。
また、本発明の微小機械振動子の1構成例は、前記振動部として両持ち梁、あるいは片持ち梁、あるいはダイヤフラムの形状を有することを特徴とするものである。
本発明では、2つの固有振動モードを有する微小機械振動子において、外部からの信号によりこれら2つの固有振動が混ざり合う性質を用いる。図1は本実施の形態に係る微小機械振動子の構成を示す斜視図である。従来と同様に、微小機械振動子は、GaAs基板104の上に絶縁性GaAs層あるいはAlGaAs層103が形成され、この絶縁性GaAs層あるいはAlGaAs層103の上に導電性GaAs層102が形成され、導電性GaAs層102の上に絶縁性Al0.3Ga0.7As層101が形成されている。
(A)両持ち梁部108の2つの固有振動は、ショットキー電極106に印加する電圧によって混ざり合う。すなわち、梁平面内の位置を表す座標を(x,y)とし、ショットキー電極106に電圧を加えない時の両持ち梁部108の第1の固有振動の波動関数(場所の関数としての変位)をf1(x,y)、同じく電圧を加えない時の両持ち梁部108の第2の固有振動の波動関数をf2(x,y)、ショットキー電極106に電圧Vを加えた時の両持ち梁部108の第1の固有振動の波動関数をf1’(x,y)、同じく電圧Vを加えた時の両持ち梁部108の第2の固有振動の波動関数をf2’(x,y)、これら二つのモード以外の振動モードの波動関数の線形結合をfsum1、fsum2とすると、Vが十分小さい場合に次式が成立する。
f1’(x,y)=f1(x,y)+V[af1(x,y)+bf2(x,y)
+fsum1] ・・・(1)
f2’(x,y)=f2(x,y)+V[cf1(x,y)+df2(x,y)
+fsum2] ・・・(2)
ここで、a,b,c,dは0でない係数である。
(C)さらに、2つの励振用交流電源411,413による交流電圧の印加を、両持ち梁部108の振動周期程度の速さでオン/オフできる切換手段となるスイッチ412,414を有する。
図2は、本実施の形態の微小機械振動子においてショットキー電極106に印加する2つの交流電圧をスイッチした時の第1の振動モードおよび第2の振動モードのエネルギー変化を示す図である。図2において、B0は励振用交流電源413が発生する交流電圧の振幅である。
まず、2つのスイッチ412,414をオフにした状態で、励振用交流電源411によって周波数fr1の交流電圧を発生させ、励振用交流電源413によって周波数fr2−fr1の交流電圧を発生させておく。ここで、fr1は両持ち梁部108の第1の振動モードの固有振動数、fr2は両持ち梁部108の第2の振動モードの固有振動数である。
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。第1の実施の形態では1つの微小機械振動子における異なる振動モードを用いたが、構造的に結合した2つの微小機械振動子においても同様の効果を得ることができる。図4は本実施の形態に係る微小機械振動子の構成を示す斜視図である。
ショットキー電極117には、励振用交流電源411からスイッチ412を介して交流電圧が印加され、ショットキー電極119には、励振用交流電源413からスイッチ414を介して交流電圧が印加される。検出用アンプ112は、ショットキー電極120から出力される電圧を増幅する。
また、第1、第2の実施の形態では、振動部として両持ち梁の構造を有する振動子を用いたが、片持ち梁やダイヤフラムなど、任意の形状の機械共振器を用いても、同様の効果を得ることができる。特に片持ち梁では、両持ち梁に比較して梁のばね定数を小さくできるため、高感度センサへの応用が可能である。またダイヤフラム構造では両持ち梁に比較してばね乗数を大きくできるため、高速の信号処理に応用可能である。ダイヤフラム構造については、文献「Kojiro Tamaru,Keiichiro Nonaka,Masao Nagase,Hiroshi Yamaguchi,Shinichi Warisawa,and Sunao Ishihara,“Direct Actuation of GaAs Membrane with the Microprobe of Scanning Probe Microscopy”,Japanese Journal of Applied Physics,48,2009,06FG06」に示されている。
また、第1、第2の実施の形態では、梁部を構成する材料としてGaAs/AlGaAsのヘテロ構造材料を用いたが、電圧を印加することにより2つの振動モードを混合させることのできるあらゆる固体材料を用いることが可能である。
また、第1、第2の実施の形態では、2つの振動モードを電気的に混合する手段を示したが、2つの振動モードを混合する手段として例えば光を照射したことによる熱応力を用いる手段を採用してもよい。本発明では、以上の例に限定されず、2つの振動モードの混合を外部から制御できるあらゆる手法を用いることができることは言うまでもない。
Claims (7)
- 基板上に形成された支持部と、
端が前記支持部で固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持され、2つ以上の異なる振動モードを有する振動部と、
この振動部を第1の振動モードで励振する励振手段と、
前記振動部を前記第1の振動モードおよび第2の振動モードが混合した状態で振動させる混合手段と、
前記振動部を前記第1の振動モードで励振する状態から、前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態に切り換える切換手段とを備え、
前記励振手段は、前記第1の振動モードの固有振動数と等しい周波数の第1の信号により前記振動部を励振し、
前記混合手段は、前記第1の振動モードの固有振動数と前記第2の振動モードの固有振動数との差あるいは和に等しい周波数の第2の信号により、前記振動部を前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態で振動させることを特徴とする微小機械振動子。 - 請求項1記載の微小機械振動子において、
前記振動部は、それ自身が2つの異なる振動モードを有する1個の振動部、あるいは、連動して振動することにより2つの振動モードを持つ2個の振動部を結合した構造からなることを特徴とする微小機械振動子。 - 請求項1または2記載の微小機械振動子において、
前記励振手段は、前記第1の信号に応じた圧電効果による力、前記第1の信号に応じた光照射による熱応力、前記第1の信号に応じた静電力、あるいは前記第1の信号に応じたローレンツ力のいずれかを用いて前記振動部を励振し、
前記混合手段は、前記第2の信号に応じた圧電効果による力、前記第2の信号に応じた光照射による熱応力、前記第2の信号に応じた静電力、あるいは前記第2の信号に応じたローレンツ力のいずれかを用いて、前記振動部を前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態で振動させることを特徴とする微小機械振動子。 - 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の微小機械振動子において、
前記混合手段は、前記振動部の振動モードを前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態に切り換えた時点から、前記第1の振動モードのエネルギーが最初に極小になる時間だけ、前記第2の信号を前記振動部に加えることを特徴とする微小機械振動子。 - 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の微小機械振動子において、
前記第1の振動モードのQ値に比べ、前記第2の振動モードのQ値が小さいことを特徴とする微小機械振動子。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の微小機械振動子において、
前記振動部として両持ち梁、あるいは片持ち梁、あるいはダイヤフラムの形状を有することを特徴とする微小機械振動子。 - 基板上に形成された支持部と、端が前記支持部で固定されることによって前記基板から浮いた状態で支持され、2つの異なる振動モードを有する振動部とを備えた微小機械振動子の制御方法であって、
前記振動部を第1の振動モードで励振する励振ステップと、
前記振動部を前記第1の振動モードおよび第2の振動モードが混合した状態で振動させる混合ステップと、
前記振動部を前記第1の振動モードで励振する状態から、前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態に切り換える切換ステップとを備え、
前記励振ステップは、前記第1の振動モードの固有振動数と等しい周波数の信号により前記振動部を励振し、
前記混合ステップは、前記第1の振動モードの固有振動数と前記第2の振動モードの固有振動数との差あるいは和に等しい周波数の信号により、前記振動部を前記第1の振動モードおよび前記第2の振動モードが混合した状態で振動させることを特徴とする微小機械振動子の制御方法。
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