JP4200434B2

JP4200434B2 - 乱数発生装置

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Publication number: JP4200434B2
Application number: JP2003187305A
Authority: JP
Inventors: 博之藤田; 洋年吉; 信三田; 学安宅
Original assignee: Foundation for the Promotion of Industrial Science
Current assignee: Foundation for the Promotion of Industrial Science
Priority date: 2003-06-30
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2008-12-24
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2005025298A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シミュレーション及び暗号化に用いる乱数を発生する乱数発生装置に係わるものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、通信及び情報技術の発展により、多くの情報が電子的に通信あるいは処理され、保存されるようになってきた。このような情報の電子化で重要な事項のひとつが、情報の安全性、すなわち安全に情報を送受信、保存、処理することである。
機密事項や個人情報など秘密が外部に漏れることは多大な損害を被ることになるため、これらの情報を関係者以外に解読させなくする技術が暗号化技術である。
【０００３】
上記暗号化技術の発展により、極めて強力な暗号化アルゴリズムが開発されてきた。その強固さを保証しているもののひとつが暗号化鍵である。
この暗号化鍵が推測可能なものであればどんなに優秀なアルゴリズムを用いても容易に暗号が解読されてしまう。
この暗号化鍵は、一般に乱数より生成され、安全性を保証するために、乱数が推測不可能であることが必要条件である。
【０００４】
しかし、現在のコンピュータにおける乱数の発生は、疑似乱数発生プログラムにより行われているため、完全には推測不可能ではない。
疑似乱数発生プログラムが生成する乱数は、プログラムを初期化する「シード」と呼ばれる数値によって決定される。
これは、このシードが分かれば、疑似乱数発生プログラムの乱数列が推測可能であることを意味している。
【０００５】
より強固なシード、推測が難しいシードを発生させるために、キーを押した時間や任意に押されたキーの列などを用いることがあるが、数多くの試行を繰り返せば、発生する数列の発現パターンをある程度推測することができる。
この第三者による推測を防止するためには、真に推測不可能な乱数（真乱数）が必要となる。
【０００６】
真乱数を発生する最も良い方法は、自然界に存在するノイズや核分裂、宇宙線などの推測不可能な事象を利用したものである。
実際に熱ノイズを利用した乱数発生器（Random Number Generator:ＲＮＧ）は実現され、商品化されており（非特許文献１）、また、量子効果を利用したデバイスも研究されている（非特許文献２，３）。
【０００７】
【非特許文献１】
http://www.toshiba.co.jp/product/abv
【非特許文献２】
Stofanov A, Guinnard O, Zbinden H,"Optical quantum radom number generator",JOURNAL OF MODERN OPTICS 47, (4) 595-598,MAR,20,2000
【非特許文献３】
Jennewein T, Achleitner U, Wenfurter H, Zelinger A, "A first and compact quantum random number generator", REVIER OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 71:(4) 1675-1680 APR 2000
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの乱数発生器は、乱数発生源からの信号を検出、増幅し、それをデジタルに変換する必要があるため構造が複雑であった。
さらに、従来の乱数発生装置は、デバイスとしての大きさがセンチメートル単位と大きく、また増幅及びデジタル変化における精度が必要なため、価格が高価となっている。
近年の携帯機器においては、無線伝送によりデータの交換を行っているため、暗号化によるデータの保護がより重要となっており、携帯機器への応用を考慮した場合、デバイスの大きさと価格は、大きな問題となる。
【０００９】
本発明はこのような背景の下になされたもので、静電アクチュエータの不安定性を積極的に利用し、小型で真乱数を発生する、基板上にマイクロマニシングの技術を利用して形成した乱数発生デバイスであり、この乱数発生デバイスが機械的スイッチと同様に電極の接触による導通を用いて、乱数を電圧レベルの変化で出力するため、外部に増幅器などを必要とせず単独で乱数を発生できる乱数発生装置を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の乱数発生装置は、突起状に形成された可動部（例えば、一実施形態の可動部ＭＢ）を有する可動部電極（例えば、一実施形態の接地電極ＭＥ）と、前記可動部の両側に等距離の位置に配置され、同一のタイミングで駆動パルスが印加されて、この可動部を静電力により引きつける第１及び第２の駆動電極（例えば、一実施形態の駆動電極ＥＡ，ＥＢ）と、前記可動部の両側に等距離の位置に配置され、前記第１または第２の駆動電極に引きつけられた可動部が接触し、いずれの駆動電極方向に引きつけられたかを検出する第１及び第２の検出電極（例えば、一実施形態の検出電極ＳＡ，ＳＢ）と、前記第１及び第２の検出電極各々と電源との間に介挿される第１及び第２の抵抗（例えば、一実施形態の抵抗ＲＡ，ＲＢ）とを有し、前記可動部が駆動パルスの印加されていないとき、周囲の不確定要素の影響により、前記第１及び第２の駆動電極間において、位置が不規則に揺らいでおり、駆動パルスが印加されたとき、周囲の不安定要素により電界が揺らぎ、可動部が第１または第２の駆動電極のうちより静電引力強い電極に引き寄せられ、対応する検出電極に接触することによる電圧レベルの変化を乱数値として取り出すことを特徴とする。
【００１１】
本発明の乱数発生装置は、前記可動部と前記第１及び第２検出電極各々との間隔が、可動部と前記第１及び第２の駆動電極の間隔より狭いことを特徴とする。
【００１２】
本発明の乱数発生装置は、前記第１及び第２の抵抗が、前記電圧レベルが「Ｈ」及び「Ｌ」レベルのデジタル値で得られるように、前記可動部と前記第１及び第２の検出電極の接触抵抗より高いことを特徴とする。
【００１３】
本発明の乱数発生装置は、同一基板表面に、前記可動部電極，第１及び第２の駆動電極，第１及び第２の検出電極，第１及び第２の抵抗の組を複数配置して、１回の駆動パルスの印加により複数ビットの乱数を発生させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の乱数発生装置は、静電アクチュエータの不安定性を積極的に利用し、小型で真乱数を発生するものである。
この乱数発生装置は、後に詳細に説明するが、ＳＯＩ等の基板上に、片持ち梁型の可動部とこの可動部を駆動させる駆動電極とを形成した乱数発生デバイスであり、可動部と、電源に抵抗を介して接続された検出電極電極との接触による導通により、機械的スイッチと同様に、検出電極の電圧レベルの「Ｈ」及び「Ｌ」レベルがデジタル値として出力され、このデジタル値が得られるため、外部に増幅器などを必要とせず単独で乱数の信号を発生できる構造となっている。
【００１５】
図を用いて、本発明の動作原理を説明する。図１は乱数発生装置に用いる機構の構成を示す概念図である。
基本構成としては、２つの向かい合った電極ＥＡ，ＥＢの中間位置に、導電体で形成され、接地された可動部ＭＢを配置する。
そして、図１に示すように、２つの電極ＥＡ，ＥＢに同時に同じ電圧を印加した場合、可動部ＭＢ（導電体）と電極ＥＡ及びＥＢ各々との間に静電引力が発生する。
この静電引力は、駆動電極ＥＡ，ＥＢに駆動パルスが印加されていないとき、可動部ＭＢと電極ＥＡ及びＥＢとの距離が同様のため、電極ＥＡ及びＥＢ双方に対して同じである。
このため、可動部は、理論的には双方の駆動電極ＥＡ，ＥＢ間において釣り合った静電引力を受け、駆動パルスが印加されても動かない。
【００１６】
しかし、可動部ＭＢは、２つの駆動電極ＥＡ，ＥＢに電圧を印加しない状態において、機械的には平衡点に存在しているが、駆動電極ＥＡ及びＥＢとの距離が熱的，電気的ノイズ，振動など多くの周囲の環境に基づく不確定要素基づく微小な揺らぎにより、完全な中点ではなく何れかに偏った、つまり、２つの駆動電極ＥＡ，ＥＢに電圧を印加した状態において、静電力的に不安定平衡点に位置している。
すなわち、２つの駆動電極ＥＡ，ＥＢに駆動パルスが印加されていないとき、可動部ＭＢは機械的（パーマス系）な状態でしかないので、安定的な平衡点にある。そして電圧を印加することにより、「電気的に」不安定な平衡点を作り出すことになる。つまり、熱的，電気的ノイズ，振動など多くの周囲の環境に基づく不確定要素に基づく、微小な揺らぎにより、駆動電極ＥＡ，ＥＢの間の中央の点から駆動電極ＥＡ，ＥＢ何れかの電極に、時間の経過において近づいている状態であるため。機械的に安定的な状態から、いずれかの駆動電極に引き寄せられるという不安定な状態に移行することになる。
その結果、可動部ＭＢは、２つの駆動電極ＥＡ，ＥＢに駆動パルスにより所定の電圧を印加すると、静電引力の均衡が崩れ、可動部はどちらかの電極に引かれることになる。
どちらの電極に引かれるかは、上述した熱的、電気的ノイズや振動など多くの周囲の不確定要素に依存するため推測不可能であり、本研究ではこの推測不可能な現象を乱数の発生に利用している。
【００１７】
図を用いて本発明の構成及び動作について説明する。図２は本発明による乱数発生装置の構成例を示す概念図である。
本発明の乱数発生装置は、２つの向かい合ったＳＯＩ上に固定された矩形状の駆動電極ＥＡ，ＥＢの間において、これらの駆動電極との間隔が同一の距離ｄとなる中間位置に、接地電極ＭＥから長尺状状に突出形成された、所定の幅及び長さの矩形形状の突起である可動部ＭＢ（ＳＯＩ面に対し平行に可動）が配置され、静電アクチュエータを構成している。
また、図２に示すように、２つの駆動電極ＥＡ，ＥＢは、コの字状に形成されて、互いに結合（接続）されており、駆動時において、同一のタイミングで同一の駆動電圧が印加されることになるので、駆動時には同電位になる。
【００１８】
すなわち、駆動電極ＥＡと駆動電極ＥＢとの中間位置に、接地電極ＭＥの突出部である片持ち梁型の可動部ＭＢを配置し、その左右に、所定の間隔を持たせ、可動部ＭＢの位置を検出する検出電極ＳＡ，ＳＢを各々配置している。
検出電極ＳＡ，ＳＢ各々は、それぞれ駆動電極ＥＡ，ＥＢの上部に配置され、可動部ＭＢとの間隔は駆動電極ＥＡ，ＥＢと同様に同一であり、距離ｄより短く（狭く）設定され、配置されている。
また、検出電極ＳＡ，ＳＢ各々は、それぞれ抵抗ＲＡ及びＲＢを介して電源Ｄに接続されている。
ここで、検出電極ＳＡ及び抵抗ＲＡの接続点を出力端子ＯＡとし、検出電極ＳＢ及び抵抗ＲＢの接続点を出力端子ＯＢとしている。
また、抵抗ＲＡ及びＲＢは、上記構成例において、ＳＯＩ基板に形成するよう記載されているが、外部の抵抗を接続するようにして、外付けの抵抗とすることで、ＳＯＩ基板上に形成しない構成とすることも可能である。
【００１９】
駆動電極ＥＡ，ＥＢに駆動電圧を印加すると、その時点において、上述した不確定要素の影響により、可動部ＭＢと、駆動電極ＥＡ，ＥＢとの間の静電力の均衡が崩れることになる。
すなわち、駆動電圧が印加されたとき、可動部ＭＢは、機械的な安定状態から、静電引力的（電界的）に不安定状態となり、微小な位置の揺らぎ、及び周囲の不安定要素による電界の揺らぎにより、駆動電極ＥＡまたはＥＢいずれかの、静電引力がより強い方へ引き寄せられ（間隔がより狭いほうに引き寄せられ）、引き寄せられたほうの（対応する）検出電極に接触し、この接触した検出電極の電圧レベルの変化が、乱数の出力値として出力される。
このとき、距離ｄは、周辺の不確定要素により、ゆらぎΔｄにより位置する不安定平衡点として、例えば、駆動電極ＥＡ,ＥＢと、可動部ＭＢとの間隔が、距離（ｄ＋Δｄ）と距離（ｄ−Δｄ）との何れかとなる。
【００２０】
この結果、可動部ＭＢは、駆動電極ＥＡまたはＥＢいずれかの方向に、検出電極ＳＡ，ＳＢのいずれかと接触するまで引き寄せされる。
検出電極ＳＡ，ＳＢが、可動部ＭＢと駆動電極ＥＡ，ＥＢとの接触を防止するストッパーの役目を兼ねることにより、可動部ＭＢが駆動電極ＥＡ，ＥＢに接触して短絡することがない。
これにより、本発明の乱数発生回路は、可動部ＭＢと駆動電極ＥＡ，ＥＢとの間に電流が流れることはなく、低消費電力により駆動させることができる。
【００２１】
図３（ａ）は図２の乱数発生装置の等価回路を示し、図３（ｂ）は図２の乱数発生装置の動作例を説明するタイミングチャートが示されている。
図３（ａ）に示すように可動部ＭＢは、接点スイッチの役割を担うことになり、駆動電極ＥＡ，ＥＢに印可される駆動電圧のパルス信号（クロック）に同期して動作する。
このとき、接点スイッチである可動部ＭＢの動作方向は、すでに述べたように、周囲の不確定要素に基づき予想不可能である。
【００２２】
図３（ｂ）において示されているに、各出力端子から出力される出力波形は、可動部ＭＢが接触した検出電極（ＳＡまたはＳＢ）により決定される。
図３（ａ）の等価回路において、可動部ＭＢと検出電極ＳＡ，ＳＢとの接触抵抗が、抵抗ＲＡ，ＲＢに比べ十分に小さいとする。
そして、図３（ｂ）に示すように、駆動電極ＥＡ，ＥＢに駆動パルスが印可され、この駆動パルスにより発生する静電力により、可動部ＭＢが検出電極ＳＡに接触すると、出力端子ＯＡから「Ｌ」レベルの出力信号が出力され、出力端子ＯＢから「Ｈ」レベルの出力信号が出力される。
そして、連続して駆動パルスを与えることにより、時系列に、これら不確定要素に基づいた不規則な出現確率を有するデジタル値が出力され、所定のビット数の乱数値を得ることができる。
【００２３】
すなわち、可動部ＭＢが検出電極ＳＡに接触すると、スイッチ電源−抵抗ＲＡ−可動部ＭＢと検出電極ＳＡとの接触抵抗−接地電位（可動部ＭＢが接地電極に接続している）の直列の電流パスが形成され、抵抗ＲＡと上記接触抵抗との抵抗値による分圧により、「Ｌ」レベルの信号がデジタル値として出力される。
このため、上記抵抗ＲＡ及びＲＢは、検出電極に可動部ＭＢが接触していないときに、検出電極の電圧レベルが「Ｈ」レベルとなり、検出電極に可動部ＭＢが接触しているときに、「Ｌ」レベルの電圧レベルの検出結果となるように、すなわち乱数となる信号が、次段のデジタル回路の入力において、各々「Ｈ」レベル及び「Ｌ」レベル信号として検出される値となるように、抵抗値が設定される。すなわち、抵抗ＲＡ及び抵抗ＲＢ各々は、可動部ＭＢと検出電極ＳＡ,ＳＢ各々との接触抵抗より高い抵抗値となるように形成される。
【００２４】
また、駆動電極ＥＡ，ＥＢに駆動パルスが印可され、この駆動パルスにより発生する静電力により、可動部ＭＢが検出電極ＳＢに接触すると、出力端子ＯＡから「Ｈ」レベルの出力信号が出力され、出力端子ＯＢから「Ｌ」レベルの出力信号が出力される。
このとき、乱数発生器から乱数としての出力信号を取得するとき、駆動パルスに同期して、すなわち駆動パルスが印加されているときの、出力端子からの出力信号を乱数として取り出すことになる。
【００２５】
上述したように、本発明による乱数発生装置は、可動部ＭＢと検出電極ＳＡ，ＳＢとの接触抵抗が、抵抗ＲＡ，ＲＢに比べ十分に小さければ、出力端子ＯＡ，ＯＢ各々の出力をデジタル信号として取り扱うことができる。
このため、本発明による乱数発生装置は、外部に増幅器などの能動素子を必要とせず、極めて単純な構造で乱数発生器を実現できる。
【００２６】
次に、図４を用いて、静電マイクロアクチュエータを利用した、本発明の乱数発生装置の製造方法を説明する。
図４は本発明の製造方法を説明する、静電マイクロアクチュエータの断面示す概念図（図２における線分Ａ−Ａにおける線視断面図）である。
本発明においては、静電マイクロアクチュエータを、活性層厚１０μｍのＳＯＩ(Silicon on Insurator、Ｓi／ＳiＯ2（２酸化シリコン：酸化膜）／Ｓi)を用いて作製した。
【００２７】
図４（ａ）において、マイクロアクチュエータのパターン（アクチュエータの構造）を、フォトリソグラフィによりＳＯＩ表面に、レジストパターンとして転写する。
そして、このレジストパターン（フォトレジストパターン）をマスクとして、深堀りＲＩＥ(Reactive Ion Etching)による異方性エッチングにより、マイクロアクチュエータのパターン（構造）を作製する。
【００２８】
次に、図４（ｂ）において、フッ化水素酸（ＨＦ）による等方性エッチングにより、可動部ＭＢ直下の酸化膜層を除去し、可動（構造）を基板より切り離す。これにより、可動部ＭＢは、接地電極ＭＥとの接続点を可動軸として、ＳＯＩ基板表面に平行に可動自在となる。
このとき、駆動電極ＥＡ，ＥＢと検出電極ＳＡ，ＳＢの直下の酸化膜は、可動部ＭＢと比較して、面積が非常に大きく、一部の酸化膜が除去されるのみで、ほとんどエッチングされずに残ることとなる。
【００２９】
最後に、図４（ｃ）において、レジストを除去し、検出電極ＳＡ，ＳＢと、可動部ＭＢとの接触抵抗を下げるため、サンプルを回転させながら、斜め蒸着法により、検出電極ＳＡ，ＳＢ及び可動部ＭＢの側面（側壁）にアルミニウムを堆積する。
このアルミニウム蒸着を行うとき、サンプル（乱数発生装置）を回転させることで、アルミニウム膜の対称性を確保している。
また、動作周波数を決定するため、以下の（１）〜（５）式により、マイクロアクチュエータの構造設計を行う。
【００３０】
【数１】

【００３１】
【数２】

【００３２】
【数３】

【００３３】
【数４】

【００３４】
（１）式は、可動部ＭＢと駆動電極ＥＡ（またはＥＢ）との間の静電力を求める式である。
ε0は真空中の誘電率であり、ｇは初期ギャップ（すなわち可動部ＭＢと駆動電極ＥＡ（またはＥＢ）との間隔ｄ）、ｘは駆動電極ＥＡとＥＢとの中間位置からの変位量であり、Ｖは印加電圧であり、ｌeは可動部ＭＢと駆動電極とのオーバーラップ（平面視において重なっている）している長さであり、ｈeは可動部ＭＢの側壁の高さである。
【００３５】
（２）式は、可動部ＭＢの弾力による発生する力を求める式であり、ここで、ｋは弾性定数であり、ｘmaxは可動部ＭＢの最大変位である。
（３）式は、共振周波数を求める式であり、ここで、ｋは弾性定数であり、ｍは可動部ＭＢの質量であり、また、ｍ∝ρとする。
（４）式は、（２）式に（３）式を代入し、この結果の（２）式と（１）式
との力Ｆを等しいとして求めた式であり、Ｃは定数である。
この（４）式に基づき、駆動電圧Ｖ及び駆動周波数ｆ0に基づき、可動部ＭＢと駆動電極ＥＡ，ＥＢとの距離などを求めることとなる。
【００３６】
次に、実際に上述した乱数発生装置を作成して、乱数の発生の実験を行った。作製したデバイスは、可動部ＭＢの長さが３００μｍであり、可動部ＭＢの幅が５μｍであり、駆動電極ＥＡ，ＥＢと可動部ＭＢとの間隔ｄは１０μｍである。
また、１５０Ｖの正弦波を駆動パルスとして印加した場合の共振周波数は２２ｋＨｚである。
ピーク電圧１５０Ｖの駆動パルスを印加し、乱数を発生させて４ビットデータを６６０個サンプリングし、図５に示すように発生分布をプロットしてみた。
ここで、ｘ軸（Ｂ2i；偶数番目）及びｙ軸（Ｂ2i+1；奇数番目）ともに発生した４ビットデータを示し、各々「０（００００；１６進数）」から「１５（１１１１（１６進数））」の範囲で示してある。
【００３７】
さらに、図５においては、時系列順にそれぞれのプロットを線で結ぶことにより、相関の状態を強調してある。
上述のようにして、図５において自己相関の有無を調べたところ、部分的な偏りや一定の繰り返しパターンが見られないことから、このデバイスから発生した乱数には相関が無いことが判る。
【００３８】
また、無規則性の検定として、上述した６６０のサンプルを用いて、以下の（５）式により、相関係数ｒxyを求めた。
【数５】

図５に示すように、「００００」を「０」とし、…、「１０００」を「８」とし、…、「１１１１」を「１５」とし、各々ｘ軸及びｙ軸の座標値（ｘi，ｙi）として、（５）式の計算を行う。
この（５）式により得られる相関係数ｒxyが１に近いと正の相関があり、−１に近いと負の相関があり、０に近いと相関がないと判定される。
【００３９】
図５に示すように、「００００」を「０」とし、…、「１０００」を「８」とし、…、「１１１１」を「１５」とし、すなわち２進数（１６進数）を１０進数に変換して、各々ｘ軸及びｙ軸の座標値（ｘi，ｙi）として、（５）式の計算を行った。
これにより、今回サンプリングした乱数の相関係数ｒxyは「０.１５」と求められ、上記６６０個の乱数の並び方の前後の関係はないと判定して良く、無規則性が保証される。
【００４０】
上述したように、本発明による乱数発生装置は、乱数発生源である静電マイクロアクチュエータから出力される信号がデジタル信号であるため、従来の乱数発生源からの信号を検出、増幅し、それをデジタルに変換する必要がなく、構造及び周辺回路の構成が非常に簡単である。
さらに、本発明による乱数発生装置は、静電マイクロアクチュエータに基づいて構成されているため、半導体集積回路に他の回路とともに作り込むことが可能であり、同一デバイスとしての大きさを従来に比較して大幅に小型化することができ、かつ増幅及びデジタル変換の回路を用いないため、増幅回路の精度向上などを考える必要もなく、デバイス全体の価格を低下させることが可能である。
【００４１】
本発明の乱数発生装置は、静電アクチュエータの不安定性を積極的に利用し、小型で真乱数に近い乱数を発生するデバイスを開発することができ、乱数発生デバイスにおいて、機械的スイッチと同様に電極の接触による導通を用いるため、外部に増幅器などを必要とせず単独で乱数を発生できる乱数発生装置を提供できる。
【００４２】
また、本発明の構成としては、図２に示したように、１つのマイクロアクチュエータを半導体回路と同一チップ（同一基板）上に構成して、連続的に駆動パルスを印加して乱数の発生を行わせても良いし、例えば、数万〜数百万個単位でＳＯＩ上に形成して、これらのマイクロアクチュエータを並列に同時動作させるようにし、駆動パルスの１回の印加により、数万〜数百万ビットの乱数を一度に発生させることも可能であり、シミュレーションにおいて、無規則性の高い乱数（真の乱数に近い状態の乱数）を高速に発生させることができ、シミュレーションの高速化及び精度の向上を可能とする。
【００４３】
また、本発明の静電マイクロアクチュエータを用いることにより、検出電極ＳＡ，ＳＢ各々が、駆動電極ＥＡ，ＥＢと可動部ＭＢとの接触を防止するため、これらの間において電流が流れることを防止するため、数百万個の静電マイクロアクチュエータを動作させたとしても、大きな消費電流が流れることはなく、省電力の乱数発生装置を提供することが可能である。
【００４４】
以上、本発明の一実施形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。
一実施形態においては、可動部ＭＢがＳＯＩの基板表面に平行に可動自在に動作するとして説明したが、図６に示すように、駆動電極ＥＡ及びＥＢが形成する平面に平行に可動自在に作成することも可能である。
【００４５】
図６において、可動部ＭＢと、駆動電極ＥＡ及びＥＢとはＳＯＩ基板に対して、長尺上の形状により垂直方向に形成されている。
駆動電極ＥＡ，ＥＢの各々の上部には、それぞれ検出電極ＳＡ，ＳＢが絶縁体としてＳiＯ2（酸化膜）を間に介挿した状態で形成されている。可動部ＭＢと検出電極ＳＡ，ＳＢそれぞれとの間隔（距離）は、一実施形態と同様にｄである。可動部ＭＢは図示されない他の部分において接地電極ＭＥと接続され、検出電極ＳＡ及びＳＢも同様に、各々図示されない他の部分において、抵抗ＲＡ，ＲＢにそれぞれ接続され、駆動電極ＥＡ及びＥＢも、各々図示されない他の部分において、駆動パルスが与えられる。
図６の構成の乱数発生装置の動作及び乱数の発生方法については、すでに述べた一実施形態と同様のため説明を省略する。
【００４６】
また、図７において、基板の表面に、駆動電極ＥＢ，検出電極ＳＢとを設けて、絶縁膜を介して、可動部ＭＢを有した接地電極ＭＥを形成する。
ここで、図７（ａ）は上部から見た平面図であり、図７（ｂ）は図７（ａ）の線Ｂ−Ｂでの線視断面図である。
そして、この可動部ＭＢ上に絶縁膜を形成して、形成した絶縁膜上に駆動電極ＥＡと、検出電極ＳＡとを形成する。
次に、駆動電極ＥＡと駆動電極ＥＢとの重なり、及び検出電極ＳＡと検出電極ＳＢとの重なりの部分において、稼働するときの軸となる部分を除いた領域Ｆの各電極間に設けられている酸化膜を除去し、可動部ＭＢを上下に（検出電極ＳＡまたはＳＢ方向に対して）可動自在とする。
すなわち、領域Ｆにおいては、駆動電極ＥＡと駆動電極ＥＢとの重なり、及び検出電極ＳＡと検出電極ＳＢとの重なりの部分が中空（距離ｄの間隔で分離されている）となっている。可動部ＭＢと検出電極ＳＡ，ＳＢそれぞれとの間隔（距離）は、一実施形態と同様にｄである。
【００４７】
ここで、駆動電極ＥＡ，ＥＢにおける、検出電極ＳＡ及びＳＢに近い端部と逆の位置の端部の酸化膜を残し、可動部ＭＢが上下（検出電極ＳＡまたはＳＢ方向に）に可動するときの可動軸としている。
可動部ＭＢは図示されない他の部分において接地電極ＭＥと接続され、検出電極ＳＡ及びＳＢも同様に、各々図示されない他の部分において、抵抗ＲＡ，ＲＢにそれぞれ接続され、駆動電極ＥＡ及びＥＢも、各々図示されない他の部分において、駆動パルスが与えられる。
図７の構成の乱数発生装置の動作及び乱数の発生方法については、すでに述べた一実施形態と同様のため説明を省略する。
【００４８】
加えて、他の実施形態として、可動部ＭＢと、検出電極ＳＡ，ＳＢ各々との間をコンデンサとして、すなわちアクチュエータを容量センサとして、検出電極ＳＡ，ＳＢに接触せずとも、距離の変化による容量変化を電気信号に変化させて、この電気信号に基づいて乱数を生成する構成とすることも可能である。
この場合、容量を電気信号に変換させ、電気信号を所定のレベルと比較して、デジタル値の乱数を生成するコンパレータが必要となるが、一方、検出電極ＳＡと検出電極ＳＢとの容量の差が明確となる程度に移動すればよいので、駆動電極ＥＡ及びＥＢに印加する電圧を低下させることが可能であり、かつ容量を検出するため抵抗ＲＡ，ＲＢの使用の必要が無くなり、検出時に電流が流れないため消費電力を削減することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明の乱数発生装置によれば、静電アクチュエータの不安定性を積極的に利用し、小型で真乱数に近い乱数を発生するデバイスを開発することができ、乱数発生デバイスにおいて、機械的スイッチと同様に電極の接触による導通を用いるため、外部に増幅器などを必要とせず単独で真乱数に近い乱数を発生できる乱数発生装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の乱数発生装置の動作原理を説明する、乱数発生の機構の構成例を示す概念図である。
【図２】本発明の一実施形態による乱数発生装置の構成例を示す概念図である。
【図３】図２の乱数発生装置の動作例を説明する概念図である。
【図４】静電マイクロアクチュエータを利用した、本発明の乱数発生装置の製造方法を説明する図である。
【図５】図２の乱数発生装置により生成した乱数の発生分布をプロットした図である。
【図６】本発明の他の実施形態による乱数発生装置の構造例を示す概念図である。
【図７】本発明の他の実施形態による乱数発生装置の構造例を示す概念図である。
【符号の説明】
ＥＡ，ＥＢ駆動電極
ＯＡ，ＯＢ出力端子
ＲＡ，ＲＢ抵抗
ＳＡ，ＳＢ検出電極
ＭＢ可動部
ＭＥ接地電極

Claims

突起状に形成された可動部を有する可動部電極と、
前記可動部の両側に等距離の位置に配置され、同一のタイミングで駆動パルスが印加さられて、この可動部を静電力により引きつける第１及び第２の駆動電極と、
前記可動部の両側に等距離の位置に配置され、前記第１または第２の駆動電極に引きつけられた可動部が接触し、いずれの駆動電極方向に引きつけられたかを検出する第１及び第２の検出電極と、
前記第１及び第２の検出電極各々と電源との間に介挿される第１及び第２の抵抗と
を有し、
前記可動部が駆動パルスの印加されていないとき、周囲の不確定要素の影響により、前記第１及び第２の駆動電極間において、位置が不規則に揺らいでおり、駆動パルスが印加されたとき、可動部が第１または第２の駆動電極のうちより静電引力が強い電極に引き寄せられ、対応する検出電極に接触することによる電圧レベルの変化を乱数値として取り出すことを特徴とする乱数発生装置。
前記可動部と前記第１及び第２検出電極各々との間隔が、可動部と前記第１及び第２の駆動電極の間隔より狭いことを特徴とする請求項１記載の乱数発生装置。
前記第１及び第２の抵抗が、前記電圧レベルが「Ｈ」及び「Ｌ」レベルのデジタル値で得られるように、前記可動部と前記第１及び第２の検出電極の接触抵抗より高いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の乱数発生装置。
基板表面に、前記可動部電極，第１及び第２の駆動電極，第１及び第２の検出電極，第１及び第２の抵抗の組を複数配置して、１回の駆動パルスの印加により複数ビットの乱数を発生させることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の乱数発生装置。