JP5559122B2

JP5559122B2 - 微小機械振動子および微小機械振動子の制御方法

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Publication number: JP5559122B2
Application number: JP2011214208A
Authority: JP
Inventors: 浩司山口; 創岡本; イムランマブーブ
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-09-29
Filing date: 2011-09-29
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2031-09-29
Also published as: JP2013074594A

Description

本発明は、センサや信号処理に用いられる微小な機械振動子の振動振幅を高速に制御することにより、微小機械振動子の動作を高速化する手法に関するものである。

微小機械振動子は高感度センサや信号処理に用いられている（特許文献１、非特許文献１参照）。図５にその一例である化合物半導体ヘテロ構造を用いた機械振動子を示す。図中１０１は絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層、１０２は導電性ＧａＡｓ層、１０３は絶縁性ＧａＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層、１０４はＧａＡｓ基板、１０５はオーミック電極、１０６，１０７はショットキー電極、１０８は両持ち梁部、１１１は励振用交流電源、１１２は検出用アンプである。両持ち梁部１０８の長さの一例は１００ミクロン、幅の一例は１０ミクロン、厚さの一例は１ミクロンであるが、微細加工が可能な様々なサイズの機械振動子が広く用いられている。

ショットキー電極１０６に電圧を印加すると圧電効果により両持ち梁部１０８に曲げモーメントが発生するが、両持ち梁部１０８の共振周波数にほぼ等しい交流電圧を励振用交流電源１１１を用いて印加すると、共振により両持ち梁部１０８は大きな振幅で振動する。このとき、励振用交流電源１１１で生成する交流電圧の周波数を、共振周波数から両持ち梁部１０８の共振幅の半分程度ずらしておくと、両持ち梁部１０８の共振周波数がほんの少し変化するだけでアンプ１１２から出力される交流電圧の振幅は大きく変化する。例えば両持ち梁部１０８に分子が吸着すると、これにより両持ち梁部１０８の質量が変化し、その結果共振周波数が変化するため、アンプ１１２から出力される信号の振幅は変化する（図６）。この変化は両持ち梁部１０８の共振が鋭ければ鋭いほど大きく、高いＱ値を持つ振動子ほど高い感度が得られる。

図６において、２０１は分子が吸着する前の両持ち梁部１０８の共振スペクトルを示し、２０２は分子が吸着した後の両持ち梁部１０８の共振スペクトルを示し、２０３は励振用交流電源１１１により加える交流電圧の周波数を示し、２０４は分子が吸着する前の両持ち梁部１０８の振動振幅を示し、２０５は分子が吸着した後の両持ち梁部１０８の振動振幅を示し、２０６は分子吸着による両持ち梁部１０８の振動振幅の変化を示している。

ただし、高いＱ値を有する振動子では振動の減衰時間が長いため、外部信号の変化に対して反応が遅く、優れた感度と高速動作を両立できないという問題点があった。例えば、両持ち梁部１０８に加えられた質量変化を、上記の従来技術により一定の時間間隔で読み出す場合を考える。このためには、パルス状の交流電圧を振動子に与え、その時の両持ち梁部１０８の振幅の大きさを測定する必要があるが、この場合の交流電圧の振幅変化と測定された両持ち梁部１０８の振動振幅の変化を図７（Ａ）〜図７（Ｃ）に示す。図７（Ａ）は両持ち梁部１０８の質量変化を示す図、図７（Ｂ）は励振用交流電源１１１からショットキー電極１０６に印加される読み出し用の交流電圧の励振振幅を示す図、図７（Ｃ）は両持ち梁部１０８の振動振幅の変化を示す図である。

図７（Ａ）〜図７（Ｃ）から明らかなように、振動の立ち上がりならびに減衰に時間を要していることが分かる。この時間は共振周波数をｆｒとすると、Ｑ／ｆｒで与えられ、読み出し間隔はこの時間Ｑ／ｆｒよりも十分長くとる必要がある。このように高いＱ値を有する微小機械振動子は、外部の変化に対して敏感である半面、動作速度が遅いことが分かる。

国際公開ＷＯ２００９／０４１３６２

I.MAHBOOB and H.YAMAGUCHI，"Bit storage and bit flip operations in an electromechanical oscillator"，Nature Nanotechnology，VOL3，MAY 2008，pp.275-279

このように、微小機械振動子をセンサや信号処理等の様々な実用デバイスに応用するためには、高いＱ値を維持しながら高速に振動振幅を応答させる手法が求められる。上述のように、応答を遅くする要因には立ち上がり時間と減衰時間の二つがあるが、立ち上がり時間は一定で正確な再現性があれば本質的な問題はない。一方、減衰時間が長いと、前回の読み出し結果が次の読み出し値に影響を与えるため、正確な測定が不可能になる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、振動の減衰時間を大幅に減少させ、微小機械振動子の動作を高速化することを目的とする。

本発明の微小機械振動子は、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。

また、本発明は、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ものである。

本発明によれば、２つの異なる振動モードを有する振動部を用い、振動部の振動を第１の振動モードから第２の振動モードへ高速に遷移させることにより、振動の減衰時間を大幅に減少させることができ、高いＱ値による振動減衰の制限を受けない高速の振動減衰手法を実現することができる。その結果、本発明では、微小機械振動子の動作を高速化することができる。

本発明の第１の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。本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子においてショットキー電極に印加する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。本発明の第１の実施の形態に係る微小機械振動子においてショットキー電極に印加する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。本発明の第２の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。化合物半導体ヘテロ構造を用いた従来の微小機械振動子の構成を示す斜視図である。分子吸着による微小機械振動子の共振スペクトルの変化を示す図である。パルス状に梁部の質量変化を読み出した時の梁部の振動振幅の変化を示す図である。

［第１の実施の形態］
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Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層１０１が形成されている。

振動部となる両持ち梁部１０８の両側の層１０１〜１０３は、支持部１１３，１１４を構成している。両持ち梁部１０８の下部の絶縁性ＧａＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層１０３は、ＧａＡｓ基板１０４と接する部分が除去されている。これにより、両持ち梁部１０８は、両端が支持部１１３，１１４で固定されることによってＧａＡｓ基板１０４から浮いた状態で支持される。さらに、支持部１１３，１１４の領域にある絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層１０１の上および両持ち梁部１０８の両端部の領域にある絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層１０１の上に、ショットキー電極１０６，１０７が形成され、支持部１１３の絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層１０１が形成されていない領域にある導電性ＧａＡｓ層１０２の上に、オーミック電極１０５が形成されている。

導電性ＧａＡｓ層１０２は、オーミック電極１０５を介して接地されている。ショットキー電極１０６には、励振用交流電源４１１，４１３からスイッチ４１２，４１４を介して電圧が印加される。励振用交流電源４１１は励振手段を構成し、励振用交流電源４１３は混合手段を構成している。ショットキー電極１０６に電圧が印加されると、圧電効果により両持ち梁部１０８に曲げモーメントが発生し、両持ち梁部１０８は、上方向に凸あるいは下方向に凸の形状に湾曲する。このように、圧電効果により両持ち梁部１０８を湾曲させるＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓのヘテロ構造も励振手段および混合手段として機能する。両持ち梁部１０８の固有振動数にほぼ等しい周波数の交流電圧をショットキー電極１０６に印加すると、共振により両持ち梁部１０８は大きな振幅で振動する。検出用アンプ１１２は、ショットキー電極１０７から出力される電圧を増幅する。

本実施の形態では、図５に示した従来技術と比較して、以下の（Ａ）〜（Ｃ）の３つの特徴を有する。
（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。

（Ｂ）ショットキー電極１０６に接続される交流電源として、励振を行うための交流電源４１１に加え、振動モードを遷移させるための交流電源４１３を有する。かつ、この交流電源４１３が発生する交流電圧の周波数は、両持ち梁部１０８の２つの固有振動数の差あるいは和と一致させることができる。
（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。

以下、本実施の形態の微小機械振動子ならびにその制御系により、いかにして振動モードを遷移させ、特定の固有振動の振幅を減衰させるかについて述べる。
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ｆ_r1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ｆ_r2−ｆ_r1の交流電圧を発生させておく。ここで、ｆ_r1は両持ち梁部１０８の第１の振動モードの固有振動数、ｆ_r2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。

ここでスイッチ４１２をオン、スイッチ４１４をオフにして、図２（Ａ）に示すように励振用交流電源４１１からの交流電圧をショットキー電極１０６に印加すると、両持ち梁部１０８は固有振動数ｆ_r1の第１の振動モードで振動する。次に、時刻ｔ＝０においてスイッチ４１２をオフし、代わりにスイッチ４１４をオンすることにより、図２（Ｂ）に示すように励振用交流電源４１３からの周波数ｆ_r2−ｆ_r1の交流電圧をショットキー電極１０６に印加する。

この励振用交流電源４１３からの電圧印加により第１の振動モードと第２の振動モードは混ざり合うが、加える交流電圧の周波数が両持ち梁部１０８の２つの固有振動数の差周波ｆ_r2−ｆ_r1に一致することから、両持ち梁部１０８の持つ非線形性により、両持ち梁部１０８の振動は第１の振動モードから第２の振動モードに遷移する。両持ち梁部１０８の振動が完全に第１の振動モードから第２の振動モードに遷移すると、今度は逆過程が始まり、両持ち梁部１０８の第２の振動モードの振幅は減少し第１の振動モードの振幅が再び増加する。図２（Ｃ）は両持ち梁部１０８の第１の振動モードのエネルギー変化を示し、図２（Ｄ）は第２の振動モードのエネルギー変化を示している。図２（Ｃ）、図２（Ｄ）によれば、時間と共に第１の振動モードと第２の振動モードのエネルギー、すなわち振幅が交互に増減していることが分かる。図２（Ｃ）、図２（Ｄ）に示されているように、この増減する振動数は、励振用交流電源４１３から発生させる交流電圧の振幅Ｂ₀に反比例する。

このように、本実施の形態では、両持ち梁部１０８の２つの固有振動数差と等しい周波数の交流電圧をショットキー電極１０６に印加することにより、両持ち梁部１０８の振動モードを周期的に遷移させることができるが、この交流電圧の印加を、ちょうど振幅が第２の振動モードに完全に移行した時点で止めることにより、第１の振動モードの振幅を高速に消滅させることができる。図３にこの結果を示す。図３は、図２と同様にショットキー電極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の場合と同様に、まずスイッチ４１２をオン、スイッチ４１４をオフにして、図３（Ａ）に示すように励振用交流電源４１１からの交流電圧をショットキー電極１０６に印加する。次に、時刻ｔ＝０においてスイッチ４１２をオフし、代わりにスイッチ４１４をオンすることにより、図３（Ｂ）に示すようにパルス幅ｔ_πの時間だけ励振用交流電源４１３からの周波数ｆ_r2−ｆ_r1の交流電圧をショットキー電極１０６に印加する。ここで、パルス幅ｔ_πは、図２において、スイッチ４１４をオンにした時刻ｔ＝０から第１の振動モードのエネルギーが最初に極小になる時間である。

図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は２つの振動モードのＱ値がどちらも２，０００の場合の第１の振動モード、第２の振動モードのエネルギー変化を示している。また、図３（Ｅ）、図３（Ｆ）は第１の振動モードのＱ値（Ｑ₁）が２０００で第２の振動モードのＱ値（Ｑ₂）が５００の場合の第１の振動モード、第２の振動モードのエネルギー変化を示している。Ｂ_stはｔ_πの長さがちょうど両持ち梁部１０８の自由減衰の時定数Ｑ₁／ｆ_r1に等しくなる交流電圧の振幅である。

図３（Ｃ）、図３（Ｄ）から明らかなように、ｆ_r2−ｆ_r1の周波数の交流電圧をＢ_stに比較して十分大きい振幅でパルス幅ｔ_πの時間だけ加えると、両持ち梁部１０８の第１の振動モードの振動振幅が急速に数桁減少し、代わりに第２の振動モードの振動振幅が増加し、その後、第１、第２の振動モード共に緩やかに減衰することが分かる。このように、本実施の形態では、第１の振動モードの振幅を急速に数桁減少させることが可能である。さらに、第２の振動モードとしてＱ値が小さなものを用いた図３（Ｅ）ならびに図３（Ｆ）の場合には、両持ち梁部１０８の振動が第１の振動モードから第２の振動モードに遷移した後、第２の振動モードの振動振幅も急速に減衰していることが分かる。第２の振動モードの振動振幅が急速に減衰する理由は、第２の振動モードのＱ値が低いために他ならない。このように、Ｑ値の低い振動モードと結合させることにより、第１、第２の振動モード共に振幅を急速に減少させることができる。

以上のように、本実施の形態では、両持ち梁部１０８の振動の減衰時間（Ｑ／ｆｒ）に比較して、ずっと短い時間で特定の振動モードの振幅を大きく減衰させることが可能であり、微小機械振動子を高速に動作させることが可能となる。

［第２の実施の形態］
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。

支持部１２１，１２２は、図示しないＧａＡｓ基板上に形成されている。両持ち梁部１１５，１１６および支持部１２１，１２２の構成材料は、両持ち梁部１０８および支持部１１３，１１４の構成材料と同じである。支持部１２１，１２２の領域にある絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（図１の１０１）の上および両持ち梁部１１５の両端部の領域にある絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（図１の１０１）の上に、ショットキー電極１１７，１１８が形成されている。同様に、支持部１２１，１２２の領域にある絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（図１の１０１）の上および両持ち梁部１１６の両端部の領域にある絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（図１の１０１）の上に、ショットキー電極１１９，１２０が形成されている。

図４では、簡単のためにそれぞれの梁部の内部構造の図示を省略したが、第１の実施の形態と同様に、支持部１２１の絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層（図１の１０１）が形成されていない領域にある導電性ＧａＡｓ層（図１の１０２）の上に、オーミック電極が形成されている。導電性ＧａＡｓ層（図１の１０２）は、このオーミック電極を介して接地されている。両持ち梁部１１５，１１６の下部の絶縁性ＧａＡｓ層あるいはＡｌＧａＡｓ層（図１の１０３）は、ＧａＡｓ基板と接する部分が除去されている。これにより、両持ち梁部１１５，１１６は、両端が支持部１２１，１２２で固定されることによってＧａＡｓ基板から浮いた状態で支持される。

そして、本実施の形態では、両持ち梁部１１５，１１６の一端が支持部１２１に設けられた庇状の連結部７０１によって連結され、さらに両持ち梁部１１５，１１６の他端が支持部１２２に設けられた庇状の連結部７０２によって連結されている。
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。

上記のように、２つの両持ち梁部１１５，１１６を構造的に結合した結果、振動モードは２つの両持ち梁部１１５，１１６が連動した振動に対応する。両持ち梁部１１５，１１６の第１の振動モードの周波数をｆ_r1、第２の振動モードの周波数をｆ_r2（ｆ_r2＞ｆ_r1）とすると、第１の実施の形態と同様の効果が期待できる。特に２つの両持ち梁部１１５，１１６の固有振動数が一致する場合、低い周波数の第１の振動モードは、２つの両持ち梁部１１５，１１６が対称に振動するモード（例えば両持ち梁部１１５が上方向に凸に曲がるときに両持ち梁部１１６も上方向に凸に曲がり、両持ち梁部１１５が下方向に凸に曲がるときに両持ち梁部１１６も下方向に凸に曲がるモード）に対応する。また、２つの両持ち梁部１１５，１１６の固有振動数が一致する場合、高い周波数の第２の振動モードは、２つの両持ち梁部１１５，１１６が反対称に振動するモード（例えば両持ち梁部１１５が上方向に凸に曲がるときに両持ち梁部１１６が下方向に凸に曲がり、両持ち梁部１１５が下方向に凸に曲がるときに両持ち梁部１１６が上方向に凸に曲がるモード）に対応する。

第１、第２の振動モードは、２つの両持ち梁部１１５，１１６の固有振動数の差に応じて非常に敏感に変化するため、小さな電圧印加により振動モードの混合が起きる。このため、第１の実施の形態に比較し、２つの梁部を構成する必要がある半面、小さな電圧で同等の効果が得られるという利点がある。

微小機械振動子の制御方法は第１の実施の形態と同様であり、まずスイッチ４１２をオン、スイッチ４１４をオフにして、励振用交流電源４１１からの周波数ｆ_r1の交流電圧をショットキー電極１１７に印加し、次にスイッチ４１２をオフ、スイッチ４１４をオンにして、パルス幅ｔ_πの時間だけ励振用交流電源４１３からの周波数ｆ_r2−ｆ_r1の交流電圧をショットキー電極１１９に印加すればよい。

なお、本実施の形態では、２つの両持ち梁部１１５，１１６を連結部７０１，７０２によって構造的に結合したが、これに限るものではなく、２つの両持ち梁部１１５，１１６に電位を与えることにより、２つの両持ち梁部１１５，１１６を静電的に結合することも可能である。また、２つの両持ち梁部１１５，１１６に磁性体を塗布あるいは蒸着し、２つの両持ち梁部１１５，１１６を磁気的に結合することも可能である。
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、振動モード間の遷移を起こす交流電圧の周波数としてｆ_r2−ｆ_r1を用いたが、ｆ_r1とｆ_r2の和であるｆ_r2＋ｆ_r1を用いても、同様の効果を得ることができる。
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つの振動モードを混合する手段として圧電効果を用いる手段を採用したが、静電効果やローレンツ力を用いる手段を採用してもよい。
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。

本発明は、微小な機械振動子の動作を高速化する技術に適用することができる。

１０１…絶縁性Ａｌ_0.3Ｇａ_0.7Ａｓ層、１０２…導電性ＧａＡｓ層、１０３…絶縁性ＧａＡｓ層あるい…ＡｌＧａＡｓ層、１０４…ＧａＡｓ基板、１０５…オーミック電極、１０６，１０７，１１７，１１８，１１９，１２０…ショットキー電極、１０８，１１５，１１６…両持ち梁部、１１２…検出用アンプ、１１３，１１４，１２１，１２２…支持部、４１１，４１３…励振用交流電源、４１２，４１４…スイッチ、７０１，７０２…連結部。

Claims

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。