JP6287986B2

JP6287986B2 - 信号制御装置

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Publication number: JP6287986B2
Application number: JP2015142854A
Authority: JP
Inventors: 宏哉田中; 幸浩田所
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2015-07-17
Filing date: 2015-07-17
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2035-07-17
Also published as: JP2017028394A

Description

本発明は、微小構造で交流信号の位相や振幅を電気的に制御できる信号制御装置に関する。例えば、移相装置、位相変調装置、振幅変調装置に関する。

マイクロ波帯域での移相器として、下記特許文献１に開示の装置が知られている。同文献によると、ＶＯＣの出力をダウンコンバートして低周波に変換し、その低周波の周波数と同一周波数で位相制御された基準信号との位相差が零となるように、ＶＯＣの出力位相が制御される。これによりマイクロ波領域での位相を低周波信号の位相で制御することができる。また、マイクロ波領域ではストリップ線路における容量や誘電率を電気的に制御することで、マイクロ波の位相を電気的に制御することができる。

一方、特許文献２、非特許文献１には、微小構造で高感度の検波器として、線状に伸びたカーボンナノチューブを、その一端を固定端として陰極に固定し、他端を自由端として、その自由端を平面状の陽極に対面させ、陽極と陰極間に直流バイアス電圧を印加した検波器が知られている。この装置では、カーボンナノチューブの自由端から陽極に向けて、電子の電界放出によるトンネル電流が流れ、その電流の大きさがカーボンナノチューブの自由端と陽極間の距離に応じて変化する。そして、一端を固定されたカーボンナノチューブの片持ち梁は、固有の機械的な共振周波数を有しており、到来波の周波数がその共振周波数に一致するとき、カーボンナノチューブは固定端を中心にして円弧状に大きく振動する。この共振周波数を変化させることができれば、ラジオ波の選局が可能となる。

また、カーボンナノチューブの先端には、直流バイアス電圧により電荷がチャージされている。カーボンナノチューブが固定端から直線を中心軸として伸びているとして、先端の電荷は到来波の電界により力を受ける。この力は、到来波の電界のカーボンナノチューブの中心軸に垂直な成分（以下、「垂直成分」という）の大きさに比例する。カーボンナノチューブは、到来波が存在すると、選局状態で、中心軸の両側に同一振幅で大きく振動することになる。この振動により、カーボンナノチューブの自由端と陽極間の距離は、到来電波の２倍の周波数で振動し、その振動の振幅は到来波の電界の垂直成分に比例する。これにより、トンネル電流も、到来波の周波数の２倍の周波数で振動し、その振幅も到来波の電界の垂直成分に比例する。特許文献２、非特許文献１は、このような原理を用いてカーボンナノチューブ、陰極、陽極、及び直流バイアス電源だけで、ラジオ波を検波する装置を提案している。

特開２００７−２７９４２ＵＳ８，７１７，０４６Ｂ２

K.Jensen, J.Weldon, H.Garcia, and A.Zettl, "Nanotube Radio," Nano Letters, vol.7, no.11, pp.3508-3511, Nov. 2007.

従来の移相器としては、出力をダウンコンバートして、低周波領域で同一周波数の制御信号との位相差が零となるようにＶＯＣを発振させる装置や、マイクロストリップ線路を用いた装置である。小型化に難点がある。本発明の目的は、新たな原理を利用して、小型で制御感度の高い、移相器や移相変調器、振幅変調器などの信号制御装置を実現することである。

上記課題を解決するための第１の発明は、高周波信号の位相又は振幅を制御する信号制御装置において、陰極と、陰極に、一端が固定され、他端を自由端とする線状の導電体と、自由端と対面し、微小間隙を隔てて設けられた陽極と、陰極と陽極との間に、電圧を印加し、その電圧を可変できる第１信号源と、導電体の長さ方向に垂直な成分を有する電界を、導電体の周囲の空間に印加する駆動電極と、駆動電極に交流信号を印加する第２信号源と、を有し、信号制御装置は、第２信号源の出力する信号の位相を、第１信号源の出力する直流電圧によって決定される移相量だけ、推移させた信号を得る移相装置であることを特徴とする信号制御装置信号制御装置である。
また、第２の発明は、高周波信号の位相又は振幅を制御する信号制御装置において、陰極と、陰極に、一端が固定され、他端を自由端とする線状の導電体と、自由端と対面し、微小間隙を隔てて設けられた陽極と、陰極と陽極との間に、電圧を印加し、その電圧を可変できる第１信号源と、導電体の長さ方向に垂直な成分を有する電界を、導電体の周囲の空間に印加する駆動電極と、駆動電極に交流信号を印加する第２信号源と、を有し、信号制御装置は、第１信号源の出力する信号をバイアスされた交流信号として、その交流信号に応じて、第２信号源の出力する信号の位相を変調した信号を得る位相変調装置であることを特徴とする信号制御装置である。
また、第３の発明は、高周波信号の位相又は振幅を制御する信号制御装置において、陰極と、陰極に、一端が固定され、他端を自由端とする線状の導電体と、自由端と対面し、微小間隙を隔てて設けられた陽極と、陰極と陽極との間に、電圧を印加し、その電圧を可変できる第１信号源と、導電体の長さ方向に垂直な成分を有する電界を、導電体の周囲の空間に印加する駆動電極と、駆動電極に交流信号を印加する第２信号源と、を有し、信号制御装置は、第１信号源の出力する信号をバイアスされた交流信号として、その交流信号に応じて、第２信号源の出力する信号の振幅を変調した信号を得る振幅変調装置であることを特徴とする信号制御装置である。

本発明において、陰極と陽極とは、一般的には、平板であるが、球体であっても良く、その他、曲面体であっても良い。陽極の導電体の自由端に対向する面は、導電体の振動に応じて、自由端との距離が変化する形状であれば、平面、曲面など任意である。また、駆動電極も、同様に、平板、球体、曲面体であっても良い。また、陽極において、導電体の自由端が対向する位置は他よりは自由端に向けて突出した構造であっても良い。線状の導電体は、その中心軸に対して両側に、自由端が振動可能なものであれば、任意である。カーボンナノチューブ、金属、導電性シリコンなどの導電性を有する半導体で構成されるナノワイヤを用いることが可能である。

本発明において、第２信号源の出力する交流信号が駆動電極に印加されることで、線状の導電体の自由端付近の空間に交流電界を生起させることができる。この交流電界により、自由端は線状の導電体の中心軸を中心にしてその両側に振動する。この振動により陽極と自由端との間隔が周期的に変動するので、導電体の自由端から陽極に向けて電界放出される電子の量（トンネル電流）も第２信号源の出力する交流信号に応じて振動することになる。第１信号源の出力する電圧は、自由端と陽極に印加されて、自由端は陽極に吸引される。この吸引力は第１信号源の出力する電圧に応じて変化させることができる。この吸引力が大きい程、線状の導電体の弾性係数は大きくなる。したがって、第１信号源の出力する電圧により、この弾性係数を変化させることができる。この弾性係数の変化により、トンネル電流の位相や振幅を制御することができる。これが、本発明の創作性ある原理である。

本発明において、導電体に対して、駆動電極の配置位置と反対側にアース電極が設けられていても良い。駆動電極とアース電極間で、直線的に電界を発生させることができるので、線状の導電体の中心軸に対して垂直に電界を、導電体に印加することができる。これにより、自由端の振動を効率良く発生させることができる。また、第２信号源の出力する信号の周波数は、導電体の自由端の振動の固有周波数に等しく設定することが望ましい。これにより、陽極又は陰極に流れる位相や振幅が変調された信号の利得を最大とすることができる。駆動電極とアース電極とは、対向する面を平行とすることで、平行平板、平行曲面板のコンデンサを形成することで、直線状の電界を導電体に印加することができ、効率良く振動を生起させることができる。

信号制御装置は、第２信号源の出力する信号の位相を、第１信号源の出力する直流電圧によって決定される移相量だけ、推移させた信号を得る移相装置とすることができる。位相の制御された所望の信号は、陽極又は陰極に接続される線路から分岐して出力することができる。また、信号制御装置は、第１信号源の出力する信号をバイアスされた交流信号として、その交流信号に応じて、第２信号源の出力する信号の位相を変調する位相変調装置とすることができる。さらに、信号制御装置は、第１信号源の出力する信号をバイアスされた交流信号として、その交流信号に応じて、第２信号源の出力する信号の振幅を変調する振幅変調装置とすることができる。
なお、導電体は、複数、平行に設けられていても良い。所望の出力すべき信号の振幅を大きくすることができる。

本発明は、線状の導電体の自由端と陽極との間に流れる電界放出によるトンネル電流を処理されて得られるべき信号としている。このため本装置では構造が簡単で小型化できると共に制御感度を大きくすることができる。

本発明の具体的な一実施例に係る信号制御装置を示した構成図。同実施例におけるカーボンナノチューブ先端と陽極間の距離の増加量Δｈと、先端のｘ座標及びカーボンナノチューブの長さＬとの関係を示した説明図。同実施例装置の第１信号源の出力する電圧とカーボンナノチューブの張力との関係を示した特性図。同実施例装置の第１信号源の出力する電圧とカーボンナノチューブの自由端の振動モードに関与する弾性定数との関係を示した特性図。同実施例装置の第１信号源の出力する電圧と陽極又は陰極を流れる得るべき目的とする信号の位相との関係を示した特性図。本発明の具体的な他の実施例に係る信号制御装置を示した構成図。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は下記の実施例に限定されない。

図１は、移相器１を示した構成図である。直線状にｙ軸方向に伸びたカーボンナノチューブ（以下、「ＣＮＴ」と記す）１４は、その一端を固定端１０ａとして、平板状の陰極１０の一面１０ａに固定されている。ＣＮＴ１４の他端は自由端１４ｂである。この自由端１４ｂに対面するように平板状の陽極１２が設けられている。

陰極１０と陽極１２との間に電圧を印加する第１信号源１６が接続されている。また、ＣＮＴ１４の中心軸（ｙ軸）に平行に平板状の駆動電極１５が設けられている。この駆動電極１５には、交流信号を出力する第２信号源１７が接続されている。駆動電極１５は、第２信号源１７の出力に応じて、ＣＮＴ１４の中心軸に垂直な方向（ｘ軸方向）に交流の駆動電界Ｅ_dを発生させる。その駆動電界Ｅ_dによりＣＮＴ１４の自由端付近に蓄積された電荷がクーロン力を受けて、ＣＮＴ１４は、その中心軸（ｙ軸）を中心にして、その中心軸に垂直な方向（ｘ軸方向）に振動する。また、陰極１０と陽極１２とを接続する線路１８には分岐器１９が挿入されており、分岐器１９の分岐端子２０から位相が制御された所望の信号が出力される。第２信号源１７の出力する信号を搬送波、第１信号源１６の出力する信号を変調信号とすると、線路１８には、搬送波が変調信号により変調された信号が流れ、分岐器１９の出力端２０から変調された所望の信号が出力される。

次に、本実施例に係る移相器１の作用について説明する。第１信号源１６の出力信号Ｖ_extは、説明を簡単にするために、可変直流電圧とする。また、第２信号源１７の出力する交流信号は、説明を簡単にするために、単一正弦波とする。

１．電界放出（トンネル伝導）
ＣＮＴ１４の先端の自由端１４ｂと、それと対向する陽極１２との間隔（以下、この間隔を「自由端距離」という）をｈ（ｔ）とする。自由端距離ｈ（ｔ）を時間の関数とするのは、後述するようにＣＮＴ１４の自由端１４ｂがｘ軸方向に振動するため、その自由端距離が時間と共に変化するためである。
良く知られたように、自由端１４ｂから陽極１２に向けて電子が電界放出されることによって、線路１８に流れる電流Ｉ（ｔ）は、（１）式で表される。

ただし、ＡはＣＮＴ１４の自由端１４ｂにおける中心軸に垂直な断面の面積、ｃ₁，ｃ₂は、基礎的定数とＣＮＴ１４の仕事関数により決定される係数である。ｃ₁＝３．４×１０^-5Ａ／Ｖ²，ｃ₂＝７．０×１０¹⁰Ｖ／ｍである。Ｅ_g（ｈ）は、第１信号源１６の出力信号の電圧Ｖ_extによって生じる自由端１４ｂの表面近傍の電界（以下、「自由端表面電界」という）であり、自由端距離ｈ（ｔ）の関数である。

ｈ（ｔ）は、ＣＮＴ１４が湾曲振動して、自由端１４ｂがｘ軸方向に時間ｔの経過と共に振動する時に、自由端１４ｂと陽極１２との距離である。ｈ（ｔ）は一次近似として（２）式で表される。

また、ｈ₀は、ＣＮＴ１４が湾曲しておらず直線状態でｙ軸に平行な状態での自由端１４ｂと陽極１２との距離、すなわち、自由端距離の最小値である。Δｈ（ｔ）は、自由端１４ｂがｘ軸方向に時間ｔの経過と共に湾曲して振動する時の自由端距離のｈ₀に対する増加量である。なお、Δｈ（ｔ）＞０である。

自由端表面電界Ｅ_g（ｈ）は、自由端距離ｈの関数であり、一次近似として（３）式で表すことができる。Ｅ_goは、ＣＮＴ１４が湾曲しておらず直線状態でｙ軸に平行な状態における自由端表面電界である。また、ＣＮＴ１４が湾曲して自由端１４ｂがｘ軸方向に振動して、自由端距離ｈ（ｔ）がΔｈ（ｔ）だけ増加した時の自由端表面電界のＥ_goに対する増加量ΔＥ_g（ｈ）は（４）式で表される。ただし、自由端距離ｈ（ｔ）が大きくなると、自由端表面電界Ｅ_g（ｈ）は減少するので、Δｈ（ｔ）＞０に対し、ΔＥ_g（ｈ）＜０である。

また、トンネル電流Ｉ（ｔ）は、ＣＮＴ１４が湾曲しておらず直線状態でｙ軸に平行な状態でのトンネル電流Ｉ₀と、すなわち、トンネル電流Ｉ（ｔ）の最大値と、ＣＮＴ１４が湾曲して自由端１４ｂがｘ軸方向に振動して、自由端距離がΔｈ（ｔ）だけ増加する時のトンネル電流の増加量ΔＩ（ｔ）を用いて、一次近似として（５）式で定義される。ただし、ΔＩ（ｔ）＜０である。
電流Ｉ₀は、自由端表面電界がＥ_g0の時の電流であるので、（１）式により、（６）式で表される。増加量ΔＩ（ｔ）は、（１）式を自由端表面電界Ｅ_gに関して一次展開して、（７）式で与えられる。

（７）式に（４）式の増加量ΔＥ_g（ｈ）と増加量Δｈ（ｔ）との関係を用いれば、トンネル電流Ｉ（ｔ）の増加量ΔＩ（ｔ）は、（８）式で表される。

２．ＣＮＴ１４の振動
第２信号源１７の出力により駆動電極１５によって、ＣＮＴ１４の中心軸の位置で、その中心軸に垂直な方向（ｘ軸方向）に生起される交流の駆動電界をＥ_d（ｔ）とする。Ｅ_d（ｔ）は（９）式で表される。Ｄは、駆動電界Ｅ_d（ｔ）の振幅である。

ＣＮＴ１４は、１４ａを固定端、１４ｂを自由端とする片持ち梁であるので、交流の駆動電界Ｅ_dにより、ＣＮＴ１４の自由端１４ｂ付近に蓄積される負電荷Ｑはクーロン力を受けて、中心軸に垂直なｘ軸方向に湾曲し、その自由端１４ｂは、駆動電界Ｅ_dの極性の変化に応じて、ｘ軸方向に振動する。この振動における自由端１４ｂのｘ座標に関する運動方程式は、（１０）式で与えられる。

ただし、ｍはＣＮＴ１４の有効質量、ｓはダンピング係数、ｋは弾性定数、ＱはＣＮＴ１４の自由端１４ｂにおける蓄積電荷量である。ｋは弾性定数は、（１１）式で与えられる。

ただし、Ｙはヤング率、ＰはＣＮＴ１４の慣性モーメント、ＬはＣＮＴ１４の長さである。

（１０）式の微分方程式の解である、自由端１４ｂのｘ座標ｘ（ｔ）は、（１２）式で表される。

振幅Ｂは、（１３）式、位相φは（１４）式で表される。

また、ＣＮＴ１４の自由端１４ｂの振動に関して、（１５）式で表される共振角周波数（以下、単に、「共振周波数」という）ω₀が存在する。駆動電界Ｅ_dの角周波数（以下、単に、「周波数」という）が、共振周波数ω₀に等しい時、自由端１４ｂのｘ座標ｘ_reso（ｔ）は、（１６）式で表される。

３．位相制御
トンネル電流Ｉ（ｔ）の増加量ΔＩ（ｔ）は、（８）式から明らかなように、増加量Δｈ（ｔ）に依存する。自由端１４ｂの振動を、ＣＮＴ１４を剛体と仮定し、固定端１４ａを中心とした正負方向の微小量回転振動で近似する。Δｈ（ｔ）は、図２に示すように、ピタゴラスの定理により、自由端１４ｂの位置ｘ（ｔ）とＣＮＴ１４の長さＬとを用いて、（１７）式で表される。

その近似式は（１８）式となる。

ΔＩ（ｔ）を表す（８）式に、（１８）式を代入すると、ΔＩ（ｔ）は、（１９）式で表される。（２１）式で定義される定数Ｇを用いると、ΔＩ（ｔ）は、（２０）式のように、自由端１４ｂのｘ座標の２乗に比例する。ただし、自由端距離ｈ（ｔ）が増加すると、自由端表面電界Ｅ_gは減少するので、∂Ｅ_b／∂ｈは負、定数Ｇは正として定義されている。

（１２）式のｘ（ｔ）を（２０）式に代入して（２２）式が得られる。

また、駆動電界Ｅ_dの周波数を共振周波数ω₀として、ＣＮＴ１４を共振状態とすると、共振状態での自由端１４ｂのｘ座標を表す（１６）式を（２０）式に代入して、（２３）式が得られる。

このように、トンネル電流の増加量ΔＩ（ｔ）は、駆動信号のcos(ωt)対して、直流分と、交流分cos ｛2(ωt-φ) ｝で表される。
この信号の位相φは、（１４）式で与えられるように、ＣＮＴ１４の弾性定数ｋにより変化させることができる。この弾性定数ｋは、第１信号源１６の電圧Ｖ_extに依存する。図３に示すように、電圧Ｖ_ext（バイアス電圧）が大きくなる程、ＣＮＴ１４の自由端１４ｂは陽極１２から大きな引力を受け、ＣＮＴ１４は、中心軸方向のｙ軸方向に引っ張り応力（張力）が印加される。中心軸方向の引っ張り応力が大きい程、図４に示すように、自由端１４ｂの中心軸に垂直なｘ軸方向の弾性定数ｋは大きくなる。すなわち、弾性定数ｋは、ｋ＝ｇ（Ｖ_ext）であり、第１信号源１６の電圧Ｖ _extの関数となる。

（１４）式から明らかなように、電圧Ｖ_extを調整して、ｋをｍω²の付近に設定することで、僅かなｋの変化で、位相φを大きく変化させることができる。また、（１３）式から明らかなように、自由端１４ｂのｘ軸方向の振動の振幅Ｂも、同様に、僅かなｋの変化で大きく変化させることができる。
このようにして、第１信号源１６の電圧Ｖ_extを制御すれば、分岐器１９の分岐端子２０から得られる信号ｕ（ｔ）の振幅と位相とを、第２信号源１７の出力信号の位相に対して、変化（推移）させることができる。

第１信号源１６の出力電圧Ｖ_extが直流であれば、信号ｕ（ｔ）の振幅と位相が制御され、電圧Ｖ_extを変化させれば、位相と振幅を変化させることができる。
さらには、第２信号源１７の出力信号を搬送波、第１信号源１６の出力をバイアスレベルＶ₀を中心とする交流信号ｖ（ｔ）とすれば、交流信号ｖ（ｔ）を変調信号として、搬送波に対して、位相変調、又は、振幅変調を行うことが可能となる。

図６は、実施例２に係る信号制御装置である。実施例１の装置と異なる点は、ＣＮＴ１４を中心軸として、駆動電極１５の位置と対称位置にアース電極３０を設けたことが特徴である。この構成により、駆動電極１５が生起する駆動電界Ｅ_d正確にｘ軸に平行、すなわち、ＣＮＴ１４の中心軸に垂直とすることができる。これによりＣＮＴ１４の自由端１４ｂのｘ軸方向の振動を効率良く行うことができる。他の構成は、実施例１と同一である。

高感度で、位相、振幅の制御を行う、小型の信号制御装置とすることができる。

１…移相装置
１０…陰極
１２…陽極
１４…ＣＮＴ
１４ａ…固定端
１４ｂ自由端
１５…駆動電極
１６…第１信号源
１７…第２信号源

Claims

高周波信号の位相又は振幅を制御する信号制御装置において、
陰極と、
前記陰極に、一端が固定され、他端を自由端とする線状の導電体と、
前記自由端と対面し、微小間隙を隔てて設けられた陽極と、
前記陰極と前記陽極との間に、電圧を印加し、その電圧を可変できる第１信号源と、
前記導電体の長さ方向に垂直な成分を有する電界を、前記導電体の周囲の空間に印加する駆動電極と、
前記駆動電極に交流信号を印加する第２信号源と、
を有し、
前記信号制御装置は、前記第２信号源の出力する信号の位相を、前記第１信号源の出力する直流電圧によって決定される移相量だけ、推移させた信号を得る移相装置であることを特徴とする信号制御装置。
高周波信号の位相又は振幅を制御する信号制御装置において、
陰極と、
前記陰極に、一端が固定され、他端を自由端とする線状の導電体と、
前記自由端と対面し、微小間隙を隔てて設けられた陽極と、
前記陰極と前記陽極との間に、電圧を印加し、その電圧を可変できる第１信号源と、
前記導電体の長さ方向に垂直な成分を有する電界を、前記導電体の周囲の空間に印加する駆動電極と、
前記駆動電極に交流信号を印加する第２信号源と、
を有し、
前記信号制御装置は、前記第１信号源の出力する信号をバイアスされた交流信号として、その交流信号に応じて、前記第２信号源の出力する信号の位相を変調した信号を得る位相変調装置であることを特徴とする信号制御装置。
高周波信号の位相又は振幅を制御する信号制御装置において、
陰極と、
前記陰極に、一端が固定され、他端を自由端とする線状の導電体と、
前記自由端と対面し、微小間隙を隔てて設けられた陽極と、
前記陰極と前記陽極との間に、電圧を印加し、その電圧を可変できる第１信号源と、
前記導電体の長さ方向に垂直な成分を有する電界を、前記導電体の周囲の空間に印加する駆動電極と、
前記駆動電極に交流信号を印加する第２信号源と、
を有し、
前記信号制御装置は、前記第１信号源の出力する信号をバイアスされた交流信号として、その交流信号に応じて、前記第２信号源の出力する信号の振幅を変調した信号を得る振幅変調装置であることを特徴とする信号制御装置。
前記導電体に対して、前記駆動電極の配置位置と反対側にアース電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の信号制御装置。
前記導電体は、カーボンナノチューブ、金属ワイヤ、又は、導電性シリコンであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の信号制御装置。
前記第２信号源の出力する信号の周波数は、前記導電体の前記自由端の振動の固有周波数に等しく設定することを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の信号制御装置。