JP6414532B2 - 位相検出装置 - Google Patents
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Description
本発明は、このような電子回路を用いることなく新たな原理を利用して、超小型の機構により、電磁波の位相を感度良く検出することを目的とする。
すなわち、上記の第1の発明に加えて、線状導電体は、支持導体に固定された固定端とは反対側の他端を自由端とし、検出電極は、自由端と対面して自由端と微小間隙を隔てて設けられており、支持導体と、検出電極との間に、電圧を印加するバイアス電源を有する位相検出装置としても良い。この構造は、線状導電体の自由端から電子が検出電極に向けて電界放出されて、トンネル電流が流れ、このトンネル電流の大きさが自由端の変位に依存することを利用するものである。この装置により、電磁波と制御電圧との位相差により、電磁波の位相が検出される。
すなわち、上記の第1の発明において、支持導体は第1支持導体と第2支持導体とから成り、線状導電体は一端が第1支持導体に固定され、他端が第2支持導体に固定された位相検出装置とすることができる。この構造では、線状導電体の長さ方向の中点が最大振幅となるように、電磁波に応じて振動する。検出電極はこの部分の振動による変位を検出することになる。例えば、検出電極は、線状導電体との間の静電容量を検出することで、振動信号を検出する構造とすることができる。検出電極は、線状導電体に平行であって、その線状導電体に対して制御電極とは反対側に設けも良い。また、制御電極は、検出電極を兼ねるようにしても良い。制御電極に印加する制御電圧の周波数と検出電極により検出される振動信号の周波数とが異なるようにすれば、制御電極と検出電極とが共通であっても振動信号を分離抽出することができる。
CNT14の先端の自由端142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142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142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。
電流I0 は、自由端表面電界がEg0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Eg に関して一次展開して、(7)式で与えられる。
到来電磁波を単一周波数の余弦波とすると、CNT14の中心軸の位置でのx軸方向の電界Erad は、(9)式で表すことができる。
また、制御電源17の出力する制御電圧は直流バイアスされた交流電圧とし、周波数は到来電磁波の周波数に等しく設定されている。制御電極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制御電界をEref (t)とする。Eref (t)は(10)式で表される。
振幅Dは、(12)式、位相αは(13)式で表される。
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142の振動を、CNT14を剛体と仮定し、固定端141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142の位置x(t)とCNT14の長さLとを用いて、(24)式で表される。
(20)式から明らかなように共振周波数ω0 はCNT14の弾性定数kに依存する。この弾性定数kは、バイアス電源16の電圧Vext に依存する。図3に示すように、電圧Vext (バイアス電圧)が大きくなる程、CNT14の自由端142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142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(Vext )であり、バイアス電源16の電圧Vext の関数となる。
このようにして、バイアス電源16の電圧Vext を制御することで、CNT14の共振周波数ω0 を到来電磁波の周波数に選択的に一致させることができ、検出する振動信号の利得を大きくすることができるる。すなわち、到来電磁波の選局が可能となる。
また、上述した位相検出装置を2つ平行に近接して設けて、それぞれに与える制御電圧をsin(ωt+β) 、cos(ωt+β) として、位相βを変化させたときに、cos(ωt+β) を制御電圧としたときの、振動電流ΔI(t)の第2高調波が0となるように位相βを決定して、そのときの制御電圧をsin(ωt+β) とした装置の(32)式のw(t)を求める復調信号とすれば、位相信号を感度良く復調することができる。すなわち、これは、電磁波を直交復調することに相当する。
なお、本発明では、通信波、放送波だけでなく、CNT14が感応する周波数の電磁波であれば、任意である。また、位相変調信号θ(t)は、アナログでも、QPSK、QAMなどのディデタル変調信号であっても良い。その場合には、データ送信のプリアンブルとして、隣接するシンボル間の位相差が既知のパイロット信号を送信して、復調時に、検出された位相差が所定の値となるように、制御電圧の位相を変化させることで、正確な位相データの復調が可能となる。
図9において、電磁波検出ユニットUa、参照信号出力ユニットUb、位相検出ユニットUcは、いずれも、図1に示す位相検出器1と同様な構成をしている。バイアス電源16、CNT14、陰極10、陽極12、制御電極15、制御電源17、帯域通過フィルタ41について、対応する部材には同一数字を付し、各ユニット毎の識別符号a,b,cを付している。電磁波検出ユニットUaと参照信号出力ユニットUbは、包絡線検波器42は有していない。位相検出ユニットUcは、制御電極15cと、さらに、CNT14cに対して制御電極15cの反対側に付加制御電極15caを有している。制御電極15c、CNT14c、付加制御電極15caは、相互に平行である。また、位相検出ユニットUcは,帯域通過フィルタ41cと包絡線検波器42cとを有している。
10…陰極
12…陽極
14…CNT
141…固定端
142自由端
15…制御電極
16…バイアス電源
17…制御電源
Claims (13)
- 電磁波の位相を検出する位相検出装置において、
支持導体と、
前記支持導体に一端が固定されて、前記電磁波の電界により、長さ方向に垂直な変位成分を有して振動する線状導電体と、
前記線状導電体の長さ方向に垂直な成分を有する静電力を前記線状導電体に印加する制御電極と、
前記線状導電体の前記振動に基づいて生起される振動信号を検出する検出電極と、
前記線状導電体と前記制御電極との間に交流の制御電圧を印加する電源と、
前記検出電極により検出された振動信号の振幅から前記電磁波の位相を検出する位相検出器と、
を有することを特徴とする位相検出装置。 - 前記線状導電体は、前記支持導体に固定された固定端とは反対側の他端を自由端とし、前記検出電極は、前記自由端と対面して前記自由端と微小間隙を隔てて設けられており、
前記支持導体と、前記検出電極との間に、電圧を印加するバイアス電源を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の位相検出装置。 - 前記バイアス電源は、電圧を可変できる直流電源であることを特徴とする請求項2に記載の位相検出装置。
- 前記線状導電体の共振周波数が前記電磁波の周波数に一致するように、前記バイアス電源の電圧が調整されていることを特徴とする請求項3に記載の位相検出装置。
- 前記支持導体は第1支持導体と第2支持導体とから成り、前記線状導電体は一端が前記第1支持導体に固定され、他端が前記第2支持導体に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の位相検出装置。
- 前記検出電極は、前記線状導電体との間の静電容量を検出することで、前記振動信号を検出することを特徴とする請求項5に記載の位相検出装置。
- 前記制御電極は、前記検出電極を兼ねることを特徴とする請求項6に記載の位相検出装置。
- 前記制御電圧は、任意の直流電圧でバイアスされた交流電圧であることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の位相検出装置。
- 前記直流電圧は、前記線状導電体の共振周波数が前記電磁波の周波数に一致するように調整されていることを特徴とする請求項8に記載の位相検出装置。
- 前記制御電圧の周波数は、前記線状導電体の共振周波数に等しく設定されることを特徴とする請求項1乃至請求項9の何れか1項に記載の位相検出装置。
- 前記位相検出器は、前記振動信号の第2高調波の振幅から前記電磁波の位相を検出することを特徴とする請求項1乃至請求項10の何れか1項に記載の位相検出装置。
- 前記線状導電体は、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11の何れか1項に記載の位相検出装置。
- 請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の前記支持導体、前記線状導電体、及び、前記検出電極とを、少なくとも有して前記電磁波を前記線状導電体で受信して前記検出電極から前記電磁波に基づく前記振動信号を電圧の電磁波検出信号として出力する電磁波検出ユニットと、
請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の前記支持導体、前記線状導電体、前記制御電極、前記検出電極、及び、前記電源とを少なくとも有し、前記制御電圧の周波数を前記電磁波の周波数に一致させ、前記電磁波を遮蔽させた状態とし、前記検出電極から前記制御電圧に基づく前記振動信号を電圧の参照信号として出力する参照信号出力ユニットと、
請求項1乃至請求項12の何れか1項に記載の前記支持導体、前記線状導電体、前記制御電極、前記検出電極、及び、前記位相検出器とを少なくとも有し、さらに、前記線状導電体に対して、前記制御電極の配置位置と反対側であって前記制御電極と平行に配置された付加制御電極とを有した位相検出ユニットと、
から成り、
前記電磁波検出ユニットの出力する前記電磁波検出信号を前記制御電極に印加し、前記参照信号出力ユニットの出力する前記参照信号を前記付加制御電極に印加するようにした
ことを特徴とする位相検出装置。
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2015
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