(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）位相調整器を含む機械的振動子の発振回路と、
（ｂ）該発振回路の発振信号の位相を検出する２値化回路と、
（ｃ）位相雑音が低く純度の高い特性を有する局部発振器と、
（ｄ）前記機械的振動子の発振信号の位相と、前記局部発振器からの発振信号の位相とを比較する位相比較器と、
（ｅ）該位相比較器に接続されるループフィルタとを備え、
（ｆ）前記位相比較器の出力を前記ループフィルタを介して前記位相調整器にフィードバックし、前記機械的振動子の位相雑音を低減することを特徴とする位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置。
【請求項２】
請求項１記載の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、前記局部発振器が水晶発振器であることを特徴とする位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置。
【請求項３】
請求項１記載の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、前記局部発振器がルビジウムやセシウムなどの原子発振器であることを特徴とする位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置。
【請求項４】
請求項１記載の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、前記ループフィルタの特性に応じて、前記機械的振動子の位相雑音を変化させる手段を具備することを特徴とする位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置に関するものであり、力検出器、振動計測器、物質検出器、質量検出器などに用いることができる。
【背景技術】
【０００２】
力検出器や質量検出器の従来技術は大きく３つに分類できる。
（１）外部からの固定の周波数で機械的振動子を強制励振させ、力や質量の相互作用を、振動信号の振幅値変化、位相変化から検出するようにしていた。一般に、Ｓｌｏｐｅ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎと呼ばれている。
この種の先行研究例としては、下記非特許文献１及び２が挙げられる。
（２）検出能力を可変にするために機械的振動子のみかけのＱ値を可変にするため、外部強制励振信号に機械的振動子の速度信号に相当する信号をフィードバックさせ、励振させる。一般にＱ値コントロールと呼ばれている。
【０００３】
この種の先行研究例としては、下記非特許文献３、４及び５が挙げられる。
（３）機械的振動子の振動信号を準固定した位相器を介し、アクチュエータにフィードバックさせ自励発振を行い、そのときにかかる力や質量の相互作用により変化する共振周波数を外部の周波数検波回路を用いて検出する。一般にＦＭ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎと呼ばれている。
【０００４】
この種の先行研究例としては、下記非特許文献６、７、８及び９が挙げられる。
このほか、位相同期回路を用いる手法があるが、これはＲＣ発振器、ＬＣ発振器、水晶発振器などを位相同期発振させる手法であり、数１０年来から存在する手法である。先行研究例としては、下記非特許文献１０が挙げられる。
なお、下記非特許文献における※付き文字は全てウムラウト付きを表す。
【非特許文献１】Ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−ｆｏｒｃｅ  ｍａｐｐｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｏｆｉｌｉｎｇ  ｏｎ  ｓｕｂ  １００−Å  ｓｃａｌｅ，Ｙ．Ｍａｒｔｉｎ，Ｃ．Ｃ．Ｗｉｌｌｉａｍｓ，ａｎｄ  Ｈ．Ｋ．Ｗｉｃｋｒａｍａｓｉｎｇｈｅ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６１（１９８７）４７２３．
【非特許文献２】Ｃｏｎｔａｃｔ  ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｂ．Ｄ．Ｔｅｒｒｉｓ，Ｊ．Ｅ．Ｓｔｅｒｎ，Ｄ．Ｒｕｇａｒ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．Ｍａｍｉｎ：Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．６３（１９８９）２６６９．
【非特許文献３】Ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｍｉｃｒｏｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ  ｒｅｓｐｏｎｓｅ  ｂｙ  ｆｏｒｃｅ  ｆｅｅｄｂａｃｋ，Ｊ．Ｍｅｒｔｚ，Ｏ．Ｍａｒｔｉ，ａｎｄ  Ｊ．Ｍｌｙｎｅｋ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．６２（１９９３）２３４４．
【非特許文献４】Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｅｄ  ｔａｐｐｉｎｇ  ｍｏｄｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｗｉｔｈ  ａｃｔｉｖｅ  Ｑ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  ａｔｏｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｔ．Ｓｕｌｃｈｅｋ，Ｒ．Ｈｓｉｅｈ，Ｊ．Ｄ．Ａｄａｍｓ，Ｇ．Ｇ．Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ，Ｓ．Ｃ．Ｍｉｎｎｅ，Ｃ．Ｆ．Ｑｕａｔｅ，Ｊ．Ｐ．Ｃｌｅｖｅｌａｎｄ，Ａ．Ａｔａｌａｒ，ａｎｄ  Ｄ．Ｍ．Ａｄｄｅｒｔｏｎ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．７６（２０００）１４７３．
【非特許文献５】Ｈｉｇｈ−Ｑ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｉｎ  ｌｉｑｕｉｄ  ａｎｄ  ｉｔｓ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｔｏ  ｌｉｖｉｎｇ  ｃｅｌｌｓ，Ｊ．Ｔａｍａｙｏ，Ａ．Ｄ．Ｌ．Ｈｕｍｐｈｒｉｓ，Ｒ．Ｊ．Ｏｗｅｎ，ａｎｄ  Ｍ．Ｊ．Ｍｉｌｅｓ：Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．８１（２００１）５２６．
【非特許文献６】Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｕｓｉｎｇ  ｈｉｇｈ−Ｑ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ  ｆｏｒ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ，Ｔ．Ｒ．Ａｌｂｒｅｃｈｔ，Ｐ．Ｇｒｕ※ｔｔｅｒ，Ｄ．Ｈｏｒｎｅ，ａｎｄ  Ｄ．Ｒｕｇａｒ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．６９（１９９１）６６８．
【非特許文献７】Ｄｙｎａｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｂｙ  ｍｅａｎｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｐｈａｓｅ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ  ｍｅｔｈｏｄ，Ｕ．Ｄｕ※ｒｉｇ，Ｈ．Ｒ．Ｓｔｅｉｎａｕｅｒ，ａｎｄ  Ｎ．Ｂｌａｎｃ：Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．８２（１９９７）３６４１．
【非特許文献８】Ｆａｓｔ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ｆｏｒ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｕｓｉｎｇ  ｈｉｇｈ−Ｑ  ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｓ，Ｃｈ．Ｌｏｐｐａｃｈｅｒ，Ｍ．Ｂａｍｍｅｒｌｉｎ，Ｆ．Ｂａｔｔｉｓｔｏｎ，Ｍ．Ｇｕｇｇｉｓｂｅｒｇ，Ｄ．Ｍｕ※ｌｌｅｒ，Ｈ．Ｒ．Ｈｉｄｂｅｒ，Ｒ．Ｌｕ※ｔｈｉ，Ｅ．Ｍｅｙｅｒ，ａｎｄ  Ｈ．Ｊ．Ｇｕ※ｎｔｈｅｒｏｄｔ：Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ａ６６（１９９８）Ｓ２１５．
【非特許文献９】Ａｎａｌｏｇ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｄｅｔｅｃｔｏｒ  ｆｏｒ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｆｏｒｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｋ．Ｋｏｂａｙａｓｈｉ，Ｈ，Ｙａｍａｄａ，Ｈ．Ｉｔｏｈ，Ｔ．Ｈｏｒｉｕｃｈｉ，Ｋ．Ｍａｔｓｕｓｈｉｇｅ：Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．７２（２００１）４３８３．
【非特許文献１０】Ｐｈａｓｅｌｏｃｋ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，２ｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｆ．Ｍ．Ｇａｒｄｎｅｒ：（Ｗｉｌｅｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ，１９７９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の力・質量検出器（力・質量センサ）は、真空中、大気中、そして液中と様々な環境下で使用されていた。既存の検出方法は、上記の通り大きく３つに分けられる。その中でも上記（３）のＦＭ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎは最も高感度に検出できる方法である。
しかしながら、この方法での自励中の位相雑音は、Ｎ／Ｃ＝ＮＦｋB Ｔ／８ＣＱ2 ×（ｆ0 ／ｆm ）2 と表される。但し、Ｑは機械的Ｑ値、Ｃは振動のエネルギー、ＮＦは発振回路のノイズフィギャ、ｋB はボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｆ0 は共振周波数、ｆm はオフセット周波数である。機械的振動子の変位検出は一般にノイズ成分を多く含むため、ＮＦを小さくすることができない。また、Ｑ値は特に液中などでは一桁程度で著しく悪い。
【０００６】
よって、センサとして発振している機械的振動子は、一般的な水晶発振器等と比較し、位相雑音が多い。位相雑音は力や質量などの測定する対象の外部からの影響による周波数シフトのバックグラウンドとして働き、高感度測定の妨げとなっていた。
要するに、従来の機械的振動子の励振方法では、その振動そのものの位相雑音を制御することができなかった。
【０００７】
本発明は、上記問題点に鑑みて、位相同期回路を用いて位相雑音が低く純度の高い特性を有する局部発振器からの発振信号に機械的振動子の振動信号を同期させることにより機械的振動子の位相雑音を低減させることができる位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、位相調整器を含む機械的振動子の発振回路と、この発振回路の発振信号の位相を検出する２値化回路と、位相雑音が低く純度の高い特性を有する局部発振器と、前記機械的振動子の発振信号の位相と、前記局部発振器からの発振信号の位相とを比較する位相比較器と、この位相比較器に接続されるループフィルタとを備え、前記位相比較器の出力を前記ループフィルタを介して前記位相調整器にフィードバックし、前記機械的振動子の位相雑音を低減することを特徴とする。
【０００９】
〔２〕上記〔１〕記載の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、前記局部発振器が水晶発振器であることを特徴とする。
〔３〕上記〔１〕記載の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、前記局部発振器がルビジウムやセシウムなどの原子発振器であることを特徴とする。
〔４〕上記〔１〕記載の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置において、前記ループフィルタの特性に応じて、前記機械的振動子の位相雑音を変化させる手段を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）力・質量検出器の高感度な検出が可能となり、その機械的振動子をセンサとして用いている機器の性能を飛躍的に向上させることができる。
（２）従来の力・質量検出器と比較し、検出器そのものの特性及びその環境に依存せず、任意の検出能力を持たせることができる。
【００１１】
（３）従来の検出器は自励振動の位相雑音により検出器の検出能力が決まっていたが、本発明は、同期検波することにより、その位相雑音を任意に変化させ、検出器の検出能力を変化させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
位相調整器を含む機械的振動子の発振回路と、この発振回路の発振信号の位相を検出する２値化回路と、位相雑音が低く純度の高い特性を有する局部発振器と、前記機械的振動子の発振信号の位相と、前記局部発振器からの発振信号の位相とを比較する位相比較器と、この位相比較器に接続されるループフィルタとを備えることにより、前記位相比較器の出力を前記ループフィルタを介して前記位相調整器にフィードバックし、前記機械的振動子の位相雑音を低減する。
【００１３】
力・質量検出器を位相同期回路内の周波数可変発振回路に用いて、外部の局部発振器の発振信号と同期させ、力・質量検出器の検出能力を可変させる。
なお、力・質量検出器はフィードバック回路を用いて、自励振動させ、外部の局部発振器からの発振信号により、機械的振動子の位相を同期させる制御値をもって、機械的振動子による力・質量の測定を行うことができる。
【００１４】
すなわち、自励振動回路の位相調整回路に外部の局部発振信号と同期検波した値をフィードバックさせることにより、力・質量検出器を常に局部発振信号の周波数、又はその分周倍の発振信号で発振させる。その際、フィードバックのループフィルタの特性により自励振動回路の位相雑音を変化させることにより、力・質量検出器の能力を変化させることができる。
【実施例】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は本発明の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置の構成図である。
この図において、１は機械的振動子、２はその機械的振動子１を振動させるアクチュエータ、３はその機械的振動子１に照光・受光を行う機械的振動子１の光センサ部、４は機械的振動子１の変位を検出する変位検出器、５はその変位検出器４の出力側に接続される、自動ゲイン調整回路を含む２値化回路、６はその２値化回路５の出力側に接続される位相比較器、７はその位相比較器６の入力側に接続される局部発振器、８は位相比較器６の出力側に接続されるループフィルタ、９はそのループフィルタ８の出力側に接続されるローパスフィルタ、１０はそのループフィルタ８と変位検出器４に接続される位相調整器、１１はその位相調整器１０の出力側に接続される、自動ゲイン調整回路を含むアンプ（単純な２値化回路による振幅制御回路であってもよい）であり、そのアンプ１１の出力はアクチュエータ２に印加され、機械的振動子１の振動が制御される。
【００１６】
機械的振動子１の発振周波数は、発振回路内の位相調整器１０等により機械的振動子１がもつＱ値に対応して変化する。従来の方法では、位相調整器の制御値は準固定であった。
本発明の高感度力・質量検出方法によれば、外部からの制御値に早く応答し動的に調整することが可能となるように、位相同期回路（位相器）を発振回路内に持ち込む。これにより、機械的振動子１の発振回路は、位相調整器１０の制御信号を入力とした、周波数可変発振器とすることができる。
【００１７】
すなわち、機械的振動子１の発振信号の位相と、位相雑音が低く純度の高い局部発振器（水晶発振器）７の信号の位相とを位相比較器６で比較する。位相比較器６の出力をループフィルタ８を通して、機械的振動子１の発振回路内の位相調整器１０にフィードバックさせる。このループフィルタ８の特性に応じて、機械的振動子１の位相雑音を局部発振器（水晶発振器）７の位相雑音程度まで除去することができる。なお、局部発振器７としては、ルビジウムやセシウムなどの原子発振器を用いるようにしてもよい。
【００１８】
図２は本発明にかかる力・質量検出器の位相と発振周波数との関係を示す図、図３は本発明にかかる力・質量検出器の周波数と振幅との関係を示す図である。
図２から明らかなように、位相（度）が−８０度〜＋８０度では機械的振動子のＱ値と共振周波数に応じて発振周波数を可変にすることができる。すなわち、ここでは、位相調整器１０の０度を中心として、機械的振動子１の共振周波数とＱ値に依存し、発振周波数を可変にできる（図２においては−８０度〜＋８０度）ことを利用して、発振周波数可変機械振動子を実現する。この発振周波数変動値δｆはδｆ＝ｆ0 ／２Ｑ×ｔａｎθで表される。
【００１９】
図３において、最外側の線は、本発明の位相同期回路を用いていないときの機械的振動子の位相雑音を示しており、最内側の線は、純度の良い局発振信号の位相雑音を示している。太線は、本発明の位相同期回路を用いたときの機械的振動子の位相雑音を示しており、斜線部は、本発明の位相同期回路を用いることにより除去できる位相雑音を示している。
【００２０】
この、図３から明らかなように、本発明の位相同期回路を用いることにより、位相雑音が除去（斜線部ａ参照）されて、中心周波数からの振幅が小さい鋭い振動検出ができることがわかる。
本発明は、位相同期回路を用いることにより、自励振動の位相雑音が比較的大きい微小な機械的振動子、また、位相雑音が大きくなる環境において、その位相雑音を少なくし、検出限界・分解能を変化させるものである。
【００２１】
このように、ループフィルタ帯域内では、機械的振動子の位相雑音を除去することができる。図１におけるローパスフィルタ９の帯域をループフィルタ８程度に設定することにより、信号対雑音比を大きくとることができる。これにより検出能力の向上を図ることができる。ループフィルタ８の帯域は、可変な発振周波数幅（機械的振動子ごとに異なる）程度に設定するとよい。
【００２２】
従来から、溶液中などの環境下では、ダンピングによりセンサの自励発振をさせることが困難であった。本発明によれば、自励発振回路を位相同期検波に組み込むことにより、その問題点を解決することができる。
また、本発明は、
（１）マイクロメカトロニクス等により作製された微小な機械的振動子を用いた走査型プローブ顕微鏡ならびに他の力検出装置の位相同期回路を用いた力・質量検出に用いることができる。
【００２３】
（２）本発明を用いることにより、機械的振動子は常に固定周波数で自励共振状態を実現する。また、そのときの位相雑音はフィードバック特性を変化させることにより可変にすることが可能である。機械的振動子と試料の相互作用や、機械的振動子に付着した質量の変化を、位相比較器からのフィードバック値の変化として検出する走査型プローブ顕微鏡に利用すること、ならびに質量検出、物質検出を行うことができる。
【００２４】
ところで、全ての検出系は大きく２種類に分けることができる。すなわち、光等を用いた外部検出系と機械的振動子そのものにあらかじめ検出系を組み込んである自己検出系がある。
外部検出系としては、光ホモダイン干渉計を用いた検出系、光ヘテロダイン干渉計を用いた検出系、光梃子を用いた検出系、ナイフエッジを用いた検出系等がある。
【００２５】
また、自己検出系としては、ピエゾ抵抗素子を組み込んだ検出系、ピエゾ薄膜素子を組み込んだ検出系、静電容量計を組み込んだ検出系等を挙げることができる。
これらの全ての検出系が本願発明の適用範囲に含まれる。
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置は、力検出器、振動計測器、物質検出器、質量検出器に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の位相同期回路を用いた高感度力・質量検出装置の構成図である。
【図２】本発明にかかる力・質量検出器の位相と発振周波数との関係を示す図である。
【図３】本発明にかかる力・質量検出器の周波数と振幅との関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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