JP2007123494A - 可変容量コンデンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 印加電圧による容量変化が大きく、Ｑ値が高い可変容量コンデンサを提供すること。
【解決手段】 電歪材料から成る誘電体と、前記誘電体を挟持して静電容量領域を形成して成る第一電極と第二電極とを備えた可変容量コンデンサであって、前記誘電体は、前記静電容量領域の近傍部を挟持して電歪発生領域を形成して成る第三電極と第四電極とを備え、前記第三電極と前記第四電極との間に電界を印加することによって、前記第一電極と前記第二電極間の静電容量値を調整し得るようにしたことを特徴とする可変容量コンデンサである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、直流電圧の印加により静電容量が変化する可変容量コンデンサに関するものであり、特に印加電圧による容量変化が大きく、Ｑ値が高い可変容量コンデンサに関するものである。

従来使用されているコンデンサの中には、誘電体層およびこれを挟持する上下の電極層が薄膜で形成された薄膜コンデンサがある。薄膜コンデンサは通常、電気絶縁性を有する支持基板上に薄膜状の下部電極層、誘電体層および上部電極層がこの順に積層されて構成されている。

このような薄膜コンデンサにおいて、下部電極層および上部電極層はそれぞれスパッタリング法や真空蒸着法等で形成され、誘電体層はスパッタリング法やゾルゲル法等で形成される。また、このような薄膜コンデンサを構成する各層のパターニングには、通常、以下のようなフォトリソグラフィの手法が用いられる。

まず、電気絶縁性を有する支持基板上の全面に下部電極層となる導体層を形成した後、必要部のみをフォトレジストで覆い、その後、ウエットエッチングまたはドライエッチングで不要部を除去して、所定形状の下部電極層を形成する。次に、この上に薄膜誘電体層となる誘電体層を全面に形成し、下部電極層と同様に、不要部を除去して所定形状の薄膜誘電体層を形成する。最後に、上部電極層となる導体層を全面に形成し、不要部を除去して所定形状の上部電極層を形成する。

このようにして作製した薄膜コンデンサを実際に用いる場合には、上部電極層と下部電極層との間の誘電体層に所定の直流バイアス電圧を印加して、誘電体層の誘電率を所望の値に変化させることにより容量を変化させることができ、その結果、可変容量コンデンサとして機能させることができる。このような可変容量コンデンサとして、例えば、誘電体層の材料として、（Ｂａ_ｘＳｒ_１−ｘ）Ｔｉ_ｙＯ_３等の強誘電体酸化物薄膜を用いた構成が提案されている（例えば、特許文献１を参照。）。
特開平11−260667号公報

特許文献１に開示されたような従来の可変容量コンデンサでは、可変容量コンデンサの基本的な特性は使用する誘電体層の特性でほぼ決まってしまうため、印加電圧による容量変化が大きく、Ｑ値が高い可変容量コンデンサを提供するためには、印加電圧による誘電率変化が大きく、Ｑ値が高い誘電体層を用意する必要があった。

しかしながら、誘電体層には、印加電圧による誘電率変化が大きければ、Ｑ値が低くなり、逆に、Ｑ値が高ければ、印加電圧による誘電率変化が小さくなるという問題点があった。

図１を参照しつつ、（Ｂａ_0.2Ｓｒ_0.8）ＴｉＯ_３から成る誘電体層を例に取り説明する。図１は、（Ｂａ_0.2Ｓｒ_0.8）ＴｉＯ_３から成る誘電体層に電界強度０〜５００ｋＶ／ｃｍの直流電圧を印加した場合における、図１ａ）は誘電率の温度依存性を、図１ｂ）は誘電損失（ｔａｎδ：Ｑ値の逆数）の温度依存性をそれぞれ示す線図である。図１ａ）において横軸は温度（Ｋ），縦軸は誘電率であり、図１ｂ）において横軸は温度（Ｋ）、縦軸は誘電損失ｔａｎδである。

図１ａ）に示すように、誘電体層の誘電率は、ある温度において極大値を有し、印加電圧が大きくなるにつれ、誘電率の温度依存性を示す線図の形状がブロードになるとともに、誘電率の極大値および各温度での誘電率が共に小さくなっていく。この誘電体層を用いた可変容量コンデンサの容量変化を大きくするためには、誘電体層の誘電率を大きく変化させなくてはならない。ここで、同じ温度での印加電圧が０Ｖの時の誘電率とある大きさの電圧が印加されているときの誘電率との比が大きいほど誘電率変化が大きいことから、印加電圧が０Ｖの場合、すなわち電圧を印加しない状態での誘電率の極大値付近で誘電率変化が最も大きくなることがわかる。つまり、可変容量コンデンサの使用温度付近で、印加電圧が０Ｖのときの誘電率が極大値を取るような組成の材料を選べば誘電率変化を大きくすることができる。

しかしながら、図１ｂ）に示すように、誘電率の極大値付近の温度およびこの温度よりも低い温度における誘電損失は大きくなっている。

そこで、誘電損失を改善するためには、誘電率の極大値が使用温度よりも十分低い領域に位置するような組成の誘電体材料を選ぶ必要がある。しかしながら、この様な誘電体材料では、印加電圧が０Ｖのときの使用温度範囲における誘電率が元々小さいため、電圧を印加した時の誘電率の変化率が小さくなってしまうという問題がある。

さらに、例え上述のように、誘電率の極大値が使用温度範囲よりも低い温度に位置する組成の誘電体材料を選び、印加電圧が０Ｖのときの誘電体層の誘電損失を小さくしたとしても、電圧を印加するにつれ、図１ａ）に示すように誘電率の極大値の位置は高温側にシフトしているので、図１ｂ）に示すように、誘電体層の誘電損失も増加していくという問題がある。

この現象を回避するためには、電圧を印加した状態でも使用温度付近で誘電損失が低くなるように、誘電率の極大値がさらに低温側に位置する誘電体材料を使用することが必要であるが、そのような誘電体材料では誘電率の変化率がさらに小さくなる。

このように、従来の、制御電圧の印加により誘電体層の誘電率を変化させて容量特性を制御する可変容量コンデンサは、誘電損失を小さくしようとすると必然的に容量変化も小さくなってしまうため、容量変化が大きく、かつ誘電損失の少ない、すなわちＱ値の高いものを得ることが困難であった。

本発明は以上のような従来の技術における問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的は、印加電圧による容量変化が大きく、かつ、Ｑ値が高い可変容量コンデンサを提供することにある。

本発明の可変容量コンデンサは、１）電歪材料から成る誘電体と、前記誘電体を挟持して静電容量領域を形成して成る第一電極と第二電極とを備えた可変容量コンデンサであって、前記誘電体は、前記静電容量領域の近傍部を挟持して電歪発生領域を形成して成る第三電極と第四電極とを備え、前記第三電極と前記第四電極との間に電界を印加することによって、前記第一電極と前記第二電極間の静電容量値を調整し得るようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の可変容量コンデンサは、２）上記１）の構成において、前記第一電極と前記第二電極との間に電界を印加することによって、前記第一電極と前記第二電極間の静電容量値を調整し得るようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の可変容量コンデンサは、３）上記１）〜２）のいずれかの構成において、前記第一電極及び前記第三電極を共通電極としたことを特徴とするものである。

また、本発明の可変容量コンデンサは、４）上記１）〜３）のいずれかの構成において、前記静電容量領域は、前記電歪発生領域によって取り囲まれていることを特徴とするものである。

また、本発明の可変容量コンデンサは、５）上記１）〜４）のいずれかの構成において、前記電歪材料は、チタン酸バリウムストロンチウム化合物であることを特徴とするものである。

また、本発明の可変容量コンデンサは、６）上記１）〜５）のいずれかの構成において、前記第一電極および前記第三電極が絶縁基板上に形成されていることを特徴とするものである。

本発明の可変容量コンデンサによれば、上記１）のように構成したことから、誘電体が電歪材料から成り、第三電極と第四電極とは静電容量領域の近傍部を挟持して電歪発生領域を形成しているため、第３電極と第４電極との間に電界を印加することで、第三電極と第四電極との間の誘電体（電歪発生領域）に生じた歪により、静電容量領域を形成する誘電体に応力が加えられ、この応力により静電容量領域の誘電率が変化するので、結果として可変容量コンデンサの静電容量値を変化させることができる。このように電歪効果により静電容量領域の誘電率を制御するときには、静電容量領域における誘電体の誘電率の温度依存性を示すグラフの形状はそのままで、誘電率が極大値を取る温度のみを変化させることができる。この理由は未だ明らかではないが、具体的には、誘電体に引張応力を加えたときには誘電率が極大値を取る温度のみを低温側にシフトさせ、圧縮応力を加えたときには高温側にシフトさせることができる。このため、使用温度付近における誘電率変化率を大きくすることができる。また、従来の可変容量コンデンサのような、誘電率を変化させるに連れて、誘電損失が上昇することがないので、本発明の可変容量コンデンサによれば、誘電体の誘電率を、誘電率の極大値を取る温度の位置を変化させることにより、誘電損失の低い状態で、所望の誘電率変化を得ることが出来るように調整することができるので、誘電率を変化させても誘電損失を低く保ったままにすることができる。このように、本発明の可変容量コンデンサによれば、第三電極と第四電極との間に電界を印加することによって、第一電極と第二電極との間の静電容量領域における静電容量値を、誘電損失を低く保ったまま調整することができる。

また、本発明の可変容量コンデンサによれば、２）のように構成したことから、静電容量領域を形成する誘電体は電歪材料から成るため、第一電極と第二電極との間に電界を印加することにより誘電率を変化させ、その結果静電容量を調整することができるので、第三電極と第四電極との間に印加される電界の強度に依存する歪による静電容量値の調整と独立して、さらに静電容量値を調整することができることになり、広い範囲で静電容量値の調整ができるものとなる。

また、本発明の可変容量コンデンサによれば、３）のように構成したことから、第一電極及び第三電極を共通電極とすることによって、作製が容易となり、生産性の高いものになる。

また、本発明の可変容量コンデンサによれば、４）のように構成したことから、静電容量領域が、電歪発生領域によって取り囲まれていることにより、電歪発生領域で発生した歪による応力を静電容量領域に効率よく伝達させることができ、その結果、静電容量領域における誘電体の誘電率を大きく変化させることができるので、静電容量値の調整範囲が広くなる。

また、本発明の可変容量コンデンサによれば、５）のように構成したことから、電歪材料は、チタン酸バリウムストロンチウム化合物であることにより、誘電損失が小さく、誘電率の変化率の大きいものとなる。

また、本発明の可変容量コンデンサによれば、６）のように構成したことから、第一電極および第三電極が絶縁基板上に形成されていることにより、通常の薄膜工程での作製が可能となるので、作製が容易となり、生産性の高いものとなる。

以上のように、本発明の可変容量コンデンサによれば、印加電圧による容量変化が大きく、Ｑ値が高い可変容量コンデンサを提供することができる。

以下、本発明の可変容量コンデンサについて図面を参照しつつ説明する。

図３は本発明の可変容量コンデンサの実施の形態の一例を示す模式的な要部断面図である。図３において、１は第一電極であり、２は第二電極であり、３は第三電極であり、４は第四電極であり、５は電歪材料から成る誘電体である。また、ＴＣは第一電極１と第二電極２とで誘電体５を挟持して形成される静電容量領域であり、ＴＳは静電容量領域ＴＣの近傍で第三電極３と第四電極４とで誘電体５を挟持して形成される電歪発生領域である。以下の図面においても、同じ機能を有する箇所には同じ符号を付し、重複する説明を省略することがある。

図３においては、電歪発生領域ＴＳが、静電容量領域ＴＣを両側から挟むように２箇所に配置された例について示しているが、電歪発生領域ＴＳは、電歪発生領域ＴＳで発生した歪に起因する応力を静電容量領域ＴＣに伝えることができる近傍部に配置させれば、１箇所でも構わないし、３箇所以上でも構わない。

第一電極１，第二電極２，第三電極３，第四電極４は、Ａｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌ等の単体金属あるいは合金から成る電極層である。また、これらを積層させたものでもよい。これらの電極１〜４は、全て同じ材料で形成してもよいし、それぞれ異なる材料を選択して形成してよい。特に、Ｐｔのように高温での酸素雰囲気下でも酸化されにくい安定な金属を電極材料とすれば、後の工程で高温となっても電極１〜４の電気抵抗等の特性が変化しないため好ましい。さらに、電極材料が高温での酸素雰囲気下でも安定である場合には誘電体５を高温での酸素雰囲気で作製することが可能となるので、誘電体５として求められる特性の観点から自由に材料，工程を選択することができ、その結果、特性の良い誘電体５を形成することが可能となるので好ましい。これら電極１〜４の厚みは、電極としての連続性や電気抵抗を考慮した場合には厚い方が好ましく、誘電体５の反り，誘電体５との密着性等を考慮した場合には薄い方が好ましいので、両者を考慮して決定する。

誘電体５は、電歪材料から成り、例えばペロブスカイト型誘電体材料などを用いることができる。特に、チタン酸バリウムストロンチウム化合物を用いれば、誘電損失が小さく、かつ容量可変率の大きなものとなるので好ましい。誘電体５の厚みは、静電容量値を大きくするためには薄い方が好ましいが、誘電体５を挟持する電極同士の絶縁性を確保するためには一定の厚みが必要となるので、両者を考慮して決定する。

第一電極１，第二電極２，第三電極３，第四電極４は、例えば、次のようにして形成することができる。まず、両面研磨した電歪材料からなる誘電体５を基板として用い、誘電体５の温度を室温から600℃の範囲に適宜設定して、スパッタリング法等の成膜法によってそれぞれ必要な大きさに形成する。その後、通常のフォトレジストを用いたエッチング工程によりそれぞれ所定の形状に加工して形成すればよい。

また、Ｓｉ等の基板を犠牲層として用いてもよい。具体的には、基板温度を室温から600℃の範囲に適宜設定し、Ｓｉの基板上に第一電極１，第三電極３をスパッタリング法等の成膜法によって形成する。その後、通常のフォトレジストを用いたエッチング工程によりパターニングし、第一電極１と第三電極３を所定形状に加工する。次に基板温度を室温から700℃の範囲に適宜設定し、第一電極１、第三電極３上に電歪材料からなる誘電体５をスパッタリング法等の成膜法によって成膜する。その後、通常のフォトレジストを用いたエッチング工程によりパターニングし、誘電体５を所定形状に加工する。さらに、基板温度を室温から600℃の範囲に適宜設定し、この誘電体５上に第二電極２、第四電極４をスパッタリング法等の成膜法によって形成する。その後、通常のフォトレジストを用いたエッチング工程により所定の形状に加工する。以上の工程を経た後に、Ｓｉの基板を犠牲層として、ＲＩＥなどのエッチング工程により除去して作製する。なお、上記手順に限るものではなく、誘電体５を成膜した後に続けてその上に第二電極２，第４電極４を成膜した後に、上部から順に通常のフォトレジストを用いたエッチング工程で、順次第二電極２，第４電極４と誘電体５とを所定の形状に加工しても構わない。

このようにして作製した可変容量コンデンサにおいて、電歪発生領域ＴＳの誘電体５に歪を発生させると、この歪により電歪発生領域ＴＳの近傍に位置する静電容量領域ＴＣの誘電体５に応力が加わり、静電容量領域ＴＣの誘電体５の誘電率が変化する。図３において、説明のために例として、電歪発生領域ＴＳが圧縮する（縮む）歪が生じた場合について、歪の方向を実線の矢印で、応力の方向を破線の矢印で示している。なお、静電容量領域ＴＣおよび電歪発生領域ＴＳは、歪および応力が加わる前の状態を破線で、加えた後の状態を実線で示している。第三電極３および第四電極４に電界を印加することによって電歪発生領域ＴＳは実線の矢印の方向に縮み、静電容量領域ＴＣには破線の矢印の方向の引張応力が加えられて、この部位の誘電体５の誘電率が変化するから、静電容量領域ＴＣの静電容量が変化する。

このように、本発明の可変容量コンデンサによれば、電歪材料から成る誘電体５を用い、静電容量領域ＴＣの近傍部に電歪発生領域ＴＳを設けることで、静電容量領域ＴＣの誘電率を近傍部の電歪発生領域ＴＳに印加する電界により制御することができるものとなる。

ここで、電極１〜４が、静電容量領域ＴＣおよび電歪発生部ＴＳで発生する歪に適応できるように、電極１〜４を成膜するときに、圧力などの成膜条件を変えたり、不純物を添加したりすることでヤング率が高くなるように調整することが好ましい。このようにすることで、静電容量領域ＴＣおよび電歪発生部ＴＳで歪が生じても、電極１〜４が断線したり、電極１〜４と誘電体５とが剥離したりするのを防ぐことができるとともに、静電容量領域ＴＣおよび電歪発生部ＴＳの歪を阻害しないので、効率良く誘電率を変化させることができる。

図４は、本発明の可変容量コンデンサの静電容量領域ＴＣと電歪発生領域ＴＳとの配置例を示す平面図である。図４において、２は第二電極であり、４は第四電極であり、５は電歪材料から成る誘電体である。また、ＴＣは静電容量領域であり、ＴＳは電歪発生領域である。

図４においては、円形の静電容量領域ＴＣの周囲を取り囲むように、円形の電歪発生領域ＴＳを４個設けた構成としている。このような構成としたことにより、電歪発生領域ＴＳが圧縮する歪を生じさせた場合を例に説明すると、第三電極３（図示せず）と第四電極４との間に電界を印加することによって、電歪発生領域ＴＳは実線の矢印の方向に縮み、その歪により、静電容量領域ＴＣには破線の矢印の方向の引張応力が加えられ、その結果、静電容量領域ＴＣの誘電率が変化する。

図４においては、電歪発生領域ＴＳを４個設けた例について示したが、電歪発生領域ＴＳは１〜３個でも構わないし、５個以上でも構わない。また、静電容量領域ＴＣおよび電歪発生領域ＴＳの形状は、矩形状，例えば６角形等の多角形状，これらの角が鈍った形状，扇状，楕円形状等、円形以外の形状でも構わない。さらに、電歪発生領域ＴＳは静電容量領域ＴＣを取り囲むようなリング状，枠状でも構わない。このように、静電容量領域ＴＣが電歪発生領域ＴＳによって取り囲まれている場合には、電歪発生領域ＴＳで発生した歪みによる応力を効率良く静電容量領域ＴＣに伝えることができ、静電容量領域ＴＣの誘電体５の誘電率を大きく変化させることができるので好ましい。また、静電容量領域ＴＣの形状と電歪発生領域ＴＳの形状とは同じである必要はなく、例えば正方形状の静電容量領域ＴＣの各辺に近接した４つの長方形状の電歪発生領域ＴＳを設けてもよい。

また、電歪発生領域ＴＳと静電容量領域ＴＣとの間の間隔は、電歪発生領域ＴＣで発生した歪に起因する応力を静電容量領域ＴＣに効率よく伝えるためには近いほうが好ましい。なお、電歪発生領域ＴＳに印加する誘電率を変化させるための直流電圧と、静電容量領域ＴＣに印加される信号を伝播させるための高周波電圧とを分離する観点からは、一定以上の間隔、例えば、静電容量領域ＴＣにおける誘電体５の厚み以上の間隔をあけて配置することが望ましい。

次に、図５は、本発明の可変容量コンデンサの実施の形態の他の例を示す断面図である。図５において、１は第一電極であり、２は第二電極であり、３は第三電極であり、４は第四電極であり、５は電歪材料から成る誘電体であり、６は絶縁基板としての支持基板である。図５に示す可変容量コンデンサは、支持基板６上に第一電極１と第三電極３との共通電極，誘電体５，第二電極２および第四電極４が順に積層された構成となっている。図５においては、第三電極３としての共通電極と第四電極４とが対向する部分から成る電歪発生領域ＴＳが、第一電極１としての共通電極と第二電極２とが対向する部分から成る静電容量領域ＴＣを挟むように２個配置された例について示しているが、電歪発生領域ＴＳは、電歪発生領域ＴＳで発生した歪に起因する応力を静電容量領域ＴＣに伝えることができる近傍部に配置すれば、１個でも構わないし、３個以上でも構わない。

本発明の可変容量コンデンサによれば、図５に示すように、第一電極１と第三電極３とを共通電極としてもよい。この場合には、基板６上にこの共通電極，誘電体５，第二電極２および第四電極４を順次積層してから、上に位置する層から順にパターニングすることができるので、各層を形成する毎に成膜するための真空装置から取り出してパターニングする必要がなくなり、製造が容易となり生産性の高いものとすることができる。また、各層の成膜毎に真空装置から取り出す必要がないため、各層間に異物等が付着することを防ぐことができ信頼性の高い可変容量コンデンサとすることができる。

また、図５に示すように、第一電極１および第三電極３（共通電極）の膜厚を第二電極２および第四電極４に比べ厚くするのが好ましい。基板６を設けていても、静電容量領域ＴＣ及び電歪発生領域ＴＳにおける変形が容易となるので、変形しにくい基板６の影響が少なくなり、全体として実質的に図３に示した様な自立膜に近い構成となり電歪発生領域ＴＳで発生した歪を静電容量領域ＴＣに伝えやすくなるなるからである。

支持基板６は、サファイア等の単結晶基板，アルミナセラミックス等のセラミック基板，ガラス基板等を用いることができる。このように、絶縁性材料から成る支持基板６を用いることにより、支持基板６上に第一電極１および第三電極３と、誘電体５と、第二電極２および第四電極４とを順次通常の薄膜プロセスにより積層することができるので、製造が容易となり、生産性の高い可変容量コンデンサとすることができる。さらに、支持基板６上に電極１〜４と誘電体５を形成することから機械的強度に優れたものとなり、信頼性の高い可変容量コンデンサとすることができる。

また、支持基板６上に形成された電歪発生領域ＴＳの伸縮およびこれに伴う静電容量領域ＴＣへの応力印加に起因した静電容量領域ＴＣの伸縮を阻害せずに、支持基板６を用いることで生産性および信頼性を高めるためには、第一電極１，第三電極３、誘電体５の厚みを厚くしたり、ヤング率の高い材料を選択したり、支持基板６としてヤング率の大きいものを用いてもよい。このような構成とすることにより、Ｑ値，容量変化率が共に高く、生産性および信頼性の高い可変容量コンデンサを製造することができる。

次に、図５に示す可変容量コンデンサの製造方法について説明する。

まず、支持基板６の表面に、支持基板６の温度を室温から600℃の範囲に適宜設定し、第一電極１，第三電極３から成る共通電極をスパッタリング法等の成膜法によって形成する。次に、この共通電極上に電歪材料からなる誘電体５を、支持基板６の温度を室温から700℃の範囲に適宜設定して、スパッタリング法等の成膜法によって成膜する。さらに、誘電体５上に、支持基板６の温度を室温から600℃の範囲に適宜設定し、第二電極２，第四電極４をスパッタリング法等の成膜法によって形成する。次に、通常のフォトレジストを用いたエッチング工程により上部に位置する層から順次所定の形状に加工し、可変容量コンデンサを得る。

このようにして作製した可変容量コンデンサにおいて、電歪発生領域ＴＳの誘電体５に歪を発生させると、この歪により電歪発生領域ＴＳの近傍に位置する静電容量領域ＴＣの誘電体５に応力が加わり、静電容量領域ＴＣの誘電体５の誘電率が変化する。例えば、説明のために、図５において電歪発生領域ＴＳが圧縮される（縮む）歪が生じた場合について、歪の方向を実線の矢印で、応力の方向を破線の矢印で示している。第三電極３および第四電極４に電界を印加することによって電歪発生領域ＴＳは実線の矢印の方向に縮み、そのため、静電容量領域ＴＣには破線の矢印の方向の引張応力が加えられる。なお、静電容量領域ＴＣおよび電歪発生領域ＴＳの、歪および応力が加わる前の状態の形状を破線で、歪および応力を加えた状態の形状を実線で示している。第一電極１および第三電極３の厚みを厚くしたり、ヤング率が高くなるように調整したりすることにより、図５に示した応力、歪状態を実現することができる。

上述の本発明の可変容量コンデンサにおいて、電歪発生領域ＴＳの誘電体５に歪を発生させたときの静電容量領域ＴＣの誘電体５の誘電率は、次の通りとなる。すなわち、電歪発生領域ＴＳの誘電体５に圧縮させる歪を発生させた場合には、静電容量領域ＴＣの誘電体５に引張り応力が働き、誘電率が極大値を取る温度を低温側にシフトさせることができる。逆に、電歪発生領域ＴＳの誘電体５を膨張させる歪を発生させた場合には、静電容量領域ＴＣの誘電体５に圧縮応力が働き、誘電率が極大値を取る温度を高温側にシフトさせることができる。極大値を取る温度のシフト量は電歪発生領域ＴＳに印加する電界の大きさにより制御することができる。このように、本発明の可変容量コンデンサによれば、誘電体５の誘電率が極大値を取る温度を、誘電体５の組成を変えることなく調整することができるので、所望の容量可変率と誘電損失とを得るように制御することができる。このため、例えば、使用温度付近で誘電損失の充分に小さい誘電体５を用いて、誘電率が極大値を取る温度を適宜調整すれば、誘電率変化が大きい、すなわち容量可変率が大きく、かつ誘電損失の小さいものとすることもできる。

さらに、電歪発生領域ＴＳの誘電体５への電界印加に加えて、静電容量領域ＴＣの誘電体５へ電界を印加して、静電容量領域ＴＣの静電容量値を調整してもよい。この場合には、第三電極３と第四電極４との間（電歪発生領域ＴＳ）に印加される電界の強度に依存する歪による静電容量領域ＴＣの静電容量値の調整と独立して、さらに静電容量値を調整することができることになり、広い範囲で静電容量値の調整ができるものとすることができる。

ここで、電歪発生領域ＴＳに圧縮させる歪を発生させて、静電容量領域ＴＣに引張り応力を加えた状態で、静電容量領域ＴＣに電界を印加したときの誘電率の温度依存性を図２ａ）に、誘電損失の温度依存性を図２ｂ）にそれぞれ示す。

図２ａ）において、横軸は温度（Ｋ），縦軸は誘電率、図２ｂ）において、横軸は温度（Ｋ），縦軸は誘電損失である。

図２では、（Ｂａ_0.2Ｓｒ_0.8）ＴｉＯ_３から成る誘電体を例に、電歪発生領域ＴＳ，静電容量領域ＴＣの両方に電界強度０〜５００ｋＶ／ｃｍの直流電圧を印加したときの静電容量領域ＴＣの誘電率および誘電損失の温度依存性をシミューレーションした。ここで、電歪発生領域ＴＳで発生した歪が全て静電容量領域ＴＣに伝わったものと仮定した。

ここで、図１に示すように従来の可変容量コンデンサによれば、電界の印加により誘電率の極大値を取る値は高温側にシフトし、これにより使用温度領域において誘電損失が大きくなっていた。すなわち、電界を印加しない状態において充分誘電損失の小さい温度領域で使用したとしても、電界の印加に伴い誘電損失が増大するので誘電損失も大きくなり、Ｑ値が低くなっていた。

これに対して、本願の可変容量コンデンサによれば、静電容量領域ＴＣの誘電体５に引張応力を加えると誘電率の極大値を取る値は低温側にシフトする。そこで、図２（ａ）に示すように、静電容量領域ＴＣに電圧を印加することにより発生する、誘電率が極大値を取る値の高温側へのシフト量以上のシフトを歪によって生じさせることにより、全体としての極大値を取る値のシフトを抑えたり、あるいは、逆に低温側にシフトさせたりすることができるようになる。このことから、特に誘電率が極大値を取る温度以上の温度で、誘電率の変化率を大きくすることができるようになる。また、誘電率の極大値を取る温度が高温側にシフトしないことから、静電容量領域ＴＣに電界を印加して誘電率を変化させても誘電損失を増加させること無いので、Ｑ値の高い可変容量コンデンサとすることができるようになる。また、歪は静電容量領域ＴＣの近傍に配置した電歪発生領域ＴＳで発生されるので、歪を電気的に制御し、その歪を効率良く静電容量領域ＴＣに伝えることができることにより、静電容量領域ＴＣの誘電率を制御し、容量を電気的に制御できる。以上より、本発明によれば、電界の印加による誘電率の変化が大きく、かつ、電界を印加しても損失が増加しない可変容量コンデンサを提供することができる。

また、図２より、静電容量領域ＴＣに電界を印加しない場合は、誘電率の極大値は電歪発生領域ＴＳで発生した圧縮歪により低温側にシフトするだけなので、静電容量領域ＴＣに歪による応力と電界とを同時に加えた場合より、誘電率の変化率は小さくなるものの、損失がより小さく抑えられることがわかる。

以上より、本発明の可変容量コンデンサによれば、印加電圧による容量変化が大きく、Ｑ値が高い可変容量コンデンサを提供することができる。

なお、本発明の可変容量コンデンサは上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更・改良を加えることは何ら差し支えない。

従来の可変容量コンデンサに直流電圧を印加した場合における、図１ａ）は誘電率の温度依存性を、図１ｂ）は誘電損失の温度依存性をそれぞれ示す線図である。 本発明の可変容量コンデンサの電歪発生領域および静電容量領域に電界を印加した場合における、図２ａ）は誘電率の温度依存性を、図２ｂ）は誘電損失の温度依存性をそれぞれ示す線図である 本発明の可変容量コンデンサの実施の形態の一例を示す要部拡大断面図である。 本発明の可変容量コンデンサの電歪発生領域および静電容量領域の配置例を示す平面図である。 本発明の可変容量コンデンサの実施の形態の他の例の断面構造を示す断面図である。

符号の説明

１・・・第一電極
２・・・第二電極
３・・・第三電極
４・・・第四電極
５・・・電歪材料から成る誘電体
６・・・支持基板
ＴＣ・・・静電容量領域
ＴＳ・・・電歪発生領域

Claims (6)

1. 電歪材料から成る誘電体と、前記誘電体を挟持して静電容量領域を形成して成る第一電極と第二電極とを備えた可変容量コンデンサであって、前記誘電体は、前記静電容量領域の近傍部を挟持して電歪発生領域を形成して成る第三電極と第四電極とを備え、前記第三電極と前記第四電極との間に電界を印加することによって、前記第一電極と前記第二電極間の静電容量値を調整し得るようにしたことを特徴とする可変容量コンデンサ。
2. 前記第一電極と前記第二電極との間に電界を印加することによって、前記第一電極と前記第二電極間の静電容量値を調整し得るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の可変容量コンデンサ。
3. 前記第一電極及び前記第三電極を共通電極としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可変容量コンデンサ。
4. 前記静電容量領域は、前記電歪発生領域によって取り囲まれていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサ。
5. 前記電歪材料は、チタン酸バリウムストロンチウム化合物であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサ。
6. 前記第一電極および前記第三電極が絶縁基板上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサ。

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