JP2010161369A

JP2010161369A - 平行平板磁気コンデンサ

Info

Publication number: JP2010161369A
Application number: JP2010002595A
Authority: JP
Inventors: James Chyi Lai; ジェームズチーライ
Original assignee: Northern Lights Semiconductor Corp
Current assignee: Northern Lights Semiconductor Corp
Priority date: 2009-01-12
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2010-07-22
Also published as: GB0900432D0; FR2941085A1; JP3180779U; GB2466840B; CN101777422A; CN101777422B; GB2466840A; KR20100083106A; TW201027577A

Abstract

【課題】コンデンサの総体積を同じに維持しながら、容量値を増大させることが可能な平行平板磁気コンデンサを提供する。
【解決手段】平行平板磁気コンデンサ２００は、第１の導電磁性金属構造２０２、第２の導電磁性金属構造２０４および誘電体層２０６を備える。第１の導電磁性金属構造２０２は、上面部に配置された第１の上部フィンガ２０８と、下面部に配置された第１の下部フィンガ２１０とを有し、第１の上部フィンガ２０８と、第１の下部フィンガ２１０とが電気的に接続されている。第２の導電磁性金属構造２０４は、第２の上部フィンガ２１８および第２の下部フィンガ２２０を有し、第２の上部フィンガ２１８が上面部で第１の上部フィンガ２０８に隣接した箇所に形成されている。誘電体層２０６は、第１の界面部２２６、第２の界面部２３２、第３の界面部２３４および第４の界面部２３６中に配置されている。
【選択図】図２

Description

本発明は電気エネルギの貯蔵装置に関する。特に、本発明は平行平板磁気コンデンサに関する。

従来、平行平板コンデンサの構造は、２つの導電板と、これら２つの導電板の間に配置された誘電体材料から構成されている。この平行平板コンデンサの容量値は、数式（１）から得られ、容量値に対応するエネルギは、数式（２）から得られる。

ここで、Ｃは、平行平板コンデンサの容量値を示し、ｅ_０は、自由空間の誘電率（８．８５×１０^−１２）を示し、ｅ_ｋは、平行平板間の材料の誘電率を示し、Ａは、平行平板の界面部領域を示し、ｒは、平行平板間の距離を示し、Ｅは、エネルギを示し、Ｖは、印加される電圧を示す。数式（１）は、平行平板コンデンサの容量値が平行平板の界面部領域に対して比例関係であることを表す。図１は、従来の平行平板コンデンサを示す模式図である。従来の平行平板コンデンサ１００は、上部導電板１０２と、下部導電板１０４と、上部導電板１０２と下部導電板１０４との間に配置された誘電体層１０６とを含む。上部導電板１０２は、幅が１８単位（ｕｎｉｔ）であり、奥行きが２単位である。従って、Ａは、１８×２＝３６平方単位（ｕｎｉｔ^２）であり、容量値１０８とＡとは正比例の関係である。

上述した平行平板コンデンサ１００の構造は、ｅ_ｋおよびｒが同じ状況下において、平行コンデンサの総容量値を増大させるために、平行平板の領域を増大させなければならなかった。つまり、コンデンサの容量値とサイズとが互いにトレードオフの関係にあるため、平行平板コンデンサのサイズを同じに維持した場合、容量値を増大させることはできなかった。上述の理由から、コンデンサの総体積を同じに維持しながら、容量値を増大させることが可能な平行平板コンデンサが求められていた。

本発明の目的は、コンデンサの総体積を同じに維持しながら、容量値を増大させることが可能な平行平板磁気コンデンサを提供することにある。

（１）第１の導電磁性金属構造、第２の導電磁性金属構造および誘電体層を備える複数の平行平板磁気コンデンサであって、前記第１の導電磁性金属構造は、上面部に配置された第１の上部フィンガと、下面部に配置された第１の下部フィンガとを有し、前記第１の上部フィンガと、前記第１の下部フィンガとが電気的に接続され、前記第２の導電磁性金属構造は、第２の上部フィンガおよび第２の下部フィンガを有し、前記第２の上部フィンガが前記上面部で前記第１の上部フィンガに隣接した箇所に形成され、前記第１の上部フィンガと、前記第２の上部フィンガとの間には第１の界面部が形成され、前記第１の下部フィンガの上方に第２の界面部が形成され、前記第２の下部フィンガは、前記下面部で前記第１の下部フィンガに隣接した箇所に形成され、前記第２の下部フィンガと、前記第１の下部フィンガとの間には第４の界面部が形成され、前記第１の上部フィンガの下方には第３の界面部が形成され、前記第２の上部フィンガと、前記第２の下部フィンガとが電気的に接続され、前記誘電体層は、前記第１の界面部、前記第２の界面部、前記第３の界面部および前記第４の界面部の中に配置されていることを特徴とする複数の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（２）前記第１の上部フィンガ、前記第２の上部フィンガ、前記第１の下部フィンガおよび前記第２の下部フィンガは金属線であることを特徴とする（１）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（３）前記第１の導電磁性金属構造および前記第２の導電磁性金属構造が電気的にバイアスされると、磁性極化され、前記第１の界面部が第１の容量値を生成し、前記第２の界面部が第２の容量値を生成し、前記第３の界面部が第３の容量値を生成し、前記第４の界面部が第４の容量値を生成することを特徴とする（１）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（４）前記第１の容量値、前記第２の容量値、前記第３の容量値および前記第４の容量値の合計は、前記平行平板磁気コンデンサの総容量値に等しいことを特徴とする（３）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（５）前記第１の導電磁性金属構造は、前記上面部に配置され、前記第２の上部フィンガを挟んだ前記第１の上部フィンガの反対側に配置されて第５の界面部を形成し、前記第１の下部フィンガと電気的に接続された第３の上部フィンガをさらに有することを特徴とする（１）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（６）前記第５の界面部は、前記平行平板磁気コンデンサの第５の容量値を生成することを特徴とする（５）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（７）前記第２の導電磁性金属構造は、前記下面部で前記第３の上部フィンガの下方に配置されて第６の界面部を形成し、前記第２の上部フィンガと電気的に接続された第３の下部フィンガをさらに有することを特徴とする（５）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（８）前記第６の界面部は、前記平行平板磁気コンデンサの第６の容量値を生成することを特徴とする（７）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（９）２つの第１の柱状電極、２つの第２の柱状電極および誘電体層を備える平行平板磁気コンデンサであって、前記２つの第１の柱状電極は、互いに電気的に接続され、第１の平面の右コーナ部と、第２の平面の左コーナ部とにそれぞれ配置され、前記２つの第２の柱状電極は、互いに電気的に接続され、前記第１の平面の左コーナ部と、前記第２の平面の右コーナ部とにそれぞれ配置され、前記誘電体層は、前記第１の柱状電極と、前記第２の柱状電極との間に配置され、前記第１の柱状電極と、前記第２の柱状電極との間に容量値が生成されることを特徴とする平行平板磁気コンデンサを提供する。

（１０）前記第１の柱状電極は、第１の電位を有し、前記第２の柱状電極は、前記第１の電位と異なる第２の電位を有することを特徴とする（９）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（１１）前記第１の平面は、前記第２の平面の頂面上に配置されていることを特徴とする（９）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（１２）前記第２の平面の下方にある第３の平面の右コーナ部に配置された第３の柱状電極と、前記第３の平面の左コーナ部に配置された第４の柱状電極と、をさらに備えることを特徴とする（９）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（１３）前記第３の柱状電極は、第１の電位を有し、前記第４の柱状電極は、第２の電位を有することを特徴とする（１２）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

（１４）前記誘電体層は、前記第３の柱状電極と前記第４の柱状電極との間の箇所と、前記第２の柱状電極と前記第３の柱状電極との間の箇所と、前記第１の柱状電極と前記第４の柱状電極との間の箇所と、に配置されていることを特徴とする（１２）に記載の平行平板磁気コンデンサを提供する。

本発明の平行平板磁気コンデンサは、コンデンサの総体積を同じに維持しながら、容量値を増大させることができる。

従来の平行平板コンデンサを示す模式図である。本発明の一実施形態による平行平板磁気コンデンサを示す模式図である。本発明の一実施形態による並行平板磁気コンデンサを示す平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。尚、これによって本発明が限定されるものではない。

図２は、本発明の一実施形態による平行平板磁気コンデンサを示す模式図である。図２に示すように、平行平板磁気コンデンサ２００は、第１の導電磁性金属構造２０２、第２の導電磁性金属構造２０４および誘電体層２０６を備える。第１の導電磁性金属構造２０２は、上面部２１２に配置された第１の上部フィンガ２０８と、下面部２１４に配置された第１の下部フィンガ２１０とを有する。第１の上部フィンガ２０８は、第１の下部フィンガ２１０と電気的に接続されている。後述するように、この電気的接続は、導電帯片２６０を介して行われる。

第２の導電磁性金属構造２０４は、互いに電気的に接続された第２の上部フィンガ２１８と、第２の下部フィンガ２２０とを有する。第２の上部フィンガ２１８は、上面部２１２で第１の上部フィンガ２０８に隣接した箇所に配置されている。第１の上部フィンガ２０８の側面部２２２と、第２の上部フィンガ２１８の側面部２２４とにより第１の界面部２２６が形成されている。その上、第２の上部フィンガ２１８が第１の下部フィンガ２１０の上方に配置され、第２の上部フィンガ２１８の下面部２２８と、第１の下部フィンガ２１０の頂面２３０とにより第２の界面部２３２が形成されている。

同様に、第２の下部フィンガ２２０の位置は、下面部２１４で第１の下部フィンガ２１０に隣接するとともに、第１の上部フィンガ２０８の下方の箇所である。これにより、第２の下部フィンガ２２０は、第１の上部フィンガ２０８を有する第３の界面部２３４と、第１の下部フィンガ２１０を有する第４の界面部２３６とを形成する。

誘電体層２０６は、全ての界面部の間に配置されている。第１の界面部２２６は、第１の容量値２３８を生成し、第２の界面部２３２は、第２の容量値２４０を生成し、第３の界面部２３４は、第３の容量値２４２を生成し、第４の界面部２３６は、第４の容量値２４４を生成する。これにより、界面部２２６，２３２，２３４，２３６を有するコンデンサにより生成される総容量値は、容量値２３８，２４０，２４２，２４４の合計と等しくなる。例えば、各界面部が生成する容量値が４単位の場合、第１の導電磁性金属構造２０２と、第２の導電磁性金属構造２０４との間に電圧差が印加されると、４つの界面部２２６，２３２，２３４，２３６により生成される総容量値は１６単位となる。
また、第１の導電磁性金属構造２０２および第２の導電磁性金属構造２０４が電気的にバイアスされると、磁性極化され、図２に示す矢印は、磁性極化である。ここで、磁性極化とは、電気力学における波（例えば、光や電磁放射）の重要な特性であり、縦波（例えば、周知の音波）と異なり、電磁波は三次元の横波であって、ベクトルの特性により、磁性極化が発生する。

平行平板磁気コンデンサ構造は、図２に示すようにさらに延伸させることができる。第３の上部フィンガ２４６は、第１の導電磁性金属構造２０２中に形成され、第３の下部フィンガ２４８は、第２の導電磁性金属構造２０４中に形成され、付加的な容量値２５０，２５２，２５４を生成してもよい。第３の上部フィンガ２４６は、第２の上部フィンガ２１８を挟んだ第１の上部フィンガ２０８の反対側に配置されている。第３の下部フィンガ２４８は、第３の上部フィンガ２４６の下方に配置されている。同様に、平行平板磁気コンデンサ２００は、第１の導電磁性金属構造２０２の全てのフィンガ電極部が互いに電気的に接続され、第２の導電磁性金属構造２０４の全てのフィンガ電極部が互いに電気的に接続され、同じパターンによりさらに延伸されている。

同一寸法の２つのコンデンサを説明するために、２つのコンデンサの各々をそれぞれ従来の平行平板コンデンサ１００および平行平板磁気コンデンサ２００と呼ぶ。平行平板磁気コンデンサ２００は、従来の平行平板コンデンサ１００よりも容量値が大きい。第１の上部フィンガ２０８が、２×２（幅＝２単位、奥行き＝２単位）の寸法を有し、平行平板磁気コンデンサ２００中の各フィンガが同じ寸法であると仮定すると、第１の容量値２３８は４平方単位であり、残りの容量値（２４０，２４２，２４４等）は４平方単位である。従って、図２において、各フィンガ電極部の間隔が２単位である場合、１３個の４平方単位のコンデンサにより、幅が１８単位で、奥行きが２単位の平行平板磁気コンデンサ２００を形成することができる。１３個の容量値の合計は、総容量値である５２平方単位に等しい。この結果から分かるように、平行平板磁気コンデンサ２００の容量値は、図１に示す従来のコンデンサ１００中の３６平方単位の容量値の略１．５倍（つまり、約５０％の増大）である。また、上記導電磁性金属構造を用いることにより、より多い種類の誘電材料を使用することができ、エネルギを貯蔵するときに、磁性効果によって、誘電率が増加する。これによって、平行平板磁気コンデンサは、容量が磁性効果またはコロッサルマグネトキャパシタンス現象（Ｃｏｌｏｓｓａｌｍａｇｎｅｔｉｃｃａｐａｃｉｔａｎｃｅｅｆｆｅｃｔ）によって増加する。平行平板磁気コンデンサの容量は、数式（ａ）から得られる。

ｅ_ＣＭＣは、コロッサルマグネトキャパシタンス現象による係数を示す。また、第１の導電磁性金属構造２０２、第２の導電磁性金属構造２０４は、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｆｅなどの磁性合金材料を用いて製造されてよい。

図３は、本発明の一実施形態による平行平板磁気コンデンサを示す平面図である。図３に示すように、第１の上部フィンガ２０８、第３の上部フィンガ２４６および類似に構成された上部フィンガ２５６は、上面部２１２上に配置されている。第１の下部フィンガ２１０および類似に構成された下部フィンガ２５８は、下面部２１４上に配置されている。上面部２１２の第１の導電磁性金属構造２０２のフィンガ電極部は、上述したように導電帯片２６０を介して電気的に接続されている。下面部２１４の第１の導電磁性金属構造２０２のフィンガ電極部は、導電帯片２６０を介して電気的に接続されている。図３に示すように、上面部２１２のフィンガ電極部は、第１の導電構造２０２の任意の一端にある短い相互接続部２６２を介し、下面部２１４のフィンガ電極部と電気的に接続されてもよい。

上述したことから分かるように、本発明の実施形態による平行平板磁気コンデンサは、同じ体積の材料中に、従来の平行平板コンデンサよりも多くの容量値を生成させることができる。従来の平行平板コンデンサが２つの平行平板だけを利用して容量を生成させるのと異なり、本発明は、異なる平行板上にある隣接したフィンガ電極部により容量値を生成させるため、容量値を増大させることができる上、必要となる導体材料を少なくすることもできる。

一方、必要な容量値を増やす必要がない場合に、本発明の平行平板磁気コンデンサを利用すると、より小さなコンデンサで従来のコンデンサと同じ容量を得ることができる。また、本発明のコンデンサは、同様の幾何構造を利用することにより、複数の平面に拡充させることができる。この構造パターンは、上述の実施形態から分かるように、異なる平面で対向したコーナ部に配置された２つの第１の柱状電極と、異なる平面で残りのコーナ部に配置された２つの第２の柱状電極とを含む。例えば、第１の電極が第１の平面の右コーナ部および第２の平面の左コーナ部に配置されると、第２の電極は、第１の平面の左コーナ部および第２の平面の右コーナ部に配置される。また、誘電体層は、容量を生成する電極間に配置されている。

また、上述の構造パターンは、第２の平面の下方に第３の平面を加えることにより容量値を増大させることができる。さらに、第３の平面上に第３の柱状電極および第４の柱状電極を配置し、第２の平面中の電極とともに、付加的に容量値を生成させることもできる。
上記のように、導電磁性金属構造が誘電材料に囲まれるので、コロッサルマグネトキャパシタンス効果が得られる。これによって、誘電材料の誘電率は１０^９にもなる。また、従来の平行平板コンデンサよりも、平行平板磁気コンデンサは、重量、体積、コスト共に抑えられ、付加価値の高いコンデンサになる。

本発明では好適な実施形態を前述の通り開示したが、これらは決して本発明を限定するものではなく、当該技術を熟知するものなら誰でも、本発明の主旨と領域を脱しない範囲内で各種の変更や修正を加えることができる。従って本発明の保護の範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。

１００従来の平行平板コンデンサ
１０２上部導電板
１０４下部導電板
１０６誘電体層
１０８容量値
２００平行平板磁気コンデンサ
２０２第１の導電磁性金属構造
２０４第２の導電磁性金属構造
２０６誘電体層
２０８第１の上部フィンガ
２１０第１の下部フィンガ
２１２上面部
２１４下面部
２１８第２の上部フィンガ
２２０第２の下部フィンガ
２２２側面部
２２４側面部
２２６第１の界面部
２２８下面部
２３０頂面
２３２第２の界面部
２３４第３の界面部
２３６第４の界面部
２３８第１の容量値
２４０第２の容量値
２４２第３の容量値
２４４第４の容量値
２４６第３の上部フィンガ
２４８第３の下部フィンガ
２５０容量値
２５２容量値
２５４容量値
２５６類似に構成された上部フィンガ
２５８類似に構成された下部フィンガ
２６０導電帯片
２６２短い相互接続部

Claims

第１の導電磁性金属構造、第２の導電磁性金属構造および誘電体層を備える平行平板磁気コンデンサであって、
前記第１の導電磁性金属構造は、上面部に配置された第１の上部フィンガと、下面部に配置された第１の下部フィンガとを有し、前記第１の上部フィンガと、前記第１の下部フィンガとが電気的に接続され、
前記第２の導電磁性金属構造は、第２の上部フィンガおよび第２の下部フィンガを有し、前記第２の上部フィンガが前記上面部で前記第１の上部フィンガに隣接した箇所に形成され、前記第１の上部フィンガと、前記第２の上部フィンガとの間には第１の界面部が形成され、前記第１の下部フィンガの上方に第２の界面部が形成され、前記第２の下部フィンガは、前記下面部で前記第１の下部フィンガに隣接した箇所に形成され、前記第２の下部フィンガと、前記第１の下部フィンガとの間には第４の界面部が形成され、前記第１の上部フィンガの下方には第３の界面部が形成され、前記第２の上部フィンガと、前記第２の下部フィンガとが電気的に接続され、
前記誘電体層は、前記第１の界面部、前記第２の界面部、前記第３の界面部および前記第４の界面部の中に配置されていることを特徴とする平行平板磁気コンデンサ。
前記第１の上部フィンガ、前記第２の上部フィンガ、前記第１の下部フィンガおよび前記第２の下部フィンガは磁性金属線であることを特徴とする請求項１に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第１の導電磁性金属構造および前記第２の導電磁性金属構造が電気的にバイアスされると、磁性極化され、前記第１の界面部が第１の容量値を生成し、前記第２の界面部が第２の容量値を生成し、前記第３の界面部が第３の容量値を生成し、前記第４の界面部が第４の容量値を生成することを特徴とする請求項１に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第１の容量値、前記第２の容量値、前記第３の容量値および前記第４の容量値の合計は、前記平行平板磁気コンデンサの総容量値に等しいことを特徴とする請求項３に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第１の導電磁性金属構造は、
前記上面部に配置され、前記第２の上部フィンガを挟んだ前記第１の上部フィンガの反対側に配置されて第５の界面部を形成し、前記第１の下部フィンガと電気的に接続された第３の上部フィンガをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第５の界面部は、前記平行平板磁気コンデンサの第５の容量値を生成することを特徴とする請求項５に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第２の導電磁性金属構造は、
前記下面部で前記第３の上部フィンガの下方に配置されて第６の界面部を形成し、前記第２の上部フィンガと電気的に接続された第３の下部フィンガをさらに有することを特徴とする請求項５に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第６の界面部は、前記平行平板磁気コンデンサの第６の容量値を生成することを特徴とする請求項７に記載の平行平板磁気コンデンサ。
２つの第１の柱状電極、２つの第２の柱状電極および誘電体層を備える平行平板磁気コンデンサであって、
前記２つの第１の柱状電極は、互いに電気的に接続され、第１の平面の右コーナ部と、第２の平面の左コーナ部とにそれぞれ配置され、
前記２つの第２の柱状電極は、互いに電気的に接続され、前記第１の平面の左コーナ部と、前記第２の平面の右コーナ部とにそれぞれ配置され、
前記誘電体層は、前記第１の柱状電極と、前記第２の柱状電極との間に配置され、前記第１の柱状電極と、前記第２の柱状電極との間に容量値が生成されることを特徴とする平行平板磁気コンデンサ。
前記第１の柱状電極は、第１の電位を有し、
前記第２の柱状電極は、前記第１の電位と異なる第２の電位を有することを特徴とする請求項９に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第１の平面は、前記第２の平面の頂面上に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第２の平面の下方にある第３の平面の右コーナ部に配置された第３の柱状電極と、
前記第３の平面の左コーナ部に配置された第４の柱状電極と、をさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記第３の柱状電極は、第１の電位を有し、
前記第４の柱状電極は、第２の電位を有することを特徴とする請求項１２に記載の平行平板磁気コンデンサ。
前記誘電体層は、前記第３の柱状電極と前記第４の柱状電極との間の箇所と、前記第２の柱状電極と前記第３の柱状電極との間の箇所と、前記第１の柱状電極と前記第４の柱状電極との間の箇所と、に配置されていることを特徴とする請求項１２に記載の平行平板磁気コンデンサ。