JP2014167960A - 静電容量デバイス、共振回路及び電子機器 - Google Patents

静電容量デバイス、共振回路及び電子機器 Download PDF

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Abstract

【課題】内部電極の積層方向に直列接続された複数のコンデンサを備える静電容量デバイス(デバイス)において、電気的特性を向上させることを目的とする。
【解決手段】誘電体層3と、誘電体層3を介して積層され、静電容量をなす電極本体の重心が積層方向の直線からなる軸上に配置された4つの内部電極30〜33とにより3つのコンデンサを形成する。コンデンサが内部電極の積層方向に直列接続され、可変容量デバイス本体2の側面に形成される外部端子とを有する2つの可変容量ユニット40,41を含む。可変容量ユニット40,41のそれぞれは、それぞれの軸が平行に配置される。隣接する可変容量ユニットに流れる電流の方向がそれぞれ逆方向である。
【選択図】図3

Description

本発明は、静電容量デバイス、共振回路及び電子機器に関し、特に、内部電極の積層方向に直列接続された複数のコンデンサを備える静電容量デバイスと、これを用いた共振回路及び電子機器に関する。
従来から、特許文献1に示すように、内部電極の積層方向に直列接続された複数の可変容量コンデンサからなる可変容量デバイスが提案されている。特許文献1に記載された技術では、誘電体層を介して各可変容量コンデンサを構成する内部電極を積層する構成とすることにより、1層当たりの内部電極の数を減らすことができ、電極や容量値などの設計自由度を広げることが可能となる。
特開2011−119482号公報
特許文献1に記載された可変容量デバイスにおいては、焼結時に誘電体層の収縮により内部応力が発生する。一方で、各層における内部電極の形状については、静電容量によって適宜設定されており、内部応力を考慮した形状とはされていない。また、特許文献1では、直列接続された各可変容量コンデンサを構成する内部電極の面積を変えることで、直列接続される各可変容量コンデンサ間にコンデンサを形成しない電極部分が形成され、この電極部分による電極抵抗が余分に増えるという問題がある。
ところで、電極の積層方向に積層数を増やしていけば、直列コンデンサ数を増大させることができ、複合デバイスとしてのバリエーションを増やすことができる。また、積層数を増大させることは、誘電体層を薄くして大容量化を図りつつ、高耐圧化を実現することにつながる。
しかしながら、単純に積層数を増大させると、最上層の電極と最下層の電極との物理的距離が長くなり、等価直列インダクタンス(Equivalent Series Inductance。以下、ESLという。)が大きくなり、特に高周波での使用において、特性の劣化を生ずることとなる。また、焼結時に発生する内部応力を固定化することによって(残留応力)、誘電体の単位面積当たりの誘電率を向上させることができるが、各層ごとに異なる残留応力が発生すると、積層した電極によるコンデンサの特性にばらつきを生ずることになる。
そこで、本発明は、内部電極の積層方向に直列接続された複数のコンデンサを備える静電容量デバイスにおいて、内蔵されるコンデンサの接続の構成のバリエーションを拡大し、電気的特性を向上させることを目的とする。
本発明の一実施の形態に係る静電容量デバイスは、誘電体層と、誘電体層を介して積層され、静電容量をなす電極本体の重心が積層方向の直線からなる軸上に配置された少なくとも3つ以上の内部電極とにより2つ以上のコンデンサが形成され、2つ以上のコンデンサが内部電極の積層方向に直列接続された容量素子本体と、容量素子本体の側面に形成され、静電容量をなす電極本体に電気的に接続された外部端子とを有する1つ以上の静電容量ユニットからなる静電容量ブロックを2つ以上含む。静電容量ブロックの1つを構成する静電容量ユニットは、同一の上記軸上に形成される。2つ以上の静電容量ブロックは、それぞれの軸が平行に配置される。隣接する静電容量ユニットに流れる電流の方向がそれぞれ逆方向である。
また、本発明の一実施の形態に係る共振回路では、誘電体層と、誘電体層を介して積層され、静電容量をなす電極本体の重心が積層方向の直線からなる軸上に配置された少なくとも3つ以上の内部電極とにより2つ以上のコンデンサが形成され、2つ以上のコンデンサが内部電極の積層方向に直列接続された容量素子本体と、容量素子本体の側面に形成され、静電容量をなす電極本体に電気的に接続された外部端子とを有する1つ以上の静電容量ユニットからなる静電容量ブロックを2つ以上含む静電容量デバイスと、静電容量デバイスに接続された共振コイルとを備える。静電容量ブロックの1つを構成する静電容量ユニットは、同一の上記軸上に形成される。2つ以上の静電容量ブロックは、それぞれの軸が平行に配置される。隣接する静電容量ユニットに流れる電流の方向がそれぞれ逆方向である。
本発明の一実施の形態に係る電子機器は、上述の静電容量デバイスと共振コイルとが接続された共振回路を含む。
本発明が適用された静電容量デバイスによれば、電極の積層方向に直列接続された複数のコンデンサを形成する内部電極の重心を一致させるように積層するので、残留応力の発生ばらつきが小さくなり、特性ばらつきが低減する。また、隣接する静電容量ユニットの積層方向に流れる電流の方向がそれぞれ逆向きになっているので、等価直列インダクタンスが低減する。また、製造時における焼成処理において発生する残留応力を増大させることができるため電気的特性の向上が図られる。
第1の実施の形態に係る可変容量デバイスの斜視図である。 (A)は、第1の実施の形態に係る可変容量デバイスの端子配置を示す平面図である。(B)は、(A)図のAA線における断面図である。(C)は、可変容量デバイスの等価回路図である。 第1の実施の形態に係る可変容量デバイスの分解図である。 第1の実施の形態に係る可変容量デバイスを構成する誘電体層と、誘電体層に形成される内部電極の形状を示す図である。(A)は、第1・第5の内部電極の形状を示す平面図であり、(B)は、その正面図である。(C)は、第2・第6の内部電極の形状を示す平面図であり、(D)は、その正面図である。(E)は、第3・第7の内部電極の形状を示す平面図であり、(F)は、その正面図である。(G)は、第4・第8の内部電極の形状を示す平面図であり、(H)は、その正面図である。 第1の実施の形態に係る可変容量デバイスの使用方法を説明するための図である。(A)は、使用回路を示し、(B)及び(C)は、内部電極に流れる電流の方向を示す。 (A)は、第1の実施の形態の変形例に係る可変容量デバイスの等価回路図を示し、(B)は、可変容量デバイスの構造を説明するための断面図であり、(C)は、可変容量デバイスの内部に流れる電流の方向を示す図である。 (A)は、第1の実施の形態の変形例に係る可変容量デバイスの等価回路図を示し、(B)は、可変容量デバイスの構造を説明するための断面図であり、(C)は、可変容量デバイスの内部に流れる電流の方向を示す図である。 (A)及び(B)は、第1の実施の形態の変形例に係る可変容量デバイスのバリエーションを説明するための図である。 (A)及び(B)は、第1の実施の形態の他の変形例に係る可変容量デバイスの構造を説明するための図である。 (A)〜(E)は、可変容量デバイスを構成する内部電極の形成パターンのバリエーションを説明するための図である。 第1の実施形態に係る可変容量デバイスを構成する内部電極の配置の組合せ例を表形式で示す図である。 (A)は、第2の実施の形態に係る可変容量デバイスの端子配置を示す平面図である。(B)は、可変容量デバイスの構造を説明するための断面図である。(C)は、内部電極の形状を示す平面図である。(D)は、可変容量デバイスの等価回路図である。 第2の実施の形態の変形例に係る可変容量デバイスの構造を説明するための断面図である。(A)及び(B)は、可変容量デバイスのバリエーションを示す図である。 第2の実施の形態の変形例の可変容量デバイスのバリエーションを説明するための断面図である。 (A)及び(B)は、第2の実施の形態の変形例の可変容量デバイスのバリエーションを説明するための断面図である。 第2の実施の形態の変形例の可変容量デバイスのバリエーションを説明するための断面図である。 第2の実施の形態の変形例の可変容量デバイスのバリエーションを説明するための断面図である。 第2の実施の形態の可変容量デバイスにおいて、外部端子のバリエーションを説明するための図である。(A)は、可変容量デバイスの斜視図であり、(B)は、可変容量デバイスの構造を説明するための断面図であり、(C)は、内部電極の形状を示す図であり、(D)は、可変容量デバイスの等価回路図である。 第2の実施の形態の可変容量デバイスにおいて、外部端子のバリエーションを説明するための図である。(A)は、可変容量デバイスの斜視図であり、(B)は、可変容量デバイスの構造を説明するための断面図である。 (A)は、第3の実施の形態に係る可変容量デバイスの斜視図であり、(B)は、可変容量デバイスの構造を説明するための断面図であり、(C)は、内部電極の形状を示す平面図である。 第3の実施の形態に係る可変容量デバイスのバリエーションを示す斜視図である。 第3の実施の形態に係る可変容量デバイスのための内部電極の形状を示す平面図である。 可変容量デバイスを用いた非接触通信システムの構成例を示すブロック図である。 共振回路の主要部を示すブロック図である。 可変容量デバイスを用いた非接触充電システムの構成例を示すブロック図である。
以下に、本発明が適用された静電容量デバイス及びそれを備える共振回路及び電子機器の具体例を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態については、以下の順序で説明する。また、以下に説明する実施形態では、印加電圧によって容量値が変化する可変容量デバイスを例として説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態の具体例に限定されるものではない。
1.第1の実施形態:直列接続された3つのコンデンサをそれぞれ含む2つの可変容量ユニットが平行に配置されている構成例
1−1 可変容量デバイスの構成
1−2 製造方法
1−3 回路構成及び動作
2.第1の実施の形態の変形例:同一の可変容量ユニットが積層されて構成される可変容量ブロックが2つ平行に配置される構成例
3.第1の実施の形態の他の変形例:1つの可変容量ブロックにおいて隣接して積層される可変容量ユニット電極を共用する構成例
4.第2の実施の形態:隣接する可変容量ブロックの電極を共用する構成例
5.第2の実施の形態の変形例:隣接する可変容量ブロックの複数の電極を共用する構成例
6.第3の実施の形態
7.非接触通信システム及び非接触充電システムを構成する場合の具体例
1.第1の実施の形態
1−1.可変容量デバイスの構成例
以下では、後述する内部電極の積層方向をz方向、積層方向に直交する可変容量デバイス1の長辺に沿う方向をx方向、短辺に沿う方向をy方向とする。また、可変容量デバイス1のxy面で構成される一方の面を「上面」、xy面で構成される他方の面を「下面」とし、上面及び下面に垂直な面を「側面」として説明する。
図1に示すように、本発明が適用された第1の実施の形態に係る可変容量デバイス1は、ほぼ立方体状の可変容量デバイス本体2と、可変容量デバイス本体2の長辺側の側面(xz平面)にそれぞれ形成された第1〜第8の外部端子20〜27とを備える。また、図2(A)に示すように、第1〜第8の外部端子20〜27は、可変容量デバイス本体2の上面及び下面(xy平面)に延設される。
図2(B)に示すように、可変容量デバイス1では、誘電体層3と、誘電体層3に形成された8つの内部電極とが積層されている。8つの内部電極は、それぞれ第1〜第8の内部電極30〜37と称する。
第1の実施の形態に係る可変容量デバイス1は、第1の可変容量ユニット40と、第2の可変容量ユニット41とを備える。
第1の可変容量ユニット40は、第1の内部電極30と、第2の内部電極31と、第3の内部電極32と、第4の内部電極33とが、誘電体層3を介して、この順でz方向に積層される。第1及び第2の内部電極30,31によって第1のコンデンサC1が形成され、第2及び第3の内部電極31,32によって第2のコンデンサC2が形成され、第3及び第4の内部電極によって第3のコンデンサC3が形成される。第1〜第4の内部電極30〜33は、後述するように、すなわち第1〜第4の電極本体30a〜33aが、すべて同一の形状であり、それぞれの重心が同一直線上になるように配列される。なお、以下では、可変容量ユニットという場合には、特に断らない限り、積層された各内部電極は同一形状であるものとし、同一の内部電極とは、xy平面内で180度回転した形状、反転(鏡像)した形状を含むものとする。
同様に、第2の可変容量ユニット41は、第5の内部電極34と、第6の内部電極35と、第7の内部電極36と、第8の内部電極37とが、この順でz方向に積層される。第5及び第6の内部電極34,35によって第4のコンデンサC4が、第6及び第7の内部電極35,36によって第5のコンデンサC5が、第7及び第8の内部電極36,37によって第6のコンデンサC6が形成される。第5〜第8の内部電極34〜37についても、すべて同一の形状であり、それぞれの重心が同一直線上になるように配列される。
第1の実施の形態に係る構成例においては、図2(C)に示すように、可変容量デバイス1は、3つの直列コンデンサからなる可変容量ユニットを2つ含む。
図3には、焼結前の可変容量デバイス本体2の分解図を示す。可変容量デバイス本体2は、所定の誘電体によってシート状にそれぞれ構成された誘電体層3の一方の面に、第1及び第5の内部電極30,34と、第2及び第6の内部電極31,35と、第3及び第7の内部電極32,36と、第4及び第8の内部電極33,37とがz方向に積層されてなる。さらに第1及び第5の内部電極30,34のz方向上部には、複数の誘電体層3が積層されて、上部誘電体層4を形成し、第4及び第8の内部電極33,37の下部にも、複数の誘電体層3が積層され、下部誘電体層5を形成する。
第1及び第5の内部電極30,34は、同一の誘電体層3に形成されるので、同一の平面(xy平面)に形成されることになる。第2及び第6の内部電極31,35も、同一平面に形成され、第1及び第5の内部電極30,34に平行に、第1及び第5の内部電極30,34から誘電体層3の厚さだけz方向に離間して配置される。同様にして、第3及び第7の内部電極32,36、第4及び第8の内部電極33,37もそれぞれ誘電体層3の厚さを隔てて各電極が平行になるように配置される。なお、誘電体層3の厚さは、可変容量デバイス本体2の焼結後には、変化することに留意する必要がある。
なお、上部及び下部誘電体層4,5は、可変容量デバイス本体2の機械的強度を補強するために設けられる。
図4(A)〜図4(H)には、誘電体層3に形成される第1〜第8の内部電極30〜37の形状を示す。
図4(A)及び図4(B)に示すように、シート状に成形された誘電体層3の一方の面に第1及び第5の内部電極30,34が形成される。第1及び第5の内部電極30,34は、それぞれ第1及び第5の電極本体30a,34aと、第1及び第5の接続電極30b,34bとからなる。
誘電体層3は、電極間に電圧を印加することによって静電容量が変化する可変容量コンデンサを構成するために、強誘電体材料で構成される。誘電体材料としては、イオン結晶材料からなり、正負のイオンが変異することによってイオン分極を生じる誘電体材料である。たとえばチタン酸バリウム(BaTiO)、ニオブ酸カリウム(KNbO)、チタン酸鉛(PbTiO)や、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)等である。
また、強誘電体材料として、電子分極を生じる強誘電体材料を用いてもよい。この強誘電体材料では、プラスの電荷に偏った部分と、マイナスの電荷に偏った部分とに分かれて電気双極子モーメントが生じ、分極が生じる。そのような材料として、従来、Fe の電荷面と、Fe の電荷面の形成により、分極を形成して強誘電体的特性を示す希土類鉄酸化物が知られている。この系においては、希土類元素をREとし、鉄族元素をTMとしたときに、分子式(RE)・(TM)・O(O:酸素元素)で表される材料が高誘電率を有することが知られている。なお、希土類元素としては、たとえば、Y、Er、Yb、Lu(特にYと重希土類元素)が挙げられ、鉄族元素としては、たとえば、Fe、Co、Ni(特にFe)が挙げられる。また、(RE)・(TM)・Oとしては、たとえば、ErFe、LuFe、YFe等である。
第1〜第8の内部電極30〜37は、たとえばPd、Pd/Ag、Ni等の金属微粉末を含む導電ペースト等によって形成される。
図4(A)及び図4(B)に示すように、第1及び第5の内部電極30,34を構成する第1及び第5の電極本体30a,34aは、同一の誘電体層3の一方の面にx方向に所定の距離だけ離間してほぼ同一の長方形状に形成される。第1及び第5の電極本体30a,34aは、それぞれの短辺がx方向に沿って、それぞれ長辺がy方向に平行になるように配置される。
第1及び第5の電極本体30a,34aの周囲には、可変容量デバイス本体2の焼結後の残留応力を緩和するために、誘電体の領域を残すようにする。したがって、第1及び第5の電極本体30a,34aの面積の和は、これらが形成される誘電体層3の面の面積よりも小さくなる。ここで、第1及び第5の電極本体30a,34aの周囲の誘電体の領域の面積は、残留応力を緩和するために、可変容量デバイス本体2の焼結時に第1及び第5の接続電極30b,34bの周辺に発生する残留応力に影響を及ぼさない程度の大きさに形成するのが好ましい。また、各コンデンサの等価直列抵抗(Equivalent Series Resistance、以下、ESRという。)をなるべく小さくする観点からは、第1及び第5の接続電極30b,34bの側の誘電体の領域を狭く(短く)形成するのが好ましい。
第1及び第5の接続電極30b,34bは、第1及び第5の電極本体30a,34aのx方向に沿う短辺に接続するように形成され、可変容量デバイス本体2の側面で、第1及び第5接続電極30b,34bの端面が露出するように形成される。また、第1及び第5の接続電極30b,34bは、各コンデンサのESRを低減する観点からは、広い幅とすることが望ましいが、可変容量デバイス本体2の焼結後に第1及び第5の接続電極30b,34bの周辺に発生する残留応力を考慮する必要があり、第1及び第5の電極本体30a,34aの部分に発生する残留応力に影響を及ぼさない程度に形成されることが好ましい。
ここで、残留応力とは、可変容量デバイス本体2の製造時の焼成処理での電極材料と誘電体材料の収縮率の違いで発生する応力をいう。したがって、第1及び第5の接続電極30b,34bの周辺に発生する残留応力が、第1及び第5の電極本体30a,34aの部分に発生する残留応力に影響を及ぼさないようにするためには、第1及び第5の接続電極30b,34bの面積は、第1及び第5の電極本体30a,34aの面積よりも十分に小さく形成されるのが好ましいことになる。この実施の形態の構成例では、第1及び第5の接続電極30b,34bのx方向の幅は、第1及び第5の電極本体30a,34aのx方向の幅よりも十分に小さく形成している。
たとえば、第1及び第5の接続電極30b,34bの周辺に発生する残留応力が、第1及び第5の電極本体30a,34aの部分に発生する残留応力に影響を及ぼさない程度とするためには、第1及び第5の接続電極30b,34bのx方向の幅は、第1及び第5の電極本体30a,34aのx方向の幅の4分の1以下に設定するのが好ましい。
可変容量デバイス本体2の側面に露出した第1及び第5の接続電極30b,34bの端部は、第1及び第5の外部端子20,24にそれぞれ電気的に接続される。
第2及び第6の内部電極31,35は、図4(C)及び図4(D)に示すように、第1及び第5の内部電極30,34と同様に、同一の誘電体層3の一方の面にx方向に所定の距離だけ離間して形成される。第2及び第6の内部電極31,35は、それぞれ第2及び第6の電極本体31a,35aと、第2及び第6の接続電極31b,35bとからなっており、第1及び第5の内部電極30,34と同一のパターンを180度回転した形状を有している。
可変容量デバイス本体2の側面に露出した第2及び第6の接続電極30b,33bの端部は、第2及び第6の外部端子20,25にそれぞれ電気的に接続される。
図4(E)及び図4(F)に示すように、第3及び第7の内部電極32,36は、第3及び第7の電極本体32a,36aと、第3及び第7の接続電極32b,36bとからなる。
第3及び第7の電極本体32a,36aの形状は、第1及び第5の電極本体30a,34aの形状並びに第2及び第6の電極本体31a,35aの形状と同一である。第3及び第7の接続電極32b,36bの形状は、第1及び第5の接続電極30b,34bの形状と同一であるが、外部端子への引出位置が異なるように、第3及び第7の電極本体32a,36aへの接続位置が相違する。
可変容量デバイス本体2の側面に露出した第3及び第7の接続電極32b,36bの端部は、第3及び第7の外部端子22,26にそれぞれ電気的に接続される。
第4及び第8の内部電極33,37の形状は、第3及び第7の内部電極32,36と同一のパターンを180度回転したものである。
可変容量デバイス本体2の側面に露出した第4及び第8の接続電極33b,37bの端部は、第4及び第8の外部端子23,27にそれぞれ電気的に接続される。
ところで、交流電流が外部端子へ流れない電極については、接続電極における電気抵抗が高くてもよいため、電極本体に対する接続電極の幅を小さく形成しても構わない。具体的には、接続電極31b、32b、35b、36bについては、その幅を小さくしてもよい。一方で、交流電流が流れる電極については、前述のように、ESRがなるべく小さくなるように配慮する必要がある。
ここで、図3に示すように、第1〜第4の内部電極30〜33の重心及び第5〜第8の内部電極34〜37の重心は、それぞれ同一の直線上に配置されるように積層される。これらの内部電極が重心をそろえて配置されることによって、可変容量デバイス本体2を焼結時に発生する内部応力に基づく残留応力のばらつきが小さくなり、各コンデンサの特性ばらつきを低減することができる。
なお、上述では、第1〜第4の内部電極と第5〜第8の内部電極とを同一形状で構成する場合について述べたが、第1〜第4の内部電極と、第5〜第8の内部電極との形状を異ならせて、すなわち、xy平面上で隣接する可変容量ユニットを構成するコンデンサの静電容量を異なるように設定してもよいのは言うまでもない。
1−2.製造方法
以上の構成を有する可変容量デバイス1の製造方法の一例を説明する。まず、所望の誘電体材料からなる誘電体シートを用意する。誘電体シートは、可変容量デバイス本体2の各誘電体層3を構成するものであり、たとえば厚さ約2.5μmに成形される。これらの誘電体シートは、ペースト状にした誘電体材料を、PET(ポリエチレンテレフタレート)などのフィルム上に所望の厚さに塗布して形成することができる。図4(A)〜図4(H)に示した第1〜第8の内部電極30〜37の形成領域に対応する領域が開口されたマスクを用意する。ここで、第1及び第5の内部電極30,34と第2及び第6の内部電極31,35は、同一のマスクを180度回転させることによって適用することができる。また、第3及び第7の内部電極32,36と第4及び第8の内部電極33,37についても、同一のマスクを180度回転させることで適用することができる。また、マスクを180度回転させて印刷する代わりに、後述する誘電体シートを積層する際に、誘電体シートを180度回転させてもよい。
次に、たとえば、Pt、Pd、Pd/Ag、Ni、Ni合金等の金属微粉末をペースト化した導電ペーストを調整し、その導電ペーストを、用意したそれぞれのマスクを介して誘電体シートの一方の面に塗布(シルク印刷)する。これにより、一方の面に第1及び第5の内部電極30,34、第2及び第6の内部電極31,35、第3及び第7の内部電極32,36、第4及び第8の内部電極33,37がそれぞれ形成された誘電体シートを作成する。このとき、各電極の電極本体の中心、すなわち重心が各層において一致するように形成する。
PETなどのフィルム上に形成した電極が印刷されていない誘電体シートをフィルムから剥離し、あらかじめその複数枚を積層する。そして、PETなどのフィルム上に第1〜第8の内部電極30〜37が形成されたそれぞれの誘電体シートをフィルムから剥離し、各電極が印刷された面の向きをそろえて、所望の順番に積層する。このとき、第1〜第4の電極本体30a,33aの各辺がx方向、y方向に整列し、中心(重心)がz方向に重なるように積層し、第5〜第8の電極本体34a〜37aの各辺がx方向、y方向に整列し、中心(重心)がz方向に重なるように積層する。さらに、この積層体に、電極が印刷されていない複数の誘電体シートを積層させて圧着する。
圧着した部材を適切な還元性の雰囲気中で高温焼成して、誘電体シートと導電ペーストで形成された各電極とを一体化する。これにより、可変容量デバイス本体2が作製される。その後、可変容量デバイス本体2の側面の所定位置に、第1外部端子20〜第8外部端子27を取り付ける。なお、焼成の際に還元性の雰囲気にするのは、内部電極の酸化を避ける必要があるからである。内部電極の酸化が進むにしたがって等価直列抵抗が増大し、内部電極としての機能を失ってしまうために、コンデンサが形成されなくなる。一方で、還元性の雰囲気が強すぎると、誘電体材料が還元されて半導体化してしまう。誘電体材料の還元が進むにしたがって、いわゆる漏れ電流の増大をもたらし、コンデンサのクオリティファクタ(Q)が低下してしまう。また、耐電圧性能も低下する。
1−3.回路構成及び動作
図2(C)に示すように、可変容量デバイス1は、第1の可変容量ユニット40と、第2の可変容量ユニット41とを有する複合コンデンサ回路素子である。第1及び第2の可変容量ユニット40,41は、それぞれ、C1〜C3が直列接続され、C4〜C6が直列接続されている。
ここで、図5(A)に示すように、第1の外部端子20と第3の外部端子24間に信号源を接続し、第4の外部端子23と、第8の外部端子27間を外部配線により接続すると、C1〜C6の直列接続回路が構成される。信号源から交流信号を発生させると、ある特定の瞬間においてC1〜C6に流れる積層方向(z方向)の電流は、図5(B)に示すように、C1〜C3に流れる電流の方向と、C4〜C6に流れる電流の方向とが図中の矢印のように互いに逆方向となる。したがって、図5(B)のように、隣接する第1及び第2の可変容量ユニット40,41に流れる電流の方向を逆方向にすることによって、双方の電流が発生する磁界が、互いに相手方の磁界を打ち消すように働くので、ESLが低減される。
上述では、積層方向(z方向)に流れる電流によって、xy平面内に発生する磁界を打ち消し合うようにすることによって、ESLを低減するものであるが、内部電極を流れる電流、すなわちxy平面を流れる電流が発生する磁界を打ち消し合うようにすることによって、さらにESLを低減することができる。図5(A)の回路構成において、内部電極の面に沿った方向(xz平面)に流れる電流は、信号源が接続される入出力端子である第1及び第5の外部端子20,24と、直列接続のために外部で接続する外部配線の入出力のための第4及び第8の外部端子23,27に流れる。図5(C)に示すように、内部電極の面に沿って流れる交流電流が発生する磁界は、隣接する同一平面内の内部電極、すなわち、第1の内部電極30と第5の内部電極34、第4の内部電極33と第8の内部電極37のそれぞれの面に沿って流れる電流は、逆方向(ある特定の瞬間において、◎印は、紙面の奥から手前の向きを示し、×印は紙面の手前から奥への向きを示す。)に流れる。したがって、xy平面内の同一面内において磁界を打ち消し合う方向に電流が流れることとなり、ESLがより低減される。
以上のようにして、第1及び第2の可変容量ユニット40,41に流れる電流の方向を逆方向にするように接続して用いることによって、ESLが低減された可変容量デバイス1として動作させることができる。また、交流電流の入出力端子を同一面内の電極とし、端子を流れる電流を逆方向とすることによって、さらにESLを低減することが可能になる。
なお、上述において、1つの可変容量ユニットは、3つのコンデンサの直列接続によって構成されるものとしたが、可変容量ユニットを構成するコンデンサの直列数は、2つであってもよく、4つあるいはそれ以上であってもよいのは言うまでもない。以下では、可変容量ユニットという場合には、3つのコンデンサの直列接続によって構成されるものとする。
上述において、可変容量デバイス1の静電容量、すなわちコンデンサC1〜C3及びC6〜C4の静電容量は、それぞれのコンデンサへ直流電圧を印加することで可変できる。その直流電圧値を変化させることで、それぞれのコンデンサC1〜C3及びC6〜C4の静電容量を可変させることができ、可変容量デバイス1の静電容量を可変できる。それぞれのコンデンサへ印加する直流電圧源は共通、すなわち、図5(A)のように1つにすることができる。この際、交流電流が直流電圧の接続線を流れるのをできるだけ抑制する必要がある。このため、図5(A)で示すように、それぞれのコンデンサの両端に抵抗R1〜R7を介して直流電圧を印加するように接続する。ここで、可変容量デバイス1のインピーダンス、すなわち外部端子23と外部端子27とは接続されている状態で外部端子20と外部端子24との間のインピーダンスよりも、抵抗R1〜R7のインピーダンス(抵抗値)を十分に大きくする。好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍以上、さらに好ましくは50倍以上のインピーダンスにする。なお、コンデンサCDC-CUT1とCDC-CUT2とは直流電圧が交流信号へ入り込むのを阻止するために設けるものである。これらのコンデンサの静電容量は、可変容量デバイス1の静電容量よりも、十分に大きくする。好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍以上、さらに好ましくは50倍以上に設定する。また、これらのコンデンサのQは、可変容量デバイス1のQよりも、なるべく高いものにする。好ましくは5倍以上、より好ましくは10倍以上、さらに好ましくは50倍以上の大きいものがよい。
2.第1の実施の形態の変形例
[可変容量ユニット×2からなる可変容量ブロックが2個]
本発明の第1の実施の形態に係る可変容量デバイス1は、さまざまな変形例を実現することが可能である。
図6(A)に示すように、可変容量デバイス1aは、第1の可変容量ユニット40と、第2の可変容量ユニット41とを有する第1の可変容量ブロック50と、第3の可変容量ユニット42と、第4の可変容量ユニット43とを有する第2の可変容量ブロック51とを備える。
図6(B)に示すように、第1の可変容量ユニット40は、第1〜第4の内部電極30〜33が誘電体層3を介して積層されてなる。第2の可変容量ユニット41は、第4〜第1の内部電極33〜30が誘電体層3を介して積層されてなる。すなわち、第1及び第2の可変容量ユニット40,41は、内部電極の積層の順序が逆となっている。第1〜第4の内部電極30〜33の形状は、図4(A)〜図4(H)に示したものと同じものを用いる。
第1〜第4の内部電極30〜33は、第1〜第4の電極本体30a〜33aと、第1〜第4の接続電極30b〜33bを有しており、第1の可変容量ユニット40の第1の接続電極30bと、第2の可変容量ユニット41の第1の接続電極30bとは、第1の外部端子20によって、電気的に接続される。
同様に第1及び第2の可変容量ユニット40,41のそれぞれの第2〜第4の接続電極31b,31b〜33b,33bは、第2〜第4の外部端子21〜23によってそれぞれ電気的に接続される。
したがって、第1の可変容量ブロック50を構成する第1及び第2の可変容量ユニット40,41は、並列接続されることになる。ここで、第1の可変容量ユニット40の内部電極の重心が構成する軸は、第2の可変容量ユニット41の内部電極が構成する軸と同一直線上に配置されるようにする。なお、以下では、可変容量ブロックという場合には、可変容量ブロックを構成する可変容量ユニットの内部電極の重心が構成する軸がすべて同一の直線上にあるものとする。すなわち、1つの可変容量ブロックを構成する内部電極の重心は、同一の軸上にある。
第3の可変容量ユニット42は、第5〜第8の内部電極34〜37が誘電体層3を介して積層されてなる。第4の可変容量ユニット43は、第8〜第5の内部電極37〜34が誘電体層3を介して積層されてなる。すなわち、第3及び第4の可変容量ユニット42,43は、内部電極の積層の順序が逆となっている。第5〜第8の内部電極34〜37の形状は、図4(A)〜図4(H)に示したとおりである。
第5〜第8の内部電極34〜37は、第5〜第8の接続電極34b〜37bを有しており、第3の可変容量ユニット42の第5の接続電極34bと、第4の可変容量ユニット43の第5の接続電極34bとは、第5の外部端子24によって、電気的に接続される。
同様に第3及び第4の可変容量ユニット42,43のそれぞれの第6〜第8の接続電極35b,35b〜37b,37bは、第6〜第8の外部端子25〜27によってそれぞれ電気的に接続される。
したがって、第2の可変容量ブロック51を構成する第3及び第4の可変容量ユニット42,43は、並列接続されることとなる。
以上より、第1の実施の形態の変形例に係る可変容量デバイス1aは、3つの直列コンデンサからなる可変容量ユニットを2つ並列接続した可変容量ブロックを2つ有している。
第1の可変容量ユニット40の最上層にある第1の内部電極30は、第2の可変容量ユニット41の最下層にある第1の内部電極30に電気的に接続されている。そこで、図5(A)の場合と同様に、第1の外部端子20と第5の外部端子24に信号源を接続し、第4の外部端子23と第8の外部端子27間を接続すると、図6(C)に示すように、ある瞬間において、第1及び第2の可変容量ユニット40,41に流れる交流電流の流れる方向は、図中の矢印のように互いに逆向きになる。また、第3及び第4の可変容量ユニット42,43に流れる交流電流の方向も逆方向となる。さらに、x方向に隣接する第1の可変容量ユニット40と第3の可変容量ユニット42に流れる交流電流も逆方向となる。このように、z方向及びx方向に隣接するユニットに流れる交流電流の流れる方向が逆方向になることによって、それぞれのユニットに流れる交流電流が発生するz方向の磁界は互いに打ち消されて、ESLが低減される。
さらに、xy平面において、同一面内の内部電極に流れる交流電流を互いに逆向きにして、すなわち、外部端子から入出力する交流電流を逆方向にすることによって、さらにESLの低減を図ることが可能になる。また、内部電極の面の方向(xy平面)に沿う電流が発生する磁界も、隣接する内部電極同士で電流の向きを逆方向にすることによって、さらにESLを低減することができる。
[可変容量ユニット×3からなる可変容量ブロックが2個]
図7(A)に示すように、3つの直列コンデンサからなる可変容量ユニットを3つ並列に接続した可変容量ブロックを2つ有する可変容量デバイス1bを構成することも可能である。
可変容量デバイス1bは、第1の可変容量ブロック50と、第2の可変容量ブロック51とを備える。
第1の可変容量ブロック50は、第1の可変容量ユニット40と、第1の可変容量ユニット40の下方に積層される第2の可変容量ユニット41と、第2の可変容量ユニット41の下方に積層される第3の可変容量ユニット42とを有する。
第1の可変容量ユニット40は、第1〜第4の内部電極30〜33が誘電体層3を介して積層されてなる。第2の可変容量ユニット41は、第4〜第1の内部電極33〜30が誘電体層3を介して積層されてなる。第3の可変容量ユニット42は、第1〜第4の内部電極30〜33が誘電体層3を介して積層されてなる。すなわち、第1〜第3の可変容量ユニット40〜42では、内部電極の積層の順序が隣接するもの同士で逆となっている。第1〜第4の内部電極30〜33の形状は、図4(A)〜図4(H)に示したものと同じものを用いる。
第1の可変容量ユニット40の最上層に配置される第1の内部電極30、第2の可変容量ユニット41の最下層に配置される第1の内部電極30、及び第3の可変容量ユニット42の最上層に配置される第1の内部電極30は、それぞれ第1の接続電極30b,30b,30bによって引き出され、第1の外部端子20によって電気的に接続される。
同様に、各ユニットの第2〜第4の内部電極31〜33は、それぞれ第2〜第4の外部端子21〜23によって電気的に接続される。
第2の可変容量ブロック51は、第4の可変容量ユニット43と、第4の可変容量ユニット43の下方に積層される第5の可変容量ユニット44と、第5の可変容量ユニット44の下方に積層される第6の可変容量ユニット45とを有する。
第4の可変容量ユニット43は、第5〜第8の内部電極34〜37が誘電体層3を介して積層されてなる。第5の可変容量ユニット44は、第8〜第5の内部電極37〜34が誘電体層3を介して積層されてなる。第6の可変容量ユニット45は、第5〜第8の内部電極34〜37が誘電体層3を介して積層されてなる。すなわち、第4〜第6の可変容量ユニット43〜45は、内部電極の積層の順序が隣接するもの同士で逆となっている。第5〜第8の内部電極34〜37の形状は、図4(A)〜図4(H)に示したものと同じである。第4の可変容量ユニット43の最上層に配置される第5の内部電極34、第5の可変容量ユニット44の最下層に配置される第5の内部電極34、及び第6の可変容量ユニット45の最上層に配置される第5の内部電極34は、それぞれ第5の接続電極34b,34b,34bによって引き出され、第5の外部端子24によって電気的に接続される。
同様に、各ユニットの第6〜第8の内部電極35〜37は、それぞれ第6〜第8の外部端子25〜27によって電気的に接続される。
図5(A)の場合と同様に、第1の外部端子20と第5の外部端子24に信号源を接続し、第4の外部端子23と第8の外部端子27間を接続すると、図7(C)に示すように、同一の可変容量ブロック内で隣接する可変容量ユニットの積層方向(z方向)に流れる電流は逆方向となる。また、隣接する可変容量ブロック同士では、隣接する可変容量ユニットに流れる積層方向(z方向)の電流も逆方向となる。したがって、積層方向に流れる電流が発生する磁界を互いに打ち消すように電流が流れることによって、ESLが低減される。xy平面に平行な面内におけるESL低減についても上述と同様である。
なお、上述においては、第1及び第2の可変容量ブロック50,51を直列に接続する場合のESL低減の方法を説明したが、隣接するユニットに流れる電流を逆方向に流れるように外部の接続を変更することによって、他の接続の仕方においてもESL低減の効果を得ることができる。たとえば、第1の外部端子20と第8の外部端子27を接続し、第4の外部端子23と第5の外部端子24を接続し(たすきがけ)、第1の外部端子20と第8の外部端子27間に信号源を接続すれば、第1及び第2の可変容量ブロック50,51の並列接続が実現できる。
また、ブロックを構成するユニットの数を変更することによって、さらに多様な組合せの可変容量デバイスを実現することができる。
3.第1の実施形態の他の変形例
[可変容量ユニット間の内部電極の共通化]
上述した可変容量デバイス1,1a,1bでは、すべての可変容量ユニットを4枚の内部電極を用いることによって直列コンデンサのユニットを構成したが、同一の可変容量ブロック内で隣接する可変容量ユニットには、常に同電位の最上層又は最下層の内部電極が存在する。この内部電極を共通化することによって、内部電極の枚数を減らすことが可能である。
図8に示すように、可変容量デバイス1cは、図7に示した可変容量デバイス1bと同様に、第1及び第2の可変容量ブロック50,51を備えており、第1の可変容量ブロック50は、第1〜第3の可変容量ユニット40〜42を有している。ここで、図7(A)に示すように、第2の可変容量ユニット41の最下層を形成する第4の内部電極33は、第3の可変容量ユニット42の最上層を形成する第4の内部電極33と同電位である。そこで、図8(A)に示すように、第2及び第3の可変容量ユニット41,42の第4の内部電極33が形成された誘電体層3を1枚にして、2つの第4の内部電極33を1つに共通化する。同様に、第2の可変容量ブロックにおいても、第5及び第6の可変容量ユニット44,45の第5の内部電極34を形成する誘電体層3を1枚にして、2つの第5の内部電極34を1つに共通化する。
2つの内部電極を1つに共通化して、内部電極が形成される誘電体層3の数を削減することによって、可変容量デバイス1の薄型化、軽量化に寄与することができる。また、製造工数が削減されるので、製造コストの低減にも貢献し得る。
このような構成の可変容量デバイス1cは、電気的には、図7の構成と等価であるが、内部電極の厚さが実質的に1/2になるため、ESRが増大し、直流損失が増加することと等に留意する必要がある。
図9(A)に示すように、第1及び第2の可変容量ユニット40,41の第4の内部電極33と、第4及び第5の可変容量ユニット43,44の第8の内部電極37とをさらに共通化して、内部電極が形成される誘電体層3の枚数を1枚にすることによって、全体として誘電体層3を図7の場合よりも2枚分削減することもできる。各可変容量ユニット及び各可変容量ブロックの構成は、図7の場合と同じなので、図9(B)に示すように、隣接する可変容量ユニット同士に流れる電流を逆方向にして、ESLの低減を図ることができる。
内部電極を削減することによって、さらなる薄型化、軽量化と、低コスト化を実現することができる。一方で、ESRが増大することに留意する必要がある。
上述した第1の実施の形態では、図10に示すように、1つの可変容量ユニットを構成する4枚の内部電極の接続電極の形成位置について、いくつかのバリエーションがある。
内部電極を形成する電極本体と、接続電極とは、上述したように、1枚の内部電極当たり1回のシルク印刷工程によって形成される。可変容量デバイスの端子接続は、接続電極を形成する位置によって変更することができる。ここで、シルク印刷工程に用いられるマスクのパターン生成種類が多くなると、コスト高となるので、コスト、製造工数との兼ね合いで内部電極の形成パターンを設定する必要がある。
図10(A)に示す内部電極パターンは、上述した構成に用いたパターンであり、図4に示したものと同じものである。
図10(A)〜図10(E)において、第1及び第5の内部電極30,34が形成されるパターンを3aとし、第2及び第6の内部電極31,35が形成されるパターンを3bとし、第3及び第7の内部電極32,36が形成されるパターンを3cとし、第4及び第8の内部電極33,37が形成されるパターンを3dとする。
図10(A)では、パターン3bは、パターン3aを180度回転したものであり、同一のパターンである。また、パターン3dは、パターン3cを180度回転したものであり、同一のものである。したがって、図10(A)の場合の電極パターンの種類は2種類である。
図10(B)では、パターン3dが、パターン3aの180度回転であり、同一である。また、パターン3bとパターン3cも同じものである。したがって、電極パターンの種類は、2種類である。
図10(C)では、パターン3dは、パターン3aを180度回転したものであり、同一である。一方、パターン3bとパターン3cは、いわゆる反転パターンであり、生成すべきパターンとしては、それぞれ生成する必要がある。したがって、電極パターンの種類は3種類である。
図10(D)では、パターン3aとパターン3dが180度回転パターンであり、同一である。また、パターン3bとパターン3cも180度回転パターンであり同一である。したがって、電極パターンの種類は、2種類である。
図10(E)では、パターン3aとパターン3dが反転パターンであり、パターン3bとパターン3cが反転パターンである。したがって、電極パターンの種類は4種類である。
また、電極の引き出し方は、内部電極の積層順序によっても変更することが可能である。
図11には、上述した図10(A)の電極パターンの組合せにおいて、内部電極の積層順序を何種類変更できるかを表にして示したものである。たとえば、このように、7種類の電極の引き出し方のバリエーションがある。図10(B)〜図10(E)それぞれの場合についても同様に電極の引き出し方の変更が可能である。
4.第2の実施の形態
[可変容量ブロック間の内部電極の共通化]
図5(A)等では、第1及び第2の可変容量ブロック50,51について、これらを外部配線で接続して直列接続構成とし、積層方向(z方向)に流れる電流の方向を逆向きにして、発生する磁界を互いに打ち消し合うように接続することによって、ESLを低減させた。ここで、第1及び第2の可変容量ユニット40,41(又は第1及び第2の可変容量ブロック50,51)の直列接続を、内部であらかじめ接続するようにしておけば、外部配線パターンの削減、これによる実装密度の向上を図ることができる。
図12(A)に示すように、外部端子の配置の互換性を維持しながら、第1及び第2の可変容量ブロック50,51が直列接続された可変容量デバイス1dを構成することができる。
第2の実施の形態に係る可変容量デバイス1dは、第1の可変容量ユニット40と、第2の可変容量ユニット41とを備える。
第1の可変容量ユニット40は、誘電体層3を介して積層された第1〜第4の内部電極30〜33を有する。コンデンサC1〜C3は、それぞれ誘電体層3を介して、第1及び第2の内部電極30,31によって形成され、第2及び第3の内部電極31,32によって形成され、第3及び第4の内部電極32,33によって形成される。
第2の可変容量ユニット41は、誘電体層3を介して積層された第5〜第7の内部電極34〜36と、第7の内部電極36と誘電体層3を介して積層される、第4の内部電極33とを有する。コンデンサC4〜C6は、それぞれ誘電体層3を介して、第5及び第6の内部電極34,35によって形成され、第6及び第7の内部電極35,36によって形成され、第7及び第4の内部電極36,33によって形成される。ここで、第4の内部電極33は、第1及び第2の可変容量ユニット40,41のそれぞれの最下層の電極として、同一の電極で形成されており、図5(A)の可変容量デバイス1においては、第4の外部端子23と第8の外部端子27とを外部配線によって接続したものを、内部での接続を実現するものである。
第1〜第3及び第5〜第7の内部電極30〜32,34〜36は、図4(A)〜図4(F)に示したものと同一のものとすることができる。第1〜第3及び第5〜第7の内部電極30〜32,34〜36は、第1〜第3及び第5〜第7の電極本体30a〜32a,34a〜36aと、第1〜第3及び第5〜第7の接続電極30b〜32b,34b〜36bとからなる。そして、第4の内部電極33は、図4(C)の誘電体層3に形成される2つの電極本体を接続するパターンを追加することによって構成される。このパターンには、交流電流が流れるため、図12(C)に示すように、第4の電極本体33aのy方向の幅を有するパターンで接続させるのが好ましい。
上述の構成とすることによって、図12(C)に示すように、直列接続されたコンデンサC1〜C3と、直列接続されたコンデンサC6〜C4とが直列に接続され、6個のコンデンサが直列された回路を構成する。そして、第1の外部端子20と第5の外部端子24に信号源を接続することによって、隣接するユニットを流れるz方向の電流の方向が逆方向となるので、発生する磁界を互いに打ち消し合うように作用してESLを低減する。また、第1及び第5の外部端子20,24を入出力するxy平面を流れる電流も互いに逆方向となるので、ESLのさらなる低減が可能である。なお、図5(A)の回路では、第4及び第8の外部端子23,27を介して外部で接続されることによってxy平面に流れる電流を逆方向とすることができたが、この例では、第4の内部電極と第8の内部電極とを共通化したので、これに相当するESL低減の寄与がないことに留意する必要がある。一方、使用時のESRについては、可変容量デバイス1よりも可変容量デバイス1dの方が小さい利点を有する。なぜならば、可変容量デバイス1においては、すなわち図5(A)の回路では、コンデンサC3の電極本体33aとコンデンサC6の電極本体36aとが、接続電極33bと第4の外部端子23と外部配線と第8の外部端子27間と接続電極37bとを経た接続となるのに対して、可変容量デバイス1dにおいては、コンデンサC3とコンデンサC6とが電極本体33aのx方向で直接に接続されているからである。
図12(D)の等価回路で示すように、第4の外部端子23が共通化される。なお、図12(A)に示すように、第4の外部端子23は、図1の可変容量デバイス1の場合に第8の外部端子であったものを第4の外部端子23とすればよい。
5.第2の実施の形態の変形例
[可変容量ユニット積層、可変容量ブロックの内部電極共通化]
第2の実施の形態に係る可変容量デバイスでは、可変容量ユニットをz方向に積層して、可変容量ユニットが並列接続された可変容量ブロックとすることもできる。
具体的には、図13(A)に示すように、第2の実施の形態の変形例に係る可変容量デバイス1eは、第1の可変容量ユニット40と、第2の可変容量ユニット41とを有する第1の可変容量ブロック50と、第3の可変容量ユニット42と、第4の可変容量ユニット43とを有する第2の可変容量ブロック51とを備える。
第1の可変容量ユニット40は、第1〜第4の内部電極30〜33が誘電体層3を介して積層されてなる。第2の可変容量ユニット41は、第4〜第1の内部電極33〜30が誘電体層3を介して積層されてなる。すなわち、第1及び第2の可変容量ユニット40,41は、内部電極の積層の順序が逆となっている。第1〜第3の内部電極30〜33の形状は、図4(A)〜図4(F)に示したものと同じものを用いる。第4の内部電極33は、図12(C)に示したものと同じものを用いる。
第1〜第4の内部電極30〜33は、第1〜第4の接続電極30b〜33bを有しており、第1の可変容量ユニット40の第1の接続電極30bと、第2の可変容量ユニット41の第1の接続電極30bとは、第1の外部端子20によって、電気的に接続される。
同様に第1及び第2の可変容量ユニット40,41のそれぞれの第2〜第4の接続電極31b,31b〜33b,33bは、第2〜第4の外部端子21〜23によってそれぞれ電気的に接続される。
したがって、第1の可変容量ブロック50を構成する第1及び第2の可変容量ユニット40,41は、並列接続されてなる。
第3の可変容量ユニット42は、第5〜第7の内部電極34〜36が誘電体層3を介して積層され、さらに第4の内部電極33が積層されてなる。第4の可変容量ユニット43は、第7〜第5の内部電極36〜34が誘電体層3を介して積層され、さらに第4の内部電極33が積層されてなる。すなわち、第3及び第4の可変容量ユニット42,43は、内部電極の積層の順序が逆となっている。第5〜第8の内部電極34〜37の形状は、図4(A)〜図4(F)及び図12(C)に示したとおりである。
第1〜第4の内部電極30〜33と第5〜第7の内部電極の積層順は、図13(A)の場合に限らず、図13(B)に示すように、これらを逆にするようにしてもよい。
図13(A)及び図13(B)の矢印で示すように、隣接するユニット同士にz方向に流れる交流電流は、逆方向とすることができ、それぞれが発生する磁界を互いに打ち消すように作用するのでESLが低減される。
さらに、図14及び図15に示すように、z方向の積層数をさらに増やして、それぞれを並列接続することによって、コンデンサの容量値の増大を図ることができる。
図14に示す可変容量デバイス1fでは、第1及び第2の可変容量ブロック50,51のそれぞれを3つの可変容量ユニットの並列接続により実現している。
図15(A)に示す可変容量デバイス1gでは、第1及び第2の可変容量ブロック50,51のそれぞれを4つの可変容量ユニットの並列接続により実現している。
図15(B)では、図15(A)に示す可変容量デバイス1gと同一の機能、性能の可変容量デバイスを、これを構成する可変容量ユニットの内部電極の積層順を逆にしたものである。
さらに、図16に示すように、積層方向(z方向)に隣接する可変容量ユニットの最上層と最下層の内部電極を共通化して、薄型化、軽量化、低コスト化を図ることが可能である。図16に示す可変容量デバイス1hでは、第1の内部電極30と、第5の内部電極34とをそれぞれ共通化したものである。
また、図17に示すように、第1及び第2の可変容量ブロック50,51において共通化されている第4の内部電極33についても、同一の可変容量ブロック内の積層方向(z方向)に隣接するユニット間で共通化することもできる。図17(A)に示す可変容量デバイス1jでは、可変容量ブロック間で共通化される第4の内部電極33を積層方向(z方向)に隣接する可変容量ユニットでも共通化し、第1及び第5の内部電極30,34についても共通化した構成例である。図17(B)では、可変容量ブロック間で共通化される第4の内部電極33のみをユニット間も共通化した構成例である。
[外部端子配置のバリエーションの例]
図18(A)及び図18(B)に示すように、可変容量デバイス1kでは、図12(A)に示した外部端子の配置に対して、共通化された内部電極(第4の内部電極33)について、1つの外部端子とすることももちろんできる。図18(C)に示すように、可変容量デバイス1kは、第4の内部電極33を構成する第4の接続電極33bを1つのみとするこができる。このように構成しても、図18(D)に示すように、図12(C)の場合とまったく同じ回路構成を実現することができる。
さらに、可変容量デバイス本体2の4辺すべてに外部端子を設けるようにしてもよい。
具体的には、図19(A)及び図19(B)に示すように、可変容量デバイス1mでは、第1の内部電極30と、第5の内部電極34とを他の外部端子が配置された辺とは異なる辺に対向するように配置してもよい。第1の外部端子20と第5の外部端子24間に、信号源が接続されると、主たる交流電流が第1及び第5の外部端子20,24間に流れる。主たる交流電流が大きな電流が流れることを想定する場合には、可変容量デバイス本体2の1つの辺を1つの外部端子のために用いて、外部端子の面積を大きくして外部回路との接続抵抗を下げることができる。また、接続電極の幅をより広くでき、ESRをより小さくできる。
3.第3の実施の形態
[可変容量ブロックを3個以上配置]
第1及び第2の実施の形態では、可変容量デバイスは、xy平面上に配置された2つの可変容量ブロック(又は可変容量ユニット)を備える。配置される可変容量ブロックは、2つに限らず、3つ以上であってもよい。
図20に示すように、可変容量デバイス1nは、第1の可変容量ユニット40と、第2の可変容量ユニット41と、第3の可変容量ユニット42とを備える。
第1の可変容量ユニット40は、誘電体層3を介して積層された、第1の内部電極30と、第2の内部電極31と、第3の内部電極32と、第4の内部電極33とを有する。
第2の可変容量ユニット41は、誘電体層3を介して積層された、第5の内部電極34と、第6の内部電極35と、第7の内部電極36と、第8の内部電極37とを有する。
第3の可変容量ユニット42は、誘電体層3を介して積層された、第9の内部電極38と、第10の内部電極39と、第11の内部電極70と、第12の内部電極71とを有する。
第1及び第2の実施の形態と同様に、第1の内部電極30、第5の内部電極34及び第9の内部電極38は、同一の誘電体のシートに形成される(図20(C))。なお、他の内部電極の配置については、図4等と同一に考えることができるので、重ねて説明はしない。
さらに、4つ、5つと可変容量ユニット(又は可変容量ブロック)を追加することも可能である。
xy平面上で可変容量ユニットの数を増やすと、可変容量デバイス本体2のxy平面における縦横比が大きくなりすぎ、誘電体の焼結後の内部の残留応力にばらつきが生じやすい。そこで、y方向のみに可変容量ユニットの配置を拡張するのみならず、x方向にも拡張するとよい。
図21に示すように、4つの可変容量ユニットをxy平面に方形状に配置するようにして、可変容量デバイス本体2の1つの辺に2つの可変容量ユニットの各外部端子を形成し、対向する辺に、他の2つの可変容量ユニットの各外部端子を形成してもよい。
より具体的には、可変容量デバイス1pでは、可変容量デバイス本体2の中心をx方向とy方向に直交する線によって4分割し、便宜上、左上を(i)領域、右上を(ii)領域、左下を(iii)領域、右下を(iv)領域とし、各領域に可変容量ユニットが配置される。各領域に配置された可変容量ユニットは、x方向に沿った面に外部端子を有する。すなわち、(i)領域に配置された可変容量ユニット(i)では、左から、第2の外部端子21、第4の外部端子23、第1の外部端子20、第3の外部端子24と配置され、同様に、(ii)領域に配置された可変容量ユニット(ii)では、左から第6の外部端子25、第8の外部端子27、第5の外部端子24、第7の外部端子26と配置される。対向する長辺にも、同様に、2つの可変容量ユニット(iii),(iv)が配置され、外部端子は、左から、第6、第8、第5、第7、第2、第4、第1、第3の外部端子の順で配置される。
より具体的には、図22に示すように、可変容量デバイス1pの内部電極は、各領域(i)〜(iv)に対応する位置に、応力緩和のための誘電体領域をあけて配置される。1つの領域あたり、積層される内部電極に対応して、4つの外部端子を引き出すために、内部電極を構成する接続電極は、電極本体の位置で重ならないように配置、接続される。図22(A)に示すように、領域(i)に対応する第1の内部電極30の第1の接続電極30bは、第1の電極本体30aの右端から、接続電極の幅1つ分以上、左にずらして配置される。図22(B)に示すように、領域(i)に対応する第2の内部電極31の第2の接続電極31bは、第2の電極本体30aの左端の位置に配置される。図22(C)に示すように、領域(i)に対応する第3の内部電極32の第3の接続電極32bは、第3の電極本体32aの右端に接続される。図22(D)に示すように、領域(i)に対応する第4の内部電極33の第4の接続電極33bは、第4の電極本体33aの左端から、接続電極の幅1つ分以上右にずらして配置される。
上述した第3の実施の形態においても、積層方向に、さらに可変容量ユニットを積層して可変容量ブロックを形成してもよく、隣接する同電位の内部電極を共通化するようにしてもうよいのは言うまでもない。
7.非接触通信システム及び非接触充電システムを構成する場合の具体例
[非接触通信装置]
<非接触通信装置の構成例>
本発明の実施の形態に係る可変容量デバイス1は、共振コンデンサとして、共振コイルとともに共振回路を構成することができる。そして、構成された共振回路は、非接触通信装置140に搭載して、これと他の非接触通信装置と非接触で通信を行う。非接触通信装置140は、たとえば非接触通信システムにおけるリーダライタである。他の非接触通信装置は、たとえば携帯電話に搭載されたNFC(Near Field Communication)等の非接触通信モジュールである。
図23及び図24に示すように、非接触通信システムのリーダライタとして機能する非接触通信装置140は、可変容量回路11とコイル112とを有する共振回路を含む1次側アンテナ部120aを備える。非接触通信装置140は、非接触通信装置140の動作を制御するシステム制御部121と、システム制御部121の指令に基づいて、送信信号の変調を行う変調部124と、変調部124からの送信信号により変調されたキャリア信号を1次側アンテナ部120aに送出する送信信号部125とを備える。さらに、非接触通信装置140は、送信信号部125によって送出される変調されたキャリア信号を復調する復調部123を備える。
非接触通信装置140は、1次側アンテナ部120aによって、2次側アンテナ部160を備える非接触通信モジュールに信号を送信する。信号を送信された非接触通信モジュールは、2次側アンテナ部160によって受信した信号を復調する復調部164と、復調された信号によって非接触通信モジュールの動作を制御するシステム制御部161と、受信した信号に基づいて、2次側アンテナ部160を構成する共振コンデンサやアンテナコイルのパラメータを調整して受信状態を制御する受信制御部165とを備える。非接触通信モジュールは、2次側アンテナ部160で受信した信号を整流する整流部166を備えており、整流された電圧によって定電圧部167を介して各部へ電力を供給する。なお、非接触通信モジュールが携帯電話等の電源(バッテリ169)を有する携帯端末装置の場合には、バッテリ169から各部へ電力を供給し、ACアダプタ等の外部電源168によっても電源供給することができる。
図24に1次側アンテナ部120aの構成例を示す。この1次側アンテナ部120aに用いる可変容量回路11は、たとえば図2(C)に示した回路の可変容量デバイス1である。可変容量デバイス1は、C1とC2の直列コンデンサからなるCS1、C3からなるCP1、C4とC5の直列コンデンサからなるCS2、C6からなるCP2として、回路構成される。したがって、1次側アンテナ部120a部は、可変容量コンデンサCS1,CP1,CS1,CP2とアンテナコイル112からなる直並列共振回路を含む。
可変容量回路11の各コンデンサCS1,CP1,CS2,CP2は、送受信制御部122によって直流バイアス電圧を制御され、適切な容量値に設定され、共振コイル112(Lant)とともに共振周波数が調整される。
<非接触通信装置の動作>
次に、可変容量回路11を含む共振回路からなる1次側アンテナ部120aを備える非接触通信装置140の動作について説明する。
非接触通信装置140は、送信信号部25によって送出されるキャリア信号に基づいて、1次側アンテナ部120aとのインピーダンスマッチングを行い、受信側である非接触通信モジュールの受信状態に基づいて、共振回路の共振周波数の調整を行う。変調部124では、一般的なリーダライタで用いられる変調方式、符号化方式は、マンチェスタ符号化方式やASK(Amplitude Shift Keying)変調方式等である。キャリア周波数は、典型的には13.56MHzである。
送信されるキャリア信号は、送受信制御部122が、送信電圧、送信電流をモニタすることによって、インピーダンスマッチングが得られるよう1次側アンテナ部120aの可変電圧Vcを制御して、インピーダンス調整を行う。
非接触通信装置140から送信された信号は、2次側アンテナ部160で受信され、復調部164によって信号は復調される。復調された信号の内容がシステム制御部161によって判断され、システム制御部161は、その結果に基づいて応答信号を生成する。なお、受信制御部165は、受信信号の振幅や電圧・電流位相に基づいて、2次側アンテナ部160の共振パラメータ等を調整して、受信状態が最適になるように、共振周波数の調整をするようにしてもよい。
非接触通信モジュールは、応答信号を変調部163によって変調し、2次側アンテナ部160によって非接触通信装置140に送信する。非接触通信装置140は、1次側アンテナ部120aで受信した応答信号を復調部123で復調し、復調された内容に基づいて、システム制御部121によって必要な処理を実行する。
[非接触充電装置]
本発明に係る可変容量回路11を用いた共振回路120は、非接触で携帯電話等の携帯端末に内蔵される2次電池を充電する非接触充電装置180を構成することができる。非接触充電の方式としては、電磁誘導方式や磁気共鳴等が適応可能である。
図25には、本発明が適用された非接触充電装置180と、非接触充電装置180によって充電制御される携帯端末等の受電装置とからなる非接触充電システムの構成例を示す。
非接触充電装置180は、上述した非接触通信装置140とほぼ同じ構成を備える。また、受電装置の構成は、上述した非接触通信モジュールとほぼ同じである。したがって、非接触通信装置140、非接触通信モジュールとして図23に記載されたブロックと同じ機能を有するものについては、同じ符号で示す。ここで、非接触通信装置140では、送受信するキャリア周波数が多くの場合に13.56MHzであるのに対して、非接触充電装置80では、100kHz〜数100kHzの場合がある。
非接触充電装置180は、送信信号部125によって送出されるキャリア信号に基づいて、1次側アンテナ部120aとのインピーダンスマッチングを行い、受信側である非接触通信モジュールの受信状態に基づいて、共振回路の共振周波数の調整を行う。
送信されるキャリア信号は、送受信制御部122が、送信電圧、送信電流をモニタすることによって、インピーダンスマッチングが得られるよう1次側アンテナ部120aの可変電圧Vcを制御して、インピーダンス調整を行う。
受電装置は、2次側アンテナ部160で受信された信号を整流部166で整流し、整流された直流電圧を充電制御部170にしたがって、バッテリ169を充電する。2次側アンテナ部160による信号の受信がない場合であっても、ACアダプタ等の外部電源168によって充電制御部170を駆動してバッテリ169を充電することができる。
非接触通信装置140から送信された信号は、2次側アンテナ部160で受信され、復調部164によって信号は復調される。復調された信号の内容がシステム制御部161によって判断され、システム制御部161は、その結果に基づいて応答信号を生成する。なお、受信制御部165は、受信信号の振幅や電圧・電流位相に基づいて、2次側アンテナ部160の共振パラメータ等を調整して、受信状態が最適になるように、共振周波数の調整をするようにしてもよい。
1,1a〜1p 可変容量デバイス、2 可変容量デバイス本体、3 誘電体層、4 上部誘電体層、5 下部誘電体層、20〜27 第1〜第8の外部端子、30〜37 第1〜第8の内部電極、30a〜37a 第1〜第8の電極本体、30b〜37b 第1〜第8の接続電極、40〜45 第1〜第6の可変容量ユニット、50〜51 第1〜第2の可変容量ブロック、120a 1次側アンテナ部、121 システム制御部、122 送受信制御部、123 復調部、124 変調部、125 送信信号部、140 非接触通信装置、160 2次側アンテナ部、161 システム制御部、163 変調部、164 復調部、165 受信制御部、166 整流部、167 定電圧部、168 外部電源、169 バッテリ、170 充電制御部、180 非接触充電装置

Claims (17)

  1. 誘電体層と、該誘電体層を介して積層され、静電容量をなす電極本体の重心が積層方向の直線からなる軸上に配置された少なくとも3つ以上の内部電極とにより2つ以上のコンデンサが形成され、該2つ以上のコンデンサが該内部電極の積層方向に直列接続された容量素子本体と、該容量素子本体の側面に形成され、静電容量をなす上記電極本体に電気的に接続された外部端子とを有する1つ以上の静電容量ユニットからなる静電容量ブロックを2つ以上含み、
    上記静電容量ブロックの1つを構成する上記静電容量ユニットは、同一の上記軸上に形成され、
    上記2つ以上の静電容量ブロックは、それぞれの上記軸が平行に配置され、
    隣接する静電容量ユニットに流れる電流の方向がそれぞれ逆方向であることを特徴とする静電容量デバイス。
  2. 隣接する静電容量ブロックのコンデンサを構成する各層の上記内部電極は、それぞれ同一平面内となるように配置されることを特徴とする請求項1記載の静電容量デバイス。
  3. 上記各静電容量ユニットの最上層及び最下層の上記内部電極の平面に沿って流れる電流の方向は、隣接する上記静電容量ブロックで互いに逆方向であることを特徴とする請求項2記載の静電容量デバイス。
  4. 上記内部電極は、上記電極本体と、該電極本体と上記外部端子とを電気的に接続するための接続電極とで構成され、積層される上記電極本体は、同一形状に形成されることを特徴とする請求項1記載の静電容量デバイス。
  5. 上記静電容量ブロックを構成する上記静電容量ユニットは、並列接続されることを特徴とする請求項1記載の静電容量デバイス。
  6. 上記静電容量ブロックは、直列接続されることを特徴とする請求項5記載の静電容量デバイス。
  7. 上記静電容量ブロックの1つを構成する隣接する上記静電容量ユニットの最上層及び最下層の内部電極は、あらかじめ同電位とされていることを特徴とする請求項2記載の静電容量デバイス。
  8. 隣接する上記静電容量ブロックの最上層又は最下層の内部電極は、あらかじめ同電位とされていることを特徴とする請求項2又は7記載の静電容量デバイス。
  9. 誘電体層と、
    上記誘電体層を介して積層され、静電容量をなす電極本体の重心が積層方向の直線からなる軸上に配置されるように配置された少なくとも3つ以上の内部電極とにより2つ以上のコンデンサが形成され、該2つ以上のコンデンサが該内部電極の積層方向に直列接続された容量素子本体と、
    上記容量素子本体の側面に形成され、静電容量をなす上記電極本体に電気的に接続された外部端子とを有する1つ以上の静電容量ユニットからなる静電容量ブロックを2つ以上含み、
    上記静電容量ブロックの1つを構成する上記静電容量ユニットは、同一の上記軸上に形成され、
    上記2つ以上の静電容量ブロックは、それぞれの上記軸が平行に配置され、
    隣接する静電容量ユニットに流れる電流の方向がそれぞれ逆方向である静電容量デバイスと、
    上記静電容量デバイスに接続された共振コイルとを備える共振回路。
  10. 隣接する静電容量ブロックのコンデンサを構成する各層の上記内部電極は、それぞれ同一平面内となるように配置されることを特徴とする請求項9記載の共振回路。
  11. 上記各静電容量ユニットの最上層及び最下層の上記内部電極の平面に沿って流れる電流の方向は、隣接する上記静電容量ブロックで互いに逆方向であることを特徴とする請求項10記載の共振回路。
  12. 上記内部電極は、上記電極本体と、該電極本体と上記外部端子とを電気的に接続するための接続電極とで構成され、積層される上記電極本体は、同一形状に形成されることを特徴とする請求項9記載の共振回路。
  13. 上記静電容量ブロックを構成する上記静電容量ユニットは、並列接続されることを特徴とする請求項9記載の共振回路。
  14. 上記静電容量ブロックは、直列接続されることを特徴とする請求項13記載の共振回路。
  15. 上記静電容量ブロックの1つを構成する隣接する上記静電容量ユニットの最上層及び最下層の内部電極は、あらかじめ同電位とされていることを特徴とする請求項10記載の共振回路。
  16. 隣接する上記静電容量ブロックの最上層又は最下層の内部電極は、あらかじめ同電位とされていることを特徴とする請求項10又は15記載の共振回路。
  17. 誘電体層と、該誘電体層を介して積層され、静電容量をなす電極本体の重心が積層方向の直線からなる軸上に配置された少なくとも3つ以上の内部電極とにより2つ以上のコンデンサが形成され、該2つ以上のコンデンサが該内部電極の積層方向に直列接続された容量素子本体と、該容量素子本体の側面に形成され、静電容量をなす上記電極本体に電気的に接続された外部端子とを有する1つ以上の静電容量ユニットからなる静電容量ブロックを2つ以上含み、
    上記静電容量ブロックの1つを構成する上記静電容量ユニットは、同一の上記軸上に形成され、
    上記2つ以上の静電容量ブロックは、それぞれの上記軸が平行に配置され、
    隣接する静電容量ユニットに流れる電流の方向がそれぞれ逆方向である可変容量デバイスを備える電子機器。
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