JP2024110047A - 可変容量コンデンサおよび給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】制御電圧を低電圧化できる可変容量コンデンサを提供すること。【解決手段】第１制御電極２１と、第１制御電極と向かい合う第２制御電極２２と、少なくとも第１制御電極と第２制御電極との間に配置された誘電体層３２と、誘電体層を挟んで向かい合う第１取出電極１１と、第２取出電極１２とを備え、第１取出電極と第２取出電極とは、第１制御電極と第２制御電極との間に制御電圧が印加された場合に、第１制御電極と第２制御電極との間に生じる電界ベクトルと交わる方向に沿って電界を生じさせる位置に配置されている、可変容量コンデンサ１。【選択図】図１

Description

本開示は、可変容量コンデンサおよび給電装置に関する。

従来、直流バイアスを印加するための１対の電極の間に誘電体層が配置された、静電容量が可変であるコンデンサがある（例えば、特許文献１）。従来のコンデンサでは、アース用電極と直流バイアス用電極との間に誘電体層が配置され、アース用電極と直流バイアス用電極との間に誘電体層を介して容量取得用電極が配置されている。アース用電極と直流バイアス用電極との間に直流バイアスが印加されることにより、誘電体層の誘電特性が変化して、コンデンサの静電容量が変化する。

特開２００６－３４４８４５号公報

特許文献１に記載のコンデンサでは、アース用電極と、直流バイアス用電極と、容量取得用電極とが、誘電体層を介して同じ方向に積層されている。このため、アース用電極と直流バイアス用電極との間の距離と、アース用電極と容量取得用電極との距離とを連動して設定する必要が生じる。

本開示は、以下の形態として実現することが可能である。

本開示の一形態によれば、可変容量コンデンサ（１）が提供される。この可変容量コンデンサは、第１制御電極（２１）と、前記第１制御電極と向かい合う第２制御電極（２２）と、少なくとも前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に配置された誘電体層（３２）と、前記誘電体層を挟んで向かい合う第１取出電極（１１）と、第２取出電極（１２）とを備え、前記第１取出電極と前記第２取出電極とは、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に制御電圧が印加された場合に、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に生じる電界ベクトルと交わる方向に沿って電界を生じさせる位置に配置されている。

この形態によれば、第１制御電極と第２制御電極との間の距離と、第１取出電極と第２取出電極との間の距離とを独立に設定することができる。よって、第１制御電極と第２制御電極との間の距離を短くすることで、同じ制御電圧でも誘電体層に印加される電界を大きくすることができるため、制御電圧の低電圧化が可能になる。

可変容量コンデンサの斜視図。 図１に示す可変容量コンデンサのII-II線断面図。 ＰＶＤＦを説明する図。 制御電界と比誘電率との関係を示す図。 第２実施形態に係る可変容量コンデンサの斜視図。 配置数の検討結果を示す図。 第３実施形態に係る可変容量コンデンサの断面図。 電極間距離と電極長との検討結果を示す図。 第４実施形態に係る非接触給電システムの回路図。 ヒステリシス曲線を示す図。 リラクサーと強誘電体とを比較する図。

Ａ．第１実施形態：
図１に示すように、可変容量コンデンサ１は、第１取出電極としての第１取出電極層１１と、第２取出電極としての第２取出電極層１２と、第１制御電極としての第１制御電極層２１と、第２制御電極としての第２制御電極層２２と、第１誘電体層３１と、誘電体層としての第２誘電体層３２と、第１取出電極共通層４１と、第２取出電極共通層４２とを有する。

図１には、互いに直交する３つの空間軸であるＸＹＺ軸が描かれている。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の矢印が向いている方向は、それぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正の方向を示している。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正の方向を、それぞれ＋Ｘ方向，＋Ｙ方向，＋Ｚ方向とする。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸の矢印が向いている方向と逆の方向が、それぞれＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負の方向である。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負の方向を、それぞれ－Ｘ方向，－Ｙ方向，－Ｚ方向とする。Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った方向で正負を問わないものを、それぞれＸ方向，Ｙ方向，Ｚ方向とよぶ。これ以降に示す図及び説明についても同様である。

図２に示すように、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とは、可変容量コンデンサ１の静電容量を調整するための電極層である。第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とは、可変容量コンデンサ１の静電容量を利用するための電極層である。典型的には、可変容量コンデンサ１は、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とに直流電圧である制御電圧が印加され、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に交流電力が印加されて用いられる。

第２制御電極層２２は、第１制御電極層２１と向かい合う。第２誘電体層３２は、少なくとも第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に配置されている。第１取出電極層１１と、第２取出電極層１２とは、第２誘電体層３２を挟んで向かい合う。第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とは、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に制御電圧が印加された場合に、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に生じる電界ベクトルと交わる方向に沿って電界を生じさせる位置に配置されている。本実施形態では、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とは第１方向としてのＸ方向に向かい合う。また、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とは、第２方向としてのＺ方向に向かい合う。

図２に示すように、可変容量コンデンサ１は積層構造を有している。具体的には、第１取出電極層１１の上に、第１誘電体層３１が配置されている。第１誘電体層３１の上に第１制御電極層２１と、第２制御電極層２２と、第２誘電体層３２とが配置されている。第２誘電体層３２は、第１制御電極層２１と、第２制御電極層２２とを覆っている。第２誘電体層３２の上に第２取出電極層１２が配置されている。各層の膜面方向が、ＸＹ方向である。各層が積層されている積層方向がＺ方向である。

図１に示すように、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とは、それぞれ、Ｙ方向に長軸な平板形状を有する。第１制御電極層２１と、第２制御電極層２２とは、Ｘ方向において、間隔を空けて交互に配置されている。各第１制御電極層２１の－Ｙ方向の端部は、第１取出電極共通層４１と電気的に接続されている。各第２制御電極層２２の＋Ｙ方向の端部は、第２取出電極共通層４２と電気的に接続されている。

Ｘ方向において、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とが、第２誘電体層３２を挟んで交互に配置されて形成された配置体を第１配置体ＳＴ１とも呼ぶ。第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とが交互に配置されていることにより、隣り合う第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に形成される各コンデンサは互いに並列に接続されるため、可変容量コンデンサ１の容量値を大きくすることができる。

図２に示すように、第２誘電体層３２は、少なくとも第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に配置されている。具体的には、第２誘電体層３２は、Ｘ方向において、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とに挟まれた制御領域ＲＧ１に配置されている。これにより、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に直流電圧である制御電圧が印加された場合には、Ｘ方向に概ね平行である電界ベクトルが、制御領域ＲＧ１に生じる。

第１取出電極層１１と、第２取出電極層１２とは、Ｚ方向において、第２誘電体層３２を挟んで向かい合う。これにより、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に交流電圧が印加された場合に制御領域ＲＧ１に生じる電界ベクトルは、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に制御電圧が印加された場合に制御領域ＲＧ１に生じる電圧ベクトルと交わる。本実施形態において、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とはＺ方向に向かい合う。第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とはＸ方向に向かい合う。このため、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に交流電圧が印加された場合に制御領域ＲＧ１に生じる電界ベクトルは、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に制御電圧が印加された場合に制御領域ＲＧ１に生じる電圧ベクトルと概ね直交する。

第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とが向かい合う方向と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とが向かう合う方向とは異なる。これにより、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との距離とを独立に設定できる。第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離を短くすることなく、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との距離を短くことができる。よって、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に印加される電圧に耐え得る、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間の距離を維持しつつ、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離を短くすることにより、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に印加される電界を大きくすることができる。よって、制御電圧を低電圧化できる。

仮に、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とが向かい合う方向と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とが向かう合う方向とが同じである場合には、誘電体の比誘電率を調整するために、制御電圧を第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に印加される電圧よりも大きくする必要がある。この点、本実施形態によれば、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との距離とを独立に設定できる。このため、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離を短くすることにより、制御電圧を低電圧化できる。

また、上記の理由により、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とが向かい合う方向と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とが向かう合う方向とが同じである場合と比較して、第２誘電体層３２に印加される電圧を低くできる。このため、第２誘電体層３２が印加される電圧に耐え得る程度に、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離を短くすることができる。よって、可変容量コンデンサ１の体格を小さくすることができる。また、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とはＸ方向に向き合うため、制御領域ＲＧ１の外の領域の第２誘電体層３２にも電界を印加することができる。よって、比誘電率εrが変化する第２誘電体層３２の領域を広げることができる。

第２誘電体層３２の誘電特性は異方性を有する。ここで、誘電特性が異方性を有するとは、第２誘電体層３２に制御電圧が印加された状態で、交流電圧が印加された場合の比誘電率εrが、交流電圧が印加されることにより生じる電界ベクトルの向きにより異なることをいう。第２誘電体層３２の誘電特性が異方性を有することにより、制御電圧が印加される方向と、交流電圧が印加される方向が異なる場合に、後に詳述するように、制御電圧の大きさにより比誘電率εrが特徴的に変化する。

本実施形態において、第１誘電体層３１と第２誘電体層３２とは同じ材料の強誘電体を含む。詳細には、第１誘電体層３１と第２誘電体層３２とは、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を含む。他の形態として、第１誘電体層３１と第２誘電体層３２とは、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）（ポリ（フッ化ビニリデン－トリフルオロエチレン））などのフッ素樹脂などの強誘電体ポリマーを含んでもよい。第１誘電体層３１が強誘電体を含むことにより、第１誘電体層３１も可変容量コンデンサとして機能させることができる。

第１誘電体層３１と第２誘電体層３２との他の形態として、第１誘電体層３１と第２誘電体層３２とは、互いに異なる材料の誘電体を含んでもよい。

図３に示すように、ＰＶＤＦ分子は、炭素鎖に水素原子とフッ素原子とが結合している。水素原子は正に帯電し、フッ素原子は負に帯電するため、ＰＶＤＦ分子は、電気双極子モーメントを有する。ＰＶＤＦ分子が分子間力により凝集した場合、各ＰＶＤＦ分子の炭素鎖が延びる方向が揃う。水素原子とフッ素原子とは、炭素鎖の延びる方向に対して、垂直な方向に位置する。よって、ＰＶＤＦの結晶では、自発分極する。ＰＶＤＦの結晶に電界が印加された場合、炭素鎖の延びる方向であるＸ軸を中心軸として回転するように、分極の向きが変化する。よって、制御電圧が印加された状態においても、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に交流電圧が印加されることにより分極の向きが変化する。このため、第２誘電体層３２にＰＶＤＦを用いることにより、制御電圧の電圧値が変更された場合に、比誘電率εrが大きく変化する可変容量コンデンサ１を提供することができる。

図４は、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に制御電圧が印加されることにより生じる制御電界Ｅｄの大きさと、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に交流電圧を印加した場合の比誘電率εrとの関係を示す図である。可変容量コンデンサ１は、比誘電率εrが２つのピークを有する誘電特性を有する。

強誘電体は、制御電界が０Ｖ／ｍにおいて自発分極している。制御電界を抗電界Ｅｃまで大きくすると、分極がゼロとなり、比誘電率εrは最大になる。抗電界Ｅｃ付近では、双極子モーメントは、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に印加された交流電圧に応じた向きに動き易いため、比誘電率εrは大きくなると考えられる。

制御電界Ｅｄが抗電界Ｅｃよりも大きくなると、比誘電率εrは小さくなる。電気双極子が、制御電界Ｅｄに拘束されて、交流電圧に応じて動きにくくなるためだと考えられる。

本実施形態では、制御電界Ｅｄの向きと、交流電圧が印加されることによる電界の向きとは交わる。このため、抗電界Ｅｃより小さい制御電界Ｅｄの領域でも、比誘電率εrのピークが出現する。制御電界Ｅｄが印加されることにより、交流電圧が印加されることに応じて、制御電界Ｅｄが印加されていない場合よりも電気双極子が動き易くなるためであると考えられる。

可変容量コンデンサ１の誘電特性は、アシスト領域と、分極反転領域、飽和領域とを有する。アシスト領域の制御電圧が印加されると、第２誘電体層３２の分極の動きがアシストされる。具体的には、アシスト領域は、制御電界Ｅｄが抗電界Ｅｃよりも小さく、比誘電率εrが比誘電率ε１よりも大きく、比誘電率ε２より小さい領域である。ここで、比誘電率ε１は、制御電界Ｅｄがゼロである場合の比誘電率εrである。比誘電率ε２は、比誘電率εrの２つのピークの間の極小点である。

抗電界Ｅｃの電圧を含む分極反転領域の制御電圧が印加されると、第２誘電体層３２の分極は、交流電圧に応じて、アシスト領域よりもさらに反転し易くなる。具体的には、分極反転領域は、制御電界Ｅｄが抗電界Ｅｃを含む電界範囲であり、アシスト領域における比誘電率εrのピーク値ε３よりも比誘電率εrが大きい領域である。

飽和領域の制御電圧が印加されると、第２誘電体層３２の分極の動きが拘束される。具体的には、飽和領域は、制御電界Ｅｄが抗電界Ｅｃよりも大きく、制御電界Ｅｄが抗電界Ｅｃよりも大きい領域である。

上記のように、アシスト領域の制御電界Ｅｄを印加することにより、制御電界Ｅｄを印加しない場合よりも、分極を動き易くすることができる。よって、可変容量コンデンサ１にアシスト領域の制御電界Ｅｄを印加することにより、可変容量コンデンサ１の静電容量を、制御電界Ｅｄを印加しない場合の静電容量よりも大きくすることができる。

また、分極反転領域の制御電界Ｅｄを印加することにより、分極を、アシスト領域よりも、さらに動き易くすることができる。よって、可変容量コンデンサ１に分極反転領域の制御電界Ｅｄを印加することにより、可変容量コンデンサ１の静電容量を、アシスト領域の制御電界Ｅｄを印加した場合の静電容量よりも大きくすることができる。

また、飽和領域の制御電界Ｅｄを印加することにより、分極を動きにくくすることができる。よって、可変容量コンデンサ１に飽和領域の制御電界Ｅｄを印加することにより、可変容量コンデンサ１の静電容量を、アシスト領域の制御電界Ｅｄを印加していない場合の静電容量よりも小さくすることができる。よって、可変容量コンデンサ１によれば、制御電界Ｅｄの大きさを調整することにより、可変容量コンデンサ１の容量値を目的の容量値に設定することができる。

上記のように、ＰＶＤＦは、炭素鎖の延びる方向を中心軸として回転する。よって、本願のように、制御電界Ｅｄの向きと異なる方向から交流電圧が印加された場合に分極が動き易い。このため、第２誘電体層３２の誘電特性は異方性を有する。そして、第２誘電体層３２は、制御電界Ｅｄの大きさによって、比誘電率εrが変化するため、良好な可変率を有する可変容量コンデンサ１を提供することができる。ここで、可変率とは、印加電界の変化量に対する比誘電率の変化量をいう。

以上説明した第１実施形態によれば、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とは、制御電圧が印加された場合に生じる電界ベクトルと交わる方向に沿って電界を生じさせる位置に配置されている。これにより、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との距離と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との距離とを独立に設定できる。このため、制御電圧を低電圧化できる。

また、第２誘電体層３２は、アシスト領域の制御電圧が印加された場合の比誘電率εrが、制御電圧が印加されていない場合の比誘電率εrよりも大きい誘電特性を有する。よって、第２誘電体層３２にアシスト領域の制御電圧を印加することにより、制御電圧を印加していない場合よりも、可変容量コンデンサ１の容量値を大きくすることができる。

また、第２誘電体層３２は、飽和領域の制御電圧が印加された場合の比誘電率εrが、制御電圧が印加されていない場合の比誘電率εrよりも小さい誘電特性を有する。よって、第２誘電体層３２に飽和領域の制御電圧を印加することにより、制御電圧を印加していない場合よりも、可変容量コンデンサ１の容量値を小さくすることができる。

また、第２誘電体層３２は、分極反転領域の制御電圧が印加された場合の比誘電率εrが、制御電圧が印加されていない場合の比誘電率εrよりも大きい誘電特性を有する。よって、第２誘電体層３２に分極反転領域の制御電圧を印加することにより、制御電圧を印加していない場合よりも、可変容量コンデンサ１の容量値を大きくすることができる。

また、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とはＸ方向に向かい合い、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とは、Ｘ方向と直交するＺ方向に向かい合う。これにより、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に印加される交流電圧により生じる電界の向きによらず、制御電界Ｅｄを第２誘電体層３２に均一に印加することができる。

また、第２誘電体層３２の誘電特性は異方性を有する。このため、制御電圧と異なる方向に交流電圧が印加された場合に、制御電圧の電圧値に応じて容量値が変化する可変容量コンデンサ１を提供することができる。また、第２誘電体層３２は、強誘電体ポリマーを含む。強誘電体ポリマーを含むため、容量値の良好な可変率を有する可変容量コンデンサ１を提供することができる。

Ｂ．第２実施形態：
図５に示すように、本実施形態に係る可変容量コンデンサ２０１は、第１配置体ＳＴ１と第２配置体ＳＴ２とを有する。上記第１実施形態と同一の構成には同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

第２配置体ＳＴ２は、第１配置体ＳＴ１がＺ方向に配置されて構成されている。第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とは、Ｚ方向に交互に配置されている。複数の第１取出電極層１１は、図示しない第１取出電極共通層に電気的に接続されている。複数の第２取出電極層１２は、図示しない第２取出電極共通層に電気的に接続されている。第１配置体ＳＴ１がＺ方向に積層されていることにより、隣り合う第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に形成される各コンデンサは互いに並列に接続されるため、可変容量コンデンサ２０１の容量値を大きくすることができる。

可変容量コンデンサ１の体格を固定した場合には、可変容量コンデンサ１の容量値と可変容量コンデンサ１の耐電界とはトレードオフの関係になる。例えば、図６に示す第１配置体ＳＴ１の場合、第１配置体ＳＴ１の第１配置数をｎ１、印加電圧をＶ１とすると、容量値Ｃ１は、平行板コンデンサの式を用いて、下記の式（１）で示される。ここで、第１配置数とは、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との組の数である。つまり、第１配置数は、第１制御電極層２１の層数と、第２制御電極層２２の層数とが同じである場合、層数をｎとした場合、（２×ｎ－１）と一致する。
Ｃ１＝ε₀・ε_r・Ｓ１／（Ｄ／ｎ１）・ｎ１
＝ε₀・ε_r・Ｓ１・ｎ１^２／Ｄ ・・・（１）
式（１）のパラメータは、以下の通りである。
ε₀：真空の誘電率
ε_r：誘電体の比誘電率
Ｓ１：第１制御電極層と第２制御電極層とにより形成されるコンデンサの面積
Ｄ：積層方向の長さ
なお、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間の距離である電極間距離ｄ１は、
ｄ１＝Ｗ／ｎ１
また、第１配置体ＳＴ１における誘電体に印加される電界Ｅ１は、下記の式（２）で示される。
Ｅ１＝Ｖ１／（Ｗ／ｎ１）
＝Ｖ１・ｎ１／Ｗ ・・・（２）
式（１）および式（２）より、第１配置数ｎ１を大きくすると、容量値は大きくなるものの、印加電界も大きくなる。印加電界の大きさは、誘電体に印加可能な電界である耐電界に制限される。このため、第１配置数ｎ１は、誘電体の耐電界により定まる。

第２配置体ＳＴ２についても、同様に、第２配置体ＳＴ２の第２配置数をｎ２、印加電圧をＶ２とすると、容量値Ｃ２は、下記の式（３）で示される。
Ｃ２＝ε₀・ε_r・Ｓ２／Ｈ・ｎ２^２ ・・・（３）
式（３）のパラメータは、以下の通りである。
Ｓ２：第１取出電極層と第２取出電極層とにより形成されるコンデンサの面積
Ｈ：積層方向の長さ
また、第２配置体ＳＴ２における誘電体に印加される電界Ｅ２は、下記の式（４）で示される。
Ｅ２＝Ｖ２・ｎ２／Ｈ ・・・（４）

発明者らは、可変容量コンデンサ１の体格を固定した場合における第１配置数ｎ１および第２配置数ｎ２の最適値について検討した。検討に用いた各値は以下の通りである。
可変容量コンデンサの幅（Ｗ：Ｙ方向の長さ）：２０ｍｍ
可変容量コンデンサの奥行き（Ｄ：Ｘ方向の長さ）：２０ｍｍ
可変容量コンデンサの高さ（Ｈ：Ｚ方向の長さ）：２ｍｍ
第１容量値（容量値が大きい場合）：３００ｎＦ
第２容量値（容量値が小さい場合）：６０ｎＦ
制御電圧（Ｖ１）：１０Ｖ
交流電圧（Ｖ２）：２００Ｖ（実効値）
検討した結果、第１配置数ｎ１が２００００以上、かつ第２配置数ｎ２が１００以上の場合に、耐電界の条件を満たし、かつ目標の容量値を得られることがわかった。図６には、第１配置数ｎ１が２００００である場合の電界Ｅ１と、第２配置数ｎ２が１００である場合の電界Ｅ２とが示されている。式（３）を変形して得られる「Ｈ＝ε₀・ε_r・Ｓ２・ｎ２^２／Ｃ２」を、式（４）の「Ｈ」に代入することにより、電界Ｅ２は、下記の式（５）で示される。
Ｅ２＝Ｃ２・Ｖ２／（ε₀・ε_r・Ｓ２・ｎ２） ・・・（５）
よって、図６に示されるように、容量値Ｃ２、電圧Ｖ２、面積Ｓ２、第２配置数ｎ２を固定値に設定した場合、比誘電率ε_rを大きくするほど、電界Ｅ２は小さくなる。

ここで、誘電体にＰ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）を用いた場合、目標の容量値を満たす比誘電率εrは、「２０」である。そして、図６のポイントＰＯは、比誘電率εrが２０である場合のＰ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）の耐電界を示している。図６に示すように、第１配置数ｎ１が２００００、かつ第２配置数ｎ２が１００である場合には、電界Ｅ１と電界Ｅ２とのいずれも誘電体の耐電界より小さいため、誘電体の耐電界条件を満たすことができる。

以上説明した第２実施形態によれば、可変容量コンデンサ２０１は、第１配置体ＳＴ１と第２配置体ＳＴ２とを有することにより、各電極が交互に配置された構造を有さないコンデンサと比較して、可変容量コンデンサ２０１の容量値を大きくすることができる。また、第１配置体ＳＴ１の第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とが配置される方向と第２配置体ＳＴ２の第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とが配置される方向とは異なるため、耐電界と容量値とのいずれも満たす可変容量コンデンサ２０１を提供することができる。また、第１配置数ｎ１を２００００以上、第２配置数ｎ２を１００以上とすることにより、目的の容量値の可変容量コンデンサ２０１を提供することができる。

Ｃ．第３実施形態：
図７に示すように、第３実施形態に係る可変容量コンデンサ３０１は、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との向かい合う方向と、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との向かい合う方向とが、第１実施形態とは異なる。上記各実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

図７に示すように、可変容量コンデンサ３０１は、第１取出電極層１１と、第２取出電極層１２と、第１制御電極層２１と、第２制御電極層２２と、第２誘電体層３２とに加え、第１絶縁層５１と、第２絶縁層５２とを有する。第１制御電極層２１の上に第１絶縁層５１が配置されている。第１絶縁層５１の上に第１取出電極層１１と、第２取出電極層１２と、第２誘電体層３２とが配置されている。第１取出電極層１１と、第２取出電極層１２とは、第２誘電体層３２を挟んで、Ｘ方向に向かい合う。第２誘電体層３２の上に、第２絶縁層５２が配置されている。第２絶縁層５２は、第１取出電極層１１と、第２誘電体層３２と、第２取出電極層１２とを覆う。第２絶縁層５２の上に、第２制御電極層２２が配置されている。第１制御電極層２１と、第２制御電極層２２とは第２誘電体層３２を挟んで、Ｚ方向に向かい合う。

本実施形態では、第１絶縁層５１および第２絶縁層５２は、同じ材料を含む。第１絶縁層５１および第２絶縁層５２として、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）などの酸化膜を用いることができる。なお、他の実施形態として、第１絶縁層５１と、第２絶縁層５２とは、互いに異なる材料を含んで実現されてもよい。

第２誘電体層３２と第１制御電極層２１との間に第１絶縁層５１が配置され、第２誘電体層３２と第２制御電極層２２との間に第２絶縁層５２が配置されていることにより、制御電圧が印加された場合に生じる電界を第２誘電体層３２に均等に印加することができる。第１絶縁層５１および第２絶縁層５２が配置されていることにより、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に交流電圧が印加されることにより生じる電界の影響を抑えることができるからである。

発明者らは、可変容量コンデンサ３０１の第１取出電極層１１と第２制御電極層２２との電極間距離Ｌｃと、第２制御電極層２２の長さである電極長Ｌｅの最適値について検討した。図８に示す可変容量領域Ｒｃｖは、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２との間に印加される制御電圧により比誘電率εrが変化して容量値が可変する領域である。固定容量領域Ｒｃｆは、制御電圧が印加された場合にも電界が印加されにくいため、比誘電率εrが変化しない領域、つまり容量値が固定の領域である。可変容量領域Ｒｃｖに形成されるコンデンサを可変容量コンデンサＣｖ、固定容量領域Ｒｃｆに形成されるコンデンサを固定容量コンデンサＣｆと称する。第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間には、固定容量コンデンサＣｆと、可変容量コンデンサＣｖと、固定容量コンデンサＣｆとが直列に接続されたコンデンサが形成される。第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間に形成されるコンデンサの容量値、すなわち、合成容量Ｃｓは以下の式（６）により示される。
Ｃｓ＝１／（１／Ｃｆ＋１／Ｃｖ＋１／Ｃｆ） ・・・（６）
式（６）において、「Ｃｆ」は、固定容量コンデンサＣｆの容量値を示す。「Ｃｖ」は、可変容量コンデンサＣｖの容量値を示す。

図８に示すグラフの横軸は可変容量コンデンサＣｖの可変率であり、縦軸は合成容量Ｃｓの可変率である。可変率とは、電界の変化量に対する容量の変化量、すなわち（ΔＣ／ΔＥ）である。図８は、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２との間の距離、すなわち（Ｌｃ＋Ｌｅ＋Ｌｃ）を固定値に設定し、電極間距離Ｌｃと電極長Ｌｅとの比率を変化させて算出した可変率をプロットしたグラフである。図８に示すように、電極長Ｌｅに対する電極間距離Ｌｃの割合を小さくするほど、合成容量Ｃｓの可変率を大きくすることができる。

Ｄ．第４実施形態：
図９に示す第４実施形態に係る可変容量コンデンサ１は、非接触給電システム４００が備える給電装置７０に用いられる。上記各実施形態と同じ構成には同一の符号を付し、詳細な説明は適宜省略する。

図９に示すように、非接触給電システム４００は、給電装置７０と、受電装置８０とを備える。本実施形態では、給電装置７０は、道路の下に埋設されている。受電装置８０は、道路を走行する移動体としての車両に搭載されている。車両の走行中に、受電装置８０は、給電装置７０から給電される。ここで、走行中とは、車両ＶＥが移動している場合と、信号待ち等で車両が停止している場合とを含む。

なお、受電装置８０が搭載される移動体は、道路を走行する車両に限られず、例えば、ＡＧＶ(無人搬送車)や、走行ロボットなどでもよい。

給電装置７０は、交流電源７１と、複数の１次側共振回路７２と、複数の制御電圧印加回路７６とを備える。交流電源７１は、複数の１次側共振回路７２に対して給電する。１次側共振回路７２は、１次側コイルＬ１と、可変容量コンデンサ１とを有する直列共振回路である。複数の１次側コイルＬ１は、道路の延在方向に沿って配列されている。制御電圧印加回路７６は、可変容量コンデンサ１に印加する制御電圧の電圧値を変更することにより、可変容量コンデンサ１の容量値を変更する。

受電装置８０は、２次側共振回路８１と、受電側回路８３とを備える。２次側共振回路８１は、２次側コイルＬ２と、コンデンサ８２とを有する直列共振回路である。受電側回路８３は、受電した電力を利用する回路である。受電側回路８３は、図示しない整流回路と、バッテリとを含む。

交流電源７１は、予め定められた動作周波数の交流電力を１次側共振回路７２に印加する。本実施形態では、動作周波数は、８５ｋＨｚである。可変容量コンデンサ１は、１次側共振回路７２を動作周波数にて共振状態とするとともに、１次側共振回路７２を動作周波数にて非共振状態とする機能を有する。本実施形態では、可変容量コンデンサ１は、第１容量値と、第１容量値よりも小さい第２容量値とに切り替え可能に構成されている。そして、可変容量コンデンサ１の容量値は、制御電圧印加回路７６から出力される制御電圧により、第１容量値と第２容量値とのいずれかに切り替えられる。１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とが磁気的に結合している場合であって、可変容量コンデンサ１が第１容量値の場合、１次側共振回路７２は動作周波数にて共振状態となる。つまり、可変容量コンデンサ１の第１容量値は、１次側共振回路７２の共振周波数が動作周波数と一致する値に設定されている。対して、可変容量コンデンサ１が第２容量値の場合、１次側共振回路７２の共振周波数が動作周波数からずれるため、１次側共振回路７２は動作周波数にて非共振状態となる。第２容量値は、第１容量値よりも小さいため、可変容量コンデンサ１が第２容量値に設定されている場合には、１次側共振回路７２のインピーダンスは大きくなり、１次側コイルＬ１を流れる電流は小さくなる。

可変容量コンデンサ１が第１容量値に設定され、１次側コイルＬ１に送電電流が流れて、給電が行われている状態を給電状態と呼ぶ。可変容量コンデンサ１が第２容量値に設定され、１次側コイルＬ１に送電電流よりも小さい待機電流が流れて、給電を行っていない状態を待機状態と呼ぶ。

１次側コイルＬ１と２次側コイルＬ２とが磁気的に結合している場合において、１次側共振回路７２の共振周波数と、２次側共振回路８１の共振周波数とは、略同一になるように設定されている。これにより、１次側コイルＬ１と、２次側コイルＬ２との磁界共振によって、受電装置８０への非接触給電を行うことができる。

１次側コイルＬ１は、道路の延在方向に配列されており、２次側コイルＬ２は、最寄りの１次側コイルＬ１から非接触給電を受ける。待機状態において、１次側コイルＬ１に待機電流が流れることにより、１次側コイルＬ１は磁束を発生させている。受電装置８０は、図示しない磁気センサを備えている。そして、受電装置８０が対象の１次側共振回路７２に近づくと、１次側コイルＬ１が発生させる磁束を磁気センサにより検出する。受電装置８０は、磁束を検出すると、２次側コイルＬ２に交流電流を流して、磁束を発生させる。給電装置７０は、図示しない磁気センサを備えている。そして、２次側コイルＬ２が発生させる磁束を磁気センサにより検出すると、制御電圧印加回路７６は、制御電圧の電圧値を変更して、可変容量コンデンサ１を第１容量値に切り替える。これにより、１次側共振回路７２が共振状態となり、給電が開始される。

給電装置７０が、２次側コイルＬ２の存在を検出する方法は上記に限られない。他の形態として、給電装置７０は、１次側コイルＬ１に流れる電流を検出し、電流の増加を検出する形態や１次側コイルＬ１の電圧を検出し、電圧の増加を検出する形態でもよい。

図１０に示すように、給電状態において、制御電圧印加回路７６は、制御電圧を０Ｖに設定する。これにより、第２誘電体層３２に印加される制御電界Ｅｄは０Ｖ／ｍとなる。そして、可変容量コンデンサ１の容量値は、第１容量値に設定される。なお、比誘電率εrは、電界の変化量に対する分極の変化量、すなわち、ヒステリシス曲線の傾きで示される。待機状態において、制御電圧印加回路７６は、制御電圧を飽和領域の電圧値に設定する。これにより、給電状態よりも比誘電率εrは、小さくなるため、可変容量コンデンサ１の容量値は、給電状態における容量値よりも小さい第２容量値となる。待機状態の場合には、ヒステリシス曲線における面積が小さくなるため、低損失とすることができる。

以上説明した第４実施形態によれば、可変容量コンデンサ１は、給電装置７０に用いられる。制御電圧印加回路７６は、給電装置７０の待機状態において、飽和領域の電圧を印加することにより、可変容量コンデンサ１の容量値を給電状態における容量値よりも小さくする。これにより、待機状態における可変容量コンデンサ１に発生する損失を低減することができる。

Ｅ．他の実施形態：
（Ｅ１）上記第１実施形態では、第２誘電体層３２は、強誘電体ポリマーを含む。他の実施形態として、第２誘電体層３２は、例えば、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）などの無機強誘電体を含んでもよい。強誘電体ポリマーと同様に、無機強誘電体は、制御電圧の大きさに応じて、比誘電率εrが変化する。このため、可変容量コンデンサ１を提供することができる。誘電特性が異方性を有する無機強誘電体であるとさらによい。制御電圧が印加される方向と、交流電圧が印加される方向が異なる場合にも、制御電圧の大きさにより比誘電率が変化するため、良好な可変率を有する可変容量コンデンサ１を提供することができるからである。なお、チタン酸バリウムは結晶構造の３軸のそれぞれに分極することができるため、チタン酸バリウムの誘電特性は異方性を有する。

（Ｅ２）上記第１実施形態では、第２誘電体層３２は、強誘電体ポリマーを含む。他の実施形態として、第２誘電体層３２は、強誘電体リラクサーを含んでもよい。強誘電体リラクサーとは、図１１に示すように、分子の分極が互いに揃っているドメインが局所的に形成されているポリマーである。強誘電体リラクサーは、局所的に分極の向きを変更することができるため、小さい電界で分極が動く特性を有する。第２誘電体層３２として強誘電体リラクサーを用いることにより、可変容量コンデンサ１の容量の可変率を向上させることができる。また、ヒステリシス曲線の面積が、強誘電体のヒステリシス曲線の面積と比較して小さいため、低損失の可変容量コンデンサ１を提供することができる。強誘電体リラクサーの具体例は、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）をベースにＣＴＦＥやＣＦＥなどの第３のモノマーを共重合させた共重合体である、例えば、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＦＥ）やＰ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ－ＣＴＥ）である。この他に、強誘電体リラクサーは、例えば、Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）などの強誘電体ポリマーに電子ビームを照射して欠陥を作ることにより作製することができる。

（Ｅ３）上記第４実施形態では、制御電圧印加回路７６は、給電装置７０の待機状態において飽和領域の制御電圧を印加して、給電装置７０の送電状態において制御電圧を印加しない。他の形態として、制御電圧印加回路７６は、給電装置７０の待機状態において分極反転領域またはアシスト領域の制御電圧を印加して、給電装置７０の送電状態において制御電圧を印加しなくてもよい。

（Ｅ４）上記第１実施形態では、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とがＸ方向に交互に配置されている。他の実施形態として、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とをそれぞれ１つ有する構成としてもよい。また、第１実施形態では、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とはＺ方向に向かい合い、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とはＸ方向に向かい合う。向かい合う方向は、これに限られない。例えば、第１取出電極層１１と第２取出電極層１２とはＸ方向に向かい合い、第１制御電極層２１と第２制御電極層２２とはＺ方向に向かい合う構造でもよい。

本開示は、上述の実施形態や変形例に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態、変形例中の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

他の形態：
本開示の特徴を以下の通り示す。
（形態１）
可変容量コンデンサ（１，２０１，３０１）であって、
第１制御電極（２１）と、
前記第１制御電極と向かい合う第２制御電極（２２）と、
少なくとも前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に配置された誘電体層（３２）と、
前記誘電体層を挟んで向かい合う第１取出電極（１１）と、第２取出電極（１２）とを備え、
前記第１取出電極と前記第２取出電極とは、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に制御電圧が印加された場合に、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に生じる電界ベクトルと交わる方向に沿って電界を生じさせる位置に配置されている、可変容量コンデンサ。
（形態２）
形態１に記載の可変容量コンデンサであって、
前記誘電体層は、分極の動きをアシストするためのアシスト領域の前記制御電圧が印加された場合の比誘電率が、前記制御電圧が印加されていない場合の比誘電率よりも大きい誘電特性を有する、可変容量コンデンサ。
（形態３）
形態１または２に記載の可変容量コンデンサであって、
前記誘電体層は、分極の動きを拘束するための飽和領域の前記制御電圧が印加された場合の比誘電率が、前記制御電圧が印加されていない場合の比誘電率よりも小さい誘電特性を有する、可変容量コンデンサ。
（形態４）
形態１から３のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサであって、
前記誘電体層は、抗電界の電圧値を含む分極反転領域の前記制御電圧が印加された場合の比誘電率が、前記制御電圧が印加されていない場合の比誘電率よりも大きい誘電特性を有する、可変容量コンデンサ。
（形態５）
形態１から４のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサであって、
前記第１制御電極と前記第２制御電極とは第１方向に向かい合い、前記第１取出電極と前記第２取出電極とは、前記第１方向と直交する第２方向に向かい合う、可変容量コンデンサ。
（形態６）
形態１から５のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサであって、
前記第１制御電極と前記第２制御電極とが前記誘電体層を挟んで交互に配置された第１配置体（ＳＴ１）と、
前記第１制御電極と前記第２制御電極とが、前記第１配置体を挟んで交互に配置された第２配置体（ＳＴ２）と、を有する、可変容量コンデンサ。
（形態７）
形態６に記載の可変容量コンデンサであって、
前記第１配置体の配置数は２００００以上であり、前記第２配置体の配置数は１００以上である、可変容量コンデンサ。
（形態８）
形態１から７のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサであって、
前記誘電体層の誘電特性は異方性を有する、可変容量コンデンサ。
（形態９）
形態１から８のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサであって、
前記誘電体層は、強誘電体ポリマーと、無機強誘電体とのいずれかを含む、可変容量コンデンサ。
（形態１０）
形態１から９のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサであって、
前記誘電体層は、強誘電体リラクサーを含む、可変容量コンデンサ。
（形態１１）
形態１から１０のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサを有する給電装置（７０）であって、
前記誘電体層は、強誘電体を含み、
前記給電装置は、前記可変容量コンデンサと１次側コイル（Ｌ１）とで構成される共振回路（７２）と、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に前記制御電圧を印加する制御電圧印加回路（７６）と、を有し、
前記制御電圧印加回路は、前記給電装置の待機状態において、分極の動きを拘束するための飽和領域の電圧を印加する、給電装置。

１，２０１，３０１…可変容量コンデンサ、１１…第１取出電極、１２…第２取出電極層、２１…第１制御電極層、２２…第２制御電極層、３１…第１誘電体層、３２…第２誘電体層

Claims (11)

1. 可変容量コンデンサ（１，２０１，３０１）であって、
   第１制御電極（２１）と、
   前記第１制御電極と向かい合う第２制御電極（２２）と、
   少なくとも前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に配置された誘電体層（３２）と、
   前記誘電体層を挟んで向かい合う第１取出電極（１１）と、第２取出電極（１２）とを備え、
   前記第１取出電極と前記第２取出電極とは、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に制御電圧が印加された場合に、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に生じる電界ベクトルと交わる方向に沿って電界を生じさせる位置に配置されている、可変容量コンデンサ。
2. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記誘電体層は、分極の動きをアシストするためのアシスト領域の前記制御電圧が印加された場合の比誘電率が、前記制御電圧が印加されていない場合の比誘電率よりも大きい誘電特性を有する、可変容量コンデンサ。
3. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記誘電体層は、分極の動きを拘束するための飽和領域の前記制御電圧が印加された場合の比誘電率が、前記制御電圧が印加されていない場合の比誘電率よりも小さい誘電特性を有する、可変容量コンデンサ。
4. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記誘電体層は、抗電界の電圧値を含む分極反転領域の前記制御電圧が印加された場合の比誘電率が、前記制御電圧が印加されていない場合の比誘電率よりも大きい誘電特性を有する、可変容量コンデンサ。
5. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記第１制御電極と前記第２制御電極とは第１方向に向かい合い、前記第１取出電極と前記第２取出電極とは、前記第１方向と直交する第２方向に向かい合う、可変容量コンデンサ。
6. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記第１制御電極と前記第２制御電極とが前記誘電体層を挟んで交互に配置された第１配置体（ＳＴ１）と、
   前記第１制御電極と前記第２制御電極とが、前記第１配置体を挟んで交互に配置された第２配置体（ＳＴ２）と、を有する、可変容量コンデンサ。
7. 請求項６に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記第１配置体の配置数は２００００以上であり、前記第２配置体の配置数は１００以上である、可変容量コンデンサ。
8. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記誘電体層の誘電特性は異方性を有する、可変容量コンデンサ。
9. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
   前記誘電体層は、強誘電体ポリマーと、無機強誘電体とのいずれかを含む、可変容量コンデンサ。
10. 請求項１に記載の可変容量コンデンサであって、
    前記誘電体層は、強誘電体リラクサーを含む、可変容量コンデンサ。
11. 請求項１に記載の可変容量コンデンサを有する給電装置（７０）であって、
    前記誘電体層は、強誘電体を含み、
    前記給電装置は、前記可変容量コンデンサと１次側コイル（Ｌ１）とで構成される共振回路（７２）と、前記第１制御電極と前記第２制御電極との間に前記制御電圧を印加する制御電圧印加回路（７６）と、を有し、
    前記制御電圧印加回路は、前記給電装置の待機状態において、分極の動きを拘束するための飽和領域の電圧を印加する、給電装置。

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