JP4279308B2 - 可変容量素子および可変容量装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量素子および可変容量装置に係り、特に、駆動電極の印加により生じる静電力を利用して容量用電極の対向距離を変化させる可変容量素子およびその可変容量素子を一部に備える可変容量装置に関する。

一般的に、可変容量素子は発振回路や変調回路などの電子回路に可変容量コンデンサとして組み込まれており、その電子回路が所望の出力を得られるように静電容量を変化させることができるようになっている。例えば、この可変容量素子をＭＥＭＳに用いる場合、可変容量素子を立体的形状にして電極間の対向距離を自在に変化させるように形成することにより、電極間の静電容量を変化させている。

従来の可変容量素子１０２の一例を図２１および図２２に示す。従来の可変容量素子１０２は、図２１および図２２に示すように、支持基板１０５および片持ち梁１０４ならびに固定電極１０７および可動電極１０６を備えている。片持ち梁１０４はクランク状に形成されており、その一端１０４ａが支持基板１０５の表面上に支持端として固定されている。また、片持ち梁１０４における支持基板１０５との対向面には平板状の可動電極１０６が配設されており、その可動電極１０６と対向する支持基板１０５の表面上には平板状の固定電極１０７が配設されている。片持ち梁１０４および可動電極１０６については支持端側から先端側に向かってそれらの幅が狭くなっている。そして、固定電極１０７と可動電極１０６との間に駆動電圧を印加すると、固定電極１０７と可動電極１０６との間に静電力が発生し、片持ち梁１０４が支持基板１０５側にたわむようになっている。そのため、駆動電圧を変化させて静電力を調整することにより、固定電極１０７と可動電極１０６との対向距離が遠近するので、それらの間の静電容量が可変するようになっている（特許文献１を参照）。

特開平１０−７９３２４号公報

しかしながら、従来の可変容量素子１０２において可動電極１０６と固定電極１０７との間の静電容量を大きくするためには、大きな駆動電圧を印加して片持ち梁１０４のたわみ量を大きくして可動電極１０６と固定電極１０７との間隔を小さくし、その状態を維持し続ければならない。そのため、大きな静電容量を得るためには大きな駆動電圧を継続して印加しなければならず、可変容量素子１０２および可変容量装置の消費電力が大きくなってしまうという問題があった。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、小さな消費電力により大きな静電容量を得ることができる可変容量素子を提供することをその目的としている。

また、本発明は、小さな消費電力により大きな静電容量を得ることができる可変容量素子を一部に備える可変容量装置を提供することを本発明の目的としている。

前述した目的を達成するため、本発明の可変容量素子は、その第１の態様として、絶縁面から起立している柱状振動子と、柱状振動子の側面上において柱状振動子を囲繞する仮想の環の周上または柱状振動子の上方に位置する仮想の環の周上に配置されている第１の駆動電極および第１の容量用電極と、第１の駆動電極から一定の間隔だけ外側に離間して第１の駆動電極に対向しているとともに柱状振動子を囲繞する仮想の環の周上に配置されている第２の駆動電極と、第１の容量用電極から一定の間隔だけ外側に離間して第１の容量用電極に対向しているとともに柱状振動子を囲繞する仮想の環の周上に配置されている第２の容量用電極と、柱状振動子を包囲するように絶縁面から起立しており第２の駆動電極および第２の容量用電極を支持する支持壁とを備えていることを特徴としている。

また、第１の態様の可変容量素子は、第１の駆動電極もしくは第２の駆動電極の少なくとも一方は、３個以上に分割形成されて等間隔に配置されており、第１の駆動電極と第２の駆動電極との間に印加する駆動電圧を分割配置された第１の駆動電極もしくは第２の駆動電極の周方向に順に増減させ、第１の駆動電極と第２の駆動電極との間に生じる静電力を周方向の順に強弱させることにより、柱状振動子の根元を固定端として柱状振動子を第２の駆動電極の配置側に撓ませながら第２の駆動電極の周方向に回転させ、第１の容量用電極と第２の容量用電極との対向距離を自在に変化させることを特徴としている。

本発明の第１の態様の可変容量素子によれば、駆動電圧を周方向に順に印加することにより柱状振動子を周方向に回転させながら第１の容量用電極と第２の容量用電極との対向距離を自由に変化させることができるので、第１の容量用電極と第２の容量用電極との間の静電容量を自由に変化させることができる。また、柱状振動子の回動に共振を利用することにより、大きな駆動電圧を印加することなく柱状振動子の変位量を大きくすることができる。そのため、所望の静電容量を低い駆動電圧により得ることができる。

本発明の第２の態様の可変容量素子は、第１の態様の可変容量素子において、第１の駆動電極および第１の容量用電極からなる第１組の電極または第２の駆動電極および第２の容量用電極からなる第２組の電極のどちらか一方の組の電極は、柱状振動子もしくは支持壁の上下方向にそれぞれ分かれて配設されており、その他方の組の電極はその一方の組の電極の配置に対応して支持壁もしくは柱状振動子に配設されていることを特徴としている。

本発明の第２の態様の可変容量素子によれば、分割配置された第１の駆動電極もしくは第２の駆動電極の間に周上に配置された第１の容量用電極もしくは第２の容量用電極を点在させることなく、第１の容量用電極もしくは第２の容量用電極をそれぞれ近接配置または環状形成させることができるため、柱状振動子の回動を行なったとしても第１の容量用電極および第２の容量用電極の間の静電容量を振動させずに一定に維持することができる。

本発明の第３の態様の可変容量素子は、第１の態様の可変容量素子において、第１の駆動電極および第１の容量用電極からなる第１組の電極または第２の駆動電極および第２の容量用電極からなる第２組の電極のどちらか一方の組の電極は、同一の仮想の環の周上においてそれぞれ交互に配置されており、その他方の組の電極は、その一方の組の電極の配置にそれぞれ対応して支持壁もしくは柱状振動子に配設されていることを特徴としている。

本発明の第３の態様の可変容量素子によれば、全ての電極を柱状振動子の先端付近に配置することができるので、柱状振動子のたわみ量を大きくすることができるとともに、第１の容量用電極と第２の容量用電極との間の対向距離を近づけてそれらの間の静電容量を大きくすることができる。

本発明の第４の態様の可変容量素子は、第２または第３の態様の可変容量素子において、第１組の電極または第２組の電極のどちらか一方の組の電極は、接地されているとともに一体に形成されていることを特徴としている。

本発明の第４の態様の可変容量素子によれば、一体形成される前述のどちらか一方の組の電極においては、第１の駆動電極および第１の容量用電極または第２の駆動電極および第２の容量用電極の間に酸化膜や空気などの絶縁層を介在させる必要がなくなるので、一体形成されるどちらか一方の組の電極の形成を容易に行なうことができる。

本発明の第５の態様の可変容量素子は、第１から第４の態様のいずれか１の態様に記載の可変容量素子において、柱状振動子および支持壁は、単結晶シリコンもしくはＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）を反応性イオンエッチングすることにより形成されていることにより形成されていることを特徴としている。

本発明の第５の態様の可変容量素子によれば、各電極を支持している柱状振動子および支持壁の形状を精密に形成することができるので、各電極間の対向距離を精密に設定することができる。また、柱状振動子および支持壁にＳＯＩを用いることにより、ＳＯＩの絶縁膜を、柱状振動子および支持壁を起立させる絶縁面として用いたり、第１の駆動電極および第１の容量用電極ならびに第２の駆動電極および第２の容量用電極の間に介在させる絶縁層として用いたりすることができる。

本発明の第６の態様の可変容量素子は、第５の態様の可変容量素子において、柱状振動子および第１組の電極は、第１の駆動電極および第１の容量用電極を導通させない場合にはＳＯＩを用いて、第１の駆動電極および第１の容量用電極を導通させても良い場合には単結晶シリコンもしくはＳＯＩを用いて、一体に形成されていることを特徴としている。

本発明の第６の態様の可変容量素子によれば、単結晶シリコンもしくはＳＯＩを用いて柱状振動子を形成することにより柱状振動子を第１の駆動電極および第１の容量用電極として用いることができるので、第１組の電極と第２組の電極との対向距離を正確かつ一定に維持することができるとともに、第１の駆動電極および第１の容量用電極を別個形成するための工程を省略することができる。

本発明の第７の態様の可変容量素子は、第５または第６の態様の可変容量素子において、支持壁および第２組の電極は、第２の駆動電極および第２の容量用電極を導通させない場合にはＳＯＩを用いて、第２の駆動電極および第２の容量用電極を導通させても良い場合には単結晶シリコンもしくはＳＯＩを用いて、一体に形成されていることを特徴としている。

本発明の第７の態様の可変容量素子によれば、単結晶シリコンもしくはＳＯＩを用いて支持壁を形成することにより支持壁を第２の駆動電極および第２の容量用電極として用いることができるので、第１組の電極と第２組の電極との対向距離を正確かつ一定に維持することができるとともに、第２の駆動電極および第２の容量用電極を別個形成するための工程を省略することができる。

本発明の第８の態様の可変容量素子は、第１から第７の態様のいずれか１の態様に記載の可変容量素子において、柱状振動子は円柱状に形成されており、支持壁は円柱状の柱状振動子を円形状に包囲していることを特徴としている。

本発明の第８の態様の可変容量素子によれば、柱状振動子を円柱状に形成することによりその回転時における各電極の対向距離が一定となるので、角を有する角柱状の柱状振動子を回動させた場合と比較して柱状振動子を支持壁側により近づけながら柱状振動子を回動させることができる。

本発明の第９の態様の可変容量素子は、第１から第８の態様のいずれか１の態様に記載の可変容量素子において、柱状振動子と支持壁との間の空間を真空に保持するカバーを備えていることを特徴としている。

本発明の第９の態様の可変容量素子によれば、柱状振動子と支持壁との間の空間から空気を排除することができるので、柱状振動子が支持壁側にたわんだときに空気の存在により柱状振動子がダンピングして第１の駆動電極と第２の駆動電極との間の対向距離が振動してしまうことを防止することができる。

また、前述した目的を達成するため、本発明の可変容量装置は、その第１の態様として、第１から第９の態様のいずれか１の態様に記載の可変容量素子と、柱状振動子の共振周波数と同等の周波数になっている駆動電圧であって、仮想の環の周上に分割配置された第１の駆動電極もしくは第２の駆動電極の配置角にあわせ位相が異なっている駆動電圧を分割配置された第１の駆動電極もしくは第２の駆動電極にそれぞれ印加する外部電源とを備えていることを特徴としている。

本発明の第１の態様の可変容量装置によれば、柱状振動子のたわみ量にかかわらずに柱状振動子の回動に共振を利用することができるので、大きな駆動電圧を印加することなく柱状振動子の変位量を大きくすることができる。そのため、所望の静電容量を低い駆動電圧により得ることができる。

本発明の第２の態様の可変容量装置は、第１の態様の可変容量装置において、外部電源は、正弦波の駆動電圧を分割配置された第１の駆動電極もしくは第２の駆動電極に印加することを特徴としている。

本発明の第２の態様の可変容量装置によれば、第１の駆動電極と第２の駆動電極との間に生じる静電力が滑らかに増減を繰り返すので、方形波の駆動電圧の印加と比較して、柱状振動子を滑らかに回動させることができる。

本発明の可変容量素子および可変容量装置によれば、柱状振動子のたわみ量に依存することなく柱状振動子の回動に共振を利用することができるので、駆動電圧が小さくても所望の静電容量を得ることができる。そのため、本発明の可変容量素子および可変容量装置においては、小さな消費電力により大きな静電容量を得ることができるという効果を奏する。

以下、図１から図１６を用いて、本発明の可変容量素子および可変容量装置をその第１から第３の実施形態により説明する。

はじめに、図１から図５を用いて、第１の実施形態の可変容量装置１Ａおよび可変容量素子２Ａを説明する。図１は第１の実施形態の可変容量素子２Ａを平面図として示しており、図２は図１の２−２矢視断面図を示している。また、図３は第１の実施形態の可変容量装置１Ａの等価回路を示している。

第１の実施形態の可変容量装置１Ａは、可変容量素子２Ａおよび外部電源３を備えている。また、この可変容量素子２Ａは、図１および図２に示すように、構成要素を持って説明すると、柱状振動子４Ａおよび支持壁５Ａ、ならびに第１の駆動電極６Ａ、第２の駆動電極７Ａ（分割された各片を７Ａａ〜７Ａｄとする。）、第１の容量用電極８Ａ、第２の容量用電極９Ａおよび各引出電極を備えている。

柱状振動子４Ａは図１および図２に示すように円柱状に形成されており、絶縁層１０の表面（絶縁面）から上方に起立している。柱状振動子４Ａに用いられる材料としては柱状振動子４Ａの形成容易性および形成精度の観点から単結晶シリコンが選択されており、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）のインシュレータを利用して絶縁層１０と一体に形成されている。

支持壁５Ａは、図１および図２に示すように、柱状振動子４Ａの直径よりも大きな直径を有する円柱孔５Ａａを有して形成された壁状部材であり、その円柱孔５Ａａにより柱状振動子４Ａを円形状に包囲するように、絶縁層１０の表面から起立している。また、この支持壁５Ａは、絶縁性を保持しながら複数個に分割された第２の駆動電極７Ａをそれぞれ支持するため、その上面に酸化形成された絶縁表面膜１１を有している。ここで、支持壁５Ａに用いられる材料としては支持壁５Ａの形成容易性および形成精度の観点から単結晶シリコンが選択されており、ＳＯＩのインシュレータを利用して絶縁層１０と一体に形成されている。

第１の駆動電極６Ａおよび第２の駆動電極７Ａからなる１組の駆動電極６Ａ、７Ａは、図２に示すように、内側の第１の駆動電極６Ａが柱状振動子４Ａの外側面４Ａｂの上方の全周に配置され、外側の環状の第２の駆動電極７Ａが支持壁５Ａの上端面５Ａｃに配置されており、一定の間隔だけ離間して対向配置されている。また、第１の容量用電極８Ａおよび第２の容量用電極９Ａからなる１組の容量用電極８Ａ、９Ａは、内側の第１の容量用電極８Ａが柱状振動子４Ａの高さ方向中央部の全周に配置され、外側の環状の第２の容量用電極９Ａが支持壁５Ａの内側面５Ａｂに配置され、１組の駆動電極６Ａ、７Ａの下方において一定の間隔だけ離間して対向配置されている。

ここで、第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａからなる第１組の電極６Ａ、８Ａは、図１および図２に示すように、半導体としての性質を有する単結晶シリコンを用いて閉じた円環状（第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａは後述するように柱状振動子４Ａと一体に形成されるために第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａの形状は正確には仮想の閉じた円環状となる。）にそれぞれ形成されており、柱状振動子４Ａの外側面４Ａｂ上において柱状振動子４Ａを囲繞する仮想の円環（図１の点線円環Ｒ６を参照）の周上にそれぞれ配置されている。図２からも明らかなように、第１組の電極６Ａ、８Ａは単結晶シリコンを用いて形成された柱状振動子４Ａと一体に形成されており、柱状振動子４Ａの外側面４Ａｂにおける表面層として支持されている。よって、柱状振動子４Ａの外観からは第１組の電極６Ａ、８Ａの存在を柱状振動子４Ａと区別して確認することはできない。また、この第１組の電極６Ａ、８Ａは、柱状振動子４Ａの根元４Ａｄから絶縁層１０を貫通して下方に延在する第１の引出電極１２を介して接地されている。

第２の駆動電極７Ａは、図１および図２に示すように、ＣｕやＡｕなどの良好な導電性を有する金属を用いて四等分に分割された円環状に形成されており、支持壁５Ａの上端面５Ａｃにおいて柱状振動子４Ａを囲繞する仮想の円環（図１の点線円環Ｒ７を参照）の周上に配置されている。この分割された円環状の第２の駆動電極７Ａは、図１に示すように、そのそれぞれの片７Ａａ〜７Ａｄの周方向端部をできる限り近接するように形成されている。また、第２の駆動電極７Ａは、図１に示すように、導電性ワイヤ１６を用いて外部電源３に個々に接続されている。

第２の容量用電極９Ａは、図１および図２に示すように、半導体としての性質を有する単結晶シリコンを用いて、閉じた円環状（第２の容量用電極９Ａは後述するように支持壁５Ａと一体に形成されるために第２の容量用電極９Ａの形状は正確には仮想の閉じた円環状となる。）に形成されており、支持壁５Ａの内側面５Ａｂ上において柱状振動子４Ａを囲繞する仮想の円環の周上に配置されている。図２からも明らかなように、第２の容量用電極９Ａは同一材料を用いて形成された支持壁５Ａと一体に形成されており、支持壁５Ａの内側面５Ａｂにおける表面層として支持されている。よって、支持壁５Ａの外観からは第２の駆動電極７Ａの存在を確認することができるが、第２の容量用電極９Ａの存在を支持壁５Ａと区別して確認することはできない。そして、第２の容量用電極９Ａは、図１および図２に示すように、支持壁５Ａの絶縁表面膜１１を貫通して上方に延在する第２の引出電極１３を介して他の回路に接続されている。

可変容量素子２Ａに接続される外部電源３は、図１および図３に示すように、分割配置された第２の駆動電極７Ａにそれぞれ接続されており、柱状振動子４Ａの共振周波数（もしくは共振回転数ともいう。）と同等の周波数になっている駆動電圧を分割配置された第２の駆動電極７Ａにそれぞれ印加するようになっている。この駆動電圧の印加状態を図４に示す。図４Ａ〜Ｄは四等分に分割配置された第２の駆動電極７Ａのそれぞれに対して印加する駆動電圧を示したグラフとなっており、図４Ｅは図４Ａ〜Ｄに示した駆動電圧の曲線を重ね合わせたグラフである。図４Ｅに示すように、この駆動電圧を示す曲線は正弦波となっており、四等分に分割配置された第２の駆動電極７Ａの配置角にあわせてその位相がその第２の駆動電極７Ａの周方向（第２の駆動電極７Ａの片７Ａａ→片７Ａｂ→片７Ａｃ→片７Ａｄの順またはその逆方向）に沿って９０°ずつ異なっている（図４Ａ→図４Ｂ→図４Ｃ→図４Ｄの順）。

例えば、第１の実施形態においては、柱状振動子４Ａの直径が５０μｍ、その高さが３００μｍとなっており、その共振周波数が５７０ＫＨｚとなるため、この駆動電圧の周波数は５７０ＫＨｚとなっており、１／（５７０×４）秒（位相差９０°）ずつずらして駆動電圧を四等分に分割配置された第２の駆動電極７Ａのそれぞれに印加する。

次に、図５を用いて、可変容量素子２Ａの製造方法を説明する。ここで、図５は、可変容量素子２Ａの製造工程をＡ〜Ｊの順に示している縦断面図である。なお、図５の切断方向は図２の断面図の切断方向と同様である。

可変容量素子２Ａは、図５Ａ〜Ｊに示すように、第１Ａ工程から第６Ａ工程までの６工程を経て製造される。

第１Ａ工程においては、図５Ａに示すＳＯＩウェハー３０の表面３０ａおよび裏面３０ｂを酸化することにより、図５Ｂに示すような絶縁表面膜３１ａ、３１ｂを形成する。第１Ａ工程に用いられるＳＯＩウェハー３０としては、下層の厚さが５０μｍ、上層３０ｃの厚さが３００μｍ、それらの間に介在するインシュレータ（１０）の厚さが５μｍとなっている。ここで、ＳＯＩウェハー３０のインシュレータ（１０）は前述した絶縁層１０となる。また、絶縁表面膜３１ａ、３１ｂの厚さは０．５μｍとなっている。そして、絶縁表面膜３１ａ、３１ｂの形成後、裏面３０ｂ側の絶縁表面膜３１ｂの一部３２をＲＩＥ（Reactive Ion Etching：反応性イオンエッチング）により円形にエッチングする。

第２Ａ工程においては、図５Ｃに示すように、ＢＯＳＣＨプロセスによるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（加工表面から垂直方向へ行なう深いエッチング）により、第１Ａ工程においてエッチングされた絶縁表面膜３１ｂの一部３２からＳＯＩウェハー３０の内部に向けてＳＯＩウェハー３０に円柱孔３３を形成し、図５Ｄに示すようにその円柱孔３３の内面に酸化膜３１ｃを形成する。この酸化膜３１ｃの形成後、酸化膜３１ｃが形成された円柱孔３３の底面３３ａのみをＲＩＥすることにより、図５Ｅに示すようにＳＯＩウェハー３０の上層のシリコン３０ｃを外部に露出させる。

第３Ａ工程においては、図５Ｅに示すような裏面３０ｂ側の絶縁表面膜３１ｂの表面上および円柱孔３３の酸化膜３１ｃの表面上に１５ｎｍ厚のＴｉ膜および１００ｎｍ厚のＣｕ膜からなるシード膜（図示せず）をスパッタにより形成する。そして、シード膜の表面上にレジスト膜（図示せず）を形成して所定の形状のレジストパターンニングを行い、レジストパターンニングにより露出したシード膜にＣｕやＡｕなどの良導電性の金属を電気めっきすることにより、図５Ｆに示すような軸径２０μｍ程度の円形鋲状の第１の引出電極１２を形成する。電気めっきの終了後、レジスト膜をレジスト除去剤により除去するとともに、レジスト膜の除去により表面に露出したシード膜をイオンミリングにより除去する。

第４Ａ工程においては、表面３０ａ側の絶縁表面膜３１ａの表面に直径５０μｍの円形状のレジスト膜（図示せず）をパターンニングした後にＤｅｅｐ−ＲＩＥにより１００μｍ程度エッチングすることにより、図５Ｇに示すような円柱状の突起３４を形成する。この円柱状の突起３４は裏面３０ｂ側に形成された第１の引出電極１２を中心軸としている。そして、円柱状の突起３４の形成後、図５Ｈに示すように、エッチングされた部分の表面を酸化してその表面に酸化膜３１ｄを形成する。この酸化膜３１ｄの形成後、図５Ｈに示すように、この酸化膜３１ｄの表面における円柱状の突起３４の根元周縁にＲＩＥによる幅５μｍ程度の円環溝３５のパターンニングを行なうとともに、この円環溝３５の外側の一部（第１の実施形態においては図５Ｈ右側）３６にＲＩＥによる円形溝のパターンニングを行なう。

第５Ａ工程においては、第４Ａ工程において形成された酸化膜３１ｄの表面およびエッチングにより酸化膜３１ｄから露出した面にシード膜（図示せず）およびレジスト膜（図示せず）を順次形成し、そのレジスト膜に所定のパターンニングを行なった後、そのレジスト膜から露出したシード膜にＣｕやＡｕなどの良導電性の金属を電気めっきすることにより、図１および図５Ｉに示すような四等分に分割された開いた円環状の第２の駆動電極７Ａおよび第２の容量用電極９Ａに用いられる円柱状の第２の引出電極１３を形成する。第２の駆動電極７Ａおよび第２の引出電極１３の形成後、レジスト膜をレジスト除去剤により除去するとともに、シード膜をイオンミリングにより除去する。

そして、第６Ａ工程においては、図５Ｊに示すように、円柱状の突起３４と第２の駆動電極７Ａとの間に挟まれており第３Ａ工程において形成された円環溝３５以外の部分をレジスト膜により被膜した後、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥすることにより、円柱状の突起３４が円柱状の柱状振動子４Ａとなるようにその円環溝３５を絶縁層１０までエッチングする。このエッチングが終わった後、円環溝３５以外の部分に形成されたレジスト膜をレジスト除去剤により除去する。最後に、外部電源３に接続された導電性ワイヤ１６を図１に示すように第２の駆動電極７Ａの各片７Ａａ〜７Ａｄにそれぞれ接続することにより、可変容量素子２Ａの製造工程が終了する。

次に、図２から図４および図６から図８を用いて、第１の実施形態の可変容量装置１Ａおよび可変容量素子２Ａの作用を説明する。図６および図７は、第１の実施形態の可変容量素子２Ａの動作状態を示す平面図または断面図となっており、図８は分割配置された第２の駆動電極７Ａの各片７Ａａ〜７Ａｄに印加する駆動電圧が方形波状に変化する場合を図４と同様に示したグラフとなっている。

第１の実施形態の可変容量装置１Ａは、図３に示すように、可変容量素子２Ａおよび外部電源３を備えている。図４Ａ〜Ｄに示すように、位相が９０°ずつ順にずれている４つの正弦波の駆動電圧がこの外部電源３から四等分に分割配置された第２の駆動電極７Ａの各片７Ａａ〜７Ａｄに対してその周方向に順に印加されることにより、第１の駆動電極６Ａと第２の駆動電極７Ａとの間の駆動電圧が分割配置された第２の駆動電極７Ａの周方向に順に増減する。そのため、第１の駆動電極６Ａと第２の駆動電極７Ａとの間に生じた静電力に基づく引力（以下、単に「静電力」という。）が第２の駆動電極７Ａの周方向に順に強弱することになる。

ここで、図２に示すように、第１の駆動電極６Ａは柱状振動子４Ａの外側面４Ａｂの上方に配置（正確には柱状振動子４Ａとの一体形成による仮想配置）されており、第２の駆動電極７Ａは支持壁５Ａの上端面５Ａｃに配置されている。このことから、静電力の強弱が第２の駆動電極７Ａの周方向に順に生じると、図６および図７に示すように、柱状振動子４Ａの根元４Ａｄを固定端として柱状振動子４Ａの先端４Ａｅが第２の駆動電極７Ａの配置側にたわみながら第２の駆動電極７Ａの周方向に回転する。そして、第１の容量用電極８Ａが第１の駆動電極６Ａの下方に配置（正確には柱状振動子４Ａとの一体形成による仮想配置）されており、第２の容量用電極９Ａが第２の駆動電極７Ａの下方に配置（正確には支持壁５Ａとの一体形成による仮想配置）されているので、柱状振動子４Ａが回動することにより、第１の容量用電極８Ａと第２の容量用電極９Ａとの対向距離が小さくなって、第１の容量用電極８Ａと第２の容量用電極９Ａとの間の静電容量が大きくなる。

また、柱状振動子４Ａの回動半径は静電力の最大強度、すなわち駆動電圧の最大電圧に比例するので、駆動電圧の最大電圧を全体的に強弱させることにより、第１の容量用電極８Ａと第２の容量用電極９Ａとの間の対向距離を自在に変化させることができる。これによって、それらの間の静電容量を所望の容量に自由に変更することができる。

これら第１の実施形態の可変容量装置１Ａおよび可変容量素子２Ａにおいて特に重要な作用は、柱状振動子４Ａを回動させることにより柱状振動子４Ａを振動させている点にある。柱状振動子４Ａの振動数（または回転数）においては、大きな駆動力を要することなく回転させることができる回転数、すなわち共振周波数（共振回転数）が存在する。この柱状振動子４Ａの共振周波数と同等の周波数になる駆動電圧を第２の駆動電極７Ａに印加することにより、柱状振動子４Ａの先端４Ａｅを第２の駆動電極７Ａの配置側にたわませるのみに必要な駆動電圧（従来の可変容量素子において必要な駆動電圧）よりも小さな駆動電圧で柱状振動子４Ａを回動させることができる。つまり、柱状振動子４Ａの回動に共振を利用することにより、大きな駆動電圧を印加することなく柱状振動子４Ａの変位量を大きくすることができるため、低い駆動電圧により所望の静電容量を得ることができる。

また、図４に示すように、可変容量素子２Ａに接続されている外部電源３は分割配置された第２の駆動電極７Ａの各片７Ａａ〜７Ａｄに正弦波の駆動電圧を第２の駆動電極７Ａの周方向の順に位相をずらして印加している。ここで、仮に外部電源３が図８に示すような方形波の駆動電圧を分割された第２の駆動電極７Ａの各片７Ａａ〜７Ａｄにその周方向の順に印加したとすると、駆動電圧の波形と同様に静電力の増減がオン・オフ動作のように急激に変化してしまうので、柱状振動子４Ａの回動が理想的な円運動にならずに四角形（第２の駆動電極７Ａの分割数と同じ角数の多角形）の周上を移動する回転運動になってしまう。そのため、方形波の駆動電圧が第２の駆動電極７Ａに印加されると、第１の容量用電極８Ａおよび第２の容量用電極９Ａの間の対向距離を一定に維持しながら柱状振動子４Ａの回動を行なうことが困難になる。つまり、第２の駆動電極７Ａに正弦波の駆動電圧を印加することにより、第１の駆動電極６Ａと第２の駆動電極７Ａとの間に生じる静電力が滑らかに増減を繰り返すことができるので、図８に示すような方形波の駆動電圧が印加された場合と比較して柱状振動子４Ａを滑らかに回動させることができる。

さらに、第１の実施形態の可変容量素子２Ａにおいては、所望の静電容量を得るため、第１の容量用電極８Ａと第２の容量用電極９Ａとの間の対向距離を一定に維持して柱状振動子４Ａを回動させる必要がある。そこで、第１の実施形態の可変容量素子２Ａにおいては以下のようになっている。

図７に示すように、第２の駆動電極７Ａおよび第２の容量用電極９Ａからなる第２組の電極７Ａ、９Ａは、支持壁５Ａの上下方向にそれぞれ分かれて配置されている。また、第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａからなる第１組の電極６Ａ、８Ａは、第２組の電極７Ａ、９Ａの配置に対応して柱状振動子４Ａに配置されている（第１組の電極６Ａ、８Ａは柱状振動子４Ａと一体に形成されているため、正確には第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａが上下に仮想配置されていることになる。）ため、第１の容量用電極８Ａおよび第２の容量用電極９Ａを継ぎ目のない閉じた環状に形成することができる。これにより、柱状振動子４Ａの回動を行なったとしても第１の容量用電極８Ａおよび第２の容量用電極９Ａの間の対向面積が変化してしまうことを防止することができるので、それらの間の静電容量を振動させずに一定に維持することができる。

また、図６および図７に示すように、第１組の電極６Ａ、８Ａを支持する柱状振動子４Ａは円柱状に形成されており、第２組の電極７Ａ、９Ａを支持する支持壁５Ａは円柱状の柱状振動子４Ａを円形状に包囲するように形成されている。よって、回動する柱状振動子４Ａの外側面４Ａｂから支持壁５Ａの内側面５Ａｂまでの対向距離は角柱状の柱状振動子４Ａの回動時と異なり一定に維持される。そのため、柱状振動子４Ａに支持される第１組の電極６Ａ、８Ａと支持壁５Ａに支持される第２組の電極７Ａ、９Ａとの対向距離を一定に維持することができるので、角柱状に形成された柱状振動子を回動させる場合と比較して柱状振動子４Ａを支持壁５Ａ側により近づけながら柱状振動子４Ａを回動させることができる。

ただし、この可変容量素子２ＡはＭＥＭＳとして用いられるため、その柱状振動子４Ａおよび支持壁５Ａの寸法は極めて小さく、その形状を精密に形成することは容易ではない。そのため、第１の実施形態の可変容量素子２Ａにおいては、ＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）における単結晶シリコンをエッチングしてこれら柱状振動子４Ａおよび支持壁５Ａを形成することにより、第１組の電極６Ａ、８Ａを支持している円柱状の柱状振動子４Ａおよび第２組の電極７Ａ、９Ａを支持している支持壁５Ａの形状を精密に形成している。これにより、各電極間の対向距離を精密に設定することができる。

また、図７に示すように、柱状振動子４Ａに支持される第１組の電極６Ａ、８Ａ、すなわち第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８ＡはＳＯＩにおける単結晶シリコンを用いて一体に形成されているとともに、この第１組の電極６Ａ、８Ａが前述した単結晶シリコンを用いて形成された柱状振動子４Ａの外側面４Ａｂの表面層としてその柱状振動子４Ａと一体に形成されている。そして、この第１組の電極６Ａ、８Ａは柱状振動子４Ａの根元４Ａｄから下方に延在する第１の引出電極１２を介して接地されている。

第１組の電極６Ａ、８Ａが接地されて一体に形成されることにより、第１組の電極６Ａ、８Ａを離間させて別個形成するときと異なり、第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａの間に酸化膜や空気などの絶縁層を介在させる必要がなくなるので、第１組の電極６Ａ、８Ａの形成を容易に行なうことができる。また、柱状振動子４Ａおよび第１組の電極６Ａ、８Ａを単結晶シリコンを用いて一体に形成することにより、形成精度の良い柱状振動子４Ａを第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａとして用いることができるので、第１組の電極６Ａ、８Ａと第２組の電極７Ａ、９Ａとの対向距離を正確かつ一定に維持することができるとともに、第１の駆動電極６Ａおよび第１の容量用電極８Ａを別個形成するための工程を省略することができる。

すなわち、第１の実施形態の可変容量装置１Ａおよび可変容量素子２Ａによれば、柱状振動子４Ａのたわみ量の如何にかかわらず柱状振動子４Ａの回動に共振を利用することができるので、駆動電圧が小さくても所望の静電容量を得ることができる。そのため、第１の実施形態の可変容量装置１Ａおよび可変容量素子２Ａにおいては、小さな消費電力により大きな静電容量を得ることができるという効果を奏する。

なお、第１の実施形態においては、図１および図６に示すように、第２の駆動電極７Ａを四等分に分割配置しているが、この分割数は柱状振動子４Ａの回動が可能となる３個以上に分割されていればよく、その等分数を六等分、八等分など多くすることにより柱状振動子４Ａの回動をより滑らかにすることができる。

また、可変容量素子２Ａから得られる静電容量の値を大きくしたい場合、図９および図１０に示すように、可変容量素子２Ａを複数個形成することにより、その形成個数に応じた静電容量を得ることができる。

次に、図１１から図１４を用いて、第２の実施形態の可変容量装置１Ｂおよび可変容量素子２Ｂを説明する。図１１は第２の実施形態の可変容量素子２Ｂを平面図として示しており、図１２は図１１の１２−１２矢視断面図を示している。また、図１３は第２の実施形態の可変容量装置１Ｂの等価回路を示している。

第２の実施形態の可変容量装置１Ｂは、第１の実施形態の可変容量装置１Ａと同様、図１１および図１２に示すような可変容量素子２Ｂおよび図１３に示すような外部電源３を備えている。ここで、図１３の等価回路に示すように、第１の実施形態の可変容量装置１Ａと第２の実施形態の可変容量装置１Ｂとの相違点は可変容量素子２Ａ、２Ｂであり、その第１の実施形態の可変容量素子２Ａと第２の実施形態の可変容量素子２Ｂとの相違点は、図１２に示すように第１の容量用電極８Ａ、８Ｂが第１の駆動電極６Ａ、６Ｂと一体形成されているか否か、および、図１３に示すように第１の容量用電極８Ａ、８Ｂが接地されているか否かとなっている。これらの相違点をふまえて第２の実施形態の可変容量素子２Ｂの詳細を下記に記載する。

第２の実施形態の可変容量素子２Ｂは、図１１および図１２に示すように、柱状振動子４Ｂおよび支持壁５Ｂ、ならびに第１の駆動電極６Ｂ、第２の駆動電極７Ｂ、第１の容量用電極８Ｂ、第２の容量用電極９Ｂおよびそれら各電極（第１の駆動電極６Ｂ、第２の駆動電極７Ｂ、第１の容量用電極８Ｂまたは第２の容量用電極９Ｂ）の引出電極を備えている。

柱状振動子４Ｂは、図１１および図１２に示すように、第１の実施形態の柱状振動子４Ａと同様にして円柱状に形成されており、絶縁層１０の表面（絶縁面）から上方に起立している。また、この柱状振動子４Ｂは、絶縁性を保持しながらその上方に位置する第１の駆動電極６Ｂを支持するため、その上面に酸化形成された絶縁表面膜１１を有している。柱状振動子４Ｂに用いられる材料は第１の実施形態と同様であり、絶縁層１０と一体に形成されている。

支持壁５Ｂは、図１１および図１２に示すように、柱状振動子４Ｂの半径よりも大きな半径を曲率半径とする曲面を柱状振動子４Ｂの対向側面５Ｂｂとして有する図１１に示すような所定形状の立体（底面形状が等脚台形の四角柱であって柱状振動子対向面を内側に湾曲させた立体内側の変形四角柱と底面形状が長方形である立体外側の四角柱とを組み合わせた立体形状）を四方に等分配置した４個の壁状部材を組み合わせたものとなっており、その４つの曲面により柱状振動子４Ｂを円形状に包囲するように、絶縁層１０の表面から起立している。

また、この支持壁５Ｂは、絶縁性を保持しながら複数個に分割された第２の駆動電極７Ｂをそれぞれ支持するため、その上面に酸化形成された絶縁表面膜１１を有している。ここで、支持壁５Ｂに用いられる材料としては支持壁５Ｂの形成容易性および形成精度の観点から単結晶シリコンが選択されており、ＳＯＩウェハー３０を用いて絶縁層１０と一体に形成されている。なお、図１１および図１に示すように、第２の実施形態の支持壁５Ｂの形状は第１の実施形態の支持壁５Ａの形状と大きく異なっているが、図１３および図３に示すように、等価回路に大きな相違点はない。

１組の駆動電極６Ｂ、７Ｂは、図１１および図１２に示すように、柱状振動子４Ｂおよび支持壁５Ｂの上端面４Ｂｃ、５Ｂｃにおいて一定の間隔だけ離間して対向配置されている。また、１組の容量用電極８Ｂ、９Ｂは、柱状振動子４Ｂの外側面４Ｂｂおよび支持壁５Ｂの内側面５Ｂｂであって１組の駆動電極６Ｂ、７Ｂの下方において一定の間隔だけ離間して対向配置されている。この上下方向における対向配置は第１の実施形態および第２の実施形態ともに同様である。

ここで、図１１および図１２に示すように、第１の駆動電極６Ｂは、円柱状の柱状振動子４Ｂの上端面４Ｂｃから円柱状に起立することにより、柱状振動子４Ｂの上方に位置する仮想の円環の周上に重なるように配置されている。また、この第１の駆動電極６Ｂは、柱状振動子４Ｂの根元４Ｂｄから絶縁層１０を貫通して下方に延在する第１の引出電極１２を介して接地されている。

第１の容量用電極８Ｂは、第１の実施形態の第１の容量用電極８Ａと同様、単結晶シリコンを用いて閉じた円環状（正確には仮想の円環状）に形成されており、柱状振動子４Ｂの外側面４Ｂｂ上において柱状振動子４Ｂを囲繞する仮想の円環の周上に配置されている。図１２からも明らかなように、第１の容量用電極８Ｂは単結晶シリコンを用いて形成された柱状振動子４Ｂと一体に形成されており、柱状振動子４Ｂの外側面４Ｂｂにおける表面層として支持されている。よって、柱状振動子４Ｂの外観からは第１の容量用電極８Ｂの存在を確認することはできない。そして、この第１の容量用電極８Ｂは、柱状振動子４Ｂの根元４Ｂｄから絶縁層１０の表面上に沿って引き出された第３の引出電極１４を介して他の回路に接続されている。

第２の駆動電極７Ｂは、図１１および図１２に示すように、支持壁５Ｂの上端面５Ｂｃにおいて柱状振動子４Ｂを囲繞する仮想の円環の周上に配置されており、ＣｕやＡｕなどの良好な導電性を有する金属を用いて、円環を四個以上に分割して得た四個以上の片のうちの四片を柱状振動子４Ｂを囲繞するために仮想の円環の周上に等間隔で配置した形状に形成されている。また、第２の駆動電極７Ｂは、図１１に示すように、導電性ワイヤ１６を用いて外部電源３に個々に接続されている。

第２の容量用電極９Ｂは、図１１および図１２に示すように、単結晶シリコンを用いて、円環を四個以上に分割したうちの四片９Ｂａ〜９Ｂｄが第１の容量用電極８Ｂの下方に位置する仮想の円環の周上に等間隔で配置されたような形状（第２の容量用電極９Ｂは後述するように支持壁５Ｂと一体に形成されるために第２の容量用電極９Ｂの形状は正確には仮想の形状となる。）に形成されている。図１２からも明らかなように、第２の容量用電極９Ｂは同一材料を用いて形成された支持壁５Ｂと一体に形成されており、支持壁５Ｂの内側面５Ｂｂの表面層として支持されている。よって、第２の容量用電極９Ｂの存在を確認することはできない。そして、第２の容量用電極９Ｂは、図１１および図１２に示すように、支持壁５Ｂの絶縁表面膜１１を貫通して上方に延在する第２の引出電極１３を介して他の回路に接続されている。

なお、前述した第２の駆動電極７Ｂおよび第２の容量用電極９Ｂの形状は、図１１および図１２ならびに図１および図２に示すように、第１の実施形態の第２の駆動電極７Ａおよび第２の容量用電極９Ａの形状と大きく異なるが、図１３および図３のように等価回路図として示すと、第１の実施形態および第２の実施形態の第２の駆動電極７Ａ、７Ｂおよび第２の容量用電極９Ａ、９Ｂはどちらも等しくなる。

可変容量素子２Ｂに接続される外部電源３は、図３および図１３に示すように、第１の実施形態の外部電源３と同様、分割配置された第２の駆動電極７Ｂにそれぞれ接続されている。外部電源３から供給される駆動電圧の強度、周波数、位相差は柱状振動子４Ｂの寸法、各電極の対向距離、駆動電極に生じる静電力その他の柱状振動子４Ｂの回動を制御する特性を考慮して決められる。例えば、第２の駆動電極７Ｂが４つに分割配置されているため、駆動電圧の位相差を９０°ずつ異ならせることにより、柱状振動子４Ｂを回動させている。

次に、図１４を用いて、第２の実施形態の可変容量素子２Ｂの製造方法を説明する。ここで、図１４は、可変容量素子２Ｂの製造工程をＡ〜Ｆの順に示している縦断面図である。なお、図１４の切断方向は図１２の断面図の切断方向と同様である。

可変容量素子２Ｂは、図１４Ａ〜Ｆに示すように、第１Ｂ工程から第６Ｂ工程までの６工程を経て製造される。

第１Ｂ工程においては、図１４Ａに示すように、ＳＯＩウェハー３０の表面３０ａおよび裏面３０ｂを酸化することにより絶縁表面膜３１ａ、３１ｂを形成する。ＳＯＩウェハー３０としては第１の実施形態の第１Ａ工程において用いられたものと同様である。ここで、ＳＯＩウェハー３０のインシュレータ（１０）は前述した絶縁層１０となる。また、絶縁表面膜３１ａ、３１ｂの厚さは０．５μｍとなっている。

第２Ｂ工程においては、図１４Ｂに示すように、ＢＯＳＣＨプロセスによるＤｅｅｐ−ＲＩＥによりＳＯＩウェハー３０に円柱孔３３を形成する。

第３Ｂ工程においては、図１４Ｃに示すように、第２Ｂ工程において形成された円柱孔３３の内面に酸化膜３１ｃを形成した後、裏面３０ｂ側の絶縁表面膜３１ｂの表面上および円柱孔３３の酸化膜３１ｃの表面上に１５ｎｍ厚のＴｉ膜および１００ｎｍ厚のＣｕ膜からなるシード膜（図示せず）をスパッタにより形成する。そして、シード膜の表面上にレジスト膜（図示せず）を形成して所定の形状のレジストパターンニングを行い、レジストパターンニングにより露出したシード膜にＣｕやＡｕなどの良導電性の金属を電気めっきすることにより、図１４Ｃに示すような軸径２０μｍ程度の円形鋲状の第１の引出電極１２を形成する。電気めっきの終了後、レジスト膜をレジスト除去剤により除去するとともに、レジスト膜の除去により表面に露出したシード膜をイオンミリングにより除去する。

第４Ｂ工程においては、次の第５Ｂ工程において表面３０ａ側の絶縁表面膜３１ａからＳＯＩウェハー３０のインシュレータ（１０）を露出させる部分（図１１および図１４Ｅを参照）３７および第２の引出電極１３の形成部分３６以外の部分に所定のレジストパターンニング（図示せず）を施した後Ｄｅｅｐ−ＲＩＥを行なうことにより、図１４Ｄに示すように、表面３０ａ側の絶縁表面膜３１ａからＳＯＩウェハー３０のインシュレータ（１０）を露出させたい部分３７および第２の引出電極１３の形成部分３６を２０μｍ程度エッチングする。エッチングの終了後、レジスト除去剤により不要なレジスト膜を除去する。

第５Ｂ工程においては、柱状振動子４Ｂおよび支持壁５Ｂの上端面４Ｂｃ、５Ｂｃに該当する部分にレジスト膜をレジストパターンニングにより形成し、パターンニングされていない部分にＤｅｅｐ−ＲＩＥによるエッチングを行なう。このエッチングにより、図１１および図１４Ｅに示すような柱状振動子４Ｂ（第１の容量用電極８Ｂを含む）、支持壁５Ｂ（第２の容量用電極９Ｂを含む）、第３の引出電極１４がＳＯＩウェハー３０の上層のシリコン３０ｃを用いて形成される。そして、エッチングの終了後、レジスト除去剤により不要なレジスト膜を除去する。

第６Ｂ工程においては、図１４Ｆに示すように、柱状振動子４Ｂおよび支持壁５Ｂの上端面４Ｂｃ、５Ｂｃにシード膜（図示せず）およびレジスト膜（図示せず）を順次形成し、そのレジスト膜に所定のパターンニングを行なった後、そのレジスト膜から露出したシード膜にＣｕやＡｕなどの良導電性の金属を電気めっきすることにより、図１１および図１４Ｆに示すように、円柱状の第１の駆動電極６Ｂ、分割配置された第２の駆動電極７Ｂ、第２の容量用電極９Ｂに接続される第２の引出電極１３および第３の引出電極１４の端部に形成される端子１４ａを形成する。その後、レジスト膜をレジスト除去剤により除去するとともにシード膜をイオンミリングにより除去し、図１４Ｆに示すように、外部電源３に個々に接続された導電性ワイヤ１６を第２の駆動電極７Ｂに接続することにより、可変容量素子２Ｂの製造工程が終了する。

次に、図１１から図１３を用いて、第２の実施形態の可変容量装置１Ｂおよび可変容量素子２Ｂの作用を説明する。

第２の実施形態の可変容量装置１Ｂは、図１３に示すように、可変容量素子２Ｂおよび外部電源３を備えている。第１の実施形態と同様、位相差９０°ずつの４つの正弦波の駆動電圧（図４Ａ〜Ｄおよび図４Ｅを参照）がこの外部電源３から分割配置された第２の駆動電極７Ｂの各片７Ｂａ〜７Ｂｄに対してその周方向に順に印加されると、第１の駆動電極６Ｂと第２の駆動電極７Ｂとの間の駆動電圧が第２の駆動電極７Ｂの周方向（片７Ｂａ→片７Ｂｂ→片７Ｂｃ→片７Ｂｄの方向またはその逆の方向）に順に増減し、それによって静電力がその周方向に順に強弱する。この静電力の強弱が第２の駆動電極７Ｂの周方向に生じることにより、柱状振動子４Ｂの根元４Ｂｄを固定端として柱状振動子４Ｂの先端４Ｂｅが第２の駆動電極７Ｂの配置側にたわみながら第２の駆動電極７Ｂの周方向に回転する。

そして、第１の容量用電極８Ｂが第１の駆動電極６Ｂの下方に配置（正確には柱状振動子４Ｂとの一体形成による仮想配置）されており、第２の容量用電極９Ｂが第２の駆動電極７Ｂの下方に配置（正確には支持壁５Ｂとの一体形成による仮想配置）されているので、柱状振動子４Ｂが回動することによって第１の容量用電極８Ｂと第２の容量用電極９Ｂとの対向距離が小さくなり、第１の容量用電極８Ｂと第２の容量用電極９Ｂとの間の静電容量が大きくなる。これによって、それらの間の静電容量を所望の容量に自由に変更することができる。

もちろん、第１の実施形態と同様、柱状振動子４Ｂを共振周波数で回動させることにより、少ない駆動電圧で大きな静電容量を得ることができる。また、正弦波の駆動電圧を第２の駆動電極７Ｂに印加することにより、柱状振動子４Ｂが滑らかに回動するという作用も第１の実施形態と同様である。

第１の実施形態の可変容量素子２Ａと大きく異なっている点は、図１１から図１３に示すように、第１の容量用電極８Ｂが第１の駆動電極６Ｂと一体に形成されておらず、その第１の容量用電極８Ｂが接地されていないことである。このように形成することによって、他の回路は第１の容量用電極８Ｂおよび第２の容量用電極９Ｂの両方に接続させたり、第１の容量用電極８Ｂを接地させてたりして使用することができるので、他の回路と可変容量素子２Ｂとの接続自由度を大きくすることができる。また、第１の容量用電極８Ｂおよび第１の駆動電極６Ｂを別個形成することにより、第１の駆動電極６Ｂを金属製にすることができるので、第１の実施形態のように第１の駆動電極６Ｂをシリコン製にするよりも大きな静電力を得ることができる。

その他、第２の駆動電極７Ｂおよび第２の容量用電極９Ｂの上下配置、柱状振動子４Ｂの円柱状形成および支持壁５Ｂの円形包囲、シリコンまたはＳＯＩを用いた柱状振動子４Ｂおよび支持壁５ＢのＲＩＥによるエッチング、柱状振動子４Ｂと第１の容量用電極８Ｂとの一体形成ならびに支持壁５Ｂと第２の容量用電極９Ｂとの一体形成により得られる作用は第１の実施形態と同様である。

次に、図１５および図１６を用いて、第３の実施形態の可変容量装置１Ｃおよび可変容量素子２Ｃを説明する。図１５は第３の実施形態の可変容量素子２Ｃを平面図として示しており、図１６は図１５の１６−１６矢視断面図を示している。

第３の実施形態の可変容量装置１Ｃは、第１の実施形態の可変容量装置１Ａと同様、図１５および図１６に示すような可変容量素子２Ｃおよび図示しない外部電源３を備えている。この可変容量装置１Ｃの等価回路は、図３に示すような第１の実施形態の可変容量装置１Ａの等価回路と同様となっている。第１の実施形態の可変容量装置１Ａと第３の実施形態の可変容量装置１Ｃとの相違点は可変容量素子２Ｃであり、その第１の実施形態の可変容量素子２Ａと第３の実施形態の可変容量素子２Ｃとの相違点は、図１および図２ならびに図１５および図１６に示すように、第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃが上下方向に配置されるか（第１の実施形態）、それとも同一の仮想の円環の周上に交互に配置されているか（第３の実施形態）という点にある。他の部分については相違しないか大きな相違ではないため、前述した相違点を重点的に説明する。

第３の実施形態の可変容量素子２Ｃは、図１５および図１６に示すように、絶縁層１０から起立する円柱状の柱状振動子４Ｃ、その柱状振動子４Ｃの直径よりも大きな直径を有して絶縁層１０から起立する支持壁５Ｃ、第１の駆動電極６Ｃ、第２の駆動電極７Ｃ、第１の容量用電極８Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃを備えている。この柱状振動子４Ｃは第１の実施形態の柱状振動子４Ａと同様、ＳＯＩの上層のシリコン３０ｃをＤｅｅｐ−ＲＩＥすることにより円柱状に形成されている（図５を参照）。また、この支持壁５Ｃは、ＳＯＩの上層のシリコン３０ｃをＤｅｅｐ−ＲＩＥすることにより円筒を八等分に分割した形状に形成されている。

第１の駆動電極６Ｃおよび第１の容量用電極８Ｃは、第１の実施形態と同様、柱状振動子４Ｃと一体に形成されており、柱状振動子４Ｃの表面層としてその柱状振動子４Ｃに支持されている。また、第１の駆動電極６Ｃおよび第１の容量用電極８Ｃの引出電極となる第１の引出電極１２も第１の実施形態と同様にして形成されており、柱状振動子４Ｃの根元４ＣｄからＳＯＩのインシュレータ（１０）を貫通して引き出されている。

支持壁５Ｃが支持する第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃは第１の実施形態の第２の駆動電極７Ａおよび第２の容量用電極９Ａの形状と異なっている。図１５および図１６に示すように、これら第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃは支持壁５Ｃの上端面５Ｃｃを電気めっきすることにより形成された八分割された円環状の導電部材に導電性ワイヤ１６を個々に接続して形成されたものである。第２の駆動電極７Ｃと第２の容量用電極９Ｃとの違いは導電性ワイヤ１６の接続先の違いである。導電性ワイヤ１６を外部電源３に接続すると導電部材の片７Ｃａ〜７Ｃｄは第２の駆動電極７Ｃとなり、導電性ワイヤ１６を他の回路に接続すると導電部材の片９Ｃａ〜９Ｃｄは第２の容量用電極９Ｃとなる。この接続先を図１５に示すように交互に異ならせることにより、第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃは支持壁５Ｃの上方における同一の円環の周上に交互に分割配置される。また、これら第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃは八等分に分割された円筒状の導電部材を交互に用いているため、それら第２の駆動電極７Ｃまたは第２の容量用電極９Ｃの配置角は９０°ずつずれていることになる。

次に、図１５および図１６を用いて、第３の実施形態の可変容量装置１Ｃおよび可変容量素子２Ｃの作用を説明する。

第３の実施形態の可変容量装置１Ｃは、図１６に示すような可変容量素子２Ｃおよび図示しない外部電源３を備える。第１の実施形態と同様、この外部電源３から位相差９０°ずつの４つの正弦波の駆動電圧（図４Ａ〜Ｄおよび図４Ｅを参照）が９０°ずつずれて分割配置された第２の駆動電極７Ｃの各片７Ｃａ〜７Ｃｄに対してその周方向（片７Ｃａ→片７Ｃｂ→片７Ｃｃ→片７Ｃｄの方向またはその逆方向）に順に印加されると、第１の駆動電極６Ｃと第２の駆動電極７Ｃとの間の駆動電圧が第２の駆動電極７Ｃの周方向に順に増減し、それによって静電力が第２の駆動電極７Ｃの周方向に順に強弱する。この静電力の強弱が第２の駆動電極７Ｃの周方向に順に生じることにより、柱状振動子４Ｃの根元４Ｃｄを固定端として柱状振動子４Ｃの先端４Ｃｅが第２の駆動電極７Ｃの配置側にたわみながら第２の駆動電極７Ｃの周方向に回転する。また、第１の実施形態や第２の実施形態と同様、柱状振動子４Ｃの回動に共振を利用することにより、小さな駆動電圧で大きな静電容量を得ることができる。

ここで、第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃからなる第２組の電極７Ｃ、９Ｃは、柱状振動子４Ｃの上端を囲繞する仮想円環の同一周上においてそれぞれ交互に配置されている。また、第１の駆動電極６Ｃおよび第１の容量用電極８Ｃからなる第１組の電極６Ｃ、８Ｃは柱状振動子４Ｃと一体形成されている。つまり、それらは第２組の電極７Ｃ、９Ｃの配置に対応して柱状振動子４Ｃの上端に仮想配置されていることになる。そのため、柱状振動子４Ｃが回動すると第１の容量用電極８Ｃと第２の容量用電極９Ｃとの対向距離が小さくなり、第１の容量用電極８Ｃと第２の容量用電極９Ｃとの間の静電容量が大きくなる。これによって、それらの間の静電容量を所望の容量に自由に変更することができる。

第３の実施形態の可変容量素子２Ｃの特徴としては、第１の駆動電極６Ｃおよび第１の容量用電極８Ｃならびに第２の駆動電極７Ｃおよび第２の容量用電極９Ｃが柱状振動子４Ｃの外側面４Ｃｂの上方または支持壁５Ｃの上端面５Ｃｃにおいてそれぞれ同一周上に配置されていることにある。これらが同一周上に配置されていると、静電力により柱状振動子４Ｃが第２の駆動電極７Ｃ側にたわんだとき、それらが第１の実施形態のように上下方向に配置されるよりも第１の容量用電極８Ｃと第２の容量用電極９Ｃとの間の対向距離を近づけることができる（第１の実施形態または第２の実施形態を参照）そのため、それらの間の静電容量を大きくすることができる。

また、第２の容量用電極９Ｃを支持壁５Ｃの上端面５Ｃｃにめっき形成することにより第２の容量用電極９Ｃを金属製にすることができるので、第１の実施形態のように第２の容量用電極９Ｃをシリコン製にするよりも大きな静電力を得ることができる。

その他、正弦波の駆動電圧の利用、柱状振動子４Ｃの円柱状形成および支持壁５Ｃの円形包囲、シリコンまたはＳＯＩを用いた柱状振動子４Ｃおよび支持壁５ＣのＲＩＥによるエッチング、柱状振動子４Ｃと第１の容量用電極８Ｃとの一体形成ならびに支持壁５Ｃと第２の容量用電極９Ｃとの一体形成により得られる作用は第１の実施形態と同様である。

すなわち、第１から第３の実施形態の可変容量装置１Ａ〜１Ｃおよび可変容量素子２Ａ〜２Ｃによれば、柱状振動子４Ａ〜４Ｃのたわみ量に依存することなく柱状振動子４Ａ〜４Ｃの回動に共振を利用することができるので、駆動電圧が小さくても所望の静電容量を得ることができる。そのため、小さな消費電力により大きな静電容量を得ることができるという効果を奏する。

なお、本発明は、前述した実施形態などに限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、図１７および図１８に示すように、他の実施形態の可変容量素子２Ｄにおいては、柱状振動子４Ｄは八角柱などの角柱状に形成されていてもよい。その際には、第１の実施形態に似たような八角孔５Ｄａを有する支持壁５Ｄ（図１７および図１８を参照）または第２もしくは第３の実施形態に似たような柱状振動子４Ｄを八角形状に囲繞する支持壁５Ｄ（図示せず）を形成することが好ましい。また、柱状振動子４Ｄに支持（正確には仮想支持）される第１の駆動電極６Ｄおよび第１の容量用電極８Ｄについては、それらが一体に形成されない場合、図１８に示すようにそれらに接続される第１の引出電極１２および第４の引出電極１５を設けることが好ましい。一方、第２の駆動電極７Ｄは第１の駆動電極６Ｄの対向位置に電気めっきにより平板状に分割形成されており、第２の容量用電極９Ｄはその下方に支持壁５Ｄと一体に形成されていることが好ましい。

また、第１の駆動電極６Ｄおよび第２の駆動電極７Ｄについては少なくともどちらか一方が分割形成されていればよい。そのため、図１９および図２０に示すように、他の実施形態の可変容量素子２Ｅにおいては、八等分に分割されたカットケーキ片６Ｅａ〜６Ｅｈのような形状にめっき形成された第１の駆動電極６Ｅが柱状振動子４Ｅの上方における仮想の八角環の周上に分割配置されるとともに、それに対向する第２の駆動電極７Ｅが八角環状に形成されて柱状振動子４Ｅを囲繞する仮想の八角環の周上に配置されるようにしてもよい。その際には、分割配置された第１の駆動電極６Ｅの各片６Ｅａ〜６Ｅｈに対して第１の引出電極１２を形成して相互に絶縁性を保持するようにする。

さらに、他の実施形態の可変容量素子においては、図示はしないが、柱状振動子が支持壁側にたわんだとき、それらの間に介在する空気の存在により柱状振動子がダンピングして第１の駆動電極と第２の駆動電極との間の対向距離が振動してしまうことを防止するため、柱状振動子と支持壁との間の空間を真空に保持するカバーを備えていることが好ましい。このカバーは真空保持機能を有していればその形状および大きさは自由である。このカバーにより、柱状振動子と支持壁との間の空間から空気を排除することができるので、空気が介在することによるダンピングの悪影響を減少または排除することができる。

第１の実施形態の可変容量素子を示す平面図 図１の２−２矢視断面図 第１の実施形態の可変容量装置を示す等価回路 Ａ〜Ｄ：四等分に分割配置された第２の駆動電極の各片に対して印加する正弦波の駆動電圧であって位相差がＡからＤの順に９０°ずつずれた駆動電圧の曲線を示すグラフ、Ｅ：Ａ〜Ｄに示した正弦波の駆動電圧の曲線を重ね合わせたグラフ 可変容量素子の製造工程をＡ〜Ｊの順に示す縦断面図 第１の実施形態の可変容量素子の動作状態を示す平面図 図６の７−７矢視断面図 Ａ〜Ｄ：四等分に分割配置された第２の駆動電極の各片に対して印加する方形波の駆動電圧であって位相差がＡからＤの順に９０°ずつずれた駆動電圧の曲線を示すグラフ、Ｅ：Ａ〜Ｄに示した方形波の駆動電圧の曲線を重ね合わせたグラフ 第１の実施形態の可変容量素子を複数個連結して形成した場合の平面図 図９の１０−１０矢視断面図 第２の実施形態の可変容量素子を示す平面図 図１１の１２−１２矢視断面図 第２の実施形態の可変容量装置の等価回路図 第２の実施形態の可変容量素子の製造工程をＡ〜Ｆの順に示す縦断面図 第３の実施形態の可変容量素子を示す平面図 図１５の１６−１６矢視断面図 他の実施形態の可変容量素子を示す平面図 図１７の１８−１８矢視断面図 他の実施形態の可変容量素子を示す平面図 図１９の２０−２０矢視断面図 従来の可変容量素子の一例を示す平面図 図２１の２２−２２矢視断面図

符号の説明

１Ａ〜１Ｃ 可変容量装置
２Ａ〜２Ｃ 可変容量素子
３ 外部電源
４Ａ〜４Ｃ 柱状振動子
５Ａ〜５Ｃ 支持壁
６Ａ〜６Ｃ 第１の駆動電極
７Ａ〜７Ｃ 第２の駆動電極
８Ａ〜８Ｃ 第１の容量用電極
９Ａ〜９Ｃ 第２の容量用電極

Claims (11)

1. 絶縁面から起立している柱状振動子と、
   前記柱状振動子の側面上において前記柱状振動子を囲繞する仮想の環の周上または前記柱状振動子の上方に位置する仮想の環の周上に配置されている第１の駆動電極および第１の容量用電極と、
   前記第１の駆動電極から一定の間隔だけ外側に離間して前記第１の駆動電極に対向しているとともに前記柱状振動子を囲繞する仮想の環の周上に配置されている第２の駆動電極と、
   前記第１の容量用電極から一定の間隔だけ外側に離間して前記第１の容量用電極に対向しているとともに前記柱状振動子を囲繞する仮想の環の周上に配置されている第２の容量用電極と、
   前記柱状振動子を包囲するように前記絶縁面から起立しており前記第２の駆動電極および前記第２の容量用電極を支持する支持壁と
   を備えているとともに、
   前記第１の駆動電極もしくは前記第２の駆動電極の少なくとも一方は、３個以上に分割形成されて等間隔に配置されており、
   前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に印加する駆動電圧を前記分割配置された前記第１の駆動電極もしくは前記第２の駆動電極の周方向に順に増減させ、前記第１の駆動電極と前記第２の駆動電極との間に生じる静電力を前記周方向の順に強弱させることにより、前記柱状振動子の根元を固定端として前記柱状振動子を前記第２の駆動電極の配置側に撓ませながら前記第２の駆動電極の周方向に回転させ、前記第１の容量用電極と前記第２の容量用電極との対向距離を自在に変化させる
   ことを特徴とする可変容量素子。
2. 前記第１の駆動電極および前記第１の容量用電極からなる第１組の電極または前記第２の駆動電極および前記第２の容量用電極からなる第２組の電極のどちらか一方の組の電極は、前記柱状振動子もしくは前記支持壁の上下方向にそれぞれ分かれて配設されており、
   その他方の組の電極は、その一方の組の電極の配置に対応して前記支持壁もしくは前記柱状振動子に配設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
3. 前記第１の駆動電極および前記第１の容量用電極からなる第１組の電極または前記第２の駆動電極および前記第２の容量用電極からなる第２組の電極のどちらか一方の組の電極は、同一の仮想の環の周上においてそれぞれ交互に配置されており、
   その他方の組の電極は、その一方の組の電極の配置にそれぞれ対応して前記支持壁もしくは前記柱状振動子に配設されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変容量素子。
4. 前記第１組の電極または前記第２組の電極のどちらか一方の組の電極は、接地されているとともに一体に形成されている
   ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の可変容量素子。
5. 前記柱状振動子および前記支持壁は、単結晶シリコンもしくはＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）を反応性イオンエッチングすることにより形成されている
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の可変容量素子。
6. 前記柱状振動子および前記第１組の電極は、前記第１の駆動電極および前記第１の容量用電極を導通させない場合には前記ＳＯＩを用いて、前記第１の駆動電極および前記第１の容量用電極を導通させても良い場合には前記単結晶シリコンもしくは前記ＳＯＩを用いて、一体に形成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の可変容量素子。
7. 前記支持壁および前記第２組の電極は、前記第２の駆動電極および前記第２の容量用電極を導通させない場合には前記ＳＯＩを用いて、前記第２の駆動電極および前記第２の容量用電極を導通させても良い場合には前記単結晶シリコンもしくは前記ＳＯＩを用いて、一体に形成されている
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載の可変容量素子。
8. 前記柱状振動子は円柱状に形成されており、
   前記支持壁は、円柱状の前記柱状振動子を円形状に包囲している
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の可変容量素子。
9. 前記柱状振動子と前記支持壁との間の空間を真空に保持するカバーを備えている
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の可変容量素子。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の可変容量素子と、
    前記柱状振動子の共振周波数と同等の周波数になっている駆動電圧であって、仮想の環の周上に分割配置された前記第１の駆動電極もしくは前記第２の駆動電極の配置角にあわせ位相が異なっている駆動電圧を分割配置された前記第１の駆動電極もしくは前記第２の駆動電極にそれぞれ印加する外部電源と
    を備えていることを特徴とする可変容量装置。
11. 前記外部電源は、正弦波の駆動電圧を分割配置された前記第１の駆動電極もしくは前記第２の駆動電極に印加する
    ことを特徴とする請求項１０に記載の可変容量装置。

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