JP4373994B2 - 可変容量装置および携帯電話 - Google Patents

Description

本発明は、圧電膜を用いた可変容量装置とこの可変容量装置を内蔵する携帯電話とに関する。

近年、無線通信技術はめざましい発展を遂げ、情報のさらなる高速伝送を目的とした開発が続けられている。無線通信技術で用いられる周波数帯域は、PHSシステムや第３世代携帯通信、無線LANなどの導入により、２GHz前後が市場において広く使用されつつあり、加入者の数、端末数なども飛躍的に増大している。情報伝送量の高速化を目的に搬送波の周波数そのものはさらに高周波化する傾向にあり、無線LANシステムでは5GHz帯までの商用化も開始されている。

これら高周波通信機器では、小型、軽量化の要求が強く、特にパーソナルコンピューター（PC）の用途では、PCカードでの使用ができるよう、薄く製作することが非常に重要である。

PCカード等の無線機器は一般に、高周波（RF）を処理するRFフロントエンド部と、ディジタル信号処理を行うベースバンド（BB）部とに大別される。このうちBB部は、信号の変・復調をディジタル信号処理で行う部分であり、基本的にはSi基板をベースとしたLSIチップによって構成できるため、BB部の高さは容易に1mm以下程度にまで低くすることができる。

一方、RF部は、高周波の信号をアナログ信号として増幅や周波数変換などを行う部分であり、LSIチップだけで構成するのは難しく、抵抗、コンデンサー、インダクタ、発振器やフィルターなど、多くの受動部品を含む複雑な構成となる。

LSIチップとしての半導体部分は微細化を主軸とした開発が広範になされ、小型化や高機能化が進む一方、RF部の受動部品はそれぞれに仕様で定められた機能を有するため、省略することが困難であり、かつ半導体で作製することが困難であるために、半導体チップとは別に作製して、半導体そのものや、多くは別の基板に半導体チップとともにアセンブリされることが多い。

しかしながら、これら受動部品も小型化が進み、また数も増加の一途を辿っており、高密度な実装を可能にするためのアセンブリ装置もしくはアセンブリのスループットに大きな課題を抱えるようになってきている。ここでは、無線に関わる例をあげたが、無線分野にとどまらず、あらゆる電子部品や電子装置で課題として取り上げられている。

このような課題を解決するために、近年、ＭＥＭＳ（Micro-electro-mechanical System）技術で作製されたアクチュエータを使用し、スイッチやバリキャップを作製する技術に関心が集まっている（特許文献１参照）。特に、携帯電話や自動車電話などをはじめとした高周波向けの用途としては、従来から使用されている半導体スイッチやバリキャップと比較して、スイッチについては低損失でオフ時の高い絶縁特性を備えており、バリキャップについてはＱ値が高いなどの理由から、これらのＭＥＭＳスイッチおよびバリキャップの利用が期待されている。

ＭＥＭＳバリキャップは、例えば、基板上の空中で一端が支持されたアクチュエータの梁に設けられた可動電極と、アクチュエータに対向する基板表面上に設けられた固定電極とを備えている。アクチュエータにより可動電極と固定電極の間の距離を変化させることで、電極間の静電容量が変化する。

ＭＥＭＳスイッチは、ＭＥＭＳバリキャップの構造をそのまま用いて構成できる。あるいは、可動電極と固定電極を直接接触させたり、或いはＧＨｚ以上の高周波領域では可動電極と固定電極をごく薄い誘電膜を隔てて対向配置することで構成できる。

ＭＥＭＳアクチュエータの駆動機構としては、梁を静電力、熱応力、電磁力、圧電力等で屈曲変位させる方法がある。ただし、静電駆動の場合、消費電力は小さいが、アクチュエータを駆動させるのに必要な電圧が10Vから100V程度と高く、さらに静電駆動型バリキャップについては、可動電極と固定電極の電極間距離が初期の電極間距離の１／３を越えると可動電極が固定電極にプルイン（pull-in）するため、容量変化率を大きくとれないなどの問題がある。熱駆動、電磁駆動については、それぞれ抵抗体及び電磁コイルに電流を流すため消費電力が大きくなるという問題がある。

一方、圧電駆動については消費電力が小さく、10V以下の駆動電圧で動作でき、更に可動電極が固定電極にプルインしないため、アクチュエータを連続的に大きく変化することができ、容量変化率を大きくとることが可能である。このように圧電駆動は他の駆動機構と比較して多くの利点を持っており、ＭＥＭＳスイッチおよびバリキャップとして注目されている。
米国特許公報２００４／１５０９３９

しかしながら、圧電駆動型アクチュエータは、圧電膜を上下電極に挟んだ長く薄い梁構造を有するため、圧電膜や上下電極の材料の僅かな残留応力で梁が上下に反ってしまう。また、圧電アクチュエータの上下電極の一部を可動電極としてスイッチ或いはバリキャップを形成する場合、固定電極から可動電極に伝達された信号が上下電極を介して圧電駆動用電源に流れのを防止するために、上下電極と可動電極の間に電極のないスリット領域を形成して電気的絶縁を取る。圧電膜上に電極のない領域もアクチュエータ部分と同様に残留応力により反りが発生するが、両者の反り量は電極が無い分異なる。このため、圧電膜や上下電極の残留応力を最適化してアクチュエータの反りを無くしたとしても、上下電極と可動電極の境界から反りが発生してしまうという問題がある。

このような問題を解決するためには、圧電膜の残留応力を低減することが重要である。実際に成膜装置の改善が進み、動作上は問題のない範囲に残留応力を低減する技術開発も可能となってきたが、事実上量産時にバラつくため、システム仕様で求められる仕様値に安定して合わせることは極めて困難である。

また、この種の圧電駆動型アクチュエータを携帯電話等に応用した場合には、落下衝撃時に圧電橋梁も加速度を受け、動作が不安定になったり、橋梁が対抗電極と接触し、劣化するなどの深刻な課題が潜在的にある。また、携帯電話の構造は複雑になっており、圧電駆動型アクチュエータを内蔵するスペースも限られている。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、衝撃等による急激な加速度を受けても、破壊や容量の変化が起きることがない可変容量装置を提供することにある。

本発明の一態様によれば、第１の圧電膜と前記第１の圧電膜を挟む第１の上下電極とを備えた第１の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第１の可動電極と、前記第１の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第１の固定電極と、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に形成される可変容量素子の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整する第１の駆動制御部と、を備えた可変容量素子と、
前記可変容量素子に近接配置され、第２の圧電膜と前記第２の圧電膜を挟む第２の上下電極とを備えた第２の圧電駆動部と、前記第２の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第２の可動電極と、前記第２の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第２の固定電極と、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に形成され前記第２の圧電膜の伸縮により容量を可変可能な可変容量部の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との距離を調整する第２の駆動制御部と、を備えた加速度センサと、を備え、
前記第１の駆動制御部は、前記加速度センサで検出された前記変動の大きさに基づいて、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整することを特徴とする可変容量装置が提供される。

本発明の一態様によれば、アンテナで送受信する無線信号の周波数帯域を調整するチューナブルアンテナと、
送受信方向を切り替えるデュプレクサと、
前記デュプレクサを介して前記アンテナから送信する送信信号を生成する送信処理部と、
前記アンテナで受信され前記デュプレクサを通過した受信信号に含まれる所定周波数帯域成分を抽出する受信処理部と、
前記送信処理部および前記受信処理部に接続されベースバンド処理を行うベースバンド処理部と、を備え、
前記チューナブルアンテナ、前記送信処理部および前記受信処理部の少なくとも一つは、可変容量装置を有し、
前記可変容量装置は、
第１の圧電膜と前記第１の圧電膜を挟む第１の上下電極とを備えた第１の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第１の可動電極と、前記第１の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第１の固定電極と、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に形成される可変容量素子の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整する第１の駆動制御部と、を備えた可変容量素子と、
前記可変容量素子に近接配置され、第２の圧電膜と前記第２の圧電膜を挟む第２の上下電極とを備えた第２の圧電駆動部と、前記第２の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第２の可動電極と、前記第２の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第２の固定電極と、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に形成され前記第２の圧電膜の伸縮により容量を可変可能な可変容量部の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との距離を調整する第２の駆動制御部と、を備えた加速度センサと、を備え、
前記第１の駆動制御部は、前記加速度センサで検出された前記変動の大きさに基づいて、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整することを特徴とする携帯電話が提供される。

本発明によれば、衝撃等による急激な加速度を受けても、破壊や容量の変化が起きることがない。

以下、図面を参照しながら、本発明の一実施形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による可変容量装置の全体構造を示す図である。図１の可変容量装置は、一端側が固定され他端側が圧電膜の伸縮により上下に移動可能なMEMS構造の圧電駆動部１と、圧電駆動部１の他端側に誘電体膜２を挟んで対向配置される固定電極３ａ，３ｂと、圧電駆動部１の駆動を制御する制御回路部（駆動制御部）４とを備えている。

固定電極３ａ，３ｂと制御回路部４は、同一の図示しない基板上に配置されるか、あるいは別個の図示しない基板上に配置される。これら基板の材料は、例えばシリコンや石英などで構成されている。固定電極３ａと固定電極３ｂとは、圧電駆動部１の長手方向とは異なる方向に分離して配置されており、各固定電極３ａ，３ｂの上には対応する誘電体膜２がそれぞれ配置されている。

圧電駆動部１は、互いに逆方向に伸縮する第１および第２の圧電膜６，７を有するＭＥＭＳ構造である。第１の圧電膜６の上面には、長手方向に分離して配置される第１および第２の上部電極８，９が接合されている。第１の圧電膜６の下面と第２の圧電膜７の上面には、長手方向に分離して配置される第１および第２の中間電極１０，１１が接合されている。第２の圧電膜７の下面には、長手方向に分離して配置される第１および第２の下部電極１２，１３が接合されている。

第１の上部電極８、第１の中間電極１０および第１の下部電極１２は上下に対向配置されて第１の可動電極対を構成しており、同様に、第２の上部電極９、第２の中間電極１１および第２の下部電極１３は上下に対向配置されて第２の可動電極対を構成している。

第１の上部電極８と第１の中間電極１０にそれぞれ電圧を印加すると逆圧電効果により第１の圧電膜６が歪んで伸縮する。同様に、第１の中間電極１０と第１の下部電極１２にそれぞれ電圧を印加すると逆圧電効果により第２の圧電膜７が歪んで伸縮する。例えば、第１の中間電極１０の電位を第１の上部電極８及び第１の下部電極１２より高くすると、逆圧電効果により、第１の圧電膜６は伸び、第２の圧電膜７は反対に縮む。そのため、圧電駆動部１は、図示しない基板側に屈曲変位する。反対に、第１の中間電極１０の電位を第１の上部電極８及び第１の下部電極１２より低くすると、逆圧電効果により、第１の圧電膜６は縮み、第２の圧電膜７は反対に伸びる。そのため、圧電駆動部１は、図示しない基板側と反対方向にに屈曲変位する。

一方、圧電駆動部１の一端にはスリット５を介して第１の上部電極８、第１の中間電極および及び第１の下部電極１２と電気的に絶縁された第２の上部電極９、第２の中間電極１１および第２の下部電極１３が配置されており、これらの第２の上部電極９、第２の中間電極１１及び第２の下部電極１３はフローティング状態に設定されており、各電極には電圧は印加されていない。言い換えると、圧電駆動部１の他端側には、圧電駆動部１と第１の圧電膜６及び第２の圧電膜７を同一層で兼用し、第１の上部電極８と第２の上部電極９との間、第１の中間電極１０と第２の中間電極１１との間、第１の下部電極１２と第２の下部電極１３との間には、それぞれ、電極スリット５が設けられ、それぞれの電極同士は電気的に絶縁されている。以下、第２の上部電極９、第２の中間電極１１、第３の下部電極１３、第２の上部電極９と第２の中間電極１１との間に位置する第１の圧電膜６、及び第２の中間電極１１と第２の下部電極１３との間に位置する第２の圧電膜とを総称して可動電極１５という。すなわち、圧電駆動部１の一端には、第１の圧電膜６と第２の圧電膜７とで構成された電極スリット５を介して可動電極１５が設けられている。

また、圧電駆動部１の可動電極１５が設けられていない他端側は、アンカー１６を介して図示しない基板上に固定されている。

可動電極１５に対向して図示しない基板上には前述した誘電膜２に覆われた固定電極３ａ、３ｂが設けられており、可動電極１５と誘電膜２との間にギャップ（空間）が生じるように、誘電膜２と固定電極３ａ、３ｂとの合計の高さを、アンカー１６の高さより低く設計している。

圧電駆動部１の一端に設けられた可動電極１５は、圧電駆動部１の変位に対応して上下に変位する。可動電極１５が上下に変位すると、可動電極１５と固定電極３ａ、３ｂとの間の距離が変化するため、可動電極１５と固定電極３ａ、３ｂとの間の静電容量がその距離に反比例する形で変化する。このような構成とすることで、可変容量素子（バリキャップ）２０が形成される。可変容量素子２０を構成する第２の下部電極１３とその下方の固定電極３ａ、３ｂとの距離は、第１の上部電極８、第１の中間電極１０、及び第１の下部電極１２に印加される電圧に依存する。

より詳細には、第２の下部電極１３と固定電極３ａ、３ｂとの間の容量値Ｃは（１）式で表される。

ここで、ε0は真空の誘電率（８．８５４×１０-¹²［Ｆ／ｍ］）、εoxは誘電体膜２の比誘電率、Ｓは固定電極３ａ、３ｂと第２の下部電極１３とがオーバーラップする面積、ｄoxは誘電体膜２の厚さ、ｄairは誘電体膜２の表面と第２の下部電極１３の表面との間のギャップである。

例えば、固定電極３ａに入力された信号がこの可変容量素子２０を通過し、もう一方の固定電極３ｂに出力されると仮定すると、固定電極３ａ、３ｂ間の静電容量は、２つのキャパシタのオーバーラップ面積が同じであると仮定するとＣ／２となる。この静電容量は作用部１０ｂを上下に動作させることにより変化する。例えば、ギャップd_airが小さくなると静電容量は増加し、反対に大きくなると減少する。そのため、キャパシティブ型のスイッチ、およびバリキャップとして動作させることが可能となる。

固定電極３ａと固定電極３ｂはいずれも誘電体膜２を介して第２の下部電極１３と対向配置されており、２つの可変容量素子２０が並列接続されているのと等価である。例えば、固定電極３ａに入力された信号がこの可変容量素子２０を通過し、もう一方の固定電極３ｂに出力されると仮定すると、固定電極３ａ、３ｂ間の静電容量は、２つのキャパシタのオーバーラップ面積（容量Ｃ）が同じであると仮定するとＣ／２となる。この容量は、圧電駆動部１が第２の下部電極１３を上下に駆動してギャップの大きさが変わると変化する。

制御回路部４は、図示しない基板上のアンカー１６上に設けられた例えばＣＭＯＳプロセスで形成された半導体集積回路である。この半導体集積回路は、主にアナログ回路で構成されている。

図２は制御回路部４の内部構成の一例を示すブロック図である。図２の制御回路部４は、上述した可変容量素子２０の容量Ｃを検出する容量検出部２１と、検出された容量Ｃに応じた信号を生成する増幅器２２と、増幅器２２の出力信号を参照容量値（参照Ｃ値）と比較して容量差に応じた信号を生成するコンパレータ２３と、コンパレータ２３の出力信号を増幅して圧電駆動部１の制御信号を生成する電圧増幅器（制御電圧調整部）２４とを有する。

なお、図１では省略しているが、可変容量素子２０の電極を構成する第２の下部電極１３と固定電極３ａ、３ｂは、配線パターンやボンディングワイヤを介して制御回路部４内の容量検出部２１と接続されている。これにより、容量検出部２１は可変容量素子２０の容量を検出することができる。

実際には、容量検出部２１は、可変容量素子２０の容量を直接測定するわけではなく、容量に相関する信号を検出する。この信号は増幅器２２で増幅された後、コンパレータ２３に入力される。

コンパレータ２３は、可変容量素子２０の容量を予め設定した参照容量値と比較して、容量差に応じた信号を出力する。コンパレータ２３の出力信号は電圧増幅器２４に入力される。電圧増幅器２４は、コンパレータ２３で検出された容量差に応じて、第１の上部電極８、第１の中間電極１０および第１の下部電極１２に印加するべき電圧を生成する。これによって、第１の上部電極８、第１の中間電極１０及び第１の下部電極１２に印加すべき電圧が制御される。なお、第１の上部電極８、第１の中間電極１０、第１の下部電極１２には、例えば、各々の電極にたいして、それぞれの電圧を制御する図示しない電圧制御器に接続されている。また、第１の中間電極１０が接地電圧に設定され、第１の上部電極８と第１の下部電極１２に電圧制御器が接続されていてもよい。

以上のような動作により、図２の制御回路部４は、可変容量素子２０の容量変化を検出して、可変容量素子２０が予め定めた所定値になるように帰還制御を行う。可変容量素子２０の容量を変更したい場合には、変更したい容量値に合わせて、コンパレータ２３の参照容量値を変更する。

このように、本実施形態では、圧電駆動部１の他端側に設けられた可変容量素子２０の容量を制御回路部４で検出して、その容量が一定になるように第１および第２の圧電膜６、７に印加する電圧を帰還制御するため、可変容量素子２０の容量の変化のばらつきを抑制でき、約９５％を上回る製造歩留まりを得ることができる。また、圧電駆動部１と制御回路部４は、半導体プロセスを利用して圧電駆動部１を固定するアンカー１６上に形成できるため、可変容量装置小型化することができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、制御回路部４の内部構成が第１の実施形態と異なっている。その他の構成は第１の実施形態と同様なため説明を省略する。

図３は第２の実施形態による制御回路部４の内部構成を示すブロック図である。図３の制御回路部４は、図１の容量検出部２１の代わりに、可変容量素子２０の単位時間当たりの容量変化量を検出する容量変化検出部２５を有する。

容量変化検出部２５は、ある時点での可変容量素子２０の容量と単位時間後の容量との差分を取ることで、容量変化量を検出する。誤差やばらつきをなくすために、容量変化量の検出を複数回繰り返した結果を平均化して最終的な容量変化量を検出してもよい。

検出された容量変化量は、増幅器２２で増幅された後、コンパレータ２３に入力される。コンパレータ２３は、検出された容量変化量を予め定めた参照容量変化量と比較し、両者の差分信号を出力する。この差分信号は電圧増幅器２４で増幅される。

電圧増幅器２４は、この差分信号に基づいて、可変容量素子２０の容量変化を相殺するように、第１の上部電極８、第１の中間電極１０および第１の下部電極１２に印加する電圧を制御する。より具体的には、電圧増幅器２４は、容量変化量が参照容量変化量よりも大きければ、容量変化量が大きいと判断して、可変容量素子２０の容量変化を相殺するような制御を行う。ここでいう可変容量素子２０の容量変化を相殺するような制御とは、例えば、第１の下部電極１２と固定電極３ａ、３ｂの距離を一時的に、又は、継続的に、変化させる制御のことをいう。これにより、圧電駆動部１が急激な加速度を受けて、可変容量素子２０の容量が急激に変化した場合でも、その容量変化を相殺するような制御を行うことができる。一方、容量変化量が参照容量変化量以下であれば、容量変化を相殺するような制御は行わない。

あるいは、図３のコンパレータ２３を省略して、容量変化検出部２５で検出された容量変化量の大小にかかわらず、容量変化を相殺するような制御を行ってもよい。

このように、第２の実施形態では、可変容量素子２０の容量変化量を検出して、容量変化を相殺する方向に圧電駆動部１を駆動するような制御を行うため、不意な加速度を受けても可変容量素子２０の容量変動を抑制でき、本実施形態による可変容量素子２０の応用範囲を広げることができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、ハードウェアの構成は第２の実施形態と同様であるが、制御回路部４の動作が第２の実施形態とは異なっている。

図１の可変容量装置を携帯電話等の電子機器に組み込んだ場合、使用者が意図せずに地面に落としたり、何かに衝突したり、振り回したりして、可変容量装置が一時的に大きな加速度を受ける場合がありうる。加速度がそれほど大きくない場合は、第２の実施形態の手法で容量変化を相殺するような制御で対応が可能であるが、相殺不可能なほど大きい加速度を受けた場合、可変容量装置内の圧電駆動部１が破壊されないような制御を行うのが望ましい。

そこで、本実施形態では、検出された容量変化量が参照容量変化量よりも大きい場合には、圧電駆動部１の破壊を防止すべく待避処理を行うものである。

コンパレータ２３から出力される差分信号により、検出された容量変化量が参照容量変化量よりも大きいか、あるいは小さいかを検出できる。検出された容量変化量が参照容量変化量よりも大きいということは、圧電駆動部１に大きな加速度がかかったことを示している。したがって、電圧増幅器２４は、圧電駆動部１の破壊を防止するために、何らかの待避処理を行う。待避処理の具体例としては、圧電駆動部１の一端に設けられた可動電極１５の第２の下部電極１３が下方の誘電体膜２に接触しないように、第１の上部電極８、第１の中間電極１０および第１の下部電極１２の電圧を制御して、圧電駆動部１の他端側と誘電体膜２との距離を大きくする。これにより、圧電駆動部１に大きな加速度がかかっても、可動電極１５は誘電体膜２に接触しなくなる。

このように、第３の実施形態では、圧電駆動部１が急激な加速度を受けたときに圧電駆動部１を安全な場所に待避させるようにしたため、圧電駆動部１の破壊を防止でき、可変容量装置の信頼性をより向上できる。

（第４の実施形態）
上述した第２および第３の実施形態では、可変容量素子２０の容量や容量変化量を検出する例を説明したが、第１および第２の圧電膜６、７に印加される電圧や電圧変化量を検出してもよい。

圧電膜は一般に、加速度を受けると、加速度の大きさに応じてその両面間の電圧が変化する。より具体的には、圧電膜６、７の両面（第１の圧電膜６では第１の上部電極８と第１の中間電極１０が設けられている面、第２の圧電膜７では第１の中間電極１０と第１の下部電極１２が向けられている面のことをいう）間に加速度の大きさに応じたパルス電圧が現れる。したがって、圧電膜６、７の両面間の電圧をそれぞれ検出すれば、圧電膜６、７にどの程度の加速度がかかったかを検出できる。

図４は第４の実施形態による制御回路部４の内部構成を示すブロック図である。図４の制御回路部４は、図２の容量検出部２１の代わりに、電圧検出部２６を有する。電圧検出部２６は、第１の上部電極８と第１の中間電極１０間の電圧と、第１の下部電極１２と第１の中間電極１０間の電圧とをそれぞれ検出する。これら電極間には、もともと電圧が印加されているが、加速度を受けると、その加速度の大きさに応じたパルス電圧が重畳される。そのため、電圧検出部２６は、このパルス電圧を検出する。

図１では省略されているが、第１の上部電極８、第１の中間電極１０および第１の下部電極１２には、配線パターンやボンディングワイヤ等で、制御回路部４内の電圧検出部２６に接続されている。

電圧検出部２６は、第１の上部電極８と第１の中間電極１０との間の電圧と、第１の下部電極１２と第１の中間電極１０との間の電圧をそのまま出力するのではなく、電圧に相関する信号を出力する。この信号は、増幅器２２で増幅された後、コンパレータ２３に入力される。

コンパレータ２３は、検出された電圧を予め設定した参照電圧値と比較して、電圧差信号を出力する。この信号は電圧増幅器２４に入力される。電圧増幅器２４は、電圧検出部２６で検出された電圧が小さくなるように、すなわち圧電駆動部１にかかった加速度が相殺されるように、第１の上部電極８、第１の中間電極１０および第１の下部電極１２に印加する電圧を制御する。

このように、第４の実施形態では、第１および第２の圧電膜６、７にかかる電圧を検出することにより、圧電駆動部１にかかる加速度を検出し、この加速度を相殺するように各電極に印加する電圧を制御するため、第２の実施形態と同様に、圧電駆動部１が加速度を受けた場合でも、可変容量素子２０の容量変化を抑制できる。

なお、図４の電圧検出部２６の代わりに電圧変化検出部を設けて、第１の上部電極８と第１の中間電極１０との間の電圧変化量と、第１の下部電極１２と第１の中間電極１０との間の電圧変化量とを検出して、検出された電圧変化量を相殺するように各電極の電圧を制御してもよいし、あるいは電圧変化量が大きい場合には、第３の実施形態に示す圧電駆動部１の待避処理を行ってもよい。

（第５の実施形態）
第５の実施形態は、可変容量素子２０を構成する圧電駆動部１とは別個に、加速度センサを設けるものである。

図５は本発明の第５の実施形態による可変容量装置の全体構造を示す図である。図５の可変容量装置は、図１の構造に加えて、加速度センサ３１を備えている。加速度センサ３１は、圧電駆動部１と同じ構造の圧電駆動部３２と、圧電駆動部３２の一端に、可動電極１５と同じ構造の可動電極３５が設けられ、可動電極３５に対向して図示しない基板上に、誘電体膜２を挟んで設けられた固定電極３ｃ、３ｄとを有する。

また、圧電駆動部３２も圧電駆動部１と同様に、可動電極３５が設けられていない他端側は、アンカー１６を介して図示しない基板上に固定されている。

圧電駆動部３２の電極の配置も圧電駆動部１と同じである。圧電駆動部３２の電極制御は、圧電駆動部１と同じ制御回路部４で行う。

圧電駆動部３２の一端側に設けられた可動電極３５には、圧電駆動部１と同様の可変容量素子２０が形成されるが、この可変容量素子２０の容量は、加速度を検出するために用いられ、本来の可変容量素子２０の容量としては用いられない。

加速度センサ３１は、上述した第２〜第４の実施形態と同様の手法で加速度を検出する。この新たに設けられた加速度センサ３１は、図示しない半導体基板の表面に垂直な方向、すなわち、上下方向（図５の矢印αの方向、以下、Ｙ軸方向という）の加速度を検出することができる。

なお、２軸以上の加速度を検出するには、図５の加速度センサ３１と同様の構造体を各軸方向に沿って配置すればよい。例えば、図６は２軸方向の加速度を検出可能な可変容量装置の一例を示す図である。図６では、簡略化のために可変容量素子２０を構成する圧電駆動部１を省略している。図６の加速度センサ３１ａはＹ軸方向と垂直する方向、すなわち、図示しない半導体基板の表面に平行な方向（以下、Ｘ軸方向という）の加速度を検出し、加速度センサ３１ｂはＹ軸方向の加速度を検出する。可変容量素子２０及び加速度センサ３１とは、例えば、同一サイズおよび同一形状で構成され、同一基板上に同一方向に隣接して形成されている。

このように、第５の実施形態では、可変容量素子２０とは別個に、可変容量素子２０と同じ構造の加速度センサ３１を設けるため、可変容量素子２０にかかる加速度を正確に検出でき、急激な加速度を受けた場合に可変容量素子２０の待避処理を取るなどの措置を講じることができ、可変容量素子２０の信頼性が向上する。また、加速度センサ３１ａ，３１ｂを複数方向に配置する配置することで、複数方向の加速度を検出することも可能となる。

（第１〜第５の実施形態のいずれかを用いた携帯電話の実施形態）
第６の実施形態は、第１〜第５の実施形態のいずれかで説明した可変容量装置を携帯電話の内部に設けるものである。

図７は本発明の携帯電話に係る携帯電話のフロントエンド部の内部構成を示すブロック図である。図７の携帯電話は、周波数帯域を切換可能なチューナブルアンテナ３２と、送受信の切換を行うデュプレクサバンク３３と、送信部３４と、受信部３５と、ベースバンド処理用ＩＣ３６とを備えている。

送信部３４は、周波数選択を行うフィルタバンク３７と、高周波増幅を行うパワーアンプ３８と、パワーアンプ３８の前後段に設けられるチューナブル整合回路３９、４０とを有する。受信部３５は、高周波増幅を行うＬＮＡ４１と、ＬＮＡ４１の前後段に設けられるチューナブル整合回路４２、４３と、周波数選択を行うフィルタバンク４４とを有する。

上述した第１〜第５の実施形態のいずれかで説明した可変容量装置は、図７の携帯電話の内部のチューナブルアンテナ３２とチューナブル整合回路３９、４０、４２、４３で用いられる。

上述した可変容量装置は、低消費電力で、かつ外乱による容量変動が少なく、かつ加速度に対する待避処理も行え、かつ半導体プロセスを用いて基板上に形成可能なため、携帯電話のフロントエンド部を小型化でき、かつ低消費電力化も図れる。

（第１の実施形態の変形例）
前述した第１〜第５実施形態、及び第１〜第５の実施形態のいずれかを用いた携帯電話の実施形態では、圧電駆動部１として、第１の圧電膜６と第１の圧電膜６の下方に配置される第２の圧電膜７と、第１の圧電膜６の上面に配置される上部電極８と、第１の圧電膜６の下面と第２の圧電膜７の上面との間に配置される中間電極１０と、第２の圧電膜７の下面に配置される下部電極１２と、とを備えた例で説明を行った。このように、圧電膜及び電極を複数層備えた構成は、複数層の電極それぞれに印加する電圧を制御することができるため、これによって、上下の屈曲変位を高精度に制御することが出来るという利点を有する。

しかしながら、第１〜第５実施形態は、可動電極と固定電極との間に形成される可変容量素子の容量変動を抑制する制御回路部４を備えている。このため、前述した実施形態のように、必ずしも、圧電駆動部１に圧電膜及び電極を複数層設ける必要が無く、例えば、図８に示すように、圧電膜が一層構造である圧電駆動部１ａ、すなわち、圧電駆動部１ａは、圧電膜５０と圧電膜５０の上面に配置される第１の上部電極５１と、圧電膜５０の下面に配置される第１の下部電極５２のみで構成されていてもよい。このような構成をすることで、可変容量装置としての製造コストの削減が図れる。

なお、実際のところ、前述した圧電膜及び電極を複数層備えた圧電駆動部１の方がより高精度で行うことができるのは言うまでもない。

本発明の第１の実施形態による可変容量装置の全体構造を示す図。 制御回路部４の内部構成の一例を示すブロック図。 第２の実施形態による制御回路部４の内部構成を示すブロック図。 第４の実施形態による制御回路部４の内部構成を示すブロック図。 本発明の第５の実施形態による可変容量装置の全体構造を示す図。 ２軸方向の加速度を検出可能な可変容量装置の一例を示す図。 本発明の携帯電話のフロントエンド部の内部構成を示すブロック図。 本発明の第１の実施形態に係る他の実施形態による可変容量装置の全体構造を示す図。

符号の説明

１ 圧電駆動部
２ 誘電体膜
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ 固定電極
４ 制御回路部
５ 電極スリット
６ 第１の圧電膜
７ 第２の圧電膜
８ 第１の上部電極
９ 第２の上部電極
１０ 第１の中間電極
１１ 第２の中間電極
１２ 第１の下部電極
１３ 第２の下部電極
１５ 可動電極
１６ アンカー
２０ 可変容量素子（バリキャップ）
２１ 容量検出部
２２ 増幅器
２３ コンパレータ
２４ 電圧増幅器
２５ 容量変化検出回路
２６ 電圧検出部
３１、３１ａ、３１ｂ 加速度センサ
３２ チューナブルアンテナ
３３ デュプレクサバンク
３４ 送信部
３５ 受信部
３６ ベースバンド処理用ＩＣ
３７ フィルタバンク
３８ パワーアンプ
３９ チューナブル整合回路
４０ チューナブル整合回路
４１ ＬＮＡ
４２ チューナブル整合回路
４３ チューナブル整合回路
４４ フィルタバンク

Claims (5)

1. 第１の圧電膜と前記第１の圧電膜を挟む第１の上下電極とを備えた第１の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第１の可動電極と、前記第１の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第１の固定電極と、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に形成される可変容量素子の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整する第１の駆動制御部と、を備えた可変容量素子と、
   前記可変容量素子に近接配置され、第２の圧電膜と前記第２の圧電膜を挟む第２の上下電極とを備えた第２の圧電駆動部と、前記第２の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第２の可動電極と、前記第２の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第２の固定電極と、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に形成され前記第２の圧電膜の伸縮により容量を可変可能な可変容量部の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との距離を調整する第２の駆動制御部と、を備えた加速度センサと、を備え、
   前記第１の駆動制御部は、前記加速度センサで検出された前記変動の大きさに基づいて、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整することを特徴とする可変容量装置。
2. 前記加速度センサは、前記容量の単位時間当たりの変化量と、前記第２の圧電膜の両面の電圧の単位時間当たりの変化量との少なくとも一方を検出することを特徴とする請求項１に記載の可変容量装置。
3. 互いに異なる方向の容量および電圧の少なくとも一方の単位時間当たりの変化量を検出する複数の前記加速度センサが設けられることを特徴とする請求項１または２に記載の可変容量装置。
4. 前記可変容量素子と前記加速度センサとは、同一サイズおよび同一形状であり、同一基板上に同一方向に隣接して形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の可変容量装置。
5. アンテナで送受信する無線信号の周波数帯域を調整するチューナブルアンテナと、
   送受信方向を切り替えるデュプレクサと、
   前記デュプレクサを介して前記アンテナから送信する送信信号を生成する送信処理部と、
   前記アンテナで受信され前記デュプレクサを通過した受信信号に含まれる所定周波数帯域成分を抽出する受信処理部と、
   前記送信処理部および前記受信処理部に接続されベースバンド処理を行うベースバンド処理部と、を備え、
   前記チューナブルアンテナ、前記送信処理部および前記受信処理部の少なくとも一つは、可変容量装置を有し、
   前記可変容量装置は、
   第１の圧電膜と前記第１の圧電膜を挟む第１の上下電極とを備えた第１の圧電駆動部と、前記第１の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第１の可動電極と、前記第１の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第１の固定電極と、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との間に形成される可変容量素子の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整する第１の駆動制御部と、を備えた可変容量素子と、
   前記可変容量素子に近接配置され、第２の圧電膜と前記第２の圧電膜を挟む第２の上下電極とを備えた第２の圧電駆動部と、前記第２の圧電駆動部の一端に電極スリットを介して設けられた第２の可動電極と、前記第２の可動電極にギャップを介し、誘電体膜を挟んで対向配置される第２の固定電極と、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との間に形成され前記第２の圧電膜の伸縮により容量を可変可能な可変容量部の予め定めた容量値からの変動を抑制するように、前記第２の可動電極と前記第２の固定電極との距離を調整する第２の駆動制御部と、を備えた加速度センサと、を備え、
   前記第１の駆動制御部は、前記加速度センサで検出された前記変動の大きさに基づいて、前記第１の可動電極と前記第１の固定電極との距離を調整することを特徴とする携帯電話。

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