JP4468297B2

JP4468297B2 - 可変インダクタ素子およびその製造方法、移動無線装置

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Publication number: JP4468297B2
Application number: JP2005378401A
Authority: JP
Inventors: 隆川久保; 野利彦長; 垣亨彦西
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-12-28
Filing date: 2005-12-28
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2025-12-28
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Description

本発明は、圧電アクチュエータを有する可変インダクタ素子およびその製造方法並びに移動無線装置に関する。

温度、静電力、電気機械的衝動および磁力を利用してミラーやレンズを駆動する技術が知られている（特許文献１参照）。

また、最近では、MEMS（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製造した圧電素子を有する圧電アクチュエータが注目されている。MEMS技術による圧電素子は、小型でかつ駆動力が大きいという特徴がある。この種の圧電アクチュエータを用いた可変インダクタが提案されている（特許文献２および３参照）。特許文献２に開示された圧電アクチュエータは、螺旋状インダクタが形成された基板の上に、同じく螺旋状インダクタが形成された誘電シートを配置し、誘電シートを基板上で移動させることで、二つの螺旋状インダクタの重畳度を変動させてインダクタンス値を変動させている。誘導シートの移動は、リニアアクチュエータによる静電力駆動により行っているが、誘導シート全体を移動させるため、かなりの駆動力を必要とし、誘導シートを迅速に動かすのが難しく、消費電力も多いという問題がある。

また、特許文献３に開示された可変インダクタは、互いに磁束が重複し合うループ状のインダクタを二つ用意し、一方のインダクタの角度を変えることで、二つのインダクタの磁気結合の大きさを可変制御している。ところが、角度を可変させるインダクタは、基板の上に配置されるため、基板面よりも下方には角度を振ることができず、移動可能な角度範囲が限られる。また、特許文献３には、角度を可変させるためのいくつかの手法が開示されているが、いずれの手法も、小さい駆動力でインダクタを駆動することはできず、消費電力が増えたり、駆動速度が遅くなる等の問題がある。
特開2003-209981号公報特開2004-304154号公報特開2001-76935号公報

本発明は、小さい駆動力で迅速にインダクタンスを可変制御でき、かつインダクタンスの可変幅が大きい可変インダクタ素子およびその製造方法並びに移動無線装置を提供するものである。

本発明の一態様によれば、凹部が形成された基板と、少なくとも一部が前記凹部内および前記凹部上に配置可能で、基板の水平面に対する角度を可変可能な第１のインダクタ素子と、少なくとも一部が前記凹部内および前記凹部上に配置可能で、前記第１のインダクタ素子と磁気結合をしており、前記基板の水平面に対する角度を可変可能な第２のインダクタ素子と、前記第１のインダクタ素子の前記角度を可変制御する少なくとも一対の第１圧電アクチュエータと、前記第２のインダクタ素子の前記角度を可変制御する少なくとも一対の第２圧電アクチュエータと、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子が提供される。

また、本発明の一態様によれば、基板上にトレンチを形成する工程と、前記トレンチの底面に、前記基板に固定される第１のインダクタ素子を形成する工程と、前記基板上の前記トレンチ形成箇所の周囲に第２のインダクタ素子を形成し、かつ第２のインダクタ素子の前記基板に対する角度を可変制御する圧電アクチュエータを形成する工程と、前記第１のインダクタ素子と前記第２のインダクタ素子とが互いに孤立化され、かつ前記第２のインダクタ素子が前記圧電アクチュエータにより支持されるように前記基板の一部を裏面側から除去する工程と、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子の製造方法が提供される。

また、本発明の一態様によれば、基板上に、第１のインダクタ素子と、第２のインダクタ素子と、前記第１のインダクタ素子の前記基板に対する角度を可変制御する第１の圧電アクチュエータと、前記第２のインダクタ素子の前記基板に対する角度を可変制御する第２の圧電アクチュエータとを互いに分離して形成する工程と、前記第１および第２のインダクタ素子が互いに孤立化され、かつ前記第１のインダクタ素子が前記第１の圧電アクチュエータにより支持され、かつ前記第２のインダクタ素子が前記第２の圧電アクチュエータにより支持されるように前記基板の裏面側から前記基板の一部を除去する工程と、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、小さい駆動力で迅速にインダクタンスを可変制御でき、かつインダクタンスの可変幅を大きくすることができる。

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。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（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インダクタ素子の斜視図、図２は図１の上面図、図３は図２のＡ−Ａ線断面図、図４は図２のＢ−Ｂ線断面図である。本実施形態による可変インダクタ素子は、基板１に固定された第１のインダクタ素子２と、第１のインダクタ素子２と磁気結合しており基板面に対する角度を可変可能な第２のインダクタ素子３と、第２のインダクタ素子３を捻り駆動する二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）とを備えている。

第１のインダクタ素子２は、その両端が基板１上の電極６，７に固定されており、磁束を生成する環状領域を有する。この環状領域は、基板１に形成された凹部８上に配置されている。第２のインダクタ素子３は凹部８上に配置される環状領域を有し、図２に示すように、第１のインダクタ素子２の一部を取り囲むように配置される。なお、第１のインダクタ素子２は、基板１に形成された凹部８内に配置されてもよい。このように、第１のインダクタ素子２を、基板１に形成された凹部８内に配置させる場合は、第１のインダクタ素子２の一部を湾曲させて形成すればよい。

第１および第２のインダクタ素子２，３の具体的形状は特に問わないが、以下では、説明の簡略化のために、図２に示すような矩形状であると仮定する。第２のインダクタ素子３の対向する二辺の一方９ａには、一対の圧電アクチュエータ４ａ，４ｂの各一端が接続され、辺９ａに対向する辺９ｂには、他の一対の圧電アクチュエータ５ａ，５ｂの各一端が接続されている。

一対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）のそれぞれには、直流電圧が印加される。これにより、圧電アクチュエータは上または下（図２では紙面の表裏方向）に変形駆動される。この変形駆動により、一対の圧電アクチュエータのうち一方４ａは第２のインダクタ素子３の一辺９ａを下向きに駆動し、他方４ｂは同一辺９ａを上向きに駆動する。

同様に、他の一対の圧電アクチュエータ５ａ，５ｂのそれぞれにも直流電圧が印加され、一対の圧電アクチュエータのうち一方５ａは第２のインダクタ素子３の一辺９ｂを下向きに駆動し、他方５ｂは一辺９ｂを上向きに駆動する。

このように、本実施形態では、第２のインダクタ素子３の対向する二辺９ａ，９ｂのそれぞれを、二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）で上下に駆動するため、個々の圧電アクチュエータは小さな駆動力でも第２のインダクタ素子３を迅速に回転駆動できる。

第１のインダクタ素子２は自己インダクタンスと相互インダクタンスを有し、第２のインダクタ素子３も自己インダクタンスと相互インダクタンスを有する。自己インダクタンスは各インダクタ素子に固有の値であり、その値は変化しないが、相互インダクタンスは、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３の磁気結合の度合いによって変化する。すなわち、第２のインダクタ素子３の基板面に対する角度が変化すると、それに応じて磁気結合の度合いも変化し、結果として相互インダクタンスが変化する。相互インダクタンスが変化すると、本実施形態による可変インダクタ素子の全体的なインダクタンスが変化する。

二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）に印加する直流電圧の電圧レベルを変えることにより、圧電アクチュエータの変形駆動量が変化し、第２のインダクタ素子３の回転量も変化する。したがって、二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）に印加する直流電圧を変化させることで、可変インダクタ素子全体のインダクタンスを可変制御できる。

図３および図４の断面図に示すように、第１のインダクタ素子２は、基板１上に形成された凹部８に孤立して配置され、第１のインダクタ素子２よりも外側で、かつ上方に第２のインダクタ素子３が配置されている。第２のインダクタ素子３を捻り駆動する圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）は、基板１上に形成される支持層１１と、支持層１１の上に形成される下部電極１２と、下部電極１２の上に形成される圧電層１３と、圧電層１３の上に形成される上部電極１４とで形成されている。

下部電極１２には直流電圧が印加され、上部電極１４は接地される。これにより、圧電層１３の上下面に直流電圧が印加され、圧電層１３は直流電圧に応じて変形駆動される。圧電アクチュエータの具体的な構造は特に問わないが、代表的には、ユニモルフ構造の圧電アクチュエータとバイモルフ構造の圧電アクチュエータのいずれかが採用される。バイモルフ構造の圧電アクチュエータは、金属ないしは絶縁物の支持板の両面に圧電素子を貼り付けた構造を有する。これに対して、ユニモルフ構造の圧電アクチュエータは金属ないしは絶縁物の支持板の一方の面のみに圧電素子を貼り付けた構造を有する。以下では、一例としてユニモルフ構造の圧電アクチュエータについて説明する。

図５は第１の実施形態による可変インダクタ素子に印加される直流電源２１および交流電源２２の接続関係を示す図、図６は図５の可変インダクタ素子の等価回路図である。

二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）を構成する計４つの圧電アクチュエータのそれぞれが有する一対の電極（１６ａ，１６ｂ）、（１７ａ，１７ｂ）、（１８ａ，１８ｂ）、（１９ａ，１９ｂ）間には、共通の直流電源２１から直流電圧Ｖpが印加される。直流電源２１と電極との間に接続される抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３は、交流電源２２からの交流電圧を遮断するためのものである。

第１のインダクタ素子２の両端部には電極６，７が設けられている。図６に示すように、第２のインダクタ素子３は、第１のインダクタ素子２に直列接続されており、これら２つのインダクタ素子間に交流電源２２が接続されている。

図７は交流電源２２から電極１６ａに正電圧が印加された時点での電流の流れを矢印で示した図である。図示のように、交流電源２２からの電流は、電極１６ａから圧電アクチュエータ４ａの下部電極１２を通って第２のインダクタ素子３の左半分に流れる。その後、圧電アクチュエータ５ａの下部電極１２を通って電極１８ａに流れる。その後、電極１９ａから圧電アクチュエータ５ｂの上部電極１４を通って第２のインダクタ素子３の右半分に流れる。その後、圧電アクチュエータ４ｂの上部電極１４を通って電極１７ａに流れる。その後、電極７から第１のインダクタ素子２を通って電極６を通って、最終的に交流電源２２に至る。交流電源２２の電圧の向きが逆になった場合は、図７の矢印とは反対の方向に電流が流れる。

図８は第１の実施形態による可変インダクタ素子の製造工程を示す図であり、以下、この図に従って本実施形態の製造工程を順に説明する。まず、シリコン基板１に、公知のリソグラフィおよびRIE（反応性イオンエッチング）技術により、深さ約３μmのトレンチ３１を形成する。次に、トレンチ３１の底面に、スパッタリング法により厚さ約２μmのAlを成膜した後、パターニングを行って、トレンチ３１の底にAlからなる第１のインダクタ素子２を形成する（図８（ａ））。図８（ａ）では図示していないが、第１のインダクタ素子２は基板１上の電極６，７に接続される。

次に、トレンチ３１の形成箇所を除いてシリコン基板１の上に、SiＯ₂からなる支持層１１を形成する。本実施形態では、支持層１１の厚さを約800nmとした。

次に、図８（ｂ）に示すように、支持層１１の上にスパッタリング法により下部電極１２を形成する。下部電極１２の材料は、例えばアルミニウム（Al）、金（Au）、白金（Pt）、銅（Cu）、イリジウム（Ir）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Mo）のいずれかである。本実施形態では、下部電極１２の材料として、Alを用いた。

次に、下部電極１２の上に圧電層１３を形成する。圧電層１３の材料は、例えば窒化アルミニウム（AlＮ）、酸化亜鉛（ZnＯ）、ペロブスカイト構造をもつ強誘電体のいずれかである。本実施形態では、圧電層１３として、ｃ軸配向されたAlＮを用いた。圧電層１３の厚さは、変位量を勘案して決められ、10nm〜１μmである。本実施形態では、圧電層１３の厚さを500nmとした。

次に、圧電層１３の上に上部電極１４を形成する。上部電極１４の材料は、下部電極１２の材料と同様である。下部電極１２と上部電極１４の厚さは100nm〜５μm程度であるが、本実施形態では両電極とも500nmとした。

下部電極１２と上部電極１４を形成する際、支持層１１の上面のトレンチ３１側に、下部電極１２の材料と上部電極１４の材料からなる二層構造の第２のインダクタ素子３を形成する。

次に、図８（ｃ）に示すように、基板１の裏面側にリソグラフィおよびRIE技術によりトレンチ３２を形成し、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３を孤立化させる。

以上の工程にて、外形寸法が200μm×200μmの第１のインダクタ素子２と、200μm×160μmの第２のインダクタ素子３とが形成される。

上記の製造工程により得られた可変インダクタ素子は、例えば別の絶縁基板を用いて封止される。例えば、別の絶縁基板としてシリコン基板を用いる場合、このシリコン基板内に凹部を形成し、凹部内に第２のインダクタ素子３が収納されるように、別の絶縁基板で可変インダクタ素子を覆い被して封止する。これにより、簡易な工程でパッケージングを行うことができる。

上述した製造工程により製造された可変インダクタの圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）に印加する直流電圧Ｖpを０〜３Ｖの範囲で変化させて、全体のインダクタンスを測定したところ、10.2nH〜15.3nHの可変値が得られた。インダクタンスの最小値と最大値の比が1.34倍であり、大きな可変幅が得られることがわかった。

このように、第１の実施形態では、基板１に固定される第１のインダクタ素子２と、第１のインダクタ素子２と磁気結合して基板面に対する角度を可変可能な第２のインダクタ素子３とを設け、第２のインダクタ素子３を二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）で捻り駆動するため、圧電アクチュエータのそれぞれは小さい駆動力で第２のインダクタ素子３を回転駆動できる。また、第２のインダクタ素子３は基板１に形成された凹部８内で回転駆動するため、基板面が回転駆動を妨げるおそれがなく、第２のインダクタ素子３の可変可能な角度範囲を大きくできる。これにより、可変インダクタ素子のインダクタンスの可変幅を大きくでき、性能に優れた可変インダクタ素子が得られる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態は、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３の形状が第１の実施形態とは異なるものである。

図９は第２の実施形態による可変インダクタ素子の上面図である。図示のように、基板１に固定される第１のインダクタ素子２を取り囲むように、基板面に対して角度を可変可能な第２のインダクタ素子３が設けられている。

第１の実施形態では、第２のインダクタ素子３が第１のインダクタ素子２を部分的にしか取り囲んでいなかったため、第１のインダクタ素子２にて生成される磁束のうち一部は第２のインダクタ素子３を通過しなかったが、第２の実施形態では、第１のインダクタ素子２にて生成される磁束のほぼすべてが第２のインダクタ素子３を通過する。したがって、第１の実施形態による可変インダクタ素子は、第１の実施形態よりも相互インダクタンスの変化率を大きくすることができる。

図１０は図９のＡ−Ａ線断面図、図１１は図９のＢ−Ｂ線断面図、図１２は図９のＣ−Ｃ線断面図である。これらの図からわかるように、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３は同じ高さに形成される。したがって、これらインダクタ素子を同一材料で、かつ同一の工程で製造することができ、製造工程を簡略化できる。

また、第１のインダクタ素子２の電極６，７の位置が第１の実施形態とは異なっており、第２のインダクタ素子３を挟んで、その外側に電極６，７が設けられている。これら電極６，７と第１のインダクタ素子２とは、図１２に示すように、接続配線層３３を介して互いに導通している。

図９のＡ−Ａ線断面とＢ−Ｂ線断面では第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３が同じ高さに形成されているが、Ｃ−Ｃ線断面では第２のインダクタ素子３が第１のインダクタ素子２よりも少し高い位置に形成されており、かつ第２のインダクタ素子３は他の部材から孤立化して形成されている。これにより、第２のインダクタ素子３は接続配線層３３と絶縁され、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３の短絡が防止される。

なお、Ｃ−Ｃ線断面で、第２のインダクタ素子３を孤立化するには、まず接続配線層３３の上に犠牲層を介して第２のインダクタ素子３を形成した後、ドライエッチングにより犠牲層を除去すればよい。

第２のインダクタ素子３は、二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）により捻り駆動される。第２のインダクタ素子３が回転しても、第２のインダクタ素子３は第１のインダクタ素子２と干渉しないが、第２のインダクタ素子３の一部は基板面と干渉するため、第１の実施形態と同様の角度範囲でしか回転できない。

このように、第２の実施形態では、第１のインダクタ素子２の全体を取り囲むように第２のインダクタ素子３を配置するため、第２のインダクタ素子３を回転駆動したときに両インダクタ素子間の相互インダクタンスの変化率がより大きくなる。また、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３を同じ材料で、かつ同じ製造工程で製造できるため、可変インダクタ素子の製造工程を簡略化できる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態は、第１および第２の実施形態とは圧電アクチュエータの取付位置が異なるものである。

図１３は第３の実施形態による可変インダクタ素子の斜視図、図１４はその上面図である。図１３の可変インダクタ素子は、二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）を備えており、各圧電アクチュエータはＬ字状に形成されている。より詳細には、各圧電アクチュエータは、第２のインダクタ素子３の回転軸１０に直交する方向に延在して一端が基板１上の電極に接続される長辺部３６と、この回転軸１０に平行する方向に延在して一端が第２のインダクタ素子３に接続される短辺部３７とを有する。

圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）の電極１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａには直流電圧が印加され、直流電圧の大きさにより圧電アクチュエータの長辺部３６が上または下に変形駆動される。これにより、短辺部３７に接続された第２のインダクタ素子３が回転駆動される。

一対の圧電アクチュエータ４ａ，４ｂは、第２のインダクタ素子３の一辺９ａを互いに逆方向に圧電アクチュエータを捻り駆動し、他の一対の圧電アクチュエータ５ａ，５ｂは、第２のインダクタ素子３の対向辺９ｂを互いに逆方向に圧電アクチュエータを捻り駆動するため、各圧電アクチュエータの駆動力が小さくても、第２のインダクタ素子３を回転駆動できる。

第３の実施形態による可変インダクタ素子は、圧電アクチュエータの長辺部３６が第２のインダクタ素子３の駆動辺に平行に近接配置されるため、図２と比べて図１４の縦方向の長さを短縮でき、第１および第２の実施形態の可変インダクタ素子よりも小型化が可能である。その一方で、上下に変形駆動される長辺部３６が直接第２のインダクタ素子３に接続されていないため、第２のインダクタ素子３の回転可能な範囲が第１および第２の実施形態よりも狭くなる。

（第４の実施形態）
第１〜第３の実施形態は、基板１に固定の第１のインダクタ素子２を備えていたが、第４の実施形態は、第２のインダクタ素子３だけでなく、第１のインダクタ素子２も基板面に対する角度を可変可能にしたものである。

図１５は第４の実施形態による可変インダクタ素子の斜視図、図１６はその上面図、図１７は図１６のＡ−Ａ線断面図、図１８は図１６のＢ−Ｂ線断面図である。

第２のインダクタ素子３の構造は第１〜第３の実施形態と同様であり、二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）により回転駆動される。第１のインダクタ素子２は、第２のインダクタ素子３よりもサイズが小さく、第１のインダクタ素子２の周囲を第２のインダクタ素子３が取り囲んでいる。第１のインダクタ素子２は、基板面に対する角度を可変可能とされており、第２のインダクタ素子３と同様に、二対の圧電アクチュエータ（４１ａ，４１ｂ）、（４２ａ，４２ｂ）により支持されている。第２のインダクタ素子３用の二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）、（５ａ，５ｂ）は、第１のインダクタ素子２用の二対の圧電アクチュエータ（４１ａ，４１ｂ）、（４２ａ，４２ｂ）と平行に配置され、各圧電アクチュエータの一端には第２のインダクタ素子３が接続され、他端には電極（１６ａ、１６ｂ）、（１７ａ、１７ｂ）、（１８ａ、１８ｂ）、（１９ａ、１９ｂ）が接続されている。また、第１のインダクタ素子２用の二対の圧電アクチュエータ（４１ａ，４１ｂ）、（４２ａ，４２ｂ）は、各圧電アクチュエータの一端には第１のインダクタ素子２が接続され、他端には電極（４３ａ，４３ｂ）、（４４ａ，４４ｂ）、（４５ａ，４５ｂ）、（４６ａ，４６ｂ）が接続されている。

図１６の左半分側に位置する電極（１８ａ，１８ｂ）、（１９ａ，１９ｂ）、（１６ａ，１６ｂ）、（１７ａ，１７ｂ）は、右半分側に位置する電極（４６ａ，４６ｂ）、（４５ａ，４５ｂ）、（４４ａ，４４ｂ）、（４３ａ，４３ｂ）と対称的に配置されている。

第１のインダクタ素子２は二対の圧電アクチュエータ（４１ａ，４１ｂ）、（４２ａ，４２ｂ）により捻り駆動され、第２のインダクタ素子３は二対の圧電アクチュエータ（４ａ，４ｂ）により捻り駆動される。第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３の両方を回転させることができるため、一方のインダクタ素子を固定にするよりも相互インダクタンスの可変量を大きくでき、理論的には相互インダクタンスの可変量は第１の実施形態の２倍になる。

図１７に示すように、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３は同一材料を用いて同一高さに形成されており、同一の製造工程で製造可能である。一方、図１８に示すように、図１６のＢ−Ｂ線断面では、第２のインダクタ素子３が第１のインダクタ素子２よりも高い位置に形成されている。これは、第１のインダクタ素子２用の圧電アクチュエータ４１ａ，４２ａが、第２のインダクタ素子３の下方を通過して第１のインダクタ素子２まで延在しているためであり、圧電アクチュエータ４１ａ，４２ａと第１のインダクタ素子２とを導通するために接続配線層３３が設けられている。第２のインダクタ素子３は接続配線層３３の上方に孤立して配置されるため、第２のインダクタ素子３が接続配線層３３と短絡するおそれはない。

図１９は第４の実施形態による可変インダクタ素子に印加される直流電源２１と交流電源２２の接続関係を示す図である。第１および第２のインダクタ素子２，３を回転駆動する四対の圧電アクチュエータのそれぞれは、直流電圧が印加される電極１６ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ，４３ａ，４４ａ，４５ａ，４６ａと、接地される電極１６ｂ，１７ｂ，１８ｂ，１９ｂ，４３ｂ，４４ｂ，４５ｂ，４６ｂとを有する。また、第１および第２のインダクタ素子２，３は図６に示すように直列接続されて、その両端には交流電源２２が接続される。

図２０は第４の実施形態による可変インダクタ素子の製造工程を説明する図であり、この工程図では図１６のＢ−Ｂ線断面構造を示している。まず、シリコン基板１上に、プラズマCVD法により支持層１１を形成し、支持層１１の一部はエッチング除去される。支持層１１は、例えば厚さ800nmのSiO₂膜である。次に、支持層１１の上に、スパッタリング法により接続配線層３３を形成する。接続配線層３３は、例えば厚さ500nmのAl層である。なお、接続配線層３３が形成されるのは、第１のインダクタ素子２用の圧電アクチュエータの形成箇所である。

次に、基板１上に、スパッタリング法により犠牲層４３を形成する。犠牲層４３は、例えば厚さ300nmのポリシリコン層である。犠牲層４３は、第２のインダクタ素子３の形成箇所に合わせて設けられる。

次に、基板１上に、下部電極１２、圧電層１３および上部電極１４を順に形成し、ユニモルフ構造の圧電アクチュエータを製造する。ここで、下部電極１２と上部電極１４はそれぞれ、例えばスパッタリング法を用いて形成される厚さ300nmのAl層である。圧電層１３は、例えば厚さ500nmのｃ軸配向させたAlNである。また、下部電極１２と上部電極１４を形成する際に、同じ材料および同じ工程にて、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３を形成する。

次に、基板１の裏面側から周知のリソグラフィおよびディープRIEを行って裏面側にトレンチ３２を開口し、XeF₂をエッチングガスとして用いたドライエッチングにより犠牲層４３を除去し、第１のインダクタ素子２と第２のインダクタ素子３を孤立化させた。

第１のインダクタ素子２の外径寸法は300μm×200μm、第２のインダクタ素子３の外径寸法は220μm×120μmである。

このように、第４の実施形態では、基板面に対する角度を可変可能な２つのインダクタ素子を互いに磁気結合するように配置するため、一方のインダクタ素子を固定する場合に比べて、相互インダクタンスの可変量を２倍まで高めることができ、より優れた可変インダクタ素子を実現できる。以上、本発明の実施形態では、凹部が形成された基板に固定され前記凹部内及び前記凹部上に配置された第１のインダクタ素子及び第２のインダクタ素子について説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。例えば、凹部が形成されていない基板上に第１のインダクタ素子及び第２のインダクタ素子を固定する柱を設け、前記インダクタを陸橋させて第２のインダクタ素子を可変制御する構成としてもよい。

なお、可変インダクタ素子の微細化という観点から見ると、凹部が形成された基板に固定され前記凹部内及び前記凹部上に配置された第１のインダクタ素子及び第２のインダクタ素子の構成を備えることがより好ましい。

（移動無線装置）
上記説明した可変インダクタ素子は、周波数が高い携帯電話等の移動無線装置に好適に用いることができる。例えば、図２１は、第１から第４の実施形態と同様の構成の可変インダクタを用いた携帯電話装置１００の概略構成を示すブロック図である。

図２１の携帯電話装置１００は、アンテナ１０１と、デュプレクサ１０２と、受信部１０３と、送信部１０４と、ベースバンド処理部１０５とを備えている。

受信部１０３は、ＬＮＡ（低雑音増幅器）１０７と、バンドパスフィルタ１０９と、Ａ／Ｄ変換機１１０とを備え、デュプレクサ１０２とＬＮＡ（低雑音増幅器）１０７との間、ＬＮＡ（低雑音増幅器）１０７とバンドパスフィルタ１０９との間には、それぞれのインピーダンスの整合を図るために、上記説明した可変インダクタ（インピーダンス整合器）１０６、１０８を備えている。

さらに、送信部１０４は、ベースバンド処理部１０５から出力された送信信号をアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器１１１と、バンドパスフィルタ１１２と、パワーアンプ１１４とを備え、バンドパスフィルタ１１２とパワーアンプ１１４との間、パワーアンプ１１４とデュプレクサ１０２との間には、ンス整合器）１１３、１１５を備えている。

このように、本実施形態による可変フィルタを携帯電話装置等の移動無線装置に用いることにより、小さい駆動力で迅速にインダクタンスを可変制御でき、かつインダクタンスの可変幅が大きい移動無線装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態による可変インダクタ素子の斜視図。図１の上面図。図２のＡ−Ａ線断面図。図２のＢ−Ｂ線断面図。第１の実施形態による可変インダクタ素子に印加される直流電源２１および交流電源２２の接続関係を示す図。図５の可変インダクタ素子の等価回路図。交流電源２２から電極１６ａに正電圧が印加された時点での電流の流れを矢印で示した図。第１の実施形態による可変インダクタ素子の製造工程を示す図。第２の実施形態による可変インダクタ素子の上面図。図９のＡ−Ａ線断面図。図９のＢ−Ｂ線断面図。図９のＣ−Ｃ線断面図。第３の実施形態による可変インダクタ素子の斜視図。図１３の上面図。第４の実施形態による可変インダクタ素子の斜視図。図１５の上面図。図１６のＡ−Ａ線断面図。図１６のＢ−Ｂ線断面図。第４の実施形態による可変インダクタ素子に印加される直流電源２１と交流電源２２の接続関係を示す図。第４の実施形態による可変インダクタ素子の製造工程を説明する図。本発明に関わる可変インダクタ素子を用いた移動無線装置の一例を説明する回路図。

符号の説明

１基板
２第１のインダクタ素子
３第２のインダクタ素子
４ａ，４ｂ，５ａ，５ｂ圧電アクチュエータ
６，７電極
８凹部
１１支持層
１２下部電極
１３圧電層
１４上部電極
１６ａ，１６ｂ，１７ａ，１７ｂ，１８ａ，１８ｂ，１９ａ，１９ｂ電極
１００携帯電話装置
１０１アンテナ
１０２デュプレクサ
１０３受信部
１０４送信部
１０５ベースバンド処理部
１０６可変インダクタ（インピーダンス整合器）
１０７ＬＮＡ（低雑音増幅器）
１０８可変インダクタ（インピーダンス整合器）
１０９バンドパスフィルタ
１１０Ａ／Ｄ変換機
１１１Ｄ／Ａ変換器
１１２バンドパスフィルタ
１１３可変インダクタ（インピーダンス整合器）
１１４パワーアンプ
１１５可変インダクタ（インピーダンス整合器）

Claims

凹部が形成された基板と、
前記基板に固定され、前記凹部内又は前記凹部上に配置される第１のインダクタ素子と、
少なくとも一部が前記凹部内および前記凹部上に配置され、前記第１のインダクタ素子と磁気結合しており、前記基板の水平面に対する角度を可変することで、前記第１のインダクタ素子との相互インダクタンスを可変制御する第２のインダクタ素子と、
前記第２のインダクタ素子を捻り駆動する少なくとも一対の圧電アクチュエータと、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子。
前記一対の圧電アクチュエータは、前記第２のインダクタ素子を前記基板の水平面に対して上下逆方向に駆動することを特徴とする請求項１に記載の可変インダクタ素子。
前記第２のインダクタ素子は、前記一対の圧電アクチュエータ間を回転軸として回転可能であり、
前記一対の圧電アクチュエータは、前記第２のインダクタ素子の同一辺上で、かつ前記回転軸に対して対称的な位置に配置されることを特徴とする請求項２に記載の可変インダクタ素子。
前記一対の圧電アクチュエータは、前記基板から前記第２のインダクタ素子にかけて前記回転軸に平行な方向に延在されることを特徴とする請求項３に記載の可変インダクタ素子。
前記一対の圧電アクチュエータは、
前記回転軸に直交する方向に延在して、直流電圧に応じて変形駆動される第１部材と、
一端が前記第１部材に接続されて前記回転軸に平行する方向に延在して、他端が前記第２のインダクタ素子に接続される第２部材と、を有することを特徴とする請求項３に記載の可変インダクタ素子。
前記圧電アクチュエータは、少なくとも二対設けられ、
前記二対の圧電アクチュエータのうち一対と他の一対とは、前記第２のインダクタ素子の対向する二辺にそれぞれ接続され、
各対の前記圧電アクチュエータのそれぞれは、前記第２のインダクタ素子を前記基板の水平面に対して上下逆方向に駆動することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
前記第２のインダクタ素子の全体は前記凹部内または前記凹部上に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
前記第２のインダクタ素子は、前記第１のインダクタ素子の全体を取り囲むように配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
前記第２のインダクタ素子の一部は前記基板の上に配置され、
前記第１のインダクタ素子の電極は、前記基板上の前記第２のインダクタ素子を挟んで前記第１のインダクタ素子とは反対側に設けられ、
前記第１のインダクタ素子の電極と前記第１のインダクタ素子とを接続する接続配線層を備えることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
前記一対の圧電アクチュエータに駆動電圧を供給するとともに、前記第２のインダクタ素子に交流電流を供給する圧電駆動電極を備えることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
凹部が形成された基板と、
少なくとも一部が前記凹部内および前記凹部上に配置可能で、基板の水平面に対する角度を可変可能な第１のインダクタ素子と、
少なくとも一部が前記凹部内および前記凹部上に配置可能で、前記第１のインダクタ素子と磁気結合をしており、前記基板の水平面に対する角度を可変する第２のインダクタ素子と、
前記第１のインダクタ素子の前記角度を可変制御する少なくとも一対の第１圧電アクチュエータと、
前記第２のインダクタ素子の前記角度を可変制御する少なくとも一対の第２圧電アクチュエータと、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子。
前記一対の第１の圧電アクチュエータは、前記第１のインダクタ素子を前記基板の水平面に対して上下逆方向に駆動し、
前記一対の第２の圧電アクチュエータは、前記第２のインダクタ素子を前記基板の水平面に対して上下逆方向に駆動することを特徴とする請求項１１に記載の可変インダクタ素子。
前記第１のインダクタ素子は、第１の回転軸の周りを所定の角度範囲で回転可能とされ、
前記一対の第１圧電アクチュエータは、前記第１のインダクタ素子の同一辺上で、かつ前記回転軸に対して対称的な位置に配置され、
前記第２のインダクタ素子は、第２の回転軸の周りを所定の角度範囲で回転可能とされ、
前記一対の第２圧電アクチュエータは、前記第２のインダクタ素子の同一辺上で、かつ前記回転軸に対して対称的な位置に配置されることを特徴とする請求項１２に記載の可変インダクタ素子。
前記圧電アクチュエータに用いられる圧電層は、窒化アルミニウム、酸化亜鉛またはペロブスカイト構造を有する強誘電体を含むことを特徴とする請求項１乃至１３のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
前記圧電アクチュエータに用いられる電極は、アルミニウム、金、白金、銅、イリジウム、タングステンまたはモリブデンを含むことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
前記一対の第１圧電アクチュエータに駆動電圧を供給するとともに、前記第１のインダクタ素子に交流電流を供給する第１の圧電駆動電極と、
前記一対の第２圧電アクチュエータに駆動電圧を供給するとともに、前記第２のインダクタ素子に交流電流を供給する第２の圧電駆動電極とを備えることを特徴とする請求項１１乃至１５のいずれかに記載の可変インダクタ素子。
基板上にトレンチを形成する工程と、
前記トレンチの底面に、前記基板に固定される第１のインダクタ素子を形成する工程と、
前記基板上の前記トレンチ形成箇所の周囲に第２のインダクタ素子を形成し、かつ第２のインダクタ素子の前記基板に対する角度を可変制御する圧電アクチュエータを形成する工程と、
前記第１のインダクタ素子と前記第２のインダクタ素子とが互いに孤立化され、かつ前記第２のインダクタ素子が前記圧電アクチュエータにより支持されるように前記基板の一部を裏面側から除去する工程と、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子の製造方法。
基板上に、第１のインダクタ素子と、第２のインダクタ素子と、前記第１のインダクタ素子の前記基板に対する角度を可変制御する第１の圧電アクチュエータと、前記第２のインダクタ素子の前記基板に対する角度を可変制御する第２の圧電アクチュエータとを互いに分離して形成する工程と、
前記第１および第２のインダクタ素子が互いに孤立化され、かつ前記第１のインダクタ素子が前記第１の圧電アクチュエータにより支持され、かつ前記第２のインダクタ素子が前記第２の圧電アクチュエータにより支持されるように前記基板の裏面側から前記基板の一部を除去する工程と、を備えることを特徴とする可変インダクタ素子の製造方法。
請求項１乃至１６のいずれかに記載の可変インダクタ素子を用いた移動無線装置。