JP4915130B2 - 可変コンデンサ - Google Patents

Description

本発明は、電気機器、電子機器における電圧又は電流を制御するのに適用して好適な可変コンデンサに関し、特にその電極構造に関する。

近年、電子技術における利便性、効率性が評価され、ＩＴ（information technology）、ＡＶ（audio visual）に代表される電子機器の普及が全世界的に加速している。また同時に地球環境、地球資源の有限性も強く指摘されるようになり機器の省エネルギー技術が強く求められている。

例えば電子機器の電源では効率の向上が継続的に行われ、一部のスイッチング電源に見られるように９０％以上の高い効率を達成しているものもある。しかしながら実態は依然としてコスト面やノイズ面から低効率の電源が多く使用されている。
また効率が高い電源においても入力電源電圧変動や部品ばらつき、負荷電流の変化に影響を受け、例えば低消費電力時などでは効率が大きく低下してしまっていた。

一般的に電源効率は機器の定格負荷（電力）で高くなるように設計されているが、実際の機器では動作電力は常に変動しており、同時に効率も変動している。テレビジョン受像機を例にとれば、音声出力や画面の輝度によりその電力は大きく変動する。逆の言い方をすれば負荷電流の大きさに最適な入力電圧が存在することになる。

それ以外にも商用電源の電圧変動の影響も受けるため、実動作での電源効率はスペックよりも低くなってしまう。これは電源方式がスイッチングレギュレータであってもシリーズレギュレータであっても同様である。

図６は、トランスの効率を示す図である。例えば一般にトランスは無負荷時でも無負荷損７３が発生するために無負荷時に効率最小となり、その後負荷電流の増加にともない効率７１が上昇するが、負荷損７２は負荷電流の二乗で発生するため、電流がある範囲を超えると負荷損７２が全損失の主要因となり逆に効率７１は低下する。

実際にトランスを用いない電源としては、例えば図７に示すコンデンサによる降圧を用いた電源では、交流（ＡＣ）１００Ｖの商用電源８１の一端をコンデンサ８２を介して、ダイオードブッリジより成る整流回路８３の一方の入力端子に接続し、この商用電源８１の他端をこの整流回路８３の他方の入力端子に接続し、この整流回路８３の一方及び他方の出力端子８４ａ及び８４ｂ間に定電圧用のツェナーダイオード８５及び平滑用コンデンサ８６を並列に接続したものである。

このような図７に示すトランスを用いない電源では、商用電源８１を直接整流し、その後レギュレータを構成するツェナーダイオード８５を介することで、出力端子８４ａ及び８４ｂ間に安定な直流電圧（ＤＣ）を得るようにしている。
このとき、コンデンサ８２により、予め電圧を下げてレギュレータを構成するツェナーダイオード８５の負担を軽くすることが行われている。

このように小電力の場合はコンデンサ８２が利用されることが多い。これはコンデンサ８２による電圧降下は電流の位相が電圧とずれるために電力損失が発生しないためであり、例えば待機電力用電源等に利用されている。しかしながらこの回路では負荷変動等により整流出力が変動することから通常は最大負荷に合わせて回路を構成し、軽負荷の時はレギュレータで電力を損失させることで安定電圧を作り出している。

また、コンデンサ８２の両端の電圧降下は周波数や負荷電流の変動により大きく変化してしまうため、負荷電流が大きく、負荷変動の大きい機器では使用することができない。従って現状では待機電力等数十ｍＷ程度の極小電力用途に限定されている。

また、図７のトランスを用いない電源において、リレー等により消費電力の大きい動作時はコンデンサ８２に所定の他のコンデンサを並列接続することで供給電力を増やすことも可能であるが、広い負荷範囲に対応するためには複数のコンデンサを切り換える必要がある。

また、リレー等で複数のコンデンサを切り替えることは原理的に可能であるが、スペースやコスト面以外に応答が遅いことや、切り換え時のノイズが発生することや、さらに連続的に容量を変化できないことなどのほかに、耐久性に難があることなどにより実用的ではない。従って負荷の変動に合わせて容量値を連続的に可変できるデバイスが必要となっていた。

なお、高周波回路の用途には電気的に容量制御可能なコンデンサとしてダイオードの端子間容量を利用したバリキャップなどが存在するが、電力制御としては、容量値、耐圧などが適合しないため使用できない。

また、近年ではＭＥＭＳ（micro electro mechanical system）を利用した可変コンデンサなどを含めて、一般に、コンデンサの容量は、誘電率、電極面積、電極間距離で決まる。従ってこのうちどれか１つ以上を制御すればいいことが分かる。実際にＭＥＭＳで提案されているコンデンサの容量制御は、電極を変位させることによる電極間距離や対向電極面積を可変する方式である。

また、例えば特許文献１にはセラミックコンデンサに５０Ｖを印加して誘電率を変えることで容量を７０％変化させた例が開示され、応用例としてフィルタ回路のカットオフ周波数や時定数発振回路の発振周波数を可変することが提示されている。
特開昭６２−２５９４１７号公報

上述したように、電子機器、電子回路における電力損失は使用電力の増大を招き、ユーザに余分な電気代を負担させるだけではなく、ひいては地球資源の浪費、地球温暖化の促進につながってしまうため電力損失は極小であることが望ましい。

また、回路が簡単でノイズが少ない電源トランスを用いたシリーズレギュレータ方式では、商用電源に接続された電源トランスにより必要となる電圧に降圧した後、ダイオードにより整流されて大容量コンデンサによって平滑される。この整流出力は不安定なためトランジスタの端子間電圧降下を制御するレギュレータにより電圧の安定化を行っている。

この場合の電圧降下は直流電圧降下であり基本的に全て熱に変換され、大きな電力損失が発生してしまう。必要となる電圧降下量は電源トランスや他の部品特性のばらつき、負荷電流の大小などの影響が大きく、電子機器を安定に動作させるためにマージンをとると通常状態では電力損失が非常に大きくなり、ひどい場合は３０％程度の効率となってしまっている。

また、スイッチングレギュレータ方式においては、電圧の安定化は半導体素子によるオン、オフ制御のため電力損失が少なく効率が高く取れるが、それでも入力や負荷条件により効率が変化して、軽負荷条件などでは効率の悪化が生じてしまい、もっと広範囲な入力及び負荷変動に対応することが求められている。

このため、電力用途としては容量を可変するための制御端子を有し、容量が大きく・耐圧が高く・許容電流の大きい可変コンデンサデバイスが要求され、さらに高い信頼性が必要となる。

この可変コンデンサは通常、制御電圧は一定となり原理上は電流が流れない。制御電圧を変えたときに過渡的に電流は流れるが、電流値は非常に小さいものである。このように、制御に要する電力が極小である点が、この電力制御デバイスの大きな長所となっている。従って、制御用の電極と入出力用の電極とは、求められる仕様が大きく違うことになり、製造にあたっては信頼性や生産性を考慮した配慮が必要となる。

本発明は、斯かる点に鑑み、低電力損失、低ノイズで交流（ＡＣ）電力制御ができる可変デバイスを低価格でありながら高信頼性を確保することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の可変コンデンサは、交流信号を入力して出力信号を出力する入出力端子と、入力される交流信号の電圧に対する容量値を制御するための制御端子を持つ積層型の可変コンデンサであり、制御端子に接続される制御用外部電極と入出力端子に接続される入出力用外部電極は、コンデンサ素体の長辺に配置されている。そして、入出力端子に接続される入出力用外部電極の総面積は、制御端子に接続される制御用外部電極の総面積より大きいことを特徴としている。

また、本発明の一形態では、更に、入出力端子に接続される入出力用外部電極の総端子数を、制御端子に接続される制御用外部電極の総端子数より少なくしている。また、制御端子に接続される制御用外部電極と入出力端子に接続される入出力用外部電極は、制御用外部電極及び入出力用外部電極の熱容量が略平衡となるように、入出力端子又は制御端子をコンデンサ素体の中心に対して点対称に配置するようにしている。

または、どちらの端子も長辺側に配置することで端子構成が２面でありながら入出力の外部電極サイズを小さくすることなく信頼性を確保することができる。
また、内部電極も電極間距離を略等しく制御用電極で入出力用電極を挟む形にしているので、構造的に対称性が保たれ、安定した特性が得られる。

本発明の可変コンデンサの電極構造によれば、長辺側に入出力端子と制御端子を共に設けることにより、同一端子面での内部電極から容易に外部電極に引き出される構造のため、部品の向きの変更が少なくハンドリングしやすくなり、電極サイズの小型化とともに安価に製造することができる。また、入出力用及び制御用の内部電極と外部電極の仕様を別にすることが可能となり、信頼性と生産性を両立することが容易となる。制御端子を長辺側に配置する場合は電極サイズを小さくすることで安価に４端子可変コンデンサを製造できる。また、電極サイズだけでなく、制御用の電極材料を安価なニッケルにしたり薄肉化したりすることが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の可変コンデンサの電極の最良の形態の例につき説明する。
図３は、一般的な積層セラミックコンデンサの構造を示し、図３Ａは一部破断斜視図,図３Ｂは内部斜視図、図３Ｃは一部断面図である。

一般的に積層セラミックコンデンサは、図３Ａ,３Ｂに示すように交互に積層された複数の誘電体セラミック５３の層と内部電極５２の層とが一体化したものであり、内部電極５２の材料である金属微粉末(Pd or Pd/Ag or Ni)をペースト化して導電ペーストを調製し、導電ペーストを用いて誘電体であるセラミックグリーンシート上に印刷する。セラミックグリーンシートは、温度補償用としては、酸化チタン系やジルコニウム系が用いられ、高誘電率系としては、チタン酸バリウム系が用いられる。

そして、セラミックグリーンシートと導電ペースト層とを交互に層状に複数層積層し、加熱圧着して一体化した後、還元性雰囲気中、高温で焼成して誘電体セラミック５３の層と内部電極５２の層とを一体化させる。

さらに内部電極５２から外部接続用端子として外部への引き出し用の端子電極５１が構成されて完成した電子部品となる。端子電極５１は図３Ｃに示すように、下地電極５５のう上にNiメッキ５６を施し、さらにその上面にSnメッキ５７を施して、メッキ電極品５４を構成している。

本実施の形態による可変コンデンサの動作例を図４に示す。図４Ａは回路図を示し、図４Ｂは動作図を示す。図４Ａにおいて、ＡＣ入力６１は可変コンデンサ６３の入力端子６５に接続され、可変コンデンサ６３の出力端子６６は負荷６４に接続される。可変コンデンサ６３の制御端子６７，６８は制御部６２に接続される。

例えば図４Ｂ(a)の例は、制御電圧が大きくなると可変コンデンサ６３の誘電率が変化して容量値が小さくなる。その結果、ＡＣ入力６１に対する可変コンデンサ６３の入力端子６５と出力端子６６との間の入出力間の電圧ドロップ６９が大きくなり、負荷６４に加わる出力電圧が小さくなることを示している。

このような可変コンデンサ６３の使い方では、例えば、ランプの調光回路や電子機器の待機時などに回路への入力電圧を下げることで待機電力を減らすことが可能となる。このとき、制御デバイスがコンデンサのため電圧と電流の位相がずれ原理的には電力ロスは生じない。

また、図４Ｂ(b)では、ＡＣ入力６１の電圧の可変する電圧ドロップ７０による変動を吸収して安定化させる例で、負荷６４に加わる電圧を検出して基準値と比較し、エラー電圧をフィードバックすることで安定化できる。

このように本実施の形態例の可変コンデンサは、電源回路などに配置され、制御電圧により電流又は電圧を最適になるよう制御することを主要な応用例としているため、入出力電極には数Ａ〜数ｍＡの電流が流れる。そのため、電力ロス及び発熱の原因となる等価抵抗値が小さく、高信頼性でなければならない。

これに対して、制御用電極は、デバイスの動作原理が電圧制御のため、定常的には電流が流れず、過渡状態のみ電流が流れるが、その値は数ｍＡ〜数μＡと入出用に比べて非常に小さく、等価抵抗は多少高くても問題とならない。

そこで、図１に示す入出力用及び制御用の内部電極及び外部電極の構成例は、両者の形状及び配置位置を変えるようにして、チップ積層セラミックコンデンサを例に、その外部電極とそれぞれのセラミックグリーンシート上の内部電極形状について示してある。

図１は、本実施の形態による可変コンデンサの外部及び電極例を示し、図１(a)は短辺側に入出力電極、長辺側に制御電極を配置した例、図１(b)は長辺側に制御電極及び入出力電極を配置した例、図１(c)は長辺側に制御電極と入出力電極を二つに分けて配置した例、図１ (d)は入出力電極と制御電極を二つに分けて配置した例である。

図１において、イは上から見た模式図、ロは横から見た模式図、ハは入出力用電極aを上から見た模式図、ニは入出力用電極bを上から見た模式図、ホは制御電極aを下から見た模式図、へは制御電極bを下から見た模式図である。

図１(a)は短辺側に入出力電極（端子）１，２を、長辺側に制御電極（端子）３，４を配置した例である。上から見た模式図イ、横から見た模式図ロに示すように長辺側に制御電極（端子）３，４を配置することで許容電流値が大きく高信頼性が求められる入出力の電極１，２が、一般的な積層セラミックコンデンサと同様な構造をとることができるため、低コストで高信頼性を得やすいというメリットが生じる。

入出力用電極aを上から見た模式図ハ（イと左右逆向きに図示）、入出力用電極bを上から見た模式図ニ（イと左右逆向きに図示）に示す入出力用電極a（１）、b（２）は、セラミックグリーンシート上に形成され、図に丸印で示したように外部電極用の取り出し口５，６が右または左（短辺側）に配置されている。

制御電極aを下から見た模式図ホ、制御電極bを下から見た模式図へに示す制御電極a（４）、b（３）も同様に、セラミックグリーンシート上に形成されるが、取り出し口７，８が上と下（長辺側）に配置される違いがある。

これらの入出力用電極a（１）、b（２）及び制御電極a（４）、b（３）が形成されるセラミックグリーンシートが、図２(b)に示すように、AC電極４３と制御電極４４のように交互に積層され、外部取り出し用４５の外部電極に接続される。

図１では分かりやすくするために入出力電極a（１）と入出力電極b（２）を違うものとして記述しているが、１８０度回転させれば同じものとなることを示している。これは制御電極a（４）、b（３）についても同様であり、１８０度回転させれば同じものとなることを示している。従って、電極形状は入出力用電極で１個、制御用電極で１個の２パターンでよい。

制御電極a（４）、b（３）は許容電流値が小さいことから、取り出し部７，８の電極サイズを小さくし、電極厚みを薄くすることが可能であり、パラジウムなどの高価な貴金属の量を減らすことができる。又は、より安価なニッケルなどの卑金属の使用も可能となる。

厚みを薄くすることは材料費低減だけではなく、部品高さを低くすることにつながり、部品の小型化が可能となる。又は同一高さとして積層数を増やすことで容量アップが可能になる。

この場合、入出力の電極サイズをさらに大きくできるのでより安定な接続が行われ、これにより、信頼性の向上が可能となる。
この例では端子を装着するための端子面が端子数と同じく４面となるために、例えば製造・修理時に作業者が端子面をピンセット等でつまみにくいというおそれがある。

これに対し図１(b)では、長辺側のみを端子面とすることで、入出力の電極１１，１２のサイズを小さくすることなく、制御電極１２，１４と会わせて４端子で、かつ２端子面化が可能となっている。２端子面のため、製造・修理時に作業者が端子面をピンセットでつまみやすくなるなど、セット製造上においてメリットが生じる。

この例では左右の電極サイズが異なり、熱容量に差が出るため、長辺方向で熱不平衡になりやすく、片側浮きなどの半田付け不良が起こるおそれがある。また無極性でありながら、部品に向きが生じてしまい、同一回路パターン上に左右逆向きに実装することができないというおそれもある。

これに対し、図１(c)では入出力電極２１，２２，２３，２４を長辺方向で左右に二つに分けて左右に均等配置し、又は図１(d)では制御電極３３，３４，３５，３６を長辺方向で左右に二つに分けて左右に均等配置することで熱的平衡を取っているので、半田付けの信頼性が向上する。

図１(c)に示す入出力電極２１，２２と，入出力電極２３，２４とは、１８０度回転させれば同じものとなることを示している。また、同様に、制御電極２５と制御電極２６とは、１８０度回転させれば同じものとなることを示している。

また、図１ (d)に示す入出力電極３１と、入出力電極３２とは、１８０度回転させれば同じものとなることを示している。また、同様に、制御電極３３，３４と、制御電極３５，３６とは、１８０度回転させれば同じものとなることを示している。

従って、図１(c) (d)の場合、電極形状は入出力用電極で１個、制御用電極で１個の２パターンでよい。これにより、同一回路パターン上に逆向きで実装が可能となる。図１(c) (d)の場合、端子数が増えるが、電極の合計面積を図１(a)と同じにしておけば材料費は同等に抑えられる。

図２は本実施の形態例による可変コンデンサの内部電極構成について示してあり、図２(a)は電気的接続を示す回路構成、図２(b)は内部電極の積層及び外部電極への接続例である。
図２(a)において、ＡＣ入力４１の一方の電極は第１層の一方の入出力電極ACa1、第２層の一方の入出力電極ACa2に接続され、ＡＣ入力４１の他方の電極は第１層の他方の入出力電極ACb1、第２層の他方の入出力電極ACb2に接続される。

制御入力４２の一方の電極は第１層の一方の制御電極a1、第２層の一方の制御電極a2に接続され、さらに第３層の一方の制御電極a3に接続される。制御入力４２の他方の電極は第１層の他方の制御電極b1、第２層の他方の制御電極b2に接続される。

ここで、第１層の一方の入出力電極ACa1と第１層の他方の制御電極b１との距離Lacと、第１層の一方の制御電極a1と第１層の一方の入出力電極ACa1との距離Ldcとは、等しく構成される。このとき、Lは誘電体の厚さを示している。

図２(b)において、図２(a)に示した入出力電極からなるAC電極４３が形成されるセラミックグリーンシート、及び図２(a)に示した制御電極からなる制御電極４４が形成されるセラミックグリーンシートが、交互に積層され、それぞれ外部取り出し用４６、４５の外部電極に接続される。

図２(a)に示すように、本実施の形態例では最外周を制御電極a1、a3として、両者を同一電位としてある。本実施の形態例では制御用電極数（５個）が入出力電極（４個）と対を成す内部電極数（４個対）より１個だけ多くなる。

さらに制御電極は入出力電極間の中間になるように配置し、誘電体厚みLが入出力電極と制御電極で同じになるようにしており、制御用入力電圧４２による制御電界が誘電体に均等にしかも最外周も含めた全ての誘電体に加わるように配慮してある。

このために安定で広範囲に容量を制御することができる可変コンデンサを得ることができる。誘電体の厚みを積層間で同等にしているので、入出力電極に接続される入出力端子間と制御電極に接続される制御端子間の耐圧もほぼ同等となる。

また、これに限らず、制御用入力電圧４２を低くするためには制御電極間の距離を小さくすることで対応することができ、図５にその内部電極構成例を示す。
図５において、ＡＣ入力４１の一方の電極は第１層の一方の入出力電極ACa1、第２層の一方の入出力電極ACa2に接続され、ＡＣ入力４１の他方の電極は第１層の他方の入出力電極ACb1、第２層の他方の入出力電極ACb2に接続される。

制御入力４２の一方の電極は第１層の一方の制御電極a1、第２層の一方の制御電極a2に接続され、さらに第３層の一方の制御電極a3、第４層の一方の制御電極a4に接続される。制御入力４２の他方の電極は第１層の他方の制御電極b1、第２層の他方の制御電極b2に接続され、さらに第３層の他方の制御電極b3、第４層の他方の制御電極b4に接続される。

このように、各入出力電極を２枚の制御電極で挟む構成にすることにより、制御効率を向上させることができる。
ここで、第１層の一方の入出力電極ACa1と第１層の他方の制御電極b１との距離Lacと、第１層の一方の制御電極a1と第１層の一方の入出力電極ACa1との距離Ldc1とは、等しく構成される。さらに、第１層の他方の制御電極b１と第２層の一方の制御電極a2との距離Ldc2は、上述した距離Ldc1の２倍に構成される。このとき、Lは誘電体の厚さを示している。

以上６面体構造のチップコンデンサを例として説明したが、他の部品形状、端子形状も本実施形態を適用することが可能であり、容量を可変制御可能にすることができるものであればセラミックコンデンサである必要もないことはもちろんである。

上述した本実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱しない限り、適宜、その構成を変更しうることは言うまでもない。

本発明による可変コンデンサの外部及び電極例を示し、図１(a)は短辺側に入出力電極、長辺側に制御電極を配置した例、図１(b)は長辺側に制御電極及び入出力電極を配置した例、図１(c)は長辺側に制御電極と入出力電極を二つに分けて配置した例、図１ (d)は入出力電極と制御電極を二つに分けて配置した例である。 可変コンデンサの内部電極構成について示してあり、図２(a)は電気的接続を示す回路構成、図２(b)は内部電極の積層及び外部電極への接続例である。 一般的な積層セラミックコンデンサの構造を示し、図３Ａは一部破断斜視図,図３Ｂは内部斜視図、図３Ｃは一部断面図である。 可変コンデンサの動作例を示し、図４Ａは回路図、図４Ｂは動作図を示す。 制御電極間の距離を小さい場合の内部電極構成を示す図である。 トランスの効率を示す図である。 コンデンサによる降圧を示す図である。

符号の説明

１、２…入出力電極、３，４…制御電極、５，６，７，８…取り出し面、１１、１３…入出力電極、１２，１４…制御電極、２１、２２，２３，２４…入出力電極、２５，２６…制御電極、３１、３２…入出力電極、３３，３４，３５，３６…制御電極、

Claims (5)

1. 交流信号を入力して出力信号を出力する入出力端子と、入力される交流信号の電圧に対する容量値を制御するための制御端子を持つ積層型の可変コンデンサにおいて、
   上記制御端子に接続される制御用外部電極と上記入出力端子に接続される入出力用外部電極は、コンデンサ素体の長辺に配置され、
   上記入出力端子に接続される入出力用外部電極の総面積は、上記制御端子に接続される制御用外部電極の総面積より大きい、
   ことを特徴とする可変コンデンサ。
2. 更に、上記入出力端子に接続される入出力用外部電極の総端子数は、上記制御端子に接続される制御用外部電極の総端子数より少なくした、
   ことを特徴とする請求項１に記載の可変コンデンサ。
3. 上記入出力端子又は上記制御端子は、上記制御用外部電極及び上記入出力用外部電極の熱容量が略平衡となるように、上記コンデンサ素体の中心に対して点対称に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の可変コンデンサ。
4. 上記入出力端子に接続される入出力用電極と上記制御端子に接続される制御用電極とで、上記可変コンデンサの内部に形成される内部電極の極数、サイズ、形状、厚さ、組成と誘電体厚さのうち少なくとも一つが異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の可変コンデンサ。
5. 上記制御端子に接続される制御用電極の電極数は奇数であり、上記制御用電極の一番外より電極が同一電位であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の可変コンデンサ。

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