JP5619998B2 - 可変容量コンデンサ - Google Patents
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Description
本発明は、電圧印加により固定電極と可動電極の対向間隔が変化する可変容量コンデンサに関する。
例えば携帯電話の発振回路や変調回路などに組み込まれる可変容量コンデンサは、該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、近年ではMEMS技術を利用して実現されている。MEMS可変容量コンデンサは、具体的には、固定電極と、この固定電極と所定の対向間隔をあけて配設した可動電極と、この可動電極を固定電極に対して変位自在に支持する梁部と、固定電極と可動電極の間に駆動電圧を印加するための駆動電極とを備え、駆動電圧が印加されたときに固定電極と可動電極の間に生じる力(例えば静電力、磁力、圧電力など)の作用で可動電極が変位し、固定電極と可動電極の対向間隔が変化して静電容量が変化するように構成されている。
従来の可変容量コンデンサは、例えば特許文献1に記載されているように、固定電極と可動電極の間に直流の駆動電圧を印加するDC駆動タイプであった。このため、可変容量コンデンサの大きな容量変化を得ようとすると高い駆動電圧が必要になり、消費電力が大きくなるほか、この高電圧を発生させるための昇圧回路が必要となって装置の大型化を避けられなかった。常に小型化及び薄型化が要求される携帯機器では、可変容量コンデンサを組み込むことが小型化・薄型化を狙う上で不利になってしまう。また、固定電極または可動電極の上または下に積層形成された誘電体膜を備えるタイプでは、固定電極と可動電極の間に高電圧を印加し続けると誘電体膜が帯電して固定電極と可動電極が固着し、可変容量素子として機能しなくなるという課題もあった。
上記DC駆動による課題を解消するには、直流の駆動電圧に替えて交流の駆動電圧を用いることが考えられる。しかし、交流の駆動電圧を用いると、固定電極と可動電極の間に印加する駆動電圧自体が変動することから、可動電極が固定電極に対して近づく方向と離れる方向とに振動する。このため、可変容量コンデンサの静電容量にリップルが生じて回路部品として扱いづらかった。
本発明は、上記課題を鑑み、低電圧で駆動でき、リップルを抑えて安定した静電容量が得られる可変容量コンデンサを提供することを目的とする。
本発明は、交流の駆動電圧を用いれば低電圧駆動及び固定電極と可動電極の固着防止を図れること、及び、並列接続した複数の可変容量素子を所定の位相差で駆動すれば、各可変容量素子の静電容量が合成されてリップルが抑えられ、安定した容量出力を得られることに着目して完成されたものである。
すなわち、本発明によれば、対向配置した固定電極と可動電極、この可動電極を変位自在に支持する梁部及び固定電極と可動電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる駆動電極を有し、互いに並列接続された複数の可変容量素子と、この複数の可変容量素子の駆動電極に、該素子毎に所定の位相差をもって、交流の駆動電圧を順に印加する駆動制御手段とを備え、複数の可変容量素子の静電容量の総和を容量出力とすることを特徴としている。
駆動制御手段は、具体的には、駆動電極への電圧印加により固定電極と可動電極の間に静電力を生じさせて該固定電極と可動電極の対向間隔を変化させることが好ましい。
複数の可変容量素子は、固定電極または可動電極の上下少なくとも一方に積層形成された誘電体を備えていることが好ましい。誘電体を備えている場合でも、交流の駆動電圧を用いれば、誘電体の帯電がリセットされる(ゼロになる)瞬間があり、可動電極と固定電極の固着を防止することができる。
駆動制御手段が複数の可変容量素子の駆動電極に印加する駆動電圧の周波数は、梁部により決定される可動電極の共振周波数または該共振周波数との差が所定以内の周波数であることが好ましい。この態様によれば、可動電極の共振による倍増効果で、低電圧駆動であっても、可動電極の大きな変位量が得られ、可変比を大きく確保できる。
駆動制御手段は、可変容量素子毎の位相差を360°/素子数に設定することが実際的である。
本発明によれば、低電圧で駆動でき、リップルを抑えて安定した静電容量が得られる可変容量コンデンサを提供することができる。
図1は、本発明の可変容量コンデンサの全体構成を示す模式ブロック図である。可変容量コンデンサ100は、互いに並列接続された複数の可変容量素子X(X1〜Xn;nは整数)と、多分割位相シフターYとを備えている。多分割位相シフターYは、複数の可変容量素子X1〜Xnの駆動制御手段であって、外部交流電源Eから供給された交流の駆動電圧を可変容量素子X1に与え、その後、同駆動電圧を、所定の位相差αずつ遅らせて、対応する可変容量素子X2〜Xnに与える複数の位相器Y1〜Yn-1を備えている。
図2〜図9は、可変容量素子Xnの第1実施形態を示している。図2(a)は可変容量素子Xnの概略構成を示す模式図であり、図2(b)は可変容量素子Xnの回路図、図2(c)は(b)の等価回路図である。第1実施形態の可変容量素子Xnは、一対の固定電極11A、11Bの間に可動電極(容量形成電極)12を配設し、この可動電極12側に、多分割位相シフターYに接続された駆動電極13を設けている。可動電極12と駆動電極13は、例えばSiO2からなる誘電体膜14を介して電気的に絶縁されている。
この可変容量素子Xnにおいて、駆動電極13に電圧印加がない状態では、可動電極12を変位自在に支持する梁部10b2(図5〜図7)のばね力によって可動電極12が一対の固定電極11A、11Bの中間位置に保持され、一方の固定電極11Aと可動電極12の対向間隔と他方の固定電極11Bと可動電極12の対向間隔は等しく保持されている。すなわち、一方の固定電極11Aと可動電極12の間に生じる第1の静電容量Canと、他方の固定電極11Bと可動電極12の間に生じる第2の静電容量Cbnは等しい。図2(a)は、この電圧印加がない状態を示している。そして、多分割位相シフターYを介して駆動電極13に交流の駆動電圧が印加されると、可動電極12と他方の固定電極11Bとの間に静電力が発生し、この静電力の作用により可動電極12が変位する。ここで生じる静電力は、一定ではなく、該印加された交流電圧の大きさに対応して変動する。このため、可動電極12は図示上下方向に振動し、この振動に伴って一方の固定電極11Aと可動電極12の対向間隔及び他方の固定電極11Bと可動電極12の対向間隔が変化し、第1の静電容量Can及び第2の静電容量Cbnも変化する。具体的には、可動電極12が他方の固定電極11Bに近づく方向(図示下方向)に変位すると、可動電極12と他方の固定電極11Bの対向間隔は狭くなって第2の静電容量Cbnが大きくなり、可動電極12と一方の固定電極11Aの対向間隔は拡がって第1の静電容量Canが小さくなる。逆に、可動電極12が他方の固定電極11Bから離れる方向(図示上方向)に変位すると、可動電極12と他方の固定電極11Bの対向間隔は拡がって第2の静電容量Cbnが小さくなり、可動電極12と一方の固定電極11Aの対向間隔は狭くなって第1の静電容量Canが大きくなる。駆動電極13への電圧印加が停止されると、梁部10b2(図5〜図7)のばね力によって、可動電極12は一対の固定電極11A、11Bの中間位置に復帰する。
図2(b)及び図2(c)に示すように、第1の静電容量Canと第2の静電容量Cbnは電気的に並列な関係であり、第1の静電容量Canと第2の静電容量Cbnの合成容量が可変容量素子Xnの静電容量Cnとなる(Cn=Can+Cbn)。
図3は、可変容量素子Xnの静電容量Cnの位相変化を示すグラフである。図3に示すように、第1の静電容量Cbnの変化と第2の静電容量Canの変化は180°の位相差をもち、その合成容量となる可変容量素子Xnの静電容量Cnは、1周期(360°)の間に、2回のピーク値を有している。
図4〜図8を参照し、可変容量素子Xnのより具体的な構成例を説明する。図4は8個の可変容量素子X1〜X8(n=8)を備えた可変容量コンデンサを示す平面図であり、図5は図4の部分拡大図であり、図6は図4のVI−VI線に沿う断面図である。図7及び図8は、図5及び図6の可変容量素子Xnの製造工程を示す断面図である。
8個の可変容量素子X1〜X8は、図4に示すように二次元的に配置され、図6の上基板10及び下基板50により構成されている。
上基板10は、SOI(シリコンインシュレーター)基板からなり、SiO2膜10cを挟んで積層した第1のSi基板10a及び第2のSi基板10bを有している。第1のSi基板10aは、一方の固定電極11Aとして機能し、グランド接地されている。第2のSi基板10b上にはSiO2からなる誘電体膜14が形成されており、この誘電体膜14上に、可動電極12と駆動電極13が薄膜形成されている。SiO2からなる誘電体膜は、第1のSi基板10aの第2のSi基板10bと対向する面にも積層形成されていてもよい。
図5に示すように、可動電極12は、第2のSi基板10bの平面矩形状をなす中央部10b1に該中央部10b1より小さな平面矩形状で形成され、配線部12aを介して可変容量素子X n の出力部に接続されている。駆動電極13は、第2のSi基板10bの中央部10b1に該中央部10b1及び可動電極12の周縁に沿って形成され、配線部13aを介して多分割位相シフターYに接続されている。
第2のSi基板10bは、その厚さが10μm程度で可撓性を有しており、中央部10b1の各辺から外方に延出形成した線条体の梁部10b2が形成され、各梁部10b2の終端で第1のSi基板10a及び下基板50に接合されている。すなわち、梁部10b2を介して中央部10b1が変位自在に支持されている。可動電極12の配線部12a及び駆動電極13の配線部13aは、4本の梁部10b2のうち異なる2本の梁部10b2上に配設され外方へ引き出されている。SiO2膜10cは、第1の基板10aと梁部10b2の接合部分を除いて除去されており、その除去部分が第1のSi基板10aと第2のSi基板10bのギャップを形成している。このギャップ間隔は、SiO2膜10cの膜厚に対応し、図示実施形態では2μmである。第1のSi基板10aは、その厚さが100μm程度で第2のSi基板10bに比べて十分厚く、第2のSi基板10bが撓んでもその撓みに追随しない。
図7は、上基板10の製造工程(a)〜(f)を示している。まず、SiO2膜10cを挟んで積層した第1のSi基板10a及び第2のSi基板10bからなるSOI基板10'を洗浄する。次に、図7(a)に示すように第2のSi基板10b上にSiO2からなる誘電体膜14を1μm程度の膜厚で形成する。続いて、図7(b)に示すように、レジストパターニング法により、誘電体膜14上に、可動電極12と駆動電極13を同時に形成する。この可動電極12と駆動電極13には、例えばTi/Au膜を用いることができ、そのTi膜厚は1000Å程度とし、Au膜厚は1μm程度とする。続いて、図7(c)に示すように、可動電極12と駆動電極13の上面をレジストRで覆う。この工程では、不図示である梁部10b2を形成すべき領域もレジストRで覆っておく。そして、図7(d)に示すようにSiO2膜10cが露出するまでエッチング処理し、図7(e)に示すようにレジストRを剥離する。これにより、レジストRで覆われていない誘電体膜14と第2のSi基板10bが除去され、残された第2のSi基板10bは、可動電極12と駆動電極13が形成された平面矩形状の中央部10b1と、この中央部10b1の各辺から細長く延出した梁部10b2とが形成される。さらに、図7(f)に示すように、第1のSi基板10aと第2のSi基板10bの接合部(梁部10b2の終端)を除いてSiO2膜10cを除去すると、図6の上基板10が得られる。
下基板50は、グランド接地された厚さ100μm程度のSi基板からなり、他方の固定電極11Bとして機能する。図8は下基板50の製造工程を示している。この下基板50は、基板洗浄後、図8(a)に示すようにSi基板上にSiO2膜51を1μm程度の膜厚で形成し、図8(b)に示すように、上基板10との接合領域に、導体パターン52'を形成することで得られる。導体パターン52'は、上基板10と下基板50の接合部52となるもので、この接合部52は、図4に示されるように下基板50の基板周縁に沿って形成されている。導体パターン52'は、例えばTi/Au膜を用いることができ、そのTi膜厚は1000Å程度とし、Au膜厚は2μm程度とする。
上基板10の可動電極12及び駆動電極13と下基板50のSiO2膜51を対向させ、高温高圧環境下(例えば350℃、10気圧)で上基板10と下基板50を気密に接合すると、図4の可変容量素子Xnが得られる。駆動電圧の印加がない状態での他方の固定電極11Bと可動電極12の対向間隔は、図示実施形態では2μmであり、接合部52の厚さに一致している。
次に、図9及び図10を参照し、多分割位相シフターYによる複数の可変容量素子X1〜Xnの駆動制御について説明する。可変容量コンデンサ100の静電容量(容量出力)Cは、複数の可変容量素子X1〜Xnの静電容量C1〜Cnの総和である。多分割位相シフターYの各位相器Y1〜Yn-1の位相差αは、α=360°/(可変容量素子数n)により決定する。図9は、多分割位相シフターYが8個の可変容量素子X1〜X8の駆動制御する場合のタイミングチャートである。図9において、駆動電圧信号「1」の状態は可変容量素子X1〜X8に交流の駆動電圧が印加されることを意味し、駆動電圧信号「0」の状態は可変容量素子X1〜X8への駆動電圧が印加されていないことを意味している。多分割位相シフターYは、基準パルス信号に基づいて動作し、7個の位相器Y1〜Y7が位相差α=45°で8個の可変容量素子X1〜X8に外部交流電源Eからの駆動電圧を順番に印加していく。基準パルス信号の1パルス分のパルス間隔は各位相器Y1〜Y7の位相差α=45°に対応している。図9のように位相差α=45°で8個の可変容量素子Xn(X1〜X8)をn=1から順に駆動させると、これら8個の可変容量素子X1〜X8の合成容量として得られる可変容量コンデンサ100の容量出力Cが平滑化され、リップルが低減する。図10は、図9のタイミングチャートで駆動制御された可変容量コンデンサ100の静電容量Cの位相変化を示すグラフである。この図10から明らかなように、可変容量コンデンサ100の静電容量Cは、リップルが±0.3%以内に抑えられ、ほぼ一定となった。
上記複数の可変容量素子X1〜Xnに与える交流の駆動電圧の周波数は、1〜100kHzの範囲で適宜設定でき、本実施形態では可動電極12の共振周波数付近に設定してある。この共振周波数付近の駆動電圧を用いると、可動電極12の共振による増倍効果で大きな変位量が得られ、低電圧駆動の実現に有利である。可動電極12の共振周波数は、梁部10b2の形状、ばね定数、重さ等により決定される。また、可変容量コンデンサ100の静電容量Cは、複数の可変容量素子X1〜Xnに印加する駆動電圧の大きさにより任意に設定可能である。
図11は、可変容量素子Xnの第2実施形態の概略構成を示す模式図である。第2実施形態の可変容量素子Xnは、一対の固定電極11A、11Bの間に可動電極(容量形成電極)12を配設し、他方の固定電極11B側に、多分割位相シフターYに接続された駆動電極13を設けている。他方の固定電極11Bと駆動電極13は、例えばSiO2からなる誘電体膜14を介して電気的に絶縁されている。この駆動電極13の配設位置以外は、第1実施形態と同一の構成である。
図12は、可変容量素子Xnの第3実施形態の概略構成を示す模式図である。第3実施形態の可変容量素子Xnは、一対の固定電極11A、11Bの間に可動電極(容量形成電極)12を配設し、一対の固定電極11A、11Bの両方に、駆動電極13(13A、13B)を設けたタイプである。一方の固定電極11Aと駆動電極13Aは、同一のSi基板10A上に例えばSiO2からなる誘電体膜14Aを介して形成され、この誘電体膜14Aで電気的に絶縁されている。同様に、他方の固定電極11Bと駆動電極13Bは、同一のSi基板10B上に例えばSiO2からなる誘電体膜14Bを介して形成され、この誘電体膜14Bで電気的に絶縁されている。駆動電極13A、13Bは、多分割位相シフターYA、YBにそれぞれ接続されている。一方の多分割位相シフターYAと他方の多分割位相シフターYBは、外部交流電源Eから供給された交流の駆動電圧を180°位相を反転させて、一方の駆動電極13Aと他方の駆動電極13Bに印加している。この駆動電極13及び多分割位相シフターYを一対で備える以外の構成は、第1実施形態と同一の構成である。
図13及び図14は、可変容量素子Xnの第4実施形態を示している。図13は可変容量素子Xnの概略構成を示す模式図である。第4実施形態の可変容量素子Xnは、固定電極11と可動電極(容量形成電極)12を対向対置して、可動電極12側に、駆動電極13を設けた片側電極タイプである。可動電極12と駆動電極13は、例えばSiO2からなる誘電体膜14を介して電気的に絶縁されている。図14は、可変容量素子Xnの静電容量Cnの位相変化を示すグラフである。多分割位相シフターYの各位相器Y1〜Yn-1の位相差αは、α=360°/(可変容量素子数n)により決定する。多分割位相シフターYが8個の可変容量素子X1〜X8の駆動制御する場合のタイミングチャートは、第1実施形態と同様であり、図9に示されている。
上記第1〜第4実施形態において、より少ない可変容量素子数nで可変容量コンデンサ100の容量出力を平滑化するという観点では、1周期(360°)の中に各可変容量素子X1〜Xnの静電容量C1〜Cnが1回のピーク値をとる第4実施形態に比べて、1周期(360°)の中に各可変容量素子X1〜Xnの静電容量C1〜Cnが2回のピーク値をとる第1〜第3実施形態のほうが有利である。
以上の各実施形態によれば、複数の可変容量素子X1〜Xnを並列接続し、これら複数の可変容量素子X1〜Xnを所定の位相差αで交流の駆動電圧を印加して駆動制御するので、複数の可変容量素子X1〜Xnの静電容量の総和として得られる可変容量コンデンサ100の容量出力Cが平滑化され、リップルは低減される。これにより、交流の駆動電圧を用いても安定した容量出力Cが得られ、回路部品として扱いやすくなった。
そして、交流の駆動電圧を用いたことにより低電圧駆動を実現でき、本可変容量コンデンサを組み込む装置側の低消費電力化、小型化及び薄型化に貢献できる。さらに、駆動電圧の周波数を可動電極の共振周波数付近に設定すれば、低い駆動電圧であっても可動電極の変位量を大きく確保でき、可変容量比を大きくすることが可能である。また、交流の駆動電圧を用いたことにより誘電体膜の帯電がリセットされる(ゼロになる)瞬間が生じるので、直流の駆動電圧を用いた場合に比べて誘電体膜の帯電を抑制でき、可動電極と固定電極の固着を防止することができる。
そして、交流の駆動電圧を用いたことにより低電圧駆動を実現でき、本可変容量コンデンサを組み込む装置側の低消費電力化、小型化及び薄型化に貢献できる。さらに、駆動電圧の周波数を可動電極の共振周波数付近に設定すれば、低い駆動電圧であっても可動電極の変位量を大きく確保でき、可変容量比を大きくすることが可能である。また、交流の駆動電圧を用いたことにより誘電体膜の帯電がリセットされる(ゼロになる)瞬間が生じるので、直流の駆動電圧を用いた場合に比べて誘電体膜の帯電を抑制でき、可動電極と固定電極の固着を防止することができる。
以上では、駆動電圧の印加により固定電極と可動電極の間に静電力を発生させ、該静電力の作用によりその対向間隔を変化させる実施形態で本発明を説明したが、駆動電圧の印加により固定電極と可動電極の間に磁力または圧電力を生じさせてその対向間隔を変化させる態様にも、本発明は適用可能である。
本発明の可変容量コンデンサは、低消費電力化、小型化及び薄型化が要求される携帯機器全般に適用可能である。
10 上基板
10a 第1のSi基板
10b 第2のSi基板
10b1 中央部
10b2 梁部
11A、11B 固定電極
12 可動電極
13 駆動電極
14 誘電体膜
E 外部交流電源
X(X1〜Xn) 可変容量素子
Y 多分割位相シフター
Y1〜Yn-1 位相器
10a 第1のSi基板
10b 第2のSi基板
10b1 中央部
10b2 梁部
11A、11B 固定電極
12 可動電極
13 駆動電極
14 誘電体膜
E 外部交流電源
X(X1〜Xn) 可変容量素子
Y 多分割位相シフター
Y1〜Yn-1 位相器
Claims (5)
- 対向配置した固定電極と可動電極、この可動電極を変位自在に支持する梁部及び前記固定電極と可動電極の対向間隔を変化させるための駆動電圧が与えられる駆動電極を有し、互いに並列接続された複数の可変容量素子と、
この複数の可変容量素子の駆動電極に、該素子毎に所定の位相差をもって、交流の駆動電圧を順に印加する駆動制御手段とを備え、
前記複数の可変容量素子の静電容量の総和を容量出力とすることを特徴とする可変容量コンデンサ。 - 請求の範囲第1項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記駆動制御手段は、前記駆動電極への電圧印加により前記固定電極と前記可動電極の間に静電力を生じさせて該固定電極と可動電極の対向間隔を変化させる可変容量コンデンサ。
- 請求の範囲第1項または第2項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記複数の可変容量素子は、前記固定電極または前記可動電極の上下少なくとも一方に積層形成された誘電体を備えている可変容量コンデンサ。
- 請求の範囲第1項ないし第3項のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記駆動制御手段が前記複数の可変容量素子の駆動電極に印加する駆動電圧の周波数は、前記梁部により決定される前記可動電極の共振周波数または該共振周波数との差が所定以内の周波数である可変容量コンデンサ。
- 請求の範囲第1項ないし第4項のいずれか一項に記載の可変容量コンデンサにおいて、前記駆動制御手段は、前記可変容量素子毎の位相差を360°/素子数に設定する可変容量コンデンサ。
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