JP7003344B2

JP7003344B2 - 可変容量素子

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Publication number: JP7003344B2
Application number: JP2021560933A
Authority: JP
Inventors: 宗西岡; 真悟山浦; 研悟西本; 皓貴内藤; 泰弘西岡; 尚史米田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-02-03
Filing date: 2020-02-03
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2040-02-03
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Description

本開示は、誘電体媒質がプラズマである可変容量素子に関する。

高耐電力と高速応答を兼備する可変容量素子として、誘電体媒質がプラズマである可変容量素子が提案されている。例えば、特許文献１には、平行平板電極間に形成されたプラズマの比誘電率を調整することで、静電容量値を可変とする回路素子が記載されている。

特開平６－２４３９９０号公報

誘電体媒質がプラズマである従来の可変容量素子では、プラズマの比誘電率を調整するために大電力が必要であるという課題があった。

本開示は上記課題を解決するものであり、平行平板電極間に形成されたプラズマが誘電体媒質である可変容量素子に比べて小電力で静電容量値を制御することができる可変容量素子を得ることを目的とする。

本開示に係る可変容量素子は、中空円筒形状を有し、中空円筒形状の外周面と内周面との間に設けられた空間部にガスが封入された容器と、中空円筒形状の外周面に設けられた第１の電極と、中空円筒形状の内周面に設けられ、空間部を介して第１の電極と対向している第２の電極と、空間部に封入されたガスをプラズマ状態とする電力を調整することにより、第１の電極と第２の電極との間における静電容量値を可変とする電力調整部とを備える。

本開示によれば、中空円筒形状を有した容器において、中空円筒形状の外周面と内周面との間に設けられた空間部にガスが封入されている。空間部におけるガスをプラズマ状態とする電力を調整することにより、中空円筒形状の外周面に設けられた第１の電極と中空円筒形状の内周面に設けられた第２の電極との間における静電容量値が可変となる。これにより、本開示に係る可変容量素子は、平行平板電極間に形成されたプラズマが誘電体媒質である可変容量素子に比べて小電力で静電容量値を制御することができる。

電極間に形成されたプラズマの比誘電率の電子密度依存性を示す特性図である。図２Ａは、実施の形態１に係る可変容量素子の構成を示すブロック図であり、図２Ｂは、図２Ａにおける容器を中心軸に直交する面によって切った断面を示す断面図である。実施の形態１に係る可変容量素子の等価回路を示す等価回路図である。図４Ａは、従来の可変容量素子が備える容器を示す斜視図であり、図４Ｂは、図４Ａにおける容器を幅方向に沿った面で切った断面を示す断面図である。可変容量素子における静電容量値の制御パラメータ依存性を示す特性図である。実施の形態２に係る可変容量素子の構成を示すブロック図である。実施の形態３に係る可変容量素子の構成を示すブロック図である。

実施の形態１．
図１は、電極間に形成されたプラズマの比誘電率ε_ｐの電子密度ｎ_ｅ依存性を示す特性図である。空間的に一様でかつ磁場が存在しない電極間におけるプラズマの比誘電率ε_ｐは、下記式（１）によって表すことができる。下記式（１）において、ω_ｐはプラズマの角周波数であり、ｖ_ｍはプラズマ中の電子の衝突周波数であり、ωは電磁波の角周波数である。

プラズマの角周波数ω_ｐは、プラズマの電子密度ｎ_ｅ、電子の質量ｍ_ｅおよび真空の誘電率ε_０を用いることで、下記式（２）によって表すことができる。

可変容量素子において、プラズマ中の電子の衝突周波数ｖ_ｍは、電子と中性粒子との間の弾性衝突が支配的であると考えられるため、下記式（３）で表すことができる。下記式（３）において、ｎ_ｎは、電極間における中性粒子の密度であり、σ_ｅ→ｎは、電子温度を引数とする電子と中性粒子との間の弾性衝突周波数である。また、ｋ_Ｂはボルツマン定数であり、Ｔ_ｅは電子温度である。

上記式（１）、上記式（２）および上記式（３）において、ｎ_ｎ、ｎ_ｅおよびＴ_ｅ以外は定数であるので、プラズマの比誘電率ε_ｐは、下記式（４）に示すｎ_ｎ、ｎ_ｅおよびＴ_ｅを制御パラメータとした関数で表すことができる。

図１の特性図は、電磁波の角周波数ωが１８８（Ｍｒａｄ／ｓ）（電磁波の周波数は３０（ＭＨｚ））であり、衝突周波数ｖ_ｍが２．４８（ＭＨｚ）、プラズマ状態とするガスの種類がアルゴンであり、ガス温度が１（ｅＶ）、ガス圧力が０．１（Ｐａ）である場合における、プラズマの比誘電率ε_ｐとプラズマの電子密度ｎ_ｅとの依存性を示している。図１において、実線は、プラズマの比誘電率ε_ｐの実部Ｒｅ（ε_ｐ）の電子密度ｎ_ｅ依存性を示している。また、一点破線は、プラズマの比誘電率ε_ｐの虚部Ｉｍ（ε_ｐ）の電子密度ｎ_ｅ依存性を示している。

図１において矢印マークで示すように、電子密度ｎ_ｅの変化に応じて実部Ｒｅ（ε_ｐ）と虚部Ｉｍ（ε_ｐ）が変化している。これにより、電子密度ｎ_ｅを制御することによってプラズマの比誘電率ε_ｐが可変となることは明らかである。一方、面積Ｓの導体板である２枚の電極を用いて、電極間距離ｄとなるように比誘電率ε_ｒの誘電体媒質を挟んで構成されたキャパシタの静電容量値Ｃは、下記式（５）によって表すことができる。プラズマの比誘電率ε_ｐはプラズマの電子密度ｎ_ｅに依存するので、誘電体媒質がプラズマである場合、プラズマの電子密度ｎ_ｅを調整することにより、下記式（５）に従って算出される静電容量値Ｃが可変となる。

図２Ａは、実施の形態１に係る可変容量素子１の構成を示すブロック図である。図２Ａに示すように、可変容量素子１は、容器２、第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ、第３の電極４ａ、第４の電極４ｂ、第１の導線５ａ、第２の導線５ｂおよび可変電源装置６を備えている。容器２は、中空円筒形状を有した容器であり、非金属材料によって構成されている。容器２には、例えば、ガラスなどの低誘電損失な誘電体材料が望ましい。

図２Ｂは、容器２を、中心軸Ａに直交する面によって切った断面を示す断面図である。図２Ｂに示すように、容器２において、外側円筒部２ａの内周側には、内側円筒部２ｂが配置されており、外側円筒部２ａの外周面と内側円筒部２ｂの内周面との間に空間部２ｅが形成されている。さらに、図２Ａに示すように、空間部２ｅの長手方向に沿った一方の端部には、第１の端面２ｃが設けられ、空間部２ｅにおける第１の端面２ｃとは反対側の端部には、第２の端面２ｄが設けられている。空間部２ｅは、第１の端面２ｃおよび第２の端面２ｄによって外部から隔離されている。

空間部２ｅにはガスが封入される。空間部２ｅに封入されるガスは、電離しやすいガスであり、例えば、ヘリウム、ネオン、アルゴンがある。また、外側円筒部２ａの外周面には、第１の電極３ａが設けられ、内側円筒部２ｂの内周面には、第２の電極３ｂが設けられる。さらに、空間部２ｅの内側における第１の端面２ｃには、第３の電極４ａが設けられ、空間部２ｅの内側における第２の端面２ｄには、第４の電極４ｂが設けられる。

第１の端面２ｃおよび第２の端面２ｄには、給電用の貫通孔部が形成されている。第１の導線５ａの端部は、第１の端面２ｃにおける上記貫通孔部を通じて、第３の電極４ａに接続されている。さらに、第２の導線５ｂの端部は、第２の端面２ｄにおける上記貫通孔部を通じて、第４の電極４ｂに接続されている。

第１の端面２ｃにおける貫通孔部は、第３の電極４ａに接続した第１の導線５ａの端部によって塞がれており、第２の端面２ｄにおける貫通孔部は、第４の電極４ｂに接続した第２の導線５ｂの端部によって塞がれている。これにより、空間部２ｅに封入されたガスが外部に漏れ出すことはない。なお、第１の電極３ａは、外側円筒部２ａの外周面に配置され、第２の電極３ｂは、内側円筒部２ｂの内周面に配置されているので、第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂは、ともに空間部２ｅに封入されたガスに接触していない。

可変電源装置６は、空間部２ｅに封入されたガスをプラズマ状態とする電力を調整することにより、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃを可変とする電力調整部である。例えば、可変電源装置６は、第１の導線５ａおよび第２の導線５ｂを通じて第３の電極４ａおよび第４の電極４ｂへ高電圧の電力を供給することにより、空間部２ｅに封入されたガスを電離させてプラズマ状態とする。

可変電源装置６は、空間部２ｅに封入されたガスがプラズマ状態であるときに、第３の電極４ａと第４の電極４ｂとを通じて空間部２ｅのガスに供給される電力を調整することにより、プラズマの電子密度ｎ_ｅを変化させる。上記式（４）に示したように、プラズマの比誘電率ε_ｐは、プラズマの電子密度ｎ_ｅに応じて変化する。従って、可変容量素子１は、空間部２ｅのガスに供給される電力を調整することにより、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃを変化させることが可能である。

図３は、可変容量素子１の等価回路を示す等価回路図である。図３に示すように、可変容量素子１の等価回路は、キャパシタ７とキャパシタ８とを直列に接続した回路である。キャパシタ７は、外側円筒部２ａと内側円筒部２ｂからなり、容器２の材質が誘電体媒質である同心円筒形状のキャパシタである。キャパシタ８は、空間部２ｅの内部にあるプラズマが誘電体媒質である円筒状のキャパシタである。キャパシタ７の静電容量値Ｃ_ｗは、容器２の材質が有する比複素誘電率ε_ｗを用いて下記式（６）で表すことができる。

上記式（６）において、電極長ｌは、図２Ａに示すように、容器２の長手方向に沿った第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂの長さである。中空部分の半径ｒは、図２Ｂに示すように、中心軸Ａから内側円筒部２ｂの内周面までの距離である。容器２の壁材の厚さｔは、例えば、内側円筒部２ｂの壁材の厚さである。電極間距離ｄは、図２Ｂに示すように第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間の距離である。

キャパシタ８の静電容量値Ｃ_ｐは、上記式（４）によって与えられるプラズマの比誘電率ε_ｐを用いて、下記式（７）から算出される。

可変容量素子１の静電容量値Ｃ_ｎｅｗは、上記式（６）および上記式（７）を用いることで、下記式（８）に従って算出することができる。プラズマの比誘電率ε_ｐは、上記式（４）に示すように、プラズマの電子密度ｎ_ｅをパラメータとする関数で表されるので、静電容量値Ｃ_ｎｅｗは、プラズマの電子密度ｎ_ｅを制御することにより可変となる。

実施の形態１に係る可変容量素子１によって得られる効果について、平行平板電極間に形成されたプラズマが誘電体媒質である従来の可変容量素子と比較して説明する。
図４Ａは、従来の可変容量素子が備える容器１００を示す斜視図である。図４Ａに示すように、容器１００は直方体状の容器である。電極１００ａと電極１００ｂは、平行平板電極を構成する平板電極であり、直方体の容器１００における互いに対向した主面（最も広い面）の一方に電極１００ａが設けられ、もう一方に電極１００ｂが設けられている。

容器１００の内壁面の一つには電極１０１ａが設けられ、容器１００の内部において、電極１０１ａと対向する内壁面には、電極１０１ｂが設けられている。また、容器１００には、電離しやすいガスが封入される。容器１００を備えた従来の可変容量素子は、電極１０１ａおよび電極１０１ｂへ高電圧を印加することで、容器１００に封入されたガスをプラズマ状態とし、電極１０１ａおよび電極１０１ｂに供給した電力を調整することで、電極１００ａと電極１００ｂとの間における静電容量値Ｃ_ｏｌｄを変化させる。

図４Ｂは、図４Ａにおける容器１００を幅方向に沿った面で切った断面を示す断面図である。図４Ｂに示すように、電極１００ａと電極１００ｂの間の距離がｄであり、容器１００の壁材の厚さがｔである。図４Ａに示すように、電極１００ａおよび電極１００ｂの電極長さがｌであり、電極幅がｗである。従来の可変容量素子における静電容量値Ｃ_ｏｌｄは、下記式（９）を用いて表すことができる。

図５は、可変容量素子における静電容量値Ｃの制御パラメータ依存性を示す特性図である。制御パラメータは、プラズマの電子密度ｎ_ｅであり、可変容量素子は、実施の形態１に係る可変容量素子１と、図４Ａおよび図４Ｂに示した容器１００を備えた従来の可変容量素子である。図５において、実線は、静電容量値Ｃ_ｎｅｗの電子密度ｎ_ｅ依存性を示しており、一点破線は、静電容量値Ｃ_ｏｌｄの電子密度ｎ_ｅ依存性を示している。

図５において、静電容量値Ｃ_ｎｅｗの電子密度ｎ_ｅ依存性および静電容量値Ｃ_ｏｌｄの電子密度ｎ_ｅ依存性は、上記式（１）、上記式（５）および上記式（９）を用いて算出されたものである。また、両方の可変容量素子を同一条件で比較するため、静電容量値Ｃ_ｎｅｗとＣ_ｏｌｄの算出に用いられる電極長さｌ、壁材厚さｔ、電極間距離ｄおよび容器の材質は、両方の可変容量素子で合わせている。また、両方の可変容量素子で静電容量値の制御幅を合わせるため、上記式（９）における電極幅ｗは、下記式（１０）を用いて算出される。

静電容量値Ｃ_ｎｅｗおよびＣ_ｏｌｄの算出において、電磁波の角周波数ω、容器の材質が有する比複素誘電率ε_ｗ、プラズマ中の電子の衝突周波数ｖ_ｍ、電極長さｌ、中空部分の半径ｒおよび電極間距離ｄは、下記のように設定している。電磁波の角周波数ωは、１８８（Ｍｒａｄ／ｓ）（電磁波の周波数は、３０（ＭＨｚ））とする。容器の材質には、比複素誘電率ε_ｗが３．８である石英ガラスを想定する。容器に封入されるガスには、アルゴンを想定し、ガス温度を１（ｅＶ）とし、ガス圧力を０．１（Ｐａ）とすることにより、プラズマ中の電子の衝突周波数ｖ_ｍは２．４８（ＭＨｚ）となる。さらに、電極長さｌが４０（ｍｍ）、中空部分の半径ｒが２（ｍｍ）、電極間距離ｄが８（ｍｍ）である。

図５から明らかなように、静電容量値Ｃ_ｎｅｗおよびＣ_ｏｌｄはともに発散する領域が存在する。図１に示したプラズマの電子密度ｎ_ｅが高い側において、プラズマの比誘電率ε_ｐの実部Ｒｅ（ε_ｐ）は０未満となり、上記式（６）における静電容量値Ｃ_ｐは負の値となるので、Ｃ_ｐ＋Ｃ_ｗ＝０が成立する。そして、上記式（７）における分母が０となることで、Ｃ_ｎｅｗおよびＣ_ｏｌｄが発散したと考えられる。これにより、プラズマの電子密度ｎ_ｅが高い側において、両方の可変容量素子は、ともに等しい静電容量値の制御幅（Ｃ_ｎｅｗ＞６．８１（ｐＦ）、Ｃ_ｏｌｄ＞６．８１（ｐＦ））を有している。

図５において、静電容量値Ｃ_ｎｅｗは、静電容量値Ｃ_ｏｌｄと比較して電子密度ｎ_ｅがより低い側で発散している。例えば、静電容量値Ｃ_ｎｅｗは、電子密度ｎ_ｅが１．１８×１０^１４（ｍ^－３）で発散し、静電容量値Ｃ_ｏｌｄは、電子密度ｎ_ｅが６．１３×１０^１４（ｍ^－３）で発散している。すなわち、可変容量素子１は、従来の可変容量素子と比較して５２％程度の電子密度であっても、同等の制御幅で静電容量値を制御することができる。プラズマの電子密度と電極間に供給される放電電力とは比例の相関関係にあるので、可変容量素子１は、従来の可変容量素子に比べて、小電力で同等の制御幅の静電容量値の制御を実現することが可能である。

容器２の内部に設けられた放電用電極（第３の電極４ａおよび第４の電極４ｂ）は、プラズマのスパッタリングによって損耗する。このスパッタリングの強度は、プラズマを形成するための放電電力に比例する。従って、放電電力を小電力に抑えることが可能な可変容量素子１では、放電用電極の損耗が低減され、従来の可変容量素子に比べて長寿命化が可能である。

以上のように、実施の形態１に係る可変容量素子１によれば、中空円筒形状を有した容器２において中空円筒形状の外周面と内周面との間に設けられた空間部２ｅにガスが封入されている。空間部２ｅにおけるガスをプラズマ状態とする電力を調整することにより、中空円筒形状の外周面に設けられた第１の電極３ａと中空円筒形状の内周面に設けられた第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃ_ｎｅｗが可変となる。これにより、可変容量素子１は、電極１００ａ，１００ｂ間に形成されたプラズマが誘電体媒質である、従来の可変容量素子に比べて、小電力で静電容量値Ｃ_ｎｅｗを制御することができる。

実施の形態２．
図６は、実施の形態２に係る可変容量素子１Ａの構成を示すブロック図である。図６において、可変容量素子１Ａは、容器２Ａ、第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ、コイル９、第１の導線５ａ、第２の導線５ｂおよび可変電源装置６を備える。容器２Ａは、外側円筒部２ａと内側円筒部２ｂからなる中空円筒形状を有した容器であり、非金属材料によって構成される。容器２Ａには、例えば、ガラスなどの低誘電損失な誘電体材料が望ましい。

容器２Ａには、容器２と同様に、外側円筒部２ａの外周面と内側円筒部２ｂの内周面との間に、図２Ｂに示した空間部２ｅが設けられている。また、外側円筒部２ａの外周面には第１の電極３ａが配置され、内側円筒部２ｂの内周面には第２の電極３ｂが配置されている。ただし、容器２Ａには、図２Ａに示した第３の電極４ａと第４の電極４ｂがなく、その代わりにコイル９が設けられている。空間部２ｅには、ヘリウム、ネオン、アルゴンなどのガスが封入されている。

コイル９は、第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂと電気的に絶縁するように、容器２Ａの外周面（外側円筒部２ａの外周面）に螺旋状に巻回された導体部である。コイル９の一方の端部は、第１の導線５ａの端部に接続されており、コイル９のもう一方の端部は、第２の導線５ｂの端部に接続されている。可変電源装置６は、第１の導線５ａおよび第２の導線５ｂを通じてコイル９へ高周波の電力を供給することで、空間部２ｅに封入されたガスをプラズマ状態とする。

可変電源装置６は、空間部２ｅに封入されたガスがプラズマ状態であるときに、コイル９に供給される電力を調整することで、プラズマの電子密度ｎ_ｅを変化させる。プラズマの比誘電率ε_ｐはプラズマの電子密度ｎ_ｅに応じて変化するので、可変容量素子１Ａは、空間部２ｅのガスに供給される電力を調整することで、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃ_ｎｅｗを変化させることが可能である。

以上のように、実施の形態２に係る可変容量素子１Ａは、第１の電極３ａおよび第２の電極３ｂと電気的に絶縁するように、容器２Ａの外周面に螺旋状に巻回されたコイル９を備える。可変電源装置６は、コイル９に供給される電力を調整することにより、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃ_ｎｅｗが可変となる。これにより、可変容量素子１Ａは、平行平板電極間に形成されたプラズマが誘電体媒質である従来の可変容量素子に比べて、小電力で静電容量値Ｃ_ｎｅｗを制御することができる。

また、可変容量素子１Ａは、容器２Ａの内部に放電用電極を配置することなく、空間部２ｅに封入されたガスのプラズマを形成することができる。このため、可変容量素子１Ａは、可変容量素子１よりも長寿命化することができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る可変容量素子１Ｂの構成を示すブロック図である。図７において、可変容量素子１Ｂは、容器２Ｂ、第１の電極３ａ、第２の電極３ｂ、第３の電極４ａ、第４の電極４ｂ、第１の導線５ａ、第２の導線５ｂ、可変電源装置６、第１のガス流量調整装置１０、真空ポンプ１１、第２のガス流量調整装置１２、ガスボンベ１３および制御装置１４を備える。

容器２Ｂは、外側円筒部２ａと内側円筒部２ｂからなる中空円筒形状を有した容器であり、非金属の材料によって構成される。容器２Ｂには、例えば、ガラスなどの低誘電損失な誘電体材料が望ましい。

容器２Ｂには、容器２と同様に、外側円筒部２ａの外周面と内側円筒部２ｂの内周面との間に、図２Ｂに示した空間部２ｅが設けられている。また、外側円筒部２ａの外周面には第１の電極３ａが配置され、内側円筒部２ｂの内周面には第２の電極３ｂが配置され、空間部２ｅの内部の第１の端面２ｃには第３の電極４ａが配置され、空間部２ｅの内部の第２の端面２ｄには第４の電極４ｂが配置されている。

容器２Ｂにおける外側円筒部２ａには、図７に示すように、空間部２ｅの内部に通じた管状部２ｆおよび管状部２ｇが形成されている。管状部２ｆは、空間部２ｅから排出されるガスが流通する第１の管状部であり、管状部２ｇは、空間部２ｅへ導入されるガスが流通する第２の管状部である。

第１のガス流量調整装置１０は、管状部２ｆを通して空間部２ｅから排出されるガスの流量を調整する第１の流量調整部である。第１のガス流量調整装置１０は、管状部２ｆと真空ポンプ１１に接続されている。空間部２ｅの内部のガスは、真空ポンプ１１の吸引力によって空間部２ｅから排出される。第１のガス流量調整装置１０は、真空ポンプ１１の吸引力を制御することにより、管状部２ｆを通して空間部２ｅから排出されるガスの流量を調整する。

第２のガス流量調整装置１２は、管状部２ｇを通して空間部２ｅへ導入されるガスの流量を調整する第２の流量調整部である。第２のガス流量調整装置１２は、管状部２ｇと、ガスボンベ１３に接続されている。ガスボンベ１３には、容器２Ｂに封入するガスが収容されている。第２のガス流量調整装置１２は、ガスボンベ１３から導入されるガスの流量を制御することで、管状部２ｇを通して空間部２ｅへ導入されるガスの流量を調整する。

制御装置１４は、可変電源装置６、第１のガス流量調整装置１０および第２のガス流量調整装置１２を制御することにより、ガスのプラズマの電子密度ｎ_ｅおよび空間部２ｅにおけるガス密度（第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における中性粒子の密度ｎ_ｎ）を制御する制御部である。

例えば、制御装置１４は、第１のガス流量調整装置１０を制御して容器２Ｂから排出されるガスの流量を調整し、第２のガス流量調整装置１２を制御して容器２Ｂへ導入されるガスの流量を調整することで、容器２Ｂの内部におけるガス密度を制御する。また、制御装置１４は、可変電源装置６を制御して第３の電極４ａと第４の電極４ｂを通じて空間部２ｅのガスに供給される電力を調整することで、プラズマの電子密度ｎ_ｅを制御する。

上記式（４）に示したように、プラズマの比誘電率ε_ｐは、プラズマの電子密度ｎ_ｅと中性粒子の密度ｎ_ｎを変数とする関数で表すことができる。制御装置１４は、プラズマの電子密度ｎ_ｅおよび中性粒子の密度ｎ_ｎを制御パラメータとして、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃを制御可能である。電子密度ｎ_ｅに加えて、中性粒子の密度ｎ_ｎが制御パラメータとなることで、可変容量素子１Ｂにおける静電容量値の制御精度が向上する。

なお、容器２Ｂが、容器２に対して管状部２ｆと管状部２ｇを設けた構造である場合を示したが、容器２Ｂは、容器２Ａに対して管状部２ｆと管状部２ｇを設けた構造であってもよい。この場合、制御装置１４は、可変電源装置６を制御してコイル９を通じて空間部２ｅのガスに供給される電力を調整することで、プラズマの電子密度ｎ_ｅを制御する。

以上のように、実施の形態３に係る可変容量素子１Ｂにおいて、制御装置１４が、第１のガス流量調整装置１０を制御して容器２Ｂから排出されるガスの流量を調整し、第２のガス流量調整装置１２を制御して容器２Ｂへ導入されるガスの流量を調整することで、容器２Ｂの内部におけるガス密度を制御し、可変電源装置６を制御してプラズマの電子密度ｎ_ｅを制御する。これにより、可変容量素子１Ｂは、プラズマの電子密度ｎ_ｅおよび中性粒子の密度ｎ_ｎを制御パラメータとして、第１の電極３ａと第２の電極３ｂとの間における静電容量値Ｃを制御することができる。

なお、実施の形態１から実施の形態３においては、空間部２ｅにおけるプラズマの電子密度ｎ_ｅと中性粒子の密度ｎ_ｎがともに制御されていた。ただし、目的の静電容量値は、プラズマの電子密度ｎ_ｅまたは中性粒子の密度ｎ_ｎのいずれか一方を調整して得られたものであってよい。

なお、各実施の形態の組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。

本開示に係る可変容量素子は、例えば、可変インピーダンス整合回路に用いることができる。

１，１Ａ，１Ｂ可変容量素子、２，２Ａ，２Ｂ容器、２ａ外側円筒部、２ｂ内側円筒部、２ｃ第１の端面、２ｄ第２の端面、２ｅ空間部、２ｆ，２ｇ管状部、３ａ第１の電極、３ｂ第２の電極、４ａ第３の電極、４ｂ第４の電極、５ａ第１の導線、５ｂ第２の導線、６可変電源装置、７，８キャパシタ、９コイル、１０第１のガス流量調整装置、１１真空ポンプ、１２第２のガス流量調整装置、１３ガスボンベ、１４制御装置、１００容器、１００ａ，１００ｂ，１０１ａ，１０１ｂ電極。

Claims

中空円筒形状を有し、前記中空円筒形状の外周面と内周面との間に設けられた空間部にガスが封入された容器と、
前記中空円筒形状の前記外周面に設けられた第１の電極と、
前記中空円筒形状の前記内周面に設けられ、前記空間部を介して前記第１の電極と対向している第２の電極と、
前記空間部に封入された前記ガスをプラズマ状態とする電力を調整することにより、前記第１の電極と前記第２の電極との間における静電容量値を可変とする電力調整部と、
を備えたことを特徴とする可変容量素子。
前記空間部における第１の端面に設けられた第３の電極と、
前記空間部における前記第１の端面とは反対側の第２の端面に設けられた第４の電極とを備え、
前記電力調整部は、前記第３の電極および前記第４の電極に供給される電力を調整すること
を特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
前記第１の電極および前記第２の電極と電気的に絶縁するように前記容器の前記外周面に螺旋状に巻回された導体部を備え、
前記電力調整部は、前記導体部に供給される電力を調整すること
を特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
前記容器に設けられ、前記空間部から排出される前記ガスが流通する第１の管状部と、
前記容器に設けられ、前記空間部へ導入される前記ガスが流通する第２の管状部と、
前記第１の管状部を通して前記空間部から排出される前記ガスの流量を調整する第１の流量調整部と、
前記第２の管状部を通して前記空間部へ導入される前記ガスの流量を調整する第２の流量調整部と、
前記電力調整部、前記第１の流量調整部および前記第２の流量調整部を制御することにより、前記ガスのプラズマの電子密度および前記空間部におけるガス密度を制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項記載の可変容量素子。