JPH08273981A

JPH08273981A - 可変容量コンデンサ

Info

Publication number: JPH08273981A
Application number: JP8023274A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ishige; 勉石毛; Yasuhiro Negoro; 泰宏根来
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-02-01
Filing date: 1996-01-17
Publication date: 1996-10-18
Anticipated expiration: 2016-01-17
Also published as: JP3389769B2

Abstract

(57)【要約】【課題】容量変化率が大きく、コストの安い可変容量
コンデンサを提供する。【解決手段】基板３の凹部８の底面５に基準電極４を
配設固定し、基準電極４と電極面11同士を間隔を介して
対向させて可動電極６を配設し、可動電極６と基準電極
４とにより容量コンデンサを形成する。可動電極６と間
隔を介して、可動電極６を駆動させる駆動電極10を基板
３に配設固定する。駆動電極10と可動電極６との電極間
距離を２Ｌとして可動電極６と基準電極４との電極間距
離Ｌの２倍の大きさとし、駆動電極10と可動電極６との
間に外部バイアス電圧を印加して可動電極６を撓み変形
させるようにすることで、可動電極６の変位範囲を２倍
に大きくし、それにより、可変容量コンデンサの容量変
化率を大きくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電圧容量変換素子
として用いられる可変容量コンデンサに関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図７には、可変容量コンデンサの一例と
して、特開平５−７４６５５号公報に提案されている可
変容量コンデンサの要部構成が示されており、この可変
容量コンデンサは表面マイクロマシニング技術を用いて
形成されている。同図において、シリコンからなる基板
３には凹部８が形成されており、この凹部８の底面５の
中央領域に、アルミニウムの蒸着等によって薄膜体に形
成された基準電極４が基板３に固定されて配設されてい
る。また、凹部８の上端には、凹部開口に掛け渡して、
基準電極４と電極面11同士を対向させた可動電極６が凹
部開口の両端側で固定されて形成されており、これら可
動電極６と基準電極４により容量コンデンサが形成され
ている。なお、可動電極６も基準電極４と同様に、アル
ミニウムの蒸着等により薄膜体に形成されている。

【０００３】図８には、この可変容量コンデンサを使用
するときの回路構成の一例が等価回路により示されてい
る。同図において、上記基準電極４と固定電極６により
形成される容量コンデンサ19には、この容量コンデンサ
19にバイアス電圧を印加するバイアス電圧電源18が接続
されており、可動電極６と基準電極４のそれぞれの一端
側から引き出し形成された端子部（図示せず）間に、バ
イアス電圧電源18からの直流のバイアス電圧を印加する
ことにより、基準電極４と可動電極６に電位差を与える
ようになっている。

【０００４】図７に示すように、この可変容量コンデン
サにおいては、前記バイアス電圧電源18（図８）によ
り、基準電極４と可動電極６との間に外部バイアス電圧
を印加して基準電極４と可動電極６に電位差を与える
と、可動電極６がクーロン力の作用（静電力作用）によ
り基準電極４側に撓み変形し、図７の鎖線に示すような
状態となり、それにより、可動電極６と基準電極４との
間の間隙、すなわち、電極間距離が変化する。そうする
と、可動電極６および基準電極４における静電容量が、
両電極間に印加した外部バイアス電圧に対応して変化す
ることとなり、印加した外部バイアス電圧によって制御
される可変容量コンデンサとして働くことになる。

【０００５】なお、この可変容量コンデンサを使用する
ときに用いる回路には、図８に示したように、通常、遮
断コンデンサ16が設けられ、この遮断コンデンサ16によ
りバイアス電圧電源18の直流成分を取り除くことが行わ
れており、それにより、例えば、図の破線枠17内に設け
られる発振回路等の様々な回路にバイアス電圧電源18の
直流成分による悪影響を与えないようにしている。

【０００６】この提案の可変容量コンデンサは、上記の
ように単一素子によって構成されており、従来用いられ
ていた可変空気コンデンサ（バリコン）のように回転機
構等の複雑な機構を必要としないために作製が容易で小
型化が可能であるといった利点があり、また、バラクタ
ダイオードのように耐圧が低く、耐圧の向上を図ろうと
して内部抵抗を大きくした場合にＱ値の低下が生じると
いった問題もなく、耐圧およびＱ値の高い優れた可変容
量コンデンサとして注目されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記提
案の可変容量コンデンサにおいては、可動電極６に加わ
るクーロン力と、そのクーロン力の作用により撓み変形
した可動電極６が変形前の元の位置に戻ろうとするばね
力との関係から、可動電極６の変位量に限界があり、し
たがって、可動電極６の撓み変形によって得られる容量
変化率を容易に大きくすることができないといった問題
があった。

【０００８】それというのは、可動電極６の変形量が、
基準電極４と可動電極６との電極間距離の１／３よりも
大きくなると、以下に述べる関係から、前記ばね力と前
記クーロン力との釣り合いがとれにくいために、容量変
化率を容易に大きくすることができないのである。

【０００９】以下、可動電極６の変化量と、そのときに
可動電極６に加わるクーロン力および、ばね力の関係を
述べる。可動電極６は、可動電極６と基準電極４に与え
られる電位差により可動電極６に加わるクーロン力と、
そのクーロン力の作用により可動電極６が撓み変形した
ときに可動電極６が元の位置（変形していないときの位
置）に戻ろうとするばね力とが釣り合った位置で固定さ
れることになるために、このとき、次式（１）の関係が
成り立つことが分かる。

【００１０】Ｆ＝ｋｘ＝１／２・εＳ｛Ｖ／（ｘ₀−ｘ）｝²・・・・・（１）

【００１１】なお、式（１）において、Ｆは釣り合いの
力、ｋは可動電極６のばね定数、Ｓは可動電極６の基準
電極４との対向面積、εは誘電率、Ｖは電極４と６との
間の電位差、ｘ₀は可動電極６と基準電極４の電極間距
離、ｘは可動電極６の変位量である。ここで、ｕ＝ｘ／
ｘ₀，Ｋ＝εＳ／２ｋｘ₀ ³ として上記式（１）を整理
すると、次式（２）となる。

【００１２】ｕ（１−ｕ）²＝ＫＶ²・・・・・（２）

【００１３】この式（２）から、ｕ（１−ｕ）²＝ｆ
（ｕ）とすると、図９に示す関係が導かれ、関数ｆ
（ｕ）は、ｕ＝１／３のときにＫＶ²が約0.15でピーク
を有する３次関数となる。この図からＶが大きくなり、
ｕが１／３を越えると前記ばね力とクーロン力との釣り
合いがとれなくなることが分かり、そうなると、可動電
極６は基準電極４に接触してしまう。また、ｕが１／３
を越えた状態で、ばね力とクーロン力との釣り合いをと
ることも可能であるが、この場合は、何らかの制御でバ
イアス電圧Ｖをばね力に応じてコントロールする必要が
ある。

【００１４】したがって、可動電極６の変位量は、可動
電極６と基準電極４との電極間距離の１／３までが限界
となり、この可変容量コンデンサの容量変化率は最大で
50％となり、これ以上大きな可変率を得ることができな
かった。

【００１５】また、上述したように、従来の可変容量コ
ンデンサにおいては、可動電極の変位量が可動電極と基
準電極との電極間距離に依存するため、（１）式からわ
かるように、基準電極４と可動電極６との電位差と、可
動電極６の変位量とを個々に独立して設計することがで
きず、設計の自由度が小さいという問題があった。

【００１６】本発明は、上記課題を解決するためになさ
れたものであり、その目的は、大きな可変率（容量変化
率）を取ることができるとともに、可変容量コンデンサ
の設計の自由度を大きくすることができる可変容量コン
デンサを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は次のような手段を講じている。すなわち、本
発明は、基板に支持されて可動電極と基準電極とが間隔
を介して配設されて容量コンデンサが形成されており、
前記可動電極を駆動させる駆動電極が基板に支持されて
可動電極と間隔を介して配設されている構成をもって課
題を解決する手段としている。

【００１８】上記構成の本発明において、可動電極は駆
動電極により駆動されるために、可動電極の変位範囲は
可動電極と駆動電極との電極間距離に依存し、可動電極
と基準電極との電極間距離には依存しないこととなる。

【００１９】また、駆動電極と可動電極との電極間距離
を大きくすれば、可動電極の変位範囲を大きくすること
が可能となり、そうすると、可動電極と基準電極とによ
り形成される容量コンデンサの可変率（容量変化率）が
大きくなる。また、その逆に、可動電極と駆動電極との
電極間距離を小さくすると、可動電極の変位範囲は小さ
くなるが、可動電極を駆動させるために印加する駆動電
圧（外部バイアス電圧）は小さくて済むこととなり、低
電圧で可動電極を変位させて、前記容量コンデンサの容
量を可変することが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態例を図面
に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態例の説明
において、従来例と同一名称部分には同一符号を付し、
その重複説明は省略する。図１には、本発明に係る可変
容量コンデンサの第１の実施形態例の要部構成が断面図
により示されている。本実施形態例が従来例と異なる特
徴的なことは、可動電極６を駆動させる駆動電極10が、
基板３に支持されて可動電極６側に間隔を介して配設さ
れていることである。なお、本実施形態例では、駆動電
極10は、凹部９を有する基板３の凹部天井面22側に固定
されて配設されており、駆動電極10と可動電極６との電
極間距離は２Ｌで、可動電極６と基準電極４との電極間
距離Ｌの２倍の大きさとなっている。

【００２１】駆動電極10は、可動電極６や基準電極４と
同様に、アルミニウムの蒸着等により形成されたアルミ
ニウム電極により構成されており、駆動電極10の電極面
11には表面側に絶縁膜が形成されている。また、可動電
極６の電極面11および基準電極４の電極面11にも、それ
ぞれ、表面側に絶縁膜が形成されており、可動電極６が
変位したときに、たとえ電極面11同士が接触しても端絡
しないようになっている。駆動電極10と可動電極６に
は、それぞれ、図示されていない端子部が引き出し形成
されており、この端子部間にバイアス電圧電源18からの
電圧が印加されるようになっている。

【００２２】図２には、この可変容量コンデンサを使用
するときの回路構成の一例が等価回路により示されてい
る。同図に示すように、本実施形態例では、バイアス電
圧電源18からのバイアス電圧が、駆動電極10と可動電極
６により形成されるコンデンサ20に印加されるようにな
っている。

【００２３】本実施形態例は以上のように構成されてお
り、バイアス電圧電源18により駆動電極10と可動電極６
にバイアス電圧を印加して、駆動電極10と可動電極６に
電位差を与えると、可動電極６が駆動電極10側に撓み変
形して駆動電極10と可動電極６との電極間距離が変位す
る。

【００２４】この可動電極６の変位範囲は、可動電極６
と駆動電極10との電極間距離に依存し、図９に示した関
係から、可動電極６は可動電極６と駆動電極10との電極
間距離２Ｌの１／３まで変位することが可能であるため
に、図３に示すように、本実施形態例では、可動電極６
の変位範囲は２Ｌ／３となり、従来の可動電極６の変位
範囲（Ｌ／３）の２倍の大きさとなる。

【００２５】そして、このように可動電極が駆動電極10
側に変位すると、このとき、同時に、可動電極６と基準
電極４との電極間距離も変化することとなり、可動電極
６の変位量に対応して、可動電極６と基準電極４におけ
る静電容量が変化することとなり、前記駆動電極10と可
動電極６との間に印加したバイアス電圧に対応する可変
容量コンデンサとして働くことになる。

【００２６】本実施形態例によれば、上記のように、可
動電極６の変位範囲を従来のものよりも２倍に大きくす
ることができるようになり、それにより、可動電極６と
基準電極４との電極間距離を大きく可変することが可能
となるために、この可動電極６と基準電極４との電極間
距離に依存する可変容量コンデンサの容量変化率を大き
くすることができる。

【００２７】また、本実施形態例の可変容量コンデンサ
は、図６の可変容量コンデンサと同様に、表面マイクロ
マシニング技術等の半導体製造技術を用いて容易に作製
することが可能であるために、小型のものとすることが
でき、低コスト化を図ることができる。

【００２８】さらに、本実施形態例によれば、この可変
容量コンデンサを使用するときの回路構成を図２に示し
たような回路構成とすることにより、従来の回路（図
８）において必要とされた遮断コンデンサ16の役割をコ
ンデンサ20により果たすことも可能となるために、遮断
コンデンサ16を省略した回路構成で可変容量コンデンサ
を使用することが可能となる。そのため、その分だけ可
変容量コンデンサを使用するときの回路構成を簡略化す
ることが可能となり、可変容量コンデンサ使用に要する
コストの低コスト化も図ることができる。

【００２９】図４には、本発明に係る可変容量コンデン
サの第２の実施形態例の要部構成が平面図により示され
ている。本実施形態例が上記第１の実施形態例と異なる
特徴的なことは、可動電極６と基準電極４とを櫛歯状に
形成し、可動電極６の櫛歯13と基準電極４の櫛歯14とが
電極面11同士を対向させて間隔を介して互い違いになる
ように配設したことである。

【００３０】また、本実施形態例では、可動電極６と基
準電極４は、それぞれ、梁部15を介して基板３に支持さ
れており、それにより、本実施形態例では、基準電極４
も可動可能な電極となっている。基準電極４の基板３の
表面12からの高さと可動電極６の基板３の表面12からの
高さはほぼ等しく形成されている。また、本実施形態例
でも、可動電極６の櫛歯13の電極面11と基準電極４の櫛
歯14の電極面11との電極間距離に対して、可動電極６の
櫛歯13（13ａ）と駆動電極10との電極間距離の方が大き
く形成されている。

【００３１】本実施形態例は以上のように構成されてお
り、上記第１の実施形態例と同様に、駆動電極10と可動
電極６との間にバイアス電圧を印加して可動電極６を駆
動させることにより、可動電極６と基準電極４との電極
間距離が変化し、それにより、可動電極６と基準電極４
との静電容量が変化し、前記印加した外部バイアス電圧
に見合った電圧容量が得られることになり、上記第１の
実施形態例と同様の効果を奏する。

【００３２】図５の（ａ）には、本発明に係る可変容量
コンデンサの第３の実施形態例の要部構成が平面図によ
り示されており、同図の（ｂ）には、図５の（ａ）のＡ
−Ａ断面図が示されている。本実施形態例が上記第１の
実施形態例と異なる特徴的なことは、駆動電極10を櫛歯
状に形成し、可動電極６の櫛歯13ａと駆動電極10の櫛歯
24とが電極面11同士を対向させて間隔を介して互い違い
になるように配設したことと、駆動電極10により、可動
電極６を矢印の方向（図の左右方向）に可動させるよう
にしたことである。

【００３３】なお、本実施形態例では、図５の（ｂ）に
示すように、可動電極６の櫛歯13（13ｂ）の電極面11と
基準電極４の櫛歯14の電極面11との対向面積（電極面11
同士が間隙を介して重ね合わされる部分の面積）Ｓ₂に
対して、可動電極６の櫛歯13（13ａ）と駆動電極10との
対向面積Ｓ₁の方が小さく形成されている。

【００３４】本実施形態例は以上のように構成されてお
り、本実施形態例では、駆動電極10と可動電極６との間
にバイアス電圧を印加して可動電極６を矢印の方向に駆
動させることにより、可動電極６の櫛歯13ｂと基準電極
４の櫛歯14との対向面積Ｓ₂の大きさが変化し、それに
より、可動電極６と基準電極４との静電容量が変化し、
前記印加した外部バイアス電圧に見合った電圧容量が得
られることになり、上記第１第２の実施形態例と同様の
効果を奏する。

【００３５】なお、本発明は上記実施形態例に限定され
ることはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、
上記第１の実施形態例では、可動電極６は、その両端側
が凹部８の開口両端側で固定されて両持ち梁状と成して
いたが、可動電極６は片持ち梁状として基準電極４や駆
動電極10と重ね合わせ配設されていてもよく、また、可
動電極６はその外周側の複数の箇所で支持されるように
しても構わない。

【００３６】また、可動電極６は、例えば、図６に示す
ように、基板３に両端側を支持されたセラミックの梁21
やシリコンのメンブレン（薄膜）等の表面側又は裏面側
に形成されていても構わない。

【００３７】さらに、上記第２、第３の実施形態例のよ
うに、可動電極６や基準電極４および駆動電極10を櫛歯
状の電極により形成するときに、可動電極６および基準
電極４、駆動電極10にそれぞれ形成される櫛歯13，14，
24の配設数や配設間隔等は特に限定されるものではな
く、複数の櫛歯が適宜形成されるものである。

【００３８】さらに、上記実施形態例では、駆動電極1
0、可動電極６、基準電極４の電極面11の表面側に絶縁
膜を形成したが、例えば、電極面11同士が接触しないよ
うに、可動電極６と駆動電極10に印加するバイアス電圧
を調整するようにして絶縁膜を省略してもよい。

【００３９】さらに、上記実施形態例では、可動電極
６、基準電極４、駆動電極10は、何れもアルミニウムの
蒸着等により形成したアルミニウム電極により構成した
が、これらの電極４，６，10の材質や大きさ、形状、形
成方法等は特に限定されるものではなく、適宜設定され
るものである。

【００４０】さらに、上記実施形態例では、基板３とし
てシリコンからなるものを示したが、基板３は必ずしも
シリコンからなる基板により形成するとは限らず、ガラ
ス基板等のような絶縁体により形成された基板としても
よく、また、基板の表面側に絶縁膜を形成した基板、例
えば、シリコン基板表面側にシリコン酸化膜やシリコン
窒化膜を形成したものとしてもよい。

【００４１】さらに、上記実施形態例では、駆動電極10
と可動電極６との電極間距離を可動電極６と基準電極４
との電極間距離よりも大きく形成したが、その逆に、駆
動電極10と可動電極６との電極間距離を可動電極６と基
準電極４との電極間距離よりも小さく形成しても構わな
い。そのようにしたときには、可動電極６の変位範囲は
小さくなるが、駆動電極10と可動電極６との電極間距離
を小さくすることにより、従来のものよりも低電圧で可
動電極６を可変することができるようになる。そして、
そのように、低電圧で可動電極６を変位させることがで
きれば、低電圧で可動電極６と基準電極４との静電容量
を可変することが可能となるために、可変容量コンデン
サを使用する際のコストの低コスト化を図ることができ
る。

【００４２】さらに、上記実施形態例（図１および図
６）では、駆動電極10を基板３に支持されている可動電
極６側に可動電極６と間隔を介して配設したものを示し
たが、駆動電極10を基準電極４側に可動電極６と間隔を
介して配設してもよい。なお、この場合も、上記実施形
態例と同様に、可変容量コンデンサの設計の自由度を大
きくすることができ、例えば、大きな可変率を得るため
には、可動電極６と駆動電極10との間隔および可動電極
６と基準電極との間隔を異なるように設定する必要があ
る。

【００４３】

【発明の効果】本発明によれば、駆動電極により可動電
極を駆動させるために、可動電極の変位範囲を大きくし
たいときには可動電極と駆動電極との電極間距離を大き
く設定し、前記可動電極の変位範囲を小さくしたいとき
には、可動電極と駆動電極との電極間距離を小さく設定
することにより、何れの場合にも可動電極の変位範囲を
自在に設定することが可能となる。そして、この可動電
極の変位に応じて、可動電極と基準電極との電極間距離
を可変させて容量コンデンサの静電容量を可変すること
ができるために、例えば、可動電極と駆動電極との電極
間距離を大きく設定することにより、容易に容量コンデ
ンサの容量変化率を大きくすることが可能となる。ま
た、その逆に、可動電極と駆動電極との電極間距離を小
さく設定することにより、容量変化率は小さいものの、
駆動電極と可動電極とに印加する電圧が小さくて済む可
変容量コンデンサとすることができる。

【００４４】このように、本発明によれば、可変容量コ
ンデンサの仕様に合わせて、可動電極と駆動電極との電
極間距離を自在に設定することにより、容量変化率が大
きい可変容量コンデンサや低電圧で使用できる可変容量
コンデンサを、例えば半導体製造技術等を用いて容易に
作製することが可能となり、所望の可変容量コンデンサ
を安価で形成することができる。また、可変容量コンデ
ンサの設計の自由度を大きくできる。

【００４５】また、本発明によれば、可変容量コンデン
サを使用するときの回路構成は、従来の回路構成に必要
とされた遮断コンデンサを設けなくとも、可変容量コン
デンサに外部バイアス電圧を印加するためのバイアス電
圧電源の直流成分を、駆動電極と可動電極とにより構成
されるコンデンサにより除去することが可能となり、遮
断コンデンサを省略できる分だけ、可変容量コンデンサ
を使用するときの回路のコストを安くすることが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る可変容量コンデンサの第１の実施
形態例を示す要部断面構成図である。

【図２】上記実施形態例の可変容量コンデンサを使用す
るときの回路の一例を等価回路により示す回路構成図で
ある。

【図３】上記実施形態例における可動電極の変位範囲を
従来の可動電極の変位範囲と比較して示す説明図であ
る。

【図４】本発明に係る可変容量コンデンサの第２の実施
形態例を示す要部平面構成図である。

【図５】本発明に係わる可変容量コンデンサの第３の実
施形態例を示す要部構成図である。

【図６】本発明に係る可変容量コンデンサの他の実施形
態例を示す要部断面構成図である。

【図７】従来の可変容量コンデンサの一例を示す断面説
明図である。

【図８】従来の可変容量コンデンサを使用するときの回
路構成の一例を示す説明図である。

【図９】図７に示した可変容量コンデンサにおける可動
電極の変位率とばね力との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

３基板４基準電極６可動電極 10 駆動電極 11 電極面 19 容量コンデンサ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板に支持されて可動電極と基準電極と
が間隔を介して配設されて容量コンデンサが形成されて
おり、前記可動電極を駆動させる駆動電極が基板に支持
されて可動電極と間隔を介して配設されていることを特
徴とする可変容量コンデンサ。