JPH08339938A

JPH08339938A - 改良可変コンデンサ

Info

Publication number: JPH08339938A
Application number: JP8109869A
Authority: JP
Inventors: William N Taylor Jr; エヌ．テイラー，ジェイアール．ウィリアム
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1995-04-27
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1996-12-24
Also published as: EP0741398A2; US6147855A

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】可動組のコンデンサプレートの回転に起因し
た摩耗の影響を最低限に抑えることのできる可変コンデ
ンサを提供する。【解決手段】全範囲にわたる静電容量を実現するとと
もに、容量の最大変化を得るために必要な回転量を減ら
し、少なくとも二組の電気絶縁された共面平行導電性部
材を含む構成とする。ここで、上記の導電性部材は、固
定された一組のコンデンサプレート２４，２６を形成す
るように配置されており、各々が電気回路に別個に電気
接続できるようになっている。少なくとも一つの導電性
領域を含む少なくとも一つの部材を有する可動グループ
３４は、固定組のプレートと平行に間隔をあけて配置さ
れていて、第一組のプレートの表平面に垂直な軸を中心
として回転することができ、可動グループが固定コンデ
ンサプレートの各々の表面と重なる量を変え、固定組の
コンデンサプレートを構成する二つの絶縁された導電性
部材間に可変容量結合を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、コンデン
サに関し、特に、改良可変コンデンサに関する。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】間隔を
あけて配置された二つ以上のコンデンサプレートの重な
り量を変えることによりコンデンサの静電容量（以下、
単に「容量」とも呼ぶ。）を変えることができること
は、この技術では古くから知られている。コンデンサプ
レートの重なり量は、例えば、複数のコンデンサプレー
トの重ね合わせ（stack、スタック）を、複数のコンデ
ンサプレートのもう一つの重ね合わせに対して、これら
二組のプレートがある程度かみ合うように回転させるこ
とで変えることができる。このような回転は、一組のプ
レートが取り付けられたシャフトを回すことにより得る
ことができる。ここで、このシャフトの軸は、コンデン
サプレートの平面と直交している。このような構成で
は、最大の静電容量は、二組のプレートが多く重なり合
っている状態のコンデンサにより得られ、また、最小の
静電容量は、二組のプレートが重なり合っていないとき
に得られる。

【０００３】各組のプレートは、コンデンサが使用され
る回路に電気接続される。また、プレートとシャフトと
が固定されるフレームを通じて、回転可能な組のプレー
トとの電気接続を形成しておく必要がある。回転可能な
組のプレートとの電気接続は、シャフトが回転する箇所
（例えば、軸受面又は摩擦面）に形成されるため、コン
デンサの正確性及び／又は信頼性は、時間の経過ととも
に、また、使用による摩耗とともに低下する。例えば、
この摩耗に起因して、シャフト表面及び軸受面の抵抗が
増加することがあり、また、二組のプレートの並列度が
変化することがある。

【０００４】図１は、従来技術の可変コンデンサ１０の
斜視図である。この可変コンデンサは、間隔をあけて平
行に並んだ複数のプレート１４からなる第１の重ね合わ
せを含んでいる。これらのプレート１４は、間隔をあけ
て平行に並んだ複数のプレート１２からなる第２の重ね
合わせとある程度かみ合うように、中心軸のまわりを回
転できるようになっている。一般に、公知の可変コンデ
ンサでは、静電容量の最大変動を得るためには、シャフ
ト１８を備えたプレートの可動セットを１８０°の範囲
を超えて回転させることが必要となる。

【０００５】従来技術の可変コンデンサは、通常、上記
二組のプレートに電荷を蓄積し、それから一組の端子に
より形成される電気接続を通じてその電荷を電気回路へ
移動させるような構成をしている。一例を挙げると、プ
レートの可動セットの回転軸から、軸受面及び／又はワ
イパーを通って、フレーム或いは他の支持面に至る電気
接続を設けることができる。電気接続は、固定プレート
用の端子及び可動プレート用の端子の双方に設けられ
る。上述のように、可動プレートとの電気接続は、摩耗
しやすい機械接続である。このため、非効率的及び／又
は精度の良くない電荷移動をもたらすようなコンデンサ
となる場合がある。

【０００６】一方、蝶型のコンデンサは、固定部及び移
動部間で電荷を容量結合させて、摩耗性の部品が原因で
生じることのある非効率性を最小限に抑えるが、このよ
うなコンデンサは、標準可変コンデンサと同じ容積（vo
lume）で、約半分の容量範囲しか生成しない。従って、
例えばコンデンサプレートの可動セットの回転に起因し
た摩耗の影響を最低限に抑える、或いは除去することに
よって、高い効率性を備えつつ同等の静電容量をもたら
す可変コンデンサを提供することは、この技術における
大きな進歩となる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、静電容量の最
大変動を得るのに必要な回転量を低減し、摩耗に起因す
る装置性能の劣化を完全に除去しつつ、全範囲にわたる
静電容量を生成する可変コンデンサを提供する。本発明
の好適な態様では、共面的に配置され電気絶縁された少
なくとも二組の平行導電性部材（at least two coplana
r, electrically isolated sets of parallel electroc
onductive members）が、固定された一組のコンデンサ
プレート（a fixed set of capacitor plates）を形成
するように配置されており、その各々は電気回路に別個
に電気接続されている。少なくとも一つの導電性領域を
有する部材を少なくとも一つ備えた可動グループは、前
記固定組のプレート（the fixed set of plates）と平
行に間隔をあけて配置されている。この可動グループ
は、第一組のプレートの平表面（a plane surface）と
直交する軸を中心として回転することができ、この可動
グループと前記コンデンサプレートの各々の表面との重
なり量を変えることができるようになっている。これに
より、可動グループは、固定組のコンデンサプレートを
構成する二つの絶縁された導電性部材間に可変容量結合
を形成する。可動プレートの導電性領域及び固定プレー
トの配置を変える、例えば、固定プレートや可動プレー
トの重ね合わせを階層化することにより、静電容量応答
（capacitive response）を変えることができる。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明によれば、全範囲にわたる
静電容量を生じさせるとともに、静電容量の最大変動を
得るのに必要な回転量を低減し、回転点での摩耗による
装置性能の低下をなくす可変コンデンサが実現される。
本発明の好適な態様では、共面的に配置され電気絶縁さ
れた（例えば、空気や絶縁性保持体等の誘電体によって
隔てられた）少なくとも二組の平行導電性部材が、一組
の固定されたコンデンサプレートを形成するように配置
されている。また、上記の導電性部材は、各々が電気端
子によって電気回路に個々に電気接続されている。少な
くとも一つの導電性領域を備えた少なくとも一つの部材
からなる可動グループは、上記固定組のプレートと間隔
をあけて平行に配置されている。この可動グループは、
第一組のプレートの表平面（surface plane）と直交す
る軸を中心として回転することができ、この可動グルー
プが前記コンデンサプレートの各々の表平面と重なる量
を変え、これによって固定組のコンデンサプレートを構
成する二つの絶縁された導電性部材間を可変容量結合す
ることができるようになっている。

【０００９】図２（ａ）は、本発明に係る可変コンデン
サ用の、一組の固定されたコンデンサプレートを示す斜
視図である。この図では、共面的に配置され電気絶縁さ
れた二組の導電プレート２４、２６が、通常の方法によ
って機械的に接合されており、固定コンデンサプレート
２２のスタック（重ね合わせ）を形成している。これら
のプレートは、誘電性材料２０によって相互に絶縁され
ている。個々の導電プレートは、それぞれ、全面的に導
電性の表面を有していても良く、また、別個の隣接した
導電性表面領域及び絶縁性表面領域を含んでいても良
い。一つの組に含まれる各導電プレートは、同じ組の他
の導電プレートと電気接続されており、他の組の導電プ
レートとは電気絶縁されている。固定組の複数のプレー
トは、一平面上に平行に配置されているのが好ましい。

【００１０】図２（ｂ）は、本発明に係る図２（ａ）の
可変コンデンサ用の固定導電プレートの断面図であり、
固定導電プレート２２の構造を示している。好適な態様
では、導電銅層２４、２６は、ポリイミド等の誘電性材
料３０によって保持される。この導電層は、図２（ｂ）
に示されるように、片側、あるいは両側のいずれで保持
されていても良い。

【００１１】これらの固定導電プレートの厚さは自由に
決めることができるが、現在の好適な範囲は、約０．５
から約５ミリメートルの間であり、特に、約２ミリメー
トルが好ましい。また、これらの固定プレートは、任意
の導電性材料や絶縁性材料を用いて形成することができ
る。例えば、これらのプレートは、プリント回路基板等
の固い基板上にパターン形成された導電性領域として形
成することができる。また、これらの固定プレートは、
公知方法のいずれを用いて形成しても良く、例えば、成
形や、セラミック又はプラスティック基板のコーティン
グや、電気メッキ等の方法を用いることができる。

【００１２】ここで説明されるプレートの導電部は銅製
であるが、他のいかなる導電性材料、例えば、アルミニ
ウム、銀、金、プラチナ等の材料であっても、本目的に
適した導電性材料として使用することができる。同様
に、ポリイミドは、現在好適な誘電性／ベース材料であ
るが、他のいかなる材料、例えば、ポリマーフィルム、
セラミック材料、樹脂材料、プラスティック等も、ベー
ス、すなわち保持体として使用することができる。

【００１３】図３（ａ）は、本発明に係る可変コンデン
サ用の可動グループを示す斜視図である。この可動グル
ープ３２は、少なくとも一つの可動プレート３４を含ん
でおり、この可動プレート３４は、シャフト３６に取り
付けられ、このシャフトの軸を中心として回転できるよ
うになっている。この可動グループのプレートは、固定
セットのプレートに対して平行に配置されているが、固
定組のプレートとは異なる平面上に位置している。複数
の固定及び可動プレートを含む本発明の実施形態では、
二組のプレートが、可動グループを回転させたときにあ
る程度かみ合うように重ね合わされている。本発明の好
適な実施形態では、可動グループの回転軸は、固定プレ
ート及び可動プレートの双方の表平面（surface plan
e）と直交している。本発明の全ての態様において、こ
の可動グループは、固定組のプレートと可変容量結合さ
れ、コンデンサが作動する回路には電気接続されない。

【００１４】図３（ｂ）は、図３（ａ）に示される本発
明の可動グループのプレートの拡大図である。図３
（ｂ）では、プレート３４は、絶縁された複数の導電性
領域３８を含んでいる。これらの導電性領域は、可動グ
ループ内の他のプレートの導電性領域と絶縁されていて
も良く、また、この導電性領域と（図３（ａ）に示すよ
うに）電気接続されていても良い。大きな導電性領域を
形成することにより、ここで開示される改良可変コンデ
ンサは、従来技術のコンデンサと比較して、より低いイ
ンダクタンスを示すようになる。可動プレートは、セラ
ミック材料に銅を埋設して形成するのが好適であるが、
他の導電性材料及び／又は絶縁性材料を用いて可動プレ
ートを構成しても良い（これについては、上述した）。
これらのプレートは、可動軸を中心として回転できるよ
うに設けるのが好ましいため、回転中ほぼ平面を維持で
きる程度に硬質なものとするのが良い。このため、自ら
の回転軸上に位置する中心でしか通常は支持されない可
動プレートは、自らの縁周辺で支持することのできる固
定プレートよりも多少厚くすべきである。本発明のこの
実施形態では、可動プレートの好適な厚さは、約５ミリ
メートルである。

【００１５】本発明の好適な実施形態では、可動グルー
プのプレート３４及び固定組のプレート２２は、互い違
いに平行に配置されているが、同一平面上にはない。可
動グループが回転する間、可動グループのプレートの導
電領域３８は、第一及び第二組の固定導電プレートの間
に位置しており、これによって、絶縁された他の組の固
定プレート間に容量結合が形成される。可動プレートが
固定プレートと重なる量（プレートの重ね合わせの場合
には、かみ合う量）を変えたり、可動プレートの導電性
領域や固定プレートの配置を変えることにより、容量応
答（capacitiveresponse）を変動させることができる。

【００１６】固定プレートの上方に位置する可動プレー
トの表面積が最大になると、電荷を蓄積し、これによっ
て容量結合を促進するための最大の表面積が得られるの
で、固定及び可動プレートの導電性領域間の重なりを最
大にすることで、最大の容量が得られると考えられる。
また、最小の容量結合は、固定及び可動プレートの重な
りが最小のときに生じる。この重なりがないときには、
間隔をあけて配置された固定プレートの縁の間にごくわ
ずかな容量結合しか生じない。また、図示されるような
丸みを帯びた導電性領域を有する固定及び可動プレート
を使用するのが好適である。これは、このような輪郭に
すれば、プレートの表面積をより効果的に利用できるか
らであり、また、特に、このような導電性領域を設ける
と、可動プレートの回転に応じた容量の変化率を予想し
やすくなるからである。

【００１７】図４は、本発明に係る可変コンデンサ用の
固定された一組のコンデンサプレートを示す拡大部分断
面図である。この固定組のプレートは、電気回路への第
一及び第二の接続部４０、４２を含んでおり、これらは
コンデンサの二つの端子となっている。これにより、複
数の固定プレートは、それぞれ、回路に電気接続され
る。可動グループのプレートとは電気接続されておら
ず、全ての電流は、固定部及び移動部間の容量結合によ
って流されることになる。このため、ここでは、可動グ
ループとの容量結合しか存在せず、従って、可動グルー
プとの現実の電気接続は存在しない。これにより、従来
技術のコンデンサにおいて可動グループの物理接点との
摩擦により生じていた効率の悪い電流の流れと信頼性の
不足が除去される。

【００１８】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の一
つの好適な実施形態を示す概略図である。図５（ａ）及
び図５（ｂ）では、固定セットは、複数の導電プレート
からなる第一の組２４及び第二の組２６から構成されて
いる。この好適な実施形態についての静電容量の最大変
動量は、可動グループ３４のプレート３８を９０°回転
させて、可動グループと固定組との重なり量を変えるこ
とにより得られる。ここで、重なりを最小にすると（図
５（ａ））、最小の静電容量が得られ、重なりを最大に
すると（図５（ｂ））、最大の静電容量が得られる。こ
の点で、ここで説明する可変コンデンサは、静電容量の
最大変動を得るために最大限の１８０°の回転が必要な
従来技術のコンデンサと区別される。

【００１９】図６は、本発明の他の好適な実施形態を示
す部分断面概略図であり、固定組６１及び可動グループ
６２を含んでいる。固定組６１及び可動グループ６２の
それぞれは、固定グループについて図示されたプレート
６９（可動グループについては図示していないが、この
導電プレートは固定組の導電プレートと相補的な関係に
ある）のような分離された四組の導電プレートから構成
されている。固定グループ中の種々のプレートは、例え
ば図６に示されるように、相互に接続されており、この
コンデンサからコンデンサが動作する回路への接続６
６、６７を形成している。この四組配置の静電容量の最
大変動は、可動グループを４５°回転させることにより
得られる。このように、プレート、セット及び導電性領
域の数を変えることにより、本発明の容量応答を特定の
基準を満たすように適応させることができる。一般に、
全範囲にわたる容量変動をもたらすのに必要な回転量
は、与えられた導電性領域の数と逆の関係にある。

【００２０】

【実施例】図７は、従来技術のコンデンサ１０の概略図
である。間隔をあけて平行に配置された二つのプレート
４４、４６間の静電容量は、次の公式を用いて計算する
ことができる。

【００２１】Ｃ＝εＡ／ｄ（１）ここで、Ａは、プレートの面積ｄは、プレート間の距離 εは、空気の誘電率定数Ｃは、静電容量である。

【００２２】次の仮想データを用いた簡単な計算例は、
従来技術の設計により得られる全静電容量を示してい
る。

【００２３】 ε＝８．８５９×ｐＦ／ｍ（２）ここで、Ａ＝４．５２５ｉｎ² ｄ＝．０３２ｉｎＣ＝３１．８１９ｐＦ図８（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係る可変コンデンサに
ついて、以下のデータを用いた容量の計算を示す一連の
概略図である。

【００２４】電圧定格（Voltage rating）＝１導電領域の外径Ｄ＝３．５ｉｎ．非導電領域の内径Ｄi＝０．５ｉｎ．導電領域間の間隔Ｓ＝．１２５ｉｎ．プレート間の距離ｄ＝．０３２ｉｎ．１ディスクごとの全導電面積＝Ａ＝π（Ｄ／２）²−π（Ｄi／２）²−（Ｄ−Ｄi）・Ｓ＝９．０５ｉｎ²（３）図８（ｂ）は、本発明に係る可動プレートの４分の１に
ついての容量を示す概略図である。４分の１ディスクご
との容量の面積は、上記のサンプルデータに従って、
９．０５ｉｎ²を４で割ったもの、すなわちＡ＝２．２
６２ｉｎ²である。電圧定格は、プレート間の距離ｄに
正比例する。すなわち、電圧定格＝Ｖ_R・ｄである。

【００２５】次に、９０°回転時（０°＝導電性領域が
相互に完全に重なっている場合）における２ディスクの
導電性領域間の静電容量を計算する。一般容量公式Ｃ＝
εＡ／ｄを用いると、容量は、１５．９０９ｐＦと求
まる。

【００２６】図８（ｃ）は、４分の１導電性領域を二つ
備えた可動プレートの静電容量を示している。また、図
８（ｄ）は、本発明に係る４分の１導電領域を四つ備え
た可動プレートの静電容量を示している。

【００２７】図８（ｃ）は、直列に配置された二つのコ
ンデンサを示しており、全静電容量は、次の公式に従っ
て計算される。

【００２８】Ｃ_t＝Ｃ・Ｃ／（Ｃ＋Ｃ）＝７．９５５ｐＦ（４）電圧定格（Voltage rating）は、次のようになる。

【００２９】Ｖ_RATING＝Ｖ_R・（ｄ・２）（５）図８（ｄ）は、二つの重なり合った可動プレートについ
ての図８（ｃ）の等価な二つのコンデンサ配置が、単一
の容量と等価であることを示している。従って、全静電
容量は、Ｃ＝Ｃ_t＋Ｃ_t＝１５．９０９ｐＦ（６）である。

【００３０】導電性領域間の間隔を半分にすることによ
り、電圧定格はもとの値まで落ち、静電容量は、伝統的
な従来技術のコンデンサの２倍の値になる。本発明は、
これにより、従来技術の設計と同等の静電容量及び電圧
定格を同一の容積で提供し、その一方で、上述した従来
技術の可変コンデンサの摩耗に関係する問題点を除去
し、かつ、９０°あるいはそれより小さい回転で容量を
最大限に変動させる。

【００３１】以上、本発明を好適な実施形態と関連づけ
て説明してきたが、他の応用例を本発明の趣旨と範囲か
ら逸脱することなく上記のセットに置き換えることが可
能であることは、当業者であれば容易に理解することが
できる。従って、本発明は、特許請求の範囲によっての
み限定されるべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の可変コンデンサの斜視図である。

【図２】図２（ａ）は、本発明に係る可変コンデンサの
斜視図であり、図２（ｂ）は、本発明に係る図２（ａ）
の可変コンデンサ用の固定導電プレートの断面図であ
る。

【図３】図３（ａ）は、本発明に係る可変コンデンサ用
の可動グループを示す斜視図であり、図３（ｂ）は、本
発明に係る図３（ａ）の可動グループのプレートを示す
拡大図である。

【図４】本発明に係る可変コンデンサの拡大部分断面図
である。

【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、本発明の好適な
実施形態の一つを示す概略図である。

【図６】本発明の他の好適な実施形態を示す概略図であ
る。

【図７】従来技術のコンデンサの概略図である。

【図８】図８（ａ）〜図８（ｄ）は、本発明に係る可変
コンデンサの容量計算を示す一連の概略図である。

【符号の説明】

２０…誘電性材料、２２…固定導電プレート、２４、２
６…導電プレート、３０…誘電性材料、３２…可動グル
ープ、３４…可動プレート、３６…シャフト。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】共面的に配置され絶縁された少なくとも
二つの導電性部材であって、固定された一組のコンデン
サプレートを形成するように配置され、各々が電気回路
に別個に電気接続されうるようになっている前記導電性
部材と、少なくとも一つの導電性部材を有する可動グループであ
って、前記固定された一組のコンデンサプレートと平行
に間隔をあけて配置されており、前記第一組のプレート
の表面と直交する軸を中心として回転することができ、
この可動グループが前記固定された一組のコンデンサプ
レートの両方の表面と重なる量を変え、これによって前
記固定された一組のコンデンサプレートを構成する前記
二つの絶縁された導電性部材間を可変容量結合させるよ
うになっている前記可動グループと、を備える可変コンデンサ。
【請求項２】前記導電性部材は、ベース材料上に保持
されている請求項１記載の可変コンデンサ。
【請求項３】前記ベース材料は、約２ミリメートルの
厚さを有している請求項２記載の可変コンデンサ。
【請求項４】前記ベース材料は、ポリイミドである請
求項２記載の可変コンデンサ。
【請求項５】前記導電性部材は、銅から形成されてい
る請求項１記載の可変コンデンサ。
【請求項６】前記導電性部材は、約０．５ミリメート
ルと約５ミリメートルとの間の厚さを有することを特徴
とする請求項１記載の可変コンデンサ。
【請求項７】前記固定組のコンデンサプレートの少な
くとも一つ、及び前記可動グループは、軟質である請求
項１記載の可変コンデンサ。
【請求項８】前記固定組のコンデンサプレートの少な
くとも一つ、及び前記可動グループは、硬質である請求
項１記載の可変コンデンサ。
【請求項９】前記少なくとも二つの導電性部材が、前
記可動グループ上に形成されている請求項１記載の可変
コンデンサ。
【請求項１０】前記導電性部材の少なくとも一つが、
銅／セラミック構造物である請求項１記載の可変コンデ
ンサ。
【請求項１１】前記導電性部材の少なくとも一つが、
プラスティックベース上に形成されている請求項１記載
の可変コンデンサ。
【請求項１２】前記導電性部材の少なくとも一つが、
プリント回路基板上に形成されている請求項１記載の可
変コンデンサ。
【請求項１３】電気絶縁され、間隔をあけて配置され
た少なくとも二つの共面プレートであって、電気回路に
接続されうるようになっているプレートと、少なくとも一つの間隔をあけて配置された可動導電性部
材であって、前記間隔をあけたプレートの表平面（a su
rface plane）と直交する軸を中心として回転すること
ができ、前記可動部材が前記間隔をあけたプレートの各
々の前記表平面と重なる量を変え、これにより、前記間
隔をあけたプレート間を可変容量結合させるようになっ
ている前記可動導電性部材と、を備える可変コンデンサ。
【請求項１４】固定された重ね合わせの中の層として
配置された複数の前記間隔をあけたプレートと、可動重ね合わせの中に配置され、前記間隔をあけたプレ
ートの重ね合わせとかみ合うことができるようになって
いる複数の可動導電性部材と、をさらに備える請求項１３記載の可変コンデンサ。
【請求項１５】前記固定重ね合わせの各層における前
記間隔をあけたプレートの各プレートは、前記固定重ね
合わせの他の各層における対応するプレートと電気接続
されている請求項１４記載の可変コンデンサ。
【請求項１６】前記可動重ね合わせの各層における各
導電性部材は、前記可動重ね合わせの他の各層における
対応する導電性部材と電気接続されている請求項１４記
載の可変コンデンサ。
【請求項１７】前記可動部材は、約９０°或いはこれ
より小さい範囲で回転して、前記間隔をあけたプレート
間に全範囲にわたる可変容量結合を形成することができ
るようになっている請求項１３記載の可変コンデンサ。
【請求項１８】前記可動導電性部材は、前記間隔をあ
けたプレートと電気接続されておらず、また、前記可動
導電性部材は、電気回路と接続できるようになっていな
い請求項１３記載の可変コンデンサ。
【請求項１９】間隔をあけたプレート及び対応する可
動導電性部材の数と、全範囲にわたる容量変動を得るの
に必要な前記可動導電性部材の最大回転量との間に、逆
の関係がある請求項１３記載の可変コンデンサ。