JPH097889A

JPH097889A - 可変容量コンデンサ

Info

Publication number: JPH097889A
Application number: JP14763195A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Fujii; 康生藤井; Tomoji Iyoda; 友二伊豫田; Katsuhiko Tanaka; 克彦田中
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-06-14
Filing date: 1995-06-14
Publication date: 1997-01-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】単一素子でありながら、耐電圧性に優れ、周
波数安定度が高く、小型で、静電容量の可変率が大きい
可変容量コンデンサを提供する。【構成】可動電極を構成する対向電極部１５は、断面
が縦長の細長い梁１７Ａ，１７Ｂによって支持され、可
動可能となっている。また、対向電極部に対向して基板
表面電極１２が設けられ、可動電極に対向して固定電極
６が設けられる。引出し電極の１０及び１１Ａ又は１１
Ｂを介して可動電極と固定電極の間に外部バイアス電圧
を印加すると、両者の間にはク−ロン力が発生し、対向
電極部には、固定電極側に引き寄せようとする力が作用
する一方、梁の弾力（復元力）によって対向電極部を元
の位置に引き戻そうとする力が作用し、ク−ロン力と弾
力が釣り合う位置まで、対向電極部は変位する。対向電
極部の変位にともなって基板表面電極と重なり合う対向
面積が変わり、対向電極部と基板表面電極間の静電容量
が変化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電圧可変容量素子の一
種であ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】従来は、可変容量素子として、複数の固
定板からなるステーターと、固定板に対向して設けら
れ、軸を回すことによって固定板に触れずに回転する回
転板からなるローターとによって構成されるバリアブル
コンデンサが知られている。ステーターとローターは絶
縁されていて、ローターを回転させると、互いの対向面
積が変わり靜電容量が変化する。

【０００３】また、絶縁層で囲まれた半導体表面の空間
電荷領域に、外部バイアス電圧を加えると靜電容量が変
化する可変容量ダイオードが知られている。

【０００４】さらに、特開平５−７４６５５号公報に記
載された可変容量コンデンサが知られている。図８のよ
うに、可変容量コンデンサは、共に薄膜体として形成さ
れた固定電極１と可動電極２とを備えており、これらが
絶縁支持台３に設けられた空間部４を介して対向支持さ
れた構造となっている。絶縁支持台３は、例えばシリコ
ン基板であり、その一面側に彫り込み形成された凹部で
ある空間部４の底面にはアルミニウムの蒸着などによっ
て形成された固定電極１が設けられている。また、この
凹部の開口縁部には同様にして形成された可動電極２が
空間部４を介して浮いた状態で設けられており、固定電
極１および可動電極２のそれぞれの一端から引き出し形
成された端子部（図示せず）間には外部バイアス電圧が
印加されるようになっている。固定電極１と可動電極２
との間に外部バイアス電圧を印加すると、固定電極１と
可動電極２との間のクーロン力の作用によって、両者間
の間隔が増減し、靜電容量が変わる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、バリア
ブルコンデンサは、モーター等を用いてローターを回転
させるための回転機構が必要となるため、小型化を図る
ことが難しかった。

【０００６】また、可変容量ダイオードは、単一素子に
よって靜電容量を可変させることが可能であるが、電気
的耐圧性を向上させるために内部抵抗を大きくする必要
があった。内部抵抗を大きくすると、１／２πｆｃｒ
（但し、ｆは周波数、ｃは靜電容量、ｒは内部抵抗）で
表わされる周波数安定度を示すＱ値は小さくなり、周波
数の安定性が悪くなるという欠点や、キャリアノイズが
大きくなるという欠点があった。

【０００７】可変容量コンデンサの場合、可動電極２
を、外部バイアス電圧が印加されていない状態の固定電
極１と可動電極２の距離に対して１／３以上変位させよ
うとすると、可動電極２を表面に形成した薄板が元の位
置に戻ろうとする弾力（復元力）と、固定電極１と可動
電極２との間に生じるクーロン力との釣り合いが保たれ
なくなり、可動電極２が固定電極１に引きつけられてし
まうという欠点があった。このため、靜電容量の可変率
を大きくすることができなかった。

【０００８】そこで、本発明は単一素子でありながら、
電気的耐圧性に優れ、周波数安定度が高く、小型で、靜
電容量の可変率が大きい特性を有する可変容量コンデン
サを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の可変容量コンデ
ンサは、上記目的を達成するために次のように構成され
る。すなわち、第一に、梁によって支持された可動可能
な対向電極部を有する可動電極と、該可動電極に対向し
て設けられた固定電極と、前記対向電極部と対向して設
けられた基板表面電極と、前記可動電極と前記固定電極
との間に外部バイアス電圧を印加する手段とを備え、該
手段によって前記可動電極と前記固定電極との間に外部
バイアス電圧を印加することにより前記対向電極部を変
位させて前記対向電極部と前記基板表面電極の間の静電
容量を変化させるものであり、第二に、第一の発明にお
いて、外部バイアス電圧を印加しない状態において、対
向電極部と重なり合う対向面積が最も大きくなる位置に
基板表面電極を配置したものであり、第三に、第一の発
明において、外部バイアス電圧を印加しない状態におい
て対向電極部と重なり合う対向面積が最も小さくなる位
置に基板表面電極を配置したものである。

【００１０】

【作用】第一の発明においては、固定電極と可動電極が
対向して設けられているので、固定電極と可動電極の間
に外部バイアス電圧を印加すると、両者の間にはク−ロ
ン力が発生して、可動電極を構成する対向電極部は固定
電極部に引き寄せられる。対向電極部は、対向電極部を
可動する梁の弾力とク−ロン力が釣り合う位置まで変位
する。印加する外部バイアス電圧の大きさを変えるとク
−ロン力の大きさが変わり、対向電極部の変位距離が変
化する。このため、対向電極部と基板表面電極との重な
り合う対向面積が変わり、対向電極部と基板表面電極と
の間の静電容量の値が変わる。静電容量は、可動電極お
よび基板表面電極に接続された引き出し電極を介して取
り出される。

【００１１】第二の発明においては、固定電極と可動電
極との間に外部バイアス電圧を印加すると、対向電極部
と基板表面電極との重なり合う対向面積が減少する方向
に対向電極部が変位する。この結果、外部バイアス電圧
の値の増加につれて、対向電極部と基板表面電極との間
の静電容量の値は減少する。

【００１２】第三の発明においては、固定電極と可動電
極との間に外部バイアス電圧を印加すると、対向電極部
と基板表面電極との重なり合う対向面積が増加する方向
に対向電極部が変位する。この結果、外部バイアス電圧
の値の増加につれて、対向電極部と基板表面電極との間
の静電容量の値は増加する。

【００１３】

【実施例】

（実施例１）図１乃至図４を用いて本発明にかかる可変
容量コンデンサの実施例を説明する。

【００１４】可変容量コンデンサは、基板５と、固定電
極６と、可動電極７とから構成される。

【００１５】基板５は、石英ガラス、アルミナ等の絶縁
性材料で形成された長方形板であり、表面に固定電極用
台座８および一対の可動電極用台座９Ａ、９Ｂが設けら
れる。固定電極用台座８は厚さｔ１の長方形板であり、
固定電極用台座８の長辺と基板５の長辺を平行にして、
基板５の一方の長辺側の中央部近傍に配置される。一対
の可動電極用台座９Ａ、９Ｂは、固定電極用台座８と同
じ厚さｔ１を有する長方形板である。この可動電極用台
座９Ａ、９Ｂは、短辺側面を対向するようにして、固定
電極用台座８の長辺側面に垂直な中心軸Ｌに対して対称
に配置される。固定電極用台座８の表面には、引き出し
電極１０が形成される。また、可動電極用台座９Ａ、９
Ｂの表面には、引き出し電極１１Ａ、１１Ｂが形成され
る。基板５の表面には、引き出し電極１１Ａと１１Ｂを
結ぶ線上に長方形の基板表面電極１２が固定電極用台座
８の中心軸Ｌに対して対称に形成される。また、基板表
面電極１２に接続する引き出し電極１３が、固定電極用
台座８から離れた側の基板表面電極１２の長辺中央部か
ら基板５の表面に形成される。固定電極用台座８および
一対の可動電極用台座９Ａ、９Ｂは、固定電極用台座８
および一対の可動電極用台座９Ａ、９Ｂを形成する部分
以外の基板５の表面を化学エッチング等の手段を用いて
除去することにより形成される。すなわち、化学エッチ
ング等を施した後に基板５の表面に残った凸部が、固定
電極用台座８および一対の可動電極用台座９Ａ、９Ｂと
なる。また、引き出し電極１０、１１Ａ、１１Ｂ、１３
および基板表面電極１２は、アルミニウムあるいは金等
の薄膜で形成される。形成に際しては、所定形状のマス
クパタ−ンを使用した、スパッタリングあるいは蒸着等
の手段が用いられる。

【００１６】固定電極６は、長方形板の一方の長辺側面
に、長辺側面と垂直に凹形状の切欠部１４Ａ、１４Ｂを
設けた、厚みがｔ２のＥ字状の板である。固定電極６
は、切欠部１４Ａ、１４Ｂを基板表面電極１２の側に向
けるとともに、固定電極用台座８の中心軸Ｌに対して対
称となるように、固定電極用台座８に一部重ね合わされ
る。この後、陽極接合あるいは接着剤等の手段を用い
て、固定電極６は固定電極用台座８に固定される。この
結果、固定電極６の切欠部１４Ａ、１４Ｂ側は、間隙ｔ
１を保って基板５の上に浮いた状態で支持される。

【００１７】可動電極７は、対向電極部１５と、突起１
６Ａ、１６Ｂと、梁１７Ａ、１７Ｂと、固定部１８Ａ、
１８Ｂとから一体に構成された厚みｔ２の板である。対
向電極部１５は長方形板をなし、一方の長辺側面には、
長辺側面と垂直に四角柱状の突起１６Ａ、１６Ｂが立設
して設けられる。突起１６Ａは、固定電極６に設けられ
た切欠部１４Ａと遊嵌する。また、突起１６Ｂは、固定
電極６に設けられた切欠部１４Ｂと遊嵌する。突起１６
Ａと切欠部１４Ａの対向する側面の間隙および突起１６
Ｂと切欠部１４Ｂの対向する側面の間隙は、それぞれ等
間隔に保たれる。対向電極部１５の短辺の両側面の中央
には、梁１７Ａ、１７Ｂの一端が、垂直に立設して設け
られる。梁１７Ａ、１７Ｂの幅は、可動電極７の厚みｔ
２の半分程度であり、梁１７Ａ、１７Ｂの断面は縦長の
長方形状をなす細長い板である。梁１７Ａ、１７Ｂの他
端は、四角板の固定部１８Ａ、１８Ｂの側面と垂直に接
続される。固定部１８Ａ、１８Ｂは、可動電極７を固定
電極用台座８の中心軸Ｌに対して対称に配置されるよう
に、可動電極用台座９Ａ、９Ｂの表面に重ね合わされ
る。この後、陽極接合あるいは接着剤等の手段を用い
て、固定部１８Ａ、１８Ｂは可動電極用台座９Ａ、９Ｂ
に固定される。この結果、対向電極部１５は、梁１７
Ａ、１７Ｂによって浮いた状態に支持される。梁１７
Ａ、１７Ｂの断面を縦長の長方形状にしたので、梁１７
Ａ、１７Ｂは、断面の短片方向には曲がりやすいが、断
面の長片方向には曲がりにくい。このため、対向電極部
１５は、固定電極用台座８の中心軸Ｌの方向には変位す
るが、基板５の表面に垂直な方向には変位しない。この
ため、対向電極部部１５は、梁１７Ａ、１７Ｂによって
支持されているにもかかわらず、垂れ下がることもな
く、基板５との間隙は一定に保たれる。

【００１８】基板表面電極１２は、対向電極部１５と対
向させて重なり合うように形成される。引き出し電極１
０は固定電極６の底面を介して固定電極６と電気的に接
続される。同様に、引き出し電極１１Ａは固定部１８Ａ
の底面を介して固定部１８Ａと電気的に接続され、引き
出し電極１１Ｂは固定部１８Ｂの底面を介して固定部１
８Ｂと電気的に接続される。

【００１９】基板表面電極１２と対向電極部１５の重な
り合う対向面積をＳ、誘電率をεとすると、基板表面電
極１２と対向電極部１５の間には、ε・Ｓ／ｔ１の静電
容量Ｃが生じる。この静電容量Ｃは、引き出し電極１１
Ａあるいは１１Ｂと、引き出し電極１３を介して取り出
される。

【００２０】固定電極６および可動電極７は、金属等の
導体、高周波の表皮効果を改善するために絶縁体の表面
に導電性薄膜を幾層にも設けた導体、あるいは低抵抗の
半導体に、化学エッチング等の手段を施すことにより形
成される。

【００２１】引き出し電極１０と、引き出し電極１１Ａ
あるいは１１Ｂを介して、固定電極６と可動電極７の間
に外部バイアス電圧Ｖを印加すると、両者の間にはク−
ロン力が発生し、対向電極部１５は固定電極６に引き寄
せられる。また、対向電極部１５には、対向電極部１５
を元の位置に引き戻そうとする梁１７Ａ、１７Ｂによる
弾力が作用する。対向電極部１５は、外部バイアス電圧
Ｖが印加されない状態から距離ｘだけ変位して、最終的
にク−ロン力と弾力が釣り合う。対向電極部１５が距離
ｘだけ変位した場合、基板表面電極１２と対向電極部１
５の重なり合う対向面積Ｓは距離ｘに比例した値だけ減
少する。すなわち、基板表面電極１２と対向電極部１５
の間の静電容量Ｃは、対向電極部１５が距離ｘに比例し
た値だけ減少する。外部バイアス電圧Ｖの二乗に比例し
て発生するク−ロン力と、対向電極部１５が変位する距
離ｘに比例して発生する弾力との釣り合から、対向電極
部１５が変位する距離ｘは外部バイアス電圧Ｖの二乗に
比例する。従って、図４に示すように、外部バイアス電
圧Ｖの変化を横軸に、静電容量Ｃの変化を縦軸にしてプ
ロットすると、得られる曲線は上に凸の減少曲線とな
る。

【００２２】なお、図５に示すように、対向電極部１５
は、外部バイアス電圧Ｖが印加されていない状態に於い
て、基板表面電極１２と対向しないように基板表面電極
１２を固定電極６寄りにずらして形成しても良い。この
場合は、外部バイアス電圧Ｖが印加されていない状態で
は基板表面電極１２と対向電極部１５の重なり合う対向
面積Ｓが最も少なく、固定電極６と可動電極７の間に外
部バイアス電圧Ｖを印加すると、基板表面電極１２と対
向電極部１５の重なり合う対向面積Ｓが増大する。すな
わち、図６に示すように、静電容量Ｃの変化を縦軸に、
外部バイアス電圧Ｖの変化を横軸にしてプロットする
と、得られる曲線は下に凸の増加曲線となる。

【００２３】さらに長方形の基板表面電極１２と、長方
形板の対向電極部１５を用いて説明したが、基板表面電
極１２および対向電極部部１５は、他の形状でも良い。
この場合は、外部バイアス電圧Ｖを印加した際の対向電
極部１５が変位する距離ｘに対して比例することなく、
対向電極部１５と基板表面電極１２の対向面積の値を変
えることができる。このため、静電容量Ｃの変化を縦軸
に、外部バイアス電圧Ｖの変化を横軸にしてプロットし
た場合の変化を、例えばリニアにする等、自由に変える
ことができる。

【００２４】（実施例２）本発明は上述した実施例に限
られず、固定電極と、可動電極および基板表面電極は他
の形状としても良い。図７を用いて、他の固定電極と、
可動電極および基板表面電極について説明する。上述し
た実施例と同じ部分は同じ番号を用いて、説明を省略す
る。

【００２５】固定電極１９は、長方形板の一方の長方形
側面に、長片側面と垂直に凹形状の複数個の切欠部２０
Ａ、２０Ｂ、…、２０Ｎを設けた櫛歯状の板である。

【００２６】可動電極２１は、対向電極部２２と、突起
２３Ａ、２３Ｂ、…、２３Ｎと、梁２４Ａ、２４Ｂ、２
４Ｃ、２４Ｄとから構成される。対向電極部２２は、複
数個の長方形状の対向電極構成部２５を並列に並べ、そ
れぞれの対向電極構成部２５の両端を支持部２６Ａ、２
６Ｂにより相互に接続した梯子状のものである。固定電
極１９に対向する対向電極部２２の対向電極構成部２５
の長辺側面には、複数個の突起２３Ａ、２３Ｂ、…、２
３Ｎが垂直に立設して形成される。突起２３Ａ、２３
Ｂ、…、２３Ｎは、固定電極１９に形成された切欠部２
０Ａ、２０Ｂ、…、２０Ｎと遊嵌する。梁２４Ａ、２４
Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄは、断面が縦長の長方形状をなす細
長い板をコ字状に組み合わせたものである。コ字状の対
向する細長い板の一方は、他方よりも短く形成される。
梁２４Ａ、２４Ｂは、短く形成された細長い板の側面を
対向するように配置し、長く形成された細長い板の端部
は支持部２６Ａの両端部に結合される。梁２４Ａ、２４
Ｂの短く形成された細長い板の端部側は、可動電極用台
座９Ａに係止して固定される。同様に、梁２４Ｃ、２４
Ｄは、支持部２６Ｂに結合されるとともに、可動電極用
台座９Ｂに係止して固定される。対向電極部２２は、梁
２４Ａ、２４Ｂおよび梁２４Ｃ、２４Ｄによって支持さ
れるため、振動等の影響を受けにくくなる。

【００２７】基板表面電極２７は、複数個の長方形状の
対向電極構成部２５に対向して重なり合うように基板５
の表面に形成される。なお、基板表面電極２７は、基板
表面電極２７の一端側に形成された引き出し電極２８に
よって相互に接続される。このような形状においては、
基板表面電極２７と対向電極構成部２５のそれぞれの間
に静電容量が生じ、複数個のコンデンサが並列に接続し
た場合と等価となる。このため、大きな静電容量Ｃが得
られる。

【００２８】

【発明の効果】本発明は、上述のような構成であるから
次のような効果を有する。すなわち、可動電極と固定電
極の間に印加された外部バイアス電圧によって生じるク
ーロン力と、梁が可動電極を構成する対向電極部を元の
位置に引き戻そうとする弾力との釣り合いから、対向電
極部は所定の距離だけ変位し、対向電極部と基板表面電
極との間の靜電容量が変化する。対向電極部と基板表面
電極との間は空気によって絶縁されているため、可変容
量コンデンサの耐圧が高くなり、かつまた、バラクタダ
イオードに比べて直列抵抗が小さいのでＱ値が非常に高
いものが得られ周波数安定度が向上する。また、可動電
極が固定電極に引きつけられて電極間距離がゼロとな
り、可変容量コンデンサとして機能しなくなるというこ
とがないため、広い範囲に渡って靜電容量を変化させる
ことができる。さらに、本発明の可変容量コンデンサを
用いて高周波回路を構成する場合は、可変容量コンデン
サの可動電極と固定電極の間および、対向電極部と基板
表面電極の間がそれぞれ絶縁されているため、バイアス
電圧源と高周波回路との間のアイソレ−ションをとるた
めのバイアス回路が不要となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の可変容量コンデンサの斜視図である。

【図２】本発明の可変容量コンデンサの分解斜視図であ
る。

【図３】本発明の可変容量コンデンサの、図１における
中心軸Ｌにおける断面の一部である。

【図４】本発明の可変容量コンデンサにおける、静電容
量と、印加する外部バイアス電圧の関係を示す図であ
る。

【図５】本発明に係る他の可変容量コンデンサの、図１
における中心軸Ｌと同じ場所の断面の一部である。

【図６】本発明の他の可変容量コンデンサにおける、静
電容量と、印加する外部バイアス電圧の関係を示す図で
ある。

【図７】本発明の他の可変容量コンデンサの斜視図であ
る。

【図８】従来の発明に係る可変容量コンデンサの断面図
である。

【符号の説明】

５基板６固定電極７可動電極８固定電極用台座９Ａ、９Ｂ可動電極用台座１０、１１Ａ、１１Ｂ、１３引き出し電極１２基板表面電極１４Ａ、１４Ｂ切欠部１５対向電極部１６Ａ、１６Ｂ突起１７Ａ、１７Ｂ梁１８Ａ、１８Ｂ固定部１９固定電極２０Ａ、２０Ｂ、…、２０Ｎ切欠部２１可動電極２２対向電極部２３Ａ、２３Ｂ、…、２３Ｎ突起２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ梁２５対向電極構成部２６Ａ、２６Ｂ支持部２７基板表面電極２８引き出し電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】梁によって支持された可動可能な対向電
極部を有する可動電極と、該可動電極に対向して設けら
れた固定電極と、前記対向電極部と対向して設けられた
基板表面電極と、前記可動電極と前記固定電極との間に
外部バイアス電圧を印加する手段とを備え、該手段によ
って前記可動電極と前記固定電極との間に外部バイアス
電圧を印加することにより前記対向電極部を変位させて
前記対向電極部と前記基板表面電極の間の静電容量を変
化させることを特徴とする可変容量コンデンサ。
【請求項２】外部バイアス電圧を印加しない状態にお
いて、対向電極部と重なり合う対向面積が最も大きくな
る位置に基板表面電極を配置したことを特徴とする請求
項１に記載の可変容量コンデンサ。
【請求項３】外部バイアス電圧を印加しない状態にお
いて対向電極部と重なり合う対向面積が最も小さくなる
位置に基板表面電極を配置したことを特徴とする請求項
１に記載の可変容量コンデンサ。