JPH0955337A - 可変容量コンデンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電容量の可変率を大きく取ることが可能な
可変容量コンデンサを提供する。 【解決手段】 基板３上に駆動電極10と支持部16，17を
固定形成し、支持部16の上部に梁15を介し可動電極６を
連接する。可動電極６は、駆動電極10と間隙を介して対
向する基端側の電極部19と、この電極部19に連接して基
板面に対し間隙を介し基板面に沿う水平方向に伸張形成
される櫛歯形状の電極部18とを有する。支持部17から可
動電極６に向かう方向に基準電極４を伸張形成し、基準
電極４の電極面４ａと可動電極６の電極部18の電極面18
ａは水平方向に間隙を介して対向し、これら電極により
容量コンデンサが形成される。バイアス電圧印加手段12
によって可動電極６と駆動電極10間にバイアス電圧を印
加すると、電圧の大きさに応じて可動電極６が基板３側
に変位し可動電極６と基準電極４の電極面21のオーバー
ラップ面積が変化し容量コンデンサの静電容量が可変す
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、各種の電子回路に
使用される静電容量の可変制御が可能な可変容量コンデ
ンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図３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１の要部構成が示されており、この可
変容量コンデンサ１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の電極面４ａと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】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には、この容量コンデンサにバイア
ス電圧を印加するバイアス電圧印加手段12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
電圧印加手段12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】上記構成の可変容量コンデンサにおいて
は、前記バイアス電圧印加手段12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３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】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。

【０００６】

【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。

【０００７】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。

【０００８】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。

【０００９】 Ｆ＝ｋｘ＝（１／２）・εＳ｛Ｖ／（ｘ₀ −ｘ）｝² ・・・・・（１）

【００１０】なお、式（１）において、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。

【００１１】 ｕ（１−ｕ）² ＝ＫＶ² ・・・・・（２）

【００１２】この式（２）から、ｕ（１−ｕ）² ＝ｆ
（ｕ）とすると、図４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。

【００１３】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。

【００１４】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可変容量コンデンサを提供する
ことにある。

【００１５】

【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、基板上に可動電極の支持部が設けられ、この支
持部に可動電極の基端側が連接されて可動電極の先端側
が基板面に対し隙間を介して基板面に沿うほぼ水平方向
に伸張形成されており、この可動電極の伸張先端側と対
向する向い側からは基準電極が可動電極側に伸張形成さ
れ、前記可動電極と基準電極の伸張先端側は両電極の伸
張方向と交差する水平方向の隙間を介しており、前記可
動電極に対して上下の一方側の間隔を介した対向位置に
は静電力によって可動電極を上下方向に変位させて該可
動電極と基準電極とのオーバーラップ面積を可変調整す
る駆動電極が配設されている構成をもって、前記課題を
解決する手段としている。

【００１６】上記構成の本発明において、駆動電極と可
動電極間に電圧を印加することにより、可動電極が静電
力（クーロン力）によって駆動電極に引き寄せられ、可
動電極は上記印加電圧の大きさに応じて駆動電極に向か
う方向に変位する。このことにより、可動電極と基準電
極とのオーバーラップ面積が上記可動電極の変位量に対
応して可変し、可動電極と基準電極間（コンデンサ）の
静電容量が可変される。

【００１７】本発明では、可動電極の先端側が自由端と
なっているので、例えば、従来例に示した両端が固定さ
れている形態の可動電極における中央部分の撓み変位よ
りも、可動電極の先端側を大きく変位させることができ
る。すなわち、可動電極と基準電極とのオーバーラップ
面積を大きく変化させることが可能であり、可動電極と
基準電極間の静電容量の可変率を大きく取ることがで
き、従来における静電容量の可変率が小さいという問題
が解決される。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態例を
図面に基づき説明する。なお、以下に説明する実施の形
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。

【００１９】図１には本発明に係る可変容量コンデンサ
の実施の形態例が示されている。この可変容量コンデン
サ１は、表面マイクロマシニング技術を用いて基板３に
形成される駆動電極10と基準電極４と可動電極６と梁15
と支持部16，17とを有して構成されており、この可変容
量コンデンサには静電容量の可変制御を行うバイアス電
圧印加手段12が接続される。

【００２０】同図において、基板３上には同図の（ｂ）
に示すように駆動電極10が配設され、同図の（ａ）に示
すように駆動電極10の近傍には該駆動電極10に間隔を介
して支持部16Ａ，16Ｂ，17が基板３に固定形成されてお
り、支持部16Ａ，16Ｂの上部には梁15を介し可動電極６
が連接され、また、支持部17の上部には基準電極４が連
接されている。

【００２１】上記可動電極６は基準電極対向電極部18と
駆動電極対向電極部19とを有して構成されており、先端
側の基準電極対向電極部18と基端側の駆動電極対向電極
部19とが一体的に形成されている。駆動電極対向電極部
19は、前記駆動電極10に間隙を介し対向形成され、前記
梁15を介し支持部16に連接され両持ち梁形状で支持され
ている。この駆動電極対向電極部19に連接する基準電極
対向電極部18は櫛歯形状であり、基板面に対し間隙を介
し基板面に沿う水平方向に伸張形成され、その伸張先端
側は自由端となっており、駆動電極対向電極部19を介し
て梁15に片持ち梁形状で支持されている。

【００２２】基準電極対向電極部18の伸張先端側と対向
する向い側からは前記支持部17に連接された櫛歯形状の
基準電極４が基準電極対向電極部18に噛み合うように伸
張形成され、基準電極４の電極面４ａと基準電極対向電
極部18の電極面18ａが両電極４，18の伸張方向と交差す
る（図示の例では直交する）水平方向に間隙を介し対向
配設されている。これら基準電極４と基準電極対向電極
部18により容量コンデンサが形成されている。

【００２３】上記構成の可変容量コンデンサ１におい
て、図１の（ａ）に示すように、駆動電極対向電極部19
と駆動電極10とに、直流のバイアス電圧を印加するバイ
アス電圧印加手段12が接続される。このバイアス電圧印
加手段12により、駆動電極対向電極部19と駆動電極10と
の間に直流のバイアス電圧を印加し、駆動電極対向電極
部19と駆動電極10に電位差を与えると、クーロン力（静
電力）によって駆動電極対向電極部19は上記バイアス電
圧の大きさに応じ駆動電極10側（基板３側）に変位し、
この変位により基準電極対向電極部18が同図の（ｂ）の
点線で示すように基板３側に変位する。このように基準
電極対向電極部18が下方向に変位すると、基準電極対向
電極部18と基準電極４とのオーバーラップ面積が変化し
て基準電極対向電極部18と基準電極４から成る容量コン
デンサの静電容量が変化する。すなわち、容量コンデン
サの静電容量は前記バイアス電圧の大きさに対応して変
化することになり、容量コンデンサはバイアス電圧によ
って静電容量の可変制御が成される。

【００２４】なお、上記図１に示す可変容量コンデンサ
１は、前記バイアス電圧の大きさが大きくなるに従い、
基準電極対向電極部18と基準電極４とのオーバーラップ
面積が減少し、つまり、容量コンデンサの静電容量が減
少していく構成となっている。

【００２５】この実施の形態例によれば、可動電極６の
駆動電極対向電極部19が両持ち梁形状で支持され、駆動
電極対向電極部19に連接して伸張形成される基準電極対
向電極部18の伸張先端側は自由端となっている（基準電
極対向電極部18は駆動電極対向電極部19を介して梁15に
片持ち梁形状で支持されている）ので、バイアス電圧印
加手段12により駆動電極対向電極部19と駆動電極10間に
バイアス電圧が印加されると、両持ち梁で支持されてい
る駆動電極対向電極部19が梁15の撓みに連動して下方向
に撓み変位し、さらに片持ち梁で支持されている基準電
極対向電極部18が駆動電極対向電極部19を基端にして撓
み変位し、駆動電極対向電極部19と基準電極対向電極部
18の変位が相乗的に作用して基準電極対向電極部18を基
準電極４に対し大きく変位させることができる。したが
って、従来例に示した可動電極６の両端を固定する形態
の可動電極６の中央部分の撓み変位よりも、図１に示す
形態では可動電極６の基準電極対向電極部18を大きく変
位させることができ、すなわち、基準電極対向電極部18
と基準電極４のオーバーラップ面積を大きく変化させる
ことができ、基準電極対向電極部18と基準電極４から成
る容量コンデンサの静電容量の可変率を大きく取ること
が可能となる。

【００２６】また、上記の如く、基準電極対向電極部18
が駆動電極対向電極部19よりも大きく変位する構成であ
るので、例えば、容量コンデンサの静電容量を可変率Ｘ
だけ可変するときの印加バイアス電圧の大きさは、従来
の構成の可変容量コンデンサの静電容量を可変率Ｘだけ
可変するのに必要とするバイアス電圧よりも小さくてよ
く、可変容量コンデンサの静電容量の可変制御に要する
消費電力を小さくすることができる。

【００２７】なお、本発明は上記実施の形態例に限定さ
れるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例え
ば、上記実施の形態例では、図１の（ｂ）に示すよう
に、基準電極対向電極部18（可動電極６）と基準電極４
とは基板３の基板面からの高さを合わせて形成されてい
たが、図２に示すように、可動電極６を基準電極４より
も上側にずらして形成してもよい。図２に示す可変容量
コンデンサ１では、駆動電極対向電極部19と駆動電極10
の間に印加するバイアス電圧が大きくなるに従い基準電
極対向電極部18と基準電極４のオーバーラップ面積が増
加し、基準電極対向電極部18と基準電極４から成る容量
コンデンサの静電容量が増加する方向に可変制御され
る。

【００２８】さらに、上記実施の形態例では可動電極６
の駆動電極対向電極部19は両持ちの梁15で支持されてい
たが、片持ちの梁で支持してもよい。さらに、上記実施
の形態例では、基準電極対向電極部18および基準電極４
は櫛歯形状であったが、必ずしも櫛歯でなくてもよい。
ただし、基準電極対向電極部18の電極面18ａと基準電極
４の電極面４ａは、もちろん、両電極18，４の伸張方向
に交差する水平方向に間隙を介し少なくとも一部がオー
バーラップ（駆動していないときにオーバーラップして
いなくても駆動したときに少なくとも一部がオーバーラ
ップする場合も含む）するように設けなければならな
い。ただ、上記実施の形態例で示したように、櫛歯形状
に形成する場合には容量コンデンサの静電容量の可変率
をより大きく取ることができる。

【００２９】さらにまた、上記実施の形態例では、駆動
電極10は可動電極６の駆動電極対向電極部19の下側、つ
まり、基板３側に配設されたが、図１の（ｂ）の鎖線で
示すように上側に形成する等、駆動電極10の配設位置
は、静電力によって可動電極６を上下方向に変位させ可
動電極６と基準電極４とのオーバーラップ面積を可変調
整して可動電極６と基準電極４によるコンデンサの静電
容量を可変できる位置であればよい。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、可動電極の基端側が支
持部に連接され、可動電極の伸張先端側が自由端となっ
ているので、従来における可動電極の両端が固定されて
いる形態で、可動電極の中央部分を撓み変位させるもの
よりも、本発明での可動電極の先端側は大きく変位する
ことが可能となり、つまり、可動電極と基準電極とのオ
ーバーラップ面積を大きく変化させることができ、可動
電極と基準電極から成る容量コンデンサの静電容量の可
変率を従来よりも大き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実施の一形
態例を示す説明図である。

【図２】その他の実施の形態例を示す説明図である。

【図３】従来例を示す説明図である。

【図４】図３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】

１ 可変容量コンデンサ ３ 基板 ４ 基準電極 ６ 可動電極 10 駆動電極 16 支持部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に可動電極の支持部が設けられ、
   この支持部に可動電極の基端側が連接されて可動電極の
   先端側が基板面に対し隙間を介して基板面に沿うほぼ水
   平方向に伸張形成されており、この可動電極の伸張先端
   側と対向する向い側からは基準電極が可動電極側に伸張
   形成され、前記可動電極と基準電極の伸張先端側は両電
   極の伸張方向と交差する水平方向の隙間を介しており、
   前記可動電極に対して上下の一方側の間隔を介した対向
   位置には静電力によって可動電極を上下方向に変位させ
   て該可動電極と基準電極とのオーバーラップ面積を可変
   調整する駆動電極が配設されていることを特徴とする可
   変容量コンデンサ。