(57)【要約】【課題】  バイアス電圧の低電圧化と静電容量変化率の最大化が両立可能な可変キャパシタを得る。【解決手段】  複数の第一の容量電極４と複数の第一のバイアス電極６が誘電体を介して交互に積層された第一の容量部と、複数の第二の容量電極５と複数の第一のバイアス電極７が誘電体を介して交互に積層された第二の容量部と、バイアス電極６ａとバイアス電極７ａが誘電体を介して対向している可変容量部で構成されている。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体の積層体中に、誘電体を介して対向する第一の容量電極と第一のバイアス電極とで構成された第一の容量部と、誘電体を介して対向する第二の容量電極と第二のバイアス電極とで構成された第二の容量部と、誘電体を介して対向する第一のバイアス電極と第二のバイアス電極とで構成された可変容量部と、を有し、
前記積層体の表面に、前記第一の容量電極と電気的に接続される第一の外部電極と、前記第二の容量電極と電気的に接続される第二の外部電極と、前記第一のバイアス電極と電気的に接続される第三の外部電極と、前記第二のバイアス電極と電気的に接続される第四の外部電極と、を有する可変キャパシタにおいて、
前記第一の容量部または前記第二の容量部の少なくともいずれかは、複数の容量電極と複数のバイアス電極が誘電体を介して交互に重ねられた積層構造を形成していることを特徴とする可変キャパシタ。
【請求項２】
前記可変容量部の誘電体の厚みは、その他の電極間の誘電体の厚みよりも薄いことを特徴とする請求項１に記載の可変キャパシタ。
【請求項３】
前記第一のバイアス電極と前記第三の外部電極との間、または前記第二のバイアス電極と前記第四の外部電極との間の、少なくともいずれかに直流的に導通する高インピーダンス部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の可変キャパシタ。
【請求項４】
前記高インピーダンス部は外部電極の電極膜を形成していることを特徴とする請求項３に記載の可変キャパシタ。
【請求項５】
前記高インピーダンス部はキャパシタ内に内蔵された導電体であることを特徴とする請求項３に記載の可変キャパシタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、強誘電体の誘電率電界依存性を利用した可変キャパシタに関するもので、バイアス電圧の低電圧化と静電容量変化率の最大化の両立が可能な可変キャパシタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】  静電容量を変化させる可変キャパシタとしては、次のようなものが知られている。（ａ）対向配置した複数金属板の一方を移動させて容量面積を変化させるキャパシタ、いわゆるバリコンと呼ばれるもの、（ｂ）セラミックコンデンサなどを複数個並列に接続して各コンデンサのそれぞれにスイッチＩＣを接続して切換動作を行うもの、（ｃ）ダイオードの逆バイアス電圧に対する非直線容量特性を利用したものなどがある。【０００３】  しかしながら、（ａ）のバリコンは機械的な手段で容量変化させるので、小型化が困難であるという問題があった。また、（ｂ）についてはスイッチＩＣが必要なため小型化が難しく、スイッチングによってコンデンサを切り換えるので容量の連続変化ができないという問題があった。また、（ｃ）については製造に真空プロセスが必要なので、製造コストが高いという問題があった。【０００４】  そこで、これらの問題を解決する手段として（ｄ）強誘電体の誘電率電界依存性を利用した可変キャパシタが提案されている。これはキャパシタの容量電極に挟まれた誘電体に外部電界をかけることにより、誘電体の誘電率を変化させて静電容量を変化させるものである。このような可変キャパシタとしては、特開昭６２−２５９４１７号公報にあるような、容量電極の間にバイアス電極を設けて電界をかけるものや、特開昭６２−２８１３１９号公報にあるような、容量電極をバイアス電極で挟むようにして電界をかけるものがある。これらのものは構造が簡易であり製造が通常のキャパシタと同様に容易なため、低コストで小型化が容易な可変キャパシタを得ることができるものである。【０００５】
【特許文献１】特開昭６２−２５９４１７号公報
【特許文献２】特開昭６２−２８１３１９号公報
【０００６】  可変キャパシタには、（イ）大きな静電容量変化率、（ロ）低いバイアス電圧、の性能が求められる。大きな静電容量変化率を得るには、誘電体の誘電率の変動を大きくする必要があり、この誘電率の変動を大きくするには誘電体にかける電界強度を高くすることが必要である。電界強度は（バイアス電圧／バイアス電極間距離）で表される。このことから、電界強度を高くするにはバイアス電極間の印加電圧を高くするか、バイアス電極間距離を小さくすることで行うことができるが、低いバイアス電圧で電界強度を高くするにはバイアス電極間を小さくすることが必要である。【０００７】  ここで、特開昭６２−２８１３１９号公報の可変キャパシタについてみてみると、容量電極をバイアス電極で挟むようにして電界をかけるタイプの可変キャパシタであるので、バイアス電極間距離が容量電極間距離よりも大きくなるため、バイアス電圧の低電圧化には限界がある。そのため、バイアス電圧の低電圧化には、特開昭６２−２５９４１７号公報にあるような、容量電極の間にバイアス電極を設けて電界をかけるタイプの可変キャパシタの方が有利である。【０００８】  このような可変キャパシタのモデルを図１２（ａ）に示す。図１２（ａ）の可変キャパシタは、誘電率εの誘電体を介して対向する第一の容量電極４と第二の容量電極５を有し、前記第一の容量電極４と前記第二の容量電極５の間に、前記第一の容量電極４に対して誘電体を介して対向する第一のバイアス電極６と、前記第一のバイアス電極６及び前記第二の容量電極５に対して誘電体を介して対向する第二のバイアス電極７を有している。前記第一のバイアス電極６と前記第二のバイアス電極７との間には電源ＰＳからのバイアス電圧がかかっており、これによる電界により前記第一のバイアス電極６と前記第二のバイアス電極７との間の誘電体の誘電率がε‘に変化している。【０００９】  この可変キャパシタは、図１２（ｂ）に示すような等価回路で表現できる。すなわちこの可変キャパシタの静電容量は、誘電率εの誘電体を介して対向する第一の容量電極４と第一のバイアス電極６とで形成された静電容量Ｃ１と、誘電率εの誘電体を介して対向する第二の容量電極５と第二のバイアス電極７とで形成された静電容量Ｃ２と、誘電率ε‘の誘電体を介して対向する第一のバイアス電極６と第二のバイアス電極７とで形成された可変の静電容量ＣＶと、が直列接続されて構成されているものである。よって、第一の容量電極４と第二の容量電極５の間に形成される静電容量Ｃｔｏｔａｌは次式のようになる。【００１０】
【式１】
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【００１１】  ここで、ＣＶの最大値をＣＶ・ＭＡＸ、ＣＶの最小値をＣＶ・ＭＩＮとして、ＣＶ＝ＣＶ・ＭＡＸ、のときのＣｔｏｔａｌをＣｔｏｔａｌ・ＭＡＸ、ＣＶ＝ＣＶ・ＭＩＮ、のときのＣｔｏｔａｌをＣｔｏｔａｌ・ＭＩＮとすると、可変キャパシタの静電容量変化率Ｃｔｏｔａｌ・ＭＡＸ／Ｃｔｏｔａｌ・ＭＩＮは次式のようになる。
【００１２】
【式２】
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【００１３】  ここで、式２を整理して次式のように表した。
【００１４】
【式３】
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【００１５】  式３より、静電容量変化率を最大限大きくするには、ＣＶに対してＣ１及びＣ２を充分に大きく（例えばＣ１及びＣ２の静電容量をＣＶの１０倍以上）する必要がある。図１２（ａ）の構造でこれを実現するには、第一のバイアス電極６と第二のバイアス電極７との間の距離に対して、第一の容量電極４と第一のバイアス電極６との間の距離、及び第二の容量電極５と第二のバイアス電極７との間の距離を充分に小さくすることで可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】  しかしながら、バイアス電圧を低電圧化するには、第一のバイアス電極６と第二のバイアス電極７との間の距離を小さくする必要があるが、このようにすると第一の容量電極４と第一のバイアス電極６との間の距離及び第二の容量電極５と第二のバイアス電極７との間の距離をさらに小さくする必要がある。誘電体の厚みには製法上の限界厚みがあるので、バイアス電圧の低電圧化には限界があるという問題がある。本発明は、このような問題点を解決して、バイアス電圧の低電圧化と静電容量変化率の最大化が両立できる可変キャパシタを得るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】  本発明は第一の解決手段として、誘電体の積層体中に、誘電体を介して対向する第一の容量電極と第一のバイアス電極とで構成された第一の容量部と、誘電体を介して対向する第二の容量電極と第二のバイアス電極とで構成された第二の容量部と、誘電体を介して対向する第一のバイアス電極と第二のバイアス電極とで構成された可変容量部と、を有し、前記積層体の表面に、前記第一の容量電極と電気的に接続される第一の外部電極と、前記第二の容量電極と電気的に接続される第二の外部電極と、前記第一のバイアス電極と電気的に接続される第三の外部電極と、前記第二のバイアス電極と電気的に接続される第四の外部電極と、を有する可変キャパシタにおいて、前記第一の容量部または第二の容量部の少なくともいずれかは、複数の容量電極と複数のバイアス電極が誘電体を介して交互に重ねられた積層構造を形成していることを特徴とする可変キャパシタを提案する。【００１８】  上記第一の解決手段によれば、図１２（ｂ）の等価回路のＣ１あるいはＣ２を積層構造にすることにより、その静電容量を充分に大きくできるので、バイアス電圧の低電圧化と静電容量変化率の最大化の両立が可能な可変キャパシタを得ることができる。【００１９】  また、本発明では第二の解決手段として、前記可変容量部の誘電体の厚みは、その他の電極間の誘電体の厚みよりも薄いことを特徴とする可変キャパシタを提案する。【００２０】  上記第二の解決手段によれば、可変容量部の電界強度を高めることができるので、バイアス電圧をより低電圧化することができる。【００２１】  なお、このような可変キャパシタを実際に動作させる場合、第一のバイアス電極あるいは第二のバイアス電極と、バイアス電圧の電源とを抵抗素子のような直流的に導通する高インピーダンス部で分離する必要がある。分離していないと、容量電極に印加された信号が電源に流れてしまい、可変キャパシタとして動作しなくなってしまう。これを解決するために第三の解決手段として、前記第一のバイアス電極と前記第三の外部電極との間、または前記第二のバイアス電極と前記第四の外部電極との間の、少なくともいずれかに直流的に導通する高インピーダンス部を設けたことを特徴とする可変キャパシタを提案する。【００２２】  この高インピーダンス部は、外部電極の電極膜として形成してもよいし、またキャパシタ内にチップ抵抗器に用いられる抵抗体や、コイル導体を積層体内に内蔵してもよい。
【発明の効果】
【００２３】  本発明によれば、バイアス電圧の低電圧化と静電容量変化率の最大化の両立が可能な可変キャパシタを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】  本発明の可変キャパシタに係る実施形態を、図面に基づいて説明する。図１は本発明の可変キャパシタの外観斜視図、図２は分解図である。可変キャパシタ１は内部に第一の容量電極４、第二の容量電極５、第一のバイアス電極６、６ａ及び第二のバイアス電極７、７ａを内蔵した略直方体形状の誘電体の積層体２と、該積層体２の４つの側面に形成された第一の外部電極３ａ、第二の外部電極３ｂ、第三の外部電極３ｃ及び第四の外部電極３ｄを有している。第一の外部電極３ａは第一の容量電極４が引出された側面に形成され、第二の外部電極３ｂは第二の容量電極５が引出された側面に形成され、第三の外部電極３ｃは第一のバイアス電極６、６ａが引出された側面に形成され、第四の外部電極３ｄは第二のバイアス電極７、７ａが引出された側面に形成されている。【００２５】  前記積層体２の内部構造は、複数の第一の容量電極４と複数の第一のバイアス電極６、６ａが誘電体を介して交互に積層された第一の容量部（図１２（ｂ）のＣ１に相当）と、複数の第二の容量電極５と複数の第一のバイアス電極７、７ａが誘電体を介して交互に積層された第二の容量部（図１２（ｂ）のＣ２に相当）と、バイアス電極６ａとバイアス電極７ａが誘電体を介して対向している可変容量部（図１２（ｂ）のＣＶに相当）で構成され、積層方向上下に誘電体層２ａが保護層として積層されている。なお、ここでは第一の容量部と第二の容量部の両方とも積層構造としているが直接基準電位面に接続するような用途の場合では、図３に示すように、一方のみ例えば第一の容量部のみを積層構造としてもよい。この場合は、積層構造でない方を基準電位面に接続するものとする。また、第一の容量部と第二の容量部は略同じ静電容量であることが望ましい。また、可変容量部を形成する第一のバイアス電極６ａ及び第二のバイアス電極７ａは、第一の容量電極４もしくは第二の容量電極５との間に生じるストレー容量を低減するために、第一の容量電極４と第一のバイアス電極６ａの間、あるいは第二の容量電極５と第二のバイアス電極７ａの間について、誘電体厚みを厚くするか、誘電率の異なる誘電体を挿入しても良い。【００２６】  このような可変キャパシタ１は、一般的な積層電子部品の製造プロセスで製造することができるので、比較的低コストで製造することができる。また、積層体２を構成する誘電体としては、例えばチタン酸バリウム等のセラミック誘電体の他、フィルムコンデンサに用いられる有機誘電体など、膜状の強誘電体であれば適宜使用できる。また、誘電率等の特性の異なる異種材料を組み合わせても良い。またさらに、容量電極、バイアス電極及び外部電極に用いられる導電材料も、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｐｄ等、製造プロセスや誘電体材料に合わせて適宜選択が可能である。【００２７】  本発明の可変キャパシタ１の動作状態を図４に示す。電源ＰＳよりバイアス電圧を第三の外部電極３ｃ及び第四の外部電極３ｄに印加すると第一のバイアス電極６と第二のバイアス電極７の間の誘電体の誘電率が変化しＣＶの容量が変化する。Ｃ１とＣ２は積層構造を有しているので、ＣＶと比較して充分に大きい静電容量を有している。これにより可変キャパシタ１の全体の静電容量変化率はＣＶ���容量変化率に限りなく近づき、最大限大きくすることができる。また、バイアス電圧を低電圧化するため、第一のバイアス電極６と第二のバイアス電極７の間の誘電体の厚みを薄くした場合、Ｃ１及びＣ２の容量を増やす必要があるが、本発明の可変キャパシタ１ではＣ１及びＣ２の積層枚数を増やすことで対応可能になるため、部品サイズの許容範囲内でバイアス電圧の低電圧化と静電容量変化率の最大化を両立することができる。【００２８】  なお、図４において電源ＰＳと第三の外部電極３ｃ及び第四の外部電極３ｄとの間に高インピーダンス部ＲＥが設けられている。これは本発明の可変キャパシタ１を実際に動作させた場合、高インピーダンス部ＲＥが無いと第一の外部電極３ａと第二の外部電極３ｂの間に印加された信号が電源ＰＳに流れてしまい、可変キャパシタとして動作しなくなってしまうからである。この現象は特に信号の周波数が高くなるほど顕著になる。【００２９】  そこで、本発明の可変キャパシタの別の実施形態として、図５の分解図に示すような、高インピーダンス部を内蔵した可変キャパシタを提案する。この可変キャパシタは、第一のバイアス電極６、６ａをスルーホール導体ＳＨで接続し、第三の外部電極３ｃとスルーホール導体ＳＨを高インピーダンス部ＲＥで接続しており、第二のバイアス電極７、７ａをスルーホール導体ＳＨで接続し、第四の外部電極３ｄとスルーホール導体ＳＨを高インピーダンス部ＲＥで接続したものである。高インピーダンス部ＲＥとしては、チップ抵抗器に用いられる酸化ルテニウムなどの抵抗材料の他、蛇行形状の導体やコイルのようなインダクタンス素子など、直流的に導通しながら高いインピーダンスを付与できるものが挙げられる。コイルの場合は平面コイルのほか、積層型のコイルでも良い。また、スルーホール導体ＳＨに充填されている導電体の代わりに抵抗材料を用いても良い。【００３０】  なお、図６（ａ）、（ｂ）に示す構造であれば、スルーホール導体ＳＨを設けなくても良い。この構造では、第一のバイアス電極６、６ａをダミー電極ＤＥ１に接続しており、ダミー電極ＤＥ１と第三の外部電極３ｃとを高インピーダンス部ＲＥで接続している。また、第二のバイアス電極７、７ａをダミー電極ＤＥ２に接続しており、ダミー電極ＤＥ２と第四の外部電極３ｄとを高インピーダンス部ＲＥで接続している。バイアス電圧の電源に接続されている配線を第三の外部電極３ｃ及び第四の外部電極３ｄに接続することによって、高インピーダンス部ＲＥを電源とバイアス電極との間に設けることができる。なお、ダミー電極ＤＥ１、ＤＥ２はバイアス電極に接続されているので、例えば内蔵の高インピーダンス部ＲＥではインピーダンス値が足りない場合には、ダミー電極ＤＥ１及びＤＥ２に電源を接続して外付けの高インピーダンス素子を介在させても良い。【００３１】  また、図７に示すように、第三の外部電極３ｃあるいは第四の外部電極３ｄの電極膜として抵抗材料を用いて高インピーダンス部ＲＥを形成しても良い。このように可変キャパシタの外部電極に抵抗材料を付与することにより、高インピーダンス部ＲＥを内蔵せずスルーホール導体ＳＨを使用しなくても単独で可変キャパシタとして動作させることができるよう��なる。なお、ここでは、抵抗体を第三の外部電極３ｃ側と第四の外部電極３ｄ側の両方に形成した例を示したが、どちらか一方に形成してあれば有効である。【００３２】  なお、本発明の可変キャパシタは、図１のような外観のものについて説明してきたが、容量電極やバイアス電極の引出し方によって外部電極の形成位置が変わってくる。例えば図８に示すように、外部電極を四隅に形成したものでも良い。また、図９に示すように、相対向する一対の側面に２つずつ外部電極を形成したものでも良い。また、図１０のように、一側面に４つの外部電極を形成したものでも良い。また、図１１に示すように、スルーホールで引き出す等の方法によって上面または下面に外部電極を形成しても良い。なお、第一の外部電極３ａ、第二の外部電極３ｂ、第三の外部電極３ｃ及び第四の外部電極３ｄの並び方は、各図面に示された並び方に限定されず、適宜設定可能である。また、誘電体の積層体の形状についても、本実施形態では略直方体形状のもので説明したが、本発明の範囲内であれば例えば略円筒状等のような略直方体形状以外の形状でも良い。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の可変キャパシタの外観を示す斜視図である。
【図２】本発明の可変キャパシタの内部構造を示す分解斜視図である。
【図３】本発明の可変キャパシタの内部構造を示す分解斜視図である。
【図４】本発明の可変キャパシタの動作を示すモデル図である。
【図５】本発明の別例の可変キャパシタの内部構造を示す分解斜視図である。
【図６】（ａ）は本発明の別例の可変キャパシタの内部構造を示す分解斜視図であり、（ｂ）はその外観を示す斜視図である。
【図７】本発明の別例の可変キャパシタの外観を示す斜視図である。
【図８】本発明の可変キャパシタの外観のバリエーションを示す斜視図である。
【図９】本発明の可変キャパシタの外観のバリエーションを示す斜視図である。
【図１０】本発明の可変キャパシタの外観のバリエーションを示す斜視図である。
【図１１】本発明の可変キャパシタの外観のバリエーションを示す斜視図である。
【図１２】（ａ）は可変キャパシタのモデル図であり、（ｂ）はその等価回路図である。
【符号の説明】
【００３４】      １  可変キャパシタ
２  誘電体の積層体
２ａ  誘電体層
３ａ  第一の外部電極
３ｂ  第二の外部電極
３ｃ  第三の外部電極
３ｄ  第四の外部電極
４  第一の容量電極
５  第二の容量電極
６、６ａ  第一のバイアス電極
７、７ａ  第二のバイアス電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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