(57)【要約】【課題】可変容量装置において容量可変域を従来よりも広げる。【解決手段】可変容量装置１は、支持板２、可動板３、駆動電極４，５、可変容量電極７Ａ，８Ａ、および可変容量電極７Ｂ，８Ｂ、を備える。可動板３は支持板２と平行に支持される。駆動電極４，５、可変容量電極７Ａ，８Ａ、および可変容量電極７Ｂ，８Ｂはそれぞれ可動板３と支持板２との間に設けられる。駆動電極４，５は駆動電圧が印加されて可動板３と支持板２との間隔を変化させる静電引力を形成する。可変容量電極７Ａ，８Ａ、および可変容量電極７Ｂ，８Ｂは、可動板３と支持板２との間隔に応じて変化する可変容量を形成する。駆動電圧に対して可変容量が線形性を持って変化する容量可変域では、駆動電圧の変化に対する駆動電極４，５の電極間隔の変化と可変容量電極７Ａ，８Ａ、および可変容量電極７Ｂ，８Ｂの電極間隔の変化とが互いに逆になることを特徴とする。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持板、
前記支持板と平行に支持される可動板、
前記可動板と前記支持板とが対向する対向部に構成され、駆動電圧が印加されて前記可動板と前記支持板との間隔を変化させる静電引力を形成する、駆動電極対、および
前記可動板と前記支持板とが対向する対向部に構成され、前記可動板と前記支持板との間隔に応じて変化する可変容量を形成する可変容量電極対、
を備え、
前記駆動電圧に対して前記可変容量が線形性を持って変化する容量可変域では、前記駆動電圧の変化に対する前記駆動電極対での電極間隔の変化と前記可変容量電極対での電極間隔の変化とが互いに逆になることを特徴とする可変容量装置。
【請求項２】
前記駆動電極対の電極間隔が前記可変容量電極対の電極間隔よりも広く、前記可変容量電極対は電極間に誘電体膜を備える、請求項１に記載の可変容量装置。
【請求項３】
前記駆動電極対の両脇それぞれに、前記可変容量電極対を配置した構成である、請求項１または２に記載の可変容量装置。
【請求項４】
前記可動板は板厚方向に前記支持板が対向し、前記板厚方向に直交する長さ方向の端部が片持ち支持または両持ち支持される構成であり、
前記駆動電極対と前記可変容量電極対とは、前記板厚方向および前記長さ方向に直交する幅方向に配列される、請求項１〜３のいずれかに記載の可変容量装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、静電力によって駆動するＭＥＭＳアクチュエータを用いて可変容量を制御する可変容量装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、静電力で駆動するＭＥＭＳアクチュエータを利用した可変容量装置が利用されてきている（例えば特許文献１参照。）。
【０００３】
図１（Ａ）は、従来の可変容量装置の模式構成を説明する図である。可変容量装置１０１は、可動板１０２と支持板１０３と駆動電極対１０５，１０６とを備える。可動板１０２は支持板１０３に対して間隙を隔てて対向配置される。駆動電極対１０５，１０６は可動板１０２と支持板１０３との間隙に露出するように設けられる。駆動電極１０６（または駆動電極１０５）は誘電体膜１０４により覆われる。駆動電極対１０５，１０６は駆動電圧（バイアス電圧）が印加され、これにより可動板１０２と支持板１０３との間に静電引力が発生し、可動板１０２が変形する。また、駆動電極対１０５，１０６と一体または別体に可変容量電極対が設けられ、可変容量電極対に発生する可変容量（ＲＦ容量）が可動板１０２の変形により変化する。
【０００４】
この構成で駆動電圧が増大して所定値（プルイン電圧）に至ると、可動板１０２の一部が支持板１０３に近接配置される状態（プルイン状態）になる。図１（Ｂ）はプルイン状態での可変容量装置の模式構成を示す図である。そして、プルイン電圧よりも駆動電圧を増大させることにより、可動板１０２における支持板１０３に近接配置される領域の面積が増大していくことになる。図１（Ｃ）はこの状態での可変容量装置の模式構成を示す図である。
【０００５】
図２は、従来の可変容量装置における駆動電圧−可変容量特性を例示する図である。駆動電圧がプルイン電圧よりも低い状態Ａでは、可変容量は極めて小さい容量値を示す。そして、駆動電圧がプルイン電圧になるプルイン状態Ｂの前後に可変容量が急増する。そして、プルイン電圧よりも駆動電圧を増大させた状態Ｃでは、可変容量が駆動電圧に応じて変化することになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２１０８４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般に可変容量装置においては、駆動電圧に応じて可変容量がなだらかに変化する範囲（容量可変域）が広く、容量可変域での線形性が高いことが望まれる。しかしながら、従来構成では前述のようにプルイン状態の前後で可変容量が急峻に増大するため、その分だけ容量可変域の下限値が高くなり容量可変域が狭まってしまう。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、容量可変域を従来よりも広げることができる可変容量装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明の可変容量装置は、支持板、可動板、駆動電極対、可変容量電極対を備える。可動板は支持板と平行に支持される。駆動電極対および可変容量電極対はそれぞれ可動板と支持板とが対向する対向部に構成される。駆動電極対は駆動電圧が印加されて可動板と支持板との間隔を変化させる静電引力を形成し、可変容量電極対は可動板と支持板との間隔に応じて変化する可変容量を形成する。このような構成において、駆動電圧に対して可変容量が線形性を持って変化する容量可変域では、駆動電圧の変化に対する駆動電極対での電極間隔の変化と可変容量電極対での電極間隔の変化とが互いに逆になることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、駆動電圧が増大して駆動電極対での電極間隔が狭まれば、逆に可変容量電極対では電極間隔が広がって可変容量が低減する。また、駆動電圧が低減して駆動電極対での電極間隔が広がれば、逆に可変容量電極対では電極間隔が狭まって可変容量が増大する。則ち、駆動電圧の変化に対する可変容量の変化が従来構成とは逆であり、低い駆動電圧での可変容量が大きく、高い駆動電圧での可変容量が小さくなる。
【００１１】
上記可変容量装置において、前記駆動電極対の電極間隔は前記可変容量電極対の電極間隔よりも広く、前記可変容量電極対は電極間に誘電体膜を備えると好適である。この構成では、可変容量電極対の電極間に設ける誘電体膜が可動板の変形時に支点となり、駆動電圧の変化に対する駆動電極対での電極間隔の変化と可変容量電極対での電極間隔の変化とが互いに逆になる。
【００１２】
上記可変容量装置において、前記駆動電極対の両脇それぞれに前記可変容量電極対を配置すると好適である。この構成では、可変容量電極対の電極間に設ける誘電体膜が可動板の変形時に２つの支点となり、可動板が支持板側に凸に撓むことになる。可動板の撓み方に容量可変域の線形性は影響を受けるが、可動板が支持板側に凸に撓む場合、容量可変域の線形性は良好なものになる。
【００１３】
上記可変容量装置において、前記可動板は板厚方向に前記支持板が対向し、前記板厚方向に直交する長さ方向の端部が片持ち支持または両持ち支持される構成であり、前記駆動電極対と前記可変容量電極対とは、前記板厚方向および前記長さ方向に直交する幅方向に配列されると好適である。この構成では、可動板が長さ方向と幅方向とのそれぞれで撓むことになる。可動板の撓み方に容量可変域の線形性は影響を受けるが、可動板が長さ方向と幅方向とのそれぞれで撓む場合、容量可変域の線形性は良好なものになる。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、容量可変域では、駆動電圧が増大することで可変容量が次第に低減していく。このため、低い駆動電圧で可変容量が急峻に増大するような場合にも、そのことが従来構成のように容量可変域の下限値を高めることにはならず、逆に容量可変域の上限値を高めることになり、容量可変域が広がることになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】従来の可変容量装置の模式構成を説明する図である。
【図２】従来の可変容量装置の駆動電圧−可変容量特性を例示する図である。
【図３】本発明の実施形態に係る可変容量装置の模式構成を説明する図である。
【図４】図３に示す可変容量装置の詳細構成例を説明する図である。
【図５】図４に示す可変容量装置のコンター図である。
【図６】図４に示す可変容量装置の断面形状プロファイルを例示する図である。
【図７】図４に示す可変容量装置の駆動電圧−可変容量特性を例示する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態に係る可変容量装置を説明する。
図３は実施形態に係る可変容量装置１の模式構成を説明する断面図である。可変容量装置１は可動板３、支持板２、駆動電極４，５、誘電体膜６、可変容量電極７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ、誘電体膜９Ａ，９Ｂ、および駆動電圧回路１０を備える。駆動電極４，５は駆動電極対を、可変容量電極７Ａ，７Ｂ、可変容量電極８Ａ，８Ｂはそれぞれ可変容量電極対を構成する。
【００１７】
支持板２および可動板３は絶縁性シリコンからなる。可動板３は図示しない保持構造によって、駆動電圧の非印加時に支持板２に対して所定間隔を保つように保持される。
【００１８】
駆動電極４および可変容量電極７Ａ，７Ｂは支持板２に対向するように可動板３に積層形成される。駆動電極５および可変容量電極８Ａ，８Ｂは可動板３に対向するように支持板２に積層形成される。駆動電極４，５は互いに対向するように支持板２および可動板３それぞれの略中央に設けられる。可変容量電極７Ａ，８Ａ、可変容量電極７Ｂ，８Ｂはそれぞれ、互いに対向するように駆動電極４，５の両脇に設けられている。
【００１９】
誘電体膜６は駆動電極５に被覆形成され、誘電体膜９Ａ，９Ｂはそれぞれ可変容量電極８Ａ，８Ｂに被覆形成される。
【００２０】
駆動電圧回路１０は駆動電極４，５に接続されて両電極間に駆動電圧を印加するように構成されている。駆動電圧回路１０が駆動電極４，５に駆動電圧を印加すると、駆動電極４，５間に駆動容量が発生し、その駆動容量による静電引力で可動板３は支持板２に引き寄せられることになる。そして、可変容量電極７Ａ，８Ａおよび可変容量電極７Ｂ，８Ｂそれぞれの電極間隔が変化し、可変容量電極７Ａ，８Ａ間および可変容量電極７Ｂ，８Ｂ間それぞれの可変容量（ＲＦ容量）が変化することになる。
【００２１】
本実施形態では、駆動電極５を可変容量電極８Ａ、８Ｂよりも薄く形成している。これにより、駆動電圧の非印加時に、可変容量電極７Ａ，７Ｂと誘電体膜９Ａ，９Ｂとの間の間隔よりも、広い間隔を隔てて駆動電極４と誘電体膜６とが対向するようにしている。このため、可変容量電極７Ａ，７Ｂが誘電体膜９Ａ，９Ｂに接触した状態（図３（Ａ）参照。）から、駆動電圧を増大させていくことにより、可変容量電極７Ａ，７Ｂの駆動電極４に隣接する辺縁部が支点となって可動板３が支持板２側に凸に撓む状態（図３（Ｂ）参照。）になる。この可動板３の撓みによって、可動板３の中央部は支持板２に接近し、可動板３の両端の辺縁部は支持板２から離間していくことになる。
【００２２】
したがって、駆動電圧を増大させていくと、可変容量電極７Ａ，８Ａ、可変容量電極７Ｂ，８Ｂそれぞれでの平均の電極間隔が広がることになる。そのため、この可変容量装置１は、駆動電圧を高電圧化することで可変容量が逓減していく駆動電圧−可変容量特性にすることができる。
【００２３】
《実施例》
次に、可変容量装置における可動板の変形態様と駆動電圧−可変容量特性とを具体的な実施例に基づいて説明する。なお以降に説明する図中に付記する直交座標Ｘ−Ｙ−Ｚは、Ｚ軸方向を可動板の板厚方向、Ｘ軸方向を可動板の長さ方向、Ｙ軸方向を可動板の幅方向としている。
【００２４】
図４（Ａ）は実施例に係る可変容量装置１１のＸ−Ｙ面図である。図４（Ｂ）は可変容量装置１１の、図４（Ａ）中のＢ−Ｂ’断面についてのＸ−Ｚ面断面図である。図４（Ｃ）は可変容量装置１１の、図４（Ａ）中のＣ−Ｃ’断面についてのＹ−Ｚ面断面図である。
【００２５】
可変容量装置１１は、支持板１２と可動板１３と駆動電極１４，１６と可変容量電極１５Ａ，１５Ｂ，１７Ａ，１７Ｂと誘電体膜１８とを備える。
支持板１２は平面視して矩形状のガラス基板からなり、上面に駆動電極１４と可変容量電極１５Ａ，１５Ｂとが形成されている。駆動電極１４と可変容量電極１５Ａ，１５ＢとはそれぞれＸ軸方向に長尺な線路状であり、駆動電極１４の両脇に可変容量電極１５Ａ，１５Ｂを配置した構成としている。
【００２６】
可動板１３は、Ｘ−Ｚ面を視て略Ｌ字状の高抵抗シリコン基板（絶縁材料）からなり、一端で支持板１２に支持される片持ち梁構造であり、２本の連結部１３Ｂと可動部１３Ｃとアンカー部１３Ａとラダー部１３Ｄとを備える。アンカー部１３Ａは、支持板１２に接合されて連結部１３Ｂと可動部１３Ｃとを支持板１２から離間した状態で支持する。ここでは、アンカー部１３ＡはＹ軸方向に長尺な柱状としている。２本の連結部１３Ｂは、アンカー部１３ＡのＹ軸方向両端から支持板１２と平行にＸ軸方向に立設し、先端側で可動部１３Ｃを支持する。ここでは、連結部１３ＢをそれぞれＸ軸に対して蛇行するミアンダライン状としている。可動部１３ＣはＸ軸方向に長尺な平板状であり、Ｘ軸に沿って配列される複数の開口部からなる２列のラダー部１３Ｄを設けた構成である。
【００２７】
駆動電極１６および可変容量電極１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ可動板１３の下面に形成したタングステン電極からなり、それぞれＸ軸方向に長尺な線路状である。それらのうち駆動電極１６は可動部１３Ｃのラダー部１３Ｄによって区画される中央の領域に、可変容量電極１７Ａ，１７Ｂは可動部１３Ｃのラダー部１３Ｄによって区画されるＹ軸方向両外側の領域に設けている。なお、駆動電極１６は電極間隔0.1μmで駆動電極１４に対向配置していて、可変容量電極１７Ａ，１７Ｂはそれぞれ電極間隔0.7μmで可変容量電極１５Ａ，１５Ｂに対向配置している。駆動電極１４と可変容量電極１７Ａ，１７Ｂとのそれぞれは五酸化タンタルからなる誘電体膜１８により被覆されている。
【００２８】
駆動電極１４，１６は駆動電圧回路に接続されて駆動電圧が印加される。また、可変容量電極１５Ａ，１７Ａと可変容量電極１５Ｂ，１７Ｂとのそれぞれは、ＲＦ信号の流れる回路に接続される。このため、駆動電圧の印加により駆動電極１４，１６の間には駆動容量Ｃ１が生じ、駆動容量Ｃ１の持つ静電引力により可動板１３は支持板１２側に引き付けられて変形することになる。また、可変容量電極１５Ａ，１７Ａと可変容量電極１５Ｂ，１７Ｂとのそれぞれには可変容量Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂが生じる。
【００２９】
図５は、有限要素法による解析に基づく可動板１３の形状と駆動電圧との関係を説明するコンター図であり、図６は可動板１３の長さ方向の中央部分での断面形状プロファイルを示す図である。なお、図５に示すハッチング表示は、ハッチング濃度が高いほど支持板に近づいていることを表している。また図６に示す各線分は、駆動電圧を２Ｖ間隔で変更した各状態での可動板の断面形状に対応している。
【００３０】
駆動電圧を増大させていくと、可動板は長さ方向に撓み、先端（図５中、可動板の上側端部）側から支持板に近づいていく（図５中、６Ｖ〜１０Ｖ参照）。そして、可動板の先端側からアンカー部側に支持板に接触する領域が広がっていく（図５中、１０Ｖ〜３０Ｖ参照）。その際、可動板が幅方向にも撓み、幅方向の中央領域が支持板側に近づき、幅方向の両端領域が支持板から離れていく（図５，図６参照）。可動板の幅方向の中央領域が長さ方向の全長に亘って支持板に接触する状態（図５中、４０Ｖ，４６Ｖ参照）となった後も、駆動電圧の増大に伴い幅方向の両端領域は支持板から離れていく。
【００３１】
このような可動板の変形により、可変容量装置の１１可変容量（ＲＦ容量）は変化することになる。図７は、可変容量装置１１の駆動電圧−可変容量特性を例示する図である。
【００３２】
この例では、駆動電圧を０Ｖから１２Ｖまで増大させていく間に、可動板がプルイン状態になって可変容量（ＲＦ容量）が増大していく。そして、駆動電圧が１２Ｖから１４Ｖ程度で可変容量（ＲＦ容量）が最大化する。その後、駆動電圧を１４Ｖよりも増大させていくに従い可変容量（ＲＦ容量）は逓減していく。このような駆動電圧−可変容量特性の場合、駆動電圧を１４Ｖから４８Ｖまで増大させていくに従い、可変容量が２４ｐＦから２ｐＦまで連続的に逓減していくので、この線形性のある範囲を容量可変域として可変容量装置１１は用いることができる。駆動容量が０Ｖ〜１２Ｖまで増大させていく間には可変容量が急峻に増大するが、このことは容量可変域の上限値を高めることに貢献するため、容量可変域は従来構成よりも広いものになる。
なお、本実施形態の構成では、容量可変域の線形性が極めて高いものになっているが、このことには、可動板が支持板側に凸に撓むように構成したことや、可動板が長さ方向と幅方向とのそれぞれで撓むように構成したことも寄与していると考えられる。
【００３３】
以上に説明した実施形態や実施例でも本発明は実現できるが、本発明の範囲は上述の記載に制限されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００３４】
例えば、可変容量装置１１では、可動板が長さ方向にも幅方向にも撓む構成を示したが、本発明は幅方向のみに撓みが生じる構成であっても好適に実施することができる。また、可変容量装置１，１１では、誘電体膜と可変容量電極とが接触する辺縁部を支点にする構成を示したが、支点となる構成部材を、誘電体膜や可変容量電極とは別に設けるようにしてもよい。また、可変容量装置１，１１では、駆動電極や可変容量電極を誘電体膜で被覆する構成を示したが、対向する電極間を非接触に構成できるならば、誘電体膜は必ずしも設けなくてもよい。また、誘電体膜は、支持板側の電極を被覆しても、可動板側の電極を被覆してもよい。また、可変容量装置１，１１では、可動板を絶縁性材料で構成して、別に電極を形性する構成を示したが、可動板を導電性材料とし、可動板側の電極を除くように構成してもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１，１１…可変容量装置
２，１２…支持板
３，１３…可動板
４，５，１４，１６…駆動電極
６，９Ａ，９Ｂ，１８…誘電体膜
７Ａ，７Ｂ，８Ａ，８Ｂ，１５Ａ，１５Ｂ，１７Ａ，１７Ｂ…可変容量電極
１０…駆動電圧回路
【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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