(57)【要約】【課題】書き込み電圧に対応した所望の容量値を自由に設定でき、かつ、一度設定した容量値は書き込み電圧が無くなっても維持される可変容量素子、可変容量素子の調整方法、可変容量デバイス、及び、電子機器を提供する。【解決手段】強誘電体材料層１０３を挟んで対の電極１０１，１０２が形成された可変容量素子１００において、強誘電体材料層１０３の電気双極子モーメントの総和を最大又は最小とする工程、可変容量素子１００が所望の容量値を有するように、前記強誘電体材料層１０３の電気双極子モーメントの総和が最大又は最小とされた前記可変容量素子１００の前記電極１０１，１０２に、所望の書き込み電圧Ｖを印加し容量値を書き込む工程を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された複数の単位可変容量素子が、直列又は並列に接続された
ことを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
前記並列接続されたそれぞれの単位可変容量素子における電極間距離は、それぞれ異なる
ことを特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
【請求項３】
前記並列接続された単位可変容量素子の前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和が最小とされたときの容量値がそれぞれ同じである
ことを特徴とする請求項２記載の可変容量素子。
【請求項４】
前記直列接続された単位可変容量素子の前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和が最小とされたときの容量値がそれぞれ異なる
ことを特徴とする請求項１記載の可変容量素子。
【請求項５】
前記直列接続されたそれぞれの単位可変容量素子における電極間距離は、それぞれ同一である
ことを特徴とする請求項４記載の可変容量素子。
【請求項６】
強誘電体材料層を介して積層される少なくとも３以上の面内電極と、
前記積層される面内電極のうち、最下部に位置する面内電極に形成された第１の外部電極と、
前記積層される面内電極のうち、最上部に位置する面内電極に形成された第２の外部電極とから構成される
ことを特徴とする可変容量素子。
【請求項７】
前記積層される面内電極において、隣接する面内電極の電極間距離は同一であり、隣接する面内電極で挟まれる前記強誘電体材料層の面積はそれぞれ異なる
ことを特徴とする請求項６記載の可変容量素子。
【請求項８】
強誘電体材料層を介して積層される少なくとも３以上の面内電極と、
前記積層される面内電極のうち、奇数番目に積層される面内電極に形成された第１の外部電極と、
前記積層される面内電極のうち、偶数番目に積層される面内電極に形成される第２の外部電極とから構成される
ことを特徴とする可変容量素子。
【請求項９】
前記積層される面内電極において、隣接する面内電極の電極間距離はそれぞれ異なり、隣接する面内電極で挟まれる前記強誘電体材料層の面積はそれぞれ異なる
ことを特徴とする請求項８記載の可変容量素子。
【請求項１０】
強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子において、
前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和を最大又は最小とする工程、
前記可変容量素子が所望の容量値を有するように、前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和が最大又は最小とされた前記可変容量素子の前記電極に、所定の書き込み電圧を印加し容量値を書き込む工程、とを有する
ことを特徴とする可変容量素子の調整方法。
【請求項１１】
前記所定の書き込み電圧を印加し容量値を書き込んだ後、さらに、前記書き込み電圧と異なる電圧を印加することにより、容量値の再書き込みをする工程を有する
ことを特徴とする請求項１０記載の可変容量素子の調整方法。
【請求項１２】
前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和を最小とする工程は、前記強誘電体材料層をキュリー温度以上に加熱することにより行う
ことを特徴とする請求項１０記載の可変容量素子の調整方法。
【請求項１３】
前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和を最大とする工程は、前記可変容量素子の前記電極に、前記可変容量素子の飽和電界に相当する書き込み電圧を印加することにより行う
ことを特徴とする請求項１０記載の可変容量素子の調整方法。
【請求項１４】
前記強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和を最小とする工程は、前記可変容量素子の前記電極に、前記可変容量素子の飽和電界に相当する書き込み電圧を印加した後、逆極性の抗電圧となる書き込み電圧を印加することにより行う
ことを特徴とする請求項１０記載の可変容量素子の調整方法。
【請求項１５】
強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子と、
前記可変容量素子の両側に配され、前記可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とを有する
ことを特徴とする可変容量デバイス。
【請求項１６】
強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された複数の単位可変容量素子が、直列又は並列に接続された可変容量素子と、
前記可変容量素子の両側に配され、前記可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用
の容量素子とを有する
ことを特徴とする可変容量デバイス。
【請求項１７】
強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子と、前記可変容量素子の両側に配され、前記可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とから構成される可変容量デバイスを有する
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１８】
強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された複数の単位可変容量素子が、直列又は並列に接続された可変容量素子と、前記可変容量素子の両側に配され、前記可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とから構成される可変容量デバイスを有する
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の書き込み電圧に応じて容量値が変化し、さらに、その容量値は書き込み電圧を停止した場合にも保持される不揮発型の可変容量素子、可変容量素子の調整方法、可変容量デバイス、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、周波数や時間などを制御するために可変容量ダイオード（バリキャップ）やＭＥＭＳなどが商品化され幅広く活用されている。これらの素子は許容電流がμＡクラスと小さいため電力が大きい用途には適用ができないが、本願発明者らは許容電流が大きい強誘電体を使った可変容量素子を提案してきた。
例えば、特許文献１には、信頼性と生産性が向上された電極構造を有する可変コンデンサについて記載されており、その中で、高誘電率を有する誘電体として、チタン酸バリウム系が用いられている。
【０００３】
このような従来の可変容量素子は全て制御電圧を印加することで端子間容量が変化する可変容量素子であり、制御電圧が無くなれば容量値はもとの値に戻ってしまう、いわば揮発型の可変容量素子である。従って、このような揮発型の可変容量素子は常に制御し続けられる必要がある。そのため、この可変容量素子を用いた電子機器においては、可変容量素子を制御する制御回路と制御電力が必要であった。
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８７９９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、常時、制御系を構成できない電子機器においても、部品ばらつきなどによるチューニング周波数ずれを、可変容量素子により出荷時に合わせこみたいといった用途が存在している。しかしながら、今までの可変容量素子は揮発型であり、常時制御系が必要であるため、これらの要望には対応できない。
【０００６】
上述の点に鑑み、本発明は、書き込み電圧に対応した所望の容量値を自由に設定でき、かつ、一度設定した容量値は書き込み電圧が無くなっても維持される可変容量素子、可変容量素子の調整方法、可変容量デバイス、及び電子機器を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の可変容量素子は、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された複数の単位可変容量素子が、直列又は並列に接続されたことを特徴とする。
【０００８】
本発明の可変容量素子では、直流電圧を印加することにより、可変容量素子の容量値が変化され、変化された容量値は、直流電圧の印加をやめても保持される。
【０００９】
本発明の可変容量素子の調整方法は、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子において、強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和を最大又は最小とする工程、可変容量素子が所望の容量値を有するように、強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和が最大又は最小とされた可変容量素子の電極に、所望の書き込み電圧を印加する工程とを有する。
【００１０】
本発明において、書き込み電圧とは、可変容量素子に印加される直流電圧であり、可変容量素子に所望の容量値を書き込むための電圧のことをいう。本発明の可変容量素子の調整方法では、可変容量素子が所望の容量値となるように調整される。また、強誘電体材料層の電気双極子モーメントの総和を最大又は最小とする工程を有するので、調整しうる容量値の幅を大きくすることができる。
【００１１】
本発明の可変容量デバイスは、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子と、可変容量素子の両側に配され、可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とを有することを特徴とする。
また、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された複数の単位可変容量素子が、直列又は並列に接続された可変容量素子と、可変容量素子の両側に配され、可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の可変容量デバイスでは、直流電圧除去用の容量素子が構成されるので、この可変容量素子デバイスを所定の回路に組み込んだ場合でも、外部から可変容量素子に印加する直流電圧の回路への影響を防ぐことができる。
【００１３】
また、本発明の電子機器は、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子と、可変容量素子の両側に配され、可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とから構成される可変容量デバイスを有することを特徴とする。
また、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された複数の単位可変容量素子が、直列又は並列に接続された可変容量素子と、可変容量素子の両側に配され、可変容量素子と直列接続される直流電圧除去用の容量素子とから構成される可変容量デバイスを有することを特徴とする。
【００１４】
本発明の電子機器では、可変容量デバイスにおいて、直流電圧除去用の容量素子が構成されているので、電子機器に影響することなく、可変容量素子に外部から直流電圧を印加することができる。また、外部から直流電圧が印加されることにより、可変容量素子の容量値が調整される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の可変容量素子によれば、可変容量素子に直流電圧を印加することにより、可変容量素子の容量値を調整するときに、容量値の細かな調整が可能となる。
【００１６】
本発明の可変容量素子の調整方法によれば、可変容量素子の容量値の調整しうる幅を大きくすることができる。
【００１７】
本発明の可変容量デバイスによれば、所望の電子機器に実装した状態で、可変容量素子の容量値を調整することができる。
【００１８】
本発明の電子機器によれば、可変容量デバイスにおける可変容量素子の容量値を調整することができるので、電子機器のばらつきや、チューニング周波数ずれをあわせ込むことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の可変容量素子は、容量値の書き換えが可能であるライタブルな可変容量素子、かつ、一度書き込まれた容量値は、電圧が印加されなくても保持することができる不揮発型の可変容量素子である。後述するが、本発明の可変容量素子を用いた可変容量デバイスを電子機器に組み込めば、電子機器を完成させた後にも、容量値の合わせ込みをすることが可能となる。
【００２０】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
［可変容量素子の調整方法］
まず、本発明の可変容量素子の調整方法について説明する。
図１に、本発明の可変容量素子の調整方法に係る一実施形態に用いられる可変容量素子の概略構成を示す。図１に示す可変容量素子１００は、強誘電体材料層１０３と、強誘電体材料層１０３を挟んで構成される対の電極１０１，１０２とより構成され、その電極１０１，１０２間には、直流電圧である書き込み電圧Ｖが印加される構成とされる。図１に示す可変容量素子１００の強誘電体材料層１０３は、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン鉛）で構成される。
【００２２】
図２〜図５を用いて、図１で示した可変容量素子１００の調整方法を説明する。
図２に、図１の可変容量素子１００の電極１０１，１０２間に書き込み電圧Ｖを印加させたときに、可変容量素子１００に書き込まれる容量値の変化を示す。図２において、横軸が書き込み電圧Ｖであり、縦軸が可変容量素子１００の容量値である。図２に示された容量値Ｃａｐ１は、横軸に示す書き込み電圧Ｖを可変容量素子１００に印加した後、一度０Ｖに戻した状態で測定された容量値を示している。すなわち、容量値Ｃａｐ１は、書き込み電圧Ｖを印加した状態で測定した容量値ではなく、一度書き込み電圧Ｖを印加した後、０Ｖに戻して容量値を測定するという作業を繰り返して測定したものである。
【００２３】
まず、図２の容量値の測定を開始するときの可変容量素子１００として、本実施形態例で用いられる可変容量素子１００をキュリー温度以上に加熱したものを用いた。すなわち、図２において、書き込み電圧Ｖが０Ｖのときの容量値Ｃａｐ１は、可変容量素子１００がキュリー温度以上に加熱されることにより強誘電体材料層１０３の電気双極子モーメントが最小になるように処理されたときの容量値である。
【００２４】
図２からわかるように、書き込み電圧Ｖが２０Ｖまでは可変容量素子１００の容量値Ｃａｐ１はほとんど変化しないものの、わずかに減少する。そして、書き込み電圧Ｖが２０Ｖのとき、可変容量素子１００は最小の容量値Ｃａｐ１を示す。さらに、容量値Ｃａｐ１は、書き込み電圧Ｖが２０Ｖを超えるとなだらかに増加してゆき、６０Ｖを超えてからはほぼ一定に落ち着く。本実施形態例では、この最大の容量値Ｃａｐ１は、最小の容量値Ｃａｐ１の約１．５倍の値となっている。
【００２５】
この可変容量素子１００では、書き込み電圧Ｖを印加した後、書き込み電圧Ｖの印加をやめても、一度書き込まれた容量値は保持される。そして、図２に示した容量値Ｃａｐ１の変化では、書き込み電圧Ｖが、２０Ｖから６０Ｖの間において、前段で印加された書き込み電圧Ｖよりも大きな書き込み電圧Ｖを印加することにより、前段で書き込まれた容量値よりも大きな容量値が再書き込みされる。すなわち、書き込み電圧２０Ｖから６０Ｖの間においては、前段で印加された書き込み電圧Ｖよりも大きな書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値の書き換えがなされる。
【００２６】
そして、図２からわかるように、例えば３０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加した可変容量素子１００は容量値が４３５ｐＦに保持され、４３５ｐＦでの使用が可能である。そして、４０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し直した可変容量素子１００では容量値が４８０ｐＦに保持され、４８０ｐＦでの使用が可能である。このように、所望の書き込み電圧Ｖを印加することにより、可変容量素子１００の容量値が調整され、その調整された容量値において使用が可能となる。
【００２７】
このように、可変容量素子１００は、書き込み電圧Ｖに応じた容量値Ｃａｐ１での使用が可能である。さらに、前段で可変容量素子１００に印加された書き込み電圧Ｖよりも大きな値であって、容量値Ｃａｐ１が変化している範囲内の書き込み電圧Ｖであれば、再書き込み、すなわち、容量値の書き換えが可能であり、可変容量素子１００の容量値Ｃａｐ１を増加させることができる。図２からわかるように、可変容量素子１００において、容量値Ｃａｐ１が変化している範囲内とは、書き込み電圧Ｖが２０Ｖから６０Ｖの間である。
【００２８】
このような可変容量素子１００の容量値Ｃａｐ１の変化は、強誘電体材料層１０３の分極反転、すなわち、電気双極子モーメントの総和の変化によるものである。そして、図２により、未分極状態（電気双極子モーメントの総和が最小）の可変容量素子１００に、書き込み電圧Ｖを印加することにより、強誘電体材料層１０３内で分極が起こり、その分極に起因して、容量値Ｃａｐ１が変化する。
【００２９】
図３に強誘電体材料のヒステリシス曲線を示し、強誘電体材料の特性を説明する。図３に示すヒステリシス曲線において、横軸は電界Ｅであり、縦軸は強誘電体材料の電気双極子モーメントの総和、すなわち分極Ｐである。強誘電体材料は、電界Ｅの強度に起因して分極Ｐが変化し、図３に示すようなヒステリシス曲線を形成する。まず、電気双極子モーメントの総和が最小である、分極Ｐが０の状態の強誘電体材料に、正の電圧を印加し、電界Ｅを発生させていくことにより、線ａに示す曲線で分極Ｐが増加する。そして、ある電界Ｅに達すると、電気双極子モーメントの総和が最大となり、分極Ｐが飽和する。この電界Ｅを飽和電界Ｅｐという。そして、電界Ｅの値が小さくなるように電圧を印加していくと、線ｂで示す曲線で分極が減少していき、ある電界Ｅにおいて、電気双極子モーメントの総和が再び最小となり、分極Ｐが０となる。この電界Ｅを抗電界−Ｅｃという。さらに、負の電界Ｅを発生させていくことにより、電気双極子モーメントの総和が再び最大となり、分極Ｐが飽和する。この電界を飽和電界−Ｅｐという。そして、この飽和電界−Ｅｐよりも大きい電界Ｅが発生するように電圧を印加していくことにより、分極Ｐは線ｃで示す曲線で増加し、抗電界Ｅｃにおいて電気双極子モーメントが最小となり分極Ｐが０となる。そして、再び、飽和電界Ｅｐにおいて分極Ｐが飽和する。
【００３０】
図２に示した可変容量素子１００の容量値の変化は、出発物として、可変容量素子１００をキュリー温度以上に加熱したものを用いた。すなわち、図３に示すヒステリシス曲線において、可変容量素子１００をキュリー温度以上に加熱した状態は、電界０Ｖ、分極Ｐが０である状態に対応する。そして、図２で示したように、可変容量素子１００に書き込み電圧Ｖを印加していった状態は、図３のヒステリシス曲線において、線ａに示される状態変化に対応するものである。
【００３１】
そして、図２において、容量値Ｃａｐ１の変化が止まった書き込み電圧Ｖは、図３において、飽和電界Ｅｐに相当するものである。すなわち、飽和電界Ｅｐにおいて、強誘電体材料の電気双極子モーメントの総和、すなわち、分極Ｐは最大となり、図１に示すような強誘電体材料層１０３を有する可変容量素子１００の容量値はここにおいて飽和する。
【００３２】
強誘電体材料層１０３を有する可変容量素子１００において、容量値を変化させる際、実際に重要な値は印加する書き込み電圧Ｖではなく、電極１０１，１０２間に発生する電界Ｅである。図２では、１０Ｖの書き込み電圧Ｖは電界０．０２Ｖ／μｍに相当している。そして、図２では、可変容量素子１００に書き込み電圧Ｖを印加することにより、その書き込み電圧Ｖに相当する電界Ｅが発生し、強誘電体材料層１０３内で分極が起こり、容量値が変化している。
また、どの電界Ｅで容量が増加するかは、強誘電体材料の電気感受率でほぼ決定されるものである。
そして、図１に示すような強誘電体材料層１０３を用いた可変容量素子１００は、図２からわかるように、書き込み電圧Ｖを印加したときの容量値が、０Ｖにしても戻らない不揮発型の可変容量素子である。
【００３３】
本実施形態例においては、強誘電体材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられた可変容量素子１００を用いたが、その他、イオン分極による強誘電体材料、電子分極による強誘電体材料を用いることができる。
イオン分極による強誘電体材料は、イオン結晶材料からなり、プラスのイオンとマイナスのイオンの原子が変位することで電気的に分極する強誘電体材料である。このイオン分極による強誘電体材料は、例えば原子Ａと原子ＢからなるＡＢＯ３である化学式で表され、ペロブスカイト構造を有し、例えばチタン酸バリウム、ＫＮｂＯ３、ＯｂＴｉＯ３等が挙げられる。本実施形態例におけるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）は、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）にジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）を混ぜ合わせた強誘電体材料である。
【００３４】
電子分極による強誘電体材料は、プラスの電荷に偏った部分と、マイナスの電荷に偏った部分に分かれて電気双極子モーメントが生じ、分極が生じているものである。最近では、Ｆｅ２＋の電荷面と、Ｆｅ３＋の電荷面の形成により、分極を形成して強誘電体的特性を示す希土類鉄酸化物が報告されている。この系は、希土類（ＲＥ）と鉄族（ＴＭ）にて、（ＲＥ）・（ＴＭ）２・Ｏ４なる分子式で表されるものが、高誘電率を持つことが報告されている。例えば、（ＲＥ）としては、Ｙ，Ｅｒ，Ｙｂ，Ｌｕ（特にＹと重希土類元素）が挙げられ、また、（ＴＭ）としては、Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ（特にＦｅ）が挙げられる。（ＲＥ）・（ＴＭ）２・Ｏ４としては、ＥｒＦｅ２Ｏ４，ＬｕＦｅ２Ｏ４，ＹＦｅ２Ｏ４が挙げられる。
【００３５】
次に、図４に、図１に示す可変容量素子１００に、さらに書き込み電圧Ｖを印加していったときの容量値の変化を示す。図４における容量値Ｃａｐ１は、図２に示したものと同様の測定値であり、書き込み電圧Ｖを０Ｖから１１０Ｖまで増加させていったときの可変容量素子１００の容量値の変化を示している。
【００３６】
図４における容量値Ｃａｐ２は、書き込み電圧Ｖを１１０Ｖから、−１１０Ｖまで減少させていったときの可変容量素子１００の容量値の変化を示している。
図４における容量値Ｃａｐ３は、書き込み電圧Ｖを−１１０Ｖまで減少させた状態から、再び１１０Ｖまで増加させていったときの可変容量素子１００の容量値の変化を示している。
図４における容量値Ｃａｐ４は、可変容量素子１００をキュリー温度以上に加熱処理したあとに、書き込み電圧Ｖをおよそ４０Ｖまで印加し、そこから、−１１０Ｖまで減少させていった時の可変容量素子１００の容量値の変化を示している。
上述した容量値Ｃａｐ１、Ｃａｐ２、Ｃａｐ３、Ｃａｐ４で示すこれらの測定はすべて、書き込み電圧Ｖを印加した後、一度、電圧を０Ｖに戻してから測定したものである。
【００３７】
図４に示す容量値Ｃａｐ２からわかるように、書き込み電圧Ｖを１１０Ｖから０Ｖまで減少させていく過程においては、容量値Ｃａｐ２はほぼ一定の値を保持する。さらに、書き込み電圧Ｖを０Ｖから減少させていくと、容量値Ｃａｐ２は緩やかに上昇し、書き込み電圧Ｖが−２０Ｖのときに、容量値Ｃａｐ２は低下に移行している。容量値Ｃａｐ２を減少させる書き込み電圧Ｖを減極電圧という。この減極電圧においては、強誘電体材料層１０３内の分極率が減少するため、可変容量素子１００の容量値も減少する。そして、書き込み電圧Ｖが減極電圧となる部分では、前段の書き込み電圧Ｖよりも小さな書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値Ｃａｐ２を低下させる再書き込みが可能である。
【００３８】
本実施形態例においては、図４に示すように、容量値Ｃａｐ２の最小値は、書き込み電圧Ｖが−３２．５Ｖのときであり、その後さらに書き込み電圧Ｖを減少させていくと、容量値Ｃａｐ２は、再び上昇に転じる。容量値Ｃａｐ２が上昇に転じた書き込み電圧Ｖからは、前段の書き込み電圧Ｖよりも小さな書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値Ｃａｐ２を増加させる容量値の再書き込みが可能である。そして、容量値Ｃａｐ２は、書き込み電圧Ｖが−６０Ｖでほぼ一定値となる。この容量値Ｃａｐ２の変化は、図３に示すヒステリシス曲線の線ｂに対応するものである。そして、容量値Ｃａｐ２が最小値を示した−３２．５Ｖの書き込み電圧Ｖは、図３のヒステリシス曲線において、マイナス側の抗電界Ｅｃに対応するものである。抗電界Ｅｃにおいては、電気双極子モーメントの総和が最小となり、容量値Ｃａｐ２が最小となる。また、−６０Ｖの書き込み電圧Ｖが、可変容量素子１００の、マイナス側の飽和電界Ｅｐに相当するものである。そして、この飽和電界Ｅｐに相当する書き込み電圧Ｖが印加されたときに、可変容量素子１００の強誘電体材料層１０３内の電気双極子モーメントの総和が最大となり、容量値Ｃａｐ２が最大となる。
【００３９】
次に、図３に示す容量値Ｃａｐ３からわかるように、書き込み電圧Ｖを−１１０Ｖから上昇させていくと、容量値Ｃａｐ３は０Ｖまではほぼ一定値を示し、その後緩やかに上昇して、２０Ｖで低下に移行する。すなわち、書き込み電圧Ｖが２０Ｖで減極電圧となり、容量値Ｃａｐ３は低下している。この減極電圧の印加では、前段の書き込み電圧Ｖよりも大きな書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値Ｃａｐ３を減少させる書き込みが可能である。容量値Ｃａｐ３の最小値は、書き込み電圧Ｖがおよそ３２．５Ｖのときである。その後、書き込み電圧Ｖを上昇させると、容量値Ｃａｐ３は再び上昇に転じる。容量値Ｃａｐ３が上昇に転じた書き込み電圧Ｖからは、前段の書き込み電圧Ｖよりも大きな書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値Ｃａｐ３を増加させる書き込みが可能である。そして、容量値Ｃａｐ３は、書き込み電圧Ｖが６０Ｖに達した後、ほぼ一定値となっている。この容量値Ｃａｐ３の変化は、図３におけるヒステリシス曲線の線ｃに対応するものである。そして、可変容量素子１００の容量値Ｃａｐ３が最小値を示した３２．５Ｖの書き込み電圧Ｖは、図３のヒステリシス曲線において、プラス側の抗電界Ｅｃに相当するものである。
【００４０】
このように、図１に示す強誘電体材料層１０３を有する可変容量素子１００では、電極１０１，１０２間に発生する電界Ｅによる分極Ｐに起因して、図４の容量値Ｃａｐ１〜Ｃａｐ３で示されるように、その容量値が変化する。
そして、容量値Ｃａｐ１〜Ｃａｐ３からわかるように、本実施形態例の可変容量素子の調整方法では、所定の書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値を増加させることも、また、容量値を減少させることもできる。また、可変容量素子１００をキュリー温度以上に加熱し、強誘電体材料層１０３の電気双極子モーメントの総和が最小となるような分極処理をし、容量値を最小にしてから、書き込み電圧を印加して容量値を増加させていった容量値Ｃａｐ１の勾配は、書き込み電圧Ｖを印加し、強誘電体材料層１０３の電気双極子モーメントの総和が最小となるような分極処理をし、容量値を最小にしてから、さらに書き込み電圧Ｖを印加して容量値を増加させていった容量値Ｃａｐ３の勾配よりも大きい。すなわち、本実施形態例の可変容量素子の調整方法においては、可変容量素子を加熱によって分極処理し、容量値を最小にしてから容量値の書き込みをする場合は、書き込み電圧Ｖに対する容量値の変化の勾配が緩やかになる。このため、容量値のより細かな調整が可能となる。
【００４１】
また、図４の容量値Ｃａｐ４で示されるように、書き込み電圧Ｖを４０Ｖまでしか上昇させずに、その後減少させていったときには、容量値Ｃａｐ４の最小値が、容量値Ｃａｐ２の最小値よりも大きな値を有していることがわかる。この容量値Ｃａｐ４は、可変容量素子１００の飽和電界Ｅｐまで書き込み電圧Ｖを上昇させなかった例であり、容量値Ｃａｐ２は、飽和電界Ｅｃまで書き込み電圧Ｖを上昇させた例である。容量値Ｃａｐ２と容量値Ｃａｐ４の最小値を比較すると、飽和電界Ｅｐまで書き込み電圧Ｖを上昇させてから、書き込み電圧Ｖを減少させていったときの印Ｑ２で示す容量値Ｃａｐ２の最小値の方が、飽和電界Ｅｐまで書き込み電圧Ｖを上昇させなかった印Ｑ３で示す容量値Ｃａｐ４の最小値よりも、容量値をより小さい値とすることができる。
【００４２】
また、容量値Ｃａｐ１とＣａｐ４の測定値の始点、すなわち、書き込み電圧Ｖが０Ｖのときに示されている印Ｑ１で示す容量値は、可変容量素子１００がキュリー温度以上に加熱処理されて分極処理がなされた場合の容量値である。この印Ｑ１で示す容量値と、可変容量素子１００に書き込み電圧Ｖが印加されることによって分極処理されて容量値が最小とされた印Ｑ２で示す容量値を比較すると、書き込み電圧Ｖを印加して容量値を最小とした印Ｑ２で示す容量値の方が低い値を示している。すなわち、本実施形態例の可変容量素子の調整方法では、可変容量素子をキュリー温度以上に加熱して分極処理を施し、電気的双極子モーメントの総和を最小とした場合よりも、可変容量素子に書き込み電圧Ｖを印加して分極処理を施し、電気的双極子モーメントの総和を最小とした場合の方が、より効果的に容量値を低下させることができることがわかる。
【００４３】
図５は、可変容量素子１００をキュリー温度以上に加熱し、電気双極子モーメントの総和が０となるように分極処理したあと、始めに印加する書き込み電圧Ｖをそれぞれ＋１１０Ｖ，−１１０Ｖ，−５０Ｖ，−４０Ｖ，−３０Ｖ，−２０Ｖとし、そこから書き込み電圧Ｖをそれぞれ減少、または増加させていったときの容量値を測定したものである。図５においては、横軸は書き込み電界であり、縦軸は容量値を示す。
【００４４】
図５の容量値Ｃａｐ＋１１０Ｖは、まず、１１０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し、その後書き込み電圧を減少させていったときの可変容量素子１００の容量値である。
図５の容量値Ｃａｐ−１１０Ｖは、まず、−１１０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し、その後書き込み電圧を増加させていったときの可変容量素子１００の容量値である。
図５の容量値Ｃａｐ−５０Ｖは、まず、−５０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し、その後書き込み電圧を増加させていったときの可変容量素子１００の容量値である。
図５の容量値Ｃａｐ−４０Ｖは、まず、−４０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し、その後書き込み電圧を増加させていったときの可変容量素子１００の容量値である。
図５の容量値Ｃａｐ−３０Ｖは、まず、−３０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し、その後書き込み電圧を増加させていったときの可変容量素子１００の容量値である。
図５の容量値Ｃａｐ−２０Ｖは、まず、−２０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加し、その後書き込み電圧を増加させていったときの可変容量素子１００の容量値である。
【００４５】
図５より、始めに−１１０Ｖの書き込み電圧Ｖを印加した場合のほうが、それよりも絶対値の小さい書き込み電圧Ｖを始めに印加した場合よりも、容量値の最小値から最大値までの変化量ΔＣが大きいことがわかる。
すなわち、容量値を飽和させないで、書き込み電圧Ｖを印加していった場合よりも、一度、可変容量素子１００に飽和電界Ｅｐをかけることにより、その容量値を飽和させて、書き込み電圧Ｖを印加していった場合のほうが、減極電圧となる書き込み電圧Ｖにおいて、容量値をより低くすることができる。このため、一度容量値を飽和させた場合は、より大きい変化量ΔＣの幅において、容量値を調整することができる。
【００４６】
以上のように、本実施形態例に係る可変容量素子の調整方法によれば、強誘電体材料層を有する可変容量素子に、所望の書き込み電圧を印加することにより、可変容量素子の容量値を増加または減少させることができる。
そして、可変容量素子を、電気双極子モーメントの総和が最小となるようにキュリー温度以上に加熱処理した場合は、その後、書き込み電圧を印加して容量値を増加させた場合に、書き込み電圧に対する容量値の変化の勾配をより大きくすることができる。このため、可変容量素子に書き込み電圧を印加して、所望の容量値を書き込むときに、より細かな容量値の調整が可能となる。
【００４７】
また、電気双極子モーメントの総和が最大となるように飽和電界Ｅｐを印加した場合は、その後、書き込み電圧を印加して容量値を減少させた場合に、容量値の最小値を、より低い値にすることができる。このため、容量値の最小値から最大値までの変化量ΔＣをより大きくとることができ、可変容量素子の調整できる容量値の幅を広くすることができる。
【００４８】
また、強誘電体材料層を有する可変容量素子では、書き込み電圧の印加によって書き込まれる容量値と、分極状態は大きく関係するが、容量値を測定するだけでは分極状態はわからない。すなわち、図４に示す容量値Ｃａｐ１〜Ｃａｐ３の変化からわかるように、強誘電体材料層１０３を有する可変容量素子１００の容量値の変化は、図３に示すヒステリシス曲線の線ａ、線ｂ、線ｃの、どの状態にあるかによって変わってくる。すなわち、同じ書き込み電圧Ｖを印加したとしても、分極の状態が異なることにより、書き込まれる容量値は異なる。
このため、強誘電体材料層を有する可変容量素子では、電気双極子モーメントの総和が最大または最小となるように、分極状態を初期化しておくことにより、書き込み電圧Ｖによって書き込まれる容量値がどのように変化するのかを把握することができる。
【００４９】
また、所望の容量値を書き込む為の書き込み電圧は、温度、時間、電圧の関係で決まる。例えば、一般的に、温度が高ければ（キュリー温度に近くなれば）低い電圧、かつ短い書き込み時間で、所望の容量値の書き込みが可能となる。ところで、この書き込み可能な容量値を有する可変容量素子を使用する場合、その容量値が変化しない制御電圧での使用が必要となる。同じ温度、印加時間で書き込み電圧Ｖを印加するという条件で見た場合、使用可能な制御電圧は、書き込み電圧と同一極性の場合は、書き込み電圧未満であり、より好適には、（書き込み電圧）−（マージン電圧）以下であり、逆極性の場合は、減極電圧未満となる。また、温度条件が異なる場合でも、制御電圧と書き込み電圧が同一極性の場合、使用可能な制御電圧はその温度における抗電圧未満であり、制御電圧と書き込み電圧が逆極性の場合、使用可能な制御電圧はその温度における減極電圧未満である。したがって、そのような制御電圧においては、書き込みは生じない。
【００５０】
また、ノイズによる不要な書き込みを防止するために、可変容量素子への容量値の書き込み時の温度を、可変容量素子の使用温度範囲を考慮した高い温度に設定することが好ましい。さらに、ＡＣ信号や静電気ノイズなどの高い電圧は、例えばｍｓｅｃオーダーのごく短い時間に与えられることを考慮し、可変容量素子への書き込み電圧はある一定時間、例えば１秒以上印加することが好ましい。このようにすることで、可変容量素子への書き込み電圧以外の不要な書き込み電圧による、容量値の再書き込みを防止することができる。
【００５１】
［第１の実施形態に係る可変容量素子］
次に、本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子を、図６〜図１３を用いて説明する。
本実施形態例における可変容量素子は、図１の可変容量素子１００を直列接続して構成されるものである。以下の本実施形態例においては、便宜的に、図１に示した可変容量素子１００を単位可変容量素子といい、単位可変容量素子を直列接続して構成したものを可変容量素子ということとする。
【００５２】
図６に、図２〜図５で示した特性を有する再書き込み可能な単位可変容量素子１ｃ〜４ｃを直列に接続した可変容量素子１に、書き込み電圧電源２を接続した回路図を示す。本実施形態例の可変容量素子１は、直列接続された単位可変容量素子１ｃ〜４ｃによって構成されている。この単位可変容量素子１ｃ〜４ｃは、それぞれ、対の電極間に強誘電体材料層を有する構成である。４つの単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおいては、それぞれの電極間距離ｄは同じとし、分極されていないときの容量値がそれぞれＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４と異なる構成である。また、この容量値の大小関係は、Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３＜Ｃ４であるとする。
【００５３】
書き込み電圧Ｖと電界Ｅは、Ｅｄ＝Ｖの関係を有するので、電極間距離ｄが同じ場合、書き込み電圧Ｖに比例する電界Ｅが各単位可変容量素子１ｃ〜４ｃに発生することになる。また、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃが直列に接続された場合の書き込み電圧Ｖは容量値Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４により分圧される。例えば、単位可変容量素子１ｃに印加される書き込み電圧Ｖ１は、以下の式で表される。
【００５４】
【数１】
2009212168.tif 000003
【００５５】
このため、上述した構成を有する回路においては、書き込み電圧Ｖを可変容量素子１に印加した場合、容量値が一番小さい単位可変容量素子１ｃに大きな書き込み電圧Ｖ１が印加される。同様に、単位可変容量素子２ｃ、３ｃ、４ｃには、それぞれ、書き込み電圧Ｖ２，Ｖ３，Ｖ４が印加される。単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおいて、電極間距離ｄは同じとされているので、それぞれの単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおいて、書き込み電圧Ｖ１〜Ｖ４に比例した電界Ｅ１〜Ｅ４が発生する。このため、単位可変容量素子１ｃに一番大きな電界Ｅ１が発生する。従って、図６に示す可変容量素子１においては、書き込み電圧Ｖを順次大きくしていくと、始めに、一番大きな電界Ｅ１が発生している単位可変容量素子１ｃにおいて分極反転が始まり、容量が増加し始める。その後、容量の小さな順番に単位可変容量素子２ｃ〜４ｃの容量が増加していく。
【００５６】
図７に、本実施形態例の４つの単位可変容量素子１ｃ〜４ｃを直列接続した可変容量素子１に、書き込み電圧Ｖを印加していったときの容量値の変化を模式的に示す。図７では、分かりやすくするために、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃのそれぞれの容量値Ｃ１〜Ｃ４が、ある電圧値で一気に段階的に変化する形で示されている。本実施形態例で用いられる単位可変容量素子１ｃ〜４ｃは、書き込み電圧Ｖの印加に伴い、リニアに容量値が増大していくものであるので、実際には、書き込み電圧Ｖの印加に伴い、容量値は緩やかに変化していく。
【００５７】
一例として、図８に、２つの単位可変容量素子を直列接続した可変容量素子５０の、書き込み電圧に対する容量値の変化を線５０ａで示し、１つの単位可変容量素子５１における書き込み電圧に対する容量値の変化を線５１ａで示す。また、単位可変容量素子５１における電極間距離よりも２倍の電極間距離を有する単位可変容量素子５２における書き込み電圧に対する容量値の変化を線５２ａで示す。
【００５８】
まず、単位可変容量素子５１の容量値の変化と、単位可変容量素子５２の容量値の変化をみる。これによると、電極間距離が２倍である単位可変容量素子５２は、単位可変容量素子５１において容量値が変化し始める書き込み電圧の２倍の値の書き込み電圧で、容量値が変化し始めることがわかる。すなわち、Ｅｄ＝Ｖ（Ｅ：電界、ｄ：電極間距離、Ｖ：書き込み電圧）の関係により、電極間距離ｄが大きいほど、容量値を変化させるには、大きな書き込み電圧Ｖが必要となることがわかる。
【００５９】
次に、図８の線５０ａより、２つの単位可変容量素子が直列接続された可変容量素子５０の容量値の変化をみる。可変容量素子５０では、２つの単位可変容量素子の容量比が１：２であるものとする。可変容量素子５０のように、容量値の異なる２つの単位可変容量素子を直列接続した可変容量素子では、１つの単位可変容量素子５１，５２よりも、書き込み電圧Ｖに対する容量値の変化の傾きを緩やかにすることができることがわかる。
【００６０】
そして、図７，８からわかるように、直列に接続する単位可変容量素子の数を増やすことで、傾きは、更に緩やかにすることができる。このように、未分極時の容量値が異なる単位可変容量素子を直列接続して可変容量素子を構成することで、書き込み電圧Ｖに対する容量値の変化の傾きを小さくすることができる。これにより、容量値の微調整が可能な可変容量素子を構成することができる。
【００６１】
また、このように、単位可変容量素子を直列接続して構成する可変容量素子では、容量値が異なり、電極間距離が同じである単位可変容量素子を直列接続すれば、書き込み電圧を印加していったときに、容量値が小さな単位可変容量素子から順に容量値が変化していく。
【００６２】
また、このように単位可変容量素子を直列接続して構成した可変容量素子においても、それぞれの単位可変容量素子は、図１に示した可変容量素子の特性（図２〜図５参照）を有する。このため、可変容量素子において、書き込み電圧の印加により変化された容量値は、書き込み電圧を印加した後に、電圧を０Ｖに戻した場合でも保持されるものである。
【００６３】
図９に、未分極時の容量値Ｃ１〜Ｃ７が、１５／２０／２５／３０／３５／４０／４５の相対値で表される７素子の単位可変容量素子１ｃ〜７ｃを直列接続した可変容量素子の、書き込み電圧Ｖに対する容量値の変化ΔＣを示すと共に、単位可変容量素子１ｃの端子に係る電圧の相対的な値を示す。この例において、単位可変容量素子１ｃ〜７ｃのそれぞれの電極間距離ｄは同じものとする。また、単位可変容量素子１ｃ〜７ｃは、それぞれＶ１〜Ｖ７の書き込み電圧により、容量値が書き込まれ、容量値が変化し始める。
【００６４】
図９において、横軸の書き込み電圧Ｖは、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧Ｖ１で正規化してあり、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧Ｖ１のｎ倍の書き込み電圧ｎＶが示されている。また、棒線グラフ１１で示した測定値は、書き込み電圧ｎＶのときの合成容量を測定したものであり、棒線グラフ１０で示した測定値は、書き込み電圧（ｎ−１）Ｖから、書き込み電圧ｎＶにしたときの、合成容量の増加量ΔＣを示している。最初の合成容量の増加量は単位可変容量素子１ｃにおける容量値Ｃ１の増加量ΔＣ１であり、順に、単位可変容量素子２ｃ〜７ｃにおける容量値Ｃ２〜Ｃ７の増加量ΔＣ２〜ΔＣ７ずつ全体の合成容量が増加している。
【００６５】
図９からわかるように、単位可変容量素子１ｃ〜７ｃを直列接続した可変容量素子では、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧Ｖ１のおよそ４倍の書き込み電圧Ｖを印加することにより、容量値の書き込みが始まる。そして、書き込み電圧Ｖ１の１２倍の書き込み電圧が印加されることで、７つの単位可変容量素子１ｃ〜７ｃ全ての書き込みがなされる。すなわち、単位可変容量素子１ｃ〜７ｃ全てが分極されたことになる。そして、全ての単位可変容量素子１ｃ〜７ｃへの書き込みがなされたときの単位可変容量素子１ｃの端子へ印加される電圧は、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧Ｖ１の約３．３倍となっている。すなわち、単位可変容量素子１ｃ〜７ｃを直列接続して構成する可変容量素子においては、この最小の容量値Ｃ１を有する単位可変容量素子１ｃ端子へ印加される電圧が、耐圧を超えない範囲であれば、直列接続する単位可変容量素子の素子数を増やすことができる。
【００６６】
図１０に、単位可変容量素子が直列接続されて構成された可変容量素子の具体的構成を示す。図１０に示す例は、４つの単位可変容量素子を直列接続して可変容量素子を構成する例である。
【００６７】
まず、図１０Ａに、単位可変容量素子が直列接続された可変容量素子を構成する面内電極を示す。ここでは、４つの単位可変容量素子を構成するために、５つの面内電極ｅ１〜ｅ５が用いられる。それぞれの面内電極ｅ１〜ｅ５は、例えば強誘電体材料層８上に所望の形状にパターニングされて形成される。図１０Ａに示す例では、面内電極ｅ１〜ｅ５は、それぞれ強誘電体材料層８上に短冊状の４つの等価な単位電極をパターニングすることにより形成しておく。そして、その４つの単位電極の接続関係を変えることにより、それぞれの面内電極ｅ１〜ｅ５を構成する。すなわち、面内電極ｅ１では４つの単位電極は接続されておらず、面内電極ｅ２では４つの単位電極のうち２つの単位電極が互いに接続されており、面内電極ｅ３では４つの単位電極のうち３つの単位電極が互いに接続されており、面内電極ｅ４及びｅ５では４つの単位電極全てが互いに接続されている。これらの面内電極ｅ１〜ｅ５は、等価的に電極面積が変化されている。また、図１０Ａで示す例では、面内電極ｅ１と一体に構成された第１の外部電極５ａ、及び面内電極ｅ５と一体に構成された第２の外部電極５ｂを設ける。
【００６８】
これらの面内電極ｅ１〜ｅ５が、図１０Ｂに示すように積層されることにより、図１０Ｃに示す可変容量素子１０が構成される。図１０Ｃに、この例において構成される可変容量素子１０の概略断面構成を示す。図１０Ｃに示す可変容量素子１０では、下から面内電極ｅ５、ｅ４、ｅ３、ｅ２、ｅ１の順に、電極間距離ｔが同じになるように強誘電体材料層８を介して積層する。このように積層することにより、面内電極ｅ１及びｅ２により単位可変容量素子１ｃが形成され、面内電極ｅ２及びｅ３により単位可変容量素子２ｃが形成され、面内電極ｅ３及びｅ４により単位可変容量素子３ｃが形成され、面内電極ｅ４及びｅ５により単位可変容量素子４ｃが形成される。
【００６９】
そして、一番上部に積層される面内電極ｅ１と、一番下部に積層される面内電極ｅ５に、それぞれ第１の外部電極５ａ、第２の外部電極５ｂが設けられているので、第１の外部電極５ａを外部の端子７，第２の外部電極５ｂを外部の端子６と接続することにより、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃが直列接続された可変容量素子１０が構成される。この例においては、外部端子６−７間に書き込み電圧が印加される。
【００７０】
図１０Ｃに示す可変容量素子１０では、それぞれの面内電極ｅ１〜ｅ５のうち、未接続な単位電極には信号が入力されないため、未接続な単位電極間は、有効な容量として働かない。すなわち、接続された部分の面内電極ｅ１〜ｅ５のみで容量が形成される。したがって、図１０Ｃに示すように積層された可変容量素子１０では、面内電極ｅ１及びｅ２で構成される単位可変容量素子１ｃでは、単位電極１つ分の容量値Ｃ１が構成され、面内電極ｅ２及びｅ３で構成される単位可変容量素子２ｃでは、単位電極２つ分の容量値Ｃ２が構成され、面内電極ｅ３及びｅ４で構成される単位可変容量素子３ｃでは、単位電極３つ分の容量値Ｃ３が構成され、面内電極ｅ４及びｅ５で構成される単位可変容量素子４ｃでは、単位電極４つ分の容量値Ｃ４が形成される。そして、これらの容量値Ｃ１〜Ｃ４が直列関係を有するように接続されている。
【００７１】
図１０Ａの面内電極ｅ１〜ｅ４を用いて、さらに全体の容量が大きくされた可変容量素子を構成する場合は、図１１に示すように、面内電極ｅ１，ｅ２，ｅ３，ｅ４で構成される２組の積層体を、もう一つの面内電極ｅ４を介して、互いに対称になるように積層した構成とすればよい。図１１において、図１０に対応する部分には同一符号を付し重複説明を省略する。
【００７２】
図１１に示す可変容量素子１１は、中心の面内電極ｅ５の上下には、互いに逆向きに積層された面内電極ｅ１〜ｅ４が構成されている。図１１に示す可変容量素子１１においても、一番上に積層された面内電極ｅ１に第１の外部電極５ａを形成し、一番下に積層された面内電極ｅ１に第２の外部電極５ｂを形成する。そして、第１の外部電極５ａと外部端子７に接続し、第２の外部電極５ｂを外部端子６に接続することにより、直列関係を有する単位可変容量素子１ｃ〜４ｃで構成された可変容量素子１１が構成される。
【００７３】
図１１に示す可変容量素子１１では、上から単位可変容量素子１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，４ｃ，３ｃ，２ｃ，１ｃの順に単位可変容量素子が直列接続されている。
【００７４】
次に、図１２に、単位可変容量素子が直列接続されるように構成された可変容量素子の具体的構成の他の例を示す。
【００７５】
まず、図１２Ａに、可変容量素子を構成する面内電極ｅ１〜ｅ５を示す。この例においては、それぞれの電極面積が異なるように、強誘電体材料層８上に面内電極ｅ１〜ｅ４がパターニングされて形成されている。また、図１２Ａに示す例においては、面内電極ｅ１の端部に第１の外部電極５ａが、面内電極ｅ５の端部に第２の外部電極５ｂがそれぞれ形成されている。
【００７６】
例えば、面内電極ｅ１〜ｅ５は、図１２Ｂに示すように積層させたときに、面内電極ｅ１と面内電極ｅ２の重なる面積がＷ１、面内電極ｅ２と面内電極ｅ３の重なる面積がＷ２、面内電極ｅ３と面内電極ｅ４の重なる面積がＷ３、面内電極ｅ４と面内電極ｅ５の重なる面積がＷ４となるように、面内電極ｅ１〜ｅ５にかけて、段階的に面積が大きくなるように形成されている。
【００７７】
図１２Ｃに、この例において形成される可変容量素子１２の概略断面構成を示す。可変容量素子１２では、面積の異なる面内電極ｅ１〜ｅ５を、下から面内電極ｅ５，ｅ４，ｅ３，ｅ２，ｅ１の順に、電極間距離ｔが同じになるように、同一厚の強誘電体材料層８を介して積層させる。このように積層することにより、面内電極ｅ１及びｅ２により単位可変容量素子１ｃが形成され、面内電極ｅ２及びｅ３により単位可変容量素子２ｃが形成され、面内電極ｅ３及びｅ４により単位可変容量素子３ｃが形成され、面内電極ｅ４及びｅ５により単位可変容量素子４ｃが形成される。
そして、第１の外部電極５ａが外部端子７に接続され、第２の外部電極５ｂが外部端子６に接続されることにより、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃが直列接続された可変容量素子１２が構成される。この例においては、外部端子６−７間に書き込み電圧が印加される。
【００７８】
図１２に示す例では、面積の異なる面内電極ｅ１〜ｅ５を積層することにより、強誘電体材料層８を介して上下で重なる電極面積を変えることができる。このような構成により、図１２Ｃに示す可変容量素子１２では、面内電極ｅ１及びｅ２で構成される単位可変容量素子１ｃでは、重なる面積Ｗ１分の容量値Ｃ１が構成され、面内電極ｅ２及びｅ３で構成される単位可変容量素子２ｃでは、重なる面積Ｗ２分の容量値Ｃ２が構成され、面内電極ｅ３及びｅ４で構成される単位可変容量素子３ｃでは、重なる面積Ｗ３分の容量値Ｃ３が構成され、面内電極ｅ４及びｅ５で構成される単位可変容量素子４ｃでは、重なる面積Ｗ４分の容量値Ｃ４が形成される。
【００７９】
そして、図１２Ｃの可変容量素子１２では、それぞれの面内電極の電極間距離ｔは一定であり、それぞれの単位可変容量素子１ｃ〜４ｃを構成する電極面積が異なる。この例において、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃの容量値は、Ｃ１＜Ｃ２＜Ｃ３＜Ｃ４となる。
【００８０】
この図１２に示す例においても、全体の容量を大きくする場合は、図１３に示すように、面内電極ｅ１〜ｅ４の積層体で構成される２組の可変容量素子を、もう一つの面内電極ｅ５を介して、互いに対称になるように積層すればよい。すなわち、図１３では、中心の面内電極ｅ５の上下には、互いに逆向きに積層された面内電極ｅ１〜ｅ４が構成されている。図１３において、図１２に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００８１】
図１３に示す可変容量素子１３においては、一番上に積層された面内電極ｅ１に第１の外部電極５ａを形成し、一番下に積層された面内電極ｅ１に第２の外部電極５ｂを形成する。そして、第１の外部電極５ａを外部端子７に、第２の外部電極を外部端子６に接続することにより、直列関係を有する単位可変容量素子１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，４ｃ，３ｃ，２ｃ，１ｃで構成された可変容量素子１３が構成される。
【００８２】
図１３に示す可変容量素子１３において、単位可変容量素子１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，４ｃ，３ｃ，２ｃ，１ｃの容量値はそれぞれＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃ１である。そして、この可変容量素子１３の外部端子６−７間に書き込み電圧を０Ｖから順に増加させて印加していった場合には、図９に示したように、小さい容量値を有する単位可変容量素子１ｃから順次分極されて合成容量が増加していく。そして、この場合においても、書き込み電圧の印加を停止しても、その容量値は保持される。
【００８３】
［第２の実施形態に係る可変容量素子］
次に、本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子を、図１４〜図１７を用いて説明する。本実施形態例における可変容量素子は、図１で説明した可変容量素子を並列接続したものである。以下の実施形態例においては、便宜的に、図１で説明した可変容量素子を単位可変容量素子といい、単位可変容量素子を並列接続して構成したものを可変容量素子ということとする。
【００８４】
図１４に、書き込み可能な単位可変容量素子１ｃ〜４ｃを、書き込み電圧電源３に対して４個並列に接続した回路図を示す。本実施形態例のように、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃが並列接続された可変容量素子４においては、全ての単位可変容量素子１ｃ〜４ｃに同じ書き込み電圧Ｖが印加される。書き込み電圧Ｖの印加に伴い、段階的に容量値を変化させるために、各単位可変容量素子１ｃ〜４ｃに発生する電界Ｅを変える必要がある。本実施形態例では、同じ書き込み電圧でも発生する電界Ｅが異なるようにする為に、Ｅｄ＝Ｖの関係を用いて、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃ毎に電極間距離ｄを変える構成とする。すなわち、電極間距離ｄを変えることにより、各単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおいて、同じ書き込み電圧Ｖが印加されたとしても、それぞれ異なる電界Ｅが発生する。このため、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃ間で、容量値が変化し始める書き込み電圧Ｖを異ならせることができる。このように、容量値が変化し始める書き込み電圧Ｖを異ならせることにより、段階的に容量値を変化させることができる。
【００８５】
また、この例においては、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおいて、それぞれの電極間距離ｄを異ならせ、未分極時の容量値Ｃ１〜Ｃ４を同じくするためには、各単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおけるそれぞれの電極面積を変えればよい。
【００８６】
図１５に、未分極時の容量値Ｃ１〜Ｃ４がそれぞれ同一である５つの単位可変容量素子１ｃ〜５ｃを並列接続した可変容量素子の、書き込み電圧に対する容量値の変化、及び、単位可変容量素子１ｃの端子に印加される電圧の相対値を示す。単位可変容量素子１ｃ〜５ｃにおいては、容量値Ｃ１〜Ｃ４は同一であり、耐圧が、１／１．５／２／２．５／３の相対値を有するように構成されている。横軸の書き込み電圧は、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧で正規化してあり、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧のｎ倍の書き込み電圧ｎ（Ｖ）が示されている。棒線グラフ１２で示した測定値は、書き込み電圧ｎ（Ｖ）のときの合成容量を測定したものであり、棒線グラフ１３で示した測定値は、書き込み電圧ｎ−１（Ｖ）から、書き込み電圧ｎ（Ｖ）にしたときの、合成容量の増加量ΔＣを示している。すなわち、最初の増加量ΔＣは単位可変容量素子１ｃにおける容量値Ｃの増加量ΔＣ１であり、書き込み電圧の増加に伴い、順に、ΔＣ２，ΔＣ３，ΔＣ４，ΔＣ５分の容量が増加していく。
【００８７】
図１５からわかるように、容量値の等しい５つの単位可変容量素子１ｃ〜５ｃを、並列接続した可変容量素子では、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧印加で単位可変容量素子１ｃへの書き込みが始まる。そして、１２倍の書き込み電圧印加で、５素子全ての書き込みがなされる。すなわち、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧の１２倍の書き込み電圧印加で、５つの単位可変容量素子１ｃ〜５ｃが分極されたことになる。単位可変容量素子１ｃ〜５ｃへの書き込みがなされたときの各単位可変容量素子１ｃ〜５ｃの端子へ印加される書き込み電圧は、単位可変容量素子１ｃの書き込み電圧の約３倍となっている。この電圧が、耐圧を超えない範囲であれば、並列接続する単位可変容量素子の素子数を増やすことができる。
【００８８】
また、本実施形態例のように、単位可変容量素子１ｃ〜５ｃを並列接続する例においては、容量値Ｃが同一である単位可変容量素子１ｃ〜５ｃを用いることにより、書き込み電圧の増加に伴い、定量である変化量ΔＣずつ可変容量素子の容量値を増加させることができる。
【００８９】
本実施形態例のような、単位可変容量素子１ｃ〜５ｃが並列接続されて構成される可変容量素子では、書き込み電圧は、各単位可変容量素子の仕様できまり、他の単位可変容量素子の影響を受けない。このため、単位可変容量素子を直列接続した可変容量素子よりも容量変化ΔＣを同じにするのが容易であり、さらに、最大書き込み電圧を低くしやすいという特徴がある。
【００９０】
図１６に、単位可変容量素子が並列接続されて構成される可変容量素子の具体的構成を示す。
単位可変容量素子が並列接続されて構成される可変容量素子においても、図１２に示した例と同様に、複数の面積の異なる面内電極を用いることができる。
【００９１】
図１６Ａに、可変容量素子を構成する面内電極ｅ１〜ｅ５を示す。この例においては、面内電極ｅ１〜ｅ５は、それぞれの電極面積が異なるように、強誘電体材料層８上にパターニングされて形成されている。また、図１６に示す例においては、面内電極ｅ１，ｅ３，ｅ５端部に第１の外部電極５ａが、面内電極ｅ２，ｅ４端部に第２の外部電極５ｂがそれぞれ形成されている。図１６Ｂに示すように積層させたときに、第１の外部電極５ａは、下から奇数番目に積層される面内電極に形成され、第２の外部電極５ｂは、下から偶数番目に積層される面内電極に形成される。
【００９２】
例えば、面内電極ｅ１〜ｅ５は、図１６Ｂに示すように積層させたときに、面内電極ｅ１と面内電極ｅ２の重なる面積がＷ１、面内電極ｅ２と面内電極ｅ３の重なる面積がＷ２、面内電極ｅ３と面内電極ｅ４の重なる面積がＷ３、面内電極ｅ４と面内電極ｅ５の重なる面積がＷ４となるように、面内電極ｅ１〜ｅ５にかけて、段階的に面積が大きくなるように形成されている。この例では、隣接する面内電極同士の重なる面積は、Ｗ１＜Ｗ２＜Ｗ３＜Ｗ４の関係を有する。
【００９３】
図１６Ｃに、この例において構成される可変容量素子１４の概略断面構成を示す。この可変容量素子１４では、面積の異なる面内電極ｅ１〜ｅ５を、図１６Ｃに示すように、下から面内電極ｅ５，ｅ４，ｅ３，ｅ２，ｅ１の順に積層し、面内電極ｅ５及びｅ４の電極間距離ｔ４、面内電極ｅ４及びｅ３の電極間距離ｔ３、面内電極ｅ３及びｅ２の電極間距離ｔ２、面内電極ｅ２及びｅ１の電極間距離ｔ１が、それぞれ、ｔ１＜ｔ２＜ｔ３＜ｔ４となるように、それぞれの厚さの強誘電体層８を介して積層させる。このように積層することにより、面内電極ｅ１及びｅ２により単位可変容量素子１ｃが形成され、面内電極ｅ２及びｅ３により単位可変容量素子２ｃが形成され、面内電極ｅ３及びｅ４により単位可変容量素子３ｃが形成され、面内電極ｅ４及びｅ５により単位可変容量素子４ｃが形成される。
【００９４】
そして、面内電極ｅ１，ｅ３，ｅ５に形成された第１の外部電極５ａは、外部端子７に接続され、面内電極ｅ２，ｅ４に形成された第２の外部電極５ｂは外部端子６に接続される。このような構成により、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃが並列接続された可変容量素子１４が構成される。この例では、外部端子６−７間に、書き込み電圧が印加される。
【００９５】
図１６に示す例では、面積の異なる面内電極ｅ１〜ｅ５を積層することにより、強誘電体材料層８を介して上下で重なる電極面積を変えることができる。このような構成により、図１６Ｃに示す可変容量素子１４では、面内電極ｅ１及びｅ２で構成される単位可変容量素子１ｃでは、重なる面積Ｗ１分の容量値Ｃ１が構成され、面内電極ｅ２及びｅ３で構成される単位可変容量素子２ｃでは、重なる面積Ｗ２分の容量値Ｃ２が構成され、面内電極ｅ３及びｅ４で構成される単位可変容量素子３ｃでは、重なる面積Ｗ３分の容量値Ｃ３が構成され、面内電極ｅ４及びｅ５で構成される単位可変容量素子４ｃでは、重なる面積Ｗ４分の容量値Ｃ４が形成される。単位可変容量素子が並列接続される可変容量素子においては、それぞれの単位可変容量素子１ｃ〜４ｃにおいての容量値の変化量（図１５に図示されたΔＣ）を同一にするために、容量値Ｃ１〜Ｃ４を同じに構成することが好ましい。この例においては、電極間距離ｔ１〜ｔ４がそれぞれ異なる為、重なる面積Ｗ１〜Ｗ４を適宜設定することにより、容量値Ｃ１〜Ｃ４を同一に構成することができる。
【００９６】
この例においても、全体の容量を大きくする場合は、図１７に示すように、面内電極ｅ１〜ｅ４の積層体で構成される２組の可変容量素子を、もう一つの面内電極ｅ５を介して、互いに対称になるように積層して可変容量素子１５を構成すればよい。すなわち、図１７では、中心の面内電極ｅ５の上下には、互いに逆向きに積層された面内電極ｅ１〜ｅ４が構成されている。図１７において、図１６に対応する部分には同一符号を付し、重複説明を省略する。
【００９７】
図１７に示す可変容量素子１５においても、面内電極ｅ１，ｅ３，ｅ５にそれぞれ外部端子７と接続される第１の外部電極５ａを形成し、面内電極ｅ２，ｅ４にそれぞれ外部端子６と接続される第２の外部電極５ｂを形成する。このような構成とすることにより、並列関係を有する単位可変容量素子１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，４ｃ，３ｃ，２ｃ，１ｃで構成された可変容量素子１５が構成される。
【００９８】
図１７に示す可変容量素子１５において、単位可変容量素子１ｃ，２ｃ，３ｃ，４ｃ，４ｃ，３ｃ，２ｃ，１ｃの容量値はそれぞれ、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ４，Ｃ３，Ｃ２，Ｃ１となる。そして、この可変容量素子１５の外部端子６−７間に書き込み電圧を印加していった場合には、単位可変容量素子１ｃ〜４ｃのうち、電極間距離が一番小さい単位可変容量素子１ｃから順に分極されて容量変化していき、その容量値が保持される。
【００９９】
上述した本発明の第１の実施形態、及び第２の実施形態に係る可変容量素子において、可変容量素子を構成するそれぞれの単位可変容量素子は、図２〜図５の特性を有するものである。すなわち、第１及び第２の実施形態において、上述した本発明の一実施形態に係る可変容量素子の調整方法を適用することができる。
【０１００】
そして、第１及び第２の実施形態に示した可変容量素子に書き込み電圧を印加することにより、可変容量素子の容量値を所望の容量値とすることができる。また、第１及び第２の実施形態に示すように、可変容量素子を、複数の単位可変容量素子が直列又は並列接続されるようにして構成することにより、書き込み電圧の増加に対する容量値の変化を緩やかにすることができる。このため、第１及び第２の実施形態で示した可変容量素子では、より細かな容量値の調整が可能となる。
【０１０１】
［可変容量デバイス及び電子機器］
次に、本発明の可変容量素子を用いた可変容量デバイス及びその可変容量デバイスが組み込まれた電子機器について説明する。図１８には、可変容量デバイスの概略構成を示し、図１９には、電子機器の一例として、液晶テレビ等に用いられる冷陰極管（Cold Cathode Fluorescent Lamp：ＣＣＦＬ）バックライトのインバータ回路構成を示す。
【０１０２】
図１８に示す可変容量デバイス４９は、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子４４と、可変容量素子４４の両側に配され、可変容量素子４４と直列接続される直流電圧除去用の容量素子４３,４５と、可変容量素子４４に接続され、可変容量素子４４間に直流電圧電源４６から書き込み電圧Ｖを印加するための外部入力端子４７，４８とを有する。この例において、強誘電体材料層を挟んで対の電極が形成された可変容量素子４４は、例えば、図１に示すような可変容量素子であってもよく、また、上述した複数の単位可変容量素子が直列又は並列接続された可変容量素子であってもよい。複数の単位可変容量素子を直列又は並列に接続された可変容量素子を用いる場合は、上述の第１の実施形態及び第２の実施形態に係る可変容量素子が用いられる。
【０１０３】
この可変容量デバイス４９は、可変容量素子４４の両側に、直流電圧除去用の容量素子４３，４５が構成されている。このため、この可変容量デバイス４９を電子機器の電気回路に組み込んだ状態で、外部の直流電圧電源を外部入力端子４７，４８に接続して可変容量素子４４に書き込み電圧Ｖを印加した場合であっても、直流電圧除去用の容量素子４３，４５により、書き込み電圧Ｖが電子機器の回路に印加されるのを防ぐことができる。
【０１０４】
以上の構成を有する可変容量デバイス４９は、例えば、図１９に示すように、ＣＣＦＬバックライトのインバータ回路に組み込まれて用いられる。
図１９に示す、インバータ回路では、ＣＣＦＬ４２と、ＣＣＦＬ４２に接続された昇圧トランス４０と、昇圧トランス４０を駆動する駆動回路４１とから構成される。また、ＣＣＦＬ４２と昇圧トランス４０の間には、可変容量デバイス４９からなるバラストコンデンサが構成されている。
【０１０５】
図１９においては、ＣＣＦＬ４２が1個のみの構成を示したが、ＣＣＦＬ４２が2個並列に構成されてあってもよい。このＣＣＦＬ４２においては、昇圧トランス４０を使って昇圧された高圧の直流電圧がバラストコンデンサである可変容量デバイス４９を介してＣＣＦＬ４２に印加されている。通常昇圧トランス４０の出力は１５００V、５０ｋＨｚ程度となっている。またＣＣＦＬ４２に流れる電流は５〜１０ｍＡである。可変容量デバイス４９からなるバラストコンデンサは、ＣＣＦＬ４２を並列ドライブするときに、二つのＣＣＦＬ４２を分離するためのものであり、コンデンサの他にトランスを用いることもある。
【０１０６】
ところで、ＣＣＦＬバックライトにおいて、バラストコンデンサを使うのは、コストを安くするためであるが、ＣＣＦＬの容量ばらつきや周辺金属間との浮遊容量などの違いにより、各ＣＣＦＬで電流がばらつき、輝度むらが生じるという欠点がある。
【０１０７】
そこで、この例においては、バラストコンデンサを構成する可変容量デバイス４９により、可変容量素子４４の調整が行われる。
可変容量デバイス４９における可変容量素子４４の容量値を調整するために、可変容量デバイス４９の可変容量素子４４に接続されている外部入力端子４７，４８から、書き込み電圧が印加される。そして、所望の書き込み電圧が印加されることにより、可変容量素子４４の容量値が調整される。書き込み電圧は、直流電圧であるから、図示したように昇圧トランス４０の端子に高直流電圧が印加されると、トランスコイルに過大な電流が流れてしまう。しかし、この例においては、可変容量デバイス４９においては、可変容量素子４４の両側に直流電圧を除去するための容量素子４３，４５が配されている。このため、可変容量デバイス４９の可変容量素子４４における容量値を調整するために、可変容量デバイス４９に書き込み電圧を印加しても、昇圧トランス４０及びＣＣＦＬ４２には直流電圧が加わることがない。このため、実装状態で、可変容量デバイス４９に電圧を印加し、容量値を調整することが可能となる。そして、このような可変容量デバイス４９が組み込まれたＣＣＦＬバックライトでは、ＣＣＦＬ４２の輝度が均一になるように、可変容量素子４４の容量値が調整される。
【０１０８】
本例においては、図１８の可変容量デバイスが組み込まれる電子機器の例として、ＣＣＦＬバックライトを用いたが、その他、非接触ＩＣカード等に組み込むこともできる。このように、電子機器に本発明の可変容量デバイスを組み込むことにより、電子機器の他の回路に影響を及ぼすことなく、可変容量デバイスの可変容量素子に書き込み電圧を印加することができ、所望の容量値を得ることができる。そして、可変容量デバイスにおいて、所望の容量値を有するように可変容量素子を調整することにより、部品ばらつきなどによるチューニング周波数ずれを、出荷時に合わせ込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０９】
【図１】本発明の一実施形態の可変容量素子の調整方法に用いられる可変容量素子である。
【図２】書き込み電圧に対する可変容量素子の容量値の変化を示す図である。
【図３】強誘電体材料のヒステリシス曲線を示す図である。
【図４】書き込み電圧に対する可変容量素子の容量値の変化を示す図である。
【図５】書き込み電圧に対する可変容量素子の容量値の変化を示す図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の回路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の、書き込み電圧に対する容量値の変化の概略を示す図である。
【図８】単位可変容量素子を直列接続した場合の書き込み電圧に対する容量値の変化と、１素子からなる単位可変容量素子の書き込み電圧に対する容量値の変化を示した図である。
【図９】７個の単位可変容量素子を直列接続した場合の書き込み電圧に対する容量値の変化と、単位可変容量素子１ｃの端子に係る電圧の変化を示す図である。
【図１０】Ａ，Ｂ，Ｃ  本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の構成の具体例（その１）を示す。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の具体的な概略構成（その２）を示す。
【図１２】Ａ，Ｂ，Ｃ  本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の構成の具体例（その３）を示す。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る可変容量素子の具体的な概略構成（その４）を示す。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子の回路図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子の、書き込み電圧に対する容量値の変化の概略を示す図である。
【図１６】Ａ，Ｂ，Ｃ  本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子の構成の具体例（その１）を示す。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る可変容量素子の具体的な概略構成（その２）である。
【図１８】本発明の可変容量デバイスの一例に係る回路図である。
【図１９】本発明の可変容量デバイスを用いた電子機器の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
【０１１０】
１，４，１０，１１，１２，１３，１４，１５，１００・・可変容量素子、２，３・・書き込み電圧電源、５ａ・・第１の外部電極、５ｂ・・第２の外部電極、６，７・・外部端子、８，１０３・・強誘電体材料層、ｅ１〜ｅ５・・面内電極、１０１,１０２・・電極、１ｃ〜４ｃ・・単位可変容量素子
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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