JPH0620874A - 可変静電容量素子 - Google Patents
可変静電容量素子Info
- Publication number
- JPH0620874A JPH0620874A JP4176474A JP17647492A JPH0620874A JP H0620874 A JPH0620874 A JP H0620874A JP 4176474 A JP4176474 A JP 4176474A JP 17647492 A JP17647492 A JP 17647492A JP H0620874 A JPH0620874 A JP H0620874A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric element
- variable capacitance
- metal flat
- flat plates
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Abstract
(57)【要約】 （修正有）
【目的】 低損失で可変幅の広いかつ温度安定な可変静
電容量素子を得る。 【構成】 ２枚の金属平行平板３の間隔を変えることに
より静電容量を変化させる素子であって、前記平板の間
隔を変える手段として圧電素子４を用いるとともに、前
記２枚の金属平板の一方３ａは全体の構造体５に固定さ
れ、他方３は前記圧電素子に固定されていることを特徴
とする可変静電容量素子。
電容量素子を得る。 【構成】 ２枚の金属平行平板３の間隔を変えることに
より静電容量を変化させる素子であって、前記平板の間
隔を変える手段として圧電素子４を用いるとともに、前
記２枚の金属平板の一方３ａは全体の構造体５に固定さ
れ、他方３は前記圧電素子に固定されていることを特徴
とする可変静電容量素子。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、高周波帯における電子
機器の小型化・高周波化・低電力化に対応して、これら
に用いられる受動部品である可変静電容量素子の低損失
化・広可変幅化・温度安定化に関する。
機器の小型化・高周波化・低電力化に対応して、これら
に用いられる受動部品である可変静電容量素子の低損失
化・広可変幅化・温度安定化に関する。
【０００２】
【従来の技術】集積回路の進歩にともない、高周波帯の
電子機器の小型化・高周波化・低電力化・高性能化が急
速に進んでいる。その中で、可変静電容量素子の高性能
化は他の素子と比較すると遅れていると言える。特に、
１０ＭＨｚから５ＧＨｚ帯において、低損失で可変幅の
広い温度安定な可変静電容量素子の開発が強く望まれて
いる。これらの要求に答えるものとして、図８に示すよ
うに、半導体ダイオードのＰＮ接合を用いたバリアブル
キャパシターが広く用いられている。この可変静電容量
素子は小型で安価であることが特徴である。
電子機器の小型化・高周波化・低電力化・高性能化が急
速に進んでいる。その中で、可変静電容量素子の高性能
化は他の素子と比較すると遅れていると言える。特に、
１０ＭＨｚから５ＧＨｚ帯において、低損失で可変幅の
広い温度安定な可変静電容量素子の開発が強く望まれて
いる。これらの要求に答えるものとして、図８に示すよ
うに、半導体ダイオードのＰＮ接合を用いたバリアブル
キャパシターが広く用いられている。この可変静電容量
素子は小型で安価であることが特徴である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、前記バリアブ
ルキャパシターは半導体ダイオードに逆方向に電圧を加
えて、キャリアのない空乏層を形成させその厚みを前記
電圧の大きさで制御して実現しているものであり、材料
が半導体であることから、本質的に導体損による高周波
帯の損失が大きい及び温度変化が大きいという欠点があ
った。従って、本発明は、上記従来技術の欠点を改善
し、低損失でかつ変化幅の広い温度安定な可変静電容量
素子を提供することを目的とするものである。
ルキャパシターは半導体ダイオードに逆方向に電圧を加
えて、キャリアのない空乏層を形成させその厚みを前記
電圧の大きさで制御して実現しているものであり、材料
が半導体であることから、本質的に導体損による高周波
帯の損失が大きい及び温度変化が大きいという欠点があ
った。従って、本発明は、上記従来技術の欠点を改善
し、低損失でかつ変化幅の広い温度安定な可変静電容量
素子を提供することを目的とするものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の可変静電容量素
子は、２枚の金属平板の間隔を変えることにより静電容
量を変化させる素子であって、前記平板の間隔を変える
手段として圧電素子を用いることを特徴としている。
子は、２枚の金属平板の間隔を変えることにより静電容
量を変化させる素子であって、前記平板の間隔を変える
手段として圧電素子を用いることを特徴としている。
【０００５】
【作用】上記構成によれば、基本構成が損失の小さい絶
縁体である空気等を媒体とした平行平板コンデンサーで
あり、きわめて低損失であり、かつ平行平板の間隔を圧
電素子の変位で微妙に変化できることから、低損失でか
つ変化幅の広い可変静電容量素子を実現できる。
縁体である空気等を媒体とした平行平板コンデンサーで
あり、きわめて低損失であり、かつ平行平板の間隔を圧
電素子の変位で微妙に変化できることから、低損失でか
つ変化幅の広い可変静電容量素子を実現できる。
【０００６】
【実施例】以下、図面を参照しつつ本発明の実施例を詳
細に説明する。図１は本発明の基本構成を説明する図で
ある。２枚の金属の平行平板３、３ａの間隔をｄ、それ
らの表面積をＳ、絶縁媒体１０の比誘電率をεとする
と、端子２、２ａ間の静電容量Ｃは
細に説明する。図１は本発明の基本構成を説明する図で
ある。２枚の金属の平行平板３、３ａの間隔をｄ、それ
らの表面積をＳ、絶縁媒体１０の比誘電率をεとする
と、端子２、２ａ間の静電容量Ｃは
【数１】Ｃ＝Ｋ1εεoＳ／ｄ で表せられる。ここで、εoは真空の誘電率、Ｋ1は１よ
り小さい比例係数である。一方の金属平板３は圧電素子
４に固定されており、他方の金属平板３ａは構造体５に
固定されている。圧電素子４は構造体５に固定され、２
枚の金属平板３、３ａの間隔ｄを形成している。圧電素
子４は外部電圧Ｖを加えると矢印の方向にΔｄだけ伸び
る。このとき、静電容量Ｃは
り小さい比例係数である。一方の金属平板３は圧電素子
４に固定されており、他方の金属平板３ａは構造体５に
固定されている。圧電素子４は構造体５に固定され、２
枚の金属平板３、３ａの間隔ｄを形成している。圧電素
子４は外部電圧Ｖを加えると矢印の方向にΔｄだけ伸び
る。このとき、静電容量Ｃは
【数２】Ｃ＝Ｋ1εεoＳ／（ｄ−Δｄ） となる。一般に、変位量Δｄは圧電素子４の特性により
Δｄ＝Ｋ2Ｖのように、外部電圧に比例するので、数２
は次のようになる。
Δｄ＝Ｋ2Ｖのように、外部電圧に比例するので、数２
は次のようになる。
【数３】Ｃ＝Ｋ1εεoＳ／（ｄ−(Ｋ2Ｖ)-1） このように、外部電圧Ｖを変化させることにより静電容
量Ｃを変化させることができる。特に、Ｖ＝ｄ／Ｋ2の
近傍では静電容量Ｃが大きく変化する。図２は本発明の
一つの実施例である。これは、圧電素子として５mm×５
mmの断面積を有する１００層の積層を行った積層型圧電
素子４ａを用いた場合である。積層型圧電素子４ａの端
子１１、１１ａには最大１５０Ｖの電圧が加えられる。
これによりΔｄの最大値は１０μmが得られた。金属平
板３、３ａは５.５mm×５mmの断面積を有する銅板を用
いた。構造体５ａは積層型圧電素子の圧電材料と同じ材
質であるＰＺＴを用いた。金属平板３ａの厚みを研磨に
より微妙に変化させて、２枚の金属平板の間隔ｄを約２
０μmにセットした。図３は、図２の実施例の測定結果
である。横軸に外部電圧Ｖを縦軸に端子２、２ａ間の静
電容量を示す。外部電圧Ｖを０から１５０Ｖに変化させ
ることにより、静電容量Ｃを１０ｐＦから２０ｐＦに変
化させることができた。一般に、電子部品は−２０〜６
０℃の広い温度範囲で使用される。図２に示す実施例の
構造の可変静電容量素子もこの温度範囲で安定に動作す
る必要がある。温度が変化した場合、２枚の金属平板
３、３ａの間隔ｄが変化する。これは直接静電容量の変
化となって現れる。代表的な圧電材料であるＰＺＴの熱
膨張係数は３×１０-6（％／℃）程度であり、圧電素子
４の長さを１０mmとすると上記使用温度範囲で３μm近
く長さが変化する。これは、図２の実施例のようにｄ−
δｄ＝１０μmに設定した場合、その約３０％に相当す
る。これはそのまま本発明素子の使用温度範囲を狭くす
るように作用し好ましくない。ｄ−δｄの温度変化が１
０％以下であれば、外部電圧Ｖの変化幅を多少拡大して
対応できる。これを実現するためには、構造体５ａの熱
膨張係数と積層型圧電素子４ａの熱膨張係数をできるだ
け同じにする必要がある。図２の実施例では構造体５ａ
として積層型圧電素子４ａを形成する圧電材料と同じ材
質であるＰＺＴを用いたが、必ずしも同じ材質である必
要はなく、積層型圧電素子４ａとの熱膨張係数の差が１
×１０-6（％／℃）以下であれば、充分使用に耐え得る
ことが分かった。図４は本発明のもう一つの実施例であ
る。これは、圧電素子４として５mm×２０mmの面積を有
するユニモルフ型圧電素子４ｂを用いた場合である。ユ
ニモルフ型圧電素子４ｂは、両面に電極７、７'を密着
形成した１枚の圧電体６が金属板８に接着剤等により固
定される構成となっている。金属板８の両端は構造体５
ａに半固定されている。電極７と電極７'には最大１０
０Ｖの電圧が加えられる。これによりΔｄの最大値は１
０μmが得られた。金属平板３、３ａは５.５mm×５mmの
面積を有する銅板を用いた。構造体５ａは積層型圧電素
子を用いた図２の実施例と同じ材質であるＰＺＴを用い
た。金属平板３ａの厚みを研磨により微妙に変化させ
て、２枚の金属平板の間隔ｄを約２０μmにセットし
た。図５は本発明のさらにもう一つの実施例である。こ
れは、圧電素子として５mm×２０mmの面積を有するバイ
モルフ型圧電素子４ｃを用いた場合である。バイモルフ
型圧電素子４ｃは、１枚の金属板８を中心に、両面電極
７、７'、７ａ、７'ａを付加した２枚の圧電体６、６ａ
が接着剤等により固定された構造となっている。金属板
８の両端は構造体５に半固定されている。電極７と電極
７'には最大１００Ｖの電圧が加えられ、電極７ａと電
極７'ａには最大マイナス１００Ｖの電圧が加えられ
る。これによりΔｄの最大値は１０μmが得られた。金
属平板３、３ａは５.５mm×５mmの面積を有する銅板を
用いた。構造体５ａは積層型圧電素子を用いた図２の実
施例と同じ材質であるＰＺＴを用いた。金属平板３ａの
厚みを研磨により微妙に変化させて、２枚の金属平板の
間隔ｄを約２０μmにセットした。図６は本発明の他の
実施例の構造を示す図である。２枚の金属平板が変位し
て接近した場合、両方の電極が直接接触しないように、
電極の表面をＳiＯ2等の絶縁膜９、９ａでコーティング
した場合を示す。図７は本発明の実施例の他の構造を示
す図である。２枚の金属平板３、３ａの間に絶縁液１０
ａを浸した場合を示す。これにより、２０μm程度のき
わめて狭い間隔への水分の付着を抑えることができる。
また、一般に前記絶縁液１０ａの誘電率は空気に比較し
て大きいので大きな静電容量を実現できるという利点が
ある。媒体が液体であることから信頼性上の問題がある
と考えられるが、真空装置等で使用される蒸気圧の低い
絶縁油であれば、ほとんど特性の経時変化は起こらなか
った。また、２枚の金属平板３、３ａの表面を前記絶縁
油１０ａとの濡れ性が向上するように改質することによ
って、毛細管現象により前記絶縁油１０ａを狭い領域に
安定に閉じ込めておくことが可能であった。これによ
り、通常の振動試験の結果ほとんど特性劣化などの信頼
性上の問題は起こらなかった。また、前述のいくつかの
実施例においては、圧電素子を１個使用するものしか示
さなかったが、２枚の平板電極３、３ａをそれぞれ２個
の圧電素子に固定しても本発明の効果は変わらないこと
は明かである。このことから、複数の圧電素子を用いた
可変静電容量素子も本発明の範囲に入ることは容易に理
解できるであろう。
量Ｃを変化させることができる。特に、Ｖ＝ｄ／Ｋ2の
近傍では静電容量Ｃが大きく変化する。図２は本発明の
一つの実施例である。これは、圧電素子として５mm×５
mmの断面積を有する１００層の積層を行った積層型圧電
素子４ａを用いた場合である。積層型圧電素子４ａの端
子１１、１１ａには最大１５０Ｖの電圧が加えられる。
これによりΔｄの最大値は１０μmが得られた。金属平
板３、３ａは５.５mm×５mmの断面積を有する銅板を用
いた。構造体５ａは積層型圧電素子の圧電材料と同じ材
質であるＰＺＴを用いた。金属平板３ａの厚みを研磨に
より微妙に変化させて、２枚の金属平板の間隔ｄを約２
０μmにセットした。図３は、図２の実施例の測定結果
である。横軸に外部電圧Ｖを縦軸に端子２、２ａ間の静
電容量を示す。外部電圧Ｖを０から１５０Ｖに変化させ
ることにより、静電容量Ｃを１０ｐＦから２０ｐＦに変
化させることができた。一般に、電子部品は−２０〜６
０℃の広い温度範囲で使用される。図２に示す実施例の
構造の可変静電容量素子もこの温度範囲で安定に動作す
る必要がある。温度が変化した場合、２枚の金属平板
３、３ａの間隔ｄが変化する。これは直接静電容量の変
化となって現れる。代表的な圧電材料であるＰＺＴの熱
膨張係数は３×１０-6（％／℃）程度であり、圧電素子
４の長さを１０mmとすると上記使用温度範囲で３μm近
く長さが変化する。これは、図２の実施例のようにｄ−
δｄ＝１０μmに設定した場合、その約３０％に相当す
る。これはそのまま本発明素子の使用温度範囲を狭くす
るように作用し好ましくない。ｄ−δｄの温度変化が１
０％以下であれば、外部電圧Ｖの変化幅を多少拡大して
対応できる。これを実現するためには、構造体５ａの熱
膨張係数と積層型圧電素子４ａの熱膨張係数をできるだ
け同じにする必要がある。図２の実施例では構造体５ａ
として積層型圧電素子４ａを形成する圧電材料と同じ材
質であるＰＺＴを用いたが、必ずしも同じ材質である必
要はなく、積層型圧電素子４ａとの熱膨張係数の差が１
×１０-6（％／℃）以下であれば、充分使用に耐え得る
ことが分かった。図４は本発明のもう一つの実施例であ
る。これは、圧電素子４として５mm×２０mmの面積を有
するユニモルフ型圧電素子４ｂを用いた場合である。ユ
ニモルフ型圧電素子４ｂは、両面に電極７、７'を密着
形成した１枚の圧電体６が金属板８に接着剤等により固
定される構成となっている。金属板８の両端は構造体５
ａに半固定されている。電極７と電極７'には最大１０
０Ｖの電圧が加えられる。これによりΔｄの最大値は１
０μmが得られた。金属平板３、３ａは５.５mm×５mmの
面積を有する銅板を用いた。構造体５ａは積層型圧電素
子を用いた図２の実施例と同じ材質であるＰＺＴを用い
た。金属平板３ａの厚みを研磨により微妙に変化させ
て、２枚の金属平板の間隔ｄを約２０μmにセットし
た。図５は本発明のさらにもう一つの実施例である。こ
れは、圧電素子として５mm×２０mmの面積を有するバイ
モルフ型圧電素子４ｃを用いた場合である。バイモルフ
型圧電素子４ｃは、１枚の金属板８を中心に、両面電極
７、７'、７ａ、７'ａを付加した２枚の圧電体６、６ａ
が接着剤等により固定された構造となっている。金属板
８の両端は構造体５に半固定されている。電極７と電極
７'には最大１００Ｖの電圧が加えられ、電極７ａと電
極７'ａには最大マイナス１００Ｖの電圧が加えられ
る。これによりΔｄの最大値は１０μmが得られた。金
属平板３、３ａは５.５mm×５mmの面積を有する銅板を
用いた。構造体５ａは積層型圧電素子を用いた図２の実
施例と同じ材質であるＰＺＴを用いた。金属平板３ａの
厚みを研磨により微妙に変化させて、２枚の金属平板の
間隔ｄを約２０μmにセットした。図６は本発明の他の
実施例の構造を示す図である。２枚の金属平板が変位し
て接近した場合、両方の電極が直接接触しないように、
電極の表面をＳiＯ2等の絶縁膜９、９ａでコーティング
した場合を示す。図７は本発明の実施例の他の構造を示
す図である。２枚の金属平板３、３ａの間に絶縁液１０
ａを浸した場合を示す。これにより、２０μm程度のき
わめて狭い間隔への水分の付着を抑えることができる。
また、一般に前記絶縁液１０ａの誘電率は空気に比較し
て大きいので大きな静電容量を実現できるという利点が
ある。媒体が液体であることから信頼性上の問題がある
と考えられるが、真空装置等で使用される蒸気圧の低い
絶縁油であれば、ほとんど特性の経時変化は起こらなか
った。また、２枚の金属平板３、３ａの表面を前記絶縁
油１０ａとの濡れ性が向上するように改質することによ
って、毛細管現象により前記絶縁油１０ａを狭い領域に
安定に閉じ込めておくことが可能であった。これによ
り、通常の振動試験の結果ほとんど特性劣化などの信頼
性上の問題は起こらなかった。また、前述のいくつかの
実施例においては、圧電素子を１個使用するものしか示
さなかったが、２枚の平板電極３、３ａをそれぞれ２個
の圧電素子に固定しても本発明の効果は変わらないこと
は明かである。このことから、複数の圧電素子を用いた
可変静電容量素子も本発明の範囲に入ることは容易に理
解できるであろう。
【０００７】
【発明の効果】本発明によれば、従来技術に比較し、低
損失の絶縁体を媒体とする平行平板コンデンサーを基本
構成としていることから、低損失で可変幅の広いかつ温
度安定な可変静電容量素子を提供し得る。
損失の絶縁体を媒体とする平行平板コンデンサーを基本
構成としていることから、低損失で可変幅の広いかつ温
度安定な可変静電容量素子を提供し得る。
【図１】本発明の基本構成の説明図である。
【図２】本発明の実施例の構造を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例の特性図である。
【図４】本発明の実施例の構造を示す断面図である。
【図５】本発明の実施例の構造を示す断面図である。
【図６】本発明の実施例の構造を示す断面図である。
【図７】本発明の実施例の構造を示す断面図である。
【図８】従来技術を示す部品記号図である。
２ 端子 ３ 金属平板 ４ 圧電素子 ５ 構造体 ６ 圧電体 ７ 電極 ８ 金属板 10 媒体
Claims (7)
- 【請求項１】 ２枚の金属平板の間隔を変えることによ
り静電容量を変化させる素子であって、前記平板の間隔
を変える手段として圧電素子を用いることを特徴とする
可変静電容量素子。 - 【請求項２】 前記２枚の金属平板の一方は全体の構造
体に固定され、他方は前記圧電素子に固定されているこ
とを特徴とする請求項１の可変静電容量素子。 - 【請求項３】 前記圧電素子の熱膨張係数と前記構造体
の熱膨張係数の差が１×１０-6（％／℃）以下であるこ
とを特徴とする請求項２の可変静電容量素子。 - 【請求項４】 前記圧電素子が積層型圧電素子であるこ
とを特徴とする請求項１の可変静電容量素子。 - 【請求項５】 前記圧電素子がユニモルフ型圧電素子も
しくはバイモルフ型圧電素子であることを特徴とする請
求項１の可変静電容量素子。 - 【請求項６】 前記２枚の金属平板の対向するそれぞれ
の表面に絶縁薄膜がコーティングされていることを特徴
とする請求項１の可変静電容量素子。 - 【請求項７】 前記金属平板の間に絶縁液が浸されてい
ることを特徴とする請求項１の可変静電容量素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4176474A JPH0620874A (ja) | 1992-07-03 | 1992-07-03 | 可変静電容量素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4176474A JPH0620874A (ja) | 1992-07-03 | 1992-07-03 | 可変静電容量素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0620874A true JPH0620874A (ja) | 1994-01-28 |
Family
ID=16014309
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4176474A Pending JPH0620874A (ja) | 1992-07-03 | 1992-07-03 | 可変静電容量素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0620874A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003502870A (ja) * | 1999-06-19 | 2003-01-21 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 圧電アクチュエータ |
| JP2008124634A (ja) * | 2006-11-09 | 2008-05-29 | Audio Technica Corp | コンデンサマイクロホンユニットおよびコンデンサマイクロホン |
| WO2010055545A1 (ja) * | 2008-11-12 | 2010-05-20 | 株式会社日立製作所 | 可変容量素子及びその製造方法、並びに、その静電容量設定方法 |
| JP2012219707A (ja) * | 2011-04-08 | 2012-11-12 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 点火装置及び点火システム |
-
1992
- 1992-07-03 JP JP4176474A patent/JPH0620874A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003502870A (ja) * | 1999-06-19 | 2003-01-21 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 圧電アクチュエータ |
| JP4996026B2 (ja) * | 1999-06-19 | 2012-08-08 | ローベルト ボツシユ ゲゼルシヤフト ミツト ベシユレンクテル ハフツング | 圧電アクチュエータ |
| JP2008124634A (ja) * | 2006-11-09 | 2008-05-29 | Audio Technica Corp | コンデンサマイクロホンユニットおよびコンデンサマイクロホン |
| WO2010055545A1 (ja) * | 2008-11-12 | 2010-05-20 | 株式会社日立製作所 | 可変容量素子及びその製造方法、並びに、その静電容量設定方法 |
| JP5325893B2 (ja) * | 2008-11-12 | 2013-10-23 | 株式会社日立製作所 | 可変容量素子及びその製造方法、並びに、その静電容量設定方法 |
| JP2012219707A (ja) * | 2011-04-08 | 2012-11-12 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 点火装置及び点火システム |
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