JPH10223475A - コンデンサ容量の調整方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型かつ低コストのコンデンサを、所望のコン
デンサ容量に調整する、コンデンサ容量の調整方法を提
供する。 【解決手段】強誘電性セラミック１１とその表面に形成
された電極１２，１３とを有するセラミックコンデンサ
１０に、電圧発生装置１４によって定格電圧以上の電圧
を印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】電子機器の回路に用いられる
コンデンサの容量の調整方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の回路設計技術は著しい進歩を遂げ
ているが、設計された電子回路を実際に組み立てて性能
を検査すると、回路に用いられた電子部品を作製した時
の誤差等のために、できあがった電子回路が設計通りの
性能を発揮しない場合が多い。また、電子部品の精度を
向上させるためにはコストがかかる。このため従来より
トリマコンデンサと呼ばれる、静電容量を特定の範囲で
変化させることのできるコンデンサを使って、電子回路
の最終的な微調整を行う場合が多い。

【０００３】トリマコンデンサは一般に、誘電体層を介
して対向したステータ電極とロータ電極とからなる。ス
テータ電極は固定であり、ロータ電極をドライバで回転
させると、両者の重なり面積が変わり、これにより、ト
リマコンデンサの静電容量が変化する。一例として、長
さ×幅のサイズが３．２ｍｍ×２．５ｍｍのトリマコン
デンサでは、静電容量を５ｐＦ〜２０ｐＦの範囲で調整
することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】携帯電話等の電子機器
が小型化されるのに伴って、電子部品も小型化が求めら
れている。代表的な電子部品である積層セラミックコン
デンサなどは長さ×幅のサイズが２．０ｍｍ×１．２ｍ
ｍや１．０ｍｍ×０．５ｍｍの小型のものが一般的であ
り、更なる小型化が求められている。

【０００５】ところが、トリマコンデンサの一般的なサ
イズは３．２ｍｍ×２．５ｍｍと大きく、他の電子部品
の小型化が進む中にあって、より小さいサイズが強く望
まれている。具体的にはサイズが２．０ｍｍ×１．２ｍ
ｍ以下であるコンデンサが求められている。ところで、
トリマコンデンサは電子回路の組立の最終段階で人間が
ドライバの先端等で微調整する部品であることから小さ
くするほど作業しにくくなるため、小型化するには限界
がある。また、製造工程から見るとトリマコンデンサ
は、金属部品とセラミックとが組みあげられて一体化さ
れるものであるので、それぞれの部材の高い寸法加工精
度とコンデンサ全体の組み立て精度が要求される。よっ
て、小型化するほど低コスト化が難しくなるという問題
がある。組み上げ後も、両者の接触面での遊びや機械的
な摩擦により静電容量のドリフトが発生するという問題
や、熱膨張係数の違いに起因するような信頼面での問題
が生じる場合もある。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑み、小型かつ低
コストのコンデンサを、所望のコンデンサ容量に調整す
る、コンデンサ容量の調整方法を提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的に叶う本発明
のコンデンサ容量の調整方法は、強誘電性セラミックを
用いて作製されたセラミックコンデンサに定格電圧を越
える電圧を印加することにより該セラミックコンデンサ
の容量を調整することを特徴とするコンデンサ容量の調
整方法である。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明の実施形態を説明するにあ
たって、まず、強誘電性セラミックに電圧を印加した場
合の強誘電性セラミックの作用について説明し、その後
本発明の一実施形態について説明する。以下、強誘電性
セラミックに電圧を印加した場合の強誘電性セラミック
の作用について説明する。

【０００９】セラミックコンデンサや圧電デバイスの材
料であるチタン酸バリウム系材料及び鉛系ペロブスカイ
ト材料の多くは、「強誘電体」に分類される結晶であ
る。強誘電体を材料とするセラミックを強誘電性セラミ
ックという。強誘電性セラミックは内部に多数の強誘電
体の微結晶を含み、強誘電体の結晶は自発分極をもつ。
焼成によりセラミックを製造した直後の強誘電体の各微
結晶が持つ自発分極の方向はランダムであり、その自発
分極の方向はセラミックに直流電界を印加することで変
化させることができる。これを一般に分極操作と呼ぶ。
セラミックに印加する電圧の高さや印加時間を調整する
ことで、セラミック全体の分極の総和（以下単に「分極
の総和」と呼ぶ）をコントロールすることができる。フ
ィルタやアクチュエータ用の圧電材料等、なるべく自発
分極の向きが揃っていた方がよい場合は、分極飽和の状
態になるような強い電圧をかけて分極操作を行う。

【００１０】セラミックに印加する電圧の高さを横軸に
とり、分極の総和を縦軸にとってグラフにすると図１の
ようないわゆるヒステリシスカーブとよばれるグラフと
なる。焼成によって製造された直後のセラミックは上記
のようにＤｓも電圧も０となっている状態ａである。こ
の状態から徐々に印加電圧を増加していけば電圧の増加
に応じて分極の総和は増加し、電圧の絶対値が一定の大
きさ（以下「Ｅｍ」と呼ぶ）に達すると、分極の総和が
最大値である分極飽和の状態ｂになる。このときセラミ
ック内部に存在する各微結晶が持つ自発分極の方向は、
電圧を印加した方向に対して最大限に揃っている。

【００１１】このような、分極飽和の状態に一旦達して
も、逆向きの直流電圧を印加することにより、Ｄｓを減
少させることができる。逆向きの電圧の絶対値が一定の
大きさ（以下「Ｅｃ」と呼ぶ）に達するとＤｓが０であ
る状態ｃになる。このときセラミック内部にある各微結
晶が持つ自発分極の方向と、電圧を印加した方向との間
の角度は、結晶の対象性が許す範囲で最大限に９０度に
近づいている。

【００１２】さらに印加電圧を増加させていくと、Ｄｓ
は印加電圧と同じ方向で増加し始め、印加電圧の絶対値
がＥｍに達すると、Ｄｓの絶対値は再び最大値に達し
て、状態ｂとは逆の分極飽和の状態ｄになる。状態ｂか
ら状態ｄに至る過程と同様に、再び印加電圧の方向を逆
転させることにより、電圧の絶対値がＥｃでありＤｓが
０である状態ｅを経て状態ｂに再び戻すことができる。
なお、材料のキュリー点（組成にもよるが、一般に１０
０℃〜４００℃）以上の温度にセラミックの温度を上げ
ると、再び、自発分極がランダムな向きである状態ａに
戻る。

【００１３】ところでセラミック内部にある微結晶の誘
電率は自発分極に対して平行な方向と直交する方向とで
は若干異なる。例えば、チタン酸バリウム系の材料で作
られた場合には、自発分極に対して平行な方向での誘電
率よりも直交する方向での誘電率の方が大きい。ＰＺＴ
（ジルコン酸チタン酸鉛）系の材料で作られた場合はそ
の逆で自発分極に平行な方向での誘電率の方が直交する
方向での誘電率よりも大きい。このため、上記のような
分極操作によって自発分極の向きを変化させると材料組
成に特有な割合で、セラミック全体の印加電圧方向の誘
電率は減少又は増加する。本発明はこの原理を利用する
ものである。

【００１４】以下、本発明の一実施形態について説明す
る。図２は本発明の一実施形態を表す模式図である。セ
ラミックコンデンサ１０は、強誘電性セラミック１１と
それを挟む電極１２，１３とで形成されおり、強誘電性
セラミック１１の材料としては例えばＰＺＴ系材料が用
いられている。セラミックコンデンサ１０の両電極１
２，１３間に電圧発生装置１４により電圧を印加するこ
とで上記のように強誘電性セラミックの誘電率を変化さ
せる事ができ、その結果コンデンサ容量が変化する。横
軸に印加電圧をとり縦軸にコンデンサ容量をとれば図３
のグラフに示すような蝶々型のグラフが得られ、電圧が
Ｅｍまたは−Ｅｍのときコンデンサ容量が最大であり、
電圧がＥｃまたは−Ｅｃのときコンデンサ容量が最小で
ある。従って、印加電圧の、高さや方向を調整すること
によって最大値から最小値までの間でコンデンサ容量を
調整することができる。

【００１５】強誘電性セラミック１１の材料として例え
ばチタン酸バリウム系の材料を用いた場合は、上記とは
逆に電圧がＥｍまたは−Ｅｍのときコンデンサ容量が最
小であり、電圧がＥｃまたは−Ｅｃのときコンデンサ容
量が最大である。この場合にも印加電圧の高さや印加す
る方向を調整することによってコンデンサ容量を調整す
ることができる。

【００１６】上記のセラミックコンデンサは上記の方法
で容量が調整された後、電子回路に組み込まれて使用さ
れるが、使用時にはセラミックコンデンサの容量の変化
が実用上十分に小さい電圧である定格電圧が設定され、
それ以下の電圧で使用される。定格電圧は例えば２０ボ
ルトに設定される。このような定格電圧を設定すること
で、調整により得られた所望のコンデンサ容量を維持し
たままでセラミックコンデンサを使用することができ
る。

【００１７】

【実施例】強誘電性セラミックの材料として酸化鉛、酸
化ジルコニウム、および酸化チタンを用い、Ｐｂ：Ｚ
ｒ：Ｔｉの比が１．０２：０．５３：０．４７の組成比
になるように秤量し、秤量した材料を水およびジルコニ
アボールとともにポットに入れ、ボールミルで４時間混
合した。この混合により得られた混合物を、乾燥させた
後にアルミナのさやに入れて８５０℃で２時間仮焼し
た。仮焼したものを再びボールミルスケールで４時間粉
砕し再度乾燥させて仮焼粉を得た。

【００１８】この仮焼粉にバインダを混合して造粒粉を
得、その造粒粉を金型とプレス機により約直径１ｍｍ×
厚み１ｍｍの円板状に成型した。この成形物をマグネシ
アのさやに入れ、６００℃に温度を２時間維持してバイ
ンダを蒸発させ（脱脂）、その後１２５０℃に温度を上
げて２時間焼成し強誘電性セラミックを得た。

【００１９】このセラミックの両面に、銀ペーストを塗
布し６５０℃で５分間焼付けて電極を形成し、セラミッ
クコンデンサを得た。このようにして得られたセラミッ
クコンデンサの両端に、セラミックにかかる電界強度が
０．２５ｋＶ／ｍｍとなるような直流電圧を５分間印加
し、セラミックコンデンサの容量を測定した。同様に電
界強度が０．５ｋＶ／ｍｍ、１．０ｋＶ／ｍｍ、および
１．５ｋＶ／ｍｍとなるような電圧をそれぞれ５分間コ
ンデンサに印加し、電圧印加後のコンデンサ容量の測定
をそれぞれ行った。その測定結果を、横軸を分極操作に
用いた電界強度とし縦軸を製造直後のコンデンサの容量
に対するコンデンサ容量の変化率としてグラフにする
と、図４に示すような右上がりのグラフが得られ、１．
５ｋＶ／ｍｍの電界強度のときにはコンデンサ容量の変
化率は１８％を越えることが確認された。従って、本発
明によればサイズが約直径１ｍｍ×厚み１ｍｍであるコ
ンデンサの容量を中心値±約９％の範囲で調整できるこ
とが示された。回路の設計技術が進歩していることから
コンデンサ容量を調整する範囲としては、中心地±数％
程度あれば十分であり、本発明の調整方法は実用性を有
することが確認された。

【００２０】なお、本発明は実施例で示された数値や電
圧の印加方法等に限定されるものではない。材料の組成
により、分極に必要な電圧の高さおよび印加時間は異な
り、コンデンサ容量の変化率も異なるので、材料組成に
応じた電圧の高さ及び印加時間でコンデンサ容量を調整
すればよい。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電気的手段のみによってコンデンサ容量を調整すること
ができるため、コンデンサにはロータ等の機械的な可動
部は不要である。従って小型化が容易であり、かつコス
トを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】強誘電性セラミックに印加する電圧と強誘電性
セラミックの分極の総和との関係を表すグラフである。

【図２】本発明の一実施形態を示す図である。

【図３】セラミックコンデンサに印加する電圧とセラミ
ックコンデンサの容量との関係を表すグラフである。

【図４】分極操作に用いた電界強度とコンデンサ容量の
変化率との関係を表すグラフである。

【符号の説明】

１０ セラミックコンデンサ １１ 強誘電性セラミック １２，１３ 電極 １４ 電圧発生装置

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強誘電性セラミックを用いて作製された
   セラミックコンデンサに定格電圧を越える電圧を印加す
   ることにより該セラミックコンデンサの容量を調整する
   ことを特徴とするコンデンサ容量の調整方法。