可変容量素子および可変容量装置ならびに可変容量装置を用いた携帯電話
【課題】 容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子を得ることを可能にする。
【解決手段】 基板８に間隔をおいて固定された第１および第２電極１、２，４と、可動電極３，５と、基板上に設けられた支持部１３上に支持され、可動電極を駆動するアクチュエータ１４と、を備え、可動電極は、アクチュエータによって駆動されたときは第２電極と電気的接触の状態となり、駆動されないときには第２電極と電気的非接触の状態となり、可動電極は第１電極と常に電気的に非接触の状態にある。
【解決手段】 基板８に間隔をおいて固定された第１および第２電極１、２，４と、可動電極３，５と、基板上に設けられた支持部１３上に支持され、可動電極を駆動するアクチュエータ１４と、を備え、可動電極は、アクチュエータによって駆動されたときは第２電極と電気的接触の状態となり、駆動されないときには第２電極と電気的非接触の状態となり、可動電極は第１電極と常に電気的に非接触の状態にある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変容量素子および可変容量装置ならびに可変容量装置を用いた携帯電話に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシンもしくはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術を用いて作成したデジタル可変容量素子は、ＰＩＮダイオードを使用した可変容量素子と比較して、可変幅が大きい、歪が少ない、Ｑ値が大きい（損失抵抗が小さい）という利点を有する。このため、携帯機器の小型広帯域アンテナの整合回路などへの使用に適している。
【０００３】
デジタル可変容量素子を用いて可変幅が大きいデジタル可変容量装置を構成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。このデジタル可変容量装置は、ｎ（≧１）個の可変容量素子が並列に接続され、かつｉ（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）番目の可変容量素子が０［ｐＦ］もしくは２ｉＣ［ｐＦ］の２値しか取らない構成となっている。このため、並列に接続されたこれらの可変容量素子をバイナリ的に制御することにより、デジタル可変容量装置全体として０［ｐＦ］〜（２ｎ＋１−２）Ｃ［ｐＦ］の可変範囲を持ち、容量Ｃ［ｐＦ］の刻み幅をもつ可変容量装置を得ることができる。
【０００４】
デジタル可変容量素子では、電極間の距離をアクチュエータにより２値的に変化させることにより、０［ｐＦ］と２ｉＣ［ｐＦ］（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）の２値を持つ可変容量をつくる。アクチュエータとしては静電型、熱型、電磁型、圧電型などが知られている。このようなデジタル可変容量素子において、性能を上げるための重要なポイントは次の二つである：
１） 抵抗が小さい（Ｑ値が大きい）
２） 容量比が大きい
【０００５】
ここで、容量比とは、電極間の距離が最小のとき容量値（以下、Ｃｍａｘという）と電極間の距離が最大のときの容量値（以下、Ｃｍｉｎという）の比Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎのことである。電極間の距離を十分大きくできれば容量値Ｃｍｉｎを０［ｐＦ］に近づけることができるが、ＭＥＭＳ技術を用いて作成した通常のデジタル可変容量素子では電極間の距離は高々数μｍ程度にしかできない。このため、従来のデジタル可変容量素子では数十の容量比しか実現できない。容量比が小さいと、特許文献１に記載のようにデジタル可変容量素子を並列に並べた場合に、Ｃｍｉｎの寄与が効き、可変幅が大きくできないという問題が生じる。
【特許文献１】米国特許第６，５９３，６７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、Ｑ値が大きくかつ可変比の大きい可変容量素子および可変容量装置ならびにこの可変容量装置を用いた携帯電話を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様による可変容量素子は、基板に間隔をおいて固定された第１および第２電極と、可動電極と、前記基板上に設けられた支持部上に支持され、前記可動電極を駆動するアクチュエータと、を備え、前記可動電極は、前記アクチュエータによって駆動されたときは前記第２電極と電気的接触の状態となり、駆動されないときには前記第２電極と電気的非接触の状態となり、前記可動電極は前記第１電極と常に電気的に非接触の状態にあるように構成されたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の態様による可変容量装置は、上記記載の可変容量素子が複数個並列に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の態様による携帯電話は、上記記載の可変容量装置を有する整合回路を備えたこととを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による可変容量素子を図１乃至図４を参照して説明する。図１は本実施形態による可変容量素子の上面図、図２は図１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図３は図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００１３】
本実施形態の可変容量素子は、基板８上にそれぞれの端部が所定の間隔３０をおいて配置された第１および第２電極１、２を備えている。第１電極１の端部を含む基板８と反対側の表面領域には絶縁膜６が設けられ、第２電極２の端部を含む基板と反対側の表面領域には接触電極４が設けられている。第１および第２電極１、２との間の間隔３０上に、接触電極４および絶縁膜６の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が設けられている。浮遊電極３は基板８から遠い側に、接触電極５は基板８に近い側に設けられている。接触電極５および浮遊電極３の積層体は、基板８上に指示部３を介して設けられた圧電型アクチュエータ１４によって駆動される。圧電型アクチュエータ１４は圧電膜１１と、この圧電膜１１の上面に設けられた上部電極１０と、圧電膜１１の下面に設けられた下部電極１２との積層体からなっている。圧電型アクチュエータ１４は、その下面および上面に絶縁膜７が設けられているとともに、接触電極５および浮遊電極３の積層体との間に絶縁膜７が設けられた構成となっている。また、接触電極５および浮遊電極３の積層体の上面および側面にも絶縁膜７が設けられている。圧電型アクチュエータ１４と、接触電極５および浮遊電極３の積層体とは片持ち梁を構成し、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は可動電極となる。この片持ち梁は第１および第２電極１、２が延在する方向とほぼ直交する方向に延在している。なお、例えば、第１および第２電極１，２の厚さは５００ｎｍ程度であり、第１および第２電極１，２間の間隔３０は１０μｍ程度である。
【００１４】
次に、本実施形態の可変容量素子の動作を説明する。
【００１５】
本実施形態では、アクチュエータとして圧電型アクチュエータ１４を採用している。図３に示すように圧電膜１１の上下に上部電極１０、下部電極１２を設け、両電極に電位差をかけることにより、圧電型アクチュエータ１４を駆動することができる。圧電膜１１としてはＡｌＮ、ＰＺＴなどが用いられる。
【００１６】
また、浮遊電極３は電気的にフローティングになっており、アクチュエータ１４を駆動することにより上下に動かすことができる。浮遊電極３が圧電型アクチュエータ１４によって駆動されないで変位しない状態を図２に示し、圧電型アクチュエータ１４によって駆動されて基板８側に変位した状態を図４に示す。浮遊電極３が変位した状態では、浮遊電極３と電気的に接続された接触電極５が接触電極４と接し、電気的に短絡された状態となるとともに、接触電極５が絶縁膜６と接する。このため第１電極１と第２電極２が、絶縁膜６からなる容量を介して接続された状態になる。
【００１７】
一方、浮遊電極３が変位しない状態では、第１電極１と浮遊電極３の間に、絶縁膜６からなる容量と、絶縁膜６と接触電極５の間の空間が形成する容量とが、直列に接続された状態となる。また、第２電極２と浮遊電極３の間には、接触電極４と接触電極５の間の空間が形成する容量が挿入された状態となる。したがって、浮遊電極３が変位しない状態では、第１電極１と第２電極２の間に、合計三つの容量が直列に接続された状態となる。
【００１８】
浮遊電極３が変位しない状態において、絶縁膜６と接触電極５の間の距離をｄ１、接触電極４と接触電極５の間の距離をｄ２、第１電極１と浮遊電極３のオーバーラップ面積をＳ１、接触電極４と浮遊電極３のオーバーラップ面積をＳ２、絶縁膜６の比誘電率をεｒ、絶縁膜６の厚さをｔ１とすると、容量比（＝Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）は、
【数１】
となる。従来の可変容量素子では電極間の距離で容量比が決定されていたが、上述の式からわかるように、本実施形態の可変容量素子ではオーバーラップ面積の比Ｓ１／Ｓ２も容量比に効いている。したがって、浮遊電極３の変位量が従来の可変容量素子と同程度であっても、面積比Ｓ１／Ｓ２を大きくすることにより、容量比をさらに大きくすることができる。
【００１９】
また、浮遊電極３が変位した状態では第２電極２から絶縁膜６にいたる距離が短く低抵抗にできる。このため損失抵抗が小さくＱ値の大きな可変容量素子を得ることができる。
【００２０】
本実施形態において、第１および第２電極１，２ならびに浮遊電極３には抵抗の小さい金属、例えばＡｌを使用することが好ましい。また、接触電極４、５にはＡｕやＰｔのような、空気に触れても導電性を失わない金属を使用することが好ましい。なお、抵抗が小さければ第１および第２電極１，２ならびに浮遊電極３に空気に触れても導電性を失わない金属を用いてもよい。絶縁膜６としては比誘電率εｒの大きな絶縁膜材料、例えばＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等を使用することが好ましい。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【００２２】
なお、可変容量素子の構造としては、図２３乃至図２５に示す構成を採用しても良い。この変形例では、第１実施形態の第１および第２配線１，２に相当する部分がグランド配線２ａ−シグナル配線１ａ−グランド配線２ｂのコプレーナ配線で構成されている。この変形例の可変容量素子の動作原理および効果は第１実施形態の場合と同様である。
【００２３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による可変容量素子を図５および図６を参照して説明する。図５は本実施形態の可変容量素子の上面図、図６は図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、片持ち梁を構成している圧電型アクチュエータ１４を、浮遊電極３および接触電極５の積層体の両側に設けられた圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂに置き換えた構成となっている。圧電型アクチュエータ１４Ａは基板８上に設けられた支持部１３Ａによって、圧電型アクチュエータ１４Ｂは基板上に設けられた支持部１３Ｂによって支持されている。圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂはそれぞれ、圧電膜１１と、この圧電膜１１の上面に設けられた上部電極１０と、圧電膜１１の下面に設けられた下部電極１２との積層体からなっている。圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂはそれぞれ、その下面および上面に絶縁膜７が設けられているとともに、接触電極５および浮遊電極３の積層体との間に絶縁膜７が設けられた構成となっている。したがって、圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂと、接触電極５および浮遊電極３の積層体とは両持ち梁を構成する。すなわち、圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂを駆動することにより、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は基板８側に変位する。なお、第１実施形態と同様に、接触電極５および浮遊電極３の積層体は、第１および第２電極１、２との間の間隔３０上に、接触電極４および絶縁膜６の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように配置された構成となっている。
【００２４】
この実施形態も第１実施形態と同様に、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【００２５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による可変容量素子を図７乃至図９を参照して説明する。図７は本実施形態による可変容量素子の上面図、図８は図７に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図９は図７に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００２６】
本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、圧電型アクチュエータ１４を静電型アクチュエータ１５に置き換えた構成となっている。静電型アクチュエータ１５は、駆動電極１６、１７と、引き出し電極１６ａとを備えている。
【００２７】
駆動電極１７は基板８上に設けられ、引き出し電極１６ａは駆動電極１６上に設けられ、駆動電極１６と電気的に接続する。静電型アクチュエータ１５は、その下面および上面に絶縁膜７が設けられているとともに、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体との間に絶縁膜７が設けられた構成となっている。
【００２８】
静電型アクチュエータ１５の、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体と接続する側とは反対側の端部は基板８上に設けられた支持部１３によって支持されている。したがって、静電型アクチュエータ１５と、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体とは片持ち梁を構成する。静電型アクチュエータ１５は、駆動電極１６、１７の間に２０Ｖ以上の電位差をかけることにより、静電型アクチュエータ１５の、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体との接続部が基板８側に変位し、接触電極５と接触電極４および絶縁膜６とが接触する。このとき、駆動電極１６、１７間の電位差を０Ｖにすると、梁が持つばねの力により、静電型アクチュエータ１５の、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体との接続部が元の位置（水平位置）に戻るように変位する。すなわち、静電アクチュエータ１５を駆動することにより、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は基板８側に変位する。なお、第１実施形態と同様に、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は、第１および第２電極１、２との間の間隔３０上に、接触電極４および絶縁膜６の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように配置された構成となっている。
【００２９】
この実施形態も第１実施形態と同様に、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【００３０】
なお、本実施形態ではアクチュエータは静電型であったが、熱型、電磁型を採用してもよい。また、静電型、熱型、電磁型のアクチュエータを第２実施形態と同様の両もち梁構造に用いてもよい。
【００３１】
なお、第１乃至第３実施形態においては、絶縁膜６や接触電極４の加工は、リソグラフィやリフトオフにより行なう。図１０に示すように、絶縁膜６が第１および第２電極１，２の上部を覆っていてもよい。この場合、接触電極４は絶縁膜６よりも膜厚が厚くなるように形成される。したがって、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が基板８側に変位したときに、接触電極５は接触電極４と接触するが絶縁膜６とは接触しない構造となっている。
【００３２】
第１乃至第３実施形態では、接触電極５と絶縁膜６が直接接触する構造になっている。このようなＭＥＭＳ可変容量素子では、絶縁膜６に電極５が接触した状態で大きな電界がかかると、絶縁膜６中に電荷がトラップされ、容量値の変化やプルアウト電圧のシフトといった信頼性上の問題が起こることが知られている。この問題は、図１０に示す変形例によって回避することができる。上記問題を回避する他の例を第４実施形態として説明する。
【００３３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による可変容量素子を図１１乃至図１３を参照して説明する。図１１は本実施形態による可変容量素子の上面図、図１２は図１１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図１３は図１１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００３４】
本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、圧電型アクチュエータ１４によって駆動されて接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が基板８側に変位したときに接触電極５が絶縁膜６と接触しないように、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体の、第１および第２電極１、２の延在する方向と直交する方向の幅が電極１の幅よりも狭くなるように設けられているとともに、絶縁膜６が上面からみたときに接触電極５および浮遊電極３からなる積層体とオーバーラップしないように第１電極１上に設けられた構成となっている。なお、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が基板８側に変位したときには、接触電極５は第２電極２上に設けられた接触電極と接触するように構成されている。
【００３５】
本実施形態において、浮遊電極３が基板９側に変位して接触電極５が接触電極４と接触した際には、接触電極５と第１電極１との間に隙間ができる。この隙間が形成する容量がＣｍａｘとなる。上記隙間の高さをｄ３とすると、容量比は
【数２】
となる。ここで、ｄ２は接触電極４と接触電極５の間の距離、Ｓ１は第１電極１と浮遊電極３のオーバーラップ面積、Ｓ２は接触電極４と浮遊電極３のオーバーラップ面積、εｒは絶縁膜６の比誘電率、ｔ１は絶縁膜６の厚さである。上記隙間の部分は比誘電率が１であるため、第１実施形態に比べると若干容量比が小さい。しかし絶縁膜６が浮遊電極３と直接接触しないため、上記信頼性上の問題を回避できる。
【００３６】
本実施形態における絶縁膜６の役割は隙間を確保することであり、容量値には寄与していない。したがって、図１０に示すように、浮遊電極３と絶縁膜６の間にオーバーラップがない場合は、絶縁膜６を接触電極４と同じ導電性の材料に置き換えてもよい。
【００３７】
また、第１乃至第４実施形態において、接触電極４を第２電極２と同じ材料で形成して、接触電極４を第２電極２と一体化してもよい。この場合、第２電極２と第１電極１とは膜厚が異なることになる。
【００３８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による可変容量素子を図１４乃至図１６を参照して説明する。図１４は本実施形態による可変容量素子の上面図、図１５は図１４に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図１６は図１４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００３９】
本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、絶縁膜６上に浮遊電極１９を設けるとともに、接触電極４と第２電極２との間に絶縁体からなる中間層２２を設けた構成となっている。なお、図１５に示すように、第２電極２と接触電極４とは電気的に接続されている。浮遊電極３、１９のオーバーラップ面積ＳＴは、浮遊電極１９と絶縁膜６のオーバーラップ面積ＳＢに比べて小さく設定されている。アクチュエータ１４により浮遊電極３が基板８側に変位すると、浮遊電極１９と接触電極４が接触電極５を介して短絡される。したがってこの状態で第１および第２電極１，２は、絶縁膜６が形成する容量を介してつながった形になる。なお、中間層２２は絶縁体ではなく、導電性の材料、例えば第２電極と同じ材料で形成してもよい。
【００４０】
浮遊電極３が上がった状態（アクチュエータ１４によって駆動されない状態）において、接触電極５と浮遊電極１９の間の距離をｄ１、接触電極５と接触電極４との間の距離をｄ２、浮遊電極３と接触電極４とのオーバーラップ面積をＳ２、絶縁膜６の比誘電率をεｒ、絶縁膜６の厚さをｔ１とすると、容量比は
【数３】
となる。第１実施形態と比較すると、（ＳＢ／ＳＴ）の分だけ容量比がさらに大きくなっている。浮遊電極１９に相当する電極を設け、（ＳＢ／ＳＴ）の分だけ容量比を大きくする可変容量素子の構造は既に知られている（例えば、X. Rottenberg, et al,”Novel RF-MEMS capacitive switching structures”,EUMC2002, 24-26 September 2002, Milan、参照）。
【００４１】
本実施形態の可変容量素子の容量比を上記論文の可変容量素子の容量比と比較すると、浮遊電極３の効果である（ＳＢ／Ｓ２）の分だけ本実施形態の方が容量比が大きい。また上記論文の可変容量素子では上部電極がブリッジ状の形状をしているため、上部電極に至るまでの配線抵抗が大きく、Ｑ値を十分大きくできない。これに対し本実施形態では、浮遊電極３が下がった状態では第２電極２から絶縁膜６にいたる距離が短く低抵抗にできるため、Ｑ値の大きな可変容量素子を得ることができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１実施形態に比べて容量比が大きく高Ｑ値の可変容量素子を得ることができる。
【００４３】
なお、第４および第５実施形態においては、アクチュエータは圧電型であったが、静電型、熱型、電磁型のアクチュエータを用いてもよい。
【００４４】
また、第４および第５実施形態においては、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体とアクチュエータは片持ち梁を構成していたが、第２実施形態のように、両持ち梁を構成するようにしてもよい。
【００４５】
第１乃至第５実施形態のいずれかの可変容量素子を複数個並列に接続することにより、デジタル可変容量装置を構成することができる。このデジタル可変容量装置は、例えば、地上デジタル放送が視聴可能な携帯電話のアンテナ整合回路に使用することができる。以下、携帯電話にデジタル可変容量装置を搭載したシステムを以下の実施形態で説明する。
【００４６】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による携帯電話を図１７乃至図２０を参照して説明する。本実施形態の携帯電話は地上デジタル放送視聴機能を搭載しており、図１７に本実施形態の携帯電話のブロック図を示す。
【００４７】
本実施形態の携帯電話は、受信アンテナ５０、９０と、整合回路装置６０と、フロントエンド装置７０と、バックエンド装置８０とを備えている。デコーダ８２、ベースバンド８４、およびコントローラ８６を有するバックエンド装置８０は従来の携帯電話に備わっている。地上デジタル放送受信専用アンテナ５０と、整合回路装置６０と、チューナ７２およびＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Mutiplexing）復調ＬＳＩ７４からなるフロント装置７０とが地上デジタル放送視聴のために新規に追加された装置である。
【００４８】
整合回路装置６０は、整合回路６２とドライバ６４とを備えており、アンテナ５０の不整合損による狭帯域化を防ぐ役割をもっている。以下この点をより詳しく説明する。
【００４９】
地上デジタル放送は周波数４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚ（波長６３ｃｍ〜３９ｃｍ）のＵＨＦ帯の電波を用いて放送される。電波の波長が長いため、ダイポールアンテナでこの地上デジタル放送を受信しようとすると、約１５ｃｍのアンテナ長さが必要となる。しかし、近年の携帯電話ではデザイン性がとくに重視されるため、アンテナの長さは極力短いことが望ましい。より好ましくは、携帯電話の筐体内にアンテナを内蔵させることが望ましい。
【００５０】
しかし、アンテナを単に小型化すると帯域が狭くなり、周波数４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚのすべてを受信できなくなる。この問題を回避するには、整合回路を設けて見たい番組に応じて整合周波数を変化させればよい。整合回路は例えば可変容量装置により構成し、この可変容量装置の容量値を変化させることにより整合周波数を変えればよい。
【００５１】
アンテナを小型化した場合のもうひとつの問題点は、アンテナ効率の低下である。アンテナ効率はアンテナ自身の放射抵抗と、アンテナから受信回路に至るまでの損失抵抗とで決まり、
アンテナ効率＝放射抵抗／（放射抵抗＋損失抵抗）
と表される。アンテナを小型化すると放射抵抗が小さくなるため、損失抵抗が小さくならない限りアンテナ効率が低下する。例えば、整合回路の可変容量としてＰＩＮダイオードを採用すると、損失抵抗が大きいためアンテナ効率が低下してしまう。これに対し、ＭＥＭＳは損失抵抗が小さく、１Ω以下に抑えることも可能である。したがって整合回路部にＭＥＭＳ可変容量を採用すれば、小型アンテナを実現することができる。携帯電話の筐体内にアンテナを内蔵することも可能となる。
【００５２】
本実施形態においては、図１７に示すように、整合回路装置６０はドライバ６４と整合回路６２とを備えている。整合回路６２は可変容量装置で構成されている。コントローラ８６から出力された選局情報ＩＳはドライバ６４に入力され、容量値選択信号ＳＱに変換されたのち整合回路６２に入力される。
【００５３】
ドライバ６４の第１の具体例を図１８に示す。選局情報ＩＳはバイナリの信号形態で、例えばＩ２Ｃバスを介してドライバ６４に入力される。このバイナリ信号はドライバ６４内のデコーダ６４ａでデコードされる。図１８に示すデコード信号Ｓ１、．．．、Ｓｎがデコードされた信号である。デコード信号Ｓｉ（ｉ＝１，．．．，ｎ）が活性化される（例えば”Ｈｉｇｈ”／”Ｌｏｗ”のうちの”Ｈｉｇｈ”状態になる）と、ｉ番目のヒューズデータｆｉが容量値選択信号ＳＱとして出力され、整合回路６２に入力される。このようにして、選局情報ＩＳに応じて整合回路６２の容量値が変化し、選局された放送局の周波数帯にアンテナ５０の整合がとれた状態にできる。
【００５４】
容量値選択信号ＳＱとしてヒューズデータを使用するのは、ＭＥＭＳ可変容量素子の容量値ばらつきや、整合回路６２の寄生容量の効果を補正するためである。ヒューズデータはテスト工程において次のように決定する。まず、図１８に示すテスト回路６４ｂから容量値選択信号ＳＱを出力し、整合回路６２の容量値が最小の値から最大の値にいたるまで、１ステップずつ変化するようにする。この際の整合回路６２の容量値をテスターでモニタする。ついでこのモニタ値に応じて、選局情報ＩＳに応じた容量値が実現できるよう、ドライバ６４内のヒューズデータを決定していく。ヒューズデータの決定は、たとえばレーザーブローにより行なう。
【００５５】
可変容量素子の容量値ばらつきや整合回路６２の寄生効果が十分小さく、補正の必要がない場合は、図１９に示すようにテスト回路を無くしヒューズを不揮発性メモリ例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）ＲＯ１〜ＲＯｎで置き換えても良い。
【００５６】
整合回路６２の可変容量装置は図２０に示すように構成する。可変容量素子１００１、．．．、１００ｍはアクチュエータによりデジタル的に（２値的に）容量値を変化させることができるＭＥＭＳ可変容量素子である。ポート１２０はアンテナ、ポート１３０は接地に接続する。整合回路６２のレイアウトは、例えば、図２１に示すようになる。可変容量素子１００ｊ（ｊ＝１，２，３，４）は、各々が２ｊ−１Ｃもしくは０の容量値が実現できるデジタル可変容量素子であって第１乃至第５実施形態のいずれかの可変容量素子が用いられている。可変容量素子１００１の第１および第２電極の一方、可変容量素子１００２の第１および第２電極の一方、可変容量素子１００３の第１および第２電極の一方、および可変容量素子１００４の第１および第２電極の一方とが配線部１２２によってポート１２０に接続される。また、可変容量素子１００１の第１および第２電極の他方、可変容量素子１００２の第１および第２電極の他方、可変容量素子１００３の第１および第２電極の他方、および可変容量素子１００４の第１および第２電極の他方とが配線部１２８によってポート１３０に接続される。このように容量値をバイナリ的に割り振ることにより、４個のデジタル可変容量素子で１６通りに容量値を変化させることができる。デジタル可変容量素子の数は４以外であってもよい。
【００５７】
また、整合回路６２の可変容量装置としては図２２に示すように、実現できる容量値が相等しいデジタル可変容量素子１０１１〜１０１４を並列に並べたものを採用しても良い。図２２においては、可変容量素子１０１１の第１および第２電極の一方、可変容量素子１０１２の第１および第２電極の一方、可変容量素子１０１３の第１および第２電極の一方、および可変容量素子１０１４の第１および第２電極の一方とが配線部１２２によってポート１２０に接続される。また、可変容量素子１０１１の第１および第２電極の他方、可変容量素子１０１２の第１および第２電極の他方、可変容量素子１０１３の第１および第２電極の他方、および可変容量素子１０１４の第１および第２電極の他方とが配線部１２８によってポート１３０に接続される。
【００５８】
なお、第１乃至第５実施形態の可変容量素子を有する可変容量装置は、アンテナ整合回路以外の回路、例えばＶＣＯにも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施形態による可変容量素子の上面図。
【図２】第１実施形態による可変容量素子の、図１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図３】第１実施形態による可変容量素子の、図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図４】第１実施形態による可変容量素子の、アクチュエータが変位したときの図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図５】本発明の第２実施形態による可変容量素子の上面図。
【図６】第２実施形態による可変容量素子の、図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図７】本発明の第３実施形態による可変容量素子の上面図。
【図８】第３実施形態による可変容量素子の、図７に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図９】第３実施形態による可変容量素子の、図７に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図１０】第１乃至第３実施形態による可変容量素子の変形例の断面図。
【図１１】本発明の第４実施形態による可変容量素子の上面図。
【図１２】第４実施形態による可変容量素子の、図１１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図１３】第４実施形態による可変容量素子の、図１１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図１４】本発明の第５実施形態による可変容量素子の上面図。
【図１５】第５実施形態による可変容量素子の、図１４に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図１６】第５実施形態による可変容量素子の、図１４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図１７】本発明の第６実施形態による携帯電話を示すブロック図。
【図１８】第６実施形態に係る整合回路装置の一具体例を示すブロック図。
【図１９】第６実施形態に係る整合回路装置の他の具体例を示すブロック図。
【図２０】第６実施形態に係る整合回路の一具体例を示すブロック図。
【図２１】第６実施形態に係る整合回路のレイアウトの一具体例を示す図。
【図２２】第６実施形態に係る整合回路のレイアウトの他の具体例を示す図。
【図２３】本発明の第１実施形態の変形例による可変容量素子の上面図。
【図２４】第１実施形態の変形例による可変容量素子の、図２３に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図２５】第１実施形態の変形例による可変容量素子の、図２３に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【符号の説明】
【００６０】
１ 第１電極
２ 第２電極
３ 浮遊電極
４ 接触電極
５ 接触電極
６ 絶縁膜
７ 絶縁膜
８ 基板
１０ 上部電極
１１ 圧電膜
１２ 下部電極
１３ 支持部
１４ 圧電アクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可変容量素子および可変容量装置ならびに可変容量装置を用いた携帯電話に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシンもしくはＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）技術を用いて作成したデジタル可変容量素子は、ＰＩＮダイオードを使用した可変容量素子と比較して、可変幅が大きい、歪が少ない、Ｑ値が大きい（損失抵抗が小さい）という利点を有する。このため、携帯機器の小型広帯域アンテナの整合回路などへの使用に適している。
【０００３】
デジタル可変容量素子を用いて可変幅が大きいデジタル可変容量装置を構成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。このデジタル可変容量装置は、ｎ（≧１）個の可変容量素子が並列に接続され、かつｉ（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）番目の可変容量素子が０［ｐＦ］もしくは２ｉＣ［ｐＦ］の２値しか取らない構成となっている。このため、並列に接続されたこれらの可変容量素子をバイナリ的に制御することにより、デジタル可変容量装置全体として０［ｐＦ］〜（２ｎ＋１−２）Ｃ［ｐＦ］の可変範囲を持ち、容量Ｃ［ｐＦ］の刻み幅をもつ可変容量装置を得ることができる。
【０００４】
デジタル可変容量素子では、電極間の距離をアクチュエータにより２値的に変化させることにより、０［ｐＦ］と２ｉＣ［ｐＦ］（ｉ＝１，２，．．．，ｎ）の２値を持つ可変容量をつくる。アクチュエータとしては静電型、熱型、電磁型、圧電型などが知られている。このようなデジタル可変容量素子において、性能を上げるための重要なポイントは次の二つである：
１） 抵抗が小さい（Ｑ値が大きい）
２） 容量比が大きい
【０００５】
ここで、容量比とは、電極間の距離が最小のとき容量値（以下、Ｃｍａｘという）と電極間の距離が最大のときの容量値（以下、Ｃｍｉｎという）の比Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎのことである。電極間の距離を十分大きくできれば容量値Ｃｍｉｎを０［ｐＦ］に近づけることができるが、ＭＥＭＳ技術を用いて作成した通常のデジタル可変容量素子では電極間の距離は高々数μｍ程度にしかできない。このため、従来のデジタル可変容量素子では数十の容量比しか実現できない。容量比が小さいと、特許文献１に記載のようにデジタル可変容量素子を並列に並べた場合に、Ｃｍｉｎの寄与が効き、可変幅が大きくできないという問題が生じる。
【特許文献１】米国特許第６，５９３，６７２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、Ｑ値が大きくかつ可変比の大きい可変容量素子および可変容量装置ならびにこの可変容量装置を用いた携帯電話を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様による可変容量素子は、基板に間隔をおいて固定された第１および第２電極と、可動電極と、前記基板上に設けられた支持部上に支持され、前記可動電極を駆動するアクチュエータと、を備え、前記可動電極は、前記アクチュエータによって駆動されたときは前記第２電極と電気的接触の状態となり、駆動されないときには前記第２電極と電気的非接触の状態となり、前記可動電極は前記第１電極と常に電気的に非接触の状態にあるように構成されたことを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の態様による可変容量装置は、上記記載の可変容量素子が複数個並列に接続されていることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の第３の態様による携帯電話は、上記記載の可変容量装置を有する整合回路を備えたこととを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態を説明する。
【００１２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による可変容量素子を図１乃至図４を参照して説明する。図１は本実施形態による可変容量素子の上面図、図２は図１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図３は図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００１３】
本実施形態の可変容量素子は、基板８上にそれぞれの端部が所定の間隔３０をおいて配置された第１および第２電極１、２を備えている。第１電極１の端部を含む基板８と反対側の表面領域には絶縁膜６が設けられ、第２電極２の端部を含む基板と反対側の表面領域には接触電極４が設けられている。第１および第２電極１、２との間の間隔３０上に、接触電極４および絶縁膜６の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が設けられている。浮遊電極３は基板８から遠い側に、接触電極５は基板８に近い側に設けられている。接触電極５および浮遊電極３の積層体は、基板８上に指示部３を介して設けられた圧電型アクチュエータ１４によって駆動される。圧電型アクチュエータ１４は圧電膜１１と、この圧電膜１１の上面に設けられた上部電極１０と、圧電膜１１の下面に設けられた下部電極１２との積層体からなっている。圧電型アクチュエータ１４は、その下面および上面に絶縁膜７が設けられているとともに、接触電極５および浮遊電極３の積層体との間に絶縁膜７が設けられた構成となっている。また、接触電極５および浮遊電極３の積層体の上面および側面にも絶縁膜７が設けられている。圧電型アクチュエータ１４と、接触電極５および浮遊電極３の積層体とは片持ち梁を構成し、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は可動電極となる。この片持ち梁は第１および第２電極１、２が延在する方向とほぼ直交する方向に延在している。なお、例えば、第１および第２電極１，２の厚さは５００ｎｍ程度であり、第１および第２電極１，２間の間隔３０は１０μｍ程度である。
【００１４】
次に、本実施形態の可変容量素子の動作を説明する。
【００１５】
本実施形態では、アクチュエータとして圧電型アクチュエータ１４を採用している。図３に示すように圧電膜１１の上下に上部電極１０、下部電極１２を設け、両電極に電位差をかけることにより、圧電型アクチュエータ１４を駆動することができる。圧電膜１１としてはＡｌＮ、ＰＺＴなどが用いられる。
【００１６】
また、浮遊電極３は電気的にフローティングになっており、アクチュエータ１４を駆動することにより上下に動かすことができる。浮遊電極３が圧電型アクチュエータ１４によって駆動されないで変位しない状態を図２に示し、圧電型アクチュエータ１４によって駆動されて基板８側に変位した状態を図４に示す。浮遊電極３が変位した状態では、浮遊電極３と電気的に接続された接触電極５が接触電極４と接し、電気的に短絡された状態となるとともに、接触電極５が絶縁膜６と接する。このため第１電極１と第２電極２が、絶縁膜６からなる容量を介して接続された状態になる。
【００１７】
一方、浮遊電極３が変位しない状態では、第１電極１と浮遊電極３の間に、絶縁膜６からなる容量と、絶縁膜６と接触電極５の間の空間が形成する容量とが、直列に接続された状態となる。また、第２電極２と浮遊電極３の間には、接触電極４と接触電極５の間の空間が形成する容量が挿入された状態となる。したがって、浮遊電極３が変位しない状態では、第１電極１と第２電極２の間に、合計三つの容量が直列に接続された状態となる。
【００１８】
浮遊電極３が変位しない状態において、絶縁膜６と接触電極５の間の距離をｄ１、接触電極４と接触電極５の間の距離をｄ２、第１電極１と浮遊電極３のオーバーラップ面積をＳ１、接触電極４と浮遊電極３のオーバーラップ面積をＳ２、絶縁膜６の比誘電率をεｒ、絶縁膜６の厚さをｔ１とすると、容量比（＝Ｃｍａｘ／Ｃｍｉｎ）は、
【数１】
となる。従来の可変容量素子では電極間の距離で容量比が決定されていたが、上述の式からわかるように、本実施形態の可変容量素子ではオーバーラップ面積の比Ｓ１／Ｓ２も容量比に効いている。したがって、浮遊電極３の変位量が従来の可変容量素子と同程度であっても、面積比Ｓ１／Ｓ２を大きくすることにより、容量比をさらに大きくすることができる。
【００１９】
また、浮遊電極３が変位した状態では第２電極２から絶縁膜６にいたる距離が短く低抵抗にできる。このため損失抵抗が小さくＱ値の大きな可変容量素子を得ることができる。
【００２０】
本実施形態において、第１および第２電極１，２ならびに浮遊電極３には抵抗の小さい金属、例えばＡｌを使用することが好ましい。また、接触電極４、５にはＡｕやＰｔのような、空気に触れても導電性を失わない金属を使用することが好ましい。なお、抵抗が小さければ第１および第２電極１，２ならびに浮遊電極３に空気に触れても導電性を失わない金属を用いてもよい。絶縁膜６としては比誘電率εｒの大きな絶縁膜材料、例えばＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ２Ｏ３等を使用することが好ましい。
【００２１】
以上説明したように、本実施形態によれば、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【００２２】
なお、可変容量素子の構造としては、図２３乃至図２５に示す構成を採用しても良い。この変形例では、第１実施形態の第１および第２配線１，２に相当する部分がグランド配線２ａ−シグナル配線１ａ−グランド配線２ｂのコプレーナ配線で構成されている。この変形例の可変容量素子の動作原理および効果は第１実施形態の場合と同様である。
【００２３】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による可変容量素子を図５および図６を参照して説明する。図５は本実施形態の可変容量素子の上面図、図６は図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、片持ち梁を構成している圧電型アクチュエータ１４を、浮遊電極３および接触電極５の積層体の両側に設けられた圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂに置き換えた構成となっている。圧電型アクチュエータ１４Ａは基板８上に設けられた支持部１３Ａによって、圧電型アクチュエータ１４Ｂは基板上に設けられた支持部１３Ｂによって支持されている。圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂはそれぞれ、圧電膜１１と、この圧電膜１１の上面に設けられた上部電極１０と、圧電膜１１の下面に設けられた下部電極１２との積層体からなっている。圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂはそれぞれ、その下面および上面に絶縁膜７が設けられているとともに、接触電極５および浮遊電極３の積層体との間に絶縁膜７が設けられた構成となっている。したがって、圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂと、接触電極５および浮遊電極３の積層体とは両持ち梁を構成する。すなわち、圧電型アクチュエータ１４Ａ、１４Ｂを駆動することにより、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は基板８側に変位する。なお、第１実施形態と同様に、接触電極５および浮遊電極３の積層体は、第１および第２電極１、２との間の間隔３０上に、接触電極４および絶縁膜６の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように配置された構成となっている。
【００２４】
この実施形態も第１実施形態と同様に、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【００２５】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態による可変容量素子を図７乃至図９を参照して説明する。図７は本実施形態による可変容量素子の上面図、図８は図７に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図９は図７に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００２６】
本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、圧電型アクチュエータ１４を静電型アクチュエータ１５に置き換えた構成となっている。静電型アクチュエータ１５は、駆動電極１６、１７と、引き出し電極１６ａとを備えている。
【００２７】
駆動電極１７は基板８上に設けられ、引き出し電極１６ａは駆動電極１６上に設けられ、駆動電極１６と電気的に接続する。静電型アクチュエータ１５は、その下面および上面に絶縁膜７が設けられているとともに、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体との間に絶縁膜７が設けられた構成となっている。
【００２８】
静電型アクチュエータ１５の、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体と接続する側とは反対側の端部は基板８上に設けられた支持部１３によって支持されている。したがって、静電型アクチュエータ１５と、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体とは片持ち梁を構成する。静電型アクチュエータ１５は、駆動電極１６、１７の間に２０Ｖ以上の電位差をかけることにより、静電型アクチュエータ１５の、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体との接続部が基板８側に変位し、接触電極５と接触電極４および絶縁膜６とが接触する。このとき、駆動電極１６、１７間の電位差を０Ｖにすると、梁が持つばねの力により、静電型アクチュエータ１５の、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体との接続部が元の位置（水平位置）に戻るように変位する。すなわち、静電アクチュエータ１５を駆動することにより、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は基板８側に変位する。なお、第１実施形態と同様に、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体は、第１および第２電極１、２との間の間隔３０上に、接触電極４および絶縁膜６の少なくとも一部分と上面から見たときにオーバーラップするように配置された構成となっている。
【００２９】
この実施形態も第１実施形態と同様に、容量比が大きくＱ値の大きな可変容量素子および可変容量装置を得ることができる。
【００３０】
なお、本実施形態ではアクチュエータは静電型であったが、熱型、電磁型を採用してもよい。また、静電型、熱型、電磁型のアクチュエータを第２実施形態と同様の両もち梁構造に用いてもよい。
【００３１】
なお、第１乃至第３実施形態においては、絶縁膜６や接触電極４の加工は、リソグラフィやリフトオフにより行なう。図１０に示すように、絶縁膜６が第１および第２電極１，２の上部を覆っていてもよい。この場合、接触電極４は絶縁膜６よりも膜厚が厚くなるように形成される。したがって、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が基板８側に変位したときに、接触電極５は接触電極４と接触するが絶縁膜６とは接触しない構造となっている。
【００３２】
第１乃至第３実施形態では、接触電極５と絶縁膜６が直接接触する構造になっている。このようなＭＥＭＳ可変容量素子では、絶縁膜６に電極５が接触した状態で大きな電界がかかると、絶縁膜６中に電荷がトラップされ、容量値の変化やプルアウト電圧のシフトといった信頼性上の問題が起こることが知られている。この問題は、図１０に示す変形例によって回避することができる。上記問題を回避する他の例を第４実施形態として説明する。
【００３３】
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態による可変容量素子を図１１乃至図１３を参照して説明する。図１１は本実施形態による可変容量素子の上面図、図１２は図１１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図１３は図１１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００３４】
本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、圧電型アクチュエータ１４によって駆動されて接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が基板８側に変位したときに接触電極５が絶縁膜６と接触しないように、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体の、第１および第２電極１、２の延在する方向と直交する方向の幅が電極１の幅よりも狭くなるように設けられているとともに、絶縁膜６が上面からみたときに接触電極５および浮遊電極３からなる積層体とオーバーラップしないように第１電極１上に設けられた構成となっている。なお、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体が基板８側に変位したときには、接触電極５は第２電極２上に設けられた接触電極と接触するように構成されている。
【００３５】
本実施形態において、浮遊電極３が基板９側に変位して接触電極５が接触電極４と接触した際には、接触電極５と第１電極１との間に隙間ができる。この隙間が形成する容量がＣｍａｘとなる。上記隙間の高さをｄ３とすると、容量比は
【数２】
となる。ここで、ｄ２は接触電極４と接触電極５の間の距離、Ｓ１は第１電極１と浮遊電極３のオーバーラップ面積、Ｓ２は接触電極４と浮遊電極３のオーバーラップ面積、εｒは絶縁膜６の比誘電率、ｔ１は絶縁膜６の厚さである。上記隙間の部分は比誘電率が１であるため、第１実施形態に比べると若干容量比が小さい。しかし絶縁膜６が浮遊電極３と直接接触しないため、上記信頼性上の問題を回避できる。
【００３６】
本実施形態における絶縁膜６の役割は隙間を確保することであり、容量値には寄与していない。したがって、図１０に示すように、浮遊電極３と絶縁膜６の間にオーバーラップがない場合は、絶縁膜６を接触電極４と同じ導電性の材料に置き換えてもよい。
【００３７】
また、第１乃至第４実施形態において、接触電極４を第２電極２と同じ材料で形成して、接触電極４を第２電極２と一体化してもよい。この場合、第２電極２と第１電極１とは膜厚が異なることになる。
【００３８】
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態による可変容量素子を図１４乃至図１６を参照して説明する。図１４は本実施形態による可変容量素子の上面図、図１５は図１４に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図、図１６は図１４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図である。
【００３９】
本実施形態の可変容量素子は、第１実施形態の可変容量素子において、絶縁膜６上に浮遊電極１９を設けるとともに、接触電極４と第２電極２との間に絶縁体からなる中間層２２を設けた構成となっている。なお、図１５に示すように、第２電極２と接触電極４とは電気的に接続されている。浮遊電極３、１９のオーバーラップ面積ＳＴは、浮遊電極１９と絶縁膜６のオーバーラップ面積ＳＢに比べて小さく設定されている。アクチュエータ１４により浮遊電極３が基板８側に変位すると、浮遊電極１９と接触電極４が接触電極５を介して短絡される。したがってこの状態で第１および第２電極１，２は、絶縁膜６が形成する容量を介してつながった形になる。なお、中間層２２は絶縁体ではなく、導電性の材料、例えば第２電極と同じ材料で形成してもよい。
【００４０】
浮遊電極３が上がった状態（アクチュエータ１４によって駆動されない状態）において、接触電極５と浮遊電極１９の間の距離をｄ１、接触電極５と接触電極４との間の距離をｄ２、浮遊電極３と接触電極４とのオーバーラップ面積をＳ２、絶縁膜６の比誘電率をεｒ、絶縁膜６の厚さをｔ１とすると、容量比は
【数３】
となる。第１実施形態と比較すると、（ＳＢ／ＳＴ）の分だけ容量比がさらに大きくなっている。浮遊電極１９に相当する電極を設け、（ＳＢ／ＳＴ）の分だけ容量比を大きくする可変容量素子の構造は既に知られている（例えば、X. Rottenberg, et al,”Novel RF-MEMS capacitive switching structures”,EUMC2002, 24-26 September 2002, Milan、参照）。
【００４１】
本実施形態の可変容量素子の容量比を上記論文の可変容量素子の容量比と比較すると、浮遊電極３の効果である（ＳＢ／Ｓ２）の分だけ本実施形態の方が容量比が大きい。また上記論文の可変容量素子では上部電極がブリッジ状の形状をしているため、上部電極に至るまでの配線抵抗が大きく、Ｑ値を十分大きくできない。これに対し本実施形態では、浮遊電極３が下がった状態では第２電極２から絶縁膜６にいたる距離が短く低抵抗にできるため、Ｑ値の大きな可変容量素子を得ることができる。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態によれば、第１実施形態に比べて容量比が大きく高Ｑ値の可変容量素子を得ることができる。
【００４３】
なお、第４および第５実施形態においては、アクチュエータは圧電型であったが、静電型、熱型、電磁型のアクチュエータを用いてもよい。
【００４４】
また、第４および第５実施形態においては、接触電極５および浮遊電極３からなる積層体とアクチュエータは片持ち梁を構成していたが、第２実施形態のように、両持ち梁を構成するようにしてもよい。
【００４５】
第１乃至第５実施形態のいずれかの可変容量素子を複数個並列に接続することにより、デジタル可変容量装置を構成することができる。このデジタル可変容量装置は、例えば、地上デジタル放送が視聴可能な携帯電話のアンテナ整合回路に使用することができる。以下、携帯電話にデジタル可変容量装置を搭載したシステムを以下の実施形態で説明する。
【００４６】
（第６実施形態）
本発明の第６実施形態による携帯電話を図１７乃至図２０を参照して説明する。本実施形態の携帯電話は地上デジタル放送視聴機能を搭載しており、図１７に本実施形態の携帯電話のブロック図を示す。
【００４７】
本実施形態の携帯電話は、受信アンテナ５０、９０と、整合回路装置６０と、フロントエンド装置７０と、バックエンド装置８０とを備えている。デコーダ８２、ベースバンド８４、およびコントローラ８６を有するバックエンド装置８０は従来の携帯電話に備わっている。地上デジタル放送受信専用アンテナ５０と、整合回路装置６０と、チューナ７２およびＯＦＤＭ（Orthogonal Frequency Division Mutiplexing）復調ＬＳＩ７４からなるフロント装置７０とが地上デジタル放送視聴のために新規に追加された装置である。
【００４８】
整合回路装置６０は、整合回路６２とドライバ６４とを備えており、アンテナ５０の不整合損による狭帯域化を防ぐ役割をもっている。以下この点をより詳しく説明する。
【００４９】
地上デジタル放送は周波数４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚ（波長６３ｃｍ〜３９ｃｍ）のＵＨＦ帯の電波を用いて放送される。電波の波長が長いため、ダイポールアンテナでこの地上デジタル放送を受信しようとすると、約１５ｃｍのアンテナ長さが必要となる。しかし、近年の携帯電話ではデザイン性がとくに重視されるため、アンテナの長さは極力短いことが望ましい。より好ましくは、携帯電話の筐体内にアンテナを内蔵させることが望ましい。
【００５０】
しかし、アンテナを単に小型化すると帯域が狭くなり、周波数４７０ＭＨｚ〜７７０ＭＨｚのすべてを受信できなくなる。この問題を回避するには、整合回路を設けて見たい番組に応じて整合周波数を変化させればよい。整合回路は例えば可変容量装置により構成し、この可変容量装置の容量値を変化させることにより整合周波数を変えればよい。
【００５１】
アンテナを小型化した場合のもうひとつの問題点は、アンテナ効率の低下である。アンテナ効率はアンテナ自身の放射抵抗と、アンテナから受信回路に至るまでの損失抵抗とで決まり、
アンテナ効率＝放射抵抗／（放射抵抗＋損失抵抗）
と表される。アンテナを小型化すると放射抵抗が小さくなるため、損失抵抗が小さくならない限りアンテナ効率が低下する。例えば、整合回路の可変容量としてＰＩＮダイオードを採用すると、損失抵抗が大きいためアンテナ効率が低下してしまう。これに対し、ＭＥＭＳは損失抵抗が小さく、１Ω以下に抑えることも可能である。したがって整合回路部にＭＥＭＳ可変容量を採用すれば、小型アンテナを実現することができる。携帯電話の筐体内にアンテナを内蔵することも可能となる。
【００５２】
本実施形態においては、図１７に示すように、整合回路装置６０はドライバ６４と整合回路６２とを備えている。整合回路６２は可変容量装置で構成されている。コントローラ８６から出力された選局情報ＩＳはドライバ６４に入力され、容量値選択信号ＳＱに変換されたのち整合回路６２に入力される。
【００５３】
ドライバ６４の第１の具体例を図１８に示す。選局情報ＩＳはバイナリの信号形態で、例えばＩ２Ｃバスを介してドライバ６４に入力される。このバイナリ信号はドライバ６４内のデコーダ６４ａでデコードされる。図１８に示すデコード信号Ｓ１、．．．、Ｓｎがデコードされた信号である。デコード信号Ｓｉ（ｉ＝１，．．．，ｎ）が活性化される（例えば”Ｈｉｇｈ”／”Ｌｏｗ”のうちの”Ｈｉｇｈ”状態になる）と、ｉ番目のヒューズデータｆｉが容量値選択信号ＳＱとして出力され、整合回路６２に入力される。このようにして、選局情報ＩＳに応じて整合回路６２の容量値が変化し、選局された放送局の周波数帯にアンテナ５０の整合がとれた状態にできる。
【００５４】
容量値選択信号ＳＱとしてヒューズデータを使用するのは、ＭＥＭＳ可変容量素子の容量値ばらつきや、整合回路６２の寄生容量の効果を補正するためである。ヒューズデータはテスト工程において次のように決定する。まず、図１８に示すテスト回路６４ｂから容量値選択信号ＳＱを出力し、整合回路６２の容量値が最小の値から最大の値にいたるまで、１ステップずつ変化するようにする。この際の整合回路６２の容量値をテスターでモニタする。ついでこのモニタ値に応じて、選局情報ＩＳに応じた容量値が実現できるよう、ドライバ６４内のヒューズデータを決定していく。ヒューズデータの決定は、たとえばレーザーブローにより行なう。
【００５５】
可変容量素子の容量値ばらつきや整合回路６２の寄生効果が十分小さく、補正の必要がない場合は、図１９に示すようにテスト回路を無くしヒューズを不揮発性メモリ例えば、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）ＲＯ１〜ＲＯｎで置き換えても良い。
【００５６】
整合回路６２の可変容量装置は図２０に示すように構成する。可変容量素子１００１、．．．、１００ｍはアクチュエータによりデジタル的に（２値的に）容量値を変化させることができるＭＥＭＳ可変容量素子である。ポート１２０はアンテナ、ポート１３０は接地に接続する。整合回路６２のレイアウトは、例えば、図２１に示すようになる。可変容量素子１００ｊ（ｊ＝１，２，３，４）は、各々が２ｊ−１Ｃもしくは０の容量値が実現できるデジタル可変容量素子であって第１乃至第５実施形態のいずれかの可変容量素子が用いられている。可変容量素子１００１の第１および第２電極の一方、可変容量素子１００２の第１および第２電極の一方、可変容量素子１００３の第１および第２電極の一方、および可変容量素子１００４の第１および第２電極の一方とが配線部１２２によってポート１２０に接続される。また、可変容量素子１００１の第１および第２電極の他方、可変容量素子１００２の第１および第２電極の他方、可変容量素子１００３の第１および第２電極の他方、および可変容量素子１００４の第１および第２電極の他方とが配線部１２８によってポート１３０に接続される。このように容量値をバイナリ的に割り振ることにより、４個のデジタル可変容量素子で１６通りに容量値を変化させることができる。デジタル可変容量素子の数は４以外であってもよい。
【００５７】
また、整合回路６２の可変容量装置としては図２２に示すように、実現できる容量値が相等しいデジタル可変容量素子１０１１〜１０１４を並列に並べたものを採用しても良い。図２２においては、可変容量素子１０１１の第１および第２電極の一方、可変容量素子１０１２の第１および第２電極の一方、可変容量素子１０１３の第１および第２電極の一方、および可変容量素子１０１４の第１および第２電極の一方とが配線部１２２によってポート１２０に接続される。また、可変容量素子１０１１の第１および第２電極の他方、可変容量素子１０１２の第１および第２電極の他方、可変容量素子１０１３の第１および第２電極の他方、および可変容量素子１０１４の第１および第２電極の他方とが配線部１２８によってポート１３０に接続される。
【００５８】
なお、第１乃至第５実施形態の可変容量素子を有する可変容量装置は、アンテナ整合回路以外の回路、例えばＶＣＯにも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の第１実施形態による可変容量素子の上面図。
【図２】第１実施形態による可変容量素子の、図１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図３】第１実施形態による可変容量素子の、図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図４】第１実施形態による可変容量素子の、アクチュエータが変位したときの図１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図５】本発明の第２実施形態による可変容量素子の上面図。
【図６】第２実施形態による可変容量素子の、図５に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図７】本発明の第３実施形態による可変容量素子の上面図。
【図８】第３実施形態による可変容量素子の、図７に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図９】第３実施形態による可変容量素子の、図７に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図１０】第１乃至第３実施形態による可変容量素子の変形例の断面図。
【図１１】本発明の第４実施形態による可変容量素子の上面図。
【図１２】第４実施形態による可変容量素子の、図１１に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図１３】第４実施形態による可変容量素子の、図１１に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図１４】本発明の第５実施形態による可変容量素子の上面図。
【図１５】第５実施形態による可変容量素子の、図１４に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図１６】第５実施形態による可変容量素子の、図１４に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【図１７】本発明の第６実施形態による携帯電話を示すブロック図。
【図１８】第６実施形態に係る整合回路装置の一具体例を示すブロック図。
【図１９】第６実施形態に係る整合回路装置の他の具体例を示すブロック図。
【図２０】第６実施形態に係る整合回路の一具体例を示すブロック図。
【図２１】第６実施形態に係る整合回路のレイアウトの一具体例を示す図。
【図２２】第６実施形態に係る整合回路のレイアウトの他の具体例を示す図。
【図２３】本発明の第１実施形態の変形例による可変容量素子の上面図。
【図２４】第１実施形態の変形例による可変容量素子の、図２３に示す切断線Ａ−Ａで切断したときの断面図。
【図２５】第１実施形態の変形例による可変容量素子の、図２３に示す切断線Ｂ−Ｂで切断したときの断面図。
【符号の説明】
【００６０】
１ 第１電極
２ 第２電極
３ 浮遊電極
４ 接触電極
５ 接触電極
６ 絶縁膜
７ 絶縁膜
８ 基板
１０ 上部電極
１１ 圧電膜
１２ 下部電極
１３ 支持部
１４ 圧電アクチュエータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に間隔をおいて固定された第１および第２電極と、
可動電極と、
前記基板上に設けられた支持部上に支持され、前記可動電極を駆動するアクチュエータと、
を備え、
前記可動電極は、前記アクチュエータによって駆動されたときは前記第２電極と電気的接触の状態となり、駆動されないときには前記第２電極と電気的非接触の状態となり、
前記可動電極は前記第１電極と常に電気的に非接触の状態にあるように構成されたことを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
前記第１電極の表面が絶縁膜で覆われてい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】
前記第１電極の膜厚が前記第２電極の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１または２記載の可変容量素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の可変容量素子が複数個並列に接続されていることを特徴とする可変容量装置。
【請求項５】
請求項４記載の可変容量装置を有する整合回路を備えたこととを特徴とする携帯電話。
【請求項１】
基板に間隔をおいて固定された第１および第２電極と、
可動電極と、
前記基板上に設けられた支持部上に支持され、前記可動電極を駆動するアクチュエータと、
を備え、
前記可動電極は、前記アクチュエータによって駆動されたときは前記第２電極と電気的接触の状態となり、駆動されないときには前記第２電極と電気的非接触の状態となり、
前記可動電極は前記第１電極と常に電気的に非接触の状態にあるように構成されたことを特徴とする可変容量素子。
【請求項２】
前記第１電極の表面が絶縁膜で覆われてい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】
前記第１電極の膜厚が前記第２電極の膜厚よりも薄いことを特徴とする請求項１または２記載の可変容量素子。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の可変容量素子が複数個並列に接続されていることを特徴とする可変容量装置。
【請求項５】
請求項４記載の可変容量装置を有する整合回路を備えたこととを特徴とする携帯電話。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００６−２６１４８０（Ｐ２００６−２６１４８０Ａ）
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−７８５１８（Ｐ２００５−７８５１８）
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【公開日】平成１８年９月２８日（２００６．９．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年３月１８日（２００５．３．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
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