专利名称：可变电容装置、天线模块及通信装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及通过使用预定的致动器元件所构成的可变电容装置，并且还涉及设置有这种可变电容装置的天线模块和通信装置。
背景技术：
近年来，已经开发了具有各种结构的元件来作为电容值可以改变(电容值是可变的)的可变电容元件。这种可变电容元件包括例如空气可变电容器、薄膜介质可变电容器、 陶瓷微调电容器、压控变容器等(例如，参见日本未审查专利申请公开第05-74655号和第 2003-218217 号)。发明内容
然而，在这样的当前可利用的可变电容元件(可变电容装置)中，电容变化范围的广度是不足的(这是因为具有例如大约5 15倍的可变倍率)。因此，近年来，期望提出一种可以实现电容变化范围大于以前(更大的可变倍率)的可变电容元件(可变电容装置)。
鉴于前述问题，期待提供一种可以实现电容变化范围比以前更宽的可变电容装置，以及具有这种可变电容装置的天线模块和通信装置。
根据本发明实施方式，提供一种可变电容装置，包括固定部件；固定电极，其第一端侧由固定部件固定；致动器元件，其第一端侧由固定部件直接或间接固定；以及可动电极，设置为直接或间接连接至致动器元件且设置为基本面向固定电极。可变电容装置还包括使致动器元件的第二端侧变形以改变固定电极与可动电极之间的距离的驱动部。
根据本发明的实施方式，在本发明的实施方式中提供一种包括天线元件和上述可变电容的天线模块。
根据本发明的实施方式，在本发明的实施方式中提供一种包括上述天线模块的通I I=I 目.o
在根据本发明实施方式的可变电容装置、天线模块以及通信装置中，基于基本彼此相对的固定电极和可动电极以及其之间的空间区域(间隙)形成电容元件。当致动器元件的第二端侧变形而使固定电极与可动电极之间的距离改变，从而使该电容元件的(静电)电容值变化时，该电容元件具有可变电容元件的功能。这里，这种致动器元件的变形量相对较大，因此固定电极与可动电极之间的距离的变化量也变大。
根据本发明实施方式中的可变电容装置、天线模块以及通信装置，使致动器元件的第二端侧变形，以使得固定电极与可动电极之间的距离改变，从而可以增加固定电极与可动电极之间的距离的变化量。因此，可以大大改变利用这些固定电极和可动电极形成的电容元件的电容值，并且可以实现比以前更宽的电容变化范围(比以前更大的可变倍率)。
应当理解，前述的概述和下面的详细描述是示例性的，并且旨在提供所声称的技术的进一步说明。
包含结合于本说明书中并构成本说明书一部分的附图以给出本发明的进一步理 解。附图与说明书一起示出了用于说明本技术的原理的实施方式。图1是示出了根据本发明实施方式的可变电容装置的示意性构造的示意图。图2是示出了图1中所示的固定电极与可动电极的详细构造示例的截面图。图3是示出图1中所示的聚合物致动器元件的详细构造示例的截面图。图4是示出图1中所示的聚合物致动器元件、固定部件以及固定电极的一部分的 详细构造的截面图。图5A和图5B是用于说明聚合物致动器元件的基本操作的截面示意图。图6A和图6B是用于说明图1中所示的可变电容装置的操作的示意图。图7是示出电极之间的距离与静电电容值之间的关系示例的特性图。图8A和图8B是示出根据变形例1的可变电容装置的示意性构造和操作的示意 图。图9A和图9B是均示出图8A和图8B中所示的两个电容元件之间的连接关系示例 的电路图。图10是根据变形例2的可变电容装置的示意性构造的示意图。图11是图10中所示的驱动部的详细构造示例的框图。图12是图11中所示的电容值检测部的详细构造示例的电路图。图13是用于说明图12中所示的电容值检测部中的检测操作的特性图。图14A和图14B是分别示出根据变形例3和4的可变电容装置的示意性构造的示 意图。图15是示出用作根据变形例5的致动器元件的压电元件的示意性构造和操作的 示意图。图16A和图16B是示出用作根据变形例6的致动器元件的双金属元件的示意性构 造和操作的示意图。图17是示出根据实施方式和变形例中每一个的可变电容装置的应用例的通信装 置的示意性构造示例的透视图。图18是示出从不同方向观看时图17中所示的通信装置的透视图。图19A和图19B是示出了图18中所示的天线模块的详细构造示例与根据比较例 的天线模块构造相比较的电路图。
具体实施例方式下面将参照附图详细描述本发明的实施方式。将以下列顺序给出描述。1.实施方式(在一组固定电极与可动电极之间形成一个可变电容元件的示例)2.变形例变形例1 (在两组固定电极与可动电极之间形成两个可变电容元件的示例)变形例2(检测监控用可变电容元件的电容值以及控制致动器元件的变形量的示 例)变形例3 (检测可动电极的位移量，从而控制致动器元件的变形量的示例1 利用磁体和霍尔元件进行检测的示例)
变形例4 (检测可动电极的位移量，从而控制致动器元件的变形量的示例2 :利用反射部件和光反射器进行检测的示例)
变形例5 (使用压电元件作为致动器元件的示例)
变形例6 (使用双金属元件作为致动器元件的示例)
3.应用例(将可变电容装置应用于天线模块和通信装置的示例)
[实施方式]
[可变电容装置I的整体构造]
图I以侧视图(Z-X侧视图)的方式示意性示出了根据本发明实施方式的可变电容装置(可变电容装置I)的整体构造(示意性构造)。该可变电容装置I包括支撑部件11、固定部件12、聚合物致动器元件131和132、连结部件141和142、连接部件15、固定电极16、可动电极17以及驱动部18。
这里，支撑部件11是用于支撑整个可变电容装置I的基底部件(基板)，并且这里，将支撑部件11设置为在XY平面上延伸。该支撑部件11由例如以液晶聚合物为例的硬树脂材料制成。
固定部件12是用于将各个聚合物致动器元件131和132的一端侧和固定电极16 的一端侧固定的部件，并且由例如以液晶聚合物为例的硬树脂材料制成。如稍后将详细描述的(图4)，该固定部件12包括沿Z轴的正方向设置的下部固定部件12D、中部(中央) 固定部件12C以及上部固定部件12U的三个部件。
各个聚合物致动器元件131和132均具有由固定部件12直接固定的一端侧，并且是经由稍后描述的连结部件141和142以及连接部件15沿着Z轴驱动(变形)可动电极 17的致动器元件。这些聚合物致动器元件131和132均具有与稍后描述的可动电极17的位移方向(移动方向)垂直的驱动面(X-Y平面上的驱动面)，并且设置为各自的驱动面沿着Z轴彼此面向。聚合物致动器元件131和132对应于根据本发明实施方式的“致动器元件”的具体示例。注意，稍后将详细描述各个聚合物致动器元件131和132的构造(图3)。
连结部件141和142是用于将聚合物致动器元件131和132的另一端和稍后描述的连接部件15的相应端部分别连结(连接)的部件。具体地，连结部件141将连接部件15 的下端部连结于聚合物致动器元件131的另一端，以及连结部件142将连接部件15的上端部连结于聚合物致动器元件132的另一端。期望的是，这些连结部件141和142均是例如以聚酰亚胺膜等为例的柔性膜，并且由具有各个聚合物致动器元件131和132同等以下的 (更优选地，等于或低于)硬度的柔性材料制成。这为连结部件141和142在与聚合物致动器元件131和132的弯曲方向相逆的方向上的弯曲提供了自由性，从而包括聚合物致动器元件131和132以及连结部件141和142的悬臂(cantilever)中的横截面呈字母S形状。 结果，允许连接部件15平行于Z轴方向移动，并且可动电极17在保持与固定电极16平行的状态下在Z轴方向上被驱动。
连接部件15是用于在各个聚合物致动器元件131和132的另一端侧与稍后描述的可动电极17的一端侧之间(具体地，在各个连结部件141和142的另一端与可动电极17 的一端侧之间)进行连接的部件。这里，该连接部件15被设置为在Z轴方向上延伸，并且由例如以液晶聚合物为例的硬树脂材料制成。
固定电极16是其一端侧由固定部件12固定的电极，并且这里呈在XY平面上延伸的平板形状。该固定电极16设置在成对的聚合物致动器元件131和132之间。
可动电极17是其一端侧由连接部件15固定的电极，并且经由上述的连结部件141 和142以及连接部件15设置在聚合物致动器元件131和132的另一端侧上。换句话说，可动电极17被设置为间接连接至聚合物致动器元件131和132。这里，该可动电极17同样呈在XY平面上延伸的平板形状，并且设置于成对的聚合物致动器元件131和132之间(具体地，在聚合物致动器元件131与固定电极16之间)。也就是说，可动电极17被设置为沿着 Z轴方向基本面向(优选地，对向)固定电极16。如稍后将进行的详细描述，允许该可动电极17随着连接部件15基于聚合物致动器元件131和132的变形发生的位移(Z轴方向上的位移)，在Z轴方向移动。
图2是示出了固定电极16与可动电极17的详细构造示例的截面图(Z-X截面图)。
固定电极16具有包括导体层161和设置在导体层161两侧的一对介电层162A和 162B的层叠结构。另一方面，可动电极17具有包括导体层171的单层结构。导体层161和 171均由例如以铜(Cu)或铝(Al)为例的金属材料制成。此外，介电层162A和162B均由例如以钛酸钡、氧化钽、二氟乙烯或酚醛树脂为例的高介电材料制成。基于这种截面构造，一对导体层161和171、成对导体层161和171之间的空间区域(间隙)(这种情况下的空气层)以及介电层162A (可动电极17侧的介电层)形成具有电容的电容元件(可变电容元件)Cl。这里，假设固定电极16与可动电极17之间的距离为dl，假设介电层162A的厚度为d2，假设固定电极16与可动电极17彼此相对的区域的面积(XY平面上的面积)为S，假设上述的空气层的介电常数为e 1( = 1)，以及假设介电层162A的介电常数为￡2，那么通过下列表达式(I)表示电容元件Cl的(静电)电容值C。注意，在使用上述二氟乙烯的情况下，厚度d2例如为约0. 3mm,以及介电常数e 2例如为约6。
C= ( e I X e 2 X S) / ( e 2 X dl+ e I X d2) (I)
驱动部18被设置为驱动(变形)各个聚合物致动器元件131和132，并且例如通过利用使用半导体元件等的电路构造。具体地，该驱动部18具有稍后描述的电压供给部181， 并且通过使用电压供给部181来向各个聚合物致动器元件131和132提供驱动电压Vd。注意，稍后将详细描述利用该驱动部18对聚合物致动器元件131和132进行的驱动操作。
[聚合物致动器元件131和132的详细构造]
接下来，将参照图3和图4描述各个聚合物致动器元件131和132的详细构造。 图3示出了各个聚合物致动器元件131和132的截面构造(Z-X截面构造)。此外，图4是示出了聚合物致动器元件131和132、固定部件12以及稍后将描述的固定电极121AU21B、 122A以及122B的一部分的详细构造的截面图(Z-X截面图)。
如图3所示，聚合物致动器元件131和132均具有一对电极膜52A和52B形成于离子导电性高分子化合物膜51 (下文中，仅称作高分子化合物膜51)的两侧的截面结构。换句话说，聚合物致动器元件131和132均具有一对电极膜52A和52B以及介于这些电极膜 52A和52B之间的高分子化合物膜51。注意，聚合物致动器元件131和132以及电极膜52A 和52B周围的部分可以覆盖有由具有高弹性的材料(例如，聚亚安酯等)制成的绝缘保护膜。
此外，例如，如图4所示，聚合物致动器元件131和132连接至固定部件12的上部固定部件12U、中间固定部件12C、下部固定部件12D以及固定电极121A、121B、122A和 122B。具体地，在聚合物致动器元件131中，电极膜52A电连接至下部固定部件12D侧上的固定电极121A，以及电极膜52B电连接至中间固定部件12C侧上的固定电极121B。另一方面，在聚合物致动器元件132中，电极膜52A电连接至中间固定部件12C侧上的固定电极 122A，以及电极膜52B电连接至上部固定部件12U侧上的固定电极122B。结果，从上述驱动部18(电压供给部181)提供的驱动电压Vd经由固定电极121A和121B提供给聚合物致动器元件131，并且经由固定电极122A和122B还提供给聚合物致动器元件132。
期望的是，通过未示出的按压部件(板簧)以恒定的压力按压而将从下部固定部件12D侧上的固定电极12IA到上部固定部件12U侧上的固定电极121B间的各个部件和各个电极固定。即使对聚合物致动器元件131和132施加大的力时，这也能够防止聚合物致动器元件131和132被破坏，并且即使使聚合物致动器元件131和132变形时，也能保证稳定的电连接。
上述的高分子化合物膜51被构造为利用发生在电极膜52A和52B之间的预定电位差而弯曲。该高分子化合物膜51浸有离子型物质。这里的“离子型物质”通常指可以在高分子化合物膜51中被传送的离子，具体指包含氢离子或金属离子的单质、或这些阳离子和极性溶剂和/或阴离子和极性溶剂中的任一种、或包含诸如咪唑嗡盐的其自身是液体的阳离子和/或阴离子的物质。例如，对于前者，存在其中极性溶剂在阳离子和/或阴离子中被溶剂化的物质；对于后者，存在离子液体。
对于高分子化合物膜51的材料，例如，存在其中碳氟化合物树脂或碳氢化合物系是骨干(skeleton)的离子交换树脂。对于离子交换树脂，优选地，当浸溃有阳离子物质时使用阳离子交换树脂，而当浸溃有阴离子物质时使用阴离子交换树脂。
对于阳离子交换树脂，存在向其中导入诸如磺酸盐团或羧基团的酸性团的树脂。 具体地，阳离子交换树脂是具有酸性团的聚乙烯、具有酸性团的聚苯乙烯、具有酸性团的碳氟化合物树脂等。最重要的，具有磺酸盐团或羧酸团的碳氟化合物树脂优选地作为阳离子交换树脂，并且例如存在全磺氟酸树脂(Nifion)(由杜邦公司制造)。
浸入高分子化合物膜51中的阳离子物质可以是有机的或无机的，或可以是任何一种。例如，诸如金属离子的单质、包含金属离子和水的物质、包含有机阳离子和水的物质、 或离子液体的各种形态是可应用的。对于金属离子，存在例如以钠离子(Na+)、钾离子(K+)、 锂离子(Li+)或镁离子(Mg2+)为例的轻金属离子。此外，对于有机阳离子，存在例如烷基胺离子。这些阳离子在高分子化合物膜51中作为水合物而存在。因此，在高分子化合物膜51 浸溃有包含阳离子和水的阳离子物质的情况下，期望的是，为了抑制聚合物致动器元件131 和132中的水的挥发而密封整体。
离子液体还被称作常温熔融盐，并且包括具有低燃性和挥发性的阳离子和阴离子。对于离子液体，存在例如咪唑环系化合物、吡啶环系化合物、脂肪族化合物等。
最重要的，优选的是，阳离子物质是离子液体。这时因为挥发性低，并且聚合物致动器元件131和132即使在高温环境或真空中也工作良好。
跨接插入其间的高分子化合物膜51而彼此面向的电极膜52A和52B均包括一种或多种导电材料。优选的是，各电极膜52A和52B是导电材料粉末的颗粒被离子导电聚合物附着的膜。这是因为电极膜52A和52B的柔韧性提高。碳粉末优选用作导电材料粉末。这是因为导电性高，并且比表面积大，从而获得更大的变形量。对于碳粉末，优选的是Ketjen 炭黑。对于离子导电聚合物，与高分子化合物膜51相同的材料是期望的。
例如，如下形成电极膜52A和52B。将导电材料粉末和导电聚合物分散在分散介质中的涂料涂布于高分子化合物膜51的两侧，然后将其干燥。可选地，包括导电材料粉末和离子导电聚合物的膜状基板可以通过按压结合而附着于高分子化合物膜51的两侧。
电极膜52A和52B均可以具有多层结构，并且在那种情况下，期望的是，电极膜52A 和52B均具有从高分子化合物膜51侧顺次层叠其中导电材料粉末的颗粒被离子导电聚合物附着的层和金属层的这种结构。这是因为电位在电极膜52A和52B的面内方向变得接近于更均一的值，并且获得优良的变形性。对于金属层的材料，存在诸如金或钼的贵金属。金属层的厚度是任意的，但是金属层优选是连续膜，使得电位在电极膜52A和52B中变得均一。对于形成金属层的方法，存在电镀、沉积、溅射等。
高分子化合物膜51的尺寸(宽度和长度)可以例如根据可动电极17的尺寸或重量、或高分子化合物膜51的期望位移量(变形量)自由设定。高分子化合物膜51的位移量根据可动电极17的期望位移量(沿着Z轴方向的移动量)设定。
[可变电容装置I的操作和效果]
接下来，将描述本实施方式的可变电容装置I的操作和效果。
[I.聚合物致动器元件131和132的操作]
首先，将参照图5A和图5B描述聚合物致动器元件131和132的操作。图5A和图 5B均利用截面图示意性地示出了聚合物致动器元件131和132的操作。
首先，将描述含有阳离子和极性溶剂的物质用作阳离子物质的情况。
在这种情况下，阳离子物质基本均匀地分散在高分子化合物膜51中，因此聚合物致动器元件131和132在没有施加电压的状态下是平坦的(没有弯曲)(图5A)。这里，当利用图5B中示出的驱动部18中的电压供给部181建立电压施加状态时(当开始施加驱动电压Vd时)，聚合物致动器元件131和132均表现为下列行为。例如，当以电极膜52A处于负电位而电极膜52B处于正电位的方式在电极膜52A和52B之间施加预定电压Vd时,处于在极性溶剂中被溶剂化的状态下的阳离子移动至电极膜52A侧。这时，阴离子在高分子化合物膜51中几乎不移动，因此在高分子化合物膜51中，电极膜52A侧膨胀，而电极膜52B 侧收缩。结果，如图5B所示，聚合物致动器元件131和132整体向电极膜52B侧弯曲。之后，当通过消除电极膜52A和52B之间的电位差而建立起不施加电压的状态时(当停止施加驱动电压Vd时)，高分子化合物膜51中定位至电极膜52A侧的阳离子物质(阳离子和极性溶剂)扩散，并且返回至图5A所示的状态。此外，当在电极膜52A和52B之间施加预定驱动电压Vd而使得电极膜52A (从图5A中所示的不施加电压的状态)转变为正电位而电极膜52B(从图5A中所示的不施加电压的状态)转变为负电位时，处于在极性溶剂中被溶剂化状态下的阳离子移动至电极膜52B侧。这种情况下，在高分子化合物膜51中，电极膜 52A侧收缩而电极膜52B侧膨胀，因此聚合物致动器元件131和132整体向电极膜52A侧弯曲。
接下来，将描述包含液体阳离子的离子液体用作阳离子物质的情况。
在这种情况下，类似地，在没有施加电压的状态下，离子液体在高分子化合物膜51 中近似均匀地分散，因此如图5A所示，聚合物致动器元件131和132是平坦的。这里，当通过电压供给部181建立电压施加状态(开始施加驱动电压Vd)时，聚合物致动器元件131和 132表现出下列行为。例如，当以电极膜52A处于负电位而电极膜52B处于正电位的方式在电极膜52A和52B之间施加预定驱动电压Vd时，离子液体中的阳离子移动至电极膜52A 侧，而阴离子在高分子化合物膜51 (其是阳离子交换膜)中几乎不移动。由于这个原因，在高分子化合物膜51中，电极膜52A侧膨胀，而电极膜52B侧收缩。结果，如图5B所示，聚合物致动器元件131和132整体向电极膜52B侧弯曲。之后，当通过消除电极膜52A和52B 之间的电位差而建立不施加电压的状态时(当停止施加驱动电压Vd时)，高分子化合物膜 51中定位至电极膜52A侧的阳离子分散，并且返回至图5A所示的状态。此外，当在电极膜 52A和52B之间施加预定驱动电压Vd使得电极膜52A (从图5A所示的不施加电压的状态) 转变为正电位而电极膜52B (从图5A所示的不施加电压的状态)转变为负电位时，离子液体中的阳离子移动至电极膜52B侧。这种情况下，在高分子化合物膜51中，电极膜52A侧收缩而电极膜52B侧膨胀，因此聚合物致动器元件131和132整体向电极膜52A侧弯曲。
[2.可变电容装置I的操作]
随后，将参照图6A和图6B描述整个可变电容装置I的操作。图6A和图6B均以截面图(Z-X截面图)的方式示出了可变电容装置I的操作。图6A示出了操作前的状态， 以及图6B示出了操作后的状态。
在该可变电容装置I中，相应于上述一对聚合物致动器元件131和132的变形(弯曲)，经由连接部件15等驱动可动电极17。这使可动电极17变得沿着Z轴可移动(可位移)，如图6A和图6B所示。
然后，随着可动电极17在Z轴方向上的位移，固定电极16与可动电极17之间的距离dl改变(这里，距离dl随着可动电极17的位移而减小)。换句话说，在本实施方式的驱动部18中，聚合物致动器元件131和132的另一端侧变形(弯曲)，而使得固定电极16 与可动电极17之间的距离dl改变。因此，基于上述表达式(1)，电容元件Cl的(静电)电容值C响应于该距离dl的变化而也在变化(这里，电容值C增加)，因此该电容元件Cl具有可变电容元件的功能。
这里，在本实施方式中，致动器元件(聚合物致动器元件131和132)的变形量相对较大(例如，大约Imm 2mm)。为此，固定电极16与可动电极17之间的距离dl的变化量也较大(例如，大约Imm 2mm)。结果，在本实施方式的可变电容装置I中，电容元件Cl 的电容变化范围宽于现有可变电容元件(例如，空气可变电容器、薄膜介质可变电容器、陶瓷微调电容器、压控变容器等)的电容变化范围。换句话说，在可变电容装置I中，电容元件Cl的可变倍率大于现有可变电容元件的可变倍率。具体地，现有可变电容元件的电容变化范围包括大约5倍 15倍的可变倍率，而可变电容装置I的电容变化范围包括例如大约 20倍 50倍的可变倍率。
图7示出了固定电极16与可动电极17间的距离dl与可变电容装置I的电容值 C之间的关系的示例。具体地，在该示例中，在上述的表达式(I)中，介电层162A的厚度d2 是0. 3mm,固定电极16与可动电极17彼此相对的区域的面积S是24_2，介电常数e I是 1(空气层)，以及介电层162A的介电常数e2是6。从图7，发现在该示例中，距离dl与电容值C彼此接近成反比，并且实现了包括大约40倍可变倍率的宽电容变化范围。
如上所述，在本实施方式中，通过驱动部18来使聚合物致动器元件131和132的另一端侧变形，使得固定电极16与可动电极17之间的距离dl改变，因而可以增加固定电极16与可动电极17之间的距离dl的变化量。因此，利用这些固定电极16与和可动电极 17所形成的电容元件Cl的电容值也可以在很大程度上增加，因此可以实现宽于以前的电容变化范围(即，大于以前的可变倍率)。此外，可以以相对小且简单的结构实现这种宽的电容变化范围(大的可变倍率)。
此外，特别在本实施方式中，使用聚合物致动器元件131和132作为致动器元件， 因此与使用其他方法中的致动器元件(诸如稍后描述的压电元件或双金属元件)相比，可以获得下列优点。即，将驱动电压Vd抑制至低水平而可以实现低功耗，并且可以以低成本实现生产。
此外，固定电极16具有包括导体层161和设置在该导体层161的可动电极17侧上的介电层162A的层叠结构，因此可以获得下列优点。即，由于该介电层162A的存在，可以增加电容元件Cl的电容值，并且防止可动电极17位移时导体层161和171之间的电路短路(短路)。注意，在某些情况下，在固定电极16中可以不设置这种介电层162A(和介电层 162B)。
此外，可动电极17被构造为经由连结部件141和142驱动，因此，即使在该对聚合物致动器元件131和132之间发生例如操作差异(variation)(变形量差异)时，也可以使可动电极17易于沿着Z轴移动。
[变形例]
随后，将描述该实施方式的变形例(变形例I 6)。注意，与该实施方式相同的那些元件将设置有与该实施方式相同的参考符号，并且将适宜地省略描述。
[变形例I]
图8A和图8B均以侧视图(Z-X侧视图)的方式示意性地示出了根据变形例I的可变电容装置(可变电容装置1A)的整体构造(示意性构造)和操作。图8A示出了操作前的状态，以及图8B示出了操作后的状态。
本变形例的可变电容装置IA被形成为多个可变电容元件分别形成于多组固定电极与可动电极中的各组固定电极与可动电极之间。具体地，可变电容装置IA与上述实施方式的可变电容装置I的不同之处在于，设置两组固定电极16A和16B以及两组可动电极17A 和17B来代替固定电极16和可动电极17。其他方面，以类似于可变电容装置I的方式构造可变电容装置1A。
固定电极16A和16B均是其一端侧由固定部件12固定的电极，并且这里呈在XY 平面上延伸的平板形状。这些固定电极16A和16B被设置为在该对聚合物致动器元件131 和132之间彼此相对(彼此近似平行)。
可动电极17A和17B均是其一端侧由连接部件15固定的电极。类似于可动电极 17，可动电极17A和17B经由连结部件141和142以及连接部件15设置在聚合物致动器元件131和132的另一端侧。这些可动电极17A和17B也呈在XY平面上延伸的平板形状，并且设置于该对聚合物致动器元件131和132之间。具体地，可动电极17A设置于聚合物致动器兀件131与固定电极16A之间，以及可动电极17B设置于固定电极16A与16B之间。换句话说，可动电极17A被设置为沿着Z轴方向基本面向(相对于)固定电极16A，而可动电极17B被设置为沿着Z轴方向基本面向(相对于)固定电极16B。类似于可动电极17，也允许这些可动电极17A和17B中的每一个随着连接部件15基于聚合物致动器元件131和 132的变形发生的位移(Z轴方向上的位移)，而在Z轴方向上移动，下面将进行描述。
基于这种构造，在可变电容装置IA中，基于设置为彼此基本相对的固定电极16A 与可动电极17A以及其之间的空间区域(间隙)(和固定电极16A中的介电层162A)而形成电容元件C1A。此外，基于设置为彼此基本面向(相对)的固定电极16B与可动电极17B 以及其之间的空间区域(间隙)(和固定电极16B中的介电层162A)而形成电容元件C1B。 换句话说，在可变电容装置IA中，利用两组固定电极16A和16B以及可动电极17A和17B 而形成两个电容元件ClA和C1B。
这里，例如，这些电容元件ClA和ClB可以彼此如图9A所示并联连接或如图9B所示串联连接。注意，在并联连接的情况下，可以整体增加可变电容装置IA的电容值(这里， 增加到双倍电容值)。
在本变形例的可变电容装置IA中，如图8A和图SB所示，相应于该对聚合物致动器元件131和132的变形(弯曲)，经由连接部件15等驱动各个可动电极17A和17B。这使各个可动电极17A和17B沿着Z轴变得可移动(可位移)。于是，随着可动电极17A和 17B在Z轴方向上的这种位移，固定电极16A与可动电极17A之间的距离dlA以及固定电极 16B与可动电极17B之间的距离dlB均改变(这里，距离dlA和dlB随着可动电极17A和 17B的位移而减小)。因此，类似于上述实施方式，相应于这些距离dlA和dlB每一个的变化，各个电容元件ClA和ClB的(静电)电容值也变化(这里，电容值增加)，因此这些电容元件ClA和ClB均具有可变电容元件的功能。
这里，在本变形例中，通过类似于上述实施方式中的操作，同样可以增加各个距离 dlA和dlB的变化量，并且各个电容元件ClA和ClB的电容值在很大程度上增加。因此，在本变形例中，也可以实现宽于以前的电容变化范围(大于以前的可变倍率)。
注意，对于本变形例，描述了利用两组固定电极和可动电极形成两个可变电容元件的情况。然而，例如，可以利用三组以上的固定电极和可动电极来形成三个以上的可变电容元件，并且这些可变电容元件可以被组合并被使用。具体地，由此所形成的可变电容元件可以彼此并联、串联或以其组合方式连接(通过并联连接、串联连接或以其组合方式的连接)。
[变形例2]
图10以侧视图(Z-X侧视图)的方式示意性地示出了根据变形例2的可变电容装置(可变电容装置1B)的整体构造(示意性构造)。在本变形例的可变电容装置IB中，检测以下将要描述的监控用可变电容元件(稍后将描述的电容元件C2)的电容值，并且利用检测出的电容值控制各个聚合物致动器元件131和132的变形量(位移量、弯曲量)。
具体地，可变电容装置IB与上述实施方式的可变电容装置I的不同之处在于，设置固定电极16-1来代替固定电极16，并且设置驱动部18B来代替驱动部18。其他方面，以类似于可变电容装置I的方式构造可变电容装置1B。
固定电极16-1包括绝缘部件163、绝缘部件163中面向可动电极17的表面上彼此电分离的多个(这里，两个)子电极16C和16D。换句话说,使用这两个子电极16C和16D 来构造固定电极16-1。绝缘部件163还用作用于支撑(固定)各个子电极16C和16D的部件，并且由例如以二氟乙烯为例的绝缘材料制成。
基于这种构造，在本变形例的可变电容装置IB中，通过利用设置为基本彼此面对 (相对)的子电极16C与可动电极17A以及其之间的空间区域(间隙)(和子电极16C中的介电层162A)而形成电容元件(可变电容元件)Cl。此外，通过利用设置为基本彼此面向 (相对)的子电极16D与可动电极17A以及其之间的空间区域(间隙)(和子电极16D中的介电层162A)而形成监控用电容元件(可变电容元件)C2。注意，在这些电容元件Cl和C2 中，可动电极17与子电极16C或子电极16D之间的距离在两种情况下都是dl。
如图11所示，除了类似于上述的电压供给部181之外，驱动部18B还具有电容值检测部182、存储部183以及减法部184。
电容值检测部182检测上述监控用电容元件C2的电容值。如图12所示，该电容值检测部182例如包括产生频率f = f0的频率的交流信号的振荡电路182B、3个彼此电磁耦合的电感器L1、L2和L3、二极管(整流器件)D3、电阻器R3以及电容元件(电容器)C3。 电感器LI连接在振荡电路182B的两端之间，电感器L2连接在监控用电容元件C2的两端之间。对于电感器L3，其一端连接至二极管D3的正极，另一端连接至电阻器R3的一端和电容元件C3的一端。二极管D3的负极连接至电阻器R3的另一端和电容元件C3的另一端。 基于这种连接构造，通过利用电感器L2和监控用电容元件C2来构造共振电路(LC共振电路)，并且通过利用电感器L3、二极管D3、电阻器R3以及电容元件C3来构造检测器电路。
在该电容值检测部182中，具体地，以以下方式检测监控用电容元件C2的电容值。 首先，例如在上述LC共振电路中，执行具有如图13所示的共振特性的共振操作(LC共振操作)。这时，当假设电感器L2的电感是L，假设电容元件C2的电容值是C2时，通过下列表达式(2)表示该共振操作中的共振频率f2。这里，当电容元件C2的电容值改变时，与此基于表达式(2)共振频率f2改变(移动)，因此振荡电路182B中频率f0处的检测输出(输出电压Vout)也变化。例如，如图13中所示，当随着电容元件C2的电容值的变化共振频率从f2变到(f2+ A f)时，频率f0处的输出电压Vout的值也变化(这里，仅减少-A V)。这里，电容兀件C2的电容值与输出电压Vout是一对一的相互对应关系，因此通过检测该输出电压Vout还可以检测(测量)电容元件C2的电容值。注意，假设由电容值检测部182由此检测出的电容元件C2的电容值是电容值C2d。
f2 = 1/{2 JI X (LXC2)172}. . . (2)
图11中示出的存储部183是用于预先将电容元件C2的电容值C2t (预定目标值) 存储(保持)的存储器，并且可以利用各种类型存储器的任一种来构造。减法部184在保持在存储部183中的电容值C2t与电容值检测部182检测出的电容值C2d之间执行减法处理(具体地，执行从电容值C2t减去电容值C2d的处理)。结果，将通过减法获得的电容值 (C2t-C2d)输出至电压供给部181。
在本变形例的电压供给部181中，利用通过电容值检测部182检测出的监控用电容元件C2的电容值C2d来控制聚合物致动器元件131和132的变形量。具体地，利用从减法部184提供的电容值(C2t-C2d)，将聚合物致动器元件131和132的变形量控制为电容元件C2的该电容值C2d与预定目标值(电容值C2t)基本一致(更优选地，一致)。换句话说，这里，通过调节驱动电压Vd的值来将聚合物致动器元件131和132的变形量控制为电容值(C2t-C2d)的值接近0 (零)(优选地，变为0)。
以这种方式,在本变形例的可变电容装置IB中，通过利用由电压值检测部182检测出的监控用电容元件C2的电容值C2d，来在电压供给部181中控制聚合物致动器元件 131和132的变形量。因此，可以将实际使用的电容元件Cl的电容值精确地调节到期望值， 而不受振动或可变电容装置IB的姿势差异的影响。
注意，对于本变形例，已经描述了利用两个子电极来形成监控用可变电容元件的情况，但是例如，利用三个以上子电极可以形成三个以上可变电容元件，并且这些可变电容元件中的一个可以用作监控用可变电容元件。
[变形例3和4]
图14A以侧视图(Z-X侧视图)的方式示意性地示出了根据变形例3的可变电容装置(可变电容装置1C)的整体构造(示意性构造)。此外，图14B以侧视图(Z-X侧视图) 的方式示意性地示出了根据变形例4的可变电容装置(可变电容装置1D)的整体构造(示意性构造)。在这些变形例3和4中，检测可动电极17的位移量(移动量)，并且通过利用检测出的位移量来控制各个聚合物致动器元件131和132的变形量(位移量、弯曲量)。
图14A中示出的变形例3的可变电容装置IC与上述实施方式的可变电容装置I 的不同之处在于，设置驱动部18C来代替驱动部18，并且进一步设置磁体191和霍尔元件 192。其他方面，以类似于可变电容装置I的方式构造可变电容装置1C。磁体191和霍尔元件192对应于根据本发明实施方式的“位移量检测部”的具体示例。
磁体191设置在连接部件15上(这里，在侧面上)，并且由例如以钕(Nd)-铁 (Fe)-硼⑶的化合物(Nd2Fe14B)为例的磁性材料制成。霍尔元件192设置在支撑部件11 上面向磁体191的位置上，并且检测由磁体191产生的磁场的强度。注意，可以利用磁阻元件(MR元件)代替使用霍尔元件192来检测磁场的强度。在驱动部18C中，利用通过霍尔元件192检测出的磁场的强度(对应于可动电极17的位移量和磁体191与霍尔元件192 之间的距离d3)，来控制聚合物致动器元件131和132的变形量。具体地，驱动部18C通过调节驱动电压Vd的值来控制聚合物致动器元件131和132的变形量。
同时，图14B中示出的变形例4的可变电容装置ID与上述实施方式中的可变电容装置I的不同之处在于，设置驱动部18D代替驱动部18，并且还设置反射部件193和光反射器194。其他方面，以类似于可变电容装置I的方式构造可变电容装置1D。反射部件193 和光反射器194对应于根据本发明实施方式的“位移量检测部”的具体示例。
反射部件193设置在连接部件15上(这里，在侧面上)，并且由例如以铝(Al)为例的金属材料制成。光反射器194设置在支撑部件11上面向反射部件193的位置上，并且通过在单一封装件内收纳发光二极管(LED)和光电晶体管来形成。在光反射器194中，通过光电晶体管检测从LED发射后被反射部件193反射的光量(反射光)。在驱动部18D中， 利用通过光反射器194检测出的反射光量(对应于可动电极17的位移量以及反射部件193 与光反射器194之间的距离d4)，来控制聚合物致动器元件131和132的变形量。具体地， 驱动部18D通过调节驱动电压Vd的值来控制各个聚合物致动器元件131和132的变形量。
以这种方式，在变形例3和4中，检测可动电极17的位移量，并且利用检测出的位移量控制聚合物致动器元件131和132的变形量。因此，可以将电容元件Cl的电容值C可靠地调节至期望值，而不受振动或各个可变电容装置IC和ID的姿势差异的影响。
[变形例5]
图15示出了均用作应用于根据变形例5的可变电容装置的致动器元件的各个压电元件23 I和232的示意性构造和操作。在本变形例的可变电容装置中，设置下面将描述的压电元件231和232来代替上述实施方式中的聚合物致动器元件131和132。
这些压电元件231和232均包括在XY平面上延伸的导电板61、设置在该导电板 61两侧的一对压电体62A和62B、以及将导电板61和压电体62A和62B中的每一个的一端侧固定的一对固定部件63A和63B。
导电板61由例如以磷青铜为例的材料制成。压电体62A和62B均由例如以锆钛酸铅(PZT)为例的压电材料制成。注意，假设这些压电体62A和62B均经过沿着其厚度方向(Z轴方向)进行的预定极化处理，并且具有相同的极化方向。
在由此构造的压电元件231和232中，当对各个压电体62A和62B施加预定的驱动电压Vd时，一个压电体(这里，压电体62A)沿着X轴方向伸长，而另一个(这里，压电体 62B)沿着X轴方向收缩。结果，压电元件231和232整体沿着厚度方向(Z轴方向)弯曲 ( )， 并且产生Z轴方向的变形量。注意，当反转驱动电压Vd的极性时，获得反方向的变形量。以这种方式，各个压电元件231和232通过施加有驱动电压Vd而具有致动器元件的功能。
因此，在这些压电元件231和232用作致动器元件的本变形例的可变电容装置中， 通过类似的操作，可以获得与所述实施方式相同的效果。
[变形例6]
图16A和图16B均以示意图的方式示出了均用作应用于根据变形例6的可变电容装置的致动器元件的双金属(bimetallic)元件331和332的示意性构造和操作。图16A 示出了操作前的状态，以及图16B示出了操作后的状态。在本变形例的可变电容装置中，设置下面将描述的双金属元件331和332来代替上述实施方式中的聚合物致动器元件131和 132。
这些双金属元件331和332均包括在XY平面上延伸的一对金属板(热膨胀系数彼此不同的高膨胀性金属板72A和低膨胀性金属板72B);以及固定于各个这些金属板的一端侧的一对固定部件73A和73B。高膨胀性金属板72A和低膨胀性金属板72B通过彼此附接而形成层叠结构。
高膨胀性金属板72A和低膨胀性金属板72B均由例如通过向铁(Fe)和镍(Ni)的合金添加诸如锰(Mn)、铬(Cr)或铜(Cu)的金属而获得的材料制成。通过改变各个添加量而使各自的热膨胀系数彼此不同。
在由此构造的双金属元件331和332中，在温度高于图16A所示的平板状态(操作前的状态)的状态下，高膨胀性金属板72A比低膨胀性金属板72B膨胀得多。结果，双金属元件331和332整体沿着厚度方向(Z轴方向)弯曲(屈曲)，并且产生Z轴方向的变形量d。因此，通过利用诸如未示出的加热器的加热装置改变高膨胀性金属板72A和低膨胀性金属板72B中的每一个的温度,双金属兀件331和332均具有致动器兀件的功能。
因此，在这些双金属元件331和332用作致动器元件的本变形例的可变电容装置中，通过类似的操作，可以获得与所述实施方式相同的效果。
[应用例]
接下来，将描述根据上述的实施方式和变形例I 6的可变电容装置(可变电容装置1、1A ID等)的应用例(应用于天线模块和通信装置的示例)。
图17和图18是均示出了根据上述实施方式等的可变电容装置的应用例的通信装置(便携式电话4)的示意性构造的透视图。在该便携式电话4中，两个外壳41A和41B通过未示出的铰链机构可折叠地彼此连结。
如图17所示，在外壳41A的一侧的表面中，设置各种操作键42，在操作键42下部设置传声器43。操作键42用于接收由使用者进行的预定操作，从而输入信息。传声器43 用于在通话时等输入使用者的声音。
如图17所示，在外壳41B的一侧的表面中设置利用液晶显示面板等的显示部44， 并且在显示部的上端部设置扬声器45。显示部44显示各种信息，例如以无线电波接收状态、剩余电池量、通话另一端对方的电话号码、作为电话薄记录的内容(其他人的电话号码、姓名等)、呼出通话历史、呼入通话历史等为例。扬声器45用于在通话时等输出电话另一端对方的声音。
如图18所示，在外壳41B的另一侧的表面内部，设置具有根据该实施方式等的可变电容装置中的任一个的天线模块46。
图19A示出了天线模块46的主电路构造。该天线模块46具有天线元件461以及包括上述实施方式等中的电容元件Cl (可变电容元件)的可变电容装置I (或IA ID等的任一个)。
在具有这种构造的天线模块46中，与现有的天线模块相比，通过利用上述实施方式等的可变电容装置I (或IA ID等的任一个)来构造可以获得下列优点。
首先，在由便携式电话代表的具有无线通信功能的便携式终端(通信装置)中，近年来，为了使通信数据高速化以及提高便利性，使用的频率的多频带化、装配系统的多模式化已经有了进展。特别地，近来，被允许使用GSM(全球移动通信系统)方式和UMTS(通用移动电话系统)方式(W-CDMA(宽带码分多址)方式)两者的多频带-多模式的便携式电话、智能电话等已经变得普及。在这种便携式终端(通信装置)中，例如，除了 GPS(全球定位系统)、一段(用于便携式电话和便携式终端的单波段局部接收服务)等之外，还期望将利用诸如蓝牙(注册商标)、WLAN(无线局域网)、以FeliCa(非接触式IC卡注册商标) 为代表的近场通信(NFC)的各种方式的无线通信系统组合。
这里，在根据图19B中示出的比较例的现有技术的天线模块106中，如下实现利用这种多方式的无线通信系统中的波段切换。即，预先准备数量与其波段数相同的阻抗调节元件(这里，I个固定电容元件ClOO和6个固定电容元件ClOl C106)，并且通过开关元件SW切换与这些阻抗调节元件的连接，从而实现波段切换。然而，在这种构造中，首要的是需要多个阻抗调节元件(这里，固定电容元件)。此外，期望用以在它们之间进行切换的开关元件SW是用以抑制高电力且具有小损耗的元件，因此期望使用诸如砷化镓(GaAs)开关等的相对昂贵的元件。为此，在现有技术的天线模块106中，该构造复杂且大，从而增加了生产成本。
与之相比，在根据图19A所示的本应用例的天线模块46中，上述实施方式等中所描述的可变电容装置I等是用于波段切换的合适的元件，因此可以极大地简化收发电路的构造。此外，可以连续地改变可变电容元件Cl的电容值，从而可以选择大量的波段(理论上，无穷的)。此外，可以通过单个可变电容元件覆盖从小电容值到大电容值的广泛的电容值范围，因此以简单的构造实现了多方式的无线通信系统的组合。
[其他变形例]
已经通过使用实施方式、变形例以及应用例描述了本技术。然而，本技术并不局限于这些实施方式等，可以进行各种修改。
例如，在一些情况下，可以不设置实施方式等中的上述连接部件15以及连结部件 141和142。此外，尽管针对通过固定部件12直接固定致动器元件的一端侧的情况描述了实施方式等，但是本技术并不局限于这种情况。换句话说，可以由固定部件12(经由固定电极16等)间接地固定致动器元件的一端侧。此外，已经针对将可动电极17设置为间接连接至致动器元件的情况描述了实施方式等，但是本技术并不局限于这种情况。换句话说，可以将可动电极17设置为直接连接至致动器元件(在致动器元件的一部分(表面等)中形成可动电极17)。
此外，主要对设置有一对致动器元件的情形描述了实施方式等。然而，致动器元件可以不成对，并且可以设置一个致动器元件、或3个以上致动器元件。
此外，每个致动器元件的形状不局限于实施方式等中的形状，同样，层叠结构不局限于实施方式等中描述的结构，并且可以适宜地变化。此外，可变电容装置中每个部件的形状和材料不局限于实施方式等中描述的形状和材料。
此外，根据本发明实施方式的可变电容装置不局限于应用于应用例中所描述的天线模块和通信装置(便携式电话)，并且可以应用于其他类型的电子设备等。
本发明包含于2010年10月15日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-232754中公开的相关主题，其全部内容结合于此作为参考。
本领域的技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合以及替换，只要它们在所附权利要求书或其等同物的范围内。
权利要求
1.一种可变电容装置，包括固定部件；固定电极，所述固定电极的第一端侧由所述固定部件固定；致动器元件，所述致动器元件的第一端侧由所述固定部件直接或间接固定；可动电极，被配置为直接或间接连接至所述致动器元件，并且被设置为基本面向所述固定电极；以及驱动部，用于使所述致动器元件的第二端侧变形，以改变所述固定电极与所述可动电极之间的距离。
2.根据权利要求I所述的可变电容装置，还包括多个所述致动器元件；以及连接部件，用于在各个所述致动器元件的第二端侧与所述可动电极的第一端侧之间进行连接。
3.根据权利要求2所述的可变电容装置，还包括连结部件，用于在各个所述致动器元件的第二端侧与所述连接部件之间进行连结，其中，所述连结部件具有等于或小于各个所述致动器元件的硬度的硬度。
4.根据权利要求I至3中任一项所述的可变电容装置，其中，设置有多组所述固定电极和所述可动电极。
5.根据权利要求4所述的可变电容装置，其中，利用多组所述固定电极和所述可动电极所形成的多个可变电容元件彼此并联、串联或以二者组合的方式连接。
6.根据权利要求I至3中任一项所述的可变电容装置，其中，所述固定电极通过在面向所述可动电极的表面上使用彼此电分离的多个子电极而构成，所述可变电容装置还包括电容值检测部，用于检测利用多个所述子电极中的一个所述子电极和所述可动电极所形成的监控用可变电容元件的电容值，以及所述驱动部通过利用由所述电容值检测部所检测出的所述监控用可变电容元件的电容值来控制所述致动器元件的变形量。
7.根据权利要求6所述的可变电容装置，其中，所述驱动部控制所述致动器元件的变形量，以使所检测出的所述监控用可变电容元件的电容值与预定的目标值基本一致。
8.根据权利要求I至3中任一项所述的可变电容装置，还包括位移量检测部，用于检测所述可动电极的位移量，其中，所述驱动部通过利用由所述位移量检测部检测出的所述位移量来控制所述致动器元件的变形量。
9.根据权利要求I至3中任一项所述的可变电容装置，其中，所述固定电极具有包括导体层和设置在所述导体层的可动电极一侧上的介电层的层叠结构。
10.根据权利要求I至3中任一项所述的可变电容装置，其中，所述致动器元件是聚合物致动器元件。
11.根据权利要求10所述的可变电容装置，其中，所述聚合物致动器元件包括一对电极膜，以及插入所述一对电极膜之间的高分子膜。
12.根据权利要求I至3中任一项所述的可变电容装置，其中，所述致动器元件是压电元件或双金属元件。
13.一种天线模块，包括天线元件；以及可变电容装置，其中，所述可变电容装置包括固定部件；固定电极，所述固定电极的第一端侧由所述固定部件固定；致动器元件，所述致动器元件的第一端侧由所述固定部件直接或间接固定；可动电极，被配置为直接或间接连接至所述致动器元件，并且被设置为基本面向所述固定电极；以及驱动部，用于使所述致动器元件的第二端侧变形，以改变所述固定电极与所述可动电极之间的距离。
14.一种通信装置，包括天线模块，包括天线元件和可变电容装置，其中，所述可变电容装置包括固定部件；固定电极，所述固定电极的第一端侧由所述固定部件固定；致动器元件，所述致动器元件的第一端侧由所述固定部件直接或间接固定；可动电极，被配置为直接或间接连接至所述致动器元件，并且被设置为基本面向所述固定电极；以及驱动部，用于使所述致动器元件的第二端侧变形，以改变所述固定电极与所述可动电极之间的距离。
全文摘要
本发明公开了可变电容装置、天线模块及通信装置，该可变电容装置包括固定部件；固定电极，其第一端侧由固定部件固定；致动器元件，其第一端侧由固定部件直接或间接固定；可动电极，被配置为直接或间接连接至致动器元件且被设置为基本面向固定电极；以及驱动部，使致动器元件的第二端侧变形，以改变固定电极与可动电极之间的距离。
文档编号H01G5/18GK102543440SQ201110308940
公开日2012年7月4日 申请日期2011年10月12日 优先权日2010年10月15日
发明者加藤祐作, 永井信之, 石田武久 申请人:索尼公司