積層コンデンサが何故重宝されているのか？

皆さまお疲れさまです。ケンタ（@den1_tanaoroshi）です。

 

日経を読んでいましたら、村田製作所の積層コンデンサが全世界でバカ売れしているという記事を見かけまして、電気的に一瞬「？？？」となりましたので、ちょっとその経緯を書いてみます。

積層コンデンサの用途

積層コンデンサはあらゆる電子部品に使われています。積層コンデンサは従来のコンデンサと違って、小型化しても電荷を多く貯めることができるので、最近は特にスマホに重宝されるようになりました。小型化のレベルは年々進歩してきていまして、現在の世界最小は画像にある村田製作所の0.25×0.125mm（基板上の面積）です。

iPhoneには約900個（？！）の積層コンデンサが使用されているようです。今後は、車載カメラや電気自動車のインバータなどの自動車向けの需要が伸びてくることが予想されています。

コンデンサの動作

1つは、コンデンサを直流電源に並列に接続させて、充放電させて電圧を一定に保たせます。

もう1つは、抵抗と併用してローパスフィルターやハイパスフィルターとして使用します。

積層コンデンサは何故電荷をたくさん貯められるのか?

ようやく本題です笑　電子機器に疎い私は記事を見た時に、「コンデンサは積層しても合成容量は変わらないだろ？」と思ったんです。と同時に、「積層して電荷をたくさん貯められるのはあの方法でしか無理だ」とも思いました。このあたりを詳しく書いていきます。

普通に考えておかしいと思った理由

コンデンサを積層させて、以下の積層コンデンサを作ったとします。

そのときの合成コンデンサ\(C_合\)は

\begin{align}
\frac{1}{C_合}&=n\times\frac{1}{\varepsilon}\frac{d/n}{S}\\
&=\frac{1}{\varepsilon}\frac{d}{S}\\
C_合&=\varepsilon\frac{S}{d}\\
\end{align}

となります。

つまり、積層だろうが単相だろうが容量は変わらないことになります。

たくさん貯められると考えられる方法

直列接続で駄目なら並列接続ではどうでしょうか。

並列接続の合成コンデンサ\(C_合\)は

\begin{align}
C_合&=n\times\varepsilon\frac{S}{d/n}\\
&=n^2\times\varepsilon\frac{S}{d}\\
\end{align}

となります。つまり、コンデンサを並列するように積層すれば、その2乗に比例して容量が増えることになります。

どうやって並列接続しているのか？

「並列接続であればコンデンサの容量が増えるのではないか?」という仮説が立ちましたので、実際に検証してみましょう。

積層コンデンサの断面図は調べてみたところこんな感じです。

両端が正負の終極端子となっていて、絶縁層のあいだあいだに極板が挿入されています。

そうです、積層されている方向が終極端子の方向と直行しているんですね。このコンデンサを回路図チックに書き直していくと、こんな感じになります。

ということで、積層コンデンサは並列したコンデンサになるんですね。私の仮説が合っていました。

まとめ

日々何気なく目にするニュースでも、特に産業系のニュースはこうして電験に繋がるのもあるので、幅広く情報を仕入れていて楽しかったりします。

新電気とか以外にもブログに書けるようなネタは転がっているんですね。

 

それでは次回！