KR100440194B1 - 압전 공진기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 고내열성 및 협공차(狹公差)를 갖는 고성능 컴팩트 발진기를 실현할 수 있는 압전 공진기를 제공한다. 압전 공진기는 여진층 및 비여진층을 포함하는 소자 본체를 포함하고 있다. 한 진동 전극은 여진층의 표면에 형성되고, 다른 진동 전극은 여진층과 비여진층 사이에 형성된다. 두 개의 진동 전극은 여진층의 중앙부에서 서로 마주 보도록, 그 중앙부를 향하여 여진층의 마주 보는 말단으로부터 형성된다. 소자 본체의 단면에, 단면 전극들이 각각 진동 전극에 접속되기 위해 형성된다.
Description
본 발명은 압전 공진기에 관한 것으로, 특히, 발진기 등에 주로 사용되는 압전 공진기에 관한 것이다.
지금까지, 발진기에 주로 사용되는 압전 공진기로서, 에너지 밀폐형(energy enclosing type) 공진기가 제안되어 왔고 실용화되어 왔는데, 그것은 압전 단일칩(piezoelectric single-chip)의 세로 두께 모드 기본파(longitudinal thickness mode fundamental wave), 압전 단일칩의 제 3 세로 두께 모드 고조파, 압전 단일칩의 전단 모드 진동(shear mode vibration), 모놀리식(monolithic) 압전체의 세로 두께 모드 고조파 등을 이용하고 있다.
그러나, 세로 두께 모드 기본파를 이용하는 종래의 공진기에 있어서, 에너지를 밀폐할 수 있는 재료들이 한정되어 있으므로, 고내열성(high thermal resistance)을 갖는 재료를 이용하는 에너지 밀폐형 공진기를 제조하기는 상당히 어렵다. 종래의 전단 모드 공진기가 고내열성을 갖는 재료를 이용할 수 있다고 하더라도, 음파의 고속으로 인하여 고주파수로 공진기를 제작하는 동안 조작(handling)이 복잡하고, 소자(element) 그 자체의 기계적 신뢰도를 향상시키는 것이 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 큰 전기기계적 계수를 갖는 상기 공진기들은 협공차(狹公差; narrow tolerance)를 갖는 공진기로 사용되기 어려운 별개의 문제점이 있다.
압전 단일칩의 제 3 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 소자 본체들은 상기한 문제점들을 갖지 않는다. 그러나, 에너지 밀폐형 공진기의 최적 전극 지름이 크므로, 소자 본체들은 그 소자 자체를 소형화하는데 불리한 점을 가지고 있다. 또한, 소자 두께가 기본파형의 소자 두께의 3배이므로, 박형화(薄型化)가 어렵다. 모놀리식 압전체의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 공진기들은 고내열성을 갖는 재료를 이용할 수 있고, 한편, 에너지 밀폐형 공진기의 최적 전극 지름이 세로 두께 모드 기본파 공진기와 유사하므로, 소형화를 위한 제한이 적다. 그러나, 큰 전기기계적 계수 때문에 협공차를 갖는 공진기로 사용되기 어려운 문제점이 있다. 상술한 바와 같이, 종래의 기술에 의해서, 고내열성 및 협공차를 갖는 컴팩트 발진기(compact oscillator)를 얻기는 어렵다.
아울러, 발명자들에 의해 발명된 일본 특허 공개 공보 제 5-48377호에는, 압전성 없는 상유전층(paraelectric layer)과 압전층의 두 층으로 형성된 적층 재료(deposited material)를 이용하는 압전 공진기가 기재되어 있다. 상기 압전 공진기에 있어서, 압전층과 상유전층이 직렬로 접속되어 있는 상태로 전기장이 인가되기 때문에, 압전층이 효율적으로 진동될 수 없고, 용량성 성분이 등가 회로에 직렬로 삽입되기 때문에, 진동기로서의 특성이 크게 변화된다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 주요 목적은 고내열성 및 협공차를 갖는 고성능 컴팩트 발진기를 얻을 수 있는 압전 공진기를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 공진기의 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 2는 본 발명에 따른 압전 공진기의 다른 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 3은 본 발명에 따른 압전 공진기의 다른 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 4는 본 발명에 따른 압전 공진기의 다른 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 5는 본 발명에 따른 압전 공진기의 다른 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 6은 본 발명에 따른 압전 공진기에 있어서, 여진층 및 비여진층의 두께가 변화되는 상태를 나타내는 도해도이다.
도 7은 스퓨리어스 감도 억제 전극이 형성된 압전 공진기의 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 8은 스퓨리어스 감도 억제 전극이 형성된 압전 공진기의 다른 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 9는 스퓨리어스 감도 억제 전극이 형성된 압전 공진기의 다른 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 10은 도 1에 도시된 압전 공진기의 제조과정의 일부를 나타내는 도해도이다.
도 11은 도 10에 도시된 과정에서 제작된 소결체를 나타내는 도해도이다.
도 12는 비교예로서 종래의 압전 공진기의 실시예를 나타내는 도해도이다.
도 13은 도 1에 도시된 본 발명에 따른 압전 공진기 및 도 12에 도시된 종래의 압전 공진기의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 14는 도 2에 도시된 압전 공진기의 비교예로서 사용된 종래의 압전 공진기를 나타내는 도해도이다.
도 15는 도 2에 도시된 본 발명에 따른 압전 공진기 및 도 14에 도시된 종래의 압전 공진기의 임피던스의 주파수 특성을 나타내는 그래프이다.
도 16은 도 6에 도시된 비여진층의 두께와 압전 공진기의 θmax값과의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 17은 도 7에 도시된 압전 공진기에서 여진된 기본파, 제 2 고조파 및 제 3 고조파에 대한 Esd/D 값과 θmax값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 18은 도 7에 도시된 압전 공진기의 dF/Fa 값과 Esd/D 값의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 19는 본 발명에 따른 압전 공진기에 있어서, 진동 전극의 형상이 변화되는 예를 나타내는 도해도이다.
본 발명에 따라, 적어도 한 쌍의 진동 전극; 및 적어도 한 쌍의 진동 전극들 사이에 끼여 진동되기 위하여 전기장에 의해 여진되는 적어도 한 개의 여진층(excitation layer) 및 진동되기 위하여 여진되지 않는 적어도 한 개의 비여진층을 포함하는 소자 본체(element body)를 포함하는 압전 공진기가 제공되고, 상기 압전 공진기는 n차(n은 1을 제외한 정수)의 세로 두께 모드 고조파를 여진하고, 여기에서, 상기 소자 본체의 두께를 t로 표시하고, 단위층 두께를 대략 t/n으로 표현할 때, 여진층의 두께는 단위층 두께의 정수배이고, 적어도 한 개의 비여진층의 두께는 단위층 두께의 정수배가 될 것이다.
상기 압전 공진기에 있어서, 여진층의 단위층 두께는 0.7 t/n ~ 1.2 t/n 범위이고, 비여진층의 단위층 두께는 0.8 t/n ~ 1.3 t/n의 범위에 있는 것이 바람직하다.
또한, 진동 전극들이 비여진층의 한 개의 주요면에만 형성되거나, 또는 동일한 전위의 진동 전극들이 비여진층의 양 주요면에 형성될 수 있다.
더욱이, 비여진층은 비분극 압전 세라믹(non-polarized piezoelectric ceramic) 또는 유전 세라믹(dielectric ceramic)으로부터 제작될 수 있다.
상기 압전 공진기는 소자 본체의 표면에 형성된 제 1 및 제 2 단면 전극(end-face electrode); 제 1 단면 전극에 전기적으로 접속된 스퓨리어스 감도 억제 전극(spurious response suppressing electrode)도 포함할 수 있다. 여기에서, 스퓨리어스 감도 억제 전극은 여진층 및 비여진층의 적층 방향과 수직인 방향으로, 한 쪽 끝이 제 2 단면 전극에 접속된 진동 전극의 다른 쪽 끝과 일정한 간격(gap)을 갖도록 형성된다.
간격과 단위층 두께 사이의 비, 즉, 간격/단위층 두께는 1.0 ~ 3.0의 범위에 있는 것이 바람직하다.
여진층을 끼고 있음으로써 형성된 진동 전극들 사이에 전기장을 인가함으로써, 여진층은 세로 두께 모드로 진동되기 위해 여진된다. 이 때에, 전기장이 비여진층에 인가되지 않거나, 또는 비여진층이 전기장이 인가될 때에도 여진될 수 없는 재료로 제작되기 때문에, 비여진층은 진동되기 위해 여진될 수 없다; 그러나, 정상파가 여진층의 진동에 의해 비여진층도 통과하여, 결국, 전체(entirety)는 고차(高次)의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다. 즉, 소자 본체의 두께를 t로 표시하고, 단위층 두께를 대략 t/n으로 표현할 때, 여진층의 두께 및 비여진층 중의 적어도 하나의 두께를 단위층 두께 t/n의 정수배로 증가시킴으로써, 전체로서 n차의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기를 얻을 수 있다.
상기 압전 공진기는 고내열성을 갖는 재료를 이용할 수 있고, 또한 전기기계적 계수의 값을 줄일 수 있으므로, 협공차를 갖는 공진기가 된다.
상기 압전 공진기에 있어서, 여진층의 단위층 두께가 0.7 t/n ~ 1.2 t/n 범위에 있고, 비여진층의 단위층 두께가 0.8 t/n ~ 1.3 t/n의 범위에 있을 때, 우수한 특성을 갖는 압전 공진기를 얻을 수 있다.
진동 전극들 사이에 끼지 않게 비여진층을 형성함으로써 전기장이 인가될 수 없도록 비여진층이 형성될 수 있다.
또한, 비여진층은 비분극 압전 세라믹 또는 유전 세라믹을 이용함으로써 전기장이 인가될 때에도 여진될 수 없다. 이러한 경우에, 물론, 전기장이 비여진층에 인가될 수 없도록 전극이 배열될 수 있다.
더욱이, 스퓨리어스 감도 억제 전극을 형성함으로써, 원하는 모드 이외의 어떠한 모드에서도 진동이 억제될 수 있다.
상기 효과는 간격/단위층 두께의 비가 1.0 ~ 3.0의 범위에 있을 때 현저할 것이다.
본 발명의 상기 목적 및 다른 목적, 특징, 이점들이 첨부한 도면과 관련하여 하기의 본 발명의 실시 형태에 대한 상세한 설명으로부터 더욱 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 압전 공진기의 실시예를 나타내는 도해도이다. 압전 공진기 10은 여진층 14 및 비여진층 16을 포함하는 소자 본체 12를 포함하고 있다. 비여진층 16은, 후술하는 바와 같이 전기장이 압전 공진기 10에 인가될 때, 진동되기 위해 여진되지 않는 층을 나타낸다. 이 때, 여진층 14는 두께 방향으로 분극된다. 소자 본체 12는 여진층 14와 비여진층 16이 동일한 두께를 갖도록 형성된다. 즉, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시할 때, 여진층 14와 비여진층 16의 각 두께는 t/2이다.
여진층 14의 양 표면에, 진동 전극 18 및 20이 형성된다. 진동 전극 18은 여진층 14의 윗면(top surface)에 형성되고, 한편, 진동 전극 20은 여진층 14와 비여진층 16 사이에 형성된다. 진동 전극 18은 여진층 14의 한 쪽 끝으로부터 그것의 중앙부를 향하여 형성되고, 한편, 나머지 진동 전극 20은 여진층 14의 다른 쪽 끝으로부터 그것의 중앙부를 향하여 형성된다. 여진층 14의 중앙부에는, 두개의 진동 전극 18 및 20이 서로 마주 보고 있다. 게다가, 소자 본체 12의 양 단면에는, 단면 전극 22 및 24가 형성된다. 단면 전극 22는 여진층 14의 윗면에 있는 진동 전극 18에 접속되고, 한편, 나머지 단면 전극 24는 여진층 14와 비여진층 16 사이에 있는 진동 전극 20에 접속된다.
압전 공진기 10에 있어서, 단면 전극 22 및 24에 신호를 인가함으로써, 전기장이 여진층 14의 두께 방향으로 진동 전극 18과 20 사이에 인가된다. 그로 인해, 여진층 14는 세로 두께 모드로 진동되기 위해 여진된다. 이 때, 전기장이 비여진층 16에는 인가되지 않으므로, 비여진층 16은 진동되기 위해 여진되지 않는다. 그러나, 여진층 14가 세로 두께 모드로 진동되기 위해 여진되기 때문에, 정상파가 비여진층 16도 통과하여, 결국, 전체는 고차의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다. 도 1에 도시된 압전 공진기 10은 동일한 두께를 갖는 여진층 14와 비여진층 16을 적층함으로써 형성되고, 그것은 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다. 상기 구조의 압전 공진기에 있어서, 진동 전극 18 및 20은 여진층 14의 중앙부에서만 서로 마주 보고 있고, 그로 인해, 에너지 밀폐 영역이 그 안에 형성되어 에너지 밀폐형 압전 공진기를 형성한다.
압전 공진기 10은 여진층 14의 재료로서 고내열성을 갖는 재료를 이용할 수 있고, 또한, 전기기계적 계수의 값을 줄일 수 있어, 결국, 협공차를 갖는 공진기가 된다. 더욱이, 여진층 14의 양 표면에 진동 전극 18 및 20을 형성함으로써, 전기장이 여진층 14에만 인가될 수 있으므로, 압전 공진기 10은 세로 두께 모드로 진동되기 위해 효율적으로 여진될 수 있다. 또한, 등가 회로에서, 용량성 성분이 여진층 14에 직렬로 삽입되지 않기 때문에, 안정한 공진기 특성을 얻는다.
도 2에서 보는 바와 같이, 압전 공진기 10은 또한 두 개의 여진층 14a와 14b 및 한 개의 비여진층 16을 적층함으로써 형성된 소자 본체 12를 포함하는 압전 공진기를 이용함으로써 제 3 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 될 수 있다. 압전 공진기 10에 있어서, 진동 전극 30 및 32는 단면 전극 22에 접속되기 위해서 여진층 14a 및 14b의 양 측면에 형성된다. 다른 진동 전극 34는 단면 전극 24에 접속되기 위해서 두 개의 여진층 14a와 14b 사이에 형성된다. 아울러, 비여진층 16의 외부 표면에는 진동 전극이 형성되지 않기 때문에, 전기장이 인가되지 않도록 비여진층 16이 형성된다. 소자 본체 12의 두께를 t로 표시할 때, 여진층 14a와 14b 및 비여진층 16의 두께는 각각 t/3이다.
상기 압전 공진기 10에 있어서, 전기장이 여진층 14a 및 14b에 인가되고, 여진층 14a 및 14b는 교대로 세로 두께 모드로 진동되도록 여진된다. 이 때, 정상파가 비여진층 16도 통과하여, 결국, 전체는 제 3 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다.
더욱이, 도 3에서 보는 바와 같이, 여진층 14의 양 측면에 각각 비여진층 16a 및 16b가 형성된 소자 본체 12를 이용할 수 있다. 이러한 경우에, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시할 때, 여진층 14는 t/3의 두께를 갖도록 형성되고, 두 개의 비여진층 16a 및 16b의 각각의 두께 T2는 t/3의 두께를 갖도록 형성된다. 중앙부의 여진층 14의 양 측면에, 진동 전극 18 및 20이 각각 단면 전극 22 및 24에 접속되기 위해서 형성된다. 또한, 상기 압전 공진기에 있어서, 전기장이 여진층 14에 인가되어 세로 두께 모드로 진동되기 위해 여진되고, 정상파가 여진층 14의 양 측면에 형성된 비여진층 16a 및 16b를 통과하여, 결국, 전체는 제 3 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다.
더욱이, 도 4에서 보는 바와 같이, 여진층 14 및 비여진층 16을 적층함으로써 형성된 소자 본체 12를 이용한 압전 공진기에 있어서, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시하면, 여진층 14의 두께는 t/3이고, 비여진층 16의 두께 T2는 2t/3일 수 있다. 이러한 경우에, 여진층 14가 세로 두께 모드로 진동되기 위해 여진되면, 정상파가 여진층 14의 두께의 2배를 갖는 비여진층을 통과하여, 결국, 전체는 제 3 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다.
또한, 도 5에서 보는 바와 같이, 압전 공진기 10은 소자 본체 12를 이용할 수 있는데, 그 중앙에는, 양 측면에 형성된 여진층 14a 및 14b를 갖는 비여진층 16이 형성된다. 상기 압전 공진기 10에 있어서, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시하면, 여진층 14a 및 14b는 각각 t/4의 두께를 갖도록 형성되고, 비여진층 16의 두께 T2는 t/2의 두께를 갖도록 형성된다. 여진층 14a의 양 측면에, 진동 전극 36 및 38이 형성되고, 한편, 여진층 14b의 양 측면에, 진동 전극 40 및 42가 형성된다. 소자 본체 12의 외부 표면에 형성된 진동 전극 36 및 42는 단면 전극 22에 접속되고, 소자 본체 12의 내부에 형성된 진동 전극 38 및 40은 단면 전극 24에 접속된다.
상기 압전 공진기 10에 있어서, 전기장이 소자 본체 12의 양 측면에 있는 여진층 14a 및 14b에 인가되고, 여진층 14a 및 14b는 교대로, 세로 두께 모드로 진동되기 위해 여진된다. 그러나, 중앙의 비여진층 16의 양 측면에 있는 진동 전극 38 및 40이 동일한 단면 전극 24에 접속되기 때문에, 비여진층 16에 전기장이 인가되지 않으므로, 진동되기 위해 여진되지 않는다. 정상파가 여진층 14a 및 14b의 각각의 두께의 두배를 갖는 중앙의 비여진층 16을 통과하여, 결국, 전체는 제 4 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기가 된다.
상술한 바와 같이, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시하고, 단위층 두께를 t/n으로 표현할 때, 여진층 및 비여진층의 두께를 t/n의 정수배로 증가시킴으로써, 전체로서 n차의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기를 얻을 수 있다. 아울러, 상술한 각 압전 공진기 10에 있어서, 비여진층은 전기장이 인가되지 않는 구조를 가짐으로써 형성된다; 그러나, 전기장이 인가되는 구조에 있어서, 비여진층은 비분극 압전 세라믹 또는 유전 세라믹에 의해 그것을 형성함으로써 얻어질 수 있다.
아울러, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시할 때, 여진층 및 비여진층의 두께는 반드시 정확히 t/n일 필요는 없다. 예를 들어, 도 6에서 보는 바와 같이, 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기 10에 있어서, 여진층 14의 두께는 비여진층 16의 두께 T2보다 클 수 있다. 반대로, 여진층 14의 두께는 비여진층 16의 두께 T2보다 작을 수 있다. 실험 결과로부터, 우수한 특성을 갖는 압전 공진기는, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시한다면, 여진층 14가 0.7 t/n ~ 1.2 t/n 범위의 두께를 가지고, 비여진층 16이 0.8t/n ~ 1.3 t/n 범위의 두께를 가질 때 얻어질 수 있다고 이해된다.
더욱이, 도 7에서 보는 바와 같이, 스퓨리어스 감도 억제 전극을 형성함으로써, 스퓨리어스 출력이 억제될 수 있다. 압전 공진기 10에 있어서, 스퓨리어스 감도 억제 전극 44는 단면 전극 22에 접속되기 위해서 비여진층 16의 외부 표면에 형성된다. 스퓨리어스 감도 억제 전극 44는 여진층 14 및 비여진층 16의 적층 방향에 수직 방향으로 형성되고, 단면 전극 24에 접속된 내부 진동 전극 20으로부터 떨어져 배치되어 있다. 상기한 방식으로, 스퓨리어스 감도 억제 전극 44를 형성함으로써, 스퓨리어스 출력은 억제될 수 있다. 실험 결과로부터, 상기 효과는, Esd/D의 값이 1.0 ~ 3.0 범위에 있을 때, 현저하다고 이해된다. 여기에서, Esd는 진동 전극 20과 스퓨리어스 감도 억제 전극 44 사이의 간격을 나타내고, D는 소자 본체 12의 두께 t의 1/2를 나타내는 단위층 두께이다.
도 7에 도시된 압전 공진기 10이 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기이기 때문에, D는 소자 본체 12의 두께 t의 1/2이다. 일반적으로, 압전 공진기가 n차의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기일 때, 소자 본체 12의 두께를 t로 표시하면, D는 t/D로 나타내는 단위층 두께이다. 간격 Esd와 단위층 두께 D 사이의 비가 1.0 ~ 3.0일 때, 스퓨리어스 억제 효과는 현저하게 된다.
스퓨리어스 감도 억제 전극 44가 형성된 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기 10으로서, 도 8에서 보는 바와 같이, 진동 전극 18, 20 및 스퓨리어스 감도 억제 전극 44가 소자 본체 12의 외부 표면에 노출되지 않을 수도 있다. 또한, 도 9에서 보는 바와 같이, 여진층 14의 두배의 두께를 갖는 비여진층 16이 있는 제 3 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기에 스퓨리어스 감도 억제 전극이 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 압전 공진기 10에 있어서, 스퓨리어스감도 억제 전극 44a는 비여진층 16의 두께 방향의 중간 부분에 형성되고, 다른 스퓨리어스 감도 억제 전극 44b는 비여진층 16의 표면에 형성된다. 간격 Esd는 스퓨리어스 감도 억제 전극 44a와 내부 진동 전극 20 사이에 형성되고, 한편, 간격 Esd는 스퓨리어스 감도 억제 전극 44b와 외부 진동 전극 18 사이에 형성된다. 상기한 방식으로, 스퓨리어스 감도 억제 전극 44를 형성함으로써, 스퓨리어스 출력은 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기에서 뿐만 아니라, n차의 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기에서도 억제될 수 있다.
실시예 1
첫째, 산화 납, 산화 티타늄, 산화 란탄 및 탄산 망간을 Pb : La : Ti : Mn의 몰 비가 0.865 : 0.090 : 1.000 : 0.020가 되도록 준비하였다; 그것들을 물 및 부분적으로 안정된 산화 지르코늄와 함께 볼 밀(ball mill)로 약 10시간동안 교반 혼합시켰다; 탈수공정 후에, 혼합물을 대기중에 800 ~ 1000℃의 온도로 약 2시간 동안 하소하였다. 상기의 얻어진 하소 재료(calcined material)에, 비닐 아세테이트 바인더(vinyl acetate binder)를 바인더 환원 고체(reduced solid) 10g, 물 30g의 비율로 혼합하고, 적당한 양의 가소제(plasticizer)를 100g의 하소 재료에 첨가함으로써 시트(sheet) 성형용 슬러리(slurry)를 제작하였다.
상기 슬러리로부터 닥터 블레이드 법(doctor blade method)을 이용하여 약 50㎛의 두께를 갖는 시트를 형성하였다; 상기 형성된 시트를 20mm × 30mm의 크기로 절단하였다; 도 10에서 보는 바와 같이, 전극 패턴 52를 시트 50의 일부에 평행선 패턴으로 스크린 인쇄(screen-print)하였다; 상기 사용된 스크린 메쉬(mesh)는 #400이었다; 전극 재료는 백금이었다; 인쇄용 페이스트(paste)는 백금과 와니스(varnish)의 혼합물이고, 백금의 50 ~ 70중량%를 포함하였다; 도 10에서 보는 바와 같이, 전극 패턴 52가 형성된 시트 50의 양 표면위에, 전극 패턴이 형성되지 않은 시트 54를 쌓고, 100 ~ 200 MPa의 압력하에서 압착하였고, 상기 얻어진 압착물을 1200℃로 약 2시간 동안 소성하여, 그 내부에 전극 56이 형성된 소결체 58을 얻었다.
상기 얻어진 소결체 58의 양 전면(全面; entire surface)에, 증착(vapor deposition)에 의해 은(silver) 전극을 형성하였다; 그 후, 소결체 58를 100 ~ 150℃ 온도의 오일에서 5 ~ 10MV/m의 전기장을 인가함으로써 분극처리하였다; 그 후, 상기 샘플을 100 ~ 250℃ 온도의 공기에서 1시간 동안 유지시킨 후, 증착된 은 전극을 에칭에 의해 패턴화하였다; 도 11에서 보는 바와 같이, 패턴화된 은 전극 60은 서로 평행이 되고, 소결체 내부에 형성된 전극 56와 일부 마주 보도록 형성되었다; 도 11의 점선에 의해 도시된 바와 같이, 소결체 내부에 형성된 전극 56 및 소결체 58의 표면에 형성된 전극 60이 마주 보는 단면에 노출되도록 소결체를 절단하여 전극 18 및 20이 형성된 소자 본체 12를 얻었다; 소자 본체 12의 측면에는, 단면 전극 22 및 24가 마주 보는 단면에 노출된 전극 18 및 20에 접속되도록 형성되었다; 상기한 방식으로, 도 1에 도시된 압전 공진기를 제작하였다.
상기 얻어진 압전 공진기 10에 대하여, 임피던스의 주파수 특성을 측정하였다. 비교예로서, 도 12에서 보는 바와 같이, 전극 66, 68 및 70이 형성되어 있고,각각 마주 보는 두 개의 여진층 62 및 64를 갖는 종래의 압전 공진기에 대해 임피던스의 주파수 특성을 측정하였다. 그 결과는 도 13에 나타난다. 도 13으로부터, 본 발명에 따른 압전 공진기에 있어서, 종래의 압전 공진기와 비교하여 더 좁은 대역을 갖는 공진 특성이 얻어졌다는 사실이 이해된다. 아울러, 본 실시 형태에 따른 압전 공진기 10은 제 2 세로 두께 모드 고조파를 여진한다.
실시예 2
도 2에서 보는 바와 같이, 두 개의 여진층 및 한 개의 비여진층을 포함하고, 제 3 세로 두께 모드 고조파를 여진하는 압전 공진기 10이 제작되었다. 상기 얻어진 압전 공진기 10에 대하여, 임피던스의 주파수 특성을 측정하였다. 비교예로서, 도 14에서 보는 바와 같이, 전극 78, 80 및 82가 형성되어 있고, 각각 마주 보는 세 개의 여진층 72, 74 및 76을 갖는 종래의 압전 공진기에 대해, 임피던스의 주파수 특성을 측정하였다. 그 결과는 도 15에 나타난다. 도 15으로부터, 본 발명에 따른 압전 공진기에 있어서, 종래의 압전 공진기와 비교하여 더 좁은 대역을 갖는 공진 특성이 얻어졌다는 사실이 이해된다.
실시예 3
도 6에서 보는 바와 같이, 여진층 14 및 비여진층 16의 두께를 변화시킴으로써, 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기 10을 형성하였다. 그 후, 비여진층 16의 두께 T2와 압전 공진기의 위상 특성의 최고치 θmax사이의 관계를 측정하였고, 그 결과는 도 16에 나타난다. 도 16으로부터 알 수 있듯이, 소자 본체12의 두께를 t로 표시하고, D = t/2 이라면, T2가 0.8D ~ 1.3D 범위에 있을 때, 즉, 여진층 14의 두께가 0.7D ~ 1.2D일 때, θmax값은 크므로, 우수한 특성을 나타낸다.
실시예 4
도 7에서 보는 바와 같이, 스퓨리어스 감도 억제 전극 44를 포함하고 제 2 세로 두께 모드 고조파를 이용하는 압전 공진기 10을 형성하였다. 아울러, 도 7에 도시된 압전 공진기에 있어서, 소자 본체 12의 두께는 t = 0.245mm 이고, 소자 본체 12의 길이는 L = 2.2mm 이고, 진동 전극 18 및 20의 길이는 각각 Ein = 1.35mm, Eout = 1.35mm 이었다. 그 후, 간격 Esd와 단위층 두께 D의 비 Esd/D와 θmax사이의 관계를 측정하였고, 그 결과는 도 17에 나타난다. 도 17에 있어서, 압전 공진기 10에 의해 여진된 제 2 고조파의 θmax값, 스퓨리어스 신호인 기본파 및 제 3 고조파가 나타난다. 도 17에서 알 수 있듯이, Esd/D가 3.0 이하일 때, 스퓨리어스 신호인 기본파 및 제 3 고조파는 작고, 제 2 고조파의 θmax값은 크다.
더욱이, 도 7에 도시된 압전 공진기 10에 있어서, 비교 대역 dF/Fa와 Esd/D 사이의 관계를 측정하였고, 그 결과는 도 18에 나타난다. 도 18로부터 알 수 있듯이, Esd/D가 1.0 이상일 때, 좁은 대역을 얻었다. 상기한 압전 공진기 10에 있어서, 좁은 대역을 원하므로, Esd/D가 1.0 이상인 것이 바람직하다. 따라서, 도 17 및 18로부터, Esd/D는 1.0 ~ 3.0 범위에 있는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압전 공진기 10은 어떠한 차수의 세로 두께 모드 고조파도 여진할 수 있다. 에너지 밀폐형 영역을 형성하기 위한 진동 전극 18 및 20의 형상으로서, 도 19에 도시된 바와 같이, 원형, 타원형 또는 직사각형 형상에 상기 형상들을 접속한 형상이 될 수 있다.
여진층 14의 재료로서, 그것이 압전체인 한, 어떠한 재료라도 이용될 수 있다; 푸아송 비(Poisson ratio)가 1/3 이상일 때에도, 에너지 밀폐가 실현될 수 있음이 발명자의 의해 확인되었다. 일체 소결 구조(unitarily sintering struture)의 여진층의 재료로서, 세라믹 재료들이 일반적으로 이용된다. 상기 재료들로서, 티탄산 납, 티탄산 지르콘산 납, 티탄산 바륨, 텅스텐 브론즈, 파이로클로 및 특히 비스무스(bismuth) 층상 화합물과 같은 층상 화합물이 이용 가능하다. 접합 또는 접착 기술 등을 사용하여, 단결정 압전 재료를 임의의 비여진층과 일체화함으로써 유사한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 여진층 14 및 비여진층 16의 재료는 동일할 수도 있고 다를 수도 있다. 그것들이 동일하다면, 열팽창률에 차이가 없기 때문에, 온도가 변화될 때, 어떠한 내부 응력도 발생될 수 없고, 결국, 높은 신뢰도의 압전 공진기를 얻는다. 그것들이 다를 때, 공진 주파수의 온도 특성의 보정 및 공진기의 Q 값의 제어가 가능하다. 상기한 방식으로, 여진층 14 및 비여진층 16의 재료를 적절히 선택함으로써, 다양한 특성들을 얻을 수 있다. 더욱이, 비여진층 16은, 그것이 압전 공진기 10에인가된 전기장에 의하여 진동되기 위해 여진되지 않는 한, 압전성을 가질 수 있고, 또는 가지지 않을 수도 있다.
본 발명에 따라, 고내열성 및 협공차를 갖는 고성능 컴팩트 발진기의 실현이 가능한 압전 공진기를 얻을 수 있다.
상기한 압전 공진기에 있어서, 스퓨리어스 감도 억제 전극을 형성함으로써, 작은 스퓨리어스 감도의 압전 공진기를 얻을 수 있다.
Claims (10)
- 소자 본체; 및상기 소자 본체 내에 제공되는 적어도 하나의 내부 전극을 포함하는 적어도 한 쌍의 진동 전극들을 포함하는 압전 공진기에 있어서,상기 소자 본체는 전기장에 의해 진동이 되도록 여진되는 적어도 하나의 여진층, 및 진동이 여진되지 않는 적어도 하나의 비여진층을 포함하고, 상기 압전 공진기는 n차의 세로 두께 모드 고조파(n은 1 이외의 정수)를 여진하며,상기 소자 본체의 두께를 t로 표시하고 단위층 두께를 대략 t/n으로 표현할 때, 상기 적어도 하나의 여진층의 두께는 상기 단위층 두께의 정수배가 되고, 상기 적어도 하나의 비여진층의 두께는 상기 단위층 두께의 정수배가 되며,상기 적어도 하나의 내부 전극이 홀수개의 내부 전극들을 포함할 때, 상기 홀수개의 내부 전극들 중 가장 내측의 내부 전극에 인접한 적어도 하나의 층은 적어도 하나의 비여진층이고,상기 적어도 하나의 내부 전극이 짝수개의 내부 전극들을 포함할 때, 상기 소자 본체의 대략 중심에 위치하는 층은 적어도 하나의 비여진층인 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 소자 본체; 및상기 소자 본체 내에 제공되는 적어도 하나의 내부 전극을 포함하는 적어도 한 쌍의 진동 전극들을 포함하는 압전 공진기에 있어서,상기 소자 본체는 전기장에 의해 진동이 되도록 여진되는 적어도 하나의 여진층, 및 진동이 여진되지 않는 적어도 하나의 비여진층을 포함하고, 상기 압전 공진기는 n차의 세로 두께 모드 고조파(n은 1 이외의 정수)를 여진하며,상기 소자의 본체의 두께를 t로 표시하고 단위층 두께를 대략 t/n으로 표현할 때, 상기 적어도 하나의 여진층의 단위층 두께가 0.7t/n ~ 1.2t/n범위에 있고, 상기 적어도 하나의 비여진층의 단위층 두께가 0.8t/n ~ 1.3t/n의 범위에 있고,상기 적어도 하나의 내부 전극이 홀수개의 내부 전극들을 포함할 때, 상기 홀수개의 내부 전극들 중 가장 내측의 내부 전극에 인접한 적어도 하나의 층은 적어도 하나의 비여진층이고,상기 적어도 하나의 내부 전극이 짝수개의 내부 전극들을 포함할 때, 상기 소자 본체의 대략 중심에 위치하는 층은 적어도 하나의 비여진층인 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 진동 전극은 상기 비여진층의 한 개의 주요면에만 형성되거나 또는 동일한 전위의 진동 전극이 상기 비여진층의 양 주요면에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 비여진층은 비분극 압전 세라믹 또는 유전 세라믹으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 소자 본체의 표면에 형성된 제 1 및 제 2 단면 전극;상기 제 1 단면 전극에 전기적으로 접속된 스퓨리어스 감도 억제 전극을 포함하는 압전 공진기로서,상기 스퓨리어스 감도 억제 전극은, 상기 여진층 및 상기 비여진층의 적층 방향과 수직인 방향으로, 한 쪽 끝이 상기 제 2 단면 전극에 접속된 상기 진동 전극의 다른 쪽 끝과 일정한 간격을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 5 항에 있어서, 상기 간격과 상기 단위층 두께 사이의 비, 즉, 간격/단위층 두께는 1.0 ~ 3.0의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 3 항에 있어서, 상기 비여진층은 비분극 압전 세라믹 또는 유전 세라믹으로부터 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 3 항에 있어서, 상기 소자 본체의 표면에 형성된 제 1 및 제 2 단면 전극;제 1 단면 전극에 전기적으로 접속된 스퓨리어스 감도 억제 전극을 포함하는 압전 공진기로서,상기 스퓨리어스 감도 억제 전극은, 상기 여진층 및 상기 비여진층의 적층 방향과 수직인 방향으로, 한 쪽 끝이 상기 제 2 단면 전극에 접속된 상기 진동 전극의 다른 쪽 끝과 일정한 간격을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 4 항에 있어서, 상기 소자 본체의 표면에 형성된 제 1 및 제 2 단면 전극;제 1 단면 전극에 전기적으로 접속된 스퓨리어스 감도 억제 전극을 포함하는 압전 공진기로서,상기 스퓨리어스 감도 억제 전극은, 상기 여진층 및 상기 비여진층의 적층 방향과 수직인 방향으로, 한 쪽 끝이 상기 제 2 단면 전극에 접속된 상기 진동 전극의 다른 쪽 끝과 일정한 간격을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
- 제 7 항에 있어서, 상기 소자 본체의 표면에 형성된 제 1 및 제 2 단면 전극;제 1 단면 전극에 전기적으로 접속된 스퓨리어스 감도 억제 전극을 포함하는 압전 공진기로서,상기 스퓨리어스 감도 억제 전극은, 상기 여진층 및 상기 비여진층의 적층 방향과 수직인 방향으로, 한 쪽 끝이 상기 제 2 단면 전극에 접속된 상기 진동 전극의 다른 쪽 끝과 일정한 간격을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 공진기.
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