KR20010021135A - 압전공진자 및 압전공진부 - Google Patents
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Abstract
압전기판은 실효 포아손 비가 1/3 미만인 압전물질로 구성된다. 압전기판은 한 쌍의 대향면을 구비하며, 대향면은 대응하는 한 쌍의 진동전극을 구비한다. 압전기판의 대향면은 각각 직사각형이다. 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc의 합은 2.22mm≤ ≤2.24mm 또는 2.34≤ ≤2.48mm의 범위 내로 제한되고, 상기 한쪽 면들은 서로 수직이다. 대향면의 면적 Sc는 1.22mm2≤Sc≤1.26mm2또는 1.35mm2≤Sc≤1.538mm2이다. 따라서 비록 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질을 사용하더라도 두께 확장방향 기본파의 진동이 안정적으로 이용될 수 있다.
Description
본 발명은 압전공진자 및 압전공진부에 관한 것이다.
압전 세라믹을 이용하는 압전공진자는 필터, 공진자 또는 센서에 광범위하게 이용되고 있다. 특히, 티탄산납(PT)이나 티탄산지르콘산납(PZT)과 같은 압전물질은 크리스털로 대표되는 단결정 압전물질보다 싸다. 이것은 CD-ROM(Compact Disc Read Only Memory)이나 DVD(Digital Versatile Disc)와 같은 기록매체의 재생장치에서 기본클럭신호를 발생시키기 위한 공진자로서 널리 제공되고 있다. 그러나 이들 압전물질은 납을 함유하고 있기 때문에 환경에 대한 걱정으로 납을 함유하지 않는 압전물질을 개발하는 요구가 있어 왔다.
납을 함유하지 않는 압전물질로서는 예를 들면 탄탈산 화합물이나 니오브산 화합물과 같은 페로브스카이트 구조(perovskite structure)를 갖는 화합물과 그 고용체, 일메나이트 구조(ilmenite structure)를 갖는 화합물과 그 고용체, 비스무스(Bi)를 함유하는 적층구조의 화합물, 또는 텅스텐-청동구조를 갖는 화합물이 알려져 있다. 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물은 유전상수가 낮은 탁월한 특성을 가지며, 압전기가 비교적 크고, 기계적 품질계수 Qm이 높으며, 큐리온도가 높아서 이 화합물은 고온에서 잘 열화되지 않는다.
그러나 이들 압전물질의 실효 포아손비(Poisson's ratio)는 1/3 미만이다. 결국 두께 길이방향 진동(thick longitudinal vibration)의 기본파의 에너지는 에너지에서 트랩핑에서 사용될 수 없으며, 압전기판의 한 쌍의 대향면이 압전기판의 면적보다 작은 면적을 갖는 전극쌍에 의해 제공되는 구조에서는, 예를들어 PZT와 같은 실효 포아손비가 1/3 이상인 실효 포아손비의 압전물질을 이용하는 압전진동자의 구조와 유사한 구조에서는 기본파 진동을 이용하기가 어렵다. 이들 압전물질을 이용하는 압전공진자에서는 기본파의 진동을 억제하고 두께 길이방향 진동의 3차 고조파를 이용하는 압전공진자들이 많이 있다.
그러나, 특정파장의 진동이 용이하게 발생함을 나타내는 공진첨예도 Q값에 대하여, 3차 고조파가 기본파보다 짧기 때문에 3차 고조파를 이용하는 데에는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 큰 Q값을 갖는 기본파의 진동이 댐핑에 의해 억제되고, 작은 Q값을 갖는 3차 고조파의 진동이 구해져야만 하며, 안정된 진동이 얻어질 수 없다는 문제점이 있다. 따라서 비록 납을 함유하지 않는 압전물질이 요구된다 하더라도 일반적인 사용은 어려웠다.
게다가, 압전공진부는 발진주파수를 얻기 위한 공진자로서 압전진동자를 이용하는 것으로 일반적으로 알려져 있다. 압전진동자는 한쪽과 그 반대쪽에 위치되는 대향하는 쌍의 전극을 갖는 압전소자로 형성된다. 압전진동자는 두께방향으로 위치된 한쪽 면이 서로 대향하도록 배치되는 방식으로 용량소자에 적층되고, 그 용량소자는 거기에 형성된 2개의 부하용량을 갖는다. 더욱이, 입력전극, 출력전극 및 접지전극을 전기적 기계적으로 연결하기 위해 접속도체가 구비되며, 압전공진부를 밀봉하기 위해 캡이 구비된다.
이러한 압전공진부는 예를들어 일본 공개특허공보 소60-123120호, 평1-236715호, 평8-237066호, 및 평10-135125호에 발표되어 있다.
두께 길이방향 진동모드를 이용하는 압전공진부로서 기본파 진동모드를 이용하는 것과 고조파 진동모드, 특히 3차 고조파 진동모드를 이용하는 것이 일반적으로 알려져 있다.
3차 고조파를 이용하는 압전공진부의 통상적인 예로서는 에너지를 트랩핑하는 종류의 것이 있다. 이러한 종류의 압전공진부는 비진동부가 있는 부분을 갖는 압전기판을 포함한다. 그 부분이 견고하게 고정되면 특성의 열화가 없는 압전공진부를 얻을 수 있으며 널리 이용될 수 있다.
두께 길이방향 기본진동 모드의 압전공진부는 기본파 진동을 이용한다. 따라서 높은 Qmax의 공진특성을 얻을 수 있다. 그러나 에너지 밀폐형과 대조적으로 비진동부를 얻기 어려운 점이 있다. 특히 압전공진부가 작은 크기로 만들어지는 경우에는 압전기판 자체가 진동하여 압전기판을 고정되게 지지할 수 없게 되어버린다.
압전공진부는 기본파 진동모드를 이용하기 때문에 그 압전공진부가 유전체 기판에 장착되면 접속시에 전기적인 도전성 페이스트의 점성변화가 접속영역을 불균일하게 하여 페이스트가 퍼지게 되어 접착강도를 불안정하게 한다. 따라서 압전공진부에 의한 진동에너지의 억제는 공진특성의 열화를 야기할 것이고, 불필요한 진동의 완전한 억제에 실패하여 공진특성을 열화시키게 될 것이다. 따라서 압전공진부는 예를들면 스킵된 발진 등이 없는 안정된 발진의 생성에 실패할 것이다.
본 발명의 목적은 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질을 사용함으로써 안정된 진동을 용이하게 얻을 수 있는 압전공진자를 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 진동에너지의 감쇠를 방지하여 최소화하고 안정된 조건하에서 압전공진자를 지지할 수 있는 압전공진부를 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따르는 압전공진자의 구조를 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 예 1의 최적의 ◇파형이 얻어지는 곳의 임피던스 특성과 위상 특성을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 예 1의 보다 양호한 O파형이 얻어지는 곳의 임피던스 특성과 위상 특성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 예 1의 양호한 △파형이 얻어지는 곳의 임피던스 특성과 위상 특성을 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 예 1의 불량 ×파형이 얻어지는 곳의 임피던스 특성과 위상 특성을 도시한 도면.
도 6은 본 발명의 제 1 실시예에 관한 압전공진자의 개략구조를 나타낸 사시도.
도 7은 예 2-1의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 8은 예 2-2의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 9는 예 2-3의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 10은 예 2-4의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 11은 예 2-5의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 12는 예 2-6의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 13은 예 2-7의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 14는 비교예 2-1의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 15는 예 2-8의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 16은 예 2-9의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 17은 예 2-10의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 18은 예 2-11의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 19는 예 2-12의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 20은 예 2-13의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 21은 예 2-14의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 22는 예 2-15의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 23은 예 2-16의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 24는 예 2-17의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 25는 예 2-18의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 26은 예 2-19의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 27은 비교예 2-2의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 28은 비교예 2-3의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 29는 비교예 2-4의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 30은 비교예 2-5의 압전공진자의 임피던스 특성을 도시한 도면.
도 31은 그 내부를 보여줄 수 있도록 조립 및 부분적으로 분해된 것으로 도시된 본 발명의 압전공진부의 사시도.
도 32는 그 내부를 보여줄 수 있도록 부분적으로 분해된 도 1의 압전공진부의 확대 측면도.
도 33은 도 1의 압전공진부의 분해 사시도.
도 34는 압전공진부의 등가회로도.
도 35는 압전공진부 자체의 확대사시도.
도 36은 압전공진자의 한쪽 면에서의 진동변위량의 분포도.
도 37은 도 6의 중심선 X1에서 측정된 진동변위량의 값을 나타낸 그래프.
도 38은 모델분석에 의해 얻어진 압전공진자에서의 진동변위량의 분포도.
도 39는 프로브 접촉에 의해 얻어진 압전공진자의 공진특성값의 분포도.
본 발명의 제 1 특징에 따르는 압전공진자는 실효 포안손비가 1/3 미만인 압전물질을 함유하며 한 쌍의 대향면을 구비하는 압전기판과, 그 대향면 상에서 그와 대응하는 한 쌍의 진동전극을 포함하며, 압전기판의 대향면은 직사각형이고, 대향면 중 한쪽 면의 수직면의 길이와 다른쪽 면의 길이의 합은 2.22~2.24mm 또는 2.34~2.48mm의 범위 내로 한정된다.
본 발명의 제 1 특징에 따르는 압전공진자에서는 압전기판의 대향면의 수직면의 길이와 다른쪽 면의 길이의 합은 2.22~2.24mm 또는 2.34~2.48mm의 범위 내로 한정되기 때문에 기본파의 진동을 사용할 수 있어 안정적인 진동을 얻을 수 있다.
압전공진자에서는 예를들면 압전기판의 대향면 중 한쪽 면의 각각의 길이는 1.06~1.24mm의 범위 내로 한정되고, 다른쪽 면의 각각의 길이는 1.16~1.30mm의 범위 내로 한정되는 것이 바람직하며, 대향면 중 한쪽 면의 각각의 길이는 1.16~1.22mm의 범위 내로 한정되고, 다른쪽 면의 각각의 길이는 1.18~1.22mm의 범위 내로 한정되는 것이 더욱 바람직하다. 또 압전기판은 비스무스-스트론튬(Sr)-티탄(Ti)-산소(O)를 함유하는 적층구조를 포함하도록 구성되는 것이 바람직하다. 적층구조의 화합물은 란탄을 함유할 수 있다.
본 발명의 제 2 특징에 의한 압전공진자는 실효 포안손비가 1/3 미만인 압전물질을 함유하며 한 쌍의 대향면을 구비하는 압전기판과, 대향면 상에서 그와 대응하는 한 쌍의 진동전극을 포함하며, 압전기판의 대향면의 각각의 면적이 한쪽 면에 대하여 1.22~1.26mm2또는 1.35~1.538mm2이다.
제 2 특징에 따르는 압전공진자에서는 압전기판의 대향면의 각각의 면적이 한쪽 면에 대하여 1.22~1.26mm2또는 1.35~1.538mm2이기 때문에 기본파의 진동을 사용할 수 있어 안정한 진동이 얻어질 수 있다.
본 발명의 제 3 실시예에 따르는 압전공진자는 실효 포안손비가 1/3 미만인 압전물질을 함유하며 한 쌍의 대향면을 구비하는 압전기판과, 대향면 상에서 그와 대응하는 한 쌍의 진동전극을 포함하며, 압전기판의 대향면은 직사각형이고, 대향면의 한쪽 면의 길이는 압전기판의 두께의 5배 이하로 한정되고, 대향면의 한쪽 면에 수직인 다른쪽 면의 길이는 상기 한쪽 면의 길이의 0.93~1.07배 이내로 제한된다.
제 3 특징에 따르는 압전공진자에서는 대향면의 한쪽 면의 길이가 압전기판의 두께의 5배 이하로 한정되고, 대향면의 한쪽 면에 수직인 다른쪽 면의 길이는 한쪽 면의 길이의 0.93~1.07배 이내로 제한된다. 따라서 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질이 사용되더라도 기본파의 진동을 사용할 수 있어 안정된 진동을 얻을 수 있다.
제 3 특징에 따르는 압전공진자에서는 진동전극의 면적이 대향면의 면적의 6% 이상인 것이 바람직하다. 바람직하게는 압전기판은 비스무스를 함유하는 적층구조, 예컨대 비스무스-스트론튬(Sr)-티탄(Ti)-산소(O)의 화합물을 가지며, 또한 압전기판은 란탄(La)과 망간(Mn)을 함유할 수 있는 적층구조의 화합물을 포함하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 제 4 실시예에 따르는 압전공진부는 압전공진자, 기판 및 접속도체를 포함한다. 압전공진자는 두께 길이방향 진동모드로 동작되며, 2개의 측면전극을 구비한다. 2개의 측면전극은 두께 방향으로 위치된 면과 다른 두 개의 대향면에 구비되며, 진동전극에 각각 도체 접속된다. 기판은 그 표면에 구비되는 단자전극을 구비한다. 접속도체는 압전공진자의 측면전극과 기판의 단자전극 사이에 위치되어 이 두 개의 부재를 고정적으로 접속하는 금속 볼을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제 4 특징에 따르는 압전공진부에서는 압전공진자는 두께 방향으로 위치된 면과 다른 두 개의 대향면에 구비되며, 진동전극에 각각 도체 접속된다. 따라서 압전공진자를 여기하도록 측면전극에 전기 에너지가 공급될 수 있다.
상술한 바와 같은 기능에 의해 진동에너지의 방출과, 불필요한 발진의 불완전한 억제와, 공진특성의 열화와, 불안정한 발진 등을 포함하는 불량한 발진을 제거하면서 공진특성의 값을 나타내는 높은 Qmax 의 안정된 공진특성을 생성하는 압전공진부가 실현될 수 있다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부도면과 관련한 다음의 상세한 설명과 청구범위를 통해 보다 분명해 질 것이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
(제 1 실시예)
도 1은 본 발명의 1실시예에 따르는 압전공진자의 구조를 도시한 도면이다. 본 압전공진자는 한 쌍의 대향면(1a, 1b)을 가지며 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전기판(1)과, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)에 대응하여 구비된 한 쌍의 전극(2, 3)을 구비한다.
압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)은 각각 직사각형의 거의 동일한 형상을 갖는다. 여기에서 언급되는 직사각형이란 실질적으로 감각상의 형상이다. 따라서 코너의 선단이 다소 잘려나가거나 정확하게 90도가 아닐 수도 있다. 대향면(1a, 1b) 중 한 면의 수직면의 길이와 다른 한 면의 길이의 합은 2.22 ~ 2.24mm 또는 2.34 ~ 2.48mm의 범위로 제한된다. 즉 한쪽 면의 길이를 Lc, 다른쪽 면의 길이를 Wc라 하면 이들 사이에는 다음의 수학식 1이 성립한다.
이 압전공진자에서 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc는 특정되어 있다. 비록 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질을 사용하지만 바람직한 파장과 높은 공진첨예도 Q값을 얻어, 기본파의 진동을 사용할 수 있다. 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc는 1.06~1.24mm의 범위 내에 있고, 다른쪽 면의 길이 Wc는 1.16~1.30mm 이내로 제한되는 것이 바람직하다. 이러한 범위 내에 있기 때문에 기본파에서 보다 바람직한 파형을 이용할 수 있다. 한쪽 면의 보다 바람직한 길이 Lc는 1.16~1.22mm이며, 다른쪽 면에 대한 길이 Wc는 1.18~1.22mm이다. 우연하게도 본 실시예에서는 한쪽 면의 길이 Lc가 후술하는 전극(2, 3)의 리더(2b, 3b)의 연장부 I와 동일한 방향으로 연장된 쪽의 길이이지만, 다른쪽 면의 길이 Wc는 수직방향으로 연장된 쪽의 길이이다.
압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 각각의 면적 Sc는 한쪽 면에 대하여 1.22~1.26mm2또는 1.35~1.538mm2인 것이 바람직하다. 이들 범위 이내에 있기 때문에 기본파에서 보다 바람직한 파형이 이용가능하다.
실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질로서는 예를들면 탄탈산화합물 또는 니오브산화합물과 같은 페로브스카이트 구조를 갖는 화합물과 그 고용체, 일메나이트 구조를 갖는 화합물과 그 고용체, 파이로크로어 구조(pyrochlore structure)를 갖는 화합물, 비스무스(Bi)를 함유하는 적층구조의 화합물, 또는 텅스텐-청동구조를 갖는 화합물이 있다. 압전기판(1)은 최대 부피인 주된 성분으로서 이들 압전물질을 함유한다.
탄탈산 화합물이나 니오브산 화합물로서는 예를들어 나트륨(Na), 칼륨(K) 및 리튬(Li)으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제1원소와, 탄탈(Ta)과 니오브(Nb)로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제2원소와, 산소를 함유하는 기판이 있다. 제1원소가 A이고 제2원소가 B라고 가정하면 이들 원소는 다음의 화학식 1과 같은 일반식으로 나타낸다.
비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물로서는 예를들면 비스무스와; 나트륨, 칼륨, 바륨(Ba), 스트론튬, 납, 칼슘(Ca), 이트륨(Y), 란탄(Ln) 및 비스무스로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제1원소와; 바나듐(V), 지르코늄(Zr), 안티몬(Sb), 티타늄(Ti), 니오브, 탄탈, 텅스텐(W), 몰리브덴(Mo) 및 망간으로 구성되는 군으로부터 선택된 적어도 하나의 제2원소와; 산소를 함유하는 기판을 포함하는 물질이 있다. 제1원소를 C, 제2원소를 D라 하면 이들 원소는 다음의 화학식 2와 같은 일반식으로 표현된다.
여기에서 m은 1~8의 정수이다.
텅스텐-청동 화합물은 일반식을 갖지 못하나 NaWO6BaNaNbO15와 같이 표현된다. 여기에서 화학식은 화학량론적 조성으로 나타냈으며, 압전기판(1)을 구성하는 압전물질은 화학량론적 조성이 아닌 것이 있을 수도 있다.
그들 중, 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물은 압전기판(1)을 구성하는 압전물질로서 바람직하다. 이것은 특히 높은 기계적 품질계수 Qm과 높은 큐리온도를 갖는 공진자로서 탁월한 특성을 제공할 수 있다. 예컨대 비스무스-스트론튬-티타늄-산소를 함유하는 적층구조의 화합물인 것이 바람직하며, 특히 이들 원소에 란탄을 함유하는 적층구조의 화합물을 부가한 것이 더욱 바람직하다.
전극(2)은 은(Ag)과 같은 금속으로 구성되며, 진동전극(2a)과 그 진동전극(2a)에 연속적으로 제공되는 리더(2b)로 구성된다. 진동전극(2a)은 직사각형으로 형성되며 대향면(1a)의 중앙에 배치된다. 리더(2b)는 와이어 등을 통해 외부소스(도시생략)에 전기적으로 접속되며, 진동전극(2a)으로부터 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 연장부 I를 따라 다른쪽 면을 향해 연장되도록 형성되어 있다. 전극(3)은 전극(2)과 동일한 구조를 갖는다. 진동전극(3a)은 압전기판(1)을 통해 전극(2)의 진동전극(2a) 아래에 구비된다. 리더(3b)는 전극(2)의 리더(2b)의 반대방향으로 진동전극(3a)으로부터 연장된다.
진동전극(2a, 3a)의 크기는 특히 제한되지 않으며 어떤 크기라도 된다. 여기에서 진동전극(2a, 3a)을 직사각형인 것으로 설명하였으나 진동전극(2a, 3a)의 형상에 특별한 제한이 있는 것은 아니며 원 등의 다른 형상이어도 된다. 또 리더(2b, 3b)의 형상에 제한이 있는 것은 아니며 다른 형상이어도 되며, 예컨대 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 다른쪽 면의 길이가 진동전극(2a, 3a)의 길이와 다르면 된다.
상술한 구조의 압전공진자는 다음과 같이 제조된다.
압전기판(1)의 출발물질로서는 원하는 조성을 제공할 수 있도록 계량되고 순수 또는 아세톤의 용매에서 지르코니아 볼에 의해 볼밀 혼합된 산화물의 원료물질이 사용된다. 혼합된 원료물질 분말은 완전히 건조된 다음, 가압후 700~900℃의 온도로 하소된다. 다음으로 하소된 물질은 볼밀로 다시 분쇄되고, 적절한 양의 바인더로서 폴리비닐 알코올을 첨가하여 건조 및 팰릿화된다. 팰릿화된 후에는 200MPa~300MPa의 압력하에서 길이 20mm ×폭 20mm ×두께 약 1.5mm의 박판의 팰릿화된 분말이 형성된다. 그 다음에, 이와 같이 형성된 바디로부터 가열처리에 의해 바인더가 휘발되며, 1100~1350℃의 온도에서 실제의 소결이 실행된다. 이 소결후 소결된 바디의 두께는 압전기판(1)의 베이스 플레이트를 형성하도록 래핑머신에 의해 조정된다.
베이스 플레이트가 형성된 후, 구리(Cu) 등이 진공증착되어 베이스 플레이트의 양면에 편광용 전극이 형성된다. 그리고 편광전극이 형성된 베이스 플레이트는 200~300℃로 가열된 실리콘 오일에 침지되고, 1분 동안 5~10KV/mm의 전기장에 놓여진다. 편광후, 편광전극은 제거되고 그 베이스 플레이트의 크기는 압전기판(1)을 형성할 수 있도록 다이싱에 의해 조정된다. 대향면(1a, 1b)은 증착에 의해 은 등의 금속의 전극(2, 3)으로 형성된다. 결국 도 1에 도시된 압전공진자가 형성된다.
압전공진자는 다음과 같이 동작한다.
본 압전공진자에서, 전극(2, 3)의 리더(2a, 3a)는 와이어(도시생략)를 통해 외부 소스에 연결되며, 압전기판(1)이 전극(2, 3)을 통해 전압을 인가받았을 때 두께 확장방향의 진동이 발생한다. 즉 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 반대방향으로 진동이 발생한다. 여기에서 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이와 다른쪽 면의 길이의 합은 2.22~2.24mm 또는 2.34~2.48mm의 범위 이내로 제한된다. 대향면(1a, 1b)의 각 면적 Sc는 1.22~1.26mm2또는 1.35~1.538mm2이다. 바람직한 파형과 높은 진공첨예도 Q값은 기본파의 진동에 대하여 취득될 수 있다. 이것은 기본파의 진동을 이용할 수 있게 해준다.
실시예에 따라 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)에서 수직인 한쪽 면의 길이와 다른쪽 면의 길이의 합은 2.22~2.24mm 또는 2.34~2.48mm의 범위 이내로 제한된다. 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 각 면적 Sc는 1.22~1.26mm2또는 1.35~1.538mm2이다. 따라서 비록 압전기판(1)이 1/3 미만인 실효 포아손비를 갖는 압전물질로 구성되더라도 기본파의 진동에 대해 원하는 파장과 높은 공진첨예도 Q값을 얻을 수 있다. 게다가 기본파의 진동을 이용할 수 있다.
따라서 본 발명에 따르면 댐핑이 불필요하며, 높은 고조파를 이용하는 종래기술에 비해 높은 Q값을 얻을 수 있다. 결국 안정된 진동을 용이하게 제공할 수 있다. 따라서 납을 함유하지 않는 압전물질을 사용하는 압전공진자를 광범위하게 사용할 수 있게 되므로 환경을 보호할 수 있게 된다. 압전공진자는 작은 크기의 소자를 사용함에 따라 작은 크기로 만들 수 있다.
만약 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.06~1.24mm 의 범위 내에 있고, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.16~1.30mm의 범위 내에 있으면 보다 바람직한 파형이 제공될 수 있다. 한쪽 면의 길이 Lc가 1.16~1.22mm이고, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.18~1.22mm이면 특히 바람직한 파형이 얻어질 수 있다.
(예 1)
본 발명의 실제예에 대해 더 설명하기로 한다.
출발물질로서는 (Sr0.9La0.1) Bi4Ti4O15의 조성이 제공될 수 있도록 계량된 산화비스무스(Bi2O3), 산화란탄(La2O3), 산화티탄(TiO2), 탄산스트론튬(SrCO3) 및 탄산망간(MnCO3)의 원료분말이 사용되며, 탄산망간은 (Sr0.9La0.1) Bi4Ti4O15에 대하여 0.5부피%가 되도록 계량된다. 계량된 분말 원료물질은 순수에서 지르코니아 볼에 의해 약 15시간 동안 볼밀 혼합된다. 혼합된 원료물질 분말은 완전히 건조된 다음 가압에 의해 800℃의 온도로 하소된다. 다음으로 하소된 물질은 볼밀로 다시 분쇄되고, 적절한 양의 바인더로서 폴리비닐 알코올을 첨가하여 건조 및 팰릿화된다. 팰릿화된 후에는 200Mpa의 부하 하에서 길이 20mm ×폭 20mm ×두께 약 1.5mm의 박판의 팰릿화된 분말이 형성된다. 그 다음에, 이와 같이 형성된 바디로부터 가열처리에 의해 바인더가 휘발되며, 1200℃의 온도에서 실제의 소결이 실행된다. 따라서 SrBi4Ti4O15결정을 함유하는 비스무스층 화합물의 소결된 바디가 얻어진다.
소결된 바디가 얻어진 후, 소결된 바디는 랩핑머신에 의해 연마되어 0.501mm 두께의 베이스 플레이트가 만들어 진다. 그리고 베이스 플레이트는 편광용 전극으로 형성되어 250℃에서 실리콘오일에 침지되며, 1분 동안 10kV/MM의 전기장에 놓여진다. 편광후에는 편광전극이 제거되고, 베이스 플레이트에 대하여 다이싱이 실행되며, 대향면(1a, 1b)의 크기를 변경함으로써 복수의 기판(1)이 제조된다. 표 1은 생성된 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 크기를 나타낸다. 여기에서, 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc는 1.06~1.24mm의 범위 내에서는 1.02mm만큼 변하지만, 다른쪽 면의 길이 Wc는 1.16~1.30mm의 범위 내에서는 0.02mm만큼 변한다. 한쪽 면의 길이 Lc와 다른 쪽 면의 길이 Wc가 교차하는 위치에 나타나는 표 1의 수치값은 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 면적 Sc이다.
(단위 : mm2)
압전기판(1)이 만들어진 후에는 압전공진자가 얻어질 수 있도록 그 대향면(1a, 1b)에 은전극(2, 3)이 증착된다. 모든 압전진동자에 대하여 전극(2, 3)의 진동전극(2a, 3a)은 직사각형이고, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 방향 I로 연장된 면의 길이는 1.0mm이고 거기에 수직인 다른 면의 길이는 0.9mm이다.
이와 같이 얻어진 압전공진자는 24시간 동안 실온에 방치되고, 두께 확장방향의 진동의 압전특성은 임피던스 분석기에 의해 조사된다. 압전특성값으로서 임피던스 특성과 위상특성이 측정된다. 이들 측정된 결과로부터 두께 확장방향의 기본파의 주된 진동부의 파형에 대한 평가가 이루어진다. 기본(1차)파의 진동에서의 최대 공진첨예도 Qmax1st와 3차 고조파의 진동에서의 최대 공진첨예도 Qmax3rd가 요구되며, Qmax1st/Qmax3rd의 비가 계산된다. 공진첨예도 Q값은 임피던스의 리액턴스 X의 절대값을 저항 R로 나눈 값(Q= │X │/R)을 의미한다. 최대 공진첨예도 Qmax는 공진주파수와 비공진주파수 사이의 공진첨예도 Q값을 의미한다.
표 2는 기본파의 파형에 관한 평가결과를 나타낸다. 표 2에서 ◇표시는 주된 진동부에 의사성(spuriousness)이 없이 얻어진다는 것을 의미한다. 0표시는 주된 진동부에 의사성이 존재하지만 사용가능한 파형이 얻어진다는 것을 의미한다. △표시는 주된 진동부에 비록 의사성이 다소 존재하지만 사용가능한 양호한 파형이 얻어진다는 것을 의미한다. ×표시는 주된 진동부에 의사성이 많이 존재하지만 사용불가능한 파형이 얻어진다는 것을 의미한다. 의사성의 존재유무는 공진주파수와 비공진주파수 사이에서 0.15% 정도의 범위에서 판정된다.
도 2는 최적의 파형 ◇가 얻어지는 대표적인 압전공진자의 임피던스 특성과 위상특성을 나타낸다. 이들은 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.2mm, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.2mm , 한쪽 면의 면적 Sc가 1.44mm2일 때 압전공진자의 측정결과이다. 도 2에서 수직축의 좌측은 임피던스 Imp(Ω)이고 우측은 위상 θz(°)이며, 수평축은 주파수 Freq(MHz)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 주된 진동부의 파형에는 의사성이 존재하지 않아서 기본파의 진동이 이용될 수 있다.
도 3은 보다 양호한 파형 0가 얻어지는 대표적인 압전공진자의 임피던스 특성과 위상특성을 나타낸다. 이들은 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.18mm, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.28mm , 한쪽 면의 면적 Sc가 1.5104mm2일 때 압전공진자의 측정결과이다. 도 3의 수직축과 수평축은 도 2의 수직축 및 수평축과 같다. 이 압전공진자에서는 도 3으로부터 알 수 있는 바와 같이, 주된 진동부의 파형에는 의사성이 존재하기는 하지만 적어서 그 의사성을 제거함으로써 기본파의 진동이 이용될 수 있다.
도 4는 양호한 파형 △가 얻어지는 대표적인 압전공진자의 임피던스 특성과 위상특성을 나타낸다. 이들은 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.06mm, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.18mm , 한쪽 면의 면적 Sc가 1.2508mm2일 때 압전공진자의 측정결과이다. 도 4의 수직축과 수평축은 도 2의 수직축 및 수평축과 같다. 이 압전공진자에서는 도 4로부터 알 수 있는 바와 같이, 주된 진동부의 파형에는 의사성이 다소 존재하기는 하지만 그 의사성을 제거함으로써 기본파의 진동이 이용될 수 있다.
도 5는 불량 파형 ×가 얻어지는 대표적인 압전공진자의 임피던스 특성과 위상특성을 나타낸다. 이들은 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.14mm, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.18mm , 한쪽 면의 면적 Sc가 1.3452mm2일 때 압전공진자의 측정결과이다. 도 5의 수직축과 수평축은 도 2의 수직축 및 수평축과 같다. 이 압전공진자에서는 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 주된 진동부의 파형에는 의사성이 많이 존재하기 때문에 기본파의 진동이 이용될 수 없다.
이들 결과로부터 표 1 및 표 2에서 실선 및 두꺼운 선으로 범위 내에서는, 즉 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc의 합이 2.22mm≤ ≤2.24mm 또는 2.34mm≤ ≤2.48mm의 범위 내에서와 한쪽 면에 대하여 대향면(1a, 1b)의 면적 Sc가 1.22≤Sc≤1.26mm2또는 1.35≤Sc≤1.538mm2의 범위 내에서는 기본파의 진동이 이용될 수 있음을 알 수 있다. 또한 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이가 1.16≤Lc≤1.22mm이고, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.18≤Wc≤1.22mm인 범위 내에서는 기본파의 바람직한 파형이 얻어진다는 것을 알 수 있다.
표 3은 최대공진 첨예도 Qmax1st 및 Qmax3rd와, Qmax1st/Qmax3rd의 비의 몇가지 대표적인 결과를 나타내고 있다. 상기 비의 값이 3미만이면 비정상적인 진동이 발생하여 진동주파수의 안정성이 악화된다. 여기에서, 표 3에서 나타나 있지 않은 것들을 포함하는 압전공진자에는 3이상의 값이 얻어질 수 있다. 즉, 상술한 범위 내에서 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 크기에 대해서는 기본파의 진동이 안정적으로 이용가능하다는 것을 알 수 있다.
| 압전기판의 크기 | 최대공진 첨예도 | Qmax1st/Qmax3rd | 파형 | |||
| 길이Lc(mm) | Wc(mm) | t(mm) | Qmax1st | Qmax3rd | ||
| 1.06 | 1.16 | 0.501 | 16.73 | 0.21 | 79.67 | O |
| 1.08 | 1.16 | 0.501 | 13.16 | 0.33 | 39.88 | O |
| 1.24 | 1.16 | 0.501 | 54.93 | 0.97 | 56.63 | O |
| 1.06 | 1.18 | 0.501 | 18.99 | 0.80 | 23.74 | △ |
| 1.18 | 1.18 | 0.501 | 35.02 | 0.88 | 39.8 | ◇ |
| 1.16 | 1.20 | 0.501 | 60.66 | 0.14 | 433.29 | ◇ |
| 1.18 | 1.20 | 0.501 | 77.03 | 0.62 | 124.24 | ◇ |
| 1.20 | 1.20 | 0.501 | 43.27 | 0.08 | 540.88 | ◇ |
| 1.10 | 1.24 | 0.501 | 37.70 | 1.33 | 28.35 | △ |
| 1.12 | 1.26 | 0.501 | 45.73 | 0.70 | 65.33 | O |
| 1.22 | 1.26 | 0.501 | 43.74 | 0.46 | 95.09 | △ |
| 1.18 | 1.28 | 0.501 | 37.38 | 0.12 | 311.5 | O |
| 1.20 | 1.20 | 0.23 | 16.31 | 0.06 | 271.83 | O |
| 1.12 | 1.16 | 0.501 | 6.77 | 0.38 | 17.82 | × |
| 1.14 | 1.18 | 0.501 | 41.04 | 1.01 | 40.00 | × |
| 1.06 | 1.26 | 0.501 | 20.24 | 0.54 | 37.48 | × |
| 1.24 | 1.28 | 0.501 | 37.89 | 0.69 | 54.91 | × |
압전공진자는 압전기판(1)의 두께가 0.23mm, 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.20mm, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.20mm인 것을 제외하고는 상술한 조건과 동일한 조건하에서 만들어 진다. 또 이들 압전공진자에 대해서는 두께 확장방향의 압전특성이 조사된다. 조사결과에 대해 표 3에 나타내었다. 기본파의 파형은 양호 0이고, 최대 공진첨예도의 비 Qmax1st/Qmax3rd 는 3이상이다. 즉 비록 압전기판(1)의 두께가 변하더라도 대향면(1a, 1b)의 크기가 상술한 범위 이내이면 기본파의 진동은 안정되게 얻어질 수 있다. 그러나 압전기판(1)의 두께가 얇게 만들어지면 의사성이 다소 제거되는 경향이 있다.
압전공진자는 압전기판(1)의 두께가 0.501mm, 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.20mm, 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.20mm, 압전공진 전극(2a, 3a)의 크기가 변경되는 것을 제외하고는 상술한 조건과 동일한 조건하에서 만들어 진다. 표 4는 제조된 압전공진자의 진동전극(2a, 3a)의 크기를 나타낸다. 여기에서 진동전극(2a, 3a)은 정사각형이며, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 연장방향 I로 연장된 길이 Le와 거기에 수직인 방향으로 연장된 길이 We는 1.10~0.70mm의 범위 내에서 0.1mm만큼 변한다. 진동전극(2a, 3a)의 면적 Se와 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 면적 Sc의 비(Se/Sc)는 표 4에 나타냈다.
| 발진전극의 크기 | 면적비Se/Sc | 최대공진의 첨예도 | Qmax3rd/Qmax3rd | 파형 | |||
| Le(mm) | We(mm) | Se(mm) | 기본고조파Qmax1st | 3차고조파Qmax3rd | |||
| 1.10 | 1.10 | 1.21 | 0.840 | 39.62 | 0.53 | 74.75 | O |
| 1.00 | 1.00 | 1.00 | 0.694 | 44.62 | 0.20 | 223.1 | O |
| 0.90 | 0.90 | 0.81 | 0.563 | 41.13 | 0.11 | 373.91 | O |
| 0.80 | 0.80 | 0.64 | 0.444 | 34.31 | 0.39 | 87.97 | O |
| 0.70 | 0.70 | 0.49 | 0.340 | 37.85 | 0.04 | 946.25 | O |
또 이들 압전공진자에 대하여 두께 확장방향의 압전특성을 조사하여 그 결과를 표 4에 나타냈다. 기본파의 파형은 양호 0이며, 최대 공진첨예도의 비 Qmax1st/Qmax3rd는 3이상이다. 즉 비록 압전전극(2a, 3a)이 변경되더라도 대향면(1a, 1b)의 크기가 상술한 범위 내에 있으면 기본파의 진동을 안정적으로 얻을 수 있다.
이들 결과로부터 압전기판(1)이 주된 원소로서 비스무스-스트론튬-티탄-산소를 함유하는 적층구조의 화합물로 구성되고, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc의 합이 2.22mm≤ ≤2.24mm 또는 2.34mm≤ ≤2.48mm의 범위 내로 제한되고, 대향면(1a, 1b)의 면적 SC가 한쪽 면에 대하여 1.22≤Sc≤1.26mm2또는 1.35≤Sc≤1.538mm이면 기본파의 진동이 이용될 수 있음을 알 수 있다. 또한 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 1.16mm≤Lc≤1.22mm이고 다른쪽 면의 길이 Wc가 1.18mm≤Wc≤1.22mm의 범위 내에서는 기본파의 바람직한 파형이 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
상술한 예에서는 압전기판(1)이 비스무스-스트론튬-티탄-란탄-망간을 함유하는 적층구조로 구성되는 것에 대해 설명하였으나, 압전기판(1)을 다른 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물로 구성하더라도 그와 유사한 결과를 얻을 수 있다. 또 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물이 아닌 실효 포아손비가 1/3 미만인 다른 압전물질을 사용하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
실시예를 들어 본 발명을 설명하였으나 본 발명이 그것만으로 제한되는 것은 아니며 다양하게 수정될 수 있다. 예컨대 상술한 실시예에서 압전기판(1)을 구성하는 압전재료는 실제의 예로서 예시하여 설명한 것이고 압전물질의 실효 포아손비가 1/3 미만인 한 광범위하게 적용될 수 있다.
(제 2 실시예)
다음으로 첨부도면을 참조하여 본 발명의 제 2 실시예를 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시예에 따르는 압전공진자의 구조를 개략적으로 도시한 사시도이다. 본 압전공진자는 한 쌍의 대향면(1a, 1b)을 가지며 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전기판(1)과, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)에 대응하여 구비된 한 쌍의 전극(2, 3)을 구비한다. 이 구조는 제 1 실시예의 구조와 유사하다.
압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)은 각각 직사각형의 거의 동일한 형상을 갖는다. 여기에서 언급되는 직사각형이란 실질적으로 감각상의 형상이다. 따라서 코너의 선단이 다소 잘려지거나 정확하게 90도가 아닐 수도 있다. 다음의 수학식 2로 나타낸 바와 같이 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc는 대향면(1a, 1b) 사이의 거리 이내, 즉 압전기판(1)의 두께 Tc의 5배 이하로 한정된다. 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면에 대하여 수직인 다른쪽 면의 길이 Wc는 다음의 수학식 3으로 나타낸 바와 같이 한쪽 면의 길이 Lc의 0.93~1.07배의 범위에 있다.
이 압전공진자에서 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc는 특정되어 있다. 비록 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질을 사용하지만 바람직한 파장과 높은 공진첨예도 Q값을 얻어, 기본파의 진동을 사용할 수 있다. 우연하게도 본 실시예에서는 한쪽 면의 길이 Lc가 후술하는 전극(2, 3)의 리더(2b, 3b)의 연장부 I와 동일한 방향으로 연장된 쪽의 길이이지만, 다른쪽 면의 길이 Wc는 그것과 수직방향으로 연장된 쪽의 길이이다. 공진첨예도 Q값은 임피던스의 리액턴스 X의 절대값을 저항값 R로 나눈 값(Q = │X │/R)을 의미한다.
대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc는 다음의 수학식 4로 나타낸 두께 Tc의 0.35배 이상의 범위 내로 제한되는 것이 바람직하다. 길이 Lc는 다음의 수학식 5로 나타낸 두께 Tc의 4.3배 미만의 범위 내로 제한되는 것이 더욱 바람직하고, 다음의 수학식 6으로 나타낸 바와 같이 3.2배 미만의 범위 내로 제한되는 것이 더욱 더 바람직하며, 다음의 수학식 7로 나타낸 범위 내로 제한되는 것이 특히 바람직하다. 반면 다른쪽 면의 길이 Wc는 다음의 수학식 8로 나타낸 바와 같이 길이 Lc의 0.97~1.03배인 것이 더욱 바람직하다. 이들 범위 내에 있으면 기본파에서 더욱 바람직한 파장을 이용할 수 있게 된다.
실효 포아손 비가 1/3 미만인 압전물질로서는 제 1 실시예의 것과 동일한 물질이 사용된다. 따라서 여기에서는 압전물질에 관하여 특별한 설명은 생략한다.
전극(2)은 은(Ag)과 같은 금속으로 구성되며, 진동전극(2a)과 그 진동전극(2a)에 연속적으로 제공되는 리더(2b)를 구비한다. 진동전극(2a)은 압전기판(1)과 접촉하도록 그 표면이 직사각형으로 형성되며 대향면(1a)의 중앙에 배치된다. 리더(2b)는 와이어 등을 통해 외부소스(도시생략)에 전기적으로 접속되며, 진동전극(2a)으로부터 압전기판(1)의 연장부 I를 따라 다른쪽 면을 향해 연장되어 있다. 전극(3)은 전극(2)과 동일한 구조를 갖는다. 진동전극(3a)은 압전기판(1)을 통해 압전기판(1)의 두께방향으로 전극(2)의 진동전극(2a) 아래에 구비된다. 리더(3b)는 전극(2)의 리더(2b)의 반대방향으로 진동전극(3a)으로부터 연장된다. 즉 서로 두께방향으로 위에 있는 전극(2, 3)의 부분이 진동전극(2a, 3a)이다.
본 실시예에서는 진동전극(2a, 3a)을 직사각형인 것으로 설명하였으나 진동전극(2a, 3a)의 형상에 특별히 제한이 있는 것은 아니며 원 등의 다른 형상이어도 된다. 또 리더(2b, 3b)의 형상에도 제한이 있는 것은 아니며 다른 형상이어도 된다.
상술한 구조의 압전공진자는 제 1 실시예에서와 동일한 방법으로 제조된다. 따라서 여기에서는 그 제조방법에 대한 설명은 생략하기로 한다.
압전공진자의 작용은 다음과 같다.
본 압전공진자에서, 전극(2, 3)의 리더(2a, 3a)는 와이어(도시생략)를 통해 외부 소스에 연결된다. 압전기판(1)이 전극(2, 3)을 통해 전압을 인가받았을 때 두께 확장방향 진동이 발생한다. 즉 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 반대방향으로 진동이 발생한다. 여기에서 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc는 두께 Tc의 5배 미만의 범위 내로 제한되며, 다른쪽 면의 길이 Wc는 길이 Lc의 0.93~1.07배의 범위로 제한된다. 바람직한 파형과 높은 진공첨예도 Q값이 기본파의 진동에 대하여 취득될 수 있으며, 이것은 기본파의 진동을 이용할 수 있게 해준다.
상술한 바와 같이, 본 실시예의 압전공진자에서는 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 두께 Tc의 5배 미만의 범위 내로 제한된다. 동시에 다른쪽 면의 길이 Wc는 한쪽 면의 길이 Lc의 0.93~1.07배의 범위로 제한된다. 따라서 비록 압전기판(1)이 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질로 구성되더라도 기본파의 진동에 대해 바람직한 파형과 높은 공진첨예도 Q값이 얻어질 수 있다. 결국 기본파의 진동을 이용하는 것이 가능해진다.
따라서 댐핑이 불필요하며, 높은 고조파를 이용하는 종래기술에 비해 높은 공진첨예도 Q값을 얻을 수 있다. 결국 안정한 진동을 용이하게 제공할 수 있다. 따라서 납을 함유하지 않는 압전물질을 사용하는 압전공진자를 광범위하게 사용할 수 있게 되므로 환경을 보호할 수 있게 된다. 압전공진자는 작은 크기의 요소를 사용함에 따라 작은 크기로 만들 수 있다.
특히, 한쪽 면의 길이 Lc가 두께 Tc의 4.3배 미만의 범위 내에 있으면 바람직하고, 3.2배 미만의 범위 내에 있으면 보다 바람직하며, 2.7배 미만의 범위 내에 있으면 특히 바람직하다. 또 다른 쪽 면의 길이 Wc는 길이 Lc의 0.97~1.03배이다. 결국, 기본파의 진동에 대해 바람직한 파형과 높은 공진첨예도 Q값을 얻을 수 있다.
또한 진동전극(2a, 3a)의 면적 Sd가 대향면(1a, 1b)의 면적 Sc의 6% 이상이거나 보다 바람직하게는 면적 Sc의 17%이상이면 보다 바람직한 파형을 얻을 수 있다.
(예 2)
본 발명의 실제의 예에 대하여 제 2 실시예의 특정설명을 하기로 한다.
(예 2-1~2-7)
출발물질로서는 (Sr0.9La0.1) Bi4Ti4O15의 조성이 제공될 수 있도록 계량된 산화비스무스(Bi2O3), 산화란탄(La2O3), 산화티탄(TiO2), 탄산스트론튬(SrCO3) 및 탄산망간(MnCO3)의 원료분말이 사용되며, 탄산망간은 (Sr0.9La0.1) Bi4Ti4O15에 대하여 0.5질량%가 되도록 계량된다. 계량된 분말 원료물질은 순수에서 지르코니아 볼에 의해 약 15시간 동안 볼밀혼합된다. 혼합된 원료물질 분말은 완전히 건조된 다음 가압에 의해 800℃의 온도로 하소된다. 다음으로 하소된 물질은 볼밀로 다시 분쇄되고, 적절한 양의 바인더로서 폴리비닐 알코올을 첨가하여 건조 및 팰릿화된다. 팰릿화된 후에는 단일축 프레스 몰딩머신에 의해 2 ×108Pa의 압력하에서 길이 20mm ×폭 20mm ×두께 약 1.5mm의 박판의 팰릿화된 분말이 형성된다. 그 다음에, 이와 같이 형성된 바디로부터 가열처리에 의해 바인더가 휘발되며, 1200℃의 온도에서 실제의 소결이 실행된다. 따라서 SrBi4Ti4O15결정을 함유하는 비스무스층 화합물의 소결된 바디가 얻어진다.
소결된 바디가 얻어진 후, 소결된 바디는 랩핑머신에 의해 연마되어 베이스 플레이트가 만들어 진다. 베이스 플레이트의 두께는 예 2-1~2-7에서는 변경되며, 압전기판의 두께 Tc가 표 5에 나타낸 바와 같이 되도록 조정된다. 베이스 플레이트는 편광용 전극으로 형성되어 250℃에서 실리콘오일에 침지되며, 1분 동안 10kV/mm의 전기장에 놓여진다. 편광후에는 편광전극이 제거되고, 베이스 플레이트에 대하여 다이싱이 실행되며, 편광전극이 제거된 표면은 대향면(1a, 1b)으로 만들어져 편광기판(1)을 형성한다. 대향면(1a, 1b)은 직사각형이며, 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc는 모두 1.2mm이다. 표 5는 대향면(1a, 1b)의 길이 Lc, Wc와 예 2-1~2-7의 두께 Tc의 관계를 나타낸다.
| 두께 Tc(mm) | 길이 Lc, Wc와 두께 Tc 사이의 비 | |
| 예 2-1 | 0.9 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 예 2-2 | 0.643 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 예 2-3 | 0.563 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 예 2-4 | 0.45 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 예 2-5 | 0.375 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 예 2-6 | 0.321 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 예 2-7 | 0.281 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
| 비교예 1 | 0.188 | Lc,Wc= 1.3 ×Tc |
압전기판(1)이 만들어진 후에는 그 대향면(1a, 1b)에는 각각 은전극(2, 3)이 증착된다. 전극(2, 3)의 진동전극(2a, 3a)은 직사각형이고, 한쪽 면의 크기는 1.0mm이고 거기에 수직인 다른 면의 길이는 0.9mm이다. 예 2-1~2-7의 압전공진자는 압전기판(1)의 두께 Tc가 다른 것을 제외하고는 동일한 조건하에서 만들어 진다.
이와 같이 얻어진 압전공진자는 24시간 동안 실온에 방치되고, 두께 길이방향 진동의 압전특성은 임피던스 분석기에 의해 조사된다. 압전특성값으로서 임피던스 특성과 위상특성이 측정된다. 이들 측정된 결과로부터 두께 확장방향 기본파의 주된 진동부의 파형에 대한 평가가 이루어진다. 파형의 평가는 공진주파수와 비공진주파수 사이의 의사성의 존재여부에 의해 주파수의 0.15%정도의 범위 내에서 결정된다. 예 2-1의 결과는 도 7에 도시되어 있으며, 예 2-2의 결과는 도 8에, 예 2-3의 결과는 도 9에, 예 2-4의 결과는 도 10에, 예 2-5의 결과는 도 11에, 예 2-6의 결과는 도 12에, 예 2-7의 결과는 도 13에 각각 도시되어 있다. 도 7 내지 도 13에서 수직축은 임피던스 Imp(Ω)이고, 수평축은 주파수 Freq(MHz)이다.
예 2-1~2-7에 대한 비교예 2-1로서 압전기판의 두께가 0.188mm인 것을 제외하고는 예 2-1~2-7과 동일한 조건하에서 압전공진자가 만들어졌다. 표 5는 압전기판의 두께와 대향면의 길이 사이의 관계를 보여주고 있다. 또한 비교예 2-1에서는 임피던스 특성이 예 2-1~2-7로서 측정되었다. 도 10은 비교예 2-1의 결과를 보여주고 있다. 수직축과 수평축은 도 7의 수직축 및 수평축과 동일하다.
도 7~도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 예 2-1~2-4에서는 주된 진동부에 의사성이 없는 최적의 파형이 얻어졌다. 예 2-5에서는 주된 진동부에 비록 의사성이 약간 존재하기는 하지만 우수한 파형이 얻어졌다. 예 2-6 및 예 2-7에서는 주된 진동부에 비록 의사성이 다소 존재하기는 하지만 사용가능한 양호한 파형이 얻어졌다. 반면 비교예 2-1에서는 주된 진동부에 의사성이 많이 존재해서 사용불가능한 파형이 얻어졌다.
즉, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 면의 길이 Lc, Wc가 두께 Tc의 5배 미만으로 만들어지면 기본파의 진동이 사용될 수 있다. 만약, 길이 Lc, Wc가 두께 Tc의 3.2배 미만이면 기본파의 보다 양호한 파형이 구해지고, 길이 Lc, Wc가 두께 Tc의 2.7배 미만이면 기본파의 특히 우수한 파형이 구해진다.
(예 2-8~예 2-15)
압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 면들의 길이 Lc, Wc 사이의 관계는 고정되어 있고, 압전공진자는 길이 Lc, Wc 및 두께 Tc가 표 6에 나타낸 바와 같이 변화하는 것을 제외하고는 예 2-1~2-7과 동일한 조건하에서 만들어진다. 이 때 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc는 동일하며, 그 길이 Lc, Wc는 두께 Tc의 2.4배이다. 진동전극(2a, 3a)의 크기는 표 6에 나타낸 바와 같다.
| 길이 Lc, Wc(mm) | 두께 Tc(mm) | 진동전극(mm)한쪽 면x수직면 | |
| 예 2-8 | 2.16 | 0.9 | 1.8 ×1.62 |
| 예 2-9 | 1.54 | 0.64 | 1.29×1.16 |
| 예 2-10 | 1.35 | 0.56 | 1.13×1.01 |
| 예 2-11 | 1.08 | 0.45 | 0.9 ×0.81 |
| 예 2-12 | 0.9 | 0.38 | 0.75 ×0.68 |
| 예 2-13 | 0.77 | 0.32 | 0.64 ×0.58 |
| 예 2-14 | 0.67 | 0.28 | 0.56 ×0.51 |
| 예 2-15 | 0.45 | 0.19 | 0.38 ×0.34 |
예 2-8~2-15의 압전공진자에 대하여 두께 확장방향의 압전특성은 예 2-1~2-7과 동일한 방식으로 조사된다. 예 2-8의 결과는 도 15에 도시되어 있으며, 예 2-9의 결과는 도 16에, 예 2-10의 결과는 도 17에, 예 2-11의 결과는 도 18에, 예 2-12의 결과는 도 19에, 예 2-13의 결과는 도 20에, 예 2-14의 결과는 도 21에, 예 2-15의 결과는 도 22에 각각 도시되어 있다. 도 15 내지 도 22의 수직축과 수평축은 도 7 내지 도 13의 수직축 및 수평축과 동일하다.
도 15 내지 도 22로부터 알 수 있는 바와 같이, 예 2-8~2-15의 각각에서는 주된 진동부에 의사성이 없는 최적의 파형이 얻어진다. 즉 대향면(1a, 1b)의 면의 길이 Lc, Wc가 두께 Tc의 5배 미만이면 압전기판(1)의 크기와 상관없이 기본파의 진동이 사용될 수 있다.
(예 2-16~2-19) : 압전기판(1)의 두께 Tc는 0.5mm로 고정되고, 압전공진자는 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc가 표 7에 나타낸 바와 같이 예 2-16~2-19에서 변화하는 것을 제외하고는 예 2-1과 동일한 조건하에서 만들어진다. 한쪽 면의 길이 Lc와 다른쪽 면의 길이 Wc 사이의 관계는 표 7에 나타내었다.
| 한쪽 면 길이 Lc(mm) | 다른쪽 면길이 Wc(mm) | 한쪽면 길이 Lc와 다른쪽면 길이 Wc 사이의 관계 | |
| 예 2-16 | 1.20 | 1.28 | Wc= 1.07 ×Lc |
| 예 2-17 | 1.20 | 1.16 | Wc= 0.97 ×Lc |
| 예 2-18 | 1.14 | 1.20 | Wc= 1.05 ×Lc |
| 예 2-19 | 1.24 | 1.20 | Wc= 0.97 ×Lc |
| 비교예 2-2 | 1.20 | 1.30 | Wc= 1.08 ×Lc |
| 비교예 2-3 | 1.20 | 1.10 | Wc= 0.92 ×Lc |
| 비교예 2-4 | 1.10 | 1.20 | Wc= 1.09 ×Lc |
| 비교예 2-5 | 1.32 | 1.20 | Wc= 0.91 ×Lc |
예 2-16~2-19의 압전공진자에 대하여 두께 확장방향의 압전특성은 예 2-1~2-7과 동일한 방식으로 조사된다. 예 2-16의 결과는 도 23에 도시되어 있으며, 예 2-17의 결과는 도 24에, 예 2-18의 결과는 도 25에, 예 2-19의 결과는 도 26에 각각 도시되어 있다. 도 15 내지 도 22의 수직축과 수평축은 도 7 내지 도 13의 수직축 및 수평축과 동일하다.
예 2-16~2-19에 대한 비교예 2-2~2-5로서 한쪽 면의 길이와 다른쪽 면의 길이가 표 7에 나타낸 바와 같이 변경되는 것을 제외하고는 예 2-16~2-19와 동일한 조건하에서 만들어진다. 이들 비교예 2-2~2-5에 대하여 예 2-16~2-19에서 처럼 압전특성이 조사된다. 비교예 2-2의 결과는 도 27에 도시되어 있으며, 예 2-3의 결과는 도 28에, 예 2-4의 결과는 도 29에, 예 2-5의 결과는 도 30에 각각 도시되어 있다. 도 27 내지 도 30의 수직축과 수평축은 도 7 내지 도 13의 수직축 및 수평축과 동일하다.
도 23~도 30으로부터 알 수 있는 바와 같이, 예 2-16~2-19에서는 주된 진동부에 의사성이 다소 존재하지만 사용가능한 양호한 파형이 얻어졌다. 반면 비교예 2-2~2-5에서는 주된 진동부에 의사성이 많이 존재해서 사용불가능한 파형이 얻어졌다. 즉, 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 다른쪽 면의 길이 Wc가 한쪽 면의 길이 Lc의 0.93~1.07배이면 기본파의 진동이 사용될 수 있다.
상술한 예에서는 압전기판(1)이 비스무스-스트론튬-티탄-망간을 함유하는 적층구조의 화합물로 구성되는 경우에 대하여 설명하였으나 압전기판(1)을 다른 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물로 구성하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다. 또 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물을 제외한 실효 포아손비가 1/3 미만인 다른 압전물질을 사용하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
본 발명을 실시예를 들어 설명하였으나 본 발명은 거기에 한정되는 것은 아니며 다양하게 수정될 수도 있다. 예컨대 상술한 실시예에서 압전기판(1)을 구성하는 압전물질은 실례를 들어 설명하였으나 압전물질의 실효 포아손비가 1/3 미만인 한 광범위하게 사용될 수 있다.
상술한 실시예에서는 압전기판(1)의 대향면(1a, 1b)의 한쪽 면의 길이 Lc가 전극(2, 3)의 리더(2b, 3b)의 연장방향 I로의 연장길이인 것으로 설명하였지만 두 개의 면에 수직인 어느 하나의 길이를 Lc로 하여도 된다.
(제 3 실시예)
도 31은 부분적으로 절개된 조립 상태로 도시된 본 발명에 따르는 압전공진부의 사시도이다. 도 32는 부분적으로 절개된 도 31의 확대측면도이다. 도 33은 도 31 및 도 32에 도시된 압전공진부의 분해 사시도이다. 도시된 압전공진부는 압전공진자(103), 기판(105), 접속도체(107) 및 캡(109)을 포함한다.
압전공진자(103)는 압전소자(111), 복수의 측면전극(113, 115) 및 복수의 진동전극(117, 119)을 포함한다. 진동전극(117, 119)은 압전소자(111)의 두께방향으로 서로 대향하는 한쪽 면과 다른쪽 면에서 압전소자(111)에 형성되며, 압전소자(111)는 진동전극들 사이에 위치하게 된다. 측면전극(113, 115)은 압전소자(111)의 길이방향으로 서로 대향하는 양쪽 면에서 압전소자(111)에 형성되며, 압전소자(111)는 그들 사이에 위치하게 된다. 측면전극(113)은 진동전극(117)에, 측면전극(115)은 진동전극(119)에 전기적 기계적으로 접속된다.
또 압전소자(111)는 소정의 두께를 갖도록 연마되고 높은 전기장으로 편광된 소결부재로 형성된다. 압전소자(111)는 환경문제를 야기하는 PbO를 함유하지 않는 무연재료로 만들어진다.
진동전극(117, 119)과 측면전극(113, 115)은 진공증착법 또는 스패터형성법(spatter formation method)과 같은 라미네이트 형성기술에 의해 형성될 수 있다. 진동전극(117, 119)과 측면전극(113, 115)의 재료는 은, 구리, 크롬 등을 포함할 수 있다.
기판(105)은 기판바디(127)와, 기판바디(127)의 표면에 형성된 복수의 단자전극(121, 123 125)으로 구성된다. 단자전극(121, 123)은 한바퀴 연장되어 기판바디(127) 둘레에 감겨져 있다. 단자전극(121)과 단자전극(125) 사이 및 단자전극(123)과 단자전극(125) 사이에는 각각 정전용량이 제공된다.
접속도체(107)는 금속볼(131, 133)과 전기적으로 도전성인 접착제(135, 137)를 포함한다. 금속볼은 예컨대 0.3~05mm의 크기로 되어 있으며, 무연족의 땜납볼, 구리볼, 주석볼, 구리 코어를 갖는 주석도금볼 등으로부터 선택될 수 있다. 무연족의 땜납볼의 재료는 환경오염의 관점에서 Sn-Sb, Sn-Sb-Cu, Sn-Ag, Sn-Ag-Cu, Sn-Ag-Cu-Bi, Sn-Ag-Cu-In, Sn-Zn, Sn-Zn-Bi 등으로부터 선택된 적어도 하나의 군일 수 있다. 주석도금의 두께는 5~30㎛이다. 보다 구체적으로는 사용될 금속볼(131, 133)은 볼직경이 0.3~0.5mm인 도금코팅된 볼(구리 코어+주석도금층: 도금두께 5~30㎛)이거나 또는 볼 직경이 0.3~0.5φmm인 구리볼(무도금)일 수 있다.
전기적으로 도전성인 접착제(135, 137)는 은과, 페놀수지, 우레탄수지와 에폭시수지나 에폭시수지기의 혼합기로부터 선택된 하나를 함유할 수 있다. 전기적으로 도전성인 페이스트의 경화조건 중의 하나는 예로서 다음과 같이 나타낸다.
페놀족 : 150℃ ×30분(대기 중에서)
우레탄/에폭시족 : 170℃ ×10분(대기 중에서)
에폭시족 : 200℃ ×30분(대기 중에서)
구성부분의 조립체로서 압전공진자(103)가 기판(105)에 장착된다. 금속볼(131, 133)은 압전공진자(103)와 기판(105) 사이에 위치되며, 이들 사이에는 공차 G가 제공된다.
금속볼(131, 133)은 압전공진자(103)의 측면전극(113, 115)과 각각 점접촉으로 위치된다. 전기적으로 도전성인 접착제(135)는 점접촉부 둘레에 부착된다. 따라서 금속볼(131, 133)은 측면전극(113, 115)에 각각 고정되어 전기적 기계적 접속이 확립된다.
측면전극(113, 115)과 접속하여 사용될 전기적으로 도전성인 접착제(135)는 압전공진자(103)의 특성을 사용할 수 있도록 가요성을 갖는 것이 바람직하다. 그러므로 에폭시 수지기보다 양호한 우레탄수지와 에폭시수지 또는 우레탄수지와 페놀족의 혼합물의 사용이 권장된다.
또한 금속볼(131, 133)은 단자전극(121, 123)의 표면과 점접촉으로 그 표면에 위치되고, 단자전극(121, 123)은 완전히 한바퀴 연장되어 기판(127) 둘레에 각각 감긴다. 단자전극(121, 123)은 압전공진자(103)와 대향하고 있다. 점접촉부는 전기적으로 도전성인 접착제(137)에 의해 접착되므로 금속볼(121, 133)은 단자전극(121 123)에 고정되어 전기적 기계적 접속이 확립된다.
단자전극(121, 123)과 접속하여 사용되는 전기적으로 도전성인 접착제(137)는 측면전극(113, 115)에서 필요한 것처럼 많은 가요성을 가질 필요는 없다. 따라서 에폭시기의 접착제가 사용될 수 있다.
압전공진자(103)와 기판(105)은 다음의 예로 든 순서에 따라 조립된다.
우선, 압전공진자(103)에 고착된 측면전극(113, 115)에 전기적으로 도전성인 접착제(135)가 코팅된다. 다음으로 코팅된 접착제(135)에 금속볼이 위치되고, 코팅된 도전성 접착제(135)는 건조에 의해 경화된다.
전기적으로 도전성인 접착제(137)는 기판(105)에 구비되는 단자전극(121, 123)에 코팅된다.
다음으로, 전기적으로 도전성인 접착제(137)가 코팅되는 기판(105)의 표면과 고정된 금속볼(131, 133)이 접촉할 수 있도록 지향되어 압전공진자(103)가 기판(105)에 장착되고, 단자전극(121, 123)에 코팅된 전기적으로 도전성인 접착제(137)가 건조에 의해 경화된다.
전기적으로 도전성인 접착제(135, 137)는 건조에 의해 경화된다. 경화조건에 대한 예는 페놀수지기가 150℃에서 30분 동안 경화된다. 우레탄수지와 에폭시수지의 혼합물은 170℃에서 10분 동안 경화된다. 에폭시수지기는 200℃에서 30분 동안 경화된다.
압전공진자(103)가 기판(105)에 고정되게 장착된 후 기판(105)에는 기밀밀봉구조를 갖는 절연접착제(139)에 의해 캡(109)이 고정된다.
도 34는 압전공진자 자체의 등가회로도이다. 압전공진자는 등가저항 R, 등가 인덕턴스 L, 등가 정전용량 C1 및 전극간 정전용량 Co를 포함한다
도 35는 압전공진자의 확대 사시도이다. 도시된 바와 같이 압전공진자(103)는 압전소자(111), 측면전극(113, 115) 및 진동전극(117, 119)을 포함한다.
예를들어, 압전공진자(103)의 크기는 다음과 같다. 화살표로 나타낸 바와 같이 X방향으로의 폭 W는 1~1.2mm이고, Z방향으로의 두께 T는 0.4~0.5mm이며, Y방향으로의 길이 K는 1~1.2mm이다.
본 발명에 따르는 압전공진자는 두께 확장방향 진동모드의 기본파 진동을 이용하도록 설계된다. 이용될 진동변위의 방향은 Z방향이다. 진동변위는 물론 진동전극(117, 119)이 형성되는 Z방향의 표면 중앙부에서 최대이다.
도 32에 도시된 바와 같이, 압전공진자(103)는 측면전극(113, 115)의 부분에서 금속볼(131, 133)에 의해 지지된다. 지지된 측면전극(113, 115)은 한쪽 면과 Y방향의 반대면에 위치된다. 한쪽 면과 Y방향의 반대면은 이용될 두께 확장방향 진동변위의 방향인 Z방향에 일반적으로 수직이다. 따라서 진동변위는 한쪽 면과 그 반대면에서 작다. 또 진동변위의 방향에 수직인 압전공진자의 방향은 이용될 두께 확장방향 진동변위를 아주 드물게 방해할 것이다.
따라서 압전공진자(103)가 측면전극(113, 115)의 부분에서 금속볼(131, 133)에 의해 지지되는 구조에 따르면 진동에너지의 감쇠와 불필요한 진동의 억제에 의해 야기되는 공진특성의 열화를 피할 수 있게 된다.
또 압전공진자(103)는 점접촉 구조에 의해 지지되기 때문에 이것은 압전공진자의 진동을 혼란시키는 요인을 더 감축시킬 것이다. 이러한 지지구조 때문에 높은 값의 Qmax를 갖는 압전공진자를 만들 수 있게 된다.
측면부에서서 진동변위가 작은 영역이 넓은 면적을 점유한다. S로 나타낸 두 영역은 특히 거의 진동변위가 없다. 도 35에서 영역 S는 높은 공진특성이 얻어질 수 있는 면적을 나타낸다. 영역 S는 금속볼(331, 333)이 접촉하는 지지점 위치로서 최적의 부분이다. 영역 S의 각각은 C1로 표시된 두께 T의 중앙부와, C2로 표시된 폭 W에 의해 규정된 4개 부분의 교차점에서의 중앙부를 가지며, 그 중앙부는 두께 T의 1/2인 면적이고, 그 폭은 총폭 W의 1/4이다. 그러나 이것은 영역 S를 제외한 다른 영역이 지지부로서 적용할 수 없다는 것을 의미한다. 연장된 모든 폭의 길이로서 도포된 종래구조와는 대조적으로 영역 S를 제외한 다른 지지 위치는 실용적인 사용의 특성을 얻기 위해 결정될 수 있다.
도 36은 압전공진자의 측면에서의 진동변위의 분포도이다. 이 도면은 레이저광선에 의한 진동변위의 측정을 보여주고 있다. 두께 T는 0.5mm, 폭 W는 1.2mm이다. 사선으로 표시한 부분 B는 비교적 높은 값을 보여주는 변위량 2nm~4nm로 되어 있다. 사선으로 표시되지 않은 다른 부분 A는 변위량 2nm이하로 되어 있다. 이 측면에서는 도 35에 도시된 바와 같이 Z방향에 위치된 하나의 측면의 중앙에서 볼 수 있는 4nm를 초과하는 변위량의 부분이 없다. 도 35에 도시된 바와 같은 영역 S는 변위량이 2nm이하인 부분 A에 포함된다.
도 37은 도 36의 중앙선 X1에서 측정된 변위량의 값을 나타낸 그래프이다. 수평축은 도 36의 중앙선 X1상의 위치를 나타낸다. 하나의 눈금은 0.1mm이고 전체 폭은 1.2mm이다. 수직축은 진동변위량을 나타내며 하나의 눈금은 1nm이다. 최대변위량은 3.6nm이며, 이것은 도 36에 도시된 바와 같은 위치 Z1에서 존재한다. 도 35에 도시된 영역 S는 약 1nm 이하의 영역에 포함된다.
도 38은 모델분석에 의한 압전공진자의 진동변위량의 분포도이다. 컴퓨터 시뮬레이션에 이용된 모델의 크기는 도 35에 도시된 바와 같이 압전공진자 자체 크기의 범위 내에 있다. 방향 X, Y 및 Z는 도 35에 도시된 방향과 동일하다. 진동변위량은 5단계로 나뉘며, 여기에서 백색부분 A는 최소변위량이며, 그 다음으로 순서대로 쇄선부 B, 수직선부 C, 수평선부 D 및 사선부 E가 있다. 중첩되게 해칭된 부분은 많은 양의 진동변위가 있다. Z방향으로 위치된 상면의 중앙부 E는 변위의 최대량을 나타낸다. 또한 Z방향으로 위치된 상면과 비교하여 X 및 Y방향으로 위치된 측면부는 보다 작은 양의 진동변위를 나타내며, X와 Y방향은 변위량이 최대인 방향 Z에 위치된 상면의 중앙부에 대응하는 부분이 없음을 나타낸다.
도 35에 도시된 S영역은 5단계의 구획중에서 변위량이 최소인 백색영역 A에 부분적으로 위치되며, 변위량이 영역 A다음으로 많은 점선을 갖는 해칭된 영역 B에 각각 부분적으로 위치된다.
도 39는 프로브(probe)에 의해 검출된 압전공진자에서의 공진특성값의 분포도이다. 이러한 분포는 압전공진자의 한쪽 면의 1/4영역과 접촉하는 프로브에 의한 Qmax값의 변화를 측정하여 얻어진다. Qmax값은 4단계로 나타낸다. 해칭영역은 "양호(good)"로부터 "불량(bad)"까지 중첩된다. 백색영역 A는 Qmax값 30~25를 가지며 최적이다. 점선으로 해칭된 영역 B는 Qmax값은 25~20이다. 수직선으로 해칭된 부가영역 C는 Qmax 값이 20~15이다. 수평선으로 해칭된 부가영역 D는 Qmax 값 15~10이다.
도 35에 도시된 바와 같이 S영역은 4단계의 영역 중에서 점선으로 해칭된 부분 Qmax 값 25~20의 영역 B에 한정되어 있다.
도 36~도 39를 참조하여 검사된 압전공진자의 양면에서의 진동변위량과 Qmax값에 의해 도 35에 도시된 S영역은 높은 Qmax 값을 갖는 진동변위의 최소량이다.
상술한 바와 같이 압전공진자(303)가 그 지점에서 측면전극(313, 315)과 접촉하는 금속볼(331, 333)에 의해 지지되는 점접촉 구조에 따르면 두께 확장방향 기본 진동모드는 진동 에너지의 감쇠와 불필요한 진동 및 공진특성의 열화를 방지할 수 있는 탁월한 공진특성을 갖는 압전공진부를 얻도록 이용될 수 있다.
상술한 본 발명의 구성에 의하면, 실효 포아손비가 1/3 미만인 압전물질을 사용하더라도 안정된 진동을 용이하게 얻을 수 있는 압전공진자를 제공할 수 있게 되며, 진동에너지의 감쇠를 방지하고 최소화하여 안정된 조건하에서 압전공진자를 지지할 수 있는 압전공진부를 제공할 수 있게 된다.
Claims (20)
- 실효 포안손비가 1/3 미만인 압전물질을 함유하며, 한 쌍의 대향면을 구비하는 압전기판과,상기 대향면 상에서 그와 대응하는 한 쌍의 진동전극을 포함하며,상기 압전기판의 대향면은 직사각형이고,상기 대향면 중 한쪽 면의 수직면의 길이와 다른쪽 면의 길이의 합은 2.22~2.24mm 또는 2.34~2.48mm의 범위 내로 한정되는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 대향면 중 한쪽 면의 각각의 길이는 1.06~1.24mm의 범위 내로 한정되고, 다른쪽 면의 각각의 길이는 1.16~1.30mm의 범위 내로 한정되는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 2 항에 있어서,상기 대향면 중 한쪽 면의 각각의 길이는 1.16~1.22mm의 범위 내로 한정되고, 다른쪽 면의 각각의 길이는 1.18~1.22mm의 범위 내로 한정되는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 1 항에 있어서,상기 압전기판은 비스무스(Bi)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 4 항에 있어서,적층구조의 화합물은 비스무스-스트론튬(Sr)-티탄(Ti)-산소(O)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 4 항에 있어서,적층구조의 화합물은 비스무스-스트론튬(Sr)-란탄(La)-티탄(Ti)-산소(O)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 실효 포안손비가 1/3 미만인 압전물질을 함유하며, 한 쌍의 대향면을 구비하는 압전기판과,상기 대향면 상에서 그와 대응하는 한 쌍의 진동전극을 포함하며,상기 압전기판의 대향면의 각각의 면적은 한쪽 면에 대하여 1.22~126mm2또는 1.35~1.538mm2인 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 7 항에 있어서,상기 압전기판은 비스무스(Bi)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 8 항에 있어서,적층구조의 화합물은 비스무스-스트론튬(Sr)-티탄(Ti)-산소(O)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 8 항에 있어서,적층구조의 화합물은 비스무스-스트론튬(Sr)-란탄(La)-티탄(Ti)-산소(O)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 실효 포안손비가 1/3 미만인 압전물질을 함유하며, 한 쌍의 대향면을 구비하는 압전기판과,상기 대향면 상에서 그와 대응하는 한 쌍의 진동전극을 포함하며,상기 압전기판의 대향면은 직사각형이고,상기 대향면의 한쪽 면의 길이는 상기 압전기판의 두께의 5배 이하로 한정되고,상기 대향면의 한쪽 면에 수직인 다른쪽 면의 길이는 상기 한쪽 면의 길이의 0.93~1.07배 이내로 제한되는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 11 항에 있어서,상기 진동전극의 면적은 상기 대향면의 면적의 6% 이상인 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 11 항에 있어서,상기 압전기판은 비스무스를 함유하는 적층구조의 화합물을 갖는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 13 항에 있어서,적층구조의 화합물은 비스무스-스트론튬(Sr)-티탄(Ti)-산소(O)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 제 13 항에 있어서,적층구조의 화합물은 비스무스-스트론튬(Sr)-티탄(Ti)-란탄(La)-망간(Mn)-산소(O)를 함유하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
- 압전공진자, 기판 및 접속도체를 포함하는 압전공진부에 있어서,상기 압전공진자는 두께 확장방향 진동모드로 동작되며, 두께 방향으로 위치된 면과 다른 두 개의 대향면에 구비되는 2개의 측면전극을 구비하고, 상기 측면전극은 대응하는 진동전극에 도체접속되며,상기 기판은 그 표면에 구비되는 단자전극을 구비하고,상기 접속도체는 상기 압전공진기의 측면전극과 상기 기판의 단자전극 사이에 위치되어 이 두 개의 부재를 고정적으로 접속하는 금속볼을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전공진부.
- 제 16 항에 있어서,상기 금속볼은 진동이 최소인 압전공진자의 부분에서 측면전극에 각각 접속되는 것을 특징으로 하는 압전공진부.
- 제 16 항에 있어서,상기 압전공진자는 기본파 진동을 이용하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 압전공진부.
- 제 16 항에 있어서,상기 압전공진자는 무연을 기본으로 하는 압전물질로 형성된 압전기판을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전공진부.
- 제 16 항에 있어서,상기 금속볼은 무연을 기본으로 하는 물질로 구성되는 전기적으로 도전성인 볼인 것을 특징으로 하는 압전공진부.
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