KR20020013435A - 압전 발진기 - Google Patents

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KR20020013435A
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Abstract

본 발명의 압전 발진기는 외부 정전용량의 변동에 의한 주파수 정밀도의 악화를 방지하여, 높은 주파수 특성을 유지하도록 구성된다. 또한, 본 발명의 압전 발진기는 높이를 줄일 때에도, 원하지 않는 단락의 발생을 방지하도록 구성된다. 이 압전 발진기에서, 커패시터 기판의 제 1 주면 상에는, 압전 공진기에 접속되는 제 1 및 제 2 외부전극만이 형성된다. 압전 공진기는 이들 제 1 및 제 2 외부전극에 접속된다. 제 1 외부전극과 제 2 외부전극 사이에는, 압전 공진자에 병렬로 정전용량을 부하하는 병렬 정전용량부가 접속된다. 또한, 제 1 외부전극과 제 3 외부전극 사이 및 제 2 외부전극과 제 3 외부전극 사이에는, 부하 정전용량을 삽입하는 한 쌍의 부하 정전용량부가 접속된다. 병렬 정전용량부 및 부하 정전용량부는 커패시터 기판에 내장된다.

Description

압전 발진기{Piezoelectric oscillator}
본 발명은 압전 공진기와 커패시터를 조합시킨 압전 발진기에 관한 것이다. 보다 상세히하면, 본 발명은 압전 공진기에 부하 정전용량 및 병렬 정전용량이 접속된 압전 발진기에 관한 것이다.
종래의 압전 발진기는 클록(clock) 회로 등의 발진 주파수를 얻는 데에 광범위하게 사용되어 왔다. 이러한 압전 발진기에서는 현저한 주파수 정확성과 신뢰성이 요구된다.
일본 실용신안 제 5-18120호에는 도 7에 도시된 바와 같은 압전 발진기가 개시되어 있다. 도 7은 압전 발진기의 단면도를 도시한다. 도 7에서, 압전 발진기(101)는 커패시터 기판(102) 상에 실장된 압전 공진기(103)를 포함한다. 압전 공진기(103)는 캡(cap; 104)에 의해 둘러싸여 있다. 커패시터 기판(102)의 외면에는, 외부전극(102a∼102c)이 형성되어 있다. 외부전극(102a, 102b)은 커패시터 기판(102)의 각 단면에 형성되어 있다. 외부전극(102a, 102b)에서 커패시터 기판(102)의 상면으로 연장하는 부분은 압전 공진기(103)의 진동전극(103a, 103b)과 전기적으로 접속하고 있다.
커패시터 기판(102)의 내부에는 내부전극(102d, 102e)이 형성되어 있다. 내부전극(102d, 102e)은 유전체층을 사이에 두고 서로 중첩하게 배열된다. 내부전극(102d)은 외부전극(102a)에 접속되고, 내부전극(102e)은 외부전극(102a)에 접속된다. 외부전극(102c)은 커패시터 기판(102)의 상면으로부터 커패시터 기판(102)의 한 쌍의 측면을 통해서 하면에까지 이르게 형성된다. 또한, 외부전극(102c)은 내부전극(102d, 102e)과 유전체층을 통해 서로 중첩하고 있다.
상술한 구성으로, 외부전극(102a, 102b) 사이에는, 내부전극(102d, 102e) 사이의 유전체층을 토대로 병렬 정전용량 CP가 구성된다. 또한, 내부전극(102d)과 외부전극(102c) 사이에는 부하 정전용량 C11이 구성되고, 내부전극(102e)과 외부전극(102c) 사이에는 부하 정전용량 C12가 구성된다. 압전 발진기(101)의 회로구성을 도 8에 도시한다.
압전 발진기(101)에서는, 상기 병렬 정전용량 CP가 압전 공진기(103)에 병렬로 접속된다. 따라서, 병렬 정전용량 CP의 크기를 조정함으로써, 공진 주파수와 반공진 주파수 사이에서 발생하는 스퓨리어스 응답(spurious response)을 변위시킬 수 있다. 그 결과, 고주파측에서 발생하는 스퓨리어스 응답을 억제할 수 있다.
또한, 일본 특허출원 제 4-192709호에는 도 9에 도시된 바와 같은 압전 발진기가 개시되어 있다. 도 9의 압전 발진기(111)에서, 커패시터 기판(112) 상에 압전 공진기(113)가 실장되어 있다. 압전 공진기(113)는 캡(114)에 의해 둘러싸여 있다. 커패시터 기판(102)의 내부에는 복수개의 내부전극(112a∼112e)이 형성되어 있다. 내부전극(112a, 112b)은 동일한 높이에서 소정의 간격을 두고 서로 대향하고 있다. 내부전극(112a)은 비아홀(via-hole) 전극(112f)에 접속되고, 내부전극(112b)은 비아홀 전극(112g)에 접속된다. 유사하게, 내부전극(112d, 112e)도 동일한 높이에서 소정의 간격을 두고 서로 대향하고 있고, 내부전극(112d)은 비아홀 전극(112f)에 접속되며, 내부전극(112e)은 비아홀 전극(112g)에 접속된다.
내부전극(112c)은 내부전극(112a, 112b, 112d, 112e)과 유전체층을 사이에 두고 서로 중첩하도록 배열된다. 내부전극(112c)은 비아홀 전극(112h)에 접속된다. 비아홀 전극(112f∼112h)은 커패시터 기판(112)의 하면에까지 연장한다. 커패시터 기판(112)의 하면에는, 외부와 전기적으로 접속되는 외부전극(112i∼112k)이 형성된다. 이 외부전극(112i∼112k)은 비아홀 전극(112f∼112h)에 접속된다.
이 압전 발진기(111)에서, 내부전극(112a∼112e)은 커패시터 기판(102)의 내부에 형성되고, 이에 의해 압전 공진기(113)에 부하 정전용량이 접속된다. 이 압전 발진기(111)에서, 외부전극(112i∼112k)이 커패시터 기판(112)의 하면에 형성되므로, 커패시터 기판(112)의 하면측은 인쇄 회로기판에 실장될 수 있다.
최근에, 이러한 압전 발진기에서, 다른 종류의 전자 장치에서처럼, 소형화, 특히 높이면에서의 축소가 강하게 요구되고 있다. 압전 발진기를 소형화시키는 경우에, 발진기에 사용되는 압전 공진기의 크기도 또한 감소한다. 그 결과, 압전 공진기에서 진동전극의 대향 영역이 줄어든다. 따라서, 압전 공진기의 단자들간의 정전용량 Cf는 감소한다. 예를 들어, Q값이 높은 Pb 함유계 세라믹 재료로 압전 공진자를 구성하는 경우에, 비대역폭이 크므로, 압전 공진자에 대한 외부 정전용량의 크기의 변동에 의해 주파수 정밀도가 변화하는 문제가 있다.
압전 공진자를 구성하는 압전 세라믹이 미세하고 고강도임에 따라서, 고주파 특성이 대폭 향상된다. 그러나, 고주파 특성의 향상으로도, 이상 발진에 의해 일어나는 제 3 고조파와 제 5 고조파 등의 고차 모드 스퓨리어스 응답은 실질적으로 증가한다. 따라서, 이러한 고차 모드 스퓨리어스 응답을 억제해야만 한다.
또한, 발진기의 높이가 줄어듬에 따라서, 압전 공진기와 이 압전 공진기가 실장되는 커패시터 기판 사이의 틈(gap)의 두께가 수㎛로 줄어든다. 그 결과, 예를 들어, 일본 실용신안 공개공보 제 5-18120호에 기재된 발진기에서는, 압전 공진기(103)가 공진할 때에, 압전 공진기(103)의 하면에까지 연장하는 진동전극이커패시터 기판 상의 접지 전위에 접속되는 외부전극(102b)과 접촉하여, 결국 단락되는 문제점이 있다.
일본 특허출원 공개공보 제 4-192709호에 기재된 압전 발진기(111)에서는, 커패시터 기판(112)의 상면 상에 외부전극이 형성되어 있지 않다. 따라서, 발진기의 높이를 줄이는 경우, 상술한 단락이 발생하지 않는다. 그러나, 이 압전 발진기(111)에서는, 발진기가 소형화됨에 따라서, 상술한 바와 같이, 외부전극의 변동에 의한 영향이 커진다. 따라서, 주파수 정밀도를 향상시키는 것이 매우 어렵게 된다. 또한, 제 3 고조파와 제 5 고조파 등의 고차 모드 스퓨리어스 응답의 영향이 증가한다.
선행 기술이 가지고 있는 상술한 문제점들을 극복하기 위해서, 본 발명의 바람직한 실시형태들은 개선된 압전 발진기를 제공한다. 이 압전 발진기에서, 외부 정전용량의 변동에 의한 주파수 정밀도의 악화가 저하되고, 우수한 주파수 특성을 얻게 된다. 또한, 발진기의 높이를 줄일 때에도, 원하지 않는 단락이 발생하지 않는다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태들의 압전 발진기는 우수한 정밀도와 신뢰성을 가지고 있다.
상기 이점 이외에도, 본 발명의 바람직한 실시형태들의 압전 발진기에서는, 고주파 특성이 대폭 향상될 때에도, 이상 발진에 의해 일어나는 고차 모드 스퓨리어스 응답이 효과적으로 억제된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기의 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기의 분해 사시도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기의 회로 구성을 도시한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기에서, 병렬 정전용량의 크기를 변화시킬 때의 임피던스와 주파수 특성의 변화를 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태의 변형예에서, 사용하는 압전 공진기의 임피던스-주파수 특성과, 병렬 정전용량의 tanδ-주파수 특성의 조합을 도시한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 제 2 실시형태에 따른 압전 발진기의 분해 사시도이다.
도 7은 종래 압전 발진기의 단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 종래 압전 발진기의 회로 구성을 도시한다.
도 9는 또 다른 종래 압전 발진기의 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 간단한 설명>
1 ... 압전 발진기 2 ... 커패시터 기판
2a ... 상면 2b, 2c ... 측면
2d ... 하면 2e∼2h ... 유전체층
3 ... 압전 공진기 4 ... 압전 기판
5, 6 ... 진동전극 7, 8 ... 제 1 및 제 2 외부전극
9 ... 제 3 외부전극 10, 11 ... 내부전극
12∼17 ... 내부전극 20 ... 금속 캡
CP... 병렬 정전용량 C1, C2... 부하 정전용량
22 ... 커패시터 기판 23 ... 절연층
본 발명의 바람직한 실시형태들에 따른 압전 발진기는, 제 1 주면, 제 2 주면, 한 쌍의 측면 및 한 쌍의 단면을 가지는 커패시터 기판; 상기 커패시터 기판의 제 1 주면까지 연장하는 부분이 있는 제 1 외부전극 및 제 2 외부전극; 상기 제 1 주면까지 연장하지 않는 제 3 외부전극; 상기 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 실장되고, 상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극에 전기적으로 접속되는 압전 공진기; 상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극 사이에 접속되게 형성되어, 상기 압전 공진자에 병렬로 정전용량을 부하하는 병렬 정전용량부; 및 상기 제 1 외부전극과 상기 제 3 외부전극 사이에 부하 정전용량을 삽입하고, 상기 제 2 외부전극과 상기 제 3 외부전극 사이에 부하 정전용량을 삽입하도록 배열되는 한 쌍의 부하 정전용량부;를 포함하며, 상기 병렬 정전용량부 및 상기 한 쌍의 부하 정전용량부가 상기 커패시터 기판에 내장되는 것을 특징으로 한다.
상기 압전 발진기에서, 병렬 정전용량부의 정전용량-주파수 특성이 고주파측에 존재함에 따라서, tanδ의 값이 커진다.
또한, 병렬 정전용량부 및 한 쌍의 부하 정전용량부는, 커패시터 기판을 형성하는 유전체층을 사이에 두고 커패시터 기판의 두께 방향으로 서로 중첩하는 복수개의 내부전극에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
또한, 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율은 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율과 다르다.
또한, 압전 발진기는 커패시터 기판의 제 1 주면에 부착된 캡을 더 포함하여, 제 1 주면 상에 실장된 압전 공진기를 둘러싸고 있다.
또한, 압전 발진기는 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 형성된 프레임(frame) 형상의 절연층을 더 포함하여, 압전 공진기를 실장한다.
또한, 제 1 외부전극과 제 2 외부전극은 커패시터 기판의 제 1 주면으로부터 한 쌍의 측면에까지 연장하고, 제 3 외부전극은 커패시터 기판의 한 쌍의 측면에 형성된다.
또한, 이 발진기에서, 제 1 외부전극 내지 제 3 외부전극은 커패시터 기판의 제 2 주면에까지 연장하는 것이 바람직하다.
본 발명의 그 외의 특징, 특성 및 이점은 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 통해서 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기의 단면도이다. 도 2는 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기의 분해 사시도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기에서, 압전 공진기(3)는 바람직하게 대략 직사각 평면 형상을 가지는 커패시터 기판(2)의 제 1 주면을 형성하는 상면(2a) 상에 실장된다.
바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 공진기(3)는 두께-전단 모드(thickness-shear mode)를 이용하는 에너지 트랩형(energy-trap type) 압전 공진기인 것이 바람직하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 압전 공진기(3)는 바람직하게 대략 직사각 평면 형상을 가지는 압전기판(4)을 가지고 있다. 압전기판(4)은 티탄산납계 세라믹 또는 티탄지르콘산납계 세라믹 등의 압전 세라믹으로 구성되거나, 또는 압전 단결정으로 구성되는 것이 바람직하다. 압전기판(4)은 길이 방향에 대략 평행한 방향으로 분극된다.
압전기판(4)의 상면에는, 제 1 진동전극(5)이 형성된다. 압전기판(4)의 하면에는, 제 2 진동전극(6)이 형성된다. 진동전극(5, 6)은 압전기판(4)의 길이 방향의 대략 중앙에서 압전기판(4)을 사이에 두고 서로 대향한다. 진동전극(5, 6)이 압전기판(4)을 통해서 서로 대향하는 부분은 에너지 트랩형 압전 발진부를 구성한다.
진동전극(5)은 압전기판(4)의 상면의 대략 중앙으로부터 압전기판(4)의 한쪽 단면을 통해서 하면에까지 연장하게 형성된다. 또한, 진동전극(6)은 압전기판(4)의 하면의 대략 중앙으로부터 압전기판(4)의 다른쪽 단면에까지 연장하게 형성된다.
커패시터 기판(2)는 공지의 다층 세라믹의 일체 소성 기술에 의해 구성되는 것이 바람직하다.
구체적으로, 커패시터 기판(2)은 적당한 유전체 세라믹으로 구성된다. 이 커패시터 기판(2)은 상면(2a)으로부터 한 쌍의 측면(2b, 2c)을 통해서 하면(2d)에까지 연장하게 형성되는 제 1 및 제 2 외부전극(7, 8)을 가지고 있다. 또한, 커패시터 기판(2)의 한 쌍의 측면(2b, 2c)으로부터 하면(2d)에까지 연장하게, 제 3 외부전극(9)이 형성된다. 외부전극(7, 8)은 커패시터 기판(2)의 단면(2x, 2y)에 근접하게 형성되는 것이 바람직하고, 외부전극(9)은 단면(2x)과 단면(2y) 사이의 대략 중앙 영역에 형성된다. 커패시터 기판(2)의 내부에서, 위쪽에는 복수개의 내부전극(10, 11)이 형성되어, 병렬 정전용량부를 구성한다. 내부전극(10, 11)은유전체층(2e)을 통해서 서로 중첩한다. 내부전극(10)은 커패시터 기판(2)의 측면(2b, 2c)에까지 연장하게 형성된다. 커패시터 기판(2)의 측면(2b, 2c)에까지 연장하는 내부전극(10)의 부분에는 제 1 외부전극(7)이 전기적으로 접속된다. 유사하게, 내부전극(11)도 커패시터 기판(2)의 측면(2b, 2c)에까지 연장하게 형성되고, 측면(2b, 2c)에까지 연장하는 부분에는 제 2 외부전극(8)이 전기적으로 접속된다. 따라서, 제 1 외부전극(7)과 제 2 외부전극(8) 사이에는, 내부전극(10)과 내부전극(11)을 중첩하게 하는 유전체층(2e)을 기초로한 정전용량이 삽입된다. 이 정전용량은 본 발명의 바람직한 실시형태들에서 병렬 정전용량부를 구성한다.
내부전극(10, 11)의 아래에는, 복수개의 내부전극(12∼17)이 형성된다. 내부전극(12, 13)은 선단(top end)이 커패시터 기판(2)의 내부의 동일한 높이에서 소정의 거리로 간격을 두고 서로 대향한다. 내부전극(12, 13)은 각각 측면(2b, 2c)에까지 연장하는 부분을 가지고 있고, 이 내부전극(12, 13)의 연장 부분에는 외부전극(7, 8)이 전기적으로 접속된다. 내부전극(12, 13)은 유전체층(2f)을 통해서 내부전극(16)과 중첩한다. 측면(2b, 2c)에까지 연장하는 내부전극(16)의 부분에는 제 3 외부전극(9)이 전기적으로 접속된다.
내부전극(16)의 아래에는, 내부전극(14, 15)이 동일한 높이에서 형성된다. 내부전극(14, 15)은 선단이 서로 소정의 거리로 간격을 두고 대향한다. 측면(2b, 2c)에까지 연장하는 내부전극(14)의 부분에는 제 1 외부전극(7)이 전기적으로 접속된다. 측면(2b, 2c)에까지 연장하는 내부전극(15)의 부분에는 제 2 외부전극(8)이 전기적으로 접속된다.
내부전극(17)은 내부전극(14, 15)이 형성된 위치보다 아래에 위치된다. 내부전극(17)은 내부전극(16)과 동일한 방식으로 형성된다.
구체적으로, 제 1 외부전극(7)과 제 3 외부전극(9) 사이에는, 내부전극(12, 14)과 내부전극(16, 17)을 중첩하게 하는 유전체층(2f∼2h)을 기초로하여 정전용량이 삽입되고, 이 정전용량은 본 발명의 바람직한 실시형태들에서 한쪽 부하 정전용량부를 구성한다. 유사하게, 제 2 외부전극(8)과 제 3 외부전극(9) 사이에는, 내부전극(16, 17)과 내부전극(13, 15)을 중첩하게 하는 유전체층(2f∼2h)을 기초로하여 정전용량이 삽입되고, 이 정전용량은 본 발명의 바람직한 실시형태들에서 다른쪽 부하 정전용량부를 구성한다.
그 결과, 부하 정전용량부는 외부전극(7)과 외부전극(9) 사이, 및 외부전극(8)과 외부전극(9) 사이에 형성된다.
도 3은 본 발명의 바람직한 제 1 실시형태에 따른 압전 발진기(1)의 회로 구성을 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 압전 발진기(1)에 병렬로 병렬 정전용량부에 기초로 하는 정전용량 CP가 접속된다. 또한, 압전 발진기에서 입력 단자와 접지전위 사이 및 출력 단자와 접지전위 사이에 각각, 제 1 부하 정전용량부와 제 2 부하 정전용량부를 기초로 하는 부하 정전용량 C1, C2가 접속된다.
본 바람직한 실시형태에서, 압전 공진기(3)는 외부전극(7, 8)에 도전성 접착부재(18, 19)에 의해 접속된다. 도전성 접착부재(19)는 진동전극(5)의 압전기판(4)의 하면에까지 연장하는 연장부(5a)와 외부전극(8)을 접속시킨다.
또한, 압전 공진기(3)를 둘러싸도록, 금속 캡(20)이 절연성 접착제(21)에 의해서 커패시터 기판(2)에 고정된다.
압전 발진기(1)에서, 커패시터 기판(2)의 상면(2a)에는 제 1 및 제 2 외부전극(7, 8)이 형성되고, 제 3 외부전극(9)은 형성되지 않는다. 그러므로, 발진기를 소형화시키고 발진기의 높이를 줄이는 경우에, 압전 공진기(3)와 커패시터 기판(2)의 상면(2a) 사이의 틈(A)의 두께가 줄어들었더라도, 진동전극(6)은 접지 전위에 접속된 제 3 외부전극(9)과 접촉하지 않는다. 그 결과, 발진기를 소형화시킬 수 있고, 특히 발진기의 높이를 대폭 줄일 수 있다.
또한, 커패시터 기판(2)의 내부에는, 도 3에 도시된 바와 같이, 병렬 정전용량 CP와 부하 정전용량 C1, C2가 형성된다. 병렬 정전용량부의 병렬 정전용량 CP에 의해, 반공진 주파수가 낮아진다. 그 결과, 대역폭 ΔF가 줄어든다. 대역폭 ΔF는 방정식 ΔF = Fa－Fr (여기에서, Fa는 반공진 주파수를 나타내고, Fr은 공진 주파수를 나타낸다)에 의해 얻게 된다. 즉, 협소한 대역폭을 얻게 된다.
입력단자와 출력단자 사이의 정전용량 CF는 방정식 CF= C0+ CP(여기에서, C0= C1＋C2)에 의해 얻게 된다. 발진기의 소형화에 의해 압전 공진기(3)의 단자들 사이의 정전용량이 감소하는 경우에도, 입력단자와 출력단자 사이의 정전용량은 확실히 증가한다. 따라서, 부유용량 등의 외부 정전용량에 의한 영향을 억제할 수 있으므로, 발진기(1)의 주파수 정밀도가 대폭 높아진다.
아울러, 압전 공진기(3)의 기본 모드를 이용하는 경우에, 제 3 고조파 및 제 5 고조파 등의 고조파가 발생하는 고주파측의 주파수 위치에서는, C1/C0의 값이 기본파의 경우보다 본래 작고, 병렬 정전용량 CP의 저항과 인덕턴스에 의해 손실이 발생한다. 따라서, 고차 모드에서는 반공진이 효과적으로 제거된다. 그 결과, 고조파에 의한 이상 발진이 대폭 억제된다.
도 4는, 병렬 정전용량 CP가 10pF 인 경우의 압전 발진기(1)의 임피던스-주파수 특성(점선), 및 병렬 정전용량 CP가 18pF 인 경우의 임피던스-주파수 특성(실선)을 나타내는 그래프이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 압전 공진기(3)로서, 입력단자와 출력단자 사이의 정전용량 CF가 12.8pF이고 대역폭 ΔF가 300㎑ 인 4㎒ 대역의 기본 모드를 이용하는 압전 공진기를 사용한다. 병렬 정전용량 CP가 10pF인 경우 대역폭 ΔF는 160㎑가 되고, 병렬 정전용량 CP가 18pF인 경우 대역폭 ΔF는 118㎑가 된다. 그러므로, 병렬 정전용량 CP의 값이 증가함에 따라서, 대역폭이 보다 협소해진다. 또한, 상술한 바와 같이, 병렬 정전용량 CP가 10pF으로부터 18pF까지 증가하는 경우, 제 3 고조파의스퓨리어스 응답의 크기를 나타나는 위상 θ3는 70°로부터 20°로 줄어든다. 그 결과, 고차 모드에 의한 스퓨리어스 응답이 대폭 억제된다.
또한, 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율과 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 다른 것이 바람직하다. 이러한 구성으로, 병렬 정전용량부의 병렬 정전용량 CP와 부하 정전용량부의 정전용량 C1, C2의 값은 최적화된다. 그 결과, 우수한 주파수 특성을 얻게 되고, 아울러 고차 모드에 의해 발생하는 스퓨리어스 응답도 한층 더 효과적으로 억제된다.
예를 들어, 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 클 때에, 내부전극 사이에 소수의(small number) 유전체층이 배열되더라도, 병렬 정전용량부에서는 다량의 정전용량이 생성된다. 반대로, 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 작고, 병렬 정전용량부에서 내부전극의 대향 면적이 커질 때에, 내부전극 대향 면적의 변동에 의해 정전용량의 변동이 대폭 억제된다. 또한, 병렬 정전용량 CP의 정밀도가 대폭 높아진다. 그 결과, 압전 발진기(1)의 대역 변동이 감소한다. 즉, 발진 주파수의 정밀도가 대폭 높아진다.
아울러, 바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 병렬 정전용량 CP의 주파수 특성을 고주파측에서 tanδ의 값이 커지도록 구성함으로써, 고주파 영역에서 발생하는 스퓨리어스 응답을 억제하는 것이다. 다시 말해, 압전 공진기(3)의 임피던스-주파수 특성이 도 5의 실선 B로 나타낸 바와 같이 나타나는 경우에, 병렬 정전용량부의 주파수 특성을 도 5의 점선 C로 나타낸 바와 같이 설정함으로써, 화살표 Y, Z로 나타낸 3차 모드 및 5차 모드의 발진 조건이 제거된다. 따라서, 고차 모드 스퓨리어스 응답이 보다 효과적으로 억제된다.
tanδ의 값이 저주파측으로부터 고주파측을 향할 때에 증가하는 특성을 가지는 유전체 재료로서는, 예를 들어, BaTiO3-CaTiO3-Nb-Co-Nd, BaTiO3-CaTiO3-Bi-Sn 등이 있다.
이 경우에, 병렬 정전용량 CP가 압전 공진기(3)의 입출력 단자들 사이의 정전용량보다 작아서, 대역폭을 협소화시키는 것이 어려운 경우에도, 병렬 정전용량의 주파수 특성에 의해 고차 모드 스퓨리어스 응답을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 압전 발진기에 사용되는 커패시터 기판을 도시하는 사시도이다.
커패시터 기판(22)의 상면(22a)에는, 대략 직사각 프레임 형상의 절연층(23)이 형성된다. 커패시터 기판(22)은 상면에 절연층(23)이 형성된다는 것을 제외하고는, 상기 제 1 실시형태의 커패시터 기판(2)과 동일한 구성이다.
대략 직사각 프레임 형상의 절연층(23) 상에 압전 공진기(3)가 실장된다. 압전 공진기(3)가 구비하고 있는 진동전극(5, 6)은 도전성 접합제에 의해 외부전극(7, 8)에 접속된다. 도전성 접합제의 두께는 절연층(23)의 두께보다 두껍다. 따라서, 압전 공진기(3)의 하면은 커패시터 기판(22)의 상면(22a), 즉 절연층(23)에 의해 둘러싸여 있는 영역과 절연층(23)의 두께만큼 간격을 두고 있다. 그 결과, 제 2 실시형태는, 상기 제 1 실시형태에 비해서, 보다 더 확실하게 원하지 않는 단락을 방지할 수 있다.
캡 부재는 절연층(23)의 외주 근방에서 절연성 접착제를 사용하여절연층(23)에 부착된다.
상기 제 1 및 제 2 실시형태에서는, 압전 공진기(3)로서, 바람직하게, 두께 전단 모드를 이용하는 에너지-트랩형 압전 공진기를 사용하였지만, 다른 진동 모드를 이용하는 압전 공진기를 사용할 수도 있다. 또한, 본 발명에서 사용하는 압전 공진기가 반드시 에너지-트랩형 압전 공진기일 필요는 없다.
또한, 제 1 실시형태에서는, 제 1∼제 3 외부전극(7∼9)이 바람직하게 커패시터 기판(2)의 한 쌍의 측면을 거쳐서 하면에까지 연장하고 있지만, 제 1∼제 3 외부전극(7∼9)이 커패시터 기판의 하면에까지 연장할 필요는 없다.
이제까지 상술한 바와 같이, 커패시터 기판의 제 1 주면 상에는, 제 1 및 제 2 외부전극은 형성되어 있고, 제 3 외부전극은 형성되어 있지 않다. 이 압전 공진기는 제 1 외부전극 및 제 2 외부전극에 전기적으로 접속된다. 이러한 구성으로, 압전 공진기와 커패시터 기판의 제 1 주면 사이의 틈이 줄어드는 경우에도, 원하지 않는 단락을 방지할 수 있다. 그 결과, 발진기가 소형화되고, 특히 발진기의 높이가 대폭 줄어든다.
또한, 제 1 외부전극과 제 2 외부전극 사이에 접속되는 병렬 정전용량부에 의해, 압전 공진기에 병렬로 정전용량이 부하되고, 대역폭이 협소해지며, 외부 정전용량에 의한 주파수 정밀도의 변동이 억제된다. 또한, 고차 모드 스퓨리어스 응답이 효과적으로 억제되므로, 고차 모드에 의한 이상 발진도 또한 억제된다.
특히, 병렬 정전용량부의 정전용량-주파수 특성이 고주파측에서 tanδ의 값이 커지도록 구성되는 경우에, 고주파측에서 고차 모드 스퓨리어스 응답이 효과적으로 억제된다.
병렬 정전용량부 및 한 쌍의 부하 정전용량부가 커패시터 기판을 형성하는 유전체층을 사이에 두고 커패시터 기판의 두께 방향으로 서로 중첩하는 복수개의 내부전극에 의해 구성되는 경우에, 적층 세라믹의 일체 소성 기술에 의해 병렬 정전용량부 및 한 쌍의 부하 정전용량부가 고정밀도로 형성된다. 또한, 중첩하는 내부전극의 적층수를 조정함으로써, 원하는 정전용량을 확실하게 얻게 된다.
병렬 정전용량부의 절연층의 비유전율과 부하 정전용량부의 절연층의 비유전율을 다르게 하는 경우에, 예를 들어, 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 클 때에, 내부전극 사이에 소수의 유전체층이 배열되더라도, 다량의 정전용량이 생성된다. 반대로, 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 작을 때에, 병렬 정전용량의 용량 정밀도가 높아지고, 발진 주파수의 정밀도도 높아진다.
커패시터 기판의 제 1 주면에 캡이 부착되어, 압전 공진기를 둘러싸고 있으므로, 압전 공진기는 캡의 내부에 수용된다. 따라서, 본 발명에 따른 압전 발진기는 우수한 내환경(environmental resistance) 특성을 얻게 된다.
압전 공진기가 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 프레임 형상의 절연층을 통해 실장되는 경우에, 커패시터 기판의 제 1 주면과 압전 공진기 사이의 틈이 효과적으로 확보된다. 따라서, 원하지 않는 단락이 확실하게 방지된다.
제 1 외부전극과 제 2 외부전극은 커패시터 기판의 제 1 주면으로부터 한 쌍의 측면에까지 연장하고, 제 3 외부전극은 커패시터 기판의 한 쌍의 측면에까지 연장하게 형성되는 경우에, 커패시터 기판의 한 쌍의 측면을 이용하여, 본 발명에 따른 압전 발진기를 인쇄 회로기판 등에 용이하게 실장할 수 있다. 특히, 제 1 외부전극 내지 제 3 외부전극이 커패시터 기판의 제 2 주면에까지 연장하게 형성되는 경우에는, 압전 발진기는 한층 더 용이하게 실장될 수 있다.
이제까지는, 본 발명의 바람직한 실시형태들에 대해서 기술하였지만, 본 발명은 하기에 청구되는 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명의 바람직한 실시형태들에 기술된 요지를 실시하는 다양한 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 하기의 특허청구범위에 의해서만 제한된다는 것이 이해된다.

Claims (20)

  1. 제 1 주면, 제 2 주면, 한 쌍의 측면 및 한 쌍의 단면을 가지는 커패시터 기판;
    상기 커패시터 기판의 제 1 주면에까지 연장하는 부분이 있는 제 1 외부전극 및 제 2 외부전극;
    상기 제 1 주면에까지 연장하지 않는 제 3 외부전극;
    상기 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 실장되고, 상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극에 전기적으로 접속되는 압전 공진기;
    상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극 사이에 접속되게 형성되어, 상기 압전 공진자에 병렬로 정전용량을 부하하는(load) 병렬 정전용량부; 및
    상기 제 1 외부전극과 상기 제 3 외부전극 사이에 부하 정전용량을 삽입하고, 상기 제 2 외부전극과 상기 제 3 외부전극 사이에 부하 정전용량을 각각 삽입하도록 배열되는 한 쌍의 부하 정전용량부; 를 포함하는 압전 발진기로서,
    상기 병렬 정전용량부 및 상기 한 쌍의 부하 정전용량부는 상기 커패시터 기판에 내장되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 병렬 정전용량부의 정전용량-주파수 특성이 고주파측에 존재함에 따라서, tanδ의 값이 커지는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 커패시터 기판은 복수개의 유전체층을 포함하며,
    상기 병렬 정전용량부 및 상기 한 쌍의 부하 정전용량부는 상기 커패시터 기판의 상기 유전체층을 사이에 두고 상기 커패시터 기판의 두께 방향으로 서로 중첩하는 복수개의 내부전극에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율은 상기 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율과 다른 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 상기 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 상기 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 작은 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 커패시터 기판의 제 1 주면에 부착된 캡(cap)을 더 포함하여, 상기 제 1 주면 상에 실장된 상기 압전 공진기를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 형성된 프레임(frame) 형상의 절연층을 더 포함하여, 상기 압전 공진기를 실장하는 것을특징으로 하는 압전 발진기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극은 상기 커패시터 기판의 제 1 주면으로부터 상기 한 쌍의 측면에까지 연장하고; 상기 제 3 외부전극은 상기 커패시터 기판의 상기 한 쌍의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 제 1 외부전극, 상기 제 2 외부전극 및 상기 제 3 외부전극은 상기 커패시터 기판의 제 2 주면에까지 연장하는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 압전 공진기는 두께-전단 모드(thickness-shear mode)를 이용하는 에너지-트랩형(energy-trap type) 압전 공진기가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  12. 제 1 주면, 제 2 주면, 한 쌍의 측면 및 한 쌍의 단면을 가지는 커패시터 기판;
    상기 커패시터 기판의 제 1 주면에까지 연장하는 부분이 있는 제 1 외부전극 및 제 2 외부전극;
    상기 제 1 주면에까지 연장하지 않는 제 3 외부전극; 및
    상기 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 실장되고, 상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극에 전기적으로 접속되는 압전 공진기; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 압전 발진기는,
    상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극 사이에 접속되게 형성되어, 상기 압전 공진자에 병렬로 정전용량을 부하하는 병렬 정전용량부; 및
    상기 제 1 외부전극과 상기 제 3 외부전극 사이에 부하 정전용량을 삽입하고, 상기 제 2 외부전극과 상기 제 3 외부전극 사이에 부하 정전용량을 각각 삽입하도록 배열되는 한 쌍의 부하 정전용량부; 를 더 포함하며,
    상기 병렬 정전용량부 및 상기 한 쌍의 부하 정전용량부가 상기 커패시터 기판에 내장되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 커패시터 기판은 복수개의 유전체층을 포함하며,
    상기 병렬 정전용량부 및 상기 한 쌍의 부하 정전용량부는 상기 커패시터 기판의 상기 유전체층을 사이에 두고 상기 커패시터 기판의 두께 방향으로 서로 중첩하는 복수개의 내부전극에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 병렬 정전용량부의 유전체층의 비유전율이 상기 부하 정전용량부의 유전체층의 비유전율보다 큰 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  16. 제 12 항에 있어서, 상기 커패시터 기판의 제 1 주면에 부착된 캡을 더 포함하여, 상기 제 1 주면 상에 실장된 상기 압전 공진기를 둘러싸는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 커패시터 기판의 제 1 주면 상에 형성된 프레임 형상의 절연층을 더 포함하여, 상기 압전 공진기를 실장하는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1 외부전극과 상기 제 2 외부전극은 상기 커패시터 기판의 제 1 주면으로부터 상기 한 쌍의 측면에까지 연장하고; 상기 제 3 외부전극은 상기 커패시터 기판의 상기 한 쌍의 측면에 형성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 제 1 외부전극, 상기 제 2 외부전극 및 상기 제 3 외부전극은 상기 커패시터 기판의 제 2 주면에까지 연장하는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
  20. 제 12 항에 있어서, 상기 압전 공진기는 두께-전단 모드를 이용하는 에너지-트랩형 압전 공진기가 되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 압전 발진기.
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