KR20020075724A - 압전공진자 및 이 압전공진자를 이용한 에프엠 검파회로 - Google Patents

압전공진자 및 이 압전공진자를 이용한 에프엠 검파회로 Download PDF

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Abstract

압전공진자에 있어서, 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수의 온도계수(FaTC), 및 중심주파수의 온도계수에 대한 목표값(α)이 다음의 식을 만족한다:
｜(FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo)｜≤α,
여기서, K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수; εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위); △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo); FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위); FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및 A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1이다.

Description

압전공진자 및 이 압전공진자를 이용한 에프엠 검파회로{PIEZOELECTRIC RESONATOR AND FM DETECTION CIRCUIT INCORPORATING THE SAME}
본 발명은 압전공진자 및 이 압전공진자를 이용한 에프엠 검파회로에 관한 것이다.
종래, 전압 변화를 검출하여 에프엠(FM)파의 주파수 변화를 검출하는 에프엠 검파회로의 이상기(phase shifter)에 판별기(discriminator)가 이용되어 왔다. 일반적으로, 넓은 복조출력 대역폭을 얻기 위해서, 낮은 Q와 넓은 대역폭 △F(=Fa-Fr)을 만들어내는 압전재료가 판별기에 사용되었다. 그러나, 압전재료의 다양한 온도계수의 관계가 적절하지 않아서, 완성품의 온도계수(foTC)가 비교적 크게 되었다. 따라서, 판별기에 사용되는 장치의 동작보정온도범위가 세라믹필터를 사용하는 판별기보다 좁아서, 다양한 장치에 판별기를 이용하는 것이 방해가 되었다.
완성품에 있어서 판별기의 온도계수(foTC)는 대략 25ppm/℃이고, 100℃의 온도범위에서 대략 28kHz 및 150℃의 온도범위에서 대략 40kHz의 주파수변화에 상응한다. 또한, 종래의 판별기에서는, 주파수 변화가 20℃이상의 온도에서 커지는 경향이 있었다. 따라서, fo에서의 ±300kHz의 변화량이라고 추정되는 foTC에 대한 일반적인 규격에 맞게 하기 위해 작동보정온도범위의 상한값을 종종 60℃로 설정해왔다.
상기 문제점에 대처하기 위해, 일본 특개소 제 63-283125호 공보에는, 캐패시터(capacitor)가 판별기(압전공진자)에 직렬로 접속되고, 판별기 정전용량(capacitance)의 온도계수 및 캐피시터 정전용량의 온도계수가 소정의 관계를 만족하여, 판별기의 온도변화와 관계된 주파수-임피던스 특성의 변화가 캐피시터의 온도특성에 의해 소거되고, 그리하여, 주파수의 차이를 감소시키는 장치가 기재되어 있다.
또한, 일본 실용신안등록 제 2501521호에는 3변에 저항(resistor)이 각각 접속되고, 나머지 한 변에 판별기(압전공진자)가 접속된 브리지 회로에서, 판별기와 동등한 온도특성을 가지는 캐패시터가 어느 한 쪽 저항에 병렬로 접속된 것이 기재되어 있다.
그러나, 각각의 제안들은 판별기에 더해 캐패시터의 이용을 필요로 하기 때문에, 불확실성을 증가시키는 캐패시터 온도특성의 제어를 필요로 한다. 따라서, 소정의 온도특성을 가진 에프엠 검파회로를 얻기 어려웠었다.
상기 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시예는, 압전재료의 다양한 온도계수가 최적화되어, 완성품이 안정적인 온도특성과 크게 증가된 작동보정온도범위를 가지는, 압전공진자 및 이 압전공진자를 이용한 에프엠 검파회로를 제공한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수(anti-resonance frequency)의 온도계수(FaTC), 및 중심주파수의 온도계수에 대한 목표값(α)이 다음의 식을 만족하는 압전공진자가 제공된다:
｜(FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo)｜≤α...(1)
여기서, K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수; εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도(reference temperature)에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위); △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo); FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위); FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및 A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1이다.
본 바람직한 실시예에 따르면, 정전용량의 온도계수와 반공진주파수가 서로 상쇄되도록 압전재료가 선택되기 때문에, 온도변화에 관한 중심주파수(fo)에서의 변화량이 크게 감소된다. 즉, 중심주파수(fo)의 온도계수(foTC)가 감소된다. 따라서, 압전공진자는, 압전공진자에 사용되는 장치에서 넓은 작동보정온도범위를 산출하는 넓은 작동보정온도범위를 가진다.
또한, 온도특성을 향상시키기 위한 캐패시터가 개별적으로 접속될 필요가 없기 때문에, 구조가 매우 간단해지고 소정의 온도특성이 얻어진다.
밀봉수지에 의해 밀봉된 압전공진자에 있어서, 압전공진자의 온도계수에 더해, 밀봉수지의 응력(stress)에 관한 중심주파수의 온도계수(RfoTC) 또한 다음 식이 만족되도록 고려하여 취해진다:
｜(FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo) + RfoTC)｜≤α...(2)
따라서, 밀봉수지의 온도계수의 영향이 제거되어, 밀봉수지에 의해 밀봉된 압전공진자에서 안정적인 온도특성이 얻어진다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는 압전공진자의 온도계수를 계산하는 방법을 제공한다. 중심주파수의 온도계수(foTC)는 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)로 부터 다음의 근사식에 따라 계산된다:
foTC= (FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo)...(3)
여기서, K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수; εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위); △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo); FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위); FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및 A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1이다.
밀봉수지에 의해 밀봉된 압전공진자에 있어서, 압전공진자의 온도계수에 더해, 밀봉수지의 응력의 중심주파수의 온도계수(RfoTC) 또한 중심주파수의온도계수(foTC)가 다음 식에 따라 계산되도록 고려하여 취해진다:
(foTC) = (FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo) + RfoTC...(4)
따라서, 압전공진자의 온도계수(foTC)가 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)로부터 쉽게 계산되고, 회로설계를 용이하게 한다.
중심주파수의 온도계수에 대한 목표값(α)은 18ppm/℃가 바람직하다. 더욱 상세하게는, 중심주파수(fo)=10.7MHz라 가정할 때, 완성품에서의 압전공진자 중심주파수의 온도특성(온도계수)(foTC)이, 150℃의 온도범위에서 대략 ±29kHz의 주파수변화에 상응하는 ±18ppm/℃라면, 예를들면, -40℃∼105℃의 작동온도 범위가 보정된다. 즉, 작동보정온도범위의 상한값이 60℃인 종래 기술에 비해, 본 발명에 따르면 상한값이 105℃까지 증가된다.
Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수(K)는, 예를들면, 0.225이다. 임피던스가 1kΩ이 되도록 중심주파수(fo)가 설정되고 K=0.225인 압전공진자에서, 중심주파수의 온도계수(foTC)와 공진주파수의 온도계수(FrTC) 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)의 평균값 간의 차이는 실질상 정전용량의 온도특성(온도계수)(εTC)과 비대역폭의 적(積, product)에 비례하기 때문에, 중심주파수의 온도계수(foTC)를 정확하게 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예는, 3변에 저항이 접속되고 나머지 한 변에 상술한 바와 같은 압전공진자가 접속된 브리지 회로를 포함하고, 에프엠 중간주파수 신호가 브리지회로의 두 쌍의 대향하는 노드 중 하나를 거쳐 입력되고, 두 쌍의 대향하는 노드 중 나머지를 거쳐 출력되는 에프엠 검파회로를 제공한다.
따라서, 에프엠 검파회로의 작동보정온도범위가 증가되어 중심주파수(fo)의 온도특성이 안정적으로 된다.
본 발명의 다른 특징, 특성, 및 이점은, 첨부도면을 참조하면서, 이하 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 더욱 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 원리를 설명하는 주파수-임피던스 특성도;
도 2는 본 발명에 따른 관계식을 구하기 위한 특성도;
도 3은 본 발명의 제 1실시예에 따른 압전공진자의 분해사시도;
도 4a는 브리지회로를 구성하는 이상기(phase shifter)의 회로도;
도 4b는 브리지회로를 구성하는 이상기의 위상특성도;
도 5는 도 3에 도시된 압전공진자의 임피던스 특성과 위상특성을 나타내는 그래프;
도 6은 종래 기술에 따른 압전공진자의 임피던스 특성과 위상특성을 나타내는 그래프;
도 7a는 실시예에 따른 압전공진자의 온도특성을 나타내는 그래프;
도 7b는 종래기술에 따른 압전공진자의 온도특성을 나타내는 그래프;
도 8a는 제 2바람직한 실시예에 따른 압전공진자의 정면단면도; 및
도 8b는 제 2바람직한 실시예에 따른 압전공진자의 측면단면도이다.
본 발명이 어떻게 이루어졌는지를 하기에 설명한다.
일반적으로, 압전 세라믹 재료에서, 단자간 용량의 온도계수(εTC)는 양의 값이다. 즉, 온도가 상승함에 따라 정전용량이 증가한다. 더욱 상세하게는, 온도가 상승하면, 정전용량의 온도특성으로 인해 압전공진자의 임피던스가 감소하여, 중심주파수(fo)가, 도 1에 점선으로 표시한 바와 같이, 높은 주파수쪽(fo'로 표시)으로 변위된다. 본 예에서, 중심주파수(fo)는 임피던스가 1kΩ이 되도록 설정되었다. 한편, 공진주파수의 온도계수(FrTC)와 반공진주파수의 온도계수(FaTC)는 음의 값을 가진다. 따라서, 온도가 상승하면, 주파수들의 온도계수(FrTC, FaTC)는 도 1에 이점쇄선으로 표시한 바와 같이 감소하여, 중심주파수가 낮은 주파수쪽(fo''로 표시)으로 변위된다. 변위가 서로 상쇄되기 때문에, 온도변화에 관한 중심주파수(fo)에서의변화량이 크게 감소하고, 중심주파수(fo)의 온도계수(foTC)를 크게 향상시킨다.
따라서, 발명자들은 다양한 압전재료에 대한 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수의 온도계수(FaTC), 및 중심주파수의 온도계수(foTC)를 측정했고, 그것들 사이의 특정 관계를 발견했다.
더욱 상세하게는, 발명자들은, 중심주파수의 온도계수(foTC)와 공진주파수의 온도계수(FrTC) 및 반공진주파수(FaTC)의 평균값 간의 차이가 정전용량의 온도계수(εTC)와 비대역폭의 적에 비례한다는 것을 발견했다. 즉, 중심주파수의 온도계수(foTC)는, 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수의 온도계수(FaTC), 정전용량의 온도계수(εTC), 및 비대역폭(△f/fo)으로부터 대체적으로 계산된다.
따라서, 완성품의 온도계수(foTC)는, 비례관계에 따라 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)를 결정함으로써 중심주파수의 온도계수(foTC)에 대한 목표값(α)내에서 유지된다.
표 1은 A∼E의 5종류의 PZT 압전재료를 사용하는 두께전단진동 모드(thickness shear vibration mode) 압전공진자에 대한 온도계수와 비대역폭을 각각 나타낸다. 각각의 압전공진자의 중심주파수(fo)는 임피던스가1kΩ(fo=10.7MHz)인 곳에서 발생된다.
재료특성 A B V D E
foTC(ppm/℃) -27 -5.3 11 16 20
FrTC(ppm/℃) -116 -93.1 -38 -56 -54
FaTC(ppm/℃) -79 -23.4 -5 -11 -6
εTC(ppm/℃) 3660 2431 2040 2380 2210
△f/fo 0.087 0.097 0.064 0.093 0.101
표 1에서, A는 기존의 판별기용 압전재료를 이용한 압전공진자를 나타내고, B∼E는 이번 실험을 위해 준비한 새로운 압전공진자를 나타낸다. 표 2는, 표 1의 온도계수와 비대역폭을 이용하여 얻어진 각각의 시료 A∼E에 대해, 정전용량의 온도계수(εTC)와 비대역폭(△f/fo)의 적, 및 중심주파수의 온도계수(foTC)와 공진주파수의 온도계수(FrTC) 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)의 평균값간의 차이를 구한 것이다.
A B C D E
εTC×△f/fo 318.42 235.807 130.56 221.34 223.21
foTC- (FrTC+ FaTC) / 2 70.5 52.95 32.5 49.5 50
도 2는, 표 2의 각각의 시료 A∼E를, 정전용량의 온도계수(εTC)와 비대역폭(△f/fo)의 적을 수평축으로 하고, 중심주파수의 온도계수(foTC)와 공진주파수의 온도계수(FrTC) 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)의 평균값간의 차이를 수직축으로 하여 그린 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 모든 시료 A∼E의 값들은 단일 직선 y=0.225x상에있다. 즉, 중심주파수의 온도계수(foTC)가 다음과 같이 근사된다:
foTC= (FrTC+ FaTC) / 2 + 0.225 ×εTC×(△f/fo)
중심주파수의 온도계수에 대한 목표값(α)에 대해, 압전공진자의 안정적인 온도특성이, 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)를 다음 식이 만족되도록 결정함으로써 얻어진다:
｜(FrTC+ FaTC) / 2 + 0.225 ×εTC×(△f/fo)｜≤α
식(3)과 식(1)이 상기 식의 일반형이다.
상기 예에서, 계수 K=0.225가 사용된 이유는 임피던스가 1kΩ일 때 압전공진자의 중심주파수(fo)가 발생되기 때문이다. 그러나, 계수 K의 값은 임피던스가 다른 값일 때 발생하는 중심주파수를 가지는 압전공진자와 다르다.
브리지평형회로를 사용하는 에프엠 검파회로에서, 중심주파수(fo)에 관한 임피던스는 검파 IC의 저항(R1, R2, R3)의 저항값에 기초하여 결정된다. 따라서, 중심주파수(fo)에 관한 임피던스는 IC들과 다르다. 그러나, 에프엠 검파용 IC들의 대부분의 저항 (R)은 1kΩ부근(약200Ω∼약300Ω의 편차가 있음)이기 때문에, 임피던스 Z=1kΩ일 때 발생하는 주파수가 안정되는 대부분의 IC에서 양호한 온도특성이 얻어진다.
표 3은 상기 식에 따라 계산된 온도계수(foTC)와 실제로 측정된온도계수(foTC) 사이의 비교를 나타낸다.
표 3에 나타낸 바와 같이, 계산치와 측정치가 유사하고, 본 발명에 따른 식(1) 및 식(3)의 정확성을 나타낸다. 또한, 기존의 재료로 만들어진 압전공진자(A)와 비교하여, 새로 준비된 재료로 만들어진 압전공진자(B∼E), 특히 압전공진자(B∼D)는 양호한 온도특성을 나타낸다.
A B C D E
foTC(계산) -26 -5 8 16 20
foTC(측정) -27 -5 11 16 20
도 3은 본 발명의 제 1바람직한 실시예에 따른 압전공진자를 칩형 판별기(chip-type discriminator)(D)로서 구성한 것을 나타낸다.
판별기(D)는 절연 기판(1), 기판(1)상에 구비된, 예를들면 유리 페이스트(glass paste)로 이루어진 프레임형 절연층(5), 기판(1)상에 구비된 전극(2, 3)들에 도체페이스트(4)를 통해 고정 및 접속된 압전소자(6), 압전소자(6)의 상단면 및 양측면상에 피복된, 예를들면 실리콘 고무로 이루어진 댐핑부재(7, 8), 기판(1) 절연층(5)상에 접착제(도시안됨)를 통해 고정되고 압전소자(6)를 밀봉하는 금속캡(9)를 포함한다.
압전소자(6)는 에너지 트랩 두께전단진동 모드 소자(energy-trap thickness shear vibration mode element)이고, 스트립형 압전기판(6a)을 포함한다. 압전기판(6a)의 상단면 및 바닥면상에는, 전극(6b, 6c)들이 중심영역에서 서로 대향하도록 구비되어 있다. 전극(6b, 6c)들은 압전기판(6a)의 각단 에지를 통해 맞은편 주면으로 연장되어 있다. 압전기판(6a)의 재료는 PZT 재료이다.
도 4a는 에프엠 검파회로에서 사용되는 이상기 회로의 일례를 나타낸다. 이상기 회로는, 회로의 3변에 접속되는 3개의 저항(R1, R2, R3)과, 나머지 변에 접속된 판별기(D)를 포함하는 브리지평형회로에 의해 형성된다.
각각의 저항(R1, R2, R3)들의 저항값은 1kΩ이고, 판별기(D)의 중심주파수(fo)는 임피던스가 1kΩ이 되는 주파수에서 발생한다. 본 바람직한 실시예에서, 중심주파수는 약 10.7MHz이다.
도 4b는 출력전압(Eo)의 위상에 있어서의 변화를 나타낸다. 도 4b에 도시된 바와 같이, 중심주파수(fo)에서, 출력전압(Eo)은 대응 입력전압(Ei)에 대해 90도 변위된다.
압전소자(6)를 구성하는 PZT 재료의 특성은 다음과 같다:
공진주파수의 온도계수 FrTC= -90ppm/℃
반공진주파수의 온도계수 FaTC= -25ppm/℃
압전재료 정전용량의 온도계수 εTC= +2430ppm/℃
비대역폭 △f/fo = 10%
FrTC, FaTC, εTC,및 △f/fo는 +20℃의 기준온도로 -20℃∼+85℃ 온도범위에서의 측정에 기초한 다음의 식에 따라 결정된다:
FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위);
FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위);
εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위); 및
△f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo);
여기서, A는 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1이다.
특성값을 식(3)에 대입하면, 중심주파수의 온도계수(foTC)는 다음과 같이 계산된다:
foTC= (FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo)
= (-90 - 25) / 2 + K ×2430 ×0.1
임피던스가 1kΩ일 때 발생하는 중심주파수(fo)의 압전공진자에서, K=0.225이므로, foTC= -2.83ppm/℃이다.
중심주파수의 온도계수의 목표값(α)이 α=-2.83ppm/℃로 설정되면, ｜foTC｜= 2.83ppm/℃은 목표값(α)보다 충분히 작아져 식(1)이 만족된다. 도 3에 도시된, 완성된 에프엠 검파용 칩형 판별기의 온도계수(foTC)가 대략 -3ppm/℃으로 측정되어, 우수한 온도특성을 나타낸다.
도 5는 도 3에 도시된 바람직한 실시예에 따른 칩형 판별기(D)의 -30℃, 20℃, 및 85℃ 온도에서의 임피던스 특성과 위상특성을 나타낸다.
도 6은, 예를들면, 일본 실개소 제 61-136630호에 기재된 공지의 적층구조 칩형 압전공진자이고, 압전소자의 진동모드는 두께종진동모드(thickness longitudinal vibration mode)인, 종래 기술에 따른 칩형 판별기의 -30℃, 20℃, 및 85℃ 온도에서의 임피던스 특성과 위상특성을 나타낸다.
도 6에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 칩형 판별기에서, 임피던스 Z=1kΩ에서의 주파수는 온도에 따라 변화한다. 이는 foTC의 증가치에 기여하는 요인이다. 반대로, 바람직한 실시예에 따른 칩형 판별기에서, 임피던스 Z=1kΩ에서의 주파수는, 도 5에 도시된 바와 같이, 실질상 온도변화에 상관없이 동일하다.
도 7a는 도 5에 도시된 바람직한 실시예에 따른 칩형 판별기의 온도특성을 나타내고, 도 7b는 도 6에 도시된 종래기술에 따른 칩형 판별기의 온도특성을 나타낸다.
도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 칩형 판별기에서, 중심주파수(fo)는 온도가 증가함에 따라 상당하게 변화하는 반면, 바람직한 실시예에 따른 칩형 판별기에서는, 온도가 105℃까지 상승해도, 중심주파수(fo)가 변화하지 않아서, 우수한 온도특성을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 제 2바람직한 실시예에 따른 압전공진자를 나타낸다.
압전공진자는 수지에 의해 밀봉 및 안내되고, 제 1바람직한 실시예와 유사하게 된다. 제 2바람직한 실시예에 따른 압전공진자는 에프엠 검파용 판별기로서 사용된다.
압전공진자는 중심주파수(fo)= 10.7MHz인 스트립형 두께전단진동모드 압전소자(10)를 포함한다. 압전소자(10)의 상단면 및 바닥면의 중앙부상에는, 진동전극(10a, 10b)이 구비되어 있고, 압전소자(10)의 양단상에는, 단자전극(10c, 10d)이 구비되어 있다. 리드단자(11, 12)는 땜납(13)을 통해 단자전극(10c, 10d)에 부착되어 있다. 한 쪽 리드단자(11)는 압전소자(10)의 바닥면으로부터 상단면까지 접혀있다. 압전소자(10)의 진동전극(10a, 10b) 주위는 에폭시수지로 이루어진 외장수지(packaging resin)(15)로 덮여있고, 외장수지(15)의 주위는 투명한 에폭시수지로 이루어진 표피수지(surface resin)(16)로 덮여있다.
압전소자(10)를 구성하는 PZT 재료의 특성은 다음과 같다:
공진주파수의 온도계수 FrTC= -90ppm/℃;
반공진주파수의 온도계수 FaTC= -25ppm/℃;
압전재료 정전용량의 온도계수 εTC= +2430ppm/℃; 및
비대역폭 △f/fo = 10%;
또한, 실험에 의하면, 외장수지의 압축응력에 관한 중심주파수의 온도계수(RfoTC)는 대략 +15ppm/℃이었다.
FrTC, FaTC,εTC, 및 △f/fo는 제 1바람직한 실시예와 유사하게 계산되었다.
특성값들을 식(4)에 대입하면, 중심주파수의 온도계수(foTC)는 다음과 같이계산된다:
foTC= (FrTC+ FaTC) / 2 + 0.225 ×εTC×(△f/fo) + RfoTC
= (-90 - 25) / 2 + K ×2430 ×0.1 + 15
= 12.17ppm/℃
중심주파수의 온도계수의 목표값(α)이 α=18ppm/℃이면, ｜foTC｜= 12.17ppm/℃은 목표값(α)보다 충분히 작아진다. 도 8에 도시된, 완성된 에프엠 검파용 칩형 판별기의 온도계수(foTC)가 대략 12ppm/℃으로 측정되어, 상기 식에 잘 맞게 된다.
따라서, 상기 재료를 사용하여 제조된 판별기는 우수한 온도특성을 나타낸다.
비록 바람직한 실시예가 본 발명에 따른 압전공진자를 사용하는 에프엠 검파용 판별기에 대해 설명되었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않고, Fr과 Fa의 중점을 사용하는 압전공진자, 예를들면, Fr과 Fa의 중점을 발진 지점으로 이용하는 발진자(oscillator)에 적용할 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 압전공진자를 밀봉하는 구조는 도 3에 도시된 캡에 의한 밀봉이나, 도 8a 및 도 8b에 도시된 수지에 의한 밀봉에 한정되지 않고, 종래 기술과 유사한 적층구조를 사용할 수도 있다. 그러한 경우, 외장수지를 사용하지 않기 때문에, 중심주파수의 온도계수(foTC)는 식(3)에 따라 계산된다.
또한, 본 발명에 따른 압전공진자의 진동모드는 두께전단진동모드에 한정되지 않고, 예를들면, 두께종진동모드일 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명했지만, 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 변화와 변경이 이루어질 수 있음은 말할 나위도 없다.그러므로, 본 발명의 범위는 다음의 청구의 범위에 의해서만 제한된다.
이상의 설명으로 알 수 있는 바와 같이, 정전용량의 온도계수와 공진주파수 및 반공진주파수의 온도계수를 상쇄하도록, 압전재료를 선정하기 때문에, 온도변화에 따른 중심주파수(fo)의 변화량을 적게할 수 있고, 그 온도계수(foTC)를 작게할 수 있다. 따라서, 이 압전공진자를 사용하면, 작동보정온도범위를 넓힐 수 있고, 압전공진자에 사용되는 장치에서의 작동보정온도범위를 넓힐 수 있다.
또한, 온도특성을 향상시키기 위한 정전용량 등을 별도로 접속할 필요가 없기 때문에, 구조가 간단하고, 소정의 온도특성으로 제어하기 쉽다.
또한, 외장수지의 온도특성에 의한 영향을 해소 또는 줄일 수 있도록 했기 때문에, 수지밀봉형 압전공진자라도, 그 온도특성을 안정시킬 수 있다.
또한, 압전공진자의 온도계수(foTC)를 계산하는 방법을 이용하면, 압전재료의 정전용량의 온도계수, 비대역폭, 공진주파수의 온도계수, 및 반공진주파수의 온도계수를 안다면, 압전공진자의 온도계수(foTC)를 간단하게 구할 수 있기 때문에, 회로의 설계가 용이하게 된다.

Claims (22)

  1. 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수의 온도계수(FaTC), 및 중심주파수의 온도계수에 대한 목표값(α)이 다음의 식:
    ｜(FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo)｜≤α,
    K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수;
    εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위);
    △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo);
    FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위);
    FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및
    A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1,
    을 만족하는 압전재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  2. 제 1항에 있어서, α=18ppm/℃인 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  3. 제 1항에 있어서, K=0.225인 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  4. 3변에 저항이 접속되고 나머지 한 변에 제 1항에 기재된 압전공진자가 접속된 브리지 회로를 포함하고, 에프엠 중간주파수 신호가 브리지회로의 두 쌍의 대향하는 노드 중 하나를 거쳐 입력되고, 두 쌍의 대향하는 노드 중 나머지를 거쳐 출력되는 것을 특징으로 하는 에프엠 검파회로.
  5. 제 1항에 있어서, 스트립형 두께전단진동모드 압전소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 압전공진자는 칩형 판별기를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 칩형 판별기는, 절연 기판, 기판상에 구비된 프레임형 절연층, 기판상에 구비된 전극들, 도체페이스트를 통해 상기 전극들에 고정된 압전소자, 압전소자상에 구비된 댐핑부재, 및 프레임형 절연층을 통해 절연기판상에 고정된 금속캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 프레임형 절연층은 유리 페이스트로 이루어진 것을특징으로 하는 압전공진자.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 댐핑부재는 실리콘 고무로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  10. 외장수지로 밀봉된 압전공진자로서,
    압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수의 온도계수(FaTC), 외장수지의 응력에 관한 중심주파수의 온도계수(RfoTC), 및 중심주파수의 온도계수에 대한 목표값(α)이 다음의 식:
    ｜(FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo) + RfoTC｜≤α,
    K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수;
    εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위);
    △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo);
    FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위);
    FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및
    A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1,
    을 만족하는 압전재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  11. 제 10항에 있어서, α=18ppm/℃인 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  12. 제 10항에 있어서, K=0.225인 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  13. 3변에 저항이 접속되고 나머지 한 변에 제 10항에 기재된 압전공진자가 접속된 브리지 회로를 포함하고, 에프엠 중간주파수 신호가 브리지회로의 두 쌍의 대향하는 노드 중 하나를 거쳐 입력되고, 두 쌍의 대향하는 노드 중 나머지를 거쳐 출력되는 것을 특징으로 하는 에프엠 검파회로.
  14. 제 10항에 있어서, 스트립형 두께전단진동모드 압전소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  15. 제 10항에 있어서, 상기 압전공진자는 칩형 판별기를 형성하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 칩형 판별기는, 절연 기판, 기판상에 구비된 프레임형 절연층, 기판상에 구비된 전극들, 도체페이스트를 통해 상기 전극들에 고정된압전소자, 압전소자상에 구비된 댐핑부재, 및 절연기판상에 고정된 금속캡을 포함하는 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 프레임형 절연층은 유리 페이스트로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  18. 제 16항에 있어서, 상기 댐핑부재는 실리콘 고무로 이루어진 것을 특징으로 하는 압전공진자.
  19. 중심주파수의 온도계수(foTC)가 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 및 반공진주파수의 온도계수(FaTC)로 부터 다음의 근사식,
    foTC= (FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo),
    K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수;
    εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위);
    △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo);
    FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위);
    FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및
    A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1,
    에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 압전공진자의 온도계수 계산방법.
  20. 제 19항에 있어서, K=0.225인 것을 특징으로 하는 압전공진자의 온도계수 계산방법.
  21. 외장수지에 의해 밀봉된 압전공진자의 온도계수 계산방법으로서,
    중심주파수의 온도계수(foTC)가 압전재료 정전용량의 온도계수(εTC), 비대역폭(△f/fo), 공진주파수의 온도계수(FrTC), 반공진주파수의 온도계수(FaTC), 및 외장수지의 응력에 관한 중심주파수의 온도계수(RfoTC)로 부터 다음의 근사식,
    foTC= (FrTC+ FaTC) / 2 + K ×εTC×(△f/fo) + (RfoTC),
    K = Fr과 Fa 사이의 중간점에서의 임피던스에 따라 결정된 계수;
    εTC= A ×(측정된 온도범위에서의 정전용량 변화량) / (기준온도에서의 정전용량 ×측정된 온도 범위);
    △f/fo = (기준온도에서의 Fa - 기준온도에서의 Fr) / (기준온도에서의 fo);
    FrTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fr의 변화량) / (기준온도에서의 Fr ×측정된 온도범위);
    FaTC= A ×(측정된 온도범위에서의 Fa의 변화량) / (기준온도에서의 Fa ×측정된 온도범위); 및
    A = 온도계수가 양일때 +1, 온도계수가 음일 때 -1,
    에 따라 계산되는 것을 특징으로 하는 압전공진자의 온도계수 계산방법.
  22. 제 21항에 있어서, K=0.225인 것을 특징으로 하는 압전공진자의 온도계수 계산방법.
KR10-2002-0014926A 2001-03-27 2002-03-20 압전공진자 및 이 압전공진자를 이용한 에프엠 검파회로 KR100500356B1 (ko)

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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7312554B2 (en) * 2004-04-02 2007-12-25 Adaptivenergy, Llc Piezoelectric devices and methods and circuits for driving same
US7290993B2 (en) * 2004-04-02 2007-11-06 Adaptivenergy Llc Piezoelectric devices and methods and circuits for driving same
US20050225201A1 (en) * 2004-04-02 2005-10-13 Par Technologies, Llc Piezoelectric devices and methods and circuits for driving same
US7287965B2 (en) * 2004-04-02 2007-10-30 Adaptiv Energy Llc Piezoelectric devices and methods and circuits for driving same
US20070129681A1 (en) * 2005-11-01 2007-06-07 Par Technologies, Llc Piezoelectric actuation of piston within dispensing chamber
CN103235200B (zh) * 2013-04-18 2015-06-17 上海理工大学 一种测量压电材料压电系数d15的动态谐振方法

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4384229A (en) * 1980-02-14 1983-05-17 Nippon Electric Co., Ltd. Temperature compensated piezoelectric ceramic resonator unit
JPS59181585A (ja) * 1983-03-31 1984-10-16 Toshiba Corp 変位発生装置
JPH0666630B2 (ja) * 1984-09-06 1994-08-24 日本電気株式会社 エネルギー閉じ込め形振動子
JPS61136630A (ja) 1984-12-04 1986-06-24 Mitsubishi Electric Corp 鉄心片の焼鈍方法
JPS62261208A (ja) * 1986-05-07 1987-11-13 Fujitsu Ltd 電気機械式フイルタの位相回転量変動抑圧方法
JPS63283215A (ja) 1987-05-14 1988-11-21 Murata Mfg Co Ltd 圧電部品
JPH01189531A (ja) * 1988-01-23 1989-07-28 Tokin Corp 力検出装置
JP2501521Y2 (ja) 1989-08-10 1996-06-19 株式会社村田製作所 Ｆｍ復調回路
JPH0417579A (ja) * 1990-05-07 1992-01-22 Nissan Motor Co Ltd 超音波モータ用圧電素子
EP0469193A1 (en) * 1990-08-03 1992-02-05 Koninklijke Philips Electronics N.V. Temperature stabilized crystal oscillator
US5747857A (en) * 1991-03-13 1998-05-05 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Electronic components having high-frequency elements and methods of manufacture therefor
JPH0738365A (ja) * 1993-07-26 1995-02-07 Murata Mfg Co Ltd エネルギー閉じ込め型共振子およびその製造方法
JPH0818369A (ja) * 1994-06-27 1996-01-19 Murata Mfg Co Ltd 圧電共振部品の製造方法
JPH0918234A (ja) * 1995-04-27 1997-01-17 Seiko Epson Corp 温度補償圧電発振器
JP2002090197A (ja) * 2000-09-12 2002-03-27 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 粉体流量計測装置

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