KR920005610B1 - 오버톤 발진용 압전 공진자 - Google Patents

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Description

오버톤 발진용 압전 공진자

최근 통신기를 비롯한 각종 전자기기에 있어서는 고주파화와, 초소형화의 요구가 한층 까다롭게 되어 있으나 이것에 따르기 위해서는 종래로부터 일반적으로 행하여지고 있는 수정진동자와 같은 압전 공진자의 오버톤 진동을 이용하는 외에 탄성 표면파(SAW)공진자가 광범위하게 사용되도록 되었다.

그러나 전자는 일반적으로 희망하는 오버톤의 주파수에 동조하는 LC 동조 회로를 거쳐서 소망하는 출력을 추출하거나 또는 발진회로의 일부에 LC 동조회로를 끼워 넣어서 그 회로에 부저항이 원하는 오버톤 주파수 영역에 있어서만 충분히 크게 되도록 설계하는 것으로써 어느것이나 코일을 필요로 하며 발진회로의 IC화를 진행시키는데 매우 부적당한 결점이 있었다.

한편 SAW 공진자의 발진 주파수는 주지하는 바와같이 압전기판의 재질과 그 표면에 형성하는 인터 디지틀, 트랜스 듀서(IDT)전극의 피치에 의해서 일의적으로 결정하므로 공진자 자체를 소형화 할 수 있는 동시에 전술한 바와같이 회로상의 문제점도 없으나, 주파수 온도 특성의 점에서 AT컷 수정진동자 보다 훨씬 못하다는 결점이 있었다.

발명의 개시

본 발명은 전술한 바와같은 종래의 고주파 공진자의 결함에 비추어서 이루어진 것으로서, 종래로 부터 사용되고 있는 통상의 압전자와 거의 동일한 형태이며, 따라서 제조공정등을 실질적으로 바꾸는 일없이, 또한 발진회로에 LC 동조 회로등을 부가하지 않고 원하는 오버톤 주파수의 발진을 할 수 있게하고 고차의 대칭 또는 비대칭 모우드의 진동을 이용한 오버톤 발진용 압전 공진자를 제공하는데 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 관한 오버톤 발진용 공진자는 아래와 같이 구성한다.

즉, 본 발명에 관한 오버톤 발진용 공진자는 압전 공진자를 심하게 진동시켰을때 발생하는 고차의 대칭 또는 비대칭 모우드 진동의 진동 에너지 유페모우드에 있어서의 특성을 이용하기 위하여 압전 기판위에 차단주파수 f₁인 에너지 유폐부 주변에 차단 주파수 f₂(단 f₁＜f₂)인 부분을 설치해서 고차의 대칭 또는 비대칭 모우드 진동을 강력하게 여기시켜서 당해 모우드의 진동중 n차 오버톤 이상의 고차 오버톤 진동의 진동 에너지를 전술한 에너지 유폐부 주변 근방에 거의 유폐하는 동시에 기본파 진동을 포함하는 n-2 이하의 오버톤 진동의 진동 에너지를 기판 전면에 확산 시키도록 전술한 에너지 유폐부 치수, 플레이트 백(Plate Back)량 (주파수 저하량)(f₂- f₁)/f₂및 기판의 판두께를 선택하는 것이다.

또한, 전술한 압전기판 외주 가장자리 근처의 적당한 곳에 전술한 차단 주파수 f₂보다 차단 주파수가 작은 진동 에너지 흡수부를 부가하므로서 전술한 기판의 전체면으로 확산시키는 기본파의 진동을 포함하는 n-2차 오버톤 진동 보다 저차의 오버톤 진동의 진동 에너지를 효과적으로 소모시킨다.

또한 전술한 압전기판의 외주 가장자리 근처의 적당한 곳의 기판 양면에 부착한 전극 사이에 적당한 값의 저항을 접속하므로서 전술한 기판의 전체면으로 확산된 진동 에너지의 소모를 크게하여도 좋다.

또한 본 발명에 관한 오버톤 발진용 공진자는 복합재료를 이용하므로써 GHz대(帶)의 공진자를 제공하는 데 있다.

즉 본 발명에 관한 오버톤 발진용 공진자는 실리콘, 수정, 유리 또는 금속등의 블록의 적당한 곳에 오목한 곳 또는 구멍을 설치하고 이것을 소요되는 두께로 된 동일한 재료의 얇은 층으로 덮는 동시에 그 얇은 층 위에 소요되는 전극을 붙인 ZnO등의 압전재료를 부착하여 전술한 전극부(실질적으로는 압전재료 부착부)를 차단 주파수 f₁인 진동 에너지 유폐부, 그 외주 가장자리와 전술한 블록의 오목한 곳 또는 구멍과의 경계부를 차단 주파수 f₂인 진동에너지 전반부, 또한 전술한 블럭부를 차단 주파수 f₂인 진동에너지 흡수부로 하고 전술한 각 부의 차단 주파수의 관계를 f₃＜ f₁＜ f₂로 하는 동시에 이용하는 진동 모우드에 있어서의 진동 에너지 유폐율과의 관계로 전술한 전극 치수, 플레이트 백 량등의 각 변수를 적절하게 선택한다.

또한 본 발명은 본질적으로 발진회로의 특성에 대한 의존성이 없는 오버톤 발진용 공진자를 제공한다.

그러므로 본 발명에 관한 공진자에 있어서는 전술한 압전기판 외주근처에 설치하는 진동 에너지 흡수부의 차단 주파수를 적어도 여진 전극을 붙인 진동 에너지 유폐부의 그것보다 작게 바람직하기는 매우 작게 하고 있다.

또한 본 발명은 공진 주파수의 미세한 조정에 따르는 부가 증착위치가 어긋나는데 원인이 있는 진동자 특성의 약화를 보상흡수하는 동시에 압전기판의 판두께의 산란이 진동자 특성에 부여하는 영향을 대폭적으로 감소시키며 겸해서 공진주파수의 상한(上限)을 높게 할 수 있는 오버톤-발진용 공진자를 제공하는데 있다.

그러므로 본 발명에 관한 공진자에 있어서는 뒷면 전극 면적을 압전 기판의 뒷면에 있어서 앞면 전극에 대응하는 영역보다 크게 설정하고 있다.

발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태

이하 본 발명을 하게 된 이론과 도면에 나타낸 실시예에 따라서 상세하게 설명하기로 한다.

실시예의 설명에 앞서서 본 발명의 이해를 돕기 위하여 그 이론에 관해서 약간 상세하게 설명하기로 한다.

우선 본 발명의 발상의 전제로 되는 사실 관계를 정리 열거하게 되면 아래와 같이 된다.

1) 쇽크레이(shockley)등의 에너지 유폐 이론은 순 탄성적인 해석으로서 파동으로서는 SH파에 관해서 해석한 것이나, 진동 매체로서는 금속, 수정, 리툼탄탈레이트, 리튬 니오베이트, 또는 압전 세라믹스와 같은 고결합재료를 사용하여 압전 공진자 전반에 대해서 진동 모우드로서는 두께 왜곡 진동(thickness twist vibration), 두께 길이 진동(thickness longitudinal vidration), 두께 슬립 진동(thickness slip vibration)등의 모든 모우드에 대하여 진동 에너지 전파(傳播) 방향이나 오버톤 차수(次數)가 다르더라도 정성적인 것에 대해서는 이 이론을 적용할 수 있다는 것이 알려져 있다.

2) 쇽크레이의 에너지 유폐 이론에 의하면 제1도 (a)에 나타낸 바와같이 차단 주파수 f₁인 부분의 주변에 차단 주파수 f₂인 부분이 존재하게 되면 차단 주파수가 작은부분(f₁의 부분)에 진동 에너지가 유폐되지만 그 유폐의 정도는 제1도 (b)와 같이 된다.

이 도면의 세로측의 Ψ은 Ψ=(f-f₁)/(f₂-f₁)인 식으로 기준화 공진 주파수라 호칭하고 Ψ=1의 경우하고는 f=f₂인 경우를 의미하며 제1도 (a)에서의 차단 주파수 f₁인 부분의 영향이 없다. 바꾸어서 말하자면 그 부분이 존재하지 않는다는 것을 의미하며 이 경우에는 진동 에너지는 기판의 전체면으로 확산되어 유폐는 생기지 않는다. 한편 Ψ=0의 경우와 전술한 설명은 반대로 차단 주파수 f₁의 부분에 전체의 진동 에너지가 유폐되는 것을 의미한다.

또한 가로축의 변수 na

/H는 유폐 계수라고 칭하는 것으로 오버톤 차수 n, 차단주파수 f₁인 부분의 치수 a 및 두께 H 및 주파수 저하량 Δ(=(f₂-f₁/f₂) 에 의해서 규정된다.

3) 전술한 유폐계수 중 a,

및 H가 적당한 고정된 값일 경우에는 오버톤차수 n이 증가함에 따라 에너지 유폐의 정도가 커지게 되지만, 유폐계수가 커지는데 따라 에너지 유폐의 정도는 오버톤 차수에 거의 좌우되지 않는 큰 값에 도달하게 된다.

이러한 현상은 제1b도에 도시된 S₀모우드(조화/대칭 모우드)진동이나 더 높은 차수의 비조화 대칭 모우드(S₁,S₂,…)와, 비조화 비대칭 모우드(a₀,a₁,a₂,…)와 같은 그러한 다른 모우드 진동이 압전기판에서 여기될 경우에도 역시 나타난다.

더구나 제1도(b)를 고찰하게 되면 전술한 유폐계수 na

/H가 어느 정해진 값 이하의 경우 고차 비조화 대칭 모우드(S₁,S₂,…)의 진동 또는 비조화 비대칭 모우드(a₁,a₂,…)의 진동에는 유폐모우드가 전혀 존재하지 않는 것을 알게 된다. 이 성질은 최저차 대칭 모우드(S₀)에는 존재하지 않는 성질이다.

4) 오버톤 차수 n 및 압전기판 주파수 즉 H가 여진일 경우 전술한 유폐 계수를 변동시킨 뒤에 조작할 수 있는 변수는 차단 주파수 f₁인 (일반적으로는 전극 부착)부분의 차수 및 무엇인가의 질량부가로 인한 주파수 저하량 Δ이다. 그러나 수정과 같은 고결합 재료를 진동 매체로서 사용할 경우에는 그 압전성에 기인하는 주파수 저하의 효과가 현저하게 되어 전술한 Δ를 충분히 조작할 수 없을 경우에는 전술한 a를 변화시키게 되면 효과적이다.

5) 에너지가 유폐된 진동에 관해서는 오버톤 차수가 클수록 동기저항은 크다. 또하 전술한 제1도(b)에 의해서도 명백한 바와같이 진동 에너지는 차단 주파수의 작은 부분에 완전히 유폐되는 일은 없으며, 다소나마 차단 주파수의 높은 주변부로 누설되지만 전술한 차단 주파수가 작은 부분으로 과도하게 근접되어서 전술한 누설에너지를 흡수해서 변환되는 부분이 존재하게되면 당해 진동에 관해서의 등가 저항은 크게 된다. 덧붙여서 종래의 일반적인 수정 진동자는 수정기판 중앙에 전극을 충분히 두껍게 부착하므로서 차단 주파수 차를 크게 잡고 모든 오버톤 차수의 진동 에너지를 해당부분에 유폐하는 것이었으므로 CI값이 최소로 되는 기본 주파수에서의 발진이 가장 용이하여서 이것을 오버톤 발진 시키려면 발진회로쪽에 연구를 해야한다는 것은 전술한 바와같다.

6) 다만 전술한 제1도 (b)에 나타낸 고차의 대칭 또는 비대칭 모우드에 관해서의 성질은 무한(無限)압전기판에 관한 이론적 해석의 결과이나 만일 이 성질이 유한 기판에서도 실질적으로 보존 된다면 기판의 전체면으로 확산된 진동에너지는 기판의 끝 가장자리의 지지부 등으로 부터 누설 또는 해당 부분에서 소모되므로 이들의 진동에 관해서의 등가저항은 매우 큰 것으로 될 것이다.

이상 설명한 사실관계를 감안하건데 우선 전술한 2) 및 3)에서 설명한 무한기판 위에서의 대칭 또는 비대칭 모우드의 진동에 관해서의 성질이 유한 기판 위에서 어느 정도 지지되는가를 검토한다.

제2도 (a)는 X방향으로 무한이어서 Z방향으로 2b인 유한의 폭을 가진 기판 위의 폭 방향 중앙에 2a인 폭을 가진 전극을 붙인 에너지 유폐형 공진자를 나타낸 모형단면도이다.

그와같은 공진자에 여기되는 파동으로서는 X축에 평행으로된 변위를 가진 SH파만을 고려하게 되면 좋으나 그 변위 U는 미상(尾上) 및 +자형의 "에너지 유폐형 압전 공진자의 해석"(소화 40년 9월 신학지(信學誌) 48권 9호)에 의하면

로 부여된다.

단 전술한 U는 U=f(z) 이어서 제2도 (a)에 나타낸 기판의 각 영역(I)(II) 및 (III)에서 전반 정수 β가 항상 실수(實數)로 되도록 정의한 k 및 k'를 사용해서 아래와 같이 고쳐 쓸수 있는 것이다.

여기에서, A,B 및 C는 정수(定數), 또는 f₁를 전극부(II)가 무한히 넓은 것으로 가정한 경우의 두께슬립 진동의 고유 공진 주파수, f₁를 무전극부(I) 및 (III)이 무한히 넓다고 가정하였을 경우의 고유 공진 주파수로 하였을때 전술한 각 영역(II) 및 (I)(III)의 전반 정수 k, k'는

이다.

또한 식 (2)(3) 및 (4)의 2중기법에 있어서의 상부는 변위 U가 원점에 대해서 우함수로 되는 대칭 진동을 부여하고 하부는 기함수로 되는 비대칭 진동을 부여하는 것이다.

이상의 (1) 내지 (6)식에 있어서, z=±a에서 변위 및 응력이 연속, z=±b에서 끝면이 자유롭다는 경계조건에서 다음의 주파수 방정식을 얻는다.

여기에서 전술한 f₁이 f₂보다 약간 낮을 경우의 (7)식의 근사식을 구한다.

우선 전술한 제2도는 (a)에 있어서 영역(II)에 기판의 판 두께의 변화를 부여하던가 또는 전극의 부착이 되었을 경우의 권측할 수 있는 주파수 즉 공진 주파수를 f로 한다.

이어서 새로운 차식을 만족시키는 δ및 Δ는 두개의 기준화 주파수를 도입한다.

f=(1+δ) f₁………………………………………………………(8)

f₁=(1+

) f₂………………………………………………………(9)

(5) 및 (8)에 의해서

(kH)²=(nπ)²·2δ ………………………………………………(10)

(6) 및 (9)에 의해서

(k'H)²=(nπ)²·2(

-δ)…………………………………………(11)

(10) 및 (11)에 의해서

여기에서

δ/

=

…………………………………………………………(13)

로 두게 되면,

또 (10) 및 (13)에 의해서

또한 (11) 및 (13)의해서

(14),(15) 및 (16)을 (7)에 대입하게 되면

이것은 b/a를 변수로한 기준화 공진주파수 Ψ와 공진자 치수 na

/H와의 관계를 나타내는 식으로서 유한 단위의 진동에너지 유폐상태를 부여하는 일반식이다.

여기에서, 전술한 (17)식을 사용하여 b/a=4의 경우의 고차의 대칭 및 비대칭 모우드 진동의 주파수 스펙트럼을 계산하고 무한기판에 있어서의 그것들과 비교한 결과 제2도(b)에 나타낸 바와같다.

본 도면으로 명백한 바와같이 최저차 대칭모우드의 진동에 관한 에너지 유폐의 정도는 기판 치수에 의해서 대폭적으로 변동하나 고차의 대칭 및 비대칭 모우드 진동에 관한 것은 무한기판의 경우도 유한기판의 경우와 실질적으로 동등하다고보아도 상관이 없다는 것이 판명되었다.

즉, 전술한 본 발명의 전제 조건인 2) 및 3)은 유한기판에서도 그대로 적용할 수 있는것과 최저차 대칭 (S₀) 모우드의 특성에 비교하여 다른 모우드는 그 경사가 급하며 그 정도는 고차 모우드 만큼 현저하게 된다는 성질도 유한기판에 있어서 유지되어있다.

이상이 해석 결과를 거쳐서 재차 전술한 본 발명의 발생의 전제로 되는 사실 1) 내지 5)를 고찰하여 이들의 사실관계를 통합하게되면 아래와 같은 아이디어에 도달한다는것이 이해될 것이다.

제3도(a) 내지 제3도(c)는 대칭 모우드를 이용한 본 발명에 관한 공진자의 기본적 구성을 나타낸 단면도 및 그 원리를 설명하기위한 설명도이다.

제3도 (a)에 있어서 두께 (H)의 압전기판(1)중앙부 양쪽면에 지름(2a)인 전극(2),(2')를 부착하고 그부분의 차단 주파수를 f₁로 저하시키며 그 주변의 차단주파수 f₂인 부분의 사이에 f₂- f₁인 차단 주파수차를 설치하고 그 전극(2),(2') 부착부를 진동에너지 유폐부, 비전극부(3),(3')를 필요로 하지 않는 진동의 진동에너지 전반부로 해서 그 외주의 적당한곳에 차단주파수 f₃(단 f₃는 f₃＜ f₂)인 진동 에너지 흡수부 전극(4),(4')를 설치한다.

여기에서 이 공진자를 예를들면 오차 오버톤 발진용 진동자로 할 경우를 생각해 본 다면 전술한 원리로 부터 기본파(1차) 및 3차 오버톤 진동의 진동에너지 유폐율을 작게, 5차 오버톤 이상의 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율을 크게하면 좋으므로 제3도(b)에 나타낸 바와같이 우선 5차 오버톤 진동의 진동에너지 유폐율(T₅)를 예를들면 80% 정도로 설정한다.

본 도면에 의해서 T₅=80%에 있어서의 유폐계수 na

/H는 대략 0.53이나, 유폐계수 na

=

중 n, H, f₂및 a는 여건이 되므로 f₁을 어느정도의 값으로 선택하면 좋은가는 간단하게 산출할 수 있다.

f₁이 정하여 지게되면 차단주파수차 f₂- f₁은 소위 플레이트백에 직접 관계되는 양이어서 이것을 만족하는 전극부차량은 이미 주지되어있으므로 제3도 (a)에 나타낸 바와같은 공진자는 용이하게 제조할 수 있다.

더구나 리튬 니오베이트, 리튬탄탈레이트 또는 압전 세라믹스와 같은 고결합재료를 압전기판으로 사용할 경우에는 약간의 전극부착량에 의해서 매우 큰 주파수 저하가 발생되므로 전술한 주파수 저하량 Δ를 여건으로 하여 전술한 전극치수 a를 조작하는 편이 가장 적합할 것이다.

또한, 전술한 진동에너지 흡수부(4),(4')의 차단주파수 f₃은 일반적으로는 f₁과 동일해도 좋으나 필요에 따라서 증감하고 그 부분에 있어서의 진동에너지의 소비가 매우 크게 되도록하는것이 바람직하다.

이렇게하여 제조된 공진자에 있어서는 제3도(c)에 나타낸 바와같이 전극부에 5차, 7차…의 오버톤 진동에너지가 유폐되는 한편, 기본파(1차) 및 3차의 오버톤 진동의 그것은 거의 유폐되는 일없이 압전기판(1)외주로 향해서 누설 전반되어 전술한 진동에너지 흡수부(4),(4')에 있어서 압전기판(1)을 진동시킨다.

즉 그 부분에서 에너지를 열로 변환하여 소비하므로 발진회로축에서 본 이들 기본파 진동을 포함하는 저차 오버토 진동에 관한 임피던스는 에너지 유례가 생기고 있는 고차 오버톤 진동의 그것보다 높아진다.

이 현상은 전극사이에 다수의 유리 전극을 근접배치한 소위 다중 모우드 압전 모로리딕필터(monolithic filter)에 있어서의 유리전극 부착부위 에너지 분포상태를 상상하게 되면 용이하게 이해될 것이다.

한편, 전술한 바와 같이 전극부에 진동 에너지가 유폐된 5차, 7차, …의 오버톤 진동에 관한 임피던스는 5차의 그것이 최저이므로 이 공진자는 5차 오버톤 진동이 가장 심하게 진동되기 쉬운 진동자로 되는 것이다.

그런데, 제3도(c)에서 명백한 바와 같이 전술한 진동 에너지 유폐부(2)(2')와 전술한 진동 에너지 흡수부(4)(4')사이의 진동 에너지 전반부(3)(3')의 틈새가 매우 작을 경우에는 유폐된 진동 에너지의 일부가 전술한 진동 에너지 흡수부에서 소비되며, 반대로 이 틈새가 과다한 경우에는 누설에너지는 손실되지 않은 상태로 전반되므로 이론적으로는 전술한 진동 에너지 흡수부가 없는 것과 같을것이라는 것은 전술한 바와 같다.

따라서, 전술한 틈새에는 가정 적합한 값이 존재할 것이나 이들 손실분을 정량적으로 해석하는데에는 곤란할 것이므로 실험에 의해서 구해야 된다.

제4도(b)는 3차 오버 진동(50MHZ)의 수정 공진자를 제조할때의 진동 에너지 전반부 틈새를 변화하였을 경우에 관한 실험 결과를 나타낸 도면으로서, 제4도(a)에 나타내는 틈새 D-a가 과소하게 되면 기본파(1차)의 진동에 관한 임피던스는 큰것이지만 3차 오버톤에 관한 그것은 제법커지고 또한 틈새가 과대하게 되면 1차, 3차, 오버톤 진동 쌍방에 관한 임피던스에 차가 없어지므로 D/a가 1.5 정도의 값을 선택하여 3차 오버톤 진동이 발진하기에 가장 용이한 조건을 부여해야 한다는 것이 판명되었다

이상, 본 실시예의 기본원리를 설명하였으나 현실적으로는 이 원리를 다소 벗어났을 경우라도 동일한 효과를 나타내는 공진자를 얻을 수 있게 된다.

즉, 발진회로는 일반적으로 주파수가 높아지면 그 증폭기의 이득이 저하되므로 회로의 부성 저항도 거의 주파수의 자승에 반비례하는 성질이 있으므로 발진회로쪽에서 본 공진자의 임피던스 최소의 오버톤 주파수로써의 발진이 가장 용이하다고는 단언할 수 없기 때문이다.

예를들면, 전술한 제3도(d)에 있어서, 원하는 발진주파수인 5차 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율 T를 전술한 80%보다 대폭적으로 낮게(예를들면 60% 전후)설정하였을 경우에는 정성적으로는 제5도에 나타낸 바와 같이 7차 오버톤 진동에 관한 임피던스가 5차 오버톤 진동의 그것보다도 얼마간 작게되는 일이 있을 수 있으나 그와 같은 경우라도 발진회로의 특성과의 관계에서 공진자는 임피던스 최소점인 7차 오버톤 주파수에서는 발진하지 않으며, 5차의 그것으로 발진하 수도 있게 된다.

따라서, 본 발명에서 말하는 「원하는 오버톤 진동」이라함은 반드시 발진회로쪽에서 본 공진자의 임피던스가 최소로 되는 오버톤 진동이 되어야할 필요는 없고, 적어도 「원하는 오버톤 진동」에 있어서의 임피던스가 기본파 진동을 포함하는 것보다 최저의 오버톤 진동의 그것보다도 대폭적으로 작으면 충분하다는 것에 주목해 주기 바란다.

그런데, 전술한 바와 같은 조건을 만족시키는 공진자의 평면 모양은 예를들면 제6도에 나타낸 바와 같이 하면 된다.

제6도(a) 및 제6도(b)에 나타낸 바와 같이 압전기판(1)의 중앙부에 주진동 에너지 유폐용 전극(2)(2')를 배치하고 그 주변부에 비전극부(진동 에너지 전반부)(3)(3')를 또한 그 외주의 적당한 곳에 적당한 형상의 진동 에너지 흡수부 전극(4)(4')을 배치하고 전술한 기판(1)의 외주에 따라서 부착한 리이드(5)(5')로 전술한 전극(2)(3)(2')(4')를 접속하는 동시에 전술한 외주의 진동 에너지 흡수부 전극(3)(3')(4)(4')를 각각 동일한 전위로 되도록 결합하면 좋다.

그와 같이 전술한 진동 에너지 흡수부 전극 부착부에 있어서, 이 공진자와 회로쪽을 접속시키면 당해 전극을 타브(tub) 전극으로 해서 이용할 수 있으므로 리이드 접속부의 기계적 강도를 확보하는 데에 효과적이다.

또한, 전술한 진동 에너지 유폐부로 부터 연장되는 리이드 패턴을 제6도(c)에 나타낸 바와 같이 전술한 진동 에너지 전반부(3)(3')를 통해서 직접 전술한 진동 에너지 흡수부 전극(4)(4')에 접속시켜도 좋다.

물론 이와 같은 구성을 채택하게 되면 전술한 전극(2)(2') 근처에 유폐된 원하는 오버톤 진동의 에너지도 그리이드 패턴(5)(5')를 거쳐서 약간 누설되기 쉬운 경향이 있다는 것이 실험적으로 확인되어 있으나 리이드는 짧아지므로 저항손실 및 압전기판과 증착 패턴의 위치 맞춤에 엄밀하지 않아도 된다는 점에서 유리할 것이다.

또한 전술한 진동 에너지 유폐용 전극(2)(2')로 부터 끌어내는 리이드(5)(5')는 반드시 전술한 진동 에너지 흡수부 전극(4)(4')와 합체시킬 필연성은 없으며 제5도(d)에 나타낸 바와 같이 분리시켜도 상관이 없으며 또는 제6도(a)에 나타낸 바와 같이 전술한 진동 에너지 유폐부(2)(2')의 거의 전체의 둘레를 포위하도록 진동 에너지 흡수부 전극(4)(4')를 설치하여도 좋으며, 그와 같이 하므로써 누설 에너지의 소비가 증대되어 그 진동에 관한 등가 저항을 한층 크게 할 수 있다.

더구나, 본 실시예의 공진자의 구조는 제7도(a) 내지 제7도(f)에 나타낸 바와같이 변형시켜도 좋다.

즉, 제7도(a)(b)는 각각 압전기판(1)의 전술한 진동 에너지 전반부(3)(3')를 예를들면 부식방법을 사용하여 양면 또는 한쪽면에 대하여 삭제하고, 그곳의 차단 주파수를 높게한 것이며 그와 같이 하므로써 부착 전극의 두께를 감소할 수 있으므로 전극증착에 필요한 시간을 단축할 수 있는 동시에 두꺼운 전극을 부착하였을 경우 발생되기 쉬운 전극의 박리등을 방지할 수 있다.

한편, 제7도(c)는 주파수가 높아졌을 경우에는 전술한 주진동 유폐부의 전극(2)(2')가 매우 얇아져서 도전성을 상실하여 전극으로서의 용도로 되지 않게 되므로 그 부근의 압전기판을 약간 오목하게 하여 필요한 전극 두께를 확보하려는데 있다.

더구나 압전기판의 가장외주의 전술한 진동 에너지 흡수부에는 반드시 전극을 부착할 필요는 없으며,제7도(d)에 나타낸 바와 같이 그곳의 기판의 두께를 크게 하여 부분(4')에서 불필요한 진동의 에너지를 소비시키는 것만으로도 좋다.

또한, 전술한 목적을 위해서는 반드시 압전기판(1)의 가장 외주판의 두께를 크게할 필요도 없고 음향 손실이 큰재료, 예를들면 납, 주석, 금 등을 부착하거나 또는 에폭시 수지와 같은 유지재료(6)(6')(7)(7')를 두꺼운 막 인쇄등의 기술을 사용하여 부착하여도 좋다.

더구나, 전술한 진동 에너지 흡수부에는 제7도(f)에 나타낸 바와 같이 전극(3)(3')(4)(4')의 위에 도전성 접착제와 같은 음향 손실이 큰 재료(8)(8')(9)(9')를 점 모양으로 부터 하므로서 불필요한 진동으로 인한 에너지를 소모시키는 동시에 그곳에서 공진자를 지지구로 고정시켜도 좋다.

여기에서, 전술한 실시예의 공진자의 특성에 관하여 그 실험 결과를 간단하게 설명하기로 한다.

본 실험에서는 전술한 제4도에 나타낸 바와 같은 구조의 공진기를 사용하여 그 사양을 아래와 같이 하였다.

수정(AT 컷트) 기판 지름 7mm

발진 주파수(오버톤 치수) 50MHZ(3차)

진동 유폐부 금전극막 두께 350Å

전극 치수 2mm×2mm

진동 유폐부 전극과 에너지 흡수부 전극과의 틈새 0.5mm

진동 에너지 흡수부 전극 배치 Z' 방향

전술한 공진자에 있어서 기본파 진동 및 3차 오버톤 진동에 관한 CI 값은 각각 150Ω및 52Ω이며 도전성 접착제에 의해서 공진자와 리이드를 접착한 다음의 CI 값은 각각 280Ω및 53Ω으로 향상되어 전술한 이론의 정당성이 입증되었다.

제8도(a) 내지 제8도(c)는 비대칭 모우드를 이용한 본 발명에 관한 공진자의 그바의 기본적 구성을 나타내는 단면도 및 그 원리를 설멍하기 위한 설명도이다.

제8도(a)에 있어서, 압전기판(1)의 중앙부 양면에 각각 그 분할전극(20)(20') 및 (30)(30')를 부착해서 심하게 진동시키면 최저차의 비대칭(a₀) 모우드의 진동이 강력하게 여기된다.

여기서, 전술한 진동자에서 발진을 원하는 오버톤 치수를 n으로 하였을 경우 제2도(b)의 가로축 위에 있어서(n-2)차의 유폐계수(n-2)a

/H의 위치가 a₀모우드 곡선의 에너지 유폐율영, 즉 유폐 모우드부 존재의 위치에 있도록 또는 na

/H의 위치는 a₀모우드 곡선의 유폐율이 매우 커다란 위치에 있도록 각변수 a 및 Δ를 선택하게 되면 제8도(b)에 나타낸 바와 같이 n차 이상의 오버톤 진동의 진동 에너지는 전술한 분할전극(20)(20')(30)(30')의 주변 근처에 유폐되는 동시에 (n-2)차 이하의 오버톤 진동의 진동 에너지는 전술한 압전기판(1) 전체면으로 확산되며 그 기판(1) 둘레의 가장자리에 반드시 존재하는 기판 지지부를 거쳐서 상당한 정도로 누설 소비될 것이다.

한편, 전술한 분할전극(20)(20')(30)(30') 주변 근처에 유폐된 n차 이상의 오버톤 진동의 진동 에너지는 오버톤 차수가 높을 수록 등가저항이 크다는 것은 전술한 바와 같으므로 결국 이와 같이 구성한 공진자는 그 발진회로에 특별한 연구를 필요로 하지 않고 n차 오버톤 주파수로 발진하게 될 것이다.

제8도(c)는 a₀모우드의 진동을 이용하여 3차 오버톤 발진용 공진자를 얻으려고 할 경우의 기본적인 변수선택 순서를 나타낸 도면으로서 a₀모우드 진동의 진동 에너지 유폐율 T가 영으로 되는 것은 거의 유폐 계수 na

/H가 0.4 이하의 경우이므로 기본파(N=1) 진동과 3차(n=3) 오버톤 진동에 대하여 각각

a

/H

0.4, 3a

/H

1.2로 되도록 변수 a 및 Δ를 결정하면 좋다.

더구나, 전술한 분할 전극 틈새는 서로 인접 전극사이에서 단락이 생기지 않는한 적당한 값으로 설정하면 좋다.

물론 이 전극 틈새가 매우 작을 경우에는 비대칭 모우드의 진동이 이것과 동시에 여기되는 대칭 모우드의 진동과 음향적으로 결합하는 결과 두가지 종류의 다른 공진 주파수를 발생하는 것은 주지하는 바이나 본 실시예에 관한 공진자에 있어서는 그 한쪽, 즉 전술한 예에서는 비대칭 모우드의 진동으로 인한 공진주파수만을 끄집어 내게되면 좋으므로 특별한 문제는 생기지 않는다.

또한, 고차 무오드의 진동을 이용하려고할 경우에는 예를들면, S₁모우드 a₁모우드를 이용하려고 한다면 각각 전극을 3분할 또는 4분할하면 좋으며 그때에는 전술한 제2도(b)에 나타낸 바와 같이 각 모우드의 스펙트럼은 그 곡선의 구배가 고차로 될수록 급격하므로 원하는 n차 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율과 (n-2)차 이하의 그것과의 낙차를 크게 설정할 수 있으므로 매우 편리하다.

이상 본 실시예의 기본 원리를 설명하였으나, 현실적으로는 이 원리를 다소 벗어났다고 하더라도 동일한 효과를 나타내는 공진자를 얻을 수 있게 되는 것이다.

즉, 발진회로는 일반적으로 주파수가 높아지면 그 증폭기의 이득이 저하하므로 회로의 부성 저항도 거의 주파수의 자승에 반비례하는 성질이 있으므로 발진 회로족에서 본 공진자의 임피던스가 최소인 오버톤 주파수에서의 발진이 가장 용이하다고는 반드시 단언할 수 없기 때문이다.

예를들면, 전술한 제8도(c)에 있어서, 최저차 비대칭(a₀) 모우드의 진동을 이용해서 5차 오버톤 발진용 공진자를 제조하려고 1차(기본파 진동) 및 3차 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율이 동시에 0으로 되는 바와 같이 각 변수를 설정했다고 하면 제9도에 나타낸 바와 같이 5차 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율이 매우 크게되지 않으며 따라서 5차 오버톤 진동에 관한 등가저항이 7차의 그것보다 높아질 경우가 있을 수 있다.

그와 같은 경우라 하더라도 5차와 7차와의 오버톤 진동에 관한 등가저항의 차가 작게되면 전술한 발진회로의 특성과의 관계로 5차 오버톤 주파수의 발진이 가능한 것은 충분히 생각할 수 있으나 전술한 5차와 7차와의 오버톤 진동에 관한 등가저항의 차가 클 경우에는 7차 오버톤 주파수에서 발진할런지도 모른다.

상술한 바와 같은 불안정을 피하기 위해서는 3차 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율을 0보다 약간 증대시켜서 원하는 5차 오버톤 진동에 관한 등가저항이 3차의 그것보다 매우 작도록 또는 7차의 그것보다 약간 높은 정도가 되도록 5차 오버톤 진동의 진동 에너지 유폐율을 선택하면 좋다.

따라서, 본 발명은 반드시 발진을 원하는 오버톤 진동(기본파 진동을 포함)의 진동 에너지를 완전히 비유폐 모오드로할 필요는 없다는 점에 주목하기 바란다.

이상, 최저차 비대칭(a₀) 모우드의 진동을 이용할 경우를 예를들어서 설명하였으나 보다 고차적인 비대칭 모우드(a₁, a₂…) 또는 고차 대칭 모우드(S₁, S₂…) 진동을 이용할 경우도 완전히 동일한 생각으로 각 변수 및 Δ을 선택하면 좋다.

이상, 본 실시예의 기본적 구상을 설명하였으나 다음에 본 발명에 관한 공진자를 제조할 경우의 구체적인 전극 구성 및 결선등에 관해서 약간 상세하게 설명하기로 한다.

우선, 일반적으로 진동자의 전극은 압전기판의 변위에 의해서 발생한 전하를 유효하게 끌어낼 수 있게 배치할 필요가 있으므로 본 발명에 관한 공진자도 또한 이용하는 진동 모우드에 의한 발생전하의 최고점 또는 최소점의 수 및 위치를 분할 전극의 그것들과 일치시키는 동시에 각 전극에 발생한 전하를 서로 지워버리지 않도록 결선할 필요가 있는 것은 물론이다.

그래서, 예를들면 최저차 비대칭(a₀) 모우드의 진동을 이용할 경우에는 제10도(a)에 나타낸 바와 같이 전압기판(1) 앞 뒤에 2분할전극(20)(20'(30)(30')을 부착하고 곡선(40)에 나타낸 바와 같이 레벨의 전하를 발생하게 하고, 이 전하를 제10도(b)에 나타낸 바와 같이 직렬 접속을 하던가 또는 제10도(c)에 나타낸 바와 같이 병렬 접속한다.

이 경우에는 병렬 접속시의 임피던스는 직렬 접속시의 그것에 비해서 1/4로 되므로 등가저항을 저감하였을 경우에는 벙렬 접속이 가장 적합할 것이다.

또한, 이와 같은 분할 전극을 사용한 공진자의 스퓨리어서(spurious)에 관해서 고찰하게 되면 이용하는 진동 모우드가 고차대칭(S₁,S₂, …) 모우드의 경우에 전기적으로 비대칭(a₀, a₁, a₂…) 모우드는 심하게 진동되지 않으며, 또한 고차비대칭 모우드의 진동을 이용할 경우에는 반대로 대칭 모우드가 심하게 진동되지 않을 것이나 현실적으로는 공진자 제조상의 오차로 약간의 다른 모우드의 심한 진동이 있다. 또한 이용하는 진동 모우드의 내차수의 다른 모우드, 예를들면 a₁에 대한 a₂모우드는 본질적으로 여진된다.

그러나 전자의 경우는 레스폰스가 본래 매우 작고 또 후자의 경우도 발생전하 패턴의 최고점 또는 최소점의 수와 전극을 분할 패턴이 일치하지 않아 레스폰스가 작으므로 어찌되었든간에 이들에 기인하는 스퓨리어스는 문제로 될 정도의 레벨에는 도달하지 않는다.

또한 참고로 S₁모우드를 이용한 3분할 전극의 결선법을 제11도(a) 및 제11도(b)에 나타낸다.

또한 2분할 전극 및 3분할 전극의 공진자에 관해서 압전기판 위에 형성해야 할 배선패턴의 실시예를 제12도 (a) 내지 제12도(d)에 나타내었다.

제12도(a), 제12도(b)는 각각 2분할 전극의 직렬 및 병렬 접속에 제12도(c)와 제12도(d)는 각각 3분할 전극의 직렬 및 병렬 접속의 예를 나타낸 사시도로서 배선패턴(50)(50')… 압전기판(1)의 끝가장자리로 돌아갈 경우에는 끝가장자리에도 도체 패턴을 증착하던가 또는 도전성 페이트 또는 접착제를 도포해서 앞뒤 패턴을 접속하게 되면 된다.

그런데 본 실시예에 관한 공진자는 기본파 진동을 포함하는 원하는 오버톤 차수보다 저차의 오버톤 진동 에너지를 압전기판 전체면으로 누설확산시키는 것이나 이 누설 에너지는 가의 손실없이 차단 주파수가 큰 부분을 전반하여 압전기판 끝부분에 반드시 존재하는 공진자 지지부로 부터 누설되는 것은 전술한 바와 같다.

그러나 이 누설 에너지를 보다 유효하게 소모시키는 당해 진동에 관한 등가 저항을 높이는데에 중요하므로 그것을 위하여 제13도(a)에 나타낸 바와 같이 압전기판(1)에 둘레 가장자리의 일부 또는 전부에 차단 주파수 f₃가 매우 작은 진동 에너지 흡수부(60)을 설치한다.

그렇게 함으로써 그 부분에서 전술한 누설된 진동 에너지의 진폭을 증대하여 열로 변환소모시킬 수 있다.

이와 같은 효과를 얻기 위해서는 전술한 압전기판(1)의 둘레 가장자리의 에너지 흡수부(60)은 압전기판(1) 자체의 두께를 다른 부분보다 크게해도 좋으며 도체막 또는 수지막과 같이 적당한 질량을 부착해도 좋다.

또는 제13도(b)에 나타낸 바와 같은 접착제(70)와 같은 질량을 외부에 수북하게 담아도 좋다.

더구나 전술한 에너지 흡수부(60)의 차단 주파수의 f₃과 f₁과 동등 또는 그 이하이면 좋으나 필요에 따라서 증감하여 그 부분에 있어서의 불필요한 진동 에너지의 소모를 매우 크도록 하는 것이 바람직하다.

또한 적극적으로 누설 에너지를 소모시키기 위하여 제13도(c)에 나타낸 바와 같이 압전기판(1) 둘레 가장 자리부의 양쪽면의 적당한 곳에 도체막(80)을 부착하고 양자의 사이를 적당한 저항(90)을 거쳐서 접속하여도 좋다.

이때 접속해야할 저항의 값은 기본적으로는 에너지를 열로 변환해야 할 진동의 주파수를 fn, 저항을 접속하는 압전기판 앞뒤에 부착한 도체막 사이의 정전용량을 Co로 하면 (2πfnCo)^-1로 하는 것이 좋다.

더구나 에너지를 흡수해야 할 진동주파수가 여러개 존재할 경우에는 공진자의 둘레 가장자리에 (2faCo)^-1(2πfdCo)^-1'……라고 한 바와같이 다수의 다른 저항을 부착해도 좋으며 또는 fa, fb,…의 평균치를 fm으로 하고 (2πfmCo)^-1인 저항을 부착하여도 좋다.

또한 전술한 저항은 반드시 전자회로의 구성에 사용하는 것일 필요는 없으며 예를 들면 일반 수정 진동자의 지지부 고정용 도전성 접착제의 도포등에 의해서도 좋으며 그렇게 하게되면 공진자의 생산성으로의 특별한 영향없이 실시할 수 있어서 편리할 것이다.

그런데 이상 설명한 바와같은 원리에 따라서 제조한 최저차 비대칭(a₀) 모우드 진동을 이용해서 오버톤 발진용 공진자의 다른 두 개의 구체적 구조와 얻어진 특성을 아래에 설명하기로 한다.

제14도(a)는 본 실시예에 관계되는 진동에너지 흡수부를 가지고 있지 않은 기본적인 3차 오버톤 발진용 공진자의 평면도이고 원형 수정기관 1중앙에 2분할 주전극(도시하지 않음)과 병렬 접속한 것이다.

또 제14도(b)는 진동 에너지 흡수부(60)을 수정기판 외부 가장자리에 설치한 것이다.

그리고 이들 2가지의 공진자의 특성을 측정한 결과 전자에 대하여는 3차 및 1차 (기본판) 오버톤 주파수에 있어서 C1 값은 각각 70Ω및 175Ω이며 수정기판 지지부에 도전성 접착제를 소량 부착하게 되면 이들의 값은 각각 72Ω및 380Ω이 되어 본 발명의 이론의 정당성은 기본적으로 입증되었다.

또한 진동에너지 흡수부가 있는 3차 및 1차(기본파) 오버톤 주파수에 있어서의 CI 값은 각각 65Ω및 250Ω수정기판 지지부에 도전성 접착제를 붙였을 경우에는 이들의 값은 각각 65Ω및 1330Ω으로 되어 진동에너지 흡수부의 유효성도 확인되었다.

또한, 전술한 제14도(a)의 공진자에 대하여 수정기판 지지부를 도전성 접착제로 고정한후에 전극막 두께를 변화시키게 되면 3차 및 1차의 오버톤 주파수에 있어서의 CI 값의 차는 제15도(a)에 나타낸 바와같이 감소되었다.

이와같은 일은 제13도(a)에 있어서 전술한 바와같이 전극막 두께에 의해서 Δ가 변화하여 1차, 3차의 양 오버톤 진동과 함께 유폐가 생기게 되면 CI 값의 차가 감소되는 것을 의미한다.

따라서 양자의 CI 값의차를 충분히 크게 유지하도록 전극막 두께를 포함하는 여러변수를 설정할 필요가 있다는 것이 이해될 것이다.

또한 제15도(b)는 제14도(b)에 나타낸 진동에너지 흡수부가 있는 공진자의 있어서 여진전극과 에너지 흡수부와의 CI 값의 변화를 조사한 것으로서 전술한 틈새가 증대하게 되면 누설시킨 1차(기본파) 주파수의 진동에너지가 에너지 흡수부에서 충분히 소비되지 않아서 그 부분을 설치한 효과가 감소되는 것을 의미한다.

따라서, 에너지 흡수부를 설치할 경우에는 이것과 여진전극과의 틈새를 적절한 값으로 설정하는 것이 긴요하다는 것도 이해될 것이다.

본 진공자의 구성은 특성상, 제조상 또는 주파수 조정상 등등의 각종의 요구에 따르기 위하여 제16도(a) 내지 제16도(d)에 나타낸 바와같이 변형하여도 좋다.

즉, 제16도(a)는 압전기판 둘레가장자리의 진동에너지 흡수부(60)에 수지막(70°) 붙여서 그 부분의 차단 주파수를 저하시킨 실시예를 나타내는 단면도. 제16도(b)는 차단 주파수 차를 충분히 얻기 위하여 부식방법을 사용하여 기판 중앙의 주 전극(20)(30) 부의 둘레가장자리의 진동에너지 흡수부(60)와의 사이의 기판두께를 저하시켜서 그 부분에 차단 주파수를 상승시킨것, 제16도(c)는 제16도(b)에 있어서의 주 전극(20)과 (30)과의 사이의 기판 두께를 저하시키는 동시에 진동에너지 흡수부(60)에 또다시 전극(80)을 부착하여 전술한 바와같이 진동에너지의 전기 -열 변환을 할 수 있도록 한것이며 또한 제16도(d)는 높은 공진주파수를 얻으려고 할 경우에 있어서 주 전극(20)(20')(30)(30')의 막두께가 감소되어 전기저항이 증대되는 것을 방지하기 위하여 기판의 주전극 부착부만을 부식등에 의해서 엷은층으로 한것이다.

전술한 실시예는 본발명에 관한 공진자가 채택할 수 있는 구성의 일부를 나타낸 것에 불과하여 이것들을 적절하게 조합하여도 좋은 것은 물론이다.

더구나 전술한 실시예에 있어서 주로 가장 주성에 간단한 최저차 b대칭(a₀) 모우드의 진동을 이용할 경우를 예시하여 설명하였으나 이것에 한정되는 것은 아니며 또한 고차의 비대칭(a₁,a₂…) 모우드 및 고차의 대칭(S₁,S₂…) 모우드의 진동도 동일하게 이용할 수 있다는 것은 또한 상세한 설명을 필요로 하지 않고 또 용이하게 이해될 것이다.

또 실험예로 써 나타낸 공진자의 진동 모우드는 수정기판 I축방향 여진 최저차 비대칭 모우드이나 이것은 X축방향 여진이라도 좋으며 또한 Z,X 양측방향으로 전극을 분할하여 이들 쌍 방향으로 진동을 여기하는 것이라도 좋다.

또한 전술한 제14도(b)에 있어서는 진동에너지의 흡수부를 Z축 방향으로 설치하였으나 이것은 X축방향으로 설치하여도 또는 기판 둘레 가장자리의 거의 전체 둘레에 걸쳐도 좋으며 또는 이것을 여러가지로분할 하여도 좋다.

진동에너지 흡수부는 기판둘레 가장자리를 덮는 영역이 클수록 효과도 크기 때문이다.

더구나 본 실시예는 제14도(a) 또는 제14도(b)에 나타낸 바와같은 두께 왜곡 진동 뿐만 아니라 두께길이 진동, 두께슬립진동등 어떤 진동상태를 하는 것이라도 적용할 수 있으며 압전재료도 각종의 것을 사용할 수가 있다.

또한 도시는 생략하나 3단자 전극구조로서 2포우트 공진자로서도 좋으며 그렇게 하게되면 고주파 대에서의 발진을 용이하게 할 수 있을 것으로 또한 모놀리딕 크리스탈 필터에 응용하게 되면 매우 넓은 주파수 범위에 걸쳐서 스퓨리어스가 작은 필터 특성을 얻는것이 기대된다.

제17도는 압전기판 외주근처에 설치한 에너지 흡수부 양면 전극 사이에 적당한 값의 저항을 접속한 그밖의 실시예를 나타낸 것이다.

제17도에 나타낸 바와같이 전술한 진동에너지 흡수부에 부착한 양면 전극(4)(4')의 사이에 소요 되는 저항(R)을 접속한다.

그렇게 하므로서 전술한 진동에너지 흡수부에 전반한 원하는 오버톤 차수보다 저차의 진동에너지는 그부분에 있어서의 압전기판(1)을 여진하며, 그 결과 그 부분의 전극(4)(4')에 발생된 전하는 저항(R)에 의해서 전기적으로 열에너지로 변환 소비되게 되므로 기본파 진동을 포함하는 이들의 저차의 오버톤 진동에 관한 임피던스를 충분히 상승시키게 된다.

더구나, 전술한 저항(R)의 값은 전술한 전극(4)(4')간 용량을 Co, 전술한 진동에너지를 열로 변환해서 소비시켜야할 오버톤 진동의 주파수를 fn 했을 경우 (2πfn Co)^-1와 거의 동일하게 되도록 설정하게 되면 좋으며, 이것은 교류회로에 있어서 임피던스가 정합된 상태에 상당하므로 불필요한 진동에너지를 흡수하는 데에 가장 효율적이라는 것이 이해될 것이다.

또한, 예를 들면 5차 오버톤 발진용 공진자와 같이 기본파(1차) 및 3차 오버톤 진동의 여러개의 진동에너지를 소비시킬 필요가 있을 경우에는 전술한 기본파 주파수 fn1와 3차 오버톤 주파수 fn3 와의 중간적인 주파수 fm를 사용하여 전술한 저항의 값을 R=(2πfmCo)^-1에 설정하던가 또는 제18도에 나타내는 바와같이 전술한 진동에너지 흡수부 전극(4),(4⁰)을 분할하고 각각 저항치 R₁= (2πf_n1Co)^-1(2πf_n3Co)^-1인 저항을 부착하여도 좋다.

제19도(a), 제19도(b)는 전술한 원리에 따르는 실시예를 나타내는 것으로서 제17도(c)는 동 실시예의 평면도로서, 수정기판(1)의 중앙부 양면에 진동에너지 유폐용 전극(2)(2x) 를 설치하는 동시에 그 전극(2)(2˚)을 리드 패턴(5)(5˚)를 거쳐서 전술한 기판(1) 외주의 적당한 곳에 설치하는 진동에너지 흡수부 전극(4)(4')에 접속한다.

그래서 전술한 전극(4)(4')에 있어서는 이것을 도시를 생략한 당해 공진자를 지지하는 베이스에서 입설한 공진자 지지부재(6)(6')와 도전성 접착제(7)로 고정하므로서 전기적 도통과 기계적 공정을 하는 것이다.

이때, 전술한 도전성 접착제(7)에 의해서 전술한 전극의 앞뒤(4)(4')가 단락하지 않도록 주의할 필요가 있다.

이때 전술한 전극(4)(4')의 일부로서 전술한 기판(1)의 끝면에 소요되는 저항치가 있는 접착제(8)을 부착하므로서 불필요한 진동의 에너지 흡수를 증대시키도록 한다.

전술한 접착제(8)로서는 예를들면 에폭시 수지중에 분산되는 탄소 입자의 양을 조정한 것을 사용하면 좋다.

더구나, 제19도(b)는 제19도(a)의 A-A 단면을 나타내는 것이다.

또한, 진동에너지를 흡수해야할 파동이 여러개의 경우에는 제20도에 나타낸 바와 같이 기판(1)외주의 진동 에너지 흡수부 전극(4)를 분할하고 분할전극(9)(10)을 각각 기판(1) 끝부분에 있어서 전술한 저항 접착제(8)에 의해서 접속하게 되면 좋다.

이때 각각의 접착제의 저항값은 진동에너지를 흡수해야할 파동의 주파수에 상응하는 것으로 해야할 것은 물론이다.

제21도는 복합재료를 이용하므로서 GHz 공진자로서 적용할 수 있도록 한 그밖의 실시예를 나타내는 것이다.

제21도에 있어서 실리콘ㆍ블록(500)의 한 표면에 붕소(B)를 도우프(dope)하고 그 부분에 향해서 그 대면으로부터 소위 직경 부식해서 오목부(600)을 형성한다.

그렇게 하므로서 정밀하게 제어할 수 있는 동시에 부식불능한 B 도우프층의 두께만큼 얇은층부(700)이 평활하게 잔존하므로 그 부분에 하부 전극 및 리드(800)을 우선 종착하고 이어서 ZnO₂를 소요되는 두께 스퍼터링의 수법으로 부착하고, 또한, 그위에 상부 전극 및 리드(100)를 증착하고, 전술한 전극(800)(100)으로 덮혀진 부분을 차단 주파수 f₁인 진동에너지 유폐부, 그 외주로 퍼지는 전술한 얇은층부(7)를 차단 주파수 f₂인 진동에너지 전반부, 또한 그 외주의 전술한 실리콘ㆍ블록의 비부식부(500)를 차단 주파수 f₃인 진동에너지 흡수부로 하게 되면 자동적으로 f₃＞ f₁＞ f₂가 성립되므로 f₁와 f₂의 비율, f₂의 절대값 및 전술한 전극(8')(10)의 지름을 적절히 조작하게되면 이들은 각각 전술한 유폐 계수의 각변수인 플레이트 백량 Δ, 기판의 판두께 H 및 전극치수 a에 대응하므로 원하는 오버톤 치수로만 발진할 수 있는 오버튼 발진용 압전공진자를 얻을 수 있다.

그래서, 전술한 얇은층부(7) 및 스터퍼링으로 인한 ZnO층은 매우 얇다. 따라서, 기본 파진동의 주파수가 높은 것이 제조가능하다는 것은 주지하는 바이므로 그 또한 3배, 5배 또는 7배라는 고주파 발진이 특별한, 예를들면 LC 동조회로를 필요로 하지 않는 발진 회로로 가능하게 하는 것이다.

더구나, 공진자는 반드시 실리콘 블록의 사용에 한정되는 필연성은 없는 것이다.

예를들면 제조공정이 얼마간 복잡화될 우려는 없으나 제22도에 나타낸 바와 같이 인공수정 또는 유리블록(110)의 중앙부에 기계가공 또는 부식에 의해서 소요되는 지름의 구멍을 뚫고 그 블록의 한면에 Al-Ag-In 3층 합금 접착제(120)에 의해서 역시 수정 또는 유리기판(130)을 견고하게 접합하고 이 수정 또는 유리기판을 원하는 두께까지 래핑(Lapping)한 뒤에 상하 전극(800),(100) 및 그 사이에 끼워지는 ZnO등의 압전재료(900)를 배치하도록 구성하여도 좋다.

또는, 제23도에 나타낸 바와 같이 금속블록(140)의 중앙에 구멍을 마련하고 그 일면에 동일금속기판(150)을 밀봉 용접한 후에 이것을 원하는 두께까지 래핑하므로써 진동매체를 구성하여도 좋다.

그와 같은 구조의 진동매체를 사용할 경우에는 하부 전극은 당해 진동매체를 이용할 수 있으므로 전술한 박층화한 금속기판(150)위에 직접 압전재료(900)을 스퍼터링의 수법을 사용하여 부착하고, 또한 전술한 박층금속기판(150) 표면상에 있어서, 전술한 압전재료(900)에 붙이는 상부전극의 리드패턴 배선부에만 절연막(160)을 부착한 다음에 리드 패턴을 배치하게 되면 좋다.

또한, 사용할 수 있는 압전재료로서는 ZnO외에 다른 AlN 또는 CdS를 이용할 수 있으며, 그 부착법도 반드시 스퍼터링에 의한 필요는 없다.

물론, 스퍼터링에 의한 부착법이 압전층을 가장 박층화할 수 있으므로 매우 높은 주파수를 얻으려는 본 발명의 취지에는 합치될 것이나, 이 경우에는 결정의 성장 방향이 세로 방향으로 되는 것이 일반적이므로 진동모우드가 두께 길이진동으로 제한되는 것으로 주지하는 바일 것이다.

또한 이 실시예에 있어서 두께슬립진동 두께왜곡 진동 모우드를 이용할 수도 있다.

그런데, 제3도(a)에 나타낸 진동에너지 흡수부(4)에 있어서 원하는 오버톤 진동보다 저차의 오버톤 진동 에너지가 열로 변환하는 것에 인한 소비가 부족하여서 당해 주파수에 관한 임피던스가 충분히 상승하지 않을 경우에는 제24도에 나타낸 바와 같이 발진회로의 부상저항특성과의 관계로 원하는 오버톤 발진이 불가능하게 되는 일도 있을 수 있다.

그래서, 제25도에 나타낸 바와 같이 오버톤 발진용 공진자를 사용해서 진동에너지 흡수구 전극(4),(4)의 부착량을 변환하고 기본파 지동에 관한 CI값과 발진을 원하는 3차 오버톤 진동에 관한 그것과의 차이가 어느정도 변동하는지 실험해 보았다.

제26도는 그 실험결과를 나타내는 도면으로서 제25도에 있어서의 여진 전극(Ag)의 치수를 고정한 다음에 막의 두께를 변화시켜서 전술한 유폐계수 na

/H의 값을 바꾸는 동시에 8개의 유폐계수에 대하여 각각 전술한 진동 에너지 흡수부전극(4)의 Ag의 부착량을 각각 여진전극의 그것의 1배, 2배, 4배 및 8배로 하였을 경우에 억압해야할 기본파진동에 관한 CI 값과 원하는 3차 오버톤 진동에 관한 값을 플로트(plot)한 것이다.

제26도에서도 명백한 바와 같이 억압해야할 기본파 진동에 관한 CI 값은 전술한 에너지 흡수부의 Ag 부착량의 여진 전극의 그것에 대한 비율(막두께비)이 1의 경우를 제외하고 피이크(peak)가 있으며 그 피이크 값은 막두께비가 증대할 수록 높아지는 것으로 보인다.

한편, 발진을 원하는 3차 오버톤 진동에 관한 CI 값은 어느 것이나 유폐계수 na

/H의 증대에 따라서 점차 감소되지만 이것은 이론상 당연한 현상이다.

더구나 설명의 번잡을 피하기 위해서 이 이상의 도시는 생략하나 5차 및 7차 오버톤 발진용 공진자에 관한 실험에서도 동일한 경향은 명료하게 관찰되었다.

이상의 실험결과에서 적어도 진동 에너지 흡수부의 차단 주파수는 여진 전극을 부착한 진동에너지 흡수부의 그것보다 작게 구성할 필요가 있어서 그렇지 않으면 발진을 원하는 차수의 오버톤 진동에 관한 CI 값과 억압해야할 기본파 진동을 포함하는 것보다 저차의 오버톤 진동에 관한 그것과의 사이에 충분한 차이를 부여할 수 없어서 원하는 주파수에 있어서 안정된 발진이 불가능하게될 경우가 생길 것이다.

어떻든간에 제3도(a)에 나타낸 바와 같은 오버톤 발진용 압전 공진자를 설계할때에는 전술한 실험결과를 감안해서 발진을 원하는 치수의 오버톤 진동에 관한 CI 값이 매우 낮고, 기본파 진동을 포함하는 것보다 저차의 오버톤 진동에 관한 CI 값이 매우 크게 되므로 막두께 비율과 유폐계수의 값과의 관계를 선택할 필요가 있다.

덧붙여서 전술한 제26도의 실험결과에서 3차 오버톤 발진용 공진자로서 가장 적합한 변수는 여진전극에 대한 에너지 흡수부의 막두께비를 4로 하여 유폐계수 na

/H를 4.5정도로 하였을 경우였다.

그런데 진동 에너지 흡수부의 차단 주파수를 저하시키는 수단으로서는 전술한 실험과 같이 그 부분에 대한 도체의 증착 시간만을 연장하는 방법외에 제27도(a) 내지 (c)에 나타낸 바와 같이 압전기판(1)의 중앙부를 부식등의 수법을 사용하여 사전에 그외주보다 오목하게 하는 것만으로서 차단 주파수에 차이를 주어도 좋으며(제27도(a)), 그와 같이 하여서 형성된 진동에너지 흡수부(400)에 또다시 전극과 동일한 재료(2")를 증착하여도 좋다.

또한 전술한 증착재료를 전극(2),(2')의 그것보다 높은 비중의 것으로 하여 차단 주파수의 일층의 저하를 도모하여도 좋다(제27도(b)).

또한, 제27도(c)와 같이 보다 높은 오버톤 발진주파수를 얻으려고 압전기판(1)의 전극부 착부만을 특별히 박층화하는 바와 같을 경우는 그 진동 에너지 흡수부(400)는 그 부분의 기판을 두껍게 하여두는 것만으로 특별한 가공은 불필요하다는 것도 있을 수 있을 것이다.

더구나, 전술한 전극(2),(2') 주변의 압전기판의 차단주파수(f₂)는 반드시 전체면을 완전히 동일하지 않고 다소의 오차는 허용되는 동시에 압전기판(1)에 두께 둘레의 가장자리부에 설치하는 진동에너지 흡수부(400)의 차단주파수(f₃)는 부분적으로 상당하 차이가 있다고 하더라도 조건, 즉f₃＜f₁를 충분히 만족시키고 있는 한에 있어서는 거의 하등의 문제도 발생하지 않는다.

다음에 공진주파수의 미세 조정에 따르는 부가 증착위치의 어긋남에 기인하는 진동자 특성의 약화를 보상 흡수하는 동시에 압전 기판의 판두께의 산란이 진동자 특성에 부여하는 영향을 대폭적으로 감소시키며 겸해서 공진주파수의 상한을 높게할 수 있도록한 압전 진동자의 전극 구조에 관하여 설명하기로 한다.

제28도(a)는 본 구조에 관한 압전 진동자의 기본적 전극 구조를 나타내는 단면도이다.

즉, 압전기판(1)의 표면 중앙부 근처에 표면 전극(2)을 부착하는 동시에 뒷면에는 그 면에 있어서의 표면 전극에 대응하는 영역을 초과하는 넓은 영역에 전극(2')을 부여하고, 전극(2')의 부분으로의 부가 증착에 의해서 주파수로 조정하는 것이다.

그렇게 하므로서 주파수 조정을 위한 미세조정용 부가 증착의 위치가 어긋나게 되더라도 미세조정용 부가 증착면적은 적어도 전술한 표면전극(2)에 대응하는 부분보다 충분히 광범위하게 예를들면 전술한 표면전극 직경의 1.5배 정도의 범위에 걸쳐서 행하므로 새로운 스퓨리어스를 발생하거나 하는 가능성은 거의 없으며 설사 있었다 하더라도 매우 낮은 레벨로 억제되어 문제로 되지 않는다.

또한, 제28도(b)는 뒷면전극(2')을 앞던 기판 뒷면 전체면으로 확장한 것으로서 전술한 제28도(a)의 실시예와 효과면에서는 변함이 없으나 진동자 제조시 증착 마스크와의 위치관계를 한층 조잡하게 설정할 수 있으므로 생산성의 관점에서는 유리할 것이다.

그런데 전술한 바와 같은 전극구조가 있는 압전진동자는 아래와 같은 경우에 적용하게 되면 매우 효과적이다.

우선, 압전기판의 판두께는 그 제조공정에 있어서 다소나마 산란해지는 것이다.

기판의 판두께가 산란해져 있을 경우, 종래의 진동자에 있어서는 예를들면 표면 전극위에 부가 중착말을 덧붙여서 그 공진 주파수를 맞춰 넣는다. 그렇게 하므로서 공진주파수의 산란은 제거할 수 있으나 이들 양자의 플레이트 백량은 각각 다르므로 진동 에너지 유폐량도 또한 다르며, 따라서 이것에 기인된 스퓨리어스등의 발생상태도 각 매 진동자마다 다르다는 문제가 있었던 것은 전술한 바와 같다.

그래서 그와 같은 경우에 본 전극 구조를 적용한다면 제29도에 나타낸 바와 효과를 나타낸다.

즉 제29도(b)에 나타낸 바와 같이 전술한 뒷면 전체면의 전극(2')에 전면적으로 부가 중착막(300)을 부착해서 공진주파수를 같은 도면(a)의 그것에 맞춰 넣으면 압전기판(1) 자체의 두께를 증대해서 기판 자체의 고유 주파수를 조정한 것과 등가이므로 진동자의 공진 주파수 조정이 될 뿐만 아니라 플레이트 백량은 변화되는 일이 없으므로 특성상 산란이 매우 적은 진동자를 양산할 수 있게 된다.

다음에 본 구조는 높은 공진 주파수가 요구되는 진동자를 실현하는데에 효과를 발휘하게 된다.

즉, 전술한 바와 같이 진동자를 구성할 경우 그 전극에는 소요되는 진동 에너지 유폐율을 부여하는 것 만큼의 막두께를 필요로 한다.

진동에너지 유폐율을 좌우하는 변수는 유폐계수라고 칭하며 이것은 오버턴 차수를 n, 전극치수를 a, 플레이드백량을 Δ, 기판의 판두께를 H로 하면 na

/H로 부여된다.

지금 높은 공진 주파수를 가진 진동자를 요구하게 되었다면 그 설계자는 어떠한 모우드의 진동을 이용한다 하더라도 당해 모우드의 곡선상에 있어서 소유되는 에너지 유폐율을 실현하려고 전술한 유폐계수의 각 변수를 선택할 필요가 있다.

또한 한편 전술한 유폐계수에는 발생되는 부공진의 정도를 최소로 하므로써 가장 적합한 값이 존재한다.

이들의 사실을 감안하면서 전술한 유폐계수의 각 변수를 검토하는데 우선 기판의 판두께 H는 요구되는 공진 주파수에 의해서 거의 결정되며 전극치수 a도 등가 인덕턴스등에서 소정된 값으로 하지 않을 수 없으므로 나머지 변수인 플레이트백 Δ, 환언하면 전극막두께(앞뒤 합계의 막두께)만이 문제로 된다.

그리고 이 전극의 막 두께는 공진 주파수가 높아지게 되면 그것에 따라 얇게 된다는 것은 전술한 유폐계수의 정의에 의해서 명백해질 것이다.

따라서 그와 같은 경우 종래의 진동자에 있어서는 이 얇은 전극막을 기판의 앞뒤에 거의 균등하게 2등분하는 것이 되므로 그 각각이 도전성의 관점에서 전극으로서의 구실을 다하지 못할 경우가 있을 수 있다.

덧붙여서 전극막은 도전성의 관점에서 그 두께의 한계는 여하한 금속 재료를 사용하여도 거의 350Å이상 필요하다는 것이 알려져 있다.

그래서 진동자의 특성, 예를들면 부공진의 발생정도를 결정하는 표면전극의 막두께를 전극막 두께의 한계근처, 예를들면 400Å정도로 하게 되면 이 경우가 설계할 수 있는 공진 주파수의 상한으로 된다.

한편 뒷면 전체면 또는 대면적 전극의 막두께는 부공진등의 특성에는 하등의 영향을 주지 않으므로 오로지 주파수의 결정에 이용할 수가 있다.

따라서 이 윗면 전극의 막두께는 대략 400Å이상이면 얼마든지 좋다.

그렇게 하므로서 종래에 불가능하다고 되어 있던 높은 공진 주파수를 가진 압전 진동자를 얻을 수 있게 되었다.

시험삼아 현실적으로 제작한 AT 컷트 수정 진동자로서는 기판의 직경 5mm, 기판의 판두께 19㎛, 뒷면 전극의 직경 3mm, 막두께 700Å, 표면 전극의 직경 1.4mm, 막두께 500Å로 공진주파수 88MHZ의 것이 있으며 특성상 부공진등에 관해서 특별한 문제는 생기지 않았다.

더구나 직경을 5mm로 하게 되면 20㎛ 전후의 두께의 수정기판은 오늘날에 수정연마 기술로서는 제조할 수 있으나, 전극으로서의 전기적 특성을 만족시키는 한계에 가까운 500Å정도의 막두께의 전극을 기판의 양면에 부착한 직경 5mm의 진동자는 스퓨리어스 특성을 만족시키려고 하면 기판의 두께는 24㎛ 정도로 되어 그 공진 주파수도 68MHz 전후가 한계였다는 것이 당업자간에 주지된 사실이다.

즉 본 발명에 관한 전극 구조를 적용하므로써 종래에 생각하고 있던 공진 주파수의 상한은 30%까지도 높일 수 있다는 것이 확인되었다.

또한 본 전극구조는 전극 구성의 미묘한 조정을 필요로 하는 오버톤 발진용 압전진동자의 전극에 적용하게 되면 효과적이다.

제30도 (a)는 그중의 가장 기본적인 진동자인 최저차 대칭(S₀) 모우드를 이용한 오버톤 발진용 진동자의 평면도로서, 압전기판(1)의 중앙부에 진동 에너지를 유폐하는 여진전극(2)을 또는 압전기판의 외주의 적당한 곳에 전술한 바와 같이 누설시킨 진동 에너지 흡수부 전극(4)(4')을 어느 것이나 도체중착 패턴으로 해서 형성한 것이다.

더구나 윗면의 전극 구성도 종래에는 제30도(a)와 동일하게 하고 있었다.

그러나 이와 같은 전극 구성을 가진 오버톤 발진용 진동자에 있어서는 전술한 여진전극(2)과 전술한 진동에너지 흡수부(4)와의 틈새를 적절한 값으로 유지하지 않으면 즉, 전술한 틈새가 과도하게 크게 되면 누설시킨 진동에너지의 소모가 충분히 이루어지지 않으면 반대로 전술한 틈새가 과도하게 작게 되면 원하는 오버톤 진동의 진동 에너지까지가 흡수 소비되어 원하는 주파수로의 발진이 불가능하게 되는 것이므로 예를들면 주파수 조정을 위하여 전술한 여진전극(2)에 대해서 행한 부가 증착의 위치가 어긋나게 되면 매우 조건이 나쁜 문제가 있었다.

그래서 제30도(b)에 나타내는 바와 같이 뒷면에 전술한 여진 전극(2) 및 전술한 진동 에너지 흡수부(4)에 대응하는 영역을 전부 포함하는 큰 면적의 뒷면의 전극(6)을 부착하는 동시에 그면에 대하여 주파수 조정용 또는 진동 에너지 흡수부의 차단 주파수 저감용 부가 증착을 행하도록 하면 전술한 바와 같은 문제는 발생하지 않아서 조정공수(工數)를 현저하게 감소할 수 있는 것이 판명되었다.

더구나 전술한 오버톤 발진용 진동자는 원래 특별한, 환언하면 LC 동조회로를 사용하지 않고 진동자 자체의 성질을 이용해서 오버톤 발진(높은 주파수의 발진)을 가능하게 하려는 것이므로 진동자 자체의 기본파 주파수가 높여지는 것은 물론이려니와 매우 바람직한 것이다.

따라서 본 전극의 구조를 이 오버톤 발진용 진동자에 적용하게 되면 단순히 전술한 바와 같은 진동자의 특성 조정시의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 그 공진 주파수를 끌어올릴 수도 있는 것이어서 매우 적합한 것이다.

더구나 제31도에 나타낸 바와 같이 단일 여진 전극(2)을 가진 진동자에 있어서는 뒷면의 전극(2')를 대면적의 뒷면전극으로 한다고 한더라도(제31도(a)), 전체면의 전극으로 한다고 하더라도(제31도(b)) 전술한 여진전극(2)으로부터 리드패턴(7)을 끌어낼 필요가 있으나 이 리드패턴(5)이 뒷면의 전극(2')와의 관계에서 압전기판(1)의 기계적 진동에 불균형이 생기도록 하게 된다.

이것을 완화하기 위해서는 전술한 여진 전극(2)의 적당한 곳에 카운터 밸런스의 구실을 다하는 밸런스 패턴(5a)을 붙이면 좋다.

또한, 본 구조는 여진전극을 여러개로 분할한 예를들면, 2포오트 진동자 또는 동일한 전극의 구성을 가진 2중 모우드 필터에도 적용할 수 있는 것이다.

제32도(a)는 포오트 진동자 또는 이중 모우드 필터에 본 발명을 적용한 전극의 구성예, 동일한 도면(b)는 최저차 비대칭(a₀) 모우드진동 이용의 오버톤 발진용 진동자에 대하여, 또한 동일한 도면(c)는 고차대칭(S₁) 모우드진동 이용의 오버톤 발진용 진동자에 각각 본 발명을 적용하는 경우의 실시예를 나타내는 것이지만 어느 것이나 당업자간에 용이하게 이해할 수 있는 것이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 구조에 의하면 종래의 진동자의 앞뒤 어느 것인가의 전극 면적 및 필요하다면 그 막두께를 변화시키는 것민6으로 진동자 특성 조정시에 있어서의 증착위치의 어긋남으로 인한 스퓨리어스 발생등의 문제를 조정공정을 간소화 함으로서 해소할 수가 있다.

또한 주파수 조정을 할때 압전기판의 판두께의 산란에 기인하는 진동에너지 유폐율의 산란에 유래되는 진동자 특성의 산란을 용이하게 흡수하는 데에 매우 큰 효과를 발휘하게 된다.

또한 진동자의 주파수 상한을 끌어올릴 수도 있으므로 최근 고주파 화로의 요구가 현저한 각종 전자기기의 주파수원으로서 온도특성이 양호한 진동자를 제공할 수 있게 된다.

본 발명은 압전공진자, 특히 특별한 발진회로를 필요로 하지 않고 원하는 오버톤(over tone) 주파수로 발진을 할 수 있게 하는 오버톤 발진용 압전 공진자에 관한 것이다.

제1도 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 발상을 설명하기 위한 압전기판의 모형 단면도 및 대칭 및 비대칭 모우드의 진동 스펙트럼을 나타내는 도면.

제2도 (a) 및 (b)는 각각 전술한 진동 스펙트럼이 유한판(有限板)위에서도 성립된다는 것을 증명하기 위한 기판모형도 및 이론해석의 결과를 나타내는 도면.

제3도 (a) 내지 (c)는 각각 본 발명에 관한 공진자의 한 실시예에 있어서의 기본적 구성을 나타낸 단면도, 변수 설정수법 설명도 및 진동에너지 분포 설명도.

제4도는 진동 에너지 전반부 문틈 칫수를 결정하기 위한 한 실험 결과를 나타내는 도면.

제5도는 공진자의 각 오버톤 주파수에 있어서의 임피던스와 발진회로의 부성 저항과의 관계를 설명하는 도면.

제6도 (a) 및 (b)는 각각 본 발명에 관한 공진자의 한 실시예를 나타내 평면도 및 그 측면도.

제6도 (c) 내지 (e)는 각각 공진자가 다른 평면 형상의 실시예를 나타내는 평면도.

제7도 (a) 내지 (f)는 각각 본 발명에 관한 공진자의 다른 단면형상을 나타내는 단면도.

제8도 (a)는 본 발명에 관한 오버톤 발진용 공진자의 다른 실시예의 기본적 구성을 나타낸 단면도, 제8도 (b)는 그 공진자에 여기하는 각종 진동 모우드의 진동에너지 분포를 나타낸 도면, 제8도 (c)는 이 공진자의 제변수를 선택하기 위한 기본적 수법을 나타내는 설명도.

제9도는 본 발명에 관한 오버톤 발진용 공진자를 구성하기 위한 다른 변수 설정수법을 나타낸 설명도.

제10도 (a) 내지 (c)는 각각 최저차 비대칭 모우드의 진동을 이용하는 공진자의 발생전하 분포, 전극의 직렬접속 및 병렬 접속예를 나타내는 모형도.

제11도 (a) 및 (b)는 각각 S₁모우드 진동을 이용하는 공진자의 전극 직렬 접속 및 병렬 접속예를 나타낸 모형도.

제12도 (a) 내지 (d)는 각각 2분할 전극 직렬 및 병렬 접속 및 3분할 전극 직렬 및 병렬 접속을 한 경우의 한 실시예를 나타낸 사시도.

제13도 (a) 내지 (c)는 각각 다른 진동 에너지 흡수부의 구성을 나타낸 단면도.

제14도 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 확인 실험에 사용한 공진자의 구성을 나타내는 평면도로서 제14도 (a)는 진동 에너지 흡수부가 없는 형, 제14도 (b)는 진동 에너지 흡수부를 붙인 것.

제15도 (a) 및 (b)는 각각 전술한 제14도 (a) 및 (b)에 나타낸 공진자의 특성을 나타낸 실험결과의 도면.

제16도 (a) 내지 (d)는 각각 본 발명에 관한 공진자의 다른 수성을 나타낸 단면도.

제17도는 본 발명에 관한 오버톤 발진용 압전 공진자의 다른 실시예의 기본원리를 나타낸 단면도.

제18도는 본 발명에 이어서 진동 에너지를 흡수해야 할 오버톤 진동이 여러개 있을 경우에 관한 기본원리를 나타낸 평면도.

제19도 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예를 나타낸 평면도 및 a-a 단면도.

제20도는 본 발명의 다른 실시예를 나타낸 평면도.

제21도 (a) 및 (b)는 각가 본 발명에 관한 오버톤 발진용 압전 공진자의 구조의 한 실시예를 나타낸 단면도 및 평면도.

제22도 및 제23도는 본 실시예의 다른 구성예를 나타낸 단면도.

제24도는 본 발명의 공진자에 있어서 각차 오버톤 주파수에 관해서 이 공진자 임피던스와 발진회로의 특성과의 관계를 나타내는 도면.

제25도는 진동 에너지 흡수부의 막두께 비율 검토를 위한 실험에 사용한 공진자의 평면도.

제26도는 진동 에너지 흡수부의 막두께 비율에 대해서 발진을 소망하는 차수의 오버톤 진동에 관한 CI값과 억압해야할 것보다 저차의 오버톤 진동에 관한 그것을 조사한 실험결과의 도면, 제27도 (a) 내지 (c)는 각각 진동 에너지 흡수부의 다른 구성을 나타낸 단면도.

제28도 (a) 및 (b)는 각각 다른 본 발명에 관한 전극 구조의 기본적 형태를 나타낸 단면도.

제29도 (a) 및 (b)는 각각 본 발명에 관한 진동자에 있어서 압전기판에 다소의 산란이 있었던 경우 주파수 조정을 하였을때도 특성상의 산란이 생기지 않은 것을 설명하기 위한 단면도.

제30도 (a) 및 (b)는 각각 본 발명의 한 실시예에 관한 오버톤 발진용 압전 진동자의 앞뒤 평면도.

제31도 (a) 및 (b)는 각각 본 실시예를 작용할때에 배려해야 할 다른 전극의 구성예를 나타낸 평면도.

제32도 (a) 내지 (c)는 각각 2포오트(port) 진동자 또는 2중 모우드, 필터, 최저차 비대칭(a₀) 모우드 진동이용의 오버톤 진동자 및 고차대칭(S₁) 모우드 진동 이용의 오버톤 진동자에 본 구조를 적용하였을 경우의 실시예를 나타낸 모형도이다.

본 발명은 이상 설명한 바와 같이 구성한 것이므로 종래의 공진자에 비해서 제조공정상 특별한 변경을 필요로 하지 않고 더구나 발진회로에 일시 동조 회로등의 특별한 회로를 부가하는일 없이 용이하게 오버톤 주파수를 발진할 수 있으므로 고주파화 및 회로의 집적화에 대한 요구가 까다로운 각종 전자기기의 주파수원으로서 사용하는데 매우 큰 효과를 나타낸다.

또한 통상의 압전공진자, 특히 온도특성이 양호한 AT 캇트 수정 공진자와 같은 두께진동 계통의 공진자에 있어서는 높은 주파수를 기본 파진동으로 얻으려고 하면 압전기판의 판두께가 매우 얇아져서 제조하기가 곤란하였으나 본 발명에 의하면 공진자 자체가 오버톤 주파수에서 가장 여진하기 쉬운 것이므로 압전기판의 판 두께를 제조하는데 용이한 범위로 설정할 수 있게 되어 제조단가를 절감한다는 효과까지도 겸해서 얻게 되는 것이다.

Claims (19)

1. 차단주파수가 f₁인 진동에너지 유폐부(2)(2'), 차단 주파수가 f₂(f₁＜f₂)이고, 조화 모드나 특정한 비조화 모드에서 오버톤 진동의 모든 차수를 여기시키기 위해 진동에너지 유폐부(2)(2') 주변에 설치되어 있는 부분, 그리고 차단 주파수가 f₃(f₃＜f₂)이고, 에너지 유폐부(2)(2')로부터 선정된 간격만큼 떨어져 있으며, 압전기판(1)의 가장자리까지 뻗어 있는 적어도 하나의 진동 에너지 흡수부(4)(4')로 구성된 압전 기판(1)을 포함하고 있고, 상기 에너지 유폐부(2)(2')로부터 떨어져 있는 선정된 간격이 진동 에너지 전파부(3)(3')를 구성하고 있으며, 차수가 n차 이상이고 강하게 여기되는 오버톤 진동의 진동 에너지가 진동에너지 유폐부(2)(2')와 그 주변내에서 유폐되고 기본 진동을 포함하는 n-2차 이하의 오버톤 진동의 진동 에너지가 압전기판(1)의 전체 부분에 퍼지게 압전기판의 두께, (f₂-f₁)/f₂로 정의되는 플레이트백 량(주파수 저하량) 및 진동 에너지 유폐부(2)(2')의 크기가 설정되고, 진동 에너지 유폐부(2)(2')와 진동에너지 흡수부(4)(4')사이의 간격의 폭은 유폐된 진동 에너지가 에너지 흡수부(4)(4')로 누설되지 않게 있으며, 흩어진 진동 에너지의 많은 양이 진동 에너지 흡수부(4)(4')를 통해 흡수되어서 n차 오버톤 진동에 의해 야기되는 발진이 기본 진동을 포함하는 n-2차 이하의 오버톤 진동에 의해 야기되는 발진보다 더 쉽게 발생되게 되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
2. 제1항에 있어서, 진동 에너지 유폐부(2)(2')는 단일의 에너지 유폐부를 구성하고 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
3. 제1항에 있어서, 진동 에너지 유폐부(2)(2')는 적어도 2개의 에너지 유폐부로 분할된 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
4. 제3항에 있어서, 진동 에너지 유폐부(2)(2')는 대칭 모우드 진동보다 더 큰 차수를 여기시키는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
5. 제3항에 있어서, 진동 에너지 유폐부(2)(2')는 비대칭 모우드 진동을 여기시키는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
6. 제2항에 있어서, 진동 에너지 유폐부(2)(2')는 대칭 모우드 진동의 최저 차수를 여기시키는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
7. 제1항에 있어서, 선정된 저항값을 가진 저항이 진동 에너지 흡수부(4)(4')의 양쪽면에 부착된 전극을 가로질러 연결되어 있고, 압전기판(1)의 전체면에 확산되어 있는 진동 에너지의 소모가 증가되게 되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
8. 제7항에 있어서, 전극을 가로질러 연결되어 있는 저항의 저항값이 (2πf_nCo)^-1과 동등하게 되는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자. (상기식에서, Co는 전극 사이의 캐패시턴스를 나타내고, fn은 진동에너지가 흡수되어져야할 오버톤 주파수를 나타냄).
9. 제7항에 있어서, 전극을 가로지르는 저항의 저항값이 (2πf_mCo)^-1과 동등하게 되는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자. (상기식에서, fm은 흡수되어야할 기본 주파수를 포함하는 다수개의 오버톤 주파수 사이의 값을 취하는 선정된 주파수를 나타냄).
10. 제7항에 있어서, 진동 에너지 흡수부(4)(4')의 양쪽 표면이 부착된 전극이 다수개로 분할되고, 전극을 가로질러 연결된 저항값이 각각 (2πf_n1Co)^-1, (2πf_n3Co)^-1, …와 동등하게 되는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.(상기 식에서, f_n1, f_n3, …는 각각 기본 주파수, 3차 오버톤 주파수, …를 나타냄).
11. 제1항에 있어서, 진동 에너지 흡수부(4)(4')의 차단 주파수 f₃는 진동 에너지 유폐부의 차단 주파수 f₁보다 작은 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
12. 제1항에 있어서, 진동 에너지 유폐부(2)(2')의 표면전극은 압전기판(1)에 부착되어 있고, 표면 전극보다 더 큰 뒷면 전극이 압전 기판(1)의 뒷면에 부착되어 전극의 면적이나 필름두께의 조정에 의해 야기되는 공진 특성의 변화를 감소시키게 되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
13. 제12항에 있어서, 표면전극이 다수의 부분으로 분할되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
14. 제12항에 있어서, 표면전극과 압전 기판(1)의 주변 사이에 뻗어 있는 리드 패턴(5)(5')의 질량에 대응하는 질량을 가진 밸런스 패턴이 공진자의 진동상태의 밸런스를 유지시키기 위해 압전 기판(1)의 표면에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
15. 진동 매체로 되어 있고 차단 주파수가 f₃인 블럭(110), 진동 매체와 같은 물질로 되어 있고 블럭(110)의 선정된 부분에 설치된 박층부(150), 차단 주파수가 f₁(f₁≥f₃)인 진동 주파수 유폐부(2)(2')를 제공하기 위해 박층부(150)의 중앙에 부착된 여진전극을 포함하는 압전 재료를 구성하고 있고, 박층부(150)의 일부분은 차단 주파수가 f₂(f₂＞f₁)인 진동 에너지 전파부의 역할을 하는 부분과 진동 에너지 유폐부(2)(2')사이에 뻗어 있으며, 상기 블럭(110)은 진동 에너지 전파부를 통해 전파된 진동에너지를 흡수하게 되어 차단 주파수가 f₃인 진동 에너지 흡수부(400)의 역할을 하고, 여진 전극의 형상은 특수 비조화 모우드 또는 조화 모우드에서 모든 차수의 오버톤 진동을 여기시킬 수 있게 정해지고, 여기된 모우드에서 유폐계수 na

    

    /H(n은 원하는 조화된 오버톤 차수, a는 에너지 유폐부의 크기, Δ는 (f₂-f₁)/f₂로 정의된 플레이트 백 량(주파수 저하량), 그리고 H는 진동 에너지 전파부의 두께임)는 차수가 n차 이상인 오버톤 진동의 진동 에너지가 진동에너지 전파부를 통해 누설되어 진동 에너지가 소비되도록 설정되어서 n차 오버톤 진동에 의해 야기되는 발진이 기본 진동을 포함하는 n차 보다 더 작은 오버톤 진동에 의해 야기되는 발진보다 더 커지게 하는 것으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
16. 제15항에 있어서, 진동매체가 실리콘으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
17. 제15항에 있어서, 블럭(110)은 수정이나 유리로 만들어져 있고, 수정이나 유리기판은 접합체(7)(8)에 의해 블럭(110)의 선정된 부분에 있는 오프닝에 접합되어 있으며, 압전 기판(1)은 선정된 두께를 가지고서 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
18. 제15항에 있어서, 진동매체는 금속이고, 진동매체와 같은 물질로 만들어진 압전기판(1)은 블럭(110)의 선정된 부분에 형성된 오프닝에 부착되어 있으며, 압전기판(1)은 선정된 두께를 가지고 접지되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.
19. 제15항에 있어서, 압전재료는 Z_nO, AlN 또는 CdS로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 오버톤 발진용 압전 공진자.

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