JP2003332875A - 複合材料振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 振動を妨げないための空間を必要としない、
小型でかつ安価な複合材料振動装置を提供する。 【解決手段】 第１の音響インピーダンス値Ｚ₁を有す
る材料からなる板状態を用いて構成された板状の圧電共
振素子２の上面及び下面の少なくとも一方に、第１の音
響インピーダンス値Ｚ₁よりも低い第２の音響インピー
ダンス値Ｚ₂を有する材料からなる反射層が積層されて
おり、反射層の外側に、第２の音響インピーダンス値Ｚ
₂よりも大きな第３の音響インピーダンス値Ｚ₃を有する
材料からなる保持部材が積層されており、上記圧電共振
素子に、反射層３，５及び保持部材４，６からなる積層
体の外表面に励振電極に電気的に接続されるように外部
電極７，８が形成されており、反射層３，５と保持部材
４，６との界面において、圧電共振素子２から反射層
３，５に伝播してきた振動が反射されるように構成され
ている、複合材料振動装置１。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響インピーダン
スが異なる複数の材料部分が結合された複合材料振動装
置に関し、例えば、圧電素子などの振動素子に、音響イ
ンピーダンスが異なる複数の材料層が積層されている複
合材料振動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、圧電共振子や圧電フィルタを構成
する圧電共振部品として、圧電素子の上下にケース基板
を積層した構造のものが広く用いられている。この場
合、圧電素子の圧電振動部の振動を妨げないための空間
を積層体内に形成しなければならない。従って、積層さ
れるケース基板の圧電素子側の面に空洞形成用凹部を形
成する方法、あるいは圧電素子にケース基板を貼り合わ
せるにあたり、空洞を形成するために接着剤塗布エリア
を空洞を除いた領域とする方法などが用いられていた。

【０００３】上記のように、従来の積層型の圧電共振部
品では、圧電振動部の振動を妨げないための空洞を形成
しなければならず、そのため小型化が困難であった。ま
た、コストを削減することが困難であった。

【０００４】他方、特開平１０−２７０９７９号公報に
は、空洞を有しない積層構造のバルク型音波フィルタが
開示されている。図１６に示すように、バルク型音波フ
ィルタ２１１では、基板２１２上に多数の膜を積層する
ことにより圧電フィルタが構成されている。

【０００５】すなわち、この積層構造中には、圧電層２
１３が形成されており、圧電層２１３の上面及び下面に
電極２１４，２１５が積層されて、圧電共振子が構成さ
れている。

【０００６】上記圧電共振子の下面には、シリコンやポ
リシリコンなどの膜を積層することにより、上層２１
６、中層２１７及び下層２１８からなる積層構造の音響
ミラー２１９が構成されている。また、圧電共振子の上
面にも、同様の積層構造を有する音響ミラー２２０が積
層されており、該音響ミラー２２０上に保護膜としての
パッシベーション膜２２１が形成されている。

【０００７】上記音響ミラー２１９では、中層２１７の
音響インピーダンスが、上層２１６及び下層２１８の音
響インピーダンスよりも高くされている。音響ミラー２
２０においても、同様に中層の音響インピーダンスが、
上層及び下層の音響インピーダンスよりも高くされてい
る。

【０００８】上記バルク型音波フィルタ２１１では、音
響ミラー２１９，２２０を圧電共振子部分に積層するこ
とにより、圧電共振子から伝播してきた振動が圧電共振
子側に反射される。従って、圧電共振子部分の共振特性
に影響を与えることなく、基板２１２を用いて機械的に
保持することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１６に示したバルク
型音波フィルタ２１１では、音響ミラー２１９，２２０
は、圧電共振子側から伝播してきた振動を反射させるよ
うに構成されているが、各音響ミラー２１９，２２０
は、それぞれ、中層の上下に上層及び下層を積層してな
り、中層の音響インピーダンスが上層及び下層の音響イ
ンピーダンスより高くされている。従って、音響ミラー
２１９，２２０として多数の材料層を積層しなければな
らず、空洞の形成は省略し得るものの、バルク型音波フ
ィルタ２１１では、小型化、特に低背化が困難であっ
た。また、製造工程も煩雑であった。

【００１０】本発明の目的は、上述した従来技術の欠点
を解消し、比較的簡単な構造で振動素子の振動特性に影
響をほとんど与えることなく支持することができ、小型
であり、特に低背化に適してた安価な複合材料振動装置
を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願発明に係る複合材料
振動装置は、音響インピーダンスが異なる複数の材料部
分が結合されている複合材料振動装置であって、第１の
音響インピーダンス値Ｚ₁を有する材料からなる板状体
を用いて構成されており、かつ上面及び下面の少なくと
も一方に励振電極を備えた板状の振動素子と、第１の音
響インピーダンス値Ｚ₁よりも低い第２の音響インピー
ダンス値Ｚ₂を有する材料からなり、かつ前記振動素子
の上面及び下面の少なくとも一方に積層された反射層
と、前記第２の音響インピーダンス値Ｚ₂よりも大きな
第３の音響インピーダンス値Ｚ₃を有する材料からな
り、前記反射層の前記振動素子が積層されている側とは
反対側の面に積層された板状の保持部材とを備え、前記
振動素子、反射層及び保持部材からなる積層体の表面に
設けられており、かつ前記励振電極に電気的に接続され
た外部電極とを備え、前記反射層と前記保持部材との界
面において、前記振動素子から反射層に伝播してきた振
動が反射されるように構成されていることを特徴とす
る。

【００１２】本発明では、板状の振動素子の上面及び下
面の少なくとも一方に、反射層及び板状の保持部材が積
層された単純な構造で、振動素子から反射層に伝播して
きた振動が反射層と保持部材との界面において反射され
るように構成されている。従って、比較的簡単な構造
で、振動素子の振動を妨げることなく、保持部材により
保持することが可能な複合材料振動装置を実現すること
ができる。

【００１３】本発明の複合材料振動装置のある特定の局
面では、第２の音響インピーダンス値Ｚ₂の第１の音響
インピーダンス値Ｚ₁に対する比Ｚ₂／Ｚ₁が０．２以下
とされ、それによって振動素子から反射層に伝播してき
た振動をより確実に反射させることができる。

【００１４】本発明の複合材料振動装置の別の特定の局
面では、第２の音響インピーダンス値Ｚ₂の第３の音響
インピーダンス値Ｚ₃に対する比Ｚ₂／Ｚ₃が０．２以下
とされ、それによって振動素子から反射層に伝播してき
た振動が反射層と保持部材との界面においてより確実に
反射される。

【００１５】本発明に係る複合材料振動装置のさらに他
の特定の局面では、振動素子から反射層内を保持部材に
向けて進行し、前述した界面で反射される反射層内を伝
播する伝播振動の振幅方向が、伝播方向と垂直の関係と
なるため、平行の関係になる場合に比べ、反射層を薄く
できる。

【００１６】本発明において、上記振動素子は特に限定
されないが、本発明のある特定の局面では、電気機械結
合変換素子が用いられ、このような電気機械結合変換素
子としては、圧電素子あるいは電歪効果素子などが挙げ
られる。

【００１７】本発明に係る複合材料振動装置のさらに他
の特定の局面では、反射層は、音響インピーダンスが異
なる複数の材料層を積層してなることにより構成されて
いる。この場合には、複数の材料層の音響インピーダン
スを選択することにより、反射層の音響インピーダンス
を容易に調整することができる。

【００１８】本発明に係る複合材料振動装置のさらに別
の特定の局面では、前記振動素子からの振動を受け、反
射層内を前記保持部材に向かって伝播する伝播振動の波
長λとした場合、反射層と振動素子との界面から、反射
層と保持部材との界面までの距離が、ｎ・λ／４±λ／
８（ｎは奇数）の範囲とされ、それによって上記界面に
おいて伝播振動をより効果的に反射させることができ、
保持による振動素子への影響をより一層低減することが
できる。

【００１９】本発明に係る複合材料振動装置のさらに他
の特定の局面では、積層体の側面の少なくとも１つの面
が絶縁層で被覆されており、それによって振動素子の励
振のための電極等が側面に露出している場合、絶縁層に
より被覆することにより信頼性を高めることができる。
従って、本質的に小型の従来より周知のストリップ型圧
電共振子を振動素子として用いた場合などにおいて、信
頼性に優れた小型の圧電共振部品を提供することができ
る。

【００２０】本発明に係る複合材料振動装置のさらに他
の特定の局面では、上記振動素子の下面に反射層が積層
され、振動素子上面で絶縁層で被覆される。この場合に
は、振動素子の上面側には、絶縁層のみを設ければよい
ため、振動素子の下面の反射層及び保持部材が積層され
ている側を利用して複合材料振動装置を回路基板などに
実装すればよい。また、振動素子の上面には反射層及び
保持部材が設けられないため、複合材料振動装置の小型
化化、特に低背化を進めることができ、かつコストのさ
らなる低減を果たすことができる。

【００２１】本発明に係る複合材料振動装置のさらに別
の特定の局面で、上記保持部材において、コンデンサを
構成するための複数の容量電極が形成されており、それ
によって保持部材を利用してコンデンサが構成される。
従って、振動素子とコンデンサとを組み合わせて、たと
えば小型の発振子等を容易に提供することが可能とな
る。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しつつ、本発明
の具体的な実施例を説明することにより、本発明を明ら
かにする。

【００２３】図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の
実施例に係る複合材料振動装置としての圧電共振部品の
正面断面図及び外観を示す斜視図であり、図２は、その
分解斜視図である。

【００２４】圧電共振部品１は、振動素子としての圧電
共振素子２と、圧電共振素子２の上面に積層された第１
の反射層３及び第１の保護層４と、圧電共振素子２の下
面に積層された第２の反射層５及び第２の保護層６とを
有する。

【００２５】図２に示すように、圧電共振素子２は、矩
形板状の圧電基板１１を有する。圧電基板１１の上面に
は励振電極１２が形成されている。図１（ａ）に示すよ
うに、圧電基板１１の下面にも励振電極１３が形成され
ている。励振電極１２，１３は、圧電基板１１の長さ方
向中央において、圧電基板１１を介して対向するように
形成されている。圧電基板１１は、本実施例では、チタ
ン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、長さ方
向に分極処理されている。従って、励振電極１２と、下
面の励振電極１３との間に交流電圧を印加することによ
り、圧電共振素子２は厚み滑りモードを利用したエネル
ギー閉じ込め型の圧電共振素子として動作する。

【００２６】なお、上記圧電基板１１を構成しているチ
タン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスの音響インピー
ダンスＺ₁は、１８．８×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3である。第
１，第２の反射層３，５は、エポキシ系樹脂からなり、
その音響インピーダンスＺ₂は、１．２×１０⁶Ｎ・ｓ・
ｍ^-3とされている。他方、第１，第２の保護層４，６
は、本実施例では、セラミックにより構成されており、
その音響インピーダンスＺ₃は、１８．８×１０⁶Ｎ・ｓ
・ｍ^-3である。

【００２７】なお、第２の保護層６の上面には、中央で
対向された第１，第２の容量電極１４，１５が形成され
ており、保護層６の下面には、容量電極１４，１５と対
向するように容量電極１６が形成されている。容量電極
１４〜１６により、コンデンサが保護層６に構成されて
いる。

【００２８】上記励振電極１２，１３及び容量電極１４
〜１６は、ＡｇあるいはＡｌやＣｕなどの適宜の導電性
材料で形成され得る。圧電共振素子２、第１，第２の反
射層３，５及び第１，第２の保護層４，６からなる積層
体の側面には、外部電極７，８が形成されている。外部
電極７，８は、積層体の互いに対向する一対の側面に分
けて形成されている。

【００２９】外部電極７は、励振電極１２及び容量電極
１４に電気的に接続されている。他方、外部電極８は、
励振電極１３及び容量電極１５に電気的に接続されてい
る。従って、外部電極７，８と容量電極１６とを、外部
に接続することにより、圧電共振部品１は３端子型の容
量内蔵型の圧電発振子として動作され得る。

【００３０】なお、外部電極７，８は、積層体の側面か
ら、保護層６の下面に至るように形成されている。外部
電極７，８が積層体の下面に至るように形成されている
ため、プリント回路基板などに圧電共振部品１を容易に
表面実装することができる。

【００３１】本実施例の圧電共振部品１では、圧電共振
素子２の上下に第１，第２の反射層３，５が直接積層さ
れており、さらにその外側に第１，第２の保護層４，６
が積層されている。言い換えれば、エネルギー閉じ込め
型の圧電共振素子２の圧電振動部の振動を妨げないため
の空洞は形成されていない。従って、空洞を形成する必
要がないため、圧電共振部品１の小型化及びコストの低
減を果たすことができる。

【００３２】上記のように、本実施例において空洞を省
略し得るのは、上記反射層３，５の音響インピーダンス
値Ｚ₂が、圧電共振素子２及び保護層４，６を構成する
材料の音響インピーダンス値Ｚ₁，Ｚ₃よりも小さいため
である。以下、これを図３〜図５を参照して説明する。

【００３３】図３は、本実施例の圧電共振部品１の振動
の変位状態を二次元断面モデルについて有限要素法で解
析した結果を示す図である。ここでは、圧電基板１１の
寸法は、長さが２．０ｍｍ及び厚みが０．１５ｍｍの矩
形板状とした。また、反射層３，５の厚みは０．０３７
ｍｍ、保護層４，６の厚みは０．０７ｍｍとした。反射
層３，５及び保護層４，６の平面形状は圧電共振素子２
の平面形状と同一とした。

【００３４】図３においては、上記圧電共振部品１が駆
動された状態の変位分布が図１（ａ）と同じ方向の断面
で示されている。図３から明らかなように、圧電共振素
子２は厚み滑りモードで動作されているため、圧電共振
素子２が変位しており、それに応じて反射層３，５も変
位していることかわかる。これに対して、外側の第１，
第２の保護層４，６はほとんど変位していない。

【００３５】すなわち、本実施例では、反射層３，５の
音響インピーダンス値Ｚ₂が、圧電共振素子２を構成し
ている圧電基板１１の音響インピーダンス値Ｚ₁及び保
護層４，６の音響インピーダンス値Ｚ₃よりも小さいた
め、圧電共振素子２から反射層３，５側へ伝播した振動
は、反射層３，５と保護層４，６との界面で反射され
る。従って、保護層４，６はほとんど変位しないことが
わかる。

【００３６】よって、本実施例では、圧電共振素子２か
ら反射層３，５側へ伝播した振動が、上記各界面で反射
されるため、保護層４，６のいずれの側で機械的に支持
した場合においても、圧電共振素子２の共振特性への影
響がほとんど生じ難い。

【００３７】よって、空洞を形成せずとも、圧電共振素
子２の共振特性を確実に発現させることができる。従っ
て、圧電共振部品１全体の小型化、特に低背化を進める
ことができ、かつコストの低減を果たすことができる。

【００３８】本願発明者等は、上記圧電共振部品１の有
限要素法の解析結果を考慮し、圧電共振部品１における
圧電共振素子２、反射層３，５及び保護層４，６を構成
する材料及び寸法などを種々変更し、実験を繰り返し
た。その結果、反射層３，５の音響インピーダンス値Ｚ
₂を、圧電共振素子２の音響インピーダンス値Ｚ₁及び保
護層４，６の音響インピーダンス値Ｚ₃よりも小さくす
れば、上記図３に示した結果と同様に、圧電共振素子２
から保護層４，６への振動の伝播をほぼ抑制し得ること
を見出した。

【００３９】これを、図４及び図５を参照して説明す
る。まず、上記実施例の圧電共振部品１において、反射
層を構成する材料を種々変更し、その他は上記実施例と
同様にして、音響インピーダンス比Ｚ₂／Ｚ₁が種々異な
る圧電共振部品を作製した。これらの圧電共振部品にお
いて、共振周波数を測定し、音響インピーダンス比Ｚ₂
／Ｚ₁が変化した場合の共振周波数変化率を求めた。結
果を図４に示す。

【００４０】なお、共振周波数変化率とは、圧電共振素
子２単体の共振周波数をＦ₀、上記のようにして作製さ
れた圧電共振部品の共振周波数をＦとしたときに、
〔（Ｆ−Ｆ₀）／Ｆ₀〕×１００（％）で表される値であ
る。

【００４１】図４から明らかなように、音響インピーダ
ンス比Ｚ₂／Ｚ₁が１未満であれば共振周波数の変化率が
少なく、かつＺ₂／Ｚ₁が好ましくは０．２以下、より好
ましくは０．１以下において、共振周波数の変化率が
０．４％以下と非常に小さく、Ｚ₂／Ｚ₁が０．１以下で
は、０．１％以下と低いことがわかる。

【００４２】次に、上記実施例の圧電共振部品におい
て、反射層を上記実施例と同様にして構成し、保護層を
構成する材料を種々変更し、インピーダンス比Ｚ₂／Ｚ₃
が異なる種々の圧電共振部品を作製し、上記と同様にし
て共振周波数変化率を求めた。結果を図５に示す。

【００４３】図５から明らかなように、音響インピーダ
ンス比Ｚ₂／Ｚ₃が１未満であれば共振周波数の変化率が
少なく、かつＺ₂／Ｚ₁が好ましくは０．２以下とするこ
とにより、共振周波数変化率が０．２１５％以下、より
好ましくはＺ₂／Ｚ₃を０．１以下とすることにより共振
周波数変化率を０．１％以下とし得ることがわかる。

【００４４】よって、図４及び図５の結果から明らかな
ように、音響インピーダンス比Ｚ₁，Ｚ₂及びＺ₂／Ｚ
₃は、０．２以下が好ましく、より好ましくは０．１以
下である。

【００４５】なお、反射層３，５及び保護層４，６の音
響インピーダンス値Ｚ₂，Ｚ₃の制御は、これらを構成す
る材料自体の変更あるいは組成を変更することにより容
易に行うことができる。例えば、反射層３，５について
は、上記実施例ではエポキシ樹脂が用いられていたが、
エポキシ樹脂に、エポキシ樹脂とは異なる音響インピー
ダンス値を有する有機もしくは無機粉末などを配合する
ことにより、反射層３，５の音響インピーダンス値Ｚ₂
を調整することができる。また、保護層４，６について
も、保護層４，６を構成するセラミックスに、該セラミ
ックスとは異なる音響インピーダンス値を有する有機も
しくは無機粉末などを配合することにより、その音響イ
ンピーダンス値Ｚ₃を容易に調整することができる。

【００４６】なお、反射層３，５及び保護層４，６を構
成する材料は、エポキシ樹脂やセラミックスに限定され
るものではない。様々な有機材料あるいは無機材料が、
目的とする音響インピーダンス値Ｚ₂，Ｚ₃を実現すよう
に用いられ得る。

【００４７】次に、本願発明者は、上記実施例の圧電共
振部品１における反射層３，５の厚みを種々変更した場
合の帯域幅及び共振周波数の変化を調べた。結果を図６
及び図７に示す。

【００４８】図６は、上記実施例において、反射層３，
５の厚みを種々変化させた場合の相対比帯域幅の変化を
示し、図７は、相対共振周波数の変化を示す。なお、相
対比帯域幅とは、反射層３，５及び保護層４，６が設け
られていない圧電共振素子２単独の比帯域幅に対し、作
製された圧電共振部品における比帯域幅の割合を示す。
また、相対共振周波数とは、圧電共振素子２単体の共振
周波数に対する、用意された圧電共振部品の共振周波数
の割合を示す。

【００４９】図６及び図７における横軸の反射層３，５
の厚みは、圧電共振素子２で励振される表面波の波長λ
を基準とした値である。図６及び図７から明らかなよう
に、反射層３，５の厚みを変化させた場合、一定の周期
で、相対比帯域幅及び相対共振周波数が変化することが
わかる。すなわち、反射層の厚みが、ｎ・λ／４±λ／
８（ｎは奇数）の範囲では、相対比帯域幅及び相対共振
周波数が、圧電共振素子２単体の場合の特性とほぼ変わ
らないことがわかる。従って、好ましくは、反射層３，
５の厚み、すなわち圧電共振素子２から反射層３に伝播
してきた振動の進行方向の反射層の距離は、圧電共振素
子２で励振される表面波の波長をλとした場合には、ｎ
λ／４±λ／８の範囲とすることが望ましい。

【００５０】図８（ａ）及び（ｂ）並びに図９は、本発
明の第２の実施例に係る複合材料振動装置としての圧電
共振部品を示す正面断面図、外観を示す斜視図及び分解
斜視図である。

【００５１】第２の実施例の圧電共振部品２１では、圧
電共振素子２２が、厚み縦振動モードを利用したエネル
ギー閉じ込め型の圧電共振子とされている。この圧電共
振素子２２では、矩形板状の圧電基板３１が、チタン酸
ジルコン酸鉛系セラミックからなり、その音響インピー
ダンス値Ｚ₁は３２．７×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3とされてい
る。

【００５２】また、圧電基板３１の上面には、円形の第
１の励振電極３２が、下面には同じく円形の第２の励振
電極３３が形成されている。励振電極３２，３３は、圧
電基板３１を介して対向するように形成されている。圧
電基板３１は、厚み方向に分極処理されている。

【００５３】従って、励振電極３２，３３間に交流電圧
を印加すれば、厚み縦振動モードを利用したエネルギー
閉じ込め型の圧電共振子として、圧電共振素子２２が動
作する。

【００５４】他方、本実施例においても、圧電共振素子
２２の上下に、第１，第２の反射層３，５及び第１，第
２の保護層４，６が第１の実施例と同様に積層されてい
る。もっとも、第１，第２の反射層３，５及び第１，第
２の保護層４，６を構成する材料及び音響インピーダン
ス値は第１の実施例とは異なっている。

【００５５】すなわち、反射層３，５は、音響インピー
ダンス値Ｚ₂が２．４×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3であるエポキ
シ系樹脂により構成されている。また、保護層４，６
は、音響インピーダンス値Ｚ₃が３２．７×１０⁶Ｎ・ｓ
・ｍ^-3のセラミックスにより構成されている。すなわ
ち、保護層４，６を構成するセラミックスは、圧電基板
３１と同じ音響インピーダンス値を有するように構成さ
れている。もっとも、音響インピーダンス値Ｚ₃は音響
インピーダンス値Ｚ₁と等しくなくともよい。

【００５６】また、下方の第２の保護層６の上面には、
一対の容量電極３４，３５が、下面には容量電極３６が
形成されており、それによって第１の実施例と同様に保
護層６を用いてコンデンサが構成されている。本実施例
においても、積層体の一対の側面に分けて外部電極７，
８が形成されており、外部電極７，８と容量電極３６と
により３端子型の圧電発振子が構成されている。

【００５７】本実施例の圧電共振部品２１を動作させた
場合の変位分布を図１０に略図的に示す。なお、図１０
の一点鎖線Ａは、圧電共振部品２１の中央において上下
方向に延びる仮想線であり、図１０では、一点鎖線Ａの
右側、すなわち圧電共振部品１を正面断面視した場合の
半分の部分の変位分布が示されている。図１０から明ら
かなように、圧電共振部品２１においても、駆動に際し
圧電共振素子２２が変位するものの、外側の保護層４，
６はほとんど変位していないことがわかる。すなわち、
第１の実施例と同様に、反射層３，５に圧電共振素子２
２から伝播してきた振動が、反射層３，５と保護層４，
６との各界面で反射されるためでる。

【００５８】このように、複合材料振動装置を構成する
振動素子の振動モードは特に限定されず、第２の実施例
のように厚み縦振動モードを利用した圧電共振素子２２
を用いても、第１の実施例と同様の効果を得ることがで
きる。

【００５９】なお、図１０の変位分布は、圧電共振素子
２２を構成する圧電基板３１の厚みを０．１３ｍｍ、反
射層３，５の厚みを０．０３８ｍｍ、保護層４，６の厚
みを０．６５ｍｍとし、軸対称モデルを使用しており、
φ２．０ｍｍとしたときの断面モデルについての解析結
果である。また、圧電共振素子２２の共振周波数は１６
ＭＨｚである。

【００６０】本発明に係る複合材料振動装置は、第１，
第２の実施例に限定されるものではない。以下、図１１
〜図１５を参照して、本発明の複合材料振動装置の変形
例を説明する。

【００６１】図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の複合
材料振動装置の変形例を示す正面断面図及び外観を示す
斜視図であり、図１２はその分解斜視図である。本変形
例の圧電共振部品４１では、振動部材としての厚み縦振
動モードの２倍波を利用したエネルギー閉じ込め型の圧
電共振素子４２が用いられている。圧電共振素子４２で
は、矩形板状の圧電基板５１の上面及び下面に励振電極
５２，５３が形成されており、かつ圧電基板５１の中間
高さ位置に内部励振電極５４が形成されている。励振電
極５２，５３及び内部励振電極５４は圧電基板５１の長
さ方向中央において圧電基板層を介して対向するように
構成されている。また、圧電基板５１は圧電セラミック
スにより構成されており、厚み方向に分極処理されてい
る。従って、励振電極５２，５３と内部励振電極５４と
に交流電圧を印加することにより、厚み縦振動モードの
２倍波が励振される。

【００６２】他方、上記圧電共振素子４２の上面には、
絶縁層４５が形成されている。絶縁層４５は、圧電共振
素子４２の振動を妨げない程度の厚みに、例えばシリコ
ン樹脂などの軟質合成樹脂により構成されている。絶縁
層４５の形成により、圧電共振素子４２の耐湿性などを
高めることができる。

【００６３】他方、圧電共振素子４２の下面には、反射
層４３及び保護層４４が積層されている。反射層４３
は、第１，第２の実施例における反射層と同様に、その
音響インピーダンス値Ｚ₂が圧電共振素子４２を構成す
る圧電基板５１の音響インピーダンス値Ｚ₁及び保護層
４４を構成する材料の音響インピーダンス値Ｚ₃よりも
小さくされている。

【００６４】保護層４４においては、上面に一対の容量
電極５５，５６が形成されており、下面に容量電極５
５，５６と対向する容量電極５７が形成されている。ま
た、圧電共振素子４２、反射層４３、保護層４４及び絶
縁層４５からなる積層体の側面には、外部電極７，８が
形成されている。本実施例の圧電共振部品４１のよう
に、圧電共振素子４２の上面及び下面のうち少なくとも
一方にのみ反射層４３及び保護層４４が形成されていて
もよい。この場合においても、保護層４４がほとんど変
位しないため、圧電共振部品４１を保護層４４側から機
械的に保持することができる。

【００６５】図１３は、本発明の複合材料振動装置のさ
らに他の変形例を説明するための正面断面図である。圧
電共振部品６１では、第１の実施例と同様に、圧電共振
素子２の上下に反射層３，５及び保護層４，６が積層さ
れている。第１の実施例と異なるところは、反射層３，
５が、それぞれ、複数の材料層３ａ〜３ｃ及び５ａ〜５
ｃを積層することにより構成されていることにある。こ
のように、本発明における反射層は、複数の材料層を積
層することにより構成されていてもよい。この場合、複
数の材料層３ａ〜３ｃ，５ａ〜５ｃの音響インピーダン
ス値を制御することにより、反射層３，５全体の音響イ
ンピーダンス値Ｚ₂を容易に調整することができる。

【００６６】なお、複数の材料層を積層してなる反射層
３，５は、図１６に示した従来技術における音響ミラー
とは異なることを指摘しておく。すなわち図１６に示し
た音響ミラーでは、３層構造の真ん中の層である中層の
音響インピーダンス値を上層及び下層に比べて高くする
ことにより音響反射を生じさせていたのに対し、図１３
に示す変形例では、あくまでも反射層３，５は、保護層
４，６との界面で伝播してきた振動を反射させるために
構成されているものである。すなわち、音響インピーダ
ンス値Ｚ₂の設定を容易とするために各反射層３，５が
それぞれ複数の材料層３ａ〜３ｃ，５ａ〜５ｃを積層す
ることにより構成されている。

【００６７】図１４は、本発明の複合材料振動装置のさ
らに他の変形例を説明するための模式的斜視図である。
図１４に示すように、第１の実施例の圧電共振部品１の
側面に、すなわち外部電極７，８が形成されている側面
とは異なる一対の側面に、絶縁層７１，７２を形成して
もよい。このように、絶縁層７１，７２を形成すること
により、例えば図２に示されている励振電極１２が積層
体の側面に露出していたとしても、絶縁層７１，７２に
より確実に被覆され得る。従って、圧電共振部品の信頼
性を高めることができる。

【００６８】さらに、図１５に示すように、絶縁層８３
を圧電共振部品８２の上面に積層してもよい。図１５に
示す圧電共振部品８２は、図９及び１０に示した圧電共
振部品とほぼ同様に構成されている。もっとも、励振電
極の形状が、図９及び図１０に示した圧電共振素子とは
異ならされている。すなわち、図９及び図１０に示した
変形例の圧電共振部品と同様に、圧電共振素子の一方面
側にのみ反射層及び保護層を設けた構成の場合、圧電共
振素子の電極や構造の如何に関わらず、反射層が形成さ
れていない側の面に絶縁層を形成してもよく、それによ
って圧電共振部品の信頼性を高めることができる。

【００６９】なお、上述してきた実施例及び変形例で
は、振動素子として、圧電共振素子を示したが、圧電共
振素子以外の圧電フィルタなどを用いてもよく、電歪効
果を利用した振動素子を用いてもよい。

【００７０】

【発明の効果】本発明に係る複合材料振動装置では、振
動素子の少なくとも片面に反射層及び保護層が積層され
ており、反射層のインピーダンス値Ｚ₂が振動素子及び
保護層の音響インピーダンス値Ｚ₁，Ｚ₃よりも小さいた
め、反射層と保護層との界面において振動素子から反射
層に伝播してきた振動が反射される。従って、振動エネ
ルギーが上記界面よりも内側に閉じ込められる。よっ
て、保護層を用いて複合材料振動装置を機械的に保持し
たとしても、振動素子の特性の劣化が生じ難い。従っ
て、振動を妨げないための空間を必要としない、小型で
ありかつ安価な複合材料振動装置を提供することができ
る。また、様々な振動モードを利用した振動素子を用い
て複合材料振動装置を構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の第１の実施例に
係る圧電共振部品の正面断面図及び外観を示す斜視図。

【図２】図１に示した圧電共振部品の分解斜視図。

【図３】図１及び図２に示した実施例の圧電共振部品を
駆動した際の圧電共振素子、反射層及び保護層の変位分
布を有限要素法で解析した結果を示す図。

【図４】音響インピーダンス比Ｚ₂／Ｚ₁を変化させた場
合の実施例の圧電共振部品における共振周波数変化率を
示す図。

【図５】音響インピーダンス比Ｚ₂／Ｚ₃を変化させた場
合の実施例の圧電共振部品における共振周波数変化率を
示す図。

【図６】反射層の厚みを変化させた場合の圧電共振部品
の相対比帯域幅の変化を示す図。

【図７】反射層の厚みを変化させた場合の圧電共振部品
の相対共振周波数の変化を示す図。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は、第２の実施例に係る圧電
共振部品の正面断面図及び外観を示す斜視図。

【図９】第２の実施例の圧電共振部品の分解斜視図。

【図１０】第２の実施例の圧電共振部品を駆動した場合
の変位分布を有限要素法で解析した結果を示す。

【図１１】（ａ）及び（ｂ）は、本発明の複合材料振動
装置の変形例を説明するための正面断面図及び外観を示
す斜視図。

【図１２】図１１に示した圧電共振部品の分解斜視図。

【図１３】本発明の複合材料振動装置の他の変形例とし
ての圧電共振部品を説明するための正面断面図。

【図１４】本発明の複合材料振動装置としての圧電共振
部品のさらに他の変形例を説明するための略図的斜視
図。

【図１５】本発明の複合材料振動装置としての圧電共振
部品のさらに他の変形例を説明するための略図的斜視
図。

【図１６】従来の音響フィルタを説明するための正面断
面図。

【符号の説明】

１…圧電共振部品 ２…圧電共振素子 ３，５…第１，第２の反射層 ４，６…第１，第２の保護層 ７，８…外部電極 １１…圧電基板 １２，１３…励振電極 １４〜１６…容量電極 ２１…圧電共振部品 ２２…圧電共振素子 ３１…圧電基板 ３２，３３…励振電極 ３４〜３６…容量電極 ４１…圧電共振部品 ４２…圧電共振素子 ４３…反射層 ４４…保護層 ４５…絶縁層 ５１…圧電基板 ５２〜５４…励振電極 ５５〜５７…容量電極 ６１…圧電共振部品 ７１，７２，８３…絶縁層 ８２…圧電共振部品

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇波 俊彦 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 (72)発明者 渡邉 数隆 京都府長岡京市天神二丁目26番10号 株式 会社村田製作所内 Ｆターム(参考） 5J108 BB04 CC04 CC11 DD02 EE03

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 音響インピーダンスが異なる複数の材料
   部分が結合されている複合材料振動装置であって、 第１の音響インピーダンス値Ｚ₁を有する材料からなる
   板状体を用いて構成されており、かつ上面及び下面の少
   なくとも一方に励振電極を備えた板状の振動素子と、 第１の音響インピーダンス値Ｚ₁よりも低い第２の音響
   インピーダンス値Ｚ₂を有する材料からなり、かつ前記
   振動素子の上面及び下面の少なくとも一方に積層された
   反射層と、 前記第２の音響インピーダンス値Ｚ₂よりも大きな第３
   の音響インピーダンス値Ｚ₃を有する材料からなり、前
   記反射層の前記振動素子が積層されている側とは反対側
   の面に積層された板状の保持部材とを備え、 前記振動素子、反射層及び保持部材からなる積層体の表
   面に設けられており、かつ前記励振電極に電気的に接続
   された外部電極とを備え、 前記反射層と前記保持部材との界面において、前記振動
   素子から反射層に伝播してきた振動が反射されるように
   構成されていることを特徴とする、複合材料振動装置。
2. 【請求項２】 前記第２の音響インピーダンス値Ｚ₂の
   第１の音響インピーダンス値Ｚ₁に対する比Ｚ₂／Ｚ₁が
   ０．２以下である、請求項１に記載の複合材料振動装
   置。
3. 【請求項３】 前記第２の音響インピーダンス値Ｚ₂の
   第３の音響インピーダンス値Ｚ₃に対する比Ｚ₂／Ｚ₃が
   ０．２以下である、請求項１または２に記載の複合材料
   振動装置。
4. 【請求項４】 前記振動素子から反射層内を前記保持部
   材に向けて進行し、前記反射層と前記保持部材の界面で
   反射される反射層内を伝播する伝播振動の振幅方向が、
   伝播方向と垂直の関係にある、請求項１〜３のいずれか
   に記載の複合材料振動装置。
5. 【請求項５】 前記振動素子が電気機械結合変換素子で
   ある、請求項１〜４のいずれかに記載の複合材料振動装
   置。
6. 【請求項６】 前記電気機械結合変換素子が、圧電素子
   または電歪素子である、請求項５に記載の複合材料振動
   装置。
7. 【請求項７】 前記反射層が、音響インピーダンスが異
   なる複数の材料層を積層することにより構成されてい
   る、請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料振動装
   置。
8. 【請求項８】 前記振動素子からの振動を受け、反射層
   内を前記保持部材に向かって伝播する伝播振動の波長を
   λとした場合、反射層と振動素子との界面から、反射層
   と保持部材との界面までの距離が、ｎ・λ／４±λ／８
   （ｎは奇数）の範囲にある、請求項１〜７のいずれかに
   記載の複合材料振動装置。
9. 【請求項９】 前記積層体の側面の少なくとも一つの面
   が絶縁層で覆われていることを特徴とする、請求項１〜
   ８のいずれかに記載の複合材料振動装置。
10. 【請求項１０】 前記振動素子の下面に前記反射層が積
    層されており、前記振動素子の上面が、絶縁層で被覆さ
    れている、請求項１〜９のいずれかに記載の複合材料振
    動装置。
11. 【請求項１１】 前記保持部材において、コンデンサを
    構成するための複数の容量電極が形成されている、請求
    項１〜１０のいずれかに記載の複合材料振動装置。