JP2005159477A - 複合材料振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡単な構造で振動部材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、小型化が容易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り、振動発生源となる振動部材と、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、主剤、硬化触媒を少なくとも含む付加硬化型のシリコーン樹脂からなり、かつ前記振動部材に連結された反射層と、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部材が連結されている側とは反対側に連結された保持部材とを備え、反射層と保持部材との界面において振動部材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。
【選択図】 なし

Description

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部材に連結された反射層として、低音速かつ低減衰の樹脂組成物を用いた複合材料振動装置に関する。

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、圧電振動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を形成するための凹部を形成する方法、あるいは圧電素子にケース基板を積層するにあたり、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。

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。

他方、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（特許文献１参照）。図３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。
特開平１０−２７０９７９号公報 すなわち、この積層構造中には、圧電層２１３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。

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２１６、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。

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２２０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。

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。

図３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、多数の材料層を積層しなければならないため、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。

さらに、上記バルク型音波フィルタ２１１では、圧電共振子の側方振動が伝播するが、交互に伝播してきた振動が、圧電共振子の側方部分においてダンピングされ、従って圧電共振子部分の側方が固定されていることにより圧電共振子の共振特性が保持構造により劣化するという問題もあった。

本発明の目的は、上述従来技術の欠点を解消し、比較的簡単な構造で振動部材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、小型化が容易な複合材料振動装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の複合材料振動装置は、第１の音響インピーダンス値Ｚ₁を有する材料からなり、振動発生源となる振動部材と、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、主剤、硬化触媒を少なくとも含む付加硬化型のシリコーン樹脂からなり、かつ前記振動部材に連結された反射層と、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部材が連結されている側とは反対側に連結された保持部材とを備え、反射層と保持部材との界面において振動部材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。

さらに、本発明の複合材料振動装置は、前記シリコーン樹脂がメチル基およびフェニル基を少なくとも含むことを特徴とする。

さらに、本発明の複合材料振動装置は、前記反射層における、５ＭＨｚでの音速が２０００ｍ／ｓ以下であり、かつ５ＭＨｚでの減衰係数が１．５ｄＢ／ｍｍ以下であることを特徴とする。

本発明の複合材料振動装置を用いれば、樹脂を硬化することのみで反射層の形成が可能となり、複数の材料層を積層する必要がなくなるため、製造工程が簡略化できる。また、前記反射層に用いられる樹脂は、接着性も有していることから、複合材料振動装置の低背化、小型化、低コスト化が可能となる。さらに、本発明の複合材料振動装置の反射層は低音速かつ低減衰なので、前記複合材料振動装置の電気特性が向上する。

以下、本発明の複合材料振動装置について説明する。

図１は、本発明の第１の実施例に係る複合材料振動装置の分解斜視図であり、図２は外観を示す斜視図である。

本実施例の複合材料振動装置１では、振動部材としての圧電共振子２が用いられている。圧電共振子２は、矩形板状の形状を有するチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなるセラミック板を用いて構成されている。該セラミック板は、厚み方向に分極処理されている。また、セラミック板の上面中央には、励振電極１１が形成されている。図１では図示されていないが、下面中央にも、励振電極が形成されている。励振電極１１及び下面の励振電極は、セラミック板の端面に至るように形成され、それぞれ、外部電極１４、１５に電気的に接続されている。

励振電極１１と下面の励振電極との間に交流電圧を印加することにより、圧電共振子２は厚み縦振動モードで励振される。なお、セラミック板の音響インピーダンス値Ｚ₁は、１８．８×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3である。

圧電共振子２の上面及び下面には、第１、第２の反射層３、４が積層されている。反射層３、４の外側面には、すなわち、圧電共振子２が連結されている面とは反対側の面には、第１、第２の保持部材５、６が積層されている。反射層３、４を構成している材料は、使用前は液状であり、乾燥、加熱や化学反応などにより固体化する接着性材料である。

より具体的には、本実施例の一例では、反射層３、４は、主剤、硬化触媒を少なくとも含む付加硬化型のシリコーン樹脂からなる樹脂組成物を硬化させたものであり、その音響インピーダンス値Ｚ₂は、２．４×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3以下である。さらには、前記シリコーン樹脂がメチル基およびフェニル基を少なくとも含み、前記反射層３，４は、５ＭＨｚでの音速が２０００ｍ／ｓ以下であり、かつ５ＭＨｚでの減衰係数が１．５ｄＢ／ｍｍ以下である。これにより、電気特性に優れた複合材料振動装置を得ることができる。

保持部材５、６は、本実施例では、矩形板状の形状を有するセラミック板により構成されており、その音響インピーダンス値Ｚ₃は、１８．８×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3である。下方の保持部材６の上面には、一対の容量電極１２、１３が形成されている。容量電極１２、１３と保持部材６を介して対向するように、保持部材６の下面中央に容量電極（図示せず）が形成されている。容量電極１２、１３及び下面の容量電極により、保持部材６にコンデンサが構成されている。

図１に示されている各部材を積層して形成した積層体の一方の端面に、図２に示されている外部電極１４が形成されている。また、積層体の他方端面にも外部電極１５が形成されている。外部電極１４、１５は、それぞれ、圧電共振子２の励振電極１１及び下面の励振電極に電気的に接続されている。

また、外部電極１４、１５は、それぞれ、容量電極１２、１３に電気的に接続されている。したがって、外部電極１４、１５と保持部材６の下面に形成された容量電極と外部と電気的に接続することにより、３端子型の容量内蔵型圧電発振子として複合材料振動装置１が動作する。

本実施例の複合材料振動装置１では、振動部材としての圧電共振子２の上面及び下面に第１、第２の反射層３、４が連結されており、各反射層３、４の圧電共振子２に連結されている側とは反対側の面に保持部材５、６が連結されている。したがって、圧電共振子２の振動を妨げないための空洞は形成されていない。よって、空洞を形成する必要がないため、低背化、小型化、低コスト化が可能となる。

本発明の反射層に用いられるシリコーン樹脂としては、主剤と硬化触媒を少なくとも含むものであって、メチル基及びフェニル基を含有するものが特に好ましい。

さらに、これら本発明の反射層を構成する材料中には、用途にあわせて硬化性、密着性、チクソトロピック性等を付与するため、例えば、溶融シリカ、破砕シリカ、微粉シリカ、タルク、ガラスなど無機充填剤およびそれらの疎水化、親水化など表面処理を施した無機充填剤、ライフ安定剤、カップリング剤、レベリング剤、希釈剤、難燃剤、潤滑剤、レオロジーコントロール剤、沈降防止剤、密着性付与剤、顔料、分散剤、消泡剤などを添加してもよい。

以下、本発明における実験例について説明する。
（１）実験例１
（ａ）樹脂硬化物の作製
まず、反射層に用いられる樹脂組成物の出発原料として、シリコーン樹脂、熱硬化性樹脂１と２、および硬化剤１を準備した。ここで、シリコーン樹脂として溶剤を含まない付加硬化型であって、少なくとも主剤と硬化触媒とからなり、エチル基およびフェニル基を含有するものを準備した。また、熱硬化性樹脂１としてＰ−アミノフェノール型エポキシ樹脂（エポキシ当量＝９７ｇ／ｅｑ）、熱硬化性樹脂２としてテトラグリシジルアミノジフェニルメタン型エポキシ樹脂（エポキシ当量＝１２０ｇ／ｅｑ）、硬化剤１として２−フェニル−４−メチル−５−ヒドロキシメチルイミダゾールを準備した。

次に、これら原料を表１に示す組成の樹脂組成物が得られるように秤量し、プラネタリーミキサーを用いて攪拌および真空攪拌を行い、表１に示す試料番号１と２の樹脂組成物を得た。その後、テフロン金型内に前記樹脂組成物を流し込み、真空脱泡した後、オーブン内にて１５０℃、１時間静置し、目的とする樹脂硬化物を得た。

（ｂ）複合材料振動装置の作製
図１および図２に示すように、音響インピーダンス値が１８．８×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3のセラミックを用いた圧電共振子２に試料番号１と２の硬化前の樹脂組成物を塗布し、音響インピーダンス値が１８．８×１０⁶Ｎ・ｓ・ｍ^-3のセラミックで構成された保持部材５、６と貼り合わせ、オーブン内にて１５０℃、１時間静置し、樹脂組成物を硬化させた。前記樹脂組成物を塗布する際、硬化後の樹脂硬化物（反射層）の厚みが、圧電共振子の発振波長（λ）に対して４分の１（λ／４）となるように塗布厚を調整した。次に、図１および図２に示す外部電極１４、１５を形成して目的とする複合材料振動装置を得た。
（ｃ）樹脂硬化物の特性評価
（ａ）で作製した樹脂硬化物について、音速、減衰係数、密度、音響インピーダンス、および切削性を評価した。

ここで、音速（ｍ／ｓ）については、超音波粘性弾性測定装置（ＲＡＭ−１００００／ＲＩＴＥＣ社製）を用いて、５ＭＨｚにおける値（縦波）を以下の式１から算出した。ここで、式１のＬは樹脂硬化物の厚み（ｍ）、ｔは超音波が伝播するまでの時間（ｓ）を示す。
式１：音速＝Ｌ／ｔ
また、減衰係数（ｄＢ／ｍｍ）については、前記超音波粘性弾性測定装置を用いて５ＭＨｚにおける値（縦波）を以下の式２から算出した。ここで、式２のＡ₀は測定装置の緩衝材底面での反射波の振幅（ｍ）、Ａは前記緩衝材と樹脂硬化物の境界面での反射波の振幅（ｍ）、Ｂは樹脂硬化物底面での反射波の振幅（ｍ）、Ｌは樹脂硬化物の厚み（ｍ）を示す。
式２：減衰係数＝｛ｌｎ［（Ａ₀ ²−Ａ²）／（Ａ₀Ｂ）］｝／（１７．３７２×Ｌ×１０³）
また、密度（１０³・ｋｇ／ｍ³）は、樹脂硬化物の重量（ｋｇ）と体積（ｍ³）から算出した。音響インピーダンス（１０⁶・Ｎ・ｓ・ｍ^-3）は、５ＭＨｚにおける値（縦波）について、前記密度と音速の測定値を用いて以下の式３から算出した。
式３：音響インピーダンス＝密度×音速×１０^-3
また、切削性については、前記樹脂硬化物を旋盤で加工する際の作業の容易さを評価した。
（ｄ）複合材料振動装置の電気特性の評価
（ｂ）で作製した複合材料振動装置について、電気特性を測定した。前記電気特性は、位相の最大値を測定した。前記位相の最大値が大きいものが電気特性が優れているといえる。表１においては、位相の最大値が７８ｄｅｇ以上となる場合を○、７８ｄｅｇ未満を×と表記した。

前記（ｃ）と（ｄ）の評価結果を表１に示す。ここで、表１において、＊印を付したものは本発明の範囲外のものであり、それ以外は本発明の範囲内のものである。

表１から明らかなように、シリコーン樹脂を含有する試料番号１については、音速と減衰係数が低い値となり、かつ電気特性や切削性も良好であった。一方、シリコーン樹脂を含有しない試料番号２は、切削性は良好であったが、試料番号１と比較して、音速と減衰係数が共に増加し、また電気特性も悪くなることが分かった。
（２）実験例２
（ｅ）樹脂硬化物と複合材料振動装置の作製
まず、反射層に用いられる樹脂組成物の出発原料として、シリコーン樹脂、およびシリコーンゴムを準備した。また、シリコーン樹脂として溶剤を含む付加硬化型であって、少なくとも主剤と硬化触媒とからなり、エチル基およびフェニル基を含有するものを準備した。ここで、前記溶剤の主成分は、トルエンとキシレンである。

次に、これら原料を表２に示す組成の樹脂組成物が得られるように秤量し、プラネタリーミキサーを用いて攪拌および真空攪拌を行い、表２に示す試料番号３と４の樹脂組成物を得た。その後、（ａ）と同様に、目的とする樹脂硬化物を得た。

また、表２に示す試料番号３〜４の硬化前の樹脂組成物を用いて、（ｂ）と同様にして、目的とする複合材料振動装置を得た。
（ｆ）樹脂硬化物の特性と、複合材料振動装置の電気特性の評価
（ｅ）で作製した樹脂硬化物について、（ｃ）と同様に音速、減衰係数、密度、音響インピーダンス、および切削性を評価した。

また、（ｅ）で作製した複合材料振動装置についても、（ｄ）と同様に電気特性を測定した。

前記樹脂硬化物と複合材料振動装置の評価結果を表２に示す。ここで、表２において、＊印を付したものは本発明の範囲外のものであり、それ以外は本発明の範囲内のものである。

表２から明らかなように、シリコーン樹脂を含有する試料番号３については、音速と減衰係数が低い値となり、かつ電気特性と切削性も良好であった。一方、シリコーンゴムを含有する試料番号４は、音速が低く電気特性は良好であったが、試料番号３と比較して、減衰係数が増加し、また切削性も悪くなることが分かった。

本発明の複合材料振動装置の分解斜視図である。 本発明の複合材料振動装置の外観を示す斜視図である。 従来の複合材料振動装置としてのバルク型音波フィルタを示す縦断面図である。

符号の説明

１ 複合材料振動装置
２ 圧電共振子
３、４ 反射層
５、６ 保持部材
１１ 励振電極
１２、１３ 容量電極
１４、１５ 外部電極

Claims (3)

1. 第１の音響インピーダンス値Ｚ₁を有する材料からなり、振動発生源となる振動部材と、
   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、主剤、硬化触媒を少なくとも含む付加硬化型のシリコーン樹脂からなり、かつ前記振動部材に連結された反射層と、
   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部材が連結されている側とは反対側に連結された保持部材とを備え、
   反射層と保持部材との界面において振動部材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. 前記シリコーン樹脂がメチル基およびフェニル基を少なくとも含むことを特徴とする、請求項１に記載の複合材料振動装置。
3. 前記反射層は、５ＭＨzでの音速が２０００ｍ／ｓ以下であり、かつ５ＭＨｚでの減衰係数が１．５ｄＢ／ｍｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２に記載の複合材料振動装置。

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