JP2008072156A - Composite material vibrator - Google Patents

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Toshihiko Unami
俊彦 宇波
Hiroaki Kaida
弘明 開田
Kazutaka Watanabe
数隆 渡邉
Takaaki Asase
崇彰 浅▼瀬▲
Eitaro Kameda
英太郎 亀田
Jiro Inoue
二郎 井上
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a composite material vibrator which has a small structure not requiring any space not to hinder the vibration and excellent in mechanical strength and hardly causes characteristic variation due to the difference in coefficient of thermal expansion between constituent members during its manufacture or when the ambient temperature varies. <P>SOLUTION: The composite material vibrator 1 is constituted as follows. Over a plate-shaped piezoelectric resonance element 2 made of a material having an acoustic impedance value Z1, plate-shaped holding member 5 and 6 made of a material having an acoustic impedance value Z3 are stacked with reflective layer 3 and 4 made of a material having an acoustic impedance value Z2 interposed therebetween. The relations between the impedance values are Z2<Z1 and Z2<Z3. When the coefficient of thermal expansion in the direction parallel to the surfaces of the reflective layers 3 and 4 is represented by X and that in the direction parallel to the surfaces of the holding members is represented by Y, the sign of the X is opposite to that of Y, or the Y and X have the same sign and the Y is 3% or less that of the X. Alternatively, the Y is about zero. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

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連結されてなる複合材料振動装置に関し、より詳細には、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積層型の複合材料振動装置に関する。   The present invention relates to a composite material vibration device in which a plurality of material portions having different acoustic impedances are connected, and more specifically, a lamination in which a plurality of material layers having different acoustic impedances are laminated on a vibration element such as a piezoelectric element. The present invention relates to a type of composite material vibration device.

圧電共振装置や圧電フィルタ装置などの小型化を図るために、これらに使用されている圧電素子に、音響インピーダンスが異なる複数の材料層を連結してなる複合材料振動装置が知られている。   In order to reduce the size of piezoelectric resonance devices, piezoelectric filter devices, and the like, there are known composite material vibration devices in which a plurality of material layers having different acoustic impedances are connected to piezoelectric elements used in these devices.

例えば、下記の特許文献1には、図7(a)及び(b)に示す複合材料振動装置が開示されている。複合材料振動装置101では、板状の圧電共振素子102が振動素子として用いられている。圧電共振素子102の上面には、反射層103を介して保持部材104が積層されている。圧電共振素子102の下面には、反射層105を介して保持部材106が積層されている。これらの部材が積層されている積層体の一方の端面に外部電極107が、他方の端面に外部電極108が形成されている。   For example, the following Patent Document 1 discloses a composite material vibration device shown in FIGS. 7 (a) and 7 (b). In the composite material vibration device 101, a plate-like piezoelectric resonance element 102 is used as a vibration element. A holding member 104 is laminated on the upper surface of the piezoelectric resonant element 102 with a reflective layer 103 interposed therebetween. A holding member 106 is laminated on the lower surface of the piezoelectric resonant element 102 with a reflective layer 105 interposed therebetween. An external electrode 107 is formed on one end face of the laminate in which these members are laminated, and an external electrode 108 is formed on the other end face.

圧電共振素子102では、板状の圧電基板111の上面に励振電極112が、下面に励振電極113が形成されている。圧電基板111は、チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスからなり、外部電極107,108を結ぶ方向である長さ方向に分極処理されている。励振電極112,113は圧電基板111の長さ方向中央で圧電基板111を介して対向している。励振電極112,113の対向している部分が駆動に際して電界が加えられる振動部を構成しており、圧電共振素子102は、エネルギー閉じ込め型の厚み滑りモードを利用した圧電共振素子として動作する。励振電極112は外部電極107に、励振電極113は外部電極108に電気的に接続されている。   In the piezoelectric resonance element 102, an excitation electrode 112 is formed on the upper surface of a plate-like piezoelectric substrate 111, and an excitation electrode 113 is formed on the lower surface. The piezoelectric substrate 111 is made of a lead zirconate titanate piezoelectric ceramic, and is polarized in the length direction, which is a direction connecting the external electrodes 107 and 108. The excitation electrodes 112 and 113 are opposed to each other via the piezoelectric substrate 111 at the center in the length direction of the piezoelectric substrate 111. The facing portions of the excitation electrodes 112 and 113 constitute a vibrating portion to which an electric field is applied during driving, and the piezoelectric resonant element 102 operates as a piezoelectric resonant element utilizing an energy trapping thickness-slip mode. The excitation electrode 112 is electrically connected to the external electrode 107, and the excitation electrode 113 is electrically connected to the external electrode 108.

特許文献1に記載の複合材料振動装置101では、反射層103,105の音響インピーダンス値Z2が、圧電基板111の音響インピーダンス値Z1よりも小さく、かつ保持部材104,106の音響インピーダンス値Z3よりも小さくされている。より具体的には、ここでは、反射層103,105はエポキシ系樹脂からなり、保持部材104,106はセラミックスにより構成されている。Z3>Z2であるため、圧電共振素子102から反射層103,105に伝播してきた振動が、反射層103,105と保持部材104,106との界面において反射される。従って、上下の界面間に振動が閉じ込められるため、圧電共振素子102を保持部材104,106において機械的に保持したとしても、圧電共振素子102の振動に影響を与え難いとされている。 In the composite material vibration device 101 described in Patent Document 1, the acoustic impedance value Z 2 of the reflective layers 103 and 105 is smaller than the acoustic impedance value Z 1 of the piezoelectric substrate 111 and the acoustic impedance value Z of the holding members 104 and 106 is. It is smaller than 3 . More specifically, here, the reflection layers 103 and 105 are made of epoxy resin, and the holding members 104 and 106 are made of ceramics. Since Z 3 > Z 2 , the vibration propagated from the piezoelectric resonant element 102 to the reflective layers 103 and 105 is reflected at the interface between the reflective layers 103 and 105 and the holding members 104 and 106. Therefore, since vibration is confined between the upper and lower interfaces, even if the piezoelectric resonant element 102 is mechanically held by the holding members 104 and 106, it is difficult to affect the vibration of the piezoelectric resonant element 102.

なお、複合材料振動装置101では、上記保持部材106は、誘電体セラミックスにより構成されている。そして、保持部材106の上面に、容量電極114,115が、中央においてギャップを隔てて対向されている。また、保持部材106の下面には、容量電極116が形成されている。容量電極114,115と、容量電極116とは保持部材106を介して対向しており、三端子型のコンデンサを構成している。   In the composite material vibration device 101, the holding member 106 is made of dielectric ceramics. The capacitive electrodes 114 and 115 are opposed to the upper surface of the holding member 106 with a gap in the center. In addition, a capacitive electrode 116 is formed on the lower surface of the holding member 106. The capacitive electrodes 114 and 115 and the capacitive electrode 116 are opposed to each other via the holding member 106, and constitute a three-terminal capacitor.

また、下記の特許文献2には、この種の複合材料振動装置の製造方法が開示されている。ここでは、保持部材を構成する保持基板上に、反射層形成用の流動性材料としてのエポキシ樹脂が塗布されている。次に、振動素子を貼り合わせるとともに、上記流動性材料が熱により硬化させて反射層が形成されている。
特開2003−332875号公報 特開2003−338720号公報
Patent Document 2 below discloses a method for manufacturing this type of composite material vibration device. Here, an epoxy resin as a flowable material for forming the reflective layer is applied on a holding substrate constituting the holding member. Next, the vibration element is bonded, and the fluid material is cured by heat to form a reflective layer.
JP 2003-332875 A JP 2003-338720 A

特許文献1では、上記反射層や保護層を構成する材料は特に限定されないが、目的とする音響インピーダンス値Z2,Z3を達成し得る適宜の材料が用いられる旨が段落番号0046において記載されている。具体的な例としては、エポキシ樹脂からなる反射層及びセラミックスからなる保護層が示されている。 In Patent Document 1, the material constituting the reflective layer and the protective layer is not particularly limited, that the suitable material capable of achieving an acoustic impedance value Z 2, Z 3 of interest is used are described in paragraph Nos. 0046 ing. As a specific example, a reflective layer made of epoxy resin and a protective layer made of ceramics are shown.

また、特許文献2には、上記反射層をエポキシ樹脂の硬化物により形成した構造が開示されている。   Patent Document 2 discloses a structure in which the reflective layer is formed of a cured epoxy resin.

ところで、一般に、熱硬化型のエポキシ樹脂系硬化性組成物は、100℃前後に加熱することにより硬化され、硬化物を与える。他方、この硬化物は、セラミックスに比べて熱膨張係数がはるかに大きい。従って、硬化後の冷却により、硬化物が大きく収縮すると、反射層と、振動素子を構成している圧電基板との界面において、収縮する反射層により面方向に沿う応力が加わることになる。すなわち、図7において矢印A,−Aで略図的に示すように、反射層103,105の主面の面積が小さくなるように反射層103,105が収縮すると、矢印A,−A方向の応力が圧電基板111の表面に加わることになる。そのため、上記応力により、圧電共振素子102の特性が変動するという問題があった。   By the way, generally, a thermosetting epoxy resin-based curable composition is cured by heating at around 100 ° C. to give a cured product. On the other hand, this cured product has a much larger coefficient of thermal expansion than ceramics. Therefore, when the cured product contracts greatly due to cooling after curing, stress along the surface direction is applied by the contracting reflective layer at the interface between the reflective layer and the piezoelectric substrate constituting the vibration element. That is, as schematically shown by arrows A and -A in FIG. 7, when the reflective layers 103 and 105 contract so that the areas of the main surfaces of the reflective layers 103 and 105 are reduced, the stress in the directions of the arrows A and -A Is added to the surface of the piezoelectric substrate 111. Therefore, there is a problem that the characteristics of the piezoelectric resonant element 102 fluctuate due to the stress.

複合材料振動装置101のように、音響インピーダンスが相対的に低い反射層103,105を介して保持部材104,106を積層した積層型の複合材料振動装置101では、反射層の音響インピーダンス値Z2を相対的に小さくすることにより、保持部材において機械的に支持したとしても、圧電共振素子102の振動が影響を受け難いとされていた。 As in the composite material vibration device 101, in the laminated composite material vibration device 101 in which the holding members 104 and 106 are stacked through the reflection layers 103 and 105 having relatively low acoustic impedance, the acoustic impedance value Z 2 of the reflection layer. Therefore, even if the holding member is mechanically supported, the vibration of the piezoelectric resonance element 102 is hardly affected.

しかしながら、実際には、上記反射層103,105を熱硬化型のエポキシ樹脂系硬化性組成物の硬化物により構成した場合には、硬化後の冷却に際しての収縮により、上記応力が生じ、圧電共振素子102の特性が劣化するという問題があった。   However, in reality, when the reflective layers 103 and 105 are made of a cured product of a thermosetting epoxy resin curable composition, the stress is generated due to shrinkage upon cooling after curing, and piezoelectric resonance occurs. There was a problem that the characteristics of the element 102 deteriorated.

また、反射層103,105が、熱硬化型の硬化性組成物を用いずに構成されている場合においても、最終的に得られた反射層103,105の熱膨張係数が振動部材である圧電共振素子102を構成している材料の熱膨張係数よりもはるかに大きい場合には、周囲温度が低下した場合には、やはり上記と同様にA,−A方向の応力が加わり、特性が劣化しがちであった。あるいは、逆に周囲温度が急激に上昇した場合には、A,−A方向とは逆方向の応力が加わり、やはり特性が劣化しがちであった。   In addition, even when the reflective layers 103 and 105 are configured without using a thermosetting curable composition, the finally obtained reflective layers 103 and 105 have piezoelectric elements whose vibration expansion coefficients are vibration members. If the thermal expansion coefficient of the material constituting the resonant element 102 is much larger, when the ambient temperature is lowered, the stress in the A and -A directions is also applied in the same manner as described above, and the characteristics are deteriorated. It was apt. Or, conversely, when the ambient temperature rapidly increases, stress in the direction opposite to the A and -A directions is applied, and the characteristics tend to deteriorate.

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、音響インピーダンスが相対的に低い反射層を介して板状の保持部材を板状の振動素子に積層した構造を有し、しかも、反射層の熱膨張係数と、振動素子を構成している材料の熱膨張係数との差に基づく複合材料振動装置の振動特性の劣化が生じ難い、複合材料振動装置を提供することにある。   An object of the present invention is to have a structure in which a plate-like holding member is laminated on a plate-like vibration element through a reflection layer having a relatively low acoustic impedance in view of the above-described state of the prior art. It is an object of the present invention to provide a composite material vibration device in which the vibration characteristics of the composite material vibration device are hardly deteriorated based on the difference between the thermal expansion coefficient of the material and the thermal expansion coefficient of the material constituting the vibration element.

本発明は、音響インピーダンスが異なる複数の部材が結合されている構造を有す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、かつ前記板状体の上面及び下面の少なくとも一方に励振電極が備えられた板状の振動素子と、第1の音響インピーダンス値Z1よりも小さい第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、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、複合材料振動装置において、前記反射層と前記振動素子との界面の面方向に沿う前記反射層の熱膨張係数をX、前記反射層と前記保持部材との界面の面方向に沿う前記保持部材の熱膨張係数をYとしたときに、XとYとが逆極性、あるいはXとYとが同極性かつYがXの3%以下とされていることを特徴とする。   The present invention is a composite material vibration device having a structure in which a plurality of members having different acoustic impedances are coupled, and is configured using a plate-like body made of a material having a first acoustic impedance value Z1, And a plate-like vibration element provided with excitation electrodes on at least one of the upper surface and the lower surface of the plate-like body, and a material having a second acoustic impedance value Z2 smaller than the first acoustic impedance value Z1, and A reflective layer laminated on at least one of an upper surface and a lower surface of the vibration element, and a material having a third acoustic impedance value Z3 larger than the second acoustic impedance value Z2, and the vibration element of the reflection layer A plate-shaped holding member laminated on a surface opposite to the laminated side, and a surface of a laminate including the vibration element, the reflective layer, and the holding member. And an external electrode electrically connected to the excitation electrode, so that vibration propagating from the vibration element to the reflection layer is reflected at an interface between the reflection layer and the holding member. In the composite material vibration device, the thermal expansion coefficient of the reflection layer along the surface direction of the interface between the reflection layer and the vibration element is X, and the surface direction of the interface between the reflection layer and the holding member is When the thermal expansion coefficient of the holding member along Y is Y, X and Y have opposite polarities, or X and Y have the same polarity, and Y is 3% or less of X.

本発明に係る複合材料振動装置のある特定の局面では、前記保持部材の前記反射層に積層されている面とは反対側の面に接着された板状のコンデンサをさらに備え、該板状のコンデンサが、誘電体基板と、該誘電体基板に設けられた複数の容量電極とを備える板状のコンデンサが接着されている。   In a specific aspect of the composite material vibration device according to the present invention, the composite material vibration device further includes a plate-like capacitor bonded to a surface opposite to the surface laminated on the reflective layer of the holding member, The capacitor is bonded to a plate-like capacitor including a dielectric substrate and a plurality of capacitance electrodes provided on the dielectric substrate.

本発明に係る複合材料振動装置では、好ましくは、上記振動素子は電気機械結合変換素子で構成されている。   In the composite material vibration device according to the present invention, preferably, the vibration element includes an electromechanical coupling conversion element.

上記電気機械結合変換素子としては、例えば、圧電素子または電歪素子が挙げられる。   Examples of the electromechanical coupling conversion element include a piezoelectric element and an electrostrictive element.

本発明に係る複合材料振動装置では、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た板状の振動素子に、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、反射層の振動素子が積層されている側とは反対側の面に、音響インピーダンス値Z2よりも大きな音響インピーダンス値Z3を有する材料からなる板状の保持部材が積層されている。   In the composite material vibration device according to the present invention, a reflection layer made of a material having an acoustic impedance value Z2 is laminated on a plate-like vibration element formed using a plate-like body made of a material having an acoustic impedance value Z1. A plate-like holding member made of a material having an acoustic impedance value Z3 larger than the acoustic impedance value Z2 is laminated on the surface of the reflective layer opposite to the side on which the vibration elements are laminated.

従って、特許文献1に記載の複合材料振動装置の場合と同様に、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。従って、保持部材を利用して機械的に支持したとしても、支持構造による振動素子の振動特性への影響を抑制することができる。よって、振動を妨げないための空間を必要としないので、小型で、機械的強度に優れた複合材料振動装置を提供することができる。   Therefore, as in the case of the composite material vibration device described in Patent Document 1, vibration propagated from the vibration element to the reflection layer is reflected at the interface between the reflection layer and the holding member. Therefore, even if the holding member is used for mechanical support, the influence of the support structure on the vibration characteristics of the vibration element can be suppressed. Therefore, since a space for not preventing vibration is not required, a composite material vibration device that is small in size and excellent in mechanical strength can be provided.

加えて、本発明では、反射層の振動素子との界面の面方向に沿う熱膨張係数をXとし、保持部材と反射層との界面に沿う保持部材の熱膨張係数をYとしたときに、XとYとが逆極性とされており、あるいはX及びYが同極性、かつYがXの3%以下とされているため、反射層と振動素子との熱膨張係数差による特性の劣化を抑制することができる。   In addition, in the present invention, when the thermal expansion coefficient along the surface direction of the interface between the reflective layer and the vibration element is X, and the thermal expansion coefficient of the holding member along the interface between the holding member and the reflective layer is Y, Since X and Y have opposite polarities, or X and Y have the same polarity, and Y is 3% or less of X, the deterioration of characteristics due to the difference in thermal expansion coefficient between the reflective layer and the vibration element. Can be suppressed.

すなわち、例えば反射層が形成される際に冷却により反射層が大きく収縮した場合、あるいは周囲温度が急激に変化し反射層が収縮もしくは膨張した場合、反射層と振動素子との界面に該熱膨張係数差に起因する応力が加わることになる。しかしながら、XとYとが逆特性とされており、あるいは同極性でありかつYがXの3%以下とされているため、反射層の振動素子が積層されている側とは反対側の面においては、反射層の収縮もしくは膨張が、上記保持部材により抑制されることになる。よって、反射層の収縮もしくは膨張挙動が保持部材により抑制されるため、反射層の振動素子との界面における反射層の収縮もしくは膨張も抑制され、上記界面における応力を小さくすることができる。そのため、反射層と振動素子との熱膨張係数差に起因する上記応力が小さくされるため、該熱膨張係数差に起因する特性劣化を確実に抑制することが可能となる。   That is, for example, when the reflective layer is greatly contracted due to cooling when the reflective layer is formed, or when the ambient temperature is rapidly changed and the reflective layer contracts or expands, the thermal expansion occurs at the interface between the reflective layer and the vibration element. Stress due to the coefficient difference is applied. However, since X and Y have opposite characteristics, or have the same polarity and Y is 3% or less of X, the surface on the side opposite to the side where the vibration element of the reflective layer is laminated In this case, shrinkage or expansion of the reflective layer is suppressed by the holding member. Therefore, since the contraction or expansion behavior of the reflection layer is suppressed by the holding member, the contraction or expansion of the reflection layer at the interface between the reflection layer and the vibration element is also suppressed, and the stress at the interface can be reduced. Therefore, since the stress due to the difference in thermal expansion coefficient between the reflective layer and the vibration element is reduced, it is possible to reliably suppress the characteristic deterioration due to the difference in thermal expansion coefficient.

保持部材の反射層に積層されている面とは反対側の面に接着された板状のコンデンサをさらに備え、該板状のコンデンサが誘電体基板と、誘電体基板に設けられた複数の容量電極とを有する場合には、板状のコンデンサを構成している誘電体基板は振動素子と直接には貼り合わされていない。振動素子に板状のコンデンサが直接貼り合わされた構造の場合には、振動素子を構成している材料の熱膨張係数と、板状のコンデンサを構成している誘電体基板の熱膨張係数の差を小さくしなければならない。接着部分における剥がれの発生等が生じるからである。   The holding member further includes a plate-like capacitor bonded to the surface opposite to the surface laminated on the reflective layer, and the plate-like capacitor includes a dielectric substrate and a plurality of capacitors provided on the dielectric substrate. In the case of having an electrode, the dielectric substrate constituting the plate-like capacitor is not directly bonded to the vibration element. In the case of a structure in which a plate-like capacitor is directly bonded to the vibration element, the difference between the thermal expansion coefficient of the material constituting the vibration element and the thermal expansion coefficient of the dielectric substrate constituting the plate-like capacitor Must be reduced. This is because peeling occurs at the bonded portion.

これに対して、本発明では上記のように板状のコンデンサは振動素子に直接貼り合わされていないため、板状のコンデンサを構成している誘電体基板の熱膨張係数を、振動素子を構成している材料の熱膨張係数に制約されずに選択することができる。従って、誘電率εの大きさや誘電率温度特性などのコンデンサとしての特性を重視して、誘電体基板を広い範囲の材料から選択することが可能となる。   On the other hand, in the present invention, since the plate-like capacitor is not directly bonded to the vibration element as described above, the thermal expansion coefficient of the dielectric substrate constituting the plate-like capacitor is set as the vibration element. The material can be selected without being limited by the thermal expansion coefficient of the material. Therefore, it is possible to select a dielectric substrate from a wide range of materials, with emphasis on the characteristics as a capacitor, such as the magnitude of the dielectric constant ε and the dielectric constant temperature characteristic.

よって、例えば容量内蔵型の発振子を構成する場合、必要な静電容量を、上記板状のコンデンサにより容易に構成することができる。   Therefore, for example, when a built-in capacitor type oscillator is configured, a necessary capacitance can be easily configured by the plate capacitor.

上記振動素子が電気機械結合変換素子である場合には、本発明に従って、指示構造を簡略化することができ、しかも周囲の温度変化等による特性の変動が生じ難い複合材料振動装置を容易に提供することができる。   When the vibration element is an electromechanical coupling conversion element, according to the present invention, it is possible to simplify the indicating structure and easily provide a composite material vibration device that is less likely to change in characteristics due to a change in ambient temperature. can do.

以下、図面を参照しつつ本発明の具体的な実施形態を説明することにより、本発明を明らかにする。   Hereinafter, the present invention will be clarified by describing specific embodiments of the present invention with reference to the drawings.

図1(a)及び(b)は、本発明の一実施形態に係る複合材料振動装置としての積層型圧電共振装置を示す正面断面図及び外観を示す斜視図である。   FIG. 1A and FIG. 1B are a front sectional view and a perspective view showing an appearance of a multilayer piezoelectric resonator as a composite material vibration device according to an embodiment of the present invention.

圧電共振装置1は、板状の圧電共振素子2を有する。板状の圧電共振素子2の上面には、第1の反射層3,下面には第2の反射層5が積層されている。反射層3,5の圧電共振素子2に積層されている側とは反対側の面には、第1の保持部材4及び第2の保持部材6が積層されている。上記圧電共振素子2に、反射層3,5及び保持部材4,6からなる積層体の一方の端面に第1の外部電極7が、他方の端面に第2の外部電極8が形成されている。   The piezoelectric resonance device 1 has a plate-like piezoelectric resonance element 2. A first reflective layer 3 is laminated on the upper surface of the plate-like piezoelectric resonance element 2, and a second reflective layer 5 is laminated on the lower surface. A first holding member 4 and a second holding member 6 are laminated on the surface of the reflective layers 3 and 5 opposite to the side laminated with the piezoelectric resonance element 2. In the piezoelectric resonance element 2, a first external electrode 7 is formed on one end surface of a laminate including the reflective layers 3 and 5 and the holding members 4 and 6, and a second external electrode 8 is formed on the other end surface. .

板状の圧電共振素子2は、矩形板状の圧電板11を有する。図2(a)に示すように、圧電板11の上面には、第1の励振電極12が形成されている。また、図2(b)に平面図で示すように、圧電板11の下面には、第2の励振電極13が形成されている。励振電極12,13は、特に限定されないが、本実施形態ではニクロム薄膜、モネル薄膜、銀薄膜の3層を順に積層してなる積層金属膜からなる。   The plate-like piezoelectric resonance element 2 has a rectangular plate-like piezoelectric plate 11. As shown in FIG. 2A, the first excitation electrode 12 is formed on the upper surface of the piezoelectric plate 11. Further, as shown in a plan view in FIG. 2B, a second excitation electrode 13 is formed on the lower surface of the piezoelectric plate 11. Although the excitation electrodes 12 and 13 are not particularly limited, in this embodiment, the excitation electrodes 12 and 13 are made of a laminated metal film in which three layers of a nichrome thin film, a monel thin film, and a silver thin film are laminated in order.

圧電板11は、細長い矩形板状の形状、すなわちストリップ状の形状を有する。この圧電板11は、本実施形態では、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。圧電板11の音響インピーダンス値Z1は2.87×107kg/(m2s)である。なお、圧電板11は、他の圧電セラミックスや圧電単結晶により構成されてもよい。 The piezoelectric plate 11 has an elongated rectangular plate shape, that is, a strip shape. In this embodiment, the piezoelectric plate 11 is made of a lead zirconate titanate-based piezoelectric ceramic, and is polarized in the length direction. The acoustic impedance value Z1 of the piezoelectric plate 11 is 2.87 × 10 7 kg / (m 2 s). The piezoelectric plate 11 may be composed of other piezoelectric ceramics or a piezoelectric single crystal.

励振電極12,13は、圧電板11の全幅に至るように形成されている。もっとも、励振電極12,13は、圧電板11の全幅に至る必要は必ずしもない。   The excitation electrodes 12 and 13 are formed to reach the entire width of the piezoelectric plate 11. However, the excitation electrodes 12 and 13 are not necessarily required to reach the entire width of the piezoelectric plate 11.

励振電極12,13は、圧電板11の長さ方向中央において、圧電板11を介して対向している。この対向部分が駆動に際して電圧が印加される振動部である。この振動部の、圧電板11の長さ方向両側に振動減衰部が構成されている。すなわち、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である。   The excitation electrodes 12 and 13 are opposed to each other via the piezoelectric plate 11 in the center in the length direction of the piezoelectric plate 11. This opposed portion is a vibrating portion to which a voltage is applied during driving. Vibration attenuating portions are formed on both sides of the vibration portion in the length direction of the piezoelectric plate 11. That is, the piezoelectric resonance element 2 is an energy confinement type piezoelectric resonance element using a thickness shear mode.

反射層3,5は、本実施形態では、エポキシ樹脂系組成物の硬化物からなり、その音響インピーダンス値Z2は2.80×106kg/(m2s)とされている。上記反射層3,5の圧電共振素子2との界面に沿う方向における反射層3,5の熱膨張係数Xは50ppm/℃である。 In this embodiment, the reflective layers 3 and 5 are made of a cured product of an epoxy resin composition, and the acoustic impedance value Z2 thereof is 2.80 × 10 6 kg / (m 2 s). The thermal expansion coefficient X of the reflective layers 3 and 5 in the direction along the interface between the reflective layers 3 and 5 and the piezoelectric resonance element 2 is 50 ppm / ° C.

他方、第1,第2の保持部材4,6は、本実施形態では、チタン酸鉛系絶縁性セラミックスからなり、その音響インピーダンス値Z3は、3.43×107kg/(m2s)であり、該保持部材4,6の反射層3,5との界面に沿う方向における熱膨張係数Yは−0.4ppm/℃である。 On the other hand, in this embodiment, the first and second holding members 4 and 6 are made of lead titanate insulating ceramics, and the acoustic impedance value Z3 thereof is 3.43 × 10 7 kg / (m 2 s). The thermal expansion coefficient Y in the direction along the interface between the holding members 4 and 6 and the reflective layers 3 and 5 is −0.4 ppm / ° C.

励振電極12は、上記積層体の一方端面に引き出されており、第1の外部電極7に電気的に接続されている。他方、励振電極13は、上記積層体の他方端面に引き出されており、第2の外部電極8に電気的に接続されている。   The excitation electrode 12 is drawn out to one end face of the laminate and is electrically connected to the first external electrode 7. On the other hand, the excitation electrode 13 is drawn out to the other end face of the laminate, and is electrically connected to the second external electrode 8.

外部電極7,8は、本実施形態では、ニクロム薄膜、ニッケルめっき膜及びすずめっき膜の3層を順に積層してなる積層金属膜により構成されている。また、外部電極7,8は、回路基板などへ実装するために、積層体の下面、すなわち下方の保持部材6の下面に至るように延長されている。   In the present embodiment, the external electrodes 7 and 8 are formed of a laminated metal film in which three layers of a nichrome thin film, a nickel plating film, and a tin plating film are sequentially laminated. Further, the external electrodes 7 and 8 are extended so as to reach the lower surface of the laminated body, that is, the lower surface of the holding member 6 below, for mounting on a circuit board or the like.

なお、外部電極7,8を構成する材料は特に限定されない。また、延長部7a,8aは必ずしも設けられずともよい。   In addition, the material which comprises the external electrodes 7 and 8 is not specifically limited. Further, the extension portions 7a and 8a are not necessarily provided.

本実施形態の圧電共振装置1の特徴は、音響インピーダンス値Z2が、音響インピーダンス値Z1より小さくかつZ3よりも小さいこと、並びに上記熱膨張係数Yの極性と、熱膨張係数Xの極性とが逆とされていることにある。   The characteristics of the piezoelectric resonator 1 of the present embodiment are that the acoustic impedance value Z2 is smaller than the acoustic impedance value Z1 and smaller than Z3, and that the polarity of the thermal expansion coefficient Y and the polarity of the thermal expansion coefficient X are reversed. It is in what is said.

音響インピーダンス値Z2が、音響インピーダンス値Z1及びZ3より小さいため、圧電共振素子2に生じた振動が反射層3,5に伝播してきたとしても、反射層3と保持部材4との界面及び反射層5と保持部材6との界面により反射される。従って、保持部材4,6を機械的に支持したとしても、支持構造により圧電共振素子2の振動特性に影響を与え難い。   Since the acoustic impedance value Z2 is smaller than the acoustic impedance values Z1 and Z3, even if the vibration generated in the piezoelectric resonant element 2 propagates to the reflective layers 3 and 5, the interface between the reflective layer 3 and the holding member 4 and the reflective layer 5 and the holding member 6 are reflected. Therefore, even if the holding members 4 and 6 are mechanically supported, the vibration characteristics of the piezoelectric resonance element 2 are hardly affected by the support structure.

加えて、上記熱膨張係数Yの極性と、熱膨張係数Xとの極性が逆であるため、圧電共振素子2の圧電板11の熱膨張係数と反射層3,5との熱膨張係数差に起因する共振特性の劣化も生じ難い。すなわち、例えば、周囲温度が急激に変化した場合や、反射層3,5を構成する材料を熱硬化型接着剤とし、該接着剤の硬化後の冷却に際しての収縮が生じた場合、前述したように、エポキシ系接着剤の硬化物の熱膨張係数Xは、圧電板11を構成しているチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスの熱膨張係数である−1.8ppm/℃の値よりもはるかに大きい。従って、図1のA,−A方向あるいはその逆方向の応力が、圧電共振素子2と反射層3,5との界面において生じることとなる。   In addition, since the polarity of the thermal expansion coefficient Y and the polarity of the thermal expansion coefficient X are opposite, the difference between the thermal expansion coefficient of the piezoelectric plate 11 of the piezoelectric resonant element 2 and the reflective layers 3 and 5 It is difficult to cause deterioration of the resonance characteristics. That is, for example, when the ambient temperature changes abruptly, or when the material constituting the reflective layers 3 and 5 is a thermosetting adhesive and shrinkage occurs upon cooling after the adhesive is cured, as described above. In addition, the thermal expansion coefficient X of the cured product of the epoxy adhesive is much larger than the value of −1.8 ppm / ° C. which is the thermal expansion coefficient of the lead zirconate titanate ceramics constituting the piezoelectric plate 11. . Accordingly, stress in the A, -A direction or the opposite direction in FIG. 1 is generated at the interface between the piezoelectric resonant element 2 and the reflective layers 3 and 5.

しかしながら、本実施形態では、Yの極性とXとの極性が異なるため、反射層3,5が温度変化により収縮したり膨張したりする場合、反射層3,5の外側に保持部材4,6が存在し、保持部材4,6が反射層3,5とは逆に膨張もしくは収縮しようとする。すなわち反射層3,5の外側面において収縮もしくは膨張が、保持部材4,6の膨張もしくは収縮により相殺されることになる。そのため、反射層3,5の収縮もしくは膨張が抑制され、ひいては反射層3,5と圧電板11の界面における上記応力が軽減されることになる。従って、反射層3,5を例えば上記のようにエポキシ樹脂の硬化性組成物の硬化物により構成した場合、硬化後の冷却に際しての収縮による影響を抑制することができる。   However, in this embodiment, since the polarity of Y and the polarity of X are different, when the reflective layers 3 and 5 contract or expand due to temperature changes, the holding members 4 and 6 are disposed outside the reflective layers 3 and 5. The holding members 4 and 6 tend to expand or contract in contrast to the reflective layers 3 and 5. That is, the contraction or expansion on the outer surfaces of the reflective layers 3 and 5 is offset by the expansion or contraction of the holding members 4 and 6. Therefore, the shrinkage or expansion of the reflection layers 3 and 5 is suppressed, and the stress at the interface between the reflection layers 3 and 5 and the piezoelectric plate 11 is reduced. Therefore, when the reflective layers 3 and 5 are made of, for example, a cured product of the curable composition of epoxy resin as described above, it is possible to suppress the influence of shrinkage upon cooling after curing.

また、圧電共振装置1作製した後に、周囲の温度が急激に変化した場合も、圧電板11の熱膨張係数と、反射層3,5の熱膨張係数との差に基づく応力による特性の変動を効果的に抑制することができる。これを具体的な実験例に基づき説明する。   In addition, even when the ambient temperature changes suddenly after the piezoelectric resonance device 1 is manufactured, the fluctuation of characteristics due to stress based on the difference between the thermal expansion coefficient of the piezoelectric plate 11 and the thermal expansion coefficient of the reflective layers 3 and 5 is caused. It can be effectively suppressed. This will be described based on a specific experimental example.

上記圧電板11として、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなり、長さ1.8mm×幅0.5mm×厚み0.09mmであり、音響インピーダンス値Z1が2.87×107kg/(m2s )、面方向の熱膨張係数が−1.8ppm/℃である圧電板11の両面に励振電極12,13を形成した。励振電極12,13はニクロム、モネル、銀の3層を順にスパッタリングすることにより形成し、励振電極12,13の対向領域の寸法は0.4mm×0.5mmとした。このようにして、設計共振周波数が13MHzである圧電共振素子2を作製した。 The piezoelectric plate 11 is made of a lead zirconate titanate ceramic, has a length of 1.8 mm, a width of 0.5 mm, and a thickness of 0.09 mm, and an acoustic impedance value Z1 of 2.87 × 10 7 kg / (m 2 s), excitation electrodes 12 and 13 were formed on both surfaces of the piezoelectric plate 11 having a thermal expansion coefficient in the plane direction of −1.8 ppm / ° C. The excitation electrodes 12 and 13 were formed by sequentially sputtering three layers of nichrome, monel, and silver, and the size of the opposing region of the excitation electrodes 12 and 13 was 0.4 mm × 0.5 mm. In this way, a piezoelectric resonant element 2 having a designed resonant frequency of 13 MHz was manufactured.

該圧電共振素子2の上面及び下面に、エポキシ樹脂系硬化性組成物を塗布し、半硬化状態の段階で、該硬化性組成物を介して保持部材4,6を積層し、100℃の温度に加熱し、硬化性組成物を硬化させ反射層3,5を形成した。すなわち、硬化性組成物を硬化させ、該硬化物の接着力により、圧電共振素子2と、保持部材4,6とを、反射層3,5により接着した。しかる後、室温まで冷却した。   An epoxy resin-based curable composition is applied to the upper and lower surfaces of the piezoelectric resonator element 2, and the holding members 4 and 6 are laminated via the curable composition in a semi-cured state, and a temperature of 100 ° C. And the curable composition was cured to form the reflective layers 3 and 5. That is, the curable composition was cured, and the piezoelectric resonance element 2 and the holding members 4 and 6 were bonded to each other by the reflective layers 3 and 5 by the adhesive force of the cured product. Thereafter, it was cooled to room temperature.

なお、上記のようにして形成された反射層3,5の寸法は1.8mm×0.5mm×厚さ0.02mmであり、音響インピーダンス値Z2は2.80×106kg/(m2s )であり、面方向に沿う熱膨張係数Xは50ppm/℃である。 The dimensions of the reflective layers 3 and 5 formed as described above are 1.8 mm × 0.5 mm × thickness 0.02 mm, and the acoustic impedance value Z2 is 2.80 × 10 6 kg / (m 2 s) and the thermal expansion coefficient X along the surface direction is 50 ppm / ° C.

また、使用した保持部材4,6の寸法は1.8mm×0.5mm×厚み0.06mmであり、その音響インピーダンス値Z3は3.43×107kg/(m2s )、熱膨張係数Yは−0.4ppm/℃である。 The dimensions of the holding members 4 and 6 used are 1.8 mm × 0.5 mm × thickness 0.06 mm, the acoustic impedance value Z3 is 3.43 × 10 7 kg / (m 2 s), and the thermal expansion coefficient. Y is -0.4 ppm / ° C.

このようにして得られた本実施形態の積層型の圧電共振装置1と、保持部材4,6を構成する材料を種々変化させ、保持部材4,6の面方向に沿う熱膨張係数Yを変更したことを除いては上記と同様にして構成された複数種の圧電共振装置とを作製した。これらの圧電共振装置について、位相、−周波数特性を測定し、位相角の最大値θmaxを測定した。位相角最大値θmaxは、本実施形態の圧電共振装置1では、設計共振周波数である13MHzの近傍での位相最大値である。位相周波数特性における位相最大値θmaxが大きいほど良好な共振特性が得られることがわかる。 The laminated piezoelectric resonator 1 of the present embodiment thus obtained and the materials constituting the holding members 4 and 6 are changed in various ways to change the thermal expansion coefficient Y along the surface direction of the holding members 4 and 6. Except for the above, a plurality of types of piezoelectric resonance devices constructed in the same manner as described above were produced. For these piezoelectric resonators, the phase and frequency characteristics were measured, and the maximum value θ max of the phase angle was measured. The phase angle maximum value θ max is a phase maximum value in the vicinity of the design resonance frequency of 13 MHz in the piezoelectric resonator device 1 of the present embodiment. It can be seen that better resonance characteristics can be obtained as the phase maximum value θ max in the phase frequency characteristics increases.

この保持部材4,6における熱膨張係数Yと、上記位相角最大値θmaxとの関係を図3(a)に示す。図3(a)から明らかなように、保持部材4,6の熱膨張係数Yが負の値であるか、あるいは2ppm未満の場合に、位相角最大値θmaxが非常に大きいことがわかる。 FIG. 3A shows the relationship between the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 and the phase angle maximum value θ max . As is apparent from FIG. 3A, the maximum phase angle value θ max is very large when the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 is a negative value or less than 2 ppm.

また、図3(b)は、図3(a)の横軸をY/Xとして図3(a)の結果を書き換えた結果である。図3(b)から明らかなように、Y/Xが3%以下であれば、位相角最大値θmaxが非常に大きいことがわかる。 FIG. 3B is a result of rewriting the result of FIG. 3A with the horizontal axis of FIG. 3A as Y / X. As is apparent from FIG. 3B, it can be seen that if Y / X is 3% or less, the phase angle maximum value θ max is very large.

他方、上記複数種の圧電共振装置の内、保持部材4,6の熱膨張係数Yが9.3ppm/℃の場合及び−0.4ppm/℃の場合の圧電共振装置の有限要素法により計算された応力分布データを図4(a)及び(b)に模式的に平面図で示す。   On the other hand, among the above-described plural types of piezoelectric resonators, the holding members 4 and 6 are calculated by the finite element method of the piezoelectric resonator when the coefficient of thermal expansion Y is 9.3 ppm / ° C and -0.4 ppm / ° C. The stress distribution data is schematically shown in plan views in FIGS.

なお、図4(a)及び(b)における下記の記号a),b)は、それぞれ、圧縮応力及び引張り応力であることを示し、長さが長いほど、応力が大きいことを示す。   In addition, the following symbols a) and b) in FIGS. 4A and 4B indicate compression stress and tensile stress, respectively, and the longer the length, the greater the stress.

Figure 2008072156
Figure 2008072156

図4(b)から明らかなように、保持部材4,6の熱膨張係数Yが−0.4ppm/℃の場合には、圧電共振素子2に加わる応力値は24MPa以下であるのに対し、保持部材4,6の熱膨張係数が9.3ppm/℃の場合には150MPa程度と応力が非常に大きく、従って圧電共振素子2の振動を強く阻害することがわかった。   As apparent from FIG. 4B, when the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 is −0.4 ppm / ° C., the stress value applied to the piezoelectric resonant element 2 is 24 MPa or less, It was found that when the thermal expansion coefficient of the holding members 4 and 6 is 9.3 ppm / ° C., the stress is as large as about 150 MPa, and thus the vibration of the piezoelectric resonant element 2 is strongly inhibited.

上記のように、保持部材4,6の熱膨張係数Yが、負の値、あるいは2ppm/℃以下の場合に、位相角最大値θmaxが非常に大きくなるのは、図4(a)及び(b)の比較から明らかなように、圧電共振素子2に加わる熱膨張係数差に起因する応力が非常に小さくなっていることによることがわかる。 As described above, when the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 is a negative value or 2 ppm / ° C. or less, the phase angle maximum value θ max becomes very large as shown in FIG. As is clear from the comparison of (b), it can be seen that the stress due to the difference in thermal expansion coefficient applied to the piezoelectric resonant element 2 is very small.

これは、上記のように、圧電共振素子2を構成している圧電板11の熱膨張係数が−1.8ppm/℃であり、従って、反射層3,5を構成するエポキシ樹脂系硬化性組成物の硬化後の冷却に際しての大きな収縮により、圧電共振素子2と反射層3,5との界面に大きな応力が加わることによると考えられる。ところが、保持部材4,6の熱膨張係数Yは、負の値、あるいは2ppm/℃より小さい場合には、保持部材4,6が反射層3,5の収縮を抑制するように作用するため、上記応力が小さくなり、良好な共振特性が得られていると考えられる。   This is because, as described above, the thermal expansion coefficient of the piezoelectric plate 11 constituting the piezoelectric resonance element 2 is −1.8 ppm / ° C. Therefore, the epoxy resin-based curable composition constituting the reflective layers 3 and 5 It is considered that a large stress is applied to the interface between the piezoelectric resonator element 2 and the reflective layers 3 and 5 due to a large contraction upon cooling after the object is cured. However, when the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 is a negative value or smaller than 2 ppm / ° C., the holding members 4 and 6 act to suppress the shrinkage of the reflection layers 3 and 5. It is considered that the stress is reduced and good resonance characteristics are obtained.

すなわち、本実施形態の圧電共振装置1では、上記のように、保持部材4,6の熱膨張係数Yが、圧電共振素子2を構成している圧電板11の熱膨張係数と極性が逆であるか、あるいは同極性である場合には、反射層3,5の熱膨張係数Xに比べて、保持部材4,6の熱膨張係数Yを十分に小さくすること、さらに言えばYをゼロ近傍とすることにより、上記のように良好な共振特性を実現し得ることがわかる。   That is, in the piezoelectric resonance apparatus 1 of the present embodiment, as described above, the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 is opposite in polarity to the thermal expansion coefficient of the piezoelectric plate 11 constituting the piezoelectric resonance element 2. If there is or the same polarity, the thermal expansion coefficient Y of the holding members 4 and 6 should be made sufficiently smaller than the thermal expansion coefficient X of the reflective layers 3 and 5, and more specifically, Y should be near zero. By doing so, it can be seen that good resonance characteristics can be realized as described above.

なお、本発明者の実験によれば、Xを、Yより十分に大きくする場合、YがXの3%以下とすれば、上記実施形態と同様に良好な共振特性を実現し得ることが確かめられている。従って、XをYに比べて十分大きくするとは、YがXの3%以下になることを意味する。   According to the experiment by the present inventor, when X is sufficiently larger than Y, it is confirmed that if Y is 3% or less of X, good resonance characteristics can be realized as in the above embodiment. It has been. Therefore, to make X sufficiently larger than Y means that Y is 3% or less of X.

本実施形態では、上記反射層3,5がエポキシ樹脂系の硬化性組成物の硬化物により構成されており、該硬化物が硬化性組成物を加熱することにより硬化されていた。従って、硬化後の収縮により上記応力が生じていた。   In the present embodiment, the reflective layers 3 and 5 are made of a cured product of an epoxy resin-based curable composition, and the cured product is cured by heating the curable composition. Therefore, the stress was generated by shrinkage after curing.

しかしながら、本実施形態の圧電共振装置1では、加熱により硬化されて形成される反射層を用いたものに限定されない。すなわち、加熱硬化型材料以外の材料からなる反射層を構成した場合においても、例えば得られた圧電共振装置1の周囲温度が急激に変化した場合では、反射層の熱膨張係数と圧電素子を構成している圧電板の熱膨張係数とが大きく異なる場合には、やはり同様の問題が生じる。従って、そのような場合においても、保持部材の熱膨張係数Yを、反射層を構成する材料の熱膨張係数Xと逆極性とした構成、あるいは同極性の場合には、XをYに比べて十分大きく、すなわちYがXの3%以下、さらにはY=約0とした構成を採用することにより、上記実施形態の場合と同様に反射層と振動素子との界面に加わる応力を効果的に小さくすることができる。   However, the piezoelectric resonator device 1 of the present embodiment is not limited to the one using a reflective layer formed by being cured by heating. That is, even when the reflective layer made of a material other than the thermosetting material is configured, for example, when the ambient temperature of the obtained piezoelectric resonator 1 changes rapidly, the thermal expansion coefficient of the reflective layer and the piezoelectric element are configured. The same problem occurs when the thermal expansion coefficient of the piezoelectric plate is greatly different. Therefore, even in such a case, when the thermal expansion coefficient Y of the holding member has a polarity opposite to the thermal expansion coefficient X of the material constituting the reflective layer, or in the case of the same polarity, X is compared with Y. By adopting a configuration that is sufficiently large, that is, Y is 3% or less of X, and further Y = about 0, the stress applied to the interface between the reflective layer and the vibration element is effectively reduced as in the case of the above embodiment. Can be small.

よって、反射層は、光の照射により硬化された硬化物、例えば、光硬化されたエポキシ樹脂系硬化物で形成されてもよい。また、硬化性材料の硬化物以外の材料で反射層が構成されてもよく、エポキシ以外の樹脂材料や他の有機系もしくは無機系材料により構成されてもよい。   Therefore, the reflective layer may be formed of a cured product cured by light irradiation, for example, a photocured epoxy resin-based cured product. Further, the reflective layer may be composed of a material other than a cured product of the curable material, or may be composed of a resin material other than epoxy, or another organic or inorganic material.

保持部材4,6についても、上記熱膨張係数関係及び音響インピーダンス関係を満たす限り、他のセラミックスや樹脂などのセラミックス以外の材料で形成されてもよい。   The holding members 4 and 6 may also be formed of a material other than ceramics such as other ceramics or resin as long as the thermal expansion coefficient relationship and the acoustic impedance relationship are satisfied.

図5は、本発明の第2の実施形態に係る複合材料振動装置としての積層型の圧電共振装置を示す斜視図である。第2の実施形態の圧電共振装置21では、圧電共振素子2Aにおいて、励振電極12Aが外部電極8に、励振電極13Aが外部電極7に電気的に接続されていること、反射層3A,5Aの厚みが反射層3,5に比べて薄くされていること、並びに下方の保持部材の下面に接着層22を介して板状のコンデンサ素子23が積層されていることを除いては、第1の実施形態の圧電共振装置1と同様に構成されている。従って、同一部分についは同一の参照番号を付することにより、その詳細な説明は省略する。   FIG. 5 is a perspective view showing a stacked piezoelectric resonance device as a composite material vibration device according to a second embodiment of the present invention. In the piezoelectric resonance device 21 of the second embodiment, in the piezoelectric resonance element 2A, the excitation electrode 12A is electrically connected to the external electrode 8, the excitation electrode 13A is electrically connected to the external electrode 7, and the reflection layers 3A and 5A Except that the thickness is thinner than that of the reflective layers 3 and 5 and that the plate-like capacitor element 23 is laminated on the lower surface of the lower holding member via the adhesive layer 22, the first The configuration is the same as that of the piezoelectric resonance device 1 of the embodiment. Accordingly, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

圧電共振装置21では、例えばエポキシ系接着剤などの適宜の接着剤からなる接着層22を介して板状のコンデンサ素子23が積層されている。板状のコンデンサ素子23は、矩形板状の誘電体基板24を有する。誘電体基板24の上面には、一対の容量電極25,26が中央においてギャップを隔てて対向するように配置されている。容量電極25の外側端は外部電極7に、容量電極26の外側端は外部電極8に接続されている。容量電極25,26と誘電体基板24を介して対向するように、容量電極27が誘電体基板24の下面中央に形成されている。容量電極27は、圧電共振装置21を回路基板に実装する際に端子電極として作用するだけでなく、容量電極25,26との間で静電容量を取り出すように機能する。   In the piezoelectric resonance device 21, a plate-like capacitor element 23 is laminated via an adhesive layer 22 made of an appropriate adhesive such as an epoxy adhesive. The plate-shaped capacitor element 23 has a rectangular plate-shaped dielectric substrate 24. On the upper surface of the dielectric substrate 24, a pair of capacitive electrodes 25 and 26 are arranged so as to face each other with a gap in the center. The outer end of the capacitive electrode 25 is connected to the external electrode 7, and the outer end of the capacitive electrode 26 is connected to the external electrode 8. A capacitor electrode 27 is formed at the center of the lower surface of the dielectric substrate 24 so as to face the capacitor electrodes 25 and 26 with the dielectric substrate 24 therebetween. The capacitor electrode 27 not only functions as a terminal electrode when the piezoelectric resonator 21 is mounted on the circuit board, but also functions to take out capacitance between the capacitor electrodes 25 and 26.

従って、板状のコンデンサ素子23は、容量電極25,26及び端子電極27を有する三端子型のコンデンサ素子である。   Accordingly, the plate-like capacitor element 23 is a three-terminal capacitor element having the capacitive electrodes 25 and 26 and the terminal electrode 27.

圧電共振装置21では、板状のコンデンサ素子23からなる容量が内蔵されているため、容量内蔵型の圧電発振子として利用することができる。   Since the piezoelectric resonance device 21 has a built-in capacitor composed of the plate-like capacitor element 23, it can be used as a built-in capacitor type piezoelectric oscillator.

圧電共振装置21においても反射層3A,5Aの音響インピーダンス値Z2は、音響インピーダンス値Z1及びZ3よりも小さくされており、かつ反射層3A,5Aの熱膨張係数Xは、保持部材4,6の熱膨張係数Yと逆極性か、あるいは熱膨張係数Yよりも大きくされている。あるいは、Y=約0とされている。従って、第1の実施形態の圧電共振装置1の場合と同様に、本実施形態においても、反射層3A,5Aの形成時、あるいは形成後の温度変化による収縮や膨張に起因する応力による影響を抑制することができる。   Also in the piezoelectric resonator 21, the acoustic impedance value Z2 of the reflective layers 3A and 5A is made smaller than the acoustic impedance values Z1 and Z3, and the thermal expansion coefficient X of the reflective layers 3A and 5A is the same as that of the holding members 4 and 6. The thermal expansion coefficient Y is opposite in polarity or larger than the thermal expansion coefficient Y. Alternatively, Y = about 0. Therefore, as in the case of the piezoelectric resonator device 1 of the first embodiment, in the present embodiment, the influence of stress caused by contraction or expansion due to temperature change after the formation of the reflective layers 3A and 5A or after the formation is formed. Can be suppressed.

また、本実施形態では、コンデンサ素子23が保持部材6の下面に接着されているが、この場合、誘電体基板を構成する材料を広い範囲から選択することができる。すなわち、圧電共振素子2Aに誘電体基板24が直接貼り合わされた構造では、両者の熱膨張係数差が大き過ぎると、周囲温度の変化による剥離が生じたりするおそれがあった。従って、コンデンサを構成する誘電体基板材料の選択の範囲が狭い。   In this embodiment, the capacitor element 23 is bonded to the lower surface of the holding member 6. In this case, the material constituting the dielectric substrate can be selected from a wide range. That is, in the structure in which the dielectric substrate 24 is directly bonded to the piezoelectric resonant element 2A, if the difference in thermal expansion coefficient between the two is too large, there is a possibility that peeling occurs due to a change in ambient temperature. Therefore, the selection range of the dielectric substrate material constituting the capacitor is narrow.

これに対して、本実施形態では、誘電体基板24は、保持部材6の下面に接着層22を介して接合されているため、誘電体基板24を構成する誘電体材料を、圧電共振素子2Aを構成している圧電板11の熱膨張係数の値に制約を受けることなく選択することができる。従って、容量内蔵型の圧電共振素子を構成する際に必要かつ最適な誘電体材料を用いて板状のコンデンサ素子23を構成することができる。   On the other hand, in the present embodiment, the dielectric substrate 24 is bonded to the lower surface of the holding member 6 via the adhesive layer 22, so that the dielectric material constituting the dielectric substrate 24 is changed to the piezoelectric resonance element 2A. Can be selected without being restricted by the value of the coefficient of thermal expansion of the piezoelectric plate 11 constituting the. Therefore, the plate-like capacitor element 23 can be formed using a dielectric material necessary and optimal when forming a built-in capacitor type piezoelectric resonance element.

図6は、第2の実施形態の圧電共振装置21の変形例の圧電共振装置を示す斜視図である。圧電共振装置31は、圧電共振素子2Aの上方に設けられた反射層3A及び保持部材4が設けられていないこと、並びに圧電共振素子2Aの上面にコーティング膜32が設けられていることを除いては、第2の実施形態の圧電板21と同様に構成されている。圧電共振装置31から明らかなように、本発明においては、振動部材の一方面側にのみ反射層5Aを介して保持部材6が積層されていてもよい。   FIG. 6 is a perspective view showing a piezoelectric resonator device according to a modification of the piezoelectric resonator device 21 of the second embodiment. The piezoelectric resonance device 31 is except that the reflective layer 3A and the holding member 4 provided above the piezoelectric resonance element 2A are not provided, and that the coating film 32 is provided on the upper surface of the piezoelectric resonance element 2A. Is configured in the same manner as the piezoelectric plate 21 of the second embodiment. As apparent from the piezoelectric resonance device 31, in the present invention, the holding member 6 may be laminated only on one surface side of the vibrating member via the reflective layer 5A.

また、コーティング膜32は、圧電共振素子2Aの上面を保護するために設けられているものであり、このような保護作用を果たす適宜の材料により構成され得る。このような材料としては適宜の絶縁性材料などを挙げることができる。   The coating film 32 is provided to protect the upper surface of the piezoelectric resonant element 2A, and can be made of an appropriate material that performs such a protective action. Examples of such a material include an appropriate insulating material.

なお、本発明においては、上記積層型の圧電共振装置に限らず、圧電共振素子以外の板状の共振素子を用いた積層型の複合材料振動装置に本発明に広く適用することができる。従って、板状の圧電共振素子2,2Aに代えて、電歪素子などの電気機械結合変換素子を用いてもよく、電気機械結合変換素子以外の板状の振動素子を用いてもよい。   The present invention can be widely applied to the present invention not only in the above-described multilayered piezoelectric resonator but also in a multilayered composite vibration device using a plate-like resonant element other than the piezoelectric resonant element. Therefore, instead of the plate-like piezoelectric resonance elements 2 and 2A, an electromechanical coupling conversion element such as an electrostrictive element may be used, or a plate-like vibration element other than the electromechanical coupling conversion element may be used.

(a)及び(b)は、本発明の第1の実施形態に係る複合材料振動装置の正面断面図及び外観を示す斜視図。(A) And (b) is a perspective view which shows front sectional drawing and the external appearance of the composite material vibration apparatus which concern on the 1st Embodiment of this invention. (a)及び(b)は、第1の実施形態の複合材料振動装置で用いられている圧電共振素子の平面図及び底面図。(A) And (b) is the top view and bottom view of a piezoelectric resonant element which are used with the composite material vibration apparatus of 1st Embodiment. (a)は、第1の実施形態の圧電共振装置において、保持部材の熱膨張係数を変更した場合の位相−周波数特性における位相角最大値θmaxの変化を示す図、及び(b)は、(a)の結果を横軸をY/X(%)として書き換えた内容を示す。(A) is the figure which shows the change of phase angle maximum value (theta) max in the phase-frequency characteristic at the time of changing the thermal expansion coefficient of a holding member in the piezoelectric resonance apparatus of 1st Embodiment, and (b), The result of rewriting the result of (a) with the horizontal axis as Y / X (%) is shown. (a)及び(b)は、保持部材の熱膨張係数が9.3ppm/℃及び−0.4ppm/℃の場合における圧電共振素子に加わる応力を有限要素法で解析した結果を模式的に示す各図である。(A) And (b) shows typically the result of having analyzed the stress added to a piezoelectric resonance element in case the thermal expansion coefficients of a holding member are 9.3 ppm / degrees C and -0.4 ppm / degrees C by the finite element method. It is each figure. 本発明の第2の実施形態に係る複合材料振動装置としての積層型圧電共振装置を示す模式的正面斜視図。The typical front perspective view which shows the lamination type piezoelectric resonance apparatus as a composite material vibration apparatus which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 第2の実施形態の積層型の圧電共振装置の変形例を示す斜視図。The perspective view which shows the modification of the lamination type piezoelectric resonance apparatus of 2nd Embodiment. (a)及び(b)は、従来の複合材料振動装置の正面断面図及び外観斜視図。(A) And (b) is front sectional drawing and external appearance perspective view of the conventional composite material vibration apparatus.

符号の説明Explanation of symbols

1…圧電共振装置
2,2A…圧電共振素子
3,5…反射層
3A,5A…反射層
4,6…保持部材
7,8…外部電極
7a,8a…延長部
11…圧電板
12,13…励振電極
12A,13A…励振電極
21…圧電共振装置
22…接着層
23…コンデンサ素子
24…誘電体基板
25,26,27…容量電極
31…圧電共振装置
32…コーティング層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Piezoelectric resonance apparatus 2, 2A ... Piezoelectric resonance element 3, 5 ... Reflection layer 3A, 5A ... Reflection layer 4, 6 ... Holding member 7, 8 ... External electrode 7a, 8a ... Extension part 11 ... Piezoelectric plate 12, 13 ... Excitation electrodes 12A, 13A ... excitation electrodes 21 ... piezoelectric resonance device 22 ... adhesive layer 23 ... capacitor element 24 ... dielectric substrate 25, 26, 27 ... capacitance electrode 31 ... piezoelectric resonance device 32 ... coating layer

Claims (4)

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、かつ前記板状体の上面及び下面の少なくとも一方に励振電極が備えられた板状の振動素子と、
第1の音響インピーダンス値Z1よりも小さい第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、
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、複合材料振動装置において、
前記反射層と前記振動素子との界面の面方向に沿う前記反射層の熱膨張係数をX、前記反射層と前記保持部材との界面の面方向に沿う前記保持部材の熱膨張係数をYとしたときに、XとYとが逆極性、あるいはXとYとが同極性かつYがXの3%以下とされていることを特徴とする、複合材料振動装置。
A plate-like vibration element configured using a plate-like body made of a material having a first acoustic impedance value Z1, and having an excitation electrode on at least one of the upper and lower surfaces of the plate-like body;
A reflective layer made of a material having a second acoustic impedance value Z2 smaller than the first acoustic impedance value Z1, and laminated on at least one of the upper surface and the lower surface of the vibration element;
It is made of a material having a third acoustic impedance value Z3 larger than the second acoustic impedance value Z2, and is a plate-like layer laminated on the surface of the reflective layer opposite to the side on which the vibration element is laminated. A holding member;
An external electrode provided on the surface of the laminate composed of the vibration element, the reflective layer and the holding member, and electrically connected to the excitation electrode;
In the composite material vibration device configured to reflect vibration propagating from the vibration element to the reflection layer at the interface between the reflection layer and the holding member,
The thermal expansion coefficient of the reflective layer along the surface direction of the interface between the reflective layer and the vibration element is X, and the thermal expansion coefficient of the holding member along the surface direction of the interface between the reflective layer and the holding member is Y. And X and Y have opposite polarities, or X and Y have the same polarity, and Y is 3% or less of X.
前記保持部材の前記反射層に積層されている面とは反対側の面に接着された板状のコンデンサをさらに備え、該板状のコンデンサが、誘電体基板と、該誘電体基板に設けられた複数の容量電極とを有することを特徴とする、請求項1に記載の複合材料振動装置。   The holding member further includes a plate-like capacitor adhered to a surface opposite to the surface laminated on the reflective layer, and the plate-like capacitor is provided on the dielectric substrate and the dielectric substrate. The composite material vibration device according to claim 1, further comprising a plurality of capacitive electrodes. 前記振動素子が、電気機械結合変換素子である、請求項1または2に記載の複合材料振動装置。   The composite material vibration device according to claim 1, wherein the vibration element is an electromechanical coupling conversion element. 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3に記載の複合材料振動装置。
The composite material vibration device according to claim 3, wherein the electromechanical coupling conversion element is a piezoelectric element or an electrostrictive element.
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