WO2006059416A1

WO2006059416A1 - 複合材料振動装置

Info

Publication number: WO2006059416A1
Application number: PCT/JP2005/016403
Authority: WO
Inventors: Toshihiko Unami; Hiroaki Kaida; Kazutaka Watanabe; Takaaki Asase; Eitaro Kameda; Jiro Inoue
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-12-02
Filing date: 2005-09-07
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2007-06-02
Also published as: JP2008072156A

Abstract

　振動を妨げないための空間を必要としない小型でかつ機械的強度に優れた構造を有し、しかも、製造時あるいは周囲温度変化時の構成部材間の熱膨張係数差に起因する特性の変動が生じ難い複合材料振動装置を提供する。　音響インピーダンス値Ｚ１の材料を用いて構成された板状の圧電共振素子２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３，４を介して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５，６が積層されており、Ｚ２＜Ｚ１かつＺ２＜Ｚ３であり、反射層３，４の面方向に沿う熱膨張係数をＸ、保持部材の面方向に沿う熱膨張係数をＹとしたときに、ＹとＸとが逆極性かつＹの絶対値がＸの絶対値の４％以下、ＹとＸとが同極性かつＹがＸの３％以下、またはＹ＝約０とされている複合材料振動装置１。

Description

明細書

複合材料振動装置

技術分野

[0001] 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。背景技術

[0002] 圧電共振装置ゃ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 V、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。

[0003] 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。

[0004] 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カゝらなり、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。

[0005] 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の音響インピ一ダンス値 Z 1S 圧電基板 111の音響インピーダンス値 Zよりも小さぐかつ保持部

2 1

材 104, 106の音響インピーダンス値 Z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はエポキシ系榭脂からなり、保持部材 104, 106はセラミックスにより構成されている。 Z >Zであるため、圧電共振素子 102から反射層 103, 10

3 2

5に伝播してきた振動力反射層 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 10 2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!ヽとされて！/ヽる。

[0006] 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。

[0007] 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榭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。

特許文献 1：特開 2003 - 332875号公報

特許文献 2：特開 2003 - 338720号公報

発明の開示

[0008] 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 Z , Zを達成し得る適宜の材料が用いられる旨が段落

2 3

番号 0046において記載されている。具体的な例としては、エポキシ榭脂からなる反射層及びセラミックス力なる保護層が示されている。

[0009] また、特許文献 2には、上記反射層をエポキシ榭脂の硬化物により形成した構造が開示されている。

[0010] ところで、一般に、熱硬化型のエポキシ榭脂系硬化性組成物は、 100°C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の表面にカ卩わることになる。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。

[0011] 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 Zを相対的に小さくすることにより、保持部材におい

2

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。

[0012] し力しながら、実際には、上記反射層 103, 105を熱硬化型のエポキシ榭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。

[0013] 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。

[0014] 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、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、しカゝも、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ヽ、複合材料振動装置を提供することにある。

[0015] 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を有する材料カゝ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を有する材料力なり、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を有する材料カゝらなり、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、 a)Xと Yとが逆極性かつ Yの絶対値が Xの絶対値の 4%以下、 b) Xと Yとが同極性かつ Yがの 3%以下、または c)Yが 0のいずれかとされていることを特徴とする。

[0016] 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。

[0017] 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。

[0018] 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。

[0019] 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を有する材料力も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を有する材料カゝらなる板状の保持部材が積層されている。

[0020] 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。従つて、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。

[0021] 力!]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、 a)X と Yとが逆極性かつ Yの絶対値が Xの絶対値の 4%以下、 b)X及び Yが同極性かつ Y が Xの 3%以下、または c)Y力^のいずれかとされているため、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。

[0022] 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、 a) Xと Yとが逆極性かつ Yの絶対値が Xの絶対値の 4%以下とされており、 b)同極性でありかつ Yが Xの 3%以下、または c)Y力^のいずれかとされているため、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。

[0023] 保持部材の反射層に積層されてヽ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！/、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、。接着部分における剥がれの発生等が生じるからである。

[0024] 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ヽなヽため、板状のコンデンサを構成して!/ヽる誘電体基板の熱膨張係数を、振動素子を構成して、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、範囲の材料力も選択することが可能となる。

[0025] 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。

[0026] 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、指示構造を簡略ィ匕することができ、し力も周囲の温度変化等による特性の変動が生じ難 V、複合材料振動装置を容易に提供することができる。

図面の簡単な説明

[0027] [図 1]図 1 (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である。

[図 2]図 2 (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である。

[図 3]図 3 (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 Θ の変化を示す図、 max

及び図 3 (b)は、（a)の結果を横軸を YZX (%)として書き換えた内容を示す。

[図 4]図 4 (a)及び (b)は、保持部材の熱膨張係数が 9. 3ppmZ°C及び—0. 4ppm Z°C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。

[図 5]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圧電共振装置を示す模式的正面斜視図である。

[図 6]図 6は、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である。

[図 7]図 7 (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である。

符号の説明

[0028] 1…圧電共振装置

2, 2A…圧電共振素子 3, 5…反射層

3A, 5Α· ··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

発明を実施するための最良の形態

[0029] 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。

[0030] 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。

[0031] 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が形成されてヽる。

[0032] 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-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。

[0033] 圧電板 11は、細長、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力もなり、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 X 1 0⁷kg/ (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。

[0034] 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。

[0035] 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。

[0036] 反射層 3, 5は、本実施形態では、エポキシ榭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 X 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 Z°Cである。

[0037] 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ツタスからなり、その音響インピーダンス値 Z3は、 3. 43 X 10⁷kgZ(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 Z°Cである。

[0038] 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!、る。

[0039] 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つき膜の 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!、る。

[0040] 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。

[0041] 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、音響インピ一ダンス値 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の極性とが逆であり、かつ Yの絶対値が Xの絶対値の 4%以下とされていることにある。

[0042] 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、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。

[0043] カロえて、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を構成してヽ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一 1. 8ppm/°C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。

[0044] しカゝしながら、本実施形態では、 Yの極性と Xとの極性が異なり、かつ Yの絶対値が Xの絶対値の 4%以下であるため、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ょうとする。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 1 1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榭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。

[0045] 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。

[0046] 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

X幅 0. 5mm X厚み 0. 09mmであり、音響インピーダンス値 Z1が 2. 87 X 10⁷kg/ (m²s )、面方向の熱膨張係数が— 1. 8ppmZ°C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-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 X O. 5m m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。

[0047] 該圧電共振素子 2の上面及び下面に、エポキシ榭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°C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。し力る後、室温まで冷却した。

[0048] 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 X O. 5mm X厚さ 0. 02mmであり、音響インピーダンス値 Z2は 2. 80 X 10⁶kg/ (m²s )であり、面方向に沿う熱膨張係数 Xは 50ppmZ°Cである。

[0049] また、使用した保持部材 4, 6の寸法は 1. 8mm X O. 5mm X厚み 0. 06mmであり、その音響インピーダンス値 Z3は 3. 43 X 10⁷kg/ (m²s )、熱膨張係数 Yは— 0. 4p pmZ°Cである。

[0050] 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 Θ を測定した。位相角最大値 Θ 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 Θ が大き!/、ほど良好な共振特性が得られることがわ力る。

max

[0051] 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 Θ との関係を図 max

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 Θ が非常に大きいことがわ max

かる。

[0052] また、図 3 (b)は、図 3 (a)の横軸を YZX(%)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と Xとが同極性であり、かつ YZXが 3%以下であれば、位相角最大値 Θ が非常に大きいことがわかる。

max

[0053] 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. 3pp mZ°Cの場合及び 0. 4ppmZ°C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。

[0054] 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。

[0055] [数 1]

> < ■ ■ -記号 a )

< ^ . , ■記号 _{b )}

[0056] 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がー 0. 4ppmZ°C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. 3ppmZ°Cの場合には 150MPa程度と応力が非常に大きぐ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。

[0057] 上記のように、保持部材 4, 6の熱膨張係数 Y力負の値、あるいは 2ppmZ°C以下の場合に、位相角最大値 Θ が非常に大きくなるのは、図 4 (a)及び (b)の比較から max

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つていること〖こよることがわ力る。

[0058] 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. 8ppmZ°Cであり、従って、反射層 3, 5を構成するエポキシ榭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/°C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、ると考えられる。

[0059] 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を構成してヽる圧電板 11の熱膨張係数と極性が逆であり、かつ Yの絶対値を Xの絶対値の 4%以下とすること、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をの 3%以下と十分に小さくすること、さらに言えば Yをゼロもしくは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。従って、 Yはゼロであつてもよい。

[0060] 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、逆極性の場合には、 Yの絶対値を Xの絶対値の 4%以下、 Y及び Xが同極性の場合には 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力の 3%以下になることを意味する。

[0061] 本実施形態では、上記反射層 3, 5がエポキシ榭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。

[0062] し力しながら、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ヽ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と逆極性かつ Yの絶対値を Xの絶対値の 4%以下とした構成、同極性の場合には、 Xを Yに比べて十分大きぐすなわち Yが Xの 3%以下とした構成、または 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。

[0063] 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、光硬化されたェポキシ榭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ぐエポキシ以外の榭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。

[0064] 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、他のセラミックスゃ榭脂などのセラミックス以外の材料で形成されてもょ、。

[0065] 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。

[0066] 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力なる接着層 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ぐ容量電極 25, 26との間で静電容量を取り出すように機能する。

[0067] 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。

[0068] 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。 [0069] 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、音響ィンピーダンス値 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と逆極性かつ Yの絶対値を Xの絶対値の 4%以下とされている。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 3Α, 5Α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。

[0070] 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力この場合、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 2Α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。

[0071] 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 2Α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。

[0072] 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 2Αの上方に設けられた反射層 3Α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 2Α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 5Αを介して保持部材 6が積層されてヽてもよヽ。

[0073] また、コーティング膜 32は、圧電共振素子 2Α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。

[0074] 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ぐ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。

Claims

請求の範囲

[1] 第 1の音響インピーダンス値 Zlを有する材料カゝ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を有する材料力なり、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力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ヽる、複合材料振動装置にお!ヽて、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、 a) Xと Yとが逆極性かつ Yの絶対値が Xの絶対値の 4%以下、 b) Xと Yとが同極性かつ Yが Xの 3%以下、または c) Yが 0の!、ずれかとされて!/、ることを特徴とする、複合材料振動装置。

[2] 前記保持部材の前記反射層に積層されてヽ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。

[3] 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。

[4] 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。