(57)【要約】【課題】小型化及び低コスト化を果たし得る複合材料振動装置において所望とする特性を容易に実現し得る特性調整方法を提供する。【解決手段】振動部材としての圧電共振子２に、反射層３，４を介して保持部材５，６が連結されており、反射層３，４の音響インピーダンス値Ｚ２が、圧電共振子２及び保持部材５，６の音響インピーダンス値Ｚ１，Ｚ３よりも小さくされており、振動部材としての圧電共振子２で生じた振動が反射層３，４と保持部材５，６との界面で反射されるように構成されている複合材料振動装置１の特性を、反射層３，４の材質を変化させることにより調整する、複合材料振動装置１の特性調整方法。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項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を有する材料からなり、かつ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複合材料振動装置の特性調整方法であって、
前記反射層の材質を変化させることにより、複合材料振動装置の特性を調整することを特徴とする、複合材料振動装置の特性調整方法。
【請求項２】
前記反射層を構成する材料のヤング率の温度特性により、前記複合材料振動装置における周波数温度特性を調整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の特性調整方法。
【請求項３】
前記反射層内に空隙を設けることにより、前記複合材料振動装置の初期特性及び／または温度特性を調整す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の特性調整方法。
【請求項４】
前記反射層に中空の粒状物質を含有させることにより、前記反射層に空隙を設ける、請求項３に記載の複合材料振動装置の特性調整方法。
【請求項５】
前記反射層に、反射層を構成する材料に比べて密度及びヤング率が低い粒状物質を含有させることにより、複合材料振動装置の初期特性及び／または温度特性を調整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の特性調整方法。
【請求項６】
前記振動部材が電気機械結合変換素子である、請求項１〜５のいずれかに記載の複合材料振動装置の特性調整方法。
【請求項７】
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６に記載の複合材料振動装置の特性調整方法。
【請求項８】
前記反射層が接着性を有する材料からなる、請求項１〜７のいずれかに記載の複合材料振動装置の特性調整方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の複合材料振動装置の特性調整方法により特性が調整されている、複合材料振動装置。
【請求項１０】
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を有する材料からなり、かつ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おり、
前記反射層内に空隙を設けたことを特徴とする、複合材料振動装置。
【請求項１１】
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を有する材料からなり、かつ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おり、
前記反射層に中空の粒状物質を含有させたことを特徴とする、複合材料振動装置。
【請求項１２】
前記反射層が接着性を有する材料からなることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の複合材料振動装置。
【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の特性調整方法及び該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、音響インピーダンスが異なる複数の材料層が連結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に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、下記特許文献１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１０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。
【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。
【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。
【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】
【特許文献１】
特開平１０−２７０９７９号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図１０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。
【００１１】
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。
【００１２】
また、上記バルク型音波フィルタ２１１では、上述した複雑な構造を有するだけでなく、その特性、例えば温度特性などを調整することについては示されていない。
【００１３】
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の特性調整方法及びそのような複合材料振動装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る複合材料振動装置の特性調整方法は、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を有する材料からなり、かつ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複合材料振動装置の特性調整方法であって、前記反射層の材質を変化させることにより、複合材料振動装置の特性を調整することを特徴とする。
【００１５】
すなわち、本発明に係る複合材料振動装置の特性調整方法では、上記反射層の材質を変化させることにより特性が調整される。このような反射層の材質を変化させ、特性を調整する形態としては、様々な形態が挙げられる。
【００１６】
本発明に係る特性調整方法のある特定の局面では、前記反射層を構成する材料のヤング率の温度特性により、前記複合材料振動装置における周波数温度特性が調整される。
【００１７】
本発明の別の特定の局面では、前記反射層内に空隙を設けることにより、前記複合材料振動装置の初期特性及び／または温度特性が調整される。
本発明の特性調整方法のより限定的な局面では、反射層に中空の粒状物質を含有させることにより上記反射層中の空隙が設けられる。
【００１８】
本発明に係る特性調整方法のさらに別の特定の局面では、前記反射層に、反射層を構成する材料に比べて密度及びヤング率が低い粒状物質を含有させることにより、複合材料振動装置の初期特性及び／または温度特性が調整される。
【００１９】
本発明に係る特性調整方法では、振動部材としては特に限定されないが、電気機械結合変換素子が好適に用いられ、例えば圧電素子や電歪素子などが用いられる。
【００２０】
本発明に係る特性調整方法さらに別の特定の局面では、反射層が接着性を有する材料からなり、それによって振動部材と保持部材とが反射層の接着力により連結・固定される。反射層が接着性を有するため、振動を反射層と保持部材との界面までの領域に閉じ込め得るだけでなく、複合材料振動装置を容易に製造することができる。また、接着性を有する反射層の材質を調整することにより、本発明に従って特性を広い範囲にわたり調整することができる。
【００２１】
本発明に係る複合材料振動装置は、本発明の特性調整方法により特性が調整されていることを特徴とする。
また、本発明に係る複合材料振動装置の別の広い局面では、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を有する材料からなり、かつ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おり、前記反射層内に空隙を設けたことを特徴とする、複合材料振動装置が提供される。
【００２２】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の広い局面では、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を有する材料からなり、かつ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おり、前記反射層に中空の粒状物質を含有させたことを特徴とする、複合材料振動装置が提供される。
【００２３】
また、上述した反射層を有する複合材料振動装置では、好ましくは、反射層が接着性を有する材料により構成される。
【００２４】
【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。
【００２５】
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は、セラミック板の一方の端面に至るように形成された引出電極１１ａに電気的に接続されている。セラミック板の下面においても、励振電極が、セラミック板の他方端面に至る引出電極に接続されている。
【００２６】
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。
【００２７】
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、使用前は液体であり、乾燥や化学反応などにより固体化する接着性材料である。
【００２８】
より具体的には、本実施例では、反射層３，４は、エポキシ系接着剤により構成されており、その硬化後の音響インピーダンスＺ２は１．２×１０６Ｎ・ｓ・ｍ−３である。また、反射層３，４の硬化後の常温における引っ張り剪断接着力は１Ｎ／ｍｍ２以上である。従って、反射層３，４の接着力を利用して、保持部材５，６が圧電共振子２に強固に接合されている。
【００２９】
保持部材５，６は、本実施例では、セラミックス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。
なお、保持部材５，６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いる。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。
【００３０】
図１に示されている各部材を積層してなる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。
【００３１】
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。
従って、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。
【００３２】
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。従って、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、小型化及びコストの低減を果たし得る。
【００３３】
空洞を省略し得るのは、反射層３，４の音響インピーダンス値Ｚ２が、圧電共振子２及び保持部材５，６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。これを図３を参照して説明する。
【００３４】
図３は、以下の条件で、複合材料振動装置１を作製した場合の動作時の振動の変位分布を有限要素法で解析した結果を示す図である。なお、図３においては、上記複合材料振動装置１の縦断面の位置、中心から一方側が略図的に示されている。一点鎖線Ａは、縦断面と直交する中心線を示す。
【００３５】
この変位分布を求めるにあたっては、圧電共振子２の寸法はφ２．０ｍｍの円板で厚み０．１３ｍｍとし、励振電極１１の径は０．８ｍｍとした。圧電共振子２の共振周波数は１６．０ＭＨｚである。
【００３６】
また、反射層３，４及び保持部材５，６の平面形状は圧電共振子２と同一とした。反射層３，４の厚みは０．０３８ｍｍ、保持部材５，６の厚みは０．６５ｍｍとした。
【００３７】
図３から明らかなように、本実施例の複合材料振動装置１では、圧電共振子２が駆動され、圧電共振子２において変位が生じた場合、反射層３，４も変位するが、保持部材５，６はほとんど変位していないことがわかる。これは、圧電共振子２から反射層３，４側に伝播してきた振動が、上記音響インピーダンス値Ｚ１〜Ｚ３の関係により、反射層３，４と保持部材５，６との界面で反射されるためである。
【００３８】
また、上記のようにして得られた複合材料振動装置１の共振周波数を測定したところ１６．１ＭＨｚであり、圧電共振子２の担体の共振周波数とほとんど変わらなかった。
【００３９】
従って、圧電共振子２の振動を妨げないための空洞を設けなかった場合であっても、本実施例では、圧電共振子２担体の共振特性と同等の共振特性を実現し得ることがわかる。
【００４０】
また、本願発明者は、上記反射層３，４を構成する材料を種々異ならせ、すなわち、反射層３，４のヤング率の温度特性が種々異なるように反射層を構成する材料を種々変更し、複合材料振動装置１の共振周波数の温度特性を評価した。結果を図４に示す。また、この評価で用いた圧電共振子の共振周波数温度特性は、４０ｐｐｍ／℃である。従って、反射層のヤング率温度特性が０のときには、圧電共振子の共振周波数温度特性は４０ｐｐｍ／℃を示している。
【００４１】
図４から明らかなように、反射層３，４を構成する材料のヤング率の温度特性を変化させることにより、複合材料振動装置１の共振周波数の温度特性を変化させ得ることがわかる。
【００４２】
また、本願発明者は、複合材料振動装置１において、反射層３，４の一部に空洞を設ければ、複合材料振動装置１の特性を調整し得ることを見出した。図５は、このような空洞が設けられた複合材料振動装置１の変位分布を有限要素法で解析した模式図である。この構造では、反射層３，４内に、空隙としての空洞３ａ，４ａが形成されている。ここでは、空洞３ａ，４ａは、複合材料振動装置１内において、励振電極１１，１１Ａに接するように反射層３，４内に空洞３ａ，４ａが形成されている。また、空洞３ａ，４ａの厚みは、反射層３，４と同一とされている。この空洞３ａ，４ａの面積の反射層３，４において空洞が設けられていない場合の面積に対する割合を空間率（％）とし、上記空間率を種々異ならせて、複合材料振動装置の比帯域幅を測定した。結果を図６に示す。
【００４３】
図６から明らかなように、空間率が高くなる程、比帯域幅が広くなることがわかる。従って、上記反射層３，４に空洞を設けた場合、その空洞の大きさを調節することにより、比帯域幅などの特性を調整し得ることがわかる。
【００４４】
また、本願発明者は、上記空洞を設けなかった場合の複合材料振動装置１の共振周波数の温度特性が−３ｐｐｍ／℃である複合材料振動装置１において、反射層３，４のヤング率温度特性を−２０００ｐｐｍ／℃と固定し、上記空間率を種々異ならせて、様々な複合材料振動装置を作製した。これらの複合材料振動装置における空間率を、共振周波数温度特性との関係を図７に示す。
【００４５】
図７から明らかなように、上記空間率を調整することにより、空間率が大きくなる程、共振周波数の温度特性が大きくなることがわかる。従って、上記空間率を変化させることにより、共振周波数の温度特性をも調整し得ることがわかる。
【００４６】
上記のように、反射層のヤング率温度特性や空間率などを調整するだけでなく、反射層３，４の材質を様々な方法で調整することによっても、複合材料振動装置１の特性を調整することができる。
【００４７】
下記の表１の試料１〜５で示すように、複合材料振動装置１の反射層３，４を構成する材料が選択されている試料番号１〜５の複合材料振動装置を作製した。なお、反射層３，４の材料以外については、上述した実験例と同様に構成されている。
【００４８】
【表１】
2004048708.tif 000003
【００４９】
表１において、試料番号１は、上記の実施例と同様にエポキシ系樹脂により反射層３，４が構成されている。
また、試料番号２及び３では、試料番号１で反射層を構成するために用いられているエポキシ系樹脂に、それぞれ、上記樹脂よりも低密度かつ低ヤング率の粒状のウレタン系樹脂を含有させることにより構成されている。
【００５０】
試料番号４，５では、試料番号１の反射層を構成する樹脂に、ガラスバルーンあるいは樹脂バルーンが分散されている。
表１では、このようにして構成された試料番号１〜５の各反射層の音響インピーダンス値Ｚ２、密度ρ及びヤング率が示されている。
【００５１】
上記試料番号１〜５の各反射層を用いた複合材料振動装置の比帯域幅と、反射層の音響インピーダンス値Ｚ２との関係を図８に示す。また、図９には、共振周波数温度特性が−４０ｐｐｍ／℃である場合の、各反射層の音響インピーダンス値Ｚ２と、共振周波数温度特性との関係を示す。
【００５２】
図８及び図９から明らかなように、粒状物質や中空物質を含む試料番号２〜５の各反射層を用いることにより、試料番号１の反射層を用いた複合材料振動装置に比べて、帯域幅や共振周波数温度特性を変化させ得ることがわかる。
【００５３】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る複合材料振動装置の特性調整方法では、反射層の材質を調整することにより、周波数温度特性や比帯域幅などの各種特性を容易に調整し得ることがわかる。また、本発明の特性調整方法により得られる複合材料振動装置では、振動部材に反射層及び保持部材が連結されており、振動部材で発生した振動が反射層と保持部材との界面で反射され、該界面までの部分に振動エネルギーが閉じ込められる。従って、従来の圧電共振部品などで必要であった空洞の形成をなくすことができ、それによって複合材料振動装置の小型化及び低コスト化を果たすことができる。
【００５４】
加えて、反射層と保持部材との界面までの部分に振動エネルギーが閉じ込められるため、振動部材の振動特性に影響をほとんど与えることなく、保持部材を利用して外部と機械的に接続することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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。
【図２】本発明の第１の実施例に係る複合材料振動装置の外観を示す斜視図。
【図３】第１の実施例の複合材料振動装置の変位状態を示す模式的部分縦断面図。
【図４】第１の実施例の複合材料振動装置において、反射層のヤング率温度特性を変化させた場合の共振周波数温度特性の変化を示す図。
【図５】反射層の一部に空間を設けた構造の変位分布を示す模式的部分縦断面図。
【図６】反射層の一部に空洞を設けた場合の反射層の空間率と、複合材料振動装置の比帯域幅との関係を示す図。
【図７】反射層の一部に空洞を設けた場合の反射層の空間率と、複合材料振動装置の共振周波数温度特性との関係を示す図。
【図８】様々な材料で反射層を構成した複合材料振動装置の反射層の音響インピーダンス値Ｚ２と比帯域幅との関係を示す図。
【図９】様々な材料で反射層を構成した複合材料振動装置の反射層の音響インピーダンス値Ｚ２と共振周波数温度特性との関係を示す図。
【図１０】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。
【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
１１，１１Ａ…励振電極
１２，１３…容量電極
１４，１５…外部電極
【図１】
2004048708.tif 000004
【図２】
2004048708.tif 000005
【図３】
2004048708.tif 000006
【図４】
2004048708.tif 000007
【図５】
2004048708.tif 000008
【図６】
2004048708.tif 000009
【図７】
2004048708.tif 000010
【図８】
2004048708.tif 000011
【図９】
2004048708.tif 000012
【図１０】
2004048708.tif 000013