(57)【特許請求の範囲】
【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、かつ前記振動部材の両側に連結された各１個のエポキシ樹脂からなる第１，第２の反射層と、
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、前記第１，第２の反射層の振動部材が連結されている側とは反対側に連結された絶縁性セラミックスからなる第１，第２の保持部材と、
振動部材の一対の互いに対向した面に設けられた一対の励振電極と、
前記反射層及び／または保持部材の前記振動部材側以外の面に設けられた前記一対の励振電極にそれぞれ接続されている一対の端子電極とを備え、
前記振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、前記反射層の前記振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときにＳ2／Ｓ1が１以下であり、
前記反射層と前記保持部材との界面において前記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、
前記振動部材が単独で振動したときの振動の波長をλとしたときに、反射層と振動部材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）の範囲にされていることを特徴とする、複合材料振動装置。
【請求項２】
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り、かつ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より低い第２のインピーダンス値Ｚ2を有する材料からなり、かつ前記振動部材に連結された１個のエポキシ樹脂からなる反射層と、
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、前記反射層の振動部材が連結されている側とは反対側に連結された絶縁性セラミックスからなる保持部材と、
前記振動部材の一対の互いに対向した面に設けられた一対の励振電極と、
前記反射層及び／または保持部材の前記振動部材側以外の面に設けられ前記一対の励振電極にそれぞれ接続されている一対の端子電極とを備え、
前記振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、前記反射層の前記振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときにＳ2／Ｓ1が１以下であり、
前記反射層と前記保持部材との１個の界面において前記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、
前記振動部材が単独で振動したときの振動の波長をλとしたときに、反射層と振動部材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）の範囲にされていることを特徴とする、複合材料振動装置。
【請求項３】
前記振動部材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。
【請求項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。
【請求項５】
前記第１及び／または第２の保持部材の前記第１，第２の反射層が連結されている側とは反対側に、第３の反射層、第２の振動部材、第４の反射層及び第３の保持部材がこの順序で連結されている、請求項１に記載の複合材料振動装置。
【請求項６】
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な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り、かつ振動発生源となる第１，第２の振動部材と、
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を有するエポキシ樹脂からなる第１，第２，第３の反射層と、
第２の音響インピーダンスＺ2よりも大きな第３の音響インピーダンスＺ3を有する絶縁性セラミックスからなる第１，第２の保持部材と、
前記第１，第２の振動部材の一対の互いに対向した面に設けられた一対の励振電極と、
前記第１，第３の反射層及び／または前記各保持部材の前記第１，第２の振動部材側以外の面に設けられ前記一対の励振電極にそれぞれ接続されている一対の端子電極とを備え、
第１の保持部材、第１の反射層、第１の振動部材、第２の反射層、第２の振動部材、第３の反射層及び第２の保持部材がこの順序で連結されており、前記振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、前記反射層の前記振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときにＳ2／Ｓ1が１以下であり、
第１，第２の振動部材で発生した各振動が、第１または第３の反射層と、第１または第２の保持部材とのそれぞれ１個の界面により、並びに前記第２の反射層の第２の振動部材または第１の振動部材との１個の界面により反射され、
前記振動部材が単独で振動したときの振動の波長をλとしたときに、反射層と振動部材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）の範囲にされていることを特徴とする、複合材料振動装置。
【請求項７】
前記振動部材の振動変位方向をＡ、振動部材における振動伝播方向をＢ、前記反射層における振動伝播方向をＣとしたときに、方向Ａ〜Ｃが互いに平行である、請求項４に記載の複合材料振動装置。
【請求項８】
前記振動部材の振動変位方向をＡ、振動部材における振動伝播方向をＢ、反射層における振動伝播方向をＣとしたときに、方向Ａと方向Ｂとが平行であり、方向Ｂと方向Ｃとが直交する関係にある、請求項４に記載の複合材料振動装置。
【請求項９】
前記振動部材の振動変位方向をＡ、前記振動部材における振動伝播方向をＢ、前記反射層における振動伝播方向をＣとしたとき、方向Ａと方向Ｂとが直交しており、方向Ｂと方向Ｃとが平行にある、請求項４に記載の複合材料振動装置。
【請求項１０】
前記振動部材の振動変位方向をＡ、前記振動部材における振動伝播方向をＢ、前記反射層における振動伝播方向をＣとしたとき、方向Ａと方向Ｂとが直交しており、方向Ｂと方向Ｃとが直交している関係にある、請求項４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、様々な振動部材を該振動部材の振動に影響を与えることなく保持し得る構造を備えた複合材料振動装置に関し、例えば、振動部材として圧電素子や電歪素子を用いた複合材料振動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、共振子やフィルタ等に圧電振動部品が広く用いられている。例えば圧電共振子では、目的とする共振周波数を得るために、様々な振動モードが用いられている。これらの振動モードとしては、厚み縦振動、厚みすべり振動、長さ振動、幅振動、拡がり振動、または屈曲振動等が知られている。
【０００３】
圧電共振子においては、振動モードの種類によって保持構造が異なる。厚み縦振動や厚みすべり振動を用いた場合には、エネルギー閉じ込め型の圧電共振子を構成し得るので、圧電共振子の端部において圧電共振子を機械的に保持することができる。この種の厚みすべり振動を利用したエネルギー閉じ込め型の圧電共振子の一例を図４４に示す。圧電共振子２０１では、ストリップ状の圧電板２０２の上面に共振電極２０３が形成されており、圧電板２０２の下面に共振電極２０３と対向するように共振電極２０４が形成されている。共振電極２０３，２０４は圧電板２０２の長さ方向中央で対向されており、該対向部分がエネルギー閉じ込め型の圧電振動部を構成している。エネルギー閉じ込め型であるため、振動は圧電振動部にほぼ閉じ込められる。従って、圧電共振電極２０１では、圧電振動部の振動を阻害することなく端部において機械的に保持することができる。
【０００４】
もっとも、エネルギー閉じ込め型の圧電共振電極２０１では、圧電振動部に振動エネルギーが閉じ込められるものの圧電振動部の外側に比較的大きな面積の振動減衰部を構成しなければならない。従って、例えば、厚みすべりモードを利用したストリップ状の圧電共振子２０１では、長さ寸法が大きくならざるを得なかった。
【０００５】
他方、長さ振動、幅振動、拡がり振動または屈曲振動を利用した圧電共振子では、エネルギー閉じ込め型の圧電共振部を構成することができない。従って、共振特性に影響を与えないために、バネ性を有する金属端子を用い、該金属端子を圧電共振子の振動のノードに接触させることにより保持構造が構成されている。
【０００６】
他方、特開平１０−２７０９７９号公報には、図４５に示すバルク型音波フィルタ２１１が開示されている。バルク型音波フィルタ２１１では、基板２１２上に複数の膜を積層することによりフィルタが構成されている。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、該圧電層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。また、この圧電共振子の下面には、シリコンやポリシリコン等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。ここでは、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。この音響ミラー２１９により、圧電共振子により生じた振動の基板２１２への伝達が遮断されるとされている。
【０００７】
他方、圧電共振子の上方には、同様に構成された音響ミラー２２０が積層されており、該音響ミラー２２０上にパッシベーション膜２２１が形成されている。パッシべーション膜２２１は、エポキシ、ＳｉＯ2あるいはその他の適当な保護性材料で構成されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
従来のエネルギー閉じ込め型の圧電共振子では、圧電振動部の外側に振動減衰部を構成する必要があるため、接着剤等を用いて機械的に保持し得るものの、圧電共振子２０１の寸法が大きくならざるを得なかった。
【０００９】
他方、長さ振動モードや拡がり振動モードを利用した非エネルギー閉じ込め型の圧電共振子では、振動減衰部は必要でないものの、圧電共振子自体を接着剤や半田等を用いて固定・保持した場合には共振特性が損なわれる。従って、バネ端子等を用いて支持しなければならず、支持構造が複雑であり、かつ多数の部品を必要とする。
【００１０】
特開平１０−２７０９７９号公報に記載のバルク型音波フィルタでは、上記のように基板２０２上に複数の膜を積層することにより圧電共振子と、該圧電共振子と基板とを音響的に絶縁する音響ミラー１１９が構成されている。従って、圧電共振子が基板２１２に対して積層構造を有する音響ミラー２１９により音響的に遮断されて支持されている。
【００１１】
しかしながら、上記バルク型音波フィルタ２１１では、基板２１２上において、多数の層を積層し、下部の音響ミラー２１９と、圧電共振子や圧電フィルタを構成する積層構造と、上部音響ミラー２２０を構成する多数の層を形成しなければならず、さらに最上部にパッシベーション膜２２１を形成しなければならなかった。従って、構造が複雑であり、かつ利用する圧電共振子における振動モードについても積層構造により構成されるものであるため制約があった。
【００１２】
上記のように、従来、圧電共振子等の振動源を、その振動特性を阻害することなく支持するには、振動モードの制約があったり、部品が大型化したり、構造が複雑になったりするという問題があった。
【００１３】
本発明の目的は、上述した従来技術の欠点を解消し、様々なモードの振動部材を、比較的簡単な構造で該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可能な構造を備えた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】
本発明のある広い局面によれば、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、かつ前記振動部材の両側に連結された各１個のエポキシ樹脂からなる第１，第２の反射層と、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、前記第１，第２の反射層の振動部材が連結されている側とは反対側に連結された絶縁性セラミックスからなる第１，第２の保持部材と、振動部材の一対の互いに対向した面に設けられた一対の励振電極と、前記反射層及び／または保持部材の前記振動部材側以外の面に設けられた前記一対の励振電極にそれぞれ接続されている一対の端子電極とを備え、前記振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、前記反射層の前記振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときにＳ2／Ｓ1が１以下であり、前記反射層と前記保持部材との界面において前記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、前記振動部材が単独で振動したときの振動の波長をλとしたときに、反射層と振動部材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）の範囲にされている複合材料振動装置が提供される。
【００１５】
本発明の別の広い局面によれば、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り、かつ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より低い第２のインピーダンス値Ｚ2を有する材料からなり、かつ前記振動部材に連結された１個のエポキシ樹脂からなる反射層と、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、前記反射層の振動部材が連結されている側とは反対側に連結された絶縁性セラミックスからなる保持部材と、前記振動部材の一対の互いに対向した面に設けられた一対の励振電極と、前記反射層及び／または保持部材の前記振動部材側以外の面に設けられ前記一対の励振電極にそれぞれ接続されている一対の端子電極とを備え、前記振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、前記反射層の前記振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときにＳ2／Ｓ1が１以下であり、前記反射層と前記保持部材との１個の界面において前記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、前記振動部材が単独で振動したときの振動の波長をλとしたときに、反射層と振動部材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）の範囲にされていることを特徴とする、複合材料振動装置が提供される。
【００１８】
本発明のある限定的な局面では、上記振動部材として電気機械結合変換素子が用いられ、より限定的な局面では、該電気機械結合変換素子として圧電素子または電歪素子が用いられる。
【００１９】
本発明の他の特定の局面では、前記第１及び／または第２の保持部材の前記第１，第２の反射層が連結されている側とは反対側に、第３の反射層、第２の振動部材、第４の反射層及び第３の保持部材がこの順序で連結されている。
【００２０】
本発明のさらに別の広い局面によれば、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な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り、かつ振動発生源となる第１，第２の振動部材と、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を有するエポキシ樹脂からなる第１，第２，第３の反射層と、第２の音響インピーダンスＺ2よりも大きな第３の音響インピーダンスＺ3を有する絶縁性セラミックスからなる第１，第２の保持部材と、前記第１，第２の振動部材の一対の互いに対向した面に設けられた一対の励振電極と、前記第１，第３の反射層及び／または前記各保持部材の前記第１，第２の振動部材側以外の面に設けられ前記一対の励振電極にそれぞれ接続されている一対の端子電極とを備え、第１の保持部材、第１の反射層、第１の振動部材、第２の反射層、第２の振動部材、第３の反射層及び第２の保持部材がこの順序で連結されており、前記振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、前記反射層の前記振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときにＳ2／Ｓ1が１以下であり、第１，第２の振動部材で発生した各振動が、第１または第３の反射層と、第１または第２の保持部材とのそれぞれ１個の界面により、並びに前記第２の反射層の第２の振動部材または第１の振動部材との１個の界面により反射され、前記振動部材が単独で振動したときの振動の波長をλとしたときに、反射層と振動部材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）の範囲にされていることを特徴とする、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では、振動部材の振動変位方向をＡ、振動部材における振動伝播方向をＢ、反射層における振動伝播方向をＣとしたとき、方向Ａ〜Ｃについては、様々に組み合わせることができる。例えば、方向Ａ〜Ｃは互いに平行であってもよい。また、方向Ａと方向Ｂとが平行であり、方向Ｂと方向Ｃとが直交する関係にあってもよい。さらに、方向Ａと方向Ｂとが直交しており、方向Ｂと方向Ｃとが平行であってもよい。また、方向Ａと方向Ｂとが直交しており、方向Ｂと方向Ｃとが直交していてもよい。
【００２３】
【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、本発明をより詳細に説明する。
【００２４】
図１（ａ），(ｂ）は、本発明の一実施例に係る複合材料振動装置としての圧電共振子を示す斜視図及び縦断面図である。
圧電共振子１は、振動部材としてのストリップ状の圧電素子２と、圧電素子２の長さ方向両端に連結された反射層３，４と、反射層３，４の外側に連結された保持部材５，６とを有する。
【００２５】
上記反射層３，４が連結されている圧電素子２の端面２ａ，２ｂの面積をＳ1、反射層３，４の圧電素子２に連結されている面の面積をＳ2としたとき、本実施例ではＳ2／Ｓ1が１とされている。すなわち、圧電素子２の横断面形状と、該横断面に平行な反射層３，４の圧電素子２に連結されている面とは同じ形状とされている。
【００２６】
さらに、本願発明者らは、振動部材の反射層が連結される面の面積Ｓ1と、上記面積Ｓ2を種々変化させ、共振周波数の変化率を測定した。但し、上記実験例に基づき用いた圧電共振子１において、反射層３，４の圧電素子２の端面２ａ，２ｂに連結される面の面積を種々異ならせ、様々な圧電共振子を作製し、共振周波数を測定した。結果を図１５に示す。
【００２７】
図１５から明らかなように、上記面積比Ｓ2／Ｓ1が１以下の場合共振周波数変化率が０．４％以下と低いのに対し、Ｓ2／Ｓ1が１を超えると、共振周波数変化率が大幅に大きくなることがわかる。従って、面積比Ｓ2／Ｓ1を１以下とすることにより、反射層３，４及び保持部材５，６により支持構造の振動部材の振動への影響をより効果的に低減し得ることがわかる。
【００２８】
圧電素子２は、チタン酸鉛系セラミックスからなり、その音響インピーダンスＺ1は３．４×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）である。圧電素子２は、矢印Ｐ方向に、すなわち長さ方向に分極処理されている。
【００２９】
圧電素子２は、ストリップ状の形状を有し、上面、下面、及び一対の側面が矩形の形状を有する。言い換えれば、圧電素子２は、角棒状の形状を有する。圧電素子２の対向し合う一対の端面２ａ，２ｂには、励振電極７，８が形成されている。励振電極７，８から交流電圧を印加することにより圧電素子２は端面２ａ，２ｂを長さ方向とする長さモードで振動する。すなわち、圧電素子２は、長さモードを利用した圧電共振素子である。圧電共振子１においては、励振電極７，８に電気的に接続されるように圧電共振子１の上面に端子電極９，１０が形成されている。端子電極９，１０は、圧電共振子１の上面だけでなく、端面である保持部材５，６の外側端面５ａ，６ａに至るように形成されている。従って、プリント回路基板等に、端子電極９，１０を利用して容易に表面実装することができる。反射層３，４は、本実施例では、音響インピーダンスが１．８７×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓ）であるエポキシ樹脂により構成されている。また、保持部材５，６は、音響インピーダンスが３．４×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）であるセラミックスからなるセラミックスにより構成されている。
【００３０】
長さモードを利用した圧電共振素子は、振動の伝播方向が長さ方向であり、分極方向Ｐと平行な方向であるため、通常、振動に影響を与えることなく端面２ａ，２ｂにおいて支持することができない。
【００３１】
本実施例では、反射層３，４及び保持部材５，６を有するため、長さモードを利用した圧電素子２の振動特性に影響を与えることなく圧電共振子１を支持することが可能とされている。これを、図２〜図５を参照して説明する。なお、以下において、長さとは圧電共振子１の長さ方向に沿う寸法をいうものとする。
【００３２】
圧電素子２の長さＬ1＝０．９８ｍｍ、共振子周波数Ｆ1＝２ＭＨｚ、反射層３，４の長さＬ2＝０．２５ｍｍ、保持部材５，６の長さ＝０．４ｍｍとして上記圧電共振子１の変位状態を有限要素法で解析した。結果を図２に示す。
【００３３】
図２から明らかなように、保持部材５，６では、変位がほとんど生じていない。従って、圧電素子２の共振特性に影響を与えることなく保持部材５，６を利用して、圧電共振子１を支持し得ることがわかる。これは、反射層３，４の音響インピーダンスＺ2が圧電素子２の音響インピーダンスＺ1よりも低く、かつ保持部材５，６の音響インピーダンスＺ3よりも低いため、反射層３，４と保持部材５，６との界面Ａ，Ｂにおいて圧電素子２から伝播してきた振動が反射され、振動が保持部材５，６にほとんど伝播しないためと考えられる。
【００３４】
本願発明者らは、圧電共振子１の結果に鑑み、圧電共振子１における圧電素子２、反射層３，４及び保持部材５，６を構成する材料及びこれらの寸法を種々変更して実験を繰り返したところ、上記のように、第１，第２の反射層３，４の音響インピーダンスＺ2を、圧電素子２の音響インピーダンスＺ1及び保持部材５，６の音響インピーダンスＺ3よりも小さくすれば、上記実施例と同様に保持部材５，６への圧電素子２からの振動の伝播をほぼ抑制し得ることを見い出した。これを、図４及び図５を参照しつつ具体的な実験例に基づいて説明する。
【００３５】
図４は、下記の仕様で圧電共振子１を構成した場合のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す。なお、実線が位相−周波数特性を、破線がインピーダンス−周波数特性を示す。また、図４及び図５の縦軸及び横軸のＮＥ＋Ｏｎは、Ｎ×１０nであることを示し、例えば１Ｅ＋Ｏ２は１×１０2である。
【００３６】
圧電共振子１の仕様
（１）圧電素子２…音響インピーダンスＺ1＝３．４×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）であるチタン酸鉛系セラミックスにより構成。長さ寸法Ｌ1＝４１２μｍ、共振周波数５．４ＭＨｚ
（２）反射層３，４…音響インピーダンスＺ2＝１．８７×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓ）のエポキシ樹脂により構成。長さ寸法Ｌ2＝０．０７ｍｍ
（３）保持部材５，６…音響インピーダンスＺ3＝３．４×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）のチタン酸鉛系セラミックスにより構成。長さ寸法Ｌ3＝３００μｍ
なお、圧電共振子１における幅方向寸法は２５０ｍｍ、厚みは２００ｍｍとした。
【００３７】
また、上記圧電共振子１を図３に示すように基板１１に導電性接着剤１２を用いて接合し、固定した。なお、導電性接着剤１２による固定により、圧電素子２の下面と基板１１の上面との間に振動を妨げないための空間を確保するように導電性接着剤１２による接合が行われている。
【００３８】
また、導電性接着剤１２は、上記端子電極９，１０と基板１１上の電極１３，１４とを接合しており、圧電素子２及び反射層３，４には導電性接着剤１２は付着していない。
【００３９】
基板１１に実装された後の圧電共振子１の周波数特性を図５に示す。図５においても、破線がインピーダンス−周波数特性を、実線が位相−周波数特性を示す。
【００４０】
図４と図５を比較すれば明らかなように、圧電共振子１自体の周波数特性と、基板１１に固定された後の圧電共振子１の周波数特性とがほとんど変わらないことがわかる。すなわち、圧電共振子１は保持部材５，６において機械的に固定したとしても、圧電素子２の共振特性が損なわれないことがわかる。
【００４１】
図１〜図５から明らかなように、本発明に従って構成された複合材料振動装置としての圧電共振子１では、振動部材としての圧電素子２の両側に反射層３，４を設け、反射層３，４の外側に保持部材５，６を連結することにより、圧電素子２の振動を妨げることなく圧電共振子１を支持し得ることがわかる。これを、図６により包括的に示すと、本発明に係る複合材料振動装置は、振動源としての振動部材２１の両側に振動部材２１からの振動が伝播されるように反射層２２，２３が連結されており、該反射層２２，２３の外側に保持部材２４，２５を連結した構造に相当する。この場合、上記のように反射層２２，２３の音響インピーダンスＺ2を、振動部材２１の音響インピーダンスＺ1及び保持部材２４，２５の音響インピーダンスＺ3よりも小さくすることにより、上記実施例と同様に、振動部材２１の振動特性に影響を与えることなく保持部材２４，２５において複合材料振動装置２０を機械的に支持し得る。
【００４２】
すなわち、上記実施例では、振動部材として圧電素子２を用いたが、本発明においては、振動部材２１、反射層２２，２３及び保持部材２４，２５のインピーダンス値Ｚ1〜Ｚ3間に上記関係が満たされ得る限り上記実施例と同様に、反射層２２，２３と、保持部材２４，２５との界面において伝播してきた振動を反射させることができるので、振動部材２１については特に限定されるものではない。すなわち、振動部材２１としては、圧電素子２の他、電歪素子や他の様々な振動を発生する部材を広く用いることができる。
【００４３】
また、反射層２２，２３を構成する材料及び保持部材２４，２５を構成する材料についても特に限定されるものではなく、上記音響インピーダンス値の関係を満たす限り任意の材料を用いることができる。
【００４４】
本願発明者らは、上記圧電共振子１において、反射層を構成する材料を種々異ならせ、圧電共振子１の共振周波数及び帯域幅の各変化率を測定した。結果を図７及び図８に示す。ここでは、圧電素子２を構成するセラミックス及び反射層３，４を構成するエポキシ樹脂を種々異ならせ、音響インピーダンスＺ2の規格化された値すなわち、比Ｚ2／Ｚ1を種々異ならせ、共振周波数変化率（％）及び比帯域変化率（％）を測定した。
【００４５】
図７及び図８から明らかなうに、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が０．２以下、好ましく０．１以下において、共振周波数の変化率が０．２％以下と非常に小さく０．１以下では、０．０１％以下と低いことがわかる。同様に、比帯域変化率についても、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が０．２以下で−１５％以下、０．１以下で−８％以下となることがわかる。
【００４６】
従って、好ましくは音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1は、０．２以下、より好ましくは０．１以下とされる。
また、本願発明者らは、反射層３，４及び保持部材５，６を構成する材料を異ならせ、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3を種々異ならせ、同様に圧電共振子１の周波数変化率（％）及び比帯域変化率（％）を測定した。結果を図９及び図１０に示す。
【００４７】
図９及び図１０から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3を０．２以下とすることにより、周波数変化率が０．２％以下、比帯域幅が−７％以下、さらに０．１以下とすることにより０．０５％以下、比帯域幅を−６％以下とし得ることがわかる。よって、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3は、好ましくは、０．２以下、より好ましくは０．１以下とされる。
【００４８】
また、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1を変化させて、圧電共振子１の共振周波数率及び比帯域変化率を測定した。結果を図１１及び図１２に示す。図１１及び図１２においては、反射層３，４を構成する材料として、エポキシ樹脂、セラミックスあるいはこれらに他の音響インピーダンス値を有する粉末を配合すること等により、音響インピーダンスＺ2が音響インピーダンスＺ1の１／１２８から任意の範囲で変化されている。
【００４９】
なお、図１１及び図１２における横軸は、反射層３，４の長さ方向寸法（圧電共振子１の長さ方向に沿う寸法）となる。反射層３，４の長さ方向寸法とは、言い換えれば、振動部材としての圧電素子２に連結されている反射層面と、振動部材５，６に連結されている反射層面とを結ぶ方向の寸法、すなわち、振動が反射面を伝播する方向の寸法である。
【００５０】
図１１及び図１２から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1がさらに小さく１／３２以下、より好ましくは１／６４以下の場合、反射層３，４の長さ方向寸法すなわち厚みがλ／４から若干変動したとしても、周波数変化率及び比帯域変化率があまり変動しないことがわかる。よって、好ましくは、Ｚ2／Ｚ1を１／３２以下、より好ましくは１／６４以下とすることにより、反射層３，４の長さ方向寸法の制約が少ないことがわかる。
【００５１】
もっとも、図１１及び図１２から明らかなようにＺ2／Ｚ1の値のいかんに関わらず、反射層３，４の長さ寸法がλ／４及びその近傍の場合には、圧電共振子１の周波数変化率及び比帯域幅変化率は非常に小さくなる。
【００５２】
また、上記反射層３，４の厚みと周波数変化率及び比帯域変化率との関係を、反射層３，４のより広い厚みにわたり調べた。結果を図１３及び１４にそれぞれを示す。従って、図１１〜図１４から明らかなように、好ましくは、反射層３，４長さ寸法はｎ・λ／４±（λ／８）（ｎは奇数）の範囲とされ、より好ましくは、λ／４及びその近傍とされる。
【００５３】
すなわち、圧電素子６２の反射層６５，６６が連結されている面の面積Ｓ1と、反射層６５，６６の圧電素子６２に連結されている部分の面積Ｓ2とは等しくされている。言い換えれば、Ｓ2／Ｓ1は１とされている。
【００５４】
図１６（ａ），(ｂ）は、本発明の第２の実施例の複合材料振動装置としての圧電共振子を示す斜視図及び部分切欠縦断面図である。
圧電共振子３１は、ストリップ状あるいは角棒状の圧電素子３２を有する。圧電素子３２は、長さモードの６倍波を利用した圧電素子である。本実施例の圧電共振子３１は、圧電素子２の代わりに圧電素子３２を用いたこと、並びに圧電素子３２を励振するための電極構造が異なっていることを除いては、第１の実施例の圧電共振子１と同様に構成されている。
【００５５】
圧電素子３２は、本実施例では、音響インピーダンス値２．６×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）のチタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミックスにより構成されている。
【００５６】
圧電素子３２では、長さモードの６倍波を励振するために、圧電素子３２の横断面方向に延びる６枚の励振電極３２ａ〜３２ｆが形成されている。言い換えれば、励振電極３２ａ〜２３ｆ間に５層の圧電層が存在するように、励振電極３２ａ〜３２ｆが互いに平行にかつ圧電共振子３２の横断面方向に位置するように形成されている。また、５層の圧電層は、長さ方向に一様に分極されている。
【００５７】
励振電極３２ａ，３２ｃ，３２ｅに電気的に接続されるように、端子電極３７が圧電共振子３１の上面に形成されている。圧電共振子３１の下面には、端子電極３８が形成されており、励振電極３２ｂ，３２ｄ，３２ｆに電気的に接続されている。
【００５８】
なお、励振電極３２ｂ，３２ｄ，３２ｆと端子電極３７との電気的絶縁を図るために、励振電極３２ｂ，３２ｄ，３２ｆの上端には、絶縁性材料３９ａ〜３９ｃが付与されている。同様に、励振電極３２ａ，３２ｃ，３２ｅと端子電極３８との電気的絶縁を果たすために、励振電極３２ａ，３２ｃ，３２ｅの下端には絶縁性材料３９ｄ〜３９ｆが配置されている。
【００５９】
反射層３３，３４は、圧電素子３２の長さ方向両端に位置されており、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1＝１／１６となるエポキシ樹脂により構成されている。反射層３３，３４の外側には、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3＝１／１６となるチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなる保持部材３５，３６が連結されている。
【００６０】
なお、端子電極３７，３８は、圧電共振子３１の対向し合う端面、すなわち保持部材３５，３６の外側端面３５ａ，３６ａに至るように形成されている。
本実施例においても、反射層３３，３４及び保持部材３５，３６の横断面形状は圧電素子３２と同一とされている。従って、圧電共振子３１は、角棒状の形状を有する。
【００６１】
第２の実施例のように、振動部材としての圧電素子３２は長さモードの高調波を利用したものであってもよい。
圧電共振子３１のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を図１８に示す。また、図１７に示すように、圧電共振子３１を実装基板４１上に導電性接着剤４２，４３を用いて、接合・固定した後のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を図１９に示す。図１８及び図１９において、実線が位相−周波数特性を、破線がインピーダンス−周波数特性をそれぞれ示す。
【００６２】
図１８及び図１９の比較から明らかなように、第２の実施例においても、実装基板４１に実装される前（すなわち圧電共振子３１単体）の特性と、実装基板４１に実装された後の特性がほとんど変わらないことがわかる。
【００６３】
従って、第２の実施例においても、保持部材３５，３６において、圧電共振子３１を機械的に保持したとしても、圧電素子３２の共振特性にほとんど影響が生じないことがわかる。
【００６４】
なお、図２０に分解斜視図で示すように、複数の圧電共振子３１を絶縁性接着剤５１，５２を介して接合し、実装基板５３上を実装してもよい。図２０に示す構造では、２つの圧電共振子３１，３１が接合され、かつフィルタ回路を構成するように電気的に接続される。２つの圧電共振子３１間の電気的接続は、実装基板５３上に形成された導電パターン５４ａ〜５４ｄにより果たされる。また、実装基板５３上には、金属キャップ５５が固定される。金属キャップ５５は、圧電共振子３１，３１を囲繞し、かつ封止するように絶縁性接着剤を用いて実装基板５３に固定される。図２０に示したフィルタ部品のように本発明に係る複合材料振動装置は、圧電共振子だけでなく、フィルタにも適用することができる。
【００６５】
図２１は、本発明の第３の実施例に係る圧電共振子を示す斜視図である。圧電共振子６１は、厚みすべりモードを利用した圧電素子６２を有する。圧電素子６２は、本実施例では、圧電セラミックスからなる矩形板状の形状を有し、上面に励振電極６３が、下面に励振電極６４が形成されている。圧電素子６２は、その長さ方向に分極処理されている。励振電極６３，６４から交流電圧を印加することにより、圧電素子６２が厚みすべりモードで励振される。
【００６６】
なお、従来の厚みすべりモードを利用したエネルギー閉じ込め型の圧電共振子２０１（図４４参照）とは異なり、圧電素子６２では、上面及び下面の全面に励振電極６３，６４が形成されている。従って、圧電素子６２は、エネルギー閉じ込め型の圧電共振子ではない。
【００６７】
もっとも、圧電素子６２の長さ方向両側には、第１の実施例と同様に反射層６５，６６及び保持部材６７，６８が連結されている。なお、反射層６５，６６の厚み、すなわち圧電素子６２と保持部材６７，６８とを結ぶ方向の寸法は、伝播してきた振動の波長をλとしたときに約λ／４とされている。そして、共振電極６３，６４は、端子電極６９，７０に連ねられている。端子電極７０，６９は、圧電共振子６２の端面、すなわち保持部材６７，６８の外側端面６７ａ，６８ａに至るように形成されている。
【００６８】
本実施例の圧電共振子６１では、圧電素子６２は、エネルギー閉じ込め型ではないが、反射層６５，６６及び保持部材６７，６８が第１の実施例と同様に構成されている。
【００６９】
すなわち、圧電素子６２の反射層６５，６６が連結されている面の面積Ｓ1と、反射層６５，６６の圧電素子６２に連結されている部分の面積Ｓ2とは等しくされている。言い換えれば、Ｓ2／Ｓ1は１とされている。
【００７０】
また、圧電素子６２の音響インピーダンス値Ｚ1と、反射層６５，６６の音響インピーダンス値Ｚ2と、保持部材６７，６８の音響インピーダンス値Ｚ3が第１の実施例と同様に選ばれているため、圧電素子６２から長さ方向に伝播した振動は、反射層６５，６６と保持部材６７，６８の界面で反射される。従って、第１の実施例と同様に保持部材６７，６８により機械的に支持したとしても、圧電素子６２の共振特性にほとんど影響が生じない。このように、厚みすべりモードを利用した場合であっても、本発明を利用することにより、振動減衰部をなくすことができ、厚みすべりモードを利用した圧電共振子の小型化を図ることができる。
【００７１】
すなわち、反射層６５，６６の厚み（共振６１の長さ方向に沿う寸法）はλ／４程度でよいため、従来のエネルギー閉じ込め型の圧電共振子２０１のような大きな振動減衰部を必要としない。また、保持部材６７，６８は、その圧電共振子６１の長さ方向に沿う寸法は非常に小さくてよく、上記反射面を構成するだけでよいため、圧電共振子６１は、圧電共振子２０１に比べてその長さ寸法を小さくすることができる。
【００７２】
本実施例の圧電共振子６１の周波数特性、並びに図２２に示すように実装基板７１上に圧電共振子６１を導電性接着剤７２，７３を用いて固定した状態の周波数特性は、ほとんど変わらなかった。図２３の破線はインピーダンス−周波数特性を、実線は位相−周波数特性を示し、図２３では実装基板７１に実装された後の特性が示されているが、実装前の特性もほとんど変わらないため図示を省略する。本発明に係る複合材料振動装置としての圧電共振子については、第１〜第３の実施例で利用した振動モードを利用したものに限らず、振動部材としての圧電素子の振動モードは特に限定されない。
【００７３】
図２４は、本発明に係る複合材料振動装置としての圧電共振子の変形例を示す略図的断面図である。図２４に示した圧電共振子８１では、厚み縦振動を利用した矩形板状の圧電素子８２が用いられている。圧電素子８２の上面及び下面には、圧電素子８２を介して対向するように励振電極８３，８４が形成されている。圧電素子８２の上面及び下面には、反射層８５，８６を介して保持部材としてのセラミック板８７，８８が積層されている。また、励振電極８３，８４に電気的に接続される端子電極８９，９０がそれぞれ圧電共振子８１の外表面に形成されている。
【００７４】
圧電素子８２のように、厚み縦振動モードを利用した圧電素子を本発明における振動部材として用いてもよい。また、圧電共振子８１のように圧電素子８２の上下に反射層８３，８４及び保持部材８７，８８を積層してもよい。
【００７５】
さらに、図２５に示す圧電共振子９１のように、積層型の厚み縦振動モードを利用した圧電共振子にも本発明を適用することができる。ここでは、圧電素子９２は、励振電極９３，９４に加えて、圧電素子９２内に構成された内部電極９５，９６を有する。従って、厚み縦振動の高調波を利用した圧電素子９２が構成されている。圧電素子９２の上下には、圧電共振子８１と同様に、反射層８３，８４及び保持部材８７，８８が積層されている。
【００７６】
また、本発明における複合材料振動装置において、振動部材の振動方向をＡ、振動部材における振動伝播方向をＢ、反射層における振動伝播方向をＣとしたとき、方向Ａ〜方向Ｃの組み合わせは適宜変形され得る。
【００７７】
すなわち、図２６（ａ）〜（ｃ）に示す圧電共振子１０１〜１０３のように、方向Ａと方向Ｂとが平行であり、方向Ｂと方向Ｃが直交されるように配置されていてもよい。なお、図２６（ａ）〜（ｃ）は、いずれも長さ振動を利用した圧電共振子であり、各圧電素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃそれぞれ、図示の矢印方向に分極処理されている。また、１０４ａは反射層、１０４ｂは保持部材を示す。
【００７８】
図２６（ａ）〜（ｃ）に示す圧電共振子１０１〜１０３では、圧電素子１０１ａ〜１０１ｃの下面が反射層に連結される面であり、該下面の面積をＳ1としたとき、反射層１０４ａ，１０４ｂの圧電素子１０１ａ〜１０１ｃに連結されている面の面積Ｓ2は、Ｓ1よりも小さくされている。
【００７９】
すなわち、本発明においては、振動部材における振動伝播方向に対して垂直に反射層を配置してもよい。このような構造の有限要素法による変位分布を解析した結果を図２７に示す。図２７では、振動部材として、音響インピーダンス値Ｚ1が３．０×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）の圧電セラミックスからなり、長さＬ1が０．９８ｍｍ、共振子周波数が２ＭＨｚである長さモードを利用した圧電素子１０６が構成されている。この圧電素子１０６の側面に、すなわち、圧電素子１０６の振動伝播方向に対して直交する方向に反射層１０７，１０８が配置されている。圧電素子１０６の側面の面積Ｓ1は０．２９４ｍｍ2である。反射層１０７，１０８は、音響インピーダンス値Ｚ2が１．８７×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓ）、厚み（圧電素子１０６と反射層１０７，１０８との界面から反射層１０７，１０８の反対側の面に至る方向の寸法）が０．１５ｍｍとされており、かつ反射層１０７，１０８の圧電素子１０６に連結されている部分の面積Ｓ2は０．０８４ｍｍ2とされている。保持部材１０９，１１０は、音響インピーダンスＺ3＝３．０×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）のチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなり、上記反射層１０７，１０８に連結されている。
【００８０】
図２７から明らかなように、圧電共振子１０５においても、保持部材１０９，１１０にほとんど振動が漏洩していないことがわかる。
従って、本発明に係る複合材料振動装置においては、振動部材における振動伝播方向に対して直交する方向に反射層が連結されていてもよい。このような例は、前述した図２６（ａ）〜（ｃ）に示した圧電共振子１０１〜１０３において具現化されている。
【００８１】
また、図２８（ａ），(ｂ）に略図的に示す圧電共振子１１１，１１２のように、厚み縦振動モードを利用した圧電素子１１１ａ，１１２ａの振動伝播方向（矢印で示されている分極方向と平行）と直交する方向に反射層１１３，１１４を配置してもよい。なお、図２８（ｂ）に示す圧電素子１１２ａは内部電極を有する積層型の厚み縦振動を利用した圧電共振素子である。
【００８２】
図２８（ａ），(ｂ）では、厚み縦振動を利用した圧電素子１１１ａ，１１２ａの両側に、圧電素子１１１ａ，１１２ａにおける振動伝播方向と直交する方向に反射層１１３，１１４が配置されている。また、反射層１１３，１１４が圧電素子１１１ａ，１１２ａと結合されている面とは反対側の面に、保持部材１１５，１１６が連結されている。
【００８３】
さらに、本発明に係る複合材料振動装置では、図２９に示す圧電共振子１１７のように、振動部材における振動変位方向と振動部材における振動伝播方向とが直交し、かつ振動部材における振動伝播方向と反射層における振動伝播方向が平行であってもよい。圧電共振子１１７では、圧電素子１１７ａが備えられている。圧電素子１１７ａは、圧電セラミックスの両主面に励振電極１１８，１１９を形成した構造を有し、図２９における紙面−紙背方向に分極処理されている。従って、圧電素子１１７ａは、厚み捩れ振動モードを利用した圧電素子である。この圧電素子１１７ａの外側に反射層１１３，１１４及び保持部材１１５，１１６が連結されている。
【００８４】
図２６〜図２９及び後述の図３１（ａ）〜（ｃ）から明らかなように、本発明において、振動部材の振動変位方向と、振動部材における振動伝播方向と、反射層における振動伝播方向とは様々な関係に構成することができ、いずれの場合にも、上述した音響インピーダンスＺ1〜Ｚ3が上記特定の関係を満たす限り、第１の実施例と同様に、圧電素子の共振特性に影響を与えることなく、保持部材において圧電共振子を機械的に保持することができる。
【００８５】
また、本発明は、圧電効果を利用した他の共振子やフィルタ、例えば表面波装置にも適用することができる。図３０は、本発明に係る複合材料振動装置の第４の実施例としての表面波共振子を示す平面図である。表面波共振子１２１では、矩形板状の圧電基板１２２上に、第１，第２のインターデジタルトランスデューサー（ＩＤＴ）１２３，１２４が表面波伝播方向において隔てられて配置されている。そして、圧電板１２２の表面波伝播方向外側に、第１，第２の反射層１２５，１２６が結合されており、反射層１２５，１２６の外側にセラミック板からなる保持部材１２７，１２８が連結されている。ここでは、圧電板１２２の音響インピーダンス値Ｚ1、反射層１２５，１２６の音響インピーダンス値Ｚ2及び保持部材１２７，１２８の音響インピーダンスＺ3が第１の実施例と同様に選択されており、面積比Ｓ2／Ｓ1＝１であるので、反射層１２５，１２６の保持部材１２７，１２８との界面で表面波が反射され、表面波共振子として動作させることができる。従って、反射器を省略することができるので、表面波共振子の小型化を図ることができる。
【００８６】
図３１（ａ）〜（ｃ）に示す圧電共振子１３１〜１３３は、それぞれ、振動部材の振動変位方向Ａと振動部材における振動伝播方向Ｂと、反射層における振動伝播方向Ｃとが互いに直交する関係にある圧電共振子を示す各略図的断面図である。
【００８７】
圧電共振子１３１では、厚みすべりモードを利用した圧電素子１３４が用いられている。ここでは、圧電素子１３４は、図示の矢印方向に分極処理されており、励振電極１３５，１３６を有し、振動変位方向Ａは励振電極に平行な成分もあるが、垂直な成分もあるものとなり、圧電素子１３４における振動伝播方向Ｂは励振電極１３５，１３６と平行な方向とされている。これに対して反射層１３７，１３８は、圧電素子１３４の下面に連結されており、該反射層１３７，１３８における振動伝播方向は圧電素子１３４における振動伝播方向と直交されている。保持部材１３９ａ，１３９ｂは、反射層１３７，１３８の圧電素子１３４と連結されている面と反対側の面に連結されている。
【００８８】
図３１（ｂ）では、保持部材１４０が用いられており、該保持部材１４０は図３１（ａ）の保持部材１３９ａ，１３９ｂを連結し、一体化した構造に相当する。
【００８９】
このように、反射層の外側に設けられる保持部材は、第１，第２の反射層の双方に連結されていてもよい。
【００９０】
図３１（ｃ）に示す圧電共振子１３３では厚み捩れ振動を利用した圧電素子１４１が用いられている。その他の点については、図３１（ａ）に示した圧電共振子１と同様である。
【００９１】
上述してきたように、本発明に係る複合材料振動装置では、振動部材として、様々な振動モードを利用した圧電素子を用いることができるが、圧電素子に代えて、電歪効果素子を用いてもよい。さらに、圧電素子や電歪素子等の電気機械結合変換素子に限らず、様々な振動を発生させる振動源を、本発明に係る複合材料振動装置の振動部材として用いることができる。
【００９２】
また、本発明において、振動部材、反射層及び保持部材の連結関係は、上述した各実施例及び変形例に限定されない。例えば、図３２（ａ），(ｂ），(ｃ）及び図３３に示すように、複数の振動部材を用いた複合材料振動装置も構成することができる。
【００９３】
図３２（ａ）に示す複合材料振動装置では、第１，第２の振動部材１５１，１５２が反射層１５３を介して連結されており、第１，第２の振動部材１５１，１５２の各外側に反射層１５４，１５５及び保持部材１５６，１５７が連結されている。ここでは、反射層１５５，１５６が本発明における第１，第２の反射層を構成し、保持部材１５６，１５７が本発明における第１，第２の保持部材を構成している。そして、第１，第２の振動部材１５１，１５２が反射層１５３で連結している構造を、本発明における複合材料振動装置の１つの振動部材と把握することができる。また、第１，第２の振動部材１５１，１５２は、反射層１５３を介して連結されているので、第１の振動部材から反射層１５３側に伝播した振動は、反射層１５３と第２の振動部材１５２との界面で反射され、逆に、振動部材１５２から反射層１５３側に伝播した振動は、反射層１５３と第１の振動部材１５１との界面で反射される。
【００９４】
図３２（ｂ）に示す複合材料振動装置では、振動部材１６１の両側に第１，第２の反射層１６２，１６３が連結されており、第１，第２の反射層１６２，１６３の外側に保持部材１６４，１６５が連結されている。すなわち、ここまでは、第１の実施例と同様の構造である。異なるところは、第２の保持部材１６５の外側に、第３の反射層１６６、第２の振動部材１６７、第４の反射層１６８、及び第３の保持部材１６９がこの順序で連結されていることにある。ここでは、第２の振動部材１６９で生じた振動が、反射層１６６，１６８と保持部材１６５，１６９との界面により反射される。すなわち、第１の実施例の複合材料振動装置を２個用意し、両者の一方の保持部材を兼ねることにより、２個の複合材料振動装置が連結されている構造に相当する。
【００９５】
図３３に示す複合材料振動装置１７１では、第１の実施例と同様にして構成された複合材料振動装置１７２，１７３が、反射層１７４を介して連結されている。
【００９６】
また、図３２（ｃ）に示すように、振動部材１８１の両側に反射層１８２，１８３及び保持部材１８４，１８５を連結した構造のさらに各保持部材１８４，１８５の外側に、反射層１８６，１８７，保持部材１８８，１８９を連結してもよい。
【００９７】
図３４は、本発明のさらに他の実施例の複合材料振動装置としての厚み滑りモードを利用した圧電共振子を示す斜視図である。
圧電共振子３０１は、振動部材としての厚み滑りモードを利用した圧電素子３０２と、圧電素子３０２の一端に連結された反射層３０３と、反射層３０３の外側に連結された保持部材３０４とを有する。
【００９８】
圧電素子３０２は、圧電体３０２ａを有する。圧電体３０２ａは、ストリップ状の形状を有し、長さ方向に分極処理されている。圧電体３０２ａの上面及び下面には、励振電極３０２ｂ，３０２ｃが形成されている。励振電極３０２ｂ，３０２ｃ間に交流電圧を印加することにより、圧電素子３０２は厚み滑りモードで共振される。
【００９９】
他方、励振電極３０２ｂ，３０２ｃに連なるように、引出電極３０２ｄ，３０２ｅが、反射層３０３及び保持部材３０４の上面及び下面に至るように形成されている。
【０１００】
本実施例においても、反射層３０３が連結されている圧電素子３０２の端面３０２ｆの面積をＳ1、反射層３０３の圧電素子３０２に連結されている面の面積をＳ2としたとき、Ｓ2／Ｓ1が１とされている。すなわち、圧電素子３０２の横断面形状と、該横断面に平行な反射層３０３の圧電素子３０２に連結されている面とは同じ形状とされている。ここで、圧電素子３０２は、チタン酸鉛系セラミックスからなり、その音響インピーダンスＺ1は３．４×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）である。
【０１０１】
他方、反射層３０３は、音響インピーダンスが１．８７×１０6ｋｇ／（ｍ2・ｓ）であるエポキシ樹脂により構成されている。また、保持部材３０４は、音響インピーダンスが３．４×１０7ｋｇ／（ｍ2・ｓ）であるセラミックスにより構成されている。
【０１０２】
本実施例の圧電共振子３０１において、圧電素子３０２の長さすなわち分極方向に沿う寸法を０．７５ｍｍ、共振周波数を４．０ＭＨｚ、反射層３０３の厚みすなわち圧電素子３０２の長さ方向に沿う寸法を０．０８ｍｍ、保持部材３０４の長さを０．０４ｍｍとし、上記圧電共振子３０１の変位状態を有限要素法で解析した。結果を図３５に示す。
【０１０３】
図３５から明らかなように、保持部材３０４においては変位がほとんど生じていない。従って、圧電素子３０２の共振特性に影響を与えることなく保持部材３０４を利用して圧電共振子３０１を支持し得ることがわかる。すなわち、図１に示した実施例と同様に、反射層３０３において圧電素子３０２から伝播してきた振動が反射され、保持部材３０４にはほとんど振動が伝播しないためと考えられる。
【０１０４】
本実施例からも明らかなように、本発明においては、反射層及び保持部材は、振動部材の一方側にのみ設けられていてもよい。
【０１０５】
図３６は、上記のようにして構成された圧電共振子のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す。なお、実線がインピーダンス−周波数特性を、破線が位相−周波数特性を示す。なお、図３６の縦軸の１．Ｅ＋Ｏｎは、１×１０nであることを示し、例えば、１．Ｅ＋０２は、１×１０2であることを示す。
【０１０６】
上記圧電共振子３０１では、厚み滑りモードを利用した圧電素子３０２が設けられていたが、図３７に示すように、厚み縦振動モードを利用した圧電素子３１２を用いてもよい。図３７に示す圧電共振子３１１では、厚み縦振動モードを利用した圧電素子３１２の下面に反射層３１３が設けられており、反射層３１３の下面に保持部材３１４が積層されている。
【０１０７】
このように、圧電素子３１２の一方面側にのみ反射層及び保持部材３１４を設けた構成では、両面に反射層及び保持部材を設けた構造に比べて薄型化を進めることができる。
【０１０８】
図３８〜図４３は、図３４に示した実施例と同様に、振動部材の片側にのみ反射層及び保持部材が設けられた複合材料振動装置の各変形例を示す。
図３８（ａ）に示す構造では、長さ振動モードを利用した圧電素子３２２の長さ方向一端側に反射層３２３及び保持部材３２４が設けられている。このように、長さモードを利用した圧電素子３２２を用いても、上記実施例の圧電共振子３０１と同様に構成することができる。
【０１０９】
図３８（ｂ）は、長さ振動モードを利用した積層型の圧電素子３３２を有する。すなわち、圧電素子３３２の長さ方向一端に反射層３３３及び保持部材３３４が設けられている。言い換えれば、図３８（ｂ）に示した圧電共振子３３１は、図１６に示した圧電共振子３１の片側の反射層及び保持部材を除去した構造に相当する。
【０１１０】
また、図３９（ａ）は、図３７に示した変形例の圧電共振子の正面断面図である。
図３９（ｂ）は、図３７及び図３９（ａ）に示した圧電共振子を積層型の厚み縦圧電共振子に変更した例を示す。また、複数の励振電極３４２ａ〜３４２ｄがセラミック層を介して重なり合うように配置されて、厚み縦振動モードの積層型の圧電素子３３２が構成されている。
【０１１１】
図３８（ａ）〜図３９（ｂ）に示す各圧電共振子では、いずれも、振動部である圧電素子における振動変位方向と、圧電素子における振動伝播方向と、反射層における振動伝播方向が平行とされている例に相当する。
【０１１２】
次に、振動部の振動変位方向と、振動部における振動伝播方向とが平行であり、これらの方向に対して反射層における振動伝播方向が直交する方向とされている変形例を図４０及び図４１に示す。
【０１１３】
図４０（ａ）に示す圧電共振子３５１では、長さ振動モードを利用した圧電素子３５２の長さ方向一端側において、圧電素子３５２の下面に反射層３５３が連結されており、該反射層３５３の下面に保持部材３５４が連結されている。これらは、反射層における振動伝播方向が、圧電素子３５２における振動変位方向及び振動伝播方向と直交する方向とされている場合であっても、上記実施例と同様に、保持部材３５４への振動の伝播を反射層３５３で振動を反射させることにより抑制することができる。
【０１１４】
図４０（ｂ）は、圧電素子３６２が積層型の長さ振動モードを利用した圧電共振子であることを除いては、圧電共振子３５１と同様に構成されている。
また、図４１（ａ）に示す圧電共振子３７１では、厚み縦振動モードを利用した圧電素子３７２の一方の側面に、反射層３７３及び保持部材３７４が連結されている。この場合においても、反射層３７３により圧電素子３７２から伝播してきた振動が反射され、保持部材３７４への振動の伝播を抑制することができる。また、図４１（ｂ）に示すように、厚み縦モードを利用した圧電素子は、複数の励振電極３９２ａ〜３９２ｄを有する積層型の圧電素子３９２であってもよい。
【０１１５】
次に、振動部材の振動変位方向に対して、振動部材における振動伝播方向が直交しており、振動部材における振動伝播方向と反射器における振動伝播方向が平行である変形例を図４２に示す。
【０１１６】
図４２（ａ）に示す圧電共振子４０１では、厚み滑りモードを利用した圧電素子４０２の長さ方向一端に反射層４０３及び保持部材４０４が連結されている。また、図４２（ｂ）に示す圧電共振子４１１では、厚み捩れ振動を利用した圧電素子４１２の長さ方向一端に反射層４１３及び保持部材４１４が連結されている。
【０１１７】
さらに、振動部材の振動変位方向と振動部材における振動伝播方向が直交しており、振動部材における振動伝播方向と反射器における振動伝播方向が直交されている構造であってもよく、このような構造の例としては、図４３（ａ）及び（ｂ）に示す圧電共振子４２１，４３１が挙げられる。圧電共振子４２１では、厚み滑りモードを利用した圧電共振子４２２の下面において、長さ方向一端側に反射層４２３が連結されており、反射層４２３の下面に保持部材４２４が連結されている。また、図４３（ｂ）に示す圧電共振子４３１では、厚み捩れ振動を利用した圧電共振子４３２の下面において、その一端側近傍に反射層４３３及び保持部材４３４が積層されている。
【０１１８】
図４３（ａ）及び（ｂ）に示すように、振動部材の振動変位方向と振動部材における振動伝播方向が直交しており、振動部材における振動伝播方向と反射層における振動伝播方向が直交されている場合でも、図３４に示した実施例と同様に、反射層の存在により、圧電素子の共振特性に影響を与えることなく保持部材により機械的に圧電共振子を保持することができる。
【０１１９】
【発明の効果】
本発明のある広い局面で提供される複合材料振動装置では、振動発生源の両側に第１，第２の反射層が連結されており、第１、第２の反射層の振動部材が連結されている側とは反対側に第１，第２の保持部材が連結されており、反射層の音響インピーダンス値Ｚ2が振動部材及び保持部材の音響インピーダンス値Ｚ1，Ｚ3よりも低くされており、面積比Ｓ2／Ｓ1が１以下とされているので、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ほぼ確実に反射される。従って、振動部材の振動特性に影響を与えることなく、第１，第２の保持部材により機械的に支持することができる。
【０１２０】
本発明の別の広い局面により提供される複合材料振動装置においても、反射層の音響インピーダンス値Ｚ2が振動部材及び保持部材の音響インピーダンス値Ｚ1，Ｚ3よりも低くされており、面積Ｓ2／Ｓ1が１以下とされているので、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ほぼ確実に反射される。従って、振動部材の振動特性に影響を与えることなく、保持部材において複合材料振動装置を機械的に支持することができる。また、この場合には、反射層及び保持部材が振動部材の一方側にのみ設けられているため、複合材料振動装置の小型化を図ることができる。
【０１２１】
本発明では、上記振動部材に対して反射層及び保持部材を上記のように連結して反射層と保持部材との界面において反射層に伝播してきた振動が反射されるので、振動部材の振動モードや具体的な構造については特に限定されない。従って、例えば、圧電振動素子を振動部材として用いる場合、長さ振動モード、屈曲振動モード、拡がりモード等様々な振動モードを利用することができ、従来エネルギー閉じ込め型圧電振動素子を構成することができなかった振動モードを利用して、バネ端子等の複雑な支持構造を必要とすることなく支持され得る複合材料振動装置を構成することができる。
【０１２２】
また、従来のエネルギー閉じ込め型厚みすべりモードを利用した圧電共振子等でも、比較的大きな面積の振動減衰部を構成しなければならなかったのに対し、本発明に係る複合材料振動装置ではこのような振動減衰部を必要としない。従って、振動モードを用いた場合、従来のエネルギー閉じ込め型の圧電振動素子に比べて、本発明を利用することにより、より小型の圧電共振子や圧電フィルタを提供することができる。
【０１２３】
音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が０．２以下である場合には、振動部材における振動特性への影響をほとんど与えることなく複合材料振動装置を保持部材において支持することができ、同様に、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3が０．２以下の場合にも、保持部材により機械的に支持したとしても振動部材の振動特性へのより一層小さくすることができる。
【０１２４】
第１及び／または第２の保持部材の第１，第２の反射層が連結されている側とは反対側に、第３の反射層、第２の振動部材、第４の反射層及び第３の保持部材がこの順序で連結されている場合には、本発明に従って、２つの振動部材を用いたフィルタ等を容易に構成することができる。また、第１の保持部材、第１の反射層、第１の振動部材、第２の反射層、第２の振動部材、第３の反射層及び第２の保持部材がこの順序で連結されている複合材料振動装置においても、本発明に従って、第１，第２の振動部材の振動特性に影響を与えることなく、第１，第２の保持部材により機械的に支持することができるので、様々な振動モードを利用した小型の圧電フィルタや複合圧電共振部品等を提供することができる。
【０１２５】
本発明において、反射層の振動部材との界面から反射層と保持部材との界面までの距離を、伝播されてきた振動の波長をλとしたとき、ｎ・λ／４±λ／８の範囲とした場合には、保持部材による機械的支持を行なった場合の振動部材の振動特性の影響をより一層軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ），(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子を示す斜視図及び縦断面図。
【図２】  図１に示した圧電共振子の有限要素法で解析された変位分布を示す模式的縦断面図。
【図３】  第１の実施例に係る圧電共振子を実装基板に実装した状態を示す斜視図。
【図４】  第１の実施例に係る圧電共振子の実装基板に実装する前の共振特性を示す図。
【図５】  第１の実施例に係る圧電共振子の実装基板に実装した後の共振特性を示す図。
【図６】  本発明に係る複合材料振動装置の概略構成図。
【図７】  第１の実施例の圧電共振子における音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1と共振周波数変化率との関係を示す図。
【図８】  第１の実施例の圧電共振子における音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1と比帯域変化率との関係を示す図。
【図９】  第１の実施例の圧電共振子における音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3と共振周波数変化率との関係を示す図。
【図１０】  第１の実施例の圧電共振子における音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3と比帯域変化率との関係を示す図。
【図１１】  様々な音響インピーダンスの反射層を用いた場合の反射層の圧電共振子の長さ方向に沿う寸法と共振子周波数変化率との関係を示す図。
【図１２】  様々な音響インピーダンスの反射層を用いた場合の反射層の圧電共振子の長さ方向に沿う寸法と比帯域変化率との関係を示す図。
【図１３】  反射層の厚み、すなわち圧電共振子の長さ方向に沿う寸法を変化させた場合の周波数変化率を示す図。
【図１４】  反射層の厚み、すなわち圧電共振子の長さ方向に沿う寸法を変化させた場合の比帯域変化率を示す図。
【図１５】  振動部材の反射層が連結されている面の面積をＳ1、反射層の振動部材に連結されている面の面積をＳ2としたときに、面積比Ｓ2／Ｓ1を変化させた場合の共振周波数変化率を示す図。
【図１６】  （ａ），(ｂ）は、本発明の第２の実施例としての圧電共振子の斜視図及び部分切欠断面縦断面図。
【図１７】  第２の実施例の圧電共振子を実装基板上に実装した状態を示す斜視図。
【図１８】  第２の実施例の圧電共振子を実装基板に実装する前の状態の共振特性を示す図。
【図１９】  第２の実施例の圧電共振子を実装基板に実装した後の状態の共振特性を示す図。
【図２０】  ２個の圧電共振子を用いたフィルタ部品としての応用例を説明するための分解斜視図。
【図２１】  本発明に係る複合材料振動装置の第３の実施例としての厚みすべりモードを利用した圧電共振子を示す斜視図。
【図２２】  第３の実施例の圧電共振子を実装基板に実装した状態を示す斜視図。
【図２３】  第３の実施例の圧電共振子を実装基板に実装した状態の共振特性を示す図。
【図２４】  本発明の複合材料振動装置の変形例としての厚み縦振動を利用した圧電共振子を示す略図的断面図。
【図２５】  本発明に係る複合材料振動装置の他の変形例としての積層型の厚み縦振動モードを利用した圧電共振子を説明するための略図的断面図。
【図２６】  （ａ）〜（ｃ）は、本発明に従って構成された長さモードを利用した圧電共振子の各変形例を示す略図的断面図。
【図２７】  本発明において、長さモードを利用した圧電素子の振動伝播方向に対して直交する方向に反射層を配置した構成の有元要素法により解析された変位分布を示す図。
【図２８】  （ａ），(ｂ）は、本発明に従って構成されており、厚み縦振動を利用した圧電素子の両側に反射層及び保持部材が連結されてなる圧電共振子の各変形例を示す略図的断面図。
【図２９】  本発明に従って構成された複合材料振動装置であって、振動部材として厚みねじれモードを利用した圧電素子を有する圧電共振子の略図的断面図。
【図３０】  本発明に係る複合材料振動装置の他の変形例としての表面波共振子を示す平面図である。
【図３１】  （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る複合材料振動装置の変形例としての厚みすべりモードを利用した各圧電共振子を示す略図的断面図。
【図３２】  （ａ）〜（ｃ）は、本発明に係る複合材料振動装置の概略ブロック図であり、それぞれ、第１，第２の振動部材を有する複合材料振動装置の変形例を示す。
【図３３】  第１、第２の振動部材を有する本発明に係る複合材料振動装置の他の例を示す概略ブロック図。
【図３４】  本発明の第４の実施例に係る複合材料振動装置の斜視図。
【図３５】  図３４に示した複合材料振動装置における有限要素法で解析された変位分布を示す模式的縦断面図。
【図３６】  第４の実施例の圧電共振子のインピーダンス−周波数特性及び位相−周波数特性を示す図。
【図３７】  第４の実施例のある変形例に係る厚み縦圧電共振子を示す斜視図。
【図３８】  （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の変形例を示す縦断面図。
【図３９】  （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の変形例を示す各正面断面図。
【図４０】  （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の変形例を示す縦断面図。
【図４１】  （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の変形例を示す各正面断面図。
【図４２】  （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の変形例を示す縦断面図。
【図４３】  （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の変形例を示す各正面断面図。
【図４４】  従来のエネルギー閉じ込め型圧電共振子を基板上に実装した状態を説明するための略図的部分切欠縦断面図。
【図４５】  従来のバルク型音波フィルタの一例を示す縦断面図。
【符号の説明】
１…圧電共振子（複合材料振動装置）
２…圧電素子
３，４…第１，第２の反射層
５，６…第１，第２の保持部材
７，８…励振電極
９，１０…端子電極
３１…圧電共振子（複合材料振動装置）
３２…圧電素子（複合材料振動装置）
３３，３４…第１，第２の反射層
３５，３６…第１，第２の保持部材
６１…圧電共振子（複合材料振動装置）
６２…圧電素子
６５，６６…反射層
６７，６８…保持部材
８１…圧電共振子
８２…圧電素子
８５，８６…反射層
８７，８８…保持部材
９１…圧電共振子
９２…圧電素子
１０１〜１０３…圧電共振子
１０４…圧電素子
１０５，１０６…反射層
１０７，１０８…保持部材
１１１，１１２…圧電共振子
１１１ａ，１１２ａ…圧電素子
１１３…圧電共振子
１１３ａ…圧電素子
１１５，１１６…反射層
１１７，１１８…保持部材
１２１…表面波共振子
１２２…圧電板
１２５，１２６…反射層
１２７，１２８…保持部材
１５１，１５２…振動部材
１５３…反射層
１５４，１５５…反射層
１５６，１５７…保持部材
１６１…第１の振動部材
１６２，１６３…第１，第２の反射層
１６４，１６５…第１，第２の保持部材
１６６…反射層
１６７…振動部材
１６８…反射層
１６９…保持部材
１７１…複合材料振動装置
１７２，１７３…複合材料振動装置
１７４…反射層
３０１…圧電共振子
３０２…圧電素子
３０３…反射層
３０４…保持部材
３１１…圧電共振子
３１２…圧電素子
３１３…反射層
３１４…保持部材
３２１…圧電共振子
３２２…圧電素子
３２３…反射層
３２４…保持部材
３３１…圧電共振子
３３２…圧電素子
３３３…反射層
３３４…保持部材
３４２ａ〜３４２ｄ…励振電極
３５１…圧電共振子
３５２…圧電素子
３５３…反射層
３５４…保持部材
３６２…圧電素子
３７１…圧電共振子
３７２…圧電素子
３７３…反射層
３７４…保持部材
４２１…圧電共振子
４２２…圧電共振子
４３１…圧電共振子
４３２…圧電共振子
４３３…反射層
４３４…保持部材
【図１】
0003888136.tif 000002
【図２】
0003888136.tif 000003
【図３】
0003888136.tif 000004
【図４】
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【図５】
0003888136.tif 000006
【図６】
0003888136.tif 000007
【図７】
0003888136.tif 000008
【図８】
0003888136.tif 000009
【図９】
0003888136.tif 000010
【図１０】
0003888136.tif 000011
【図１１】
0003888136.tif 000012
【図１２】
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【図１３】
0003888136.tif 000014
【図１４】
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【図１５】
0003888136.tif 000016
【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0003888136.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0003888136.tif 000029
【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
0003888136.tif 000036
【図３６】
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【図３７】
0003888136.tif 000038
【図３８】
0003888136.tif 000039
【図３９】
0003888136.tif 000040
【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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