複合材料振動装置
【課題】 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。
【解決手段】 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とが逆極性とされており、あるいはＹとＸとが同極性かつＹがＸの３％以下とされている、あるいはＹ＝約０とされている複合材料振動装置１。
【解決手段】 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とが逆極性とされており、あるいはＹとＸとが同極性かつＹがＸの３％以下とされている、あるいはＹ＝約０とされている複合材料振動装置１。
【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【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。
【００１２】
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。
【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。
【課題を解決するための手段】
【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。
【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。
【発明の効果】
【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。
【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。
【００２１】
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。
【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、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。
【００２３】
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。
【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。
【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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
【数１】
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【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。
【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。
【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。
【図４】（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。
【図５】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。
【図６】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。
【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。
【符号の説明】
【００７４】
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
【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。
【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。
【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。
【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】
【発明が解決しようとする課題】
【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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【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。
【００１２】
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。
【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。
【課題を解決するための手段】
【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。
【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。
【発明の効果】
【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。
【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。
【００２１】
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。
【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、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。
【００２３】
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。
【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。
【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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
【数１】
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【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。
【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。
【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。
【図４】（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。
【図５】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。
【図６】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。
【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。
【符号の説明】
【００７４】
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
【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。
【請求項２】
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。
【請求項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。
【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１】
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。
【請求項２】
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。
【請求項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。
【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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−７２１５６（Ｐ２００８−７２１５６Ａ）
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３５０１６５（Ｐ２００４−３５０１６５）
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年３月２７日（２００８．３．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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