JP3937921B2 - 複合材料振動装置 - Google Patents
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Description
【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、特開平１０−２７０９７９号公報には、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１３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】
【発明が解決しようとする課題】
図１３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。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の目的は、上述した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、小型であり、特に低背化に適してた安価な複合材料振動装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る複合材料振動装置は、第１の音響インピーダンス値Ｚ1を有する材料を用いて構成されており、振動発生源となる振動部材と、前記第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少なくとも３方向の外側の面にそれぞれ連結された少なくとも３つの反射層と、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、前記各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保持部材とを備え、前記第２の音響インピーダンス値Ｚ 2 の第１の音響インピーダンス値Ｚ 1 に対する比Ｚ 2 ／Ｚ 1 が０．２以下であり、かつ前記第２の音響インピーダンス値Ｚ 2 の第３の音響インピーダンス値Ｚ 3 に対する比Ｚ 2 ／Ｚ 3 が０．２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ている、複合材料振動装置である。
【００１３】
本発明では、振動部材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、比較的簡単な構造で、振動部材の振動を妨げなることなく、保持部材により保持することができる。しかも、上記反射層及び保持部材が、振動部材の外側の少なくとも３方向に配置されているため、少なくとも３方向のいずれかの方向に位置する複合材料振動装置の外表面を利用して保持することができる。
【００１６】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の特定の局面では、振動部材から反射層内を保持部材に向けて進行し、前述した界面で反射される反射層内を伝播する伝播振動の振幅方向が、伝播方向と垂直の関係となるため、平行の関係になる場合に比べ、反射層を薄くできる。
【００１７】
本発明において、上記振動部材は特に限定されないが、本発明のある特定の局面では、電気機械結合変換素子が用いられ、このような電気機械結合変換素子としては、圧電素子あるいは電歪硬化素子などが挙げられる。
【００１８】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の特定の局面では、反射層は、音響インピーダンスが異なる複数の材料層を積層してなることにより構成されている。この場合には、複数の材料層の音響インピーダンスを選択することにより、反射層の音響インピーダンスを容易に調整することができる。
【００１９】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の特定の局面では、前記振動部材からの振動を受け、反射層内を前記保持部材に向かって伝播する伝播振動の波長をλとした場合、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）の範囲とされ、それによって上記界面において伝播振動をより効果的に反射させることができ、保持による振動部材への影響をより一層低減することができる。
【００２０】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の特定の局面で、上記保持部材において、コンデンサを構成するための複数の容量電極が形成されており、それによって保持部材を利用してコンデンサが構成される。従って、振動部材とコンデンサとを組み合わせて、たとえば小型の発振子等を容易に提供することが可能となる。
【００２１】
【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。
【００２２】
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はその外観を示す斜視図、図３は縦断面図である。
図１に示されているように、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及び下面には、励振電極１１，１２が形成されている。励振電極１１，１２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、上記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。
【００２３】
他方、圧電共振子２の側方には、第１，第２の反射層３，４が連結されており、反射層３，４の外側に、第１，第２の保持部材５，６が連結されている。本実施例では、圧電共振子２、反射層３，４及び保持部材５，６により、細長いストリップ状の構造体７が構成されている。
【００２４】
反射層３，４を構成する材料は、特に限定されるわけではないが、本実施例では、エポキシ系樹脂により構成されており、その音響インピーダンス値Ｚ2は、１．２×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3とされている。他方、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Ｚ3値は、１８．８×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3である。
【００２５】
なお、励振電極１１は、圧電共振子２の上面に形成されているが、上記構造体７の上面において長さ方向一端に至るように形成されており、かつ複合材料振動装置１の端面に形成された外部電極１３に電気的に接続されている。
【００２６】
下面の励振電極１２についても、同様に、構造体７の下面において長さ方向端部まで延ばされており、後述の外部電極１４に電気的に接続されている。
上記構造体７の下面には、第３の反射層８が積層されている。反射層８は、反射層３，４と同じエポキシ樹脂からなり、その音響インピーダンス値Ｚ2は、１．２×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3とされている。もっとも、反射層８の音響インピーダンス値は、反射層３，４の音響インピーダンス値と必ずしも等しくなくともよい。
【００２７】
反射層８の下面には、第３の保持部材９が積層されている。保持部材９は、本実施例では、セラミックスからなり、その音響インピーダンス値Ｚ3は、１８．８×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3とされている。
【００２８】
保持部材９は、矩形板状の形状を有し、その上面には、容量電極１５，１６が形成されている。容量電極１５，１６と保持部材９を介して対向するように、保持部材９の下面中央に容量電極１７が形成されている。容量電極１５，１６，１７により、保持部材９にコンデンサが構成されている。
【００２９】
前述した構造体７の上面には、絶縁性樹脂からなる保護膜１８が積層されている。保護膜１８は、励振電極１１を被覆し、耐湿性等を高めるために設けられている。保護膜１８を構成する絶縁性樹脂は特に限定されず、もっとも、圧電共振子２の振動を妨げないためには、シリコーン樹脂などの柔軟性に優れた材料を用いることが望ましい。
【００３０】
図３に示されているように、上記複合材料振動装置１の側面には、外部電極１３，１４が形成されている。なお、外部電極１３，１４は、複合材料振動装置１の側面だけでなく、下面に至るように形成されている。従って、複合材料振動装置１は、下面側からプリント回路基板などに容易に表面実装され得ることができる。この場合、外部電極１３，１４と容量電極１７とが外部に接続され、３端子型の容量内蔵型圧電発振子として動作させることができる。
【００３１】
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の一対の側面に第１，第２の反射層３，４が連結されており、下面に第３の反射層８が連結されている。各反射層３，４，８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５，６，９が連結されている。言い換えれば、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。従って、空洞を形成する必要がないため、複合材料振動装置１では、小型化及びコストの低減を果たすことができる。
【００３２】
空洞を省略し得るのは、反射層３，４，８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５，６，９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。これを具体的な実験例に基づき説明する。
【００３３】
以下の条件で、複合材料振動装置１を作製した。圧電共振子２は、上記チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック板を用いて構成し、その構造体７の長さ方向に沿う寸法は、０．６５ｍｍ×幅方向寸法０．５ｍｍ×厚み０．１５ｍｍとした。この圧電共振子２の単体の共振周波数は８ＭＨｚである。上記反射層３，４の厚み、すなわち圧電共振子２と反射層３，４との界面と、反射層３，４と保持部材５，６との間の界面との間の距離を０．０４０ｍｍとした。また、保持部材５，６の構造体７の長さ方向に沿う寸法は０．６３５ｍｍとした。従って、構造体７の長さは２．０ｍｍ、幅は０．５ｍｍ、厚みは０．１５ｍｍである。
【００３４】
反射層８の厚み、すなわち圧電共振子２と反射層８との界面と、反射層８と保持部材９との間の界面の距離を０．０４０ｍｍとした。保持部材９の厚みは０．１ｍｍとした。なお、反射層８及び保持部材９の平面形状は構造体７と同一とされている。保護膜１８については、シリコーン系樹脂を２０μｍの厚みに成膜することにより形成した。
【００３５】
こ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、比帯域幅の減少率は約５％であり、圧電共振子２の単体の比帯域幅と殆ど変わらなかった。
【００３６】
上記のように、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単体の共振特性と同等の共振特性を実現することができる。これは、圧電共振子２から反射層３，４，８に伝播した振動が、反射層３，４，８と、保持部材５，６，９との間の界面で反射されるためである。
【００３７】
従って、本実施例によれば、複合材料振動装置１全体の小型化を図ることができ、かつコストの低減を果たすことができる。特に、圧電共振子２の外側の３方向、すなわち一対の側面及び下面方向に反射層３，４，８が形成されているので、圧電共振子２の共振特性を損なうことなく、複合材料振動装置１の小型化を効果的に進めることができる。
【００３８】
本願発明者は、上記複合材料振動装置１の実験結果を考慮し、複合材料振動装置１における圧電共振子２、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９を構成する材料及び寸法などを種々変更し、実験を繰り返した。その結果、反射層３，４，８の音響インピーダンス値Ｚ2を、圧電共振子２の音響インピーダンス値Ｚ1及び保持部材５，６，９の音響インピーダンス値Ｚ3よりも小さくすれば、上記実験例と同様に、圧電共振子２から保持部材５，６，９への振動の伝播をほぼ抑制し得ることを見出した。
【００３９】
これを、図４及び図５を参照して説明する。
まず、上記実施例の複合材料振動装置１において、反射層を構成する材料を種々変更し、その他は上記実施例と同様にして、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が種々異なる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いて、共振周波数を測定し、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が変化した場合の共振周波数変化率を求めた。結果を図４に示す。
【００４０】
なお、共振周波数変化率とは、圧電共振子２単体の共振周波数をＦ0、上記のようにして作製された複合材料振動装置の共振周波数をＦとしたときに、〔（Ｆ−Ｆ0）／Ｆ0〕×１００（％）で表される値である。
【００４１】
図４から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が１未満の場合には共振周波数変化率が小さく、０．２以下の場合、共振周波数の変化率が０．４％以下と非常に小さく、Ｚ2／Ｚ1が０．１以下では、０．１％以下とさらに低いことがわかる。
【００４２】
次に、上記実施例の複合材料振動装置において、反射層を上記実施例と同様にして構成し、保持部材を構成する材料を種々変更し、インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3が異なる種々の複合材料振動装置を作製し、上記と同様にして共振周波数変化率を求めた。結果を図５に示す。
【００４３】
図５から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3が１未満の場合に共振周波数変化率が小さいことがわかる。また、Ｚ 2／Ｚ3を０．２以下とすることにより、共振周波数変化率が０．２１５％以下、より好ましくはＺ2／Ｚ3を０．１以下とすることにより共振周波数変化率が０．１％以下となることがわかる。
【００４４】
よって、図４及び図５の結果から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ1，Ｚ2及びＺ2／Ｚ3は、０．２以下とされており、より好ましくは０．１以下である。
【００４５】
なお、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９の音響インピーダンス値Ｚ2，Ｚ3の制御は、これらを構成する材料自体の変更あるいは組成を変更することにより容易に行うことができる。例えば、反射層３，４，８については、上記実施例ではエポキシ樹脂が用いられていたが、エポキシ樹脂に、エポキシ樹脂とは異なる音響インピーダンス値を有する有機もしくは無機粉末などを配合することにより、反射層３，４，８の音響インピーダンス値Ｚ2を調整することができる。
【００４６】
また、保持部材５，６，９についても、保持部材５，６，９を構成するセラミックスに、該セラミックスとは異なる音響インピーダンス値を有する有機もしくは無機粉末などを配合することにより、その音響インピーダンス値Ｚ3を容易に調整することができる。
【００４７】
なお、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９を構成する材料は、エポキシ樹脂やセラミックスに限定されるものではない。様々な有機材料あるいは無機材料が、目的とする音響インピーダンス値Ｚ2，Ｚ3を得るように用いられ得る。
【００４８】
次に、本願発明者は、上記実施例の複合材料振動装置１における反射層３，４の厚みを種々変更した場合の帯域幅及び共振周波数の変化を調べた。結果を図６及び図７に示す。
【００４９】
図６は、上記実施例において、反射層３，４の厚みを種々変化させた場合の相対比帯域幅の変化を示し、図７は、相対共振周波数の変化を示す。なお、相対比帯域幅とは、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９が設けられていない圧電共振子２単独の比帯域幅に対し、作製された複合材料振動装置における比帯域幅の割合を示す。また、相対共振周波数とは、圧電共振子２単体の共振周波数に対する、用意された複合材料振動装置の共振周波数の割合を示す。
【００５０】
図６及び図７における横軸の反射層３，４の厚みは、圧電共振子２で励振される表面波の波長λを基準とした値である。
図６及び図７から明らかなように、反射層３，４の厚みを変化させた場合、一定の周期で、相対比帯域幅及び相対共振周波数が変化することがわかる。すなわち、反射層の厚みが、ｎ・λ／４±λ／８（ｎは奇数）の範囲では、相対比帯域幅及び相対共振周波数が、圧電共振子２単体の場合の特性とほぼ変わらないことがわかる。従って、好ましくは、反射層に沿う厚み、すなわち圧電共振子２から反射層に伝播してきた振動の進行方向に沿う反射層の距離は、圧電共振子２で励振される表面波の波長をλとした場合には、ｎλ／４±λ／８の範囲とすることが望ましい。
【００５１】
図８は、本発明の第２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９はその外観を示す斜視図である。
本実施例の複合材料振動装置２１は、第１の実施例と同様に、３端子型の容量内蔵型圧電共振子として用いられるものである。もっとも、振動部材として、矩形板状の厚み滑りモードを利用した圧電共振子２２が用いられている。圧電共振子２２では、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスからなる矩形板状の圧電基板３１の上面に励振電極３２が形成されている。また、図８では図示されていないが、圧電基板３１の下面にも励振電極が形成されており、励振電極３２と下面の励振電極とが圧電基板２２の長さ方向中央において圧電基板３１を介して対向されている。
【００５２】
励振電極３２は、複合材料振動装置２１の一方の端面に至るように形成されいてる。また、下面の励振電極は、複合材料振動装置の反対側の端面に引き出されている。圧電基板３１は、複合材料振動装置の両端面を結ぶ方向に分極されている。
【００５３】
本実施例では、上記圧電共振子２２の上面及び下面に、第１，第２の反射層２３ａ，２３ｂが積層されている。また、反射層２３ａ，２３ｂの上面及び下面に、保持部材２４ａ，２４ｂが積層されている。
【００５４】
さらに、上記圧電共振子２２、反射層２３ａ，２３ｂ及び保持部材２４ａ，２４ｂからなる積層体の一対の側面に第３，第４の反射層２３ｃ，２３ｄと、保持部材２４ｃ，２４ｄとが積層されている。保持部材２４ｂにおいては、第１の実施例と同様に、上面に一対の容量電極３３，３４が形成されており、下面には容量３３，３４と対向するように下面中央に容量電極（図示せず）が形成されている。
【００５５】
また、複合材料振動装置２１では、図９に示すように、外部電極３５が一方の端面に、外部電極３６が他方の端面に形成されている。容量電極３３，３４は、それぞれ、外部電極３５，３６に電気的に接続されている。従って、外部電極３５，３６と保持部材２４ｂの下面に形成された容量電極とを外部と電気的に接続することにより、第１の実施例と同様に、複合材料振動装置２１は３端子型の容量内蔵型圧電共振子として動作する。
【００５６】
本実施例においても、反射層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの音響インピーダンス値Ｚ2を、圧電共振子２２の音響インピーダンス値Ｚ1及び保持部材２４ａ〜２４ｄの音響インピーダンス値Ｚ3よりも小さくすれば、第１の実施例の複合材料振動装置１と同様に、圧電共振子２２の共振特性を損なうことなく、圧電共振子２２から伝播してきた振動が反射層と保持部材との界面までの領域に効果的に閉じ込められる。従って、複合材料振動装置２１は、保持部材２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄにおいて機械的に支持されたとしても、共振特性は損なわれ難い。
【００５７】
このように、本発明の複合材料振動装置では、振動部材の外側の４方向に位置する外側の面、すなわち上面、下面及び一対の側面に反射層及び保持部材が連結されていてもよい。
【００５８】
図１０は、第２の実施例の複合材料振動装置の変形例を説明するための分解斜視図であり、図１１はその外観を示す斜視図である。
本変形例の複合材料振動装置４１では、図８に示した圧電共振子２２に代えて、矩形板状の構造体４２が用いられていることを除いては、第２の実施例と同様である。従って、第２の実施例と同一部分については、同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。
【００５９】
構造体４２は、圧電共振子４３、反射層４４，４５及び保持部材４６，４７を構造体４２の長さ方向に連結した構造を有する。すなわち、構造体４２は、第１の実施例の構造体７と類似した構造を有する。圧電共振子４３は、厚み方向に分極処理された圧電セラミックスにより構成されており、上面に形成された励振電極４２ａを有する。圧電共振子４２の下面にも励振電極が形成されている。従って、励振電極４２ａ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４２は、厚み縦振動モードを利用した圧電共振子として動作され得る。
【００６０】
本変形例では、振動部材としての圧電共振子４３の上面、下面及び一対の側面だけでなく、残りの一対の側面にも反射層４４，４５及び保持部材４６，４７が連結されている。従って、圧電共振子４３の上方、下方、４つの側面方向のいずれの方向においても圧電共振子４３の振動が反射層２３ａ〜２３ｄ，４４，４５と、保持部材２４ａ〜２４ｄ，４６，４７との界面で反射されるため、これらの界面で囲まれた領域に確実に振動エネルギーが閉じ込めれらる。
【００６１】
また、本実施例では、複合材料振動装置４１の形状は直方体状であるが、いずれの外表面にも保持部材が存在しているため、複合材料振動装置４１の外表面のいずれの面をも機械的支持に利用することができる。従って、回路基板などへの実装に際し、設計の自由度を大幅に高めることができる。
【００６２】
図１２は、反射層の変形例を説明するための正面断面図である。図１２に示す複合材料振動装置５１は、反射層を除いては、第２の実施例の複合材料振動装置２１と同様に構成されている。すなわち、図１２に示す断面は、第２の実施例における圧電共振子２２、反射層２３ａ，２３ｂ及び保持部材２４ａ，２４ｂが積層されている部分を長さ方向に沿って切断した際に表れる面に相当する。
【００６３】
第２の実施例では、反射層２３ａ，２３ｂが、単一の材料層で構成されていたが、図１２に示すように、複数の材料層２３ａ1〜２３ａ3及び２３ｂ1〜２３ｂ3を積層することにより、反射層２３ａ，２３ｂを構成してもよい。このように、複数の材料層２３ａ1〜２３ａ3，２３ｂ1〜２３ｂ3として音響インピーダンスが異なるものを用いることにより、これらの組み合わせによって、反射層２３ａ，２３ｂの音響インピーダンス値Ｚ2を容易に調整することができる。
【００６４】
なお、上述してきた実施例及び変形例から明らかなように、本発明に係る複合材料振動装置では、振動部材に反射層を介して保持部材が連結されており、かつ反射層と保持部材との界面で振動部材から伝播してきた振動が反射されるため、該界面までの領域に振動部材の振動を確実に閉じ込めることができる。従って、振動部材の振動モードは特に限定されず、厚み滑りモードや厚み縦モードだけでなく、長さモードや幅モードなどの様々な振動モードを利用した振動部材を用いることができる。
【００６５】
また、圧電共振子に限らず、圧電フィルタなどを振動部材として用いてもよく、さらに電歪素子などの他の電気機械結合変換素子を振動部材として用いてもよい。のみならず、電気機械結合変換素子以外の振動部材を用いてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る複合材料振動装置では、振動部材の少なくとも３方向の外側の面において、反射層及び保持部材が連結されており、振動部材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で反射される。従って、該界面までの領域に振動部材の振動が確実に閉じ込められる。よって、保持部材を利用して機械的に支持したとしても、振動部材の振動特性が阻害され難い。
【００６７】
従って、振動部材の振動を妨げないための空洞を形成する必要がないため、複合材料振動装置の小型化及びコストの低減を果たすことができる。
また、音響インピーダンス値Ｚ2を音響インピーダンス値Ｚ1，Ｚ3よりも小さくし、上記界面において振動を反射させるものであるため、使用する振動部材の振動モードについても特に限定されない。従って、様々な振動モードを利用した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】
【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】第１の実施例の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縦断面図。
【図４】音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1を変化させた場合の実施例の複合材料振動装置における共振周波数変化率を示す図。
【図５】音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3を変化させた場合の実施例の複合材料振動装置における共振周波数変化率を示す図。
【図６】反射層の厚みを変化させた場合の複合材料振動装置の相対比帯域幅の変化を示す図。
【図７】反射層の厚みを変化させた場合の複合材料振動装置の相対共振周波数の変化を示す図。
【図８】第２の実施例に係る複合材料振動装置の分解斜視図。
【図９】第２の実施例の複合材料振動装置の外観を示す斜視図。
【図１０】第２の実施例の変形例の複合材料振動装置を示す分解斜視図。
【図１１】第２の実施例の変形例の複合材料振動装置の外観を示す斜視図。
【図１２】反射層の変形例を説明するための断面図。
【図１３】従来のバルク型音波フィルタを説明するための断面図。
【符号の説明】
１…複合材料振動装置
２…圧電共振子（振動部材）
３，４…第１，第２の反射層
５，６…第１，第２の保持部材
７…構造体
８…第３の反射層
９…第３の保持部材
１１…励振電極
１２…励振電極
１３，１４…外部電極
１５，１６…容量電極
１７…容量電極
２１…複合材料振動装置
２２…圧電共振子（振動部材）
２３ａ〜２３ｄ…反射層
２３ａ1〜２３ａ3，２３ｂ1〜２３ｂ3…材料層
２４ａ〜２４ｄ…保持部材
３１…圧電基板
３２…励振電極
３３，３４…容量電極
３５，３６…外部電極
４１…複合材料振動装置
４２…構造体
４２ａ…励振電極
４３…圧電共振子
４４，４５…反射層
４６，４７…保持部材
【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、特開平１０−２７０９７９号公報には、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１３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】
【発明が解決しようとする課題】
図１３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。
【００１０】
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。
【００１１】
本発明の目的は、上述した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、小型であり、特に低背化に適してた安価な複合材料振動装置を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本願発明に係る複合材料振動装置は、第１の音響インピーダンス値Ｚ1を有する材料を用いて構成されており、振動発生源となる振動部材と、前記第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少なくとも３方向の外側の面にそれぞれ連結された少なくとも３つの反射層と、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、前記各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保持部材とを備え、前記第２の音響インピーダンス値Ｚ 2 の第１の音響インピーダンス値Ｚ 1 に対する比Ｚ 2 ／Ｚ 1 が０．２以下であり、かつ前記第２の音響インピーダンス値Ｚ 2 の第３の音響インピーダンス値Ｚ 3 に対する比Ｚ 2 ／Ｚ 3 が０．２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ている、複合材料振動装置である。
【００１３】
本発明では、振動部材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、比較的簡単な構造で、振動部材の振動を妨げなることなく、保持部材により保持することができる。しかも、上記反射層及び保持部材が、振動部材の外側の少なくとも３方向に配置されているため、少なくとも３方向のいずれかの方向に位置する複合材料振動装置の外表面を利用して保持することができる。
【００１６】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の特定の局面では、振動部材から反射層内を保持部材に向けて進行し、前述した界面で反射される反射層内を伝播する伝播振動の振幅方向が、伝播方向と垂直の関係となるため、平行の関係になる場合に比べ、反射層を薄くできる。
【００１７】
本発明において、上記振動部材は特に限定されないが、本発明のある特定の局面では、電気機械結合変換素子が用いられ、このような電気機械結合変換素子としては、圧電素子あるいは電歪硬化素子などが挙げられる。
【００１８】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに他の特定の局面では、反射層は、音響インピーダンスが異なる複数の材料層を積層してなることにより構成されている。この場合には、複数の材料層の音響インピーダンスを選択することにより、反射層の音響インピーダンスを容易に調整することができる。
【００１９】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の特定の局面では、前記振動部材からの振動を受け、反射層内を前記保持部材に向かって伝播する伝播振動の波長をλとした場合、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）の範囲とされ、それによって上記界面において伝播振動をより効果的に反射させることができ、保持による振動部材への影響をより一層低減することができる。
【００２０】
本発明に係る複合材料振動装置のさらに別の特定の局面で、上記保持部材において、コンデンサを構成するための複数の容量電極が形成されており、それによって保持部材を利用してコンデンサが構成される。従って、振動部材とコンデンサとを組み合わせて、たとえば小型の発振子等を容易に提供することが可能となる。
【００２１】
【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。
【００２２】
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はその外観を示す斜視図、図３は縦断面図である。
図１に示されているように、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及び下面には、励振電極１１，１２が形成されている。励振電極１１，１２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、上記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。
【００２３】
他方、圧電共振子２の側方には、第１，第２の反射層３，４が連結されており、反射層３，４の外側に、第１，第２の保持部材５，６が連結されている。本実施例では、圧電共振子２、反射層３，４及び保持部材５，６により、細長いストリップ状の構造体７が構成されている。
【００２４】
反射層３，４を構成する材料は、特に限定されるわけではないが、本実施例では、エポキシ系樹脂により構成されており、その音響インピーダンス値Ｚ2は、１．２×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3とされている。他方、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Ｚ3値は、１８．８×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3である。
【００２５】
なお、励振電極１１は、圧電共振子２の上面に形成されているが、上記構造体７の上面において長さ方向一端に至るように形成されており、かつ複合材料振動装置１の端面に形成された外部電極１３に電気的に接続されている。
【００２６】
下面の励振電極１２についても、同様に、構造体７の下面において長さ方向端部まで延ばされており、後述の外部電極１４に電気的に接続されている。
上記構造体７の下面には、第３の反射層８が積層されている。反射層８は、反射層３，４と同じエポキシ樹脂からなり、その音響インピーダンス値Ｚ2は、１．２×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3とされている。もっとも、反射層８の音響インピーダンス値は、反射層３，４の音響インピーダンス値と必ずしも等しくなくともよい。
【００２７】
反射層８の下面には、第３の保持部材９が積層されている。保持部材９は、本実施例では、セラミックスからなり、その音響インピーダンス値Ｚ3は、１８．８×１０6Ｎ・ｓ・ｍ-3とされている。
【００２８】
保持部材９は、矩形板状の形状を有し、その上面には、容量電極１５，１６が形成されている。容量電極１５，１６と保持部材９を介して対向するように、保持部材９の下面中央に容量電極１７が形成されている。容量電極１５，１６，１７により、保持部材９にコンデンサが構成されている。
【００２９】
前述した構造体７の上面には、絶縁性樹脂からなる保護膜１８が積層されている。保護膜１８は、励振電極１１を被覆し、耐湿性等を高めるために設けられている。保護膜１８を構成する絶縁性樹脂は特に限定されず、もっとも、圧電共振子２の振動を妨げないためには、シリコーン樹脂などの柔軟性に優れた材料を用いることが望ましい。
【００３０】
図３に示されているように、上記複合材料振動装置１の側面には、外部電極１３，１４が形成されている。なお、外部電極１３，１４は、複合材料振動装置１の側面だけでなく、下面に至るように形成されている。従って、複合材料振動装置１は、下面側からプリント回路基板などに容易に表面実装され得ることができる。この場合、外部電極１３，１４と容量電極１７とが外部に接続され、３端子型の容量内蔵型圧電発振子として動作させることができる。
【００３１】
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の一対の側面に第１，第２の反射層３，４が連結されており、下面に第３の反射層８が連結されている。各反射層３，４，８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５，６，９が連結されている。言い換えれば、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。従って、空洞を形成する必要がないため、複合材料振動装置１では、小型化及びコストの低減を果たすことができる。
【００３２】
空洞を省略し得るのは、反射層３，４，８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５，６，９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。これを具体的な実験例に基づき説明する。
【００３３】
以下の条件で、複合材料振動装置１を作製した。圧電共振子２は、上記チタン酸ジルコン酸鉛系圧電セラミック板を用いて構成し、その構造体７の長さ方向に沿う寸法は、０．６５ｍｍ×幅方向寸法０．５ｍｍ×厚み０．１５ｍｍとした。この圧電共振子２の単体の共振周波数は８ＭＨｚである。上記反射層３，４の厚み、すなわち圧電共振子２と反射層３，４との界面と、反射層３，４と保持部材５，６との間の界面との間の距離を０．０４０ｍｍとした。また、保持部材５，６の構造体７の長さ方向に沿う寸法は０．６３５ｍｍとした。従って、構造体７の長さは２．０ｍｍ、幅は０．５ｍｍ、厚みは０．１５ｍｍである。
【００３４】
反射層８の厚み、すなわち圧電共振子２と反射層８との界面と、反射層８と保持部材９との間の界面の距離を０．０４０ｍｍとした。保持部材９の厚みは０．１ｍｍとした。なお、反射層８及び保持部材９の平面形状は構造体７と同一とされている。保護膜１８については、シリコーン系樹脂を２０μｍの厚みに成膜することにより形成した。
【００３５】
こ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、比帯域幅の減少率は約５％であり、圧電共振子２の単体の比帯域幅と殆ど変わらなかった。
【００３６】
上記のように、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単体の共振特性と同等の共振特性を実現することができる。これは、圧電共振子２から反射層３，４，８に伝播した振動が、反射層３，４，８と、保持部材５，６，９との間の界面で反射されるためである。
【００３７】
従って、本実施例によれば、複合材料振動装置１全体の小型化を図ることができ、かつコストの低減を果たすことができる。特に、圧電共振子２の外側の３方向、すなわち一対の側面及び下面方向に反射層３，４，８が形成されているので、圧電共振子２の共振特性を損なうことなく、複合材料振動装置１の小型化を効果的に進めることができる。
【００３８】
本願発明者は、上記複合材料振動装置１の実験結果を考慮し、複合材料振動装置１における圧電共振子２、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９を構成する材料及び寸法などを種々変更し、実験を繰り返した。その結果、反射層３，４，８の音響インピーダンス値Ｚ2を、圧電共振子２の音響インピーダンス値Ｚ1及び保持部材５，６，９の音響インピーダンス値Ｚ3よりも小さくすれば、上記実験例と同様に、圧電共振子２から保持部材５，６，９への振動の伝播をほぼ抑制し得ることを見出した。
【００３９】
これを、図４及び図５を参照して説明する。
まず、上記実施例の複合材料振動装置１において、反射層を構成する材料を種々変更し、その他は上記実施例と同様にして、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が種々異なる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いて、共振周波数を測定し、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が変化した場合の共振周波数変化率を求めた。結果を図４に示す。
【００４０】
なお、共振周波数変化率とは、圧電共振子２単体の共振周波数をＦ0、上記のようにして作製された複合材料振動装置の共振周波数をＦとしたときに、〔（Ｆ−Ｆ0）／Ｆ0〕×１００（％）で表される値である。
【００４１】
図４から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1が１未満の場合には共振周波数変化率が小さく、０．２以下の場合、共振周波数の変化率が０．４％以下と非常に小さく、Ｚ2／Ｚ1が０．１以下では、０．１％以下とさらに低いことがわかる。
【００４２】
次に、上記実施例の複合材料振動装置において、反射層を上記実施例と同様にして構成し、保持部材を構成する材料を種々変更し、インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3が異なる種々の複合材料振動装置を作製し、上記と同様にして共振周波数変化率を求めた。結果を図５に示す。
【００４３】
図５から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3が１未満の場合に共振周波数変化率が小さいことがわかる。また、Ｚ 2／Ｚ3を０．２以下とすることにより、共振周波数変化率が０．２１５％以下、より好ましくはＺ2／Ｚ3を０．１以下とすることにより共振周波数変化率が０．１％以下となることがわかる。
【００４４】
よって、図４及び図５の結果から明らかなように、音響インピーダンス比Ｚ1，Ｚ2及びＺ2／Ｚ3は、０．２以下とされており、より好ましくは０．１以下である。
【００４５】
なお、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９の音響インピーダンス値Ｚ2，Ｚ3の制御は、これらを構成する材料自体の変更あるいは組成を変更することにより容易に行うことができる。例えば、反射層３，４，８については、上記実施例ではエポキシ樹脂が用いられていたが、エポキシ樹脂に、エポキシ樹脂とは異なる音響インピーダンス値を有する有機もしくは無機粉末などを配合することにより、反射層３，４，８の音響インピーダンス値Ｚ2を調整することができる。
【００４６】
また、保持部材５，６，９についても、保持部材５，６，９を構成するセラミックスに、該セラミックスとは異なる音響インピーダンス値を有する有機もしくは無機粉末などを配合することにより、その音響インピーダンス値Ｚ3を容易に調整することができる。
【００４７】
なお、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９を構成する材料は、エポキシ樹脂やセラミックスに限定されるものではない。様々な有機材料あるいは無機材料が、目的とする音響インピーダンス値Ｚ2，Ｚ3を得るように用いられ得る。
【００４８】
次に、本願発明者は、上記実施例の複合材料振動装置１における反射層３，４の厚みを種々変更した場合の帯域幅及び共振周波数の変化を調べた。結果を図６及び図７に示す。
【００４９】
図６は、上記実施例において、反射層３，４の厚みを種々変化させた場合の相対比帯域幅の変化を示し、図７は、相対共振周波数の変化を示す。なお、相対比帯域幅とは、反射層３，４，８及び保持部材５，６，９が設けられていない圧電共振子２単独の比帯域幅に対し、作製された複合材料振動装置における比帯域幅の割合を示す。また、相対共振周波数とは、圧電共振子２単体の共振周波数に対する、用意された複合材料振動装置の共振周波数の割合を示す。
【００５０】
図６及び図７における横軸の反射層３，４の厚みは、圧電共振子２で励振される表面波の波長λを基準とした値である。
図６及び図７から明らかなように、反射層３，４の厚みを変化させた場合、一定の周期で、相対比帯域幅及び相対共振周波数が変化することがわかる。すなわち、反射層の厚みが、ｎ・λ／４±λ／８（ｎは奇数）の範囲では、相対比帯域幅及び相対共振周波数が、圧電共振子２単体の場合の特性とほぼ変わらないことがわかる。従って、好ましくは、反射層に沿う厚み、すなわち圧電共振子２から反射層に伝播してきた振動の進行方向に沿う反射層の距離は、圧電共振子２で励振される表面波の波長をλとした場合には、ｎλ／４±λ／８の範囲とすることが望ましい。
【００５１】
図８は、本発明の第２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９はその外観を示す斜視図である。
本実施例の複合材料振動装置２１は、第１の実施例と同様に、３端子型の容量内蔵型圧電共振子として用いられるものである。もっとも、振動部材として、矩形板状の厚み滑りモードを利用した圧電共振子２２が用いられている。圧電共振子２２では、チタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスのような圧電セラミックスからなる矩形板状の圧電基板３１の上面に励振電極３２が形成されている。また、図８では図示されていないが、圧電基板３１の下面にも励振電極が形成されており、励振電極３２と下面の励振電極とが圧電基板２２の長さ方向中央において圧電基板３１を介して対向されている。
【００５２】
励振電極３２は、複合材料振動装置２１の一方の端面に至るように形成されいてる。また、下面の励振電極は、複合材料振動装置の反対側の端面に引き出されている。圧電基板３１は、複合材料振動装置の両端面を結ぶ方向に分極されている。
【００５３】
本実施例では、上記圧電共振子２２の上面及び下面に、第１，第２の反射層２３ａ，２３ｂが積層されている。また、反射層２３ａ，２３ｂの上面及び下面に、保持部材２４ａ，２４ｂが積層されている。
【００５４】
さらに、上記圧電共振子２２、反射層２３ａ，２３ｂ及び保持部材２４ａ，２４ｂからなる積層体の一対の側面に第３，第４の反射層２３ｃ，２３ｄと、保持部材２４ｃ，２４ｄとが積層されている。保持部材２４ｂにおいては、第１の実施例と同様に、上面に一対の容量電極３３，３４が形成されており、下面には容量３３，３４と対向するように下面中央に容量電極（図示せず）が形成されている。
【００５５】
また、複合材料振動装置２１では、図９に示すように、外部電極３５が一方の端面に、外部電極３６が他方の端面に形成されている。容量電極３３，３４は、それぞれ、外部電極３５，３６に電気的に接続されている。従って、外部電極３５，３６と保持部材２４ｂの下面に形成された容量電極とを外部と電気的に接続することにより、第１の実施例と同様に、複合材料振動装置２１は３端子型の容量内蔵型圧電共振子として動作する。
【００５６】
本実施例においても、反射層２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄの音響インピーダンス値Ｚ2を、圧電共振子２２の音響インピーダンス値Ｚ1及び保持部材２４ａ〜２４ｄの音響インピーダンス値Ｚ3よりも小さくすれば、第１の実施例の複合材料振動装置１と同様に、圧電共振子２２の共振特性を損なうことなく、圧電共振子２２から伝播してきた振動が反射層と保持部材との界面までの領域に効果的に閉じ込められる。従って、複合材料振動装置２１は、保持部材２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄにおいて機械的に支持されたとしても、共振特性は損なわれ難い。
【００５７】
このように、本発明の複合材料振動装置では、振動部材の外側の４方向に位置する外側の面、すなわち上面、下面及び一対の側面に反射層及び保持部材が連結されていてもよい。
【００５８】
図１０は、第２の実施例の複合材料振動装置の変形例を説明するための分解斜視図であり、図１１はその外観を示す斜視図である。
本変形例の複合材料振動装置４１では、図８に示した圧電共振子２２に代えて、矩形板状の構造体４２が用いられていることを除いては、第２の実施例と同様である。従って、第２の実施例と同一部分については、同一の参照番号を付することによりその説明を省略する。
【００５９】
構造体４２は、圧電共振子４３、反射層４４，４５及び保持部材４６，４７を構造体４２の長さ方向に連結した構造を有する。すなわち、構造体４２は、第１の実施例の構造体７と類似した構造を有する。圧電共振子４３は、厚み方向に分極処理された圧電セラミックスにより構成されており、上面に形成された励振電極４２ａを有する。圧電共振子４２の下面にも励振電極が形成されている。従って、励振電極４２ａ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４２は、厚み縦振動モードを利用した圧電共振子として動作され得る。
【００６０】
本変形例では、振動部材としての圧電共振子４３の上面、下面及び一対の側面だけでなく、残りの一対の側面にも反射層４４，４５及び保持部材４６，４７が連結されている。従って、圧電共振子４３の上方、下方、４つの側面方向のいずれの方向においても圧電共振子４３の振動が反射層２３ａ〜２３ｄ，４４，４５と、保持部材２４ａ〜２４ｄ，４６，４７との界面で反射されるため、これらの界面で囲まれた領域に確実に振動エネルギーが閉じ込めれらる。
【００６１】
また、本実施例では、複合材料振動装置４１の形状は直方体状であるが、いずれの外表面にも保持部材が存在しているため、複合材料振動装置４１の外表面のいずれの面をも機械的支持に利用することができる。従って、回路基板などへの実装に際し、設計の自由度を大幅に高めることができる。
【００６２】
図１２は、反射層の変形例を説明するための正面断面図である。図１２に示す複合材料振動装置５１は、反射層を除いては、第２の実施例の複合材料振動装置２１と同様に構成されている。すなわち、図１２に示す断面は、第２の実施例における圧電共振子２２、反射層２３ａ，２３ｂ及び保持部材２４ａ，２４ｂが積層されている部分を長さ方向に沿って切断した際に表れる面に相当する。
【００６３】
第２の実施例では、反射層２３ａ，２３ｂが、単一の材料層で構成されていたが、図１２に示すように、複数の材料層２３ａ1〜２３ａ3及び２３ｂ1〜２３ｂ3を積層することにより、反射層２３ａ，２３ｂを構成してもよい。このように、複数の材料層２３ａ1〜２３ａ3，２３ｂ1〜２３ｂ3として音響インピーダンスが異なるものを用いることにより、これらの組み合わせによって、反射層２３ａ，２３ｂの音響インピーダンス値Ｚ2を容易に調整することができる。
【００６４】
なお、上述してきた実施例及び変形例から明らかなように、本発明に係る複合材料振動装置では、振動部材に反射層を介して保持部材が連結されており、かつ反射層と保持部材との界面で振動部材から伝播してきた振動が反射されるため、該界面までの領域に振動部材の振動を確実に閉じ込めることができる。従って、振動部材の振動モードは特に限定されず、厚み滑りモードや厚み縦モードだけでなく、長さモードや幅モードなどの様々な振動モードを利用した振動部材を用いることができる。
【００６５】
また、圧電共振子に限らず、圧電フィルタなどを振動部材として用いてもよく、さらに電歪素子などの他の電気機械結合変換素子を振動部材として用いてもよい。のみならず、電気機械結合変換素子以外の振動部材を用いてもよい。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る複合材料振動装置では、振動部材の少なくとも３方向の外側の面において、反射層及び保持部材が連結されており、振動部材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で反射される。従って、該界面までの領域に振動部材の振動が確実に閉じ込められる。よって、保持部材を利用して機械的に支持したとしても、振動部材の振動特性が阻害され難い。
【００６７】
従って、振動部材の振動を妨げないための空洞を形成する必要がないため、複合材料振動装置の小型化及びコストの低減を果たすことができる。
また、音響インピーダンス値Ｚ2を音響インピーダンス値Ｚ1，Ｚ3よりも小さくし、上記界面において振動を反射させるものであるため、使用する振動部材の振動モードについても特に限定されない。従って、様々な振動モードを利用した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】
【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】第１の実施例の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縦断面図。
【図４】音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ1を変化させた場合の実施例の複合材料振動装置における共振周波数変化率を示す図。
【図５】音響インピーダンス比Ｚ2／Ｚ3を変化させた場合の実施例の複合材料振動装置における共振周波数変化率を示す図。
【図６】反射層の厚みを変化させた場合の複合材料振動装置の相対比帯域幅の変化を示す図。
【図７】反射層の厚みを変化させた場合の複合材料振動装置の相対共振周波数の変化を示す図。
【図８】第２の実施例に係る複合材料振動装置の分解斜視図。
【図９】第２の実施例の複合材料振動装置の外観を示す斜視図。
【図１０】第２の実施例の変形例の複合材料振動装置を示す分解斜視図。
【図１１】第２の実施例の変形例の複合材料振動装置の外観を示す斜視図。
【図１２】反射層の変形例を説明するための断面図。
【図１３】従来のバルク型音波フィルタを説明するための断面図。
【符号の説明】
１…複合材料振動装置
２…圧電共振子（振動部材）
３，４…第１，第２の反射層
５，６…第１，第２の保持部材
７…構造体
８…第３の反射層
９…第３の保持部材
１１…励振電極
１２…励振電極
１３，１４…外部電極
１５，１６…容量電極
１７…容量電極
２１…複合材料振動装置
２２…圧電共振子（振動部材）
２３ａ〜２３ｄ…反射層
２３ａ1〜２３ａ3，２３ｂ1〜２３ｂ3…材料層
２４ａ〜２４ｄ…保持部材
３１…圧電基板
３２…励振電極
３３，３４…容量電極
３５，３６…外部電極
４１…複合材料振動装置
４２…構造体
４２ａ…励振電極
４３…圧電共振子
４４，４５…反射層
４６，４７…保持部材
Claims (8)
- 第１の音響インピーダンス値Ｚ1を有する材料を用いて構成されており、振動発生源となる振動部材と、
前記第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少なくとも３方向の外側の面にそれぞれ連結された少なくとも３つの反射層と、
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、前記各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保持部材とを備え、
前記第２の音響インピーダンス値Ｚ 2 の第１の音響インピーダンス値Ｚ 1 に対する比Ｚ 2 ／Ｚ 1 が０．２以下であり、かつ前記第２の音響インピーダンス値Ｚ 2 の第３の音響インピーダンス値Ｚ 3 に対する比Ｚ 2 ／Ｚ 3 が０．２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ている、複合材料振動装置。 - 前記振動部材が直方体もしくは立方体であり、前記反射層が、振動部材の外表面の少なくとも３面に形成されている、請求項１に記載の複合材料振動装置。
- 前記振動部材から反射層内を前記保持部材に向けて進行し、前記反射層と前記保持部材の界面で反射される反射層内を伝播する伝播振動の振幅方向が、伝播方向と垂直の関係にある、請求項１または２に記載の複合材料振動装置。
- 前記振動部材が電気機械結合変換素子である、請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料振動装置。
- 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４に記載の複合材料振動装置。
- 前記反射層が、音響インピーダンスが異なる複数の材料層を積層することにより構成されている、請求項１〜５のいずれかに記載の複合材料振動装置。
- 前記振動部材からの振動を受け、反射層内を前記保持部材に向かって伝播する伝播振動の波長λとした場合、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）の範囲にある、請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料振動装置。
- 前記保持部材において、コンデンサを構成するための複数の容量電極が形成されている、請求項１〜７のいずれかに記載の複合材料振動装置。
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