JP2008182443A - 複合材料振動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射層における振動の減衰係数を低めることができ、電気特性や振動特性の向上を図ることができる複合材料振動装置を提供する。
【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Ｚ_２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Ｚ_１，Ｚ_３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おり、前記反射層３，４が、熱硬化性樹脂と、硬化剤と、ポリスチレン系粒子とを含む熱硬化性樹脂組成物の硬化物からなる、複合材料振動装置１。
【選択図】図１

Description

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該振動部材とは異なる音響インピーダンスを有する反射層が連結されており、該反射層が熱硬化性樹脂組成物からなる複合材料振動装置に関する。

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、圧電振動子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、あるいは圧電基板にケース基板を積層するにあたり、空洞を形成するための接着剤塗布エリアを空洞を除いた領域とする方法などが用いられていた。そのため、圧電振動部の振動を妨げないための空洞を上記のようにして形成しなければならず、小型化が困難であった。また、コストを削減することも困難であった。

このようなを問題を解決するものとして、下記の特許文献１には、比較的簡単な構造で振動部材の振動特性に殆ど影響を与えることなく、振動部材を支持することができ、小型化が容易な複合材料振動装置が開示されている。この複合材料振動装置では、振動発生源となる振動部材に、反射層を介して保持部材が連結されている。振動部材の音響インピーダンス値に比べて、反射層の音響インピーダンス値が小さくされており、かつ反射層の音響インピーダンス値に比べて、保持部材の音響インピーダンス値が高くされている。それによって、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。従って、保持部材を用いて支持した場合であっても、振動部材の振動に影響を与え難い。よって、空洞の形成といった煩雑な製造工程を必要としない。

また、特許文献１では、上記反射層のヤング率及び温度特性などを調整することにより、複合材料振動装置の特性を調整することができる旨が指摘されている。このような調整を果たすために、反射層を構成するエポキシ樹脂等に、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。

他方、下記の特許文献２にも、同様の複合材料振動装置が開示されている。ここでは、反射層を構成する材料として、エポキシ樹脂及び硬化剤を含み、エポキシ樹脂及び硬化剤の内、少なくとも一方がシクロアルカンを有するエポキシ樹脂組成物が用いられている。それによって、反射層における音速を低くすることができ、電気特性に優れた複合材料振動装置を得ることができるとされている。

また、下記の特許文献３には、同様の複合材料振動装置において、反射層を構成する材料として、熱硬化性樹脂と、硬化剤と、シリコーン化合物とを含む熱硬化性樹脂組成物が示されている。ここでは、熱硬化性樹脂として、エポキシ樹脂等が示されており、硬化剤としてアミン類などの様々な硬化剤が示されている。また、上記シリコーン化合物を含有させることにより、音速及び減衰係数を低くすることができ、それによって電気特性を高めることができるとされている。
特開２００４−４８７０８号公報 特開２００５−１７６３２３号公報 ＷＯ２００５／０５０８３８Ａ１

特許文献１〜３に記載のような複合材料振動装置では、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を確実に反射させることが求められる。加えて、振動特性や電気特性を損なわないためには、反射層における音速が低く、減衰係数が低いことが強く求められる。

特許文献１では、反射層に要求される特性として、反射層の密度及びヤング率については述べられているが、減衰係数については何ら言及されていない。

また、特許文献２では、反射層の音速及び音響インピーダンスを低下させる方法については述べられているが、反射層の減衰係数を低下させることについては述べられていない。

他方、特許文献３では、上記のように、シリコーン化合物を配合することにより、反射層の減衰係数及び音速を低め得る旨が述べられている。

しかしながら、上記特許文献３では、シリコーン化合物として、シリコーンオイルやシリコーンゴムなども示されており、シリコーンオイルあるいはシリコーンゴムを反射層に混合すると、減衰係数は逆に増大し、複合材料振動装置の振動特性が悪化するおそれがあった。

上記シリコーン化合物として、シリコーン樹脂粉末をエポキシ樹脂等と混合した場合には、エポキシ樹脂の減衰係数に比べて、減衰係数をあまり上昇させることなく、音響インピーダンスを低くすることができる。しかしながら、例えば、電気特性である位相最大値θ_ｍａｘの上昇度合いは小さくなり、複合材料振動装置の振動特性を十分に改善することはできなかった。

本発明の目的は、上述した従来技術の現状に鑑み、振動部材に反射層を介して保持部材が連結されている複合材料振動装置であって、反射層において、反射層に伝播してきた振動の減衰係数及び音速を効果的に低くすることができ、それによって保持部材により支持した場合の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。

本発明によれば、第１の音響インピーダンス値Ｚ_１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Ｚ_１よりも低い第２の音響インピーダンス値Ｚ_２を有する材料からなり、前記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Ｚ_２よりも大きな第３の音響インピーダンス値Ｚ_３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であって、前記反射層が、熱硬化性樹脂、硬化剤及びポリスチレン系粒子を含む熱硬化性樹脂組成物からなることを特徴とする、複合材料振動装置が提供される。

好ましくは、上記ポリスチレン系粒子は、熱硬化性樹脂組成物中１０〜５６重量％の割合で該樹脂組成物中に含有されている。この場合、ポリスチレン系粒子の配合により、反射層の減衰係数をより一層低くすることが可能である。

上記熱硬化性樹脂としては、好ましくは、エポキシ樹脂が用いられ、その場合には、エポキシ樹脂及び硬化剤からなる硬化系により、保持部材を振動部材に対して、強固に接合することができ、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。

本発明に係る複合材料振動装置では、反射層が、熱硬化性樹脂と、硬化剤と、ポリスチレン系粒子とを含む熱硬化性樹脂組成物からなるため、上記ポリスチレン系粒子の配合により、反射層における振動の減衰係数を十分小さくすることができる。従って、複合材料振動装置の振動特性を高めることができ、振動部材が、例えば圧電素子などの電気機械変換素子である場合には、電気特性の向上を図ることが可能となる。

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。

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。

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Ｚ_１は、１８．８×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３である。

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。

より具体的には、本実施形態では、反射層３，４は、熱硬化性樹脂と、硬化剤と、ポリスチレン系粒子とを含む熱硬化性樹脂組成物からなる。この熱硬化性樹脂組成物が硬化することにより、すなわち反射層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。

ところで、本実施形態では、上記熱硬化性樹脂組成物の硬化物は、第２の音響インピーダンス値Ｚ_２を有する。この第２の音響インピーダンス値Ｚ_２は、第１の音響インピーダンス値Ｚ_１＝１８．８×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３よりも小さくされている。

この熱硬化性樹脂組成物の詳細については、後ほど説明することとする。

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、すなわち第３の音響インピーダンス値Ｚ_３は、１８．８×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３であり、第２の音響インピーダンス値Ｚ_２よりも高い。

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。

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。

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。

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。

上記のように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Ｚ_２が、圧電共振子２及び保持部材５，６を構成している材料の音響インピーダンス値Ｚ_１，Ｚ_３よりも小さいためである。このような第１，第３の音響インピーダンス値Ｚ_１，Ｚ_３よりも低い音響インピーダンス値Ｚ_２を有する反射層を設けることにより、反射層と保持部材との界面で圧電共振子側から伝播してきた振動を反射させ得ることは、前述した特許文献１〜３等にも開示されており、本願出願以前より公知である。

本実施形態の特徴は、上記反射層３，４が、ポリスチレン系粒子を含む上記熱硬化性樹脂組成物からなることにある。すなわち、ポリスチレン系粒子を配合することにより、反射層３，４による振動の減衰係数を効果的に低めることができ、それによって、複合材料振動装置の電気特性を高めることができる。

上記熱硬化性樹脂組成物に用いられる熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂などを挙げることができる。好ましくは、硬化物の機械的強度に優れ、圧電共振子に保持部材を強固に接着することができるので、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂を用いることが望ましい。

エポキシ樹脂としては、特に限定されず、例えば、ビスフェノール型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、クレゾールノボラック型エポキシ樹脂、オルソクレゾールノボラック型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂、ビフェニル型エポキシ樹脂、アラルキル型エポキシ樹脂、ハロゲン化エポキシ樹脂、トリフェノールメタン型エポキシ樹脂、ナフタレンノボラック型エポキシ樹脂、芳香族アミン型エポキシ樹脂、フェノール系多官能型エポキシ樹脂、ジシクロペンタジエンフェノール型エポキシ樹脂、テトラグリシジル−１，３−ビスアミノメチルシクロヘキサン等が挙げられる。

また、前記エポキシ樹脂は１種のみが用いられても良く、また２種類以上が併用されていても良い。

また、上記硬化剤としては、熱硬化性樹脂を硬化させる適宜の化合物が用いられる。熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である場合には、例えば、アミン類、脂肪族ポリアミン類、変性脂肪族ポリアミン類、酸無水物、フェノール、イミダゾール類、エポキシアダクトイミダゾール、アミンアダクト、ジアミノジフェニルスルフォン等が挙げられる。上記硬化剤としては、より具体的には、２，４−ジアミノ−６−〔２’−メチルイミダゾリル−（１’）〕−エチル−ｓ−トリアジンのイソシアヌル酸付加物を用いることができる。さらに、前記硬化剤は１種類で用いても良く、また２種類以上を混合して用いても良い。

本実施形態の特徴は、上記熱硬化性樹脂及び硬化剤に加えて、ポリスチレン系粒子が配合されていることにある。ポリスチレン系粒子の配合により、反射層３，４における減衰係数を低めることができる。

上記ポリスチレン系粒子を構成するポリスチレン系の樹脂としては、スチレンの単独重合体であるポリスチレンの他、スチレンと他のモノマーとの共重合体を適宜用いることができる。このような共重合体としては、ポリスチレン−ジビニルベンゼン共重合体、スチレン−アクリロニトリル共重合体などを挙げることができる。

また、上記ポリスチレン系粒子は、球状であることが好ましい。もっとも、球状の粒子に限らず、アスペクト比が１より大きい他の形状の粒子であってもよい。

上記ポリスチレン系粒子の配合割合については、好ましくは、上記熱硬化性樹脂組成物中１０〜５６重量％の範囲とすることが望ましい。１０重量％未満では、減衰係数を十分に低めることができないことがあり、５６重量％を超えると、熱硬化性樹脂組成物の粘度が高くなり、反射層を形成する際の作業性が悪化するおそれがある。

なお、熱硬化性樹脂組成物中１０〜５６重量％とは、上記熱硬化性樹脂と、硬化剤と、ポリスチレン系粒子との合計を１００重量％とした場合のポリスチレン系粒子の割合をいうものとする。従って、溶剤や他の添加物が配合された場合には、これらを除いた熱硬化性樹脂組成物の重量１００重量％として、上記ポリスチレン系粒子の配合割合を１０〜５６重量％とすればよい。

次に、具体的な実験例を説明することにより、上記ポリスチレン系粒子が配合されていることによる効果を明らかにする。

（実験例１）
エポキシ樹脂として、テトラグリシジル−１，３−ビスアミノメチルシクロヘキサン（エポキシ当量１００ｇ／ｅｑ）と、硬化剤として２，４−ジアミノ−６−〔２’メチルイミダゾリル−（１’）〕−エチル−ｓ−トリアジンのイソシアヌル酸付加物と、ポリスチレン系粒子として、平均粒径３μｍの球状のスチレン−ジビニルベンゼン共重合体とを、下記の表１に示す配合割合となるように秤量し、プラネタリーミキサーを用いて攪拌し、実施例１〜４の各熱硬化性樹脂組成物を調製した。

次に、各熱硬化性樹脂組成物をフッ化エチレン樹脂からなる成形体内に流し込み、真空脱泡し、オーブン内で１８０℃の温度で１時間静置し、２５ｍｍ×３５ｍｍ×２ｍｍの厚みの各樹脂硬化物サンプルを得た。各樹脂硬化物サンプルについて、超音波粘弾性測定装置（ＲＩＴＥＣ社製、品番：ＲＡＭ−１００００）を用い、粘弾性を測定し、以下の式（１）により３ＭＨｚにおける減衰係数（ｄＢ／ｍｍ：縦波）を算出した。

減衰係数α＝｛ｌｎ〔（Ａ_０ ^２−Ａ^２）／（Ａ_０Ｂ）〕｝／（１７．３２×Ｌ×１０^３） …式（１）
式（１）において、Ａ_０は超音波粘弾性測定装置の緩衝材底面における反射波の振幅（ｍ）を示し、Ａは上記緩衝材と樹脂硬化物サンプルとの境界面における反射波の振幅（ｍ）を示し、Ｂは樹脂硬化物底面での反射波の振幅（ｍ）を示し、Ｌは樹脂硬化物サンプルの厚み（ｍ）を示す。

また、上記超音波粘弾性測定装置を用い、上記各樹脂硬化物サンプルの５ＭＨｚにおける縦波の音速Ｃを下記の式（２）により求めた。

音速Ｃ（ｍ／秒）＝Ｌ／ｔ …式（２）
式（２）において、Ｌは樹脂硬化物サンプルの厚み（ｍ）であり、ｔは伝播時間（秒）である。

また、上記各樹脂硬化物サンプルの密度を、樹脂硬化物サンプルの重量と体積とから求め、硬化物密度をρとした。

さらに、上記音速評価及び密度測定で求められた音速Ｃと、硬化物密度ρとを用い、下記の式（３）により反射層を構成する樹脂硬化物の音響インピーダンス値Ｚ_２を求めた。

音響インピーダンスＺ_２＝ρ×Ｃ …式（３）

（実験例２）
図１及び図２に示した複合材料振動装置１を実際に作製した。圧電共振子２は、上記のように音響インピーダンス値Ｚ_１＝１８．８×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３のチタン酸ジルコン酸鉛系セラミックスからなり、保持部材５，６も、音響インピーダンス値Ｚ_３が、１８．８×１０^６Ｎ・ｓ・ｍ^−３のセラミックスからなる。上記圧電共振子２に、実施例１〜４でそれぞれ用意された樹脂組成物を塗工し、保持部材５，６を貼り合わせ、オーブン内にて１８０℃で１時間静置し、塗布された樹脂組成物を硬化した。樹脂組成物を塗布する際に、硬化後の樹脂硬化物、すなわち反射層３，４の厚みが、圧電共振子２の共振周波数に相当する波長λに対し、λ／４となるように塗布厚みを調整した。

次に、図１及び図２に示したニクロム膜、モネル膜、銀膜を順次形成した上で、その上にニッケルスズメッキを行うことにより外部電極１４，１５を形成し、複合材料振動装置１を得た。

上記のようにして得た実施例１〜４の複合材料振動装置について、インピーダンスアナライザ（ヒューレットパッカード社製、品番：ＨＰ４１９４Ａ）を用い、電気特性として位相の最大値θ_ｍａｘを測定した。位相の最大値θ_ｍａｘが大きい程、製品の電気的特性が優れていることになる。結果を下記の表１に示す。

なお、ここで、「位相」とは、複合材料振動装置１の電気インピーダンスを複素表示した場合の位相であり、位相の最大値θ_ｍａｘが９０度に近い程、安定に発振することなる。

なお、上記複合材料振動装置１の電気的な等価回路は図３に示す通りとなる。この等価回路のインピーダンスをＺとすると、インピーダンスＺは下記の式（４）で表わされる。なお、下記（４）において、ＲはインピーダンスＺの抵抗成分を、Ｘはリアクタンス成分を示す。

Ｚ＝Ｒ＋ｊＸ …式（４）
なお、このとき位相θは、下記の式（５）で表わされる。

θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／Ｒ） …式（５）
（比較例１）
比較のために、上記ポリスチレン系粒子を含まないことを除いては、上記実施例１と同様にして用意された樹脂組成物を用い、複合材料振動装置を作製し、比較例１と同様にして評価した。結果を下記の表１に併せて示す。

表１から明らかなように、比較例１では、ポリスチレン系粒子を含有していないため、反射層の減衰係数が１．１７と高く、得られた複合材料振動装置における位相の最大値θ_ｍａｘは８１．５度に留まっていた。

これに対して、実施例１〜４では、ポリスチレン系粒子が上記反射層３，４を構成する熱硬化性樹脂組成物に含有されているため、減衰係数が１．０７以下と低められ、電気的特性を示す位相の最大値θ_ｍａｘは８２．０度以上に高められていることがわかる。

なお、上記実施例では、上記振動発生源が圧電共振子である複合材料振動装置につき説明したが、本発明における複合材料振動装置の振動部材は、圧電共振子に限らず、圧電フィルタであってもよく、また圧電効果を利用したものに限らず、様々な振動を発生する発生源となる振動部材を用いることができる。いずれの場合においても、反射層がポリスチレン系粒子を含む樹脂組成物からなることにより、反射層に振動部材から伝播してきた振動の減衰係数を低めることができ、それによって保持部材による支持の影響を小さくして、複合材料振動装置の振動特性や電気的特性を高めることができる。

また、保持部材についても、上記セラミックスを用いたものに限らず、第２の音響インピーダンス値Ｚ_２よりも大きな第３の音響インピーダンス値Ｚ_３を有する限り、他のセラミックス、あるいはセラミックス以外の他の材料により構成することができる。

本発明の一実施例に係る複合材料振動装置の分解斜視図。 本発明の一実施例に係る複合材料振動装置の外観を示す斜視図。 本発明の一実施例の複合材料振動装置の等価回路を示す図。

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…励振電極
１２，１３…容量電極
１４，１５…外部電極

Claims (3)

1. 第１の音響インピーダンス値Ｚ_１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Ｚ_１よりも低い第２の音響インピーダンス値Ｚ_２を有する材料からなり、前記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Ｚ_２よりも大きな第３の音響インピーダンス値Ｚ_３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であって、
   前記反射層が、熱硬化性樹脂、硬化剤及びポリスチレン系粒子を含む熱硬化性樹脂組成物からなることを特徴とする、複合材料振動装置。
2. 前記ポリスチレン系粒子が、前記熱硬化性樹脂組成物中１０〜５６重量％の割合で該熱硬化性樹脂組成物中に含有されている、請求項１に記載の複合材料振動装置。
3. 前記熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である、請求項１または２に記載の複合材料振動装置。

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