JP2000270574A - 圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

圧電アクチュエータおよびその製造方法

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JP2000270574A
JP2000270574A JP7092799A JP7092799A JP2000270574A JP 2000270574 A JP2000270574 A JP 2000270574A JP 7092799 A JP7092799 A JP 7092799A JP 7092799 A JP7092799 A JP 7092799A JP 2000270574 A JP2000270574 A JP 2000270574A
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molten material
piezoelectric element
lead wire
piezoelectric actuator
jointing
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Hironobu Ito
浩信 伊藤
Keitaro Koroishi
圭太郎 頃石
Tomoyuki Yoshino
朋之 吉野
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Seiko Instruments Inc
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Seiko Instruments Inc
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    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/16Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors using travelling waves, i.e. Rayleigh surface waves
    • H02N2/166Motors with disc stator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
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    • H02N2/0085Leads; Wiring arrangements
    • HELECTRICITY
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リード線と圧電素子との接合面積および接合
位置のバラツキを低減し、圧電アクチュエータの振動特
性を維持するとともに、圧電素子とリード線との接合工
程において、適正な接合強度を確保して歩留まりを向上
させる。 【解決手段】 電極形成された圧電素子と、圧電素子に
駆動信号を供給するリード線を接合してなる圧電アクチ
ュエータであって、圧電素子とリード線との接合部に、
それぞれの材料に溶着する略球体の溶融材を用いて接合
した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子と圧電素
子に駆動信号を供給するリード線とを接合した圧電アク
チュエータの改良に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、マイクロアクチュエータの分野
で、圧電素子の圧電効果を利用して駆動力を得る圧電ア
クチュエータが注目されている。従来、この圧電アクチ
ュエータは、図7に示すように、支持台71と、支持台
71に設けた支持軸72と、支持軸72に固定された弾
性体74と、弾性体74の一方向の面に接合された圧電
素子75と、圧電素子75に一端を接接続し、励振信号
を供給するリード線78とを備える。ここで、圧電素子
75は、薄膜形成した電極パターン76を有し、弾性体
74と接合して、振動体73を構成する。また、リード
線77は、予め、錫−鉛のはんだ合金をメッキして接合
層78を形成しておき、リード線77と圧電素子75と
を加圧接触し、加熱して接合をおこなっていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記リ
ード線77は、圧電素子75との接合層78で強固に接
合され、密着強度が確保されていることが必要である
が、このために接合面積を広くとると振動体73の振動
を妨害するという弊害が生じていた。このことは、圧電
アクチュエータの駆動時に生じる振動体73の振動が、
支持軸72付近において振動が最も小さく、この接合面
積が外周方向に広がる、もしくは、接合位置が外側にず
れるほど、例え、剛性の低いリード線78でも振動を妨
害するという原理からなる。
【0004】また、接合工程においては、はんだ加熱時
はリード線に沿ってはんだ材料が流れ出し、接合面積が
増大するため、はんだの流れ出しを考慮して加熱条件を
設定する必要がある。しかし、はんだの流れ出し量を制
御することが困難であるため、接合面積が小さいことに
よる接合強度の不良および接合面積が大きいことによる
振動特性不良が生じ、歩留まりを低下させるという問題
を有していた。また、リード線77の接合位置のバラツ
キも、振動特性不良が生じ、歩留まりを低下させるとい
う問題点を有していた。
【0005】本発明の目的は、リード線と圧電素子との
接合面積および接合位置のバラツキを低減し、振動特性
を維持するととともに、圧電素子とリード線との接合工
程において、適正な接合強度を確保して歩留まりを向上
させる圧電アクチュエータを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】即ち、本課題の解決手段
は、電極形成された圧電素子と、圧電素子に駆動信号を
供給するリード線を接合してなる圧電アクチュエータで
あって、圧電素子の電極とリード線との接合部に、それ
ぞれの材料に溶着する略球体の溶融材を有することを特
徴とする。
【0007】ここで、リード線は、導電性ワイヤ、もし
くは、導電性ワイヤと絶縁性基材とを固着して構成され
ており、導電性ワイヤは、アルミニウム、銅、銀、金ま
たはこれらの合金等を含む。また、絶縁性基材は、例え
ば、ポリイミド樹脂製、シリコン樹脂製、ポリエチレン
樹脂製、ガラス繊維を混入したエポキシ樹脂製を含む。
また、導電性ワイヤと絶縁性基材とは接着、電鋳、印刷
等で製作されたものを含む。また、溶融材は、例えば、
6対4もしくは9対1等の組成比が異なる錫−鉛のはん
だ合金、錫合金、錫、銅、アルミニウム、ニッケル、等
を略球体、立方体、円柱体、等に加工されたものが含ま
れる。
【0008】これによれば、圧電素子とリード線との接
合部に配置される溶融材は、接合時の加熱によって略球
体となり、また、接合時の加圧によって加圧方向、すな
わち、厚み方向に潰れた球体となる。圧電素子およびリ
ード線に沿って伸びる溶融材の直径とリード線の幅を掛
けあわせれば、接合面積は容易に算出できる。図6は、
略球体の溶融材が、接合時の加圧によって潰れた際の直
径の増加量を示した図である。X軸は、加圧前の溶融材
の直径を1としたときの厚み方向の潰れ量とし、Y軸
は、圧電素子およびリード線に沿って伸びる直径の増加
量とした。ここで、略球体の溶融材を用いた場合、図6
に示すように、接合時の加圧条件で厚み方向の潰れ量は
変化し、例えば、溶融材の直径の1/10(X軸:0.
1)まで潰した場合、接合長さは直径の5倍程度(Y
軸)と試算できる。したがって、溶融材の大きさをあら
かじめ振動特性を抑制しない寸法に加工しておくことに
より、接合面積の制御は容易となる。また、圧電素子と
リード線との接合工程において、接合後の溶融材の直径
を測定し、加圧力等の接合条件に反映させることで、適
正な接合強度が確保できる。
【0009】また、電極形成された圧電素子と、圧電素
子に駆動信号を供給するリード線を接合してなる圧電ア
クチュエータの製造方法であって、溶融材をリード線に
供給する工程と、溶融材をリード線に溶着する工程と、
圧電素子に溶融材を溶着する工程とを有することを特徴
とする。ここで、溶融材は、例えば、6対4もしくは9
対1等の組成比が異なる錫−鉛のはんだ合金、錫合金、
錫、銅、アルミニウム、ニッケル、等を任意の形状にに
加工されたものが含まれる。
【0010】これによれば、溶融材をリード線に供給し
た直後にリード線と溶融材とを溶着することで、リード
線の適正な位置に溶融材を位置決めすることが可能とな
る。したがって、圧電素子とリード線との接合位置のバ
ラツキが低減され、歩留まりを向上できる。また、前記
溶融材において、略球状の溶融材を用いたことを特徴と
する。
【0011】これによれば、略球体の溶融材をリード線
および圧電素子と溶着する工程において、溶融材は略球
体を維持しながらリード線と圧電素子とを接合する。す
なわち、リード線に沿って溶融材が流れず、接合面積が
安定することから歩留まりが向上する。また、前記溶融
材をリード線に供給する工程において、溶融材を融剤に
浸し、転写版に供給する工程と、転写版から転写ツール
に溶融材を転写する工程と、転写ツールからリード線に
転写する工程とを有することを特徴とする。
【0012】ここで、融剤は、酸性、または、アルカリ
性の水溶液、もしくは、有機溶剤、等が含まれる。これ
によれば、微小な溶融材をリード線に供給することが容
易となる。また、転写版に適正数の溶融材を供給した後
に転写ツールを用いてリード線に転写することで、リー
ド線に供給する溶融材の量を精密に制御することが可能
となる。
【0013】また、電極形成された圧電素子と、圧電素
子に駆動信号を供給するリード線を接合してなる圧電ア
クチュエータの製造方法において、溶融材を融剤に浸
し、転写版に供給する工程と、転写版から転写ツールに
溶融材と融剤を転写する工程と、転写ツールからリード
線に溶融材と融剤を供給する工程と、リード線と圧電素
子に溶融材を溶着する工程とを有することを特徴とす
る。
【0014】これによれば、微小な溶融材をリード線に
供給することが容易となり、リード線と圧電素子とを接
合する加熱によって、溶融材は略球体に形成できる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下、図1〜5を参照して本発明
に係わる実施の形態を詳細に説明する。まず、圧電アク
チュエータの構造について説明する。図1は、本発明を
適用した実施の形態に係わる圧電アクチュエータの断面
構造を示し、図2は、圧電アクチュエータの平面構造を
示す図である。圧電アクチュエータは、支持台1と、支
持台1に固定された本発明の支持軸2と、支持軸2に固
定された振動体3と、支持台1に対し振動体3と反対側
の面に接合されたリード線7と、リード線7と振動体3
とを溶着する溶融材8からなる。
【0016】ここで、支持台1は、所定の形状に成形さ
れた平板体であり、支持軸2を挿入させる中心孔1a
と、導電性ワイヤ8を振動体3側に通す導電性ワイヤ通
孔1bを設けている。支持軸2は、剛性材料を用いて成
形された棒状体であり、振動体3を支持している。
【0017】振動体3は、弾性体4と、弾性体4に接合
された圧電素子5と、圧電素子5の表面に形成された電
極パターン6からなる。詳細には、弾性体4は、圧電素
子5に対応した円盤状に成形され、その材質は、例え
ば、アルミニウム合金、ステンレス、黄銅、等の弾性材
料を用いている。また、後述する圧電素子5の表面に形
成された電極パターン6の分割部の境界に対応する位置
に柱状の突起4aを設ける。また、支持軸2を差し込む
支持軸孔4bを設ける。
【0018】圧電素子は、例えば、チタン酸ジルコン酸
鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、ニオブ酸リチウ
ム、タンタル酸リチウム、等を用いて成形された円盤体
である。また、圧電素子5に形成した電極パターン6
は、12等分に分割されている。また、一つおきの分割
部を圧電素子5の内周と外周とで電極パターン6を成膜
するのと同様に導電性薄膜で短絡配線し、12等分割さ
れた電極パターンのうち二組の電極パターンを作製す
る。第1の電極パターン6aと第1導電性ワイヤ7aを
接合することで右回りの駆動信号が入力でき、第2の電
極パターン6bと第2導電性ワイヤ7bを接合すること
で左回りの駆動信号を入力できる。また、前記導電性薄
膜での短絡配線を行う前に、12等分割された電極パタ
ーンは各々所定の向きに分極処理を施した。
【0019】電極パターン6は、クロム、ニッケル、
金、銅、アルミニウム、等の金属を蒸着、PVD、印
刷、等の手段で圧電素子5の表面に形成する。リード線
7は、ポリイミドを用いて所定の形状に成形されたフィ
ルム体が基材7cであり、基材7cから延出する導電性
ワイヤ7a、7bを設けてある。溶融材8は、例えば、
6対4もしくは9対1等の組成比の錫−鉛のはんだ合
金、錫合金、錫、銅、アルミニウム、ニッケル、等を球
形に加工したものを用い、導電性ワイヤ7a、7bと圧
電素子5に設けた電極パターン6とを溶着した。溶着し
た後の溶融材8は、溶着時の加熱と加圧によって、図1
および図2に示すように略球体となる。
【0020】以上のような構成によれば、圧電素子5に
設けた電極パターン6a、6bと導電性ワイヤ7a、7
bとは、溶融材8a、8bによって適正な密着強度を確
保するとともに、溶融材の大きさのバラツキを低減する
ことで、振動体3の振動を妨害することのない接合面積
が確保できる。次に、本発明を適用した実施の形態に係
わる圧電アクチュエータの製造方法について説明する。
【0021】圧電アクチュエータの製造方法は、溶融材
8をリード線7に供給する工程と、溶融材8をリード線
7に溶着する工程と、圧電素子5に溶融材8を溶着する
工程とからなる。以下これらの工程について詳述する。
図3は、圧電素子5とリード線7の接合工程を示すブロ
ック図である。図3において、TAB(Tape Automated
Bonding)上に形成したリード線7の2本の導電性ワイ
ヤ7a、7bに、溶融材供給ツール38の真空吸引して
保持するチャッキング機構36により、溶融材8を2ヶ
保持し、それぞれの導電性ワイヤ7a、7bに1ヶづつ
供給する(図3(A))。次に、導電性ワイヤ7a、7
bを赤外線ランプ39で加熱し、溶融材8a、8bを溶
着する(図3(B))。
【0022】この後、支持軸2を振動体3に圧入する工
程(図3(C))を経て、導電性ワイヤ7a、7bと圧
電素子5の電極パターン6a、6bとを加熱ツール31
で接近させ、加熱し、電極パターン6a、6bと溶着材
8a、8bとを溶着する(図3(D))。このように、
溶融材8を導電性ワイヤ7a、7bに供給してた直後に
加熱し、導電性ワイヤ7a、7bに溶着しため、溶融材
8a、8bを供給した後の次工程への搬送、および、本
実施例のように振動体3を支持軸2に圧入する工程(図
3(C))、等での溶融材8a、8bの脱落は防止でき
る。
【0023】本実施例においては、導電性ワイヤ7a、
7bに供給する溶融材8a、8bは、略球体の半田材を
用いた。導電性ワイヤ7a、7bを赤外線ランプ39で
加熱する際、溶融材8a、8bは、温度を200℃、時
間を0.5秒の条件において、僅かに導電性ワイヤ7
a、7bに流れ出し、図3(b)のように溶着する。溶
融材の形状は、溶融した際の表面張力の影響を受け、立
方体、円柱体の溶融材を用いた場合においても導電性ワ
イヤに溶着した後は、溶融材の表面張力で、略球体とな
る。しかし、立方体や円柱体の溶融材を用いた場合、加
熱条件の変動によって、導電性ワイヤに流れ出す、流れ
落ちる、等の不具合が発生しやすくなる。
【0024】したがって、加熱条件の変動を考慮する
と、略球体の溶融材を用いることが有利である。次に、
溶融材の供給および溶融工程について説明する。図4、
図5は、溶融材の供給および溶融工程を示すブロック図
である。溶融材48を融剤44に浸し、転写版に供給す
る工程(図4(A))において、溶融材48を適度に分
散させる粘度に調整した融剤44をディスペンサ42で
塗布しながら転写版45に溶融材48と融剤44を供給
し、スキージ43で溶融材48を整列した。この後、転
写ツール46を転写版45に浸すことで適量の溶融材4
8を転写ツール46に転写できる。次に、リード線7に
溶融材48と融剤44とを供給する(図4(B))。ま
た、リード線7に供給した溶融材48と融剤44とを赤
外線ランプ加熱49をおこなうことで、略球体の溶融材
48が形成できる(図4(C))。ここで、溶融材48
と融剤44は、転写版45に供給する前に予め混合して
おく方法、また、溶融材48を転写版45に供給した後
に、融剤44をディスペンサで供給しても良い。したが
って、融剤44の粘度と転写ツール46の形状で決めら
れた溶融材48の量は、再現性良く転写可能で、特に、
微少量の供給が可能であることが確認できた。また、リ
ード線7に、微小粒径の溶融材48を複数個供給し、供
給量を制御する場合に適している。
【0025】また、溶融材48と融剤44を転写ツール
46でリード線7に供給した場合(図5(A))、支持
軸2を振動体3に圧入する工程(図5(B))を経て、
リード線7と圧電素子5の電極パターン6とを加熱ツー
ル51で接近させ、加熱し、リード線7と電極パターン
6と溶着材48とを溶着する(図3(D))。このよう
な工程において、溶融材48は、溶剤44の粘性によっ
て支持軸2と振動体3を圧入する工程では、溶融材48
が脱落することなく、また、加熱ツール51でリード線
7と電極パターン6と溶融材48とを加熱することで溶
融材48は略球体に形成される。したがって、溶融材4
8を供給した後に、赤外線ランプ等の加熱手段を用いて
リード線7と溶融材48とを溶着する工程が省ける。
【0026】以上より、本実施例の形態によれば、圧電
素子の電極とリード線との接合部に、それぞれの材料に
溶着する略球体の溶融材を用いたので、圧電素子5に設
けた電極パターン6と導電性ワイヤ7b、7cとは、溶
融材8によって適正な密着強度を確保するとともに、溶
融材の大きさのバラツキを低減することで、振動体3の
振動を妨害することのない接合面積が確保できる。
【0027】また、溶融材をリード線に供給する工程
と、溶融材をリード線に溶着する工程と、圧電素子に溶
融材を溶着する工程とを用いたので、溶融材8a、8b
を供給した後の次工程への搬送、および、本実施例のよ
うに振動体3を支持軸2に圧入する工程、等での溶融材
8a、8bの脱落は防止できる。また、前記溶融材にお
いて、略球状の溶融材を用いたので、加熱条件の変動の
影響を受けづらいくなった。
【0028】また、前記溶融材をリード線に供給する工
程において、溶融材を融剤に浸し、転写版に供給する工
程と、転写版から転写ツールに溶融材を転写する工程
と、転写ツールからリード線に転写する工程とを用いた
ので、導電性ワイヤの形状に合わせた形状として、融剤
の粘度によって溶融材を転写する量は決められ、微少量
の溶融材の供給が制御できる。導電性ワイヤに、複数個
の溶融材を供給し、供給量を制御する場合に本実施例は
適している。先の実施例と同様に、導電性ワイヤ上で溶
融材を加熱すると複数の溶融材は溶融し、略球体の溶融
材が溶着できる また、溶融材を融剤に浸し、転写版に供給する工程と、
転写版から転写ツールに溶融材と融剤を転写する工程
と、転写ツールからリード線に溶融材と融剤を供給する
工程と、リード線と圧電素子に溶融材を溶着する工程と
を用いたので、微小な溶融材をリード線に供給すること
が容易となり、リード線と圧電素子とを接合する加熱に
よって、溶融材は略球体に形成できる。
【0029】
【発明の効果】以上より、本発明によれば、圧電素子と
リード線との間には溶融材が配置され、溶融材の大きさ
をあらかじめ振動特性を抑制しない寸法の略球体に加工
しておくことにより、接合面積は制御できる。したがっ
て、圧電素子とリード線との接合工程において、溶融材
の供給量の制御が容易になり、適正な接合強度の確保で
歩留まりが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用した実施の形態に係わる圧電アク
チュエータの断面構造を示す説明図である。
【図2】図1に係わる圧電アクチュエータについて、リ
ード線側から観察した平面構造を示す説明図である。
【図3】本発明を適用した圧電アクチュエータの製造方
法に係わる圧電素子とリード線の接合工程を示すブロッ
ク図である。
【図4】本発明を適用した圧電アクチュエータの製造方
法に係わる溶融材の供給および溶融工程を示すブロック
図である。
【図5】本発明を適用した圧電アクチュエータの製造方
法に係わる溶融材の供給および溶融工程を示すブロック
図である。
【図6】本発明を適用した圧電素子とリード線との接合
部について、略球体の溶融材が接合時の加圧によって潰
れた際の直径の増加量を示した説明図である。
【図7】従来技術に係わる圧電アクチュエータの断面構
造を示す説明図である。
【符号の説明】
1 支持台 2 支持軸 3 振動体 4 弾性体 5 圧電素子 6 電極パターン 7 リード線 8 溶融材 44 融剤 45 転写版 46 転写ツール 48 溶融材 51 加熱ツール
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成12年6月6日(2000.6.6)
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0001
【補正方法】変更
【補正内容】
【0001】本発明は、圧電素子と圧電素子に駆動信号
を供給するリード線とを接合した圧電アクチュエータ
よびその製造方法の改良に関する。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0005
【補正方法】変更
【補正内容】
【0005】本発明の目的は、リード線と圧電素子との
接合面積および接合位置のバラツキを低減し、振動特性
を維持するととともに、圧電素子とリード線との接合工
程において、適正な接合強度を確保して歩留まりを向上
させる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供す
ることにある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉野 朋之 千葉県千葉市美浜区中瀬1丁目8番地 セ イコーインスツルメンツ株式会社内 Fターム(参考) 5H680 AA00 BB01 BB16 DD01 DD23 DD35 DD39 DD40 DD53 DD66 DD85 DD92 DD97 EE10 FF08 FF16 GG02

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電極形成された圧電素子と、圧電素子に
    駆動信号を供給するリード線を接合してなる圧電アクチ
    ュエータにおいて、圧電素子とリード線との接合部に、
    それぞれの材料に溶着する略球体の溶融材を有すること
    を特徴とする圧電アクチュエータ。
  2. 【請求項2】 電極形成された圧電素子と、圧電素子に
    駆動信号を供給するリード線を接合してなる圧電アクチ
    ュエータの製造方法において、溶融材をリード線に供給
    する工程と、溶融材をリード線に溶着する工程と、圧電
    素子に溶融材を溶着する工程とを有することを特徴とす
    る圧電アクチュエータの製造方法
  3. 【請求項3】 前記溶融材において、略球状の溶融材を
    用いたことを特徴とする請求項2記載の圧電アクチュエ
    ータの製造方法。
  4. 【請求項4】 前記溶融材をリード線に供給する工程に
    おいて、溶融材を融剤に浸し、転写版に供給する工程
    と、転写版から転写ツールに溶融材と融剤を転写する工
    程と、転写ツールからリード線に溶融材と融剤を供給す
    る工程とを有することを特徴とする請求項2、3記載の
    圧電アクチュエータの製造方法。
  5. 【請求項5】 電極形成された圧電素子と、圧電素子に
    駆動信号を供給するリード線を接合してなる圧電アクチ
    ュエータの製造方法において、溶融材を融剤に浸し、転
    写版に供給する工程と、転写版から転写ツールに溶融材
    と融剤を転写する工程と、転写ツールからリード線に溶
    融材と融剤を供給する工程と、リード線と圧電素子に溶
    融材を溶着する工程とを有することを特徴とする圧電ア
    クチュエータの製造方法
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