JP2003243740A - 積層型圧電素子および位置決め装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 リード部材の脱離が起こり難く、端面からリ
ード部材が取り出された積層型圧電素子を提供する。 【解決手段】 圧電アクチュエータ１０は、積層体１１
と、積層体１１の側面に設けられた外部電極１４ａ・１
４ｂと、積層体１１の側面を被覆するガラス被膜１９ａ
・１９ｂとを有する。積層体１１は圧電セラミックス１
２ａと内部電極１３ａ・１３ｂとが交互に積層されてな
る圧電活性部２１と、圧電セラミックス１２ｂと引出電
極１８ａ・１８ｂとが交互に積層されてなる電極取り出
し部２２とを有し、外部電極１４ａは内部電極１３ａお
よび引出電極１８ａと導通し、外部電極１４ｂは内部電
極１３ｂおよび引出電極１８ｂと導通している。電極取
り出し部２２にスルーホール１５ａ・１５ｂを設け、こ
のスルーホール１５ａ・１５ｂ内においてリード線１６
ａ・１６ｂを引出電極１８ａ・１８ｂに接続した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、位置決め装置や振
動発生装置等に用いられる積層型圧電素子および積層型
圧電素子が装着された位置決め装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】積層型の圧電アクチュエータは、サブミ
クロンオーダーで変位量を調節することが可能であり、
また電気信号に対する応答性が速く、発生力が大きいこ
とから、例えば、Ｘ−Ｙステージ等の精密位置決め装置
に用いられている。

【０００３】図７は一般的な積層型圧電アクチュエータ
９０の構造を示す概略断面図であり、積層型圧電アクチ
ュエータ９０は、圧電セラミックス９１と内部電極９２
とが交互に積層され、隣り合う圧電セラミックス９１に
は互いに逆向きとなる電界が内部電極９２によって印加
されるように、内部電極９２が一層おきに外部電極９３
ａ・９３ｂに接続された構造を有する。一般的に、外部
電極９３ａ・９３ｂは、銀ペーストを印刷して焼き付け
ることによって形成される。

【０００４】また、外部電極９３ａ・９３ｂにはそれぞ
れハンダ付け等によってリード線９４ａ・９４ｂが取り
付けられている。圧電セラミックス９１と内部電極９２
とからなる積層体９５の側面（圧電セラミックス９１の
積層方向に平行な面をいう）には耐湿性に優れる樹脂被
膜９６が設けられている。樹脂被膜９６は圧電アクチュ
エータ９０の使用環境下における水蒸気から、積層体９
５や外部電極９３ａ・９３ｂを保護する役割を果たす。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、圧電ア
クチュエータ９０では、リード線９４ａ・９４ｂが厚み
の薄い外部電極９３ａ・９３ｂにハンダ付けされている
ために、リード線９４ａ・９４ｂの取り付け強度が弱
く、これによりリード線９４ａ・９４ｂが外れ易いとい
う問題がある。また、リード線９４ａ・９４ｂが積層体
９５の側面に設けられているために、圧電アクチュエー
タ９０を位置決め装置等に装着する場合には、横幅の広
い装着スペースが必要となり、これにより位置決め装置
等を小型化することが困難となる。

【０００６】また、樹脂被膜９６を用いた積層体９５の
被覆方法では、長期間の使用や過酷な温湿度環境下にお
いて、空気中に含まれる水蒸気が樹脂被膜９６を通して
積層体９５の側面に入り込み、これにより側面放電を引
き起こす問題がある。さらに一般的に、内部電極９２と
しては、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）電極が用いら
れ、外部電極９３ａ・９３ｂには銀電極が用いられるた
めに、積層体９５の側面に入り込んだ水蒸気によって銀
がマイグレーションを起こして圧電アクチュエータ９０
の絶縁抵抗が低くなり、これにより絶縁破壊が起こると
いう問題がある。

【０００７】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
ものであり、リード線等のリード部材の脱離が起こり難
い積層型圧電素子を提供することを目的とする。また本
発明は、リード部材を積層型圧電素子の端面から取り出
すことができる積層型圧電素子を提供することを目的と
する。さらに本発明は、耐湿性に優れた積層型圧電素子
を提供することを目的とする。さらにまた、本発明はこ
のような積層型圧電素子が装着された位置決め装置を提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】すなわち本発明によれ
ば、圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、
前記内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印
加することにより前記圧電セラミックスに変位が発生す
る圧電活性部と、圧電セラミックスと正負一対の引出電
極からなる圧電不活性な電極取り出し部と、を有する積
層体と、前記内部電極が一層おきに電気的に接続され、
かつ、前記引出電極の正極または負極と電気的に接続さ
れるように、前記積層体の側面に設けられた正負一対の
外部電極と、前記外部電極、前記内部電極および前記引
出電極が完全に被覆されるように前記積層体の側面を被
覆するガラス被膜と、前記積層体の端面に開口部を有す
るように前記電極取り出し部に形成された一対のスルー
ホールと、を有し、前記一対のスルーホールのそれぞれ
の内部側面には前記引出電極の正極と負極が別々に露出
しており、前記圧電活性部に駆動信号を送る一対のリー
ド部材が、前記スルーホール内において露出している前
記引出電極の正極と負極とそれぞれ電気的に接続されて
いることを特徴とする積層型圧電素子、が提供される。

【０００９】このような積層型圧電素子においては、リ
ード部材の取り付け強度が大きい。また、リード部材の
取り付け部がスルーホールの奥部にあるために、この取
り付け部に大きな応力が掛からない。さらに、リード部
材は圧電不活性な部分に取り付けられている。これらに
より、本発明の積層型圧電素子は高い信頼性を有する。
また、リード部材の取り付け部が金属によるハーメチッ
クシール構造となるために、積層型圧電素子への水蒸気
の浸透が防止され、信頼性が高められる。さらに、リー
ド部材が積層型圧電素子の端面から取り出されているた
めに、積層型圧電素子を位置決め装置等に装着するため
のスペースを狭くすることができる。

【００１０】このような積層型圧電素子は、好ましく
は、圧電セラミックスと内部電極とを同時に焼成する一
体焼成法（同時焼成法）により製造される。そこで、電
極取り出し部を圧電セラミックスと引出電極とが交互に
積層された構造とすると、引出電極の断面積が増大して
引出電極の抵抗を下げることができ、これにより積層型
圧電素子の駆動に必要な電流を流し易くすることができ
る。引出電極が直接に外気に接しないように、スルーホ
ールの内部に引出電極とリード部材を接続する金属を充
填すると、スルーホールからの水蒸気の積層体内への侵
入を効果的に防止することができる。

【００１１】圧電活性部と電極取り出し部との間には、
圧電不活性な保護層を設けることができる。また、圧電
活性部において電極取り出し部が設けられていない他方
の端面にも圧電不活性な保護層を形成してもよい。ガラ
ス被膜を被覆するように、積層体の側面に樹脂被膜を形
成することにより、積層型圧電素子の耐湿性をより高め
ることができる。また樹脂被膜によってガラス被膜を保
護することができる。

【００１２】また本発明によれば、駆動信号を送る一対
のリード部材が下端面から取り出された円筒形の積層型
圧電素子と、先端がネジ切りされた支柱部と前記一対の
リード部材を外部に導出する孔部とを有し、前記積層型
圧電素子の内孔に前記支柱部を通して前記積層型圧電素
子を支持する台座部材と、内孔を有し、外側の側面がネ
ジ切りされ、前記内孔に前記支柱部を通して前記積層型
圧電素子の上端面に当接するように前記積層型圧電素子
に載置された筒状部材と、内孔を有し、前記内孔に支柱
部を通して前記筒状部材の上部に保持される皿バネと、
前記皿バネを介して前記筒状部材と前記台座の間で前記
積層型圧電素子に所定の保持力が掛かるように、前記支
柱部の先端に前記皿バネと当接して固定されるナット部
材と、前記筒状部材の外側の側面に設けられたネジ切り
部に嵌め合わされ、前記積層型圧電素子を覆うカバー部
材と、を具備し、前記一対のリード部材に所定の駆動信
号を与えることによって前記積層型圧電素子を伸縮駆動
させ、前記筒状部材を介して前記カバー部材を、前記積
層型圧電素子に発生する変位にしたがって移動させるこ
とを特徴とする位置決め装置、が提供される。

【００１３】リード部材が端面から取り出されている積
層型圧電素子を用いることによって、位置決め装置をコ
ンパクトにすることができる。また、ナット部材の位置
を調整することによって皿バネの伸縮を調整することが
できるため、積層型圧電素子の保持力を所望の値に容易
に設定することができる。なお、ナット部材の回転を防
止する回転防止ピンをナット部材の周囲に設けることに
よって、積層型圧電素子を一定の保持力で保持すること
ができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照しながら詳細に説明する。図１は積層型圧
電アクチュエータ（以下「圧電アクチュエータ」とい
う）１０の概略構造を示す断面図である。圧電アクチュ
エータ１０の母体である積層体１１は、保護層２３ａ
と、圧電活性部２１と、保護層２３ｂと、電極取り出し
部２２と、保護層２３ｃが、この順序でＺ方向に一体的
に積層されており、積層体１１は中心部に孔部２４が形
成された筒形状を有している。

【００１５】積層体１１の外周側面には、外部電極１４
ａ・１４ｂと、積層体１１を水蒸気から保護するガラス
被膜１９ａと、ガラス被膜１９ａを保護する樹脂被膜２
０ａが設けられている。また、積層体１１の内周側面
（孔部２４の側壁）には、ガラス被膜１９ｂと樹脂被膜
２０ｂが設けられている。圧電活性部２１は、圧電セラ
ミックス１２ａと内部電極１３とがＺ方向に交互に積層
された構造を有しており、内部電極１３は一層おきに外
部電極１４ａ・１４ｂと電気的に接続されている。以
下、外部電極１４ａと導通している内部電極を内部電極
１３ａとし、外部電極１４ｂと導通している内部電極を
内部電極１３ｂとする。

【００１６】外部電極１４ａは電極取り出し部２２に設
けられた引出電極１８ａを介してリード線１６ａと電気
的に接続されており、外部電極１４ｂは電極取り出し部
２２に設けられた引出電極１８ｂを介してリード線１６
ｂと電気的に接続されている。電極取り出し部２２の構
造については後に詳細に説明する。

【００１７】圧電セラミックス１２ａには、リード線１
６ａ・１６ｂ間に所定の電圧を印加することによって、
分極処理が施されている。このような状態において、リ
ード線１６ａ・１６ｂ間に所定の駆動電圧を印加する
と、圧電セラミックス１２ａの圧電特性に起因する伸縮
変位がＺ方向に生ずる。

【００１８】圧電セラミックス１２ａとしては、一般的
に、圧電定数ｄ_３３と電気機械結合係数ｋ_３３の値が大
きい材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（略称ＰＺ
Ｔ）系の圧電セラミックスが好適に用いられる。これに
より小さい駆動電圧で大きな変位を得ることができる。
後述するように、積層体１１は同時焼成法によって好適
に作製されるために、内部電極１３ａ・１３ｂとしては
銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）電極が好適に用いられ
る。一方、外部電極１４ａ・１４ｂとしては、銀電極が
好適に用いられる。

【００１９】保護層２３ａ・２３ｂ・２３ｃは圧電セラ
ミックス１２ａと同じ材料で構成されている。保護層２
３ａ・２３ｃは、例えば、圧電アクチュエータ１０の端
面の変位量を端面全体で一定となるように、また圧電ア
クチュエータ１０を各種装置へ組み込む際の便宜を考慮
して、必要に応じて設けられる。保護層２３ａ・２３ｃ
は、電圧が印加されないために電圧特性を示さない圧電
不活性な部分である。

【００２０】保護層２３ｂは圧電活性部２１と電極取り
出し部２２との間の応力緩衝層として設けられている。
但し、電極取り出し部２２は圧電不活性な保護層として
の機能をも有することから、保護層２３ｂは必ずしも必
要なものではない。

【００２１】なお、図１に示すように、圧電活性部２１
の最下部に内部電極１３ｂが存在する場合には、保護層
２３ｂの引出電極１８ａと内部電極１３ｂの間の部分
は、外部電極１４ａ・１４ｂ間に電圧を印加した際に圧
電活性となる。しかし、保護層２３ｂの厚みは圧電セラ
ミックス１２ａの厚みよりも厚くなっているためにその
変位量は小さく、このために保護層２３ｂは実質的に圧
電不活性な部分として取り扱うことができる。これに対
して、保護層２３ｂの内部電極１３ｂと引出電極１８ｂ
との間の部分は、内部電極１３ｂと引出電極１８ｂとが
同電位となるために圧電不活性である。

【００２２】電極取り出し部２２は、圧電セラミックス
１２ｂと引出電極１８ａとが交互に積層された部分と、
圧電セラミックス１２ｂと引出電極１８ｂとが交互に積
層された部分とを有している。引出電極１８ａと引出電
極１８ｂはＺ方向の同じ高さに位置しているが、これら
はＸ−Ｙ面内で絶縁されている。リード線１６ａ・１６
ｂ間に所定の電圧を印加しても、電極取り出し部２２に
Ｚ方向の電位差は生じない。このため電極取り出し部２
２は圧電不活性である。

【００２３】引出電極１８ａは外部電極１４ａと電気的
に接続され、引出電極１８ｂは外部電極１４ｂと電気的
に接続されている。電極取り出し部２２と保護層２３ｃ
には、積層体１１の端面に開口部を有する独立したスル
ーホール１５ａ・１５ｂが形成されており、引出電極１
８ａはスルーホール１５ａの側面に露出し、引出電極１
８ｂはスルーホール１５ｂの側面に露出している。引出
電極１８ａ・１８ｂがそれぞれスルーホール１５ａ・１
５ｂ内において直接に外気に接しないように、スルーホ
ール１５ａ・１５ｂの内部にはそれぞれ金属１７が充填
されており、スルーホール１５ａに充填された金属１７
にはリード線１６ａが取り付けられ、スルーホール１５
ｂに充填された金属１７にはリード線１６ｂが取り付け
られている。

【００２４】このように引出電極１８ａ・１８ｂはそれ
ぞれ、リード線１６ａ・１６ｂと外部電極１４ａ・１４
ｂとを電気的に接続する役割を果たすために、引出電極
１８ａ・１８ｂの抵抗は小さいことが好ましい。引出電
極１８ａ・１８ｂの抵抗を小さくする方法としては、電
極面積を広くする方法と層数を多くする方法が好適に用
いられる。前述したように積層体１１は同時焼成法によ
って好適に作製されるために、引出電極１８ａ・１８ｂ
としては、銀（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）電極が好適
に用いられる。

【００２５】金属１７としては、スルーホール１５ａ・
１５ｂ内に溶融状態のものを流し込むことができるか、
またはスルーホール１５ａ・１５ｂ内に固体状のものを
充填した後に容易に溶融させて均一な組織とすることが
ハンダ等のスズ合金が好適に用いられる。スルーホール
１５ａ・１５ｂ内において金属１７を１度溶融状態とす
ることで、金属１７と引出電極１８ａ・１８ｂとを低抵
抗で接続することができ、またリード線１６ａ・１６ｂ
を容易に取り付けることができる。

【００２６】リード線１６ａ・１６ｂとしては、シリコ
ン樹脂やフッ素樹脂等の樹脂で被覆された単芯線または
多芯線が好適に用いられる。リード線１６ａ・１６ｂと
してこのような被覆電線を用いた場合には、このリード
線１６ａ・１６ｂの被膜がスルーホール１５ａ・１５ｂ
内に挿入されるようにする。

【００２７】電極取り出し部２２においては、引出電極
１８ａ・１８ｂが金属１７によって外気に直接に接しな
いシール構造が取られているために、引出電極１８ａ・
１８ｂと圧電セラミックス１２ｂとの境界への水蒸気の
浸透を防止することができ、これにより信頼性を高める
ことができる。

【００２８】また、リード線１６ａ・１６ｂを圧電不活
性な電極取り出し部２２に取り付けることによって、リ
ード線１６ａ・１６ｂの脱離を防止することができる。
また、リード線１６ａ・１６ｂをスルーホール１５ａ・
１５ｂの奥部に取り付けることによって、リード線１６
ａ・１６ｂの取り付け部に大きな応力が掛かり難くな
り、これによりさらにリード線１６ａ・１６ｂの脱離が
防止され、耐久性が高められる。さらにリード線１６ａ
・１６ｂが圧電アクチュエータ１０の端面から取り出さ
れているために、圧電アクチュエータ１０を各種機器に
装着する際に必要とされる装着容積を低減することがで
きる。

【００２９】積層体１１の外周側面には、外部電極１４
ａ・１４ｂ、内部電極１３ａ・１３ｂおよび引出電極１
８ａ・１８ｂが完全に被覆されるようにガラス被膜１９
ａが形成されている。ガラスは水蒸気を浸透させないた
めに、このガラス被膜１９ａによって、積層体１１の外
周側面へ水蒸気が浸透することを防止することができ
る。これにより、積層体１１の外周側面での短絡（側面
放電）の発生が防止され、また内部電極１３ａ・１３ｂ
に含まれる銀のマイグレーションによる絶縁抵抗の低下
が抑制される。こうして圧電アクチュエータ１０の信頼
性と耐久性が高められる。

【００３０】圧電アクチュエータ１０においては、積層
体１１の内周側面に内部電極１３ａ・１３ｂと引出電極
１８ａ・１８ｂは露出していないが、この部分にガラス
被膜１９ｂを形成することによって、積層体１１が水蒸
気からより確実に保護される。勿論、積層体１１の内周
側面に内部電極１３ａ・１３ｂおよび／または引出電極
１８ａ・１８ｂを露出させた場合には、ガラス被膜１９
ｂを形成することによって、内部電極１３ａ・１３ｂの
絶縁抵抗の低下を防止することができる。

【００３１】ガラス被膜１９ａ・１９ｂの材料として
は、ホウケイ酸ガラス（Ｂ_２Ｏ_３−ＳｉＯ_２系）、ホウ
酸ガラス（Ｂ_２Ｏ_３系）、鉛ケイ酸ガラス（ＰｂＯ−Ｓ
ｉＯ_２系）、リン酸塩ガラス（ＰＯ_３系）が挙げられ
る。ここで、ガラス被膜１９ａ・１９ｂ自体の絶縁抵抗
を高くするために、アルカリ金属成分の含有量は１００
ｐｐｍ以下であることが好ましい。また、ガラス被膜１
９ａ・１９ｂの熱膨張率は、圧電セラミックス１２の熱
膨張率よりも若干大きいことが好ましい。この場合に
は、ガラス被膜１９ａ・１９ｂが焼成によって形成され
てその後に室温に冷却されたときに、ガラス被膜１９ａ
・１９ｂに圧縮応力が掛かるようになるために、ガラス
被膜１９ａ・１９ｂの強度が大きくなり、耐久性が高め
られる。

【００３２】ガラス被膜１９ａ・１９ｂには、例えば、
アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）チタ
ニア（ＴｉＯ_２）、石英（ＳｉＯ_２）、チタン酸鉛（Ｐ
ｂＴｉＯ_３）、ケイ酸ジルコニウム（ＺｒＯ_２−ＳｉＯ
_２）、コージェライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ_３・５Ｓ
ｉＯ_２）、圧電セラミックス１２ａと同等組成の圧電セ
ラミックス粉末等の結晶性粉末を略均一に分散させるこ
とが好ましい。これによりガラス被膜１９ａ・１９ｂの
熱膨張率を圧電セラミックス１２ａの熱膨張率に近づけ
て、ガラス被膜１９ａ・１９ｂにクラックが発生するこ
とを防止することができる。また、ガラス被膜１９ａ・
１９ｂに独立気泡を略均一に分散させると、独立気泡に
よる応力緩和効果等によって、ガラス被膜１９ａ・１９
ｂの耐久性を高めることができる。

【００３３】積層体１１の外周側面においてガラス被膜
１９ａ全体を被覆するように形成された樹脂被膜２０ａ
と、積層体１１の内周側面においてガラス被膜１９ｂ全
体を被覆するように設けられた樹脂被膜２０ｂは、ガラ
ス被膜１９ａ・１９ｂへの水蒸気の浸透を抑制し、ひい
ては積層体１１への水蒸気の浸透を抑制する。樹脂被膜
２０ａ・２０ｂに用いられる樹脂材料は耐湿性に優れた
エポキシ樹脂等が好適に用いられる。

【００３４】次に、圧電アクチュエータ１０の製造方法
について説明する。図２は圧電アクチュエータ１０を同
時焼成法によって作製する場合の概略製造プロセスを示
す説明図（フローチャート）である。

【００３５】最初に、所定の組成を有するチタン酸ジル
コン酸鉛等の圧電セラミックス粉末を用い、ドクターブ
レード法や押出成形法等の公知の厚膜作製方法によっ
て、例えば、２０μｍ〜１５０μｍ程度の所定の厚みの
グリーンシートを作製する（ステップ１）。続いて、こ
のグリーンシートをリング形状に打ち抜き加工等し（ス
テップ２）、打ち抜かれたグリーンシートにスクリーン
印刷法等によって電極ペーストを所定のパターンで印刷
する（ステップ３）。なお、圧電セラミックスは一般的
に１２００℃〜１３００℃で焼成されるために、電極ペ
ーストとしてはこのような高温に耐えることができる銀
（Ａｇ）／パラジウム（Ｐｄ）ペーストが好適に用いら
れる。

【００３６】図３はこのステップ３において作製する各
種のグリーンシートの平面図である。図３（ａ）に示す
グリーンシート７１は保護層２３ａ・２３ｂの形成に用
いられる。グリーンシート７１には電極ペーストは印刷
されていない。また、図３（ｂ）に示すグリーンシート
７２には電極ペースト１３ａ´が内部電極１３ａの電極
パターンで印刷されており、図３（ｃ）に示すグリーン
シート７３には電極ペースト１３ｂ´が内部電極１３ｂ
の電極パターンで印刷されている。これらグリーンシー
ト７２・７３は圧電活性部２１の形成に用いられる。な
お、グリーンシート７２とグリーンシート７３は図３に
示されるように左右対称である。そこで、必要とされる
グリーンシート７２の枚数の２倍の枚数のグリーンシー
ト７２を作製して、その半分をグリーンシート７３とし
て用いてもよい。

【００３７】図３（ｄ）に示すグリーンシート７４は電
極取り出し部２２の形成に用いられる。グリーンシート
７４には焼成後にスルーホール１５ａ・１５ｂとなる孔
部１５ａ´・１５ｂ´が形成され、かつ、電極ペースト
１８ａ´・１８ｂ´がそれぞれ引出電極１８ａ・１８ｂ
の電極パターンで印刷されている。図３（ｅ）に示すグ
リーンシート７５は保護層２３ｃの形成に用いられる。
グリーンシート７５には電極ペーストは印刷されていな
いが、焼成後にスルーホール１５ａ・１５ｂとなる孔部
１５ａ´・１５ｂ´が形成されている。

【００３８】このようにグリーンシート７１〜７５を作
製した後に、所定枚数のグリーンシート７１〜７５を所
定の順番でプレス用金型に位置合わせを行いながら積み
重ねる（ステップ４）。例えば、最初に保護層２３ｃを
形成するためのグリーンシート７５を数枚〜十数枚積み
重ね、その上に電極取り出し部２２を形成するためのグ
リーンシート７４を数枚積み重ね、その上に保護層２３
ｂを形成するためのグリーンシート７１を数枚積み重
ね、その上に圧電活性部２１を形成するためのグリーン
シート７２とグリーンシート７３を所定数交互に積み重
ね、その上に保護層２３ａを形成するためのグリーンシ
ート７１を数枚〜十数枚積み重ねる。

【００３９】次に、こうして積み重ねたグリーンシート
７１〜７５に熱プレス処理を施す（ステップ５）。この
熱プレスにより上下のグリーンシートが圧着されて、グ
リーンシート７１〜７５が一体化されたグリーン積層体
が得られる。続いて、このグリーン積層体を所定の条件
で焼成する（ステップ６）。これにより積層体１１が得
られる。得られた積層体１１の内周面と外周面および端
面ならびにスルーホール１５ａ・１５ｂの側面に対して
は、研削または研磨加工が必要に応じて施される。

【００４０】次いで、内部電極１３ａどうしと引出電極
１８ａとが電気的に接続されるように、また内部電極１
３ｂどうしと引出電極１８ｂとが電気的に接続されるよ
うに、積層体１１の外周側面の所定位置に、外部電極１
４ａ・１４ｂとなる電極ペーストを印刷し、所定の温度
で焼成する（ステップ７）。このときに用いる電極ペー
ストとしては、グリーン積層体の焼成温度よりも低い５
００℃〜８００℃程度で焼成が可能な銀ペーストが好適
に用いられる。

【００４１】続いて、積層体１１の外周側面と内周側面
にガラスペーストを所定の厚み、例えば、３０μｍ〜３
００μｍの厚みで塗布し、焼成する（ステップ８）。こ
れによりガラス被膜１９ａ・１９ｂが形成される。ここ
で、ガラスペーストは、内部電極１３ａ・１３ｂと外部
電極１４ａ・１４ｂ、引出電極１８ａ・１８ｂが外部に
露出しないように塗布される。また、ガラスペーストの
焼成温度は外部電極１３ａ・１３ｂの焼成温度以下とさ
れる。ガラスペーストの塗布方法としては、刷毛塗りや
ディッピングが挙げられる。

【００４２】なお、積層体の形状が直方体等の場合に
は、ガラスペーストをスクリーン印刷により塗布するこ
とができる。また、ディッピングによってガラスペース
トを積層体１１に塗布する場合には、ガラスペーストは
粘度の低いスラリー状とすることが好ましい。外部電極
１４ａ・１４ｂとガラスペーストの焼成温度が同じであ
る場合には、これらを同時焼成することも可能である。

【００４３】続いて積層体１１の外周側面と内周側面に
それぞれ樹脂被膜２０ａ・２０ｂを同時に形成する（ス
テップ９）。このとき必要に応じて積層体１１の端面を
マスキングする。樹脂被膜２０ａ・２０ｂの形成方法と
しては、ディッピングや粉体塗装法が挙げられる。

【００４４】次いで、スルーホール１５ａ・１５ｂにリ
ード線１６ａ・１６ｂを挿入し、スルーホール１５ａ・
１５ｂの奥部にハンダを流し込んで、リード線１６ａ・
１６ｂを取り付ける（ステップ１０）。このとき、スル
ーホール１５ａ・１５ｂの側面に露出している引出電極
１８ａ・１８ｂが、流し込んだハンダによって外部に露
出しないようにする。このステップ９とステップ１０の
工程は逆の順序で行うことも可能である。最後に、リー
ド線１６ａ・１６ｂ間に電圧を印加することにより、圧
電セラミックス１２ａを分極処理する（ステップ１
１）。こうして圧電アクチュエータ１０が得られる。

【００４５】次に、圧電アクチュエータ１０を装着した
ポジショナ（位置決め装置）の実施形態について説明す
る。図４はポジショナ５０の概略構造を示す断面図であ
る。ポジショナ５０は、圧電アクチュエータ１０と、台
座部材５１と、筒状部材５２と、皿バネ５３と、ナット
部材５４と、カバー部材５５とを有している。

【００４６】台座部材５１は、先端がネジ切りされた支
柱部６１と圧電アクチュエータ１０に設けられたリード
線１６ａ・１６ｂを外部に導出するリード線導出孔６２
ａ・６２ｂとを有しており、圧電アクチュエータ１０の
孔部２４に支柱部６１を通した状態で、圧電アクチュエ
ータ１０を支持している。また、台座部材５１にはネジ
穴６３が形成されており、台座部材５１は、このネジ穴
６３を用いてＸ−Ｙステージ等の所定位置、例えば、不
動な部分に固定される。

【００４７】筒状部材５２の外側側面はネジ切りされて
いる。筒状部材５２は、内孔に支柱部６１を通し、か
つ、圧電アクチュエータ１０の上端面に当接するよう
に、圧電アクチュエータ１０上に載置されている。

【００４８】皿バネ５３は略リング状（図４には２枚の
皿バネを図示している）の形状を有している。皿バネ５
３に代えて螺旋状のスプリングを用いることもできる。
皿バネ５３は、その内孔に支柱部６１を通した状態で、
筒状部材５２の上部に保持されている。

【００４９】ナット部材５４は、支柱部６１の先端のネ
ジ切りされた部分に取り付けられる。皿バネ５３を介し
て筒状部材５２と台座部材５１の間で圧電アクチュエー
タ１０に所定の保持力が掛かるように、ナット部材５４
は皿バネ５３と当接するようにして支柱部６１の先端部
に固定される。換言すれば、ナット部材５４を徐々にね
じ込むと、皿バネ５３が縮められる。これにより皿バネ
５３が筒状部材５２を強く圧電アクチュエータ１０側に
押すようになり、この押圧力によって圧電アクチュエー
タ１０は台座部材５１と筒状部材５２との間において適
切な予圧力を受けた状態で保持される。

【００５０】カバー部材５５は、圧電アクチュエータ１
０を覆うようにして、筒状部材５２の外周側面のネジ切
りされた部分において、筒状部材５２と固定（ネジ止
め）される。また、カバー部材５５にはネジ切りされた
ネジ穴が形成されている。図４にはこのネジ穴に半球状
の頭部を有するボルト６６が取り付けられ、このボルト
６６に移動対象物６７（例えば、Ｘ−Ｙステージの可動
部分）が当接している状態が示されている。

【００５１】なお、カバー部材５５に設けられたこのネ
ジ穴に位置合わせが必要とされる移動対象物を直接に連
結してもよい。また、カバー部材５５とナット部材５４
との間にナット部材５４の回転を防止する回転防止ピン
６５を設けると、圧電アクチュエータ１０の保持力を常
に一定に保持することができる。

【００５２】このような構造を有するポジショナ５０に
おいて、外部に導出されたリード線１６ａ・１６ｂ間に
所定の電圧を印加すると、圧電アクチュエータ１０の伸
縮変位が筒状部材５２を介してカバー部材５５に伝達さ
れ、カバー部材５５およびボルト６６に圧電アクチュエ
ータ１０と同等の伸縮変位が生ずる。これによりボルト
６６が移動対象物６７を変位させることができる。な
お、移動対象物６７において、ボルト６６と当接する部
分をＶ溝形状とすることによって、ボルト６６から移動
対象物６７への力の伝達のロスを小さくすることができ
る。

【００５３】リード線１６ａ・１６ｂが端面に設けられ
ている圧電アクチュエータ１０を用いることによって、
カバー部材５５の内径および外径を短くすることがで
き、これによりポジショナ５０をコンパクトにすること
ができる。また、圧電アクチュエータ１０に設けられた
リード線１６ａ・１６ｂのポジショナ５０の外部への導
出を容易に行うことができる。さらに、ナット部材５４
の位置を変化させることによって、圧電アクチュエータ
１０に掛かる保持力を変えることも容易である。

【００５４】次に本発明の別の実施形態について説明す
る。図５は本発明の別の実施形態である積層型の圧電ア
クチュエータ３０の概略構造を示す断面図であり、図６
は圧電アクチュエータ３０の製造に用いられる種々のグ
リーンシートを示す平面図である。圧電アクチュエータ
３０の母体である積層体３１は、Ｚ方向に、圧電セラミ
ックスからなる保護層３３ａと、内部電極３５ａ・３５
ｂと圧電セラミックス３６とが積層されてなる圧電活性
部３２と、圧電セラミックスからなる保護層３３ｂが、
このこの順序で一体的に積層形成された構造を有してい
る。

【００５５】積層体３１は中心部に孔部４４が形成され
た筒形状を有しており、積層体３１の内周側面と外周側
面にはそれぞれ、積層体３１を水蒸気から保護するガラ
ス被膜３９と、ガラス被膜３９を保護する樹脂被膜４０
が設けられている。また、スルーホール電極３４ａ・３
４ｂが圧電活性部３２と保護層３３ｂを貫通し、積層体
３１の下側端面に開口部を有するように形成されてい
る。このスルーホール電極３４ａは内部電極３５ａと電
気的に接続され、スルーホール電極３４ｂは内部電極３
５ｂと電気的に接続されている。

【００５６】リード線３７ａ・３７ｂは、積層体３１の
内部においてスルーホール電極３４ａ・３４ｂとそれぞ
れ電気的に接続されるようにして、ハンダ等を用いて取
り付けられている。圧電アクチュエータ３０もまたリー
ド線３７ａ・３７ｂが積層体３１の端面から取り出さ
れ、これによりリード線３７ａ・３７ｂが外れ難い構造
となっている。またリード線３７ａ・３７ｂの取付部分
がハーメチックシール構造となるために、リード線３７
ａ・３７ｂの取付部分から積層体３１へ水蒸気が浸透す
ることを防止することができる。

【００５７】このような構造を有する圧電アクチュエー
タ３０の製造方法は先に説明した同時焼成法に準ずるた
めに、ここでは圧電アクチュエータ３０の製造に用いる
グリーンシートについてのみ説明することとする。図６
（ａ）に示すグリーンシート８１は保護層３３ａを形成
するために用いられ、図６（ｂ）・（ｃ）に示すグリー
ンシート８２・８３は圧電活性部３２を形成するために
用いられ、図６（ｄ）・（ｅ）に示すグリーンシート８
４・８５は保護層３３ｂを形成するために用いられる。

【００５８】保護層３３ｂはグリーンシート８５を所定
枚数積み重ね、その上にグリーンシート８４を所定枚数
積み重ねることによって形成される。グリーンシート８
５には、後にリード線３７ａ・３７ｂを挿入することが
できるように、孔部８５ａ・８５ｂが形成されている。
なお、孔部８５ａ・８５ｂの側面とその近傍には電極ペ
ーストを塗布しておくことが好ましい。グリーンシート
８４にはスルーホール電極３４ａ・３４ｂを形成するた
めの孔部８４ａ・８４ｂが形成されており、この孔部８
４ａ・８４ｂの側面とその近傍には電極ペースト８６ｃ
・８６ｄがそれぞれ塗布されている。

【００５９】圧電活性部３２は、グリーンシート８４の
上にグリーンシート８２・８３を交互に所定枚数積み重
ねることによって形成される。グリーンシート８２に
は、内部電極３５ａを形成する電極ペースト３５ａ´が
印刷され、スルーホール電極３４ａ・３４ｂを形成する
ための孔部８２ａ・８２ｂが形成されている。孔部８２
ａの側面には電極ペースト３５ａ´と連続するように電
極ペースト（図示せず）が塗布されている。また、孔部
８２ｂの側面とその近傍には電極ペースト８６ａが印刷
されているが、孔部８２ｂの周囲の所定範囲には電極ペ
ースト３５ａ´が印刷されておらず、これにより電極ペ
ースト８６ａは電極ペースト３５ａ´とは電気的には絶
縁されている。

【００６０】グリーンシート８３には、内部電極３５ｂ
を形成する電極ペースト３５ｂ´が印刷され、スルーホ
ール電極３４ａ・３４ｂを形成するための孔部８３ａ・
８３ｂが形成されている。孔部８３ｂの側面には電極ペ
ースト３５ｂ´と連続するように電極ペースト（図示せ
ず）が塗布されている。また、孔部８３ａの側面とその
近傍には電極ペースト８６ｂが印刷されているが、孔部
８３ａの周囲の所定範囲には電極ペースト３５ｂ´が印
刷されておらず、これにより電極ペースト８６ｂは電極
ペースト３５ｂ´とは電気的には絶縁されている。

【００６１】このようなグリーンシート８２・８３を交
互に積層すると、孔部８２ａ・８３ａ・８４ａが連通す
る際に上下が導通し、これによってスルーホール電極３
４ａが形成され、このスルーホール電極３４ａは電極ペ
ースト３５ａ´（つまり、内部電極３５ａ）とは連続す
るが電極ペースト３５ｂ´（つまり、内部電極３５ｂ）
とは連続しない。逆に、孔部８２ｂ・８３ｂ・８４ｂが
連通する際に上下が導通し、これによってスルーホール
電極３４ｂが形成され、このスルーホール電極３４ｂは
電極ペースト３５ｂ´とは連続するが電極ペースト３５
ａ´とは連続しない。

【００６２】保護層３３ａは、グリーンシート８２・８
３の上に所定枚数のグリーンシート８１を積み重ねるこ
とによって形成される。グリーンシート８１には電極ペ
ーストは印刷されておらず、また孔部も形成されていな
い。

【００６３】以上、本発明の実施の形態について説明し
てきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるもので
はない。例えば、積層型圧電素子として、円筒形状を有
するものについて説明したが、積層型圧電素子は、角柱
型または円柱型とすることも可能である。また、圧電ア
クチュエータ１０の内部電極構造としては、一般的に積
層コンデンサ型と呼ばれる構造を示したが、公知の全面
電極型構造やスリット型（応力緩和型）構造であっても
よい。

【００６４】

【発明の効果】上述の通り、本発明の積層型圧電素子に
おいては、リード部材の取り付け強度が大きく、またリ
ード部材の取り付け部がスルーホールの奥部にあるため
にこの取り付け部に大きな応力が掛からず、さらにリー
ド部材は圧電不活性な部分に取り付けられているため
に、リード部材の脱離が防止されるという効果が得られ
る。また、リード部材の取り付け部が金属によるハーメ
チックシール構造となるために積層体への水蒸気の浸透
が防止されるとともに、ガラス被膜によっても積層体へ
の水蒸気の浸透が防止されるという効果が得られる。こ
れにより本発明の積層型圧電素子は高い信頼性を有す
る。

【００６５】また、リード部材が端面から取り出された
積層型圧電素子を用いた位置決め装置では、積層型圧電
素子を装着するためのスペースを狭くすることができ
る。これにより位置決め装置を小型化することが可能と
なる。また、ナット部材の位置を調整することによって
皿バネの伸縮を調整することができるため、積層型圧電
素子の保持力を所望の値に容易に調整することができ
る。さらに、ナット部材の回転を防止する回転防止ピン
をナット部材の周囲に設けることによって、積層型圧電
素子を一定の保持力で保持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る積層型圧電アクチュエータの一実
施形態を示す断面図。

【図２】図１に示す圧電アクチュエータの製造方法を示
す説明図（フローチャート）。

【図３】図１に示す圧電アクチュエータの製造に用いら
れるグリーンシートの平面図。

【図４】図１に示す圧電アクチュエータを用いたポジシ
ョナの概略構造を示す断面図。

【図５】本発明に係る積層型圧電アクチュエータの別の
実施形態を示す断面図。

【図６】図５に示す圧電アクチュエータの製造に用いら
れるグリーンシートの平面図。

【図７】従来の積層型圧電アクチュエータの概略構造を
示す概略断面図。

【符号の説明】

１０；（積層型）圧電アクチュエータ、１１；積層体、
１２ａ・１２ｂ；圧電セラミックス、１３・１３ａ・１
３ｂ；内部電極、１３ａ´・１３ｂ´；電極ペースト、
１４ａ・１４ｂ；外部電極、１５ａ・１５ｂ；スルーホ
ール、１５ａ´・１５ｂ´；孔部、１６ａ・１６ｂ；リ
ード線、１７；金属、１８ａ・１８ｂ；引出電極、１８
ａ´・１８ｂ´；電極ペースト、引出電極１９ａ・１９
ｂ；ガラス被膜、２０ａ・２０ｂ；樹脂被膜、２１；圧
電活性部、２２；電極取り出し部、２３ａ・２３ｂ・２
３ｃ；保護層、２４；孔部、３０；（積層型）圧電アク
チュエータ、３１；積層体、３２；圧電活性部、３３ａ
・３３ｂ；保護層、３４ａ・３４ｂ；スルーホール電
極、３５ａ・３５ｂ；内部電極、３５ａ´・３５ｂ´；
電極ペースト、３６；圧電セラミックス、３７ａ・３７
ｂ；リード線、３９；ガラス被膜、４０；樹脂被膜、４
４；孔部、５０；ポジショナ、５１；台座部材、５２；
筒状部材、５３；皿バネ、５４；ナット部材、５５；カ
バー部材、６１；支柱部、６２ａ・６２ｂ；リード線導
出孔、６３；ネジ穴、６５；回転防止ピン、６６；ボル
ト、６７；移動対象物、７１〜７５・８１〜８５；グリ
ーンシート、８２ａ・８２ｂ・８３ａ・８３ｂ・８４ａ
・８４ｂ・８５ａ・８５ｂ；孔部、８６ａ・８６ｂ・８
６ｃ・８６ｄ；電極ペースト、９０；圧電アクチュエー
タ（積層型）、９１；圧電セラミックス、９２；内部電
極、９３ａ・９３ｂ；外部電極、９４ａ・９４ｂ；リー
ド線、９５；積層体、９６；樹脂被膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 502063958 白坂 壽和 千葉県松戸市牧の原２丁目５ 牧の原団地 １−13−704 (72)発明者 宗片 睦夫 千葉県千葉市若葉区千城台西２−19−51 (72)発明者 白坂 壽和 千葉県松戸市牧の原２丁目５ 牧の原団地 １−13−704 (72)発明者 鎌田 修 東京都大田区大森北３−19−１ エヴェナ ール大森108

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧電セラミックスと内部電極とが交互に
   積層され、前記内部電極によって前記圧電セラミックス
   に電界を印加することにより前記圧電セラミックスに変
   位が発生する圧電活性部と、圧電セラミックスと正負一
   対の引出電極からなる圧電不活性な電極取り出し部と、
   を有する積層体と、 前記内部電極が一層おきに電気的に接続され、かつ、前
   記引出電極の正極または負極と電気的に接続されるよう
   に、前記積層体の側面に設けられた正負一対の外部電極
   と、 前記外部電極、前記内部電極および前記引出電極が完全
   に被覆されるように前記積層体の側面を被覆するガラス
   被膜と、 前記積層体の端面に開口部を有するように前記電極取り
   出し部に形成された一対のスルーホールと、 を有し、 前記一対のスルーホールのそれぞれの内部側面には前記
   引出電極の正極と負極が別々に露出しており、 前記圧電活性部に駆動信号を送る一対のリード部材が、
   前記スルーホール内において露出している前記引出電極
   の正極と負極とそれぞれ電気的に接続されていることを
   特徴とする積層型圧電素子。
2. 【請求項２】 前記電極取り出し部は、前記圧電セラミ
   ックスと前記引出電極が交互に積層された構造を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の積層型圧電素子。
3. 【請求項３】 前記引出電極が直接に外気に接しないよ
   うに、前記スルーホールの内部に前記引出電極と前記リ
   ード部材を接続するように金属が充填されていることを
   特徴とする請求項１または請求項２に記載の積層型圧電
   素子。
4. 【請求項４】 前記圧電活性部と前記電極取り出し部と
   の間に、圧電不活性な保護層が形成されていることを特
   徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の
   積層型圧電素子。
5. 【請求項５】 前記圧電活性部を挟んで前記電極取り出
   し部と対向する側に圧電不活性な保護層が形成されてい
   ることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１
   項に記載の積層型圧電素子。
6. 【請求項６】 前記ガラス被膜を被覆するように、前記
   積層体の側面に樹脂被膜が形成されていることを特徴と
   する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の積層
   型圧電素子。
7. 【請求項７】 駆動信号を送る一対のリード部材が下端
   面から取り出された円筒形の積層型圧電素子と、 先端がネジ切りされた支柱部と前記一対のリード部材を
   外部に導出する孔部とを有し、前記積層型圧電素子の内
   孔に前記支柱部を通して前記積層型圧電素子を支持する
   台座部材と、 内孔を有し、外側の側面がネジ切りされ、前記内孔に前
   記支柱部を通して前記積層型圧電素子の上端面に当接す
   るように前記積層型圧電素子に載置された筒状部材と、 内孔を有し、前記内孔に支柱部を通して前記筒状部材の
   上部に保持される皿バネと、 前記皿バネを介して前記筒状部材と前記台座の間で前記
   積層型圧電素子に所定の保持力が掛かるように、前記支
   柱部の先端に前記皿バネと当接して固定されるナット部
   材と、 前記筒状部材の外側の側面に設けられたネジ切り部に嵌
   め合わされ、前記積層型圧電素子を覆うカバー部材と、 を具備し、 前記一対のリード部材に所定の駆動信号を与えることに
   よって前記積層型圧電素子を伸縮駆動させ、前記筒状部
   材を介して前記カバー部材を、前記積層型圧電素子に発
   生する変位にしたがって移動させることを特徴とする位
   置決め装置。
8. 【請求項８】 前記ナット部材の回転を防止する回転防
   止ピンが前記ナット部材の周囲に設けられていることを
   特徴とする請求項７に記載の位置決め装置。
9. 【請求項９】 前記円筒形の積層型圧電素子は、 圧電セラミックスと内部電極とが交互に積層され、前記
   内部電極によって前記圧電セラミックスに電界を印加す
   ることにより前記圧電セラミックスに変位が発生する圧
   電活性部と、圧電セラミックスと正負一対の引出電極か
   らなる圧電不活性な電極取り出し部と、を有する円筒形
   の積層体と、 前記内部電極が一層おきに電気的に接続され、かつ、前
   記引出電極の正極または負極と電気的に接続されるよう
   に、前記積層体の側面に設けられた正負一対の外部電極
   と、 前記外部電極、前記内部電極および前記引出電極が完全
   に被覆されるように前記積層体の外周側面および内周側
   面を被覆するガラス被膜と、 前記積層体の端面に開口部を有するように前記電極取り
   出し部に形成された一対のスルーホールと、 を有し、 前記一対のスルーホールの内部側面にはそれぞれ前記引
   出電極の正極と負極が別々に露出しており、 前記一対のリード部材が、前記スルーホール内において
   露出している前記引出電極の正極と負極とそれぞれ電気
   的に接続されていることを特徴とする請求項７または請
   求項８に記載の位置決め装置。
10. 【請求項１０】 前記円筒形の積層型圧電素子の内周側
    面と外周側面に樹脂被膜が設けられていることを特徴と
    する請求項９に記載の位置決め装置。