JP2008079499A

JP2008079499A - 位置決め装置

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Publication number: JP2008079499A
Application number: JP2007291830A
Authority: JP
Inventors: Mutsuo Munekata; 睦夫宗片; Toshikazu Shirasaka; 壽和白坂; Osamu Kamata; 修鎌田
Original assignee: NANO CONTROL KK; Japan Science and Technology Agency
Current assignee: NANO CONTROL KK; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2007-11-09
Filing date: 2007-11-09
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2022-02-21
Also published as: JP4646962B2

Abstract

【課題】コンパクトな位置決め装置を提供する。
【解決手段】リード部材が下端面から取り出された積層型圧電素子１０と、ネジ切りされた支柱部６１及びリード部材を外部に導出する孔部６２ａ、６２ｂを有する積層型圧電素子１０を支持する台座部材５１と、内孔に支柱部６１を通し、積層型圧電素子１０の上端面に当接するように積層型圧電素子１０に載置された筒状部材５２と、内孔に支柱部６１を通し、筒状部材５２の上部に保持される皿バネ５３と、皿バネ５３を介して筒状部材５２と台座部材５１との間で積層型圧電素子１０に所定の保持力が掛かるように、支柱部６１の先端に皿バネ５３と当接して固定されるナット部材５４と、筒状部材５２に嵌め合わされて積層型圧電素子１０を覆うカバー部材５５と、を具備し、積層型圧電素子１０を伸縮駆動させ、筒状部材５２を介してカバー部材５５を、積層型圧電素子１０に発生する変位にしたがって移動させる。
【選択図】図４

Description

本発明は、積層型圧電素子が装着された位置決め装置に関する。

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。

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９３ａ・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。

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９５や外部電極９３ａ・９３ｂを保護する役割を果たす。
特開平０９−１８１３６８号公報特開２００１−１９６６５６号公報特開２００１−１８９４９９号公報

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。

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。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、コンパクトな位置決め装置を提供することを目的とする。

すなわち本発明によれば、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。

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。

本発明によれば、コンパクトな位置決め装置を提供できる。

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。

積層体１１の外周側面には、外部電極１４ａ・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２０ａ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。

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１６ｂ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。

圧電セラミックス１２ａには、リード線１６ａ・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。

圧電セラミックス１２ａとしては、一般的に、圧電定数ｄ３３と電気機械結合係数ｋ３３の値が大きい材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（略称ＰＺＴ）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。

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２３ａ・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。

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。

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。

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・１６ｂ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２２は圧電不活性である。

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１８ａはスルーホール１５ａの側面に露出し、引出電極１８ｂ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・１５ｂ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１５ｂ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。

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・１４ｂ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。

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。

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。

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。

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１６ａ・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。

積層体１１の外周側面には、外部電極１４ａ・１４ｂ、内部電極１３ａ・１３ｂおよび引出電極１８ａ・１８ｂが完全に被覆されるようにガラス被膜１９ａ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。

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１９ｂ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。

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−ＳｉＯ_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１００ｐｐｍ以下であることが好ましい。また、ガラス被膜１９ａ・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。

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（ＰｂＴｉＯ_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・５ＳｉＯ_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・１９ｂの耐久性を高めることができる。

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。

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。

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。

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。

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。

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２３ｂ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。

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。

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１３ｂ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１４ａ・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５００℃〜８００℃程度で焼成が可能な銀ペーストが好適に用いられる。

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〜３００μｍ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。

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。

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。

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１１）。こうして圧電アクチュエータ１０が得られる。

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。

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６２ａ・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。

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。

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５３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。

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。

カバー部材５５は、圧電アクチュエータ１０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。

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。

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。

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。

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・３５ｂ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。

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・３４ｂ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３５ｂと電気的に接続されている。

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３７ａ・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。

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８４・８５は保護層３３ｂを形成するために用いられる。

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８５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８４ａ・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。

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８２ａ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。

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。

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３４ａ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３５ａ´とは連続しない。

保護層３３ａは、グリーンシート８２・８３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。

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。

上述の通り、本発明の実施の形態に係る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。

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。

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・１３ｂ；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、１８ａ´・１８ｂ´；電極ペースト、引出電極１９ａ・１９ｂ；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・２３ｃ；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・３７ｂ；リード線、３９；ガラス被膜、４０；樹脂被膜、４４；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・８６ｃ・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

Claims

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。
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１に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子が、
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１または請求項２に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子が、前記圧電活性部の最下部の電極と前記引出電極との間に、前記圧電活性部及び前記電極取り出し部の圧電セラミックスと同じ材料で構成され、前記圧電活性部の圧電セラミックスの厚みよりも厚い保護層を備えていることを特徴とする請求項３に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子の前記電極取り出し部が、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３又は請求項４に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子の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３又は請求項４に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子の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３から請求項６のいずれか１項に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子が、
圧電セラミックスからなる下層保護層、第１、第２の内部電極と圧電セラミックスとが積層されてなる圧電活性部、及び圧電セラミックスからなる上層保護層が積層され、中心部に孔部が形成された筒状の積層体と、
前記下層保護層と前記圧電活性部とを貫通し、この積層体内で前記第１の内部電極に電気的に接続された第１のスルーホール電極と、
前記下層保護層と前記圧電活性部とを貫通し、この積層体内で前記第２の内部電極に電気的に接続された第２のスルーホール電極と、
前記積層体内で前記第１のスルーホール電極に電気的に接続され、前記積層体の端面から取り出された第１のリード線、及び前記積層体内で前記第２のスルーホール電極に電気的に接続され、前記積層体の端面から取り出された第２のリード線とからなる一対のリード部材と、を具備することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の位置決め装置。
前記積層体の側面を被覆するガラス被膜を、さらに具備することを特徴とする請求項８に記載の位置決め装置。
前記円筒形の積層型圧電素子の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３から請求項９のいずれか１項に記載の位置決め装置。