JP2010103249A - Piezoelectric actuator - Google Patents
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Description
本発明は、半導体用露光装置、加工装置等のXYZステージ、計測装置等の位置決め装置に装着される圧電アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric actuator mounted on a positioning apparatus such as an XYZ stage such as a semiconductor exposure apparatus or processing apparatus or a measurement apparatus.
従来の圧電アクチュエータは、図1に示されるように複数の圧電素子(図1では圧電素子3と圧電素子4と圧電素子5と圧電素子6)が直列に連結されており、図2で示されるように圧電素子の側面の外部電極11が各々金属製のリード線12にて半田付けされることにより電気的に導通され、且つ隣接する圧電素子の端面同士は接着剤にて接着されていた。ここで、図1は圧電アクチュエータ1を内部に密封したポジショナーの断面図である。図2がポジショナー内部の概略図である。そして、圧電アクチュエータ1を基台9上に固定し、圧電アクチュエータ1の基台9と反対側の端面に半球2を接着して、この圧電アクチュエータ1に圧縮力を与える金属のキャップ8で嵌着することにより、密封状態で該圧電アクチュエータ1を伸張させて使用していた。
In the conventional piezoelectric actuator, as shown in FIG. 1, a plurality of piezoelectric elements (in FIG. 1,
この圧電アクチュエータに電圧を印加すると、各圧電素子が伸張し、電圧を印加することを止めるとそれぞれの圧電素子は元の長さに戻る。又、圧電アクチュエータの外部電極が圧電素子の伸縮によって疲労破壊を起こすことを防ぐ方法の一つとして金属線で補強する方法がある。金属線で補強することによって外部電極部分の変位量を抑え、疲労破壊を防止している。ここで、圧電アクチュエータの外部電極と半田付けされているリード線は、電圧印加時に変位しないため、圧電アクチュエータの外部電極の端に引っ張り応力を生じさせる。鉛半田にて半田付けした場合、半田のヤング率が30GPa程度と低いため、半田が緩衝層となって圧電アクチュエータに生じる応力を緩和していた。 When a voltage is applied to the piezoelectric actuator, each piezoelectric element expands, and when the voltage application is stopped, each piezoelectric element returns to its original length. In addition, there is a method of reinforcing the external electrode of the piezoelectric actuator with a metal wire as one method for preventing fatigue failure due to expansion and contraction of the piezoelectric element. By reinforced with a metal wire, the displacement amount of the external electrode portion is suppressed, and fatigue failure is prevented. Here, since the lead wire soldered to the external electrode of the piezoelectric actuator is not displaced when a voltage is applied, a tensile stress is generated at the end of the external electrode of the piezoelectric actuator. When soldering with lead solder, the Young's modulus of the solder is as low as about 30 GPa, so that the solder acts as a buffer layer to relieve the stress generated in the piezoelectric actuator.
しかし、こうした構造のアクチュエータは、次のような問題がある。すなわち、近年の半田の鉛フリー半田化が進み、圧電素子に使用される半田も鉛フリー化されている。図3は従来の鉛フリー半田にてリード線と半田付けした圧電素子の断面図である。一般的に鉛フリー半田は、鉛を含有する半田と比較してヤング率が60GPa程度と高い。その為に図3にて示されるように、圧電素子3の外部電極11とリード線12を鉛フリー半田にて半田付けした場合、鉛フリー半田が硬いことにより、印加電圧を加えた圧電素子2自体が変位する際にリード線12によって発生する引っ張り応力が緩和されずに外部電極に伝わる。そして、亀裂箇所13のように外部電極11とリード線12を鉛フリー半田した終端部分の箇所を境に弧状に亀裂が生じ、結果として圧電素子2が破壊してしまうものが見られる。特に複数の圧電素子が直列に連結されている圧電アクチュエータは圧電素子の端面同士を接着した面付近にて亀裂が生じてしまう。
However, the actuator having such a structure has the following problems. That is, in recent years, lead-free soldering has progressed, and solder used for piezoelectric elements has also become lead-free. FIG. 3 is a cross-sectional view of a piezoelectric element soldered to a lead wire with conventional lead-free solder. In general, lead-free solder has a high Young's modulus of about 60 GPa as compared with solder containing lead. Therefore, as shown in FIG. 3, when the
従って本発明は、このような課題に関して、鉛フリー半田によって圧電素子を半田付けする際においても、鉛含有の半田にて圧電素子を半田付けした圧電アクチュエータで発生する応力と同じ応力にて圧電素子が破損することがなく、鉛含有の半田にて圧電素子を半田付けした圧電アクチュエータと同等の性能を有する圧電アクチュエータを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention relates to such a problem, even when a piezoelectric element is soldered by lead-free solder, the piezoelectric element is subjected to the same stress as that generated by a piezoelectric actuator in which the piezoelectric element is soldered with lead-containing solder. An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator having a performance equivalent to that of a piezoelectric actuator in which a piezoelectric element is soldered with a lead-containing solder.
即ち、側面に外部電極が形成された複数の圧電素子が直列に連結されており、各々の圧電素子の外部電極とリード線が鉛フリー半田にて半田付けされ、且つ隣接する圧電素子の端面同士が接着剤により接着された圧電アクチュエータであり、該リード線は圧電素子の外部電極と半田付けする箇所を除いた箇所は湾曲形状になっており、該圧電素子の端面から最も近接するリード線が半田付けされている部分の端部までの間の長さが0.5mm以下であることを特徴とする。 That is, a plurality of piezoelectric elements having external electrodes formed on the side surfaces are connected in series, the external electrodes of each piezoelectric element and lead wires are soldered with lead-free solder, and the end surfaces of adjacent piezoelectric elements are Is a piezoelectric actuator bonded with an adhesive, and the lead wire has a curved shape except for the portion to be soldered to the external electrode of the piezoelectric element, and the lead wire closest to the end face of the piezoelectric element is The length between the end of the soldered portion is 0.5 mm or less.
好適には、前記隣接する圧電素子の端面同士の接着は、端面の中央部分に接着剤を塗布して接着することを特徴とする。 Preferably, the end surfaces of the adjacent piezoelectric elements are bonded to each other by applying an adhesive to the center portion of the end surfaces.
本発明によれば、印加電圧を加えた圧電素子自体が変位する際に発生する応力による圧電素子の破損がなくなり、鉛含有の半田にて圧電素子を半田付けした圧電アクチュエータによる歩留と同様の歩留となり、製品コスト、検査工数の低減に寄与する。 According to the present invention, the piezoelectric element is not damaged by the stress generated when the applied piezoelectric element itself is displaced, and the yield is the same as that of the piezoelectric actuator obtained by soldering the piezoelectric element with lead-containing solder. Yield and contributes to reduction of product cost and inspection man-hours.
以下、本発明の圧電アクチュエータの実施形態について図面を用いて説明する。 Hereinafter, embodiments of a piezoelectric actuator of the present invention will be described with reference to the drawings.
図4は本発明の一実施例である圧電アクチュエータを構成する圧電素子の断面図である。圧電素子3は圧電層と内部電極を交互に積層し、これら積層体の上下に不活性部が形成されている。圧電素子3の側面の外部電極11はリード線12と鉛フリー半田にて半田付けされている。ここで、圧電素子3の端面から外部電極11の最短の端部までの長さΔXを変更することによって、どのような場合に外部電極とリード線の半田付けした終端部分の箇所を境に弧状に亀裂が生じる状況が発生しなくなるかを対比してみた。
FIG. 4 is a sectional view of a piezoelectric element constituting a piezoelectric actuator according to an embodiment of the present invention. The
図4にて圧電素子の両端面において、圧電素子3の両端面から外部電極11の最短の端部まではそれぞれ長さΔXで形成されている。ここで、外部電極は圧電素子の両端面から中間位置に位置する。図5は図4におけるΔX=0とした場合に該当する。一般にリード線12は、図2で示されているように外部電極11と半田付けしている箇所以外に半円弧状の湾曲形状の弾性部分を有しているが、半円弧状の湾曲形状の弾性部分は、外部電極11の端部近辺から隣接する圧電素子の外部電極における端部近辺まで形成されている。そして、リード線12は圧電素子の外部電極と半田付けされる直線部分と半円弧状の湾曲形状の弾性部分が交互に構成されている。只、上記半円弧状の湾曲形状の弾性部分は外部電極11の端部近辺から隣接する圧電素子の外部電極の端部近辺まで形成されるとは限られず、圧電素子の外部電極の中央付近から隣接する圧電素子の外部電極の中央付近まででも支障はない。そして、半円弧状の湾曲形状の弾性部分は、ばね、或いはたわみを有するよう設計された弾性力の高い金属から成ることが好ましい。理由としてリード線の疲労破壊が起こらないからである。
In FIG. 4, both end surfaces of the piezoelectric element are formed with a length ΔX from both end surfaces of the
まず、異なる寸法の圧電素子として、6mm×6mm×10mm、10mm×10mm×10mm、6mm×6mm×5mmの3種類を用意した。そして、圧電素子2の端面から外部電極11の最短の端部までの長さΔXを、0.75mm、0.5mm、0mmとなるようにリン青銅からなるリード線を鉛フリー半田にて半田付けした。これらの寸法、長さΔXを組み替えたもの(例えば6mm×6mm×10mmの圧電素子で、ΔX=0.5mmが有り、全部で9パターンとなる)を各200個用意した。そして、これらの各圧電素子に一般的な定格電圧の2倍に相当する300Vを印加した。
First, three types of 6 mm × 6 mm × 10 mm, 10 mm × 10 mm × 10 mm, and 6 mm × 6 mm × 5 mm were prepared as piezoelectric elements having different dimensions. The lead wire made of phosphor bronze is soldered with lead-free solder so that the length ΔX from the end face of the piezoelectric element 2 to the shortest end of the
表1は上記の異なる寸法で、且つΔXが異なる圧電素子に全て300Vの電圧を印加した際に、各圧電素子に亀裂が生じたか否かを記載した表である。表1にて示されているように、長さΔXが0.75mmの場合は、圧電素子の寸法に関係なく200個中2〜4個に亀裂が生じている。それに対して長さΔXが0.5mm及び0mmの場合は、圧電素子の寸法に関係なく全ての圧電素子に亀裂は生じなかった。 Table 1 is a table that describes whether or not each piezoelectric element is cracked when a voltage of 300 V is applied to all the piezoelectric elements having different dimensions and different ΔX. As shown in Table 1, when the length ΔX is 0.75 mm, 2 to 4 of 200 cracks are generated regardless of the dimensions of the piezoelectric elements. On the other hand, when the length ΔX was 0.5 mm and 0 mm, no crack occurred in all the piezoelectric elements regardless of the dimensions of the piezoelectric elements.
又、引き続き6mm×6mm×10mm、10mm×10mm×10mm、6mm×6mm×5mmの3種類の圧電素子にて、同じ寸法の2個の圧電素子をそれぞれ端面にてエポキシ接着剤にて接着した。その際に端面同士の接着を圧電素子の端面全体に接着剤を塗布して接着させる方法と、圧電素子の端面の中央部分にφ5程の円形状の接着剤を塗布し、端面の外縁部分には塗布せずに接着させる方法の2通りで行った。そして、同じ寸法の2個の圧電素子同士を接着方法を変えて接着して、各50ケ作成した。その際に、圧電素子の端面から外部電極の最短の端部までの長さΔXを0.5mmとなるようにリン青銅からなるリード線を鉛フリー半田にて半田付けした。
そして、2個の圧電素子同士を接着したものに全て300Vの電圧を印加した。すると、端面同士の接着を圧電素子の端面全体に接着剤を塗布して接着させたものは、圧電素子の寸法に関係なく50ケ中1〜2個に亀裂が生じた。一方、圧電素子の端面の中央部分にのみ接着剤を塗布したものは、圧電素子の寸法に関係なく全ての圧電素子に亀裂は生じなかった。
Further, two piezoelectric elements having the same dimensions were bonded to each end face with an epoxy adhesive using three types of piezoelectric elements of 6 mm × 6 mm × 10 mm, 10 mm × 10 mm × 10 mm, and 6 mm × 6 mm × 5 mm. At that time, the adhesive between the end faces is applied by applying an adhesive to the entire end face of the piezoelectric element, and a circular adhesive of about φ5 is applied to the center part of the end face of the piezoelectric element, and the outer edge part of the end face is applied. Was carried out by two methods of adhesion without coating. Then, two piezoelectric elements having the same dimensions were bonded to each other by changing the bonding method, and 50 pieces each were formed. At that time, the lead wire made of phosphor bronze was soldered with lead-free solder so that the length ΔX from the end face of the piezoelectric element to the shortest end of the external electrode was 0.5 mm.
Then, a voltage of 300 V was applied to all the two piezoelectric elements bonded together. Then, in the case of bonding the end faces to each other by applying an adhesive to the entire end face of the piezoelectric element, one or two of the 50 cracks occurred regardless of the dimensions of the piezoelectric element. On the other hand, when the adhesive was applied only to the central portion of the end face of the piezoelectric element, no cracks occurred in all the piezoelectric elements regardless of the dimensions of the piezoelectric elements.
上記の様に、圧電素子の端面から外部電極の最短の端部までの長さΔXが0.5mm以下である場合に圧電素子に亀裂を生じる可能性が極めて低い。
更に圧電素子の端面から外部電極の最短の端部までの長さΔXが0.5mm以下であることに加えて、隣接する圧電素子同士の端面の中央部分にのみに接着剤を塗布して接着させた圧電アクチュエータにおいては、定格電圧の2倍に相当する300Vを印加しても圧電素子に亀裂を生じることなく、正常に動作することが確かめられた。
As described above, when the length ΔX from the end face of the piezoelectric element to the shortest end of the external electrode is 0.5 mm or less, the possibility of cracking the piezoelectric element is extremely low.
Furthermore, in addition to the length ΔX from the end face of the piezoelectric element to the shortest end of the external electrode being 0.5 mm or less, the adhesive is applied only to the center part of the end faces of the adjacent piezoelectric elements and bonded. It was confirmed that the piezoelectric actuator operated normally without cracking the piezoelectric element even when 300 V corresponding to twice the rated voltage was applied.
尚、リード線12は圧電素子の外部電極にて半田付けされるが、リード線12と圧電素子の外部電極が半田付けされた箇所から隣接する圧電素子の外部電極が半田付けされた箇所までは、ばねで構成されたばね部となっている。従って、複数の圧電素子を連結している圧電アクチュエータのリード線12は、リード線12と圧電素子の外部電極が半田付けされた箇所とばね部が交互に構成されることになる。
The
本発明は鉛半田と比較してヤング率が高いために、圧電素子とリード線が鉛フリー半田で半田付けした圧電アクチュエータが圧電素子の伸縮に伴い、半田付け箇所付近で亀裂する問題を解決し、鉛フリー半田に起因する圧電素子とリード線の半田付け箇所での疲労破壊を防ぐことを実現した。 Since the present invention has a higher Young's modulus compared to lead solder, the piezoelectric actuator in which the piezoelectric element and the lead wire are soldered with lead-free solder is cracked near the soldered part as the piezoelectric element expands and contracts. In addition, it was possible to prevent fatigue failure at the soldering location of the piezoelectric element and lead wire due to lead-free solder.
1:圧電アクチュエータ
2:半球
3、4、5、6:圧電素子
7:リード線
8:キャップ
9:基台
10:端子
11:外部電極
12:リード線
13:亀裂箇所
1: Piezoelectric actuator 2:
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