JP4443707B2

JP4443707B2 - 圧電アクチュエータ

Info

Publication number: JP4443707B2
Application number: JP2000018642A
Authority: JP
Inventors: 晋松野; 憲二熊本; 友好加藤
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2000-01-27
Filing date: 2000-01-27
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2020-01-27
Also published as: JP2001211667A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光ファイバ用接合装置、磁気ヘッド加工用ダイシング装置、半導体用露光装置のＸＹステージ等に装着される圧電アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の圧電アクチュエータは、基台に固定され、複数の圧電素子を直列に連結して形成した圧電素子列と、前記基台に固着され、前記圧電素子列を密封させ、該素子に圧縮力を与えるキャップと、を備えている。
【０００３】
この圧電素子列に電圧を印加すると、該各圧電素子は伸長し、半球体を介して出力部材を押圧する。また、各圧電素子の印加電圧をゼロにすると、該圧電素子は元の長さに戻る。伸縮時、各圧電素子はキャップにより予圧を受けているので、出力部材に引っ張り力が加わっても圧電素子がこの引っ張り力の影響を受けることはない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の圧電アクチュエータには、次の様な問題がある。
(1)圧電素子は分極処理をしなければならないが、従来例では、分極処理した後に該圧電素子にキャップを嵌着し、圧縮力を加えている。しかし、圧電素子を分極する際には、該圧電素子は一度伸びるので、無負荷の状態で行うと割れてしまうことがある。
【０００５】
(2)前記圧電素子列の側面には、各圧電素子に電気を伝える内部リード電極が固定されているが、各圧電素子が伸縮すると、該内部リード電極がそれに同調して伸縮しないため該電極が破損することがある。
【０００６】
(3)圧電素子の接合部は、接着剤により接着されているが、接着剤の使用量により各接合部が均一に接着されないことがある。そのため、製造工程の中において各圧電素子に偏った力が加わり、該圧電素子を破損させることがある。
【０００７】
(4)圧電アクチュエータの最大変位量は、その全長の０.１％程度であるので、大きな出力を必要とする場合には、圧電素子の数を増やさなければならない。しかし、圧電素子の数を増やすと、該アクチュエータが大きくなるとともにコストも高くなる。
【０００８】
この発明は上記事情に鑑み、圧電素子の破損を防止するとともに、小型でも大きな変位が得られる様にすることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、複数の圧電素子を直列に連結して形成した圧電素子列と、該圧電素子列の側面に固着され、前記各圧電素子に電気を伝える内部リード電極と、該圧電素子列に装着され、各圧電素子に圧縮力を加える予圧ばねと、を備えた圧電アクチュエータであって：
前記内部リード電極は、素子接合対応部が半円状に湾曲したばね部になっている金属板であり、接着剤で接着されて一体化している前記圧電素子列の各圧電素子は、予圧ばねの圧縮力を受けながら分極処理されることを特徴とする。
【００１０】
この発明の圧電素子は、内部電極層と比誘電率３０００未満の圧電体層とが交互に積層された積層体であり、該積層体の側面には応力緩和層が設けられていることを特徴とする。
【００１１】
この発明の隣り合う内部電極層の縁辺は、互いに齟齬していることを特徴とする。この発明の隣り合う内部電極層における角に対応した部位は、曲線で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
この発明の予圧ばねは、板状のばね材で方形状に形成され、圧電素子列の両端に圧接する頭部と底部、及び該両部を連結する胴部からなり、該胴部にはばね部が設けられていることを特徴とする。
【００１３】
この発明は、予圧ばねの頭部にボ−ルジョイントの半球体が固着され、該半球体が、前記圧電素子列を密封するキャップ頭部の受部に内接していることを特徴とする。
【００１４】
この発明の内部リード電極は、ばね板により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明者は、前記目的を達成するため研究を重ね種々の実験を試みた。その結果、次のことがわかり、この知見に基いて本発明を完成したのである。
(1)圧電素子の分極処理は、予圧をかけた状態で行うと圧電素子が破損しないこと。
【００１６】
(2)圧電素子に電気を伝える内部リード電極は、素子結合応部にばね部が形成された金属板を用いると、内部リード電極が破損しないこと。
(3)各圧電素子の接合部の接着面積をそれぞれ等しくすると、特性バラツキのない安定した製造が可能となること。
【００１７】
(4)比誘電率３０００未満の圧電体層を用い、積層体の側面部分に応力緩和層を設けると、アクチュエータの最大変位量が従来より大幅に大きくなること。
【００１８】
【実施例】
この発明の第１実施例を図１〜図３により説明する。圧電アクチュエータＳは、基台１に固定された圧電素子列２と、該圧電素子列２に被せられた予圧ばね３と、該基台１に固定され、前記圧電素子列２を密封するキャップ５と、該圧電素子列２の側面２ｓに設けられ、各圧電素子２ａに電気を伝える内部リード電極１０と、を備えている。
【００１９】
この圧電素子２aは圧電、電歪、などの素子を指称するが、この圧電素子２ａとして、例えば、プラスとマイナスの内部電極が交互に積層され、圧電セラミック電極が一体焼成され、圧電素子側面の内部リード電極で直列に連結した積層型圧電素子が用いられる。この圧電素子２ａを変位方向に複数直列に連結して一体化したものを圧電素子列２と称する。この圧電素子列２の圧電素子２ａの個数等は必要に応じて適宜選択される。
【００２０】
隣り合う圧電素子２ａは、接合部２ｂを介して連結されている。この接合部２ｂの接合面２ｃには、その全面にわたり接着剤（図示しない）が塗布されている。この接着剤として、例えば、ショア硬度６０度以下のエポキシ系接着剤を用いるが、圧電素子２ａを連結する際に、該素子の変位を阻害しない伸縮性を有するものが好ましい。
【００２１】
内部リード電極１０は、金属板であり、圧電素子列２の側面２ｓに半田付けされる。この金属板１０は、細帯状に形成され、各圧電素子２ａの接合部２ｂに対応する部分、即ち、素子接合対応部はばね部１０ｓとなっている。このばね部１０ｓは、半円状に湾曲し、変形し易い様になっている。この金属板１０として、例えば、リン青銅等のばね部材が用いられている。
【００２２】
この内部リード電極１０は、板状のため半田ゴテからの伝熱が良く、半田付け作業が容易であるとともに、金型での打ち抜き製造が可能であり、コストダウンを図ることができる。
【００２３】
又、金属板１０をセラミック等の圧電素子に半田付けすることにより、両者の熱膨張率の差により圧電素子２ａに圧縮力を加えることができる。
【００２４】
予圧ばね３は、板状のばね材で長方形状に形成され、圧電素子列２に圧着する頭部３ａと底部３ｂ、及び該両部３ａ、３ｂを連結する胴部３ｃと、を備えている。
【００２５】
胴部３ｃの中間部は、く字状のばね部３ｓが設けられているが、このばね部３ｓの形状や大きさ、ばね定数等は必要に応じて適宜変更される。
この胴部３ｃの長さは、圧電素子２の長さより少し短く形成されているが、その長さは、ばね力を考慮して適宜決定される。底部３ｂは間隔をおいて対向する一対の係止片３ｅ、３ｆからなるが、この間隔は必要に応じて適宜選択される。
【００２６】
なお、この予圧ばね３は、圧電素子２に圧縮力を加えるためのものであり、その機能を有する限り形状は特に限定されない。
【００２７】
この様に、圧電素子列２に予圧ばね３を装着し、各圧電素子２ａに所定の圧縮力を与えた状態で該圧電素子２に高い直流電圧、例えば、３kv/mmを印加し、分極処理する。そうすると、無負荷で分極処理する場合に比べ圧電素子の割れを減少させることができる。
【００２８】
予圧ばね３の頭部３ａには、ボールジョイントの半球体７が設けられ、この半球体７はキャップ５の円弧状受部５ａに嵌着されている。
【００２９】
このボールジョイントを用いることにより、次の様な効果を得ることができる。(1)圧電素子列を組み込むときに位置決めが容易となる。
(2)キャップ５の受部の形状として、円弧状のみならず、円錐形、Ｖ字形など多種類を採用できる。そのため、必要に応じてその形状を選択できるので、受部の加工が容易となる。
(3)外部曲げ応力が緩和されるので、圧電素子の破損を防止することが出来る。
【００３０】
このキャップ５は、金属製であり、その頭部５ｃは蛇腹ばねとなっており、又、その底部５ｂは基台１の本体部１ａに溶接５Yされ、圧電素子列２を密封している。
【００３１】
キャップ５の受部５ａは、出力部材１１に圧接しているが、この出力部材１１には、前記受部５ａに対応する円弧状受部１１ａが形成されている。
この受部１１ａは、必ずしも円弧状に形成する必要はなく、例えば、逆Ｖ字状又は円錐状に形成しても良い。
なお、図に於いて１２は、リード線１３をシールするハーメチック端子（ガラス端子）、２ｎ，２ｍは圧電素子２ａの保護部、をそれぞれ示す。
【００３２】
この実施例の作動について説明する。
圧電素子列２に所定の電圧、例えば、140Ｖを印加すると、該圧電素子列２は予圧ばね３の圧縮力に打ち勝ちながら矢印Ａ方向に伸長する。
【００３３】
この時、内部リード電極１０のばね部１０Ｓが素子の変位を阻止しない程度にて伸長し、圧電素子の伸長に伴って内部リード電極１０に加わる引っ張り力は吸収されるので、該電極１０自身に無理な力が加わることはない。また、圧電素子２ａの接合部２ｂの接合面２ｃが、全面にわたって接着されているので、接合面２ｃでのクラックが発生しない。更に、接着不良が発生せず、製造中の不良も少なくなる。
【００３４】
圧電素子列２の伸長により半球体７を介して出力部材１１が矢印Ａ方向に移動し、図示しない被移動物を同方向に微動させる。
この出力部材１１の移動に伴いキャップ５は伸びるが、頭部５ａの蛇腹ばねは、予圧ばね３のばね部３Ｓより軟らかいばね定数に設定されているので、出力部材１１の円滑な移動を阻害する程度の大きな抵抗となることはない。
【００３５】
圧電素子列２の印加電圧をゼロにすると、該圧電素子列２は元の位置に戻る。この時圧電素子２ａは予圧ばね３により圧縮力、即ち、予圧を受けているので、出力部材１１に該圧縮力より小さな引っ張り力が加わっても、圧電素子２ａがこの引っ張り力の影響を受けることはない。また、この時、接合部２ｂに引っ張り力がかかっても、圧電素子２ａの接合部２ｂの接合面２ｃが、全面にわたって接着されているので、接合面２ｃでのクラックが発生しない。
【００３６】
出力部材１１に加わる引っ張り力が前記圧縮力より大きな場合は、キャップ５に形成されている受部５ａと圧電素子列２に固着されている半球体７とが離れる。そのため、圧電素子２ａに引っ張り力が加わることはない。
【００３７】
圧電アクチュエータＳに圧電素子２の伸縮方向Ａと異なる方向、例えば、矢印Ａ1方向からの力が加わると、該力はキャップ５を変位させるが、ボールジョイントの半球体７とキャップ５の受部５ａ及び該受部５ａと出力部材１１の受部１１ａ、により吸収されるので、圧力素子列２に曲げ応力が伝達されることはない。
【００３８】
この発明の第２実施例を図４、図５により説明するが、図１〜図３と同じ図面符号はその名称も機能も同一である。
この実施例と第１実施例との相違点は次の通りである。
(1)予圧ばね３の胴部３ｃに形成されているばね部２３ｓが、半円弧状であること。
【００３９】
(2)キャップ５の頭部２３ａにボールジョイントの半球体２７が固定されていること。
(3)出力部材１１に、前記半球体２７の受部２１ａが設けられており、この受部２１ａが逆Ｖ字状であること。
【００４０】
(4)各圧電素子の接合部２ｂの接合面２ｃが、その中央に円形状に形成された同一面積の接着剤塗布部２２ｃを有し、この接着剤塗布部２２ｃの全範囲にわたり接着剤が塗布されること。
(5)内部リード電極１０のばね部２０ｓが、左湾曲部２０Ｌと、その反対向の右湾曲部２０Ｒとから構成されていること。
【００４１】
この発明の第３実施例を図６〜図８により説明するが、この実施例と第１実施例との相違点は次の通りである。
(1)圧電素子２ａが、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛などの様な比誘電率３０００未満の圧電材料を用いて構成された圧電体層３１と内部電極層３２（負極３２ａ及び正極３２ｂ）とが交互に積層された、積層体である積層型圧電素子であること。この積層体の側面には、隣り合う前記圧電体層３１によって挟まれ、かつ、前記圧電体層３１よりも弾性率の小さな応力緩和層３５が設けられている。前記隣り合う内部電極層３２の縁辺32X,32Yが互いに齟齬し、重ならないようになっている。
(2)内部電極層３２に連結される内部リード電極１０は、そのばね部３０Ｓが波形状に形成されていること。
【００４２】
(3)実験によると、この積層型圧電素子を用いたアクチュエータは、従来例に比べ１．５倍の変位量が得られた。
又、応力緩和部３５を設けるとともに、内部電極層３２の縁辺32X,32Yを互いに齟齬させたので、該圧電素子に電圧を印加した際、積層体の側面部や内部に問題となるような応力が発生しない。
【００４３】
特に、圧電体層３１の圧電歪みは負極32a或いは正極32bの縁辺近傍から圧電体層３１の端に向かって徐々に減少していくので、内部応力は分散・緩和される。そのため、アクチュエータは長時間使用しても故障しない。
【００４４】
この発明の第４実施例を図９により説明するが、この実施例と第３実施例との相違点は次の通りである。
(1)略直方体の積層体の角が面取りされ、積層体の側面同志が交差して出来る角に対応した部分が曲面４１ｃになっていること。
【００４５】
(2)圧電体層４１は、比誘電率が３０００未満の圧電材料を用いて構成されていること。
(3)内部電極層４２における角に対応する部位が曲線４２ｃで構成され、負極42a及び正極42bの角に丸味を持たせたこと。なお、両極42a、42bは同一形状である。
(4)実験によると、この実施例においても前記実施例と同様の効果が得られた。
【００４６】
【発明の効果】
この発明は、以上のように構成したので、次のような顕著な効果を奏する。
(1)予圧ばねにより圧縮力をかけながら圧電素子の分極処理を行うので、該圧電素子の割れを少なくすることができる。
【００４７】
(2)内部リード電極は、ばね部を有する金属板なので、圧電素子の変位の際、このばね部が伸縮する。そのため、該圧電素子に無理な力がかからないので、破損事故の発生を防止することが出来る。
(3)各圧電素子の接合部の接着面積は、等しく形成されているので、各接着面は均一な力を受ける。そのため、接着面でのクラック発生を防止できる。
【００４８】
(4)積層型圧電素子は、比誘電率３０００未満の圧電材料を用いて形成するので、従来例に比べ１．５倍の変位量を得ることが出来る。そのため、この圧電素子を組み込んだ圧電アクチュエータは、その全長の３０％を短縮できるので、小型化することが出来る。この小型化により製造コストが低減し製品のコストダウンを図ることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例を示す断面図である。
【図２】圧電素子の拡大平面図である。
【図３】内部リード電極の拡大図の一部を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例を示す断面図である。
【図５】圧電素子の拡大平面図である。
【図６】本発明の第３実施例の圧電素子を示す正面図の一部を示す図である。
【図７】図６のVII-VII線断面図の一部を示す図である。
【図８】図８（ａ）は、負極の内部電極層を印刷した圧電体層の拡大平面図である。
図８（ｂ）は、正極の内部電極層を印刷した圧電体層の拡大平面図である。
【図９】本発明の第４実施例を示す拡大平面図で、図８に相当する図である。
【符号の説明】
１基台
２圧電素子列
２ａ圧電素子
３予圧ばね
５キャップ
７半球体
１０内部リード電極

Claims

複数の圧電素子を直列に連結して形成した圧電素子列と、該圧電素子列の側面に固着され、前記各圧電素子に電気を伝える内部リード電極と、該圧電素子列に装着され、各圧電素子に圧縮力を加える予圧ばねと、を備えた圧電アクチュエータであって：
前記内部リード電極は、素子接合対応部が半円状に湾曲したばね部になっている金属板であり、
接着剤で接着されて一体化している前記圧電素子列の各圧電素子は、予圧ばねの圧縮力を受けながら分極処理されることを特徴とする圧電アクチュエータ。
圧電素子は、内部電極層と比誘電率３０００未満の圧電体層とが交互に積層された積層体であり、該積層体の側面には応力緩和層が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
隣り合う内部電極層の縁辺は、互いに齟齬していることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
隣り合う内部電極層における角に対応した部位は、曲線で構成されていることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータ。
予圧ばねは、板状のばね材で方形状に形成され、圧電素子列の両端に圧接する頭部と底部、及び該両部を連結する胴部からなり、該胴部にはばね部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
予圧ばねの頭部にボ−ルジョイントの半球体が固着され、該半球体が、前記圧電素子列を密封するキャップ頭部の受部に内接していることを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータ。
内部リード電極は、ばね板により形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。