JP4646962B2 - Positioning device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a positioning device equipped with a multilayer piezoelectric element.
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。 Laminated piezoelectric actuators can adjust the amount of displacement on the order of sub-microns, have fast response to electrical signals, and generate a large force. For example, they can be used in precision positioning devices such as an XY stage. It is used.
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。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing the structure of a general laminated
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。
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。
However, in the
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。
Further, in the method of coating the
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a compact positioning device.
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。 That is, according to the present invention, a pair of lead members for sending a drive signal is taken out from the lower end surface, a cylindrical laminated piezoelectric element, a column having a threaded tip, and the pair of lead members are led out to the outside. A pedestal member that supports the multilayer piezoelectric element through the support column in the inner hole of the multilayer piezoelectric element, an inner hole, and the outer side surface is threaded to the inner hole. A cylindrical member placed on the multilayer piezoelectric element so as to contact the upper end surface of the multilayer piezoelectric element through the support column, an inner hole, and the cylindrical member passing through the support column in the inner hole. A disc spring held at the top, and a disc spring at the tip of the support column so that a predetermined holding force is applied to the stacked piezoelectric element between the cylindrical member and the pedestal via the disc spring. A nut member fixed in contact with the outer side of the cylindrical member; A cover member fitted to a threaded portion provided on a side surface and covering the multilayer piezoelectric element, and by applying a predetermined drive signal to the pair of lead members, the multilayer piezoelectric element is driven to expand and contract. A positioning device is provided that moves the cover member according to the displacement generated in the multilayer piezoelectric element via the cylindrical member.
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。 By using the laminated piezoelectric element from which the lead member is taken out from the end face, the positioning device can be made compact.
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。 Moreover, since the expansion and contraction of the disc spring can be adjusted by adjusting the position of the nut member, the holding force of the multilayer piezoelectric element can be easily set to a desired value.
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。 In addition, by providing a rotation prevention pin for preventing the rotation of the nut member around the nut member, the stacked piezoelectric element can be held with a constant holding force.
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。 According to the present invention, a compact positioning device can be provided.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a laminated piezoelectric actuator (hereinafter referred to as “piezoelectric actuator”) 10. The laminated
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。
On the outer peripheral side surface of the
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。
The
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。
The piezoelectric ceramic 12a is subjected to a polarization treatment by applying a predetermined voltage between the
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。
In general, as the piezoelectric ceramic 12a, a material having a large piezoelectric constant d33 and an electromechanical coupling coefficient k33, for example, a lead zirconate titanate (abbreviated as PZT) type piezoelectric ceramic is preferably used. A large displacement can be obtained with a smaller driving voltage. As will be described later, since the
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。
The
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。
The
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。
In addition, as shown in FIG. 1, when the
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。
The electrode lead-out
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。
The
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。
Thus, in order for the
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。
As the
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。
As the
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。
The electrode take-out
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。
In addition, by attaching the
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。
A
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。
In the
ガラス被膜19a・19bの材料としては、ホウケイ酸ガラス(B2O3−SiO2系)、ホウ酸ガラス(B2O3系)、鉛ケイ酸ガラス(PbO−SiO2系)、リン酸塩ガラス(PO3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。
Examples of the material for the
ガラス被膜19a・19bには、例えば、アルミナ(Al2O3)、ジルコニア(ZrO2)チタニア(TiO2)、石英(SiO2)、チタン酸鉛(PbTiO3)、ケイ酸ジルコニウム(ZrO2−SiO2)、コージェライト(2MgO・2Al2O3・5SiO2)、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。
For the
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。
A
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。
Next, a method for manufacturing the
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。 First, by using a piezoelectric ceramic powder such as lead zirconate titanate having a predetermined composition, a known thick film manufacturing method such as a doctor blade method or an extrusion molding method, for example, a green having a predetermined thickness of about 20 μm to 150 μm. A sheet is produced (step 1). Subsequently, the green sheet is punched into a ring shape (step 2), and electrode paste is printed in a predetermined pattern on the punched green sheet by a screen printing method or the like (step 3). In addition, since the piezoelectric ceramic is generally fired at 1200 ° C. to 1300 ° C., a silver (Ag) / palladium (Pd) paste that can withstand such a high temperature is suitably used as the electrode paste.
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。
FIG. 3 is a plan view of various green sheets produced in Step 3. The
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。
The
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。
After producing the
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。
Next, the
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。
Next, a predetermined position on the outer peripheral side surface of the
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。
Subsequently, a glass paste is applied to the outer peripheral side surface and inner peripheral side surface of the laminate 11 with a predetermined thickness, for example, 30 μm to 300 μm, and baked (step 8). As a result,
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。
In addition, when the shape of a laminated body is a rectangular parallelepiped etc., glass paste can be apply | coated by screen printing. Moreover, when apply | coating a glass paste to the
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。
Subsequently,
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。
Next, the
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。
Next, an embodiment of a positioner (positioning device) equipped with the
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。
The
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。
The outer side surface of the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
A moving object that needs to be aligned may be directly connected to the screw hole provided in the
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。
In the
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。
By using the
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。
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing a schematic structure of a stacked
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。
The
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。
The
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。
Since the manufacturing method of the
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。
The
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。
The piezoelectric active portion 32 is formed by alternately stacking a predetermined number of
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。
On the
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。
When such
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。
The
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。
As mentioned above, although embodiment of this invention has been described, this invention is not limited to the said embodiment. For example, although the multilayer piezoelectric element has been described as having a cylindrical shape, the multilayer piezoelectric element may be a prismatic type or a columnar type. Further, as the internal electrode structure of the
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。 As described above, in the multilayer piezoelectric element according to the embodiment of the present invention, the attachment strength of the lead member is large, and the attachment portion of the lead member is at the back of the through hole. Further, since the lead member is attached to the piezoelectric inactive portion, the effect of preventing the lead member from being detached is obtained. In addition, since the attachment portion of the lead member has a hermetic seal structure made of metal, the penetration of water vapor into the laminated body is prevented, and the effect of preventing the penetration of water vapor into the laminated body is also obtained by the glass coating. . Thereby, the multilayer piezoelectric element of the present invention has high reliability.
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。 Further, in the positioning device using the laminated piezoelectric element in which the lead member is taken out from the end face, the space for mounting the laminated piezoelectric element can be reduced. This makes it possible to reduce the size of the positioning device. Moreover, since the expansion and contraction of the disc spring can be adjusted by adjusting the position of the nut member, the holding force of the multilayer piezoelectric element can be easily adjusted to a desired value. Furthermore, by providing a rotation prevention pin for preventing the rotation of the nut member around the nut member, the stacked piezoelectric element can be held with a constant holding force.
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
10; (Laminated type) piezoelectric actuator, 11; Laminated body, 12a and 12b; Piezoelectric ceramics, 13 and 13a and 13b; Internal electrodes, 13a 'and 13b'; Electrode paste, 14a and 14b; External electrodes, 15a and 15b; Through hole, 15a 'and 15b'; Hole, 16a and 16b; Lead wire, 17; Metal, 18a and 18b; Extraction electrode, 18a 'and 18b'; Electrode paste, Extraction electrode 19a and 19b; Glass coating, 20a 20b: Resin coating, 21: Piezoelectric active part, 22: Electrode extraction part, 23a, 23b, 23c; Protective layer, 24; Hole part, 30; (Laminated) piezoelectric actuator, 31; Laminated body, 32; 33a, 33b; protective layer, 34a, 34b; through-hole electrode, 35a, 35b; internal electrode, 35a ', 35b'; electrode paste, 36; Ceramics 37a, 37b; lead wire 39; glass coating 40; resin coating 44; hole 50; positioner 51; pedestal member 52; cylindrical member 53; disc spring 54; nut member 55 Cover member 61; struts 62a and 62b; lead wire outlet hole 63; screw hole 65; anti-rotation pin 66; bolt 67; moving object 71-75 81-85; green sheet; 82a, 82b, 83a, 83b, 84a, 84b, 85a, 85b; hole, 86a, 86b, 86c, 86d; electrode paste, 90; piezoelectric actuator (laminated type), 91; piezoelectric ceramic, 92; internal electrode, 93a 93b; external electrode, 94a, 94b; lead wire, 95; laminate, 96; resin coating
Claims (10)
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。 A cylindrical laminated piezoelectric element in which a pair of lead members for sending drive signals are taken out from the lower end surface;
A pedestal member that has a column portion threaded at a tip and a hole portion that leads out the pair of lead members to the outside, and supports the multilayer piezoelectric element through the column portion in an inner hole of the multilayer piezoelectric element; ,
A cylindrical member that has an inner hole, the outer side surface of which is threaded, and is placed on the multilayer piezoelectric element so as to contact the upper end surface of the multilayer piezoelectric element through the support column in the inner hole;
A disc spring that has an inner hole and is held on the upper part of the cylindrical member through a support column in the inner hole;
A nut member that is fixed in contact with the disc spring at the tip of the column so that a predetermined holding force is applied to the multilayer piezoelectric element between the cylindrical member and the pedestal via the disc spring; ,
A cover member fitted to a threaded portion provided on the outer side surface of the tubular member and covering the multilayer piezoelectric element;
Comprising
The laminated piezoelectric element is extended and contracted by applying a predetermined drive signal to the pair of lead members, and the cover member is moved according to the displacement generated in the laminated piezoelectric element via the cylindrical member. A positioning device.
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。 The cylindrical laminated piezoelectric element is
Piezoelectric ceramics and internal electrodes are alternately laminated, and a piezoelectric active portion in which displacement is generated in the piezoelectric ceramics by applying an electric field to the piezoelectric ceramics by the internal electrodes, and a piezoelectric comprising a piezoelectric ceramic and a pair of positive and negative lead electrodes A cylindrical laminate having an inactive electrode extraction portion;
A pair of positive and negative external electrodes provided on the side surface of the laminate so that the internal electrodes are electrically connected every other layer and electrically connected to the positive electrode or the negative electrode of the extraction electrode;
A glass film covering the outer peripheral side surface and the inner peripheral side surface of the laminate so that the external electrode, the internal electrode and the extraction electrode are completely covered;
A pair of through holes formed in the electrode lead-out part so as to have an opening on the end face of the laminate,
The positive electrode and the negative electrode of the extraction electrode are separately exposed on the inner side surfaces of the pair of through holes,
The positioning device according to claim 1, wherein the pair of lead members are electrically connected to a positive electrode and a negative electrode of the extraction electrode exposed in the through hole, respectively.
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。 The cylindrical laminated piezoelectric element is
A lower protective layer made of piezoelectric ceramic, a piezoelectric active portion made by laminating first and second internal electrodes and piezoelectric ceramic, and an upper protective layer made of piezoelectric ceramic were laminated, and a hole was formed at the center. A tubular laminate,
A first through-hole electrode penetrating the lower protective layer and the piezoelectric active portion and electrically connected to the first internal electrode in the laminate;
A second through-hole electrode penetrating the lower protective layer and the piezoelectric active portion and electrically connected to the second internal electrode in the laminate;
A first lead wire that is electrically connected to the first through-hole electrode in the stacked body, and is taken out from an end face of the stacked body, and is electrically connected to the second through-hole electrode in the stacked body The positioning apparatus according to claim 1, further comprising: a pair of lead members including a second lead wire taken out from an end face of the laminate.
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