JP2000307161A - 圧電アクチュエータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 従来型のものに比べ歩留りを向上させること
ができる圧電アクチュエータを提供することである。特
に、キャップとベースとの接合時に飛散する金属溶融物
によって絶縁不良が起きない構造の圧電アクチュエータ
を提供することである。 【解決手段】 ベース１と、このベース１に対して絶縁
状態で配設された一対の端子４ａ，４ｂと、前記ベース
１の上に配設され、かつ、前記端子が接続された圧電ア
クチュエータ素子３と、この圧電アクチュエータ素子３
を被覆するチューブ５と、このチューブ５によって被覆
された圧電アクチュエータ素子３を収納し、かつ、開口
部側が前記ベース１に接合されたキャップ２とを具備し
てなる圧電アクチュエータである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば精密加工機
械、半導体製造装置、光学機器、マスフローコントロー
ラなどにおいて駆動手段として利用される圧電アクチュ
エータに関するものである。

【０００２】

【発明が解決しようとする課題】圧電アクチュエータ
は、周知のように、小型・軽量であるにもかかわらず発
生力が極めて大きく、しかも応答が高速でなされるた
め、現在、駆動手段として、さまざまな方面で幅広く利
用されている。但し、圧電アクチュエータは、その特性
を十分に発揮させるため、数ｋＶ／ｍｍもの高電界を印
加する必要がある。ゆえに、通常、電極に使用されてい
る銀の周囲湿度による拡散に起因して、絶縁不良が発生
する問題がある。したがって、信頼性向上のため、圧電
アクチュエータ素子を金属ケースなどで外界湿気から遮
蔽する必要がある。

【０００３】ここで、この圧電アクチュエータにおける
代表的なものの構造を図７に示す。同図から判るように
従来型の圧電アクチュエータは、金属製のベース２１、
同じく金属製のキャップ２２、および、このキャップ２
２内に収納された圧電アクチュエータ素子２３を主要構
成要素とする。このうち圧電アクチュエータ素子２３に
は、絶縁状態でベース２１に配された一対の端子２４
ａ，２４ｂが接続されている（実際には、ベース２１と
端子２４ａ，２４ｂとの間にはガラスが充填されてい
る）。更に、上記圧電アクチュエータ素子２３は、製造
過程での損傷などを防止するため、合成樹脂製の熱収縮
チューブ２５によって周面が被覆されている。なお、端
子２４ａ，２４ｂの接続にはハンダ付けが用いられてお
り、図７において２６で示すのが、この端子接続用のハ
ンダ層である。

【０００４】こうした構造の圧電アクチュエータでは、
端子２４ａ，２４ｂ間に電圧が印加されると、圧電アク
チュエータ素子２３は僅かに変形、すなわち高さ方向に
伸長する。この結果、キャップ２２の頂面が上方に変位
し、アクチュエータとしての機能が発揮されることにな
る。次に、上記圧電アクチュエータの製造手順について
説明する。

【０００５】同圧電アクチュエータの製造に際しては、
まずベース２１に圧電アクチュエータ素子２３を接着
し、この圧電アクチュエータ素子２３の側面電極（図示
せず）に端子２４ａ，２４ｂを、それぞれハンダ付けに
よって接続する。次いで、圧電アクチュエータ素子２３
に熱収縮チューブ２５を装着し、更に、この熱収縮チュ
ーブ２５を加熱して、それを圧電アクチュエータ素子２
３の周囲に密着させる。この後は、キャップ２２を圧電
アクチュエータ素子２３に被せ、つまりキャップ２２内
に圧電アクチュエータ素子２３を収納し、キャップ２２
の開口部側をベース２１に接合（特に抵抗溶接法を用い
て接合）すればよい。これによって、図７に示す構造の
圧電アクチュエータが得られる。

【０００６】ところで、こうした圧電アクチュエータ
は、完成後の試験において絶縁不良と判定されるものが
少なくなかった。そして、当然のことながら、絶縁不良
のものを製品として提供することはできず、それだけ歩
留りが低下する。本発明者は、こうした問題を解決する
べく鋭意研究を推し進め、その結果、上述した絶縁不良
が次のような現象によって引き起こされていることを突
き止めるに至った。

【０００７】すなわち、上記圧電アクチュエータは、圧
電アクチュエータ素子２３を収納したキャップ２２を、
ベース２１に抵抗溶接することにより得ているが、この
抵抗溶接の際、溶融した金属（以下、金属溶融物と言
う）が飛散することがある。更に詳しく言えば、この金
属溶融物の飛散直前の様子は図８に示すとおりであり、
同図に示すごとく、抵抗溶接は、キャップ２２をベース
２１に対して圧接させ、両者間に電圧を印加することに
よりなされる。特に、ある温度まで加熱した状態で、勢
いよくキャップ２２をベース２１に押し付けることによ
り、ベース２１に対して一体的に形成された断面が三角
形状のリング、すなわちプロジェクションリング２７が
押し潰されて広がり、最終的な溶接状態が得られる。こ
の時に押し潰されたプロジェクションリング２７が金属
溶融物となって飛散するのである。ところで、熱収縮チ
ューブ２５の下端とベース２１の表面との間には、熱収
縮チューブ２５の熱収縮に伴い、ほとんど例外なく隙間
Ｘが形成される。このため、ときとして、飛散した金属
溶融物が、この隙間Ｘを経て端子２４ａ，２４ｂに到達
する。すると、本来は完全に絶縁されていなければなら
ないベース２１と端子２４ａ，２４ｂとの間にブリッジ
（短絡路）が形成される。上述した絶縁不良は、こうし
た現象が原因となって引き起こされているのである。

【０００８】そこで、本発明者は、熱収縮チューブ２５
の下端とベース２１の表面との間に隙間ができないよう
にすれば、上記問題が解決されるであろうと考えた。し
かし、このためには、熱収縮分量までも考慮して熱収縮
チューブ２５の長さを決定しなければならず、最終的に
完全に隙間ができないようにすることは実質上、不可能
であることが判明した。ゆえに、抜本的な解決策が求め
られている。

【０００９】したがって、本発明が解決しようとする課
題は、従来型のものに比べ歩留りを向上させることがで
きる圧電アクチュエータおよびその製造方法を提供する
ことである。特に、キャップとベースとの接合時に飛散
する金属溶融物によって絶縁不良が起きない構造の圧電
アクチュエータおよびその製造方法を提供することであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この課題は、ベースと、
このベースに対して絶縁状態で配設された一対の端子
と、前記ベースの上に配設され、かつ、前記端子が接続
された圧電アクチュエータ素子と、この圧電アクチュエ
ータ素子を被覆するチューブと、このチューブによって
被覆された前記圧電アクチュエータ素子を収納し、か
つ、開口部側が前記ベースに接合されたキャップとを具
備してなる圧電アクチュエータであって、前記ベースに
おいて前記圧電アクチュエータ素子が存在する側の面に
は凸部が構成されてなり、前記端子は、その一端が前記
凸部の上端面から突出するよう配設されてなると共に、
前記圧電アクチュエータ素子は前記凸部の上端面の上に
配設されてなり、更に前記チューブは、前記圧電アクチ
ュエータ素子と共に、前記凸部の少なくとも一部を被覆
するよう設けられてなることを特徴とする圧電アクチュ
エータによって解決される。

【００１１】また、同課題は、上記圧電アクチュエータ
の製造方法であって、ベースに構成された凸部の上端面
の上に圧電アクチュエータ素子を配設し、この圧電アク
チュエータ素子に端子を接続するＡ工程と、このＡ工程
にて前記凸部上に配設された前記圧電アクチュエータ素
子および前記凸部の少なくとも一部を被覆するよう、チ
ューブを配設するＢ工程と、このＢ工程にて前記チュー
ブで被覆された前記圧電アクチュエータ素子をキャップ
内に収納し、このキャップの開口部側を前記ベースに接
合するＣ工程とを具備することを特徴とする圧電アクチ
ュエータの製造方法によっても解決される。

【００１２】すなわち、上述したように本発明では、ベ
ースに凸部を構成し、この凸部上に圧電アクチュエータ
素子を配設すると共に、同凸部の少なくとも一部までも
が被覆されるよう圧電アクチュエータ素子にチューブを
装着している。このため、圧電アクチュエータ素子に接
続される端子についても、チューブによって完全に被覆
される。この結果、キャップとベースとの接合（抵抗溶
接）時、金属溶融物が飛散しても、それはチューブ表面
に付着するだけで、端子に到達しない。したがって、端
子とベースとの間に、絶縁不良の原因となるブリッジが
形成されることはない。つまり、本発明の技術を用いる
ことで、キャップとベースとの接合時の金属溶融物の飛
散に起因した絶縁不良が皆無となる。そして、この結
果、従来型のものに比べて、製品の歩留りが飛躍的に向
上する。

【００１３】なお、上記圧電アクチュエータに関して
は、ベースの製造すなわち加工作業を容易にするため、
同ベースに構成された凸部は円柱状のものであることが
好ましい。言い換えれば、水平面による切断面が円形と
なるよう、凸部を構成することが好ましい。また、同じ
く上記圧電アクチュエータに関して、ベースに構成され
た凸部の高さは、０．２〜１．５ｍｍ、特に、０．５〜
１．０ｍｍであることが好ましい。これは、凸部の高さ
が上記範囲内にあれば、圧電アクチュエータ自体の全長
にそれほど影響を及ぼすことはなく、その一方で、チュ
ーブと凸部とが十分にオーバーラップした状態が得られ
るからである。

【００１４】ちなみに、本明細書における「ベースに対
して絶縁状態で配設」とは、言うまでもなく、ベースに
対して、電気的に絶縁された状態で配設されることを意
味する。具体的に言うと、ベースに形成された端子挿通
用の貫通孔内には、ガラス、合成樹脂、セラミックなど
の絶縁材料が充填され、これによって絶縁状態が得られ
るようになっている。そして、この場合、端子はこれら
絶縁材料を介してベースに支持・固定されることにな
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下で本発明の一実施形態として
説明する圧電アクチュエータは、ベースと、このベース
に対して絶縁状態で配設された一対の端子と、同ベース
上に配設すなわち接着され、かつ、上記端子が接続され
た圧電アクチュエータ素子と、この圧電アクチュエータ
素子を被覆するチューブ（熱収縮チューブ）と、この熱
収縮チューブによって被覆された圧電アクチュエータ素
子を収納し、かつ、開口部側がベースに接合されたキャ
ップと、を具備してなるものであって、ベースにおいて
圧電アクチュエータ素子が存在する側の面には凸部が構
成（一体的に形成）されてなり、また、端子は、その一
端が凸部の上端面から突出するよう配設されてなると共
に、圧電アクチュエータ素子は凸部の上端面に接着され
てなり、更に熱収縮チューブは、圧電アクチュエータ素
子と共に、凸部の少なくとも一部を被覆するよう設けら
れてなることを特徴とする。特に、本実施形態では、ベ
ースに構成された凸部を円柱状のものとしている。ま
た、同じくベースに構成された凸部の高さを、０．２〜
１．５ｍｍ、特に、０．５〜１．０ｍｍとしている。

【００１６】また、以下で本発明の一実施形態として説
明する製造方法は、上記圧電アクチュエータの製造に関
するものであり、ベースに構成された凸部の上端面に圧
電アクチュエータ素子を接着（配設）し、この圧電アク
チュエータ素子に端子を接続するＡ工程と、このＡ工程
にて凸部に接着された圧電アクチュエータ素子および凸
部の少なくとも一部を被覆するよう、チューブ（熱収縮
チューブ）を配設（装着および熱収縮処理）するＢ工程
と、このＢ工程にて熱収縮チューブで被覆された圧電ア
クチュエータ素子をキャップ内に収納し、このキャップ
の開口部側をベースに接合するＣ工程と、を具備する。

【００１７】次に、図１〜図５を用い、本発明の実施形
態を更に具体的に説明する。なお、図１は本実施形態に
係る圧電アクチュエータの断面図、図２は同圧電アクチ
ュエータを構成するベースの斜視図、図３〜図５もそれ
ぞれ同圧電アクチュエータの製造手順を示す一工程図で
ある。本実施形態に係る圧電アクチュエータ（以下、本
圧電アクチュエータと言う）は、図１から判るように、
主要構成要素として、金属製のベース１、同じく金属製
のキャップ２、圧電アクチュエータ素子３、端子４ａ，
４ｂ、および主として圧電アクチュエータ素子３を被覆
する合成樹脂製のチューブ（熱収縮チューブ）５を具備
している。

【００１８】このうちキャップ２は、上記熱収縮チュー
ブ５によって被覆された圧電アクチュエータ素子３を収
納し、かつ、開口部側がベース１に接合、特に抵抗溶接
により接合されている。つまり、上記圧電アクチュエー
タ素子３は、ベース１とキャップ２とで、外気から完全
に遮断されている。一方、圧電アクチュエータ素子３は
積層タイプであり、ここでは、対向する二つの側面の一
方に正極（図示せず）、他方に負極（図示せず）が設け
られた、直方体状のものを用いている。なお、言うまで
もなく、正極・負極間に電圧を印加した際、この圧電ア
クチュエータ素子３は、高さ方向（図１中、上下方向）
に伸長する。

【００１９】端子４ａ，４ｂは、それぞれ圧電アクチュ
エータ素子３の正極および負極に、ハンダ付けによって
接続される。ちなみに、図１中、６で示すのが、この端
子接続用のハンダ層である。また、当然のことながら、
端子４ａ，４ｂはベース１に対して絶縁状態で配置され
ている。具体的に言うと、ベース１に形成された端子挿
通用の貫通孔には、ガラス７が充填されている。そし
て、これによって端子４ａ，４ｂは、ベース１に支持・
固定されている。

【００２０】更に、熱収縮チューブ５は合成樹脂、特に
テフロン系樹脂から構成されたフレキシブルなものであ
る。但し、後に詳述するが、熱収縮チューブ５の下端は
ベース１の凸部とオーバーラップするので、従来よりも
やや長めになっている。また図１に示すのは、熱収縮チ
ューブ５への熱収縮処理が完了した状態である。この最
終状態では、熱収縮チューブ５は圧電アクチュエータ素
子３の周面（およびハンダ層６の表面）に密着してい
る。

【００２１】さて、上記要素と共に本圧電アクチュエー
タを構成するベース１についてであるが、このベース１
は図２に示すような形状を有している。すなわち、ベー
ス１における、圧電アクチュエータ素子３が存在する側
の面の中央位置には、凸部８が一体的に形成されてい
る。この凸部８は円柱状のもので、その上端面からは端
子４ａ，４ｂの一部が突出している。また、この凸部８
の上端面は平滑であって圧電アクチュエータ素子３が直
接接着されている。したがって圧電アクチュエータ素子
３は、ベース１の周縁部表面から凸部８の高さ分だけ浮
き上がった状態となっている。よって、このベース１を
用いて構成された本圧電アクチュエータでは、熱収縮チ
ューブ５が、圧電アクチュエータ素子３だけでなく、凸
部８の少なくとも一部をも被覆するよう設けられてい
る。換言すれば、本圧電アクチュエータは、圧電アクチ
ュエータ素子３と共に、端子４ａ，４ｂおよびハンダ層
６を完全に熱収縮チューブ５で被覆した構造となってい
る。なお、ベース１に形成された凸部８の高さＨ₁ は約
０．５ｍｍである。

【００２２】また、ベース１の周縁部には、断面が三角
形状のリング（プロジェクションリング）９が一体的に
形成されている。このリング９は、ベース１とキャップ
２とを抵抗溶接する際に押し潰され、両者を接合する役
割を果たす。ちなみに、本圧電アクチュエータについて
も、駆動手段としての機能は従来型のものと同じであ
る。すなわち、端子４ａ，４ｂを電力供給装置に接続し
所定の電圧を印加すると、圧電アクチュエータ素子３は
高さ方向に伸長する。そして、この圧電アクチュエータ
素子３の変形がキャップ２の頂面を直接変位させ、その
結果、対象物が駆動されることになる。

【００２３】続いて、上記圧電アクチュエータの製造方
法について、その手順を示す図３〜図５を用いて説明す
る。上記圧電アクチュエータの製造に際しては、まず、
ベース１に形成された凸部８の上端面に圧電アクチュエ
ータ素子３を接着する。そして、凸部８の上端面から突
出する端子４ａ，４ｂを、この圧電アクチュエータ素子
３の電極にハンダ付けする（Ａ工程：図３参照）。

【００２４】Ａ工程が完了したならば、続いて、圧電ア
クチュエータ素子３に熱収縮チューブ５を装着する。更
に詳しく言えば、凸部８の上に接着した圧電アクチュエ
ータ素子３、端子４ａ，４ｂおよびハンダ層６と共に、
凸部８の一部が被覆されるよう、上記熱収縮チューブ５
を配置し、それに熱収縮処理を施す（Ｂ工程：図４参
照）。

【００２５】最後に、上記Ｂ工程にて、熱収縮チューブ
５で被覆された圧電アクチュエータ素子３がキャップ２
内に収納されるよう、このキャップ２を圧電アクチュエ
ータ素子３に被せ、更にキャップ２の開口部側をベース
１に抵抗溶接する。つまり、キャップ２をベース１、特
にその周縁部のリング９に圧接させた状態で電圧を印加
し、リング９を押し潰すことで両者を一体化させる（Ｃ
工程：図５参照）。これによって、図１に示す本圧電ア
クチュエータが得られる。

【００２６】さて、本実施形態では、上述したごとくベ
ース１に凸部８を形成し、この凸部８の上端面に圧電ア
クチュエータ素子３を接着すると共に、同凸部８の少な
くとも一部までもが被覆されるよう、圧電アクチュエー
タ素子３に熱収縮チューブ５を装着している。このた
め、圧電アクチュエータ素子３に接続された端子４ａ，
４ｂやハンダ層６についても、熱収縮チューブ５によっ
て完全に被覆される。この結果、キャップ２とベース１
との接合（抵抗溶接）時、溶融したリング９すなわち金
属溶融物が飛散しても、それは熱収縮チューブ５の表面
に付着するだけで端子４ａ，４ｂやハンダ層６に到達し
ない。したがって、端子４ａ，４ｂやハンダ層６とベー
ス１との間に、絶縁不良の原因となるブリッジ（短絡
路）が形成されることはない。ゆえに、ベース１とキャ
ップ２との接合時の金属溶融物の飛散に起因した絶縁不
良は皆無となる。そして、この結果、従来型のものに比
べて、製品の歩留りが飛躍的に向上する。

【００２７】なお、上では本発明の技術内容を理解しや
すくするため、その実施形態として圧電アクチュエータ
素子（積層型圧電アクチュエータ素子）が一つだけ用い
られたものについて説明した。しかし、本発明は、こう
した形態に限定されるわけではない。これ以外にも、例
えば図６に示すごとく、変位量をより大きくするため圧
電アクチュエータ素子１０を複数個、上下に積重し、電
気的に接続した構造の圧電アクチュエータについて、本
発明の技術を適用できる。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、従来型の圧電アクチュ
エータに比べ製品の歩留りを向上させることができる。
特に、キャップとベースとの接合時に飛散する金属溶融
物による絶縁不良が起きない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの
断面図

【図２】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータを
構成するベースの斜視図

【図３】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの
製造手順を示す一工程図

【図４】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの
製造手順を示す一工程図

【図５】本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの
製造手順を示す一工程図

【図６】本発明の他実施形態に係る圧電アクチュエータ
の断面図

【図７】従来型の圧電アクチュエータの断面図

【図８】金属溶融物の飛散直前の様子を示す要部拡大図

【符号の説明】

１ ベース ２ キャップ ３ 圧電アクチュエータ素子 ４ａ，４ｂ 端子 ５ 熱収縮チューブ（チューブ） ６ ハンダ層 ７ ガラス ８ ベースの凸部 ９ リング（プロジェクションリング）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ベースと、 このベースに対して絶縁状態で配設された一対の端子
   と、 前記ベースの上に配設され、かつ、前記端子が接続され
   た圧電アクチュエータ素子と、 この圧電アクチュエータ素子を被覆するチューブと、 このチューブによって被覆された前記圧電アクチュエー
   タ素子を収納し、かつ、開口部側が前記ベースに接合さ
   れたキャップとを具備してなる圧電アクチュエータであ
   って、 前記ベースにおいて前記圧電アクチュエータ素子が存在
   する側の面には凸部が構成されてなり、 前記端子は、その一端が前記凸部の上端面から突出する
   よう配設されてなると共に、前記圧電アクチュエータ素
   子は前記凸部の上端面の上に配設されてなり、 更に前記チューブは、前記圧電アクチュエータ素子と共
   に、前記凸部の少なくとも一部を被覆するよう設けられ
   てなることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 【請求項２】 ベースに構成された凸部は円柱状のもの
   であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュ
   エータ。
3. 【請求項３】 ベースに構成された凸部の高さは、０．
   ２〜１．５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請
   求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 上記請求項１〜請求項３のいずれかに記
   載の圧電アクチュエータの製造方法であって、 ベースに構成された凸部の上端面の上に圧電アクチュエ
   ータ素子を配設し、この圧電アクチュエータ素子に端子
   を接続するＡ工程と、 このＡ工程にて前記凸部上に配設された前記圧電アクチ
   ュエータ素子および前記凸部の少なくとも一部を被覆す
   るよう、チューブを配設するＢ工程と、 このＢ工程にて前記チューブで被覆された前記圧電アク
   チュエータ素子をキャップ内に収納し、このキャップの
   開口部側を前記ベースに接合するＣ工程とを具備するこ
   とを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。