JP7768785B2 - 圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータに関する。

圧電素子は、伸長時と収縮時で異なる変位特性（ヒステリシス）を示すこと、および電圧を印加し続けると変位クリープを起こし、次第に寸法が変化していくことから、半導体露光装置等の精密位置決めでは、変位センサによりフィードバック制御を行い位置決め精度を向上させて使用されている。また、精密な数値制御加工機の微動機構や医療用マニュピレータ、航空・宇宙用の精密な姿勢制御機構にも変位センサによりフィードバック制御を行った高精度の圧電アクチュエータが使用されている。さらに、半導体製造装置へ各種ガスを供給する流量調整バルブの駆動用としても圧電アクチュエータが使用されているが、制御流量の高精度化に伴い変位センサを内蔵したものが使用されるようになっている。

特許文献１は、ヒステリシスを有する圧電変位部を用い、ピストンの変位量を高い精度で制御することを目的として、印加電圧に応じて伸縮する圧電変位部、圧電変位部の一端の伸縮力を受けるピストン、圧電変位部の他端の伸縮力を受けるベースを備え、ピストンは、圧電変位部を覆う内筒１４を備え、この内筒の端にはベースに接近した変位検出部を備え、ベースには、変位検出部までの距離を検出する変位センサが固定されている圧電アクチュエータが記載されている。

特許文献２は、電歪効果素子を用いた圧電アクチュエータの電圧－変位特性のヒステリシスを解消し、微小な移動量の検出精度を改善することを目的として、金属ケース内に気密端子や金属部材によって密封した電歪効果素子の側面に変位センサを設けて電歪効果素子に電気接続する圧電アクチュエータが記載されている。

特開平８－１５３９０９号公報 特開平５－２０６５３６号公報

圧電アクチュエータ用の変位センサとしては非接触式の静電容量センサや渦電流センサが使用されることが多かった。しかしながら、特許文献１に示されるような、非接触式のセンサを用いたフィードバック制御方式を適用した場合、高精度な位置決めが可能になるが、システムが複雑で高価となり、用途も限定される。

これに対し、特許文献２に示されているように、電歪効果素子の側面の一部に歪ゲージなどの変位センサを直接貼付し、微小な移動量の検出精度を改善する圧電アクチュエータも提案されている。歪ゲージは多くの場合、圧電素子に直接貼り付けるだけであるため小型で安価な変位計となる。

特許文献２のように、圧電アクチュエータ用金属筐体に圧電アクチュエータ本体を密閉し、内部に歪ゲージを配置する構成とする場合、圧電アクチュエータの内部配線と筐体外部との接続は、座と呼ばれるベース部を貫通する端子を介して行なわれていた。この場合、端子と歪ゲージのリード線との接続も他の部材を使わず直接はんだ付けにより行なわれていた。

しかしながら、座の内部のスペースは狭小であり、歪ゲージのリード線は非常に細く柔らかいために座の端子にはんだ付けする位置出しが難しく、ピンセットで押さえながら座の端子に近づけてのはんだ付け作業となるため、確実な電気配線をするにははんだ付けの熟練を要し、製品の精度のバラツキに繋がっていた。歪ゲージはｍΩレベルの抵抗変化をホイートストンブリッジで検出して変位歪を検出する。そのため、はんだ付けで確実に接続されていないと製品の初期性能のバラツキとなり、接続抵抗が１～２Ω発生するとブリッジ回路で変位を検出することができず製品不良となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キャップの内部の端子とリード線との接続の信頼性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を目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の圧電アクチュエータは、電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、複数の圧電素子を直列に連結して形成され、または一つの圧電素子により形成された圧電アクチュエータ本体と、前記圧電アクチュエータ本体の一端を支持する座と、前記圧電アクチュエータ本体を収容するキャップと、前記座に固定された端子と、前記端子の前記キャップの内側の端部と前記キャップの内部に配置される部材に電気的に接続されたリード線との間でそれぞれとはんだ付けされ、前記端子および前記リード線を接続する、中空筒状で長手方向の中程に端子止め部を有する金属からなる接続部材と、を備えることを特徴としている。

このように、端子のキャップの内側の端部とキャップの内部に配置される部材のリード線が、中空筒状で長手方向の中程に端子止め部を有する金属からなる接続部材を介しはんだ付けされることで、端子とリード線との接続の信頼性を向上させることができる。

（２）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記接続部材の内部は、はんだが充填されていることを特徴としている。

このように、接続部材の内部にはんだが充填されていることで、接続部材の内部で広い面積で端子と接続部材およびリード線と接続部材とが接続されるため、端子とリード線との接続の信頼性をより向上させることができる。

（３）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記接続部材は、内面が金メッキされていることを特徴としている。

このように、接続部材の内面が金メッキされていることで、接続部材の内面のはんだの濡れ性が良くなるため、端子とリード線との接続の信頼性をより向上させることができる。

（４）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記接続部材の端子側の端部の内径と前記端子の前記キャップの内側の端部の外径との差は、０．２ｍｍ以下であることを特徴としている。

このように、接続部材の端子側の端部の内径と端子のキャップの内側の端部の外径との差が０．２ｍｍ以下であることで、接続部材下端にはんだを供給した際、毛細管現象によりはんだが接続部材上端まで充填され、端子とリード線を容易かつ確実に接続することができる。

（５）また、本発明の圧電アクチュエータにおいて、前記接続部材の前記端子止め部は、前記接続部材を構成するパイプの中程を凹ませた形状により形成されていることを特徴としている。

このように、接続部材の端子止め部が、接続部材を構成するパイプの中程を凹ませた形状により形成されていることで、接続部材を容易に作製でき、コストを低減することができる。

（６）また、本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電アクチュエータ本体の側面に直接、または他の部材を介して張り付けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位変化時の歪を検知する歪ゲージをさらに備え、前記リード線は、前記歪ゲージのリード線であることを特徴としている。

このように、圧電アクチュエータ本体の変位変化時の歪を検知する歪ゲージをさらに備え、接続部材を介して端子と接続されるリード線を歪ゲージのリード線とすることで、細く切れやすい歪ゲージのリード線と端子との接続の信頼性を向上させることができる。また、歪ゲージのリード線と端子との接続の不具合による抵抗値のバラツキが少なくなるので、製品不良を低減できると共に、圧電アクチュエータ使用時の歪ゲージの出力の信頼性を向上できる。

本発明によれば、キャップの内部の端子とリード線との接続の信頼性を向上させることができる。

（ａ）、（ｂ）、それぞれ本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの一例を示す正断面図および側断面図である。 圧電素子の一例を示す正断面図である。 圧電素子の変形例を示す正断面図である。 直交２軸型の歪ゲージを使用したときのブリッジ回路の一例を示す模式図である。 縦歪１ゲージ型の歪ゲージを使用したときのブリッジ回路の一例を示す模式図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれ本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータの座および端子の一例を示す正断面図および底面図である。 （ａ）～（ｃ）、それぞれ接続部材の一例を示す平面図、正面図、および側面図である。 （ａ）、（ｂ）、それぞれ接続部材の接続時の一例を示す正断面図、および側断面図である。 （ａ）～（ｃ）、それぞれ接続部材の変形例を示す平面図、正面図、および側面図である。 （ａ）～（ｃ）、それぞれ接続部材の変形例を示す平面図、正面図、および側面図である。 （ａ）～（ｃ）、それぞれ接続部材の変形例を示す平面図、正面図、および側面図である。 （ａ）～（ｄ）、それぞれ接続部材の変形例を示す平面図、正面図、側面図、および側断面図である。 変位制御システムの概略図である。 （ａ）は、製造途中の圧電素子の一例を示す断面図、（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ（ａ）の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。 （ａ）は、製造途中の圧電素子の一例を示す断面図、（ｂ）～（ｅ）は、それぞれ（ａ）の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。なお、構成図において、各構成要素の大きさは概念的に表したものであり、必ずしも実際の寸法比率を表すものではない。

［実施形態］
（圧電アクチュエータの基本的構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態に係る圧電アクチュエータ１００の一例を示す正断面図および側断面図である。なお、図１（ａ）、（ｂ）は、キャップのみ断面として表している。なお、参照図に示す圧電アクチュエータは一例であって、素子数等で本発明は限定されない。

圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５と、座１５０と、キャップ１６０と、端子１２０と、接続部材１７０とで構成され、電圧の印加により伸縮する。圧電アクチュエータ１００は、例えばマスフローコントローラの弁の開閉制御部や精密位置決め装置のステージ駆動部に用いられ、その場合、被駆動体（弁、ステージ）を変位させる。

接続部材１７０は、中空筒状で長手方向の中程に端子止め部１７５を有する金属からなる。また、接続部材１７０は、端子１２０のキャップ１６０の内側の端部とキャップ１６０の内部に配置される部材に電気的に接続されたリード線１３０との間でそれぞれとはんだ付けされ、端子１２０およびリード線１３０を接続する。このとき、キャップ１６０の内部に配置され、リード線１３０と電気的に接続される部材は、キャップ１６０の内部の部材から電気的信号を取り出しもしくはキャップ１６０の内部の部材に電気的信号を伝達し、またはキャップ１６０の内部の部材に電圧を印加する必要のある部材であれば、どのようなものであってもよい。当該部材のリード線１３０は、当該部材とは別の部材として形成され当該部材に接続されていてもよいし、当該部材と一体的に形成されてものであってもよい。

当該部材は、圧電アクチュエータ本体１０５とは異なる他の部材、例えば、歪ゲージ１４０、熱電対などであってもよい。また、当該部材は、圧電アクチュエータ本体１０５であってもよい。以下では、当該部材が歪ゲージ１４０であり、接続部材１７０が、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７と歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７とを接続する場合を一例として説明するが、本発明はこれに限定されず、キャップ１６０の内部で端子１２０とリード線１３０との接続の少なくとも１箇所に接続部材１７０が使用されている場合、歪ゲージ１４０を備えていない圧電アクチュエータ１００であっても本発明の範囲に含まれる。

（圧電アクチュエータの具体的構成）
圧電アクチュエータ１００は、圧電アクチュエータ本体１０５、端子１２０（駆動用の端子１２１、１２２、センサ用の端子１２５、１２６、１２７）、歪ゲージ１４０、座１５０、キャップ（圧電アクチュエータ用金属筐体）１６０、および接続部材１７０で構成される。

（圧電アクチュエータ本体）
圧電アクチュエータ本体１０５は、圧電素子１１０、圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２、および突起１０８で構成されている。圧電アクチュエータ本体１０５を構成する複数の圧電素子１１０は、直列に配置、連結され（多連化）、その端面同士が接着剤により接着されている。複数の圧電素子１１０が接着されることで大きい変位量を確保できる。なお、直列とは、伸縮方向すなわち圧電素子１１０内の圧電層および内部電極の積層方向を意味する。本発明の圧電アクチュエータ１００に使用される圧電アクチュエータ本体１０５は、複数の圧電素子１１０により形成されていても、一つの圧電素子１１０により形成されていてもよい。

圧電アクチュエータ本体１０５は、一対の圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２を介して一対の外部電極１１６、１１７に電圧が印加されたとき、各圧電素子１１０が伸縮することで先端が変位する。駆動用端子１２１、１２２は、圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２に接続されており、印加電圧をリード線１３１、１３２に伝える。

圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２は、駆動用端子１２１、１２２と各圧電素子１１０の外部電極１１６、１１７とを接続している。なお、図１（ｂ）で示す側面とは反対側でも同様に接続がなされている。

突起１０８は、無機材料で形成され、圧電アクチュエータ本体１０５の被駆動体へ変位を伝える先端側に設けられている。突起１０８と圧電アクチュエータ本体１０５とは強固に接着されており、突起１０８はキャップ１６０のドーム形状の内側部分に接する。これにより、圧電アクチュエータ本体１０５の変位をキャップ１６０の外部に取り出すことができる。なお、本実施形態では、突起１０８は半球状であるが、これ以外の形状でもよい。また、圧電アクチュエータ本体１０５は、突起１０８を備えない構成でもよい。

（圧電素子）
図２は、圧電素子１１０の一例を示す正断面図である。圧電素子１１０は、印加電圧に対して変位を出力し、圧電層１１３、内部電極１１４、１１５および外部電極１１６、１１７を有している。圧電素子１１０は、圧電層１１３と内部電極１１４、１１５とが交互に積層されている。また、圧電素子１１０の側面において、外部電極１１６、１１７は、それぞれ内部電極１１４、１１５に接続されている。圧電層は、例えばＰＺＴ、チタン酸バリウム等の圧電材料で構成できる。電極材料には、Ａｇ－Ｐｄ、Ｐｔ等を用いることができる。

図３は、圧電素子１１０の変形例を示す正断面である。図３では、内部電極１１４、１１５を細い実線で、応力緩和層１１８を点線で、応力緩和層１１８の端部の空隙部１１９を太い実線で表している。図３に示されるように、本実施形態に係る圧電素子１１０は、応力緩和層１１８が設けられていてもよい。

一般に積層型圧電素子内部には内部電極の周辺には、絶縁および外部環境からの汚染、防湿のため圧電不活性部が形成されている。圧電アクチュエータ用の積層型圧電素子では圧電不活性部による変位阻害を防止するために、全層もしくは一定の間隔で圧電不活性部にスリット状の空隙部１１９を有する応力緩和層１１８を形成することがある。すなわち、応力緩和層１１８は、圧電素子１１０の駆動時に素子内部に発生する応力を緩和するために設けられる。

（歪ゲージ）
歪ゲージ１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の歪を検知する。歪ゲージ１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の側面に直接または他の部材を介して貼り付けられることで接続される。他の部材は、例えば、圧電アクチュエータ本体１０５の応力を緩和するためのメッシュであってもよい。貼り付けは、エポキシ系接着剤、瞬間接着剤、フェノール系接着剤、ポリイミド系接着剤等の接着剤を使用することができる。耐久性や高温での使用を考慮すると、エポキシ系接着剤を用いることが好ましい。

図１の歪ゲージ１４０は、圧電アクチュエータ１００の長さ方向の縦ゲージと幅方向の横ゲージの直交２軸型のゲージで構成されている例を示している。横ゲージ出力は座１５０の端子１２５へ、縦ゲージ出力は座１５０の端子１２７へ、縦ゲージと横ゲージの共通端子は座１５０の端子１２６に接続されている。図４は、直交２軸型の歪ゲージを使用したときのブリッジ回路の一例を示す模式図である。歪ゲージ１４０は、圧電アクチュエータ本体１０５の表面に直接または他の部材を介して接続されているので、圧電アクチュエータ１００が圧電アクチュエータ１００の長さ方向に伸びたときに歪ゲージ１４０の縦ゲージが伸び、横ゲージは縮むこととなる。従って縦ゲージ抵抗が微増し、横ゲージ抵抗が微減することとなる。図４に示すように、直交２軸型の歪ゲージをブリッジ回路に接続することで、歪ゲージからの出力電圧が圧電素子のポアソン比に相当する約３０％増大する。また、縦ゲージと横ゲージの熱膨張による変化が相殺されるため、温度補償され測定精度が向上する。

歪ゲージ１４０は、線歪ゲージ、箔歪ゲージ等を用いることができる。また、歪ゲージ１４０は、直交２軸型の歪ゲージに限られず、縦歪１ゲージ型の歪ゲージを用いることもできる。図５は、縦歪１ゲージ型の歪ゲージを使用したときのブリッジ回路の一例を示す模式図である。縦歪１ゲージ型の歪ゲージ１４０を使用とすると、端子を一つ減らすことができ、接続も容易になるので、コストを低減できる。歪量の精密な検知を必要とする場合、歪ゲージ１４０は直交２軸型の歪ゲージを使用することが好ましい。なお、図４、図５は一例であり、歪ゲージ１４０やブリッジ回路の構成は、これらに限定されない。

歪ゲージ１４０は、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７に接続され、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７が、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７にそれぞれ接続されることで、検知された変位信号が伝達される。これにより、圧電アクチュエータ本体１０５の変位を確認して、正確にその変位を把握することができフィードバック制御により圧電アクチュエータ１００を使用した精密な位置決めが可能になる。歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７は、歪ゲージ１４０と一体的に形成されてものであってもよい。また、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７の形状は、線、箔などどのようなものであってもよい。なお、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７が他の電極部や金属部分に接触する虞がある場合、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７の必要な箇所にシリコンチューブなどの絶縁被覆を被せてもよい。

座１５０は、圧電アクチュエータ本体１０５の端部に接着され、その一端を固定し、圧電アクチュエータ本体１０５を支持する。そして、座１５０側の端部が固定された圧電アクチュエータ本体１０５の伸縮により先端側の突起１０８が変位する。

座１５０は、キャップ１６０の端部と固定されることで、圧電アクチュエータ本体１０５を密封する。湿度や腐食性ガスに弱い圧電アクチュエータ本体１０５と歪ゲージ１４０を、低湿度の不活性ガスで気密封止した構造とすることで信頼性と耐久性を向上できる。例えば、切削水で変位装置が濡れるような精密加工機、腐蝕性ガスの流量制御を行う圧電式バルブなどで用いられる場合、オープン制御では圧電アクチュエータを用いた位置決め精度が不十分であり、変位センサによりフィードバック制御を行うことが可能な圧電アクチュエータにより位置決め等を行うことが有効である。

このように、封止により高湿度、腐食性ガス下など過酷な環境でも問題なく、圧電アクチュエータを稼働することができる。キャップ１６０内が完全に気密構造となるため、湿度や腐食性ガス等の圧電素子１１０、歪ゲージ１４０の耐久性を阻害する環境下でも使用可能となり、用途拡大につながる。

図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本実施形態に係る圧電アクチュエータ１００の座１５０および端子１２０（駆動用端子１２１、１２２、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７）の一例を示す正断面図および底面図である。端子１２０は、座１５０に固定されている。駆動用端子１２１、１２２、および歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７は、ハーメチック端子として座１５０を貫通して設けられていることが好ましい。この場合、貫通孔にはガラスまたは樹脂１５５が充填され、密封されている。

貫通孔にガラスが充填される場合、端子１２０はガラスの熱膨張に合わせる為にコバールが使用され、端子１２０の表面はニッケルめっきされることがある。このような端子１２０にリード線１３０を直接はんだ付けする場合、ニッケルめっきした端子１２０ははんだの濡れ性が悪いため、接続不良が生じる虞がある。このような場合であっても、本発明の接続部材１７０を使用して接続すると、接続不良が生じる虞を低減できる。

座１５０には、駆動用端子１２１、１２２、および歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７が圧電アクチュエータ１００の中心軸の周りに歪ゲージの出力用および駆動用で明確に配置されていることが好ましい。これにより、駆動用端子１２１、１２２、および歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７について容易に電気的な接続をとることができる。

キャップ１６０は、有底で開口端を有する円筒形状を有し、金属で形成されている。キャップ１６０は、圧電アクチュエータ本体１０５を積層方向に密着しつつ内部に収容し、座１５０にその開口端が接合され、キャップ１６０内部を封止している。これにより、圧電アクチュエータ１００が保護され、耐久性が向上する。

キャップ１６０の直管部分は、キャップ１６０の中央から底部にかけて円筒に形成されている。キャップ１６０は、キャップの先端部分にドーム形状の部分に突起１０８が当接するダイヤフラムを有することが好ましい。キャップ１６０は、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ等の耐食性とばね性に優れている材質が望ましい。基台が座１５０を固定し、座１５０が圧電アクチュエータ本体１０５の端部を支持している。そして、キャップ１６０の先端が被駆動体に接することで、圧電アクチュエータ１００から被駆動体に変位が伝わる。

図１（ａ）、（ｂ）に示されるように、キャップ１６０内部には、圧電アクチュエータ本体１０５の他、歪ゲージ１４０も収容されている。キャップ１６０により周囲の環境から圧電アクチュエータ本体１０５と歪ゲージ１４０を保護できる。

圧電アクチュエータ１００は、キャップ１６０内部に歪ゲージ１４０を配置し、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７を座１５０に設けている。これにより、歪ゲージ１４０を内蔵した圧電アクチュエータ１００において、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７を介して圧電素子１１０の歪の信号を受けられる。圧電素子の歪量とポジショナの全長変化は比例関係となることから圧電素子の歪み信号から圧電アクチュエータの変位を得ることができる。

歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７のキャップ１６０の内側の端部と歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７は、中空筒状で長手方向の中程に端子止め部１７５を有する金属からなる接続部材１７０を介しはんだ付けされることが好ましい。これにより、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７と歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７との接続の信頼性を向上させることができる。

（接続部材）
図７（ａ）～（ｃ）は、それぞれ接続部材１７０の一例を示す平面図、正面図、および側面図である。接続部材１７０は、金属からなり、中空筒状で長手方向の中程に端子止め部１７５を有する。そして、接続部材１７０の中空筒状の内部でリード線１３０と接続部材１７０、および端子１２０と接続部材１７０とがそれぞれはんだ付けされることで、リード線１３０と端子１２０とを電気的に接続する。図７は、中空筒状のパイプの中程を側面の一方から点状に凹ませた形状の接続部材１７０を示している。

これにより、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７のように細く切れやすいリード線１３０を座１５０の狭い範囲に接続しなければならない場合であっても、リード線１３０と端子１２０との接続を容易に行なうことができる。また、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７と歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７との接続の信頼性を向上させることができる。また、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７と歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７との接続の不具合による歪ゲージ１４０の抵抗値のバラツキが少なくなるので、圧電アクチュエータ１００使用時の歪ゲージ１４０の出力の信頼性が向上する。また、端子１２０の表面がはんだの濡れ性が悪い場合であっても、端子１２０と接続部材１７０とを容易にはんだ付けすることができる。これらの結果、リード線１３０と端子１２０との接続の信頼性を向上させることができる。

図８（ａ）、（ｂ）は、それぞれ接続部材１７０の接続時の一例を示す正断面図、および側断面図である。図８（ａ）、（ｂ）に示されるように、接続部材１７０の内部は、はんだ１７８が充填されていることが好ましい。これにより、接続部材１７０の内部で広い面積で端子１２０と接続部材１７０およびリード線１３０と接続部材１７０とが接続されるため、端子１２０とリード線１３０との接続の信頼性をより向上させることができる。接続部材１７０の内部がはんだ１７８が充填されているとは、接続部材１７０の長手方向の長さの８０％以上の範囲にはんだが存在していることをいう。

接続部材１７０は、端子１２０側の端部から端子止め部１７５までの長さが、端子１２０の座１５０の底面より上に出ている長さより長いことが好ましい。これにより、接続部材１７０を端子１２０に挿入したときに、接続部材１７０の端子１２０側の端部と座１５０の底面との間に間隙ができ、はんだ付けが容易になる。

接続部材１７０は、内面が金メッキされていることが好ましい。これにより、接続部材１７０の内面のはんだ１７８の濡れ性が良くなるため、端子１２０とリード線１３０との接続の信頼性をより向上させることができる。

接続部材１７０の端子１２０側の端部の内径と端子１２０のキャップ１６０の内側の端部の外径との差は、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、毛細管現象によりはんだ付けを容易に行なうことができる。当該差の下限値は、毛細管現象が生じる値であればどのような値であってもよいが、例えば、０．０５ｍｍ以上であることが好ましい。

接続部材１７０の端子止め部１７５は、内部に中空部分を残しつつ、接続する端子１２０が通過できない構造であることが好ましい。また、接続部材１７０の端子止め部１７５は、端子１２０を挿入した際に、中空部分が塞がれない形状であることが好ましい。例えば、中空筒状のパイプの中程を内部に中空部分を残しつつ潰したり、内側方向に突起を設けたりすることで、このような構造にすることができる。これらの構造により、毛細管現象を利用して接続部材１７０の中空筒状の内部でのリード線１３０と接続部材１７０、および端子１２０と接続部材１７０とのはんだ付けを容易に行なうことができる。詳細は製造方法で説明する。

図９（ａ）～（ｃ）、図１０（ａ）～（ｃ）、図１１（ａ）～（ｃ）は、それぞれ接続部材１７０の変形例を示す平面図、正面図、および側面図である。図９は、中空筒状のパイプの中程を側面の両側から２点をそれぞれ点状に凹ませた形状の接続部材１７０を示している。図１０は、中空筒状のパイプの中程を側面の一方から直線状に凹ませた形状の接続部材１７０を示している。図１１は、中空筒状のパイプの中程を側面の両側からそれぞれ直線状に凹ませた形状の接続部材１７０を示している。図７、図９～図１１に示されるように、接続部材１７０の端子止め部１７５は、接続部材１７０を構成するパイプの中程を凹ませた形状により形成されていることが好ましい。これにより、接続部材１７０を容易に作製でき、コストを低減することができる。

また、図１２（ａ）～（ｄ）は、それぞれ接続部材１７０の変形例を示す平面図、正面図、側面図、および側断面図である。図１２に示されるように、接続部材１７０は外形上の凹みがなく、接続部材１７０の端子止め部１７５は、接続部材１７０を構成するパイプの中程の内側に突起を設けた形状により形成されていてもよい。また、接続部材１７０は、端子１２０側の径とリード線１３０側の径が異なっていてもよい。また、接続部材１７０は、断面が楕円や多角形の中空筒状であってもよい。

（変位制御システム）
上記の圧電アクチュエータ１００を用いて変位制御システム２００を構成できる。図１３は、変位制御システム２００の概略図である。図１３に示されるように、変位制御システム２００は、圧電アクチュエータ１００、フィードバック制御装置１８０および駆動電源１９０を備えている。

歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７は、フィードバック制御装置１８０に接続されている。検知された歪の信号は、フィードバック制御装置１８０に入力され、フィードバック制御装置１８０は、検知された信号を圧電アクチュエータ１００の変位に変換し、検知された変位をもとに必要な駆動量を算出する。検知信号から変位への変換は、同相であり、例えば圧電アクチュエータの変位を一定に保ちたい場合、歪ゲージ１４０から歪増大の信号の入力があったときには、圧電アクチュエータ１００の伸びの変位を意味する。フィードバック制御装置１８０は、算出された駆動量に応じて駆動電源１９０を制御し、歪信号が変動前の歪み値となる電圧を圧電アクチュエータ本体１０５に印加する。このようにして、キャップの内部の端子とリード線との接続の信頼性を向上させた圧電アクチュエータ１００を使用して、誤差を低減した変位制御システム２００を実現できる。

（圧電アクチュエータの製造方法）
次に、図１のように構成された圧電アクチュエータ１００の製造方法を説明する。まず、圧電層と内部電極とが交互に積層された圧電素子１１０を作製する。図１４（ａ）は、製造途中の圧電素子の一例を示す断面図、図１４（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ図１４（ａ）の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図１４（ｂ）～（ｄ）は、それぞれ焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３が積層されたグリーンシート２０１、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３が積層されたグリーンシート２０２、および電極ペーストが積層されていない圧電セラミックス２１３のみのグリーンシート２０３を示す。これらを設計に応じて積層、圧着し、焼成することで、圧電層と内部電極とが交互に積層された、図１４（ａ）に示される圧電素子１１０を作製できる。

圧電セラミックスのグリーンシートは、例えば、ＰＺＴ、チタン酸バリウム等の圧電材料を使用することができる。電極ペーストは、例えば、ＰｔやＡｇ－Ｐｄ等を使用することができる。なお、圧電素子１１０の積層方向の端面は、保護層を形成するために、グリーンシート２０３を１層以上積層してもよい。

また、応力緩和層１１８を有する圧電素子１１０の作製方法を説明する。図１５（ａ）は、製造途中の圧電素子の一例を示す断面図、図１５（ｂ）～（ｅ）は、それぞれ図１５（ａ）の圧電素子の製造に使用されるグリーンシートを示す模式図である。図１５（ｂ）～（ｅ）は、それぞれ焼成後に内部電極１１４となる電極ペースト２１４と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３が積層されたグリーンシート２０１、焼成後に内部電極１１５となる電極ペースト２１５と圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３が積層されたグリーンシート２０２、電極ペーストが積層されていない圧電セラミックス２１３のみのグリーンシート２０３、および焼成後に圧電層１１３となる圧電セラミックス２１３と応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が積層されたグリーンシート２０４を示す。これらを設計に応じて積層、圧着し、焼成することで、圧電層と内部電極とが交互に積層され、応力緩和層を有する、図１５（ａ）に示される圧電素子１１０を作製できる。

このように、応力緩和層１１８を有する圧電素子１１０は、焼成後に応力緩和層１１８となる難焼結セラミックスペースト２１８が塗布されたグリーンシート２０４が所定の間隔で積層されて焼成されることで製造される。難焼結セラミックスペースト２１８としては、例えば、ジルコニア、チタン酸鉛などを使用することができる。なお、応力緩和層１１８の形状や間隔はこれに限られない。また、難焼結セラミックスペースト２１８を使用しないで応力緩和層１１８を形成してもよい。

次に、圧電素子１１０の側面に積層方向に沿って、内部電極１１４、１１５に接続された外部電極１１６、１１７を形成する。圧電素子１１０の側面に電極ペーストを印刷して焼成することで外部電極１１６、１１７を形成できる。得られた複数の圧電素子１１０の積層方向の端面には、エポキシ等の接着剤を塗布して接着し、直列方向に連結する。このようにして多連化を行い、接着剤を硬化させる。

次に、金属製で板状の圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２を、外部電極１１６、１１７に固着させる。

次に、歪ゲージ１４０、または圧電アクチュエータ本体１０５の歪ゲージ１４０配置位置に接着剤を塗布して、歪ゲージ１４０を圧電アクチュエータ本体１０５に貼り付ける。歪ゲージを他の部材を介して圧電アクチュエータ本体１０５に貼り付けてもよい。なお、歪ゲージ１４０は、１つの圧電素子１１０に貼り付けてもよいし、連続する複数の圧電素子１１０に貼り付けてもよい。

次に、歪ゲージ１４０を貼り付けた圧電アクチュエータ本体１０５を座１５０に設置する。次に、圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２を駆動用端子１２１、１２２にそれぞれ接続する。また、歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７を歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７にそれぞれ接続する。

歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７と歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７との接続は、接続部材１７０を介して行なうことが好ましい。これにより、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７と歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７との接続の信頼性を向上させることができる。また、接続部材１７０の両端に歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７と歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７をそれぞれ挿入することで、ピンセット等で端子やリード線を保持する必要が無くなり、はんだ付け時の位置決めが容易となるので、作業性が向上する。なお、圧電アクチュエータ本体のリード線１３１、１３２と駆動用端子１２１、１２２との接続も、接続部材１７０を介して行なってもよい。

このとき、接続部材１７０が所定の形状である場合、以下のようにすることで接続作業がより簡便になる。まず、端子１２０の端部に接続部材１７０の一端を被せて、接続部材１７０の他端にリード線１３０を挿入する。端子１２０側からはんだ１７８をあてて溶かすことで、はんだ１７８が毛細管現象により接続部材１７０の内部を上昇し、端子止め部１７５より上まで到達する。このはんだ１７８が固化することにより、一度のはんだ付けで歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７と接続部材１７０、および歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７と接続部材１７０がそれぞれはんだ付けされ、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７と歪ゲージのリード線１３５、１３６、１３７とがそれぞれ接続される。

すなわち、接続部材１７０が所定の形状であるとは、接続部材１７０の内径が端子１２０の外径より大きく端子止め部１７５まで端子１２０を挿入することができ、かつ、接続部材１７０の内面と端子１２０との間隙および端子止め部１７５の間隙が、はんだ１７８の毛細管現象が生じる程度の間隙であることである。なお、はんだ１７８が端子止め部１７５より上まで到達した場合であっても、接続部材１７０の上端からはんだ１７８を追加してもよい。これにより、接続の信頼性がさらに向上する。

最後に、キャップ１６０を被せて封止する。なお、駆動用端子１２１、１２２は駆動電源１９０に、歪ゲージの出力端子１２５、１２６、１２７はフィードバック制御装置１８０にそれぞれ電気的に接続される。

このようにすることで、キャップ１６０の内部の端子１２０とリード線１３０との接続の信頼性を向上させた本発明の圧電アクチュエータ１００を製造できる。

［実施例］
実施例として、図１に示される形状の圧電アクチュエータを作製した。歪ゲージは、直交２軸型の箔ゲージを準備して、エポキシ系接着剤を使用して、圧電アクチュエータ本体の側面に張り付けた。また、接続部材は、リン青銅製で金メッキされた内径０．５３ｍｍ、外径０．７６ｍｍ、長さ５．０ｍｍのパイプの中程を側面の一方から点状に凹ませた形状のものを準備した。接続部材の端子止め部の内面の短径は、０．４ｍｍ未満であった。端子は、コバール製でニッケルめっきされた径０．４５ｍｍのものを使用した。そして、箔ゲージのリード線と端子とを接続部材を介してはんだ付けした。外見上、はんだは接続部材に充填されていた。また、はんだ付け後の接続部材を鉛直方向に切断したところ、金属パイプ内に座の端子および歪ゲージのリード線が挿入され、金属パイプ内へはんだが充填されていることが確認された。

以上により、本発明の圧電アクチュエータは、キャップの内部の端子とリード線との接続の信頼性を向上させることができることが確かめられた。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形および均等物に及ぶことはいうまでもない。また、各図面に示された構成要素の構造、形状、数、位置、大きさ等は説明の便宜上のものであり、適宜変更しうる。

１００ 圧電アクチュエータ
１０５ 圧電アクチュエータ本体
１０８ 突起
１１０ 圧電素子
１１３ 圧電層
１１４、１１５ 内部電極
１１６、１１７ 外部電極
１１８ 応力緩和層
１１９ 空隙部
１２０ 端子
１２１、１２２ 駆動用端子
１２５、１２６、１２７ 歪ゲージの出力端子
１３０ リード線
１３１、１３２ 圧電アクチュエータ本体のリード線
１３５、１３６、１３７ 歪ゲージのリード線
１４０ 歪ゲージ
１５０ 座
１５５ ガラス、樹脂
１６０ キャップ
１７０ 接続部材
１７５ 端子止め部
１７８ はんだ
１８０ フィードバック制御装置
１９０ 駆動電源
２００ 変位制御システム
２０１、２０２、２０３、２０４ グリーンシート
２１３ 圧電セラミックス
２１４、２１５ 電極ペースト
２１８ 難焼結セラミックスペースト

Claims (5)

1. 電圧の印加により変位する圧電アクチュエータであって、
   複数の圧電素子を直列に連結して形成され、または一つの圧電素子により形成された圧電アクチュエータ本体と、
   前記圧電アクチュエータ本体の一端を支持する座と、
   前記圧電アクチュエータ本体を収容するキャップと、
   前記座に固定された端子と、
   前記端子の前記キャップの内側の端部と前記キャップの内部に配置される部材に電気的に接続されたリード線との間でそれぞれとはんだ付けされ、前記端子および前記リード線を接続する、中空筒状で長手方向の中程に端子止め部を有する金属からなる接続部材と、
   前記圧電アクチュエータ本体の側面のうち前記圧電素子の連結方向における中心よりも前記座に近い側に直接、または他の部材を介して張り付けられ、前記圧電アクチュエータ本体の変位変化時の歪を検知する歪ゲージと、を備え、
   前記リード線は、前記歪ゲージのリード線であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記接続部材の内部は、はんだが充填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。
3. 前記接続部材は、内面が金メッキされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記接続部材の端子側の端部の内径と前記端子の前記キャップの内側の端部の外径との差は、０．２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記接続部材の前記端子止め部は、前記接続部材を構成するパイプの中程を凹ませた形状により形成されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。