(57)【要約】【課題】  圧電素子の外部電極とリード線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自体が変位する際にリード線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、外部電極とリード線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が破壊してしまうことがある。【解決手段】  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。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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圧電アクチュエータ。
【請求項２】
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請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−１４８５２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【発明の効果】
【０００９】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
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。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例である圧電アクチュエータを内部に密封したポジショナーの断面図である。
【図２】本発明の一実施例であるポジショナー内部の概略図である。
【図３】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。
【図４】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。
【図５】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。
【符号の説明】
【００２１】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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