(57)【要約】      （修正有）【課題】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、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。【解決手段】側面に外部電極１１が形成された複数の圧電素子３が直列に連結されており、各々の圧電素子３の外部電極１１とリード線１２が鉛フリー半田１４にて半田付けされ、且つ隣接する圧電素子３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、リード線１２は圧電素子３の外部電極１１と半田付けする箇所を除いた箇所は湾曲形状となっており、リード線１２の厚みΔＺが０．１５ｍｍ以下である。【選択図】図４
2010103251.tif 000002
【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となっており、該リード線の厚みが０．１５ｍｍ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】
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となっており、該リード線の厚みが０．１５ｍｍ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１を構成する圧電素子に関して、外部電極１１とリード線１２を半田付けした圧電素子３の断面図である。ここで、リード線１２の幅の長さはΔＹ（ｍｍ）、リード線１２の厚みはΔＺ（ｍｍ）である。
【００１２】
本発明は以下の場合に分けて検討して導き出したものである。まず、ΔＹ＝０．４ｍｍ、ΔＺ＝０．１５ｍｍのリード線を、鉛フリー半田にて圧電素子の外部電極と半田付けする場合を実施例１とし、ΔＹ＝０．４ｍｍ、ΔＺ＝０．３ｍｍのリード線を、鉛フリー半田にて圧電素子の外部電極と半田付けする場合を比較例１、ΔＹ＝０．２ｍｍ、ΔＺ＝０．３ｍｍのリード線を、鉛フリー半田にて圧電素子の外部電極と半田付けする場合を比較例２、ΔＹ＝０．４ｍｍ、ΔＺ＝０．３ｍｍのリード線を、鉛半田にて圧電素子の外部電極と半田付けする場合を比較例３とした。
【００１３】
図５は、リード線１２の幅の長さΔＹ、厚みΔＺ、半田の種類を変更して、夫々の場合にて半田付けしたリン青銅からなるリード線１２から外部電極１１への最大応力の関係をFEMにて解析した結果である。図５では、実施例１、比較例１、比較例２の場合におけるリード線１２から外部電極１１への最大応力が示されている。ここで確認できるように、比較例１と比較例２では応力は約１５０Mpsとほぼ同じ値となっている。比較例１と比較例２はリード線１２の幅の長さΔＹに違いはあるものの、リード線１２の厚みΔＺは同じ０．３ｍｍで、且つ同じく鉛フリー半田を用いている。それに対して実施例１では応力は１００Mpsよりも少し少ない値となり、比較例１と比較例２よりも最大応力が大きく減少する。実施例１は、リード線１２の幅の長さΔＹは比較例１と同じであり、比較例１と比較例２と同じく鉛フリー半田を用いているが、リード線１２の厚みΔＺは０．１５ｍｍである。この結果よりリード線の厚みΔＺを０．１５ｍｍ以下にすると鉛フリー半田による半田付けでもリード線１２から外部電極１１への最大応力が減少する効果があると言える。
【００１４】
一方、圧電素子の寸法の違いによりリード線１２から外部電極への最大応力が異なり、それが起因して圧電素子の亀裂原因となっていないかを検証することとした。
リード線１２を半田付けした寸法の異なる圧電素子における、半田付けしたリン青銅からなるリード線１２から外部電極１１への最大応力の関係をFEMにて解析した結果を図６に示す。ここでは、６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍ、６ｍｍ×６ｍｍ×５ｍｍ、１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの３種類の寸法の圧電素子にて比較しているが、６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍと１０ｍｍ×１０ｍｍ×１０ｍｍの寸法の圧電素子は１５０Mpaを少し超えた値で、ほぼ同じ値の応力である。又、６ｍｍ×６ｍｍ×５ｍｍの圧電素子は１５０Mpaより少し低い値であるが、３種類の寸法の圧電素子には大きな応力の違いはない。従って、寸法によるリード線から外部電極への応力の違いは余りないと考えられる。
【００１５】
更に実施例１、比較例１、比較例３の圧電素子を用意して、破壊する電圧と破壊確率を測定し、ワイブルプロットした結果を図７に示す。図７より実施例１と比較例３がほぼ同じ曲線軌道となった。図７では、比較例１の曲線軌道よりも実施例１と比較例３の曲線軌道の方が破壊電圧が高くなっている。比較例３は以前から常時使用されてきた鉛半田によってリード線と外部電極を半田付けしたものであり、この比較例３と実施例１がほぼ同じ曲線軌道となることから、リード線の厚みΔＺを０．１５ｍｍ以下にして鉛フリー半田による半田付けを行うと、鉛半田による半田付けと同等の破壊確率を示すことは明らかである。
【００１６】
尚、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力性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。
【００１７】
又、図１及び図２に示されている複数の圧電素子（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いる圧電アクチュエータ１は隣接する圧電素子の端面同士は接着剤で接着している。ここで、同じ寸法である６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍの２個の圧電素子における端面全体にエポキシ接着剤を塗布して接着する方法と、同じ寸法である６ｍｍ×６ｍｍ×１０ｍｍの２個の圧電素子における端面の中央部分にφ５程の円形状のエポキシ接着剤を塗布して、端面の外縁部分には塗布せずに接着する方法の２通りの接着方法の圧電アクチュエータを各５０ケ作成した。その際に、圧電素子の外部電極と鉛フリー半田にて半田付けするリン青銅からなるリード線は図４におけるΔＹ＝０．４ｍｍ、ΔＺ＝０．１０〜０．１５ｍｍとして、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、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、全ての圧電素子に亀裂は生じなかった。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
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】
【００１９】
【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】鉛フリー半田で半田付けしたリン青銅からなるリード線から外部電極への最大応力の関係をFEMにて解析した結果である。
【図６】寸法の異なる圧電素子と半田付けしたリン青銅からなるリード線から外部電極への最大応力の関係をFEMにて解析した結果である。
【図７】破壊する電圧と破壊確率をワイブルプロットした結果である。
【符号の説明】
【００２０】
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
１４：半田
【図１】
2010103251.tif 000003
【図２】
2010103251.tif 000004
【図３】
2010103251.tif 000005
【図４】
2010103251.tif 000006
【図５】
2010103251.tif 000007
【図６】
2010103251.tif 000008
【図７】
2010103251.tif 000009