(57)【要約】 【課題】  高真空中かつ低磁場変動が必要とされる環境条件で使用することが可能な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。【解決手段】  圧電性を示すセラミック層と内部電極層とが交互に積層されてなる積層体１を金属ケース２０内に封止してなる圧電アクチュエータであり、金属ケース２０には、ニッケル・クロム・モリブデン系合金、チタン、アルミニウム、インコネルが用いられ、特に伸縮性のある薄肉円筒状のケース本体部２３にはＳＵＳ３１６を用いることも可能とし、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、ろう付けのいずれかの方法により金属ケース２０を封止することによって得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電性を示すセラミック層と内部電極層とが交互に積層された圧電素子を伸縮性のある金属ケース内に封止してなる圧電アクチュエータにおいて、前記金属ケースにはハステロイ系のニッケル・クロム・モリブデン系合金が用いられたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記金属ケースの本体部には伸縮性を有する薄肉円筒状のステンレス鋼ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）が用いられたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電アクチュエータにおいて、前記金属ケースの一部にはチタン、アルミニウム、インコネルのいずれかが用いられたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法において、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、ろう付けのいずれかの方法により前記金属ケースを封止することを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータおよびその製造方法に関し、特に高真空中での使用が可能であり、かつ設置環境への磁気的影響を最小限にできる、金属ケース封止構造を備えた圧電アクチュエータおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の圧電アクチュエータは、微小な機械的変位を高速で制御することができることから、精密位置決め機構などに多く用いられている。中でも、圧電性セラミックなどの圧電材料を厚さ１ｍｍ以下の層状に形成し、これに内部電極の薄膜層を設けたものを積層した構造の積層型の圧電アクチュエータは、比較的低い駆動電圧でも大きい発生力を得ることができるという特徴を持ち、例えば、露光装置など半導体製造装置の精密位置決め機構、マスフローコントローラの弁の制御、光学機械の光軸の制御など、ミクロンオーダー或いはそれ以下の領域での微少な変位を精密に制御する必要のある用途に広く用いられている。
【０００３】
この圧電変位をもたらす積層体には、通常、エポキシ樹脂などの高分子材料で絶縁被覆処理がなされる。その構造の概略を、図３に縦断面図で示す。１は積層体、５は樹脂被覆、１０はリード線である。
【０００４】
それに対して、より高信頼度を得るために金属ケースで封止されるものもある。その場合、金属ケースは積層体の変形を拘束しないように伸縮することが求められ、耐環境性、加工の容易さ、入手の容易さ、耐疲労性能ならびに価格などを加味して、特許文献１などに開示されているようにステンレスが用いられることが多い。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−３６１５７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、圧電アクチュエータは圧電効果を利用しているので外部に磁気的な影響を与えにくいという特徴を有しているため、磁場の変動を嫌う用途では電動機やソレノイドに代表される電磁式アクチュエータに代わる有効な手段の一つとして挙げられている。
【０００７】
また、圧電アクチュエータを金属ケースで封止することにより、外部環境から遮断できるとともに予圧機構を具備することができるため樹脂で被覆を施した圧電アクチュエータと比較して非常に高い信頼性を確保できる。
【０００８】
さらに、高真空下で使用する圧電アクチュエータにおいて樹脂による被覆を行うとわずかではあるがアウトガスが発生し真空度の維持に高性能な真空ポンプが必要となり、場合によっては真空度を維持できなくなる。そのため、圧電アクチュエータを金属ケースで封止することによりアウトガスの放出を防止している。
【０００９】
しかしながら、金属ケースに多用されるオーステナイト系ステンレス鋼材はわずかであるが磁性を有しており、加工の条件によってはより磁性が増加することがある。オーステナイト系ステンレス鋼材の磁場に与える変動の大きさは電磁式アクチュエータに比較すれば極めてわずかではあるが、極軽微な磁場変動も許容されない用途においては一定量以上のオーステナイト系ステンレス鋼を使用すると支障をきたすことがある。
【００１０】
このように、高真空中かつ低磁場変動を必要とする条件で使用する場合、上述の、従来の樹脂により被覆した圧電アクチュエータや、オーステナイト系ステンレス鋼を用いた金属ケースで封止した圧電アクチュエータでは、両方の特性を同時に満足することは困難であった。
【００１１】
すなわち、本発明の課題は、高真空中かつ低磁場変動が必要とされる環境条件で使用す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にある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の圧電アクチュエータは、圧電性を示すセラミック層と内部電極層とが交互に積層された圧電素子を伸縮性のある金属ケース内に封止してなる圧電アクチュエータであって、前記金属ケースにはハステロイ系のニッケル・クロム・モリブデン系合金が用いられたことを特徴とする。
【００１３】
前記金属ケースの本体部には伸縮性を有する薄肉円筒状のステンレス鋼ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）が用いられてもよい。
【００１４】
前記金属ケースの一部にはチタン、アルミニウム、インコネルのいずれかが用いられてもよい。
【００１５】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、前記圧電アクチュエータの製造方法であって、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、ろう付けのいずれかの方法により前記金属ケースを封止することを特徴とする。
【００１６】
以上をまとめると、本発明の圧電アクチュエータは、圧電性を示すセラミック層と内部電極層とが交互に積層された圧電素子を金属ケース内に封止してなる圧電アクチュエータであり、金属ケースをニッケル・クロム・モリブデン系合金、チタン、アルミニウムとし、特に伸縮性のある薄肉円筒状のケース本体部分にはＳＵＳ３１６を用いることも可能とし、レーザ溶接、電子ビーム溶接、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接、ろう付けのいずれかの方法により封止することによって得られる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の圧電アクチュエータにおいては、金属ケース内に圧電の積層体を封入したので、高真空中でのアウトガスの発生を抑制することができる。また、周囲に磁性的影響を与える材料の使用を避けるか、最小限にしたので、設置環境への磁気的影響を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法によれば、金属ケースを構成するケース本体部、ケース蓋部およびケース底部を接合して確実に封止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明における圧電アクチュエータの縦断面図である。積層体１は、図２に縦断面図で示すように内部電極を形成した圧電セラミックとバインダよりなるシートを積層し、圧着により一体化し、その後、その積層体を１１００℃で焼結することによりセラミック層６と内部電極層７を交互に層状に形成し、内部電極層７が一層おきに対向電極となるように絶縁体８を形成し、その後、外部電極層９を形成したものである。
【００２０】
リード線１０は外部電極層９に接続されているため、リード線１０に電圧を印加することによりセラミック層６に電界が印加され、セラミック層６が変形することにより積層体１が変形するため、積層方向の長さの変化、すなわち変位として取り出して外部に伝達される。
【００２１】
図１に戻って説明を続ける。積層体１は封止ケースである金属ケース２０内に封入されている。その金属ケース２０は積層体１の端面に固着した円板状のケース蓋部２１と円板状のケース底部２２と円筒状のケース本体部２３とからなっている。また、ケース蓋部２１とケース本体部２３、さらにケース底部２２とケース本体部２３を接合することにより積層体１は金属ケース２０によって封止され外部環境から遮断される。
【００２２】
ケース底部２２はハーメチック端子３を備え、積層体１のリード線１０に接続されているので、ハーメチック端子３に電圧を印加することにより積層体１に電圧を印加することができ、積層体１が歪むことによりケース蓋部２１とケース底部２２が変位する。このとき、ケース本体部２３は伸縮性を有しており積層体１の変形に応じて変形する。また、ケース本体部２３のバネ定数は積層体１のバネ定数の１／５以下にすることにより積層体１の拘束を最小限に留めることができる。また、このとき用いる材料として、設置環境に磁性的影響を及ぼす材質の使用を避けるか、最小限にするとよい。
【実施例１】
【００２３】
次に、本発明による圧電アクチュエータの実施例を説明する。本実施例１の構造は、発明を実施するための最良の形態で説明した図１と同様である。積層体１の寸法が７ｍｍ×７ｍｍ×５０ｍｍのものを用意した。このとき積層体そのものには磁性を有する材料を含まないので磁場に与える影響はほぼ無いと考えてよい。
【００２４】
金属ケース２０は、ハステロイと呼ばれるニッケル・クロム・モリブデン系合金からなり、接合はレーザ溶接で行っている。この接合は、電子ビーム溶接、抵抗溶接、ＴＩＧ溶接（tungsten inert gas welding）、ろう付けによっても同様に可能である。
【００２５】
また、ケース蓋部２１とケース本体部２３とを深絞りなどにより一体整形しておくことも可能である。
【００２６】
さらに、金属ケース内部には信頼性確保のため乾燥した不活性ガスを封入することも可能である。
【実施例２】
【００２７】
次に、別の実施例２を示す。その構造は図１と同様である。この構造の場合、周囲の環境に対する磁気的影響は使用する材料の比透磁率とその量によって決定される。ケース本体部２３は伸縮性を確保するために薄い金属板からなっているため、量が少なく、磁気的な影響を及ぼす度合いは軽微である。従って、薄肉の円筒状のケース本体部２３にはステンレス鋼ＳＵＳ３１６（ＪＩＳ規格）を用いても、その使用量は少なく、設置環境への磁気的影響は小さい。このＳＵＳ３１６を用いた製造技術は確立されており比較的容易に製造できる。
【００２８】
厚さ０．３ｍｍのＳＵＳ３１６を用いたケース本体部２３を、抵抗溶接とレーザ溶接によって、いずれもニッケル・クロム・モリブデン系合金からなるケース底部２２とケース蓋部２１に接合部４で接合することにより封止を行った。
【実施例３】
【００２９】
上記実施例１または２において、ニッケル・クロム・モリブデン系合金の代わりにアルミニウム、チタンまたはインコネルを用いることも可能である。その場合、アウトガスの放出量および設置環境への磁気的影響の大きさは同程度である。
【００３０】
表１に、従来の図３による圧電アクチュエータと、本発明と構造は同様であるがＳＵＳ３１６でケース全体を構成した従来のケース封止型圧電アクチュエータと、実施例１および実施例２に示した本発明による圧電アクチュエータとにおけるアウトガスおよび磁気的影響の大きさを比較した結果を示す。ここで、アウトガスは１５０℃に加熱したときのガス放出量で表示した。また、磁気的影響の大きさは、圧電アクチュエータを１５ｍｍまで近づけたときに起こる磁束密度の変動値で表示した。
【００３１】
【表１】
2005124272.tif 000003
【００３２】
図３の従来例では、磁束密度の変動は５ｎＴと小さいが、アウトガスが４×１０−４Ｐa ｍ３／ｓｅｃと多い。またケース全体にＳＵＳ３１６を使った従来例では、アウトガスは７×１０-7Ｐa ｍ3／ｓｅｃと少ないが、磁束密度の変動が１５００ｎＴと大きい。
【００３３】
それに対して、実施例１および２においては、アウトガスは（２×１０-7〜８×１０-6）Ｐa ｍ3／ｓｅｃであり、磁束密度の変動は（４５〜９０）ｎＴであり、ともに好結果が得られている。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の圧電アクチュエータの縦断面図。
【図２】圧電アクチュエータに用いられる積層体の縦断面図。
【図３】従来技術による圧電アクチュエータの一例の縦断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１    積層体
３    ハーメチック端子
４    接合部
５    樹脂被覆
６    セラミック層
７    内部電極層
８    絶縁体
９    外部電極層
１０    リード線
２０    金属ケース
２１    ケース蓋部
２２    ケース底部
２３    ケース本体部
【図１】
2005124272.tif 000004
【図２】
2005124272.tif 000005
【図３】
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