(57)【要約】【課題】高アスペクト比のキャップの金属疲労を低減し、効果的に亀裂の発生を防止することで、キャップ内部の気密性を維持し、これに収容される圧電素子の耐久性を向上させた高信頼性圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】電圧の印加により変位する圧電アクチュエータ１９０であって、複数の圧電素子１００を直列に連結して形成される圧電アクチュエータ本体１１０と、圧電アクチュエータ本体１１０の一端を固定する座１４０と、金属ガラスにより有底の筒状に形成され、内部に圧電アクチュエータ本体１１０を収容し、開口端が座１４０に封止されたキャップ１６０と、を備え、キャップ１６０の底を形成するダイヤフラムが変形することで圧電アクチュエータ本体１１０の伸縮を、変位として出力する。【選択図】図１
2017118040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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る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固定する座と、
金属ガラスにより有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体を収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備え、
前記キャップの底を形成するダイヤフラムが変形することで前記圧電アクチュエータ本体の伸縮を、変位として出力することを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記キャップは、直径１０ｍｍ以下であ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
従来、精密位置決め用の圧電アクチュエータとしては、圧電素子を乾燥した不活性ガス中に金属製のキャップで密封し、外部からの湿度や汚染、曲げなどの外力から圧電素子を保護し耐久性を向上させたものが知られている。このような圧電アクチュエータにおいて、キャップは、ステンレス系の金属で製作されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−１２９７３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年、半導体製造装置に使用されるマスフローコントローラ用の圧電アクチュエータに対して、ダウンサイジングの要求が高まり、小径化と高変位化への対応が求められている。上記のような小径高変位の圧電アクチュエータで使用される圧電素子も断面積が小さく細長い高アスペクト比のものとなり、横方向からの外力により容易に折損しやすくなる。
【０００５】
圧電アクチュエータのキャップは大別するとベローズタイプとダイヤフラムタイプになる。ベローズタイプのキャップは大変位への対応は可能だが、横方向からの外力に対して素子を保護する機能が期待できないため小径高変位の圧電アクチュエータ用キャップとしては不適当である。
【０００６】
一方、ダイヤフラムタイプのキャップは横方向の剛性が高く、高アスペクト化した圧電素子を外力から保護することが可能となる。しかしながら小径化したダイヤフラムでは高変位で連続駆動すると金属疲労により亀裂が発生しやすくなり、内部の低湿度環境が維持できなくなるという不具合が発生する。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、キャップの金属疲労を低減し、効果的に亀裂の発生を防止でき、キャップ内部に収容される圧電アクチュエータ本体を確実に保護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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
（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る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固定する座と、金属ガラスにより有底の筒状に形成され、内部に前記圧電アクチュエータ本体を収容し、開口端が座に封止されたキャップと、を備え、前記キャップの底を形成するダイヤフラムが変形することで前記圧電アクチュエータ本体の伸縮を、変位として出力することを特徴としている。
【０００９】
このように、キャップが高靱性の金属ガラスで形成されているため、ダイヤフラムの金属疲労による亀裂発生を防止できる。これは金属ガラスには結晶構造がないため、結晶面での転移が発生せず、金属疲労が抑制され高靱性化することで達成される。金属ガラスによるキャップを使用することで圧電アクチュエータ筐体の強度、靭性も格段に向上するため、内部に収容される高アスペクト化した圧電素子を確実に保護することができる。
【００１０】
（２）また、半導体製造装置に使用されるマスフローコントローラ用の圧電アクチュエータに対する要求より、前記キャップの伸縮軸に垂直な方向の径が１０ｍｍ以下、好ましくは８ｍｍ以下であることを特徴としている。このような小径のキャップでは、外部と接続するダイヤフラムの中央部の割合が相対的に大きくなり、圧電素子の変位に伴い変形する周辺部の割合が減り、金属疲労による亀裂が発生しやすいところ、キャップが金属ガラスで形成されているため、効果的に金属疲労を防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、小径高変位の圧電アクチュエータにおいても、キャップの金属疲労を低減し、効果的に亀裂の発生を防止でき、キャップ内部に収容される高アスペクトの圧電素子を確実に保護できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれ本発明の圧電素子を示す斜視図および正断面図、ならびに圧電アクチュエータを示す正断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
（圧電素子の構成）
図１（ａ）、（ｂ）は、圧電素子１００を示す斜視図および正断面図である。矩形体に形成された積層型の圧電素子１００は、圧電層１０３と内部電極１０４、１０５とが積層方向Ｚについて交互に積層され、内部電極１０４、１０５への電圧の印加により伸縮する。圧電層１０３は、例えばＰＺＴやチタン酸バリウムのような圧電材料で構成され、厚み方向で互い違いの向きに分極されている。
【００１５】
内部電極１０４、１０５は、対向する素子側面上に取り出され、それぞれ外部電極１０６、１０７に接続されており、外部電極１０６、１０７からは隣り合う内部電極１０４、１０５に異なる電圧を印加できる。内部電極１０４、１０５へ電圧を印加することで各圧電層１０３が伸縮し、圧電素子全体が伸縮する。
【００１６】
内部電極１０４、１０５または外部電極１０６、１０７に用いられる電極材料は、例えばＡｇ／Ｐｄ（銀パラジウムの合金）であり、あらかじめグリーンシートに印刷され、圧電体とともに同時焼成されることで形成される。
【００１７】
（圧電アクチュエータの構成）
図１（ｃ）は、圧電アクチュエータ１９０を示す正断面図である。圧電アクチュエータ１９０は、位置決め用の圧電アクチュエータ１９０であり、圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１６０に収容し密封して形成されている。図１（ｃ）は、キャップ１６０のみ断面で示され圧電アクチュエータ本体１１０は側面図で示されている。
【００１８】
圧電アクチュエータ本体１１０は、複数の圧電素子１００を積層方向Ｚに沿って直列に連結して形成されている。リード部材１２１、１２２は、金属製であり、それぞれ外部電極１０６、１０７に接着され、座１４０においてそれぞれ端子１５１、１５２に接続されている。座１４０は、圧電アクチュエータ本体１１０の一端を固定している。
【００１９】
キャップ１６０は、金属ガラスにより有底の筒状に形成され、内部に圧電アクチュエータ本体１１０を収容し、開口端が座１４０に封止されている。キャップ１６０は、例えば図１（ｃ）に示すように、筒部を円筒状にし、底を形成する先端部を中央が半球状のダイヤフラムとした形状にすることができる。
【００２０】
キャップ１６０が、従来のステンレスではなく、非晶質構造であり疲労に対する耐性が高い金属ガラスで形成されている。したがって、圧電アクチュエータ１９０に求められる小径化と高変位化に対応し、キャップ１６０の底を形成する先端の変形による金属疲労を低減できる。また、金属疲労の低減に加えて金属ガラスは金属結晶面の転移が発生しないため、効果的に亀裂の発生を防止できる。また、強度、靭性も格段に向上するため、キャップ１６０内部に収容される圧電アクチュエータ本体１１０を確実に保護することができる。
【００２１】
キャップ１６０の材料として、例えばＦｅ−Ｔｉ系、Ｆｅ−Ｔｉ−Ｃｏ系の金属ガラスが好適である。伸縮軸に垂直な方向の直径が８ｍｍ、側壁、底部の厚さが０．１ｍｍである有底円筒状のキャップを準備し、１０Ｈｚ（０．１秒周期）の１００万回フルストロークで駆動して疲労破壊の有無を確認する試験を行った。従来のステンレス系のキャップでは伸縮軸に垂直な方向の直径が８ｍｍの圧電アクチュエータの場合、５０μｍ以上の変位で連続駆動すると亀裂が発生する場合があり、実用的には４０μｍ程度の変位しか対応できなかった。
【００２２】
一方、Ｆｅ−Ｔｉ系の金属ガラスキャップでは同様に直径が８ｍｍの圧電アクチュエータで１５０μｍの変位で連続駆動しても亀裂が発生しなかった。一般に従来のステンレス系のキャップでは直径が１０ｍｍ以下の場合その１％である１００μｍ程度の変位までしか対応できなかったが、金属ガラス系のキャップでは同じ形状で３倍の変位でも亀裂が発生せず、直径の１％以上の小径高変位圧電アクチュエータが実現できるようになる。
【００２３】
圧電アクチュエータ１９０では、端子１５１、１５２に電圧を印加されることで、圧電素子１００が伸縮し、ダイヤフラム中央の半球部を形成するチップ１３０が接触する被駆動体を駆動する。その結果、精密な位置合わせや耐久性の高い繰り返しの開閉が可能になる。なお、被駆動体は用途に応じて、弁である場合もあれば、ステージである場合もある。
【００２４】
（圧電素子および圧電アクチュエータの製造方法）
上記のように構成された圧電素子および圧電アクチュエータの製造方法を説明する。まず、圧電セラミックスのグリーンシートにＡｇ／Ｐｄの電極ペーストで内部電極を印刷する、そして、グリーンシートを積層、圧着し、内部電極１０４、１０５とともに圧電層１０３を同時焼成する。得られた焼成体の側面に内部電極１０４、１０５に接続するように電極ペーストを印刷して焼き付けることで外部電極１０６、１０７を形成する。
【００２５】
このようにして、得られた複数の圧電素子１００の端面にエポキシ等の接着剤を塗布し、変位方向に連結して接着し、圧電アクチュエータ本体１１０を作製する。これに、リードに半田で接続する。
【００２６】
一方、金属ガラス製で例えば直径８ｍｍ以下の所定の形状に成形されたキャップ１６０を予め準備する。キャップ１６０は、板状の金属ガラスを絞り加工をすることで形成できる。加工の最終段階でキャップ先端のダイヤフラム部をプレスして成形する。そして、圧電アクチュエータ本体１１０をキャップ１６０に収容し、キャップ１６０を座１４０に溶接等で接合することで密封して圧電アクチュエータ１９０を作製できる。
【００２７】
マスフローコントローラは半導体、ＦＰＤ（Flat Panel Display）、太陽電池などの製造プロセスで使用されるガスの流量制御に用いられている。近年、このようなプロセスで使用されるガスの種類が多くなったことに伴い、ガスの配管系の占有面積の拡大が問題となっている。この対策としてマスフローコントローラ（ＭＦＣ）を小型化し、小さい面積でガスの配管をする要求が高まっている。マスフローコントローラを小型化するためには組み込まれる圧電アクチュエータの小型化、特に小径化が求められている。
【００２８】
本願を適用した圧電アクチュエータ１９０では、小径化、高変位化でも金属疲労破壊が発生せず、高剛性のキャップ１６０により側面からの外力による内部の素子の破損を防止できる。圧電アクチュエータへの小径化の要求は今後もさらに継続すると考えられ、金属ガラス製のキャップ１６０による高信頼性の圧電アクチュエータ１９０であれれば小径化の要求に対応することが可能なため、多種のガスを集中制御するシステムへ優先的に採用されることが期待される。
【符号の説明】
【００２９】
１００  圧電素子
１０３  圧電層
１０４、１０５  内部電極
１０６、１０７  外部電極
１１０  圧電アクチュエータ本体
１２１、１２２  リード部材
１３０  チップ
１４０  座
１５１、１５２  端子
１６０  キャップ
１９０  圧電アクチュエータ
【図１】
2017118040.tif 000003