JP2005033174A - 筒形圧電アクチュエータ並びに筒形圧電アクチュエータアレイ及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】短絡を生じ難い内部電極の接続手段を有する積層型圧電アクチュエータを提供すること。
【解決手段】圧電縦効果により駆動する筒形圧電アクチュエータ１である。筒形圧電アクチュエータ１は、内面と外面とを有する筒形の駆動体４が備わり、その駆動体４は、少なくとも交互に積層された複数の圧電層１４と複数の内部電極層１８，１９とで構成されるとともに、内面と外面とに一対の外部電極２８，２９を有する。そして、内部電極層１８は外面に露出して外面の外部電極２８と接続され、内部電極層１９は内面に露出して内面の外部電極２９と接続されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、外部電極の絶縁が確実で容易な、筒形の圧電アクチュエータ並びに圧電アクチュエータアレイ、及び製造方法に関する。

近年、光学、精密機械、半導体製造等の分野において、サブミクロンのオーダーで変位の制御が可能なアクチュエータが所望されるようになってきている。これに応え、逆圧電効果等に基づくところの電界誘起歪みを利用した圧電アクチュエータの開発が進められている。圧電アクチュエータは、従来のサーボモータ、パルスモータ等による電磁方式に比較して、微小変位制御が容易である上に、機械／電気エネルギー変換効率が高く省電力化を図ることが可能であり、より小さいので使用される製品の小型軽量化に寄与する、等の特徴を有し、応用分野は拡大の一途を辿るものと考えられている。特に、圧電縦効果を利用する、積層型乃至膜型と称する圧電アクチュエータは、印加電圧の電界方向と変位方向とが同一であり、電界誘起歪みを直接利用した伸縮変位を発現するものであるため、応答速度が速く、発生力が大きいという優位性を有し、実用化が進んでいる。

一般に、積層型圧電アクチュエータは、複数の圧電板と内部電極とが積層され、積層された内部電極が一層おき（正極及び負極毎に）に接続される態様をなす。そして、複数の積層型圧電アクチュエータが基板の上に二次元に配設されたアクチュエータアレイとして提供されている。

積層型圧電アクチュエータの作製にかかる内部電極の接続手段としては、積層された圧電板の外面に内部電極の正極及び負極を交互に露出させ、それぞれを、積層された圧電板の外面に形成した一対の外部電極で接続する方法（第１の従来手段）、あるいは、積層された圧電板の外面に全ての内部電極を露出させ、正極又は負極の何れかを積層された圧電板の外面で絶縁させた後に、それぞれを、積層された圧電板の外面に形成した一対の外部電極で接続する方法（第２の従来手段）、が知られている。

しかしながら、上記従来の内部電極の接続手段では、積層型圧電アクチュエータを高密度で配設したアクチュエータアレイの提供は、実現が困難であった。その理由は、上記第１及び第２の従来手段では、一対の外部電極が積層された圧電板の外面に形成されるため、隣接する積層型圧電アクチュエータの間隔を狭めて高密度に配設しようとすると、外部電極の接触等で短絡が生じてしまうからである。これに対し、外部電極の形成後に外部電極に絶縁膜をコーティングして短絡を防止する対策が考えられるが、製造工程が増える上に、コーティングにかかる膜厚の分だけ積層型圧電アクチュエータの寸法が大きくなり、集積化には限界が生じるので、これは好ましい手段とはいえない。

以下、先行技術文献について記載する。特許文献１によれば、製造方法とともに円筒状圧電アクチュエータが開示されている。開示された円筒状圧電アクチュエータは、圧電不活性部分を生じないように内部電極（層）を圧電（体）板と同一面積の全面電極として、全平面的に変位可能な圧電アクチュエータである点で優れたものとされる。しかしながら、これは、圧電（体）板と内部電極（層）とが交互に複数積層された積層型圧電体の両側表面に露出した部分を一層おきに絶縁ガラスの付着によって電気絶縁し、更に外部電極を電気的に並列になるように付着し、次に超音波加工によって、圧電体の側面に形成した上記絶縁ガラス及び上記外部電極を残して円筒状にくり抜いて形成されるものであり、特許文献１の図５、図２１等から明らかなように、一対の外部電極は何れも円筒状の圧電アクチュエータの外面にあり、内部電極の接続手段は上記第２の従来手段に準じるものであるといえ、積層型の圧電アクチュエータを高密度で配設したアクチュエータアレイの提供は難しいと考えられる。

又、特許文献２によれば、フォーカスユニットとともに円環状の圧電アクチュエータが開示されている。しかしながら、この円環状圧電アクチュエータは、特許文献２の図２、図３等から明らかなように、一対の外部電極が何れも円環状の圧電アクチュエータの外面にあり、内部電極の接続手段は上記第１の従来手段に準じるものであるといえ、やはり、積層型の圧電アクチュエータを高密度で配設したアクチュエータアレイの提供は難しいと考えられる。

更に、非特許文献１によれば、ＦＤＣプロセスによりＰＺＴで作製されたチューブアクチュエータアレイが紹介されている。しかしながら、このチューブアクチュエータアレイは、非特許文献１の図６（ａ）によりその外見は明らかであるが、電極構造やアクチュエータの駆動方式等が開示されておらず、又、配線等にかかる示唆がなく、積層型の圧電アクチュエータを高密度で配設したアクチュエータアレイの提供が可能か否か判断が困難である。

又、中心に孔の開いたディスク型の圧電体板の両面に電極を形成したものを複数枚積み重ねて、各電極をディスク型の圧電体板一層おきに外部で結線する、ディスクリートスタッキングと呼ばれる方法で作製される、円筒状の圧電アクチュエータが知られている。これはディスク型の圧電体板は各々独立であり、焼成一体化された構造ではなく、又、電極がディスク型の圧電体板の外部で結線される点で、内部電極の接続にかかる上記第１及び第２の従来手段と同様の問題を有すると考えられるが、これは、それ以前に、ディスク型の圧電体板が破損し易く薄肉化が困難であるため、アクチュエータ自体が小さく出来ず、アクチュエータの高密度な配設は困難である。
特公平６−９５５８２号公報 特開２０００−１９３７４号公報 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２１（２００１）１４８５−１４９０

本発明は、上記した事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、短絡を生じ難い新たな内部電極の接続手段を有する積層型圧電アクチュエータを提供すること、及び、その積層型圧電アクチュエータが、複数、より高密度に、配設されていながら、製造工程を増加させることなく作製可能であり、電極の接触等による短絡を生じさせることのない、低廉で信頼性の高い圧電アクチュエータアレイを提供すること、である。積層型圧電アクチュエータについて、特にその内部電極の接続手段について、検討が重ねられた結果、以下に示す手段により、この目的が達成されることが見出された。

即ち、本発明によれば、以下に示す１つの筒形圧電アクチュエータ及び２つの筒形圧電アクチュエータアレイが提供される。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータは、圧電縦効果により駆動する圧電アクチュエータであって、内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、その駆動体は、少なくとも交互に積層された複数の圧電層と複数の内部電極層とで構成されるとともに、内面と外面とに一対の外部電極を有し、複数の内部電極層が概ね一層おきに内面又は外面に露出して、一対の外部電極のうち内面又は外面の何れかの外部電極と接続されているものである。概ね一層おきと表現したのは厳密に一層おきでなくてもアクチュエータは駆動し得るためである。尚、本明細書では、上記圧電アクチュエータを第１の筒形圧電アクチュエータとも記す。

本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータにおいては、限定されるものではないが、駆動体を構成する複数の圧電層と複数の内部電極層とが、焼成一体化されていることが好ましい。又、圧電層の厚さは、限定されるものではないが、１００μｍ以下であることが好ましい。

又、本発明によれば、基板と、その基板の一の面に１つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、その圧電アクチュエータが上記した本発明に係る筒形圧電アクチュエータである第１の筒形圧電アクチュエータアレイが提供される。

次に、本発明によれば、基板と、その基板の一の面に２つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、その圧電アクチュエータが、内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、その駆動体は、少なくとも積層された複数の圧電層で構成されるとともに、内面と外面とに一対の外部電極を有し、圧電横効果により駆動する筒形圧電アクチュエータである第２の筒形圧電アクチュエータアレイが提供される。尚、本明細書では、第２の筒形圧電アクチュエータアレイに配設される上記筒形圧電アクチュエータを第２の筒形圧電アクチュエータとも記す。

本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイにおいては、限定されるものではないが、第２の筒形圧電アクチュエータの駆動体のアスペクト比が、１０〜１００であることが好ましく、２０〜１００であることが、更に好ましい。又、第２の筒形圧電アクチュエータの駆動体の軸線の真直度が、３０μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る第１及び第２の筒形圧電アクチュエータアレイは、上記基板の中を貫通し、基板の一の面において、上記筒形圧電アクチュエータの各々に備わる筒形の駆動体の内面側に現れる、スルーホール乃至ビアホールを有するとともに、駆動体の内面の外部電極が、スルーホール乃至ビアホールによって、基板の他の面と導通していることが好ましい。

又、本発明に係る第１及び第２の筒形圧電アクチュエータアレイは、基板の一の面に筒形圧電アクチュエータが２つ以上配設され、その２つ以上の筒形圧電アクチュエータにおいて、一の筒形圧電アクチュエータの駆動体と隣接される他の筒形圧電アクチュエータの駆動体との間隔と、一の筒形圧電アクチュエータの駆動体の高さと、の比が、１：２０〜１：１０００であることが好ましく、１：１００〜１：１０００であることが、更に好ましい。

ところで、通常は、筒形圧電アクチュエータアレイを構成する筒形圧電アクチュエータは、上記第１又は第２の筒形圧電アクチュエータアレイの如く、第１及び第２の筒形圧電アクチュエータの何れか一方で構成される。しかしながら、基板の一の面に筒形圧電アクチュエータが２つ以上配設される場合には、筒形圧電アクチュエータアレイを構成する筒形圧電アクチュエータとして第１及び第２の筒形圧電アクチュエータが混在していてもよい。又、筒形圧電アクチュエータアレイを構成する筒形圧電アクチュエータの（素子）数は、特に限定されるものではないが、例えば、１６×１６（２５６素子）や３２×３２（１０２４素子）等の２^N×２^M（ＮおよびＭは整数）で表されるマトリックス型の構成であることが望ましい。

更に、本発明によれば、前記筒形圧電アクチュエータ及び前記筒形圧電アクチュエータアレイの適用例［１］〜［５］が提供される。

［１］光スイッチ

光路の途中に設けられ、光信号の経路を規定する光スイッチであって、互いに交差するように形成される複数の光導波路コア部と、その複数の光導波路コア部が交差した交差部と対をなして配設されるアクチュエータと、を有し、そのアクチュエータがそれぞれ上記した第１又は第２の筒形圧電アクチュエータの何れかで構成されるとともに交差部には切込みが形成され、筒形圧電アクチュエータが駆動して交差部の切込みを変形させ、光導波路コア部を光学的に連続乃至不連続な状態にして、光導波路コア部に導入された光を交差部において通過乃至反射させ得る光スイッチ。

［２］光減衰器

（ａ）複数の異なる波長における信号光強度のばらつきを調整する可変光減衰器であって、一方の光ファイバの端部を光ファイバアレイで固定し、他方の光ファイバの端部を上記した第１又は第２の筒形圧電アクチュエータアレイの何れかで固定し、光ファイバのコアが同軸になるように密接させた一対の光ファイバを、筒形圧電アクチュエータアレイで他方の光ファイバの端部に応力を付与して、双方の光ファイバとの間にギャップを生じさせることにより、一方の光ファイバに入射された特定の波長における信号光強度の減衰量を制御する可変光減衰器。

（ｂ）複数の異なる波長における信号光強度のばらつきを調整する可変光減衰器であって、周期的に媒体の屈折率が変化するグレーティング部を有する光ファイバを、光ファイバのグレーティング部の一端を光ファイバアレイで固定するとともに、グレーティング部の反対端を上記した第１又は第２の筒形圧電アクチュエータアレイの何れかで固定し、筒形圧電アクチュエータアレイで各グレーティング部に応力を付与して、光ファイバに入射された特定の波長における信号光強度の減衰量を制御する可変光減衰器。

［３］リニアドライブ機構

内面と外面とを有する２つ以上の筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも積層された複数の圧電層で構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、内部に中空部を有する筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータアレイと、前記中空部に摺動可能に保持された移動体とから構成され、前記筒形圧電アクチュエータの伸縮動作に基づくインパクト駆動により、前記移動体が直線運動するアレイ型リニアドライブ装置。

［４］液体吐出用ディスペンサ

内部に中空部を有する第１または第２の筒形圧電アクチュエータアレイであって、その中空部を液体を充填するキャビティとして利用し、圧電構造体の体積変動により内部の液体を吐出する液体吐出ディスペンサ。このとき、上記液体吐出ディスペンサは、駆動体の中空部にノズル及びオリフィスを配設することが好ましい。

液体が充填されるキャピラリと、そのキャピラリをシールしつつ移動可能に嵌挿する容器と、第１又は第２の筒形圧電アクチュエータの何れかで構成されるとともに、前記筒形圧電アクチュエータの急速な伸縮動作と液体の慣性力を利用してキャピラリに充填された液体を吐出させ得る液体吐出用ディスペンサ。上記キャピラリーはガラス製であることが好ましい。

［５］圧電駆動ステージ

（ａ）内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも積層された複数の圧電層で構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、圧電横効果により駆動する内部に中空部を有するものであって、前記中空部が、駆動体の中心軸をずらして配設される筒形圧電アクチュエータ。

（ｂ）内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも交互に積層された複数の圧電層と複数の内部電極層とで構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、前記複数の内部電極層が略一層おきに前記内面又は前記外面に露出して、前記一対の外部電極のうち前記内面又は前記外面の何れかの外部電極と接続されている圧電縦効果により駆動する内部に中空部を有するものであって、前記駆動体の所定部位の内部電極の間隔を変えた筒形圧電アクチュエータ。

（ｃ）基板と、前記基板の一の面に（ａ）又は（ｂ）の筒形圧電アクチュエータを、マトリックス状に配置する筒形圧電アクチュエータアレイであって、アクチュエータの屈曲駆動によりアレイ上の物体を搬送する圧電駆動ステージ。

次に、本発明によれば、基板と、その基板の一の面に１つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、圧電アクチュエータが、内面と外面とを有する筒形の駆動体を備え、駆動体が、少なくとも積層された複数の圧電層で構成される圧電アクチュエータアレイを製造する方法であって、圧電材料を含有する複数のセラミックグリーンシートを用意する第１の工程と、それらのセラミックグリーンシートの各々が、圧電アクチュエータに備わる筒形の駆動体の断面形に相当する１つ以上の環状部と、その１つ以上の環状部から張り出した梁と、を有する形状になるように、セラミックグリーンシートに抜孔を形成する第２の工程と、１つ以上の環状部と梁とを有する形状になった複数のセラミックグリーンシートを積層し圧着して、梁が積層された積層梁を伴う１つ以上の駆動前駆体が形成されたセラミックグリーン積層体を得る第３の工程と、セラミックグリーン積層体を焼成し一体化して、積層梁を伴う１つ以上の駆動体が形成された焼成積層体を得る第４の工程と、焼成積層体から積層梁を切除し１つ以上の駆動体を得る第５の工程と、を有する筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法が提供される。

焼成前の駆動前駆体は、積層梁を伴っていないと、焼成する際に変形や曲がりを生じ易い。特に、セラミックグリーンシートの積層の数が多い場合、即ち、駆動前駆体が背の高いアスペクト比の大きなものになる場合には、焼成後の駆動体の軸線の真直度が低下することがある。本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法では、上記したように、積層するセラミックグリーンシートの各々を、圧電アクチュエータに備わり筒形を呈する１つ以上の駆動体、の断面形に相当する、１つ以上の環状部を有する形状に加工（抜孔を形成）する際に、梁を設け、それらを積層した積層梁で、駆動前駆体の上記焼成にかかる変形、曲がり等を抑えているので、アスペクト比の大きな駆動体が備わる圧電アクチュエータを配設した筒形圧電アクチュエータアレイ、を作製する場合にも、駆動体の軸線の真直度を悪化させない。例えば、アスペクト比が１０〜１００の駆動体において、駆動体の軸線の真直度を３０μｍ以下とすることが出来る。尚、真直度とは直線形体の幾何学的に正しい直線からの狂いの大きさをいい、軸線とは直線形体のうち円筒又は直方体であるように指定した対象物の各横断面における断面輪郭線の中心を結ぶ線をいう（日本工業規格Ｂ０６２１「幾何偏差の定義及び表示」参照）。軸線の真直度が小さいことは、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイに配設された筒形圧電アクチュエータの駆動体が、アスペクト比が大きい場合でも、反りや曲がり等の変形がない幾何学的に正しい円筒に極近い形状であることを意味する。

又、梁、積層梁を設けることによるこの効果は、筒形の駆動体（圧電アクチュエータ）が複数配設された筒形圧電アクチュエータアレイを作製する場合は勿論のこと、筒形の駆動体（圧電アクチュエータ）が１つ配設された筒形圧電アクチュエータアレイを作製する場合にも発揮される。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法は、形成対象となる電極、電極の形成手段及びそのタイミング、を限定するものではない。それらを適切に選ぶことにより、筒形圧電アクチュエータアレイを構成する筒形圧電アクチュエータを、上記第１及び第２の筒形圧電アクチュエータの何れかとすることが出来る。

例えば、形成対象となる電極として内部電極層と外部電極を選べば、第１の筒形圧電アクチュエータが配設された筒形圧電アクチュエータアレイを得ることが出来る。この場合、通常、内部電極層は、セラミックグリーンシートを積層する前に、セラミックグリーンシートの所定の位置に導体材料からなる膜を形成しておくことにより得られる。又、外部電極はセラミックグリーン積層体の段階で、導体材料からなる膜を表面全体に形成しておくことにより、あるいは、焼成積層体の段階で、導体材料からなる膜を表面全体に形成して再度焼成することにより、得られる。

一方、形成対象となる電極を外部電極のみとすれば、第２の筒形圧電アクチュエータが配設された筒形圧電アクチュエータアレイを得ることが出来る。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法においては、上記第２の工程及び第３の工程において、パンチ、ダイ及びストリッパを有する打抜金型を用い、パンチにより、複数のセラミックスグリーンシートのうち第一のセラミックスグリーンシートに第一の抜孔を開ける工程Ａと、第一の抜孔からパンチを抜き取らない状態で、第一のセラミックグリーンシートをストリッパに密着させて引き上げる工程Ｂと、パンチの先端部が引き上げた第一のセラミックグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、パンチを引き上げる工程Ｃと、パンチにより、複数のセラミックスグリーンシートのうち第二のセラミックグリーンシートに第二の抜孔を開ける工程Ｄと、第二の抜孔からパンチを抜き取らない状態で、第二のセラミックグリーンシートをストリッパに密着させて引き上げる工程Ｅと、パンチの先端部が引き上げた第二のセラミックグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、パンチを引き上げる工程Ｆと、以降、工程Ｄから工程Ｆを繰り返し行うことにより、上記セラミックグリーンシートに抜孔を形成しながら、複数のセラミックグリーンシートを積層し、上記積層梁を伴う１つ以上の駆動前駆体が形成されたセラミックグリーン積層体を得ることが好ましい。

以上、詳述したように、本発明が提供する第１の筒形圧電アクチュエータは、少なくとも交互に積層された複数の圧電層と駆動電極である内部電極層とで構成された筒形の駆動体を有する積層型の圧電アクチュエータであり、駆動体の内面に露出した内部電極層が駆動体の内面の外部電極を介して接続され、駆動体の外面に露出した内部電極層が駆動体の外面の外部電極を介して接続されるという新たな内部電極（層）の接続手段を有し、駆動体が筒形を呈することにより、それぞれ内部電極層を接続する、内面の外部電極と外面の外部電極とが、完全に分離されているので、短絡が生じ難く、高い信頼性を有する。

又、本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイに配設される第２の筒形圧電アクチュエータは、少なくとも積層された複数の圧電層で構成された筒形の駆動体を有する圧電アクチュエータであり、駆動体が筒形を呈することにより、それぞれ駆動電極である、内面の外部電極と外面の外部電極とが、完全に分離されているので、短絡が生じ難く、高い信頼性を有する。

更に、それらの筒形圧電アクチュエータを基板の上に複数配設した第１及び第２の筒形圧電アクチュエータアレイにおいて、その複数の筒形圧電アクチュエータの外面の外部電極を共通電極とすることにより、基板の上に隣接する筒形圧電アクチュエータどうしを極近づけて配置し、複数の筒形圧電アクチュエータを高密度に配設しても、短絡は生じ難い。絶縁膜のコーティングを施す必要がないので、作製にあたり製造工程を増加させずコスト増を招来しない。

以下に、本発明の筒形圧電アクチュエータ並びに筒形圧電アクチュエータアレイ及び製造方法について、実施の形態を具体的に説明するが、本発明は、これらに限定されて解釈されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない限りにおいて、当業者の知識に基づいて、種々の変更、修正、改良を加え得るものである。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータ、及び、それを基板の一の面に配設した筒形圧電アクチュエータアレイは、単に圧電と称しているが、電界によって誘起される歪みを利用するアクチュエータを広く指すのであって、印加電界に概ね比例した歪み量を発生する圧電効果を利用するという狭義の意味での圧電アクチュエータに限定されるものではなく、印加電界の二乗に概ね比例した歪み量を発生する電歪効果、強誘電体材料全般にみられる分極反転、反強誘電体材料にみられる反強誘電相−強誘電相転移、等の現象を利用するアクチュエータも含まれる。従って、本発明に係る筒形圧電アクチュエータには、ＰＶＤＦ等の圧電効果を有する高分子材料からなるアクチュエータも含まれるが、本発明に係る筒形圧電アクチュエータにおいて、より好ましいものは材料強度面に優れるセラミックアクチュエータである。分極にかかる処理が行われるか否かについては、本発明に係る筒形圧電アクチュエータを構成する圧電材料、その他材料の性質に基づいて適宜決定される。

尚、本発明は、２つの筒形圧電アクチュエータアレイを提供するが、本明細書において、単に筒形圧電アクチュエータアレイと記すときは、第１及び第２の筒形圧電アクチュエータアレイの両方を指すものとする。又、本明細書において筒形圧電アクチュエータ及び筒形圧電アクチュエータアレイの説明にあたり、上、下と表現することがあるが、この上、下は基板の面と垂直な方向であって駆動体からみて基板側を下（方向）とする相対的な上、下を意味し、例えば下（方向）とは重力方向を意味するわけではない。以下、図面を参酌しながら本発明について詳細に説明する。

（１）筒形圧電アクチュエータ

先ず、本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータについて説明する。図１は、第１の筒形圧電アクチュエータの一実施形態を示す斜視図であり、図２は、図１におけるＡＡ断面図である。図示される筒形圧電アクチュエータ１は、筒形を呈し中空部３を有する駆動体４が備わり、その駆動体４が、交互に積層された、例えば４層の圧電層１４と、駆動電極である内部電極層１８，１９と、を有する、積層型の圧電アクチュエータである。そして、駆動体４の内面と外面とに一対の外部電極２８，２９を有し、内部電極層１８，１９が駆動体４の内面と外面とに一層おきに露出して、内部電極層１８が外部電極２８と、内部電極層１９が外部電極２９と、それぞれ接続されている。

内部電極層１８，１９が駆動体４の内面と外面とに一層おきに露出していることから、その複数の内部電極層１８又は内部電極層１９をそれぞれに接続し一括して配線することが容易である。又、内面に外部電極２９、外面に外部電極２８が形成され、一対の外部電極２８，２９が駆動体４の内面と外面とに分離されているため、短絡を起こし難く、歩留まりの向上が図れる。更に、駆動体４が中空部３を有する筒形を呈するものであるため、静電容量が小さくなり消費電力が抑えられ放熱性に優れるといったメリットを享受出来る上に、変形し易くなるので内部電極層１８，１９が重ならない部分に起因する応力が緩和される。

駆動体は、筒形であればよく図示されるような円筒形に限定されず、角筒形その他でもよいが、応力集中による破壊を防止する等の観点から、駆動体４の如き円筒形は好ましい形状である。筒形と称しているが、これは、中空部を作り出す連続した壁（圧電層が相当する）で仕切られた２つの面（内面及び外面）を有する形状を意味し、図２に示す圧電層１４の幅Ｗ２と中空部３の径Ｄとの長さの比は限定されず、より薄壁の筒形でもより厚壁の筒形でもよい。又、筒形の頂部は開放していてもよいし、閉じている構造であってもよい。頂部が閉じている構造の場合には、外観上は柱体形状であるが、内部に中空部を有する構造となる。

筒形の駆動体の内面とは中空部に対する面を指し、外面とは端面を除く駆動体の外側の面を指す。又、筒形圧電アクチュエータは駆動体が備わり、と記すことがあるが、図１，２に示される限りにおいて筒形圧電アクチュエータ１は駆動体４そのものを指し、実際には、筒形圧電アクチュエータ１には、上記したように図示しない端子電極や配線その他付帯部分が備わる。

筒形圧電アクチュエータ１は、圧電縦効果により駆動する圧電アクチュエータである。圧電層１４は、例えば図中Ｐ１方向に分極されており、外部電極２８，２９に更に接続された図示しない電極端子に電源を接続し、外部電極２８，２９を介して、駆動電極である内部電極層１８，１９間に、内部電極層１８側を負、内部電極層１９側を正にして、電圧を印加することにより、Ｅ１方向の電界が形成される。即ち、筒形圧電アクチュエータ１は、分極が互いに反対方向の圧電層１４が内部電極層１８，１９を挟んで積層され、各々の圧電層１４においては、分極と駆動電界とが、同一方向になっている。その結果、圧電層１４には電界誘起歪みが発現し、その縦効果による変位に基づき、駆動体４がＳ１方向に伸縮する。従来のユニモルフやバイモルフのような屈曲変位ではなく、電界誘起歪みを直接利用した伸縮変位であるため、発生力は大きく、且つ、応答速度も高い。

更に、圧電層の分極電界と駆動電界とが、同一方向であることから、製造工程において、仮の分極用電極を作製し電界をかける必要がなく、スループットの向上が図れる。又、分極処理に関わりなく、キュリー温度以上の高い温度での加熱を伴う製造プロセスを適用することが可能である。従って、例えば回路基板に固定・結線する際に、はんだリフロー等によるはんだ付けや、熱硬化型接着が実施可能であり、アクチュエータを適用した製品の製造工程を含め、スループットの向上がいっそう図られ、製造コストの低減が導かれる。そして、高い電界強度で駆動しても、分極状態が変化してしまうことがなく、むしろ、より好ましい分極状態となり得て、安定して高い歪み量を得ることが出来る。従って、よりコンパクトにすることが出来、好ましい。

筒形圧電アクチュエータ１では、圧電層１４の１層あたりの厚さを、好ましくは１００μｍ以下、より好ましくは１０〜８０μｍとすることによって、より低電圧で駆動出来るようにすることが可能である。

筒形圧電アクチュエータ１は、駆動体４が圧電層１４と内部電極層１８，１９とが焼成一体化されており、焼成後に接合したものではない。即ち、接着剤等が介在しない構造をなすので、初期的な駆動体４の寸法精度が高いことは勿論のこと、介在物の劣化という現象が生じ得ず、長期間にわたって高い寸法精度、圧電特性が維持出来る。

次に、本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイに配設される第２の筒形圧電アクチュエータについて説明する。図２１は、第２の筒形圧電アクチュエータの一実施形態を示す断面図であり、既に説明した第１の筒形圧電アクチュエータの図２に相当する図である。図示される筒形圧電アクチュエータ８は、図１に示される第１の筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータ１と同様に、筒形を呈し中空部３を有する駆動体４が備わり、その駆動体４が、積層された例えば４層の圧電層１４を有する圧電アクチュエータである。そして、図２１に示されるように、駆動体４の内面と外面とに、駆動電極である一対の外部電極２８，２９を有する。

筒形圧電アクチュエータ８は、筒形圧電アクチュエータ１と同様に、内面に外部電極２９、外面に外部電極２８が形成され、一対の外部電極２８，２９が駆動体４の内面と外面とに分離されているため、短絡を起こし難く、歩留まりの向上が図れる。

駆動体は、筒形であればよく円筒形に限定されず、角筒形その他でもよいが、応力集中による破壊を防止する等の観点から、円筒形は好ましい形状である。その他筒形の駆動体にかかる要件は、上記した第１の筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータ１についての記載に準ずるので、再述は避ける。

筒形圧電アクチュエータ８は、圧電横効果により駆動する圧電アクチュエータである。圧電層１４は、例えば図中Ｐ２方向に分極されており、外部電極２８，２９に更に接続された図示しない電極端子に電源を接続し、駆動電極である外部電極２８，２９間に、外部電極２８側を負、外部電極２９側を正にして、電圧を印加することにより、Ｅ２方向の電界が形成される。即ち、筒形圧電アクチュエータ８では、圧電層１４において、分極と駆動電界とが、同一方向になっている。その結果、圧電層１４には電界誘起歪みが発現し、その横効果による変位に基づき、駆動体４がＳ２方向に伸縮する。従来のユニモルフやバイモルフのような屈曲変位ではなく、電界誘起歪みを直接利用した伸縮変位であるため、発生力は大きく、且つ、応答速度も高い。

圧電層の分極電界と駆動電界とが同一方向であることに基づく優位性は、上記した第１の筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータ１についての記載に準じて、筒形圧電アクチュエータ８も有している。

又、筒形圧電アクチュエータ８は、駆動体４を構成する例えば４層の圧電層１４が焼成一体化されており、焼成後に接合したものではない。即ち、接着剤等が介在しない構造をなすので、初期的な駆動体４の寸法精度が高いことは勿論のこと、介在物の劣化という現象が生じ得ず、長期間にわたって高い寸法精度、圧電特性が維持出来る。

以上、図１及び図２に示される筒形圧電アクチュエータ１及び図２１に示される筒形圧電アクチュエータ８について説明したが、これを含む本発明に係る筒形圧電アクチュエータ、及び、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイに配設される筒形圧電アクチュエータにおいては、駆動体のうち圧電層からなる部分（外部電極を除いた駆動体）の面の輪郭度が、概ね８μｍ以下であることが好ましく、又、駆動体のうち圧電層の面の凹凸量が、概ね１０μｍ以下であることが好ましく、更には、駆動体のうち圧電層の面の表面粗さＲｔが、概ね１０μｍ以下であることが好ましい。これらのうち、少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、変位を起こす駆動体の圧電層の面（外部電極を形成する前の面）が平滑であるといえるので、変位発生時に電界集中や応力集中が生じ難く、安定した動作を実現することが出来る。このようなアクチュエータは、後述する本発明に係る製造方法のうち好ましい手段である打抜同時積層法を行うことにより、作製することが可能である。

尚、面の輪郭度は、日本工業規格Ｂ０６２１「幾何偏差の定義及び表示」に示されている。面の輪郭とは機能上定められた形状をもつように指定した表面であって、面の輪郭度とは理論的に正確な寸法によって定められた幾何学的輪郭からの面の輪郭の狂いの大きさをいう。表面粗さとは、ＪＩＳ Ｂ０６０１”表面粗さ−定義及び表示”による表面粗さを指し、表面粗さＲｔとは、測定表面における最高点と最低点との差にて定義される最大高さＲｍａｘと同義である。

又、本発明に係る筒形圧電アクチュエータ、及び、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイに配設される筒形圧電アクチュエータにおいては、駆動体の幅Ｗ１と高さＨとの比（図２及び図２１を参照）が、概ね１：１０〜１：１００であることが好ましく、幅Ｗ１は概ね１０ｍｍ以下であることが好ましい。尚、本明細書において、駆動体の幅Ｗ１と高さＨとの比（高さＨ／幅Ｗ１）をアスペクト比という（駆動前駆体も準じる）。アスペクト比が１０〜１００であるとは、幅Ｗ１と高さＨとの比が１：１０〜１：１００であることを意味する。本発明に係る筒形圧電アクチュエータにおいては、より好ましくは、アスペクト比が２０〜１００であり、幅Ｗ１は２ｍｍ以下である。少なくとも何れか１つの条件に適うアクチュエータであれば、更に好ましくは２つの条件がともに適うアクチュエータ、即ち小さく背の高いアクチュエータであれば、より高出力化を図ることが容易であるとともに、高密度化が図れ、よりコンパクトなアクチュエータを実現することが出来る。

更に、本発明に係る筒形圧電アクチュエータ、及び、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイに配設される筒形圧電アクチュエータにおいては、駆動体の軸線の真直度が３０μｍ以下であることが好ましい。駆動時において作用点のズレが生じ難いからである。又、折れ、割れ等の破損が生じ難いからである。更に、基板の一の面に２以上の筒形圧電アクチュエータを配設して筒形圧電アクチュエータアレイを構成した場合において、あるいはアレイ状にせず独立した筒形圧電アクチュエータを並べる場合において、隣接する筒形圧電アクチュエータどうしの間隔が、筒形圧電アクチュエータ自体の何れの部分においても概ね一定に保たれるので、駆動体のアスペクト比が１００乃至それに近い筒形圧電アクチュエータであっても、例えば接触して互いに駆動動作を妨げ合うことがなく、より高密度に配設することが可能である。

（２）筒形圧電アクチュエータアレイ

次に、筒形圧電アクチュエータアレイについて説明する。先ず、第１の筒形圧電アクチュエータアレイについて説明する。本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータアレイは、基板の一の面に、上記した特徴を備える本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータが１つ以上配設されたものである。図３は、第１の筒形圧電アクチュエータアレイの一実施形態を示す斜視図であり、図４（ａ）は、図３におけるＢＢ断面図であり、図４（ｂ）は、図３における背面図である。図示される筒形圧電アクチュエータアレイ２０１は、基板２の上面に、圧電層１４を６層（実質的に変位を生じる圧電層１４は４層）有する本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータ２１が、１６体、配設されており、基板２の中を貫通するとともに基板２の上面において個々の筒形圧電アクチュエータ２１の駆動体４の内面側、即ち中空部３側、に現れるスルーホール２２を有し、個々の筒形圧電アクチュエータ２１の駆動体４の内面の外部電極２９が、スルーホール２２によって基板２の下面とつながり導通されている。スルーホール２２の径は中空部３の径と異なっていてもよく、又、スルーホール２２の代わりにビアホールを採用してもよい。より好ましい態様は、図４に示されるような中空部３の径と概ね同じ径を有するスルーホール２２である。

筒形圧電アクチュエータアレイ２０１は、個々の筒形圧電アクチュエータ２１が、既に説明したように、駆動体４の内面に外部電極２９、外面に外部電極２８が形成され、一対の外部電極２８，２９が駆動体４の内面と外面とに分離されているため、個々の筒形圧電アクチュエータ２１は短絡を起こし難い。そして、筒形圧電アクチュエータアレイ２０１では、個々の筒形圧電アクチュエータ２１の駆動体４の外面に形成された外部電極２８が、基板２の上面を介して、全ての筒形圧電アクチュエータ２１で導通し、共通電極になっている。

即ち、筒形圧電アクチュエータアレイ２０１全体において、一対の外部電極２８，２９が、完全に分離されているので、筒形圧電アクチュエータアレイ２０１として短絡を起こし難く、後に電界をかけるための電源接続作業が容易であり、製造工程に起因する歩留まりの低下を招来しない。又、個々の筒形圧電アクチュエータ２１の駆動体４の外面の外部電極２８が隣接する他の筒形圧電アクチュエータ２１と同じ外部電極２８であって導通しているため、隣接する筒形圧電アクチュエータ２１どうしを極近づけて配置しても短絡という問題が生じ難い。従って、一定面積あたりに、より多くの筒形圧電アクチュエータを備える筒形圧電アクチュエータアレイを得ることが出来、よりコンパクト化が図れる。尚、個々の筒形圧電アクチュエータ２１の駆動体４の内面に形成された外部電極２９は、図４（ｂ）に示すように、スルーホール２２を介し基板２の下面で、個別配線３０且つ個別電極３２とすることにより、個々の筒形圧電アクチュエータ２１を独立して駆動させることが可能である。また、個別配線３０をアクチュエータアレイの中に内層し、個別電極３２をアレイ側面部に形成することもできる。

特に、個々の筒形圧電アクチュエータ２１が、それぞれの駆動体４のうち圧電層１４からなる部分の面の輪郭度が良好な場合には、より高密度な配設が可能である。例えば、一の筒形圧電アクチュエータ２１（駆動体４）と隣接する他の筒形圧電アクチュエータ２１（駆動体４）との距離（駆動体間隔という）を概ね１ｍｍ以下とすることが出来、又、駆動体間隔と、個々の筒形圧電アクチュエータ２１の駆動体の幅Ｗ１と、の比が概ね１：２０〜１：１０００となるように配設することが可能である。

以上、本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータが複数配設された筒形圧電アクチュエータアレイ２０１を例示して、本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータアレイについて説明した。尚、本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイは、配設される筒形圧電アクチュエータが、内部電極層が存在せず外部電極を駆動電極とする、既に説明した第２の筒形圧電アクチュエータであり、その配設数が２つ以上であることを必須条件とする他は、上記した本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータと同様の特徴を備える。しかしながら、配設される第２の筒形圧電アクチュエータが、圧電横効果により駆動するものであることから、本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイは、以下の点において第１の筒形圧電アクチュエータアレイとは異なる。

本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイに配設される第２の筒形圧電アクチュエータは、内部電極層が駆動電極となる第１の筒形圧電アクチュエータに対し、内部電極層を有さず外部電極が駆動電極になるものであり、上記した発明が解決しようとする課題に挙げた目的を達成する圧電アクチュエータではない。この第２の筒形圧電アクチュエータを配設した第２の筒形圧電アクチュエータアレイは、以下に示す圧電横効果により駆動する圧電アクチュエータにかかる課題を解決するものである。

一般に、圧電横効果により駆動する圧電アクチュエータは、柱状乃至壁状の圧電体の外面に一対の外部電極が形成されてなるものである。このような圧電アクチュエータは、発生変位の量がその圧電体の高さに依存するものであるため、充分な変位を得ようとすると背（圧電体の高さ）の高い圧電アクチュエータにする必要がある。一方、圧電横効果により駆動する複数の圧電アクチュエータが基板の上に二次元に配設されたアクチュエータアレイの提供が求められている。

しかしながら、背の高い圧電アクチュエータほど、例えば製造過程における焼成前の取扱困難性や焼成時に生じる応力に起因して変形や曲がりが生じ易く、圧電アクチュエータの頂面側（アクチュエータアレイの基板とは反対側の先端側）の位置ずれが大きくなり易い。そのため、背の高い複数の圧電アクチュエータを高密度で基板の上に配設したアクチュエータアレイでは、外部電極の接触等で短絡が生じてしまう。従って、圧電横効果により駆動する圧電アクチュエータであり且つ発生変位量の大きなものを、基板の上に高密度で配設したアクチュエータアレイの提供は、実現が困難であった。

本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイに配設される第２の筒形圧電アクチュエータは、第１の筒形圧電アクチュエータと共通する特徴を有し、駆動体が内面と外面とを有する筒形を呈するとともにその内面と外面とに一対の外部電極を有し、その一対の外部電極が駆動体の内面と外面とに分離されているため、第１の筒形圧電アクチュエータと同様に、短絡を起こし難い。そして、複数の第２の筒形圧電アクチュエータを基板の上に配設した第２の筒形圧電アクチュエータアレイでも、個々の筒形圧電アクチュエータの駆動体の外面に形成された外部電極が、基板の上面を介して、全ての筒形圧電アクチュエータで導通し、共通電極になり、筒形圧電アクチュエータアレイ全体において、一対の外部電極が完全に分離されるので、隣接する筒形圧電アクチュエータどうしを極近づけて配置しても短絡という問題が生じ難い。従って、発生変位量を大きくするために必然的に背が高くなる第２の筒形圧電アクチュエータを、一定面積あたりに、より多く配設することが可能である。

（３）適用例

次に、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイについて、適用例を掲げて、図面を参酌しながら、説明する。本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイは、例えば、光通信網に用いられ光信号の経路を規定する光スイッチや、可変光減衰器（ＶＯＡ）、液体吐出用ディスペンサ、リニアドライブ機構、特許文献２にかかるフォーカスユニットその他を含む各種レンズアクチュエータ、圧電駆動ステージ等として利用することが可能である。ここでは、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ）、リニアドライブ機構、液体吐出用ディスペンサ、圧電駆動ステージについて図面に基づき具体的に説明する。

［１］光スイッチ

先ず、光スイッチについて説明する。図６は、本発明に係る筒形圧電アクチュエータの適用例である光スイッチの一実施形態を示す斜視図であり、図７は、図６におけるＣＣ断面を表す図である。この光スイッチは本発明に係る筒形圧電アクチュエータの適用例であるが、光スイッチ自体は、２００１年電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会予稿集Ｐ１８２で公表されているものである。

図６，７に示される光スイッチ２９０は、光導波路部材１７７に互いに交差するように形成された複数の光導波路コア部１７７ａ〜１７７ｄを有する光伝達部２８１と、その複数の光導波路コア部１７７ａ〜１７７ｄが交差した４つの交差部（光路変更部２９８ａ〜２９８ｄとよぶ）と対をなしてアクチュエータ２９２が配設されたアクチュエータ部２９１を有する。アクチュエータ２９２が本発明に係る筒形圧電アクチュエータで構成され、アクチュエータ部２９１が本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイに相当する。そして、光路変更部２９８ａ〜２９８ｄには切込みが形成されている。

光スイッチ２９０では、アクチュエータ２９２が駆動して伸縮し光路変更部２９８ａ〜２９８ｄの切込みを変形させ又元に戻し、光導波路コア部１７７ａ〜１７７ｄを光学的に連続乃至不連続な状態にすることにより、光導波路コア部１７７ａ〜１７７ｄに導入された光２２３を、光路変更部２９８ａ〜２９８ｄにおいて通過乃至反射させ、光信号の経路を規定する。

より具体的には、図７に示される状態において、光スイッチ２９０は、光路変更部２９８ａにおけるアクチュエータ部２９１のアクチュエータ２９２が非作動状態であり、光導波路コア部１７７ａへの作用はない。従って、光路変更部２９８ａの切込みは閉じ、光学的に光導波路コア部１７７ａは連続な状態を維持している。このとき、導入された光２２３は、光路変更部２９８ａを直進する。他方、光路変更部２９８ｂにおけるアクチュエータ部２９１のアクチュエータ２９２は作動状態であり、変位並びに応力を光導波路コア部１７７ａに作用させ、光路変更部２９８ｂの切込みを開いている。即ち、光路変更部２９８ｂにおいて光導波路コア部１７７ａは光学的に不連続となり、導入された光２２３は、光路変更部２９８ｂで全反射し、光導波路コア部１７７ｂへ伝送される。

光スイッチ２９０では、クロストークを小さくするために、光路変更部２９８ａ〜２９８ｄの切込みを、より大きく開かせることが重要である。そのためには、アクチュエータ２９２に大変位が要求される。又、光路変更部２９８ａ〜２９８ｄが、光学的不連続状態と連続状態とを、良好に再現し得ることが重要である。そのためには、比較的、高ヤング率な材料を光導波路部材１７７の材料として適用し、光路変更部２９８ａ〜２９８ｄの切込みの復元動作が有利に行われるようにすることが好ましい。従って、高ヤング率な材料を歪ませるためには、アクチュエータ２９２として大きな発生力が要求される。更に、通常、光導波路コア部１７７ａ〜１７７ｄは、高精度且つ高集積なパターン形成が可能なフォトリソグラフィー法によって形成されるため、アクチュエータ２９２が高い位置精度で高密度に配設されることが必要である。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータは、既に記した如く、発生力、変位量ともに大きくすることが可能であるので、光スイッチ２９０のアクチュエータ２９２として好適であり、又、短絡のおそれがなく筒形圧電アクチュエータを高密度に配設し得る本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイは、光スイッチ２９０のアクチュエータ部２９１として好適である。

［２］可変光減衰器（ＶＯＡ）

波長多重光（ＷＤＭ）通信の普及に伴い、各波長ごとに光信号の強度を調整するための可変光減衰器（ＶＯＡ）の必要が生じている。そのような用途において、本発明の筒型圧電アクチュエータアレイを適用することで、図１０に示すような多数の光ファイバの光信号強度を個別に調整できる集積化可変光減衰器アレイ１５０が実現できる。

上記集積化可変光減衰器アレイ１５０とは、一方の光ファイバ１０１の端部を光ファイバアレイ１２０で固定し、他方の光ファイバ１０２の端部を筒形圧電アクチュエータアレイ１３０で固定し、光ファイバ１０１，１０２のコアが同軸になるように密接させた一対の光ファイバ１０１，１０２を、筒形圧電アクチュエータアレイ１３０で他方の光ファイバ１０１の端部に応力を付与して、双方の光ファイバ１０１，１０２との間にギャップを生じさせることにより、各光ファイバ１０１，１０２に入射された特定の波長における信号光強度の減衰量を制御するものである。

ここで、図８に可変光減衰器の動作原理を示す。光ファイバの一部を分割しそのギャップ１０８を調整することによって、透過光の一部を減衰する（図８では光ファイバは分離しているが、光の伝播するコア部分に外力によってギャップ１０８を生じる構造であればよく、例えば、図９に示すように、対面する光ファイバの位置ずれ防ぐため、外周に伸縮性のある被覆１１０を設ける等の方法も望ましい）。ギャップ１０８は空気層であってもよいが、所定の屈折率を有する液体を充填することも望ましい。光の減衰量を精密に制御するためには微小な変位量制御が可能な筒形圧電アクチュエータアレイ１３０を使用することが望ましい。

［３］リニアドライブ機構

圧電素子の伸縮を駆動源とするリニアドライブ機構は、例えば、圧電素子の伸縮を駆動源とするリニアドライブ機構の例が記載されている（特許第３１０００５５号公報参照）。これ以外にも、圧電体の急速変形と移動体の慣性力を利用した駆動機構（いわゆるインパクト駆動）を利用したリニアドライブ機構が多数知られている。

しかしながら、このような原理に基づくリニアドライブ機構を、アレイ状に高密度に集積化することは困難であった。その理由は、個別に作製されたリニアドライブ機構をアレイ状に集積化して組み立てることは製造技術面およびコスト的に現実的ではなく、また小型化にも限界があった。

ここで、圧電体の伸縮動作を利用したリニアドライブ機構について簡単に説明する。図１１に示すように、本発明の筒型圧電アクチュエータ２１に移動体４０（例えば、シャフト）が挿入され、且つシャフト（移動体）４０が筒（駆動体）４の上端付近で摩擦によって保持されており、筒（駆動体）４の下端付近ではシャフト（移動体）４０が傾かないようにガイド穴４１が設けられている。

図１１（左）では、筒型圧電アクチュエータ１は伸びた状態で、シャフト（移動体）４０は摩擦にて保持されている。図１１（中）で筒型圧電アクチュエータ２１を「ゆっくり」と縮ませると移動体４０は静止摩擦力で保持されたままシャフト（移動体）４０のみを引き下げることができる。図１１（右）で、筒型圧電アクチュエータ１を「急速に」もとに戻すと、シャフト（移動体）４０の慣性力が摩擦力に打ち勝つことにより、シャフト（移動体）４０は筒型圧電アクチュエータ２１に対して相対的に移動する。この一連の動作を繰り返すことにより、シャフト（移動体）４０を連続的に直線運動させることが可能となる．図１１は、移動体４０が下方に移動する場合について示しているが、上方へに移動する場合は筒型圧電アクチュエータの「ゆっくり」と「急速に」の動作を逆にすることにより、同様に行うことができる。

本発明のリニアドライブ機構は、例えば個々の筒型圧電アクチュエータに移動体（例えば、シャフト）を挿入し、筒型圧電アクチュエータの伸縮運動を駆動源として移動体を直線運動させることにより、圧電アクチュエータの変位量に比べはるかに大きなストロークが可能な図１２に示すようなアレイ型リニアドライブ装置２０２が可能となる。

圧電体の伸縮変位を直接利用する従来の圧電アクチュエータにおいては、変位量は伸縮方向の圧電素子長さの約０.１％程度（例えば素子長さ１０ｍｍの場合、１０ミクロン程度の変位量）であり、このような個別の圧電アクチュエータをアレイ状に集積化したデバイスにおいては、組み立て精度等の観点から、個々のアクチュエータのストローク量は１００ミクロン程度までが限界であった。

それに対し、本適用例のように圧電体の微小な伸縮動作を駆動源として移動体（例えばシャフト）の直線運動に変換する方式を採用することにより、きわめて大きなストロークが可能なリニアドライブ機構が可能となる。図１２に示すように、このようなリニアドライブ機構４２を、例えば、アレイ状に集積化したアレイ型リニアドライブ装置２０２を実現するのに際して、本発明の筒型圧電アクチュエータアレイ２０１（図３参照）を好適に用いることができる。

このようなアレイ型リニアドライブ装置は、触覚（点字）ディスプレイ装置に好適に用いることができるとともに、例えば、マイクロミラー、マイクロプリズム、マイクロレンズ等、ＷＤＭ（波長多重伝送）光通信等に好適な微小光学部品と組み合わせることにより、集積型可動光学デバイスを実現可能である。これによって、従来の圧電体の伸縮変位のみを利用して駆動した場合に比べて、はるかに大きなストロークで微小光学部品を駆動する集積型可動光学デバイスが可能となる。図１３に、上記集積型可動光学デバイスの一例として、マトリックス型可動マイクロミラーアレイ２０３を示す。

［４］液体吐出用ディスペンサ

まず、本発明の液体吐出用ディスペンサに用いる筒形圧電アクチュエータアレイは、図１４に示すように、アクチュエータ２１内部に液体吐出用のキャビティ（中空部）３を設け、圧電駆動に伴う内部体積の変動により液体の吐出を行うものである。図１４に示すように、本発明の筒形圧電アクチュエータアレイ３００は、駆動体４のキャビティ（中空部）３の配線部側（図１４の下側）にオリフィス５２が配設されていることが好ましい。尚、オリフィス５２は、アクチュエータアレイの製造時にシート打抜き形状を変更することでアレイ内部に実装できる。

また、本発明の筒形圧電アクチュエータアレイは、図１４に示すように、駆動体４の中空部３の先端部に液体吐出用ノズル５４が配設されていることが好ましい。このとき、液体吐出用ノズルは、アクチュエータアレイの製造時にシートを打抜いたものを積層し、アクチュエータと同一材料で構成することもでき、また焼成後、異種材料で作製したノズルプレートを接合することによっても構成することができる。

尚、図１４に示したものは縦効果型素子であるが、横効果型素子でも適用可能である。アクチュエータ内で体積変動が発生した際に、その圧力がオリフィス側へ逃げずノズル側へ逃げる事で液体吐出が効率的に可能となる．そのためノズル径をオリフィス径より大きく設計したり、ノズル及びオリフィスの断面形状にテーパーを付けたりすることが有効である。具体的には、オリフィス径はノズル径に対し５０〜９０％の大きさであることが望ましい。

このとき、上記液体吐出用ディスペンサ３１０の配線方法は、図１５に示す通りである。各アクチュエータ２１を個別に駆動させるためには独立に配線を形成する必要がある。このため、筒型圧電アクチュエータアレイ３００を構成するものを、駆動部・配線部と２つに分けるとアクチュエータ２１内側の外部電極３４はアクチュエータ１を貫通する孔を通じて配線部内で独立信号線として引きまわし、アレイ３００側面部へ回すことができる（図４（ｂ）参照）。共通電極となるアクチュエータ２１外側の外部電極２８はＧＮＤに接地することで、アクチュエータ２１の独立駆動が可能となる。アクチュエータ２１内部の貫通孔はアレイ３００裏面に独立して通じており、この孔から液体供給が可能である。このとき、内側、外側の外部電極間に電圧を加え駆動するアクチュエータであるため、アクチュエータ外の部分で活性部が生れることでクロストークの原因となることがある。このため配線設計の際には、不要な活性部を作製しないように考慮する必要がある（図示せず）。

ここで、上記外部電極は、焼成後、メッキ、スパッタ、蒸着、ＣＶＤ、ディッピング、スプレー塗布、スクリーン印刷等の手法で形成することができる。内・外の外部電極の分離は、成膜時にマスキングを行ったり、成膜後、研削等により不必要な部分を取り除くことで行っても良い。

また、吐出する液体によっては、アクチュエータ内部の電極を腐食する可能性があるため、内面及び外面に対し保護膜を形成しても良い。保護膜としては酸化物（ＳｉＯ₂・ＴｉＯ₂・Ａｌ₂Ｏ₃、ＨｆＯ₂、ＭｇＯ、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂等）又は窒化物（Ｓｉ₃Ｎ₄、ＡｌＮ等）のようなセラミックスを成膜しても良いし、高分子材料のような有機物（ポリイミド等）を成膜しても良い。

更に、上記液体吐出用ディスペンサは、図１５に示すように、圧電セラミックスからなるキャビティの体積変動により液体吐出を行うデバイスであるが、本発明の筒形圧電アクチュエータアレイ３００を用いることにより、慣性力を利用した液体吐出デバイスにも好適に用いることができるとともに、従来の慣性力を利用した液体吐出デバイス（例えば、特開２００１−２２８１６２号公報、特開２００１−２３５４００号公報、特開２００２−１１６２０５号公報を参照）と比較して、低コストで高集積アレイ吐出デバイスを実現できる可能性がある。尚、慣性力を用いた液体吐出デバイスの利点としては、多種多様の液体に対しアクチュエータを交換せずに対応できることから、ＤＮＡチップ等のバイオ関連で好適に用いられる。

［５］圧電駆動ステージ

本発明の筒形圧電アクチュエータアレイの応用例としては、圧電アクチュエータを用いた微小駆動ステージが考えられる。これは、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）等の部品として一般に使用されているものである。ＳＰＭの圧電駆動ステージには筒型圧電素子を使用しているが、これは筒内側の外部電極を共通電極とし、筒外側の外部電極を４方向に分割された形状とすることで、ステージ駆動を可能にしている。

従来のＳＰＭに用いられる圧電ステージは、例えば、外面電極を分割した圧電筒型アクチュエータを用いたステージについて記載されている（特公平３−２０８２４６号公報参照）。これに対し、本発明で提案するアクチュエータの構造は、以下に示す通りである。

本発明の圧電駆動ステージに用いる筒形圧電アクチュエータは、例えば、図１６（ｂ）及び図１６（ｃ）に示すように、内面と外面とを有する筒形の駆動体４が備わり、駆動体４は、少なくとも積層された複数の圧電層１４で構成されるとともに、内面と外面とに一対の外部電極２８，２９を有し、圧電横効果により駆動する内部に中空部３を有するもの（図２１参照）であって、中空部３が、駆動体４の中心軸をずらして配設されたものである。尚、中空部３の形状は、特に限定されることはないが、図１６（ｂ）に示すような円形状や図１６（ｃ）に示すような四角形状を有していることが好ましい。

尚、通常の筒形圧電アクチュエータは、例えば、図１６（ａ）に示すように、円形の中心に貫通孔があるもので、円筒部の厚みは円周方向でいずれの場所においても同じであり、電極間に加えられる電界が均一であるため、アクチュエータ１の駆動方向は垂直方向となる（図１６（ａ）右図矢印参照）。

また、本発明の圧電駆動ステージに用いる横効果型筒形圧電アクチュエータは、例えば、図１６（ｂ）に示すように、円形の中心に貫通孔があるもので、貫通孔の中心位置をずらしている場合を考えると、中心がずれていることで、円筒部の厚みは不均一となる。これにより、アクチュエータに加えられる電圧が一定であっても、アクチュエータに加えられる電界は不均一なものとなり、電界強度の高い部分はより大きく変位し、逆に低い部分は変位が押さえられることから、駆動方向が垂直方向からゆがむ（屈曲変位する）ことになる（図１６（ｂ）右図参照）。

以上のことから、本発明の圧電駆動ステージの主な特徴は、図１６（ａ）に示す筒形圧電アクチュエータのように、垂直駆動ではなく、図１６（ｂ）（ｃ）に示す筒形圧電アクチュエータのように、屈曲駆動させることにより、例えば、図１７に示すように、図１６（ｂ）に示す偏心型のアクチュエータ６０がそれぞれ所定の配置されたアクチュエータアレイを作製することにより、アクチュエータ６０の屈曲駆動によりアレイ上の物体７００を搬送できる圧電駆動ステージ４００を提供することができる。

次に、本発明の圧電駆動ステージに用いる横効果型筒形圧電アクチュエータについて更に詳細に説明する。横効果型筒形圧電アクチュエータでは、駆動部の変位は収縮する方向にあるため、電界強度の高い部分はより大きく縮み、電界強度の低い部分は小さく縮むことから屈曲駆動が生じる（図１６（ｂ）（ｃ）右図参照）。このように屈曲駆動する筒形圧電アクチュエータをマトリックス状に配列された筒形圧電アクチュエータアレイ（図１７及び図１９参照）を作製することで、アレイ上の物体を搬送することができる。

実際に、本発明の圧電駆動ステージ（図１７参照）を駆動する場合、図１８（ｂ）に示すように、全ての筒形圧電アクチュエータ６０に電圧を印加した状態（屈曲した状態）を基本に考える。図１８（ｂ）に示す状態（屈曲した状態）から物体を搬送したい方向の筒形圧電アクチュエータ６０の電界を開放すると、図１８（ｃ）に示すように、筒形圧電アクチュエータ６０は、垂直状態へ戻ろうとするため、この際に物体７００を所望の方向（図１８（ｃ）の矢印参照）へ搬送することができる。この動作を繰り返し行うことで、物体を搬送し続けることができる。尚、図１８（ａ）は、全ての筒形圧電アクチュエータ６０に電圧を印加しない状態を示す。

このとき、本発明の圧電駆動ステージは、それぞれの筒形圧電アクチュエータの駆動する印加電圧の波形を制御することにより、物体の搬送を非常に滑らかで高精度に行うことができる。

尚、図１７に示す圧電駆動ステージは、筒形圧電アクチュエータ６０の中空部３のオフセットが１軸方向（アクチュエータとしては＋方向駆動と−方向駆動の２種類）になっており、搬送できる方向も対応する方向のみ搬送することができる（但し、１軸方向で往復させることは可能）。このため、全ての方向に物体を搬送するには、例えば、図１９（筒形圧電アクチュエータアレイの上面図）に示すように、もう１軸増やして筒形圧電アクチュエータ６０をアレイ化すれば良い。

また、本発明の圧電駆動ステージに用いる筒形圧電アクチュエータの別の例は、図２０に示すように、内面と外面とを有する筒形の駆動体４が備わり、駆動体４は、少なくとも交互に積層された複数の圧電層１４と複数の内部電極層１８，１９とで構成されるとともに、内面と外面とに一対の外部電極２８，２９を有し、複数の内部電極層１８，１９が略一層おきに内面又は外面に露出して、一対の外部電極２８，２９のうち内面又は外面の何れかの外部電極と接続されている圧電縦効果により駆動する内部に中空部３を有するものであって、駆動体４の通常部位６４の内部電極１８，１９の間隔よりも所定部位６６の内部電極１８，１９の間隔を広く取ることにより、図２０に示すアクチュエータ７０に屈曲動作をさせることができる。この効果を利用し、図２０に示すアクチュエータ７０がそれぞれ所定の配置されたアクチュエータアレイを作製することにより、アクチュエータの屈曲駆動によりアレイ上の物体を搬送できる圧電駆動ステージ（図示せず）を提供することができる。

尚、本発明の圧電駆動ステージ（アクチュエータアレイ）の作製は、通常、グリーンシート積層プロセス（図２３参照）で行っているが、フォトリソグラフィプロセスを利用することで、より微細なアクチュエータアレイを作製することができる。例えば、強誘電体ナノチューブがＣＶＤにより作製できることが知られており、Ｓｉ基板上に強誘電体ナノチューブを作製することで積層プロセスに比して遥かに狭ピッチのアレイ化が実現できる。

また、本発明の圧電駆動ステージ（アクチュエータアレイ）は、強誘電体薄膜形成装置（ＬＳＭＣＤ）を用いた強誘電体ナノチューブ（直径８００ｎｍ、厚さ＜１００ｎｍ）をＳｉ基板上に約１．５μｍの間隔で周期的に配列することができる成膜法で作製することができる（Ｆ．Ｄ．Ｍｏｒｒｉｓｏｎ，Ｍ．Ａｌｅｘｅ，Ｔ．Ｔａｔｓｕｔａ，Ｏ．Ｔｓｕｊｉ ａｎｄ Ｊ．Ｆ．Ｓｃｏｔｔ，Ａｂｓｔ．，Ｔｈｅ １０^thＥｕｒｏｐｉａｎ Ｍｅｅｔｉｎｇ ｏｎ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ，Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ ＵＫ Ａｕｇｕｓｔ ３^rd−８^th，２００３参照）。

（４）筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法

次に、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法について説明する。本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイは、この製造方法によってのみ得られるものではないが、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法は、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイを得るに好ましい手段である。又、筒形圧電アクチュエータアレイを作製後に、機械加工等により個々の筒形圧電アクチュエータに分けることが出来る。こうすると多数の筒形圧電アクチュエータを一度に製造出来るので、より低廉なアクチュエータとすることが出来る。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法は、基板と、その基板の一の面に１つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、圧電アクチュエータが、内面と外面とを有する筒形の駆動体を備え、その駆動体が、少なくとも積層された複数の圧電層で構成される圧電アクチュエータアレイを製造する方法であり、グリーンシート積層法を用いる方法である。製造にあたっては、付帯的手段として、抜孔の形成に打抜加工を利用することが好ましい。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法の概略工程の一例を、図２２（ａ）〜図２２（ｆ）に示す。作製対象は、図３及び図４（ａ）（ｂ）に示した第１の筒形圧電アクチュエータアレイ２０１である。尚、図２２（ｃ）、図２２（ｄ）は後に内部電極層となる導体膜のパターンを表す図であり、工程は図２２（ａ）、図２２（ｂ）、図２２（ｅ）、図２２（ｆ）の流れで示される。

以下、製造工程について説明する。先ず、圧電材料を主成分とする所定枚数の圧電層用のセラミックグリーンシート６１６を用意する（第１の工程）。セラミックグリーンシート（以下、単にシートともいう）は、従来知られたセラミックス製造方法により作製出来る。例えば、圧電材料粉末を用意し、これにバインダ、溶剤、分散剤、可塑剤等を望む組成に調合してスラリーを作製し、これを脱泡処理後、ドクターブレード法、リバースロールコーター法等のシート成形法によって、セラミックグリーンシートを形成することが可能である（図２２（ａ）参照）。又、後に基板となるセラミックグリーンシート６０２を、別途用意する（次の第２の工程による加工を施したものを図２２（ｂ）に示す）。このシート６０２はシート６１６と同じ成分で作製してもよく、圧電材料を含まない別の成分で作製してもよい。

そして、例えばパンチとダイによる打抜加工法を用いて、シート６０２に後にスルーホールとなる貫通孔６４３を開け、シート６１６に加工を施して、所定形状のシート６１４，６１５を得る（図２２（ｂ）参照、第２の工程）。図５（ａ）にシート６１４，６１５を部分拡大した平面図を表す。シート６１４，６１５は、作製しようとする筒形圧電アクチュエータアレイ２０１（図３、図２２（ｆ）参照）の筒形を呈する複数の駆動体の断面形に相当する複数の環状部６１２、及び、環状部６１２から張り出すとともに複数の環状部６１２間を接続する梁６１３、を有する形状になるように、シート６１６に抜孔６１７を形成したものである。抜孔６１７はシート６１６を貫通した孔であり、シート６１４，６１５の積層後に、作製しようとする筒形圧電アクチュエータアレイ２０１の、個々の筒形圧電アクチュエータにおける筒形の駆動体の中空部、及び、隣接する筒形圧電アクチュエータ間の空間を形成する孔である。梁６１３は最終的に不要となるが、環状部６１２をこの段階で分離させると取扱不便であり、後の焼成工程において変形や曲がりを生じ易くなるため、寸法精度を向上させるためには、出来るだけ製造工程の終わりの方で除去することが望ましい。 又、説明の都合上、理解し易くするために図から省いているが、通常、実際にはシート６１４，６１５には、シート６１６の外形に等しい枠が残り、この枠とその内側の環状部６１２を接続する梁６１３が設けられる。従って、通常、枠を有するシート６１４，６１５を積層した、次に説明するセラミックグリーン積層体２１０は、外見上、概ね直方体を呈することになる。

次に、複数の環状部６１２と梁６１３とを有する形状になった複数のシート６１４，６１５を交互に積層し、好ましくは後に基板となるシート６０２と合わせて圧着して、積層梁６２３を伴う複数の駆動前駆体６２４が形成されたセラミックグリーン積層体２１０を得る（第３の工程、図２２（ｅ）参照）。駆動前駆体とは、駆動体の１つ前の段階にあるものを意味し、これを焼成すると駆動体が得られる。駆動前駆体６２４は、図２２（ｅ）に示されるように、積層梁６２３を伴うことを除けば、図３、図２２（ｆ）に示される駆動体４と同様に、中空部を有する筒形を呈し、内面（中空部に対する面）と外面とを有する。

尚、内部電極層の形成のために、第３の工程の前に、シート６１４，６１５に、図２２（ｃ）、図２２（ｄ）で示されるパターンの導体膜６１８，６１９を、スクリーン印刷等の手法により、それぞれ形成しておくことが好ましい。その導体膜６１８，６１９の形成は、シート６１４，６１５に対して行ってもよいが、先にシート６１６に対して導体膜６１８，６１９を形成し、後で抜孔を形成してもよい。導体膜（電極）の材料としては、室温で固体であって、導電性の金属が採用され、例えば、アルミニウム、チタン、クロム、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛、ニオブ、モリブデン、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、銀、スズ、タンタル、タングステン、イリジウム、白金、金、又は鉛等の金属単体又はこれら２種類以上からなる合金、例えば、銀−白金、白金−パラジウムなどを１種単独で又は２種類以上を組み合わせたものを用いることが好ましい。又、これらの材料と、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化ケイ素、ガラス、又は圧電材料等とを含有するサーメットであってもよい。これらの材料の選定にあたっては、圧電材料の種類に応じて選択することが好ましい。

又、外部電極の形成のために、第３の工程の後で、セラミックグリーン積層体２１０の表面全体に、導体膜を形成しておくことが好ましい。表面全体には、先の工程でシート６０２に形成した後にスルーホールとなる貫通孔６４３に相当する部分、及び、複数の環状部６１２が積層されてなる筒形を呈する駆動前駆体の中空部に対する面（内面）に相当する部分が含まれる。こうすると、この段階では正極用、負極用の一対の外部電極として別々に形成する必要がなく、浸漬法等で容易に導体膜を形成出来る。そして、後に行う焼成で導体膜が電極（外部電極）になるので電極形成のための別途の焼成が不要である。

次に、セラミックグリーン積層体２１０を焼成一体化して、積層梁を伴う複数の駆動体が形成された焼成積層体を得る（図示しない第４の工程）。その後、図示しないが、シート６０２が焼成された部分（基板に相当する部分）の側面、及び、駆動体の頂面、に対し研磨、研削等を施し、当該部分の外部電極を取り除く。この作業により、外部電極は、その取り除いた部分で絶縁される２つの外部電極に分かれ、正極用、負極用の一対の外部電極となる。即ち、基板の上面と駆動体の外面とを導通する一の外部電極と、基板のスルーホールを通じて基板の下面と駆動体の内面とを導通する他の外部電極と、からなる一対の外部電極を得ることが出来る。更に、基板の底面電極も除去して駆動体の内面を導通する外部電極を個別に分離することで、個々の駆動体に独立して電圧印加することが可能となる。

そして、積層梁を切除し、個割になった複数の駆動体４を得る（第５の工程）。積層梁の切除手段は、ワイヤーソー加工法その他各種の機械加工を採用出来る。その後、必要に応じて分極処理を行えば、筒形圧電アクチュエータアレイ２０１が得られる（図２２（ｆ）参照）。

尚、上記製造方法は、駆動体が円筒形を呈する筒形圧電アクチュエータアレイ２０１（図３，４参照）を作製する方法であるが、積層するシート（上記製造方法におけるシート６１４，６１５相当のシート）の形状を変更することによって、同じ筒形であるが別の形状の駆動体を有する筒形圧電アクチュエータアレイを作製することが出来る。例えば、積層するシートを、図５（ｂ）に表した形状に加工すれば、得られる筒形圧電アクチュエータアレイは、駆動体が角筒形を呈するものになる。

又、上記製造方法は、本発明に係る第１の筒形圧電アクチュエータアレイである筒形圧電アクチュエータアレイ２０１を作製する方法であるが、本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法は、本発明に係る第２の筒形圧電アクチュエータアレイを作製出来る方法である。第２の筒形圧電アクチュエータアレイを作製するには、例えば、上記説明中、第３の工程の前に、積層前のシートに所定パターンの導体膜を設けないで内部電極層を形成せず、圧電層の分極の方向を所定の方向として分極処理を行えばよい。

ところで、上記説明では、シート６１６を加工してシート６１４，６１５を得た後に、シート６１４，６１５を交互に積層し、セラミックグリーン積層体２１０を得る工程として記載しているが、セラミックグリーン積層体２１０を得るに際し、シート６１６に抜孔６１７を形成しながら（孔を開けながら）積層すること、即ち打抜同時積層、が可能である。以下に、図面を参照して説明する。

図２３（ａ）〜図２３（ｅ）は、打抜同時積層法の具体的工程を示す図である。打抜同時積層法は、周囲にシートの積層操作をするストリッパ１１を配置したパンチ１０とダイ１２からなる金型を用いて行われる。尚、この打抜同時積層法は、特開２００２−１６０１９５号公報に開示されている手段である。

図２３（ａ）は、ダイ１２上に最初のシート６１６（シート６１６ａとよぶ）を載せた打ち抜き前の状態を示している。そして、図２３（ｂ）で、パンチ１０及びストリッパ１１を下降させて、シート６１６ａを打ち抜き、抜孔（図示しない抜孔６１７）を形成している（工程Ａ）。

次に、２枚目のシート６１６（シート６１６ｂとよぶ）の打ち抜き準備に入るが、このとき図２３（ｃ）に示すように、最初のシート６１６ａは、ストリッパ１１に密着させて上方に移動させてダイ１２から離す（工程Ｂ）。ストリッパ１１にシートを密着させる方法は、例えば、シートに仮の接着剤を塗布してもよいが、シートの外枠（加工しない部分）が充分に確保出来る場合にはストリッパ１１に吸引孔を形成して真空吸引すること等でも実施出来る。

次いで、２枚目のシート６１６ｂの打ち抜き準備に入るために、ダイ１２からパンチ１０及びストリッパ１１を引き上げるが、この引き上げている途中は、パンチ１０の先端部を、一緒に引き上げた最初のシート６１６ａの抜孔の中まで戻さないことが望ましく、又、止める際には、一緒に引き上げた最初のシート６１６ａの最下部より僅かに引き込んだところで止めることが肝要である（工程Ｃ）。パンチ１０を最初のシート６１６ａの抜孔の中まで戻したり、完全にストリッパ１１の中へ格納してしまうと、シートは軟質であるため形成した抜孔が変形してしまい、後に抜孔の形成されたシートを積層して得られるセラミックグリーン積層体において、駆動前駆体の内面及び外面の平坦性が低下し、最終的に得られる筒形圧電アクチュエータアレイにおいて個々の筒形圧電アクチュエータの駆動体の面の輪郭度が大きくなるので、好ましくない。

図２３（ｄ）は、２枚目のシート６１６ｂの打ち抜き工程を示す図である。最初のシート６１６ａをストリッパ１１に密着させることで、ダイ１２上に、２枚目のシート６１６ｂを容易に載置出来る。そして、シート６１６ｂを、図２３（ｂ）の工程に準じて打ち抜き、同時に最初のシート６１６ａに重ね合わせる（工程Ｄ）。

そして、図２３（ｃ）、図２３（ｄ）の工程を繰り返して、打ち抜かれた最初のシート６１６ａと２枚目のシート６１６ｂとを重ね合わせてストリッパ１１により引き上げ（工程Ｅ）、３枚目のシートの打ち抜き準備に入る。図示しないが、このときも一緒に引き上げたシートの最下部より僅かに引き込んだところで止めることが肝要である（工程Ｆ）。その後、工程Ｄから工程Ｆを繰り返して必要積層数のシートの打抜及び積層を繰り返す。

上記工程によって、抜孔がなかったシート６１６には既に抜孔（図示しない抜孔６１７）が形成され且つ積層されてセラミックグリーン積層体を構成する。そして、シートの保持を解除することにより、このセラミックグリーン積層体がストリッパ１１から引き離される。図２３（ｅ）は、説明の都合上、仮に３枚の積層で打抜を終了した状態を示している。ストリッパ１１とセラミックグリーン積層体との引き離しは、例えば、図示するように、ストリッパ１１下面に設けた引離治具１７で確実に行うことが出来る。

尚、セラミックグリーン積層体は、後に基板となるシートを除き、後に内部電極層になる導体膜の形状が異なる２種類のシートが交互に積層されてなるものである。従って、打抜同時積層法によりセラミックグリーン積層体を得る場合には、積層するシート６１６の概ね半数ずつに、予めそれぞれ所定形状の導体膜を形成しておくことが必要である。概ね半数のシート６１６には図２２（ｃ）でシート６１４の導体膜として示される導体膜６１９を形成し、残りの概ね半数のシート６１６には図２２（ｄ）でシート６１５の導体膜として示される導体膜６１８を形成し、それらを交互に打ち抜き、積層する。

本発明の筒形圧電アクチュエータ並びに筒形圧電アクチュエータアレイ及び製造方法は、例えば、光スイッチ、可変光減衰器（ＶＯＡ）、液体吐出用ディスペンサ、リニアドライブ機構、圧電駆動ステージ、各種レンズアクチュエータ等に好適に用いることができる。

本発明に係る筒形圧電アクチュエータの一実施形態を示す斜視図である。 図１に示される筒形圧電アクチュエータのＡＡ断面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの一実施形態を示す斜視図である。 図３に示される筒形圧電アクチュエータアレイのＢＢ断面図である。 図３に示される筒形圧電アクチュエータアレイの下面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法の第２の工程において抜孔を形成したセラミックグリーンシートの形状を例示する図であり、図５（ａ）は環状部が円形を呈する例、図５（ｂ）は環状部が角形を呈する例を表す。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータの適用例である光スイッチの一実施形態を示す斜視図である。 図６に示される光スイッチのＣＣ断面を表す図である。 可変光減衰器（ＶＯＡ）の動作原理の一例を示す説明図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの適用例である可変光減衰器の一実施形態を示す要部断面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの適用例である可変光減衰器の一実施形態を示す分解斜視図である。 本発明に係るリニアドライブ機構の動作原理を説明した説明図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの適用例であるアレイ型リニアドライブ装置の一実施形態を示す斜視図である。 本発明に係るアレイ型リニアドライブ装置の適用例であるマトリックス型可動マイクロミラーアレイの一実施例を示す斜視図である。 本発明の液体吐出用ディスペンサに用いる筒形圧電アクチュエータアレイの一例を示す断面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの適用例である液体吐出用ディスペンサの一実施形態を示す断面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータの各例を説明する説明図であり、図１６（ａ）は通常型、図１６（ｂ）は円形偏心型、図１６（ｃ）は角形偏心型を表す。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの適用例である圧電駆動ステージの一実施形態を示す斜視図である。 図１７のＡ−Ａ断面図であり、図１８（ａ）は、全ての筒形圧電アクチュエータに電圧を印加しない状態を示し、図１８（ｂ）は、全ての筒形圧電アクチュエータに電圧を印加した状態（屈曲した状態）を示し、図１８（ｃ）は、物体を搬送したい方向の筒形圧電アクチュエータの電界を開放した状態を示す図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータアレイの適用例である圧電駆動ステージの他の実施形態を示す平面図である。 本発明の圧電駆動ステージに用いる筒形圧電アクチュエータの別の例を示す断面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータの他の実施形態を示す断面図である。 本発明に係る筒形圧電アクチュエータの製造方法の一例を示す概略工程説明図である。 セラミックグリーンシートに抜孔を形成する手段の一例である打抜同時積層法を示す工程説明図であり、図２３（ａ）は、ダイに最初のセラミックグリーンシートを載せた１枚目準備工程を示し、図２３（ｂ）は、最初のセラミックグリーンシートの打ち抜き工程を示し、図２３（ｃ）は、２枚目のセラミックグリーンシートを載せた２枚目準備工程を示し、図２３（ｄ）は、２枚目のセラミックグリーンシートの打ち抜き工程を示し、図２３（ｅ）は、全てのセラミックグリーンシートの打ち抜き、積層を終えてストリッパにより積層したセラミックグリーンシートを離す打抜完了工程を示す図である。

符号の説明

１，８，２１…筒形圧電アクチュエータ、２…基板、３…中空部、４…駆動体、１０…パンチ、１１…ストリッパ、１２…ダイ、１４…圧電層、１７…引離治具、１８，１９…内部電極層、２２…スルーホール、２８，２９…外部電極、３０…個別配線、３２…個別電極、３４…外部電極、４０…移動体（シャフト）、４１…ガイド穴、４２…リニアドライブ機構、４４…マイクロミラー、５０…キャピラリ、５２…オリフィス、５４…液体吐出用ノズル（ノズル）、６０…筒形圧電アクチュエータ（円形偏心型）、６２…筒形圧電アクチュエータ（角形偏心型）、６４…通常部位、６６…所定部位、７０…筒形圧電アクチュエータ（屈曲動作型）、１０１，１０２…光ファイバ、１０８…ギャップ、１１０…外周に伸縮性のある被覆、１２０…光ファイバアレイ、１３０…筒形圧電アクチュエータアレイ、１５０…集積化可変光減衰器アレイ、１７７…光導波路部材、１７７ａ〜１７７ｄ…光導波路コア部、２０１…筒形圧電アクチュエータアレイ、２０２…アレイ型リニアドライブ装置、２０３…マトリックス型可動マイクロミラーアレイ、２１０…セラミックグリーン積層体、２２３…光、２８１…光伝達部、２９０…光スイッチ、２９１…アクチュエータ部、２９２…アクチュエータ、２９８ａ，２９８ｂ，２９８ｃ，２９８ｄ…光路変更部、３００…筒形圧電アクチュエータアレイ（アレイ）、３０２…容器（液体供給アダプタ）、３１０…液体吐出用ディスペンサ、４００…圧電駆動ステージ、６０２，６１４，６１５，６１６，６１６ａ，６１６ｂ…セラミックグリーンシート、６１２…環状部、６１３…梁、６１７…抜孔、６１８，６１９…導体膜、６２３…積層梁、６２４…駆動前駆体、６４３…貫通孔、７００…物体。

Claims (18)

1. 圧電縦効果により駆動する圧電アクチュエータであって、内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも交互に積層された複数の圧電層と複数の内部電極層とで構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、前記複数の内部電極層が略一層おきに前記内面又は前記外面に露出して、前記一対の外部電極のうち前記内面又は前記外面の何れかの外部電極と接続されている筒形圧電アクチュエータ。
2. 前記駆動体を構成する複数の圧電層と複数の内部電極層とが、焼成一体化されている請求項１に記載の筒形圧電アクチュエータ。
3. 前記圧電層の厚さが、１００μｍ以下である請求項１又は２に記載の筒形圧電アクチュエータ。
4. 基板と、前記基板の一の面に１つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、前記圧電アクチュエータが請求項１〜３の何れか１項に記載の筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータアレイ。
5. 基板と、前記基板の一の面に２つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、前記圧電アクチュエータが、内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも積層された複数の圧電層で構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、圧電横効果により駆動する筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータアレイ。
6. 前記筒形圧電アクチュエータの駆動体のアスペクト比が、１０乃至１００である請求項５に記載の筒形圧電アクチュエータアレイ。
7. 前記筒形圧電アクチュエータの駆動体の軸線の真直度が、３０μｍ以下である請求項５又は６に記載の筒形圧電アクチュエータアレイ。
8. 請求項４又は５に記載の筒形圧電アクチュエータアレイであって、前記基板の中を貫通し、前記基板の一の面において、前記筒形圧電アクチュエータの各々に備わる筒形の駆動体の内面側に現れる、スルーホール乃至ビアホールを有するとともに、前記駆動体の内面の外部電極が、前記スルーホール乃至ビアホールによって、前記基板の他の面と導通している筒形圧電アクチュエータアレイ。
9. 請求項４又は５に記載の筒形圧電アクチュエータアレイであって、前記基板の一の面に前記筒形圧電アクチュエータが２つ以上配設され、前記２つ以上の筒形圧電アクチュエータにおいて、一の筒形圧電アクチュエータの駆動体と隣接される他の筒形圧電アクチュエータの駆動体との間隔と、一の筒形圧電アクチュエータの駆動体の高さと、の比が、１：２０乃至１：１０００である筒形圧電アクチュエータアレイ。
10. 複数の異なる波長における信号光強度のばらつきを調整する可変光減衰器であって、一方の光ファイバの端部を光ファイバアレイで固定し、他方の光ファイバの端部を、請求項４又は５に記載の筒型圧電アクチュエータアレイで固定し、光ファイバのコアが同軸になるように密接させた一対の光ファイバを、筒形圧電アクチュエータアレイで他方の光ファイバの端部に応力を付与して、双方の光ファイバとの間にギャップを生じさせることにより、一方の光ファイバに入射された特定の波長における信号光強度の減衰量を制御する可変光減衰器。
11. 複数の異なる波長における信号光強度のばらつきを調整する可変光減衰器であって、周期的に媒体の屈折率が変化するグレーティング部を有する光ファイバを、光ファイバのグレーティング部の一端を光ファイバアレイで固定するとともに、グレーティング部の反対端を、請求項４又は５に記載の筒型圧電アクチュエータアレイで固定し、筒形圧電アクチュエータアレイで各グレーティング部に応力を付与して、光ファイバに入射された特定の波長における信号光強度の減衰量を制御する可変光減衰器。
12. 請求項４又は５に記載の筒型圧電アクチュエータアレイと、前記筒型圧電アクチュエータアレイを構成する筒型圧電アクチュエータの中空部に摺動可能に保持された移動体とから構成され、前記筒形圧電アクチュエータの伸縮動作に基づくインパクト駆動により、前記移動体が直線運動するリニアドライブ機構を有するアレイ型リニアドライブ装置。
13. 内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも積層された複数の圧電層で構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、圧電横効果により駆動する内部に中空部を有するものであり、前記中空部が、駆動体の中心軸をずらして配設される筒形圧電アクチュエータ。
14. 内面と外面とを有する筒形の駆動体が備わり、前記駆動体は、少なくとも交互に積層された複数の圧電層と複数の内部電極層とで構成されるとともに、前記内面と外面とに一対の外部電極を有し、前記複数の内部電極層が略一層おきに前記内面又は前記外面に露出して、前記一対の外部電極のうち前記内面又は前記外面の何れかの外部電極と接続されている圧電縦効果により駆動する内部に中空部を有するものであり、前記駆動体の所定部位の内部電極の間隔を変えた筒形圧電アクチュエータ。
15. 基板と、前記基板の一の面に１つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、前記圧電アクチュエータが請求項１３又は１４に記載の筒形圧電アクチュエータである筒形圧電アクチュエータアレイ。
16. 請求項１５に記載のアクチュエーターアレイであって、アクチュエータの屈曲駆動によりアレイ上の物体を搬送する圧電駆動ステージ。
17. 基板と、前記基板の一の面に１つ以上配設された圧電アクチュエータと、を有し、前記圧電アクチュエータが、内面と外面とを有する筒形の駆動体を備え、前記駆動体が、少なくとも積層された複数の圧電層で構成される圧電アクチュエータアレイを製造する方法であって、圧電材料を含有する複数のセラミックグリーンシートを用意する第１の工程と、前記セラミックグリーンシートの各々が、前記圧電アクチュエータに備わる筒形の駆動体の断面形に相当する１つ以上の環状部と、前記１つ以上の環状部から張り出した梁と、を有する形状になるように、前記セラミックグリーンシートに抜孔を形成する第２の工程と、前記１つ以上の環状部と前記梁とを有する形状になった複数のセラミックグリーンシートを積層し圧着して、前記梁が積層された積層梁を伴う１つ以上の駆動前駆体が形成されたセラミックグリーン積層体を得る第３の工程と、前記セラミックグリーン積層体を焼成し一体化して、前記積層梁を伴う１つ以上の駆動体が形成された焼成積層体を得る第４の工程と、前記焼成積層体から前記積層梁を切除し１つ以上の駆動体を得る第５の工程と、を有する筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法。
18. 前記第２の工程及び前記第３の工程において、パンチ、ダイ及びストリッパを有する打抜金型を用い、前記パンチにより、前記複数のセラミックスグリーンシートのうち第一のセラミックスグリーンシートに第一の抜孔を開ける工程Ａと、前記第一の抜孔から前記パンチを抜き取らない状態で、前記第一のセラミックグリーンシートを前記ストリッパに密着させて引き上げる工程Ｂと、前記パンチの先端部が引き上げた前記第一のセラミックグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、前記パンチを引き上げる工程Ｃと、前記パンチにより、前記複数のセラミックスグリーンシートのうち第二のセラミックグリーンシートに第二の抜孔を開ける工程Ｄと、前記第二の抜孔から前記パンチを抜き取らない状態で、前記第二のセラミックグリーンシートを前記ストリッパに密着させて引き上げる工程Ｅと、前記パンチの先端部が引き上げた前記第二のセラミックグリーンシートの最下部より僅かに引き込む程度に、前記パンチを引き上げる工程Ｆと、以降、前記工程Ｄから前記工程Ｆを繰り返し行うことにより、前記セラミックグリーンシートに抜孔を形成しながら、複数のセラミックグリーンシートを積層し、前記積層梁を伴う１つ以上の駆動前駆体が形成されたセラミックグリーン積層体を得る請求項１７に記載の筒形圧電アクチュエータアレイの製造方法。

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