(57)【要約】【課題】耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子及びその製造方法を提供しようとすること。【解決手段】積層型圧電素子１は、圧電層１１と第１内部電極２１及び第２内部電極２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０を有しており、その側面１０１、１０２には、側面電極３１、３２が設けられている。また、側面１０１には、底部４１０に第２内部電極２２の端部を露出させた第１凹溝部４１が設けられ、側面１０２には、底部４２０に第１内部電極２１の端部を露出させた第２凹溝部４２が設けられている。第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２には、第２内部電極２２の端部及び第１内部電極２１の端部を覆うように絶縁充填材５が充填されている。絶縁充填材５の外表面には、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から外方に突出する凸面部５１が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料よりなる複数の圧電層と、導電性を有する複数の層状の内部電極とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に第１側面電極及び第２側面電極が設けられ、上記内部電極としては、上記第１側面電極に導通する第１内部電極と、上記第２側面電極に導通する第２内部電極とを交互に配置してなる積層型圧電素子において、
上記セラミック積層体における上記第１側面電極を設けた側面には、底部に上記第２内部電極の端部を露出させた凹溝である第１凹溝部が設けられ、一方、上記第２側面電極を設けた側面には、底部に上記第１内部電極の端部を露出させた凹溝である第２凹溝部が設けられており、
上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部には、それぞれ上記第２内部電極の端部及び上記第１内部電極の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材が充填されており、
上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記セラミック積層体の側面から外方に突出する凸面部が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項２】
請求項１において、上記絶縁充填材の外表面には、上記凸面部が形成されていない非凸面部が存在しており、上記各第１凹溝部及び上記各第２凹溝部における、全長をＡ、上記非凸面部の部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３以上であることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記凸面部の突出高さは、５〜１００μｍであることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項において、上記絶縁充填材は、シリコン、ポリイミド、エポキシ、又はウレタンの少なくとも１つを含んでいることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において、上記絶縁充填材の弾性率は、１〜１０００ＭＰａであることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項６】
請求項１〜５において、上記第１側面電極及び上記第２側面電極は、単層構造又は複数層積層構造を有しており、上記各構造における上記セラミック積層体の側面に接触している層の弾性率は、１００〜１００００ＭＰａであることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の幅は、５〜１５０μｍであることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項において、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の溝深さは、１０〜４００μｍであることを特徴とする積層型圧電素子。
【請求項９】
圧電アクチュエータの変位を利用して弁体を開閉させ、燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェクタにおいて、
上記圧電アクチュエータは、請求項１〜８のいずれか１項に記載の積層型圧電素子よりなることを特徴とするインジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧電アクチュエータ等に適用される積層型圧電素子及び、この積層型圧電素子を使用した燃料噴射用のインジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の燃費、排気ガス等の対策の面から、積層型圧電素子を用いた自動車の燃料噴射用インジェクタの開発が進められている。
積層型圧電素子は、一般に圧電材料よりなる圧電層と導電性を有する内部電極とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に側面電極を接合して上記内部電極との電気的な導通性を確保している。そして、上記内部電極間に電圧を印加することにより、圧電変位が生じて駆動するように構成されている。
【０００３】
積層型圧電素子には、内部電極の端部をセラミック積層体の側面全体に露出する全面電極構造のものと、内部電極の端部の一部をセラミック積層体の内部に控える部分電極構造（または控え構造）のものがある。一般に、全面電極構造の積層型圧電素子では、部分電極構造のものよりも変位が得られやすい。そのため、全面電極構造を採用すると、高い変位特性を有し、信頼性の高い積層型圧電素子を実現することができる。
【０００４】
ところが、全面電極構造の場合には、内部電極の端部がセラミック積層体の側面全体に露出するため、各内部電極は、一方の側面電極との電気的な接触を確保し、他方の側面電極との電気的な絶縁構造を必要とする。このような積層型圧電素子について圧電変位が繰り返されると、内部電極と側面電極との間の絶縁構造に大きな応力が繰り返し作用する。そのため、上記絶縁構造では、内部電極と側面電極との間の絶縁性を長期間の使用に渡って維持させるための構造上の工夫が必要になる。従来、セラミック積層体の側面に溝を設けてその溝に絶縁樹脂を充填する絶縁構造が提案されている（例えば、特許文献１〜５）。
【０００５】
しかしながら、従来の構造では、圧電変位によって生じる応力が側面電極の端部に集中するため、長期間に渡って使用されると側面電極にクラック等が生じて電気的な導通性が確保できないおそれがあった。また、上記の不具合は、圧電層の積層数や作動回数が多くなるほど顕著なものとなる。
そのため、全面電極構造の積層型圧電素子において、圧電層の積層数や作動回数にかかわらず、圧電変位に対して充分な耐久性及び信頼性を有する構造が求められている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−６９７７１号公報
【特許文献２】特開２００１−１０２６４７号公報
【特許文献３】特開２００１−２４４５１３号公報
【特許文献４】特開２００１−７７４３６号公報
【特許文献５】特開２００２−１１１０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明は、圧電材料よりなる複数の圧電層と、導電性を有する複数の層状の内部電極とを交互に積層してなるセラミック積層体を有し、該セラミック積層体の側面に第１側面電極及び第２側面電極が設けられ、上記内部電極としては、上記第１側面電極に導通する第１内部電極と、上記第２側面電極に導通する第２内部電極とを交互に配置してなる積層型圧電素子において、
上記セラミック積層体における上記第１側面電極を設けた側面には、底部に上記第２内部電極の端部を露出させた凹溝である第１凹溝部が設けられ、一方、上記第２側面電極を設けた側面には、底部に上記第１内部電極の端部を露出させた凹溝である第２凹溝部が設けられており、
上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部には、それぞれ上記第２内部電極の端部及び上記第１内部電極の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材が充填されており、
上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部に充填された上記絶縁充填材の外表面には、上記セラミック積層体の側面から外方に突出する凸面部が形成されていることを特徴とする積層型圧電素子にある（請求項１）。
【０００９】
本発明の積層型圧電素子は、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部（以下、適宜、両者を合わせて凹溝部と記す）に充填された上記絶縁充填材の外表面に、上記セラミック積層体の側面から外方に突出する凸面部が形成されている。これにより、従来、上記第１側面電極及び上記第２側面電極（以下、適宜、両者を合わせて側面電極と記す）の端部に集中して発生していた圧電変位時の応力を、上記凸面部の存在によって分散させることができる。
【００１０】
即ち、上記凸面部に対面する上記側面電極に付与される圧電変位時の応力が、上記凸面部が存在しない場合よりも増大する。この増大した分だけ、上記側面電極の端部に集中する上記応力を低減させることができる。そのため、上記応力によって上記側面電極の端部にクラックが発生することを抑制できる。そしてそれ故に、積層型圧電素子全体の耐久性や電気的な信頼性を向上させることができる。
また、圧電変位時の応力は、上記圧電層の積層数が増えるほど大きくなる。そのため、このような場合には、上記凸面部を設けた効果をより有効に発揮することができる。
【００１１】
以上により、本発明によれば、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供することができる。
【００１２】
第２の発明は、圧電アクチュエータの変位を利用して弁体を開閉させ、燃料の噴射制御を行うよう構成されたインジェクタにおいて、
上記圧電アクチュエータは、上記第１の発明の積層型圧電素子よりなることを特徴とするインジェクタ（請求項１３）。
【００１３】
上記第２の発明のインジェクタは、上記の優れた品質の積層型圧電素子を用いて構成した圧電アクチュエータを用いている。この積層型圧電素子は、上記セラミック積層体の側面に上記側面電極を耐久性高く接合したものである。そのため、高温雰囲気下という過酷な状態で使用されるインジェクタにおいても、作動時における上記側面電極のクラックの発生を抑制して耐久性を向上させることができ、インジェクタ全体の動作信頼性の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
第１の発明においては、上記絶縁充填材の外表面には、上記凸面部が形成されていない非凸面部が存在しており、上記各第１凹溝部及び上記各第２凹溝部における、全長をＡ、上記非凸面部の部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３以上であることが好ましい（請求項２）。
即ち、上記凸面部は、上記絶縁充填材の外表面の全ての部分において形成されている必要はなく、一部において上記凸面部が形成されていない部分、つまり、上記非凸面部が形成されていてもよい。ここで、上記非凸面部とは、上記絶縁充填材の外表面が上記セラミック積層体の側面から内方に窪んで形成されている部分、または上記セラミック積層体の側面に沿って形成されている部分をいう。
【００１５】
上記（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３未満の場合には、上記側面電極の端部に集中する圧電変位時の応力を上記凸面部の存在によって低減させ、上記側面電極の端部にクラックが発生することを抑制する効果を充分に得ることができないおそれがある。それ故に、より好ましくは、上記（Ａ−Ｂ）／Ａを０．６以上とするのがよい。
なお、上記の全長Ａは、上記各第１凹溝部及び上記各第２凹溝部の個々の長さによって決まるものである。
【００１６】
また、上記凸面部の突出高さは、５〜１００μｍであることが好ましい（請求項３）。
上記凸面部の突出高さが５μｍ未満の場合には、上記側面電極の端部に集中する圧電変位時の応力を上記凸面部の存在によって低減させる効果を充分に得ることができないおそれがある。一方、上記凸面部の突出高さが１００μｍを超える場合には、上記凸面部に対面する上記側面電極に上記応力が集中し、上記側面電極にクラックが発生するおそれがある。
【００１７】
また、上記絶縁充填材は、シリコン、ポリイミド、エポキシ、又はウレタンの少なくとも１つを含んでいることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記絶縁充填材によって、上記内部電極と上記側面電極との間の電気的な絶縁性を確実に確保することができる。また、上記絶縁充填材は、上記の材料を含んでいることによって耐熱性を向上させることができる。そのため、高温雰囲気下で使用される上記積層型圧電素子は、耐久性及び信頼性をより一層向上させることができる。
【００１８】
また、上記絶縁充填材の弾性率は、１〜１０００ＭＰａであることが好ましい（請求項５）。
上記絶縁充填材の弾性率が１ＭＰａ未満の場合には、上記凸面部に対面する上記側面電極に付与される圧電変位時の応力を増大させる効果を充分に得ることができないおそれがある。そのため、上記側面電極の端部に集中する上記応力を上記凸面部の存在によって低減させる効果を充分に得ることができないおそれがある。一方、上記絶縁充填材の弾性率が１０００ＭＰａを超える場合には、上記圧電層の変位に上記絶縁充填材が追従できず、上記圧電層にクラックが発生するおそれがある。
【００１９】
また、上記第１側面電極及び上記第２側面電極は、単層構造又は複数層積層構造を有しており、上記各構造における上記セラミック積層体の側面に接触している層の弾性率は、１００〜１００００ＭＰａであることが好ましい（請求項６）。
上記各構造における上記セラミック積層体の側面に接触している層の弾性率が１００ＭＰａ未満の場合には、弾性率が低いことによるクリープ現象に基づく耐久性の低下、あるいは上記各側面電極そのものの導電性の低下が生じるおそれがある。一方、上記の層の弾性率が１００００ＭＰａを超える場合には、上記圧電層の変位に上記側面電極が追従できず、上記圧電層にクラックが発生するおそれがある。
【００２０】
また、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の幅は、５〜１５０μｍであることが好ましい（請求項７）。
上記各凹溝部の幅が５μｍ未満の場合には、上記各溝凹部に上記絶縁充填材を充填することが困難となるおそれがある。一方、上記各凹溝部の幅が１５０μｍを超える場合には、上記セラミック積層体の強度が低下するおそれがある。
【００２１】
また、上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の溝深さは、１０〜４００μｍであることが好ましい（請求項８）。
上記各凹溝部の溝深さが１０μｍ未満の場合には、上記内部電極と上記側面電極との間の電気的な絶縁性を上記凹溝部に充填された上記絶縁充填材によって確保することができないおそれがある。一方、上記各凹溝部の溝深さが４００μｍを超える場合には、上記圧電層を変位させる領域が低減するおそれがある。
【実施例】
【００２２】
（実施例１）
本発明の実施例における積層型圧電素子について、図１〜図１１を用いて説明する。
本例の積層型圧電素子１は、図１に示すごとく、圧電材料よりなる複数の圧電層１１と、導電性を有する複数の層状の内部電極２１、２２とを交互に積層してなるセラミック積層体１０を有している。そして、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２には、第１側面電極３１及び第２側面電極３２が設けられている。内部電極２１、２２としては、第１側面電極３１に導通する第１内部電極２１と、第２側面電極３２に導通する第２内部電極２２とを交互に配置してなる。
【００２３】
また、同図に示すごとく、セラミック積層体１０における第１側面電極３１を設けた側面１０１には、底部４１０に第２内部電極２２の端部を露出させた凹溝である第１凹溝部４１が設けられ、一方、第２側面電極３２を設けた側面１０２には、底部４２０に第１内部電極２１の端部を露出させた凹溝である第２凹溝部４２が設けられている。
第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２には、それぞれ第２内部電極２２の端部及び第１内部電極２１の端部を覆うように電気絶縁性を有する絶縁充填材５が充填されている。また、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２に充填された絶縁充填材５の外表面には、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から外方に突出する凸面部５１が形成されている。
以下、これを詳説する。
【００２４】
本例の積層型圧電素子１は、図１に示すごとく、印加電圧に応じて変位する圧電層１１と印加電圧供給用の第１内部電極２１及び第２内部電極２２とを交互に積層してなる四角柱状のセラミック積層体１０を有している。セラミック積層体１０には、一対の側面１０１、１０２が形成されている。そして、側面１０１、１０２には、それぞれ第１側面電極３１、第２側面電極３２が設けられている。なお、本例では、セラミック積層体１０の上下端に圧電効果を生じないダミー層１８、１９が設けてある。また、セラミック積層体１０の形状は、上記以外にも円柱状、八角柱状等、様々な形状を採用することができる。
【００２５】
第１内部電極２１は、図１、図２に示すごとく、側面１０１にその端部を露出させ、第１側面電極３１との間の電気的な導通性を確保している。また、第１内部電極２１は、側面１０２において第２凹溝部４２の底部４２０に露出し、この第２凹溝部４２に充填された絶縁充填材５によって覆われている。そして、第２側面電極３２との間の電気的な絶縁性を確保している。
【００２６】
同様に、第２内部電極２２は、同図に示すごとく、側面１０２にその端部を露出させ、第２側面電極３２との間の電気的な導通性を確保している。また、第２内部電極２２は、側面１０１において第１凹溝部４１の底部４１０に露出し、この第１凹溝部４１に充填された絶縁充填材５によって覆われている。そして、第１側面電極３１との間の電気的な絶縁性を確保している。
本例の第１内部電極２１及び第２内部電極２２は、Ａｇ−Ｐｄ合金を含有してなる。
【００２７】
また、図２に示すごとく、本例の圧電層１１の厚みＬは８０μｍである。それに対して、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝幅Ｗは７０μｍ、溝深さＤは１００μｍである。また、絶縁充填材５としては、弾性率が１００ＭＰａのポリイミド樹脂を用いた。これ以外にも、シリコン、エポキシ、ウレタン等の樹脂やこれらの樹脂中に例えば無機粒子を含有させたものを用いることができる。
【００２８】
さらに、同図に示すごとく、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２に充填された絶縁充填材５の外表面には、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から外方に突出する凸面部５１が形成されている。本例の凸面部５１は、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２からの突出高さＨが３０μｍである。
【００２９】
また、図１に示すごとく、第１側面電極３１及び第２側面電極３２は、複数の層を積層した構造を有しており、いずれも第１層としての金属層３１１、３２１と、その上層に形成された接着層３１２、３２２とにより構成されている。そして、この接着層３１２、３２２によって、ステンレス鋼製のエキスパンダメタルよりなり、厚み方向に多数のメッシュを有する取り出し電極３３が接合されている。
なお、第１側面電極３１及び第２側面電極３２は、単層構造とすることもできる。例えば、図３に示すごとく、金属層３１１、３２１を設けず、第１側面電極３１及び第２側面電極３２を接着層３１２、３２２のみで構成することができる。
【００３０】
本例の金属層３１１、３２１は、Ａｇ：６５重量％とＳｎ：３５重量％とを含有してなる。また、その上層の接着層３１２、３２２は、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させた構成を有している。
また、セラミック積層体１０の側面全周は、上記構成の第１側面電極３１及び第２側面電極３２を覆うように、シリコン樹脂よりなる絶縁樹脂３４によってモールドされている。
【００３１】
次に、本例の積層型圧電素子１の製造方法について簡単に説明する。
まず、圧電材料となるジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）粉末を準備し、８００〜９５０℃で仮焼する。そして、仮焼粉に純水、分散剤を加えてスラリー状とし、パールミルにより湿式粉砕する。この粉砕物を乾燥、粉脱脂した後、溶剤、バインダー、可塑剤、分散剤等を加えてボールミルにより混合し、得られたスラリーを真空装置内で撹拌機により撹拌しながら真空脱泡、粘度調整をする。
【００３２】
次に、上記スラリーをドクターブレード法により、一定厚みのグリーンシートに成形する。グリーンシートの成形方法としては、本例で採用したドクターブレード法のほか、押出形成法やその他種々の方法を採用することができる。
そして、上記グリーンシートは、プレス機で打ち抜くか、切断機により切断し、四角形状に成形した（図４参照）。なお、得ようとする積層型圧電素子の形状に応じて、グリーンシートの形状を変更することもできる。
【００３３】
次に、図４に示すごとく、四角形状に成形したグリーンシート１１０上に、Ａｇ−Ｐｄ合金を含有してなる電極材料２００をスクリーン印刷により印刷する。そして、図５に示すごとく、印刷を施したグリーンシート１１０を複数枚積層し、積層体を作製した。このとき、積層体の上下端には、印刷を施していないダミー層形成用のグリーンシート１１０を配置しておく。そして、この積層体を大気中で最高温度１１００℃、昇温降温含め３２時間の条件で焼成する。
【００３４】
これにより、図６に示すごとく、圧電層１１と側面全面に端部を露出させた内部電極２１、２２とを交互に積層してなる全面電極構造のセラミック積層体１０が得られる。セラミック積層体１０は、四角柱状を呈しており、一対の側面１０１、１０２を有する。また、セラミック積層体１０の上下端には、圧電効果を生じないダミー層１８、１９が形成されている。
【００３５】
次に、図７に示すごとく、作製したセラミック積層体１０の側面１０１に露出した第２内部電極２２の端部に沿ってレーザを照射して溝加工を行い、第１凹溝部４１を形成した。また同様に、セラミック積層体１０の側面１０２に露出した第１内部電極２１の端部に沿ってレーザを照射して溝加工を行い、第２凹溝部４２を形成した。
本例では、上記レーザとしてＣＯ2レーザを用い、ガルバノ光学スキャナーを用いて高速にスキャンさせて照射する方法を採用した。なお、この溝加工は、レーザ照射による加工に代えて、砥石による研削やショットブラスト等を利用して行うこともできる。また、グリーンシートの状態において、予め溝を形成したい部分にカーボンペースト等を印刷しておき、焼成により焼失させて溝を形成する方法もある。
【００３６】
次に、図８に示すごとく、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２内に、ディスペンサーを用いて絶縁充填材５を充填する。このとき、絶縁充填材５は、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２からあふれる程度に充填し、形成する凸面部が所望の突出高さとなるようにする。その後、真空引きすることにより、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２内に隙間なく絶縁充填材５を充填した。
なお、本例では、ディスペンサーを用いたディスペンス法により絶縁充填材５を充填したが、スクリーン印刷、メタルマスク印刷、インクジェット等により充填することもできる。
【００３７】
次に、充填した絶縁充填材５を２５０℃で２時間加熱し、絶縁充填材５を熱硬化させる。これにより、絶縁充填材５の外表面に、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から外方に突出する凸面部５１を形成した。なお、凸面部５１の突出高さＨは、絶縁充填材５の充填量を変えることによって調整することができる。
【００３８】
次に、図９に示すごとく、Ａｇ粉末６５重量％とＳｎ粉末３５重量％とを含有する金属層形成用の導電ペースト３０１を準備し、これをセラミック積層体１０の側面１０１、１０２上に塗布した。その後、３００℃、５ＭＰａ加圧の状態で４時間保持し、導電ペースト３０１を熱硬化させる。これにより、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２上に金属層３１１、３２１を形成した。
【００３９】
次に、図１０に示すごとく、Ａｇフィラーを７０重量％添加したエポキシ樹脂よりなる接着層形成用の導電性接着剤３０２を金属層３１１、３２１上に塗布する。そして、図１１に示すごとく、ステンレス鋼製のエキスパンダメタルよりなり、厚み方向に多数のメッシュを有する取り出し電極３３を導電性接着剤３０２上に配置する。その後、導電性接着剤３０２を熱硬化させ、接着層３１２、３２２を形成すると共に取り出し電極３３を接合する。
最後に、シリコン樹脂よりなる絶縁樹脂３４をセラミック積層体１０の側面全周に塗布し、熱硬化させる。
以上により、図１の積層型圧電素子１を完成させた。
【００４０】
次に、本例の積層型圧電素子１の作用効果について説明する。
本例の積層型圧電素子１は、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２に充填された絶縁充填材５の外表面に、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２から外方に突出する凸面部５１が形成されている。これにより、従来、側面電極３１、３２の端部に集中して発生していた圧電変位時の応力を、凸面部５１の存在によって分散させることができる。
【００４１】
即ち、凸面部５１に対面する側面電極３１、３２に付与される圧電変位時の応力が、凸面部５１が存在しない場合よりも増大する。この増大した分だけ、側面電極３１、３２の端部に集中する上記応力を低減させることができる。そのため、上記応力によって側面電極３１、３２の端部にクラックが発生することを抑制できる。そしてそれ故に、積層型圧電素子１全体の耐久性や電気的な信頼性を向上させることができる。
また、圧電変位時の応力は、圧電層１１の積層数が増えるほど大きくなる。そのため、このような場合には、凸面部５１を設けた効果をより有効に発揮することができる。
【００４２】
また、本例の凸面部５１は、セラミック積層体１０の側面１０１、１０２からの突出高さＨが３０μｍである。そのため、側面電極３１、３２の端部に集中する圧電変位時の応力を凸面部５１の存在によって低減させる効果を充分に得ることができる。これにより、作動時において、側面電極３１、３２にクラックが発生するおそれを低減することができる。
【００４３】
また、絶縁充填材５としてポリイミド樹脂を用いた。そのため、絶縁充填材５によって、内部電極２１、２２と側面電極３１、３２との間の電気的な絶縁性を確実に確保することができる。さらに、絶縁充填材５は、ポリイミド樹脂を含んでいることによって耐熱性を向上させることができる。そのため、高温雰囲気下で使用される積層型圧電素子１は、耐久性及び信頼性をより一層向上させることができる。
なお、絶縁充填材５としては、ポリイミド以外にもシリコン、エポキシ、ウレタン等の樹脂やこれらの樹脂中に無機粒子を含有させたものを用いることができる。この場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
また、絶縁充填材５の弾性率は、１００ＭＰａである。そのため、凸面部５１に対面する側面電極３１、３２に付与される圧電変位時の応力を増大させる効果を充分に得ることができる。これにより、側面電極３１、３２の端部に集中する上記応力を凸面部５１の存在によって低減させる効果を充分に得ることができる。また、絶縁充填材５は、圧電層１１の変位に追従することができるため、圧電層１１にクラックが発生するおそれが低減される。
【００４５】
また、第１側面電極３１及び第２側面電極３２は、複数層積層構造を有している。上記各構造における上記セラミック積層体１０の側面１０１、１０２に接触している層、つまり、本例のおける金属層３１１、３２１の弾性率は、１０００ＭＰａである。そのため、弾性率が低いことによるクリープ現象に基づく耐久性の低下、あるいは側面電極３１、３２そのものの導電性の低下が生じるおそれがない。また、側面電極３１、３２は、圧電層１１の変位に追従することができるため、電気的な信頼性を向上させることができる。
なお、側面電極３１、３２は、単層構造とすることもできる。例えば、金属層３１１、３２１を設けず、側面電極３１、３２を接着層３１２、３２２のみで構成することもできる。この場合にも、上記と同様の効果を得ることができる。
【００４６】
また、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝幅Ｗは、７０μｍである。そのため、凹溝部４１、４２に絶縁充填材５を容易に充填することができる。
また、第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝深さＤは、１００μｍである。そのため、内部電極２１、２２と側面電極３１、３２との間の電気的な絶縁性を凹溝部４１、４２に充填された絶縁充填材５によって確実に確保することができる。
【００４７】
以上により、本例によれば、耐久性及び信頼性に優れた積層型圧電素子を提供することができる。
【００４８】
なお、凸面部５１の形状としては、本例の湾曲凸状のほか、三角形状（図１２）、四角形状（図１３）、多角形状（図１４）等の様々な形状とすることができる。
また、凹溝部４１，４２の形状としては、本例の長方形状のほか、三角形状（図１５）、台形状（図１６）、多角形状（図１７）等の様々な形状とすることができる。
【００４９】
（実施例２）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１（本発明品とする）において、圧電変位時に側面電極に付与される応力の分布をシミュレーションにて計算したものである。
比較のために、絶縁充填材の外表面に凸面部が形成されておらず、絶縁充填材の外表面がセラミック積層体の側面に沿って形成されている比較品の積層型圧電素子を準備し、同様に計算した。
【００５０】
圧電変位時に側面電極に付与される応力は、ＦＥＭ解析により求めた。ＦＥＭ解析では、圧電変位に相当する熱膨張を積層型圧電素子に発生させ、その際に側面電極に生じる応力を計算した。
本発明品の計算結果を図１８に、比較品の計算結果を図１９に示す。これらの図は、横軸に応力値を、縦軸に側面電極の位置をとったものである。この応力値は、比較品における側面電極の端部に発生する応力を１．０としたものである。また、応力値が０．０１未満のものは、ほぼ０とみなすことができるため、図中では応力値０としてプロットした。
【００５１】
図１９から知られるように、凸面部５１が形成されていない比較品の積層型圧電素子９１は、側面電極３１（３２）の端部に応力が集中して発生している。これに対して、図１８から知られるように、本発明品の積層型圧電素子１は、凸面部５１に対面する側面電極３１（３２）に付与される応力は増大し、側面電極３１（３２）の端部に発生する応力は比較品の約半分となっている。即ち、側面電極３１（３２）の端部に集中する応力を凸面部５１の存在によって低減させている。これにより、本発明品の積層型圧電素子１は、側面電極３１、３２にクラックが発生することを抑制でき、耐久性や電気的な信頼性を向上させることができる。
【００５２】
（実施例３）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１において、内部電極と側面電極との間の導通抵抗を測定し、両者の間の電気的な信頼性を評価した。
本例の積層型圧電素子（本発明品とする）は、側面電極が単層構造を有しており、接着層のみで構成されている実施例１の図３に示した積層型圧電素子１と同様のものを用いた。
また、比較のために、絶縁充填材の外表面に凸面部が形成されておらず、絶縁充填材の外表面がセラミック積層体の側面に沿って形成されている比較品の積層型圧電素子を準備し、同様に評価した。
【００５３】
なお、本発明品としては、凸面部の突出高さＨが異なる３種類のものを準備した。本発明品１はＨ＝６０±２０μｍ、本発明品２はＨ＝１０±５μｍ、本発明品３はＨ＝３０±１０μｍである。
また、内部電極には、Ａｇ−Ｐｄ合金を含有したものを用い、側面電極には、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させたものを用いた。側面電極の厚みは、１００μｍである。また、絶縁充填材には、ポリイミド樹脂を用いた。
【００５４】
導通抵抗の測定は、デジタルマルチメーターを用い、第１側面電極又は第２側面電極のいずれかを上記デジタルマルチメーターの＋または−いずれかの端子に接続し、もう一方の端子を、上記の＋または−いずれかの端子に接続した側面電極と接合されている内部電極と接続して行った。
測定結果を図２０に示す。この図は、横軸に作動回数（回）を、縦軸に抵抗値（Ω）をとったものである。ここで、作動回数におけるＴは、電圧１５０Ｖのサイン波で積層型圧電素子を連続作動させた場合の規定された回数を示している。また、図中において、本発明品１はＥ１１、本発明品２はＥ１２、本発明品３はＥ１３、比較品はＣ１で表した。
【００５５】
これらの図から知られるように、凸面部が形成されていない比較品（Ｃ１）は、作動回数がＴ（回）を超えたところで急激に抵抗値が上昇している。これに対して、本発明品１〜３（Ｅ１〜３）は、１０Ｔ（回）を超えても低い抵抗値を保っており、特に本発明品３（Ｅ３）は、作動回数が１００Ｔ（回）を超えても低い抵抗値を保っている。即ち、本発明品は、比較品に比べて１０〜１００倍の作動回数に耐え得るものとなっている。これにより、本発明品は、優れた耐久性及び信頼性を有するものであることが分かる。また、凸面部の突出高さＨは、３０±１０μｍが最適であることが分かる。
【００５６】
（実施例４）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１において、各凹溝部に充填された絶縁充填材の外表面の一部に非凹面部が形成されている例である。この内容について、図２１〜図２８を用いて説明する。
本例では、図２１、図２２に示すごとく、凹溝部４１、４２に充填された絶縁充填材５の外表面の一部に、凸面部５１が形成されていない部分である非凸面部５０が設けられている。ここで、非凸面部５０とは、凹溝部４１、４２に充填された絶縁充填材５の外表面がセラミック積層体１０の側面１０１、１０２から内方に窪んで形成されている部分（図２３〜図２５）、またはセラミック積層体１０の側面１０１、１０２に沿って形成されている部分（図２６）をいう。
【００５７】
例えば、図２７、図２８のような複雑な形状の場合、セラミック積層体１０の積層方向断面において、絶縁充填材５がセラミック積層体１０の側面１０１、１０２に対して外方に突出している部分の面積Ｓと内方に窪んでいる部分の面積Ｔとを比較し、Ｓ＞Ｔであれば凸面部、Ｓ≦Ｔであれば非凸面部と判断することができる。なお、外方に突出している部分又は内方に窪んでいる部分が複数ある場合には、各部分の面積の和により面積Ｓ又は面積Ｔを求める。例えば、図２７では、Ｓ＝ｓ１＋ｓ２、Ｔ＝ｔ１となる。また、図２８では、Ｓ＝ｓ３、Ｔ＝ｔ２＋ｔ３となる。
【００５８】
この非凸面部５０は、図２２に示すごとく、各第１凹溝部４１及び各第２凹溝部４２における全長をＡ、非凸面部５０が形成されている部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａが０．３以上となるように形成してある。非凸面部５０が複数形成されている場合には、その部分の長さの和をＢとする。例えば、図２２では、Ｂ＝ｂ１＋ｂ２となる。なお、上記の全長Ａは、形成する第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の個々の長さによって決まるものである。
その他は、実施例１と同様の構成である。
【００５９】
この場合には、実施例１と同様に、側面電極の端部に集中する圧電変位時の応力を上記凸面部の存在によって低減させ、側面電極の端部にクラックが発生することを抑制する効果を充分に得ることができる。
また、上記の効果をより充分、かつ確実に得るためには、上記（Ａ−Ｂ）／Ａが０．６以上となるようにすればよい。
その他は、実施例１と同様の作用効果を有する。
【００６０】
（実施例５）
本例は、実施例４の積層型圧電素子１において、内部電極と側面電極との間の導通抵抗を測定し、両者の間の電気的な信頼性を評価した。
本例の積層型圧電素子（本発明品とする）は、側面電極が単層構造を有しており、接着層のみで構成されている実施例１の図３に示した積層型圧電素子１と同様のものを用いた。
また、比較のために、絶縁充填材の外表面に凸面部が形成されておらず、絶縁充填材の外表面がセラミック積層体の側面に沿って形成されている比較品の積層型圧電素子を準備し、同様に評価した。
【００６１】
なお、本発明品としては、各第１凹溝部及び各第２凹溝部における全長をＡ、非凸面部が形成されている部分の長さをＢとした場合、（Ａ−Ｂ）／Ａの値が異なる３種類のものを準備した。本発明品１は（Ａ−Ｂ）／Ａ＝０．３、本発明品２は（Ａ−Ｂ）／Ａ＝０．７、本発明品３は（Ａ−Ｂ）／Ａ＝０．９である。
また、実施例３と同様に、内部電極には、Ａｇ−Ｐｄ合金を含有したものを用い、側面電極には、Ａｇフィラーをエポキシ樹脂中に含有させたものを用いた。側面電極の厚みは、１００μｍである。また、絶縁充填材には、ポリイミド樹脂を用いた。
また、凸面部の突出高さＨは３０±１０μｍである。
【００６２】
導通抵抗の測定は、デジタルマルチメーターを用い、実施例３と同様の手順で行った。
測定結果を図２９に示す。この図は、横軸に作動回数（回）を、縦軸に抵抗値（Ω）をとったものである。ここで、作動回数におけるＴは、実施例３と同様に、電圧１５０Ｖのサイン波で積層型圧電素子を連続作動させた場合の規定された回数を示している。また、図中において、本発明品１はＥ２１、本発明品２はＥ２２、本発明品３はＥ２３、比較品はＣ２で表した。
【００６３】
これらの図から知られるように、凸面部が形成されていない比較品（Ｃ２）は、作動回数がＴ（回）を超えたところで急激に抵抗値が上昇している。これに対して、本発明品１〜３（Ｅ１〜３）は、１０Ｔ（回）を超えても低い抵抗値を保っており、比較品に比べて１０〜１００倍の作動回数に耐え得るものとなっている。これにより、本発明品は、優れた耐久性及び信頼性を有するものであることが分かる。また、上記（Ａ−Ｂ）／Ａの値が大きくなるほど、つまり、凸面部の割合が多くなるほど、耐久性及び信頼性は優れたものとなる。
【００６４】
（実施例６）
本例は、実施例１の積層型圧電素子１をインジェクタ６の圧電アクチュエータとして用いた例である。
本例のインジェクタ６は、図３０に示すごとく、ディーゼルエンジンのコモンレール噴射システムに適用したものである。
このインジェクタ６は、同図に示すごとく、駆動部としての上記積層型圧電素子１が収容される上部ハウジング６２と、その下端に固定され、内部に噴射ノズル部６４が形成される下部ハウジング６３を有している。
【００６５】
上部ハウジング６２は略円柱状で、中心軸に対し偏心する縦穴６２１内に、積層型圧電素子１が挿通固定されている。縦穴６２１の側方には、高圧燃料通路６２２が平行に設けられ、その上端部は、上部ハウジング６２上側部に突出する燃料導入管６２３内を経て外部のコモンレール（図略）に連通している。
【００６６】
上部ハウジング６２上側部には、また、ドレーン通路６２４に連通する燃料導出管６２５が突設し、燃料導出管６２５から流出する燃料は、燃料タンク（図略）へ戻される。ドレーン通路６２４は、縦穴６２１と駆動部（圧電素子）１との間の隙間６０を経由し、さらに、この隙間６０から上下ハウジング６２、６３内を下方に延びる図示しない通路によって後述する三方弁６５１に連通している。
【００６７】
噴射ノズル部６４は、ピストンボデー６３１内を上下方向に摺動するノズルニードル６４１と、ノズルニードル６４１によって開閉されて燃料溜まり６４２から供給される高圧燃料をエンジンの各気筒に噴射する噴孔６４３を備えている。燃料溜まり６４２は、ノズルニードル６４１の中間部周りに設けられ、上記高圧燃料通路６２２の下端部がここに開口している。ノズルニードル６４１は、燃料溜まり６４２から開弁方向の燃料圧を受けるとともに、上端面に面して設けた背圧室６４４から閉弁方向の燃料圧を受けており、背圧室６４４の圧力が降下すると、ノズルニードル６４１がリフトして、噴孔６４３が開放され、燃料噴射がなされる。
【００６８】
背圧室６４４の圧力は三方弁６５１によって増減される。三方弁６５１は、背圧室６４４と高圧燃料通路６２２、またはドレーン通路６２４と選択的に連通させる構成である。ここでは、高圧燃料通路６２２またはドレーン通路６２４へ連通するポートを開閉するボール状の弁体を有している。この弁体は、上記駆動部１により、その下方に配設される大径ピストン６５２、油圧室６５３、小径ピストン６５４を介して、駆動される。
【００６９】
そして、本例においては、上記構成のインジェクタ６における駆動源として、実施例１で示した上記積層型圧電素子１を用いている。この積層型圧電素子１は、上記のごとく、内部電極２１、２２と側面電極３１、３２との間の絶縁構造の信頼性が高く、非常に耐久性に優れたものである。そのため、高温雰囲気下という過酷な状態で使用されるインジェクタ６においても、作動時のクラックの発生を抑制し、耐久性を向上させることができる。そして、インジェクタ６全体の性能向上及び信頼性向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】実施例１における、積層型圧電素子の構造を示す説明図。
【図２】実施例１における、絶縁充填材の凸面部の周辺構造を示す説明図。
【図３】実施例１における、その他の積層型圧電素子の構造を示す説明図。
【図４】実施例１における、グリーンシート上に電極材料を印刷する工程を示す説明図。
【図５】実施例１における、グリーンシートを積層する工程を示す説明図。
【図６】実施例１における、セラミック積層体を示す説明図。
【図７】実施例１における、第１凹溝部及び第２凹溝部を形成したセラミック積層体を示す説明図。
【図８】実施例１における、第１凹溝部及び第２凹溝部に絶縁充填材を充填したセラミック積層体を示す説明図。
【図９】実施例１における、導電ペーストを塗布する工程を示す説明図。
【図１０】実施例１における、導電性接着剤を塗布する工程を示す説明図。
【図１１】実施例１における、取り出し電極を配置する工程を示す説明図。
【図１２】実施例１における、その他の凸面部の形状を示す説明図。
【図１３】実施例１における、その他の凸面部の形状を示す説明図。
【図１４】実施例１における、その他の凸面部の形状を示す説明図。
【図１５】実施例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。
【図１６】実施例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。
【図１７】実施例１における、その他の凹溝部の形状を示す説明図。
【図１８】実施例２の本発明品における、圧電変位発生時に側面電極に及ぼされる応力の分布を示した説明図。
【図１９】実施例２の比較品における、圧電変位発生時に側面電極に及ぼされる応力の分布を示した説明図。
【図２０】実施例３における、作動回数と抵抗値との関係を示す説明図。
【図２１】実施例４における、セラミック積層体の構造を示す説明図。
【図２２】実施例４における、セラミック積層体の側面の構造を示す説明図。
【図２３】実施例４における、絶縁充填材の非凸面部を示す説明図。
【図２４】実施例４における、絶縁充填材の非凸面部を示す説明図。
【図２５】実施例４における、絶縁充填材の非凸面部を示す説明図。
【図２６】実施例４における、絶縁充填材の非凸面部を示す説明図。
【図２７】実施例４における、絶縁充填材の凸面部又は非凸面部の判断方法を示す説明図。
【図２８】実施例４における、絶縁充填材の凸面部又は非凸面部の判断方法を示す説明図。
【図２９】実施例５における、作動回数と抵抗値との関係を示す説明図。
【図３０】実施例６における、インジェクタの構造を示す説明図。
【符号の説明】
【００７１】
１  積層型圧電素子
１０  セラミック積層体
１０１、１０２  側面
１１  圧電層
２１  第１内部電極（内部電極）
２２  第２内部電極（内部電極）
３１  第１側面電極（側面電極）
３２  第２側面電極（側面電極）
４１  第１凹溝部（凹溝部）
４２  第２凹溝部（凹溝部）
４１０、４２０  底部
５  絶縁充填材
５１  凸面部
【図１】
2006310410.tif 000003
【図２】
2006310410.tif 000004
【図３】
2006310410.tif 000005
【図４】
2006310410.tif 000006
【図５】
2006310410.tif 000007
【図６】
2006310410.tif 000008
【図７】
2006310410.tif 000009
【図８】
2006310410.tif 000010
【図９】
2006310410.tif 000011
【図１０】
2006310410.tif 000012
【図１１】
2006310410.tif 000013
【図１２】
2006310410.tif 000014
【図１３】
2006310410.tif 000015
【図１４】
2006310410.tif 000016
【図１５】
2006310410.tif 000017
【図１６】
2006310410.tif 000018
【図１７】
2006310410.tif 000019
【図１８】
2006310410.tif 000020
【図１９】
2006310410.tif 000021
【図２０】
2006310410.tif 000022
【図２１】
2006310410.tif 000023
【図２２】
2006310410.tif 000024
【図２３】
2006310410.tif 000025
【図２４】
2006310410.tif 000026
【図２５】
2006310410.tif 000027
【図２６】
2006310410.tif 000028
【図２７】
2006310410.tif 000029
【図２８】
2006310410.tif 000030
【図２９】
2006310410.tif 000031
【図３０】
2006310410.tif 000032