(57)【要約】【課題】内部電極層と側面電極との間の絶縁構造の信頼性を高めた積層型圧電体素子を提供すること。【解決手段】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２１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。絶縁充填材５は，電気絶縁性を有する絶縁樹脂５０と，絶縁樹脂５０中に含有された無機材料よりなる無機粒子５１とよりなる。【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内部電極層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，上記内部電極層としては，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体素子において，
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，
かつ，上記絶縁充填材は，電気絶縁性を有する絶縁樹脂と，該絶縁樹脂中に含有された無機材料よりなる無機粒子とよりなることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項２】
請求項１において，上記無機粒子は，アルミナ，シリカ，窒化珪素，もしくは窒化硼素よりなることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項３】
請求項１又は２において，上記絶縁充填材中の上記無機粒子の含有率は，１０〜７０重量％であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項４】
請求項１又は２において，上記絶縁充填材中の上記無機粒子の含有率は，３０〜６０重量％であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項において，上記無機粒子の平均粒径は０．１〜３０μｍであることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項において，上記無機粒子の平均粒径は１〜１０μｍであることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項において，上記絶縁充填材は，その線膨張係数が１０〜２００ｐｐｍ／℃であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項において，上記絶縁充填材は，その線膨張係数が１０〜１００ｐｐｍ／℃であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項において，上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の側壁面と上記セラミック積層体の側面とがなす角度は鈍角であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項において，上記第１側面電極及び上記第２側面電極は，樹脂材料中に導電性材料を含有させてなる導電性樹脂層より構成されており，上記樹脂材料は，上記絶縁樹脂と略同一組成を有していることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項において，上記内部電極層は，主成分として銅を含有していることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項において，上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部は，その溝深さが５０μｍ未満であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項において，上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部は，その溝深さが１０μｍ以上５０μｍ未満であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項において，上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部は，上記圧電層の積層方向の寸法である溝幅が，上記圧電層の厚みをＬとした場合に０．１Ｌ〜１．８Ｌの範囲内にあることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項において，上記絶縁充填材中の上記無機粒子の体積含有率は，３〜４５ｖｏｌ％であることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１項において，上記圧電層は，Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3系のペロブスカイト構造の酸化物であるジルコン酸チタン酸鉛よりなることを特徴とする積層型圧電体素子。
【請求項１７】
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１〜１６のいずれか１項に記載の積層型圧電体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，圧電アクチュエータ等に適用可能な積層型圧電体素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
積層型圧電体素子における内部電極層が隣接する圧電層の全面を覆う構造である全面電極構造は，内部電極層が圧電層を覆わない部分を残す構造である部分電極構造の場合よりも，変位が得られやすく，かつ内部電極層の端部に応力が集中しにくい。そのため，全面電極構造を採用することにより，部分電極構造の場合よりも，高変位特性を有し，かつ信頼性の高い積層型圧電体素子を得ることができる。
【０００３】
一方，全面電極構造の場合には，積層型圧電体素子の側面全面に内部電極層の端部を露出させる。そして，一対の側面電極のうち一方の側面電極とは電気的に導通するよう接触させ，他方の側面電極とは電気的に絶縁状態を保つ必要がある。ところで，積層型圧電体素子が変位を繰り返すことにより，上記の側面電極と内部電極層との間の絶縁部分には大きな応力が加えられる。そのため，内部電極層と側面電極との間の絶縁性を高めるための構造上の工夫が必要である。従来においては，全面電極構造である積層型圧電体素子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）。
【０００４】
【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２００２−１１１０８８号公報
【特許文献４】特開２００１−２４４５１３号公報
【特許文献５】特開２００１−７７４３６号公報
【０００５】
しかしながら，上記従来の絶縁構造では上記溝に充填する絶縁樹脂と圧電材料との線膨張係数差が大きく，冷熱サイクル等の信頼性試験において，絶縁樹脂と圧電層との界面の剥離もしくは絶縁樹脂内クラックが比較的早期に発生する。このクラック等が，内部電極層同士の間や，内部電極層と絶縁すべき側面電極との間において短絡を引き起こす。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，内部電極層と側面電極との間の絶縁構造の信頼性を高めた積層型圧電体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】
【０００７】
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内部電極層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，上記内部電極層としては，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体素子において，
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，
かつ，上記絶縁充填材は，電気絶縁性を有する絶縁樹脂と，該絶縁樹脂中に含有された無機材料よりなる無機粒子とよりなることを特徴とする積層型圧電体素子にある（請求項１）。
【０００８】
本発明の積層型圧電体素子は，上記のごとく，上記第１凹溝部及び第２凹溝部に充填した絶縁充填材を，上記絶縁樹脂と，これに含有された上記無機粒子とにより構成してある。これにより，上記絶縁充填材による絶縁構造の信頼性を従来よりも格段に高めることができる。
【０００９】
即ち，上記絶縁樹脂は上記セラミック積層体を構成する圧電材料に比べて格段に線膨張係数が高い。したがって，この絶縁樹脂のみにより上記絶縁充填材を構成した場合には，従来と同様に，冷熱サイクルを繰り返す際に圧電材料と絶縁樹脂との間に熱応力が生じ，上述したクラック等の不具合を生じるおそれがある。
これに対し，本発明では，上記のごとく絶縁樹脂中に，無機粒子を充填してある。この無機粒子は絶縁樹脂に比べて線膨張係数が小さいので，これを含有してある絶縁充填材全体の線膨張係数は，絶縁樹脂のみにより構成する場合に比べて格段に小さくなる。
【００１０】
そのため，上記積層型圧電体素子に冷熱サイクルを繰り返して付与しても，上記第１凹溝部及び第２凹溝部内に充填された絶縁充填材が健全な状態に維持され，クラックや隙間の発生が抑制される。
これにより，上記積層型圧電体素子は，従来よりも，内部電極層と側面電極との間の絶縁構造の信頼性を高めたものとなる。
【００１１】
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，請求項１〜１６のいずれか１項に記載の積層型圧電体素子よりなることを特徴とするインジェクタにある（請求項１７）。
【００１２】
上記インジェクタは，上記の優れた積層型圧電体素子よりなる圧電アクチュエータを用いている。この圧電アクチュエータは，上記のごとく，内部電極層と側面電極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においても，作動時のクラックの発生を抑制することができ，耐久性を向上させることができ，インジェクタ全体の性能向上及び信頼性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】
【００１３】
本発明において，上記無機粒子は，アルミナ，シリカ，窒化珪素，もしくは窒化硼素よりなることが好ましい（請求項２）。
上記無機粒子としては，電気絶縁性を有し，かつ，線膨張係数が低い無機材料よりなる粒子であれば，公知の様々な粒子を適用することができる。特に，上記アルミナ，シリカ，窒化珪素，もしくは窒化硼素は，線膨張係数が絶縁樹脂に比べて格段に小さく，上記無機粒子として好適である。
【００１４】
また，上記絶縁充填材を構成する絶縁樹脂としては，例えば，シリコーン樹脂，ウレタン樹脂，ポリイミドアミド樹脂，ポリイミド樹脂，エポキシ樹脂等を適用可能である。これらの樹脂は，その線膨張係数がおよそ２００〜３００ｐｐｍ／℃と非常に大きい。これに対して，セラミック積層体を構成する圧電層の線膨張係数は０．５〜５ｐｐｍ／℃程度であって，非常に小さい。そして，上述した無機粒子の線膨張係数はこの圧電層の線膨張係数に近い。そのため，これを上記絶縁樹脂中に含有させることによって，後述するごとく上記絶縁充填材の線膨張係数をおよそ１０〜２００ｐｐｍ／℃に低減することも可能となる。
【００１５】
また，上記絶縁充填材中の上記無機粒子の含有率は，１０〜７０重量％であることが好ましく，望ましくは３０〜６０重量％であることが好ましい（請求項３，４）。上記無機粒子の含有率が１０重量％未満の場合には，上記絶縁充填材の線膨張係数を低減する効果が十分に得られないおそれがあり，より好ましくは３０重量％以上がよい。一方，無機粒子の含有率が７０重量％を超える場合には，絶縁樹脂の割合が少なくなりすぎて絶縁充填材全体の強度が低下してしまうという問題があり，より好ましくは６０重量％以下がよい。
【００１６】
また，上記無機粒子の平均粒径は０．１〜３０μｍであることが好ましく，望ましくは，１〜１０μｍであることが好ましい（請求項５，６）。上記無機粒子の平均粒径が０．１μｍ未満の場合には，無機粒子の凝集，絶縁樹脂の粘度上昇による作業性の低下などの不具合が生じやすいという問題があり，より好ましくは１μｍ以上がよい。また，上記無機粒子の平均粒径が３０μｍを超えると，絶縁樹脂中における無機粒子の分布状態が均一にならず，絶縁充填材の線膨張係数が均一な状態で得られないという問題があり，また，１０μｍを超えると無機粒子の沈降がはじまる傾向があり，均一分散しにくいという問題もある。
【００１７】
また，上記絶縁充填材は，その線膨張係数が１０〜２００ｐｐｍ／℃であることが好ましく，望ましくは１０〜１００ｐｐｍ／℃であることが好ましい（請求項７，８）。上記絶縁充填材全体の線膨張係数は，含有させる無機粒子の特性，量等によって調整することができる。そして，上記のごとく絶縁充填材の線膨張係数は，１０〜２００ｐｐｍ／℃の範囲に調整することが好ましい。これにより，上記絶縁充填材を用いた絶縁構造の耐久性を大きく向上させることができ，より信頼性の高い積層型圧電体素子を得ることができる。また，上記絶縁充填材の線膨張係数低減による応力低減効果をより高めるには，１００ｐｐｍ／℃以下とすることがより好ましい。
【００１８】
また，上記第１凹溝部及び上記第２凹溝部の側壁面と上記セラミック積層体の側面とがなす角度は鈍角であることが好ましい（請求項９）。この場合には，セラミック積層体の側面に応力がかかっても，上記第１凹溝部及び第２凹溝部の側壁面及びセラミック積層体の側面とがなす角部に応力が集中しにくく，クラック等の発生を防止することができる。
【００１９】
また，上記第１側面電極及び上記第２側面電極は，電気絶縁性を有する樹脂材料中に導電性材料を含有させてなる導電性樹脂層より構成されており，上記樹脂材料は，上記絶縁樹脂と略同一組成を有していることが好ましい（請求項１０）。この場合には，上記第１側面電極と第２側面電極を構成する上記樹脂材料と，上記絶縁充填材を構成する絶縁樹脂とが略同一組成であるので，両者の密着性の向上ひいては両者の接合強度の向上を図ることができる。
【００２０】
また，上記第１側面電極及び第２側面電極としての導電性樹脂層の構成と，上記絶縁充填材の構成とが，上記略同一組成よりなる樹脂中に導電性材料又は上記無機粒子を含有させた構成であって，ほぼ同様の構成を有している。さらに，上記導電性材料としては，例えば銀，銅，Ｎｉ等の線膨張係数の低い金属粒子を適用することができる。そのため，上記導電性樹脂層の線膨張係数は，上記樹脂材料そのものの線膨張係数よりも十分に小さい値となり，上記絶縁充填材の線膨張係数との差を小さくすることができる。これによって，上記導電性樹脂層と絶縁充填材との接合安定性をより高めることができる。
【００２１】
また，上記内部電極層は，その主成分として銅を含有していることが好ましい（請求項１１）。
上記内部電極層としては，その導電性を発揮する材料として，一般的に用いられる銀又は銀−パラジウム合金を用いることもできるが，上記のごとく銅を用いることがより好ましい。銀が含まれる内部電極材では，湿気雰囲気でマイグレーションが発生しやすい。この対策として，パラヂウムの量を増やすことと，上記第１凹溝部及び第２凹溝部の溝深さを深くすることが考えられるが，どちらも問題がある。パラヂウムは非常に高価のため，その増量はコストアップとなってしまう。溝深さを深くした場合，圧電層に正負の電圧を加える有効電極面積が減少し，結果として良好な変位が得られないという問題が発生する。
【００２２】
これに対し，値段の安い銅にて内層電極を形成すれば，銀よりもマイグレーションしにくいので，溝深さを浅くすることができ，良好な変位と低コストを両立させることができる。マイグレーションを防止するだけならば，他の金属も考えられるが，その場合，導電性が問題となる。
【００２３】
さらに，線膨張係数は，銀が１９ｐｐｍ／℃であるのに対し，銅は１７ｐｐｍ／℃と小さいので，銅を用いた方が内部電極層の線膨張係数を圧電層に近づけることができる。これにより，積層型圧電体素子の信頼性をさらに高めることができる。なお，銀−パラジウム合金の場合の線膨張係数も銀に近く，銀−パラジウム合金と比べても銅の方が有利である。
【００２４】
なお，上記銅を含有する内部電極層を形成するには，例えば，上記圧電層の表面に銅メッキを施したり，あるいは，圧電層間に銅箔を配置する方法などを用いることができる。
【００２５】
また，上記第１凹溝部及び第２凹溝部は，その溝深さが５０μｍ未満であることが好ましく，望ましくは，１０μｍ以上５０μｍ未満であることが好ましい（請求項１２，１３）。この場合には，圧電層を覆う内部電極層の有効電極面積の減少が少なく，積層型圧電体素子の変位を十分に維持することができる。なお，上記溝深さが５０μｍ以上の場合には，変位特性が低下してくるおそれがある。一方，上記溝深さが１０μｍ未満の場合には，絶縁充填材による絶縁（耐電圧）効果が少なくなるおそれがある。
【００２６】
また，上記第１凹溝部及び第２凹溝部は，上記圧電層の積層方向の寸法である溝幅が，上記圧電層の厚みをＬとした場合に０．１Ｌ〜１．８Ｌの範囲内にあることが好ましい（請求項１４）。上記溝幅が０．１Ｌ未満の場合には，積層型圧電体素子が変位した際に上記絶縁充填材に引張応力が働き，これが溝の側壁面から剥がれるおそれがある。一方，上記溝幅が１．８Ｌを超える場合には，上記のごとく無機粒子を添加して絶縁充填材全体の線膨張係数を低下させてあっても，依然存在する圧電材料との線膨張係数の差によって，冷熱サイクルでの熱応力の影響を回避できず，クラック，剥がれ等の不具合が生じるおそれがある。
【００２７】
また，上記絶縁充填材中の上記無機粒子の体積含有率は，３〜４５ｖｏｌ％であることが好ましい（請求項１５）。上記無機粒子の体積含有率が３ｖｏｌ％未満の場合には，上記絶縁充填材の線膨張係数を低減する効果が十分に得られないおそれがある。一方，無機粒子の体積含有率が４５ｖｏｌ％を超える場合には，絶縁樹脂の割合が少なくなりすぎて絶縁充填材全体の強度が低下してしまうという問題がある。
【００２８】
また，上記圧電層は，Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3系のペロブスカイト構造の酸化物であるジルコン酸チタン酸鉛よりなることが好ましい（請求項１６）。ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）は，優れた圧電特性を有しており，上記積層型圧電体素子の特性を非常に優れたものとすることができる。
【実施例】
【００２９】
（実施例１）
本発明の実施例に係る積層型圧電体素子につき，図１〜図８を用いて説明する。
本例の積層型圧電体素子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内部電極層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，該セラミック積層体１０の側面１０１，１０２に第１側面電極３１及び第２側面電極３２が設けられ，上記内部電極層２１，２２としては，上記第１側面電極３１に導通する第１内部電極２１と，上記第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積層型圧電体素子である。
【００３０】
図１，図２に示すごとく，上記セラミック積層体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いる。そして，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。かつ，上記絶縁充填材５は，電気絶縁性を有する絶縁樹脂５０と，絶縁樹脂５０中に含有された無機材料よりなる無機粒子５１とよりなる。
【００３１】
以下，上記積層型圧電体素子１につきさらに詳説する。
上記積層型圧電体素子１は，図１，図５，図８に示すごとく，印加電圧に応じて伸縮する圧電層１１と印加電圧供給用の内部電極層（第１内部電極，第２内部電極）２１，２２とを交互に積層構成した八角柱形状のセラミック積層体１０を有している。そして，その側面のうち一対の側面１０１，１０２には，上記第１側面電極３１，第２側面電極３２をそれぞれ設け，さらにこれらには外部電極接続用のリード線７が接続されている。なお，本例では，セラミック積層体１０の積層方向の上端と下端には，内部電極層２１，２２よって挟まれていない，いわゆるダミー層１８，１９を設けてある。積層体形状は，上記以外にも円柱，３角形，４角柱等でもいい。又，外部電極は向き合っている必要はない。更に，リード線は積層体上部のみでなく，下部まであってもいい。
【００３２】
第１内部電極２１は，図１，図２，図８に示すごとく，側面１０１にその端部を露出させ，直接第１側面電極３１に接触している。一方，第１内部電極２１は，側面１０１に対向する側面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に充填した絶縁充填材５によって覆われている。そして，この絶縁充填材５の外方に上記第２側面電極３２が配設されている。
【００３３】
同様に，第２内部電極２２は，側面１０２にその端部を露出させ，直接第２側面電極３２に接触している。一方，第２内部電極２２は，側面１０２に対向する側面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に充填した絶縁充填材５によって覆われている。そして，この絶縁充填材５の外方に上記第１側面電極３１が配設されている。
【００３４】
また，各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２は，図２，図８に示すごとく，その底部４１０，４２０の位置が側面１０１，１０２に略平行となるよう設けられ，その溝深さＤ（図２）は約４０μｍである。また，各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝幅Ｗ（図２）は約６０μｍとし，圧電層１１の厚みＬの７５％の厚みとした。
【００３５】
また，図２に示すごとく，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の側壁面４１５，４２５とセラミック積層体１０の側面１０１，１０２とがなす角度αは鈍角，具体的には１１０°に設定した。そして，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の断面形状は，同図に示すごとく底部４１０，４２０を上底とする略台形の形状とした。
【００３６】
そして，各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２には，上記のごとく，電気絶縁性を有する絶縁樹脂５０と，絶縁樹脂５０中に含有された無機材料よりなる無機粒子５１とよりなる絶縁充填材５を充填している。本例では，上記絶縁樹脂５０としてエポキシ樹脂を用い，上記無機粒子５１として平均粒径５μｍのアルミナ粒子を用いた。絶縁充填材５（絶縁樹脂５０＋無機粒子５１）中の無機粒子５１の含有割合は，６０重量％に調整してある。
【００３７】
また，上記第１側面電極３１及び第２側面電極３２は，電気絶縁性を有する樹脂材料中に導電性材料を含有させてなる導電性樹脂層より構成した。本例では，上記樹脂材料として上記絶縁樹脂５０と同一組成のエポキシ樹脂を用い，上記導電性材料として銀フィラーを７０重量％の割合で用いた。
【００３８】
次に，上記構成の積層型圧電体素子１の製造方法につき簡単に説明する。
まず，圧電材料となるセラミックグリーンシートを焼成して上記圧電層１１を得る圧電層焼成工程を行う。
本例では，上記圧電層１１としてＰＺＴを採用すべく，次のようにグリーンシートを作製した。まず，圧電材料の主原料となる酸化鉛，酸化ジルコニウム，酸化チタン，酸化ニオブ，炭酸ストロンチウム等の粉末を所望の組成となるように秤量する。また，鉛の蒸発を考慮して，上記混合比組成の化学量論比よりも１〜２％リッチになるように調合する。これを混合機にて乾式混合し，その後８００〜９５０℃で仮焼する。
【００３９】
次いで，仮焼粉に純水，分散剤を加えてスラリーとし，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する。その後，この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。
【００４０】
次いで，スラリーをドクターブレード装置により一定厚みのグリーンシートに成形する。
回収した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，７ｍｍ角の四角形に成形した。なお，得ようとする積層型圧電体素子の形状に応じて，四角形，楕円形，樽型などに成形することも勿論可能である。
【００４１】
次に，このグリーンシートを脱脂処理した後に，焼成して圧電層１１を得る。脱脂処理は，グリーンシートを電気炉により４００〜７００℃の温度に所定時間保持することにより行った。また，焼成処理は，グリーンシートを９００〜１２００℃の温度に所定時間保持して行った。このようにして，本例では厚みが８０μｍであり，主にＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3系のペロブスカイト構造の酸化物であるＰＺＴよりなる，焼成済みの圧電層１１を予め得た。
【００４２】
次に，図３に示すごとく，得られた圧電層１１と，Ｃｕを含有する電極材料２０とを交互に積層してなる積層体を作製する積層体作製工程を行った。
本例では，上記電極材料２０として，純度９９．９％のＣｕよりなり，厚み５μｍの銅箔を用いた。また，銅箔の形状は，図３に示すごとく，７ｍｍ角の四角形とし，圧電層１１と同じにした。そして，圧電層１１と電極材料２０とを交互に積層し，圧電層１１の積層数が２５０層となるように積層体を作製した。また，この積層体の積層方向の上下端には，それぞれダミー層となる圧電層１１を配置した。
【００４３】
次に，上記積層体にその積層方向から約３ＭＰａの荷重を加えた状態で炉内に配置し，その炉内雰囲気を１×１０-2Ｐａの真空度まで真空引きした後，炉内の圧力が１０Ｐａに維持されるよう不活性ガスとしてのＮ2ガスを炉内に導入した。そして，温度９６０℃に１０分間保持することにより，上記電極材料２０よりなる内部電極層２１，２２と圧電層１１とを接合する加熱接合工程を実施した。
【００４４】
これにより，図４に示すごとく，４つの側面１０１〜１０４を有し，これらの側面全面に端部を露出させた内部電極層２１，２２を有する略四角柱形状のセラミック積層体１０が得られる。
次に，図５に示すごとく，上記四角柱形状の角部を平面研削し，新たに４つの側面１０５〜１０８を設け，略八角柱形状のセラミック積層体１０を成形する。
【００４５】
次に，図６に示すごとく，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，これを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。
【００４６】
形成した第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の断面形状は，上述したごとく，溝深さ約４０μｍ，溝幅６０μｍとした。
次に，図７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を塗布し，真空引きして，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の内面との隙間がないように充填した。これ以外の塗布方法としては，スクリーン印刷，メタルマスク印刷等も可能である。上記絶縁充填材５としては，上記のごとく，エポキシ樹脂をベースとしてアルミナフィラーを６０ｗｔ％添加したものを用いた。
【００４７】
次に，絶縁充填材５に対し，温度１８０℃に６０分間保持する加熱処理を加え，絶縁樹脂５１を熱硬化させた。各第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２からあふれた絶縁充填材５は平面研削によって削ぎ落とした。
次に，銀フィラーを７０ｗｔ％添加したエポキシ樹脂よりなる導電性樹脂層（第１側面電極３１，第２側面電極３２）をメタルマスク法にて印刷し，温度１５０℃に３０分保持して熱硬化させた。これにより，側面１０１においては第１側面電極３１と全ての第１内部電極２１との間の電気的導通を確保し，側面１０２においては第２側面電極３２と全ての第２内部電極２２との間の電気的導通を確保した。
【００４８】
さらに，第１側面電極３１及び第２側面電極３２と，リード線７とを銀フィラー添加のエポキシ樹脂を用いて接合した。これにより，図１に示すごとき積層型圧電体素子１が得られた。
【００４９】
次に，本例の積層型圧電体素子１における作用効果につき説明する。
本例の積層型圧電体素子１は，上記のごとく，第１凹溝部４１及び第２凹溝部に充填した絶縁充填材５を，絶縁樹脂５０と，これに含有された無機粒子５１とより構成してある。これにより，絶縁充填材５全体の線膨張係数は，絶縁樹脂５０のみにより構成する場合に比べて格段に小さい。そして，圧電層１１の線膨張係数との差が従来よりも大幅に小さくする。
【００５０】
そのため，積層型圧電体素子１に冷熱サイクルを繰り返して付与しても，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２内に充填された絶縁充填材５が健全な状態に維持され，クラックや隙間の発生が抑制される。これにより，上記積層型圧電体素子１は，従来よりも，内部電極層２１，２２と側面電極３１，３２との間の絶縁構造の信頼性を高めたものとなる。
【００５１】
さらに，本例では，上記のごとく，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の側壁面とセラミック積層体１０の側面１０１，１０２とがなす角度α（図２）が鈍角である。そのため，変位を生じさせた際にセラミック積層体１０の側面１０１，１０２に応力がかかっても，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の側壁面及びセラミック積層体１０の側面１０１，１０２とがなす角部に応力が集中しにくく，クラック等の発生を防止することができる。
【００５２】
また，第１側面電極３１及び第２側面電極３２としては，上記のごとく，銀フィラーを７０ｗｔ％添加したエポキシ樹脂よりなる導電性樹脂層を用い，その樹脂材料を絶縁充填材５の絶縁樹脂５０と同一組成とした。これによって，第１側面電極３１及び第２側面電極３２と絶縁充填材５との接合状態を強固なものとすることができる。
【００５３】
また，この第１側面電極３１及び第２側面電極３２の線膨張係数は，上記銀フィラーの存在によっておよそ１００ｐｐｍ／℃となるが，上記絶縁充填材５の線膨張係数も２０〜２００ｐｐｍ／℃の範囲になり，両者の線膨張係数が近い。これによって，さらに，両者の接合安定性をより高めることができる。
【００５４】
また，本例の内部電極層２１，２２は，導電性材料として銅を用いている。そのため，内部電極層として一般的に用いられる銀又は銀−パラジウム合金を用いる場合と比べて，マイグレーションの発生を抑制することが可能となる。そしてそれ故，上記のごとく第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝深さを５０μｍ未満の４０μｍに設定することができ，良好な変位特性を確保することができる。
【００５５】
さらに，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の溝幅Ｗを上記のごとく，圧電層１１の厚みＬの７５％に設定してあるので，積層型圧電体素子１が変位しても，過大な引張応力等が作用することを避けることができ，冷熱サイクルでの熱応力の影響をより小さくし，クラック，剥がれ等の不具合の抑制効果を高めることができる。
【００５６】
なお，本例では，特に内部電極層２１，２２として銅を採用したが，一般的に使用されている銀又は銀−パラジウム合金を含む内部電極層であっても，上記絶縁充填材５による作用効果が得られることはもちろんである。
【００５７】
また，本例では，上記のごとく，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の断面形状を台形としたが，これを従来と同様に長方形とすることも可能である。ただし，図９〜図１１に示すごとく，第１凹溝部４１及び第２凹溝部４２の側壁面４１５，４２５とセラミック積層体１０の側面１０１，１０２とがなす角度が鈍角となるように設定することが好ましい。図９は，断面形状を略三角形とした例であり，図１０，図１１は，略多角形であると共に左右非対称とした例である。
【００５８】
（実施例２）
本例では，実施例１の積層型圧電体素子（試料Ｅ１とする）を含む複数の積層型圧電体素子を準備し，これらの耐久性等を比較する試験を行った。
上記試料Ｅ１のほかに準備した積層型圧電体素子は，表１に示すごとく，２種類の本発明品（試料Ｅ１及び試料Ｅ２）と１種類の従来品（試料Ｃ１）である。
【００５９】
試料Ｅ２は，試料Ｅ１における絶縁充填材を構成する絶縁樹脂をシリコーン樹脂に変更したこと以外は試料Ｅ１と同じ積層型圧電体素子である。
試料Ｅ３は，試料Ｅ１における第１凹溝部及び第２凹溝部の溝深さを４０μｍから１００μｍに増やしたこと以外は試料Ｅ１と同じ積層型圧電体素子である。
【００６０】
試料Ｃ１は，図１２に示すごとく，第１凹溝部９４１及び第２凹溝部９４２の断面形状を長方形にすると共にその溝深さを１００μｍとした点，及び絶縁充填材９５として無機粒子を含有していない絶縁樹脂のみよりなるものを採用した点が試料Ｅ１と相違する従来の積層型圧電体素子９である。
【００６１】
【表１】
2004297041.tif 000003
【００６２】
上記４種類の試料に対し，その変位特性を測定する試験を行った。試験条件は，駆動電圧１５０Ｖ，付与する荷重は０（荷重フリー）という条件とした。
試験結果を上記表１に示す。表１より知られるごとく，凹溝部（第１凹溝部及び第２凹溝部）の溝深さが４０μｍの試料Ｅ１及びＥ２は，溝深さが１００μｍの試料Ｅ３及びＣ１に比べて変位量が１０％程度大きい結果となった。
【００６３】
次に，冷熱サイクル試験は，４０⇔１２５℃，各６０分という条件で行った。そして，各試料が破壊するまでの駆動回数を求めると共に，破壊した部位を観察した。その結果を上記表１に示す。表１より知られるごとく，寿命は，明らかに本発明品である試料Ｅ１〜Ｅ３が従来品である試料Ｃ１を大きく上回った。
【００６４】
また，破壊部位の相違から絶縁樹脂としてシリコーン樹脂を用いた試料Ｅ２は，樹脂の種類が異なる側面電極と絶縁充填材との間で最終的に剥離が見られ，試料Ｅ１，Ｅ３の場合には，最終的にはＰＺＴ（圧電材料）と絶縁充填材との間で剥離が見られる傾向があることがわかった。
【００６５】
（実施例３）
本例は，実施例１の積層型圧電体素子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１３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体素子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。
【００６６】
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，積層型圧電体素子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。
【００６７】
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（圧電体素子）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３方弁６５１に連通してしる。
【００６８】
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。
【００６９】
背圧室６４４の圧力は３方弁６５１によって増減される。３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。
【００７０】
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体素子１を用いている。この積層型圧電体素子１は，上記のごとく，内部電極層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することができ，耐久性を向上させることができ，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。
【００７１】
（実施例４）
本例では，絶縁充填材を構成する絶縁樹脂及びこれに含有された無機粒子の組み合わせの種類を変えて，その線膨張係数と引張強さを測定した例を示す。
まず，図１４には，シリコーン樹脂（付加型ジメチルポリシロキサン）に平均粒径５μｍの球状のアルミナ粒子を添加した構成よりなる絶縁充填材の場合の線膨張係数と引張強さの特性を示す。
線膨張係数は，上記構成の絶縁充填材を加熱硬化させたものを短冊状に切り出して，ＴＭＡ（熱機械分析装置）により測定した。
引張強さも同様に，上記絶縁充填材を加熱硬化させたものを短冊状に切り出してオートグラフで測定した。
【００７２】
図１４は，横軸に無機粒子の添加量を重量％（ｗｔ％）と体積％（ｖｏｌ％）の両方で示し，左横軸に線膨張係数を，右横軸に引張強さを取ったものである。
測定の結果は，同図より知られるごとく，アルミナ粒子の添加とともに，線膨張系係数は低下する。一方，引張強さは，アルミナ粒子添加とともに増加して６０ｗｔ％を超えると減少する。これは，無機粒子添加量が多すぎて絶縁樹脂が無機粒子をつなぎとめておくことができなくなることによるものである。したがって，線膨張係数からは，無機粒子の添加量は多いほどいいわけであるが，引張強さより３０から６０ｗｔ％が望ましい領域となる。
【００７３】
次に，図１５には，エポキシ樹脂（フェノールノボラック型）に平均粒径５μｍの球状のアルミナ粒子を添加した構成よりなる絶縁充填材の場合の線膨張係数と引張強さの特性を示す。
線膨張係数の測定は，上記と同様に絶縁充填材を加熱硬化させたものを短冊状に切り出してＴＭＡ（熱機械分析装置）により測定した。引張強さも同様に，絶縁充填材を加熱硬化させたものを短冊状に切り出してオートグラフで測定した。
【００７４】
この場合の測定結果は，図１５より知られるごとく，アルミナ粒子の添加とともに，線膨張系係数は低下する。図１４のシリコーン樹脂を絶縁樹脂に用いた場合と比べ，エポキシ樹脂は線膨張係数が低いが，無機粒子を添加するとさらに線膨張係数は低くなる。引張強さについては，アルミナ粒子添加に対する増減の挙動はシリコーン樹脂と大きな違いはないが，もともとエポキシ樹脂母材強度が大きいので，無機粒子を添加した場合も強度は大きい。
【００７５】
（実施例５）
本例では，図１６に示すごとく，実施例１の積層型圧電体素子１における第１凹溝部４１あるいは第２凹溝部４２として断面略長方形の凹溝（図１２参照）を採用し，その凹溝の溝深さと絶縁性の関係を調べた。
用いた絶縁充填材は実施例４のシリコーン樹脂（付加型ジメチルポリシロキサン）に平均粒径５μｍの球状のアルミナ粒子を添加した構成のもの（図１４のもの）で，アルミナ粒子の添加量を６０ｗｔ％としたものである。
【００７６】
結果を図１６に示す。同図は，横軸に凹溝の溝深さを，縦軸に印加電圧を取り，短絡不良となった場合を×，絶縁抵抗が１ＧΩ以下に低下した絶縁抵抗低下状態になった場合を△，絶縁性が良好な場合を○で示した。
同図より知られるごとく，印加する電圧を上げていくと，溝深さの浅いところで，絶縁抵抗の低下（１ＧΩ以下）や，短絡不良が観測される。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】実施例１における，積層型圧電体素子の構造を示す説明図。
【図２】実施例１における，絶縁充填材の充填状態を示す説明図。
【図３】実施例１における，セラミック積層体の積層順序を示す説明図。
【図４】実施例１における，四角柱形状のセラミック積層体を示す説明図。
【図５】実施例１における，八角柱形状のセラミック積層体を示す説明図。
【図６】実施例１における，第１凹溝部及び第２凹溝部を形成した状態を示す説明図。
【図７】実施例１における，第１凹溝部及び第２凹溝部に絶縁充填材を充填した状態を示す説明図。
【図８】実施例１における，積層型圧電体素子の積層方向に直交する断面を示す説明図。
【図９】実施例１における，第１凹溝部及び第２凹溝部の断面形状の別例を示す説明図。
【図１０】実施例１における，第１凹溝部及び第２凹溝部の断面形状の別例を示す説明図。
【図１１】実施例１における，第１凹溝部及び第２凹溝部の断面形状の別例を示す説明図。
【図１２】実施例２における，比較例としての積層型圧電体素子の構造を示す説明図。
【図１３】実施例３における，インジェクタの構造を示す説明図。
【図１４】実施例４における絶縁樹脂がシリコーンの場合の無機粒子添加量と線膨張係数，引っ張り強度の関係を示す説明図
【図１５】実施例４における絶縁樹脂がエポキシの場合の無機粒子添加量と線膨張係数，引張強さの関係を示す説明図。
【図１６】実施例５における凹溝の溝深さと絶縁特性の関係を示す説明図。
【符号の説明】
【００７８】
１  積層型圧電体素子
１０  セラミック積層体
１１  圧電層
２１  第１内部電極（内部電極層）
２２  第２内部電極（内部電極層）
３１  第１側面電極
３２  第２側面電極
４１  第１凹溝部
４２  第２凹溝部
５  絶縁充填材
５０  絶縁樹脂
５１  無機粒子
６  インジェクタ
【図１】
2004297041.tif 000004
【図２】
2004297041.tif 000005
【図３】
2004297041.tif 000006
【図４】
2004297041.tif 000007
【図５】
2004297041.tif 000008
【図６】
2004297041.tif 000009
【図７】
2004297041.tif 000010
【図８】
2004297041.tif 000011
【図９】
2004297041.tif 000012
【図１０】
2004297041.tif 000013
【図１１】
2004297041.tif 000014
【図１２】
2004297041.tif 000015
【図１３】
2004297041.tif 000016
【図１４】
2004297041.tif 000017
【図１５】
2004297041.tif 000018
【図１６】
2004297041.tif 000019