(多层压电元件）
[0114] 以下对根据本发明的实施方案的多层压电元件进行说明。
[0115] 多层压电元件包括彼此在其上交替地层叠的压电材料层和电极层。电极层包括内 部电极。压电材料层由根据本发明的实施方案的压电材料形成。
[0116] 图2A是根据本发明的实施方案的多层压电元件的横截面示意图。图2B是根据本 发明的另一实施方案的多层压电元件的横截面示意图。根据本发明的实施方案的多层压电 元件包括压电材料层54和包括内部电极55的电极。多层压电元件包括彼此在其上交替地 层叠的层状电极和压电材料层。压电材料层54由上述的压电材料制成。除了内部电极55 以外，电极可包括外部电极，例如第一电极51和第二电极53。
[0117] 图2A中所示的多层压电元件包括两个压电材料层54和在它们之间插入的一个内 部电极55,并且将该多层结构体设置在第一电极51与第二电极53之间。对压电材料层的 数目和内部电极的数目并无特别限制并且可如图2B中所示那样增加。图2B中所示的多层 压电元件包括彼此在其上交替地层叠的九个压电材料层504和八个内部电极505 (505a或 505b)，并且将该多层结构体设置在第一电极501和第二电极503之间。该多层压电元件还 包括用于将内部电极彼此连接的外部电极506a和外部电极506b。
[0118] 内部电极55和505以及外部电极506a和506b的尺寸和形状可不同于压电材料 层54和504的尺寸和形状。内部电极55和505以及外部电极506a和506b各自可由多个 部分组成。
[0119] 内部电极55和505、外部电极506a和506b、第一电极51和501以及第二电极53 和503的每一个为具有约5nm-10 μπι的范围内的厚度的导电层。对每个电极的材料并无特 别限制并且可以是通常用于压电元件的任何材料。这样的材料的实例包括金属，例如Ti、 卩七、了3、11'、51'、111、511、六11、六1、卩6、〇、附、？(1、六8和(：11，及其化合物。内部电极55和505以 及外部电极506a和506b的每一个可由这些材料中的一种或者其混合物或合金制成或者可 以是由这些材料的两种以上制成的多层。这些电极可由不同的材料制成。内部电极55和 505可主要由作为价格便宜的电极材料的Ni组成。
[0120] 如图2B中所示，为了使驱动电压相位同步，可将包括内部电极505的多个电极彼 此连接。例如，可通过外部电极506a将内部电极505a与第一电极501连接。可通过外部电 极506b将内部电极505b与第二电极503连接。可交替地设置内部电极505a和内部电极 505b。可采用任何方法将电极连接。例如，可在多层压电元件的侧表面上设置用于连接的 电极或电线，或者可形成穿过压电材料层504的通孔并且用导电材料涂布以将电极连接。
[0121] 对根据本发明的实施方案的多层压电元件的制造方法并无特别限制并且如下所 述例示。例示方法包括（A)将至少含有Ba、Ca、Ti、Zr、Sn和Mn的金属化合物粉末分散以 形成浆料，（B)将该浆料涂布于基材以形成压实体，（C)在该压实体上形成电极，和（D)将其 上已形成电极的压实体烧结以形成多层压电元件。本文中使用的术语"粉末"是指固体颗 粒的聚集体。该聚集体可由各自含有Ba、Ca、Ti、Sn、Zr和Mn的颗粒或者各自含有某种元 素的不同颗粒组成。
[0122] 本文中使用的术语"压实体"是指由该粉末形成的固体。能够通过单轴加压、冷静 水压、热静水压、浇铸或挤出成型形成该压实体。
[0123] 该压实体可由造粒的粉末形成。由造粒的粉末形成的压实体的烧结具有烧结体的 晶粒尺寸分布倾向于变得均匀的优点。
[0124] (A)中使用的金属化合物粉末可以是Ba化合物、Ca化合物、Ti化合物、Sn化合物、 Zr化合物、Mn化合物和Mg化合物的粉末。Ba化合物的实例包括氧化钡、碳酸钡、草酸钡、 醋酸钡、硝酸钡、钛酸钡、锆酸钡和锆酸钛酸钡。Ba化合物可以是可商购的高纯度型（例如， 99. 99%以上的纯度）。低纯度Ba化合物含有大量的Mg，这可能使压电材料的机械品质因 数降低。
[0125] Ca化合物的实例包括氧化钙、碳酸钙、草酸钙、醋酸钙、钛酸钙、锆酸钙和锆酸钛酸 钙。Ca化合物可以是可商购的高纯度型（例如，99. 99%以上的纯度）。低纯度Ca化合物 含有大量的Mg，这可能使压电材料的机械品质因数降低。
[0126] Ti化合物的实例包括氧化钛、钛酸钡、错酸钛酸钡和钛酸隹
[0127] Sn化合物的实例包括氧化锡、锡酸钡、锡酸钛酸钡和锡酸钙。
[0128] Zr化合物的实例包括氧化锆、锆酸钡、锆酸钛酸钡和锆酸钙。
[0129] Mn化合物的实例包括碳酸锰、氧化锰、二氧化锰、醋酸锰和四氧化三锰。
[0130] Mg化合物的实例包括碳酸镁、氧化镁、氢氧化镁、过氧化镁和氯化镁。
[0131] 以下对（A)中浆料的例示制备方法进行说明。将金属化合物粉末与溶剂混合。溶 剂的重量为金属化合物粉末的重量的1.6-1. 7倍。溶剂可以是甲苯、乙醇、甲苯和乙醇的混 合溶剂、醋酸正丁酯、或水。在球磨机中混合24小时后，将粘结剂和增塑剂添加到该混合物 中。粘结剂可以是聚乙烯醇（PVA)、聚乙烯醇缩丁醛（PVB)或丙烯酸系树脂。粘结剂为PVB 时，溶剂与PVB的重量比可为88:12。增塑剂可以是癸二酸二辛酯、邻苯二甲酸二辛酯或邻 苯二甲酸二丁酯。增塑剂为邻苯二甲酸二丁酯时，邻苯二甲酸二丁酯的重量与粘结剂的重 量相等。再次在球磨机中将该混合物混合一夜。控制溶剂或粘结剂的量以致该浆料粘度在 300_500mPa · s 的范围内。
[0132] (B)中的压实体是金属化合物粉末、粘结剂和增塑剂的混合物的片材。可采用片材 成形法形成（B)中的压实体。片材成形法可以是刮刀法。根据刮刀法，用刮刀将浆料施涂 于基材并且干燥以形成压实体的片材。基材可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET)膜。为了 有助于压实体的去除，可用氟化合物涂布PET膜的其上将施涂浆料的表面。可通过自然干 燥或热风干燥来干燥浆料。对压实体的厚度并无特别限制并且可调节为多层压电元件的厚 度。压实体的厚度能够随着浆料的粘度增大而增大。
[0133] (C)中的电极，更具体地，内部电极505以及外部电极506a和506b可采用任何方 法，例如，金属糊的烘焙、溅射法、气相沉积法或印刷法制造。为了减小驱动电压，可减小压 电材料层504的厚度和间距。这种情况下，将含有内部电极505a和505b和压电材料层504 的前体的多层体烧成。内部电极的材料不应在压电材料层504的烧结温度下改变其形状或 者引起导电性的劣化。与Pt相比具有较低熔点并且更便宜的金属例如Ag、Pd、Au、Cu或Ni、 或者其合金可用于内部电极505a和505b以及外部电极506a和506b。可在将多层体烧成 后形成外部电极506a和506b。这种情形下，除了 Ag、Pd、Cu或Ni以外，外部电极506a和 506b可由Al或者碳质电极材料制成。
[0134] 可通过丝网印刷形成这些电极。根据丝网印刷，使用刮刀将金属糊通过丝网印刷 版施涂于基材上设置的压实体。丝网印刷版具有筛眼。通过筛眼将该金属糊施涂于压实体。 丝网印刷版的筛眼可具有图案。使用金属糊能够将该图案转印于压实体，由此在压实体上 将电极图案化。
[0135] (C)中形成电极后，将从基材移除的一个或多个压实体层叠并且例如通过单轴加 压、冷静水压或热静水压将其压接。热静水压能够各向同性地施加均匀的压力。将压实体加 热到大约粘结剂的玻璃化转变点能够促进压接。为了实现所需的厚度，能够将多个压实体 压接。例如，能够在50°C -80°C的范围内的温度下、10_60MPa的范围内的压力下将10-100 层的压实体热压10秒-10分钟。为了精确地将压实体层叠，电极可具有对位标记。为了精 确地将压实体层叠，压实体可具有定位通孔。
[0136] 对（D)方法中压实体的烧结温度并无特别限制并且可以是化合物能够反应以使 晶体充分生长的温度。烧结温度优选为1200°C -1550°C，更优选为1300°C -1480°C，以致压 电陶瓷的粒径在1-10 μ m的范围内。在上述温度范围内烧结的多层压电元件具有令人满意 的压电性能。
[0137] (C)中的电极主要由Ni组成时，可在大气中在能够烧成的炉内进行（D)。 在200 °C -600 °C的范围内的温度下在环境气氛中通过燃烧将粘结剂除去后，在 1200°C-1550°C的范围内的温度下在还原气氛中进行烧结。还原气氛主要由氢气（H 2)和氮 气（N2)的混合气体组成。氢气与氮气的体积比可以在H2 = N2= 1:99至H2 = N2= 10:90的范 围内。混合气体可含有氧气。氧气浓度为KT12Pa-KT4Pa,优选为KT 8Pa-l(T5Pa。能够采用 氧化锆型氧传感器测定氧浓度。根据本发明的实施方案的多层压电元件能够使用Ni电极 以低成本制造。在还原气氛中烧成并且冷却到600°C后，可将气氛变为环境气氛（氧化气 氛）以进行氧化处理。从炉中将多层压电元件移除后，将导电糊施涂于多层压电元件的内 部电极露出端的侧表面。然后将导电糊干燥以形成外部电极。
[0138] (排液头）
[0139] 以下对根据本发明的实施方案的排液头进行说明。
[0140] 排液头包括液室和与该液室连通的排出口。该液室具有振动单兀，该振动单兀包 括根据本发明的实施方案的压电元件或多层压电元件。
[0141] 图3A是根据本发明的实施方案的排液头的示意图。图3B是图3A中所示的排液头 的透视示意图。如图3A和3B中所示，排液头包括根据本发明的实施方案的压电元件101。 压电元件101包括第一电极1011、压电材料1012和第二电极1013。如图3B中所示，可将 压电材料1012图案化。
[0142] 图3B是排液头的示意图。排液头包括排出口 105、独立液室102、将独立液室102 与排出口 105连接的连通孔106、液室隔壁104、共同液室107、隔膜103和压电元件101。尽 管图3B中压电元件101为矩形，但压电元件101可以是其他形状，例如椭圆形、圆形或平行 四边形。通常，压电材料1012具有与独立液室102的形状对应的形状。
[0143] 以下参照图3A对排液头的压电元件101详细说明。图3A是图3B的压电元件的 宽度方向上的横截面图。尽管图3A中压电元件101具有矩形横截面，但压电元件101可具 有梯形或倒梯形横截面。
[0144] 图3A中，第一电极1011为下部电极，第二电极1013为上部电极。可不同地配置 第一电极1011和第二电极1013。例如，第一电极1011可以是下部电极或上部电极。同样 地，第二电极1013可以是上部电极或下部电极。可将缓冲层108设置在隔膜103与下部电 极之间。这些不同的名称起因于器件的制造方法的改变，并且每种情形都具有本发明的优 势。
[0145] 排液头中，随着压电材料1012的膨胀和收缩，隔膜103向上向下弯曲，由此将压力 施加于独立液室102中的液体。这使得将液体从排出口 105排出。根据本发明的实施方案 的排液头能够用于打印机和电子设备的制造中。
[0146] 隔膜103的厚度为I. 0 μ m-15 μ m，优选为1. 5 μ m-8 μ m。对隔膜的材料并无特别 限制并且可以是Si。隔膜的Si可用硼或磷掺杂。隔膜上的缓冲层和电极层可构成隔膜。 缓冲层108具有5nm-300nm、优选地10nm-200nm的厚度。排出口 105具有5 μ m-40 μ m的当 量圆直径。排出口 105可以是圆形、星形、正方形或三角形。
[0147] (排液装置）
[0148] 以下对根据本发明的实施方案的排液装置进行说明。该排液装置包括用于转印介 质的安装部和上述的排液头。
[0149] 排液装置可以是喷墨记录装置，如图4和5中所示。图5表示没有外壳882-885 和887的图4中所示的排液装置（喷墨记录装置）881。喷墨记录装置881包括用于将作为 转印介质的记录纸张自动给送到装置的主体896的自动给送部