JP2023140422A - 液滴吐出ヘッド、および、液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＫＮＮ系複合酸化物を主成分とする圧電体層を有する圧電素子を備える液滴吐出ヘッドにおいて、圧電体層の特性と液滴吐出ヘッドの使用条件とを加味して、良好な画質および長寿命を実現する。【解決手段】液滴吐出ヘッドは、液体を液滴として吐出するノズルと、ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成基板と、第１電極、第２電極、および、カリウム（Ｋ）とナトリウム（Ｎａ）とニオブとを含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする圧電体層、を有する圧電素子と、圧力室の壁面の一部を形成し、圧電素子の駆動によって振動する振動板とを備える。圧電素子の駆動周波数ｆ［Ｈｚ］、圧電素子の圧電定数ｄ３１［ｍ／ｖ］、圧電体層中のＫのモル分率とＮａのモル分率との合計値に対するＮａのモル分率の比率ｘ、および、液体の２５℃下での粘度μ［Ｐａ・ｓ］は、式（１）で表される関係を満たす。【選択図】図５

Description

本開示は、液滴吐出ヘッド、および、液滴吐出装置に関する。

液滴吐出ヘッドに関して、特許文献１には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主材料とする圧電素子を備え、液体を液滴として吐出するヘッドが開示されている。

特開２０１４－５８１６９号公報

ピエゾ方式の液滴吐出ヘッドにおいて、環境負荷低減の観点から、ＰＺＴに代替する、鉛（Ｐｂ）含有量を抑えた非鉛系の圧電材料が望まれている。このような非鉛系の圧電材料の中で、ニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）系材料は、比較的優れた圧電特性を有することが知られており、その成分や特性について検討が進んでいる。ここで、ピエゾ方式の液滴吐出ヘッドによる印刷の画質、および、液滴吐出ヘッドの寿命は、圧電材料の成分や特性のみならず、液体の粘度や液滴吐出ヘッドの駆動周波数といった使用条件によっても変化する。また、ＫＮＮ系材料は、一般的に、ＰＺＴと比較して電圧印加時の変位量が小さく、変位量の温度依存性が高い等、ＰＺＴとは異なる特性を有する。ＫＮＮ系材料を液滴吐出ヘッドの圧電材料として用いる場合に、こういったＫＮＮ系材料の特性、および、液滴吐出ヘッドの使用条件を加味して良好な画質および長寿命を実現することは、十分に検討されていなかった。

本開示の第１の形態によれば、液滴吐出ヘッドが提供される。この液滴吐出ヘッドは、液体を液滴として吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成基板と、圧電素子と、前記圧力室形成基板と前記圧電素子との間に配置され、前記圧力室の壁面の一部を形成し、前記圧電素子の駆動によって振動する振動板と、を備える。前記圧電素子は、第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、カリウムとナトリウムとニオブとを含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする圧電体層、を有する。前記圧電素子が駆動する周波数を表す駆動周波数ｆ［Ｈｚ］、前記圧電素子の圧電定数ｄ_３１［ｍ／ｖ］、前記圧電体層中のカリウムのモル分率とナトリウムのモル分率との合計値に対するナトリウムのモル分率の比率ｘ、および、前記液体の２５℃下での粘度μ［Ｐａ・ｓ］は、下記式（１）で表される関係を満たす。
５．３×１０^－１１≦（ｄ_３１・ｘ）／（μ・ｆ）≦３．０×１０^－９ …（１）

本開示の第２の形態によれば、液滴吐出装置が提供される。この液滴吐出装置は、上記形態の液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドとメディアとの相対位置を変化させる移動機構と、前記液滴吐出ヘッド、および、前記移動機構を制御する制御部と、を備える。

液滴吐出装置の概略構成を示す説明図。 液滴吐出ヘッドの構成を示す分解斜視図。 液滴吐出ヘッドの要部のＹ方向およびＺ方向に沿った断面を示す概略図。 図３における圧力室および圧電部のＩＶ－ＩＶ断面図。 液滴吐出ヘッドの性能評価試験の結果を示す第１の図。 液滴吐出ヘッドの性能評価試験の結果を示す第２の図。 液滴吐出ヘッドの性能評価試験の結果を示す第３の図。

Ａ．第１実施形態：
図１は、第１実施形態としての液滴吐出装置１００の概略構成を示す説明図である。図１には、互いに直交するＸ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が表されている。Ｘ，Ｙ，Ｚ方向は、互いに直交する３つの空間軸であるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿った方向であり、それぞれ、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に沿う一方側の方向と、その反対方向とを、両方含む。具体的には、前記Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った正の方向が、それぞれ＋Ｘ方向，＋Ｙ方向，＋Ｚ方向であり、前記Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸に沿った負の方向が、それぞれ－Ｘ方向，－Ｙ方向，－Ｚ方向である。なお、図１において、Ｘ軸およびＹ軸は水平面に沿った軸であり、Ｚ軸は鉛直線に沿った軸である。従って、本実施形態では、－Ｚ方向は、重力方向である。他の図においても、Ｘ，Ｙ，Ｚ方向に沿った矢印が、適宜、表されている。図１におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向と、他の図におけるＸ，Ｙ，Ｚ方向とは、同じ方向を表している。また、本明細書中で、直交とは、９０°±１０°の範囲を含む。

液滴吐出装置１００は、液体を液滴として吐出する。「液滴」とは、液滴吐出装置１００から吐出される液体の状態をいい、粒状、涙状、糸状に尾を引くものも含むものとする。また、ここでいう「液体」とは、液滴吐出装置１００が消費できるような材料であればよい。例えば、「液体」は、物質が液相であるときの状態の材料であれば良く、粘性の高い又は低い液状態の材料、及び、ゾル、ゲル水、その他の無機溶剤、有機溶剤、溶液、液状樹脂、金属融液等の液状金属のような液状態の材料も「液体」に含まれる。また、物質の一状態としての液体のみならず、顔料や金属粒子などの固形物からなる機能材料の粒子が溶媒に溶解、分散または混合されたものなども「液体」に含まれる。液体の代表的な例としてはインクや液晶等が挙げられる。ここで、インクとは一般的な水性インクおよび油性インク並びにジェルインク、ホットメルトインク等の各種の液体状組成物を包含するものとする。

本実施形態における液滴吐出装置１００は、インクを液滴として吐出することによってメディアＰ上に画像を印刷する、インクジェットプリンターである。液滴吐出装置１００は、メディアＰにおけるドットのオン・オフを示す印刷データに基づいて紙等のメディアＰ上に液滴を吐出し、メディアＰ上の様々な位置にドットを形成することにより、メディアＰ上に画像を印刷する。なお、メディアＰとしては、紙の他に、例えば、プラスチック、フィルム、繊維、布帛、皮革、金属、ガラス、木材、セラミックスなど、液体を保持できるものを用いることができる。

液滴吐出装置１００は、液滴吐出ヘッド２００と、移動機構４０と、インクカートリッジ８０と、制御部１１０とを備える。

制御部１１０は、１以上のプロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェイスとを備えるコンピューターによって構成されている。制御部１１０は、印刷データに従って、液滴吐出ヘッド２００および移動機構４０を制御することによって、液滴吐出ヘッド２００からメディアＰ上に液滴を吐出し、メディアＰ上に画像を印刷する。つまり、制御部１１０は、液滴吐出ヘッド２００の、液滴を吐出する吐出動作を制御する。

移動機構４０は、液滴吐出ヘッド２００とメディアＰとの相対位置を変化させる。本実施形態における移動機構４０は、液滴吐出ヘッド２００を移動させるヘッド移動機構４１と、メディアＰを搬送する搬送モーター５１とを有している。ヘッド移動機構４１は、液滴吐出ヘッド２００を保持するキャリッジ４２と、キャリッジ４２を駆動させるための駆動モーター４６および駆動ベルト４７とを、有している。

キャリッジ４２は、駆動モーター４６から駆動ベルト４７を介してキャリッジ４２に伝達される駆動力によって、主走査方向に往復移動する。これによって、液滴吐出ヘッド２００は、キャリッジ４２とともに主走査方向に往復移動する。搬送モーター５１は、図示しないローラーを駆動させることによって、メディアＰを、主走査方向と交差する副走査方向に沿って搬送する。このように、本実施形態における移動機構４０は、液滴吐出ヘッド２００とメディアＰとの両方を移動させることによって、液滴吐出ヘッド２００とメディアＰとの相対位置を変化させる。なお、本実施形態では、主走査方向はＹ方向に沿った方向である。副走査方向はＸ方向に沿った方向であり、主走査方向と直交している。他の実施形態では、主走査方向と副走査方向とは互いに直交しなくてもよい。

他の実施形態では、移動機構４０は、液滴吐出ヘッド２００とメディアＰとの両方を移動させなくてもよく、例えば、メディアＰのみを移動させることによって、液滴吐出ヘッド２００とメディアＰとの相対位置を変化させてもよい。より詳細には、例えば、液滴吐出ヘッド２００が、メディアＰの全幅に亘るヘッドとして構成され、移動機構４０が、このヘッドに対してメディアＰを搬送するローラーやモーター等によって構成されていてもよい。このように、液滴吐出ヘッド２００を駆動することなくメディアＰを搬送して印刷する印刷方式のことを、シングルパス方式とも呼ぶ。

インクカートリッジ８０は、液滴吐出ヘッド２００へ供給される液体としてのインクを貯留する。本実施形態では、４つのインクカートリッジ８０が、キャリッジ４２に着脱可能に構成され、４つのインクカートリッジ８０内には、液体として、それぞれ異なる色彩を有する４種類のインクが貯留されている。なお、インクカートリッジ８０は、例えば、キャリッジ４２に装着されることなく、液滴吐出装置１００本体に装着されてもよい。また、他の実施形態では、インクを貯留する機構は、例えば、インクタンクや、可撓性フィルムで形成された袋状の液体パック等であってもよく、インクを貯留する機構の種類や数、及び、貯留されるインクの種類や数は特に限定されない。

本実施形態における液滴吐出ヘッド２００は、主走査方向に往復移動しながら、副走査方向に沿って搬送されるメディアＰ上に、インクカートリッジ８０から供給されたインクを液滴状の形態で吐出する。液滴吐出ヘッド２００は、フレキシブルケーブル４８を介して、制御部１１０と電気的に接続されている。液滴吐出装置１００は、２つ以上の複数の液滴吐出ヘッド２００を備えていてもよい。

図２は、本実施形態における液滴吐出ヘッド２００の構成を示す分解斜視図である。本実施形態における液滴吐出ヘッド２００は、ノズル板２１０と、圧力室形成基板２２０と、圧電部２３０と、封止部２５０とが、Ｚ方向に積層されることによって構成されている。また、封止部２５０の＋Ｚ方向側の面には、駆動回路９０が設けられている。

本実施形態におけるノズル板２１０は、薄板状の部材であり、その板面がＸ方向およびＹ方向に沿うように配置されている。ノズル板２１０には、複数のノズル２１１がＸ方向に沿って１列に並んで形成されている。液滴吐出ヘッド２００は、このノズル２１１から液体を液滴として噴射する。本実施形態では、ノズル板２１０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）により形成されている。なお、ノズル板２１０は、例えば、ニッケル（Ｎｉ）合金などの他の種類の金属、または、ポリイミドやドライフィルムレジストなどの樹脂材料、シリコン（Ｓｉ）の単結晶基板やガラスセラミックスなどの無機材料等により形成されていてもよい。また、ノズル板２１０に２列以上のノズル２１１が形成されていてもよい。

圧力室形成基板２２０は、圧力室２２１等の流路を区画する板状の部材である。圧力室形成基板２２０は、例えば、接着剤や熱溶着フィルム等を介して、又は、直接、ノズル板２１０の＋Ｚ方向の面に接合される。圧力室形成基板２２０には、圧力室２２１、インク供給路２２３、及び、連通部２２５を形成するための、圧力室形成基板２２０をＺ方向に貫通する孔ＨＬが形成されている。本実施形態において、圧力室形成基板２２０は、Ｓｉの単結晶基板によって形成されている。圧力室形成基板２２０は、例えば、Ｓｉを主成分とする他の材料や、他のセラミックス材料、ガラス材料等により形成された基板であってもよい。なお、本明細書において、主成分とは、ある材料や部材等に５０質量％以上、好ましくは８０質量％以上の割合で含まれる成分のことを指す。

本実施形態では、複数の圧力室２２１は、Ｘ方向に沿って並んで配列するように形成されている。ノズル板２１０に圧力室形成基板２２０が積層されることによって、複数の圧力室２２１それぞれは、複数のノズル２１１それぞれと連通する。各圧力室２２１は、Ｚ方向から見て、Ｙ方向を長手方向とする略平行四辺形状を有している。圧力室２２１内には、液体としてのインクが流通する。

連通部２２５は、複数の圧力室２２１それぞれに共通な空部であり、複数の圧力室２２１等と連通して、後述する共通液室を形成する。連通部２２５は、インク供給路２２３を介して、複数の圧力室２２１それぞれと連通する。インク供給路２２３は、圧力室２２１よりも狭い幅を有するように形成された部分を有し、圧力室２２１で発生する圧力の損失や、各圧力室２２１で発生した圧力が共通液室を介して他の圧力室２２１に伝播する現象である、いわゆるクロストークの発生を抑制する。

圧電部２３０は、圧力室形成基板２２０上に、振動板２３１及び圧電素子２４０が積層されることによって構成されている。圧電部２３０は、圧電素子２４０の駆動によって、圧電素子２４０と圧力室形成基板２２０との間に設けられた振動板２３１を振動させ、圧力室２２１の容積を変化させる。圧電部２３０の詳細については、後述する。なお、圧電部２３０を圧電デバイスや、アクチュエーターと呼ぶこともある。

封止部２５０は、圧電部２３０上に接着剤を介して接合される。封止部２５０は、圧電素子２４０を保持するための空間である圧電素子保持部２５１と、圧力室形成基板２２０の連通部２２５と連通して共通液室を形成するマニホールド部２５２とを、有している。本実施形態では、封止部２５０は、Ｓｉ単結晶基板を用いて形成されている。なお、封止部２５０は、他のセラミックス材料やガラス材料等によって形成されていてもよい。この場合、封止部２５０は、圧力室形成基板２２０の熱膨張率と略同一の熱膨張率を有する材料によって形成されていると好ましい。

駆動回路９０は、圧電素子２４０を駆動するための駆動信号を、圧電素子２４０に供給する。駆動回路９０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。駆動回路９０と圧電素子２４０とは、リード電極２９５及び図示しない電気配線を介して電気的に接続されている。また、駆動回路９０と制御部１１０とは、図示しない電気配線を介して電気的に接続されている。

図３は、液滴吐出ヘッド２００の要部のＹ方向およびＺ方向に沿った断面を示す概略図である。図３に示すように、上述した各部材が積層されることによって、マニホールド部２５２と連通部２２５とが連通し、複数の圧力室２２１それぞれの共通の液体室となるマニホールド２９３が形成される。更に、ノズル２１１、圧力室２２１、インク供給路２２３、及び、マニホールド２９３が連通し、インクの流路が形成される。液滴吐出ヘッド２００は、圧電部２３０によって圧力室２２１の容積を変化させることで、上述の流路を介して圧力室２２１に供給された液体を、ノズル２１１から液滴として吐出する。なお、マニホールド２９３を、共通液室やリザーバーと呼ぶこともある。

図４は、図３における圧力室２２１および圧電部２３０のＩＶ－ＩＶ断面図である。上述したように、圧電部２３０は、振動板２３１と、圧電素子２４０とを備えている。図３および図４に示すように、圧電素子２４０は、圧電体層２６０と、複数の第１電極２７０と、第２電極２８０とを、有している。

図３および図４に示すように、振動板２３１と、圧電体層２６０と、第１電極２７０と、第２電極２８０とは、圧電体層２６０の厚み方向に沿って、より詳細には、Ｚ方向に沿って積層されている。第１電極２７０は圧電体層２６０と振動板２３１との間に配置されている。圧電体層２６０は、第１電極２７０と第２電極２８０との間に配置されている。つまり、本実施形態では、振動板２３１と、第１電極２７０と、圧電体層２６０と、第２電極２８０とは、Ｚ方向に沿って、この順に積層されている。なお、一般的には、液滴吐出ヘッド２００は、本実施形態のように、ノズル２１１が鉛直下方向に位置する状態で用いられる。この場合、第１電極２７０のことを下部電極とも呼び、第２電極２８０のことを上部電極とも呼ぶ。また、他の実施形態では、例えば、ノズル板２１０が振動板として機能してもよい。

振動板２３１は、上述したように、圧電素子２４０の駆動によって振動するように構成されている。図３および図４に示すように、本実施形態における振動板２３１は、弾性層２３２と、絶縁層２３３とを有している。弾性層２３２は、圧力室形成基板２２０上および圧力室２２１上に位置し、絶縁層２３３は、弾性層２３２上に位置している。本実施形態では、弾性層２３２は、シリカ（ＳｉＯ_２）を主成分とする弾性膜として形成され、絶縁層２３３は、ジルコニア（ＺｒＯ_２）を主成分とする絶縁膜として形成されている。絶縁層２３３は、保護層とも呼ばれる。

本実施形態では、第１電極２７０は、複数の圧力室２２１に対して個別に複数設けられている。第２電極２８０は、複数の圧力室２２１に対して共通に設けられている。なお、複数の圧力室２２１に対して個別に設けられた電極を個別電極と呼び、共通に設けられた電極を共通電極と呼ぶこともある。すなわち、本実施形態では、下部電極である第１電極２７０が個別電極であり、上部電極である第２電極２８０が共通電極である。図３および図４に示すように、本実施形態では、各第１電極２７０は、その長手方向がＹ方向に沿うように、Ｘ方向に沿って並んで配置されている。第２電極２８０は、圧電体層２６０を上部から覆うように、複数の圧力室２２１に亘って、Ｘ方向およびＹ方向に連続して設けられている。

第１電極２７０や第２電極２８０は、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）等の各種金属や、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）等の導電性金属酸化物等によって形成される。第１電極２７０や第２電極２８０は、例えば、上記の各種金属や導電性金属酸化物等からなる複数の層によって構成されていてもよい。また、第１電極２７０と第２電極２８０とは、互いに異なる材料によって形成されていてもよい。

他の実施形態では、第１電極２７０と振動板２３１との間には、第１電極２７０と振動板２３１との間の密着性を向上させる密着層が設けられていてもよい。密着層は、例えば、チタン（Ｔｉ）や、チタン酸化物等によって形成される。

図４に示すように、圧電体層２６０は、第１能動部Ａｃと第２能動部ＮＡｃとを有している。本実施形態では、第１能動部Ａｃは、圧電体層２６０のうち、Ｚ方向に沿って見たときに第１電極２７０および第２電極２８０の両方と重なる部分に相当する。また、第２能動部ＮＡｃは、圧電体層２６０のうち、Ｚ方向に沿って見たときに、第１電極２７０と第２電極２８０とのいずれか一方、もしくは、両方と重ならない部分に相当する。

圧電素子２４０は、第１電極２７０および第２電極２８０を介して圧電体層２６０に電圧が印加されることによって駆動する。より詳細には、圧電素子２４０は、圧電体層２６０に電圧が印加された際に圧電体層２６０の第１能動部Ａｃにおいて生じる圧電歪みによって変位する。圧電素子２４０は、この変位によって振動板２３１を振動させ、圧力室２２１の容積を変化させる。なお、圧電体層２６０に電圧が印加された際に圧電体層２６０の第２能動部ＮＡｃにおいて生じる圧電歪みは、圧電体層２６０に電圧が印加された際に圧電体層２６０の第１能動部Ａｃにおいて生じる圧電歪みに比べて小さい。

圧電体層２６０は、いわゆるニオブ酸カリウムナトリウム（ＫＮＮ）系の複合酸化物を主成分とする。ＫＮＮ系の複合酸化物とは、カリウム（Ｋ）と、ナトリウム（Ｎａ）と、ニオブ（Ｎｂ）とを含む、一般式ＡＢＯ_３で表されるペロブスカイト型複合酸化物のことを指す。ＫＮＮ系酸化物は、下記式（ｃ１）で表される。
（Ｋ_１－Ｘ，Ｎａ_Ｘ）ＮｂＯ_３…（ｃ１）

ＫＮＮ系の複合酸化物は、鉛（Ｐｂ）等の含有量を抑えた非鉛系圧電材料であるため、生体適合性に優れ、また環境負荷も少ない。しかも、ＫＮＮ系の複合酸化物は、非鉛系圧電材料の中でも圧電特性に優れているため、各種の特性向上に有利である。その上、ＫＮＮ系の複合酸化物は、例えば、ＢＮＴ－ＢＫＴ－ＢＴ；［（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ_３］－［（Ｂｉ，Ｋ）ＴｉＯ_３］－［ＢａＴｉＯ_３］等の他の非鉛系圧電材料に比べてキュリー温度が比較的高く、また温度上昇による脱分極も生じ難いため、高温での使用が可能である。

なお、「非鉛系」の材料は、まったくＰｂを含有していない材料でなくても、Ｐｂをほぼ含有していない材料であればよく、例えば、不可避成分としてのＰｂを含んでいてもよい。環境負荷低減の観点からは、液滴吐出ヘッド２００において、圧電部２３０におけるＰｂの含有量、つまり、振動板２３１および圧電素子２４０におけるＰｂの含有量は、例えば、０．１質量％以下であると好ましい。これにより、圧電部２３０が生体適合性に優れ、かつ、圧電部２３０による環境負荷が小さくなる。また、同様の観点から、圧電部２３０は、ビスマス（Ｂｉ）をほぼ含有しないと好ましい。

上記式（ｃ１）において、Ｎａの含有量は、Ａサイトを構成する金属元素の総量に対して１０モル％以上９０モル％以下であることが好ましい。すなわち、上記式（１）において、０．１≦Ｘ≦０．９であることが好ましい。これによれば、圧電特性に有利な組成を有する複合酸化物となる。また、Ｎａの含有量は、Ａサイトを構成する金属元素の総量に対して３０モル％以上かつ８０モル％以下であるとより好ましく、４０モル％以上かつ７５モル％以下であると更に好ましい。すなわち、上記式（１）において、０．３≦Ｘ≦０．８であるとより好ましく、０．４≦Ｘ≦０．７５であると更に好ましい。これによれば、より圧電特性に有利な組成を有する複合酸化物となる。

なお、ＫＮＮのＡサイトのアルカリ金属、つまり、ＫおよびＮａは、化学量論の組成に対して過剰に加えられてもよいし、化学量論の組成に対して不足していてもよい。従って、本実施形態における複合酸化物を、下記式（ｃ２）によっても表せる。
（Ｋ_{Ｍ（１－Ｘ）}，Ｎａ_ＭＸ）ＮｂＯ_３…（ｃ２）

上記式（ｃ２）におけるＭは、化学量論の組成に対して過剰に加えられる、または、不足するアルカリ金属の量を表している。例えば、Ｍ＝１．１であれば、化学量論の組成におけるＫ及びＮａの量を１００モル％としたときに、合計で１１０モル％のＫおよびＮａが含まれていることを表す。Ａ＝０．９であれば、化学量論の組成におけるＫ及びＮａの量を１００モル％としたときに、合計で９０モル％のＫ及びＮａが含まれていることを表す。なお、Ａサイトのアルカリ金属が化学量論の組成に対して過剰でなく不足もしていない場合は、Ａ＝１．０である。圧電体層２６０の特性向上の観点から、０．８５≦Ａ≦１．２０であると好ましく、０．９０≦Ａ≦１．１５であるとより好ましく、０．９５≦Ａ≦１．１０であると更に好ましい。

圧電体層２６０を構成する圧電材料は、ＫＮＮ系の複合酸化物であればよく、上記式（１）で表される組成に限定されない。たとえば、ＫＮＮのＡサイトやＢサイトに、カリウムやナトリウム、ニオブとは異なる他の金属元素（添加物）が含まれていてもよい。このような添加物の例としては、マンガン（Ｍｎ）、リチウム（Ｌｉ）、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、ストロンチウム（Ｓｒ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、チタン（Ｔｉ）、ビスマス（Ｂｉ）、タンタル（Ｔａ）、アンチモン（Ｓｂ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、銀（Ａｇ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）及び銅（Ｃｕ）等が挙げられる。圧電材料は、これらの他の金属元素を１種類含んでいてもよいし、２種類以上含んでいてもよい。このような添加物の添加量は、主成分となる元素の総量に対して２０質量％以下であると好ましく、１５質量％以下であるとより好ましく、１０質量％以下であると更に好ましい。この理由は、添加物の添加により、圧電体層２６０の各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる一方で、添加物がより少ないほうが、圧電体層２６０のＫＮＮに由来する特性を発揮させやすいからである。なお、圧電体層２６０は、これら添加物を含む場合であっても、ＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。

圧電体層２６０は、添加物として、特に、Ｃｕを含有すると好ましい。これにより、液滴吐出ヘッド２００における液滴の吐出不良を抑制できる。また、圧電体層２６０は、添加物として、特に、Ｍｎを含有すると好ましい。これにより、圧電素子２４０におけるリーク電流の発生を抑制できる。そのため、圧電素子２４０の発熱を抑制でき、かつ、圧電素子２４０の寿命を長くできる。

本実施形態における圧電体層２６０は、複数の単結晶からなる、ＫＮＮ系複合酸化物の多結晶体として構成されている。これにより、圧電体層２６０が、例えば、単結晶体として構成されている場合と比較して、圧電素子２４０に応力が生じた場合に、圧電素子２４０の面内における応力が分散して均等になりやすいので、圧電素子２４０の応力破壊が生じ難くなり、信頼性が向上する。

圧電体層２６０が多結晶体として構成されている場合、上述した各種添加物は、圧電体層２６０中の粒界に含まれていてもよい。特に、圧電体層２６０中の粒界に、Ｍｎが、例えば、マンガン酸化物等の状態で含まれていると好ましい。これにより、圧電体層２６０中の粒界における空孔を埋めることができ、圧電素子２４０に電圧が印加された際のリーク電流を効果的に抑制できる。

圧電体層２６０中の結晶粒の平均粒径は、０．１５μｍ以上、かつ、３μｍ以下であると好ましい。これによって、平均粒径が０．１５μｍ以上であるため、結晶粒が小さすぎることによる圧電体層２６０の圧電特性の低下を抑制できる。そのため、圧電特性をより向上させることができる。また、平均粒径が３μｍ以下であるため、圧電体層２６０におけるクラックの発生をより抑制できる。なお、結晶粒の平均粒径は、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：Scanning Electron Microscope）によって得られる圧電体層２６０のＳＥＭ像から求めることができる。より詳細には、結晶粒の平均粒径は、同一倍率の圧電体層２６０のＳＥＭ像において、例えば、１００個以上の結晶粒の粒径を測定し、測定した粒径の算術平均を算出することによって、算出される。また、他の実施形態では、結晶粒の平均粒径は、例えば、０．１５μｍ未満であってもよいし、３μｍを超えてもよい。

また、ＫＮＮは、ＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有する、ＫＮＮとは異なる他の複合酸化物との混晶であってもよい。つまり、本明細書において「Ｋ、Ｎａ及びＮｂを含むペロブスカイト型の複合酸化物」は、Ｋ、Ｎａ及びＮｂを含むＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造の複合酸化物と、ＡＢＯ_３型ペロブスカイト構造を有する他の複合酸化物と、を含む混晶として表される圧電材料を含む。他の複合酸化物は、特に限定されないが、圧電体層２６０を非鉛系圧電材料として構成できるように、非鉛系圧電材料であると好ましい。また、ビスマス（Ｂｉ）をほぼ含有しない複合酸化物であると好ましい。

圧電材料には、元素の一部欠損した組成を有する材料、元素の一部が過剰である組成を有する材料、及び元素の一部が他の元素に置換された組成を有する材料も含まれる。圧電体層２６０の基本的な特性が変わらない限り、欠損・過剰により化学量論の組成からずれた材料や、元素の一部が他の元素に置換された材料も、本実施形態に係る圧電材料に含まれる。

圧電素子２４０において、弾性層２３２の厚さを０．１μｍ以上２．０μｍ以下とし、絶縁層２３３の厚さを０．０１μｍ以上１．０μｍ以下とし、圧電体層２６０の厚さを０．１μｍ以上５．０μｍ以下とし、第１電極２７０の厚さを０．０１μｍ以上１．０μｍ以下とし、第２電極２８０の厚さを０．０１μｍ以上１．０μｍ以下とすることが好ましい。なお、これら各要素の厚さは一例であり、本開示の要旨を変更しない範囲内で変更可能である。

本実施形態における圧電部２３０を作製する際には、まず、振動板２３１を準備する。振動板２３１の弾性層２３２は、例えば、Ｓｉ基板、より詳細には、孔ＨＬが形成されていない状態の圧力室形成基板２２０を熱酸化させることによって、圧力室形成基板２２０上に形成される。絶縁層２３３は、例えば、ＣＶＤ法によって弾性層２３２上に形成される。これによって、振動板２３１が形成される。他の実施形態では、弾性層２３２は、例えば、ＣＶＤ法によって圧力室形成基板２２０上に形成されてもよい。なお、圧力室形成基板２２０の孔ＨＬは、例えば、圧力室形成基板２２０上に振動板２３１が形成された後に、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチングによって形成される。より詳細には、本実施形態では、孔ＨＬは、圧電部２３０の完成後に形成される。

次に、振動板２３１上に、スパッタリングやエッチング等によって第１電極２７０をパターニングして形成する。

次に、第１電極２７０上や振動板２３１上に、圧電体層２６０を形成する。本実施形態における圧電体層２６０は、ＭＯＤ法やゾル－ゲル法等の溶液法によって、薄膜状に形成される。ＭＯＤ法やゾル－ゲル法等の溶液法は、湿式法や液相法とも呼ばれる。このように溶液法によって圧電体層２６０を形成することで、圧電体層２６０の生産性を高めることができる。他の実施形態では、圧電体層２６０は、例えば、スパッタリング等の気相法や、圧粉成形等の固相法によって形成されてもよい。

圧電体層２６０を溶液法で形成する場合、例えば、まず、所定の金属錯体を含む前駆体液を調製する。前駆体液は、圧電体層２６０の原料となる金属元素を含むゾルや溶液であり、例えば、焼成によりＫ、Ｎａ及びＮｂを含む複合酸化物を形成しうる金属錯体を、有機溶媒に溶解又は分散させたものである。上述したＣｕやＭｎ等の添加物を圧電体層２６０に添加する場合、前駆体液に、添加物を含む金属錯体等が更に混合されてもよい。

Ｋを含む金属錯体としては、２－エチルヘキサン酸カリウム、酢酸カリウム等が挙げられる。Ｎａを含む金属錯体としては、２－エチルヘキサン酸ナトリウム、酢酸ナトリウム等が挙げられる。Ｎｂを含む金属錯体としては、２－エチルヘキサン酸ニオブ、ペンタエトキシニオブ等が挙げられる。添加物としてＭｎを加える場合、Ｍｎを含む金属錯体としては、２－エチルヘキサン酸マンガン等が挙げられる。添加物としてＣｕを加える場合、Ｃｕを含む金属錯体としては、酢酸銅等が挙げられる。このとき、２種以上の金属錯体を併用してもよい。例えば、Ｋを含む金属錯体として、２－エチルへキサン酸カリウムと酢酸カリウムとを併用してもよい。溶媒としては、２－ｎブトキシエタノール若しくはｎ－オクタン又はこれらの混合溶媒等が挙げられる。前駆体溶液は、Ｋ、Ｎａ、Ｎｂを含む金属錯体の分散を安定化する添加剤を含んでもよい。このような添加剤としては、２－エチルヘキサン酸等が挙げられる。

上述した前駆体液を調製した後、第１電極２７０上や振動板２３１上に前駆体液を塗布して前駆体膜を形成する塗布工程を実行する。塗布工程では、前駆体液は、例えば、スピンコート法等によって、第１電極２７０上や振動板２３１上に塗布される。次いで、この前駆体膜を所定温度、例えば１３０℃～２５０℃程度に加熱して一定時間乾燥させる乾燥工程を実行する。次に、乾燥させた前駆体膜を所定の脱脂温度、例えば３００℃～４５０℃で加熱することによって脱脂する脱脂工程を実行する。そして、脱脂した前駆体膜をより高い所定の焼成温度、例えば６００℃～８００℃で加熱することによって結晶化させる焼成工程を実行する。乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。上述した塗布工程～焼成工程が実行されることによって、ＫＮＮを主成分とし、多結晶体として構成された圧電体膜が形成される。また、焼成工程において、前駆体液に含まれるＭｎがＫＮＮ結晶同士の粒界に析出する。

本実施形態における圧電体層２６０は、塗布工程～焼成工程が複数回繰り返し実行され、複数層の圧電体膜が形成されることによって、形成される。本実施形態では、圧電体層２６０のうち、第１電極２７０上に形成された部分が、上述した第１能動部Ａｃに相当し、第１電極２７０上ではなく振動板２３１上に形成された部分が、上述した第２能動部ＮＡｃに相当する。なお、塗布工程～焼成工程までの一連の工程において、塗布工程～脱脂工程までを複数回繰り返した後に、焼成工程を実施してもよい。また、乾燥工程での昇温レートは、３０℃～３５０℃／ｓｅｃとするのが好ましい。溶液法において、このような昇温レートで圧電体膜を焼成することで、擬立方晶でない圧電体層２６０が実現できる。ここでいう「昇温レート」とは、焼成工程において、脱脂温度から焼成温度に達するまでの温度の時間変化率を規定する。

その後、複数の圧電体膜からなる圧電体層２６０をパターニングする。パターニングとしては、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングが行われる。その後、圧電体層２６０上に、例えば、第１電極２７０と同様の方法で、第２電極２８０を形成する。圧電体層２６０上に第２電極２８０を形成する前後で、適宜６００℃～８００℃の温度域で再加熱処理を行ってもよい。このように再加熱処理を行うことで、圧電体層２６０と第１電極２７０や第２電極２８０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層２６０の結晶性を改善することができる。再加熱処理は、ポストアニールとも呼ばれる。

以上の工程により、第１電極２７０と圧電体層２６０と第２電極２８０とを備えた圧電素子２４０、および、振動板２３１を有する圧電部２３０が完成する。上記の各工程において、例えば、各部材の表面の平滑化や、厚みの調整のために、適宜、エッチング等を行ってもよい。

本開示の発明者らは、液滴吐出ヘッド２００による印刷の画質の向上、および、液滴吐出ヘッド２００の長寿命化について鋭意検討した。その結果、液滴吐出ヘッド２００において、圧電素子２４０が駆動する周波数を表す駆動周波数ｆ［Ｈｚ］、圧電素子２４０の圧電定数ｄ_３１［ｍ／ｖ］、圧電体層２６０内のＮａの比率ｘ、および、液体の粘度μ［Ｐａ・ｓ］が、下記式（１）で表される関係を満たす場合に、良好な画質および長寿命を実現できることを見出した。
５．３×１０^－１１≦（ｄ_３１・ｘ）／（μ・ｆ）≦３．０×１０^－９ …（１）

より詳細には、比率ｘは、圧電体層２６０内のＫのモル分率とＮａのモル分率との合計値に対するＮａのモル分率の比率を表す。つまり、比率ｘは、上記式（ｃ１）におけるＸと同値である。また、粘度μは、液滴吐出ヘッド２００から液滴として吐出される液体の、２５℃下における粘度を表す。以下では、（ｄ_３１・ｘ）／（μ・ｆ）を、パラメーターＰ_１とも表す。

また、本開示の発明者らは、更に、圧電体層２６０がＣｕを含有する場合、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、および、圧電体層２６０中のＣｕの原子百分率ｙ［ａｔ％］が下記式（２）で表される関係を満たす場合に、液滴吐出ヘッド２００の吐出不良を抑制でき、更に良好な画質を実現できることを見出した。なお、以下では、（ｄ_３１・ｘ・ｙ）／（μ・ｆ）を、パラメーターＰ_２とも表す。
５．３×１０^－１２≦（ｄ_３１・ｘ・ｙ）／（μ・ｆ）≦６．０×１０^－９ …（２）

また、本開示の発明者らは、更に、圧電体層２６０がＭｎを含有する場合、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、および、圧電体層２６０中のＭｎの原子百分率ｚ［ａｔ％］が下記式（３）で表される関係を満たす場合に、液滴吐出ヘッド２００の更なる長寿命化を実現できることを見出した。なお、以下では、（ｄ_３１・ｘ・ｚ）／（μ・ｆ）を、パラメーターＰ_３とも表す。
５．３×１０^－１２≦（ｄ_３１・ｘ・ｚ）／（μ・ｆ）≦６．０×１０^－９ …（３）

本実施形態における液滴吐出ヘッド２００の効果を検証するために、複数のサンプルを、性能評価試験によって評価した。より詳細には、性能評価試験のサンプルとして、サンプル群Ｓｇ１に属する複数のサンプル、サンプル群Ｓｇ２に属する複数のサンプル、サンプル群Ｓｇ３に属する複数のサンプルを用いた。

サンプル群Ｓｇ１に属するサンプルとしては、上述した添加物が添加されていない圧電体層２６０を有する圧電素子２４０を備える液滴吐出ヘッド２００を用いた。サンプル群Ｓｇ１に属するサンプル間では、上述した駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、および、粘度μのうち一部または全部をそれぞれ異ならせた。サンプル群Ｓｇ２に属するサンプルとしては、添加物としてＣｕが添加された圧電体層２６０を有する圧電素子２４０を備える液滴吐出ヘッド２００を用いた。サンプル群Ｓｇ２に属するサンプル間では、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、および、原子百分率ｙのうち一部または全部をそれぞれ異ならせた。サンプル群Ｓｇ３に属するサンプルとしては、添加物としてＭｎが添加された圧電体層２６０を有する圧電素子２４０を備える液滴吐出ヘッド２００を用いた。サンプル群Ｓｇ３に属するサンプル間では、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、および、原子百分率ｚのうち一部または全部をそれぞれ異ならせた。

各サンプル群に属するサンプルとしての液滴吐出ヘッド２００の圧電部２３０は、上述した手順により作製された。具体的には、まず、振動板２３１の絶縁層２３３上に、スパッタリングおよびエッチングによって第１電極２７０を形成した。次に、圧電体層２６０の原料を含むゾルを前駆体液として塗布工程を実行した後、乾燥工程、脱脂工程、焼成工程を実行して圧電体膜を形成した。その後、塗布工程～焼成工程を繰り返すことによって複数の圧電体膜の層からなる圧電体層２６０を形成した。そして、圧電体層２６０上に、第１電極２７０と同様の方法によって第２電極２８０を形成した。なお、サンプル群Ｓｇ２に属するサンプルの圧電部２３０を作製する際には、前駆体液として、Ｃｕを含む前駆体液を用いた。また、サンプル群Ｓｇ３に属するサンプルの圧電部２３０を作製する際には、前駆体液として、Ｍｎを含む前駆体液を用いた。また、各サンプル群に属するサンプルの圧電部２３０は、Ｐｂを含有しない圧電部２３０として作製された。

上述したＮａの比率ｘや、Ｃｕの原子百分率ｙ、Ｍｎの原子百分率ｚは、前駆体液への各原料の仕込み量を調整することによって調整された。これにより、各サンプルにおける比率ｘを０．３以上かつ０．８以下に調整し、原子百分率ｙを０．０１以上かつ２．５０以下の値に調整し、原子百分率ｚを０．０１以上かつ２．５０以下に調整した。なお、完成した圧電素子２４０における比率ｘや、原子百分率ｙ、原子百分率ｚは、ＥＤＸ（Energy dispersive X-ray spectroscopy）分析により測定された。ＥＤＸ分析には、日本電子株式会社製のＪＥＭ－ＡＲＭ２００Ｆを用いた。

性能評価試験としては、画質評価試験および寿命評価試験を行った。画質評価試験では、サンプルごとに、液滴吐出ヘッド２００から混色ブラックインクを吐出させて、白色の印刷用紙上にハイライト部分およびシャドー部分を有する画像を印刷し、ハイライト部分における粒状性の程度、および、シャドー部分におけるボヤケやにじみの程度を目視により評価した。画質評価試験における画像を印刷するための印刷データは、各サンプル間で同じとした。なお、画像のある部分における粒状性が高いほど、その部分を視認した場合のざらつき感や凹凸感が強まる。また、混色ブラックインクとは、シアン色、イエロー色およびマゼンタ色の混色による黒色を呈するインクであり、コンポジットブラックインクとも呼ばれる。

画質評価試験では、ハイライト部分における粒状性、および、シャドー部分におけるボヤケやにじみの両方がほとんど認められなかった場合、評価結果を「Ａ」とした。ハイライト部分における粒状性と、シャドー部分におけるボヤケやにじみとのいずれか一方がほとんど認められず、いずれか他方が少し認められた場合、評価結果を「Ｂ」とした。ハイライト部分における粒状性、および、シャドー部分におけるボヤケやにじみの両方が少し認められた場合、評価結果を「Ｃ」とした。ハイライト部分における粒状性と、シャドー部分におけるボヤケやにじみとの少なくともいずれか一方が顕著に認められた場合、評価結果を「Ｄ」とした。

寿命評価試験では、サンプルごとに、製造直後の液滴吐出ヘッド２００の圧電素子２４０の圧電定数ｄ_３１を表す第１圧電定数と、１万回使用された後の液滴吐出ヘッド２００の圧電素子２４０の圧電定数ｄ_３１を表す第２圧電定数とを比較した。第１圧電定数および第２圧電定数は、それぞれ、短冊サンプルの圧電歪みによる変位の測定結果に基づいて算出された。より詳細には、まず、圧電素子２４０を、Ｚ方向に沿って見たときに、長さ１５ｍｍ、幅４ｍｍの短冊状に切り出すことによって、短冊サンプルを作製した。次に、短冊サンプルの長手方向における一方の端部を固定した状態で、短冊サンプルの一方の電極に、０Ｖ、正の電圧、０Ｖとなるサイン差の電圧波形を連続で印加することによって短冊サンプルに圧電歪みを生じさせた。このときの、短冊サンプルの固定された端部に対する逆側の端部の変位をレーザー変位計によって測定し、測定された変位に基づいて、圧電定数を算出した。なお、上記式（１）～（３）における圧電定数ｄ_３１としては、第１圧電定数を用いた。

寿命評価試験では、第１圧電定数に対する第２圧電定数の比が０．９５以上である場合、評価結果を「Ａ」とし、０．９０以上かつ０．９５未満である場合、評価結果を「Ｂ」とし、０．８０以上かつ０．９０未満である場合、評価結果を「Ｃ」とし、０．８０未満である場合、評価結果を「Ｄ」とした。なお、ある液滴吐出ヘッド２００を「１万回使用する」こととは、その液滴吐出ヘッド２００によって、上述した画質評価試験と同様の印刷を１万回実行することを指す。

性能評価試験において、各サンプルの駆動周波数ｆを、駆動信号の周波数を調整することによって、５．０×１０^３Ｈｚ以上かつ３０×１０^３Ｈｚ以下の、一定の周波数に調整した。また、性能評価試験において、各サンプルの粘度μを、性能評価試験において液体として用いられる混色ブラックインク中の色素成分と溶媒との比率を調整することによって、１．０×１０^－３Ｐａ・ｓ以上かつ３０×１０^－３Ｐａ・ｓ以下に調整した。

図５は、本実施形態における液滴吐出ヘッド２００の性能評価試験の結果を示す第１の図である。図５は、上述したサンプル群Ｓｇ１の性能評価結果を示している。図５に示すように、サンプル群Ｓｇ１において、パラメーターＰ_１が５．３×１０^－１１未満である場合、画質および寿命の評価結果は、ともにＤであった。また、同様に、パラメーターＰ_１が３．０×１０^－９を超える場合、画質および寿命の評価結果は、ともにＤであった。一方で、パラメーターＰ_１が５．３×１０^－１１以上かつ３．０×１０^－９以下である場合、画質の評価結果はＢであり、寿命の評価結果はＣであった。つまり、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、および、駆動周波数ｆが、上記式（１）によって表される関係を満たす場合に、良好な画質および長寿命が実現されることがわかった。

図６は、本実施形態における液滴吐出ヘッド２００の性能評価試験の結果を示す第２の図である。図６は、サンプル群Ｓｇ２のうち上記式（１）の関係を満たすサンプルの性能評価結果を示している。図６に示すように、パラメーターＰ_２が５．３×１０^－１２未満である場合、画質の評価結果はＢであり、寿命の評価結果はＣであった。また、パラメーターＰ_２が６．０×１０^－９を超える場合、画質および寿命の評価結果は、ともにＤであった。一方で、パラメーターＰ_２が５．３×１０^－１２以上かつ６．０×１０^－９以下である場合、画質の評価結果はＡであり、寿命の評価結果はＣであった。つまり、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、駆動周波数ｆ、および、原子百分率ｙが、上記式（２）によって表される関係を満たす場合に、より良好な画質が実現されることがわかった。これは、圧電体層２６０へのＣｕの添加によって、吐出不良が抑制されたことによる効果であると考えられる。なお、図示は省略するが、サンプル群Ｓｇ２のうち、上記式（１）の関係を満たさないサンプルの画質および寿命の評価結果は、ともにＤであった。

図７は、本実施形態における液滴吐出ヘッド２００の性能評価試験の結果を示す第３の図である。図７は、サンプル群Ｓｇ３のうち上記式（１）の関係を満たすサンプルの性能評価結果を示している。図７に示すように、パラメーターＰ_３が５．３×１０^－１２未満である場合、画質の評価結果はＢであり、寿命の評価結果はＣであった。また、パラメーターＰ_３が６．０×１０^－９を超える場合、画質および寿命の評価結果は、ともにＤであった。一方で、パラメーターＰ_３が５．３×１０^－１２以上かつ６．０×１０^－９以下である場合、画質および寿命の評価結果は、ともにＡであった。つまり、圧電定数ｄ_３１、比率ｘ、粘度μ、駆動周波数ｆ、および、原子百分率ｚが、上記式（３）によって表される関係を満たす場合に、より良好な画質および更なる長寿命が実現されることがわかった。これは、圧電体層２６０へのＭｎの添加によって、リーク電流の発生が抑制され、圧電体層２６０の発熱が抑制されたことによる効果であると考えられる。なお、図示は省略するが、サンプル群Ｓｇ３のうち、上記式（１）の関係を満たさないサンプルの画質および寿命の評価結果は、ともにＤであった。

パラメーターＰ_１や、パラメーターＰ_２、パラメーターＰ_３は、例えば、液滴吐出ヘッド２００の製造時に参照されてもよいし、液滴吐出ヘッド２００の使用時に参照されてもよい。例えば、駆動周波数ｆや使用される液体の種類が予め定められている場合、液滴吐出ヘッド２００の製造時に、その液体の粘度μおよび予め定められた駆動周波数ｆに対して、上記式（１）や式（２）、式（３）に表された関係を満たすように、圧電定数ｄ_３１や比率ｘ、原子百分率ｙ、原子百分率ｚを調整できる。この場合の駆動周波数ｆや粘度μは、例えば、下限値および上限値を有する範囲として定められてもよく、このように駆動周波数ｆや粘度μを定める場合、駆動周波数ｆや粘度μが予め定められた範囲内でどのように変化しても上記式（１）や式（２）、式（３）に表された関係を満たすように、圧電定数ｄ_３１や比率ｘ、原子百分率ｙ、原子百分率ｚを調整すればよい。これにより、好ましい組成や圧電特性を有する圧電素子２４０を備える液滴吐出ヘッド２００を製造できる。また、例えば、特定の圧電定数ｄ_３１や比率ｘ等を有する圧電素子２４０を備える液滴吐出ヘッド２００の使用時に、制御部１１０が、その駆動周波数ｆを、液体の粘度μに応じて、上記式（１）等に表された関係を満たすように、５～３０ｋＨｚの範囲で制御してもよい。

以上で説明した本実施形態における液滴吐出ヘッド２００によれば、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、Ｎａの比率ｘ、および、粘度μは、上記式（１）で表される関係を満たす。これによって、駆動周波数ｆが５～３０ｋＨｚの範囲にある場合において、液滴吐出ヘッド２００の使用条件としてのインクの粘度μ、および、駆動周波数ｆと、圧電体層２６０の成分および圧電特性との関係を加味して、良好な画質、および、液滴吐出ヘッド２００の長寿命化を実現させることができる。

また、本実施形態では、圧電体層２６０は、銅を含有し、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、Ｎａの比率ｘ、粘度μ、および、銅の原子百分率ｙは、上記式（２）で表される関係を満たす。これによって、吐出不良を抑制でき、より良好な画質を実現できる。

また、本実施形態では、圧電体層２６０は、マンガンを含有し、駆動周波数ｆ、圧電定数ｄ_３１、Ｎａの比率ｘ、粘度μ、および、マンガンの原子百分率ｚは、上記式（３）で表される関係を満たす。これによって、圧電体層２６０におけるリーク電流の発生を抑制できる。そのため、液滴吐出ヘッド２００の更なる長寿命化を実現でき、圧電体層２６０の発熱に起因して生じる吐出不良を抑制できる。

また、本実施形態では、多結晶構造を有する圧電体層２６０の粒界にマンガンが含まれる。これによって、圧電体層中の結晶粒界における空孔を抑制でき、液滴吐出ヘッド２００の更なる長寿命化を実現できる。

また、本実施形態では、圧電体層２６０中の結晶粒の平均粒径は、０．１５μｍ以上、かつ、３μｍ以下である。これにより、平均粒径が０．１５μｍ以上であるため、圧電体層２６０の圧電特性をより向上させることができる。また、平均粒径が３μｍ以下であるため、圧電体層２６０におけるクラックの発生をより抑制できる。

Ｂ．他の形態：
本開示は、上述した実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実現することができる。例えば、本開示は、以下の形態によっても実現可能である。以下に記載した各形態中の技術的特徴に対応する上記実施形態中の技術的特徴は、本開示の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、本開示の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

（１）本開示の第１の形態によれば、液滴吐出ヘッドが提供される。この液滴吐出ヘッドは、液体を液滴として吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成基板と、圧電素子と、前記圧力室形成基板と前記圧電素子との間に配置され、前記圧力室の壁面の一部を形成し、前記圧電素子の駆動によって振動する振動板と、を備える。前記圧電素子は、第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、カリウムとナトリウムとニオブとを含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする圧電体層、を有する。前記圧電素子が駆動する周波数を表す駆動周波数ｆ［Ｈｚ］、前記圧電素子の圧電定数ｄ_３１［ｍ／ｖ］、前記圧電体層中のカリウムのモル分率とナトリウムのモル分率との合計値に対するナトリウムのモル分率の比率ｘ、および、前記液体の２５℃下での粘度μ［Ｐａ・ｓ］は、下記式（１）で表される関係を満たす。
５．３×１０^－１１≦（ｄ_３１・ｘ）／（μ・ｆ）≦３．０×１０^－９ …（１）
このような形態によれば、液滴吐出ヘッドの使用条件としてのインクの粘度、および、駆動周波数と、圧電体層の成分および圧電特性との関係を加味して、良好な画質、および、液滴吐出ヘッドの長寿命化を実現させることができる。

（２）上記形態では、前記圧電体層は、銅を含有し、前記駆動周波数ｆ、前記圧電定数ｄ_３１、前記比率ｘ、前記粘度μ、および、前記圧電体層中の銅の原子百分率ｙ［ａｔ％］は、下記式（２）で表される関係を満たしていてもよい。
５．３×１０^－１２≦（ｄ_３１・ｘ・ｙ）／（μ・ｆ）≦６．０×１０^－９ …（２）
このような形態によれば、吐出不良を抑制でき、より良好な画質を実現できる。

（３）上記形態では、前記圧電体層は、マンガンを含有し、前記駆動周波数ｆ、前記圧電定数ｄ_３１、前記比率ｘ、前記粘度μ、および、前記圧電体層中のマンガンの原子百分率ｚ［ａｔ％］は、下記式（３）で表される関係を満たしていてもよい。
５．３×１０^－１２≦（ｄ_３１・ｘ・ｚ）／（μ・ｆ）≦６．０×１０^－９ …（３）
このような形態によれば、圧電体層におけるリーク電流の発生を抑制できる。そのため、液滴吐出ヘッドの更なる長寿命化を実現でき、圧電体層の発熱に起因して生じる吐出不良を抑制できる。

（４）上記形態では、前記圧電体層は、多結晶体として構成され、前記圧電体層中の粒界に、マンガンが含まれていてもよい。このような形態によれば、圧電体層中の結晶粒界における空孔を抑制でき、液滴吐出ヘッドの更なる長寿命化を実現できる。

（５）上記形態では、前記圧電体層中の結晶粒の平均粒径は、０．１５μｍ以上、かつ、３μｍ以下であってもよい。このような形態によれば、平均粒径が０．１５μｍ以上であるため、圧電体層の圧電特性をより向上させることができる。また、平均粒径が３μｍ以下であるため、圧電体層におけるクラックの発生をより抑制できる。

（６）本開示の第２の形態によれば、液滴吐出装置が提供される。この液滴吐出装置は、上記形態の液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドとメディアとの相対位置を変化させる移動機構と、前記液滴吐出ヘッド、および、前記移動機構を制御する制御部と、を備える。

４０…移動機構、４１…ヘッド移動機構、４２…キャリッジ、４６…駆動モーター、４７…駆動ベルト、４８…フレキシブルケーブル、５１…搬送モーター、８０…インクカートリッジ、９０…駆動回路、１００…液滴吐出装置、１１０…制御部、２００…液滴吐出ヘッド、２１０…ノズル板、２１１…ノズル、２２０…圧力室形成基板、２２１…圧力室、２２３…インク供給路、２２５…連通部、２３０…圧電部、２３１…振動板、２３２…弾性層、２３３…絶縁層、２４０…圧電素子、２５０…封止部、２５１…圧電素子保持部、２５２…マニホールド部、２６０…圧電体層、２７０…第１電極、２８０…第２電極、２９３…マニホールド、２９５…リード電極

Claims (6)

1. 液体を液滴として吐出するノズルと、
   前記ノズルに連通する圧力室が形成された圧力室形成基板と、
   第１電極、第２電極、および、前記第１電極と前記第２電極との間に配置され、カリウムとナトリウムとニオブとを含むペロブスカイト型複合酸化物を主成分とする圧電体層、を有する圧電素子と、
   前記圧力室形成基板と前記圧電素子との間に配置され、前記圧力室の壁面の一部を形成し、前記圧電素子の駆動によって振動する振動板と、を備え、
   前記圧電素子が駆動する周波数を表す駆動周波数ｆ［Ｈｚ］、前記圧電素子の圧電定数ｄ_３１［ｍ／ｖ］、前記圧電体層中のカリウムのモル分率とナトリウムのモル分率との合計値に対するナトリウムのモル分率の比率ｘ、および、前記液体の２５℃下での粘度μ［Ｐａ・ｓ］は、下記式（１）で表される関係を満たす、液滴吐出ヘッド。
   ５．３×１０^－１１≦（ｄ_３１・ｘ）／（μ・ｆ）≦３．０×１０^－９ …（１）
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドであって、
   前記圧電体層は、銅を含有し、
   前記駆動周波数ｆ、前記圧電定数ｄ_３１、前記比率ｘ、前記粘度μ、および、前記圧電体層中の銅の原子百分率ｙ［ａｔ％］は、下記式（２）で表される関係を満たす、液滴吐出ヘッド。
   ５．３×１０^－１２≦（ｄ_３１・ｘ・ｙ）／（μ・ｆ）≦６．０×１０^－９ …（２）
3. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドであって、
   前記圧電体層は、マンガンを含有し、
   前記駆動周波数ｆ、前記圧電定数ｄ_３１、前記比率ｘ、前記粘度μ、および、前記圧電体層中のマンガンの原子百分率ｚ［ａｔ％］は、下記式（３）で表される関係を満たす、液滴吐出ヘッド。
   ５．３×１０^－１２≦（ｄ_３１・ｘ・ｚ）／（μ・ｆ）≦６．０×１０^－９ …（３）
4. 請求項３に記載の液滴吐出ヘッドであって、
   前記圧電体層は、多結晶体として構成され、
   前記圧電体層中の粒界に、マンガンが含まれる、液滴吐出ヘッド。
5. 請求項４に記載の液滴吐出ヘッドであって、
   前記圧電体層中の結晶粒の平均粒径は、０．１５μｍ以上、かつ、３μｍ以下である、液滴吐出ヘッド。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッドと、
   前記液滴吐出ヘッドとメディアとの相対位置を変化させる移動機構と、
   前記液滴吐出ヘッド、および、前記移動機構を制御する制御部と、を備える、液滴吐出装置。

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