JP6459028B2 - 圧電素子およびそれを備えたインクジェットヘッド - Google Patents
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キャビティを横断する切断面において、キャビティの側壁および振動膜の下面はそれぞれ直線を呈し、それらの直線同士が角を形成している。すなわち、キャビティの側壁と振動膜の下面とはそれぞれ平面であり、それらが交わったところに角部が形成されている。
この発明の一実施形態は、圧電素子の動作を詳細に制御できる圧電素子を提供する。
この発明の一実施形態は、圧電素子の状態を正確に監視しながら作動させることができるインクジェットヘッドを提供する。
この発明の一実施形態は、圧電素子の動作を詳細に制御することができるインクジェットヘッドを提供する。
第1電極および第2電極に駆動電圧を印加すると、逆圧電効果によって、圧電体膜が変形する。また、圧電体膜に外力が作用すると、圧電効果によって、第1および第2電極間に起電力が生じる。
この発明の一実施形態では、前記第3電極が、前記第1電極と同一レイヤに配置され、前記第1電極が、当該第1電極の一端から直線状に抉れたノッチ部を当該第1電極の一角部に有しており、前記第3電極が、前記ノッチ部に入り込むようにU字形状に形成されている。
さらに、圧電体膜に外力を生じたときに、第1および第2電極からの検出出力信号に加えて、第3電極からの検出信号を検出することで、圧電体膜に加えられた外力をより詳細に検出することもできる。換言すれば、多数の検出モードを有する圧電センサを提供できる。
この発明の一実施形態では、前記第1電極が、周縁から内方に抉れたノッチ部を有しており、前記第3電極が、前記ノッチ部に入り込むように配置されているこの構成によれば、第3電極は、第1電極と圧電体膜とが接している領域に入り込むように配置されている。したがって、第3電極は、動作または検出のための変形が生じる領域において圧電体膜に接しているので、たとえば、圧電体膜の状態をより正確に監視できる。
また、この発明の一実施形態では、前記第3電極が、2つの端子を有している。たとえば、第3電極の2つの端子間の抵抗を検出することで、第3電極が接している圧電体膜の温度を検出してもよい。
第1および第2電極間に駆動電圧を印加することにより圧電体膜が変形し、それによって振動膜が変位する。これにより、キャビティの容積変化が生じてインクが吐出される。第3電極は、インクジェットヘッドの動作監視のために用いたり、さらに詳細な動作モードのための駆動電圧を圧電体膜に印加するために用いたりすることができる。
この発明の一実施形態では、前記インクジェットヘッドは、前記第3電極に接続され、前記圧電体膜の温度を検出する温度検出回路をさらに含む。この構成により、第3電極を用いて圧電体膜の温度を監視できる。圧電体膜の温度を監視することで、圧電素子の駆動状態を監視してもよい。
図1は、この発明の一実施形態に係るインクジェットヘッド1の構成を説明するための図解的な断面図である。また、図2は、インクジェットヘッド1の主要部の構成を拡大して示す断面図である。
インクジェットヘッド1は、アクチュエータ基板2と、ノズル基板3と、保護基板4と、駆動IC5とを含む。
駆動IC5は、半導体集積回路であり、たとえばチップサイズパッケージの形態を有していてもよい。駆動IC5は、具体的には、半導体基板51と、半導体基板51の表面51a側に配置された活性領域52と、半導体基板51の裏面51bに配置された出力端子としてのバンプ53とを含む。活性領域52にトランジスタその他の半導体デバイスが形成されている。活性領域52を保護するように、半導体基板51の表面には保護樹脂層54等が配置されている。半導体基板51には、貫通ビア55が形成されている。貫通ビア55は、TSV(Through-Silicon Via)からなっていてもよい。貫通ビア55は、活性領域52とバンプ53とを接続し、活性領域52に形成された電子回路の出力端子を半導体基板51の裏面51bに引き出している。半導体基板51の裏面51bは、駆動IC5の第1表面5aである。この第1表面5aは、アクチュエータ基板2に対向しており、駆動IC5の出力端子を構成する複数のバンプ53が集中配置されている。バンプ53の数は、アクチュエータ基板2上に設けられた圧電素子20の個数にほぼ相当している。たとえば、アクチュエータ基板2上に約300個の圧電素子20が設けられるならば、出力端子としてのバンプ53の個数は約300個である。これらのバンプ53が複数の圧電素子20に対応する配線15のランド16上に接合されている。これにより、ワイヤボンディングやFPC(フレキシブルプリント基板)を用いることなく、駆動IC5と圧電素子20との電気的接続が達成されている。
アクチュエータ基板2の表面2aに振動膜形成層11が形成されている。振動膜形成層11において、キャビティ6の底面壁を構成している部分、すなわち、キャビティ6を区画している部分が振動膜10である。
振動膜形成層11の表面、圧電素子20の表面および下部電極22の延長部22Bの表面は、水素バリア膜12によって覆われている。水素バリア膜12は、たとえば、Al2O3(アルミナ)からなる。これにより、圧電体膜24の水素還元による特性劣化を防止することができる。水素バリア膜12上には、絶縁膜13が積層されている。絶縁膜13は、たとえば、SiO2からなる。絶縁膜13上に配線15が形成されている。配線15は、Al(アルミニウム)を含む金属材料からなっていてもよい。
圧電体膜24は、平面視において、上部電極21と同じパターン、すなわち、圧電素子20と同じパターンの矩形状に形成されている。圧電体膜24の下面は下部電極22の主電極部22Aの上面に接しており、圧電体膜24の上面は上部電極21の下面に接している。
錘としての厚膜部25は、平面視矩形のキャビティ6の長手方向に沿って延び、キャビティ6の短手方向の長さの半分以下の帯状に形成されていて、キャビティ6の短手方向の中央付近に配置されている。それにより、キャビティ6側縁から厚膜部25の縁までの充分な間隔が確保されている。それによって、錘としての厚膜部25の慣性質量によって振動膜10の変位を効果的に増大させることができるから、インクジェットヘッド1の駆動性能を向上できる。
また、屈曲部27は、圧電素子20の周縁に接し、かつ圧電素子20の周縁よりも内方の領域に至っている。それにより、圧電体膜24の変位が始まりやすく、かつ圧電体膜24の変位がその全体に伝搬しやすい。そのため、応答性の高い圧電素子20を提供でき、それに応じて、動作制御性の高い圧電素子20を備えたインクジェットヘッド1を実現できる。
また、変位の起点部となる屈曲部27が圧電体膜24に設けられていることにより、圧電体膜24の変位を確実に屈曲部27から生じさせることができ、それによって、動作制御性の高い圧電素子20を備えたインクジェットヘッド1を実現できる。
また、屈曲部27は、キャビティ6の長手方向両端部近傍にも位置しているので、圧電体膜24の変位をキャビティ6の両端部近傍から開始させることができる。それにより、動作制御性のみならず、駆動電圧に対する応答性にも優れたインクジェットヘッド1を提供できる。
また、この実施形態では、圧電素子20は、第1電極としての上部電極21と、第2電極としての下部電極22に加えて、第3電極としての動作監視電極23を含み、動作監視電極23は、圧電体膜24に接している。動作監視電極23により、圧電体膜24の状態を検出することができる。この実施形態では、動作監視電極23は、圧電体膜24の温度を検出する温度検出電極である。すなわち、上部電極21と下部電極22とに駆動IC5から駆動電圧を印加して圧電素子20を作動させることにより、圧電体膜24の温度上昇が生じる。そこで、動作監視電極23によって圧電体膜24の温度を検出することによって、圧電素子20の動作を確認できる。
また、この実施形態では、上部電極21が、周縁から内方に抉れたノッチ部35を有しており、動作監視電極23が、ノッチ部35に入り込むように配置されている。すなわち、動作監視電極23は、上部電極21と圧電体膜24とが接している領域に入り込むように配置されている。したがって、動作監視電極23は、動作ための変形が生じる領域において圧電体膜24に接しているので、圧電体膜24の状態をより正確に監視できる。より具体的には、圧電体膜24の作動領域(変形領域)における温度を検出できる。
また、この実施形態では、動作監視電極23が、キャビティ6に対向する位置に配置されている。そのため、インク吐出のために変形する作動領域において圧電体膜24の状態を検出できる。それにより、圧電体膜24の状態をより正確に検出できる。
また、この実施形態では、アクチュエータ基板2のキャビティ6を区画する内壁面62が、振動膜10のキャビティ6側の表面に連なる曲面部62Aを有している。したがって、インクタンク8から供給されるインク中に気泡が含まれていても、その気泡はキャビティ6内に捕獲されにくく、気泡溜まりを形成する前に、インクとともに速やかに吐出口32から排出される。それにより、キャビティ6内に気泡溜まりが生じることを抑制または防止できる。その結果、キャビティ6の容積変化が気泡の収縮によって吸収されることを抑制または防止できるので、圧電素子20に加えた駆動電圧に対応したインク吐出量を精度良く実現できる。こうして、インク吐出制御性を向上したインクジェットヘッド1を提供できる。
さらに、この実施形態では、曲面部62Aは、アクチュエータ基板2のキャビティ6を区画する内壁面62と振動膜10との境界の全周に渡っている。これにより、内壁面62と振動膜10との交差部における気泡溜まりをより効果的に抑制または防止でき、それに応じて、インク吐出制御性能を向上できる。
さらに、この実施形態では、分離溝60の下端が区画壁61の高さの2分の1よりも低い位置にあり、分離溝60の深さが区画壁61の高さの2分の1よりも深い。それにより、振動膜10の変形に伴って区画壁61も大きく変形させることができるから、それに応じて、キャビティ6の容積を大きく変化させることができる。それにより、インク吐出量の増大またはインクジェットヘッド1の小型化を図ることができる。
集中配置とは、駆動IC5が備えるほとんどの出力端子(好ましくは全部の出力端子)が第1表面5aに配置されていることをいう。ただし、第1表面5aに入力端子が配置されることを妨げない。
「本焼成単位のPZT層」とは、PZTを含む前駆体溶液の塗布膜をゲル化させて形成されるゲル化膜を1または複数枚積層した後に熱処理して本焼成させる本焼成工程を行って形成されるPZT層である。ゲル化膜を形成するゲル化膜形成工程は、PZTを含む前駆体溶液を塗布して塗布膜を形成する塗布工程と、その塗布膜を乾燥させる乾燥工程と、乾燥工程後の塗布膜をゲル化させる仮焼成工程とを含む。このゲル化膜形成工程を1または複数回行った後に本焼成を行うことにより、本焼成単位のPZT層73が形成される。つまり、本焼成単位のPZT層73はゾルゲル法によって形成される。
シード層72は、PZTの結晶性および密着性を向上するために設けられる層であり、たとえば、PZTからなるPZTシード層またはTiOからなるTiOシード層で構成される。シード層72は、スパッタ法で形成されることが好ましいが、ゾルゲル法で形成されてもよい。スパッタ法で形成される場合には、形成時に下部電極22の近傍に電界が生じているので、分極状態で結晶が成長し、配向方向が揃ったシード層72が得られる。この場合、シード層72は、下部電極22の法線方向に柱状に成長した結晶粒で構成された柱状組織層となる。ゾルゲル法によるときには、前駆体溶液の塗布、塗布膜の乾燥、乾燥後の塗布膜の加熱によるゲル化を順に行って1枚のゲル化した塗布膜を形成し、その塗布膜を本焼成してシード層72が形成される。シード層72の厚みは、たとえば、5nm〜500nm程度である。
このようにして形成された圧電体膜24は、柱状組織層75からなるシード層72と、そのシード層72に接して積層され、圧電材料の非晶質組織層76を構成する複数の本焼成単位のPZT層73とを含む。柱状組織層75は、結晶の配向が揃っている。非晶質組織層76は、緻密な膜質を有し、耐圧に優れている。そして、非晶質組織層76は、柱状組織層75に接して積層されているので、柱状組織層75の配向に倣う。したがって、柱状組織層75および非晶質組織層76を積層した圧電体膜24は、配向性および耐圧のいずれもが優れている。これにより配向性および耐圧に優れた圧電体膜24を有する圧電素子20によって駆動されるインクジェットヘッド1を提供できる。
このような圧電体膜24は、インクジェットヘッド1以外の圧電アクチュエータや、マイクロホンおよび超音波センサに代表される圧電センサにも適用することができる。すなわち、圧電アクチュエータでは、上部電極21および下部電極22の間に駆動電圧を印加することにより、逆圧電効果によって圧電体膜24を変形させることができる。また、圧電センサでは、外力によって圧電体膜24を変形させることにより、圧電効果によって、上部電極21および下部電極22の間に電圧を生じさせることができる。所要の特性に応じて柱状組織層75の配向を制御することにより、優れた特性の圧電アクチュエータまたは圧電センサを実現できる。たとえば、柱状組織層75が<100>配向であるとき、圧電体膜24は、電圧印加時の逆圧電効果による変位が大きく、また変形時の圧電効果による起電力が大きい性質を有する。したがって、駆動性能の優れ圧電アクチュエータや、感度の高い圧電センサを実現できる。また、柱状組織層75が<111>配向であるとき、圧電体膜24は、電圧印加時の圧電効果による変位の大きさを制御しやすく、また変形時の圧電効果による起電力が安定する性質を有する。したがって、制御性の優れた圧電アクチュエータや、出力の安定した圧電センサを実現できる。
より具体的には、図9Aの例では、シード形成領域81およびシード非形成領域82がそれぞれ矩形に形成されており、隣接する矩形の一辺同士を重ね合わせて交互に配置されている。そして、複数のシード形成領域81および複数のシード非形成領域82が、全体として、下部電極22の主電極部22Aに対応した矩形の領域を形成している。このように、矩形のシード形成領域81および矩形のシード非形成領域82が交互に揃えて配置されることにより、特性制御性の高い矩形の圧電体膜24を提供できる。
また、同様に、環状のシード非形成領域82を有することにより、下地層(下部電極22)の影響を直接受けた配向に応じた特性の影響を圧電体膜24の広い範囲に及ぼすことができ、それにより、特性制御性の高い圧電体膜24を提供できる。
図10A、図10B、図10Cおよび図10Dは、錘の配置に関する変形例を示す。
図10Aの構成では、上部電極21が保護膜19で覆われており、その保護膜19上に錘65が配置されている。保護膜19は、この例では、水素バリア膜12および絶縁膜13の積層膜である。錘65は、金属膜で構成されていてもよい。錘65は、キャビティ6の短手方向に関して中間付近の位置に配置され、キャビティ6の長手方向に沿って延びている。そして、錘65は、キャビティ6の短手方向の幅よりも短い幅(好ましくは、キャビティ6の幅の2分の1程度の幅)を有する帯状に形成されている。したがって、錘65と振動膜10の側縁との間には、振動膜10の変位を阻害しないように充分な間隔が確保されている。また、錘65は、キャビティ6の長手方向に関してキャビティ6の長さよりも短く、錘65の両端とキャビティ6の両端との間には、振動膜10の変位を阻害しないように充分な間隔が確保されている。よって、錘65によって振動膜10の変位が大きく拘束されるおそれはない。
図10Bには上部電極21と錘65とが分離されている構造を示したが、図10Cに示すように、上部電極21と錘65とが繋がって、一体化していてもよい。この場合、上部電極21と錘65とは同電位となり、錘65を介して圧電体膜24に駆動電圧を印加できる。すなわち、錘65が上部電極21としての機能を兼ね備えている。これにより、圧電体膜24の広い範囲に駆動電圧を印加でき、かつ錘65による振動膜10の変位を大きくできるから、駆動性能に優れたインクジェットヘッド1を実現できる。
圧電センサにおいては、振動膜が変位すると、圧電効果によって、圧電素子に電圧が生じる。錘は、振動膜の中央部の慣性質量を局所的に増加させるように配置されているので、振動膜の変位を大きくすることができる。それにより、大きな電圧が圧電素子に生じるので、検出性能(とくに感度)に優れた圧電センサを実現できる。圧電センサとしては、マイクロホンや超音波センサを例示できる。
図11Aの構成では、上部電極21の両端部近傍に起点部としての一対のドット状の凹部85がそれぞれ形成されている。凹部85は、上部電極21を貫通していてもよいし、貫通していなくてもよい。凹部85は、屈曲部の一例であり、上部電極21、下部電極22および圧電体膜24の積層方向への窪み形状である。また、凹部85においては、上部電極21の少なくとも一部が除去されているので、凹部85は、圧電素子20の他の部分に比較して脆弱な脆弱部である。凹部85は、圧電素子20の周縁よりも内方の領域に配置され、かつ圧電素子20の周縁から分離されている。この例では、凹部85は、矩形のドット状であるが、その他の多角形、円形、楕円形等の他の形状のドット状としてもよい。
図11Dおよび図11Eの構成において、溝88,89は、上部電極21の一端から他端まで延びていて、圧電素子20の周縁と接していてもよい。ただし、この場合、図11Dに示す連続形状の溝88の底部には、少なくとも一部に上部電極21を残し、溝88の内側と外側とで上部電極21が分離しないようにすることが好ましい。
図11Hの構成では、矩形の上部電極21の四隅にほぼ円弧形状の凹部94が形成されている。凹部は、上部電極21を貫通していてもよく、貫通していなくてもよい。凹部は、上部電極21の角部に向かって膨らむ円弧形状を有している。凹部は、キャビティ6の長手方向両端部の近傍に置いて、キャビティ6の短手方向両端部の近傍にそれぞれ配置されている。凹部は、圧電素子20の周縁から分離して形成されている。この構成によっても、圧電素子20に駆動電圧を印加したときに、凹部を変位の起点として圧電体膜24および振動膜10の変形が始まる。それにより、安定で応答性の高いインクジェットヘッド1を実現できる。
図12Aの構成では、上部電極21と同一レイヤに、動作監視電極100が配置されている。動作監視電極100は、上部電極21に形成されたノッチ部101に入り込んでおり、圧電体膜24を介して下部電極22に対向している。また、動作監視電極100は、キャビティ6に対向している。動作監視電極100は、直線状に形成されており、ただ一つの端子部102を有している。端子部102は、ノッチ部101外に配置されている。ノッチ部101は、この例では、上部電極21の端縁の中間位置からキャビティ6の長手方向に直線状に細長く延びた形状を有している。動作監視電極100は、ノッチ部101の形状に対応するように、少なくともノッチ部101内では直線状に延びている。動作監視電極100は、ノッチ部101の周縁から間隔を開けて配置されており、したがって、上部電極21から電気的に分離されている。
図12Bの構成では、上部電極21および下部電極22の間において、第3電極としての中間電極103が圧電体膜24に接している。より具体的には、圧電体膜24の膜厚中間位置に中間電極103が配置されている。中間電極103は、上部電極21および下部電極22と平行であり、圧電体膜24を挟んで上部電極21および下部電極22に対向している。中間電極103は、このように、圧電体膜24中に埋め込まれているので、この中間電極103を用いることにより、圧電体膜24の状態をより正確に監視することができる。
図13Aに示す構成では、アクチュエータ基板2の内壁面62が、キャビティ6の外方に窪む窪み部62Cを有している。窪み部62Cは、振動膜10のキャビティ6側の表面に交差する断面において鈍角をなす谷部を形成している。窪み部62Cの上方側(アクチュエータ基板2側)には第1の平坦面部62Dの下縁が連なっている。第1の平坦面部62Dは、振動膜10と平行な方向および振動膜10の法線方向のいずれに対しても傾斜している。第1の平坦面部62Dの上縁は、曲面部62Aに連なっている。窪み部62Cの下方側(ノズル基板3側)には、第2の平坦面部62Eが窪み部62Cに連なっている。第2の平坦面部62Eは、振動膜10と平行な方向および振動膜10の法線方向のいずれに対しても傾斜している。第1の平坦面部62Dは、曲面部62Aから窪み部62Cに向かってキャビティ6の外方に向けて傾斜している。第2の平坦面部62Eは、ノズル基板3から窪み部62Cに向かってキャビティ6の外方に向けて傾斜している。第1の平坦面部62Dが含まれる平面と第2の平坦面部62Eが含まれる平面とは、振動膜10の前記キャビティ6側の表面に交差する断面において鈍角を形成する。すなわち、窪み部62Cは、断面において、鈍角を形成している。
図13Cに示す構成では、振動膜10の下面に接する曲面部62Aが、アクチュエータ基板2の一方表面から他方表面にまで連続している。これにより、キャビティ6の内壁面に気泡溜まりが生じることを抑制または防止できる。しかも、曲面部62Aがノズル基板3にも接しているので、キャビティ6の内壁面62とノズル基板3との境界部においても気泡の捕獲が生じ難い。したがって、インク吐出制御性能を一層向上したインクジェットヘッド1を実現できる。曲面部62Aは、キャビティ6の内壁面62とノズル基板3との境界の全周に渡っていることが好ましい。これにより、気泡溜まりをより確実に抑制できる。
図14Aに示すように、キャビティ6間の振動膜10を分離する分離溝60は、不連続パターンの溝であってもよい。このような不連続パターンの溝であっても、各キャビティ6に対応した振動膜10に対する周囲からの拘束を少なくすることができる。
図15Aの構成では、駆動IC5は、圧電素子20を覆うようにアクチュエータ基板2の表面に実装されている。駆動IC5は、したがって、圧電素子20を保護するための保護基板としての役割を兼ねている。これにより、圧電素子20を保護するための保護基板を別途配置する必要がない。そのうえ、アクチュエータ基板2上において圧電素子20と重なり合うように駆動IC5を実装できるので、インクジェットヘッド1を一層小型化することができる。
バンプ53によってアクチュエータ基板2の表面と駆動IC5の第1表面5aとの間に間隙7が形成されており、その間隙7に圧電素子20が配置されて、駆動IC5の平坦な第1表面5aに対向している。このように、バンプ53によって形成された空間が、圧電素子20の配置およびその動作のための空間として利用されている。これにより、駆動IC5の第1表面5aに凹所を形成する必要がないので、製造工程が簡単になる。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
2 アクチュエータ基板
3 ノズル基板
4 保護基板
6 キャビティ
8 インクタンク
10 振動膜
11 振動膜形成層
12 水素バリア膜
13 絶縁膜
15 配線
16 ランド
19 保護膜
20 圧電素子
21 上部電極
22 下部電極
22A 主電極部
22B 延長部
22C ランド
23 動作監視電極
23a,23b 端子部
24 圧電体膜
25 厚膜部
26 薄膜部
27 屈曲部
28 段差面
31 インク吐出通路
32 吐出口
35 ノッチ部
36 駆動状態監視回路
41 対向面
42 収容凹所
43 インク供給路
44 インク供給路
45 インク流通方向
49 共通インク通路
50 インク通路
51 半導体基板
52 活性領域
53 バンプ(出力端子)
54 保護樹脂層
55 貫通ビア
56 入力端子
57 FPC
58 ボンディングワイヤ
60 分離溝
60a 側縁分離溝
60b 端縁分離溝
61 区画壁
62 内壁面
62A 曲面部
62B 平坦面部
62C 窪み部
62D 第1の平坦面部
62E 第2の平坦面部
62F 曲面部
65 錘
66 引き出し電極
71 密着層
72 シード層
73 本焼成単位のPZT層
75 柱状組織層
76 非晶質組織層
81 シード形成領域
82 シード非形成領域
85 凹部
86 溝
87 ノッチ
88 溝
89 溝
90 溝
93 溝
94 凹部
95 厚膜部
96 薄膜部
100 動作監視電極
101 ノッチ部
102 端子部
103 中間電極
Claims (7)
- 第1電極と、
第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極に挟まれた圧電体膜と、
前記第1電極と同一レイヤに配置され、前記圧電体膜に接する第3電極と
を含み、
前記第1電極が、当該第1電極の一端から直線状に抉れたノッチ部を当該第1電極の一角部に有しており、
前記第3電極が、前記ノッチ部に入り込むようにU字形状に形成されている、圧電素子。 - 前記第3電極が、前記圧電体膜を挟んで前記第2電極に対向している、請求項1に記載の圧電素子。
- 前記第3電極が、2つの端子を有している、請求項1または2に記載の圧電素子。
- インクを貯留するキャビティを区画する基板と、
前記基板に支持されて前記キャビティを区画する振動膜と、
前記振動膜上に設けられ前記振動膜を変位させる請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電素子と
を含むインクジェットヘッド。 - 前記第3電極に接続され、前記圧電素子の駆動状態を監視する駆動状態監視回路をさらに含む、請求項4に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第3電極に接続され、前記圧電体膜の温度を検出する温度検出回路をさらに含む、請求項4または5に記載のインクジェットヘッド。
- 前記第3電極が、前記キャビティに対向するように配置されている、請求項4〜6のいずれか一項に記載のインクジェットヘッド。
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