JP4780293B2

JP4780293B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

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Publication number: JP4780293B2
Application number: JP2005310852A
Authority: JP
Inventors: 勝人島田; 佳直宮田; 智明高橋
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2011-09-28
Anticipated expiration: 2025-10-26
Also published as: JP2007118265A

Description

本発明は、液滴を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、ノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッド及びインクジェット式記録装置に関する。

圧電素子により液滴を吐出する液体噴射ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。このようなインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。そして、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。

このような圧電素子を有するインクジェット式記録ヘッドでは、各圧電素子の一方の電極（共通電極）が複数の圧電素子に共通して設けられているため、多数の圧電素子を同時に駆動して多数のインク滴を一度に吐出させると、電圧降下が発生して圧電素子の変位量が不安定となり、インク吐出特性が低下するという問題がある。また、外部配線が接続される端子部から遠い位置に設けられた圧電素子ほど印加される電圧が低くなり易い。このため、一列に並設された圧電素子であっても端子部からの距離によって液滴の吐出特性にばらつきが生じてしまうという問題がある。

このような問題を解決するために、複数の圧電素子に共通する共通電極から、圧力発生室の外側まで引き出されて外部配線と接続される共通リード電極を複数本設けるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

このような構成とすることで、電圧降下による吐出特性のばらつきはある程度解消することはできるが、複数の共通リード電極を設けることに起因して液滴の吐出特性にばらつきが生じる虞がある。

共通リード電極は、圧力発生室を区画する隔壁に対向する領域で下電極と接続される。このため、共通リード電極を形成する際にマスクずれなどが生じていると、共通リード電極が圧力発生室に対向する領域にはみ出して形成されてしまい、一部の圧力発生室に対向する領域の振動板の変位が、共通リード電極によって低下してしまう虞がある。すなわち、各圧力発生室に対向する領域の振動板の振動特性にバラツキが生じ、各ノズル開口から吐出される液滴の吐出特性が不均一になってしまうという問題がある。

例えば、各隔壁に対向する領域に、圧力発生室の長手方向に亘って、圧電素子の共通電極である下電極と電気的に接続された接続配線が設け、この接続配線の複数本毎の１本を、隔壁に対向する領域の外側まで延設した引出し共通リード電極と、残りをダミー電極としたものがある（例えば、特許文献２参照）。

このような構成では、仮に、この引出し共通リード電極が圧力発生室に対向する領域にはみ出して形成された場合、ダミー電極も各圧力発生室に対向する領域にはみ出して形成されるため、各圧力発生室に対向する領域の振動板の変位は一定となる。しかしながら、引出し共通リード電極等が圧力発生室内にはみ出して形成された場合、振動板の変位は確実に低下するため、吐出特性の低下は避けられないという問題がある。

なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけでなく、勿論、インク以外の液体を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。

特開２００３−１２７３５８号公報特開２００５−１４４８４７号公報

本発明はこのような事情に鑑み、良好な吐出特性が安定して得られ、且つ圧電素子を高密度に配列することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決する本発明の第１の態様は、隔壁によって区画された複数の圧力発生室と、該圧力発生室に振動板を介して設けられた共通電極と、圧電体層と、個別電極と、を備える圧電素子と、を具備し、前記圧力発生室の並設方向において、前記共通電極が複数の前記圧力発生室及び前記隔壁に対向して連続的に設けられ、前記圧力発生室の並設方向とは直交する前記圧力発生室の長手方向において、前記共通電極の両端部のそれぞれが前記圧力発生室の端部よりも内側に位置し、各隔壁に対向する領域の前記共通電極の前記圧力発生室の長手方向における同じ側の一方の端部近傍には、一端側が当該共通電極と電気的に接続される接続配線が設けられ、複数の接続配線は、一部が外部配線と接続される共通リード電極と、残りが前記共通電極の端部近傍のみに設けられるダミー電極と、から構成され、前記ダミー電極を構成する前記接続配線が、前記圧力発生室の長手方向端部よりも外側まで延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる第１の態様では、共通リード電極及びダミー電極である接続配線が、圧力発生室に対向する領域にほとんどはみ出すことなく形成されるため、振動板の変位を低下させることなく、共通電極の抵抗値を実質的に低下させることができる。

本発明の第２の態様は、各隔壁に対向する領域の前記共通電極の前記圧力発生室の長手方向における同じ側の他方の端部近傍にも前記接続配線が設けられていることを特徴とする第１の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第２の態様では、共通電極の抵抗値をさらに低下させて、電圧降下の発生をより確実に防止することができる。
上記課題を解決する本発明の第３の態様は、隔壁によって区画された複数の圧力発生室と、該圧力発生室に振動板を介して設けられた共通電極と、圧電体層と、個別電極と、を備える圧電素子と、を具備し、前記圧力発生室の並設方向において、前記共通電極が複数の前記圧力発生室及び前記隔壁に対向して連続的に設けられ、前記圧力発生室の並設方向とは直交する前記圧力発生室の長手方向において、前記共通電極の両端部のそれぞれが前記圧力発生室の端部よりも内側に位置し、前記圧力発生室の長手方向における前記共通電極の一方の端部近傍には、一端側が前記共通電極と電気的に接続される接続配線が、各個別電極間にそれぞれ設けられ、複数の接続配線は、一部が外部配線と接続される共通リード電極と、残りが前記共通電極の端部近傍のみに設けられるダミー電極と、から構成され、前記ダミー電極を構成する前記接続配線が、前記圧力発生室の長手方向端部よりも外側まで延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
本発明の第４の態様は、前記圧力発生室の長手方向における前記共通電極の他方の端部近傍にも、前記接続配線が各個別電極間にそれぞれ設けられていることを特徴とする第３の態様の液体噴射ヘッドにある。

本発明の第５の態様は、前記共通電極の他方の端部の外側には、前記圧力発生室の並設方向に沿って設けられて前記圧力発生室の並設方向の前記流路形成基板の端部近傍で前記共通電極と接続される配線電極が設けられ、前記共通電極の他方の端部近傍に設けられる前記接続配線の少なくとも１本が、前記配線電極と電気的に接続されていることを特徴とする第２又は４の態様の液体噴射ヘッドにある。
かかる第５の態様では、共通電極の抵抗値をさらに低下させて、電圧降下の発生をより確実に防止することができる。

本発明の第６の態様は、第１〜５の何れか一つの態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる第６の態様では、液滴の吐出特性を安定させ、液滴の吐出特性を均一化した液体噴射装置を実現することができる。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドを示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２のＢ−Ｂ′断面図及びＣ−Ｃ′断面図である。また、図４は、実施形態１に係る配線構造を示す平面図である。

流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、図示するように、その一方の面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ０．５〜２μｍ程度の弾性膜５０が形成されている。また、流路形成基板１０には、複数の隔壁１１により区画された圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４を介して連通されている。なお、連通部１３は、後述する保護基板３０のリザーバ部３２と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。

また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２を形成する際のマスクとして用いられた絶縁膜５１を介して、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。なお、ノズルプレート２０は、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］であるガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが積層形成されて圧電素子３００が形成されている。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を含む部分をいう。また、圧電素子３００の駆動により変位が生じる部分を振動板とよぶ。例えば、少なくとも弾性膜５０及び絶縁体膜５５が振動板として機能し、本実施形態では、下電極膜６０も実質的に振動板として機能する。

ここで、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜８０には、インク供給路１４とは反対側の端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなる個別リード電極９０が接続され、この個別リード電極９０の先端部近傍には、外部配線、例えば、本実施形態では、後述する駆動ＩＣに一端が接続される駆動配線が接続される。

一方、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０は、図３，図４等に示すように、圧力発生室１２に対向する領域に、圧力発生室１２の長手方向の長さよりも狭い幅で圧力発生室１２の並設方向に亘って連続して形成されている。

また、下電極膜６０の各隔壁１１に対向する領域には、下電極膜６０とは別の層からなり下電極膜６０と電気的に接続される接続配線９１が設けられている。この接続配線９１は、本実施形態では、個別リード電極９０と同一層で形成され、その複数本に１本、例えば、１０本程度に１本は、個別リード電極９０の間を流路形成基板１０の端部近傍まで延設された共通リード電極９２となっている。なお、この共通リード電極９２の先端部近傍には、個別リード電極９０と同様に駆動配線等の外部配線が接続される。また、接続配線９１の共通リード電極９２以外は、流路形成基板１０の端部近傍まで延設されず、外部配線（駆動配線）と電気的に接続されないダミー電極９３となっている。すなわち、ダミー電極９３は、隔壁１１に対向する領域の下電極膜６０の端部近傍のみに設けられている。

このように、圧電素子３００の共通電極である下電極膜６０から複数本の共通リード電極９２を延設することにより、下電極膜６０の抵抗値を実質的に低下させることができ、多数の圧電素子３００を同時に駆動した際に、電圧降下の発生を防止することができ、常に安定したインク吐出特性を得ることができる。

また、共通リード電極９２が設けられた以外の隔壁１１に対向する領域にダミー電極９３を設けることで、各圧力発生室１２に対向する領域での振動板の振動特性のバラツキを防止することができる。具体的に説明すると、共通リード電極９２を形成する際に、パターニング用のマスクの位置ずれ等によって接続配線９１が圧力発生室１２に対向する領域にはみ出したとしても、各隔壁１１に対向する領域に接続配線９１（共通リード電極９２及びダミー電極９３）が形成されているため、全ての圧力発生室１２にほぼ均一に接続配線９１がはみ出して形成されることになる。そして、本発明では、接続配線９１を構成する共通リード電極９２を、下電極膜６０の端部近傍から流路形成基板１０の端部近傍まで引き出すようにすると共に、ダミー電極９３を下電極膜６０の端部近傍のみに設けるようにしたので、接続配線９１が圧力発生室１２に対向する領域にはみ出して形成されるのを実質的に防止することができる。

したがって、圧電素子３００の駆動による振動板の変位特性を良好に保持しつつ、各圧力発生室１２に対向する領域における振動板の振動特性のバラツキを防止でき、極めて良好なインク吐出特性が得られる。

なお、ダミー電極９３は、隔壁１１に対向する領域の下電極膜６０の端部近傍のみに設けられていればよいが、その一方の端部は圧力発生室１２の長手方向外側の領域に位置していることが好ましい。すなわち、ダミー電極９３は隔壁１１の外側の領域まで延設されていることが好ましい。これにより、各圧力発生室１２に対向する領域内へのはみ出し量がさらに均一化され、各圧力発生室１２に対向する領域の振動板の変位特性を確実に均一化することができる。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３１を有する保護基板３０が、例えば、接着剤等からなる接着層３５を介して接合されている。なお、圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。また、保護基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３２が設けられており、このリザーバ部３２は、上述したように、流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。

保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってリザーバ部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

また、本実施形態では、保護基板３０上に、圧電素子３００を駆動する駆動ＩＣ等の駆動回路１１０が実装されている。そして、上述したように、駆動回路１１０と各個別リード電極９０及び共通リード電極９２とが、ボンディングワイヤ等からなる駆動配線１１１を介して電気的に接続されている。

なお、このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、リザーバ１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１１０からの記録信号に従って各圧力発生室１２に対応する圧電素子３００を駆動し、これにより振動板が変形することで各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

（実施形態２）
図５は、実施形態２に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及びＤ−Ｄ′断面図であり、図６は、実施形態２に係る配線構造を示す平面図である。なお、上述した実施形態１と同様の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態は、下電極膜６０の両端部側に接続配線をそれぞれ設けるようにした例である。具体的には、図５及び図６に示すように、下電極膜６０の他方の端部、すなわち、個別リード電極９０の引き出し側とは反対側にも、各隔壁１１に対向する領域の下電極膜６０の端部近傍に、接続配線９１Ａが設けられている。

ここで、本実施形態では、接続配線９１Ａ側の圧力発生室１２の外側の領域には、下電極膜６０と電気的に接続される配線電極１２０が圧力発生室１２の並設方向に沿って配線電極１２０が延設されている。そして、各接続配線９１Ａは、この配線電極１２０に電気的に接続されている。例えば、本実施形態では、各接続配線９１Ａと配線電極１２０とは、同一層で連続的に形成されている。

このような本実施形態の構成では、下電極膜６０の抵抗値をさらに確実に低下させることができる。したがって、多数の圧電素子３００を同時に駆動した際に、電圧降下の発生をさらに確実に防止することができ、常に安定したインク吐出特性を得ることができる。また、勿論、実施形態１で説明したように、各圧力発生室１２に対向する領域での振動板の振動特性のバラツキも防止することができる。

なお、本実施形態では、配線電極１２０が、接続配線９１Ａと同一層で形成されているが、勿論、接続配線９１Ａとは別の層で形成されていてもよい。

（他の実施形態）
以上、本発明の各実施形態を説明したが、インクジェット式記録ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。

例えば、上述した実施形態では、接続配線９１，９１Ａは、個別リード電極９０と同一の層で形成されているが、勿論、個別リード電極９０とは別の層で形成するようにしてもよい。また、上述の実施形態では、下電極膜６０上に、接続配線９１，９１Ａを直接形成するようにしているが、これに限定されず、勿論、両者の間に他の層が介在していてもよい。例えば、図７に示すように、下電極膜６０を含む圧電素子３００を覆って、例えば、酸化アルミニウム等からなる絶縁保護膜１３０を設け、この絶縁保護膜１３０に形成されたコンタクトホール１３１を介して下電極膜６０と接続配線９１（共通リード電極９２）とを接続するようにしてもよい。

また、例えば、上述の各実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型の圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電素子を用いたインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。

また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図８は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図８に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上を搬送されるようになっている。

また、上述した実施形態においては、本発明の液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを説明したが、液体噴射ヘッドの基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射するものにも勿論適用することができる。液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの断面図である。実施形態１に係る記録ヘッドの配線構造を示す平面図である。実施形態２に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。実施形態２に係る記録ヘッドの配線構造を示す平面図である。他の実施形態に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。一実施形態に係る記録装置の概略図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、４０コンプライアンス基板、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、９０個別リード電極、９１，９１Ａ接続配線、９２共通リード電極、９３ダミー電極、１００リザーバ、１２０配線電極、１３０絶縁保護膜、３００圧電素子

Claims

隔壁によって区画された複数の圧力発生室と、
該圧力発生室に振動板を介して設けられた共通電極と、圧電体層と、個別電極と、を備える圧電素子と、を具備し、
前記圧力発生室の並設方向において、前記共通電極が複数の前記圧力発生室及び前記隔壁に対向して連続的に設けられ、
前記圧力発生室の並設方向とは直交する前記圧力発生室の長手方向において、前記共通電極の両端部のそれぞれが前記圧力発生室の端部よりも内側に位置し、
各隔壁に対向する領域の前記共通電極の前記圧力発生室の長手方向における同じ側の一方の端部近傍には、一端側が当該共通電極と電気的に接続される接続配線が設けられ、
複数の接続配線は、一部が外部配線と接続される共通リード電極と、残りが前記共通電極の端部近傍のみに設けられるダミー電極と、から構成され、
前記ダミー電極を構成する前記接続配線が、前記圧力発生室の長手方向端部よりも外側まで延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
各隔壁に対向する領域の前記共通電極の前記圧力発生室の長手方向における同じ側の他方の端部近傍にも前記接続配線が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
隔壁によって区画された複数の圧力発生室と、
該圧力発生室に振動板を介して設けられた共通電極と、圧電体層と、個別電極と、を備える圧電素子と、を具備し、
前記圧力発生室の並設方向において、前記共通電極が複数の前記圧力発生室及び前記隔壁に対向して連続的に設けられ、
前記圧力発生室の並設方向とは直交する前記圧力発生室の長手方向において、前記共通電極の両端部のそれぞれが前記圧力発生室の端部よりも内側に位置し、
前記圧力発生室の長手方向における前記共通電極の一方の端部近傍には、一端側が前記共通電極と電気的に接続される接続配線が、各個別電極間にそれぞれ設けられ、
複数の接続配線は、一部が外部配線と接続される共通リード電極と、残りが前記共通電極の端部近傍のみに設けられるダミー電極と、から構成され、
前記ダミー電極を構成する前記接続配線が、前記圧力発生室の長手方向端部よりも外側まで延設されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記圧力発生室の長手方向における前記共通電極の他方の端部近傍にも、前記接続配線が各個別電極間にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッド。
前記共通電極の他方の端部の外側には、前記圧力発生室の並設方向に沿って設けられて前記圧力発生室の並設方向の前記流路形成基板の端部近傍で前記共通電極と接続される配線電極が設けられ、前記共通電極の他方の端部近傍に設けられる前記接続配線の少なくとも１本が、前記配線電極と電気的に接続されていることを特徴とする請求項２又は４に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。