(57)【要約】【課題】  インクジェットヘッドの静電式アクチュエータの電極間ギャップ誤差に含まれる振動板の残留変位に起因する誤差を算出可能な検査方法を提案すること。【解決手段】  インクジェットヘッド１は、シリコン基板２に形成した薄肉の振動板１２と電極ガラス基板３の凹部２１の底面に形成した透明な個別電極２２とが対峙した構成の静電式アクチュエータを有し、また、シリコン基板の剛体部分２ａと、凹部２１と同時に形成された凹部３１の底面に個別電極２２と同時に形成された透明な薄膜電極３２とが対峙した構成のダミーアクチュエータとを有している。光干渉効果を利用して、振動板１２と個別電極２２のギャップＧ１と、剛体部分２ａと薄膜電極３２のギャップＧ２を測定すれば、これらの差が振動板１２の残留変位量を表すので、これを抑制あるいは解消できるように、シリコン基板２と電極ガラス基板３の積層接合条件を調整できる。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層状に接着あるいは接合された第１および第２基板と、
前記第１基板に同一製造工程により形成した第１および第２凹部と、
前記第１および第２凹部の底面にそれぞれ同一製造工程により形成した第１および第２電極とを有し、
前記第２基板における前記第１凹部を封鎖している部分は、前記第１電極に対峙している弾性変位可能な振動板部分であり、
前記第２基板における前記第２凹部を封鎖している部分は、前記第２電極に対峙している剛体部分であり、
前記第１基板と前記第１および第２電極は光透過性のものであり、
前記第１電極および前記振動板部分の間に電圧を印加して発生する静電気力により前記振動板部分が弾性変位する静電式アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載の静電式アクチュエータの検査方法であって、
光干渉効果を利用して、前記第１電極と前記振動板部分の間に形成されている第１ギャップと、前記第２電極と前記剛体部分の間に形成されている第２ギャップとを測定し、
前記第１ギャップと前記第２ギャップを比較して、前記振動板部分の残留撓みに起因するギャップ誤差を求める静電式アクチュエータの検査方法。
【請求項３】
請求項２において、
予め定めたギャップ基準寸法に基づき、前記第１凹部の深さ寸法のばらつきと、前記第１電極の厚さ寸法のばらつきに起因するギャップ誤差を求める静電式アクチュエータの検査方法。
【請求項４】
インクノズルと、
前記インクノズルに連通したインク圧力室と、
請求項１に記載の静電式アクチュエータとを有し、
前記インク圧力室の一部が前記振動板部分により形成されており、
前記振動板部分が弾性変位すると、前記インク圧力室の容積が変動して、前記インクノズルからインク液滴を吐出させる吐出力が発生するインクジェットヘッド。
【請求項５】
請求項４に記載のインクジェットヘッドの検査方法であって、
光干渉効果を利用して、前記第１電極と前記振動板部分の間に形成されている第１ギャップと、前記第２電極と前記剛体部分の間に形成されている第２ギャップとを測定し、
前記第１ギャップと前記第２ギャップを比較して、前記振動板部分の残留撓みに起因するギャップ誤差を求めるインクジェットヘッドの検査方法。
【請求項６】
請求項５において、
予め定めたギャップ基準寸法に基づき、前記第１凹部の深さ寸法のばらつきと、前記第１電極の厚さ寸法のばらつきに起因するギャップ誤差を求めるインクジェットヘッドの検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は静電式アクチュエータおよび当該静電式アクチュエータを用いてインクノズルからインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドに関するものである。更に詳しくは、対向電極間ギャップを光干渉効果を利用して測定可能な静電式アクチュエータおよびその検査方法並びにインクジェットヘッドおよびその検査方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
静電式アクチュエータは、面外方向に弾性変位可能な薄い振動板電極と、固定側電極とを所定のギャップを介して対向配置し、これらの対向電極間に電圧を印加することにより発生する静電気力を利用して振動板電極を弾性変位させるものである。静電式アクチュエータは例えばインクジェットヘッドにおいてインクノズルからインク液滴を吐出させる吐出圧力の発生源として利用されている。かかる構成のインクジェットヘッドにおいては、下記の特許文献１に開示されているように、半導体基板をエッチングすることにより薄肉の振動板電極を形成し、ガラス基板をエッチングして形成した凹部の底面にＩＴＯなどの電極薄膜を形成することにより固定側電極を形成し、半導体基板とガラス基板を積層状に接合することにより、一定のギャップを介して対峙した振動板電極および固定側電極を備えた静電式アクチュエータが構成されている。
【０００３】
この構成のインクジェットヘッドでは、電極間ギャップ（振動板電極と固定側電極の間のギャップ）にばらつきがあると、発生する静電気力が変動するので、振動板電極の挙動が変化してインク液滴の吐出特性が変動してしまう。電極間ギャップのばらつきの要因には、エッチング誤差による凹部の深さ寸法のばらつきと、凹部底面に形成した固定側電極の膜厚のばらつきと共に、半導体基板とガラス基板の積層接合時の残留応力などに起因して発生する振動板電極の残留変位（反り）が含まれている。残留変位は積層接合後に発生するので、電極間ギャップの測定は半導体基板とガラス基板を積層接合した後に行う必要がある。
【０００４】
基板を積層接合した後にそれらの間の封鎖空間に形成されている電極間ギャップを測定する方法としては、光干渉効果を利用することが考えられる。微小な電極間ギャップに光を当てると、すなわちギャップを規定している振動板電極表面および固定側電極表面に光を照射すると、ギャップ量に応じて、吸収波長成分あるいは反射波長成分が変動し、色相が変化する。したがって、分光光度計を用いて反射光から得られる吸収波長あるいは反射波長のピーク値からフーリエ変換等によりギャップ量を推定することができる。なお、光干渉による干渉縞を利用したインクジェットヘッドの検査方法としては、例えば、下記の特許文献２に記載されている。
【特許文献１】特開平１１−１９８３７４号公報
【特許文献２】特開平１１−３０９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、電極間ギャップのばらつき要因には、上記のように、凹部深さ寸法および電極膜厚のばらつきと、振動板電極の残留変位が含まれている。したがって、測定された電極間ギャップ寸法を予め定められている基準ギャップ寸法と比較して得られるばらつきは、これらのばらつき要因の集合であり、凹部深さ寸法および電極膜厚のばらつきによるものと、振動板電極の残留変位によるものとを識別することができない。このため、電極間ギャップのばらつきが求まっても、それを抑制できるように、製造工程に正確にフィードバックすることができない。例えば、振動板電極の残留変位が大きい場合には、基板の積層接合工程において加える接合力を低減するなどの調整が必要であるが、求まった電極間ギャップのばらつきだけでは、残留変位の大小が不明であるので、ばらつきを抑制できるように製造条件を正確にフィードバック制御することができない。
【０００６】
本発明の課題は、このような点に鑑みて、電極間ギャップのばらつき要因である振動板電極の残留変位を測定可能な構成を備えた静電式アクチュエータおよび、静電式アクチュエータをインク吐出圧力の発生源として用いているインクジェットヘッドを提案することにある。
【０００７】
また、本発明の課題は、かかる静電式アクチュエータおよびインクジェットヘッドの電極間ギャップおよび振動板電極の残留変位を光干渉効果を利用して測定する検査方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の静電式アクチュエータは、積層状に接着あるいは接合された第１および第２基板と、前記第１基板に同一製造工程により形成した第１および第２凹部と、前記第１および第２凹部の底面にそれぞれ同一製造工程により形成した第１および第２電極とを有し、前記第２基板における前記第１凹部を封鎖している部分は、前記第１電極に対峙している弾性変位可能な振動板部分であり、前記第２基板における前記第２凹部を封鎖している部分は、前記第２電極に対峙している剛体部分であり、前記第１基板と前記第１および第２電極は光透過性のものであり、前記第１電極および前記振動板部分の間に電圧を印加して発生する静電気力により前記振動板部分が弾性変位することを特徴としている。
【０００９】
本発明では、同一の製造工程により製造された２組の対向電極を備えている。一方の対向電極間には電圧が印加されて、対向電極の一方の側の振動板部分が弾性変位してアクチュエータとして機能する。しかるに、他方の対向電極では、その双方の電極が弾性変位しないのでアクチュエータとして機能しない。したがって、第１および第２基板の積層状に接着もしくは接合により残留変位が発生することに起因する電極間ギャップのばらつきは発生しない。よって、２組の対向電極における電極間ギャップを測定して比較すれば、振動板部分の残留変位を求めることができる。
【００１０】
この点を利用して、本発明による上記構成の静電式アクチュエータの検査方法では、光干渉効果を利用して、前記第１電極と前記振動板部分の間に形成されている第１ギャップと、前記第２電極と前記剛体部分の間に形成されている第２ギャップとを測定し、前記第１ギャップと前記第２ギャップを比較して、前記振動板部分の残留撓みに起因するギャップ誤差を求めるようにしている。
【００１１】
また、予め定めたギャップ基準寸法に基づき、前記第１凹部の深さ寸法のばらつきと、前記第１電極の厚さ寸法のばらつきに起因するギャップ誤差を求めるようにしている。例えば、第２ギャップとギャップ基準寸法の差を求めればよい。あるいは、第１ギャップから上記のギャップ誤差を減算した値とギャップ基準寸法との差を求めればよい。
【００１２】
一方、本発明はインクジェットヘッドに関するものであり、インクノズルと、前記インクノズルに連通したインク圧力室と、上記構成の２種類の対向電極を備えた静電式アクチュエータとを有し、前記インク圧力室の一部が前記振動板部分により形成されており、前記振動板部分が弾性変位すると、前記インク圧力室の容積が変動して、前記インクノズルからインク液滴を吐出させる吐出力が発生するようになっていることを特徴としている。
【００１３】
また、本発明は、かかる構成のインクジェットヘッドの検査方法であって、光干渉効果を利用して、前記第１電極と前記振動板部分の間に形成されている第１ギャップと、前記第２電極と前記剛体部分の間に形成されている第２ギャップとを測定し、前記第１ギャップと前記第２ギャップを比較して、前記振動板部分の残留撓みに起因するギャップ誤差を求めるようにしている。
【００１４】
また、予め定めたギャップ基準寸法に基づき、前記第１凹部の深さ寸法のばらつきと、前記第１電極の厚さ寸法のばらつきに起因するギャップ誤差を求めるようにしている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の静電式アクチュエータおよびインクジェットヘッドでは、アクチュエータとして機能する振動板部分と第１電極からなる部分と、アクチュエータとして機能しない剛体部分と第２電極からなる所謂ダミーの部分とが同一の製造工程により製造されている。よって、これらの電極間ギャップの差は振動板部分の残留変位量を表す。
【００１６】
本発明の検査方法では、これらの電極間ギャップを光干渉効果を利用して測定し、測定した第１ギャップと第２ギャップを比較して、振動板部分の残留変位を求めている。また、振動板部分の残留変位の影響が除外されている第２ギャップを基準ギャップ寸法と比較することにより、主として凹部深さ寸法のばらつきに起因するギャップ誤差を求めている。
【００１７】
従って、本発明によれば、振動板部分の残留変位を、基板を積層する接着や接合工程における製造条件にフィードバックでき、また、凹部深さ寸法のばらつきを、凹部形成のためのエッチング条件にフィードバックできる。さらには、振動板部分の残留変位に基づき、対向電極間に印加する電圧パルス形状などの最適駆動条件の設定が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した静電式アクチュエータを備えたインクジェットヘッドの一例を説明する。
【００１９】
図１はインクジェットヘッドの斜視図であり、図２はその縦断面図であり、図３はその部分横断面図であり、図４はその主要部分の分解斜視図である。インクジェットヘッド１は、シリコン基板２と、この下面に積層接合された電極ガラス基板３と、シリコン基板２の上面に積層接合されたガラス基板４からなり、これらの後端部にはインク供給管６が取り付けられ、インク供給管６の側面には不図示のインクタンクからインクを供給するインクチューブ７が接続されている。インクジェットヘッド１の前端面には複数のインクノズル８が配列され、その側面部分には不図示の駆動回路から駆動電力を供給するためのフレキシブルプリント配線基板９が接続されている。
【００２０】
中間に配置されているシリコン基板２の上面には、複数のインクノズル８を構成するように、その前端から平行に等間隔で形成された複数のノズル溝１１と、各々ノズル溝１１に連通し、底壁部分を振動板１２とするインク圧力室１３を構成することになるインク圧力室用凹部１４と、これらの凹部１４の後部に設けられたオリフィス１５を構成することになる細溝１６と、各々のインク圧力室１３にインクを供給するための共通のインク供給室１７を構成することになるインク供給室用凹部１８とが形成されている。シリコン基板２の側方部分はガラス基板４の側面から突出した露出表面部分となっており、ここには、共通電極端子１９が形成されている。
【００２１】
シリコン基板２の下面に積層されている電極ガラス基板３はホウ珪酸ガラスからなり、その表面には、各振動板１２に対峙する部分に凹部２１（第１凹部）が形成され、各凹部２１の底面には振動板１２に対応する長方形の個別電極２２（第１電極）が形成されている。各個別電極２２はリード部２３を介して、シリコン基板２の側面から露出している露出表面部分に形成された端子部２４に繋がっている。個別電極２２は例えばＩＴＯ薄膜からなる透明電極である。
【００２２】
シリコン基板２の上面に接合されている上側のガラス基板４は、下側の電極ガラス基板３と同じくホウ珪酸ガラスからなる。ガラス基板４をシリコン基板２に積層接合することにより、インクノズル８、インク圧力室１３、オリフィス１５および共通のインク供給室１７が構成される。なお、インク供給室１７には、シリコン基板２とガラス基板４を接合する際にインク供給室用凹部１８がつぶれないように補強するための補強用リブ２５が形成されている。
【００２３】
シリコン基板２と電極ガラス基板３は、例えば、加熱温度３００〜５００℃、印加電圧５００〜１０００Ｖで陽極接合されており、同一条件で、シリコン基板２の上面にガラス基板４も陽極接合されている。シリコン基板２の下面、すなわち、振動板１２の表面には熱酸化により酸化シリコン膜が形成されており、個別電極２２と振動板１２が接触しても短絡しないようになっている（なお、図においては酸化シリコン膜を省略してある。）。
【００２４】
この構成のインクジェットヘッド１には、図示しないインクタンクからインクチューブ７、インク供給管６を経由してインクが供給され、インク供給室１７、オリフィス１５、インク圧力室１３、インクノズル８を含むインク流路を満たしている。また、共通電極として機能する各振動板１２と、それぞれの振動板１２に一定のギャップＧ１（第１ギャップ）で対峙している各個別電極２２とによって静電式アクチュエータが構成される。これらの対向電極間に駆動電圧を印加すると、対向電極間に静電気力が発生し、振動板１２が弾性変位してインク圧力室１３に容積変動が起こり、これによりインクノズル８からインク液滴が吐出する。
【００２５】
ここで、本例のインクジェットヘッド１においては、電極ガラス基板３の上面に凹部２１を形成する製造工程において、独立した矩形形状の凹部３１（第２凹部）も同時に形成してある。したがって、この凹部３１の深さ寸法は凹部２１と同一になっている。また、凹部２１の底面に個別電極２２を形成する製造工程において、凹部３１の底面にも電極薄膜（第２電極）３２を同時に形成してある。したがって、この電極薄膜３２の膜厚は個別電極２２と同一になっている。電極ガラス基板３とシリコン基板２を積層接合した状態においては、凹部３１を封鎖しているシリコン基板２の側の部分は、振動板１２とは異なり弾性変位しない剛体部分２ａとなっている。このように構成した剛体部分２ａと電極薄膜３２とのギャップＧ２は、図３（ａ）の右側の振動板１２のように、振動板１２に残留変位が発生していない場合には、静電式アクチュエータを構成している振動板１２および個別電極２２の間のギャップＧ１と同一になる。しかるに、図３（ａ）の左側の振動板１２のように、振動板１２に残留変位（反り）が発生している場合には、その分だけ、ギャップＧ１’とは異なった値になる。
【００２６】
電極間ギャップＧ１、Ｇ１’が予め設定されている基準ギャップ寸法に対して許容誤差範囲内であれば良いが、誤差が大きい場合にはインク吐出特性が劣化してしまう。従って、製造条件を見直して電極間ギャップＧ１、Ｇ１’を許容誤差範囲内にする必要がある。本例では、以下に説明するようにインクジェットヘッド１を検査して、振動板１２の残留変位量に起因するギャップ誤差と、凹部２１の深さ寸法誤差および個別電極２２の膜厚誤差に起因するギャップ誤差を算出している。
【００２７】
（検査方法）
図５は電極間ギャップに基づきインクジェットヘッドの良否を判別するインクジェットヘッドの検査方法を示す概略フローチャートである。本例の検査方法では、光干渉効果を利用して、電極間ギャップを測定している。すなわち、図３において矢印で示すように光を電極ガラス基板３の外側から照射すると、照射光は、ギャップＧ１を規定している振動板１２の表面および透明な個別電極２２の表面で反射する。ギャップＧ１は微小であるので、反射光がギャップ量に応じて干渉して、異なる色相を呈する。従って、反射光の色の差からギャップＧ１を測定できる。すなわち、分光光度計を用いて、反射光の反射波長あるいは吸収波長のピーク値フーリエ変換等によりギャップを推定する一般に知られている測定方法により、ギャップＧ１を測定することができる。
【００２８】
測定に先立って、上記の剛体部分２ａと電極薄膜３２のギャップＧ２を変更した場合の反射光の分光特性を測定する校正試験を行い、反射光色とギャップ量の関係式を求めておく（ステップＳＴ１）。例えば、電極薄膜３２の膜厚を１２０ｎｍとし、ギャップＧ２を１２０、１５０、１８０、２１０ｎｍにした場合の分光特性を測定し、ギャップと分光特性の関係式を求めておく。
【００２９】
次に、インクジェットヘッド１に形成されている剛体部分２ａと電極薄膜３２のギャップＧ２を測定する（ステップＳＴ２）。ギャップＧ２の測定は、各インクジェットヘッド１に対して行ってもよいが、バッチ生産方式などの場合には同時製造されるインクジェットヘッドのうち代表的な値が得られると予測されるものをサンプリングしてもよい。
【００３０】
この後は、インクジェットヘッド１の静電式アクチュエータのギャップ、すなわち、振動板１２と個別電極２２のギャップＧ１を測定する（ステップＳＴ３）。各振動板１２と個別電極２２のギャップＧ１を全て測定してもよいが、所定数だけサンプリングしてもよい。
【００３１】
この後は、ギャップＧ２とギャップＧ１の差を算出する。算出された値が振動板１２の残留変位量（残留撓み量）であり、ギャップＧ１が大きい場合には振動板１２は図３（ａ）の右側に示すように個別電極２２から離れる方向に撓んでいることが分かる。逆の場合には反対側に撓んでいることが分かる（ステップＳＴ４）。振動板１２の残留変位量が許容範囲を越える場合には、シリコン基板２と電極ガラス基板３の陽極接合条件を調整する（ステップＳＴ５、７）。また、ギャップＧ２と予め設定されているギャップ基準値の差を求める。凹部３１および電極薄膜３２は、静電アクチュエータの凹部２１および個別電極２２と同一の製造工程により形成されたものであるので、算出された差は、静電式アクチュエータの凹部２１の深さ寸法誤差および個別電極２２の膜厚誤差に起因するギャップ誤差を表している。このギャップ誤差が許容範囲を越える場合には、これら凹部２１のエッチング条件や個別電極の蒸着条件などの調整を行う（ステップＳＴ６、７）。
【００３２】
この後は、検査に合格したインクジェットヘッド１に対して出荷前調整を行って、出荷する（ステップＳＴ８、９）。出荷前調整としては、インクジェットヘッド１の静電式アクチュエータに駆動電圧を印加して、最適駆動条件（駆動電圧パルス幅、パルス形状など）を初期設定する作業が含まれる。
【００３３】
このように、本例では、振動板１２の残留変位に起因する電極間ギャップの誤差成分が排除されたギャップＧ２を測定できる。従って、静電式アクチュエータの電極間ギャップＧ１とギャップＧ２の差を算出すれば、静電式アクチュエータの振動板１２の残留変位量を算出できる。よって、振動板１２の残留変位が抑制あるいは解消されるように、シリコン基板２と電極ガラス基板３の積層接合条件を調整することが可能になる。
【００３４】
また、振動板１２の残留変位を測定できるので、図６（ａ）に示すように、インクジェットヘッド１の出荷前調整における最適駆動条件の設定作業においては、振動板１２の残留変位量に基づき、最適駆動条件を推定し（ステップＳＴ６１）、推定した最適駆動条件でインクジェットヘッド１の動作確認を行うことができる（ステップＳＴ６２）。したがって、所定の規格内の動作状態が得られる最適駆動条件の設定作業を短時間で行うことができる。すなわち、従来においては、図６（ｂ）に示すように、まず、基準駆動条件でインクジェットヘッド１の動作状態を確認し（ステップＳＴ７１ａ）、その動作状態に基づき最適駆動条件を推定し（ステップＳＴ７１ｂ）、推定した最適駆動条件でインクジェットヘッド１の動作状態を確認している（ステップＳＴ７２）。よって、最低でも２回の動作確認を行う必要があるが、本例の場合には図６（ａ）に示したように最低１回の動作確認のみでよい。
【００３５】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。例えば、シリコン基板２と電極ガラス基板３およびガラス基板４を陽極接合しているが、接着層を介して接着していても構わないものであり、ガラス基板４の替わりにガラス基板４と同機能をもったシリコンで形成された基板が接着されている場合でも構わないものである。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明を適用したインクジェットヘッドを一部断面で示す外観斜視図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドの縦断面図である。
【図３】図１のインクジェットヘッドのＩＩＩ−ＩＩＩ線で切断した部分の部分横断面図、およびダミーの静電式アクチュエータが構成されている部分を示す部分横断面図である。
【図４】図１のインクジェットヘッドの分解斜視図である。
【図５】図１のインクジェットヘッドの検査方法を示す概略フローチャートである。
【図６】（ａ）は図５の出荷前調整を示す概略フローチャートであり、（ｂ）は従来の出荷前調整を示す概略フローチャートである。
【符号の説明】
【００３７】
１  インクジェットヘッド、２  シリコン基板、２ａ  剛体部分、３  電極ガラス基板、４  ガラス基板、８  インクノズル、１２  振動板、１３  インク圧力室、２１  凹部、２２  個別電極、３１  凹部、３２  電極薄膜、Ｇ１、Ｇ２  ギャップ
【図１】
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【図２】
2005130642.tif 000004
【図３】
2005130642.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005130642.tif 000007
【図６】
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