(57)【要約】【課題】  ヘッドの封止空間を破壊することなく、圧電素子が封止されているか否かを比較的容易に且つ確実に検査することができる液体噴射ヘッドの検査方法を提供する。【解決手段】  圧電素子保持部３１の外側の圧力を大気圧から所定圧力まで変化させて所定時間保持しながら所定圧力下での圧電素子３００の電気特性を測定し、この圧電素子保持部３１の内側と外側との圧力差の変化による振動板の変形状態を検出することで圧電素子保持部３１の封止状態を判定する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の前記圧力発生室に対向する領域に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に設けられて当該圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板とを具備する液体噴射ヘッドの検査方法において、
前記圧電素子保持部の外側の圧力を大気圧から所定圧力まで変化させて所定時間保持しながら当該所定圧力下での前記圧電素子の電気特性を測定し、前記圧電素子保持部の内側と外側との圧力差の変化による前記振動板の変形状態を検出することで前記圧電素子保持部の封止状態を判定することを特徴とする液体噴射ヘッドの検査方法。
【請求項２】
請求項１において、前記圧電素子の電気特性として、静電容量又は起電力を測定することを特徴とする液体噴射ヘッドの検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子が封止されているか否かを検査する液体噴射ヘッドの検査方法に関し、特に、液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの検査方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インク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を吐出させる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各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。なお、このような圧電素子は、例えば、インクあるいは大気中の水分等の外部環境に起因して破壊され易いという問題を有する。
【０００３】
そこで、このような圧電素子の破壊を防止するためのヘッド構造として、圧力発生室を有する流路形成基板の一方面側に振動板を介して圧電素子を設け、この圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板を流路形成基板の圧電素子側の面に接合し、圧電素子保持部内に圧電素子を封止するようにした構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなヘッドの製造においては、ヘッドの信頼性を確保するため、圧電素子が確実に封止されているか否かを確認する検査工程を行う必要がある。
【０００４】
例えば、従来の検査工程では、一度に複数個製造されるヘッドのうちの１つを検査用とし、検査時に圧電素子保持部の封止空間を破壊してその封止空間内に予め充填されている不活性ガスを検出器で検出することにより、圧電素子が封止されているか否かを検査していた。しかしながら、このような検査では、ヘッドの封止空間、すなわち、圧電素子が封止された空間を破壊する必要があるため、検査に手間がかかり、また、コストもかかってしまうという問題がある。さらに、検査には封止空間の破壊を伴うため、全てのヘッドについて検査を行うことができないという問題もある。
【０００５】
ここで、封止空間が封止されているか否かを検査する方法としては、例えば、封止空間の少なくとも一部を可撓し易い部材（蓋板）で構成し、これを試験チャンバ内に入れて、試験チャンバ内の圧力を変化させながら可撓し易い部材の撓み量をレーザ変位計で測定することによって封止空間が封止されているか否かを検査する非破壊式の検査方法が知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この非破壊式の検査方法をヘッドの検査工程に採用するためには、撓み量を容易に測定する為に封止基板の一部を可撓し易い部材で形成する必要があり、封止基板として利用できる部材が限定され、またヘッドの設計変更等をしなくてはならず、コストがかかってしまうという問題がある。なお、上述した問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの検査だけでなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドの検査においても同様に存在する。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−１６０３６６号公報（第１−２図、第６頁）
【特許文献２】特開平５−４５４０７号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑み、ヘッドの封止空間を破壊することなく、圧電素子が封止されているか否かを比較的容易に且つ確実に検査することができる液体噴射ヘッドの検査方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側の前記圧力発生室に対向する領域に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子と、前記流路形成基板の前記圧電素子側の面に設けられて当該圧電素子を封止する圧電素子保持部を有する封止基板とを具備する液体噴射ヘッドの検査方法において、前記圧電素子保持部の外側の圧力を大気圧から所定圧力まで変化させて所定時間保持しながら当該所定圧力下での前記圧電素子の電気特性を測定し、前記圧電素子保持部の内側と外側との圧力差の変化による前記振動板の変形状態を検出することで前記圧電素子保持部の封止状態を判定することを特徴とする液体噴射ヘッドの検査方法にある。
かかる第１の態様では、ヘッドの圧電素子が封止された空間（圧電素子保持部）を破壊しなくても、圧電素子が封止されているか否かを比較的容易に且つ確実に検査することができる。また、封止基板の材料を限定すること無く検査を行うことができるので、材料に限定されることで発生する設計変更等の制約がない。
【０００９】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記圧電素子の電気特性として、静電容量又は起電力を測定することを特徴とする液体噴射ヘッドの検査方法にある。
かかる第２の態様では、圧電素子の静電容量又は起電力を測定することにより振動板の変形状態（変形量）を比較的容易に検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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）
まず、本発明の検査の対象となる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の構造について詳細に説明する。図１は、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、実施形態１に係るインクジェット式記録ヘッドの平面図及びそのＡ−Ａ’断面図である。図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態ではシリコン単結晶基板からなり、その一方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弾性膜５０が設けられている。この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより形成され、隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室１２が並設されている。また、圧力発生室１２の長手方向外側には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバ１００の一部を構成する連通部１３が形成され、この連通部１３は各圧力発生室１２の長手方向一端部とそれぞれインク供給路１４を介して連通されている。また、流路形成基板１０の開口面側には、圧力発生室１２等をエッチングして形成する際のマスク膜とした二酸化シリコン膜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。
【００１１】
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を構成している。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。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。なお、本実施形態では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極膜６０が振動板として作用する。また、各圧電素子３００の上電極膜８０には、インク供給路１４に対向する領域まで延設されたリード電極９０が接続されている。
【００１２】
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に対向する領域にその運動を阻害しない程度の空間を確保可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接着剤３５によって接着されている。これにより、圧電素子３００は、圧電素子保持部３１内に封止されている。また、このような封止基板３０には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられている。このリザーバ部３２は、本実施形態では、封止基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、弾性膜５０に設けられた連通孔を介して流路形成基板１０の連通部１３と連通され、圧力発生室１２の列の共通のインク室となるリザーバ１００を構成している。また、このような封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間の領域には、封止基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。この貫通孔３３に対向する領域には、リード電極９０が延設されている。そして、このリード電極９０と封止基板３０上に実装される駆動ＩＣ（図示なし）とがボンディングワイヤ等によって電気的に接続されるようになっている。
【００１３】
なお、封止基板３０のリザーバ部３２に対応する領域には、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。
【００１４】
以上説明した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、図示しない駆動ＩＣからの駆動信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極膜６０と上電極膜８０との間に駆動電圧を印加し、圧電素子３００及び振動板を変位させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインクが吐出する。
【００１５】
以下、上述した本実施形態のインクジェット式記録ヘッド（以下、ヘッドと略す。）について、圧電素子保持部３１の封止状態、すなわち、圧電素子３００が封止されているか否かを検査する本発明の検査方法について詳細に説明する。なお、図３は、実施形態１に係る測定装置の概略図であり、図４は、検査時の振動板の変形状態を説明する図である。
【００１６】
本発明に係る検査工程は、例えば、流路形成基板に圧力発生室を形成後、その流路形成基板の圧力発生室側の面にノズルプレートを固着する前に実施される。そして、この検査工程では、圧電素子保持部によって圧電素子を封止した封止空間を利用し、圧電素子保持部の外側の圧力を大気圧から所定圧力に変化させ、そのときの圧電素子保持部の内側（封止空間）と外側との圧力差の変化による振動板の変形状態を検出することによって圧電素子が封止されているか否かの判定を行っている。
【００１７】
具体的には、例えば、下記測定装置によって、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差の変化による振動板の変形状態を圧電素子の電気特性、本実施形態では、静電容量を測定することによって検出し、その検出結果から圧電素子保持部の封止状態を判定している。
ここで、本実施形態に係る検査工程で使用する測定装置４００は、図３に示すように、ヘッド２００が収容される収容ケース４０１を具備し、この収容ケース４０１の一部からは、収容ケース４０１の内部空間に連通する連通路４０２ａを有する連結管４０２が突出して設けられている。また、この連結管４０２の先端には、切り替え手段４０３を介して例えば、真空ポンプ等の圧力調整手段４０４が接続されている。また、この切り替え手段４０３には、外部に連通する連通管４０５が設けられており、この切り替え手段４０３を切り替えることで、収容ケース４０１内の圧力を変化させることができるようになっている。また、収容ケース４０１の外側には、圧電素子の上電極膜及び下電極膜に配線４０６を介して電気的に接続されるＬＣＲメータ４０７が設けられている。
【００１８】
次に、このような測定装置４００を用いた検査手順について説明する。まず、ヘッド２００に配線４０６を介してＬＣＲメータ４０７を接続し、このヘッド２００を収容ケース４０１内に収容する。そして、切り替え手段４０３を切り替えることで収容ケース４０１内の圧力を変化させながら、ＬＣＲメータ４０７によって圧電素子の静電容量を測定し、これにより振動板の変形状態を検出する。ここで、本実施形態では、切り替え手段４０３によって収容ケース４０１と外部とを接続することにより収容ケース４０１内の圧力は大気圧となる。また、切り替え手段４０３によって収容ケース４０１に圧力調整手段４０４を接続して収容ケース４０１内を吸引することで、収容ケース４０１内は所定圧力、例えば、本実施形態では、約０．０８ＭＰａとなる。そして、このように、切り替え手段４０３を切り替えることで収容ケース４０１内の圧力を大気圧と所定圧力とに約５分間隔で変化させながら、ＬＣＲメータ４０７によって圧電素子の静電容量を３０秒間隔で所定時間測定する。なお、本実施形態では、３０分間連続的に測定するようにした。
【００１９】
例えば、収容ケース４０１内に収容されているヘッド２００の圧電素子３００が完全に封止されているものである場合には、収容ケース４０１内を大気圧から所定圧力まで変化させると振動板が変形する。すなわち、圧電素子保持部の内部圧力は変化しないため、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差に変化が生じ、この圧力差の変化に伴って振動板が変形する。本実施形態では、収容ケース４０１内を大気圧から所定圧力に減圧しているため、図４（ａ）に示すように、振動板は圧力発生室１２側が凸になるように変形する。そして、この振動板の変形に伴って圧電素子３００も変形するため、圧電素子３００の静電容量が変化することになる。そして、収容ケース４０１内の圧力を所定圧力から大気圧に戻すと、圧電素子保持部３１の外側と内側の圧力差が小さくなり、図４（ｂ）に示すように、振動板の変形状態が元に戻る。当然、圧電素子３００の変形状態も元に戻るため、圧電素子３００の静電容量も元の値に戻ることになる。
【００２０】
一方、ヘッド２００の圧電素子が完全に封止されていないもので、いずれかの箇所でリークしている場合には、収容ケース４０１内の圧力を変化させると、収容ケース４０１内と共に圧電素子保持部内の圧力も変化し、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差はほとんど生じないため、振動板もほとんど変形することはない。したがって、圧電素子もほとんど変形することがなく、圧電素子の静電容量の変化も少ない。なお、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差が一時的に変化して、振動板が変形する場合もあるが、何れにしても、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差は圧電素子が完全に封止されているものと比べるとほとんど変化しないため、振動板の変形量は極めて小さい。
【００２１】
したがって、収容ケース４０１内の圧力、すなわち、圧電素子保持部の外側を大気圧から所定圧力に変化させたときの圧電素子の電気特性、例えば、静電容量を測定することで、振動板の変形状態、すなわち、振動板の変形量の推移を検出できる。そして、この検出結果から、圧電素子保持部の封止状態、すなわち、圧電素子が封止されているか否かを容易に判定することができる。
【００２２】
また、圧電素子保持部の封止状態が若干破壊されている場合、例えば、圧電素子保持部の内側と外側とが微小な隙間（穴）を介して連通している場合等には、収容ケース４０１内の圧力を変化させると、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差に、一時的に変化が生じてしまい、この圧力差の変化に伴って振動板も大きく変形してしまう。このため、圧電素子保持部の外側の圧力を一瞬変化させて、そのときの振動板の変形状態を検出しただけでは、圧電素子が完全に封止されているか否かを正確に判定することができない。
【００２３】
しかしながら、本実施形態では、所定圧力下での圧電素子の電気特性を、所定間隔で複数回測定するようにしているため、圧電素子が完全に封止されているか否かを正確に判定することができる。すなわち、圧電素子保持部の内側と外側とが微小な隙間を介して連通している場合には、収容ケース４０１内を所定圧力に維持していると、圧電素子保持部の内側と外側との圧力差が徐々に小さくなり、これに伴って振動板の変形状態が変化する。したがって、所定圧力下での圧電素子の電気特性を所定間隔で複数回測定して所定圧力下での振動板の変形状態の変化を検出することで、圧電素子が完全に封止されているか否かを正確に判定することができる。なお、本実施形態では、所定圧力下での圧電素子の電気特性、すなわち、静電容量を所定間隔で複数回測定するようにしたが、勿論、連続的に測定するようにしてもよい。
【００２４】
以上説明したように、本発明の検査方法によれば、圧電素子が封止された空間を破壊することなく、圧電素子が封止されているか否かを比較的容易に且つ正確に判定することができるため、大幅なコストの削減を図ることができる。また、全てのヘッドについて検査を行うことも可能であり、ヘッドの信頼性を向上することができる。さらに、本発明の検査方法を採用するのにヘッドの設計変更等を行う必要はないため、検査を低コストで且つ比較的容易に実施することができる。
【００２５】
ここで、圧電素子保持部が封止されているヘッドと、封止されていないヘッドとにおいて、圧電素子の静電容量を測定した結果の一例を図５に示す。なお、図５に示す測定結果では、収容ケース内の圧力を大気圧として最初に測定した圧電素子の静電容量の値を基準値０（零）として表している。
図５に示すように、圧電素子保持部が良好に封止されているヘッドの場合には、収容ケース内を大気圧から所定圧力まで減圧すると、圧電素子の静電容量が基準値から約０．４ｎＦ付近まで低下した。また、収容ケース内を所定圧力に維持した状態では、圧電素子の静電容量が基準値から低下したままでそれ程変化することはなく、収容ケース内を再び大気圧に戻すと、圧電素子の静電容量も基準値まで戻った。
【００２６】
これに対し、圧電素子保持部が封止されていないヘッドの場合には、収容ケース内を大気圧から所定圧力に交互に切り替えても、圧電素子の静電容量は基準値から大きく変化することはなく、圧電素子保持部が封止されているヘッドとの差は明らかであった。この結果からも明らかなように、圧電素子保持部の外側の圧力を大気圧から所定圧力まで変化させて圧電素子の静電容量を測定し、振動板の変形状態を検出することで、圧電素子保持部内に圧電素子が封止されているか否かを比較的容易に且つ確実に判定することができる。
【００２７】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１の検査方法では、振動板の変形状態を圧電素子３００の静電容量の変化量として検出して検査を行うようにしたが、これに限定されず、振動板の変形状態を圧電素子の起電力として検出して検査を行うようにしてもよい。
また、上述した実施形態１の検査方法では、圧電素子３００の静電容量を測定しながら圧電素子保持部３１の外側の圧力を所定時間毎に大気圧から所定圧力に変化させるようにしたが、これに限定されず、例えば、圧電素子保持部の外側の圧力を大気圧から所定圧力に変化させてその所定圧力を所定時間保持したときだけ圧電素子の静電容量を測定するようにしてもよい。
【００２８】
さらに、上述した実施形態１の検査方法では、圧電素子３００の静電容量を測定しながら、圧電素子保持部３１の外側を大気圧から所定圧力に減圧した後、その所定圧力から大気圧に戻すようにしたが、これに限定されず、圧電素子の静電容量を測定しながら、圧電素子保持部の外側を大気圧から加圧して所定圧力とし、この所定圧力から大気圧に減圧するようにしてもよい。
また、上述した実施形態１では、流路形成基板の圧力発生室側の面にノズルプレートを固着する前に検査を行うようにしたが、これに限定されず、流路形成基板の圧力発生室側の面にノズルプレートを固着した後に検査を行うようにしてもよい。
【００２９】
さらに、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。その他の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。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図。
【図３】実施形態１に係る検査装置の概略断面図。
【図４】実施形態１に係る検査時の振動板の変形状態を説明する図。
【図５】収容ケース内の圧力変化に伴う圧電素子の静電容量の変化量を示すグラフ。
【符号の説明】
【００３１】
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  封止基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  リザーバ部、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ５５  絶縁体膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ８０  上電極膜、  ９０  リード電極、  １００  リザーバ、  ３００  圧電素子、  ４００  検査装置、  ４０１  収容ケース、  ４０２  連結管、  ４０３  切り替え手段、  ４０４  圧力調整手段、  ４０５  連通管、  ４０６  配線、  ４０７  ＬＣＲメータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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