JP2013159036A - 液体噴射ヘッドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より早い段階で圧電素子の不良をより精度良く検出することが可能な液体噴射ヘッドの製造方法を提供する。
【解決手段】基板上に圧電素子１８を形成する工程と、当該圧電素子について分極−電界のヒステリシス特性を測定する工程と、測定されたヒステリシス特性に基づき、駆動電圧に対応する分極量が許容分極量範囲内の値であるか否かを判定することで圧電素子の合否を判定する工程と、を含み、圧電素子の合否を判定する工程は、基板に対して液体流路を形成する工程の前に行われる。
【選択図】図９

Description

本発明は、インクジェット式記録ヘッドなどの液体噴射ヘッドの製造方法に関し、特に、第１の電極、圧電体、および第２の電極の積層によりなる圧電素子を備えた液体噴射ヘッドの製造方法に関するものである。

液体噴射装置は、液体を液滴としてノズルから噴射可能な液体噴射ヘッドを備え、この液体噴射ヘッドから各種の液体を噴射する装置である。この液体噴射装置の代表的なものとして、例えば、インクジェット式記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）を備え、この記録ヘッドのノズルから液体状のインクをインク滴として噴射させて記録を行うインクジェット式記録装置（プリンター）等の画像記録装置を挙げることができる。また、この他、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターに用いられる色材、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレイに用いられる有機材料、電極形成に用いられる電極材等、様々な種類の液体の噴射に液体噴射装置が用いられている。そして、画像記録装置用の記録ヘッドでは液状のインクを噴射し、ディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドではＲ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射する。また、電極形成装置用の電極材噴射ヘッドでは液状の電極材料を噴射し、チップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッドでは生体有機物の溶液を噴射する。

液体噴射ヘッドにおいて液体を噴射するための駆動源、即ち、ヘッド流路内の液体に圧力変動を生じさせるための圧力発生手段として用いられる圧電素子は、圧電材料からなる圧電体膜を電極で挟んで構成されている。所謂撓みモードの圧電素子は、下電極膜、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体、および上電極膜が、成膜技術により積層されて熱処理により焼成され、リソグラフィー及びエッチングによるパターニングによって圧力室毎に切り分けられて構成される。そして、圧力室の一部を構成する弾性膜あるいは振動板等の作動面（即ち、駆動対象）を圧電素子によって変位或いは変形させることで、圧力室内の液体に圧力変動を生じさせ、この圧力変動を利用して液体噴射ヘッドのノズルから液体を噴射させる。

上記の圧電素子を圧力発生手段として備える液体噴射ヘッドでは、駆動電圧を印加して当該圧電素子を駆動させたたきにノズルから液体が正常に噴射されることが求められるため、圧電素子の初期不良検査が行われている。一般的な液体噴射ヘッドの圧電素子の初期不良検査方法としては、圧電素子の静電容量の測定によるもの（例えば、特許文献１参照）や圧電素子の共振周波数特性の測定によるもの（例えば、特許文献２参照）が知られている。

特開２００８−０６２３８８号公報 特開２００４−００９５０１号公報

しかしながら、これらの方法では、例えば、所定の駆動電圧を印加したときの圧電素子の変位量（電歪）の程度、およびこれに応じた液体の噴射量の程度までを検出することはできなかった。また、従来の方法は、一般的には、液体噴射ヘッドとして完成した状態で行われるものである。したがって、この状態で圧電素子に不良が検出された場合、圧電素子以外の構成部品やこれらを製造する工程が無駄となり、歩留まりの面で問題となっていた。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より早い段階で圧電素子の不良をより精度良く検出することが可能な液体噴射ヘッドの製造方法を提供することにある。

本発明の液体噴射ヘッドの製造方法は、上記目的を達成するために提案されたものであり、第１の電極および第２の電極の間に挟持された圧電体からなる圧電素子と、ノズルに連通する圧力室を含む液体流路が形成された流路基板と、を備え、駆動電圧の印加により前記圧電素子を駆動させて前記圧力室内に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動を利用してノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記流路基板上に前記圧電素子を形成する工程と、
当該圧電素子について分極−電界のヒステリシス特性を測定する工程と、
測定されたヒステリシス特性に基づき、前記駆動電圧に対応する分極量が許容分極量範囲内の値であるか否かを判定することで圧電素子の合否を判定する工程と、
を含み、
前記圧電素子の合否を判定する工程は、前記流路基板に対して前記液体流路を形成する工程の前に行われることを特徴とする。

本発明によれば、圧電素子を製造した後、流路基板に対して圧力室等の流路が形成される前の段階で、分極−電界ヒステリシス特性に基づいて圧電素子の良否検査が行われることにより、従来よりも早い段階で圧電素子の良否の判定が可能となる。このため、万一、圧電素子の不良が生じたとしても、その後の流路等を形成する工程が無駄にならず、その分の手間やコストを削減することが可能となる。また、分極量に基づいて圧電素子の良否判定を行うことにより、より精度良く圧電素子の良否判定を行うことができる。このため、合格と判定された圧電素子を液体噴射ヘッドの圧力発生手段として採用することにより、所定の駆動電圧の印加によって圧電素子を駆動してノズルから噴射される液体の量について許容範囲内となることが保証される。

また、上記構成において、前記圧電素子を駆動する駆動電圧の設定範囲を設定する工程と、
前記駆動電圧の設定範囲に対応する許容分極量範囲を定める工程と、
を、前記圧電素子の合否を判定する工程の前に予め行うことが望ましい。

また、上記構成において、前記圧電素子を形成する工程において、前記ヒステリシス特性を検査する対象の検査用圧電素子を形成し、
当該検査用圧電素子の前記第１の電極に導通する第１の検査用端子部、および、当該検査用圧電素子の前記第２の電極に導通する第２の検査用端子部を形成することが望ましい。

上記構成によれば、検査用圧電素子の前記第１の電極に導通する第１の検査用端子部、および、当該検査用圧電素子の前記第２の電極に導通する第２の検査用端子部を設けることにより、分極−電界ヒステリシス特性の測定が容易となる。

プリンターの構成を説明する斜視図である。 記録ヘッドの構成を説明する図である。 プリンターの電気的な構成を説明するブロック図である。 噴射駆動パルスの構成を説明する波形図である。 シリコンウェハー上に弾性膜、絶縁体膜、および下電極を形成する工程を説明する図である。 焼成前の下電極の層構造について説明する模式図である。 噴射駆動パルスの駆動電圧と噴射されるインクの重量との関係を示すグラフである。 圧電素子の分極−電界ヒステリシス特性を示すグラフである。 ヒステリシス特性に基づく駆動電圧と分極量との関係の一例を説明するグラフである。

以下、本発明を実施するための形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、以下においては、本発明の圧電素子として、液体噴射ヘッドの一種である記録ヘッド２に用いられる圧電素子１８を例に挙げて説明する。

図１はプリンター１の構成を示す斜視図である。このプリンター１は、記録ヘッド２が取り付けられると共に、液体供給源の一種であるインクカートリッジ３が着脱可能に取り付けられるキャリッジ４と、記録動作時の記録ヘッド２の下方に配設されたプラテン５と、キャリッジ４を記録紙６（記録媒体あるいは着弾対象の一種）の紙幅方向、即ち、主走査方向に往復移動させるキャリッジ移動機構７と、主走査方向に直交する副走査方向に記録紙６を搬送する紙送り機構８と、を備えている。

キャリッジ４は、主走査方向に架設されたガイドロッド９に軸支された状態で取り付けられており、キャリッジ移動機構７の作動により、ガイドロッド９に沿って主走査方向に移動するように構成されている。キャリッジ４の主走査方向の位置は、リニアエンコーダー１０によって検出され、その検出信号、即ち、エンコーダーパルスが図示しないプリンターコントローラーに送信される。リニアエンコーダー１０は位置情報出力手段の一種であり、記録ヘッド２の走査位置に応じたエンコーダーパルスを、主走査方向における位置情報として出力する。このため、プリンターコントローラーは、受信したエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４に搭載された記録ヘッド２の走査位置を認識できる。即ち、例えば、受信したエンコーダーパルスをカウントすることで、キャリッジ４の位置を認識することができる。これにより、プリンターコントローラーはこのリニアエンコーダー１０からのエンコーダーパルスに基づいてキャリッジ４（記録ヘッド２）の走査位置を認識しながら、記録ヘッド２による記録動作を制御することができる。

キャリッジ４の移動範囲内における記録領域よりも外側の端部領域には、キャリッジの走査の基点となるホームポジションが設定されている。本実施形態におけるホームポジションには、記録ヘッド２のノズル形成面（ノズル形成基板１５：図２参照）を封止するキャッピング部材１１と、ノズル形成面を払拭するためのワイパー部材１２とが配置されている。そして、プリンター１は、このホームポジションから反対側の端部へ向けてキャリッジ４が移動する往動時と、反対側の端部からホームポジション側にキャリッジ４が戻る復動時との双方向で記録紙６上に文字や画像等を記録する所謂双方向記録が可能に構成されている。

図２は、本実施形態の記録ヘッド２の構成を示す図であり、（ａ）は記録ヘッド２の平面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ′線断面図、（ｃ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ′線断面図である。なお、図２（ｃ）では保護基板１９の図示が省略されている。また、図２ではノズル４つ分の構成を例示しているが、残りの他のノズルに対応する構成も同様である。本実施形態における記録ヘッド２は、圧力室基板１４、ノズル形成基板１５、弾性体膜１６、絶縁体膜１７、圧電素子１８、及び、保護基板１９等を積層して構成されている。

圧力室基板１４（本発明における狭義の流路基板の一種）は、例えば、シリコン単結晶基板から成る板材である。この圧力室基板１４には、複数の圧力室２０が、隔壁を間に挟んでその幅方向（ノズル列方向）に並設されている。圧力室基板１４の圧力室２０の長手方向（ノズル列方向に直交する方向）における外側に外れた領域には連通部２１が形成され、連通部２１と各圧力室２０とが、圧力室２０毎に設けられたインク供給路２２を介して連通されている。なお、連通部２１は、後述する保護基板１９のリザーバー部２９と連通して各圧力室２０の共通のインク室となるリザーバー３０の一部を構成する。インク供給路２２は、圧力室２０よりも狭い幅で形成されており、連通部２１から圧力室２０に流入するインクに対して流路抵抗を付与する。圧力室基板１４におけるこれらの圧力室２０やインク供給路２２等の流路は、異方性エッチングにより形成されている。

圧力室基板１４の下面には、各圧力室２０に対応して複数のノズル２３が列状に開設されたノズル形成基板１５が接合されている。これにより、圧力室２０の下面側の開口がノズル形成基板１５により封止されて圧力室２０の底部が画成される。圧力室基板１４の上面には、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる弾性膜１６が形成されている。この弾性膜１６上には酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）からなる絶縁体膜１７が形成されている。この弾性膜１６および絶縁体膜１７における圧力室２０の開口を封止する部分は、作動面として機能する。また、この絶縁体膜１７上には下電極２４（本発明における第１の電極に相当）と、圧電体２５と、上電極２６（本発明における第２の電極に相当）とが形成され、これらが積層状態で圧電素子１８を構成している。

一般的には、圧電素子１８の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極（正極又は個別電極）及び圧電体２５を圧力室２０毎にパターニングして構成する。そして、パターニングされた何れか一方の電極及び圧電体２５から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。なお、本実施形態では、下電極２４が圧電素子１８の共通電極とされ、上電極２６が圧電素子１８の個別電極とされているが、圧電体２５の分極方向や駆動回路や配線の都合等によってこれらを全体的に逆にする構成とすることもできる。何れの場合においても、圧力室２０毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、このような各圧電素子１８の上電極２６には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極２７がそれぞれ接続されている。

本実施形態において、各ノズル２３に対応して複数並設された圧電素子１８のうち、一端部に位置する圧電素子１８（図２（ａ）において上端部に位置する圧電素子１８）は、後述する良否検査における検査対象の検査圧電素子１８′として形成されている。当該検査圧電素子１８′に関し、下電極２４、圧電体２５、および上電極２６の構成は、他の圧電素子１８と同様であるのに対し、下電極２４に導通する第１の検査用端子部４６と、上電極２６に対してリード電極２７を介して導通する第２の検査用端子部４７が設けられている点で、他の圧電素子１８と異なっている。このように、検査用圧電素子１８′の第１の検査用端子部４６、および、第２の検査用端子部４７を設けることにより、分極−電界ヒステリシス特性の測定が容易となる。なお、検査圧電素子１８′に対する良否検査については後述する。

圧力室基板１４上の圧電素子１８側の面には、圧電素子１８に対向する領域にその変位を阻害しない程度の大きさの空間となる圧電素子保持部２８を有する保護基板１９が接合されている。さらに、保護基板１９には、圧力室基板１４の連通部２１に対応する領域にリザーバー部２９が設けられている。このリザーバー部２９は、圧力室２０の並設方向に沿って長尺な矩形の開口形状を有する貫通穴として保護基板１９に形成されており、上述したように圧力室基板１４の連通部２１と連通されてリザーバー３０を画成する。このリザーバー３０は、インクの種類毎（色毎）に設けられ、複数の圧力室２０に共通のインクが貯留される。

また、保護基板１９の圧電素子保持部２８とリザーバー部２９との間の領域には、保護基板１９を厚さ方向に貫通する貫通孔３１が設けられ、この貫通孔３１内に下電極２４の一部及びリード電極２７の先端部が露出されている。さらに、この貫通孔３１には、検査圧電素子１８′の第２の検査用端子部４７が露出するように構成されている。また、保護基板１９において、検査圧電素子１８′の第１の検査用端子部４６に対向する位置には、当該検査用端子部４６を露出する検査用開口部４８が、保護基板１９を厚さ方向に貫通する状態で形成されている。良否検査時には、貫通孔３１および検査用開口部４８を通じて、検査用のプローブ等が、第１の検査用端子部４６および第２の検査用端子部４７にそれぞれ導通される。

上記保護基板１９上には、封止膜３２及び固定板３３とからなるコンプライアンス基板３４が接合されている。封止膜３２は、可撓性を有する材料（例えば、ポリフェニレンサルファイドフィルム）からなり、この封止膜３２によってリザーバー部２９の一方面が封止されている。また、固定板３３は、金属等の硬質の材料（例えば、ステンレス鋼等）で形成される。この固定板３３のリザーバー３０に対向する領域は、厚さ方向を貫通する開口部３５となっている。このため、リザーバー３０の一方の面は可撓性を有する封止膜３２のみで封止されている。

上記構成の記録ヘッド２では、インクカートリッジ等のインク供給手段からインクを取り込み、リザーバー３０からノズル２３に至るまでインクで満たされる。そして、プリンター本体側からの駆動信号の供給により、圧力室２０に対応するそれぞれの下電極２４と上電極２６との間に両電極の電位差に応じた電界が付与され、圧電素子１８および作動面（弾性膜１６）が撓み変形することにより、圧力室２０内に圧力変動が生じる。この圧力変動を制御することで、ノズル２３からインクを噴射させたり、或いは、インクが噴射されない程度にノズル２３におけるメニスカスを微振動させたりする。

次に、プリンター１の電気的構成を説明する。
図３は、プリンター１の電気的な構成を説明するブロック図である。外部装置３８は、例えばコンピューターやデジタルカメラなどの画像を取り扱う電子機器である。この外部装置３８は、プリンター１と通信可能に接続されており、プリンター１において記録紙等の記録媒体に画像やテキストを印刷させるため、その画像等に応じた印刷データをプリンター１に送信する。

本実施形態におけるプリンター１は、紙送り機構８、キャリッジ移動機構７、リニアエンコーダー１０、記録ヘッド２、及び、プリンターコントローラー３９を有する。プリンターコントローラー３９は、本発明における制御手段の一種であり、プリンターの各部の制御を行う制御ユニットである。プリンターコントローラー３９は、インターフェース（Ｉ／Ｆ）部４０と、ＣＰＵ４１と、記憶部４２と、駆動信号生成部４３と、を有する。インターフェース部４０は、外部装置３８からプリンター１へ印刷データや印刷命令を送ったり、外部装置３８がプリンター１の状態情報を受け取ったりする等プリンターの状態データの送受信を行う。ＣＰＵ４１は、プリンター全体の制御を行うための演算処理装置である。記憶部４２は、ＣＰＵ４１のプログラムや各種制御に用いられるデータを記憶する素子であり、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＮＶＲＡＭ（不揮発性記憶素子）を含む。ＣＰＵ４１は、記憶部４２に記憶されているプログラムに従って、各ユニットを制御する。

ＣＰＵ４１は、リニアエンコーダー１０から出力されるエンコーダーパルスＥＰからタイミングパルスＰＴＳを生成するタイミングパルス生成手段として機能する。そして、ＣＰＵ４１は、このタイミングパルスＰＴＳに同期させて印刷データの転送や、駆動信号生成部４３による駆動信号ＣＯＭの生成等を制御する。また、ＣＰＵ４１は、タイミングパルスＰＴＳに基づいて、ラッチ信号ＬＡＴ等のタイミング信号を生成して記録ヘッド２のヘッド制御部５３に出力する。ヘッド制御部５３は、プリンターコントローラー３９からのヘッド制御信号（印刷データおよびタイミング信号）に基づき、記録ヘッド２の圧電素子１８に対する駆動信号ＣＯＭの噴射駆動パルスＤＰ（図４参照）の印加制御等を行う。

駆動信号生成部４３は、駆動波形発生手段として機能する部分であり、駆動信号の波形に関する波形データに基づいて、アナログの電圧信号を生成する。また、駆動信号生成部４３は、上記の電圧信号を増幅して駆動信号ＣＯＭを生成する。この駆動信号ＣＯＭは、記録媒体に対する印刷処理（記録処理或いは噴射処理）時に記録ヘッド２の圧力発生手段である圧電素子１８に印加されるものであり、繰り返し周期である単位期間内に、例えば図４に示す噴射駆動パルスＤＰを少なくとも１つ以上含む一連の信号である。ここで、噴射駆動パルスＤＰとは、記録ヘッド２のノズル２３から液滴状のインクを噴射させるべく圧電素子１８に所定の動作を行わせるものである。

図４は、駆動信号ＣＯＭに含まれる噴射駆動パルスＤＰの構成の一例を示す波形図である。なお、図４において、縦軸は電位であり、横軸は時間である。また、噴射駆動パルスＤＰは、基準電位（中間電位）Ｖｂから当該基準電位Ｖｂよりも低い最低電位（最小電圧）Ｖｍｉｎまでマイナス側に電位が変化して圧力室２０を膨張させる膨張要素ｐ１と、最低電位Ｖｍｉｎを一定時間維持する膨張維持要素ｐ２と、最低電位Ｖｍｉｎから基準電位Ｖｂよりも高い最高電位（最大電圧）Ｖｍａｘまでプラス側に電位が変化して圧力室２０を急激に収縮させる収縮要素ｐ３と、最高電位Ｖｍａｘを一定時間維持する収縮維持（制振ホールド）要素ｐ４と、最高電位Ｖｍａｘから基準電位Ｖｂまで電位が復帰する復帰要素ｐ５と、を含んでいる。本実施形態における噴射駆動パルスＤＰは、平均してプラスの電圧波形であるが、最小電位Ｖｍｉｎが０ボルトよりも低い−２〔Ｖ〕となっている。すなわち、噴射駆動パルスＤＰは、下電極２４に印加されるバイアス電圧との関係で、部分的にマイナスの値を示す波形となっている。もちろん、最小電位Ｖｍｉｎが０ボルト以上であっても良い。

噴射駆動パルスＤＰが圧電素子１８に印加されると次のように作用する。まず、膨張要素ｐ１により圧電素子１８および弾性膜１６の作動部の幅方向中央部が圧力室２０の外側（ノズル形成基板１５から離隔する側）に向けて撓む。これに伴って圧力室２０が基準電位Ｖｂに対応する基準容積から最低電位Ｖｍｉｎに対応する最大容積まで膨張する。これにより、ノズル２３に露出しているメニスカスが圧力室側に引き込まれる。この圧力室２０の膨張状態は、膨張維持要素ｐ２の印加期間中に亘って一定に維持される。膨張維持要素ｐ２の後に続いて収縮要素ｐ３が圧電素子１８に印加されると、圧電素子１８および作動部の中央部が圧力室２０の内側（ノズル形成基板１５に近接する側）に撓む。これにより、圧力室２０が上記最大容積から最高電位Ｖｍａｘに対応する最小容積まで急激に収縮する。この圧力室２０の急激な収縮によって圧力室２０内のインクが加圧され、これにより、ノズル２３からは十数ｎｇ〜数十ｎｇのインクが噴射される。この圧力室２０の収縮状態は、収縮維持要素ｐ４の印加期間に亘って短時間維持され、その後、制振要素ｐ５が圧電素子１８に印加されて、圧力室２０が最小電位Ｖｍｉｎに対応する容積から基準電位Ｖｂに対応する基準容積まで復帰する。

次に、上記の圧電素子１８の製造方法について説明する。
図５は、圧力室基板１４の基材であるシリコンウェハー５１上に弾性膜１６、絶縁体膜１７、および下電極２４を形成するまでの工程を説明する図である。また、図６は、個々の圧電素子１８にパターニングされて保護膜が形成されるまでの工程を説明する図である。なお、図６では、下電極２４よりも下側の構成部材（ノズル形成基板１５、圧力室基板１４、弾性膜１６、および絶縁体膜１７）を基板５４（広義の流路基板の一種）として図示している。

まず、図５（ａ）に示すように、シリコンウェハー５１を熱酸化し、その表面に弾性膜１６を構成する二酸化シリコン膜５２が形成される。続いて、図５（ｂ）に示すように、弾性膜１６上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１７が形成される。具体的には、まず、弾性膜１６上に、例えば、ＤＣスパッタ法によりジルコニウム層が形成され、このジルコニウム層が熱酸化されることにより酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１７が形成される。次いで、図５（ｃ）に示すように、絶縁体膜１７上に下電極２４となる下電極前駆体が形成される。

下電極２４が形成されたならば、次に、図６（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体２５（圧電体前駆体）と、例えば、イリジウムからなる上電極２６（上電極前駆体）とが、下電極２４（下電極前駆体）上に順次形成された後、図６（ｂ）に示すように、各圧力室２０に対向する領域にパターニングされて圧電素子１８が形成される。圧電体２５の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物とする、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体２５が形成される。なお、圧電体２５の形成方法は、特に限定されず、例えば、ＭＯＤ法やスパッタリング法等を用いることも可能である。

このようにして、圧電素子１８が形成されたならば、圧力室基板１４の基材であるシリコンウェハー５１に対して圧力室２０等の流路（本発明における液体流路に相当）が形成される前の段階で、圧電素子１８の良否検査が行われる。この良否検査は、圧電素子１８を上記の噴射駆動パルスＤＰによって駆動した際に、記録ヘッド２のノズル２３から規定量（設計或いは仕様上において目標とする重量又は体積）のインクが噴射されるか否かについて判断する検査である。本実施形態における噴射駆動パルスＤＰの駆動電圧は、ある一定の範囲内の値に設定される。このため、この範囲内の駆動電圧に設定された噴射駆動パルスＤＰを印加して圧電素子１８を駆動したときにノズル２３から噴射されるインクの量（重量又は体積）が、仕様上の許容範囲内の値、より望ましくは上記の規定量となることが望ましい。そして、許容範囲内の量のインクが噴射されない場合、不良品として製造ラインから外す必要がある。

本実施形態においては、１つのノズル列に対応する圧電素子１８のうちの代表として上記の検査圧電素子１８′に対して分極（Ｐ）−電界（Ｅ）のヒステリシス測定を行い、その分極量に基づいて良否判定が行われる。ここで、圧電素子１８の分極量と当該圧電素子１８の変位量（電歪の大きさ）との間には相関がある。すなわち、分極量が大きいほど、一定の駆動電圧を印加したときにより大きく変位するので、より多くのインクを噴射させることができる。換言すると、圧電素子１８の分極量が大きいほど、より低い駆動電圧で一定量のインクを噴射させることができる。したがって、圧電素子１８の分極量に基づけば、ある一定の電圧を印加したときの変位量、延いてはインクの噴射量を推定することが可能である。以下、圧電素子１８の良否判定についてより具体的に説明する。

図７は、噴射駆動パルスＤＰの駆動電圧ΔＶ（最低電位から最高電位）と、当該噴射駆動パルスＤＰにより圧電素子１８を駆動したときのノズル２３から噴射されるインクの重量との関係を示すグラフである。なお、同図において、横軸は駆動電圧ΔＶ〔Ｖ〕、縦軸はインク重量Ｉｗ〔ｎｇ〕である。本実施形態におけるプリンター１では、噴射駆動パルスＤＰの駆動電圧ΔＶが一定の設定範囲（Ｖｈ１≦ΔＶ≦Ｖｈ２）に予め決められている。また、仕様上目標とするインクの規定量はＩｗＸである。そして上記の設定範囲の駆動電圧の噴射駆動パルスＤＰを用いて圧電素子１８を駆動したときに噴射されるインクが、例えば、規定量ＩｗＸの±３％の範囲（ＩｗＸ（−）≦Ｉｗ≦ＩｗＸ（＋））に入る場合に合格となる一方、上記許容範囲外になった場合に不合格となるように良否判定が行われる。なお、噴射駆動パルスＤＰの駆動電圧の設定範囲やインク量の許容範囲については、プリンターの仕様などに応じて任意に定めることができる。

図８は、圧電素子１８の分極−電界ヒステリシス特性の一例を示すグラフである。なお、同図において横軸が電界〔Ｖ／ｍｍ〕、縦軸が分極量〔Ｃ／ｃｍ^２〕である。このヒステリシス特性の測定には、例えば、駆動電圧ΔＶの設定範囲の値が少なくとも含まれる大きさの駆動電圧に設定された三角波が用いられる。この三角波は、検査圧電素子１８′の第１の検査用端子部４６と第２の検査用端子部４７とを通じて圧電体２５に印加される。なお、圧電素子１８の分極−電界ヒステリシスの測定については、既存の種々の方法を利用することができる。また、図８のヒステリシス曲線において太線で示したが部分が、プリンター１でのインク噴射時の使用範囲である。

そして、測定されたヒステリシス特性に基づき、噴射駆動パルスＤＰの最低電位Ｖｍｉｎに対応する分極量Ｐｍｉｎと、最高電位Ｖｍａｘに対応する分極量Ｐｍａｘが取得され、その差ΔＰが算出される。具体的には、駆動電圧ΔＶの規定範囲の最小値Ｖｈ１に対応するΔＰ１と、駆動電圧ΔＶの規定範囲の最大値Ｖｈ２に対応するΔＰ２がそれぞれ求められる。そして、これらのΔＰ１およびΔＰ２が許容範囲内の値であるか否かが判定される。

図９は、上記ヒステリシス特性に基づくΔＶとΔＰとの関係の一例を説明するグラフである。同図において横軸がΔＶ〔Ｖ〕であり、縦軸がΔＰ〔Ｃ／ｃｍ^２〕である。また、ΔＰ（−）がΔＰの許容範囲の下限値を示し、ΔＰ（＋）がΔＰの許容範囲の上限値を示している。なお、ΔＰの許容範囲の下限値および上限値については、分極量と、圧電素子１８の変位量およびインク噴射量との関係から予め定められる。同図に示すように、駆動電圧ΔＶの規定範囲の最小値Ｖｈ１に対応するΔＰ１と、駆動電圧ΔＶの規定範囲の最大値Ｖｈ２に対応するΔＰ２の何れもがΔＰの許容範囲内の値となった場合、当該圧電素子１８は合格と判定される。これに対し、駆動電圧ΔＶの規定範囲の最小値Ｖｈ１に対応するΔＰ１と、駆動電圧ΔＶの規定範囲の最大値Ｖｈ２に対応するΔＰ２の何れか一方又は両方がΔＰの許容範囲内の値となった場合、当該圧電素子１８は不合格と判定される。

上記のように圧電素子１８の良否検査が行われたならば、合格と判定された検査圧電素子１８′を有する記録ヘッド２（ヘッドユニット）について以降の工程が行われる。圧電素子１８が形成された基板５４の上に、圧電素子保持部２８に圧電素子１８が収容される状態で保護基板１９が接合される。そしてこの状態で、圧力室基板１４の下面側から異方性エッチングによって圧力室２０が形成される。次に、圧力室基板１４の下面にノズルプレート２２が接着剤により接合される。次に、この状態で、保護基板１９の貫通孔３１を通じて各圧電素子１８の電極端子に対して図示しないフレキシブルケーブルの配線が行われる。その後、保護基板１９の上面側に図示しないケースが接合されてユニット化される。このユニット（ヘッドユニット）が複数組み合わされて記録ヘッド２とされる。

このように、圧電素子１８を製造した後、圧力室基板１４の基材であるシリコンウェハー５１に対して圧力室２０等の流路が形成される前の段階で、分極−電界ヒステリシス特性に基づいて圧電素子１８の良否検査が行われることにより、従来よりも早い段階で圧電素子１８の良否の判定が可能となる。このため、万一、圧電素子１８の不良が生じたとしても、その後の流路等を形成する工程が無駄にならず、その分の手間やコストを削減することが可能となる。また、分極量に基づいて圧電素子１８の良否判定を行うことにより、より精度良く圧電素子１８（検査圧電素子１８′）の良否判定を行うことができる。このため、上記の製造工程を経て製造された記録ヘッド２では、噴射駆動パルスＤＰの印加により圧電素子１８を駆動してノズル２３から噴射されるインクの量について許容範囲内となることが保証される。

ところで、本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

例えば、上記実施形態では、噴射駆動パルスＤＰの駆動電圧ΔＶについて予め設定範囲が定められており、当該設定範囲の上下限値に対応する分極値ΔＰが許容範囲内に入るか否かによって圧電素子１８の良否判定を行う例を示したが、これには限られない。例えば、噴射駆動パルスＤＰの駆動電圧ΔＶが特定の１つの値に予め決定されており、この特定の駆動電圧ΔＶに対応する分極値ΔＰが許容範囲内に入るか否かによって圧電素子１８の良否判定を行うようにすることもできる。このように駆動電圧ΔＶが特定の値に決定されている場合には、圧電素子１８の良否判定をより簡単且つ迅速に行うことができる。

また、例えば、上記の圧電素子１８のヒステリシス特性に基づき、駆動電圧ΔＶのおおよその適正値（暫定値）を求めることも可能である。すなわち、ヒステリシス特性から、目標とするインクの噴射特性が得られる許容分極量範囲に対応する駆動電圧ΔＶ（下限値Ｖｍｉｎおよび上限値Ｖｍａｘ）を取得し、取得された駆動電圧ΔＶを噴射駆動パルスＤＰの暫定値として設定することができる。この暫定値に基づいて、記録ヘッド２として組み上がった後に噴射駆動パルスＤＰの適正電圧を決定する工程を容易且つ迅速に行うことができる。

なお、上記各実施形態では、本発明における圧電素子として、インクを噴射する記録ヘッド２の圧力発生手段として用いられる圧電素子１８を例示したが、これには限られない。例えば、Ｒ（Red）・Ｇ（Green）・Ｂ（Blue）の各色材の溶液を噴射するディスプレイ製造装置用の色材噴射ヘッドや、液状の電極材料を噴射する電極形成装置用の電極材噴射ヘッドや、生体有機物の溶液を噴射するチップ製造装置用の生体有機物噴射ヘッド等に用いられる圧電素子にも本発明を適用することができる。

１…プリンター，２…記録ヘッド，１６…弾性膜，１７…絶縁体膜，１８…圧電素子，１８′…検査圧電素子，２４…下電極，２５…圧電体，２６…下電極，４０…基板，４６…第１の検査用端子部，４７…第２の検査用端子部

Claims (3)

1. 第１の電極および第２の電極の間に挟持された圧電体からなる圧電素子と、ノズルに連通する圧力室を含む液体流路が形成された流路基板と、を備え、駆動電圧の印加により前記圧電素子を駆動させて前記圧力室内に圧力変動を生じさせ、当該圧力変動を利用してノズルから液体を噴射させる液体噴射ヘッドの製造方法であって、
   前記流路基板上に前記圧電素子を形成する工程と、
   当該圧電素子について分極−電界のヒステリシス特性を測定する工程と、
   測定されたヒステリシス特性に基づき、前記駆動電圧に対応する分極量が許容分極量範囲内の値であるか否かを判定することで圧電素子の合否を判定する工程と、
   を含み、
   前記圧電素子の合否を判定する工程は、前記流路基板に対して前記液体流路を形成する工程の前に行われることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
2. 前記圧電素子を駆動する駆動電圧の設定範囲を設定する工程と、
   前記駆動電圧の設定範囲に対応する許容分極量範囲を定める工程と、
   を前記圧電素子の合否を判定する工程の前に予め行うことを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
3. 前記圧電素子を形成する工程において、前記ヒステリシス特性を検査する対象の検査用圧電素子を形成し、
   当該検査用圧電素子の前記第１の電極に導通する第１の検査用端子部、および、当該検査用圧電素子の前記第２の電極に導通する第２の検査用端子部を形成することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。

Images