JP2013159036A - Method for manufacturing liquid ejection head - Google Patents
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Abstract
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。 The present invention relates to a method for manufacturing a liquid jet head such as an ink jet recording head, and more particularly to a method for manufacturing a liquid jet head including a piezoelectric element formed by stacking a first electrode, a piezoelectric body, and a second electrode. It is.
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。 The liquid ejecting apparatus is an apparatus that includes a liquid ejecting head capable of ejecting liquid as droplets from a nozzle and ejects various liquids from the liquid ejecting head. A typical example of the liquid ejecting apparatus is an ink jet recording that includes an ink jet recording head (hereinafter referred to as a recording head) and performs recording by ejecting liquid ink as ink droplets from the nozzle of the recording head. An image recording apparatus such as an apparatus (printer) can be given. In addition, liquid ejecting apparatuses for ejecting various types of liquids such as color materials used for color filters such as liquid crystal displays, organic materials used for organic EL (Electro Luminescence) displays, electrode materials used for electrode formation, etc. Is used. The recording head for the image recording apparatus ejects liquid ink, and the color material ejecting head for the display manufacturing apparatus ejects solutions of R (Red), G (Green), and B (Blue) color materials. The electrode material ejecting head for the electrode forming apparatus ejects a liquid electrode material, and the bioorganic matter ejecting head for the chip manufacturing apparatus ejects a bioorganic solution.
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。 A piezoelectric element used as a driving source for ejecting a liquid in a liquid ejecting head, that is, a pressure generating means for causing a pressure fluctuation in a liquid in a head flow path, sandwiches a piezoelectric film made of a piezoelectric material between electrodes. It consists of A so-called flexure mode piezoelectric element is formed by laminating a lower electrode film, a piezoelectric body made of lead zirconate titanate (PZT), and the like, and an upper electrode film by a film forming technique and firing by heat treatment, and by patterning by lithography and etching. It is configured by cutting into each pressure chamber. Then, a pressure fluctuation is generated in the liquid in the pressure chamber by displacing or deforming an operating surface (that is, a driving target) such as an elastic film or a diaphragm constituting a part of the pressure chamber by a piezoelectric element. Is used to eject liquid from the nozzles of the liquid ejecting head.
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。 In a liquid ejecting head having the above piezoelectric element as a pressure generating means, it is required that liquid is ejected normally from a nozzle when a driving voltage is applied to drive the piezoelectric element. Has been done. As a method for inspecting an initial defect of a piezoelectric element of a general liquid ejecting head, a method of measuring the capacitance of the piezoelectric element (for example, see Patent Document 1) or a method of measuring a resonance frequency characteristic of the piezoelectric element (for example, a patent) Document 2) is known.
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。 However, these methods cannot detect, for example, the degree of displacement (electrostriction) of the piezoelectric element when a predetermined drive voltage is applied and the degree of liquid ejection corresponding to the amount. . The conventional method is generally performed in a state where the liquid jet head is completed. Therefore, when a defect is detected in the piezoelectric element in this state, the components other than the piezoelectric element and the process of manufacturing them are wasted, which has been a problem in terms of yield.
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。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a method of manufacturing a liquid jet head capable of detecting a defect of a piezoelectric element more accurately at an earlier stage. is there.
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。
A method of manufacturing a liquid jet head according to the present invention has been proposed to achieve the above object, and includes a piezoelectric element formed of a piezoelectric body sandwiched between a first electrode and a second electrode, and a nozzle. A flow path substrate having a liquid flow path including a communicating pressure chamber, and driving the piezoelectric element by applying a driving voltage to cause a pressure fluctuation in the pressure chamber, and using the pressure fluctuation A method of manufacturing a liquid ejecting head that ejects liquid from a nozzle,
Forming the piezoelectric element on the flow path substrate;
Measuring the polarization-electric field hysteresis characteristics of the piezoelectric element;
Determining pass / fail of the piezoelectric element by determining whether the polarization amount corresponding to the drive voltage is a value within the allowable polarization amount range based on the measured hysteresis characteristics;
Including
The step of determining whether or not the piezoelectric element is acceptable is performed before the step of forming the liquid channel with respect to the channel substrate.
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。 According to the present invention, after a piezoelectric element is manufactured, a pass / fail inspection of the piezoelectric element is performed based on polarization-electric field hysteresis characteristics before a flow path such as a pressure chamber is formed on the flow path substrate. Thus, it is possible to determine whether the piezoelectric element is good or bad at an earlier stage than before. For this reason, even if a failure of the piezoelectric element occurs, the subsequent process of forming the flow path and the like is not wasted, and it is possible to reduce the labor and cost for that. Moreover, the quality determination of the piezoelectric element can be performed with higher accuracy by determining the quality of the piezoelectric element based on the polarization amount. Therefore, by adopting the piezoelectric element determined to be acceptable as the pressure generating means of the liquid ejecting head, the amount of liquid ejected from the nozzle by driving the piezoelectric element by applying a predetermined driving voltage is within an allowable range. Guaranteed to be.
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。
In the above configuration, a step of setting a setting range of a driving voltage for driving the piezoelectric element;
Determining an allowable polarization range corresponding to a setting range of the drive voltage;
It is desirable to perform in advance before the step of determining the pass / fail of the piezoelectric element.
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。
Further, in the above configuration, in the step of forming the piezoelectric element, an inspection piezoelectric element to be inspected for the hysteresis characteristic is formed,
Forming a first inspection terminal portion conducting to the first electrode of the inspection piezoelectric element and a second inspection terminal portion conducting to the second electrode of the inspection piezoelectric element; desirable.
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。 According to the above configuration, the first inspection terminal portion that conducts to the first electrode of the inspection piezoelectric element, and the second inspection terminal portion that conducts to the second electrode of the inspection piezoelectric element. By providing, it becomes easy to measure the polarization-electric field hysteresis characteristics.
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。
DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the embodiments described below, various limitations are made as preferred specific examples of the present invention. However, the scope of the present invention is not limited to the following description unless otherwise specified. However, the present invention is not limited to these embodiments. In the following description, the
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。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the
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。
The carriage 4 is attached while being supported by a
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。
A home position serving as a base point for scanning of the carriage is set in an end area outside the recording area within the movement range of the carriage 4. In the home position in the present embodiment, a capping member 11 for sealing the nozzle formation surface (nozzle formation substrate 15: see FIG. 2) of the
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。
2A and 2B are diagrams illustrating a configuration of the
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。
The pressure chamber substrate 14 (a kind of narrow channel substrate in the present invention) is, for example, a plate material made of a silicon single crystal substrate. In the
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(SiO2)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(ZrO2)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。
On the lower surface of the
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。
In general, one electrode of the
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。
In the present embodiment, among a plurality of
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。
On the surface of the
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。
A through
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。
A
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。
In the
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。
Next, the electrical configuration of the
FIG. 3 is a block diagram illustrating the electrical configuration of the
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。
The
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。
The
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。
The drive
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。
FIG. 4 is a waveform diagram showing an example of the configuration of the ejection drive pulse DP included in the drive signal COM. In FIG. 4, the vertical axis represents potential and the horizontal axis represents time. The ejection drive pulse DP has an expansion element p1 that expands the
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。
When the ejection driving pulse DP is applied to the
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。
Next, a method for manufacturing the
FIG. 5 is a diagram for explaining the steps until the
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。
First, as shown in FIG. 5A, the
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。
Once the
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。
When the
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。
In this embodiment, as a representative of the
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。
FIG. 7 is a graph showing the relationship between the drive voltage ΔV (from the lowest potential to the highest potential) of the ejection drive pulse DP and the weight of ink ejected from the
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/cm2〕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。
FIG. 8 is a graph showing an example of polarization-electric field hysteresis characteristics of the
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。 Based on the measured hysteresis characteristics, a polarization amount Pmin corresponding to the lowest potential Vmin of the ejection drive pulse DP and a polarization amount Pmax corresponding to the highest potential Vmax are acquired, and a difference ΔP is calculated. Specifically, ΔP1 corresponding to the minimum value Vh1 of the specified range of the drive voltage ΔV and ΔP2 corresponding to the maximum value Vh2 of the specified range of the drive voltage ΔV are respectively obtained. Then, it is determined whether or not these ΔP1 and ΔP2 are values within an allowable range.
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/cm2〕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。
FIG. 9 is a graph for explaining an example of the relationship between ΔV and ΔP based on the hysteresis characteristic. In the figure, the horizontal axis is ΔV [V], and the vertical axis is ΔP [C / cm 2 ]. Further, ΔP (−) represents the lower limit value of the allowable range of ΔP, and ΔP (+) represents the upper limit value of the allowable range of ΔP. The lower limit value and upper limit value of the allowable range of ΔP are determined in advance from the relationship between the polarization amount, the displacement amount of the
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。
If the pass / fail inspection of the
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。
In this way, after the
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。 By the way, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made based on the description of the scope of claims.
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。
For example, in the above embodiment, a setting range is set in advance for the drive voltage ΔV of the ejection drive pulse DP, and the piezoelectric element depends on whether or not the polarization value ΔP corresponding to the upper and lower limit values of the setting range falls within the allowable range. Although the example of performing the pass / fail judgment of 18 has been shown, the present invention is not limited to this. For example, the drive voltage ΔV of the ejection drive pulse DP is predetermined as a specific value, and whether the
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。
Further, for example, an approximate appropriate value (provisional value) of the drive voltage ΔV can be obtained based on the hysteresis characteristic of the
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。
In each of the above-described embodiments, the
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
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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。 A piezoelectric element comprising a piezoelectric body sandwiched between a first electrode and a second electrode; and a flow path substrate on which a liquid flow path including a pressure chamber communicating with the nozzle is formed, and applying a drive voltage The piezoelectric element is driven to cause a pressure fluctuation in the pressure chamber, and a liquid ejecting head is produced by ejecting a liquid from the nozzle using the pressure fluctuation,
Forming the piezoelectric element on the flow path substrate;
Measuring the polarization-electric field hysteresis characteristics of the piezoelectric element;
Determining pass / fail of the piezoelectric element by determining whether the polarization amount corresponding to the drive voltage is a value within the allowable polarization amount range based on the measured hysteresis characteristics;
Including
The method of manufacturing a liquid jet head, wherein the step of determining whether or not the piezoelectric element is acceptable is performed before the step of forming the liquid flow path with respect to the flow path substrate.
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。 Setting a drive voltage setting range for driving the piezoelectric element;
Determining an allowable polarization range corresponding to a setting range of the drive voltage;
The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the step is performed in advance before the step of determining whether the piezoelectric element is acceptable.
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。 In the step of forming the piezoelectric element, forming an inspection piezoelectric element to be inspected for the hysteresis characteristic,
Forming a first inspection terminal portion conducting to the first electrode of the inspection piezoelectric element and a second inspection terminal portion conducting to the second electrode of the inspection piezoelectric element; The method of manufacturing a liquid jet head according to claim 1, wherein the liquid jet head is a liquid ejecting head.
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JP2016168813A (en) * | 2015-03-16 | 2016-09-23 | ブラザー工業株式会社 | Liquid discharge device |
JP7483495B2 (en) | 2019-07-19 | 2024-05-15 | キヤノン株式会社 | Substrate for liquid ejection head and manufacturing method thereof |
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