JP4388251B2 - マイクロ電気機械装置の不良検出方法 - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ電気機械（ＭＥＭ,micro electro-mechanical）装置の不良を検出し、必要な場合はそれを修正する方法に関する。本発明は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）に適用可能な技術を組み込むことによって作製するタイプのインジェクションノズルや、相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ,complementary metal-oxide semiconductor）を組み込んだ回路に適用でき、また、本発明について、その適用方法の内容において以下に説明する。しかし、本発明は、さまざまなタイプのＭＥＭ装置における不良修正に対しより広く適用できることも理解できよう。
（同時係属出願）
本発明に関連し、さまざまな方法、システム、および装置が、本発明の出願と同時に本発明の出願人または譲受人によって提出された以下に示す同時出願中の出願書類に開示されている。
PCT/AU00/00518, PCT/AU00/00519, PCT/AU00/00520, PCT/AU00/00521, PCT/AU00/00522, PCT/AU00/00523, PCT/AU00/00524, PCT/AU00/00525, PCT/AU00/00526, PCT/AU00/00527, PCT/AU00/00528, PCT/AU00/00529, PCT/AU00/00530, PCT/AU00/00531, PCT/AU00/00532, PCT/AU00/00533, PCT/AU00/00534, PCT/AU00/00535, PCT/AU00/00536, PCT/AU00/00537, PCT/AU00/00538, PCT/AU00/00539, PCT/AU00/00540, PCT/AU00/00541, PCT/AU00/00542, PCT/AU00/00543, PCT/AU00/00544, PCT/AU00/00545, PCT/AU00/00547, PCT/AU00/00546, PCT/AU00/00554, PCT/AU00/00556, PCT/AU00/00557, PCT/AU00/00558, PCT/AU00/00559, PCT/AU00/00560, PCT/AU00/00561, PCT/AU00/00562, PCT/AU00/00563, PCT/AU00/00564, PCT/AU00/00565, PCT/AU00/00566, PCT/AU00/00567, PCT/AU00/00568, PCT/AU00/00569, PCT/AU00/00570, PCT/AU00/00571, PCT/AU00/00572, PCT/AU00/00573, PCT/AU00/00574, PCT/AU00/00575, PCT/AU00/00576, PCT/AU00/00577, PCT/AU00/00578, PCT/AU00/00579, PCT/AU00/00581, PCT/AU00/00580, PCT/AU00/00582, PCT/AU00/00587, PCT/AU00/00588, PCT/AU00/00589, PCT/AU00/00583, PCT/AU00/00593, PCT/AU00/00590, PCT/AU00/00591, PCT/AU00/00592, PCT/AU00/00584, PCT/AU00/00585, PCT/AU00/00586, PCT/AU00/00594, PCT/AU00/00595, PCT/AU00/00596, PCT/AU00/00597, PCT/AU00/00598, PCT/AU00/00516, PCT/AU00/00517, PCT/AU00/00511, PCT/AU00/00501, PCT/AU00/00502, PCT/AU00/00503, PCT/AU00/00504, PCT/AU00/00505, PCT/AU00/00506, PCT/AU00/00507, PCT/AU00/00508, PCT/AU00/00509, PCT/AU00/00510, PCT/AU00/00512, PCT/AU00/00513, PCT/AU00/00514, PCT/AU00/00515
これら同時出願中の出願書類の開示は、本書内で相互参照として引用している。
【０００２】
【従来の技術】
高速ページ幅インクジェットプリンタは、本発明の出願人により、最近開発された。これは、典型的には約５１，２００のインクジェットノズルを採用してＡ４サイズの用紙を印刷し、１，６００ｄｐｉで写真レベルの品質の画像印刷を行うものである。このノズル密度を実現するため、ノズルは、一体型ＭＥＭＳ−ＣＭＯＳ技術によって作製した。
【発明が解決しようとする課題】
このようなプリンタの作製において困難な点は、プリントヘッドを横切って延在する、あるいは、所定のチップ上に位置するすべてのノズルが確実に同じ働きをするようにするための便利な方法が存在しないことであり、他のウェーハから獲得したチップを所定のプリントヘッドに組み込む必要がある場合には、この問題はさらに悪化する。また、複数のチップからプリントヘッドの完成体を作製した場合、個々のノズルを起動するために必要なエネルギーのレベルを判断し、所定のノズルの連続的な性能を評価し、個々のノズルに不良が存在する場合、それを検出するのが困難である。
【０００３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、支持構造体と、起動アームに流れる熱誘発電流の影響で支持構造体に対して移動可能である起動アームと、起動アームに付随する移動センサとを有するタイプのマイクロ電気機械装置内の不良を検出するための方法を提供するべく広く定義することができる。この方法は：
（ａ）起動アームに所定の長さｔｐを有する少なくとも一つの電流パルスを通す工程と；
（ｂ）起動アーム所定のレベルの動きを検出する工程とを含む。
この方法は、上に定義するようにマイクロ電気機械（ＭＥＭ）装置の起動中の不良検出を可能とする。アームに所定の長さの電流パルスを流した後も所定のレベルの動作が検出されない場合は、例えば、不良がアーム内で起こっているか、もしくはアームの動きをさえぎる障害の結果、アームの動作が阻害されていることが考えられる。
【０００４】
妨害の形の不良がＭＥＭ装置に存在すると判断された場合には、少なくとも一つの電流パルス（エネルギーレベルのより高いもの）をさらに起動アームに流すことによって不良を排除するように試みることができる。
【０００５】
よって、本発明は、さらに、ＭＥＭ装置内の不良を検出し、修正する方法を提供するものとして定義できる。二段階方法は：
（ａ）上に定義したような方法で不良を検出する工程と；
（ｂ）少なくとももう一つの電流パルスを不良検出電流パルスより大きいエネルギーレベルで起動アームに流すことにより不良を修正する工程とを含む。
修正段階で不良を修正できなかった場合には、ＭＥＭ装置の使用を中止し、そして／またはサプライヤーに修理に出せばよい。
【０００６】
不良検出方法は、所定のパルス長ｔｐの単一の電流パルスを起動アームに通し、起動アームの所定のレベルの動作を検出することによって実行する。あるいは、試しにパルス長ｔｐが連続的に増加する一連の電流パルスを起動アームに通して、起動アームに時間ｔだけ連続して増加する動作を行わせてもよい。そして、ｔ＞ｔｗ＞ｔｐの時に所定のタイムウィンドウｔｗの範囲内で起動アームの所定のレベルの動作に対する検出を行う。
【０００７】
本発明の不良検出方法は、好ましくは、液体吐出器の形態、最も好ましくは、起動アームの起動時にインクの滴を吐出するように操作可能なインク吐出ノズルの形態のＭＥＭ装置に関連して採用する。本発明のこの後者の好ましい形態において、起動アームの第２の端部は、好ましくは、起動アームが内部まで延在しているチャンバからインクを移動させるために採用する一体型パドルに連結してある。
【０００８】
最も好ましくは、起動アームは、互いに重ねて連結された二本の類似した形状のアーム部から形成されている。本発明のこの実施形態においては、アーム部のうち、第１のものは、電流供給源に接続されており、使用中は、長さがｔｐの電流パルス（単数または複数）によって加熱されるように配置されている。しかし、第２のアーム部は、完成した装置として起動アームの線形の拡張を阻止する機能を有し、第１のアーム部の熱誘導による延長により、起動アームの長さ方向に沿って屈曲が発生する。このように、起動アームは、起動アームの第１の部分の加熱および冷却により、支持構造体に対して有効に旋回する。
【０００９】
本発明は、添付の図面に示したようなインクジェットノズルに適用する不良検出法の好ましい実施形態の説明からすべて理解できよう。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１および他の関連図面に約３０００倍の拡大図で示すように、単一のインクジェットノズル装置がＭＥＭＳおよびＣＭＯＳ技術を統合することによって作製するチップの一部として示されている。完成したノズル装置は、シリコン基板(silicon substrate)２０を有する支持構造体と、金属酸化膜半導体層(metal oxide semiconductor layer)２１と、表面安定化処理層(passivation layer)２２、および非腐食性誘電被覆／チャンバ形成層(non-corrosive dielectric coating/chamber-defining layer)２３を備えている。
【００１１】
ノズル装置には、インクの供給源（図示せず）に接続してあるインクチャンバ２４が組み込まれており、チャンバ、ノズルチャンバ２５の上方に位置する。ノズル開口部２６は、チャンバ形成層２３に設けられており、インクの滴を、インクを定着させる用紙または他の媒体（図示せず）に向かって移動させる。パドル２７は、二つのチャンバ２４および２５の間に位置しており、それが静止位置にあるときには、図１および７に示すようにパドル２７が二つのチャンバ２４および２５を有効に分割する。
【００１２】
パドル２７はパドル延長部２９と誘電被覆２３の架橋部３０によって起動アーム(actuating arm,アクチュエーティングアーム、駆動アーム)２８に連結されている。
【００１３】
起動アーム２８は支持構造体または基板２０に対して旋回可能に形成されている（装置の作製中に蒸着される）。すなわち、起動アームは支持構造体と連結される第１の端部と、支持構造体に対して外側に移動可能な第２の端部３８を有している。起動アーム２８は、外側および内側アーム部３１および３２を備えている。外側アーム部３１は、図３の斜視図に、詳細に、そしてノズル装置の他の構成要素とは隔離して示してある。内側アーム部３２は、図４に同様に示している。完成した起動アーム２８は、図１，７，８，９，および１０と同様、図５の斜視図に示してある。
【００１４】
起動アーム２８の内側部分３２は、ノズル装置の形成中に蒸着される窒化チタンアルミ（ＴｉＡｌ）Ｎから形成され、図１１に略図で示すようにＣＭＯＳ構造体内の電流源３３に電気的に接続される。電気接続は、端部の端子３４および３５に対して行われ、端子へパルス励磁（駆動）電圧をかけることにより、パルス電流が起動アーム２８の内側部分にのみ流れる。電流の流れにより、起動アームの内側部分３２内で急速抵抗加熱が起こり、その結果、アーム部が一瞬伸張する。
【００１５】
起動アーム２８の外側アーム部３１は、内側アーム部３２とは機械的に連結されているが、ポスト３６によって電気的に隔離されている。外側アーム部３１では電流による加熱は起こらず、よって、内側アーム部３２を流れる電圧による電流により、図面の図８，９，および１０に示したような方法で完成した起動アーム２８の瞬間的屈曲が起こる。起動アーム２８のこの屈曲は、アームの基板２０に対する旋回動作と等しく、よってチャンバ２４および２５内でパドル２７が移動する。
【００１６】
一体化された動きセンサが装置内に設けられており、起動アーム２８の旋回動作の程度または率を判断し、装置内の不良検出を行うことができる。
【００１７】
動作センサは、起動アーム２８の内側部分３２に一体的に形成されるとともに電流を起動アームの内側部分を通すと電気的にアクティブとなる移動接触要素３７を備えている。移動接触要素３７は起動アームの第２の端部３８に隣接して位置しており、よって、端部の端子３４および３５に印加される電圧Ｖで、移動接触要素は約Ｖ／２の電位となる。また、移動センサは、ＣＭＯＳ層２２と一体的に形成されるとともに起動アーム２８が所定の程度まで上方向に旋回すると、移動接触要素３７が接触する位置に位置する固定接触要素３９も備えている。固定接触要素は、増幅要素４０とマイクロプロセッサ装置４１に電気的に接続されており、その両者とも図１１に示すとともに、その構成要素は、装置のＣＭＯＳ層２２内で具体化している。
【００１８】
図１および７に示すようにアクチュエータのアーム２８と、パドル２７が静止位置にあるときには、移動および固定接触要素３７および３９の間に接触は起こらない。反対側端部では、図８および９に示すようにアクチュエータのアームとパドルが過度に動くと、移動および固定接触要素３７および３９の間で接触が起こる。アクチュエータのアーム２８とパドル２７がノズルからインクを吐出させるのに十分な普通の程度まで起動された場合には、移動および固定接触要素の間に接触は起こらない。すなわち、インクがチャンバ２５から普通に吐出されると、アクチュエータのアーム２８とパドル２７は一部が図７および８に示した位置の間にくるように移動する。この（中間）位置は図１０に示すが、これは、ノズルからインクが普通に吐出されている間ではなく、ノズルが遮断された結果を示すものである。
【００１９】
図１２は、アクチュエータのアーム２８とパドル２７を静止位置から通常より低いインク吐出位置まで起動させるために適用可能な励磁時間のグラフを示すものである。図１２の励磁によって起こるパドル２７の移動は、図１４の下側のグラフ４２によって示されており、最大限に移動しても、移動線４３で示す最適なレベルより低いことがわかる。
【００２０】
図１３は、図８および９に示すように、アクチュエータのアーム２８とパドル２７を過度に起動させるために適用可能な延長した励磁時間の表を示している。図１３の励磁の結果起きるパドル２７の移動は、図１４の上側のグラフ４４に示しており、このグラフから、最大移動レベルは、移動線４３で示された最適なレベルより大きいことがわかる。
【００２１】
図１５，１６，および１７は、連続して増加する、起動アーム２８に印加される励磁時間の経過に伴う、励磁電圧と、アクチュエータのアーム温度と、パドルの変形とを表したグラフである。これらのグラフはノズル装置の不良検出に関係がある。
【００２２】
ノズル装置または一列に並んだノズル装置のそれぞれの装置の不良状態を検出する際、長さｔｐが連続して増加する一連の電流パルスを誘発してそれを時間ｔだけ起動アーム２８に流す。長さｔｐは、図１５のグラフに示すように増加するよう、制御される。
【００２３】
各電流パルスは、起動アームを一時的に加熱し、結果、温度が上がり、その後、パルス長が終了すると温度が降下する。図１６に示すように、温度は、図１５に示すようなパルス長の増加で連続的に高いレベルへと上がる。
【００２４】
その結果、図１７に示すように、通常の環境下では、アクチュエータのアーム２８が連続的に徐々に程度を上げて移動（すなわち旋回）し、その程度の一部は、移動および固定接触要素３７および３９を接触させるのに必要な程度より低く、また他は、移動および固定接触要素を接触させるのに必要な程度より高い。これは、図１７に示す“テストレベル”の線で示している。しかし、ノズル装置に詰まりが起きると、図１０に示すように、パドル２７およびその結果アクチュエータのアーム２８は、ノズルからインクを吐出するのに必要な通常の最大限まで動かないように阻止される。結果、アクチュエータのアームの、通常最大限の動きは起きず、移動および固定接触要素３７および３９の間では接触は起こらない。
【００２５】
起動アームに所定の長さｔｐの電流パルスを流してもこのような接触が起こらない場合は、ノズル装置に詰まりが発生していることが考えられる。これは、起動アーム２８にさらに、起動アームに通常通されるものよりかなり高いエネルギーレベルを有する電流パルスを流すことによって修正できる場合がある。これにより、詰まりを取り除くことができれば、図９に示すように、インク吐出が起きる。
【００２６】
また、不良検出のためのさらに単純な別の方法として、図１２に示すような単一電流パルスを誘導してアクチュエータのアームに流し、起動アームが十分動いているかを検出するだけで、固定および移動接触要素を接触させることもできる。
【００２７】
添付の請求の範囲を超えることなく、本発明の好ましい実施形態として上述したような装置に関し、さまざまな変更や修正が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 インクジェットノズルの部分を大きく拡大した側断面図である。
【図２】 図１のインクジェットノズルの平面図である。
【図３】 起動アームおよびインク吐出パドルの、もしくはインクジェットノズルの外側部分の斜視図であり、起動アームとパドルをノズルの他の要素から独立して示したものである。
【図４】 図３に類似した装置を、起動アームの内側部分に関して示した図である。
【図５】 図３および４に類似した装置を、図３および４に示す外側および内側部分を組み込んで完成した状態の起動アームに関して示した図である。
【図６】 図５に丸で囲んで示した、動作センサ装置の詳細部の図である。
【図７】 図１のノズルの、インクを充填する前の状態を示す側断面図である。
【図８】 図７のノズルの、起動アームとパドルをテスト位置に起動した状態を示す側断面図である。
【図９】 不良解消操作で起動された際の、ノズルからのインク吐出を示す図である。
【図１０】 通常、インクをノズルから吐出するのに十分な程度まで起動アームとパドルを起動したときのノズルの詰まりの状態を示す図である。
【図１１】 ノズル内で具体化されている電気回路の一部を示す略図である。
【図１２】 ノズル起動アームの通常の（インク吐出）起動に適用可能な励磁時間を示す線図である。
【図１３】 ノズル起動アームのテスト起動に適用可能な励磁時間のグラフである。
【図１４】 図１２および１３に示す励磁時間のグラフに適用可能な変位と時間のカーブを比較して示す図である。
【図１５】 不良検出手順に適用可能な励磁時間のグラフである。
【図１６】 ノズル起動アームに適用可能であり、図１５の励磁時間のグラフに相当する温度と時間のグラフである。
【図１７】 ノズル起動アームに適用可能であり、図１５および図１６の励磁／加熱時間のグラフに相当する、変形と時間のグラフである。

Claims (6)

  1. 支持構造体と、起動アームに流れる熱起誘導電流の影響で支持構造体に対して移動可能である起動アームと、起動アームに関連する移動センサとを有するタイプのマイクロ電気機械装置内の不良を検出し、修復する方法において；
    （ａ）
    （ｉ）起動アームに所定の期間ｔｐを有する少なくとも一つの電流パルスを通す工程と、
    （ｉｉ）起動アームの所定のレベルの動きを検出する工程と、
    によって不良を検出する工程と；
    （ｂ）前記不良を検出する工程によって起動アームの不良が修復されない場合、少なくとももう一つの電流パルスを不良検出電流パルスより大きいエネルギーレベルで起動アームに流すことにより不良を修復する工程と
    を含む前記方法。
  2. 起動アームの動きに伴って液体が吐出される液体受容チャンバを有する液体吐出ノズルに関して採用される請求項１に記載の方法。
  3. 起動アームの動きに伴ってインクが吐出されるインク受容チャンバを有するインク吐出ノズルに関して採用される請求項１に記載の方法。
  4. 動作センサが、起動アームと一体に形成された移動接触要素と、支持構造体と支持構造体内に形成された電気回路要素と一体に形成された固定接触要素とを備え、起動アームの所定のレベルの動作が固定および移動接触要素間の接触により検出されることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 所定のパルスｔｐを有する単一の電流パルスを起動アームに流し、単一の電流パルスを通した結果として起こる起動アームの所定の動きに対する検出を行うことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  6. 連続して増加する期間ｔｐを有する一連の電流パルスを起動アームに継続時間ｔより長く流し、ｔ＞ｔｗ＞ｔｐの所定のタイムウィンドウｔｗ内で起動アームの所定のレベルの動きに対して検出を行うことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
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