JP6452498B2 - 液体吐出ヘッドの検査装置、及び液体吐出ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、エネルギーを液体に作用させて吐出口から液体を吐出させる液体吐出ヘッドに関する。特に本発明は、液体吐出ヘッドに設けられて液体を吐出するためのエネルギーを発生する吐出エネルギー発生素子の駆動の良否を検査する検査装置と、この検査装置に適した液体吐出ヘッドとに関する。

液体吐出ヘッドは、流路内に存在する液体に対してエネルギーを作用させ、これによって吐出口から液体を吐出させるものである。流路内の液体に対してエネルギーを作用させるために、流路に近接して吐出エネルギー発生素子が設けられる場合が多い。吐出エネルギー発生素子は、一般に、例えばシリコンなどからなる基板の一方の面に形成され、吐出エネルギー発生素子の表面に形成された保護膜を介して液体に接し、パルス状の電気信号によって駆動される。吐出エネルギー発生素子が設けられる基板のことを素子基板と呼ぶ。液体に熱エネルギーを加えて液体の一部を気化膨張させ、これによって液体を液滴として吐出口から吐出する形態の液体吐出ヘッドでは、吐出エネルギー発生素子として、例えば、発熱抵抗素子が用いられる。また、機械的なエネルギーを液体に直接作用させる形態の液体吐出ヘッドでは、吐出エネルギー発生素子として、例えばピエゾ素子が用いられる。

液体吐出ヘッドの代表的なものとして、記録を行うためにインク液滴を吐出するインクジェット記録ヘッドがある。液体吐出ヘッドがインクジェット記録ヘッドである場合には、吐出エネルギー発生素子を特に記録素子と呼ぶ。インクジェット記録ヘッドは、より高画質で高速での記録を達成するために、記録素子と吐出口とをより高密度で配置し、多数の吐出口を配列させる構成となってきている。これに伴い、記録素子自体の破断や素子基板に設けられて記録素子に接続する電気配線の断線などの不良の発生確率が高くなってきており、製造段階での検査が重要な工程の一つになってきている。また、出荷後、実際に使用している状況においても、使用時間の累積に伴なって記録素子の破断や配線の断線などの故障発生の頻度が高くなるので、実際に使用している環境でも検査できることが求められている。

このような課題に鑑み、インクジェット記録ヘッドの場合には、実際にインクを吐出させる印字検査が、製造段階や実際にインクジェット記録ヘッドを使用している環境において広く行われている。印字検査では、特定の画像パターンが紙面などの被記録媒体に記録されるようにインクジェット記録ヘッドを駆動して実際にインクを吐出させ、記録媒体上に形成された記録パターンを目視や光学センサーで読み取って検査する。

特許文献１には、発熱抵抗素子を用いる液体吐出ヘッドにおいて、発熱抵抗素子を流れる電流値を検出する検出回路を発熱抵抗素子に対して電力を供給する配線に設け、検出回路で検出された電流値に応じて発熱抵抗素子の破断を検出することが開示されている。
特許文献２には、導電性のインクを使用するインクジェット記録ヘッドを検査する方法として、記録素子に印加した電圧波形をインクタンク内の電極によってモニターすることによる方法が示されている。特許文献２の方法では、記録素子の表面に設けられた保護膜をキャパシタとして利用してこのキャパシタと導電経路であるインクとを介して電圧波形をモニターし、得られた電圧波形からインク流路の不良と記録素子の破断や電気配線の断線を検査する。

特開平２−２０８０５２号公報 特開平１０−２１７４７１号公報

上述した検査方法のうちインクジェット記録ヘッドにおける印字検査では、吐出が正常か否かは検査できるが、吐出不良の原因が、記録素子の破断や配線の断線などの電気的故障なのか、あるいは吐出口やインク流路の不具合なのかを切り分けることができない。そのため、使用中に印字不良が生じた場合には、その原因にかかわらずインク吸引などの回復操作を行うこととなり、電気的故障が原因の場合には無駄にインクと時間を費やしてしまうことになる。

特許文献１の方法によれば、インクジェット記録ヘッドにおける電気的故障を検査することができる。特許文献１には、検出回路の具体的な構成は示されていないが、電流検出抵抗を電力供給線の途中に挿入することが一般的かつ簡便であり、電流値に応じて発生する電圧降下を電圧計で測定して検査する。しかしながらインクジェット記録ヘッドにおいては記録素子への電力供給線には平滑用コンデンサが挿入されているので、検査を行う際にはこの平滑用コンデンサを外さないと正確な電流の検出できないという課題が生じる。また、特許文献１の方法による検査は、電圧降下分を含めた動作条件での検査となるので、厳密にみれば、実動作を再現した状態ではない検査となる。
特許文献２の方法では、インクを導電体として利用することにより、電気的故障とインク流路の不具合に伴う吐出不良の両方を検査できる。しかしながら、インク流路に生じた気泡の量や分布に応じてインクの導電抵抗は種々に変化するので、得られた電圧波形によっては良否の判定が困難となる場合がある。インクタンクに検出用の電極を設ける必要があるために、インクタンクのコストが高くなってしまう。さらに、特許文献２の方法は、導電性のインクを使用することを前提としているから、導電性の液体を吐出するとは限らない一般的な液体吐出ヘッドに適用することが難しい。

本発明の目的は、簡単な構成により吐出エネルギー発生素子やそれに至る配線の良否を検査することができる、液体吐出ヘッド用の検査装置を提供することにある。
本発明の別の目的は、簡単な構成により吐出エネルギー発生素子やそれに至る配線の良否を検査することが液体吐出ヘッドを提供することにある。

本発明の液体吐出ヘッドの検査装置は、素子基板に設けられ吐出口から液体を吐出するために液体にエネルギーを作用させる吐出エネルギー発生素子と、吐出エネルギー発生素子の一端と接続された第１の配線と吐出エネルギー発生素子の他端と接続された第２の配線とを有し吐出エネルギー発生素子に駆動用の電気信号を供給する配線層と、第１の配線と第２の配線とにまたがって配置された導電性の第１の保護膜と、配線層と第１の保護膜との間に設けられた電気絶縁性の第２の保護膜と、を有する液体吐出ヘッドを検査する検査装置であって、液体吐出ヘッドに対して配線で接続して吐出エネルギー発生素子に電気信号が供給されるとき第１の保護膜に関する容量の変化に基づく第１の保護膜の電位を検出する検出回路と、検出回路で検出した第１の保護膜の電位から吐出エネルギー発生素子の駆動の状態を判定する判定回路と、を有する。

本発明の液体吐出ヘッドは、素子基板と、素子基板に設けられ、吐出口から液体を吐出するために液体にエネルギーを作用させる吐出エネルギー発生素子と、吐出エネルギー発生素子の一端と接続された第１の配線と吐出エネルギー発生素子の他端と接続された第２の配線とを有し吐出エネルギー発生素子に駆動用の電気信号を供給する配線層と、導電性の第１の保護膜と、電気絶縁性の第２の保護膜と、を有し、吐出エネルギー発生素子の状態に基づいて第１の保護膜に関する容量が変わるように、第１の保護膜は、第１の配線と第２の配線にまたがって配置され、第２の保護膜は、配線層と第１の保護膜との間に設けられている。

本発明によれば、配線を介して液体吐出ヘッドに接続して上部保護膜の電位変化を検出することにより、液体吐出ヘッドとは別個に専用の検出部材や検出用の電極を設けることなく、簡単な構成で液体吐出ヘッドの検査を行うことができるようになる。

本発明の第１の実施形態の液体吐出ヘッドを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＡ−Ａ’線に沿う一部破断斜視図である。 図１に示す液体吐出ヘッドにおける素子基板の構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線に沿う断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ’線に沿う断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ’線に沿う断面図である。 （ａ）は第１の実施形態における記録素子、駆動回路及び保護膜を含む等価回路図であり、（ｂ）は初期状態での検出電位を説明する等価回路図であり、（ｃ）は駆動スイッチを導通状態としたときの検出電位を説明する等価回路図である。 第１の実施形態における検出波形の例を示す波形図であり、（ａ）は正常な駆動状態である場合を示し、（ｂ）は記録素子が断線状態である場合を示し、（ｃ）は記録素子での部分的な破断状態を模擬したシミュレーションによる結果を示している。 第１の実施形態における液体吐出ヘッドと検査装置の構成を示すブロック図である。 検査装置における検出回路及び判定回路の構成を示すブロック図である。 第１の実施形態での液体吐出ヘッドへのデータ転送タイミングを示すタイミングチャートである。 図６に示す検出回路の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 第１の実施形態での検出波形における検査要素を説明する波形図である。 第１の実施形態における検査の工程を示すフローチャートである。 第２の実施形態の液体吐出ヘッドにおける素子基板の構成を示す平面図である。 第２の実施形態における液体吐出ヘッドと検査装置の構成を示すブロック図である。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の液体吐出記録ヘッドを説明する図であって、（ａ）は平面図であり、（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’線に沿った断面図である。ここでは、液体吐出ヘッドが液体としてインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであるものとして説明する。したがって、以下では、吐出エネルギー発生素子を記録素子とする。本発明が適用される液体吐出ヘッドはインクジェット記録ヘッドに限定されるものではない。

シリコンなどからなる素子基板１０１の一方の面（図示上面）に吐出口形成部材１０３が配置しており、吐出口形成部材１０３には、液体が吐出される吐出口１０４が所定間隔で配列されている。ここでは、４個の吐出口１０４が１列に等間隔で配置している。素子基板１０１の一方の面には、吐出口１０４の位置に対応して記録素子１０７が設けられている。例えばインクなどの液体が供給される供給路１０２が素子基板１０１を貫通して設けられている。吐出口形成部材１０３には、供給路１０２に供給された液体が記録素子１０７の位置にまで達するように吐出口１０４ごとの流路１０６が設けられており、吐出口１０４は流路１０６に連通している。素子基板１０１には、記録素子１０７を駆動するための駆動回路１０８も形成されており、素子基板１０１の一方の面の端部には、駆動回路１０８などの回路と外部配線との電気的接続のための電極端子１０５も設けられている。

図２は、このような液体吐出ヘッドにおける素子基板１０１を具体的に示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＢ−Ｂ’線での断面図、（ｃ）はＣ−Ｃ’線での断面図、（ｄ）はＤ−Ｄ’線での断面図である。素子基板１０１はシリコン基板１５１を主体として用いるものであって、シリコン基板１５１の一方の面の全面に、ＳｉＯ₂などからなるフィールド酸化膜１５２が形成され、さらにその上に、絶縁膜１５３，１５４が順次積層されている。絶縁膜１５４の上には、「コ」の字の形状にＴａＳｉＮなどからなる発熱抵抗層１５５が設けられ、発熱抵抗層１５５上には、発熱抵抗層１５５と同じ「コ」の字の形状にＡｌなどからなる配線層が発熱抵抗層１５５に比べて厚く設けられている。ただしこの配線層には、その「コ」の字の形状における先端の屈曲部の近傍で断絶し、その断絶部分では発熱抵抗層１５５は配線層に覆われていない。配線層は、その断絶部分により、個別配線１５６と共通配線１６０とに分かれており、個別配線１５６及び共通配線１６０は、いずれも、駆動回路１０８に電気的に接続している。個別配線１５６と共通配線１６０との間に電圧を印加して電流を流したとき、配線層の断絶部分では発熱抵抗層１５５のみに電流が流れることになるので、この部分に発熱が集中する。したがってこの部分が発熱抵抗素子として記録素子１０７を構成することになり、吐出エネルギー発生素子である記録素子１０７は液体に対して熱エネルギーであるエネルギーを作用させる。個別配線１５６及び共通配線１６０は、配線層として、素子基板１０１において駆動回路１０８に記録素子１０７を電気的に接続する配線として機能し、記録素子１０７に対して駆動用の電気信号を供給する。

さらに素子基板１０１では、発熱抵抗層１５５、個別配線１５６及び共通配線１６０によって覆われた部分も含めて絶縁膜１５４の全面にＳｉＮ等からなる下部保護膜１５７が積層されている。下部保護膜１５７は電気絶縁性である必要がある。下部保護膜１５７上には、さらに、例えばＴａなどからなる導電性の上部保護膜が形成されている。上部保護膜は、記録素子１５５の形成位置に対応して設けられた第１の部分と、記録素子１０７の形成位置上には設けられずに個別配線１５６及び共通配線１６０を覆うように設けられた第２の部分からなっている。第１の部分は、発熱抵抗素子である記録素子１０７が駆動されて発熱し液体吐出ヘッド内の液体に気泡が発生した際に生ずるキャビテーションから記録素子１０７を保護する機能を有する。したがって、第１の部分のことを耐キャビテーション膜１５８と呼ぶ。耐キャビテーション膜１５８は、下部保護膜１５７と液体との間に介在して配置することになる。一方、第２の部分は、保護膜としての機能のほかに、個別配線１５６及び共通配線１６０の形成位置に対応して設けられて個別配線１５６及び共通配線１６０における電位の変化を検出する機能も有する。したがって、第２の部分のことを検出電極１５９と呼ぶ。後述するように検出電極１５９での電位を検出して故障判定を行うために、検出電極１５９は端子２１１（図３参照）に接続する。図２（ａ）では、説明のため、上部保護膜である耐キャビテーション膜１５８及び検出電極１５９によって覆われる部分の個別配線１５６、共通配線１６０及び発熱抵抗層１５５が描かれているが、下部保護膜１５７は描かれていない。

図２では、説明のために１個の記録素子１０７に対応する部分しか描かれていない。しかしながら素子基板１０１上には、図１を用いて説明したように複数の記録素子１０７が設けられる。素子基板１０１上に複数の記録素子１０７が一列に配置している場合において、耐キャビテーション膜１５８は、複数の記録素子１０７に対して共通にこれらの記録素子１０７にまたがるように設けることができる。検出電極１５９も、第１の実施形態においては、複数の記録素子１０７のそれぞれに接続する個別配線１５６及び共通電極１６０に対して共通に、これらの個別配線１５６及び共通電極１６０を覆うように設けられている。図示したものでは、上部保護膜は第１の部分である耐キャビテーション膜１５８と第２の部分である検出電極１５９とに分離しており、両者は電気的にも相互に絶縁されている。しかしながら、耐キャビテーション膜１５８及び検出電極１５９を分離せずに一体のものとして下部保護膜１５７上に形成することも可能である。

ここで、検出電極１５９に関連して形成される寄生容量について説明する。図２（ｂ）に示すように、検出電極１５９は、下部保護膜１５７を挟んで共通電極１６０との間に容量（キャパシタ）１６１を形成する。この容量のキャパシタンス値をＣ１とする。図２（ｄ）に示すように、検出電極１５９は、下部保護膜１５７を挟んで個別電極１５６との間に容量１６２を形成する。この容量のキャパシタンス値をＣ２とする。個別配線１５６及び共通配線１６０の形成されていない位置においては、図２（ｃ）に示すように、検出電極１５９は、フィールド酸化膜１５２、絶縁膜１５３，１５４及び下部保護膜１５７を介し、シリコン基板１５１との間に容量１６３を形成する。この容量のキャパシタンス値をＣ３とする。シリコン基板１５１は、一般に、接地電位（ＧＮＤ）に固定されている。

図３（ａ）は、記録素子１０７、駆動回路１０８及び検出電極１５９を含めた液体吐出ヘッドの電気的な等価回路を示している。各記録素子１０７は、共通配線１６０を介して直流電源２０１の一方の出力端子（図示したものでは（＋）端子）に接続するとともに、個別配線１５６及び駆動スイッチ２０５を介して直流電源２０１の他方の出力端子に接続する。直流電源２０１の他方の出力端子は接地電位にも接続している。直流電源２０１の出力電圧を電源電圧ＶＨとし、個別配線１５６の電位をＶ_Dとする。複数の記録素子１０７が設けられているとして、共通配線１６０は記録素子１０７を直流電源２０１に共通接続するための配線であり、個別配線１５６は、各記録素子１０７を個別に駆動するための配線である。駆動スイッチ２０５は、駆動回路１０８内にスイッチ素子として設けられている。図３（ａ）には、検出電極１５９に関連する上述した３つの容量１６１〜１６３も描かれており、検出電極１５９は、配線抵抗２１０を介して端子２１１に接続している。端子２１１としては、例えば、素子基板１０１に複数設けられる電極端子１０５のいずれか１つが用いられ、検出電極１５９と端子２１１との間は素子基板１０１に設けられた配線層によって電気的に接続する。

図３に示す等価回路を用いて、検出電極１５９の電位の変化について説明する。初期状態すなわち駆動スイッチ２０５が遮断状態であるときは、個別配線１５６の電位Ｖ_Dは、記録素子１０７を介して電源電圧ＶＨとなっている。容量Ｃ１も電源電圧ＶＨに接続しているから、このとき、図３（ｂ）に示すように、容量１６１と容量１６２の各々の端子間電圧は等しくなり、これをＶ１とする。このときの検出電極１５９の端子２１１の電位Ｖ_MをＶ_M1と表すこととすると、Ｖ_M1は容量１６３の端子間電圧と等しく、下記の(1)式が成立する。上述したように容量１６１〜１６３の容量値がそれぞれＣ１〜Ｃ３である。

駆動スイッチ２０５が導通状態となって記録素子１０７に電流が流れる状態では、個別配線１５６の電位Ｖ_Dは、駆動スイッチ２０５を介して接地電池ＧＮＤとなる。したがって図３（ｃ）に示すように、容量１６２の両端は検出電極１５９と接地電位ＧＮＤにそれぞれ接続することになり、容量１６２と容量１６３の端子間電圧は相互に等しくなる。このときの容量１６１の端子間電圧をＶ２とし、端子２１１の電位Ｖ_MをＶ_M2と表すこととすると、Ｖ_M2は容量１６３の端子間電圧と等しく、(2)式が成立する。

駆動スイッチ２０５のオン／オフによって検出電極１５９に現れる電位の変化量ΔＶ_Mは、(3)式で表される。
ΔＶ_M＝Ｖ_M1−Ｖ_M2 …(3)
(3)式から明らかなように、上記の(1), (2)式で表わされる容量分圧の関係から電位変化ΔＶ_Mが生じる。なお、電源電圧ＶＨが一定であるとすれば、
Ｖ１＋Ｖ_M1＝Ｖ２＋Ｖ_M2＝ＶＨ …(4)
が成立するから、(1)〜(4)式より、

を得る。このような電位変化ΔＶ_Mを得るためには、当然のことながら、検出電極１５９の電位が固定されないようにする必要があり、検出電極の電位Ｖ_Mを測定する回路としても、入力インピーダンスが高く、かつ入力容量が小さな回路を使用する必要がある。また(5)式よりΔＶ_Mを大きくするためには、個別配線１５６への容量値Ｃ２を大きくすることが有効であることが分かる。一例として、本実施形態の液体吐出ヘッドで見積もられた実験値から電位変化ΔＶ_Mを評価してみる。例えば、Ｃ１＝０．３８ｐＦ、Ｃ２＝０．００１ｐＦ、Ｃ３＝０．０３３ｐＦ、直流電源２０１の電圧ＶＨ＝１８Ｖのとき、(1)式より、初期状態での検出電位Ｖ_M1は、１６．５９５Ｖとなる。(2)式より、駆動スイッチ２０５が駆動されて導通状態となった状態での検出電位Ｖ_M2は、１６．５２１Ｖとなり、これらから、電位変化ΔＶ_M（＝Ｖ_M1−Ｖ_M2）は０．０４３４Ｖであると見積もられる。

次に、検出電極１５９の端子２１１での電位Ｖ_Mとして観測される電位変化について考える。図４（ａ）は、記録素子１０７が正常な状態であるとして駆動スイッチ２０５により記録素子１０７をスイッチング駆動したときに検出電極１５９により検出される電位Ｖ_Mの変化を示している。駆動スイッチ２０５のスイッチング動作によって、個別配線１５６の電位Ｖ_Dは図示するような波形を示し、これに応じて、電位Ｖ_Mも変化する。ここでの電位変化ΔＶ_Mは約５０ｍＶであり、図３で説明した等価回路の仕組みで生じた電位変化であると考えられる。これに対し、図４（ｂ）は、記録素子１０７が断線した場合を想定して共通配線１６０側を開放したときに電位Ｖ_Mとして検出される波形を示している。符号３０１によって示すように、個別配線１５６の電位Ｖ_Dにおいて変化が生じないことに対応して、検出波形も変化しない。

記録素子１０７での断線の態様は種々のものがある。完全に断線するのではなくて部分的に破断し、その結果、記録素子１０７の抵抗値が本来の値よりも大きくなるような場合がある。図４（ｃ）は、このような記録素子１０７における部分的な破断が起きたときの検出電位Ｖ_Mを模擬したシミュレーション結果を示す。ここでは部分的に破断したことにより記録素子１０７の抵抗値が５００ｋΩになったものとしている。駆動スイッチ２０５が遮断状態から導通状態になるときの検出波形は正常時と同じであるが、導通状態から遮断状態に遷移する際には、高抵抗となった記録素子１０７と寄生容量との時定数により電位の回復が遅くなって、正常時とは異なる波形を示すようになる。

本実施形態では、このような容量結合で検出電極１５９に現れる駆動波形を検出して、記録素子１０７の駆動状態が正常かどうかを検査する。図５は、検査に用いられる検査装置の構成の一例を示している。検査装置は、上述のように記録素子１０７及び駆動回路１０８が設けられている素子基板１０１に接続されるものである。検査装置は、記録素子１０７の駆動用の電気信号の制御を行う制御回路４１２と、記録素子１０７に給電する上述した直流電源２０１を備えている。さらに検査装置は、素子基板１０１の端子２１１に対して配線４１１により接続し、検出電極１５９での電位波形Ｖ_Mを検出する検出回路４１３と、検出回路４１３で検出した情報から記録素子１０７の駆動の状態を判定する判定回路４１４を備えている。ここでは素子基板１０１には、４セグメント分の記録素子１０７が設けられているものとしており、これらの記録素子１０７をＳｅｇ１〜Ｓｅｇ４で区別する。また、駆動回路１０８は、記録素子１０７ごとにその記録素子１０７に接続する個別配線１５６に対して設けられる駆動スイッチ２０５と、駆動スイッチ２０５を駆動する選択回路４０６とからなっている。選択回路４０６は、選択信号Ｈ１〜Ｈ４を独立して出力するために４個の出力端子を有し、４個の出力端子は４個の駆動スイッチ２０５の制御入力にそれぞれ接続している。制御回路４１２は、駆動回路１０８に対して記録データを出力することにより、記録素子１０７の駆動用の電気信号の制御を行う。

例えばＳｅｇ１の記録素子１０７は、その一方の端子が共通配線１６０を介して直流電源２０１からの電源線ＶＨに接続され、他方の端子が個別配線１５６を介して駆動スイッチ２０５に接続する。駆動スイッチ２０５の他方の端子は、電源線のリターン先である接地電位ＧＮＤに接続されている。駆動スイッチ２０５は、選択回路４０６からの選択信号Ｈ１でオン／オフ制御がなされ、駆動スイッチ２０５がオンとなることによって記録素子１０７に駆動用の電気信号が与えられ、記録素子１０７が駆動されることになる。Ｓｅｇ２〜Ｓｅｇ４の記録素子１０７も、Ｓｅｇ１の記録素子１０７と同様に結線され、それぞれ、選択信号Ｈ２〜Ｈ４によって駆動制御される。選択回路４０６は、図示しない４ビットシフトレジスタと２ラインデコーダとによって構成されており、制御回路４１２から記録データを受け取って選択信号Ｈ１〜Ｈ４を発生し、Ｓｅｇ１〜Ｓｅｇ４の記録素子１０７を２×２時分割駆動する。さらに図５には、検出電極１５９と共通配線１６０との間の容量１６１、検出電極１５９と個別配線１５６との間の容量１６２、及び検出電極１５９とシリコン基板などの接地電位との間の容量１６３も描かれている。これらの容量１６１〜１６３の容量値は上述したようにＣ１〜Ｃ３である。

図６は、検出回路４１３及び判定回路４１４の構成を示している。検出回路４１３は、端子２１１に現れる検出波形Ｖ_Mが入力する増幅器５０１と、増幅された検出波形をデジタル値Ｄ_MにするＡ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換器５０２とによって構成されている。増幅器５０１は、検出波形Ｖ_Mに影響を与えないように、入力インピーダンスが高くかつ入力容量が小さい増幅回路によって構成されている。判定回路４１４は、デジタル化された検出波形データＤ_Mを格納するメモリ５０３と、メモリに格納された波形データに対して演算を行う演算器５０４と、を備えている。さらに判定回路４１４は、判定基準データを格納するメモリ５０６と、演算器５０４の演算結果とメモリ５０６内の判定基準データとを比較して正常か不良かを判定して出力する比較器５０５と、を備える。比較器５０５の出力は、正常と判断されたとき真（Ｔ：true）、不良と判断したときに偽（Ｆ：false）となる真偽信号（Ｔ／Ｆ）で表される。

次に、上述した検査装置の動作について説明する。図７は、制御回路４１２から素子基板１０１の選択回路４０６に送られる記録データのデータ転送タイミングの一例を示している。制御回路４１２は、転送クロック信号ＣＬＫに同期して２ビットの行データＤ０，Ｄ１と列データであるブロックデータＢ０，Ｂ１とをシリアルデータ信号Ｄに並べて転送し、ラッチ信号ＬＴでラッチパルスを与えてこれらのデータを選択回路４０６に保持させる。この直後に制御回路４１２は、記録素子１０７へのパルスの印加タイミングを示す印加信号ＨＥを出力する。これにより、シリアルデータ信号Ｄによって指定されたセグメントの記録素子１０７に対する駆動パルスが、印加信号ＨＥがローレベルとなっているタイミングで駆動スイッチ２０５に与えられ、記録素子１０７がパルス駆動されることになる。図７は、Ｓｅｇ１のみが選択された場合の駆動パルスを示している。

検出回路４１３は、図７に示すような駆動パルスによって記録素子１０７が駆動されたことに伴う検出電極１５９の電位波形Ｖ_Mを検出する。図８は、検出回路４１３の動作タイミングを示している。まず、記録素子１０７の駆動前の期間ｔ１において、Ａ／Ｄ変換のスタート信号ＳＴがオンにされる。期間ｔ１に引き続く期間ｔ２において記録素子１０７が駆動され、期間ｔ２が終了する時点で記録素子の駆動がオフにされる。期間ｔ２は記録素子１０７のパルス駆動中の期間となる。期間ｔ２に引き続く期間ｔ３が終了した時点で、Ａ／Ｄ変換のスタート信号ＳＴがオフにされる。このような駆動を行うことにより、期間ｔ１から期間ｔ３にわたって検出波形Ｖ_Mが得られるが、このうち、期間ｔ１におけるものを初期電位Ｖ_REFとし、期間ｔ２におけるものを電位Ｖ２とし、期間ｔ３におけるものを電位Ｖ３とする。初期電位Ｖ_REF、電位Ｖ２及び電位Ｖ３は、いずれもＡ／Ｄ変換されて検出波形データＤ_Mとして判定回路４１４に供給される。

図９は、判定回路４１４が判定処理を行う時に、検出波形データＤ_Mのどのような部分を判定要素として利用するかを示している。記録素子１０７が正常であれば、検出波形データＤ_Mは図４（ａ）に示したように変化するはずであり、正常時の検出波形が図９では模式的に太実線８０１で示されている。第１の判定要素として、初期電位Ｖ_REFに対して、記録素子１０７の駆動中の電位である電位Ｖ２がどれだけ変化したかを示す電位変化ΔＶ２を用いる。すなわちΔＶ２＝｜Ｖ２−Ｖ_REF｜である。記録素子１０７が正常であれば、上述したようにΔＶ２はある大きさ以上の値となるが、記録素子１０７が断線している場合には、図４（ｂ）によって説明したように、電位Ｖ２は初期電位Ｖ_REFからほとんど変化せず、ΔＶ２は０に近い値となる。図９の点線８０２は、記録素子１０７が断線しているときの検出波形データＤ_Mを模式的に示している。したがって、ΔＶ２があるしきい値以下であれば、許容範囲外として不良であると判断することができる。

第２の判定要素として、初期電位Ｖ_REFに対して、記録素子１０７の駆動終了後の電位である電位Ｖ３がどれだけ変化したかを示す電位変化ΔＶ３を用いる。すなわちΔＶ３＝｜Ｖ３−Ｖ_REF｜である。記録素子１０７が正常であれば、その駆動終了後には検出波形は急速に初期電位Ｖ_REFに近づくので、ΔＶ３は小さな値となる。これに対し、記録素子１０７が部分的に破断するなどしてその抵抗値が正常時よりも大きくなった場合には、図４（ｃ）に示すように、駆動終了後の検出波形の初期電位Ｖ_REFへの戻りが遅くなり、その結果、ΔＶ３は大きな値となる。図９の点線８０３は、記録素子１０７が部分的に破断しているときの検出波形データＤ_Mを模式的に示している。したがって、ΔＶ３があるしきい値以上であれば、許容範囲外として不良であると判断することができる。

判定回路４１４は上述した判定処理を以下のデータ処理によって実行する。まず、演算器５０４は、メモリ５０３に格納された検出波形データＤ_Mを受けて、電位変化ΔＶ２，ΔＶ３を示すデータを生成する。メモリ５０６には予め判定基準データとして判定基準値が格納されており、比較器５０５は、ΔＶ２及びΔＶ３をメモリ５０６内の判定基準値と比較して真偽信号Ｔ／Ｆを発生する。

図１０は、検査装置の動作内容をフローチャートによって示している。ここでは、いずれか１つのセグメント（例えばＳｅｇ１）の良否を判定する処理を説明する。まず、ステップ９０１において、制御回路４１２はＡ／Ｄ変換を開始させるためにスタート信号ＳＴをオンとし、検出回路４１３は検出電極１５９の電位Ｖ_Mすなわち検出波形の取り込みを開始する。この時点は期間ｔ１に該当して電位Ｖ_Mは初期電位Ｖ_REFであり、ステップ９０２において初期電位Ｖ_REFがＡ／Ｄ変換され、変換された電位Ｖ_REFのデータがステップ９０３においてメモリ５０３に格納される。次に、制御回路４１２は、ステップ９０４において、検査対象のセグメントを選択して記録データを転送し、これにより、選択されたセグメントの記録素子１０７がパルス駆動される。この時点は期間ｔ２に該当して検出電極１５９の電位Ｖ_MはＶ２であり、ステップ９０５において電位Ｖ２がＡ／Ｄ変換され、変換された電位Ｖ２のデータがステップ９０６においてメモリ５０３に格納される。

記録素子１０７の駆動が終了すると期間ｔ３が開始し、このときの検出電極１５９の電位Ｖ_MはＶ３である。ステップ９０７において電位Ｖ３がＡ／Ｄ変換され、変換された電位Ｖ３のデータがステップ９０８においてメモリ５０３に格納される。その後、ステップ９０９において、制御回路４１２はスタート信号ＳＴをオフとして、検出波形Ｖ_Mの取り込みを停止させる。次に、ステップ９１０において、演算器５０４は、ΔＶ２＝｜Ｖ２−V_REF｜によって電位変化データΔＶ２を生成し、ステップ９１１において、比較器５０５が判定基準値ｐとΔＶ２を比較する。ΔＶ２は記録素子１０７が正常なときの方が不良のときよりも大きいので、比較器５０５は、ΔＶ２がｐを超えていれば記録素子１０７は断線していないとしてステップ９１２に進み、そうでなければステップ９１５に進んで不良と判定する。ステップ９１２において演算器５０４は、ΔＶ３＝｜Ｖ３−Ｖ_REF｜によって電位電圧データΔＶ３を生成し、引き続くステップ９１３において、比較器５０５は、判定基準値ｑとΔＶ３を比較する。ΔＶ３は、記録素子１０７が正常なときよりも部分的に破断しているときの方が大きくなるので、比較器５０５は、ΔＶ３がｑ未満であればステップ９１４に進んで記録素子１０７は正常であると判定し、そうでなければステップ９１５に進んで不良と判定する。ステップ９１４またはステップ９１５の実行後、比較器５０５は、ステップ９１６において、判定結果を真偽信号（Ｔ／Ｆ）として出力する。

以上が１つのセグメントの記録素子１０７を検査する手順であるが、液体吐出ヘッドに含まれる他のセグメントの記録素子１０７に対してこの手順を順次適用することにより、液体吐出ヘッドの全ての記録素子１０７の検査を行うことができる。ここでは、電位変化ΔＶ２，ΔＶ３を判定要素とした場合を説明したが、記録素子１０７に起こり得る種々の不良モードに対応して例えばより細かい期間の間隔での電位変化を捉えるようにして、判定精度を向上させることも可能である。
また、図１０に示すフローチャートは、１セグメントずつ記録素子１０７を順次検査する場合のものであるが、２×２時分割駆動される素子基板１０１においては、２セグメントを同時駆動した場合でも検査を行うことが可能である。この場合、前述した(1), (2)式におけるＣ２が２倍になるため、正常時の電位変化ΔＶ_Mは２倍になる。これに応じて判定基準値も変えればよい。２セグメントを同時に駆動して検査を行うときには、同時駆動された２つのセグメントのうちの一方が不良である場合にその不良セグメントの特定はできないが、検査の高速化を達成することができる。
本実施形態においては、液体吐出ヘッドの実際の稼働環境において例えば印字中などの動作条件そのままでの検査を実行可能であり、また、液体の充填状態などの影響を受けることなく、吐出エネルギー発生素子の駆動の良否を検査することが可能になる。さらに、液体吐出ヘッドがインクジェット記録ヘッドである場合には印字検査と組み合わせて上述した検査を行うことにより、印字不良の原因が電気的故障かインク流路の不良かが区別できるようになり、不必要な回復操作をなくすことができるようになる。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、全てのセグメントに対して共通のものとして検出電極を設ける場合を説明したが、第２の実施形態では、セグメントごとに検出電極を分離して設ける。

図１１は、第２の実施形態の液体吐出ヘッドにおける記録素子部分の平面図であり、２セグメント分の記録素子を示している。第１の実施形態の場合と同様に、発熱抵抗層１５５のうちその上に配線層が形成されていない部分が記録素子１０７（図１２を参照）に該当し、記録素子１０７ごとにその記録素子に対して個別配線１５６及び共通配線１６０が接続している。耐キャビテーション膜１５８も、各記録素子を覆うように、複数の記録素子に共通に設けられている。これに対し、検出電極は、セグメントごとに設けられている。例えば、図示上方の記録素子に対応して、この記録素子の配置された位置を含まずに、この記録素子への個別配線１５６及び共通配線１６０を覆うように検出電極１７１が設けられている。同様に、図示下方の記録素子に対応して、この記録素子の配置された位置を含まずに、この記録素子への個別配線１５６及び共通配線１６０を覆うように検出電極１７２が設けられている。検出電極１７１と検出電極１７２とは分離しており、それぞれの検出波形も別々に得られるようになっている。図１１では２セグメント分の記録素子に対応する部分が示しているが、図示点線で示すように、図示下方の記録素子に引き続いてさらに複数の記録素子が設けられていてもよく、その場合には、それらの記録素子ごとにさらに検出電極が設けられる。検出電極１７１，１７２，…の各々は、図３に示した場合と同様に、共通電極１６０に対する容量１６１（図１２参照）、個別電極１５６に対する容量１６２（図１２参照）及びシリコン基板などの接地電位に対する容量１６３（図１２）とを随伴している。これらの容量１６１〜１６３の値は、それぞれ、Ｃ１、Ｃ２及びＣ３である。なお図１１では、説明のため、上部保護膜である耐キャビテーション膜１５８及び検出電極１７１，１７２によって覆われる部分の個別配線１５６、共通配線１６０及び発熱抵抗層１５５が描かれているが、下部保護膜１５７は描かれていない。

第２の実施形態では、記録素子ごとに設けられている検出電極１７１，１７２，…の各々において容量結合で現れる駆動波形を検出し、記録素子ごとにその駆動状態が正常かどうかを検査する。図１２は第２の実施形態において検査に用いられる検査装置の構成の一例を示している。図１２に示す検査装置は、記録素子ごとに検出電極が設けられていることに対応して、これらの検出電極の中から１つを選択するための回路が設けられている点以外は、第１の実施形態において図５を用いて説明した回路と同じ構成のものである。ここでは、素子基板１０１上に４個の記録素子１０７が設けられるものとして、Ｓｅｇ１〜Ｓｅｇ４の記録素子１０７に対してそれぞれ検出電極１７１〜１７４が対応するものとしている。
素子基板１０１には素子基板１０１上の端子２１１に接続する共通配線４５８が設けられており、検出電極１７１〜１７４は、それぞれ、検出電極ごとの読出しスイッチ４５７を介して共通配線４５８に接続している。端子２１１には、第１の実施形態の場合と同様に、検出回路４１３が配線４１１によって接続している。素子基板１０１に設けられた４個の読出しスイッチ４５７のオン／オフを個別に制御するために選択回路４５９が設けられている。読出しスイッチ４５７、共通配線４５８及び選択回路４５９は、素子基板１０１上に設けられている。選択回路４５９は、４個の読出しスイッチ４５７にそれぞれ対応する選択信号Ｓ１〜Ｓ４を出力するものであり、例えば、検出電極１７１に接続する読出しスイッチ４５７は選択信号Ｓ１によってオン／オフが制御されるようになっている。選択回路４５９は、素子基板１０１の外部に設けられた選択制御回路４６１からの選択データ４６２を受けて選択信号を発生する。

次に、第２の実施形態の動作例を説明する。まず、選択回路４５９によってＳｅｇ１の記録素子１０７に対する読出しスイッチ４５７をオンとした後、Ｓｅｇ１の記録素子１０７に対して第１の実施形態でのステップ９０１〜９０３（図１０参照）を実行し、Ｓｅｇ１の記録素子１０７を駆動する。これにより、Ｓｅｇ１に対応する検出電極１７１での検出波形Ｖ_Mが共通配線４５８を通して読み出されることになる。この検出情報を図１０のステップ９０５〜９１６で示される手順によって処理することにより、検出波形Ｖ_Mが検出され、判定要素に基づいてＳｅｇ１の記録素子１０７の良否が判定されることになる。以下、第１の実施形態の場合と同様に、順次、次のセグメントの記録素子１０７の良否の判定を行えばよい。
以上の動作例は、記録素子ごとの検出電極の選択と対応する記録素子の選択とを同期させて検査を行うものであるが、例えば、実際の印字動作中に各検査電極の電位を測定することによっても検査を行うことができる。さまざまな印字パターンに対し、検査を行いたい記録素子１０７に対応する検出電極への読出しスイッチ４５７をオン状態にし、その記録素子１０７が駆動されたときの検出波形を取り込むことで、稼働中の記録素子１０７の駆動状態を検査することもできる。

１０１ 素子基板
１０７ 記録素子
１５１ シリコン基板
１５２ フィールド酸化膜
１５３，１５４ 絶縁膜
１５５ 発熱抵抗層
１５６ 個別配線
１５７ 下部保護膜
１５８ 耐キャビテーション膜
１５９，１７１〜１７４ 検出電極
１６０，４５８ 共通配線
１６１〜１６３ 容量
２０５ 駆動スイッチ
４０６，４５９ 選択回路
４１１ 配線
４１２ 制御回路
４１３ 検出回路
４１４ 判定回路
４５７ 読出しスイッチ
４６１ 選択制御回路

Claims (9)

1. 素子基板に設けられ吐出口から液体を吐出するために前記液体にエネルギーを作用させる吐出エネルギー発生素子と、前記吐出エネルギー発生素子の一端と接続された第１の配線と前記吐出エネルギー発生素子の他端と接続された第２の配線とを有し前記吐出エネルギー発生素子に駆動用の電気信号を供給する配線層と、前記第１の配線と前記第２の配線とにまたがって配置された導電性の第１の保護膜と、前記配線層と前記第１の保護膜との間に設けられた電気絶縁性の第２の保護膜と、を有する液体吐出ヘッドを検査する検査装置であって、
   前記液体吐出ヘッドに対して配線で接続して前記吐出エネルギー発生素子に前記電気信号が供給されるとき前記第１の保護膜に関する容量の変化に基づく前記第１の保護膜の電位を検出する検出回路と、
   前記検出回路で検出した前記第１の保護膜の電位から吐出エネルギー発生素子の駆動の状態を判定する判定回路と、
   を有する、検査装置。
2. 前記第１の保護膜は、前記吐出エネルギー発生素子の形成位置に対応して配置されて前記第２の保護膜と前記液体との間に介在する第１の部分と、前記配線層の形成位置に対応して配置された第２の部分とに電気的に分離しており、
   前記検出回路は前記第２の部分に対して電気的に接続して該第２の部分の電位を検出する、請求項１に記載の検査装置。
3. 前記電位の変化が予め定められた範囲にあるときは正常と判定し、範囲外であるときは不良と判定する、請求項１または２に記載の検査装置。
4. 前記駆動用の電気信号を制御して前記吐出エネルギー発生素子をパルス駆動する制御回路を有し、
   前記判定回路は、前記吐出エネルギー発生素子がパルス駆動される前とパルス駆動中との間の前記電位の変化の大きさが第１のしきい値以下であれば前記吐出エネルギー発生素子が断線していると判定し、前記パルス駆動される前と前記パルス駆動が終了した後との間の前記電位の変化の大きさが第２のしきい値以上であれば前記吐出エネルギー発生素子が部分的に破断していると判定する、請求項１または２に記載の検査装置。
5. 前記第１の配線と前記第１の保護膜との間、前記第２の配線と前記第１の保護膜との間、前記第１の配線と前記素子基板との間に、それぞれ容量が形成される、請求項１または２に記載の検査装置。
6. 素子基板と、
   前記素子基板に設けられ、吐出口から液体を吐出するために前記液体にエネルギーを作用させる吐出エネルギー発生素子と、
   前記吐出エネルギー発生素子の一端と接続された第１の配線と前記吐出エネルギー発生素子の他端と接続された第２の配線とを有し前記吐出エネルギー発生素子に駆動用の電気信号を供給する配線層と、
   導電性の第１の保護膜と、
   電気絶縁性の第２の保護膜と、
   を有し、
   前記吐出エネルギー発生素子の状態に基づいて前記第１の保護膜に関する容量が変わるように、前記第１の保護膜は、前記第１の配線と前記第２の配線にまたがって配置され、前記第２の保護膜は、前記配線層と前記第１の保護膜との間に設けられている、液体吐出ヘッド。
7. 前記第１の保護膜は、前記吐出エネルギー発生素子の形成位置に対応して配置されて前記第２の保護膜と前記液体との間に介在する第１の部分と、前記配線層の形成位置に対応して配置された第２の部分とに電気的に分離している、請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記第１の配線と前記第１の保護膜との間、前記第２の配線と前記第１の保護膜との間、前記第１の配線と前記素子基板との間に、それぞれ容量が形成される、請求項６または７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記素子基板は接地電位で固定されている、請求項６から請求項８のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。