DE3445761A1

DE3445761A1 - Verfahren und herstellung einer wandleranordnung

Info

Publication number: DE3445761A1
Application number: DE19843445761
Authority: DE
Inventors: David W. Stamford Conn. Hubbard
Original assignee: Pitney Bowes Inc
Current assignee: Pitney Bowes Inc
Priority date: 1983-12-16
Filing date: 1984-12-14
Publication date: 1985-06-27
Also published as: JPS60151062A; GB8431676D0

Description

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E-INWEBER &

3445761 "V """ ZIMMERMANN

PATENTANWÄLTE

european patent attorneys

Dipl.-Ing. H. Leinweber (is3o-76) Dipl.-Ing. Heinz Zimmermann Dipl.-ing. A. Gf. v. Wengersky Dipl.-Phys. Dr. Jürgen Kraus

Rosental 7, D-8000 München 2 2. Aufgang (Kustermann-Passage) Telefon (089) 2 60 39 89 Telex 52 8191 lepat d Telegr.-Adr. Leinpat München

den

14. Dezember 1984

Unser Zeichen

Case B-929 krp

PITNEY BOWES, Inc., Stamford Connecticut, USA

Verfahren zur Herstellung einer Wandleranordnung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von gepulsten Tintenstrahldruckköpfen und insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung einer in einem gepulsten Tintenstrahldruckköpf zu verwendenden Wandleranordnung aus einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffs.

Txntenstrahlsysteme und insbesondere gepulste Tintenstrahlsysteme sind im Stand der Technik wohlbekannt. Bei diesen gepulsten Systemen werden grundsätzlich kurze Druckimpulse dazu verwendet, aus einer Tintenkammer Tintentröpfchen durch eine enge Düse in einem bestimmten Muster auf eine Fläche auszustoßen, um eine Abbildung herbeizuführen. Jedes einzelne Tröpfchen ist das Ergebnis einer in dem Fluid auftretenden Druckwelle, die durch die Anlegung eines Spannungsimpulses

an einen Wandler, beispielsweise ein piezoelektrischer Keramikwerkstoff, hervorgerufen wird. Die Ausdrücke "gepulst" oder "bedarfstropfenbildend" ("drop-ondemand), wie sie sowohl im Stand der Technik als auch in der vorliegenden Anmeldung verwendet werden, beziehen sich auf Tintenstrahlsysteme, bei denen mit Ausnahme der zum Nachfüllen der Düse benötigten Erholungszeit keinerlei Beschränkung der Geschwindigkeit (Frequenz) "des Ausstoßes der Tintentröpfchen vorhanden ist. Dies bedeutet, daß die Tröpfchen mit jeder gewünschten Folgegeschwindigkeit mit oder ohne einem Muster, einer Reihenfolge oder einem Takt ausgestoßen werden können.

Das Arbeitsprinzip eines gepulsten Tintenstrahls besteht in der Kompression von Tinte und der anschließenden Emission von Tintentröpfchen aus einer Tintenkammer durch eine Düse hindurch mit Hilfe eines Treibermechanismus, der aus einem an eine dünne Membran angelagerten Wandlerwerkstoff (beispielsweise eine Piezokeramik) besteht. Wenn an den piezokeramischen Werkstoff eine Spannung angelegt wird, ist die Piezokeramik bestrebt, ihre Abmessungen in der Ebene zu ändern, wodurch jedoch wegen ihrer festen und starren Verbindung mit der Membran eine Verbiegung auftritt. Bei einem gepulsten Strahl wird die durch einen elektrischen Impuls hervorgerufene Dimensionsänderung der Wandler-Membran-Struktur (die als der Treibermechanismus bezeichnet wird) dazu verwendet, die Tinte unter Druck zu setzen. Im Falle eines beispielsweise rechteckig geformten piezokeramischen Wandlers wird dieses Ergebnis durch die Herstellung einer Haftverbindung (Ankleben) des Wandlerwerkstoffs an einem flexiblen Membranwerkstoff erreicht, der eine mit dem Wandlerwerkstoff vergleichbare Steifheit besitzt. Infolgedessen biegen sich die Membran und der Wandler zwangsweise durch, wenn sich der Wandler infolge der angelegten Spannung ausdehnt oder zusammenzieht. Typischerweise liegt die für einen 5 mil (0,127 mm) dicken Wandler zum gepulsten Ausstoß von Tinten-

tröpfchen durch eine Düse erforderliche Treiberspannung beispielsweise bei 100 V. Beispielsweise beträgt die Impulsdauer 20 bis 40 Mikrosekunden und erzeugt eine Versetzung

-4
4 Mikroinch (1,016 .10 mm) bei einem Druck von einer

Atmosphäre (1,01325 . 10⁵ Pa). Der Nachfluß der Tinte nach dem Austritt eines Tröpfchens aus der Düse ergibt sich aus der Kapillarwirkung der Düse. Dieser Nachfluß des Strahls erfordert üblicherweise ungefähr 100 Mikrosekunden, hängt aber von der Viskosität und Oberflächenspannung der Tinte sowie der Impedanz der Flüssigkeitskanäle ab. Ein negativer hydrostatischer Druck von ungefähr einem Inch (25,4 mm) gleicht die Kapillaranziehung aus.

Eine Anordnung oder ein Feld von Tintenstrahlen oder Tintenstrahlköpfen erfordert eine Anordnung oder ein Feld von Wandlern. Typischerweise ist jeder Wandler mit Hilfe einer Klebverbindungstechnik getrennt angrenzend an die Tintenkammer jedes Strahls angeordnet. Hieraus ergibt sich eine Schwierigkeit, wenn die Anzahl der Wandler in der Anordnung oder in dem Feld größer als beispielsweise ein Dutzend ist,da durchdie wachsenden Anforderungen an die Bearbeitung im allgemeinen Komplikationen entstehen, wie beispielsweise Bruch. Ferner steigen die Zeit- und Materialkosten fast linear mit der Anzahl der getrennten Wandler, die in Haftverbindung mit der Membran gebracht werden müssen. Darüber hinaus steigt allgemein die Wahrscheinlichkeit eines Fehlers oder eines breiteren Streuungsbereiches der Leistungsparameter, wie Tröpfchenvolumen und -geschwindigkeit. In einer US-amerikanischen Patentanmeldung niit der Bezeichnung "Method of Making a Transducer Array from a Single Sheet of Transducer Material", die ebenfalls vom Anmelder der vorliegenden Patentanmeldung eingereicht worden ist, ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem eine einzelne Platte eines Wandlerwerkstoffs unter Verwendung eines Klebstoffs an einer Membran in Haftverbindung gebracht wird. Wenn der Klebstoff entfallen

könnte, wäre es möglich, die Energieübertragung zu vergrößern, da die Klebstoffschicht mechanische Energie zu absorbieren vermag. Ein anderer zu vermeidender Problemkreis besteht in einer zur Erlangung eines elek- ° trischen Kontaktes mit der Membran unzureichenden Durchdringung der Klebstoffschicht. Die auftretende kapazitive Schicht führt zu einer Abschwächung des elektrischen Feldes in der Piezokeramik, wodurch der Verbiegungseffekt verringert wird.
10

Ein Ziel der Erfindung besteht daher in einer Überwindung der mancherlei Nachteile verschiedener im Stand der Technik beschriebener Verfahren zur Herstellung von Wandleranordnungen für gepulste Tintenstrahldruckköpfe. 15

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, bei dem eine einzige Platte aus Wandlerwerkstoff verwendet wird und dadurch bei der Bildung der Wandleran-Ordnung das Erfordernis einer Herstellung getrennter Haftverbindungen einzelner Wandler vermieden wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, bei dem der Wandlerwerkstoff mit dem Membranwerkstoff beschichtet wird, wodurch die Notwendigkeit eines Klebstoffs vermieden wird.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, das insoweit kostengünstiger ist als bekannte Verfahren, als das erfindungsgemäße Verfahren weniger Montageschritte und einen beträchtlich geringeren Zeitaufwand zur Herstellung der Wandleranordnung benötigt. 35

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung

eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, bei dem die einzelnen Wandler selbst im Vergleich zum Stand der Technik hinsichtlich ihrer Abmessungen und Zusammensetzung gleichmäßiger sind, wodurch sehr viel geringere Abweichungen in den für jeden einzelnen Wandler erforderlichen Treiberspannungen erreicht werden.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, bei dem eine Steuerung der Lagegenauigkeit jedes einzelnen Wandlers innerhalb einiger Zehntel eines mil (0,0254 mm) erreichbar ist, wogegen bei den bekannten Verfahren, bei denen eine große Anzahl winziger Wandler einzeln in Lage gebracht wird, Fehler in der Größen-Ordnung von ± 0,5 mil (+■ 0,0127 mm) zu erwarten sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, bei dem im wesentlichen die beim Stand der Technik vorhandene Schwierigkeit des Bruchs der außerordentlich zerbrechlichen Wandler vermieden ist; sofern • nicht ungewöhnliche Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, ist Bruch sehr viel wahrscheinlicher, wenn viele kleine Stücke anstelle einer einzigen Platte aus Wandlerwerkstoff verarbeitet werden.

Schließlich besteht ein Ziel der Erfindung in der Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer Wandleranordnung, das die grundsätzliche Möglichkeit zur Herstellung jeder beliebigen Wandlerform bietet, die sich aus einer flachen Platte des Werkstoffs herausarbeiten läßt, wodurch eine Optimierung der Ausgangsleistung eines Tintenstrahlkopfes sowie ein Ausgleich für unterschiedliche Längen von Tintenkanälen ermöglicht wird.

Die vorstehenden Ziele und weitere werden er-

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findungsgemäß durch die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung einer in einem gepulsten Tintenstrahldruckkopf zu verwendenden Wandleranordnung aus einer einzigen Platte eines Wandlerwerkstoffes erreicht, bei dem die Verfahrensschritte einer Beschichtung einer einzigen Platte eines Wandlerwerkstoffes mit einer Schicht aus einem Membranwerkstoff und die Beseitigung einer hinreichenden Menge des Wandlerwerkstoffs unter Zurücklassung einer Mehrzahl sich von der Membran aus erstreckender getrennter Bereiche des Wandlerwerkstoffs vorgesehen sind.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, auf die bezüglich einer erfindungswesentlichen Offenbarung aller im Text nicht besonders erwähnten Einzelheiten ausdrücklich hingewiesen wird. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer an einer Tintenstrahlanordnung anhaftenden

einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffes,

Fig. 2 eine Querschnittsdarstellung einer nach

dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wandleranordnung mit einer Mehrzahl von

getrennten Inseln aus dem Wandlerwerkstoff,

Fig. 3 eine Querschnittsansicht einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wandleranordnung mit einer Mehrzahl von ge

trennten Bereichen des Wandlerwerkstoffs, ohne vollständige Durchbrechung des Wandlerwerkstoffs ,

λ<

Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren

Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgebildeten Wandleranordnung ,
5

Fig. 5 eine Querschnittsdarstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wandleranordnung mit einer doppelschichtig ausgebildeten Schicht des Wandlerwerkstoffs, und

Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Wandleranordnung.

Eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wandleranordnung weist ein piezoelektrisches Teil auf, das vorzugsweise aus einem piezokeramischen Werkstoff gebildet ist. Die typischerweise im Zusammenhang mit gepulsten Tintenstrahlen verwendeten piezokeramischen Wandler können verschiedene Formen aufweisen. Unter diese typischen Formen fallen Scheiben, Rohre und rechteckige Festkörper. Die Scheiben weisen vorzugsweise einen Durchmesser von bis zu 0,5 Inch (12,7 mm) auf. Die Rechtecke sind vorzugsweise ungefähr 1 Inch (25,4 mm) lang und 0,1 Inch (2,54 mm) breit. Die Rohre sind vorzugsweise bis zu 0,4 Inch (10,16 mm) lang und können einen Außendurchmesser von 0,1 Inch (2,54 mm) aufweisen. Gemäß der Erfindung ist es bevorzugt, daß die Wandler entweder Scheiben oder rechteckige Festkörper sind oder irgendeine andere Form aufweisen, die mindestens eine ebene Oberfläche besitzt, welche als Oberfläche zur Schichtaufbringung einer Membran auf den Wandler dient. Das piezokeramische Teil ist an seiner oberen und unteren Oberfläche (beispielsweise durch Zerstäubung) mit einem leitenden Werkstoff, wie beispielsweise Gold, beschichtet.

An die obere und die untere leitende Oberfläche ist mittels elektrischer Leitungsdrähte ein Generator für Spannungsimpulse angeschlossen. Durch die Goldschicht wird auch die Oberfläche der Piezokeramik leitend, was ein Aufgalvanisieren eines Membranwerkstoffs in der nachstehend beschriebenen Weise ermöglicht.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, kann erfindungsgemäß eine in einem gepulsten Tintenstrahldruckkopf zu verwendende Wandleranordnung ausgehend von einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffs hergestellt werden, der vorzugsweise ein piezokerarnischer Werkstoff 1 ist und als welcher der Wandlerwerkstoff nachstehend bezeichnet ist. Die einzelne Platte des piezokeramischen Werkstoffes wird zuerst mit einem Membranwerkstoff 2 beschichtet. Dieser wird sodann in direktem Kontakt über dem Bereich von Tinte 4 in einzelnen Tintenkammern 5 an einem Tintenstrahldruckkopf 3 befestigt. Die Membran kann beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung bestehen und kann bis zu 0,001 Inch (0,0254 mm) dünn sein. Jedenfalls wird die Membran vorzugsweise aus einem Werkstoff gebildet, der eine mit dem piezokeramischen Werkstoff vergleichbare Steifheit aufweist, um dadurch eine Verbiegung sowohl der Membran als auch der Piezokeramik zu ermöglichen, wenn sich der Wandler infolge einer angelegten Spannung ausdehnt oder zusammenzieht. Der Verfahrensschritt der Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch elektrische Abscheidung eines Membranwerkstoffes auf einer Stirnfläche der piezokeramischen Platte. Die der Galvanisierung unterzogene Oberfläche der piezokeramischen Platte sollte vorzugsweise ein Vordeckbad aus Gold oder einem anderen geeigneten Werkstoff erfahren haben, das eine wirkungsvolle Elektroabscheidung eines Metalls (beispielsweise Nickel) auf dem piezokeramischen Werkstoff ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird vor der Beschichtung des

piezokeramischen Werkstoffs mit der Membran eine permanente Polarisation des piezokeramikchen Werkstoffes herbeigeführt, d.h. eine Polung des piezokeramischen Werkstoffs. Der Polungsvorgang kann dadurch bewerkstelligt werden, daß an den piezokeramischen Werkstoff eine Gleichspannung angelegt wird, die das Koerzitivfeld des piezokeramischen Werkstoffs, d.h. 65 bis 100 V/mil ({65-100 ) /25 ,4 . 10³ Volt/mnw übersteigt.

IQ Anschließend wird eine hinreichende Menge des piezokeramischen Werkstoffes entfernt, um eine Mehrzahl von sich von der Membran aus erstreckenden getrennten Bereichen des piezokeramischen Werkstoffes zu bilden. Diese getrennten Bereiche befinden sich in einem gepulsten Tintenstrahl-

-^g druckkopf über den Tintenkammern 5. Erfindungsgemäß kann die Menge und der Ort des entfernten piezokeramischen Werkstoffs verändert werden und dadurch zu verschiedenen räumlichen Ausgestaltungen der Wandleranordnung führen. Beispielsweise wird gemäß der Darstellung von Fig. 2 eine

2Q hinreichende Menge des piezokeramischen Werkstoffes entfernt, um eine Mehrzahl von getrennten Inseln 6 des mit einer Schicht von Membranwerkstoff 2 beschichteten piezokeramischen Werkstoffes in einem unmittelbar über den Tintenkammern 5 gelegenen Bereich zu bilden. Beim Betrieb in einem gepulsten Tintenstrahldruckkopf wird an die gewünschten piezokeramischen Inseln 6 eine Treiberspannung angelegt, wodurch eine Verbiegung des Wandlerwerkstoffes und der Membran hervorgerufen wird. Diese durch eine unterschiedliche Ausdehnung oder Zusammenziehung des Wandler-

OQ und des Membranwerkstoffes hervorgerufene Verbiegung verursacht einen Druck, der den Austritt eines Tintentropfens aus der betroffenen Tintenkammer nach sich zieht.

Während des Vorgangs der Entfernung des piezokeraopmischen Werkstoffes muß dafür Sorge getragen werden, daß auch eine nur geringe Beschädigung der Membran, die bis

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zu 0,001 Inch (0,0254 mm) dünn sein kann, vermieden wird. Eine Möglichkeit, die Gelegenheit einer Verletzung der Membran auf ein Mindestmaß herabzusetzen, besteht darin, von einer vollständigen Durchbrechung des piezokeramischen Werkstoffes während des Entfernungsvorganges abzusehen. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, kann dies dadurch bewerkstelligt werden, daß lediglich eine hinreichende Menge des piezokeramischen Werkstoffes entfernt wird, um eine Mehrzahl von getrennten Bereichen'7 des piezokeramischen Werkstoffes zu bilden, ohne dabei die Dicke dieses Werkstoffes vollständig zu durchbrechen. Auch hier sind wiederum diese diskreten Bereiche 7 in einem unmittelbar über den Tintenkammern 5 gelegenen Flächenbereich ausgebildet. Solange nur die Dicke des verbleibenden piezokeramischen Werkstoffes erheblich kleiner ist als die Membran 2 (beispielsweise in der Größenordnung von ungefähr 10% der Membrandicke oder kleiner), ist die Steifheitszunahme in der Membran über den Tintenkammern 5, wo die Verarbeitung der Tinte erfolgt, nicht merklich genug, um eine Verbiegung des Wandler- und des Membranwerkstoffs zu bewirken und daher auch nicht ausreichend, um einen zum Ausstoß der Tinte 4 aus ihrer Kammer 5 und durch die Düse des Tintenstrahlkopfes 3 hindurch erforderlichen Druck zu bewirken .

Bei vielen Anwendungsgelegenheiten kann es vorteilhaft sein, die nach dem Verfahrensschritt der Entfernung des Wandlerwerkstoffes stehengebliebenen Inseln oder getrennten Bereiche des piezokeramischen Werkstoffes mechanisch zu verstärken, um die Wahrscheinlichkeit für einen an diesen Wandlerbereichen auftretenden Fehler infolge Bruchs oder Ermüdung zu vermindern. Erfindungsgemäß wird dies gemäß der Darstellung von Fig. 4 dadurch erreicht, daß an der Grenze zwischen dem piezokeramischen Werkstoff 9 und der Membran 2 ein fließender mechanischer Übergang 8 vorgesehen wird.

In den Fällen, in denen es wünschenswert ist, den Wandler mit niedrigeren Spannungspegeln zu versorgen, ist es möglicherweise erstrebenswert, die in Fig. 5 dargestellte Art eines Wandleraufbaus zu verwenden. Hierin ist erfindungsgemäß eine Wandleranordnung vorgesehen, bei der zwei einzelne Platten eines piezokeramischen Werkstoffes von entgegengesetzter Polarität, beispielsweise unter Verwendung eines Epoxyklebstoffes, miteinander in Haftverbindung gebracht werden. Eine Oberfläche dieser Doppelschicht wird sodann mit einem Membranwerkstoff 2 beschichtet, beispielsweise durch elektrische Abscheidung. In der dargestellten Weise wird eine ausreichende Menge des piezokeramischen Werkstoffs entfernt, um eine Mehrzahl getrennter Bereiche des piezokeramischen Werkstoffes zu bilden, wobei jeder Bereich aus den Schichten 10 und 11 des piezokeramischen Werkstoffes entgegengesetzter Polarität besteht. Die Membran kann an einem Tintenstrahldruckkopf 3 in unmittelbarer Berührung über dem Bereich der Tinte 4 in jeder der Tintenkammern 5 in Lage gebracht und befestigt werden.

Im Hinblick auf die für die Entfernung des Wandlerwerkstoffes gewählte spezielle Verfahrenstechnik kann es gemäß der Erfindung produktiver (wirtschaftlicher) sein, nur einen Teil (typischerweise in der Form von dünnen Streifen) des Wandlerwerkstoffes zu entfernen. Wie in Fig. 6 dargestellt, führt dies zu einer Mehrzahl von getrennten Restbereichen des Wandlerwerkstoffes 12, die sich nicht über dem Flächenbereich der Tintenkammern 5 erstrecken.

Die Entfernung des Wandlerwerkstoffes zur Bildung der getrennten Bereiche des Wandlerwerkstoffes in irgendeinem der oben beschriebenen Beispiele, wie sie in Fig. bis 6 dargestellt sind, kann erfindungsgemäß durch verschiedene Verfahrensweisen erfolgen. Beispielsweise beruht

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eine mögliche Verfahrensweise auf chemischer Ätzung. Verschiedene Arten von sauren Lösungen (beispielsweise Flußsäure, Fluoroborsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure oder Salzsäure enthaltende Lösungen) können dazu verwendet werden, den größten Teil der piezokeramischen Matrix aufzulösen. Etwaige Rückstände können ausgewaschen oder auf andere Weise mechanisch entfernt werden. Zur Erzielung eines bestimmten Ätzmusters kann eine Maske gebildet werden, indem die Piezokeramik gleichmäßig mit einem Polymer wie einem fotoempfindlichen Polymer (Fotoresist) beschichtet wird und Teilbereiche des Polymers nach Belichtung mit Ultraviolettlicht durch eine fotografisch hergestellte Maske hindurch selektiv aufgelöst werden. Das verbleibende Polymer wird von dem zur Auflösung des piezokeramischen Werkstoffes verwendeten Ätzmittel nicht angegriffen. Nach Entfernung der unerwünschten Piezokeramik wird das verbliebene fotoempfindliche Polymer aufgelöst. Die bestimmte Tiefe der chemischen Ätzung ist durch die Einwirkungszeit, Temperatur und Konzentration des Ätzmittels sowie durch die mechanische Bewegung oder das mechanische Rühren bestimmt. So wurde zum Beispiel unter Verwendung eines aus einer Mischung von PbO, ZrO-, TiO„ und Dotierungsstoffen gebildeten piezokeramischen Werkstoffs die zur Bildung der erfindungsgemäßen getrennten Bereiche des piezokeramischen Werkstoffes dienende chemische Ätzung mittels einer sauren Lösung von 10 ml HCl (spezifisches Gewicht 1,19) und 3 ml HF (40%ige Lösung) bei Raumtemperatur innerhalb Zeiträumen von bis zu ungefähr 3 Stunden bewerkstelligt. Eine andere Verfahrensweise zum Entfernen des piezokeramischen Werkstoffes ist die Laserritzung, bei der kontinuierliche oder gepulste Laser dazu benutzt werden können, die unerwünschten Abschnitte der Piezokeramik zu verdampfen. Die mechanische Lageeinstellung des Lasers oder des piezokeramischen Wandlers erfolgt unter der Steuerung eines vorprogrammierten Mikroprozessors. Die Abschmelzgeschwindigkeit wird von

vielen Faktoren beeinflußt, unter denen beispielsweise die Laserausgangsleistung, die vorhandene Atmosphäre, die Bündelung des Lasers, die Einwirkungszeit, Hilfsgase, der Wärmeverlustmechanismus, die Hitzebeständigkeitseigenschäften der bestimmten Piezokeramik, das effektive Emissionsvermögen der Piezokeramik und die Lichtabsorption zu nennen sind. Es muß dafür Sorge getragen werden, daß die Piezokeramik in der Umgebung des abgeschmolzenen Bereichs keine Wärmebelastung erfährt. Nach dieser Technik wurden Wandleranordnungen unter Verwendung eines Laserritzverfahrens hergestellt, bei dem (a) Nd:YAG-Laser verwendet wurden; (b) sowohl ein kontinuierlicher Wellenmodus als auch ein Hochfrequenz-Impulsmodus (z.B. 5 bis 10 kHz) angewendet wurden; (c) eine Abtastgeschwindigkeit von ungefähr 3 Inch/sec.

(76,2 mm/sec.) verwendet wurde; der Vorgang wurde mit und ohne eine Blende ausgeführt; und (d) sowohl ein einzelner als auch mehrfache Durchgänge verwendet wurden. Eine weitere zur Entfernung des piezokeramischen Werkstoffes verwendbare Technik ist Sandstrahlen, wobei eine Computer-Steuerung vorgesehen sein kann. Bei dieser Verfahrensweise wird ein Strom feiner Teilchen (z.B. Tonerde) zusammen mit einem Hochdruckgas durch eine sehr kleine Düse geschossen, um in gesteuerter Weise die Piezokeramik abzutragen. Ebenso wie bei der Verwendung eines Lasers wird die Bearbeitungsstelle mechanisch bestimmt. Unter den Steuerparametern sind die Einwirkungszeit, die Geschwindigkeit und Dichte der Teilchen, der Bearbeitungsabstand und die Einzelheiten des Teilchenflusses zu nennen. Unter den weiteren Techniken, die erfindungsgemäß zur Entfernung des Wandlerwerkstoffes verwendet werden können, ist (a) die Sägetechnik, bei der eine Säge mit enger Schnittbreite, wie sie auch zum Zerschneiden von Siliziumplättchen (wafers) verwendet wird, Abschnitte der Piezokeramik herausschneidet und (b) Ultraschallbearbeitung zu nennen.

Die Sägetechnik ist im allgemeinen auf geradlinige Schnitte beschränkt. Bei der Ultraschallbearbeitung wird eine

Aufschlämmung eines feinen Schleifmittels, wie beispielsweise Borkarbid mit Körnung 600, verwendet. Das angewendete Werkzeug kann jedes beliebige Muster aufweisen, beispielsweise Kreise, Rechtecke usw. Das Schneidwerkzeug schwingt mit einer kleinen Amplitude bei hoher Frequenz, typischerweise 20.000 kHz. Die Schneidbewegung kann genau gesteuert werden und übt auf das Werkstück nur geringe Kräfte aus. Auf diese Weise können sehr dünne Platten des Wandlerwerkstoffes schonend innerhalb enger Toleranzen bearbeitet werden.

Verzeichnis der Bezugszeichen

1. Piezokeramischer Werkstoff 5

2. Membranwerkstoff

3 . Tintenstrahl-druckkopf

4. Tinte

5. Tintenkammer

6. Insel piezokeramischen Werkstoffs 10

7. getrennte Bereiche piezokeramischen Werkstoffs

8 . fließender Übergang 9. piezokeramischer Werkstoff 10, 11 Schichten piezokeramischen Werkstoffs

12. Wandlerwerkstoff 15

- Leerseite -

Claims

Patentanspruch ο-

Ι. Verfahren zur Herstellung einer in einem gepulsten Tintenstrahldruckkopf zu verwendenden Wandler-5

anordnung aus einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffes, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte

(a) Beschichten einer Oberfläche einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffes mit einer Schicht eines Membranwerkstoffes, und

(b) Entfernen einer ausreichenden Menge des Wandlerwerkstoffes unter Zurücklassung einer Mehrzahl von sich von der Membran aus erstreckenden getrennten Bereichen des Wandlerwerkstoffes.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beschichten mit dem Membranwerkstoff durch einen Elektroabscheidevorgang erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-

kennzeichnet, daß die Membran aus einem eine mit dem Wandlerwerkstoff vergleichbare Steifheit aufweisenden Werkstoff gebildet ist, um eine gemeinsame Verbiegung der Membran und des Wandlers zu ermöglichen, wenn sich

der Wandler ausdehnt oder zusammenzieht. 25
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Bildung einer Mehrzahl von getrennten Inseln des Wandlerwerkstoffes ausreichende Menge des Wandlerwerkstoffes entfernt wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Bildung einer Mehrzahl von getrennten Bereichen des Wandlerwerkstoffes ausreichende Menge des Wandlerwerkstoffes entfernt wird, ohne die Dicke dieses Werkstoffes vollständig zu durchbrechen .
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelne Platte des Wandlerwerkstoffes aus zwei miteinander in eine Haftverbindung gebrachten einzelnen Platten eines Wandler-Werkstoffes entgegengesetzter Polarität gebildet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen chemischen Ätzvorgang bewerkstelligt wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen Laserritzvorgang bewerkstelligt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen Sandstrahlvorgang bewerkstelligt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen Ultraschallbearbeitungsvorgang bewerkstelligt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen Sägevorgang bewerkstelligt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerwerkstoff vor der Durchführung des Verfahrensschrittes (a) gepolt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerwerkstoff ein piezokeramischer Werkstoff ist.

³^⁵⁷⁶¹
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Membranwerkstoff durch Nickel gebildet ist.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerwerkstoff zuerst mit einer Schicht aus Gold beschichtet wird und daß das Nickel auf der Goldschicht elektrisch abgeschieden wird.

^q
16. Verfahren zur Herstellung eines gepulsten Tintenstrahldruckkopfes, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte :

(a) Beschichten einer Oberfläche einer einzelnen Platte eines Wandlerwerkstoffes mit einer Schicht eines Membranwerkstoffes,

(b) Entfernen einer ausreichenden Menge des Wandlerwerkstoffes unter Zurücklassung einer Mehrzahl sich von der Membran aus erstreckender getrennter Bereiche des Wandlerwerkstoffes, um dadurch ein Feld von Wandlern ^zu bilden, und

(c) Befestigen dieses Feldes an einem Tintenstrahlfeld.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte des Wandlerwerkstoffes eine zur Überspannung einer Mehrzahl von Tintenkammern des Tintenstrahlf eldes ausreichende Größe aufweist.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine zur Bildung einer Mehrzahl von

gO getrennten Inseln des Wandlerwerkstoffes ausreichende Menge des Wandlerwerkstoffs entfernt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit dem

op- Membranwerkstoff durch einen Elektroabscheidevorgang ausgeführt wird.
20. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, λ idurch gekennzeichnet, daß eine zur Bildung getrennter Eereiche des Wandlerwerkstoffes ausreichende Menge des Wandlerwerkstoffes entfernt wird, ohne die Dicke dieses Werkstoffes vollständig zu durchdringen.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerwerkstoff ein piezokeramischer Werkstoff ist.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandlerwerkstoff vor der Durchführung des Verfahrensschrittes (a) gepolt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen Sandstrahlvorgang bewerkstelligt wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) durch einen Ultraschallbearbeitungsvorgang bewerkstelligt wird.