DE69735416T2

DE69735416T2 - Herstellung von elektroden für piezokeramische wandler

Info

Publication number: DE69735416T2
Application number: DE69735416T
Authority: DE
Inventors: W. David Merrimack GAILUS; A. Paul Lebanon Hoisington
Original assignee: Dimatix Inc
Current assignee: Fujifilm Dimatix Inc
Priority date: 1996-06-26
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2017-04-22
Also published as: CA2228741A1; EP1667243B1; KR100349213B1; US6532028B1; JPH10512106A; WO1997049556A1; KR100298023B1; HK1091948A1; KR19990044186A; EP0851812B1; CA2228741C; DE69735416D1; JP3202757B2; US6037707A; EP0851812A4; EP1667243A3; EP1667243A2; US5755909A; EP0851812A1

Description

Technischer Bereich
Die Erfindung bezieht sich auf das Aufbringen von Elektroden auf keramische piezoelektrische Wandler.
Stand der Technik
Piezoelektrische Wandler müssen mit Elektroden versehen werden, die eine gute elektrische Verbindung zu der piezoelektrischen Wandleroberfläche aufweisen, um eine maximal mögliche Deformation des Wandlers in Antwort auf angelegte elektrische Potentiale zu erzeugen. Keramische piezoelektrische Wandler der Art, die bei Tintendrucksystemen verwendet werden, so zum Beispiel nach dem Schermodus arbeitende Wandler, die als eine dünne Platte oder Schicht aus keramischem Material wie Bleizirkoniumtitanat (PZT) ausgebildet sind, müssen mit einer Reihe aus eng benachbarten Elektroden auf einer oder beiden Oberflächen ausgerüstet werden. Bisher war es aufgrund der körnigen Oberflächenstruktur solcher keramischer Materialien notwendig, Elektroden auf diese Oberfläche aufzubringen, indem dünne Schichten aus Metall, wie Kupfer oder Gold auf die Oberfläche aufgedampft oder aufgesputtert werden, um eine hohe kapazitive Kopplung herzustellen, bevor die piezoelektrische Schicht einem elektrischen Feld ausgesetzt wurde, um das piezoelektrische Material zu polen.
Herkömmliche Polungstechniken für solche piezoelektrischen Wandler erfordern, dass das Elektrodenmetall in dieser Art auf beide Oberflächen aufgebracht wird, bevor das piezoelektrische Material polarisiert wird, um eine maximale Polarisation zu erhalten. Danach kann das vorab aufgebrachte Elektrodenmaterial durch photolithographische Ätztechniken mit einem Muster versehen werden, um Elektroden an den gewünschten Orten auf den gegenüber liegenden Oberflächen der piezoelektrischen Schicht vorzusehen.
Jedoch sind Polungstechniken zur Polarisation von piezoelektrischen Wandlern neuerlich entwickelt worden, bei denen es nicht erforderlich ist, Metallschichten auf die Wandleroberflächen vorab aufzubringen. Zum Beispiel sind in der anhängigen Anmeldung mit der Seriennummer 08/460,393 von Moynihan et al., angemeldet am 2. Juni 1995, jetzt US-A-5605659, und der US-Stammanmeldung 08/406,297, angemeldet am 17. März 1995, Techniken zur Druckpolung und Coronapolung beschrieben, bei denen es nicht mehr erforderlich ist, dass Elektroden auf den Oberflächen des Wandlermateriales zum Polen des Materiales vorhanden sind.
Da zudem das Aufbringen von Elektrodenmaterial auf die Oberflächen von piezoelektrischen Materialien durch herkömmliches Aufdampfen oder Aufsputtern ein komplexes Verfahren ist und einen erheblichen Kostenanteil bei der Herstellung von mit Elektroden versehenen piezoelektrischen Wandlern hat, wäre es vorteilhaft, einen Weg zum Aufbringen von Elektroden auf piezoelektrische Wandler anzugeben, ohne dass solche komplexen und teuren Schritte notwendig sind. Zusätzlich haben herkömmliche piezoelektrische Wandler Elektroden, die nicht über den Bereich einer Oberfläche des Wandlers hinausragen können, sodass es erforderlich ist, eine Verbindung zu benachbarten Betätigungsschaltkreisen durch separate elektrische Leitungen herzustellen, was zu der Komplexität und den Kosten bei der Herstellung hinzukommt.
Beschreibung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, piezoelektrische Wandler mit Elektroden zu versehen und Tintenstrahldruckköpfe mit solchen Wandlern anzugeben, bei denen die komplexen und teuren Verfahren gemäß dem Stand der Technik zum Aufbringen von Elektroden nicht notwendig sind.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufbringen von Elektroden auf piezoelektrische Wandler anzugeben, bei dem es nicht mehr notwendig ist, Drahtverbindungen an einer Oberfläche des piezoelektrischen Wandlers herzustellen.
Diese und weitere Aufgaben der Erfindung werden gelöst, indem ein Muster aus einem verformbaren Elektrodenmaterial entsprechend dem gewünschten Elektrodenmuster auf eine Oberfläche des piezoelektrischen Materiales unter ausreichendem Druck aufgebracht wird, um eine gleichmäßige und gute elektrische Verbindung zwischen den Leitern und der Oberfläche des piezoelektrischen Materiales sicherzustellen. Gemäß einer Ausführungsform wird das Muster aus Elektrodenanschlüssen auf einer Oberfläche eines dielektrischen Filmes ausgebildet, wobei das Elektrodenmuster mit der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Platte mit ausreichend gleichmäßigem Druck verbunden wird, um das Elektrodenmaterial in körnige Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche der piezoelektrischen Platte anzupassen, sodass ein leitender Kontakt zwischen dem Elektrodenmuster und lokalen Rauheiten in der Oberfläche der piezoelektrischen Platte sichergestellt wird. Zu diesem Zweck kann der Druck über eine Lage aus Elastomeren oder Viskoplastik ausgeübt werden.
Vorzugsweise wird der dielektrische Film und der Elektrodenfilm mit der Oberfläche der piezoelektrischen Schicht mit einer dünnen Schicht aus Klebermaterial verbunden, zum Beispiel einem Epoxyharz. Da die Kleberschicht eine starke Wirkung auf die kapazitive Kopplung zwischen dem Elektrodenfilm und der piezoelektrischen Schicht hat, sollte die Kleberschicht so dünn wie möglich sein, wobei noch eine gute Verbindung sichergestellt wird. Wenn es gewünscht ist, kann das Verbindungsmaterial feine Teilchen aus stark dielektrischem oder leitendem Material mit geeigneter Größe und Verteilung enthalten, um eine verbesserte kapazitive Kopplung oder lokale Leitung zwischen der Oberfläche der piezoelektrischen Platte und der Elektrode zu liefern, ohne dass eine Oberflächenleitung längs der Oberfläche der piezoelektrischen Platte erzeugt wird. Zudem kann der dielektrische Film von den Elektroden, falls dieses erwünscht ist, entfernt werden, nachdem die Elektroden mit der piezoelektrischen Platte verbunden worden sind, indem die Verbindung zwischen dem Elektrodenmaterial und der piezoelektrischen Schicht fester als die Verbindung zwischen der dielektrischen Schicht und dem Elektrodenmaterial gemacht wird.
Um einen Verbindung der Elektroden auf der Oberfläche der piezoelektrischen Platte direkt mit einer getrennten Quelle einer Treiberspannung zu erlauben, kann die dielektrische Schicht sich über den Rand der piezoelektrischen Platte hinaus erstrecken und Leitungsanschlüsse aufweisen, die aus dem Elektrodenmaterial gebildet sind und das Elektrodenmuster auf der piezoelektrischen Schicht mit einer separaten Treiberkomponente verbinden, so zum Beispiel einem integrierten Schaltkreis oder einem Treiberchip, der mit dem dielektrischen Film verbunden ist und Treiberelemente für die Elektroden an ausgewählten Orten der piezoelektrischen Schicht enthalten kann.
Bei einer Verwendung in einem Tintenstrahl-Druckkopf kann der mit Elektroden versehene piezoelektrische Wandler an einer Kammerplatte befestigt sein, die Tintendruckkammern entsprechend dem Elektrodenmuster aufweist, das auf eine Oberfläche des piezoelektrischen Wandlers aufgebracht ist, wobei die Kammerplatte Passagen aufweisen kann, die von den Druckkammern zu Tropfen auswerfenden Mündungen führen. Bei einigen Ausführungsformen kann der Tintenstrahl-Druckkopf eine Kammerplatte aus Kohlenstoff aufweisen, wie dieses in den oben genannten Anmeldungen von Moynihan et al. beschrieben ist. Darüber hinaus kann die Kammerplatte Tintenkammern aufweisen, die auf beiden Seiten ausgebildet sind, wobei piezoelektrische Wandler mit darauf befestigten Elektroden ebenfalls auf beiden Seiten der Kohlenstoffplatte vorgesehen sein können, wobei die Elektroden entsprechend den in der Platte ausgebildeten Kammern positioniert sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Figuren offensichtlich, wobei:
1 eine fragmentarische schematische Querschnittsansicht ist, in der stark vergrößert ein Teil einer Oberfläche eines piezoelektrischen Wandlers und eine auf dessen Oberfläche aufzubringende Elektrodenschicht gemäß einer repräsentativen Ausführungsform der Erfindung dargestellt sind;
2 eine schematische fragmentarische Querschnittsansicht ist, in der die aneinander liegenden Oberflächen der piezoelektrischen Schicht und der Elektrodenschicht gemäß 1 nach Aufbringen der Elektrodenschicht auf die piezoelektrische Schicht gemäß der Erfindung dargestellt sind;
3 eine schematische fragmentarische und stark vergrößerte Querschnittsansicht ist, die die Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht und einer auf dieser Oberfläche aufzubringende Elektrodenschicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist;
4 eine schematische fragmentarische Querschnittsansicht ist, die die Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht und die Elektrodenschicht gemäß 3 nach der Verbindung der Elektrodenschicht mit der Oberfläche zeigt;
5 ein Flussdiagramm ist, in dem die Folge von Schritten für ein repräsentatives Verfahren zum Aufbringen von Elektroden auf ein keramisches piezoelektrisches Element gemäß der Erfindung gezeigt ist;
6 eine schematische Querschnittsansicht ist, in der ein Teil eines Tintenstrahl-Druckkopfes dargestellt ist, der einen piezoelektrischen Wandler mit Elektroden enthält, die mit dem Wandler gemäß der Erfindung verbunden sind; und
7 bis 9 Modifikationen der in 6 gezeigten Anordnung darstellen.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
1 zeigt stark vergrößert einen Teil eines herkömmlichen keramischen piezoelektrischen Wandlers 10, der zum Beispiel aus Bleizirkoniumtitanat (PZT) hergestellt ist und eine obere Oberfläche 11 aufweist, die durch körnige Rauheiten 12 charakterisiert ist, welche eine Höhe und einen Abstand voneinander von etwa einem bis zu einigen μm haben und periodisch Rippen 13 aufweisen, die durch Täler 14 voneinander getrennt sind, wodurch Makrovariationen in der Oberfläche gebildet werden. In typischen Fällen können die Täler 14 Tiefen von ungefähr 10 bis einigen 10 μm haben, wobei die Rippen einen Abstand voneinander zwischen etwa 100 bis einigen 100 μm haben.
Um eine leitende Schicht eines Elektrodenmateriales auf die Oberfläche 11 mit einer guten elektrischen Verbindung aufzubringen, muss diese Schicht in elektrischem Kontakt mit im Wesentlichen allen Rauheiten 12 stehen. Zu diesem Zweck muss die leitende Schicht ausreichend deformierbar sein, um sich an die Makrovariationen in der Oberfläche ohne Brüche anzupassen und lokale Verformungen durch die Rauheiten 12 in ausreichendem Umfang zu erlauben, um einen guten elektrischen Kontakt sicherzustellen, ohne dass hierfür ein Druck erforderlich ist, der groß genug wäre, die Rauheiten zu deformieren oder das keramische Material zu zerbrechen. Darüber hinaus muss eine sichere Verbindung der leitenden Schicht mit der Oberfläche des keramischen Materiales bewirkt werden, ohne dass der elektrische Kontakt zwischen den Rauheiten und dem leitenden Material gestört wird, wobei eine hohe kapazitive Kopplung über das Verbindungsmaterial erreicht wird
Um eine Schicht aus Elektrodenmaterial auf die Oberfläche 11 bei einer Ausführungsform der Erfindung gemäß den 1 und 2 auszuführen, ist ein Film 16 aus dielektrischem Material wie Polyester, Polyimid, fluoriertes Ethylenpropylen-Polymer oder Polytetrafluorethylen mit einem Metallfilm 17, zum Beispiel aus geglühtem Kupfer oder Blattgold, beschichtet, der ein entsprechendes Elektrodenmuster aufweist, das durch eine herkömmliche Technik, so zum Beispiel Aufrollen, Elektro-Ablagerung, Aufdampfen oder dergleichen hergestellt worden ist, wobei der Metallfilm 17 anschließend mit einer dünnen Kleberschicht 18, zum Beispiel einem Epoxy-Kleber, zum Beispiel durch Aufsprühen beschichtet wird. Wenn der Metallfilm 17 ein Film aus geglühtem Kupfer ist, der eine Dicke von einem bis einigen μm entsprechend der Größenordnung der Rauheiten 12 und eine Scherstärke von etwa 10.000 psi (69.000 kPa) aufweist, die um einiges unterhalb der Druckfeste der einzelnen die Rauheiten 12 bildenden PZT-Körner liegt, kann der Kupferfilm durch die Rauheiten bei einem angewendeten Druck von etwa 1.000 psi (6.900 kPa) ausreichend deformiert werden, sodass die Rauheiten in die Oberflächenschicht aus Kupferoxyd eindringen können, um einen guten Kontakt mit dem Kupfermaterial zu liefern.
Die keramische piezoelektrische Schicht 10 kann jedoch solche Belastungen insgesamt nicht aushalten, es sei denn, wenn die Belastung in elastischer oder hydrau lischer Art aufgebracht wird, zum Beispiel gleichmäßig über die gesamte Oberfläche 11 trotz der Unregelmäßigkeiten des Oberflächenniveaus aufgrund der Makrovariationen 13 und 14 ausgeübt wird. Hierzu kann ein Druck zum Deformieren und Verbinden zwischen dem Metallfilm 17 und der Oberfläche 11 des keramischen Mateariales zur Herstellung einer guten elektrischen Verbindung ohne Bruch des keramischen Materiales gemäß der Erfindung über eine nachgiebige Schicht aus einem Elastomermaterial, wie in 2 dargestellt, aufgebracht werden. Auf diese Weise wird der Metallfilm 17 deformiert und passt sich den oberen Oberflächen der Rauheiten 12 mit einem gleichmäßigen lokalen Druck an, sodass die Schicht 18 aus Epoxy-Kleber gleichmäßig in die Bereiche zwischen den Rauheiten verteilt wird und der dielektrische Film 16 deformiert wird und sich genau an die Makrovariationen 13 und 14 in der Oberfläche 11 der keramischen piezoelektrischen Schicht anpasst, ohne dass lokal Kräfte auftreten, die groß genug wären, die keramische Schicht zu zerstören. Eine solche Anpassung der Metallschicht 17 an die Oberfläche 11 erzeugt einen guten elektrischen Kontakt an den Spitzen der Rauheiten 12 und eine hohe und gleichmäßige kapazitive Kopplung des Elektrodenmateriales mit der piezoelektrischen Schicht in den Bereichen zwischen den Rauheiten über die gesamte Oberfläche des piezoelektrischen Materiales, wodurch die notwendige elektrische Verbindung erreicht wird, ohne dass eine teure Ablagerung durch Aufdampfen oder Aufsputtern oder mit lithographischen Mustern arbeitende Techniken erforderlich sind.
Bei der in den 1 und 2 gezeigten typischen Ausführung, bei der die Oberfläche 12 des keramisch piezoelektrischen Materiales 10 lokale Rauheiten und Makrovariationen entsprechend dem vorher Beschriebenen aufweist, kann der dielektrische Film 16 ein herkömmlicher Polyimidfilm aus einem durch die Marke Kapton gekennzeichneten Material sein, der eine Dicke im Bereich von zum Beispiel etwa 10 bis 100 μm, vorzugsweise etwa 20 bis 50 mμ und ideal etwa 25 bis 30 μm aufweist, wobei die Metallschicht 17 eine Schicht aus geglühtem Kupfer oder Blattgold mit einer Dicke von 0,1 bis 20 μm, vorzugsweise 1 bis 10 μm und insbesondere etwa 2 bis 5 μm sein kann und die Kleberschicht 18 eine B-Epoxyschicht mit einer Dicke von 0,5 μm bis etwa 5 μm, vorzugsweise 0,5 bis 3 μm und insbesondere etwa 0,5 bis 1 μm sein kann.
Wie in 2 gezeigt, wird bei der Verwendung einer Elastomerschicht 20 zur Verteilung der angewendeten Kraft gleichmäßig über die gesamte Oberfläche 11 die Metallschicht 17, die die Kleberschicht 18 trägt und durch den dielektrischen Film 16 abgestützt wird, gegen die Oberfläche 11 der keramischen piezoelektrischen Schicht gepresst, indem ein gleichmäßiger Druck über die Schicht 20 angewendet wird, sodass die dielektrische Schicht 16 plastisch verformt wird, um sich an die Makrovariationen in der Oberfläche 11 der piezoelektrischen Schicht anzupassen, ferner der Epoxy-Kleber 18 in die Räume zwischen die Rauheiten 12 gepresst wird, und die Metallschicht lokal durch die Rauheiten deformiert wird und sich an die Form der Peaks der Rauheiten anpasst. Die Elastomerschicht 20 kann ein fluorelastisches Material (Viton) in einer Härte von 70 Durometer und einer Dicke von einem bis zehn mm sein, die eine vertikal aufgewendete gleichmäßige Belastung von mindestens 500 psi (3447 kPa) in einen gleichmäßigen Druck über die gesamte Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht trotz der Makrovariationen in deren Oberfläche umwandelt. Wenn der Druck aufgebracht wird, wird die Kleberschicht durch Aufheizen auf zumindest 150°C und vorzugsweise etwa 165°C ausgehärtet. Die Temperatur wird auf dieses Niveau in etwa vier Minuten angehoben und dort für etwa 2 Stunden gehalten. Ein Druck bis 3750 psi (26.000 kPa) kann, falls notwendig, aufgebracht werden, ohne dass die keramische piezoelektrische Schicht zerstört wird, sofern dieser Druck gleichmäßig über die Oberfläche 11 verteilt wird.
Wenn gewünscht, kann der dielektrische Film 16 von der Metallschicht 17 entfernt werden, nachdem die Metallschicht mit der keramischen Schicht 10 verbunden worden ist. Eine solche Auftrennung kann erfolgen, wenn sichergestellt ist, dass über den gesamten Bereich des gemusterten Metallfilmes 17 die Verbindung zwischen dieser Schicht und der Oberfläche 12 der keramischen piezoelektrischen Schicht stärker als die Verbindung zwischen dieser Schicht und dem dielektrischen Film 16 ist.
In dem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß den 3 und 4 wird eine Epoxy-Kleberschicht 22 auf die Oberfläche 11 der keramischen piezoelektrischen Schicht 10 aufgebracht, wobei sich diese exakt an die rauen Stellen 12 und Makrovari ationen in der Oberfläche anpasst. In diesem Fall wird eine viskoplastische sich anpassende Schicht 23 zwischen der Metallschicht 17 und dem dielektrischen Film 16 angeordnet, wobei dann, wenn ein gleichförmiger Druck auf den dielektrischen Film aufgebracht wird, um die Metallschicht 17 gegen die Oberfläche 11, wie in 4 gezeigt, zu drücken, die viskoplastische Schicht 23 deformiert wird, um die Metallschicht an die Form der Oberfläche 11 und an die Spitzen der Rauheiten 12 anzupassen und den Epoxy-Kleber 22 in die Räume zwischen Rauheiten wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 einzudrücken.
Wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 erzeugt die Anordnung gemäß den 3 und 4 eine exzellente elektrische Verbindung zwischen der Schicht aus Elektrodenmaterial und den Peaks der Rauheiten und liefert ferner eine gleichmäßige kapazitive Kopplung zwischen der Elektrodenschicht 17 und dem keramischen piezoelektrischen Material 10 in den Bereichen zwischen den Rauheiten, ohne dass die Anwendung lokaler Kräfte erforderlich ist, die eine Zerstörung des keramischen piezoelektrischen Materiales nach sich ziehen könnten.
Bei einer typischen Ausführungsform gemäß den 3 und 4 kann die viskoelastische Schicht 23 eine Schicht aus einem fluorierten Ethylenpropylen-Polymer sein, die eine Dicke von etwa 1 bis 10 μm, vorzugsweise etwa 2 bis 5 μm und insbesondere etwa 3 oder 4 μm aufweist, wohingegen die Kleberschicht 22 eine Dicke von etwa 0,5 bis 2 μm und vorzugsweise 0,5 bis 1 μm haben kann, und die Elektrodenschicht eine Schicht aus geglühtem Kupfer mit einer Dicke von etwa 0,1 bis 2 μm und vorzugsweise etwa 0,2 bis 1 μm sein kann.
Unter Wärme und Druck passt sich die Schicht aus fluoriertem Ethylenpropylen-Polymer an die Form der keramischen piezoelektrischen Schicht 10 in viskoplastischer Art an, wobei zum Sicherstellen einer guten Verbindung zwischen der Metallschicht und der Oberfläche 11 das Verfließen und das Aushärten des verbindenden Klebers mit dem Fließen des fluorierten Ethylenpropylen-Polymermateriales bei den Verbindungsbedingungen zusammenfallen sollte. Zum Beispiel passt ein Bisphenol-A-Epoxyharz wie Shell Epon 826 gemeinsam mit einem cycloaliphatischen Amin- Härtemittel wie Air Products Ancamine 2264 mit dem Fließen des fluorierten Ethylenpropylen-Materiales bei einem Druck von 1.000 psi (6.900 kPa) bei einem Aufheizen auf 200°C für etwa 30 Minuten gut zusammen.
Bei einer alternativen Ausführung werden Teilchen eines leitenden oder mit einer hohen dielektrischen Konstante versehenen Materiales auf eine der sich aneinander anlegenden Oberflächen der Schicht 17 oder der keramischen piezoelektrischen Schicht 10 verteilt oder werden in die Kleberschicht 18 oder 22 eingemischt, um die kapazitive Kopplung über diese Schicht zu verstärken. Teilchen mit hoher dielektrischer Konstante, die hinzu gegeben werden, um die elektrische Verbindung zu vereinfachen, können aus PZT, Bariumtitanat oder dergleichen sein und eine Teilchengröße von etwa 0,1 bis 2 μm und eine Konzentration von etwa 10 bis 50 Gewichtsprozent in dem Klebematerial haben. Wenn leitende Teilchen, zum Beispiel Kohlenstoffteilchen, verwendet werden, müssen diese so verteilt sein, dass ein gleichmäßiger Kontakt in der seitlichen Richtung in der Kleberschicht verursacht wird. Gemäß einer Ausführungsform enthält die Kleberschicht kleine dispergierte Kohlenstoffteilchen mit einer Größe, die ausreichen ist, um die Verbindungslinie zwischen der Metallschicht 17 und der Oberfläche 11 der keramischen piezoelektrischen Schicht zu überspannen, jedoch bei einer ausreichend niedrigen Konzentration, um eine Leitung von Teilchen zu Teilchen zu vermeiden.
Es ist auch möglich, eine nicht leitende Kleberschicht zu verwenden, die die Oberfläche der piezoelektrischen Schicht vollständig bedeckt, wenn diese Schicht dünn genug ist, um eine hohe kapazitive Kopplung zwischen dem Elektrodenmaterial und dem keramischen Material zu erzeugen. Wenn zum Beispiel die dielektrische Konstante des piezoelektrischen Materiales 2.000 ist und die dielektrische Konstante des Klebermateriales 4 ist und ein parasitärer Verlust von 0,1% toleriert werden kann, kann eine ausreichende kapazitive Kopplung zwischen zum Beispiel einer Metallfolie aus Blattgold und der Oberfläche 11 der keramischen piezoelektrischen Schicht, mit der sie durch eine Kleberschicht verbunden ist, erzeugt werden, wenn die verbindende Kleberschicht etwa 0,5 μm dick ist, was etwa der Größe eines Epoxy-Teilchens entspricht.
5 zeigt schematisch ein repräsentatives Verfahren für das Aufbringen von Elektrodenmaterial auf piezoelektrische Wandler gemäß der Erfindung. Es ist selbstverständlich, dass die Elektroden in der Metallschicht 17, die auf einer Oberfläche des dielektrischen Filmes 16 angeordnet sind, präzise auf der keramischen piezoelektrischen Schicht positioniert werden müssen, damit sie exakt an die Positionen von korrespondierenden Druckkammern in einer Druckkammerplatte angepasst sein, mit dem der piezoelektrische Wandler später verbunden wird. Da der dielektrische Film 16 in seinen Dimensionen aufgrund von zum Beispiel Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen unstabil ist, kann die gewünscht Präzision bei der Platzierung von Elektroden auf der piezoelektrischen Schicht nicht erreicht werden, selbst wenn Temperatur und Feuchtigkeit sehr genau kontrolliert werden.
Um dieses Problem gemäß der Erfindung zu überwinden, wird ein dielektrischer Film 30 mit einem oder mehreren Mustern 31 der Wandlerelektroden vorgesehen, wobei deren Dimensionen einige wenige Prozent, zum Beispiel etwa 2% kleiner als die Dimensionen des gewünschten auf der keramischen piezoelektrischen Schicht aufzubringenden Elektrodenmusters sind. Auf dem dielektrischen Film 30 werden Markierungen 32 an Orten aufgebracht, die Markierungen 33 auf der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht an Orten zugeordnet sind, die den erforderlichen Dimensionen der Elektrodenmuster 31 entsprechen. Nachdem eine Kleberschicht 22 auf die keramische piezoelektrische Schicht 10 aufgebracht wurde, wird der dielektrische Film 30 über die piezoelektrische Schicht platziert, wobei die Elektrodenmuster 31 gegen die piezoelektrische Schicht zeigen, wonach der dielektrische Film wie durch die Pfeile 34 in 5 angedeutet, gedehnt wird, bis die Markierungen 32 exakt auf die Markierungen 33 auf der piezoelektrischen Schicht ausgerichtet sind. Danach werden die Schichten durch Druck in Kontakt gebracht und in der oben beschriebenen Art im Hinblick auf die 1 bis 4 miteinander verbunden.
Wie in 5 gezeigt, ist der dielektrische Film 30 größer als die piezoelektrische Schicht 10, wobei die Metallisierung auf dem dielektrischen Film 30 auch ein Muster aus Leitern aufweist, das über die Fläche der piezoelektrischen Schicht hinaus ragt. Diese Leiter sind mit dem Elektrodenmuster 31 verbunden, um das Anlegen von Betätigungspotentialen an die Elektrodenmuster 31 von außen gelegenen Orten zu erlauben.
Bei dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein Tintenstrahl-Druckkopf 40 eine piezoelektrische Schicht 10 und einen dielektrischen Film 30 auf, der ein Elektrodenmuster gemäß der in 5 gezeigten Art enthält, das mit einer Oberfläche der Schicht 10 in der oben beschriebenen Art verbunden ist und Muster aus Leitern 35 aufweist, die von den Elektrodenmustern 31 auf der piezoelektrischen Schicht 10 wegragen, sodass sie elektrische Verbindungen zu den Elektrodenmustern 31 von außerhalb erlauben. Der Tintenstrahl-Druckkopf 40 kann aus einem konventionellen Paket aus Platten bestehen, wie dieses zum Beispiel in dem Patent Nr. 4,835,554 von Hoisington et al. beschrieben ist, das am 30. Mai 1989 veröffentlicht wurde, wobei dieses Paket eine Mündungsplatte 41, eine Tintendruckkammerplatte 42 und weitere Platten 43 mit darin enthaltenen Tintenpassagen zum Liefern von Tinte zu Kammern in der Druckkammerplatte 42 und zum Leiten der Tinte hiervon zu der Verbindungsplatte 41 aufweist. Zusätzlich liegt eine rückseitige Platte 44 an dem dielektrischen Film 30 an und hat einen damit verbunden Heizer, um einen Heizverteiler zu bilden, wenn heiße geschmolzene Tinte in dem Druckkopf 40 verwendet wird.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 7 umfasst ein Druckkopf 50 einen piezoelektrischen Wandler 10, der mit einer Druckkammerplatte 51 aus Kohlenstoff des in den oben erwähnten Anmeldungen von Moynihan et al. beschriebenen Types verbunden ist. Die Kohlenstoffplatte 51 enthält Tintendruckkammern und weist ebenfalls Passagen auf, die von den Druckkammern zu korrespondierenden Mündungen in einer Mündungsplatte 52 führen. Um den piezoelektrischen Wandler 10 zu aktivieren und selektiv Tintentropfen durch die Mündungen in der Mündungsplatte auszuspritzen, wird der piezoelektrische Wandler durch Elektroden angesteuert, die auf einer Oberfläche des dielektrischen Filmes 30 ausgebildet sind und auf die piezoelektrische Schicht 10 in der oben beschriebenen Art aufgebracht wurden. Die Signale zur selektiven Ansteuerung des Wandlers werden durch Treiberchips 53 in Form von integrierten Schaltkreisen an Orten erzeugt, die von dem Wandler entfernt sind, und werden zu dem Wandler durch Leitungsmuster 35 auf dem dielektrischen Film 30 gemäß der in 6 gezeigten Art übermittelt.
Der dielektrische Film 16, der die Elektroden trägt und mit der piezoelektrischen Platte 10 in der oben beschriebenen Art verbunden ist, sollte ausreichend dünn und fähig sein, um Impulse von der piezoelektrischen Schicht zu den Druckkammern in die Kohlenstoffplatte 51 ohne wesentlichen Verlust an Impulsenergie zu leiten. In diesem Falle, wie in 8 gezeigt, kann der piezoelektrische Wandler 10 mit dem darauf befestigten Film 16, der das zum Ansteuern dienende Elektrodenmuster und die verbindenden Leiter in der oben beschriebenen Art trägt, mit einer Kohlenstoffplatte 41 befestigt werden, wobei der dielektrische Film 16 zwischen der piezoelektrischen Schicht 10 und den Druckkammern angeordnet ist, die in der Kohlenstoffplatte 51 ausgebildet sind. Um zudem die Ansteuerung der piezoelektrischen Schicht zu verbessern, kann ein zweiter dielektrischer Film 54 mit Elektrodenmustern auf der Seite der piezoelektrischen Schicht 10 in der oben beschriebenen Art vorgesehen werden, die gegenüber der Seite liegt, auf der die Elektroden auf den dielektrischen Film 16 befestigt sind, wobei die Elektroden auf jedem dielektrischen Film korrespondierend mit den Druckkammern in der Platte 51 ausgerichtet sind. Mit der verstärkten Biegung der piezoelektrischen Schicht, die durch diese Anordnung erzielt wird, kann der Druckkopf mit geringeren Steuerpotentialen für den Wandler oder erhöhtem Ausspritzen größerer Tropfen für die gleichen Steuerpotentiale betrieben werden.
Um zusätzlich die Verbindung der Steuerelektrode mit entfernt gelegenen Treiberchips 53 gemäß den 7 und 8 zu erlauben, erlaubt es ein Leitermuster 35 auf einem dielektrischen Film, der über die Oberfläche einer piezoelektrischen Schicht hinausragt, weitere Leiter vorzusehen, zum Beispiel zum Zwecke der Verbindung mit Masse oder zum Anlegen von Leistung an ein Heizelement oder zum Beispiel einen Thermistor.
Bei dem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 9 gezeigt ist, weist eine Druckkammerplatte 55 aus Kohlenstoff Tintendruckkammern auf beiden Seiten auf, wie dieses in den oben erwähnten Anmeldungen von Moynihan et al. beschrieben wird. In diesem Falle hat die Platte 55 ebenfalls interne Mündungspassagen 56, die von den Druckkammern zu einem Rand der Kohlenstoffplatte führen, um Tinte zu korrespondierenden Mündungen in einer Mündungsplatte zu führen, die mit dem Rand der Kohlenstoffplatte verbunden werden muss. Mit dieser Anordnung werden keramische piezoelektrische Wandler 10 mit entsprechenden dielektrischen Filmen 30, welche Elektroden- und Leitermuster des in 6 gezeigten Types aufweisen, an beiden Seiten der Kohlenstoffplatte in Ausrichtung mit den darin vorhandenen Druckkammern befestigt.
Obwohl die Erfindung hier in Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, sind viele Modifikationen oder Variationen für einen Fachmann ersichtlich. Dementsprechend liegen alle solche Variationen und Modifikationen in dem beabsichtigten Bereich der Erfindung.

Claims

Verfahren zum Aufbringen von Elektroden auf eine Oberfläche einer keramischen piezoelektrischen Schicht (10) mit den Merkmalen: Ausbilden eines Musters aus einem verformbaren Elektrodenmaterial (17) auf einer Oberfläche eines verformbaren Filmes (16), Einfügen einer Klebeschicht (18) zwischen dem Muster aus eine verformbaren Elektrodenmaterial und einer Oberfläche (11) der keramischen piezoelektrischen Schicht, und Pressen des Musters aus verformbarem Elektrodenmaterial gegen die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht mit einem Druck, der im wesentlichen gleichmäßig über die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klebeschicht zwischen das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial und die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht eingebracht wird, indem Klebematerial (22) auf die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht (10) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Klebeschicht zwischen das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial und die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht eingebracht wird, indem Klebematerial (18) auf das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial (17) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Oberfläche des keramischen piezoelektrischen Materiales körnige raue Stellen aufweist und das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial (17) gegen die Oberfläche des keramischen piezoelektrischen Materiales mit einem Druck gepresst wird, der ausreichend ist, dass das Elektrodenmaterial durch die körnigen rauen Stellen verformt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial gegen die Oberfläche des keramischen piezoelektrischen Materiales mit einem Druck gepresst wird, der ausreichend ist, um Klebematerial in der Schicht des Klebemateriales von den Spitzen der körnigen rauen Stellen in Räume zwischen diesen rauen Stellen zu versetzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht Makrovariationen (13, 14) aufweist und der verformbare Film sowie das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial gegen die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht mit einem Druck gepresst werden, der ausreicht, dass das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial und der verformbare Film verformt werden können, um sich an die Makrovariationen in der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht anzupassen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der verformbare Film (30) größer als die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht (10) ist und das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial ein Elektrodenmuster (31), das mit der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht verbunden werden soll, und ein Muster aus leitenden Anschlüssen (35) umfasst, das über die Fläche der keramischen piezoelektrischen Schicht hinaus ragt, um das Elektrodenmuster mit einer entfernten Treiberkomponente zu verbinden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Schritt vorgesehen ist, eine Treiberkomponente für die Elektroden mit dem Muster der leitenden Anschlüsse an einem Ort zu verbinden, der einen Abstand von der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht hat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das den Schritt einschließt, den verformbaren Film von dem Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial zu entfernen, nachdem das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial mit der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht verbunden ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial auf der Oberfläche des verformbaren Films Dimensionen hat, die kleiner als die gewünschten Dimensionen eines Elektrodenmusters auf der Oberfläche einer keramischen piezoelektrischen Schicht sind, und wobei die Schritte eingeschlossen sind, das verformbare Elektrodenmaterial zu dehnen (34), um das Elektrodenmuster an die gewünschten Dimensionen auf der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht anzupassen, bevor es gegen die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht angepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das die Schritte einschließt, einen weiteren verformbaren Film (54) mit einem weiteren Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial und eine weitere Zwischenkleberschicht gegen eine weitere Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht (10) zu pressen, die der Oberfläche gegenüber liegt, auf die das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial (16) aufgebracht worden ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial und das weitere Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial entsprechende Elektrodenmuster aufweisen, um im Betrieb eine verstärkte Biegung der keramischen piezoelektrischen Schicht zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im wesentlichen ein gleichförmiger Druck auf das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial ausgeübt wird, indem Druck auf den verformbaren Film über eine Elastomerschicht (20) ausgeübt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei im wesentlichen ein gleichförmiger Druck auf das Muster des Elektrodenmateriales ausgeübt wird, indem Druck über eine viskoplastische Schicht (23) ausgeübt wird, die zwischen dem verformbaren Film und der Schicht aus verformbarem Elektrodenmaterial gelegen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei kleine Teilchen mit hoher Dielektrizitätskonstante oder elektrisch leitendes Material zwischen das Muster aus deformierbarem Elektrodenmaterial und der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die kleinen Teilchen mit hoher Dielektrizitätskonstante oder das elektrisch leitende Material in der Klebeschicht verteilt sind.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die kleinen Teilchen mit hoher Dielektrizitätskonstante oder das elektrisch leitende Material in der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht dispergiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das den Schritt einschließt, das Muster aus deformierbarem Elektrodenmaterial und die Klebeschicht sowie die keramische piezoelektrische Schicht aufzuheizen während das verformbare Elektrodenmaterial gegen die Oberfläche aus keramischem piezoelektrischem Material gepresst wird, um das Klebematerial auszuhärten.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das verformbare Elektrodenmaterial, die Klebeschicht und die keramische piezoelektrische Schicht mit einem Druck von mindestens 500 psi (3447 kPa) gegeneinander gepresst werden, während das Klebematerial aushärtet.
Ein mit Elektroden ausgestatteter piezoelektrischer Wandler, der eine keramische piezoelektrische Schicht (10) mit einer Oberfläche mit körnigen rauen Stellen (12) aufweist, ferner ein Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial (17) mit Bereichen, die verformt werden, um an die Form von Spitzen der körnigen rauen Stellen angepasst zu werden, und eine Klebeschicht (18), die mit den Oberflächen des verformbaren Elektrodenmateriales und der keramischen piezoelektrischen Schicht in Bereichen zwischen den Spitzen der körnigen rauen Stellen verbunden ist.
Wandler nach Anspruch 20, der ferner eine verformbare Filmschicht (16) mit einer Oberfläche aufweist, auf der das Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial befestigt ist.
Wandler nach Anspruch 21, wobei die verformbare Filmschicht (30) eine Dimension aufweist, die größer als eine korrespondierende Dimension der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht (10) ist und ein Muster aus Leitungen (35) aufweist, die auf der Oberfläche der verformbaren Filmschicht befestigt sind und über die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht hinaus reichen, um Elektroden (31) in dem Muster aus verformbarem Material mit einer Treiberkomponente zu verbinden, die entfernt von der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht gelegen ist.
Wandler nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht Makrovariationen mit Dimensionen aufweist, die größer als diejenigen der körnigen rauen Stellen (12) sind, und wobei die verformbare Filmschicht verformt wird, um an die Makrovariationen in der Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht angepasst zu werden.
Wandler nach Anspruch 20, der eine Schicht aus viskoplastischem Material (23) aufweist, die an dem Muster aus verformbarem Elektrodenmaterial anliegt.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 24, wobei die keramische piezoelektrische Schicht eine Schicht aus Bleizirkoniumtitanat aufweist und die körnigen rauen Stellen (12) der Oberfläche eine Höhe und einen Abstand voneinander im Bereich von etwa 1 μm bis 10 μm haben.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 25, wobei die Oberfläche der keramischen piezoelektrischen Schicht Makrovariationen (13, 14) mit Höhenunterschieden in einem Bereich von etwa 10 μm bis etwa 100 μm und einen Abstand voneinander in einem Bereich von etwa 100 μm bis etwa 1000 μm aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei das verformbare Elektrodenmaterial (17) eine Dicke im Bereich von etwa 0,1 μm bis etwa 20 μm aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei das verformbare Elektrodenmaterial (17) eine Dicke im Bereich von etwa 1 μm bis 10 μm aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 26, wobei das verformbare Elektrodenmaterial (17) eine Dicke im Bereich von etwa 2 μm bis etwa 5 μm aufweist.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 29, wobei das verformbare Elektrodenmaterial geglühtes Kupfer ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 29, wobei das verformbare Elektrodenmaterial Blattgold ist.
Wandler nach einem der Ansprüche 20 bis 31, wobei die Klebeschicht ein Epoxyharz aufweist.
Tintenstrahldruckkopf mit einem mit Elektroden ausgestatteten piezoelektrischem Wandler gemäß einem der Ansprüche 20 bis 32.