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1. Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein System und Verfahren zum Kompensieren von Variationen in einer
Energieabgabe eines Lasers. Spezieller betrifft die vorliegende
Erfindung ein System und Verfahren zum Anpassen von Maskenabmessungen,
um Variationen in einer Energieabgabe in einem Excimerlaser zu kompensieren,
der beim Ablationsabtragen einer Tintenstrahldüsenplatte verwendet wird.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Excimerlaser werden aufgrund ihrer
Hochenergieabgabe und Präzision
weitverbreitet in der Industrie verwendet, um sehr kleine Strukturen
in Objekten zu bilden. Häufig
wird beim Laserablationsprozess eine Maske verwendet, so dass der
Laser sehr komplizierte Strukturen durch Ablation abtragen kann.
Excimerlaser haben auch bei der Herstellung von Tintenstrahldüsenplatten
eine Verwendung gefunden. Bei Herstellung einer Düsenplatte
für einen Tintenstrahldrucker
ist es notwendig, präzise
Düsenlöcher, Feuerkammern
und Kanäle
zu bilden. Die Qualität
des endgültigen
Druckens wird direkt durch die Präzision des Ablationsabtragens
der Düsenplatte
durch den Excimerlaser beeinflusst.
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In den letzten Jahren haben Benutzer
von Farbtintenstrahldruckern signifikante Verbesserungen in der
Auflösung
von Bildern, die durch diese Drucker erzeugt werden, erlebt. Im
Augenblick ist eine nahezu fotografische Bildqualität möglich, indem
man Viertinten-Farbtintenstrahldrucker verwendet. Diese Hochauflösungsfarbbilder
sind zum Teil aufgrund des Vermögens
möglich,
600 oder mehr Punkte pro Inch ("dpi") zu drucken. Um
600 dpi zu erzielen, muss der Druckkopf eine Düsenkonzentration von 600 Düsenöffnungen
pro Inch aufweisen, da eine einzige Düse verwendet wird, um einen
einzelnen Tropfen von Tinte auf dem Druckmedium zu erzeugen. Bei
dieser Düsenkonzentration
müssen
die Düsendurchmesser
von der Grö ßenordnung
von 16 Mikrometern im Durchmesser sein.
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Um Düsenöffnungen von diesem Durchmesser
zu erzeugen, sind verschiedene Typen von Lasern zur Erzeugung der
Düsenöffnungen,
Feuerkammern und Tintenkanäle
erfolgreich verwendet worden, wie im Stand der Technik offenbart,
der unten erörtert
wird.
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Das US-Patent Nr. 5,305,015 an Schantz
et al. offenbart einen Tintenstrahldruckkopf, der aus flexiblem
Band auf Polymergrundlage hergestellt ist, das durch Laser abgetragen
ist, um Tintenstrahlöffnungen,
Verdampfungskanäle
und Tintenkanäle
zu bilden. Eine Maske wird im Ablationsabtragprozess verwendet,
um die Merkmale zu erzeugen, die im Druckkopf erforderlich sind.
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Das US-Patent Nr. 5,378,137 an Asakawa
et al. offenbart ein Verwenden einer Maske mit undurchlässigen Punkten,
die sich um den Rand von Löchern in
der Maske befinden, so dass, wenn ein YAG- oder Excimerlaserstrahl
durch ein Loch der Maske geführt wird,
die Energieintensität
des Laserstrahls an den Rändern
des Lochs reduziert ist. Indem man ermöglicht, dass die volle Energie
des Lasers das Werkstück
in der Mitte des Lochs trifft und sich nur ein Teil von Energie
durch die Ränder
ausbreitet, kann ein modifiziertes konisch verlaufendes Loch in
dem Arbeitsstück
erzeugt werden. Unter Verwendung der Offenbarungen dieses Patents
kann der Winkel eines konischen Verlaufs von Löchern in Strukturen angepasst
werden.
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Das US-Patent Nr. 4,786,358 an Yamazaki
at al. offenbart ein verbessertes Verfahren zum Bilden eines Musters
auf einem Substrat, das mit einem Film überzogen ist. Das Substrat
wird mit einem Laserstrahl bestrahlt, der durch eine Maske geformt
ist, und ein Teil des Films wird durch die Energie des Laserstrahls
entfernt, um das gewünschte
Muster zu erzeugen.
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Das US-Patent Nr. 4,108,659 an Dini
offenbart einen Prozess zum Gravieren von Druckoberflächen mit
unnmodulierten Energiestrahlen, indem eine Maske von variablem Reflexionsvermögen zwischen
der Energiestrahlenquelle und der Druckoberfläche eingefügt wird. Das örtliche
Reflexionsvermögen
der Maske variiert in Übereinstimmung
mit der Farbtongradation des zu druckenden Originals und kann durch
herkömmliche
fotografische Techniken direkt auf der Oberfläche oder auf einem Substratträger gebildet
sein, durch den der Energiestrahl hindurchtritt.
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Jedoch ist aufgrund von Anomalien
beim Herstellen von Linsen und dem Lichtabgabesystem, das im Lasersystem
verwendet wird, die Energieabgabe nicht überall in der ganzen Breite
und Länge des
Laserstrahls gleichbleibend. Dies führt dazu, dass der Excimerlaser,
der verwendet wird, um die Düsenplatten
durch Ablation abzutragen, eine charakteristische Energieverteilung
entlang dem Strahlprofil aufweist, die Variationen in Austrittslochdurchmessern
und Variationen in einer durch Rblation abgetragenen Tiefe vom Ende
zur Mitte des Stahls erzeugt. Bei solchen Anomalien sind erzeugte
Düsenlöcher in
einem Teil der Düsenplatte
größer und
in anderen Teilen kleiner. Auch variieren andere Merkmale der Düsenplatte
und des Druckkopfs, wie z. B. Feuerkammerabmessung und Kanaltiefe.
Folglich würde die
Druckqualität
aufgrund der Variation in der Merkmalabmessung nachteilig beeinflusst
werden.
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Außerdem beeinflussen Variationen
in den Düsen-
und Druckkopfmerkmalen weiter die Leistungsfähigkeit des Tintenstrahldruckers.
Wenn Düsen-
und Kanalabmessungen variieren, variiert z. B. auch die Wiederbefüllungszeit
für die
Feuer(Verdampfer)kammer, was den Konstrukteur des Tintenstrahldruckers
zwingt, die Druckgeschwindigkeit zu verlangsamen, um sicherzustellen,
dass sämtliche Feuerkammern
gefüllt
sein können,
bevor sie wieder gefeuert werden. Weiter weisen Variationen in den Düsen- und
Druckkopfmerkmalen einen direkten Einfluss auf die Tropfenmasse
von Tinte, die auf dem Druckmedium abgelagert wird, und die Geschwindigkeit,
mit der die Tinte abgelagert wird, auf. Wiederum beeinflussen sowohl
die Tropfenmasse als auch die Geschwindigkeit direkt die Bildqualität, die vom
Benutzer wahrgenommen wird.
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Deshalb wird ein System und ein Verfahren benötigt, die
die Anomalien in einer Energieabgabe für ein Lasersystem kompensieren
können,
so dass überall
in einem Werkstück
gleichförmige
Strukturen erzeugt werden können.
Der Bedarf an reproduzierbaren Strukturen in Düsenplatten und Druckköpfen wird
selbst kritischer, wenn Strukturen in der Zukunft kleiner werden,
um noch größere Auflösungen von 1200
oder 2400 dpi zu erzielen. Bei diesen hohen Auflösungen ruft eine Variation
von ein bis zwei Mikrometern im Düsendurchmesser eine Variation
von 25% oder mehr in Strukturabmessungen der Düsenplatte hervor und erzeugt
Variationen in einer Druckqualität,
die von einem Benutzer nachweisbar sein würde.
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Die
US
5,319,183 betrifft ein Bilden von Mustern auf Leiterplatten
unter Verwendung eines Lasers und einer Maske. Bei der beschriebenen
Schneidprozedur wird die Leiterplatte durch einen Laser bestrahlt,
der durch eine Maske gerichtet ist, die angepasst ist, um dem gewünschten
Muster zu entsprechen, das zu schneiden ist.
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Die
JP
07100685 und
JP 4187392 betreffen auch
Laserschneid- oder
-ablationssysteme, die Masken mit Aperturen von anpassbarer Abmessung verwenden.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung
besteht darin, ein System und ein Verfahren zum Kompensieren der
Anomalien in einer Energieabgabe für eine Lasersystem bereitzustellen,
so dass überall
in einem Werkstück
gleichförmige
Strukturen erzeugt werden können.
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Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden gemäß einem
Aspekt der Erfindung durch ein Verfahren zum Anpassen von Maskenmerkmalabmessungen
erreicht, um Variationen in einer Energieabgabe eines Lasersystems,
das beim Ablationsabtragen eines Werkstücks verwendet wird, zu kompensieren,
umfassend:
Messen der Effekte von Variationen in einer Energieabgabe
des Lasersystems an einer Mehrzahl von Punkten in einem kohärenten Lichtstrahl,
der durch das Lasersystem erzeugt wird; und
Kompensieren der
Effekte von Variationen in der Energieabgabe zwischen der Mehrzahl
von Punkten in dem kohärenten
Lichtstrahl, indem eine Mehrzahl von Maskenmerkmalabmessungen angepasst
wird, die der Mehrzahl von Punkten in dem kohärenten Lichtstrahl entsprechen.
Dieses Verfahren kompensiert die Effekte von Variationen in der
Energieabgabe zwischen einer Mehrzahl von Punkten in einem kohärenten Lichtstrahl,
indem eine Mehrzahl der Maskenmerkmalabmessungen angepasst wird,
die der Mehrzahl von Punkten in dem kohärenten Lichtstrahl entsprechen.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung entsprechen die Punkte in dem kohärenten Lichtstrahl mehreren
Düsenlöchern in
einer Düsenplatte.
Auch werden die Effekte von Variationen in einer Energieabgabe des
Lasersystems indirekt bestimmt, indem der Durchmesser einer Probenahme
der Düsenlöcher in
einer Düsenplatte
gemessen wird. Weiter sind die Maskenabmessungen Maskenlöcherdurchmesser.
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Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden auch gemäß einem
anderen Aspekt durch ein Lasersystem zum Ablationsabtragen eines Werkstücks erreicht,
umfassend:
einen Laser, der messbare Inkonsistenzen aufweist, die
durch Variationen in einer Energieabgabe in einem kohärenten Lichtstrahl
hervorgerufen werden, die an einer Mehrzahl von Punkten des kohärenten Lichtstrahls
erzeugt werden;
Einrichtungen zum Messen der Effekte von Variationen
in einer Energieabgabe des Lasers an der Mehrzahl von Punkten; und
eine
Maske mit einer Mehrzahl von Öffnungen,
bei der eine Öffnungsabmessung
der Mehrzahl von Öffnungen
angepasst ist, um die gemessenen Effekte von Variationen in der
Energieabgabe des kohärenten
Lichtstrahls an einem entsprechenden Punkt der Mehrzahl von gemessenen
Punkten in dem kohärenten
Lichtstrahlstrahllaser zu kompensieren.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird bestimmt, dass eine Varianz zwischen den Durchmessern
der Düsenlöcher und
einem gewünschten
Durchmesser vorhanden ist, indem zufällige Variationen in den gemessenen
Durchmessern für
die gemessenen Düsenlöcher beseitigt werden.
Auch wird die Varianz durch Anpassen einer Kurve an die gemessenen
Durchmesser bestimmt.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung wird das Anpassen einer Kurve an die gemessenen Durchmesser
ausgeführt,
indem ein Fehlerquadratkurvenanpassungsalgorithmus verwendet wird,
um die beste Anpassung für
die Kurve zu bestimmen, und indem zwischen der Probenahme von Durchmessern
für Düsenlöcher interpoliert
wird.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung erzeugt das Verfahren zum Anpassen von Maskenmerkmalabmessungen
auch eine Maske mit Maskenlöchern,
die angepasst sind, um Variationen in einer Energieabgabe des Laserstrahls
zu kompensieren. Weiter trägt
das Verfahren mehrere Düsenplatten
durch Ablation ab, indem die Maske verwendet wird, und bestimmt,
ob die Düsenplatten
zur Verwendung in einem Druckerkopf geeignet sind.
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Ziele und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden gemäß Ausführungsformen
durch ein Verfahren erreicht, das beginnt, indem eine Maske mit
mehreren Maskenlöchern
erzeugt wird, wobei die mehreren Maskenlöcher einen bekannten Durchmesser
aufweisen. Es trägt
dann die Düsenplatte durch
Ablation ab, um mehrere Düsenlöcher zu
erzeugen, indem ein Laserstrahl durch die Maske unter Verwendung
des Lasersystems hindurchgeschickt wird. Weiter misst das Verfahren
den Durchmesser einer Probenahme der Düsenlöcher. Diese Probenahme der
Düsenlöcher ist überall in
der Düsenplatte gleichförmig verteilt.
Die gemessenen Durchmesser der probenartig entnommenen Düsenlöcher werden grafisch
aufgetragen. Ein Unterschied zwischen der Probenahme von Durchmessern
der probenartig entnommenen Düsenlöcher wird
bestimmt. Eine Kurve wird an die grafische Darstellung angepasst,
die die Probenahme von Durchmessern darstellt. Dann wird eine Anpassung
bei den Maskenlöchern
bestimmt, um den Unterschied in der Probenahme von Durchmessern
der probenartig entnommenen mehreren Düsenlöcher zu kompensieren. Schließlich wird
auf Grundlage der Anpassung bei den Maskenlöchern eine kompensierte Maske
erzeugt.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung trägt
das Verfahren zum Anpassen von Maskenmerkmalabmessungen auch mehrere Düsenplatten
durch Ablation ab, um Düsenlöcher in jeder
Düsenplatte
zu erzeugen, indem ein Laserstrahl durch die kompensierte Maske
unter Verwendung des Lasersystems hindurchgeschickt wird. Es bestimmt
auch, dass die Düsenlöcher jeweils
einen Durchmesser aufweisen, der innerhalb einer vorbestimmten Toleranz
liegt, und verwendet die kompensierte Maske, um Düsenplatten
zur Montage in Druckerköpfen
zu erzeugen.
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Weitere Ausführungsformen der Erfindung stellen
ein Verfahren zum Anpassen von Maskenmerkmalabmessungen dar, das
beim Ablationsabtragen einer Düsenplatte
verwendet wird, um die Leistungskennwerte eines Tintenstrahldruckers
zu ändern.
Dieses Verfahren beginnt, indem eine erste Maske angepasst wird,
um mehrere Maskenmerkmale von Interesse zu ändern, um das Betriebsverhalten
eines Tintenstrahldruckers zu verbessern. Es trägt dann mehrere Düsenplatten
unter Verwendung eines Lasersystems mit der ersten Maske durch Ablation
ab. Das Verfahren schreitet dann fort, um mehrere Druckerköpfe unter
Verwendung der Düsenplatten
zu montieren. Tests bei den Druckerköpfen werden ausgeführt. Die
optimalen Maskenmerkmale werden bestimmt, die eine Verbesserung
des Betriebsverhaltens des Tintenstrahldruckers erzielen. Eine zweite
Maske wird angepasst, um nur die optimalen Maskenmerkmale zu inkorporieren.
Schließlich
werden mehrere Düsenplatten
unter Verwendung des Lasersystems und der zweiten Maske durch Ablation
abgetragen. Die Düsenplatten
werden in Druckerköpfen
installiert und in Tintenstrahldruckern verwendet.
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Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung passt das Verfahren zum Anpassen von Maskenmerkmalabmessungen
auch die zweite Maske für
Variationen in den Effekten einer Energieabgabe des Lasers an.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Ziele und Vorteile
der Erfindung werden für
die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung
mit den begleitenden Zeichnungen augenscheinlich und leichter ersichtlich.
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1 ist
eine schematische Darstellung der Hardwarekonfiguration des Lasersystems,
das verwendet wird, um eine Düsenplatte
durch Ablation abzutragen, gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine zweidimensionale grafische Darstellung, die gemessene Düsendurchmesserabmessungen
gegen Düsennummern
einer einzigen Düsenreihe
in einer Düsenplatte
darstellt, die unter Verwendung einer Maske mit einer gleichförmigen Maskenlochabmessung
erzeugt ist, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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3 ist
eine zweidimensionale grafische Darstellung, die gemessene Düsendurchmesserabmessungen
gegen Düsennummern
einer einzigen Düsenreihe
in einer Düsenplatte
darstellt, die unter Verwendung einer Maske mit kompensierten Lochabmessungen
für alle
Düsen erzeugt
ist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens, das gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um eine kompensierte Maske
zu erzeugen, die Variationen in den Düsendurchmessern, die in 2 dargestellt sind, kompensiert.
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5 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens, das gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um eine kompensierte Maske
zu erzeugen, die Merkmalabmessungen in einer Düsenplatte und Druckkopf kompensiert.
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6A ist
eine schematische Darstellung einer Maske ohne jegliche Kompensation
von Energieabgabevariationen des Lasersystems, das in 1 dargestellt ist, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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6B ist
eine schematische Darstellung einer Düsenplatte, die unter Verwendung
der Maske, die in 6A dargestellt
ist, erzeugt ist, die nicht für Energieabgabevariationen
des Lasersystems, das in 1 dargestellt
ist, kompensiert ist, gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 7A ist
eine schematische Darstellung einer Maske, die für Energieabgabevariationen
des Lasersystems, das in 1 dargestellt
ist, unter Verwendung des Verfahrens, das in 4 dargestellt ist, angepasst worden ist,
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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7B ist
eine schematische Darstellung einer Düsenplatte, die unter Verwendung
der Maske, die in 7A dargestellt
ist, erzeugt ist, die angepasst worden ist, um Energieabgabevariationen
des Lasersystems, das in 1 dargestellt
ist, zu kompensieren, gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Es wird in nun in Einzelheit auf
die bevorzugten Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung Bezug genommen, von denen Beispiele in
den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind, wobei sich überall gleiche
Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen.
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1 ist
eine schematische Darstellung der Hardwarekonfi guration des Lasersystems,
das eine Maske 60 umfasst, gemäß einer Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung. Ein Excimerlaser 10 erzeugt einen
kohärenten
Lichtstrahl, der sich ein Teleskop 20 hinab ausbreitet.
In dem Teleskop 20 gibt es zwei Linsen (nicht dargestellt),
die die Form und den Fokus des kohärenten Lichtstrahls ändern. Dieser kohärente Lichtstrahl
wird dann in einzelne Lichtstrahlen expandiert und dann durch einen
Homogenisierer 30 wieder vereinigt. Der kohärente Lichtstrahl wird
dann weiter durch eine Kondensorlinse 40 und eine Feldlinse 50 fokussiert
und auf eine Maske 60 und durch sie hindurch gerichtet.
Die Maske 60 ist aus einem transparenten Material hergestellt,
wie z. B. Quarz (nicht dargestellt), und auf einer Seite mit einem
lichtreflektierenden Material überzogen,
wie z. B. Chrom oder eine dielektrische Lage (nicht dargestellt).
Mindestens eine Reihe von Löchern
(nicht dargestellt) ist in dem reflektierenden Überzug der Maske 60 erzeugt.
Wie später
erörtert
wird, werden die Löcher
in dem reflektierenden Überzug
angepasst, um Energievariationen im Excimerlaser 10 zu
kompensieren. Das durch den Laser 10 emittierte kohärente Licht
tritt durch die Löcher
im reflektierenden Material der Maske 60 hindurch. Dieses
kohärente Licht
wird dann um einen Faktor von fünfmal
durch eine Reduktionslinse 70 reduziert. Wie für einen
normalen Fachmann ersichtlich, kann der Betrag einer Reduktion durch
die Reduktionslinse 70 abhängig von den Abmessungen von
gewünschten
Merkmalen und der verfügbaren
Qualität
der Linsen variieren. Der kohärente
Lichtstrahl trägt
dann eine Düsenplatte 80 durch
Ablation ab und erzeugt Strukturen der gewünschten Abmessung und Form.
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2 ist
eine zweidimensionale grafische Darstellung, die gemessene Düsendurchmesserabmessungen
gegen Düsennummern
einer einzelnen Düsenreihe
in einer Düsenplatte 80,
die unter Verwendung einer Maske 60 mit einer gleichförmigen Lochabmessung
erzeugt ist, für
probenartig entnommene Düsen
darstellt. Ein Beispiel für
eine Maske 60 (die auch als Standard- oder unkompensierte
Maske bezeichnet wird) mit gleichförmigen Löchern 300, 310 und 320 ist
für veranschaulichende
Zwecke in 6A dargestellt.
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Es sollte bei 2 angemerkt werden, dass der Durchmesser
der durch die unkompensierte Maske erzeugten Düsenlöcher von 16,3 Mikrometern bis
17 Mikrometern variiert. Ein Beispiel für die Düsenplatte 80 mit Düsenlöchern von
variablen Abmessungen 330, 340 und 350,
die unter Verwendung der unkompensierten Maske, die in 6A dargestellt ist, durch
Ablation abgetragen ist, ist für
veranschaulichende Zwecke in 6B dargestellt.
Es sollte weiter angemerkt werden, dass eine Messung des Durchmessers
der Düsenlöcher von
variablen Abmessungen 330, 340 und 350 in 6B, und wie in 2 grafisch dargestellt,
auch als ein indirektes Verfahren zur Messung des Effekts von Energievariationen
im Lasersystem, das verwendet wird, um die Düsenlöcher zu erzeugen, dient. Dies
ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass,
je größer die
Energieabgabe des Lasersystems ist, desto mehr Material wird durch
Ablation abgetragen und deshalb desto größer der Durchmesser der Löcher und
um so weniger Merkmalkonizität
wird erzeugt. Jedoch kann, wie für
einen normalen Fachmann ersichtlich ist, ein beliebiges Verfahren
zum direkten Messen der Energieabgabe oder des Effekts der Energieabgabe
an verschiedenen Punkten im kohärenten
Lichtstrahl verwendet werden. Ein solches Verfahren zum Messen der
Energieabgabe des Lasersystems würde
einfach ein im Handel erhältliches
Standard-Laserleistungsmessgerät
verwenden, obwohl dies für
sehr kleine Gebiete schwierig sein kann. Deshalb ist es viel leichter
und einfacher, die sich ergebenden durch Ablation abgetragenen Merkmale
zu messen und entsprechend zu kompensieren.
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Wie in 2 dargestellt,
sind die Düsennummern 0–30 und 150–170 signifikant
größer als
die Düsennummern 50 bis 120.
Dies wird weiter in 6B veranschaulicht,
in der die Düsenplattenlöcher von variablen
Abmessungen 330 und 350 signifikant größer sind
als die Düsenplattenlöcher von
variablen Abmessungen 340. Ein einziger kohärenter Lichtstrahl, der
rechteckförmig
ist, mit Abmessungen von etwa 6 mm mal 70 mm, wird verwendet, um
die Düsenplatte 80 durch
Rblation abzutragen. Die Düsennummern 0–30 und 150–170 entsprechen
entgegengesetzten Enden des Rechtecks, das durch den kohärenten Lichtstrahl
durch Ablation abgetragen ist, während Düsennummern 50–120 dem
mittleren Teil des Rechtecks entsprechen. Wie man aus 2 entnehmen kann, ist die
Energieabgabe des Lasersystems an den Enden des Rechtecks verglichen
mit der Mitte größer und
führt zu
Variationen in den Durchmessern von Düsenlöchern von variablen Abmessungen 330, 340 und 350,
die in 6B dargestellt
sind.
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Zwecks Einfachheit haben bisher in
unserer Erörterung
die Maske 60 und die Düsenplatte 80 nur eine
einzige Reihe von Düsenlöchern enthalten.
Jedoch sind in der typischen Tintenstrahldruckkopfdüsenplatte
mindestens zwei und häufig
mehr Reihen von Düsenlöchern vorhanden.
Wo eine Mehrzahl von Reihen von Düsenlöchern gleichzeitig durch Ablation abzutragen
sind, müssen
Variationen in Durchmesserabmessungen von Düsenlöchern von einer Reihe zu einer
anderen Reihe in Erwägung
gezogen werden. Wie für
einen normalen Fachmann ersichtlich ist, können ähnliche Variationen entlang
der Breite eines rechteckigen kohärenten Lichtstrahls sowie der Länge erwartet
werden, wie oben erörtert.
Jedoch kann, wie für
einen normalen Fachmann ersichtlich ist, das Verfahren zum Korrigieren
dieser Variationen in einer Energieabgabe, das in den Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindungen erörtert
ist, für eine
beliebige Anzahl von Reihen von Düsenlöchern verwendet werden. Das
verwendete Verfahren gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Kompensation von Variationen in Düsenlöchern wird
unten erörtert.
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Bevorzugte Ausführungsform
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4 ist
ein Flussdiagramm des Verfahrens, das gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um eine Maske 60 zu
erzeugen, die die Variationen im Düsendurchmesser kompensiert,
die in 2 und 6B dargestellt sind.
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Wie in Schritt S100 von 4 angegeben, ist das Lasersystem
zum Abtragen der Düsenplatte 80 durch
Ablation unter der Voraussetzung eingerichtet, dass keine Anpassung
an der Maske 60 notwendig ist, um Variationen in der Leistungsabgabe
des Lasersystems zu kompensieren. Diese Einrichtprozedur umfasst
ein Bestimmen der Laser 10-Leistungseinstellungen und -Impulsfolgegeschwindigkeit,
die notwendig sind, um die gewünschte
Menge an Material von der Düsenplatte 80 durch
Ablation abzutragen.
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Wie in Schritt S110 von 4 angegeben, wird die Düsenplatte 80 dann
unter Verwendung der Leistungseinstellungen und Impulsfolgegeschwindigkeit,
die in Schritt 5100 bestimmt sind, durch Ablation abgetragen. Die
Maske 60, die verwendet wird, ist eine Standardmaske mit
keiner Kompensation in Merkmalabmessungen für Variationen in der Leistungsabgabe.
Jedoch kann eine Maske 60, in der ausgewählte Merkmale
kompensiert worden sind, auch verwendet werden. Mehrere Düsenplatten 80 oder
Testteile werden in einer Menge durch Ablation abgetragen, die ausreicht,
um eine statistisch signifikante Probe zu liefern.
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In der folgenden Beschreibung werden zwecks
Einfachheit und Klarheit nur gleichförmige Düsenlöcher und -merkmale erwähnt. Jedoch
können,
wie für
einen Fachmann ersichtlich ist, jegliche Merkmale, die unter Verwendung
einer Maske durch Ablation abgetragen werden können, verwendet und kompensiert
werden, gemäß anderen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung.
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Wie in 6A dargestellt,
sind gleichförmige Maskenlöcher 300, 310 und 320 wiedergegeben,
die dieselbe Durchmesseröffnung
in der Maske 60 aufweisen, wie in Schritt 5110 von 4 erforderlich. Einmal durch
Ablation abgetragen, ist die sich ergebende Düsenplatte 80 in 6B dargestellt. Es sollte angemerkt
werden, dass Düsenlöcher von
variablen Abmessungen 330 und 350 signifikant
größer sind als
Düsenlöcher von
variablen Abmessungen 340. Dies ist mit den Daten, die
in 2 dargestellt sind, konsistent,
bei denen die Düsenlöcher in
der Mitte des durch Ablation abgetragenen Bereichs kleiner sind
als diejenigen der Ränder.
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Wie in Schritt S120 von 4 angegeben, werden die
Merkmale von Interesse für
jede Düsenplatte 80 oder
Teststück
dann gemessen und erfasst. Im Fall der Düsenplatte 80 braucht
nicht jede einzelne Düse
gemessen zu werden, da die typische Düsenplatte hunderte von Düsen enthalten
kann. Für
einen normalen Fachmann ist es ersichtlich, dass nur eine statistisch
signifikante Anzahl der Merkmale von Interesse (Düsenlochdurchmesser)
gemessen zu werden braucht und dass diese Messungen überall im
gesamten Bereich, der durch Ablation abgetragen ist, gleichmäßig verteilt
sein sollten.
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Wie in Schritt S130 von 4 angegeben, wird eine Bestimmung
im Hinblick auf die Anpassung der Merkmalabmessungen von Interesse
vorgenommen, und zwar auf Grundlage der gemessenen Merkmale, die
in Schritt S120 von 4 erfasst
sind. Dies wird durch Bestimmen der Varianz oder Differenz zwischen
den gemessenen Merkmalabmessungen und einer gewünschten Merkmalabmessung erzielt. Jedoch
ist es zuerst notwendig, zufällige
Variationen (Rauschen) in den Daten für jede Düsennummer, die gemessen ist,
zu beseitigen. Dies kann erreicht werden, indem einer oder mehrere
von mehreren mathematischen und statistischen Algorithmen verwendet werden,
umfassend: Mittelwertbildung; lineare Modellierung; Polynome n-ter
Ordnung; quadratische Modellierung; und nichtlineare Modellierung.
Ein quadratisches Modellierungsverfahren würde solche Techniken umfassen
wie eine Fehlerquadratkurvenanpassung zweiter Ordnung. In der bevorzugten Ausführungsform
wird quadratische Modellierung aufgrund eines überlegenen Vermögens, Ausreißer zu beseitigen,
und ihrer Nützlichkeit
beim Interpolieren zwischen gemessenen Punkten bevorzugt. Jedoch
weist das quadratische Modellierungsverfahren den Nachteil auf,
wesentlich mehr durch Ablation abgetragene Testteile und signifikant
mehr vorgenommene Messungen zu erfordern.
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Sobald die zufälligen Variationen (Rauschen)
in den Messdaten beseitigt sind und ein einziger Satz von Daten
für jedes
gemessene Merkmal bestimmt ist, können die sich ergebenden Daten
aufgetragen werden, wie in 2 dargestellt.
Sobald sie aufgetragen sind, kann ein normaler Fachmann nach seinem
Ermessen bestimmen, Segmente der Daten separat zu behandeln und
eine Kurve an jedes Segment anzupassen.
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Im Fall der in 2 dargestellten Daten könnte keine
einzelne Gleichung leicht bestimmt werden, die die gemessenen Durchmesserdaten
für Düsennummern 0–160 anpasst.
Jedoch, indem man die Daten in drei Segmente einteilt und eine Kurve
durch jedes Segment anpasst, wird eine einfachere algebraische Gleichung
möglich,
die jedes Segment genau repräsentiert.
Z. B. könnte
im Fall von 2 das erste
Liniensegment Messungen für
Düsennummern 0–40 enthalten,
das zweite Liniensegment könnte Düsennummern 41–110 enthalten,
und das dritte Liniensegment Düsennummern 111–160.
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Sobald die Kurven, die Segmente der
gemessenen Düsenlöcher repräsentieren,
bestimmt sind, werden diese algebraischen Gleichungen verwendet,
um die Anpassung an die gemessenen Merkmale (Düsendurchmesser) für das gegebene Segment
zu bestimmen. Z. B., wenn das Ziel für alle Düsendurchmesser darin besteht,
16,5 Mikrometer zu betragen, würde
die algebraische Gleichung für das
Segment, das Düsennummern 0–40 repräsentiert,
die Düsennummer 1 und
nahe dabei gelegene Düsennummern
um etwa 0,5 Mikrometer reduzieren. Da die Reduktionslinse 70 den
kohärenten
Lichtstrahl, der von der Maske 60 emittiert wird, um einen Faktor
fünf reduziert,
würde der
Durchmesser der Maskenlöcher
in der Nähe
der Düsennummer 1 in der
Maske 60 um 2,5 Mikrometer reduziert werden, um das gewünschte Ergebnis
zu erzielen.
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Wie in Schritt S140 von 4 angegeben, wird eine Maske 60 mit
angepassten Düsenabmessungen
auf Grundlage der angepassten Merkmale erzeugt, die in Schritt 5130
bestimmt sind. Die sieh ergebende Maske 60 ist in 7A veranschaulicht. Es sollte
angemerkt werden, dass variable Maskenlöcher 400 und 420 kleiner
sind als variable Maskenlöcher 410.
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Wie in Schritt S150 von 4 angegeben, wird die Düsenplatte 80 unter
Verwendung der Maske 60 mit den angepassten variablen Maskenlöchern 400, 410 und 420,
wie in 7A dargestellt,
durch Ablation abgetragen. Die sich ergebende Düsenplatte 80 ist in 7B wiedergegeben. Es sollte
angemerkt werden, dass die sich ergebenden gleichförmigen Düsenlöcher 430, 440 und 450 in 7B von etwa gleichem Durchmesser
sind. Messungen einer Probenahme von Düsenlöchern in der Düsenplatte 80 werden
dann auf eine ähnliche
Weise vorgenommen, wie diejenige, die in Schritt S120 von 4 ausgeführt wird. Eine statistisch
signifikante Probenahme von mehreren durch Ablation abgetragenen Düsenplatten 80 wird
ausgeführt,
und ein einziger Mittelwert für
jede Düsenlochnummer
wird bestimmt, wie es in Schritt S120 von 4 ausgeführt wurde.
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Die sich ergebenden Messungen für die Düsendurchmesser
gegen Düsennummer
werden grafisch aufgetragen, wie in 3 dargestellt.
Es sollte bei 3 angemerkt
werden, dass der Unterschied zwischen Düsendurchmessern signifikant
reduziert ist.
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Wie in Schritt S160 von 4 angegeben, wird eine Bestimmung
vorgenommen, ob die Düsenplatte 80,
die unter Verwendung der Maske 60 mit variablen Maskenlöchern 400, 410 und 420 (dargestellt in 7A) erzeugt ist, gleichförmige Düsenlöcher 430, 440 und 450 (dargestellt
in 7B) aufweist, die innerhalb
einer vorbestimmten Toleranz liegen. Wenn die sich ergebenden gleichförmigen Düsenlöcher 430, 440 und 450 der
vorbestimmten Toleranz nicht entsprechen, dann werden die Schritte
S140 bis S160 wiederholt. Sonst wird die Maske 60 als geeignet
zur Erzeugung von guten Teilen beurteilt und kann in einer Produktionseinstellung
verwendet werden, wie in Schritt S170 von 4 angegeben.
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Alternative Ausführungsform
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Bis zu diesem Punkt in der Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsform
für die
vorliegende Erfindung sind nur Anpassungen an Düsenlochdurchmessern erörtert worden.
Jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf nur die Erzeugung
von Düsen
mit gleichförmigen
Düsenlochdurchmessern
begrenzt. Es gibt eine Anzahl von Einzelgrößen, die in der Maske angepasst
werden können,
um Variationen in der Energieabgabe eines Lasersystems zu kompensieren.
Diese Einzelgrößen umfassen
Variationen in Austrittslochdurchmessern, Linearitätsabstand
und das Potenzial für
eine Strömungsmerkmalkompensation
aufgrund der Variation in durch Ablation abgetragener Tiefe.
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Die Maske 60, die im Excimerlasersystem zur
Ablation von Düsenstrukturen
verwendet wird, ist fünfmal
so groß wie
die gewünschte
Düsenplatte.
Andere Merkmale, wie z. B. Feuer(Verdampfungs)kammern sind auch
fünfmal
so groß in
der Maske im Verhältnis
zu den gewünschten
Anfangsabmessungen. Wenn die Ablationstiefe ansteigt, nimmt die
Abmessung der Merkmale ab, und es wird ein Wandwinkel für das gegebene
Merkmal gebildet. Wandwinkel und Abmessung des Merkmals am Ablationsende
hängen
von durch Ablation abgetragenen Materialien, Impulsenergieniveau,
Fokusposition und Anzahl von Pulsen des verwendeten Lasersystems
ab. Folglich können
Wandwinkel und Ablationstiefe durch Anpassungen an der Maske 60 kompensiert
werden.
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Die Maske 60 kann auch angepasst
sein, um Variationen in einer Positionslinearität zu kompensieren, die durch
optische Verzerrung im Lasersystem hervorgerufen wird. Eine Positionslinearität wird wichtig,
wenn Linienlängen
von Düsen
in der Abmessung ansteigen, was direkt die endgültige ausgeschleuderte Tropfenposition
auf dem Druckmedium beeinflusst.
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Um eine spezielle Variation in der
Anstiegszeit zu kompensieren, die durch Strömungsmerkmaltiefen- und -breitenvariation
hervorgerufen ist, kann die Maske kompensiert werden, um eine geeignete Breite
für die
Variation in tatsächlicher
Tiefe zu ergeben.
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Einfach gesagt, werden Anpassungen
für die inhärente Variabilität vorgenommen,
die durch die Energieverteilung im Laserprofil hervorgerufen ist, um
die reproduzierbarste Düsenstruktur,
die möglich ist,
für die
konstante Leistungsfähigkeit
des Druckkopfs zu erreichen. Obwohl die Erörterung der Variation in Leistung
entlang der langen Achse des Strahls im Mittelpunkt der Erörterung
stand, ist es auch möglich,
Variationen in der Richtung kurzer Achse zu kompensieren, wie früher erörtert.
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Die vorhergehenden Merkmale, die
oben erörtert
wurden, für
Düsenplatten
und Druckköpfe
weisen einen direkten Einfluss auf mehrere kritische Einzelgrößen auf.
Diese Einzelgrößen umfassen
die Masse von Tinte pro Tropfen, die durch eine Düse ausgeschleudert
wird, die Geschwindigkeit, mit der die Tinte aus der Düse ausgeschleudert
wird (Tropfengeschwindigkeit), die Wiederbefüllungsrate der Feuerkammern
und die endgültige
Druckqualität
des Druckers.
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5 ist
ein Flussdiagramm des verwendeten Verfahrens gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zur Erzeugung einer kompensierten Maske,
das Merkmalabmessungen in einer Düsenplatte und Druckkopf anpasst,
um die oben erörterten
gewünschten
Einzelgrößen zu realisieren. In
der Erörterung
von 5 werden Schritte,
die denjenigen von 4 ähnlich sind,
nicht in Einzelheit erörtert.
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Wie in Schritt S200 von 5 angegeben, wird ein Experiment
unter Verwendung der Maske 60 entworfen, um Testteile durch
Ablation abzutragen, bei dem gewisse Druckereigenschaften zu analysieren
sind. Ein Beispiel für
eine solche Eigenschaft ist die Wiederbefüllungsrate von Feuerkammern
und wie die Abmessung und Form der Feuerkammern, Tintenkanäle und Düsen die
Wiederbefüllungsrate und
die Druckergeschwindigkeit beeinflusst. Die Maske 60 wird
dann für
eine beliebige der vorangehenden Eigenschaften oder Kombination
von Eigenschaften angepasst.
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Wie in Schritt S210 von 5 angegeben, werden die
Testteile unter Verwendung der Maske 60 durch Ablation
abgetragen, die gemäß S200 von 5 angepasst ist. Eine statistisch
signifikante Anzahl von Testteilen sollte in diesem Schritt S210
erzeugt werden.
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Wie in Schritt S220 von 5 angegeben, werden die
Testteile in Druckerköpfen
montiert und getestet, um den Einfluss zu bestimmen, den die Anpassungen
auf die Druckerleistungsfähigkeit
aufweisen. Eine ähnliche
statistische Analyse der Daten tritt hier auf, wie sie im Schritt
S130 von 4 auftrat. Weiter
wird bestimmt, welche Merkmaländerungen über die
ganze Breite und Länge
der Düsenplatte 80 den
größten gewünschten
Einfluss auf ein Drucken aufweisen.
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Wie in Schritt S230 von 5 angegeben, wird, sobald
die optimalen gewünschten
Anpassungen in der Maske 60 bestimmt sind, eine Maske 60 erzeugt,
die diese Anpassungen über
die ganze Länge
der Düsenplatte 80 inkorporiert.
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Wie in Schritt S240 von 5 angegeben, werden neue
Teile, wie z. B. die Düsenplatte 80,
unter Verwendung der in Schritt S230 von 5 erzeugten Maske 60 erzeugt.
Die neuen Teile werden dann montiert und getestet, um zu bestimmen,
ob sie wie erwartet funktionieren.
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Wie in Schritt S250 von 5 angegeben, wird die Bestimmung
vorgenommen, ob die erzeugten neuen Teile wie gewünscht funktionieren.
Wenn das neue Teil die Erwartungen erfüllt, dann geht in Schritt S270
von 5 die Maske 60 in
eine Produk tionsverwendung. Wenn die neuen Teile die Erwartungen
nicht erfüllen,
dann wird die Maske 60 in Schritt S260 von 5 wieder angepasst und werden die Schritte
S230 bis S240 wiederholt.
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Obwohl ein paar bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind,
ist es für
Fachleute ersichtlich, dass Änderungen
in diesen Ausführungsformen vorgenommen
werden können,
ohne dass man von der Erfindung abweicht, deren Bereich in den Ansprüchen definiert
ist.