JPH05193143A - マンドレル、オリフィス・プレート及びその製造方法 - Google Patents

マンドレル、オリフィス・プレート及びその製造方法

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JPH05193143A
JPH05193143A JP3348000A JP34800091A JPH05193143A JP H05193143 A JPH05193143 A JP H05193143A JP 3348000 A JP3348000 A JP 3348000A JP 34800091 A JP34800091 A JP 34800091A JP H05193143 A JPH05193143 A JP H05193143A
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conductive
mandrel
pattern
nickel
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Si-Ty Lam
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Abstract

(57)【要約】 【目的】熱インクジェット・プリントヘッドのオリフィ
ス部分の形状等を高い精度・自由度で制御すること。 【構成】磨いたガラス等の基板1上に、オリフィス・プ
レートの外表面の形状に形成された導電体層4を電着等
により設ける。この層4の上に層6を形成する。その
後、層6を層4からはがすことにより、層6をオリフィ
ス・プレートとして使用することができる。層6をはが
しやすくするために、層4の上に酸化物等の層5を設け
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の技術分野】本発明は、一般にインクジェット・
プリンタ用ノズル・プレートに関しており、さらに詳細
にはインクジェット・プリンタ用ノズル・プレートを製
造する際に使用するマンドレル(mandrel) に関してい
る。
【0002】
【従来技術及びその問題点】基板と、中間障壁層と、ノ
ズル・オリフィスの配列を含むノズル・プレートを設
け、各ノズル・オリフィスは基板中の気化室と対をなし
ているプリントヘッドをインクジェット・プリンタ用に
設けることが知られている。また、完全なインクジェッ
ト・プリントヘッドには、これらの気化キャビティを単
一のインク供給リザーバと接続する手段を含む。
【0003】従来の方式では、プリントヘッドの各気化
キャビティの中にヒータ抵抗器が配置されている。一般
に、この抵抗器は薄膜型である。ヒータ抵抗器は、選択
的活性化のために電気回路網に接続される。さらに具体
的に言えば、特定のヒータ抵抗器がパルスを受け取る
と、この抵抗器は電気エネルギーを急速に熱に変換し
て、ヒータ抵抗器のすぐ近くのインク中にインク蒸気気
泡を生成させ、この気泡によりエネルギーを与えられた
ヒータ抵抗器の上のノズル・プレートのオリフィスから
インク小滴が噴射される。したがって、インクジェト・
プリントヘッドのこれらのヒータ抵抗器にエネルギーを
与えるための適切なシーケンスを選択することにより、
噴射されたインク小滴で、用紙または他の適切な記録媒
体上に模様を描かせることができる。
【0004】従来の方式では、インクジェット・プリン
トヘッド用ノズル・プレートは、ニッケルで作られ、リ
ソグラフィー電鋳プロセスにより製造される。適切なリ
ソグラフィー電鋳プロセスの一例はUSP 4,773,971 に記
述されている。このようなプロセスでは、ノズル・プレ
ートのオリフィスは、誘電体の柱状パターンをニッケル
にオーバプレートすることにより形成される。インクジ
ェット・プリントヘッド用ノズル・プレートを形成する
ためのこのような電鋳プロセスには数多くの利点はある
が、幾つかの短所もある。1つの短所は、このプロセス
が、応力とメッキ厚さ、柱径及びオーバプレート比など
のパラメータの微妙な均衡を要求することである。別の
短所は、このような電鋳プロセスでは、ノズル形状及び
サイズについての設計上の選択が本質的に制限されるこ
とである。
【0005】Hewlett-Packard Journal 、1985年5
月号、33−37頁に掲載されたGray L.Siewell他著の
“The ThinkJet Orifice Plate:A Part With Many Func
tions"という論文には、入念に制御されたオーバプレー
ティングによりフォトレジストの柱のまわりにノズルを
形成するという、1つの電鋳ステップにより、オリフィ
ス・プレートを作るプロセスが開示されている。もっと
具体的に言えば、この論文は、以下のことを開示してい
る:(1)ステンレス鋼マンドレルをバリ取り・艶出し
し・清掃し、(2)フォトレジスト層をその表面上に回
転塗布し(spin)て、マニフォールドを設けたい位置に保
護領域を形成するためにパターン化し、(3)露出した
表面を指定深さまで均一にエッチングし、(4)レジス
トを除去した後、このマンドレルを再度艶出し及び清掃
し、(5)フォトレジストの新しい被覆を回転塗布して
パターン化し、障壁及びスタンドオフを画定し、(6)
障壁及びスタンドオフをエッチングする。
【0006】さらに、Siewell 論文は、次のようにして
オリフィス・プレートを作ることができることを開示し
ている。(1)ドライ・フィルム・フォトレジストでス
テンレス鋼マンドレルをラミネートする;(2)オリフ
ィスまたはノズルの所望される箇所に円形パッドまたは
柱を残しておくようにレジストを現像する;(3)障壁
及びスタンドオフを画定するために、ニッケルを用いた
電気メッキをマンドレル中にエッチングされた溝の内部
を含めて、ステンレス鋼の露出部分に施す;(4)マン
ドレルからメッキを剥す。メッキされた金属はステンレ
ス鋼上の酸化物表面にほんの弱く固着させているので、
電気メッキ膜は容易に除去される;(5)ニッケル箔か
らフォトレジストを剥す。この論文に依れば、レジスト
がマンドレル上にあった部分には、ニッケル箔に開口が
ある。さらに、この論文の述べるところによれば、マン
ドレル上に形成れた非常に多くのオリフィス・プレート
を一体のものとして除去して、これをこれらのプレート
にそれぞれ対になっている薄膜基板のアレイに結合さ
せ、個々のプリントヘッドに分割できるようにするブレ
ーク・タブ(break tabs)を含む、各オリフィス・プレー
トの縁を画定するために、レジストが用いられる。
【0007】実際、インクジェット・プリントヘッドの
性能を決める要因の1つにプリントヘッドのノズル構成
がある。インクジェット・プリントヘッド用の高品質ノ
ズル・オリフィス・プレートが作られているが、さらに
高い品質の構成への技術上の要求がある。
【0008】
【発明の目的】本発明の目的はより高品質のオリフィス
・プレートを作成できるようにすることにある。
【0009】
【発明の概要】一般的に言えば、本発明は、インクジェ
ット・オリフィス・プレートなどを製造するためのマン
ドレルを形成するプロセスを提供する。望ましい実施例
では、このプロセスは、基板上に導電層を与えるステッ
プと、この導電層に導電表面パターンを与えるステップ
と、この導電表面のパターンを表面処理して、以後に付
与される電気メッキ膜の付着度を減らすステップが含ま
れる。
【0010】ある特定の実施例では、2番目のステップ
には、導電層をエッチングしてガラス基板上に導電領域
のパターンを形成することを含む。この2番目のステッ
プには、この導電領域上に第2の導電層を電着すること
も含めることができる。この第2の層は、例えば、ニッ
ケルで形成することができる。
【0011】別の特定の実施例では、2番目のステップ
中には、導電層上に、炭化珪素、窒化珪素、酸化珪素な
どの誘電体または別の適切な誘電体を与えて、導電領域
のパターンを定義することを含む。2番目のステップに
は、導電層に第2の導電層を電着して導電表面パターン
を形成することも含めることができる。ここでも、第2
の層をニッケルにすることができる。
【0012】3番目のステップは、導電表面のパターン
を酸化することから構成することが望ましい。例えば、
導電表面のパターンを酸素プラズマ・プロセスに暴露し
たり、またはアルカリ金属の少なくとも1つの水酸化物
を含む熱浴に浸すことができる。水酸化物は水酸化カリ
ウムとすることができる。このようにして、酸化物層を
導電表面のパターン上に与えたり、酸化物及び水酸化物
を含む層を導電表面のパターン上に与えることができ
る。
【0013】実際には、マンドレルは、基板と、基板上
の導電表面パターンと、導電表面パターンに後に与えら
れる電気メッキ膜の付着度を減らすための導電表面のパ
ターン上の取り外し手段を含む。基板はガラス基板とし
てよく、導電表面のパターンはニッケル層から成ってよ
く、取り外し手段には、ニッケル層上のニッケル酸化物
とニッケル水酸化物の少なくとも1つの表面層を設ける
ことができる。導電表面のパターンは、基板上の導電体
のパターン化された層と、この導電体層上のニッケル電
着層により形成することができる。そうする代りに、導
電表面のパターンは、基板上の導電体層と、この導電体
層上の誘電体パターンと、導電体層の露出部分上の電着
ニッケル層により形成することもできる。
【0014】マンドレルは、インクジェット・オリフィ
ス・プレート(ここではノズル・プレートと呼んでい
る)を電鋳するために使用することができる。ノズル・
プレートは、ニッケル・マンドレルの表面上に素材をデ
ポジットする第1のステップを含むプロセスにより作る
ことができ、この表面には、ニッケル、マンドレル上へ
の蒸着素材の付着を減らすために、ニッケル酸化物およ
びニッケル水酸化物膜のうちの少なくとも1つを有して
いる。このプロセスには、デポジットされた素材をニッ
ケル・マンドレルから分離するための第2のステップも
含む。ニッケル・マンドレルは、基板上の導電体のパタ
ーン化された層と、導電体層上の電着ニッケル層から構
成することができる。その代りとして、ニッケル・マン
ドレルは、基板上の導電体層と、導電体層上の誘電体パ
ターンと、導電体層の露出部分上の電着ニッケル層から
構成することもできる。第1のステップでは、デポット
される素材としてニッケルを電着することが望ましい。
【0015】ノズル・プレートは、上述のマンドレルを
使って製造することができる。ノズル・プレートは、第
1及び第2の向き合う表面を有する金属プレートと、少
なくとも1つのノズルを含む。このノズルは、金属プレ
ートの第1の表面にまで延びている入口開口部と、金属
プレートの第2表面に延びている出口開口部により画定
される。このノズルは入口開口部から出口開口部に収集
する内部表面を含み、この内部表面は、入口開口部と出
口開口部を通る軸と平行な方向の距離に伸びている。こ
の距離は、第1及び第2の表面の間の金属プレートの厚
さよりも大きく、それにより三次元ノズル・プレートを
もたらしている。この金属プレートは電着金属層から成
ることができ、ノズルの内部表面は電着層の電鋳表面か
ら成ることができる。この金属層はニッケルから成り、
ノズルの内部表面は円錐台形状の非常に滑らかな先細表
面から成ることができる。
【0016】
【実施例】図1〜図5及び図6〜図10は、三次元ノズ
ル・オリフィス・プレートの異なる製造プロセスを示
す。特に、これらのプロセスにより、熱インクジェット
・プリントヘッドに使用されるオリフィス・プレート製
造のために、比較的純粋な金属または合金を電鋳するこ
とができる。
【0017】図5及び図10は、三次元形ノズル構成の
ノズル・プレートを示す。このノズル・プレートを含む
インクジェット・プリントヘッドの性能は高品質印字を
可能とする。図5及び図10に示すように、ノズルはオ
リフィス表面から突出している。特に、ノズルの出口開
口部は、ノズル・プレートの厚さよりも大きな距離だ
け、ノズルの入口開口部から離れている。ノズル・プレ
ートは電着金属層から成りまたノズルの内部表面は電着
層の電鋳表面から成ることができる。電着層はニッケル
から成り、ノズルの内部表面は円錐台形の非常に滑らか
な先細表面から成ることができる。
【0018】このような三次元ノズル・オリフィス・プ
レート用のマンドレルは、先細オリフィスを有するオリ
フィス・プレートの製造に適した構成のニッケル薄板な
どの薄膜マンドレルであることができる。ニッケル表面
は、電鋳表面として働くニッケルまたはステンレス鋼薄
膜により被覆することができる。マンドレル表面の他の
部分は、フォトレジストまたはメッキ・テープ(plating
tape)などの非導電体で被覆することができる。オリフ
ィス・プレートとしての所望の厚さになるまで電鋳プロ
セスが行われる。電鋳層をマンドレルから分離すると、
三次元ノズル・オリフィス・プレートが得られる。
【0019】第1のタイプのマンドレルについてこれか
ら記述する。図1に示すように、磨かれたガラスなどの
基板1は導電膜層23で被覆される。導電膜層2は、単
一の層でもよいし、あるいは基板1に堅固に結合するク
ロムの第1層およびクロム層上のステンレス鋼の第2層
などの多層とすることもできる。導電膜層2は平面マグ
ネトロン・プロセスなどの真空蒸着プロセスにより生成
することができる。導電膜層2はフォトリソグラフィな
どの適切なプロセスにより形成される。例えば、フォト
レジスト層を導電膜層2の上に設けることができ、フォ
トマスクをフォトレジスト層の上に置くことができ、フ
ォトレジスト層を紫外線に暴露することができる。フォ
トレジスト層を現像して、フォトレジスト層にフォトマ
スク・パターンを得ることができ、マスクされていない
領域をエッチングして、マンドレル上に電鋳されるノズ
ル・プレートに取り込まれる形状をもつパターン化され
た導電膜層2をもたらすことができる。図1に示すよう
に、パターン化された導電層2は、導電層2を貫通して
基板1に至る開口部3を含むことができる。
【0020】第1のタイプのマンドレルにより、ノズル
の出口開口部を基板1に近接して形成するように、ノズ
ル・プレートを電鋳することができる。図2に示す通
り、開口部3が部分的に基板1により画定されるよう
に、導電体層4が導電膜層2の上にデポジットされる。
この層4は、開口部3が基板1の方に向かって収束する
ような;導電層2から伸びるニッケルの電着層から成る
ことが望ましい。この層4は、導電表面のパターン4a
を与える。
【0021】取り外し手段5は導電体層4の上に設けら
れ、導電表面のパターン4a上に引き続いて形成される
電鋳ノズル・プレートの取り外しを容易にする。取り外
し手段5は層4上の酸化膜から成ることが望ましい。酸
化膜5は導電表面のパターン4aを酸化することにより
与えることができる。例えば、酸化膜5を生成するため
に、酸素プラズマ・プロセスを用いることができる。導
電体層4がニッケルで作られる場合、取り外し手段5は
層4上に約10〜100Åの厚さのニッケル酸化物表面
から成るようにすることができる。酸化膜5を生成する
ための別の方法は、アルカリ土類金属の少なくとも1つ
の水酸化物を含む熱浴に層4を浸すことである。例え
ば、熱浴としては、水酸化カリウム(KOH) を80℃に加
熱して、層4を約2時間浸漬することができる。層4を
ニッケルで作る場合、KOH 浴は、導電表面のパターン4a
上に酸化物及び水酸化物を含む層を形成することができ
る。
【0022】取り外し手段5は、導電表面のパターン4
aにその後に与えられる電気メッキ膜まの付着度を減ら
す。例えば、図4に示すように、素材6を層4上にデポ
ジットさせて、取り外し手段5により、図1eに示すよ
うに、ノズル・プレートの形で素材6を容易に分離する
ことができる。ノズル・プレート6はニッケルの電着層
であることが望ましく、入口開口部6aおよび出口開口
部6bを含む。
【0023】第2のタイプのマンドレルについてこれか
ら述べる。図6に示すように、磨かれたガラスなどの基
板7を導電膜層8で被覆する。・導電膜層8は単一層と
してもよいし、あるいは基板7に堅固に結合するクロム
の第1の層及びクロム層上のステンレス鋼の第2の層な
どの多層とすることもできる。導電膜層8は平面マグネ
トロン・プロセスなどの真空蒸着プロセスにより生成す
ることができる。窒化珪素、炭化珪素や他の誘電体の誘
電体層9が導電膜層8の上に与えられる。誘電体層9は
プラズマ強化化学気相デポジション・プロセスなどの適
切なプロセスにより生成することができ、フォトリソグ
ラフィなどの適切なプロセスによりパターン形成され
る。例えば、フォトレジスト層を誘電体層9の上に設け
ることができ、フォトマスクをフォトレジスト層の上に
置くことができ、フォトレジスト層を紫外線に暴露する
ことができる。フォトレジスト層を現像してフォトレジ
スト層にフォトマスク・パターンを得ることができ、マ
スクされていない領域をエッチングして、導電層8上の
電気導電領域のパターンを画定するパターン化された誘
電体層9をもたらすことができる。図6に示すように、
パターン化された誘電体層9は、導電膜層8の露出部分
により囲まれた領域10を形成することができる。
【0024】第2のタイプのマンドレルにより、ノズル
の出口開口部を誘電体層9に近接して形成するように、
ノズル・プレートを電鋳することができ、従って、ノズ
ルの入口開口部から出口開口部までのノズルの高さを、
第1のタイプのマンドレル上に形成されるノズル・プレ
ート6の高さよりも少なくなるように制御することがで
きる。図7に示す通り、領域10が誘電体層9により部
分的に画定される開口部を形成するように、導電体層1
1は導電膜層8の上にデボジットされる。導電体層11
は、開口部10が誘電体層9の方に向かって収束するよ
うに導電層8から伸びるニッケルの電着層から成ること
が望ましい。導電体層11は導電表面のパターン11a
をもたらす。
【0025】取り外し手段12を導電体層11の上に設
け、導電表面のパターン11a上に後に形成される電鋳
ノズル・プレートの取り外しを容易にする。取り外し手
段12は導電体層11上に酸化膜から成ることが望まし
い。この酸化膜12は導電表面のパターン11aを酸化
することにより与えることができる。例えば、酸化膜1
2を生成するために、酸素プラズマ・プロセスを用いる
ことができる。導電体層11がニッケルで作られる場
合、取り外し手段12は、層11上の約10〜100Å
の厚さのニッケル酸化物表面とすることができる。酸化
膜12を生成するための別の方法は、アルカリ土類金属
の少なくとも1つの水酸化物を含む熱浴に層11を浸す
ことである。例えば、この熱浴として、水酸化カリウム
(KOH) を80℃に加熱して、層11を約2時間浸漬する
ことができる。層11がニッケルである場合、KOH 浴に
より導電表面のパターン11a上に酸化物及び水酸化物
を含む層を形成することができる。
【0026】取り外し手段12は、導電表面のパターン
11aに以後に与えられる電気メッキ膜の付着度を減ら
す。例えば、図9に示すように、素材13を層11上に
デポジットして、取り外し手段12により、図10に示
すように、ノズル・プレートの形で素材13を容易に分
離することができる。ノズル・プレート13はニッケル
の電着層であることが望ましく、入口開口部13aおよ
び出口開口部13bを含み、その間に滑らかな先細表面
が伸びている。入口および出口開口部は、ノズル・プレ
ートの厚さよりも大きな距離だけ離して置くことができ
る。実際、この距離は、ノズル・プレート厚さの2倍あ
るいはそれ以上に大きくすることができる。
【0027】第1及び第2のタイプのマンドレルの利点
としては、ノズル開口部径を正確に制御できること、ノ
ズル開口部を形成する内部表面の輪郭を非常に滑らかに
できること、及び出口表面から入口表面までの高さを独
立して制御できることがある。その結果、ノズル開口部
から出るときのインク小滴の経路を制御して、高品質印
字を達成することができる。図11〜図16に、取り外
し手段5、12を有する上述のマンドレルの1つに電鋳
されたノズル・プレートの形状を示す。
【0028】先行技術に依れば、ノズルを形成するに当
って、ノズルの外側の構成を形成するためには管状電極
を用い、ノズルの開口部を形成するためにはワイヤを用
いて、放電加工を行なってきた。例えば、Hue Le他によ
る“Air-Assisted Ink Jet with Mesa-Shaped Ink-Drop
-Forming Oriffice"という名称の、1988年3月にア
メリカ合衆国ルイジアナ州ニューオリンズで開催された
The 4th International Congress on Advances in Non-
Inpact Printing Technologiesの論文では、ノズル開口
部は、入口開口部から出口開口部に達する先細表面では
なく、円筒形になってしまう。また、この論文のように
作られたものの表面は、表面が粗くなることが予期され
る。
【0029】図11〜図16に示すノズル開口部の内部
表面は、Le他の論文に述べられているノズル開口部の内
部表面よりもずっと滑らかである。従って、図11〜図
16のノズル・プレートは、Le他の論文に述べられてい
るような開口部を有するノズル・プレートにより得られ
るものよりも、インクジェットをずっと正確に制御し、
ずっと高品質のプリント結果をもたらす。例えば、図1
1〜図16に示すノズル・プレートにより、高品質プリ
ント・パターンで、図17及び図18に示すような正確
に定義されたインク小滴生成を得ることができる。図1
7および図18を見れば、模様の縁に沿って正確に定義
された輪郭を有するように、インク小滴を模様に置いて
いくことができることが分かる。
【0030】これまでに、本発明の原理、望ましい実施
例及び動作態様について述べてきた。しかし、本発明は
上述した特定の実施例に限定されると理解してはならな
い。従って、これまでに述べた実施例は、限定的ではな
く例証的であると見なすべきであり、当業者が、特許請
求範囲により定義される本発明の範囲から逸脱すること
なく、これらの実施例に変更を加えることができること
を理解しなければならない。
【0031】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
って高品質のプリント結果をもたらすオリフィス・プレ
ートを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を説明する図。
【図2】本発明の第1の実施例を説明する図。
【図3】本発明の第1の実施例を説明する図。
【図4】本発明の第1の実施例を説明する図。
【図5】本発明の第1の実施例を説明する図。
【図6】本発明の第2の実施例を説明する図。
【図7】本発明の第2の実施例を説明する図。
【図8】本発明の第2の実施例を説明する図。
【図9】本発明の第2の実施例を説明する図。
【図10】本発明の第2の実施例を説明する図。
【図11】本発明を用いて作成したノズル・プレートの
形状の顕微鏡写真。
【図12】本発明を用いて作成したノズル・プレートの
形状の顕微鏡写真。
【図13】本発明を用いて作成したノズル・プレートの
形状の顕微鏡写真。
【図14】本発明を用いて作成したノズル・プレートの
形状の顕微鏡写真。
【図15】本発明を用いて作成したノズル・プレートの
形状の顕微鏡写真。
【図16】本発明を用いて作成したノズル・プレートの
形状の顕微鏡写真。
【図17】本発明を用いて作成したノズル・プレートを
用いたプリント結果の顕微鏡写真。
【図18】本発明を用いて作成したノズル・プレートを
用いたプリント結果の顕微鏡写真。
【符号の説明】
1,7:基板 2,8:導電膜層 3,10:開口部 4,11:導電体層 4a,11a:パターン 5,12:取り外し手段 6,13:ノズル・プレート 6a,13a:入口開口部 6b,13b:出口開口部

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】以下のステップ(a)ないし(c)を設
    け、インクジェット・オリフィス・プレート等の製造用
    のマンドレルを製造するための方法: (a)基板上に導電性層を与える第1のステップ; (b)前記導電性層の上に導電性表面のパターンを与え
    る第2のステップ; (c)前記導電性表面のパターンを表面処理して、当該
    導電性表面と以後に付与される電気メッキ膜との間の接
    着度を減少させる。
  2. 【請求項2】第1及び第2の対向する表面と複数のノズ
    ルとを有する金属板を設け、 前記ノズルの各々前記第1の表面の中に伸びる入口開口
    及び前記第2の表面の中に伸びる出口開口によって画定
    され、 前記ノズルの各々は前記入口開口から前記出口開口へ向
    かって収束する内表面を含み、 前記内表面は前記入口開口と前記出口開口を通る軸に平
    行にある距離だけ伸び、 前記距離は前記第1の表面と前記第2の表面との間の前
    記金属板の厚みよりも大きいことを特徴とするオリフィ
    ス・プレート。
  3. 【請求項3】以下の(a)ないし(c)を設け、インク
    ジェット・オリフィス・プレート等を製造するためのマ
    ンドレル: (a)基板; (b)前記基板上の導電性表面のパターン; (c)前記導電性表面のパターン上に形成され、当該導
    電性表面のパターンと導電性膜の間の接着度を減少させ
    る取り外し手段。
  4. 【請求項4】以下の(a)及び(b)のステップを設
    け、インクジェット・オリフィス・プレートを電鋳する
    方法: (a)ニッケル・マンドレルの表面に素材をデポジット
    する第1のステップ:前記表面はニツケルの酸化物と水
    酸化物の少なくとも一方の膜をその上に有し、前記ニッ
    ケル・マンドレルにデポジットされる素材の接着力を減
    少させる; (b)前記デポジットされた素材を前記ニッケル・マン
    ドレルから分離させる第2のステップ。
JP3348000A 1990-12-03 1991-12-03 マンドレル、オリフィス・プレート及びその製造方法 Pending JPH05193143A (ja)

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