KR920006460B1 - 잉크 제트 프린트헤드용 개량형 플래스틱 오리피스 판 및 제조방법 - Google Patents
잉크 제트 프린트헤드용 개량형 플래스틱 오리피스 판 및 제조방법 Download PDFInfo
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Abstract
내용 없음.
Description
제1a도 내지 제1h도는 본 발명의 적합한 실시예에 따라 이행되는 여러 공정 단계들을 순서대로 도시한 사시도.
제2a도 내지 제2h도는 각각 제1a도 내지 제1h도에 대응하는 횡단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 스테인레스강 기판 12 : 감광제
14 : 감광제 마스크 16 : 제1표면층
18 : 수렴성 오리피스 개구부 20 : 산화 니켈층
22 : 제2니켈층 24 : 투명 플래스틱 원판
26,28 : 유리 32 : 오리피스 개구부
본 발명은 잉크 제트 펜용 오리피스 판(orifice plate)의 제조에 관한 것이며, 특히 열 잉크 제트(thermal ink jet) 프린트헤드용 플래스틱 오리피스 판의 제조에 관한 것이다. 필요하다면, 이러한 오리피스 판은 유체 유동을 관찰하기 위해 투명하게 제조될 수 있다.
열 잉크 제트 프린트 시스템용의 일회용 펜의 제조에 있어서, 펜의 외측 잉크 분출 오리피스 판을 적합한 등고선형 형상의 형태로 성형하기 위하여 통상적으로는 금속 전기 도금 방법들을 이용해 왔다. 또한, 이러한 오리피스 판은 노즐 판으로 칭하기도 하며, 통상적으로 하부의 박판 저항기(thin film resistor: TFR)기판에 접착식으로 고정되고 상기 기판과 정확하게 정렬된다. 이와 같은 구조체에 있어서, 다수의 저항가열요소(resistive heater element)는 관련된 다수의 잉크 저장기들과 보통은 정렬되며, 잉크 제트 프린트 작업동안에 잉크는 상기 잉크 저장기들로부터 오리피스 덮개판 내의 오리피스 개구부들을 통해 분출된다. 이와같은 형태의 박판 저항기 프린트헤드 구조체는, 예컨대, "Hewlett-Packard Journal",1985년 5월, 제36권, 제5호에 기재되어 있으며, 이는 본 명세서에 참조로 인용한다.
상기 "Hewlett-Packard Journal"에 기재된것 이외에도, C. S. Chan등에게 허여된 발명의 명칭이 "열 잉크 제트 프린트헤드 조립체용 장벽층 및 오리피스 판(Barrier Layer and Orifice Plate for Thermal Ink Jet Printhead Assembly)"인 미합중국 특허 제 4,694,308호, 및 C. S. Chan등에 의해 1986년 10월 3일자로 출원되어 계류중인 발명의 명칭이 "열 잉크 제트 프린트헤드 조립체용 개량형 장벽층 및 오리피스판과 그 제조 방법(Improved Barrier Layer and Orifice Plate for Thermal Ink Jet Printhead Assembly and Method of Manufacture)"인 미합중국 특허 출원 제 915,290호에는, 그 밖의 다른 형태의 니켈 오리피스 판들 및 관련 전기성형 방법(electroforming process)이 기재되어 있다. 상기 특허 및 특허 출원은 둘다 본 출원인에게 양도되었으며 그리고 본 명세서에 참조로 인용한다. 전술한 것들 이외에도, 1987년 6월 23일자로 James G. Bearss등에게 허여된 미합중국 특허 제 4,675,083호에는 잉크 제트 프린트헤드용 복합구멍 니켈 오리피스 판(Compound bore nickel orifice plate)을 제조하기 위한 관련 전기성형 방법이 기재되어 있으며, 이는 또한 본 출원인에게 양도되었고 본 명세서에 참조로 인용한다.
전술한 참조 문헌에 기재된 금속 오리피스 판들은 잉크 분출효율 및 성능이 향상되고 잉크 공동화 마모(ink cavitation wear) 및 잉크 부식(ink corrosion)이 감소되어, 프린트헤드 수명이 연장되므로, 매우 바람직한 것으로 입증되었다. 그러나, 이와 같은 금속 오리피스 판들은 불투명하므로 잉크 제트 프린트헤드 시험 및 평가 작업 동안에 오리피스 판 바로 아래에서 그리고 관련된 박판 저항기 기판 위에서 발생하는 유체 유동(fluid dynamics)을 실제로 관찰할 수 없다.
따라서, 본 발명의 목적은 전술한 Chan등 및 Bearss등의 발명들에 기재된 형태의 적합한 오리피스 형상 및 간격들을 가지고 있는 새로운 플래스틱 오리피스 판 및 그 제조방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 프린트헤드 시험 및 평가 동안에 프린트헤드 기판위에서 발생하는 실제 유체유동을 오리피스 판을 통해 관찰할 수 있는 새로운 투명 플래스틱 오리피스 판 및 그 제조방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 내구성이 있고 경제적인 오리피스 판들이 높은 생산성으로 신뢰성있게 재생될수 있는 형태의 플래스틱 오리피스 판 및 관련된 방법을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 투명하거나 투명하지 않을 수 있으며 또한 내부식성이 있는 새로운 플래스틱 오리피스 판을 마련하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 일체식 장벽층들이 저항기나 또는 동등한 에너지 발생 기판에 순차적으로 부착하기 위한 외측 오리피스 판으로 성형될 수 있는 형태의 새로운 플래스틱 오리피스 판을 마련하는 것이다. 따라서, 중간중합체 장벽층들을 마련할 필요가 없으며, 전체 프린트헤드 제조비용이 절감된다.
본 발명의 전술한 목적들과 부수적인 장점들 및 특징들은 플래스틱 오리피스 판의 바람직한 내부 표면 형상을 복제하는 적합한 등고선형 표면 형상(cotoured surface geometry)의 융기 부분들을 갖도록 금속 다이(metal die)를 전기 성형하는 것을 포함한 제조방법을 마련함으로써 성취된다. 다이의 융기된 부분이 다수의 밀접하게 이격된 등고선형 오리피스 개구부들을 형성하도록 플라스틱 예비 형성품(preform)을 통하여펀칭하는 방법으로서 소정의 선택된 두께의 플라스틱 예비 형성품은 금속 다이와 물리적 접촉 상태가 이루어진다. 하부의 프린트헤드 기판내의 유체 유동등을 관찰하고자 할때에는, 상기 제조방법에 있어서, 순수한 투명 플래스틱 예비 형성품을 사용할 수 있다.
본 발명은 이하 첨부한 도면들의 설명으로부터 보다 잘 이해될 것이다.
이제 제l도 및 제2도의 각각 대응하는 동일 횡단면도를 참조하면, 스테인레스강 기판(10)은 널리 공지된 방법 및 전술한 Chan등의 특허 또는 출원의 기술에 따라 감광제(photoresist, 12)의 얇은 층으로 도포된다. 다음에, 감광제(12)는 제1a도 및 제2b도에 도시한 바와 같이 형상이 원통형인 감광제 마스크(photoresist mask,14)를 성형하기 위해 종래의 사진 석판 마스킹(photolithographic masking)과, 자외선 노출(UV exposure) 및 현상 방법으로 처리된다.
다음에, 제1b도 및 제2b도의 마스크 구조체는 니켈 전기 성형 단계로 전달되며, 여기에서 니켈의 제1표면층(l6)이 제1c도 및 제2c도에 도시한 형상으로 성형되어, 전술한 Chan등의 발명들내에 보다 상세히 기재된 바과 같이 마스크(14)와 동심으로 성형한 수렴성 오리피스 개구부(couvergent orifice opening,18)을 포함한다. 도시한 방식에서 원형 마스크(14)의 사용은 마스크의 외측 연부 위에 니켈을 도금하여 수렴성 오리피스 개구부(18)을 성형하는 것을 가능케한다. 그러나, 단일 개구부(18)은 보다 상세히 후술하는 "스탬프-아웃(stamp-out)" 또는 "관통 펀치(punch-through)"방법에 따라 제조된 플래스틱 오리피스 판내의 다수의 오리피스 개구부들과 결국 일치하는 다수의 개구부들을 대표한다.
제1c도 및 제2c도의 구조체는 감광제 마스크(14)를 제거하기 위해 화학조(chemical bath)내에 위치되었다가 오븐(oven)으로 옮겨져서 제1d도 및 제2d도에 도시한 바와 같은 얇은 산화 니켈층(20)을 형성하도록 약 150℃로 약 2시간 정도 가열된다. 다음에, 구조체를 오븐으로부터 꺼내 니켈 전기 성형 스테이션으로 다시 보내서 또 다른 니켈층(22)를 약 0.0762mm(3mil)의 두께로 전기성형한다. 상기 제2니켈층(22)는 제1e도 및 제2e도에 도시되어 있으며, 산화 니켈층(20)의 용도는 제1 및 제2니켈 도금(plating,16,22)들 사이의 분리층 역할이다. 제2니켈층 또는 도금(22)는 후술하는 그 다음의 플래스틱 오리피스 판 성형 단계를 위한 다이(die)이다. 니켈 다이는 니켈 다이와 스테인레스강 기판(10)양쪽 모두에 적용된 접착 테이프를 사용하여 하부의 산화 니켈층(20)으로부터 쉽게 떼어질 수 있어서 다이 구조체를 제1f도 및 제2f도에 도시한 형상으로 유지할 수 있다.
제1f도 및 제2f도의 니켈 다이는 제1g도 및 제2g도에 도시한 열스테이커 스테이션(heat staker station)으로 보내서 먼저 약 0.0508mm(2.0mil)두께의 얇은 순수한 투명 플래스틱 원판(24)상에 위치시키고 나서 2장의 유리(26,28)사이에 삽입한다. 여기에서 다이의 등고선형 메사 부분(contoured mesa section, 30)이 얇은 플래스틱 예비 형성품(24)를 관통하게 펀칭하여, 제1h도 및 제2h도에 도시한 플래스틱 예비형성 구조체내에 수렴성의 형상으로된 오리피스 개구부(32)를 성형하기 위해 다이 및 투명 플래스틱 예비성형품(24)에 약 200℃의 열 및 약 8.44kg/cm2(120psi)의 압력을 가한다.
제1h도 및 제2h도에 도시한 바와 같은 성형된 투명 오리피스 판 구조체는 플라즈마 반응기내에 위치시키며, 여기에서 플래스틱 오리피스 판상의 플래스틱 표면 플래싱(flashing)은 다음과 같은 반응기 조건들하에서 제거된다.
기체=CF4및 O2
전 력 = 200W
압력 = 0.7Torr
시간=2분
이와 같은 처리는 플래스틱 오리피스 판(34)의 표면으로부터 약0.0025mm(0.lmil)의 플래스틱 플래싱 재료를 제거시켜, 수렴성 오리피스 개구부(32)의 배출 연부로서 깨끗한 원형 연부(36)이 되게 한다.
순수한 플래스틱 예비 성형품(24)는 상업적인 경로들을 통해 쉽게 얻어질 수도 있으나, 이와 같은 투명기판 재료는 본 발명의 실시예에 따른 실질적인 수정 동안에 다음과 같이 제조되었으며, 따라서 본 발명의 최적 실시예로 표시된다. 첫째로, 폴리카보네이트 원판을 마련하고 3.2mm(1/8in) 입방체의 펠릿(pellet)들로 절단했다. 그 다음에 펠릿을 2장의 유리판들 사이에 삽입하고, 약 3.5kg/cm2(50psi)의 압력하에 약 200℃로 약 2분동안 가열했다. 이와 같은 최초 방법은 두께가 0.3048mm(12mil)이고 직경이 약 12.7mm인 폴리카보네이트 원판들을 산출시켰다.
그 다음에, 상기 원판들은 최종 예비 성형품 두께를 제어하기 위해(도시하지 않은) 0.0508mm(2mil) 금속 기판들에 의해 지지되어 있는(도시하지 않은) 2장의 유리판들 사이에 다시 위치된다. 상기 원판들에 약 200℃의 열 및 약 7.03kg/cm2(100psi)의 압력을 약 2분 동안 가하여 두께가 약 0.0508mm(2.0mil)인 최종 플래스틱ㆍ예비 성형품(24)들을 산출시킨다.
물론, 단일 오리피스(32)의 성형에 대한 전술한 설명은 더이상의 다수의 메사형 부분(30)의 수, 형상 및 간격에 따라서 투명 오리피스 판내에 동시에 성형될 수 있는(도시하지 않은) 많은 오리피스들중 오직 하나인 것을 알 수 있을 것이다. 그러므로, 본 발명은 임의의 적합한 형상으로 배열된 하나 또는 다수의 오리피스(32)들의 성형으로 명백히 확장된다.
추가로, 본 발명은 단지 한 단계의 수렴 노즐(single step convergent nozzle)들 만의 성형으로 국한되는 것이 아니라, 다이를 성형하는데 있어서 전술한 Bearss등에게 허여된 미합중국 특허 제 4,675,083호에 기재된 복합 구멍 형상이나 또는 선택적으로 전술한 Chan등의 발명들에 기재된 이중 층의 니켈 형상을 대신 사용할 수 있으며, 또 다른 방법으로서 C. S. Chan등에 의한 미합중국 특허 출원 제 121,439호에 기재된톱니형 구멍 오리피스 형상을 사용할 수도 있다. 니켈 다이를 제조하기 위해 이중 층의 니켈 방법을 사용하는 경우에, 메사부분(30)은 단이져있는 이중 층의 메사부분으로서 되어 전술한 Chan등의 발명들에 기재된 금속 장벽층 및 금속 오리피스 판 구조체와 유사한 일체식 다층 플래스틱 장벽층 및 플래스틱 오리피스판 구조체를 성형하는데 사용될 수 있다. 이러한 후자의 선택적인 실시예에 있어서, 일체식 플래스틱 장벽층 및 오리피스 판 구조체는 본 기술에 있어서 Dupont Company사의 상품명인 RISTON 및 VACREL로 공지된 장벽 재료와 같은 선행 기술의 널리 공지된 중합체 장벽층들을 제거할 수 있다.
이하의 치수표는 오직 일예로서 기재한다.
[표]
이상 본 발명을 플래스틱 투명 비금속 오리피스 판 예비 성형품들의 제조에 대해 기술하였으나, 본 발명은 그러한 것에 의해 제한되는 것은 아니며, 또한 본 발명은 본 명세서 및 특허 청구의 범위에 기재된 "관통 펀치"다이 스탬핑 작업에 유용한 임의의 예비 성형품 제조를 가공하는데 사용될 수 있다.
Claims (24)
- 오리피스 판을 형성하기 위해 얇은 판에 수렴성 오리피스를 성형하기 위한 방법에 있어서, 다수의 밀접하게 이격된 고립부(14)를 그 위에 갖는 기판(10)상에 제1금속층(16)을 전기 전착시켜, 상기 제1금속층(16)의 개구부들을 상기 고립부(14)와 정렬시키는 단계와, 금속 다이를 형성하도록 위한 상기 제1금속층(16)의 개구부내로 연장하는 부드러운 곡면의 수렴성의 등공선형 메사(30)을 그 속에 갖는 제2금속층(22)를 상기 제1금속층(16)위에 형성하는 단계와, 상기 제1금속층(16)과 상기 제2금속층(22)를 분리하는 단계와, 수렴성 오리피스(32)들을 그속에 형성하도록 선택된 재료의 얇은 층에 개구부들을 스탬프 아웃하기 위해 상기 금속 다이를 형성하는 상기 제2금속층(22)를 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 선택된 재료가 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제1항에 있어서, 상기 선택된 재료가 투명한 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제2항에 있어서, 상기 방법이, 오리피스 개구부에 형성된 플래싱을 오리피스 개구부로부터 제거하기위해 그 속에 오리피스(32)들을 갖는 상기 플래스틱 재료를 플라즈마 반응에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 선택된 재료의 얇은 층에 밀접하게 이격된 수렴성 개구부를 형성하는데 유용한 다이를 성형하기 위한 방법에 있어서, 선택된 재료의 기판(l0)을 마련하는 단계와, 상기 기판(10)의 상부표면에 부착되는 재료의 고립부(14)들을 형성하는 단계와, 상기 고립부(14)와 정렬되는 개구부들을 가지며 그리고 제1금속층(16)을 상기 기판(l0)상에 전착시키는 단계와, 상기 제1금속층(16)의 상기 개구부내로 연장하는 부드러운 곡면의 수렴성의 등고선 형상 메사(30)을 갖는 제2금속층(22)를 상기 제1금속층(16)상에 전착시키는 단계와, 상기 제2금속층(22)를 그 일표면으로부터 연장하는 다수의 수렴성의 등고선형 메사 부분을 갖는 금속다이의 형상으로 유지하기 위해 상기 제1 및 제2금속층(16,22)를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제5항에 있어서, 형성된 상기 금속다이가, 선택된 재료의 얇은 층과 상기 금속다이를 정렬시킨 후 그리고 상기 금속 다이의 수렴성의 등고선형 메사(30)을 복제하는 수렴성 등고선형 오리피스들을 유지하기위해 상기 얇은 층을 통해 상기 금속 다이의 수렴성 등고선형 메사(30)을 펀칭함으로써 오리피스 판을 성형하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 선택된 재료의 얇은 층이 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제6항에 있어서, 상기 선택된 재료의 얇은 층이 투명한 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제7항에 있어서, 상기 방법이, 관통 스탬프 오리피스 개구부로부터 플래싱을 제거하기 위해 상기 얇은 플래스틱 재료를 플라즈마 반응에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 특정의 선택된 재료의 얇은 층에 수렴성 등고선형 개구부를 스탬핑하는데 유용한 다이를 성형하기 위한 방법에 있어서, 고립부(14)와 정렬되는 상기 제1층(16)에 개구부들이 형성되도록, 제어된 측면 연장부 및 간격으로 고립부(14)를 그위에 갖는 기판(10)상에 선택된 재료의 제1층(16)을 형성하는 단계와, 부드러운 곡면의 수렴성 등고선형 메사들이 상기 제2층(22)의 일부로서 형성되며 상기 제1층(16)의 상기 개구부들내로 연장되도록 상기 제1층(l6)상에 상기 제2층(22)를 형성하는 단계와, 상기 제2층(22)를 스탬프 아웃 다이로서 사용하기 위해 상기 제1 및 제2층(16,22)를 분리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제10항에 있어서, 상기 제1층(16)은 그위에 저항 고립부(14)들을 갖는 기판(10)상방에 제1금속을 전기 전착시킴으로써 형성되며, 그리고 상기 제2층(22)는, 수렴성 등고선형 금속 메사(30)들이 상기 제2금속의 일부로서 형성되고 상기 제1금속에 형성된 개구부의 형상을 복제하도록 상기 제1금속 상방에 제2금속을 전기 전착시킴으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 금속 메사(30)의 등고선형을 복제하는 등고선형을 갖는 개구부를 그 속에 형성하기 위해 상기 메사(30)을 선택된 재료의 얇은 층과 정렬시키고 상기 선택된 재료를 통해 상기 수렴성의 등고선형 금속 메사(30)을 펀칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 선택된 재료가 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제12항에 있어서, 상기 선택된 재료가 투명한 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제11항에 있어서, 상기 제1 및 제2금속의 형성물이 니켈의 제1 및 제2층(16,22)를 형성하기 위해 니켈을 전기 전착시키는 것을 포함하며, 그리고 상기 방법이, 니켈 다이가 완성된 후 상기 니켈층의 분리를 용이하게 하기 위해 상기 니켈층들 사이와 상기 니켈의 제1층(16)상에 얇은 산화 니켈층(20)을 형성하는 중간 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제15항에 있어서, 상기 금속 메사(30)의 등고선형을 복제하는 등고선형을 갖는 개구부를 그 속에 형성하기 위해 상기 메사(30)을 선택된 재료의 얇은 층과 정렬시키고 상기 선택된 재료를 통해 상기 수렴성의 등고선형 금속 메사(30)을 펀칭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 선택된 재료가 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제16항에 있어서, 상기 선택된 재료가 투명한 플래스틱인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제17항에 있어서, 그 속의 관통 스탬프 오리피스 개구부로부터 플래싱을 제거하기 위해 상기 얇은 플래스틱 재료를 플라즈마 반응에 노출시키는 단계를 특징으로 하는 방법.
- 금속 다이에 있어서, 오리피스 판(43)을 제조하기에 유용하며 그리고 예정된 거리만큼 이격되며 그로부터 연장하는 다수의 부드러운 수렴성 등고선형 메사부분을 갖는 금속 기판(10)을 포함하는 것을 특징으로 하는 금속 다이.
- 제20항에 있어서, 상기 메사부분이 0.1524mm 내지 0.1778mm(6 내지 7mil)의 중심간 간격으로 상기 기판(10)상에 균일하게 이격된 것을 특징으로 하는 금속 다이.
- 제21항에 있어서, 상기 기판(10)과 그로부터 연장하는 메사부분이 전기 성형된 니켈인 것을 특징으로 하는 금속 다이.
- 제22항에 있어서, 상기 메사부분이 재사용 가능한 가상(dummy) 기판(10)상에 형성된 이격 고립부(14)와 정렬된 개구부를 그 속에 갖는 하부의 금속층상에 전기 전착된 니켈로 형성되는 것을 특징으로 하는 금속 다이.
- 잉크 제트 프린트헤드용 오리피스 판을 성형하기 위한 방법에 있어서, 잉크 제트 오리피스 판내의 오리피스 개구부들의 예정된 중심 간격과 함께 수렴성 메사 모양 부분(30)을 가진 금속 다이를 마련하는 단계와, 상기 다이의 상기 융기 부분(30)들이 예비 형성품(24)를 관통해서 펀칭하여 등고선형 수렴성 오리피스 형상들을 성형하도록 상기 다이를 상기 미리 선택된 재료 및 두께의 예비 형성품(24)와 물리적으로 접촉시키는 단계와, 상기 다이로부터 상기 예비 형성품(24)를 제거하고 그리고 펀치로 형성된 오리피스 개구부로부터 플래싱을 제거하기 위해 상기 예비 형성품(24)를 플라즈마 반응에 노출시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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