CN102152653A - 一种印刷电路板字符喷印机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种印刷电路板字符喷印机，取代传统的丝网印刷术，用更好的品质、更高的效率和更低的成本印制印刷电路板上的字符。其技术方案为：喷印机包括：喷射系统，包括多个喷头；供墨系统，包括墨盒，和喷射系统连接，向喷射系统提供墨水；墨水固化系统，设置在喷头附近，快速固化喷射的字符墨水；外加热系统，加热喷头和墨盒；工作台，包括X-Y方向工作台和Z方向工作台，其中X-Y方向工作台驱动固定于其上的印刷电路板，Z方向工作台上固定着该些喷头，以便Z方向工作台在Z方向上驱动喷头；控制系统，用于整个印刷电路板字符喷印机中各组件的自动控制。

Description

一种印刷电路板字符喷印机

技术领域

本发明涉及一种喷印机，尤其涉及用压电式喷头喷射紫外光固化墨水构成印刷电路板字符的喷印机。

背景技术

印制电子(Printed Electronics)是近几年兴起的一种电子制造技术，是指利用各种印制方法形成电子元器件和电路的一种技术。其中发展最快的是用压电式喷墨头在印刷电路板(PCB)上喷印字符，取代现有的丝网印刷字符。这种新方法的优点是：(1)属于无接触式喷印，与采用丝网的接触式印刷相比，喷印字符的品质更好。(2)无需繁琐的制网工序，根据用户提供的字符文件可以在PCB板上直接喷印所需字符，缩短生产周期，提高生产效率。(3)节省所需墨水用量，降低生产成本。(4)不产生污染，有利于环保。

由于字符喷印法的显著优势，目前已开始在国外流行，例如，以色列Orbotech(奥宝)公司和Printar公司、日本MicroCraft公司、英国Conductive Inkjet Technology公司、德国KLG Maschinen公司等已生产用于PCB板字符的喷印机，并且开始在我国销售，每台价格为20～30万美元。但是这些产品存在如下主要缺陷：

(1)采用喷头扫描的喷印方式，即为了在大尺寸PCB板上喷印所需众多的字符，喷头必须沿PCB板的横向(或纵向)运动，以便喷印范围能覆盖整个PCB板。喷印时喷头的快速运动会造成供墨压力波动、产生不利的卫星墨滴和喷射轨迹偏移、供墨管道和控制电路等跟随运动结构复杂等弊端。

(2)由于墨水中可能存在少量的大颗粒物质和易沉积团块(例如白色墨水中的钛白粉)，或者管路和喷头中进入气泡后，喷头的喷嘴难免堵塞，特别是较长时间的停止喷印之后易发生因喷嘴堵塞而造成断墨，导致喷印的字符缺失和模糊。上述现有产品虽然也采取了一些防止喷嘴堵塞的措施，但是缺乏综合治理的措施，效果尚不够理想。

(3)由于字符喷印常常采用白色紫外光固化墨水，而这种墨水在常温下的黏度比较高(通常大于20cps)，不符合压电式喷头对墨水黏度的要求(10～14cps)，因此不得不在喷头中增设自加热装置，以便使墨水温度升高、黏度降低。但是，这会增加喷头结构的复杂性和制作成本，并使一般无自加热装置的喷头不能用于字符喷印系统。

我国目前还不能生产PCB板字符喷印机，但是对于印制电子的发展非常重视，在中国印制电路行业协会(CPCA)的领导下，于2009年11月召开了印制电子会议，并成立了印制电子产学研联盟，会议决定分为设备、材料(即墨水)和工艺三个方面共同攻克印制电子的关键技术，其中研发的首要项目就是PCB板字符喷印机及其所需墨水，我国有成千家PCB板生产厂商，仅仅以字符喷印机为例，每年至少需要百台以上，因此，克服现有字符喷印机的技术缺陷，发展具有中国知识产权的PCB板字符喷印机十分必要。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供了一种印刷电路板字符喷印机，采用普通压电式喷头，更稳定地喷射紫外光固化墨水，避免喷嘴堵塞，提高印刷电路板(PCB板)的字符喷印品质。

本发明的技术方案为：本发明揭示了一种印刷电路板字符喷印机，其包括：

喷射系统，包括多个喷头；

供墨系统，包括墨盒，和该喷射系统连接，向该喷射系统提供墨水；

墨水固化系统，设置在该喷射系统的该些喷头附近，快速固化喷射的字符墨水；

外加热系统，加热该喷射系统中的该些喷头和该供墨系统中的该墨盒；

工作台，包括X-Y方向工作台和Z方向工作台，其中该X-Y方向工作台驱动固定于其上的印刷电路板，该Z方向工作台上固定着该些喷头，以便该Z方向工作台在Z方向上驱动喷头；

控制系统，用于整个印刷电路板字符喷印机中各组件的自动控制。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该印刷电路板字符喷印机还包括：

机身，其进一步包括：

底座，用于支撑该X-Y方向工作台；

横梁，用于安装该喷射系统；

立柱，安装在底座上，该横梁安装其上。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该喷射系统进一步包括：

喷头阵列，由该些喷头排列而成，固定在该横梁上，以使喷印字符时无需作扫描运动，其中每一喷头上设有多个喷嘴。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该喷头为压电式喷头。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该供墨系统进一步包括：

恒温超声波震荡墨瓶，存储和加热墨水，并定期作震荡运动以避免墨水中的颗粒物沉降或团聚；

恒液位墨盒，存储定量的墨水，并控制墨水液面相对喷嘴的高度恒定，供应喷头所需的墨水；

供墨泵及其供墨管路，连接该恒温超声波震荡墨瓶和该恒液位墨盒，通过供墨管路抽取该恒温超声波震荡墨瓶中的墨水并输送至该恒液位墨盒；

过滤器，安装在该供墨泵和该恒液位墨盒之间，过滤墨水中的颗粒杂质；

喷头清洗回路，内设控制阀和清洗管路，每个喷头均有对应的控制阀和清洗管路，通过该控制阀和该供墨泵排除供墨管路和喷头中残存的杂质和气泡。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该墨水固化系统是紫外光固化系统，该紫外光固化系统进一步包括：

紫外灯，设置在该喷头附近，通过发出的紫外光固化喷射的字符墨水；

镇流器，连接该紫外灯，控制该紫外灯中的电流；

触发器，触发该紫外灯；

冷却水套，套在该紫外灯的外面，控制该紫外灯的温度；

冷水器，用于向该冷却水套供应冷却水。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该外加热系统进一步包括：

墨盒加热垫板，通过其中的热水加热该恒液位墨盒以及其中的墨水；

喷头加热垫板，通过其中的热水加热该些喷头以及其中的墨水；

水箱，用于储存热水；

自动恒温加热系统，位于该水箱中，加热该水箱中的水；

水泵，通过管路连接该水箱、该墨盒加热垫板和该喷头加热垫板，用于抽取该水箱中储存的热水，输送至该墨盒加热垫板和该喷头加热垫板。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该X-Y方向工作台进一步包括：

X方向工作台，用于安置该印刷电路板，并在X方向驱动固定其上的印刷电路板；

Y方向工作台，通过在Y方向上驱动该X方向工作台，以使在Y方向上驱动固定在该X方向工作台上的印刷电路板；

印刷电路板夹紧定位装置，夹紧该印刷电路板的四边，以使其相对X-Y方向工作台定位。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该Z方向工作台进一步包括：

滑动台，固定该喷头阵列，通过在Z方向上驱动该滑动台调节该喷头距离该印刷电路板表面的距离。

根据本发明的印刷电路板字符喷印机的一实施例，该控制系统包括：

气动控制系统，控制该印刷电路板的夹紧和定位；

电气控制系统，控制该印刷电路板字符喷印机的自动工作循环。

本发明对比现有技术有如下的有益效果：本发明的印刷电路板字符喷印机，用在X和Y方向相对固定的喷头阵列，通过X-Y方向工作台实现X-Y方向扫描喷印的方式来完成大尺寸PCB板的字符喷印；采用由恒温超声波震荡墨瓶、供墨泵、高精度的过滤器、恒液位墨盒和喷头清洗回路等构成的完善供墨系统以及墨盒和喷头的外加热系统。相对于现有技术，本发明无需复杂的管道支撑和拖链装置，可以在高速喷印时，更稳定地喷射字符墨水，自动清洗喷头，避免喷嘴堵塞，便于使用与维护，提高PCB板字符喷印品质，还可使用普通无自加热装置的压电式喷头，通过附加的外加热系统使墨水的黏度符合喷头喷射的要求。因此本发明的喷印机能广泛应用于PCB板的喷印，特别是字符的喷印。

附图说明

图1是本发明的印刷电路板字符喷印机的实施例的透视图。

图2是本发明实施例的喷射系统的原理图。

图3是本发明实施例的供墨系统的原理图。

图4是本发明实施例的紫外线固化系统的原理图。

图5是本发明实施例的外加热系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。

图1是示出了本发明的印刷电路板字符喷印机的实施例。请参见图1，本实施例的印刷电路板字符喷印机包括：喷射系统101、供墨系统106、紫外线固化系统102、外加热系统105、X-Y方向工作台103、Z方向工作台107、机身104和控制系统(未图示)。

请参见图2，喷射系统101由喷头阵列组成，它固定在Z方向工作台107上，由若干压电式工业喷头构成，在本实施例中有喷头201、喷头202、喷头203和喷头204，每个喷头上有若干沿长度方向均匀排列的喷嘴207，每个喷头相邻喷嘴的间距为205。这4个喷头排成4排4列，其中，第一排第一列喷头201的喷嘴相对第二排第三列喷头202的喷嘴有错位206，第三排第二列喷头203的喷嘴相对第四排第四列喷头204的喷嘴也有错位206，并且此错位206等于二分之一的相邻喷嘴间距205，从而使喷头阵列在Y方向的合成喷嘴间距缩小一半，即喷射分辨率提高一倍。第二排第三列喷头202相对第四排第四列喷头204有重叠量215，第一排第一列喷头201相对第三排第二列喷头203也有重叠量215，因此在Y方向没有喷印盲区。

喷头阵列中的喷头为压电式喷头(piezoelectric print-head)，它由压电陶瓷片208、隔膜210、容腔211、入口212、储液器213、供液管道212和喷嘴207等组成。在压电陶瓷片208上未施加驱动信号209时，容腔211中墨水的压力足够低(或为负压)，墨水因表面张力而保持在容腔211中；需要喷射时，在压电陶瓷片208上施加一个脉冲电压，压电陶瓷片208立即发生微小变形，在此作用下，隔膜210发生弹性变形，使与其相连的容腔211中墨水的容积迅速缩小，产生朝向喷嘴207的压力波，此压力波克服喷嘴207中的阻力和墨水的表面张力，使喷嘴207出口处形成一个液滴214，并使其从喷嘴207喷出。然后，压电陶瓷片208和隔膜210恢复原状，由于表面张力作用，新的墨水通过供液管道212、储液器213、入口212进入喷头的容腔211。

在本发明的实施例中，墨水为紫外光固化墨水，当然也可以是其他墨水。

本发明的实施例中，喷射系统101固定在Z方向工作台107上，喷印工作时喷射系统101不必沿X-Y方向运动，通过X-Y方向工作台103的运动来实现X-Y方向扫描喷印，从而能覆盖整个大尺寸的PCB板，在其上喷印所需众多的字符。而且，喷印时不会因喷头的快速运动而引起供墨压力波动、产生不利的卫星墨滴和喷射轨迹偏移、供墨管道和控制电路等跟随运动结构复杂等弊端。

请参见图3，在本发明的实施例中，供墨系统106由恒温超声波震荡墨瓶301、供墨泵302、高精度的过滤器303、恒液位墨盒304和喷头清洗回路307等组成。其中，恒温超声波震荡墨瓶301中设有自动恒温加热系统313和超声波发生器314，确保在恶劣环境下(冬季或夏季)墨水黏度符合喷头喷射要求，避免墨水中颗粒沉积和团聚。供墨泵302通过供墨管道308抽取墨瓶301中的墨水，并将墨水通过供墨管道309输送至过滤器303，然后通过供墨管道310输送至恒液位墨盒304。高精度的过滤器303能阻挡墨水中的较大颗粒物质进入墨盒304和喷射系统101，避免堵塞喷嘴207。恒液位墨盒304中设有液位传感器315，当墨盒304的液面316低于设定高度时，控制系统使供墨泵302不断运转并向恒液位墨盒304供墨；当恒液位墨盒304的液面316高于设定高度时，控制系统使供墨泵302停止运转、不向恒液位墨盒304供墨，从而能使恒液位墨盒304中的液面316保持恒定的高度，即施加喷射系统的供墨压力稳定。喷头清洗回路307由喷头201(202、203、204)、控制阀305(306)和管道311(312)等组成，每个喷头201(202、203、204)都有相应的控制阀305(306)和管道312。当喷嘴207可能出现堵塞状况时，无论恒液位墨盒304中的液面处于任何高度，控制系统都会使供墨泵302运转，通过过滤器303、墨盒304和管道311向各个喷头201(202、203、204)输送墨水，并迫使墨水一部分从喷嘴207流出，另一部分墨水通过控制阀305(306)和管道311(312)流回墨瓶301，导致残存在喷嘴207和管道311中的大颗粒物质和气泡从系统中排出，保证喷印正常进行。

请参见图4，本发明实施例中，紫外光固化系统102由紫外灯401、石英水套402、冷水机403、熔断器405、镇流器406和触发器407等组成。其中，交流电源404通过熔断器405、镇流器406和触发器407与紫外灯401相连，使紫外灯401发出紫外光408，用于固化喷嘴207喷射在紫外灯401下方的PCB板上形成的字符。紫外灯401固定在喷射系统101的左右两侧，每侧一个紫外灯。石英水套402套在紫外灯401的外面，冷水机403通过管道410将冷却水409输送至石英水套402中，并从管道411流回冷水机403，这种循环水用于控制紫外灯401的温度，提高固化效果，减少紫外灯401发出的热量对其下方PCB板的不利影响。紫外光固化系统102仅是本发明的一种实例，也可以用其他的墨水固化系统来实现。

请参见图5，在本发明实施例中，外加热系统由水箱501、水泵502、墨盒加热垫板503、喷头加热垫板504和自动恒温加热系统505等组成。其中，自动恒温加热系统505位于水箱501中，能使水箱501内的水加热至所需温度。水泵502通过管道506抽取水箱501中的热水，并通过管道507将热水输送至墨盒加热垫板503中，然后通过管道510流回水箱501，这种水循环能使墨盒304和其中的墨水加热至所需温度；水泵502又通过管道508将热水输至喷头加热垫板504中，然后通过管道509流回水箱501，这种水循环能使喷头201(202、203、204)和其中的墨水加热至所需温度。

采用上述外加热系统后，能使用无自加热装置的喷头，可以使喷头中的墨水温度升高、黏度降低，这对于使用通常黏度较高紫外光固化墨水的字符喷印系统特别有益。

上述实施例是提供给本领域普通技术人员来实现或使用本发明的，本领域普通技术人员可在不脱离本发明思想的情况下，对上述实施例做出种种修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。

Claims (10)

1.一种印刷电路板字符喷印机，其包括：

喷射系统，包括多个喷头；

供墨系统，包括墨盒，和该喷射系统连接，向该喷射系统提供墨水；

墨水固化系统，设置在该喷射系统的该些喷头附近，快速固化喷射的字符墨水；

外加热系统，加热该喷射系统中的该些喷头和该供墨系统中的该墨盒；

工作台，包括X-Y方向工作台和Z方向工作台，其中该X-Y方向工作台驱动固定于其上的印刷电路板，该Z方向工作台上固定着该些喷头，以便该Z方向工作台在Z方向上驱动喷头；

控制系统，用于整个印刷电路板字符喷印机中各组件的自动控制。

2.根据权利要求1所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该印刷电路板字符喷印机还包括：

机身，其进一步包括：

底座，用于支撑该X-Y方向工作台；

横梁，用于安装该喷射系统；

立柱，安装在底座上，该横梁安装其上。

3.根据权利要求2所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该喷射系统进一步包括：

喷头阵列，由该些喷头排列而成，固定在该横梁上，以使喷印字符时无需作扫描运动，其中每一喷头上设有多个喷嘴。

4.根据权利要求1所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该喷头为压电式喷头。

5.根据权利要求2所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该供墨系统进一步包括：

恒温超声波震荡墨瓶，存储和加热墨水，并定期作震荡运动以避免墨水中的颗粒物沉降或团聚；

恒液位墨盒，存储定量的墨水，并控制墨水液面相对喷嘴的高度恒定，供应喷头所需的墨水；

供墨泵及其供墨管路，连接该恒温超声波震荡墨瓶和该恒液位墨盒，通过供墨管路抽取该恒温超声波震荡墨瓶中的墨水并输送至该恒液位墨盒；

过滤器，安装在该供墨泵和该恒液位墨盒之间，过滤墨水中的颗粒杂质；

喷头清洗回路，内设控制阀和清洗管路，每个喷头均有对应的控制阀和清洗管路，通过该控制阀和该供墨泵排除供墨管路和喷头中残存的杂质和气泡。

6.根据权利要求2所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该墨水固化系统是紫外光固化系统，该紫外光固化系统进一步包括：

紫外灯，设置在该喷头附近，通过发出的紫外光固化喷射的字符墨水；

镇流器，连接该紫外灯，控制该紫外灯中的电流；

触发器，触发该紫外灯；

冷却水套，套在该紫外灯的外面，控制该紫外灯的温度；

冷水器，用于向该冷却水套供应冷却水。

7.根据权利要求2所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该外加热系统进一步包括：

墨盒加热垫板，通过其中的热水加热该恒液位墨盒以及其中的墨水；

喷头加热垫板，通过其中的热水加热该些喷头以及其中的墨水；

水箱，用于储存热水；

自动恒温加热系统，位于该水箱中，加热该水箱中的水；

水泵，通过管路连接该水箱、该墨盒加热垫板和该喷头加热垫板，用于抽取该水箱中储存的热水，输送至该墨盒加热垫板和该喷头加热垫板。

8.根据权利要求2所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该X-Y方向工作台进一步包括：

X方向工作台，用于安置该印刷电路板，并在X方向驱动固定其上的印刷电路板；

Y方向工作台，通过在Y方向上驱动该X方向工作台，以使在Y方向上驱动固定在该X方向工作台上的印刷电路板；

印刷电路板夹紧定位装置，夹紧该印刷电路板的四边，以使其相对X-Y方向工作台定位。

9.根据权利要求3所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该Z方向工作台进一步包括：

滑动台，固定该喷头阵列，通过在Z方向上驱动该滑动台调节该喷头距离该印刷电路板表面的距离。

10.根据权利要求2所述的印刷电路板字符喷印机，其特征在于，该控制系统包括：

气动控制系统，控制该印刷电路板的夹紧和定位；

电气控制系统，控制该印刷电路板字符喷印机的自动工作循环。

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