CN103763801A - 利用z轴主动控制分配导电材料的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种利用Z轴主动控制分配导电材料的设备和方法。一种将导电油墨印刷到塑料面板上的设备，包括可以进行关节运动的臂，该臂具有与面板表面相对的端部。喷嘴经喷嘴高度调节器安装到臂的端部，并且喷嘴与导电油墨源连接。流量调节器与油墨源、调节喷嘴连接，借此调节来自喷嘴的导电油墨的流量。高度传感器用于输出相对于所述表面的高度信号，而控制器与臂、流量调节器、喷嘴高度调节器和传感器连接，用于控制臂、流量调节器、喷嘴高度调节器、和喷嘴移动速度，该控制器因此高度和宽度重新决定的导电轨迹位于在基板上。

Description

利用Z轴主动控制分配导电材料的设备和方法

本申请是国际申请日为2006年11月21日、国际申请号为PCT/US2006/045120、国家申请号为200680052970.X、名称为“利用Z轴主动控制分配导电材料的设备和方法”的中国专利申请的分案申请。

背景技术

技术领域

本发明涉及在塑料或者玻璃面板（例如用作车上的后灯）上印刷导电加热栅格图案的设备和方法。

相关技术

目前用例如聚碳酸酯（PC）和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的塑性材料来制造许多汽车部件和零件，例如中间立柱、前灯和太阳天窗。由于这些塑性材料具有许多标志性的优点，特别是在式样/设计、减重、以及安全性/可靠性方面，因此汽车的后窗（后灯）系统用到了这些材料。更具体地说，塑性材料不但能让汽车制造商通过增加总体设计和形状的复杂性来区别他们的车辆，而且能让汽车制造商通过将功能零件集成到模制塑料系统内来降低后窗组件的复杂性。由于重量比常规的玻璃后灯系统轻，因此将它们结合到车辆既可以降低车辆的重心（因此车辆更易操纵且安全），又可以提高燃料经济性。此外，还增加了安全性，特别是在翻车事故方面，这是因为乘坐者或者乘客被保持在车内的可能性更大。

尽管使用塑料窗有许多优点，但是这些窗户并非没有限制，在大规模的商业应用之前，必须阐明这些象征技术障碍的限制。与材料性质有关的限制包括长时间暴露于高温时塑料的稳定性和塑料的有限的导热能力。关于后者，为了用作车上的后灯，塑料必须与除霜器或者除雾系统（下文仅称为“除霜器”）兼容。为了在商业上被接受，塑料后灯必须满足为给玻璃后灯除霜或者除雾而建立的性能标准。

当考虑到热传导时，玻璃和塑料在材料性质上的差别变得相当明显。玻璃的导热系数（T_c=22.39×10^-4卡/厘米·秒·℃）约为典型的塑料所表现出的导热系数（例如，聚碳酸酯的T_c=4.78×10^-4卡/厘米·秒·℃）的4-5倍。因此，用于在玻璃窗上有效工作的除霜器不一定能有效地为塑料窗除霜或者除雾（下面仅提到“除霜”）。塑料的低导热系数可以限制从横贯塑料窗表面的加热栅格线中散热。因此，在输出功率相似时，玻璃窗上的加热栅格可以除去整个视域上的霜，而塑料窗上的同样的加热栅格只能为视域中靠近栅格线的那些部分除霜。

玻璃和塑料间的第二差异与印刷的加热栅格表现出的导电性有关，这是必须克服的。相对较高的软化温度（例如，T软化>>1000℃）表明玻璃具有热稳定性，这允许玻璃窗表面的金属膏烧结以生成主要为无机玻璃料（frit）或者金属线。由于玻璃的软化温度显著高于典型的塑性树脂的玻璃态转化温度（例如，聚碳酸酯T_g=145℃），因此金属膏不能烧结到塑料面板上。相反，必须在低于塑性树脂的T_g的温度下让它在面板上固化。

金属膏通常由分散在聚合物树脂中的金属颗粒组成，聚合物树脂会粘着到它所涂敷的塑料表面上。金属膏的固化形成导电聚合物基体，该基体具有分散在整个介质层中的密集的金属颗粒。与烧结在玻璃基底上的尺寸相似的加热栅格线相比，分散的导电颗粒之间存在的介电层（例如，聚合物）导致固化的加热栅格线的导电性下降，或电阻增加。导电性上的这一差别表明与玻璃窗相比，塑料窗所表现出来的除霜特性较差。

牢记上述内容，显然，要使和面板一起使用的任何除霜器的效率和有效性最大化，重要的是控制印刷到面板上的加热栅格的质量。各种参数会影响印刷的加热栅格的质量，这些参数包括栅格线的宽度、高度和平直度方面的任何差异。宽度和高度方面存在的差异越多，对除霜器有效性的负面影响就越大。这是各个区段中的栅格线和母线的电阻不相等的结果，这导致各个区段中的除霜器的电阻加热不相等。关于平直度，主要是审美需要，因为塑料窗组件能够具有更大的设计灵活性和曲率，因此这不再是个问题。

使用导电油墨或者膏以及本领域技术人员已知的各种方法，除霜器可以直接印刷到面板的内表面或外表面，或者保护层表面。这些方法包括但不限于丝栅格印刷、喷墨印刷和自动分配。自动分配包括粘合剂应用领域的技术人员已知的方法，例如滴流和拖曳、倾流、以及简单的流动分配。在上述的每种情况下，面板的形状影响着印刷线的质量，即丝栅格印刷很难在非平面面板上进行，还影响在栅格线的宽度和高度方向上的印刷速度。速度较低而油墨或者膏的流量较高可以形成较宽且较高的栅格线。相反，速度较高而流量较低可以形成较细且较低的栅格线。特别的是，利用丝栅格印刷，栅格线的高度不容易变化。

从上可知，可以看出工业上需要一种设备和方法，它可以有效地控制用以将栅格线印刷到面板上的质量和连贯性。

发明内容

为了满足上述需要，并克服所列举的相关技术的缺陷和其他限制，本发明提供了一种将由导电油墨形成的栅格线印刷到塑料基板或面板上的设备。该设备包括适合支撑面板的支架和可以进行关节运动的臂，臂相对于支架定位，从而臂的端部与面板的待印刷的表面相对。分配喷嘴由臂携带，并且安装到臂的端部；喷嘴与导电油墨源和喷嘴高度调节器连接，喷嘴高度调节器将喷嘴安装到臂上。最后，流量调节器与油墨源和喷嘴连接，藉此调节来自喷嘴的导电油墨的流量。该设备还包括高度传感器，其构成为用于输出相对于面板表面的高度信号。一个控制器与臂、流量调节器、喷嘴高度调节器和高度传感器连接，用于使臂进行关节运动，从而使喷嘴按预定的图案在面板表面附近移动。另外，控制器用于根据喷嘴移动的速度、来自高度传感器的高度信号和/或来自喷嘴的导电油墨的流量控制流量调节器和喷嘴高度调节器中的至少一个，从而具有预定高度和宽度的导电轨迹被施加到面板上。

此外，在参照附属于本说明书并且构成它的一部分的附图和权利要求书综览下面的描述之后，本发明的其他目的、特征和优点对所属技术领域的技术人员而言将变得特别显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的窗户组件的四个备选实施方式的示意性的剖视图；

图2是让分配头在窗户组件的面板上来回移动的机械臂的透视图；

图3是面板上的机械臂和分配头的局部前视图；

图4是设置在面板上的加热栅格线的详细的横断面视图。

具体实施方式

现在来看附图，如图1所示，除霜器或者加热栅格16可以设置在塑料窗户组件20的外表面18附近（示意图A），塑料窗户组件20的内表面22上（示意图B和C），或者封闭在塑料面板自身内（示意图D）。就综合性能和成本而论，加热栅格16的每个可能的位置提供了不同的好处。最好将加热栅格16设置在窗户组件20的外表面18附近（示意图A），以便使为窗户组件20除霜所需的时间最少。将加热栅格16设置在窗户组件20的塑料面板24的内表面22上（示意图B和C）有助于容易应用并降低生产成本。

透明的塑料面板24自身可以由热塑性聚合物树脂或者它们的混合物或者组合物制成。合适的热塑性树脂包括但不限于聚碳酸酯树酯、丙烯酸树脂、聚芳酯树脂、聚酯树脂和聚砜树脂、以及它们的共聚物和混合物。可以使用已知的任何方法，例如模制、热成型或挤压，将面板24形成窗户。面板24还可以包括不透明区域，其通过以涂黑边界26的形式将不透明油墨印刷在面板24上，或者用不透明树脂模制边界而被施加。

加热栅格16可以直接印刷在塑料面板24的内表面28或者外表面30上。另外，它还可以印刷在一个或者多个保护层32、34的表面上。无论是按两种构造中的哪一种，都使用导电油墨来进行印刷。

按它的最终构造，塑料面板24可以免受通过在面板24的外侧和/或内侧上使用单个保护层32或者额外的、可选的保护层34而遭受紫外辐射、氧化、和剥蚀引起的这种自然现象。作为这里所使用的术语，带有至少一个保护层32的透明塑料面板24被定义为透明的塑料窗板。

保护层32、34可以是塑料薄膜、有机涂层、无机涂层、或者它们的混合物。塑料薄膜可以具有与透明面板相同或者不同的成分。薄膜和涂层可以包括紫外线吸收剂（UVA）分子，流变控制添加剂，例如分散剂、表面活性剂、和用于增强抗剥蚀性的透明填料（例如，二氧化硅、氧化铝、等等），以及用于改变光学、化学、或者物理性能的其他添加剂。有机涂料的例子包括但不局限于氨基甲酸乙酯、环氧化物、和丙烯酸盐以及它们的混合物或者掺合物。无机涂层的某些例子包括硅酮、氧化铝、氟化钡、氮化硼、氧化铪、氟化镧、氟化镁、氧化镁、氧化钪、一氧化硅、二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧碳化硅、碳化硅、氧化钽、氧化钛、氧化锡、氧化铟锡、氧化钇、氧化锌、硒化锌、硫化锌、氧化锆、钛酸锆、或者玻璃、以及它们的混合物或者掺合物。

用作保护层32、34的保护涂层可以用本领域技术人员已知的任何适用技术来涂敷。这些技术包括沉积活性组分，例如真空辅助沉积工艺以及常压涂布工艺（例如将溶胶-凝胶涂层涂敷到基底上所用的涂布工艺）中采用的活性组分。真空辅助沉积工艺的例子包括但不局限于等离子增强的化学气相沉积、离子辅助的等离子沉积、磁控溅射、电子束蒸发、和离子束溅射。常压涂布工艺的例子包括但不局限于幕帘涂布、喷涂、旋涂、浸渍涂布、和流涂。

作为说明性的例子，聚碳酸酯面板24包括带有印刷的除霜器16的

900汽车窗配玻璃系统，它一般与图1的示意图C的实施方式对应。在此具体实例中，透明的聚碳酸酯面板24由多层涂覆系统

SHP-9X，

SHX，和“玻璃状”涂层（SiO_xC_yH_z）的沉积层）保护，然后在保护层34的面对车内部的暴露表面上印刷加热栅格16。作为另一种备选构造，可以将加热栅格16放在一层或者多层保护涂层32、34的顶部，然后过涂覆附加层或多层保护层。例如，可以将加热栅格16放在硅树脂保护涂层（例如，AS4000，GE硅酮）的顶部，随后过涂覆“玻璃状”薄膜。

现在来看本发明，图2举例说明了机器40，它可以是具有Z轴主动控制的机械臂或者其他装置，用于将导电油墨分配到搁靠在支架38上的面板24上，从而形成一系列加热栅格线54。如图所示的机器40由固定安装到支撑表面上的机械臂42和附着于机械臂42端部的分配头44构成。控制器45与机械臂42电连通，分配头44和流量调节器47与导电油墨源49流体连接。机械臂42是可以进行关节运动的，并且能够使分配头44移动到面板24的表面22上的任何一点。在优选的操作中，机械臂42使分配头44沿直线方向在面板24上移动，并且分配头将来自源49的导电油墨沿直线分配到面板25上，形成加热栅格线54，为清楚起见，图2中只显示了其中一些加热栅格线。尽管这是典型的实施方式，但是其他例子也可以按照其他任何图案，例如曲线，来分配加热栅格线54。

更仔细地看分配头44，它主要由机械臂42支撑的基底46组成。与基底46连接的是传感器50和调节器52，喷嘴48安装到调节器52上，并且进一步与导电油墨源49和流量调节器47连接。流量调节器47可以是能够控制油墨从油墨源49到喷嘴48的流量的任何装置。在操作期间，借助流量调节器，导电油墨通过喷嘴48分配到面板24的内表面22上。流量调节器47可以包括但不局限于直接排出流体的装置，例如已知的通过螺旋输送器、活塞、或者齿轮机构进行的装置。

为了确保按照某种方式来分配油墨以形成所期望的具有预定宽度和高度的栅格线54，传感器50直接或者间接测量分配头48与面板24的表面22的距离。结果，在控制机械臂42将分配头44移动到表面22上的所期望的位置的同时，控制器45还根据来自传感器50的输入信号利用调节器52主动控制喷嘴48的Z轴位置。调节器52根据所期望的栅格线54的特征沿着Z轴将喷嘴48的位置从表面22平移到精确高度56内（见图3），优选在0-3毫米之内，但更典型的是在0.5-1毫米之间。尽管调节器52是线性马达，但是其他实施方式也可以使用任何电的、液压的、气动的、压电的、电磁的、或者能有同样的精确度和响应时间的其他调节器52。

传感器50是能够测量距面板表面22的高度56的任何传感器，并且必须能测量半反射和/或透明表面。在所示的例子中，传感器50包括三角测量激光装置，它由发射器58和接收器60组成。为了测量喷嘴48距内表面22的距离，激光从发射器58发射出来，并被引导或者反射到表面22上。然后光被反射到接收器60，并且根据发射器58到接收器60的相对位置，传感器50通过三角测量计算出表面22距传感器50的参照点的距离。然后控制器45根据来自传感器50的信号以及调节器52和喷嘴48的已知位置计算出高度56。结果，控制器45可以命令调节器52沿着Z轴提升或者降低喷嘴48，从而补偿面板24的表面上的差异，并且保持表面22上的预定高度56。

尽管典型的传感器50是三角测量激光传感器，但是也可以使用任何其他的非接触式传感器50，例如，光子传感器（即测量反射光的强度）、空气压力传感器、超声波传感器、磁传感器、或者任何其他传感器。另外，带有以合适的方式接触表面22的合适装置的接触传感器（即滚动接触、滑动接触等等）也被考虑，因为本发明也能使用。

结果，这一布置可以根据分配头在面板上移动的速度通过改变（增加或者降低）分配头44相对于面板24的高度56（h）以及分配油墨的流量（r）来精确控制加热栅格线54的特征。因此，通过精确调节喷嘴48相对于面板24的轮廓的高度，和/或调节来自喷嘴48的导电油墨的流量，设备40能够沿宽度64和高度66一致的非常直的线来分配油墨（见图4）。此外，通过改变高度56（h），速度（s）和油墨流量（r）中的一个或多个，可以根据特定应用中的技术和审美需要来改变加热栅格线的宽度64和高度66。通过改变栅格线54的高度并从而改变栅格线54的横截面积，可以改变栅格线段的电阻，而不改变栅格线的直观美感（例如栅格线显示出恒定的宽度）。因此，本发明的一个优点在于避免在开始印刷栅格线54之前对面板的整个表面轮廓进行费时的扫描和绘图。

尽管本实施方式补偿了Z轴上的差异，但是其他实施方式也可以补偿X和Y轴上的差异，以便当喷嘴48横向穿过面板24时，保持喷嘴始终垂直于表面22。使用多个传感器50和调节器52来适当地操纵喷嘴可以实现这种构造（未示）。在一个实施方式中，至少两个附加传感器50会测量表面22的位置（X和Y轴），从而确定面板上的曲率。除了沿Z轴平移之外，根据来自这些传感器的输入信号，控制器45还会控制机械臂42和/或附加调节器，使喷嘴48绕X轴和Y轴精确旋转。结果，当喷嘴48在面板24上平移时，控制器45可以保持喷嘴48始终垂直于表面22。

所属技术领域的技术人员不难理解，以上描述是对本发明的原则的实施方式的解释。因为只要不背离由下面的权利要求限定的本发明的思想，本发明就易于改进、变异和改变，因此这一描述不打算用于限制本发明的范围或者应用。

Claims (14)

1.一种用于将导电油墨印刷到塑料面板上的设备，该设备包括：

适合支撑面板的支架；

能够进行关节运动的元件，它相对于所述支架放置，从而所述元件的端部与面板的待印刷的表面相对；

由所述元件携带的喷嘴，它在端部安装到所述元件上，该喷嘴与导电油墨源连接；

喷嘴高度调节器，其用于相对于面板的表面沿着Z轴提升和降低喷嘴，所述喷嘴高度调节器由所述元件携带并且将喷嘴安装到所述元件上；

与油墨源和喷嘴连接的流量调节器，来自喷嘴的导电油墨的流量由该流量调节器调节；

高度传感器，它被构造成测量喷嘴到面板表面的距离，并且用于输出相对于面板表面的高度信号；和

与所述元件、流量调节器、喷嘴高度调节器和高度传感器连接的控制器，该控制器用于引起所述元件的关节运动，以便使所述喷嘴按预定图案在面板表面附近移动，从而根据喷嘴移动的速度、来自高度传感器的高度信号以及来自喷嘴的导电油墨的流量中的至少一个，使得当所述元件相应地进行关节运动时控制器控制流量调节器和喷嘴高度调节器中的至少一个，从而具有预定高度和宽度的导电轨迹被施加到面板上。

2.根据权利要求1所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述控制器用于引起喷嘴的关节运动，从而将喷嘴保持在垂直于面板表面的取向上。

3.根据权利要求2所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述喷嘴经多个调节器被安装到所述元件上，所述多个调节器包括X轴旋转调节器和Y轴旋转调节器。

4.根据权利要求2所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述元件包括多个传感器，所述多个传感器包括X轴传感器和Y轴传感器。

5.根据权利要求1所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述元件是机器人或者机械臂之一。

6.根据权利要求1所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述传感器是非接触式传感器或者接触传感器之一。

7.根据权利要求1所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述流量调节器包括螺旋输送机构、活塞机构或者齿轮机构中的至少一个。

8.根据权利要求1所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述喷嘴高度调节器是线性马达、液压执行机构、气动执行机构、压电执行机构或者电磁执行机构之一。

9.根据权利要求1所述的用于印刷导电油墨的设备，其中所述传感器是激光传感器、光子传感器、空气传感器、超声波传感器和磁传感器中的一个。

10.一种用于在塑料面板上印刷导电轨迹的方法，包括：

提供具有在上面印刷的表面的塑料面板；

通过能够进行关节运动的元件使喷嘴位于该面板的所述表面附近；

通过所述元件相对该面板的所述表面移动喷嘴；

感测相对于离开面板的喷嘴的高度的面板表面；

确定喷嘴在面板表面上移动的速度；

当所述元件被相应地移动时，调节喷嘴相对于面板表面的高度和来自喷嘴的导电油墨的流量中的至少一个；并且

将导电油墨从喷嘴分配到面板表面上，形成导电轨迹；

其中导电轨迹形成有预定的宽度。

11.根据权利要求10所述的方法，还包括使塑料面板形成有在上面印刷的曲面的步骤。

12.根据权利要求11所述的方法，其中感测步骤直接或者间接地感测喷嘴相对于面板表面的高度。

13.根据权利要求11所述的方法，其中所述调节步骤提升和/或降低喷嘴的高度。

14.根据权利要求10所述的方法，其中所述调节步骤增加来自喷嘴的导电油墨的流量。

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