利用z軸主動控制分配導電材料的設備和方法
【專利摘要】一種利用Z軸主動控制分配導電材料的設備和方法。一種將導電油墨印刷到塑料面板上的設備，包括可以進行關節(jié)運動的臂，該臂具有與面板表面相對的端部。噴嘴經(jīng)噴嘴高度調(diào)節(jié)器安裝到臂的端部，并且噴嘴與導電油墨源連接。流量調(diào)節(jié)器與油墨源、調(diào)節(jié)噴嘴連接，借此調(diào)節(jié)來自噴嘴的導電油墨的流量。高度傳感器用于輸出相對于所述表面的高度信號，而控制器與臂、流量調(diào)節(jié)器、噴嘴高度調(diào)節(jié)器和傳感器連接，用于控制臂、流量調(diào)節(jié)器、噴嘴高度調(diào)節(jié)器、和噴嘴移動速度，該控制器因此高度和寬度重新決定的導電軌跡位于在基板上。
【專利說明】利用Z軸主動控制分配導電材料的設備和方法
[0001]本申請是國際申請日為2006年11月21日、國際申請?zhí)枮镻CT/US2006/045120、國家申請?zhí)枮?00680052970.X、名稱為“利用Z軸主動控制分配導電材料的設備和方法”的中國專利申請的分案申請。
【背景技術】【技術領域】
[0002]本發(fā)明涉及在塑料或者玻璃面板(例如用作車上的后燈)上印刷導電加熱柵格圖案的設備和方法。
[0003]相關技術
[0004]目前用例如聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的塑性材料來制造許多汽車部件和零件，例如中間立柱、前燈和太陽天窗。由于這些塑性材料具有許多標志性的優(yōu)點，特別是在式樣/設計、減重、以及安全性/可靠性方面，因此汽車的后窗(后燈)系統(tǒng)用到了這些材料。更具體地說，塑性材料不但能讓汽車制造商通過增加總體設計和形狀的復雜性來區(qū)別他們的車輛，而且能讓汽車制造商通過將功能零件集成到模制塑料系統(tǒng)內(nèi)來降低后窗組件的復雜性。由于重量比常規(guī)的玻璃后燈系統(tǒng)輕，因此將它們結(jié)合到車輛既可以降低車輛的重心(因此車輛更易操縱且安全)，又可以提高燃料經(jīng)濟性。此外，還增加了安全性，特別是在翻車事故方面，這是因為乘坐者或者乘客被保持在車內(nèi)的可能性更大。
[0005]盡管使用塑料窗有許多優(yōu)點，但是這些窗戶并非沒有限制，在大規(guī)模的商業(yè)應用之前，必須闡明這些象征技術障礙的限制。與材料性質(zhì)有關的限制包括長時間暴露于高溫時塑料的穩(wěn)定性和塑料的有限的導熱能力。關于后者，為了用作車上的后燈，塑料必須與除霜器或者除霧系統(tǒng)(下文僅稱為“除霜器”)兼容。為了在商業(yè)上被接受，塑料后燈必須滿足為給玻璃后燈除霜或者除霧而建立的性能標準。
[0006]當考慮到熱傳導時，玻璃和塑料在材料性質(zhì)上的差別變得相當明顯。玻璃的導熱系數(shù)(Te=22.39 X IO-4卡/厘米?秒.°C)約為典型的塑料所表現(xiàn)出的導熱系數(shù)(例如，聚碳酸酯的Τε=4.78Χ 10_4卡/厘米.秒.。C)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為塑料窗除霜或者除霧(下面僅提到“除霜”)。塑料的低導熱系數(shù)可以限制從橫貫塑料窗表面的加熱柵格線中散熱。因此，在輸出功率相似時，玻璃窗上的加熱柵格可以除去整個視域上的霜，而塑料窗上的同樣的加熱柵格只能為視域中靠近柵格線的那些部分除霜。
[0007]玻璃和塑料間的第二差異與印刷的加熱柵格表現(xiàn)出的導電性有關，這是必須克服的。相對較高的軟化溫度(例如，T軟化>>1000°C)表明玻璃具有熱穩(wěn)定性，這允許玻璃窗表面的金屬膏燒結(jié)以生成主要為無機玻璃料(frit)或者金屬線。由于玻璃的軟化溫度顯著高于典型的塑性樹脂的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度(例如，聚碳酸酯Tg=145°C)，因此金屬膏不能燒結(jié)到塑料面板上。相反，必須在低于塑性樹脂的Tg的溫度下讓它在面板上固化。
[0008]金屬膏通常由分散在聚合物樹脂中的金屬顆粒組成，聚合物樹脂會粘著到它所涂敷的塑料表面上。金屬膏的固化形成導電聚合物基體，該基體具有分散在整個介質(zhì)層中的密集的金屬顆粒。與燒結(jié)在玻璃基底上的尺寸相似的加熱柵格線相比，分散的導電顆粒之間存在的介電層(例如，聚合物)導致固化的加熱柵格線的導電性下降，或電阻增加。導電性上的這一差別表明與玻璃窗相比，塑料窗所表現(xiàn)出來的除霜特性較差。
[0009]牢記上述內(nèi)容，顯然，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熱柵格的質(zhì)量。各種參數(shù)會影響印刷的加熱柵格的質(zhì)量，這些參數(shù)包括柵格線的寬度、高度和平直度方面的任何差異。寬度和高度方面存在的差異越多，對除霜器有效性的負面影響就越大。這是各個區(qū)段中的柵格線和母線的電阻不相等的結(jié)果，這導致各個區(qū)段中的除霜器的電阻加熱不相等。關于平直度，主要是審美需要，因為塑料窗組件能夠具有更大的設計靈活性和曲率，因此這不再是個問題。
[0010]使用導電油墨或者膏以及本領域技術人員已知的各種方法，除霜器可以直接印刷到面板的內(nèi)表面或外表面，或者保護層表面。這些方法包括但不限于絲柵格印刷、噴墨印刷和自動分配。自動分配包括粘合劑應用領域的技術人員已知的方法，例如滴流和拖曳、傾流、以及簡單的流動分配。在上述的每種情況下，面板的形狀影響著印刷線的質(zhì)量，即絲柵格印刷很難在非平面面板上進行，還影響在柵格線的寬度和高度方向上的印刷速度。速度較低而油墨或者膏的流量較高可以形成較寬且較高的柵格線。相反，速度較高而流量較低可以形成較細且較低的柵格線。特別的是，利用絲柵格印刷，柵格線的高度不容易變化。
[0011]從上可知，可以看出工業(yè)上需要一種設備和方法，它可以有效地控制用以將柵格線印刷到面板上的質(zhì)量和連貫性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]為了滿足上述需要，并克服所列舉的相關技術的缺陷和其他限制，本發(fā)明提供了一種將由導電油墨形成的柵格線印刷到塑料基板或面板上的設備。該設備包括適合支撐面板的支架和可以進行關節(jié)運動的臂，臂相對于支架定位，從而臂的端部與面板的待印刷的表面相對。分配噴嘴由臂攜帶，并且安裝到臂的端部；噴嘴與導電油墨源和噴嘴高度調(diào)節(jié)器連接，噴嘴高度調(diào)節(jié)器將噴嘴安裝到臂上。最后，流量調(diào)節(jié)器與油墨源和噴嘴連接，藉此調(diào)節(jié)來自噴嘴的導電油墨的流量。該設備還包括高度傳感器，其構(gòu)成為用于輸出相對于面板表面的高度信號。一個控制器與臂、流量調(diào)節(jié)器、噴嘴高度調(diào)節(jié)器和高度傳感器連接，用于使臂進行關節(jié)運動，從而使噴嘴按預定的圖案在面板表面附近移動。另外，控制器用于根據(jù)噴嘴移動的速度、來自高度傳感器的高度信號和/或來自噴嘴的導電油墨的流量控制流量調(diào)節(jié)器和噴嘴高度調(diào)節(jié)器中的至少一個，從而具有預定高度和寬度的導電軌跡被施加到面板上。
[0013]此外，在參照附屬于本說明書并且構(gòu)成它的一部分的附圖和權利要求書綜覽下面的描述之后，本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點對所屬【技術領域】的技術人員而言將變得特別顯而易見。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的窗戶組件的四個備選實施方式的示意性的剖視圖；
[0015]圖2是讓分配頭在窗戶組件的面板上來回移動的機械臂的透視圖；[0016]圖3是面板上的機械臂和分配頭的局部前視圖；
[0017]圖4是設置在面板上的加熱柵格線的詳細的橫斷面視圖。
【具體實施方式】
[0018]現(xiàn)在來看附圖，如圖1所示，除霜器或者加熱柵格16可以設置在塑料窗戶組件20的外表面18附近(示意圖A)，塑料窗戶組件20的內(nèi)表面22上(示意圖B和C)，或者封閉在塑料面板自身內(nèi)(示意圖D)。就綜合性能和成本而論，加熱柵格16的每個可能的位置提供了不同的好處。最好將加熱柵格16設置在窗戶組件20的外表面18附近(示意圖A)，以便使為窗戶組件20除霜所需的時間最少。將加熱柵格16設置在窗戶組件20的塑料面板24的內(nèi)表面22上(示意圖B和C)有助于容易應用并降低生產(chǎn)成本。
[0019]透明的塑料面板24自身可以由熱塑性聚合物樹脂或者它們的混合物或者組合物制成。合適的熱塑性樹脂包括但不限于聚碳酸酯樹酯、丙烯酸樹脂、聚芳酯樹脂、聚酯樹脂和聚砜樹脂、以及它們的共聚物和混合物?？梢允褂靡阎娜魏畏椒ǎ缒Ｖ?、熱成型或擠壓，將面板24形成窗戶。面板24還可以包括不透明區(qū)域，其通過以涂黑邊界26的形式將不透明油墨印刷在面板24上，或者用不透明樹脂模制邊界而被施加。
[0020]加熱柵格16可以直接印刷在塑料面板24的內(nèi)表面28或者外表面30上。另外，它還可以印刷在一個或者多個保護層32、34的表面上。無論是按兩種構(gòu)造中的哪一種，都使用導電油墨來進行印刷。
[0021]按它的最終構(gòu)造，塑料面板24可以免受通過在面板24的外側(cè)和/或內(nèi)側(cè)上使用單個保護層32或者額外的、可選的保護層34而遭受紫外輻射、氧化、和剝蝕引起的這種自然現(xiàn)象。作為這里所使用的術語，帶有至少一個保護層32的透明塑料面板24被定義為透明的塑料窗板。
[0022]保護層32、34可以是塑料薄膜、有機涂層、無機涂層、或者它們的混合物。塑料薄膜可以具有與透明面板相同或者不同的成分。薄膜和涂層可以包括紫外線吸收劑(UVA)分子，流變控制添加劑，例如分散劑、表面活性劑、和用于增強抗剝蝕性的透明填料(例如，二氧化硅、氧化鋁、等等)，以及用于改變光學、化學、或者物理性能的其他添加劑。有機涂料的例子包括但不局限于氨基甲酸乙酯、環(huán)氧化物、和丙烯酸鹽以及它們的混合物或者摻合物。無機涂層的某些例子包括硅酮、氧化鋁、氟化鋇、氮化硼、氧化鉿、氟化鑭、氟化鎂、氧化鎂、氧化鈧、一氧化硅、二氧化硅、氮化硅、氧氮化硅、氧碳化硅、碳化硅、氧化鉭、氧化鈦、氧化錫、氧化銦錫、氧化釔、氧化鋅、硒化鋅、硫化鋅、氧化鋯、鈦酸鋯、或者玻璃、以及它們的混合物或者摻合物。
[0023]用作保護層32、34的保護涂層可以用本領域技術人員已知的任何適用技術來涂敷。這些技術包括沉積活性組分，例如真空輔助沉積工藝以及常壓涂布工藝(例如將溶膠-凝膠涂層涂敷到基底上所用的涂布工藝)中采用的活性組分。真空輔助沉積工藝的例子包括但不局限于等離子增強的化學氣相沉積、離子輔助的等離子沉積、磁控濺射、電子束蒸發(fā)、和離子束濺射。常壓涂布工藝的例子包括但不局限于幕簾涂布、噴涂、旋涂、浸潰涂布、和流涂。
[0024]作為說明性的例子，聚碳酸酯面板24包括帶有印刷的除霜器16的Exatec?900汽車窗配玻璃系統(tǒng)，它一般與圖1的示意圖C的實施方式對應。在此具體實例中，透明的聚碳酸酯面板24由多層涂覆系統(tǒng)(Exatec?; SHP-9X，Exatec? shx，和“玻璃狀”涂
層(SiOxCyHz)的沉積層)保護，然后在保護層34的面對車內(nèi)部的暴露表面上印刷加熱柵格16。作為另一種備選構(gòu)造，可以將加熱柵格16放在一層或者多層保護涂層32、34的頂部，然后過涂覆附加層或多層保護層。例如，可以將加熱柵格16放在硅樹脂保護涂層(例如，AS4000, GE硅酮)的頂部，隨后過涂覆“玻璃狀”薄膜。
[0025]現(xiàn)在來看本發(fā)明，圖2舉例說明了機器40，它可以是具有Z軸主動控制的機械臂或者其他裝置，用于將導電油墨分配到擱靠在支架38上的面板24上，從而形成一系列加熱柵格線54。如圖所示的機器40由固定安裝到支撐表面上的機械臂42和附著于機械臂42端部的分配頭44構(gòu)成?？刂破?5與機械臂42電連通，分配頭44和流量調(diào)節(jié)器47與導電油墨源49流體連接。機械臂42是可以進行關節(jié)運動的，并且能夠使分配頭44移動到面板24的表面22上的任何一點。在優(yōu)選的操作中，機械臂42使分配頭44沿直線方向在面板24上移動，并且分配頭將來自源49的導電油墨沿直線分配到面板25上，形成加熱柵格線54，為清楚起見，圖2中只顯示了其中一些加熱柵格線。盡管這是典型的實施方式，但是其他例子也可以按照其他任何圖案，例如曲線，來分配加熱柵格線54。
[0026]更仔細地看分配頭44，它主要由機械臂42支撐的基底46組成。與基底46連接的是傳感器50和調(diào)節(jié)器52，噴嘴48安裝到調(diào)節(jié)器52上，并且進一步與導電油墨源49和流量調(diào)節(jié)器47連接。流量調(diào)節(jié)器47可以是能夠控制油墨從油墨源49到噴嘴48的流量的任何裝置。在操作期間，借助流量調(diào)節(jié)器，導電油墨通過噴嘴48分配到面板24的內(nèi)表面22上。流量調(diào)節(jié)器47可以包括但不局限于直接排出流體的裝置，例如已知的通過螺旋輸送器、活塞、或者齒輪機構(gòu)進行的裝置。
[0027]為了確保按照某種方式來分配油墨以形成所期望的具有預定寬度和高度的柵格線54，傳感器50直接或者間接測量分配頭48與面板24的表面22的距離。結(jié)果，在控制機械臂42將分配頭44移動到表面22上的所期望的位置的同時，控制器45還根據(jù)來自傳感器50的輸入信號利用調(diào)節(jié)器52主動控制噴嘴48的Z軸位置。調(diào)節(jié)器52根據(jù)所期望的柵格線54的特征沿著Z軸將噴嘴48的位置從表面22平移到精確高度56內(nèi)(見圖3)，優(yōu)選在0-3毫米之內(nèi)，但更典型的是在0.5-1毫米之間。盡管調(diào)節(jié)器52是線性馬達，但是其他實施方式也可以使用任何電的、液壓的、氣動的、壓電的、電磁的、或者能有同樣的精確度和響應時間的其他調(diào)節(jié)器52。
[0028]傳感器50是能夠測量距面板表面22的高度56的任何傳感器，并且必須能測量半反射和/或透明表面。在所示的例子中，傳感器50包括三角測量激光裝置，它由發(fā)射器58和接收器60組成。為了測量噴嘴48距內(nèi)表面22的距離，激光從發(fā)射器58發(fā)射出來，并被引導或者反射到表面22上。然后光被反射到接收器60，并且根據(jù)發(fā)射器58到接收器60的相對位置，傳感器50通過三角測量計算出表面22距傳感器50的參照點的距離。然后控制器45根據(jù)來自傳感器50的信號以及調(diào)節(jié)器52和噴嘴48的已知位置計算出高度56。結(jié)果，控制器45可以命令調(diào)節(jié)器52沿著Z軸提升或者降低噴嘴48，從而補償面板24的表面上的差異，并且保持表面22上的預定高度56。
[0029]盡管典型的傳感器50是三角測量激光傳感器，但是也可以使用任何其他的非接觸式傳感器50，例如，光子傳感器(即測量反射光的強度)、空氣壓力傳感器、超聲波傳感器、磁傳感器、或者任何其他傳感器。另外，帶有以合適的方式接觸表面22的合適裝置的接觸傳感器(即滾動接觸、滑動接觸等等)也被考慮，因為本發(fā)明也能使用。
[0030]結(jié)果，這一布置可以根據(jù)分配頭在面板上移動的速度通過改變(增加或者降低)分配頭44相對于面板24的高度56 (h)以及分配油墨的流量(r)來精確控制加熱柵格線54的特征。因此，通過精確調(diào)節(jié)噴嘴48相對于面板24的輪廓的高度，和/或調(diào)節(jié)來自噴嘴48的導電油墨的流量，設備40能夠沿寬度64和高度66 —致的非常直的線來分配油墨(見圖4)。此外，通過改變高度56 (h)，速度(s)和油墨流量(r)中的一個或多個，可以根據(jù)特定應用中的技術和審美需要來改變加熱柵格線的寬度64和高度66。通過改變柵格線54的高度并從而改變柵格線54的橫截面積，可以改變柵格線段的電阻，而不改變柵格線的直觀美感(例如柵格線顯示出恒定的寬度)。因此，本發(fā)明的一個優(yōu)點在于避免在開始印刷柵格線54之前對面板的整個表面輪廓進行費時的掃描和繪圖。
[0031]盡管本實施方式補償了 Z軸上的差異，但是其他實施方式也可以補償X和Y軸上的差異，以便當噴嘴48橫向穿過面板24時，保持噴嘴始終垂直于表面22。使用多個傳感器50和調(diào)節(jié)器52來適當?shù)夭倏v噴嘴可以實現(xiàn)這種構(gòu)造(未示)。在一個實施方式中，至少兩個附加傳感器50會測量表面22的位置(X和Y軸)，從而確定面板上的曲率。除了沿Z軸平移之外，根據(jù)來自這些傳感器的輸入信號，控制器45還會控制機械臂42和/或附加調(diào)節(jié)器，使噴嘴48繞X軸和Y軸精確旋轉(zhuǎn)。結(jié)果，當噴嘴48在面板24上平移時，控制器45可以保持噴嘴48始終垂直于表面22。
[0032]所屬【技術領域】的技術人員不難理解，以上描述是對本發(fā)明的原則的實施方式的解釋。因為只要不背離由下面的權利要求限定的本發(fā)明的思想，本發(fā)明就易于改進、變異和改變，因此這一描述不打算用于限制本發(fā)明的范圍或者應用。
【權利要求】
1.一種用于將導電油墨印刷到塑料面板上的設備，該設備包括: 適合支撐面板的支架； 能夠進行關節(jié)運動的元件，它相對于所述支架放置，從而所述元件的端部與面板的待印刷的表面相對； 由所述元件攜帶的噴嘴，它在端部安裝到所述元件上，該噴嘴與導電油墨源連接； 噴嘴高度調(diào)節(jié)器，其用于相對于面板的表面沿著Z軸提升和降低噴嘴，所述噴嘴高度調(diào)節(jié)器由所述元件攜帶并且將噴嘴安裝到所述元件上； 與油墨源和噴嘴連接的流量調(diào)節(jié)器，來自噴嘴的導電油墨的流量由該流量調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié); 高度傳感器，它被構(gòu)造成測量噴嘴到面板表面的距離，并且用于輸出相對于面板表面的高度信號；和 與所述元件、流量調(diào)節(jié)器、噴嘴高度調(diào)節(jié)器和高度傳感器連接的控制器，該控制器用于引起所述元件的關節(jié)運動，以便使所述噴嘴按預定圖案在面板表面附近移動，從而根據(jù)噴嘴移動的速度、來自高度傳感器的高度信號以及來自噴嘴的導電油墨的流量中的至少一個，使得當所述元件相應地進行關節(jié)運動時控制器控制流量調(diào)節(jié)器和噴嘴高度調(diào)節(jié)器中的至少一個，從而具有預定高度和寬度的導電軌跡被施加到面板上。
2.根據(jù)權利要求1所 述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述控制器用于引起噴嘴的關節(jié)運動，從而將噴嘴保持在垂直于面板表面的取向上。
3.根據(jù)權利要求2所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述噴嘴經(jīng)多個調(diào)節(jié)器被安裝到所述元件上，所述多個調(diào)節(jié)器包括X軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器和Y軸旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)器。
4.根據(jù)權利要求2所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述元件包括多個傳感器，所述多個傳感器包括X軸傳感器和Y軸傳感器。
5.根據(jù)權利要求1所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述元件是機器人或者機械臂之一。
6.根據(jù)權利要求1所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述傳感器是非接觸式傳感器或者接觸傳感器之一。
7.根據(jù)權利要求1所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述流量調(diào)節(jié)器包括螺旋輸送機構(gòu)、活塞機構(gòu)或者齒輪機構(gòu)中的至少一個。
8.根據(jù)權利要求1所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述噴嘴高度調(diào)節(jié)器是線性馬達、液壓執(zhí)行機構(gòu)、氣動執(zhí)行機構(gòu)、壓電執(zhí)行機構(gòu)或者電磁執(zhí)行機構(gòu)之一。
9.根據(jù)權利要求1所述的用于印刷導電油墨的設備，其中所述傳感器是激光傳感器、光子傳感器、空氣傳感器、超聲波傳感器和磁傳感器中的一個。
10.一種用于在塑料面板上印刷導電軌跡的方法，包括: 提供具有在上面印刷的表面的塑料面板； 通過能夠進行關節(jié)運動的元件使噴嘴位于該面板的所述表面附近； 通過所述元件相對該面板的所述表面移動噴嘴； 感測相對于離開面板的噴嘴的高度的面板表面； 確定噴嘴在面板表面上移動的速度； 當所述元件被相應地移動時，調(diào)節(jié)噴嘴相對于面板表面的高度和來自噴嘴的導電油墨的流量中的至少一個；并且 將導電油墨從噴嘴分配到面板表面上，形成導電軌跡； 其中導電軌跡形成有預定的寬度。
11.根據(jù)權利要求10所述的方法，還包括使塑料面板形成有在上面印刷的曲面的步驟。
12.根據(jù)權利要求1 1所述的方法，其中感測步驟直接或者間接地感測噴嘴相對于面板表面的高度。
13.根據(jù)權利要求11所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟提升和/或降低噴嘴的高度。
14.根據(jù)權利要求10所述的方法，其中所述調(diào)節(jié)步驟增加來自噴嘴的導電油墨的流量。
【文檔編號】H05B3/86GK103763801SQ201410042929
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2006年11月21日 優(yōu)先權日:2005年12月29日
【發(fā)明者】R·施文克, E·范德米倫, B·布伊, K·韋斯 申請人:?？税⑻┛擞邢挢熑喂?br>