CN101563230B - 具有导电元件的打印系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种打印系统。由于操作或传输聚集在基底上的电荷会影响微滴沉积的精确性并防碍打印精度及质量。为改进微滴沉积的精确性和打印精度及质量，必须的是减弱存在于打印头喷嘴和基底表面之间的电场。为实现这个目的，包括液体发射器和导电板的打印系统被开发出，其中导电板支撑基底，微滴被发射于基底上，并且导电板在打印区域是均匀导电和/或接地的。

Description

具有导电元件的打印系统

技术领域

本发明的描述涉及喷墨打印。

背景技术

喷墨打印允许材料精确沉积在基底上。参考图1，在许多喷墨系统中，打印机5具有带有致动机构的喷嘴10，其将流体微滴15排出至基底20上。喷嘴10和基底20相对于彼此移动以施加微滴15至基底20的不同部分。打印机能够由相关联的在喷嘴10处于相对于基底20的预定相对位置时指令打印机喷射微滴15的软件和硬件所控制。在基底和喷嘴之间的相对位置、相对速度、墨滴喷射速度和从基底至喷嘴的垂直距离确定了微滴15在基底20上的位置。

发明内容

所描述的打印系统具有流体发射器和导电板。流体发射器构造以发射微滴进入基底上的打印区域。导电板用于支撑基底，微滴发射到基底上，其中导电板在打印区域内均匀导电。

用于打印到基底上的系统得以描述。系统包括：打印头；用于支撑基底的夹头，在夹头上打印头得以构造用以沉积流体并且导电引线得以构造以连接至基底的导电部分。

打印至基底的方法得以描述。方法包括：连接基底的导电部分至地、连接至电阻或连接至偏压；及打印到基底上。

这里所描述的方法和系统能够包括一个或多个如下的特性。导电板可以接地或可以连接至偏压源。导电板可以在打印区域内具有均匀厚度。导电板可以在打印区域内无凹陷或孔或者在打印区域内无凸起形状。导电板可以由金属、加碳塑料(carbon loaded plastic)、静电耗散塑料(electrostaticdissipative plastic)或多孔热压结金属(porous sintered metal)形成。导电板可以是支撑基底的导电的夹头。系统可以另外包括用于支撑基底的夹头并且导电板是由夹头或者流体连通于导电板以紧固地保持基底在适当的位置的真空装置所支撑。系统能够包括连接至电阻的导电引线。打印微滴能够包括打印到绝缘基底上，氧化物基底或玻璃基底或塑料基底。打印微滴能够包括打印有机流体、生物材料或聚合物，比如溶解在载体中的聚合物。打印到基底上能够包括形成导电层在基底上。形成导电层能够包括沉积碳层在基底上或者沉积金属层在基底上。基底的导电部分能够是比如碳黑的碳或者防静电喷雾层。基底可以是非导电性多孔基底，比如非导电性多孔塑料、橡胶泡沫、吸附性聚乙烯纤维垫或陶瓷。打印系统能够包括微滴观测器用于记录从打印头形成并释放出的微滴。

这里描述的技术的潜在优势包括能够降低存在于绝缘基底的表面上的电子电势。充电的微滴在基底的表面电压及由此存在于打印头喷嘴和基底表面之间的电场减弱时能够更为精确地施加到基底上。更易于由电场偏转的更小的微滴能够更为精确地施加到绝缘基底上。要求高精度地打印到绝缘基底上时，比如喷射生物流体及使用喷射以施加显示像素以形成高解析度显示，导电背板能够允许所要求的微滴的精确性。系统上的微滴观测器能够用以建立新的物质或流体的打印。观察微滴的形成允许修正用以形成微滴的波形并由此能够微调打印过程。

本发明的一个或多个实施例的细节提出在下面的附图和描述中。本发明的另外的特性、主旨和优点依据描述和附图并且依据权利要求将清楚明了。

附图简述

图1是传统打印系统的示意性透视图。

图2是带有在基底上的电荷分布积累的传统打印系统的示意性透视图。

图3是带有在基底上的电荷分布积累的传统打印系统的示意性侧视图。

图4-7示出了构造以允许精确的微滴放置的打印系统的示意图。

图8示出了带有微滴观测器的打印系统的示意图。

在不同附图中的同样的参考标记代表同样的元件。

详细描述

参考图2，因为墨滴15从喷嘴10中排出，墨滴15通常被充电。因为充电的墨滴落在基底20上，如果基底20由绝缘材料形成，电场围绕基底20上的沉积的墨滴产生。如果基底由导电材料制成但不接地或不连接至相关的电路地电势，整个基底可以通过这种机制产生电势。另外，基底可以甚至在被打印之前通过操作或传输而具有聚集的电荷。在一些申请中，打印系统设计以使用微滴上的电荷来控制飞行中的微滴的方向，但在另外的申请中，喷射进入高压场的微滴经历静电偏转。这能够影响微滴沉积的精确性并阻碍打印精度和质量。电场偏转充电的微滴，迫使微滴移动偏离所希望的基底上的沉积位置，如图3中所示。

参考图4，打印系统100包括具有一个或多个用以放射流体的喷嘴10，比如在标题为“流体沉积设备(Fluid Deposition Device)”的在2006年7月12日提交的美国公开申请第2007/0013736号中描述的打印系统，这里依据授权并入其公开内容。夹头120或基底支撑提供在喷嘴10下面。微滴放置由喷嘴10相对于夹头120上的基底的相对位置确定，由此，喷嘴10和/或夹头120可移动以允许微滴放置在所希望的位置中。夹头120是导电的。不管喷嘴10或者夹头120在打印期间是否移动，夹头120的尺寸设计使得在喷嘴10喷射流体在基底20上时喷嘴在夹头120上方。

夹头120在打印区域内具有均匀导电性。在一些实施例中，夹头120与基底20的周边一样长或者具有大于基底20的周边的周边。如果夹头120至少延伸至将要打印的基底的边缘或超越基底的边缘，电荷累积的区域在基底上得以避免。在一些实施例中，夹头没有不一致区域，比如孔、槽、凹陷、升高的特性或材料变化，这些能够允许更高的场强区域形成在基底上。

夹头120由导电材料制成，比如金属、加碳塑料、静电耗散(ESD)塑料即具有在10⁹Ω*cm的电阻系数的塑料材料或其它适合的材料。在一些实施例中，夹头由多孔疏松金属的平面板形成，这通过使用穿过金属的厚度的所施加的真空而允许整合的压紧功能。夹头120电连接于地或电路地，该电连接或者是直接连接或者是通过打印系统100中的部件，比如驱动打印头的电路。为将夹头电性地接地，导电引线能够比如通过直接接触、焊接或通过在夹头中形成孔并穿过孔绕接电线而附接至夹头。电线然后附接至地。可选地，比如铆钉或螺钉的紧固件被驱动进入夹头并保持电线在夹头上的适当位置中。在一些实施例中，夹头被轻微偏压至电势，而不是连接至地。在一些实施例中，夹头被连接至大阻值的电阻。夹头地线能够连接至用于打印机5的驱动电路地或连接至相关的接地。

参考图5，在可选实施例中，导电垫140替代了夹头在打印期间被施加到基底的背部。垫不必需是打印系统100的整合的部分并且由此能够用以修改带有或者非导电的夹头或者具有不均匀导电性的夹头的系统。垫能够简单地布置在基底和夹头之间。垫能够分离地接地或者能够被塞入打印系统用于接地。

不管使用了导电垫或者导电夹头，基底在打印系统接触于导电材料。由于打印系统100施加微滴在基底上，基底相对于喷嘴移动。即使在基底移动时，夹头或者垫被保持在打印区域的基底下面。

在一些实施例中，导电层被直接施加至基底的背侧，比如通过溅射或者使用导电涂料或粘结剂。导电层然后在打印期间接地。可选地，一旦打印过程完成导电层能够被移除。

一些类型的基底在打印期间尤其地易于电荷累积。例如能够吸收液体打印流体的液体部分、由非导电材料形成的多孔基底能够累积电荷。比如可以从Georgia州Fairburn市的

可获得的多孔塑料、及多孔陶瓷是能够形成净电荷并将微粒排出至基底上的基底。

用于打印至基底上的方案能够包括在打印前应用导电层至多孔基底上。打印到多孔基底上的一个示例性方法包括沉积碳层在多孔基底上以加强基底的导电性。在一些基底中，碳黑在模成型塑料之前被混合于塑料。塑料能够是任意类型的热塑性塑料，比如聚丙烯或聚乙烯。可选地，或者另外，导电层被应用于多孔基底，比如通过溅射金属层在基底上。如果需要，导电层能够在打印后得以移除。打印到多孔基底上的另一种方法包括选择比如疏松碳或疏松镍基底的导电基底，例如，由不锈钢、镍、镍基合金、钛、铜、铝或稀有金属制成的件，比如可以从Farminton，CT的Mott Corporation获得的多孔金属件。采用导电背板，导电材料连接至地或微偏压以漏掉电荷。另一种解决方案是施加防静电喷射至基底以耗散电荷，比如可以使用从Norristown，PA的

获得的无静电喷射(StatFree Spray)。喷射在基底上形成轻微的导电防静电材料。可选地，如果墨滴是导电的，墨滴能够用以提供连接至地连接的路径。

参考图6，导电垫140(虚线所示)不必须与基底20一样大。但是，导电垫140与基底上的打印区域160(虚线所示)一样大或大于打印区域160。对比于不对应于导电垫140的位置的基底20的区域，基底20的在打印区域内的区域在其表面上具有大体上减弱的电场。

虽然导电层、夹头或垫、用于短接的导电背板能够减弱形成在基底上的电场，其不可以完全消除电场。导电背板有效地增加了在基底的表面上对于电荷所表现出的电容量。不管是否存在导电背板，由于流体微滴的喷射所形成的电荷的数量级或多或少是恒定的。由此，同样量的电荷在打印期间被传递至基底，并聚集在其表面上，不论有或无导电背板在适当的位置。由此，对于比不存在导电背板的情况，通过增加对于电荷所表现出的电容量，在基底和打印头喷嘴之间的电场也被极大地减弱。在带和不带导电背板的绝缘基底上的打印之间的差异能够是在2-1000之间或更大的因子。减弱基底的表面上的电场的效果在于当充电的微滴接近基底的表面时，减弱的电场比更强的电场对充电的微滴形成成比例地减弱的偏转。微滴能够落于所希望的位置中，而不会由沉积的表面电荷显著地影响，如图7中所示。

为使得能够使用这里所描述的任意的导电背板、层或基底，打印系统能够可选地包括能够连接至导电元件的导电引线。引线电性地导通并连接至或者地，相对大的电阻，即具有大于兆欧姆的阻值的电阻，或者连接至比如小的DC或AC电压源的电压源。引线能够包括电线、导电粘结剂、比如鳄鱼嘴夹的紧固件、或其它使得引线能够被或者临时或者永久地紧固至导电元件的元件。

带有这里所描述的导电板或导电夹头的打印系统能够减弱建立在绝缘基底上的电场，即使在低湿度或低氧环境中。这在微滴或者基底必须保持在无水或无氧的环境中时能够是有利的。这样的微滴能够是水或氧敏感性有机材料，比如导电聚合物、生物材料、干燥材料、DNA前体或其它这样的敏感性材料。精确的微滴放置在要求非常小的微滴的应用中能够更为严格，比如形成高解析度的显示或其中仅应用非常微量的试样的生物试样检测。由于微滴变得更小，每个微滴所产生的电荷的绝对量更大，所以临界量即荷质比更大。在0.1到20pl(皮升)的范围中的更小的微滴比更大的微滴更易于被基底上的电场迫使离开所希望的打印位置。更大的微滴由于它们相对于微滴喷射所引起的电荷电势的较大的微滴质量而通常能够更好地抵抗来自电场的力，并且更不易于偏离它们的轨迹。

导电背板能够用于若干的应用中，比如打印液晶色彩过滤材料在玻璃上以形成LCD显示部件、形成离子显示器或背板、或打印生物试样或DNA前体在玻璃基底或载片上。打印进入或打印在接地的导电多孔基底或于其上具有接地的导电层的多孔基底上在多个微滴被喷射在相同位置时能够是有用的。这里描述的系统和技术也能够用以设置用于打印新的材料的打印机。例如，在具有微滴观测器180的系统中，如美国公开申请第2007/0013736号中所述，微滴能够重复打印在基底20上以确定微滴的形状并用以优化用以喷射微滴的波形，如图8中所示。微滴能够打印在多孔基底20上以防止微滴喷溅在微滴观测180摄像机上或所喷射流体的累积。如果多孔基底20是绝缘的并且缺少导电层，如这里所述，电荷能够累积在基底上并误导随后所喷射的微滴。接地的导电多孔基底允许在这种情况中的可重复微滴放置。通过使用多孔或非多孔的带有微滴观测器的接地的导电基底允许微滴打印在基底上，并用摄像机记录微滴的形成、释放和降落，而不会有静电干扰改变微滴的行为。由摄像机记录的微滴行为能够用以微调用以形成微滴的波形。

本发明的若干实施例已经得以描述。然而，应该理解在不偏离本发明的精神和范围的前提下可以做出多种修改。因此，其它的实施例在权利要求的范围内。

这里引用的全部参考文件在此结合引为参考。

Claims (12)

1.一种打印系统，其包括：

流体发射器，其构造成将微滴发射进入基底上的打印区域；及

导电板，用于支撑所述基底，其中所述微滴得以发射于所述基底上，其中所述导电板在所述打印区域内均匀地导电，并且其中，所述导电板接地或连接至偏压源；以及

用于支撑所述基底的夹头，

其中，所述导电板是设置在基底和所述夹头之间的导电垫，是从所述基底和夹头分隔开的可移除部分并由所述夹头支撑。

2.如权利要求1所述的系统，其中，所述导电板在所述打印区域内具有均匀的厚度。

3.如权利要求1所述的系统，其中，所述导电板在所述打印区域内无凹陷、孔或凸起形状。

4.如权利要求1所述的系统，其中，所述导电板由金属或加碳塑料形成。

5.如权利要求1所述的系统，其中，还包括与所述导电板流体连通的真空装置，以紧固地保持所述基底到位。

6.如权利要求1所述的系统，其中，所述导电垫分离地接地或者被塞入打印系统用于接地。

7.如权利要求1所述的系统，其中，所述基底是多孔基底。

8.一种打印微滴的方法，其包括使用权利要求1的所述打印系统打印流体微滴。

9.如权利要求8所述的方法，其中，打印步骤包括打印至绝缘基底上。

10.如权利要求9所述的方法，其中，所述打印步骤包括打印至氧化物或玻璃上。

11.如权利要求9所述的方法，其中，所述打印步骤包括打印有机流体、生物材料或聚合物。

12.如权利要求11所述的方法，其中，打印所述聚合物包括打印溶解在载体中的聚合物。

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