JP6590668B2 - ポリマースプレー付着装置のスプレー帯電及び放電システム - Google Patents

Description

本明細書に開示された方法とシステムは、空気力学的にポリマースプレーを付着する技術に関し、より特徴的には、電場と帯電したポリマーの小滴を用いて、ポリマースプレーの付着を助けることに関する。

多くの製造及び工業分野では、微細な蒸気ミストやエアゾールを形成するために流体噴霧から恩恵を受けているが、たとえば、インクプリントヘッド、３次元状（３Ｄ）部品の製造、燃焼分野で用いられる燃料／空気の混合、スプレー塗装用の空気と塗料の混合の噴霧化、調合薬へのコーティングの適用、様々な物体及び表面に対する接着剤の適用、及び同等物がある。一度、構成要素の溶液が噴霧されると、ほとんどの任意の形状の表面を被覆するためにすぐに処理することが可能になる。

適用分野を問わず、ほとんどのスプレー付着システムは、固有の方向性を有するノズルの先端側で小滴を形成している。通常のスプレーシステムは、エアーブラスト、剪断噴霧器、上流の噴霧器、及び様々な平行化法（即ち、実質的なインパクタ及びシースフロー制御）を用いて、ノズルとさらに目標の付着物まで、スプレーを集束させて、指向させている。一般的に、プリントヘッドの状況では、たとえば、約１ミクロンの小さな大きさの小滴を付着させるのに必要とされる空気力学的な空気流の速度は高く、ミリメートル（ｍｍ）級の距離で小滴を飛ばすためには、約３０−５０ｍ／ｓである。

通常のスプレーの付着方法は、複数の流体排出器の共有マニホールド内に側方の直交流を用いている。側方の直交流は流れを不安的にする傾向があり、また３Ｄプリント分野では高い空間的精度で小さな滴をうまく付着することが求められている直交流の速度に二次的な流れを生じさせている。あるいは、幾つかの他の通常のスプレー付着システムでは、各排出器やジェットに複数の専用の供給ラインを用いるとともに、専用の細密なエアゾール・ジェット配列を必要とする特別な入口の構成を用いている。しかしながら、このような専用の特別なシステムは複雑であり、特に３Ｄ部品の製造に通常用いられている高粘性溶液や、熱溶融樹脂法（Ｆｕｓｅｄ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ：ＦＤＭ）システムに用いられているポリマー溶解物のような、非ニュートン特性を有する流体を用いる場合には、マニホールド入口の構造は詰まりに対して脆弱であった。複数のノズルを用いるシステムでは、現行のシステム及び方法の多くの問題点は、増幅されている。

小滴を指向及び集束させることを助けるため、幾つかの小滴付着システム、たとえば、車両に金属塗料を適用するのに用いられるスプレーまたはパウダーのコーティング塗装システムでは、外部のコロナ発生器と電気的な接地部に結合された回転型噴霧器を用いて、材料を高い効率で付着させて、均一に被覆させる、静電気的な助けを受けたスプレープロセスを行っている。同様のコロナ帯電システムは、ポリマーパウダーコーティング装置とともに用いられている。しかしながら、このようなシステムは、電荷の堆積に悩まされており、部品の接地を必要としている。高い表面電圧の堆積はコーティングを横切る電気的な破綻を導き、コーティングの厚さは、システムに基づいて、１０代から１００代のミクロンに制限される必要がある。誘電性材料内には利用可能な接地経路が欠けているため、誘電性（プラスチック）部品の被覆は困難なままであった。静電気的に指向及び集束させる仕方は、３Ｄ部品の製造及び他の塗装分野を含む多くの分野で、単純に適切ではなく、かつ効率化のために多くの問題を提示している。

従って、スプレー付着技術は、スプレーの小滴を指向及び集束させ、かつ空気力学的なスプレーの付着を容易にするシステム及び方法によって、多大な恩恵を受けるであろう。

帯電システム、集束用の電極及び帯電除去システムを有するポリマースプレー付着システムを用いて、基板上に小滴を付着させる際、小滴の集束及び指向を助ける。小滴が帯電される前、またはこの後にスプレーディレクタを用いて、さらに小滴を密接に平行化することができる。小滴はスプレー発生器を用いて生成できるが、たとえば、流体源を備える。幾つかの実施例では、操向用の電極を用いて、帯電除去システム内まで小滴を操向することを助けることができる。選択的に、付着用空気流を用いて、さらに目標基板上に中性化された小滴のスプレーを集束させることができる。

他の実施形態では、基板上にポリマースプレーを付着させる方法は、液滴上に電荷を付着することを含む。液滴は、スプレー発生器によって生成できる。帯電した液滴は、密な液滴の流れへと集束される。密な液滴の流れ内の帯電した液滴は、要求に応じて、基板上に付着される。付着された液滴上の電荷は、中性化される。

図１は、スプレー付着システムの実施例のブロックダイアグラムである。 図２は、他のスプレー付着システムの実施例のブロックダイアグラムである。 図３は、スプレー付着システムの実施例の概略図である。 図４は、スプレー付着システムの他の実施例の概略図である。 図５は、ポリマースプレー付着システムの帯電システムの実施例を示す図である。 図６は、ポリマースプレー付着システムの集束電極の実施例の概略図である。 図７は、図６に示した集束電極の構成で小滴を送るシミュレーションを例示した図である。 図８は、操向電極を備えたポリマースプレー付着システムの実施例を示した図である。 図９は、ポリマースプレー付着システムの帯電除去システムの実施例を示した図である。 図１０は、ポリマースプレー付着用のポリマースプレー帯電及び放電法の方法フローチャートを示した図である。 図１１は、電気的平行化と、組み合わせられた空気力学的及び電気的付着システムを有するプリントヘッドの実施例を示した概略図である。 図１２は、電気的な援助を受けず、かつ付着技術を用いない、ポリマースプレー付着システムの小滴の経路の実施例を示す図である。 図１３は、電気的な援助を受けた、ポリマースプレー付着システムの小滴の経路の実施例を示す図である。 図１４は、電気的平行化と援助を受けた付着の双方を有するポリマースプレー付着システムの粒子吸引を比較のため示した図である。 図１５は、電気的平行化と援助を受けた付着の双方を有するポリマースプレー付着システムのクーロン力を比較のため示した図である。 図１６は、電気的平行化と援助を受けた付着の双方を有するプリントヘッドマニホールドの実施例の一部を示す図である。

本明細書に開示したポリマースプレー付着システムと方法は、スプレーの帯電及び放電の技術を用いて、基板上にポリマースプレーの小滴をデジタル方式で付着することを助ける。本明細書に開示した実施例のシステムと方法は、帯電したポリマー小滴と合わせて電場を用いて、ポリマースプレーを密接に平行化して、この付着を助けるが、この際、従来の接地された静電気的スプレー付着システムでしばしば必要とされていた高速の側方の空気流を用いない。さらに、本明細書に開示したポリマースプレー付着用のシステムと方法は、静電気の助けを受けてポリマースプレーの小滴を指向及び集束させる際、他の静電気的な助けを受ける粒子の付着技術において接地された目標表面の通常の利用を用いることよりも、空気力学的な衝撃と電場の操向を用いる。

本明細書に開示した実施例のシステムと方法は、低粘性のスプレーの付着について十分に作用する。特に、本明細書に開示したシステムと方法は、３Ｄ部品の製造及び他のコーティングとプラスチック分野のような、付加的な製造分野におけるスプレーの付着に有用である。たとえば、３Ｄプリンタはしばしば、デジタルモデルに従って、基板上に溶融した溶解物の層を付着するために、高密度のポリマー溶解物を使用している。通常の小滴の付着またはコーティング方法は、小滴を付着するジェットを詰まらせることなく、小滴を効率的に付着するために、高速の側方の空気流と接地の双方またはいずれかを必要としていたために制限されていた。一方、本明細書に開示された新しい設計は、接地を必要とせず、かつ、付着の流れを混乱させたり、ジェットのノズル側に二次的な流れを生じさせたりする高速の空気流を必要としないで、空気力学的なシステムを提供することで、３Ｄ部品の製造の効率と性能を改善するため、多くの分野で、特に３Ｄ印刷システムとプリントヘッドに適用することができる。

Ｉ．帯電及び放電のポリマースプレー付着システム
本明細書に開示するポリマースプレー付着方法及びシステムは、液滴を帯電させるコロナ帯電システムなどの小滴の帯電器を有する。液滴は、スプレー発生器を用いて生成できる。幾つかの実施例では、非ニュートン特性を有する流体から液滴を生成しているが、流体を引き延ばす技術を用いる流体噴霧器を利用することで、非ニュートン流体の強く伸張する厚さの性質を克服する恩恵を受けることができる。流体を引き延ばす技術では、２つの分岐する表面の間のフィラメント内に流体を引き延ばしているが、たとえば、一対の逆方向に回転するローラーや、２つの分岐するピストンの表面の間で行う。引き延ばされた流体フィラメントは、液体ブリッジが不安的になる点に到達するとき、または、流体フィラメントにとって毛細管破壊点に到達するとき、流体フィラメントは複数の小滴に分かれて、幾らかの余った流体を分岐面上に残す。形成された小滴は次に、ポリマースプレー付着システムの帯電／放電部に入る。

図１及び２を参照すると、帯電及び放電の技術を用いるポリマースプレー付着システムの実施例のブロックダイアグラムを示している。図１及び２の矢印は、システムのブロック部間における一般的な小滴の移動方向を示しているが、他の実施例では、小滴の流れの経路は、異なる順番にされてもよい。矢印は、小滴の経路に沿った小滴の移動を示しているが、最終的には、基板（図示せず）上に小滴が付着される。

図１及び２に示すブロックダイアグラムは、スプレー発生器１０４を供給する流体源１０２を有する。流体源１０２は、任意の適当な流体源であって、任意の所望の流体を供給する。３Ｄプリンタの実施例では、流体は溶融した高密度のポリマー溶解物であり、スプレー発生器は、任意の一対または複数の対の分岐面でもよく、これによって流体を流体フィラメント内へ引き延ばして、圧力を受けるようにして、最終的に流体の小滴に分ける。しかしながら、任意の適当な流体噴霧器を用いて小滴を生成して、この後、これらを指向及び付着させてもよい。

図１及び２に示したポリマースプレー付着システムのブロックダイアグラムは、夫々、選択的なスプレーディレクタ１０６、１０７を有する。スプレーディレクタ１０６、１０７は、スプレー発生器から離れるように、スプレーを取除いて、指向させる。たとえば、スプレーディレクタ１０６、１０７は、２つの逆方向に回転するローラーを用いる実施形態の場合、ローラーの表面のような分岐面上に形成する流体の薄い境界層から離れるように小滴スプレーを取除いて、指向させる。さらに、幾らかの小滴は、流体フィラメントが小滴に分かれる場所から離れるように指向される。２つの逆方向に回転するローラーを用いる実施例の場合、一対の逆方向に回転するローラーの間に定められたニップの下流側から離れるように液滴は指向される。

逆方向に回転するローラーの対を用いる実施例では、一般的に、２つの小滴スプレーの流れをスプレー生成プロセス中に形成するが、第１の流れは薄い境界層の場所で、かつ第２の流れはニップの下流側の場所で形成する。双方の流れは、帯電システム内で帯電するために捕獲されてもよく、または、スプレーディレクタによって捕獲されて、この後に帯電されてもよい。スプレーディレクタは選択的であるが、形成された小滴の流れが複数ある実施形態では特に有用であり、たとえば、一対の逆方向に回転するローラーと、逆方向に回転するローラーの複数の対を備えたシステムのいずれかまたは双方の場合に有用である。図１を参照すると、スプレーディレクタ１０６は、スプレー発生器１０４によって生成された小滴を受け取ることを示しており、また図２を参照すると、スプレーディレクタ１０７は、帯電システム１０８によって帯電された後に小滴を受け取ることを示している。

小滴は、図１及び２に示しているように、選択的なスプレーディレクタ１０６、１０７の前後のいずれかで、コロナ帯電システムなどの帯電システム１０８によって帯電される。コロナ帯電システム１０８は正または負でもよく、たとえば、３Ｄ部品製造の実施例では、溶融したポリマー溶解物の小滴のような、液滴上に電荷を付着するのに用いられる。コロナ帯電システム１０８は、電気的に印加された伝導体の周りの液滴のイオン化によって、制御された電気的な放電をもたらす。液滴のイオン化によって電子を形成するが、これは正または負のコロナ電荷のいずれかを生成し、これらはいずれも本明細書で開示されたポリマースプレー付着実施例において小滴を帯電するのに用いることができる。付着される流体の種類は、コロナ帯電システムが正または負のいずれかであるかを決定するのに有用である。何故ならば、様々な材料から成る液滴は、電場での帯電の様相を変化させるからである。

再度図１及び２を参照すると、ポリマースプレー付着システム１００は集束電極１１０を有しており、これは、帯電された小滴の流れを平行化及び指向させる。集束電極１１０は、空気流と電場の組み合わせを用いて、帯電された小滴を平行化及び指向させる。たとえば、集束電極１１０は、交流（ＡＣ）場の進行波を用いて、帯電された小滴の筋を密接に集束させて密な小滴の流れを形成することができるが、これは、様々な種類のイオントラップの仕方と同様であり、典型的には質量分析中に様々な粒子と分子を分離させて、孤立化させるのを助ける無線周波数（ＲＦ）場である。複数の小滴の流れを用いる実施例では、複数の小滴の流れは互いに密接に平行にされて、単一の密接に集束された小滴の流れにされる。小滴の流れは、時間的及び／または空間的に可変な電場を用いて、任意の所望の仕方で集束及び平行化されてもよい。

図１及び２を参照すると、ポリマースプレー付着システム１００の実施例は、集束電極１１０に加えて、またはこれと一体化されて、操向電極１１２を選択的に含む。プリントヘッド内で、たとえば、小滴を前方に操向するように操向電極は電場を及ぼして、空気力学的な加速をもたらして、サブミクロンの大きさの小滴が付着システム内に沿って移動するように仕向ける。操向電極１１２は、小滴を何らかの物体または表面に向かって加速させるが、たとえば、この物体または表面は、ステージ、犠牲材料、及び／またはポリマーであって、付着用空気流技術と組み合わせて用いられて、選択的に目標基板上に小滴の付着を指向させることができる。

帯電され、平行にされ、さらに加速された液滴は、次に、図１及び２に示すように、帯電除去システム１１４によって中性化される。たとえば、帯電は、対極的に帯電されたコロナ帯電システムを用いて取除かれる。帯電除去システム１１４は、単に、帯電システム１０８を用いて小滴の上に付着した電荷を中性化させる。たとえば、図１及び２に示した帯電システム１０８は正のコロナ帯電システムであってもよく、かつ帯電除去システム１１４は負のコロナ帯電システムであってもよく、これは正のコロナ帯電システムによって付着された正の電荷を中性化する。

図１及び２のブロックダイアグラムに示したポリマースプレー付着システム１００は、小滴を目標基板に向かわせる案内を助ける付着用空気流１１６を有する。付着用空気流１１６は、帯電除去システム１１４によって小滴から電荷が取除かれる前、この後、またはこれと同時に、適用することができる。また、付着用空気流１１６は、任意の１乃至はこれ以上の所望の方向から小滴に適用することができる。

図３を参照すると、ポリマースプレー付着システム３００の実施例が示されている。この実施形態では、スプレー発生器３０２は、２つの逆方向に回転するローラー３０４、３０６を有する流体を広げる噴霧器である。１対の逆方向に回転するローラー３０４、３０６は、これらの間にニップ３０８を定める。ニップ３０８は、２つのローラー３０４、３０６の間の空間でもよく、または、ローラー３０４、３０６が互いに対して物理的に当接するときの、ローラー３０４、３０６が互いに当接する点がニップ３０８である。ニップ３０８は、上流側３１０と下流側３１２を定める。ローラー３０４、３０６のいずれかまたは双方の流体被覆（図示せず）は、ローラーの逆方向の回転によって、上流側３１０でニップ３０８を通じて引き抜かれて、ニップ３０８の下流側３１２で流体フィラメント（同様に図示せず）内に引き延ばされる。

流体フィラメントは、ローラー３０４、３０６の分岐する表面の間で広げられる。ローラー３０４、３０６が逆方向に回転するにつれて、流体フィラメントは引き延ばされるが、これらが毛細管破壊点を超えて、ニップ３０８の下流側で小滴に分けられるまで続けられる。幾つかの流体はローラー３０４、３０６の表面上で後方に引き込められて、ニップ３０８の上流側３１０に留まることができ、この後、プロセスが繰り返されるときに、ニップ３０８の上流側３１０を通じて引き抜かれてもよい。ローラー３０４、３０６は、任意の適当な仕方によって流体で被覆されるが、これには、ローラーの一方または双方を流体で被覆する、パンコーティング、ドリップコーティング、スロット・ビードコーティング、カーテンコーティング、または任意の他の流体コーティング技術が含まれる。

矢印３１４は、ニップ３０８の下流側３１２から離れて、スプレーディレクタ３１６に向かう小滴の移動方向を示している。矢印３１４は、形成される小滴の複数の流れを示すことができ、たとえば、逆方向に回転するローラー３０４、３０６の薄い境界上に形成される流れと、ニップ３０８から離れる方向でニップ３０８の下流側３１２の流体フィラメントの分離によって形成される流れを示すことができる。矢印３１４は、 形成される小滴の流れの任意の数と、流れの数及び種類を表すことができるが、小滴を形成するのに用いられる流体噴霧器の種類と、噴霧される流体と、他のシステムの変動に基づいて変化する。

スプレーディレクタ３１６は、小滴の各流れを集めて、スプレー発生器３０２から離れるように小滴を指向させるが、これは、スプレーディレクタ３１６を通る矢印３１８によって示されている。スプレーディレクタ３１６は、この実施例では漏斗状の形状であって、小滴を帯電させるため、小滴を帯電システム３２０に向かうように指向させる。図３の帯電システム３２０は正のコロナ帯電システム３２０であって、小滴に対して正の電荷３２２を及ぼす。正に帯電した小滴は、帯電されると、小滴の間に存在する静電気の反発作用のために、一つにまとまらない。

正に帯電した液滴は次に集束電極３２４の３つの対の間を流れて、密接に平行及び集束された小滴の流れ３２６を形成する。小滴３２６の流路を横切る電極３２４の各対内の２つの電極は、互いに離間されている。離間した電極の対は、互いに隣接して配置されて、トンネル状の通路を形成し、これを通って正に帯電した小滴が流れる。任意の適当な数の電極と電極の対を用いることができる。電極は小滴の流れに対して電場を及ぼす。幾つかの実施例では、小滴の流れは、集束電極の間の流路に沿って小滴を移動させるように、小滴に及ぼされる空気流によって助けられる。空気流は、平行化プロセスにおいて、小滴を特定の方向に操向するように小滴を沿って移動させて、小滴の速度を調整したり、維持したりすることなどを助けることができる。適用される空気流と適用される電場の圧縮力の組み合わせによって、小滴が互いに密接に詰まるようにして、この結果、平行化された液滴の流れを生じさせる。

平行化された小滴の流れの小滴３２６は依然、正に帯電している。平行化された小滴の流れは集束電極を出て、一対のバッフル３２８を通って流れる。バッフル３２８は互いに離間されており、かつ小滴の経路の方向でテーパーを有する。バッフル３２８のテーパーによって、さらに、平行化された小滴の流れを集束することを助ける。帯電の後、平行化された小滴の流れはバッフル３２８を出て、付着用空気流３３２によって小滴の流れを基板３３８に向かって時計方向に約９０°転回するように指向させ、基板３３８上に液滴を付着させる。小滴の流れは、２つの壁３３０の間の開口部の近くを移動する。付着用空気流３３２は、壁３３０の間の開口部を通って流れて、流体の流れの方向を制御して、この方向をほぼ水平方向からほぼ垂直方向へと変化させるが、これは、ほぼ９０°の方向の変化となる。この新しいほぼ垂直方向の流体の流れ３３４は、流体の流れ３３４を基板３３８に向かうように指向させ、この上に液滴を付着させる。

図３に示したポリマースプレー付着システム３００は、帯電除去器３３６を含む。 電荷除去器３３６は、この実施例では、負のコロナシステムであって、正に帯電した小滴を、負に帯電したプラズマ３４０に曝すことで、これらを中性化させる。この実施例では、正に帯電した小滴の流れは、小滴が基板３３８上に付着する前に、負のコロナ帯電除去システムによって中性化されているが、他の実施例では、正の小滴は、小滴が基板上に付着された後で中性化されてもよい。図３では、基板３３８上に付着された、中性化された小滴３４２を示している。

図４を参照すると、ポリマースプレー付着システム４００の他の実施例の一部を示している。この実施例のシステム４００はまた、小滴を形成する一対の逆方向に回転するローラー４０２、４０４を有している。図３に示した実施例のシステム３００内のローラーと同様の仕方で、逆方向に回転するローラー４０２、４０４はこれらの間にニップ４０６を定める。流体はニップ４０６を通るように引き抜かれるため、逆方向に回転するローラー４０２、４０４の分離する表面の間で、ニップ４０６の下流側４０８で流体フィラメントが引き延ばされて、小滴に分けられる。小滴は２つの小滴の流れ４１０、４１２を形成し、これらはコロナ帯電器４１４の両側で、コロナ帯電器４１４を通過して流れる。コロナ帯電器４１４は、空気ディレクタが帯電された小滴の流れ４１０、４１２と関わる前に、液滴上に電荷を付着して、小滴の流れをこの流路に沿うように指向させる。空気ディレクタは、各小滴の流れ４１０、４１２に空気流４１６、４１８を及ぼすことで、空気マニホールドを通る空気を指向させる。空気マニホールドは、小滴の流れを集束電極に向かって案内する。

ａ．帯電システム
図５を参照すると、小滴のコロナ帯電システム５００の実施例を示しているが、これはベル５０２と、同軸状に形成されるエアーリング５０４とを複数の電極５０６によって囲まれるように有している。ベル５０２と同軸状のエアー形成リング５０４は、流体を噴霧させて、この結果としてスプレー・プルームを形成するために用いられており、これによって小滴のコロナ帯電をより効果的にさせている。電極５０６は、外から小滴上に電荷を付着する。コロナ帯電システム５００は、ほぼ、毎分１００リットル（ＬＰＭ）の容量の空気流量で、５０−７０キロボルト（ｋＶ）で操作可能である。小滴用の電場の帯電の様相は、以下に示すポーセニアの数式によって記される。

ポーセニアの数式において、ｑは、電場Ｅ内でイオン流束に曝されたときの、相対半径ａと相対誘電率ε_ｒを有する球形状の誘電性粒子によって得られる電荷である。イオン流束は、帯電時間定数ｑでは、次の数式で与えられるように示される。

上の数式で、Ｊは、イオン流束の電流密度である。

ポーセニアの数式は、コロナ・パラメータの関数として、誘電性ポリマー小滴により得られる電荷間の関係を示している。小滴がτよりもかなりより長い時間ｔで帯電する電場に曝される場合、帯電は最大化される。

一般的に、約０．００１秒でコロナ帯電中に駐留時間を有する小滴は、小滴用の最大の帯電レベルに達するのに十分だが、これはポーセニアの限界として知られており、次の数式で算出される。

得られる最大の帯電は、よって公知である。

ｂ．集束電極及び操向電極
図６を参照すると、上述した集束電極の一種類である、積み重ねられたリングの無線周波数（ＲＦ）のイオンガイドの図式を示している。交流（ＡＣ）場を用いて案内用の電極を実現する他の仕方として、小滴とセルの操作用に、微少流体内に用いられる進行波電気泳動システムがある。

ＲＦイオンガイドは、典型的に質量分析器具に用いられるイオンファンネルであり、時間及び空間的に変化する電場を用いて帯電した粒子の平行化を実現する実施例である。イオンファンネルは、密接して配置された電極６０２とＲＦ電位６０４を用いるが、これらはイオンの分散された集団を限定させるため、イオンを密な筋へと集束させる。図７を参照すると、図６に示したイオンファンネルによって平行化された小滴のコンピューターモデルのシミュレーション７００を示している。

イオンファンネル内で、交番電位場は、注入器から検出器まで移動させる、図６に示した電極６０２の積み重ねられたリングの長さで、フライトチューブを横切ってネット電位を適用することで、かつ、高無線周波数（ＲＦ）の交番電位を適用することで、小滴の平行化を助ける。この結果、効果的な電位場は、帯電した粒子を狭い筋へと限定する。積み重ねられたリング電極６０２の配置によって、効果的な電位分配を形成するが、これは、筋の領域内でほとんど場の影響を受けないが、電極リングの付近では急な電位勾配を有する。交番電位場が小滴を一体に平行化するのを助ける他の仕方を、イオンファンネルの実施例と置換して、またはこれに加えて用いることができる。

選択的に、操向電極は、基板上に小滴を操向することを助ける。小滴の移動が主要な小滴の方向の流れから離れて、基板に向かわせる誘導を助けるために、電場を用いることができる。電場は変化することで、幾つかの小滴を通じて、しかし他の液滴には適用しないように、基板上に付着される小滴の量の制御を助けることができる。たとえば、インクジェット・プリントヘッドに電気的な操向技術を用いる際、ジェットからの小滴が基板上に付着されることが求められるまで、再利用トラップ内にスプレーを落とす。そして、小滴のジェットが求められるとき、操向電極はオフにされるか、または電場が低減されるが、これは、インクジェット流の「オフ・モード」の操向として知られている。

図８を参照すると、操向電極を用いるスプレー付着システム８００の実施例を示している。このシステム８００は、小滴発生器８０２と帯電システム８０４を有するが、これらは本明細書で説明した実施例のいずれでもよい。システム８００は、一対の高電圧の操向電極８０６、８０８も含み、これらの間で、帯電システム８０４によって帯電された後で、帯電した小滴が進行する。小滴に及ぼされる電圧は小滴上にクーロン力を生じさせ、Ｆ_ｃ＝ｑＥの数式で、操向電極８０６、８０８の間で小滴の流れを反らす。適用された電圧は小滴上に力を及ぼし、幾つかの（または全部の）小滴を再利用トラップに向かう方向へと変化させて、たとえば、図８に示しているように、小滴８１０がガター８１２に向かうように指向される。他の小滴８１４は依然として各自の軌道を保つことができ、基板８１６上に付着されるが、基板８１６は、図８に示した実施例では紙である。

操向電極は、小滴の全てを含む、任意の一部を、再利用トラップに向かうように指向させることができ、適用された電圧の範囲内で操作可能である。適用される電圧の範囲は、小滴に適用される電場を変化することができ、これは次に、小滴の経路から再利用トラップに向かうように方向が変化される小滴の量と方向を変化させる。たとえば、紙や他の基板上に小滴を付着させることをジェットが意図されるまで、インクジェット・プリントヘッド内で、操向電極を特定のジェット用にオンにすることができる。オフにされるとき、ジェットは基板上に小滴を付着させる。幾つかの実施例では、再利用トラップ内に捕われた小滴は、スプレー発生器を供給する流体源内に戻るように再利用可能だが、他の実施例では、システムの異なる部位まで再利用されたり、処分されたりしてもよい。

幾つかの実施例のスプレー付着システムは、集束電極と操向電極のいずれかを有する。他の替わりのシステムは、集束電極と操向電極の双方を有する。さらに他のシステムは、集束電極と操向電極を単一の集束／操向構成要素内に一体化させて、小滴を密接に平行化された流れに集束させることと、形成された小滴を所望の方向へ操向することの双方を行ってもよい。

ｃ．帯電除去システム
帯電除去システムは、小滴の付着プロセスの最中、または基板上に小滴が付着された後のいずれかで、小滴から電荷を除去する。たとえば、空気力学的な付着の後に、帯電除去システムは液滴の電荷を中性化する。たとえば、空気力学的な付着の後、帯電除去システムは小滴の電荷を中性化させる。図９を参照すると、プラスチックｗｅｂ加工で堆積した静電気を取除くために通常用いられている帯電除去システム９００が示されている。このような帯電除去システム９００は、本明細書で開示したスプレー付着システムにも用いることができる。

図９に示した帯電除去システム９００は、中性化プラズマ帯電除去システムであって、帯電した小滴から電荷を取除く。帯電除去システム９００、または帯電中性化器は、交互の電極９０４と誘電性素子９０６を有し、交互の電極９０４と誘電素子９０６から所定の近接の領域内にプラズマを生じさせる。小滴上に電荷を付着できる帯電除去システム９００のプラズマ領域９０８を通って小滴が進行するとき、逆に帯電したプラズマによって帯電した小滴を中性化する。上述したように、小滴は、基板上に付着される際、または基板上に小滴が付着された後のいずれかで、中性化できる。図９を参照すると、帯電除去システム９００は、中性化される小滴の垂直方向上方に配置されているが、他の実施例では、小滴に対して異なるように配置されてもよい。

ＩＩ．帯電及び放電のポリマースプレー付着方法
帯電及び放電のポリマースプレー付着方法についても説明する。スプレー付着方法は、スプレー発生器によって形成された液滴上にコロナ電荷を付着することと、次に帯電した液滴を密な液滴の流れに集束させることを含む。密な液滴の流れは、基板上に、要求に応じて付着される。帯電した小滴は、これらが基板上に付着される際、またはこれらが基板上に付着された後のいずれかで、中性化される。

コロナ電荷は、上述した任意の方法を用いて、または小滴を帯電させる他の公知な方法を用いて付着される。小滴はスプレー発生器１０００の下流側で帯電されるが、これは上述した通りであって、図１０に示されている。帯電した小滴は次に、時間及び空間的に変化可能な電場１００２により、集束及び平行化されるが、これは、上述した幾つかの実施例では、集束電極を用いて、小滴を密な液滴の流れへと集束及び平行化させる。

密な液滴の流れは、基板上に付着される。幾つかの実施例では、小滴の付着は要求に応じて行われるが、手動の制御、または、自動制御システムによってなされる。たとえば、上述した操向電極のような、同期化された操向電極と、エアーパルスを用いて、要求に応じて材料を付着する。操向電極とエアーパルスの組み合わせは、特定の場所での特定の流量で、特定の量と密度で小滴の付着を行うために用いることができる。

たとえば、３Ｄプリンタは、印刷される特定の部品を示すデジタルデータを有する。制御器は、層毎に、部品用のデジタルデータに従って３Ｄプリンタの個々のジェットを制御する。特定のジェットが小滴の付着を必要とするとき、３Ｄプリンタはそのジェットに信号を送信して、ジェットによる小滴の付着を開始するが、これは小滴の特定の量、密度、及び／または流量で付着させる指示でもよい。複数のジェットが連合して小滴を付着する。任意の適当な要求に応じるシステムを用いることができる。

小滴の付着の最中、または小滴が付着された後のいずれかで、帯電除去システムによって小滴上の電荷が取除かれる。たとえば、帯電除去システムは、逆に帯電したプラズマシステムでもよく、これは帯電システムによって小滴上に付着した電荷とは逆に帯電している。図１０に示した実施例では、基板上に小滴が付着した後に、逆に帯電したプラズマを用いて、電荷を取除いている。

ＩＩＩ．溶融したポリマー溶解物のシステム及び方法の例
一例を挙げると、３Ｄプリンタに用いられるような誘電性の溶融したポリマー溶解物はスプレー発生器によって噴霧されるが、たとえば、上述したスプレー発生器の実施例は２つの逆方向に回転するローラーを有し、これらが流体フィラメントを引き延ばして、溶融したポリマー溶解物の小滴に分離する。３Ｄプリンタでは、溶融したポリマー溶解物の小滴は、直径が１μｍでもよい。溶融したポリマー溶解物の小滴は、上述したコロナ帯電システムを用いて帯電されるが、図５を参照して上述したポーセニアの数式によって算出されて、約−１ｅ^−１２Ｃの電荷を得る。

各小滴の１μｍの直径と約−１ｅ^−１２Ｃの電荷のため、各小滴の軌道は小滴上のクーロン力の関数となり、以下の数式によって算出される。
Ｆｃ＝ｑＥ

クーロン力Ｆｃの変数は、小滴（Ｃ）上の電荷であるｑと、電場（Ｖ／ｍ）であるＥを含む。

各小滴上の吸引力は、次の数式で示される。

吸引力の変数は、運搬位相（空気）の密度であるρ_Ｃと、ドラッグ係数であるＣ_Ｄと、小滴の面積であるＡと、スリップ速度または小滴とキャリア位相速度の間の距離である（ｕ−ｖ）を含む。

この実施例では、誘電性のポリマー溶解物の小滴は、上流側のコロナ帯電器によって付着される持続的な表面電荷を有する。電場を用いて、帯電した小滴は、基板上へ空気力学的に付着される前に、操向及び平行化される。小滴の操向を行うため、電気力は、空気力学的な吸引力と匹敵するか、より大きくなくてはならない。空気力学的な付着では、吸引力は、小滴の速度に基づいて、約１Ｘ１０^−９から１Ｘ１０^−１２ニュートン（Ｎ）である。匹敵する大きさのクーロン力を生じさせるため、１Ｘ１０^３から１Ｘ１０^４ボルト／メートル（Ｖ／ｍ）程度の電場強さを必要とする。この電場強さの大きさは、高電圧場を用いずに小さなギャップ内で得ることができ、これは空気の絶縁破壊強さよりも下である。空気の絶縁破壊強さは、３Ｘ１０^６Ｖ／ｍ程度で、約１０００倍より高い。たとえば、５０００Ｖ／ｍの側方の電場を、４Ｖ電位を用いる１μｍの小滴に及ぼして、これらを操向及び平行化して、密な小滴の流れにする。

図１１を参照すると、特定の実施例の溶融したポリマー溶解物のプリントヘッドシステムの概要１１００が示されているが、この図は、小滴の流れの平行化と操向の双方について電場の能力を示している。平行化用の電極と操向電極からなる電極の２つの組は、小滴を平行化して密な円筒形状にさせて、かつ液滴の密接に平行にされた円筒形状をプリントヘッドのジェットの中心内と目標基板上へ操向することを夫々助ける。平行化用の電極は、ジェットの入口１１０１から出口に向かって、電場を段階的により高めている一連の電極の３つの対からなる。図１１に示した実施例では、平行化用の電極の第１の対１１０２は約０．５Ｖの電位を有し、第２の対１１０４は約１Ｖの電位を有し、かつ第３の対１１０６は約１．５Ｖの電位を有する。平行化用の電極１１０２、１１０４、１１０６の各対は、ジェットの小滴の流路１１０８を横切って各対の一方から離間されている。

操向電極は、図１１に示しているように、２つの電極の対１１１０、１１１２を含む。第１の対１１１０は非対称の電場を小滴の流れに及ぼして、これによって小滴の流れを転回させるが、この実施例では、操向電極の他の対１１１２と出口１１１４に向かって９０°時計方向に転回させている。操向電極の第２の対１１１２は、小滴を表面上に案内することを助ける。図１１のシステム１１００は、付着用空気流の入口１１１６を有し、これは小滴の流れと操向電極の他の対１１１１に選択的に空気を及ぼして、さらに操向及び付着プロセスを向上させて、操向電極による小滴の指向を助けている。

図１２及び１３を参照すると、図１１に示したプリントヘッド内の小滴の流れとこれらの各流路の実施例を示している。図１２を参照すると、図１１に示したフリントヘッド構造のサンプルを示しており、これは入口１１０１、小滴の流路１１０８、及び選択的に小滴の流れに空気を及ぼす付着用空気流の入口１１１６を含む。この実施例では、付着用空気流の入口１１１６は、小滴の流れに空気を及ぼす。図１２を参照すると、集束電極または操向電極、さらには他の電気的な助けを用いないシステムを示している。小滴の流路１１０８は、整列された、密な小滴の流れへと全く平行化されていない。付着用空気流の入口１１１６が小滴の流路１１０８に空気１１１８を及ぼすとき、及ぼされた空気１１１８のより高速の横切る流れのため、小滴はギャップ内に掃き入れられて、基板上に付着しない。

図１３を再度参照すると、入口１１０１、小滴の流路１１０８、及び付着用空気流の入口１１１６を有する、図１１に示したプリントヘッド構造のサンプルを示している。図１１に示した平行化用の電極１１０２、１１０４、１１０６と同様の、平行化用の電極の対（図示せず）を用いて、小滴を図１３に示したような密な小滴の流れ１１０９へと平行化している。付着用空気流の入口１１１６の近くに配置された操向電極（図示せず）によって、密な小滴の流れ１１０８をジェットノズル内へと徐々に転回させているが、これは小滴がジェットの中心内へと操向されて、基板１１２０に衝突するまで行う。

図１４及び１５を参照すると、ジェットノズルの中心と、最終的に目標基板に向かって、小滴を集束及び操向するために小滴上に及ぼされる粒子吸引力１４００とクーロン力１５００の比較を示している。小滴上の引きずることの大きさはクーロン力と匹敵し、この際、クーロン力は操向及び平行化を提供し、空気力学的流れが付着を可能にする。３Ｄプリントの実施例では、プリントされた部品が層毎に積み重ねられるとき、接地は不可能または実施に向かないため、電気的な操向と空気力学的な付着が用いられている。上述した他のスプレー付着システムのように、小滴の付着の後、またはこの最中に、上述した任意の帯電除去システムを用いて電荷が取除かれる。

図１６を参照すると、図１１に示したプリントヘッドの実施例の３次元状の斜視図１６００の断面図を示している。この実施例では、マニホールドは高熱に耐性がある誘電性プラスチック材料の２つの層１６０２、１６０４であり、たとえば、ポリエーテルエーテルケトン（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒ ｅｔｈｅｒ ｋｅｔｏｎｅ：ＰＥＥＫ）またはポリクロロトリフルオロエチレン（ｐｏｌｙｃｈｌｏｒｏｔｒｉｆｌｕｏｒｏｅｔｈｅｎｅ：ＰＣＴＦＥ）である。液滴の流路１６０６は一連の電極リング１６０８を有し、これらは平行化及び操向用の電極として機能して、密な小滴の流れを形成する。複数のクロスフローの流路１６１０が、上部のマニホールド層１６０２を通って、小滴の流路１６０６内まで延在している。このような十字状にドリル加工された通路によって、ガスと小滴の移動を容易にしている。平行化及び操向用の電極は、実施例では、同軸状に取付けられたワッシャでもよい。出口オリフィスのいずれかの側に配置された電極は、上述のように、非対称的でもよい。幾つかの実施例では、ドリル加工された通路を加えて、またはマニホールド層を通って経由して、電気的な接続を備えることができる。

出口オリフィス１６１２は底のマニホールド層１６０４を通って延在し、これを通って小滴がジェットを出て、基板上（図示せず）に付着される。出口オリフィスの電極１６１４は、出口オリフィス１６１２の内部に配置されて、これと一体化されている。図１６に示したプリントヘッドの実施例は、単一のプリントヘッド内の複数のプリントヘッドのジェットの配列のいずれかでもよい。さらに、プリントヘッドのジェットは、小滴を基板上に付着させる複数の出口オリフィスを有していてもよい。

Claims (8)

1. スプレー発生器によって生成された液滴のスプレー上に電荷を付着するように構成されたコロナ帯電システムと、
   前記液滴を流路に沿って動かすための空気流を生成するための空気ディレクタと、
   帯電した前記液滴のスプレーを集束及び平行化させて、密な液滴の流れを形成するように構成された集束電極であって、前記流路を横切って離間して前記液滴の流れのためのトンネル状の通路を形成する電極の対を含む、前記集束電極と、
   前記帯電した液滴を基板上に付着させるように構成された液滴付着システムと、
   前記基板上に付着した前記帯電した液滴上の電荷を中性化するように構成された帯電除去システムと、を含むスプレー付着システム。
2. さらに、前記液滴を受け取って、前記液滴を前記集束電極に向かって指向させるように構成されたスプレーディレクタを含む、請求項１に記載のスプレー付着システム。
3. 前記液滴が前記コロナ帯電システムによって帯電される前または後のいずれかで、前記液滴を前記集束電極に向かって指向させる、請求項２に記載のスプレー付着システム。
4. 前記コロナ帯電システムは、指向された前記液滴上に正の電荷を付着する、請求項１に記載のスプレー付着システム。
5. 前記帯電除去システムは、指向された前記液滴に負のコロナ電荷を及ぼして、中性化された液滴の付着用液滴流を形成するように構成される、請求項４に記載のスプレー付着システム。
6. 前記帯電除去システムは、指向された前記液滴に負に帯電したプラズマとともに負のコロナ電荷を及ぼすように構成される、請求項５に記載のスプレー付着システム。
7. 前記液滴付着システムは、要求に応じて実行する液滴付着システムである、請求項１に記載のスプレー付着システム。
8. さらに、前記液滴が前記基板上に付着されるように、前記帯電した液滴に対して空気流を及ぼすように構成された付着用空気流の構成要素を含む、請求項１に記載のスプレー付着システム。

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