确定流道是否已准备好喷射液滴

技术领域

本发明涉及流体喷射装置。

背景技术

在某些流体喷射装置中，流体液滴从一个或多个喷嘴喷射到介质上。 喷嘴流体连接到包括流体泵送室的流体路径。流体泵送室可由致动器致 动，这会导致流体液滴的喷射。介质可相对于流体喷射装置移动。从特定 喷嘴喷射流体液滴与移动介质同步，以将流体液滴放置在介质上的期望位 置处。在这些流体喷射装置中，通常期望喷射具有一致尺寸和速度并在相 同方向上的流体液滴，以便在介质上提供流体液滴的均匀沉积。

发明内容

在一个方面中，一种确定流道是否已准备好喷射的方法包括：将液体 供给至包括泵送室和喷嘴的流道；在将液体供给至流道之后，将能量施加 至与泵送室相邻的致动器；测量致动器的电气特性，以得到测量值；以及 将测量值与阈值进行比较，以确定流道是否已准备好喷射。

可选地，这个及其它执行方案可包括以下特征中的一个或多个。测量 值包括致动器的等效串联电阻Rs。流道位于打印头中，并且该方法包括： 如果等效串联电阻大于阈值，则将流道已准备好喷射的信号发送到打印 头。阈值是用于已准备好喷射的流道的致动器的等效串联电阻。在100kHz 或更高的频率下测量等效串联电阻。该方法包括：如果等效串联电阻小于 给定值，则从流道清洗流体。该方法还包括：清洗后重新测量致动器的等 效串联电阻；以及将重新测量的电阻与给定值进行比较，以确定流道是否 已准备好喷射。致动器包括压电材料。测量值包括致动器的等效并联电阻 (1/Rp)。流道位于打印头中，并且该方法包括：如果等效并联电阻(1/Rp)小 于阈值，则将流道已准备好喷射的信号发送到打印头。该方法包括：如果 等效并联电阻(1/Rp)大于阈值，则从流道清洗流体。测量值包括致动器的功 率损耗。通过经由致动器确定电流以及将电流乘以所施加的电压并且使用 公式

计算所施加电压乘以的电流的时间平均，测量功率损耗，其中P_损耗是 功率损耗，I(t)是作为时间的函数的电流，而V(t)是作为时间的函数的电 压。流道位于打印头中，并且打印头包括多个流道、多个致动器和用于通 过多个致动器检测电流的电流检测电路。打印头包括多个流道、多个致动 器和多个电流检测电路，其中每个电流检测电阻被联接至相关联的致动 器，以通过相关联的致动器来检测电流。测量值包括致动器的耗散。将能 量施加至致动器步骤包括：将驱动脉冲施加至致动器。驱动脉冲具有的振 幅比驱动振幅低，使得不会将流体液滴喷射通过喷嘴。将能量施加至致动 器步骤可包括：施加从正弦波、方波和梯形波组成的组中选择的波形。该 方法包括：当测量致动器的电气特性时，在基板上进行打印。该方法还可 包括：将打印头移向维护站，以测量致动器的电气特性。

在另一个方面中，一种打印系统包括：打印头，其具有包括泵送室和 喷嘴的流道；致动器，其与泵送室相邻；电路，其构造成测量致动器的电 气特性以得到测量值；以及控制器，其构造成将测量值与阈值进行比较， 以确定流道是否已准备好喷射。

可选地，这个和其它执行方案可包括以下特征中的一个或多个。所述 控制器被构造成在测量值低于给定值的情况下将信号发送到打印头，以便 从流道清洗流体。控制器被构造成在测量值大于给定值的情况下将信号发 送到打印头，以便开始打印。所述电路包括从电容计、万用表和阻抗计组 成的组中选择的构件。该打印系统包括多个流道和多个致动器，其中所述 电路包括用于每个致动器的电流检测电路、用于每个致动器的开关和低通 滤波器。该打印系统包括多个流道和多个致动器，其中所述电路包括用于 多个致动器的电流检测电路、用于每个致动器的开关和低通滤波器。所述 电路被定位在打印头驱动电路板上。该打印系统包括维护站，并且所述电 路被定位在维护站处。

潜在优点可不包括亦可包括下面内容中一个或多个。致动器的电气特 性可以用于确定流道是否准备好喷射液滴，不必打印试验样品。通过只在 必要时而非在预定的时间间隔进行清洗，电气特性还可防止浪费喷射流 体。只有当实际需要清洗步骤时和/或仅在需要进行维修的流道上，才可执 行清洗步骤。否则，如果所有的流道都已准备好喷射，则打印可以不中断 地继续下去。电气特性还可以提供关于清洗步骤是否成功的反馈。此外， 可使用在维护站上或在打印头驱动电路板上定位的电路来执行致动器的电 气特性的测量。在打印头打印或闲置时，可测试致动器。

本发明的一个或多个实施方式的细节在附图和下面的描述中加以阐 述。根据该描述和附图以及从权利要求，本发明的其它特征、目的和优点 将是显而易见的。

附图说明

图1A是打印头模块的透视图。

图1B是打印头模块的主体和面板的透视图。

图2是示出了两个流道(一个以虚线示出)和两个致动器的打印头主体的 部分的横截面侧视图。

图3是致动器的执行方案的平面图。

图4是用于确定流道是否已准备好喷射的方法的流程图。

图5A是打印系统的示意图，该打印系统包括在输送装置上移动的基板 上打印的打印头、用于打印头的维护站和控制单元。

图5B是打印头处于维护站的打印系统的示意图。

图6A是包括等效串联电阻的致动器的电路模型。

图6B是包括等效并联电阻的致动器的电路模型。

图7是示出在10kHz和100kHz频率下在多个流道中具有以及没有流 体的情况下致动器的等效串联电阻(ESR)测量的曲线图。

图8是用于检测多个流道是否准备好一次一个地喷射的电路示意图。

图9是当打印头打印时用于检测多个流道是否已准备好喷射的电路示 意图。

具体实施方式

在执行打印操作之前，流体喷射器需要被“灌注”，即填充待喷射的流 体。按惯例，为了确定灌注过程是否成功，要打印并检查试验样品。但 是，打印和分析试验样品会是耗时的且浪费喷出的流体。如果被喷出的流 体是昂贵的，则试验样品也会是昂贵的。避免该问题的可能的技术是将致 动器的电气性能特征化，并使用该特征来确定流道是否被灌注。类似地， 致动器的电气特性可用于检测使流道完全或局部无法工作的其它故障，诸 如喷嘴堵塞或致动器的电气问题。例如，电气特性可用于检测喷射能力的 任何损耗，即使流道仍能喷射一些流体时亦如此。

流体液滴喷射可装备有基板，例如在基板上制造的微机电系统 (MEMS)。该基板可包括流体流道主体、膜和喷嘴层。流道主体具有形成于 其中的流体流道，它可包括一些或所有以下特征：流体填充通道、流体泵 送室、下伸部以及具有出口的喷嘴。致动器可位于膜的与流道主体相对并 邻近流体泵送室的表面上。当致动器被致动时，致动器向流体泵送室传送 压力脉冲，以造成流体的液滴喷射过出口。流道主体可包括多个流体流道 和喷嘴，并且每个流体流道可具有相关联的致动器，使得基板包括多个可 独立致动的流体喷射器。

流体液滴喷射系统可包括具有一个或多个可独立致动的流体喷射器的 基板、用于基板的流体源以及用于施加电信号以致动所述致动器的控制 器。流体源可以是例如通过管中的通道、壳体中的腔室等流体连接到基板 的流体贮存器，以供给流体用于喷射。流体是液体，并且可以是例如化合 物、生物物质或油墨。

图1A和图1B示出了打印头模块100，其包括打印头主体102和附接 至壳体106底面的面板104、包括流体连接到主体102的流体通道的过滤器 组件108以及柔性电缆110。例如，打印头主体可以是诸如Hoisington等人 在第5,265,315号美国专利中所述打印头的MEMS硅片，或者是Bibl等人 在第7,566,118号美国专利中所描述的半导体打印头单元，其公开内容通过 引用结合于此。打印头主体可以被蚀刻，以限定多个流道，每个流道均包 括泵送室和喷嘴，用于喷射流体液滴。该主体还可包括多个致动器(例如， 压电的或热的)，其中一个致动器用于一个流道。压电致动器可包括压电材 料层，其响应于所施加的电压来改变几何结构：增长、收缩或弯曲。压电 层的运动使在泵送室中沿着流道的流体加压。

为了准备打印，流体例如从流体贮存器(未示出)通过过滤器组件108中 的流体入口112被供给至打印头模块。流体可穿过过滤器组件108和壳体 106行进至打印头主体102。如图2所示，流体进入流道200。图2示出了 打印头主体102的横截面，其包括流道200和以虚线表示的另一流道202 的横截面。流体可以填充流道，流道可包括流体填充通道204、泵送室 206、下伸部208和喷嘴210。负压可施加至流道，以防止流体泄漏出喷嘴 210并另外形成位于喷嘴210处的弯月面。

填充具有流体的流道也可称为“灌注”流道。流体清洗过流道，置换 流道中的空气，使得流道完全充满流体无任何气泡。当打印头首次被安装 在打印机中时，在打印作业开始之前，或在打印操作期间的周期性间隔 时，可灌注打印头。按惯例，为了确定灌注过程是否成功，要打印并检查 试验样品，用于对应于未灌注流道的未打印区域。打印和分析试验样品会 是耗时的且浪费喷出的流体。如果被喷出的流体是昂贵的，则试验样品也 会是昂贵的。

在打印期间，流道可变成未灌注的、堵塞的或经历会导致流道变得完 全或局部无法工作的另一种类型的故障。例如，如果气泡被摄入通过喷 嘴，如果由于整流扩散使气泡在流道中增大，如果油墨浸有空气且气泡集 结在一起并堵塞流道(例如，当加热水基油墨时)，或者如果气泡从流体贮存 器进入流道，则流道可变成未灌注的。例如，如果流体在喷嘴中干涸，粒 子从流体供给处或从喷嘴外进入流道，则流道可以被堵塞。然而，不打印 试验样品的情况下，不可能知道是否有一些流道需要维修。因此，通常以 预定的时间间隔执行清洗步骤，以重新灌注可能已变成未灌注的或堵塞的 任何流道。然而，在实际需要清洗很长时间之前或之后，可执行该清洗步 骤。除非打印试验样品，否则即使在清洗步骤之后，也不会知道清洗步骤 是否成功。

除了打印试验样品或以预定间隔清洗，可测定致动器的电气特性，并 且该特性的测量值可用于确定流道是否已准备好喷射。在这种情况下，只 有当实际需要清洗步骤时并仅在需要清洗的流道上才执行清洗步骤。此 外，电气特性的测量可以提供关于灌注过程是否成功的反馈，无需打印试 验样品。如果电气特性表明所有的流道都已准备好喷射，则打印可以不受 干扰地继续下去。

例如，致动器的电气特性可以是致动器的阻抗。可横跨连接到致动器 的电极的端子来测量阻抗。对于第一近似值，用于压电致动器的阻抗在用 于从流道喷射流体的频率范围内是电容性的，诸如在0和250kHz之间。 考虑到材料(例如压电材料)的介电损耗及复杂的弹性，致动器的阻抗将包括 与损耗相关联的实部以及与弹性和介电性能相关联的虚部。将流体添加至 与致动器机电接触的流道将增加额外的粘性损失，这将增加阻抗的实部， 原因在于致动器在流体上所做的功。

图2示出了致动器212的横截面，该致动器包括驱动电极216和共用 电极218之间的压电材料层214。在该执行方案中，驱动电极216位于压电 层214的顶面上，而共用电极218位于压电层的底面上压电层和膜220之 间，但颠倒过来也是可行的。致动器212可包括环绕部222，该环绕部将压 电层214顶面上的接触垫224与共用电极218相连，使得可从压电层214 的顶面电气接触共用电极。图3示出了单一致动器212的顶视图，该致动 器包括驱动电极216和用于在压电层214上的共用电极的接触垫224。例 如，横跨驱动电极216和共用电极218可测量致动器的电气特性，例如阻 抗，以确定流道是否已准备好喷射。

图4示出了用于确定流道是否已准备好喷射的方法的流程图400。第 一，将液体供给至流道，例如试图灌注流道(步骤402)。第二，将能量施加 至在流道中与泵送室相邻的致动器(步骤404)。能量可以采用具有给定电压 的波形的形式。波形的能量可能不足以引起流体液滴的喷射。第三，例如 当将能量施加至致动器时，测量致动器的电气特性(步骤406)。电气特性可 以是等效串联电阻、等效并联电阻、致动器的耗散或功率损耗。第四，将 电气特性的测量值与阈值进行比较，以确定流道是否已准备好喷射(步骤 408)。当致动器准备好喷射时，该阈值可以与电气特性的值关联。当测量 值等于或超过(例如大于)阈值时，流道被认为已准备好喷射。替代地，当致 动器未准备好喷射时，阈值可关联一值，并且测量值必须超出用于要被认 为准备就绪的流道的阈值一定比例。

图5A示出了包括打印头502的打印系统500，该打印头在基板504上 打印，该基板在加工方向508上在输送装置506上移动。打印头502可移 向维护站510，用于维修，诸如从喷嘴层擦去流体。图5B示出了打印头 502处于维护站510的打印系统。在维护站处，通过测量每个致动器的电气 特性，可测试打印头502，以确定流道是否已准备好喷射。在一些执行方案 中，维护站510可包括电容计、万用表或阻抗计，诸如Fluke PM6304，其 可将正弦电压施加至在致动器上的电极，并通过致动器测量电流的幅值和 相位。所施加信号的电压和频率是可调的。电压幅值可以小于用于从喷嘴 喷射液滴的驱动脉冲。频率可以在100Hz和1MHz之间，例如100Hz、1 kHz、10kHz、100kHz或1MHz。阻抗计计算与驱动电压(对应于损耗要素) 同相的电流幅值和相对于输入电压(对应于节能要素)90度相移的电流幅 值。使用两个测量结果(电压和电流)，可得出两个阻抗，诸如等效串联电阻 Rs和电容C。替代地，阻抗计可以计算出等效并联电阻Rp和C，或耗散D 和C。压电致动器可以消耗所施加能量的约5％，并且在系统中这通常是主 要损耗。

测量值(Rs、Rp、D)可发送到控制器512，并与阈值进行比较，以确定 是否流道是否已准备好喷射。如果测量值不符合阈值，则流道被确定为未 准备好喷射。在维护站处，流体可被清洗出喷嘴，试图恢复发生故障的流 道。在清洗之后，可重新测量电气特性。重新测量的值与阈值进行比较。 可以重复这些步骤，直到测量值满足阈值。例如，当测得的特性是串联电 阻或耗散的情况下，如果测得的特性等于或大于阈值，则测得的特性满足 阈值。

在一些执行方案中，一次测试一个流道，并且一旦所有的流道被确定 为准备好喷射，则控制器512将打印头已准备好进行打印的信号发送到打 印头502。

在其它执行方案中，流道可以被划分成组，并且一组流道可以一起进 行测试，特别是打印头包括大量流道(例如300个或以上、600个或以上、 1000个或以上)的情况。在这种情况下，一组流道被一起测量，并计算电气 特性的平均值。同样地，阈值是用于给定数量的流道的平均值，并且该平 均阈值与平均测量值进行比较，以确定这组流道是否已准备好喷射。如果 平均测量值不符合平均阈值，则这组流道可一起清除并一起重新测试。在 这组被确定为准备好之后，测试下一组，并且当所有组被确定为准备好 时，才能继续打印。

图6A示出了致动器(例如，压电致动器)的电路模型600，其包括电容 C602和等效串联电阻Rs604。Rs应该在高频下(例如，100kHz或更高)测 得，因为电容C将开始充当短路，并且测量值将主要包括Rs。如果Rs的 测量值大于或等于阈值，则控制器将打印头已准备好喷射的信号发送到打 印头。

图6B示出了致动器的电路模型606，其包括电容C608和等效并联电 阻Rp610。等效并联电阻Rp应在低频下(例如，低于100kHz)测得，因为 电容将开始充当断路，并且测量值将主要包括(1/Rp)。如果(1/Rp)的测量值 小于或等于阈值，则流道已准备好喷射。

为了确定用于特定打印头的阈值，在各种频率下具有以及没有流体的 情况下可测试打印头，以找到准备打印的流道和不准备打印的流道的电气 特性之间的相关性。例如，具有流体的流道代表被灌注的流道，而没有流 体的路径表示未灌注的流道。图7中的曲线图示出了在多个流道中具有以 及没有流体的情况下在10kHz和100kHz频率下用于多个致动器的等效串 联电阻(ESR)测量。x轴表示对应于流道数目的喷射数量，所述流道数目在 该打印头中即303个流道。左边的y轴表示在10kHz频率下测得的以欧姆 为单位的ESR值，而右边的y轴表示在100kHz频率下测得的以欧姆为单 位的ESR值。线700和702与左边的y轴关联，而线704和706与右边的 y轴关联。参照线706，在100kHz下没有液体(未灌注的)的情况下测得的 平均ESR值约45.9欧姆，而对于线704，具有流体的(灌注的)平均ESR值 约59.2欧姆。根据这些测量结果，当流体被添加至流道时，ESR值增加了 约30％。由此，在该打印头中，如果ESR值约59欧姆，则流道可确定为 已灌注；而如果ESR值约46欧姆，则未灌注。然而，线704显示了在流 道100至110附近ESR值约55-57欧姆的急降过程。这能够意味着，这些 流道是局部而非完全被灌注。因此，对于该打印头，大约58欧姆的ESR 值可选择为确定流道是否已准备好喷射的阈值。

除了使用维护站来确定流道是否已准备好打印，流道可以在原位测 试。例如，致动器的电气特性可以使用在打印头驱动电路板上定位的电路 来测量，而不是外部维护站。打印头驱动电路板可包括专用集成电路(ASIC) 开关，其可用于测量致动器的电气特性。在一些执行方案中，当打印头在 基板上打印时，可测量电气特性。如果打印头中的流道被确定为已准备好 喷射，则打印可继续进行无需中断。如果流道被确定为并不是完全或局部 无法工作，则打印头可移向维护站以清洗流体，直到流道准备好打印。此 外，与一般限于正弦波的阻抗计不同，可建立能够使用任何波形形状来测 量电气特性的电路，所述波形形状包括正弦波、方波、梯形波或驱动波 形。例如，电气特性可以是致动器中的功率损耗。该损耗可以使用下面的 公式加以确定：

其中P_损耗是致动器中的功率损耗，T是进行测量的总时间，I(t)是作为 时间的函数的电流，并且V(t)是作为时间的函数的电压。电路可建立成： 通过致动器检测电流I(t)，将检测的电流乘以所施加的电压V(t)，并使用例 如低通滤波器来采取时间平均。输出可以由控制器来监视。如果损耗低于 阈值时，则流道未准备好喷射的信号可发送到打印头，并且打印头可移向 维护站以清洗流道。

图8示出了用于检测功率损耗的电路800的示例。该电路可包括用于 检测通过检测电阻R的电流的电流检测电路806以及多个电容C1、C2、 C3...Cn。电容可以表示对应于各流道的各个致动器，并且并联地连接到可 施加电压波形的控制器802。每个电容连接成与开关S1、S2、S3...Sn串 联，并且开关的输出端通过检测电阻R并联地连接到地面。该电路被设计 成一次一个地测试流道。因此，当测试打印头时，打印头无法继续打印。 为了进行测试，一次一个地闭合每个开关S1、S2、S3...Sn并使电流检测电 路806一次一个地检测用于每个相关联的致动器C1、C2、C3...Cn的通过 检测电阻R的电流。可应用任何波形，诸如驱动波形或具有的振幅比驱动 振幅低的驱动波形，使得液滴不会从喷嘴喷射。

例如，闭合开关S1，并且将具有电压V(t)的波形施加至C1，而电流检 测电阻R检测发送到控制器的电流I(t)。控制器将电流I(t)乘以所施加的电 压V(t)，并采取时间平均来计算功率损耗P_损耗。控制器可以将P_损耗值与阈 值进行比较。例如，如果P_损耗值低于阈值，则流道被确定为未准备好打 印，并且流道被清洗，直到P_损耗值等于或大于阈值。

如图9的电路900所示的，除了一次一个地停止打印头以测试每个流 道，每个致动器C1、C2、C3...Cn可具有相应的带有电流检测电阻Rl、 R2、R3...Rn的电流检测电路，使得当打印头打印时，每个流道能够单独进 行测试。在这种情况下，开关S1、S2、S3...Sn可以在任何时间闭合，以测 试流道是否正常运行。例如，闭合开关的同时，将驱动脉冲施加至致动 器，并使用该驱动脉冲来测量电气特性。单独的脉冲不必用于测量致动器 的电气特性。相反，可测量电气特性的同时，将驱动脉冲施加至致动器， 用于喷射液滴。这是更有效的，因为它使用相同的脉冲且节省时间，因为 不需要单独测试脉冲。

参考图9，可闭合开关S1，起动脉冲可施加至致动器C1，并且通过电 流检测电阻Rl检测电流I1。起动脉冲可具有比驱动脉冲更小的振幅和/或 脉冲周期，使得无需从喷嘴喷射流体液滴即可测试流道。如上文所描述 的，将电流I1乘以起动脉冲的电压V(t)，以计算致动器C1的功率损耗P_损耗。控制器902将P_损耗与阈值进行比较，以确定流道是否已准备好喷射。如 果流道已准备就绪，则打印头可以继续打印无需中断。然而，如果流道没 有准备好，则打印头可移向维护站，以清洗发生故障的流道。替代地，为 了避免中断打印作业，发送到打印头的打印数据可以重新构造成使得相邻 的流道补偿发生故障的流道。补偿发生故障的流道还可以使执行维护操作 延迟，这可以节省清洗浪费的油墨、由于清洗耗时而提高生产量并减少维 护操作所造成的对打印头的磨损。

在整个说明书和权利要求中使用诸如“顶”和“底”的术语仅作说明 用途，并不意味着特定方位的装配。

已经描述了本发明的一些实施方式。然而，应理解，在不脱离本发明 的精神和范围的情况下可做出各种修改。因此，其它的实施方式在下述权 利要求的范围内。