CN101198476A - 动态打印头对准组件 - Google Patents
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Abstract
根据本发明，一打印设备(10)可包括设计成用来支撑其上的基底(18)的一卡盘(16)，远离所述卡盘(16)的钢轨(24，26)，一连接到钢轨(24，26)的打印头小车框架(14)，以及连接到打印头小车框架(14)的打印头小车(15)。打印头小车(15)可包括打印头(46)和驱动机构(64)。驱动组件(64)可连接到打印头小车(15)，并且可选择性地与打印头(46)啮合，以便使得打印头(46)相对于打印头小车(15)进行选择性的位移。
Description
相关申请的交叉参考
[0001]本申请要求于2005年4月25日提交的临时申请号为60/674,584，60/674,585，60/674,588，60/674,589，60/674,590，60/674,591，和60/674,592的美国临时申请的益处。上述申请的公开内容结合于此作为参考。
技术领域
[0002]本申请涉及到压电式微沉积(PMD)设备，并且更具体地涉及到适于PMD设备的打印头对准组件。
发明背景
[0003]在本部分中的陈述仅仅提供涉及到本发明的背景信息，并且可不构成现有技术。
[0004]在工业PDM的应用中，滴墨放置精度是非常重要的。滴墨放置的不精确是由各种各样的原因造成的。这些原因可能包括在一个阵列内的打印头之间的未对准，以及在其上打印的基底的未对准。打印头和/或基底的手动调整是昂贵的、费时的，而且仍可能导致错误。因此，存在着对滴墨放置误差的可能来源进行有效的解决和修正的需要。
发明内容
[0005]根据本发明，一台打印机设备可包括：一个构造成在其上能支撑基底的卡盘，远离卡盘的一钢轨，一个连接到钢轨的打印头小车框架，以及连接到打印头小车框架的打印头小车。打印头小车可包括打印头和驱动组件。驱动组件可连接到打印头小车，并且可选择性地与打印头啮合，以便使得打印头相对于打印头小车进行选择性的位移。
[0006]通过本文的描述，将会明确进一步的应用领域。应该理解描述和特定例子只是为了达到解释说明的目的，而并不意旨限制本发明的范围。
附图
[0007]在此所述的附图只是为了解释说明的目的，而并不意旨以任何方式来限制本发明的范围。
[0008]图1为根据本发明的压电式微沉积(PMD)设备的透视图；
[0009]图2为根据本发明的打印头小车组件的透视图；
[0010]图3为包括打印头对准组件的图2所示打印头小车组件的局部透视图；
[0011]图4为自图2打印头小车组件的打印头组件的透视图；
[0012]图5为图3驱动组件和图4打印头组件的分解图；
[0013]图6为图5驱动组件和打印头组件的附加的更充分的分解图；
[0014]图7为图3所示驱动组件的透视图；
[0015]图8为图7所示驱动组件的另一透视图；
[0016]图9为图7所示驱动组件的局部分解图；
[0017]图10为图7所示驱动组件的另一局部分解图；
[0018]图11为打印头对准的示意图；
[0019]图12为打印头相位未对准的示意图；
[0020]图13为打印头螺距未对准和打印头螺距对准的示意图；
[0021]图14为根据本发明的打印头小车框架的透视图；
[0022]图15为图14所示打印头小车框架的顶视平面图；
[0023]图16为图14所示打印头小车框架的分解透视图；
[0024]图17为图14所示打印头小车框架拆除打印头小车后的透视图；
[0025]图18为根据本发明的替换打印头小车框架的透视图；
[0026]图19为图18所示打印头小车调整组件的分解透视图；
[0027]图20为图19所示打印头小车调整组件的另一局部分解透视图；
[0028]图21为图20所示耦合元件的透视图；
[0029]图22为图19所示打印头小车调整组件的另一局部分解透视图；
[0030]图23为处于驱动位置的图18所示打印头小车调整组件的透视图；
[0031]图24为图18所示部分打印头小车调整组件的透视图；
[0032]图25为替换打印头小车调整组件的示意图；
[0033]图26为替换打印头小车框架的透视图；
[0034]图27为图26所示打印头小车框架的顶视平面图；
[0035]图28为图26所示打印头小车框架的分解透视图；
[0036]图29为图26所示的打印头小车框架的剖面图；
[0037]图30为根据本发明的一替换打印头小车框架的透视图；
[0038]图31为图30所示打印头小车框架的另一透视图；
[0039]图32为图30所示打印头小车框架的部分透视图；
[0040]图33为不相邻的打印头阵列的示意图；
[0041]图34为根据本发明的可替换的打印头阵列可变螺距设备的示意图；
[0042]图35为图34所示的打印头阵列可变螺距设备的部分示意图；
[0043]图36为图34所示打印头阵列可变螺距设备的另一部分示意图；
[0044]图37为图1所示校准摄像机组件的透视图；以及
[0045]图38为图1所示机器视觉摄像机组件的透视图；
详细描述
[0046]以下描述只是在本质上进行的示范性描述，而并不意旨限制本发明的公开、应用或用途。
[0047]在本文中定义的术语“流体制造材料”(“fluidmanufacturing material”)和“流体物质”(“fluid material”)可广义上诠释为包括能够呈现一种低粘度的形式并且适合于被沉积(例如从PDM头沉积到基底上从而形成微观结构)的任何物质。流体制造材料可包括但不限于可用来形成高分子发光二极管显示器件(PLEDs，PolyLEDs)的发光聚合物(LEPs)。流体制造材料也可包括塑料，金属，蜡，焊料，焊锡膏，生物医学制品，酸，光致抗蚀剂，溶剂，粘合剂和环氧树脂。术语“流体制造材料”在此可互换地称为“流体物质”。
[0048]如在此所定义的术语“沉积”一般是指流体物质的单个液滴沉积到基底上的过程。例如具体参照从PMD头的流体物质的沉积，术语“液滴”，“流出”，“模式”，“沉积”在此可互换使用。术语“液滴”和“滴墨”也是可以互换使用的。
[0049]如在此所定义的术语“基底”可广义诠释为具有在制造过程中(例如PMD)适于接受流体物质的一表面的任何材料。基底包括但不限于玻璃板，吸液管硅片，瓷砖，刚性和柔性塑料和金属片和辊。在特定实施例中，沉积的流体物质本身可以形成一个基底，因为诸如象形成三维微观结构时，流体物质也差不多包括在制造过程中适于接受流体物质的一表面。
[0050]如在此所定义的术语“微观结构”一般是指能够形成高准确度并且尺寸适配于基底上的结构。因为不同基底的尺寸可能会有所变动，所以术语“微观结构”的定义不应被限制于任何特定尺寸并且可以和术语“结构”互换使用。微观结构可能包括单滴的流体物质，液滴的任意组合，或通过在基底上沉积一个或多个液滴而形成的任何结构，诸如两维层，三维结构，以及其它任意理想的结构。
[0051]本文涉及到的PMD系统能够根据用户定义的计算机可执行指令来执行将流体物质沉积到基底上的过程。在本文中又名“程序模块”或“模块”的术语“计算机可执行指令”一般包括程序指令，程序，对象，组成，数据结构，或类似于能够实现特殊的抽象数据类型或执行特殊的任务，诸如但不限于为实现PMD过程而执行电脑数值控制。程序模块可以存储于任何的计算机可读介质中，这些可读介质包括但不限于随机存取存储器(RAM)，只读存取存储器(ROM)，电可擦除只读存储器(EEPROM)，光盘驱动器(CD-ROM)或其他光盘存储器，磁盘存储器或其他磁性存储设备，而且还包括能够储存指令或数据结构并能够被一般用途或特殊用途的计算机存取的任何其它的介质。
[0052]如图1所示，压电式微沉积设备10可能包括框架12，打印头小车框架14，以及真空卡盘16和视觉系统17。框架12可支撑在其上打印的基底18。框架12可包括安装在其上的一个X-台架20和一个Y-台架22。X-台架20可包括通常彼此互相平行并延伸过框架12宽度的第一和第二钢轨24、26，并且通常确定打印轴。Y-台架22通常可沿着框架12的长度延伸并且通常垂直于X-台架20。Y-台架22可通常确定一个基底轴。打印头小车框架14可位于第一和第二钢轨24，26之间且与钢轨形成可滑动的连接，以能够沿着打印轴位移，通常准备在基底18上打印。
[0053]参考另一附图2，打印头小车框架14可包括一个具有底板28的打印头小车15，顶板30和侧壁32，34，36，38。动态的打印头对准组件40可与底板28相连。如图3所示，间隙槽42可位于毗邻打印头对准组件40的底板28上。开口44可位于通常位于打印头对准组件40之上的顶板30上。打印头组件46(在图4更详尽地显示)可经过开口44并可以和打印头对准组件40相连。然而以上描述仅仅涉及到了单个打印头组件46和打印头对准组件40，但是应该理解并如图2所示，打印头小车15可包括多个打印头组件46和打印头对准组件40，进而形成一个打印头阵列。
[0054]另外参考图5，打印头组件46可包括一个主体48，主体48具有一个可移动连接到其的基准块50。使用精密粘合过程可使打印头52和基准块50紧密配合在一起，并且打印头52可包括一系列的喷嘴53，这些喷嘴一般以排设置(图11-13示意所示)。
[0055]如图6所示，打印头52和基准块50由于弹簧偏置机构54可导致与其余的打印头组件46和打印头对准组件40相分离。弹簧偏置机构54可包括安装板56，安装板56通过四个弹簧58与打印头组件主体48相连。每个弹簧58可以是具有第一和第二末端60，62的压缩弹簧。每个弹簧58的第一末端60可以与打印头组件主体48相连，并且每个弹簧58的第二末端62与安装板56相连。因此，安装板56通常可相对于打印头组件主体48移动，大约有6个自由度。基准块50和安装板56相连进而形成一个打印头附件块，并且使得基准块50有自由度来运动地接触基准表面坐落，这将在下文讨论，并相对于其进行调整。
[0056]如上文所述，并在图3中更详细的显示，打印头对准组件40可和底板28相连接。底板28除了为打印头对准组件40提供一个安装面外，还可为阵列(在25微米/米内)内的所有打印头52(相对其基准块50)在垂直方向上提供了一个共同的主要参考基准。一旦基底28中的许多间隙槽42正确对准以执行打印功能，基底28中的许多间隙槽42可通常允许打印头52从其中伸出。打印头组件46并且由此打印头52可通常平行于彼此设置，并且与相应的打印轴成一个任意冲角。可根据矩阵所期望的打印分辨率来设定该角度。
[0057]每个打印头对准组件40可包括插口63。插口63可包括驱动组件64和闭锁机构66。另外参考图7-10，驱动组件64可包括具有第一和第二腿部68，70的L-形构件67。第一腿部的自由端72可具有一个通孔74并可与底板28枢转联接。驱动组件64可进一步包括一个相位调整组件76和螺距调整组件78。
[0058]相位调整组件76可位于第一腿部68附近。相位调整组件76可包括压电陶瓷(PZT)驱动器80，调整机构82，枢转臂84，枢转组件86，第二基准块88以及第一和第二回动弹簧90，91。压电陶瓷(PZT)驱动器80可与第二腿部70相连并且沿着第二腿部70的长度朝着第一腿部68和枢转臂84延伸。压电陶瓷(PZT)驱动器80可与枢转臂84的第一末端92相连。第一腿部68可包括一个凹进部分94，凹进部分94罩住其中的枢转臂84。枢转组件86可包括一个枢轴96，枢轴96穿过第一腿部68上的孔98，99和枢转臂84上的孔100，并且将枢转臂84和第一腿部68枢转地连接。回动弹簧90可是一个具有第一末端101和第二末端102的压缩弹簧，第一末端101与第一腿部68相连且第二末端102与枢转臂84相连。因此，回动弹簧90通常迫使枢转臂84朝着第一腿部68转动。第二基准块88可通过枢轴105与第一腿部68可旋转地连接，同时还和枢转臂84的第二末端103相啮合，在下面讨论。回动弹簧91可是一个具有第一末端107和第二末端109的压缩弹簧，第一末端107和第二基准块88相连并且第二末端109和枢转臂84相连。回动弹簧91通常迫使第二基准块88朝着枢转臂84转动。调整机构82可包括一个球形构件95和一个调整螺钉97。球形构件95通常可接触枢转臂84和第二基准块88的倾斜表面93坐落。调整螺钉可沿着倾斜表面93改变球形构件的垂直程度以控制第二基准块88绕枢轴105的最初取向。
[0059]螺距调整组件78可包括固定在底板28上的线性驱动器104和与L形构件67的第二腿部70相连的第三基准块106。线性驱动器104可位于第三基准块106附近并在第二腿部70的自由端108附近选择性地与其相啮合。枢轴110(见图3)可设在L形构件67的孔74中，并且当线性驱动器104在自由端108作用时，上述通常就允许枢轴转动，这些将在下文讨论。螺距调整组件78还可包括一个回动弹簧112以迫使第三基准块106与线性驱动器104啮合。回动弹簧112可以是一个具有第一末端114和第二末端116的压缩弹簧，其中第一末端114与底板28相连且第二末端116与L形构件67相连。
[0060]如图3所示，锁定机构66可包括位于L形构件67内的磁夹钳机构118。磁夹钳机构118可提供一个作用于基准块50的磁力，将会在下文讨论。因此，基准块50可由顺磁材料诸如430SS构成。
[0061]三点找平系统(未示出)在两个水平上都可使用并设定一个磁夹钳机构的工作间隙。设定这个间隙的目的是使永久磁体不能接触基准块。因此，间隙可允许打印头相对目标物质的Z位置由保持磁夹钳机构118的底板28上的主要基准点决定。这通常能够使所有的打印头52可在同一Z维空间内，并且打印头彼此的间距在大约25微米内。此外，当使用一个单一的表面吸墨站时，如果所有的打印头52与吸墨布有不同的关系，那么它们可能不会适当的吸墨。如果空气间隙过大，那么磁性固位力就会以距离平方的速度下降。因此，为了停留在磁性夹紧曲线的强力区域且金属与金属之间不接触，优选的距离是25至50微米之间。
[0062]在操作过程中，当决定一个打印头52从其目标位置偏移时，使用上文描述的特征来进行调整。打印头52的一个目标位置一般可定义为在彼此相关的打印头阵列中打印头52之间的一种理想的相对对准(如图11所示)。具体地说，基准块50一般可延长超过磁夹钳机构118，并通常可邻接第二和第三基准块88，106。一个打印头52的相位未对准(在图12中示意显示)可以使用相位调整组件76给予修正。当一排打印头喷嘴53从目标位置线性偏移时，就会发生相位未重合现象。关于确定一个未重合的细节将在下文中讨论。一个打印头52可由相位调整组件76线性移动(正如在图11中箭头显示)，正如下文所论。
[0063]磁夹钳机构118可导致释放基准块50。更具体地说，可以通过补偿线圈电流的脉宽调制使力能够从高达80磅到0磅变化，来改变作用在每个打印头52(基准块)上的磁性固位力。磁夹钳机构118中的补偿磁场允许打印头的释放，进而将打印头从插口63拆除或使打印头52复位。
[0064]一旦释放，压电陶瓷启动器80可以和枢转臂84的第一末端90相连，进而造成枢转臂84围绕枢纽96旋转。枢转臂84的第二末端103可与第二基准块88相连，以造成第二基准块88的移动，而与基准块50连接，进而又导致基准块50的线性移动。
[0065]更具体地说，从枢轴96的中心到与枢转臂84的第一末端92相连的压电陶瓷启动器80之间的距离(d1)可能比从枢轴96的中心到枢转臂84的第二末端103和第二基准块88的连接位置之间的距离(d2)短。这样，当其应用于第二基准块88时，通常由压电陶瓷启动器80造成的位移一般可以被扩大。在目前的例子中，d1一般可为d2的四倍，进而造成由压电陶瓷启动器80造成的位移大约被放大4倍。
[0066]当打印头52(和相应的基准块50)达到了一个修正的相位位置(如图11所示)时，磁夹钳机构118可以重新启动并且锁定基准块50在其修正的位置。更具体地说，一旦达到这个位置，就要将磁夹钳机构118中的电流切断，进而使磁夹钳机构118重新夹紧打印头52。由于磁夹钳机构118使用电永磁材料，所以夹持力是“故障安全”。也就是说，如果PMD的电源被切断，打印头52仍能被钳位在其位置。此外，一旦打印头正确对准，为锁定打印头52的位置而使用一种电永磁卡盘，这种卡盘的应用可以消除在机械夹具或锁具中常见的机械畸变，应变，和滞后。此外，磁夹钳机构118的磁性夹持力可以自动地和动态地变动。以这种方式，一旦打印头52在其位置，对其位置进行调整和重新应用的同时，可在瞬间去除夹持力。
[0067]打印头52螺距未对准(如图13所示)可使用螺距调整组件78予以修正。当一排打印头喷嘴53旋转地从目标位置偏移时，就会发生螺距未对准现象。关于螺距未对准系统的细节将会在下文进行讨论。为了修正螺距未对准，使用螺距调整组件78可使得打印头52进行如图13种箭头所示的旋转，这将在下面讨论。
[0068]如上文所述，磁夹钳机构118可造成基准块50的释放。一旦基准块获释，就要延伸线性驱动器104以连接第二腿部70的自由端108。当线性驱动器104和自由端108相连时，将会造成L形构件67围绕枢轴110转动。第二和第三基准块88，106和基准块50相连并在其上引起旋转。当打印头52(和相应的基准块50)达到了一个修正的螺距位置时(如图13所示)，磁夹钳机构118就可以重新启动和锁定基准块50在其修正位置，如上文所述。上述的相位和螺距调整是可自动进行，这将会在下文进行讨论。
[0069]重新参考图2，打印头小车15可进一步包括中板136。中板136可包括三个悬臂安装部分148，150，152和两个闭锁构件151，153(见图15)。悬臂安装部分148，150，152可具有与之相连的空气轴承橡胶圆盘154，156，158。空气轴承橡胶圆盘154，156，158可进行高度调整以使打印小车15相对打印头小车框架14在同一个水平面。闭锁构件151，153可包括有色金属钢质圆盘且可能具有磁性。中板136应具有足够的厚度以支撑打印小车15。
[0070]如前所述，打印头小车框架14可含有其内的打印头小车15。另外参考图14-17，打印头小车框架14可包括一个具有上表面161和四壁162，164，166，168的基础框架结构160。上表面161可包括空气轴承旋转表面172，174，176和闭锁构件175。壁162，164，166，168一般可设于打印头小车15的侧壁32，34，36，38的周围。壁164可包括从其延伸的臂178，180。闭锁构件175可以是电磁铁并可选择性地和闭锁构件151，153进行结合且与闭锁构件151，153发生闭锁。
[0071]闭锁构件175可在每个闭锁构件151，153上作用一个磁性固位力，其可以自动变化通过补偿线圈电流的脉宽调制，这种调制可使力从高达80磅到0磅变化。在闭锁构件175内的补偿磁场允许闭锁构件151，153的释放。
[0072]打印头小车调整组件182与壁162的上表面161结合，并可与打印头小车15啮合。打印头小车调整组件182可包括啮合构件184，第一和第二链接组件186，188和一个驱动机构190。啮合构件184可包括沿侧壁34延伸并分别部分围绕侧壁32，36的臂192，194。驱动臂196可以在臂192，194间延伸并且其内可包括一个凹进部分198。凹进部分198可罩住其内的悬臂安装部分148。
[0073]每个第一和第二链接组件186，188可包括在其第一末端206，208和第二末端210，212处的具有球形轴承204的链接构件200，202。球形轴承204可与啮合构件184和打印头小车框架14相连，以形成在链接构件200，202和啮合构件184与打印头小车框架14间的枢轴结合。
[0074]驱动机构190可包括线性驱动器214和偏置弹簧216。线性驱动器214可与壁164的上表面161相连。线性驱动器214可包括一个可与啮合构件驱动臂196的第一侧220旋转结合的臂218，并且可在通常与偏置弹簧216相反的方向上收缩，如图14的箭头221所示。臂218和驱动臂196之间的旋转结合可包括具有第一末段和第二末端的hephaist轴承219，其中第一末端与臂218结合，并且第二末端与驱动臂196结合。线性驱动器214也可通过hephaist轴承223与基础框架结构160构成可旋转的结合。偏置弹簧216可能是一个具有第一末端222和第二末端226的拉伸弹簧，它的第一末端222与啮合构件驱动臂196的第二侧面224相连，且第二末端226和固定于打印头小车框架14上的柱228相结合。
[0075]在操作中，打印头小车15可使用上述的特征进行调整。更具体地说，打印头小车15的螺距可通过驱动机构190旋转打印头小车15来进行调整。在线性驱动器214驱动后，臂218朝着线性驱动器214的方向拉动驱动臂196。当移动驱动臂196时，链接构件200，202可围绕球面轴承204枢轴转动，进而引起啮合构件184的旋转，啮合构件184将旋转传递给打印头小车15，如图14箭头229所示。更具体地说，当臂218收缩时，链接构件200的第一末端206可围绕第二末端210以逆时针方向旋转，且链接构件202的第一末端208可围绕第二末端212旋转，进而引起打印头小车15的旋转和线性平移。由于联动设置，打印头小车15的位移并不单纯是旋转。打印头小车15的位移可包括一些x和y偏移，且这些偏移可通过调整机构182产生的运动来进行预测。位移可通过基底18和打印头小车15的协调运动来进行计算。
[0076]在打印头小车15的运动期间，空气轴承橡胶圆盘154，156，158可允许打印头小车15在空气轴承旋转表面172，174，176上旋转。当获得一个理想的位置时，空气轴承橡胶圆盘154，156，158就会将打印小车15锁定至空气轴承旋转表面172，174，176。
[0077]在图18-24所示的替换例子中，打印头小车框架300内可设有打印头小车302，并可以相似于上文关于打印头小车框架14所述方式与PMD设备10相连。打印头小车302通常可以是一个具有一系列侧壁304，306，308，310的矩形构件。 打印头小车302通常可与打印头小车15相同，并可包括打印头对准组件40(如图2所示)。打印头小车调整组件312可固定在打印头小车框架300上，并且其内可设有打印头小车302，进而将打印头小车302与打印头小车框架300连接。
[0078]特别地参考图19，20，22和23，打印头小车调整组件312可包括框架组件314和驱动组件316。框架组件314可包括外架318，内架320，以及结合元件322。外架318可通过打印头小车安装板324固定在打印头小车框架300上，并通常可包括一个长方体，该长方体具有通常可从其向上延伸的第一和第二侧壁326，328。外架318可进一步包括一个从第一侧壁326延伸至第二侧壁328的顶板330和一个形成空气轴承表面的下表面332。第一和第二侧壁326，328可包括通孔334，336，338，340，342，344。
[0079]内架320其内可设有打印头小车302。内架320可位于顶板330，下表面332和第一和第二侧壁326，328之间。内架320可包括通常与孔334，336，338，340，342，344相对应的孔346，348，350，352，354，356。内架320可有一个通常的长方体，该长方体具有通常开放的中心部分358，其内设有打印头小车302。内架320的下表面359可包括用来依托在外框架下表面332上的空气轴承垫357，以及为防止内架320和外架318之间相对运动的真空垫361。
[0080]参考图20和21，连接元件322可位于孔334，336，338，340，342，344和孔346，348，350，352，354，356内，并通常将内框320与外架318连接。更具体地说，每个连接元件322可包括一个具有w型构造的弯曲元件360。弯曲元件360可由高疲劳强度金属薄片形成，并可包括具有一个基础部分363，基础部分363具有内部腿362和从其延伸的两个外部腿364，366。基础部分363可以固定外架318。外部腿364，366可连接在一起，以及固定到外架318上。内部腿362可以固定在内架320上，从而在内架320和外架318之间形成一个可旋转的连接关系。
[0081]参考图22，驱动组件316可包括线性驱动器368，370，壳构件372，374和啮合块376。壳构件372，374可与外架318相连。线性驱动器368，370可通常彼此相对设置，并且与壳元件372，374相连，因此进而与外架318相连。啮合块376可以固定在内架320上。弹簧377可在第一末端379处与内架320相连，并且可固定在壳构件372，374上，因此也在第二末端381处固定到外架318上。啮合块376可固定到内架320上。弹簧377可在第一末端379处固定到内架320上，并可固定到壳元件372，374上，并且由此在第二末端381处固定到外架318上。弹簧377可以是一个拉伸弹簧，并且通常可提供一个力以迫使线性驱动器368，370与啮合块376结合。线性编码器375可与通常位于啮合块376上的顶板330相连。
[0082]在操作中，当空气轴承垫357正处于″开″状态，它们通常可在内架320和外架318之间提供相对运动。在这种状况下，线性驱动器368，370可作用于啮合块376上。啮合块376可将应用的力施加于内架320上，从而造成相对外架318的转动，如图23所示。应该指出的是，为了说明目的而将在图23中显示的驱动进行放大。内架320的实际旋转通常可以是相对外架318旋转1.5度。由于打印头小车302安装于内架320内，当内架320转动时，也会引起打印头小车302旋转。更具体地说，可使得弯曲元件360呈八字形张开犹如一个″叉形杆″，进而提供一个偏置力反作用于内架320的旋转。旋转的固定中心可由线性驱动器368，370作为一个力偶来维持。
[0083]这个力偶可通过线性驱动器368，370的准确就位来得到，所以应使用相等的和方向相反的力。但是，由于在制造操作中所表现出来的变化，为了位置误差它可能需要调整线性驱动器368，370。为了补偿位置误差，线性驱动器368，370可提供彼此不同的力。使用位于啮合块376上的线性编码器375，指令旋转可涉及一些行进的直线距离。在台架运动控制器的设置过程中，台架的旋转是可被监测和绘制的。接着可确定角度旋转和编码器位置之间的关系。随着位置的反馈，可自动确定作用力矩。一旦达到一个理想的位置，空气轴承垫357就会转变为″关″，且真空垫361转变为″开″，进而相对外架318将内架320锁定。
[0084]线性驱动器368，370可转动内架使其″飞起来″。在这一模式下，在无论是打印头阵列台架或基底台架平移运动中，可能有必要用小的旋转来修正不精确性。造成打印头阵列和基底18之间角度未对准的误差被称为偏航误差。偏航误差可存在于打印头与基底台架中。对印刷轴(即打印头小车框架14沿其平移的轴)以及基底轴(基底18沿其平移的轴)进行测绘。对垂直中心线相对PMD设备10的偏航角进行测量并储存在计算机922内作为一张运动图。可以使用设备如激光干涉仪对这些测量数据进行采集。
[0085]对精密的X-Y台架而言典型的误差数值可在20-40弧秒范围内。在PMD设备10内(图1)，这个误差范围可能导致40至80微米的打印位置误差。在一个角度方式下，通过打印头阵列的旋转可以消除这一误差。旋转量可以是印刷轴沿X台架20的旋转误差与基底18以某一特定的距离沿Y台架22的旋转误差之和。对每个轴使用绘图，计算机922将会动态地对已计算的误差进行求和，并命令打印头旋转以弥补误差。该打印头校正角度可以0.02弧秒小的角度递增。在每秒大约2000次的间隔下应用修正，也就是说当以1米/秒的速度印刷时，基底每行进0.5mm就在打印头阵列中进行一次角度修正。利用这一方法，打印头阵列位置可以调整以解决在PMD设备10中的结构不规则。具体来说，在X和Y台架20，22相对理想方向的偏差可以解决。
[0086]参考图25，一个替换的打印头阵列旋转系统400可在支撑钢轨402，404(类于如图1所示的钢轨)处与一个PMD设备的X台架401相连。打印头阵列旋转系统400可包括线性运动驱动器406，408，其内设有打印头组件412的打印头小车410，和连接机构414，416。线性运动驱动器406，408可与支撑钢轨402，404结合且能沿支撑钢轨402，404移动。连接机构414，416可与打印头小车410在第一末端418，420处相连接，且在第二末端422，420处与线性运动驱动器406，408相连。
[0087]在操作中，在确定枢转误差之后，线性运动驱动器406，408可通常以彼此相反的方向沿着支撑钢轨402，404移动。由于线性运动驱动器406，408相对彼此移动，连接机构414，416发生旋转，从而造成打印头小车410相应的转动。一旦达到了一个理想的位置，就要关闭线性运动驱动器306，308，且将打印头小车302固定在这个位置。
[0088]另外参考图26-29，一台替换的打印头小车框架514可罩住其内设有打印头组件516的打印头小车515。打印头小车框架514可以类似于有关打印头小车框架14所述方式与PMD设备10相连。打印头小车515可包括一个环形体518，环形体518在竖直方向上由第一套空气轴承520支撑且径向由安装在打印头小车框架514上的第二套空气轴承522支撑。
[0089]打印头小车框架514可包括驱动组件524，以便可旋转地驱动打印头小车框架515，进而能够进行打印头小车515的螺距调节。驱动组件524可包括电机绕组526，磁塞528，制动器530，和一个光学编码器532。电机绕组526可安装在打印头小车框架514上，且磁塞528可安装在由电机绕组526驱动的环形体518的顶部。制动器530可与打印头小车框架514相连且可通常在环形体518上延伸，进而限制打印头小车515行进通过制动器530与磁塞528间的啮合。
[0090]打印头小车环形体518可包括其内设有打印头组件516的插槽532，534，536。更具体地说，打印头组件516可包含在延伸至插槽532，534，536的机箱538，540，542内。机箱538，540，542可与线性轴承544，546，548滑动地结合。插槽532，534，536可以进一步包括其内的线性驱动器550，552，554，线性驱动器550，552，554是用来驱动机箱538，540，542沿插槽532，534，536的移动，进而进行打印头组件516的相位调节。此外，由于组件的变化或任何其他的原因而导致的任何初步偏移可利用下文描述的视觉系统以参考打印头小车515下表面上的基准点来解决。
[0091]另外参考图30和31，一个替换的打印头小车框架614可罩住其内设有打印头组件46的打印头小车628(如图4中显示)。打印头小车框架614以类似于关于打印头小车框架1 4的所述方式与PMD设备10(图1)相连。打印头小车628可与打印头小车框架614可旋转地连接。更具体地说，打印头小车框架614可包括前壁和后壁组件632，634和侧壁组件636，638，这些组件共同形成打印头阵列可变螺距调整设备，将在下文讨论。
[0092]另外参考图32，前壁组件632可包括一个壁元件640和一个调整组件642。壁元件640可能包括顶部644和底部646。顶部644可包括在末端652，654处的滑块部分648，650。滑块部分650可进一步包括调平机构656，以调整第二末端654的垂直方向，进而因此导致前壁组件632的角度调整。 此外，滑块部分648还可以包括调平机构(未显示)以使前壁组件632可以在两个末端652，654处进行竖直调整。底部646可包括用来支撑调整组件642一部分的架子658，这将在下面讨论。
[0093]调整组件642可包括线性滑动轴承660，钢轨662，滑动组件664，枢转组件666，打印头小车安装组件668和锁定组件670。线性滑动轴承660可沿架子658延伸。钢轨662通常可沿壁元件640的大部分长度延伸，且可位于线性滑动轴承660之上。滑动组件664可包括由之间的中间部分676相连的第一和第二末端部分672，674，位于第一末端部分672和中间部分676之间的第一电动驱动器678，和位于第二末端部分674和中间部分676之间的第二电动驱动器680。
[0094]每个第一和第二末端部分672，674可包括安装于其底部的支撑元件686，688。支撑元件686，688可滑动地与线性滑动轴承660相连。中间部分676可包括一个可滑动地连接于钢轨662上的臂689。枢转组件666可包括枢转元件690，692，枢转元件690，692具有相对彼此可旋转的第一末端694，696和第二末端698，700。枢转元件690，692可采取hephaist轴承的形式，并可含有与滑动组件第一和第二末端部分672，674的顶部相连的第一末端694，696。打印头小车安装组件668可包括安装块702，704，以便将调整组件642连接到打印头小车628。安装块702，704可与枢转元件的第二末端698，700连接，进而允许打印头小车628相对壁元件640旋转。闭锁构件670可与中间部分676连接，并可包括用来相对壁元件640固定调整组件642的夹紧螺栓705，706，707。夹紧螺栓706可收紧以在整个范围内保护滑动组件664，同时通常允许通过驱动器678，680的驱动对第一和第二末端部分672，674相对彼此进行微调。夹紧螺栓705，707可收紧以相对彼此固定第一和第二末端部分672，674。
[0095]再次参考图30和31，后壁组件634可包括一个壁元件708和一个枢转组件710。壁元件708可固定在侧壁元件636，638上。枢转组件710可包括具有第一末端(未显示)和第二(未显示)末端且相对彼此可旋转的枢转元件712，714。枢转元件712，714可采取hephaist轴承的形式即使第一末端(不显示)固定到臂元件708上。安装块724，726可与第二末端(不显示)和打印头小车628连接，进而允许打印头小车628相对壁元件708旋转。
[0096]每个侧壁组件636，638可包括在其上表面的具有找平钢轨732，734的壁元件728，730。壁元件640的滑块部分648，650可与找平钢轨732，734可滑动的啮合，一般允许壁元件640沿找平钢轨732，734的长度方向行进。
[0097]在操作中，当确定打印头小车628从其目标位置偏移时，可使用上文描述的特征对它进行调整。具体来说，当一个打印头小车628发生螺距未对准时(如图13所示)，可利用调整组件642进行修正。更具体地说，可调整打印头52以修正由打印头小车628绕枢转元件712，714旋转产生的螺距。
[0098]通过使用调整组件642而使打印头小车围绕枢转元件712，714旋转。滑动组件664可通过释放闭锁机构670而允许其沿钢轨662延伸。通过松动夹紧螺栓705，706，707而释放闭锁机构670。一旦闭锁机构670被释放，第一和第二电动启动器678，680可将滑动组件664沿钢轨662的长度方向驱动至一个理想的位置以进行螺距修正。
[0099]当滑动组件664沿钢轨662滑动时，打印头小车628围绕枢转元件712，714从第一位置(图30)旋转至第二位置(图31)。由于打印头小车628是旋转的，所以它们在壁元件640，708间进行有角度的布置。为了适应打印头小车628的角位移，当打印头小车628旋转时，壁元件640沿找准钢轨732，734移动。
[00100]通过调整指挥电动驱动器移进或退出的电压信号可完成滑动组件的驱动。关于打印头喷嘴理想位置的信息可通过视觉系统获得，描述如下。
[00101]打印头阵列可构造成连续或非连续的阵列。非连续的阵列可包括在打印头52间的打印长列间的间隙。非连续阵列的简要表现在图33中显示。由所使用的打印头52强加的物理尺寸限制可能会造成一个非连续的阵列。打印头52需要间隙以能够在某一特定的空间内达到喷射阵列预期的数目。间隙可能要求在印刷方法上的变化，这种变化改变了打印头阵列相对基底的运动以确保基底所有的面积都被打印。该定位的方法通常不会受到这种安排的影响。
[00102]图34-36简要地显示了一台替换的打印头小车调整设备800。打印头小车调整设备800可包括第一和第二打印头小车802，804，一个横梁806和一个驱动组件808。第一打印头小车802可固定在横梁806的第一面上且第二打印头小车804可滑动地与横梁806的第二面连接，且安装方向通常与第一打印头小车802相反。
[00103]驱动装置808可包括一个空气轴承组件810，一个枢转组件812，和第一和第二驱动机构814，815。空气轴承组件810可在靠近第一打印头小车802的第一末端附近与横梁806的第一末端相连。枢纽组件812可包括hephaist轴承816，这个轴承与打印头小车调整设备800的底板818和横梁806在第一打印头组件802的第二末端附近相连，进而在两者之间提供一个旋转连接。
[00104]第一驱动装置814可包括线性驱动器820，可动链接构件822。可动链接构件822与在打印头阵列可变螺距设备的底板818上的导向槽824相连。线性驱动器820可包括与第一打印头小车802相连的第一臂821，并且可包括与可动链接构件822相连的第二臂823。链接构件822可手动操作围绕槽824运动或通过各种方法来实现横梁806的粗略旋转调整。第一臂821可以延长或收缩以实现横梁806的精细调整。
[00105]第二驱动装置815可包括线性驱动器817。线性驱动器817可与第二打印头小车804和横梁806结合。线性驱动器817通常可滑动地驱动第二打印头小车804沿横梁806运动。
[00106]在操作中，第一和第二打印头802，804的螺距可通过驱动装置808进行调整。更具体地说，当可动链接构件822沿导向槽824移动时，臂821，823会在第一打印头小车802上起作用，进而造成第一和第二打印头小车802，804和横梁806的旋转。线性驱动器820可通过臂821的延伸或收缩而进一步完善横梁806的旋转。当横梁806转动时，第二打印头小车804可由一个线性驱动器817来驱动，进而获得第二打印头小车804相对第一打印头小车802的合适相位。通过使用视觉系统可使这个过程自动完成，这将在下文进行讨论。可使系统来记录第一打印头小车802和第二打印头小车804的关系，并通过线性驱动器817驱动第二打印头小车804运动。
[00107]如上文所述，在链接构件822完成运动后，打印头阵列的粗略螺距调整也就完成了。在这时，线性驱动器820可与视觉系统结合使用以旋转横梁806至最终精密角度的调整，这个调整实现了打印头在0.5微米内的螺距精度。一旦获得适宜的螺距，打印头小车调整设备800可被固定以便打印。
[00108]参考图35和36，应该指出的是，打印头小车802，804可对准以实现彼此间的同相。更具体地说，在每个打印头小车802，804内的打印头(未显示)可对准以至于它们在同一个区域内打印进而造成了更大的打印沉积浓度，如打印沉积区的830，832简要显示的那样。
[00109]再次参考图1，PMD设备10的视觉系统17包括校准摄像机组件900和机器视觉摄像机组件902。另外参考图37，校准摄像机组件900可包括校准摄像机904和安装结构906。安装结构906可包括第一和第二部分908，910。
[00110]第一部分908可以固定在真空卡盘16上且第二部分910可滑动地与第一部分908连接。安装结构906可进一步包括一台发动机，这台发动机用来相对第一部分908驱动第二部分910运动(未显示)。安装结构906还可包括一个基准点912用来协调校准摄像机组件900和机器视觉摄像机组装902，这将在下文讨论。校准摄像机904可以固定在第二部分910上，并且因此可能会在垂直真空卡盘16上表面的方向上相对真空卡盘16运动。
[00111]视觉摄像机组件902可包括低分辨率摄像机914，高分辨率摄像机916和一个安装构件918。低分辨率摄像机914与高分辨率摄像机916相比可能会具有一个更大的视野。更具体地说，低分辨率摄像机914可能有约10毫米×10毫米的视野。这个范围可足够容纳基底18的额外误差。安装结构918可包括一个托槽920和用来将托槽920可移动地安装于第二钢轨26上的第一和第二发动机(未显示)。第一发动机可提供沿第二钢轨26的轴向移动，以及第二电动机可提供安装托槽920相对于第二钢轨26的竖直移动。校准摄像机904，低分辨率摄像机914，和高分辨率摄像机916都可以与PMD设备10上的计算机922进行通讯(图1)。
[00112]在操作中，校准摄像机904可以决定打印头的位置。校准摄像机904可关注于阵列中的任何一个打印头52(图4)以确定打印头52之间的相对位置。校准摄像机904可能产生图像，并将图像传送给计算机922以确定打印头52之间的位置误差。如果发现误差，就可以调整打印头52，如上文所述。在打印头位置修正过程中，校准摄像机904可提供位置反馈。
[00113]如上所述，校准摄像机组件900也可包括基准点912。基准点912可由机器视觉摄像机组件902观看到以调节校正摄像机组件900和机器视觉摄像机组件902。一旦校准摄像机组件900和机器视觉摄像机组件902之间的相对位置已知，打印头52，校准摄像机组件900，机器视觉摄像机组装902之间的相对位置可由计算机922决定且可用于打印头52和打印头小车的调整，正如上文所述。此外，视觉摄像机组件902与打印头小车框架14间的相对位置可通过使用常见的光带923得知。这通常可使得计算机922确定基底18和打印头52之间的相对位置并确定它们之间任意位置误差，这将在下文讨论。
[00114]如上所述，机器视觉摄像机组件902可确定基底18与打印头小车之间的位置误差。更具体地说，低分辨率摄像机914可获取基底的初始图像以确定基准点924的位置。基准点924很小，例如约1平方毫米，因而有可能采取蚀刻铬标识的形式。一旦基准点924的总体位置已经确定，移动机器视觉摄像机组件902和基底18以至于高分辨率摄像机916可以为计算机922提供一个详细的图像，以通过使用一种机器视觉算法来确定基底18的取向。虽然基准点924在图1中用X表示，但它可包括各种形式。分析基准点924的图像以确定基底18的旋转方向以及基底18沿基底主轴的位置。另外一个基准点926可位于基底上以协助确定转动方向。基准点924，926一般可设在彼此相对的角落。高分辨率摄像机916可用于定位基准点926而不用基于基准点924取向的低分辨率摄像机914的协助。
[00115]一旦确定了基底18的转动方向，上文描述的打印头小车可具有各自的方向，调整这些方向以解决上文论述过的各种不同形式的位置误差。此外，机器视觉摄像机组件902可定期为计算机922提供基准点924，926的图象以确定PMD设备10整个操作过程中的位置误差。举例来说，可分析基准点以确定基底18的任何热增长。这可能是由基准点924，926的大小和/或之间的距离变化来决定的。
[00116]计算机922可使各种摄像系统及调整组件的使用自动成为一个伺服闭环控制系统。这可以消除人为误差的可能来源。它也可允许对准调整″飞起来″以能够自动调整由热膨胀或收缩引起的打印头位置的变化，或它允许已负载于该系统上的打印物质的热膨胀。
Claims (15)
1.一种打印设备，其包括：
卡盘，其设计成用来支撑其上的基底；
远离所述卡盘的钢轨；
连接到所述钢轨的打印头小车框架；以及
连接到所述打印头小车框架的打印头小车，所述打印头小车包括打印头和驱动组件，所述驱动组件连接到所述打印头小车，并且可选择性地与所述打印头接合，以便使得所述打印头相对于所述打印头小车进行选择性的位移。
2.权利要求1所述的打印设备，其中所述驱动组件包括设计成使得所述打印头线性位移的一臂。
3.权利要求2所述的打印设备，其中所述驱动组件包括与所述臂啮合的线性驱动器，并设计成提供所述打印头的所述选择性的线性位移。
4.权利要求1所述的打印设备，其中所述驱动组件包括设计成使得所述打印头旋转的一臂。
5.权利要求4所述的打印设备，其中所述驱动组件包括与所述臂的第一末端部分啮合的线性驱动器，所述臂的第二末端部分枢轴地联接到所述打印头小车，所述线性驱动器设计成提供所述臂绕所述枢轴的旋转。
6.权利要求1所述的打印设备，其中所述驱动组件包括闭锁元件，其设计成相对于所述打印头小车锁定所述打印头。
7.权利要求4所述的打印设备，其中所述闭锁元件包括磁性元件。
8.权利要求1所述的打印设备，进一步包括一控制器，其设计成自动操作所述驱动组件，以提供所需的打印头取向。
9.一种打印设备，其包括：
卡盘，其设计成用来支撑其上的基底；
远离所述卡盘的钢轨；
连接到所述钢轨的打印头小车框架；以及
连接到所述打印头小车框架的打印头小车，所述打印头小车包括打印头和驱动组件，所述驱动组件包括枢轴地连接到所述打印头小车的驱动臂，并且可选择性地枢转以调节所述打印头的螺距和相位的至少之一。
10.权利要求9所述的打印设备，其中所述驱动机构包括与所述驱动臂啮合的线性驱动器，以提供其选择性的位移。
11.权利要求10所述的打印设备，其中所述线性驱动器设计成调节所述打印头的相位。
12.权利要求11所述的打印设备，其中所述线性驱动器设计成调节所述打印头的螺距。
13.权利要求9所述的打印设备，其中所述驱动组件包括闭锁元件，其设计成相对于所述打印头小车锁定所述打印头。
14.权利要求13所述的打印设备，其中所述闭锁元件包括磁性元件。
15.权利要求1所述的打印设备，进一步包括控制器，其设计成自动操作所述驱动组件，以提供所需的打印头取向。
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