CN101282842A - 用于将物质小滴受控地定位到基底上的喷墨装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于将物质小滴受控地定位到基底上的装置，所述装置至少包括打印头，所述打印头包括用于喷射小滴的喷嘴，所述喷墨装置还包括控制摄像机，设置所述控制摄像机，使得在从所述喷嘴喷射出所述小滴之后，由所述控制摄像机检测所述小滴。在小滴体积或速度或飞行路径或粘度或表面张力开始偏离预设值时，该软件可以以闭环方式对此加以校正。如果根本未喷射小滴，该控制软件停止打印机，操作员可以维护打印头。

Description

用于将物质小滴受控地定位到基底上的喷墨装置和方法
本发明涉及一种用于将物质小滴受控地定位到基底上的喷墨装置。本发明还涉及一种利用喷墨装置将物质小滴受控地定位到基底上的方法。本发明还涉及一种用于在打印过程期间判断物质变质的方法。本发明还涉及一种喷墨装置的使用。
本发明公开了一种用于将物质小滴受控地定位到基底上的喷墨装置、一种方法和喷墨装置的使用。尤其对于诊断而言，在以非常精密而准确的方式定位特定物质的情况下需要基底。通常要把这些物质定位在基底上以便在基底上进行多种生物化学测试或反应。这些物质为具有生物活性的流体，并且因为酶的作用、UV辐射、存储等而易于变质。优选地将根据本发明的物质小滴受控定位的喷墨装置、方法、判断物质变质的方法以及喷墨装置的使用用于将物质打印到基底上的过程，其中该打印过程关于以下问题必须要极为可靠的：是否已经将物质小滴释放到基底上、是否已经在基底上正确地定位了物质小滴以及在打印过程中物质是否变质。
喷墨装置是众所周知的。例如，美国专利申请US 2004/0196319A1公开了一种图像记录设备，包括具有多个喷嘴的记录头、墨盒、传送机构、驱动机构、以光学方式检测喷射日期的检测机构以及控制器。将多个喷嘴分成多个喷嘴组。控制器将每个喷嘴组的喷射时间定为不同于任何其他喷嘴组。可以将根据上述美国专利申请的记录头或多个记录头定位在打印区域之外，以便能执行控制操作。控制操作能够为一个或多个打印头或打印喷嘴是否未正常工作(例如，因为喷嘴被阻塞等造成)的问题提供答案。当把打印头定位在控制或检测区域中的打印区域之外时，打印头或打印喷嘴不面对记录介质，其中打印头在打印区域中将墨滴施加到所述记录介质上。在检测区域中，小滴的轨迹与由光电探测器检测的光束相交，从而控制打印头的正常工作。已知装置的缺点在于，不可能回答个体小滴是否已经实际上被可靠地定位到基底上或打印介质上的问题，因为仅仅是不时地执行控制操作。已知装置的另一个缺点在于，在打印过程期间它不提供有关物质的可能变质的信息。这极大限制了打印或喷墨装置的可靠性，尤其是对于必须要有准确和可靠的打印过程的应用而言。
因此本发明的目的是提供一种用于将物质小滴受控地定位到基底上并用于判断打印过程期间的物质变质的喷墨装置。
以上目的是通过根据本发明的喷墨装置、用于物质小滴的受控定位的方法、在打印过程中判断物质变质的方法以及使用根据本发明的喷墨装置实现的。用于将物质小滴受控地定位到基底上并在打印过程器件判断物质变质的喷墨装置至少包括打印头，所述打印头包括用于喷射小滴的喷嘴，所述喷墨装置还包括控制摄像机，设置所述控制摄像机使得在从喷嘴喷射出小滴之后，由所述控制摄像机检测小滴。
根据本发明的喷墨装置的优点在于，能够利用控制摄像机以非常高的精度检测小滴从喷嘴中的喷射，因为控制摄像机不仅像常规光电探测器那样提供一个数字二进制信号，而且还提供由喷嘴喷射的小滴的图像，从而不仅能检测小滴的存在，而且优选地，还优选以三维方式检测小滴的尺寸、速度、飞行路径和/或小滴飞行路径的直线性(strai ghtness)。
本发明的另一优点在于，控制摄像机始终对准一个或多个喷嘴的出口，从而能够检测到从喷嘴出来的任何物质小滴或任何物质喷出物。这与现有技术的检测系统有所不同，现有技术的检测系统没有针对每个喷嘴的检测装置，不能个别地检测从每个喷嘴出来的每个小滴。
本发明的另一优点是，通过用控制摄像机仔细跟踪小滴的动态行为，可以得到有关物质粘度和表面张力的定性信息。通过将粘度和表面张力的这些值与打印过程开始时测量的值相比较，能够跟踪物质蒸发的程度或基底的变质情况。
在本发明的优选实施例中，当小滴在喷嘴和基底之间行进时检测小滴。由此，可以检测沿着喷嘴和基底之间的轨迹自由运动的小滴。这意味着可以使小滴的检测非常明确且不受任何误差源的干扰。
优选地，连续控制小滴的定位，从而当小滴在喷嘴和基底之间行进时能够检测到每个小滴。这具有不会遗漏任何小滴的优点，因此可以使打印过程或将小滴释放到基底上的过程更加可靠。
在本发明的优选实施例中，相对于打印头固定地定位控制摄像机。这具有以下优点，即，控制摄像机相对于喷嘴的定位不会改变，因此不会给对喷嘴喷出的小滴的检测带来任何因未对准而造成的误差。
优选地，安装控制摄像机，使得控制摄像机的光轴相对于小滴的轨迹倾斜一定的角度。这具有以下优点，即能够利用控制摄像机以高可靠性检测小滴。这一点尤其重要，因为打印头周围的空间非常宝贵，因此控制摄像机的定位非常重要。这样就能够在打印期间串行检测每个喷射出的小滴，而打印头和基底之间的距离不到1mm。
在本发明的另一优选实施例中，该喷墨装置包括至少一个分配给打印头的光源。由此可以利用控制摄像机更进一步改善对喷嘴喷射出的小滴的检测，因为利用光源非常可靠地限定了照明条件。优选地，该光源被提供为频闪观测仪。
优选地，安装分配给打印头的光源，使得光发射在相同的平面中取向并且与控制摄影机的光轴近似正交。由此能够实现该控制摄像机和该光源的控制机构，从而仅需要很少的空间，这对于所有与打印头一起移动的组件来说是重要的。
在另一优选实施例中，所述喷墨装置包括第二控制摄像机和第二光源，设置所述第二控制摄像机和第二光源，使得在从所述喷嘴喷射出所述小滴之后，由所述控制摄像机和所述第二控制摄像机检测所述小滴。优选将第二控制摄像机固定到打印头。也以一定的角度安装第二摄像机。从顶视图可见，优选相对于第一控制摄像机到打印头的方向成90度角安装该控制摄像机。这种构造使得能够连续地在两个方向上监测小滴发射，生成飞行路径的3D图像。
在本发明的另一优选实施例中，所述喷墨装置包括另一打印头，所述另一打印头包括另一喷嘴，所述喷墨装置包括另一控制摄像机，设置所述另一控制摄像机，使得在从另一喷嘴喷射出另一小滴之后，由所述另一控制摄像机检测另一小滴。由此对于施加到基底上的给定数量的小滴，能够提高打印速度。这就减少了打印产品的生产时间。对于非常敏感的打印产品，例如用在生物学化验中的生物分子，这是非常有利的，因为在生产这种盒(cartridge)时涉及到很多敏感的化合物，而且生产时间的减少通常降低了物质老化和物质劣化的风险。
在本发明的另一实施例中，所述喷墨装置包括第三打印头，所述第三打印头包括第三喷嘴，所述喷墨装置包括第三控制摄像机，设置所述第三控制摄像机使得在从第三喷嘴喷射出第三小滴之后，由所述第三控制摄像机检测第三小滴。由此可以进一步减少打印产品的生产时间。
根据本发明，可以包括更多的打印头，例如多达大约十个或二十个打印头。此外，可以使用多喷嘴打印头。根据本发明，如果由这种多喷嘴打印头的所有喷嘴喷射小滴，也可以检测到。
根据本发明优选使用一种喷墨装置，其中该喷墨装置还包括打印台和打印桥，安装所述打印台使其能够相对于打印桥沿第一方向运动，将所述打印头安装到打印桥上，使得打印头可以相对于打印桥沿第二方向运动。因此可以向大的施加区域上打印或释放物质小滴，从而能够使打印产品的生产具有相当高的成本效率，因为可以在一个批次中打印大的基底或个体膜。
在本发明的另一优选实施例中，喷墨装置包括至少一个对准摄像机，其用于调节打印头相对于基底支架的位置。这样允许相对于基底自动和精确地定位打印头。
此外，优选相对于打印头或打印台固定地安装对准摄像机。由此能够容易而迅速地定义初始打印位置或起动位置以进行对准。
根据本发明，优选基底为平坦基底、结构化基底或多孔基底。更优选地，该基底为尼龙膜、硝化纤维或PVDF基底。因为优选基底是多孔的，所以斑点或小滴不仅仅位于表面上，而且还渗入到膜内。
在本发明的另一实施例中，所述基底包括多个基底区域，每个基底区域优选为所述膜支架支撑的分立的膜。由此，可以利用本发明的喷墨装置生产多个分立的膜。
同样优选地，该基底包括多个基底位置，所述基底位置彼此隔开一定距离，该距离至少为定位在基底位置中的一个上的小滴的平均直径。由此能够在基底上的精确位置处精确而独立地定位不同的物质小滴。也可以并且有利地将多个小滴置于同一基底位置上。
优选地，该物质为液体(例如水、酒精或甘油等)中的易挥发溶液，其中存在不同的分子或不同的化合物，尤其是生物分子。
本发明还包括一种用喷墨装置将物质小滴受控地定位到基底上的方法，所述喷墨装置至少包括打印头，所述打印头包括被设置成用于喷射小滴的喷嘴，所述喷墨装置还包括控制摄像机，设置所述控制摄像机，使得在从所述喷嘴喷射出所述小滴之后，由所述控制摄像机检测所述小滴。优选地，连续控制小滴的定位，从而由控制摄像机检测每个小滴，而且优选地，当小滴在喷嘴和基底之间行进时检测小滴。因此能够实现打印过程中非常高的可靠度和准确度。利用本发明的方法，至少可以在预定位置的25μm或更小距离之内定位小滴。利用更小的小滴体积可以实现小滴的更精确放置。这与标准位置精确度在40μm的容差范围内的绘图行业形成了对比。
根据本发明，优选地，如果小滴的体积不正确和/或如果小滴的速度不正确和/或如果小滴的飞行路径的直线性不正确，或者如果未从喷嘴喷射小滴，反馈回路停止打印过程。这具有以下优点，即，当打印期间发生故障时停止打印过程(反馈回路立即介入打印过程)，并将已打印的基底(尤其是通过软件)标记为“错误”并认为是不合格产品。在很多情况下，之后很难判断出小滴是否确实落到基底上，尤其是在小滴被基底吸收且溶剂已经蒸发的时候。此外，软件确保对为小滴拍摄的每幅照片进行分析而且确实喷射了小滴。在优选实施例中，该分析之后继之以反馈回路，如果对喷射出的小滴的分析表明在打印期间出现故障，则反馈回路则停止打印机。操作员现在可以维护打印头使其根据规范工作并在随后能够恢复打印过程。在该软件中，对错误打印的基底施加标记并从该批打印膜中将其去除。
优选地，当从喷嘴喷射小滴时打开控制摄像机，光源在喷射小滴之后的预定延迟时间的时候发射光脉冲。在闪光之后，摄像机立即关闭并开始将图像发送到计算机。这与使打印头发射出小滴可视化的标准方法不同。标准方法是这样的，即通过提供给打印头的小滴点火信号来触发频闪观测仪。这样，片刻就获得了许多看似静止的小滴的图像。由于小滴的发射是稳定过程，因此看起来像是仅观察到一个小滴。细小的干扰使得发射的每个小滴与前一个稍有不同，导致模糊的图像。由标准的CCD摄像机记录该静止的图像并用于图像分析。仅利用一个小滴的方法相对于现有技术具有图像仅由一个小滴构成的优点。这意味着图像不会模糊。这样与目前工艺水平相比，计算小滴速度、体积和路径的直线性会更加精确。此外，尤其是在用频闪观测仪作为光源的时候，在不同的墨滴喷射频率处没有光强依赖性。当以高于本发明的装置能够处理的频率(例如大约30Hz到200Hz)的频率(例如大约1000Hz或更高)进行打印时，在观察每个小滴时，并非所有的小滴都被记录。由于小滴发射通常很稳定，因此仅观察或检测每两个或每三个从喷嘴喷射的小滴没有问题。
此外，优选在第一步中校准打印头相对于基底的位置，而在第二步中在膜上定位物质。利用这种两步方法，可以有利地且非常准确和精确地在基底上或膜上定位物质小滴。
在另一优选实施例中，向基底上施加多种不同物质，从而将第一种物质定位在第一基底位置，将第二种物质定位在第二基底位置。这具有如下优点，即，通过执行同一个打印过程并仅更换用于打印的打印头或物质储存器，可以实现基底上的多种不同物质，可以将其用于生物化学化验盒中。
本发明还包括一种用喷墨装置判断物质小滴的变质的方法，所述喷墨装置至少包括打印头，所述打印头包括被设置成用于喷射小滴的喷嘴，所述喷墨装置还包括控制摄像机，设置所述控制摄像机，使得在从所述喷嘴喷射出所述小滴之后，由所述控制摄像机检测所述小滴的形状。测量在打印过程开始时的物质的粘度和表面张力。在打印过程开始时，借助于控制摄像机测量小滴形状的演变。小滴的形状随着时间改变。在离开喷嘴时，开始为细长的喷射物。然后物质的表面张力迫使细长喷射物变为球形滴。小滴形状随时间的演变为具有特征周期时间的阻尼谐振荡。从小滴的周期时间和半径，可以利用瑞利(Rayleigh)公式计算表面张力。小滴到达稳定球形所需的阻尼或时间取决于粘度。粘度越高，小滴到达稳定球形所需的时间越短。在打印期间，连续地或不时地测量阻尼和周期时间。周期时间的变化可以归因于表面张力的变化；阻尼系数的变化可以直接归因于粘度变化。物质表面张力和粘度的这些值应当基本接近填充打印头之前所测得的初始值。
根据本发明，优选地，当表面张力和阻尼(粘度)的变化不在特定的容限范围内时，反馈回路停止打印过程。当变化变得过大时，必须停止过程，之后彻底清洁打印头并用新准备的物质再次填充打印头。当用所提出的方法测量的粘度和表面张力保持在初始值的10％之内时，该打印过程继续进行。另一方面，在检测到大于10％的偏差时，反馈回路停止打印过程。
本发明还包括根据本发明的喷墨装置的使用，其中该物质包括生物化学反应物和/或核酸和/或多肽和/或蛋白质。将本发明的喷墨装置用于这种目的，可以在基底上非常准确且精确地定位一定数目的物质。
结合附图，通过以下详细说明将明了本发明的这些和其他特性、特征和优点，附图以示例方式说明了本发明的原理。仅仅为了举例而给出说明，而不是为了限制本发明的范围。以下引用的附图标记是指附图。
图1示意性示出了本发明的喷墨装置的实施例的顶视图；
图2示意性示出了基底区域和膜支架的横截面；
图3示意性示出了位于基底区域和膜支架上方的打印头与控制摄像机的横截面；
图4示意性示出了对准摄像机相对于基底和打印头的定位；
图5a和图5b示意性示出了基底区域与膜支架的一部分以及完整的膜；
图6示意性示出了包括多个打印头的本发明的喷墨装置的实施例；
图7示意性示出了处于检查位置的本发明的喷墨装置；
图8示意性示出了为一个打印头分配了控制摄像机和第二控制摄像机的本发明的喷墨装置的实施例；
图9示意性示出了粘度大约为1mPas的物质的小滴形成的频闪观测仪图像；
图10示意性示出了粘度大约为5mPas的物质的小滴形成的频闪观测仪图像；
图11示出了小滴从球形的偏离随时间的变化。
将结合特定实施例并参考特定附图描述本发明，但本发明不限于此，而是仅受权利要求的限制。所述的附图仅为示意性的而不是限制性的。在附图中，为了例示的目的，一些元件的尺寸可能被放大，而不是按比例绘制的。
当提及单数名词时使用不定冠词或定冠词时，例如“一”、“该”，除非特别指出电其他情况，它们包括了该名词的复数。
此外，说明书和权利要求中的第一、第二、第三等词汇用于在类似元件之间加以区别，未必是描述连续的顺序或时间次序。要理解的是，在适当情况下这样用的词语是可以互换的，而且这里所述的本发明的实施例能够以这里所描述或所示出的次序之外的其他次序操作。
此外，说明书和权利要求中的词语顶部、底不、之上、之下等仅用于描述性目的，而未必是描述相对位置。要理解的是，在适当情况下这样用的词语是可以互换的，而且这里所述的本发明的实施例能够以这里所描述或所示出的取向之外的其他取向操作。
要指出的是，本说明书和权利要求中使用的术语“包括”不应被视为受限于其后所列的装置；它不排除其他元件或步骤。于是，“一种包括装置A和B的装置”这一表述的范围不应被限于仅由组件A和B构成。这意味着对于本发明而言，该装置的仅有的相关组件是A和B。
在图1中，示出了根据本发明的喷墨装置10的示意性顶视图。在打印台50(优选由重的花岗岩制成)上，在允许在X方向上运动的线性台上固定地安装固定板55。在该固定板55中，定位若干带有膜41的膜支架44。膜41共同形成了基底。因此，也可以将膜41称为“基底”。为清楚起见，在下文中，“基底”一词是指“膜41”的可打印区的总体。膜支架44基本上仅仅是一个环44。将圆形的膜41焊接到该环上。因此，在打印之后，带有有斑点的膜41的环44为最终产品。提供打印桥51，其相对于固定板55可以移动，并相对于打印台50(优选为重的花岗岩台)刚性地安装。打印桥51承载可移动的打印头支架51’。可以沿着第一方向，即X方向移动带有固定板55的台。将打印头安装到可移动的打印头支架51’上，使得它可以相对于打印桥51沿第二方向，即Y方向移动。根据本发明，优选第一方向(X方向)和第二方向(Y方向)是正交的。由此，可以在打印台50的特定区域之上移动打印头并释放打印头附近的储存器(未示出)中存储的物质小滴。以均匀的X方向距离和均匀的Y方向距离在固定板55(也称为对准板55)中安装膜41。X方向的距离可以与Y方向的距离不同。根据本发明，设置摄像机30，从而控制摄像机30能够检测到从打印头喷嘴喷射物质小滴(图3中所示的项目22)。在图1所示的本发明的优选实施例中，将控制摄像机30固定地定位在可移动打印头支架51’上的打印头附近。
基底可以由用于检测传染病的生物活性膜制成。诊断这种疾病需要可靠性非常高的打印过程。读出荧光图案将疾病与特定俘获探针的位置直接关联。因此，有一种用于校正俘获探针在基底上的定位的非常可靠的过程是绝对必要的。墨喷打印是一种精密的定量供料技术，其没有有关基底上小滴的实际存在和放置情况的任何反馈。问题是没有有关过程进展的信息。本发明描述了一种即时跟踪每个打印头的打印过程的光学方法。在喷墨装置10上，安装两个配备有CCD摄像机的显微镜，其测量小滴的着落位置并连续监测打印过程。在小滴丢失或着落到预定着落位置(基底位置42)之外的那一刻，系统即停止打印过程并标记出刚打印过的膜41或基底区域。操作员现在可以维护打印头(移液管)，使得其根据技术规格工作并且可以继续打印过程。之后，可以从被打印的该批膜41中去除带标记的膜。
优选以花岗岩台的形式提供打印台50。或者，可以使用另一种非常重的材料。根据本发明，应当将打印台50设置在几乎没有振动干扰的环境中。相对于花岗岩台(打印台50)安装精密线性台，根据定义，台上安装的固定板55沿第一方向(X方向)移动。
在图1所示的实施例中，还在打印头附近定位对准摄像机45。将对准摄像机45定位于距打印头预定距离处。通过观察固定板55或基底上的特定结构，可以相对于打印台50并因此相对于膜41校正或定位打印头。相对于打印台50固定地定位检查摄像机45’(带有图7中所示的检查光源47’)。如图7所示，通过将打印头移动到检查位置，将两个摄像机(控制摄像机30和检查摄像机45’)定位成分别相对于彼此成90度的角。这样就能够在二维空间中测量小滴体积、小滴速度和小滴飞行路径。可以将这些数据存储和转移到控制打印程序的计算机。通过校正飞行路径中的偏差，可以确保小滴始终着落在预定位置上。
控制摄像机30和检查摄像机45’基本相同并用于相同的目的。控制摄像机30和检查摄像机45’之间的仅有的差别在于，控制摄像机30是在整个打印过程期间使用的，而检查摄像机45’仅在打印之前的检查期间使用。对准摄像机45是不同的，因为仅在打印完整的一批之前使用该对准摄像机以将固定板55与打印台50对准。
在图2中示出了个体基底膜支架44和固定板55的一部分的横截面的示意性示图。膜支架44承载着一个作为基底40的一部分的膜41。一个膜41也称为基底区域41。每个个体膜支架44位于牢固安装于线性台上的固定板55上，该线性台允许沿X方向相对于花岗岩台(打印台)50进行线性运动。在基底40上，即在每个膜41上，彼此相隔一定距离地提供多个基底位置42，使得个体小滴(图2中由参考标记22示意性示出)能够位于该基底位置处。由此可以在每个基底位置42上分配或定位不同种类的物质。
在图3中，示出了本发明的喷墨装置10的控制摄像机30的布置的示意性截面图。在膜支架44上设置的是膜41或基底区域41。打印头20包括能够喷射小滴22的喷嘴21。小滴22在轨迹22’上从喷嘴21向基底40的表面运动。在此期间，控制摄像机30能够观察到从喷嘴21向着基底40的表面移动的小滴22的图像。为了控制摄像机30能够观察到小滴22，将光源32(优选是频闪观测仪或可控闪光灯)定位成与控制摄像机30的光轴31成一定的角度。摄像机的布置这样的，使得相对于基底40的表面的角度尽可能小，实现喷嘴21下方尽可能大的视野。对于频闪观测仪照明系统的光轴而言这同样适用。优选由经过基底40的反射照亮小滴22。根据本发明的实施例，控制摄像机30的光轴倾斜一定的角度。优选相对于打印头20固定地安装光源32。
在图4中，示出了相对于膜40或相对于打印台50来对准打印头20的步骤的示意性示图。通过(例如竖直地)定位对准摄像机45，使得如果相应地定位打印头20和打印桥51，可以由对准摄像机45观察到打印台50或固定板55上的结构46’。优选通过设置另一个光源47，使得对准摄像机45可以清楚地观察到结构46’。因此，另一个光源47大致与校准摄像机45的光轴46对准。
在图5a中，从顶部示出了膜41或基底区域41的一部分。在基底区域41上限定多个基底位置42、42a、42b。基底位置42、42a、42b是根据本发明的喷墨装置10的将要定位小滴22的位置。也可以在单个基底位置42上放置多个小滴。已经由打印头20喷射并着落到基底40上的小滴22将覆盖基底位置42、42a、42b周围的某一小滴区域或点，基底位置42、42a、42b的平均直径43小于基底位置42、42a、42b相互间的相应距离43’(或间距)。
在图5b中，示出了基底区域41的顶视图，其中用小圆圈表示多个基底位置42。根据本发明，可以在这些不同的基底位置42上定位很多不同的物质，以便将基底区域41的膜用于诊断目的。根据本发明，可以定义基底位置42的若干组42’，以便在基底位置42的一个组42’和它们相应的物质之内执行一整套测试。
在图6中，示意性地且部分地示出了本发明的喷墨装置10的另一实施例。除了打印头20之外，打印桥51还设有另一打印头20a和第三打印头20b。因此，在打印头20、20a和20b附近设置另一控制摄像机30a和第三控制摄像机30b。根据本发明，优选还提供分配给该另一控制摄像机30a的另一光源32a和分配给第三控制摄像机30b的第三光源32b。
在根据图6的实施例中，根据定义，刚性安装在打印桥51上的线性台上的多达三个或更多个单喷嘴打印头20、20a、20b沿第二方向(Y方向)运动。通过同时沿X方向移动基底和/或沿Y方向移动打印桥51与打印头20、20a、20b，就可以将打印头20、20a、20b移动到基底上的任何位置。打印头20、20a、20b的距离尽可能与Y方向上的膜41的距离相近。可以用相同的流体填充打印头20、20a、20b，或者每个打印头填充不同的流体。通过使用超过一个打印头20，当并行使用若干单喷嘴打印头时可以实现打印时间的减少。
在图8中，示出了喷墨装置10的另一实施例。在该实施例中，与图1和7中所示的实施例相反，将第二控制摄像机30’(像控制摄像机30一样)也刚性安装到打印头上。
在图1-7中，仅在检查期间能够沿两个方向记录小滴的飞行路径。在打印期间，仅控制摄像机30记录小滴22的图像。
在图8所示的实施例中，在检查和打印期间，都获得两个方向上的小滴22的图像。
根据本发明，优选以如下方式处理打印协议：优选地，首先利用对准摄像机45和结构46’来对准膜41。然后，将第一物质流体放入打印头20中。打印台50移动到检查位置(图7)。当处于该检查位置时，将两个摄像机(控制摄像机30和检查摄像机45’)定位成彼此成90°角，从而能够在两个方向上都看到小滴22。这样一来，能够确保了解到小滴22的三维位置信息，而不是像使用单个摄像机时那样仅仅了解到二维信息。在检查位置处，优选两个摄像机都测量小滴的体积、速度和直线性。这些全部由软件记录并存储在存储器中。在两个方向上都计算小滴理想飞行路径的偏差，并在软件中自动校正这种偏差。这样就能够自动地定位小滴。之后，固定板55/打印头20开始向膜41移动。
在一个实施例(图1和7)中，仅一个摄像机(分配给打印头的控制摄像机30)与打印头20一起移动并逐个记录所有小滴。软件对所记录的图像进行分析。在发生任何故障的情况下(例如，飞行路径错误、小滴22的体积错误、根本没有小滴)，该软件介入打印过程，并且停止打印。在软件中标记出发生故障的膜41，从而不销售该产品(带膜支架44的膜41)。在维护打印头20之后，可以从停止的地方继续执行打印过程。
在另一个实施例(图8)中，将两个摄像机(控制摄像机30和第二控制摄像机30’)固定到打印头20，两个摄像机都记录每个小滴22的图像。在该实施例中，采取额外的预防措施以确保在三维中发生任何故障时，可以记录下故障。在发生任何故障的情况下(例如，飞行路径错误、小滴22的体积错误、根本没有小滴)，该软件介入打印过程，并且停止打印。在软件中标记出发生故障的膜41，从而不销售该产品(带膜支架44的膜41)。在维护打印头20之后，可以从停止的地方继续执行打印过程。
在基底区域41上，例如可以提供130个可以打印小滴22的斑点或基底位置42，每个小滴需要大约(例如)1nl的体积。斑点或小滴22的直径43例如为200μm，将它们布置成间距例如为400μm的图案。当然，也可以提供更小的斑点，这仅仅需要更小的间距，例如300μm、或仅200μm、100μm或50μm。例如，用一个被供以不同物质23的打印头20打印130个斑点。例如，在固定板55上设置140个膜支架44，这是由喷墨装置10在一批次打印中处理的。根据本发明将小滴的间距43’设置在10到500μm的范围内。小滴22的斑点直径43处于实际间距43’的大约20％到70％的范围内。小滴22的体积必须要适应斑点的优选尺寸以及所用的基底40的材料(例如，取决于基底在哪里强烈或微弱吸收所施加的物质)。典型地，小滴22的体积大约为0.001nl到10nl。
在图9和图10中，示出了物质23的小滴22的演变的频闪观测仪图像。保持平衡状态的小滴是半径为R的理想球形。本发明基于如下的观察：当小滴22离开打印头的喷嘴21时，一开始它被强烈扭曲。小滴22的表面张力通过使小滴22变为球形，从而试图消除形变。对扭曲的小滴22的形状的这种平滑化导致扭曲的小滴22中的物质23加速；在小滴22大约为球形的时刻，小滴22中的内部速度分布最大，导致小滴22再次变成椭圆形。由于表面张力的作用，使得小滴22中的物质23的运动减速。这种作用极其类似于质量-弹簧系统的特性。该质量是小滴中物质的质量；该弹簧是表面张力的作用。J.W.Strutt，Lord Rayleigh在他的论文“The Theory ofSound”(Dover Publications 1945，pp 371-375)中已经推导出自由振动小滴的基频(基调)的表达式：
f = 8 σ 4 π 2 ρR 3 - - - ( 1 )
其中f为基调频率，σ为表面张力，ρ为密度，R为小滴半径。为了检验该公式，我们考虑密度为1000kg/m3、表面张力为0.07N/m的水的100pl(R＝28.8μm)的小滴的振动。基频等于24.37kHz。周期时间为41μs。以3m/s速度离开喷嘴的小滴在123μm的飞行距离上表现出完整的振动，该飞行距离是标准光学装置容易观察的值。在表面张力被表面活性剂降低到例如0.035N/m时，该频率变为12.18kHz，周期时间为82μs，一次振动所覆盖的飞行路径为250μm。粘度使振动减幅，粘度越高，阻尼越强。
图11示出了小滴22的随时间变化的与球形的偏离。L1示出了新制备物质的偏差，而L2示出了稍微干燥后的物质的偏差。x和y轴都是任意单位。“t”为周期时间。从图11可以计算周期时间。周期时间的倒数为频率。方程(1)给出了频率和表面张力之间的关系。利用已知的半径值和密度值，可以计算出表面张力。小滴到达稳定球形所需的阻尼或时间取决于粘度。粘度越高，小滴到达稳定球形所需的时间越短。在打印期间，连续地或不时地测量阻尼和周期时间。周期时间的变化可以归因于表面张力的变化；阻尼系数的变化可以直接归因于粘度的变化。

Claims (33)

1、一种喷墨装置(10)，用于将物质(23)的小滴(22)受控地定位到基底(40)上并用于判断打印过程中的物质(23)的变质，所述装置(10)至少包括打印头(20)，所述打印头(20)包括被设置成用于喷射小滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨装置(10)还包括控制摄像机(30)，设置所述控制摄像机(30)，使得在从所述喷嘴(21)喷射出所述小滴(22)之后，由所述控制摄像机(30)来检测所述小滴(22)。
2、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中当所述小滴(22)在所述喷嘴(21)和所述基底(40)之间行进时检测所述小滴(22)。
3、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中对所述小滴(22)的所述定位进行连续控制，使得当每个小滴(22)在所述喷嘴(21)和所述基底(40)之间行进时检测每个小滴(22)。
4、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述控制摄像机能够测量所述小滴的体积、速度和/或直线性。
5、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述控制摄像机能够测量所述小滴的粘度和表面张力。
6、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中相对于所述打印头(20)固定地定位所述控制摄像机(30)。
7、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中安装所述控制摄像机(30)，使得所述控制摄像机(30)的光轴(31)相对于所述小滴(22)的轨迹倾斜一定的角度(32)。
8、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述喷墨装置(10)还包括分配给所述打印头(20)的至少一个光源(32)。
9、根据权利要求7所述的喷墨装置(10)，其中安装分配给所述打印头(20)的所述光源(32)，使得光发射相对于所述控制摄像机(30)的所述光轴(31)大致正交地取向。
10、根据权利要求7所述的喷墨装置(10)，其中相对于所述打印头(20)固定地定位所述光源(32)。
11、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述喷墨装置(10)还包括第二控制摄像机(30’)，设置所述第二控制摄像机(30’)，使得在从所述喷嘴(21)喷射出所述小滴(22)之后，由所述控制摄像机(30)和所述第二控制摄像机(30’)检测所述小滴(22)。
12、根据权利要求1所述的喷墨装置，其中所述喷墨装置(10)包括多喷嘴打印头。
13、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述喷墨装置(10)包括另一打印头(20a)，所述另一打印头(20a)包括另一喷嘴，所述喷墨装置(10)还包括另一控制摄像机(30a)，设置所述另一控制摄像机(30a)，使得在从所述另一喷嘴喷射出另一小滴之后，由所述另一控制摄像机(30a)检测所述另一小滴。
14、根据权利要求12所述的喷墨装置(10)，其中所述喷墨装置(10)包括第三打印头(20b)，所述第三打印头(20b)包括第三喷嘴，所述喷墨装置(10)还包括第三控制摄像机(30b)，设置所述第三控制摄像机(30b)，使得在从所述第三喷嘴喷射出第三小滴之后，由所述第三控制摄像机(30b)检测所述第三小滴。
15、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述喷墨装置(10)还包括打印台(50)和打印桥(51)，具有固定板55的台相对于所述打印台50可以沿第一方向(X方向)移动，而所述打印头(20)安装在可移动的打印头支架上，使得所述打印头(20)可以相对于所述打印桥(51)沿第二方向(Y方向)移动，其中所述打印头支架安装在所述打印桥(51)上。
16、根据权利要求11所述的喷墨装置(10)，其中所述第一方向(X方向)和所述第二方向(Y方向)是正交的。
17、根据权利要求11所述的喷墨装置(10)，其中所述喷墨装置(10)还包括至少一个对准摄像机(45)，所述对准摄像机用于相对于所述打印台(50)和所述可移动基底支架55来对所述打印头(20)的位置进行对准。
18、根据权利要求16所述的喷墨装置(10)，其中相对于所述打印头(20)或所述打印台(50)固定地安装所述对准摄像机(45)。
19、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述基底(40)为平坦基底、结构化基底或多孔膜(41)，优选为尼龙膜。
20、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述基底(40)包括多个基底区域(41)，每个基底区域(41)优选为由膜支架(44)支撑的分立的膜(41)。
21、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述基底(40)包括多个基底位置(42，42a，42b)，所述基底位置(42，42a，42b)彼此隔开一定距离，该距离至少为定位在所述基底位置(42，42a，42b)中的一个上的小滴(22)的平均直径(43)。
22、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中多个小滴(22)叠置在一个基板位置(42，42a，42b)上。
23、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)，其中所述物质(23)是透明的或高度半透明的。
24、一种用于使用喷墨装置(10)来将物质(23)的小滴(22)受控地定位到基底(40)上的方法，其中所述喷墨装置(10)至少包括打印头(20)，所述打印头(20)包括被设置成用于喷射小滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨装置(10)还包括控制摄像机(30)，设置所述控制摄像机(30)，使得在从所述喷嘴(21)喷射出所述小滴(22)之后，由所述控制摄像机(30)检测所述小滴(22)。
25、根据权利要求23所述的方法，其中如果所述小滴(22)的体积不正确和/或如果所述小滴(22)的速度不正确和/或如果所述小滴(22)的飞行路径的直线性不正确，或者如果未喷射小滴，则反馈回路停止所述打印过程。
26、根据权利要求23所述的方法，其中当从所述喷嘴(21)喷射小滴(22)时打开所述控制摄像机(30)，并且其中从向前喷射所述小滴(22)之后的预定延迟时间开始，光源(32)发射光脉冲。
27、根据权利要求23所述的方法，其中连续地控制所述小滴(22)的定位，从而由所述控制摄像机(30)检测每个小滴(22)。
28、根据权利要求23所述的方法，其中当所述小滴(22)在所述喷嘴(21)和所述基底(40)之间行进时检测所述小滴(22)。
29、根据权利要求23所述的方法，其中在第一步中调节所述打印头(20)相对于所述基底(40)的位置，并且其中在第二步中，将所述物质(23)定位在所述基底(40)上。
30、根据权利要求23所述的方法，其中向所述基底(40)施加多种不同的物质(23)，从而将第一种物质(23a)定位在第一基底位置(42a)，而将第二种物质(23b)定位在第二基底位置(42b)。
31、一种使用喷墨装置(10)来判断物质(23)的小滴(22)的变质的方法，其中所述喷墨装置(10)至少包括打印头(20)，所述打印头(20)包括被设置成用于喷射小滴(22)的喷嘴(21)，所述喷墨装置(10)还包括控制摄像机(30)，设置所述控制摄像机(30)，使得在从所述喷嘴(21)喷射出所述小滴(22)之后，由所述控制摄像机(30)检测所述小滴(22)的形状。
32、根据权利要求31所述的方法，其中如果通过所述小滴(22)的形状计算出的所述小滴(22)的粘度和表面张力偏离在所述打印过程开始时所测得的所述小滴(22)的粘度和表面张力，则反馈回路停止所述打印过程。
33、根据权利要求1所述的喷墨装置(10)的使用，其中所述物质(23)包括生物化学反应物和/或核酸和/或多肽和/或蛋白质。
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