CN107428167A - 流体打印头和流体打印系统 - Google Patents

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Abstract

流体打印头(10)包括至少一个流体喷射元件(100)。该流体喷射元件(100)包括流体腔室(102)，通过其将流体提供给流体腔室(102)的喉部；以及设置在所述流体腔室(102)内的加热器元件(104)。流体打印头(10)还包括打印头状况检测系统(120)。该打印头状况检测系统(120)包括：第一电极(106)，其至少一部分设置在所述流体腔室(102)内，所述第一电极(106)配置成接收阶跃电压；设置在所述喉部内的第二电极(110)；以及电连接到第二电极(110)的感测电路(112)，该感测电路基于向所述第一电极(106)施加阶跃电压来产生输出，作为打印头状况的指示。

Description

流体打印头和流体打印系统
技术领域
本发明涉及喷墨打印头，尤其涉及检测喷墨打印头喷嘴状况的系统和方法。
背景技术
检测喷墨喷嘴的健康状况是该领域长期存在的问题。使用扫描打印头，可以执行多次通过，以最大程度地减少喷嘴缺失或不恰当执行喷嘴的影响。随着喷墨技术推进到激光打印机性能的空间，喷嘴跨越整个页面宽度的打印头变得越来越普遍。使用这种打印方法可以提高打印速度，但不再允许多次-通过打印。因此，需要一种验证喷嘴正在正确地喷射的方法。
一种这样的方法是通过光学检测，如美国专利US 8,177,318，US 8,376,506和US8,449,068等所公开的那样。该方法需要外部光源和传感器，这会增加打印设备的成本和复杂性。为了消除对外部设备的需要，已经公开了将阻抗传感器放置在喷射器芯片本身上的其它方法。
在美国专利US 8,870,322和US 8,899,709以及美国专利申请公开号2014/0333694中描述了该方法的一种可能的实施方式。这些专利和申请教导了使用随时间推移的差分或单端阻抗测量来检测热蒸气泡的形成和塌陷。进一步教导了可以通过对从传感器收集的数据的外部处理来确定不同类型的喷嘴条件，例如堵塞的喷嘴或喷力弱的喷嘴。如美国专利US 8,870,322所示，可能需要校准方法来提供系统的足够的性能。检测打印头条件的这些常规技术需要分析每个墨室处的每个传感器输出，以确定对应于该室的喷嘴是否正在正确地激发。这没有考虑到实际和有效的检测方法。
引用列表
专利文献
[PTL 1]美国专利号8,177,318
[PTL 2]美国专利号8,376,506
[PTL 3]美国专利号8,449,068
[PTL 4]美国专利号8,870,322
[PTL 5]美国专利号8,899,709
[PTL 6]美国专利申请公开号2014/0333694
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种刺激喷墨打印头并感测响应以确定打印头喷嘴状况的实际方法。
本发明的另一个目的是提供一种可以感测单个总线上的多个喷嘴的状态的流体感测电路。
本发明的另一个目的是提供一种能够使用单个公共输入来刺激打印头状况检测单元的系统。
本发明的另一个目的是提供一种在状况检测单元中使用空泡(cavitation)保护层作为电极的打印头状况检测系统。
技术方案
根据本发明示例性实施例的流体打印头包括：至少一个流体喷射元件，该流体喷射元件包括：流体腔室；喉部，通过该喉部将流体提供给流体腔室；以及设置在所述流体腔室内的加热器元件；以及打印头状况检测系统，该打印头状况检测系统包括：第一电极，其至少一部分设置在所述流体腔室内，所述第一电极配置成接收阶跃电压(step voltage)；设置在所述喉部内的第二电极；以及电连接到第二电极的感测电路，该感测电路基于向所述第一电极施加阶跃电压来产生输出，作为打印头状况的指示。
在示例性实施例中，所述至少一个流体喷射元件包括多个流体喷射元件，每个流体喷射元件包括对应的流体腔室、喉部和加热器元件，并且打印头状况检测系统包括由多个流体腔室共用的公共第一电极，设置在每个对应的流体喷射元件的所述喉部内的多个第二电极，以及多个感测电路，每个感测电路电连接到对应的第二电极。
在示例性实施例中，流体打印头还包括配置成接收阶跃电压将所述阶跃电压递送到所述公共第一电极的刺激节点。
在示例性实施例中，流体打印头还包括接收来自所述多个感测电路的输出的感测总线。
在示例性实施例中，感测电路的输出是根据流体腔室中存在流体的状况的数字高输出。
在示例性实施例中，感测电路的输出是根据流体腔室中不存在流体的状况的数字低输出。
从以下详细描述、附图和所附权利要求中，本发明的实施例的其它特征和优点将变得显而易见。
发明的有益效果
根据本发明的流体打印头可以提供刺激喷墨打印头并感测响应以确定打印头喷嘴状况的实际方法。
附图说明
本发明示例性实施例的特征和优点将通过参考下面结合附图的详细描述而得到更全面的理解，附图中：
图1是根据本发明示例性实施例的喷墨打印头的透视图；
图2是根据本发明示例性实施例的喷墨打印机的透视图；
图3是根据本发明示例性实施例的打印头状况检测单元的平面图；
图4是处于稳定状态的根据本发明示例性实施例的打印头状况检测单元的平面图；
图5是表示图4的打印头状况检测单元的元件之间的电化学相互作用的电路图；
图6示出了根据本发明示例性实施例的针对具有墨的状况检测单元的5V输入的测量响应；
图7示出了根据本发明示例性实施例的对于没有墨的状况检测单元的5V输入的测量响应；
图8示出了基于根据本发明示例性实施例的状况检测单元的响应可以如何计算等效串联电阻和双层电容；
图9是根据本发明示例性实施例的感测电路的电路图；
图10是根据本发明示例性实施例的打印头状况检测系统的框图；
图11是示出根据本发明示例性实施例的墨感测电路和感测总线之间的电连接的电路图；
图12是示出根据本发明示例性实施例的墨感测电路和感测总线之间的电连接的电路图；
图13是根据本发明示例性实施例的打印头状况检测单元的平面图，其中有开始形成的蒸气泡；以及
图14是根据本发明示例性实施例的打印头状况检测单元的平面图，其中有完全形成的蒸气泡。
具体实施方式
这里使用的标题仅是为了组织的目的，并且不意味着用来限制说明书或权利要求书的范围。如本申请通篇使用的那样，单词“可以”和“能够”是在允许意义(即，意味着有可能)上使用而不是在强制意义(即，意味着必须)上使用。类似地，单词“包含”、“包含有”及“包括”，意味着包括而不受限于此。为方便理解，在可以的时候使用了类似的附图标记来表示图中共有的类似元件。
在电化学系统中，用于探测系统而不是实现组成变化的电极被定义为微电极。此外，临界(critical)尺寸小于25μm的微电极称为超微电极或极微电极(UME)。根据本发明示例性实施例，使用全局微电极以及每个喷射元件喉部内的单段UME来感测是否存在墨。
参考图1，根据本发明示例性实施例的喷墨打印头整体以10示出。打印头10具有外壳12，外壳12由容纳墨的任意合适的材料形成。外壳的形状可以变化，并且通常取决于承载或包含打印头的外部装置。外壳在其内部具有至少一个舱室16，用于容纳最初的或可再填充的墨源。在一个实施例中，舱室具有单独的腔室，并且容纳一定量的黑色墨、感光墨(photo ink)、蓝绿色(cyan)墨、洋红色墨或黄色墨的墨源。在其它实施例中，舱室具有多个腔室，并且包含三种墨源。优选地，其包括蓝绿色墨、洋红色墨和黄色墨。在另外的实施例中，舱室包含黑色墨、感光墨、蓝绿色墨、洋红色墨或黄色墨的多种墨。然而，将理解的是，虽然示出的是舱室16局部集成在打印头的外壳12内，但是，例如舱室16可以可替代地连接到远处的墨源并且经由管子接收墨源。
附着于外壳12的一个表面18的是柔性电路(尤其是带式自动键合(TAB)电路20)的一部分19。TAB电路20的另一部分21附着于外壳的另一表面22。在该实施例中，两个表面18和22布置成关于外壳的边缘23互相垂直。
TAB电路20支撑其上的多个输入/输出(I/O)连接器24，在使用中，输入/输出(I/O)连接器24用于将加热器芯片25电连接到诸如打印机、传真机、复印机、照片打印机、绘图仪、一体机等的外部装置。在TAB电路20上存在多个导电体26，用以将I/O连接器24电连接并且短路到加热器芯片25的输入端(接合焊盘28)。本领域技术人员明了有助于这样的连接的各种技术。为简洁起见，图1仅示出八个I/O连接器24、八个导电体26和八个接合焊盘28，但是现在的打印头具有更大的数量并且这里等同地包含任意的数量。更进一步地，本领域技术人员应理解，虽然这里连接器、导体和接合焊盘的数量互相相等，但是实际的打印头可以具有不相等的数量。
加热器芯片25包含一列34多个流体激发元件，流体激发元件用于在使用中从舱室16喷射墨。流体激发元件可以实施为在硅衬底上形成为薄膜层的热阻加热器元件(简称为加热器)，或者不考虑来自所述加热器芯片的热技术影响而可以实施为压电元件。为简洁起见，列34中的多个流体激发元件示出为与墨通路32相邻的一行五个点，但是在实际中，可以包括数百或数千个流体激发元件。如下面所述，流体激发元件中竖直相邻的流体激发元件在它们之间可以具有也可以不具有横向间隔间隙或交错。通常，流体激发元件具有与相关联打印机的每英寸点数分辨率相当的竖直间距间隔(vertical pitch spacing)。一些示例包括沿通路纵向范围的一英寸的1/300、1/600、1/1200、1/2400等的间隔。为了形成通路，穿过加热器芯片的厚度切割或刻蚀通路32的很多工艺是已知的。一些更优选的工艺包括喷砂处理或诸如湿法、干法、反应离子刻蚀、深反应离子刻蚀等的刻蚀，等等。喷嘴板(未示出)中具有与每个加热器对齐的孔口，以在使用过程中喷射墨。喷嘴板可以附有粘结剂或环氧树脂，或者可以制作成薄膜层。
存储单元27存储与可以得到的例如生产日期、寿命和重新填充次数的信息相关的数据。
参考图2，喷墨打印机形式的用于包含打印头10的外部装置整体以40示出。打印机40包括托架(carriage)42，托架42具有多个槽44，用于包含一个或多个打印头10。如现有技术中已知的，托架42通过提供到传动带50的动力在打印区46上方沿轴48(根据控制器57的输出59)往复运动。托架42相对于打印介质(诸如一张纸52)而发生往复运动，该打印介质沿着从输入拖盘54经过打印区46到输出托盘56的纸张路径在打印机40中前进。
在打印区中，托架42沿往复方向往复运动，该往复方向大致垂直于沿前进方向(如箭头所示)前进的纸52。使来自舱室16(图1)的墨滴以依照打印机微处理器或者其他控制器57的命令的时间从加热器芯片25喷射出。墨滴发射的时机与正在打印的图像的像素图案相对应。经常地，这样的图案在与控制器57(通过外部输入)电连接的装置中生成，所述装置居于打印机外部，包括但不限于计算机、扫描仪、相机、视觉显示装置、个人数据助理、等等。
为了打印或发射单个墨滴，用少量电流对流体激发元件(列34的点，图1)唯一定址(address)，以快速加热少量墨。这使得墨在加热器与喷嘴板之间的局部墨腔室中蒸发并且通过喷嘴板向打印介质喷射，并且变成经喷嘴板向打印介质投射。发射这样的墨滴所需要的激发脉冲可以实施为单个或分离(split)的激发脉冲，并且通过接合焊盘28、导电体26、I/O连接器24和控制器57之间的连接在输入端子(例如接合焊盘28)上的加热器芯片处接收该激发脉冲。内部的加热器芯片布线将激发脉冲从输入端子传递至一个或更多的流体激发元件。
具有用户选择界面60的控制面板58也伴随很多打印机，用作控制器57的输入62，以提供额外的打印机功能和鲁棒性。
图3是根据本发明示例性实施例的整体由附图标记100表示的流体喷射元件的平面图。流体喷射元件100包括使用光刻方法形成的流体腔室102，该光刻方法将特征在感光材料中成像并且显影。腔室102可以具有约15μm的厚度。薄膜加热元件104位于腔室102内。加热元件104可以通过在器件上施加电压电位而被激励。在通常的喷墨应用中，加热元件表面的温度将在小于1μs内从环境温度升高到约350℃。在腔室内填充有水性墨溶液的情况下，在加热元件的表面形成蒸气泡，然后快速膨胀。正是这种膨胀迫使墨通过喷嘴口从腔室中排出。通常，喷嘴(图3中未示出)位于加热元件104的上方。加热元件104的尺寸极大地取决于待喷射的液体的液滴尺寸和特性，但是一般来说，元件的纵横比(长度/宽度)通常在1和3之间。在示例性实施例中，通过沉积约的TaAlN的薄层形成加热元件104。
在墨或其它流体通过喷嘴开口从腔室102喷出之后，蒸气泡将塌陷。气泡的塌陷产生显著的空泡力，这将迅速地破坏加热元件104。正是由于这个原因，围绕加热元件104施加空泡保护层。在示例性实施例中，空泡保护层由钽制成。虽然由于材料硬度和耐化学性而通常使用钽，但也可以使用其它材料。如下面更详细说明的，空泡保护层用作状况检测单元的第一电极106，该状况检测单元与打印头状况检测系统内的流体喷射元件100相对应。打印头内的其它流体喷射元件共用同一空泡层，该同一空泡层也用作与这些喷射元件对应的每个状况检测单元的第一电极106。
流体传感器元件100还包括第二电极110。第二电极110优选设置在每个流体喷射元件的喉部108中。为了本公开的目的，“喉部”可以被定义为在流体通路(未示出)和流体腔室102之间提供流动路径的通道。喉部108和腔室102由相同的材料以相同的方式形成。第二电极110是段(band)UME，并且在示例性实施例中，为了工艺效率，第二电极110也可以由Ta制成并与第一电极/空泡保护层106同时进行沉积和蚀刻。应当理解，第二电极110可以由提供改进的打印头状况传感器性能的其它材料形成。
图4示出了处于稳定状态的流体喷射元件100，元件充满液体。如图所示，第一电极106和第二电极110现在处于流体连接中。从电化学原理可知，流体与第一和第二电极106、110之间的关系可以由一电路表示，其中电阻器Rs表示溶液电阻，电容器Cd表示偏置时形成在电极到液体界面处的双层电容。在图5中示出这种电路表示。应当理解，在不存在液体的情况下，不存在双层电容器，并且串联电阻将作为开路出现。
通过对状况检测单元的性质的理解，可以想到检测在两个电极之间存在或不存在液体的实际方法。对于喷墨印刷或其他液体分配应用，希望能够感测喷射器芯片上每个腔室的状况。这个设计目标必须与保持芯片(die)尺寸尽可能小以及保持简单接口的期望保持平衡。
在本发明示例性实施例中，将电压阶跃应用于系统，从系统所得到的响应用于感测的存在或不存在液体。图6示出了对于存在墨的状况检测单元的5V输入的测量响应。图7示出了不存在墨的测量响应。此外，图8示出了基于单元的响应可以如何计算等效串联电阻和双层电容。虽然这使得能够使用简单的输入(即电压阶跃)，但是仍然需要实际的测量方法。用于进行这种测量的优选感测电路112如图9所示。
当状况检测单元中存在墨时，感测电路112提供数字高输出，当单元为空时，感测电路112提供数字低输出。不需要对单元模拟输出进行复杂和耗费空间的采样来确定单元的状态。这表示显著节省了片上(on-chip)空间。
该示例性实施例的感测电路112可以被分组为七个功能块。偏置块202产生由阈值检测块204使用的电流偏置。当感测引脚处于高电平状态时，采样块206将采样焊盘连接到采样电流镜像208。样本电流镜像208然后复制感测到的墨电流，并且电流流入阈值电流检测块204。如果感测到的镜像电流大于阈值电流，则存在墨，并且逆变器块210在闩锁块212的输入端产生低电平状态并且闩锁块检测引脚将进入高电平状态。由于流过墨的电流的瞬时充电特性，需要闩锁器。如果不存在墨，则采样电流将比阈值检测电流小很多(几乎为零)。然后，逆变器将产生高电平状态，该状态也会在锁存器检测输出端产生低电平状态。闩锁器是存储元件，其状态将持续，直到其sense_reset(感测_复位)引脚被强制为高电平状态。sense_reset引脚的高电平状态将闩锁器的检测输出引脚清除到低电平状态。总之，通过墨的瞬态电流脉冲导致闩锁触发，并且其检测输出引脚将被闩锁在高电平状态或“墨感测”状态。
图10示出了根据本发明示例性实施例的整体由附图标记120表示的状况检测系统。为了持续提供感测芯片上所有喷嘴状态的实际方法的目的，用于所有流体腔室的感测电路112的输出可以连接到单个感测总线122。另外，由于空泡保护层作为所有腔室共同的第一电极，电压阶跃函数可以应用于将阶跃函数递送到空泡保护层的单个刺激节点124。所有腔室的状态可以在单个感测总线输出126处读取。感测总线122可以配置成正常的数字高电平。因此，墨感测电路112可以配置成使得任何一个墨感测电路112的输出可以将感测总线122拉到低电平状态。例如，从感测总线输出126读取数字低值将指示至少一个腔室未填墨(de-primed)或墨盒已经耗尽。或者，读取数字低值可以指示在打印之后至少一个腔室中仍然存在墨，这将指示至少一个加热器没有激发(fire)。
图11是示出根据本发明示例性实施例的感测总线122和多个墨感测电路112之间的电连接的电路图。在该实施例中，感测总线122用于检测多个墨穴(ink cell)上的任何墨感测故障。该实施例中的感测总线122是以“线或(wired or)”连接将多个墨感测单元连接的单个下拉线122。如果墨感测电路112中的任何一个已经检测到墨，则其NMOS下拉晶体管将被激活，并且感测总线122将被“拉”到逻辑低电平状态。因为墨仍然存在，这允许一种策略，其中一组喷墨加热器可以被激发并且使用“感测”信号对其立即感测以检测故障加热器或未激发的加热器。该方法允许同时检查许多加热器，并且仅需要一根线来连接阵列中的任何或所有加热器。这减少了检测故障所需的时间并减少了检测系统所需的面积。
在一个示例性实施例中，所描述的系统和方法可以用于检测腔室中是否存在蒸气泡。如前所述以及如图13所示。通过在加热元件的表面处生长蒸气泡，从腔室喷出墨。如图14所示，在从腔室喷出墨之后，蒸汽气泡继续生长到喉部中，直到来自通道中的墨的压力克服了蒸气泡的力，气泡塌陷并且墨重新填充腔室。如图13所示，当气泡开始成核时，第一和第二电极106，110仍然处于流体流通中。在液滴喷射后的某个时刻，蒸汽气泡延伸到第二电极110，从而破坏流体路径。在这种状态下，单元将读取与腔室是空时一样的值。通过在成核后的适当时间感测该单元，可以确定气泡是否适当地形成，并且该系统可用于测量喷嘴的总体健康状况。
根据测试模式，下拉线或总线连接可以延伸以感测在组中的任何喷墨加热器单元上存在墨或缺少墨(即，“气泡”)。在这方面，如图12所示，先前描述的墨感测电路可以被修改为包括“异或”(xor)逻辑单元214和新的输入信号“inv_pulldown_sense”(ips)信号216。ips信号216与xor逻辑单元214一起使用以反转激活下拉式NMOS晶体管所需的逻辑状态。当任何墨感应单元都有墨时，逻辑低ips信号将导致下拉电路激活或将下拉线设置为低电平状态。当任何墨感测单元没有墨(即，检测气泡)时，逻辑高状态ips信号将导致下拉电路激活或将下拉线设置为低电平状态。因此，ips信号允许使用单根线并且及时在正确的瞬间检查任何一组喷墨加热器单元的墨存在(未激发加热器)或墨不存在(气泡)。
在一个示例性实施例中，不是立即感测到所有的腔室，而是可以寻址和感测各个腔室，使得可以确定不存在墨的腔室。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员来说明显的是可以在偏离本发明的精神和范围而做出的各种其他变化和修正上的变化。因此，本发明的目的是在所附权利要求中覆盖在本发明范围内的所有这样的变化和修正。
附图标记
10:打印头
12:外壳
16:舱室
18，22:表面
19，21:部分
20:TAB电路
23:边缘
24:I/O连接器
25:加热器芯片
26:导电体
28:接合焊盘
32:墨通路
34:列
40:打印机
42:托架
44:槽
46:打印区
48:轴
50:传动带
52:纸
54:输入托盘
56:输出托盘
57:控制器
58:控制面板
59:输出
60:用户选择界面
62:输入
100：流体喷射元件
102：流体腔室
104：加热元件
106：第一电极
108：喉部
110：第二电极
112：感测电路
120：状况检测系统
122：单个感测总线
126：单个感测总线输出
202：偏置块
204：阈值检测块
206：采样块
208：采样电流镜像
210：逆变块
212：闩锁块
214：异或逻辑单元
216：ips信号

Claims (12)

1.一种流体打印头，包括：
至少一个流体喷射元件，该流体喷射元件包括：
流体腔室；
喉部，流体通过该喉部被提供给流体腔室；以及
加热器元件，设置在所述流体腔室内；以及
打印头状况检测系统，该打印头状况检测系统包括：
第一电极，至少一部分第一电极设置在所述流体腔室内，所述第一电极配置成接收阶跃电压；
第二电极，设置在所述喉部内；以及
感测电路，电连接到所述第二电极，该感测电路基于向所述第一电极施加阶跃电压来产生输出，作为打印头状况的指示。
2.如权利要求1所述的流体打印头，其中所述至少一个流体喷射元件包括多个流体喷射元件，每个流体喷射元件包括对应的流体腔室、喉部和加热器元件，以及
所述打印头状况检测系统包括由多个流体腔室共用的公共第一电极，设置在每个对应的流体喷射元件的所述喉部内的多个第二电极，以及多个感测电路，每个感测电路电连接到对应的第二电极。
3.如权利要求2所述的流体打印头，还包括配置成接收阶跃电压将所述阶跃电压递送到所述公共第一电极的刺激节点。
4.如权利要求2所述的流体打印头，还包括接收来自所述多个感测电路的输出的感测总线。
5.如权利要求1所述的流体打印头，所述感测电路的所述输出是根据流体腔室中存在流体的状况的数字高输出。
6.如权利要求1所述的流体打印头，所述感测电路的所述输出是根据流体腔室中不存在流体的状况的数字低输出。
7.一种流体打印系统，包括：
外壳；以及
一个或多个打印头组件，可移动地连接到所述外壳，使得在所述一个或多个打印头根据控制机构相对于所述外壳移动时，所述一个或多个打印头组件喷射流体到打印介质上，其中所述一个或多个打印头组件中的至少一个包括：
流体打印头，该流体打印头包括：
至少一个流体喷射元件，该流体喷射元件包括：
流体腔室；
喉部，通过该喉部将流体提供给流体腔室；以及
加热器元件，设置在所述流体腔室内；以及
打印头状况检测系统，该打印头状况检测系统包括：
第一电极，至少一部分第一电极设置在所述流体腔室内，所述第一电极配置成接收阶跃电压；
第二电极，设置在所述喉部内；以及
感测电路，电连接到所述第二电极，该感测电路基于向所述第一电极施加阶跃电压来产生输出，作为打印头状况的指示。
8.如权利要求7所述的流体打印系统，所述至少一个流体喷射元件包括多个流体喷射元件，每个流体喷射元件包括对应的流体腔室、喉部和加热器元件，以及
所述打印头状况检测系统包括由多个流体腔室共用的公共第一电极，设置在每个对应的流体喷射元件的所述喉部内的多个第二电极，以及多个感测电路，每个感测电路电连接到对应的第二电极。
9.如权利要求8所述的流体打印系统，还包括配置成接收阶跃电压将所述阶跃电压递送到所述公共第一电极的刺激节点。
10.如权利要求8所述的流体打印系统，还包括接收来自所述多个感测电路的输出的感测总线。
11.如权利要求7所述的流体打印系统，所述感测电路的所述输出是根据流体腔室中存在流体的状况的数字高输出。
12.如权利要求7所述的流体打印系统，所述感测电路的所述输出是根据流体腔室中不存在流体的状况的数字低输出。
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