CN108136774A - 流体打印头及控制打印头的多个驱动元件的操作的方法 - Google Patents

流体打印头及控制打印头的多个驱动元件的操作的方法 Download PDF

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Abstract

一种打印头(10)，包括：多个加热元件(104)，该多个加热元件(104)被驱动以使流体中的气泡成核，从而使流体以液滴的形式从打印头(10)喷射；多个驱动元件，每个驱动元件(204)根据打印机控制器(216)选择性地驱动多个加热元件(104)中相应的一个加热元件；以及液滴检测系统，包括多个液滴检测单元(200)，每个液滴检测单元(200)检测在液滴形成时发生的多个加热元件(104)中相应的一个加热元件的电阻的变化。

Description

流体打印头及控制打印头的多个驱动元件的操作的方法
技术领域
本发明涉及喷墨式打印头，尤其涉及用于检测喷墨式打印头喷嘴的状况的系统和方法。
背景技术
检测喷墨喷嘴的健康状况一直是本领域长期存在的问题。在扫描打印头的情况下，执行多次通过的能力已被用于最小化丢失或不正确执行喷嘴的影响。随着喷墨技术进入激光打印机性能空间，喷嘴横跨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，但不再允许多通过打印(multi-pass printing)。因此，需要一种验证喷嘴正在正确喷射的方法。
美国专利号8,177,318、8,376,506和8,449,068以及其他文件中公开了通过光学检测进行的这种方法。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求，已经公开了将阻抗传感器放置在喷射器芯片本身上的其他方法。在美国专利8,870,322、8,899,709和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使用随时间进行的差分或单端阻抗测量来检测热蒸汽气泡的形成和破裂。这些专利和申请进一步教导了，通过对从传感器收集的数据进行外部处理可以确定不同类型的喷嘴状况，例如堵塞或不牢固的喷嘴。如美国专利8,870,322中特别公开的，可能需要校准方法来提供系统的适当性能。
所有先前确定打印头状态的尝试均基于检测墨室中气泡的形成。这种方法的一个缺点是，当气泡到达传感器时喷射事件已经过去。在大多数情况下，在喷射液滴之后，在喉部和腔室中的气泡检测将在5us或更长时间发生。
引文列表
专利文献
[PTL 1]美国专利第8,177,318号
[PTL 2]美国专利第8,376,506号
[PTL 3]美国专利第8,449,068号
[PTL 4]美国专利第8,870,322号
[PTL 5]美国专利第8,899,709号
[PTL 6]美国专利申请公开第2014/0333694号。
发明内容
技术问题
本发明的目的是提供一种基于加热器的电阻变化而检测加热器表面上气泡形成的系统及方法。
本发明的另一个目的是提供一种基于相应驱动元件的采样漏极电压的斜率变化而检测加热器表面上的气泡形成的系统及方法。
技术方案
根据本发明一示例性实施例的流体打印头包括：多个加热器元件，所述多个加热器元件被驱动以使流体中的气泡成核，从而使所述流体以液滴的形式从所述打印头喷射；多个驱动元件，每个驱动元件根据打印机控制器选择性地驱动所述多个加热器元件中相应的一个加热器元件；以及液滴检测系统，包括多个液滴检测单元，每个液滴检测单元检测在液滴形成时发生的所述多个加热器元件中相应的一个加热元件的电阻的变化。
在示例性实施例中，所述多个驱动元件中的每一个驱动元件是包括栅极、源极和漏极的MOSFET驱动元件。
在示例性实施例中，每个液滴检测单元电连接到相应驱动元件的漏极。
在示例性实施例中，每个液滴检测单元检测相应驱动元件的漏极处的电压斜率变化。
在示例性实施例中，每个液滴检测单元包括控制器，所述控制器被配置成在检测到电压斜率变化之后从相应的加热器元件去除电力。
在示例性实施例中，每个液滴检测单元包括采样电路和斜率检测电路。
在示例性实施例中，所述采样电路包括开关电容器电路。
在示例性实施例中，所述采样电路包括A/D电路。
根据本发明一示例性实施例，一种控制打印头的多个驱动元件的操作的方法，其中，每个驱动元件选择性地驱动多个加热器元件中相应的一个加热器元件，以使流体中的气泡成核，使得流体以液滴的形式从打印头喷射，所述方法包括：检测在液滴形成时发生的所述多个加热器元件中相应的一个加热器元件的电阻的变化；以及基于检测使所述多个加热器元件中的相应的一个加热器元件停用。
在示例性实施例中，所述多个驱动元件中的每一个是包括栅极、源极和漏极的MOSFET驱动元件，并且检测步骤包括检测相应的驱动元件的漏极处的电压斜率变化。
本发明实施例的其他特征和优点将从以下详细说明、附图以及所附权利要求中变得容易理解。
发明的有益效果
根据本发明的流体打印头能够基于加热器的电阻变化来检测加热器表面上的气泡形成。
附图说明
结合附图参考下文中的详细描述可以更加充分地理解本发明示例性实施例的特征和优点，其中：
图1是根据本发明示例性实施例的喷墨式打印头的透视图。
图2是根据本发明示例性实施例的喷墨式打印机的透视图。
图3是根据本发明示例性实施例的流体喷射元件的平面图。
图4是根据本发明示例性实施例的液滴检测系统的一个单元的框图。
图5是在形成气泡以及随后喷射液体液滴期间加热器的电压和电流与时间的关系图。
图6是图5所示的关系图的拉近视图。
图7是表示对图5所示的电流电平变化进行微分运算的输出的图。
图8A是处于稳定状态的根据本发明示例性实施例的液滴检测系统的一个单元的框图。
图8B是示出根据本发明示例性实施例的输入到采样电路的漏极电压的图。
图8C是示出根据本发明示例性实施例的由斜率检测电路执行的微分运算的图。
图8D示出了根据本发明示例性实施例的斜率检测电路的数字输出。
具体实施方式
此处使用的标题仅仅是出于组织结构方面的目的，并非意在限制说明书或权利要求的范围。正如本申请通篇所使用的，词语“可以”和“能够”以宽松的含义(即，意味着具有可能性)使用，而不是强制性的含义(即，意味着必须)。相似地，词语“包括”、“包含”及其变形是指“包括但不限于”。为了便于理解，在合适的地方使用相似的标号来表示附图所共有的相似元素。
参考图1，根据本发明一示例性实施例的一种喷墨式打印头大致用10表示。打印头10具有由任何适当材料制成的外壳12，该外壳12用于容纳墨。其形状可以变化且通常取决于承载或容纳该打印头的外部装置。外壳在其内部具有至少一个用于容纳初始或可重复装填的墨源的隔室16。在一个实施例中，该隔室具有单个腔且容纳黑墨、感光墨、青墨、品红墨或黄墨的墨源。在其他实施例中，隔室具有多个腔并容纳三种墨源。优选地，隔室包括青色、品红色和黄色的墨。在另外的实施例中，隔室容纳多种黑墨、感光墨、青墨、品红墨或黄墨。可以理解的是，尽管隔室16被示出为局部地集成在打印头的外壳12中，但其也可以选择性地连接至远端墨源并且例如从管道接收供应。
粘附至外壳12的一个表面18的是柔性电路的一部分19，具体地，所述柔性电路是带式自动接合(TAB)电路20。TAB电路20的另一部分21被粘附至外壳的另一个表面22。在该实施例中，这两个表面18和22围绕外壳的边缘23相互垂直地布置。
TAB电路20在其上支持多个输入/输出(I/O)连接器24，所述I/O连接器24用于在使用期间将加热器芯片25电连接至诸如打印机、传真机、复印机、照片打印机、绘图仪、多合一设备等的外部设备。多个电导体26在TAB电路20上用于使I/O连接器24与加热器25的输入端子(接合焊盘28)电连接并短路。本领域技术人员了解多种用于促成这类连接的技术。为了简单起见，图1仅示出八个I/O连接器24、八个电导体26和八个接合焊盘28，但是当前，打印头的数量可以更多，任何数量都等同地包含于本文中。进一步地，本领域技术人员应当理解的是，尽管连接器、导体和接合焊盘的数量彼此相等，但实际打印头中这些数量也可以不相等。
加热器芯片25包含多个流体点火元件的列34，这些流体点火元件用于在使用期间从隔室16喷射墨。流体点火元件可以实现为热电阻式加热元件(简称加热器)，其形成为硅衬底上的薄膜层，或者虽然基于加热器芯片这一名称暗示了热技术，然而流体点火元件也可以实现为压电元件。为了简单起见，列34中的多个流体点火元件示出为邻近墨通道32的排成一排的五个点，但实际上可以包括成百上千个流体点火元件。如下所述，多个流体点火元件中竖直地相邻的流体点火元件可以具有或不具有横向间隔间隙或彼此交错。通常，流体点火元件具有与其所在的打印机的每英寸点数分辨率相当的竖直间距间隔。一些示例包括1/300英寸、1/600英寸、1/1200英寸或1/2400英寸等大小的沿着通道的纵长范围的间距。为了形成该通道，已知有多种工艺，这些工艺切割或蚀刻出贯穿加热器芯片的厚度的通道32。一些更加优选的工艺包括喷砂处理或诸如湿蚀刻、干蚀刻、反应离子蚀刻、深反应离子蚀刻之类的蚀刻。喷嘴板(未示出)中具有与各个加热器对准的孔口，以便在使用期间喷射墨。喷嘴板可以贴附有粘合剂或环氧基树脂，或者可以制成薄膜层。
存储器单元27存储于诸如生产日期、寿命以及可以进行的重复装填次数相关的信息。
参考图2，喷墨式打印机形式的容纳打印头10的外部设备大致用40表示。打印机40包括滑动架42，该滑动架42具有多个用于容纳一个或更多打印头10的插槽44。如本领域熟知的，滑动架42通过提供至驱动带50的动力沿着轴48在打印区域46上方进行往复运动(依照控制器57的输出59)。相对于诸如一张纸52之类的打印媒介发生滑动架42的往复运动，该纸沿着从输入托板54、通过打印区域46、再到输出托板56的纸张路径在打印机40中行进。
当在打印区域中时，滑动架42在通常垂直于如箭头所示的纸张52行进的行进方向的往复运动方向上做往复运动。在这种时刻，依照打印机微处理器或其他控制器57的命令，促使来自隔室16(图1)的墨滴从加热器芯片25喷射。墨滴发射时序对应正在打印的图像的像素图案。通常，这种图案是在电连接至控制器57的设备中产生(经由Ext输入(Ext.input))，该装置装配在打印机的外部，包括但不限于电脑、扫描仪、照相机、可视显示单元或个人数据助理等。
为了打印或发射单个墨滴，以少量电流对流体点火元件(图1中，列34的各点)进行唯一寻址，以便快速加热少量的墨。这使得墨在加热器和喷嘴板之间的局部墨腔中蒸发，并通过喷嘴板朝打印媒介喷射，变为由喷嘴板投射。发射这种墨滴所需的点火脉冲可以实现为单个或分离的点火脉冲，并基于接合焊盘28、电导体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)的加热器芯片处接收。内部加热器芯片布线从输入端子向一个或多个流体点火元件传送点火脉冲。
许多打印机配备有具有用户选择界面60的控制面板58，作为控制器57的输入62，以便提供额外的打印机能力和鲁棒性。
图3是根据本发明一示例性实施例的流体喷射元件的平面图，该流体喷射元件大致由附图标记100表示。流体喷射元件100包括使用在感光材料中进行成像和显影特征的光刻方法形成的流体腔体102。该腔体102可具有约15um的厚度。薄膜加热元件104位于腔体102内。加热元件104可以通过在器件上施加电压电势而被激励。在典型的喷墨应用中，加热元件表面的温度将在小于1us的时间内从环境温度升至约350℃。在该腔体充满水性油墨溶液的情况下，蒸汽气泡将在加热元件的表面处形成，然后迅速膨胀。正是这种膨胀迫使油墨通过喷嘴孔流出腔体。典型地，喷嘴(图3中未示出)位于加热元件104上方。加热元件104的尺寸高度依赖于待喷射液体的液滴尺寸和特性，但大致而言该元件的纵横比(长度/宽度)通常在1到3之间。在示例性实施例中，加热元件104通过沉积约800埃的TaAlN薄层而形成。
在油墨或其他流体通过喷嘴开口从腔体102中喷出之后，蒸汽泡将破裂。气泡的破裂产生显著的气蚀力(cavitation force)，其将迅速破坏加热元件104。为此，在加热元件104周围施加气蚀保护层。在示例性实施例中，气蚀保护层由钽形成。虽然由于材料的硬度和耐化学性，通常使用钽，但也可以使用其他材料。
在本发明的示例性实施例中，基于通过加热器的电流的斜率变化来检测加热器表面上的气泡的形成。当液体离开腔体时，加热器基本上处于干燥状态。正是在此期间，加热器表面会经历加热速率的增加。通过检测加热的这种变化，可以检测到气泡形成的准确时刻。
图4是根据本发明一示例性实施例的液滴检测系统的一个单元的框图，该单元通常由附图标记200表示。单元200包括微分器212和A/D转换器214以及控制器216。单元200被配置为感测每个加热器的驱动元件的功率FET的漏极处的电压。因此，整个检测系统中的单元数量取决于打印头芯片上的加热器的数量。或者，液滴检测系统可以具有总线架构，使得所有漏极电压可以被发送到公共微分器和控制器。在图4中，示出了包括相应驱动元件204的加热器202(表示为电阻器)。驱动元件204优选为包括多晶硅栅极206、源极208和漏极210的MOSFET驱动元件。如本领域中已知的，每个驱动元件可操作以根据由打印机控制器提供的逻辑结构选择性地启用加热器。
微分器212电连接到驱动元件204的漏极210。微分器212用于增强在液滴形成时发生的电压的小斜率变化。在这方面，图5示出了在形成气泡并随后喷射液体液滴期间通过加热器的电流。在所示的例子中，加热器材料具有350ohms/sqr的片电阻以及-320ppm的负温度系数。如在液滴形成时所示，在约800ns时，加热器电流的斜率略微增加。图6中更好地说明了这一点，其中显示了相同的事件，但是以更大的放大倍数缩放发射时间。虽然斜率变化很小，但它是可检测的。图7示出了在对测量示波器上的信号应用微分运算之后的输出，并且特别示出了加热器电流的斜率在大约860ns处的变化。
在示例性实施例中，检测系统感测通过加热器电路的电流以感测成核(nucleation)。然而，根据优选实施例，功率FET的漏极处的电压被感测。与前面讨论的测量电流一样，电压的斜率变化很小，并且通过微分器212对该值的微分而得到最好的增强。微分器212可以是本领域已知的任何合适的微分器电路，并且可以包括多个电路部件，例如电容器和运算放大器。
微分器212的输出被发送到A/D转换器214，然后A/D转换器214的输出被发送到控制器216。控制器216可以被配置为在已经检测到液滴形成之后从加热器202去除功率(或电力，或电能，power)。以这种方式，单元200可以用于确定加热器的状况。例如，通过用电压斜率变化和时间的预设值对控制器进行编程，单元200可以确定是否实际发生了电压斜率变化，如果是，则确定斜率变化是否与所编程的值和时序匹配。任何与所编程的值之间的偏差都表明加热器运行不正常。
控制器216可以被配置为当检测到液滴的喷射时禁用点火脉冲。就此而言，当检测到斜率变化时，微分器212可以输出逻辑高或数字1。当该值被反转并且随后与点火脉冲进行“与”运算时，结果是信号被门控(gated)并且功率FET器件被关闭。
图8A是根据本发明另一示例性实施例的液滴检测系统的一个单元的框图，该单元大致由附图标记300表示。单元300包括采样电路310和斜率检测电路312。如图所示，如关于前述实施例所述，在晶体管漏极节点处对电压进行采样，但是在本实施例中，漏极电压被传递到采样电路310。图8B示出了充当采样电路310的输入的漏极电压。采样电路310可以是具有模拟输出的开关电容器电路或具有数字输出的A/D电路。该值被馈送到斜率检测电路312，斜率检测电路312执行采样以对信号的微分进行采样。在图8C中示出了采样微分的采样结果。在斜率检测电路312内检测斜率的突然变化，并将其转换为数字输出，如图8D所示。如在前述实施例中那样，斜率检测电路微分器312可以输出用于关断功率MOS FET的逻辑高或数字1。
尽管已经说明并描述了本发明的特定实施例，但本领域技术人员应当清楚，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种其它的变化和修改。因此，所附权利要求旨在涵盖本发明范围内的所有这种变化和修改。
附图标号列表
10：打印头
12：外壳
16：隔室
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：电导体
28：接合焊盘
32：墨通道
34：列
40：打印机
42：滑动架
44：插槽
46：打印区域
48：轴
50：驱动带
52：纸
54：输入托板
56：输出托板
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：流体腔体
104：加热元件
200,300：单元
202：加热器
204：驱动元件
206：栅极
208：源极
210：漏极
212,312：微分器
214：A/D转换器
216：控制器
310：采样电路

Claims (10)

1.一种流体打印头，包括：
多个加热器元件，所述多个加热器元件被驱动以使流体中的气泡成核，从而使所述流体以液滴的形式从所述打印头喷射；
多个驱动元件，每个驱动元件根据打印机控制器选择性地驱动所述多个加热器元件中相应的一个加热器元件；以及
液滴检测系统，包括多个液滴检测单元，每个液滴检测单元检测在液滴形成时发生的所述多个加热器元件中相应的一个加热元件的电阻的变化。
2.根据权利要求1所述的流体打印头，其中，所述多个驱动元件中的每一个驱动元件是包括栅极、源极和漏极的MOSFET驱动元件。
3.根据权利要求2所述的流体打印头，其中，每个液滴检测单元电连接到相应驱动元件的漏极。
4.根据权利要求2或3所述的流体打印头，其中，每个液滴检测单元检测相应驱动元件的漏极处的电压斜率变化。
5.根据权利要求4所述的流体打印头，其中，每个液滴检测单元包括控制器，所述控制器被配置成在检测到电压斜率变化之后从相应的加热器元件去除电力。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的流体打印头，其中，每个液滴检测单元包括采样电路和斜率检测电路。
7.根据权利要求6所述的流体打印头，其中，所述采样电路包括开关电容器电路。
8.根据权利要求6所述的流体打印头，其中，所述采样电路包括A/D电路。
9.一种控制打印头的多个驱动元件的操作的方法，每个驱动元件选择性地驱动多个加热器元件中相应的一个加热器元件，以使流体中的气泡成核，使得流体以液滴的形式从打印头喷射，所述方法包括：
检测在液滴形成时发生的所述多个加热器元件中相应的一个加热器元件的电阻的变化；以及
基于检测使所述多个加热器元件中的相应的一个加热器元件停用。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个驱动元件中的每一个是包括栅极、源极和漏极的MOSFET驱动元件，并且检测步骤包括检测相应的驱动元件的漏极处的电压斜率变化。
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