CN113752698A - 一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法及系统 - Google Patents
一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于喷墨打印技术领域,具体公开了一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法及系统。所述方法为:1)将喷孔移至试打印区域进行试喷射,检测每个喷孔对应墨滴落点偏置值,进而获得墨滴落点整体偏置补偿值;2)使用墨滴落点整体偏置补偿值,整体补偿喷孔相对基板像素坑的位置精度;3)启动喷孔实施正式打印,在打印过程中检测每个像素坑对应墨滴落点偏差值;4)依据偏差值,一方面调整点火序列在基板移动方向上补偿位置精度,另一方面调整每个喷头在每个行程的移动距离从而在喷头移动方向上补偿位置精度。本发明可补偿喷墨打印过程中的多重误差,尤其适用于利用喷墨印刷方式制造高分辨率显示器、电子元器件之类的应用场合。
Description
技术领域
本发明属于喷墨打印技术领域,更具体的,涉及一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法及系统。
背景技术
喷墨打印技术是新兴的显示面板制造工艺,主要是使用溶剂将有机材料融化,然后直接将材料喷印在基板上形成有机功能层。与传统的蒸镀工艺对比,该方法可以按有机材料的需求量打印,从而节省90%的原料。同时不需要真空环境以及昂贵的精密掩模版,允许制作任意大尺寸的基板,被认为是有望取代蒸镀工艺的技术革命,研发高精度、高适应性的工业级喷墨印刷显示制造装备是国内外面板厂商和研发机构研究的热点领域。
喷墨打印技术作为显示面板的制造工艺依然面临多重挑战,其中主要面临的问题之一是提高喷墨印刷的墨滴落点精度。图案化印刷中墨滴落点定位的微小变化,都有可能导致显示屏像素坑发光亮度不均匀甚至短路完全不发光。其中喷嘴的直线度和墨滴飞行不稳定性、平台机械误差和对准误差、环境条件等因素都是打印误差的来源,喷墨印刷技术的墨滴落点精度受到多种因素耦合的影响,整体印刷精度不仅仅关系到喷墨技术的一两个因素,更关系到喷墨技术的整体因素提高,在一定程度上限制了喷墨打印技术的应用。
现有技术有提出一些关于提高喷墨印刷精度的方案,例如一种喷印墨滴多误差补偿定位控制方法及系统,介绍了通过检测墨滴飞行定位偏差、喷头定位偏差及基板定位偏差等来对运动平台进行实时在线反馈补偿的方式,但是应用过程中难以获得准确的补偿模型且该方案对于运动控制平台的快速响应性要求极高且补偿效果不直观。进一步研究发现,现有专利和文献中设计的技术仍然存在以下不足:一方面,它们通常是采取喷墨打印设备结构改进的方式来提高喷墨打印的精度,仅能够对喷墨印刷过程中某一环节进行一定程度的精度提高,对于最终的墨滴落点精度的提高效果不明显且容易引入其它误差;另一方面,它们对于喷墨打印墨滴落点精度的补偿寄希望于平台运动的反馈控制或喷墨打印过程中喷射波形、流场状态等工艺参数的反馈调整,对硬件的要求高且难以获得准确的控制模型,补偿效果欠佳。相应地,考虑到喷墨印刷过程中墨滴落点精度误差是多重因素影响下的结果,能够在最小的改进成本下对多重打印误差进行直接补偿,有效提高喷墨印刷的墨滴落点精度,实现高精度印喷墨打印工艺在显示面板、高精度电子元器件的制造领域的应用,正在成为本领域亟需解决的关键技术问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法及系统,能够在最小成本下对多重打印误差进行直接补偿,有效提高喷墨印刷的墨滴落点精度,实现高精度印喷墨打印工艺在显示面板、高精度电子元器件的制造领域的应用。
一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法,该方法包括以下步骤:
1)将喷孔移至试打印区域进行试喷射,检测每个喷孔对应墨滴落点偏置值,进而获得墨滴落点整体偏置补偿值;
2)使用墨滴落点整体偏置补偿值,整体调整所有喷孔相对基板的位置,以整体补偿喷孔相对基板像素坑的位置精度;
3)启动喷孔实施正式打印,在打印过程中检测每个像素坑对应墨滴落点偏差值;
4)依据每个喷孔对应墨滴落点偏置值或每个像素坑对应墨滴落点偏差值,一方面调整点火序列,使每一喷孔在像素坑范围内提前或延迟喷射,从而在基板移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度;另一方面调整每个喷头在每个行程的移动距离,从而在喷头移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度。
进一步的,所述步骤4)按照时序调整数num调整点火序列,所述时序调整数num=num1或num2,num为正表示需要提前喷射,num为负表示需要滞后喷射,其中,
Δhx,q为第q个喷孔对应墨滴在基板移动方向落点偏差,Δxi,j为第i行j列像素坑基板移动方向墨滴落点偏差值;D为打印分辨率,sgn()为符号函数。
进一步的,所述步骤4)使用每个喷头移动补偿距离S调整对应喷头在每个行程的移动距离,S=S1或S2,其中,
Δhy,q表示第q个喷孔在喷头移动方向墨滴落点偏差,Δyw,k表示该行程需要打印的第w号像素坑第k次测量在喷头移动方向墨滴落点偏差;n表示该打印行程需要喷射的喷孔数量,m表示该行程需要打印的像素坑数量,N表示测量次数。
进一步的,按照如下方式获得所述第q个喷孔分别在喷头和基板移动方向墨滴落点偏差Δhy,q、Δhx,q,以及墨滴落点整体偏置补偿值:
其中,
n是喷孔数量;hx,q是试喷射阶段观测得到的第q个喷孔对应墨滴在基板移动方向落点坐标;Hx,l是基板移动方向墨滴落点标定基准位置;hy,q是试喷射阶段观测得到的第q个喷孔对应墨滴在喷头移动方向落点坐标;Hy,q,l是第q个喷孔对应墨滴在喷头移动方向上落点标定基准位置;
ΔHx为基板移动方向墨滴落点整体偏置补偿值,ΔHy为喷头移动方向墨滴落点整体偏置补偿值。
进一步的,按照如下方式获得第i行j列像素坑分别在基板和喷头移动方向墨滴落点偏差值Δxi,j、Δyi,j:
其中,N表示测量的次数;xi,j,k表示第i行j列号像素坑第k次测量的在基板移动方向的实际墨滴落点坐标;xi,j,l表示第i行j列号像素坑在基板移动方向墨滴落点的理想坐标;yi,j,k表示第i行j列号像素坑第k次测量的在喷头移动方向的实际墨滴落点坐标;yi,j,l表示第i行j列号像素坑在喷头移动方向墨滴落点的理想坐标。
进一步的,在正式打印过程中还提高位移传感器分辨率,进而提高喷头模组编码器分辨率频率f,并限定打印速度上限Vmax;
进一步的,在所述步骤1)试喷射阶段,进行墨滴观测,得到墨滴的体积、速度和角度参数,屏蔽参数值超过设定上下限的喷孔;检测每个喷孔对应墨滴落点偏置值,以喷孔落点位置的平均值为基准,屏蔽落点偏置值超出设定上下限的喷孔。
一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制系统,包括
喷头模组,用于根据点火时序指令优化喷孔喷墨时间;
光学检测模块,用于在试喷射阶段观测喷孔对应墨滴落点位置,在正式打印阶段观测像素坑对应墨滴落点位置;
上位机,用于依据光学检测模块的观测结果,按照权利要求1-7任意所述方法获得试打印阶段的墨滴落点整体偏置补偿值,正式打印阶段的点火序列、喷头移动补偿距离,进而向喷头模组发出对应的点火时序指令、以及向运动控制模块发出对应的运动补偿指令;
运动控制模块,用于根据运动补偿指令优化基板和喷头的运动状态。
进一步的,所述光学检测模块包括墨滴观测相机和频闪光源;所述墨滴观测相机安装在喷头一侧,频闪光源安装在观测相机的同轴位置,负责观测喷孔对应墨滴落点位置及像素坑对应墨滴落点位置。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有方案技术相比,本发明提供的一种用于喷墨印刷墨滴落点精度控制方法及系统具有以下有益效果:
1、通过试打印测量喷孔对应墨滴落点偏差及在正式打印过程中测量像素坑对应墨滴落点偏差,在基板移动方向上调整点火序列,在喷头移动方向上补偿喷头每行程移动的距离,实现墨滴落点精度控制。本发明可以补偿喷墨打印过程中的多重误差,尤其适用于利用喷墨印刷方式制造高分辨率显示器、电子元器件之类的应用场合。
2、本发明的控制方法能够对墨滴飞行定位误差、喷头定位误差、基板定位误差、环境扰动等多种误差对墨滴落点精度的影响通过调整喷头喷射时序和喷头每行程移动距离的方式集中补偿,适用性强,补偿效果明显,成本低,易于实现高精度的墨滴落点精度控制。
3、通过对喷孔对应墨滴落点偏差及像素坑对应墨滴落点偏差进行观测,并在正式打印前通过前馈的方式补偿至系统,对硬件系统的要求低,补偿效果更稳定,在多种复杂环境及打印方案下均能达到很好的补偿效果。
4、作为优化,本发明通过时序调整数调整点火序列,使每一喷孔在像素坑范围内提前或延迟喷射,从而在基板移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度,操作简单,且补偿效果明显,无需额外增加新的硬件设备。
5、作为优化,本发明依据喷头移动方向墨滴落点偏差或像素坑在喷头移动方向墨滴落点偏差,计算喷头移动补偿距离,最后使用喷头移动补偿距离调整对应喷头在每个行程的移动距离,从而在喷头移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度,操作简单,且补偿效果明显,无需额外增加新的硬件设备。
6、作为优化,通过调整位移传感器分辨率和喷头模组编码器分辨率频率,提高打印分辨率,使正式打印过程中单个像素坑打印过程中有多次刷新点火时序的机会。
7、作为优化,试喷射阶段进行墨滴观测,提前屏蔽掉性能缺陷的喷孔。
8、本发明喷墨显示落点精度控制系统集成了喷头模组、光学检测模块及运动控制模块,三个部分相互配合反馈,组成了墨滴落点精度控制系统闭环。能够满足在不同环境以及设备长时间使用的情况下保证墨滴落点精度,随着打印次数的增多,本发明的控制方法的效果会进一步提高。
附图说明
图1是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制方法流程图;
图2是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制方法喷孔对应墨滴落点偏差示意图;
图3是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制方法控制示意图;
图4是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制方法像素坑墨滴落点偏差示意图;
图5是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制方法点火序列调整示意图;
图6是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制方法喷头移动直线电机轨迹补偿示意图;
图7是本发明提供的喷墨印刷墨滴落点精度控制系统结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限制本发明。此外,下面所述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
图1为本发明用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法流程图,图2为该方法的较佳实施方式,所述控制方法包括以下步骤:
步骤一:进行试打印过程。
具体的,将喷头移至试打印区域,喷孔在预定位置全部喷射一遍;通过检测每个喷孔对应墨滴落点位置及墨滴状态,计算每个喷孔对应墨滴落点偏置值,计算获得墨滴落点整体偏置补偿值。
请参阅图3,在试打印阶段,需要多次测量得到每个喷孔对应墨滴落点位置hq,通过以下表达式计算基板移动方向墨滴落点整体偏置补偿值ΔHx和喷头移动方向墨滴落点整体偏置补偿值ΔHy、第q个喷孔对应基板移动方向墨滴落点偏差Δhx,q,第q个喷孔对应喷头移动方向墨滴落点偏差Δhy,q:
Δhy,q=hy,q-Hy,q,l-ΔHy
其中,n是屏蔽不合格喷孔后的喷孔数量;hx,q是观测得到的第q个喷孔对应墨滴在基板移动方向落点坐标;Hx,l是基板移动方向墨滴落点标定基准位置;hy,q是观测得到的第q个喷孔对应墨滴在喷头移动方向落点坐标;Hy,q,l是第q个喷孔对应墨滴在喷头移动方向上落点标定基准位置。
作为优化,在此步骤中可进行墨滴观测,得到墨滴的体积、速度和角度参数,屏蔽参数值超过设定上下限的喷孔;检测每个喷孔对应墨滴落点偏置值,以喷孔落点位置的平均值为基准,屏蔽落点偏置值超出设定上下限的喷孔。
步骤二:使用墨滴落点整体偏置补偿值,整体调整所有喷孔相对基板的位置,以整体补偿喷孔相对基板像素坑的位置精度。
步骤三:启动喷孔实施正式打印,在打印过程中检测每个像素坑对应墨滴落点偏差值。
喷头控制板卡接收编码器信号,按照预先设定的编码器分辨率频率刷新的每个喷孔高低电平信号,其中高电平信号1代表喷孔喷射,低电平0代表喷孔关闭;点火序列为用0和1表示的对应时刻喷孔喷射状态。通过以下表达式计算喷头模组的编码器分辨率频率f(Hz)和打印速度上限Vmax:
4)依据每个喷孔对应墨滴落点偏置值或每个像素坑对应墨滴落点偏差值,一方面调整点火序列,使每一喷孔在像素坑范围内提前或延迟喷射,从而在基板移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度;另一方面调整每个喷头在每个行程的移动距离,从而在喷头移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度。
请参阅图4,通过以下表达式对第i行j列像素坑基板移动方向墨滴落点偏差值Δxi,j、喷头移动方向墨滴落点偏差Δyi,j进行计算:
其中N表示测量的次数;xi,j,k表示第i行j列号像素坑第k次测量的在基板移动方向的实际墨滴落点坐标;xi,j,l表示第i行j列号像素坑在基板移动方向墨滴落点的基准坐标;yi,j,k表示表示第i行j列号像素坑第k次测量的在喷头移动方向的实际墨滴落点坐标;yi,j,l表示第i行j列号像素坑在喷头移动方向墨滴落点的基准坐标。
基板在全行程内进行加速、匀速、减速的循环往复运动,其中正式打印过程在匀速段进行,喷头控制板卡接收位移传感器的脉冲信号,按照预先设定的编码器分辨率频率刷新每个喷头的点火状态。喷头在对应阵列图案化打印后在垂直于打印方向移动预定距离,完成下一行程的图案化打印,直至所有像素坑打印完成。其中对应时刻的喷头点火状态与每一行程喷头移动的距离由打印规划程序根据预先输入的墨水体积、打印速度、定位补偿值、偏差补偿值、基板参数等工艺要求参数预定计算得出。
请参阅图5,通过调整位移传感器分辨率和喷头模组编码器分辨率频率,提高打印分辨率,使正式打印过程中单个像素坑打印过程中有多次刷新点火时序的机会,根据测得的喷孔对应墨滴落点偏差及像素坑对应墨滴落点偏差,使对应喷孔在像素坑范围内相对于基准落点提前或延迟喷射,从而达到墨滴落点精度补偿的目的。通过以下方式计算给定速度V下喷孔相邻两次喷射之间基板移动的距离的最小值Smin和喷射信号提前或延后的时序调整数num,所述时序调整数num=num1或num2:
Smin=V/fp,max
其中fp,max为喷头喷射最大频率;D为打印分辨率(dpi);Δhx,q为第q个喷孔对应墨滴在基板移动方向落点偏差;num1为根据Δhx,q计算的时序调整数;Δxi,j为第i行j列像素坑基板移动方向墨滴落点偏差值;num2为根据Δxi,j计算的时序调整数;以目标落点为预定喷射点位,num为正表示需要提前对应序列喷射,num为负表示需要滞后对应序列喷射。
请参阅图6,对于墨滴落点在喷头移动方向的偏差,通过修改程序预定规划的喷头移动直线电机每行程移动的距离。来补偿墨滴落点在喷头移动方向的偏差。通过以下表达式计算喷头移动直线电机对应行程移动补偿距离S,S=S1或S2:
其中,Δhy,i表示第i个喷孔在喷头移动方向墨滴落点偏差;n表示该打印行程需要喷射的喷孔数量;S1表示根据Δhy,i计算得到的喷头移动直线电机对应行程的移动补偿值;m表示对应行程需要打印的像素坑数量;Δyk表示该行程需要打印的w号像素坑第k次测量的在喷头移动方向墨滴落点偏差;S2表示根据Δyw,k计算得到的喷头移动直线电机对应行程移动距离的补偿值。
进一步的,根据喷孔对应墨滴落点偏差及像素坑对应墨滴落点偏差,对喷头喷射的时序及每行程喷头移动直线电机移动的距离来进行调整。由于像素坑对应墨滴落点偏差需要在打印检测次数上升到一定量级后数据才能稳定,因此需要依据打印的次数和数据可信度,依照一定的数据处理规律对喷孔对应墨滴落点偏差及像素坑对应墨滴落点偏差数据进行处理和选择。批量化生产前期应以喷孔对应落点偏差为主进行补偿,结合像素坑对应落点偏差值逐步调整补偿值,直至像素坑对应落点偏差值达到理想范围。
请参阅图7,所述用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制系统包括喷头模组、光学检测模块、上位机及运动控制模块。喷头模组,用于根据点火时序指令优化喷孔喷墨时间;光学检测模块,用于在试喷射阶段观测喷孔对应墨滴落点位置,在正式打印阶段观测像素坑对应墨滴落点位置;上位机,用于依据光学检测模块的观测结果,按照所述方法获得试打印阶段的墨滴落点整体偏置补偿值,正式打印阶段的点火序列、喷头移动补偿距离,进而向喷头模组发出对应的点火时序指令、以及向运动控制模块发出对应的运动补偿指令;运动控制模块,用于根据运动补偿指令优化基板和喷头的运动状态。
所述喷头模组包括:喷头控制板卡2、喷头驱动板卡3、供电电源4、打印喷头5、及打印触发传感器6;所述打印触发传感器6安装在基台上,负责产生打印开始和结束的信号;所述供电电源4与喷头控制板卡2连接,负责接收喷头控制板卡2的控制信号,产生喷头点火序列所需高低电平;所述喷头驱动板卡3与喷头控制板卡2相连接,负责控制每个喷头喷孔的喷射状态;喷头控制板卡2与上位机1连接,接受上位机的操作指令,同时喷头控制板卡2接收来自基台位移传感器9的脉冲信号,获得基板运动的位置信息,按照预先设置的编码器脉冲分辨率频率和点火序列信号触发喷孔的喷射和信号的刷新。
所述光学检测模块包括墨滴观测相机13和频闪光源14。所述墨滴观测相机安装在喷头5一侧,频闪光源14安装在观测相机13的同轴位置,负责观测喷孔对应墨滴落点位置及像素坑对应墨滴落点位置,并将检测数据传输至数据处理模块。
所述运动控制模块包括运动控制器7、Y轴直线电机8、Y轴位移传感器9、X轴直线电机10、X轴位移传感器11及Z轴伺服电机等;所述Z轴伺服电机负责实现喷头与基板之间高度的调节;所述X轴直线电机10负责拖动基板完成加速、匀速、减速的往复运动过程,打印过程在匀速段进行;所述Y轴直线电机8负责对应阵列图案打印完成后沿Y轴移动预定距离继续下一阵列图案打印,直至完成整个图案化过程;位移传感器9和位移传感器11用于实现位置信息的测量反馈,由基台位置信息控制喷头的喷射;运动控制器7负责实现运动控制模块的闭环精度控制。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法,其特征在于,该方法包括以下步骤:
1)将喷孔移至试打印区域进行试喷射,检测每个喷孔对应墨滴落点偏置值,进而获得墨滴落点整体偏置补偿值;
2)使用墨滴落点整体偏置补偿值,整体调整所有喷孔相对基板的位置,以整体补偿喷孔相对基板像素坑的位置精度;
3)启动喷孔实施正式打印,在打印过程中检测每个像素坑对应墨滴落点偏差值;
4)依据每个喷孔对应墨滴落点偏置值或每个像素坑对应墨滴落点偏差值,一方面调整点火序列,使每一喷孔在像素坑范围内提前或延迟喷射,从而在基板移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度;另一方面调整每个喷头在每个行程的移动距离,从而在喷头移动方向上补偿每一喷孔相对基板像素坑的位置精度。
4.根据权利要求3所述的用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法,其特征在于,按照如下方式获得所述第q个喷孔分别在喷头和基板移动方向墨滴落点偏差Δhy,q、Δhx,q,以及墨滴落点整体偏置补偿值:
其中,
n是喷孔数量;hx,q是试喷射阶段观测得到的第q个喷孔对应墨滴在基板移动方向落点坐标;Hx,l是基板移动方向墨滴落点标定基准位置;hy,q是试喷射阶段观测得到的第q个喷孔对应墨滴在喷头移动方向落点坐标;Hy,q,l是第q个喷孔对应墨滴在喷头移动方向上落点标定基准位置;
ΔHx为基板移动方向墨滴落点整体偏置补偿值,ΔHy为喷头移动方向墨滴落点整体偏置补偿值。
7.根据权利要求1或2所述的用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制方法,其特征在于,在所述步骤1)试喷射阶段,进行墨滴观测,得到墨滴的体积、速度和角度参数,屏蔽参数值超过设定上下限的喷孔;检测每个喷孔对应墨滴落点偏置值,以喷孔落点位置的平均值为基准,屏蔽落点偏置值超出设定上下限的喷孔。
8.一种用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制系统,其特征在于,包括
喷头模组,用于根据点火时序指令优化喷孔喷墨时间;
光学检测模块,用于在试喷射阶段观测喷孔对应墨滴落点位置,在正式打印阶段观测像素坑对应墨滴落点位置;
上位机,用于依据光学检测模块的观测结果,按照权利要求1-7任意所述方法获得试打印阶段的墨滴落点整体偏置补偿值,正式打印阶段的点火序列、喷头移动补偿距离,进而向喷头模组发出对应的点火时序指令、以及向运动控制模块发出对应的运动补偿指令;
运动控制模块,用于根据运动补偿指令优化基板和喷头的运动状态。
9.根据权利要求8所述的用于喷墨印刷的墨滴落点精度控制系统,其特征在于,所述光学检测模块包括墨滴观测相机和频闪光源;所述墨滴观测相机安装在喷头一侧,频闪光源安装在观测相机的同轴位置,负责观测喷孔对应墨滴落点位置及像素坑对应墨滴落点位置。
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