KR101980801B1 - 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 다수의 노즐을 구비한 적어도 하나의 헤드; 상기 다수의 노즐을 드라이브 하기 위해 상기 노즐의 수 보다 적은 적어도 2개의 독립적인 전압을 인가하는 드라이버를 사용하는 헤드 드라이버; 상기 노즐에서의 잉크 액적 분사를 제어하는 프린팅 제어부; 상기 노즐 중 분사되는 노즐 각각에 대해서 셀프 센싱 신호를 획득하여 상기 노즐을 스캐닝하는 셀프 센싱부; 및 상기 셀프 센싱부에서 획득한 셀프 센싱 신호를 저장하는 데이터 수집부;를 포함하며, 상기 노즐은 다수개의 노즐열에 배치된 다수개의 노즐로 형성되고, 상기 프린팅 제어부는 노즐 모듈 당 1개 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버 당 1개의 노즐이 반복적으로 동시에 분사되도록 상기 노즐에 분사 트리거를 인가하며, 상기 셀프 센싱부 및 상기 데이터 수집부는 상기 노즐 모듈 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버의 개수와 동일한 개수로 마련되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.

Description

잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템{Ink-jet printing multi-nozzle monitoring system}
본 발명은 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 병렬 센싱 방식을 적용함으로써 1024개 이상의 많은 노즐을 모니터링 하는데 걸리는 시간을 최소화할 수 있는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템에 관한 것이다.
잉크젯 프린팅 기술의 적용은 데스크톱 프린터에서 다양한 산업 목적으로 확대되고 있다. 잉크젯 프린팅 기법을 사용하여 생산성을 높이기 위해, 최근의 산업용 인쇄 시스템은 수십 개의 프린트 헤드를 동시에 분사하는 싱글 패스 인쇄 시스템(Single Path Printing System)을 필요로 한다. 이를 위해, 잉크젯 프린팅 시스템은 하나의 시스템 당 100,000 개 이상의 노즐을 사용할 수 있는데, 100,00개 이상의 각 노즐(또는 이젝터)의 분사 상태를 모니터링 하기 위한 시스템이 필요하다.
그런데, 이와 같이 매우 많은 노즐의 분사 상태를 모니터링 하는 시스템은 대부분의 산업 인쇄 시스템에서 구현하기에 매우 복잡하고 어렵다. 왜냐하면, 인쇄하는 동안 각 노즐의 분사 상태를 모니터링 하기 위해 인쇄 프로세스가 중단되지 않도록 모니터링 시간을 1 초 정도로 줄여야 하기 때문이다. 노즐 헤디 이송 중 노즐의 분사 이미지를 얻는 종래 기술에 따른 비전(Vision) 기반 측정 기술은 인쇄 프로세스 중 전체 노즐을 스캐닝(scanning) 하는데 적합하지 않다는 한계가 있다.
한편, 기판 상에 인쇄된 패턴은, 특정 노즐로부터의 인쇄된 이미지가 정상인지 비정상인지 여부를 조사함으로써 헤드 노즐 상태를 진단하는데 사용될 수 있다. 이러한 인쇄 패턴을 사용하는 것은 인쇄 프로세스를 진행하기 이전에 잉크젯 헤드의 작동 초기 진단을 위해서는 효과적일 수 있지만, 이러한 방법을 실시간 분사(제팅) 모니터링에 사용하기가 어렵다. 잉크젯 헤드는 인쇄 과정에서 종종 비분사 상태가 될 수 있으며 모니터링을 통해 즉시 비정상 상태를 감지하는 것이 중요하다.
본 출원인은, 잉크젯 프린팅 시스템의 노즐 분사 고장을 검출하기 위해 피에조 셀프 센싱 신호의 사용을 제안한 바 있다.
피에조 잉크젯 헤드는 피에조 액츄에이터를 사용하여 잉크 방울을 분사할 수 있다. 또한, 피에조 액츄에이터는 잉크젯 프린팅 시스템의 잉크 디스펜서 내부의 잉크의 압력파 (pressure wave)로부터 기인하는 힘을 감지함으로써, 센서로서 사용될 수 있다. 피에조 셀프 센싱 신호를 사용하는 방법은 잉크젯 헤드의 전기 신호만 사용하므로 기계적 고정 장치나 하드웨어가 필요하지 않은 장점이 있다. 즉, 하드웨어 요구 사항은 간단할 수 있으며 특정 노즐의 비행(이송)시 분사된 잉크 방울(액적)을 측정하기 위한 카메라 또는 센서의 위치 제어가 필요하지 않다.
그러나, 상기에서 언급한 바와 같이, 종래의 피에조 셀프 센싱 신호를 이용하는 방법도 높은 처리량의 인쇄 요구 사항을 충족시키기 위해 1024 개 이상의 노즐을 사용하는 잉크젯 프린팅 시스템에서는 한계가 있다. 더욱이, 다수의 헤드가 필요한 싱글 패스(single path) 프린터 등에는 수많은 노즐이 있는데 이러한 싱글 패스 프린터 등의 경우에는 노즐의 모니터링이 한층 더 어렵게 된다. 이러한 다수의 노즐을 모니터링 하는데 많은 시간이 소요되고 모니터링을 위해서 인쇄 프로세스를 중단해야 하는 문제가 있다.
따라서, 본 출원인은, 상기와 같이 문제를 해결하기 위해서, 헤드 및 노즐의 개수에 상관없이 모니터링 시간을 늘이지 않고 1~2초 이내의 짧은 시간에 1024개 이상의 노즐을 가지는 헤드 또는 다수의 헤드를 모니터링 할 수 있는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템에 대한 기술을 제안하게 되었다.
대한민국 등록특허 제10-1152631호 (등록일: 2012.05.29.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 동시에 다수개의 노즐을 모니터링 하는 병렬 센싱 방식을 적용한 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명은 잉크젯 프린팅 드라이버의 전체 크기를 늘리지 않고 기존 잉크젯 드라이버에도 통합하여 드라이버 자체에서 모니터링 기능을 사용할 수 있는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명은 유지 보수 계획을 통해 모든 노즐의 상태가 정상이 되는지 여부를 결정하는 데에도 사용할 수 있는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명은 수십 개의 헤드를 동시에 모니터링하고 1024 개 이상의 노즐을 스캐닝 하는데 1 초도 채 걸리지 않는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.
본 발명은 기존의 잉크젯 드라이버에도 범용적으로 적용할 수 있는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.
상기한 바와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 노즐을 구비한 적어도 하나의 헤드; 상기 다수의 노즐을 드라이브 하기 위해 상기 노즐의 수 보다 적은 적어도 2개의 독립적인 전압을 인가하는 드라이버를 사용하는 헤드 드라이버; 상기 노즐에서의 잉크 액적 분사를 제어하는 프린팅 제어부; 상기 노즐 중 분사되는 노즐 각각에 대해서 셀프 센싱 신호를 획득하여 상기 노즐을 스캐닝하는 셀프 센싱부; 및 상기 셀프 센싱부에서 획득한 셀프 센싱 신호를 저장하는 데이터 수집부;를 포함하며, 상기 노즐은 다수개의 노즐열에 배치된 다수개의 노즐로 형성되고, 상기 프린팅 제어부는 노즐 모듈 당 1개 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버 당 1개의 노즐이 반복적으로 동시에 분사되도록 상기 노즐에 분사 트리거를 인가하며, 상기 셀프 센싱부 및 상기 데이터 수집부는 상기 노즐 모듈 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버의 개수와 동일한 개수로 마련되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 제공한다.
상기 모니터링 시스템에 의해, 많은 노즐 및 많은 헤드를 빠른 시간 내에 모니터링 하는 병렬 스캐닝 시나리오를 적용할 수 있다.
상기 노즐에는 상기 분사 트리거가 복수개 만큼 반복적 또는 순차적으로 인가되어 상기 노즐을 반복 분사시키며, 동시에 분사되는 상기 노즐 각각에 인가되는 상기 분사 트리거의 개수는 동일하다.
상기 프린팅 제어부는, 상기 복수개의 분사 트리거가 상기 노즐에 인가된 후에 일정한 주파수로 상기 분사 트리거를 발생시키고, 상기 분사 트리거 사이의 시간 간격 동안 다른 미검출 노즐을 미리 정해진 순서에 따라서 상기 분사 트리거를 반복적 또는 순차적으로 인가할 때 생기는 상기 셀프 센싱 신호를 측정할수 있다.
상기 프린팅 제어부는, 상기 노즐이 분사되는 동안 상기 노즐 모듈의 나머지 노즐 또는 전기적으로 동일한 전압의 드라이버에 연결된 노즐들은 분사되지 않도록 제어할 수 있다.
상기 헤드 드라이버는 상기 다수개의 독립된 구동 전압을 인가하여 상기 노즐열 또는 상기 노즐 모듈을 구동하거나 분사시킬 수 있다.
상기 프린팅 제어부는 상기 분사 트리거의 신호 또는 데이터 수집 트리거의 신호에 대한 스캐닝 주파수를 설정하되, 상기 노즐 전체를 분사시키는데 필요한 시간에 따라 상기 스캐닝 주파수를 가변시키며, 상기 분사 트리거의 신호는 상기 스캐닝 주파수에서 내부적으로 생성될 수 있다.
상기 셀프 센싱부는, 상기 헤드 드라이버와 일체로 형성된 드라이버 통합 모듈의 형태로 제공되거나 상기 헤드 드라이버와 분리 형성된 외부 모듈의 형태로 제공될 수 있다.
상기 셀프 센싱부는, 상기 노즐로부터 셀프 센싱 신호를 획득하되, 상기 노즐 각각에 대해 상기 복수개의 분사 트리거의 개수와 동일한 횟수의 반복된 셀프 센싱 신호를 얻어 그 평균을 획득할 수 있다.
상기 셀프 센싱부는, 상기 셀프 센싱 신호로부터 상기 노즐의 상태를 결정하기 위해 상기 노즐 각각의 정상 분사 조건에서의 참조신호와 상기 노즐 각각의 상기 셀프 센싱 신호 사이의 코사인 값(Ck)을 이용하되, 상기 코사인 값은 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017049426951-pat00001
상기 [수학식 2]에서, Xk r은 노즐번호가 k인 노즐의 참조신호, Xk m은 노즐번호가 k인 노즐의 셀프 센싱 신호, 도트(ㆍ)는 벡터 내적을 나타낸다.
상기 셀프 센싱부는, 상기 노즐의 상태를 결정하기 위해서 [수학식 3]과 같이 표현되는 분산값(Vk)을 이용할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017049426951-pat00002
상기 [수학식 3]에서, N은 샘플링된 셀프 센싱 데이터의 수를 나타낸다.
상기 헤드 드라이버와 일체로 형성된 드라이버 통합 모듈의 형태 또는 상기 헤드 드라이버와 분리 형성된 외부 모듈의 형태의 데이터 측정을 위한 트리거 신호가 상기 분사 트리거와 일치하도록 연결될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은 병렬 센싱 방식을 적용함으로써 동시에 다수개의 노즐을 모니터링 할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은 잉크젯 프린팅 드라이버의 전체 크기를 늘리지 않고 기존 잉크젯 드라이버에도 통합하여 드라이버 자체에서 모니터링 기능을 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은 유지 보수 계획을 통해 모든 노즐의 상태가 정상이 되는지 여부를 결정하는 데에도 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은 수십 개의 헤드를 동시에 모니터링하고 1024 개 이상의 노즐을 스캐닝 하는데 1 초도 채 걸리지 않을 정도로 노즐의 모니터링 시간을 줄일 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은 기존의 잉크젯 드라이버에도 범용적으로 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 헤드에 형성된 노즐의 레이 아웃을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 따른 노즐에 인가되는 분사 트리거를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 헤드 드라이버의 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 헤드 드라이버의 변형예의 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5에 따른 헤드 드라이버와 헤드를 연결하는 커넥터를 도시한 도면이다.
도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템에 구현된 분사 모니터링 프로그램의 일례를 캡쳐한 화면이다.
도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 검증하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예들을 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명이 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면, 도 2는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 헤드에 형성된 노즐의 레이 아웃을 예시적으로 도시한 도면, 도 3은 도 2에 따른 노즐에 인가되는 분사 트리거를 도시한 도면, 도 4는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 헤드 드라이버의 구성을 도시한 도면, 도 5는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템의 헤드 드라이버의 변형예의 구성을 도시한 도면, 도 6은 도 5에 따른 헤드 드라이버와 헤드를 연결하는 커넥터를 도시한 도면, 도 7 내지 도 10은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템에 구현된 분사 모니터링 프로그램의 일례를 캡쳐한 화면, 도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템을 검증하기 위한 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은, 피에조 액츄에이터(piezo actuator)를 이용한 잉크젯 프린팅 시스템에 적용된다.
피에조 액츄에이터를 이용하여 노즐을 모니터링 하는 방법은 잉크의 토출 현상 중에서 잉크젯 헤드 내의 압력파의 거동을 피에조의 변형량으로부터 간접적으로 측정하고, 정상상태에서 노즐의 작동상태가 불량인 상태로 변하면 잉크의 압력파의 거동이 바뀌게 되므로 압력파 거동의 변화로부터 노즐의 불량 여부를 확인하는 방법이다.
즉, 피에조 잉크젯 헤드는 피에조를 전압으로 구동하여 변형량을 얻어내는 액츄에이터이다. 또한 피에조는 반대로 변형량이 존재하면 전하를 발생시켜 셀프 센싱(self-sensing)이 가능한 소자이다. 따라서 피에조에 흐르는 전류를 측정하면 피에조의 변형량의 계산이 가능하다.
이와 같이, 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)은 피에조 잉크젯 헤드를 사용하는 경우 노즐의 토출 상태를 모니터링 하는 시스템이다.
또한, 이하에서 설명하는 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)은, 피에조 잉크젯 헤드에 1,000개 이상의 노즐이 있는 경우 모든 노즐의 토출 상태를 신속하게 스캐닝하여 모니터링 할 수 있다. 여기서, 스캐닝이라는 것은 1,000개 이상의 모든 노즐을 처음부터 끝까지 순차적으로 분사시키고 그에 따른 셀프 센싱 신호를 분석하여 노즐의 이상 여부를 판단하는 일련의 과정을 의미한다. 이하에서도 동일하다.
도 1 내지 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)은, 다수의 노즐(n)을 구비한 적어도 하나의 헤드(111); 다수의 노즐(n)을 드라이브 하기 위해 노즐의 수 보다 적은 적어도 2개의 독립적인 전압을 인가하는 드라이버를 사용하는 헤드 드라이버(131); 노즐(n)에서의 잉크 액적 분사를 제어하는 프린팅 제어부(140); 노즐 중 분사되는 노즐 각각에 대해서 셀프 센싱 신호(self-sensing signal)를 획득하여 노즐을 스캐닝하는 셀프 센싱부(160) 및 셀프 센싱부(160)에서 획득한 셀프 센싱 신호를 저장하는 데이터 수집부(163);를 포함할 수 있다.
여기서, 헤드(111)는 피에조 잉크젯 헤드로서 다수개의 노즐 예를 들면, 1024개 이상의 노즐이 형성되는 단일 헤드 뿐만 아니라 2개 이상의 멀티 헤드를 포함한다. 따라서, 이하에서 "멀티 노즐"은 단일 헤드에 형성된 1024개 이상의 노즐 뿐만 아니라 2개 이상의 멀티 헤드에 형성된 1024개 이상의 노즐을 포함하는 의미이다. 이하에서는 이해를 돕기 위해 헤드(111)에 1024개의 노즐이 형성된 경우를 일례로 들어 설명한다. 또한, 이하에서 "셀프 센싱 신호"는 피에조 잉크젯 헤드(111)에서 추출한 피에조 셀프 센싱 신호를 의미한다.
프린팅 제어부(140)는 헤드 드라이버(131)는 헤드(111)에 구동 전압을 인가할 수 있고, 후술하는 셀프 센싱부(160)와 연동하여 셀프 센싱 신호를 획득하거나 분석할 수 있다.
셀프 센싱부(160)는 피에조 잉크젯 헤드(111)로부터 각 노즐에 대한 피에조 셀프 센싱 신호를 획득하고 이를 처리하는 부분이며, 전자 센싱 회로(electronic sensing circuits) 또는 센싱 모듈의 형태로 마련될 수 있다.
도 2는 헤드(111)에 1024개의 노즐이 형성된 경우, 이들 노즐의 레이 아웃을 도시한 도면이다. 도 2를 참조하면, 헤드(111)에 마련된 노즐(n)은 다수개의 노즐열(Row)에 배치된 다수개의 노즐(n)로 형성될 수 있다. 즉, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 헤드(111)에 형성된 1024개의 노즐(n)은 128개의 노즐이 배열된 노즐열이 8개 마련되어 있다. 즉, 128개의 노즐이 동일 선상에 배열되어 하나의 노즐열(Row)을 형성하고, 이러한 노즐열이 8개 마련되는 형태로 1024개의 노즐이 헤드(111)에 형성되어 있다.
한편, 구체적인 노즐의 레이 아웃(layout)은 헤드에 따라 달라질 수 있으나, 많은 개수의 노즐이 있는 헤드에는 통상적으로 복수개의 노즐열이 형성되어 있고, 각각의 노즐열 또는 복수개의 노즐을 구동하기 위해 독립적인 전압 인가를 할 수 있는 드라이버를 가진다.
여기서, 하나의 노즐열에서 각 노즐은 이웃하는 노즐과 일정한 간격을 두고 이격 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 동일한 노즐열에서 노즐 사이의 간격이 50 dpi일 때 각 노즐열 사이의 노즐 방향의 간격을 미세 조절하면 프린팅 방향의 해상도가 400 dpi가 되도록 할 수 있다.
또한, 상기 다수개의 노즐(n)은 다수개의 노즐열(Row) 또는 노즐 그룹을포함하는 다수개의 전기적으로 독립된 노즐 모듈(Nozzle module)로 구분 가능하다. 도 2의 (b)는 도 2의 (a)의 "A" 부분을 확대 도시한 도면으로서, "A" 부분에 속하는 노즐의 번호가 표시되어 있다. 예를 들어 도 2의 (b)의 경우에는, 번호 01과 02의 노즐은 X축 방향의 거리(간격)이 0.0635 mm이지만, 서로 동일한 노즐열에 있지 않다. 노즐열의 인접 노즐은 8 개의 수차를 가지며 그 중 거리는 0.0635 * 8 즉, 0.508 mm이다.
동일한 노즐열의 노즐은 단일 드라이버로부터 동일한 구동 전압을 공유하며, 8 개의 독립 구동 전압(즉, 8 개의 드라이버)이 1024 개의 노즐을 구동하거나 분사시키는데 사용될 수 있다. 드라이버 전자 장치에 대한 비용을 감소시키는 장점 때문에 많은 노즐 (예를 들어, 하나의 드라이버 당 128 개의 노즐)을 구동하기 위해 공유된 드라이버를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 헤드 드라이버(131)는 다수개의 독립된 구동 전압을 인가하여 노즐열 또는 노즐 모듈을 구동하거나 분사시킬 수 있다. 도 2에서는 본 발명의 한 예로서 1024개의 노즐 및 8열의 노즐열을 가지는 헤드에 대한 모니터링 시스템 및 방법을 설명한 것이며 본 발명의 구체적인 노즐 개수 및 노즐열의 개수 등 헤드의 레이 아웃이 도 2에 도시된 형태로 제한되는 것은 아니다.
도 2의 (b)를 참조하면, 하나의 노즐 모듈(nm)은 인접한 2개의 노즐열(nozzle row)을 포함하며, 하나의 헤드(111)에 4 개의 노즐 모듈(nm)이 있게 된다.
상기 프린팅 제어부(140)는 노즐 모듈(nm) 당 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버 당 1개의 노즐이 반복적으로 동시에 분사되도록 헤드 드라이버(131)의 노즐에 분사 트리거를 인가할 수 있다. 또한, 셀프 센싱부(160) 및 상기 데이터 수집부(163)는 노즐 모듈(nm) 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버의 개수와 동일한 개수로 마련될 수 있다. 여기서, 데이터 수집부(163)는 셀프 센싱부(160) 마다 마련되어 획득한 셀프 센싱 데이터를 저장할 수 있는 일종의 메모리이다.
여기서, 본 발명에 따른 모니터링 시스템(100)은 1024개 노즐을 가지는 4개 노즐 모듈(nm)을 모니터링하기 위해 4 개의 셀프 센싱 회로와 4 개의 데이터 수집부를 사용할 수 있다. 도 1을 참조하면, 셀프 센싱부(160)는 4개의 셀프 센싱 회로(161) 및 4개의 데이터 수집부(163)를 구비할 수 있다. 여기서, 데이터 수집부(163)는 데이터 수집 채널 또는 DAQ의 형태로도 제공될 수 있다.
본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)에서 중요한 것은 노즐, 노즐 모듈 및 헤드의 개수에 관계없이 전체 노즐을 빠르게 스캐닝하는 것이다. 본 발명에 따른 모니터링 시스템(100)은 전체 노즐의 스캐닝 시간을 줄이기 위해서 병렬 스캐닝 방법을 도입한다.
도 3에는 이러한 병렬 스캐닝 방법을 설명하기 위한 분사 트리거 신호가 도시되어 있다. 도 3을 참조하면, 노즐(n)에는 분사 트리거(TR)가 복수개 만큼 반복적 또는 순차적으로 인가되어 노즐(n)을 반복 분사시키며, 동시에 분사되는 노즐(n) 각각에 인가되는 분사 트리거(TR)의 개수는 동일하다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 노즐(n)에 대해 복수회의 평균화 (예를 들면, 3회의 평균화, Nave = 3) 방식을 사용할 수 있다. 다만, 평균화를 위해 분사 트리거(TR)를 반복하여 인가하는 회수는 3회에 한정되는 것은 아니다.
셀프 센싱부(160)는 셀프 센싱 신호의 평균화를 위해 각 노즐에 대해서 반복된 셀프 센싱 신호를 얻어야 하며, 이를 위해 각 노즐을 반복 분사시키게 된다. 이때, 각 분사 트리거는 데이터 수집 트리거에 사용해야 한다.
셀프 센싱부(160)는, 노즐로부터 셀프 센싱 신호를 획득하되, 노즐 각각에 대해 복수개의 분사 트리거의 개수와 동일한 횟수의 반복된 셀프 센싱 신호를 얻어 그 평균을 획득할 수 있다.
프린팅 제어부(140) 또는 셀프 센싱부(160)는, 특정 노즐을 모니터링하기 위해 하나의 노즐 모듈(nm) 당 하나의 노즐이 분사되거나 하나의 노즐에 대해 압력파가 발생되도록 제어하되 나머지 다른 노즐들에서는 분사가 일어나지 않도록 제어해야 한다. 만약 그렇지 않으면, 다른 노즐(즉, 분사 트리거가 인가되지 않은 노즐)의 신호가 셀프 센싱 신호에 나타나고 혼합 신호 때문에 특정 노즐의 분사 상태 감지가 불가능하게 될 수 있다.
본 발명에 따른 모니터링 시스템(100)은 스캐닝 목적을 위해 최대 4개의 노즐(n)을 동시에 분사시킬 수 있다. 도 3은 각 노즐 모듈(Module 1~4)에서 1개씩의 노즐이 분사되어 총 4개의 노즐을 동시에 분사함으로써 전체 노즐의 스캐닝 시간을 최소화할 수 있는 분사 스캐닝 시나리오를 보여준다.
보다 자세히 설명하면, 셀프 센싱 신호의 평균화를 위해서 각 노즐 모듈 당 1개의 노즐에 미리 정해진 주파수로 3개의 분사 트리거(TR)를 인가하는데, 처음에 인가되는 3개의 분사 트리거에 의해서 4개의 노즐 1,2,3,4가 동시에 분사된다. 이 때, 노즐 1,2,3,4를 제외한 다른 노즐들은 분사가 되지 않도록 OFF되어야 한다. 도 3을 참조하면, 노즐 모듈 1에서는 노즐 2, 노즐 모듈 2에서는 노즐 1, 노즐 모듈 3에서는 노즐 3, 노즐 모듈 4에서는 노즐 4가 분사된다.
노즐 1,2,3,4에 대해서 동시에 3개의 분사 트리거가 인가되는데, 노즐 1,2,3,4에 대해서 첫 번째 트리거, 두 번째 트리거, 세 번째 트리거가 인가되는 시점은 동일하다. 왜냐하면, 노즐 1,2,3,4가 동시에 분사되어야 하기 때문이다. 이러한 동시 병렬 분사는 검출 시간을 최소화하기 위한 병렬 센싱을 위함이다. 또한, 헤드가 2개 이상인 멀티 헤드도 마찬가지로 모든 헤드에 분사 트리거를 사용하여 멀티 헤드의 경우에도 동시에 스캐닝 하여 검출 시간을 최소화할 수 있다.
노즐 모듈 1에는 노즐 2, 6, 10, 14 등이 일렬로 배열되고, 노즐 모듈 1에는 노즐 1, 5, 9, 13 등이 일렬로 배열되고, 노즐 모듈 3에는 노즐 3, 7, 11, 15 등이 일렬로 배열되고, 노즐 모듈 4에는 노즐 4, 8, 12, 16 등이 일렬로 배열될 수 있다.
노즐 1,2,3,4가 동시에 분사된 후에는 각 노즐 모듈에서 그 다음에 위치하는 노즐 즉, 노즐 5,6,7,8이 동시에 분사된다. 이 때, 노즐 5,6,7,8에도 3개의 분사 트리거가 순차적 또는 반복적으로 인가된다.
모니터링을 위하여 각 모듈당 1개씩의 노즐을 동시에 분사하고 순차적으로 그 다음 노즐을 동시에 분사하여 스캐닝하는 병렬 분사 방식을 통하여 수 많은 노즐을 짧은 시간에 모니터링 하는 것이 가능하다. 이때, 실제 노즐에서 잉크가 제팅(분사)되어야 하는 것은 아니다. 모니터링 센싱을 위한 압력파의 거동만 측정하면 되므로 약한 전압을 인가하여 잉크가 실제로는 토출되지 않게 구동해도 되기 때문에 불필요한 제팅을 방지하면서도 노즐의 모니터링이 가능하다는 장점도 있다.
프린팅 제어부(140)는, 복수개의 분사 트리거(TR)가 노즐(여기서, 노즐은 분사 트리거가 인가되어 분사되는 분사 노즐을 의미함)에 인가된 후에는 노즐 모듈 마다 그 다음(즉, 분사 노즐 다음)에 위치하는 1개의 노즐에 동일한 개수의 분사 트리거를 반복적 또는 순차적으로 인가할 수 있다.
한편, 프린팅 제어부(140)는, 분사 노즐이 분사되는 동안 노즐 모듈의 나머지 노즐 또는 전기적으로 동일한 전압의 드라이버에 연결된 노즐들은 분사되지 않도록 제어할 수 있다.
이와 같이 각 노즐 모듈 당 1개씩의 노즐을 동시에 분사하고 다음의 노즐을 분사함으로써, 노즐에 인가되는 분사 트리거의 총 수를 줄일 수 있으며 총 1024개 노즐의 스캐닝 시간은 256개 노즐의 스캐닝 시간과 동일하게 될 수 있다.
1024개의 전체 노즐에 대해 요구되는 스캐닝 시간(Tscan)은 다음 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Tscan = (Nave * 256)/F
[수학식 1]에서 Nave 는 평균화 횟수이고, F는 스캐닝 주파수(Scanning Frequency)이다.
여기서, 스캐닝 주파수(F)는 스캐닝 과정 전체에 걸쳐 고정되어 있으며, 분사 트리거 사이의 시간 인터벌 동안 병렬 스캐닝 시나리오에 따라 전체 노즐을 스캐닝하도록 분사 노즐들이 다음의 노즐들로 전환될 수 있다. 예를 들어 도 3을 참조하면, 노즐 모듈 1(Module 1)에서 노즐 2에 3개의 분사 트리거(TR)가 인가된 후 3번째 분사 트리거와 4번째 분사 트리거 사이에 시간적 간격(인터벌)이 있고 이 시간 간격 동안 노즐 2에서 노즐 6으로 분사 노즐이 전환된다. 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)은 순차(병렬) 스캐닝 분사 방식을 사용하여 전체 노즐의 스캐닝에 소요되는 시간을 1초 정도로 줄일 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 병렬 스캐닝 분사 방식에 기반한 시나리오는 외부 또는 내부에서 생성된 분사 트리거에 따라 스캐닝 분사를 생성하는 프린팅 데이터 (비트맵)를 헤드 드라이버(131)에 업로드(up-load)함으로써 모든 프린팅 드라이버에서도 구현될 수 있다. 이런 측면에서 본 발명에 따른 병렬 스캐닝 분사 방식은 특정 패턴을 인쇄하는 비트맵 프린팅과 유사한 점이 있다.
여기서, 스캐닝을 위한 분사 트리거 신호는 피에조 잉크젯 프린팅 시스템(미도시)의 모션 스테이지의 엔코더에서 생성되는 것이 아니라, 프린팅 프로세스와 달리 설정 스캐닝 주파수(F)에서 내부적으로 생성될 수 있다.
전체 노즐을 빠르게 스캐닝하려면, 더 높은 스캐닝 주파수(F)를 사용하는 것이 바람직하다. 그러나, 데이터 수집 요구 사항으로 인해 스캐닝 주파수(F)의 크기가 제한될 수 있다. 예를 들어, 1MS/s의 샘플링 속도를 가지는 분사 트리거 신호 (데이터 수집 트리거) 당 100 개의 데이터 샘플 (Ndata = 100)이 요구된다. 데이터 수집 시간을 고려하면 스캐닝 주파수(F)는 10kHz보다 작아야 한다.
이와 같이, 프린팅 제어부(140)는 분사 트리거(TR)의 신호 또는 데이터 수집 트리거의 신호에 대한 스캐닝 주파수(F)를 설정하되, 노즐 전체를 분사시키는데 필요한 시간에 따라 스캐닝 주파수를 가변시키며, 분사 트리거(TR)의 신호는 스캐닝 주파수에서 내부적으로 생성될 수 있다.
한편, 스캐닝 주파수가 클 때, 다음 분사 트리거(TR)가 적용될 때까지 헤드(131) 내부에서 생성된 압력파가 완전히 감쇄되지 않을 수 있다. 따라서, 이전의 분사 트리거로부터 생성된 압력파가 완전히 감쇠되지 않는 경우에는 스캐닝 주파수에 따라 셀프 센싱 신호가 달라질 수 있지만, 본 발명에 따른 모니터링 방법은 정상 분사 조건에서의 신호(즉, 기준신호)와 모니터링 신호를 비교하는 방식으로 스캐닝 주파수를 통일시키면 이러한 점이 모니터링 결과에 영향을 주지 않게 된다.
예를 들면, 9 kHz의 스캐닝 주파수를 사용하는 경우, 평균화 횟수(Nave)는 [수학식 1]에서 정의된 총 스캐닝 시간(Tscan)에 영향을 미칠 수 있다. 만약, 평균화 횟수(Nave)가 줄어들면, 전기 노이즈의 존재로 인해 모니터링 결과가 정확하지 않을 수 있다. 트레이드 오프(trade-off) 관계를 고려해 볼 때, 평균화 횟수를 10회 (Nave = 10)를 사용하는 것이 바람직하다. 이 경우, 1024개 노즐을 스캐닝하기 위한 총 스캐닝 시간(Tscan)은 0.28 초이다. 스캐닝 프로세스 중에, 샘플링된 센싱 데이터는 순차적으로 각 노즐 모듈의 데이터 수집부(163) 즉, 메모리에 저장된다.
스캐닝 후 샘플링된 데이터의 수는 Nave * 1024 * Ndata 이다. 여기서, Nave = 10, Ndata = 100이다. 각 노즐의 반복된 셀프 센싱 데이터는 펌웨어에서 Nave 만큼 중복된 신호가 평균화되어 향후 분석을 위해 PC로 데이터 전송을 요구하는 총 데이터 수가 1024 * 100으로 줄어들 수 있다. 이것은 계산 속도를 빨리 하기 위한 방법으로서, 통신 속도가 충분히 빠르다면 PC에 데이터를 받아 들인 후에 평균화 과정을 수행해도 무방하다. 여기서, 초기 셀프 센싱 신호는 구동 신호의 영향을 받기 쉽기 때문에 100 개의 데이터(Ndata) 중 처음 10~40개의 데이터는 사용하지 않는 것이 바람직하다.
한편, 셀프 센싱 신호에 기반하여 노즐 분사 고장(실패)을 결정하기 위해, 각 노즐의 정상 분사 조건에서 측정된 참조 신호들(Xk r)을 모니터링 신호(즉, 셀프 센싱 신호, Xk m)와 비교하는 것이 필요하다. 여기서, 참조 신호들(Xk r)은 정상 분사 조건에서의 노즐 신호를 나타낸다. 참조 신호는 동일한 노즐열에 있는 모든 노즐의 셀프 센싱 신호를 평균함으로써 계산될 수 있다.
본 발명에 따른 모니터링 시스템(100)은 헤드용 8 개의 독립적인 헤드 드라이버(131)를 가지고 있기 때문에 8개의 서로 다른 참조 신호를 가지고 있다.
프린팅 제어부(140) 또는 셀프 센싱부(160)는 노즐 상태를 결정하기 위해 2가지의 다른 방법을 사용할 수 있다. 즉, 참조 신호와 셀프 센싱 신호의 코사인 값을 사용하거나, 분산 값을 사용할 수 있다.
우선, 셀프 센싱부(160)는, 셀프 센싱 신호로부터 노즐의 상태를 결정하기 위해 노즐 각각의 정상 분사 조건에서의 참조 신호(Xk r 즉, 기준신호)와 노즐 각각의 셀프 센싱 신호(Xk m) 사이의 코사인 값(Ck)을 이용하되, 상기 코사인 값은 [수학식 2]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112017049426951-pat00003
상기 [수학식 2]에서, Xk r은 노즐번호가 k인 노즐의 참조신호, Xk m은 노즐번호가 k인 노즐의 셀프 센싱 신호이다. 여기서, 참조 신호와 셀프 센싱 신호는 벡터(Vector)이기 때문에 도트(ㆍ)는 벡터 내적(두 벡터의 도트 합)을 나타낸다. 노즐이 1024개인 경우 k=1,2,3…….1024가 된다.
상기 참조신호는, 상기 드라이버에서 해당하는 모든 노즐 신호의 평균값을 해당하는 드라이버의 노즐의 참조신호를 사용하되, 적어도 70%의 노즐이 정상 분사 조건에 있을 때의 값을 사용할 수 있다.
상기 [수학식 2]를 사용하는 코사인 값(Ck)은 참조 신호(Xk r)에 대한 모니터링 신호(즉, 셀프 센싱 신호)에서의 위상 변화를 주로 검출한다. 예를 들어, 참조 신호(Xk r)에 대한 셀프 센싱 신호의 위상차가 0도이면, 코사인 값은 1이 된다. 그러나, 위상차가 증가해서 180도에 가까워지면, 코사인 값은 -1이 된다. [수학식 2]의 코사인 값은 신호의 주파수 변화 또한 검출할 수 있다. 2개의 비교 신호 즉, 참조 신호와 셀프 센싱 신호의 주파수가 동일하지 않으면, 코사인 값은 0에 가깝게 된다. 양 신호의 근접성에 따라 코사인 값이 -1에서 1로 쉽게 정규화 할 수 있기 때문에 코사인 값의 사용은 추가적인 이점이 있다.
또한, 코사인 값을 이용하는 방법은 압력 신호와 관련이 없는 전기 노이즈의 영향을 덜 받을 수 있다. 그러나, 신호의 크기에 영향을 미치는 노즐의 분사 고장(실패)은 신호의 위상을 변경하지 않고는 감지할 수 없다. 따라서, 모든 종류의 분사 고장(실패)을 감지하기 위해서는 코사인 값 외에 추가적인 방법을 사용해야 한다.
본 발명에 따른 모니터링 시스템(100)은 상기 추가적인 방법으로서, 분산값을 사용한다. 이를 위해, 셀프 센싱부(160)는, 노즐의 상태를 결정하기 위해서 [수학식 3]과 같이 표현되는 분산값(Vk)을 이용할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112017049426951-pat00004
상기 [수학식 3]에서, N은 샘플링된 셀프 센싱 데이터의 개수를 나타낸다. 여기서, 샘플링된 100개의 데이터(Ndata=100)중에서 처음 40개의 데이터를 제외한다고 가정하면 N=60이 사용된다.
셀프 센싱 신호의 작은 변화도 효과적으로 탐지된다는 것이 [수학식 3]을 사용하는 장점이 될 수 있지만, 모니터링 결과가 전기적 노이즈에 쉽게 영향을 받는다는 것은 [수학식 3]의 단점이 될 수 있다.
[수학식 2]와 [수학식 3]에서 2개의 다른 방법들은 각각의 장점이 있기 때문에, 모니터링 결과의 정확성은 2가지 방법의 결합에 의해서 개선될 수 있다. 여기서, 2가지 방법에 기반한 새로운 판단 기준은 [수학식 4]와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112017049426951-pat00005
[수학식 4]에서 Dk는 노즐의 점수, A1,A2,A3는 스케일 팩터이다. 모니터링된 신호는 참조 신호에 대한 근접성에 따라 [수학식 4]를 사용하여 점수를 부여할 수 있다. 여기서, 0에서 100까지 임계값의 범위를 설정함으로써, 임계 값보다 낮은 점수를 가지는 노즐은 유지 보수가 필요한 결함 노즐로 분류될 수 있다. 여기서, [수학식 4]는 2개의 다른 수학식을 결합하기 위한 하나의 예에 불과하고, 다른 형식의 결합 방식을 사용하여 두 수학식 즉, [수학식 2] 및 [수학식 3]의 장단점을 사용할 수도 있다.
Vk가 Ck에 비교하여 다른 특징을 가지기 때문에 각 기준(A1,A2,A3)의 스케일 팩터가 고려되어야 한다. 예를 들어, 0에 가까운 Vk의 더 작은 값은 정상적인 분사 상태를 나타내는 반면, 최대 1에 가까운 Ck의 더 큰 값이 정상 분사 상태를 나타낸다. 더 나은 조건을 위해 더 높은 값을 만들기 위해, Vk의 역함수를 고려할 수 있다. 또한, 0으로 나누어 지는 가능성을 피하기 위해, 하나의 상수값이 추가될 수 있다. A3의 스케일 팩터는 상수와 Vk 사이의 균형을 유지하기 위해 고려된다. 또한, 고장 정도를 쉽게 이해할 수 있도록 Vk의 최대값을 100으로 할 수 있도록 A1과 A2의 가중치를 고려할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)은, 셀프 센싱부(160)가 헤드 드라이버(131)와 일체로 형성된 드라이버 통합 모듈의 형태로 제공될 수도 있고, 헤드 드라이버(131)와 분리 형성된 외부 모듈의 형태로 제공될 수도 있다.
셀프 센싱부(160)가 헤드 드라이버(131)에 일체로 통합되는 경우에는, 헤드 드라이버(131)에 통합된 셀프 센싱부(160)를 쉽게 확장하여 여러 헤드를 동시에 모니터링 할 수 있다. 예를 들면, 예를 들어, 본 발명의 모니터링 시스템(100)에 따른 프린팅 제어부(140)는 8개의 헤드 드라이버 제어 모듈 슬롯을 설치할 수 있으며, 하나의 슬롯에는 헤드 드라이버용 소켓이 4개 있다. 결과적으로, 32 개의 헤드가 동시에 인쇄 및 모니터링 될 수 있다.
도 4는 셀프 센싱 기능이 있는 잉크젯 드라이버 구성의 개략도를 나타낸다. 도 4를 참조하면, 헤드(111)가 복수개(111a,111b) 구비되고, 이에 맞춰서 헤드 드라이버(131)도 복수개(131a,131b) 구비된다. 복수개의 헤드 드라이버(131)는 단일의 프린팅 제어부(140)에 연결된다. 이 때, 셀프 센싱부(160)는 셀프 센싱 모듈의 형태로 헤드 드라이버(131)에 통합될 수 있다. 즉, 셀프 센싱부(160)는 헤드 드라이버(131)에 일체로 형성될 수 있다. 셀프 센싱부(160)에서 획득한 셀프 센싱 신호 등은 프린팅 제어부(140)에서 처리 또는 판단되고, 그에 따른 노즐의 상태에 대한 정보가 컴퓨터(PC 또는 외부의 데이터 저장장치, 150)로 전송된다.
도 4에 도시된 경우와 같이, 셀프 센싱부(160)가 헤드 드라이버(131)와 일체로 통합 형성된 경우, 이는 대부분의 잉크젯 어플리케이션에 바람직한 노즐 모니터링 모듈을 위한 제로 폼 팩터(zero form factor)를 가지게 된다.
도 5에는 기존의 헤드 드라이버에 본 발명에 따른 셀프 센싱부를 적용할 수 있도록, 셀프 센싱부가 탑재된 외부 모듈 형태로 제공되는 헤드 드라이버 등이 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 모니터링 시스템(100)은, 복수개의 헤드(111), 복수개의 헤드 드라이버(131), 헤드(111)와 헤드 드라이버(131) 사이에 마련되어 이 둘을 서로 연결하는 커넥터(121), 커넥터(121) 및 프린팅 제어부(140)와 연결되는 외부 모듈(171), 외부 모듈(171)과 연결되는 라우터(180)를 포함할 수 있다.
여기서, 헤드(111), 커넥터(121), 헤드 드라이버(131), 외부 모듈(171)은 서로 동일한 개수로 마련되는 것이 바람직하다. 도 4에 도시된 경우와 달리 도 5에 도시된 시스템은 헤드 드라이버(131)에 셀프 센싱부가 통합된 것이 아니라, 헤드 드라이버(131)와 별도로 마련되는 외부 모듈(171)이 셀프 센싱부의 역할을 할 수 있다.
셀프 센싱부의 기능을 가지는 외부 모듈(171)을 헤드 드라이버(131)에 연결하는 경우의 시스템이 헤드 드라이버에 셀프 센싱부가 통합된 시스템 보다 구성이 복잡하게 될 수 있다.
셀프 센싱 기능을 가지는 외부 모듈(171)을 사용하는 모니터링 시스템(100)은 모니터링 해야 하는 헤드의 개수가 증가하면 시스템의 부피가 커질 수 있다. 또한, 많은 헤드를 모니터링 할 경우에는 외부 케이블을 사용해야 하는 번거로움이 있을 수 있다. 예를 들어, PC 통신용 케이블, 구동 신호에 액세스하는 전기 케이블 그리고, 분사 및 데이터 수집 동기화를 위한 트리거 케이블 등이 필요할 수 있다. 게다가, 케이블의 길이가 너무 길어지면, 케이블의 취급 어려움 뿐만 아니라 전기적 노이즈가 발생할 수 있다. 반면에, 다양한 외부 드라이버(3rd party driver)가 상용화되어 적용이 가능하기 때문에 보다 넓은 사용처를 가질 수 있다는 장점이 있다.
한편, 셀프 센싱 기능을 가지는 외부 모듈(171)은 수십 개의 프린트 헤드를 동시에 모니터할 수 있도록 해 준다. 이를 위한 하나의 예로서, 외부 모듈(171)은 컴퓨터(150)와의 이더넷(Ethernet) 연결이 가능하며 각각의 외부 모듈(171a,171b)은 99개의 헤드를 동시에 모니터링 하고 어드레스할 수 있도록 로터리 딥 스위치(rotary dip switch)를 통해 자체 IP 주소를 가질 수 있다. 이러한 자체 IP 주소를 가짐으로써 라우터(180)를 통해 컴퓨터(150)와 이더넷 연결이 가능하다.
도 6에는 헤드(111)와 헤드 드라이버(131) 사이에 마련되어 양자를 연결하는 커넥터(121)가 도시되어 있다. 헤드(111)에는 모든 외부의 전기적 연결이 이루어지는 60핀 커넥터의 전기적 인터페이스가 있다. 커넥터(121)는 헤드(111)의 윗면과 연결될 수 있다. 헤드(111)의 커넥터로부터의 구동신호(driving signal)에 쉽게 접근하기 위해 도 5에 도시된 바와 같이 헤드 드라이버(131)와 헤드(111) 사이에 쉽게 삽입할 수 있는 추가 케이블 커넥터(121)가 마련될 수 있다. 추가 케이블 커넥터(121)를 통해서 기존의 드라이버 신호를 그대로 헤드 구동에 사용하면서 동시에 별도의 모니터링 모듈에서 쉽게 셀프 센싱을 위한 신호를 측정하는 것이 가능하다.
도 6에 도시된 바와 같이, 커넥터(121)는 드라이버(131)가 연결되는 하나의 케이블 입력 포트(123)와, 헤드(111) 및 셀프 센싱을 위한 외부 모듈(171)에 연결되는 2개의 케이블 출력 포트(122,124)를 가지고 있다.
커넥터(121)의 헤드(111)의 케이블 출력 포트(122)는 드라이버(131)로부터의 입력 포트(123)와 동일한 커넥터 핀 레이 아웃을 가지기 때문에 드라이버(131)로부터의 원래 신호는 변경되지 않는다. 이렇기 때문에, 프린트 헤드(111)의 구동 신호를 방해하지 않고 셀프 센싱 신호를 얻기 위해 구동신호에 액세스할 수 있다.
셀프 센싱부(160)는 노즐의 셀프 센싱 신호를 노즐 모듈 각각의 상기 데이터 수집부(163)에 저장할 수 있다.
한편, 도 7 내지 도 10에는 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템에 구현된 분사 모니터링 프로그램의 일례를 캡쳐한 화면이 도시되어 있다. 본 출원인은 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 실시간 모니터링 소프트웨어(컴퓨터 프로그램)를 개발하였으며, 그 컴퓨터 프로그램이 구현된 화면의 일례가 도 7 내지 도 10에 도시되어 있다. 개발된 컴퓨터 프로그램은 측정된 셀프 센싱 신호를 기반으로 현재 노즐 상태를 표시하고 업데이트 할 수 있는 분사 모니터링 프로그램이다.
참고로, 도 7 내지 도 10에 도시되어 있는 화면은, 셀프 센싱부(160)가 헤드 드라이버(131)에 통합되어 있는 형태의 내부 모듈을 구비한 모니터링 시스템(100)에 구현되는 프로그램의 화면이다.
도 7은 실시간 노즐 모니터링 전에 셀프 센싱을 위한 파라미터 설정을 조정하는 프로그램이 구현된 화면을 보여준다. 분사 검증을 위해, 특정 노즐의 분사 이미지를 보여 주기 위해 도 7의 ①과 같은 이미지 디스플레이를 사용한다. 잉크 액적 드롭의 시각화를 위해 도 7의 ⑦은 분사 주파수와 스트로브 LED 조명을 제어하기 위한 메뉴를 보여준다.
도 7의 ③은 구동 전압을 위한 파형 편집기를 보여준다. 파형 편집기를 통해서 분사 전압 및 센싱 전압에 대해 2개의 다른 전압을 설정할 수 있다. 예를 들어, 분사를 위해 85V를 사용하며, 분사성(jettability)을 검증하기 위해 스트로브 LED 조명에 의해 분사 이미지가 측정될 수 있다. 그러나, 셀프 센싱 신호에 기반한 노즐 상태 스캐닝의 경우, 분사를 생성하지 않도록 50V 보다 더 낮은 전압을 사용할 수 있다. 셀프 센싱 신호에 기반한 잘못된 노즐 모니터링은 잉크의 압력파의 번식(전파)을 기반으로 하고 실제 분사는 필요하지 않다. 따라서, 본 발명에 따른 모니터링 시스템 및 방법은, 모니터링 프로세스 동안 기판을 오염시키지 않기 때문에 모니터링 목적을 위해 비분사(non-jetting) 저전압을 사용하는 것이 장점 중 하나이다.
초기 스캐닝에서, 현재 센싱 신호 데이터에 기초한 참조 신호(평균 신호)를 계산할 수 있고, 노즐 상태를 결정하기 위해 각 노즐은 참조 신호와 비교된다. 참조 신호를 사용함으로써, 도 7의 ⑥에 도시된 바와 같은 불리언 표시자(Boolean Indicator)로써 각각의 노즐 상태가 결정되고 보여질 수 있다. 여기서, 프로그램의 스페이스 제한 때문에 256 개의 노즐 중 선택된 하나의 노즐 모듈에 대한 결과들만이 도 7의 ⑤ 및 ⑥과 같이 보여 진다. 초기 조건은 양호해야 하고, 합리적으로 좋은 참조 신호를 얻기 위해 70% 이상의 노즐을 양호한 상태로 유지하는 것이 바람직하다. 만약 30% 이상의 노즐이 양호한 상태가 아니라면, 대부분의 노즐이 분사 가능한 상태가 될 때까지 적절한 유지 보수 계획을 수행해야 한다.
도 7의 ④는 그래프 상에서 두 개의 신호를 중첩함으로써 셀프 센싱 신호와 참조 신호를 비교한 것이다. ④에 도시된 센싱 신호는 10회에 대해서 평균한 데이터이고 가능한 전기적 노이즈를 제거하기 위해 디지털 필터링된다. 구동 전압에 의해 영향을 받을 수 있는 처음 40개의 데이터는 사용하지 않고 비교를 위해 100개의 데이터 중 60개의 데이터를 사용한다.
모니터링된 신호는 참조 신호에 대한 근접성에 따라 [수학식 4]를 사용하여 점수를 부여할 수 있다. 각 노즐의 점수(Dk)는 도 7의 ⑤와 같이 플롯될 수 있다. 0에서 100까지 임계값의 범위를 설정함으로써, 임계 값보다 낮은 점수를 가지는 노즐은 유지 보수가 필요한 결함 노즐로 분류될 수 있다.
파라미터의 초기 설정 후, 프린팅하는 동안 실시간 모니터링이 필요하다. 도 8 내지 도 10은 실시간 모니터링을 위한 프로그램이 구현된 화면을 보여준다. 여기서, 센싱 결과는 설정된 센싱 간격에 맞춰 정기적(규칙적)으로 업데이트될 수 있다. 예를 들어, 센싱 간격을 3초로 설정하면, 모든 노즐의 모니터링 결과가 매 3초 마다 업데이트된다.
실제 프린팅 시스템에서는, 짧은 비인쇄 유휴 시간 동안 모니터링을 수행해야 하므로 모니터링으로 인한 인쇄 프로세스의 중단을 최소화할 수 있다. 어떤 노즐에 문제가 있는지 한 눈에 파악하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 헤드(111)의 노즐 레이 아웃은 도 8의 ②에 도시된 바와 같이 노즐 상태를 나타내기 위해 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 결함이 있는 노즐의 위치는 노즐을 빨간색 "x"로 표시하고, 정상 노즐은 녹색 "ㆍ"으로 표시하여 쉽게 알 수 있다.
모니터링 결과의 검증을 위해, 도 8의 ②의 노즐 위치는 도 8의 ①에 보이는 이미지 디스플레이에 분사 이미지를 보여주기 위해 마우스로 선택될 수 있다. 모니터링된 신호와 참조 신호를 비교하기 위해, 도 8의 ④와 같이 선택된 노즐의 셀프 센싱 신호를 그래프에 표시할 수 있다.
다른 분사 실패 사례 중에서, 1) 헤드에서 잉크를 배출함으로써 잉크젯 헤드 내부에 잉크가 없는 경우, 2) 노즐 표면 막히는 경우와 같이 2가지 다른 잉크젯 오작동 사례를 테스트하였다.
오작동을 더 잘 이해하기 위해, 도 8의 ⑤과 같은 2가지 비정상적인 원인의 두 가지 경우에 대해 비디오를 촬영하고, 도 8의 ②와 같이 노즐 상태와 비교한다.
도 8의 ②는 헤드에서 잉크가 제거되었을 때 모니터링되는 분사 상태를 보여준다. 도 8의 ②에 도시된 바와 같이, 노즐의 대부분은 노즐 맵에서 빨간색 "x"로 표시된 것처럼 비 분사 조건이 되었다. 헤드에는 잉크 순환 기능이 있는 유체 공급 시스템(미도시)이 있다. 이 순환을 통해, 일부 노즐은 잉크 순환 중에 정상 상태로 돌아갈 수 있다.
실시간 모니터링을 수행함으로써, 채널을 통해 잉크가 순환하는 동안 분사 상태 복구의 전체 과정을 관찰할 수 있다. 도 9는 재순환이 수 초 후에 모니터링 된 분사 상태를 보여주고, 절반 이상의 노즐이 회복됨을 보여준다.
한편, 모니터링 결과를 확인하기 위해, 도 9의 ①에 표현된 노즐은 선택된 노즐의 분사 이미지를 보여주기 위한 마우스 클릭에 의해 선택될 수 있다. 이 방법으로, 모니터링 된 결과를 확인할 수 있다.
잉크를 공급하는 유체 시스템과 관련하여 실시간 모니터링에 대한 더 나은 이해를 위해, 모든 노즐이 재순환만을 사용하여 회수되는 것은 아니며, 잉크젯 채널에 잉크를 채우기 위해 강력한 퍼지(purge)와 같은 유지 보수 계획이 필요할 수도 있다. 모니터링된 신호는 유지 보수 후에 모든 노즐이 정상 분사 상태로 되돌아가는 지 확인하는 데에도 사용할 수 있다.
분사 고장 검출의 또 다른 예로서, 도 10의 ①에 도시된 바와 같이 Y 방향으로 헤드를 막기 위해 손가락으로 노즐을 막았다. 실험 결과는 노즐 막힘과 위치를 실시간으로 확인할 수 있음을 보여준다. 실험 결과는 비분사 노즐의 대부분이 노즐 표면에서 손가락을 제거한 후에 정상 상태가 된다는 것을 보여준다.
한편, 도 11은 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템(100)의 모니터링 기능을 확인하기 위한 검증 시스템(200)을 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 모니터링 시스템(100)의 헤드(111)에는 8개의 노즐열이 있고 각 노즐열에는 128개의 노즐이 있다. 따라서, 검증 시스템(200)의 카메라(193)의 초점은 헤드(111) 쪽으로 이동(Y 방향)해야 할 뿐만 아니라 잉크젯 헤드(111)의 특정 노즐을 획득하기 위해 X 방향으로도 이동해야 한다. 이를 위해, 헤드(111)의 다른 노즐열에 있는 노즐을 모니터링 하는 Y 방향에 위치하는 카메라(193) 위치를 제어하기 위해 모터로 구동되는 스테이지(미도시)를 사용할 수 있다.
반면에, X 방향에 있는 노즐(동일한 노즐열에 있는 노즐들)을 위치시키기 위해 선형 X 방향 스테이지가 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 헤드(111)의 모든 노즐 위치로부터의 분사는 X 방향뿐만 아니라 Y 방향으로 모니터링 될 수 있다.
도 11에서 미설명 도면부호 191은 DAQ, 192는 LED 드라이버, 194는 LED이다.
헤드(111)의 모든 노즐에는 순서대로 번호가 부여되고, 각 노즐열은 8개의 증분을 가지며, 연속적인 번호를 가지는 노즐은 다른 노즐열에 위치한다(도 2 참조). 특정 노즐의 분사 이미지를 얻기 위해, 모터 구동 스테이지(미도시)의 위치 제어를 위해 각 노즐의 위치를 계산하여 미리 컴퓨터(150)에 저장해야 한다.
도 11에 도시된 검증 시스템(200)은, 상기에서 설명한 2가지 타입의 셀프 센싱 모듈 즉, 헤드 드라이버에 셀프 센싱부가 일체로 형성된 통합 모듈 및 헤드 드라이버와 별도로 마련되어 셀프 센싱 외부 모듈을 모두 검증하기 위해, 2개의 모듈이 도 11과 같이 연결되어 2가지 모듈을 모두 테스트 할 수 있다. 이러한 구성으로, 2가지 모듈 중 어느 하나 또는 두 모듈로부터의 셀프 센싱 신호를 측정하여 비교할 수 있다. 본 출원인은 2가지 모듈의 비교를 통해, 2가지 모듈 모두에 대해 셀프 센싱 신호가 동일하게 측정될 수 있음을 확인했다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은, 1024개 이상의 많은 노즐을 가지는 상용화된 헤드를 모니터링할 수 있으며, 전체 노즐의 스캐닝 시간을 최소화하기 위해 병렬 센싱 계획(parallel sensing scheme)을 사용하는 셀프 센싱 모듈을 이용한다. 이 모듈은 수십 개의 헤드를 동시에 모니터링하고 1024개 이상의 많은 노즐을 스캐닝 하는데 1 초도 채 걸리지 않으며, 획득된 센싱 데이터로부터 견고한 모니터링 결과를 얻을 수 있도록 노즐 상태를 결정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템은 헤드(111)가 여러 개 있는 경우 즉, 멀티 헤드를 구비한 잉크젯 프린팅 시스템에도 적용될 수 있다. 멀티 헤드를 구비한 경우에도 각 헤드 별로 병렬 분사 시나리오를 적용함으로써, 전체 노즐의 모니터링 시간이 단일 헤드의 모니터링 시간과 차이가 나지 않을 정도로 모니터링 시간을 줄일 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 일실시예에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 청구범위뿐 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
100: 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템
111: 헤드
121: 커넥터
131: 헤드 드라이버
140: 프린팅 제어부
150: 컴퓨터
160: 셀프 센싱부
171: 외부 모듈

Claims (11)

  1. 다수의 노즐을 구비한 적어도 하나의 헤드;
    상기 다수의 노즐을 드라이브 하기 위해 상기 노즐의 수 보다 적은 적어도 2개의 독립적인 전압을 인가하는 드라이버를 사용하는 헤드 드라이버;
    상기 노즐에서의 잉크 액적 분사를 제어하는 프린팅 제어부;
    상기 노즐 중 분사되는 노즐 각각에 대해서 셀프 센싱 신호를 획득하여 상기 노즐을 스캐닝하는 셀프 센싱부; 및
    상기 셀프 센싱부에서 획득한 셀프 센싱 신호를 저장하는 데이터 수집부;를 포함하며,
    상기 노즐은 다수개의 노즐이 동일 선상에 배열된 노즐열을 다수개 포함하되 전기적으로 독립된 다수개의 노즐 모듈로 구분되고,
    상기 프린팅 제어부는 상기 노즐 모듈 당 1개 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버 당 1개의 노즐이 반복적으로 동시에 분사되도록 상기 노즐에 분사 트리거를 인가하며,
    상기 셀프 센싱부 및 상기 데이터 수집부는 상기 노즐 모듈 또는 상기 독립적인 전압을 발생시키는 드라이버의 개수와 동일한 개수로 마련되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 노즐에는 상기 분사 트리거가 복수개 만큼 반복적 또는 순차적으로 인가되어 상기 노즐을 반복 분사시키며, 동시에 분사되는 상기 노즐 각각에 인가되는 상기 분사 트리거의 개수는 동일한, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 프린팅 제어부는, 상기 노즐이 분사되는 동안 상기 노즐 모듈의 나머지 노즐 또는 전기적으로 동일한 전압의 드라이버에 연결된 노즐들은 분사되지 않도록 제어하는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 헤드 드라이버는 상기 다수개의 독립된 구동 전압을 인가하여 상기 노즐열 또는 상기 노즐 모듈을 구동하거나 분사시키는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  6. 제2항, 제4항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프린팅 제어부는 상기 분사 트리거의 신호 또는 데이터 수집 트리거의 신호에 대한 스캐닝 주파수를 설정하되, 상기 노즐 전체를 분사시키는데 필요한 시간에 따라 상기 스캐닝 주파수를 가변시키며,
    상기 분사 트리거의 신호는 상기 스캐닝 주파수에서 내부적으로 생성되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 셀프 센싱부는,
    상기 헤드 드라이버와 일체로 형성된 드라이버 통합 모듈의 형태로 제공되거나 상기 헤드 드라이버와 분리 형성된 외부 모듈의 형태로 제공되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 셀프 센싱부는,
    상기 노즐로부터 셀프 센싱 신호를 획득하되, 상기 노즐 각각에 대해 상기 복수개의 분사 트리거의 개수와 동일한 횟수의 반복된 셀프 센싱 신호를 얻어 그 평균을 획득하는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 셀프 센싱부는,
    상기 셀프 센싱 신호로부터 상기 노즐의 상태를 결정하기 위해 상기 노즐 각각의 정상 분사 조건에서의 참조신호와 상기 노즐 각각의 상기 셀프 센싱 신호 사이의 코사인 값(Ck)을 이용하되, 상기 코사인 값은 [수학식 2]와 같이 표현되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
    [수학식 2]
    Figure 112017049426951-pat00006

    상기 [수학식 2]에서, Xk r은 노즐번호가 k인 노즐의 참조신호, Xk m은 노즐번호가 k인 노즐의 셀프 센싱 신호, 도트(ㆍ)는 벡터 내적을 나타낸다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 셀프 센싱부는,
    상기 노즐의 상태를 결정하기 위해서 [수학식 3]과 같이 표현되는 분산값(Vk)을 이용하는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
    [수학식 3]
    Figure 112017049426951-pat00007

    상기 [수학식 3]에서, N은 샘플링된 셀프 센싱 데이터의 수를 나타낸다.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 헤드 드라이버와 일체로 형성된 드라이버 통합 모듈의 형태 또는 상기 헤드 드라이버와 분리 형성된 외부 모듈의 형태의 데이터 측정을 위한 트리거 신호가 상기 분사 트리거와 일치하도록 연결되는, 잉크젯 프린팅 멀티 노즐 모니터링 시스템.
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