具有传感器板阻抗测量的打印头的制作方法

文档序号:10578550
具有传感器板阻抗测量的打印头的制作方法
【专利摘要】在实施方式中,打印头包括喷嘴和流体通道。传感器板位于流体通道内。阻抗测量电路耦合到传感器板以在移动流体经过传感器板的流体移动事件期间测量通道内的流体的阻抗。
【专利说明】
具有传感器板阻抗测量的打印头
【背景技术】
[0001]由于很多原因,对各种类型的喷墨打印机的油墨供应储液器中的准确的油墨水平感测是合乎需要的。例如,感测油墨的正确水平并提供在流体盒中留下的油墨的数量的相对应的指示,允许打印机用户准备更换耗尽的油墨盒。准确的油墨水平指示还帮助避免浪费油墨,因为不准确的油墨水平指示常常导致仍然包含油墨的油墨盒的过早更换。另外,打印系统可以使用油墨水平感测来触发帮助防止可能由不足的供应水平产生的低质量打印的某些动作。
[0002]虽然存在可用于确定储液器或流体室中的流体的水平的多种技术,与它们的准确度和成本有关的各种挑战依然存在。
【附图说明】
[0003]现在参考附图通过示例的方式来描述当前的实施例,在附图中:
[0004]图1示出了适合于实施流体喷射设备的喷墨打印系统的示例,所述流体喷射设备具有测量传感器板的阻抗的流体水平传感器;
[0005]图2示出了示例性TIJ打印头的一端的底视图,所述TIJ打印头具有形成在硅管芯基板中的单个流体槽;
[0006]图3示出了示例性液滴发生器的截面视图;
[0007]图4示出了当油墨在流体移动事件期间在传感器板之上缩回时的不同阶段中的示例性MEMS结构的局部顶视图和侧视图;
[0008]图5示出了示例性阻抗测量/传感器电路的高水平方框图;
[0009]图6示出了示例性阻抗测量/传感器电路的高水平方框图,所述阻抗测量/传感器电路具有用于引起穿过传感器板的电流的电压源;
[0010]图7示出了示例性阻抗测量/传感器电路的高水平方框图,所述阻抗测量/传感器电路具有用于引起传感器板两端的电压的电流源;
[0011 ]图8示出了作为黑盒元件的油墨水平传感器的示例;
[0012]图9示出了在输入刺激的范围内的干响应曲线、湿响应曲线、以及差异曲线的示例;
[0013]图10示出了弱干响应曲线、弱湿响应曲线、以及弱差异曲线的示例;
[0014]图11示出了影响弱湿响应曲线和弱干响应曲线的过程和环境变化的示例;
[0015]图12涵盖来自图11的湿-干差异信号并示出了刺激与差异的关系曲线,其示出了由过程和环境引起的变化的示例;
[0016]图13示出了基于响应而非刺激的差异信号曲线的示例。
【具体实施方式】
[0017]
[0018]如以上所提到的,存在可用于确定储液器或流体室中的流体的水平的多种技术。例如,棱镜用于反射或折射油墨盒内的光束以产生电气和/或用户可见的油墨水平指示。背压指示器是用于确定储液器中的流体水平的另一种方式。一些打印系统对从喷墨打印盒喷射的液滴的数量进行计数以作为确定油墨水平的方式。又一些其它技术使用流体的导电性作为打印系统中的水平指示器。然而,关于提高流体水平感测系统和技术的准确度和成本的挑战依然存在。
[0019]本文中所讨论的示例性打印头提供了提高现有的油墨水平感测技术的流体/油墨水平传感器。打印头流体/油墨水平传感器通常并入打印头MEMS结构的一个或多个流体元件和阻抗测量/传感器电路。MEMS结构的流体元件包括充当一种类型的测试室的流体通道。流体通道具有与油墨储液器中的油墨的可用性相对应的油墨水平。电路包括位于通道内的一个或多个传感器(即,传感器板),并且电路通过测量从传感器板到地面回路的通道中的油墨的阻抗来测量在通道中的油墨的水平或存在。因为油墨的阻抗比空气的阻抗低得多,所以阻抗测量电路检测油墨是否不再与传感器接触。阻抗测量电路还检测残留油墨的小型薄膜是否保留在传感器上。当残留的薄膜的横截面减小时,阻抗升高。偏置算法在打印系统上执行以在最佳操作点处对电路进行偏置。对电路进行偏置时的操作点实现了干油墨条件(即,无油墨存在)与湿油墨条件(即,油墨存在)之间的最大输出差异信号。不同的流体移动事件(例如,来自打印头喷嘴的油墨液滴的喷射/发射和用油墨装填打印头)将背压施加在流体室内的油墨上。背压使油墨从喷嘴缩回并且可以将其通过传感器板之上的通道拉回,从而使板暴露于空气并且引起板阻抗中的可测量的变化。阻抗测量/传感器电路可以被实施为例如引起穿过板的可测量的电流的受控电压源或受控电流源,所述受控电流源的电流引起板两端的电压响应。
[0020]当在阻抗测量电路内实施受控电压源时,通过感测电阻器测量所引起的穿过传感器板的电流以提供板是湿的(即,指示油墨存在于流体通道中)还是干的(即,指示空气存在于流体通道中)的指示。偏置算法执行以在最佳点处对电压源进行偏置,所述最佳点引起在弱信号条件下的湿板与干板条件之间的、穿过传感器板(和感测电阻器)的最大差异电流响应。当实施阻抗测量电路内的受控电流源时,在板两端引起的电压提供了板是湿的还是干的的类似指示。偏置算法执行以在最佳点处对电流源进行偏置,在该最佳点处,供应到传感器板的电流的量引起在弱信号条件下的湿板与干板条件之间的、板两端的最大差异电压响应。
[0021]所公开的打印头和阻抗测量/感测电路实现了具有优点的流体水平传感器,所述优点包括对来自MEMS结构(例如,流体通道和油墨室)中留下的残渣的污染物的高耐受性。对污染物的高耐受性帮助提供介于湿条件与干条件之间的准确的流体水平指示。流体水平传感器的成本也由于对电路和MEMS结构的使用而受到控制,所述MEMS结构放置在现有的热喷墨打印头上。阻抗测量/感测电路的尺寸使得它可以被放置在几个喷墨喷嘴的空间中。
[0022]在一个示例中,打印头包括喷嘴、流体通道、以及位于流体通道内的传感器板。打印头还包括阻抗测量电路,所述阻抗测量电路耦合到传感器板以在移动流体经过传感器板的流体移动事件期间测量通道内的流体的阻抗。
[0023]在另一个示例中,打印头包括将喷嘴与流体供应槽流体地耦合的流体通道。集成在打印头上的阻抗测量电路包括位于通道内的传感器板和引起穿过传感器板和感测电阻器的电流的受控电压源。在阻抗测量电路中的采样和保持放大器测量并保持在流体移动事件(例如,油墨液滴喷射或油墨装填事件)期间所引起的穿过感测电阻器的电流值的值。
[0024]说明性实施例
[0025]图1示出了适合于实施流体喷射设备的喷墨打印系统100的示例,所述流体喷射设备具有测量传感器板的阻抗的流体水平传感器。在这个示例中,流体喷射设备被公开为喷墨打印头114。喷墨打印系统100包括喷墨打印头组件102、油墨供应组件104、安装组件106、介质传输组件108、电子打印机控制器110、以及向喷墨打印系统100的各种电气部件提供功率的至少一个电源112。喷墨打印头组件102包括至少一个流体喷射组件114(打印头114),流体喷射组件114穿过多个孔口或喷嘴116朝打印介质118喷射油墨液滴,以便打印到打印介质118上。打印介质118可以是任何类型的适当薄片或卷材料,例如纸、卡片材料、透明物、聚酯、夹板、泡沫板、纤维、帆布等。喷嘴116典型地布置在一个或多个列或阵列中,以使得当喷墨打印头组件102和打印介质118相对于彼此移动时,来自喷嘴116的油墨的正确排序的喷射使字符、符号、和/或其它图形或图像被打印在打印介质118上。
[0026]油墨供应组件104将流体油墨供应到打印头组件102并且包括用于存储油墨的储液器120。油墨从储液器120流到喷墨打印头组件102。油墨供应组件104和喷墨打印头组件102可以形成单向油墨输送系统或再循环油墨输送系统。在单向油墨输送系统中,供应到喷墨打印头组件102的大体上所有油墨都在打印期间被消耗。然而在再循环油墨输送系统中,供应到喷墨打印头组件102的仅一部分在打印期间被消耗。在打印期间未被消耗的油墨返回到油墨供应组件104。
[0027]在一些示例中,油墨供应组件104经由界面连接(例如,供应管)在正压力下通过油墨调节组件105(例如,用于油墨过滤、预加热、压力波动吸收、排气)将油墨供应到喷墨打印头组件102。因此,油墨供应组件104还可以包括一个或多个栗和压力调节器(未示出)。油墨在负压力下从打印头组件102被抽取到油墨供应组件104。对打印头组件102的入口与出口之间的压力差进行选择以实现喷嘴116处的正确背压,并且所述压力差通常是介于H20的近似负I”与近似负10”之间的负压力。然而,当油墨供应源(例如,在储液器120中)接近其使用期限的末尾时,在打印(即,油墨液滴喷射)或装填操作期间施加的背压增加。所增加的背压足够强以使得油墨液面远离喷嘴116缩回,并且使其穿过MEMS结构的流体通道移回。打印头114上的油墨水平传感器206(图2)包括在这样的流体移动事件期间提供准确的油墨水平指示的阻抗测量/传感器电路。
[0028]在一些示例中,储液器120可以包括供应在打印过程中使用的其它适合的流体(例如,不同的颜色或油墨、预处理成分、固定剂等)的多个储液器。在一些示例中,储液器中的流体可以是除了打印流体以外的流体。在一个示例中,打印头组件102和油墨供应组件104一起安置在喷墨盒或笔(未示出)中。喷墨盒可以在盒主体内包含其自身的流体供应源,或者它可以从外部供应源(例如,通过例如管连接到盒的流体储液器120)接收流体。包含其自身的流体供应源的喷墨盒通常是一旦流体供应源被耗尽就可抛弃的。
[0029]安装组件106相对于介质输送组件108来定位喷墨打印头组件102,并且介质输送组件108相对于喷墨打印头102来定位打印介质118。因此,在位于喷墨打印头组件102与打印介质118之间的区域中界定相邻于喷嘴116的打印区122。在一个示例中,喷墨打印头组件102是扫描型打印头组件。如此,安装组件106包括用于相对于介质输送组件108移动喷墨打印头组件102以扫描打印介质118的盒。在另一个示例中,喷墨打印头组件102是非扫描型打印头组件。如此,安装组件106将喷墨打印头组件102固定在相对于介质输送组件108的规定位置处,而介质输送组件108相对于喷墨打印头组件102来定位打印介质118。
[0030]电子打印机控制器110典型地包括处理器(CPU)111、固件、软件、一个或多个存储器部件113(包括易失性和非易失性存储器部件)、以及用于与喷墨打印头组件102、安装组件106、和介质输送组件108通信并且控制喷墨打印头组件102、安装组件106、和介质输送组件108的其它打印机电子设备。电子控制器110从主机系统(例如,计算机)接收数据124,并且将数据124临时存储在存储器113中。数据124表示例如要打印的文档和/或文件。如此,数据124形成喷墨打印系统100的打印工作并且包括一个或多个打印工作命令和/或命令参数。
[0031]在一个实施方式中,电子打印机控制器110控制喷墨打印头组件102以从喷嘴116喷射油墨液滴。因此,电子控制器110界定在打印介质118上形成字符、符号、和/或其它图形或图像的所喷射的油墨液滴的图案。所喷射的油墨液滴的图案由打印工作命令和/或来自数据124的命令参数确定。在一个示例中,电子控制器110包括存储器113中的偏置算法126,偏置算法126具有在处理器111上可执行的指令。偏置算法126执行以控制油墨水平传感器206(图2)并且确定最佳操作/偏置点,所述最佳操作/偏置点在湿条件(S卩,当油墨存在时)与干条件(当空气存在时)之间由传感器206产生最大电压响应差异。电子控制器110另外包括存储器113中的测量模块128,测量模块128具有在处理器111上可执行的指令。在最佳偏置点被确定之后,测量模块128执行以发起测量循环,所述测量循环控制油墨水平传感器206并且基于所测量的时间段来确定油墨水平,在所测量的时间段期间,干条件在MEMS结构的流体通道内持续。
[0032]在所描述的示例中,喷墨打印系统100是具有适合于实施如本文中所公开的油墨水平传感器的热喷墨(TI J)打印头114的按需滴墨的热喷墨打印系统。在一个实施方式中,喷墨头组件102包括单个TIJ打印头114。在另一个实施方式中,喷墨打印头组件102包括TIJ打印头114的宽阵列。虽然与TIJ打印头相关联的制造过程非常适合于所公开的油墨水平传感器的集成,但其它打印头类型(例如,压电打印头)也可以实现这样的油墨水平传感器。因此,所公开的油墨水平传感器不限于TIJ打印头114内的实施方式,但也适合于在其它流体喷射设备(例如,压电打印头)内使用。
[0033]图2示出了示例性TIJ打印头114的一端的底视图,TIJ打印头114具有形成在硅管芯基板202中的单个流体/油墨供应槽200。尽管打印头114被示出有单个流体槽200,但本文中所讨论的原理在其应用中不限于具有仅一个槽200的打印头。更确切地说,其它打印头构造也是可能的,例如具有两个或多个流体槽的打印头或使用各种尺寸的孔来将油墨引入流体通道和室的打印头。流体槽200是形成在基板202中的细长槽,其与流体供应源(例如,流体储液器)流体连通。流体槽200具有沿着槽的两侧布置的液滴发生器300,其包括流体室204和喷嘴116。如关于图3所讨论的,基板202位于具有流体室204的室层和具有在其中形成的喷嘴116的喷嘴层下方。然而,为了说明的目的,图2中的室层和喷嘴层被假设是透明的,以便于显示下面的基板202。因此,使用虚线示出图2中的室204和喷嘴116。
[0034]除了沿着槽200的侧布置的液滴发生器300以外,TIJ打印头114还包括一个或多个流体(油墨)水平传感器206。流体水平传感器206通常并入了打印头114上的MEMS结构的一个或多个元件和阻抗测量/传感器电路208 JEMS结构包括例如流体槽200、流体通道210、流体室204和喷嘴116。
[°035]阻抗测量/传感器电路208包括位于流体通道210内(例如,位于地板上或位于流体通道210的壁上)的传感器板212。阻抗测量/传感器电路208还并入了通常包括源部件504(图5)以引起传感器板212中的阻抗的其它电路214和用于测量阻抗的感测部件。在不同的实施方式中,源部件可以包括电压源和电流源。感测部件可以包括例如缓冲放大器、采样和保持放大器、DAC(数-模转换器)、ADC(模-数转换器)、以及其它测量电路。传感器板212是由例如钽形成的金属板。其它电路214的部分(例如,ADC和测量电路)可以不都在基板202上的一个位置上,但相反地可以在基板202上分布在不同的位置。以下关于图5到13更详细地讨论了流体传感器206和阻抗测量/传感器电路208。
[0036]图3示出了示例性液滴发生器300的截面视图。每个液滴发生器300包括喷嘴116、流体室204、以及设置在流体室204内的发射元件302。喷嘴116形成在喷嘴层310中,并且通常被布置成形成沿着流体槽200的侧的喷嘴列。发射元件302是在硅基板202的顶表面上由绝缘层304(例如,磷硅酸盐玻璃,PSG)上的金属板(例如,钽铝,TaAl)形成的热电阻器。位于发射元件302之上的钝化层306保护发射元件免受室204内的油墨,并且充当机械钝化或保护空化屏障结构以吸收破裂的蒸汽泡的震动。室层308具有使基板202与喷嘴层310分隔开的壁和室204。
[0037]在打印期间,穿过相应的喷嘴116从室204喷射液滴,并且接着用从流体槽200循环的流体再填充室204。更具体地,电流穿过电阻器发射元件302,从而导致该元件快速变热。相邻于覆盖发射元件302的钝化层306的流体的薄层过度受热并蒸发,在相对应的发射室204中产生蒸汽泡。快速膨胀的蒸汽泡迫使液滴从相对应的喷嘴116流出。当发热的元件冷却时,蒸汽泡快速破裂,从而在准备从喷嘴116喷射另一液滴时将更多的流体从流体槽200抽取到发射室204中。
[0038]图4示出了当油墨在流体移动事件期间(例如,在油墨液滴喷射或油墨装填操作期间)在传感器板之上缩回时的不同阶段中的示例性MEMS结构的局部顶视图和侧视图。如以上所提到的,流体水平传感器206通常包括MEMS结构的元件,例如流体通道210、流体室204和专用传感器喷嘴116。流体水平传感器206还包括阻抗测量/传感器电路208,阻抗测量/传感器电路208并入了位于流体通道210内(例如,位于地板上或位于流体通道210上)的传感器板212。阻抗测量/传感器电路208操作用于检测在流体移动事件(例如,油墨滴喷射或油墨装填操作)期间在流体通道内流体(油墨)存在或缺乏的程度。当储液器120内的油墨供应源接近其使用期限的末尾时,在打印或装填操作期间施加的背压变得足够强以使得油墨液面从喷嘴116缩回并且通过流体通道210回来,从而使传感器板212暴露于空气。图4(a)示出了正常状态,其中油墨400填充室204并且在喷嘴116内形成油墨液面402。在这个状态下,传感器板212处于湿条件,因为其被覆盖有填充流体通道210的油墨。在装填操作期间或正常油墨液滴喷射打印操作期间,在流体通道210中的油墨上施加背压,如图4(b)中所示背压将油墨液面402从喷嘴缩回并且在通道内将其拉回。当储液器120中的油墨供应源接近其使用期限的末尾时,该背压增加,油墨流回到通道210和喷嘴116中所花费的时间也增加。如图4(c)中所示,所增加的背压将油墨液面拉得足够远而回到通道210中,从而使传感器板212暴露于通过喷嘴116抽取的空气。根据在储液器中剩余的油墨的量和由此产生的背压,传感器板212以或多或少的量暴露于通过喷嘴116抽取的空气。如以下所讨论的,传感器电路208使用所暴露的传感器板212来确定接近油墨供应源的使用期限的末尾的准确的油墨水平。
[0039]图5示出了示例性阻抗测量/传感器电路的高水平方框图。如以上所提到的,阻抗测量/传感器电路208包括位于流体通道210内的传感器板212和引起传感器板212两端的阻抗的源部件504。在一个示例中,如图6中所示,源部件504包括耦合到传感器板212以引起穿过板212和感测电阻器600的电流的电压源504。在这个示例中,对穿过感测电阻器600的电流进行测量以确定传感器板212中的阻抗。在另一个示例中,如图7中所示,源部件504包括耦合到传感器板212以引起传感器板212两端的电压的电流源504。在这个示例中,对传感器板212两端的电压进行测量以确定传感器板212中的阻抗。
[0040]除了传感器板212和源部件504以外,阻抗测量/传感器电路208还包括其它部件,例如DAC(数-模转换器)500、输入S&H(采样和保持元件)502、开关506、输出S&H 508,ADC(模-数转换器)510、状态机512、时钟514、以及多个寄存器516(例如,寄存器0XD0-0XD6)。阻抗测量/传感器电路208以将源部件504构造(S卩,偏置)有DAC 500和输入S&H502开始,同时将开关506闭合以使传感器板212短路。以下更详细讨论的偏置算法126在控制器110上执行以确定要施加到寄存器0xD2的刺激(输入代码),从而从DAC 500产生最佳偏置电压,使用该偏置电压来对源部件504进行偏置。
[0041]在对源部件504进行偏置之后,测量模块128在控制器110上执行并且发起流体水平测量循环,在该循环期间控制器110通过状态机512控制阻抗测量电路208。当到了要测量的时间时,状态机512通过经由准备电路的几个步骤将电路208分级来协调测量、进行测量、并且使电路返回到空闲状态。在第一步骤中,状态机512例如通过将信号置于线路518上来发起流体移动事件。流体移动事件从喷嘴116喷出或喷射油墨以使喷嘴和油墨室204畅通,并且在流体通道210中产生背压尖峰。状态机512随后提供延迟期。延迟期是可变的,但典型地持续大约2到32微秒之间。
[0042]在延迟期之后,第一电路准备步骤使开关506断开。参考图6,当开关506断开时,电压源504耦合到传感器板212。所施加的电压源504根据覆盖传感器板212的油墨中的阻抗来引起穿过板212和穿过感测电阻器600的电流。更具体地,位于板212两端的施加到板212的电压Vciut基于以下关系:
[0043]Vout = Vdd-1D (Rs+RP)
[0044]其中,Vdd是电源电压,并且Id是穿过晶体管的漏极的电流,该电流由来自DAC500的偏置电压Vgs(即,602的栅极到漏极电压)控制。电路208中的电压以地面作为参考,如图5-7中的地面符号520所示。参考图7,当开关506断开时,电流源504耦合到将来自电流源504的电流施加到板212的传感器板212。施加到板的阻抗的电流以及板上的油墨(如果油墨存在)或空气(如果油墨不存在)的相关联的电化学性质引起板及其化学系统两端的电压响应。如果流体通道210是完全干的,则阻抗将主要是电容性的。如果流体存在,则阻抗可以是实时变分量和虚时变分量。从电流源504供应的电流基于以下关系:
[0045]Ia(Vgs-Vt)2
[0046]其中Vgs是来自DAC 500的偏置电压。Vgs是栅极到源极电压,并且Vt是电流源504的电流产生晶体管的栅极阈值电压,DAC电压施加到该电流源504上。
[0047]在第二电路准备步骤中,状态机512使开关506断开并提供第二延迟期,第二延迟期再次持续大约2到32微秒之间。在第二延迟之后,状态机512使输出S&H放大器508对模拟响应进行采样(即,测量)。参考图6,输出S&H放大器508对流经感测电阻器(Rs)600的电流的值进行采样并保持该值。参考图7,输出S&H 508对传感器板212处的电压的值进行采样并保持该值。在这两个示例中,状态机512随后通过ADC 510发起转换,该转换将所采样的模拟响应值转换成存储在寄存器0xD6中的数字值。寄存器保持数字响应值,直到测量模块128读取寄存器为止。电路208随后被置于空闲模式,直到另一个测量循环被发起为止。
[0048]测量模块128将数字化响应值与Rdetect阈值进行比较以确定传感器板是否处于干条件。如果所测量的响应超过Rdetect阈值,则干条件存在。否则,湿条件存在。(以下讨论对Rdetect阈值的计算)。检测干条件指示背压在流体通道210中将油墨拉回足够远以将传感器板212暴露于空气。通过额外的测量循环,对干条件持续(S卩,当传感器板暴露于空气时)的时间的长度进行测量并且将该时间长度用于插入产生干条件的背压的幅值。因为背压朝着油墨供应源的使用期限的末尾可预测地增加,所以可以做出对油墨水平的准确确定。
[0049 ]如以上所提到的,偏置算法126在控制器110上执行以确定来自DAC500的最佳偏置电压,使用该偏置电压来对源部件504进行偏置。偏置算法126控制流体水平传感器206(即,阻抗测量电路208和MEMS结构),同时确定偏置电压。从偏置算法126的角度看,如图8中所示,流体水平传感器206是接收输入或刺激并提供输出或响应的黑盒元件。使用施加到阻抗测量电路208的寄存器0xD2的0-255(8位)数字来设置输入电压。寄存器0xD2中的输入数字或代码是施加到DAC 500的刺激,并且来自DAC的模拟电压输出是乘以1mV的刺激。因此,可用于对源部件504进行偏置的来自DAC 500的模拟偏置电压的范围是0_2.55V。来自阻抗测量电路208的输出或响应是存储在8位寄存器0xD6中的数字代码。
[0050]偏置算法使用输入代码与输出代码之间的阻抗测量电路208的刺激-响应关系来提供在当传感器板212是湿的时(S卩,当油墨存在于MEMS流体通道210中并且覆盖板时)和当传感器板212是干的时(S卩,当油墨从MEMS流体通道210被拉出并且空气围绕板时)之间的最佳输出差量信号(例如,最大响应电压)。如图9中所示,当刺激(输入代码)从其最小值延伸到其最大预充电电压计数(即,0-255; SmirJljSmax)时,响应(输出代码)产生穿过三个不同区域(截止、活动以及饱和)的过程的响应波形。这三个区域一起形成松垮的“S”的形状。图9示出了干响应曲线900、湿响应曲线902、以及指示输入刺激的范围内的湿相应与干响应曲线之间的差异的差异曲线904。图9的响应曲线描绘有利的条件,其中响应很强。一般而言,最大信号差量(即,最大差异响应曲线)出现在传感器板212由于油墨的全通道而完全湿时的情况与传感器板212由于与通道中的空气完全接触而完全干时的情况之间。
[0051]尽管响应曲线在流体/油墨的存在与缺乏之间(S卩,在湿条件与干条件之间)变化,但当几乎没有污染物(例如,导电碎肩和油墨残渣)存在于MEMS结构中时,变化的量较强。因此,响应最初很强,如由图9中的强响应曲线所示。然而,随着时间的过去,MEMS结构可以变得被流体通道和室中的油墨残渣污染,并且具体而言干响应将降级并变得更接近湿响应。污染物引起在使干响应变弱的干情况下的导电,这导致在干相应与湿响应之间的弱差异。图10示出了弱干响应曲线1000、弱湿响应曲线1002、以及差异曲线1004的示例,其中不利的条件(例如,MEMS结构中的污染物)使响应降级。如可以在图1O中看到的,弱湿响应曲线与弱干响应曲线之间的差异比图9的强响应曲线中所示的差异小得多。图9中所示的强差异曲线904提供了可被容易评估的湿条件与干条件之间的强区别。然而,在弱响应条件下,由于弱差异,找到在湿条件与干条件之间的区别更有挑战性。偏置算法126找到弱响应差异曲线1004(8卩,图10中所示)中的差异的最佳点,其中流体/油墨水平测量将提供湿条件与干条件之间的最大响应。
[0052]图11(&.1、&.2、8.3、13.1、13.2、13.3、(3.1、(3.2、(3.3)示出了弱干响应曲线1100和弱湿响应曲线1102及其响应于过程和环境条件(例如,制造过程、电源电压和温度(PV&T))中的差异的变化的示例。图11 (a.1)、(a.2)和(a.3)分别示出了在输入刺激范围IX、1X和100X内的具有最坏(W)情况处理条件(5.5伏电源和15摄氏度温度(在图中被引用为“W; 5.5V;15C”))的示例性曲线。图ll(b.1)、(b.2)和(b.3)分别示出了在输入刺激范围IX、1X和100X内的具有最好情况(B)处理条件(4.5伏电源和110摄氏度温度(在图中被引用为“B; 4.5V;1100)的示例性曲线。图11(0.1)、((3.2)和((3.3)分别示出了在输入刺激范围1乂、10父和100X内的具有典型(T)处理条件(5.0伏电源和60摄氏度温度(在图中被引用为“T;5.0V;60C”))的示例性曲线。在一些情况下,响应曲线的活动区由于PV&T的变化而在斜率上发生改变。在其它情况下,响应曲线的活动区使它们在截止区中或早或晚开始的布置发生变化。图ll(a)、(b)和(c)中的干响应和湿响应曲线示出了这样的斜率上的变化和可以从变化的PV&T条件产生的起始点。图ll(a)、(b)和(c)中的差异曲线1104示出了输入刺激的范围内和PV&T条件中的变化上的湿响应与干响应曲线之间的差异。
[0053]图12示出了干响应与湿响应之间的差异与刺激的关系曲线的示例。图11中所示的差异曲线1104被涵盖以形成图12。意图在于示出差异曲线的峰值的高度、接近的斜率和曲线的衰减、以及沿着曲线放置刺激轴的中心,这些都跨PV&T而发生变化。
[0054]图13示出了根据本公开内容的实施例的绘制与湿响应的关系曲线的合成差异曲线1300的示例。通过将差异曲线的基础部分改变成响应而不是刺激,实现了与PV&T差异的隔离的测量。偏置算法126找到了解决方法,其中最佳差异点位于提供湿条件与干条件之间的最大油墨水平测量响应的弱差异情况。因此,该解决方法应当容忍PV&T的这种变化以及提供尽可能大的裕度。相应地,如图13中所示,可以通过将差异曲线1104视为湿响应曲线1102的函数而不是视为输入刺激的函数来去除大量PV&T变化。这是因为对于在过程、电压和温度(PV&T)上的给定刺激存在输出值的大变化。然而,干条件(无油墨)与湿条件(油墨存在)之间的差异不会在PV&T上改变那么多,因此使用这个差异减去了很多PV&T引起的变化。差异曲线的合成包括通过涵盖跨所有过程和环境(PV&T)条件所确定的很多差异曲线来形成的区域。因此,在合成差异上方的区域代表独立于PV&T条件的可行信号响应区域。合成差异的中心代表应当进行油墨水平测量以便实现峰值响应(Rpe3ak)时的位置,该峰值响应使干条件与湿条件之间的输出响应值(例如,电压响应)最大化。Rpeak响应的位置被表达为最小湿响应Rmin与最大湿响应Rmax之间的跨度的百分比。因此,合成差异曲线1300上的Rpeak的位置被称为RPd%。另外,在测量循环期间,在位置RPd%处的合成差异曲线1300的峰值的高度代表当干条件存在时所预期的最小差异(作为Rmin与Rmax之间的跨度的百分比),并且可以被称
^jDmin% ο
[0055]偏置算法I26确定输入刺激值Speak,输入刺激值Speak以Rpd%产生位于合成差异曲线1300上的峰值响应Rpeak。该算法在寄存器0xD2输入最小刺激(Smin)并且在寄存器0xD6中对响应进行采样。该算法还在寄存器0xD2处输入最大刺激(Smax)并且在寄存器0xD6中对响应进行采样。寄存器0xD6中的这两个值分别是响应的极值Rmin和Rmax。峰值响应值Rpeak可以随后进行如下计算:
[0056]Rpeak = Rmin+(Rpdt^(Rmax-Rmin))
[0057]可以接着通过各种方法来找到相对应的刺激值Speak。刺激可以例如从Smin延伸到S.,当响应到达Rpe3ak时停止。另一种方法是使用二进制搜索。产生峰值响应Rpeak的刺激值&^是施加到寄存器0xD2以对阻抗测量电路208中的源部件504进行最佳偏置的输入代码,以使得可以在干板条件与湿板条件之间跨传感器板212测量最大响应。
[0058]如以上所提到的,在测量循环中,测量模块128可以通过将板两端所测量的响应电压与Rdetect阈值进行比较来确定传感器板212是否处于干条件。如果所测量的响应超过Rdetect阈值,则干条件存在。否则,湿条件存在。Rdetect阈值通过以下方程进行计算:
[0059]Rdetect = Rpeak+( (Rmax-Rmin)* (Dmin<%/2 ))
[0060]响应电压中预期的最小差异Dmin%分开(S卩,除以2)以共享干条件情况与湿条件情况之间的噪声裕度。
【主权项】
1.一种打印头,包括: 喷嘴; 流体通道; 传感器板,其位于所述通道内;以及 阻抗测量电路,其耦合到所述传感器板以在使流体移动经过所述传感器板的流体移动事件期间测量所述通道内的流体的阻抗。2.根据权利要求1所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路选自由引起穿过所述传感器板的电流的受控电压源和引起所述传感器板两端的电压的受控电流源组成的组。3.根据权利要求2所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括: 输入寄存器;以及 数-模转换器(DAC),其用于从所述输入寄存器接收输入代码并且提供偏置电压以对所述电压源进行偏置。4.根据权利要求3所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括输入采样和保持单元以用于对来自所述数-模转换器(DAC)的所述偏置电压进行采样并且将所述偏置电压施加到所述电压源。5.根据权利要求3所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括开关以用于使所述传感器板在所述电压源的偏置期间在闭合位置上短路,并且在断开位置上将来自所述电压源的电压施加到所述传感器板。6.根据权利要求4所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括: 感测电阻器; 放大器,其用于测量穿过所述感测电阻器的响应电流;以及 输出采样和保持单元,其用于对穿过所述感测电阻器的所述响应电流进行采样。7.根据权利要求6所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括用于将所述响应电流转换成数字值的模-数转换器(ADC)。8.根据权利要求7所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括用于存储所述数字值的输出寄存器。9.根据权利要求1所述的打印头,其中,所述阻抗测量电路还包括用于发起所述流体移动事件的状态机。10.根据权利要求1所述的打印头,其中,所述流体移动事件选自由穿过所述喷嘴喷射流体的发射事件和穿过所述流体通道推动流体的装填事件组成的组。11.一种打印头,包括: 流体通道,其用于将喷嘴与流体槽流体地耦合; 阻抗测量电路,其包括: 传感器板,其位于所述通道内; 受控电压源,其用于引起穿过所述传感器板和感测电阻器的电流;以及采样和保持放大器,其用于测量并保持在流体移动事件期间穿过所述感测电阻器的电流的电流值。12.根据权利要求11所述的打印头,所述阻抗测量电路还包括: 模-数转换器(ADC),其用于将所述电流值转换成数字值;以及 输出寄存器,其用于存储所述数字值。13.根据权利要求11所述的打印头,所述阻抗测量电路还包括: 输入寄存器,其用于提供输入代码; 数-模转换器(DAC),其用于将所述输入代码转换成偏置电压;以及输入采样和保持放大器,其用于对来自所述数-模转换器(DAC)的所述偏置电压进行采样并且将其施加到所述受控电压源。14.根据权利要求13所述的打印头,所述阻抗测量电路还包括开关以用于使所述传感器板在所述电压源的偏置期间在闭合位置上短路,并且在断开位置上将来自所述电压源的电压施加到所述传感器板。15.根据权利要求14所述的打印头,所述阻抗测量电路还包括状态机以用于控制所述开关、所述采样和保持放大器、所述数-模转换器(DAC)、以及所述模-数转换器(ADC)。
【文档编号】B41J2/145GK105939856SQ201480074488
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2014年1月30日
【发明人】A·L·戈泽尔, S·A·林, D·马克斯菲尔德, A·范布罗克林
【申请人】惠普发展公司,有限责任合伙企业
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