具有傳感器板阻抗測量的打印頭的制作方法
【專利摘要】在實施方式中，打印頭包括噴嘴和流體通道。傳感器板位于流體通道內(nèi)。阻抗測量電路耦合到傳感器板以在移動流體經(jīng)過傳感器板的流體移動事件期間測量通道內(nèi)的流體的阻抗。
【專利說明】
具有傳感器板阻抗測量的打印頭
【背景技術(shù)】
[0001]由于很多原因，對各種類型的噴墨打印機的油墨供應(yīng)儲液器中的準確的油墨水平感測是合乎需要的。例如，感測油墨的正確水平并提供在流體盒中留下的油墨的數(shù)量的相對應(yīng)的指示，允許打印機用戶準備更換耗盡的油墨盒。準確的油墨水平指示還幫助避免浪費油墨，因為不準確的油墨水平指示常常導(dǎo)致仍然包含油墨的油墨盒的過早更換。另外，打印系統(tǒng)可以使用油墨水平感測來觸發(fā)幫助防止可能由不足的供應(yīng)水平產(chǎn)生的低質(zhì)量打印的某些動作。
[0002]雖然存在可用于確定儲液器或流體室中的流體的水平的多種技術(shù)，與它們的準確度和成本有關(guān)的各種挑戰(zhàn)依然存在。
【附圖說明】
[0003]現(xiàn)在參考附圖通過示例的方式來描述當(dāng)前的實施例，在附圖中:
[0004]圖1示出了適合于實施流體噴射設(shè)備的噴墨打印系統(tǒng)的示例，所述流體噴射設(shè)備具有測量傳感器板的阻抗的流體水平傳感器；
[0005]圖2示出了示例性TIJ打印頭的一端的底視圖，所述TIJ打印頭具有形成在硅管芯基板中的單個流體槽；
[0006]圖3示出了示例性液滴發(fā)生器的截面視圖；
[0007]圖4示出了當(dāng)油墨在流體移動事件期間在傳感器板之上縮回時的不同階段中的示例性MEMS結(jié)構(gòu)的局部頂視圖和側(cè)視圖；
[0008]圖5示出了示例性阻抗測量/傳感器電路的高水平方框圖；
[0009]圖6示出了示例性阻抗測量/傳感器電路的高水平方框圖，所述阻抗測量/傳感器電路具有用于引起穿過傳感器板的電流的電壓源；
[0010]圖7示出了示例性阻抗測量/傳感器電路的高水平方框圖，所述阻抗測量/傳感器電路具有用于引起傳感器板兩端的電壓的電流源；
[0011 ]圖8示出了作為黑盒元件的油墨水平傳感器的示例；
[0012]圖9示出了在輸入刺激的范圍內(nèi)的干響應(yīng)曲線、濕響應(yīng)曲線、以及差異曲線的示例；
[0013]圖10示出了弱干響應(yīng)曲線、弱濕響應(yīng)曲線、以及弱差異曲線的示例；
[0014]圖11示出了影響弱濕響應(yīng)曲線和弱干響應(yīng)曲線的過程和環(huán)境變化的示例；
[0015]圖12涵蓋來自圖11的濕-干差異信號并示出了刺激與差異的關(guān)系曲線，其示出了由過程和環(huán)境引起的變化的示例；
[0016]圖13示出了基于響應(yīng)而非刺激的差異信號曲線的示例。
【具體實施方式】
[0017]
[0018]如以上所提到的，存在可用于確定儲液器或流體室中的流體的水平的多種技術(shù)。例如，棱鏡用于反射或折射油墨盒內(nèi)的光束以產(chǎn)生電氣和/或用戶可見的油墨水平指示。背壓指示器是用于確定儲液器中的流體水平的另一種方式。一些打印系統(tǒng)對從噴墨打印盒噴射的液滴的數(shù)量進行計數(shù)以作為確定油墨水平的方式。又一些其它技術(shù)使用流體的導(dǎo)電性作為打印系統(tǒng)中的水平指示器。然而，關(guān)于提高流體水平感測系統(tǒng)和技術(shù)的準確度和成本的挑戰(zhàn)依然存在。
[0019]本文中所討論的示例性打印頭提供了提高現(xiàn)有的油墨水平感測技術(shù)的流體/油墨水平傳感器。打印頭流體/油墨水平傳感器通常并入打印頭MEMS結(jié)構(gòu)的一個或多個流體元件和阻抗測量/傳感器電路。MEMS結(jié)構(gòu)的流體元件包括充當(dāng)一種類型的測試室的流體通道。流體通道具有與油墨儲液器中的油墨的可用性相對應(yīng)的油墨水平。電路包括位于通道內(nèi)的一個或多個傳感器(即，傳感器板)，并且電路通過測量從傳感器板到地面回路的通道中的油墨的阻抗來測量在通道中的油墨的水平或存在。因為油墨的阻抗比空氣的阻抗低得多，所以阻抗測量電路檢測油墨是否不再與傳感器接觸。阻抗測量電路還檢測殘留油墨的小型薄膜是否保留在傳感器上。當(dāng)殘留的薄膜的橫截面減小時，阻抗升高。偏置算法在打印系統(tǒng)上執(zhí)行以在最佳操作點處對電路進行偏置。對電路進行偏置時的操作點實現(xiàn)了干油墨條件(即，無油墨存在)與濕油墨條件(即，油墨存在)之間的最大輸出差異信號。不同的流體移動事件(例如，來自打印頭噴嘴的油墨液滴的噴射/發(fā)射和用油墨裝填打印頭)將背壓施加在流體室內(nèi)的油墨上。背壓使油墨從噴嘴縮回并且可以將其通過傳感器板之上的通道拉回，從而使板暴露于空氣并且引起板阻抗中的可測量的變化。阻抗測量/傳感器電路可以被實施為例如引起穿過板的可測量的電流的受控電壓源或受控電流源，所述受控電流源的電流引起板兩端的電壓響應(yīng)。
[0020]當(dāng)在阻抗測量電路內(nèi)實施受控電壓源時，通過感測電阻器測量所引起的穿過傳感器板的電流以提供板是濕的(即，指示油墨存在于流體通道中)還是干的(即，指示空氣存在于流體通道中)的指示。偏置算法執(zhí)行以在最佳點處對電壓源進行偏置，所述最佳點引起在弱信號條件下的濕板與干板條件之間的、穿過傳感器板(和感測電阻器)的最大差異電流響應(yīng)。當(dāng)實施阻抗測量電路內(nèi)的受控電流源時，在板兩端引起的電壓提供了板是濕的還是干的的類似指示。偏置算法執(zhí)行以在最佳點處對電流源進行偏置，在該最佳點處，供應(yīng)到傳感器板的電流的量引起在弱信號條件下的濕板與干板條件之間的、板兩端的最大差異電壓響應(yīng)。
[0021]所公開的打印頭和阻抗測量/感測電路實現(xiàn)了具有優(yōu)點的流體水平傳感器，所述優(yōu)點包括對來自MEMS結(jié)構(gòu)(例如，流體通道和油墨室)中留下的殘渣的污染物的高耐受性。對污染物的高耐受性幫助提供介于濕條件與干條件之間的準確的流體水平指示。流體水平傳感器的成本也由于對電路和MEMS結(jié)構(gòu)的使用而受到控制，所述MEMS結(jié)構(gòu)放置在現(xiàn)有的熱噴墨打印頭上。阻抗測量/感測電路的尺寸使得它可以被放置在幾個噴墨噴嘴的空間中。
[0022]在一個示例中，打印頭包括噴嘴、流體通道、以及位于流體通道內(nèi)的傳感器板。打印頭還包括阻抗測量電路，所述阻抗測量電路耦合到傳感器板以在移動流體經(jīng)過傳感器板的流體移動事件期間測量通道內(nèi)的流體的阻抗。
[0023]在另一個示例中，打印頭包括將噴嘴與流體供應(yīng)槽流體地耦合的流體通道。集成在打印頭上的阻抗測量電路包括位于通道內(nèi)的傳感器板和引起穿過傳感器板和感測電阻器的電流的受控電壓源。在阻抗測量電路中的采樣和保持放大器測量并保持在流體移動事件(例如，油墨液滴噴射或油墨裝填事件)期間所引起的穿過感測電阻器的電流值的值。
[0024]說明性實施例
[0025]圖1示出了適合于實施流體噴射設(shè)備的噴墨打印系統(tǒng)100的示例，所述流體噴射設(shè)備具有測量傳感器板的阻抗的流體水平傳感器。在這個示例中，流體噴射設(shè)備被公開為噴墨打印頭114。噴墨打印系統(tǒng)100包括噴墨打印頭組件102、油墨供應(yīng)組件104、安裝組件106、介質(zhì)傳輸組件108、電子打印機控制器110、以及向噴墨打印系統(tǒng)100的各種電氣部件提供功率的至少一個電源112。噴墨打印頭組件102包括至少一個流體噴射組件114(打印頭114)，流體噴射組件114穿過多個孔口或噴嘴116朝打印介質(zhì)118噴射油墨液滴，以便打印到打印介質(zhì)118上。打印介質(zhì)118可以是任何類型的適當(dāng)薄片或卷材料，例如紙、卡片材料、透明物、聚酯、夾板、泡沫板、纖維、帆布等。噴嘴116典型地布置在一個或多個列或陣列中，以使得當(dāng)噴墨打印頭組件102和打印介質(zhì)118相對于彼此移動時，來自噴嘴116的油墨的正確排序的噴射使字符、符號、和/或其它圖形或圖像被打印在打印介質(zhì)118上。
[0026]油墨供應(yīng)組件104將流體油墨供應(yīng)到打印頭組件102并且包括用于存儲油墨的儲液器120。油墨從儲液器120流到噴墨打印頭組件102。油墨供應(yīng)組件104和噴墨打印頭組件102可以形成單向油墨輸送系統(tǒng)或再循環(huán)油墨輸送系統(tǒng)。在單向油墨輸送系統(tǒng)中，供應(yīng)到噴墨打印頭組件102的大體上所有油墨都在打印期間被消耗。然而在再循環(huán)油墨輸送系統(tǒng)中，供應(yīng)到噴墨打印頭組件102的僅一部分在打印期間被消耗。在打印期間未被消耗的油墨返回到油墨供應(yīng)組件104。
[0027]在一些示例中，油墨供應(yīng)組件104經(jīng)由界面連接(例如，供應(yīng)管)在正壓力下通過油墨調(diào)節(jié)組件105(例如，用于油墨過濾、預(yù)加熱、壓力波動吸收、排氣)將油墨供應(yīng)到噴墨打印頭組件102。因此，油墨供應(yīng)組件104還可以包括一個或多個栗和壓力調(diào)節(jié)器(未示出)。油墨在負壓力下從打印頭組件102被抽取到油墨供應(yīng)組件104。對打印頭組件102的入口與出口之間的壓力差進行選擇以實現(xiàn)噴嘴116處的正確背壓，并且所述壓力差通常是介于H20的近似負I”與近似負10”之間的負壓力。然而，當(dāng)油墨供應(yīng)源(例如，在儲液器120中)接近其使用期限的末尾時，在打印(即，油墨液滴噴射)或裝填操作期間施加的背壓增加。所增加的背壓足夠強以使得油墨液面遠離噴嘴116縮回，并且使其穿過MEMS結(jié)構(gòu)的流體通道移回。打印頭114上的油墨水平傳感器206(圖2)包括在這樣的流體移動事件期間提供準確的油墨水平指示的阻抗測量/傳感器電路。
[0028]在一些示例中，儲液器120可以包括供應(yīng)在打印過程中使用的其它適合的流體(例如，不同的顏色或油墨、預(yù)處理成分、固定劑等)的多個儲液器。在一些示例中，儲液器中的流體可以是除了打印流體以外的流體。在一個示例中，打印頭組件102和油墨供應(yīng)組件104一起安置在噴墨盒或筆(未示出)中。噴墨盒可以在盒主體內(nèi)包含其自身的流體供應(yīng)源，或者它可以從外部供應(yīng)源(例如，通過例如管連接到盒的流體儲液器120)接收流體。包含其自身的流體供應(yīng)源的噴墨盒通常是一旦流體供應(yīng)源被耗盡就可拋棄的。
[0029]安裝組件106相對于介質(zhì)輸送組件108來定位噴墨打印頭組件102，并且介質(zhì)輸送組件108相對于噴墨打印頭102來定位打印介質(zhì)118。因此，在位于噴墨打印頭組件102與打印介質(zhì)118之間的區(qū)域中界定相鄰于噴嘴116的打印區(qū)122。在一個示例中，噴墨打印頭組件102是掃描型打印頭組件。如此，安裝組件106包括用于相對于介質(zhì)輸送組件108移動噴墨打印頭組件102以掃描打印介質(zhì)118的盒。在另一個示例中，噴墨打印頭組件102是非掃描型打印頭組件。如此，安裝組件106將噴墨打印頭組件102固定在相對于介質(zhì)輸送組件108的規(guī)定位置處，而介質(zhì)輸送組件108相對于噴墨打印頭組件102來定位打印介質(zhì)118。
[0030]電子打印機控制器110典型地包括處理器(CPU)111、固件、軟件、一個或多個存儲器部件113(包括易失性和非易失性存儲器部件)、以及用于與噴墨打印頭組件102、安裝組件106、和介質(zhì)輸送組件108通信并且控制噴墨打印頭組件102、安裝組件106、和介質(zhì)輸送組件108的其它打印機電子設(shè)備。電子控制器110從主機系統(tǒng)(例如，計算機)接收數(shù)據(jù)124，并且將數(shù)據(jù)124臨時存儲在存儲器113中。數(shù)據(jù)124表示例如要打印的文檔和/或文件。如此，數(shù)據(jù)124形成噴墨打印系統(tǒng)100的打印工作并且包括一個或多個打印工作命令和/或命令參數(shù)。
[0031]在一個實施方式中，電子打印機控制器110控制噴墨打印頭組件102以從噴嘴116噴射油墨液滴。因此，電子控制器110界定在打印介質(zhì)118上形成字符、符號、和/或其它圖形或圖像的所噴射的油墨液滴的圖案。所噴射的油墨液滴的圖案由打印工作命令和/或來自數(shù)據(jù)124的命令參數(shù)確定。在一個示例中，電子控制器110包括存儲器113中的偏置算法126，偏置算法126具有在處理器111上可執(zhí)行的指令。偏置算法126執(zhí)行以控制油墨水平傳感器206(圖2)并且確定最佳操作/偏置點，所述最佳操作/偏置點在濕條件(S卩，當(dāng)油墨存在時)與干條件(當(dāng)空氣存在時)之間由傳感器206產(chǎn)生最大電壓響應(yīng)差異。電子控制器110另外包括存儲器113中的測量模塊128，測量模塊128具有在處理器111上可執(zhí)行的指令。在最佳偏置點被確定之后，測量模塊128執(zhí)行以發(fā)起測量循環(huán)，所述測量循環(huán)控制油墨水平傳感器206并且基于所測量的時間段來確定油墨水平，在所測量的時間段期間，干條件在MEMS結(jié)構(gòu)的流體通道內(nèi)持續(xù)。
[0032]在所描述的示例中，噴墨打印系統(tǒng)100是具有適合于實施如本文中所公開的油墨水平傳感器的熱噴墨(TI J)打印頭114的按需滴墨的熱噴墨打印系統(tǒng)。在一個實施方式中，噴墨頭組件102包括單個TIJ打印頭114。在另一個實施方式中，噴墨打印頭組件102包括TIJ打印頭114的寬陣列。雖然與TIJ打印頭相關(guān)聯(lián)的制造過程非常適合于所公開的油墨水平傳感器的集成，但其它打印頭類型(例如，壓電打印頭)也可以實現(xiàn)這樣的油墨水平傳感器。因此，所公開的油墨水平傳感器不限于TIJ打印頭114內(nèi)的實施方式，但也適合于在其它流體噴射設(shè)備(例如，壓電打印頭)內(nèi)使用。
[0033]圖2示出了示例性TIJ打印頭114的一端的底視圖，TIJ打印頭114具有形成在硅管芯基板202中的單個流體/油墨供應(yīng)槽200。盡管打印頭114被示出有單個流體槽200，但本文中所討論的原理在其應(yīng)用中不限于具有僅一個槽200的打印頭。更確切地說，其它打印頭構(gòu)造也是可能的，例如具有兩個或多個流體槽的打印頭或使用各種尺寸的孔來將油墨引入流體通道和室的打印頭。流體槽200是形成在基板202中的細長槽，其與流體供應(yīng)源(例如，流體儲液器)流體連通。流體槽200具有沿著槽的兩側(cè)布置的液滴發(fā)生器300，其包括流體室204和噴嘴116。如關(guān)于圖3所討論的，基板202位于具有流體室204的室層和具有在其中形成的噴嘴116的噴嘴層下方。然而，為了說明的目的，圖2中的室層和噴嘴層被假設(shè)是透明的，以便于顯示下面的基板202。因此，使用虛線示出圖2中的室204和噴嘴116。
[0034]除了沿著槽200的側(cè)布置的液滴發(fā)生器300以外，TIJ打印頭114還包括一個或多個流體(油墨)水平傳感器206。流體水平傳感器206通常并入了打印頭114上的MEMS結(jié)構(gòu)的一個或多個元件和阻抗測量/傳感器電路208 JEMS結(jié)構(gòu)包括例如流體槽200、流體通道210、流體室204和噴嘴116。
[°035]阻抗測量/傳感器電路208包括位于流體通道210內(nèi)(例如，位于地板上或位于流體通道210的壁上)的傳感器板212。阻抗測量/傳感器電路208還并入了通常包括源部件504(圖5)以引起傳感器板212中的阻抗的其它電路214和用于測量阻抗的感測部件。在不同的實施方式中，源部件可以包括電壓源和電流源。感測部件可以包括例如緩沖放大器、采樣和保持放大器、DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換器)、ADC(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)、以及其它測量電路。傳感器板212是由例如鉭形成的金屬板。其它電路214的部分(例如，ADC和測量電路)可以不都在基板202上的一個位置上，但相反地可以在基板202上分布在不同的位置。以下關(guān)于圖5到13更詳細地討論了流體傳感器206和阻抗測量/傳感器電路208。
[0036]圖3示出了示例性液滴發(fā)生器300的截面視圖。每個液滴發(fā)生器300包括噴嘴116、流體室204、以及設(shè)置在流體室204內(nèi)的發(fā)射元件302。噴嘴116形成在噴嘴層310中，并且通常被布置成形成沿著流體槽200的側(cè)的噴嘴列。發(fā)射元件302是在硅基板202的頂表面上由絕緣層304(例如，磷硅酸鹽玻璃，PSG)上的金屬板(例如，鉭鋁，TaAl)形成的熱電阻器。位于發(fā)射元件302之上的鈍化層306保護發(fā)射元件免受室204內(nèi)的油墨，并且充當(dāng)機械鈍化或保護空化屏障結(jié)構(gòu)以吸收破裂的蒸汽泡的震動。室層308具有使基板202與噴嘴層310分隔開的壁和室204。
[0037]在打印期間，穿過相應(yīng)的噴嘴116從室204噴射液滴，并且接著用從流體槽200循環(huán)的流體再填充室204。更具體地，電流穿過電阻器發(fā)射元件302，從而導(dǎo)致該元件快速變熱。相鄰于覆蓋發(fā)射元件302的鈍化層306的流體的薄層過度受熱并蒸發(fā)，在相對應(yīng)的發(fā)射室204中產(chǎn)生蒸汽泡。快速膨脹的蒸汽泡迫使液滴從相對應(yīng)的噴嘴116流出。當(dāng)發(fā)熱的元件冷卻時，蒸汽泡快速破裂，從而在準備從噴嘴116噴射另一液滴時將更多的流體從流體槽200抽取到發(fā)射室204中。
[0038]圖4示出了當(dāng)油墨在流體移動事件期間(例如，在油墨液滴噴射或油墨裝填操作期間)在傳感器板之上縮回時的不同階段中的示例性MEMS結(jié)構(gòu)的局部頂視圖和側(cè)視圖。如以上所提到的，流體水平傳感器206通常包括MEMS結(jié)構(gòu)的元件，例如流體通道210、流體室204和專用傳感器噴嘴116。流體水平傳感器206還包括阻抗測量/傳感器電路208，阻抗測量/傳感器電路208并入了位于流體通道210內(nèi)(例如，位于地板上或位于流體通道210上)的傳感器板212。阻抗測量/傳感器電路208操作用于檢測在流體移動事件(例如，油墨滴噴射或油墨裝填操作)期間在流體通道內(nèi)流體(油墨)存在或缺乏的程度。當(dāng)儲液器120內(nèi)的油墨供應(yīng)源接近其使用期限的末尾時，在打印或裝填操作期間施加的背壓變得足夠強以使得油墨液面從噴嘴116縮回并且通過流體通道210回來，從而使傳感器板212暴露于空氣。圖4(a)示出了正常狀態(tài)，其中油墨400填充室204并且在噴嘴116內(nèi)形成油墨液面402。在這個狀態(tài)下，傳感器板212處于濕條件，因為其被覆蓋有填充流體通道210的油墨。在裝填操作期間或正常油墨液滴噴射打印操作期間，在流體通道210中的油墨上施加背壓，如圖4(b)中所示背壓將油墨液面402從噴嘴縮回并且在通道內(nèi)將其拉回。當(dāng)儲液器120中的油墨供應(yīng)源接近其使用期限的末尾時，該背壓增加，油墨流回到通道210和噴嘴116中所花費的時間也增加。如圖4(c)中所示，所增加的背壓將油墨液面拉得足夠遠而回到通道210中，從而使傳感器板212暴露于通過噴嘴116抽取的空氣。根據(jù)在儲液器中剩余的油墨的量和由此產(chǎn)生的背壓，傳感器板212以或多或少的量暴露于通過噴嘴116抽取的空氣。如以下所討論的，傳感器電路208使用所暴露的傳感器板212來確定接近油墨供應(yīng)源的使用期限的末尾的準確的油墨水平。
[0039]圖5示出了示例性阻抗測量/傳感器電路的高水平方框圖。如以上所提到的，阻抗測量/傳感器電路208包括位于流體通道210內(nèi)的傳感器板212和引起傳感器板212兩端的阻抗的源部件504。在一個示例中，如圖6中所示，源部件504包括耦合到傳感器板212以引起穿過板212和感測電阻器600的電流的電壓源504。在這個示例中，對穿過感測電阻器600的電流進行測量以確定傳感器板212中的阻抗。在另一個示例中，如圖7中所示，源部件504包括耦合到傳感器板212以引起傳感器板212兩端的電壓的電流源504。在這個示例中，對傳感器板212兩端的電壓進行測量以確定傳感器板212中的阻抗。
[0040]除了傳感器板212和源部件504以外，阻抗測量/傳感器電路208還包括其它部件，例如DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換器)500、輸入S&H(采樣和保持元件)502、開關(guān)506、輸出S&H 508,ADC(模-數(shù)轉(zhuǎn)換器)510、狀態(tài)機512、時鐘514、以及多個寄存器516(例如，寄存器0XD0-0XD6)。阻抗測量/傳感器電路208以將源部件504構(gòu)造(S卩，偏置)有DAC 500和輸入S&H502開始，同時將開關(guān)506閉合以使傳感器板212短路。以下更詳細討論的偏置算法126在控制器110上執(zhí)行以確定要施加到寄存器0xD2的刺激(輸入代碼)，從而從DAC 500產(chǎn)生最佳偏置電壓，使用該偏置電壓來對源部件504進行偏置。
[0041]在對源部件504進行偏置之后，測量模塊128在控制器110上執(zhí)行并且發(fā)起流體水平測量循環(huán)，在該循環(huán)期間控制器110通過狀態(tài)機512控制阻抗測量電路208。當(dāng)?shù)搅艘獪y量的時間時，狀態(tài)機512通過經(jīng)由準備電路的幾個步驟將電路208分級來協(xié)調(diào)測量、進行測量、并且使電路返回到空閑狀態(tài)。在第一步驟中，狀態(tài)機512例如通過將信號置于線路518上來發(fā)起流體移動事件。流體移動事件從噴嘴116噴出或噴射油墨以使噴嘴和油墨室204暢通，并且在流體通道210中產(chǎn)生背壓尖峰。狀態(tài)機512隨后提供延遲期。延遲期是可變的，但典型地持續(xù)大約2到32微秒之間。
[0042]在延遲期之后，第一電路準備步驟使開關(guān)506斷開。參考圖6，當(dāng)開關(guān)506斷開時，電壓源504耦合到傳感器板212。所施加的電壓源504根據(jù)覆蓋傳感器板212的油墨中的阻抗來引起穿過板212和穿過感測電阻器600的電流。更具體地，位于板212兩端的施加到板212的電壓Vciut基于以下關(guān)系:
[0043]Vout = Vdd-1D (Rs+RP)
[0044]其中，Vdd是電源電壓，并且Id是穿過晶體管的漏極的電流，該電流由來自DAC500的偏置電壓Vgs(即，602的柵極到漏極電壓)控制。電路208中的電壓以地面作為參考，如圖5-7中的地面符號520所示。參考圖7，當(dāng)開關(guān)506斷開時，電流源504耦合到將來自電流源504的電流施加到板212的傳感器板212。施加到板的阻抗的電流以及板上的油墨(如果油墨存在)或空氣(如果油墨不存在)的相關(guān)聯(lián)的電化學(xué)性質(zhì)引起板及其化學(xué)系統(tǒng)兩端的電壓響應(yīng)。如果流體通道210是完全干的，則阻抗將主要是電容性的。如果流體存在，則阻抗可以是實時變分量和虛時變分量。從電流源504供應(yīng)的電流基于以下關(guān)系:
[0045]Ia(Vgs-Vt)2
[0046]其中Vgs是來自DAC 500的偏置電壓。Vgs是柵極到源極電壓，并且Vt是電流源504的電流產(chǎn)生晶體管的柵極閾值電壓，DAC電壓施加到該電流源504上。
[0047]在第二電路準備步驟中，狀態(tài)機512使開關(guān)506斷開并提供第二延遲期，第二延遲期再次持續(xù)大約2到32微秒之間。在第二延遲之后，狀態(tài)機512使輸出S&H放大器508對模擬響應(yīng)進行采樣(即，測量)。參考圖6，輸出S&H放大器508對流經(jīng)感測電阻器(Rs)600的電流的值進行采樣并保持該值。參考圖7，輸出S&H 508對傳感器板212處的電壓的值進行采樣并保持該值。在這兩個示例中，狀態(tài)機512隨后通過ADC 510發(fā)起轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換將所采樣的模擬響應(yīng)值轉(zhuǎn)換成存儲在寄存器0xD6中的數(shù)字值。寄存器保持數(shù)字響應(yīng)值，直到測量模塊128讀取寄存器為止。電路208隨后被置于空閑模式，直到另一個測量循環(huán)被發(fā)起為止。
[0048]測量模塊128將數(shù)字化響應(yīng)值與Rdetect閾值進行比較以確定傳感器板是否處于干條件。如果所測量的響應(yīng)超過Rdetect閾值，則干條件存在。否則，濕條件存在。(以下討論對Rdetect閾值的計算)。檢測干條件指示背壓在流體通道210中將油墨拉回足夠遠以將傳感器板212暴露于空氣。通過額外的測量循環(huán)，對干條件持續(xù)(S卩，當(dāng)傳感器板暴露于空氣時)的時間的長度進行測量并且將該時間長度用于插入產(chǎn)生干條件的背壓的幅值。因為背壓朝著油墨供應(yīng)源的使用期限的末尾可預(yù)測地增加，所以可以做出對油墨水平的準確確定。
[0049 ]如以上所提到的，偏置算法126在控制器110上執(zhí)行以確定來自DAC500的最佳偏置電壓，使用該偏置電壓來對源部件504進行偏置。偏置算法126控制流體水平傳感器206(即，阻抗測量電路208和MEMS結(jié)構(gòu))，同時確定偏置電壓。從偏置算法126的角度看，如圖8中所示，流體水平傳感器206是接收輸入或刺激并提供輸出或響應(yīng)的黑盒元件。使用施加到阻抗測量電路208的寄存器0xD2的0-255(8位)數(shù)字來設(shè)置輸入電壓。寄存器0xD2中的輸入數(shù)字或代碼是施加到DAC 500的刺激，并且來自DAC的模擬電壓輸出是乘以1mV的刺激。因此，可用于對源部件504進行偏置的來自DAC 500的模擬偏置電壓的范圍是0_2.55V。來自阻抗測量電路208的輸出或響應(yīng)是存儲在8位寄存器0xD6中的數(shù)字代碼。
[0050]偏置算法使用輸入代碼與輸出代碼之間的阻抗測量電路208的刺激-響應(yīng)關(guān)系來提供在當(dāng)傳感器板212是濕的時(S卩，當(dāng)油墨存在于MEMS流體通道210中并且覆蓋板時)和當(dāng)傳感器板212是干的時(S卩，當(dāng)油墨從MEMS流體通道210被拉出并且空氣圍繞板時)之間的最佳輸出差量信號(例如，最大響應(yīng)電壓)。如圖9中所示，當(dāng)刺激(輸入代碼)從其最小值延伸到其最大預(yù)充電電壓計數(shù)(即，0-255; SmirJljSmax)時，響應(yīng)(輸出代碼)產(chǎn)生穿過三個不同區(qū)域(截止、活動以及飽和)的過程的響應(yīng)波形。這三個區(qū)域一起形成松垮的“S”的形狀。圖9示出了干響應(yīng)曲線900、濕響應(yīng)曲線902、以及指示輸入刺激的范圍內(nèi)的濕相應(yīng)與干響應(yīng)曲線之間的差異的差異曲線904。圖9的響應(yīng)曲線描繪有利的條件，其中響應(yīng)很強。一般而言，最大信號差量(即，最大差異響應(yīng)曲線)出現(xiàn)在傳感器板212由于油墨的全通道而完全濕時的情況與傳感器板212由于與通道中的空氣完全接觸而完全干時的情況之間。
[0051]盡管響應(yīng)曲線在流體/油墨的存在與缺乏之間(S卩，在濕條件與干條件之間)變化，但當(dāng)幾乎沒有污染物(例如，導(dǎo)電碎肩和油墨殘渣)存在于MEMS結(jié)構(gòu)中時，變化的量較強。因此，響應(yīng)最初很強，如由圖9中的強響應(yīng)曲線所示。然而，隨著時間的過去，MEMS結(jié)構(gòu)可以變得被流體通道和室中的油墨殘渣污染，并且具體而言干響應(yīng)將降級并變得更接近濕響應(yīng)。污染物引起在使干響應(yīng)變?nèi)醯母汕闆r下的導(dǎo)電，這導(dǎo)致在干相應(yīng)與濕響應(yīng)之間的弱差異。圖10示出了弱干響應(yīng)曲線1000、弱濕響應(yīng)曲線1002、以及差異曲線1004的示例，其中不利的條件(例如，MEMS結(jié)構(gòu)中的污染物)使響應(yīng)降級。如可以在圖1O中看到的，弱濕響應(yīng)曲線與弱干響應(yīng)曲線之間的差異比圖9的強響應(yīng)曲線中所示的差異小得多。圖9中所示的強差異曲線904提供了可被容易評估的濕條件與干條件之間的強區(qū)別。然而，在弱響應(yīng)條件下，由于弱差異，找到在濕條件與干條件之間的區(qū)別更有挑戰(zhàn)性。偏置算法126找到弱響應(yīng)差異曲線1004(8卩，圖10中所示)中的差異的最佳點，其中流體/油墨水平測量將提供濕條件與干條件之間的最大響應(yīng)。
[0052]圖11(&.1、&.2、8.3、13.1、13.2、13.3、(3.1、(3.2、(3.3)示出了弱干響應(yīng)曲線1100和弱濕響應(yīng)曲線1102及其響應(yīng)于過程和環(huán)境條件(例如，制造過程、電源電壓和溫度(PV&T))中的差異的變化的示例。圖11 (a.1)、(a.2)和(a.3)分別示出了在輸入刺激范圍IX、1X和100X內(nèi)的具有最壞(W)情況處理條件(5.5伏電源和15攝氏度溫度(在圖中被引用為“W; 5.5V;15C”))的示例性曲線。圖ll(b.1)、(b.2)和(b.3)分別示出了在輸入刺激范圍IX、1X和100X內(nèi)的具有最好情況(B)處理條件(4.5伏電源和110攝氏度溫度(在圖中被引用為“B; 4.5V;1100)的示例性曲線。圖11(0.1)、((3.2)和((3.3)分別示出了在輸入刺激范圍1乂、10父和100X內(nèi)的具有典型(T)處理條件(5.0伏電源和60攝氏度溫度(在圖中被引用為“T;5.0V;60C”))的示例性曲線。在一些情況下，響應(yīng)曲線的活動區(qū)由于PV&T的變化而在斜率上發(fā)生改變。在其它情況下，響應(yīng)曲線的活動區(qū)使它們在截止區(qū)中或早或晚開始的布置發(fā)生變化。圖ll(a)、(b)和(c)中的干響應(yīng)和濕響應(yīng)曲線示出了這樣的斜率上的變化和可以從變化的PV&T條件產(chǎn)生的起始點。圖ll(a)、(b)和(c)中的差異曲線1104示出了輸入刺激的范圍內(nèi)和PV&T條件中的變化上的濕響應(yīng)與干響應(yīng)曲線之間的差異。
[0053]圖12示出了干響應(yīng)與濕響應(yīng)之間的差異與刺激的關(guān)系曲線的示例。圖11中所示的差異曲線1104被涵蓋以形成圖12。意圖在于示出差異曲線的峰值的高度、接近的斜率和曲線的衰減、以及沿著曲線放置刺激軸的中心，這些都跨PV&T而發(fā)生變化。
[0054]圖13示出了根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例的繪制與濕響應(yīng)的關(guān)系曲線的合成差異曲線1300的示例。通過將差異曲線的基礎(chǔ)部分改變成響應(yīng)而不是刺激，實現(xiàn)了與PV&T差異的隔離的測量。偏置算法126找到了解決方法，其中最佳差異點位于提供濕條件與干條件之間的最大油墨水平測量響應(yīng)的弱差異情況。因此，該解決方法應(yīng)當(dāng)容忍PV&T的這種變化以及提供盡可能大的裕度。相應(yīng)地，如圖13中所示，可以通過將差異曲線1104視為濕響應(yīng)曲線1102的函數(shù)而不是視為輸入刺激的函數(shù)來去除大量PV&T變化。這是因為對于在過程、電壓和溫度(PV&T)上的給定刺激存在輸出值的大變化。然而，干條件(無油墨)與濕條件(油墨存在)之間的差異不會在PV&T上改變那么多，因此使用這個差異減去了很多PV&T引起的變化。差異曲線的合成包括通過涵蓋跨所有過程和環(huán)境(PV&T)條件所確定的很多差異曲線來形成的區(qū)域。因此，在合成差異上方的區(qū)域代表獨立于PV&T條件的可行信號響應(yīng)區(qū)域。合成差異的中心代表應(yīng)當(dāng)進行油墨水平測量以便實現(xiàn)峰值響應(yīng)(Rpe3ak)時的位置，該峰值響應(yīng)使干條件與濕條件之間的輸出響應(yīng)值(例如，電壓響應(yīng))最大化。Rpeak響應(yīng)的位置被表達為最小濕響應(yīng)Rmin與最大濕響應(yīng)Rmax之間的跨度的百分比。因此，合成差異曲線1300上的Rpeak的位置被稱為RPd%。另外，在測量循環(huán)期間，在位置RPd%處的合成差異曲線1300的峰值的高度代表當(dāng)干條件存在時所預(yù)期的最小差異(作為Rmin與Rmax之間的跨度的百分比)，并且可以被稱
^jDmin% ο
[0055]偏置算法I26確定輸入刺激值Speak，輸入刺激值Speak以Rpd%產(chǎn)生位于合成差異曲線1300上的峰值響應(yīng)Rpeak。該算法在寄存器0xD2輸入最小刺激(Smin)并且在寄存器0xD6中對響應(yīng)進行采樣。該算法還在寄存器0xD2處輸入最大刺激(Smax)并且在寄存器0xD6中對響應(yīng)進行采樣。寄存器0xD6中的這兩個值分別是響應(yīng)的極值Rmin和Rmax。峰值響應(yīng)值Rpeak可以隨后進行如下計算:
[0056]Rpeak = Rmin+(Rpdt^(Rmax-Rmin))
[0057]可以接著通過各種方法來找到相對應(yīng)的刺激值Speak。刺激可以例如從Smin延伸到S.，當(dāng)響應(yīng)到達Rpe3ak時停止。另一種方法是使用二進制搜索。產(chǎn)生峰值響應(yīng)Rpeak的刺激值&^是施加到寄存器0xD2以對阻抗測量電路208中的源部件504進行最佳偏置的輸入代碼，以使得可以在干板條件與濕板條件之間跨傳感器板212測量最大響應(yīng)。
[0058]如以上所提到的，在測量循環(huán)中，測量模塊128可以通過將板兩端所測量的響應(yīng)電壓與Rdetect閾值進行比較來確定傳感器板212是否處于干條件。如果所測量的響應(yīng)超過Rdetect閾值，則干條件存在。否則，濕條件存在。Rdetect閾值通過以下方程進行計算:
[0059]Rdetect = Rpeak+( (Rmax-Rmin)* (Dmin<%/2 ))
[0060]響應(yīng)電壓中預(yù)期的最小差異Dmin%分開(S卩，除以2)以共享干條件情況與濕條件情況之間的噪聲裕度。
【主權(quán)項】
1.一種打印頭，包括: 噴嘴； 流體通道； 傳感器板，其位于所述通道內(nèi)；以及 阻抗測量電路，其耦合到所述傳感器板以在使流體移動經(jīng)過所述傳感器板的流體移動事件期間測量所述通道內(nèi)的流體的阻抗。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路選自由引起穿過所述傳感器板的電流的受控電壓源和引起所述傳感器板兩端的電壓的受控電流源組成的組。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括: 輸入寄存器；以及 數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)，其用于從所述輸入寄存器接收輸入代碼并且提供偏置電壓以對所述電壓源進行偏置。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括輸入采樣和保持單元以用于對來自所述數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)的所述偏置電壓進行采樣并且將所述偏置電壓施加到所述電壓源。5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括開關(guān)以用于使所述傳感器板在所述電壓源的偏置期間在閉合位置上短路，并且在斷開位置上將來自所述電壓源的電壓施加到所述傳感器板。6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括: 感測電阻器； 放大器，其用于測量穿過所述感測電阻器的響應(yīng)電流；以及 輸出采樣和保持單元，其用于對穿過所述感測電阻器的所述響應(yīng)電流進行采樣。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括用于將所述響應(yīng)電流轉(zhuǎn)換成數(shù)字值的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括用于存儲所述數(shù)字值的輸出寄存器。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中，所述阻抗測量電路還包括用于發(fā)起所述流體移動事件的狀態(tài)機。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的打印頭，其中，所述流體移動事件選自由穿過所述噴嘴噴射流體的發(fā)射事件和穿過所述流體通道推動流體的裝填事件組成的組。11.一種打印頭，包括: 流體通道，其用于將噴嘴與流體槽流體地耦合； 阻抗測量電路，其包括: 傳感器板，其位于所述通道內(nèi)； 受控電壓源，其用于引起穿過所述傳感器板和感測電阻器的電流；以及采樣和保持放大器，其用于測量并保持在流體移動事件期間穿過所述感測電阻器的電流的電流值。12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的打印頭，所述阻抗測量電路還包括: 模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，其用于將所述電流值轉(zhuǎn)換成數(shù)字值；以及 輸出寄存器，其用于存儲所述數(shù)字值。13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的打印頭，所述阻抗測量電路還包括: 輸入寄存器，其用于提供輸入代碼； 數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)，其用于將所述輸入代碼轉(zhuǎn)換成偏置電壓；以及輸入采樣和保持放大器，其用于對來自所述數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)的所述偏置電壓進行采樣并且將其施加到所述受控電壓源。14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的打印頭，所述阻抗測量電路還包括開關(guān)以用于使所述傳感器板在所述電壓源的偏置期間在閉合位置上短路，并且在斷開位置上將來自所述電壓源的電壓施加到所述傳感器板。15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的打印頭，所述阻抗測量電路還包括狀態(tài)機以用于控制所述開關(guān)、所述采樣和保持放大器、所述數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)、以及所述模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)。
【文檔編號】B41J2/145GK105939856SQ201480074488
【公開日】2016年9月14日
【申請日】2014年1月30日
【發(fā)明人】A·L·戈澤爾, S·A·林, D·馬克斯菲爾德, A·范布羅克林
【申請人】惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)