TWI579150B - 噴頭清潔裝置 - Google Patents

Description

噴頭清潔裝置

本發明係關於噴頭清潔裝置及其方法，尤其有關一種於列裝置噴頭利用影像擷取單元擷取噴印頭影像，以即時控制噴印頭微擾動狀態，而達到因應噴印頭變異，對其進行補償之效果。

工業用噴射印表機技術可應用來製作TFT電晶體、3D列印、太陽能電池電極製作、生醫晶片酵素噴印製程等，而現階段噴印製程於噴印前期皆需進行噴印頭清潔與校正動作，如何在噴印頭靜止一段時間後仍保持噴印頭可全孔噴印，是噴印製程研究的重要議題之一。近期被美國總統歐巴馬喻為第三次工業革命的3D列印技術迅速發展，2D或3D噴印列印技術的發展性，除了仰賴材料科學的進步性外，若要獲得良好的列印品質，其次都必需聚焦在噴印頭驅動技術。

目前在噴印頭清潔的驅動方法，主要透過改變驅動電壓振幅大小藉此控制壓電噴印頭內的壓電片形變程度，藉由壓電片微擾動的行為使噴印頭即使在靜止的狀態下也不容易因墨水特性而固化，致使噴印過程產生掉孔現象。

噴印頭最佳的微擾動驅動波形，目前仍未有好的解決方法。目前此技術所衍生的問題在於；(1)驅動電壓過大將產生壓電行為形成液滴，造成材料浪費，(2)若驅動電壓過低，則無法得知噴孔片狀態，(3)驅動電壓低而頻率高時，也有可能將液滴擠出形成不必要之浪費，(4)噴印頭使用過程中的變異將改變最佳波形。

針對不同墨水的黏滯性與噴印特性所發展的噴印驅動技術已經具備一定程度的發展，當噴印頭內部填充需加熱之預噴材料，都將面臨噴印頭噴嘴不噴印的情況下，容易因加熱不均勻或墨水特性使噴印頭之噴嘴固化或產生塞孔現象，如何保持墨水於噴嘴腔體內部可保持在隨時都可以噴印的條件下，是一項值得探討的技術。

隨著現代科學技術與材料科學的相關發展，工業用印刷技術逐漸成為先進製程技術研發重點之一，例如3D列印機、PCB板打樣噴墨機、TFT噴印製程等，皆因應用之不同必需於噴印頭內部填充不同的材料，本文透過控制驅動電壓與影像回饋機制，降低噴印頭於初始狀態達到噴印頭全孔噴印調件之時間，並降低噴印頭於非列印圖形狀態下少孔的狀態產生。

本發明在於透過影像處理與影像辨識技術，以影像擷取單元(電荷耦合元件)擷取噴印頭上噴孔片狀態，並回饋至控制器進行開關控制決策，並產生最佳的擾動開關切換策略，由於是線上即時回授，可因應噴印頭的變異而因應進行補償。

因此，本發明之一目的，在提供一種噴頭清潔裝置，其包含：噴印頭單元、噴印頭驅動單元、影像擷取單元、記憶單元、以及控制單元。噴印頭單元包含至少一噴孔，至少一液滴係經由該噴孔噴出。噴印頭驅動單元係連接噴印頭單元，其控制噴孔之開啟或關閉。影像擷取單元擷取該噴孔之至少一影像，以得到實際噴孔資訊，或該噴孔噴出該液滴之至少一影像，以得到液滴之實際液滴資訊，其中實際液滴資訊為液滴至噴孔之長度值，或液滴之直徑值。記憶單元係記憶實際液滴資訊，以及所輸入之設定液滴資訊。控制單元係連接噴印頭驅動單元以及影像擷取單元以及記憶單元。控制單元係根據影像擷取單元之實際液滴資訊，判斷實際液滴資訊與設定液滴資訊之差異，以控制噴印頭驅動單元控制噴孔開啟或關閉，以使液滴至噴孔之長度值處於所設定之值，或使液滴之直徑值處於所 設定之值。

控制單元為比例、比例微分、比例為分積分控制器、倒傳遞網路、或神經網路控制器。

噴印頭驅動單元為，具有至少一通道之氣電式開關迴路，或電驅動式開關迴路。

影像擷取單元包含一閃光光源裝置以及一數位訊號處理器，其中閃光光源裝置提供影像擷取單元光源，且數位訊號處理器係處理影像，以擷取液滴實際液滴資訊或實際噴孔資訊。閃光光源裝置之光源顏色為紅色、綠色、藍色或白色之任一顏色或任意顏色之組合。閃光光源裝置之光源為發光二極體、鎂光燈或鎢絲燈。

噴印頭單元更包含一噴孔片，控制單元藉由控制噴印頭驅動單元傳送至噴印頭單元之電壓大小，以控制該噴孔片之瞬間形變程度，進而推動噴孔噴出液滴，以使長度值處於所設定之值，或直徑值處於所設定之值。控制單元根據實際液滴資訊，建置一曲線二次式，並根據曲線二次式求實際液滴資訊之最大值。

記憶單元更包含記憶所輸入之一設定噴孔片資訊，一設定形變資訊，一實際形變資訊或一實際噴孔片資訊以及一實際形變資訊。

實際噴孔片資訊以及設定噴孔片資訊，係包含該噴孔片之影像資訊、該噴孔片之溫度資訊，或該噴孔片之壓力資訊、噴孔片直徑大小、噴孔片灰階度。實際形變資訊係，藉由該控制單元控制該噴孔片形變之程度資訊。設定噴孔片資訊、設定形變資訊係藉由輸入方式，設定並儲存於記憶單元。噴印頭驅動單元根據液滴至噴孔之最長長度值，或液滴之最大直徑值，控制噴孔開啟關閉之次數，其中開啟關閉之次數係為2ⁿ次。控制單元根據影像擷取單元所擷取之液滴之影像，控制噴印頭驅動單元控制噴孔開啟或關閉，直到液滴之實際液滴資訊修正至最大值。

100‧‧‧噴印頭清潔裝置

102‧‧‧控制單元

104‧‧‧噴印頭單元

1042‧‧‧噴孔

1044‧‧‧液滴

1046‧‧‧噴孔片

106‧‧‧噴印頭驅動單元

108、1081‧‧‧影像擷取單元

1082、10812‧‧‧閃光光源裝置

1084、10814‧‧‧數位訊號處理器

110‧‧‧記憶單元

l、l₀、l_n‧‧‧長度

l_desire‧‧‧設定長度值

l_max‧‧‧最長長度

l_min‧‧‧最短長度

σ‧‧‧長度比值

σ_error‧‧‧長度比值誤差值

α‧‧‧開啟關閉控制策略

ρ、ρ₀、ρ_n‧‧‧直徑

ρ_desire‧‧‧設定直徑值

ρ_max‧‧‧最大直徑

ρ_min‧‧‧最小直徑

γ‧‧‧直徑比值

第1圖係為噴印頭清潔裝置示意圖；第2圖係為本發明噴印頭單元示意圖；第3圖係為開啟關閉次數圖；第4圖係為液滴至噴孔長度圖；第5圖係為液滴直徑圖；第6圖係為液滴至噴孔長度變化曲線圖；第7圖係為液滴長度變化圖；第8圖係為液滴長度曲線二次式圖；第9圖係為實際液滴資訊之最大值圖；第10圖係為最佳液滴漲縮與拉伸狀態影像圖；以及第11圖係為最佳液滴漲縮與拉伸狀態影像圖。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖示之一個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

3D列印機、PCB板打樣噴墨機、TFT噴印製程等，而壓電噴印頭為高電壓低電流之電容性負載，噴印頭除了控制噴印精確度外，另有一項值得被重視的問題：「如何在噴印頭填充不同的噴印材料時，在任意時間將噴印頭保持在可全孔噴印之狀態」，本文提出使用影像處理技術，依據液滴於噴孔片上的狀態，作為調整壓電片開關控制訊號之依據，快速達成噴印頭保持隨時皆可進行全孔噴印狀態，有效防止噴印頭於靜止時因噴印材料之特性所產生的固化。透過微擾動技術不會因校正噴印頭時需噴印液滴，有效減少墨量之耗損。

本案提出一種噴印頭清潔裝置100，其架構如第1圖所示，第1圖為噴印頭清潔裝置示意圖。使用者透過此系統可有效避免噴印頭因長時間不使用時產生的掉孔現象產生，此外更可加快噴印設備於初始狀態下噴印頭校正速度。噴印頭清潔裝置100包含控制單元102、噴印頭 單元104、噴孔1042、噴印頭驅動單元106、影像擷取單元108、記憶單元110。

仍請參考第1圖，而其中第2圖為本發明噴印頭單元示意圖。噴印頭單元104包含至少一噴孔1042，其經由噴孔1042噴出液滴1044。噴印頭驅動單元106係連接噴印頭單元104，以控制噴孔1042開啟或關閉。影像擷取單元108擷取噴孔1042之至少一影像(未圖示)，以得到實際噴孔資訊。亦可藉由影像擷取單元108擷取噴孔1042噴出液滴之至少一影像，以得到液滴之實際液滴資訊。其中，實際液滴資訊為液滴1044至噴孔1042之一長度值，或液滴1044之一直徑值。

請參考第2圖，噴印頭單元104包含一噴孔片1046。控制單元102藉由控制噴印頭驅動單元106傳送至噴印頭單元104之電壓大小，以控制該噴孔片1046之瞬間形變程度，進而推動噴孔1042形變擠出液滴1044，以使液滴1044長度值處於所設定之值，或液滴1044之直徑值處於所設定之值。

請參考第1圖，於此實施例中，影像擷取單元108包含閃光光源裝置1082以及數位訊號處理器1084，其中閃光光源裝置1082提供該影像擷取單元108所需之光源。數位訊號處理器1084針對該影像擷取單元108所擷取噴孔1042之至少一影像，進行影像之分析處理，而擷取出液滴1044之實際液滴資訊，或實際噴孔資訊。

需說明的是，請參考第2圖，本實施例主要使用兩具影像擷取單元108、1081，以擷取噴印頭單元104之液滴1044影像資訊。影像擷取單元108用以擷取噴印頭單元104上的液滴1044之直徑大小。影像擷取單元1081則是擷取噴孔片1046之液滴長度資訊，以此二者做為回饋訊號，調整出最適當之開關驅動狀態。本發明之閃光光源裝置1082、10812光源顏色為，紅色、綠色、藍色或白色之任一顏色或任意顏色之組合。又，閃光光源裝置1082、10812之光源為發光二極體、鎂光燈或鎢絲燈。

請參考第1圖，記憶單元110係記憶實際液滴資訊，以及所輸入之一設定液滴資訊。記憶單元110更包含記憶所輸入之設定噴孔片 資訊、設定形變資訊、實際形變資訊、實際噴孔片資訊以及實際形變資訊。實際噴孔片資訊以及設定噴孔片資訊，係包含(第2圖)該噴孔片1046之影像資訊、噴孔片1046之溫度資訊，或噴孔片1046之壓力資訊、噴孔片直徑大小、噴孔片灰階度。實際形變資訊係藉由該控制單元102，以控制噴孔片1046形變之程度資訊。

仍請參考第1圖，影像擷取單元108可擷取液滴1044形瞬間之影像，並解析出實際液滴資訊(液滴1044至噴孔1042長度比值σ或液滴1044直徑比值γ，其中，液滴至噴孔之長度為l₀、l_n、l_max，該液滴之直徑為ρ₀、ρ_n、ρ_min)，如第4圖之液滴至噴孔長度圖，與第5圖之液滴直徑圖。其形變程度會因開啟關閉控制策略調整而有不同結果，如第6圖所示之液滴至噴孔長度變化曲線圖。

請參考第1圖，控制單元102係連接噴印頭驅動單元106以及影像擷取單元108，以及記憶單元110。控制單元102係根據影像擷取單元108實際液滴資訊，判斷實際液滴資訊與設定液滴資訊之差異。控制單元102根據實際液滴資訊與設定液滴資訊之差異，控制噴印頭驅動單元106控制噴孔1042開啟或關閉，使該液滴1044至噴孔1042(如第2圖所示)之長度l處於所設定長度值l_desire，或使液滴1044之直徑ρ處於所設定直徑值ρ_desire。噴印頭驅動單元106根據液滴1044至噴孔1042之最長長度l_max，或液滴1042之最大直徑ρ_max，以控制噴孔1042開啟關閉之次數。其中，控制噴孔1042開啟關閉之次數係為2ⁿ次。

請參考第1圖，控制單元102收到欲獲得液滴10之設定長度值l_desire，以及設定直徑值ρ_desire資訊後，進行控制策略分析，並產生對應之液滴1044長度l以及直徑ρ之開啟關閉控制策略α，其中，開啟關閉控制策略。控制單元102進行開關策略調變時，先將最長長度l_max、最大直徑ρ_max解析為2ⁿ次。

請參考第3圖，為開啟關閉次數圖。在此實施例中，開啟關閉次數(Total Pulse)最多可開256次。若開啟關閉次數256次，可達最長 長度l_max或最大直徑ρ_max。開啟關閉最少1次，可達最短長度l_min或最小直徑ρ_min。在時間t內，若想達到l_{desired level15}或ρ_{desired level15}，則可達到使用者所需(或)。

仍請參考第1圖，本發明之噴印頭驅動單元106可為具有至少一通道之氣電式開關迴路，或為具有至少一通道之電驅動式開關迴路。

請參考第7圖，以長度為例作說明，其為液滴長度變化圖。假設若影像擷取單元108之帧率(frame rate)為13(帧/秒)，在時間為1秒時，擷取13張液滴1044至噴孔1042的長度影像資訊。控制單元102接收影像擷取單元108之實際液滴影像資訊，並將滴影像資訊繪製成此液滴長度變化圖。須說明的是，在13筆資訊中，可能會因為影像擷取單元108之帧率過低，不一定可取取得所需的影像資訊(l₀、l_max)，控制單元102必須利用13筆已知實際液滴影像資訊(液滴長度、時間)進行曲線配適(curve fitting)，並建置曲線之二次式(y=ax²+bx+c(a≠0))，將液滴1044外圍輪廓描述完整如第8圖所示之液滴長度曲線二次式圖。

請參考第1圖，控制單元102根據實際液滴資訊建置一曲線二次式，並根據曲線二次式求實際液滴資訊之最大值(即液滴1044至噴孔1042最大長度比值σ)，如第9圖之實際液滴資訊之最大值圖所示。

依舊請參考第1圖，控制單元102根據影像擷取單元108所擷取之液滴1044之影像，得知液滴1044至噴孔1042長度比值σ後，可計算出長度比值誤差值σ_error(=σ_desired-σ)，控制單元102依據長度比值誤差值σ_error進行修正，控制噴印頭驅動單元106控制噴孔1042開啟或關閉，如此反覆修正，直到液滴1044之實際液滴資訊修正至最大值(液滴1044至噴孔1042之最大長度比值σ，或液滴1042之最大直徑比值γ)，即已得到最佳之液滴1044漲縮與拉伸狀態σ_desired-σ=0或γ_desired-γ=0，如第10圖之最佳液滴漲縮與拉伸狀態影像圖，以及第11圖之最佳液滴漲縮與拉伸狀態影像圖所示。

需說明的是，請參考第1圖，該控制單元102為比例、比 例微分、比例為分積分控制器、倒傳遞網路、或神經網路控制器。

以上所述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成之等效改變或修飾，均應包含在下述之申請專利範圍內。

100‧‧‧噴印頭清潔裝置

102‧‧‧控制單元

104‧‧‧噴印頭單元

1042‧‧‧噴孔

106‧‧‧噴印頭驅動單元

108、1081‧‧‧影像擷取單元

1082、10812‧‧‧閃光光源裝置

1084、10814‧‧‧數位訊號處理器

110‧‧‧記憶單元

l_desire‧‧‧設定長度值

α‧‧‧開啟關閉控制策略

ρ_desire‧‧‧設定直徑值

Claims (5)

1. 一種噴頭清潔裝置，其包含：一噴印頭單元，該噴印頭單元包含一噴孔片，至少一噴孔，用以經由該噴孔噴出至少一液滴；一噴印頭驅動單元，係連接該噴印頭單元，該噴印頭驅動單元係控制該噴孔之開啟或關閉；一影像擷取單元，係擷取該噴孔之至少一影像，以得到一實際噴孔資訊，該噴孔噴出該液滴之至少一影像，以得到該液滴之一實際液滴資訊，其中該實際液滴資訊為該液滴至該噴孔之一長度值，或該液滴之一直徑值；一記憶單元，係記憶該實際液滴資訊，以及所輸入之一設定液滴資訊，其中該記憶單元包含：記憶所輸入之一設定噴孔片資訊；一設定形變資訊；一實際形變資訊，其中該實際形變資訊係藉由該控制單元控制該噴孔片之一形變程度資訊；以及一實際噴孔片資訊，其中該實際噴孔片資訊，以及該設定噴孔片資訊，係包含該噴孔片之影像資訊、該噴孔片之溫度資訊，或該噴孔片之壓力資訊、噴孔片直徑大小、噴孔片灰階度；以及一控制單元，係連接該噴印頭驅動單元以及該影像擷取單元以及該記憶單元，其中該控制單元藉由控制該噴印頭驅動單元傳送至該噴印頭單元之電壓大小，以控制該噴孔片之瞬間形變程度，以使該長度值處於所設定之值，或該直徑值處於所設定之值，該控制單元係根據該影像擷取單元之該實際液滴資訊，判斷該實際液滴資訊與該設定液滴資訊之 差異，控制該噴印頭驅動單元，進而控制該噴孔開啟或關閉，以使該液滴至該噴孔之長度值處於所設定之值，或使該液滴之直徑值處於所設定之值。
2. 如申請專利範圍第1項之噴頭清潔裝置，其中該設定噴孔片資訊、該設定形變資訊係藉由輸入方式，設定並儲存於該記憶單元。
3. 如申請專利範圍第1項之噴頭清潔裝置，該影像擷取單元包含一閃光光源裝置以及一數位訊號處理器，其中該閃光光源裝置提供該影像擷取單元光源，且該數位訊號處理器係處理該影像，以擷取該液滴實際液滴資訊或該實際噴孔資訊。
4. 如申請專利範圍第3項之噴頭清潔裝置，該閃光光源裝置之光源顏色為紅色、綠色、藍色或白色之任一顏色或任意顏色之組合。
5. 如申請專利範圍第3項之噴頭清潔裝置，該閃光光源裝置之光源為發光二極體、鎂光燈或鎢絲燈。