全文摘要
本发明属于喷墨打印相关设备领域，公开了一种液滴喷射融合全过程体积控制方法、系统及设备。该方法通过将单个液滴体积的闭环反馈控制、多液滴混合体积补偿控制方法与融合后液滴总体积控制方法相结合，对喷头各个喷嘴的打印数据进行控制，实现对喷印全过程中液滴体积的测量与控制，有效提高液滴体积精度；在单个液滴体积控制的基础上，通过多pass喷印模式，对基板上多液滴的沉积和融合后总体积实现控制与补偿。本发明在提高单个液滴体积精度的同时，还通过多pass打印模式对基板上沉积墨水不均匀的图案区域进行补偿，实现对打印图案薄膜厚度和均匀性的直接控制，保证基板上目标区域沉积的墨水总体积的一致性，并实现了对打印图案的精确控制。
主设计要求
1.一种液滴喷射融合全过程体积控制方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)设定喷印单个液滴目标体积并输出相应电压控制指令(101)：根据工艺需求，输入喷嘴喷射的单个液滴目标体积Vr并通过喷射液滴体积模型计算所需电压参数，生成相应电压控制指令；(2)试打印过程中单个液滴体积误差控制补偿(102)：在试打印过程中实时检测单个液滴实际体积Vj，将单个液滴实际体积Vj与单个液滴目标体积Vr进行比较得到偏差值Vde，然后根据Vde对电压控制指令进行补偿，输出电压波形控制指令；(3)正式打印过程中1pass多液滴组合体积控制补偿(103)：在正式打印过程中，利用步骤(2)获得的每个喷嘴单个液滴体积补偿后的数据，将不同喷嘴的液滴在1pass打印过程中组合在一起对同一片目标区域进行打印，并生成当前1pass相应喷印控制指令；pass为同一目标区域的图像成型所需的打印次数，pass数越高，图像成型质量越好；(4)正式打印过程中液滴融合后体积误差控制补偿(104)：将当前1pass打印过程中的液滴实际融合总体积Vtotal与设定的液滴融合后目标总体积Vgoal进行比较得到偏差值Vte，然后利用下次1pass打印过程中喷射的液滴体积V′对偏差值Vte进行补偿，并生成下次1pass的相应喷印控制指令。
设计方案
1.一种液滴喷射融合全过程体积控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)设定喷印单个液滴目标体积并输出相应电压控制指令(101)：
根据工艺需求，输入喷嘴喷射的单个液滴目标体积Vr<\/sub>并通过喷射液滴体积模型计算所需电压参数，生成相应电压控制指令；
(2)试打印过程中单个液滴体积误差控制补偿(102)：
在试打印过程中实时检测单个液滴实际体积Vj<\/sub>，将单个液滴实际体积Vj<\/sub>与单个液滴目标体积Vr<\/sub>进行比较得到偏差值Vde<\/sub>，然后根据Vde<\/sub>对电压控制指令进行补偿，输出电压波形控制指令；
(3)正式打印过程中1pass多液滴组合体积控制补偿(103)：
在正式打印过程中，利用步骤(2)获得的每个喷嘴单个液滴体积补偿后的数据，将不同喷嘴的液滴在1pass打印过程中组合在一起对同一片目标区域进行打印，并生成当前1pass相应喷印控制指令；pass为同一目标区域的图像成型所需的打印次数，pass数越高，图像成型质量越好；
(4)正式打印过程中液滴融合后体积误差控制补偿(104)：
将当前1pass打印过程中的液滴实际融合总体积Vtotal<\/sub>与设定的液滴融合后目标总体积Vgoal<\/sub>进行比较得到偏差值Vte<\/sub>，然后利用下次1pass打印过程中喷射的液滴体积V′对偏差值Vte<\/sub>进行补偿，并生成下次1pass的相应喷印控制指令。
2.如权利要求1所述的一种液滴喷射融合全过程体积控制方法，其特征在于，步骤(1)中，喷射液滴体积模型与电压之间关系如下：
设计说明书
技术领域
本发明属于喷墨打印相关设备领域，更具体地，涉及一种液滴喷射融合全过程体积控制方法。
背景技术
喷墨打印技术相比传统的光刻、丝网印刷等柔性电子制造工艺，拥有对设备环境要求低、生产效率高、制造成本低等优点，已成为未来柔性电子制造的主要发展趋势之一。目前已经在OLED显示屏幕制造、表皮电子、薄膜太阳能电池等领域进行应用，但大多还停留在实验室研究阶段，目前还未真正应用到工业级的生产之中。
在柔性电子制造领域中，目前工艺对象的一个重要指标之一就是薄膜厚度。而对于喷墨打印技术而言，薄膜厚度和该区域沉积的墨水总体积直接相关，而沉积墨水的总体积则由喷嘴喷射的单个墨水液滴体积与液滴数量决定，因此如何控制单个墨水液滴体积和融合后的墨水总体积已成为喷墨打印技术控制的关键问题之一。而由于喷墨打印工艺的液滴体积受驱动波形和液体本身参数影响，因此很难直接通过解析建模的方法对其喷印过程进行控制。现有专利中已经有部分针对液滴体积控制的相关方案，例如CN201310728496.X等早期专利。然而，进一步研究表明，现有专利中涉及的技术仍存在以下不足：一方面，它们都是通过对试打印阶段喷射的单个液滴体积进行观测并进行控制，而没有对正式打印过程中多个液滴在基板上同一位置沉积过程以及其融合后的墨液总体积进行关注，而后两者才是直接影响薄膜厚度的关键因素之一；另一方面，由于未对融合后的墨液总体积进行测量，因此缺少一种控制方法对其进行补偿，因此喷印制造的工艺对象良品率较低。相应地，本领域亟需提出更为妥善的解决方式，以满足目前日益提高的工艺要求。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种液滴喷射融合全过程体积控制方法，其目的在于，通过将单个液滴的体积、多液滴混合体积、融合后液滴总体积的控制方法以及多pass打印工艺相结合，对喷头打印的不同阶段进行控制，实现对喷印全过程液滴体积的在线测量与补偿控制，从而有效提高液滴体积精度，提高了喷印工艺的稳定性，因而尤其适用于柔性电子等高精度要求的工业生产和试验应用场合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种液滴喷射融合全过程体积控制方法，包括如下步骤：
(1)设定喷印单个液滴目标体积并输出相应电压控制指令：
根据工艺需求，输入喷嘴喷射的单个液滴目标体积Vr<\/sub>并通过喷射液滴体积模型计算所需电压参数，生成相应电压控制指令；
(2)试打印过程中单个液滴体积误差控制补偿：
在试打印过程中实时检测单个液滴实际体积Vj<\/sub>，将单个液滴实际体积Vj<\/sub>与单个液滴目标体积Vr<\/sub>进行比较得到偏差值Vde<\/sub>，然后根据Vde<\/sub>对电压控制指令进行补偿，输出电压波形控制指令；
(3)正式打印过程中1pass多液滴组合体积控制补偿：
在正式打印过程中，利用步骤(2)获得的每个喷嘴单个液滴体积补偿后的数据，将不同喷嘴的液滴在1pass打印过程中组合在一起对同一片目标区域进行打印，并生成当前1pass相应喷印控制指令；pass为同一目标区域的图像成型所需的打印次数，pass数越高，图像成型质量越好；
(4)正式打印过程中液滴融合后体积误差控制补偿：
将当前1pass打印过程中的液滴实际融合总体积Vtotal<\/sub>与设定的液滴融合后目标总体积Vgoal<\/sub>进行比较得到偏差值Vte<\/sub>，然后利用下次1pass打印过程中喷射的液滴体积V′对偏差值Vte<\/sub>进行补偿，并生成下次1pass的相应喷印控制指令。
进一步地，步骤(1)中，喷射液滴体积模型与电压之间关系如下：
式中，Q为液滴体积，d和L分别是喷嘴的直径与长度，ΔP为压强差，a表示不同喷射模式中驱动电压信号施加到喷嘴对压强差的不同影响因子，K为墨水溶液性质系数，由墨水本身种类决定。
进一步地，步骤(2)中，检测单个液滴实际体积Vj<\/sub>的方法如下：
先拍摄单个液滴的图像，通过图像处理获取液滴体积初值Vi<\/sub>，再对液滴体积初值Vi<\/sub>进行后处理，得到实际液滴体积Vj<\/sub>；
所述图像处理包括对单个液滴的图像依次进行滤波、对比度增强、边缘提取和计算喷射液滴体积初值；所述边缘提取采用canny算子计算单个液滴的图像的各个像素点水平方向梯度，梯度模值局部最大的点即为边缘点；所述计算喷射液滴体积初值是将液滴简化为轴对称物体，根据对称轴两侧的边缘点做体积分，计算得到液滴体积初值Vi<\/sub>。
进一步地，对液滴体积初值Vi<\/sub>进行后处理的方法为：
根据实际的质量及稳定性要求，取单个液滴体积的置信区间为3σ，即其置信概率P(|δ|＜3σ)＝0.9973，对液滴体积初值Vi<\/sub>做筛选处理，去除异常数据得到实际液滴体积Vj<\/sub>，以使测量得到的大量液滴体积的随机误差最小化。
进一步地，步骤(2)中对单个液滴体积进行闭环控制，包括：在试打印过程中将观测得到的单个液滴的实际喷射液滴体积Vj<\/sub>与设定的单个液滴目标体积Vr<\/sub>相比较得到的单个液滴体积误差Vde<\/sub>，以单个液滴体积误差Vde<\/sub>为控制量，对喷嘴到基板间的外加电势U进行修正，输出电压控制指令St1<\/sub>，以提高单个液滴体积精度。
进一步地，步骤(3)中，对不同喷嘴的液滴在1pass打印过程中的融合采用多液滴混合体积补偿控制，包括：在正式打印过程的1pass打印过程中，利用试打印所记录的每个喷嘴单个液滴补偿后的体积Vr<\/sub>′，根据不同喷嘴喷出的大体积液滴和小体积液滴计算合适融合总体积的液滴组合，并将大小液滴组合在同一片目标区域进行打印，弥补不同喷嘴加工误差导致的喷孔直径误差所产生的液滴体积误差。
进一步地，步骤(4)中，通过液滴融合后体积补偿控制方法利用V′对偏差值Vte<\/sub>进行补偿，包括：在正式打印过程的1pass打印完成后，实时测量融合后的液滴总体积Vtotal<\/sub>，并将Vtotal<\/sub>与目标区域所需的液滴融合后目标总体积Vgoal<\/sub>进行比较得到液滴融合后的总体积误差，即偏差值Vte<\/sub>，然后利用下次1pass喷射的液滴体积V′对Vte<\/sub>进行补偿，通过多pass重复打印的方式补偿多个液滴沉积融合后所积累的误差，提高融合后液滴总体积精度。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种液滴喷射融合全过程体积控制系统，包括：喷头模块、视觉模块和喷印信号控制模块；
所述喷头模块包括气压泵、喷嘴和基板；气压泵连接喷嘴的墨腔以用于控制墨腔压力，基板位于喷嘴下方；
所述视觉模块包括频闪光源、液滴观测相机和基板观测相机；频闪光源和液滴观测相机位于液滴喷射路径两侧，以通过频闪光源照射液滴，从而在液滴观测相机上实时获取单个液滴图像；基板观测相机用于采集基板上目标区域的融合液滴图像；
所述喷印信号控制模块包括上位机、喷印控制卡、图像处理程序模块、偏差比较程序模块、单个液滴体积闭环控制程序模块、多液滴混合体积补偿控制程序模块以及液滴融合后体积补偿控制程序模块；
所述上位机用于：
接收单个液滴图像和融合液滴图像，并调用图像处理程序模块计算出单个液滴实际体积Vj<\/sub>和液滴实际融合总体积Vtotal<\/sub>；调用偏差比较程序模块，将Vj<\/sub>和Vtotal<\/sub>与设定值相比较，获得相应的偏差值Vde<\/sub>和Vte<\/sub>；
调用单个液滴体积闭环控制程序模块对偏差值Vde<\/sub>进行补偿并输出控制指令指至喷印控制卡，喷印控制卡生成相应驱动波形信号并将其加载到喷嘴上，对单个液滴体积进行闭环控制；
调用多液滴混合体积补偿控制程序模块，根据每个喷嘴单个液滴补偿后的体积Vr<\/sub>′，将不同喷嘴喷出的液滴的体积进行组合计算，并输出控制指令指至喷印控制卡，喷印控制卡生成相应点火时序信号并将其加载到喷嘴上，将相应液滴组合在同一片目标区域进行打印，弥补不同喷嘴加工误差导致的喷孔直径误差所产生的液滴体积误差；
调用液滴融合后体积补偿控制程序模块对偏差值Vte<\/sub>进行补偿并输出控制指令指至喷印控制卡，喷印控制卡生成相应驱动波形和点火时序信号并将其加载到喷嘴上对目标区域进行重复打印，从而对液滴融合总体积进行补偿控制。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种打印机，包括如前所述的液滴喷射融合全过程体积控制系统。
总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、试打印阶段中采用单个液滴体积闭环控制方法对喷嘴喷出的液滴体积进行控制，根据液滴体积观测结果实现了对喷头驱动波形的闭环反馈控制与补偿；与现有技术相比，提高了液滴体积精度，保证喷墨打印图案质量；
2、本发明在单个液滴体积闭环控制方法的基础上，还设置正式打印过程中对1pass打印时多液滴混合体积补偿控制方法和1pass打印后液滴融合后体积补偿控制方法。通过这种复合控制方法，一方面控制了液滴在喷射出喷嘴时的体积，另一方面则考虑到多个液滴在基板上沉积融合后的总墨水体积，通过多pass打印模式对基板上沉积墨水不均匀的图案区域进行补偿，实现对打印图案薄膜厚度和均匀性的直接控制，进一步提高了打印图案的精度。
3、在驱动波形控制的基础上，通过多pass喷印模式中利用在同一基板位置沉积不同的液滴数量，对基板上融合液滴总体积实现补偿，提高了喷印工艺的稳定性，因而尤其适用于柔性电子等高精度要求的工业生产和试验应用场合。
附图说明
图1是按照本发明所构建的一种液滴喷射融合全过程体积控制方法实现的总流程图；
图2是按照本发明优选实施例采用的单个液滴体积闭环控制方法的控制框图；
图3是按照本发明优选实施例采用的多液滴混合体积补偿控制方法的控制框图；
图4是用于解释说明多液滴混合体积补偿控制方法的实现过程原理说明图；
图5是按照本发明优选实施例采用的液滴融合后体积补偿控制方法的控制框图；
图6A是用于解释说明多个液滴通过单个液滴体积闭环控制方法后在基板上沉积融合所产生的墨水总体积误差原理说明图；
图6B是按照本发明优选实施例采用的液滴融合后体积补偿控制方法对融合后墨水总体积误差进行补偿的原理说明图；
图7是用于示范性说明本发明的硬件实现示意图。
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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明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组合。
图1是按照本发明所提出的一种液滴喷射融合全过程体积控制方法实现的总流程图。如图1中所示，该控制方法包括如下步骤：
(1)设定喷印单个液滴目标体积并输出相应电压控制指令。根据工艺需求，输入喷嘴喷射的单个液滴目标体积Vr<\/sub>并通过喷射液滴体积模型计算所需电压参数，生成相应电压控制指令。
(2)试打印过程中单个液滴体积误差控制补偿。液滴观测相机观测单个液滴并进行图像处理，根据结果后处理计算得出的单个液滴实际体积Vj<\/sub>与设定单个液滴目标体积Vr<\/sub>进行比较得到偏差值Vde<\/sub>，然后通过单个液滴体积闭环控制方法对电压进行修正，输出电压波形控制指令；
(3)正式打印过程中1pass多液滴组合体积控制补偿。利用试打印所记录的每个喷嘴单个液滴体积补偿后数据，将不同喷嘴的液滴在1pass打印过程中通过多液滴混合体积补偿控制方法组合在一起对同一片目标区域进行打印，并生成当前pass相应喷印控制指令；
(4)正式打印过程中液滴融合后体积误差控制补偿。将基板观测相机测量得到的液滴实际融合总体积Vtotal<\/sub>与设定的液滴融合后目标总体积Vgoal<\/sub>进行比较得到偏差值Vte<\/sub>，然后通过液滴融合后体积补偿控制方法利用下次喷射的液滴体积V′对误差进行补偿，并生成下次1pass的相应喷印控制指令。
下面将参照图2来介绍按照本发明所采用的单个液滴体积闭环控制方法的控制原理。该所述单个液滴体积闭环控制方法是在试打印阶段中将观测得到的单个液滴的实际喷射液滴体积Vj<\/sub>与设定液滴体积Vr<\/sub>相比较得到的单个液滴体积误差Vde<\/sub>，以单个液滴体积误差Vde<\/sub>为控制量，利用智能控制算法通过喷射液滴体积模型对喷嘴到基板间外加电势U进行修正，输出电压控制指令St1<\/sub>，以提高单个液滴体积精度。
下面将参照图3来介绍按照本发明所采用的所述多液滴混合体积补偿控制方法的控制原理。该控制方法是在正式打印过程的1pass打印过程中，利用试打印所记录的每个喷嘴单个液滴补偿后体积Vr<\/sub>，将不同喷嘴喷出的大体积液滴和小体积液滴利用智能控制算法组合在一起，对同一片目标区域进行打印，弥补不同喷嘴加工误差导致的喷孔直径误差所产生的液滴体积误差。
图4是用于示范性说明多液滴混合体积补偿控制方法在打印过程中的具体实现原理。由于同一喷头上不同喷嘴存在加工误差所导致的喷孔直径不同，每个喷嘴喷出的液滴体积即使在相同电压波形的驱动下也会有所不同，因此在面对喷头上不同喷嘴喷出的液滴体积误差积累所导致的基板目标区域沉积墨水总体积误差问题，采用多液滴混合体积补偿控制方法，通过在同1pass打印过程中对喷嘴喷射与调度的规划，通过不同喷嘴喷射的液滴互相混合并沉积在基板的同一目标区域内，使得液滴融合总体积误差发生均化，从而减小基板上各目标区域内沉积墨水总体积误差。
下面将参照图5来介绍按照本发明所采用的液滴融合后体积补偿控制方法的控制原理。该控制方法是在正式打印过程的1pass打印完成后，通过基板观测相机测量其融合后的液滴总体积Vtotal<\/sub>，并将其与目标区域所需的液滴总体积Vgoal<\/sub>进行比较得到液滴融合后总体积误差Vte<\/sub>，并通过智能控制方法控制相应驱动波形指令利用下1pass喷射的液滴体积V′对融合后总体积误差进行补偿，通过多pass重复打印的方式补偿多个液滴沉积融合后所积累的误差，提高融合后液滴总体积精度。
图6A是用于示范性说明说明多个液滴在基板上沉积融合所产生的墨水总体积误差原理。同一个喷嘴所喷射的液滴体积在同一个驱动波形的影响下保持一致，但是不同喷嘴由于波形发生电路产生的电压精度存在误差等问题，导致单个液滴之间体积仍存在误差，而基板上一个目标区域的液滴总体积是由多个液滴沉积融合得到的，因此在多个液滴沉积融合后误差会产生积累。这种误差在多个液滴融合后所形成的墨水总体积误差会直接影响到形成图案薄膜厚度与均匀性。
图6B是用于示范性说明液滴融合后体积补偿控制方法对融合后墨水总体积误差进行补偿的原理。液滴融合后体积补偿控制方法的思路是利用基板观测相机在喷印过程中实时测量打印完目标区域内融合后墨水总体积，通过多pass打印模式对基板上沉积墨水不均匀的图案区域反复多次扫描喷印，再根据特定目标区域内的墨水总体积喷射对应体积的墨滴进行补偿，实现对打印图案薄膜厚度和均匀性的直接控制，在单个液滴体积控制的基础上进一步提高图案打印精度。
下面将参照图7来更为具体地解释说明按照本发明的硬件实现示意图。该控制装置包含喷头模块210、视觉模块220和喷印信号控制模块230，下面将对其逐一进行具体解释说明。
喷头模块210包括气压泵211、喷嘴212和基板213，其中气压泵11用来控制喷嘴212内墨腔压力，使墨液可以从喷嘴212稳定的喷射；喷嘴212与喷印控制卡232相连，将上位机231输出的驱动信号加载在喷嘴212上形成相应液滴；
视觉模块220包括频闪光源221、液滴观测相机222和基板观测相机223，其中频闪光源221和液滴观测相机222安装在基板213侧面，用于实时采集飞行中的液滴图像，并将其传输到上位机231进行处理；基板观测相机223安装在喷头模块210旁边，对基板213上目标区域液滴融合后的图案进行观测，从而测量得到融合后液滴总体积；
所述喷印信号控制模块230包括上位机231和喷印控制卡232，其中所述上位机231根据图像处理得到相关液滴及打印目标区域数据，将其与设定值相比较，通过单个液滴体积闭环控制方法、多液滴混合体积补偿控制方法和液滴融合后体积补偿控制方法进行打印数据控制，输出控制指令到所述喷印控制卡232，生成相应打印信号并将其加载到所述喷嘴212上。
综上所述，按照本发明的控制方法从控制流程及其所采用的多种控制方法上针对喷墨打印技术中单个液滴体积控制、打印过程中多液滴沉积体积控制与在基板上融合后墨水总体积控制等方面进行了精确控制。其中采用视觉相机和图像处理算法，对喷嘴喷射的液滴体积进行了采集和统计处理。然后一方面采用单个液滴体积闭环控制方法对喷嘴喷出的液滴体积进行控制，根据液滴体积观测结果实现了对每个喷嘴驱动波形的闭环反馈控制与补偿；另一方面在单个液滴体积闭环控制方法的基础上，还设置多液滴混合体积补偿控制方法和液滴融合后体积补偿控制方法，通过这种复合控制方法，控制了液滴在喷射出喷嘴时的体积的同时，也考虑到多个液滴在基板上沉积融合后的总墨水体积。因此通过多pass打印模式对基板上沉积墨水不均匀的图案区域进行补偿，实现对打印图案薄膜厚度和均匀性的直接控制。通过本发明，在对单个液滴从喷射出喷嘴时体积进行测量和控制的同时，对多个液滴在基板上融合沉积后的墨水总体积也进行了闭环反馈控制，保证基板上目标区域沉积的墨水总体积的一致性，实现了对打印图案薄膜厚度的精确控制，提高了喷墨打印技术的打印精度和稳定性，因而尤其适用于柔性电子等高精度要求的工业生产和试验应用场合。
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。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201811635474.8
申请日:2018-12-29
公开号:CN109823051A
公开日:2019-05-31
国家:CN
国家/省市:83(武汉)
授权编号:CN109823051B
授权时间:20191224
主分类号:B41J2/07
专利分类号:B41J2/07
范畴分类:29C;
申请人:华中科技大学
第一申请人:华中科技大学
申请人地址:430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
发明人:陈建魁;王一新;尹周平
第一发明人:陈建魁
当前权利人:华中科技大学
代理人:尚威;李智
代理机构:42201
代理机构编号:华中科技大学专利中心
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计