ПЕЧАТАЮЩИЕ ГОЛОВКИ С ИЗМЕРЕНИЕМ ИМПЕДАНСА СЕНСОРНОЙ ПЛАСТИНЫ
PRINTHEADS WITH SENSOR PLATE IMPEDANCE MEASUREMENT

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0001]
Точное считывание уровня чернил в резервуарах для подачи чернил применительно к различным струйным принтерам желательно по ряду причин. Например, правильное считывание уровня чернил и обеспечение соответствующего указания о количестве чернил, оставшемся в картридже с текучей средой, позволяет пользователям принтера подготовиться к замене опустошенного чернильного картриджа. Указание точного уровня чернил позволяет также исключить бесполезное расходование чернил, так как неточное указание уровня чернил часто приводит к преждевременной замене чернильных картриджей, которые все еще содержат чернила. Кроме того, печатающие системы могут использовать считывание уровня чернил для запуска определенных действий, помогающих предотвратить низкое качество печати, которое может быть результатом неадекватных уровней подачи.
[0002]
Хотя существует ряд технических приемов, пригодных для определения уровня текучей среды в резервуаре или в камере для текучей среды, остаются различные проблемы, относящиеся к их точности и стоимости.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0003]
Теперь, в качестве примера, будут описаны представленные варианты осуществления со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
[0004]
ФИГ. 1 - пример струйной печатающей системы, пригодной для реализации устройства для выталкивания текучей среды, имеющего датчик уровня текучей среды, который измеряет импеданс сенсорной пластины.
[0005]
ФИГ. 2 - вид снизу одного конца типовой TIJ печатающей головки, имеющей одну прорезь для текучей среды, образованную в кремниевой подложке.
[0006]
ФИГ. 3 - вид в разрезе приводимого в качестве примера генератора капель текучей среды.
[0007]
ФИГ. 4 - частичные виды сверху и сбоку приводимой в качестве примера MEMS структуры на различных этапах втягивания чернил поверх сенсорной пластины во время события перемещения текучей среды.
[0008]
ФИГ. 5 -блок-схема высокого уровня приводимой в качестве примера схемы измерения импеданса/датчика.
[0009]
ФИГ. 6 - блок-схема высокого уровня приводимой в качестве примера схемы измерения импеданса/датчика, имеющей источник напряжения для наведения тока через сенсорную пластину.
[0010]
ФИГ. 7 - блок-схема высокого уровня приводимой в качестве примера схемы измерения импеданса/датчика, имеющей источник тока для наведения напряжения через сенсорную пластину.
[0011]
ФИГ. 8 - пример датчика уровня чернил как элемента "черного ящика".
[0012]
ФИГ. 9 - примеры кривой сухого отклика, кривой влажного отклика и разностной кривой в диапазоне входных стимулирующих воздействий.
[0013]
ФИГ. 10 - примеры кривой слабого сухого отклика, кривой слабого влажного отклика и слабой разностной кривой.
[0014]
ФИГ. 11 - примеры изменений процесса и условий окружающей среды, влияющих на кривые слабого влажного и сухого отклика.
[0015]
ФИГ. 12 - наложение разностных сигналов между влажным и сухим откликом из фиг. 11 и графическое представление разности в зависимости от стимулирующего воздействия, иллюстрирующее примеры смещений, вызываемых процессом и окружающей средой.
[0016]
ФИГ. 13 - примеры кривых разностного сигнала, основанные на отклике, а не на стимулирующем воздействии;
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Общее представление
[0017]
Как было отмечено выше, имеется ряд технических приемов, пригодных для определения уровня текучей среды в резервуаре или камере для текучей среды. Например, призмы были использованы для отражения или втягивания лучей света внутрь чернильного картриджа с целью генерации электрических и/или видимых пользователю указаний уровня чернил. Индикаторы обратного давления являются другим способом определения уровня текучей среды в резервуаре. Некоторые печатающие системы подсчитывают число капель, выпущенных из картриджа струйного принтера, в качестве способа определения уровней чернил. Другие технические приемы используют электропроводность текучей среды в качестве индикатора уровня в печатающих системах. Однако остаются проблемы, относящиеся к улучшению точности и стоимости систем и способов считывания уровня текучей среды.
[0018]
Приводимые в качестве примера печатающие головки, обсуждаемые здесь, обеспечивают датчики уровня текучей среды/чернил, которые улучшают предшествующие технические приемы считывания уровня чернил. Датчик уровня текучей среды/чернил в печатающей головке в общем случае содержит один или более струйных элементов MEMS структуры печатающей головки со схемой измерения импеданса/датчика. Струйные элементы MEMS структуры включают в себя канал для текучей среды, который действуют как тип тестовой камеры. Канал для текучей среды имеет уровень чернил, который соответствует наличию чернил в чернильном резервуаре. Схема включает в себя один или более датчиков (то есть сенсорных пластин), расположенных внутри канала, и измеряет уровень наличия чернил в канале, измеряя импеданс чернил в канале от сенсорной пластины до замыкания на землю. Поскольку импеданс чернил будет намного меньше, чем воздуха, схема измерения импеданса обнаруживает, если чернила больше не находятся в контакте с датчиком. Схема измерения импеданса также обнаруживает, если небольшая пленка остаточных чернил остается на датчике. Импеданс возрастает, когда сечение остаточной пленки уменьшается. Алгоритм смещения реализуется в печатающей системе с целью смещения схемы в оптимальную рабочую точку. Рабочая точка, в которую смещается система, обеспечивает максимальный выходной разностный сигнал между сухим состоянием чернил (то есть отсутствием чернил) и влажным состоянием чернил (то есть наличием чернил). Различные события перемещения текучей среды, такие как выталкивание/выброс капель чернил из сопла печатающей головки и заполнение печатающей головки чернилами, оказывают обратное давление на чернила внутри канала для текучей среды. Обратное давление втягивает чернила из сопла и может оттянуть их назад через канал поверх сенсорной пластины, подвергая пластину воздействию воздуха и вызывая колебания измерений импеданса пластины. Схема измерения импеданса/датчика может быть реализована, например, в виде управляемого источника напряжения, который наводит подлежащий измерению ток через пластину, или управляемого источника тока, который наводит отклик по напряжению через пластину.
[0019]
При реализации управляемого источника напряжения внутри схемы измерения импеданса/датчика ток, наводимый через сенсорную пластину, измеряется через считывающий резистор для обеспечения указания о том, является ли пластина влажной (то есть указывающей наличие чернил в канале для текучей среды) или сухой (то есть указывающей наличие воздуха в канале для текучей среды). Алгоритм смещения реализуется, чтобы сместить источник напряжения в оптимальную точку, в которой наводится максимальный разностный отклик по току через сенсорную пластину (и считывающий резистор) между влажным и сухим состояниями пластины в условиях слабого сигнала. При реализации управляемого источника тока внутри схемы измерения импеданса/датчика напряжение, наводимое через пластину, обеспечивает подобное указание того, является ли пластина влажной или сухой. Алгоритм смещения реализуется, чтобы сместить источник тока в оптимальную точку, в которой величина тока, поданного на сенсорную пластину, наводит максимальный разностный отклик по напряжению через пластину между влажным и сухим состояниями пластины в условиях слабого сигнала.
[0020]
Описываемые печатающая головка и схема измерения импеданса/датчика делают возможным датчик уровня текучей среды, обладающий преимуществами, которые включают в себя высокую устойчивость к загрязнениям от инородных веществ, оставшимся в MEMS структуре (например, в каналах для текучей среды и чернильных камерах). Высокая устойчивость к загрязнениям помогает обеспечивать указание точного уровня текучей среды между влажным и сухим состояниями. Стоимость датчика уровня текучей среды также управляема вследствие использования в нем схем и MEMS структур, которые располагаются на существующей струйной печатающей термоголовке. Размер схемы измерения импеданса/датчика является таковым, что она может быть расположена в пространстве нескольких струйных сопел.
[0021]
В одном примере печатающая головка включает в себя сопло, канал для текучей среды и сенсорную пластину, расположенную внутри канала для текучей среды. Печатающая головка также включает в себя схему измерения импеданса, подсоединенную к сенсорной пластине, для измерения импеданса текучей среды внутри канала во время события перемещения текучей среды, которое перемещает текучую среду мимо сенсорной пластины.
[0022]
В другом примере печатающая головка включает в себя канал для текучей среды, который соединяет по текучей среде сопло с прорезью для подачи текучей среды. Схема измерения импеданса, интегрированная в печатающую головку, включает в себя сенсорную пластину, расположенную внутри канала, и управляемый источник напряжения для наведения тока через сенсорную пластину и считывающий резистор. Усилитель выборки и запоминания в схеме измерения импеданса измеряет и удерживает значение величины тока, наведенного через считывающий резистор, во время события перемещения текучей среды, такого как событие выталкивания капель чернил или заполнения чернилами.
Иллюстративные варианты осуществления
[0023]
На фиг. 1 представлен пример струйной печатающей системы 100, пригодной для реализации устройства для выталкивания текучей среды, имеющего датчик уровня текучей среды, который измеряет импеданс сенсорной пластины. В этом примере устройство для выталкивания текучей среды раскрывается как струйная печатающая головка 114. Струйная печатающая система 100 включает в себя узел 102 струйной печатающей головки, узел 104 подачи чернил, установочный узел 106, узел 108 транспортирования материала, электронный контроллер 110 принтера и по меньшей мере один источник 112 питания, который обеспечивает питание для различных электрических компонентов струйной печатающей системы 100. Узел 102 струйной печатающей головки включает в себя по меньшей мере один узел 114 для выталкивания текучей среды (печатающую головку 114), который выдавливает капли чернил через множество выпускных отверстий или сопел 116 в направлении материала 118 для печати, с тем чтобы печатать на материале 118 для печати. Материал 118 для печати может быть любым типом подходящего листового или рулонного материала, таким как бумага, пачка карточек, транспарант, полиэфир, фанера, пенокартон, ткань, холст, и т.п. Сопла 116 обычно выстраиваются в одну или более колонок или решеток, с тем чтобы правильно распределенное выдавливание чернил из сопел 116 обеспечивало распечатывание знаков, символов и/или других графических элементов или изображений на материале 118 для печати, когда узел 102 струйной печатающей головки и материал 118 для печати перемещаются друг относительно друга.
[0024]
Узел 104 подачи чернил подает чернила, находящиеся в состоянии текучей среды, в узел 102 печатающей головки и включает в себя резервуар 120 для хранения чернил. Чернила текут от резервуара 120 к узлу 102 струйной печатающей головки. Узел 104 подачи чернил и узел 102 струйной печатающей головки могут образовывать либо однонаправленную систему подачи, либо рециркуляционную систему подачи. В однонаправленной системе подачи чернил по существу все чернила, которые подаются в узел 102 струйной печатающей головки, расходуются во время печатания. Однако в рециркуляционной системе подачи чернил только часть чернил, поданных в узел 102 печатающей головки, расходуется во время печатания. Чернила, не израсходованные во время печатания, возвращаются в узел 104 подачи чернил.
[0025]
2
В некоторых примерах узел 104 подачи чернил подает чернила под избыточным давлением через узел 105 кондиционирования чернил (например, для фильтрации чернил, предварительного нагревания, поглощения выбросов давления, удаления газов) в узел 102 струйной печатающей головки через интерфейсное соединение, такое как подающая трубка. Таким образом, узел 104 подачи чернил может также включать в себя один или более насосов и регуляторов давления (не показаны). Чернила вытягиваются под отрицательным давлением из узла 102 печатающей головки в узел 104 подачи чернил. Разность давления между впускным и выпускным отверстиями узла 102 печатающей головки выбирается, чтобы достигнуть правильного обратного давления в соплах 116, и обычно отрицательное давление находится между отрицательным значением приблизительно 1 дюйм и отрицательным значением приблизительно 10 дюймов водяного столба (HO). Однако по мере того как источник чернил (например, в резервуаре 120) приближается к концу своего срока службы, обратное давление, оказываемое во время печатания (например, выдавливания капель чернил) или операций печатания, возрастает. Возросшее обратное давление достаточно велико, чтобы втянуть мениск чернил из сопла 116 и продвинуть его обратно через канал для текучей среды MEMS структуры. Датчик 206 (фиг. 2) уровня чернил на печатающей головке 114 включает в себя схему измерения импеданса/датчика, которая обеспечивает точное указание уровня чернил во время таких событий перемещения текучей среды.
[0026]
В некоторых примерах резервуар 120 может включать в себя множество резервуаров, которые подают другие подходящие текучие среды, используемые в процессе печатания, такие как другие цвета или чернила, составы для предварительной обработки, фиксирующие средства, и т.п. В некоторых примерах текучая среда в резервуаре может быть текучей средой, отличающейся от печатающей текучей среды. В одном примере узел 102 печатающей головки и узел 104 подачи чернил размещаются вместе в картридже или ручке струйного принтера (не показаны). Картридж струйного принтера может содержать свой собственный источник подачи внутри корпуса картриджа, или он может принимать текучую среду от внешнего подающего устройства, такого как резервуар 120 для текучей среды, подсоединенный к картриджу, например, через трубку. Картриджи струйных принтеров, содержащие собственный источник текучей среды, в общем случае не могут повторно использоваться после опустошения источника текучей среды.
[0027]
Установочный узел 106 устанавливает струйную печатающую головку 102 относительно узла 108 транспортирования материала, а узел 108 транспортирования материала устанавливаеи материал 118 для печати относительно узла 102 струйной печатающей головки. Таким образом, зона 122 печати определяется как прилегающая к соплам 116 в области между узлом 102 струйной печатающей головки и материалом 118 для печати. В одном примере узел 102 струйной печатающей головки является узлом печатающей головки сканирующего типа. При этом установочный узел 106 включает в себя каретку для перемещения узла 102 струйной печатающей головки относительно узла 108 транспортирования материала для сканирования по материалу 118 для печати. В другом примере узел 102 струйной печатающей головки является узлом печатающей головки несканирующего типа. При этом установочный узел 106 фиксирует узел 102 струйной печатающей головки в заданном положении относительно узла 108 транспортирования материала, в то время как узел 108 транспортирования материала располагает материал 118 для печати относительно узла 102 струйной печатающей головки.
[0028]
Электронный контроллер 110 принтера обычно включает в себя процессор (CPU) 111, программно-аппаратные средства, программное обеспечение, один или более запоминающих компонентов 113, включающих в себя компоненты энергозависимой и энергонезависимой памяти, и другие электронные компоненты принтера для связи и управления узлом 102 струйной печатающей головки, установочным узлом 106 и узлом 108 транспортирования материала. Электронный контроллер 110 принимает данные 124 от базисной системы, такой как компьютер, и временно запоминает данные 124 в памяти 113. Данные 124 представляют собой, например, документ и/или файл, который должен быть распечатан. При этом данные 124 образуют задание по выводу на печать для струйной печатающей системы 100 и включают в себя одну или более команд для задания по выводу на печать и/или параметры команд.
[0029]
В одном варианте осуществления электронный контроллер 110 принтера управляет узлом 102 струйной печатающей головки для выталкивания капель чернил из сопел 116. Таким образом, электронный контроллер 110 определяет картину выталкиваемых капель чернил, которые образуют знаки, символы и/или другие графические элементы или изображения на материале 118 для печати. Картина выталкиваемых капель чернил определяется командами для задания по выводу на печать и/или параметрами команд из данных 124. В одном примере электронный контроллер 110 включает в себя алгоритм 126 смещения в памяти 113, имеющий команды, исполняемые на процессоре 111. Алгоритм 126 смещения выполнятся для управления датчиком 206 (фиг. 2) уровня чернил и определения оптимальной рабочей точки/точки смещения, которая обеспечивает максимальную разность отклика по напряжению от датчика 206 между влажным состоянием (то есть при наличии чернил) и сухим состоянием (когда присутствует воздух). Электронный контроллер 110 дополнительно включает в себя измерительный модуль 128 в памяти 113, имеющий команды, исполняемые на процессоре 111. После того как будет определена оптимальная точка смещения, измерительный модуль 128 приводится в действие для запуска цикла измерений, который управляет датчиком 206 уровня чернил и определяет уровень чернил, основываясь на измеренном периоде времени, в течение которого сухое состояние продолжает существовать внутри канала для текучей среды в MEMS структуре.
[0030]
В описываемых примерах струйная печатающая система 100 является капельно-импульсной термографической струйной печатающей системой с термографической струйной (TIJ) печатающей головкой 114, пригодной для реализации датчика уровня чернил, описываемого здесь. В одном варианте реализации узел 102 струйной печатающей головки включает в себя одну TIJ печатающую головку 114. В другом варианте реализации узел 102 струйной печатающей головки включает в себя решетку TIJ печатающих головок 114. Хотя процессы изготовления, связанные с TIJ печатающими головкам, хорошо подходят к интеграции описываемого датчика уровня чернил, другие типы печатающих головок, такие как пьезоэлектрическая печатающая головка, также могут реализовывать такой датчик уровня чернил. Таким образом, описываемый датчик уровня чернил не ограничивается реализацией внутри TIJ печатающей головки 114, но также подходит для использования внутри других устройств выталкивания текучей среды, таких как пьезоэлектрическая печатающая головка.
[0031]
На фиг. 2 показан вид снизу одного конца приводимой в качестве примера TIJ печатающей головки 114, которая имеет одну прорезь 200 для подачи текучей среды/чернил, образованную в кремниевой подложке 202. Хотя печатающая голова 114 показана с одной прорезью 200 для текучей среды, идеи, раскрываемые здесь, не ограничиваются их применением к печатающей головке только с одной прорезью 200. Напротив, возможны также другие конфигурации печатающей головки, такие как печатающие головки с двумя или более прорезями для текучей среды, или печатающие головки, которые используют отверстия различных размеров для введения чернил в каналы и камеры для текуче среды. Прорезь 200 для текучей среды является удлиненной прорезью, образованной в подложке 202, которая находится в соединении по текучей среде с источником текучей среды, таким как резервуар 120 для текучей среды. Прорезь 200 для текучей среды имеет генераторы 300 капель текучей среды, расположенные вдоль обеих сторон прорези, которые включают в себя камеры 204 для текучей среды и сопла 116. Подложка 202 лежит под слоем камер, имеющим камеры 204 для текучей среды, и слоем сопел, имеющим сопла 116, образованные в нем, как описано ниже со ссылкой на фиг. 3. Однако в целях иллюстрации предполагается, что слой камер и слой сопел на фиг. 2 являются прозрачными, для того чтобы показать лежащую под ними подложку 202. Поэтому камеры 204 и сопла 116 на фиг. 2 представлены с использованием пунктирных линий.
[0032]
В дополнение к генератору 300 капель, расположенному вдоль сторон прорези 200, TIJ печатающая головка 114 включает в себя один или более датчиков 206 уровня текучей среды (чернил). Датчик 206 уровня текучей среды в общем случае вмещает в себя один или более элементов MEMS структуры на печатающей головке 114 и схему 208 измерения импеданса/датчика. MEMS структура включает в себя, например, прорезь 200 для текучей среды, каналы 210 для текучей среды, камеры 204 для текучей среды и сопла 116.
[0033]
Схема 208 измерения импеданса/датчика включает в себя сенсорную пластину 212, расположенную внутри канала 210 для текучей среды, например, на дне или на стенке канала 210 для текучей среды. Схема 208 измерения импеданса/датчика также имеет в своем составе другую схему 214, которая в общем случае включает в себя компоненты 504 источника (фиг. 5) для наведения импеданса в сенсорной пластине 212 и считывающие компоненты для измерения импеданса. В разных вариантах осуществления компоненты источника могут включать в себя источник напряжения и источник тока. Считывающие компоненты могут включать в себя, например, буферные усилители, усилители выборки и запоминания, DAC (цифроаналоговый преобразователь), ADC (аналого-цифровой преобразователь) и другую схему измерений. Сенсорная пластина 212 является металлической пластиной, выполненной, например, из тантала. Участки другой схемы 214, такие как ADC и схема измерения, могут не все быть расположенными в одном месте на подложке 202, но, напротив, могут быть распределены на подложке 202 по разным местам. Датчик 206 текучей среды и схема 208 измерения импеданса/датчика обсуждаются более подробно ниже с ссылками на фиг.5-13.
[0034]
На фи. 3 показан в разрезе приводимый в качестве примера генератор 300 капель текучей среды. Каждый генератор 300 капель включает в себя сопло 116, камеру 204 для текучей среды и запускающий элемент 302, расположенный внутри камеры 204 для текучей среды. Сопла 116 образованы в слое 310 сопел и в общем случае образуют колонки сопел вдоль сторон прорези 200 для текучей среды. Запускающий элемент 302 является терморезистором, выполненным из металлической пластины (например, танталово-алюминиевой, TaAl) на изолирующем слое 304 (например, из фосфоро-силикатного стекла, PSG) на верхней поверхности кремниевой подложки 202. Пассивирующий слой 306 поверх запускающего элемента 302 защищает запускающий элемент от чернил в камере 204 и служит в качестве заграждающей структуры механической пассивации или защиты от кавитации для поглощения сотрясающих или разрушающих пузырьков пара. Слой 308 камер имеет стенки и камеры 204, которые отделяют подложку 202 от слоя 310 сопел.
[0035]
Во время печатания капля текучей среды выталкивается из камеры 204 через соответствующее сопло 116, и камера 204 затем повторно заполнятся текучей средой, циркулирующей из прорези 200 для текучей среды. Более конкретно, электрический ток пропускается через резисторный запускающий элемент 302, что приводит в результате к быстрому нагреванию элемента. Тонкий слой текучей среды, прилегающий к пассивирующему слою 306, который покрывает запускающий элемент 302, очень сильно нагревается и испаряется, создавая пузырек пара в соответствующей запускающей камере 204. Быстро расширяющийся пузырек пара ускоряет выделение капли текучей среды из соответствующего сопла 116. Когда нагревающий элемент охлаждается, пузырек пара быстро сворачивается, вытягивая больше текучей среды из прорези 200 для текучей среды в запускающую камеру 204 для подготовки к выделению другой капли из сопла 116.
[0036]
На фиг. 4 показаны частичные виды сверху и сбоку приводимой в качестве примера MEMS структуры на разных этапах, когда чернила втягиваются поверх сенсорной пластины во время события перемещения текучей среды, например, во время выталкивания капель чернил или операции заполнения чернилами. Как было отмечено выше, датчик 206 уровня текучей среды в общем случае включает в себя элементы MEMS структуры, такие как канал 210 для текучей среды, камера 204 для текучей среды и специально выделенное сопло 116 датчика. Датчик 206 уровня текучей среды также включает в себя схему 208 измерения импеданса/датчика, которая имеет в своем составе сенсорную пластину 212, расположенную внутри канала 210 для текучей среды, например, на дне или на стенке канала 210 для текучей среды. Схема 208 измерения импеданса/датчика работает с целью обнаружения степени присутствия или отсутствия текучей среды (чернил) внутри канала для текучей среды во время события перемещения текучей среды, такого как выталкивание капли чернил или операция печатания чернилами. По мере того как источник чернил в резервуаре 120 приближается к концу своего срока службы, обратное давление, прилагаемое во время операций печатания или заполнения, становится достаточно большим, чтобы втянуть мениск чернил из сопла 116 и возвратить его через канал 210 для текучей среды, подвергнув сенсорную пластину 212 воздействию воздуха. На фиг. 4(a) показано нормальное состояние, когда чернила 400 заполняют камеру 204 и образуют мениск 402 чернил внутри сопла 116. В этом положении сенсорная пластина 212 находится во влажном состоянии, так как она покрыта чернилами, которые заполняют канал 210 для текучей среды. Во время операции заполнения или операции нормального печатания с выталкиванием капель чернил обратное давление воздействует на чернила в канале 210 для текучей среды, втягивая мениск 212 чернил из сопла и проталкивает его обратно внутрь канала, как показано на фиг. 4(b). По мере того как источник чернил в резервуаре 120 приближается к концу своего срока службы, обратное давление возрастает, обеспечивая время, в течение которого чернила текут обратно в канал 210 и сопло 116. Как показано на фиг. 4(c), обратное давление втягивает мениск чернил достаточно далеко обратно в канал 210, чтобы сенсорная пластина оказалась подверженной воздействию воздуха, втягиваемого через сопло 116. В зависимости от количества чернил, оставшихся в резервуаре, и результирующего обратного давления сенсорная пластина 212 в большей или меньшей степени подвергается воздействию воздуха, втягиваемого через сопло 116. Как обсуждается ниже, схема 208 датчика использует оказавшуюся незащищенной сенсорную пластину 212 для определения точного уровня чернил при приближении к концу срока службы источника чернил.
[0037]
На фиг. 5 представлена блок-схема высокого уровня приводимой в качестве примера схемы 208 измерения импеданса/датчика. Как было сказано выше, схема 208 измерения импеданса/датчика включает в себя сенсорную пластину 212, расположенную внутри канала 210 для текучей среды, и компоненты 504 источника для наведения импеданса через сенсорную пластину 212. В одном примере, как показано на фиг. 6, компоненты 504 источника включают в себя источник 504 напряжения, подсоединенный к сенсорной пластине 212 для наведения тока через пластину 212, и считывающий резистор 600. В этом примере ток, проходящий через считывающий регистр 600, измеряется для определения импеданса в сенсорной пластине 212. В другом примере, как показано на фиг. 7, компоненты 504 источника включают в себя источник 504 тока, подсоединенный к сенсорной пластине 212 для наведения напряжения через сенсорную пластину 212. В этом примере напряжение на сенсорной пластине 212 измеряется для определения импеданса в сенсорной пластине 212.
[0038]
В дополнение к сенсорной пластине 212 и компонентам 504 источника схема 208 измерения импеданса/датчика включает в себя другие компоненты, такие как DAC (цифроаналоговый преобразователь) 500, входной элемент S&H (элемент выборки и удержания) 502, переключатель 506, выходной элемент S&H 508, ADC (аналого-цифровой преобразователь) 510, машина 512 состояний, часы 514 и ряд регистров, таких как регистры 0×D0-0×D6, 516. Работа схемы 208 измерения импеданса/датчика начинается с конфигурирования (то есть смещения) компонентов 504 источника с DAC 500 и входным усилителем S&H 502, когда переключатель 506 замкнут, чтобы замкнуть накоротко сенсорную пластину 212. Алгоритм 126 смещения, который будет обсуждаться более подробно ниже, выполняется на контроллере 110 с целью определения стимулирующего воздействия (входного кода) для приложения к регистру 0×D2, который производит оптимальное напряжение смещения от DAC 500, используемое для смещения компонентов 504 источника.
[0039]
После того как компонент 504 источника будет смещен, измерительный модуль 128 приводится в действие на контроллере 110 и запускает цикл измерения уровня текучей среды, во время которого он управляет схемой 208 измерения импеданса через машину 512 состояний. Когда наступает время измерений, машина 512 состояний координирует измерения, пошагово проводя схему 208 через несколько этапов, которые подготавливают схему, производят измерения и возвращают схему в нерабочее состояние. На первом этапе машина 512 состояний запускает событие перемещения текучей среды, например, подавая сигнал на линию 518. Событие перемещения текучей среды выдавливает или выталкивает чернила из сопла 116, чтобы очистить сопло и камеру 204 от чернил, и создает выброс обратного давления в канале 210 для текучей среды. Машина 512 состояний затем обеспечивает период задержки. Период задержки является переменным, но обычно его продолжительность имеет порядок от 2 до 32 микросекунд.
[0040]
out
По истечении периода задержки первый этап подготовки схемы размыкает переключатель 506. Как показано на фиг. 6, когда переключатель 506 размыкается, источник 504 напряжения подсоединяется к сенсорной пластине 212. Подсоединенный источник 504 напряжения наводит ток через пластину 212 и через считывающий резистор 600 в соответствии с импедансом чернил, покрывающих сенсорную пластину 212. Более конкретно, напряжение через пластину 212, V, приложенное к пластине 212, определяется формулой:
,
[0041]
dd
D
gs
где V - напряжение питания и I- ток через сток транзистора, управляемого напряжением смещения от DAC 500, V (то есть напряжением затвор-исток в 602). Напряжения в схеме 208 указаны относительно земли, что обозначено символом 620 заземления на фиг. 7. Как показано на фиг. 7, когда переключатель 506 разомкнут, источник 504 тока подсоединен к сенсорной пластине 212, при этом подается ток от источника 504 тока на пластину 212. Ток, прикладываемый к импедансу пластины и связанному с ним электрохимическому составу чернил на пластине (если чернила присутствуют) или воздуху (если чернила отсутствуют), вызывает отклик по напряжению через пластину и ее химическую систему. Если канал 210 для текучей среды полностью сух, импеданс будет преимущественно емкостным. Если текучая среда присутствует, импеданс может иметь как активные, так и реактивные компоненты, изменяющиеся во времени. Ток, поступающий от источника 504 тока, определяется следующим соотношением:
,
[0042]
gs
gs
t
где V - напряжение смещения от DAC 500. V является напряжением затвор-исток, а V является пороговым напряжением на затворе транзистора, вырабатывающего ток, в источнике 504 тока, на который подается напряжение DAC.
[0043]
S)
На втором этапе подготовки схемы машина 512 состояний размыкает переключатель 506 и обеспечивает второй период задержки, продолжительность которого опять имеет порядок от 2 до 32 микросекунд. По истечении второй задержки машина 512 состояний заставляет выходной усилитель S&H 508 производить выборку (то есть измерение) аналогового отклика. Как показано на фиг. 6, выходной усилитель S&H 508 производит выборку значения тока, текущего через считывающий резистор (R 606 и запоминает это значение. Как показано на фиг. 7, выходной элемент S&H 508 производит выборку значения напряжения на сенсорной пластине 212 и запоминает это значение. В обоих примерах машина 512 состояний затем запускает преобразование через ADC 510, которое преобразует выбранное аналоговое значение отклика в цифровое значение, которое запоминается в регистре 0×D6. Регистр удерживает цифровое значение отклика до тех пор, пока модуль 128 не прочитает регистр. Затем схема 208 переходит в нерабочее состояние до тех пор, пока не будет запущен другой цикл измерений.
[0044]
detect
detect
detect
Измерительный модуль 128 сравнивает оцифрованное значение отклика с пороговым значением R, чтобы определить, находится ли сенсорная пластина в сухом состоянии. Если измеренный отклик превышает пороговое значение R, то существует сухое состояние. В противном случае существует влажное состояние. (Вычисление порогового значения R обсуждается ниже). Обнаружение сухого состояния указывает на то, что обратное давление оттянуло чернила в канале 210 текучей среды достаточно далеко обратно, чтобы подвергнуть сенсорную пластину 212 воздействию воздуха. Через дополнительные циклы измерений продолжительность времени, в течение которого сухое состояние продолжает существовать (то есть пока сенсорная пластина подвергается воздействию воздуха), измеряется и используется для интерполяции величины обратного давления, создающего сухое состояние. Поскольку обратное давление предсказуемо возрастает при приближении к концу срока службы источника чернил, может быть достигнуто точное определение уровня чернил.
[0045]
Как было отмечено выше, алгоритм 126 смещения выполняется на контроллере 110 для определения оптимального напряжения смещения от DAC 500, которое подается на компоненты 504 источника. Алгоритм 126 смещения управляет датчиком 206 уровня текучей среды (то есть схемой 208 измерения импеданса и MEMS структурой), определяя напряжение смещения. С точки зрения алгоритма 126 смещения, как показано на фиг. 8, датчик 206 уровня текучей среды является элементом "черного ящика", который принимает входной сигнал, или стимулирующее воздействие, и обеспечивает выходной сигнал, или отклик. Входное напряжение устанавливается, используя 0-255 (8-разрядное) число (входной код), применяемое к регистру 0×D2 схемы 208 измерения импеданса. Входное число или код в регистре 0×D2 является стимулирующим воздействием, которое прикладывается к DAC 500, и аналоговое выходное напряжение от DAC является стимулирующим воздействием, умноженным на 10 мВ. Поэтому диапазон аналогового напряжения смещения от DAC 500, который доступен для смещения компонентов 504 источника, составляет 0-2,55 В. Выход или отклик от схемы 208 измерения импеданса является цифровым кодом, запоминаемым в 8-разрядном регистре 0×D6.
[0046]
min
max
Выключен, Активный
Насыщение
Алгоритм смещения использует соотношение стимулирующее воздействие-отклик схемы 208 измерения импеданса между входными кодами и выходными кодами для обеспечения оптимального выходного дельта-сигнала (например, максимального отклика по напряжению) между состояниями, когда сенсорная пластина 212 является влажной (то есть кода чернила присутствуют в MEMS канале 210 для текучей среды и накрывают пластину), и когда сенсорная пластина 212 является сухой (то есть когда чернила оттянуты из MEMS канала 210 для текучей среды и воздух окружает пластину). Как показано на фиг. 9, когда стимулирующее воздействие (входной код) развертывается из своего минимального в максимальное численное значение предварительного напряжения (то есть 0-255; S в S), отклик (выходной код) генерирует ответные сигналы, которые последовательно проходят через три четко различимые зоны:  и . Совместно три зоны образуют плавную S-образную форму. На фиг. 9 показана кривая 900 сухого отклика, кривая 902 влажного отклика и разностная кривая 904, которая указывает разность межу кривыми сухого и влажного откликов в диапазоне входных стимулирующих воздействий. На фиг. 9 кривые откликов отображают благоприятные условия, при которых отклики являются сильными. В общем случае наибольший дельта-сигнал (то есть кривая наибольшей разности откликов) возникает между случаем, когда сенсорная пластина 212 является полностью влажной при заполненном чернилами канале, и случаем, когда сенсорная пластина 212 является полностью сухой, находясь в полном контакте с воздухом в канале.
[0047]
Хотя кривые откликов изменяется между случаями наличия и отсутствия текучей среды/чернил (то есть между влажным и сухим состояниями), степень изменения сильнее, когда в MEMS структуре присутствуют лишь незначительные или вовсе отсутствуют загрязнения, такие как проводящие инородные частицы и остатки чернил. Поэтому отклик первоначально является сильным, как показано кривой сильного отклика на фиг. 9. Однако с течением времени MEMS структура может становиться загрязненной остатком чернил в каналах и камерах для текучей среды, и, конкретно, сухой отклик будет ослабляться и становиться ближе к влажному отклику. Загрязнение вызывает проводимость в сухом стоянии, что делает сухой отклик слабым, приводя в результате к слабо выраженной разности между сухим и влажным откликом. На фиг. 10 показаны примеры кривых для слабого сухого 1000, мокрого 1002 и разностного 1004 откликов, кода неблагоприятные условия, такие как загрязнения в MEMS структуре, ослабили отклик. Как можно увидеть на фиг. 10, разность между кривыми слабого сухого и слабого влажного откликов намного меньше, чем разность, показанная в кривых сильного отклика на фиг. 9. Сильно выраженная разностная кривая 904, показанная на фиг. 9, обеспечивает сильно выраженное различие между сухим и влажным состояниями, которое может быть легко оценено. Однако в условиях слабого отклика нахождение различия между влажным и сухим состояниями более проблематично из-за слабой разности. Алгоритм 126 смещения находит оптимальную точку разности в разностной кривой 1000 слабого отклика (то есть показанной на фиг. 10), где измерения уровня текучей среды/чернил обеспечат максимальный отклик между влажным и сухим состояниями.
[0048]
На фиг. 11 (a.1, a.2, a.3, b.1, b.2, b.3, c.1, c.2, c.3) показаны примеры кривых 1100 слабого сухого отклика и кривых 1102 слабого влажного отклика и их изменения в ответ на различия в условиях процесса и окружающей среды, таких как процесс изготовления, напряжение питания и температура (PV&T). На фи. 11 (a.1), (a.2) и (a.3) показаны типовые кривые в диапазонах, соответственно, 1X, 10X и 100X стимулирующих воздействий применительно к наихудшему (W) случаю условий обработки, напряжению питания 5,5 В и температуре 15 градусов Цельсия (обозначенных на чертежах "W;5.5V;15C"). На фи. 11 (b.1), (b.2) и (b.3) показаны типовые кривые в диапазонах, соответственно, 1X, 10X и 100X стимулирующих воздействий применительно к наилучшим (B) условиям обработки, напряжению питания 4,5 В и температуре 110 градусов Цельсия (обозначенных на чертежах ʺB;4.5V;110Cʺ). На фи. 11 (a.1), (a.2) и (a.3) показаны типовые кривые в диапазонах, соответственно, 1X, 10X и 100X стимулирующих воздействий применительно к типичным (T) условиям обработки, напряжению питания 5,0В и температуре 60 градусов Цельсия (обозначенных на чертежах ʺT;5.0V;6Cʺ). В некоторых случаях активные зоны кривых отклика изменяются по наклону из-за изменений в (PV&T). В других случаях активные зоны кривых отклика смещаются по положению, начинаясь раньше или позже за пределами зоны. Кривые сухого и влажно отклика на фиг. 11 (a), (b) и (c) проявляют такие изменения в наклоне и начальных точках, которые могут быть результатом изменения (PV&T) условий. Разностные кривые 1104 на фиг. 11 (a), (b) и (c) выявляют разность между кривыми влажного и сухого отклика в диапазоне входных стимулирующих воздействий и изменений в (PV&T) условиях.
[0049]
На фиг. 12 показаны примеры разности между сухим откликом и влажным откликом на графике зависимости от стимулирующего воздействия. Разностные кривые 1104, показанные на фиг. 11, наложены для образования фиг. 12. Цель заключается в том, чтобы проиллюстрировать, что как высота пика разностных кривых, так и наклон сближения и спада кривых, и расположение центра оси стимулирующего воздействия изменяются в зависимости от (PV&T).
[0050]
peak
peak
min
max
peak
pd%
pd%
min
max
min%
На фиг. 13 показан пример совокупности разностных кривых 1300, изображенных в зависимости от влажного отклика, в соответствии с вариантом осуществления изобретения. Изменением основания разностных кривых на отклик взамен стимулирующего воздействия достигнута мера независимости от различий в PV&T. Алгоритм 126 смещения находит решение, при котором оптимальная точка разности располагается в случае слабой разности, что обеспечивает максимальный отклик по измерению уровня чернил между влажным и сухим состояниями. Поэтому решение должно быть устойчивым к таким изменениям в PV&T, а также обеспечивать как можно больший запас. В соответствии с этим, как показано на фиг. 13, влияние значительного изменения PV&T может быть исключено путем представления кривой 1104 как функции кривой 1102 влажного отклика, а не функции входного стимулирующего воздействия. Это объясняется тем, что существует большое изменение в выходном значении для заданного стимулирующего воздействия в пределах процесса, напряжения и температуры (PV&T). Однако разность между сухим состоянием (отсутствие чернил) и влажным состоянием (наличие чернил) не изменяется столь сильно в пределах PV&T, так что использование этой разности исключает влияние множества таких изменений, вызванных PV&T. Совокупность разностных кривых охватывает область, образованную наложением многих разностных кривых, определенных во всех процессах и условиях окружающей среды. Таким образом, область над совокупной разностью представляет собой эффективную область сигнальных откликов, которая не зависит от PV&T условий. Центр совокупной разности представляет местоположение, где должны быть произведены измерения уровня, для того чтобы обеспечить пиковый отклик (R), который максимизирует значение выходного отклика (например, отклика по напряжению) между сухим состоянием и влажным состоянием. Местоположение Rотклика выражается в процентах от расстояния между минимальным и максимальным значениями влажного отклика, R и R. Таким образом, местоположение Rна совокупной разностной кривой 1300 обозначается как R. Кроме того, во время цикла измерений высота пика совокупной разностной кривой 1300 в положении R представляет минимальную разность, которая ожидается (как процент от расстояния между R и R), когда присутствует сухое состояние, и может быть обозначена как D.
[0051]
peak
peak
pd%
min
max
min
max
peak
Алгоритм 126 смещения определяет значение входного стимулирующего воздействия, S, которое обеспечивает пиковый отклик, R, расположенный на совокупной разностной кривой 1300 в точке R. Алгоритм вводит минимальное симулирующее воздействие (S) в регистр 0×D2 и выбирает отклик в регистре 0×D6. Алгоритм также вводит максимальное симулирующее воздействие (S) в регистр 0×D2 и выбирает отклик в регистре 0×D6. Два этих значения в регистре 0×D6 являются экстремальными значениями отклика, R и R, соответственно. Пиковое значение отклика, R, может быть вычислено по следующей формуле:
.
[0052]
peak
min
max
peak
peak
peak
Соответствующее значение стимулирующего воздействия, S, может затем быть найдено, используя разные подходы. Стимулирующее воздействие может быть, например, развернуто от S к S, останавливаясь, когда отклик достигнет значения R. Другой подход заключается в использовании двоичного поиска. Значение S, которое обеспечивает пиковый отклик, R, является входным кодом, прилагаемым к регистру 0×D2, с целью оптимального смещения компонентов 504 источника в схеме 208 измерения импеданса, с тем чтобы максимальный отклик мог быть измерен на сенсорной пластине 212 между сухим состоянием пластины и влажным состоянием пластины.
[0053]
detect
detect
detect
Как было отмечено выше, в цикле измерений измерительный модуль 128 может определить, находится ли сенсорная пластина 212 в сухом состоянии, сравнивая отклик по напряжению, измеренный на пластине, с пороговым значением R. Если измеренный отклик превышает R, то присутствует сухое состояние. В противном случае присутствует влажное состояние. Пороговое значение R вычисляется по следующему уравнению:
.
[0054]
min%
Минимальная разность D, ожидаемая в отклике по напряжению, расщепляется (то есть делится на 2), чтобы разделить запас по помехоустойчивости между сухим случаем и влажным случаем.