一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法及装置

摘要

本发明属于喷墨打印技术领域，并具体公开了一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法及装置，其包括如下步骤：给点火喷嘴施加工作电压，使该点火喷嘴发生喷射，同时给点火喷嘴相邻的非点火喷嘴施加调控电压，使该非点火喷嘴不喷射，并能对点火喷嘴喷射处的电场进行调节，从而抑制射流倾斜。本发明可以解决目前阵列化电流体喷印喷头的独立喷射控制需求，通过高低压电场调控、喷嘴三态切换和间隔点火时序控制的方法，有效减少了喷射时的射流倾斜现象，同时为阵列化电流体喷印喷头的自动化控制和图案化打印打下了基础，且装置具有结构简单、同步性高、可靠性强且便于扩展等优点。

权利要求

1.一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法，其特征在于，包括如下步骤：给点火喷嘴施加工作电压，使该点火喷嘴发生喷射，同时给点火喷嘴相邻的非点火喷嘴施加调控电压，使该非点火喷嘴不喷射，并能对点火喷嘴喷射处的电场进行调节，从而抑制射流倾斜；

所述工作电压为喷嘴开启电压的1～1.2倍，所述调控电压为喷嘴开启电压的1/2～2/

3；

所述工作电压由信号发生器和高压放大器提供，信号发生器产生电压信号后，由高压放大器进行放大，进而为点火喷嘴提供工作电压。

2.如权利要求1所述的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法，其特征在于，所述调控电压由高压直流源提供。

3.如权利要求1或2所述的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法，其特征在于，对于不与点火喷嘴相邻的非工作工况喷嘴以及异常不使用的喷嘴，不施加电压，使其保持悬空状态。

4.一种用于实现如权利要求1‑3任一项所述方法的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，包括多个喷嘴、电压源、高压开关阵列以及驱动模块，其中：所述电压源包括工作信号源与调控信号源，分别用于产生工作电压信号和调控电压信号；所述高压开关阵列包括多个并联的开关组，该开关组与所述喷嘴一一对应连接；每个开关组包括两个开关，其中一个开关接入工作电压信号，另一个开关接入调控电压信号；所述驱动模块用于驱动控制各开关的开闭。

5.如权利要求4所述的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述工作信号源包括相互连接的信号发生器和高压放大器，其中，所述信号发生器用于产生各种波形的电压信号，所述高压放大器用于对电压信号进行放大，得到工作电压信号。

6.如权利要求4所述的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述调控信号源为高压直流源。

7.如权利要求4所述的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，所述驱动模块包括多个驱动子模块，每个驱动子模块对应控制一个开关组；驱动子模块包括指示灯和过流检测保护器，所述指示灯的逻辑状态与其对应的开关保持一致，用于实时显示各喷嘴的喷射状态；所述过流检测保护器用于实时监控回路中的电流，并在电流超过限制值时切断回路。

8.如权利要求4‑7任一项所述的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置，其特征在于，还包括数字主控模块，该数字主控模块用于将打印数据转化为各开关开闭的逻辑控制信号，并根据给定时序将其输出给所述驱动模块。

说明书

一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法及装置

技术领域

[0001] 本发明属于喷墨打印技术领域，更具体地，涉及一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法及装置。

背景技术

[0002] 喷墨打印技术作为一种无接触、无需模板的增材制造工艺，具有良好的制造灵活性，是印刷电子产品制造的主流方法之一，在以印刷电子为基础的智能化产品领域如薄膜
传感器、柔性显示和智能标签中得到了广泛应用。传统喷墨打印采用“推”的方式将溶液从
喷孔挤出沉积到基板形成图案，一般适宜的粘度为5～20mPa·s，喷射液滴的直径比喷孔
大，一般为30～100μm。电流体喷印借助电场力以“拉”的方式将溶液从弯月面拖拽至基板形
成图案，粘度范围广，为1～10000mPa·s，具有喷印液滴直径一般比喷嘴小的优势，最小分
辨率可达0.2μm。

[0003] 电流体喷墨打印喷头是实现电流体喷墨打印的关键。金属针管、毛细玻璃针管等均可用作电流体喷墨打印喷头，但这些喷头难以实现大规模、高密度的集成，无法实现高效
率、高精度的电流体喷墨打印，无法满足工业生产的需要。为克服单喷嘴逐点打印存在的低
效问题，有关阵列化电流体喷印喷嘴的研究相继展开，目前已经在多喷嘴独立可控喷射方
法和高精度喷嘴阵列的设计制备上取得了相关进展，但缺乏完整的喷头驱动结构，在喷嘴
数目较多时，无法对各个喷嘴电极的电压实现独立的控制，同时阵列化喷头尚未有成熟的
控制策略与完整的控制系统，无法满足自动化控制的需求。

[0004] 目前主流的阵列化电流体喷印喷头的独立控制方法包括引入控制电极和液体直接加电两种，其中引入控制电极能够调节喷嘴与基板之间的电势差，对喷射进行有效的控
制，但射流容易在控制电极层积累，造成导通且难以擦拭；液体直接加电的方式是将喷嘴中
的溶液与高压直接相连，使得点火喷嘴能因高压产生足够大场强而发生喷射，但非点火喷
嘴则不作处理，这使其非常容易因为电场串扰而引起误喷射，同时相邻的非点火喷嘴和点
火喷嘴会之间会形成一个横向电场，而基板和点火喷嘴之间也存在一个垂直电场，两者叠
加会产生一个斜向的电场力，会产生射流倾斜现象。

发明内容

[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法及装置，其目的在于，解决目前阵列化电流体喷印喷头独立控制中容
易出现射流倾斜现象，以及缺乏成熟控制策略和控制系统的问题。

[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一方面，提出了一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法，包括如下步骤：

[0007] 给点火喷嘴施加工作电压，使该点火喷嘴发生喷射，同时给点火喷嘴相邻的非点火喷嘴施加调控电压，使该非点火喷嘴不喷射，并能对点火喷嘴喷射处的电场进行调节，从
而抑制射流倾斜。

[0008] 作为进一步优选的，所述工作电压为喷嘴开启电压的1～1.2倍，所述调控电压为喷嘴开启电压的1/2～2/3。

[0009] 作为进一步优选的，所述工作电压由信号发生器和高压放大器提供，信号发生器产生电压信号后，由高压放大器进行放大，进而为点火喷嘴提供工作电压。

[0010] 作为进一步优选的，所述调控电压由高压直流源提供。

[0011] 作为进一步优选的，对于不与点火喷嘴相邻的非工作工况喷嘴以及异常不使用的喷嘴，不施加电压，使其保持悬空状态。

[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种用于实现上述方法的抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置，包括多个喷嘴、电压源、高压开关阵列以及驱动模块，其中：

[0013] 所述电压源包括工作信号源与调控信号源，分别用于产生工作电压信号和调控电压信号；所述高压开关阵列包括多个并联的开关组，该开关组与所述喷嘴一一对应连接；每
个开关组包括两个开关，其中一个开关接入工作电压信号，另一个开关接入调控电压信号；
所述驱动模块用于驱动控制各开关的开闭。

[0014] 作为进一步优选的，所述工作信号源包括相互连接的信号发生器和高压放大器，其中，所述信号发生器用于产生各种波形的电压信号，所述高压放大器用于对电压信号进
行放大，得到工作电压信号。

[0015] 作为进一步优选的，所述调控信号源为高压直流源。

[0016] 作为进一步优选的，所述驱动模块包括多个驱动子模块，每个驱动子模块对应控制一个开关组；驱动子模块包括指示灯和过流检测保护器，所述指示灯的逻辑状态与其对
应的开关保持一致，用于实时显示各喷嘴的喷射状态；所述过流检测保护器用于实时监控
回路中的电流，并在电流超过限制值时切断回路。

[0017] 作为进一步优选的，还包括数字主控模块，该数字主控模块用于将打印数据转化为各开关开闭的逻辑控制信号，并根据给定时序将其输出给所述驱动模块。

[0018] 总体而言，通过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：

[0019] 1.本发明基于高低压电场调控的原理，对喷嘴采用“低压‑高压‑低压”的间隔点火的控制方式，避免点火喷嘴之间的相互干扰，同时施加了调控电压的非点火喷嘴并能对点
火喷嘴喷射处的电场进行调节，减少横向的电势差，削减横向电场的影响力，进而有效减少
喷射时的射流倾斜现象，并且为阵列化电流体喷印喷头的自动化控制和图案化打印打下了
基础。

[0020] 2.为保证喷嘴实现喷射，将点火喷嘴工作电压设为喷嘴开启电压的1～1.2倍，相应的给相邻非点火喷嘴的施加合适的调控电压，由于调控电压越接近开启电压，射流倾斜
的抑制效果越明显，故该调控电压不能过小，否则作用不明显，无法起到抑制射流倾斜的作
用；同样也不能过大，以至于使非点火喷嘴接近甚至超过了开启电压，产生误喷射；本发明
经大量研究和测试，得到非点火喷嘴的电压不应超过该种工况下开启电压的1/2～2/3，能
将射流倾斜角降低至20％以下。

[0021] 3.本发明还针对控制方法设计了相应控制装置，基于高压开关阵列，采用两个一组、相互配合的方式，实现喷嘴三种状态(点火、非点火、悬空)的实时切换，完成点火喷嘴和
非点火喷嘴的高低压配合，最终实现阵列化电流体喷头的独立喷射控制和射流倾斜抑制，
且可以扩展到数百个通道，装置具有结构简单、同步性高、可靠性强且便于扩展等优点。

[0022] 4.工作信号源直接决定了点火喷嘴是否能发生喷射，且要求能调整幅值、频率等参数以适应不同的墨水，所以本发明采用信号发生器与高压放大器组合的方式，其能产生
包括正弦波、矩形脉冲波在内的任意波形；而调控信号源主要施加在相邻非点火喷嘴上，对
点火喷嘴进行电场调控抑制射流倾斜，其一般为稳定的直流信号，采用高压直流源实现。

附图说明

[0023] 图1为本发明实施例八喷嘴阵列化电流体喷印独立控制示意图；

[0024] 图2为本发明实施例抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置结构框图；

[0025] 图3为本发明实施例高低压电场调控的电场仿真示意图；

[0026] 图4为本发明实施例高压干簧继电器驱动电路图；

[0027] 图5为本发明实施例各喷嘴独立喷射情况示意图。

具体实施方式

[0028] 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。

[0029] 本发明实施例提供的一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印控制方法，包括高低压电场调控、喷嘴三态切换和间隔点火时序控制，其中：

[0030] 所述高低压电场调控是通过在点火喷嘴处施加高压(工作电压)，同时给点火喷嘴相邻的非点火喷嘴施加低压(调控电压)，从而对喷射处的电场进行调控，使电场更加集中
以有效减少射流倾斜现象，而非工作工况喷嘴、哑喷嘴和异常损坏而不使用的喷嘴不施加
电压，使其处于悬空状态。

[0031] 所述喷嘴三态切换是通过硬件电路的方式来实现每个喷嘴处高压、低压和悬空三种状态的切换，高低压状态用以满足电场调控的需求，而悬空状态能选择性地屏蔽非工作
喷嘴，减少整体功耗。

[0032] 所述间隔点火时序控制是通过避免点火喷嘴直接相邻，而采用“低压‑高压‑低压”的间隔点火方式，确保点火喷嘴处能够形成高低压电场调控又不相互干扰。同时引入时序
控制，使各个喷嘴的喷射状态按一定时序变化，配合基板运动实现自动化控制和图案化打
印。

[0033] 进一步的，所述工作电压为喷嘴开启电压的1～1.2倍，所述调控电压为喷嘴开启电压的1/2～2/3，能够在抑制射流倾斜的同时防止非点火喷嘴的误喷射。

[0034] 一种抑制射流倾斜的阵列化电流体喷印装置，包括多个喷嘴、电压源、高压开关阵列、驱动模块、数字主控模块和上位机，其中：

[0035] 所述电压源包括工作信号源与调控信号源，分别用于产生工作电压信号和调控电压信号。具体的，工作信号源直接决定了点火喷嘴是否能发生喷射，且要求能调整幅值、频
率等参数以适应不同的墨水，所以采用信号发生器与高压放大器组合的方式，其能产生包
括正弦波、矩形脉冲波在内的任意波形，且幅值范围为‑10kV～10kV，频率可达50kHz，其参
数可以手动设置，也可以通过软件控制；调控信号源主要施加在相邻非点火喷嘴上，对点火
喷嘴进行电场调控抑制射流倾斜，其一般为稳定的直流信号，采用高压直流源实现，需要说
明的是，调控信号在广义上仍然为千伏级别的高压，只是和工作电压相比较低。

[0036] 所述高压开关阵列是实现喷嘴三态切换的核心，通过两个一组，相互配合方式来实现。具体的，高压开关阵列包括多个并联的开关组，该开关组与所述喷嘴一一对应连接，
保证各喷嘴接收到的高低压信号独立；各开关组中，两个开关对应一个喷嘴，第一开关的输
出端和第二开关的输入端连通并与喷嘴相连，第一开关的输入端接高压信号(工作电压信
号)，第二开关的输出端接低压信号(调控电压信号)，两者通过通断状态的配合即可产生
“选通高压”(第一开关闭合，第二开关断开)、“选通低压”(第一开关断开，第二开关闭合)和
“悬空”(第一开关断开和第二开关均断开)三种状态。高压开关阵列为高压干簧继电器，也
可以是固态高压开关元件如高压MOS管、BJT等。

[0037] 所述驱动模块为数字主控提供逻辑接口，包括多个驱动子模块，每个驱动子模块对应控制一个开关组，用以驱动各开关。驱动子模块包括电平转换器、晶体开关管、隔离器、
指示灯以及过流检测保护器，其中：电平转换器输入端接独立供电电源，输出端连接高压开
关阵列的驱动端，用于将独立电源的低压供电电平转换为满足高压开关动作的驱动电平，
达到高压开关阵列的驱动要求。晶体开关管根据接收的逻辑信号决定导通或截止状态，控
制驱动电平信号能否到达高压开关处以驱动其执行通断动作，其为三极管或MOS管等形式。
隔离器用于将数字主控模块产生的低压数字逻辑信号与高压开关阵列连接高压模拟信号
进行隔离，保护数字主控模块在内的逻辑控制部分，其采用光耦隔离、光纤隔离或变压器隔
离。指示灯由与高压开关阵列中开关元件数目相同的若干个状态指示灯组成，其逻辑状态
与对应的高压开关元件保持一致，用于实时显示各路喷嘴的喷射状态。过流检测保护器用
于实时监控回路中的电流，并在其超过限制值时及时切断回路，保证整个装置的安全。

[0038] 所述数字主控模块用于数据的接收、处理、缓存、输出和时序逻辑控制，其为单片机，或PLD或者FPGA等其他形式的微控制器。数字主控模块包括处理器芯片、电源管理、通讯
端口、IO端口等最小系统的基础组成部分，还包括寄存器、移位寄存器和锁存器等与时序逻
辑控制相关的硬件组成部分。用户输入需求的打印数据后，数字主控对其进行接收，然后转
化为各个高压开关动作所需要的逻辑控制信号，储存在内部的寄存器和移位寄存器中，随
后根据给定的时序将其串行或并行地输出给驱动模块。

[0039] 所述上位机是人机交互的界面，用于是将用户需要打印的图案转化为数据发送给数字主控模块，并且能通过软件对电压源的输出参数进行设置和调整。上位机为PC，也可以
是工控机、触摸屏等其他设备；上位机通过串口通讯与数字主控模块进行信息传输，也可以
是CAN或者光纤等其他通讯协议。

[0040] 以下为具体实施例：

[0041] 阵列化电流体喷印装置包括阵列化喷头、高压源、高压开关阵列、驱动模块、数字主控模块、上位机，如图2所示，其中：

[0042] 阵列化喷头采用突出式的微针结构，包含8个带有独立引出电极的喷嘴，间距1mm，加电方式为液体直接加电，开启电压约为1800V。

[0043] 高压源分为工作信号源与调控信号源两部分，工作信号源采用信号发生器与高压放大器组合，调控信号源采用高压直流源。

[0044] 高压开关阵列由8组并联的高压干簧继电器组成，与8个喷嘴一一对应，每组中包含两个高压开关，其中第一开关的输出端和第二开关的输入端连通并与喷嘴相连，第一开
关的输入端接高压信号，第二开关的输出端接低压信号，这样当第一开关开启、第二开关关
断时，对应喷嘴接收到高压信号；当第一开关关断、第二开关开启时，对应喷嘴接收到低压
信号；第一开关与第二开关均关断时，对应喷嘴无接收信号，处于非工作状态。组成阵列的
高压干簧继电器型号为HM24‑1A83‑06，耐压值达10kV，带载切换电压可达3500V，驱动电平
24V。

[0045] 驱动模块包含多个驱动子模块，数量与高压干簧继电器一致，每个子模块主要由晶体开关管、电平转换模块和指示灯模块组成，其中电平转换电路以DC‑DC隔离模块电源为
核心，型号为VRB0524YMD‑10WR3，外围的输入和输出滤波电容值分别为100μF与10μF，能够
将电压从5V升压至24V，达到高压开关元件的驱动电压，且其输出功率可达10W，能够同时驱
动8个高压干簧继电器，如图4所示，此外其作为隔离电源，能很好地保护数字逻辑部分。晶
体开关管选择型号为2N5551的三极管，同发射级电阻、基极电阻和续流二极管组成典型三
极管开关电路，控制继电器是否执行通断动作。指示灯模块由发光二极管和其限流电阻组
成，正极连接逻辑电平3.3V，负极接三极管基极，保证其逻辑状态与继电器对应。

[0046] 数字主控模块采用芯片型号为STM32F103C8T6的单片机最小系统，增设CH340G芯片和74HC595移位寄存器芯片作为外围电路，分别实现与上位机的串口通讯和8位数据的接
收、缓存和并行输出功能。

[0047] 上位机采用个人电脑PC，通过USB端口与数字主控模块通信，传输打印数据。同样通过USB端口与高压源连接，经过软件对高压信号的参数进行设置。

[0048] 具体使用时，首先上位机给定打印数据并将数据通过USB端口发送给数字主控，数字主控对数据进行处理后转化为各个喷嘴的逻辑控制信号，将其存入移位寄存器中，然后
等待点火命令到来后将这些信号并行输出到各个驱动子模块，驱动对应的高压干簧继电器
执行通断动作，此时各组中的两个高压开关配合决定了对应喷嘴的状态，接收到高压信号
的喷嘴为点火喷嘴，接收到低压信号的喷嘴为非点火喷嘴，悬空的喷嘴为非工作喷嘴，完成
一个打印周期内的喷射过程。需要注意各个喷嘴的状态要满足“高低压调控”和“间隔点火”
原理，一个喷射过程完毕后等待下一次打印数据的到来，如此反复循环。如图1所示，8个喷
嘴中选择“3、5、7”喷射的情况，高压信号为2000V直流电，大于墨水的开启电压，低压信号为
1200V直流电，低于墨水的开启电压，同时能抑制点火喷嘴的射流倾斜现象。其中点火喷嘴
357需要接收高压信号，其对应的高压开关组应为第一开关开启、第二开关关断的状态，所
以其逻辑控制信号为“10”；非点火喷嘴246需要接收低压信号，其高压开关组的逻辑信号为
“01”；哑喷嘴1为非工作状态，需要保持悬空状态，所以其高压开关最的逻辑信号为“00”。工
作时，电场仿真示意图如图3所示，2～7号喷嘴独立喷射情况如图5所示。

[0049] 综上，本发明通过点火喷嘴施加高压，相邻非点火喷嘴施加合适低压的方式，可以在抑制射流倾斜的基础上实现单个喷嘴的独立控制，结合间隔点火时序控制模式，能够在
不相互影响的情况下实现多个喷嘴的独立喷射控制。针对该种控制方法，基于高压开关阵
列，采用两个一组、相互配合的方式，实现喷嘴三种状态的实时切换，为阵列化电流体喷印
喷头的自动化控制提供硬件结构和逻辑接口。本发明解决了目前阵列化电流体喷印喷头独
立控制中容易出现的射流倾斜现象及其缺乏成熟控制策略和控制系统的问题，具有结构简
单、同步性高、可靠性强且便于扩展等优点。

[0050] 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。