CN1247503A - 连续式喷墨打印头的控制 - Google Patents

Abstract

一种用于控制多喷头连续式喷墨打印头的方法,该打印头有一个压力调制器和电荷电极及电荷电极控制器,该压力调制器用于使从喷嘴发射的墨水流破碎成单个墨滴,而该电荷电极控制器用于将电荷可控地外加在每个墨水流中一些单个墨滴上。该方法包括:产生调制波形,以操作压力调制器。使得在每个墨水流中产生墨滴,和操作电荷控制器,以便向每个电荷电极供给电荷信号波形。使外加在墨滴流上的电荷与一个参比值或阈值进行比较。多次测定其中墨滴电荷超过参比值或阈值的墨滴流的数目,并对该数目计算一个平均值。多次重复该步骤,如果该平均值小于早先计算的平均值,那么降低该阈值或参比值。

Description

连续式喷墨打印头的控制

本发明涉及一种用于控制多喷嘴喷墨打印头的方法和设备。

喷墨打印有两种一般类型：按需要滴落式(DOD)和连续式(CIJ)。按需要滴落式打印，如其名称所示，当需要时产生墨水滴，以便在衬底上打印。本发明涉及的连续式喷墨打印需要一股连续的墨水流，该墨水流破碎成墨滴，然后使墨滴选择性带电；允许带电的或不带电的墨滴通过到衬底上，以便打印，使带电的墨滴在电场中偏转，或者到衬底上，或者到一个槽中(按照设计在该处收集不打印的墨滴回收使用)。在第一种情况下，墨滴由电场偏转到衬底上，使不带电的墨滴直线向前而收集在一个槽中，以便回收使用。电荷量也决定墨滴的相对打印位置。在第二种情况下，墨滴被偏转到一个偏置的槽中，使打印的墨滴为不带电的墨滴，一直向前落到衬底上。使用不带电墨滴的打印的明显优点是，在一台有多个墨滴发生器垂直于移动的衬底地对准时，打印在衬底上的墨滴的对准并不取决于使墨滴精确而均匀地带电的能力。只要墨滴上的电荷足以使墨滴偏转到槽孔中，外加电荷的微小变化将不会不影响最终打印的品质。该第二类型的打印机通常称为二元喷射打印机，因为墨滴或者带电，或者不带电(并不故障载带决定打印位置的变化的电荷量)。

在典型的连续式喷墨打印机中，打印头有一个墨滴发生器，该发生器通过给打印头中空腔内的墨水外加压力调制波形来产生墨水的墨滴流，而离开打印头的连续墨水流因此破碎成单个墨滴。该调制波形通常为波长固定的正弦波电信号。离开打印头的墨水流在离打印头一个距离(或时间)处破碎成单个墨滴，该距离通常称为破碎点，它取决于多个参数，如墨水粘度、速度和温度。如果这些因素和其它因素保持相对恒定，那么一个给定的调制波形将产生一个一致的破碎长度。为了在墨滴上诱生电荷，必须在墨滴离开墨水流之前的时刻将带电波形加到墨水流上，并保持到墨滴不受约束(也即必须骑跨破碎点)。因此必须知道调制波形和与墨水流分离的实际墨滴之间的相位关系(也即在正弦波调制波形的哪一部分期间破碎确实发生)。

一种确定该相位关系的方法包括一个位于电荷电极之后某处的电荷检测器(以及有关的电子线路)，它能检测哪些墨滴已成功地带电。使用一个由相对于调制波形的已知间隔逐渐推进的半宽带电脉冲来力图使墨滴带电，并分析检测器输出来确定正确的带电。由于半宽脉冲，理论上半数试验应当通过，而半数试验应当失败。然后定位用于打印的全宽度脉冲以骑跨该被检测的破碎点。该波形被划分成的间隔数目和因此可能不同相位的数目可以因系统而变化，但是通常正时是从一个共用的数字关闭信号引出的，因此通常为一个二进位幂(也即可以是2、4、8、16、32等等)。通常，2和4个间隔不能给出充分的分辨率，而32个间隔以上将使试验太费时间。使用16个间隔(即16个不同相位)被认为给出足够的精确度而又不包括不利数目的试验。

在多喷射打印中，由于喷嘴的制造公差和(通常公用的)墨水腔的特性，每个墨水流的破碎点和因而打印用的相位设定将是不同的。

为了能够打印高品质图形和真实类型的可量测字体，现代多喷射打印机使用数目众多的墨水流，非常紧密地安置在一起(通常间距为200微米的128个喷射流)。

虽然已经证明可以以所要间距制造电荷电极，以便使墨水流单个地带电，但实际上不可能复制现有的电荷电极驱动电路128次，而且这样的电流走向倾向于使用一种集成驱动器解决方案，其中数目众多的驱动电路在一个集成电路装置中实施，以便节省空间、减少电力等等。使用这样一个装置，为了实用起见，不可能将带电电压水准起动或设定在单个喷射基础上，因此该装置内的所有高压驱动器具有共用起动和共用电源。

此外，现阶段不可能对每个墨水流有一个单独的相位检测器。很可能是单个检测器永远不能使电荷与其自身的墨水流隔开和不受任何相邻墨水流的影响。

作为现有定相位方法用于此类打印机的最后一个障碍，应当注意到，墨滴流的“正常”条件即不打印，是针对所有待带电的墨滴的。因此，试验单个喷射将要求检测不带电状态，导致将墨水送到衬底上。同时，当单独一个喷射关闭而127个喷射继续时，相位检测器电路多半不能识别通过检测器的电荷的变化。

在不同的相位设定下，使用一个相位检测器电极和有关电路来测定同时产生的已通过电荷电极带电的墨滴上累积的电荷，并确定该累积的电荷是否高于或低于一个参比值或阈值。如果是，那么就认为该相位已通过试验。在一个理想系统中，一旦已经试验相位检测器，那么该阈值将是通过所有此类设计的打印机的标准。实际上，制造公差和变化的操作条件意味着，背景噪声水平不仅因机器而变化，而且也在操作期间变化，这对电荷有影响，就是相位检测器能“看到”，因此对阈值的适宜性有影响。当第一次对喷射定相位时该问题不严重(在起动时，如我们的英国专利申请书No.9626706.7和待审的国际专利申请书参比文件MJBO56 42 WO中所述，此时仅试验下的喷射流带电)，但当打印期间进行定相位时该问题就严重了，如我们的英国专利申请书No.9626707.5和待审的国际专利申请书参比文件MJB 05 64 2 WO中所述，此时所有非试验的墨滴都必须带电，而噪声条件显著变化。

因此，在打印间歇期间对喷射流定相位之前，需要自动地调整阈值，而本发明指向这一需要。

根据本发明，提供一种控制多喷嘴喷墨打印头的方法，该打印头有一个压力调制器和电荷电极及电荷控制器，该压力调制器用于使从喷嘴发射的墨水流破碎成单个的墨滴，而该电荷电极控制器用于将电荷可控地施加在每个墨水流中的单个墨滴上，该方法包括：

产生调制波形，以操作压力调制器，使得在每个墨水流中产生墨滴；

操作电荷控制器，以便向每个电荷电极供给电荷信号波形；

使施加在墨水流墨滴上的电荷与一个参比值或阈值进行比较；

多次测定其中墨滴电荷超过参比值或阈值的墨滴流的数目，并对该数目计算一个平均值；

重复多次测定其中墨滴电荷超过参比值或阈值的墨滴流的数目并对该数目计算一个平均值的步骤；以及

如果该平均值小于早先计算的平均值，那么降低该阈值或参比值。

最好是，如果该平均值小于早先计算的平均值，那么该平均值与一预定值比较，而如果该平均值小于该预定值，那么调整该阈值或参比值，直到下一次重复步骤中测定的平均值大于该早先的平均值。

测定为具有所带电荷超过阈值或参比值的墨滴的墨滴流数目可以单个地测定，或者，在电荷电极的组有一共用的电荷控制器的情况下，按照对每组进行的测定一起测定。

该“定相位”法最好按照上述我们的申请书中描述的方法进行。

现在参照附图描述本发明方法的一个例子，图中：

图1是我们的英国专利申请书No.9525970.1中描述的一种多喷嘴连续式喷墨打印机的打印头的侧视图；

图2是例示起动定相位的过程的图；

图3例示施加到墨滴发生器上的调制电压波形的一部分；

图4例示调制窗如何通过打印头中多喷嘴变化的一个例子；

图5A例示相位值可能的扩展的例子；

图5B例示对一个完整的喷射组的相位值可能的扩展的例子；

图6例示电荷电极控制器的电路；

图7是例示根据本发明的一个例子的定相位程序的流程图；

图8例示适用于起动期间使单独喷射流带电的波形和适用于打印期间使一组中所有喷射流都带电的波形；以及

图9A和9B构成本发明方法的流程图。

图1中示出的打印头在我们的英国专利申请书No.9525970.1中得到更详细地描述。因为并非图1中示出的全部细节都与本发明的描述有关，所以只参考与描述其主要细节。此外，作为本发明方法的背景，将描述两种与调制波形有关的确定电荷波形的定相位的方法。

图1中示出的打印头在我们的英国专利申请书No.9525970.1中得到更详细地描述。因为并非图1中示出的全部细节都与本发明的描述有关，所以只参考和描述其主要细节。

打印头有一个电子线路子系统1，利用它控制作为墨滴发生器3的一部分的压电振荡器2，墨滴发生器3有一个喷嘴板4，使用中从其流出多股墨水流5。紧密隔开的喷嘴设置成一排，与附图平面垂直。墨水流破碎成单个墨滴，它们通过也沿同一方向排列成一排的相应的电荷电极6，在该处墨滴选择性地带电，然后在一对偏转电极7、7′之间通过，该对偏转电极在使用中建立一个电场，带电墨滴利用该电场从其直线路经被偏转到槽8中。在偏转电极7′的表面中形成一个相位检测器电极(未示出)，它被用于检测由电荷电极6外加到墨滴上的电荷。该相位检测器电极在我们的英国专利申请书No.9626686.1和我们的待审的国际专利申请书参比文件MJB 05548 WO中得到更充分的描述。

加在压电振荡器2上并用于在墨滴发生器3内产生相应的压力调制从而使墨水流5破碎成墨滴的调制波形是一种正弦波电信号，其一部分示于图3和图5A中。调制电压的振幅由电子组件1控制，并可由适当的软件设定。只要墨水参数(成分、粘度、温度)保持恒定，那么一个限定的调制波形将从每个喷嘴产生一种一致的墨滴破碎图形。这意味着，在波形上零点和墨滴离开墨水流破碎的时刻之间的时间将是恒定的(也即在调制波形和墨水流破碎点之间存在恒定相位关系)。这一事实可以用于在外加到电荷电极6的电荷波形和墨滴破碎速率之间设定一个固定关系。电荷电极波形和调制波形是从电子组件1内的共用系统中得到的。

为了打印的目的，电荷控制器波形(见图2和8)是一个数字式或方形波形，它对要打印的墨滴具有0伏数值而对不可打印的墨滴具有稳定的高压(在60-180伏范围内)。两个电压值之间的过渡是非常快速的(为0.5微秒量级)。电荷控制器波形的相位决定两个电压之间何时发生过渡。

墨滴带电的产生是由于被形成的墨滴和电荷电极之间有小的电容。电荷电极上的电压因此产生一个在喷墨中流动的小的位移电流，它形成电荷在墨滴上的聚集，使得一旦墨滴离开墨水流而破碎，它载带一个不能变化的电荷。电荷电极上一个稳定的电压产生一个连续的带电墨滴流。以类似的方式，电荷电极6上的0伏并不在墨滴上诱生任何电荷。其次，一旦不带电的墨滴破碎而离开墨水流，它就不可能获得任何电荷，因此电荷电极6上稳定的0伏将产生不带电的墨滴流。

因此可以理解，合适地调整墨滴破碎点(由电压调制波形)这一点对于带电过程是多么关键。这在我们的英国专利申请No.96 26682.0和待审的国际专利申请书参比文件MJB 05641WO中得到更充分的描述。

在打印期间，对于单独一个墨滴周期，电荷电极电压必须在0伏和高压之间切换，以便使一个墨滴能够被打印。为了产生一个不带电荷的墨滴，在墨滴破碎期间电荷电极6必须保持在0伏，而理想的是，在破碎点的每一侧上电荷电极6尽可能保持在0伏。但是，实际上，能使电荷电极电压保持恒定而不干扰前一墨滴或后一墨滴上的电荷的时间是有限的，用于改变电荷电极电压的最佳点是破碎的相邻墨滴之间的半中间。

在应用本发明方法的该例子的打印机中，有128个喷嘴(以及相应数目的电荷电极6)，它们有效地分为8组，每组16个。利用单独一个电极控制器来将合适的带电波形加到一组中的16个电荷电极，因此设有8个电极控制器。

如上所述，将每个墨滴时间划分为16个相等区段从而允许电荷电极相位值有16个可能的值是方便的。为了得到正常的定相位来在开始打印之前调置打印机，必须确定哪一个相位值将破碎点安置在带电脉冲的中间。图2例示该过程。

在图2的顶部指示一个墨滴时间的宽度，也即在通过电荷电极和紧接下面的相邻墨滴之间的时间，该时间表示16个可能的相位值。沿图的中间向下延伸的一条虚线表示(随意地)墨滴破碎的点。从瞬时意义上说，电荷电极脉冲对于破碎点是对称的。

为了进行作为建立程序一部分的相位试验，将电荷电极脉冲的宽度减小到刚巧是正常脉冲宽度的一半，并称为半宽脉冲。半宽脉冲的开始时间与全脉冲相同，但结束时间为一半(在大约墨滴破碎点)。如果破碎点被包括在半宽脉冲内，那么将产生一个带电墨滴，它能用上述相位检测器电极检测，而在电子组件1中能记录一个正的结果。如果破碎点不包括在半宽脉冲内，那么将产生一个不带电墨滴，因此相位检测器电极将检测不到带电墨滴，而软件将记录一个负的结果。图5例示，如何骑跨破碎点前后扫描该半宽脉冲，以便建立破碎点位置。

在该例子中，每组16个电荷电极中的每一个轮流有一个加到该电极上的半宽脉冲波形，它提供一系列带电脉冲，而该组中的其余电荷电极外加零伏。这意味着，监控加到墨滴上的电荷值而对所有墨滴流都是共用的相位检测器电极可以被用来检测电荷是否加到在单独一股墨水流中产生的墨滴上，并因此决定破碎点相对于电荷控制器波形的位置也即破碎点对带电波形的相位调整。

实际中发现，穿过组每中的16个墨滴流，如图5A和5B中例示的相位扩展及带电波形被合适地调整，使得扩展的中心大体上出现在带电波形全宽度打印脉冲的中心处。这是通过电子组件1中合适的软件而得到的。

为了使电极从单独一次喷射带电，在进行相位试验之前，控制电子线路和/或软件必须将合适的打印数据写到打印头上。数据将是这样的，即只有单独一次喷射将带电，也即128次设定中只有1次(或者在负逻辑情况下为零)。如果数据可以用驱动电路锁住或保持(见图6)，那么可以重复试验同一喷射，而在不同相位下，不需要发送更多数据，直到下一次喷射需要试验。这些驱动装置能够用相位正时电荷信号简单地提供脉冲。

然后相位检测器可以容易地识别那些为该喷射工作的相位和不为该喷射工作的相位，因为对于不为该喷射工作的相位，将根本没有电荷通过检测器，就像已知所有其它喷射不带电一样。

在该例子中，128个喷射受8个驱动装置控制(每组16个喷射)，而那些装置是可以单个控制的，但过多的书写数据仍可进一步减少。数据可以通过阵列的全部128位宽度书写，使得在每一组中设定相应的位(即喷射1、17、33…)。现在可以通过对第1组仅使喷射1能对装置起动脉冲而对第2组仅使喷射17能起动脉冲等等来进行相位试验。在需要书写新的数据之前，在所有16个相位中可以试验6个喷射。

为了减少偶然误差结果的效果(不管什么原因)，应当对同一试验谨慎地进行多次，并取平均结果。例如，在每个相位对每个喷射试验四次，只有当四次中三次试验通过(或全部四次都通过)时才认为一个相位通过。再一次，在需要书写新的数据之前，可以对所有组中所有相应喷射的所有相位完成四组试验。

在上述理论讨论中提到，因为对相位试验使用半宽脉冲，所以对该任何给定的喷射应当通过一半相位，因此在该例子中8个应当通过而8个应当失败。实际上，由于考虑到噪声，通过的次数可能不同于理论上的8次，但这不应当影响喷射可以正确地定相位和在什么特定相位上的确定。但是，应当检验，一个喷射通过通过的相位组成一个邻接的组。用于确定一个喷射可以满意地定相位的适当的算法比如是在4至12相位之间导致通过，而这些处于邻接的组中，即在相位2至11上的通过代表一个令人满意的喷射。在相位2、4、6和8至12上的通过却并不代表一个令人满意的结果(虽然是8个通过！)。

对一个喷射已经获得一组通过并确定它们既充分又邻接，就可以对该喷射计算正确的打印相位，特别是对通过的相位取平均值，虽然实际中可以均匀地加上经验确定的补偿值。因为可以以此种方式对每组16个墨滴流定相位，所以每个电荷控制器可以对调制波形进行同步，以便在从每个喷嘴打印的墨滴之间获得精确的对齐。

这样，在打印开始之前，可以对8组电荷电极建立电荷波形的相位调整。

通常，在打印期间，不可能进行调整相位，因此在白天期间间隔地关闭打印机是正常的，以便进行重新调整相位，以容纳操作参数和环境条件的变化。

在打印过程期间进行定相位的方法不同于开始时使用的方法，因为各单个喷射不可能被定相位，这是由于要求不将定相位中使用的墨滴打印在衬底上。这样，通过将同一电荷信号波形外加在一组中所有喷射上和通过其与调制电压的定相位关系，该组中的所有喷射均在一起有效地定相位。这意味着，一组中的所有喷射被处理为与调制波形具有同一相位关系，即使这是不正确的。实际上，在开始时对喷射已经定相位，破碎长度的扩展不大可能大到产生问题。图5例示可能产生的扩展的例子。在该例子的方法中，根据本发明，单个电荷电极控制器(如上所述，每16个喷射用一个控制器)的电力供给稍许减小(例如10％或20％)，见图8，而一个试验图形(同一电荷信号波形每个包括一组带电脉冲)外加在电荷电极上，电荷波形包括如上述起动定相位法中的半宽脉冲，但具有稍低的值。

图7的流程图描述按照该例子跟随的程序，该流程图例示该程序为最初外加到八组16个喷射的第一组，在完成每一组的定相位后，外加到下一组。当下一间歇产生时，下一组的定相位可能友打印机已返回实际打印之后产生。

如起动时定相位一样，可以分析相位“通过”表(见图5B)来定位一个合适的相位，该相位将对组中所有喷射工作，观察同样的要求如数目和相邻性。一旦通过试验的各相位的平均数已经建立，可以加上任何所需的补偿。

一旦对每组墨滴建立了定相位，打印机继续其实际打印过程。因为定相位可在极短时间内完成(通常几毫秒)，所以对定相位法可以使用实际打印中墨滴在衬底上的自然破碎，而不需要延迟或以其它方式影响正由打印机进行的实际打印。这对操作者是一个主要优点。

为了调整根据本发明一个例子的阈值或参考值，利用图9A、9B的流程图中示出的方法。

在最初两个步骤中，示出的方法是将初始的阈值设定到一个从打印头设计和试验预定的值。

其后，阈值调整依赖于在打印期间进行的相位试验(如上所述，与我们的英国专利申请书No.9626707.5和我们的待审国际专利申请书参比文件MJB 05642 WO相联系)。流程图中所述方法是相对于上述128个喷嘴的打印头实施的，而提到的平均数是在每组16个喷嘴的基础上确定的喷射流数目，一组如上所述地与上述方法的描述相联系地一起测量，上述方法则与打印期间的定相位相联系。

Claims (6)

1.一种用于控制多喷嘴连续式喷墨打印头的方法，该打印头有一个压力调制器和电荷电极及电荷电极控制器，该压力调制器用于使从喷嘴发射的墨水流破碎成单个的墨滴，而该电荷电极控制器用于将电荷可控地施加在每个墨水流中的单个墨滴上，该方法包括：

产生调制波形，以操作压力调制器，使得在每个墨水流中产生墨滴；

操作电荷控制器，以便向每个电荷电极供给电荷信号波形；

使施加在墨水流墨滴上的电荷与一个参比值或阈值进行比较；

多次测定其中墨滴电荷超过参比值或阈值的墨滴流的数目，并对该数目计算一个平均值；

重复多次测定其中墨滴电荷超过参比值或阈值的墨滴流和数目并对该数目计算一个平均值的步骤；以及

如果该平均值小于早先计算的平均值，那么降低该阈值或参比值。

2.一种如权利要求1所述的方法，其特征在于，如果该平均值小于早先计算的平均值，那么将该平均值与一预定值比较，而如果该平均值小于该预定值，那么调整该阈值或参比值，直到下一次重复步骤中测定的平均值大于该早先的平均值。

3.一种如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，测定为具有所带电荷超过阈值或参比值的墨滴的墨滴流数目是单个测定的。

4.一种如权利要求1或权利要求2所述的方法，其特征在于，存在具有一个共用电荷控制器的电荷电极的组，而测定为具有所带电荷超过阈值或参比值的墨滴的墨滴流数目是按照对每组进行的测定来测定的。

5.一种多喷嘴连续式喷墨打印机，具有：

多个喷嘴；

一个压力调制器，用于使从喷嘴发射的墨水流破碎成单个墨滴；

多个电荷电极和电荷电极控制器，用于将电荷可控地施加到每个墨水流中的单个墨滴上；

用于产生调制波形以操作压力调制器从而在每个墨水流中产生墨滴的装置；

用于操作电荷控制器以便向每个电荷电极供给一个电荷信号波形的装置；

用于将施加到墨滴流上的电荷与一参比值或阈值进行比较的装置；

还具有这种装置，用于：多次测定其中墨滴电荷超过参比值或阈值的墨滴流的数目并对该数目计算一个平均值，重复多次测定其中墨滴数目超过参比值或阈值的墨滴流的数目并对该数目计算一个平均值的步骤，以及如果该平均值小于早先计算的平均值，那么降低该阈值或平均值。

6.一种如权利要求5所述的连续式喷墨打印机，其特征在于，包括这样的装置，其中如果该平均值小于早先计算的平均值，那么将该平均值与一预定值进行比较，而如果该平均值小于该预定值，那么就调整阈值或参比值，直到下次重复步骤中测定的平均值大于该早先的平均值。

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