连续式喷墨打印头的控制 本发明涉及控制多喷嘴喷墨打印头的方法和设备。
喷墨打印有两种型式，按需液滴式(DOD)和连续式(CIJ)。正如其名所述，按需液滴式是在需要之时产生液滴，以打印在基底上。本发明所涉及的连续式喷墨打印需要连续的墨水流股，此流股破碎成液滴，而后被有选择地充电；无论充电和未充电的液滴均能传到打印用的基底，充电液滴在一电场中发生偏转，(根据设计)或到达基底上或进入一收集未打印液滴以再次使用的流槽。在第一种情况下，液滴由电场偏转到基底上，而未充电液滴照直行进，被收集在流槽内重复使用。充电量还决定了液滴的相对打印位置。在第二种情况下，液滴偏转进入一偏置的流槽，而打印液滴则是照直行进到达基底上的未充电液滴。在多个液滴发生器与移动的基底垂直对正的多喷嘴打印机中，以未充电液滴进行打印的明显优点是打印液滴在基底上的对准不依赖于对液滴进行精确和均匀充电的能力。只要液滴上的充电量足以使液滴偏转进入流槽孔，所施加电荷的一些小变化将不影响最终打印的质量。这第二种类型的打印机一般称为双射流打印机，因为液滴或充电或未充电(并且不是有目的地携带将确定打印位置的不同充电量)。
在典型的连续式喷墨打印机中，打印头具有液滴发生器，通过将一压力调制波施加到打印头的凹腔内的墨水上产生墨水液滴流股，而离开打印头的连续墨水流股被相应地破碎成单个液滴。该调制波通常是一个固定波长的正弦电信号。离开打印头的墨水流股在距打印头一定距离(或时间)处被破碎成单个液滴，该处通常称为破碎点，这一般取决于几项参数，例如墨水粘度、速度和温度。只要这些和其它一些参数保持相对恒定，所给定的调制波将产生一个恒定的破碎长度。为了给液滴引入电荷，充电波必须在液滴自流股中分离之前的时刻施加到流股上，并保持住，直至液滴自由(即必须跨越破碎点)。因此有必要了解调制波和自流股中分离的实际液滴之间的相位关系(即破碎发生在正弦调制波的那个部分)。
确定这种相位关系的一种方法涉及一种电荷探测器(及有关的电子装置)，它位于充电电极之后某处，可以测出哪个液滴已成功充电。为液滴充电，采用一种以已知间隔渐增形式领先于调制波的半宽充电脉冲，为了决定正确的充电，对探测器的输出信号进行分析。由于是半宽脉冲，理论上讲一半测试应通过而一半应失败。用于打印的全宽脉冲而后应定位于跨越所探测的破碎点。波形所分割的间隔数，以及因此而来的可能的不同相位数，对于不同的系统是可以改变的，但是，通常该定时是从普通数字闭合信号导出的，因此通常是2的幂数(即可以是2、4、8、16、32等)。一般而言，2和4间隔所给出的分辨率不足，而32以上的间隔将使测试过于耗时。一般认为采用16间隔(即16个不同相位)既给出了足以令人满意的精度，又不会在测试数目方面带来不利。
在多射流打印中，由于喷嘴的制造精度和(一般是普通的)墨水腔的特性，各流股的破碎点且因此带来的打印相位设定点是不同的。
为了能打印高质量图像和理想型的可缩放字体，现代多射流打印机采用多数目墨水流，非常紧密地布置在一起(一般是以200微米间距布置128个射流)。
尽管已经证明以所要求的间距制造充电电极为各流股单独充电是可能的，但是将现有的充电电极驱动器电路重复128次却是不实际的，所以现在的趋势是使用整体式驱动器解决方案，其中大量的驱动电路是在一个整体电路装置内实现的，目的是节省空间、降低功率等。采用这样一种装置，出于实际的原因，在单个射流的基础上启动或设定充电电压是不可能的，所以在这种装置内的所有高电压驱动器具有共同的启动和共同的电源。
另外，目前对于各流股不可能有单独的相位探测器。可能出现的情况是各单个的探测器将无法使其本身流股的电荷与所有相邻流股的效应隔绝。
这类打印机所用现有整相方法的最后一个难点是这样的事实，即对于所有液滴，液滴流股的“正常”状态(即不打印)是充电状态。因此为了测试单个射流，将需要探测未充电状态，致使墨水发送到基底上。再有，当单独一股射流关闭时，在127股射流仍打开的背景下，相位探测电路将很可能不能区分电荷通过探测器的变化。
因此传统的相位探测方法不适合于现代的高分辨率二元CIJ打印机。
在我们的英国专利申请No.9626706.7和我们共同未决的国际专利申请说明书MJB5643WO中，我们介绍了一种使射流在开始时整相的方法，其中包括产生一调制波来操纵压力调制装置，以在各流股内产生液滴；并且对于各组充电电极独立地进行下述操作：
操纵相应的充电控制器，以将充电信号波依次提供给各充电电极；
在几个步骤中相对于调制波在0至360度之间调节充电信号波的相位；
确定最佳的相位关系，以使各液滴流股依次获得适当的充电；
以及而后相对于调制波调节充电信号波的相位，以使该组内所有流股的液滴同时得到充电。
这样，对于各组喷嘴/充电电极，充电信号波的相位调节独立于其它组的相位，所以所有流股中的液滴均可以获得适宜的充电。
但是，在长时间的打印中和在打印过程中诸如温度和墨水粘度改变的情况下，该相位关系必须得到保持。以前，这要求打印头频率停止以进行重新调节，因为至今为止尚不可能在不停止和重新启动打印机的情况下进行整相。现在，因为未充电液滴用于打印，所以在启动时所用的方法不能在打印过程(更精确地讲，在实际打印周期之间的相位)中使用，否则的话所不想要的液滴将发送到基底并打印上，因为在打印周期之间的短时间内，不可能移动流槽进入和离开“完全捕获”位置。再者，在我们英国专利申请No.9626706.7中的实施例方法采用半宽脉冲波也是不可能的，因为所有的非打印液滴必须在其操作位置得到充电以便送入(偏转)到流槽，而且该波存在没有电荷施加到液滴上的部分。
本发明旨在克服这些难题。
根据本发明提供有一种采用多喷嘴喷墨打印头进行打印的方法，打印头具有能将自喷嘴射出的墨水破碎成单个液滴的压力调制器，该喷嘴分成多个喷嘴组和相应的充电电极组，每组充电电极有相应的充电电极控制器，该方法包括：
产生一个调制波，操纵压力调节器，使液滴自各流股中产生；
操纵充电控制器，给充电电极提供一个充电信号波，并给流股中的液滴充电；
设定充电信号波相对于调制波的相位关系；和
为了在打印过程中当液滴不需要打印时单独地为各组充电电极的充电控制器调节充电信号波相对于调制波的相位关系，进行以下步骤：
(A)操纵充电控制器，为该组内的所有的充电电极同时提供直流电压，给所有的液滴充电，以防止打印；
(B)给充电电极控制器施加一个脉冲信号波，将直流电压的幅度周期性和暂时地减弱到处于直流电压的之下但仍足以使液滴偏转以防止打印；
(C)借助探测器感测施加到液滴上的电荷的累积量，并产生表示该量的信号；
(D)根据步骤(C)所产生的信号，确定脉冲信号波相对于调制波的相位关系；和
(E)如果脉冲信号波相对于调制波延迟，则使脉冲信号波相对于调制波提前，或者，如果脉冲信号波相对于调制波超前，则使脉冲信号波相对于调制波后延，从而重新设定脉冲信号波相对于调制波的相位关系。
步骤(A)至(E)的方法可以在几毫秒内进行，所以各充电电极控制器的整相可以在打印过程打印循环之间出现的自然短暂停顿过程中依次调节/重新设定，而不影响实际打印。
这样，充电控制器的完整设定的整相可以在打印过程中不进行打印时依次进行，不必停止和重新启动打印机，因此也就无需进行我们的共同未决的英国专利申请说明书MJB05643GB中所述的启动整相程序，此程序最好用于在开始时设定脉冲信号波相对于调制波的相位关系。
该方法依赖于这样的事实，通过采用由振幅缩小的充电波提供的量度减少的电荷也可以生成不打印的液滴，电荷减少仍能使液滴偏转进入流槽。
液滴上电荷的感测是通过采用位于充电电极之下的相位探测器电极实现的，例如在我们的英国专利申请No.9626686.1和我们的共同未决的国际专利申请说明书MJB05548WO中所述。
根据本发明的方法的一个例子现在将参考附图进行说明，其中：
图1是一个如我们的欧洲专利文件EP-A-0780231中所述的多喷嘴CIJ打印机的打印头的侧视图；
图2是表明启动整相的过程的框图；
图3给出了施加到液滴发生器上的调制电压波的一部分；
图4给出了一个例子，表示调制窗口横跨打印头内的多个喷嘴是如何变化的；
图5A给出了相位值的可能的分布的例子；
图5给出了全部或一组喷嘴的相位值的可能的分布的例子；
图6给出了充电电极控制器的电路；
图7是一个流程图，表示根据本发明一个实施例的整相程序；和
图8是在启动过程中适于给单独射流充电和打印过程中适于给一组中的所有射流充电的波形图。
下面所述的方法包括对打印之前整相设定的说明，因为这在解释对多射流打印机进行整相所涉及的概念时有用。
图1中所示的打印头在我们欧洲专利文件的EP-A-0780231中有更详细的说明。因为并非图1中所示的所有特点均与本发明的说明有关，所以仅参考和说明基本特点。
打印头具有一电的子系统1，构成具有喷嘴板4的液滴发生器3的一部分的压电振荡器2通过它来控制，其在使用中从该喷嘴板射出多股墨水流股5。紧密相间的喷嘴布置成一排，垂直于附图的平面。墨水流股破碎成单个的液滴，其穿过在相同方向上也布置成一排的相应的充电电极6，并在该处有选择地得到充电，而后通过一对偏转电极7、7’，在使用中它们建立起一个电场，借助该电场带电液滴偏离其直线路径进入流槽8。在偏转电极7’的表面形成有一个相位探测器电极(未示出)，用来探测充电电极6施加在液滴上的电量。相位探测器电极在我们的英国专利申请No.9626686.1中有更全面的说明。
施加到压电振荡器2上并用于在液滴发生器3内产生对应的压力调制从而使墨水流股5破碎成液滴的调制波是一个正弦电信号，其一部分示于图3和图5A。调制电压的振幅由电子模块1控制且可用合适的软件设定。只要墨水参数(成分、粘度、温度)保持恒定，那么确定的调制波将自各喷嘴产生恒定的液滴破碎形式。这意味着自波的零点至液滴自流股中破碎离去之间的时间是恒定的(即，在调制波和墨水流股的破碎点之间存在一个恒定的相位关系)。这一事实可用于在施加到充电电极6上的充电波和液滴破碎速度之间设定一固定的关系。充电电极波和调制波自电子模块1内的共同的系统时钟导出。
出于打印的目的，充电控制波(见图2和8)是个数字波或矩形波，它有用于打印液滴的零伏电压值V和用于非打印液滴的稳定的高电压(在60-180V的范围)。两电压值之间的过渡非常快(在0.5微秒的数量级)。充电控制波的相位在两电压之间出现转换时确定。
在所形成的液滴和充电电极之间存在一小电容的情况下，液滴开始充电。充电电极上的电压由此使一小的偏移电流流入墨水射流，使电荷在液滴上形成聚集，所以一旦液滴从墨水流股中破碎，那么它将带走不可改变的电荷。充电电极上的稳定电压产生充电液滴的连续流股。以同样的方式，充电电极6上的零伏电压不会将任何电荷引入液滴。再者，未充电液滴一旦破离流股即不能获得任何电荷，所以充电电极6上稳定的零伏电压将产生未充电液滴流股。
因此可以理解，充电过程是如此苛刻，液滴破碎点(由压力调制波决定)要调节合适。这在我们的英国专利申请No.9626682.0和共同未决的国际专利申请说明书MJB05641WO中有更全面的说明。
在打印过程中，为了使一个液滴能够打印，对于一个单个液滴周期，充电电极电压必须在零伏电压和高电压之间转换。为了产生一个没有电荷的液滴，充电电极6在该液滴破离的同时必须保持在零伏，而理想情况是在破离点的两侧充电电极6尽可能长时间地保持在零伏。但是在实际中，充电电极电压可以保持恒定而不影响前一液滴或后一液滴充电的时间是有限制的，且改变充电电极电压的最佳点是相邻液滴破离之间间隔的一半处。
在采用了本发明方法的此例打印机中，有128个喷嘴(和相应数目的充电电极6)，它们实际上分为8组，每组16个。用单独一个充电电极控制器给一组中16个充电电极的每一个施加合适的充电波，因此提供有8个控制器。
如上所述，比较方便的是将各液滴周期分为16个相等的段，使充电电极的相位具有16个可能的值。为了在开始打印之前实现正确的整相，准备好打印机，必须要确定哪个相位值将破碎点置于充电脉冲的中间。图2给出了这一过程。
在图2的上部，有一个液滴周期的宽度，即通过充电电极的相邻液滴之间时间的指示，紧接其下的是16个可能相位值的表示。在图的中间向下延伸的是一条虚线，表示(随机地)液滴的破碎点。充电电极脉冲在暂时状态关于该破碎点对称。
作为设定过程的一部分，为了进行相位测试，充电电极脉冲的宽度减小到正常脉冲宽度的正好一半，即众所周知的半宽脉冲。半宽脉冲与全脉冲开始于同一时刻，但终止于半途(大约在液滴破碎点)。如果破碎点包含在半宽脉冲内，那么将产生一充电液滴，可以通过如上所述的相位探测电极探测到，且在电子模块1内记录一个正结果。如果破碎点不包括在半宽脉冲内，那么将产生一未充电液滴，结果相位探测电极将测不到充电液滴，且软件将记录一负结果。图5A给出了为了确立破碎点的位置，半宽脉冲是如何横跨破碎点前后扫描的。
在此例中，各组内的16个充电电极每个均依次施以提供有一系列充电脉冲的半宽脉冲波，同时组内的其它充电电极施以零伏电压。通过这种手段，监测施加到液滴上的电量且对于所有的液滴流均是共同的相位探测电极可以用来探测电荷是否已施加到单一流股中产生的液滴上，并由此确定破碎点相对于充电控制波的位置，即，破碎点与充电波的相位关系。
在实际中发现，在各组中横跨16个液滴流，相位存在一种相位的散布，如图5A和5B所示，适当调节充电波，使散布的中心大体位于充电波的全宽打印脉冲的中心。这通过电子模块1内适用的软件来实现。
为了自一单独射流给电极充电，起控制作用的电子装置和/或软件必须在执行相位检测之前将近似的打印数据写入打印头。该数据将是这样的，只有一个单独的射流得到充电，即在128个数位中只有一个数位设定为1(或者是在负逻辑情况下为0)。如果该数据可以通过驱动电路寄存或保持(见图6)，同一射流可以在不同的相位反复地得到检测，无需发送更多的数据，直至下一个射流要求检测。简单地施以相位定时充电信号的脉冲就能使驱动装置启动。
相位探测器随后可以容易地区分为射流工作和不工作的相位，因为已经知道所有其他射流是未充电的，所以那些不工作的在通过探测器时将完全没有电荷。
在此例中，128个射流由8个驱动装置控制(在16个区段中)，且这些装置的启动是单独控制的，写数据的辅助操作可以进一步减少。数据可以横跨排列的整个128个位宽写入，使得在各区段中设定相应的位(即，射流1、17、33……)。现在可以通过能给区段1的装置施加脉冲，完成对射流1的相位测试，给区段2的装置施加脉冲完成对射流17的相位测试等等。总之在必须写入新数据之前，对所有16个相位的16个射流进行测试是有可能的。
为了减少偶然性错误结果(无论什么原因)的影响，谨慎的做法是进行数次同样的测试，并取结果的平均值。例如，每股射流在各相位测试四次，如果4次测试中有3次(或4次全部)通过，则可认为此相位通过。而且再次强调，对于所有区段中全部对应射流上的所有相位的4组测试可以在必须写入新数据之前完成。
在前面进行的理论讨论中讲到，因为采用半宽脉冲进行相位测试，所以对于任何给定的射流，一半相位应通过，所以在此例中，8个应通过，而8个应失败。在实际中，由于杂波的问题，通过的数目可能距理论值8有所改变，这并不影响确定射流能在任何特定相位的正确整相。但是无论如何，对那些射流通过构成相邻组的相位应进行校核。确定某射流得到令人满意的整相的一种有统计学意义的适用算法是例如4至12之间相位的结果是通过，且它们处于一个相邻的组，即在相位2至11通过代表一个令人满意射流。在相位2、4、6和8至12通过则不行，(即使有8个通过！)。
获得一组检测通过的射流并确定它们是充足和相邻的之后，可以计算出该射流的正确打印相位，基本上是通过取检测通过相位的平均值，尽管在实际中可以统一加上一个根据经验确定的修正值。既然各组的16个液滴流股可以用此方式进行整相，那么各充电控制器可以与调制波同步，以在来自各喷嘴的打印液滴之间实现精确定位。
这样，对8组充电电极的充电波的整相可以在打印开始之前建立。
传统情况下，在打印过程中是不可能进行整相的，由此一般是在一日内隔一段时间就要关闭打印机，以进行重新整相，适应操作参数和环境条件的变化。
在打印过程中进行整相的方法与启动时所用的不同，单个射流不能进行整相，因为要求不将整相中所用的液滴打印在基底上。这样，通过给一组内的所有射流施加同样的充电信号波和借助调制电压调节其相位关系，该组内的所有射流高效地一起整相。这意味着一组内的所有射流被处理为与调制波具有相同的相位关系，即使是不正确的。在实际中，启动时已经对射流进行整相之后，破碎长度的散布不可能大到造成问题。图5给出可能发生的散布的例子。根据本发明，在此例的方法中，对单个充电电极控制器(如上所述每16股射流有一个)的供电稍有减少(例如10％或20％)，见图8，且测试波形(各由一组充电脉冲组成的相同的充电信号波)施加到充电电极上，该充电波由如上所述与启动整相方法中相同的半宽脉冲组成，但是其值稍小。
图7的流程图介绍了根据此例所遵循的程序，该流程图给出了这样的程序，首先施加给有16股射流的8个区段的第一个，完成各区段的整相后，再施加到下一个。下一个区段的整相可以是在打印机已经返回到实际打印之后，当下一个脉冲出现时。
如同启动时的整相，可以对“通过”相位的表格进行分析(见图5B)，以确定适用于该组或区段内所有射流的合适相位，可以看到对于数目和连续性有同样的要求。一旦建立起通过测试的相位的平均值，可以加上任何所需要的修正值。
各组液滴的整相一旦建立，打印机将连续进行其实际打印过程。由于整相可以在非常短的时间段内进行(一般为几毫秒)，液滴在基底上实际打印的自然中断可以用于此整相方法，而没有延误，也不会影响到打印机进行的实际打印。对于操作人员这是主要的优点。