用于检测喷墨打印头流体室操作状态的方法

专利名称：用于检测喷墨打印头流体室操作状态的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测喷墨打印头流体室操作状态的方法，其中会对所产生的 压力波进行检测和分析。
背景技术：
在已知的具有喷墨打印头的喷墨打印设备中，喷墨打印头包括喷墨流体室。在流 体室中保持有喷墨流体。流体室包括至少一个开口(通常亦称为喷嘴或喷口)，可通过该开 口喷射液滴。可通过多种已知技术之一来产生喷射。例如，喷墨流体的局部加热可用于产 生气泡，由于该气泡，使得在流体室内引起了压力，从而导致液滴通过喷嘴喷射。在另一种 已知打印头中，诸如压电元件之类的机电换能器用于在流体室中产生压力变化，以便喷射 液滴。为了保证打印质量，喷墨液滴的喷射可能是关键的。特别地，液滴可能以错误的角 度和/或以错误的速度喷射，或者可能由于灰尘、空气或流体室中的任何其他扰动而完全 不能喷射。此外，如果喷墨打印设备在某些场合下使用时，错误的喷射可导致不可用的结 果。因此，确定流体室是否处于良好操作状态是有利的，并且如果已确定流体室未处于良好 操作状态，则例如使用另一个流体室在预期位置喷射液滴。为了确定流体室是否处于合适的操作状态，S卩，确定流体室中是否不存在任何障 碍或扰动，可对流体室的声学性质进行检测。任何室都具有预定的声学表现。如果在流体 室中引入压力波(例如声波)，则压力波将随时间在流体室中反射和衰减。对所产生的压力 波的响应进行检测允许检查出流体室中是否存在诸如灰尘或气泡之类的对象。这种方法和 相应装置在现有技术中是已知的。在现有技术中，将所检测的、得到的压力波与从无扰动流体室中获得的参考压力 波进行比较。如果在比较中确定出具有明显差异，则流体室可被认为受到扰动，因此流体室 可被认为处于无效状态。然而，这种确定方法对于噪声和其他测量缺陷敏感。此外，快速比 较会导致错误的决定，即，错误地确定流体室处于无效状态或者错误地确定流体室处于有 效状态(operative state)。可通过合适的信号处理来减少许多错误决定，而信号处理不可 避免地导致相对长的处理时间。然而，人们期望的是在后续使用同一流体室前确定该流体 室的操作状态。

发明内容
本发明的一个目的是要提供一种用于可靠地确定流体室操作状态的方法。上述目的在根据权利要求1的方法中得以实现。在本发明进一步的方面中，如权 利要求8所述的，本发明提供了一种用于执行根据本发明方法的打印设备。在根据本发明的方法中，在流体室中产生压力波。该压力波可以是用于喷射液滴 的压力波，或者该压力波可以是一种构造成用于操作状态检测的压力波，即不是为了用于 喷射液滴。此外，喷墨打印头可构造成通过产生这种压力波来喷射喷墨液滴，但是喷墨打印头也可构造成通过任何其他技术来喷射液滴并且可构造成仅产生这种用于操作状态检测 的压力波。可通过任何合适装置产生压力波。这种装置包括诸如压电致动器之类的机电换能 器。其他合适装置对于本领域技术人员是已知的。例如，可采用通过加热来产生气泡。请 注意，优选的是，在每次产生压力波时，压力波的形状基本相同，这使得能够将所得到的压 力波与参考压力波进行比较。然后，对所得到的压力波进行检测。可通过任何合适的装置来执行检测。例如，可 使用机电换能器。而且，如现有技术中已知的，如果机电换能器被用于产生压力，则可用同 一机电换能器进行检测。基于所检测的压力波，产生了对应于所检测压力波的检测信号。通常，检测装置输 出对应于所检测压力波的电信号。从检测信号确定状态标识。此外，使用了小波窗口。小波窗口可用于确定检测信 号的小波变换，由此获得小波变换检测信号。在一个实施例中，可采用参考信号。这种参考 信号可以是处于有效状态的流体室的小波变换压力波。然后，可将小波变换检测信号和参 考信号进行比较。然而，如后文将详细描述的，在一个实施例中，对所有信号均不执行完整 的小波变换，尽管这样的实施例以小波理论为基础。在一个实施例中，小波窗口包括正弦波。使用正弦波允许对检测信号中的基本单 频成分进行检测。特别地，这种频率基本等于流体室的谐振频率。响应于所产生的压力波， 除了在流体室中谐振的任何频率外，压力波中的大多数频率相对快速地衰减。结果，谐振频 率不被结构衰减，而是仅由于流体动力学而衰减。因此，在一段短的时间后，流体室的谐振 频率得以保持，而其他频率消失。由于流体室中任何对象和/或扰动改变了流体室的谐振 频率，对谐振频率(频率、幅度、相位)的检测提供了关于流体室成分的信息。选择小波窗 口，使其具有对应于流体室的(主)谐振频率的单成分，允许验证流体室是否以有效状态的 流体室起作用。为了去除检测信号的偏置所导致的任何影响，优选的是，使用这样的小波窗口，其 包含所用正弦波的整数个完整周期。如果小波窗口包含正弦波的整数个完整周期，则如所 期望的，所得到的系数将(基本)等于零并且因此将不会对结果产生影响。类似地，如果在检测信号中包含另外的扰动信号，则优选使用包括正弦波的小波 窗口，其中，该正弦波的周期被选择成是扰动信号周期的整数倍。例如，如果扰动信号具有 约250kHz的频率(对应4微秒的周期)，则所期望的是使用具有约50kHz频率(对应于20 微秒的周期)的正弦波，这是因为扰动信号的信号成分将(基本)不对决定结果产生影响。在一个实施例中，所提供的(例如选择的、或产生的)小波窗口使用一组预定检测 信号。这组预定检测信号包括至少一个源自有效流体室的检测信号以及至少一个源自无效 流体室的检测信号。基于这样一组预定检测信号，可确定小波窗口，该小波窗口区分来自有 效流体室的信号以及源自无效流体室的信号。因此，可防止任何错误的决定，或者至少可将 错误决定的数量保持很低。例如，可使用多个可能合适的小波窗口，并且可选择在结果值中 提供最大差异的小波窗口作为所使用的小波窗口。然而，数学领域技术人员易于理解，存在 多种数学方法来产生(例如计算)最佳区分的小波窗口。在上述实施例的一个具体实施例中，预定检测信号组中所包括的预定检测信号中的至少一个是平均信号。例如，源自有效流体室的信号可从源自一个或多个有效流体室的 多个信号求平均而得。源自无效流体室的检测信号可通过将源自一个或多个无效流体室 (对于它们的无效状态而言，它们具有相同的原因)的信号求平均而得。因此，检测信号之 一的(未知)偏差被平均，而该偏差对小波窗口的影响得以降低。为了进一步简化流体室状态的确定，可在确定时仅使用检测信号的一部分。特别 地，检测信号的某些部分可能在确定中是不适合使用的。例如，由于检测电路的进入电路切 换或类似原因，使得检测信号的第一部分可主要由电气影响引起。类似地，检测信号的信号 噪声比(SNR)随时间可变成使得不再可能进行任何可靠的检测。因此，可选择具有合适SNR 并且主要代表由产生的压力波引起的谐振信号的部分来用于确定，从而允许省略为了去除 噪声的任何信号处理等。此外，通过适当选择与小波窗口(特别地是与小波窗口的相位) 有关的检测信号部分，并且通过将检测信号的这一部分选择成具有与小波窗口长度对应的 长度，仅需要单矢量乘法来获得标量值。由于检测信号幅度、检测信号相位和/或检测信号频率中的一个或多个改变时， 标量值将改变，所以标量值可与类似地从有效流体室获得的参考标量值进行比较，以便确 定流体室是否处于有效状态。特别地，通过将检测信号的标量值除以关于有效流体室的参 考标量值，如果除法结果基本等于1，则流体室可被认为处于有效状态。例如，可以经验性地 (预)确定阈值，使得可容易地确定流体室是否处于有效状态。注意，上述实施例仅使用检测信号(的一部分)以及小波窗口的矢量乘法。如下 面详细说明的，这种矢量乘法可在采样检测信号时已被执行。结果，一旦确定装置接收了上 一次的检测信号采样，该乘法以及由其得到的对流体室状态的确定实际上就准备就绪。因 此，根据本发明的方法使得能够在喷射后续液滴之前可靠地确定流体室的操作状态。如果 该确定指示流体室未处于有效状态，则可取消后续喷射，例如，可通过另一个流体室来喷射 液滴。注意，根据本发明方法的一个实施例可补充另外的方法步骤。例如，在该方法的上 述实施例中，仅仅确定了流体室是否处于有效状态。如果确定了流体室未处于有效状态，但 仍然不清楚流体室为何处于这样的状态。而且，由于原因依然不明，所以仍然不清楚流体室 是否以及如何能变得再次有效。因此，可使用进一步的方法步骤来确定无效状态的原因，并 且可能的话，确定和执行用于排除该原因的动作。例如，在检测到无效流体室时，可通过详 细分析来进一步检查该流体室，例如通过使用完整小波变换、傅立叶变换或时域分析，并且 根据这种进一步检查的结果来执行校正动作。虽然无效流体室处于检查之下，但打印设备 可寻址其他流体室来喷射液滴，由此在功能上替换无效流体室。如上所述，可执行完整分析或检查以确定无效状态的原因。这种完整检查可包括 与来自一个或多个不同原因的典型检测信号进行比较。每种原因都具有这样的典型检测信 号。明显的特征可在时域检测信号或在经变换的检测信号中被最佳检测到，该经变换的检 测信号例如为傅立叶变换检测信号或小波变换检测信号。本领域技术人员易于理解如何来 执行这种比较，因此此处省略了对这种比较的详细描述。在一个实施例中，例如在流体室被用于打印操作时，不仅对无效流体室进行完整 检查，而且对每个流体室进行完整检查。例如，虽然第一结果可能指示流体室处于有效状态 并且可用于喷射液滴，但完整分析或检查可揭示出该流体室可能由于导致无效状态的可能原因正在发展而在不远的将来会变得无效。作为一个详细的示例，流体室中的小气泡可能 对流体室操作的影响并不显著，但是大气泡可使得流体室处于无效状态。一旦检测到小气 泡，优选地，可执行校正动作以防止该气泡成长为大气泡。在已经确定流体室处于有效状态 后，当使用该流体室进行实际打印的同时利用完整分析可确定出流体室中存在小气泡。然 后，该流体室可能被排除不进行打印，并且在功能上被另一个流体室替换，同时对该流体室 进行合适的校正动作以便去除小气泡。如上所述，检测信号的幅度影响确定的结果。幅度除其他因素外取决于墨液粘度， 因此取决于墨液温度。如果墨液温度被准确地控制，则单一小波和参考信号就足以获得可 靠的结果。如果温度未被准确地控制，则可应用温度传感器并且基于检测到的温度来使小 波和参考信号适应。例如，多个小波和参考信号可被预定为温度的函数。然后，基于检测到 的温度，预定数量的小波和预定数量的参考信号中的对应者可被选择用于确定流体室的状 态。而且，由于粘度是墨液的重要性质，因而可确定粘度，并且可使小波和/或参考信 号适应于检测到的粘度。这样的实施例使得能够使用不同种类的墨液，而不会扰乱流体室 状态的检测。在另一个实施例中，也可采用上述考虑来控制墨液的温度。考虑到流体室中的扰 动是异常性的，可假设(例如包括在一个打印头中的)相对大数量的流体室中的大多数处 于有效状态。因此，使用小波窗口和参考信号，它们皆被已被预定为处于期望操作温度，该 多个流体室的所有状态标识的模式(也称为模态分，modal score)可被认为代表了有效流 体室的状态标识。请注意，也可采用其他数学操作，例如平均操作或中值操作。如果该状态 标识明显偏离对应于包含期望温度墨液的有效流体室的预定状态标识，则可确定墨液未处 于期望温度，并且可响应于检测到的状态标识而使温度适应(或称使温度改变)。在一个实施例中，不使用对应于有效流体室的预定参考信号或标量。如上所述，假 设经检查和分析的流体室中的大多数处于有效状态，如上所述，可从多个流体室的检测结 果得出这种参考信号或标量。从而，在该实施例中，代替基于检测结果的模式(或平均值或 中值等)来控制墨液温度，或除了如此控制墨液温度外，在确定哪个流体室未处于有效状 态时还可确定和采用参考值。


下文将参照附图阐明本发明，附图示出了非限制性实施例，其中图1示意性地示出了喷墨打印头；图2A-2C示出了从根据图1的功能完好的喷墨打印头中获得的检测信号；图3A-3C示出了根据本发明方法的一个实施例基于图2A-2C所示检测信号的操 作；图4A示出了对应于包含气泡的流体室的检测信号；以及图4B示出了根据本发明方法的一个实施例基于图4A所示检测信号的操作。
具体实施例方式在附图中，相同的附图标记表示相同的元件。图1示出了喷墨打印头1，该喷墨打印头1包括流体室2、致动器3以及喷嘴或喷口 4。这种打印头1在本领域是已知的。打印 头1可操作地联接到控制单元5。在操作中，流体室2填充有诸如墨液的流体。可通过通道(未示出)提供和补充 流体，该通道将墨液贮器(未示出)联接到流体室2。所示致动器3是诸如压电元件的机电换能器。在接收驱动信号时，压电元件3变 形，结果在流体室2的流体中产生压力波。此外，在已经产生压力波之后，压电元件3被用 作传感器。流体室2中的压力波随着时间而衰减，这取决于流体的特性以及流体室2的特 性。在衰减周期期间，压力波使压电元件变形，结果该压电元件产生电信号，该电信号被控 制单元5接收。根据该电信号，可确定流体室2中存在随时间变化的压力波。请注意，本领域已知其他种类的产生压力波的致动器，其均可用于本发明中。例 如，加热器可被用作致动器。通过加热，流体室2中通过部分流体的蒸发而形成气泡。由于 气体比对应量的流体占用更多的空间，流体室2中的压力升高。还可采用其他类型的致动。 在任何情况中，为了能够执行根据本发明的方法，需要随着时间确定流体室2中的压力。如 果致动器3不适合用作压力传感器，则应当提供另一种压力感测元件，例如专用的分离式 压力传感器。为了通过喷嘴4排出液滴，控制单元5产生合适的驱动信号并将其提供到致动器 3。致动器3如上所述在流体室2中产生压力波。由于流体室2中的压力升高，一定量的流 体被迫使通过喷嘴4，结果排出为液滴。为了确定流体室2的状态，在致动后，致动器3可向控制单元5提供检测信号。控 制单元5可分析和检查该检测信号。如上所述，所产生的压力波在流体室2中保持一段时 间。在该段时间内，压力波衰减。然而，压力波中的一些份额(contributions)衰减得比其 他更快。特别地，处于流体室2的谐振频率的压力波将仅仅由于流体特性而衰减，因此将保 持得比那些具有非谐振频率的份额更久。如果流体室2中存在气泡或灰尘，则流体室2的一个或多个谐振频率发生变化。结 果，相比干净有效的流体室2，流体室2中的压力波在致动后将不同地衰减。因此，通过对检 测信号的合适分析和检查，可得出流体室2的状态。这在现有技术中是已知的。然而，在现 有技术中，所述检查是通过将检测信号与参考检测信号比较而在检测信号上进行的。这需 要完整的检测信号，而这要求等待感测的完成。此外，这种比较花费相对长的时间，并且结 果可能并不十分可靠。为了提高检查的可靠性，根据本发明，通过基于小波理论的适当分析来进行该检 查。使用基于小波变换的分析，从检测信号得到更多的相关信息。小波变换提供对于分离 信号份额的信息，其中所述信号份额基于预定小波窗口的特性而被分切。例如，小波窗口可 被选择以提供对于具有一定频率的信号份额的信息。此外，通过在检测信号的一些部分上 应用小波窗口，小波变换的结果还提供对于信号份额在检测信号中所存在时间的时刻的信 息。后者是与傅立叶变换的重要区别，傅立叶变换在整个时间长度上假设相同的信号份额 (基于频率的份额分切)，而信号份额可随着时间改变，如在当前检测信号中那样。虽然完整的小波变换和后续的检查可花费相对长的时间，但是本发明的发明人已 经注意到本方法可简化，由此可减少所获得信息的量，但使分析和检查明显加快，使得每个 流体室2的分析和检查可在两个相继致动之间执行。这使得能够在已确定流体室2未处于有效状态时取消后继致动，并用另一有效流体室2排出的液滴来代替流体室2排出的液滴。在下文中更详细地描述了这种简化方法，而且同时示出和描述了如何使用完整的 小波变换以及这种完整的小波变换可提供的可能性。图2A-2C各自示出了一个曲线图，包括有效且未受扰动的流体室的实际检测曲线 10。检测曲线10是通过实验获得的，并且开始于致动器致动后不久，且被检测约50秒。此 外，图2A和图2C示出了趋势线曲线20。趋势线曲线20的示出仅出于例示目的，并且是基 于检测曲线10下的检测信号通过计算第六阶多项式函数产生的。在图2B和图2C中示出 了单周期正弦波曲线30。现在参见图2A，检测曲线10从检测开始时开始快速增大，并且在约6秒之后，检测 曲线10快速减小。检测曲线10的从TO延伸到Tl的该第一部分最优选地是检测电路响应 于紧接致动后开关的结果。时间段TO-Ti中的检测信号在任何情况下最可能不代表流体室 中的实际压力波。因此，该第一时间段T0-T1可在进一步分析和检查中省略，但这在根据本 发明的方法中不是实质性的。在Tl之后，检测曲线10表现为包含明显的低频份额以及明显的高频份额。低份 额在趋势线曲线20中最佳示出。高频份额从检测曲线10和趋势线20之间的差中最佳示出。在T2之后，实际检测信号可变得非常弱，并且噪声可产生明显影响。由于任何分 析和检查都优选不被噪声明显影响，优选的是省略时间T2之后的信号部分，但这在根据本 发明的方法中不是实质性的。考虑所检测的压力波具有的最可能的份额具有对应于流体室谐振频率的频率，在 图2B中示出了叠加在检测曲线10上的正弦波曲线30，该正弦波曲线30具有对应于流体室 重要谐振频率的频率，该重要谐振频率是对应于流体室沿着液滴喷射方向延伸的尺寸的谐 振频率，其在所示示例中为约40kHz。如图2C所示，正弦波曲线30基本与以数学方式确定 的趋势线曲线20重合。因此，可得到的结论是，检测曲线10中的低频份额对应于流体室的 谐振频率。由于低频份额提供关于流体室中的任何扰动和障碍的充足信息，在下文中，所描 述的根据本发明的方法实施例关注该低频份额。在后文将会进一步详细描述的这个实施例 中，并不执行完整的小波变换。相反，具有对应于低频份额(在此情况下40kHz)的频率的 正弦波被选择作为小波窗口，并且其被应用到其应当与之重合的信号部分，也就是约ι μ S 和36μ S之间的信号部分。所述信号部分和所选择小波窗口的矢量乘法提供了对应于该小 波窗口和该信号部分的小波系数。如果这种小波系数对应于从与有效流体室关联的参考信 号中得出的相同小波系数，则可认为该流体室处于有效状态。在上述实际的实施例中，分析和检查包括了对流体室状态进行确定，并且可甚至 在后续致动之前执行。这可按如下方式得出。检测信号随着时间被采样，由此获得离散数 量的检测采样。为了应用本发明，作为开始，使用连续小波变换
权利要求
1.一种用于检测喷墨打印头的至少一个流体室的操作状态的方法，所述流体室构造成 用于保持喷墨流体，所述喷墨打印头构造成用于从所述流体室喷射喷墨液滴，所述方法包 括a)在所述流体室中产生压力波；b)检测所述压力波；c)产生对应于所检测的压力波的检测信号；以及d)使用小波窗口从所述检测信号确定状态标识，所述状态标识适合于得出所述流体室 的操作状态。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述小波窗口包括正弦波。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述小波窗口由正弦波的一个或多个周期 形成。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，所述正弦波的频率对应于所述流体室的谐振频率。
5.如权利要求2-4中任一项所述的方法，其特征在于，所述检测信号包括具有基本预 定频率的扰动信号，其中，所述正弦波被选择成使得所述扰动信号的频率是所述正弦波的 高阶谐波。
6.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d)包括 dl)选择所述检测信号的一部分；以及d2)基于所述检测信号的所选择部分确定所述状态标识。
7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，步骤d)包括 d3)将所述检测信号与所述小波窗口相乘；d4)将预定参考信号与所述小波窗口相乘，所述预定参考信号与有效流体室相关联； d5)将步骤d3)的结果除以步骤d4)的结果，由此获得所述状态标识。
8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，为多个流体室执行所述方法步骤a)_d)，由 此获得多个状态标识，所述方法还包括e)从所述多个状态标识确定对应于有效流体室的状态标识的状态标识值。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括f)将步骤e)中确定的状态标识值与预定参考值进行比较；以及g)基于步骤f)的比较确定所述流体是否具有预定期望粘度。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤g)包括确定所述流体是否具有预定期 望温度。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤e)中确定的状态标识值被用作参考 值，用于确定所述多个流体室中每个的操作状态。
12.用于喷射喷墨液滴的打印设备，所述打印设备包括a)至少一个流体室，所述流体室构造成用于保持喷墨流体并用于喷射所述喷墨流体的 液滴；b)可操作地联接到所述流体室的压力产生装置，所述压力产生装置构造成用于在所述 流体室中产生压力波；c)可操作地联接到所述流体室的检测装置，所述检测装置构造成用于检测所述流体室中的所述压力波并且产生对应的检测信号；和d)可操作地联接到所述检测装置的确定装置，用于接收所述检测信号并且基于所接收 的检测信号确定状态标识。
13.如权利要求12所述的打印设备，其特征在于，所述压力产生装置包括机电致动器， 例如压电致动器。
14.如权利要求12或13所述的打印设备，其特征在于，所述检测装置包括机电传感器， 例如压电传感器。
15.如权利要求13和14所述的打印设备，其特征在于，所述致动器和所述传感器实施 为单一机电元件。
16.如权利要求12-15中任一项所述的打印设备，其特征在于，所述确定装置包括处理单元。
17.一种计算机可读介质，其包括计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于使用 小波窗口从检测信号确定状态标识，所述检测信号接收自喷墨流体室且代表了所述流体室 中的压力波，所述压力波由所述喷墨流体室中产生的压力波引起。
全文摘要
在一种用于检测喷墨打印头的至少一个流体室的操作状态的方法中，已经在流体室中产生压力波之后，检测流体室中的所得到的压力波。然后，产生对应于所检测压力波的检测信号，并且利用小波窗口从检测信号确定状态标识，该状态标识适合于得出流体室的操作状态。该方法使得能够进行可靠的状态检测。在一个实施例中，使得能够在相继液滴喷射之间执行该状态检测，由此获得高度可靠的喷墨过程。
文档编号B41J2/045GK102131644SQ200980133648
公开日2011年7月20日 申请日期2009年8月18日 优先权日2008年8月27日
发明者R·H·希珀斯 申请人:奥西-技术有限公司