CN108349263B - 液滴检测装置和液滴检测方法 - Google Patents

Abstract

描述了用于检测液滴的装置和用于检测液滴的方法。该装置包括光发射器和光检测器。该光发射器沿光轴发射光，光具有其中波峰与光轴不重合的空间强度分布曲线。光检测器相对于光发射器放置，使得在使用中，空间强度分布曲线的波峰入射到光检测器上。

Description

液滴检测装置和液滴检测方法

背景技术

喷墨式打印将打印液体的液滴推进到介质上，以在2D打印设备内的基底上创建图像，或在3D打印设备内的构建材料中创建一层物体。例如，喷墨式打印机可以包括包含一个墨滴发生器或多个墨滴发生器的打印头，墨滴发生器推进打印液体通过孔或喷嘴，以将打印液体的液滴喷射到介质上。

可靠的打印操作部分地需要喷嘴的可靠操作。假如喷嘴故障，则打印液体可能无法适当地喷射，这可能对打印的图像或物体的质量产生负面影响。喷嘴的故障机制可能包括电阻元件的故障、墨水供给线的阻塞、发射腔中的阻塞和/或孔的阻塞。

附图说明

根据下面结合附图进行的具体描述，本公开的各种特征将显而易见，附图通过举例一起图示了本公开的特征，且其中：

图1为墨滴发生器的示意图；

图2a为示出墨滴发生器的截面图的示意图；

图2b为示出墨滴发生器的截面图的示意图；

图2c为示出墨滴发生器的截面图的示意图；

图3为示例的光发射器的空间强度分布曲线(spatial intensity distributionprofile)的示意性图示；

图4a为示出根据示例的液滴检测装置的示意图；

图4b为示出根据示例的液滴检测装置的示意图；

图5为示出根据示例的检测液滴的方法的流程图；以及

图6为示出根据示例的液滴检测装置的示意图。

具体实施方式

在下面的描述中，出于解释目的，阐述了某些示例的若干具体细节。在说明书中引用“一个示例”或类似语言意指结合该示例描述的特定特征、结构或特性包含在至少那一个示例中、但不一定包含在其它示例中。

图1示意性图示了可以在2D打印机或3D打印机中的打印头中使用的墨滴发生器100的组件。墨滴发生器100包括一个喷嘴102或多个喷嘴102。下面参考图2a至图2c来描述该墨滴发生器的操作。在图1所示的示例中，墨滴发生器100包括4行104a-104d喷嘴102。2行104a、104b位于墨滴发生器100的前缘106a附近，另外2行104c、104d位于墨滴发生器100的后缘106b附近。行104a-104d中的每一行可以具有自己的打印液体供给，本文称作墨水。

喷嘴102中的每一个可以将墨水喷射到介质层上，以在2D打印设备内的基底上创建图像，或在3D打印设备内的构建材料中创建一层物体(本文将两者都称作图像)。本文将该介质层称作基底。

将该图像以数字形式传递给打印机。该图像可以包括文本、图形及图像的任意组合。在某些实施方式中，各打印头或各墨滴发生器100可以具有从图像处理单元(未示出)接收数据的控制器。该控制器接收的数据用于控制如何从喷嘴102喷射墨水以打印图像。

可以使用任意适当形式的基底，除其它外，还包括单张介质板和/或连续卷。基底104可以由诸如普通纸、光面纸、涂布纸、透明片、聚合物、金属箔等之类的任意适当材料形成。在3D打印中，该基底可以是构建材料，诸如一层粉状材料之类。

图2a、图2b和图2c图示了用于通过打印头中的喷嘴102来喷射墨水的墨滴发生器200的示例的组件及操作。图2a至图2c所示的示例性墨滴发生器200为热喷墨(TIJ)墨滴发生器；然而，要理解在其它示例中，可以使用不同的机制来喷射墨水。例如，墨滴发生器可以是压电墨滴发生器。

如图2a所示，墨滴发生器100包括发射腔108和喷嘴102。操作期间，发射腔108充满墨水，使得墨水在喷嘴102处形成弯液面110。墨水可以从墨水储存器(未示出)流入发射腔108中。电阻元件112位于发射腔108内。图2a示出了电阻元件112未通电时的墨滴发生器100。

图2b示出了电阻元件112通电时的墨滴发生器100。通电时，电阻元件112的温度升高。随着电阻元件112的温度升高，热被传送给发射腔108中的、电阻元件112附近的墨水。这可以使得气泡114形成在发射腔108中、电阻元件112的位置处或其附近。随着气泡114膨胀，墨水可以被挤压通过喷嘴102，使得弯液面110扩大。

如图2c所示，当弯液面110的表面张力不再足以平衡气泡114施加的力时，从喷嘴102喷射液滴116。液滴116可以是一个液滴或诸如主液滴后有另一液滴的多个液滴，如图2c所示。

一旦液滴116被喷射，并且流经电阻元件112的电流减小，气泡114就溃灭。气泡114的溃灭使得弯液面110能够返回如图2a所示的相同状态，并可以使得将更多墨水引入发射腔108中。

打印机的可靠操作部分地需要墨滴发生器100的可靠操作。假如墨滴发生器100故障，那么应该从喷嘴102喷射到基底上的墨水不被喷射，这可能对打印的图像的质量有负面影响。墨滴发生器100的故障机制可包括电阻元件112的故障、从储存器引出的墨水供给线的墨水阻塞、发射腔108中的阻塞和/或喷嘴102中的阻塞。

为了确定墨滴发生器100是否正确操作，期望确定电阻元件112通电时是否从喷嘴102喷射液滴。本文描述了用于打印设备的液滴检测装置的示例。

在一个示例中，液滴检测装置包括：沿光轴发射光的光发射器，光具有波峰与光轴不重合的空间强度分布曲线；以及光检测器，相对于光发射器定位，使得在使用中，空间强度分布曲线的波峰入射到光检测器上。

在另一示例中，液滴检测装置包括：光检测器，包括具有中心轴的检测孔；以及沿传播轴发射光束的光发射器，使得在使用中，该光束的至少一部分入射到检测孔上，其中该光束的传播轴不与检测孔的中心轴重合。

在打印设备的许多示例中，打印设备包括横跨相对长距离的相对大量的喷嘴102。例如，在页宽阵列打印机中，该打印机可以包括位于打印杆中的数万喷嘴102。该打印杆可以横跨数十厘米，或在一些示例中，横跨多于一米。在此类打印设备中，确定在打印杆的整个范围上喷嘴102是否适当地喷射墨水可以利用液滴检测装置的复制。这可能在排列光发射器及光检测器方面提出了挑战，且还可能提出光挑战。例如，在相对小的空间提供相对大量的光发射器－光检测器对，可能导致光发射器-光检测器对之间的干扰或所谓的“串扰”。本文描述的示例有助于减少此类挑战。

发射相对窄发散光束的发光二极管(LED)使得能够实现一个光发射器-光检测器对与邻近的光发射器-光检测器对的较紧密放置。然而，当此类LED发射的光束的发散变窄时，该光束的远场属性可能不同于相对较宽的发散光束的属性。

图3图示了一个示例的光发射器300的光强度分布。在图3所示的示例中，光发射器300为LED，其中发射的光相对高地集中于窄发散光束302。在一个示例中，发射的光束302可以具有小于20°的发散角。在另一示例中，发射的光束302可以具有小于15°的发散角。在另一示例中，发射的光束302可以具有小于10°的发散角。在另一示例中，发射的光束302可以具有约6°的发散角。

例如，图3所示的示例可以表示光发射器300所发射的光束302、在距光发射器300的距离为20毫米处的截面上的空间强度分布曲线。然而，图3所示的示例同样可以表示光发射器300所发射的光束302、在距离大于或小于20毫米处的截面上的强度曲线。与光发射器300发射的光束302的传播轴304基本上对应的中央位置在图3中示为点划线。图3所示的曲线为沿与光束302的传播轴304垂直的一个轴的截面，但光束302可以在与光束302的传播轴304垂直的平面中展现基本为环形的截面强度曲线。

如可从图3看出的，在此类光发射器300中，在空间强度分布曲线中有明显的最小值306，最小值306与光束302的传播轴304相对应。该空间强度分布曲线的波峰308不与光束302的传播轴304重合。这可能例如是由于连接到光发射器300的用于提供电能源的电极遮住发射器300所发射的光而导致。结果，沿光束302的传播轴304放置(本文称作“轴上”)的光检测器所检测到的光相对于远离该光束的传播轴放置(本文称作“轴外”)的光检测器所检测到的光，可以生成较低值信号。在一些示例中，位于传播轴上的检测器可能无法检测到光发射器发射的足够的光以生成可用的信号。

图4a图示了根据一个示例的液滴检测装置400。液滴检测装置400包括光发射器402和光检测器404。

光发射器402可以具有类似于图3所示的强度曲线。光发射器402可以例如为LED。在其它示例中，光发射器可以是另一类型的光发射设备，诸如激光器。

光检测器404可以例如为光电二极管。在其它示例中，光检测器404可以是用于检测光的任意适当设备。例如，光检测器404可以是有源像素传感器、电荷耦合设备或直接转换辐射检测器。光检测器404可以检测到入射在光检测器404的孔内的、从一系列角度入射的光。该孔可以是遮住检测区域外部的光的物理窗口，或可以是由检测器404的表面所限定的光数值孔径。该孔具有中心轴408，检测器404能够检测到围绕该中心轴的一系列角度内的光。

光发射器402可以发射光检测器404可检测到的连续(即不是脉冲的)光束406。

在一些示例中，光发射器402可以发射具有脉冲频率的脉冲光束406，该脉冲频率高的足以可靠地检测液滴。例如，脉冲频率可以大于20kHz。

在一些示例中，光发射器402可以发射在液滴被喷射的时段内持续的脉冲光束406。例如，脉冲的持续时间可以大于25μs。

光束406可以例如具有如上参考图3所述的基本上环形的截面曲线，使得光束406形成光锥。

光检测器404可以生成表示入射到光检测器404的孔上的光的强度的信号。例如，光检测器404可以生成表示入射光的强度的电压信号、电流信号或电压信号与电流信号的组合。

如图4a所示，光检测器404远离光束406的传播轴304放置。光检测器404可以相对于光发射器402放置，使得在使用中，空间强度分布曲线的波峰308入射到光检测器404上。换言之，在使用中，光束406的至少一部分入射到光检测器404的孔上，但光束406的传播轴304不与光检测器404的孔的中心轴408重合。

在图4a所示的示例中，光检测器404的孔的中心轴408不与光发射器402发射的光束406的传播轴304重合、平行。在一些示例中，光发射器402被放置为使得光束406的传播轴304与检测器404的中心轴408之间的角度约为光束406的发散角的一半。在一些示例中，光束406的传播轴304与检测器404的中心轴408之间的角度可能在2°-4°的范围内。例如，光束406的传播轴304与检测器404的中心轴408之间的角度可以为3°。

图4b图示了根据另一示例的液滴检测装置410。液滴检测装置410也包括光发射器402和光检测器404。

在图4b所示的示例中，光检测器404也远离光束406的传播轴304放置，且相对于光发射器402放置，使得在使用中，空间强度分布曲线的波峰308入射到光检测器404上。换言之，在使用中，光束406的至少一部分入射到光检测器404的孔上，但光束406的传播轴304不与光检测器404的孔的中心轴408重合。

然而，在图4b所示的示例中，光检测器404的孔的中心轴408不与光发射器402发射的光束406的传播轴304重合但平行。

在上面参考图4a和图4b描述的示例中，液滴检测装置400、410可以包括用于监测光检测器404生成的信号的检测电路(未示出)。在一些示例中，检测电路可以与光检测器404分离，而在其它示例中，检测电路可以与光检测器404一体。

当光发射器404发射的光束被中断时，光检测器404生成的信号可以变化。转而，检测电路可以检测到光检测器404生成的信号的变化。例如，当光束被中断时，检测电路可以检测到光检测器404生成的信号的值减小。因此，当光发射器402发射的光束406被液体的液滴中断时，这可以通过检测光检测器404生成的信号的变化来检测到。

对于液滴检测装置400、410，光发射器402和光检测器404的位置可以是已知的。类似地，对于液滴检测装置400、410，打印头、墨滴发生器100或喷嘴102相对光发射器402和/或光检测器404的位置可以是已知的。通过知道打印头、墨滴发生器100或喷嘴102相对光发射器402和/或光检测器404的位置，液滴检测装置400、410能够确定液滴是否从指定的打印头、墨滴发生器100或喷嘴102分配。以这种方式，液滴检测装置400、410能够确定指定的打印头、墨滴发生器100或喷嘴102是否正确运行。

例如，液滴检测装置400、410可以执行测试操作，其中可以操作已知的喷墨式液滴发生器100，以沿液滴轨迹412(图4a和图4b中虚线箭头所示)分配打印液体。该测试操作可以包括如图5所描述的检测液滴的方法500。

在框502，光发射器402可以沿与传播轴304相对应的光轴发射光。该光可以与液滴轨迹412相交。该光可以具有波峰强度不与光轴重合的空间强度分布曲线。

在框504，光检测器404可以生成指示在光检测器404接收的光的信号。光检测器404可以相对于光发射器402放置，使得在使用中，空间强度分布曲线的波峰入射到光检测器404上。

在框506，液滴检测装置400、410可以基于光检测器404生成的信号，来确定沿液滴轨迹412是否存在液滴。例如，液滴检测装置400、410可以监测光检测器404生成的信号的、指示液滴存在的变化，该变化转而指示液滴已从操作的墨滴发生器100的喷嘴102喷射。

液滴检测装置400、410可以顺次操作不同的墨滴发生器100，从而随着每个墨滴发生器100被操作，记录是否检测到液滴的存在。例如，可以顺序地对墨滴发生器100进行操作。在一些示例中，可以以伪随机的次序操作墨滴发生器100，以便最小化液滴之间的流体干扰。

相对于光发射器402放置光检测器404使得在使用中光发射器402所发射的光具有波峰不与传播轴304重合的空间强度分布曲线以及使得光发射器402所发射的光的空间强度分布曲线的波峰入射到光检测器404上，这使得如参考图4a和图4b所描述的多个液滴检测装置400、410的位置能够互相靠近。类似地，相对于光发射器402放置光检测器404使得在使用中光束的传播轴304不与光检测器404的检测孔的中心轴408重合，这使得如参考图4a和图4b所描述的多个液滴检测装置400、410的位置能够相互靠近。通过以模块化的方式增加更多的液滴检测装置400、410，进一步能够实现液滴检测装置400、410的可扩展性。

图6示出了包括多个光发射器和多个光检测器的液滴检测装置600的示例。

如图6所示，第一光检测器404a检测从第一光发射器402a发射的光。邻近第一光检测器404a的第二光检测器404b检测从邻近第一光发射器402a的第二光发射器402b所发射的光。第二光检测器404b不可检测从第一光发射器402a发射的光，并且第一光检测器404a不可检测从第二光发射器402b发射的光。

以这种方式，第一液滴轨迹412a上的液滴中断第一光发射器402a发射的第一光束406a，使得该液滴基于第一光检测器404a生成的信号被检测到，并且第二液滴轨迹412b上的液滴中断第二光发射器402b发射的第二光束406b，使得该液滴基于第二光检测器404b生成的信号被检测到。

尽管图6所示的检测装置600包括2个光发射器和2个光检测器，但应理解，检测装置600可以具有多于2个的光发射器和多于2个的光检测器。

应理解，尽管光检测器404a、404b的光孔的中心轴408a、408b在图6中被示为不与光发射器402a、402b的传播轴304a、304b重合、平行，但在一些示例中，光检测器404a、40b的光孔的中心轴408a、408b能够不与光发射器402a、402b的传播轴304a、304b重合，但与光发射器402a、402b的传播轴304a、304b平行。

本文公开的检测装置可以用于诸如热喷墨式打印机、压电喷墨式打印机或任意其它适当的打印设备之类的打印设备中。打印设备可以是用于打印图像的2D打印机或用于打印物体的3D打印机。

在与打印设备一起使用时，光检测器可以被放置为使得光检测器所限定的平面与打印头的墨滴发生器所限定的平面垂直。对应地，光发射器可以被放置为使得它们相对于打印头的墨滴发生器所限定的平面是非垂直的。

在一些示例中，光发射器可以偏离打印头，以最小化打印头对光发射器所发射的光的反射。然而，应理解，在其它示例中，光发射器可以偏离打印头，或可以在与打印头的墨滴发生器所限定的平面的法线相垂直的方向偏斜。

在一些示例中，光发射器偏斜，使得它们相对于打印头的墨滴发生器所限定的平面是非垂直的，并且可以通过在偏斜的支架或定位器中安装光发射器来实现。

尽管如图6所示，在一行中放置多个光发射器，而在另一行中放置多个光检测器，但在一些示例中，可以在与光检测器相同的行中放置光发射器，可以在与光发射器相同的行中放置光检测器。这可以使得光发射器-光检测器对能够交织，以便进一步缩小各对之间所用的空间。

关于任一示例所描述的任意特征可以单独地或结合描述的其它特征来使用，且还可以结合任一其它示例的一个特征或多个特征、或任一其它示例的任一组合来使用。而且，还可以使用上面未描述的等效物和更改。

Claims (14)

1.一种用于打印设备的液滴检测装置，所述液滴检测装置包括：

沿光轴发射光的光发射器，所述光从所述光发射器发射时具有其中波峰与所述光轴不重合的空间强度分布曲线；以及

光检测器，相对于所述光发射器放置，使得在使用中，所述空间强度分布曲线的所述波峰入射到所述光检测器上。

2.根据权利要求1所述的液滴检测装置，其中所述光轴与所述光检测器的中心轴不平行。

3.根据权利要求1所述的液滴检测装置，其中所述光轴与所述光检测器的中心轴平行。

4.根据权利要求1所述的液滴检测装置，其中所述光发射器为发光二极管。

5.根据权利要求4所述的液滴检测装置，其中所述发光二极管发射圆锥形光束。

6.根据权利要求1所述的液滴检测装置，其中所述光发射器发射连续光束。

7.根据权利要求1所述的液滴检测装置，包括处理器，所述处理器基于所述光检测器产生的信号来确定液滴的存在。

8.根据权利要求7所述的液滴检测装置，其中所述处理器基于所述光检测器产生的信号的减小来确定液滴的存在。

9.根据权利要求7所述的液滴检测装置，其中所述处理器确定液滴的检测频率。

10.根据权利要求1所述的液滴检测装置，包括多个光发射器和多个光检测器。

11.根据权利要求10所述的液滴检测装置，其中所述多个光发射器包括第一光发射器和邻近所述第一光发射器的第二光发射器，并且所述多个光检测器包括第一光检测器和邻近所述第一光检测器的第二光检测器，其中所述第一光检测器检测从所述第一光发射器发射的光，所述第二光检测器检测从所述第二光发射器发射的光，并且其中从所述第一光发射器发射的光是所述第二光检测器不可检测的，从所述第二光发射器发射的光是所述第一光检测器不可检测的。

12.一种用于检测打印设备中的液滴的方法，所述打印设备包括沿液滴轨迹分配打印液体的打印头，所述方法包括：

由光发射器沿光轴发射光，所述光轴与所述液滴轨迹相交，并且所述光从所述光发射器发射时具有其中波峰强度与所述光轴不重合的空间强度分布曲线；

生成指示在光检测器处接收的光的信号，其中所述光检测器相对于所述光发射器放置，使得在使用中，所述空间强度分布曲线的波峰入射到所述光检测器上；以及

基于生成的信号，确定沿所述液滴轨迹是否存在液滴。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述光轴与所述光检测器的中心轴平行。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述光轴与所述光检测器的中心轴不平行。

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