CN1235090A - 喷墨墨水液位探测系统与方法 - Google Patents

Abstract

一种喷墨打印系统,包括一个内含细小玻璃球的墨水笔,这些玻璃小球用来保留墨水,并且为墨水提供背压。该喷墨墨水笔的壁板是透明的,该打印机带有一个光学传感器,以探测玻璃小球的反射率的变化。玻璃小球的反射率的变化取决于它们是否被墨水浸透。以有效地探测缺墨状态。当缺墨时,打印机向墨水笔重新注入墨水。重新注墨装置可为随动软管设计,也可为一滴一滴地吸的设计。

Description

喷墨墨水液位探测系统与方法

该申请是一个尚待批准的专利申请的接续申请，待批准的专利申请序号为09/070,898，申请时间1998年4月30日，题目是喷墨墨水保持装置和方法。

本发明涉及喷墨打印系统和方法，该方法中含有一个墨水液位探测系统，该探测系统是利用毛细管的墨水保持材料的光学特征变化实现的。

喷墨打印机的工作是将细小的墨滴从打印头喷射到打印介质上，打印头安装在喷墨墨水笔上，它们被固定在打印机上，与打印介质保持适当的位置，墨水必须以适当的“背压”(即：低于周围大气压力)送给打印头，以便在墨水笔不工作时，阻止墨水从打印头上滴落。已经采用过各种装置以保持墨水具有适当的背压，这些装置包括：有回弹力的弹性材料的汽泡、多孔泡沫材料、内收集器、汽泡发生器和有弹簧偏压的柔软袋。当墨水笔中的墨水耗尽时，它会有助于或需要自动地检测到墨水笔的空墨条件。例如，该系统可以设计成借助于柔软随动管或自动再注入站给墨水笔再注入墨水。另外，如果打印头在墨水笔无墨时工作，会损坏打印头。

已经发明出各种检测墨水笔中墨水液位的装置。授予本受让人的美国专利No.5,751,300(Cowger et al.)，公开了一个用于随动软管打印机的墨水液位传感器。一对电线头嵌入泡沫材料体内，电线头之间的电流显示出墨水液位。墨水的液位用来操作一个阀，该阀控制允许进入墨水笔中的墨水量。授予本受让人的美国专利No.5,079,570(Mohr et al.)，公开了一个在可自由使用的打印托架上的二进制射流指示器，该指示器使用一个小管，或使用设置在喷墨打印托架的墨盒上的其它元件。打印托架的主墨盒用像聚氨酸泡沫那样的多孔材料填充，该专利也提到其它可能的墨水保持材料，如玻璃小球、毛毡笔纤维、毛细管、和折叠塑料薄膜(第4卷第15～18行)。提供光学墨水液位指示的小元件不包含毛细材料。当墨水液位下降到一定水平，毛细材料从指示器中吸墨，这样就提供一个二进制指示，说明墨水已经下降到预选的水平。该指示器可以由人工读也可以由机器读。授予本受让人的美国专利No.5,406,315(Allen et al.)，公开了一个光学传感器，该传感器根据靠近或在墨水笔壳体内的相变材料的反射率变化进行检测。

尽管有以上提及的装置和其它墨水液位探测装置，这里仍然需要一个便宜、可靠的系统，用来自动探测喷墨笔中的墨水液位。

本发明提供了一个喷墨打印系统，该系统包括喷墨打印头和墨盒，墨盒设有壁板并与打印头形成液体连通。墨盒中放有一堆颗粒物，并且墨水附在颗粒物上。这些颗粒物被墨水浸透时具有第一反射率，当没有被墨水浸透过时这些颗粒物具有第二反射率。透明视窗形成墨盒的一个壁板，用来对颗粒物进行光学操作。一个光电传感器与墨盒以光学方式连接，并成形以探测第一反射率和第二反射率，并输出探测结果。在推荐实施例中，贮墨盒与墨盒之间以液体方式连通，并成形以向供给容器供应更多的墨水。

本发明还提供了一个为喷墨打印头供应墨水的方法。该方法包括以下步骤：(a)将墨水注入玻璃小球，玻璃小球与打印头以液体方式连通，并向打印头供应墨水；(b)以光学方式监测玻璃小球的反射率；(c)以光学方式探测玻璃小球的反射率，当玻璃小球中的墨水耗尽时产生一个电信号来指示反射率的变化；和(d)根据该信号重新给玻璃小球注入墨水。

因此，本发明提供出高效、可靠的装置和方法，用来确定喷墨墨水笔中的缺墨状况。

图1是本发明的打印系统的透视图。

图2是本发明的墨水笔和光学传感器的透视图。

图3是本发明的墨水笔、托架、和光学传感器的组装透视图。

图4是图1的打印系统的示意框图。

图5是本发明的另一个可供选择的打印系统的示意框图。

图6是蓝绿色墨水的液位传感器电压与墨水消耗量之间的关系图。

图7是洋红色墨水的液位传感器电压与墨水消耗量之间的关系图。

图8是黄色墨水的液位传感器电压与墨水消耗量之间的关系图。

图9是黑色墨水的液位传感器电压与墨水消耗量之间的关系图。

图1示出了本发明的打印系统的随动软管实施例。该打印系统包括：带有底架12的打印机10；托架导杆14；托架16；墨水托槽18；墨盒20、22、24、26；墨水笔28、30、32、34(用虚线示出)；和控制器36。还有，附在底架12上的是纸张输入托架38和纸张输出托架40。控制器36以通信方式连接到主机打印装置上(未示出)，例如个人计算机上，控制器36从中获取所希望打印的代表图像和/或文字的数字信号。控制器36也与墨水笔28、30、32、34以通信方式连接，并连通到介质送进电机和托架送进电机上(未示出)。托架16支撑在托架导杆14上，这样，它可以横跨打印介质前后扫描。

在适当时间，控制器36开动托架送进电机，该电机沿托架送进轴X的方向驱动托架16，使墨水笔28、30、32、34在一张打印介质50的当前行扫过。当墨水笔28、30、32、34横跨打印介质扫描时，打印头由控制器36控制喷出小墨滴，横跨打印纸形成所希望的点阵图，当一行扫描完成后，控制器36向介质送进电机发送信号，将打印纸沿介质送进方向Y送进一增量，这样，墨水笔就可以开始另一行的扫描。用这样的方法打印多个相邻的水平行，以在打印纸上完成所希望的图形的打印。

墨水由墨盒20、22、24、26通过软管46供给墨水笔28、30、32、34。当任何一个墨盒中的墨水用完时，更换新墨盒。有时，墨水笔28、30、32、34中的任一个会出现退化，在这种情况下，出现退化的墨水笔也可更换，更换可由用户或经培训的技术人员进行。

图2示出了墨水笔28，其包括：外壳50、打印头52、筛网过滤器54、内壁56、和玻璃小球58。外壳50的外壁由透明的高密度的聚乙烯或聚丙烯制造。如图所示的内壁56隔出一个小的辅助空腔66。墨水笔28有一个墨水入口68和一个通气口70。如图所示，墨水笔体的主要空腔充满玻璃小球58。入口68与软管46之间液体连通(见图1)，随后，软管46又与墨盒20连通。

过滤器54阻止玻璃小球58进入正好在打印头52上方的小的下空腔72。该过滤器54也阻止外界颗粒和空气到达打印头。通过玻璃小球58到达过滤器54的空气被过滤器挡住。过滤器54最好由不锈钢丝网制造，网孔尺寸约为20微米。墨水浸透靠近过滤器周围容积的玻璃小球。润湿但只是部分浸透的小球从该容积伸出。部分浸入的小球含有墨水-空气界面，该界面产生负压。随着墨水通过打印头喷出，部分浸透的小球与浸透的小球之间的界面移向过滤器的筛网。当过滤器润湿时，过滤器形成一个很大的“气泡压力”，阻止气泡通过过滤器。在筛网与浸透的小球接触的地方，墨水优先通过筛网。

玻璃小球58的平均直径约为0.012英寸(0.305mm)，直径范围约在0.010～0.016英寸(0.254～0.406mm)之间。在典型的喷墨墨水的情况下，这些小球产生一个约1.5英寸(38.1mm)水的背压。小球的尺寸可以调整，以满足打印头背压的需要。

正如以下所讨论的，使墨水从软管流入到墨水笔28的压力由抽吸装置(未示出)产生。流入到墨水笔28的墨水首先流入小的辅助空腔60，在此，墨水被吸入到小球58。已经发现，与墨水流到小球58的顶部这种情况相比，墨水流到墨水笔底部，使提供给打印头52的墨水的压力增加的可能性较小。

图3示出了与托架16相连接的墨水笔28、30、32、34。墨水液位探测器60被设置，以探测每个墨水笔中的小球58的反射率变化。墨水液位探测器60包括两个惠普公司蓝色(481nm)发光二极管(LED’s)62和一个光电探测器64。光电探测器64是一个得克萨斯仪器TLS 250，该探测器由光电二极管和互阻抗放大器组成。光电探测器64与控制器36电连通。托架16使墨水笔28、30、32、34的每一个扫描通过一个位置，该位置不但能使发光二极管(LED’s)62照射到墨水笔，而且，能使光电探测器64探测到玻璃小球的反射率。光电探测器64和发光二极管(LED’s)62安装在靠近打印机10的右手侧，如图1所示，但其在图1中并不可见。

所选玻璃小球的一个重要特性是，它所展现出的反射率的变化取决于小球表面是否有墨水存在。当玻璃小球没被墨水浸透过时，其外表是白色的，并且看上去好象白雪。当玻璃小球被墨水浸透时，其外表呈墨水的颜色。当玻璃小球不再被墨水浸透过时，其外表呈现出非常浅的墨水颜色，并且反射率很高。这种变化对于人的眼睛来说非常容易发觉。如在下面参考图6～9所讨论的那样，试验表明：对于墨水的每种颜色，如蓝绿色、洋红色、黄色和黑色，在小球的浸透状态和非浸透过状态之间，玻璃小球发生的可探测出的反射率的变化，因此，这样反射率的变化可以用光电传感器以光学方式探测。

玻璃小球的另一个重要特性是，它具有使墨水维持在适当的背压的能力。毛细单元提供毛细压力的能力导致三种物理成份，即：液体、固体，和气体之间的相互作用。对本目的来说，液体是喷墨打印机墨水，固体是毛细物质，而气体是空气。毛细压力取决于液体表面张力，液体分子之间的内聚力，以及液体分子与形成毛细单元的固体之间的附着力。测量液体与形成毛细单元的固体之间的分子相互作用的一个重要方法是，确定当液体附着在固体上时将要产生的接触角θ。

高密度聚乙烯壁板材料与墨水的接触角比玻璃小球的要大。这就是说，聚乙烯被墨水润湿的可能性比玻璃小球要小。这一事实对于缺墨传感器的功能发挥是重要的。容易润湿的视窗会被一层墨水膜覆盖，因此，屏蔽了玻璃小球的反射率(和墨水浸润状态)。

当选择墨水笔用的毛细材料时，希望不仅要考虑其静态不同的毛细位差，而且要考虑其墨水流动的动态阻力。在打印工作的中间，有时必须完成重新注入墨水的工作。在此情况下，将墨水快速注入墨水笔中是重要的。一般来说，容易润湿能渗透的介质对减小液体流动的阻力是理想的。容易润湿的材料，它的接触角很小，其减小流动阻力的途径有两种。第一，它提供很大的空隙尺寸，并常常有很大的渗透性，以满足特定的毛细位差的要求。毛细组成部分，如毛细管或能渗透的介质的性能测量是这样的，将液体从一定的液位逆着重力的方向向上抽的高度称之为“毛细位差”。通常，可以用下列公式描述毛细位差： $h=\frac{\mathrm{\σ}}{{\mathrm{\ρ}}_g}\frac{L_P}{A_P}\cos \mathrm{\θ}-----\left(1\right)$ 式中：

Lp-含有弯形液面的空隙的润湿周长

Ap-弯形液面所占据空隙的润湿面积

σ-液体表面张力

P-液体的密度

θ-液体附在毛细材料上的接触角

g-重力常数

Lp/Ap之比小表示空隙尺寸大，并常常与渗透性高有关。要获得相同的毛细位差，与更容易润湿的材料相比，不容易润湿的材料(其cosθ项小)，其Lp/Ap之比必定较大，而且，相应地，其空隙尺寸较小、渗透性较低。细孔尺寸小和渗透性低会导致不可接受的压力损耗和在墨水流速高时墨水流动不适当。

容易润湿材料能减小墨水流动阻力的第二个途径是，减小使能渗透材料的墨水弯形液面开始运动所必需的临界压力。大家注意到，能渗透材料内的弯形液面趋向出现滞后现象，在这一现象中，弯形液面阻止空气/液体界面的运动，直到达到临界压力为止。这一现象可以从挡风玻璃上附着雨点的情景观察到。换言之，对于指定的液体(如墨水)能渗透材料越不容易润湿，弯形液面的运动阻力就越大。

玻璃小球对于墨水来说是很好的能渗透材料。玻璃与一些液体的接触角小，这些液体如水、四氯化碳、二甲苯、甘油和醋酸等。液体前进的接触角小是借助了玻璃小球具有的光洁表面。试验示出在吸排期间比泡沫材料更加一致的毛细压力。

图4是本发明的打印系统的框图表示，其中包括：墨水笔28、光学传感器60、压力贮墨盒20、阀80、和软管46。个人计算机82与控制器36以通信方式连接。当光学传感器60探测到墨水液位低时，一个指示该情况的信号发送到控制器36。根据这一信号，控制器打开阀80，使压力墨水流到墨水笔28。

控制器36驱动阀80打开，并使预定量的墨水注入墨水笔28。选定的墨水量要足以使墨水笔从少液状态到达充满状态，在少液状态时，可以探测到低墨水液位。每次重新注入墨水笔中的墨水需要量大致相同，这是因为低液位探测大致都在相同的低液位上进行。那时，打印系统可重新打印，直到另一个低墨水液位被探测出来为止。当探测出低墨水液位时，控制器36再次打开阀80，重新给墨水笔28注入墨水。这一过程一直进行，直到贮墨盒空了为止。此时，将空盒报废并换上新的贮墨盒。

图5是本发明的打印系统的一个断续注入或“一点一点地吸”实施例的框图表示。只对一个墨水笔和墨盒进行说明，但这很清楚，这一讨论代表了多个墨水笔，就像在参考图1-4时所讨论的那样。该打印系统包括：墨水笔90、光学传感器92、控制器94、托架电机96、阀98、和墨盒100。控制器94也与个人计算机102以通信方式连接。墨水笔90有透明的外壁并充满玻璃小球。光学传感器92通过玻璃小球的反射率的变化以光学方式探测墨水笔90中的墨水液位。当探测到墨水液位低时，控制器94向托架电机96发出一个信号，使墨水笔90定位到与墨盒100以流体接触。当墨水笔90在这个位置时，控制器94开动阀98，致使墨盒100重新向墨水笔90注入墨水。

图6至图9是从墨水传感器60读出的电压与分别来自蓝绿色、洋红色、黄色和黑色墨水笔28、30、32、34的墨水消耗的函数关系图。墨水排出用毫升表示，传感器电压用毫伏表示。正像在这些图中可以看到的那样，随着墨水从墨水笔中的排出，传感器的电压发生明显的变化。当墨盒充满墨水，并且小球完全被墨水浸透时，具有所有颜色的传感器电压值约在350至400毫伏之间。这个低电压值代表玻璃小球的第一反射率。随着墨水笔中的墨水的消耗，小球的浸透变小，其反射率增大，并且传感器的电压值增加。可以给控制器编程，针对缺墨条件选定一个特定电压值。例如，500毫伏可以被选定作为所有颜色的缺墨条件。换言之，每种颜色可以有其自己唯一的临界值。例如，在图6-9中看到的所给出的电压输出值，对于蓝绿色可以选择1000毫伏的电压值，而对于其它颜色可以选择500毫伏的电压值。这个高电压值代表玻璃小球的第二反射率。

Claims (13)

1．一种喷墨打印系统，该系统包括：

一个喷墨打印头(52)；

一个墨盒(50)，其有壁板，并进行配置以液体方式与所述的打印头(52)连通；

一堆颗粒物(58)，设置在所述的墨盒(50)中；

墨水，附在所述的这堆颗粒物(58)上；

所述的这堆颗粒物(58)被墨水浸透时具有第一反射率，当未被所述的墨水浸透过时，其具有第二反射率；

一个透明视窗，设在所述的墨盒的所述壁板之一上，以对所述的颗粒物(58)进行光学操作；和

一个光电传感器(60)与所述的墨盒(50)以光学方式相联系，其形状可探测所述的第一反射率和所述的第二反射率，并输出所述的探测结果。

2．如权利要求1所述的喷墨打印系统，进一步包括：

一个贮墨盒(20,22,24,26)，它与所述的墨盒(50)以液体方式连通，其形状可向所述的供给容器(50)提供更多的墨水。

3．如权利要求2所述的喷墨打印系统，进一步包括：

一个阀，该阀与所述的贮墨盒(22,22,24,26)以液体方式连通，当所述的光学传感器(60)探测到所述的第二反射率时，该阀打开，使墨水从所述的贮墨盒(20,22,24,26)流入所述的墨盒(50)中。

4．如权利要求2所述的喷墨打印系统，其中，当所述的光学探测器产生了所述颗粒物(58)具有所述的第二反射率的输出时，所述的打印系统的形状使所述的贮墨盒(20,22,24,26)与所述的墨盒(50)可断续地液体连通。

5．如权利要求1所述的喷墨打印系统，其中，所述的颗粒物(58)是小球(58)。

6．如权利要求1所述的喷墨打印系统，其中，所述的颗粒物(58)是玻璃小球(58)。

7．一种喷墨打印系统，其包括：

一个打印机托架；

一个喷墨墨水笔，其包括打印头(52)和墨盒(50)，所述的墨盒(50)有壁板，所述的墨水笔与所述的托架以机械方式连接，使所述的打印头(52)的位置靠近打印介质；

一堆玻璃小球(58)，它们放入所述的墨盒(50)内；

墨水，其附在所述的这堆玻璃小球(58)上；

所述的这堆玻璃小球(58)被墨水浸透时具有第一反射率，当未被所述的墨水浸透过时，其具有第二反射率；

一个透明视窗，设在一个所述墨盒(50)的所述壁板上，以对所述的这堆玻璃小球(58)进行光学操作；和

一个光电传感器(60)，其与所述的墨盒(50)以光学方式相联系，其形状可以探测所述的第一反射率和所述的第二反射率，并输出所述的探测结果。

8．如权利要求7所述的喷墨打印系统，进一步包括：

一个贮墨盒(20,22,24,26)，它与所述的墨盒(50)以液体方式连通，其形状可以向所述的墨盒(50)供应更多的墨水。

9．如权利要求8所述的喷墨打印系统，进一步包括：

一个阀，该阀与所述的贮墨盒(20,22,24,26)以液体方式连通，当所述的光学传感器(60)探测到所述的第二反射率时，该阀打开，使墨水从所述的贮墨盒(20,22,24,26)流入所述的墨盒(50)中。

10．如权利要求8所述的喷墨打印系统，其中，所述的打印系统如此设置，当所述的光学探测器产生了所述颗粒物(58)具有所述的第二反射率的输出结果时，所述的贮墨盒(20,22,24,26)与所述的墨盒(50)可断续地液体连通。

11．一种将墨水提供给喷墨打印头(52)的方法，包括下列步骤：

将墨水注入一堆玻璃小球(58)，这堆小球与所述的打印头(52)以液体方式连通并且可向所述打印头(52)供墨；

以光学方式监测所述的这堆玻璃小球(58)的反射率；

以光学方式探测所述的这堆玻璃小球(58)的反射率的变化，当所述的这堆玻璃小球(58)中的墨水耗尽时，产生一个电信号以指示所述的反射率的变化；和

根据所述的用光学方法探测反射率变化的步骤，将墨水重新注入所述的这堆玻璃小球(58)中。

12．如权利要求11所述的方法，其中，所述的注墨和再注墨步骤是这样进行的，即从贮墨盒(20,22,24,26)通过管路以液体方式连通到所述的玻璃小球(58)。

13．如权利要求11所述的方法，其中，所述的注墨和再注墨步骤是从贮墨盒(20,22,24,26)开始进行的，贮墨盒与所述的玻璃小球(58)可断续地液体连通。

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