DE69906310T2

DE69906310T2 - Verfahren und vorrichtung zur messung eines flüssigkeitströpfchen

Info

Publication number: DE69906310T2
Application number: DE69906310T
Authority: DE
Inventors: Tzong-Shyng Leu
Original assignee: Sarnoff Corp
Current assignee: Sarnoff Corp
Priority date: 1998-08-04
Filing date: 1999-08-04
Publication date: 2003-12-11
Anticipated expiration: 2019-08-05
Also published as: DE69906310D1; AU5391499A; EP1102965B1; JP2002522755A; EP1102965A1; US6305777B1; EP1102965A4; WO2000008419A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren für das Messen eines Flüssigkeitströpfchens und insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Schaffung einer quantitativen Information über Flüssigkeitströpfchen, die von Tintenstrahl- Druckerköpfen ausgeworfen werden.

Hintergrund der Erfindung

Bei einem Tintenstrahldrucker wird Tinte einem Druckerkopf zugeführt, der eine Vielzahl von Düsen für das Auswerfen von Tintentröpfchen auf ein Papierblatt oder dergleichen hat, um Wörter, Bilder usw. zu drucken. Die Merkmale von Tintentröpfchen, wie z. B. die Größe, Form, Geschwindigkeit und Frequenz und die Stabilität der Tröpfchenbildung beeinflussen die Merkmale der Linien usw., welche gedruckt werden. Es wäre daher erwünscht, in der Lage zu sein, die verschiedenen Merkmale der Tintentröpfchen zu messen, wenn sie aus dem Druckerkopf ausgeworfen werden, um für das Bestimmen in der Lage zu sein, wie der Druckerkopf zu steuern ist, um einen Druck gewünschter Eigenschaften zu erhalten.
US-A-5,430,306 beschreibt eine Vorrichtung zum Erfassen kleiner Tintentröpfchen, die aus einer thermischen Tintenstrahlfeder ausgeworfen werden. Die Vorrichtung weist auf: eine Lichtquelle; einen Detektor zur Aufnahme von Licht über einen Lichtweg aus der Lichtquelle; Mittel zum Durchlassen von Licht aus der Quelle zu dem Detektor über ein "Meßfühlervolumen"; Mittel, um das durch das Meßfühlervolumen hindurchgehende Licht zu veranlassen, konzentriert zu werden und durch ein "Strahlvolumen" hindurchzugehen; und Mittel zum Hindurchschießen eines Tintentropfens durch das Meßfühlervolumen. Das Strahlvolumen liegt längs eines Segmentes des Lichtweges und hat einen viel kleineren Querschnitt als den des Meßfühlervolumens. Mindestens innerhalb dieses Segmentes des Lichtweges ist der Querschnitt des Strahlvolumens nahezu unabhängig von der Position längs des Lichtweges.
US-A-5,426,501 beschreibt eine Vorrichtung und ein entsprechendes Verfahren zum Bestimmen der Größe von Teilchen, die in einem Fluid mitgerissen werden. Die Vorrichtung weist eine Laserdiode zum Erzeugen kohärenten Lichtes auf. Das von dem Laser erzeugte Licht wird durch eine einzige zylindrische Linse fokussiert, um eine im allgemeinen ebene dünne Schicht aus Licht zu bilden. Die Vorrichtung weist Mittel für das Fördern des Fluids auf, in welchem Partikel mitgerissen werden, und zwar durch die dünne Lichtschicht, welche somit einen Abfühlbereich bildet. Ein Lichtsensor ist vorgesehen, und die dünne Lichtschicht wird auf diesen Lichtsensor fokussiert. Wenn eine Partikel den Abfühlbereich passiert, versperrt sie einen Abschnitt der dünnen Lichtschicht und wird dadurch von dem Lichtsensor erfaßt.
EP-A-0 324 413 beschreibt ein optisches Instrument zum Messen von -Teilchengrößen im Bereich von 0,5 bis 300 Mikron. Gemäß dem darin beschriebenen System wird ein Laserstrahl durch eine flüssige Probenströmung hindurchgeführt, welche die zu messenden Partikel enthält. Bei diesem System erzeugt eine Laserdiode einen kollimierten Laserstrahl, der von einem Prisma zu einem Strahlausweiter reflektiert wird. Der Strahlausweiter formt den aufgenommenen Laserstrahl zu einer dünnen flachen Schicht, und der flache schichtartige Strahl wird durch ein transparentes Fenster einer Prüfkammer übertragen.
Gemäß einer ersten Ausführungsform stellt die Erfindung eine Tröpfchenmeßvorrichtung zur Verfügung mit: Mitteln zum Erzeugen und Projizieren eines Beleuchtungsstrahles längs eines Weges; einer Fokussierlinse zum Fokussieren des Strahles an einem Brennpunkt; Mitteln zum Formen eines Abschnittes des Strahles in die Gestalt einer dünnen Schicht an dem Brennpunkt; Mitteln zum Projizieren eines Flüssigkeitströpfchens durch den Schichtabschnitt des Strahles; und Mitteln zum Erfassen des Strahles, nachdem das Tröpfchen durch den Strahl gegangen ist.
Gemäß einem zweiten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren zum Messen der Merkmale eines Tröpfchens einer Flüssigkeit zur Verfügung, welches folgende Schritte aufweist: Projizieren eines Lichtstrahles längs eines Weges; Fokussieren des Strahles an einem Brennpunkt unter Verwendung einer Fokussierlinse; Formen eines Strahlabschnittes am Brennpunkt zu der Gestalt einer dünnen Schicht unter Verwendung einer zylindrischen Linse; Erfassen des Strahles nach dem Durchgang durch den Brennpunkt und Schaffen eines elektrischen Signals entsprechend der Menge bzw. Summe des erfaßten Lichtes; und Hindurchgehen eines Flüssigkeitströpfchens durch den Schichtabschnitt des Strahles, um die durch den Detektierschritt erfaßte Lichtmenge zu variieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Draufsicht auf die Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Seitenansicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung; und
Fig. 3 ist eine schematische Ansicht unter Darstellung eines Flüssigkeitströpfchens, welches den Lichtstrahl der erfindungsgemäßen Vorrichtung passiert;
Fig. 4a und 4b sind Diagramme unter Darstellung des Vorrichtungseingangssignals und von Veränderungen in dem Ausgangssignal aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung, das sich aus einem Flüssigkeitströpfchen ergibt, welches den Lichtstrahl passiert; und
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm des zweiten Steuersystems für die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der vorliegenden Erfindung

Zu Anfang wird auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen, in denen die erfindungsgemäße Meßvorrichtung für Flüssigkeitströpfchen allgemein mit 10 bezeichnet ist. Die Meßvorrichtung 10 weist eine Quelle 12 eines Beleuchtungsstrahles auf. Vorzugsweise ist die Quelle 12 ein Laser, insbesondere ein HeNe-Laser. Der Laser 12 kann einen Lichtstrahl 14 längs eines relativ geraden Weges erzeugen und emittieren. Am Ausgangsende des Lasers 12 befindet sich ein Strahlausweiter 16, welcher die Größe des Lichtstrahls 14 ausweitet. Als nächstes befindet sich längs des Weges des Lichtstrahles 14 eine Fokussierlinse 18 zum Fokussieren des Lichtstrahles 14 an einem gewünschten Punkt 19 entlang dem Weg des Lichtstrahles 14. Dann befindet sich dort eine zylindrische Linse 20, die den Lichtstrahl 14 in die Form einer Mikroschicht 36 an dem Brennpunkt 19 bildet. Die Mikroschicht 36 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 10 Mikron und eine Höhe von 100 Mikron.
Längs des Strahlweges und im Abstand vom Brennpunkt 19, wo der Strahl die Form einer dünnen Schicht hat, befindet sich ein Fotodetektor 22 zur Aufnahme und Erfassung des Lichtstrahles 14. Der Fotodetektor 22 ist vorzugsweise eine PIN-Fotodiode. Vor dem Fotodetektor 22 befindet sich eine Fokussierlinse 24. Vor dieser befindet sich ein optisches Bandpaßfilter 26. Vor dem Filter 26 ist ein Schlitz 28. Der Schlitz 28, das Filter 26 und die Fokussierlinse 24 dienen jeweils zum Öffnen der Strahlgröße, unterscheiden die Hintergrundbeleuchtung und sammeln das optische Signal in den aktiven Bereich des Fotodioden-Fotodetektors 22.
Am Brennpunkt 19 befindet sich ein Tintenstrahlkopf 30, der eine Vielzahl von nicht dargestellten Düsen für das Auswerten von Tropfen flüssiger Tinte hat. Der Tintenstrahlkopf 30 ist so angeordnet, daß die Auswerferdüsen der Seite der dünnen Schicht des Lichtstrahles zugerichtet sind. Somit werden ausgeworfene Tropfen der flüssigen Tinte durch die dünne Schicht des Lichtstrahles 14 projiziert. Der Tintenstrahlkopf 30 kann auf einer Translationsstufe 32 montiert sein, um das Einrichten der Position des Tintenstrahlkopfes 30 so zu gestatten, daß die Tropfen der flüssigen Tinte richtig durch die dünne Schicht des Lichtstrahles 14 projiziert werden.
Beim Betrieb der Meßvorrichtung 10 wird der Laser 12 eingeschaltet, um eine Beleuchtung zu erzeugen, z. B. Licht, und das Licht als Strahl 14 längs des Weges zu dem Fotodetektor 22 zu emittieren. Die Größe des Lichtstrahles wird zuerst durch den Strahlausweiter 16 expandiert und wird dann als eine Mikrolichtschicht am Brennpunkt 19 durch die Fokussierlinse 18 und die zylindrische Linse 20 fokussiert. Der Lichtstrahl 14 passiert dann den Schlitz 28, das Filter 26 und die Fokussierlinse 24 zu der Fotodiode des Fotodetektors 22. Die PIN-Fotodiode wird auf eine Betriebsart mit Sperrspannung eingestellt, damit Schatten positive Signale geben.
Unter Bezugnahme auf Fig. 4a ist der Ausgang der Fotodiode 22 von dem normalen Eingangssignal des Lichtstrahles 14 gezeigt.
Der Tintenstrahlkopf 30 wird eingeschaltet, um Tintentröpfchen aus einer Düse zu formen und auszuwerfen. Der Tintenstrahlkopf 30 projiziert das Tintentröpfchen 34 durch die Mikroschicht 36 des Lichtstrahles 14 am Brennpunkt 19, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Wenn der Tintentropfen 34 durch die dünne Schicht 36 des Lichtstrahles 14 hindurchgeht, blockiert er einen Abschnitt des Lichtstrahles heraus und erzeugt somit Schatten, die von der Fotodiode 22 erfaßt werden. Größenveränderungen des Tintentropfens 34 verändern die Schattenmenge und verändern somit den elektrischen Ausgang der Fotodiode 22. Fig. 4b zeigt den Ausgang der Fotodiode 22 als Ergebnis eines Tintentropfens der Gestalt, wie z. B. in Fig. 3 gezeigt ist, welcher durch die dünne Schicht 36 des Lichtstrahls 14 hindurchgeht. Die Signalgestalt schafft eine Anzeige der Form und Größe des Tintentropfens 34. Durch Bewegen des Tintenstrahlkopfes 30 weg von der dünnen Schicht 36 des Lichtstrahles 14 um einen bekannten Abstand und durch Messen der Verschiebung in der Zeitverzögerung zwischen dem Vorrichtungseingangssignal und dem erfaßten Signal (dT) kann die Geschwindigkeit des Tintentropfens 34 abgeschätzt werden. Die Tropfengeschwindigkeit V an einem Ort (dS&sub2; + dS&sub1;)/2, wo S&sub1; und S&sub2; die Abstände des Tintenstrahlkopfes 30 von der dünnen Schicht 36 des Lichtstrahles 14 sind, kann abgeschätzt werden unter Verwendung von V = (dS&sub2; - dS&sub1;)/(dT&sub2; - dT&sub1;). Die Vorrichtung 10 kann eine statistische Information über die Frequenz und Stabilität der Tropfenbildung zur Verfügung stellen. Leistungsmerkmale können unter Verwendung von Phasenmittelungstechniken und Standardabweichungen der Tropfengrößen und Auswerfraten berechnet werden.
In Fig. 5 ist ein Steuersystem für die Vorrichtung 10 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das Steuersystem weist einen Computer 38 mit einer visuellen Anzeige 40 auf. Der Ausgang der Fotodiode 22 wird mit dem Computer 38 über einen Analog-/Digital-Wandler 42 verbunden. Der Computer 38 wird mit der Translationsstufe 32 des Tintenstrahlkopfes 30 verbunden, um es dem Computer zu erlauben, die Bewegung des Tintenstrahlkopfes 30 zu steuern. Der Computer 38 wird auch über einen Wellengenerator 44 mit dem Tintenstrahldrucker 30 verbunden, um es dem Computer zu erlauben, die Treibersignale zu dem Tintenstrahlkopf 30 zu steuern. Der Computer 38 empfängt also die Ausgangssignale aus der Fotodiode 22 und kann die Signale auf dem Bildschirm 40 anzeigen. Der Computer kann auch programmiert werden, um die Signale aus der Fotodiode 22 zu anderen Informationen bezüglich des Tintentropfens 34 umzuwandeln und eine solche Information auf dem Bildschirm 40 vorzusehen.
Durch die vorliegende Erfindung sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen der Merkmale eines Tintentropfens zur Verfügung gestellt. Solche Merkmale weisen die Gestalt, Größe, Geschwindigkeit, Frequenz und Stabilität des Tintentropfens auf. Dies alles wird dadurch erreicht, daß man den Tintentropfen durch einen Lichtstrahl in einer Form einer dünnen Schicht hindurchleitet und die Veränderung in dem von dem Tropfen zur Verfügung gestellten Schatten erfaßt. Obwohl die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf einen Tintentropfen beschrieben worden ist, kann sie auch verwendet werden, um die Merkmale eines Tropfens einer beliebigen Flüssigkeit zu messen.

Claims

1. Tröpfchenmeßvorrichtung mit:

Mitteln (12, 16) zum Erzeugen und Projizieren eines Beleuchtungsstrahles längs eines Weges;

einer Fokussierlinse (18) zum Fokussieren des Strahles an einem Brennpunkt;

Mitteln (20) zum Formen eines Abschnittes des Strahls in die Gestalt einer dünnen Schicht an dem Brennpunkt;

Mitteln (30) zum Projizieren eines Flüssigkeitströpfchens durch den Schichtabschnitt des Strahles; und

Mitteln (22) zum Erfassen des Strahles, nachdem das Tröpfchen durch den Strahl gegangen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Mittel (12, 16) zum Erzeugen eines Beleuchtungsstrahles einen Laser (12) aufweist, der einen Lichtstrahl erzeugt und projiziert.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei das Mittel zum Bilden eines Abschnittes des Stahls in die Form einer dünnen Schicht am Brennpunkt eine zylindrische Linse (20) längs des Weges des Strahles aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Fokussierlinse (18) längs des Weges des Strahles zwischen der zylindrischen Linse (20) und dem Laser (12) angeordnet ist und der Brennpunkt derjenige Punkt ist, wo der Strahl als eine dünne Schicht geformt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, ferner mit einem Strahlausweiter (16) längs des Weges des Strahles zwischen dem Laser und der Fokussierlinse.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Mittel zum Erfassen des Lichtstrahles einen Photodetektor (22) aufweist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei welchen der Photodetektor (22) eine Photodiode (7) aufweist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7 mit Mitteln (24, 26, 28) längs des Weges des Strahles und vor der Photodiode (22), um die Größe des Strahles zu öffnen, irgendeine Hintergrundbeleuchtung zu unterscheiden und den Strahl auf der aktiven Fläche der Photodiode (22) zu fokussieren.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Mittal zum Projizieren des Tröpfchens in den Schichtabschnitt des Strahles einen Druckkopf aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der Druckkopf ein Tintenstrahlkopf ist, der im Betrieb arbeitet, um Tintentröpfchen zu der Schicht des Strahles hin und durch diese hindurch zu projizieren.

11. Vorrichtung nach Anspruch 5, in welchem der Strahlausweiter (16) längs des Weges und neben dem Laser (12) angeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, ferner mit einem Computer (38) mit einer Sichtanzeige, wobei der Ausgang des Photodetektors (22) mit dem Computer verbunden ist, so daß der Ausgang auf der Anzeige (40) gezeigt werden kann.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Ausgang des Photodetektors über einen Analog- /Digital-Wandler (32) mit dem Computer (11) verbunden ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei das Mittel zum Projizieren des Tröpfchens in den Schichtabschnitt des Strahles einen Tintenstrahlkopf (30) aufweist und der Computer mit dem Tintenstrahlkopf (30) verbunden ist, um Treibersignale zu dem Kopf zu steuern.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Tintenstrahlkopf (30) auf einer Translationsstufe (32) für die Bewegung des Kopfes im Verhältnis zu dem Strahlweg angebracht ist und der Computer (38) mit der Translationsstufe für die Steuerung der Bewegung des Tintenstrahlkopfes (30) verbunden ist.

16. Verfahren zum Messen der Merkmale eines Tröpfchens einer Flüssigkeit mit den Schritten:

Projizieren (12, 16) eines Lichtstrahles längs eines Weges;

Fokussieren des Strahles an einem Brennpunkt unter Verwendung einer Fokussierlinse (18);

Formen eines Strahlabschnittes am Brennpunkt zu der Gestalt einer dünnen Schicht unter Verwendung einer zylindrischen Linse (20);

Erfassen (22) des Strahles nach dem Durchgang durch den Brennpunkt und Schaffen eines elektrischen Signals entsprechend der Menge bzw. Summe des erfaßten Lichts; und

Hindurchgehen (30) eines Flüssigkeitströpfchens durch den Schichtabschnitt des Strahles, um die durch den Detektierschritt erfaßte Lichtmenge zu variieren.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Lichtstrahl von einem Laser (12) erzeugt und längs des Weges projiziert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, wobei der Strahl von einem Photodetektor (22) erfaßt wird, der ein elektrisches Ausgangssignal entsprechend der erfaßten Lichtmenge vorsieht.