阅读说明：本技术 打印材料料位感测 (Printing material level sensing ) 是由 E·C·达格 D·E·安德森 J·M·加德纳 于 2019-04-05 设计创作，主要内容包括：一种打印材料料位传感器,包括一系列打印材料料位感测设备,该系列打印材料料位感测设备间隔设置以检测容器中的连续深度区域处的打印材料的存在,其中每个打印材料料位感测设备包括用于在其深度区域处发射热量的加热器和用于感测深度区域处的热量并基于所感测的热量输出信号的传感器。传感器具有控制电路,对于待校准的每个打印材料料位感测设备,该控制电路用于在由初始热量计数设置的初始持续时间内开启加热器,并且根据经调节的热量计数迭代地调节加热器被开启的持续时间,直到来自传感器的信号输出指示在这个深度区域中已经达到目标值。(A printing material level sensor comprising a series of printing material level sensing devices spaced apart to detect the presence of printing material at successive depth zones in a container, wherein each printing material level sensing device comprises a heater for emitting heat at its depth zone and a sensor for sensing heat at the depth zone and outputting a signal based on the sensed heat. The sensor has a control circuit for, for each printing material level sensing device to be calibrated, turning on the heater for an initial duration set by an initial heat count, and iteratively adjusting the duration for which the heater is turned on in accordance with the adjusted heat count until a signal output from the sensor indicates that a target value has been reached in this depth region.)

具体实施方式

图1示出了示例打印材料料位传感器1。示例打印材料料位传感器1包括一组打印材料料位感测设备2和控制电路3。该系列打印材料料位感测设备2从节点10接收电功率。节点10从电源接收电功率。

图2示出了一组打印材料料位感测设备2的一部分的示例。在图2的示例中，一对加热器4和传感器5形成打印材料料位感测设备6。以这样的方式，该打印材料料位感测设备组间隔设置，以检测容积7内连续深度区域处打印材料的存在。容积7被示出为部分填充有打印材料8。容积的剩余部分可以填充气体，诸如空气9。随着打印材料被打印设备用于打印，由打印材料填充容积的程度将随着时间而变化。如果补充容积中的打印材料，则容积被填充的程度也将改变。示例打印材料可以包括墨(例如染料基墨或颜料基墨)、定影剂(例如用于粘结墨)、底漆(例如用于底涂层)、面漆(例如用于涂层)、融合剂(例如用于三维打印)、以及精细剂(例如用于三维打印)中的任何一种。而且，合适的打印材料可以例如包括可以被滴定用于生命科学应用的材料。

打印材料料位感测设备6的加热器4在其深度区域处发射热量，并且传感器5感测深度区域处的热量，以基于所感测的热量输出信号。传感器5足够靠近加热器4，以在加热器正在发射热量时感测热量。布线11使得能够从节点10向组2中的加热器4供应电功率。布线11例如可以呈金属迹线的形式，诸如薄膜金属迹线，其将功率从电源传输到加热器。金属迹线可以通过硅互补CMOS制造工艺形成在载体上。金属迹线可以例如包括铝。作为示例，金属迹线可以具有不大于100μm的宽度和至少10000μm的长度。

控制电路3使得能够执行打印材料料位感测设备的校准。对于待校准的每个打印材料料位感测设备，控制电路可以在由初始热量计数设置的初始持续时间内开启加热器，并且根据经调节的热量计数迭代地调节加热器被开启的持续时间，直到从传感器输出的信号指示在这个深度区域中已经达到目标值。

通过以这种方式执行校准，对于每个打印材料料位感测设备，可以确定传感器输出给出期望目标值的热量计数。通过确定热量计数，也确定了打印材料料位感测设备6的加热器4在随后的感测期间将被开启的相关联的持续时间。因此，可以为每个单独的打印材料料位感测设备确定热量计数，以及因此确定在打印材料料位感测期间打开加热器的持续时间。在由打印材料料位传感器进行的随后的打印材料料位感测期间，每个打印材料料位感测设备的加热器可以随后在校准期间为该加热器确定的持续时间内开启。在一个示例中，当预期容积7填充有打印材料8时，执行校准。换句话说，当预期打印材料料位感测设备中的每一个被浸没在容器中的打印材料的上表面之下时。这可以是例如当包含打印材料并且其中具有打印材料料位传感器的打印材料容器首先连接到打印机设备时，执行校准。

图3示出了从未如上所述已经被校准的打印材料料位传感器获得的测量结果。图3示出了打印材料料位感测设备组的从传感器0到传感器120的测量结果。与上面的描述相比，图3的数据是通过将每个加热器加热持续相同的预定时间量获得的。沿着x轴从顶部位置处的传感器0到底部位置处的传感器120标出了传感器。在这种布置中，传感器0及其相关联的加热器(加热器0)最靠近为加热器供电的电源。传感器120及其相关联的加热器(加热器120)距为加热器供电的电源最远。y轴示出由每个传感器输出的信号的测量值。通过开启其相关联的加热器持续预定时间量、关闭加热器、等待固定延迟量到期、并且然后测量信号，从传感器获得测量值。

在图3中，结果中的上部线是从顶部处的传感器0到底部处的传感器120的所有传感器周围都存在空气的情况。换句话说，容器是空的，并且不存在打印材料。结果中的下部线是从底部传感器120向上到传感器50周围存在打印材料(在这个示例中是墨)的情况。在传感器50周围的上方，即从那里到传感器0，存在空气。结果的下部线中的阶跃变化示出了从打印材料到空气的过渡。因此，它示出了容器中存在的打印材料的料位，因此示出了打印材料的量。

从图3还可以看出，结果的上部线从图的左侧处的传感器0位置到图的右侧处的传感器120位置具有斜率。对于传感器0，测量到超过180的测量计数值，而对于传感器120，测量到超过100的测量计数值。因此，随着传感器位置变得距顶部更远和距底部更近，测量值减小。

结果的下部线在存在空气的区域和存在打印材料的区域两者都展现了的相似的斜率。虚线示出了如果打印材料将一直存在到传感器0位置，打印材料存在的区域中的斜率将如何继续。可以看出，取决于空气和打印材料中的哪一个存在于传感器0位置处的测量值方面的差异显著高于取决于空气和打印材料中的哪一个存在于传感器120位置处的测量值方面的差异。因此，可以确定空气和打印材料存在的灵敏度在传感器0位置处比在传感器120位置处更大。

发明人已经确定，测量值方面的降低是由于随着距电源的距离增加打印材料料位感测设备的加热器遭受寄生电压降。可以提供其上具有一组打印材料料位感测设备的窄载体并且从节点向打印材料料位感测设备传输电功率的窄布线对寄生电压降有贡献。寄生电压下降的结果是，距电源更远的加热器在给定的时间内比距节点更近并因此距电源更近的加热器接收更少的功率。布线中的寄生电压降的原因是布线的狭窄和它可以被制造成的厚度。换句话说，布线具有比其长度小得多的宽度。相比于对于距电源更近的加热器，对于距电源更远的加热器，布线的长度更大，并且因此寄生电压降更大。如上所述，布线例如可以呈金属迹线的形式，诸如薄膜金属迹线。作为示例，金属迹线可以具有不大于100μm的宽度和至少10000μm的长度。

与图3中示出的测量结果相比，上述示例校准使得在随后的料位感测期间，每个打印材料料位感测设备的加热器能够在为该打印材料料位感测设备确定的持续时间内被供电，以获得由打印材料料位感测设备的传感器输出的信号中的目标值。作为示例，通过在校准期间对每个打印材料料位感测设备使用相同的目标值，可以使得能够在每个打印材料料位感测设备处从相同或相似的起始温度执行后续测量，而与打印材料料位感测设备位于的深度区域无关。因此，可以为每个打印材料料位感测设备实现相同或相似的灵敏度，并且可以避免信噪比(SNR)方面的不期望的降低，从而能够更精确地确定打印材料的剩余量。在最上面的传感器距节点最近并因此距电源最近，并且最下面的传感器距节点最远的示例布置中，在容器接近空状态时，可以精确地确定打印材料的剩余量。

图4A和图4B示出了在进行测量之前在深度区域处加热加热器以获得更高的起始温度的效果。例如，如果在从停止加热时开始已经达到固定延迟时间之后进行测量，那么对于较高的起始温度，在延迟时间期间可能出现所感测的信号方面的较大衰减。与从较低起始温度开始衰减的深度区域相比，提供了更大的差异程度。因此，该电路具有更大的动态范围以进行工作。从起始温度开始的衰减速率将根据传感器周围存在的材料的热容量而变化，由此可以确定存在打印材料和空气中的哪一种。

再次转到图1和2的示例，在一个示例中，控制电路3可以具有如图5所示的热量脉冲发生器12，以接收初始热量计数并输出热量脉冲信号，以根据初始热量计数在初始持续时间内开启加热器4。

在示例中，热量脉冲发生器12还可以接收经调节的热量计数，并输出热量脉冲信号，以根据经调节的热量计数在经调节的持续时间内开启加热器。此后，可以对新的经调节的热量计数重复这一过程，直到传感器输出信号的值达到目标值。

作为另外的示例，控制电路3可以具有诸如寄存器13的存储器，以保存要输入到热量脉冲发生器12的初始热量计数。然后，寄存器可以接收并保存要输入到热量脉冲发生器的经调节的热量计数。寄存器可以接收多个连续调节的热量计数。当寄存器接收新的热量计数时，它可以利用新的热量计数覆盖先前保存的热量计数。寄存器可以向热量脉冲发生器输出当前保存的热量计数，以便热量脉冲发生器根据该热量计数生成热量脉冲信号。具有寄存器的控制电路示例在图6中示出。

在打印材料料位传感器的一个示例中，控制电路首先校准在距电源节点更近的深度区域处的打印材料料位感测设备，并且然后依次校准在距电源节点更远的深度区域处的打印材料料位感测设备。在一个示例中，存储器(诸如寄存器13)可以例如将对于先前校准的打印材料料位感测设备达到目标值处的经调节的热量计数保存为待校准的下一打印材料料位感测设备的初始热量计数。

在一个示例中，热量计数可以具有最小热量计数值和最大热量计数值中的至少一个，其中，热量计数不能减少到低于最小热量计数值，热量计数不能增加到超过最大热量计数值。因此，可能存在加热器可能被开启的最小持续时间和加热器可被开启的最大持续时间。这可以能够避免加热不足出现或校准或随后的料位感测耗时过长或损坏设备。

在另外的示例中，诸如微控制器、CPU、处理单元的控制器14可以调节热量计数，并将经调节的热量计数提供给寄存器13，如图7所示。作为另一示例，控制器14可以将经调节的热量计数直接提供给热量脉冲发生器12。作为示例，控制器可以基于由传感器输出的热量计数和信号来确定经调节的热量计数。例如，控制器可以将传感器输出的信号的值与目标值进行比较，并基于差异调节热量计数。

在一个示例中，由热量脉冲发生器生成的热量脉冲信号可以控制开关来打开所选择的区域中的打印材料料位感测设备的加热器。示例在图8中示出。在此，由热量脉冲发生器生成的热量脉冲信号控制开关，以通过布线11向所选择的区域中的打印材料料位感测设备的加热器4提供电功率。例如，开关可以是可以由热量脉冲信号启用的场效应晶体管(field-effect transistor，FET)。在图8中，为了简单起见，描绘了单个加热器4和传感器5。应当理解的是，每个加热器4和传感器5类似地连接到控制电路。

图9示出了用于打印材料料位感测设备的示例校准过程。初始持续时间用于开启打印材料料位感测设备的加热器。初始持续时间可以例如由热量计数来指示。由打印材料料位感测设备的传感器接收的热量由传感器感测。可以将由传感器输出的信号值与目标值进行比较。如果输出信号的值不等于目标值，则可以调节持续时间。如果输出信号的值低于目标值，则可以增加持续时间。如果输出信号的值高于目标值，则可以减少持续时间。调节可以是指示持续时间的热量计数的调节。然后，基于例如经调节的热量计数，在经调节的持续时间内开启加热器。可以重复该过程，直到由传感器输出的信号的值等于目标值。在一个示例中，如果由传感器输出的信号值落在目标值的给定范围内，则可以认为该值等于目标值。作为示例，由传感器输出的信号值等于目标值的热量计数可以被存储在存储器中。例如，它可以被存储在设置有打印材料料位传感器的打印材料容器的非易失性存储器中。作为示例，非易失性存储器可以是墨位传感器的一部分。

图10示出了另一示例校准过程。在这个示例过程中，选择待校准的打印材料料位感测设备。这可以例如根据区域选择信号。区域选择信号可以从诸如打印机的外部设备接收，或者例如可以由控制电路3生成或以其他方式获得。可以设置所选择的区域的初始热量计数。初始热量计数可以由控制电路3从诸如打印机的外部设备接收，或者例如可以由控制器14生成或获得。初始热量计数可以被输入到诸如寄存器13的存储器中，或者直接输入到热量脉冲发生器12中。所选择的打印材料料位感测设备6的加热器4可以在由初始热量计数指示的持续时间内开启。打印材料料位感测设备的传感器感测所接收的热量。可以将由传感器输出的信号的值与目标值进行比较。如果由传感器输出的信号的值不等于目标值，则可以对热量计数进行调节。如果由传感器输出的信号的值落在目标值的给定范围内，则可以认为该值等于目标值。为了确定对热量计数的任何调节，确定由传感器输出的值是大于还是小于目标值。如果大于目标值，则热量计数将被递减。如果小于目标值，则热量计数将被递增。热量计数被递减或递增的幅值可以取决于由传感器输出的信号的值和目标值之间的差异的幅值。然后，所选择的打印材料料位感测设备的加热器可以被开启由经调节的热量计数指示的持续时间。可以重复该过程，直到由传感器输出的信号的值等于目标值。如果确定由传感器输出的信号等于目标值，则可以确定是否校准打印材料料位感测设备中的另一个。如果要校准另一打印材料料位感测设备，则针对该设备重复校准过程。作为示例，校准过程可以重复，直到打印材料料位感测设备中的每一个都已经被校准。对于经校准的打印材料料位感测设备，可以存储由传感器输出的信号值等于目标值时的热量计数。例如，热量计数可以被输出到存储器或外部设备(诸如打印机)以便进行存储。作为示例，热量计数可以被存储在被提供给设置有打印材料料位传感器的打印材料容器的非易失性存储器中。作为示例，非易失性存储器可以是墨位传感器的一部分。通过将校准值存储在容器的非易失性存储器中，即使停止到容器的电功率供应，也可以保持这些值。例如，如果容器附接到打印机并被断电。即使例如将容器从打印机中取出并将其连接到另一打印机，也可以保持校准值。

图11示出了已经执行校准后的打印料位感测的示例。在这个示例中，选择打印材料料位感测设备，并且设置在用于这个打印材料料位感测设备的校准期间获得的热量计数。然后通过加热这个设备的加热器并使用该设备的传感器进行感测来执行测量。在已经执行测量之后，确定是否应该在另一区域处执行测量。例如，可以确定对另一区域执行测量，直到已经对所有区域执行测量。如果要在另一区域处执行测量，则选择用于这个区域的传感器，并设置校准期间确定的用于这个区域的热量计数。加热和感应然后由这个区域的打印材料料位感应装置执行。在区域的测量已经完成之后，换句话说，当确定不测量任何其他区域时，从测量获得的数据可以用于确定存在的打印材料的料位。

图12A示出了其中具有打印材料料位传感器的示例打印材料容器20。打印材料容器20包括电连接触点21，以连接到打印机的电连接器。电连接触点21也连接到设置在容器20内的打印材料料位传感器。图12B中示出了打印材料料位传感器1和电连接触点21的示例。在这个示例中，提供了四个电连接触点，即接地连接触点G、串行时钟连接触点C、电源电压连接触点V和串行数据输入/输出触点D。可以提供更多或更少的触点。电连接触点可以形成通信总线协议，例如用于与打印机通信的l²C数据接口。电连接触点可以实现打印机和打印材料料位传感器之间的信号和电功率的通信。

上面描述的图2示出了一组打印材料料位感测设备的一个示例。图13A至图13C中示出了一组打印材料料位感测设备的另外的示例。在图13A的示例中，加热器4和传感器5成对布置，标记为0、1、2、……、N。因此，加热器和传感器以并排成对的阵列布置。每一对是打印材料料位感测设备6。

在图13B的示例中，加热器4和传感器5布置在竖直间隔开的堆叠的阵列中。图13C是图13B的剖视图，进一步示出了形成打印材料料位感测设备6的加热器4和传感器5对的堆叠布置。

在上述示例中，打印材料料位感测设备的加热器可以包括电阻器。作为示例，加热器可以具有至少10mW的加热功率。作为另外的示例，加热器可以具有小于10W的加热功率。传感器可以包括具有特征温度响应的二极管。例如，在一个示例中，传感器可以包括P-N结二极管。在其他示例中，可以采用其他二极管或可以采用其他热传感器。例如，传感器可以包括诸如金属薄膜电阻器的电阻器。电阻器可以例如位于加热器和打印材料之间，例如通过在制造叠层中加热器上方形成电阻器。

在上述示例中，打印材料料位感测设备的传感器距相关联的加热器足够近，以在加热器发射热量时感测热量。例如，传感器距加热器可能不大于500μm。在另外的示例中，传感器距加热器不大于20μm。作为一个示例，传感器可以是在制造叠层中的加热器电阻器层上方小于1μm处形成的金属薄膜电阻器层。在这样的示例中，传感器电阻器层和加热器电阻器层可以由介电层分离。

在上述示例中，在打印材料料位传感器中可以存在至少五个打印材料料位感测设备。作为另外的示例，可以有至少十个打印材料料位感测设备。作为又另外的示例，可以有至少二十个打印材料料位感测设备。例如，可以有至少一百个打印材料料位感测设备。

在上述示例中，加热器和传感器可以被支撑在长形条上。图1、图2和图13C中示出了条22。该条可以包括硅。条可以具有至少20的长宽比(其是其长度/宽度的比率)。

为了将从电源接收的电功率供应给每个加热器4，可以提供布线11。如上所述，布线11可以呈一个或多个金属迹线的形式，诸如薄膜金属迹线，其将功率从电源传输到加热器。金属迹线可以通过硅CMOS制造工艺形成在例如条上。金属迹线可以例如包括铝。作为示例，金属迹线可以具有不大于100μm的宽度。金属迹线可以具有至少为其宽度的一百倍的长度。作为示例，金属迹线可以具有至少10000μm的长度。

图13A至图13C附加地示出了打印材料料位感测设备6的加热器4的脉冲以及随后通过相邻材料消散热量的示例。在图13A至图13C中，距热源(即打印材料料位感测设备6的加热器4)越远，热量的强度下降越多。通过图13A至图13C中交叉阴影线的变化示出了热量的消散。

虽然已经参考某些示例描述了装置、方法和相关方面，但是在不脱离本公开的精神的情况下，可以进行各种修改、改变、省略和替换。因此，该装置、方法和相关方面旨在仅由所附权利要求及其等同物的范围来限制。应当注意的是，以上提及的示例说明而不是限制本文所描述的内容，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求的范围的情况下设计许多替代性实施方式。

词语“包括”不排除权利要求中列出的那些元件以外的元件的存在，并且“一”或“一个”不排除多个。

任何从属权利要求的特征可以与独立权利要求或其他从属权利要求中的任何一个的特征相组合。