(57)【要約】  計量バルブＤＶから抜け出し、軌道に沿って移動する液滴ＴＲの検出のための液滴検出デバイス１１、１１ａが開示される。液滴検出デバイス１１、１１ａは、第１の光導波路素子Ｌ１および第２の光導波路素子Ｌ２を有する光導波路装置Ｌを備える。第１の光導波路素子Ｌ１および第２の光導波路素子Ｌ２は、第１の光導波路素子Ｌ１によって送り出された光線ＬＳが液滴ＴＲの軌道Ｔを横切り、次に第２の光導波路素子Ｌ２内に結合されるように、液滴ＴＲの軌道Ｔが通って延びる中間スペースＺＲにおいて互いに対向して配置される。さらに、液滴検出デバイス１１、１１ａは、搬送波周波数を有するパルス化された光線ＬＳを第１の光導波路素子Ｌ１に結合するための光信号生成デバイス７０を備える。さらに、液滴検出デバイス１１、１１ａは、また、液滴ＴＲが計量バルブＤＶによって分注されたかどうかを判定するために、第２の光導波路素子Ｌ２内に結合された光線ＬＳを評価するための光評価デバイス８０を備える。液滴ＴＲを検出する方法５００も開示される。
2019501366.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計量バルブ（ＤＶ）のノズルから抜け出し、軌道（Ｔ）に沿って移動する液滴（ＴＲ）の検出のための液滴検出デバイス（１１、１１ａ）であって、
第１の光導波路素子（Ｌ１）および第２の光導波路素子（Ｌ２）を有する光導波路装置（Ｌ）であって、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）によって出射された光線（ＬＳ）が前記液滴（ＴＲ）の軌道（Ｔ）を横切り、次に前記第２の光導波路素子（Ｌ２）内に結合されるように、前記液滴（ＴＲ）の軌道（Ｔ）が通る中間スペース（ＺＲ）において、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）および前記第２の光導波路素子（Ｌ２）が互いに対向して配置される、光導波路装置（Ｌ）と、
搬送波周波数を有するパルス化された光線（ＬＳ）を前記第１の光導波路素子（Ｌ１）に結合するための光信号生成デバイス（７０）と、
液滴（ＴＲ）が前記計量バルブ（ＤＶ）によって分注されたかどうかを判定するために、前記第２の光導波路素子（Ｌ２）内に結合された光線（ＬＳ）を評価するための光評価デバイス（８０）と
を有する液滴検出デバイス。
【請求項２】
前記第１の光導波路素子（Ｌ１）が第１の端部および第２の端部を有し、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）の前記第１の端部が、前記光信号生成デバイス（７０）の発光デバイス（３１）と結合され、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）の前記第２の端部が、監視される前記中間スペース（ＺＲ）に対する出射窓（１４）を形成し、
前記第２の光導波路素子（Ｌ２）が第１の端部および第２の端部を有し、前記第２の光導波路素子（Ｌ２）の前記第１の端部が、監視される前記中間スペース（ＺＲ）に対する検出窓（１５）を形成し、前記第２の光導波路素子（Ｌ２）の前記第２の端部が、前記光評価デバイス（８０）のセンサデバイス（３２）と結合される、
請求項１記載の液滴検出デバイス。
【請求項３】
前記光導波路素子（Ｌ１、Ｌ２）は、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）からの前記パルス化された光線が前記液滴（ＴＲ）に直接衝突し、次に前記液滴（ＴＲ）によって変調され、前記第２の光導波路素子（Ｌ２）に直接結合されるように、前記計量バルブ（ＤＶ）に対して配置される、請求項１または２記載の液滴検出デバイス。
【請求項４】
前記第１の光導波路素子（Ｌ１）および前記第２の光導波路素子（Ｌ２）がプラスチックファイバを備える、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項５】
前記光導波路素子（Ｌ１、Ｌ２）は、前記第１および／または第２の光導波路素子（Ｌ１、Ｌ２）の所定の有効断面の領域がそれぞれの計量工程、特に予想される液滴サイズに応じて与えられるように、前記計量バルブに対して位置決めされる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項６】
前記光評価デバイス（８０）が、前記パルス化された光線（ＬＳ）の所定の搬送波周波数を考慮して、前記計量バルブ（ＤＶ）によって液滴（ＴＲ）が分注されたかどうかを判定するように構成される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項７】
前記パルス化された光線（ＬＳ）に基づいて検出された変調測定信号（ＭＳ）の振幅復調または直交復調を実行するように構成される復調ユニット（４０）を有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項８】
前記光評価デバイス（８０）が、変調評価ユニット（５１）を備え、前記変調評価ユニット（５１）が、好ましくは同相成分（Ｉ）および直交成分（Ｑ）に基づいて、変調測定信号（ＭＳ）に基づく変調信号（ＭＯＤ）の振幅および／または位相の大きさを決定するように構成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項９】
発光デバイス（３１）が、パルス化された電気信号（ＴＳ）を、前記パルス化された電気信号（ＴＳ）の搬送波周波数および位相を関連する程度に変更せずに、光波（ＬＳ）に変換するように構成される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項１０】
前記パルス化された光線（ＬＳ）の輝度が、前記パルス化された光線（ＬＳ）の光パルスのパルス幅の選択によって設定されるように、前記光信号生成デバイス（７０）が設計される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の液滴検出デバイス。
【請求項１１】
計量バルブ（ＤＶ）から抜け出す液滴（ＴＲ）を検出する方法（５００）であって、
搬送波周波数を有するパルス化された光線（ＬＳ）が、第１の光導波路素子（Ｌ１）と第２の光導波路素子（Ｌ２）との間の中間スペース（ＺＲ）を通過するように、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）から出射され、それによって、前記第１の光導波路素子（Ｌ１）と前記第２の光導波路素子（Ｌ２）との間の前記中間スペース（ＺＲ）間を通る前記液滴（ＴＲ）の軌道を横切り、次に前記第２の光導波路素子（Ｌ２）に結合され、
前記第２の光導波路素子（Ｌ２）に結合された前記光線（ＬＳ）に基づいて、液滴（ＴＲ）が前記計量バルブ（ＤＶ）によって分注されたかどうかが判定される、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計量バルブのノズルから抜け出し、軌道に沿って移動する液滴の検出のための液滴検出デバイスに関する。これに加えて、本発明は、計量バルブから、好ましくはマイクロ計量バルブから抜け出す液滴を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば接着剤などの液状またはペースト状の媒体を塗布し、分注するときに、計量バルブが使用される。計量バルブは、投与される流体が排出される先端にノズルを備える。従来のニードル弁の場合、所定の量の媒体を計量するために、計量バルブの開口は、弁座から計量ニードルをわずかに引くことによって開放される。それによって、媒体は、たとえば、与圧下で駆動され、ノズル開口またはバルブ開口を通って流れ得る。充填工程または計量工程を完了させる場合、計量バルブのノズルが閉じられる。
【０００３】
特には、ピエゾ計量バルブ技術に基づいて、いわゆるジェットバルブが組立てられ得る。ここにおいて、計量ニードルおよびバルブタペットの前進および後退移動により、ある量の媒体の分配が行なわれ、計量ニードルおよびバルブタペットのノズル開口方向への移動が起こるときに、ある量の媒体がジェットのようにノズル開口から押し出される。これにより、所定の量の計量媒体が、計量バルブと塗布表面、たとえば、処理される部品との間のより大きな距離に亘って塗布可能になる。これにより、計量間隔が、塗布領域に応じて、０．５ミリと数ミリとの間で変更し得る。ジェットバルブは、処理される部品とのいかなる接触もなしに、高速で精密な計量を可能にする。個々の液滴の分配を制御するために、対応する評価工程と併せて、センサが液滴を検出する必要がある。
【０００４】
特にジェットバルブにより予め生成された液滴の光学検出の場合、以下の問題が明らかとなっている。最初に、計量バルブと液滴が塗布される処理部品の表面との間にできるだけ最小の距離が維持されるべきである。この距離は、個々の塗布に応じて、０．５ミリと３ミリとの間で変更され得る。この仕様は、液滴センサの可能な設置高さをかなり制限する。さらに、検出される液滴は、非常に小さく、時には１０ミクロン未満の直径を有する。さらには、液滴の速度は、非常に早く、５０ｍ／ｓまでの速度を有し、それによって、検出センサによって監視される範囲を通して非常に短い通過時間、数マイクロ秒となる。液滴のサイズが小さく高速であるため、低信号振幅および好ましくない信号／雑音比率を有する弱センサ信号をもたらし、液滴のフェールセーフ光学検出を非常に困難にする。もし、光検出器などの最適な電気センサを、たとえば、強い光信号およびその変換後の電気信号を得ようとするために、バルブのノズル近くに適用しようとする場合、システムの寸法の小ささとの間で矛盾が生じる。たとえば、スペースの不足により、全評価電子部品を直接センサ上に配置することはほとんど不可能である。しかしながら、評価電子部品がセンサと離れて配置される場合、捉えられた電気アナログ信号は、フェールセーフ方式で評価電子部品に送達されなければならないという問題がある。液滴のセンサ測定の場合、障害が、電磁波から起こり得る。たとえば、センサが光センサ技術に基づいている場合、障害は、望ましくない光源によって起こされ得る。障害は、たとえば、日光または任意の種類の照明手段からの光によって起こり得る。
【０００５】
特許文献１には、印刷システムの液滴検出のための装置が記載されていて、その装置では、光が、光導波路素子によってガイドされて、液滴の軌道を横切る。光の強度は、短期間の間に、落下する液滴によって減らされる。時間の関数としての強度の変化は、センサを用いて記録され、液滴を検出するために使用される。しかしながら、検出は、たとえば、散乱光などの外乱を受けやすく、それによって、信頼される液滴検出が必ずしも保証されるわけではない。
【０００６】
特許文献２には、インクジェットプリンタのインク滴の軌道のモニタリングが記載されている。モニタリングするために、光が、液滴生成の周波数に同期して、インク滴の軌道方向に、光導波路素子を経由して出射され、２つの光導波路素子によって捉えられる。インク滴の所定の軌道からの偏差は、両方の光導波路素子を使用して捉えられる光の影の違いに応じて決定される。この方法によっても、散乱光によって、障害は起こり得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／００８９５６１号明細書
【特許文献２】米国特許第４，２５５，７５４号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明の目的は、さらに可能な範囲で障害の無い液滴検出を可能にする計量バルブのセンサ装置を開発することである。この課題は、請求項１に係る液滴検出デバイスだけでなく、請求項９に係る液滴の検出方法によっても解決される。
【０００９】
計量バルブのノズルから抜け出して、軌道に沿って移動する液滴の検出のための本発明による液滴検出デバイスは、光導波路装置を有する。光導波路装置は、第１の光導波路素子および第２の光導波路素子を備える。これらは、第１の光導波路素子によって送られた光線が液滴の軌道を横切って第２の光導波路素子に結合されるように、液滴の軌道を含む中間スペースにおいて互いに対向して配置される。さらに、本発明による液滴検出デバイスは、搬送波周波数でパルス化された光線を第１の光導波路素子に結合するように構成された光信号生成デバイスを有する。パルス光信号は、たとえば、特定のリズムでオンオフが切り換えられる、連続した特性パラメータ（たとえば、パルス周波数を有する搬送波周波数とも呼ばれる周波数、振幅）で周期的に変化する搬送波周波数を有するパルス光線として理解されるべきである。信号は、最初は、一定の特性パラメータを除いて、非変調状態で、情報を搬送しない。送られる情報は、搬送波信号と情報源との物理的相互作用によって実現され得る変調によって最初に受取られる。たとえば、搬送波信号は、変調信号によって変調されるか、または、その他の物理的外乱、たとえば、検出される液滴に影響され得る。これに関して、振幅、周波数または位相などの１つまたは複数のパラメータに関する搬送波信号の変化は、変調として理解されるべきである。パルス周波数または搬送波周波数は、変調の周波数より高くするべきであるか、または、波長は、液滴による信号の「外乱」よりも短くするべきである。
【００１０】
液滴検出デバイスはまた、計量バルブによって液滴が分注されたかどうかを判定するために、第２の光導波路素子に結合された光線を評価するように構成された光評価デバイスを備える。本発明による、計量バルブから抜け出す液滴の検出方法の場合、搬送波周波数でパルス化された光線が、第１の光導波路素子と第２の光導波路素子との間の中間スペースを通り、第１の光導波路素子と第２の光導波路素子との間の中間スペースを通る液滴の軌道を横切り、次に第２の光導波路素子に結合するように、第１の光導波路素子から出射される。好ましくは、第２の光導波路素子に結合されたパルス光線は、計量バルブによって液滴が分注されたかどうかを判定するために評価される。
【００１１】
パルス光線の使用および液滴によって起こった「変調」の程度に関する評価によって、散乱光などによって起こる関連する影響なしに液滴の比較的信頼できる検出が可能である。
【００１２】
本発明のその他の特に好ましい実施形態およびさらなる実施形態が、従属請求項および以下の記載からもたらされ、特定のカテゴリの請求項は、他のカテゴリの従属請求項によってさらに展開することができ、各種の例示的な実施形態の特徴が組み合わされて新規の例示的な実施形態となり得る。
【００１３】
本発明による液滴検出デバイスの一実施形態において、第１の光導波路素子は、第１の端部および第２の端部を有する。それによって、第１の光導波路素子の第１の端部が、光信号生成デバイスの発光デバイスに結合される。第１の光導波路素子の第２の端部が、監視される中間スペースに対する出射窓を形成する。第２の光導波路素子も、第１の端部および第２の端部を有し、第２の光導波路素子の第１の端部が、監視される中間スペースに対する検出窓を形成し、第２の光導波路素子の第２の端部が、光評価デバイスのセンサデバイスに結合される。第１の光導波路素子の出射窓および第２の光導波路素子の検出窓は、最も単純なケースでは、ガラスファイバの従来の切断手段で切断された端部の前面によって形成することができる。この目的のために、ファイバの端部は、このために設けられた切断手段を用いて切断され、場合によっては、少し研磨され得る。それによって、光導波路素子の出射窓は、低いレベルの労力で製作され得る。このためには、付加的なオプションを必要としない。かかる出射窓が、損傷し、または汚れた場合、光導波路素子の一部を切断することによって、そして場合によっては、少し研磨することによって、容易に損傷を取り除くことができる。それによって、光導波路素子の窓表面および端部の縁が、可能な限り平坦であって、光導波路素子の長手軸に垂直に方向付けられていることが確保されなければならない。
【００１４】
液滴検出デバイスの好ましい一実施形態において、第１および第２の光導波路素子は、第１の光導波路素子からのパルス光線が、計量バルブによって分注された可能性のある液滴に直接衝突し、液滴により物理的になんらかの方法で影響され、好ましくは変調されて、第２の光導波路素子に直接結合されるように、計量バルブに対して配置される。この文脈での「直接」とは、好ましくは、第２の光導波路素子の検出窓の前の第１の光導波路素子の出射窓の前で、レンズ系などの二次光学素子が使用されないことを意味する。第１および第２の光導波路素子は、たとえば、直接互いに対向して配置され、互いに同一平面で整列される。それによって、第１の光導波路素子の出射窓および第２の光導波路素子の検出窓は、第１の光導波路素子の出射窓によって出射された光線が第２の光導波路素子の検出窓に当るように、互いに対向する。さらに、計量バルブによって分注され得る液滴の軌道に加えて両導波路素子は、好ましくは、単一の平面上にあり、それによって、第１の光導波路素子によって出射された光線が液滴に衝突し、これによって変調され、次に第２の光導波路素子の検出窓に当り、そこから第２の光導波路素子に結合される。たとえば、液滴によって影響され得る、すなわち、液滴によって変調され得る光線は、さらに導かれて、第２の光導波路素子に結合された後、ここからセンサデバイスに入り、そこで、場合によっては変調された光線は、まず、評価のために変調電気信号に変換される。
【００１５】
本発明による液滴検出デバイスの第１の光導波路素子および第２の光導波路素子は、たとえば、プラスチックファイバを備える。好ましくは、光導波路素子は、ＰＯＦ光導波路（ＰＯＦ＝プラスチック光学ファイバ＝ポリマー光学ファイバ）を備える。
【００１６】
本発明による液滴検出デバイスの特に有効な一実施形態において、第１の光導波路素子および第２の光導波路素子は、０．１〜３ｍｍ、好ましくは０．５〜１．５ｍｍ、より好ましくは０．９〜１．１ｍｍの範囲のコア直径を有する。
【００１７】
本発明による液滴検出デバイスの一実施形態において、光導波路素子は、それぞれの計量工程に基づいて、特には、予想される液滴サイズに基づいて、第１および／または第２の光導波路素子の所定の有効断面領域が選択さるように、計量バルブに対して配置される。光導波路素子の有効断面領域は、液滴の検出または光線の出射に対して利用可能な光導波路素子の断面領域の一部として理解されるべきである。たとえば、光導波路素子の断面の一部が、有効断面領域に寄与しないように、計量バルブのノズル調整ナットに覆われ得る。
【００１８】
特には、１つまたは両方の光導波路素子の有効断面領域をそれぞれの計量工程または予想される液滴サイズに適合させることによって、信号対雑音比が最適化し、または液滴の最大通過時間を達成することができる。
【００１９】
たとえば、光導波路素子の有効領域は、光導波路素子領域の全領域を含み得る。これは、光導波路素子が、光導波路素子の有効断面領域のどの部分も、たとえば、計量バルブのノズル調整ナットによって覆われないように、計量バルブに対して配置されることを意味する。それによって、光導波路素子の全有効高さが使用される。変調ユニット中の液滴の最大通過時間は、これに関連している。このことは、より多くのサンプル信号値が得られ得るので、液滴検出に有利である。論理的な理由から、液滴によって変調された光線のできるだけ多くが第２の光導波路素子に結合されるべきであって、それにより、センサシステムにより記録される測定信号の振幅値が可能な限り大きくなり、充分な信号対雑音比が達成される。本発明による液滴検出デバイスの他の実施形態において、光導波路素子の有効領域は、光導波路素子領域の全領域の半分のみを含む。これは、光導波路素子が、光導波路素子の断面領域の上半分が、たとえば、計量バルブのノズル調整ナットによって覆われるように、計量バルブに対して配置されることを意味する。それによって、光導波路素子の高さの半分だけが依然として検出のために使用される。全高さの使用に対して、液滴の通過時間の半分だけがこれに関連する。かかる配置は、通常、できるだけ長い液滴の通過時間と必要な設置スペースとの間のよい妥協点を示し、それにより、計量バルブの処理製品との最少距離が結果として生じる。光導波路素子の所望の有効領域を設定するために、光導波路素子ホルダと計量バルブとの間にスペーサを適用することができる。
【００２０】
本発明による液滴検出デバイスの他の実施形態において、光導波路素子の有効領域は、光導波路素子の全領域の一部のみを含む。これは、使用される光導波路素子の領域が、光導波路素子の全領域の一部を含むだけであることを意味する。かかる配置は、たとえば、有効領域と液滴により陰になった領域との間のより好ましい比率が存在するので、非常に小さな液滴の場合に有利である。これにより、変調信号の信号振幅がより強くなり、信号対雑音比の向上に寄与する。
【００２１】
本発明による液滴検出デバイスの発光デバイスが、パルス信号の搬送波周波数および位相を関連する程度に変更することなく、パルス電気信号を光波に変換するように構成されることが特に好ましい。検出された信号を評価する場合に、パルス信号の位相位置を考慮することも好ましいので、パルス信号の位相のより大きな変更は、発光デバイスによる光線の出射中の検出信号の評価に影響するであろう。光路、すなわち、特に、発光デバイスとセンサデバイスとの間の、電気信号から光信号へ、および再度電気信号への信号の変換は、特定の位相シフトを引き起こす。しかしながら、これは、好ましく使用される搬送波周波数に関してむしろ低い。さらに、前もって、すなわち実際の液滴検出の前に、搬送波信号と復調ユニットの制御信号との間の完全な位相シフトが側波帯選択のために設定されるトレーニング段階が実行される。これは、電気−光信号変換から生じるわずかな位相シフトが考慮される。
【００２２】
本発明による液滴検出デバイスの一変形例において、光信号生成デバイスは、パルス光線の輝度が、パルス光線の光パルスのパルス幅のパラメータ値のレベルを選択することによって設定されるように設計される。たとえば、比較的に小さなパルス幅、または信号もしくはパルス光線の継続時間に対して短いパルス継続時間を有するデューディーサイクルが選択される場合、それにより、パルス光線の輝度が低下する。逆に、パルス光線の輝度は、比較的に広いパルス幅、または信号もしくはパルス光線の継続時間に対して長いパルス継続時間を有するデューディーサイクルによって、増加し得る。設定される最適の輝度は、上側の電気センサに関連し、つまり、フォトダイオードに到達する残光に関連し、全光路の後に残存し、フォトダイオードに衝突する光に関連する。
【００２３】
出射光およびその受取られる残光の強度は、センサがこの動作点において感度の最高レベルにあるように選ばれなければならない。したがって、感度とは、光度のわずかな変動から生じるフォトダイオードの出力電流の最大可能変動をいう。設定は、光導波路素子を取り換えるときに調整すべきである。
【００２４】
本発明による液滴検出デバイスは、好ましくは光信号生成デバイスの一部であり得る信号生成ユニットを有することが好ましい。この信号生成デバイスは、所定のパルス周波数または搬送波周波数を有する電気搬送波信号を生成するように構成されることが好ましい。次に、この電気搬送波信号に基づいてパルス光線が生成される。
【００２５】
さらに、本発明による液滴検出デバイスは、光評価デバイスの一部であり得る評価ユニットを有することが好ましい。評価ユニットは、所定のパルス周波数または搬送波周波数を考慮して、変調測定信号に基づいて、液滴が計量バルブによって分注されたかどうかを判定するように構成される。好ましくは、この目的のために、たとえば、評価ユニットの一部であり得る復調ユニット内で、変調された信号に基づく変調信号が、所定のパルス周波数または搬送波周波数を考慮して決定することができ、変調信号に基づいて、液滴が計量バルブによって分注されたかどうかが判定される。この点について、液滴による搬送波信号の変調に対応する信号は、復調によって搬送波信号から再度「分離」することができる変調信号として理解されるべきである。
【００２６】
変調された測定信号または変調信号の特定の信号パラメータ値、たとえば、変調信号の振幅および位相の時間依存曲線の経路は、検出される液滴の特定の特性または寸法に対応する。前記の信号パラメータと検出される液滴の特性または寸法との間の関係は、検出のためには直接知る必要はない。たとえば、所定の寸法を有する「液滴サンプル」を用いたトレーニング手順内において、変調された測定信号または変調信号のどの信号パラメータ値が、（トレーニング手順内で使用される「液滴サンプル」の）所望の特性および寸法を有する液滴を示すかを、すなわち何時液滴が検出されるかを前もって確定するだけで十分である。
【００２７】
液滴検出デバイスの一実施形態において、液滴の分注は、計量バルブの液滴分注制御システムと同期される所定の時間窓内で検査される。言い換えれば、液滴が検出される時間窓、または、概して液滴が探索されるとき、もしくは、適用可能であれば、搬送波信号が出射されるときである時間窓は、提供される液滴の分注が時間窓内で起こるように、計量バルブの液滴分注と同期される。
【００２８】
ある特別な実施形態において、液滴検出デバイスは、測定信号の振幅復調を実行するように構成される復調ユニットを備える。
【００２９】
特に有効な一実施形態において、測定信号の直交復調は、同相成分および直交成分を決定するために実行される。この目的のために、復調ユニットが、それに応じて構成され得る。
【００３０】
好ましくは、変調された測定信号に基づく変調信号の振幅および／または位相の大きさが、同相成分および直交成分に基づいて決定され得る。たとえば、変調信号の振幅および位相は、同相成分および直交成分の極座標変換によって得ることができる。これを行うために、液滴検出デバイスの評価ユニットは、好ましくは、このために構成された変調評価ユニットを有し得る。
【００３１】
液滴検出デバイスの特別な変形例において、これは、特に変調評価ユニットは、変調信号の、振幅値の時間微分を含む、包括的には時間微分である振幅微分値、および／または位相の時間微分を含む位相微分値を決定するように構成される。
【００３２】
好ましい実施形態において、液滴検出デバイス、特に変調評価ユニットは、時間窓の所定の固定時間間隔において、所定の数の振幅微分値を振幅比較値に組み合わせる、および／または、時間窓の第２の所定の時間間隔において、所定の数の位相微分値を位相比較値に組み合わせるように構成される。たとえば、振幅微分値および位相微分値の組み合わせは、複数の振幅微分値の振幅比較値への加重または追加、および複数の位相微分値の位相比較値への加重または追加を含み得る。
【００３３】
原則として、振幅微分値の組み合わせおよび位相微分値の組み合わせのための２つの時間間隔が、トレーニング段階の間または上記のトレーニング手順中に決定される。それによって、時間間隔のトレーニング中に、如何なる時間的制約も無しに連続して数値が得られる。時間間隔は、振幅微分値および位相微分値の所定の数の最大値をこれらの時間間隔で得ることができるように決定される。振幅微分値および位相微分値の時間間隔は、好ましくは、お互いに独立して決定される。このことは、継続時間および開始時間が、お互いに独立していることを意味する。
【００３４】
たとえば、時間間隔は、最大値の数、たとえば１０個が、このような大きな範囲内にある場合、５０個の測定値を含むように設定され得る。この範囲を特定後、トレーニング段階の後に、時間間隔を含むこれらの５０個の測定値から１０個の最大値が、常に決定され、または探索され、およびさらに使用される。
【００３５】
振幅比較値および／または位相比較値に基づいて、好ましくは、変調信号が液滴を示すかどうかが判定される。したがって、変調評価ユニットに加えて、本発明による液滴検出デバイスの評価デバイスは、好ましくは、振幅比較値および／または位相比較値に基づいて、変調信号が、液滴を示すかどうかを判定するように構成された検出フィルタユニットを備える。
【００３６】
液滴を検出するために、特には、液滴検出デバイスの検出フィルタユニットは、たとえば、変調評価ユニットによって決定された振幅比較値の振幅基準値からの偏差、および／または、たとえば、変調評価ユニットによって決定された位相比較値の位相基準値からの偏差を決定するように構成され得る。振幅基準値は、たとえば、以前に収集された変調信号の複数の振幅比較値から形成され得る。位相基準値は、たとえば、以前に収集された変調信号の複数の位相比較値から形成され得る。基準値を形成する際には、正しく検出された液滴として分類された比較値のみが、基準値決定の一部であることが保証されるべきである。
【００３７】
ある特別な実施形態において、液滴検出デバイスは、基準値記憶デバイスを有することができ、以前に記録された変調信号からの複数の振幅比較値から形成される振幅基準値、および／または、以前に記録された変調信号からの複数の位相比較値から形成される位相基準値が、可変基準値として基準値記憶デバイスに保存される。このことから、比較値が全体的に緩やかな平均変動を有する場合に、基準値が、個々の液滴の比較値に対して連続的に適用される。これによって、比較値の絶対要素との比較と比べて、基準値に対する許容変動範囲を小さくすることができる。
【００３８】
液滴が検出されたかどうかを判定するために、液滴検出デバイス、特に検出フィルタユニットは、振幅基準値からの振幅比較値の検出された偏差、および／または位相基準値からの位相比較値の検出された偏差が、最大値を超えないかどうかを判定するように構成される。言い換えれば、基準値は目標値を形成し、目標値は、たとえば、経験値から計算される。基準値は、通常の検出工程中に継続して得られる。これらの基準値は、フィルタトレーニング段階から決定された相対許容変動に関連した一種の目標値を表わす。許容相対変動は、フィルタトレーニング中に決定されたものであるので、経験的因子を示す。決定された比較値が目標値からはるかにはなれたものである場合、液滴が検出されなかったか、または少なくとも正規の液滴が検出されなかったかのいずれかであると結論付けられる。
【００３９】
特に好ましい変形例において、振幅比較値の偏差を決定するために使用される振幅基準値が所定の振幅基準値範囲内にあるかどうか、および／または、位相比較値の偏差を決定するために使用される位相基準値が所定の位相基準値範囲内にあるかどうか、が判定される。この目的のために、代わって、検出フィルタユニットが、それに応じて構成される。たとえば、基準値記憶デバイス内に、振幅および位相基準値のための固定基準値範囲が、それぞれ記憶され得る。かかる固定基準値範囲は、たとえば、トレーニング段階で決定することができ、トレーニング段階では、基準値の可能な変動範囲も決定される。使用される基準値が固定基準値範囲内ではない場合、最初に正常ではない液滴が基準値測定に寄与したと仮定され、かかる基準値が最早信頼すべきものではないとみなされる。たとえば、かかる場合、調査結果は、少なくとも信頼できないものと分類されるか、または無視され得る。かかる状況は、計量バルブによって分注された液滴の寸法が緩やかに、しかし連続して変化するときに起こり得る。ところで、もし、基準値が、かかる変化した変調値または比較値に基づいて形成されると、好ましくない場合には、基準値はまた、所定の対象の液滴からあまりにずれた、正しくない液滴に対応する可能性がある。かかる間違いを避けるために、ずれることが許容されない基準値の固定間隔を決定することが好ましい。基準値が最早所定の範囲内にないと判定された場合、たとえば、システムが最早適切に較正されないことを伝える通知が液滴検出デバイスのユーザになされ得る。ユーザは、次に対策をとり得る。たとえば、ユーザは、計量バルブが適切に機能していることを保証するために検査し、機能上の欠陥を排除することができる。次に、たとえば、システムを再開した後に、正しい基準値が決定され得る。この場合、基準値は、一種の準備段階において再開後に決定され、測定工程中に、その時点までの基準値と現在の測定値との平均を形成することにより更新される。
【００４０】
本発明が、例示的な実施形態に基づいて、貼付の図面を参照して再度、以下に説明される。各図面中の同一の構成要素には、同一の参照番号が付される。図面は、概して一定の縮尺で描かれていない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の例示的な実施形態による液滴検出デバイスの概略図である。
【図２】本発明による液滴検出デバイス、および異なる光導波路素子の有効高さを有する複数の変形例の断面図である。
【図３】本発明の例示的な実施形態による液滴検出デバイスの詳細図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による液滴検出デバイスの復調ユニットのミキサユニットの詳細図である。
【図５】本発明の例示的な実施形態による液滴検出デバイスの制御ユニットの概略図である。
【図６】液滴を検出する方法が示されるフローチャートである。
【図７】図３に示された変調評価ユニットの機能的な原理が示されるフローチャートである。
【図８】図３に示された検出フィルタユニットの機能的な原理が詳細に示されるフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１に、本発明の例示的な実施形態による液滴検出デバイス１１が示されている。図１に示された例示的な実施形態において、液滴検出デバイス１１は、光信号生成デバイス７０と、光導波路装置Ｌと、光評価デバイス８０とを備える。光信号生成デバイス７０は、パルス電気搬送波信号ＴＳを生成する信号生成ユニット２０を備える。電気搬送波信号ＴＳは、搬送波信号ＴＳでパルス化された光線ＬＳに電気信号ＴＳを変換する発光ユニット３１、たとえば、光ダイオードに送られる。発光ユニット３１によって生成されたパルス光ＬＳは、光導波路装置に送られる。図１に示された例示的な実施形態において、光導波路装置の第１の光導波路素子Ｌ１は、発光ユニット３１によって出射された光線ＬＳが光導波路装置の第１の光導波路素子Ｌ１に直接結合されるように、発光ユニット３１に接続される。
【００４３】
第１の光導波路素子Ｌ１によって、パルス光線ＬＳは、出射窓１４を通って中間スペースＺＲに供給され、中間スペースＺＲには、（ノズル調整ナットＤＥＭを有する）計量バルブＤＶによって放出された液滴ＴＲの軌道Ｔが通る。光線ＬＳの光は、変調光信号ＭＳに対応する情報を含むように、液滴ＴＲによって変調される。次に、変調光信号ＭＳを含む光線ＬＳが、検出窓１５を通って第２の光導波路素子Ｌ２に結合される。
【００４４】
変調光信号ＭＳを含む光線ＬＳは、第２の光導波路素子Ｌ２によって光評価デバイス８０に送られる。光評価デバイス８０は、光センサ３２および信号評価デバイス５０を備える。
【００４５】
液滴検出デバイス１１は、特にパルス光線の使用により、散乱光およびその他の外乱に非常に敏感であるが、有用な信号にきわめて敏感であるので、有利には、第１の光導波路素子Ｌ１の出射窓１４または第２の光導波路素子Ｌ２の検出窓１５において、レンズ系などの追加の光学素子を使用する必要がない。光導波路素子の出口側および入口側は、光導波路素子の長手軸に対して、同じ高さで、垂直でなければならない。光センサ３２および発光ユニット３１は、計量バルブＤＶの操作範囲の外に配置されているので、このセンサ３２およびエミッタ３１は、計量バルブＤＶのノズル調整ナットＤＥＭの範囲内を主に占める制限された空間状態とは独立して寸法決めすることができる。エミッタ３１は、非変調電気搬送波信号を非変調光信号ＬＳに変換する信号変換器として機能する。光センサ３２は、変調光信号ＭＳを変調電気測定信号ＥＭＳに変換する信号変換器として機能する。
【００４６】
変調電気測定信号ＥＭＳの以後の処理は、図３、６および７に関連してより詳細に説明される。
【００４７】
図２の上部詳細図に、本発明の例示的な実施形態による液滴検出デバイスの断面が示されている。さらに、図２の下部詳細図に、光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の配置の複数の変形例が、光導波路素子の異なる有効高さｈaで示されている。光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の配置は、光導波路素子ホルダＬＨと計量バルブＤＶとの間に取付けられたディスタンススペーサＤＳによって決定される。上部詳細図に示されたケースでは、有効高さは、計量バルブのノズル調整ナットＤＥＭを越えて、光導波路素子径の約半分であり、１ｍｍの光導波路素子径の場合、５００μｍの有効高さｈaに相当する。光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の断面の高さは、液滴の軌道Ｔが通る中間スペースに向かって開放された有効高さとして理解されるべきである。これは、この断面が、計量バルブのノズル調整ナットＤＥＭによって覆われない光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の断面の一部であることを意味する。しかしながら、この高さは、約１００μｍ厚のディスタンススペーサによるそれぞれの計量処理によって決定されるそれぞれの状況に適合され得る。
【００４８】
下部詳細図において、光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の配置の３つの変形例が、光導波路素子の異なる有効高さｈaで示されている。左の詳細図では、光導波路素子の全体領域が使用され、これは、有効高さｈaが光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の直径に相当することを意味する。これによって、液滴の長い通過時間が、両方の光導波路素子Ｌ１、Ｌ２間の検出範囲によって得られる。このことは、より多くのサンプル信号値が得られるので、液滴検出には有益である。
【００４９】
下部の真ん中の詳細図において、光導波路素子領域の半分が使用され、これは、有効高さｈaが光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の直径の半分に相当することを意味する。光導波路素子の有効幅ｂaは、光導波路素子Ｌ１、Ｌ２の直径に相当する。この変形例の場合、液滴の通過時間は、両方の光導波路素子Ｌ１、Ｌ２間の検出範囲のため、やや短いが、この変形例は、必要な導入スペース、すなわち液滴が塗布される材料への最小の距離と、達成される通過時間との間のよい妥協点を示している。
【００５０】
下部の右側の部分図では、光導波路素子の全体領域の一部のみが使用される。かかる配置は、たとえば、非常に小さな液滴の場合に、有利であり得る。というのは、この変形例の場合、有効領域と液滴によって陰になる領域との間により好ましい比率があるためである。これによって、変調信号の信号振幅がより強くなり、信号対雑音比の向上に寄与する。
【００５１】
図３には、本発明の特に好ましい例示的な実施形態による液滴検出デバイス１１ａが示される。液滴検出デバイス１１ａは、また、図１において示されたユニット、たとえば、図３において点線で示される光信号生成デバイス７０、光導波路装置Ｌおよび光評価デバイス８０を備える。光評価デバイス８０に加えて光信号生成デバイス７０は、図３に詳細に示される。光信号生成デバイス７０は、図１の光信号生成デバイスで示されるように、信号生成ユニット２０を備え、図１において点線で示される。この例示的な実施形態において、信号生成ユニット２０は、所定の特定可能なパルス周波数を有する伝達信号ＰＷＭ＿５を、たとえば、パルス方形波信号として生成する伝達信号生成ユニット２１を備える。生成された伝達信号ＰＷＭ＿５は、伝達信号ＰＷＭ＿５を搬送波信号ＴＳに増幅する電力増幅器２４に送られる。加えて、信号生成ユニット２０は、搬送波信号に対して位相シフトされたパルス制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４を復調ユニット４０のミキサユニット４３に送るように構成される信号生成ユニット２３を備えている。信号生成ユニット２３は、信号生成ユニット２０の一部であるが、検出された変調信号ＥＭＳを評価するように機能するので、光信号生成デバイス７０の一部ではなく、光評価デバイス８０の一部と考えられる。
【００５２】
さらに、信号生成ユニット２０は、光評価デバイス８０の増幅器スイッチ４４、４５を制御するための制御信号出力部２２を有し、これらのスイッチは、制御信号出力部２２によって生成される制御信号が変調信号ＭＳを評価するように機能するので、光信号生成デバイス７０の一部ではなく、光評価デバイス８０の一部とみなされる。
【００５３】
ミキサ４３用の制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４のパルス周波数は、常に伝達信号ＰＷＭ＿５の周波数と同じである。制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４と伝達信号との間の位相シフトは可変である。パルス周波数は、好ましくは、４５０ｋＨｚ±１５ｋＨｚである。搬送波信号の周波数の決定は、受け取られた信号（搬送波信号、および液滴によって引き起こされた振幅変調から生じる側波帯）がバンドパスフィルタ中を最適に通過することができることを確実にするのに役立つ。
【００５４】
搬送波信号と復調ユニットの制御信号との間の位相位置の設定によって、側波帯が選択される。搬送波周波数は、サンプリング定理に従って、変調ユニット３０を通る液滴の通過時間から生じる周波数の２倍よりも高くなければならない。
【００５５】
伝達信号生成ユニット２１によって生成される搬送波信号ＴＳは、増幅器２４によって発光ユニット３１に送られる。発光ユニット３１は、たとえば、発光ダイオードであって、発光ダイオードは、ＬＥＤに適用される搬送波信号ＴＳに従って点灯する。言い換えれば、最初はパルス電流として生ずる搬送波信号は、パルス光信号に変換される。発光ユニット３１は、光導波路装置Ｌに接続される。詳細には、発光ユニット３１は、パルス電気信号ＴＳを、光導波路装置Ｌの１つである第１の光導波路素子Ｌに出射し、第１の光導波路素子は、計量バルブ（図１参照）の検出される液滴ＴＲの軌道が通る中間スペースＺＲにパルス光信号ＴＳを供給する。第２の光導波路素子Ｌ２は、既に図１に関連して説明されたように、第１の光導波路素子Ｌ１に対向して配置される。
【００５６】
光導波路素子Ｌ２は、光評価デバイス８０に接続され、光評価デバイス８０も、図３では破線で示されている。光評価デバイス８０は、液滴ＴＲが分注された場合に、液滴によって変調される光信号を記録するセンサユニット３２を備える。センサユニット３２は、たとえば、変調光信号ＭＳを受取り、電気ラインによって運ばれ得る電気変調信号ＥＭＳに再度変換する光検出器を備える。
【００５７】
電気変調信号ＥＭＳは、次に、光評価デバイス８０の一部であり、復調ユニット４０も有する評価ユニット５０（図３では破線で示されている）に送られる。復調ユニット４０は、変調電気信号を増幅する増幅器ユニット４１を備える。増幅器ユニット４１は、信号生成ユニット２０の制御信号出力部２２によって制御され、一方では、光検出器３２によって検出された変調信号ＥＭＳを予備増幅するように機能し、他方では、トランスインピーダンス増幅器として機能する。それによって、光検出器３２は、ブロッキング方向にバイアスが掛けられ、疑似短絡回路で操作される。これにより、電圧変動無しに、何倍もの光の強度に線形に依存する電流が光検出器３２から放出される。これにより、通常は端子の電気容量により制限される検出器の帯域幅が、電気容量の反転が起こらないため、かなり高くなる。さらに、バイアスにより、電気容量のさらなる減少がなされ、達成可能な帯域幅のさらなる増加がそれと同一歩調をとる。加えて、トランスインピーダンス増幅器によって、電力信号の電圧信号への変換が行なわれる。この変換の増幅率は調節可能である。これにより、液滴のシャドウィングに依存する最大の電圧駆動信号変調が達成される。
【００５８】
さらに、復調ユニット４０は、フィルタユニット４２を備える。フィルタユニット４２は、たとえば、変調された信号ＥＭＳの両方の側波帯および搬送波周波数を通すだけのバンドパスフィルタを備え得る。フィルタユニット４２は、さらに、搬送波信号ＴＳのパルス周波数からはるかに離れた周波数を有する外部光入射により生じる潜在的な破壊信号を取り除く。加えて、フィルタユニット４２、好ましくは、急峻なエッジのバンドパスフィルタは、また、パルス幅変調により生成された調和波を取り除く。このようにフィルタリングされた変調測定信号ＥＭＳは、次に、ミキサ４３に送られ、ミキサ４３は、変調され、フィルタリングされた測定信号ＥＭＳと、搬送波信号に対して位相シフトされ、第２の信号生成ユニット２３によって生成された、以下でＰＷＭ信号ともいうパルス制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４とを混合し、同相信号または同相成分Ｉは、同相信号増幅器４４に送られ、直交信号または直交成分Ｑは、直交信号増幅器４５に送られる。同相信号増幅器４４および直交信号増幅器４５は、信号生成ユニット２０の制御信号出力部２２により制御される。増幅器４１、４４、４５は、互いに別々に制御される。これらの増幅器は、データバス（たとえば、Ｉ２Ｃバス）によってプログラムされ得る可変抵抗器（レオスタット）により設定される。それによって、各レオスタット（ひいては、増幅器）は個々に調整される。それによって、増幅器４１の数値設定は、増幅器４４、４５と完全に独立している。しかしながら、増幅器４４、４５は、常に、Ｉ信号とＱ信号との間の関係を変更しないために、同じ数値を有する。しかしながら、また、これらは、互いに別々に制御される。ミキサユニット４３の機能は、図４で詳細に説明され、以下でさらに詳細に説明される。同相成分Ｉおよび直交成分Ｑは、変調信号ＭＯＤを形成する。
【００５９】
両信号成分Ｉ、Ｑの増幅が、増幅器４４、４５内で行なわれた後、評価ユニット５０内では、両成分Ｉ、Ｑは、図２に示された例示的な実施形態における制御ユニット６０の一部である、評価ユニット５０のサブユニットに送られる。制御ユニット６０は、信号成分Ｉ、Ｑに対する、対応する入力部５３、５４を備える。アナログ信号成分Ｉ、Ｑをデジタル信号に変換するＡ−Ｄ変換器（図示されず）が、入力部５３、５４の下流に接続される。復調ユニット４０の増幅器４４、４５は、その増幅率が調整可能であり、ミキサユニット４３によって生成された変調信号ＭＯＤの信号成分Ｉ、ＱをＡ−Ｄ変換器の最適電圧レベルまで増やすように機能する。これにより、変換器の分解能の最大限の利用が保証される。成分Ｉ、Ｑにおいて利用可能な直流成分のために、Ａ−Ｄ変換器を、基準電圧によって特定されるそれらの電圧限界にしないように、液滴によって生じる交流部分のみが増幅される。
【００６０】
さらに、評価ユニット５０は、変調評価ユニット５１および検出フィルタユニット５２を含む。評価ユニット５０のこれらのサブユニットは、図２に示す制御ユニット６０の一部である。変調評価ユニット５１において、デジタル化された信号成分Ｉ、Ｑは、たとえば、極座標変換処理によって、数学的に生成され、振幅および位相情報に変換される。検出フィルタユニット５２は、たとえば、収集された情報を用いて、第１の光導波路素子Ｌ１と第２の光導波路素子Ｌ２との間の中間スペースＺＲを液滴が通過したかどうかを判定するのに用いられるパラメータ化可能フィルタとして設計することができる。システム１１ａが正規の動作を開始する前に、互いに別々の２つの進行中の初期化動作によって設定されなければならない。
【００６１】
一方では、全てのハードウェアアセンブリは、検出に最適な動作点で設定されなければならない。これらの設定は、搬送波信号のデューティーサイクルによる光センサ３２の動作点の決定、バンドパスフィルタ４２のフィルタ特性に対する搬送波信号ＴＳの周波数調整、正確な側波帯の選択に対する搬送波信号に関するミキサ信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４の位相位置の設定、トランスインピーダンス増幅器４１の最適増幅率の決定、およびＡ−Ｄプレアンプ４４、４５によるＩおよびＱ信号の、入力部５３、５４のＡ−Ｄ変換器への信号の適合を含む。他方では、検出フィルタユニット５２の全てのパラメータは、予想される対象液滴ＴＲに対して調整される。これには、振幅および位相値の導関数の最大値を探索する時間窓、ならびに、振幅および位相値の基準値の許容絶対範囲に加えて、振幅および位相値の基準値からの比較値の許容相対変動が含まれる。ハードウェアおよびフィルタは両方とも手動で、または自動トレーニング処理によって設定することができる。これらの設定は、液滴ＴＲの検出に関する信号評価に加えて、変調値を得るために必要である。
【００６２】
図４において、この実施形態では直交復調器であるミキサユニット４３が詳細に示される。直交復調器４３は、送信器４３１と、並列のスイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄを有するスイッチユニット４３２と、並列のスイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの各々の下流の積算器４３３ａ、４３３ｂ、４３３ｃ、４３３ｄを有する積算器ユニット４３３と、２つの積算器にそれぞれ電気的に接続された第１および第２の差動増幅器４３４ａ、４３４ｂとを備える。直交復調器４３は、単一側波帯ミキサとして作用し、さらに、電気変調測定信号ＥＭＳをベースバンドに戻すように再度設定する。下流で積算器４３３ａ、４３３ｂ、４３３ｃ、４３３ｄと接続される差動増幅器４３４ａ、４３４ｂによって、ミキサ４３のスイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄを制御する制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４に対して、変調測定信号ＥＭＳの位相位置を適切に選択することにより、復調に使用される側波帯が選択される。差動増幅器４３４ａ、４３４ｂの出力信号として、同相信号Ｉおよび直交信号Ｑが生成され、それによって変調信号ＭＯＤが得られ、変調信号ＭＯＤは、計量バルブの液滴ＴＲによる搬送波信号ＴＳの外乱と相関する。
【００６３】
特に、ミキサユニット４３は、以下のように作用する：測定信号ＥＭＳが送信器４３１からミキサユニット４３の入力部へ伝達される。送信器４３１は、各種の成分間の性能を適応させるように機能し、加えて、信号のバランスをとり、存在するオフセットを除くように機能する。さらに、ミキサ４３は、送信器の出力部に直列で接続され、積算器４３３ａ、４３３ｂ、４３３ｃ、４３３ｄと共にフィルタを形成する抵抗器Ｒを備える。制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４は、スイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄに適用され、スイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの１つを期間ＴPWMの４分の１または搬送波信号ＴＳの４分の１波長の間に相互に連結させる信号生成ユニット２３によって増分される。制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４は、搬送波信号ＴＳと同期される。もし、スイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄの１つが閉になると、各スイッチ４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄが閉である時間間隔の測定信号ＥＭＳは、割り当てられた積算器４３３ａ、４３３ｂ、４３３ｃ、４３３ｄによって平均値に積算される。積算器４３３ａ、４３３ｂ、４３３ｃ、４３３ｄは、たとえば、並列に接続されたキャパシタを備え、搬送波信号ＴＳの個々の４分の１波長に割り当てられた変調電気測定信号ＥＭＳのセクションの平均値を生成することができる。第１の４分の１波長に積算された平均値は、「＋」で示された、第１の微分器４３４ａの正の入力部にあり、第３の４分の１波長に積算された平均値は、「−」で示された、第１の微分器４３４ａの負の入力部にある。第２の４分の１波長に積算された平均値は、第２の微分器４３４ｂの正の入力部にあり、第４の４分の１波長に積算された平均値は、「−」で示された、第２の微分器４３４ｂの負の入力部にある。ベースバンドにおける同相信号Ｉは、第１の微分器４３４ａの出力部で生成され、ベースバンドにおける直交信号Ｑは、第２の微分器の出力部で生成される。かかる混合ユニットの機能性に関する詳細は、米国特許第６，２３０，０００号明細書に記載されている。
【００６４】
図５において、制御手段６０の外形（ハウジング）が示され、制御手段６０を用いて、液滴検出デバイス１１、１１ａの個々のユニットの制御システム、測定信号の評価、個々のユニットの機能性のモニタリング、および個々のシステムのパラメータの設定および調整が実行され得る。この場合、全ての電子機器がこのハウジング内に収容される。原則的には、これは、光電子信号変換器（受信フォトダイオード３２、および送信ＬＥＤ３１）を含む液滴検出システムの全てに関する。これらは「光の範囲」の境界、すなわち送信光導波路素子Ｌ１、出射窓および外部に位置する液滴通路Ｔとの境界を示す。
【００６５】
将来、データバス接続部ＤＢは、とりわけ、バルブ制御ユニットと通信するように機能するべきである。たとえば、液滴検出の現状または過去の計量処理の統計（検出されたエラーの数および発生時点）は、データバス接続部ＤＢを経由してこれに送ることができる。データバス接続部ＤＢのその他の任意の適用としては、液滴検出が適切に機能しているかどうかを検査するために、液滴検出システムが、バルブ制御ユニットに意図的な間違った投与をするように促し得ることである。それで、液滴検出は、これらの意図的な正しくない投与を検出する必要がある。制御手段６０の一部は、また、通信インタフェースＩ／Ｏを含み、それによってバルブ制御ユニット７０からのトリガー信号を受取り、および、それによって計量状態における液滴検出デバイスのシステム状況に関する情報が示される。
【００６６】
さらに、制御手段６０は、上位のプロセス制御コンピュータ８０への接続部として機能するシリアルインタフェースＳＩを備える。プロセス制御コンピュータ８０は、シリアルインタフェースＳＩによって液滴検出を制御可能であり、および／または過去の投与に関する状況報告を要求可能である。
【００６７】
制御手段６０は、受信光導波路素子Ｌ２の光素子への接続部として機能する入力部ＲＸを有する。受信光導波路素子Ｌ２は、入力部ＲＸに接続される。出力部ＴＸは、送信光導波路素子Ｌ１の送信発光ダイオード３１への接続部として機能する。送信光導波路素子Ｌ１は、出力部ＴＸに接続される。
【００６８】
その他の入力部ＵSが、制御手段６０に電力を供給するように機能する。追加の入力部ＰＧＭは、ファームウエア移送用プログラミングソケットとして使用することができる。
【００６９】
このほかに、制御手段６０は、ディスプレイ５５および制御表示灯５６〜５９を備える。第１の制御表示灯５６は、各種システムエラーを表示するように機能する。第２の制御表示灯５７は、システムの状態およびシステムのアクティビティを表示するように機能する。この状態は、たとえば、光導波路素子Ｌ１、Ｌ２が適切に接続されていない、損傷がある、長すぎる、または汚れているという状況に関するものであり得る。第３の制御表示灯５８は、正しい投与量の液滴が検出されたという通知を含み得る。第４の制御表示灯５９は、たとえば、液滴が検出されなかった、または検出された液滴が対象の液滴から偏差が大きすぎるなどの計量エラーが起こったという通知を含み得る。
【００７０】
さらに、制御手段６０は、液滴検出デバイスの個々のユニットを調整するための２つの圧力スイッチＳ１、Ｓ２を備える。たとえば、１つのスイッチＳ１を、所定時間（ここでは、たとえば、２秒）押すことにより、第１のトレーニングモード、「ハードウェアトレーニングモード」が起動され、このモードでは、たとえば、搬送波信号ＴＳのパルス幅の設定が行なわれ、それによって、搬送波信号ＴＳに基づいて形成された光線の、光センサユニットに達する残光に対して、発光ユニット３１が最適な明るさに達し、変調信号ＥＭＳの両方の側波帯がセンサデバイスの下流に接続されたフィルタユニット４２を通過し得るように、パルス搬送波信号ＴＳの周波数の決定が行なわれ、復調ユニットに属するミキサユニット４３を制御する制御信号ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４に関して、信号ＰＷＭ＿５によって搬送波信号ＴＳの位相位置の設定が行なわれ、および、電圧と、トランスインピーダンス増幅器として作用する増幅器ユニット４１とを調整するために、増幅器ユニット４４、４５の設定が行なわれる。ハードウェアトレーニングモードは、たとえば、液滴検出デバイスの最初の立ち上げ中に、またはハードウェア構成要素が取り換えられた場合に実行される。
【００７１】
他のスイッチＳ２を、所定時間（たとえば、２秒）押すことにより、第２のトレーニングモード、すなわち「ソフトウェアトレーニングモード」が起動され、このモードでは、たとえば、評価ユニット５０の変調評価ユニット５１および検出フィルタユニット５２の、新種の液滴に対するトレーニングが行われる。ここで、基準値に対する比較値の相対許容変動範囲と、検出フィルタユニット５２に関連する数値の収集時間窓と、基準値の絶対値範囲とが決定される。このソフトウェアトレーニングモードは、たとえば、新しいテストシリーズが未決定の場合に、すなわち異なる種類の液滴が検出されるべき場合に行われる。
【００７２】
図６では、計量バルブＤＶの液滴検出方法５００が示されるフローチャートを示す。ステップ６．Ｉでは、パルス搬送波信号ＴＳが、所定のパルス周波数または搬送波周波数および所定のデューティーサイクルで生成される。
【００７３】
ステップ６．ＩＩでは、搬送波信号ＴＳと、計量バルブＤＶにより分注された、検出される液滴ＴＲとの物理的相互作用により、変調測定信号ＭＳが生成される。具体的には、サブステップ６．ＩＩａでは、搬送波信号ＴＳは、最初に、発光ユニットにより光信号ＬＳに変換される。サブステップ６．ＩＩｂの間、搬送波周波数でパルス化された光線ＬＳが第１の光導波路素子Ｌ１に結合される。次に、ステップ６．ＩＩｃにおいて、パルス化された光線ＬＳが、第１の光導波路素子Ｌ１と第２の光導波路素子Ｌ２との間の中間スペースＺＲを通過するように第１の光導波路素子Ｌ１によって出射され、第１の光導波路素子Ｌ１と第２の光導波路素子Ｌ２との間の中間スペースＺＲを通る液滴ＴＲの軌道を横切り、次に、場合により変調光信号を含んで、第２の光導波路素子Ｌ２に結合される。ステップ６．ＩＩｄでは、場合により変調光信号ＭＳを含む光線ＬＳが、光変換ユニット、たとえば、光センサによって、場合により変調された電気測定信号ＥＭＳに変換される。
【００７４】
ステップ６．ＩＩでは、変調信号ＭＯＤが、場合により変調された電気測定信号ＥＭＳに基づいて決定される。変調信号ＭＯＤは、液滴ＴＲが光線ＬＳと衝突するときに、光線の変化によって形成される情報に対応する。次に、工程６．ＩＶでは、変調信号ＭＯＤに基づいて、液滴ＴＲが計量バルブによって分配されたかどうかが判定される。
【００７５】
図７では、図３に示された評価ユニット５０の変調評価ユニット５１の機能原理７００が詳細に示される。ステップ７．Ｉでは、変調評価ユニット５１は、評価ユニット５０の制御手段６０の下流に接続されたＡ−Ｄ変換器の、図３に示された入力部５３、５４からの同相および直交成分Ｉ、Ｑを記録する。同相信号Ｉおよび直交信号Ｑのサンプリングは、連続して行なわれる。それによって、両方の値Ｉ、Ｑは、好ましくは、同時に得られる。さらに処理される前に、値Ｉ、Ｑは、照射干渉、ＡＤＣ変換エラーなどによって生じた極値を除去するために、メジアンフィルタを通過する。ステップ７．ＩＩＩでは、信号成分Ｉ、Ｑは、極座標変換プロセスによって、信号ＭＯＤ（Ａ、φ）に変換され、信号ＭＯＤは、変調信号ＭＯＤの振幅Ａおよび位相φに関する情報を含む。たとえば、振幅Ａは以下に示す通りである。
【００７６】
【数１】
2019501366.tif 000003
【００７７】
さらに、変調信号ＭＯＤの位相φは、以下の式から得られる。
【００７８】
【数２】
2019501366.tif 000004
【００７９】
この場合、Ｉ、Ｑは、復調信号または変調信号ＭＯＤの同相および直交成分Ｉ、Ｑの振幅に相当する。振幅Ａおよび位相φは、信号成分Ｉ、Ｑと同様に時間依存因子である。高いサンプリング速度およびそれに関連する早い数値の収集により、式（１）および（２）による計算は、線形の中間値補間でルックアップテーブルにより算出される。
【００８０】
ステップ７．ＩＩＩでは、変調信号ＭＯＤ（Ａ、φ）の振幅Ａおよび位相φの時間微分が行なわれる。ステップ７．ＩＶでは、微分値ｄＡ／ｄｔ、ｄφ／ｄｔが、所定の時間間隔ＩTで観察され、前もって決定された、微分値ｄＡ／ｄｔ、ｄφ／ｄｔの多くの最大値ｍａｘ（ｄＡ／ｄｔ）、ｍａｘ（ｄφ／ｄｔ）、たとえば、最大１０の数値が所定の時間間隔ＩTで選択される。所定の時間間隔ＩTは、たとえば、液滴検出デバイスを開始するとき、および検出フィルタトレーニングの間に、前もって決定することができる。ステップ７．Ｖでは、変調値ＡM、φMが、所定の数の最大値の合計として、振幅Ａおよび位相φについて示される。
【００８１】
図８では、図３に示された評価ユニット５０の検出フィルタユニット５２の機能原理８００が詳細に示される。ステップ８．Ｉでは、図７に示された方法に従って変調評価ユニット５１によって決定された、振幅Ａおよび位相φについての変調値ＡM、φMが、比較値としても知られるが、受け取られる。ステップ８．ＩＩでは、これらの比較値ＡM、φMが、電子記憶システムに保存される。さらには、ステップ８．ＩＩＩでは、保存された比較値が、基準値を計算するために使用される。振幅Ａおよび位相φについての基準値ＲＷA、ＲＷφが決定される。これらの基準値ＲＷA、ＲＷφは、たとえば、古い振幅および位相値、すなわち、たとえば、液滴の以前の検出の間に得られた比較値からの平均値であり得る。
【００８２】
ステップ８．ＩＶでは、基準値ＲＷA、ＲＷφから変調評価ユニット５１によって決定された、振幅Ａおよび位相φについての変調値ＡM、φMの偏差ＡＷが算出される。次に、ステップ８．Ｖでは、それぞれ決定された偏差ＡＷと、最大許容相対偏差の上方ＡＷ＿Ｏｂｅｎまたは下方ＡＷ＿Ｕｎｔｅｎとの比較が行なわれる。もし偏差が大きすぎる場合、図８に「ｊ」で示されるように、ステップ８．ＶＩでは、間違った液滴が検出されたという通知がなされる。許容偏差のＡＷ＿ＯｂｅｎまたはＡＷ＿Ｕｎｔｅｎの範囲は、開始手順中に、または液滴検出デバイスの上記のソフトウェアトレーニングにおいて１つまたは複数の対象液滴を用いて決定される。
【００８３】
徐々に発生するエラー、たとえば、計量バルブＤＶからの液滴の頻繁に繰り返される放出の間に検出される液滴のサイズがゆっくり変化する事象を認識することを可能にするために、基準値ＲＷA、ＲＷφ、すなわち、たとえば、過去の液滴の変調値ＡM、φMの平均値も監視される。ステップ８．ＶＩＩでは、振幅Ａおよび位相φの基準値ＲＷA、ＲＷφが所定の絶対値の範囲ＡＲＩ、ＰＲＩ内にあるかどうかが判定される。もし基準値ＲＷA、ＲＷφが所定の絶対値の範囲ＡＲＩ、ＰＲＩ内にない場合、図８に「ｎ」で示されるように、ステップ８．ＶＩＩＩにおいて、連続した間違った液滴のみが存在するという通知がなされる。このエラーの解決は、平均値を安定させた後、すなわち過去の液滴の有効な基準値が再度存在するときにのみ行なわれる。基準値ＲＷA、ＲＷφが所定の値の範囲ＡＲＩ、ＰＲＩ内にある場合、および現在の液滴の値ＡM、φMの基準値ＲＷA、ＲＷφとの関係が許容相対範囲内にある場合、図８に「ｊ」で示されるように、ステップ８．ＩＸにおいて、正しい液滴が検出されたという通知がなされる。結果の出力は、たとえば、図５に示された制御表示灯５８、５９によって行なうことができる。
【００８４】
最後に、上に詳細に説明された装置の場合、これらは例示的な実施形態に関連し、当業者によって、本発明の範囲を離れることなく様々な方法で変更され得ることが指摘される。さらに、不定冠詞「ｅｉｎ」または「ｅｉｎｅ」の使用は、いくつかの関連する特徴も利用可能であることを除外しない。さらに、用語「Ｅｉｎｈｅｉｔ」は、複数の、また、適用可能であれば、空間的に離れたサブユニットからなる構成要素を含むべきである。加えて、用語「Ｅｉｎｈｅｉｔ」は、概念的に論理的なユニットを意味し、すなわち、同一のハードウェア構成要素は、これらの複数の論理的なユニットを含み得る。このことは、また、たとえば、復調ユニット４０にも適用され、適用可能であれば、信号生成ユニット２０および評価ユニット５０にも適用される。
【符号の説明】
【００８５】
１１、１１ａ  液滴検出デバイス
１４  出射窓
１５  検出窓
２０  信号生成ユニット
２１  伝達信号生成ユニット
２２  制御信号出力部
２３  第２の信号生成ユニット
２４  電力増幅器
３０  変調ユニット
３１  発光ユニット／発光ダイオード
３２  光センサ
４０  復調ユニット
４１  増幅器
４２  フィルタユニット
４３  ミキサ／ミキサユニット
４４  同相信号増幅器
４５  直交信号増幅器
５０  評価ユニット
５１  変調評価ユニット
５２  検出フィルタユニット
５３、５４  入力部
５６〜５９  表示灯
６０  制御ユニット
７０  光信号生成デバイス
８０  光評価デバイス
４３１  送信器
４３２  スイッチユニット
４３２ａ、４３２ｂ、４３２ｃ、４３２ｄ  並列して接続されたスイッチ
４３３  積算器ユニット
４３３ａ、４３３ｂ、４３３ｃ、４３３ｄ  積算器
４３４ａ、４３４ｂ  差動増幅器
Ａ  振幅
ＡM  振幅変調値
ＡＲＩ  振幅基準値の所定値範囲
ＡＷ  偏差
ＡＷ＿Ｏｂｅｎ  上方相対偏差
ＡＷ＿Ｕｎｔｅｎ  下方相対偏差
ｂa  有効幅
ｄＡ／ｄｔ  振幅の時間変動
ｄφ／ｄｔ  位相微分値
ＤＥＭ  ノズル調整ナット
ＤＳ  ディスタンススペーサ
ＤＶ  計量バルブ
ＥＭＳ  変調電気測定信号
ｈa  光導波路素子の有効高さ
Ｉ  同相信号／同相成分
ＩT  所定時間間隔
Ｉ／Ｏ  通信インタフェース
Ｌ  光導波路装置
ＬＨ  光導波路素子ホルダ
ＬＳ  光線／光信号
Ｌ１  第１の光導波路素子
Ｌ２  光導波路素子
ＬＳ  パルス光線
ＭＯＤ  変調信号
ＭＯＤ（Ａ、φ）  極座標の変調信号
ＬＳ  変調光信号
ＰＧＭ  ファームウエア移送用プログラミングソケット
ＰＲ１  位相基準値の所定値範囲
ＰＷＭ＿１〜ＰＷＭ＿４  位相シフトしたパルス搬送波信号
ＰＷＭ＿５  伝達信号
Ｑ  直交信号／直交成分
Ｒ  抵抗器
ＲＸ  入力部
ＲＷA  振幅についての振幅基準値
ＲＷφ  位相基準値
Ｓ１、Ｓ２  圧力スイッチ
ＳＩ  シリアルインタフェース
Ｔ  軌道
ＴPWM  搬送波信号周期
ＴＲ  液滴
ＴＳ  パルス光／搬送波信号
ＴＸ  出力部
ＵS  制御ユニットの電力供給用入力部
ＺＲ  中間スペース
φ  位相
φM  位相変調値
【図１】
2019501366.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2019501366.tif 000012
【国際調査報告】
2019501366.tif 000013
2019501366.tif 000014
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