【中關村在線原創】所有開車的人都知道儀錶盤上有個油量表，可以比較準確的預估剩餘的油量。汽車的郵箱容積最小也有幾十升，所以在裡面放上傳感器不算多複雜的技術。但是印表機就不一樣了，印表機的墨盒很小，怎麼才能在小墨盒裡面知道還剩下多少墨水呢？不同的企業給出了不同的辦法，商場即戰場，保護墨盒就是保護企業的核心利益，但這背後是高科技。
印表機怎麼知道墨水沒有了？靠的是精妙的設計和高科技
越小越難實現
想像一下：您在高速公路上開車，但是發現居然沒有油量表，隨時可能沒油，或是憑藉經驗來估算需要加油。這顯然比較盲目，但是在噴墨印表機誕生之後的很長一段時間裡，工作的模式其實差不多是這個樣子，用戶不知道墨盒還剩下多少墨水。
早期的印表機是不知道還有多少墨水剩餘的
作為印表機企業，當時的佳能、惠普、IBM（後來的利盟）儘管可能考慮了這個問題，但是問題比較棘手，相關的專利普遍都是1990年代的，而噴墨印表機是1980年代就開始銷售的產品，這兩者之間時間間隔很長。而愛普生的微壓電技術推出時已經是1990年之後的事情了。
汽車油箱可以用較大的零件來實現油量感知，但是印表機墨盒太小了
為什麼棘手？因為汽車油箱大，一個浮子和不複雜的可變電阻就解決了剩餘油量計算的問題，但是印表機的墨盒小，這些東西裝不進去，只能想別的辦法。開始的時候想出的辦法和汽車差不多，也是通過電極測量電阻，當墨水減少之後，電阻會變化。但是這樣就有了條件即墨水必須要導電才行，而墨水的水是純水並不導電，需要導電的染料，這就限制了墨水的種類，而且會導致墨盒複雜化成本過高。
印表機墨盒不透明的多
並且印表機的墨水大多數是染料墨水，所以儘量都是不透明的墨盒。怎麼才能在密閉的小盒子裡獲得裡面還剩下多少墨水的信息呢？本文就是通過解析惠普、佳能、愛普生的專利來向大家解釋印表機是怎麼知道還有多少墨水的。
惠普與墨滴計數
在1995年，中國惠普向中國專利局申請了專利，名字叫做「用於噴墨列印系統的具有油墨保有量檢測電路的油墨容器及確定油墨保有量的方法 「，中國專利號CN 1151362 C。
墨盒內的吸水材料有防止墨水因為重力淌出的作用
這裡要先明確的是幾個問題。首先墨盒裡面為何有很多聚合物」棉花「一樣的東西？因為墨盒是向下的，液體的特性就是要向下流動，墨盒首先要保障不會自己就往下流淌。要知道最早的噴墨列印產品都是水平發射的。所以實現的辦法就是要利用好表面張力，或是負壓。
左側的就是噴嘴，用加熱沸騰的辦法來噴出墨水
惠普專利的核心在於墨滴計數。我們知道熱發泡列印技術，原理是噴嘴附近有個電阻，這個電阻加熱導致墨水沸騰、噴出墨水。可以通過輸送給列印頭多少加熱墨水的信號，來估算噴射出去墨水的數量，這是統計方法之一。
連接列印頭的晶片來進行餘量計數
惠普的核心是計算墨滴數量來獲得消耗信息
當然這種辦法不夠準確，因為沸騰噴射出去的墨滴大小一致性一般，所以容易產生累計的誤差導致算不準。所以，惠普將這個稱之為近似計數，這是一個8位的二進位數據，可以表示2的8次冪，也就是256位。
惠普會通過精確的統計來裝入比預計的量多一點的墨水
在墨盒生產之前，惠普會進行測試，根據注入的墨水量和噴射的墨滴數來獲得一個數據，這個稱之為精確計數。墨盒上的晶片寫有這個數據，也就是每次256位計數寫滿的時候，會觸發一次精確計數，這個數字是墨盒墨水量的12.5%，也就是八分之一，然後這個8位二進位數再重新開始計算，這樣8次過後就把一個墨盒消耗完成。在墨盒內部也有傳感器，來檢測墨水剩餘的情況。這個數據會返回給計算機，這樣計算機就知道消耗了多少墨水，驅動程序就能顯示墨水的剩餘狀態。
佳能的紅光
佳能的印表機，在有列印頭的墨盒上採用的墨水統計算法和惠普應該是一致的，這與佳能、惠普多年來的合作不無關係，雙方在列印領域的專利有多種授權方式。不過佳能的一些高端墨盒、列印頭獨立的產品上，可以看到在墨盒安放位置有紅光。
佳能PRO-100印表機的紅光
每個墨盒底部都有一個三角稜鏡
這種技術是通過墨盒底部的稜鏡以及LED來進行液面檢測，佳能在1998年於美國註冊了這個專利，專利號為US 6361136 B1。這種技術是用來檢測當墨水即將耗盡的時候進行墨水餘量的感知。而耗盡前的感知還是同過墨滴計數一類的辦法來實現的。
佳能設計了兩個方案，產品上用的左邊稜鏡的
墨盒底部小稜鏡放大的結構示意圖
在專利中，佳能設計了多種墨水感知的方案。而在實際的產品上，我們看到佳能應用的是三角形的小稜鏡。這個裝置的細節如圖，剖面上可以看到一側的發光裝置以及另外一側的接收器。
稜鏡檢測的原理：有沒有墨水反射回來的光不一樣，接收器可知
當墨盒中墨水沒有的時候，這個小三角稜鏡與液體之間，會形成一個類似全反射稜鏡的現象，這樣另外一側接收器接收到的信號強度很高。而當墨水液面高於稜鏡的時候，開始有光穿透稜鏡散射到了墨水中，接收端探測到返回的光量比較少，這樣機器就知道了墨水還足夠。
愛普生的微壓電震蕩檢測
我們知道愛普生用的是微壓電列印技術，這和佳能、惠普的熱發泡技術完全不一樣，他是依靠壓電晶體的形變將墨水從頁面推出。這個推出過程中，液體會形成震蕩，愛普生的墨水餘量計算就是利用這種震蕩。愛普生的墨水檢測專利在中國的專利號是CN 1380852 A。
愛普生微壓電的原理：壓電塊加壓後會變形擠出墨水，這會產生震蕩
愛普生的墨水計算一樣離不開估算。這種估算是基於壓電信號的多少已經墨滴的大小，因為微壓電技術對這兩個狀態的控制更精確一些，所以可以建立一個基於列印多少墨滴的估算值。
愛普生同過壓電器件的輸出變化來判斷墨水消耗
愛普生的微壓電列印頭上裝有傳感器，當一定量的墨水同過列印頭的時候，壓電器件的輸出會有很大的變化，利用這種變化，就可以得知墨盒為空和墨盒充滿墨水時候輸出的不同，這兩個值之間來判斷墨水比較精確的消耗。這個數據和前面的估算值進行比較、矯正，就可以比較精確的知道墨水用了多少。這個數據會在墨盒上的晶片不斷的累計，並同過驅動程序來為用戶提供可視化的餘量顯示。
墨盒顯示用完了還剩一點點，也是對列印頭的保護
無論是哪一家的辦法，我們都可以看到都難言完美的檢測到底還有多少。所以墨盒餘量設計的初衷，就是保障在儘可能多的消耗，也不會出現墨水消耗沒了、但是驅動程序顯示墨水還有一點點的現象，一定是驅動程序顯示墨水已經沒有提示更換，但實際墨盒裡還有一點點。這也是在保護列印頭，比如熱發泡的列印頭，電阻幹燒沒有墨水會讓列印頭容易損壞。而印表機企業在墨盒裡灌注的時候，也比標稱的容量多灌注大約10%左右作為冗餘。
油量不足還能跑一段，也是對發動機的保護，印表機同理
當你行駛在馬路上，低頭一看油表，顯示已經沒油了，但是車還能開一段距離，印表機的墨盒也是這個道理。