專利名稱：噴墨打印機的筆故障檢查電路的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于檢測噴墨打印機中的筆故障的電路。具體地說，本發明涉及檢查打印驅動器電路中的開路和短路故障的電路。
背景技術：
噴墨打印機是用于生成優質彩色和黑白圖片及文本的節省成本的工具。噴墨打印機中的傳統打印機構包括與打印頭連接的一個或多個裝墨水的打印墨盒。打印頭具有包括一個或多個可電控的墨水流動通道的“筆”，這些墨水流動通道連接到墨水容器，并且用于通過噴嘴把墨水噴射到打印基質(例如一張紙)上。
熱式噴墨打印機利用熱把墨水噴射到紙上。墨水通過與各噴嘴關聯的加熱元件來加熱。功率驅動器電路在預定時間把電流脈沖提供給各個加熱元件，使靠近加熱元件的墨水汽化并形成氣泡，直到壓力迫使氣泡爆裂，噴出大約5-10微微升的墨滴。然后，氣泡隨著加熱元件冷卻而收縮，產生的真空從容器中吸取墨水來取代被噴出的墨水。
打印分辨率主要由打印頭噴嘴可循環進行這些步驟的頻率來確定。為了迅速加熱元件，大量的能量在短時間內被傳遞到加熱元件。例如，范圍在10-24伏的電源可用于傳遞功率脈沖。由于這個電源電壓高于傳統邏輯功率電平(例如2.7-5.0伏)，因此用于把功率傳遞給加熱元件的開關是高壓器件。
打印頭的性能在很大程度上受到向加熱元件一致且可靠地施加精確確定的功率量的能力的影響。但是，墨水中和其它地方的污染物會在打印頭中造成短路(即過度的泄漏電流)和開路(即過度的寄生電阻)，使噴嘴誤噴或根本不噴出墨水。過度的泄漏和寄生電阻導致功率從加熱元件轉移，從而影響打印性能。另外，在打印墨盒和墨盒驅動器電路之間的連接上會出現故障，導致短路和開路。
考慮到這些問題，許多噴墨打印機包括故障檢查電路，這些電路檢查打印機構，以找出使打印的圖像和文本的質量下降的短路和開路。這些故障檢查電路以連接到筆的驅動電路的集成電路器件來實現。故障檢查電路檢測驅動墨噴嘴的電路中存在開路或短路的情況，以便可以關閉、修理或更換出故障的噴嘴或采取其它校正動作。
故障檢查電路實質上把電壓或電流信號加到噴嘴單元以測量噴嘴單元的等效電阻(Req)。把等效電阻與閾值電阻(Rth)進行比較，其中以表明過度泄漏或寄生電阻的值來設立Rth。實際上，這種故障檢查通過把測試信號加到筆電路上并測量響應信號來執行。比較器邏輯用于把響應信號與參考信號進行比較，其中參考信號基于Rth的值(即，與其成比例)。因此，為了讓比較器邏輯正常工作，Rth的值必須與筆的等效電阻Req具有已知的關系。
但是，傳統的故障檢查電路包括高壓開關，這些高壓開關連接到筆電路，使得故障檢查電路不會被正常工作期間施加的高電壓所損壞。因此，故障檢查機構具有與高壓器件相關聯的較大的芯片尺寸。因此，仍然需要一種芯片尺寸減小的筆故障檢查電路。
傳統的故障檢查電路存在的另一個問題是可能產生正負兩種錯誤讀數，因為Rth是由與故障檢查電路集成在一起的元件來確定的，并且不容易調節以匹配筆電路。因此，Rth值受到多個變量的影響，例如制造差異、環境條件變化以及諸如電源電壓變化之類的工作條件等。在傳統電路中，Rth值易受電源電壓、筆故障電路邏輯器件的內部增益、筆故障電路邏輯器件內電阻的電阻值差異、工作溫度以及其它變量的變化影響。通常希望針對這些差異來補償比較器邏輯。
故障檢查電路存在的又一個問題在于，它會對打印機電路中的故障過于敏感或者不夠敏感。但是，故障檢測邏輯的參考電路中集成元件的使用使得難以通過處理比較器邏輯中的元件參數(如增益和電阻值)來充分地調節靈敏度。因此，仍然需要調節靈敏度的能力得到改善的故障檢查電路。
本發明針對噴墨打印機的傳統故障檢查電路存在的這些和其它問題。
發明內容
簡言之，本發明的一個實施例包括噴墨打印機的筆故障檢查電路，其中包括包含筆信號輸入端的比較器和連接到筆信號輸入端的開關陣列，其中開關陣列包括高壓二極管。
本發明的另一個實施例包括噴墨打印機的打印頭，其中包括含有墨噴嘴陣列的筆。故障檢查電路連接到墨噴嘴陣列。故障檢查電路包括開關陣列，其中各開關包括低壓晶體管以及與低壓晶體管串聯的一個或多個高壓二極管。
本發明的又一個實施例包括一種檢查噴墨打印機的筆中的故障的方法，該方法包括從第一恒流源產生筆信號以及從墨噴嘴的脈沖線產生脈沖線電阻；從第二恒流源產生參考信號以及從外部電阻器產生外部電阻，其中第一電流源和第二電流源產生相等電流；以及把筆信號與參考信號進行比較以確定墨噴嘴是否處于故障狀態。
本發明的其它新穎特征將部分在以下描述中闡述，部分在本領域的技術人員驗證以下說明后會明白或者通過實踐本發明會了解。通過在所附權利要求書中具體指出的工具、組合和方法，可以實現和獲得本發明的這些特征和優點。
圖1表示噴墨筆的噴嘴元件的一個示例的示意圖；圖2表示構成噴墨筆的墨噴嘴陣列的一個示例的示意圖；圖3表示檢查噴墨筆中的故障的方法的一個示例的流程圖；圖4表示根據本發明的一個實施例、連接到噴墨筆的筆故障檢查電路的示意圖；圖5表示根據本發明的一個實施例的模擬筆故障檢查電路的示意圖；圖6表示根據本發明的一個實施例的模擬筆故障檢查電路中作為Vcc的函數的Vref和Vin的曲線；圖7表示根據本發明的一個實施例的模擬筆故障檢查電路中作為溫度的函數的Vref和Vin的曲線；以及圖8表示根據本發明的一個實施例的模擬筆故障檢查電路中作為電阻Rex的函數的Vref和Vin的曲線。
具體實施例方式
本發明包括用于檢查噴墨打印機的筆中故障的方法以及可用于噴墨打印機的筆故障檢查電路。受故障檢查的筆可包括一個或多個噴嘴，例如圖1所示的噴嘴100。
噴嘴100包括容器加熱器104，它通過脈沖線連接到脈沖節點102，還通過開關114連接到地節點116。地址節點112斷開和閉合開關114，使得當開關114閉合時，電流可從脈沖節點102經過容器加熱器104流到地節點116。相反，當開關114斷開時，來自脈沖節點的電流不流過容器加熱器104。
在工作中，當電壓加到脈沖節點102且開關114斷開時，電流流經容器加熱器104內的加熱器電阻106，迅速升高電阻106的溫度。隨著電阻106變熱，容器加熱器104中的墨水108開始汽化，導致形成氣泡，把墨水滴108通過噴嘴頭110推到打印基質(例如紙)上。
噴墨筆可包括多個噴嘴，如噴嘴100。圖2表示噴墨筆的24×24噴嘴陣列200的一個示例。各個噴嘴單元205排列成24行24列，其中各噴嘴單元205連接到脈沖節點202和地址節點212。各脈沖節點202連接到P_Line，它把高電壓驅動到陣列的一列中的所有噴嘴單元205上。各地址節點212連接到A_Line，它激活一行開關214。
作為比較，A_Line可以由本文中稱作“低電壓”的傳統邏輯電平(例如2.7-5.0伏)的信號來驅動。P_Line通常采用范圍為10-24伏的電壓來驅動，本文中這些電壓稱作“高電壓”。但特定應用中的特定電壓電平會不同，術語“高電壓”用于表示高于邏輯電平、因而由獨立于用于實現筆故障檢查電路或其它系統邏輯的傳統集成邏輯器件的電源所產生的電壓。
在工作中，通過把高電壓加到脈沖節點202并激活地址節點212，(其中所述節點202與212在所選噴嘴單元205處相交)，選擇各別的噴嘴單元205來噴出墨水。當噴嘴單元205被選中用于噴出墨水時，開關214閉合，允許電流從激活的脈沖節點202經過加熱器電阻206流到高電壓地節點216。與噴嘴100的操作相似，流經電阻206的電流迅速加熱電阻，并在電阻206周圍形成汽化墨水(未示出)的氣泡。氣泡迫使墨水滴通過噴嘴頭(未示出)到達打印基質(如紙)。
應當知道，24×24噴嘴方陣200的大小和排列只是本發明所考慮的多個方案之一。噴嘴陣列的形狀可包括但不限于正方形、矩形、三角形、梯形、圓形等等。另外，雖然噴嘴陣列200具有576個單獨的噴嘴單元205，但也考慮具有更多或更少數量的噴嘴單元205的噴嘴陣列。
如上所述，噴墨打印機中的筆容易出故障。這些故障可包括在把脈沖節點連接到加熱器電阻的脈沖線中和/或把加熱器電阻連接到地址節點的線路中的某處有開路或短路。術語“短路”表示如下情況存在過度的電流泄漏，其范圍是，從超過可容許閾值的泄漏直到并包括完全短路(即，零電阻)。術語“開路”表示如下情況存在過度的寄生電阻，其范圍是，從超過可容許閾值的電阻直到并包括完全開路(即，無窮大的電阻)。檢查這些故障的方法的一個示例如圖3所示。對于這個示例，檢查類似與圖2所示陣列的24×24噴嘴陣列是否有短路和開路。
自開始302，P_Line上的脈沖節點(Pi，其中i＝1到24)為第三態(即設置在高阻抗狀態)，地址節點接通。在操作306，開關422(如圖4所示)接通，從而把測試信號同時加到所有脈沖節點(P1-24)上。在308，這使整個陣列能夠同時被評估，以確定是否存在短路。如果沒有檢測到短路，則短路檢測階段結束，而開路檢測階段在320開始。
另一方面，在308檢測到短路時，最好是標識產生短路指示的特定P_Line。在操作310中，當所有P_Line保持在第三態時，單個開關422被激活，從而把測試信號加到單個P_Line。如果例如根據任何電流的流動檢測到短路，則在操作314記錄這個情況，并在操作316選擇下一個脈沖節點(如Pi+1)。在操作318檢查了所有脈沖節點(P1到P24)之后，短路檢測階段結束，開路檢測階段在320開始。
通過在操作322斷開所有開關422來開始開路檢測階段。隨后，依次檢查各列噴嘴單元以檢測開路或高阻抗。在操作328中激活各個脈沖(Pi)和地址(Ai)節點之前，可在操作324中進行檢查，確定在短路檢測階段是否發現P_Line中的短路。如果檢測到短路，則在開始檢查開路狀況之前跳過326脈沖節點(Pi)。
在操作328中，各P_Line(Pi)依次通過開關422連接到測試信號，而地址線(A_Line)則用于激活一行地址節點(Ai)。因此，具有測試信號幅度所確定的電平的電流將被允許流過當前Pi/Ai交匯處的噴嘴單元205。如果電流小于預定閾值，則如330中所確定的，P_Line中存在高阻抗或開路情況。
如果在個別脈沖節點(Pi)中檢測到開路，則在332記錄這個情況，而且在326對下一個脈沖節點(Pi+1)檢查是否有開路。在操作334中檢查了所有脈沖節點(例如在特定示例中的P1-24)之后，在336結束開路檢測階段。
本發明的一個重要特征在于，在圖3的故障檢查規程中，測試信號為低電壓，最好是邏輯電平信號。相反，現有的筆故障檢測機構采用超過邏輯電平的高電壓，通常是用于操作筆的同樣電壓。
檢查噴墨打印機的筆中的故障的方法可通過根據本發明的筆故障檢查電路的示例來實現。根據本發明的筆故障檢查電路402的一個示例如圖4所示，它連接到包括噴嘴陣列的筆404。在本例中，故障檢查電路402包括實現第一恒流源(Ia)的第一開關406以及實現第二恒流源(Ib)的第二開關408。第一開關406和第二開關408以電流鏡像方式通過開關412連接到地節點414，從而Iref＝Ia＝Ib。
第一和第二恒流源連接到開關陣列420。開關陣列420包括多個開關422，它們可以在寄存器424中存儲的值的控制下分別斷開和閉合。來自第一電流源的電流Ia連接到“N”個開關422，其中N為筆中P_Line的數量。一個開關422連接到第二電流源產生的電流Ib。
各個開關422連接到高壓二極管426，高壓二極管426保護故障檢查電路402的元件不會遭受脈沖節點428在正常工作期間觸發噴嘴陣列434的噴嘴單元436所產生的高壓脈沖。在正常工作(即打印)過程中，開關422被斷開。但是，由于這些器件是低壓器件，因此P_Line上的高工作電壓可能負面影響和/或損壞筆故障檢查電路402的元件。但是，二極管426提供了適當保護來隔離這些工作電壓。
第一恒流源406和至少一個P_line連接到比較器416的標為Vin的筆信號輸入端。第二恒流源408和參考負載430連接到比較器416的標為Vref的參考信號輸入端。參考負載430可通過例如連接到地節點432的外部可變阻抗電阻器來實現。比較器416還具有筆檢查輸出端，用于指明噴嘴陣列404的某一部分是否存在故障狀態。
可以手動調節可變電阻器430以改變檢測筆中故障的檢測閾值。例如，增大外部電阻器430的電阻(Rex)可使比較器416的參考信號輸入端上的電壓(Vref)升高。Vref的升高可減小故障檢查電路402的檢測閾值靈敏度。
本例中，故障檢查電路402連接到類似于圖2所示陣列的24×24噴嘴陣列404。噴嘴陣列404具有24個脈沖節點428和24個地址節點，它們能夠共同作用，以獨立觸發各個噴嘴單元436。24個脈沖節點428中的每一個通過(M)節點連接到開關陣列420中的高壓二極管426之一。
圖4中Vref和Vin的值可由下式確定Vref＝Ib×Rex+Vd+VdsVin＝Ia×Req+Vd+Vds其中，Ib和Ia表示來自第一和第二恒流源的電流，Vd表示高壓二極管426兩端的正向電壓，Vds表示開關422的漏-源端子之間的導通電壓降，Rex表示外部電阻器430的電阻，以及Req表示脈沖節點上的筆電路等效電阻。
雖然Ia和Ib可以不同，但在大多數情況下，它們彼此相等。因此，當Vref＝Vin時，Rex＝Req。閾值電阻(Rth)定義為標稱電阻值，在這個值，筆電路404被視為既不短路也不開路。在示例中，Rth＝Rex。在這些情況下，閾值電阻(Rth)是準確地已知的，并且由外部電阻器430控制。因此，Rth不易受電源、工藝和溫度波動的影響，并且可方便地通過調節外部電阻器430來進行調節。相比之下，對現有筆故障測試機構的電路分析表明，Rth的類似量對電源、工藝和溫度變化敏感，不能提供現成的方法來補償這些變化。
與現有筆故障檢查電路相比，圖4的示例的重要特征包括利用相似的恒流源以公共電流參考Iref所確定的電平來驅動測試信號(即Ia)和參考信號(即Ib)。另一個特征是采用外部阻抗430作為參考阻抗。這使故障檢查電路能夠經過調節，以便匹配特定的筆驅動電路，并允許對靈敏度進行控制。此外，通過利用開關422和二極管426來連接外部阻抗430，將消除與這些元件相關的差異。
進行筆故障檢查電路的另一個示例的模擬，以便證明參考信號(Vref)和筆信號(Vin)以同樣的方式響應電源電壓和溫度的變化，因而是自動補償的。圖5表示用于模擬的筆故障檢查電路500的示意圖。電路500包括用于第一恒流源Ia的第一開關506以及用于第二恒流源Ib的第二開關508。第一開關506和第二開關508以電流鏡像配置連接到開關512，開關512又連接到電流參考510以及地節點514。
第一恒流源產生第一電流(Ia)，該電流被送到比較器516的筆信號輸入端。第一恒流源通過開關522和二極管526連接到模擬筆電路等效電阻(Req)的電阻REQ528。電阻528連接到地節點532。
另一個開關523最好是具有與開關522相似的結構，它連接到一組產生比較器516的參考信號輸入端上的參考信號電壓的元件上。第二恒流源通過開關523和二極管527連接到模擬閾值電阻(Rth)的電阻REX530。電阻530連接到地節點534。
圖6表示在筆故障檢查電路500的模擬過程中記錄的、作為電源電壓(Vdd)的函數的參考信號電壓(Vref)和筆信號電壓(Vin)的曲線。在這個模擬中，Ia和Ib都設置為1毫安，Req和Rex都設置為200歐姆，溫度保持在27攝氏度。如波形所證明的，Vref和Vin的變化在從3.0伏到5.5伏的Vdd范圍內基本上彼此相隨。因此，根據本發明的筆故障檢查機構對Vdd的變化極不敏感。
圖7表示在筆故障檢查電路500的模擬過程中所記錄的、作為溫度的函數的參考信號電壓(Vref)和筆信號電壓(Vin)的曲線。在這個模擬中，Ia和Ib都設置為1毫安，Req和Rex都設置為200歐姆，以及電源電壓保持為3.3伏。如波形所證明的，Vref和Vin在從0到150攝氏度的溫度范圍內保持彼此相等。因此，根據本發明的筆故障檢查機構對溫度變化極不敏感。
圖8表示在筆故障檢查電路500的模擬過程中所記錄的、作為外部電阻器530的電阻(Rex)的函數的參考信號電壓(Vref)和筆信號電壓(Vin)的曲線。在這個模擬中，Ia和Ib都設置為1毫安，Req設置為200歐姆，電源電壓為3.3伏，溫度保持恒定在27攝氏度。如波形所示，在0到500歐姆的范圍內改變Rex對筆信號電壓Vin沒有任何影響，并且以線性方式提高了參考信號電壓Vref。因此，根據本發明的筆故障檢查機構極為靈敏，因而可方便地通過改變外部阻抗值來調節。
雖然采取一定程度的特殊性來描述和說明了本發明，但要理解，本公開只是作為示例，在不背離以下權利要求書中所述的本發明的精神和范圍的前提下，本領域的技術人員可采取對各部分的組合和配置的多種變更。
權利要求
1.一種用于噴墨打印機的筆故障檢查電路，包括包含筆信號輸入端的比較器；以及連接到所述筆信號輸入端的開關陣列，其中所述開關陣列包括高壓二極管。
2.如權利要求1所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述比較器包括參考信號輸入端和筆檢查輸出端。
3.如權利要求1所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述電路包括第一和第二恒流源，其中所述第一恒流源連接到所述筆信號輸入端，而所述第二恒流源連接到所述參考信號輸入端。
4.如權利要求3所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述第一和第二恒流源具有由電流參考所建立的實質上相等的電流輸出。
5.如權利要求3所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述第二恒流源連接到設置所述故障檢查電路的檢測閾值的外部電阻器。
6.如權利要求5所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述外部電阻器由所述噴墨打印機的操作員來手動調節。
7.如權利要求1所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述開關陣列的所述高壓二極管連接到墨噴嘴的脈沖節點。
8.如權利要求7所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述墨噴嘴是墨噴嘴陣列中的多個墨噴嘴其中之一。
9.如權利要求8所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述墨噴嘴陣列包括筆。
10.如權利要求8所述的筆故障檢查電路，其特征在于，所述開關陣列連接到寄存器，所述寄存器選擇所述墨噴嘴陣列中的所述多個墨噴嘴其中之一來進行故障檢查。
11.一種用于噴墨打印機的筆，包括墨噴嘴陣列，其中所述陣列包括多個墨噴嘴；以及連接到所述墨噴嘴陣列的故障檢查電路，其中所述故障檢查電路包括含有一個或多個高壓二極管的開關陣列。
12.如權利要求11所述的筆，其特征在于，所述故障檢查電路包括具有筆信號輸入端和參考信號輸入端的比較器。
13.如權利要求12所述的筆，其特征在于，所述故障檢查電路連接到第一和第二恒流源，其中所述第一恒流源連接到所述筆信號輸入端，而所述第二恒流源連接到所述參考信號輸入端。
14.如權利要求13所述的筆，其特征在于，所述第一恒流源和所述第二恒流源具有相等的電流輸出。
15.如權利要求13所述的筆，其特征在于，所述第一恒流源連接到設置所述故障檢查電路的檢測閾值的外部電阻器。
16.一種檢查噴墨打印機的筆中的故障的方法，包括從第一恒流源產生筆信號以及從墨噴嘴的脈沖線產生脈沖線電阻；從第二恒流源產生參考信號以及從外部電阻器產生外部電阻，其中所述第一電流源和所述第二電流源產生相等的電流；以及把所述筆信號和所述參考信號進行比較，以便確定所述墨噴嘴是否處于故障狀態。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一恒流源連接到包括高壓二極管的開關陣列，所述高壓二極管用于防止來自所述墨噴嘴的所述脈沖線的脈沖電壓損壞所述開關陣列。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述筆信號和所述參考信號對溫度變化具有相同的反應。
19.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述外部電阻器控制檢測所述故障狀態的檢測門限。
20.如權利要求16所述的方法，其特征在于，所述故障狀態是開路狀態或短路狀態。
全文摘要
一種噴墨打印機的筆故障檢查電路，其中包括還具有筆信號輸入端的比較器和連接到筆信號輸入端的開關陣列，其中開關陣列包括高壓二極管。一種檢查噴墨打印機的筆中故障的方法，其中包括以下步驟從第一恒流源產生筆信號以及從墨噴嘴的脈沖線產生脈沖線電阻，從第二恒流源產生參考信號以及從外部電阻器產生外部電阻，其中第一電流源和第二電流源產生相等電流，把筆信號與參考信號進行比較以確定墨噴嘴是否處于故障狀態。
文檔編號B41J2/135GK1683158SQ2004100350
公開日2005年10月19日 申請日期2004年4月16日 優先權日2004年4月16日
發明者C·德諾 申請人:深圳塞意法微電子有限公司