专利名称：喷墨打印机的笔故障检查电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于检测喷墨打印机中的笔故障的电路。具体地说，本发明涉及检查打印驱动器电路中的开路和短路故障的电路。
背景技术：
喷墨打印机是用于生成优质彩色和黑白图片及文本的节省成本的工具。喷墨打印机中的传统打印机构包括与打印头连接的一个或多个装墨水的打印墨盒。打印头具有包括一个或多个可电控的墨水流动通道的“笔”，这些墨水流动通道连接到墨水容器，并且用于通过喷嘴把墨水喷射到打印基质(例如一张纸)上。
热式喷墨打印机利用热把墨水喷射到纸上。墨水通过与各喷嘴关联的加热元件来加热。功率驱动器电路在预定时间把电流脉冲提供给各个加热元件，使靠近加热元件的墨水汽化并形成气泡，直到压力迫使气泡爆裂，喷出大约5-10微微升的墨滴。然后，气泡随着加热元件冷却而收缩，产生的真空从容器中吸取墨水来取代被喷出的墨水。
打印分辨率主要由打印头喷嘴可循环进行这些步骤的频率来确定。为了迅速加热元件，大量的能量在短时间内被传递到加热元件。例如，范围在10-24伏的电源可用于传递功率脉冲。由于这个电源电压高于传统逻辑功率电平(例如2.7-5.0伏)，因此用于把功率传递给加热元件的开关是高压器件。
打印头的性能在很大程度上受到向加热元件一致且可靠地施加精确确定的功率量的能力的影响。但是，墨水中和其它地方的污染物会在打印头中造成短路(即过度的泄漏电流)和开路(即过度的寄生电阻)，使喷嘴误喷或根本不喷出墨水。过度的泄漏和寄生电阻导致功率从加热元件转移，从而影响打印性能。另外，在打印墨盒和墨盒驱动器电路之间的连接上会出现故障，导致短路和开路。
考虑到这些问题，许多喷墨打印机包括故障检查电路，这些电路检查打印机构，以找出使打印的图像和文本的质量下降的短路和开路。这些故障检查电路以连接到笔的驱动电路的集成电路器件来实现。故障检查电路检测驱动墨喷嘴的电路中存在开路或短路的情况，以便可以关闭、修理或更换出故障的喷嘴或采取其它校正动作。
故障检查电路实质上把电压或电流信号加到喷嘴单元以测量喷嘴单元的等效电阻(Req)。把等效电阻与阈值电阻(Rth)进行比较，其中以表明过度泄漏或寄生电阻的值来设立Rth。实际上，这种故障检查通过把测试信号加到笔电路上并测量响应信号来执行。比较器逻辑用于把响应信号与参考信号进行比较，其中参考信号基于Rth的值(即，与其成比例)。因此，为了让比较器逻辑正常工作，Rth的值必须与笔的等效电阻Req具有已知的关系。
但是，传统的故障检查电路包括高压开关，这些高压开关连接到笔电路，使得故障检查电路不会被正常工作期间施加的高电压所损坏。因此，故障检查机构具有与高压器件相关联的较大的芯片尺寸。因此，仍然需要一种芯片尺寸减小的笔故障检查电路。
传统的故障检查电路存在的另一个问题是可能产生正负两种错误读数，因为Rth是由与故障检查电路集成在一起的元件来确定的，并且不容易调节以匹配笔电路。因此，Rth值受到多个变量的影响，例如制造差异、环境条件变化以及诸如电源电压变化之类的工作条件等。在传统电路中，Rth值易受电源电压、笔故障电路逻辑器件的内部增益、笔故障电路逻辑器件内电阻的电阻值差异、工作温度以及其它变量的变化影响。通常希望针对这些差异来补偿比较器逻辑。
故障检查电路存在的又一个问题在于，它会对打印机电路中的故障过于敏感或者不够敏感。但是，故障检测逻辑的参考电路中集成元件的使用使得难以通过处理比较器逻辑中的元件参数(如增益和电阻值)来充分地调节灵敏度。因此，仍然需要调节灵敏度的能力得到改善的故障检查电路。
本发明针对喷墨打印机的传统故障检查电路存在的这些和其它问题。
发明内容
简言之，本发明的一个实施例包括喷墨打印机的笔故障检查电路，其中包括包含笔信号输入端的比较器和连接到笔信号输入端的开关阵列，其中开关阵列包括高压二极管。
本发明的另一个实施例包括喷墨打印机的打印头，其中包括含有墨喷嘴阵列的笔。故障检查电路连接到墨喷嘴阵列。故障检查电路包括开关阵列，其中各开关包括低压晶体管以及与低压晶体管串联的一个或多个高压二极管。
本发明的又一个实施例包括一种检查喷墨打印机的笔中的故障的方法，该方法包括从第一恒流源产生笔信号以及从墨喷嘴的脉冲线产生脉冲线电阻；从第二恒流源产生参考信号以及从外部电阻器产生外部电阻，其中第一电流源和第二电流源产生相等电流；以及把笔信号与参考信号进行比较以确定墨喷嘴是否处于故障状态。
本发明的其它新颖特征将部分在以下描述中阐述，部分在本领域的技术人员验证以下说明后会明白或者通过实践本发明会了解。通过在所附权利要求书中具体指出的工具、组合和方法，可以实现和获得本发明的这些特征和优点。
图1表示喷墨笔的喷嘴元件的一个示例的示意图；图2表示构成喷墨笔的墨喷嘴阵列的一个示例的示意图；图3表示检查喷墨笔中的故障的方法的一个示例的流程图；图4表示根据本发明的一个实施例、连接到喷墨笔的笔故障检查电路的示意图；图5表示根据本发明的一个实施例的模拟笔故障检查电路的示意图；图6表示根据本发明的一个实施例的模拟笔故障检查电路中作为Vcc的函数的Vref和Vin的曲线；图7表示根据本发明的一个实施例的模拟笔故障检查电路中作为温度的函数的Vref和Vin的曲线；以及图8表示根据本发明的一个实施例的模拟笔故障检查电路中作为电阻Rex的函数的Vref和Vin的曲线。
具体实施例方式
本发明包括用于检查喷墨打印机的笔中故障的方法以及可用于喷墨打印机的笔故障检查电路。受故障检查的笔可包括一个或多个喷嘴，例如图1所示的喷嘴100。
喷嘴100包括容器加热器104，它通过脉冲线连接到脉冲节点102，还通过开关114连接到地节点116。地址节点112断开和闭合开关114，使得当开关114闭合时，电流可从脉冲节点102经过容器加热器104流到地节点116。相反，当开关114断开时，来自脉冲节点的电流不流过容器加热器104。
在工作中，当电压加到脉冲节点102且开关114断开时，电流流经容器加热器104内的加热器电阻106，迅速升高电阻106的温度。随着电阻106变热，容器加热器104中的墨水108开始汽化，导致形成气泡，把墨水滴108通过喷嘴头110推到打印基质(例如纸)上。
喷墨笔可包括多个喷嘴，如喷嘴100。图2表示喷墨笔的24×24喷嘴阵列200的一个示例。各个喷嘴单元205排列成24行24列，其中各喷嘴单元205连接到脉冲节点202和地址节点212。各脉冲节点202连接到P_Line，它把高电压驱动到阵列的一列中的所有喷嘴单元205上。各地址节点212连接到A_Line，它激活一行开关214。
作为比较，A_Line可以由本文中称作“低电压”的传统逻辑电平(例如2.7-5.0伏)的信号来驱动。P_Line通常采用范围为10-24伏的电压来驱动，本文中这些电压称作“高电压”。但特定应用中的特定电压电平会不同，术语“高电压”用于表示高于逻辑电平、因而由独立于用于实现笔故障检查电路或其它系统逻辑的传统集成逻辑器件的电源所产生的电压。
在工作中，通过把高电压加到脉冲节点202并激活地址节点212，(其中所述节点202与212在所选喷嘴单元205处相交)，选择各别的喷嘴单元205来喷出墨水。当喷嘴单元205被选中用于喷出墨水时，开关214闭合，允许电流从激活的脉冲节点202经过加热器电阻206流到高电压地节点216。与喷嘴100的操作相似，流经电阻206的电流迅速加热电阻，并在电阻206周围形成汽化墨水(未示出)的气泡。气泡迫使墨水滴通过喷嘴头(未示出)到达打印基质(如纸)。
应当知道，24×24喷嘴方阵200的大小和排列只是本发明所考虑的多个方案之一。喷嘴阵列的形状可包括但不限于正方形、矩形、三角形、梯形、圆形等等。另外，虽然喷嘴阵列200具有576个单独的喷嘴单元205，但也考虑具有更多或更少数量的喷嘴单元205的喷嘴阵列。
如上所述，喷墨打印机中的笔容易出故障。这些故障可包括在把脉冲节点连接到加热器电阻的脉冲线中和/或把加热器电阻连接到地址节点的线路中的某处有开路或短路。术语“短路”表示如下情况存在过度的电流泄漏，其范围是，从超过可容许阈值的泄漏直到并包括完全短路(即，零电阻)。术语“开路”表示如下情况存在过度的寄生电阻，其范围是，从超过可容许阈值的电阻直到并包括完全开路(即，无穷大的电阻)。检查这些故障的方法的一个示例如图3所示。对于这个示例，检查类似与图2所示阵列的24×24喷嘴阵列是否有短路和开路。
自开始302，P_Line上的脉冲节点(Pi，其中i＝1到24)为第三态(即设置在高阻抗状态)，地址节点接通。在操作306，开关422(如图4所示)接通，从而把测试信号同时加到所有脉冲节点(P1-24)上。在308，这使整个阵列能够同时被评估，以确定是否存在短路。如果没有检测到短路，则短路检测阶段结束，而开路检测阶段在320开始。
另一方面，在308检测到短路时，最好是标识产生短路指示的特定P_Line。在操作310中，当所有P_Line保持在第三态时，单个开关422被激活，从而把测试信号加到单个P_Line。如果例如根据任何电流的流动检测到短路，则在操作314记录这个情况，并在操作316选择下一个脉冲节点(如Pi+1)。在操作318检查了所有脉冲节点(P1到P24)之后，短路检测阶段结束，开路检测阶段在320开始。
通过在操作322断开所有开关422来开始开路检测阶段。随后，依次检查各列喷嘴单元以检测开路或高阻抗。在操作328中激活各个脉冲(Pi)和地址(Ai)节点之前，可在操作324中进行检查，确定在短路检测阶段是否发现P_Line中的短路。如果检测到短路，则在开始检查开路状况之前跳过326脉冲节点(Pi)。
在操作328中，各P_Line(Pi)依次通过开关422连接到测试信号，而地址线(A_Line)则用于激活一行地址节点(Ai)。因此，具有测试信号幅度所确定的电平的电流将被允许流过当前Pi/Ai交汇处的喷嘴单元205。如果电流小于预定阈值，则如330中所确定的，P_Line中存在高阻抗或开路情况。
如果在个别脉冲节点(Pi)中检测到开路，则在332记录这个情况，而且在326对下一个脉冲节点(Pi+1)检查是否有开路。在操作334中检查了所有脉冲节点(例如在特定示例中的P1-24)之后，在336结束开路检测阶段。
本发明的一个重要特征在于，在图3的故障检查规程中，测试信号为低电压，最好是逻辑电平信号。相反，现有的笔故障检测机构采用超过逻辑电平的高电压，通常是用于操作笔的同样电压。
检查喷墨打印机的笔中的故障的方法可通过根据本发明的笔故障检查电路的示例来实现。根据本发明的笔故障检查电路402的一个示例如图4所示，它连接到包括喷嘴阵列的笔404。在本例中，故障检查电路402包括实现第一恒流源(Ia)的第一开关406以及实现第二恒流源(Ib)的第二开关408。第一开关406和第二开关408以电流镜像方式通过开关412连接到地节点414，从而Iref＝Ia＝Ib。
第一和第二恒流源连接到开关阵列420。开关阵列420包括多个开关422，它们可以在寄存器424中存储的值的控制下分别断开和闭合。来自第一电流源的电流Ia连接到“N”个开关422，其中N为笔中P_Line的数量。一个开关422连接到第二电流源产生的电流Ib。
各个开关422连接到高压二极管426，高压二极管426保护故障检查电路402的元件不会遭受脉冲节点428在正常工作期间触发喷嘴阵列434的喷嘴单元436所产生的高压脉冲。在正常工作(即打印)过程中，开关422被断开。但是，由于这些器件是低压器件，因此P_Line上的高工作电压可能负面影响和/或损坏笔故障检查电路402的元件。但是，二极管426提供了适当保护来隔离这些工作电压。
第一恒流源406和至少一个P_line连接到比较器416的标为Vin的笔信号输入端。第二恒流源408和参考负载430连接到比较器416的标为Vref的参考信号输入端。参考负载430可通过例如连接到地节点432的外部可变阻抗电阻器来实现。比较器416还具有笔检查输出端，用于指明喷嘴阵列404的某一部分是否存在故障状态。
可以手动调节可变电阻器430以改变检测笔中故障的检测阈值。例如，增大外部电阻器430的电阻(Rex)可使比较器416的参考信号输入端上的电压(Vref)升高。Vref的升高可减小故障检查电路402的检测阈值灵敏度。
本例中，故障检查电路402连接到类似于图2所示阵列的24×24喷嘴阵列404。喷嘴阵列404具有24个脉冲节点428和24个地址节点，它们能够共同作用，以独立触发各个喷嘴单元436。24个脉冲节点428中的每一个通过(M)节点连接到开关阵列420中的高压二极管426之一。
图4中Vref和Vin的值可由下式确定Vref＝Ib×Rex+Vd+VdsVin＝Ia×Req+Vd+Vds其中，Ib和Ia表示来自第一和第二恒流源的电流，Vd表示高压二极管426两端的正向电压，Vds表示开关422的漏-源端子之间的导通电压降，Rex表示外部电阻器430的电阻，以及Req表示脉冲节点上的笔电路等效电阻。
虽然Ia和Ib可以不同，但在大多数情况下，它们彼此相等。因此，当Vref＝Vin时，Rex＝Req。阈值电阻(Rth)定义为标称电阻值，在这个值，笔电路404被视为既不短路也不开路。在示例中，Rth＝Rex。在这些情况下，阈值电阻(Rth)是准确地已知的，并且由外部电阻器430控制。因此，Rth不易受电源、工艺和温度波动的影响，并且可方便地通过调节外部电阻器430来进行调节。相比之下，对现有笔故障测试机构的电路分析表明，Rth的类似量对电源、工艺和温度变化敏感，不能提供现成的方法来补偿这些变化。
与现有笔故障检查电路相比，图4的示例的重要特征包括利用相似的恒流源以公共电流参考Iref所确定的电平来驱动测试信号(即Ia)和参考信号(即Ib)。另一个特征是采用外部阻抗430作为参考阻抗。这使故障检查电路能够经过调节，以便匹配特定的笔驱动电路，并允许对灵敏度进行控制。此外，通过利用开关422和二极管426来连接外部阻抗430，将消除与这些元件相关的差异。
进行笔故障检查电路的另一个示例的模拟，以便证明参考信号(Vref)和笔信号(Vin)以同样的方式响应电源电压和温度的变化，因而是自动补偿的。图5表示用于模拟的笔故障检查电路500的示意图。电路500包括用于第一恒流源Ia的第一开关506以及用于第二恒流源Ib的第二开关508。第一开关506和第二开关508以电流镜像配置连接到开关512，开关512又连接到电流参考510以及地节点514。
第一恒流源产生第一电流(Ia)，该电流被送到比较器516的笔信号输入端。第一恒流源通过开关522和二极管526连接到模拟笔电路等效电阻(Req)的电阻REQ528。电阻528连接到地节点532。
另一个开关523最好是具有与开关522相似的结构，它连接到一组产生比较器516的参考信号输入端上的参考信号电压的元件上。第二恒流源通过开关523和二极管527连接到模拟阈值电阻(Rth)的电阻REX530。电阻530连接到地节点534。
图6表示在笔故障检查电路500的模拟过程中记录的、作为电源电压(Vdd)的函数的参考信号电压(Vref)和笔信号电压(Vin)的曲线。在这个模拟中，Ia和Ib都设置为1毫安，Req和Rex都设置为200欧姆，温度保持在27摄氏度。如波形所证明的，Vref和Vin的变化在从3.0伏到5.5伏的Vdd范围内基本上彼此相随。因此，根据本发明的笔故障检查机构对Vdd的变化极不敏感。
图7表示在笔故障检查电路500的模拟过程中所记录的、作为温度的函数的参考信号电压(Vref)和笔信号电压(Vin)的曲线。在这个模拟中，Ia和Ib都设置为1毫安，Req和Rex都设置为200欧姆，以及电源电压保持为3.3伏。如波形所证明的，Vref和Vin在从0到150摄氏度的温度范围内保持彼此相等。因此，根据本发明的笔故障检查机构对温度变化极不敏感。
图8表示在笔故障检查电路500的模拟过程中所记录的、作为外部电阻器530的电阻(Rex)的函数的参考信号电压(Vref)和笔信号电压(Vin)的曲线。在这个模拟中，Ia和Ib都设置为1毫安，Req设置为200欧姆，电源电压为3.3伏，温度保持恒定在27摄氏度。如波形所示，在0到500欧姆的范围内改变Rex对笔信号电压Vin没有任何影响，并且以线性方式提高了参考信号电压Vref。因此，根据本发明的笔故障检查机构极为灵敏，因而可方便地通过改变外部阻抗值来调节。
虽然采取一定程度的特殊性来描述和说明了本发明，但要理解，本公开只是作为示例，在不背离以下权利要求书中所述的本发明的精神和范围的前提下，本领域的技术人员可采取对各部分的组合和配置的多种变更。
权利要求
1.一种用于喷墨打印机的笔故障检查电路，包括包含笔信号输入端的比较器；以及连接到所述笔信号输入端的开关阵列，其中所述开关阵列包括高压二极管。
2.如权利要求1所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述比较器包括参考信号输入端和笔检查输出端。
3.如权利要求1所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述电路包括第一和第二恒流源，其中所述第一恒流源连接到所述笔信号输入端，而所述第二恒流源连接到所述参考信号输入端。
4.如权利要求3所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述第一和第二恒流源具有由电流参考所建立的实质上相等的电流输出。
5.如权利要求3所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述第二恒流源连接到设置所述故障检查电路的检测阈值的外部电阻器。
6.如权利要求5所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述外部电阻器由所述喷墨打印机的操作员来手动调节。
7.如权利要求1所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述开关阵列的所述高压二极管连接到墨喷嘴的脉冲节点。
8.如权利要求7所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述墨喷嘴是墨喷嘴阵列中的多个墨喷嘴其中之一。
9.如权利要求8所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述墨喷嘴阵列包括笔。
10.如权利要求8所述的笔故障检查电路，其特征在于，所述开关阵列连接到寄存器，所述寄存器选择所述墨喷嘴阵列中的所述多个墨喷嘴其中之一来进行故障检查。
11.一种用于喷墨打印机的笔，包括墨喷嘴阵列，其中所述阵列包括多个墨喷嘴；以及连接到所述墨喷嘴阵列的故障检查电路，其中所述故障检查电路包括含有一个或多个高压二极管的开关阵列。
12.如权利要求11所述的笔，其特征在于，所述故障检查电路包括具有笔信号输入端和参考信号输入端的比较器。
13.如权利要求12所述的笔，其特征在于，所述故障检查电路连接到第一和第二恒流源，其中所述第一恒流源连接到所述笔信号输入端，而所述第二恒流源连接到所述参考信号输入端。
14.如权利要求13所述的笔，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电流输出。
15.如权利要求13所述的笔，其特征在于，所述第一恒流源连接到设置所述故障检查电路的检测阈值的外部电阻器。
16.一种检查喷墨打印机的笔中的故障的方法，包括从第一恒流源产生笔信号以及从墨喷嘴的脉冲线产生脉冲线电阻；从第二恒流源产生参考信号以及从外部电阻器产生外部电阻，其中所述第一电流源和所述第二电流源产生相等的电流；以及把所述笔信号和所述参考信号进行比较，以便确定所述墨喷嘴是否处于故障状态。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第一恒流源连接到包括高压二极管的开关阵列，所述高压二极管用于防止来自所述墨喷嘴的所述脉冲线的脉冲电压损坏所述开关阵列。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述笔信号和所述参考信号对温度变化具有相同的反应。
19.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述外部电阻器控制检测所述故障状态的检测门限。
20.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述故障状态是开路状态或短路状态。
全文摘要
一种喷墨打印机的笔故障检查电路，其中包括还具有笔信号输入端的比较器和连接到笔信号输入端的开关阵列，其中开关阵列包括高压二极管。一种检查喷墨打印机的笔中故障的方法，其中包括以下步骤从第一恒流源产生笔信号以及从墨喷嘴的脉冲线产生脉冲线电阻，从第二恒流源产生参考信号以及从外部电阻器产生外部电阻，其中第一电流源和第二电流源产生相等电流，把笔信号与参考信号进行比较以确定墨喷嘴是否处于故障状态。
文档编号B41J2/135GK1683158SQ2004100350
公开日2005年10月19日 申请日期2004年4月16日 优先权日2004年4月16日
发明者C·德诺 申请人:深圳塞意法微电子有限公司