CN101184621A - 喷墨打印机驱动器电路的体系结构 - Google Patents

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CN101184621A CNA2006800156193A CN200680015619A CN101184621A CN 101184621 A CN101184621 A CN 101184621A CN A2006800156193 A CNA2006800156193 A CN A2006800156193A CN 200680015619 A CN200680015619 A CN 200680015619A CN 101184621 A CN101184621 A CN 101184621A
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Abstract

本发明涉及喷墨打印机驱动器电路的体系结构。提供了一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路，该驱动器电路包括：串行输入端(15，20)，用于接收串行打印数据；寄存器(25，26)，用于以事件和事件定时数据对的形式存储所述打印数据；并行输出端(30，32)，用于输出事件数据；以及控制电路(42，48)，用于根据对应的事件定时数据来控制事件数据的输出定时。该驱动器电路优选地包括可编程部分(10)和固定部分(11，12，13，14)，其中，所述可编程部分存储可选的预编程波形并且将事件和时间数据对输出到所述固定电路部分，该固定电路部分控制所述事件数据的输出定时。

Description

喷墨打印机驱动器电路的体系结构
技术领域
本发明涉及一种喷墨打印机驱动器芯片的新体系结构，这种新体系结构能够实现非常灵活的波形定义并且具有逐线裁剪(trim)的能力。
背景技术
压电致动器通常包括两个电极，在这两个电极之间是由诸如PZT(锆钛酸铅)的压电材料形成的部件。这些电极向该材料施加电场，从而由于压电效应而导致小的机械应变。在压电喷墨打印的情况下，一个或更多个小压电致动器使墨室的体积短暂改变，从而导致该室内的压力变化，该压力变化在足够大时会导致墨滴通过与该室连通的喷嘴喷出，该墨滴被喷向打印纸或基板。通常，压电致动器自身形成该室的一个或更多个侧壁。
在高质量按需喷墨式打印的情况下，通常将喷墨头阵列并排设置，并且使纸张或基板穿过以打印一墨水带。尤其是当要以恒定颜色或密度打印这种带时，期望所有喷墨头以基本相同的速度激发基本相同体积的墨滴。速度的变化会导致墨滴落在稍微偏离于预期位置的位置，而体积的变化会导致打印密度的变化。人眼在感知任何变化时是非常敏感的。尽管每个喷墨头在标定上是相同的，但是这种变化可由多种因素导致。
压电致动器通常由驱动器电路进行驱动，该驱动器电路在电极之间跨接特定电压，使得致动器移动。驱动器电路的一个示例是可从Supertex公司获得的HV3418，其是具有高压推挽输出的64通道串/并转换器。该电路具有一个64位移位寄存器、64个锁存器以及用于执行极性选择和输出消隐的控制逻辑。
现有驱动器的问题在于，它们没有单独控制致动器的能力或者单独控制致动器的能力有限，尤其它们不能够对个体致动器进行精细调整，以考虑到引发个体喷嘴之间的变化(例如，由正常制造容许量引起的变化)的因素。就现有驱动器可具有单独地控制致动器的有限能力而言，这种控制的许多方面被硬接线到驱动器中，从而使这种驱动器不能够容易地适应迅速发展的打印头设计的要求。
发明内容
根据本发明，提供了一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路。该电路具有：串行输入端，用于接收串行打印数据；至少一个寄存器，用于以事件和事件定时数据对的形式存储所述打印数据；以及并行输出端，用于输出事件数据。控制电路根据对应的事件定时数据来控制事件数据的输出定时。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路，该驱动器电路一起以及单独地包括第一和第二电路部分。所述第一部分是可编程的并且具有：用于接收打印数据的输入端、用于以事件和定时数据的形式存储可选的预编程波形的存储装置、以及用于基于所述打印数据和所述预编程波形来输出事件和时间数据对的输出端。所述第二部分具有：用于接收和存储事件和时间数据对的寄存器、用于输出事件数据的并行输出端、以及用于根据对应的事件定时数据来控制事件数据的输出定时的控制电路。
现在参照附图仅通过示例来描述本发明的优选实施方式。
附图说明
图1是根据本发明的优选实施方式的驱动器体系结构的框图。
图2示出了图1中的驱动器ASIC的内部体系结构。
图3是示出了单个通道的驱动器和输出级的框图。
图4是示出了用于激发个体喷墨通道致动器的典型波形的时间图。
图5示出了单个通道的FPGA逻辑的概念模型。
具体实施方式
图1示出了根据优选实施方式的驱动器的整体体系结构。它由连接至四个高压驱动器11、12、13和14的现场可编程门阵列(FPGA)10构成，每个高压驱动器都是在专用集成电路(ASIC)中实现的。FPGA 10具有数据输入端15，其用于接收表示待打印图像的十六进制数据。FPGA10将该数据转换成个体像素数据以由喷墨打印机逐行打印。该个体像素数据是按基于包括Event值和Event_time值的数据对的编码方案进行编码的。Event是用于改变致动器的驱动状态的指令。例如，从下拉(pull-down)变为附有特定压摆率(slew rate)和电压削波电平的上拉(pull-up)。Event_time是二进制编码的发生此事件的时间。Event_time可以编码为10ns的分辨率。数据对被传送到各个驱动器ASIC 11到14。由于要施加到各致动器电极的波形是由一系列这种Event和Event_time对单独指定的，所以施加到作为整体的致动器阵列的波形组的逻辑结构以及其间的关系基本上由FPGA定义和控制，而非由驱动器ASIC定义和控制。因此，通过对FPGA进行重新编程，该体系结构具有对变化的波形要求以及补偿喷嘴之间发生的变化的不同方法的固有自适应性。
参照图2，示出了驱动器模式下的各个ASIC 11到14的内部结构。每个ASIC包括输入端20，该输入端20用于从FPGA 10接收Event和Event_time对。输入端20优选地为300MHz下的四位宽度，但也可以在100MHz下具有12位(根据选择的总线宽度，显示了任选的低压差动信令(LVDS)和串行器/解串器(SERDES)电路21)。数据通过2级存储器/寄存器加载器逻辑23被输入到内部总线22。总线22连接有32×17位查找表存储器24和24位66级移位寄存器25。另外，寄存器加载器逻辑23连接有控制寄存器28和3×14FIFO定时器/缓冲器29。
在逻辑上，来自输入端20的数据穿过寄存器/存储器加载器逻辑23到达担当串并转换器的馈给移位寄存器25。(因此，部件23和25包括长为68的移位寄存器。)移位寄存器25并行连接到一组66个相同的宽度为26、深度为3的FIFO寄存器26。该组寄存器26继而并行连接到一个66位宽的高压输出级30(其连接到66个高压输出焊盘32)。
在工作时，由7位Event_time和5位Event构成的数据字被计时(clock)送入数据总线22。经由查找表24，通过添加电压裁剪(6位)、压摆率裁剪(8位)以及行动码(3位)，将5位Event码扩展到17位。裁剪公式提供针对各输出喷嘴独立地控制滴落体积和速度的数据，并且允许将各裁剪设定扩展为压摆率和电压裁剪的适当组合，以给出更高精度。
经扩展的输入数据被移位到66级寄存器25中。寄存器25中的数据前进，直到它与输出焊盘32对齐并且被每68个时钟激活的同步输入进行成帧为止。然后，该数据被传送到该组FIFO寄存器26中。
伴随着每个同步脉冲，完整的一组数据准备好被该组FIFO寄存器26加载，该组FIFO寄存器26针对每个输出管脚在其内部包含一个相同的部件40。图3更详细地示出了这些FIFO中的每个的结构。
在更详细地描述这些FIFO之前，将描述图2中的ASIC 11的左上部所示的部件。示出了存储器/寄存器加载器逻辑23连接有3级控制寄存器28和3级A/D输入选择定时器/缓冲器。前者是任选的。后者连接到66至1模拟复用器(优选地为差动模拟复用器)，该复用器具有来自输出级30的66位宽的输入以及到8位25M采样/秒A/D转换器36的模拟输出。A/D转换器36向FPGA 10提供数字反馈信号。
在这些部件工作时，A/D输入选择定时器/缓冲器29控制依次选择来自输出级30的66个模拟输出中的每个，以连接到A/D转换器36。当每个输出依次连接到该A/D转换器时，该输出的数字读数被提供在输出38上，以供FPGA 10进行分析或者由FPGA 10传递到其它数据处理设备进行分析。这对于以下特性特别有用，这些特性诸如温度测量、或者喷墨打印机致动器的反映分析(在同时待决的专利申请GB0506307.8“Improved Piezo-Electric Ink Jet Driver with Active and Passive ImpedanceAdaption and Motion Feedbak Control and Monitoring”中进行了描述)、或者对致动器谐振频率或关联谐振Q因子的分析(在同时待决的专利申请GB0506302.9“Simplified method for establishing drop volume and dropvelocity correction requierments in drop-on-demand ink jet printing appartus”中进行了描述)。
图3示出了包含寄存器41a、41b和41c的个体单元40。一个单元接收24位(7位事件时间和17位扩展事件码)。这7位事件时间计时通过FIFO单元40的7位延迟计数部42。这17位扩展事件数据被计时成6位削波电平部分43、8位输出电流部分44、箝位使能部分45以及第一和第二电压轨控制位46和47。输出到FIFO单元40的这各个部分分别连接到均包括在输出级49内的D/A转换器50和51、箝位使能线52以及两位解复用器53。这各个部件继而连接到也在输出级49内的输出模拟控制块55。
控制块55分别连接到上拉和下拉晶体管57和58，这些晶体管连接在65V正电源轨与地之间。晶体管57和58具有一中间连接点，该中间连接点连接到输出焊盘32。另外，输出焊盘32还连接有半拉(pull-mid)晶体管62和63，这些晶体管连接到32.5伏特的半轨电压。
在工作时，6位削波电平数据计时通过FIFO部分43进入到D/A转换器50中，并且控制块55将模拟当量(analog equivalent)施加到晶体管57和58以产生要施加到焊盘32的选定电压。相似地，8位压摆率控制计时通过FIFO部分44和D/A转换器51，并且输出模拟控制块55将受控的压摆率施加到焊盘32的电压跃变。控制位45、46和47确定焊盘32需要切换到的开关状态，例如，高、低、半轨和高阻抗。对于每个事件，延迟计数器42记录跃变发生的精确时间。
延迟计数器42还连接有FIFO控制器48，该FIFO控制器48保持有指向三个对应的24位寄存器阵列41a、41b和41c的环形读指针和写指针。每个寄存器的低7位是连续进行倒计数的“活跃”倒计数器。当在队列的头部的计数器届满时，在下一同步脉冲，允许读指针前进，并且从关联寄存器读出新数据，从而释放它们以缓冲更多数据。当该FIFO被实现为如上所述的环形缓冲器时，在寄存器41a、41b和41c中的数据在逻辑上前进通过该FIFO期间，该数据不需要物理地移动。(然而，作为一另选例，该数据能够并行地移位通过该FIFO，从而寄存器41a总是接收串行数据，而寄存器41c总是向输出焊盘32输出并行数据。)
每当FIFO读指针前进时，允许将新数据提供给输出级。该码告诉输出缓冲器拉向哪个电压轨或者是否关闭所有缓冲器以进入高阻抗状态。如已经描述的，8位是用于电流驱动强度或压摆率控制的二进制码，6位用于电压削波电平。因此，对于每次跃变，能够控制其开始时间、压摆率和最终电压。另一“箝位使能”信号使输出艰难开启，从而在共用壁致动器中将不活动电极箝制到地。
用于削波电平和压摆率的位的相对分配和总数并不重要，并且可以根据诸如基于两个电压裁剪选项中的哪一个来作出决定的因素来设计不同的分配(参见下文)。
图4示出了如何对完整的喷墨致动器脉冲100进行编码。在这种情况下，脉冲表现出需要三个Event：时间延迟(n)处的上拉事件101、时间延迟(n+1)处的下拉事件102以及时间延迟(n+2)处的箝位事件103。每个Event在发送其的同步脉冲被延迟了7位延迟计数器的值时发生。由于最大延迟几乎是同步脉冲之间的时间间隔的两倍，所以标定上属于一个同步周期的Event会被延迟到下一个周期(例如事件102)，如所示出的，允许多至两个排队事件在同一同步周期内发生(FIFO的一个目的是消除输入数据的速率与输出数据的速率之间的影响以允许其发生)。该编码方法的优点在于，它不会累积错误，而采用简单游程编码的情况则可能会累积错误。这使得该编码方法在噪声环境中相当健壮。
图5示出了要控制的66个通道之一的示例FPGA逻辑的概念模型。(尽管图5所示的资源用于单个通道，但是实际上能够基于分时地共享存储器存储和该逻辑的大部分。)数据总线60从先前相同的电路移位输入灰度打印数据，并且经由数据总线61在下一时钟沿上将该数据输出到后续通道。如果这样移位的数据被正确地对齐从而使其是所示特定通道的打印数据，则该打印数据被传送到通道数据寄存器62。该打印数据与打印循环识别信号63以及任选的灰度子滴(subdrop)计数器65相结合地确定将多个可选波形中的哪个波形施加于致动器。共享存储器块64存储Event/RunLength对的形式的三个波形定义，其中，Event的格式通常与先前关于Event/EventTime对所描述的格式相同。
能够存储多个可选波形定义。例如，在所谓的共用壁体系结构的打印头中，在任一时间仅能使三分之一的致动器激发。这需要每个致动器电极被三个可选波形之一驱动。当通道位于可以喷射墨滴的完整激发循环中的一点(如果打印数据需要喷射墨滴)时，使用第一个可能波形，即，激发波形。当通道位于可以喷射墨滴的完整激发循环中的一点但打印数据不需要喷射墨滴时，使用第二个可能波形，即，非激发波形。当通道位于从不需要喷射墨滴的完整激发循环中的一点但是与可能需要喷射墨滴的通道物理相邻时，使用第三个可能波形，即，相邻波形。
在二进制打印中，打印数据直接控制针对可以有条件地喷射墨滴的通道是选择激发波形还是非激发波形。在灰度打印中，二进制灰度值确定迅速连续地喷射多少子滴(例如，0和15之间)。子滴计数器65的功能是对喷射出的子滴的数目进行计数。
在图5的示例中，Event/RunLength对的三个块存储在有序存储器中。游程组可包括恒定数目的Event/RunLength对(例如，需要对每个连续子滴波形进行编码的(2、3、4或5或更多对))。灰度数据和循环的组合用于确定在任何给定的子滴周期内应用这三个可选波形中的哪个。
必须能够在子滴周期之间切换波形选择意味着：游程组总是优选地在子滴边界处开始和结束或者在子滴周期内的同一时间点处开始和结束。这种要求会导致某些纯粹从波形编码观点得出的效率降低，这是因为需要另外的Event/RunLength对使各个子滴周期“完整(top and tail)”(除了波形已具有子滴边界上的Event的情况以外)。为了避免从FPGA到驱动器ASIC的数据通道20上不必需的带宽负担，图5所示的RunLength队列/组合器管道识别两个连续的Event/RunLength对何时对同一Event进行编码并且通过将游程相加来将它们组合。然后，加法器/减法器67通过每同步脉冲时间减去68，对得到的游程进行“削减(chip awayat)”。在仍有大于128的值在游程寄存器中作为数字余数时，将相同的Event重复输出到事件数据移位寄存器中，并将EventTime设置为零。当剩余的小于128时，针对队列中的下一个Event输出该数字余数作为EventTime，并且使该队列前进。
这个机制产生由驱动器ASIC期待的Event/EventTime数据，并且该数据被加载到事件数据移位寄存器68中，该事件数据移位寄存器68与另一相同的通道电路(未示出)形成并-串转换器移位寄存器的一部分，并且可以从其将数据移位输出到驱动器ASIC。
当然，应该明白，所述实施方式仅是作为示例而给出，并且可以在本发明的范围内进行大量和不同的修改。

Claims (15)

1.一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路，该驱动器电路包括：
串行输入端，用于接收串行打印数据；
寄存器，用于以事件和事件定时数据对的形式存储所述打印数据；
并行输出端，用于输出事件数据；以及
控制电路，用于根据对应的事件定时数据来控制事件数据的输出定时。
2.如权利要求1所述的驱动器电路，该驱动器电路还包括查找存储器，所述查找存储器用于存储各致动器的裁剪数据。
3.如权利要求2所述的驱动器电路，其中，每次当事件数据输出到给定致动器时，将该致动器的裁剪数据与该致动器的事件数据结合，以对所述事件数据进行调整。
4.如权利要求1至3中任一项所述的驱动器电路，该驱动器电路包括多个并行先进先出结构的寄存器，所述多个寄存器用于从一个寄存器并行地输出一组事件数据，同时将随后的一组事件数据串行地输入另一寄存器。
5.如权利要求4所述的驱动器电路，该驱动器电路包括至少三个并行先进先出结构的寄存器，其中，在一给定同步循环中，一个寄存器串行地接收事件数据，一个寄存器存储事件数据，并且一个寄存器并行地输出事件数据。
6.如权利要求5所述的驱动器电路，该驱动器电路包括FIFO控制器，该FIFO控制器用于保持指向所述至少三个寄存器的环形读指针和写指针，以选择性地使能和禁用所述寄存器的读模式和写模式。
7.如权利要求5或6所述的驱动器电路，该驱动器电路还包括同步输入端，该同步输入端用于每n个时钟循环接收一个同步脉冲，其中，所述事件定时数据被安排为控制大于n的范围内的事件输出的定时，从而使得在一给定同步循环中可以从不同寄存器输出不同致动器的事件数据。
8.如上述权利要求中任一项所述的驱动器电路，其中，所述并行输出端针对每个致动器包括一个通道，每个通道包括并行输出和至少一个数字-模拟(D/A)转换器，所述至少一个数字-模拟转换器用于将所述并行通道输出转换成用于驱动所述喷墨致动器阵列的至少一个压电致动器的模拟信号。
9.如权利要求8所述的驱动器电路，其中，每个通道包括至少第一和第二并行输出以及至少第一和第二数字-模拟转换器，所述第一并行输出和数字-模拟转换器用于转换致动器削波电平数据，并且所述第二并行输出和数字-模拟转换器用于转换致动器电流或压摆率。
10.如权利要求8或9所述的驱动器电路，该驱动器电路还包括解复用器，该解复用器用于对每个通道的预定输出位进行解复用，以提供针对该通道的控制信号。
11.如权利要求10所述的驱动器电路，其中，所述控制信号包括用于将通道输出驱动成高压、低压和高阻抗之一的信号。
12.如权利要求11所述的驱动器电路，其中，所述控制信号还包括用于将所述通道输出驱动成所述高压和所述低压之间的至少一个中间电压的信号。
13.一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路，该驱动器电路包括：
可编程电路部分和固定电路部分，
所述可编程电路部分包括：用于接收打印数据的输入端、用于以事件和定时数据的形式来存储可选的预编程波形的存储装置、以及用于基于所述打印数据和所述预编程波形来输出事件和时间数据对的输出端；并且
所述固定电路部分包括：用于接收和存储所述事件和时间数据对的寄存器、用于输出事件数据的并行输出端、以及用于根据对应的事件定时数据来控制事件数据的输出定时的控制电路。
14.一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路，该驱动器电路包括：
可编程电路部分，其包括用于接收打印数据的输入端；
存储装置，用于以事件和定时数据的形式来存储可选的预编程波形；以及
输出端，用于基于所述打印数据和所述预编程波形来输出事件和时间数据对。
15.一种用于驱动喷墨打印机致动器阵列的驱动器电路，该驱动器电路包括：
寄存器，用于接收和存储事件和时间数据对；
并行输出端，用于输出事件数据；以及
控制电路，用于根据对应的事件定时数据来控制事件数据的输出定时。
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