CN102036830B - 液滴喷射器的过电流检测 - Google Patents
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Abstract
描述了用于检测压电打印头中的电短路的设备、方法和流体喷射系统。设备包括：压电致动器；晶体管，其漏极连接至压电致动器；二极管，其连接至晶体管的漏极和源极；检测电路，其构造成检测晶体管漏极处的电压是否高于预定电压；和禁用电路，其构造成响应检测到晶体管漏极处的电压高于预定电压而关闭晶体管。
Description
技术领域
本发明大体涉及流体喷射器，例如喷墨打印头。
背景技术
本文中的喷墨打印头可具有多个压电控制的油墨喷射器，每一者都包括连接至喷嘴的抽吸室。压电材料可以电耦合至专用集成电路(ASIC)。ASIC驱动压电材料，所述压电材料会致动抽吸室并从相关喷嘴喷射油墨。
压电控制的油墨喷嘴以及ASIC可包装在相对小的区域中。归因于小区域以及ASIC中电路径的缺陷或劣化以及ASIC与压电材料之间的连接，可出现短路并因而出现过电流情况。当确实出现过电流情况时，多个油墨喷嘴会受到损坏而无法运作。
发明内容
大体言之，本说明书描述的主题的一个方面可以在以下设备中实施，该设备包括：压电致动器；晶体管，其漏极连接至压电致动器；二极管，其连接至晶体管的漏极和源极；检测电路，其配置成检测晶体管漏极处的电压是否高于预定电压；和禁用电路，其配置成响应检测到晶体管漏极处的电压高于预定电压而关闭晶体管。
大体言之，本说明书中描述的主题的另一个方面可在流体喷射系统中实现，该流体喷射系统包括：流体喷射模块，其包含一个或多个用于在一个或多个压电致动器激活后即喷射油墨的液滴喷射器单元，其中各自液滴喷射器单元包含各自的压电致动器；和液滴喷射器驱动器，其电耦合至各自的压电致动器。液滴喷射器驱动器包括：晶体管，其漏极连接至各自的压电致动器；和一个或多个电路，其用于检测晶体管漏极处的过电流情况并响应于检测到的过电流情况而关闭晶体管，其中关闭晶体管会禁用各自的液滴喷射器单元。
大体言之，本说明书描述的主题的又一个方面可在以下方法中实现，该方法包括：向液滴喷射器的压电致动器施加电压，检测通过连接到压电致动器的晶体管的过电流情况，和响应检测到的过电流情况而禁用压电致动器。
本说明书描述的主题的特定实施例可建构成实现一个或多个以下优点。当出现过电流情况时，可禁用单个流体喷射单元。可检测到归因于过电流情况的流体喷射单元的禁用。禁用单个喷射器可防止故障模式叠加成整个驱动器芯片的故障而要求更换打印头。举例来说，可防止对控制其他的起作用的单个流体喷射单元的剩余ASIC输出的间接损害。
本说明书描述的主题的一个或多个实施例的细节在附图中和下文描述中陈述。从下文描述、附图和权利要求中能容易地了解本主题的其他特征、方面和优点。
附图说明
图1描述了示例性打印机单元的示意平面图。
图2是示例性打印头模块的横截面的示意图。
图3A是用于驱动打印头模块的液滴喷射器的示例性电路的示意图。
图3B是包括示例性液滴喷射器驱动器的示意图。
图3C是包括另一个示例性液滴喷射器驱动器的示意图。
图4描述了具有过电流检测的示例性打印头模块驱动器的框图。
图5描述了用于控制液滴喷射器单元的信号的示例性逻辑表。
图6是描述响应过电流情况而禁用液滴喷射器单元的示例性过程的流程图。
不同图中相似的附图标号和名称表示相似元件。
具体实施方式
虽然下文描述了一种是用油墨的打印机系统，但是这些概念通常也适用于其他包括从动压电层的基于微机电系统(基于MEMS)的装置，且尤其适用于喷射流体的流体喷射系统。
图1示出了示例性流体喷射系统(例如打印机单元100)的示意性平面图。打印机单元100包括一个或多个流体喷射器，例如一个或多个打印头112。打印头112可将流体材料(例如油墨)沉积至接收表面102(例如记录介质，诸如纸，或经历集成电路制造的基底)上。在一些实施方式中，打印头112和/或接收表面102可相对于彼此移动或平移，这样，流体可沉积在接收表面102上的不同位置处。举例来说，平坦且柔性的接收表面102(例如纸)可通过由电机驱动的一个或多个辊平移，而打印头112可通过由电机驱动的电缆和滑轮系统平移。其他用于移动或平移记录介质102和/或打印头112的机制也是可能的。
为便利起见，下文描述将纸作为接收表面102，并以油墨作为待由打印机单元100沉积至接收表面102上的材料。
打印机单元100可包括电源132及打印机控制系统134。电源132向打印机单元100的组件、电路等供应电力(这可来自电池或一些其他直流电源或交流电源)。打印机控制系统134包括各种硬件或软件组件(例如一个或多个电路、存储在电脑可读介质中的指令、硬连接至一个或多个电路中的指令，等)，这些组件用于接收表示待沉积至接收表面102上的流体版面的数据(例如表示待打印在纸上的图像的数据)、处理所述数据、控制打印头112以实现根据所接收的数据将液体沉积至接收表面102上以及实现其他功能。举例而言，打印头控制系统134可接收表示待打印到一页纸上的图像的数据。打印头控制系统134处理数据并根据所述数据控制打印头112，从而实现将图像打印到一页纸上。按照需要，电子设备134可通过开启或关闭打印头112中的液滴喷射器单元并控制用油墨填满液滴喷射器单元以及从液滴喷射器单元发射出油墨液滴，来控制打印头112。
每个流体喷射器(例如打印头112)包括流体喷射器模块，例如打印头模块118。打印头模块118可以是矩形板型打印头模块，其可以是使用半导体加工技术制造的模具。每个流体喷射器也可包括用于支撑打印头模块的罩壳，以及用于从外部处理器接收数据并向打印头模块提供驱动信号的其他组件，例如柔性电路。油墨供应源116保持油墨供应并为打印头模块118馈送油墨。
图2是示例性流体喷射器模块(例如打印头模块118)的横截面的示意图。打印头模块118包括模块基底210以及一个或多个压电致动器结构220(例如，包括锆钛酸铅(“PZT”)或其他压电材料的致动器，与电极)，在模块基底210中形成了多个流体流径(在图2的横截面中仅示出了一个流径)。模块基底210可以是单片半导体，诸如硅基底。在打印头模块118中，穿过硅基底的通道限定用于待喷射流体(例如油墨)的流径。每个流径(或“液滴喷射器单元”)可包括油墨入口212、抽吸室214和喷嘴218。压电致动器结构220设置在抽吸室214上。油墨经过油墨入口212(例如从油墨供应源116)流向抽吸室214，其中，当在压电致动器结构220中的压电材料上施加电压脉冲时，油墨受到加压以使得它被引向向下降部216而离开喷嘴218。这些蚀刻特征可以以多种方式构造。
压电致动器结构220包括致动器薄膜222、接地电极层224、压电层226以及驱动电极层228。压电层226是压电材料薄膜。压电层226可由具有期望属性的压电材料，诸如高密度、低孔隙率、和高压电系数属性的材料组成。致动器薄膜可由硅形成。
在一些实施方式中，压电材料薄膜通过溅射而被沉积。溅射沉积的类型可包括磁控管溅射沉积(例如RF溅射)、离子束溅射、反应溅射、离子辅助沉积、高靶利用率溅射和高功率脉冲磁控管溅射。溅射压电材料(例如压电薄膜)可具有尽可能大的沉积极化。可用于溅射压电材料的一些类型的腔可在溅射过程中施加直流电场。直流电场使压电材料极化，而使得压电材料的曝露侧是负性极化。
一侧上具有接地电极层224的压电层226固定至致动器薄膜222。致动器薄膜222也使接地电极层224及压电层226与抽吸室214中的油墨隔离。致动器薄膜222可以是硅且其柔度选定为使压电层226的致动导致致动器薄膜222挠曲，而足以加压抽吸室214中的流体。
压电层226响应被施加的电压(例如施加在驱动电极层228处的电压)而改变几何形状或弯曲。压电层226的弯曲会对抽吸室214中的流体加压，从而可控制地迫使油墨通过下降部116并将油墨滴喷射出喷嘴218。
打印头模块118具有限定液滴喷射器单元的喷嘴218阵列的前表面。在一些实施方式中，喷嘴21配置成一行或多行。打印头118也具有其上包括一系列驱动触点的背表面。在一些实施方式中，每个液滴喷射器单元都存在一个驱动触点。液滴喷射器单元的驱动触点与液滴喷射器单元的压电致动器结构220电连通。在一些实施方式中，液滴喷射器单元的驱动触点与液滴喷射器单元的驱动电极层228电连通。
图3A是用于驱动打印头模块(例如打印头模块118)的液滴喷射器单元的示例性电路300的示意图。在一些实施方式中，电路整合在打印头模块中，例如形成在基底210上或形成在附着至基底的ASIC上。电路300包括耦合至二极管304(例如半导体二极管)的N型双扩散金属氧化物半导体(NDMOS)晶体管302。二极管304的正极耦合至NDMOS晶体管302的源极，且二极管304的负极耦合至NDMOS晶体管302的漏极。
在一些实施方式中，电路300的一个或多个实例可在集成电路元件上制造，例如每个液滴喷射器单元有一个要由集成电路元件控制。举例来说，集成电路元件可附着至打印头模块模具。在一些其他实施方式中，由于使用了NDMOS晶体管，电路300的尺寸可减少，且电路300可直接集成至模具上。
因为晶体管漏极与源极之间的电流受限于通过晶体管栅极的电流，所以晶体管可用作开关。具体的说，NDMOS晶体管用作开关，以可控制地致动压电致动器结构以驱动打印头模块的。举例来说，当用比其栅极阈值电压高的电压驱动晶体管302的栅极时，NDMOS晶体管302“开启”，而当以比栅极阈值电压低的电压驱动栅极时，晶体管302“关闭”。另外，通过NDMOS晶体管302的栅极的电流也可用于控制通过NDMOS晶体管302的漏极的电流，从而控制二极管304的偏压(例如选择性地正向偏压或反向偏压二极管)。
图3B是包括示例性液滴喷射器驱动器310的示意图。液滴喷射器驱动器310包括电路300和压电致动器结构316(例如PZT)。在一些实施方式中，NDMOS晶体管302的漏极耦合至压电致动器结构316(例如在压电致动器结构220的驱动电极层228，例如通过对应驱动触点)。NDMOS晶体管302的漏极可耦合至在极化过程中被施加负电压的压电制动器结构316的那一表面上的电极；这防止压电致动器结构316偏压。在一些实施方式中，如果压电致动器结构316的压电材料被溅射，那么NDMOS晶体管302的漏极会耦合至溅射的压电材料的顶表面(也就是曝露表面)；这等同于将NDMOS晶体管302的漏极连接至在极化过程中具有负电压的压电致动器结构316的那一表面。压电致动器结构316的另一电极(例如接地电极224)进一步耦合至配置成生成喷射器波形或信号的波形生成器314。在一些实施方式中，喷射器波形生成器314是打印机控制系统314的一部分。NDMOS晶体管302的栅极耦合至配置成生成控制波形或信号的波形生成器312(例如驱动器电路)。在一些实施方式中，控制波形生成器312是打印机控制系统134的一部分。在一些实施方式中，控制波形生成器312可包括一个或多个电路或电组件。NDMOS晶体管302的源极耦合至地面。
图3C是包括另一示例性液滴喷射器驱动器320的示意图。液滴喷射器驱动器320包括电路300和压电致动器结构316。在一些实施方式中，NDMOS晶体管302的漏极耦合至压电致动器结构316的一个电极(例如在压电致动器结构220的驱动电极层228处)。压电致动器结构316的另一电极进一步耦合至地(例如在压电致动器结构220的接地电极层224处)。NDMOS晶体管302的栅极耦合至配置成生成控制波形或信号的波形生成器312(例如驱动器电路)。在一些实施方式中，控制波形生成器312可包括一个或多个电路和电组件。在一些实施方式中，控制波形生成器312是打印机控制系统134的一部分。NDMOS晶体管302的源极耦合至配置成生成喷射器波形或信号的波形生成器314。在一些实施方式中，喷射器波形生成器314是打印机控制系统134的一部分。
因而，在图3B和3C中，对每个流体喷射器单元，通过各个电路300施加不同控制波形，来自不同喷嘴的液滴喷射可被单独控制。然而，可向每个流体喷射器单元施加相同的喷射波形。例如，喷射波形可以是颠倒梯形波形。施加波形而使得压电致动器结构316以某种方式运作，这种方式会让压电致动器结构316上的电压在电学短路情况下产生进入NDMOS晶体管302中的电流，而非进入二极管304的电流。
液滴喷射器单元的控制波形生成器312可包括过电流检测能力。也就是说，控制波形生成312可配置成检测由压电致动器结构316上的电短路导致的液滴喷射器单元中的过电流，并响应于检测到的过电流而禁用液体喷射器单元。
图4描述了具有过电流检测的示例性液滴喷射器驱动器310的框图。更具体的说，液滴喷射器驱动器310包括配置成检测过电流情况的控制波形生成器(例如驱动器电路)312。对每个液滴喷射器单元都存在一个驱动器电路312；驱动器电路312为单独的液滴喷射器单元检测压电致动器结构316上的过电流情况，而且，如果检测到过电流情况，还可禁用所述单独的液滴喷射器单元。
虽然图4描述了液滴喷射器驱动器310内具有带过电流检测的驱动器电路312，但是在液滴喷射器驱动器320或其他液滴喷射器驱动器构造中也可使用具有过电流检测的类似驱动器电路。
驱动器电路312在晶体管302的栅极和漏极处连接至电路300。驱动器电路312包括向晶体管302的栅极的输出以及从晶体管302的漏极的输入，其细节将在下文描述。
波形生成器312可包括D触发器(或D锁存器)406。D触发器406的D输入接收喷射器状态信号402(例如从打印机控制系统134)并可以选择接收时钟信号404。喷射器状态信号402用信号表示液滴喷射器单元的期望状态，例如液滴喷射器单元是否要喷射油墨液滴(“开”)或不喷射油墨(“关”)。举例而言，喷射器状态信号402可在“开”状态下为高，而在“关”状态下为低。在打印系统背景下，喷嘴状态信号可指示是否要打印像素，且可由打印机控制系统134从图像数据得出。D触发器406保持收到的喷射器状态信号402。
D触发器406的Q输出可以用使用或门410而与全开信号408进行逻辑“或”运算。全开信号408可由打印机控制系统134发送。全开信号408是可发送至多个液滴喷射器单元的液滴喷射器驱动器的信号。高的全开信号408可确保一次激活全部多个液滴喷射器单元。
波形生成器312还可包括SR触发器(或SR锁存器)422。SR触发器422可接收用于SR触发器422的S输出的重置信号420。重置信号可例如由打印机控制系统134发送，或者由驱动器电路312外部的另一信号源发送。高的重置信号420可用于初始化液滴喷射器单元的状态，如下文详细描述。SR触发器422也可选择接收时钟信号。在一些实施方式中，相同的重置信号420被发送至多个(例如所有)液滴喷射器单元。在一些其他实施方式中，每个液滴喷射器单元接收各自的重置信号420。
SR触发器422的Q输出可使用与门424与或门410的输出端组合。与门424的输出端与晶体管302的栅极连接；与门424的输出端输出控制波形，该控制波形通过向晶体管302的栅极施加高或低信号(例如高或低电压)而开启或关闭晶体管302。由于与门424施加的与操作，如果Q输出输出低信号，那么与门424会向晶体管302的栅极输出低信号而晶体管302被关闭。
与门424的输出端也和另一与门421的输入端连接。与门424也可组合与门424的输出以及比较器418的输出。比较器在一个输入端接收大致恒定的电压416而在另一输入端接收晶体管302的漏极电压。在一些实施方式中，恒定电压416近似为2V。更大体言之，恒定电压416可以是当液滴喷射器310处于“开”情况(亦即晶体管302处于“开”情况)时可施加至液滴喷射器驱动器310且不会损坏液滴喷射器驱动器310的最大电压量。如果恒定电压416比漏极电压高，那么比较器418会输出低信号。如果恒定电压416等于或小于漏极电压，比较器会输出高信号。与门421的输出传送至SR触发器422的R输入端中。高或低信号根据重置信号420和与门421的输出而在SR触发器的Q输出端输出。在一些实施方式中，在与门421与SR触发器422之间可增加过滤块以防止触发器在简短瞬间，例如当NDMOS晶体管302从之前的关闭状态打开时，触发。
SR触发器422的Q输出端会输出可如上所述关闭晶体管302且因此禁用液滴喷射器单元的信号。因而，SR触发器422的Q输出指示是否已出现了过电流情况。如果SR触发器422的Q输出高，那么各自液滴喷射器单元不存在过电流情况。如果SR触发器422的Q输出低，那么各自液滴喷射器单元存在过电流情况。
多个液滴喷射器单元的多个波形生成器312的各自SR触发器422的Q输出可通过与门426而组合。与门426的输出是无故障信号428。高的无故障信号428指示液滴喷射器单元(Q输出从它们组合出)中不存在过电流情况。低的无故障信号428则指示液滴喷射器单元中(Q输出从它们组合出)的至少一个具有过电流情况。或者，多个液滴喷射器单元的多个波形生成器312的各自SR触发器422的Q输出的补集可使用或门组合成故障信号。高的故障信号指示液滴喷射器单元中的至少一个具有过电流情况。
在一些实施方式中，遭受电短路(亦即具有过电流情况)的一个或多个特定液滴喷射器单元可通过关闭所有液滴喷射器单元并然后按照一次一个的方式激活它们而识别。低的无故障信号(或高的故障信号)指示特定被激活液滴喷射器单元遭受过电流情况，因而不应使用。在另一实施方式中，不以一次一个的方式开启每个喷射器，而是跳过之前判定为短路的喷射器(如果存在的话)，也就是因为已知它们的短路状态，所以不开启这些喷射器。举例而言，识别已被禁用的液滴喷射器可以让打印机控制器通过从相邻的液滴喷射器喷射更多流体而补偿被禁用的液滴喷射器。在一些其他实施方式中，可使用识别短路的喷射器单元的其他算法(例如二进位搜索)。
通过在短时间(例如几微秒)内一起断言高的全开信号408和高的重置信号，420液滴喷射器驱动器310可被初始化。初始化迫使晶体管302开启，且将SR触发器422的Q输出设定为高。在初始化之后，可断言低的全开信号408和低的重置信号420，且液滴喷射器驱动器310可如上文和下文所述运作。这种初始化顺序可减少对连接至短路的喷射器的晶体管的压力。
在一些实施方式中，断言高全开信号408和高重置信号420，而到压电致动器结构316的信号(亦即，来自晶体管302的漏极的信号)则在地电位。到压电致动器结构316的信号的电压可接着分级增加(例如第一级小于全电压，第二级为全电压)，以测试液滴喷射器驱动器310的过电流情况。
在一些其他实施方式中，晶体管302可根据逻辑表开启或关闭。与门410的输出(D触发器406的Q输出与全开信号408的逻辑或)、重置信号420和晶体管302的漏极电压可用作逻辑表的输入，以确定待施加至晶体管302的栅极的高或低信号。图5描述了示例性逻辑表，其具有对于每个输入组合的输入信号与输出门信号的组合。
图6是描述禁用液滴喷射器单元的示例性流程600的示意图。为方便起见，将参照执行该流程的设备或系统(例如液滴喷射器驱动器310)描述流程。
向液滴喷射器单元的压电致动器(例如压电致动器结构316)施加控制波形(602)。当液滴启动器单元的液滴喷射器驱动器310启动后，将通过断言高喷射器状态信号402而激活液滴喷射器单元(例如可激活来自液滴喷射器单元的油墨喷射)。高喷射器状态信号402被D触发器406保持并输出。作为来自D触发器406的高输出信号的结果，与门410输出高信号。SR触发器422在使用高重置信号420接着使用低重置信号420初始化后，输出高信号；高重置信号420迫使SR触发器422的Q输出为高，接着低的重置信号420迫使SR触发器422保持状态直至出现过电流情况。或门410的输出与SR触发器422的输出两者都输出高信号时，晶体管302的栅极从与门424接收高信号波形，而开启晶体管302。开启晶体管302会激活压电致动器结构316。
检测穿过连接至压电致动器316的晶体管302的过电流情况(604)。举例来说，如果在压电致动器结构316上存在电短路，那么过电流情况穿过晶体管302出现且晶体管320的漏极处的电压因此增大。在比较器418的输出端处接收晶体管302的漏极处增大的电压，以与预先确定、预先限定或者大致恒定的电压416比较。如果漏极电压等于或高于电压416，则比较器418输出高信号。换句话说，比较器418可检测比预定电压(例如最大安全电压)高的漏极电压，其为过电流情况的指示符。
响应检测到的过电流情况而禁用压电致动器结构316(606)。比较器响应高于预定电压416的晶体管302的漏极电压而输出高信号。与门412组合高门信号(当液滴喷射器单元开启时的与门424的输出)以及比较器418的输出，以产生进入SR触发器422的R输入端的高信号。SR触发器422在R输入端接收高信号且在S输入端接收低重置信号420，且因此生成低Q输出信号。该低信号反馈至与门424，与门424因此又生成用于晶体管302的栅极的低信号。门的低信号关闭晶体管302，并因此关闭液滴喷射器单元。
打印机单元100基于检测到的过电流情况所引起的低无故障信号428可采取校正措施(例如，进一步使用其他液滴喷射器单元来补偿禁用液滴喷射器单元的损失，运行诊断程序来识别被禁用的特定液滴喷射器单元，等)。
虽然本说明书含有许多细节，但是它们不应理解为对权利要求范围或可能要求保护范围的限制，而只是作为特定实施例所特有的特征的描述。在本说明书中在单独实施例中描述的某些特征也可组合实施在单个实施例中。相反，在单个实施例中描述的各个特征也可在多个实施例中单独实施或以任何适当的子组合实施。此外，虽然特征可在上文描述为以某些组合作用且甚至最初这样在权利要求中要求保护，但是在一些情况下可从组合中切除权利要求中的组合中的一个或多个特征，且权利要求中的组合也指向子组合或子组合的变化。
上文已描述了本说明书中描述的主题的特定实施例。其他实施例落入下述权利要求的范围内。
Claims (3)
1.一种用于控制液滴喷射器单元的设备，包括：
压电致动器；
晶体管，其中所述压电致动器连接至所述晶体管的漏极；
二极管，其中所述二极管连接至所述晶体管的源极和漏极；
检测电路，其配置成检测所述晶体管的所述漏极处的电压是否高于预定电压；和
禁用电路，其配置成响应检测到所述晶体管的所述漏极处的电压高于所述预定电压而关闭所述晶体管,
其特征在于，所述禁用电路包括一电路，该电路用于当晶体管处于开状态时响应检测到所述晶体管的所述漏极处的电压高于所述预定电压而向所述晶体管的栅极施加低电压。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述的向所述晶体管的所述栅极施加低电压的电路包括SR触发器，其中当所述SR触发器的S输入为低且SR触发器的R输入为高时，SR触发器向所述晶体管的所述栅极输出低电压。
3.如权利要求2所述的设备，其特征在于，当所述晶体管处于开状态时，如果在所述晶体管的所述漏极处检测到的电压高于所述预定电压，则SR触发器的R输入为高。
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