CN106604825B - 用于喷墨式打印头的温度控制电路 - Google Patents

用于喷墨式打印头的温度控制电路 Download PDF

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Abstract

一种用于喷墨式打印头的温度控制电路，包括：温度传感器部，产生输出电流(IM40)，所述输出电流包括正比于所述喷墨式打印头上感测到的温度的电流与偏差电流之和；以及偏差电流校正部产生被从所述输出电流(IM40)减去的校正电流(IM16)，以至少部分补偿所述偏差电流，由所述校正电流补偿后的所述输出电流(IDIFF)作为温度控制电路输出电流输出。

Description

用于喷墨式打印头的温度控制电路
技术领域
本发明大致涉及打印头系统的温度控制，尤其涉及一种利用位于打印头集成电路(IC)上的存储元件在系统上储存确定值的方法。
背景技术
当从一个喷射动作到下一个喷射动作喷嘴区域中的环境一致时，喷墨式打印机将产生最佳质量。在喷射开始时温度一致是用来进行控制以产生最佳打印质量的重要环境因素之一。因此，强健的温度控制方法是打印头设计中所期望的元素。
为了保持低成本，用于喷墨式打印头的温度传感器需要在喷墨式打印头集成电路上占用最小的布局空间。一种类型的传感器产生正比于打印头集成电路上的温度的输出电流。这类传感器设计中的一个折衷是，当所有传感器的温度斜率被限制为常数时，如果允许传感器到传感器的偏差电流变化，则空间可以被最小化。可以在某些基准温度以及由某种形式的存储器储存的值处感测偏差电流。然后，利用传感器的当前电流、所储存的偏差电流以及温度斜率可以计算传感器温度，以便确定温度传感器附近的打印头集成电路的温度。
发明内容
技术问题
在上述温度传感器中，偏差电流值可以被远程储存在打印机的电子控制设备中，但这要求打印头集成电路上的每一个单独的传感器具有存储位置和唯一的存储偏差值。如果可以利用打印头集成电路上的存储元件来校准所有的传感器以具有相同的偏差电流，则计算的复杂度将减少。此外，打印机的成本也会降低。
因此，本发明的目的是提供打印头系统的温度控制，具体地，提供一种利用位于打印头集成电路(IC)上的存储元件在系统上储存确定值的方法。
本发明的另一个目的是提供一种方法，通过该方法，电荷可以被储存在提供温度控制基准机制的存储元件上。
本发明的另一个目的是提供一种芯片上基准解决方案，该方法在最小化裸片(die)上占用面积以及对外部源的依赖性的同时对于温度变化具有最小敏感度。
技术方案
根据本发明的示例性实施例，一种用于喷墨式打印头的温度控制电路包括：温度传感器部，产生输出电流，所述输出电流包括正比于所述喷墨式打印头上感测到的温度的电流与偏差电流之和；以及偏差电流校正部，产生被从所述输出电流减去的校正电流，以至少部分补偿所述偏差电流，由所述校正电流补偿后的所述输出电流作为温度控制电路输出电流输出。
根据本发明示例性实施例的一种喷墨式打印头，包括：一个或更多温度控制电路，每个温度控制电路包括：温度传感器部，产生输出电流，所述输出电流包括正比于所述喷墨式打印头上感测到的温度的电流与偏差电流之和；以及偏差电流校正部，产生被从所述输出电流减去的校正电流，以至少部分补偿所述偏差电流，由所述校正电流补偿后的所述输出电流作为温度控制电路输出电流输出。
在示例性实施例中，所述偏差电流校正部包括浮置栅极晶体管。
在示例性实施例中，所述偏差电流校正部包括用于减小所述校正电流的电流镜。
在示例性实施例中，所述温度控制电路具有使浮置栅极充电的设定模式。
在示例性实施例中，所述温度控制电路具有读取所述浮置栅极上的电荷以产生所述校正电流的读取模式。
在示例性实施例中，所述温度传感器部包括带隙温度检测电路。
根据以下的详细描述、附图及所附权利要求，本发明实施例的其他特征及优点将变的更加明显。
发明的有益效果
根据本发明的用于喷墨式打印头的温度控制电路可以利用位于打印头集成电路上的存储元件在系统上储存确定值。
附图说明
当结合附图时，参考以下详细描述可以更充分的理解本发明的示例性实施例的特征和优点，其中：
图1是传统喷墨式打印头的透视图；
图2是传统喷墨式打印机的透视图；
图3是根据本发明的示例性实施例的温度控制电路的电路图；以及
图4是根据本发明的示例性实施例示出的感测喷墨式打印头上的温度的方法的流程图。
具体实施方式
此处使用的标题仅仅是出于结构性目的，并非意在限制说明书或权利要求的范围。正如本申请通篇所使用的，词语“可以”和“能够”以宽松的含义(即，意味着具有可能性)使用，而不是强制性的含义(即，意味着必须)。相似地，词语“包括”、“包含”及其变形是指“包括但不限于”。为了便于理解，在合适的地方使用相似的标号来表示附图所共有的相似元素。
本发明的主要目的是提供一种对硅的面积影响最小的系统温度控制方法。该方法涉及使用通过I/O焊盘提供的外部基准。为此目的，可以使用浮置栅极元件以系统地为温度控制器基准提供阈值区域。本发明提供一种用于在存储元件(该存储元件反过来将基准水平(referece level)提供给控制器)中存储增量水平(incremental level)的方法。
图1示出喷墨式打印头，大致由附图标号110表示。喷墨式打印头110包括具有一个或更多温度传感器131的致动器芯片125，该温度传感器131连接至被典型地表示为接合焊盘128的多个I/O端子中的单个I/O端子。从形式上而言，输入还可以实现为正比于相应温度传感器131附近的温度的电流。电路和其他细节将参照其他附图进行描述。
打印头110具有外壳112，外壳112的形状主要取决于诸如打印机、传真机、扫描仪、复印件、照片打印机、绘图机、多合一设备等包含并使用外壳112的外部装置的形状。外壳112具有至少一个用于容纳初始的或可重复装填的墨源的内部隔室。在一个实施例中，隔室116设想为容纳黑色、青色、品红色或黄色的墨源的单个腔。在另一个实施例中，隔室116设想为包含多种不同或相同颜色的墨的多个腔。隔室116还可以局部地集成在外壳112中(如图所示)而存在，或与外壳112和/或打印头110分离而存在，并且经由例如管或其它导管连接。
在外壳112的一个表面118粘附有诸如带式自动接合(TAB)电路120的柔性电路的部119。TAB电路120的另一部粘附至外壳112的表面122。TAB电路120电支持多个输入/输出(I/O)连接器124，该多个输入/输出(I/O)连接器124用于在使用期间将诸如加热器芯片之类的致动器芯片125连接至外部装置。正如本领域技术人员所知道的，多个电导体126存在于TAB电路上，以使I/O连接器124与致动器芯片125的端子(接合焊盘128)连接并短路。另外，为简单起见，图2示出了八个I/O连接器124、电导体126以及接合焊盘128，但打印头的数量可以更多，并且任何数量都等同地并入于此。虽然连接器、导体以及接合焊盘的数量被示出为彼此相等，但在实际的实施例中也可以不相等地变化。
致动器芯片125包含至少一个流体连接至隔室116的墨的墨通道132。在制造期间，用各种粘合剂、环氧树脂等中的任意一种将致动器芯片125附接至外壳112。为了喷射墨，致动器芯片125包含数列诸如热加热器之类的流体点燃致动器(A列至D列)。在其他芯片中，流体点火致动器实现为压电元件、微机电(MEMs)器件、换能器(transducer)或其他适当的元件。图1将致动器简化为四列的五个点或暗圈，但实际上可能总计有数十、数百或上千个。各个致动器形成为经由在诸如硅的衬底上生长、沉积、掩膜、图案化、光刻和/或蚀刻或其他处理步骤而制成的一连串薄膜层。具有多个喷嘴孔(未示出)的喷嘴部件被粘附至或制成为致动器芯片上的另一个薄膜层，使得多个喷嘴孔大致与致动器对准并位于致动器之上，以便喷射墨。
参照图2，喷墨式打印机形式的外部设备(大致由附图标号140表示)在使用期间包含打印头。喷墨式打印机140包括滑动架142，具有多个用于容纳一个或更多打印头110的插槽144。如本领域所公知的，该滑动架142通过提供至驱动带150的动力沿着轴148在打印区域146上方(依照控制器157的输出159)进行往复运动。相对于诸如一张纸152之类的打印媒介执行滑动架142的往复运动，该纸沿着从输入托板154、通过打印区域146、再到输出托板156的纸张路径在打印机140中行进。
当在打印区域中时，滑动架142在通常垂直于如箭头所示的纸张152行进的行进方向的往复运动方向上做往复运动。有时，依照打印机微处理器或其他控制器157的命令，促使来自隔室116的墨以墨滴形式从致动器芯片125喷射。时序对应正在打印的图像的像素图案。通常地，图案是在电连接至控制器157的设备中产生(经由Ext输入(Ext.input))，该装置装配在打印机的外部，例如电脑、扫描仪、照相机、可视显示单元或个人数据助理。
为了喷射单个滴墨，诸如加热器之类的致动器(例如，图1中A至D列中的一个点)被提供少量的电流(例如，通过寻址和脉冲的结合)以快速加热少量的墨。这导致部分墨在加热器与喷嘴部件之间的局部墨腔中蒸发，并通过喷嘴部件中的喷嘴朝打印媒介喷射一滴(或多滴)墨。根据在接合焊盘128、电导体126、I/O连接器124以及控制器157之间分配的连接，在端子(例如，接合焊盘128)上的致动器处接收用于提供这种电流的典型点火脉冲(或在加热器芯片处解码)。内部致动器芯片布线从输入端子向一个或更多致动器传送点火脉冲。
为了提供额外的打印机能力和鲁棒性，随同打印机配备有具有用户选择界面160的控制面板158，用于提供用户输入162至控制器157。
图3是根据本发明的示例性实施例示出的大致由附图标号1表示的温度控制电路的电路图。温度控制电路1旨在监测喷墨式打印头位置处的温度，使得可以依照感测到的温度控制加热元件。加热元件可以包括其功能仅为加热芯片的衬底加热器和/或当前在打印图案时空闲的喷墨加热器。应当理解的是，不只一种温度传感器可以包括在打印头集成电路中，在这种情况下，每种温度传感器都具有对应的温度控制电路。温度控制电路1包括温度传感器部10和偏差校正部20。温度传感器部10可以由包括MOSFET晶体管M4、M7、M30、M31、M34、M35、M25、M26、M5、M40、双极型晶体管Q1和Q2以及电阻R0的常规带隙温度检测电路构成。通过M40的输出电流包括两个分量：偏差电流加上正比于绝对温度(PTAT)的电流，该电流可以写作：
IM40(T)＝IOFFSET+B*(T-25℃) [公式.1]
其中：
T是温度；
B是PTAT温度电流的斜率；
IOFFSET是在25℃下测量的偏差电流。
该设计是基于双极型晶体管Q1与Q2的基极-发射极电压的差异。Q2通常尺寸大于Q1，在此示例中，Q2是Q1面积的八倍。这是本领域公知的带隙电路。通过该电压除以电阻R0的值来定义输出电流。用于制作R0的材料仅具有小的温度系数。偏差电流将基于主要在每个温度传感器的MOSFET部件中的随机失配而变化。
在温度监测系统中，不希望出现传感器与传感器之间的偏差电流变化，这可以利用偏差校正部20的MOSFET晶体管M0、M1、M2、M3和M9至M16来解决。这些部件用在每个温度传感器中。偏差校正部20的核心元件是浮置栅极MOSFET M0。浮置栅极M0可以永久地充电并用于改变偏差电流；目的不是完全消除偏差，而是使每个温度传感器具有相同的偏差电流。MOSFET M1作为连接浮置栅极M0至管脚fgpwr处的电压的开关。M10也作为提供浮置栅极M0两端的电压电位的开关。为了将电荷添加至浮置栅极M0，将fgpwr电压设置为大约10V的电压，或一些其它足够高的电压使得在浮置栅极M0上产生电荷积累。当将管脚fgbias1上的电压设置为3V或一些其它相对低的电压时，接脚control 1也为10V，从而避免浮置栅极M0上积累更多电荷。这就是温度传感器“设定(program)”电流模式。然后，使control 1电压为低脉冲(0V)一段时间，例如100毫秒。这导致一定量的电荷被储存在浮置栅极M0上。为了将更多电荷添加至浮动栅极M0，可以反复施加control 1电压低脉冲。当M0上的电荷充足时，fgpwr上的电压减小至3V。将control 1电压设置为0伏特，fgbias1设置为3V。这就是标准的温度传感器“读取”电流模式。实践中，电路从设定模式转换至读取模式，直到取得期望的电流。
晶体管M2、M3、M9和M11至M16形成电流监测器，该电流监测器将通过M0的电流减小了32倍。这样减小了温度传感器输出电流IM40对于大的浮置栅极电荷变化的灵敏度。从通过M40的温度传感器电流IM40减去通过M16的电流IM16得到流经tse_select开关的电流差IDIFF。在示例系统中，每个温度传感器电路1都具有tse_select开关，该tse_select开关将其连接至包括MOSFET晶体管M149和M144的输出电流镜30(通过tesbus连接)。所有温度传感器的tse_select开关中只有一个对于温度电流的读数是起作用的。然后，在该示例中，输出电流被放大了6倍，并在tempsense_iout管脚处表现为PTAT电流吸收器。
图4是根据本发明示例性实施例示出的用于校正喷墨式打印头上的温度传感器的方法的流程图。本方法的步骤S02中，例如通过在可控热卡盘上放置晶片来迫使所有传感器的系统温度相同。尽管传感器与传感器之间的温度是相同的，但是由于每个传感器处的偏差电流，在每个传感器处的温度也可能被有差异地“读取”。在步骤S04中，读取系统中所有的温度传感器，以便找到具有最小随机偏差电流(没有设定的浮置栅极；fgbias1设置为0伏特)的温度传感器。在步骤S06-S12中，反复地设定并读取每个温度传感器的浮置栅极，直到每个传感器的偏差电流被设置成等于在步骤S04中确定出的最小偏差电流。在校正处理的结尾，系统中的温度传感器将具有相同的偏差电流。当系统运行时，知道了偏差电流和PTAT电流的斜率(B)可以确定每个温度传感器附近的温度。
通常，浮置栅极M0可以通过栅极上采集的电荷量来设置流过它的漏极到源极的电流。这种电荷采集有效地改变了晶体管的阈值电压(Vt)。通常，晶体管的漏极电流可以用下述公式描述：
设定后，此公式变为：
其中，
因此，可以用来设定电流的精度ΔI与栅极电容成反比，与电荷量成正比。就此来说，设计本发明的装置结构以使用此调整特征来调整基准。控制电荷布置的典型方法是使用偏置电压水平和/或施加电压的时间量。
在打印头的制造器件或总装期间，精确的基准/校正值可以被设定至用于提供自备式闭环温度控制的元件。
尽管已经说明并描述了本发明的具体实施例，但是显而易见的是，对于本领域一般技术人员，在不脱离本发明的精神及范围的情况下，可以做出各种其它的变化及修改。因此，所附权利要求旨在涵盖本发明范围内的所有这类变化及修改。
附图标号列表
110：打印头
112：外壳
116：隔室
118：表面
119：部
120：TAB电路
122：表面
124：I/O控制器
125：致动器芯片
126：电导体
128：接合焊盘
131：温度传感器
132：墨通道
140：喷墨式打印机
142：滑动架
144：插槽
146：打印区域
148：轴
150：驱动带
152：纸
154：输入托板
156：输出托板
157：控制器
158：控制面板
159：输出
160：用户选择界面
162：输入

Claims (13)

1.一种用于喷墨式打印头的温度控制电路，包括：
温度传感器部，产生输出电流，所述输出电流包括正比于所述喷墨式打印头上感测到的温度的电流与偏差电流之和；以及
偏差电流校正部，产生被从所述输出电流减去的校正电流，以至少部分补偿所述偏差电流，由所述校正电流补偿后的所述输出电流作为温度控制电路输出电流输出。
2.根据权利要求1所述的温度控制电路，其中，所述偏差电流校正部包括浮置栅极晶体管。
3.根据权利要求2所述的温度控制电路，其中，所述偏差电流校正部包括用于减小所述校正电流的电流镜。
4.根据权利要求2所述的温度控制电路，其中，所述温度控制电路具有使浮置栅极充电的设定模式。
5.根据权利要求2所述的温度控制电路，其中，所述温度控制电路具有读取浮置栅极上的电荷以产生所述校正电流的读取模式。
6.根据权利要求1所述的温度控制电路，其中，所述温度传感器部包括带隙温度检测电路。
7.一种喷墨式打印头，包括：
一个或更多温度控制电路，每个所述温度控制电路包括：
温度传感器部，产生输出电流，所述输出电流包括正比于所述喷墨式打印头上感测到的温度的电流与偏差电流之和；以及
偏差电流校正部，产生被从所述输出电流减去的校正电流，以至少部分补偿所述偏差电流，由所述校正电流补偿后的所述输出电流作为温度控制电路输出电流输出。
8.根据权利要求7所述的喷墨式打印头，其中，所述偏差电流校正部包括浮置栅极晶体管。
9.根据权利要求8所述的喷墨式打印头，其中，所述偏差电流校正部包括用于减小所述校正电流的电流镜。
10.根据权利要求8所述的喷墨式打印头，其中，所述温度控制电路具有使浮置栅极充电的设定模式。
11.根据权利要求8所述的喷墨式打印头，其中，所述温度控制电路具有读取浮置栅极上的电荷以产生所述校正电流的读取模式。
12.根据权利要求7所述的喷墨式打印头，其中，所述温度传感器部包括带隙温度检测电路。
13.根据权利要求7所述的喷墨式打印头，还包括一个或更多加热器，其中，基于所述温度控制电路输出电流控制所述一个或更多加热器。
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