CN107073939B - 打印头和喷墨打印机 - Google Patents

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Abstract

一种打印头(10)包括具有电接口的流体喷射芯片。电接口包括：一个或多个输入，用于接收与一个或多个定址循环中的每个对应的各个元喷嘴地址数据和加热器地址数据，所述一个或多个输入中的至少一个可转换成非激活状态；以及一个或多个移位寄存器，移位寄存器的总数量是可调整的，使得所述一个或多个移位寄存器中的每个与所述一个或多个输入中不处于非激活状态的各一个对应，所述一个或多个移位寄存器从不处于非激活状态的所述一个或多个输入接收各自的元喷嘴地址数据和加热器地址数据，以允许电信号选择性地应用到加热元件，使得流体根据图像数据从所述流体喷射芯片被喷射。

Description

打印头和喷墨打印机
技术领域
本发明涉及喷墨打印头，尤其涉及控制喷墨打印头的系统和方法。
背景技术
为喷墨加热器芯片发展可配置的架构要考虑设计的多个应用以及给原始设备制造商(OEM)卖方更多机会。芯片的基本规格之一是所需的数据输入焊盘的数量和将串行数据记录(clocked)到芯片的速度。这些设计变量是逆相关的；为了传递相同量的数据，减少输入的数量将需要增大记录速度(clock rate)。
在以最小化打印机的成本为设计目标的消费者打印机应用中，使用沿带状电缆从打印引擎到被动载体卡片的串行通信的传统方法是有利的。带状电缆自身的电阻和电容特性限制了数据能够可靠地传输的速度。对于此种情况，以较慢的记录速度支持更多的输入会是最佳的设计点。
在像大幅面绘图仪的某些OEM应用中，可以以交错的配置使用多个打印头以实现必须的打印速度。对于这种类型的系统，性能会是首要的设计目标，而绘图仪的成本是次要的。在这种情况下，可以用能够驱动多个打印头的本地数字专用集成电路(ASIC)将数据从打印引擎传递到载体卡片。对于这种配置，因为电缆距离被最小化，所以期望在减少本地ASIC所需输出的数量的同时增大数据速度。在过去的加热器芯片设计中，记录速度和输入的数量已经被固定。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是提供一种打印头电路和方法，允许输入和数据速度的可配置结合。
本发明的另一目的是提供一种喷墨加热器芯片架构，其中记录速度和I/O焊盘的数量是用户可选择的。这允许单个设计适合多种应用和市场的需要。
解决问题的方案
根据本发明示例性实施例的一种打印头包括：流体喷射芯片，包括第一数量的加热元件，所述加热元件被分成多组第二数量的加热元件以便于形成多个元喷嘴组，在打印操作的一个或多个定址循环中的每个过程中，所述第一数量的加热元件中的一个或多个被同时激发；以及电接口，包括：一个或多个输入，用于接收与所述一个或多个定址循环中的每个对应的各个元喷嘴地址数据和加热器地址数据，所述一个或多个输入中的至少一个可转换成非激活状态；以及一个或多个移位寄存器，移位寄存器的总数量是可调整的，使得所述一个或多个移位寄存器中的每个与所述一个或多个输入中不处于非激活状态的各一个对应，所述一个或多个移位寄存器从不处于非激活状态的所述一个或多个输入接收各自的元喷嘴地址数据和加热器地址数据，以允许电信号选择性地应用到所述加热元件，使得流体根据图像数据从所述流体喷射芯片被喷射。
在示例性实施例中，打印头还包括一个或多个熔丝电路，用于将所述一个或多个输入中的所述至少一个转换成非激活状态。
在示例性实施例中，所述一个或多个输入中的所述至少一个根据输入数据流被转换成非激活状态。
在示例性实施例中，每个移位寄存器中位元的总数量以如下方式确定：每定址循环同时对最大数量的所述一个或多个加热元件定址所需的位元的总数/输入的总数。
根据本发明示例性实施例的一种喷墨打印机包括：外壳；托架，用于沿布置在所述外壳内的轴往复运动；一个或多个打印头组件，排列在所述托架上，使得随着所述托架根据控制机构沿所述轴往复运动，所述一个或多个打印头组件将墨喷射到打印介质上，其中所述一个或多个打印头组件中的至少一个包括：打印头，包括：流体喷射芯片，包括第一数量的加热元件，所述加热元件被分成多组第二数量的加热元件以便于形成一定数量的元喷嘴组，在打印操作的一个或多个定址循环中的每个过程中，所述第一数量的加热元件中的一个或多个被同时激发；以及电接口，包括：一个或多个输入，用于接收与所述一个或多个定址循环中的每个对应的各个元喷嘴地址数据和加热器地址数据，所述一个或多个输入中的至少一个可转换成非激活状态；以及一个或多个移位寄存器，移位寄存器的总数量是可调整的，使得所述一个或多个移位寄存器中的每个与所述一个或多个输入中不处于非激活状态的各一个对应，所述一个或多个移位寄存器从不处于非激活状态的所述一个或多个输入接收各自的元喷嘴地址数据和加热器地址数据，以允许电信号选择性地应用到所述加热元件，使得流体根据图像数据从所述流体喷射芯片被喷射。
本发明的实施例的其他特征和优点将通过下面的详细描述、附图和所附的权利要求而变得显而易见。
发明的有益效果
根据本发明的打印头能够提供打印头电路和方法，允许输入和数据速度的可配置结合。
附图说明
本发明的示例性实施例的特征和优点将在结合附图时通过参考下面的详细描述而得到更全面的理解，其中：
图1是传统的喷墨打印头的透视图；
图2是传统的喷墨打印机的透视图；
图3是传统的喷墨打印头的框图；
图4是根据本发明的示例性实施例的喷墨打印头的框图；以及
图5是根据本发明的另一示例性实施例的喷墨打印头的框图。
具体实施方式
这里使用的标题仅是为了组织的目的，并且不意味着用来限制说明书或权利要求书的范围。如本申请通篇使用的那样，词“可以”和“能够”是在允许意义(即，意味着有可能)上使用而不是在强制意义(即，意味着必须)上使用。类似地，词“包含”、“包含有”及“包括”，意味着包括而不受限于此。为方便理解，在可以的时候使用了类似的附图标记来表示图中共有的类似元件。
参考图1，本发明的喷墨打印头整体以10示出。打印头10具有外壳12，外壳12由容纳墨的任意合适的材料形成。外壳的形状可以变化，并且通常取决于承载或包含打印头的外部装置。外壳具有至少一个在其内部的舱室16，用于容纳原来的或再装满的墨。在一个实施例中，舱室具有单独的腔室，并且容纳一定量的黑色墨、感光墨(photo ink)、蓝绿色(cyan)墨、洋红色墨或黄色墨。在其它实施例中，舱室具有多个腔室，并且包含三种贮备的墨。优选地，其包括蓝绿色墨、洋红色墨和黄色墨。在另外的实施例中，舱室包含黑色、感光、蓝绿色、洋红色或黄色的多种墨。然而，将理解的是，虽然示出的是舱室16本地集成在打印头的外壳12内，但是，例如舱室16可以可选择地连接到远处的墨源并且经由管子接收供应。
附着于外壳12的一个表面18的是柔性电路(尤其是带式自动键合(TAB)电路20)的一部分19。TAB电路20的另一部分21附着于外壳的另一表面22。在该实施例中，两个表面18和22布置成关于外壳的边缘23互相垂直。
TAB电路20支撑在其上的多个输入/输出(I/O)连接器24，在使用中，输入/输出(I/O)连接器24用于将加热器芯片25电连接到诸如打印机、传真机、复印机、照片打印机、绘图仪、一体机等的外部装置。在TAB电路20上存在多个导电体26，用以将I/O连接器24电连接并且短路到加热器芯片25的输入端(接合焊盘28)。本领域技术人员明了有助于这样的连接的各种技术。为简洁起见，图1仅示出八个I/O连接器24、八个导电体26和八个接合焊盘28，但是现在的打印头具有更大的数量并且这里等同地包含任意的数量。更进一步地，本领域技术人员应理解，虽然这里连接器、导体和接合焊盘的数量互相相等，但是实际的打印头可以具有不相等的数量。
加热器芯片25包含多个流体激发元件的列34，流体激发元件用于在使用中从舱室16喷射墨。流体激发元件可以具体为在硅衬底上形成为薄膜层的热阻加热器元件(简称为加热器)，或者不考虑来自所述加热器芯片的热技术影响而可以具体为压电元件。为简洁起见，列34中的多个流体激发元件示出为与墨水通路32相邻的一行五个点，但是在实际中，可以包括数百或数千个流体激发元件。如下面所述，流体激发元件中垂直相邻的流体激发元件可以具有或可以不具有在它们之间的侧向间隔间隙或交错。通常，流体激发元件具有与相关联打印机的每英寸点数分辨率可相比拟的垂直间距间隔(vertical pitch spacing)。一些示例包括沿通路纵向范围的一英寸的1/300、1/600、1/1200、1/2400或其它的间隔。为了形成通路，切割或刻蚀通路32穿过加热器芯片的厚度的很多工艺是已知的。一些更优选的工艺包括喷砂处理或诸如湿法、干法、反应离子刻蚀、深反应离子刻蚀等的刻蚀，或者其他。喷嘴板(未示出)中具有与每个加热器对齐的孔口，以在使用过程中喷射墨。喷嘴板可以附有粘结剂或环氧树脂，或者可以制作成薄膜层。
参考图2，喷墨打印机形式的用于包含打印头10的外部装置整体以40示出。打印机40包括托架(carriage)42，托架42具有多个槽44，用于包含一个或多个打印头10。如现有技术中已知的，托架42通过提供到传动带50的动力在打印区46上方沿轴48(根据控制器57的输出59)往复运动。托架42相对于打印介质而发生往复运动，所述打印介质诸如一张纸52，其沿着从输入拖盘54经过打印区46到输出托盘56的纸张路径在打印机40中前进。
在打印区中，如箭头所示，托架42沿往复方向往复运动，该往复方向大致垂直于沿前进方向前进的纸52。使来自舱室16(图1)的墨滴以依照打印机微处理器或者其他控制器57的命令的时间从加热器芯片25被喷射。墨滴发射的时机与正在打印的图像的像素图案相对应。经常地，这样的图案变成在与控制器57(通过外部输入)电连接的装置中产生，所述装置居于打印机外部，包括但不限于计算机、扫描仪、相机、视觉显示装置、个人数据助理、或者其他装置。
为了打印或发射单个墨滴，用少量电流单独对流体激发元件(列34的点，图1)定址(address)，以快速加热小体积的墨水。这使得墨水在加热器与喷嘴板之间的本地墨水腔室中蒸发并且通过喷嘴板向打印介质喷射，并且变成经喷嘴板向打印介质投射。发射这样的墨滴所需要的激发脉冲可以具体化为单个或分离(split)的激发脉冲，并且该激发脉冲从接合焊盘28、导电体26、I/O连接器24和控制器57之间的连接被接收在输入端(例如接合焊盘28)上的加热器芯片处。内部的加热器芯片布线将激发脉冲从输入端传递至一个或更多的流体激发元件。
具有用户选择界面60的控制面板58也伴随很多打印机，用作控制器57的输入62，以提供额外的打印机功能和耐用性(robustness)。
图3是包括数个元喷嘴(primitive)305的典型打印头的示意性图示。位于每个元喷嘴305内部的是数个加热器电阻209，加热器电阻209耦合到与它们相关联的编号为A1至An的定址线，其中A表示要被激发的加热器电阻的地址和位置，n是表示在元喷嘴内可定址加热器电阻的序号的整数。可定址加热器电阻被由电源电路110(通常被称为驱动电路)产生的一系列电脉冲激发。在传统的设计中，当打印头需要在打印介质上打印纯色/黑色图像(黑视模式)或垂直线条时，在每个元喷嘴中的加热器电阻被同时激发。
元喷嘴被单个地提供依序来自位于打印机中的电源的电流。为了使电路完整，地线或者公共回路导体将电流返回至电源。元喷嘴之内的每个加热器电阻具有其自身相关联的开关电路，诸如场效应晶体管等。每个开关电路连接到定址焊盘，定址焊盘从打印机接收信号用于将开关电路激活成导通状态，以允许与该开关电路相关联的加热器电阻被激发。当打印头运行时，打印机通过地址而进行循环，使得一次为特定的元喷嘴仅激励一个加热器电阻。然而，可以同时激发多个元喷嘴。为了使打印密度最大化，所有的元喷嘴可以被同时激发(但是为每个元喷嘴一次采用一个被激励的加热器电阻)。在一个这样的实施例中，每个定址线连接到打印头上的所有的元喷嘴。在另一实施例中，每个定址线仅连接到一些元喷嘴。在优选的实施例中，每个元喷嘴连接到单独的元喷嘴选择线。
元喷嘴选择线的数量与元喷嘴的数量对应。当特定的加热器电阻被激励时，与该电阻相关联的地址被激活，以使与该特定电阻相关联的开关电路处于导通状态，为要流过该开关电路和该加热器电阻的电流提供低电阻路径。然后，当开关导通时，高电流激发脉冲被施加到元喷嘴选择线以激励特定的加热器电阻。在激发之后，使定址线变成非激活，以将开关电路置于非导通状态。
对于特定的加热器芯片设计，每个加热器可单个地用指定数量的定址循环定址，在每个定址循环中每个定址窗口具有两个激发信号。同时激发加热器的总数量设定加热器元喷嘴组的数量，加热器元喷嘴组的数量继而设定每个元喷嘴的加热器的数量。每个加热器被分配唯一的地址，该地址通常被作为定址数据流或ADATA的一部分被传输。
对于接收唯一地址的元喷嘴组中的每个加热器，必须定义为每个元喷嘴组提供唯一地址的方法。这是元喷嘴数据流或PDATA。对于每个定址循环，PDATA流必须包含足够的信息，以选择元喷嘴中可用加热器的任何组合用于第一激发时间片段以及用于第二激发时间片段。
图4是根据本发明示例性实施例的打印头芯片的框图，整体由附图标记1000表示。作为示例，打印头芯片可以具有1344个加热器，每个通路具有八个定址循环，并且在每个定址循环中具有两个激发信号。这将同时激发的最大数量设置为1344/(8×2)＝84。由于同时激发的数量设定每个元喷嘴的加热器的数量，所以对于该示例每个元喷嘴会有1344/84＝16个加热器。为了在任何一个激发时间片段中能够选择这84个可用加热器中的任一个，在3.086μs定址循环时间过程中需要传递84×2＝168个位元。这相当于大约56MHz的传递速度。
对于之前的喷墨打印机设计，数据传递记录频率(clock frequency)已经在10MHz与18MHz之间。以56MHz运转会有来自EMC和数据完整性方面的问题。减小所需的记录频率的一个选择是增大对于PDATA流的输入的数量。
对于打印头芯片1000，PDATA流为每个通路1010和1020分成四个输入1012、1014、1016、1018和1022、1024、1026、1028，其中每个输入连接到各由42个位元(42×4＝168位元)组成的寄存器1011、1013、1015、1017和1021、1023、1025、1027。对于芯片这需要总共8个PDATA输入，但是将传递记录频率减小到大约14MHz。对于比较便宜的桌面打印机，这种配置可能是最佳的。
图5示出打印头芯片1000，但是在这种情况下，沿通路1010、1020的相同侧的两个PDATA寄存器1011和1015、1013和1017、1021和1025、1023和1027结合形成更大的PDATA寄存器。当配置成一个寄存器时，八个42位元的PDATA寄存器有效地变成四个84位元的PDATA寄存器。这种配置将仅需要四个PDATA输入，但是将传递记录频率增大到大约28MHz。这种配置可能更适合大幅面的绘图仪应用。在另一个示例性实施例中，芯片也能配置成仅具有两个PDATA输入，每个以56MHz运转。
默认情况下，芯片会对每条通路使用所有的四个PDATA输入。可以使用两种方法来减小输入的数量并且增大每个寄存器的位元-一种永久性的，一种暂时性的。为了永久地减小使用的输入的数量，可以使用熔丝(fuse)电路。可以经由输入数据流被接入的两个熔丝电路可以用于配置输入的数量-一个用于从每个墨水通路四个输入/移位寄存器减小到两个，第二个用于从每个墨水通路两个输入/移位寄存器减小到一个。一旦熔丝被烧断，组合逻辑电路可以继续选择使用来自相邻寄存器的输出作为输入，以代替来自焊盘的输入数据。输入数据流中的位元也可用于暂时地改变输入的数量；然而，由熔丝电路指定的配置将一直具有优先级。例如，如果第一熔丝块(fuse bit)已经被烧断，那么不管在输入数据流中发送什么，芯片将会永久地仅使用两个输入，但是仍然可以通过在输入数据流中设定合适的位元而被暂时性地设置为一个输入。使用输入数据流可能需要以每个定址循环发送正确的位元，以对输入进行配置。
虽然已经示出和描述了本发明的特定实施例，但对于本领域技术人员来说明显的是，可以在不脱离本发明的精神和范围内而做出各种其他变化和修正。因此，本发明意图在所附权利要求中覆盖在本发明范围内的所有这样的变化和修正。
附图标记列表
10:打印头
12:外壳
16:舱室
18,22:表面
19,21:部分
20:TAB电路
23:边缘
24:I/O连接器
25:加热器芯片
26:导电体
28:接合焊盘
32:墨水通路
34:列
40:打印机
42:托架
44:槽
46:打印区
48:轴
50:传动带
52:纸
54:输入托盘
56:输出托盘
57:控制器
58:控制面板
59:输出
60:用户选择界面
62:输入
110:电源电路
209:加热器电阻
305:元喷嘴
1000:打印头芯片
1010:通路
1011,1013,1015,1017,1021,1023,1025,1027:寄存器
1012,1014,1016,1018,1022,1024,1026,1028:输入

Claims (6)

1.一种打印头，包括：
流体喷射芯片，包括第一数量的加热元件，所述加热元件被分成多组第二数量的加热元件以便于形成多个元喷嘴组，在打印操作的一个或多个定址循环中的每个过程中，所述第一数量的加热元件中的一个或多个被同时激发；以及
电接口，包括：
一个或多个输入，用于接收与所述一个或多个定址循环中的每个对应的各个元喷嘴地址数据和加热器地址数据，所述一个或多个输入中的至少一个可转换成非激活状态；以及
一个或多个移位寄存器，移位寄存器的总数量是可调整的，使得所述一个或多个移位寄存器中的每个与所述一个或多个输入中不处于非激活状态的各一个对应，所述一个或多个移位寄存器从不处于非激活状态的所述一个或多个输入接收各自的元喷嘴地址数据和加热器地址数据，以允许电信号选择性地应用到所述加热元件，使得流体根据图像数据从所述流体喷射芯片被喷射；以及
所述打印头还包括一个或多个熔丝电路，用于将所述一个或多个输入中的所述至少一个转换成非激活状态。
2.如权利要求1所述的打印头，其中所述一个或多个输入中的所述至少一个根据输入数据流被转换成非激活状态。
3.如权利要求1或2所述的打印头，其中每个移位寄存器中位元的总数量以如下方式确定：每定址循环同时对最大数量的所述一个或多个加热元件定址所需的位元的总数/输入的总数。
4.一种喷墨打印机，包括：
外壳；
托架，用于沿布置在所述外壳内的轴往复运动；
一个或多个打印头组件，排列在所述托架上，使得随着所述托架根据控制机构沿所述轴往复运动，所述一个或多个打印头组件将墨喷射到打印介质上，其中所述一个或多个打印头组件中的至少一个包括：
打印头，包括：
流体喷射芯片，包括第一数量的加热元件，所述加热元件被分成多组第二数量的加热元件以便于形成多个元喷嘴组，在打印操作的一个或多个定址循环中的每个过程中，所述第一数量的加热元件中的一个或多个被同时激发；以及
电接口，包括：
一个或多个输入，用于接收与所述一个或多个定址循环中的每个对应的各个元喷嘴地址数据和加热器地址数据，所述一个或多个输入中的至少一个可转换成非激活状态；以及
一个或多个移位寄存器，移位寄存器的总数量是可调整的，使得所述一个或多个移位寄存器中的每个与所述一个或多个输入中不处于非激活状态的各一个对应，所述一个或多个移位寄存器从不处于非激活状态的所述一个或多个输入接收各自的元喷嘴地址数据和加热器地址数据，以允许电信号选择性地应用到所述加热元件，使得流体根据图像数据从所述流体喷射芯片被喷射；以及
所述喷墨打印机还包括一个或多个熔丝电路，用于将所述一个或多个输入中的所述至少一个转换成非激活状态。
5.如权利要求4所述的喷墨打印机，其中所述一个或多个输入中的所述至少一个根据输入数据流被转换成非激活状态。
6.如权利要求4或5所述的喷墨打印机，其中每个移位寄存器中位元的总数量以如下方式确定：每定址循环同时对最大数量的所述一个或多个加热元件定址所需的位元的总数/输入的总数。
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