打印头驱动装置及方法 【技术领域】
本发明涉及一种打印头驱动装置及方法，尤指一种应用译码器输入方式，且使用低速(＜100MHz)、1-2微米、高电压(＞8伏)的HVCMOS(高电压互补金属氧化物半导体)技术制造的打印头驱动装置及方法。
背景技术
由多数个喷嘴对打印表面发射墨水为喷墨打印机的基本工作原理，其中任一喷嘴是由相对应的加热器加热后，发射墨水。随着科技日益进步，消费者对喷墨打印机品质的需求愈来愈高，增加喷嘴数目以提高打印密度及速度自然成为一项主要需求。
以第一代喷墨打印机为例，一加热电阻对应一打印头的电接触点，由于一喷嘴对应于一加热电阻，故喷嘴的数目即加热电阻的数目，亦等于喷墨打印头与打印机间打印头的电接触点的数目，增加喷嘴数目相对的也增加打印头与打印机的接触点，这增加打印头、打印机的制造成本及制造组装的困难度。
第二代喷墨打印头于是采二维矩阵方式，如图1A(美国专利US635，968)所示，复数条地址线A1，A2，…，A7组成第一维，复数条电源线PS1，PS2，…，PS8组成第二维，其喷嘴的数目(56)是地址线数目(7)与电源线数目(8)的乘积。每一喷嘴相对应于一加热电阻，故其加热电阻的数目亦为56。以图1A左上角一加热电阻111为例，其一端电连至一条电源线PS1，另一端电连至一场效晶体管112的漏极113，场效晶体管112的源极114电连至接地端115，栅极116电连至一地址线A7。图1中任一加热电阻的工作原理皆与加热电阻111相同，只有当一加热电阻对应的地址线使其连接地场效晶体管导通且其电连的电源线提供一适当的电压或电流，该加热电阻才能进入工作状态，其控制时序如图1B所示。一般而言此种采二维矩阵驱动方式的喷墨打印头可提供200至300个喷嘴，大于此数目的喷嘴将使打印机与打印头的电接触点过多。
第三代喷墨打印机具有400至600个喷嘴，为维持打印头的电接触点数目不致大幅增加，乃采三维矩阵方式，除原先的电源线P1-P16及地址线A1-A10构成二维矩阵外，增加选择线Q1-Q4，如图2A所示，其每一加热器电路如图2B(美国专利US6,431,677)所示。美国Lexmark公司沿用原二维矩阵的配置，加热电阻只有在其电连的电源线提供一适当的电压或电流，且其电连的第一场效晶体管121在导通状态才进入工作状态，但是第一场效晶体管121的栅极126并非如传统二维矩阵驱动方式的喷墨打印头电连至一地址线，而是电连至一第二场效晶体管122的源极123，第二场效晶体管122的漏极124与门极125分别电连至一地址线A5及一选择线(selector)Q4，当地址线A5及选择线Q4同时有一高电位时，第一场效晶体管121才成导通状态，复数条选择线因而构成第三维，其喷嘴的数目是选择线数目、地址线数目、电源线数目三者的乘积，三者的组合可唯一对应于一加热器，此种三维矩阵驱动方式揭露于美国专利US6,176,569及US6,431,677。
美国HP公司亦采用类似的原理，驱动线路架构如图3A(美国专利US6,402,279)所示，每一加热器电路如图3B所示，复数条有效线(enable line)E构成第三维，其喷嘴的数目是有效线E数目、地址线A数目、电源线P数目三者的乘积，此种驱动方式揭露于美国专利US6,402,279，其最新产品(HP6656)是利用上述三维矩阵方式，具有416个喷嘴及37个打印头的电接触点。
上述两种三维矩阵驱动方式仍有其限制，也就是构成第三维的选择线或有效线数目的增加虽然能减少打印头与打印机的电接触点，但也增加每一加热电阻控制组件的复杂度。如图2B及图3B所示，每一加热电阻除了由一第一场效晶体管及一第二场效晶体管控制外，还需一些作为放电(discharge)功能的场效晶体管(图2B的127、128、129及图3B的130)以确保当某一加热电阻不需工作时第一场效晶体管不会被噪声或不预期的偶合(couple)电压给导通，造成误动作。
为了更进一步增加喷嘴及减少打印头与打印机的电接触点，美国Lexmark公司的最新产品(Lexl8L0032)更利用序列输入方式使其具有640个喷嘴但仅需26个与打印机的接触点，其相关的驱动线路架构发表于美国专利US6,312,079。此种以序列资料输入方式的喷墨打印头驱动线路必须使用快速的次微米(sub-micron)CMOS(互补金属氧化物半导体)组件来处理庞大的序列输入资料并配合高压驱动组件来提供喷墨时所需的能量，此芯片制造技术，相对于本发明使用一般1-2微米HVCMOS(高电压互补金属氧化物半导体)技术，有制程精密、成本昂贵的重要缺失。
【发明内容】
因此，本发明的目的是提出一种应用译码器并列输入方式，减少打印头与打印机的电接触点，且使用一般1-2微米HVCMOS技术制造的打印头驱动装置及方法。
本发明的另一目的是提出一种可同时激活电连于同一电源线的复数个喷嘴的激活开关，同时加热复数个加热器，驱动电连于同一电源线的复数个喷嘴同时发射墨水进行打印的打印头驱动装置及方法。
下面结合附图以具体实例对本发明进行详细说明，该说明仅用于本领域的技术人员了解本发明并据以实施，而不用于限制本发明。
【附图说明】
图1A～B是美国专利US5,635,968的二维打印头驱动示意图；
图2A～B是美国专利US6,431,677的三维打印头驱动示意图；
图3A～B是美国专利US6,402,279的三维打印头驱动示意图；
图4是本发明较佳实施方式打印头驱动装置20示意图；
图5是本发明较佳实施方式加热电路30示意图；
图6是本发明较佳实施方式打印头驱动装置中一电源线细部电路示意图；
图7是本发明较佳实施方式第一种驱动模式的时序示意图；
图8是本发明较佳实施方式第二种驱动模式的时序示意图；
图9是应用于本发明较佳实施方式的功率晶体管的激活时间示意图。
附图标记说明：A1，A2，…，A7-地址线；PS1，PS2，…，PS8-复数条电源线；111-加热电阻；112、127、128、129、130-场效晶体管；113、124-漏极；114、123-源极；115-接地端；116、125、126-栅极；121-第一场效晶体管；122-第二场效晶体管；Q4-选择线；E-有效线；A-地址线；P-电源线；20-打印头驱动装置；21-打印控制装置；22-电源线组23、D0、D1、D2、D3、D4、D5-资料输入点；25-打印头；26-加热器数组；231-第一译码器；232-第二译码器；233-地址激活线组；234-地址线组P1、P2...Pn-n条电源线；E1、E2、E3...Ey-y条地址激活线；A1、A2、A3...Ax-x条地址线；H1，1、H2，1、H3，1...Hn，1-第一行的n个加热器；H1，2、H2，2、H3，2...Hn，2-第二行的n个加热器；H1，m、H2，m、H3，m...Hn，m-第m行的n个加热器；H1，1、H1，2、H1，3...H1，m-第一列的m个加热器；H2，1、H2，2、H2，3...H2，m-第二列的m个加热器；Hn，1、Hn，2、Hn，3...Hn，m-第n列的m个加热器；N1、N2、N3、....、N32-32个NOR闸；Ey-地址激活线；30-加热电路；31-电源线；32-接地线；33-NOR闸；34-加热器激活线；35-功率晶体管；351-栅极；352-漏极；353-源极；36-加热电阻；421-第一电源线细部电路图；431-三对六译码器；432-三对八译码器；42、P1-第一电源线；n条电源线-P1、P2、P3...、Pn。
【具体实施方式】
请参阅图4，是本发明较佳实施方式打印头驱动装置20示意图。如图4所示，打印头驱动装置20包括：一打印控制装置21于打印机端；一电源线组22，包含n条电源线P1、P2、P3...Pn，分别电连于打印控制装置21，由打印控制装置21在适当的时间输出适当电压或电流以提供加热电阻适当的能量进行喷墨动作；一资料输入端23，可接受打印控制装置21的指令，将资料分别输入一第一译码器231及一第二译码器232；一地址激活线组233，将第一译码器231译码后的讯号传送至加热器数组26，控制y条地址激活线E1、E2、E3...Ey的开关状态；一地址线组234，将第二译码器232译码后的讯号传送至加热器数组26，控制x条地址线A1、A2、A3...Ax的开关状态；一加热器数组26，其是由第一行的n个加热器H1，1、H2，1、H3，1...Hn，1，第二行的n个加热器H1，2、H2，2、H3，2...Hn，2至第m行的n个加热器H1，m、H2，m、H3，m...Hn，m所组成。加热器数组26中每一加热器分别连接于不同组合的电源线、地址激活线及地址线。第一列的m个加热器H1，1、H1，2、H1，3...H1，m皆与第一电源线P1电连，第二列的m个加热器H2，1、H2，2、H2，3...H2，m皆与第二电源线P2电连...第n列的m个加热器Hn，1、Hn，2、Hn，3...Hn，m皆与第n电源线Pn电连。x条地址线A1、A2、A3...Ax及y条地址激活线E1、E2、E3...Ey的m种组合开关状态分别控制第一行的n个加热器H1，1、H2，1、H3，1...Hm，1，第二行的n个加热器H1，2、H2，2、H3，2...Hn，2至第m行的n个加热器H1，m、H2，m、H3，m...Hn，m等m行加热器，藉由x条地址线和y条地址激活线的组合，可以成立x×y＝m的关系。此外，n条电源线P1、P2、P3...Pn与m种组合开关状态进一步组合，分别控制加热器数组26的n×m个加热器激活开关的状态，当任一激活开关处于导通状态，自一卡匣供应的墨水将由相对应的喷嘴发射，进行喷墨打印。第一译码器231、第二译码器232、地址激活线组233、地址线组234及加热器数组26皆设于一打印头25之内。
图4打印头驱动装置20中的所有加热器H的加热电路皆相同。请参阅图5，其是本发明较佳实施方式打印头驱动装置20的一加热电路30示意图，图4中每一加热器H可为一加热电路30。如图5所示，加热电路30包括一电源线31、一接地线32、一地址线Ax、一地址激活线Ey、一NOR闸33。地址线Ax与地址激活线Ey经NOR闸33后输出一加热电路激活线34，加热电路激活线34电连于一功率晶体管35的栅极351，功率晶体管35的源极352电连于接地线32，其漏极353电连于一加热电阻36的一端，此加热电阻36的另一端电连于电源线31。如图5所示，只有当地址线Ax与地址激活线Ey分别为逻辑低讯号”0”时，经NOR闸33处理后于加热电路激活线34呈现一逻辑高讯号，导通功率晶体管35；此际，电源线31与接地线32间的功率晶体管35、加热电阻36皆进入工作状态，加热相对应喷嘴的墨水后，发射墨水进行打印。本领域的熟练技术人员可以知道，本实施例的NOR闸33亦可以其它类似功能的逻辑闸取代，例如AND闸，达成相同的效果。
请参阅图4，当打印头25若设有512个喷嘴及16条电源线(n＝16)时，需32条加热电路激活线(512/16＝32)。在此情形下，依打印控制装置21的指令，资料通过第一译码器231的4个地址激活线E1、E2、E3、E4，可与通过第二译码器232的8个地址线A1、A2、A3...A8形成32种组合，再与16条电源线P1、P2、P3...P16构成512种组合，分别控制驱动512个喷嘴(16×32＝512)的512个在图5所表示的加热电路30。
本发明较佳实施方式的部分电路表示于图6中，图6是一完整电源线下的电路，图4中第一译码器231对应至图6中三对六译码器431，图4中第二译码器232对应至图6中四对六译码器432，图4中加热器数组26中一电源线下的加热器线路对应于图6的421，整个加热器数组26可由复数个图6所示的421组成。虽然本较佳实施例仅有四条地址激活线，仅需一二对四译码器(四个输出仅需二个输入的组合即可达成)作为第一译码器，但为使其它喷墨印表头的附属或辅助功能也能以编码平行输入方式控制，本实施例的说明采用一三对六译码器431作为第一译码器，其第五及第六输出分别作为辨识码及温度感应器的输出控制，如此能进一步将打印头的辨识码及温度感应器输出合并于一与打印机的电接触点。图6的32个NOR闸N1、N2、N3、....、N32、对应于图5的NOR闸33，其输入分别电连于的4条地址激活线E1、E2、E3、E4及8条地址线A1、A2、A3、、A8；因此，32个NOR闸N1、N2、N3、....、N32分别由4条地址激活线E1、E2、E3、E4及8条地址线A1、A2、...、A8的组合开关状态控制。资料输入端D0、D1、D2、…、D5可接受打印控制装置(图中未示)的指令，将数据输入三对六译码器431及三至八译码器译码432，D3、D4、D5经三对六译码器431译码后的讯号，控制4条地址激活线E1、E2、E3、E4及TSR Enable、ID Enable的开关状态；同时亦将资料由资料输入点D0、D1、D2输入三对八译码器432译码，经三对八译码器432译码后的讯号，控制8条地址线A1、A2、...、A8的开关状态。以图5所示的电路方式，第一电源线42分别连接于32个NOR闸N1、N2、N3、....、N32后方相对应功率晶体管源极的电阻。
本实施例可提供两种驱动模式，第一种驱动模式与传统喷墨印表头一样，在一电源线下同时仅有一加热器被激活，如图7时序图所示，D0-D5为图6中输入三对六译码器431及三对八译码器432的讯号，HA01-HA32为图6中NOR闸N1-N32的输出讯号，同一时间只有一NOR闸的输出为高电位，也就是只有一连接加热电阻的功率晶体管成导通状态。
由于打印品质的要求，印表头的分辨率不断提高，除了喷墨孔缩小及密度提高外，墨点也逐渐变小以提供较多的色阶，也就是提供给加热器的电能随的变小，同时激活同一电源线下一个以上的加热器不会造成电流过大的现象。本实施例可提供的第二种驱动模式可同时激活一电源线下两个加热器，在同一打印页下此两种驱动模式可交互并存，以维持高分辨率及打印速度。如图8所示，在同一时间、同一电源线下有两个NOR闸的输出为高电位，也就是有两个连接同一电源线的加热电阻的功率晶体管成导通状态。以图8最左边的第一个状态为例，D0、D1、D2、D3、D4、D5输入资料为0、0、0、1、0、1，经图6三对六译码器431译码后输出的4条地址激活线E1、E2、E3、E4的讯号为0、1、0、1，经图6三对八译码器432译码后输出的8条地址线A1、A2、...、A8的讯号分别为0、1、1、1、1、1、1、1，32个NOR闸N1、N2、N3、....、N32中，第一NOR闸N1电连于地址线A1及地址激活线E1，并分别自地址线A1及地址激活线E1输入0及0，经第一NOR闸N1运算后，输出一相当于1的逻辑高讯号，激活相对应喷嘴的激活开关，令相对应的加热器(参阅图5的加热电路30)加热相对应的喷嘴发射墨水进行打印；同时，第十七NOR闸N17电连于地址线A1及地址激活线E3，并分别自地址线A1及地址激活线E3输入0及0，经第十七NOR闸N17运算后，输出一相当于1的逻辑高讯号，激活相对应喷嘴的激活开关，令相对应的加热器(参阅图5的加热电路30)加热相对应的喷嘴发射墨水进行打印。因此，第二种驱动模式，电连于图6第一电源线42的第一NOR闸N1及第十七NOR闸N17可分别激活相对应喷嘴的激活开关，同时加热相对应的两个加热器，驱动两个喷嘴同时发射墨水进行打印。此外，第二种驱动模式并不局限于激活电连于同一电源线的两个喷嘴发射墨水进行打印。由于打印资料是以编码方式输入，只需修改图4中第一或第二译码器的译码功能配合打印资料的编码方式，本发明亦可同时激活电连于同一电源线的复数个喷嘴的激活开关，同时加热相对应的复数个加热器，驱动复数个(二个以上)相对应的喷嘴同时发射墨水进行打印。
虽然本实施例的说明中使用了两个译码器，其中第一译码器负责处理地址激活线资料，第二译码器负责处理地址线资料。在线路设计中也可将第一及第二译码器合并成单一译码器，其输入端接受一地址线及地址线激活线混合编码数据，译码后则由输出端平行输出地址线及地址线激活线资料至加热器。
说明书中较佳实施方式所描述的打印头驱动线路架构是以三维矩阵方式，利用译码器将平行输入资料译码的方式亦可应用于传统二维矩阵方式，将驱动地址线的编码资料由打印机平行输入至印表头的译码器输入端进行译码，译码器的输出端则直接电连至加热器驱动晶体管的栅极(图535)，如此也可达到减少打印头与打印机的接触点。
本发明较佳实施方式揭露了应用译码器将平行输入资料译码的方式，可减少打印头的电接触点。由于是以平行输入、同步译码方式，被编码的打印资料仅需经少许逻辑运算即可转换成可输入图5中功率晶体管35的控制讯号，因此可使用1-2微米高电压HVCMOS(高电压互补金属氧化物半导体)技术制造打印头驱动装置，与先前技术第6,312,079号美国专利采序列输入方式减少打印头电接触点者完全不同。虽然序列输入可进一步达到减少打印头电接触点，但是打印资料逐一输入印表头，因此需要较高速度的CMOS制程来处理此打印资料。相较于该先前技术虽采用高电压或高低电压并存CMOS且须利用高速次微米(sub-micron)的制造技术，本发明具有低成本、高效益的明显优势，故可有效解决先前技术制程精密、成本昂贵的重要缺失。
本发明也揭露了可同时激活复数个电连于同一电源线的喷嘴的激活开关，同时加热相对应的复数个加热器，驱动相对应的喷嘴同时发射墨水进行打印的打印头驱动装置，有效的提升打印速度；于单一喷嘴所需驱的动电能逐渐下降的今日，尤能体现本发明对喷墨打印头的产业发展所带来的实益。
如图9所示，本发明申请人以应用于较佳实施方式的1-2um HVCMOS技术制造的功率MOS(参阅图5的功率MOS 35及图632个NOR闸N1、N2、N3、....、N32后方的功率MOS)，其激活时间为0.047微秒(μsec)，亦即＜0.05微秒，该激活时间是自激活讯号到达50％时起算至功率MOS的VGS(接地与源极间的电压)到达90％时为止所需的时间；＜0.05微秒的激活时间完全符合喷墨打印头的应用需求，故1-2um HVCM0S技术制造的功率MOS，适合较佳实施方式所揭露的实际应用。
应用美国专利US6,402,279的美国HP公司产品HP6656，具有416个喷嘴及37个打印头电接触点；应用US6,312,079的美国Lexmark公司产品Lex18L0032，具有640个喷嘴及26个打印头电接触点；应用本发明打印头驱动装置的喷墨打印机，若有512~640个喷嘴，则需29个打印头电接触点。此处仅就喷嘴数目与打印头电接触点数目作一比较，至于本发明打印头驱动装置的技术手段及实施方式皆与先前技术二美国专利所揭露者有显著的不同，已释明于上述说明书中。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，不应用于限制本发明的可实施范围，凡根据本发明的内容所作的部份修改，而未违背本发明的精神时，皆应属本发明的范围。