DE3704984A1

DE3704984A1 - Printing head for electrophotographic printing methods

Info

Publication number: DE3704984A1
Application number: DE19873704984
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Gramann
Original assignee: Telefunken Electronic GmbH
Current assignee: Telefunken Electronic GmbH
Priority date: 1987-02-17
Filing date: 1987-02-17
Publication date: 1988-08-25
Also published as: DE3704984C2

Abstract

A printing head employing the electrophotographic method with parallel exposure by means of LED preferably has a width equal to DIN A4. The invention relates to a printing head which is suitable for parallel exposure methods using an LED array and which has a compact and slim housing so that formats up to DIN A0 can be achieved. The essence of the invention is to be able to construct a narrow and slim printing head as a result of the arrangement of the LED chips and their drive circuits on the front of the printing head using hybrid technology and of a printed circuit board disposed perpendicular thereto, and as a result of the imaging system incorporated in the printing-head housing. The printing head is notable for high reliability and long service life. The direct bonding of the LED chips, the drive circuits and the printed circuit board also makes possible an inexpensive fabrication.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für das elektro fotografische Druckverfahren mit einem parallel belich tenden LED-Array und einem Abbildungssystem. Aus der Zeit schrift "Journal of Imaging Technology", Band 12, Nr. 2, April 1986, Seite 76-79, sowie aus der TELEFUNKEN electronic Halbleiter-Informationsschrift 6.84, opto elektronische Bauelemente für die Informationstechnik, Fig. 10 sind LED-Arrays für elektrofotografische Anwen dungen, wie z.B. für Drucker, bekannt.The invention relates to a printhead for the electrophotographic printing process with a parallel illuminating LED array and an imaging system. From the journal "Journal of Imaging Technology", Volume 12, No. 2, April 1986, pages 76-79, and from TELEFUNKEN electronic semiconductor information brochure 6.84, optoelectronic components for information technology, FIG. 10 are LED arrays for electrophotographic applications, such as for printers known.

Drucker, die nach dem elektrofotografischen Verfahren arbeiten, sind als hochauflösende, schnelle, geräusch arme, kompakte und wirtschaftliche Drucker bekannt. Ihr Funktionsprinzip besteht darin, daß ein mit der zu druckenden Information modulierter Lichtstrahl auf einem Fotoleiter ein Ladungsbild erzeugt, das mittels Toner angefärbt und auf Normalpapier übertragen wird. Die mo dulierbare Lichtquelle wird über ein Abbildungssystem auf der Fotoleitertrommel abgebildet, wobei parallele und serielle Belichtungsverfahren zur Anwendung kommen. Bei der seriellen Belichtung beschreibt ein einzelner, entlang der Trommelachse, ausgelenkter Lichtstrahl den Fotoleiter, während beim Parallelverfahren die gesamte Zeilenlänge auf einmal belichtet wird. Die serielle Be lichtung erfolgt mittels Kathodenstrahlfluoreszenz oder direkt moduliertem Halbleiterlaser, der über einem rotierenden Polygonspiegel und Entzerrungsoptik auf dem Fotoleiter fokussiert wird, während beim Parallelverfahren mittels Lichtschaltzeile oder LED-Array belichtet wird. Von Nachteil ist beim seriellen Belichtungsverfahren, daß der Lichtstrahl in Richtung der Trommel abgelenkt werden muß, um jeweils eine Zeile auf der fotoleitenden Schicht mit dem erforderlichen Ladungspotential zu versehen. Die hierfür erforderlichen Ablenkvorrichtungen sind auf wendig und störanfällig. Dieser Nachteil entfällt bei paralleler Belichtung, da die zusätzliche mechanische Bewegung der Strahlablenkung entfällt, so daß als einzige bewegte Teile die Fotoleitertrommel und der Papiervor schub verbleiben, wodurch maximale Druckgeschwindigkeit und höchste Auflösung erzielt werden. Ein weiterer Vor teil ergibt sich dadurch, daß die LED-Zeile des LED- Arrays gegenüber der Lichtschaltzeile direkt moduliert wird, so daß der Aufwand für eine externe Strahlungs quelle und für die Lichtverteilung auf die Papierbreite eingespart werden kann.Printers made using the electrophotographic process work as high-resolution, fast, noise poor, compact and economical printer known. Their operating principle is that one with the printing information modulated light beam on a Photoconductor creates a charge image using toner stained and transferred to plain paper. The mo dulatable light source is via an imaging system pictured on the photoconductor drum, with parallel and serial exposure methods are used. In serial exposure, a single, along the drum axis, deflected light beam Photoconductor, while in parallel the entire Line length is exposed at once. The serial loading light is carried out by means of cathode ray fluorescence or directly modulated semiconductor laser, which over a rotating polygon mirror and equalization optics on the Photoconductor is focused while in parallel is exposed by means of a light switch line or LED array. A disadvantage of the serial exposure process is that the light beam can be deflected towards the drum must be one line at a time on the photoconductive layer to be provided with the necessary charge potential. The necessary deflection devices are on agile and prone to failure. This disadvantage does not apply to parallel exposure because of the additional mechanical Movement of the beam deflection is eliminated, so that it is the only one moved the photoconductor drum and paper forward thrust remain, creating maximum printing speed and highest resolution can be achieved. Another before partly results from the fact that the LED line of the LED Arrays directly modulated opposite the light switch line is, so the effort for external radiation source and for the light distribution on the paper width can be saved.

Ein mit den bekannten Lumineszenzmodulen aufgebauter Druckkopf hat vorzugsweise DIN A4-Breite, da größere Formate mit DIN A3 bis DIN A0 schwer realisierbar sind, da unter anderem Platzprobleme durch die immer weiter reduzierten Durchmesser der Fotoleitertrommeln entstehen.One built with the known luminescence modules Printhead is preferably A4-wide because it is larger Formats with DIN A3 to DIN A0 are difficult to realize, because, among other things, space problems caused by the ever-increasing reduced diameter of the photoconductor drums arise.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen für parallele Belichtungsverfahren mittels LED-Array geeigneten Druckkopf mit kompaktem und schlankem Gehäuse derart anzugeben, daß Formate bis DIN A0 verwirklicht werden können.The invention is therefore based on the object for parallel exposure processes using an LED array suitable print head with a compact and slim housing to be indicated in such a way that formats up to DIN A0 are realized can be.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß auf der ebenen Stirnseite des Druckkopfes in Hybridtech nik die LED-Chips des LED-Arrays und der zugehörige An steuerschaltkreis angeordnet sind, während auf mindestens einer zu dieser Stirnfläche senkrecht angeordneten Leiterplatte weitere Elektronikbausteine angeordnet sind, daß die Einzel-Lumineszenzdioden des LED-Arrays mit dem Ansteuerschaltkreis direkt verbunden sind und der Ansteuerschaltkreis und die Elektronikbausteine über ein auf der Stirnseite des Druckkopfes und der Leiter platte verlaufendes Leitbahnsystem miteinander ver bunden sind und daß sich zwischen LED-Chips des LED- Arrays und der Abbildungsebene das in das Druckkopfge häuse integrierte Abbildungssystem befindet.This object is achieved in that on the flat face of the printhead in hybrid tech nik the LED chips of the LED array and the associated An control circuitry are arranged while on at least one arranged perpendicular to this end face Printed circuit board arranged further electronic components are that the single luminescent diodes of the LED array are directly connected to the control circuit and the control circuit and the electronic components via one on the front of the printhead and the conductor plate-running interconnect system ver are bound and that between LED chips of the LED Arrays and the imaging plane that in the printhead integrated imaging system.

Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Chips, der Schichtschaltkreise und der Elektronikbauteile sowie die Direktbondung dieser Komponenten untereinander, wird eine hohe Integrationsdichte erreicht, die sich sichtbar in einem schmalen und schlanken Druckkopfge häuse niederschlägt. Nicht zuletzt wird dies auch durch das in das Gehäuse integrierte Abbildungssystem erreicht, das sich durch einen kurzen optischen Weg mit geringem Abbildungsaufwand und einer konstanten Auflösung über die gesamte Schreibbreite auszeichnet. Weiterhin ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung und der Direktbondung eine vorteilhafte Montagetechnik und eine wesentliche Reduzierung der Fehlerrate in allen tech nischen Teilprozessen, wobei dies zu hoher Zuverlässig keit und großer Lebensdauer führt. Insbesondere kann hierdurch eine kostengünstige Fertigung aufgebaut werden. Darüber hinaus ist die Aufwärtskompatibilität zu größe ren Formaten bei gleichbleibender kompakter Bauweise des Druckkopfes und die Maßhaltigkeit des Druckbildes gegeben. Due to the arrangement of the chips according to the invention Layer circuits and electronic components as well the direct bonding of these components to one another, a high integration density is achieved, which visible in a narrow and slim printhead precipitation. Last but not least, this is also through reaches the imaging system integrated in the housing, which is characterized by a short optical path with little Mapping effort and a constant resolution about characterizes the entire writing width. Furthermore results itself through the arrangement according to the invention and the Direct bonding is an advantageous assembly technique and one substantial reduction in the error rate in all tech African subprocesses, which is too reliable and long service life. In particular, can this enables inexpensive production to be built up. In addition, the upward compatibility is too great formats with the same compact design of the print head and the dimensional accuracy of the print image given.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung er geben sich aus den Unteransprüchen.He further advantageous embodiments of the invention give themselves from the subclaims.

Die Erfindung und ihre zweckmäßige Ausgestaltung soll anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The invention and its practical embodiment is intended explained in more detail using an exemplary embodiment will.

Fig. 1 zeigt in perspektivischer Darstellung den Druck kopf, wobei das Gehäuse mit dem integrierten Abbildungs system nur teilweise das LED-Array mit den seitlich an geordneten Leiterplatten abdeckt. Fig. 1 shows a perspective view of the print head, the housing with the integrated imaging system only partially covers the LED array with the laterally arranged circuit boards.

Fig. 2 stellt einen Schnitt durch den Druckkopf dar. Fig. 2 shows a section through the printhead.

Fig. 3 zeigt die Wirkungsweise des Abbildungssystems, das aus einer linearen Anordnung von Gradienten-Index- Linsen (Selfoc Lens Array) besteht. Fig. 3 shows the operation of the imaging system, which consists of a linear arrangement of gradient index lenses (Selfoc Lens Array).

Fig. 4 zeigt die Wirkungsweise eines aus einer Linsen spiegelanordnung (Roof Mirror Lens Array) bestehenden Abbildungssystems. Fig. 4 shows the operation of an imaging system consisting of a lens mirror arrangement (Roof Mirror Lens Array).

Gemäß dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 besteht das LED-Array 12 des Druckkopfes aus kleineren anreihbaren Funktionseinheiten, den sogenannten LED-Submodulen 11. Sie bestehen aus einem Substratkörper 10 aus Keramik und werden an der Stirnseite 1 des Druckkopfes auf die Wärmesenke 20, die aus gut wärmeleitendem Material be steht, aufgeklebt. Die Submodule 11, die vier LED-Chips 2, 4, gehäuselose Ansteuer-IC′s 6 sowie die zugehörige Schichtschaltung 7 tragen, sind in Hybridtechnik gefer tigt. Die gehäuselosen Ansteuer-IC′s 6 und die Schicht schaltung 7 bilden die Ansteuerschaltung 5 für die LED- Chips 2, wobei jede Lumineszenzdiode 4 eines LED-Chips 2 angesteuert wird. Somit entsteht durch diese Aneinander reihung der LED-Submodule 11 eine LED-Zeile 3, die der Mittellinie der Stirnseite 1 des Druckkopfes entspricht. Beidseitig der LED-Zeile 3 sowie parallel zu ihr befin den sich die gehäuselosen Ansteuer-IC′s 6, die mit den LED-Chips 2 direkt durch Bonddrähte 17 verbunden sind. Zwischen der Reihe der Ansteuer-IC′s 6 und der jeweili gen äußeren Längskante der Stirnseite 1 des Druckkopfes, an der die Reihe der Kontakte 8 angeordnet ist, befin den sich parallel zur LED-Zeile 3 die Schichtschaltungen 7. Die Verbindung der beidseitig der LED-Zeile 3 liegen den Schichtschaltung 7 mit den gehäuselosen Ansteuer- IC′s 6 erfolgt über die Reihe der Kontakte 9, die paral lel zur Reihe der gehäuselosen Ansteuer-IC′s 6 angeord net sind, mit Bonddrähten. Die an beiden Längsseiten der Wärmesenke 20, senkrecht zur Stirnseite 1 des Druck kopfes angeordneten Leiterplatten 13 nehmen die Elek tronikbauelemente 14, die Logikbausteine und Prozessoren für die Multiplex-Parallelansteuerung, Gleichförmig keitskorrektur und Graustufenbelichtung sowie die am unteren Rand sich befindenden Steckerstiftleisten (15) auf. Die an den beiden Längskanten der Stirnseite 1 an stoßenden Ränder der Leiterplatten 13 nehmen jeweils die Reihen der Kontakte 16 auf, die direkt über Bonddrähte mit den entsprechenden an den äußeren Rändern der Stirn fläche 1 liegenden Reihen der zur Schichtschaltung 7 ge hörenden Kontakte 8 verbunden sind.According to the exemplary embodiment in FIG. 1, the LED array 12 of the print head consists of smaller functional units, the so-called LED submodules 11 . They consist of a substrate body 10 made of ceramic and are glued to the front side 1 of the print head on the heat sink 20 , which is made of good heat-conducting material. The submodules 11 , which carry four LED chips 2, 4 , housing-less drive ICs 6 and the associated layer circuit 7 , are manufactured in hybrid technology. The housing-less drive IC's 6 and the layer circuit 7 form the drive circuit 5 for the LED chips 2 , each luminescent diode 4 of an LED chip 2 being driven. This series of LED submodules 11 thus results in an LED line 3 which corresponds to the center line of the end face 1 of the printhead. On both sides of the LED line 3 and parallel to it are the housing-less drive IC's 6 , which are connected to the LED chips 2 directly by bonding wires 17 . Between the series of the drive IC's 6 and the jeweili gen outer longitudinal edge of the face of the print head 1 at which the number of the contacts 8 is arranged near t the parallel to the LED array 3, the layer circuits. 7 The connection of both sides of the LED line 3 are the layer circuit 7 with the housing-less control IC's 6 via the row of contacts 9 , which are arranged parallel to the row of housing-less control IC's 6 , with bond wires. The arranged on both long sides of the heat sink 20 , perpendicular to the end face 1 of the print head circuit boards 13 take the electronic components 14 , the logic modules and processors for the multiplex parallel control, uniform speed correction and grayscale exposure and the connector strips ( 15 ) located at the bottom . The on the two longitudinal edges of the end face 1 at abutting edges of the circuit boards 13 each take on the rows of contacts 16 , which are connected directly via bonding wires to the corresponding on the outer edges of the end face 1 rows of the contacts belonging to the layer circuit 7 ge 8 .

Gemäß Fig. 2 sind die Leiterplatten 13 mittels Befesti gungsvorrichtungen 26 mit der Wärmesenke 20 verschraubt. Alle vier Kontaktreihen 8 und 9 der Schichtschaltungen 7 sind so angeordnet, daß die Bondverbindungen 18 und 19 kreuzungsfrei ausgeführt werden. Darüber hinaus sind auch die Verbindungen 17 zwischen LED-Chips 2 und An steuer-IC′s 6 kreuzungsfrei gebondet. Referring to FIG. 2, the circuit boards 13 are connected by means Fixed To supply devices 26 bolted to the heat sink 20. All four contact rows 8 and 9 of the layer circuits 7 are arranged such that the bond connections 18 and 19 are carried out without crossings. In addition, the connections 17 between LED chips 2 and to control IC's 6 are bonded without crossing.

Nach Fig. 1, insbesondere Fig. 2, umgibt das Gehäuse 23, das aus zwei Halbschalen besteht, das LED-Array 12 und teilweise die Leiterplatte 13, wobei die Stecker stiftleisten 15 nicht vom Druckkopfgehäuse 23 abgedeckt werden.According to Fig. 1, in particular Fig. 2, surrounds the housing 23, which consists of two half-shells, the LED array 12 and partially the circuit board 13, wherein the connector pin headers 15 are not covered by the print head housing 23.

In einer bevorzugten Weiterbildung ist das Druckkopfge häuse 23 senkrecht über der LED-Zeile 3 entsprechend einer zylinderförmigen Öffnung ausgebildet, wobei deren Grundfläche der Breite und der Länge des Abbildungs systems 21 entspricht und die Höhe der zylindrischen Öffnung mit derjenigen des Abbildungssystems 21 überein stimmt. Die Länge der zylindrischen Öffnung entspricht der Länge der LED-Zeile 3. Diese Öffnung im Druckkopf gehäuse dient zur paßgenauen Aufnahme und Zentrierung des Abbildungssystems 21, wodurch im Druckkopfgehäuse eine Austrittsöffnung entsteht, die sich als Schlitz 24 über die gesamte Länge der LED-Zeile 3 ausbreitet. Somit liegt das Abbildungssystem 21 zwischen der LED- Zeile 3 und der Abbildungsebene 27. Gemäß FFig. 1 und 2 ist das Gehäuse mit Dichtungen 25 aus Silikon verschlos sen. Nach Fig. 1 und 2 besteht das Abbildungssystem aus einer linearen Anordnung von Gradienten-Index-Linsen (Selfoc Lens Array). Fig. 3 veranschaulicht das Prinzip des Selfoc Lens Array, wobei die lineare Anordnung der Linsen und einzelnen hochgenauen Glaszylindern 22 mit parabolisch radialem Gradienten des Brechungsindexes besteht, die bei geeigneter Länge ein aufrechtes reales Bild erzeugen, wobei die LED-Zeile 3 die Objektebene 28 darstellt.In a preferred development, the print head housing 23 is formed vertically above the LED line 3 corresponding to a cylindrical opening, the base area of which corresponds to the width and length of the imaging system 21 and the height of the cylindrical opening corresponds to that of the imaging system 21 . The length of the cylindrical opening corresponds to the length of LED row 3 . This opening in the printhead housing is used for a precise fit and centering of the imaging system 21 , which creates an outlet opening in the printhead housing, which extends as a slot 24 over the entire length of the LED line 3 . The imaging system 21 thus lies between the LED line 3 and the imaging plane 27 . According to F FIGS. 1 and 2, the housing is sealed with seals 25 made of silicone. According to Fig. 1 and 2, the imaging system consists of a linear array of gradient index lenses (Selfoc Lens Array). FIG. 3 illustrates the principle of the selfoc lens array, the linear arrangement of the lenses and individual high-precision glass cylinders 22 having a parabolic radial gradient of the refractive index which, with a suitable length, produce an upright real image, the LED line 3 representing the object plane 28 .

In einer vorteilhaften Weiterbildung kann eine Linsen spiegelanordnung (Roof Mirror Lens Array) als Abbil dungssystem eingesetzt werden. Fig. 4 zeigt die Wir kungsweise des Roof Mirror Lens Arrays, wobei die Objekt ebene 28 mit der Ebene der LED-Zeile 3 übereinstimmt.In an advantageous development, a lens mirror arrangement (roof mirror lens array) can be used as an imaging system. Fig. 4 shows the effect of the roof mirror lens array, wherein the object level 28 corresponds to the level of the LED line 3 .

Claims

1. printhead for electro-photographic printing processes with a parallel exposing LED array and an imaging system characterized in that on the ebe NEN end ( 1 ) of the printhead in hybrid technology, the LED chips ( 2 ) of the LED array ( 12 ) and the associated control circuit ( 5 ) are arranged, while on at least one printed circuit board ( 13 ) perpendicular to this end face ( 1 ) there are further electronic components ( 14 ) arranged so that the individual luminescent diodes ( 4 ) of the LED array ( 12 ) with the control circuit ( 5 ) are directly connected and the control circuit ( 5 ) and the electronic modules ( 14 ) via a on the end face ( 1 ) of the print head and the printed circuit board ( 13 ) extending interconnect system ( 19 ) are connected to each other and that the imaging system ( 21 ) integrated in the printhead housing ( 23 ) is located between the LED chips ( 2 ) of the LED array ( 12 ) and the imaging plane ( 27 ).

2. Printhead for electrophotographic printing process according to claim 1, characterized in that the control circuit ( 5 ) consists of housing-less control IC's ( 6 ) and a layer circuit ( 7 ), the housing-less control IC's ( 6 ) and the layer circuit ( 7 ) are directly connected via bond wires ( 18 ).

3. printhead for electrophotographic printing process according to claim 1, characterized in that the LED chips ( 2 ) of the LED array ( 12 ) on the center line of the end face ( 1 ) of the printhead are lined up as a line and the housing-less control IC ' s ( 6 ) are arranged on both sides of the LED line ( 3 ) and parallel to it and that on both sides of the LED line ( 3 ), between the row of housingless control IC's ( 6 ) and the longitudinal edge the front side ( 1 ) of the print head and the layer circuits ( 7 ) are arranged parallel to the LED line ( 3 ).

4. printhead for electrophotographic printing process according to claim 1, characterized in that the imaging system ( 21 ), shell-shaped from the Druckkopfge housing ( 23 ), directly above the LED line ( 3 ) be found, the printhead housing ( 23 ) on the Light exit surface of the imaging system ( 21 ) contains an opening which extends as a slot ( 24 ) over the entire length of the LED row ( 3 ).

5. printhead for electrophotographic printing process according to claim 4, characterized in that the print head housing ( 23 ) with silicone seals ( 25 ) is closed and also encloses the part of the circuit board ( 13 ) on which the electronic components ( 14 ) are arranged.

6. printhead for electrophotographic printing process according to claim 1, characterized in that arranged on the two edge zones, which run along the end face ( 1 ) of the printhead, arranged contacts ( 8 ) of the layer circuits ( 7 ) with the contacts ( 16 ) on the associated Edge of the printed circuit board ( 13 ) are connected to one another via bond wires ( 19 ).

7. Printhead for electrophotographic printing process according to claim 1, characterized in that the electronic components ( 14 ) arranged on the printed circuit board ( 13 ) consist of logic components and processors for the multiplex parallel control, uniformity correction and grayscale exposure.

8. printhead for electrophotographic printing process according to one of claims 1 to 6, characterized in that on the longitudinal edge of the end face ( 1 ) of the print head opposite parallel edge of the circuit board ( 13 ), outside the housing ( 23 ) of the printhead, connector strips ( 15 ) are arranged.

9. printhead for electrophotographic printing process according to claim 1 or 4, characterized in that the imaging system ( 21 ) consists of a linear arrangement of gradient index lenses.

10. printhead for electrophotographic printing process according to claim 1 or 4, characterized in that the imaging system ( 21 ) consists of lens-mirror assemblies be.