DE3990986C2 - LED-Druckkopf - Google Patents
LED-DruckkopfInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen LED-Druckkopf nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Druckköpfe dieser in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Art
besitzen eine zeilenförmige Anordnung von gleichmäßig beabstande
ten lichtemittierenden Dioden (LED's), welche für die Belichtung
eines Photorezeptors oder eines zur Wiedergabe eines Bildmusters
vorgesehenen andersartigen mit Information zu beaufschlagenden
Mediums einzeln schaltbar sind. Eine LED-Zeile dieser Art weist
zur Anwendung für normales DIN A4 Papier üblicherweise eine
Länge von etwa 216 mm auf. Die einzelnen Lichtquellen haben sehr
geringe Ausmaße und sind sehr eng beabstandet, z. B. 160 Licht
quellen pro cm, wodurch es beim gegenwärtigen Stand der Technik
unmöglich ist, eine LED-Zeile dieser Länge in einem Stück herzu
stellen. Daher setzt sich die Anordnung aus einer Anzahl von ein
zelnen LED-Chips zusammen, von denen jeder eine Länge von weniger
als 10 mm hat und die aneinandergereiht die zeilenförmige Gesamt
anordnung ergeben.
Jeder LED-Chip ist über seine Längskanten mit den jeweils zuge
hörigen Treiber-Bauteilen (Treiber-Chips) und diese wiederum mit
der Leiterplatte elektrisch verbunden, die den Druckkopf mit den
Gerätekomponenten verbindet. Bei den meisten bekannt gewordenen
Druckköpfen dieser Art sind die LED-Chips, die Treiber-Chips und
die Leiterplatten alle gemeinsam auf der ebenen Oberfläche eines
Trägers von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt angebracht,
welcher zur Wärmeabfuhr auf seiner gegenüberliegenden Seite einen
Rippen-Kühlkörper oder dergleichen aufweist. Der Träger besteht
aus Metall, z. B. rostfreiem Stahl, mit ungefähr dem gleichen
Ausdehnungskoeffizienten wie das Trägermaterial der LED-Chips,
üblicherweise Galliumarsenit. Da die lichtemittierenden Bereiche
der LED-Chips präzise ausgerichtet sein müssen, um das emittierte
Licht mittels sogenannter Selfoc-Linsen sehr geringer Brennweite
exakt fokussieren zu können, muß die die LED-Chips tragende
Trägerfläche gleichfalls ein hohes Maß an Ebenheit aufweisen
und diese muß ungeachtet der bei Betrieb des Druckkopfes von den
Chips auf den Träger übertragenen Wärme auch aufrechter
halten bleiben.
Die Verwendung eines breiten Trägers mit auf seiner Oberfläche
angeordneten Chips bringt hinsichtlich der Erzielung und Auf
rechterhaltung der erforderlichen koplanaren Ausrichtung der
lichtemittierenden Bereiche zwei nicht unerhebliche Probleme mit
sich. Erstens, weil zur Einhaltung der geforderten thermischen
Ausdehnungscharakteristik eine eng tolerierte Bearbeitung des
Trägers aus rostfreiem Stahl oder einer anderen Legierung sehr
aufwendig ist. Zweitens, weil die Chips, insbesondere die LED-
Chips, eine beträchtliche Wärmemenge auf den mittleren Bereich
der ebenen Trägerfläche übertragen und das sich dabei ergebende
Temperaturgefälle bewirkt, daß sich der Träger sowohl in Längs-
als auch in Querrichtung verzieht. Infolgedessen wird die Träger
fläche nicht nur in einer Richtung verzogen, sondern neigt dazu
sich aufzuwölben, wodurch es sehr schwierig ist, diesem Verhalten
durch herkömmliche Kühlungsmaßnahmen entgegenzuwirken.
Das am 24. 10. 72 erteilte US-Patent 3 701 123 beschreibt ein
integriertes Schaltungsbauteil, bestehend aus einer Reihe
einzelner LED-Chips, die entlang der Schmalseite eines Trägers
angeordnet sind, welcher auf einer seiner Breitseiten den zur
Steuerung der LED's dienenden Treiber-Chip trägt. Mehrere solcher
Träger sind derart übereinander angeordnet, daß ihre Breitseiten
jeweils benachbart sind und ihre in eine gemeinsame Richtung
weisenden Schmalseiten insgesamt ein optisches Anzeigefeld
bilden. Hierbei sind jedoch keine Mittel vorgesehen, die Wärme
vom Träger abzuleiten, und da die Vorrichtung lediglich als
optische Anzeige dient, besteht keine Notwendigkeit für eine
präzise Ausrichtung der lichtemittierenden LED-Bereiche.
Die US 4 506 272 beschreibt einen Thermodruckkopf, bestehend aus
einer Reihe kleiner Heizelemente, die entlang eines zylindrischen
Trägers angeordnet sind, welcher seinerseits von einer konkav
ausgebildeten Schmalseite einer sich zwischen zwei mit Treiber-
Chips bestückten Leiterplatten erstreckenden Trägerleiste abge
stützt ist. In diesem Fall werden keine Mittel zur Wärmeabfuhr
vom Druckkopf beschrieben. Eine derartige Vorrichtung sieht auch
nicht vor, die Heizelemente äußerst genau, d. h. auf gleicher Höhe
anzuordnen, da das zu bedruckende Papier mit diesen Elementen
durchaus in Kontakt kommen darf und geringfügige Ungenauigkeiten
keine Auswirkungen haben.
Aus der DE 37 04 984 A1 ist ein LED-Druckkopf bekannt, der zur Bildung einer
Reihe gleichmäßig beabstandeter lichtemittierender Bereiche mittels LED-Chips
einen langgestreckten Träger aufweist, auf dem die LED-Chips entlang des mittleren
Bereichs zeilenförmig aneinandergereiht angeordnet sind. Der aus gut wärmeleiten
dem Material bestehende Träger dient dabei selbst als Wärmesenke, wodurch
jedoch thermische Verformungen des Trägers nicht vermeidbar sind.
Des weiteren ist im IBM-Technical Disclosure Bulletin, Vol. 25, Nr. 7A, Dez. 1982,
S. 3368 bis 3370 ein Druckkopf beschrieben, der einen breiten Träger mit gegen
über von LED-Chips liegenden Kühlrippen für die Wärmeabfuhr aufweist. Eine
sichere Vermeidung von Verformungen des Trägers ist mit dieser Anordnung eben
falls nicht gewährleistet.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen LED-Druckkopf zu schaffen, der für eine gleich
bleibend genaue Positionierung der LED's im Druckbetrieb eine möglichst geringe
thermische Verformung aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße LED-Druckkopf verwendet einen langgestreck
ten Träger von im wesentlichen rechteckigem Querschnitt mit LED-
Chips, die stirnseitig aneinandergereiht auf einer Schmalseite
des Trägers eine LED-Zeile bilden. Der Träger ist mit seinen
jeweils die größten Dimensionen aufweisenden Flächen zwischen
Kühlkörpern oder andersartigen Wärmeableiteinrichtungen angeord
net, welche ihrerseits die LED-Chips mit der Geräteelektronik
verbindende Leiterplatten tragen. Demgemäß erfordert nur die die
LED-Chips tragende Schmalseite des Trägers eine präzise Bearbei
tung. Infolge der geringen räumlichen Ausdehnung der die Chips
tragenden Oberfläche ist das Problem einer thermischen Verformung
nahezu beseitigt.
Verschiedene Ausführungsformen sowie andere neu
artige Merkmale sind in der folgenden Beschreibung eines bevor
zugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine perspektivische Teilansicht des LED-Druckkopfes
gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Seitenteilansicht des in Fig. 1 dargestellten
Druckkopfes;
Fig. 3 eine Frontansicht des in Fig. 1 und 2 dargestellten
Druckkopfes;
Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 2;
Fig. 5 eine Teildraufsicht auf einen im dargestellten Druck
kopf verwendeten LED-Chip;
Fig. 6 eine perspektivische Teilansicht in vergrößerter
Wiedergabe des in Fig. 1 dargestellten Druckkopfes
zur Verdeutlichung von Einzelheiten der elektronischen
Komponenten; und
Fig. 7 (entspricht im wesentlichen der Fig. 3) ein weiteres
Ausführungsbeispiel.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist,
wie in Fig. 1 deutlich gezeigt, der LED-Druckkopf 10 einen lang
gestreckten Träger 12 auf von im wesentlichen rechteckigem Quer
schnitt und relativ gering bemessenen, gegenüberliegenden Schmal
seiten 14 und 16 und relativ groß dimensionierten, gegenüberlie
genden Flächen (Breitseiten) 18 und 20. Nur die Schmalseite 14
wird auf hochgradige Ebenheit bearbeitet; die übrigen Ober
flächen, einschließlich der Stirnflächen 22 und 24, erfordern
hingegen keine engtolerierte Bearbeitung.
Wie nachstehend näher erläutert, sind mehrere LED-Chips 26 mit
ihren mittig verlaufenden, gleichmäßig beabstandeten licht
emittierenden Bereichen auf der Mittellinie der Schmalseite 14
des Trägers 12 mit ihren Stirnflächen aneinanderstoßend
befestigt, wobei jeder LED-Chip zwischen zwei zugeordneten
Treiber-Chips 28 liegt, die ebenfalls auf dieser Fläche des
Trägers angeordnet sind.
Auf beiden Breitenseiten 18 und 20 des Trägers 12 sind je eine
Wärmeableiteinrichtung 30 bzw. 32 angebracht, welche den Träger
12 von beiden Seiten zwischen ihren gegenüberliegenden Flächen 34
und 36 einschließen. Die Wärmeableiteinrichtungen 30 und 32
bestehen aus Metall hoher Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise
Aluminium, und weisen Kühlrippen 38 auf. Zwischen den gegenüber
liegenden Flächen des Trägers 12 und den Einrichtungen 30 und 32
verbessert eine Schicht aus wärmeleitendem Material die Wärme
übertragung zwischen den Flächen. Die Einrichtungen 30 und 32
werden durch einen mittig (40) und durch seitlich davon
befindliche Gewindebolzen 42 mit Federscheiben 44 und Muttern 46
am Träger 12 gehalten (Fig. 2 und 4). Der mittlere Bolzen 40 sitzt
in einem Durchgangsloch enger Passung. Die anderen Schrauben
sitzen ebenfalls in im Träger 12 vorgesehenen Durchgangslöchern
enger Passung. Die zugehörigen Bohrungen in den Einrichtungen 30
und 32 sind als sich parallel zu der Längsausdehnung des Druck
kopfes erstreckende Langlöcher ausgebildet (punktierte Linie bei
Bezugszahl 48 in Fig. 2), so daß zwischen den gegenüberliegenden
Flächen der Endbereiche des Trägers und den Wärmeableiteinrich
tungen eine Relativbewegung zum Ausgleich ihrer unterschiedlichen
Wärmeausdehnung möglich ist.
Die Flächen 50 und 52 der Einrichtungen 30 bzw. 32 sind im
wesentlichen mit der Fläche 14 des Trägers 12 bündig und sind mit
Leiterplatten 54 bzw. 56 bestückt, die durch ein relativ elasti
sches Klebemittel oder durch Klemmen oder Schrauben ähnlich den
jenigen, mit welchen die Einrichtungen 30 und 32 am Träger be
festigt sind, gehalten werden, wodurch eine geringe Relativbewe
gung zum Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zwischen
den Materialien der Leiterplatten und der Wärmeableiteinrichtun
gen möglich ist. Im Gegensatz zu den LED-Chips, die einen relativ
hohen Grad an Wärme erzeugen und relativ zerbrechlich sind, er
zeugen die mechanisch robusteren Treiber-Chips und Leiterplatten
relativ wenig Wärme, so daß es hierbei nicht so wichtig erscheint,
das Wärmeausdehnungsverhalten dieser Komponenten mit denen der
Oberflächen, an welchen sie befestigt sind, genau abzustimmen.
Soll die Relativbewegung zwischen den Einrichtungen 30 und 32
und den jeweils aneinanderliegenden Flächen des Trägers 12 oder
der Leiterplatten 54 und 56, insbesondere bei sehr langen Druck
köpfen, reduziert werden, können entlang der Breitseiten des
Trägers mehrere Wärmeableiteinrichtungen in enger Beabstandung
aneinandergereiht werden, wobei jede dieser Einrichtungen auf
vorstehend beschriebene Weise mittels dreier Schrauben oder auf
andere Art am Träger befestigt wird.
Fig. 5 ist ein stark vergrößerter Teil eines LED-Chips 26 und
zeigt die einzelnen entlang der Mittellinie des LED-Chips 26 aneinander
gereihten und durch Leiterbahnen 62 mit den jeweiligen An
schlüssen 60 verbundenen lichtemittierenden Bereiche 58. Wie in
Fig. 6 dargestellt, bildet jeder LED-Chip 26 mit seinen zugehöri
gen Treiber-Chips eine Baugruppe 64, in welcher die Chips in
einem TAB-Verfahren, bei dem ein mit Drahtleitern 68 bestücktes
Kunststoffband 66 verwendet wird, vorab miteinander verbunden
werden. Die innenliegenden Baugruppenbereiche 70 weisen eine
Vielzahl von eng beabstandeten Drahtleitern auf, welche die LED-Chips
26 mit den zugehörigen Treiber-Chips 28 verbinden. Die außen
liegenden Baugruppenbereiche 72 haben weniger und dafür weiter
beabstandete Drähte, welche die Treiber-Chips 28 mit den Leiter
bahnen 74 der zugehörigen Leiterplatten 54 bzw. 56 verbinden, die
Anschlüsse 76 zur Verbindung des Druckkopfes mit einer Strom
quelle und einer außerhalb des Druckkopfes angeordneten Steuer
elektronik aufweisen. Die Haugruppen werden mittels an den Unter
seiten der Chips haftendem Kleber am Träger befestigt. Die Ver
bindungsdrähte des außenliegenden Baugruppenabschnitts werden
innerhalb der im Kunststoffband vorgesehenen Öffnungen 78 mit
den Leiterbahnen der Leiterplatten 54 bzw. 56 verbunden, die
zuvor auf den Einrichtungen 30 bzw. 32 befestigt worden sind.
Selbstverständlich
können für die Befestigung der Chips am Träger und die elek
trische Verbindung derselben untereinander und mit den Leiter
platten auch andere Mittel angewendet werden. Beispielsweise
können die LED-Chips anstelle einer unmittelbaren Verklebung mit
dem Träger auch zunächst auf eine Platine geklebt werden, die
dann auf dem Träger befestigt wird. Ebenso können die Chips und
Leiterplatten ohne die Benutzung der beschriebenen Modulbauweise
und des TAB-Verfahrens in herkömmlicher Weise mittels Wire
bonding verbunden werden.
Eine aus sog. Selfoc-Linsen bestehende Anordnung 80, welche an
ihren Stirnseiten durch Halteschienen 82 bzw. 84 befestigt ist,
die an den gegenüberliegenden Stirnflächen 22 und 24 des Trägers
12 mit durch Langlöcher 88 führenden Schrauben 86 verstellbar
gehaltert sind, dient dazu, das von den lichtemittierenden
Bereichen ausgehende Licht auf einen Photorezeptor oder ein
anderes mit Information zu beaufschlagendes Medium zu richten.
Zum Ausgleich von Wärmeausdehnungsunterschieden zwischen der
Linsenanordnung 80 und dem Träger 12 ist eine der Stirnseiten
der Linsenanordnung an der Schiene 82 mit Schrauben 90 befestigt,
während die andere Stirnseite durch einen in einem in der Schiene
84 vorgesehenen Loch verschiebbaren Stift 92 gehaltert ist.
Es sollte noch erwähnt werden, daß die der Chip-Montagefläche 14
des Trägers 12 benachbarten Kühlrippen 38 der Wärmeableiteinrich
tung breiter ausgebildet sind als jene, die von dieser Fläche
weiter entfernt sind. Auf diese Weise wird die Wärme vom stärker
erwärmten Teil des Trägers rascher abgeführt, so daß sich die
Temperaturdifferenz zwischen den Flächen 14 und 16 des Trägers
verringert. Die abgebildete Anordnung der Kühlrippen dient ledig
lich zum besseren Verständnis. Es können ohne weiteres davon ab
weichende Kühlrippenkonstruktionen oder andere Wärmeableitein
richtungen verwendet werden, um dem oben erwähnten Problem zu
begegnen. Außerdem könnte auch der Träger selbst Schlitze oder
Rippen aufweisen und Kühlmittelkanäle könnten im Träger oder dem
Kühlkörper oder in beiden vorgesehen sein. Gleichermaßen könnten
verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, der Unterseite des
Trägers Zusatzwärme zuzuführen, um den unerwünschten Temperatur
sprung auf ein Minimum zu reduzieren. Es könnten beispielsweise
zur Messung der Temperatur von gleichen Bereichen der Flächen 14
und 16 an verschiedenen Punkten entlang des Trägers und zur
Steuerung entsprechender an der Unterseite 16 des Trägers ange
brachter Heizwiderstände für die zusätzliche Wärmezufuhr
Thermistoren verwendet werden. Andererseits könnten zum Erfassen
von auftretenden mechanischen Spannungen und zur Steuerung der
Zusatzheizeinrichtung am Träger Dehnungsmessstreifen angebracht
werden.
Fig. 7 zeigt eine weitere dem vorstehend beschriebenen Aus
führungsbeispiel ähnliche Ausführung mit dem einen
Unterschied, daß die LED-Chips 94 auf einem schmäleren Träger 96
und sowohl die Treiber-Chips 98 als auch die Leiterplatten 100 unmittel
bar auf der Wärmeableiteinrichtung 102 angeordnet sind.
Mit Bezug zum lichtempfindlichen Flächenelement des Geräts, in
dem der Druckkopf eingebaut ist, wird dieser vorzugsweise mittels
Halterungen, welche an der Fläche 14 des Trägers angreifen, so
positioniert, daß die Lage der lichtemittierenden Bereiche
relativ zum lichtempfindlichen Flächenelement nicht durch eine
wärmebedingte Ausdehnung oder Kontraktion des Trägers in der
Richtung zwischen den beiden Flächen 14 und 16 beeinflußt wird.
Claims (8)
1. LED-Druckkopf (10) mit LED-Chips (26) zur Bildung einer Reihe gleichmäßig
beabstandeter, lichtemittierender Bereiche, die entlang des mittleren Bereichs
einer Schmalseite (14) eines langgestreckten Trägers (12) von im wesentlichen
rechteckiger Ausbildung mit je zwei sich gegenüberliegenden in Längsrichtung
der LED-Reihe verlaufenden Schmal- (14, 16) und Breitseiten (18, 20) zeilen
förmig aneinandergereiht sind, dadurch gekennzeichnet, daß Wärmeableitein
richtungen (30, 32) in vollflächigem Wärmeübertragungs- und Gleitkontakt auf den beiden,
eben ausgeführten Breitseiten (18, 20) des Trägers (12) angeordnet sind.
2. LED-Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme
ableiteinrichtungen (30, 32) zwei Wärmeableitelemente mit der Wärmeabfuhr dienenden
Flächen (50, 52) umfassen, und daß die Wärmeableitelemente eine gegenüber
dem Träger (12) höhere Wärmeableitfähigkeit besitzen und eine Kühleinrichtung
(38) aufweisen, die den Oberflächenbereich von Abschnitten der Wärmeableit
elemente über den Träger (12) hinaus vergrößert.
3. LED-Druckkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlein
richtung eine Vielzahl von Rippen (38) aufweist.
4. LED-Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (40, 42,
44, 46) vorgesehen sind, mit Hilfe derer die gegenüberliegenden Breitseiten (18, 20) des
Trägers (12) in Wärmeübertragungskontakt mit den Wärmeableiteinrichtungen (30, 32)
gehalten sind.
5. LED-Druckkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Wärmeableiteinrichtungen (30, 32) ebene Lagerflächen (50, 52) bilden, die in Höhe der
Schmalseite (14) des Trägers (12) angeordnet sind und beidseitig an diese angrenzen
und zur Aufnahme von elektronischen Komponenten (54, 56) des LED-Druckkopfs,
nicht jedoch der LED-Chips (26), dienen.
6. LED-Druckkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an der Schmal
seite (14) des Trägers (12) auf gegenüberliegenden Seiten der zeilenförmig aneinander
gereihten LED-Chips (26) Treiber-Chips (28) angeordnet sind sowie Mittel (66, 68)
zum elektrischen Verbinden der LED-Chips (26) mit den jeweils zugehörigen beiden
Treiber-Chips (28).
7. LED-Druckkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß Leiterplatten
(54, 56) vorgesehen sind, die auf jeder der ebenen Lagerflächen (50, 52) angeordnet
und mit den benachbarten Treiber-Chips (28) elektrisch verbunden sind.
8. LED-Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schmalseite (14) des Trägers (12) für die LED-Chips (26) glatter ausgebildet ist als die anderen Träger
seiten (16, 18, 20).
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