DE3990986C2 - LED-Druckkopf - Google Patents

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).