DE4308896A1

DE4308896A1 - Druckkopf für eine elektrografische Druckeinrichtung

Info

Publication number: DE4308896A1
Application number: DE19934308896
Authority: DE
Inventors: Georg Dipl Ing Froehlich; Siegfried Dipl Ing Schreyer
Original assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 1993-03-19
Filing date: 1993-03-19
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2013-03-20
Also published as: DE4308896C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckkopf für eine elektrografische Druckeinrichtung mit ei nem auf einer Stirnseite des Druckkopfes angeordneten LED-Array und mindestens einer senkrecht zu dieser Stirnseite angeordneten Stromschiene.

Ein derartiger Druckkopf ist aus der EP-B1-0 404 766 bekannt. Bei dem bekannten Druck kopf wird das LED-Array und die zugehörige Ansteuerelektronik über beidseitig eines Trä gers angeordnete Stromschienen mit Energie versorgt. Die Stromschienen bestehen aus ei nem flächenförmigen Zuleitungsstrang, der schichtweise aus Isolierschienen und Stromver sorgungsschienen aufgebaut ist. Die Schienen sind aufeinandergeklebt. An der Außenseite des Zuleitungsstranges ist eine Kontaktschiene angeordnet. Sie dient zur Aufnahme und Be festigung einer flexiblen Flachbandleitung, die die Stromschiene mit den Anschlüssen der Ansteuerelektronik des LED-Arrays verbindet. Die gesamte Stromschiene ist über ihre Länge an den Träger geklebt und steht stirnseitig mit den Stromversorgungsquellen in Ver bindung. Eine Stromversorgung über Stromschienen ist notwendig, weil durch die Vielzahl der im LED-Array angeordneten LED′s bei gleichzeitiger Aktivierung hohe Arbeitsströme fließen.

Die Montage des bekannten Zeichengenerators ist arbeitsintensiv und muß zum Teil von Hand erfolgen. Weiterhin erfordert infolge der Art des Aufbaues der Stromschiene ein der artiger Druckkopf relativ viel Einbauplatz im Drucker, was sich störend auf den Gesamtauf bau der Druckeinrichtung auswirkt.

Ein weiteres Problem ist die Wärmeabfuhr von den LED′s. Die Wärme muß im Druckbe trieb sicher abgeführt werden, ohne daß es zu Wärmestaus im Bereich der LED′s und damit zu einer Überhitzung kommt. Dies behindert die Miniaturisierung eines Druckkopfes hoher Leistung.

Bei Druckköpfen der genannten Art wird das LED-Array über Ansteuerschaltungen ange steuert, die im wesentlichen aus integrierten Schaltkreisen bestehen. Zur Reduzierung der Baubreite ist es aus dem deutschen Gebrauchsmuster G 87 04 510.9, Titel: Druckkopf für elektrofotografische Druckverfahren, bekannt, die Ansteuerschaltungen für die LED-Array auf Leiterplatten anzuordnen, die seitlich am Träger des Druckkopfes befestigt sind. Auf der Stirnseite des Trägers befindet sich das eigentliche LED-Array mit zugehörigen weiteren Ansteuerschaltungen, wobei die Ansteuerschaltungen, das LED-Array und die Leiterplatte jeweils über Bonddrähte miteinander verbunden sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf der eingangs genannten Art so auszugestal ten, daß er bei geringstmöglicher Baubreite in einfacher und maschinenfreundlicher Weise montiert werden kann und trotzdem eine flexible Anpassung an die unterschiedlichsten Ein satzbereiche ermöglicht.

Diese Aufgabe wird bei einem Druckkopf der eingangs genannten Art gemäß den Merkma len des ersten Patentanspruches gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeich net.

Dadurch, daß die Stromschiene als mehrschichtige kompakte Anordnung aufgebaut ist, er gibt sich eine besonders schmale Bauweise des gesamten Druckkopfes und die Strom schiene läßt sich leicht und ohne großen Aufwand im Druckkopf befestigen. Die Strom schiene kann aus einzelnen übereinander angeordneten Metallplatten mit dazwischenlie genden Isolationsschichten bestehen, wobei an den Metallplatten einseitig kammartige An schlußfinger ausgebildet sind, die ausgehend von den Ebenen der Metallplatten zu einer Kontaktebene derart zusammengeführt sind, daß die Enden der Anschlußfinger eine oder mehrere Kontaktreihen aus längs der Stirnseite verlaufenden Einzelkontakten zur Aufnahme von Anschlußleitungen für das LED-Array bilden. Die Metallplatten mit den Anschlußfin gern können aus einstückigen Metallstanzteilen aufgebaut sein, was die Herstellung der Stromschiene wesentlich erleichtert.

Der besondere Vorteil der so aufgebauten Stromschiene besteht darin, daß durch unter schiedliche Lagenaufbauten eine flexible Anpassung an elektrische Werte möglich ist und so in einfacher Weise und ohne hohen Aufwand unterschiedliche Varianten erstellt werden können. Dazu gehört eine als Kontaktbereich dienende bondbare Oberfläche an der Stirn seite der Stromschiene. Auf den Kontaktbereich können weitere Anschlußflächen (Pads) für einen zusätzlichen Bonddraht angebracht sein, um so ein leichtes Austauschen von Bauele menten im Reparaturfall ermöglichen zu können.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Leiterplatte eine zusätzliche Si gnalleitungsschicht, z. B. in Form einer gesonderten Einzelschicht auf, in der Signalleitungen integriert angeordnet sind.

Es können weiterhin auf einer Seite der Stromschiene elektrische Ansteuerbauelemente für den Druckkopf angeordnet sein. Die Stromschiene unterstützt dabei durch die aus Kupfer bestehenden Metallplatten die Wärmeabfuhr.

In abgewandelter Form und Länge kann die Leiterplatte auch bei anderen Produkten einge setzt werden, insbesondere wenn dicke Kupferlagen mit stirnseitigen Anschlüssen für Band- oder Schweißverbindungen benötigt werden.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im fol genden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Druckkopfes für eine elektrografische Druckeinrichtung;

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung der Anordnung einer Stromschiene in dem Druckkopf;

Fig. 3 eine schematische perspektivische Darstellung der Stromschiene, teilweise aufge brochen;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer als Bondflächen ausgebildeten Kontaktreihe der Stromschiene und

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Druckkopfes mit einer Stromschiene mit darauf integriert angeordneten Ansteuerbauelementen.

Ein in der Fig. 1 dargestellter optischer Zeichengenerator (Druckkopf) für eine elektrogra fische Druckeinrichtung, wie er prinzipiell aus der EP-B1-0 404 766 bekannt ist, besteht im wesentlichen aus einem Trägerteil 10 aus massivem Kupfer mit einem auf der Stirnseite des Trägerteiles angeordneten LED-Array 11 mit zugehörigen Ansteuerschaltungen für das LED-Array 12 in Form von z. B. IC-B-Schaltkreisen. Das Trägerteil 10 weist am Bodenbe reich Kühlrippen 13 auf. Anstelle der Kühlrippen 13 oder zusätzlich zu diesen kann das Trägerteil 10 auch von einem Kühlmedium über in der Fig. 5 dargestellte Durchgangslei tungen 13/1 gekühlt werden. Die Stirnseite des Trägerteils weist eine hochgenau bearbeitete ebene Stirnfläche 14 auf zur Aufnahme des LED-Arrays 11 mit den zugehörigen Ansteuer schaltkreisen 12. Sie nimmt die im Betrieb des LED-Arrays 11 entstehende Wärme auf und führt sie über das Trägerteil 10 ab. Zwischen Stirnfläche 14 und den Kühlrippen 13 ist das Trägerteil im Querschnitt verengt ausgebildet. In diesem Bereich sind beidseitig des Träger teiles 10 Stromschienen 15 angeordnet, die die Ansteuerschaltkreise 12 und damit das LED- Array 11 mit Betriebsspannungen hoher Leistung versorgen. Bei dem dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind das die Spannungen 0 V, 3 V und 5 V, die den Stromschienen 15 stirn seitig zugeführt und über entsprechende Bonddrähte 16 an die Ansteuerschaltkreise 12 übergeben werden. Der Aufbau der Stromschienen 15 wird später beschrieben.

Der Druckkopf ist in einem Gehäuse 17 aus Strangpreßprofil angeordnet, das einerseits eine Selfoc-Einrichtung 18 aufnimmt, die dazu dient, die erregten LED′s des LED-Arrays 11 op tisch auf einem Fotoleiter der elektrografischen Druckeinrichtung abzubilden, andererseits eine Korrektureinrichtung zum Abgleich des LED-Arrays 11 in Form eines Fotoelementes 19, das betriebsabhängig über eine Betätigungseinrichtung durch den optischen Weg der Selfoc-Einrichtung 18 geführt wird und die die von den LED′s abgegebene Lichtenergie abtastet und das LED-Array damit abgleicht. Die Abgleicheinrichtung wird über an dem Gehäuse 17 ausgebildeten Führungsschienen 20 mechanisch geführt und gleitet im Betriebs fall angetrieben durch hier nicht dargestellte Seilzüge auf den Führungsschienen 20 des Ge häuses 17, die sich über die gesamte Breite des Zeichengenerators ausstrecken.

Eine Stromschiene 15 zur Strom- bzw. Spannungsversorgung des LED-Arrays 11 bzw. den zugehörigen Ansteuerschaltkreisen 12 ist, wie insbesondere aus der Fig. 3 ersichtlich, als mehrschichtige Kompaktanordnung aufgebaut. Sie enthält eine Schichtanordnung aus Metallplatten 22, z. B. aus Kupfer, mit dazwischenliegendem Isolationsmaterial 23, z. B. aus Prepreg oder anderem isolierendem Basismaterial. Die Metallplatten 22 weisen kammartige Anschlußfinger 25 oder Zinken auf, die ausgehend von den Ebenen der Metallplatten 22 so ineinander verschachtelt gebogen sind, daß sie in einer Kontaktebene zusammenlaufen. Diese Kontaktebene kann nur bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel zu den Metallplatten 22 verlaufen und so die äußere Schicht der Stromschiene bilden, oder sie kann auch entsprechend dem Anwendungsfall mittig oder außermittig angeordnet sein. Die Enden der Anschlußfinger 25 bilden in der Kontaktebene eine einzeilige Kontaktreihe 27 aus Ein zelkontakten 28 zur Aufnahme der Bonddrähte 16 für das LED-Array 11. Bei dem darge stellten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktreihe 27 einzeilig ausgebildet, sie kann gegebe nenfalls auch mehrzeilig ausgebildet sein.

Entsprechend den unterschiedlichen elektrischen Belastungswerten können die Metallplatten 22 verschieden stark ausgebildet sein. Ähnliches gilt dann auch für die Zinken 25, die wie in der Fig. 4 dargestellt, unterschiedlich gestaltete Querschnitte aufweisen können. Die als Bondpads dienenden Enden der Zinken 25 im Bereich der Kontaktreihe 27 sind so ausgebil det, daß jeder Elektrode ein Bondpad zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, jedem An schlußfinger 25 mehrere oder breitere oder großflächigere Bondpads auf der Kontaktreihe 27 zuzuordnen, auf denen zusätzliche Bonddrähte kontaktiert werden können. Damit wird ein leichterer Austausch und eine Reparatur der Elemente des LED-Arrays 11 bzw. der Ansteuerschaltkreise 12 möglich. Gestaltet man die Bondpads (Einzelkontakte 28) entspre chend der Darstellung der Fig. 4 in Abhängigkeit von ihrem zugehörigen Stromkreis mit unterschiedlichen Flächen, so erleichtert dies die automatische Bondierung bzw. das Erken nen der entsprechenden Stromkreise bei der Kontaktierung beim Einbau der Stromschienen 15 in den Druckkopf.

Die Stromschienen 15 lassen sich beispielsweise wie folgt herstellen: Aus einem Metallstrei fen gegebenenfalls in unterschiedlicher Stärke für eine polabhängige Spannung von 0 V, 3 V, 5 V, werden kammförmig die Zinken 25 für eine Verschachtelung eines dreilagigen Aufbaues der Stromschiene 15 ausgestanzt und dabei geformt oder gegebenenfalls geätzt oder graviert und dann gebogen. Danach werden z. B. in einem Fertigungsnutzen oder einer Form die einzelnen gestanzten Metallplatten 22 mit isolierendem Kunststoff vergossen. Es ist auch denkbar, die einzelnen Metallplatten 22 mit dem dazwischenliegenden Isolationsmaterial 23 zu verpressen.

Die so fertig erstellte Schichtanordnung 15 wird aus dem Fertigungsnutzen getrennt, auf der Oberseite überarbeitet und mit Nickel und Gold zu einer bondbaren Stromschiene 15 bear beitet. Die Größe der Bondflächen 28 (Einzelkontakte) und die Stärke der Kupferschichten (Metallplatten 22, Anschlußfinger 25) werden durch die elektrischen Werte und den Bondanforderungen bestimmt. Es ist auch denkbar, die Anschlußfinger 25 schon vor dem Vergießen mit Kunststoff galvanisch mit einer Nickel- oder Goldschicht zu überziehen.

Wie aus der Fig. 2 ersichtlich, sind jeweils drei Zinken 25 (Einzelkontakte 28) für eine Kontaktierung der Ansteuer-IC′s 12 mit der Stromschiene 15 erforderlich. Die Dimensionie rung der Zinkenbreite wird bestimmt durch die IC-Breite einerseits und die elektrischen Werte andererseits. Durch eine geeignete Kontaktierung der IC′s 22 mit dem Träger 10 kann gegebenenfalls noch auf eine Schicht der Schichtanordnung in der Stromschiene 15 verzichtet werden. Hierbei wird der Träger 10 selbst zur geeigneten 0-Voltleitung.

Es ist weiterhin, wie aus den Fig. 1 und 5 ersichtlich, möglich, auf den Stromschienen 15 entlang ihrer Seitenflächen zusätzliche Leiterplatten 29 zur Aufnahme von Bauteilen für die Ansteuerungselektronik des Druckkopfes anzuordnen. Diese Leiterplatte 29 kann entweder selbständig ausgebildet sein oder sie kann aus zusätzlichen Schichten der gesamten Stromschienenleiterplatte 15 bestehen. In diesen zusätzlichen Schichten ist es möglich, Signalleitungen anzuordnen, die der Zuführung von Ansteuersignalen zu den Ansteuerschaltkreisen 12 dienen können. Diese Signallagen können entsprechend den Kontaktreihen 27 der Kontaktierungsschicht 24 ebenfalls entsprechende Kontaktreihen mit zusätzlichen bondbaren Einzelkontakten aufweisen, die z. B. in einer parallelen Kontaktreihe zur Kontaktreihe 27 angeordnet sind. Damit ist in entsprechender Weise eine maschinelle Bondung dieser zusätzlichen Bauelemente mit ihren Signalleitungen möglich.

Durch die Stromschiene 15 mit ihren Kupferplatten wird die im Betrieb der zusätzlichen Bauelemente entstehende Wärme sicher abgeleitet. Diese sichere Ableitung läßt sich noch verstärken, wenn die Stromschienen 15 mit ihrer Innenfläche auf das Trägerteil 10 aufge klebt werden. Unabhängig davon werden die Stromschienen 15 durch Ankleben an das Trä gerteil 10 gesichert und befestigt.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden die als mehrschichtige Anordnung aus gebildeten Stromschienen in einem optischen Zeichengenerator einer elektrografischen Druckeinrichtung zur Zuführung von Betriebsspannungen zu den LED-Arrays verwendet. Es ist jedoch auch möglich, diese Stromschienen als selbständiges Bauelement auszubilden und in entsprechend abgewandelter Form für andere Anwendungszwecke, z. B. Stromver sorgungsschaltkreise, Transformatoren und zur Stromversorgung eines elektrischen Ver brauchers einzusetzen: Dies ist besonders dann vorteilhaft, wenn dicke Kupferlagen mit stirnseitigen Anschlüssen für Band- oder Schweißverbindungen benötigt werden.

Es ist weiterhin darauf hinzuweisen, daß die Anzahl der Metallplatten 22 und die Anzahl der Kontaktreihen 27 in Abhängigkeit von der gewünschten Polzahl und der Anwendung vari iert. Die Leiterplatte 15 kann bei einer Anwendung im Bereich von optischen Zeichengene ratoren in Abhängigkeit von der Ausgestaltung des LED-Arrays ein- oder beidseitig des Trägerteiles 10 angeordnet sein. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Fig. 2 werden über die Leiterplatte 15 ca. 75 Ansteuerschaltkreise 12 mit ca. 225 Verbindungen versorgt.

Wie vorstehend erläutert, können auf den Stromschienen auf einer Seite oder auch auf bei den Seiten zusätzliche Bauelemente für die Ansteuerung der LED′s angeordnet sein. Diese Bauelemente können auch, wie in der Fig. 5 dargestellt, aus einzelnen integrierten Schalt kreisen 31 bestehen, die auf die Stromschienenaußenseiten geklebt sind und die dann in ent sprechender Weise durch Bondung oder durch andere Verbindungsverfahren mit den An steuerschaltungen 12 verbunden werden. Wird das Trägerteil 10 entsprechend schmal aus gebildet, so ist es auch möglich, auf den Stirnflächen 14 des Trägerteiles 10 nur die als Chips ausgebildeten LED′s anzuordnen (Fig. 5) und die zusätzlichen und zugehörigen An steuerschaltkreise 12 bzw. die zusätzliche Ansteuerelektronik seitlich auf den Stromschie nen. Dadurch ergibt sich eine besonders schmale Bauweise des Zeichengenerators und eine gute Wärmeabfuhr über den Stromschienen. Die LED-Arrays können auch entsprechend der deutschen Patentanmeldung DE-41 29 146 als Minimodule ausgebildet sein. Dabei ist es möglich, die Minimodule aus Kupfer oder aus Leiterplattenmaterial auszubilden und mit ei ner Sollknickstelle zu versehen, wobei dann das eigentliche LED-Chip auf der Stirnfläche 14 angeordnet ist und die zugehörige Ansteuerschaltung 12 auf der Stromschiene 15 durch Bondung im Bereich der Knickstelle verbunden ist. Diese Minimodule bzw. die gesamte Elektronikeinheit läßt sich auch in Dünnschichtkeramik ein- oder mehrlagig in Form von niedrig sinternden grünen Keramikfolien ausbilden, so daß die Leiterbahnen um 90° ge schwenkt aus einer in Multichipmodultechnik aufgebauten Elektronikbaugruppe geführt werden, was eine Anwendung mit vertikal angeordneter Elektronik in Relation zum LED- Chip möglich macht. Die Herstellungen von Mehrlagenschaltungen mit niedrig sinternden grünen Keramikfolien ist aus der Literaturstelle Elektronik, Produktion und Prüftechnik, Heft 9A, 1986, bekannt. Anstelle einer Bondverbindung zwischen Ansteuerschaltung 12 und LED-Array 11 ist es auch möglich eine FIexline 30 (Fig. 5) oder ein anderes Formteil aus Metall in Zebrastreifentechnik zu verwenden, das an seinen Enden einerseits auf die Stirnfläche 14 andererseits die Stromschiene kontaktierend auf die zugehörige Elektronikvormontagegruppe geklebt bzw. gelötet wird. Danach erfolgt eine Bondung zwischen dem Formteil und dem LED-Chip bzw. dem Formteil und den integrierten Schaltkreisen der Elektronikvormontagegruppe. Um ein leichtes Austauschen im Reparaturfall zu ermöglichen, ist es auch denkbar, die Ansteuerschaltkreise lösbar auf der Stromschiene 15, z. B. über Schraub- oder Schnappverbindungen anzuordnen. Weiterhin können die Ansteuerschaltkreise bzw. die zusätzlich integrierten Schaltkreise unmittelbar auf dem Trägerteil 10 angeordnet sein und die Stromschienen 15 übergreifend auf den IC′s oder unterhalb von diesen. Es ist auch möglich, Stromschiene und zugehörige Ansteuerschaltkreise integriert in einer einzigen Baueinheit in der beschriebenen grünen Keramikfolientechnik zu erzeugen oder aber in der üblichen Leiterplattentechnik.

Bezugszeichenliste

10 Trägerteil, Träger
11 LED-Array, LED-Chip
12 Ansteuerschaltkreis, Ansteuerschaltung
13 Kühlrippe
13/1 Durchflußkanal
14 Stirnfläche
15 Stromschiene
16 Bonddrähte
17 Gehäuse
18 Selfoc-Einrichtung
19 Fotoelement
20 Führungsschienen
22 Metallplatten
23 Isolationsmaterial, Isolationsschichten
25 Anschlußfinger, Anschlußelemente, Zinken
27 Kontaktreihe
28 Einzelkontakte, Bondpads
29 zusätzliche Leiterplatte, zusätzliche integrierte Schaltkreise oder Bauelemente
30 Flex-Line, Anschlußleitung
31 Integrierte Schaltkreise, Bauelemente

Claims

1. Druckkopf für eine elektrografische Druckeinrichtung mit einem auf einer Stirnseite des Druckkopfes angeordneten LED-Array (11) mit mindestens einer senkrecht zu dieser Stirn seite angeordneten Stromschiene (15) aus einzelnen übereinander angeordneten Metallplat ten (22) mit dazwischenliegenden Isolationsschichten (23), wobei an den Metallplatten (22) einseitig kammartige Anschlußfinger (25) ausgebildet sind, die ausgehend von den Ebenen der Metallplatten (22) zu einer Kontaktebene derart zusammengeführt sind, daß die Enden der Anschlußfinger (25) eine oder mehrere Kontaktreihen (27) aus längs der Stirnseite ver laufenden Einzelkontakten (28) zur Aufnahme von Anschlußleitungen (16) bilden.

2. Druckkopf nach Anspruch 1, wobei die Enden (28) der Anschlußfinger (25) unter schiedliche Querschnittsformen aufweisen.

3. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Einzelkontakte (28) der Kontaktreihen (27) als Bondflächen ausgebildet sind.

4. Druckkopf nach Anspruch 3, wobei jedem Einzelkontakt (28) im Bereich der Kon taktreihen mehrere Bondflächen zugeordnet sind.

5. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Metallplatten (22) mit den An schlußfingern (25) als einstückige Stanzteile ausgebildet sind.

6. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei mindestens auf einer Seite der Stromschiene (15) elektrische Ansteuerbauelemente (29, 31) für den Druckkopf angeordnet sind.

7. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei mindestens eine Signalleitungs schicht (29) mit einer ein- oder mehrzeiligen Kontaktreihe angeordnet ist, die Signalleitun gen und/oder elektrische Ansteuerbauelemente (12, 31) aufweist.

8. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei mindestens das LED-Array (11) und/oder die Ansteuerbauelemente (12) in Dünnschichtkeramik ausgebildet sind.

9. Druckkopf nach Anspruch 1 bis 8 mit einem Trägerteil (10) mit einer ebenen Stirnflä che (14) und einem schmäleren Aufnahmebereich für mindestens eine Stromschiene (15).

10. Druckkopf nach Anspruch 1 bis 8, wobei dem Trägerteil (10) eine Kühleinrichtung (13/1) zugeordnet ist.

11. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit einer Ausbildung der Strom schiene (15) als selbständige Stromschienenbaueinheit zur Stromversorgung eines elektri schen Verbrauchers.