DE4308898C1 - Druckkopf für eine elektrografische Druckeinrichtung - Google Patents

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 0 404 766 B1 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 Gesamt­ aufbau 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 das 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 Leiterplatte aufgebaut ist, ergibt sich ei­ ne besonders schmale Bauweise des gesamten Druckkopfes und die Stromschiene läßt sich leicht und ohne großen Aufwand im Druckkopf befestigen. Die Stromschiene kann dabei aus einer Schichtanordnung aus Metallplatten mit dazwischenliegendem Isolationsmaterial und einer einseitig auf der Schichtanordnung angeordneten Kontaktierungsschicht bestehen, die kammartig angeordnete Elektroden aufweist, die an einem Ende über einen Kontaktbe­ reich mit einer zugehörigen Metallplatte der Schichtanordnung durch Kontaktieren verbun­ den sind und die mit ihren anderen Enden in eine versetzt zu der Schichtanordnung liegende Kontaktebene führen und dort eine ein- oder mehrzeilige Kontaktreihe aus Einzelkontakten zur Kontaktierung von Anschlußleitungen für das LED-Array bilden.

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 Leiterplatte. 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 Einzelplatte 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 Bänder der 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 als mehrschichtige Leiterplatte aufgebauten Stromschiene,

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 0 404 766 B1 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 Leiterplatte aufgebaut. Sie enthält eine Schichtanordnung 21 aus Metall­ platten 22, z. B. aus Kupfer, mit dazwischenliegendem Isolationsmaterial 23, z. B. aus Pre­ preg oder anderem isolierendem Basismaterial. Einseitig auf der Schichtanordnung 21 ange­ ordnet ist eine Kontaktierungsschicht 24, die kammartig angeordnete Elektroden 25 auf­ weist, die an einem Ende über einen Kontaktbereich 26 mit der entsprechenden zugehörigen Metallplatte 23 der Schichtanordnung 21 durchkontaktierend verbunden sind und die mit ihren anderen Enden in eine parallel oder - wie hier - vertikal versetzt zu der Schichtan­ ordnung 21 liegende Kontaktebene führen und dort eine einzeilige Kontaktreihe 27 aus Ein­ zelkontakten 28 zur Aufnahme der Bonddrähte 16 für das LED-Array 11 bilden. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kontaktreihe 27 einzeilig ausgebildet, sie kann ge­ gebenenfalls auch mehrzeilig ausgebildet sein.

Entsprechend den unterschiedlichen elektrischen Belastungswerten können die Metallplatten 22 verschieden stark ausgebildet sein. Ähnliches gilt dann auch für die Elektroden 25, die wie in der Fig. 4 dargestellt, unterschiedlich gestaltete Querschnitte aufweisen können. Die als Bondpads dienenden Enden der Elektroden 25 im Bereich der Kontaktreihe 27 sind so ausgebildet, daß jeder Elektrode ein Bondpad zugeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich je­ der Elektrode 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: Zunächst wird in einem Fertigungsnutzen die Kontaktierungsschicht 24 dadurch erzeugt, daß eine aus Kupfer beste­ hende Metallplatte entsprechend der Form der Elektroden 25 gestanzt, geätzt oder graviert wird und daß dann zur Erzeugung der gesamten Stromschiene 15 diese Kupferlage mit den anderen Metallplatten 22 der Schichtanordnung 21 und mit Isolationsmaterial (Prepreg) und Basismaterial zu einer mehrschichtigen Leiterplatte 15 verpreßt wird. Die erforderlichen Durchkontaktierungen im Bereich der Kontaktbereiche 26 werden in die Leiterplatte ge­ bohrt und mit Kupfer galvanisch verbunden. Es ist auch möglich zur Kontaktierung der Metallplatten 22 mit den Elektroden 25 entsprechende Hülsen einzupressen.

Die so fertig erstellte Leiterplatte 15 wird aus dem Fertigungsnutzen getrennt, auf der Ober­ seite überarbeitet und mit Nickel und Gold zu einer bondbaren Leiterplatte 15 bearbeitet. Die Größe der Bondflächen 28 (Einzelkontakte) und die Stärke der Kupferschichten (Metallplatten 22, Elektroden 25) werden durch die elektrischen Werte und den Bondanfor­ derungen bestimmt.

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 Strom­ schienenleiterplatte 15 bestehen. In diesen zusätzlichen Schichten ist es möglich, Signallei­ tungen anzuordnen, die der Zuführung von Ansteuersignalen zu den Ansteuerschaltkreisen 12 dienen können. Diese Signallagen können entsprechend den Kontaktreihen 27 der Kon­ taktierungsschicht 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 zu­ sätzlichen 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 Leiterplatten 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 Kontaktierungsschichten in Abhängigkeit von der gewünschten Polzahl und der Anwendung variiert. Die Leiterplatte 15 kann bei einer Anwendung im Bereich von optischen Zeichen­ generatoren 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 Flexline 30 (Fig. 5) oder ein anderes Formteil aus Metall in Zebrastreifentechnik zu verwenden, das an seinen Enden einerseits auf die Stirn­ fläche 14 andererseits die Stromschiene kontaktierend auf die zugehörige Elektronikvor­ montagegruppe 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 ermögli­ chen, ist es auch denkbar, die Ansteuerschaltkreise lösbar auf der Stromschiene 15, z. B. über Schraub- oder Schnappverbindungen anzuordnen. Weiterhin können die Ansteuer­ schaltkreise bzw. die zusätzlich integrierten Schaltkreise unmittelbar auf dem Trägerteil 10 angeordnet sein und die Stromschienen 15 übergreifend auf den IC′s oder unterhalb von die­ sen. Es ist auch möglich, Stromschiene und zugehörige Ansteuerschaltkreise integriert in ei­ ner 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
21 Schichtanordnung
22 Metallplatten
23 Isolationsmaterial
24 Kontaktierungsschicht, Kontaktierungsplatte
25 Elektroden, Anschlüsse
26 Kontaktbereich, Kontaktpads
27 Kontaktreihe
28 Einzelkontakte, Bondpads
29 zusätzliche Leiterplatte, zusätzliche integrierte Schaltkreise oder Bauelemente
30 Flex-Line, Anschlußleitung
31 Integrierte Schaltkreise, Bauelemente

Claims (10)

1. Druckkopf für eine elektrografische Druckeinrichtung mit einem auf einer Stirnseite des Druckkopfes angeordneten LED-Array (11) und mindestens einer senkrecht zu dieser Stirn­ seite angeordneten Stromschiene (15), dadurch gekennzeichnet, daß die Stromschiene (15) als mehrschichtige Leiterplatte aufgebaut ist mit einer Schichtanordnung (21) aus Me­ tallplatten (22) und mit dazwischenliegendem Isolationsmaterial (23) und mindestens einer einseitig auf der Schichtanordnung (21) angeordneten Kontaktierungsschicht (24), die kammartig angeordnete Elektroden (25) aufweist, die an einem Ende über einen Kontaktbe­ reich (26) mit einer zugehörigen Metallplatte (22) der Schichtanordnung durchkontaktie­ rend verbunden sind und die mit ihren anderen Enden eine ein- oder mehrzeilige Kontakt­ reihe (27) aus Einzelkontakten (28) zur Kontaktierung von Anschlußleitungen (16) bilden.

2. Druckkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Elektroden (25) im Bereich der Kontaktreihe (27) unterschiedliche Querschnittsformen aufweisen.

3. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein­ zelkontakte (28) der Kontaktreihe (27) als Bondflächen ausgebildet sind.

4. Druckkopf nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß einer Elektrode (25) im Be­ reich der Kontaktreihe (27) mehrere Bondflächen zugeordnet sind.

5. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Signalleitungsschicht (29) mit einer ein- oder mehrzeiligen Kontaktreihe angeordnet ist, die Signalleitungen und/oder elektrische Ansteuerbauelemente (12, 31) aufweist.

6. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens auf einer Seite der Stromschiene (15) elektrische Ansteuerbauelemente (12, 31) für den Druckkopf angeordnet sind.

7. Druckkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das LED-Array (11) und/oder die Ansteuerbauelemente (12) in Dünnschichtkeramik aus­ gebildet sind.

8. Druckkopf nach Anspruch 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein Trägerteil (10) mit einer ebenen Stirnfläche (14) und einem schmaleren Aufnahmebereich für mindestens eine Strom­ schiene (15).

9. Druckkopf nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Trägerteil (10) eine Kühleinrichtung (13, 13/1) zugeordnet ist.

10. Stromschiene nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Ausbil­ dung als selbständige Stromschienenbaueinheit zur Stromversorgung eines elektrischen Verbrauchers.