-
Die
Erfindung betrifft einen Druckkopf für ein Bilderzeugungsgerät, mit einem
Substrat, einer Zeile von lichtemittierenden Elementen, die auf
einer ersten Seite des Substrats angeordnet sind, und einem Kühlelement,
das auf einer zweiten, der ersten Seite entgegengesetzten Seite
des Substrats angeordnet ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf
ein Bilderzeugungsgerät
mit einem solchen Druckkopf.
-
Ein
Druckkopf und ein Gerät
dieser Art sind aus dem amerikanischen Patent
US 4 703 334 bekannt. Der bekannte
Druckkopf ist auf einem keramischen Substrat aufgebaut, auf dem
eine Zeile (eine Feld) von lichtemittierenden Dioden (LEDs) angeordnet
ist. Auf der ersten Seite, auf der sich die LEDs befinden, weist
der Druckkopf auch ein Bilderzeugungselement auf, das mit einem
Feld von Selfoc-Linsen versehen ist. Auf der Rückseite des Substrats, d. h.
der von den LEDs abgewandten zweiten Seite, befindet sich ein Kühlelement. Dieses
letztere ist als eine Tragplatte aus einem Material mit hoher Wärmekapazität, z. B.
Aluminium, ausgebildet, so daß dieses
Element als eine Wärmesenke
zur Aufnahme von Wärme
dienen kann. Das Kühlelement weist
eine Anzahl von vorspringenden längsverlaufenden
Rippen auf, die dazu dienen, eine Übertragung der absorbierten
Wärme auf
einen an den Rippen entlanggeführten
Luftstrom zu ermöglichen.
Wenn der Druckkopf druckt, erzeugen die LEDs eine relativ große Wärmemenge.
Diese Wärme
muß abgeleitet
werden, weil die Temperatur der LEDs nicht zu hoch werden darf.
Eine hohe Temperatur der LEDs führt
zu einem Abfall der Lichtemission und ändert die Wellenlänge des
emittierten Lichts. Außerdem
sinkt die Lebensdauer der LEDs, wenn sie auf einer hohen Temperatur
gehalten werden. Bei dem bekannten Druckkopf wird die von der LED erzeugte
Wärme über das
wärmeleitfähige keramische
Substrat auf das Kühlelement
abgeleitet, das seinerseits durch eine erzwungene Luftströmung gekühlt wird.
Auf diese Weise ist es möglich
zu verhindern, daß die Temperatur
der LEDs während
des Betriebs des Druckkopfes zu hoch wird, so daß die optischen Bilderzeugungseigenschaften
des Druckkopfes so weit wie möglich
konstant bleiben. Außerdem
bedeutet die niedrige Betriebstemperatur, daß die Lebensdauer des Druckkopfes
hinreichend lang ist.
-
Ein
Druckkopf dieser Art ist auch aus dem deutschen Patent
DE 38 22 890 bekannt. Hier ist wiederum der
Druckkopf um ein wärmeleitfähiges Substrat
herum aufgebaut, in diesem Fall einen aus massivem Kupfer gebildeten
Kör per.
Das Kühlelement
ist aus einer großen
Anzahl von stabförmigen
Elementen aufgebaut, die aus einem Material mit einer hohen Wärmekapazität und – leitfähigkeit
hergestellt sind. Diese stabförmigen Elemente
geben ihrerseits die absorbierte Wärme an einen Luftstrom ab,
der mit Hilfe eines Gebläses
an den stabförmigen
Elementen entlanggeleitet wird.
-
Die
bekannten Druckköpfe
haben eine Anzahl von erheblichen Nachteilen. Die wärmeleitfähigen Substrate,
die in der Lage sein müssen,
die relativ hohen Wärmemengen
an das Kühlelement
abzuleiten, sind Spezialerzeugnisse, die teuer, schwer zu beschaffen
und oftmals schwer zu bearbeiten sind. Zum Beispiel ist es sehr
schwierig, mit Hilfe solcher Substrate Strukturen herzustellen,
die eine Anzahl von Lagen und gegenseitigen Anschlüssen haben.
Die bekannten Materialien sind auch oftmals brüchig oder haben eine geringe
Formstabilität,
was die Herstellung des Druckkopfes weiter erschwert. All dies bedeutet,
daß die
bekannten Druckköpfe
teuer in der Herstellung sind, so daß der Druckkopf auch einen
relativ großen
Einfluß auf
die Gesamt-Herstellungskosten des Bilderzeugungsgerätes hat.
-
Ein
weiterer Nachteil der bekannten Druckköpfe besteht darin, daß die von
den lichtemittierenden Elementen erzeugte Wärme aufgrund der sehr intensiven
aber unkontrollierbaren Wärmeableitung über das
leitfähige
Substrat unkontrollierbar abgeleitet wird. Dies hat unter anderem
zur Folge, daß das
Feld der lichtemittierenden Elemente eine zu große Spreizung in der Temperatur
und somit auch in der Lichtausbeute aufweisen kann. Wenn z. B. die
Temperatur lokal niedriger ist als der Nominalwert, so daß die Lichtausbeute
dort zu hoch ist, kann ein sichtbarer Druckartefakt entstehen, etwa
das Verschwinden von dünnen
Linien. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die unkontrollierte Wärmeableitung
stets zu einer Ungewißheit
hinsichtlich der Form des Substrats (die temperaturabhängig ist)
und damit hinsichtlich der Druckeigenschaften des Druckkopfes führt. Bereits
eine kleine Verformung kann nämlich
zu einer Defokussierung einer LED führen, so daß es nicht mehr möglich ist,
eine scharfe Belichtung des Photoleiters zu erreichen. Dies hat
einen nachteiligen Effekt auf die Druckqualität.
-
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Druckkopf zu schaffen, der kostengünstig ist,
z. B. hergestellt aus relativ gewöhnlichen Materialien und mit
relativ gewöhnlichen
Prozeduren, und mit dem es möglich
ist, eine gute und steuerbare Kühlung
der lichtemittierenden Elemente zu erreichen. Zu diesem Zweck ist
ein Druckkopf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfunden worden,
der dadurch gekennzeichnet ist, daß das Substrat thermisch isolierend
ist und wenigstens eine wärmeleitfähige Spur
aufweist, die sich von der ersten Seite zu der zweiten Seite durch
das Substrat hindurch erstreckt und an einer vorbestimmten Stelle
in bezug auf die lichtemittierenden Elemente angeordnet ist, um
die Wärme
in der Weise von der ersten Seite zu der zweiten Seite zu leiten,
daß die
Elemente während
des Betriebs des Druckkopfes im wesentlichen auf einer vorbestimmten
Temperatur gehalten werden.
-
Gemäß der Erfindung
ist es möglich,
als Substrat billige Standardmaterialien zu verwenden, z. B. eine Platte
aus glasfaserverstärktem
Epoxidharz. Ein Material dieser Art ist thermisch isolierend, doch
bedeutet dies nicht, daß durch
dieses Material überhaupt
keine Wärme
dissipiert werden kann, sondern daß der Wärmeleitungskoeffizient so klein
ist, daß,
wenn dieses Material verwendet wird, die Temperatur der lichtemittierenden
Elemente auf einen unakzeptabel hohen Wert ansteigen könnte, wenn
keine weiteren Schritte zur Kühlung
unternommen würden.
Gemäß der Erfindung
ermöglicht
es die Bereitstellung einer oder mehrerer thermisch leitfähiger Spuren
an vorbestimmten Stellen durch das Material hindurch, genügend Wärme aus
der Umgebung der lichtemittierenden Elemente zu dem Kühlelement
abzuleiten. Gleichzeitig erlaubt eine richtige Wahl des Ortes, wo
diese Spuren vorgesehen werden, die Wärmeableitung präzise zu
steuern. Auf diese Weise ist es nicht nur möglich zu verhindern, daß die Temperatur
der lichtemittierenden Elemente einen bestimmten oberen Grenzwert
erreicht, sondern die Temperatur der lichtemittierenden Elemente
kann auch im wesentlichen auf einen vorbestimmten Wert gehalten
werden, so daß eine
angemessene Gleichförmigkeit
der Temperatur sichergestellt wird. Infolgedessen wird auch die
Lichtemission der Elemente über
die Länge
des Feldes hinreichend gleichförmig
sein, und das Substrat wird eine im voraus bekannte Form annehmen.
Die vorbestimmte Temperatur der lichtemittierenden Elemente beträgt typischerweise
30–60° C, kann
jedoch nach Anwendungsfall, momentaner Last, Typ der LEDs, Abnutzung
und so weiter auch außerhalb
dieses Bereiches liegen. Außerdem
braucht dies kein fester Wert zu sein, sondern er kann in Abhängigkeit
von den obigen und anderen Faktoren eingestellt werden, so daß unter
allen Bedingungen eine gute Druckqualität erhalten werden kann.
-
Durch
Einsatz eines Druckkopfes gemäß der Erfindung
ist es möglich,
ein Bilderzeugungsgerät
zu erhalten, mit dem Bilder mit einer sehr hohen Druckqualität hergestellt
werden können
und bei dem die Langlebigkeit des Druckkopfes dazu beiträgt, die
Wartungskosten zu senken. Außerdem
ermöglicht
es der Einsatz des Druckkopfes gemäß der Erfindung, die Kosten
für den
Druckkopf selbst zu senken, so daß er einen geringeren Einfluß auf die
Gesamt-Herstellungskosten
für das
Bilderzeugungsgerät
hat.
-
Auch
aus dem
US-Patent 5 113 232 ist
ein Druckkopf bekannt, der eine Zeile von lichtemittierenden Elementen
aufweist, die auf einem thermisch isolierenden Substrat angeordnet
sind. Bei diesem Druckkopf wird die Wärme über eine leitfähige Metallschicht
abgeleitet, die auf einem beträchtlichen
Teil der Oberfläche des
Substrats angeordnet ist. Auf diese Weise wird die von den LEDs
erzeugte Wärme
seitwärts
zu einer Wärmesenke
abgeleitet, die dann als Kühlelement
wirkt. Eine Konstruktion dieser Art hat den signifikanten Nachteil,
daß die
Wärmeabfuhrleistung
relativ klein ist, weil die Wärme über eine
relativ große
Distanz durch eine dünne
Schicht transportiert werden muß.
Infolgedessen kann die Temperatur der LEDs auf relativ hohe Werte ansteigen.
Außerdem
wird durch diese Konstruktion das Substrat selbst sehr inhomogen
erhitzt (im wesentlichen wird nur Oberfläche erhitzt), und das bedeutet,
daß während des
Druckens eine beträchtliche
Gefahr besteht, daß das
Substrat durch das Auftreten von mechanischen Spannungen in dem
Substrat infolge einer ungleichmäßigen Expansion/Kontraktion
desselben verformt wird. Eine Verformung dieser Art führt zu einer Änderung
der Positionen der lichtemittierenden Elemente, so daß sich die
Druckeigenschaften des Druckkopfes verändern. Dies wirkt sich z. B.
in einer sichtbaren Verzerrung der mit einem solchen Druckkopf gedruckten Schriftzeichen
aus. Ein weiterer Nachteil dieses bekannten Druckkopfes besteht
darin, daß die
Anordnung weiterer elektrischer Komponenten auf dem Substrat in
Konflikt mit dem Erfordernis eines adäquaten seitlichen Wärmetransports
gerät.
Insbesondere die elektrischen Verbindungen, die zum Ansteuern dieser
Komponenten benötigt
werden, verursachen Unterbrechungen in der wärmeleitfähigen Schicht, so daß die Wärmeleitung weiter
begrenzt wird.
-
Aus
US 4 831 390 ist ein Bubblejet-Drucker
bekannt, der dadurch für
Dauerbetrieb optimiert ist, das ein Wärmestau innerhalb des Tintenstrahldruck kopfes
verhindert wird. Dazu werden plattierte Löcher verwendet, die durch die
Platine hindurchgehen, die die Treiberchips trägt.
-
Gemäß der Erfindung
kann die Temperatur der lichtemittierenden Elemente über die
Länge der
Zeile eine solche Spreizung haben, daß die Lichtemission über diese
Länge eine
Spreizung von maximal etwa 15% hat. Durch die Verwendung von ein
oder mehreren wärmeleitfähigen Spuren
an einer vorbestimmten Stelle kann Wärme selektiv abgeleitet werden,
so daß man
einen Druckkopf erhält,
bei dem die Temperatur der lichtemittierenden Elemente mit einem
hinreichend niedrigen Wert über
die Zeile verteilt ist und auch gleichförmig ist, d. h. in einem ausreichend
eng begrenzten Bereich liegt. Wenn z. B. in der Reihe der lichtemittierenden Elemente
systematisch ein heißer
Punkt vorhanden ist, z. B. weil ein oder mehrere Elemente als eine
Rahmenbeleuchtung benutzt werden (die praktisch stets eingeschaltet
ist), so ist es möglich,
lokal mehr Wärme
abzuführen,
z. B. durch Einsatz einer höheren
Konzentration von wärmeleitenden
Spuren. Auf diese Weise erhält man
einen Druckkopf, der eine gleichförmige Druck-Charakteristik
hat.
-
Es
ist möglich,
daß die
Zeile der lichtemittierenden Elemente so gekühlt wird, daß die genannte
Temperatur über
die Länge
der Zeile eine solche Spreizung hat, daß die Lichtemission über diese
Länge ihrerseits eine
Spreizung von maximal etwa 10% hat. Dies ist in Umgebungen notwendig,
in denen eine noch höhere Druckqualität verlangt
ist, z. B. in einer Büroumgebung,
wo eine beträchtliche
Menge an graphischer Information gedruckt werden muß. Wenn
eine noch höhere
Qualität
erforderlich ist, z. B. wenn Photographien gedruckt werden sollen,
erfolgt die kontrollierte Kühlung
vorzugsweise so, daß die
Temperaturdifferenz über
die Länge der
Zeile der lichtemittierenden Elemente eine solche Spreizung hat,
daß die
Spreizung in der Lichtemission über
diese Länge
maximal etwa 5% beträgt.
-
In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist das Substrat auf der ersten Seite,
zwischen den lichtemittierenden Elementen und dem Substrat, eine
wärmeleitende
Schicht auf. In dieser Ausführungsform
wird die von der Zeile der lichtemittierenden Elemente erzeugte
Wärme zunächst in
der Größe der Oberfläche der
wärmeleitenden
Schicht über
das Substrat verteilt. Das hat den Vorteil, daß weniger Spuren nötig sind
und die Orte der Spuren weniger kritisch sind. Auf diese Weise erhält man ein
größeres Maß an Freiheit
in der Konstruktion des Druckkopfes, so daß dessen Herstellungskosten
weiter gesenkt werden können. Außerdem kann
eine Schicht dieser Art, wenn sie auch elektrisch leitfähig ist,
als ein funktioneller elektrischer Kontakt für die lichtemittierenden Elemente
und möglicherweise
anderer Komponenten dienen, die sich auf dem Substrat befinden.
Es wäre
z. B. möglich,
eine Schicht dieser Art in der Form eines (halb-)kontinuierlichen Kupferfilms
mit einer bestimmten Dicke, typischerweise 35 μm, zu bilden, welche Schicht
einfach mit Standardprozeduren aufgebracht werden kann, wie sie
aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind (z. B. Elektroplattieren,
chemische Abscheidung, Kleben, Druckfixierung) und dergleichen.
Eine Schicht dieser Art könnte auch
die Form eines Satzes von Teilschichten haben, z. B. wärmeleitende
Ringe um eine Spur herum oder in anderer Weise. Das Merkmal einer
Schicht dieser Art besteht stets darin, daß Wärme seitwärts in Richtung auf eine oder
mehrere Spuren transportiert wird.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die wärmeleitende
Spur seitlich von den lichtemittierenden Elementen angeordnet. In
dieser Ausführungsform
ist die Spur oder die Vielzahl der Spuren nicht am Ort der lichtemittierenden
Elemente selbst angeordnet, d. h. in dem Teil des Substrats, über dem
sich die lichtemittierenden Elemente befinden, sondern seitlich
von diesen Elementen. In dieser Ausführungsform werden deshalb die
Spuren nicht von dem LED-Chip bedeckt. Es hat sich gezeigt, daß es auf
diese Weise möglich
ist, Druckköpfe
mit einer konstanteren Druck-Charakteristik herzustellen. Dies liegt
möglicherweise
daran, daß im
Fall von optischen Komponenten die Genauigkeit der Positionierung
von sehr großer
Wichtigkeit ist. Offensichtlich führen die Spuren zu einer gewissen
Unregelmäßigkeit
an der Oberfläche.
Wenn die lichtemittierenden Komponenten dann am Ort dieser Spuren
angebracht werden, führt
dies zu einer Ungenauigkeit in der Positionierung, die im Falle
eines Druckkopfes zu sichtbaren Druckartefakten führen kann.
Für nicht-optische
Komponenten oder optische Komponenten, die nicht zur Erzeugung von
Bildern verwendet werden, ist eine solche Fehlpositionierung für die Funktion
der Komponenten nicht relevant. Sie ist jedoch für Druckköpfe von Bilderzeugungsgeräten von
höchster
Wichtigkeit. In dieser Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die genaue Positionierung der lichtemittierenden
Elemente jederzeit erreicht werden. Es hat sich auch gezeigt, daß die Anordnung
der Spuren neben den lichtemittierenden Elementen wie derum einen
vorteilhaften Effekt auf die Einhaltung der korrekten Betriebstemperatur
der lichtemittierenden Elemente hat, so daß die Gleichförmigkeit
der Temperatur über
die Zeile der lichtemittierenden Elemente und damit die Spreizung
in der Lichtemission in dieser Ausführungsform einfach auf ein
der Funktion angepaßtes
Niveau gesteuert werden kann, d. h. die Spreizung in der Lichtemission
ist hinreichend klein.
-
In
einer Ausführungsform
umfaßt
die Spur in dem Substrat einen Hohlzylinder, dessen Wand ein wärmeleitfähiges Material
enthält.
Eine Spur dieser Art unterscheidet sich von einer Spur, bei der
die Leitung durch ein massives Element erfolgt. Eine hohle Spur
gemäß dieser
Ausführungsform
kann einfach gebildet werden, indem ein Loch in das Substrat gebohrt
wird, typischerweise mit einem Durchmesser von 0,1 bis 0,6 mm, und z.
B. durch Elektroplattieren mit einer leitenden Metallschicht versehen
wird, z. B. Kupfer in einer Dicke von typischerweise 10–50 μm. Spuren
dieser Art können
mit bestehenden Techniken einfach hergestellt werden, was die Kosten
für einen
Druckkopf gemäß der Erfindung
weiter reduziert. Soweit es die leitende Funktion der Spuren betrifft,
ist es auch von geringer Wichtigkeit, welches wärmeleitfähige Material verwendet wird,
und es kann sich z. B. um ein Metall handeln oder alternativ ein
keramisches oder synthetisches Material, ein Gemisch aus Materialien,
z. B. leitfähige
Metallfasern in einem im wesentlichen isolierenden Füllmittel,
usw. Das einzig wichtige Merkmal ist, daß das Wärmeleitvermögen innerhalb bestimmter operativer
Grenzen liegen sollte. Diese Grenzen sind unter anderem abhängig von
dem Typ des lichtemittierenden Elements, der beim Drucken erzeugten
Leistung, der Konfiguration des Druckkopfes, der Umgebung (z. B.
der Temperatur, der Anwesenheit von natürlicher Konvektion usw.), der
Anzahl der Spuren, usw. Grenzen dieser Art lassen sich durch den Fachmann
leicht experimentell bestimmen.
-
In
einer Ausführungsform,
bei der das Substrat auf er ersten Seite ein Treiberelement aufweist,
das funktionsmäßig mit
der genannten Zeile verbunden ist, um die lichtemittierenden Elemente
anzusteuern, weist das Substrat wenigstens eine zusätzliche
wärmeleitende
Spur an der Stelle des Treiberelements auf. Auf diese Weise kann
die von dem Treiberelement erzeugte Wärme direkt zu dem Kühlelement
geleitet werden. In dieser Ausführungsform
ist wenigstens ein Treiber (Treiber-Chip) neben den lichtemittierenden
Elementen auf dem Substrat angeordnet und dient zur Ansteuerung
der lichtemittie renden Elemente. Es kann sich z. B. um einen separaten
Chip handeln oder alternativ um einen Chip, der in den die lichtemittierenden
Elemente enthaltenden Chip integriert ist. Für den Treiber selbst ist eine
gleichförmige
und niedrige Temperatur an sich weniger wichtig, da sich jedoch
in dieser Ausführungsform
der Treiber auf demselben Substrat befindet, ist es wichtig, daß die Temperatur
des Treibers nicht zu hoch oder zu niedrig ist und sich außerdem nicht
zu sehr von der Temperatur der lichtemittierenden Elemente unterscheidet.
Andernfalls könnten
z. B. mechanische Spannungen in dem Substrat entstehen und so groß werden,
daß sie
zu einem Verzug des Substrats führen.
Wie bereits oben erwähnt
wurde, kann ein solcher Verzug Druckartefakte verursachen. Eine übermäßige Temperatur
des Treibers kann auch zu einer Erhitzung der lichtemittierenden
Elemente führen,
und dies ist unerwünscht,
wie sich aus dem vorstehenden ergibt, Die Erfindung wird nun anhand
der nachfolgenden Zeichnungen und Beispielen näher erläutert.
-
1 ist
ein Diagramm eines Druckers.
-
2 zeigt
schematisch einen aus dem Stand der Technik bekannten Druckkopf.
-
3 zeigt
schematisch einen Druckkopf gemäß der Erfindung.
-
4 zeigt
schematisch eine wärmeleitende
Spur.
-
In
Beispiel 1 wird eine Anzahl von Druckköpfen mit LED-Feldern hinsichtlich
der Kühlung
der LED-Chips mit einer anderen verglichen.
-
1
-
In 1 ist
ein Drucker schematisch dargestellt. Dieser Drucker weist einen
Druckkopf 1 auf, in diesem Fall eine seitenbreite Zeile
von LEDs, die auf einem wärmeleitenden
Substrat (nicht gezeigt) angeordnet sind. Der Drucker weist auch
ein endloses photoleitendes Band 4 auf, das über Walzen 2 und 3 läuft. Wenigstens
eine dieser Walzen ist durch einen Motor (nicht gezeigt) angetrieben,
so daß das
Band in der angegebenen Richtung mit einer im wesentlichen konstanten
Geschwindigkeit umläuft.
Während
dieses Umlaufes wird die äußere Oberfläche des
Bandes 4 gleichförmig
mit Hilfe einer Korona 5 aufgeladen, die stromaufwärts des Druckkopfes 1 angeordnet
ist. Die LEDs des Druckkopfes sind dazu eingerichtet, daß sie mit
Hilfe einer Treiberschaltung (nicht gezeigt), die funktionsmäßig mit
den LEDs verbunden ist, einzeln angesteuert werden. In dieser Ausführungsform
befinden sich die Treiberchips ebenfalls auf dem oben genannten
Substrat. Die Treiberschaltung wird mit Hilfe von externen Impulsen
bildmäßig erregt,
so daß die
LEDs den geladenen Photoleiter 4 bildmäßig belichten. Folglich wird
die Ladung auf der Oberfläche
des Photoleiters 4 selektiv abgeleitet, so daß sich auf
dem Photoleiter, während
er den Druckkopf passiert, ein latentes elektrostatisches Ladungsbild bildet.
Dieses Ladungsbild wird an einer Entwicklerstation 6 entlanggeführt, wo
das Ladungsbild in ein sichtbares Bild umgewandelt wird, z. B. durch
Entwicklung des Ladungsbildes mit Toner, wie aus dem Stand der Technik
hinreichend bekannt ist.
-
Das
Tonerbild wird dann zu einer Transferstation überführt, wo in dieser Ausführungsform
eine Transferkorona 11 angeordnet ist. Auf der anderen
Seite wird ein Empfangsmaterial 10, z. B. ein Bogen Papier,
mit Hilfe einer Ablösewalze 7 von
einem Vorratsstapel abgenommen. Dieses Empfangsmaterial wird dann
durch Transportwalzen 8 und 9, die auch als Ausrichtwalzen
wirken, zu der Transferstation transportiert. Durch korrekte Zeitsteuerung
werden das Tonerbild und das Empfangsmaterial an dieser Station
miteinander ausgerichtet. In dieser Station wird das Tonerbild mit
Hilfe der Transferkorona 11 von dem Photoleiter 4 auf
das Empfangsmaterial 10 übertragen. Dieses letztere,
das nun das Tonerbild trägt,
wird dann durch eine Fixierstation 12 geführt, wo
das Tonerbild durch Anwendung von Wärme und Druck eine permanente
Haftung auf dem Empfangsmaterial erhält. Das Empfangsmaterial 10 wird
dann mit Hilfe des Walzenpaares 13 in einem Ausgabetablar
des Druckers abgelegt. Der Drucker weist auch eine Nachbelichtungslampe 14 auf,
um etwaige restliche Ladung auf den Photoleiter auszubelichten.
Das Band 4 wird dann in der Reinigungsstation 15 gereinigt,
wo etwaiger restlicher Toner von der Oberfläche des Bandes 4 entfernt
wird. Der Druckprozeß kann
dann für
diesen Teil des Bildes erneut beginnen.
-
2
-
2 zeigt
schematisch einen Druckkopf (einen Teil desselben). In diesem Beispiel
weist der Druckkopf ein wärmeleitendes
Substrat 20 auf, das aus einem wärmeleitenden keramischen Material
hergestellt ist (der Wärmeleitungskoeffizient
beträgt
etwa 20 W/m °C).
Auf der Rückseite
weist das Substrat 20 ein Kühlelement 21 auf,
in diesem Fall ein profiliertes Element, das aus Aluminium hergestellt
ist und mit Rippen 22 versehen ist, damit es in der Lage
ist, die absorbierte Wärme
an die Umgebung abzugeben, in diesem Fall mit Hilfe einer erzwungenen
Luftströmung
(nicht gezeigt). An der Vorderseite dieses Druckkopfes weist das
Substrat 20 eine leitfähige
Kupferschicht 25 auf. Diese dient als eine gemeinsame elektrische
Erdung für
die Komponenten 23 und 24 und ein LED-Feld, das
eine große
Anzahl von einzelnen lichtemittierenden Dioden und zwei Treiberchips
enthält.
In der Praxis kann ein Druckkopf, z. B. ein seitenbreiter (selbstabtastender)
Druckkopf, aus einer Anzahl solcher Bauteile aufgebaut sein, wobei
die LED-Felder aneinander anschließend angeordnet sind. Wenn
ein Photoleiter mit einem Druckkopf dieser Art belichtet wird, so
wird an den Halbleiterübergängen in
dem LED-Feld eine
beträchtliche
Wärme erzeugt.
Diese Wärme
kann über
die Kupferschicht leicht in das Substrat abgeleitet werden, wo diese
Wärme durch
das Kühlelement 21 abgeführt wird.
Auf diese Weise werden die LEDs stets maximal gekühlt, so
daß sie
eine Temperatur unterhalb eines bestimmten oberen Grenzwertes behalten.
Die Treiber selbst werden ebenfalls Wärme erzeugen, doch ist die
Temperatur der Treiber weniger kritisch, weil ihre Funktion weniger
von der Temperatur abhängig
ist als die der LEDs (die typischerweise je Grad Temperaturerhöhung 1 %
weniger Licht emittieren). Bei diesem Druckkopf werden auch die
Treiber durch ihre wärmeleitende
Verbindung mit dem Kühlelement 21 über die
Kupferschicht 25 und das Substrat 20 maximal gekühlt.
-
3
-
3 zeigt
schematisch einen Druckkopf gemäß der Erfindung.
In diesem Beispiel weist der Druckkopf ein thermisch isolierendes
Substrat 20 auf, das aus einem faserverstärkten Epoxidharz
hergestellt ist (Wärmeleitfähigkeitskoeffizient
etwa 0,2 W/m °C).
-
An
der Rückseite
ist dieses Substrat 20 ebenfalls mit einem Kühlelement 21 versehen,
wie im Zusammenhang mit 2 beschrieben wurde. An der
Frontseite dieses Druckkopfes ist das Substrat 20 auch
mit einer leitfähigen
Kupferschicht 25 versehen. Diese Schicht 25 dient
auch als eine Erde für
das LED-Feld 23. In dieser Ausführungsform werden die Treiberchips 24 über diese
Schicht auf einem Potential von + 5 V gehalten. Das ist möglich, weil
die Kupferschicht zwischen den Komponenten 23 und 24 unterbrochen
ist, wie durch die Bezugszeichen 26 und 27 angegeben
wird. Aufgrund dieser Unterbrechung werden das LED-Feld und die
Trägerchips
thermisch adäquat
entkoppelt, weil das Substrat 20 selbst im wesentlichen
thermisch isolierend ist.
-
In
diesem Beispiel weist der Druckkopf zwei Reihen von leitfähigen Spuren 30 auf,
wobei jede Reihe fünf
Spuren umfaßt.
Jede dieser Spuren erstreckt sich quer durch das Substrat 20,
beginnend an der Kupferschicht 25 und endend an dem Kühlelement 21.
In dieser Ausführungsform
ist auch zwischen dem Substrat 20 und dem Kühlelement 21 eine
wärmeleitende
Schicht vorgesehen, nämlich
eine dünne
Kupferschicht (nicht gezeigt). Diese Schicht verbessert den wärmeleitenden
Kontakt zwischen den Spuren und dem Kühlelement. In 4 ist
ein Beispiel einer wärmeleitenden
Spur, die in einem Druckkopf gemäß dieser
Ausführungsform verwendet
werden kann, näher
dargestellt. Die Anordnung der Spuren, wie sie in diesem Beispiel
gezeigt ist, d. h. eine regelmäßige und
spiegelsymmetrische Anordnung, ist z. B. für eine Zeile von lichtemittierenden
Elementen geeignet, die keinerlei systematische heiße Punkte
aufweist. In dieser Ausführungsform
sind die direkten Umgebungen der beiden Treiberchips 24 nicht
mit wärmeleitenden
Spuren versehen. Die Treiberchips produzieren ebenfalls Wärme, haben
aber eine höhere
zulässige
Betriebstemperatur, so daß es
in bestimmten Fällen
nicht nötig
ist, für
einen guten wärmeleitenden
Kontakt zwischen den Treiberchips 24 und dem Kühlelement 21 zu
sorgen. Sobald sich zeigt, daß die
Temperatur der Treiber in einer bestimmten Anwendung und/oder einer
bestimmten Konfiguration des Druckkopfes im Bereich eines kritischen
Wertes liegt, kann z. B. jeder der Treiberchips mit einer oder mehreren
wärmeleitenden
Spuren versehen werden. Diese können
z. B. direkt unter einem Treiberchip angeordnet werden, d. h. zwischen
dem Treiberchip und dem Substrat, um eine gute Wärmeableitung zu erreichen.
-
Während des
Schreibens mit einem Druckkopf dieser Art wird die in dem LED-Feld
erzeugte Wärme durch
die Kupferschicht seitwärts über die
Oberfläche
des Substrats transportiert, zumindest über den Teil der Kupferschicht
an der Stelle des LED-Feldes. Die Wärme wird dann durch die wärmeleitenden
Spuren 30 durch das Substrat hindurch in Richtung auf das
Kühlelement 21 transportiert.
Hier wird die Wärme
weiter abgeleitet, wie oben in Verbindung mit 2 beschrieben
wurde.
-
Durch
eine geeignete Wahl der Anordnung der leitfähigen Spuren ist es möglich, die
Wärmeableitung zu
dem Kühlelement
zu steuern. Ein optimale Wärmeableitung
von der Art, daß der
Druckkopf eine für
seine Aufgabe geeignete Funktionalität mit einer sehr langen Lebensdauer
kombiniert, hängt
auch von anderen Faktoren ab, die mit der Konstruktion des Druckkopfes
im Zusammenhang stehen, z. B. dem Wärmeleitvermögen jeder der Spuren, der Anzahl
der Spuren, der Dicke des Substrats, der Kühlleistung des Kühlelements 21,
der Konstruktion des Druckkopfes, usw. In dieser Ausführungsform
ist es z. B. möglich,
durch Verwendung einer kleinen Anzahl von Spuren eine gute Gleichförmigkeit
der Temperatur über
das Feld zu erreichen, weil die in dem LED-Feld entstehende Wärme sich
dank der thermischen Entkopplung durch die Unterbrechung in der Kupferschicht
nicht über
die gesamte Oberfläche
des Substrats ausbreitet.
-
Faktoren,
die mit der Verwendungsweise des Druckkopfes zusammenhängen, sind
ebenfalls wichtig für
eine optimale, d. h. kontrollierte Wärmeableitung. Solche Faktoren
sind z. B. die spezifische Anwendung des Druckers (z. B. in einer
CAD-Umgebung oder einer produktiven Büroumgebung), der Druckprozeß (schwarz
schreibender oder weiß schreibender
Druckkopf), der Umgebung (tropisch heiß, kalt, feucht usw.) der Typ
der LEDs (hohe oder niedrige Effizienz), der Typ der Treiber, die
Belastung des Druckkopfes, usw. Der Fachmann auf dem Gebiet der
Druckköpfe
wird es als einfach ansehen, durch Experimente zu bestimmen, welche
Konfiguration in einem spezifischen Fall eine adäquat gesteuerte Wärmeableitung
ergibt.
-
4
-
4 zeigt
schematisch ein Beispiel für
eine leitfähige
Spur 30 von der Art, die in einem Druckkopf gemäß der Erfindung
verwendet werden kann. In diesem Beispiel ist das Substrat eine
Epoxy-Karte mit einer Dicke d1 von 1,0 mm. An der Oberseite hat
das Substrat eine Kupferschicht 25 mit einer Dicke von
etwa 35 μm.
Das Substrat weist ein durchgehendes Loch 31 mit einem
Durchmesser d2 von etwa 0,3 mm auf. Die Wand dieses Loches ist mit
einer wärmeleitenden
Schicht 32 versehen, in diesem Fall einer Kupferschicht,
die durch Elektroplattieren aufgebracht wird, ein Prozeß, der dem
Fachmann aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt ist. Durch
Einsatz dieses Prozesses erhält
man oft eine Kupferschicht, die in der Mitte des Substrats eine
minimale Dicke aufweist, in der Zeichnung mit d3 angegeben. Da die
Wärmetransportkapazität der leitfähigen Spur 30 durch
diese minimale Dicke d3 bestimmt wird, läßt sich diese Kapazität einfach
einstellen. Je nach Auswahl der Prozeßparameter, z. B. beim Aufbringen
wärmeleitenden
Schicht, kann die Dicke eingestellt werden. In einer praktischen
Ausführungsform
liegt die Dicke d3 zwischen 20 und 60 μm.
-
Beispiel 1
-
In
diesem Beispiel werden mehrere mit LED-Feldern bestückte Druckköpfe hinsichtlich
der Kühlung der
LED-Chips verglichen. Jeder der Druckköpfe hat einen grundlegenden
Aufbau, wie er in 2 bzw. 3 gezeigt
ist. In diesem Beispiel ist jeder der LED- und Treiberchips etwa
5 mm lang, wobei der LED-Chip etwa 0,6 mm breit ist und die Treiberchips
etwa 3 mm breit sind. Der Abstand zwischen dem LED-Chip und den
Treiberchips beträgt
etwa 2 mm. Diese Komponenten sind mit einer etwa 15 μm dicken
Schicht eines Klebers auf das Substrat geklebt. Der Kleber hat einen
Wärmeleitungskoeffizienten
von etwa 1,2 W/m °C
und ist somit im wesentlichen thermisch isolierend. An jedem der
Druckköpfe
ist eine Kupferschicht (Wärmeleitfähigkeitskoeffizient
etwa 390 W/m °C),
die als funktioneller elektrischer Kontakt für die Komponenten dient, zwischen
den Komponenten und dem Substrat angebracht. Diese Schicht hat eine
Dicke von etwa 35 μm.
In allen Druckköpfen
ist die Kupferschicht zwischen den LED- und Treiberchips unterbrochen,
sofern nichts anderes gesagt wird. In jedem Fall ist die LED eine
hocheffizien te AlGaAs-LED, ausgewählt mit einer Dicke von etwa
0,35 mm und einem Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten
von etwa 29 W/m °C.
Die Treiberchips sind ebenfalls 0,35 mm dick, bestehen aus Silizium
und haben einen Wärmeleitungskoeffizienten
von etwa 150 W/m °C.
-
In
jedem Fall ist das Substrat etwa 1 mm dick und besteht entweder
aus wärmeleitender
Keramik (Wärmeleitungskoeffizient
etwa 19 W/m °C)
oder einem thermisch isolierenden faserverstärktem Epoxidharz (Wärmeleitungskoeffizient
etwa 0,22 W/m °C).
Das Kühlelement
ist in all diesen Druckköpfen
eine Aluminiumplatte, die als eine Wärmesenke dient, die Platte
hat eine Dicke von etwa 2 mm und längsverlaufende Rippen, die
durch eine erzwungene Luftströmung
auf eine Temperatur von etwa 34° C
gekühlt
werden.
-
Wenn
in einem Druckkopf nach diesem Beispiel wärmeleitende Spuren auf der
Seite des LED-Chips vorgesehen sind, so sind diese Spuren so wie
in 4 beschaffen, wobei d3 etwa 15 μm beträgt. Die
Spuren sind stets auf der Seite des LED-Chips angeordnet, wie in 3 gezeigt
ist. Die nachstehende Tabelle gibt die Gesamtzahl von Spuren je
LED-Chip an. Diese Anzahl ist so weit wie möglich proportional auf die
beiden Seiten des LED-Chips verteilt (im Fall einer ungeraden Anzahl
von Spuren ist auf einer Seite eine Spur mehr vorhanden als auf
der anderen), und der Abstand zwischen der Seite des LED-Chips und
der Mitte der Spur 30 beträgt etwa 0,6 mm. In einigen
Fällen
werden die Spuren auch für
die Treiberchips eingesetzt. In den Fällen ist die Anzahl der Spuren
je Treiber in der nachstehenden Tabelle angegeben. Die Spuren sind
stets an der Stelle der Treiber angeordnet (d. h. mittig unter ihrer
Oberfläche).
-
In
diesem Beispiel wird jeder der Druckköpfe in einem schnellen Drucker
eingesetzt (100 Seiten pro Minute). Der Druckkopf ist stets ein
seitenbreites (etwa 30 cm) Feld aus 64 LED-Chips und 128 Treiberchips. Für eine gegebene
Belastung des Druckkopfes, die typisch für die Umgebung ist, in der
sich ein Drucker dieser Art befindet, und für eine gegebene spezifische
Alterung sowohl des Druckkopfes als auch des Photoleiters sollten
von der Front des Druckkopfes etwa 40 Watt Leistung abgegeben werden.
In der Praxis variiert diese Gesamt-Leistungsabgabe in Abhängigkeit
von zahlreichen Faktoren typischerweise zwischen 10 und 250 Watt.
Die Messungen wurden bei einer Umgebungstemperatur durchgeführt, die
an dem Druckkopf gleich etwa 34° C
war.
-
Die
nachstehende Tabelle gibt für
eine Anzahl von Druckköpfen
für den
Fall einer Last, wie sie oben beschrieben wurde, die Temperatur
an, die die LEDs an der Stelle ihres Halbleiterübergangs erreichen. Die erste
Spalte gibt die Nummer des Druckkopfes und die zweite Spalte das
zusammen mit diesem Druckkopf verwendete Substrat an. Spalten
3 und
4 geben
an, wie viele Spuren je Chiptyp (LED und Treiber) verwendet werden.
Spalte
5 gibt an, wie hoch die stetige Temperatur der LEDs
an der Stelle ihres Übergangs
unter der obigen Druckkopfbelastung ist. Diese Temperatur kann mit
Hilfe eines Infrarotmeßgerätes oder
eines anderen Temperaturmeßgerätes einfach
bestimmt werden. Spalte
6 gibt die Spreizung dieser Temperatur über die
Länge des
Druckkopfes an. Man wird sehen, daß eine Temperaturspreizung
von 1° C
bei diesem Typ von LEDs einer Spreizung von etwa 1 % in der Lichtemission
der LEDs entspricht. Spalten
7 und
8 enthalten
schließlich eine
qualitative Angabe der Druckqualität und der Kosten der Druckköpfe. Tabelle 1 Mittlere Temperatur der LEDs
an der Stelle des Übergangs
und Temperaturgleichförmigkeit
während des
Druckens, plus qualitative Angabe der Druckqualität und der
Kosten des Druckkopfes für
eine Anzahl von Druckköpfen
Nr. | Substrat | Spuren
je LED | Spuren
je Treiber | T[°C] | dT[°C] | Druckqualität | Kosten |
1 | Keramik | 0 | 0 | 39 | 6 | ++ | -- |
2 | Epoxy | 0 | 0 | 106 | 32 | - | ++ |
3 | Epoxy | 10 | 2 | 43 | 5 | ++ | + |
4 | Epoxy | 5 | 2 | 46 | 9 | ++ | + |
5 | Epoxy | 2 | 2 | 53 | 15 | + | + |
6 | Epoxy | 10 | 0 | 44 | 8 | ++ | + |
7 | Epoxy, durchgehendes Kupfer | 10 | 0 | 48 | 12 | + | + |
-
Die
Druckköpfe 1 und 2 sind
Vergleichsbeispiele. Druckkopf 1 ist auf einem wärmeleitenden
keramischen Substrat aufgebaut. Die so an den LEDs er reichte Einstelltemperatur
ist gut, und auch die Temperaturspreizung über die Länge des gesamten Feldes ist
klein. Die Druckqualität
und die Lebensdauer dieses Druckkopfes sind daher sehr gut. Die
Kosten eines solchen Druckkopfes sind jedoch sehr hoch. Druckkopf 2 ist
auf einem billigen Epoxysubstrat aufgebaut, das thermisch isolierend
ist. Die mittlere Temperatur der LEDs ist dementsprechend sehr hoch,
so daß die
Lebensdauer eines Druckkopfes dieser Art kurz ist. Außerdem ist
die Spreizung über
das gesamte LED-Feld sehr groß,
und dies hat einen sehr nachteiligen Effekt auf die Druckqualität, da im
Ergebnis die Spreizung in der Lichtemission unakzeptabel hoch ist.
Druckköpfe 3–7 sind
Druckköpfe
gemäß der Erfindung.
Es ist deutlich, daß die
Anzahl der Spuren die Endtemperatur der LEDs und deren Spreizung
beeinflußt.
Je nach geforderter Lebensdauer des Druckkopfes und geforderter
Druckqualität
kann der Fachmann durch eine Anzahl einfacher Experimente bestimmen,
welches für
eine spezifische Situation die optimale Konfiguration ist. Die Kosten
des Druckkopfes gemäß der Erfindung
sind in jedem Fall günstig.
Eine große
Anzahl von Spuren führt
allgemein zu (etwas) erhöhten
Kosten.
-
Bei
all den Druckköpfen
gemäß der Erfindung
beträgt
die Temperatur des Treibers etwa 50° C. Nur bei Druckkopf 6 beträgt diese
Temperatur etwa 80° C,
doch ist dies immer noch niedrig genug, um eine gute Funktion zu
garantieren. Der Grund für
diese höhere
Temperatur ist das Fehlen von Spuren für die Treiber und das Fehlen
der thermischen Entkopplung zwischen dem LED-Chip und den Treiber
Chips durch die Unterbrechung der leitfähigen Kupferschicht zwischen
den Komponenten und dem Substrat. Im Fall des Druckkopfes 7 sind die
Spuren für
die Treiber ebenfalls nicht anwesend, doch ist die Kupferschicht
nicht unterbrochen. Infolgedessen sind die LED- und Treiberchips thermisch entkoppelt,
und die Treiberchips nehmen praktisch die gleiche Temperatur an
wie der LED-Chip, nämlich
etwa 48° C.