DE60220586T2 - Druckkopf für ein Bilderzeugungsgerät und Bilderzeugungsgerät mit solchem Druckkopf - Google Patents

Druckkopf für ein Bilderzeugungsgerät und Bilderzeugungsgerät mit solchem Druckkopf Download PDF

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DE60220586T2
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Lamberdina J.A.M. Driessen-Olde Scheper
Catharinus Van Acquoij
Hendrikus G.M. Ramackers
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    • B41J2/435Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by selective application of radiation to a printing material or impression-transfer material
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    • B41J29/00Details of, or accessories for, typewriters or selective printing mechanisms not otherwise provided for
    • B41J29/377Cooling or ventilating arrangements

Description

  • 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 37 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.

Claims (6)

  1. Druckkopf (1) für ein Bilderzeugungsgerät, mit einem Substrat (20), einer Zeile von lichtemittierenden Elementen (23), die auf einer ersten Seite des Substrats (20) angeordnet sind, und einem Kühlelement (21), das auf einer zweiten, der ersten Seite entgegengesetzten Seite des Substrats (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat thermisch isolierend und mit wenigstens einer wärmeleitenden Spur (30) versehen ist, die von der ersten Seite zu der zweiten Seite durch das Substrat (20) hindurchgeht und an einer vorbestimmten Stelle in bezug auf die lichtemittierenden Elemente (23) angeordnet ist, um Wärme in der Weise von der ersten Seite zu der zweiten Seite zu leiten, daß die Elemente (23) während des Betriebs des Druckkopfes (1) im wesentlichen auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden.
  2. Druckkopf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (20) eine wärmeleitende Schicht (25) auf der ersten Seite zwischen den lichtemittierenden Elementen (23) und dem Substrat (20) aufweist.
  3. Druckkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Spur (30) sich an einer Stelle neben einem lichtemittierenden Element (23) durch das Substrat (20) erstreckt.
  4. Druckkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spur (30) einen Hohlzylinder (31) in dem Substrat (20) aufweist, wobei die Wand dieses Zylinders (31) ein wärmeleitendes Material (32) aufweist.
  5. Druckkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem das Substrat (20) auf der ersten Seite ein Treiberelement (24) aufweist, dieses Treiberelement funktionsmäßig mit der genannten Zeile verbunden ist, um die lichtemittierenden Elemente (23) anzusteuern, und wobei das Substrat (20) wenigstens eine weitere wärmeleitende Spur (30) an der Stelle des Treiberelements (24) aufweist.
  6. Bilderzeugungsgerät mit einem Druckkopf (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.
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