JP2002086791A

JP2002086791A - 光書込みヘッド

Info

Publication number: JP2002086791A
Application number: JP2000310815A
Authority: JP
Inventors: Masahide Wakizaka; 政英脇坂; Takahisa Arima; 尊久有馬; Yukihisa Kusuda; 幸久楠田; Harunobu Yoshida; 治信吉田
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2000-07-13
Filing date: 2000-10-11
Publication date: 2002-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】光書込みヘッドの発光素子アレイチップとロッ
ドレンズの光軸は温度変動によって初期調整位置から変
化してしまう場合がある。このような変動による画像む
らの発生は電気的光量補正では対処できない。【解決手段】屈折率分布型ロッドレンズアレイ５４に対
向して、発光素子アレイを搭載した発光素子アレイチッ
プ５０を複数、金属ブロック５１に密着させたフレキシ
ブル回路基板５７上に直線状または千鳥状に配列した光
書込みヘッドにおいて、前記金属ブロック５１は、前記
ロッドレンズアレイ５４および発光素子アレイチップ５
０と熱膨張係数が実質的に等しい金属材料とする。ロッ
ドレンズアレイ５４の側板材料をガラスとし、かつ前記
金属部材をニッケル合金またはチタンとするのが好まし
い。さらに、このような構成に対しては、発光素子アレ
イが自己走査型発光素子アレイであることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、発光素子アレイチ
ップを用いた電子写真方式プリンタなどに使用される光
書込みヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、光プリンタ等に使用される光書込
みヘッドは、発光ダイオードなどの発光素子アレイを搭
載している。光書込みヘッド（光プリンタヘッド）を備
える光プリンタの原理図を図５に示す。円筒形の感光ド
ラム２の表面がアモルファスＳｉや有機材料などの光伝
導性をもつ材料（感光体）で被覆されている。この感光
ドラム２は印刷速度に対応して回転している。初めに、
回転しているドラムの感光体表面を、帯電器４で一様に
帯電させる。

【０００３】次いで、光書込みヘッド６により、印字す
るドットイメージの光を感光体上に照射し、光が照射さ
れた部分の帯電を中和し、潜像を形成する。続いて、現
像器８で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感
光体上に付着させる。そして、転写器１０でカセット１
２から送られてきた用紙１４上に、トナーを転写する。
用紙上のトナーは定着器１６によって熱等を加えて定着
され、用紙はスタッカ１８に送られる。一方、転写の終
了したドラム２は、消去ランプ２０で帯電が全面にわた
って中和され、清掃器２２で残ったトナーが除去され
る。

【０００４】上述の光書込みヘッド６としては、図６に
断面図を示すような、複数の発光素子アレイチップ３０
を材質がガラスエポキシ等であるプリント回路基板３２
上に１列に印刷幅の仕様にしたがって配列し、これに対
向して屈折率分布型ロッドレンズを１列または２列積層
したロッドレンズアレイ３４を配置し、両者を筐体３６
にシリコン充填剤３８などによって固定した構造のもの
が用いられている。

【０００５】発光素子アレイとしては一般に発光ダイオ
ード（ＬＥＤ）アレイが広く用いられているが、各ＬＥ
Ｄ素子ごとに発光光量ばらつきが存在する。またロッド
レンズも素子ごとに光学特性にばらつきを有している。
これらのばらつきは画像の濃淡むらの原因となり、現状
のＬＥＤアレイをそのまま使用するとその許容限度を越
えてしまう。そこで、ＬＥＤ個々の駆動条件を素子ごと
に変えて画像の濃淡むらを許容できる範囲に抑える光量
補正が行われている。通常、この光量補正はつぎのよう
な手順で行われる。ヘッド単体の状態でＬＥＤを１素子
ずつ点灯させ、結像位置に受光素子等を置いてヘッド長
手方向にわたる光量分布を求め、これを記録する。この
記録した光量分布からＬＥＤの１チップ当たりの駆動電
流、または発光時間を、光量分布が平坦化するように決
定し、実使用時にはその駆動条件を使用する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし実際の光書込み
ヘッドは、周囲温度が変動する環境で組立られ、また使
用される。発光素子アレイチップの配列位置精度は、ガ
ラスエポキシ基板の熱膨張によって影響され、またロッ
ドレンズアレイの配列位置精度も側板材料のガラス繊維
強化プラスチック（ＦＲＰ）の熱膨張により影響を受け
る。したがってヘッドの長手方向にわたって発光素子ア
レイチップとロッドレンズの光軸は初期調整位置から変
化してしまう場合がある。このような変動による画像む
らの発生は上記の電気的光量補正では対処できない。

【０００７】また、発光素子アレイチップを基板にダイ
ボンディングする工程でも、導電性接着剤を硬化させる
際、加熱が必要であり、加熱硬化後の冷却により、チッ
プと基板の間に残留応力が発生する。これは基板の反り
を引き起こし、チップ位置精度を低下させる要因とな
る。チップ間のピッチについても同様な問題が生じる。

【０００８】本発明は、このような問題点を解決し、
温度変動に対する信頼性の高い光書込みヘッドを提供
し、高解像度電子写真式プリンタ等の実現に資すること
を目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】屈折率分布型ロッドレン
ズアレイに対向して、発光素子アレイを搭載した発光素
子アレイチップを複数、剛性をもつ部材に密着させたフ
レキシブル回路基板上に直線状または千鳥状に配列した
光書込みヘッドにおいて、前記剛性をもつ部材は、前記
ロッドレンズアレイと熱膨張係数が実質的に等しい金属
部材とする。一方、前記剛性をもつ部材は、発光素子ア
レイチップと熱膨張係数が実質的に等しい金属部材とす
る。

【００１０】このため、ロッドレンズアレイの側板材料
をガラスとし、かつ前記金属部材をニッケル合金または
チタンとするのが好ましい。さらに、発光素子アレイチ
ップがＧａＡｓ系の半導体である場合には、上記金属部
材の材料を使用することによって、発光素子アレイチッ
プと熱膨張係数が実質的に等しくすることができる。な
お、発光素子アレイとしては自己走査型発光素子アレイ
を用いることが望ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に実施例を図１〜図３を用い
て詳細に説明する。図１は本発明の光書込みヘッドの主
走査方向に垂直な方向の側面図であり、図２は発光素子
の光出射面上から見た光書込みヘッドの一部の平面図で
ある。図３はこの光書込みヘッド主要部の断面図であ
る。

【００１２】各図に示すように、２層式のＦＰＣ基板５
７は金属ブロック５１に接着する。その上に発光素子ア
レイチップ５０をダイボンドし、ＦＰＣ基板５７上の配
線とチップ上の発光素子の電極パッドをワイヤーボンド
により接続する。その後、金属ブロック５１を支持体５
６にボルト５３などの手段により取り付ける。この支持
体５６には予めロッドレンズアレイ５４を所定位置に接
着し、また発光素子アレイ駆動回路基板５５を実装して
おく。ＦＰＣ基板５７の配線は端部のコネクタ端子６６
と駆動回路基板５５にコネクタ６４とを結合することに
より接続する。

【００１３】電子写真プリンタ等の装置では、光書込み
ヘッドの自己発熱および装置内部の各部品の発熱によ
り、ヘッドの周囲温度は初期起動時の常温から６５℃位
まで上昇する。常温を２５℃とすると、初期起動時から
の温度差は４０度にもなる。

【００１４】従来、発光素子アレイチップを搭載してい
たガラスエポキシ基板は、熱膨張係数が６５×１０^-6ｄ
ｅｇ^-1程度であった。一方、通常のロッドレンズアレイ
は、側板にＦＲＰ（ガラス繊維マットと熱硬化性樹脂の
複合素材）を用いている。この材料の熱膨張係数は複合
材料に特有のばらつき（６〜１６×１０^-6ｄｅｇ^-1）を
有しており、管理が困難である。

【００１５】感光ドラム上の露光長さが３２０ｍｍ必要
である場合（Ａ３ノビサイズ）、発光素子搭載基板の膨
張代は６５×１０^-6ｄｅｇ^-1×４０ｄｅｇ×３２０ｍ
ｍ＝０．８３ｍｍ、ＳＬＡの膨張代は、６〜１６×１０
^-6ｄｅｇ^-1×４０ｄｅｇ×３２０ｍｍ＝０．０７７〜
０．２０ｍｍとなる。すなわち、ヘッドの片側端点を基
準とした場合、基板とロッドレンズアレイの長さ方向で
は、最大で０．７６ｍｍの熱膨張差が発生してしまうこ
とになる。

【００１６】高解像度用のロッドレンズ径は、０．６〜
１ｍｍ程度であり、基準位置から反対側端部のレンズと
発光素子の位置は、概ねレンズ１素子分ずれてしまい、
レンズ１本単位の結合効率ばらつきおよび光量周期むら
により、光量補正値が変化し、光量むらを発生させる原
因となっている。さらに、発光素子の発熱に起因するガ
ラスエポキシ基板の熱膨張変動により、受光面の像幅が
０．８ｍｍ長くなるという問題がある。

【００１７】このような温度変動による画質の劣化を解
決するため、本発明ではつぎのような手段を用いた。ロ
ッドレンズアレイの側板には均質材料で平面平滑性が高
くかつ熱膨張係数が低い材料を採用するのが望ましい。
低コスト材料であるソーダライムガラスは熱膨張係数が
約８．８×１０^-6ｄｅｇ^-1であり、この条件に合致した
材料である。

【００１８】温度変化による発光素子アレイチップとレ
ンズ素子の相対位置の変動に対する対策としては、基
板、ロッドレンズアレイに熱膨張係数の小さい材料を使
用することが考えられるが、加工性、コストの両面から
適当な材料を見出すのは困難であった。そこで一定の熱
膨張は許容し、これを合わせ込む方法を採用した。

【００１９】従来の光書込みヘッドの構造では、上記の
ように温度変化による発光素子の位置変化は、発光素子
をボンディングする基板の温度特性に依存している。よ
って基板材料は、側板をガラスとしたロッドレンズアレ
イの熱膨張係数８．８×１０ ^-6ｄｅｇ^-1に近い熱膨張係
数をもつ材料を選択することが必要となるが、そのよう
な絶縁性基板材料としては、表１に示すようにアルミナ
などのセラミックスが挙げられる。しかしセラミックス
回路基板はパターンの複層化が困難であるため、基板面
積が大きくなるという問題点があり、また材料コストも
比較的高い。

【００２０】そこで本発明では、この問題点を解決した
光書込みヘッドを提供する。図３は本発明の光書込みヘ
ッド主要部の断面図である。耐熱性樹脂であるポリイミ
ドなどの樹脂層５８表面に銅箔配線パターン６１、６２
を配設したＦＰＣ基板５７を金属材料からなる金属ブロ
ック５１に熱硬化性接着剤６５により貼り付けた。ＦＰ
Ｃ基板５７の金属ブロック５１に貼り付けた部分の所定
の位置に発光素子アレイチップ５０を配列固定する。配
列はダイボンダにより行い、固定には導電性接着剤等を
使用する。この部分をヘッドに組み立てる前に、発光素
子アレイチップ５０とＦＰＣ基板５７との間をＡｕ線６
３等を用いたワイヤボンドにより電気的に接続する。

【００２１】その後、図１に示すように金属ブロック５
１は剛性のある支持体５６上にボルト５３等の手段によ
り固定する。同支持体５６上の所定位置にはロッドレン
ズアレイ５４を接着固定する。駆動回路基板５５も併せ
て固定する。ＦＰＣ基板５７の他端は駆動回路基板５５
上に設けたコネクタ６４に結合する。

【００２２】ＦＰＣ基板５７はポリイミドなどの樹脂か
らなるため、表１に示すように、その本来の熱膨張係数
は極めて大きいが、層厚が薄く柔らかい材料であるた
め、その熱膨張代は貼り付けた金属ブロック５１の材料
の熱膨張代によって実質的に決定される。このため、ロ
ッドレンズアレイ５４の熱膨張代と合致した金属ブロッ
ク５１の材料を選定すればよい。

【００２３】発光素子アレイチップ５０の配列熱膨張代
は、金属ブロック５１に膨張係数８．１×１０^-6ｄｅｇ
^-1の４２％ニッケル鋼材を採用した場合は、Ａ３ノビサ
イズで、８．１×１０^-6ｄｅｇ^-1×４０ｄｅｇ×３２０
ｍｍ＝０．１０ｍｍとなる。従来のガラスエポキシ基板
採用のヘッドと比較すると、熱膨張代は、０．７３ｍｍ
縮小でき、画像幅の温度変化（２５→６５℃）による変
化率を０．２６％から０．０３％に縮小できる。

【００２４】この他、表１によれば、Ｔｉは熱膨張係数
が約７×１０^-6ｄｅｇ^-1であり、この材料も金属ブロッ
ク５１として利用できる。

【００２５】光量補正は、通常ヘッド単体の状態で行
う。受光素子等を結像位置に設置し、光量分布求める。
ついでこの光量分布を平坦化するため、発光素子の１チ
ップ当たりの電流等を変化させて調整を行う。このとき
雰囲気温度をプリンター稼働時のヘッド周辺温度に設定
しておき、実稼働時の光量分布が有効に補正されるよう
にする必要があった。本発明によれば温度設定は不要で
あり、また実稼働中に温度変動が生じても光量補正は有
効である。

【００２６】また、ガラスエポキシ基板は熱を伝導しに
くい材料（熱伝導率は０．３８Ｗ/ｍ・ｋ）であるた
め、放出熱量が低く発光素子アレイチップの温度上昇が
大きくなる。ＧａＡｓ系発光素子の発光光量はチップ温
度の１℃上昇により約０．５％光量が低下することが知
られている。したがってチップの温度上昇は発光光量の
低下の原因となり、印刷速度の低下を招く。また基板の
熱放散が発光素子アレイチップのそれより小さいと、チ
ップの長さ方向に亘る温度分布差が拡大し、これによっ
て複走査方向の光量ムラが増大する。

【００２７】本発明の光書込みヘッドの構造では、図３
に示すように、チップ５０と金属ブロック５１の間は層
厚２５μｍの樹脂（ポリイミド）層５８と厚さ１８μｍ
の銅箔６２が介在するだけであるので、チップの発熱は
容易にヒートシンクとして機能する金属ブロック５１へ
伝播されるため、チップ長手方向での温度分布差および
チップ全体の上昇温度を低減することができる。ＦＰＣ
基板５７はさらにできる限り薄いことが望ましい。

【００２８】熱解析データによると、同一モデル形状の
ガラスエポキシ基板構造体とフレキシブルプリント配線
基板構造体では、温度分布差がそれぞれ０．０４１℃と
０．０８℃と見積もられ、フレキシブルプリント配線基
板を使用することによって温度上昇は１６℃から６℃に
低下する。

【００２９】以上、光書込みヘッドの使用時における温
度変動に対して対処する手段について述べたが、光書込
みヘッドの組立工程においても温度変動が生じる。前記
したように発光素子アレイチップ５０は導電性接着剤等
を使用してＦＰＣ基板５７の銅箔６２上に接着する。一
般に導電性接着剤を硬化させるには、１５０℃程度の加
熱が必要である。したがってチップと金属ブロックはこ
の硬化温度において膨張した状態で接着固定されるた
め、室温まで温度降下した際、両者の熱膨張係数に差が
ある場合、応力が発生する。これはチップや基板に歪が
発生する原因になり、チップの割れや基板の反りを生じ
る場合がある。したがってダイボンダーにより正確にチ
ップの位置決めを行ったとしても、接着固定後、位置ず
れが生じてしまうこともありうる。

【００３０】ＧａＡｓの熱膨張係数はおよそ６×１０^-6
ｄｅｇ^-1である。発光素子アレイチップがＧａＡｓ系半
導体で形成されている場合には、前記金属ブロックの好
ましい材料として挙げた熱膨張係数８．１×１０^-6ｄｅ
ｇ^-1の４２％ニッケル鋼材または熱膨張係数約７×１０
^-6ｄｅｇ^-1のＴｉがＧａＡｓの熱膨張係数とも実質的に
等しく、この場合にも好適な材料として使用できる。

【００３１】なお、本発明の光書込みヘッドに用いる発
光素子アレイには従来のＬＥＤアレイが適用できるが、
自己走査型発光素子アレイを使用するのがより好まし
い。その理由は、自己走査型発光素子アレイの場合は発
光素子と駆動ＩＣを１対１接続する必要がないため、発
光素子アレイを実装する基板と駆動ＩＣを実装する基板
を分離するのに適しているからである。

【００３２】図４に、この自己走査型発光アレイの等価
回路図を示す（特開平２−２６３６６８号公報）。この
発光装置は、転送用サイリスタ素子Ｔ（１）、Ｔ（２）
・・・および発光サイリスタ素子Ｌ（１）、Ｌ（２）・
・・のアレイで構成される。図ではアレイの一部のみを
示す。転送用サイリスタ素子間は、ダイオードＤ１，Ｄ
２・・・により接続されている。Ｖ_GAは電源（通常−５
Ｖ）であり、負荷抵抗Ｒ_Lを経て各転送用サイリスタ素
子のゲート電極に接続されている。サイリスタ素子Ｔ
（１）のゲート電極にはスタートパルスφ_Sが加えら
れ、カソード電極には、交互にクロックパルスφ１、φ
２が加えられている。また、転送用サイリスタ素子のゲ
ート電極と対応する発光サイリスタ素子のゲート電極は
互いに配線Ｇ（１）、Ｇ（２）・・・で接続されてい
る。発光サイリスタ素子のカソード電極には、書込み信
号φ_Iが加えられている。

【００３３】この回路構成においては、２本のクロック
パルスφ１、φ２によって、サイリスタ素子Ｔ（１）、
Ｔ（２）・・・の順にオン状態が転送され、これに伴っ
て発光サイリスタＬ（１）、Ｌ（２）・・・も順にオン
することが可能な状態になる。いずれかの発光サイリス
タ素子がオン、すなわち発光状態に入ると、発光強度は
書込み信号φ_Iに流す電流量、すなわち抵抗Ｒ_Iで決めら
れ、任意の強度にて画像書込みが可能となる。図５から
わかるようにこの構成の自己走査型発光素子アレイは１
チップ当たり電源用２端子と信号用４端子の計６端子へ
の結線が必要なだけで、この結線数は１チップに搭載し
た発光素子数には依存しない。したがって例えば１チッ
プ当たり１２８個の発光素子を搭載した場合、１チップ
当たり駆動用ＩＣ間の配線数が従来のＬＥＤアレイチッ
プの２０分の１以下で済む。

【００３４】この自己走査型発光素子アレイチップを従
来のＬＥＤアレイチップと置き換えることにより、駆動
用ＩＣを発光素子を搭載した基板とは別の基板に搭載す
ることが容易に実現できる（特開平９−１８７９８１号
公報）。この構成は、従来のＬＥＤアレイチップを用い
るのに対し、基板の幅寸法を小さくし、光書込みヘッド
を小型化するために極めて有効な方法であるといえる。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【発明の効果】本発明によれば、組立時および使用時に
おける温度変動による光書込みヘッドのロッドレンズと
発光素子の光軸ずれが防止でき、画像の濃淡むらの発生
を防止できる。また光量補正用の光量分布測定時の温度
管理が不要になる。さらに発光素子からの熱放散も改善
されるので、発光素子アレイチップ内での光量分布の温
度変化も少なくでき、この原因による画像の濃淡むらの
発生も抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光書込みヘッドの側面図である。

【図２】本発明の光書込みヘッドの発光素子アレイチッ
プを実装した部分の平面図である。

【図３】本発明の光書込みヘッド主要部の断面図であ
る。

【図４】自己走査型発光素子アレイの等価回路図であ
る。

【図５】光書込みヘッドを備えた光プリンタの原理を示
す概略図である。

【図６】従来の光プリンタヘッドの構成を示す断面概略
図である。

【符号の説明】

２感光ドラム６光書込みヘッド３０，５０発光素子アレイチップ３１駆動ＩＣチップ３２、４２基板３３，６３Ａｕ線３４，５４ロッドレンズアレイ５１金属ブロック５５駆動回路基板５６支持体５７フレキシブルプリント回路基板５８樹脂層６１、６２銅箔配線パターン６５熱硬化性接着

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者楠田幸久大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内 (72)発明者吉田治信大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内Ｆターム(参考） 2C162 AE28 AE47 AF07 FA04 FA17 FA45 FA70

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】屈折率分布型ロッドレンズアレイに対向し
て、発光素子アレイを搭載した発光素子アレイチップを
複数、剛性をもつ部材に密着させたフレキシブル回路基
板上に直線状または千鳥状に配列実装した光書込みヘッ
ドにおいて、前記剛性をもつ部材は、前記ロッドレンズアレイと熱膨
張係数が実質的に等しい金属部材であることを特徴とす
る光書込みヘッド。
【請求項２】屈折率分布型ロッドレンズアレイに対向し
て、発光素子アレイを搭載した発光素子アレイチップを
複数、剛性をもつ部材に密着させたフレキシブル回路基
板上に直線状または千鳥状に配列実装した光書込みヘッ
ドにおいて、前記剛性をもつ部材は、前記発光素子アレイチップと熱
膨張係数が実質的に等しい金属部材であることを特徴と
する光書込みヘッド。
【請求項３】前記ロッドレンズアレイの側板材料がガラ
スであり、かつ前記金属部材がニッケル合金またはチタ
ンである請求項１または２に記載の光書込みヘッド。
【請求項４】発光素子アレイが自己走査型発光素子アレ
イであることを特徴とする請求項１ないし３に記載の光
書込みヘッド。