JP2014148050A - 光学素子ヘッドおよびこれを用いた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子ヘッドが長尺化されたとしても、光学素子ヘッドの使用に伴う温度変化や吸湿によらず、光学素子アレイと配線基板との接続信頼性の高い光学素子ヘッドを提供する。
【解決手段】 本発明の光学素子ヘッド１は、複数の光学素子２０ａおよびこれに対応して設けられた複数の素子端子パッド２０ｂを有する複数の光学素子アレイ２０と、第２基板３０の主面３０ａに設けられた複数の端子パッド３０ｂと、互いに対応する素子端子パッド２０ｂおよび端子パッド３０ｂをそれぞれ接続する複数のボンディングワイヤ４０とを備え、ボンディングワイヤ４０は、端子パッド３０ｂに接続された端子パッド側接続部４０ａと、素子端子パッド２０ｂに接続された素子端子パッド側接続部４０ｂと、素子端子パッド側接続部４０ｂから見て端子パッド３０ｂの列よりも遠くに位置する弧状部４０ｃとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光学素子が列状に複数配置された光学素子ヘッドおよびこれを用いた画像形成装置に関する。

電子写真などの露光手段として用いられる光学素子ヘッドは、例えば特許文献１に記載されているように、多数の発光素子が配列された光学素子アレイが長尺状のセラミック基板の上面に複数個実装されるとともに、光学素子アレイの列の両側に沿って配線基板が取着されて、光学素子アレイと配線基板とがボンディングワイヤにて電気的に接続された構造を有している。このような光学素子ヘッドは、光学素子ヘッドの使用等に伴って配線基板が高温になったり、多量の水分を吸着したりすると、配線基板は大きく変形するが、セラミック基板は高温になったとしても変形することがほとんどないことから、セラミック基板の上面に実装された光学素子アレイの搭載位置は略一定に保たれる。よって、安定した画像が得られる。

しかしながら、このような光学素子ヘッドは、近年商用の印刷装置にも利用されるようになっていることから、光学素子ヘッドの長尺化が図られている。長尺化された光学素子ヘッドでは、光学素子ヘッドの使用等に伴うセラミック基板と配線基板との変形量の差が顕著になってきた。このように変形量の差が大きくなると、光学素子アレイと配線基板とを接続しているボンディングワイヤにストレスがかかり、光学素子アレイに配置された発光素子の発光が不安定になったり、ボンディングワイヤが切断されてしまったりするという問題があった。

特開２００１−２３９６９２号公報

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、光学素子ヘッドが長尺化されたとしても、光学素子ヘッドの使用に伴う温度変化や吸湿によらず光学素子アレイの搭載位置を略一定に保ちつつ、光学素子アレイと配線基板との接続信頼性の高い光学素子ヘッドおよびこれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の光学素子ヘッドは、長尺状の第１基板と、該第１基板の主面に列状に配置された、上面に複数の光学素子および該光学素子に対応して設けられた複数の素子端子パッドを有する複数の光学素子アレイと、前記第１基板の主面に前記光学素子アレイの列に沿って配置された長尺状の第２基板と、該第２基板の主面に列状に設けられた前記複数の素子端子パッドに対応する複数の端子パッドと、互いに対応する前記素子端子パッドおよび前記端子パッドをそれぞれ接続する複数のボンディングワイヤとを備え、該ボンディングワイヤは、前記端子パッドに接続された端子パッド側接続部と、前記素子端子パッドに接続された素子端子パッド側接続部と、前記素子端子パッド側接続部から見て前記端子パッドの列よりも遠くに位置する弧状部とを有することを特徴とする。

また、本発明の光学素子ヘッドは、上記構成において、前記弧状部の長さは、前記光学素子アレイの配列方向における中央部に位置する前記ボンディングワイヤよりも両端部に
位置する前記ボンディングワイヤにおいて長いことを特徴とする。

さらに、本発明の光学素子ヘッドは、上記構成において、前記光学素子アレイの配列方向における、吸湿による前記第１基板の長さの変化量は、吸湿による前記第２基板の長さの変化量よりも小さいことを特徴とする。

また、本発明の光学素子ヘッドは、上記構成において、前記光学素子アレイの列の上にレンズ部材がさらに配置されており、前記ボンディングワイヤのうち前記レンズ部材の開口角内に位置している部分は、該部分と前記光学素子アレイの上面とのなす角度が前記レンズ部材の半開口角未満であることを特徴とする。

本発明の画像形成装置は、上記いずれかの本発明の光学素子ヘッドを備えたことを特徴とする。

本発明の光学素子ヘッドによれば、長尺状の第１基板と、該第１基板の主面に列状に配置された、上面に複数の光学素子および該光学素子に対応して設けられた複数の素子端子パッドを有する複数の光学素子アレイと、前記第１基板の主面に前記光学素子アレイの列に沿って配置された長尺状の第２基板と、該第２基板の主面に列状に設けられた前記複数の素子端子パッドに対応する複数の端子パッドと、互いに対応する前記素子端子パッドおよび前記端子パッドをそれぞれ接続する複数のボンディングワイヤとを備え、該ボンディングワイヤは、前記端子パッドに接続された端子パッド側接続部と、前記素子端子パッドに接続された素子端子パッド側接続部と、前記素子端子パッド側接続部から見て前記端子パッドの列よりも遠くに位置する弧状部とを有することから、光学素子ヘッドが長尺化されたとしても、光学素子ヘッドの使用に伴う温度変化や吸湿によらず、光学素子アレイと配線基板との接続信頼性の高い光学素子ヘッドおよびこれを用いた画像形成装置を提供することができる。

（ａ）は本発明の光学素子ヘッドの形態の一例を示す平面図である。（ｂ）は図１（ａ）に示した光学素子ヘッドの１Ｉ−１Ｉ線に沿った断面図である。 図１に示した光学素子ヘッドを用いた画像形成装置の断面図である。 図１に示した光学素子ヘッドの第１変形例を示す断面図である。 図３に示した第１変形例の要部断面図である。

（光学素子ヘッド）
以下、本発明の光学素子ヘッドの実施の形態の例について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下の例は本発明の実施の形態を例示するものであって、本発明はこれらの実施の形態の例に限定されるものではない。

図１（ａ）および（ｂ）に示す例の光学素子ヘッド１は、ページプリンタなどの電子写真装置に組み込まれて、露光装置として機能する。

光学素子ヘッド１は、長尺状の第１基板１０と、第１基板１０の主面１０ａに列状に配置された複数の光学素子アレイ２０と、第１基板１０の主面１０ａに光学素子アレイ２０の列に沿って配置された長尺状の第２基板３０とを備えている。

第１基板１０は、光学素子アレイ２０および第２基板３０の支持体として機能し、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）およびステンレスなどの金属材料、ならびに酸化アルミニウム焼結体、窒化アルミニウム質焼結体、ムライト質焼結体およびガラスセラミックスなどのセラミック、ならびにホウ珪酸ガラス、ソーダガラス、アルカリガラス、無アルカリガラス、結晶化ガラスなどのガラス材料などの水分を吸着しにくい材料によって形成されている。

第１基板１０は、このように水分を吸着しにくい材料によって形成されているため、高湿下で光学素子ヘッド１を使用したとしても、第１基板１０の寸法が吸湿によって変形することが少なく、第１基板１０の第１主面１０ａに配置された複数の光学素子アレイ２０の搭載位置が略一定に保たれる。

光学素子アレイ２０は、上面に複数の光学素子２０ａ（図示せず）および光学素子２０ａに対応して設けられた複数の素子端子パッド２０ｂ（図示せず）を有する。光学素子アレイ２０は光学素子ヘッド１の光照射光源として機能する。光学素子２０ａは、例えば、発光ダイオード、サイリスタ、有機および無機のエレクトロルミネセンス（ＥＬ）、液晶シャッタなどが使用され、外部から素子端子パッド２０ｂを介して電力が供給されることによって所定の輝度で発光する。

光学素子アレイ２０は、発光ダイオードであり、従来周知の半導体製造技術を採用することによって製作される。

第２基板３０は、第１基板１０の第１主面１０ａに接着剤５０を介して配置されている。本例では、一対の第２基板３０が光学素子アレイ２０の列の両側に沿って配置されているが、第２基板３０の配置位置や配列数は特に限定されるものではなく、適宜調整すればよい。なお、接着剤５０には、例えば、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂などの樹脂系接着剤、あるいはポリエステル、不織布、アクリルフォーム、ポリイミド、塩化ビニル（ＰＶＣ）およびアルミ箔などの基材に対してアクリル系粘着剤、ゴム系粘着剤およびシリコーン系粘着剤の接着剤が塗布された両面テープなどを用いればよい。

第２基板３０は、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂およびガラス布基材エポキシ樹脂などの樹脂材料の上面および内部に多数の回路導体を所定パターンに形成したものであり、光学素子アレイ２０に外部から電力を供給するための配線基板として機能する。

第２基板３０の主面３０ａには、列状に複数の端子パッド３０ｂ（図示せず）が設けられており、端子パッド３０ｂと素子端子パッド２０ｂとが対応している。本例では、素子端子パッド２０ｂのそれぞれに端子パッド３０ｂが対応して設けられているが、複数の素子端子パッド２０ｂに対して１つの端子パッド３０ｂを設けてもよく、対応関係は適宜調整すればよい。

そして、互いに対応する素子端子パッド２０ｂおよび端子パッド３０ｂがそれぞれボンディングワイヤ４０によって接続されている。つまり、ボンディングワイヤ４０によって、第２基板３０と光学素子アレイ２０とが電気的に接続される。

ボンディングワイヤ４０は、端子パッド３０ｂに接続された端子パッド側接続部４０ａと、素子端子パッド２０ｂに接続された素子端子パッド側接続部４０ｂとを有する。本例の場合には、ボールボンディング技術を採用しており、端子パッド３０ｂに１次ボンディングであるボールボンディングによって形成されるネイルヘッドが端子パッド接続部４０ａに相当し、素子端子パッド２０ｂに２次ボンディングであるステッチボンディングによって形成されるヒールが素子端子パッド接続部４０ｂに相当する。

このように、素子端子パッド２０ｂ側に厚みの薄いヒールである素子端子パッド側接続
部４０ｂを形成することによって、光学素子２０ａが発する光の反射を抑制することができる。

そして、ボンディングワイヤ４０は、素子端子パッド側接続部４０ｂから見て端子パッド３０ｂの列よりも遠くに位置する弧状部４０ｃを有する。ボンディングワイヤ４０が弧状部４０ｃを有することによって、光学素子ヘッド１の使用における温度や湿度の変化によって、第１基板１０の変形量と第２基板３０の変形量に差が出たとしても、ボンディングワイヤ４０に係るストレスを緩和することが可能となり、光学素子アレイ２０と第２基板３０との高い接続信頼性を確保することができる。

ここで、素子端子パッド側接続部４０ｂから見て端子パッド３０ｂの列よりも遠くに位置するとは、端子パッド側接続部４０ａの配列方向に沿って、端子パッド接続部４０ａの中心を通り、第２基板３０の主面３０ａに垂直に交わる仮想平面を設け、この仮想平面の素子端子パッド接続部４０ｂ側と反対側に位置することである。なお、端子パッド側接続部４０ａが一直線上に配列していない場合の配列方向とは、それぞれの端子パッド３０ｂの位置から最小二乗法による近似直線の方向とすればよい。

第１基板１０の変形量と第２基板３０の変形量が異なり、ボンディングワイヤ４０にストレスがかかった場合には、弧状部４０ｃがクッション材として機能して、ボンディングワイヤ４０の端子パッド側接続部４０ａおよび素子端子パッド側接続部４０ｂにかかるストレスを緩和して、接続部４０ａ、４０ｂが剥離することや、ボンディングワイヤ４０が切断されることを防止できる。

なお、本例では第２基板３０の主面３０ａの配置された端子パッド３０ｂと、光学素子アレイ２０に配置された素子端子パッド２０ｂとをワイヤボンディングによって接続したが、第２基板３０の主面３０ａに光学素子アレイ２０を駆動するための駆動ＩＣなどの電子部品が必要に応じて配置される場合には、駆動ＩＣなどの電子部品に設けられた端子パッドと素子端子パッド２０ｂをワイヤボンディングによって接続してもよい。

本例のボンディングワイヤ４０には、直径２０μｍの金（Ａｕ）線を用いたが、これに限定されるものではなく、直径１０〜５０μｍ程度のワイヤ状またはリボン状などに形成されたアルミニウム（Ａｌ）などの導電性材料であってもよい。

（画像形成装置）
次に、本発明の画像形成装置１００の実施の形態の例について説明する。

図２に示す本例の画像形成装置１００は、画像形成法としてカールソン法を採用したものであり、光学素子ヘッド１、電子写真感光体１１０、帯電器１１１、現像器１１２、転写器１１３、定着器１１４、クリーニング器１１５、および除電器１１６を備えている。

帯電器１１１は、電子写真感光体１１０の表面を負極性あるいは正極性に帯電する役割を担うものである。帯電電圧は、例えば２００Ｖ以上１０００Ｖ以下に設定される。本例において帯電器１１１は、例えば芯金を導電性ゴムおよびＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）によって被覆して構成される接触型帯電器が採用されているが、これに代えて、放電ワイヤを備える非接触型帯電器（例えばコロナ帯電器）を採用してもよい。

光学素子ヘッド１は、電子写真感光体１１０に静電潜像を形成する役割を担うものである。具体的には、光学素子ヘッド１は、画像信号に応じて特定波長（例えば６５０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下）の露光光を電子写真感光体１１０に照射することによって、帯電状態にある電子写真感光体１１０の露光光照射部分の電位を減衰させて、静電潜像を形成する
。本例の光学素子ヘッド１は、６８０ｎｍの波長の光を発する複数の発光素子（ＬＥＤ）が配列されている。

現像器１１２は、電子写真感光体１１０の静電潜像を現像して、トナー像を形成する役割を担うものである。本例における現像器１１２は、現像剤（トナー）Ｔを磁気的に保持する磁気ローラ１１２Ａを備えている。

現像剤Ｔは、電子写真感光体１１０の表面上に形成されるトナー像を構成するものであり、現像器１１２において摩擦帯電させられる。現像剤Ｔとしては、例えば、磁性キャリアおよび絶縁性トナーを含む２成分系現像剤と、磁性トナーを含む１成分系現像剤とが挙げられる。

磁気ローラ１１２Ａは、電子写真感光体１１０の表面（現像領域）に現像剤を搬送する役割を担うものである。磁気ローラ１１２Ａは、現像器１１２において摩擦帯電した現像剤Ｔを一定の穂長に調整された磁気ブラシの形で搬送する。この搬送された現像剤Ｔは、電子写真感光体１１０の現像領域において、静電潜像との静電引力によって感光体の表面に付着してトナー像を形成する（静電潜像を可視化する）。トナー像の帯電極性は、正規現像によって画像形成が行なわれる場合には、電子写真感光体１１０の表面の帯電極性と逆極性とされ、反転現像によって画像形成が行なわれる場合には、電子写真感光体１１０の表面の帯電極性と同極性とされる。

なお、本実施形態において現像器１１２は、乾式現像方式を採用しているが、液体現像剤を用いた湿式現像方式を採用してもよい。

転写器１１３は、電子写真感光体１１０と転写器１１３との間の転写領域に供給された記録媒体Ｐに、電子写真感光体１１０のトナー像を転写する役割を担うものである。本例における転写器１１３は、転写用チャージャ１１３Ａおよび分離用チャージャ１１３Ｂを備えている。転写器１１３では、転写用チャージャ１１３Ａにおいて記録媒体Ｐの背面（非記録面）がトナー像とは逆極性に帯電され、この帯電電荷とトナー像との静電引力によって、記録媒体Ｐ上にトナー像が転写される。また、転写器１１３では、トナー像の転写と同時的に、分離用チャージャ１１３Ｂにおいて記録媒体Ｐの背面が交流帯電させられ、記録媒体Ｐが電子写真感光体１１０の表面から速やかに分離させられる。

転写器１１３としては、電子写真感光体１１０の回転に従動し、かつ電子写真感光体１１０とは微小間隙（通常、０．５ｍｍ以下）を介して配置された転写ローラを用いることも可能である。この転写ローラは、例えば直流電源によって、電子写真感光体１１０上のトナー像を記録媒体Ｐ上に引きつけるような転写電圧を印加するように構成される。転写ローラを用いる場合には、分離用チャージャ１１３Ｂのような転写分離装置は省略することもできる。

定着器１１４は、記録媒体Ｐに転写されたトナー像を記録媒体Ｐに定着させる役割を担うものであり、一対の定着ローラ１１４Ａ、１１４Ｂを備えている。定着ローラ１１４Ａ、１１４Ｂは、例えば金属ローラ上にポリテトラフルオロエチレン(PTFE：Polytetrafluoroethylene)などで表面被覆したものとされている。定着器１１４では、一対の定着ローラ１１４Ａ、１１４Ｂの間を通過させる記録媒体Ｐに対して、熱や圧力などを作用させることによって、記録媒体Ｐにトナー像を定着させることができる。

クリーニング器１１５は、電子写真感光体１１０の表面に残存するトナーを除去する役割を担うものであり、本例ではクリーニングブレード１１５Ａを備えている。クリーニングブレード１１５Ａは、電子写真感光体１１０の表面から、残留トナーを掻きとる役割を
担うものである。クリーニングブレード１１５Ａは、例えばポリウレタン樹脂を主成分としたゴム材料によって形成されている。

除電器１１６は、電子写真感光体１１０の表面電荷を除去する役割を担うものであり、特定波長（例えば７８０ｎｍ以上）の光を出射可能とされている。除電器１１６は、例えば発光素子（ＬＥＤ）などの光源によって電子写真感光体１１０の表面の軸方向全体を光照射することによって、電子写真感光体１１０の表面電荷（残余の静電潜像）を除去するように構成されている。

本例の画像形成装置１００によれば、光学素子ヘッド１の有する上述の効果を奏することができる。

以上、本発明の具体的な実施の形態の例を示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。

例えば、本例の光学素子ヘッド１では、ボンディングワイヤ４０の弧状部４０ｃの長さはいずれも同じであるが、光学素子アレイ２０の配列方向における中央部に位置するボンディングワイヤ４０よりも両端部に位置するボンディングワイヤ４０における弧状部４０ｃの長さが長いことが好ましい。光学素子ヘッド１の使用に伴う温度や湿度の変化によって第１基板１０と第２基板２０が変形した場合の、対応する素子端子バッド２０ｂと端子パッド３０ｂの所定位置からのずれ量は、第１基板１０および第２基板３０の中央部に位置するものよりも両端部に位置するものにおいて大きくなるため、弧状部４ｃの長さを長くすることによって、ボンディングワイヤ４０、端子パッド側接続部４０ａおよび素子端子パッド側接続部４０ｂへのストレスを緩和することが可能となる。なお、第２基板を光学素子アレイ２０の列に沿って、複数を列状に配列する場合には、光学素子ヘッド１の使用に伴う温度や湿度の変化によって、対応する素子端子バッド２０ｂと端子パッド３０ｂの所定位置からのずれ量を考慮して弧状部４０ｃの長さを決定すればよい。

ここで、弧状部４０ｃの長さとは、端子パッド側接続部４０ａの配列方向に沿って、端子パッド接続部４０ａの中心を通り、第２基板３０の主面３０ａに垂直に交わる仮想平面を設け、この仮想平面の素子端子パッド接続部４０ｂ側と反対側に位置するボンディングワイヤ４０であって、端子パッド側接続部４０ａから第２基板３０の主面３０ａの法線方向に伸びるボンディングワイヤ４０を含まず、ボンディングワイヤ４０に沿った長さのことである（図１（ｂ）を参照）。弧状部４０ｃと表現しているが、直線部分を有することを排除するものではない。

また、光学素子アレイ２０の配列方向における、吸湿による第１基板１０の長さの変化量は、吸湿による第２基板３０の長さの変化量よりも小さいことが好ましい。第１基板１０に、第２基板３０よりも吸湿による長さの変化量が小さいものを用いることにより、吸湿による光学素子アレイ２０の所定位置からのずれ量が小さくなるため好ましい。

また、図３に示す第１変形例のように、光学素子アレイ２０の列の上にレンズ部材６０を備えたハウジング７０を、光学素子ヘッド１の第１基板１０の光学素子アレイ２０が搭載されている面を覆うように配置してもよい。本例のレンズ部材６０はロッドレンズアレイであり、発光素子アレイ２０に対応して設けられ、発光素子アレイ２０の各々の光学素子２０ａが発する光を集光する機能を有している。ハウジング７０の第１基板１０への取付けは、例えば、エポキシ樹脂およびシリコーン樹脂などの樹脂系接着剤、あるいはポリエステル、不織布、アクリルフォーム、ポリイミド、塩化ビニル（ＰＶＣ）およびアルミ箔などの基材に対してアクリル系粘着剤、ゴム系粘着剤およびシリコーン系粘着剤の接着剤が塗布された両面テープ、あるいはねじ止めによって固定してもよい。

図４に示すように、レンズ部材６０を備える場合、ボンディングワイヤ４０のうちレンズ部材６０の開口角内に位置している部分は、この部分と光学素子アレイ２０の上面とのなす角度がレンズ部材６０の半開口角（θ）未満であることが好ましい。このような構成とすることによって、光学素子２０ａの発した光が開口角内に位置しているボンディングワイヤ４０の部分で反射されたとしても、反射光がレンズ部材６０に入射されることがないため、光学素子ヘッド１によって形成される画像はより安定したものとなる。つまり、このような構成とすることで、迷光が発生したとしても、迷光の影響を受けがたい光学素子ヘッド１とすることができる。

開口角とは、レンズ部材６０の光を受光可能な範囲のことであり、レンズ部材６０の種類によって特有の値である。一般的に２θとして表される。半開口角はθである。

１ 光学素子ヘッド
１０ 第１基板
２０ 光学素子アレイ
２０ａ 光学素子
２０ｂ 素子端子パッド
３０ 第２基板
３０ａ 主面
３０ｂ 端子パッド
４０ ボンディングワイヤ
４０ａ 端子パッド側接続部
４０ｂ 素子端子パッド側接続部
４０ｃ 弧状部
５０ 接着剤
６０ レンズ部材
１００ 画像形成装置
１１０ 電子写真感光体
１１１ 帯電器
１１２ 現像器
１１３ 転写器
１１４ 定着器
１１５ クリーニング器
１１６ 除電器

Claims (5)

1. 長尺状の第１基板と、該第１基板の主面に列状に配置された、上面に複数の光学素子および該光学素子に対応して設けられた複数の素子端子パッドを有する複数の光学素子アレイと、前記第１基板の主面に前記光学素子アレイの列に沿って配置された長尺状の第２基板と、該第２基板の主面に列状に設けられた前記複数の素子端子パッドに対応する複数の端子パッドと、互いに対応する前記素子端子パッドおよび前記端子パッドをそれぞれ接続する複数のボンディングワイヤとを備え、
   該ボンディングワイヤは、前記端子パッドに接続された端子パッド側接続部と、前記素子端子パッドに接続された素子端子パッド側接続部と、前記素子端子パッド側接続部から見て前記端子パッドの列よりも遠くに位置する弧状部とを有することを特徴とする光学素子ヘッド。
2. 前記弧状部の長さは、前記光学素子アレイの配列方向における中央部に位置する前記ボンディングワイヤよりも両端部に位置する前記ボンディングワイヤにおいて長いことを特徴とする請求項１に記載の光学素子ヘッド。
3. 前記光学素子アレイの配列方向における、吸湿による前記第１基板の長さの変化量は、吸湿による前記第２基板の長さの変化量よりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子ヘッド。
4. 前記光学素子アレイの列の上にレンズ部材がさらに配置されており、
   前記ボンディングワイヤのうち前記レンズ部材の開口角内に位置している部分は、該部分と前記光学素子アレイの上面とのなす角度が前記レンズ部材の半開口角未満であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学素子ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学素子ヘッドを備えた画像形成装置。

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