JP2020026139A

JP2020026139A - プリントヘッド

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Publication number: JP2020026139A
Application number: JP2019147524A
Authority: JP
Inventors: 知也佐藤; Tomoya Sato
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2018-08-10
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2020-02-20
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: TW202009144A; US10823902B2; CN110816075B; TWI777080B; US20200049879A1; JP6752948B2; CN110816075A

Abstract

【課題】露光特性の向上が図られたプリントヘッドを提供する。【解決手段】プリントヘッド１は、格子状を呈する遮光部１１と該遮光部１１で画成された複数の導光路１２とを有する導光部１０と、各導光路１２に入射される光を発する有機ＥＬ発光素子２１が複数並んだ発光素子アレイ２０とを備えている。プリントヘッド１においては、導光部１０の複数の導光路１２が３０μｍ以下の同一幅Ｗ１２に設計されているため、露光特性の一つである露光ムラの低減が図られている。【選択図】図２

Description

本発明は、プリントヘッドに関する。

近年、有機ＥＬ素子等の発光素子を光源に用いたプリントヘッドの開発が進められている。光学系プリントヘッドでは、光源の光を結像させるための光学系として、通常、セルフォックレンズアレイ（セルフォックは日本板硝子株式会社の登録商標）等のＧＲＩＮレンズが用いられる。

特開２０００−１５６２８５号公報

しかしながら、ＧＲＩＮレンズは、比較的大きな寸法を有し、かつ、発光素子が基板上に形成される場合には、発光素子が形成された基板面（表面）とは反対側の基板面（裏面）に設ける必要があるため、プリントヘッドの寸法が大きくなってしまう。

発明者らは、プリントヘッドの小型化について研究を進め、ＧＲＩＮレンズの代わりに格子状断面の遮光部を有する部材を用いることで略平行光を得ることができるとの知見を得た。

発明者らは、格子状断面の遮光部を有する部材についてさらに研究を進め、露光特性の向上を図ることができる技術を新たに見出した。

本発明は、露光特性の向上が図られたプリントヘッドを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るプリントヘッドは、結像用の光を発するプリントヘッドであって、第１の方向に沿って延びるとともに、第１の方向から見て格子状を呈する遮光部と該遮光部で画成された複数の導光路とを有し、または、第１の方向から見て並列配置または千鳥配置された複数の導光路と該導光路を画成する遮光部とを有し、第１の方向に直交する第２の方向に沿って遮光部と導光路とが交互に並んだ導光部と、第１の方向に関して導光部の一方側に位置し、各導光路に入射される光を発する発光素子が第２の方向に沿って等間隔で複数並んだ発光素子アレイとを備え、複数の導光路が、第２の方向に関して３０μｍ以下である同一幅を有する。

発明者らは、導光部の複数の導光路を３０μｍ以下である同一幅とすることで、露光のムラが低減され、プリントヘッドの露光特性が向上することを新たに見出した。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、複数の導光路の幅が１０μｍ以上である。この場合、露光において実用上十分な光量が得られる。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、第２の方向において隣り合う導光路の間に介在する部分の遮光部の幅が１５μｍ以下である。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、導光路の第１の方向に直交する断面における断面形状が真円状または多角形状である。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、発光素子が有機ＥＬ発光素子である。

本発明の様々な態様によれば、露光特性の向上が図られたプリントヘッドが提供される。

図１は、実施形態に係るプリントヘッドを示す断面図である。図２は、図１の導光部を示した斜視図である。図３は、導光路の幅と階調比との関係を示したシミュレーション結果のグラフである。図４は、導光路の幅と階調比との関係を示した実測データのグラフである。図５は、導光路の幅と光量伝達効率との関係を示すグラフである。図６は、異なる態様の導光部を示した断面図である。図７は、異なる態様の導光部を示した断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

実施形態に係るプリントヘッド１は、図１に示すように、プリントヘッド１は、導光部１０と発光素子アレイ２０とを備えて構成されている。

導光部１０は、図１および図２に示すように、四角柱状の外形を有しており、一方向に沿って延びている。以下の説明では、導光部１０の延在方向をＺ方向（第１の方向）、Ｚ方向に直交する四角形断面における導光部１０の一辺に沿う方向をＸ方向（第２の方向）、該四角形断面においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とも称す。

導光部１０は、遮光部１１と複数の導光路１２とを備えて構成されている。

遮光部１１は、複数の隔壁１１ａと複数の外周壁１１ｂとによって構成されている。遮光部１１は、遮光性の高い材料（たとえば、ブラックマトリクス材料やめっき材料等）によって構成されている。遮光部１１は、Ｚ方向から見て格子状を呈し、より具体的には升目格子状を呈する。換言すると、導光部１０のＸＹ断面（および端面）において、正方形状を有する複数の導光路１２が並列配置されている。本実施形態では、遮光部１１は、Ｘ方向に沿って並ぶ４つの隔壁１１ａ、Ｙ方向に沿って並ぶ４つの隔壁１１ａ、および、導光部１０の外周面を構成する４つの外周壁１１ｂを含み、５行５列の格子状を呈する。遮光部１１の格子の行および列の数は、適宜増減することができる。

導光路１２は、遮光部１１によって画成された空隙（エアギャップ）である。本実施形態では、導光部１０は２５個の導光路１２を含んでいる。遮光部１１の隣り合う隔壁１１ａの間隔（および隔壁１１ａと外周壁１１ｂとの間隔）は均一になるように設計されており、導光路１２はいずれも同一の開口寸法および断面寸法を有する。導光部１０においては、その端面およびＸＹ断面において、Ｘ方向に沿って遮光部１１の隔壁１１ａと導光路１２とが交互に並んでおり、Ｙ方向に沿って遮光部１１の隔壁１１ａと導光路１２とが交互に並んでいる。

本実施形態において、導光部１０のＺ方向に関する長さＬ１は１００〜３００μｍ（一例として１５０μｍ）である。導光部１０のＸ方向に関する長さＬ２およびＹ方向に関する長さＬ３は、遮光部１１の格子の行および列の数に応じて変わり、発光素子アレイ２０の寸法と同じになるようにまたは発光素子アレイ２０の寸法より長くなるように設計され得る。

また、本実施形態において、Ｘ方向に並んだ各隔壁１１ａの幅Ｗ１１は１５μｍ以下となるように設計されており、一例として１０μｍである。Ｙ方向に並んだ各隔壁１１ａに関しても、Ｘ方向に並んだ各隔壁１１ａの幅Ｗ１１と同じ幅になるように設計されている。さらに、本実施形態において、各導光路１２のＸ方向に関する幅Ｗ１２は１０μｍ以上３０μｍ以下となるように設計されており、一例として１５μｍである。各導光路１２のＹ方向に関する幅については、幅Ｗ１２と同じ幅になるように設計されている。

本実施形態では、導光部１０のＺ方向に関する長さＬ１は、導光路１２の幅Ｗ１２の１０倍となるように設計されている。

また、遮光部１１の各導光路１２には、透光性部材が充填されていてもよい。各導光路１２は、透光性部材によって完全に埋められていてもよい。

導光部１０の遮光部１１はたとえば射出成形によって形成することができる。この場合、遮光部１１の構成材料としては遮光性を有する樹脂が採用され得る。遮光部１１を射出成形によって形成した後、フォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術を用いて、上述した透光性部材の一種である透光性を有する樹脂を各導光路１２に充填してもよい。また、導光部１０の遮光部１１はＭＥＭＳ技術を用いて形成することができる。この場合、遮光部１１の構成材料としてはシリコンが採用され得る。遮光部１１をＭＥＭＳ技術を用いて形成した後、フォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術を用いて、上述した透光性部材の一種である透光性を有する樹脂を各導光路１２に充填してもよい。

各導光路１２が透光性部材で埋められた構成の導光部１０を形成する場合には、透光性部材を形成した後に遮光部１１を形成することができる。たとえば、フォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術を用いて、上述した透光性部材の一種である透光性を有する樹脂を、導光路１２の形状に成型する。透光性部材を成型した後は、透光性部材の間隙に遮光性の高い材料を流し込んで、遮光部１１を形成する。この場合、遮光部１１の構成材料としては黒色樹脂が採用され得る。

図１に示すように、導光部１０の一方の端面１０ａ（図１における下端面）側には、基体２２が配置されている。基体２２は、平板状の形状を有し、透光性を有する材料で構成されている。本実施形態では、基体２２はガラス基板である。基体２２の厚さ（すなわちＺ方向長さ）は、一例として０．１ｍｍである。基体２２の一方面２２ａは導光部１０の端面１０ａと対面するとともに端面１０ａと接している。

基体２２の他方面２２ｂ上には発光素子アレイ２０が設けられている。発光素子アレイ２０は、等間隔で並んだ複数の有機ＥＬ発光素子２１で構成されている。なお、図１では、Ｘ方向に並ぶ有機ＥＬ発光素子２１を示しているが、発光素子アレイ２０の有機ＥＬ発光素子２１はＸ−Ｙ面内において格子状または千鳥状に並んでいてもよい。本実施形態において、Ｘ方向において隣り合う有機ＥＬ発光素子２１の離間幅Ｗ２１は８０μｍであり、有機ＥＬ発光素子２１のＸ方向に関する幅Ｗ２２は８０μｍである。発光素子アレイ２０の幅Ｗ２３は、導光部１０の幅（図２のＬ２に相当）より狭くなるように設計することができる。各有機ＥＬ発光素子２１は、Ｚ方向から見て、正方形状や長方形状、多角形状（たとえば八角形状）であってもよい。

有機ＥＬ発光素子２１は、一例として単色の白色光を発生する有機ＥＬ発光素子である。有機ＥＬ発光素子２１は、有機ＥＬ層がその厚さ方向（基体２２の厚さ方向。Ｚ方向）において一対の電極で挟まれた構造を有する。一対の電極のうち、導光部１０側の電極は、たとえばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）またはＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）等で構成された透明電極となっている。有機ＥＬ層は、電子および正孔が注入されることによって発光する有機化合物（発光材料）を少なくとも含む層である。有機化合物は、低分子化合物でもよく、高分子化合物でもよい。有機ＥＬ層は、上記発光材料を含んだ発光層に加えて、電子注入層、電子輸送層、正孔注入層、正孔輸送層等を有してもよい。また、有機ＥＬ層の発光材料は、蛍光材料でもよく、燐光材料でもよい。なお、図１では、各有機ＥＬ発光素子２１に駆動電力を供給する配線や駆動回路等は省略されている。

導光部１０の他方の端面１０ｂ（図１における上端面）は、フィルム２４によって覆われている。フィルム２４は、導光部１０の内部に塵埃が入り込むのを抑制するために設けられる。フィルム２４は適宜省略することができる。

プリントヘッド１は、さらに、基体２２の一方面２２ａ上において導光部１０の周囲を囲む保持部材２６を備えている。保持部材２６は、導光部１０の周囲において導光部１０を保持している。保持部材２６は、導光部１０の端面１０ｂと面一になる高さとなるように設けられている。保持部材２６は、遮光性を有する材料で構成することができ、または、透光性を有する材料（たとえばエポキシ樹脂やアクリル樹脂等の透光性樹脂材料）で構成することができる。保持部材２６が透光性を有する場合、保持部材２６は、導光路１２に充填される透光性部材と同一の材料で構成することができる。なお、プリントヘッド１は、保持部材２６を備えない態様とすることもできる。

上述したプリントヘッド１においては、光源である発光素子アレイ２０の各有機ＥＬ発光素子２１に駆動電力を供給すると、各有機ＥＬ発光素子２１から光が発生する。有機ＥＬ発光素子２１により発生した光は、基体２２を介して、導光部１０の一方の端面１０ａ側から各導光路１２に入射する。導光路１２に入射した光のうち、導光路１２の延在方向（すなわち、Ｚ方向、かつ、導光部１０の延在方向）に平行な光や平行に近い光のみが選択的に導光路１２を通過して、導光部１０の他方の端面１０ｂから射出される。換言すると、発光素子アレイ２０から導光路１２に入射された光は、導光路１２を通過することで、導光路１２の延在方向に略平行な光となり、指向性が高められる。すなわち、指向性の高い光が導光部１０の端面１０ｂから射出される。

プリントヘッド１の露光対象（図示せず）は、導光部１０の端面１０ｂに対向する位置に配置される。露光対象には、プリントヘッド１から高い指向性の光が照射される。露光対象は、高い解像度を実現する観点から、導光部１０の端面１０ｂに近接して配置され、一例として導光部１０の端面１０ｂに対して１００μｍ程度に近接するように配置される。露光対象は、フィルム２４に接するように配置され得る。

上述したプリントヘッド１においては、導光部１０の複数の導光路１２が１５μｍの同一幅に設計されているため、高い露光特性が実現されている。具体的には、導光部１０の複数の導光路１２が３０μｍ以下の同一幅に設計されているため、露光特性の一つである露光ムラの低減が図られている。また、導光部１０の複数の導光路１２が１０μｍ以上の同一幅に設計されているため、露光特性の一つである光量が十分に得られている。

ここで、プリントヘッド１における露光特性について、図３〜５を参照しつつ説明する。

発明者らは、露光特性の一つである露光ムラに関し、導光路１２の幅Ｗ１２と階調比との関係をシミュレーションにより確認した。シミュレーションは、光学系解析ソフトを用い、光線追跡計算をモンテカルロ法によりおこなった。シミュレーションでは、露光対象と導光路１２との離間距離（すなわち、露光対象と導光部１０の端面１０ｂとの離間距離）を１００μｍとした。シミュレーション結果は、図３に示すとおりとなった。図３のグラフにおいて、横軸はＸ方向（主走査方向）に関する位置[μｍ]を示し、縦軸は階調比を示している。図３（ａ）では、導光路１２の幅Ｗ１２が２０μｍであるときの階調比を実線で示し、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍであるときの階調比を破線で示している。図３（ｂ）では、導光路１２の幅Ｗ１２が４０μｍであるときの階調比を一点鎖線で示し、導光路１２の幅Ｗ１２が５０μｍであるときの階調比を二点鎖線で示している。

図３（ａ）のグラフから、導光路１２の幅Ｗ１２が２０μｍである場合および３０μｍである場合では、露光ムラ（スジムラ）の周期が短くなる（およそ８０μｍ）ことが確認された。一方、図３（ｂ）のグラフから、導光路１２の幅Ｗ１２が４０μｍである場合および５０μｍである場合では、露光ムラの周期が長くなる（およそ２３０μｍ）ことが確認された。

図４のグラフは、導光路１２の幅Ｗ１２と階調比との関係を示した実測データである。図４のグラフにおいて、横軸はＸ方向に関する位置[ｍｍ]を示し、縦軸は階調比を示している。図４では、導光路１２の幅Ｗ１２が２０μｍであるときの階調比を実線で示し、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍであるときの階調比を破線で示し、導光路１２の幅Ｗ１２が５０μｍであるときの階調比を一点鎖線で示している。

図４のグラフからも、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍ以下の場合は、露光ムラはほとんど生じないが、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍを超えた場合（すなわち、５０μｍ幅の場合）には、大きな周期の露光ムラが生じることが確認された。

以上の結果から、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍ以下となるように設計することで、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍを超える場合に比べて、露光ムラの周期が１／３程度に短縮されることが確認された。すなわち、導光路１２の幅Ｗ１２が３０μｍ以下であるプリントヘッド１によれば、高い露光特性を実現することができる。

上述した露光ムラは、隔壁１１ａの影に起因しており、有機ＥＬ発光素子２１の幅Ｗ２２が導光路１２の幅Ｗ１２と一致するとともに有機ＥＬ発光素子２１の離間幅Ｗ２１が隔壁１１ａの幅Ｗ１１と一致し、かつ、有機ＥＬ発光素子２１と導光路１２とが完全に位置合わせされている場合には生じないが、それ以外の場合には生じ得る。そのため、上述した実施形態のように、有機ＥＬ発光素子２１が導光路１２の幅Ｗ１２より広い幅Ｗ２２を有する場合には露光ムラが生じる。また、もし仮に有機ＥＬ発光素子２１が導光路１２の幅Ｗ１２と同じ幅Ｗ２２を有する場合であっても、有機ＥＬ発光素子２１と導光路１２とを基体２２を介して精密に位置合わせすることは極めて困難であるため、露光ムラが生じ得る。さらに、上述した実施形態のように露光対象を導光部１０に近接配置した場合は、解像度が高まる一方で、露光ムラが生じやすくなる。上述したプリントヘッド１は、露光ムラが生じる条件下において、露光ムラを効果的に低減することができる。

また、発明者らは、露光特性の一つである光量に関し、導光路１２の幅Ｗ１２と光量伝達率との関係をシミュレーションにより確認した。測定結果は、図５に示すとおりとなった。図５のグラフにおいて、横軸は導光路１２の幅Ｗ１２[μｍ]を示し、縦軸は光量伝達率[％]を示している。

図５のグラフから、導光路１２の幅Ｗ１２が広くなるほど光量伝達率が高くなる（単調増加する）ことが確認された。換言すると、導光路１２の幅Ｗ１２が狭くなって開口率（ＸＹ断面における導光路１２の面積割合）が下がると光量伝達率が低下し、その結果、像が暗くなってしまう。実用上十分に明るい像を得るには、約３．３％以上の光量伝達率が必要である。図５のグラフに示すように、光量伝達率が３．３％となる導光路１２の幅Ｗ１２は１０μｍであるため、導光路１２の幅Ｗ１２が１０μｍ以上となるように設計することで、実用上十分な光量が得られる。すなわち、導光路１２の幅Ｗ１２が１０μｍ以上であるプリントヘッド１によれば、さらに高い露光特性を実現することができる。

なお、上述した露光ムラは、露光対象を導光部１０から遠ざけたり、露光対象と導光部１０との間に拡散板やレンズ等の光学部品を配置したりすることでも、低減することが可能である。しかしながら、その場合には解像度の低下や装置の大型化、部品点数の増加、製造工程の複雑化等の不具合が生じる。すなわち、上述したプリントヘッド１は、解像度の低下や装置の大型化、部品点数の増加、製造工程の複雑化等の不具合を回避しつつ、露光ムラの低減が図られている。

本発明によるプリントヘッドは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。

たとえば、有機ＥＬ発光素子により発生する光は、白色光ではなく、赤色光や青色光等の単色光であってもよい。また、発光素子アレイを構成する発光素子は、有機ＥＬ発光素子に限らず、液晶素子や蛍光表示管であってもよい。発光素子と基体との間にカラーフィルタが配置されていてもよく、単色の白色光を発生する発光素子を用いつつ、カラー化された光を導光部１０の端面１０ｂから射出することができる。たとえば、カラーフィルタでＲＧＢ各色にカラー化することで、導光部１０の端面１０ｂからフルカラーの光を射出することができる。

さらに、基体２２には、ガラス基板以外に、シリコン基板やプラスチック基板を用いることもできる。基体２２は可撓性を有してもよく、この場合、たとえばＰＥＴフィルム（ポリエチレンテレフタレートフィルム）やＰＩフィルム（ポリイミドフィルム）等の樹脂フィルムを用いることができる。

また、導光部の導光路の開口形状および断面形状は、正方形に限らず、長方形状や帯状、線状、四角形以外の多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。さらに、導光部の導光路は、導光部の延在方向から見て千鳥状に配置してもよい。また、導光部の導光路の数や発光素子の数は、適宜増減することができる。さらに、導光部の導光路の内壁面には、内壁面における反射を抑制するために、めっきや熱処理等によって形成した反射防止膜を設けてもよい。

導光部は、図６および図７に示したような態様であってもよい。図６、７はいずれも導光路の延在方向（Ｚ方向）に直交するＸＹ断面おける導光部の断面形状を示している。

図６に示した導光部１０では、断面（および端面）において複数の導光路１２が、所定の間隔（一例として１０μｍ間隔）で、並列配置されている。図６（ａ）に示した導光部１０の各導光路１２は真円状の断面形状（一例として直径３０μｍ）を有し、図６（ｂ）に示した導光部１０の各導光路１２は六角形状の断面形状（一例として幅３０μｍ）を有する。

図７に示した導光部１０では、断面（および端面）において複数の導光路１２が、所定の間隔（一例として１０μｍ間隔）で、千鳥配置されている。図７（ａ）に示した導光部１０の各導光路１２は真円状の断面形状（一例として直径３０μｍ）を有し、図７（ｂ）に示した導光部１０の各導光路１２は六角形状の断面形状（一例として幅３０μｍ）を有し、図７（ｃ）に示した導光部１０の各導光路１２は正方形状の断面形状（一例として３０μｍ角）を有する。

１…プリントヘッド、１０…導光部、１０ａ、１０ｂ…端面、１１…遮光部、１２…導光路、２０…発光素子アレイ、２１…有機ＥＬ発光素子、２２…基体。

Claims

結像用の光を発するプリントヘッドであって、
第１の方向に沿って延びるとともに、前記第１の方向から見て格子状を呈する遮光部と該遮光部で画成された複数の導光路とを有し、または、前記第１の方向から見て並列配置または千鳥配置された複数の導光路と該導光路を画成する遮光部とを有し、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って前記遮光部と前記導光路とが交互に並んだ導光部と、
前記第１の方向に関して前記導光部の一方側に位置し、前記各導光路に入射される光を発する発光素子が前記第２の方向に沿って等間隔で複数並んだ発光素子アレイと
を備え、
前記複数の導光路が、前記第２の方向に関して３０μｍ以下である同一幅を有する、プリントヘッド。
前記複数の導光路の幅が１０μｍ以上である、請求項１に記載のプリントヘッド。
前記第２の方向において隣り合う前記導光路の間に介在する部分の前記遮光部の幅が１５μｍ以下である、請求項１または２に記載のプリントヘッド。
前記導光路の前記第１の方向に直交する断面における断面形状が真円状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプリントヘッド。
前記導光路の前記第１の方向に直交する断面における断面形状が多角形状である、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプリントヘッド。
前記発光素子が有機ＥＬ発光素子である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプリントヘッド。