JP2744549B2 - ラインヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、端面発光型ＥＬ素子を
アレイ状に連設したラインヘッドに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、実用化された発光素子の一つとし
てＥＬ(Ｅlectro Ｌuminescence)素子があるが、これ
は不足しがちな発光輝度の改善が要望されている。そこ
で、表面が発光する従来のＥＬ素子に比較して百倍程の
発光輝度を示す端面発光型ＥＬ素子が開発された。この
端面発光型ＥＬ素子とは、活性元素を含む硫化亜鉛等か
らなる薄膜状の活性層を誘電体層で包囲して光導波路を
形成し、この誘電体層の外面に相対向する電極層を形成
したもので、これらの電極層間に高電圧パルスを通電す
ると活性層の端面から極扁平なビーム光を出射するよう
になっている。

【０００３】そこで、このような端面発光型ＥＬ素子を
連設したラインヘッドの従来例を図１１ないし図１６に
基づいて説明する。まず、図１２に例示するように、こ
のラインヘッド１の端面発光型ＥＬ素子２は、マンガン
などの活性元素を含む硫化亜鉛等の薄膜層からなる活性
層３を三酸化イットリウム等の薄膜層からなる誘電体層
４，５で包囲し、この上下面に薄膜層である電極層６，
７を形成した構造となっている。そして、図１１に例示
するように、このラインヘッド１は、多数の前記端面発
光型ＥＬ素子２を透明基板８上に薄膜技術で分割形成
し、図１３に例示するように、例えば、ｍ×ｎ個の前記
端面発光型ＥＬ素子２をｍ個のコモン電極９₁〜９ｍと
ｎ個のブロック電極１０₁〜１０ｎとでマトリクス配線
した構造などとなっている。

【０００４】より具体的には、図１４及び図１５に例示
するように、このラインヘッド１では、少なくとも前面
が透明で前記端面発光型ＥＬ素子２を包囲する形状のカ
バー部材１１が前記透明基板８に固定されており、この
ようなカバー部材１１の内部空間にシリコンオイル等の
防湿剤１２が封入されている。そして、この防湿剤１２
や前記カバー部材１１を介して前記端面発光型ＥＬ素子
２と対向する位置に、集光素子であるロッドレンズアレ
イ１３がスペーサ(図示せず)を介するなどして配置され
ている。

【０００５】そこで、このような構造のラインヘッド１
を利用したラインプリンタ１４は、図１６に例示するよ
うに、回転自在に軸支された感光ドラム１５の外周面と
対向する位置に、少なくとも帯電チャージャ(図示せず)
と前記ラインヘッド１と現像器(図示せず)と転写チャー
ジャ(図示せず)とを順次配置し、この転写チャージャと
前記感光ドラム１５との間に印刷用紙の搬送路を形成し
た構造などとなっている。なお、このラインプリンタ１
４では、前記ラインヘッド１の端面発光型ＥＬ素子２は
ロッドレンズアレイ１３を前記感光ドラム１５に対向さ
せており、前記ラインヘッド１の後部には駆動回路１６
が実装されている。

【０００６】このような構成において、このラインヘッ
ド１は、駆動回路１６から各電極９，１０に選択的に駆
動パルスを通電することで所定位置の端面発光型ＥＬ素
子２を発光駆動することができるので、ラインプリンタ
１４の回転する感光ドラム１５の帯電した外周面上に静
電潜像を形成することができる。そこで、この感光ドラ
ム１５の静電潜像を現像器から供給される帯電トナーで
現像して転写チャージャの放電電位で印刷用紙に転写す
ることで、この印刷用紙上にはドットマトリクスの印刷
画像が形成されることになる。

【０００７】なお、このラインヘッド１では、ロッドレ
ンズアレイ１３で端面発光型ＥＬ素子２の出射光を集光
することで、その光学特性を向上させて印刷画像の高密
度化に寄与するようになっている。また、このラインヘ
ッド１では、端面発光型ＥＬ素子２をカバー部材１１と
防湿剤１２とで封止することで、高電圧の駆動パルスの
短絡による破壊や高湿外気の接触による侵蝕を防止する
ようになっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述したラインヘッド
１では、各電極９，１０に駆動パルスが通電された端面
発光型ＥＬ素子２の出射光をロッドレンズアレイ１３で
集光することで光学特性を向上させるようになってい
る。ここで、このラインヘッド１の光出射部は、端面発
光型ＥＬ素子２の積層された薄膜層の平面方向に位置す
るので、この平面方向である端面発光ＥＬ素子２の発光
端面の前方にロッドレンズアレイ１３が配置されてい
る。

【０００９】しかし、上述のような光出射部にロッドレ
ンズアレイ１３を配置したラインヘッド１を本出願人が
実際に試作したところ、その光強度は理論値に比較して
極端に低いことが確認された。そこで、このような端面
発光型ＥＬ素子２の各方向の発光強度を測定したとこ
ろ、図１７に例示するように、活性層３の平面方向とな
る発光端面の前方の位置よりも上下に傾斜した位置で発
光強度が非対称に高くなることが確認された。より具体
的には、端面発光型ＥＬ素子２の前方の位置の発光強度
を“1.0”とすると、上方に15度傾斜した方向の発光強
度は“1.5”で下方に40度傾斜した方向の発光強度は
“4.0”となっており、このように出射光の強度分布が
上下方向で非対称となるのは、端面発光型ＥＬ素子２の
発光端面の平滑性が良好でないために防湿剤１２やカバ
ー部材１１を透過する出射光が屈折しているらしいと予
想された。なお、この場合の各部の屈折率は、空気を
“1.0”とすると、端面発光型ＥＬ素子２の活性層３が
“2.4”、透明基板８とカバー部材１１とが“1.53”、
防湿剤１２が“1.42”となっており、これらの数値を変
更すると出射光の強度分布も必然的に変化することにな
る。

【００１０】そして、上述のような端面発光型ＥＬ素子
２の発光端面の形状不良は、この形成をエッチングで行
なっていることに起因している。つまり、このような端
面発光型ＥＬ素子２の発光端面を形成する方法である薄
膜技術のエッチング法としては、反応ガスやアルゴンイ
オンによるドライエッチング等の物理的加工方法と、エ
ッチング液による化学的加工方法とがある。例えば、こ
のような化学的加工方法のエッチングは生産性は良好で
あるが、その加工形状を厳密に管理することが困難であ
るため、必然的に発光端面の平滑性が低下しがちであ
る。

【００１１】例えば、上述のように端面発光型ＥＬ素子
２の薄膜層の平面方向の発光強度が低下しているライン
ヘッド１でも、これに通電する駆動電力を増加すること
で必要な発光強度を確保することが考えられるが、これ
では消費電力が増加すると共に駆動回路１６や電源回路
(図示せず)等を大型化する必要も生じるので実用的でな
い。このため、端面発光型ＥＬ素子２を連設したライン
ヘッド１を実施する場合、発光強度が高く消費電力が低
いラインヘッドを良好な生産性で実施することが困難と
なっている。

【００１２】本発明は、発光強度が高く消費電力が低い
と共に生産性も良好なラインヘッドを得るものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
基板上に順次積層した電極層と誘電体層と活性層と誘電
体層と電極層とをエッチングでアレイ状に分割すること
で多数の端面発光型ＥＬ素子を連設し、これらの端面発
光型ＥＬ素子の電極層間に駆動パルスを通電することで
前記活性層の発光端面から薄膜層の平面方向に光を出射
するラインヘッドにおいて、前記端面発光型ＥＬ素子の
薄膜層の平面方向から積層方向に傾斜した位置に光出射
部を形成した。

【００１４】請求項２記載の発明は、端面発光型ＥＬ素
子の薄膜層の平面方向から積層方向に傾斜した光出射部
に集光素子を配置した。

【００１５】

【作用】請求項１記載の発明は、エッチングによって発
光端面が傾斜した端面発光型ＥＬ素子の高強度の光成分
を有効に利用することができるので、ラインヘッドの発
光強度の向上と消費電力の低減とに寄与することがで
き、このように高性能なラインヘッドをエッチングで製
作することができるので、ラインヘッドの生産性の向上
に寄与することができ、発光強度が高く消費電力が低い
と共に生産性も良好なラインヘッドを得ることができ
る。

【００１６】請求項２記載の発明は、エッチングによっ
て発光端面が傾斜した端面発光型ＥＬ素子の高強度の光
成分を集光素子で潜像担持体などに良好に集光すること
ができるので、簡易な構造で実用的なラインヘッドを得
ることができる。

【００１７】

【実施例】本発明の実施例を図１ないし図１０に基づい
て説明する。まず、このラインヘッド１７は、図６に例
示するように、電子写真方式のラインプリンタ１８の一
部として形成されている。ここで、このラインプリンタ
１８は、回転自在に軸支された感光ドラム１９の外周面
上に、トナークリーナ２０、帯電チャージャ２１、前記
ラインヘッド１７、現像器２２、転写チャージャ２３等
を順次対向配置し、この転写チャージャ２３と前記感光
ドラム１９との間に用紙搬送路を形成した構造となって
いる。

【００１８】そして、このようなラインプリンタ１８の
一部となる本実施例のラインヘッド１７は、図２ないし
図５に例示するように、端面発光型ＥＬ素子２が形成さ
れた透明基板８の上下面の各々に、凹溝２４が底面に形
成された上部カバー２５と平板状の下部カバー２６を取
付け、これらのカバー２５，２６の前面に平板状の透明
な前部カバー２７を取付けた構造となっている。ここ
で、前記上部・下部カバー２５，２６は透明基板８の前
縁部から前方に突出しており、互いに対向する側部にス
ペーサ２８が取付けられている。そこで、このラインヘ
ッド１７では、前記カバー２５，２６と前部カバー２７
とスペーサ２８とで端面発光型ＥＬ素子２を包囲するカ
バー部材２９が形成されており、このようなカバー部材
２９の内部空間に防湿剤３０が封入されている。ここ
で、このラインヘッド１７では、カバー部材２９の上部
カバー２５の一端に前記防湿剤３０の注入口３２が形成
されると共に他端には空気用の排気口３３が形成されて
おり、この排気口３３と前記注入口３２とは封止板３４
が接着されることで封止されている。

【００１９】そして、このラインヘッド１７では、図１
等に例示するように、前記端面発光型ＥＬ素子２の薄膜
層の平面方向から積層方向である上方に15度傾斜した位
置に光出射部が形成されており、この光出射部上に集光
素子であるロッドレンズアレイ１３が配置されている。
なお、このラインヘッド１７では、上述のように光出射
方向は薄膜層の平面方向に対して傾斜しているので、図
６に例示したように、このラインヘッド１７を利用した
ラインプリンタ１８では、ラインヘッド１７は前記感光
ドラム１５の直径方向に対して透明基板８等の平面方向
が傾斜してロッドレンズアレイ１３の光軸方向が一致し
た状態で位置決めされている。また、このラインヘッド
１７では、ロッドレンズアレイ１３の位置が光出射部と
なっているが、このようなロッドレンズアレイ１３が無
い場合は、その光出射部は前部カバー２７の前面に位置
することになる。

【００２０】このような構成において、本実施例で例示
するラインプリンタ１８で画像印刷を行なう場合は、回
転する感光ドラム１９の外周面をトナークリーナ２０で
清浄化してから帯電チャージャ２１のコロナ放電で帯電
させ、ここに画像信号に対応して動作するラインヘッド
１７の選択的な光照射で静電潜像を形成する。そして、
この感光ドラム１９の外周面上の静電潜像を現像器２２
から供給される帯電トナーで現像してから転写チャージ
ャ２３の放電電位で印刷用紙３５に転写することで、こ
の印刷用紙３５に画像印刷が行なわれることになる。

【００２１】ここで、本出願人が実際に試作したライン
ヘッド１７の製作方法と微細構造及び光学特性を図７に
基づいて説明する。まず、本出願人が実際に試作したラ
インヘッド１７では、低アルカリガラスからなる絶縁基
板８上に、ＩＴＯ(Ｉndium−Ｔin Ｏxide)からなる膜
厚3000(Å)の電極層７、Ｙ₂Ｏ₃からなる膜厚3000(Å)の
誘電体層４、ＺnＳ:Ｍnからなる膜厚1.0(μm)の活性層
３、Ｙ₂Ｏ₃からなる膜厚3000(Å)の誘電体層５、金属膜
からなる5000(Å)の電極層６を順次積層し、このような
薄膜層をエッチングでパターニングすることで多数の端
面発光型ＥＬ素子２を絶縁基板８上に連設した。

【００２２】この時、このエッチングとしては反応ガス
やアルゴンイオンによるドライエッチングが考えられる
が、本出願人は物理的加工方法であるイオンミリング法
を利用した。このイオンミリング法は、アルゴンイオン
により積層された薄膜層を物理的に順次エッチングする
ので、反応ガスによるドライエッチングとは異なり、物
性が異なる積層膜も連続的にエッチングすることができ
る。なお、イオンミリング装置(図示せず)とは、真空槽
内に導入したアルゴンガスをカソードから放出した電子
でイオン化して試材に誘導することでエッチングを行な
うようになっており、このようなアルゴンイオンの入射
方向に対して試材を傾斜させることでエッチング面の角
度を調節することができる。そこで、本出願人はイオン
ミリング法で端面発光型ＥＬ素子２をエッチングする
際、この表面に対するアルゴンイオンの入射角を75度と
することで、発光端面の形状精度が良好な端面発光型Ｅ
Ｌ素子２を安定的に得るものとした。なお、このように
して製作した端面発光型ＥＬ素子２の断面形状を本出願
人が観察したところ、その発光端面の傾斜角は約80度で
あった。

【００２３】そして、このようなエッチングで形成した
端面発光型ＥＬ素子２は湿気や外気による劣化が著しい
ので、これを絶縁基板８と同一材料の低アルカリガラス
からなるカバー部材２９で密閉し、このカバー部材２９
の排気口３３から空気を真空引きしながら注入口３２に
防湿剤３０を注入してから封止板３４を接着した。この
ようにすることで、微細な凹凸となる端面発光型ＥＬ素
子２の周囲に防湿剤３０を良好に充填することができ、
湿気に起因する劣化や短絡を防止することができる。

【００２４】そして、このようにして形成したラインヘ
ッド１７の発光強度を副走査方向で順次測定したとこ
ろ、これは活性層３の平面方向よりも上下に傾斜した方
向で発光強度が高くなっていることが判明した。そこ
で、このラインヘッド１７では、このように発光強度が
高い方向と一致するように光出射部を形成することで、
従来は利用されなかった高強度の光成分を画像走査に利
用するようにした。

【００２５】より具体的には、ここでは端面発光型ＥＬ
素子２の薄膜層の平面方向から上方に15度傾斜した位置
に光出射部を形成しているので、前述したように平面方
向の発光強度を“1.0”とすると光出射方向の発光強度
は“1.5”となっている。この場合、このラインヘッド
１７は、駆動電力が同一ならば発光強度は従来の1.5倍
なのでラインプリンタ１８の印刷品質の向上に寄与する
ことができ、発光強度を同一にするならば消費電力は従
来の2／3なのでラインプリンタ１８の省電力化に寄与す
ることができる。つまり、このラインヘッド１７では、
端面発光型ＥＬ素子２の発光端面が傾斜していても、発
光強度が良好で消費電力が低いので、高性能な端面発光
型ＥＬ素子２をエッチングで形成できることになり、そ
の生産性の向上に寄与することができる。

【００２６】なお、本出願人は、約8.5(inch)の主走査
方向幅に2562(dot)の端面発光型ＥＬ素子２を連設して
解像度を300(dpi)とした試作品を製作し、この試作品の
端面発光型ＥＬ素子２の薄膜層の平面方向にロッドレン
ズアレイ１３と感光ドラム１５とが位置する従来のライ
ンヘッド１と、端面発光型ＥＬ素子２の薄膜層の平面方
向から上方に15度傾斜した方向にロッドレンズアレイ１
３と感光ドラム１５とが位置する本実施例のラインヘッ
ド１７とを形成して画像印刷の比較実験を行なった。す
ると、同一の画素を印刷するために必要な駆動パルスの
個数は、従来のラインヘッド１では６パルスで、本実施
例のラインヘッド１７では４パルスとなり、このライン
ヘッド１７は消費電力が従来のラインヘッド１の2／3で
駆動回路や電源回路の小型軽量化が可能であることが実
際に確認された。

【００２７】なお、このような構造のラインヘッド１７
を実施する場合は、カバー部材２９の注入口３２に防湿
剤３０を流入させると共に排気口３３から空気を真空引
きし、カバー部材２９の内部空間に防湿剤３０を充填し
てから封止板３４を注入口３２と排気口３３とに接着す
る。このようにすることで、このラインヘッド１７で
は、カバー部材２９の微細な内部空間に防湿剤３０を簡
易かつ迅速に注入することができる。さらに、このライ
ンヘッド１７では、上部カバー２５の下面に凹溝２４を
形成することで、端面発光型ＥＬ素子２が連続して形状
が複雑な部分にも防湿剤３０を良好に充填できるように
なっている。

【００２８】ここで、上述のような構造のラインヘッド
１７では、端面発光型ＥＬ素子２に接続されて透明基板
８の上面後縁部に形成された各電極９，１０上にボンデ
ィング接続やチップ部品の実装を行なうことになるの
で、透明基板８の下面側に基準面が位置することが望ま
しい。そして、このラインヘッド１７では、封止板３４
はカバー部材２９の上面に取付けられて底面は平坦であ
るので、これを基準面としてラインヘッド１７の位置決
めや取付けを良好に行なうことができる。

【００２９】なお、本実施例のラインヘッド１７では、
光出射部が上方に傾斜しているので、この光路上にカバ
ー部材２９の角部等が位置すると出射光に不要な屈折が
生じることになる。そこで、本実施例のラインヘッド１
７では、図示するように、前部カバー２７を上方に延長
することで、端面発光型ＥＬ素子２の上方に15度傾斜し
た出射光の光路上にカバー部材２９の角部等が位置しな
いようにしている。

【００３０】また、本実施例のラインヘッド１７では、
端面発光型ＥＬ素子２の薄膜層の平面方向から積層方向
の一方である上方に15度傾斜した位置に光出射部を形成
することで、出射光の光強度を従来の1.5倍とすること
を例示したが、本発明は上記構造に限定されるものでは
なく、図８及び図９に例示するように、端面発光型ＥＬ
素子２の薄膜層の平面方向から積層方向の一方である下
方に40度傾斜した位置に光出射部を形成してロッドレン
ズアレイ１３を配置したラインヘッド３６なども実施可
能である。この場合、前述したように端面発光型ＥＬ素
子２の薄膜層の平面方向から下方に40度傾斜した方向の
発光強度は、前述したように平面方向の発光強度を“1.
0”とすると“4.0”となっているので、このラインヘッ
ド３６は印刷品質の向上や省電力化に極めて有効に寄与
することができる。

【００３１】ここで、本出願人は前述したような試作品
を利用して、従来例のラインヘッド１の出射光に相当す
る端面発光型ＥＬ素子２の薄膜層の平面方向と、ライン
ヘッド１７の出射光に相当する15度上方に傾斜した光出
射部と、ラインヘッド３６の出射光に相当する40度下方
に傾斜した光出射部とでビームプロファイルを測定し
た。すると、図１０(ａ)に例示するように、15度上方の
ビームプロファイルは、同図(ｂ)に例示する平面方向の
ビームプロファイルに比較して、発光強度は約1.5倍で
指向性も極めて良好であるため、高解像度な画像印刷を
省電力に行なえることが確認された。しかし、同図(ｃ)
に例示するように、40度下方のビームプロファイルは、
同図(ｂ)に例示した平面方向のビームプロファイルに比
較して、発光強度は約4.0倍と極めて高いが、その指向
性は低く300(dpi)の画像走査等は実現困難であることが
判明した。

【００３２】つまり、本発明のラインヘッド１７，３６
では、例えば、省電力化よりも印刷品質を重要視するラ
インプリンタに対しては、光出射方向を15度上方に形成
したラインヘッド１７を利用し、印刷品質よりも省電力
化を重要視するラインプリンタに対しては、光出射方向
を40度上方に形成したラインヘッド３６を利用すること
で、各種の要望に対応することができる。

【００３３】

【発明の効果】請求項１記載の発明は、基板上に順次積
層した電極層と誘電体層と活性層と誘電体層と電極層と
をエッチングでアレイ状に分割することで多数の端面発
光型ＥＬ素子を連設し、これらの端面発光型ＥＬ素子の
電極層間に駆動パルスを通電することで前記活性層の発
光端面から薄膜層の平面方向に光を出射するラインヘッ
ドにおいて、前記端面発光型ＥＬ素子の薄膜層の平面方
向から積層方向に傾斜した位置に光出射部を形成したこ
とにより、エッチングによって発光端面が傾斜した端面
発光型ＥＬ素子の高強度の光成分を有効に利用すること
ができるので、ラインヘッドの発光強度の向上と消費電
力の低減とに寄与することができ、このように高性能な
ラインヘッドをエッチングで製作することができるの
で、ラインヘッドの生産性の向上に寄与することがで
き、発光強度が高く消費電力が低いと共に生産性も良好
なラインヘッドを得ることができる等の効果を有するも
のである。

【００３４】請求項２記載の発明は、端面発光型ＥＬ素
子の薄膜層の平面方向から積層方向に傾斜した光出射部
に集光素子を配置したことにより、エッチングによって
発光端面が傾斜した端面発光型ＥＬ素子の高強度の光成
分を集光素子で潜像担持体などに良好に集光することが
できるので、簡易な構造で実用的なラインヘッドを得る
ことができる等の効果を有するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す縦断側面図である。

【図２】斜視図である。

【図３】分解斜視図である。

【図４】拡大した要部を示す斜視図である。

【図５】縦断正面図である。

【図６】ラインプリンタを示す縦断側面図である。

【図７】本出願人が試作したラインヘッドの微細構造と
光学特性を示す特性図である。

【図８】変形例を示す縦断側面図である。

【図９】斜視図である。

【図１０】各種のビームプロファイルを示す特性図であ
る。

【図１１】第一の従来例を示す斜視図である。

【図１２】拡大した要部を示す斜視図である。

【図１３】回路図である。

【図１４】具体的構造を示す縦断側面図である。

【図１５】斜視図である。

【図１６】ラインプリンタの要部を示す縦断側面図であ
る。

【図１７】本出願人が試作したラインヘッドの光学特性
を示す特性図である。

【符号の説明】

２ 端面発光型ＥＬ素子 ３ 活性層 ３〜７ 薄膜層 ４，５ 誘電体層 ６，７ 電極層 ８ 基板 １３ 集光素子 １７，３６ ラインヘッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高野瀬 剛 静岡県三島市南町６番78号 東京電気株 式会社技術研究所内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/447 G02B 27/00 H05B 33/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に順次積層した電極層と誘電体層
   と活性層と誘電体層と電極層とをエッチングでアレイ状
   に分割することで多数の端面発光型ＥＬ素子を連設し、
   これらの端面発光型ＥＬ素子の電極層間に駆動パルスを
   通電することで前記活性層の発光端面から薄膜層の平面
   方向に光を出射するラインヘッドにおいて、前記端面発
   光型ＥＬ素子の薄膜層の平面方向から積層方向に傾斜し
   た位置に光出射部を形成したことを特徴とするラインヘ
   ッド。
2. 【請求項２】 端面発光型ＥＬ素子の薄膜層の平面方向
   から積層方向に傾斜した光出射部に集光素子を配置した
   ことを特徴とする請求項１記載のラインヘッド。