JP3180471B2 - 光プリントヘッド - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は１次元の光学画像伝達用
の光ファイバアレイ基板を用いた電気信号を光学画像に
変換する光プリントヘッドに関し、電子写真方式のプリ
ンタ、ディジタル複写機等に好適な、光記録紙あるいは
電子写真感光体と近接あるいは密接し記録体の幅方向に
対応された画像を記録する発光装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、ノンインパクトプリンタの書き込
み光源として用いられる光プリントヘッドの開発が進
み、普及を始めている。

【０００３】この一次元イメージ情報を電気信号から画
像に変換する光プリントヘッドには、気体レーザまたは
半導体レーザの発する１本の光ビームを光変調素子によ
り変調し、回転多面鏡で電子写真感光体上に照射するヘ
ッドと、複数の発光ダイオードアレイチップを直線状に
実装した長尺発光ダイオードアレイから発する複数本の
光束をセルフォックレンズアレイで電子写真感光体に集
光したヘッドが商品化されている。このうち後者の長尺
発光ダイオードアレイを用いた光プリントヘッドは光量
が高く、並列書き込みが可能である、或は光学系が小さ
く設計できるという特徴を有しているので、高速プリン
タや、パーソナルファクシミリ等に応用されている。

【０００４】この発光ダイオードアレイを用いたヘッド
には等倍光学レンズである集束性ロッドレンズアレイを
用いたものの他に光ファイバアレイ基板を用いた、光学
レンズを用いない光プリントヘッドが提案されている
（特開昭５５−９８８７９号公報）。後者の光プリント
ヘッドは、集束性ロッドレンズアレイが不要であること
から装置の小型化が更に容易であり、また安価である。

【０００５】従来、光ファイバアレイはイメージ情報を
伝達する手段として用いられている。このような光ファ
イバアレイは、伝達する光画像情報が光ファイバ間でク
ロストークすることを防止するため、その開口数（Ｎ
Ａ）に相当する入射角より大きな角度の光を除去する手
段として、図７ｃ）に示すように、光ファイバのコア７
４の周囲に屈折率の小さなクラッド７５を形成した後、
さらに周囲に光吸収体層７６を形成した光ファイバを用
いていた。この光ファイバを多数ガラス基板に埋め込ん
だ光ファイバアレイ基板を得るには、多数の光ファイバ
を個々にベースガラス等の基材に挟み込んだ後、加圧・
加熱して溶融することによって光ファイバアレイ基板を
形成するか、あるいは図７ｂ）に示すように複数の光フ
ァイバ７３を一旦束ねて一体化した光ファイバ束７２形
成し、これを２〜３列に積み重ねベースガラス７１等の
基材で挟み、加圧、加熱し、溶融することによって図７
ａ）に示す光ファイバアレイ基板を形成していた。

【０００６】以下従来の光プリントヘッドの一例につい
て説明をする。図４ａ）は従来の光プリントヘッドの発
光ダイオードアレイチップの配列方向の断面構造図であ
る。図４ｂ）は従来の光プリントヘッドの発光ダイオー
ドアレイチップの配列方向と直交する方向の断面構造図
である。これらにおいて、４１はベースガラス、４２は
光ファイバであり、４３は回路導体層で光ファイバアレ
イ基板の光ファイバ端が露出している面上に形成されて
いる。４４は発光ダイオードアレイチップ、４５は発光
ダイオード、４６は電極で、透光性絶縁樹脂４７であ
る。発光ダイオードアレイチップ４４は、発光ダイオー
ド４５、電極４６を、透光性絶縁樹脂４７を介して回路
導体層４３の所定の位置に電極が配置されおり、複数の
チップが直線上に実装されている。

【０００７】以上のように構成された光プリントヘッド
について、以下その動作について図４ａ），図４ｂ）、
図５を説明する。図５は従来の光プリントヘッドユニッ
トのチップの配列方向の断面拡大図である。５１はシャ
ーシで従来の光プリントヘッドが組み込まれており、近
接した位置に電子写真感光体５２が配置されている。こ
の電子写真感光体としては、有機光導電体（ＯＰＣ）や
アモルファスシリコン感光体等が用いられている。光プ
リントヘッドでは、回路導体層４３を通じて流れ込んだ
信号電流により発光ダイオード４５は、発光ダイオード
を形成している物質のエネルギーギャップに相当する波
長の光を輻射する。この光は、透光性絶縁樹脂４７を透
過して、光ファイバアレイ基板に到達する。

【０００８】今、ｉ番目の発光ダイオード５４がら輻射
された光のうち、光ファイバアレイの開口数（ＮＡ）に
相当する角度より小さい角度で光ファイバに到達した光
５５は、その光ファイバアレイ内で完全反射を繰り返し
て伝播し、ついには、光ファイバの他端から出射して、
近接した位置にある、電子写真感光体５２上の所定の位
置に照射して、電子写真プロセスの潜像を描画する。一
方、開口数ＮＡより大きな角度で光ファイバに入射して
きた光５６はその光ファイバのコアを貫通し、次々と光
ファイバを貫く。しかし、各光ファイバの外周に設けら
れた光吸収体層で吸収され、光ファイバ基板を貫通する
ことがなく、感光体上に疑似潜像を描くことはない。

【０００９】従って、各々の発光ダイオードで出射され
た光は、対向した位置の光ファイバを伝播して電子写真
感光体上の所定領域に潜像をえがく。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな光プリントヘッドは発光ダイオードアレイチップの
電極が、回路導体層を介して電気的に接続されているの
で、光ファイバアレイ基板と発光ダイオードアレイチッ
プの間には、有限の間隙（ｄ）が発生する。一方発光ダ
イオードの発光強度の角度依存性は、図６の様に発光ダ
イオードの法線からの角度が大きくてもかなりの強度強
度が得られる。このため、隣接する２つの発光ダイオー
ドから出射された光が、同一光ファイバに開口数ＮＡ以
下で入射してくることがある。例えば、５７は(ｉ-1)番
目の発光ダイオード５３から輻射された光で、５８は
(ｉ)番目の発光ダイオード５４から輻射された光で、と
もに同一のファイバに、しかもＮＡに相当する角度より
小さい角度で入射してくることがある。そして、この様
な２本の光は共にＮＡに相当する角度以下で入射されて
いるので同一ファイバを完全反射を繰り返しながら伝達
して、やがてはファイバアレイ基板を貫通して電子写真
感光体５２のほぼ同位置に照射してしまう。このため、
異なる位置の画像データによって発光した異なる発光ダ
イオードからの光がほぼ同位置の感光体上で光電荷が発
生させ、疑似潜像を描くことになるので解像度の劣化を
引き起こし印字品位を著しく低下させるという問題点を
有していた。この様な、同一ファイバに隣接する発光ダ
イオードから、ＮＡに相当する角度内の光が入射するの
は、特に発光ダイオードピッチの狭い高解像度の光プリ
ントヘッドにおいては、より頻度よく発生してしまう。

【００１１】又、この印字品位の劣化を防ぐためには、
電極の高さを著しく低くして、発光ダイオードアレイチ
ップと光ファイバアレイ基板との間隙を減らす方法があ
る。しかし、基板の反り、チップの反り或は製造工程に
おける異物の混入に関して、不良を発生させたり信頼性
を劣化させるなど、光プリントヘッドの特性上或は製造
上、極めて難しい課題が存在する。また、光ファイバア
レイ基板のＮＡを下げる方法もあるが、明るさを著しく
低下させてしまうので実用的ではない。

【００１２】本発明は上記問題点に鑑み、光ファイバア
レイの端面に入射するまでの間のクロストークを除去
し、異なる発光ダイオードから出た光が、感光体上の同
一に潜像を書き込むことのない、高品位な書き込みが可
能な光プリントヘッドを提供するものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の光プリントヘッドは、複数の光ファイバを
ベースガラスの厚み方向に貫通させて埋め込んだ光ファ
イバアレイ基板と、前記光ファイバアレイ基板の光ファ
イバの端面が露出している第１の主面上に形成された複
数の回路導体層と、前記回路導体層上の所定の位置に透
光性絶縁樹脂を介してフェースダウンで直線状に配置さ
れた複数の発光ダイオードを有する複数の発光ダイオー
ドアレイチップとを備え、光ファイバアレイ基板の第１
の主面上の少なくとも発光ダイオードアレイチップの対
向した領域で且つ発光ダイオードアレイチップの発光ダ
イオードと対向した閉領域を除く位置に光遮光層を形成
し、前記光ファイバの開口数を（ＮＡ）、前記発光ダイ
オードのピッチを（Ｐ）、発光ダイオードの幅を（Ｗ
ｄ）、前記発光ダイオードと前記光ファイバアレイ基板
との間隙を（ｄ）、前記透光性絶縁樹脂の屈折率を（ｎ
１）、前記光遮光層を形成しない閉領域の発光ダイオー
ドアレイチップの配列方向の幅を（Ｗ）としたときに、 Ｗ＜２×Ｐ−Ｗｄ−２×ｄ×［（ｎ1／ＮＡ） ² −１］
^-0.5 を満たすことを特徴とする 光プリントヘッド。

【００１４】

【作用】本発明は上記した構成によって発光ダイオード
アレイチップの隣接した発光ダイオードから出射する光
が同一光ファイバにＮＡに相当した角度より小さな角度
で入射してきた光は、光ファイバアレイ基板の発光ダイ
オードアレイを実装している主面に形成された光遮光層
で吸収され、同一ファイバを伝達して光ファイバアレイ
基板を貫通がない。これにより、光ファイバアレイ基板
の第１の主面上の少なくとも発光ダイオードアレイチッ
プの対向した領域のうち、発光ダイオードアレイチップ
の発光ダイオードと対向した閉領域を除く位置に、光遮
光層を形成することにより、いたずらに発光ダイオード
アレイ基板を発光ダイオードアレイチップに近づけた
り、ＮＡを著しく小さくしたりすることなく良好な印字
が可能な光学記録ヘッドを提供することができる。

【００１５】

【実施例】以下本発明の一実施例の光プリントヘッドに
ついて、図面を参照しながら説明する。

【００１６】図１ａ）は本発明の第１の実施例における
光プリントヘッドの斜視図、図１ｂ）および図１ｃ）は
図１ａ）の断面図を示したものある。図１ａ）におい
て、１１はベースガラスで、光ファイバ１２が厚み方向
に貫通するように埋め込まれている。１３は回路導体層
である。また、図１ｂ）は図１ａ）のＡ−Ａ’での断面
図を示しており、また、図１ｃ）は図１ａ）のＢ−Ｂ’
での断面図を示している。１４は発光ダイオードアレイ
チップで、１５は発光ダイオード、１６は電極、１７は
透光性絶縁樹脂で、１８は光遮光層である。この光遮光
層は、隣接する発光ダイオードからの光が共に光ファイ
バのＮＡに相当する角度より小さい角度で入射してくる
領域、つまり、光ファイバアレイ基板の第１の主面上の
少なくとも発光ダイオードアレイチップの対向した領域
で且つ発光ダイオードアレイチップの発光ダイオードと
対向した閉領域を除く位置に、形成している。

【００１７】以上のように構成された光プリントヘッド
ついて、以下、図１ｂ）、ｃ）および図２を用いて動作
を説明する。図２は光プリントヘッドユニット断面構造
図のである。２１はシャーシ、２２は電子写真感光体で
ある。光ファイバ基板１１上に形成された回路導体層１
３を通じて、発光ダイオードアレイチップ１４上の各々
の発光ダイオード１５にオン−オフの電気信号が電流と
して伝達される。これに従い、各発光ダイオードが点灯
消灯をする。発光ダイオードは電気信号の電流量に比例
した強度で発光するので、単に発光ダイオードのオン−
オフという２値的な電流制御だけでなく、階調をとった
多値的な電流量を流してもよい。

【００１８】発光ダイオードから輻射した光は、従来の
発光ダイオードと同様に図６のような発光強度の角度依
存性をもっている。従って、発光ダイオードから出射し
た光は、透光性絶縁樹脂内をほぼ減衰なく直進するが、
光ファイバアレイ基板への入射角度はあらゆる成分を有
している。ある発光ダイオードからＮＡに相当する角度
より小さい角度で輻射し、光遮光層の窓領域に到達した
光２３は、光ファイバ内を完全反射を繰り返して、光フ
ァイバの他端から出射して、電子写真感光体２２上の所
定領域に潜像を形成する。ある発光ダイオードからＮＡ
に相当する角度より小さい角度で輻射し、光遮光層の窓
以外の領域に到達した光２４は、光遮光層で吸収され、
光ファイバアレイ基板に透過しない。また、ある発光ダ
イオードからＮＡに相当する角度より大きい角度で輻射
た光２５は、光遮光層１８に到達するかもしくは、対向
する光遮光層の窓領域とは別の窓領域に到達する。光遮
光層１８に到達した光はそこで吸収され、別の窓領域に
到達した光は光ファイバ内にＮＡに相当する角度より大
きい角度で入射することになる。この様な光は単一の光
ファイバから漏れて異なるファイバ間を貫通するが、各
々の光ファイバの外周に設けられた光吸収体に吸収され
て、光ファイバアレイ基板を貫通して電子写真感光体上
に潜像を形成する事はない。この様な光遮光層を設けた
光ファイバアレイ基板の平面図を図３に示す。発光ダイ
オードアレイチップの実装される領域に光遮光層が形成
されており、発光ダイオードに対向する領域は窓領域と
して除かれている。

【００１９】次に、上記のように構成された光学記録ヘ
ッドの製造方法を具体的に説明する。まず半導体プロセ
スを用いて単結晶ＩＩＩ−Ｖ族半導体基板（ウエハ）上
に、発光ダイオード等の発光ダイオード１５とバンプ等
の電極１６を設けたものを作る。本実施例では発光波長
６６０および７４０ｎｍの発光ダイオードを１２ｄｏｔ
／ｍｍで形成したものを用いる。電極１６については、
メッキ法により数μｍ〜２０μｍ程度ウエハ表面より突
出した構造になっている。その後このウエハを高精度ダ
イシング技術により切断し、発光ダイオードアレイチッ
プ１４を作る。光ファイバアレイ基板は、まず従来のも
のと同等のものを作る。つまり、図７ａ）、ｂ）、ｃ）
の光ファイバアレイ基板で、７３は１０〜２５μｍのコ
ア径を持つ（ここでは２０μｍ）開口数ＮＡ＝０．９０
の光ファイバで形成した。それぞれのコア７４には約２
μｍの厚さのクラッド７５と、約２μｍの厚さの光吸収
体層７６が被覆されている。この様な光ファイバを複数
本まとめて光ファイバ束７２を形成する。次に光ファイ
バの熱膨張係数とほぼ同程度の特性を有するベースガラ
ス７１の間に、光ファイバ束７２を３列に積み重ねて挟
み込むように配置し、加熱しながら加圧して溶融し一体
化する。このため、当初は円形だった光ファイバ束は、
変形し、５角形あるいは６角形のような形状を示す。こ
の光ファイバアレイ基板上の発光ダイオードアレイチッ
プを配置する第１の主面に厚膜印刷技術あるいは蒸着と
フォトエッチング技術を用いて回路導体層１３を形成す
る。次に、回路導体層１３を形成した同じ面の、発光ダ
イオードアレイチップが対向する領域の発光ダイオード
の対向する領域を除く場所に光遮光層を形成して光ファ
イバアレイ基板を得る。光遮光層として、６６０ｎｍ〜
８００ｎｍまでの吸収効率の高いフタロシアニン顔料
を、エポキシ系樹脂に分散してスクリーン印刷により５
μｍ程度の膜厚に印刷したを用いた。図３に光ファイバ
アレイ基板のうえに、回路導体層及び光遮光層を形成し
た実装前の基板を示している。

【００２０】次に、この基板に、アクリレート系の透明
光硬化型絶縁樹脂１７をスタンピング法やスクリーン印
刷法等で所定量塗布し、その上に発光ダイオードアレイ
チップ１４を電極１６が回路導体層１３の所定の位置に
当接し、発光ダイオード１５が光遮光層１８の窓領域に
対向するようにフェースダウンで配置する。その後、こ
の発光ダイオードアレイチップ１４の上方から圧力を加
えながら、透明光硬化型絶縁樹脂１７に光ファイバアレ
イ基板１１を通して紫外線照射をし、硬化させ、実装を
完了する。

【００２１】このようにして得られた光学記録ヘッドで
は、従来のセルフォックレンズアレイを用いた光学記録
ヘッドと同じ発光ダイオードを用いて記録媒体を照明し
た場合、約１．４倍の光信号出力を得ることができた。

【００２２】なお、光遮光層の窓部の大きさは発光ダイ
オードのピッチやファイバのＮＡ等を基に適度な大きさ
に設定すればよい。今、１２ｄｏｔ／ｍｍの発光ダイオ
ードピッチで発光ダイオード部が６０μｍのとき、光遮
光層の窓領域を７０μｍに設定して良好な結果が得られ
た。更には、光ファイバアレイ基板を構成している光フ
ァイバの開口数（ＮＡ）と、発光ダイオードアレイチッ
プ上に形成された発光ダイオードのピッチ（Ｐ）と、発
光ダイオード幅（Ｗｄ）と、発光ダイオードアレイチッ
プの発光ダイオードと光ファイバアレイ基板との間隙
（ｄ）と、間隙に充填されている透光性絶縁樹脂の屈折
率（ｎ１）と、光遮光層を形成しない閉領域の発光ダイ
オードアレイチップの配列方向の幅Ｗとが、 Ｗ＜ ２×Ｐ−Ｗｄ−２×ｄ×［（ｎ1／ＮＡ）²−１］
^-0.5 を満たせばよい。これにより、ＮＡに相当する角度より
小さい角度で入射するものの隣接する別の発光ダイオー
ドからの光は、この光遮光層で吸収されるので、光ファ
イバアレイ基板へ到達するまでのクロストークが非常に
少ない高性能な光プリントヘッドが得られる。

【００２３】

【発明の効果】本実施例の光プリントヘッドは、複数の
光ファイバをベースガラスの厚み方向に貫通させて埋め
込んだ光ファイバアレイ基板と、前記光ファイバアレイ
基板の光ファイバの端面が露出している第１の主面上に
形成された複数の回路導体層と、前記回路導体層上の所
定の位置に透光性絶縁樹脂を介してフェースダウンで直
線状に配置された複数の発光ダイオードを有する複数の
発光ダイオードアレイチップを備えた光プリントヘッド
において、光ファイバアレイ基板の第１の主面上の少な
くとも発光ダイオードアレイチップの対向した領域で且
つ発光ダイオードアレイチップの発光ダイオードと対向
した閉領域を除く位置に、光遮光層を形成することによ
り、光ファイバにＮＡに相当する角度より小さい角度で
隣接発光ダイオードから入射してくる光を遮光して入射
する任意の波長のイメージ情報をクロストークなく電子
写真感光体に伝達でき、高品位な画像伝達ができる。

【００２４】また、これを用いた光学記録ヘッドは比較
的焦点深度の深く、優れた解像特性を有し、また摩擦に
よる静電気あるいは摩耗によるきずによる画像劣化も少
なく製造工程も簡素で、しかも安価な光学記録ヘッドを
提供することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ａ）は本発明の第１の実施例における光プリン
トヘッドの斜視図 ｂ）は本発明の第１の実施例における光プリントヘッド
のチップ配列方向の断面図 ｃ）は本発明の第１の実施例における光プリントヘッド
のチップ配列方向と直交する方向の断面図

【図２】本発明の第１の実施例における光プリントヘッ
ドのユニット構成図

【図３】本発明の第１の実施例における光ファイバアレ
イ基板の正面図

【図４】ａ）は従来の光プリントヘッドのチップ配列方
向の断面図 ｂ）は従来の光プリントヘッドのチップ配列方向と直交
する方向の断面図

【図５】従来の光学プリントヘッドユニットの断面構成
図

【図６】発光ダイオードの発光強度の角度依存図

【図７】ａ）は従来の光ファイバアレイ基板の斜視図 ｂ）は従来の光ファイバアレイ基板の拡大図 ｃ）は従来の光ファイバの断面図

【符号の説明】 １１ ベースガラス １２ 光ファイバ １３ 回路導体層 １４ 発光ダイオードアレイチップ １５ 発光ダイオード １６ 電極 １７ 透光性絶縁樹脂 １８ 光遮光層 ２１ シャーシ ２２ 電子写真感光体 ４１ ベースガラス ４２ 光ファイバ ４３ 回路導体層 ４４ 発光ダイオードアレイチップ ４５ 発光ダイオード ４６ 電極 ４７ 透光性絶縁樹脂 ５１ シャーシ ５２ 電子写真感光体 ５３ (i-1)番目の発光ダイオード ５４ (i)番目の発光ダイオード ５５ (i)番目の発光ダイオードからＮＡ内の角度で輻
射された光 ５６ (i)番目の発光ダイオードからＮＡ外の角度で輻
射された光 ７１ ベースガラス ７２ 光ファイバ束 ７３ 光ファイバ ７４ コア ７５ クラッド ７６ 光吸収体層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/44 B41J 2/45 B41J 2/455 H01L 33/00 H04N 1/036

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】複数の光ファイバをベースガラスの厚み方
   向に貫通させて埋め込んだ光ファイバアレイ基板と、前
   記光ファイバアレイ基板の光ファイバの端面が露出して
   いる第１の主面上に形成された複数の回路導体層と、前
   記回路導体層上の所定の位置に透光性絶縁樹脂を介して
   フェースダウンで直線状に配置された複数の発光ダイオ
   ードを有する複数の発光ダイオードアレイチップとを備
   え、光ファイバアレイ基板の第１の主面上の少なくとも
   発光ダイオードアレイチップの対向した領域で且つ発光
   ダイオードアレイチップの発光ダイオードと対向した閉
   領域を除く位置に光遮光層を形成し、 前記光ファイバの開口数を（ＮＡ）、前記発光ダイオー
   ドのピッチを（Ｐ）、発光ダイオードの幅を（Ｗｄ）、
   前記発光ダイオードと前記光ファイバアレイ基板との間
   隙を（ｄ）、前記透光性絶縁樹脂の屈折率を（ｎ１）、
   前記光遮光層を形成しない閉領域の発光ダイオードアレ
   イチップの配列方向の幅を（Ｗ）としたときに、 Ｗ＜２×Ｐ−Ｗｄ−２×ｄ×［（ｎ1／ＮＡ） ² −１］
   ^-0.5 を満たすことを特徴とする 光プリントヘッド。