JP3762321B2

JP3762321B2 - 光書き込みヘッド

Info

Publication number: JP3762321B2
Application number: JP2002076457A
Authority: JP
Inventors: 政英脇坂
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2022-03-19
Also published as: JP2003266780A; TW200305515A; WO2003078171A1; TWI259811B

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子写真プリンタに搭載されて、発光素子アレイからの出射光をレンズアレイにより集光して感光体に投影する光書き込みヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
電子写真プリンタでは、感光ドラムを露光して潜像を形成し、この潜像をトナーによって現像し、このトナーを紙に転写し、熱等によってトナーを紙に定着させることによって印刷を行っている。
【０００３】
露光プロセスは、ＬＥＤ光学系とレーザ光学系に２分され、ＬＥＤ光学系のヘッドでは、従来、ＬＥＤの発光エネルギーは、正立等倍ロッドレンズアレイを介して、感光ドラムに露光する。
【０００４】
図１は、従来の電子写真プリンタに搭載される書き込みヘッド（光書き込みヘッド）のヘッド長手方向に垂直な方向の断面図である。この光書き込みヘッドでは、発光素子実装基板４０上に、発光素子を列状に配置した複数個のＬＥＤチップ（発光素子アレイチップ）４２が、走査方向に実装され、このＬＥＤチップ４２の発光素子が発光する光の光軸上に、正立等倍ロッドレンズアレイ４４が、ハウジング（樹脂カバー）４６により固定され、さらに、正立等倍ロッドレンズアレイ４４上には、感光ドラム４８が設けられている。また、発光素子実装基板４０の周囲の角部は、ハウジング４６の脚部先端に係合している。さらに、発光素子実装基板４０の下地にはＬＥＤチップ４２の熱を放出するためのヒートシンク５０が設けられ、ハウジング４６とヒートシンク５０は、発光素子実装基板４０を間に挟んで止め金具５２により固定されている。
【０００５】
正立等倍ロッドレンズアレイ４４は、ＬＥＤチップ４２の発光素子の光を集光し、感光ドラム４８を露光して感光ドラムの表面に潜像を形成する。
【０００６】
このロッドレンズアレイを用いた光書き込みヘッドは、解像度およびレンズピッチの周期光量ムラが発生し易いために、特開２０００−２２１４４５号公報に開示されているように、樹脂レンズアレイを積層させて解像度を向上させた光書き込みヘッドが提案されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
高解像度の光書き込みヘッドに用いられる正立等倍レンズアレイは、作動距離（発光点とレンズ入射面間距離）が非常に短く、現在使用されているレンズの許容作動距離は、ばらつきを考慮すると１００μｍ以下である。そのため、光書き込みヘッドは、発光位置とレンズ間の距離精度を高めて、結像位置でのピントボケによる印字品質の低下を防止する必要がある。また、感光ドラム上の結像ピントボケによる印字品質の低下も防止する必要がある。
【０００８】
したがって、従来の光書き込みヘッドには、レンズアレイおよび発光素子を高い平坦度で配置させ、かつ、レンズアレイと発光素子とを高い距離精度で配置することが要求されるため、従来の光書き込みヘッドは、ヒートシンクの発光素子実装基板搭載面およびハウジングのレンズアレイ搭載面を、非常に高い精度で加工する必要があり、また、機械加工のし易い部品にする必要がある。そのため、発光点とレンズアレイとの位置合わせ工程を必要とし、更に構成部品点数を増やし、ヘッドの製造コスト上昇を招いていた。
【０００９】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、低価格および高品位の印字を可能にするレンズアレイを搭載した光書き込みヘッドを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発光素子アレイを実装する基板と、前記発光素子アレイの発光素子が発光する光の光軸上にレンズアレイを備え、さらに前記基板およびレンズアレイを支持する一体成型されたものを備える光書き込みヘッドにおいて、
前記一体成型されたものは、ヘッド長手方向に沿って凹部が形成されており、前記凹部の長手方向両側面には長手方向に突出部が形成されており、さらに前記凹部の底面には、前記基板の発光素子アレイ直下部分となる位置にヘッド長手方向に突起部が形成されており、前記基板は、前記突起部と前記凹部の両側面に形成された突出部の下端面とで前記一体成型されたものに支持されていることを特徴とする。
【００１１】
前記レンズアレイは、前記突出部の上端面に支持されていることが好ましく、前記突出部の下端面と、前記突起部の先端上面とのギャップＸは、
（基板厚み−０．５ｍｍ） ≦ Ｘ ≦ 基板厚み
の大きさであることが好ましい。
【００１２】
また、前記突起部は、ヘッド長手方向に亘り連続または不連続に形成されていることが好ましく、前記突起部の断面形状は、半円形状、矩形状、台形状または楔形状からなることが好ましい。
【００１３】
前記一体成型されたものは、非鉄金属材料で形成されていることが好ましく、また、アルミ押し出し材料で形成されていることが好ましい。また、前記一体成型されたものの長手方向端面位置部分に、位置決め手段を設け、前記基板は、前記位置決め手段に前記基板の端面を突き当てることにより前記基板の長手方向の位置決めが行われることが好ましく、さらに、前記一体成型されたものの長手方向端面位置部分に、前記基板および電気信号の取り込み手段に干渉しない構造を有するサイドカバーを取り付けることが好ましい。
【００１４】
また、前記一体成型されたものは、下部に切り欠きを有し、前記基板に電気信号を取り込むための配線は前記切り欠きから取り出されることが好ましい。
【００１５】
さらに、前記レンズアレイは、積層樹脂レンズアレイまたはロッドレンズアレイであることが好ましく、前記発光素子アレイは、自己走査型発光素子アレイであることが好ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１７】
図２および図３は、本発明の光書き込みヘッドの実施の形態を示す図である。図２は斜視図であり、図３（ａ）はヘッドの長手方向中央部における長手方向に対して直交する方向の断面図であり、図３（ｂ）は一部正面図である。
【００１８】
図２に示すように、ハウジング（支持手段）１０は、積層樹脂レンズアレイ１２および発光素子実装基板１４を支持する構造を有する。
【００１９】
積層樹脂レンズアレイ１２は、微小凸レンズが所定のピッチで透明平板上に規則的に配列された樹脂レンズアレイを３枚重ね合わせて構成されている。
【００２０】
発光素子実装基板１４は、ヘッド長手方向（走査方向）に対して直交する方向の中央部に、長手方向にＬＥＤチップ１６を搭載している。また、発光素子実装基板１４は、長手方向の一端側に電気信号を取り込むためのコネクタ１８およびフラットケーブル（配線）２０を備えている。
【００２１】
図３に示すように、ハウジング１０は、ヘッド長手方向に沿って凹部１１が形成されており、凹部１１の長手方向両側面には長手方向に突出部１３が形成されている。また、凹部１１の底面には、発光素子実装基板１４のＬＥＤチップ直下部分となる位置にヘッド長手方向に突起部２４が形成されている。発光素子実装基板１４は、この突起部２４と、凹部１１の両側面に形成された突出部１３の下端面との３点でハウジング１０に支持されており、積層樹脂レンズアレイ１２は、ＬＥＤチップ１６の発光点から積層樹脂レンズアレイ１２のレンズ入射面までの距離が所定の距離となるようにして、突出部１３の上端面である搭載面２２に支持されている。
【００２２】
ハウジング１０は、アルミ等の非鉄金属で構成され、ヘッド長手方向に同一断面形状であるので、この実施の形態では安価に形状が成形できるアルミ押し出し材料を用いるのが好適である。また、突起部２４の先端上面は、高い平坦性で切削加工が施されている。
【００２３】
図４は、ハウジングの発光素子実装基板に当接する面をエンドミル（刃物）で加工する時の状態を示す図である。ハウジング１０は、発光素子実装基板１４に当接する面に、高い平坦性を必要とする。しかし、図４に示すように、ハウジングの発光素子実装基板１４に当接する面をエンドミル（刃物）３４により高い平坦度で加工しようとしても、エンドミル（刃物）３４の削り残し部分であるアンダーカット部３６が発生して、事実上高い精度で機械加工することは不可能である。したがって、本実施の形態では、ハウジングの発光素子直下部分に突起部を設けて、その先端部の上面のみに切削加工を施して、精度を向上させている。
【００２４】
発光素子実装基板１４は、基板厚みが高精度で加工されており、また、積層樹脂レンズアレイ１２が当接する搭載面２２は、高い精度での機械加工が可能なので、突起部２４の先端上面を高い精度で切削加工し、突起部２４上に発光素子実装基板１４を載置すれば、ＬＥＤチップ１６と積層樹脂レンズアレイ１２を高い距離精度で配置することができる。
【００２５】
上述のようにハウジング１０は、積層樹脂レンズアレイ１２が当接する搭載面２２と、発光素子実装基板１４が当接する面に、高い平坦性と距離精度を必要とするが、押し出し成形された材料の必要部分のみに切削加工を実施して高精度化が図られている。
【００２６】
図５は、図３（ａ）のＡ部拡大図である。発光素子実装基板１４の上面は突出部１３の下端面に接触し、発光素子実装基板１４の下面は突起部２４の先端上面に接触している。突出部１３の下端面と、突起部２４の先端上面とのギャップＸが小さいと、発光素子実装基板１４をハウジング１０に支持固定する際に、発光素子実装基板１４に過大な反りが発生し、そのため発光素子に応力が発生し、発光不良等の不具合が発生する。したがって、ギャップＸは以下の条件で設けると良い。
【００２７】
（基板厚み−０．５ｍｍ） ≦ Ｘ ≦ 基板厚み
発光素子実装基板１４のハウジング１０への取り付けは、ＬＥＤチップ１６が搭載された発光素子実装基板１４を、電気信号の取り込み手段を有しない側よりハウジング１０へ押し込んで行う。発光素子実装基板１４の材質は、ガラスエポキシ基板、金属基板等を用いても良い。
【００２８】
発光素子実装基板１４をハウジング１０に挿入すると、ハウジング１０のギャップＸは、発光素子実装基板１４の基板厚みよりも狭いため、発光素子実装基板１４に反りが発生し、その反力により発光素子実装基板１４とハウジング１０との間の接触部分に荷重が働き、その摩擦力により発光素子実装基板１４が固定される。したがって、発光素子実装基板１４をハウジング１０に取り付ける際に、接着剤等の固定手段を必要とせず製造工程の省略が可能となる。
【００２９】
また、発光素子実装基板１４上面のＬＥＤチップ１６の高さ精度は、ハウジング１０の突起部２４の形状に倣うため、ＬＥＤチップ１６の発光素子の配列平坦度を向上できる。
【００３０】
なお、電子写真プリンタに光書き込みヘッドを搭載する際には、電子写真プリンタの感光ドラム１５は、積層樹脂レンズアレイ１２上に設けられる。
【００３１】
図６は、電気信号の取り込み手段を有しない側のヘッドの端面部分を示す斜視図である。発光素子実装基板１４の長手方向の位置決めは、図６に示すように、電気信号の取り込み手段を有しない側のヘッドの端面位置部分に、ハウジング１０側から位置決めピン（位置決め手段）３８を突出させておいて、位置決めピン３８に発光素子実装基板１４の端面を突き当てることにより行っても良い。
【００３２】
また、ハウジング１０に発光素子実装基板１４を挿入した後、図２および図３（ｂ）の破線で示すように、ハウジング１０への取り付け構造と発光素子実装基板１４および電気信号の取り込み手段に干渉しない構造を有するサイドカバー３０を取り付けて絶縁および封止を行っても良い。
【００３３】
この場合、サイドカバー３０の側面に突起状の係止部を備えた止め具２６を備え、この止め具２６の係止部を、ハウジング１０の側面に設けられた溝２８に嵌合させることによって、光書き込みヘッドの端部の絶縁および封止を行う。また、サイドカバー３０には、光書き込みヘッドを電子写真プリンタに組み込む時に感光ドラムの位置合わせの基準に用いられるデータムピン３２を備えるようにしても良い。
【００３４】
なお、ハウジング１０は、フィラーを混入させて強度を向上させた樹脂材料を用いても良い。ハウジング１０が樹脂などの絶縁体であるときは、ハウジング１０と感光ドラムとの電位差を低減するために、ハウジング１０の表面に導電膜を設けても良い。また、樹脂自体を導電性の材料で作製しても良い。
【００３５】
ハウジングの突起部２４の断面形状は、半円形状、矩形状、台形状または楔形状でも良く、突起部２４は、ヘッド長手方向に亘り連続に設けても、不連続に設けても良い。
【００３６】
また、上述した実施の形態では、電気信号を取り込むためのコネクタ１８を、ＬＥＤチップ１６の搭載側である発光素子実装基板１４の基板表面側に配置したが、基板の裏面側に配置するようにしても良い。図７は、コネクタを発光素子実装基板の基板裏面側に配置した状態を示す図であり、コネクタの箇所で切断した断面図である。
【００３７】
なお、図７では、ハウジングには、フラットケーブルが通る箇所に切り欠き１９が設けられており、フラットケーブルをハウジングの下から挿入できるようにしている。図８は、フラットケーブル付きのコネクタをハウジングの下から挿入できるようにしたハウジングの斜視図である。フラットケーブル付きのコネクタ（図示せず）をハウジングの下から切り欠き１９を介して挿入して発光素子実装基板（図示せず）のコネクタ接続箇所に、コネクタを固定させるようにしても良い。
【００３８】
また、上述した実施の形態では、正立等倍レンズアレイに積層樹脂レンズアレイを用いた光書き込みヘッドについて説明したが、本発明のハウジングへの基板取り付け固定方法は、図１に示すロッドレンズアレイ４４を図５に示す搭載面２２に搭載した光書き込みヘッドにも適用できる。また、スキャナ等の光読み取りヘッドにも適用できるものである。
【００３９】
また、上述した実施の形態において、ＬＥＤチップには自己走査型発光素子アレイを用いることができる。なお、自己走査型発光素子アレイとは、自己走査回路を内蔵し、発光点を順次転送していく機能を有する発光素子アレイである。
【００４０】
自己走査型発光素子アレイについては、特開平１−２３８９６２号公報、特開平２−１４５８４号公報、特開平２−９２６５０号公報、特開平２−９２６５１号公報等により、プリンタヘッド用光源として実装上簡便となること、発光素子間隔を細かくできること、コンパクトなプリンタヘッドを作製できること等が示されている。また、特開平２−２６３６６８号公報では、転送素子アレイをシフト部として、発光部である発光素子アレイと分離した構造の自己走査型発光素子アレイを提案している。
【００４１】
図９に、シフト部と発光部とを分離した構造の自己走査型発光素子アレイの等価回路図を示す。シフト部は、転送素子Ｔ₁，Ｔ₂，Ｔ₃，…を有し、発光部は、書込み用発光素子Ｌ₁，Ｌ₂，Ｌ₃，…を有している。これら転送素子および発光素子は、３端子発光サイリスタにより構成される。シフト部の構成は、転送素子のゲートを互いに電気的に接続するのにダイオードＤ₁，Ｄ₂，Ｄ₃，…を用いている。Ｖ_GKは電源（通常５Ｖ）であり、負荷抵抗Ｒ_Lを経て各転送素子のゲート電極Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃，…に接続されている。また、転送素子のゲート電極Ｇ₁，Ｇ₂，Ｇ₃，…は、書込み用発光素子のゲート電極にも接続される。転送素子Ｔ₁のゲート電極にはスタートパルスφ_Sが加えられ、転送素子のアノード電極には、交互に転送用クロックパルスφ１，φ２が加えられ、書込み用発光素子のアノード電極には、書込み信号φ_Iが加えられている。
【００４２】
なお、図中、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ_S，Ｒ_Iは、それぞれ電流制限抵抗を示している。
【００４３】
動作を簡単に説明する。まず転送用クロックパルスφ１の電圧が、Ｈレベルで、転送素子Ｔ₂がオン状態であるとする。このとき、ゲート電極Ｇ₂の電位はＶ_GKの５Ｖからほぼ零Ｖにまで低下する。この電位降下の影響はダイオードＤ₂によってゲート電極Ｇ₃に伝えられ、その電位を約１Ｖに（ダイオードＤ₂の順方向立上り電圧（拡散電位に等しい））に設定する。しかし、ダイオードＤ₁は逆バイアス状態であるためゲート電極Ｇ₁への電位の接続は行われず、ゲート電極Ｇ₁の電位は５Ｖのままとなる。発光サイリスタのオン電圧は、ゲート電極電位＋ｐｎ接合の拡散電位（約１Ｖ）で近似されるから、次の転送用クロックパルスφ２のＨレベル電圧は約２Ｖ（転送素子Ｔ₃をオンさせるために必要な電圧）以上でありかつ約４Ｖ（転送素子Ｔ₅をオンさせるために必要な電圧）以下に設定しておけば転送素子Ｔ₃のみがオンし、これ以外の転送素子はオフのままにすることができる。従って２本の転送用クロックパルスでオン状態が転送されることになる。
【００４４】
スタートパルスφ_Sは、このような転送動作を開始させるためのパルスであり、スタートパルスφ_SをＨレベル（約０Ｖ）にすると同時に転送用クロックパルスφ２をＨレベル（約２〜約４Ｖ）とし、転送素子Ｔ₁をオンさせる。その後すぐ、スタートパルスφ_SはＨレベルに戻される。
【００４５】
いま、転送素子Ｔ₂がオン状態にあるとすると、ゲート電極Ｇ₂の電位は、ほぼ０Ｖとなる。したがって、書込み信号φ_Iの電圧が、ｐｎ接合の拡散電位（約１Ｖ）以上であれば、発光素子Ｌ₂を発光状態とすることができる。
【００４６】
これに対し、ゲート電極Ｇ₁は約５Ｖであり、ゲート電極Ｇ₃は約１Ｖとなる。したがって、発光素子Ｌ₁の書込み電圧は約６Ｖ、発光素子Ｌ₃の書込み電圧は約２Ｖとなる。これから、発光素子Ｌ₂のみに書込める書込み信号φ_Iの電圧は、１〜２Ｖの範囲となる。発光素子Ｌ₂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に流す電流量で決められ、任意の強度にて画像書込みが可能となる。また、発光状態を次の発光素子に転送するためには、書込み信号φ_Iラインの電圧を一度０Ｖまでおとし、発光している発光素子をいったんオフにしておく必要がある。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光書き込みヘッドは、ヘッドの構成部品点数の低減により、製造コストの低減が図れる。従来の光書き込みヘッドでは、図１に示すようにハウジング、ヒートシンクおよび止め金具の３個を必要としたが、上述した光書き込みヘッドでは、これらをハウジング１個にすることができ、部品点数を大幅に低減できる。
【００４８】
また、本発明の光書き込みヘッドは、ハウジングの表面全てがＬＥＤチップ発熱の放熱面となるため、ヘッドの自己発熱によるＬＥＤ発光光量の減衰を低減できる。
【００４９】
また、本発明の光書き込みヘッドは、ヘッド組み立て工程の削減によりコストの低減を図ることができる。従来は発光素子実装基板をヒートシンクに固定するのに、止め金具による固定工程（止め金具を用いなければ接着剤による接着工程）が必要であったが、本発明の光書き込みヘッドでは、図３に示すように、ハウジングに設けた突起部と基板の上面接触面とで基板を挟んでいるので、固定工程（または接着工程）が削減できる。
【００５０】
さらに、本発明の光書き込みヘッドは、ハウジングが、強度に優れる非鉄金属で構成されるため、光学部品の配置精度を向上できる。また、ハウジングが、ヘッド長手方向に同一断面形状であるため、ハウジングに材料コスト低減に優れるアルミ押し出し材料を用ることができ、部材のコストの低減が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ロッドレンズアレイを用いた従来の光書き込みヘッドの断面図である。
【図２】本発明の光書き込みヘッドの実施の形態を示す斜視図である。
【図３】図２に示す光書き込みヘッドの一部正面図、および長手方向中央部における長手方向に対して直交する方向の断面図である。
【図４】ハウジングの発光素子実装基板に当接する面をエンドミル（刃物）で加工する時の状態を示す図である。
【図５】図３（ａ）のＡ部拡大図である。
【図６】電気信号の取り込み手段を有しない側のヘッドの端面部分を示す斜視図である。
【図７】コネクタを発光素子実装基板の基板裏面側に配置した状態を示す図である。
【図８】フラットケーブル付きのコネクタをハウジングの下から挿入したときの状態を説明する斜視図である。
【図９】自己走査型発光素子アレイの等価回路を示す図である。
【符号の説明】
１０，４６ハウジング
１１凹部
１２積層樹脂レンズアレイ
１３突出部
１４，４０発光素子実装基板
１６，４２ＬＥＤチップ
１８コネクタ
１９切り欠き
２０フラットケーブル
２２搭載面
２４突起部
２６止め具
２８溝
３０サイドカバー
３２データムピン
３４エンドミル
３６アンダーカット部
３８位置決めピン
４４正立等倍ロッドレンズアレイ
４８感光ドラム
５０ヒートシンク
５２止め金具

Claims

発光素子アレイを実装する基板と、前記発光素子アレイの発光素子が発光する光の光軸上にレンズアレイを備え、さらに前記基板およびレンズアレイを支持する一体成型されたものを備える光書き込みヘッドにおいて、
前記一体成型されたものは、ヘッド長手方向に沿って凹部が形成されており、前記凹部の長手方向両側面には長手方向に突出部が形成されており、さらに前記凹部の底面には、前記基板の発光素子アレイ直下部分となる位置にヘッド長手方向に突起部が形成されており、前記基板は、前記突起部と前記凹部の両側面に形成された突出部の下端面とで前記一体成型されたものに支持されていることを特徴とする光書き込みヘッド。
前記レンズアレイは、前記突出部の上端面に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の光書き込みヘッド。
前記突出部の下端面と、前記突起部の先端上面とのギャップＸは、
（基板厚み−０．５ｍｍ） ≦ Ｘ ≦ 基板厚み
の大きさであることを特徴とする請求項１または２に記載の光書き込みヘッド。
前記突起部は、ヘッド長手方向に亘り連続または不連続に形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記突起部の断面形状は、半円形状、矩形状、台形状または楔形状からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記一体成型されたものは、非鉄金属材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記一体成型されたものは、アルミ押し出し材料で形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記一体成型されたものの長手方向端面位置部分に、位置決め手段を設け、前記基板は、前記位置決め手段に前記基板の端面を突き当てることにより前記基板の長手方向の位置決めが行われることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記一体成型されたものの長手方向端面位置部分に、前記基板および電気信号の取り込み手段に干渉しない構造を有するサイドカバーを取り付けることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記一体成型されたものは、下部に切り欠きを有し、前記基板に電気信号を取り込むための配線は前記切り欠きから取り出されることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記レンズアレイは、積層樹脂レンズアレイまたはロッドレンズアレイであることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光書き込みヘッド。
前記発光素子アレイは、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１〜１１のいずれかに記載の光書き込みヘッド。