JP4597485B2 - プリントバーおよびプリントバー用のledアレイおよび製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、LEDプリンタデバイスに関し、特に、高解像度LEDアレイバーに関する。
【0002】
【従来の技術】
発光ダイオード(LED)バーはプリンタデバイスとしてよく用いられている。LEDバーは、制御可能な信頼性の高い光源を提供する。このバーは、一般に、複数の光源、すなわちピクセルを備える。これを作動させたり停止させたり(パルス状に)することにより、高速なスピードで、短い光バーストを発するようにすることが可能である。各々の光バーストを用いて、印刷される記号または文字の特定部分が形成される。より短い周期で、ピクセルをパルス状発光させるほど、記号/文字部分が、より早く画像化されるようになり、これに伴って、より微細であって高解像度の印刷が提供されることとなる。従って、商品化の観点からみて妥当な時間内で、かつ高解像度で、印刷を完了させるためには、高速パルシング特性を備える必要がある。
【0003】
LEDバーは、異なるセグメントサイズまたはチップサイズで構成される。セグメントサイズは、そのセグメント内に含まれるピクセル数による。セグメント当たりのピクセル数として普及している2つは、64ピクセルおよび128ピクセルである。この場合のセグメントは、SPI(Spot Per Inch:1インチ当たりのスポット数)が424.26のとき、それぞれ約3.832mmおよび約7.663mmとなる。それぞれの長さは、ピクセル数をSPI規定値で割るとともに、その商をミリメートルに換算することによって算出される。例えば、次のとおりである。
64(ピクセル)×1/424.26(SPI)=0.1509インチ×25.4mm/インチ=3.832mm
128(ピクセル)×1/424.26(SPI)=0.3017インチ×25.4mm/インチ=7.663mm
【0004】
隣り合わせに設けられたディスクリートチップからなるLEDの線形アレイを形成する技術が発達し、600SPIの密度が容易に達成可能になっている。実際、この密度は、LEDバーを用いるほとんどのプリンタに見ることができる。さらに高い密度も実現可能であり、1200SPIのバーが市販されている。
【0005】
市販の1200SPIのバーを評価した結果、発光中心のピッチが均一でないことが明らかになった。異なるチップ上の隣接ピクセルの間の距離は、4.3μm、つまりピッチの20%以上も大きかった(図1参照)。この大きな誤差が、プリンタに、好ましくないバンディング(banding:帯状の濃度ムラ)を引き起こす。明らかに、LEDアレイチップを作製する技術は向上してきており、1200SPIのLEDアレイチップが実現可能になっているが、チップを配置する技術は、600SPIのピッチ精度に留まっている。
【0006】
5つの設計ルールにより、正確なピッチの1200SPIのアレイの作製が実現される。現時点における最先端技術によるアレイも、評価されたバーによって示されているが、その5つ全てを満たていない。そのルールは、次のとおりである。(1)発光体が大きすぎてはならない。大きい発光体には、光学的・電気的なクロストークがある。(2)発光体が小さすぎてはならない。小さい発光体は、その発光が非効率的であるため、大電流を必要とするとともに、高温を発生させる。(3)発光体がチップ端に接近しすぎてはならない。接近した発光体は、チップをウェハからダイシングするときに形成された破損に起因する初期不良を起こす。(4)チップ間のギャップが小さすぎてはならない。小さいギャップは、チップがその隣のチップと接触して、アレイに配置する間に破損が生じる可能性を高める。さらに、そのギャップにより、チップおよび台座の熱膨張の許容が可能になる。膨張によりチップが接触すると、チップに破損が生じたり、チップの接着に用いた接着剤を破断したりする。(5)発光ピッチは均一でなければならない。そうでなければ、バンディングが生じる。
【0007】
既存のやり方によれば、評価されたバーのチップやその他の試験チップにより証明されたように、ルール(1)および(2)は満たされている。チップは、実現性のある10.5μm幅のLEDからなるようにしてもよい。しかし、それにもかかわらず、ルール(3)、(4)、および(5)については、依然として問題がある。それらは互いに相容れないものである。チップを、発光体から5μm以上離してダイシングすることが望ましい。配置精度については、設計段階においては、良くても±1μmであり、生産段階においては、ほぼ±2.5μmである。実際の1200SPIのチップは、図3に示すようにピッチ通りに(オンピッチ)配置される場合もあれば、図2に示すようにピッチ超過で(オーバーピッチ)配置される場合もある。オンピッチの場合には、チップ間のギャップは0.7μmである。これは、設計精度さえも上回っており、生産段階での再現性を期待することは非現実的である。オーバーピッチが最小の場合には、25.5μmの間隔が与えられるが、これは、理想的なピッチである21.2μmよりも、4.3μm大きい。評価されたバーはこれの状態であったが、もちろん、不具合を伴う。
【0008】
従って、アレイサイズおよび隣接チップ間の距離を最小化しつつ、均一なピッチを備える1200SPIのLEDアレイを形成することが可能であれば、有用である。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、生産段階におけるLEDアレイチップの実装精度では、1200SPIのLEDアレイに要求される発光ピッチ精度を実現することは困難であり、プリンタに、好ましくないバンディング(banding:帯状の濃度ムラ)を引き起こすという問題があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高解像度LEDアレイを形成する方法を提供している。第一の実施の形態の方法によれば、各LEDアレイチップの両端に位置するLEDとこれらよりチップ内側に位置するLEDとのピッチがほぼ18.6μmになるように、前記チップの両端に位置するLEDをほぼ2.6μmだけチップ内側に偏らせている。そして、前記チップの両端に位置するLEDの発光セントロイドが前記LED発光領域の中心よりチップの外縁にほぼ2.6μmだけ偏らせるように、前記チップの両端に位置するLEDの電極は、このLEDの発光領域の中心から所定量だけ内側に偏らせられている。各LEDアレイチップのサイズは、各チップをウェハからダイシングするとき、前記チップの両端に位置するLEDからほぼ5μm離れたところをチップの両端とし、それより外側のチップ材料を除去することによって低減される。このアレイは、各チップの間にギャップを介して、各チップを直列に配置することによって形成される。このとき、ギャップは、実現可能な配置精度にふさわしい大きさであるとともに、ほぼ21.2μmの均一なピッチが、各チップ上の各LEDの間で維持される。前記ギャップは5μm以上、11.2μm以下であることが好ましい。
【0011】
もう1つの側面によれば、本発明は、高解像度LEDプリントバーの提供を目的としている。第一の実施の形態において、高解像度LEDプリントバーは、アレイを形成する隣接LEDの間にギャップを介して互いに接合された複数のLEDチップを備える。各LEDチップは、一般に、各LEDが発光するように設定されている複数のLEDを備える。中心電極が、各LEDから延在するとともに、前記LEDをワイヤボンドパッドに電気的に接続するように設定されている。この中心電極は、一般に、前記LEDの発光面を覆うように配置されており、各LEDからの光のセントロイド(発光中心、もしくは発光強度分布の中心)が前記LEDの中央になるようにする。各LEDアレイチップの両端に位置するLEDは、これらよりチップ内側に位置するLEDとのピッチがほぼ18.6μmになるように、チップの両端に位置するLEDをほぼ2.6μmだけチップ内側に偏らせて配置される。前記チップの両端に位置するLEDは、各端部LEDの上で前記LED発光領域の中心から内側に偏らせている電極を有する。各端部LEDからの発光のセントロイドは、前記LED発光領域の中心より前記チップの外縁にほぼ2.6μmだけ近づけられている。
【0012】
【発明の実施の形態】
図示された実施の形態を参照しつつ、本発明について説明するが、本発明は、数多くの代替的な実施の形態により具体化できることは言うまでもない。さらには、ふさわしいサイズ、形状、または種類であれば、いかなる部材または材料を用いるようにしてもよい。
【0013】
図6を参照すると、本発明により、隣接ピクセルの間で均一なピッチを有する線形LEDアレイが実現できる。これは、前述の1200SPIのLEDアレイの一般的な設計ルールに合致する。アレイ状のプリントヘッドの各チップにおける端部LEDデバイスの中心電極をLED発光領域の中心から偏移させるのは、その発光強度分布の中心をLED発光領域の中心よりもアレイの端部近くに出現させるためである。これにより、チップを、光のセントロイド(発光強度分布中心−light centroid)に、より接近した位置でダイシングすることが可能となり、そのアレイにおけるチップを、互いに、より接近した状態で配置/実装することが可能である。図6に示すように、端部LED56上の電極52を内側に偏らせることにより、発光のセントロイドをチップエッジに近づける。LED56のセントロイドは、もはやLEDの中央に位置しない。このため、チップ51およびチップ53の間のギャップ58を、図2に示されたギャップ27よりも大きくすることが可能であると同時に、異なるチップ上の隣接ピクセル間の適正な/理想的な距離を実質的に維持する。本発明に係るLEDアレイは、図1に示されたLEDピッチのスパイク状の変動を無くすとともに、それに起因するバンディングを回避する。本発明の1つの特徴は、隣接チップ間の破損または接触を伴うことなく、21.2μmの一定のピッチおよびLEDチップ間の最小限のギャップを備える1200SPIの線形LEDアレイを提供することである。
【0014】
線形LEDアレイは、一般に、一連のLEDチップを備える。例えば、図2を参照すると、LEDアレイ20は、少なくとも2つのLEDチップ22(22a、22b)を備える。各LEDチップ22は、一般に、複数のLED26を備える。各LED26は、従来の方法で、LEDチップ22に配置されている。図2に示すように、各LED26は、それに対応する中心電極28を有しており、これを用いて、例えば、LED26をワイヤボンドパッド24に電気的に接続することが可能である。図2に示された中心電極は、発光セントロイドをLED26の中央に生じさせる。電極28は、中央の光を遮るが、光のセントロイドは変えない。
【0015】
図2は、1200SPIのLEDアレイバーに応用された典型的な600SPIチップ構造を示す説明図である。端部LED21とチップエッジ23の間に少なくとも5μmの緩衝域を維持すると同時に、チップ22aとチップ22bの間に少なくとも5μmのギャップ27を維持するために、異なるチップ上の隣接ピクセル間のピッチ29は、平均ピッチ25と比べて、かなり大きい。これは、好ましくないことである。図2と同様な構造のLEDバーのピクセル間隔の評価を行った。図1は、沖データ(Okidata)社製の1200SPIのLEDバーにおけるピクセル間隔をプロットしたグラフである。同一チップ上のピクセル間のオンピッチ平均間隔は、21.2μmである。ところが、異なるチップ上の隣接ピクセルの間隔は、4.3μmのオーバーピッチであった。グラフに示されたスパイク(ピーク)は、チップの境界ごとに現れる。
【0016】
ピッチ誤差を低減するために、LEDチップを、図3に示すように互いに近づけるようにしてもよい。ところが、ピッチ誤差をなくすためには、図2で説明したように、チップ22aおよびチップ22bの間のギャップ34は0.7μmしか許されない。これは、既存のチップ配置装置の能力からして現実的ではない。さらに、そのように接近した配置では、隣接チップの衝突や破損の原因となる。さらには、そのように小さいギャップでは、チップとその台座の熱膨張のための余地が与えられない。
【0017】
LEDサイズが減少するにつれて、例えば、図2に示されたLEDチップ22のようなLEDの構造が、ますます発光強度分布に影響を及ぼす。例えば、図2に示された上部電極28は、そのサイズが(LEDサイズに)比例して変わるわけではないことが、1つの要因となる。金メッキと電流容量による制約のため、電極のサイズは制限される。1200SPI用のLEDに覆い被さる電極は、LED発光体領域を600SPI用のLEDより大きい割合で被覆し、光をより大きい割合で吸収するので、発光強度分布に、600SPI用より大きな影響を及ぼすことになる。
【0018】
本発明を用いることにより、LEDの発光強度分布を変えることができる。図6に示すように、電極28を発光体の側方に向かって動かすと、側方電極52は、その下部のLEDの光を遮るので、セントロイドを側方電極52の位置の反対側に向かって押しやることになる。図4に、2つの電極構造を有する1200SPIサイズのLEDを示す。
【0019】
図4のプロット41および図5のプロット43は、1200SPIサイズのLEDの顕微鏡写真である。図中下方のプロット42および44は、LED領域上の近接場発光走査データ(near field emission scans)である。プロット42において、発光強度を示す線は423であり、LED分布図を示す線は421である。プロット44において、発光強度を示す線は441であり、LED分布図を示す線は443である。図6の側方電極(LEDの中心から偏らせて配置した電極)52は、LEDの中央よりも右側にセントロイドを生じさせる(光をチップのエッジに向かって押しやる)。図4および図5に示すように、各プロット42,44におけるLED領域のセントロイドは、20.8μmの位置にある。図4の中心電極を備えたLEDにより生じる発光セントロイドは、20.8μmの位置にある。すなわち隣接するLEDの発光中心との距離は20.8μmである。図6の側方電極を備えるLED56により生じる発光セントロイドは、18.2μmの位置にある。図6の側方電極52は、LED56の中心を基準として2.6μm、セントロイドを動かす。
【0020】
本発明によれば、側方電極構造を応用することで、隣接LEDチップ51および53の間のギャップ58を最小化すると同時に、ピクセル間の一定のピッチを維持できる。例えば、図6に示すように、側方電極52は、ほぼ2.6μm、発光セントロイドをエッジに向かって偏らせる。LED56をそれと同じだけ内側に配置することにより、チップ51上のその他のピクセル51a〜51dとの適正な間隔が維持される。LED56を内側に動かす/偏移させることで、チップ51をそれと同じだけ小さくすることが可能となる。これは、アレイにおける各チップの両側について行われる。隣接アレイ間のギャップ58は、LED56の偏移量のほぼ2倍、つまり、図6に示すように、5.2μm広げられる。図6に示すように、ほぼ5.9μmのギャップ58を隣接チップ51および53の間に設けるようにしてもよい。これは、チップの配置精度および熱膨張に対する許容にふさわしい大きさである。図6に示した構造は、1200SPIアレイのその他の設計ルールにも適合するとともに、ほぼ21.2μmの均一なピッチを備える正確な1200SPIアレイを実現する。ここでは、1200SPIアレイに言及しつつ、開示される実施の形態について説明しているが、開示される実施の形態の特徴は、ICを接合(butting)してアレイを形成することからなる、あらゆる高解像度イメージャ/スキャナに応用することが可能である。
【0021】
代替的な実施の形態においては、図6に示された電極構造が、異なるLED材料群および波長に合わせることを必要とする場合もある。これは、図5に示された側方電極LEDの分布図44が、電極材料を通り抜ける光透過性も1つの要因となる場合もあるからである。非対称ピクセルの出力(power)については、その幅が、他と同等になるように設定してもよい。
【0022】
【発明の効果】
LEDの電極を発光体の側方に偏移させることで、光のセントロイドが反対側に向かって押しやられる。このように発光強度の分布を偏移させることで、アレイ状のプリントヘッドの各チップにおける端部LEDデバイスが実際よりも、その端部の近くに見えるようにすることが可能である。これにより、チップをより小さくするとともに、チップ間のギャップを広げることが可能となる一方で、アレイにおけるチップのピクセル間で、例えば、21.2μmの一定のピッチが維持される。結果として得られるギャップは、例えば、チップの衝突、アームの破損、あるいはチップの配置誤差のような、より小さいギャップに関連した問題を克服する。本発明は、1200SPI以上の線形アレイを提供するが、これには、チップ接合部に実質的なピッチ誤差が全くなく、より良い画質特性を有する。
【0023】
上述の説明が単に本発明の例示にすぎないということは言うまでもない。種々の代替例および修正例が、本発明からはずれることなく、当業者によって考えられることが可能である。従って、本発明は、添付された特許請求の範囲に含まれる全てのそのような代替例、修正例、および変形例を包含するように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の1200SPIのLEDバーにおけるピクセル間隔を示すグラフである。
【図2】 1200SPIのLEDアレイバーに応用された600SPI構造LEDアレイチップを示す説明図である。
【図3】 ピッチ誤差をなくすために互いに近づけられた1200SPIのLEDアレイチップを示す説明図である。
【図4】 中心電極を備えたLEDの発光特性を示すグラフである。
【図5】 側方電極を備えたLEDの発光特性を示すグラフである。
【図6】 本発明の特徴を用いた1200SPIのLEDチップ構造の1つの実施の形態を示す説明図である。
【符号の説明】
51,53 LEDチップ、51a〜51d LED、52 側方電極、56端部LED(側方電極LED)、58 ギャップ。
Claims (3)
- 複数のLEDを配列したLEDアレイチップを複数直列配置するLEDアレイの製造方法において、
各LEDアレイチップの両端に位置するLEDとこれらよりチップ内側に位置するLEDとのピッチがほぼ18.6μmになるように、前記チップの両端に位置するLEDをほぼ2.6μmだけチップ内側に偏らせるステップと、
前記チップの両端に位置するLEDの発光セントロイドが前記LED発光領域の中心よりチップの外縁にほぼ2.6μmだけ偏らせるように、前記チップの両端に位置するLEDの電極を前記LED発光領域の中心から所定量だけチップ内側に偏らせるステップと、
各チップをウェハからダイシングするとき、前記チップの両端に位置するLEDからほぼ5μm離れたところをチップの両端とし、それより外側のチップ材料を除去することによって、各LEDチップのサイズを低減するステップと、
LEDのピッチがほぼ21.2μmで均一となるようにギャップを介して2個以上直列配置するステップと、
を特徴とするプリントバー用のLEDアレイの製造方法。 - 複数のLEDを配列したLEDアレイチップをギャップを介して、複数直列配置したLEDアレイを備えるプリントバーにおいて、
各LEDチップが、
発光中心が前記LEDの中央になるように配置された発光領域の上の電極とワイヤボンドパッドとそれらを接続する配線電極と
前記チップの両端のLEDと、各端部に対応した電極と、
を備えており、
各LEDアレイチップの両端に位置するLEDとこれらよりチップ内側に位置するLEDとのピッチがほぼ18.6μmになるように、前記チップの両端に位置するLEDをほぼ2.6μmだけチップ内側に偏らせていることと、
前記チップの両端のLEDの電極は前記LED発光領域の中心から内側に偏らせており、前記チップの両端に位置するLEDの発光セントロイドが前記LED発光領域の中心よりチップの外縁にほぼ2.6μmだけ近づけられていることと、
各チップの両端が、前記チップの両端に位置するLEDからほぼ5μm離れたところであることと、
前記アレイにおける各LEDチップ間のギャップにより、LEDの発光ピッチがほぼ21.2μmで均一であることと、
を特徴とするプリントバー。 - チップの間にギャップを介して、直列配置された複数のLEDアレイチップと、
各LEDを関連回路に電気的に接続するとともに、各LEDからの発光の強度分布中心を形成するように設定されている各チップ上の各LEDと関連がある電極と、
各チップ上の一対の端部LEDと、
を備えるLEDアレイにおいて、ほぼ21.2μmの均一なピッチを各チップ上の各LEDの間で維持するために、各LEDアレイチップの両端に位置するLEDとこれらよりチップ内側に位置するLEDとのピッチがほぼ18.6μmになるように、前記チップの両端に位置するLEDをほぼ2.6μmだけチップ内側に偏らせるとともに、前記チップの両端に位置するLEDの前記電極を前記LED発光領域の中心から所定量だけ内側に偏らせ、前記チップの両端に位置するLEDの発光セントロイドが前記LED発光領域の中心よりチップの外縁にほぼ2.6μmだけ偏らせており、さらに各チップの両端が、前記チップの両端に位置するLEDからほぼ5μm離れたところであることを特徴とするLEDアレイ。
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