JP4751922B2 - レンズアレイユニット、光学ヘッドおよび情報装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像形成装置のＬＥＤヘッドや読取装置の光学系として使用されるレンズアレイユニット、そのレンズアレイユニットを備えた光学ヘッドおよび情報装置に関する。

従来のレンズアレイユニットは、複数のＬＥＤ（発光ダイオード）を直線状に配列したＬＥＤヘッドを用いた電子写真式の画像形成装置や複数の受光素子を直線状に配列した受光部に読取り原稿の像を結像させるスキャナやファクシミリ等の読取装置にロッドレンズアレイが用いられている。このロッドレンズアレイは、物体の正立等倍像をライン状に形成することができる光学系である（例えば、特許文献１参照）。

また、マイクロレンズを直線状に配列した２個のレンズアレイを配置して物体の正立等倍像を形成する光学系を構成するようにしたものもある。このマイクロレンズのレンズアレイにおいては、プラスチック射出成型により形状精度の高いレンズアレイを効率よく作成することができ、高い解像度を得ることができるものである。
特開２０００−２２１４４５号公報（段落「００１７」〜段落「００２３」、図２、図３）

しかしながら、上述した従来の技術においては、マイクロレンズを直線状に配列した長尺のアレイ板を射出成型するとアレイ板は薄くて長いため長手方向で剛性が弱く、レンズアレイユニットを組み立てるとき、寸法精度を出して取り付けることが困難であるため、十分な解像度の結像を得ることができないという問題がある。
本発明は、このような問題を解決することを課題とし、十分な解像度の結像を得ることができるレンズアレイユニットを提供することを目的とする。

そのため、本発明は、それぞれの光軸に直交する方向に複数のレンズが並ぶレンズアレイを有するレンズ板を備え、少なくとも２枚の前記レンズ板を前記各レンズの光軸が一致するように配置して正立等倍像を結像するレンズアレイユニットにおいて、前記レンズ板の各レンズに対応して配設され、貫通した開口と、前記開口が貫通する方向と直交する方向で前記開口が並ぶ長手方向の両側部に、前記レンズ板のレンズが並ぶ長手方向の両側部を固定する取付け部とを有する遮光部材を設け、前記それぞれのレンズ板は、レンズが並ぶ長手方向に延在する突出部が両側部に形成され、前記遮光部材は、前記それぞれのレンズ板の突出部と嵌合し、長手方向に延在する嵌め込め部が前記取付け部に形成され、前記遮光部材の嵌め込め部は、前記それぞれのレンズ板の突出部が嵌め込まれることを特徴とする。

このようにした本発明は、十分な解像度の結像を得ることができるという効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明によるレンズアレイユニット、光学ヘッドおよび情報装置の実施例を説明する。

本実施例の情報処理装置としてのプリンタを図２の第１の実施例におけるプリンタの構成を示す概略図に基づいて説明する。
図２において、プリンタ１００は、色材としての顔料を含む樹脂からなるトナーにより、画像データをもとに印字媒体上に画像を形成する。
プリンタ１００には、印字媒体としての用紙１０１を貯留する給紙カセット６０が装着され、用紙１０１を給紙カセット６０から取り出す給紙ローラ６１を備え、用紙１０１を給紙して搬送する。

本発明におけるプリンタ１００は、カラー電子写真方式であり、プリンタ１００内には画像形成部としてイエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの各色の画像を形成する静電潜像担持体としての感光体ドラム４１、その感光体ドラム４１に形成された静電潜像をトナーにより現像し、トナー像を形成する現像器５、その現像器５にトナーを供給するトナーカートリッジ５１が用紙１０１の搬送路に沿って並べて配置されている。

また、感光体ドラム４１の表面に電荷を供給して帯電させる帯電ローラ４２、光学ヘッドとしてのＬＥＤヘッド３が、感光体ドラム４１の表面に対向するように配置され、ＬＥＤヘッド３は帯電ローラ４２で帯電された感光体ドラム４１の表面に画像データをもとに選択的に光を照射して静電画像を形成する。
さらに、感光体ドラム４１上に形成されたトナー像を用紙１０１上に転写する転写ローラ８０が、転写部で用紙１０１を搬送する転写ベルト８１を挟むように感光体ドラム４１に対向して配置され、その下流には用紙１０１上に形成されたトナー像を熱および圧力で定着させる定着器９が配置されている。この定着器９を通過した用紙１０１は排出部７へ排出される。

また、帯電ローラ４２および転写ローラ８０には図示しない電源により所定の電圧が印加される。そして、転写ベルト８１、感光体ドラム４１および各ローラはそれぞれ図示しないモータと図示しない駆動を伝達するギアにより回転駆動される。さらに、現像器５、ＬＥＤヘッド３、定着器９、および図示しない各モータには、それぞれ電源および制御装置が接続されている。

プリンタ１００は、外部装置から印刷データを受信する外部インターフェースを有し、その外部インターフェースで受信した印刷データをもとに印字媒体上に画像を形成する。
このように構成されたプリンタ１００は、制御プログラムをメモリ等の記憶部に記憶し、その制御プログラムに基づいて全体を制御する制御手段および演算手段としての制御部を備えている。

次に、光学ヘッドとしてのＬＥＤヘッド３の構成を図３の第１の実施例におけるＬＥＤヘッドの概略断面図に基づいて説明する。
ＬＥＤヘッド３には、レンズアレイユニット１が配設され、そのレンズアレイユニット１はホルダ３４によりＬＥＤヘッド３に固定されている。ＬＥＤ素子３０およびドライバＩＣ３１は配線基板３３上に配置され、ＬＥＤ素子３０とドライバＩＣ３１はワイヤ３２により結線され、ＬＥＤ素子３０はドライバＩＣ３１により制御されて発光する。

このレンズアレイユニット１により、感光体ドラム４１にＬＥＤ素子３０の像が結像し、感光体ドラム４１の回転に合わせてＬＥＤ素子３０を発光させることにより感光体ドラム４１上に静電潜像が形成される。
本実施例においては、ＬＥＤヘッド３は６００ｄｐｉ（ｄｏｔｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）の解像度であり、ＬＥＤ素子３０が１インチ当たり（１インチは約２５．４ｍｍ（ミリメートル））６００個配置されている。すなわち、ＬＥＤ素子３０が０．０４２３ｍｍ間隔で配列されている。

次に、レンズアレイユニット１の構成を図１の第１の実施例におけるレンズアレイユニットに使用されるレンズ板および遮光部材の平面図、図４の第１の実施例におけるレンズアレイユニットの断面図、図５の第１の実施例におけるレンズアレイユニットの側面図および平面図に基づいて説明する。なお、図１（ａ）はレンズ板の平面図、図１（ｂ）は遮光部材の平面図であり、図５（ａ）はレンズアレイユニットの側面図、図５（ｂ）はレンズアレイユニットの平面図である。

図１（ａ）において、レンズ板１１は、複数のマイクロレンズ１２を光軸と直交する方向に中心の間隔をＰとして配列して形成される。それぞれのマイクロレンズ１２の半径ＲＬは、間隔Ｐ／２より大きく、オーバーラップするように配設され、隣接するマイクロレンズ１２と接する部分はレンズ形状が切り欠き形状となって連結されている。
図１（ｂ）において、遮光部材１３は、中心の間隔をＰとして貫通した開口１４（遮光部）が形成され、その配列間隔はレンズ板１１に配列されるマイクロレンズ１２の光軸の間隔に一致する。開口１４の開口幅（遮光部材１３の長手方向の開口幅）は２ＲＹであり、間隔Ｐより小さくなるように形成されている。また、遮光部材１３は、発光部の光線を遮光する黒色樹脂素材により形成される。

図４において、レンズ板１１は、遮光部材１３に設けられた取付け部としての穴１６にレンズ板１１の突起１５を嵌め込むことで遮光部材１３に固定される。遮光部材１３は樹脂製であり、穴１６の近傍を拡げてレンズ板１１を嵌め込むことができ、嵌め込んだ後は、レンズ板１１を固定して保持することができるようになっている。
遮光部材１３に固定されるレンズ板１１は、開口の光の入口側と出口側にそれぞれ１枚ずつ配置され、対向する各レンズ板１１のマイクロレンズ１２の光軸Ｃが一致し、さらにその光軸Ｃが開口１４の中心に一致するように固定される。このとき、遮光部材１３の開口１４の厚さによって対向する２枚のレンズ板１１の間隔が、感光体ドラム４１上に結像できる間隔に支持される。

図５において、遮光部材１３に設けられた基準穴１８にレンズ板１１の基準突起１７を嵌め込むことでレンズ板１１は遮光部材１３に長手方向の基準位置で固定される。
レンズアレイユニット１は、図５に示すように遮光部材１３を挟んで２個のレンズ板１１は表裏が逆となるように対向して結像面に結像できる間隔で保持されている。遮光部材１３を挟んで２個のマイクロレンズ１２が光軸を一致させて共役の位置に配置され、正立等倍率の光学系が形成される。このように光軸が一致する２個のマイクロレンズ１２からなる光学系は、ＬＥＤ素子３０の像を感光体ドラム４１の表面に正立等倍率で結像することができる。

また、遮光部材１３は、レンズ板１１の間にあって光軸が一致する２個のマイクロレンズからなる光学系に他の光学系から入る迷光（一部の光）を遮断するとともに他の光学系に迷光を出さないように遮断している。
なお、本実施例では、レンズ板１１はシクロオレフィン系樹脂である光学樹脂（日本ゼオン社製、商品名；ＺＥＯＮＥＸ（ゼオネックス）（登録商標）Ｅ４８Ｒ）を使用し、射出成型により複数のマイクロレンズ１２を一体に成型した。また、遮光部材１３は、ポリカーボネートを使用し、樹脂成型により作成した。

上述した構成の作用について説明する。
まず、プリンタ１００の動作を図２に基づいて説明する。
プリンタ１００の感光体ドラム４１表面は、図示しない電源装置により電圧が印加された帯電ローラ４２により帯電される。続いて、感光体ドラム４１が回転することによって帯電された感光体ドラム４１表面がＬＥＤヘッド３の付近に到達するとＬＥＤヘッド３によって露光され、感光体ドラム４１表面に静電潜像が形成される。この静電潜像は現像器５により現像され、感光体ドラム４１の表面にトナー像が形成される。

一方、給紙カセット６０にセットされた用紙１０１が給紙ローラ６１によって給紙カセット６０から取り出され、転写ローラ８０および転写ベルト８１の付近に搬送される。
感光体ドラム４１が回転することにより、現像によって得られた感光体ドラム４１表面上のトナー像が転写ローラ８０および転写ベルト８１の付近に到達すると図示しない電源装置により電圧が印加されている転写ローラ８０および転写ベルト８１によって、感光体ドラム４１表面上のトナー像は用紙１０１上に転写される。

続いて、表面にトナー像が形成された用紙１０１は、転写ベルト８１の回転により定着器９へ搬送され、用紙１０１上のトナー像はその定着器９により加圧されながら加熱されることにより溶解し、用紙１０１上に固定される。トナー像が固定された用紙１０１は排出部７に排出されてプリンタ１００の動作が終了する。
次に、ＬＥＤヘッド３の動作を図３に基づいて説明する。

画像データをもとにプリンタ１００の制御部によりＬＥＤヘッド３の制御信号が発信されるとドライバＩＣ３１はその制御信号に基づき任意の光量でＬＥＤ素子３０を発光させる。そのＬＥＤ素子３０からの光線はレンズアレイユニット１に入射し、感光体ドラム４１上に結像が形成される。
次に、レンズアレイユニット１の動作を図４に基づいて説明する。

ＬＥＤ素子３０の光線は第１のマイクロレンズ１２に入射し、その第１のマイクロレンズ１２によって光軸方向に隔てた位置に中間像が形成される。さらに、第２のマイクロレンズ１２によってその中間像の像が形成されることにより、結像面上にＬＥＤ素子３０の像が形成される。
第１のマイクロレンズ１２によって形成される中間像はＬＥＤ素子３０の倒立縮小画像であり、結像面上のＬＥＤ素子３０の像はその中間像の第２のマイクロレンズ１２による倒立拡大画像であって、結局、ＬＥＤ素子３０の正立等倍像が結像面上に形成される。

また、第１のマイクロレンズ１２と第２のマイクロレンズ１２との間では物体面上の各点からの光線の主光線が平行である、いわゆるテレセントリックになっている。
このようにしてレンズアレイユニット１はＬＥＤ素子３０の正立等倍像を形成する。
なお、ＬＥＤ素子３０からの光線は、レンズアレイユニット１に配設された２つ以上の異なる光軸を有するマイクロレンズ１２に入射して結像面では重なって像を形成する。

また、ＬＥＤ素子３０からの光線は第１のマイクロレンズ１２から射出された後、結像に寄与しない光線は遮光部材１３により遮光される。
レンズアレイユニット１は図３に示す結像関係で性能を満足するには光軸方向における位置精度の許容値は３０μｍ以内であり、レンズアレイユニット１の取付け精度と同時にレンズアレイユニット１の反りが３０μｍ以内にあることが必要である。

レンズ板１１はマイクロレンズ１２の光軸方向は薄い形状になるため、レンズ板１１の長手方向における曲げ剛性であって光軸方向の曲げ剛性が低くなり光軸と直交する方向の短手（幅）方向の剛性より小さい。このため、射出成型したレンズ板１１は長手方向における光軸方向に反り易い。
本発明では、レンズアレイユニット１の反りを減らすため、剛性を測定してレンズ板１１の剛性に対して遮光部材１３の剛性を検討した。

図７は剛性の測定方法を示す説明図である。
図７において、サンプル９３の剛性を測定するため、固定治具９２にサンプル９３の端部を挟み固定し、そのサンプル９３の他方の端部に荷重変位計９１の端子を当接させる。この荷重変位計９１は端子の押し込み量σと端子に加える荷重Ｆを測定できるようになっており、端子の押し込み量σはサンプル９３の変位量σであるから、サンプル９３の剛性ＫをＦ／σとして簡易的に求めた。そして、サンプル９３の測定長さＬを２００ｍｍとし、変位σは５ｍｍとなる荷重Ｆｇ（グラム）を測定した。

遮光部材１３は、光軸方向に厚さを増加させるため、レンズ板１１の側面を囲む形状とした。これによりレンズアレイユニット１の長手方向における光軸方向の剛性が増加し、光軸と直交する短手（幅）方向の剛性より大きくなった。
また、遮光部材１３の長手方向における光軸方向への剛性が、レンズ板１１の長手方向における光軸方向への剛性に対して５倍以上あればレンズ板１１に反りが有ってもレンズアレイユニット１に嵌合させて組立てた後にはレンズ板１１の反りを遮光部材１３によって補正することができ、レンズ板１１の反りの影響は出なかった。

なお、遮光部材１３の長手方向における光軸方向への剛性が、レンズ板１１の長手方向における光軸方向への剛性に対して５倍以上にするとレンズアレイユニット１の取付け精度と同時にレンズアレイユニット１の反りが許容値である３０μｍ以内になることが実験により分かっている。
本実施例では、レンズ板１１を形成する光学材料は高価であって材料の種類も限定されるが、遮光部材１３は比較的安価な材料で成型され、剛性を出せる材料、例えばガラス繊維入りのポリカーボ樹脂も選択することができる。

また、レンズアレイユニット１の光軸と直交する方向（図５（ｂ）における矢印Ｂが示す方向）の剛性は、光軸方向（図５（ａ）における矢印Ａが示す方向）の剛性より小さい場合でもホルダ３４に沿って取り付けることにより、寸法精度を得ることができる。なお、レンズアレイユニット１の光軸と直交する方向の位置精度の許容値は光軸方向の許容値の約３倍である。

なお、本実施例では、発光部としてＬＥＤ素子３０を複数配置したＬＥＤアレイを用いたものとして説明したが、それに限られることなく例えば有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｎｅｓｃｅｎｃｅ）を発光部とした光学ヘッドであってもよい。
以上説明したように、第１の実施例では、複数のマイクロレンズを直線状に配置したレンズ板を遮光部材に嵌合して基準位置に固定することにより、レンズアレイユニットに位置精度を高くしてレンズ板を配置することができ、また遮光部材の剛性をレンズ板の剛性に対して５倍以上とすることにより、レンズ板の反りを補正することができ、レンズアレイユニットの長手方向において十分な解像度を得ることができるという効果が得られる。

図６は第２の実施例におけるレンズアレイユニットに使用されるレンズ板および遮光部材の平面図である。なお、図６（ａ）はレンズ板の平面図であり、図６（ｂ）は遮光部材の平面図である。
第２の実施例では、レンズ板２１はマイクロレンズ２２の光軸に直交する方向にレンズ群を２列の直線状（２本の平行する直線状）に配置して構成される。なお、上述した第１の実施例と同様の部分は、同一の符号を付してその説明を省略する。

図６（ａ）において、レンズ板２１には複数のマイクロレンズ２２が平行する２列に交互に配置され、各列で並ぶそれぞれのマイクロレンズ２２の間隔はＰＹ、二つの平行する列の間隔はＰＸである。
それぞれのマイクロレンズ２２の半径はＲＬであり、隣接するマイクロレンズ２２の中心間を距離ＰＮとして隣接するマイクロレンズ２２にオーバーラップするように配置され、隣接するマイクロレンズ２２と接する部分はレンズ形状が切り欠き形状となって連結さている。つまり、距離ＰＮは２ＲＬより小さくなっている。

図６（ｂ）において、遮光部材２３には開口２４がレンズ板２１のマイクロレンズ２２の配置に対応するように形成され、その開口２４の配列間隔（中心の間隔）は各列で並ぶ間隔ＰＹ、２列の間隔はＰＸである。この開口２４の中心の位置はマイクロレンズ２２の光軸に対応し、開口２４の弧の半径ＲＡはマイクロレンズ２２の半径ＲＬより小さくなるように形成されている。

レンズアレイユニット１の組み立ては第１の実施例と同様であり、レンズ板２１は、遮光部材２３に設けられた穴にレンズ板２１の突起を嵌め込むことで遮光部材２３に固定される。遮光部材２３は樹脂製であり、変形してレンズ板２１を嵌め込むことができ、嵌め込んだ後は、レンズ板２１を固定して保持することができるようになっている。
遮光部材２３に固定されるレンズ板２１は、開口２４の光の入口側と出口側にそれぞれ１枚ずつ配置され、対向する各レンズ板２１のマイクロレンズ２２の光軸が一致するように固定される。このとき、遮光部材２３の開口２４の厚さによって対向する２枚のレンズ板２１の間隔が、感光体ドラム４１上に結像できる間隔に支持される。

また、物体面側のレンズ板２１と結像面側のレンズ板２１はマイクロレンズ２２の光軸を一致させて反対向きに配置することは第１の実施例と同様である。
上述した構成のプリンタ１００、ＬＥＤヘッド３、およびレンズアレイユニット１の動作は第１の実施例と同様なのでその説明を省略する。
第２の実施例の構成では、マイクロレンズ２２が２列に配列されるため、１列に配列した場合よりＬＥＤ素子３０の結像面上の像は光量が均一で明るくなる。

以上説明したように、第２の実施例では、第１の実施例の効果に加え、レンズ板にマイクロレンズを２列に並べて配置するようにしたことにより、結像面上の像は光量が均一で明るくなるという効果が得られる。
なお、各実施例において、本発明によるレンズアレイユニットを用いた光学ヘッドをＬＥＤヘッドとして説明したが、それに限られるものでなく、原稿を読取る読取装置の読取りヘッドとしてもよい。また、情報装置として複写機や複合機に利用することもできる。

第１の実施例におけるレンズアレイユニットに使用されるレンズ板および遮光部材の平面図 第１の実施例におけるプリンタの構成を示す概略図 第１の実施例におけるＬＥＤヘッドの概略断面図 第１の実施例におけるレンズアレイユニットの断面図 第１の実施例におけるレンズアレイユニットの側面図および平面図 第２の実施例におけるレンズアレイユニットに使用されるレンズ板および遮光部材の平面図 剛性の測定方法を示す説明図

符号の説明

１ レンズアレイユニット
３ ＬＥＤヘッド
５ 現像器
７ 排出部
９ 定着器
１１、２１ レンズ板
１２、２２ マイクロレンズ
１３、２３ 遮光部材
１４、２４ 開口
１５ 突起
１６ 穴
１７ 基準突起
１８ 基準穴
３０ ＬＥＤ素子
３１ ドライバＩＣ
３２ ワイヤ
３３ 配線基板
３４ ホルダ
４１ 感光体ドラム
４２ 帯電ローラ
５１ トナーカートリッジ
６０ 給紙カセット
６１ 給紙ローラ
８０ 転写ローラ
８１ 転写ベルト

Claims (11)

1. それぞれの光軸に直交する方向に複数のレンズが並ぶレンズアレイを有するレンズ板を備え、少なくとも２枚の前記レンズ板を前記各レンズの光軸が一致するように配置して正立等倍像を結像するレンズアレイユニットにおいて、
   前記レンズ板の各レンズに対応して配設され、貫通した開口と、前記開口が貫通する方向と直交する方向で前記開口が並ぶ長手方向の両側部に、前記レンズ板のレンズが並ぶ長手方向の両側部を固定する取付け部とを有する遮光部材を設け、
   前記それぞれのレンズ板は、レンズが並ぶ長手方向に延在する突出部が両側部に形成され、
   前記遮光部材は、前記それぞれのレンズ板の突出部と嵌合し、長手方向に延在する嵌め込め部が前記取付け部に形成され、
   前記遮光部材の嵌め込め部は、前記それぞれのレンズ板の突出部が嵌め込まれることを特徴とするレンズアレイユニット。
2. 請求項１のレンズアレイユニットにおいて、
   前記遮光部材の取付け部に、基準穴を形成し、
   前記レンズ板の突出部に、基準突起を形成し、
   前記基準突起を前記基準穴に嵌め込んで対向する前記各レンズの光軸を一致させるとともに前記各レンズの光軸を前記遮光部材の開口の中心と一致させることを特徴とするレンズアレイユニット。
3. 請求項１または請求項２のレンズアレイユニットにおいて、
   サンプルの長さ方向におけるひとつの端部を固定治具で固定し、固定された端部から２００ｍｍ離れた前記サンプルの他の端部に荷重変位計の端子を当接させ、測定する方向に前記荷重変位計の端子を押し込んで、前記サンプルを５ｍｍ変位させたときの前記荷重変位計の荷重値を測定する測定方法で、前記遮光部材の開口が貫通する方向を前記測定方法の測定方向として測定した荷重値が、前記レンズ板の光軸方向を前記測定方法の測定方向として測定した荷重値の５倍以上であることを特徴とするレンズアレイユニット。
4. 請求項３のレンズアレイユニットにおいて、
   前記レンズ板の光軸と直交する方向を前記測定方法の測定方向として測定した荷重値が、前記レンズ板の光軸方向を前記測定方法の測定方向として測定した荷重値より小さいことを特徴とするレンズアレイユニット。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項のレンズアレイユニットにおいて、
   前記レンズ板の各レンズは、配列間隔より大きい外径を有し、隣接するレンズとの接合部を切り欠き形状としたことを特徴とするレンズアレイユニット。
6. 請求項５のレンズアレイユニットにおいて、
   前記レンズ板の各レンズを、光軸に対して直交する方向に２列に並べて配置したことを特徴とするレンズアレイユニット。
7. 請求項６のレンズアレイユニットにおいて、
   前記レンズ板の各レンズを、平行する２列に交互に並べて配置したことを特徴とするレンズアレイユニット。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項のレンズアレイユニットにおいて、
   前記遮光部材は、ポリカーボネート樹脂を主材料として成型されることを特徴とするレンズアレイユニット。
9. 請求項１から請求項８のいずれか１項のレンズアレイユニットにおいて、
   前記遮光部材は、前記レンズ板の側面を包む形状であることを特徴とするレンズアレイユニット。
10. 請求項１から請求項９のいずれか１項のレンズアレイユニットを用いた光学ヘッド。
11. 請求項１０の光学ヘッドを用いた情報装置。

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