JP5585292B2

JP5585292B2 - レンズ付発光素子アレイ及びプリントヘッド

Info

Publication number: JP5585292B2
Application number: JP2010181519A
Authority: JP
Inventors: タプリヤローシャン; 滋年中村; 崇菊地
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2010-08-16
Filing date: 2010-08-16
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2030-08-16
Also published as: JP2012043852A

Description

本発明は、レンズ付発光素子アレイ及びプリントヘッドに関する。

電子写真方式を採用したプリンタや複写機、ファクシミリ等の画像形成装置では、一様に帯電された感光体上に静電潜像を形成し、この静電潜像にトナーを付加して可視化し、記録紙上に転写して定着させる。静電潜像を形成するための記録手段として、最近では、発光素子としての発光ダイオード（ＬＥＤ）を１次元上、すなわち主走査方向に複数配置してなるＬＥＤプリントヘッドが採用される場合が多い。

ＬＥＤは基本的にランバーシアン分布で発光しており、光の取り出し効率は低い。そこで、光の取り出し効率を向上させるために、ＬＥＤ発光部の直上にマイクロレンズアレイを配置して指向性を狭めることが提案されている。

特許文献１には、１次元に配置された発光素子上に、少なくとも２個のシリンドリカルレンズと半球状レンズとの組み合わせよりなる略Ｕ字状の複合レンズを備え、複合レンズを一定の厚みを有するベース部分とその上部の表面に曲率を有する曲面部分から構成することが開示されている。発光部の１次元方向のサイズをｐとした場合に、複合レンズのベース部の厚さは０〜０．７１ｐ、半球状レンズの曲率半径は０．２０ｐ〜０．４７ｐ、複合レンズを樹脂で形成した場合の屈折率は１．４６〜１．６８としている。

特開２００６−３２４４８号公報

ところで、ＬＥＤにはＬＥＤを傷等から保護するための保護層が被覆されることが多く、マイクロレンズを形成する場合には、この保護層の上に形成することになる。この場合、保護層の屈折率とマイクロレンズの屈折率との相違に起因してその界面でＬＥＤから射出した光が反射し、保護層内で多重干渉が生じて出力パワー（発光パワー）が変動する。出力パワーの大きな変動はプリントヘッドの製作を困難なものとし記録品質に影響を及ぼすことから、できるだけ抑制することが望ましい。

本発明の目的は、マイクロレンズアレイを用いて出力パワーを向上させるとともに、パワー変動を抑制するレンズ付発光素子アレイ及びプリントヘッドを提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、１次元上に配列された発光素子アレイと、前記発光素子アレイ上に形成される保護層と、前記保護層上に形成され、一定の厚さを備えるベース部と、前記ベース部上に形成され、前記発光素子アレイを構成する発光素子毎に対応した半球状の曲面部とを備えるレンズ部と、前記保護層と前記レンズ部の前記ベース部との間に形成される反射抑制層とを備え、前記反射抑制層の屈折率は、前記レンズ部の屈折率より小さく、かつ、前記保護層の屈折率より小さいか同程度であることを特徴とするレンズ付発光素子アレイである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載のレンズ付発光素子アレイにおいて、前記保護層は、ＳｉＯ２あるいはＳｉＮであり、前記反射抑制層は、フッ化ポリマーであることを特徴とするレンズ付発光素子アレイである。

請求項３記載の発明は、請求項１，２のいずれかに記載のレンズ付発光素子アレイを備えるプリントヘッドである。

請求項１記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、出力パワーを向上させつつパワー変動が抑制される。

請求項２記載の発明によれば、安価で入手容易な材料を用いることでコストが抑制される。

請求項３記載の発明によれば、出力パワーの向上とパワー変動の抑制によりプリント品質が向上する。

レンズ付発光素子アレイの基本構成図である。レンズ付発光素子アレイの動作図である。マイクロレンズアレイの製造工程を示す模式図である。第１実施形態のレンズ付発光素子アレイの構成図である。保護層の厚さと出力パワーとの関係を示すグラフ図である。第２実施形態のレンズ付発光素子アレイの構成図である。プリントヘッドの構成図である。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

１．基本構成
まず、レンズ付発光素子アレイの基本構成について説明する。

図１に、レンズ付発光素子アレイの構成を示す。ＧａＡｓ等の基板１０上に複数の発光素子１２が１次元上に形成される。発光素子はＬＥＤや発光サイリスタ等であり、以下ではＬＥＤ１２として説明する。複数のＬＥＤ１２上には、ＳｉＯ_２やＳｉＮからなる保護層１４が形成される。保護層１４の上にレンズ部１５（マイクロレンズ）が形成される。レンズ部１５は、一定の厚さを有するベース部１６と、ベース部１６上に形成され、ＬＥＤ１２毎に対応して形成され一定の曲率を有する半球状の曲面部１８を有する。

ＬＥＤ１２は、ＧａＡｓ等の基板上に、順次、Ｐ型の第１半導体層、Ｎ型の第２半導体層、Ｐ型の第３半導体層、Ｎ型の第４半導体層を形成して構成される。Ｐ型の第１の半導体層上にアノード電極が形成され、Ｐ型の第３の半導体層上にゲート電極が形成され、Ｎ型の第４の半導体層上にカソード電極が形成され、アノード・カソード電極間に順方向電圧を印加することで発光する。

図２に、図１に示すレンズ付発光素子アレイを用いたプリントヘッドの概略構成を示す。基板１０上に形成されたＬＥＤ１２からの光はＳＬＡ（集束性ロッドレンズアレイ）２０で集束され、感光体ドラム２２に照射される。図２（ａ）は発光素子アレイがレンズ部１５を有しない場合であり、図２（ｂ）は発光素子アレイがレンズ部１５を有する場合である。ＳＬＡ２０の集光角が一定角度、例えば１７度である場合、レンズ部１５を有しないとＬＥＤ１２からの光は拡散してＳＬＡ２０に入射する光量が減る。一方、レンズ部１５を有するとＬＥＤ１２からの光の発散角を狭めることができ、これによりＳＬＡ２０に入射する光量が増大し、感光体ドラム２２に照射される光量は１．５倍〜２．５倍に増大する。

図３に、レンズ部１５（マイクロレンズアレイ）の製造方法を模式的に示す。ＬＥＤ１２が形成された基板１０上にスピンコートでレンズ樹脂２４を塗布し、プリベークした後に、グレイスケールマスク２６をマスクとして紫外線（ＵＶ）２８を照射する。

グレイスケールマスク２６は、透過率の階調が階段状に変化する多階調マスクであり、所望のレジスト形状に対応させてそれぞれ光透過率が設定された複数の単位セルを備えている。単位セルの透過率は、例えば、単位セルに占める開口部の面積の割合である面積開口率によって決定する。また、各単位セルの厚さによって決定してもよい。例えば、中央セルにおいて最も透過率が高く、中央セルから外周セルに向かうにつれて透過率が徐々に減少していくようなマスクである。これとは逆に、中央セルにおいて最も透過率が低く、中央セルから外周セルに向かうにつれて透過率が徐々に増大していくようなマスクでもよい。グレイスケールマスク２６は、所望のレンズ部１５の形状をまず設計し、このレンズ部１５の形状を２次元マスクの各セルの透過率にエンコーディングすることで作成される。

グレイスケールマスク２６を介して紫外線２８を照射した後、現像しウエットエッチングして紫外線の照射量を反映させた半球状のレンズ部１５を形成する。レンズ樹脂２４は、例えば感光性ポリイミドである。レンズ樹脂２４がポジ型レジストとして機能する場合、グレイスケールマスク２６として中央セルにおいて透過率が低く、外周セルに向かうにつれて透過率が増大するようなマスクを用いる。一方、レンズ樹脂がネガ型レジストとして機能する場合、グレイスケールマスク２６として中央セルにおいて透過率が高く、外周セルに向かうにつれて透過率が減少するようなマスクを用いる。

このように、ＬＥＤ１２上にレンズ部１５を形成することで、ＬＥＤ１２からの光の発散角を狭めて感光体ドラム２２に照射される光量を増大させることができるが、その一方で、ＬＥＤ１２と保護層１４との界面、あるいは保護層１４とレンズ部１５との界面、さらにはベース部１６と曲面部１８との界面における反射により多重干渉が生じ得る。

例えば、レンズ部１５を構成するベース部１６と曲面部１８を同一樹脂で形成するとともに、その屈折率を保護層１４の屈折率とほぼ同一に設定したとする。すなわち、ＬＥＤ１２の屈折率をｎ１、保護層１４の屈折率をｎ２、ベース部１６の屈折率をｎ４、曲面部１８の屈折率をｎ５として、
ｎ１＝１．４７
ｎ２＝ｎ４＝ｎ５＝１．６４
に設定すると、保護層１４の厚さの変動（０．１５μｍ程度）に対して２８％程度の出力パワー変動が生じ得る。

ここで、ＬＥＤ１２、保護層１４、レンズ部１５の屈折率をほぼ同一に設定し、例えば、
ｎ１＝ｎ２＝ｎ４＝ｎ５＝１．４７
とすれば、出力パワー変動はほとんど生じないが、このような条件を満たすための各層の材料が限定されてしまい、製造が困難となる。

そこで、本実施形態では、保護層１４とレンズ部１５との間に、保護層１４とレンズ部１５との界面で生じる反射を抑制する反射抑制層を形成することで、各層の材料選択の幅を確保しながらレンズ部１５による出力パワー向上を維持しつつ、出力パワーの変動を抑制する。

以下、実施形態について具体的に説明する。

２．第１実施形態
図４に、第１実施形態におけるレンズ付発光素子アレイの構成を示す。基板１０上に複数のＬＥＤ１２が１次元上（主走査方向）に形成され、ＬＥＤ１２上にＳｉＯ_２やＳｉＮ等の保護層１４が形成される。そして、保護層１４上には、反射抑制層３０が形成される。反射抑制層３０上に、ベース部１６と曲面部１８からなるレンズ部１５が形成される。ベース部１６の厚さｐは例えば１０μｍ、曲面部１８の厚さ（最も厚い部分）ｄは例えば８μｍ、曲面部１８の直径Ｄは例えば２５μｍである。保護層１４の材料とレンズ部１５の材料は同一である必要はなく、異なっていてもよい。従って、保護層１４の屈折率とレンズ部１５の屈折率は異なっていてもよい。また、レンズ部１５を構成するベース部１６と曲面部１８の材料も同一である必要はなく異なっていてもよい。

本実施形態において、ＬＥＤ１２の屈折率をｎ１、保護層１４の屈折率をｎ２、反射抑制層３０の屈折率をｎ３、ベース部１６の屈折率をｎ４、曲面部１８の屈折率をｎ５として、
ｎ１＝１．４７
ｎ２＝１．４６
ｎ３＝１．３０
ｎ４＝１．５８
ｎ５＝１．６３
に設定する。すなわち、反射抑制層３０の屈折率をレンズ部１５の屈折率より小さくし、かつ、保護層１４の屈折率より小さくする。

図５に、保護層１４の厚さに対する出力パワーの変化を示す。図において、符号ａは基板上に順次、ＬＥＤ１２、保護層１４、ベース部１６を形成した場合（以下、この構成を
ＬＥＤ１２／保護層１４／ベース部１６と略記する）における出力パワー変化であり、符号ｂはＬＥＤ１２／保護層１４／反射抑制層３０／ベース部１６の構成における出力パワー変化であり、符号ｃはＬＥＤ１２／保護層１４の構成である。すなわち、符号ａは、反射抑制層３０を有しない場合であり、符号ｃは反射抑制層３０もベース部１６も有しない場合であり比較例である。いずれの構成においても、保護層１４の屈折率はｎ２＝１．４６であり、符号ｃにおける反射抑制層３０の厚さｍは０．４５μｍ、屈折率はｎ３＝１．３０であり、符号ａ，ｃにおけるベース部１６の屈折率はｎ４＝１．５８である。

図から分かるように、符合ｂで示す反射抑制層３０を有する構成では、符号ａで示す反射抑制層３０を有しない構成に比べてピークレベルで約１５．６％出力パワーが増大している。一方、符号ａの場合にはピークレベルにおける出力パワーは大きくないものの、パワー変動については相対的に小さい。また、符号ｂで示す構成では、符号ｃで示すベース部１６を有しない構成に比べて、ピークレベルは若干低下するものの出力パワー変動は比較的小さい。

すなわち、出力パワーの観点では、
符号ａ＜符号ｂ＜符号ｃ
であり、パワー変動の観点では、
符号ａ＜符号ｂ＜符号ｃ
である。出力パワーとパワー変動とはトレードオフの関係にあり、出力パワーを向上させつつパワー変動も抑制するとの両立の観点からは、符号ｂが優れているといえる。

いま、図１の基本構成において、
ｎ１＝１．４７
ｎ２＝１．６４
ｎ３＝×（無し）
ｎ４＝１．６４
ｎ５＝１．６４
に設定した場合の、保護層１４の厚さの変動（０．１５μｍ程度）に対する出力パワー減少率０％、パワー変動率２８％を基準とすると、図４の構成において、
ｎ１＝１．４７
ｎ２＝１．４６
ｎ３＝１．３０
ｎ４＝１．５８
ｎ５＝１．６３
に設定した場合は、出力パワーの減少率は１．８％、パワー変動率は２２％となる。反射抑制層３０は、出力パワーを若干低下させる代わりに出力パワー変動を抑制する。

なお、レンズ部１５を構成するベース部１６の厚さｐに関しては、上記のようにｐ＝１０μｍとしているが、この値に限定する必要はない。本願出願人は、ベース部１６の厚さｐが１０μｍに対して±２μｍ変動したとしても、パワー変動率は４％以下であることを確認している。

また、反射抑制層３０の屈折率を保護層１４の屈折率より大きく設定する、例えば保護層１４の屈折率であるｎ２＝１．４６に対して反射抑制層３０の屈折率をｎ３＝１．５５に設定すると、パワー変動率は２％程度に抑制されるが、その一方で出力パワーは大きく減少してしまう。従って、出力パワーをある程度維持しつつ、パワー変動を抑制するために、反射抑制層３０の屈折率は保護層１４の屈折率より小さいか、あるいは同程度であることが好適である。

本実施形態における反射抑制層３０は、ポリイミド、エポキシ樹脂、アクリレート等のフッ化ポリマーで形成され得る。また、レンズ部１５のベース部１６及び曲面部１８は、感光性のポリイミドやエポキシ樹脂、アクリレートで形成される。ポリイミドに含有されるフッ素の量を調整することで屈折率を調整できることは公知であり、エルビウム化合物等の化合物を添加することで屈折率を調整できることも公知である（例えば特開平６−１９１４号公報）。本実施形態の反射抑制層３０の屈折率は、これら公知の調整方法を用い得る。

３．第２実施形態
第１実施形態では、反射抑制層３０の屈折率を保護層１４の屈折率より小さく設定しているが、上記のように、反射抑制層３０の屈折率を保護層１４の屈折率と同程度に設定してもよい。

図６に、本実施形態のレンズ付発光素子アレイの構成を示す。基板１０上に複数のＬＥＤ１２が１次元上（主走査方向）に形成され、ＬＥＤ１２上にＳｉＯ_２やＳｉＮ等の保護層１４が形成される。そして、保護層１４上には、反射抑制層３０が形成される。反射抑制層３０の屈折率は、保護層１４の屈折率と同一である。反射抑制層３０上に、ベース部１６と曲面部１８からなるレンズ部１５が形成される。屈折率は、
ｎ１＝１．４７
ｎ２＝１．４６
ｎ３＝１．４６
ｎ４＝１．５８
ｎ５＝１．６３
である。この構成は、実質的に保護層１４上にベース部１６が形成される構成と同一であり、図５の符号ａで示されるように出力パワー変動が極めて小さい。上記の
ｎ１＝１．４７
ｎ２＝１．６４
ｎ３＝×（無し）
ｎ４＝１．６４
ｎ５＝１．６４
に設定した場合の、保護層１４の厚さの変動（０．１５μｍ程度）に対する出力パワー減少率０％、パワー変動率２８％を基準とすると、図６の構成では、出力パワーの減少率は９．２％、パワー変動率は７％となる。

第２実施形態では、出力パワーは比較的大幅に低下するものの、これとは逆にパワー変動は大幅に抑制される。従って、出力パワーの大きさが要求されない製品等に好適である。

４．プリントヘッドの構成
各実施形態のレンズ付発光素子アレイは、画像形成装置のプリントヘッドの回路基板に組み込まれるが、以下、このプリントヘッドの回路基板について簡単に説明しておく。

図７に、画像形成装置のプリントヘッドに搭載される回路基板及び発光部の平面図を示す。発光部は、回路基板上に、発光素子アレイチップＣ１〜Ｃ６０を主走査方向に二列に対向させて千鳥状に配置される。信号発生回路１００は、回路基板上の所定位置に設けられ、発光部に対して各種駆動信号を供給する。信号発生回路１００には、画像処理された画像データ及び各種制御信号が供給される。信号発生回路１００は、画像データ及び各種制御信号に基づいて、画像データの並び替え等を行い、各発光チップＣ１〜Ｃ６０に対して点灯信号を出力する。また、信号発生回路１００は、画像データに基づいて、各発光チップＣ１〜Ｃ６０において点灯させるべき発光素子を指定し、記憶するための記憶信号を出力する。さらに、信号発生回路１００は、各種制御信号に基づいて、各発光チップＣ１〜Ｃ６０に対して転送信号を出力する。発光チップＣ１は、複数の発光素子（発光サイリスタ）を組（ブロック）にし、組（ブロック）を単位として点灯／消灯を制御する。例えば、８個の発光素子で１つの組を構成する。発光チップＣ１は、一例として２個のＳＬＥＤ（自己走査型発光素子アレイ）を備える。これらのＳＬＥＤは、それぞれ１２８個の発光サイリスタを備える。ＳＬＥＤの発光サイリスタ上には保護層１４、反射抑制層３０、レンズ部（マイクロレンズアレイ）１５が形成される。

１０基板（ＳＬＥＤ基板）、１２ＬＥＤ（発光素子）、１４保護層、１５レンズ部（マイクロレンズアレイ）、１６ベース部、１８曲面部、２０ＳＬＡ（集束性ロッドレンズアレイ）、２２感光体ドラム、２４レンズ樹脂、２６グレイスケールマスク、３０反射抑制層。

Claims

１次元上に配列された発光素子アレイと、
前記発光素子アレイ上に形成される保護層と、
前記保護層上に形成され、一定の厚さを備えるベース部と、前記ベース部上に形成され、前記発光素子アレイを構成する発光素子毎に対応した半球状の曲面部とを備えるレンズ部と、
前記保護層と前記レンズ部の前記ベース部との間に形成される反射抑制層と、
を備え、
前記反射抑制層の屈折率は、前記レンズ部の屈折率より小さく、かつ、前記保護層の屈折率より小さいか同程度であることを特徴とするレンズ付発光素子アレイ。
請求項１記載のレンズ付発光素子アレイにおいて、
前記保護層は、ＳｉＯ２あるいはＳｉＮであり、
前記反射抑制層は、フッ化ポリマーであることを特徴とするレンズ付発光素子アレイ。
請求項１，２のいずれかに記載のレンズ付発光素子アレイを備えるプリントヘッド。