JP6649332B2

JP6649332B2 - プリントヘッド

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Publication number: JP6649332B2
Application number: JP2017184835A
Authority: JP
Inventors: 知也佐藤
Original assignee: Futaba Corp
Current assignee: Futaba Corp
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2020-02-19
Anticipated expiration: 2037-09-26
Also published as: JP2019059090A

Description

本発明は、プリントヘッドに関する。

近年、有機ＥＬ素子等の発光素子を光源に用いたプリントヘッドの開発が進められている。光学系プリントヘッドでは、光源の光を結像させるための光学系として、通常、セルフォックレンズアレイ（セルフォックは日本板硝子株式会社の登録商標）等のＧＲＩＮレンズが用いられる。

特開２０００−１５６２８５号公報

しかしながら、ＧＲＩＮレンズは、比較的大きな寸法を有し、かつ、発光素子が基板上に形成される場合には、発光素子が形成された基板面（表面）とは反対側の基板面（裏面）に設ける必要があるため、プリントヘッドの寸法が大きくなってしまう。

本発明は、小型化が図られたプリントヘッドを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るプリントヘッドは、透光性を有する基板を有し、該基板の一方の主面から結像用の光を発するプリントヘッドであって、基板の他方の主面上に設けられ、該主面の法線方向に沿って延びるとともに、主面の法線方向から見て格子状を呈する遮光部と該遮光部で画成された複数の導光路とを有する導光部と、導光部上に設けられ、各導光路に入射される光を発する発光素子を複数有する発光素子アレイとを備える。

上記プリントヘッドにおいては、発光素子アレイの各発光素子の光は、導光部の各導光路を介して基板まで達し、基板の一方の主面である発光面から射出される。発光素子アレイの各発光素子の光は導光部を通過することで指向性が高まり、導光路に平行なまたは平行に近い光が基板の発光面から射出される。導光部は、基板に関して発光素子が形成された側と同じ側に形成されているため、基板の発光面から突出していない。そのため、導光部は、プリントヘッドの外形寸法の増大を招かない。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、導光路と発光素子との間に介在するカラーフィルタをさらに備える。この場合、基板の発光面からカラーフィルタによってカラー化された光が射出される。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、発光素子が有機ＥＬ素子である。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、導光路が、遮光部で画成された貫通孔内に充填された透光性部材で構成されている。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、基板の主面の法線方向における導光部の長さが、基板の厚さよりも長い。この場合、高い指向性を有する光が基板の発光面から射出される。

本発明の他の態様に係るプリントヘッドでは、導光路の端面形状が正方形を呈し、該正方形の一辺の長さと基板の主面の法線方向における導光部の長さとの比が１：１０である。この場合、高い指向性を有する光が基板の発光面から射出される。

本発明の様々な態様によれば、小型化が図られたプリントヘッドが提供される。

図１は、実施形態に係るプリントヘッドを示す断面図である。図２は、図１の導光部を示した平面図である。図３は、シミュレーション実験の結果を示した表である。図４は、異なる態様の導光部を作製する手順を示したフローチャートである。図５は、異なる態様の導光部を作製する手順を示したフローチャートである。図５のフローチャートにおいて薄板のエッチングおよび重ね合わせの様子を示した図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

実施形態に係るプリントヘッド１は、光源に有機ＥＬ素子アレイを用いたプリントヘッドである。プリントヘッド１は、図１に示すように、透光性の基板１０を備えており、その一方の主面１０ａ（以下、発光面１０ａとも称す。）が、結像用の光を発する発光面となっている。そして、基板１０の他方の主面１０ｂ（以下では単に主面１０ｂとも称す。）上に、導光部２０、フィルタアレイ３０および有機ＥＬ素子アレイ４０（発光素子アレイ）が設けられている。

基板１０は、透明性を有し、平面視にて例えば矩形状である。基板１０としては、たとえばガラス基板を用いることができる。基板１０には、ガラス基板以外に、シリコン基板やプラスチック基板を用いることもできる。基板１０は可撓性を有してもよく、この場合、たとえばＰＥＴフィルム（ポリエチレンテレフタレートフィルム）やＰＩフィルム（ポリイミドフィルム）等の樹脂フィルムを用いることができる。

導光部２０は、基板１０の主面１０ｂの法線方向に沿って延びており、その下面２０ａが基板１０の主面１０ｂ上に直接接するように設けられている。導光部２０は、遮光部２２と複数の導光路２４とを有する。

遮光部２２は、図２に示すように、基板１０の主面１０ｂの法線方向から見て格子状を呈する。遮光部２２は、より具体的には、升目格子状であり、各升目に、基板１０の主面１０ｂの法線方向に延びるとともに正方形状の開口形状および断面形状を有する貫通孔２２ａがそれぞれ画成されている。本実施形態では、遮光部２２は、１６個の貫通孔２２ａを有し、それらが４行４列に等間隔で配置されている。遮光部２２は、遮光性の高い材料で構成されており、たとえば、ブラックマトリクス材料やめっき材料等で構成することができる。遮光部２２は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成することができる。

遮光部２２の各貫通孔２２ａには、透光性部材２６が充填されており、貫通孔２２ａに充填された透光性部材２６で導光路２４が構成されている。導光路２４は、貫通孔２２ａ同様、正方形状の端面形状および断面形状を有する。透光性部材２６には、エポキシ樹脂やアクリル樹脂等の透光性樹脂材料を用いることができる。透光性部材２６は、遮光部２２の貫通孔２２ａを完全に埋めるように設けられており、導光部２０の上面２０ｂは平坦になっている。透光性部材２６は、フォトリソグラフィ技術やナノインプリント技術を用いて形成することができる。なお、導光部２０の上面２０ｂは、必要に応じて、平坦化膜で覆ったり研磨処理を施したりして平坦性を高めるようにしてもよい。

なお、透光性部材２６は、遮光部２２を形成した後に形成してもよく、遮光部２２を形成する前に形成してもよい。遮光部２２を形成した後に透光性部材２６を形成する場合には、上述したように、遮光部２２に設けられた各貫通孔２２ａに透光性部材２６の材料を充填することで透光性部材２６を設けることができる。一方、遮光部２２を形成する前に透光性部材２６を形成する場合には、基板１０の主面１０ｂ上に立設された透光性部材２６を囲むように遮光部２２の材料を形成することで遮光部２２を設けることができる。

なお、基板１０の主面１０ｂの法線方向に関し、導光部２０の長さＬは、基板１０の厚さＴよりも長くなるように設計されている（Ｌ＞Ｔ）。また、導光路２４の正方形状の端面の一辺の長さＷと上記の導光部２０の長さＬとの比は、１：５〜１：２０の範囲内の比となるように設計されている。本実施形態では、Ｗ：Ｌ＝１：１０となるように設計されている。

基板１０の主面１０ｂ上において、導光部２０の周囲は透光性部材２８で囲まれている。透光性部材２８は、導光部２０の上面２０ｂと面一になる高さとなるように設けられている。透光性部材２８は、貫通孔２２ａに充填された透光性部材２６と同一の材料で構成することができる。透光性部材２８は、必ずしも導光部２０の全周を囲うように設ける必要はなく、導光部２０の周囲の一部（たとえば一辺）に沿って設けてもよい。また、導光部２０の周囲に透光性部材２８を設けない構成とすることもできる。

導光部２０の上面２０ｂ上には、フィルタアレイ３０および有機ＥＬ素子アレイ４０が順次積層されている。

フィルタアレイ３０は、複数のカラーフィルタ３２（本実施形態では１６個のカラーフィルタ３２）で構成されており、各カラーフィルタ３２は導光部２０の導光路２４に対応する位置に配置されている。各カラーフィルタ３２は、赤色、緑色、青色、白色等の色を有するフィルタである。本実施形態では、１６個のカラーフィルタ３２が設けられており、一つのカラーフィルタ３２が一つの導光路２４を覆うように設けられている。カラーフィルタ３２の形成領域を拡大して、カラーフィルタ３２が複数の導光路２４を覆うようにした態様であってもよい。

有機ＥＬ素子アレイ４０は、複数の有機ＥＬ素子４２（発光素子）で構成されており、各有機ＥＬ素子４２は導光部２０の導光路２４に対応する位置に配置されている。本実施形態では、有機ＥＬ素子アレイ４０は１６個の有機ＥＬ素子４２で構成されている。有機ＥＬ素子４２は、単色の白色光を発生する有機ＥＬ素子である。有機ＥＬ素子４２は、有機ＥＬ層がその厚さ方向（基板１０の主面１０ｂの法線方向）において一対の電極で挟まれた構造を有する。一対の電極のうち、導光部２０側の電極は、たとえばＩＴＯ（酸化インジウムスズ）またはＩＺＯ（酸化インジウム亜鉛）等で構成された透明電極となっている。有機ＥＬ層は、電子及び正孔が注入されることによって発光する有機化合物（発光材料）を少なくとも含む層である。有機化合物は、低分子化合物でもよく、高分子化合物でもよい。有機ＥＬ層は、上記発光材料を含んだ発光層に加えて、電子注入層、電子輸送層、正孔注入層、正孔輸送層等を有してもよい。また、有機ＥＬ層の発光材料は、蛍光材料でもよく、燐光材料でもよい。なお、図１では、各有機ＥＬ素子４２に駆動電力を供給する配線や駆動回路等は省略されている。

本実施形態では、有機ＥＬ素子４２は、カラーフィルタ３２上において、一つの導光路２４を覆うように設けられている。カラーフィルタ３２同様、有機ＥＬ素子４２の形成領域を拡大して、有機ＥＬ素子４２が複数の導光路２４を覆うようにした態様であってもよい。

基板１０の主面１０ｂ上に設けられた導光部２０、フィルタアレイ３０および有機ＥＬ素子アレイ４０は、基板１０と平行に延在する封止基板５０と、基板１０および封止基板５０の外縁をつなぐ枠体５２とで封止されている。封止空間のうち、フィルタアレイ３０や有機ＥＬ素子アレイ４０の周囲の空間Ｓには乾燥材が充填されていてもよい。

上述した構成のプリントヘッド１においては、有機ＥＬ素子アレイ４０の各有機ＥＬ素子４２に駆動電力を供給すると、各有機ＥＬ素子４２から白色光が発生する。有機ＥＬ素子４２により発生した光は、フィルタアレイ３０の各カラーフィルタ３２を通過することでカラー化されるとともに、導光部２０の各導光路２４に入射する。導光路２４に入射した光のうち、導光路２４の延在方向（すなわち、基板１０の主面１０ｂの法線方向）に平行な光や平行に近い光のみが選択的に導光路２４を通過して基板１０まで達し、基板１０の一方の主面１０ａから射出される。換言すると、導光路２４に入射した光は、導光路２４を通過することで、導光路２４の延在方向に略平行な光となり、指向性が高まる。その結果、指向性の高い光が基板１０の発光面１０ａから射出され、その光がプリンタの結像に用いられるため、高い解像度のプリンタが実現される。

発明者らは、上述した導光部の指向性向上の効果を確認するために、以下に示すシミュレーション実験をおこなった。

シミュレーション実験では、０．７ｍｍ厚さのガラス基板に一辺８０μｍの正方形状の発光素子を取り付けた構造（密着露光構造）の比較例と、０．７ｍｍ厚さのガラス基板に一辺８０μｍの正方形状の発光素子を導光部を介して取り付けた実施例とを比較した。実施例では、０．８ｍｍ長さの導光部に、端面形状および断面形状が一辺８０μｍの正方形状（すなわち、発光素子と同一寸法）の導光路が設けられている。

シミュレーション実験では、上記の比較例および実施例について、光学系解析ソフトを用いて、発光素子から発生した光の光線追跡計算および照度分布計算をモンテカルロ法によりおこなった。その結果は、図３の表に示すとおりであった。

比較例では、図３の斜視、ＸＺ面およびＹＺ面から明らかなように、ガラス基板に相当する部分Ｐにおいて光は顕著に拡散した。そのため、発光素子の光の照度分布も広範囲に亘った。

一方、実施例では、導光部の導光路に相当する部分Ｑでは、光は高い指向性でガラス基板の法線方向（図３のＺ方向）に沿っており、ガラス基板に相当する部分Ｐに入射した後でもあまり拡散しなかった。そのため、実施例における発光素子の光の照度分布は、比較例における照度分布に比べて顕著に狭かった。

以上の実験結果から、上述した実施形態のような導光路を有する導光部を用いることで、有機ＥＬ素子４２等の発光素子に発生した光の指向性が十分に高められることが確認された。

発明者らは、０．７ｍｍ厚さのガラス基板に代えて、０．１ｍｍ厚さのガラス基板でも同様の実験をおこなった。その実験でも、発光素子を導光部を介してガラス基板に取り付けた構造の実施例のほうが、発光素子をガラス基板に取り付けた構造の比較例よりも、発光素子の光の指向性が高いことが確認された。加えて、０．１ｍｍ厚さのガラス基板の場合には、０．７ｍｍ厚さのガラス基板よりも発光素子の光の拡散が抑制されて、光の指向性がより高まることが確認された。

そして、プリントヘッド１では、有機ＥＬ素子４２で発生した光の指向性を高める導光部２０が、プリントヘッド１の内側、すなわち、基板１０に関して有機ＥＬ素子４２が形成された側と同じ側に設けられているため、導光部２０は基板１０の発光面１０ａから突出しない。そのため、導光部２０は、プリントヘッド１の外形寸法の増大を招かず、小型のプリントヘッド１を実現することができる。

以上において説明したとおり、プリントヘッド１は、基板１０を有し、基板１０の発光面１０ａから結像用の光を発するプリントヘッドであって、発光面１０ａとは反対の主面１０ｂ上に設けられ、主面１０ｂの法線方向に沿って延びるとともに、主面１０ｂの法線方向から見て格子状を呈する遮光部２２と遮光部２２で画成された複数の導光路２４とを有する導光部２０と、導光部２０上に設けられ、各導光路２４に入射される光を発する有機ＥＬ素子４２を複数有する有機ＥＬ素子アレイ４０とを備える。

プリントヘッド１においては、有機ＥＬ素子アレイ４０の各有機ＥＬ素子４２の光は、導光部２０の各導光路２４を介して基板１０まで達し、基板１０の発光面１０ａから射出される。有機ＥＬ素子アレイ４０の各有機ＥＬ素子４２の光は導光部２０を通過することで指向性が高まり、導光路２４の延在方向に平行な光または平行に近い光が基板１０の発光面１０ａから射出される。

ただし、導光部２０は、基板１０に関して有機ＥＬ素子４２が形成された側と同じ側に形成されていることで、基板１０の発光面１０ａから突出しておらず、導光部２０がプリントヘッド１の外形寸法の増大を招くことはない。したがって、プリントヘッド１を小型化することができる。

また、プリントヘッド１は、導光部２０の導光路２４と有機ＥＬ素子４２との間に介在するカラーフィルタ３２を備えている。そのため、単色の白色光を発生する有機ＥＬ素子４２を用いつつ、カラー化された光を、基板１０の発光面１０ａを射出することができる。たとえば、カラーフィルタ３２でＲＧＢ各色にカラー化することで、基板１０の発光面１０ａからフルカラーの光を射出することができる。

さらに、プリントヘッド１は、導光部２０の長さＬが基板１０の厚さＴよりも長い。長さＬの長い導光部２０を用いることで、高い指向性を有する光が基板１０の発光面１０ａから射出される。また、厚さＴの薄い基板１０を用いることで、高い効率で有機ＥＬ素子４２の光を取り出すことができる。

また、プリントヘッド１では、導光路２４の端面形状が正方形を呈し、該正方形の一辺の長さＷと導光部の長さＬとの比が１：１０となるように設計されている。そのため、有機ＥＬ素子４２の光を高い効率で取り出すことができるとともに、高い指向性が実現されている。一例として、０．８ｍｍ長さの導光部２０である場合、一辺８０μｍの正方形状の端面形状を有する導光路２４が設けられる。

上述した導光部２０は、様々な材料で構成することができ、また、様々な製法で作製することができる。以下、上記とは異なる態様の導光部について、図４〜６を参照しつつ説明する。

導光部２０は、たとえば柱状のブロックを深掘りエッチング（ＤｅｅｐＲＩＥ）することにより作製可能である。すなわち、図４のフローチャートに示すように、ブロックを準備するステップ（Ｓ１１）と、柱状ブロックを深掘りエッチングするステップ（Ｓ１２）とにより、導光部２０は作製され得る。柱状ブロックの材料は、深掘りエッチング可能な材料であれば特に限定されないが、一例としてシリコンである。深掘りエッチングでは、一方向に延びる複数の貫通孔２２ａが形成される。このような貫通孔２２ａには、上述した透光性部材２６を充填することができる。

深掘りエッチングにおいて、ドライエッチング処理とパッシベーション処理とを交互に繰り返す方法（ＢＯＳＣＨ法）を採用することで、波状断面を有する微細な凹凸形状（ｓｃａｌｌｏｐｓ）が貫通孔２２ａの内壁面に形成され得る。このような微細な凹凸形状が貫通孔２２ａの内壁面に形成されて粗面化されている場合、導光路２４を通過する光の一部は内壁面において散乱または多重反射して導光部２０を通過しにくくなる。すなわち、貫通孔２２ａの内壁面において散乱や反射等せずに導光部２０を直接通り抜ける光の割合が高まり、それにより導光路２４を通過する光の指向性が向上する。特に、ブロックを反射率の高い材料で構成したときに、導光路２４を通過する光の指向性を効果的に向上させることができる。上記凹凸形状の振幅はたとえば０．０３〜０．５μｍの範囲（一例として０．０４５μｍ）であり、周期はたとえば０．３〜５μｍの範囲（一例として０．５３μｍ）である。

また、導光部２０は、たとえば複数の薄板を重ねて接合することにより作製可能である。すなわち、図５のフローチャートに示すように、各薄板をエッチングするステップ（Ｓ２１）と、複数の薄板を重ねて接合するステップ（Ｓ２２）とにより、導光部２０は作製され得る。薄板の材料は、ウェットエッチング可能な材料であれば特に限定されないが、一例としてステンレス鋼（ＳＵＳ）である。エッチング処理の際、図６に示すように、各薄板６０の一方面６０ａ側からウェットエッチングをおこなうとともに他方面６０ｂ側からもウェットエッチングをおこなう。このような薄板６０の両面６０ａ、６０ｂからのウェットエッチングの結果として、貫通孔２２ａを構成する各薄板６０の開口部６１には、開口部６１の内側に向かって延びる突部６２が形成される。複数の薄板６０を重ね合わせた状態で真空中において高温下で加圧して接合（いわゆる拡散接合）することで、貫通孔２２ａを有する導光部２０が得られる。貫通孔２２ａには、上述した透光性部材２６を充填することができる。

このようにして得られた導光部２０では、各薄板６０の開口部６１が重なって貫通孔２２ａが構成され、その貫通孔２２ａの内壁面に複数の突部６２が並ぶ。突部６２が貫通孔２２ａの内壁面に複数並んで粗面化されている場合、導光路２４を通過する光の一部は内壁面において散乱または多重反射して導光部２０を通過しにくくなる。すなわち、貫通孔２２ａの内壁面において散乱や反射等せずに導光部２０を直接通り抜ける光の割合が高まり、それにより導光路２４を通過する光の指向性が向上する。特に、薄膜を反射率の高い材料で構成したときに、導光路２４を通過する光の指向性を効果的に向上させることができる。薄板６０の厚さは、たとえば１０〜１００μｍの範囲である。また、突部６２の高さは、たとえば５〜５０μｍの範囲である。

本発明によるプリントヘッドは、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。

たとえば、有機ＥＬ素子により発生する光は、白色光ではなく、赤色光や青色光等の単色光であってもよい。また、発光素子は、有機ＥＬ素子に限らず、液晶素子や蛍光表示管であってもよい。さらに、プリントヘッドは、フィルタアレイを除いた構成とすることができる。

また、導光部の貫通孔の開口形状および断面形状は、正方形に限らず、長方形状や帯状、線状、四角形以外の多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。さらに、導光部の貫通孔は、基板の主面の法線方向から見て千鳥状に配置してもよい。また、導光部の貫通孔の数や発光素子の数は、適宜増減することができる。さらに、導光部の導光路は、透光性部材が充填されていない空隙（エアギャップ）であってもよい。また、導光部の貫通孔の内壁面には、内壁面における反射を抑制するために、めっきや熱処理等によって形成した反射防止膜を設けてもよい。

１…プリントヘッド、１０…基板、１０ａ、１０ｂ…主面、２０…導光部、２２…遮光部、２２ａ…貫通孔、２４…導光路、２６…透光性部材、３０…フィルタアレイ、３２…カラーフィルタ、４０…有機ＥＬ素子アレイ、４２…有機ＥＬ素子。

Claims

透光性を有する基板を有し、該基板の一方の主面から結像用の光を発するプリントヘッドであって、
前記基板の他方の主面上に設けられ、該主面の法線方向に沿って延びるとともに、前記主面の法線方向から見て格子状を呈する遮光部と該遮光部で画成された複数の導光路とを有する導光部と、
前記導光部上に設けられ、前記各導光路に入射される光を発する発光素子を複数有する発光素子アレイと
前記基板と平行に延在する封止基板と、
前記基板および前記封止基板の外縁をつなぐ枠体と
を備え、
前記基板の一方の主面から、前記導光路に平行な光が射出され、
前記基板と前記封止基板と前記枠体とで、前記導光部および前記発光素子アレイが封止されている、プリントヘッド。
前記導光路と前記発光素子との間に介在するカラーフィルタをさらに備える、請求項１に記載のプリントヘッド。
前記発光素子が有機ＥＬ素子である、請求項１または２に記載のプリントヘッド。
前記導光路が、前記遮光部で画成された貫通孔内に充填された透光性部材で構成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のプリントヘッド。
前記基板の主面の法線方向における前記導光部の長さが、前記基板の厚さよりも長い、請求項１〜４のいずれか一項に記載のプリントヘッド。
前記導光路の端面形状が正方形を呈し、該正方形の一辺の長さと前記基板の主面の法線方向における前記導光部の長さとの比が１：１０である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプリントヘッド。
前記導光路の端面形状が多角形状である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のプリントヘッド。
前記導光部上に、前記発光素子が直接設けられている、請求項１に記載のプリントヘッド。