JPH11227247A - 微小導光素子アレイ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 本来の発光領域以外からの光があってもその
影響を受けて画像品質を低下させることがなく、高解像
度の光書込用に好適な微小導光素子アレイを提供する。 【解決手段】 基板４上に直線状に配列して形成されて
各々個別に発光制御される複数の発光素子２を有する発
光素子アレイ７を備えた光書込装置に組込まれ、発光素
子アレイ７に近接して配置される微小導光素子アレイ１
１であって、導光素子基板１２の発光素子アレイ対向面
側にその面内方向断面形状が先細のテーパ形状とされた
突起による導光路１３を各発光素子２に対応させて直線
状に配列して形成し、各導光路１３の頂部１４以外の外
面にアルミニウム等の所定の金属材料による反射層１５
を形成する。各発光素子２から発せられた本来の光は各
々対応する導光路１３の働きにより本来の方向に導く
が、本来の発光領域以外からの光は反射層１５により反
射されるので、導光路１３中に入り込まない。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子写真プロセス
を利用したＬＥＤアレイプリンタ等の光書込装置に用い
られる微小導光素子アレイに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年におけるオフィスユースやパーソナ
ルユースの情報機器の発展により、電子写真プロセスを
利用したプリンタ等にあっては、より高解像度でコンパ
クトかつ安価な装置の需要が高まっている。このような
要求を満たす機器の例として、例えば、多数の微小なＬ
ＥＤ発光素子を基板上にアレイ状に配列させたＬＥＤア
レイヘッドを用いるＬＥＤアレイプリンタがある。この
ようなＬＥＤアレイプリンタによれば、ＬＥＤアレイヘ
ッドを書込光源とする固体走査型であるため、半導体レ
ーザを用いたラスタスキャニング方式の書込光学系によ
るレーザプリンタ等に比して機器を小型化しやすく、か
つ、ＬＥＤアレイヘッドの各ＬＥＤ発光素子が並列的に
書込みを行うため高速出力化も比較的容易に図れる等の
利点を有する。

【０００３】このようなＬＥＤアレイプリンタに用いら
れるＬＥＤアレイヘッドの構成例は、例えば、特開平６
−１２５１１４号公報により提案されている。このよう
な構成例を示す図４中、１はＬＥＤ発光素子２、ボンデ
ィングパッド３等が形成されたＬＥＤアレイチップであ
り、ドライバＩＣ（図示せず）などとともに基板４上に
実装されている。ＬＥＤアレイチップ１上のボンディン
グパッド３に対しては基板上ボンディングパッド５との
間に接続されたボンディングワイヤ６を介して電流が供
給される構造とされている。ＬＥＤアレイチップ１にお
いてＬＥＤ発光素子２とボンディングパッド３との間は
配線パターン（図示せず）により接続されている。この
ようなＬＥＤアレイヘッド７において選択されたＬＥＤ
発光素子２からの出射光が等倍結像光学系８を介してド
ラム状の感光体９面上に集光照射されることにより感光
面が露光され、静電潜像が形成される。等倍結像光学系
８としては、一般には、屈折率分布型ファイバを用いた
レンズアレイが用いられる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このようなＬＥＤアレ
イヘッド７においては、本来の発光領域以外の箇所から
等倍結像光学系８内に入射する光が存在し、これが画像
品質を低下させる一因となっている。例えば、出射光の
一部が図４中に示すようにボンディングワイヤ６により
反射されてＬＥＤ発光素子２以外の領域からの光として
等倍結像光学系８の視野角θ内に入り込み、感光体９面
側に不要な光スポットや迷光として照射されてしまうこ
とで画像品質を低下させてしまう問題がある。この他、
基板４上の本来発光すべきでない領域が作製時のプロセ
スの異常などにより発光してしまう場合もある。この
点、元々はＬＥＤアレイヘッドを書込光源として用いる
ＬＥＤアレイプリンタは、４００ｄｐｉ程度の比較的低
い解像度の機器が殆どであったためこのような迷光の影
響はあまり問題とされていなかったが、近年では、６０
０ないし１２００ｄｐｉといった高解像度の機器が実現
されるようになってきており、その画像品質を低下させ
る要因の一つとして無視できなくなってきている。

【０００５】ちなみに、ＬＥＤ発光素子以外の領域から
の光により画像品質が低下することを防ぐ方法として、
特開平４−１７９５５８号公報によれば、ＬＥＤ発光素
子以外の領域を全て遮光効果を呈する塗料で覆う方法が
示されている。この方法をボンディングワイヤにも適用
すれば、この部位での反射光を減ずることができる。し
かし、遮光性塗料の表面であっても若干の反射率は有し
ているので、この部位での反射光を完全になくすことは
できない。このような遮光性塗料表面での若干の反射光
に関しても、従来の解像度の低いＬＥＤアレイプリンタ
の場合には特に問題とはならないが、近年の高解像度化
されたＬＥＤアレイプリンタにおいては、微弱な迷光で
あっても画像上、無視できない影響を及ぼし、画像品質
を低下させてしまう。よって、遮光性塗料により反射光
の影響を防止する方法では不十分である。また、仮にこ
の方法が有効であるとしても、長期間使用していると、
この種の塗料ではその耐候性に限界があるため遮光性塗
料の表面が老化して粗面となり、結果として、白っぽく
なって反射率が次第に増加し、所期の効果が得られなく
なってしまうものである。

【０００６】そこで、本発明は、本来の発光領域以外か
らの光があってもその影響を受けて画像品質を低下させ
るようなことがなく、高解像度の画像形成装置の光書込
用に好適な微小導光素子アレイを提供することを目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
基板上に直線状に配列して形成されて各々個別に発光制
御される複数の発光素子を有する発光素子アレイを備え
た光書込装置に組込まれ、前記発光素子アレイに近接し
て配置される微小導光素子アレイであって、導光素子基
板の前記発光素子アレイ対向面側にその面内方向断面形
状が先細のテーパ形状とされた突起による導光路が前記
各発光素子に対応させて直線状に配列して形成され、各
導光路の頂部以外の外面にアルミニウム、チタン、金、
銀、タングステン、ニッケル又はクロム中より選択され
た何れかの金属材料の薄膜又はこれらの薄膜の積層体に
よる反射層が形成されている。

【０００８】従って、各発光素子から発せられた本来の
光は各々対応する導光路の働きにより本来の方向に導か
れるとともに、本来の発光領域以外からの光は各導光路
の頂部以外の外面に形成された反射層により反射される
ので、導光路中に入り込むことはなく、書込画像上に悪
影響を及ぼすことはない。

【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の微
小導光素子アレイにおいて、導光素子基板の裏面側の各
導光路に対応する位置に凸レンズが形成されている。

【００１０】従って、各導光路を経て射出される光の広
がりを凸レンズにより狭めることができ、等倍結像光学
系等に有効に光を導かせることで、書込み光量が増加す
るため、より高速書込み化を図れる。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
及び図２に基づいて説明する。本実施の形態の微小導光
素子アレイ１１は、例えば図４に示した構成のＬＥＤア
レイプリンタにおけるＬＥＤアレイヘッド７のＬＥＤア
レイチップ１上に重ねられて用いられるものである。こ
の微小導光素子アレイ１１は、導光素子基板１２の片面
にその面内方向の断面形状が円形（或いは、四角形等の
多角形）の先細のテーパ形状の突起による導光路１３が
直線状に配列して形成されたものである。ここに、この
ような導光路１３を有する側がＬＥＤアレイチップ１に
対する対向面側となるもので、各導光路１３の頂部１４
の大きさ、ピッチはＬＥＤアレイチップ１上の発光素子
である各ＬＥＤ発光素子２の大きさ、ピッチに一致又は
ほぼ一致するように形成されている。このような微小導
光素子アレイ１１の導光路１３が形成されている面に関
して頂部１４を除く全ての外面には反射層１５が形成さ
れている。この反射層１５は金属材料製であればよい
が、本発明者による工業的に使用できる種々の材料中、
適合性を実験により評価した結果によると、アルミニウ
ム、チタン、金、銀、タングステン、ニッケル又はクロ
ム中より選択された何れかの金属材料の薄膜又はこれら
の薄膜の積層体によるのがよいことが判明したものであ
る。なお、導光素子基板１２としては、導光路１３部分
がＬＥＤ発光素子２が発する光に対して透明な材料であ
って、光書込み素子としての使用環境に耐え得るもので
あれば何でもよく、光学ガラス、光学用プラスチックス
などの内の殆どの材料を用い得る。

【００１２】このような微小導光素子アレイ１１は図１
に示すようにＬＥＤアレイチップ１上に紫外線硬化樹脂
により接着する等の方法により適当な間隔を持たせて或
いは密着させて実装されることにより、ＬＥＤアレイヘ
ッド７の一部を構成する。

【００１３】このような微小導光素子アレイ１１を有す
るＬＥＤアレイヘッド７によれば、各ＬＥＤ発光素子２
から発せられる本来の光は対応する導光路１３部分の導
光作用によりそのまま等倍結像光学系等に導かれるとと
もに、ＬＥＤ発光素子２の発光領域以外の部分から発せ
られる光があったとしても、このような光は反射層１５
によって必ず戻り方向に反射されるので、等倍結像光学
系等に向かうことはない。即ち、不要な光が等倍結像光
学系中に入射することはなく、書込形成される画像上に
悪影響を及ぼすことはない。

【００１４】ここで、具体的構成例の一例を挙げて説明
する。まず、図２に示すような構造の微小導光素子アレ
イ１１を製造した。石英ガラス基板（導光素子基板１
２）を厚さ７０μｍに研磨し、片面にフォトレジストを
塗布した。フォトレジストには東京応化株式会社製のＯ
ＦＰＲ８６００を使用し、膜厚が１５μｍとなるように
スピンコート法により塗布した。このフォトレジストに
３０μｍ直径の円形パターンが４０μｍピッチ（６００
ｄｐｉ相当）で直線状に配列されたパターンを焼き付け
て、通常の現像、リンス工程を施して円柱が配列された
レジストマスクを形成した。このような石英ガラス基板
を加熱しレジストの円柱を軟化させることでテーパ形状
に変形させた。テーパ形状は加熱温度と加熱時間とによ
り制御し、先端の直径が２０μｍ、下部の直径が３０μ
ｍとなるようにした。このようなレジストの立体形状
（円錐台形状）をＣＦ₄ ガスを用いたＥＣＲ（エレクト
ロンサイクロトロンレゾナンス）エッチング装置により
基板全面を均一な速度でエッチングして石英ガラス基板
に掘り移した。このようにしてテーパ形状の導光路１３
が４０μｍのピッチで直線状に配列された微小導光素子
アレイ１１を得た。次に、真空蒸着装置により石英ガラ
ス基板の突起が形成された面側に金（Ａｕ）を７０００
Åの厚さに蒸着し、その後、研磨により頂部１４の金を
除去することで反射層１５が形成された微小導光素子ア
レイ１１を完成させた。

【００１５】このような微小導光素子アレイ１１の機能
を調べるために図４に示したような光書込装置を製作し
た。ここに、等倍結像光学系８としては日本板硝子株式
会社製のＳＬＡ１２Ｄを用いた。また、ＬＥＤアレイヘ
ッド７に関しては、シリコンウェハ（基板４）上にガリ
ウム砒素結晶層をヘテロエピタキシャル法により成長さ
せ、このガリウム砒素結晶層に亜鉛（Ｚｎ）を拡散させ
ることでＰＮ接合を形成し、ガリウム砒素結晶層を塩素
ガスによるドライエッチングにより直径２０μｍの円柱
形状が４０μｍピッチ（６００ｄｐｉ相当）で直線状に
配列されるようにパターニングすることで、多数のＬＥ
Ｄ発光素子２をアレイ状に形成した。続いて、このよう
な素子全面に絶縁膜として酸化シリコン膜を５０００Å
の膜厚で推積させ、コンタクトホールを形成し、ＬＥＤ
発光素子２に対してアルミニウムにより配線パターンを
形成しその端部にボンディングパッド３を形成した。よ
り具体的には、ＬＥＤ発光素子２を中心としてアレイ方
向に直交する左右両側に配線パターンを引き出し、ＬＥ
Ｄ発光素子２の発光領域より概ね３００μｍ離れた位置
にボンディングパッド３を配設し、基板側ボンディング
パッド５との間にボンディングワイヤ６を結線した。こ
のボンディングワイヤ６としては線径１８μｍの金ワイ
ヤを使用した。ついで、前述したように製作した微小導
光素子アレイ１１をボンディングパッド３の間隔よりも
狭い幅にダイシングソーによって短冊状に切り出し、Ｌ
ＥＤアレイチップ１上のＬＥＤ発光素子２とアライメン
トして紫外線硬化樹脂により接着固定し、図１に示すよ
うな構造のＬＥＤアレイヘッド７として完成させた。

【００１６】比較構成例では、具体的構成例と同様にＬ
ＥＤアレイヘッド７を形成するが、微小導光素子アレイ
１１を有しない従来構造例とした。そして、ＬＥＤ発光
素子２の発光領域外の部位を黒色の遮光性塗料で覆った
構成とした。

【００１７】これらの具体的構成例、比較構成例のＬＥ
Ｄアレイヘッドを用いて感光体９上に静電潜像を形成
し、トナーを付着させてその画像品質を評価（ＬＥＤ発
光素子２の発光層領域の形状が良好に転写され不要なパ
ターンを生じていないものを評価「適」とし、発光層領
域の形状が著しく変形し或いは不要なパターンが生じて
いるものを評価「不適」とする）したところ、上記具体
的構成例による場合には、製造直後でも耐環境試験（長
期間使用後の状況を再現するための温度サイクルの耐環
境試験）後でも、何れも評価は「適」となったものであ
るが、比較構成例では何れの場合の評価も「不適」とな
ったものである。これにより、本実施の形態によれば、
６００ｄｐｉなる高解像度な構成においてもボンディン
グワイヤ６部位での反射光や発光領域以外の箇所からの
不要な光に起因する画像品質の低下のないＬＥＤアレイ
ヘッド７となり、長期間に渡ってその性能を維持し得る
ことがわかる。

【００１８】本発明の第二の実施の形態を図３に基づい
て説明する。本実施の形態では、微小導光素子アレイ１
１に関して、導光素子基板１２の裏面側（等倍結像光学
系８に対する出射側）の各導光路１３に対応する位置に
凸レンズ１６が形成されている。

【００１９】従って、本実施の形態によれば、各導光路
１３を経て射出される光の広がりを凸レンズ１６により
狭めて等倍結像光学系８側に有効に射出させることがで
き、書込み光量が増加するため、より高速書込み化を図
れる。もっとも、多くの場合、凸レンズ形状を形成する
ためのコストが素子コストを若干上昇させることになる
ので、コストを重視する場合であれば、前記実施の形態
の如く、凸レンズ形状を有しない微小導光素子アレイ１
１とするのがよい。

【００２０】本実施の形態の場合の具体的構成例につい
て説明する。この具体的構成例では、前述した実施の形
態の具体的構成例による微小導光素子アレイ１１におけ
る導光素子基板１２の平坦な裏面側に透明なレジストを
用いてフォトリソグラフィ法により直径３０μｍ、高さ
１０μｍの円柱形状が配列されたパターンを形成し、こ
のレジスト膜を加熱して球面形状とすることで凸レンズ
１６をアレイ状に形成した。透明なレジストとしてＪＳ
Ｒ株式会社製のＴＨＢ‐３０を使用した。このような凸
レンズ１６を有する微小導光素子アレイ１１によれば、
前述した具体的構成例の場合と同様な効果が得られた
他、等倍結像光学系８の視野角よりも広い角度に放射さ
れていた光を凸レンズ１６で集光させて入射させること
ができ、露光光量が増加するため、より高速で画像書込
みを行うことができたものである。

【００２１】

【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、基板上に
直線状に配列して形成されて各々個別に発光制御される
複数の発光素子を有する発光素子アレイを備えた光書込
装置に組込まれ、発光素子アレイに近接して配置される
微小導光素子アレイであって、導光素子基板の発光素子
アレイ対向面側にその面内方向断面形状が先細のテーパ
形状とされた突起による導光路が各発光素子に対応させ
て直線状に配列して形成され、各導光路の頂部以外の外
面にアルミニウム、チタン、金、銀、タングステン、ニ
ッケル又はクロム中より選択された何れかの金属材料の
薄膜又はこれらの薄膜の積層体による反射層が形成され
ているので、各発光素子から発せられた本来の光は各々
対応する導光路の働きにより本来の方向に導くことがで
き、本来の発光領域以外からの光は各導光路の頂部以外
の外面に形成された反射層により反射させるので、導光
路中に入り込むことはなく、書込画像上に悪影響を及ぼ
すことを確実に防止できる。

【００２２】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の微小導光素子アレイにおいて、導光素子基板の裏面
側の各導光路に対応する位置に凸レンズが形成されてい
るので、各導光路を経て射出される光の広がりを凸レン
ズにより狭めることができ、等倍結像光学系等に有効に
光を導かせることで、書込み光量を増加させて、より高
速書込み化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図２】微小導光素子アレイ単体を示す断面図である。

【図３】本発明の第二の実施の形態を示す断面図であ
る。

【図４】従来例を示す概略側面図である。

【符号の説明】

２ 発光素子 ４ 基板 ７ 発光素子アレイ １２ 導光素子基板 １３ 導光路 １４ 頂部 １５ 反射層 １６ 凸レンズ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に直線状に配列して形成されて各
   々個別に発光制御される複数の発光素子を有する発光素
   子アレイを備えた光書込装置に組込まれ、前記発光素子
   アレイに近接して配置される微小導光素子アレイであっ
   て、導光素子基板の前記発光素子アレイ対向面側にその
   面内方向断面形状が先細のテーパ形状とされた突起によ
   る導光路が前記各発光素子に対応させて直線状に配列し
   て形成され、各導光路の頂部以外の外面にアルミニウ
   ム、チタン、金、銀、タングステン、ニッケル又はクロ
   ム中より選択された何れかの金属材料の薄膜又はこれら
   の薄膜の積層体による反射層が形成されていることを特
   徴とする微小導光素子アレイ。
2. 【請求項２】 導光素子基板の裏面側の各導光路に対応
   する位置に凸レンズが形成されていることを特徴とする
   請求項１記載の微小導光素子アレイ。