WO2003078171A1

WO2003078171A1 - Tete d'ecriture optique

Info

Publication number: WO2003078171A1
Application number: PCT/JP2003/002885
Authority: WO
Inventors: Masahide Wakisaka
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co.,Ltd.
Priority date: 2002-03-19
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2003-09-25
Also published as: TWI259811B; TW200305515A; JP2003266780A; JP3762321B2

Description

明細書

光書き込みへッド技術分野

本発明は、電子写真プリン夕に搭載されて、発光素子アレイからの出射光をレンズアレイにより集光して感光体に投影する光書き込みへッドに関する。背景技術

電子写真プリンタは、書き込みへッドにより感光ドラムを露光して潜像を形成し、この潜像をトナーによって現像し、このトナーを紙に転写し、熱等によってトナーを紙に定着させることによって印刷を行っている。

書き込みへッドにより感光ドラムを露光するプロセスは、 L E D光学系とレーザ光学系に 2分される。 L E D光学系の書き込みヘッドは、 L E Dの発光エネルギーを、正立等倍ロッドレンズアレイを介して、感光ドラムに露光する。

図 1は、従来の電子写真プリンタに搭載される書き込みヘッド（光書き込みへッド）のへッド長手方向に垂直な方向の断面図である。この光書き込みへッドでは、発光素子実装基板 4 0上に、発光素子を列状に配置した複数個の L E Dチップ（発光素子アレイチップ） 4 2が、走査方向に実装され、この L E Dチップ 4 2の発光素子が発光する光の光軸上に、正立等倍ロッドレンズアレイ 4 4が、ハウジング（樹脂カバー） 4 6により固定されている。正立等倍ロッドレンズァレィ 4 4の上方には、感光ドラム 4 8が設けられる。また、発光素子実装基板 4 0 の周囲の角部は、ハウジング 4 6.の脚部先端に係合している。さらに、発光素子実装基板 4 0の下地には L E Dチップ 4 2の熱を放出するためのヒートシンク 5 0が設けられ、ハウジング 4 6とヒートシンク 5 0は、発光素子実装基板 4 0を間に挟んで止め金具 5 2により固定されている。

正立等倍ロッドレンズアレイ 4 4は、 L E Dチップ 4 2の発光素子の光を集光し、感光ドラム 4 8を露光して感光ドラムの表面に潜像を形成する。

この正立等倍ロッドレンズアレイの解像度は、高解像度の光書き込みへッドに使用するには不十分である。そのため、特開 2 0 0 0— 2 2 1 4 4 5号公報に開示されているように、正立等倍ロッドレンズアレイに代えて正立等倍の積層樹脂レンズアレイを用いて解像度を向上させた光書き込みへッドが提案されている。しかし、高解像度の光書き込みへッドに用いられる正立等倍のレンズアレイは、作動距離（発光点とレンズ入射面間距離）が非常に短く、現在使用されているレンズの許容作動距離は、ばらつきを考慮すると 1 0 0 m以下である。そのため、光書き込みヘッドは、発光位置とレンズ間の距離精度を高めて、結像位置でのピントボケによる印字品質の低下を防止する必要がある。また、感光ドラム上の結像ピントボケによる印字品質の低下も防止する必要がある。

したがって、積層榭脂レンズアレイを用いた従来の光書き込みヘッドは、レンズアレイおよび発光素子を高い平坦度で配置させ、かつ、レンズアレイと発光素子とを高い距離精度で配置することが要求されるため、ヒートシンクの発光素子実装基板搭載面およびハウジングのレンズアレイ搭載面を、非常に高い精度で加ェする必要があり、また、機械加工のし易い部品にする必要がある。また、発光点とレンズアレイとの位置合わせ工程を必要とし、更に構成部品点数を増やし、へッドの製造コスト上昇を招いていた。発明の開示

本発明の目的は、低価格おょぴ高品位の印字を可能にするレンズアレイを搭載した光書き込みへッドを提供することにある。

本発明の光書き込みヘッドは、発光素子アレイを実装する基板と、発光素子ァレイの発光素子が発光する光の光軸上に配置されるレンズアレイと、基板およびレンズアレイを支持する支持手段とを備え、支持手段は、ヘッド長手方向に沿つて凹部が形成されており、凹部の長手方向両側面には長手方向に突出部が形成されており、さらに凹部の底面には、基板の発光素子アレイの直下部分となる位置にヘッド長手方向に突起部が形成されており、基板は、突起部の先端上面と凹部の両側面に形成された突出部の下端面とで支持手段に支持されていることを特徴とする。

レンズアレイは、突出部の上端面に支持されていることが好ましく、また、突起部の先端上面と突出部の下端面とのギャップ Xは、 (基板厚み一 0 . 5 mm) ≤ X ≤ 基板厚み

の大きさであることが好ましい。

また、突起部は、ヘッド長手方向に亘り連続または不連続に形成されていることが好ましく、突起部の断面形状は、半円形状、矩形状、台形状または楔形状からなることが好ましい。

支持手段は、アルミ押し出し材料で形成されていることが好ましい。また、支持手段は、長手方向端面位置部分に位置決め手段を備え、基板は、位置決め手段に基板の端面を突き当てることにより基板の長手方向の位置決めが行われることが好ましく、さらに、支持手段は、長手方向端面位置部分に、基板および電気信号の取り込み手段に干渉しない構造を有するサイドカバーを備えることが好ましい。

また、支持手段は、下部に切り欠きを有し、基板に電気信号を取り込むための配線は切り欠きから取り出されることが好ましい。

さらに、レンズアレイは、積層樹脂レンズアレイまたはロッドレンズアレイであることが好ましく、発光素子アレイは、自己走査型発光素子アレイであることが好ましい。図面の簡単な説明

図 1は、ロッドレンズアレイを用いた従来の光書き込みへッドの断面図である。図 2は、本発明の光書き込みヘッドの実施の形態を示す一部斜視図である。図 3 Aは、図 2に示す光書き込みへッドの長手方向中央部における長手方向に対して直交する方向の断面図である。

図 3 Bは、図 2に示す光書き込みへッドの一部正面図である。

図 4は、ハウジングの発光素子実装基板に当接する面をエンドミル（刃物）で加ェする時の状態を示す図である。

図 5は、図 3 Aの A部拡大図である。

図 6は、電気信号の取り込み手段を有しない側のへッドの端面部分を示す斜視図である。

図 7は、コネクタを発光素子実装基板の基板裏面側に配置し、コネクタの箇所で切断した状態を示す断面図である。

図 8は、フラットケーブル付きのコネクタをハウジングの下から揷入できるハウジングの斜視図である。

図 9は、自己走査型発光素子アレイの等価回路を示す図である。発明を実施するための最良の形態

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図 2は、本発明の光書き込みヘッドの実施の形態を示す一部斜視図であり、図

3 Aは、図 2に示す光書き込みへッドの長手方向中央部における長手方向に対して直交する方向の断面図であり、図 3 Bは、図 2に示す光書き込みヘッドの一部正面図である。 '

図 2に示すように、ハウジング（支持手段） 1 0は、積層樹脂レンズアレイ 1

2および発光素子実装基板 1 4を支持する構造を有する。

積層樹脂レンズアレイ 1 2は、表面に微小な凸レンズが所定のピッチで規則的に配列された透明平板状の樹脂レンズァレイを 3枚重ね合わせて構成されている発光素子実装基板 1 4は、ヘッド長手方向（走査方向）に対して直交する方向の中央部に、長手方向に L E Dチップ 1 6を実装している.。また、発光素子実装基板 1 4は、長手方向の一端側に電気信号を取り込むためのコネクタ 1 8およびコネクタ 1 8に接続されたフラットケーブル（配線） 2 0を備えている。

図 3 Aに示すように、ハウジング 1 0は、ヘッド長手方向に沿って凹部 1 1が形成されており、凹部 1 1の長手方向両側面には長手方向に突出部 1 3が形成されている。また、凹部 1 1の底面には、 L E Dチップ 1 6の直下部分となる位置にヘッド長手方向に突起部 2 4が形成されている。発光素子実装基板 1 4は、この突起部 2 4の先端上面と、凹部 1 1の両側面に形成された突出部 1 3の下端面との 3点でハウジング 1 0に支持されている。積層樹脂レンズアレイ 1 2は、 L E Dチップ 1 6の発光点から積層樹脂レンズアレイ 1 2のレンズ入射面までの距離が所定の距離となるようにして、突出部 1 3の上端面である搭載面 2 2に支持されている。ハウジング 1 0は、アルミ等の非鉄金属で構成される。この実施の形態では、ハウジング 1 0は、ヘッド長手方向に同一断面形状であるので、安価に形状が成形できるアルミ押し出し材料を用いるのが好適である。また、突起部 2 4の先端上面は、高い平坦性で切削加工が施されている。

図 4は、ハウジングの発光素子実装基板に当接する面をエンドミル（刃物）で加工する時の状態を示す図である。ハウジング 1 0は、発光素子実装基板 1 4に当接する面に、高い平坦性を必要とする。しかし、図 4に示すように、ハウジングの発光素子実装基板 1 4に当接する面をエンドミル（刃物） 3 4により高い平坦度で加工しょうとしても、エンドミル（刃物） 3 4の削り残し部分であるアンダーカツト部 3 6が発生して、事実上高い精度で機械加工することは不可能である。したがって、この実施の形態では、発光素子実装基板 1 4の発光素子の直下となる部分に突起部を設けて、その先端部の上面のみに切削加工を施して、精度を向上させている。

発光素子実装基板 1 4は、基板厚みが高精度で加工されており、また、積層樹脂レンズアレイ 1 2が当接する搭載面 2 2は、高い精度での機械加工が可能なので、突起部 2 4の先端上面を高い精度で切削加工し、突起部 2 4上に発光素子実装基板 1 4を載置すれば、 L E Dチップ 1 6と積層樹脂レンズアレイ 1 2を高い距離精度で配置することができる。

上述のようにハウジング 1 0は、積層樹脂レンズアレイ 1 2が当接する搭載面 2 2と、発光素子実装基板 1 4が当接する面に、高い平坦性と距離精度を必要とするが、押し出し成形された材料の必要部分のみに切削加工を実施して高精度化が図られている。

図 5は、図 3 Aの A部拡大図である。発光素子実装基板 1 4の下面は突起部 2 4の先端上面に接触し、発光素子実装基板 1 4の上面は突出部 1 3の下端面に接触している。突起部 2 4の先端上面と突出部 1 3の下端面とのギャップ Xが小さいと、発光素子実装基板 1 4をハウジング 1 0に支持固定する際に、発光素子実装基板 1 4に過大な反りが発生し、そのため発光素子に応力が発生し、発光不良等の不具合が発生する。したがって、ギャップ Xは以下の条件で設けると良い。

(基板厚み一 0. 5 mm) ≤ X ≤ 基板厚み発光素子実装基板 1 4のハウジング 1 0への取り付けは、 L E Dチップ 1 6が搭載された発光素子実装基板 1 4を、電気信号の取り込み手段を有しない側よりハウジング 1 0へ押し込んで行う。発光素子実装基板 1 4には、ガラスエポキシ基板、金属基板等を用いても良い。

発光素子実装基板 1 4をハウジング 1 0に揷入すると、ハウジング 1 0のギヤップ Xは、発光素子実装基板 1 4の基板厚みよりも狭いため、発光素子実装基板 1 4に反りが発生し、その反力により発光素子実装基板 1 4とハウジング 1 0との接触部分に荷重が働き、その摩擦力により発光素子実装基板 1 4がハウジング 1 0に固定される。

したがって、本発明の光書き込みヘッドは、発光素子実装基板 1 4をハウジング 1 0に取り付ける際に、接着剤等の固定手段を必要とせず、製造工程の省略が可能となる。また、突起部 2 4の先端上面が高い精度で切削加工されており、発光素子実装基板 1 4上面の L E Dチップ 1 6の高さ精度が、ハウジング 1 0の突起部 2 4の形状に倣うため、 L E Dチップ1 6の発光素子の配列の平坦度を向上できる。

なお、電子写真プリン夕に光書き込みヘッドを搭載する際には、電子写真プリン夕の感光ドラム 1 5は、積層樹脂レンズアレイ 1 2の上方に設けられる。

図 6は、電気信号の取り込み手段を有しない側のへッドの端面部分を示す斜視図である。発光素子実装基板 1 4の長手方向の位置決めは、図 6に示すように、電気信号の取り込み手段を有しない側のへッドの端面位置部分に、ハウジング 1 0側から位置決めピン（位置決め手段） 3 8を突出させておいて、位置決めピン 3 8に発光素子実装基板 1 4の端面を突き当てることにより行っても良い。また、ハウジング 1 0に発光素子実装基板 1 4を揷入した後、図 2および図 3 Bの破線で示すように、光書き込みヘッドの端部に、ハウジング 1 0への取り付け構造と、発光素子実装基板 1 4および電気信号の取り込み手段に干渉しない構造とを有するサイドカバー 3 0を取り付けて、光書き込みへッドの端部の絶縁および封止を行っても良い。

この場合、サイドカバー 3 0は、側面に突起状の係止部を備えた止め具 2 6を備え、この止め具 2 6の係止部を、ハウジング 1 0の側面に設けられた溝 2 8に嵌合させることによって、サイド力パー 3 0は、光書き込みヘッドの端部に取り付けられる。また、サイドカバー 3 0は、光書き込みヘッドを電子写真プリンタに組み込む時に感光ドラムの位置合わせの基準に用いられるデータムピン 3 2を備えるようにしても良い。

なお、ハウジング 1 0は、フィラーを混入させて強度を向上させた樹脂材料を用いても良い。ハウジング 1 0が樹脂などの絶縁体であるときは、ハウジング 1 0と感光ドラムとの電位差を低減するために、ハウジング 1 0の表面に導電膜を設けても良い。また、樹脂自体を導電性の材料で作製しても良い。

ハウジングの凹部 1 1の底面に突起部 2 4の断面形状は、半円形状、矩形状、台形状または楔形状でも良い。また、突起部 2 4は、ヘッド長手方向に亘り連続に設けても、不連続に設けても良い。

また、上述した実施の形態では、電気信号を取り込むためのコネクタ 1 8を、 L E Dチップ 1 6の搭載側である発光素子実装基板 1 4の基板表面側に配置したが、基板の裏面側に配置するようにしても良い。図 7は、コネクタを発光素子実装基板の基板裏面側に配置し、コネクタの箇所で切断した状態を示す断面図である。

なお、図 7に示すように、ハウジングは、フラットケーブルが通る箇所に切り欠き 1 9を有しており、切り欠き 1 9を介してフラットケ一ブルをハウジングの下から揷入できるようになつている。図 8は、フラットケーブル付きのコネクタをハウジングの下から揷入できるハウジングの斜視図である。フラットケーブル付きのコネクタ (図示せず) をハウジングの下から切り欠き 1 9を介して挿入して発光素子実装基板（図示せず）のコネクタ接続箇所に、コネクタを固定させるようにしても良い。

また、上述した実施の形態では、正立等倍レンズアレイに積層樹脂レンズァレィを用いた光書き込みへッドについて説明したが、本発明のハウジングへの基板取り付け固定方法は、図 1に示すロッドレンズアレイ 4 4を図 5の搭載面 2 2に搭載した光書き込みヘッドにも適用できる。また、スキャナ等の光読み取りへッドにも適用できるものである。

また、上述した実施の形態において、 L E Dチップには自己走査型発光素子ァレイを用いることができる。なお、自己走査型発光素子アレイとは、自己走査回路を内蔵し、発光点を順次転送していく機能を有する発光素子アレイである。自己走査型発光素子アレイについては、特開平 1—238962号公報、特開平 2— 14584号公報、特開平 2— 92650号公報、特開平 2— 92651 号公報等により、プリンタヘッド用光源として実装上簡便となること、発光素子間隔を細かくできること、コンパクトなプリン夕へッドを作製できること等が示されている。また、特開平 2— 263668号公報では、転送素子アレイをシフト部として、発光部である発光素子ァレイと分離した構造の自己走査型発光素子アレイを提案している。

図 9に、シフト部と発光部とを分離した構造の自己走査型発光素子ァレイチップの等価回路図を示す。シフト部は、転送素子 T\ ， Τ₂ ， Τ₃ , …を有し、発光部は、書込み用発光素子 1^ ， L₂ , L₃ ， …を有している。これら転送素子および発光素子は、 3端子発光サイリス夕により構成される。シフト部の構成は、転送素子のゲートを互いに電気的に接続するのにダイオード , D₂ , D₃ ， …を用いている。 V_GKは電源（通常 5V) であり、負荷抵抗 R_L を経て各転送素子のゲート電極 , G₂ , G₃ ， …に接続されている。また、転送素子のゲート電極， G₂ , G₃ ， …は、書込み用発光素子のゲート電極にも接続される。転送素子 1\ のゲート電極にはスタートパルス φ₅ が加えられ、転送素子のアノード電極には、交互に転送用クロックパルス Φ 1，が加えられ、書込み用発光素子のアノード電極には、書込み信号が加えられている。

なお、図中、 R 1， R 2, R_s ，は、それぞれ電流制限抵抗を示している。

動作を簡単に説明する。まず転送用クロックパルス φ 1の電圧が、 Hレベルで、転送素子 T₂ がオン状態であるとする。このとき、ゲート電極 G₂ の電位は V_GKの 5 Vからほぼ零 Vにまで低下する。この電位降下の影響はダイオード D₂ によってゲート電極 G₃ に伝えられ、その電位を約 I Vに（ダイオード D₂ の順方向立上り電圧（拡散電位に等しい））に設定する。しかし、ダイオードは逆バイアス状態であるためゲート電極 Gi への電位の接続は行われず、ゲート電極の電位は 5 Vのままとなる。発光サイリス夕のオン電圧は、ゲート電極電位 +pn接合の拡散電位（約 IV) で近似されるから、次の転送用クロックパルス Φ 2の Hレベル電圧は約 2 V (転送素子 T₃ をオンさせるために必要な電圧）以上でありかつ約 4 V (転送素子 Τ₅ をオンさせるために必要な電圧 ) 以下に設定しておけば転送素子 Τ₃ のみがオンし、これ以外の転送素子はォフのままにすることができる。従って 2本の転送用クロックパルスでオン状態が転送されることになる。

スタートパルス Φ₃ は、このような転送動作を開始させるためのパルスであり、スタートパルス Φ₃ を Ηレベル（約 0V) にすると同時に転送用クロックパルス φ 2を Ηレベル（約 2〜約 4V) とし、転送素子 1\ をオンさせる。その後すぐ、スタートパルス Φ₃ は Ηレベルに戻される。

いま、転送素子 Τ₂ がオン状態にあるとすると、ゲート電極 G₂ の電位は、ほぼ 0Vとなる。したがって、書込み信号：の電圧が、 pn接合の拡散電位 (約 IV) 以上であれば、発光素子 L₂ を発光状態とすることができる。

これに対し、ゲート電極は約 5 Vであり、ゲート電極 G₃ は約 IVとなる。したがって、発光素子の書込み電圧は約 6 V、発光素子 L ₃ の書込み電圧は約 2 Vとなる。これから、発光素子 L₂ のみに書込める書込み信号 Φ j の電圧は、 1〜2Vの範囲となる。発光素子 L₂ がオン、すなわち発光状態に入ると、発光強度は書込み信号に流す電流量で決められ、任意の強度にて画像書込みが可能となる。また、発光状態を次の発光素子に転送するためには、書込み信号ラインの電圧を一度 0Vまでおとし、発光している発光素子をいつたんオフにしておく必要がある。産業上の利用可能性

以上説明したように、本発明の光書き込みヘッドは、ヘッドの構成部品点数の低減により、製造コストの低減を図ることができる。従来の光書き込みヘッドは、図 1に示すように、ハウジング、ヒートシンクおよび止め金具の 3個を必要としたが、上述した光書き込みヘッドは、これらをハウジング 1個とすることができるので、部品点数を大幅に低減できる。また、本発明の光書き込みヘッドは、ハウジングの表面全てが L E Dチップ発熱の放熱面となるため、へッドの自己発熱による L E D発光光量の減衰を低減でさる。

また、本発明の光書き込みヘッドは、ヘッド組み立て工程の削減によりコストの低減を図ることができる。従来の光書き込みヘッドは、発光素子実装基板を止め金具を用いてヒートシンクに固定する固定工程（止め金具を用いなければ接着剤による接着工程）が必要であつたが、本発明の光書き込みヘッドは、図 2に示すように、ハウジングに設けた突起部と基板の上面接触面とで基板を挟んでいるので、固定工程（または接着工程）が削減できる。

さらに、本発明の光書き込みヘッドは、ハウジングが、強度に優れる非鉄金属で構成されるため、光学部品の配置精度を向上できる。また、ハウジングが、へッド長手方向に同一断面形状であるため、ハウジングに材料コスト低減に優れるアルミ押し出し材料を用いることができ、部材のコストの低減を図ることができる。

Claims

請求の範囲

1 . 発光素子アレイを実装する基板と、

前記発光素子ァレイの発光素子が発光する光の光軸上に配置されるレンズァレィと、

前記基板およびレンズアレイを支持する支持手段とを備え、

前記支持手段は、ヘッド長手方向に沿って凹部が形成されており、前記凹部の長手方向両側面には長手方向に突出部が形成されており、さらに前記凹部の底面には、前記基板の発光素子アレイの直下部分となる位置にへッド長手方向に突起部が形成されており、

前記基板は、前記突起部の先端上面と前記凹部の両側面に形成された前記突出部の下端面とで前記支持手段に支持されていることを特徴とする光書き込みへッド。

2 . 前記レンズアレイは、前記突出部の上端面に支持されていることを特徵とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

3 . 前記突起部の先端上面と前記突出部の下端面とのギャップ Xは、

(基板厚み— 0 . 5 mm) ≤ X ≤ 基板厚み

の大きさであることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

4. 前記突起部は、ヘッド長手方向に亘り連続または不連続に形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

5 . 前記突起部の断面形状は、半円形状、矩形状、台形状または楔形状からなることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

6 . 前記支持手段は、アルミ押し出し材料で形成されていることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

7 . 前記支持手段は、長手方向端面位置部分に位置決め手段を備え、前記基板は、前記位置決め手段に前記基板の端面を突き当てることにより前記基板の長手方向の位置決めが行われることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

8 . 前記支持手段は、長手方向端面位置部分に、前記基板および電気信号の取り込み手段に干渉しない構造を有するサイドカバーを備えることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

9 . 前記支持手段は、下部に切り欠きを有し、前記基板に電気信号を取り込むための配線は前記切り欠きから取り出されることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

1 0 . 前記レンズアレイは、積層樹脂レンズアレイまたはロッドレンズアレイであることを特徴とする請求項 1に記載の光書き込みへッド。

1 1 . 前記発光素子アレイは、自己走査型発光素子アレイであることを特徴とする請求項 1〜 1 0のいずれかに記載の光書き込みへッド。