JP2007250958A - 発光素子アレイ - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率を低下させることなく解像度を上げた発光素子アレイを提供する。
【解決手段】各発光部サイリスタの発光島１４上に２個の給電点（アノード電極）１６，１８を、主走査方向に発光重心が等間隔に並ぶように配置した。各発光島上の左側の給電点１６は、信号ライン８ａに接続され、右側の給電点１８は、信号ライン８ｂに接続されている。以上のような構成によって、主走方向の分離能２４００ｄｐｉを、１２００ｄｐｉピッチの発光領域上に２点の給電点を設けることによって実現できた。
【選択図】図６

Description

本発明は、発光素子アレイ、特に解像度を上げた発光素子アレイに関し、さらにはこの発光素子アレイを用いた光書込みヘッド、この光書込みヘッドを用いた光プリンタ，ファクシミリ，複写機に関する。

光プリンタなどの光源として用いられる、複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）が配列されたＬＥＤアレイにおいて、各ＬＥＤの発光領域は、メサエッチングまたはｐｎ接合によって分離される。分離された発光領域には、通常、それぞれ１個の給電点（電極）が設けられる。

大出力の発光ダイオードの中には、電流分布の改善を目的に、分離された１個の発光領域に複数の給電点を設けたものがある。しかし、複数の給電点を透明電極などで接続しており、電気的に独立した給電点とは言えない。

また、ｐｎｐｎ構造の発光サイリスタを用いた自己走査型発光素子アレイの場合、転送部サイリスタの転送速度の制限で副走査方向の解像度を上げることができないという問題点がある。

なお、自己走査型発光素子アレイは、本出願人の提案に係る発光素子アレイであり（特許第２７４４５０４号，特許第２７５８５８７号等）、転送部サイリスタのオン状態を転送させ、これに対応する発光部サイリスタを順次発光させるものである。

自己走査型発光素子アレイの発光サイリスタアレイの発光部の構造例を図１に示す。図１（Ａ）は２個の隣接する発光点付近の拡大図である。図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。

ｐ−ＧａＡｓ層３０，ｎ−ＧａＡｓ層３２，ｐ−ＧａＡｓ層３４，ｎ−ＧａＡｓ層３６よりなるｐｎｐｎ構造（メサエッチングされている）の最上層であるｎ−ＧａＡｓ層（カソード層）３６上に、カソード電極（給電点）３８が設けられている。構造の全表面にＳｉＯ_２保護膜４０が被覆されて、コンタクトホールを経てカソード電極３８に給電線（アルミ配線）４２が接続されている。なお図１（Ａ）において、４４は発光領域を示す。

このような自己走査型発光素子アレイの主走査方向解像度を上げていくときの問題点について考える。例えば、図１の構造のまま、主走査方向の解像度を２倍にした場合、図２に示すようになる。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。この構造を、タイプ１の構造と言うものとする。

このような構造で主走査方向の解像度を上げても、給電点の電極面積、給電線の配線幅、メサエッチングに必要な面積はほとんど変わらないため、電極や配線で覆われていない発光領域４６の面積は、図１の構造の発光領域４４の面積の半分よりもかなり小さくなってしまう。

また、メサエッチング面では非発光再結合が起こりやすいため、メサエッチング面は、できる限り給電点電極から離れていることが、発光効率上望ましい。

図３は、１つのゲート島５０上に２つのカソード島５２を設けた構造を示す。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）のＣ−Ｃ’線断面図である。この構造を、タイプ２の構造というものとする。

この構造では、メサエッチングのために必要な面積が低減されるため、発光領域の面積は図２よりも大きくできるが、ゲート層３４がむき出しとなっているところでは、非発光再結合が大きくなり、やはり発光効率を低下させる。

図１の構造における解像度が１２００ｄｐｉであり、発光領域の面積が１８μｍ×１８μｍであるとして、図１，図２，図３の各発光点に関して、主走査方向の光量分布を比較した結果を図４に示す。

図４（Ａ）は、図１の構造における１２００ｄｐｉ発光点の発光電力密度分布である。

図４（Ｂ）は、図２の構造（タイプ１）における２４００ｄｐｉ発光点の発光電力密度分布である。

図４（Ｃ）は、図３の構造（タイプ２）における２４００ｄｐｉ発光点の発光電力密度分布である。

このときの１画素あたりの積分光量（１０mＡ時）の比較を図５に示す。上述の理由により、図５では、発光効率は図１の構造に対し、タイプ１で１／４に、タイプ２でも半分以下にまで落ちている。

本発明の目的は、発光効率を低下させることなく解像度を上げた発光素子アレイを提供することにある。

本発明の他の目的は、このような発光素子アレイを有する光書込みヘッドを提供することにある。
本発明のさらに他の目的は、このような光書込みヘッドを有する光プリンタ、ファクシミリ、または複写機を提供することにある。

発光素子アレイにおいて、給電点（電極）からの電流の拡がりが十分広い場合は、発光領域のどこに給電しても発光領域内は均一に光ると考えられる。

発光領域に複数の給電点を設け、各給電点にそれぞれ給電した場合、各給電点からの電流の拡がりが小さいと、給電点付近のみ強く光り、複数ある給電点はそれぞれ独立の発光点と見なすことができる。

例えば、１個の発光領域に２個の給電点がある場合の電流拡がりと発光点との関係を見ると、ある一点の給電点のみに給電を行った場合、隣接する２個の給電点の間を結ぶ直線の中点上における発光電力密度がピーク値の半分以下であれば、レンズを通して見た発光点は、独立した発光点と区別がつかない。すなわち、独立した発光点と見なせる。ここでは、２個の給電点について述べたが、給電点が３個以上ある場合も、同様に隣接する２個の給電点の間を結ぶ直線の中点上における発光電力密度がピーク値の半分以下であればよい。

なお、隣接する２個の給電点の間を結ぶ直線とは、各給電点の中心を結ぶ直線を意味するものとする。

以上のようにして、発光領域に２個以上の給電点を設けて、解像度を大きくすることができる。このようにすることによって、主走査方向に給電点をＮ個並べた場合は、発光領域の面積を減らすことなく、解像度をＮ倍にできる。また、副走査方向に給電点をＮ個並べた場合は、転送速度を上げることなく副走査方向解像度をＮ倍にできる。

ここに主走査方向とは、発光素子の配列方向をいい、副走査方向とは、主走査方向に直交する方向をいうものとする。

また、同一発光領域内に異なったＩ−Ｖ特性の給電点を２個設けて、同じ給電線で駆動することによって、電流値（電圧値）によって発光点重心をずらすことが可能となる。この方法でも、副走査方向の解像度を上げることが可能である。

本発明によれば、１つの発光領域に複数個の給電点を設けることによって、解像度を上げた発光素子アレイを実現することができる。さらには、このような発光素子アレイを備える光書込みヘッド、また、このような光書込みヘッドを備える光プリンタ、ファクシミリ、複写機を実現できる。

以下、本発明の実施例を、図面を参照して説明する。

図６は、本発明を自己走査型発光素子アレイに適用した構成例を示す。また、図７（Ａ），（Ｂ）は、図６の発光領域付近の拡大図および断面図である。なお、図７（Ｂ）は、図７（Ａ）のＤ−Ｄ’線断面図である。

本実施例では、発光領域１４に２個の給電点１６，１８を設け、各給電点には別々の給電線８ａ，８ｂより給電する。

図では、給電点は、どちらか一方の給電点から給電したときの発光電力密度の重心が等間隔（この場合２４００ｄｐｉ）となる位置に配置した。

本実施例で示したように、１個の発光領域の中に独立して電流をオン／オフできる複数の給電点電極を持つ構造をタイプ３と呼ぶことにする。

図８は、この自己走査型発光素子アレイの等価回路図である。自己走査型発光素子アレイは、シフト部１０と発光部１２とから構成される。シフト部１０は、発光サイリスタＴ_１，Ｔ_２，Ｔ_３，・・・と、これらサイリスタのゲート間を接続するダイオードＤ_１，Ｄ_２，Ｄ_３，・・・と、負荷抵抗Ｒ_Ｌとから構成される。サイリスタのアノード電極には、交互に転送用クロックパルスφ１，φ２が加えられる。これらクロックパルスは、クロックパルスライン２，４（φ１ライン２，φ２ライン４）を経て供給される。Ｖ_ＧＡは電源であり、電源ライン６から各負荷抵抗Ｒ_Ｌを経てサイリスタのゲート電極Ｇ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，・・・に接続されている。
一方、発光部１２は、発光サイリスタＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，・・・により構成され、サイリスタのアノード電極には、信号ライン（φ_１ライン）８ａ，８ｂを経て、書込み信号φ_１が加えられている。発光部サイリスタのゲートＧ_１，Ｇ_２，Ｇ_３，・・・は、対応するシフト部サイリスタのゲートに接続されている。

このような回路構成の自己走査型発光素子アレイは、ｐｎｐｎ構造の半導体基板上に作り込まれる。図８において、図６の構成要素と同一の要素には、同一の参照番号を付して示す。シフト部サイリスタＬ_１，Ｌ_２，Ｌ_３，・・・は、１２００ｄｐｉ（ドット／インチ）のピッチで走査方向に配列されている。

本実施例では、各発光部サイリスタのカソード島１４上に２個の給電点（カソード電極）１６，１８を、主走査方向に発光重心が等間隔に並ぶように配置した。各カソード島上の左側の給電点１６は、信号ライン８ａに接続され、右側の給電点１８は、信号ライン８ｂに接続されている。

以上のような構成によって、主走査方向の分離能２４００ｄｐｉを、１２００ｄｐｉピッチの発光領域上に２個の給電点を設けることによって実現できた。

図７および図８に示したタイプ３の構造について、左側の給電点１６のみから電流を流したときの主走査方向の光量分布の測定結果を図９に示す。測定結果から、図７（Ａ）に示す、給電点１６の中心と給電点１８の中心とを結ぶ直線６０の中点６２上における発光電力密度Ｐ_Ｍが、ピーク値Ｐ_Ｐの１／３程度であり、十分に独立した発光点であると見なすことができた。

このときの１画素あたりの積分光量を図５の結果と比較したものを図１０に示す。比較結果より、発光効率も１２００ｄｐｉの２／３まで改善したことがわかる。また、ピーク値は、ほぼ１２００ｄｐｉと同等となった。

図１１は、第１の実施例と同様、本発明を自己走査型発光素子アレイに適用した他の構成例を示す。図６と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示す。本実施例では、各発光部サイリスタのカソード島１４上に２個の給電点２０，２２を、副走査方向に並ぶように配置した。

このようにすることにより、シフト部の転送速度を上げることなく、副走査方向の解像度を２倍にできた。例えば、１２００ｄｐｉ（主走査方向）×４８００ｄｐｉ（副走査方向）を実現するために、給電点の発光重心が約５．２９μｍ（＝１／４８００インチ）ずれて副走査方向に並ぶように配置した。発光領域付近の拡大図および断面構造図を図１２（Ａ），（Ｂ）に示す。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）のＡ−Ａ′線またはＢ−Ｂ′線断面図である。

図１３は、第１および第２の実施例と同様、本発明を自己走査型発光素子アレイに適用した他の構成例を示す。なお、本実施例では、信号ラインは１本のみとした。１本の信号ラインを８で示す。図中、図６と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示す。

本実施例では、各発光部サイリスタのカソード島１４上にＩ−Ｖ特性の異なる２個の給電点（電極）２４，２６を、副走査方向に並ぶように配置した。ここで、電極２４，２６とも、半導体／ＡｕＺｎ（１％）／Ａｕの構造であり、ＡｕＺｎの厚さは５０ｎｍで共通であり、Ａｕの厚さが電極２４では２００ｎｍ、電極２６では１００ｎｍとした。このＡｕ膜厚を変化させることで、図１４に示すように電極２６の順方向に立ち上がり電圧は、電極２４の順方向に立ち上がり電圧に比べて、約０．１Ｖ上昇した。ここでは、Ａｕ厚でＩ−Ｖ特性を調整したが、このほか、ｐ型半導体用電極である、ＡｕＺｎ層の厚さ、Ｚｎ濃度を変えても良く、また、ＡｕＺｎ以外の電極材料を選んでも良い。

図１４は、異なるＩ−Ｖ特性を示す。電圧を上げるにつれて、まず、電圧ｖ１で電極２４に電流が流れ始めるが、電極２６には流れない。されに電圧を上げていくと、電圧ｖ２で電極２６にも流れ始める。さらに電圧を上げていくと、電圧ｖ３で電極２４，２６とも流れる電流は増加していき、電極２６を流れる電流の割合は、当初の０から相対的に増加していく。

この比率の変化に従って、発光重心が電極２４から、電極２４と電極２６との真ん中程度のところまで移動する。このことにより、発光重心を副走査方向で調整することが可能となる。この場合、発光重心を上側の電極２４から下側の電極２６に移動させると、発光量も併せて増えてしまうので、その分は発光時間等で調整する必要がある。例えば、２値の出力インピーダンスをもったドライバで駆動することで、発光重心を調整することができる。

以上の各実施零１，２，３では、自己走査型発光素子アレイについて説明したが、これに限られるものではなく、本発明はＬＥＤアレイにも適用できる。

本発明の発光素子アレイは、光プリンタ、ファクシミリ、複写機などに用いられる光書込みヘッドの光源として利用できる。

図１５に、本発明の発光素子アレイを用いた光書込みヘッドの一例を示す。チップ実装基板７０上に、発光素子を列状に配置した複数個の発光素子アレイチップ７１が、主走査方向に実装され、この発光素子アレイチップ７１の発光素子が発光する光の光路上には、主走査方向に長尺な正立等倍のロッドレンズアレイ７２が、樹脂ハウジング７３により固定されている。ロッドレンズアレイ７２上には、感光ドラム７４が設けられる。また、チップ実装基板７０の下地には発光素子アレイチップ７１の熱を放出するためのヒートシンク７５が設けられ、ハウジング７３とヒートシンク７５は、チップ実装基板７０を間に挟んで止め金具７６により固定されている。

次に、このような光書込みヘッドを用いた光プリンタについて説明する。光プリンタの基本構造を、図１６に示す。

光プリンタには、光書込みヘッド１００が設置される。円筒形の感光ドラム１０２の表面に、アモルフアスＳｉ等の光導電性を持つ材料（感光体）が作られている。このドラムは、プリントの速度で回転している。回転しているドラムの感光体表面を、帯電器１０４で一様に帯電させる。そして、光書込みヘッド１００で、印字するドットイメージの光を感光体上に照射し、光の当たったところの帯電を中和し、潜像を形成する。続いて、現像器１０６で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感光体上につける。そして、転写器１０８でカセット１１０中から送られてきた用紙１１２上に、トナーを転写する。用紙は、定着器１１４にて熱等を加えられ定着され、スタッカ１１６に送られる。一方、転写の終了したドラムは、消去ランプ１１８で帯電が全面にわたって中和され、清掃器１２０で残ったトナーが除去される。

このような光書込みヘッドは、プリンタのみならずファクシミリ、複写機にも利用することができる。図１７は、ファクシミリまたは複写機の基本構造を示す。図１６と同一の構成要件には、同一の参照番号を付して示す。

紙送りローラ１３０で搬送される読取り原稿１２２に光源１２４から光を照射し、反射光を結像レンズ１２６を介して、イメージセンサ１２８で受光する。イメージセンサ１２８の出力に基づいて、光書込みヘッド１００の発光素子アレイ１３２が点灯し、ロッドレンズアレイ１３４を介して感光ドラム１０２に照射される。用紙１１２への印字は、光プリンタで説明したとおりである。

自己走査型発光素子アレイの発光サイリスタアレイの発光部の構造例を示す図である。 解像度を２倍にした場合の自己走査型発光素子アレイの発光サイリスタアレイの発光部の構造例を示す図である。 解像度を２倍にした場合の自己走査型発光素子アレイの発光サイリスタアレイの発光部の他の構造例を示す図である。 図１，図２，図３の各発光点に関して、主走査方向の光量分布を比較した結果を示す図である。 図１，図２，図３の構造において、１画素あたりの積分光量を示す図である。 本発明を自己走査型発光素子アレイに適用した構成を示す図である。 図６の発光領域付近の拡大図および断面図である。 図６の自己走査型発光素子アレイの等価回路図である。 図７および図８に示した構造について、左側の給電点のみから電流を流したときの主走査方向の光量分布の測定結果を示す図である。 図１，図２，図３，図７の各構造において、１画素あたりの積分光量を比較して示す図である。 本発明を自己走査型発光素子アレイに適用した他の構成例を示す図である。 図１１の発光領域付近の拡大図および断面図である。 発明を自己走査型発光素子アレイに適用した他の構成例を示す図である。 異なるＩ−Ｖ特性を示す図である。 光書込みヘッドの構造を示す図である。 光プリンタの基本構造を示す図である。 ファクシミリまたは複写機の基本構造を示す図である。

符号の説明

２，４ クロックパルスライン
６ 電源ライン
８，８ａ，８ｂ 信号ライン
１０ シフト部
１２ 発光部
１４ カソード島
１６，１８，２０，２２，２４，２６ 給電点
３０，３２，３４，３６ ＧａＡｓ層
４２ 給電点
４４ 発光領域
５０ ゲート島
５２ カソード島

Claims (14)

1. 第１の方向に配列された複数の発光素子と、前記発光素子に電流を供給する少なくとも1本の給電線とを備える発光素子アレイにおいて、
   各発光素子の１つの発光領域に複数の給電点が設けられていることを特徴とする発光素子アレイ。
2. 前記複数の給電点が、それぞれ異なる給電線に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の発光素子アレイ。
3. 前記複数の給電点が、前記第１の方向に配列されていることを特徴とする請求項２に記載の発光素子アレイ。
4. 前記複数の給電点により形成される複数の発光重心のピッチが、前記第１の方向で等間隔であることを特徴とする請求項３に記載の発光素子アレイ。
5. 前記複数の給電点が、前記第１の方向と直交する第２の方向に配列されていることを特徴とする請求項１または２に記載の発光素子アレイ。
6. 第１の方向に配列された複数の発光素子と、前記発光素子に電流を供給する少なくとも１本の給電線とを備える発光素子アレイにおいて、
   各発光素子の１つの発光領域に、異なるＩ−Ｖ特性を有する複数の給電点が設けられていることを特徴とする発光素子アレイ。
7. 前記複数の給電点が１本の給電線に接続されていることを特徴とする請求項６に記載の発光素子アレイ。
8. 前記複数の給電点のうちの１個の給電点にのみ給電を行った場合、隣接する２個の給電点の間を結ぶ直線の中点上における発光電力密度がピーク値の半分以下であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の発光素子アレイ。
9. 前記発光素子が、発光サイリスタであることを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の発光素子アレイ。
10. 前記発光素子アレイが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９に記載の発光素子アレイ。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の発光素子アレイを有する光書込みヘッド。
12. 請求項１１に記載の光書込みヘッドを備える光プリンタ。
13. 請求項１１に記載の光書込みヘッドを備えるファクシミリ。
14. 請求項１１に記載の光書込みヘッドを備える複写機。
    
    

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