JP2009143242A - 自己走査型発光素子アレイの駆動方法、光書込みヘッドおよび光プリンタ - Google Patents

自己走査型発光素子アレイの駆動方法、光書込みヘッドおよび光プリンタ Download PDF

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Abstract

【課題】非分離型の自己走査型発光素子アレイにおいて、バイアス光を低減できる駆動方法を提供する。
【解決手段】 2個のドライバ60は、クロックパルスφ1,φ2を駆動するものであり、各ドライバの出力端子63は、φ1端子11,φ2端子12にそれぞれ接続されている。各GND端子64は、GNDに接続されている。なお図中、71はφ1非書込み時信号入力端子、72はφ1書込み時信号入力端子、73はφ2非書込み時信号入力端子、74はφ2書込み時信号入力端子、75はスタート信号端子、76は電圧V GA を与える電源である。バイアス光を低減させるため、φ1非書き込み時信号およびφ2非書込み時信号として間欠的にパルスを与えた。
【選択図】 図7

Description

本発明は、自己走査型発光素子アレイの駆動方法、特に非分離型の自己走査型発光素子アレイの駆動方法に関する。本発明は、さらに、このような駆動方法を実行する駆動回路を備える光書込みヘッドに関する。
多数個の発光素子を同一基板上に集積した発光素子アレイは、その駆動用ICと組み合わせて光プリンタヘッド等の光書込みヘッドとして利用されている。本発明者らは、発光素子アレイの構成要素としてPNPN構造を持つ3端子発光サイリスタに注目し、発光点の自己走査が実現できることを既に提案し(特許文献1,2,3,4参照)、光プリンタヘッドとして実装上簡便となること、発光素子ピッチを細かくできること、コンパクトな自己走査型発光素子アレイを作製できること等を示した。
さらに本発明者らは、スイッチ素子(発光サイリスタ)アレイをシフト部として、発光部である発光素子(発光サイリスタ)ア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(特許文献5参照)。
以下、前者のシフト機能と発光機能の両方を同じ素子に担わせた自己走査型発光素子アレイを非分離型と言い、後者のシフト機能(転送機能)と発光機能を別々のサイリスタに担わせた自己走査型発光素子アレイを分離型と言うものとする。
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 特開平2−263668号公報
非分離型の自己走査型発光素子アレイでは、書込みの位置情報を記憶しておくため、画像データが0(非書込み)の所でもわずかながら発光してしまう(バイアス光)。このため、非分離型の自己走査型発光素子アレイを光書込みヘッドに利用すると、画質の低下を招いてしまう。そこで、発光が漏れないように遮蔽したサイリスタにシフト機能をもたせ、画像データが0のときには全く発光しないようにしたのが分離型である。分離型は、バイアス光は低減できるが、次のような問題がある。
1.回路が複雑になりチップ寸法が大きくなる。すなわち、高価になる。
2.シフト部駆動用に別に電力が必要となる。シフト部の電力は、クロックラインの電流制限抵抗の大きさで決まるが、高速で転送させるためには電流制限抵抗を小さくしてクロックラインの時定数を小さくする必要がある。このため、転送速度によっては光書込みに寄与する電流の数分の1の電流を流す必要があり、チップの消費電力を引き上げ、温度上昇を招いていた。
本発明の目的は、上記のような問題点を有する分離型の自己走査型発光素子アレイではなく、非分離型の自己走査型発光素子アレイにおいて、バイアス光を低減できる駆動方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、このような駆動方法を実現する駆動回路を有する光書込みヘッドを提供することにある。
請求項1に記載の発明は、発光サイリスタよりなる発光素子が直線状に配列され、発光素子の発光を光書込み用として利用する転送機能を持った自己走査型発光素子アレイであって、前記発光素子のそれぞれを順に光書込み可能な状態とする転送動作において、当該発光素子が光書込み可能な期間に、光書込みを行わないときは、オンした当該発光素子が再びオンするように電流を間欠的に与えることを特徴とする自己走査型発光素子アレイの駆動方法である。
請求項2に記載の発明は、前記発光素子の駆動において、2値以上の出力電流値をとることの可能な定電流回路で駆動することを特徴とする請求項1に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法である。
請求項3に記載の発明は、転送のために必要な重なり時間を十分大きくとった場合に、転送動作が可能な電圧の絶対値をV 、クロックラインの容量をC、光書込みを行わないときの電流値をI としたときに、転送のために必要な重なり時間t を、
CV /I <t <5×CV /I
とすることを特徴とする請求項2に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法である。
請求項4に記載の発明は、前記発光素子の駆動において、2値以上の抵抗値をとることの可能な抵抗選択回路と定電圧回路とで駆動すること特徴とする請求項1に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法である。
請求項5に記載の発明は、転送のために必要な重なり時間を十分大きくとった場合に、転送動作が可能な電圧の絶対値をV 、クロックラインの容量をC、光書込みを行わないときの出力抵抗値をR 、クロックラインの電圧をV としたときに、転送のために必要な重なり時間t を、
−R Cln(1−V /V )<t <−5×R Cln(1−V /V
とすることを特徴とする請求項4に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法である。
請求項6に記載の発明は、光書込みを行わないときの電流を、光書込みを行うときの電流に重畳して印加することを特徴とする請求項2または4に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法である。
請求項7に記載の発明は、発光サイリスタよりなる発光素子が直線状に配列され、発光素子の発光を光書込み用として利用する転送機能を持った自己走査型発光素子アレイと、前記発光素子を順に光書込み可能な状態とする転送動作において、当該発光素子のそれぞれが光書込み可能な期間に、光書込みを行わないときは、オンした当該発光素子が再びオンするように電流を間欠的に与える定電流回路とを備えることを特徴とする光書込みヘッドである。
請求項8に記載の発明は、前記定電流回路は、カレントミラーにより構成されていることを特徴とする請求項7に記載の光書込みヘッドである。
請求項9に記載の発明は、前記定電流回路は、抵抗選択回路と定電圧回路とで構成されていることを特徴とする請求項7に記載の光書込みヘッドである。
請求項10に記載の発明は、請求項7,8または9に記載の光書込みヘッドを備えることを特徴とする光プリンタである。
本発明によれば、非分離型の自己走査型発光素子アレイの利点であるチップサイズを小さくできるという点を生かしながら、バイアス光を低減することができる。
非分離型自己走査型発光素子アレイチップの等価回路を示す図である。 図1の発光素子の電流−光出力特性を示す図である。 代表的な光書込みヘッドの主要部を示す斜視図である。 光書込みヘッドを備える光プリンタの構成を示す図である。 非書込み時発光量と画像濃度の関係を調べた結果を示す図である。 定電流駆動回路を示す図である。 定電流駆動回路を、自己走査型発光素子アレイのドライバとして用いた場合の接続図を示す図である。 図7の回路の動作を説明するための駆動波形を示す図である。 抵抗選択回路の一例を示す図である。 抵抗選択回路の他の例を示す図である。
図1に、本発明の駆動方法が適用される非分離型自己走査型発光素子アレイチップ10の等価回路図を示す。この自己走査型発光素子アレイチップは、直線状に配列された3端子発光サイリスタである発光素子L,L,L,…を備え、これら発光素子のゲート電極間は、ダイオードD,D,…で結合されている。VGAは電源であり、VGA端子15から延びるVGAラインおよび負荷抵抗Rを経て各発光素子のゲート電極に接続されている。発光素子Lのゲート電極は、スタートパルスφ端子13に接続されている。発光素子のカソード電極は、転送用クロックパルスφ1,φ2端子11,12から延びるクロックラインに交互に接続されている。各発光素子のアノードは、基板裏面共通電極に接続されている。図中、14は裏面共通電極端子である。抵抗Rは、スタートパルスラインに挿入された電流制限用抵抗である。
図1の発光サイリスタの電流−光出力特性を図2に示す。発光サイリスタの電流−光出力特性は、電流が小さいときは傾きが小さく、大きくなるにつれて傾きが大きくなり、傾きは一定値となる。電流をx、光出力をyとすると、電流が小さいときは、特性は、y=0.5x2.4で表され、電流が大きいときは、y=11x−44で表される。これは、電流が小さいときは発光サイリスタの活性層内での電流拡がりが小さく、電極直下での発光の割合が大きいために、光取り出し効率が下がるためである。この特性を利用することで、バイアス光を減らすことができる。
実際には、非書込み時の電流を0.5mA、書込み時の電流13mAとした。この条件では、非書込み時の光出力は約0.1μW、書込み時の光出力は100μWである。書込み時と非書込み時の光量比は1000倍となった。
このチップを使い光書込みヘッドを作製する。図3に、代表的な光書込みヘッドの主要部を示す斜視図を示す。光書込みヘッド30は、実装基板20上に複数個の自己走査型発光素子アレイチップ22を千鳥配置で配列して構成された自己走査型発光素子アレイ24と、複数個の正立等倍レンズ(ロッドレンズ)26を配列して構成された正立等倍レンズアレイ28とを備えている。発光素子アレイ24から出た光は、レンズアレイ28により集光されて、感光ドラム(図示せず)上に照射される。
図4は、このような光書込みヘッド30を備える光プリンタの構成を示す。円筒形の感光ドラム32の表面に、アモルファス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34で一様に帯電させる。そして、光書込みヘッド30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する。続いて、現像器38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40でカセット42中から送られてきた用紙44上に、トナーを転写する。用紙は、定着器46にて熱等を加えられ定着され、スタッカ48に送られる。一方、転写の終了したドラムは、消去ランプ50で帯電が全面にわたって中和され、清掃器52で残ったトナーが除去される。
以上のような光プリンタにおいて、書込み時の100μWの光出力で、最適となる露光条件(プロセス速度)での画像形成を行った。その結果、前述の条件でのバイアス光は、画像に悪影響を与えないことを確認できた。非書込み時の光出力を増やしていったところ、0.5μWを越えるあたりから画像の画質の低下が見られ始め、1μWでははっきりと劣化が見られた。これを定量的に見るために、3on−1offおよび2on−2offのパターンのベタ画像をプリントアウトして、非書込み時発光量と画像濃度の関係を調べた。結果を、図5に示す。
白黒2階調の画像で、灰色を出すときには、白と黒の面積比率により濃淡を表現する。ここで、3on−1offは、3ドット黒,1ドット白の繰り返しパターンを、2on−2offは、2ドット黒,2ドット白の繰り返しパターンを意味している。図中、●は、3on−1offの濃度、○は、2on−2offの濃度を示す。画像濃度は、非書込み時発光量最小値である0.1μWでの濃度で規格化した。濃度は、プリントアウトされた紙をスキャナで再び読み込み、全面積での平均値を取った。
非書込み時発光光量が増えるにつれて、画像濃度は増える傾向にあるが、1μWを越えると、3on−1offおよび2on−2offといったパターンによっても濃度変化の様子が変わってきており、画質劣化を裏付けている。これは、バイアス光によりドラムの暗電流が増えたのと等価となり、書込み/非書込みの電位差が減ったためと考えられる。この実験の結果、非書込みと書込みの光出力の比(光量比)は1/100以下でなければならないことがわかった。更に望ましくは、1/200以下であることがわかった。
一方、自己走査型発光素子アレイでは、オン状態を記憶するためには、少なくともサイリスタの保持電流以上の電流を流さなければならない。この保持電流値は主に素子構造で決まるが、通常0.1〜1mA程度の値を取る。このため、書込み時の電流を13mAとしたとき、保持電流が0.5mAの場合、電流比は高々26倍しかとれない。したがって、100倍の光量比を取るには、非書込み時の発光効率が、書込み時の発光効率の1/4以下である必要がある。実際には前述したように、非書込み時の電流が0.5mAのとき光出力は0.1μWであるから、発光効率は0.1/0.5=0.2(μW/mA)、書込み時の電流が13mAのとき光出力は100μWであるから、発光効率は100/13=7.7(μW/mA)であり、非書込み時の発光効率は書込み時の発光効率の約1/38であり、上記条件を満たしている。
実施例1の電流比(26倍)での駆動を実現するために、図6に示す定電流駆動回路をドライバとした。この定電流駆動回路60は、非書込み電流を決めるカレントミラー67と、書込み電流を決めるカレントミラー68と、抵抗65,66とを備えている。カレントミラー67,68は、それぞれ、複数個のバイポーラトランジスタで構成される。すなわち、カレントミラー67は4個のトランジスタで、カレントミラー68は6個のトランジスタで構成される。
図中、61は非書込み時信号入力端子、62は書込み時信号入力端子、63はドライバ出力端子、64はドライバGND端子を示している。
非書込み用入力端子61に、Hレベル(たとえば、3.3V)が加えられると、この電圧は抵抗65によって電流に変換され、この電流の1/4を出力電流として出力端子63から吸い込む。一方、書込み用入力端子62にHレベルが加えられると、抵抗66により電流に変換され、この電流の6倍の電流を出力電流として出力端子63から吸い込む。抵抗65,66および、各カレントミラーを構成するトランジスタの数によって、出力端子63から吸い込む電流値および電流比を決めることができる。なお、出力端子63から吸い込む電流値には、0は含まない。
また、この例では、カレントミラー2個を組み合わせているが、他の方式でも良い。
このような定電流駆動回路60を、自己走査型発光素子アレイのドライバとして用いた場合の接続図を、図7に示す。10は、図1で示した自己走査型発光素子アレイチップである。
2個のドライバ60は、クロックパルスφ1,φ2を駆動するものであり、各ドライバの出力端子63は、φ1端子11,φ2端子12にそれぞれ接続されている。各GND端子64は、GNDに接続されている。なお図中、71はφ1非書込み時信号入力端子、72はφ1書込み時信号入力端子、73はφ2非書込み時信号入力端子、74はφ2書込み時信号入力端子、75はスタート信号端子、76は電圧VGAを与える電源である。
図7の回路の動作を、図8に示す駆動波形を参照しながら説明する。図8のV(71),V(72),V(73),V(74),V(75)は、端子71,72,73,74,75における電圧をそれぞれ示している。
図8において、非書込みパルス電圧V(71)とV(73)の重なり時間tは、転送のために必要な重なり時間を十分大きくとった場合(たとえば、1秒)に、転送動作が可能な、クロックパルス端子11,12に印加されるクロック電圧波形のLレベルの電圧の絶対値の最小値(点弧電圧)をV、クロックラインの寄生容量をC、非書込み電流の値をIとしたときに、
>CV/I
となるように選ぶ。これは、寄生容量Cを一定電流Iで充電したときに、時間t後には、点弧電圧Vに至ると言うことを示している。いま、C=15pF、V=−2.8V、I=0.5mAとして、CV/I=84ns程度となる。
一方、時間tを大きくすると言うことは、非書込み状態での点灯時間を大きくすることとなり、バイアス光の増加となる。この点を考慮すると、時間tはCV/Iの5倍以下が望ましい。
実施例3では、バイアス光を低減させるため、V(71),V(73)として間欠的にパルスを与えた。V(71),V(73)がHとなるパルスの長さtはtと同様、
>CV/I
で選ばれ、Lとなるパルスの長さtは、ふたたびオン状態とするために必要な時間tとの和Tが、サイリスタのゲート電圧がV−Vまで低下するのに必要な時間より短く選ばれる。すなわち、
Figure 2009143242
ただし、Rはサイリスタのゲートから見込んだインピーダンス、Cはサイリスタのゲート寄生容量である。また、Vはクロックパルス端子11,12に印加されるクロック電圧波形のLレベルの電圧、Vはサイリスタのゲートを接続するダイオード1段あたりの電圧降下であり、ゲート電圧がV−Vにまで落ちると言うことは、隣接サイリスタがオンしている状態と同じである。いま、R=30kΩ、C=10pF、V=1.4V、V=−3.3Vとして、約166nsとなった。t=100ns、t=40nsと選ぶことによって、実質的な非書込み点灯時間を少なくとも40/140削減できた。
実施例2の回路はバイポーラトランジスタを使い、定電流駆動を可能としたが、定電流回路を、抵抗選択回路と定電圧回路とで構成することもできる。抵抗選択回路は、MOSまたはC−MOSを使って、抵抗を切り替える構成とすることができる。図9,図10にその回路例を示す。
図9(a)に示す抵抗選択回路は、オープンドレイン型のインバータであり、MOS−FET81,82と、抵抗83,84とにより構成される。MOS−FET81,82は、2個の抵抗83,84を選択する回路である。
図6と同様、61は非書込み時信号入力端子、62は書込み時信号入力端子、63はドライバ出力端子、64はドライバGND端子である。ドライバ出力端子63は、入力端子61,62の信号に応じて、抵抗83または84を介してGNDに接続される。
図9(b)に示す抵抗選択回路は、(a)の回路のMOS−FET81,82のドレインを抵抗85を介して電源端子69でプルアップしている。このプルアップにより、φ1,φ2ラインのオフ速度を速くできる。
図10(a)に示す抵抗選択回路は、図9(b)の回路において、抵抗85の代わりにMOS−FET86を用い、入力端子61,62がともにL信号のとき、電源端子69に接続する。なお、87はオフ信号入力端子を示している。
図10(b)に示す抵抗選択回路は、図10(a)におけるオフ信号入力を、OR回路88で入力端子61,62の信号のORをとることで合成している。
以上のような構成の抵抗選択回路を定電圧回路(図示せず)と組み合わせて定電流駆動回路(ドライバ)を構成できる。
図9(a)の抵抗選択回路を含むドライバは、図7で示したドライバ60と全く同じ接続で、図8の波形で同様に駆動できる。このドライバを用いた場合、図6の定電流型のドライバと重なり時間tの選び方が異なる。すなわち、図8において、非書込み電流の重なり時間tは、転送のために必要な重なり時間を十分大きくとった場合(たとえば、1秒)に、転送動作が可能な電圧の絶対値をV、クロックラインの容量をC、光書込みを行わないときの出力抵抗値をR(抵抗84)、クロックラインの電圧をVとしたときに、転送のために必要な重なり時間tは、
−RCln(1−V/V)<t
となるように選ぶ。これは、クロックラインを時定数RCの積分回路として充電したときに、時間t後には、点弧電圧Vに至ると言うことを示している。いま、C=15pF、V=−2.8V、V=−3.3V、R=5kΩとして、−RCln(1−V/V)=140ns程度となる。
一方、重なり時間tを大きくすると言うことは、非書込み状態での点灯時間を大きくすることとなり、バイアス光の増加となる。この点を考慮すると、重なり時間tは−RCln(1−V/V)の5倍以下が望ましい。
実施例2,4で示したドライバで、非書込み電流Iと書込み電流Iの比を20〜50倍程度に設定すると、Iのオン/オフにより、書込み光出力を変化させることができる。さらに、IをIが流れるタイミングに対し、適当な時間点灯させることで、発光点毎の光量補正を行うことができる。実施例1に示したように、I単独で流すときはほとんど発光しないが、発光効率の高くなっているIに重畳することで、電流を効率よく使える。
11,12…クロックパルスφ1,φ2端子、13…スタートパルスφ端子、14…裏面共通電極端子、15…VGA端子、30…光書込みヘッド、60…定電流駆動回路、61…非書込み時信号入力端子、62…書込み時信号入力端子、63…ドライバ出力端子、64…ドライバGND端子、65,66…抵抗、67…カレントミラー、81,82…MOS−FET

Claims (10)

  1. 発光サイリスタよりなる発光素子が直線状に配列され、発光素子の発光を光書込み用として利用する転送機能を持った自己走査型発光素子アレイであって、
    前記発光素子のそれぞれを順に光書込み可能な状態とする転送動作において、当該発光素子が光書込み可能な期間に、光書込みを行わないときは、オンした当該発光素子が再びオンするように電流を間欠的に与える
    ことを特徴とする自己走査型発光素子アレイの駆動方法。
  2. 前記発光素子の駆動において、2値以上の出力電流値をとることの可能な定電流回路で駆動することを特徴とする請求項に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法。
  3. 転送のために必要な重なり時間を十分大きくとった場合に、転送動作が可能な電圧の絶対値をV、クロックラインの容量をC、光書込みを行わないときの電流値をIとしたときに、転送のために必要な重なり時間tを、
    CV/I<t<5×CV/I
    とすることを特徴とする請求項に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法。
  4. 前記発光素子の駆動において、2値以上の抵抗値をとることの可能な抵抗選択回路と定電圧回路とで駆動すること特徴とする請求項1に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法。
  5. 転送のために必要な重なり時間を十分大きくとった場合に、転送動作が可能な電圧の絶対値をV、クロックラインの容量をC、光書込みを行わないときの出力抵抗値をR、クロックラインの電圧をVとしたときに、転送のために必要な重なり時間tを、
    −RCln(1−V/V)<t<−5×RCln(1−V/V
    とすることを特徴とする請求項に記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法。
  6. 光書込みを行わないときの電流を、光書込みを行うときの電流に重畳して印加することを特徴とする請求項またはに記載の自己走査型発光素子アレイの駆動方法。
  7. 発光サイリスタよりなる発光素子が直線状に配列され、発光素子の発光を光書込み用として利用する転送機能を持った自己走査型発光素子アレイと、
    前記発光素子を順に光書込み可能な状態とする転送動作において、当該発光素子のそれぞれが光書込み可能な期間に、光書込みを行わないときは、オンした当該発光素子が再びオンするように電流を間欠的に与える定電流回路
    を備えることを特徴とする光書込みヘッド。
  8. 前記定電流回路は、カレントミラーにより構成されていることを特徴とする請求項に記載の光書込みヘッド。
  9. 前記定電流回路は、抵抗選択回路と定電圧回路とで構成されていることを特徴とする請求項に記載の光書込みヘッド。
  10. 請求項またはに記載の光書込みヘッドを備えることを特徴とする光プリンタ。
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