JP5137514B2 - 2次元面発光レーザアレイ - Google Patents
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Description
すなわち、複数の発光点を有するマルチビーム光源からの複数のビームを、共通の光偏向器(例えばポリゴンミラー)で同時に偏向させ、偏向された複数のビームを、共通の走査光学系により副走査方向に分離した複数の光スポットとして、被走査面上に集光させる。
そして、画像信号に応じて各光源を駆動し、一度に複数のビームを走査することにより、2次元の画像パターンを生成する。
このマルチビーム走査装置では、x(≧2)本のビームを同時に走査するから、光スポットの走査速度をシングルビーム走査装置と同じにすれば、シングルビーム走査装置の場合のx倍の速さでビームを走査する、すなわち画像処理を高速化することが可能である。
また、被走査面上での走査線間隔をシングルビーム走査装置の1/x倍にすれば、シングルビーム走査装置の場合の走査線方向にx倍高解像度な画像を得ることが可能である。
このように、電子写真式の画像形成装置でマルチビームを光源として用いることは、高速・高解像度で画像形成できる点で非常に有効であり、ビーム数が多いほどその効果を大きくすることができる。
従来において、上記の電子写真式の画像形成装置のマルチビーム光源の一つとして、例えば、特許文献1に開示されているような2次元面発光レーザアレイが知られている。
図4に、2次元面発光レーザアレイにおけるレーザ素子の配置について説明する図を示す。
以下の画像形成方法の説明において、被走査面は走査線とはほぼ直角に移動することを前提とし、走査線の方向を「主走査方向」、被走査面内で主走査方向とほぼ直交する方向、すなわち被走査面の送り方向を「副走査方向」と記すこととする。
図4において、400は2次元面発光レーザアレイ、410は面発光レーザを示している。
そして、主走査方向の基線U2と、副走査方向の基線U1とによって、面発光レーザ410の発光スポット(1つのスポットに1つの面発光レーザ素子が対応する)の2次元パターンが定義されている。
第1列の発光スポットは、基線U1上に第1の間隔P1をおいて、1列に発光スポットがm個配置されたものである。
また、第(k+1)列の各発光スポットは(1≦k<n)、第k列の各発光スポットから、基線U1と直交しない方向の基線Aに沿って、第2の間隔P2を置いて配置される。このようにして第n列まで配置されている。
この結果、m×n個の発光スポットは、間隔がP0で隣り合うm×n本の基線U2上に、1個ずつ存在することになる。
なお、各列の間の主走査方向の間隔DはD=P2×cosθである。
以下、説明のために、これらm×n個の発光スポットの指標として、図4に示されるように、1行1列〜m行n列という表記を用いる。例えば、図4では3行8列の2次元アレイが描かれている。
このようにして形成されたm行n列の2次元面発光レーザアレイから出射された複数のビームを、共通の走査光学系(副走査方向の横倍率をQ倍とする)により、感光体上に集光し走査すると、間隔がQ×P0であるm×n本の走査線が得られることになる。
このような要請に応えるためには、小さいアレイ面積に多くの素子を配置することが必要となる。
すなわち、コンパクト化のためにアレイ面積を小さくすることが必要となり、高解像度化のためには走査線間隔を狭くし、また高速化のためには素子数を多くすることが必要となる。
しかしながら、素子数を増加させていくと、いくつかのアレイ格子間で素子駆動のための配線を複数配さなければならなくなる事態が発生する。
そのため、アレイ面積を小さくした場合、アレイ格子間も狭くなり、複数の配線を配することが困難となる。
そのため、アレイ格子間に複数の配線を配するための間隔を確保することが必要となるが、従来のアレイ格子間を等間隔にしたものでは、一つの配線間隔で足るものにおいても複数本のものと同じ間隔となるため、アレイ面積を小さくする上で制約を受ける。
そのコンパクト化を図るための手段の一つとして、装置の筐体のサイズを小さくすることが挙げられる。
この装置の筐体のサイズを小さくする方法として、走査光学系の光路長を短くするという方法があり、これを実現するためには走査光学系の倍率を大きくする方法を用いることができる。
しかし、倍率を上げると、被走査面上で同じ走査線間隔(すなわち同じ解像度)を得るために必要なデバイスでの走査線間隔は、その倍率に応じて小さくなる。
これは、デバイス上の素子が副走査方向に密になっていく(すなわちP0が小さくなる)ことを意味する。
P0が小さくなればP1も小さくなり、P1が面発光レーザ素子の大きさ(ある程度大きな発光強度、良い熱放散を得るためにはφ20μm以上が望ましい)より小さくなると、面発光レーザ素子が配置できなくなってしまう。
つまり、P1(同じ列の素子間隔)=n(同じ行に属する素子数)×P0(素子の副走査方向の間隔)が、m×n本の走査線が等間隔になるために必要な条件であるから、P1を大きくするにはnを大きくすればよい。
しかし、2次元面発光レーザアレイからの光を十分な位置精度にて被走査面に結像するためには、走査光学系において収差が許容できる範囲におさまっている部分を使わなければならない。
具体的には、レンズなどの光学素子においては、できるだけ光学素子の中心を使うことが必要となる。
このことは、2次元面発光レーザアレイにおいて、発光スポット群の存在する領域は、一定面積以下に抑えなければならないことを意味する。
すなわち、nを大きくする場合においても、主走査方向のアレイサイズ(D×(n−1))を伸ばすことには限界がある。
このようなことから、2次元面発光レーザアレイのコンパクト化を図る上で、アレイ面積を小さくすることが必要となる。
図5に、上記した複数の配線を配することが困難となることについて説明する図を示す。
図5では簡単のため配線とパッド電極は一部のみ示してある。
具体的には、図5に示されるように、2次元面発光レーザアレイ401の各レーザ素子420は各々の個別配線430によってアレイ外周部にあるそれぞれに対応するパッド電極440とつながっている。
ここで、2次元面発光レーザアレイを多素子化すると、個別駆動用の配線数もその分だけ増えるが、パッド電極はアレイ外周部にあるために、素子数が増えてくるといくつかのアレイ格子間で素子駆動のための配線を複数配さなければならない事態が発生する。
例えば、m行n列アレイ(m、n≧5)の個別駆動で使用する2次元面発光レーザアレイにおいては、(m−4)(n−4)>8の場合は、配線が2本通るアレイ格子間が必ず存在する。
これは、アレイの最外周部のレーザ素子は2m+2n−4個しかないのに対し、その内側には(m−2)(n−2)個の素子があるために、(m−4)(n−4)>8のときは内側の素子数が外側の素子の間の数を上回ってしまうからである。
配線は通常金属で構成されるが、その配線幅が小さければエレクトロマイグレーションにより断線しやすくなる。
したがって、通常数mAの電流で駆動される面発光レーザの駆動用の配線には、例えば数μmの幅が求められる。
また、配線同士の距離が近すぎると、配線間のクロストークが発生してしまい、このことは画像形成に深刻な影響をもたらす。このため、配線が複数配される素子間は距離を縮めにくい。
このようなことから、小面積多素子アレイでは、配線による制限が多くの素子を置くことができないこととなる。
本発明の2次元面発光レーザアレイは、面発光レーザ素子が、副走査方向にm行(mは2以上の整数)、主走査方向にn列(nは3以上の整数)で2次元状に配列され、画像形成装置の露光用光源として用いる2次元面発光レーザアレイであって、
前記面発光レーザ素子の個別駆動用の電気配線を配するためのメサ間の間隔が、前記メサ間を通過させる前記電気配線数に応じ、前記m行方向における間隔が大きくなるように割り振られた構成とするに当たり、
前記メサにおけるj列とj+1列の前記m行方向の間隔をDj、
i行j列の素子とi行j+1列の素子との間を通過する配線数(1≦i≦m、1≦j≦n−1)をF ij 、
F 1j 、F 2j 、…F mj の中で最大の値をC j 、とし、
C j =T(1≦j≦n−1、Tは正の整数)を満たす全てのjに対してそれぞれのD j を以ってその要素とする集合をg T としたとき、
集合g T1 と集合g T2 が空集合でない0<T1<T2なる正の整数T1、T2が少なくとも1組以上存在し、
前記面発光レーザ素子の前記電気配線における配線幅の最小値をE、
前記集合g T の要素の中で最小の値のものをS T 、
平均値をM T 、とし、
任意の2つの0<T1<T2なる正の整数T1、T2に対して、集合g T1 と集合g T2 が共に空集合でないとき、つぎの条件式(1)を満たすように構成されていることを特徴とする2次元面発光レーザアレイ。
S T2 −M T1 >E×(T2−T1)……(1)
また、本発明の2次元面発光レーザアレイは、前記面発光レーザ素子の前記電気配線における配線幅の最小値をE、前記集合gTの要素の中で最小の値のものをST、とし、
前記集合gTの要素の中で最大の値のものをLTとして、0<T1<T2なる任意の2つの正の整数T1、T2に対して、集合gT1と集合gT2が共に空集合でないとき、つぎの条件式(2)を満たすように構成されていることを特徴とする。
ST2−LT1>E×(T2−T1)……(2)
また、本発明の2次元面発光レーザアレイは、前記正の整数Tにおける任意の正の整数について、同じ集合gTに属する要素Djの値が、全て等しいことを特徴とする。
また、本発明の2次元面発光レーザアレイは、前記面発光レーザの副走査方向の配置間隔が等しいことを特徴とする。
本発明者は、鋭意検討した結果、電子写真装置に用いられる2次元面発光レーザアレイにおいては、素子パターンがあってそれに応じて配線を引くのではなく、まず配線パターンを考えそれに素子パターンを最適化すべきであることを見出した。
ここで、電子写真装置に用いられる2次元面発光レーザアレイにおいて、その発光スポットは主走査方向に等間隔に並んでいる必要はない。
つまり、配線が多くなるところでは素子間隔を広く設け、配線が少ないところでは素子間隔を縮めることで、全体としてアレイサイズを抑えながらより多素子化することができる。
具体的には、図4における2次元面発光レーザアレイの各列の格子間隔Dを、先に説明したように各列間で一定とするのではなく、アレイ各列の間を通る配線の数に応じてそれぞれ決定する。
前記面発光レーザ素子の個別駆動用の電気配線を配するためのメサ間の間隔が、前記メサ間を通過させる前記電気配線数に応じ、前記m行方向における間隔が大きくなるように割り振る構成を見出したものである。
具体的には、本発明の実施形態としての2次元面発光レーザアレイは、
m行n列で2次元上に面発光レーザ素子が配列され(mは2以上の整数、nは3以上の整数)、電子写真装置に備えられている感光体上に潜像を形成するための光源として用いる2次元面発光レーザアレイにおいて、
前記メサにおけるj列とj+1列の前記m行方向の間隔をDj、
i行j列の素子とi行j+1列の素子との間を通過する配線数(1≦i≦m、1≦j≦n−1)をFij、
F1j、F2j、…Fmjの中で最大の値をCj、とし、
Cj=T(1≦j≦n−1、Tは正の整数)を満たす全てのjに対してそれぞれのDjを以ってその要素とする集合をgTとしたとき、
集合gT1と集合gT2が空集合でない0<T1<T2なる正の整数T1、T2が少なくとも1組以上存在する場合において、
前記面発光レーザ素子の前記電気配線における配線幅の最小値をE、
前記集合gTの要素の中で最小の値のものをST、
平均値をMT、とし、
任意の2つの0<T1<T2なる正の整数T1、T2に対して、集合gT1と集合gT2が共に空集合でないとき、つぎの条件式(1)を満たすように構成される。
ST2−MT1>E×(T2−T1)……(1)
このとき、配線が多い場所の格子列間隔は、配線が少ない場所の格子列間隔の平均値に比べて、その配線数の差に必要な間隔以上の間隔を割り振られていることになる。したがって主走査方向に使えるアレイサイズが決まっている時に、本発明のアレイ配置は列間隔を均等に割り振ったアレイ配置に比べて、配線が通せないことによる素子配置の制限を緩和できる。したがってより小面積かつ多素子なアレイを達成できる。
上記2次元面発光レーザアレイにおいて、前記面発光レーザ素子の前記電気配線における配線幅の最小値をE、前記集合gTの要素の中で最小の値のものをST、とし、
前記集合gTの要素の中で最大の値のものをLTとして、0<T1<T2なる任意の2つの正の整数T1、T2に対して、集合gT1と集合gT2が共に空集合でないとき、つぎの条件式(2)を満たすように構成する。
このとき配線が少ない場所は、配線が多い場所に比べてすべて間隔が削ってあるので、第1の発明に比べてよりムダを減らし、配線による素子配置の制限をさらに緩和できている。ここでムダとは、2次元面発光レーザアレイにおいて、ある列と列との間を通過する配線数が少ないのにその間隔が広く設けられている箇所が存在することを指している。本発明ではより小面積かつ多素子アレイを達成できる。
上記2次元面発光レーザアレイにおいて、前記正の整数Tにおける任意の正の整数について、同じ集合gTに属する要素Djの値が、全て等しい構成とする。
このとき、アレイ格子の列間隔は、格子列間を通過する配線数によって一意に決まっている。このため第2の発明に比べて、先に述べたムダをより減らすことができる。
また、電子写真式の画像形成装置に用いられる2次元面発光レーザアレイでは、列の間隔に応じて、その前後の列に属する面発光レーザ素子の発光タイミングの遅延時間が決まる。
このため、アレイ格子の列間隔がその格子列間を通過する配線数により異なる場合には、アレイ格子列間隔が等間隔の場合に比べ、各面発光レーザ素子の発光タイミングを制御する回路が複雑になるというデメリットが発生する。
しかし、この実施形態によると、アレイ格子の列間隔は格子列間を通過する配線数によって一意に決まっているために、
アレイ格子の列間隔がばらばらである場合に比べて遅延時間を制御する回路が単純にでき、アレイ格子列間隔が等間隔の場合に対するデメリットを緩和できる。
[実施例1]
実施例1では、本発明を適用した2次元面発光レーザアレイについて説明する。
図1に、本実施例における2次元面発光レーザアレイを説明する図を示す。
図1において、100は2次元面発光レーザアレイ、110は面発光レーザ、111、112、113、114は行列の四隅に位置する面発光レーザ、120は配線、130はパッド電極である。
説明のために、右上から左下に向けて2次元面発光レーザアレイ100の行・列を定義する。
すなわち、行列の四隅に位置する面発光レーザ111、112、113、114が、それぞれ1行1列、5行1列、1行16列、5行16列の格子にある素子であるとする。
計80個の各面発光レーザ110は、副走査方向に等間隔に配置する。すなわち画像形成する被走査面上にて80本の等間隔な走査線が得られるようにする。
各面発光レーザ110には、個別に電気駆動するための配線120により個々のパッド電極130(一部のみ図示)と電気的に接続される。ここで、配線120の配線幅の最小値をEとする。
表1に図1の2次元面発光レーザアレイ100における配線120の2次元パターンに対するFijを表にしたものを示す。
表2に図1の2次元面発光レーザアレイ100における配線120の2次元パターンに対するCjを表にしたものを示す。
本実施例において、Cjは1または2を取る。Cj=1である各jについてのDjを要素とする集合をg1、Cj=2である各jについてのDjを要素とする集合をg2とする。
具体的にはg1の要素はD1、D3、D5、D7、D9、D11、D13、D15であり、G2の要素はD2、D4、D6、D8、D10、D12、D14である。
ここで、G2の要素の中で最小の値をS2とし、g1の要素の平均値をM1としたときに、S2−M1>Eとなるように、各Djを定める。
したがって、本実施例では列と列との格子間隔が等しい場合に格子間に配線を2本通すのに必要な主走査方向のアレイサイズよりも、小さいアレイサイズに抑えることができる。
また、等間隔に格子列を配置しても格子間に配線を2本通すことができる十分大きなアレイサイズを持つ場合でも、本実施例の配置は、等間隔に格子列を配置する場合よりも、配線間のクロストークを軽減することが可能となる。
すなわち、本実施例の配置によれば、配線同士の最近接距離(格子間で配線を2本通す箇所におけるそれら配線間の距離)を長く取れるので、配線間のクロストークを軽減することができる。
この場合、前述の効果(アレイサイズを抑えられる、配線間クロストークを抑えられる)がより大きくなる。
また、g1の全ての要素がL1と等しく(L1は格子間に配線1本を配すのに必要な間隔の最小の値とする)、
g2の全ての要素がS2と等しく(S2は格子間に配線2本を配すのに必要な間隔の最小の値とする)なるように各Djを定めると、
2次元面発光レーザアレイの主走査方向サイズは最小の値を取ることができる。当然であるがこの場合もS2−L1>Eは満たされる。
この方法は、一定の(主走査方向の)アレイサイズにできるだけ多くの面発光レーザ素子を詰め込み2次元面発光レーザアレイとする際に、非常に有効な方法である。
図3に、2次元面発光レーザアレイ100を構成する面発光レーザ310の1素子の断面図を示す。
図3に示すように、この実施例における面発光レーザ310は、n−GaAsの半導体基板500と、Al0.5Ga0.5AsとAl0.9Ga0.1Asを交互に多層に積層したn型反射鏡510を有する。
更に、GaInP/AlGaInPによる量子井戸層525を含むキャビティ領域520と、Al0.98Ga0.02As電流狭窄層530と、Al0.5Ga0.5AsとAl0.9Ga0.1Asを交互に多層に積層したp型反射鏡540と、を有する。
そして、Al0.98Ga0.02As電流狭窄層530に対して外部から選択酸化を行うことにより、酸化層535を形成し、電流狭窄構造を設ける。
選択酸化は、例えば水蒸気雰囲気にて基板温度480℃で30分行う。
この後に、p型反射鏡540の表面に形成されたリング状のTi/Auによるp側電極560を形成し、SiO2蒸着膜による絶縁膜550を形成し、絶縁膜550の一部をエッチングによって除去しp側電極560の一部を露出させる。
このp側電極560と接触するように、例えばTi/Auからなる面発光レーザ310駆動用の配線320およびパッド電極130を形成し、半導体基板500の裏面に形成されたAuGe/Auによるn側電極590を蒸着する。
この面発光レーザ310では、p側電極560、およびn側電極590から、それぞれ正キャリア、負キャリアを注入すると、レーザ光が素子表面から基板500と垂直に出力される。
面発光レーザ310の具体的な大きさとして、例えばメサ構造の直径が25μm、電流狭窄構造の開口径が5μmとなるようにする。
配線320の配線幅の最小値は例えば10μmとする。
2次元面発光レーザアレイ100においては、D1、D3、D5、D7、D9、D11、D13、D15を40μm、D2、D4、D6、D8、D10、D12、D14を55μmとする。
また、2次元面発光レーザアレイ100は、副走査方向に見たときに面発光レーザ310が等間隔P0に配置されている。
間隔P0は所望の被走査面での走査線間隔を、走査光学系の副走査方向横倍率で除したものとする。
例えば、被走査面上で4800dpiの走査線間隔(5.29μm)で、走査光学系の副走査方向横倍率が3倍であれば、P0は1.76μmとなる。
実施例2では、実施例1と別の形態の2次元面発光レーザアレイについて説明する。
図2に、本実施例における2次元面発光レーザアレイを説明する図を示す
図2において、200は2次元面発光レーザアレイ、210は面発光レーザ、220は配線である。
実施例1の場合と同様に、右上から左下に向けて2次元面発光レーザアレイ200の行・列を定義する。
計56個の各面発光レーザ210は、副走査方向に等間隔に配置する。すなわち画像形成する被走査面上にて56本の等間隔な走査線が得られるようにする。
各面発光レーザ210には、個別に電気駆動するための配線220により個々のパッド電極(図示せず)と電気的に接続される。ここで、配線220の配線幅の最小値をEとする。
i行j列にある格子とi行j+1列にある格子との間を通過する配線の本数をFijとし、さらに、F1j〜F7jの中で最大の値をCjとする。
本実施例において、Cj=1(j=1、7)、2(j=3,5)、3(j=2,4,6)である。ここでCjに応じてDjを決める。具体的にはD1=D7=L1、D3=D5=L2、D2=D4=D6=L3とする。ここでL1、L2、L3は、L2−L1>E、L3−L2>E、L3−L1>2E、を満たす正の値である。
アレイ格子間で配線が多くなるにしたがって段階的に列間隔を広く設けることにより、実施例1の場合同様に小面積多素子アレイを達成できる。
例えば、上記実施例では副走査方向に等間隔に1個ずつのレーザ素子がある2次元面発光レーザアレイを示したが、飛び越し走査方式に対応するアレイ(2次元面発光レーザアレイにおいて、
副走査方向に見たときに面発光レーザ素子が必ずしも等間隔に配置されない)でも良い。
また一走査多重露光方式に対応するアレイ(2次元面発光レーザアレイにおいて、副走査方向に見たときに1基線上に複数のレーザ素子がある)でも良い。
110、210:面発光レーザ
111、112、113、114:行列の四隅に位置する面発光レーザ
120、220、320:配線
130:パッド電極
310:面発光レーザ
500:基板
510:n型反射鏡
520:キャビティ領域
525:量子井戸層
530:電流狭窄層
535:酸化層
540:p型反射鏡
550:絶縁膜
560:p側電極
590:n側電極
Claims (4)
- 面発光レーザ素子が、副走査方向にm行(mは2以上の整数)、主走査方向にn列(nは3以上の整数)で2次元状に配列され、画像形成装置の露光用光源として用いる2次元面発光レーザアレイであって、
前記面発光レーザ素子の個別駆動用の電気配線を配するためのメサ間の間隔が、前記メサ間を通過させる前記電気配線数に応じ、前記m行方向における間隔が大きくなるように割り振られた構成とするに当たり、
前記メサにおけるj列とj+1列の前記m行方向の間隔をDj、
i行j列の素子とi行j+1列の素子との間を通過する配線数(1≦i≦m、1≦j≦n−1)をF ij 、
F 1j 、F 2j 、…F mj の中で最大の値をC j 、とし、
C j =T(1≦j≦n−1、Tは正の整数)を満たす全てのjに対してそれぞれのD j を以ってその要素とする集合をg T としたとき、
集合g T1 と集合g T2 が空集合でない0<T1<T2なる正の整数T1、T2が少なくとも1組以上存在し、
前記面発光レーザ素子の前記電気配線における配線幅の最小値をE、
前記集合g T の要素の中で最小の値のものをS T 、
平均値をM T 、とし、
任意の2つの0<T1<T2なる正の整数T1、T2に対して、集合g T1 と集合g T2 が共に空集合でないとき、つぎの条件式(1)を満たすように構成されていることを特徴とする2次元面発光レーザアレイ。
S T2 −M T1 >E×(T2−T1)……(1) - 前記面発光レーザ素子の前記電気配線における配線幅の最小値をE、前記集合gTの要素の中で最小の値のものをST、とし、
前記集合gTの要素の中で最大の値のものをLTとして、0<T1<T2なる任意の2つの正の整数T1、T2に対して、集合gT1と集合gT2が共に空集合でないとき、つぎの条件式(2)を満たすように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の2次元面発光レーザアレイ。
ST2−LT1>E×(T2−T1)……(2) - 前記正の整数Tにおける任意の正の整数について、同じ集合gTに属する要素Djの値が、全て等しいことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の2次元面発光レーザアレイ。
- 前記面発光レーザの副走査方向の配置間隔が等しいことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の2次元面発光レーザアレイ。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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