JPH08224903A - 光書込み装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 ２のべき乗（２のｍ乗、ｍ≧１の整数）の面
積階調法による画像・文字形成を可能にして一画素内で
の副走査方向で幅の異なる大きさの静電潜像を形成する
ことができる光書込み装置を提供すること。 【構成】 発光源として一列に並列された複数のＬＥＤ
３で構成されている光書込み用固体発光素子が用いら
れ、上記ＬＥＤ３は、副走査方向に相当する光放出部の
幅が主走査方向での１ドット分の画素の幅よりも小さく
設定されていることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光書込み装置に関し、
特に、電子写真方式を用いる画像形成装置の静電潜像形
成工程に適用される光書込み装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】複写機やプリンタあるいはファクシミリ
装置などの画像形成装置には、電子写真複写方式を用い
るものがある。電子写真複写方式は、一様帯電された感
光体上に露光あるいは光書込み等によって静電潜像を形
成し、この静電潜像を、例えば磁性キャリアとトナーと
を混合した二成分系現像剤を用いた場合のトナーにより
可視像処理した画像を記録紙等に転写して複写物が得ら
れるようになっている。静電潜像を形成するための方式
のひとつとして、像担持体である感光体がドラム状の場
合、その軸方向に沿った主走査方向に所望の画素密度に
応じたドット状のＬＥＤをアレー状に並べ、必要な位置
のＬＥＤを点灯して感光体上にドット状の光を照射する
方式がある。

【０００３】このような静電潜像形成方式において、電
子写真方式を用いた場合の文字・画像に階調性をもたせ
る方法として、第１に、照射光の強度を変えて感光体上
での静電潜像の電位降下量を制御する方法、第２に１画
素分を多数のより小さな単位に分割して光照射される単
位の数を変えて静電潜像の大きさを変える方法がある。

【０００４】ところで、電子写真方式において、アレー
状のＬＥＤ光源を用いることにより静電潜像形成のため
の方法としては、ＬＥＤの光出射部の形状が略円形で、
半導体基板に対し垂直方向に光が出射する面型ＬＥＤを
用いて感光体上に静電潜像を形成する方法がある（例え
ば、１９７９年９月１７日出版、日経新聞社刊行「日経
エレクトロニクス」第６１頁）。これとは別に、略方形
の発光パターンをもつ光書込み用ＬＥＤを用いて感光体
上に静電潜像を形成する方法がある（例えば、昭和５５
年度電子通信学会通信部門全国大会講演番号第５９２、
特開昭６２ー１８８２８８号公報）。さらに、主走査方
向と副走査方向との発光幅が略同じコの字型パターンに
形成された光書込み用ＬＥＤを用い、感光体との間に設
けられたレンズによるボケを利用して感光体上に略方形
の光パターンを形成する方法がある（例えば、日立製作
所カタログ）。

【０００５】これら各方法においてパターンの階調を得
たい場合には、それぞれのドットの光出力を変えるよう
になっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記した各方法におい
て潜像形成を行なうに際して、一画素分の領域のトータ
ル照射光量を変える光出力強度変調による方法は、それ
ぞれのＬＥＤの注入電流ー光出力特性のバラツキや、照
射光強度と感光体側での静電潜像の降下電位量の関係の
直線性、ダイナミックレンジの幅やバラツキが大きく影
響されてしまい、設定できる階調数が限定されてしまう
ことが多い。

【０００７】感光体における対光照射のバラツキを避け
る方法としては、感光対側での静電潜像の降下電位量が
もはや照射光強度に影響されない飽和領域で用いるよう
にして、一画素を複数に分割して光照射される要素の数
を変えることにより階調性を得る面積階調法がある。

【０００８】しかし、上記した方法において、主走査方
向の幅に対して副走査方向の幅がほぼ同じかあるいは１
／２以上の略方形あるいは円形の発光パターンを用いた
場合には、一画素が１発光パターンに相当するため、面
積階調ほうを実施することができない。仮に、走査方向
でのパターン幅の比が１／２であったとしても、等倍結
像系のレンズのボケを考慮すれば採れる面積階調数は画
像濃度が得られない状態に相当する２未満となり、必要
な２のべき乗の階調性が得られないということになる。
また、階調性を多くしたい場合、光出力強度変調と面積
階調法の両方を用いることが、それぞれの方法に存在す
る制限を克服する方法として採用される。ここにいう面
積階調法の制限としては、最小発光パターンの大きさが
分割された要素の大きさに決定されてしまうことをい
う。

【０００９】本発明の目的は、上記従来の光書込み装
置、特に、アレー状に並列したＬＥＤを用いた光書込み
装置における問題に鑑み、２のべき乗（２のｍ乗、ｍ≧
１の整数）の面積階調法による画像・文字形成を可能に
して一画素内での副走査方向で幅の異なる大きさの静電
潜像を形成することができる光書込み装置を提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、像担持体上に原稿像に応じ
た静電潜像を形成するために用いられる光書込み装置に
おいて、上記光書込み装置は、発光源として一列に並列
された複数のＬＥＤで構成されている光書込み用固体発
光素子が用いられ、上記ＬＥＤは、副走査方向に相当す
る光放出部の幅が主走査方向での１ドット分の画素の幅
よりも小さく設定されていることを特徴としている。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の光
書込み装置において、上記光書込み用固体発光素子は、
副走査方向の１ドット分の幅が主走査方向の１ドット分
の画素の幅の１／ｎに対応するように副走査方向での上
記ＬＥＤの光放出部の幅が最大で１／ｎ以下（ｎ＞２）
に設定されていることを特徴としている。

【００１２】請求項３記載の発明は、請求項１記載の光
書込み装置において、上記光書込み用固体発光素子は、
半導体基板上に形成された半導体積層構造により構成さ
れ、内部に少なくとも１つ以上の接合を有し、半導体基
板に対して略垂直方向に光を出射して像担持体への画素
形成に用いられることを特徴としている。

【００１３】

【作用】請求項１記載の発明では、ＬＥＤから出射され
る光パターンのうち、副走査方向に相当する光放出部の
幅が主走査方向での１ドット分の画素の幅よりも小さく
設定される。

【００１４】請求項２記載の発明では、副走査方向の１
ドット分の幅が主走査方向の１ドット分の画素の幅の１
／ｎに対応するように副走査方向での上記ＬＥＤの光放
出部の幅が最大で１／ｎ以下（ｎ＞２）に設定される。

【００１５】請求項３記載の発明では、光書込み用固体
発光素子は、半導体基板上に形成された半導体積層構造
により構成され、内部に少なくとも１つ以上の接合を有
し、半導体基板に対して略垂直方向に光を出射して像担
持体への画素形成に用いられる。

【００１６】

【実施例】以下、実施例により本発明の詳細を説明す
る。

【００１７】図１は、本発明の実施例による光書込み装
置の概略構成を、主走査方向と直角な方向からみた模式
図である。図１において、光書込み装置１は、絶縁板２
に取り付けられているＬＥＤチップ３と、ＬＥＤ駆動用
ＩＣ４と、等倍結像レンズ５とで主要部が構成されてい
る。光書込み装置１は、ＬＥＤチップ３からの照射光が
等倍結像レンズ５を介して像担持体である感光体ドラム
６の感光層に結像することにより静電潜像を形成するよ
うになっている。

【００１８】ＬＥＤチップ３は、化合物半導体基板上に
少なくとも一つ以上のｐｎ接合を有する化合物半導体積
層構造によって構成されており、そのｐｎ接合層に電流
を流すための電極を有し、ｐｎ接合層に通電された場合
に活性層内から光が照射するようになっている。このＬ
ＥＤチップ３は、感光体ドラム６の軸方向に相当する主
走査方向に沿って必要なドット数を以て一列に並べられ
て光書込み用ＬＥＤアレーを構成している。このような
光書込みＬＥＤアレーは、各ＬＥＤチップ３から出射さ
れた光が等倍結像レンズ５を含む結像光学系により感光
体ドラム６の感光層上に照射され、静電潜像を形成する
ようになっている。感光層上の静電潜像に対しては、現
像剤であるトナーの静電吸着により可視像処理されてト
ナー像が形成され、そのトナー像が転写紙上に静電転写
されて複写物とされる。

【００１９】上記静電潜像は、等倍結像レンズ５による
空間周波数の低下分を含んだＬＥＤの発光パターンに応
じたものが形成される。

【００２０】本実施例では、主走査方向の１ドットのＬ
ＥＤの発光部の幅が、空間周波数の低下によるボケを考
慮して、一画素分の幅よりもすこし小さめに形成される
ようになっている。これにより、全ドット点灯時、主走
査方向に抜けのない静電潜像が形成できる。

【００２１】主走査方向での１ドットのＬＥＤ発光部の
幅に対し、副走査方向での１ドットのＬＥＤの発光部の
幅は、一画素分の幅よりも遥かに幅狭く形成されるよう
になっている。その幅が、例えば、副走査方向の一画素
分の１／ｎであれば、等倍結像レンズ５による空間周波
数の低下によるボケを考慮して、副走査方向の一画素分
の幅１／ｎ′（ｎ≧ｎ′）の静電潜像が感光体ドラム６
上での最小幅として形成されるようになっている。な
お、（ｎ′）は、結像光学系に用いられる等倍結像レン
ズ５の分解能やレンズ６の焦点とＬＥＤチップ３および
感光体ドラム６との一関係によって適宜設定されるもの
である。

【００２２】副走査方向での一画素内でのＬＥＤアレー
の点灯時間を変化させたことにより、一画素内での静電
潜像の降下電位量を変化させることができ、これによっ
て、面積変調による階調表現が行なえる。その際、最低
でも、上記した（ｎ′）の階調を実現することができ
る。通常、階調は、２のべき乗であるので、等倍結像系
でのボケを考慮して、ｎ＞２であるのが好ましい（但
し、ｎは整数に限らない）。なお、これは、駆動用ＩＣ
４が、通常デジタル信号でＬＥＤチップ３の駆動制御を
行なうことにもよる。

【００２３】ＬＥＤチップ３としては、半導体基板に平
行に形成されたｐｎ接合に体して概ね平行する方向に光
を出射する端面型および半導体基板に平行に形成された
ｐｎ接合に体して概ね垂直方向に光を出射する面型のい
ずれを用いてもよいが、次の理由により面型を用いる方
が好ましい。端面型の場合、副走査方向での発光部の幅
は、注入されるキャリアの拡散長と光の上下方向へ滲み
出しで決まるので、自明的に決まる。これに対し、面型
の場合には、副走査方向での発光部の幅は、素子のパタ
ーン設計によって自由に決められる利点がある。また、
面型の場合での発光パターンは、完全拡散であるので、
結像レンズ５に対する発光部の傾きの許容度が端面型に
比べて大きい。これは、端面型の場合、副走査方向での
発光パターンの放射角が完全拡散よりも狭く、結像レン
ズ５に対する発光部の傾きの許容度がより小さくならざ
るを得ず、感光体ドラム６での照射強度のバラツキが大
きくなってしまうことに原因がある。

【００２４】図２は、上記したＬＥＤアレーの構成とそ
のアレーにより得られる光照射パターン一部とその光照
射パターンを得るための電流注入パルスの状態と静電潜
像の降下電位量による画像濃度との関係を説明するため
の図である。図２（Ａ）は、ＬＥＤアレーの一部を発光
部側からみた平面図であり、同図において符号１０１は
光り取りだし部を、同１０２は電流注入用電極部および
配線部をそれぞれ示している。配線部の末端部には図示
していないが、駆動用ＩＣ４との接続を行なうためのワ
イヤーボンディングパッドが設けられている。図２
（Ｂ）は、等倍結像レンズ５を介して感光体ドラム６上
に形成される光照射パターンを示している。点灯時間ｔ
は副走査方向での一画素分を照射するに要する電流パル
スを意味している。図２（Ｃ）は、図２（Ｂ）に示した
光照射パターンを形成するための各ドット毎のＬＥＤチ
ップ３に印加される電流注入パルスの状態をを示してい
る。図２（Ｄ）は、上記（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）の条件
により得られる面積階調によって得られる画像濃度を示
したものである。本実施例では、ドット密度が４００ｄ
ｐｉ（ドット間隔＝６３．５μｍ）を得る場合を前提と
しており、主走査方向での発光部幅が５１．５μｍ、副
走査方向での発光部幅が１１μｍとすると、等倍結像レ
ンズ５を通過した後、主走査方向での光照射幅が６８．
５μｍ、副走査方向での光照射幅が１９μｍという結果
が得られた。図２（Ｃ）において、符号１０１ー１で示
すＬＥＤチップ３においては、一画素分での点灯時間
（ｔ）に対してデューティ比１００％の場合を示し、１
０１ー２は、デューティ比２５％、同じく１０１ー３
は、デューティ比７５％、１０１ー４は、デューティ比
５０％、１０１ー５は、デューティ比０の場合を示して
いる。また、１０１ー６は、デューティ比が２５％の場
合であるが、点灯開始時間が１０１ー２と異ならせた場
合をそれぞれ示している。１０１ー７は、デューティ比
７５％、１０１ー８はデューティ比８０％の場合をそれ
ぞれ示している。

【００２５】このようなデューティ比による電流注入に
よって、それぞれ照射面積に応じた面積階調が得られ
た。その結果が図２（Ｄ）に示されており、同図から明
らかなように、照射時間に対応した照射面積に応じて一
画素内での面積階調に応じた画像濃度を有する画像が得
られる。この様な結果を得るにあたり、点灯時間と得ら
れた画像濃度との直線性が確保できるように感光体ドラ
ム６のガンマ特性等の現像パラメータの最適化が計られ
ることが望ましいこともちろんである。

【００２６】図３は、上記画像濃度を得るために用いら
れたＬＥＤチップ３の断面図である。図３に示すＬＥＤ
チップ３は、アルミニュウムとガリュウムと砒素との三
元化合物半導体で構成され、ｎ型ＧａＡｓ基板１１０上
に、ｎ型ＡｌＧａＡｓ（Ａｌ組成０．４、厚さ１．２μ
ｍ）１１１、活性層をなすＡｌＧａＡｓ発光層（Ａｌ組
成０．２、厚さ０．１μｍ）１１２、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
層（Ａｌ組成０．４、厚さ１．２μｍ、キャリヤー濃度
５×１０¹⁷ｃｍ~³）１１３、ｐ型ＧａＡｓ電極層（厚さ
０．２μｍ、キャリヤー濃度１０²⁰ｃｍ~³）１１４が順
次積層されてダブルヘテロ接合構造を構成している。こ
のような積層構造は、有機化合物を用いて熱ＣＶＤを行
なうＭＯＣＶＤ法（Ｍｅｔａｌｏｒｇａｎｉｃ ＣＶ
Ｄ）によって形成される。上記積層構造が形成された
後、光り取り出し窓および電流注入用接触部としてのＧ
ａＡｓ電極層を５１．５μｍ×２０μｍの概略方形状に
残して塩素ガス系を用いたドライエッチングによりｐ型
ＡｌＧａＡｓ層１１３に達するように除去し、露出した
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１３の上面に電気的絶縁膜兼表面
保護膜としてシリコン酸化膜１１５が形成されている。

【００２７】シリコン酸化膜１１５の上面にはＡｌ（ア
ルミニュウム）からなる電極兼配線１１６が残された電
極層１１４の一部に接触するように形成されている。電
極兼配線１１６のうち、符号１１６ー１で示す部分は電
極として、また、符号１１６ー２で示す部分は配線とし
て機能するようになっている。電極層および配線部の形
状は、図２（Ａ）に示すように、残された電極層の長手
方向の一辺に沿って電極が形成される形状とされてい
る。

【００２８】図３において、ｎ型ＡｌＧａＡｓ基板１１
０の裏面にはＡｕ−Ｇｅ−Ｎｉからなるｎ型用金属電極
１１７が形成されている。このような積層構造からなる
ＬＥＤチップ３は、電極１１６、１１７間に通電される
ことにより、ＡｌＧａＡｓ発光層１１２から図中、矢印
で示すように、発光が生じ、電極層のうちで電極用金属
１１６で覆われていない部分から、基板１１０に対して
概ね垂直方向上方に向けた光出力１１８が得られる。こ
の光出力１１８は、等倍結像レンズ５を介して感光体ド
ラム６上に結像される。

【００２９】図４は、上記ＬＥＤチップ３の構造の変形
例を示している。図４に示す例では、ｐ型ＡｌＧａＡｓ
層（Ａｌ組成０．４、厚さ１．２μｍ、キャリヤー濃度
５×１０¹⁷ｃｍ~³）１１３の上面に電流拡散層として、
ｐ型ＡｌＧａＡｓ層（Ａｌ組成０．４、厚さ１．２μ
ｍ、キャリヤー濃度２×１０¹⁸ｃｍ~³）１２０を積層
し、その上面にｐ型ＧａＡｓ電極層（厚さ０．２μｍ、
キャリヤー濃度１０²⁰ｃｍ~³）１１４が積層されてい
る。このような積層構造において、図３に示した例と同
様に、電極層および電流拡散層の一部を光り取り出し窓
および電流注入用接触部として残してドライエッチング
により除去してｐ型ＡｌＧａＡｓ層１１３に達するよう
に除去し、絶縁膜、電極配線金属が図３の場合と同様に
形成されている。

【００３０】このような構造によれば、電流拡散層１２
０を設け、かつ、その層の領域を限定することにより、
光取り出し領域下部の発光層１１２内での電流密度分布
の均一性を向上させることができ、光取り出し領域下部
の外側の発光層へ注入される電流うをなるべく少なくす
ることが可能になる。これにより、発光時での電流注入
による発熱の偏在化を抑制して素子の長寿命化が実現で
きると共に取り出し光の均一化および光の取り出し効率
の向上が図れる。

【００３１】図５は、上記ＬＥＤチップ３の別の例を示
している。図５に示す例では、図４に示した積層構造と
同じ半導体積層構造を有しており、ドライエッチングに
より発光部を除く半導体積層構造をｎ型ＧａＡｓ近板１
１０に達する深さに取り除いた構造である。配線部１１
６は、電気的絶縁層１１５を介してｎ型ＧａＡｓ基板１
１０上に設けられている。

【００３２】図６は、上記ＬＥＤチップ３のさらに別の
例を示している。図６に示す構造では、ｎ型ＧａＡｓ基
板１１０上に活性層をなすｎ型ＧａＡｓＰ層１３１が積
層されており、図２に示された発光部形状の部分以外の
表面に電気的絶縁膜兼表面保護膜であるシリコン窒化膜
１３２が設けられている。シリコン窒化膜１３２が設け
られておらず、光の取り出し窓となっている部分１３４
には、表面からある深さまで不純物の亜鉛（Ｚｎ）が拡
散されてｐ型ＧａＡｓで構成された領域１３０を構成し
ている。ｐ型領域１３０の一部に接するようにＡｌ（ア
ルミニュウム）からなる電極１３３が設けられ、さら
に、絶縁膜上に配線として延長形成されている。基板裏
面には、上記例と同様に、ｎ型ＧａＡｓの金属電極１１
７が設けられている。この様な構造において、両電極間
に通電することにより、ＧａＡｓＰ層１３１内のｐｎ接
合により発光が生じ、窓１３４から概略基板に対して垂
直法向上方に光出力１１８が得られる。

【００３３】上記各構造に関する例においては、光取り
出し窓は露出されていて、化合物半導体層が直接露出し
ているが、窓部表面が取り出し光に対して透明な絶縁
膜、例えば、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜で覆うよ
うにしてもよい。さらに、図６に示した例以外は、Ａｌ
ＧａＡｓ系の三元化合物を例示したが、これに限らず、
ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＡｌＩｎＧａＰ系、
ＺｎＳｅ系、ＣｄＺｎＳｅ系を用いるようにしてもよい
こと勿論可能である。さらに、図６に示し例では、Ｇａ
ＡｓＰ系を例示したが、これに限らず、ＡｌＧａＡｓ
系、ＧａＰ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＡｌＩｎＧ
ａＰ系、ＺｎＳｅ系、ＣｄＺｎＳｅ系とすることも可能
である。また、Ｐ型とｎ型とを逆に設定することも可能
である。

【００３４】

【発明の効果】以上、説明したように、請求項１記載の
発明によれば、ＬＥＤから出射される光パターンのう
ち、副走査方向に相当する光放出部の幅が主走査方向で
の１ドット分の画素の幅よりも小さく設定されるので、
一画素内で副走査方向で幅の異なる様々な大きさの静電
潜像を形成することが可能になり、その静電潜像にトナ
ーを付着させて可視像処理した際のトナー像の大きさ
が、静電潜像の大きさに依存する面積階調を実現するこ
とができる。

【００３５】請求項２記載の発明によれば、副走査方向
の１ドット分の幅が主走査方向の１ドット分の画素の幅
の１／ｎに対応するように副走査方向での上記ＬＥＤの
光放出部の幅が最大で１／ｎ以下（ｎ＞２）に設定され
るので、特に、画像濃度が「０」でない最低濃度に相当
する面積階調２を得るような場合には、レンズのボケ考
慮してｎ＞２とすることにより、面積階調２を得ること
が可能になる。

【００３６】請求項３記載の発明によれば、光書込み用
固体発光素子は、半導体基板上に形成された半導体積層
構造により構成され、内部に少なくとも１つ以上の接合
を有し、半導体基板に対して略垂直方向に光を出射して
像担持体への画素形成に用いられるので、主走査方向の
発光部の幅に対して副走査方向での発光部の幅を自由に
変更することが可能になり、必要とされる階調数に応じ
た固体発光素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による光書込み装置の構成を概
略的に説明するための模式図である。

【図２】図１に示した光書込み装置に用いられる固体発
光素子アレーを示す図であり、（Ａ）は上記アレーの平
面図、（Ｂ）は等倍結像レンズを介して像担持体に形成
される光照射パターンを示す模式図、（Ｃ）は、（Ｂ）
に示した光照射パターンを形成するための各ドット毎の
ＬＥＤチップ３に印加される電流注入パルスの状態を示
すタイミングチャート、（Ｄ）は、上記（Ａ）、
（Ｂ）、（Ｃ）の条件により得られる面積階調を画像濃
度として示す線図である。

【図３】図１に示した光書込み装置に用いられる固体発
光素子アレーの積層構造を説明するための断面図であ
る。

【図４】図１に示した光書込み装置に用いられる固体発
光素子アレーの積層構造の他の例を示す断面図である。

【図５】図１に示した光書込み装置に用いられる固体発
光素子アレーの積層構造の別例を示す断面図である。

【図６】図１に示した光書込み装置に用いられる固体発
光素子アレーの積層構造のさらに別の例を示す断面図で
ある。

【符号の説明】 １ 光書込み装置 ３ 固体発光素子を構成するＬＥＤチップ １１０ 半導体基板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】像担持体上に原稿像に応じた静電潜像を形
   成するために用いられる光書込み装置において、 上記光書込み装置は、発光源として一列に並列された複
   数のＬＥＤで構成されている光書込み用固体発光素子が
   用いられ、 上記ＬＥＤは、副走査方向に相当する光放出部の幅が主
   走査方向での１ドット分の画素の幅よりも小さく設定さ
   れていることを特徴とする光書込み装置
2. 【請求項２】請求項１記載の光書込み装置において、 上記光書込み用固体発光素子は、副走査方向の１ドット
   分の幅が主走査方向の１ドット分の画素の幅の１／ｎに
   対応するように副走査方向での上記ＬＥＤの光放出部の
   幅が最大で１／ｎ以下（ｎ＞２）に設定されていること
   を特徴とする光書込み装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の光書込み装置において、 上記光書込み用固体発光素子は、半導体基板上に形成さ
   れた半導体積層構造により構成され、内部に少なくとも
   １つ以上の接合を有し、半導体基板に対して略垂直方向
   に光を出射して像担持体への画素形成に用いられること
   を特徴とする光書込み装置。