CN1166517C - 自扫描型发光元件阵列的驱动方法 - Google Patents

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Abstract

减少因外接在芯片上的用于限制写入电流的电阻所造成的功率损耗，提供可以减小光写入头的升温的自扫描型发光元件阵列。与驱动电路内的控制传送部的电路中的H-L电平差相比，通过降低设定控制发光部的电路中的H-L电平差，能够减少外接在芯片上的用于限制写入电流的电阻所造成的功率消耗，抑制光写入头的温度上升。

Description

自扫描型发光元件阵列的驱动方法
技术领域
本发明涉及自扫描型发光元件阵列的驱动方法，特别涉及使用3端子发光半导体开关元件的自扫描型发光元件阵列的驱动方法。
背景技术
将多个发光元件集成在同一衬底上的发光元件阵列与其驱动用IC组合而被用作光打印机等的写入光源。本发明人关注作为发光元件阵列的构成主要元件的具有PNPN构造的3端子发光半导体开关元件，已经提出能够实现发光点自己扫描的专利申请((日本)特开平1-238962号公报、特开平2-14584号公报、特开平2-92650号公报、特开平2-92651号公报)，披露了作为光打印机用光源使得安装简便、可以使发光元件节距细小、能够制作小型的发光元件阵列等。
而且，本发明人提出将传送元件阵列作为传送部，与作为发光元件阵列的发光部分离构造的自扫描型发光元件阵列的建议(特开平2-263668号)。
图1表示传送部10-1和发光部10-2分离型的以2相(时钟脉冲φ1、φ2)驱动的二极管结合方式的自扫描型发光元件阵列芯片10、以及驱动传送部和发光部的驱动电路40。传送部10-1由传送元件T1、T2、T3、…、二极管D、负载电阻R1、R2、R3…构成、发光部分10-2由发光元件L1、L2、L3…构成。传送元件和发光元件分别由3端子发光半导体开关元件构成。
传送部10-1还包括φ1线11、φ2线12、电源(VGK)线14，φ1线11通过芯片内设置的限流电阻31被连接到φ1端子21，φ2线12通过芯片内设置的限流电阻32被连接到φ2端子22，VGK线14被连接到VGK端子24。传送元件T1的栅极通过限流电阻33被连接到起动脉冲(φs)端子23。
发光部10-2包括写入信号(φI)线15，φI线15被连接到φI端子25。
驱动电路40包括由PMOS晶体管(正常导通)51和NMOS晶体管(正常截止)52分别构成的4个CMOS反向器50-1、50-2、50-3、50-5。这些CMOS反向器的H电平端子都被连接到共用的+5V电源线(或+5V电源)48。
驱动电路40有φ1用输入端子41、φ2用输入端子42、φs用输入端子43、以及φI用输入端子45。
在驱动器电路40的CMOS反向器50-5和自扫描型发光元件阵列芯片10的φI端子25之间，以外装在芯片上的形式设置限流电阻35。
图1所示的自扫描型发光元件阵列的传送部10-1的工作电压必须最低2VD(VD是发光半导体开关元件内的PN结的正向电压)以上。在PNPN构造的材料是GaAs时，由于VD约为1.5V，所以传送部的最小工作电压为3V。实际上，因寄生电阻和噪声而使工作变得不稳定，所以用5V左右的单一电源来使自扫描型发光元件阵列工作。
在图1所示的现有的自扫描型发光元件阵列中，使用5V的电源电压时，由于发光部10-2的发光半导体开关元件的接通电压大约为PN结的正向电压VD(1.5V)，所以在外装的电阻35上造成3.5(＝5-1.5)V的电压降。现在，在发光部中流动的电流为10mA(时间平均值)时，电阻35上消耗的功率为35mW。另一方面，发光部的消耗功率为15mW。那么，在将自扫描型发光元件阵列芯片排列多个来形成光写入头时。例如，排列60个芯片来形成光写入头时，各芯片上每个发光元件点亮时的消耗功率为50mW×60个＝3W。因基于该功率消耗的发热，存在使自扫描型发光元件阵列芯片的温度上升，发光元件的发光效率下降的问题。而且，由于光写入头的设置场所是狭窄、散热差的环境，所以打印机内的温度容易上升，影响电子照相方式的图像。
因自扫描型发光元件阵列芯片的温度上升而对图像的影响有以下几种情况。
(1)在打印包括格线表之后，打印半色调这样的薄花纹时，与格线对应的部分会脱落变白等，产生画质的恶化。这是因为通过格线打印在芯片上产生特定的温度分布，该部分的发光元件的发光效率降低。
(2)在打印开始时，由于光写入头的温度低，光写入头和打印机内的温度缓慢上升，所以光写入头的光输出会变动。特别在打印开始初期该变动是大问题。
(3)在图1所示的相邻发光元件可以点亮的构造的自扫描型发光元件阵列的情况下，因相邻元件可能不点亮而使温度上升改变，所以存在基于图形的图像灰度会改变的问题。
(4)在芯片的两端的发光元件中，由于散热部分的体积为芯片中央的一半，所以热阻升高。结果，即使相同的功率消耗，芯片两端的发光元件的温度上升也为芯片中央的发光元件的温度上升的2倍。因此，存在芯片的两端的光输出下降的问题。
为了解决这些问题，提出在发光元件不点亮的情况时，提出传送部消耗功率，使芯片经常形成均匀的温度分布的方法(特开平8-264838号公报，特开平11-170596号公报等)，但这些方法可以对付上述(1)的情况的图像恶化，但由于与所有发光元件的点亮相同的功率消耗，所以光写入头温度上升增大。在通常的彩色印刷的情况下，由于点亮的发光元件的比例为20％以下，所以将所有发光元件经常点亮为前提来设计光写入头的效率低。此外，不能对付上述(2)的情况的初期温度变化。
此外，还提出在初期的温度变化剧烈的时期，不进行打印的方法(特开平10-119349号公报，特开平10-235936号公报)，但这些方法不能对付上述(2)的情况。而且，由于图像的图形的不同，光写入头的温度变化也不一样，校正不好。还提出以点火时间来补偿发光元件的光输出这样的方法(特开平9-311664号公报)，但电路变得复杂。
发明内容
本发明的目的在于提供一种自扫描型发光元件阵列的驱动方法，减小因写入电流限制用的外带电阻造成的电力损失，并可以使光写入头的升温小。
本发明的另一目的在于提供一种自扫描型发光元件阵列的驱动方法，减小光输出的温度依赖性，即光输出的温度系数小。
本发明的第1方案提供一种自扫描型发光元件阵列的驱动方法，该自扫描型发光元件阵列包括：传送元件阵列，将排列多个具有控制阈值电压或阈值电流的控制电极的3端子传送元件的3端子传送元件阵列的相邻传送元件的控制电极用第1电气部件相互连接，同时用第2电气部件将电源线连接到各传送元件的控制电极，并且将时钟线连接到各传送元件的剩余的2端子的一个端子，从而形成传送元件阵列；以及发光元件阵列，排列多个具有控制阈值电压或阈值电流的控制电极的3端子发光元件；将所述发光元件阵列的控制电极和所述传送元件的控制电极对应连接，并将写入信号线设置连接到各发光元件的剩余的2端子的一个端子上；其特征在于，通过使经限流电阻对所述写入信号线提供的写入信号用脉冲电压的L-H电平差比提供给所述时钟线的传送用脉冲电压的L-H电平差小，来减少所述限流电阻的电力消耗。
本发明的第2方案提供一种自扫描型发光元件阵列的驱动方法，该自扫描型发光元件阵列由发光元件阵列组成，该发光元件阵列将排列多个具有控制阈值电压或阈值电流的控制电极的3端子发光元件的3端子发光元件阵列的相邻发光元件的控制电极用第1电气部件相互连接，同时用第2电气部件将电源线连接到各发光元件的控制电极，并且将时钟线连接到各发光元件的剩余的2端子的一个端子；其特征在于，通过使经限流电阻提供给所述时钟线的写入信号用脉冲电压的L-H电平差比提供给所述时钟线的传送用脉冲电压的L-H电平差小，来减少所述限流电阻的电力消耗。
附图说明
图1是将传送部和发光部分离型的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
图2是本发明实施例1的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
图3是本发明实施例2的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
图4是本发明实施例3的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
图5是本发明实施例4的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
图6是表示阳极层的载流子浓度和阳极电压的温度系数的关系的实验结果图。
图7是本发明实施例5的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
图8是本发明实施例6的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。
具体实施方式
以下，基于实施例来说明本发明的实施形态。
(实施例1)
为了使自扫描型发光元件阵列的传送部稳定工作，传送部的工作电压与最低电压的2VD相比需要获得充分的裕度。另一方面，发光部可以用比最低电压VD稍大的工作电压稳定地点亮，以便使传送部在导通状态下导通工作。
因此，与控制驱动电路内的传送部的电路中的H-L电平差相比，通过降低设定控制发光部的电路中的H-L电平差，可以减少芯片上外接的用于写入电流限制的电阻的电力消耗，并抑制光写入头的温度上升。
图2是本发明实施例1的自扫描型发光元件阵列的等效电路图。在发光元件芯片10的φI端子25上通过外接电阻35连接的CMOS反向器50-5的H电平端子被连接到所谓+5V的电源线(或+5V电源)48就是独立的+2V电源线(或+2V电源)49。由于其他构造与图1相同，所以对相同的结构元件附以相同的参考标号。
使用+2V的电源线时，电阻35的电压降为0.5V左右，电阻35上的消耗功率在流入电阻35的电流为10mA时从35mW减少至5mW、即减少到1/7。因此，光写入头的消耗功率是作为电阻35的消耗功率和发光部的消耗功率的合计的5mW+15mW＝20mW，可以使光写入头的消耗功率大约减少到2/5。
(实施例2)
在实施例1中，根据电阻35两端的电位差来决定发光元件中流动的电流值。在本实施例中，用恒流电路来决定发光元件中流动的电流值。图3表示本实施例的电路图。
这里，表示使用PNP晶体管60的恒流电路。该晶体管的栅极经电阻61被连接到φI用输入端子45，发射极被连接到+2V电源线(或+2V电源)49，集电极被连接到φI端子25。由于其他构造与图1相同，所以对于相同的结构元件附以相同的参考标号。
假设晶体管60的发射级的电压VE为+2V、电阻61的电阻值为RB、晶体管60的基极-发射极间的电压为VBE时，晶体管60的基极电流为(VE-VBE)/RB。如果IE为发射级电流，则(VE-VBE)/RB与(1-α)IE相等。其中，α是电流放大率，一般为0.95～0.99左右。另一方面，集电极电流IC＝αIE，该电流产生发光部10-2中的发光。例如，假设α＝0.95和RB＝20kΩ时，集电极电流IC变成IC＝(α/(1-α))·(VE-VBE)/RB＝19×(2-0.6)/2×104≈13mA。
由于用[(晶体管的发射极-集电极间的电位差)×(集电极电流)(≈发射极电流)]表示的功率被晶体管70消耗，所以减小发射极电压的方法能够降低晶体管70的消耗功率。
在本实施例中，作为简单例使用了晶体管，但即使使用任何恒流电路，在消耗(电源线49和端子25间的电位差)×(流过其间的电流)的功率方面仍与晶体管相同，可以期待同样的效果。
(实施例3)
在实施例1和2中，传送部和发光部为分开的结构，而图4表示传送部和发光部成为一体结构的例子。图4表示传送部和发光部不分离型的双相驱动时二极管结合方式的自扫描型发光元件阵列芯片65和其驱动电路70。自扫描型发光元件阵列芯片60由发光元件L1、L2、L3…、二极管D、以及负载电阻R1、R2、R3…构成。发光元件由3端子发光半导体开关元件构成。
芯片65还包括φ1线11、φ2线12、电源(VGK)线14，φ1线11被连接到φ1端子21，φ2线12被连接到φ2端子22，VGK线14被连接到VGK端子24。发光元件L1的栅极通过限流电阻33被连接到起动脉冲(φs)端子23。
驱动电路70分别包括用于对φ1端子21、φ2端子22提供2相时钟脉冲φ1、φ2的CMOS反向器50-1、50-2，以及用于对φs端子23提供起动脉冲φs的CMOS反向器50-3。
而且，该驱动电路70包括PMOS晶体管53和限流电阻36的串联电路、以及POMS晶体管54和限流电阻37的串联电路，以便将发光用脉冲电压(写入信号φI)提供给φ1端子21和φ2端子22。然后，这些PMOS晶体管53、54的H电平端子被连接到+2V电源线(或+2V电源)72。电阻36、37被设置在驱动电路70内，这些电阻相当于图2的限流电阻35。此外，相当于图2的限流电阻31、32(设置在芯片内)的电阻38、39被设置在驱动电路70内。
在图4中，46、47分别是φI用输入端子。与图2相同的结构元件附以相同的标号。
根据本实施例，在通过时钟脉冲φ1或φ2使发光元件导通时，对应的PMOS晶体管53或54导通，经电阻36或37将写入信号供给端子21或22。该情况下，由于使用+2V的电源，所以与实施例1同样，减轻电阻36、37上的功率损失，因而能够抑制光写入头的升温。
(实施例4)
在以下的实施例中，说明光输出的温度依赖性小、即光输出的温度系数小的自扫描型发光元件阵列。
PNPN构造的3端子发光半导体开关元件的导通时的阳极电压的温度系数为负。因此，在用恒压源经外装电阻驱动发光部的发光半导体开关元件的情况下，发光半导体开关元件的温度变高，阳极电压下降，外装电阻的电压降增加，供给发光半导体开关元件的电流增加。根据本发明，利用该特性来补偿发光半导体开关元件的发光效率的下降。因此，以‘电阻上的电压降’的温度系数、即电流的温度系数取消恒电流时的光输出的温度系数的电源电压来驱动发光半导体开关元件。根据本发明，由于阳极电压和光输出随温度而同时变化并彼此补偿，所以能够使温度分布的影响为最小限度。即，本发明的关键在于，在电压源+外装电阻这样的组合中，通过适当设定电源电压，如果使恒电流的光输出的温度系数与电流的温度系数相互抵消，则可以消除对光输出产生的影响。
如图5所示，有单独决定对传送部10-1供给的时钟脉冲和对发光部10-2供给的写入信号的H电平的驱动电路80。即，在驱动电路80中，通过限流电阻35连接到自扫描型发光元件阵列芯片10的φI端子25的CMOS反向器50-5的H电平端子被连接到与+5V的电源线(或+5V电源)独立的V0电源线(或V0电源)。图5的其他构造与图1相同，所以对相同的构成元件附以相同的参考标号。
发光部10-2被以电压V0恒压驱动时，发光部中流动的电流i的i0(恒流)附近的温度系数E在发光半导体开关元件的阳极电压为VA、阳极电压VA的温度系数为B的情况下，有
E＝B/(V0-VA)
通常，发光半导体开关元件的光输出L(μW)在温度一定的情况下由电流i(mA)决定，表示为光输出L＝Ci-D。其中，C、D是C＝10、D＝30的常数。
由于相对于光输出L的恒电流i0附近的电流变化率为Ci0/(Ci0-D)，所以相对于阳极电压VA变化的光输出L的温度系数θ在假设室温时的阳极电压为VA0时，则
θ＝[B/(V0-VA0)]×[Ci0/(Ci0-D)]    (1)
如果温度系数θ与恒电流时的光输出L的温度系数A相互抵消，则温度变化造成的光输出的变化为0。因此，在式(1)中，如果θ＝-A，
则对V0-VA0求解时，变成
V0-VA＝B×Cio[(Cio-D)×A]    (2)
评价图5的自扫描型发光元件阵列的温度特性时，i0＝10mA恒电流驱动时，光输出的温度系数A为-0.5％/℃。此外，流动10mA的电流时的发光元件的室温时的阳极电压VA在室温时为1.5V(＝VA0)，阳极电压VA的温度系数B为-1.5mV/℃。
将这些值代入式(2)时，有
V0-VA＝0.0015×10×10/[(10×10-30)×(-0.005)]
＝0.4286V
因此，如果形成V0＝1.9286V的电源电压，则温度变化造成的光输出的变化为0。
此时，由于限流电阻35在10mA的电流时最好造成0.4286V的电压降，所以其电阻值R为0.4286/0.01＝42.8Ω。
(实施例5)
在实施例4中，V0-VA的值至多降低0.5V，难以构成驱动电路。为了容易构成驱动电路，需要增大V0的值。
根据本申请的发明人的实验，可知在改变发光半导体开关元件层的载流子浓度时，载流子浓度越低，阳极电压VA越大，与其相伴的阳极电压VA的温度系数变大。图6表示实验结果的示例。该结果被认为由以下原因造成。
(1)阳极电压VA是PN结的正方向电压VD和寄生电阻RP造成的电压降之和。因此，阳极层的寄生电阻值增加时，阳极电压基于寄生电阻值的增大而增大电压降量。
(2)半导体层的电阻值的温度系数为负，大小约为几％/℃。
(3)在半导体层的电阻值低时，PN结的正方向电压VD的温度系数起主要作用，但寄生电阻值增大时，不能忽视寄生电阻的温度系数。
在以上的实验中，改变发光半导体开关元件的阳极层的载流子浓度，而本申请的发明人确认：即使改变阴极层或衬底的载流子浓度，也有寄生电阻值增大的相同效果。
在图6的曲线中，在阳极层的载流子浓度为5×1016/10-3的情况下，阳极电压VA的温度系数为-7mV/℃。在将具有该阳极层的发光半导体开关元件作为发光元件的自扫描型发光元件阵列芯片用于与图5相同的电路的情况下，根据式(2)，V0-VA＝2V，电源电压为3.5V。因此，与实施例4相比，容易构成驱动电路。
(实施例6)
在实施例5中，通过调整寄生电阻的值，来调整阳极电压VA的温度系数。但是，寄生电阻或正向电压VD由外延构造来决定，所以不好在工艺过程中控制。因此，也可以在发光元件(发光半导体开关元件)中主动地形成加入电阻，来代替调整寄生电阻值。图7表示将电阻62串联形成加入在各发光元件L1、L2、L3、…上情况下的自扫描型发光元件阵列的等效电路。其他构造与图5相同。
电阻62使用发光半导体开关元件的N栅层(薄膜电阻为225Ω/□)，形成电阻值为56.25Ω的电阻。在调查该电阻的温度系数时，为-2％/℃。因此，流动10mA的电流时的阳极电压VA的温度系数为56.25Ω×(-2％)×10mA＝-11.25V/℃。因此，与正向电压VD的温度系数相加，最终的阳极电压VA的温度系数为-12.25V/℃。根据式(2)，有V0-VA＝3.5V，在V0＝5.0V时，能够实现不受温度影响的芯片。
(实施例7)
在实施例6中，在各发光元件中设置一个电阻。由此，能够将各发光元件的温度影响分别反映在阳极电压VA的温度系数中。但是，这种情况下，由于自扫描型发光元件阵列的电路结构变得复杂，所以在本实施例中，仅将一个电阻插入到φI线15中。图8表示将电阻63连接到φI线15情况下的自扫描型发光元件阵列的等效电路。其他构造与图5相同。
但是，在该情况下，不能解决因芯片整体温度造成的所述(2)的情况。如果电阻63使用与实施例6的电阻62相同值的电阻，仍然在V0＝5V时，能够实现芯片不受温度的影响。
以上，基于优选实施例说明了本发明，但作为本领域技术人员应该明白，在本发明的范围内可以进行各种变形、变更。例如，说明了将发光半导体开关元件的阴极同时接地的示例，但通过改变电源电压的极性，本发明也可以应用于将发光半导体开关元件的阳极同时接地的自扫描型发光元件阵列。
如以上说明，根据本发明，在自扫描型发光元件阵列中，可以减小由写入信号用的限流电阻造成的功率消耗，可以减小光写入头的升温。根据本发明，在自扫描型发光元件阵列中，由于随着发光元件的温度来同时改变补偿阳极电压和光输出，所以可以减小光输出的温度系数。

Claims (2)

1.一种自扫描型发光元件阵列的驱动方法，该自扫描型发光元件阵列包括：传送元件阵列，将排列多个具有控制阈值电压或阈值电流的控制电极的3端子传送元件的3端子传送元件阵列的相邻传送元件的控制电极用第1电气部件相互连接，同时用第2电气部件将电源线连接到各传送元件的控制电极，并且将时钟线连接到各传送元件的剩余的2端子的一个端子，从而形成传送元件阵列；以及发光元件阵列，排列多个具有控制阈值电压或阈值电流的控制电极的3端子发光元件；将所述发光元件阵列的控制电极和所述传送元件的控制电极对应连接，并将写入信号线设置连接到各发光元件的剩余的2端子的一个端子上；
其特征在于，通过使经限流电阻对所述写入信号线提供的写入信号用脉冲电压的L-H电平差比提供给所述时钟线的传送用脉冲电压的L-H电平差小，来减少所述限流电阻的电力消耗。
2.一种自扫描型发光元件阵列的驱动方法，该自扫描型发光元件阵列由发光元件阵列组成，该发光元件阵列将排列多个具有控制阈值电压或阈值电流的控制电极的3端子发光元件的3端子发光元件阵列的相邻发光元件的控制电极用第1电气部件相互连接，同时用第2电气部件将电源线连接到各发光元件的控制电极，并且将时钟线连接到各发光元件的剩余的2端子的一个端子；
其特征在于，通过使经限流电阻提供给所述时钟线的写入信号用脉冲电压的L-H电平差比提供给所述时钟线的传送用脉冲电压的L-H电平差小，来减少所述限流电阻的电力消耗。
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