JP2006013196A - 発光ダイオード、発光ダイオードアレイ、光書込装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＬＥＤから放射される光の放射角を狭くし、光の利用効率を高める。
【解決手段】 半導体基板１５上に発光層１６を形成し、発光層１６の発光面１６ａ上におけるこの発光面１６ａの一部を覆う位置に上部電極１８を形成し、中央部に位置する開口２２とこの開口２２の周囲に位置する凹面形状の反射面２３とを有する凹面ミラー１９を発光層１６に対向させて半導体基板１５上に設ける。発光層１６の発光面１６ａから放射された光のうち広い放射角で放射された光は凹面ミラー１９の反射面２３で反射され、その後上部電極１８で反射された後に凹面ミラー１９の開口２２から放射される。これにより、開口２２から放射される光量を増加させることができ、光の利用効率を高めることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、発光ダイオード、発光ダイオードアレイ、この発光ダイオードアレイを用いた光書込装置及びこの光書込装置を用いた画像形成装置に関する。

複写機、プリンターなどの電子写真プロセスを応用した画像形成装置では、感光体ドラムや感光体ベルト等の感光体に光を照射することにより静電潜像を形成する光書込装置が設けられている。光書書込装置からの光の照射により感光体上に形成された静電潜像は、現像装置により現像されてトナー画像となり、感光体上のトナー画像が記録媒体に転写される。トナー画像が転写された記録媒体は定着装置で定着処理され、定着処理された記録媒体が排紙トレイ上に排紙される。

このような画像形成装置における静電潜像を形成する光書込装置の光源としては、レーザー、又は、複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤと表現する）を直線状に配列したＬＥＤアレイが用いられている。ＬＥＤアレイを用いた光書込装置には可動部分がなく、これに対し、レーザーを用いた光書込装置は高速回転するポリゴンミラーを備えている。このため、光源にＬＥＤアレイを用いた光書込装置では、騒音の発生を防止することができ、また、小型化を図ることができる。

しかし、ＬＥＤから放射される光は放射角が大きいため、ＬＥＤから放射された光を感光体に向けて導くロッドレンズとＬＥＤとの結合効率が低くなり、光の利用効率が低下するという問題がある。光利用効率が低下することに伴い、書込速度を高速化する場合に不利となり、書込速度の高速化が制限される。

そこで、光の利用効率を上げるため、ＬＥＤの上にマイクロレンズ配置した発明が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−３６１４４公報

しかし、ＬＥＤの上にマイクロレンズを配置しただけでは、ＬＥＤから放射される光の放射角を十分に狭くすることは困難である。

さらに、面発光型のＬＥＤアレイでは、発光面上に金属の電極を作製する必要があり、この電極によって発光面の一部が遮光され、感光体上に結像したスポット内に電極の影が映った状態となってスポット内に光の強弱部分が発生する。

本発明の目的は、ＬＥＤから放射される光の放射角を狭くし、光の利用効率を高めることである。

請求項１記載の発明の発光ダイオードは、半導体基板上に形成された発光層と、前記発光層の発光面上におけるこの発光面の一部を覆う位置に形成され、外周面が前記発光層から放射される波長の光を反射する反射面とされた上部電極と、前記発光層に対向させて前記半導体基板上に設けられ、中央部に位置する開口とこの開口の周囲に位置して前記発光層から放射される波長の光を反射する凹面形状の反射面とを有する凹面ミラーと、を具備する。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発光ダイオードにおいて、前記上部電極の側面が、前記発光層の前記発光面となす角度が鋭角になる傾斜面とされている。

請求項３記載の発明は、請求項１記載の発光ダイオードにおいて、前記上部電極は、断面形状が前記凹面ミラーの前記反射面に向けて凸レンズ形状に形成されている。

請求項４記載の発明は、請求項３記載の発光ダイオードにおいて、前記上部電極の表面は、金属微粒子を含むペースト材を塗布することにより形成されている。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４のいずれか一記載の発光ダイオードにおいて、前記上部電極は、前記発光層の前記発光面の中心付近を横断する位置に幅寸法が均一な形状に形成されている。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか一記載の発光ダイオードにおいて、前記凹面ミラーは、凹面部が形成された透明基板を有し、前記凹面部の表面に前記開口と前記反射面とが形成されている。

請求項７記載の発明は、請求項１ないし５のいずれか一記載の発光ダイオードにおいて、前記凹面ミラーは、前記発光層と前記上部電極とを囲む位置に位置付けられて前記半導体基盤上に透明樹脂材料で形成された凸レンズ形状体を有し、前記凸レンズ形状体の表面に前記開口と前記反射面とが形成されている。

請求項８記載の発明の発光ダイオードアレイは、請求項１ないし７のいずれか一記載の発光ダイオードが前記半導体基板上に複数配列されている。

請求項９記載の発明の光書込装置は、請求項８記載の発光ダイオードアレイと、前記発光ダイオードアレイの個々の前記発光ダイオードを点滅制御する駆動回路とを具備する。

請求項１０記載の発明の画像形成装置は、感光体と、前記感光体の表面を帯電する帯電装置と、帯電された前記感光体の外周面に光を照射して静電潜像を形成する請求項９記載の光書込装置と、前記感光体に形成された静電潜像を現像してトナー画像を形成する現像装置と、前記感光体上のトナー画像を記録媒体に転写する転写装置と、を具備する。

請求項１記載の発明によれば、発光層の発光面から放射された光のうち広い放射角で放射された光は凹面ミラーの反射面で反射され、その後上部電極の反射面で反射された後に凹面ミラーの開口から放射される。これにより、発光層の発光面から放射された光を開口から狭い放射角で放射することができ、光の利用効率を高めることができる。

請求項２記載の発明によれば、上部電極の傾斜面で反射した光を効率よく開口に向けて進行させることができ、開口から放射される光量を増加させることができる。

請求項３記載の発明によれば、上部電極の外周面で反射した光を効率よく開口に向けて進行させることができ、開口から放射される光量を増加させることができる。

請求項４記載の発明によれば、ペースト材の表面張力によって上部電極の断面形状を反射面に向けて凸レンズ形状とすることができる。

請求項５記載の発明によれば、上部電極の周囲に発光面の発光領域を確保しつつ発光面の狭小化を図ることが可能となり、発光ダイオードの小型化を図ることができる。

請求項６記載の発明によれば、凹面ミラーを容易に作製することができる。

請求項７記載の発明によれば、凹面ミラーを半導体基板上に直接作製できるので、発光層と凹面ミラーとを高精度に位置合わせすることができる。

請求項８記載の発明によれば、光利用効率の高い発光ダイオードアレイを得ることができる。

請求項９記載の発明によれば、発光ダイオードアレイの光利用効率が高くなるので、高速書込が可能な光書込装置を得ることができる。

請求項１０記載の発明によれば、高速で画像形成を行うことができる画像形成装置を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態を図１ないし図５に基づいて説明する。図１は本実施の形態の画像形成装置を示す概略構成図、図２は光書込装置の駆動系の概略構成を模式的に示すブロック図、図３はＬＥＤアレイと屈折率分布形レンズアレイと感光体ドラムとの位置関係を示す正面図、図４はＬＥＤを示す縦断正面図、図５はその平面図である。

図１に示すように、この画像形成装置には矢印方向に回転駆動される感光体である感光体ドラム１が設けられている。この感光体ドラム１の周囲には、電子写真法によるプロセス順に、帯電装置２、光書込装置３、現像装置４、転写装置５、クリーニング装置６等が対向配置されている。

帯電装置２は感光体ドラム１の表面を所定極性の電位となるように一様に帯電する。光書込装置３は画像信号に基づき一様に帯電された感光体ドラム１の外周面上を露光することにより静電潜像を形成する。現像装置４は感光体ドラム１上に形成された静電潜像をトナーを用いて現像し、トナー画像を形成する。転写装置５は感光体ドラム１上のトナー画像を記録媒体Ｐ上に転写する。クリーニング装置６は、転写工程後に感光体ドラム１上に残ったトナー等を除去する。なお、この他、トナー画像が転写された記録媒体Ｐを定着す処理する定着装置等が適宜設けられている。

光書込装置３は、図２、図３に示すように、複数の発光ダイオード（以下、ＬＥＤと表わす）１０を直線状に配列したＬＥＤアレイ１１、ＬＥＤアレイ１１の個々のＬＥＤ１０を駆動する駆動回路１２等により構成されている。駆動回路１２に対して画像信号が与えられることにより、その画像信号に応じて個々のＬＥＤ１０が点滅制御される。各ＬＥＤ１０から放射された光は、屈折率分布形レンズアレイ１３を構成する個々の屈折率分布形レンズ１４を介して感光体ドラム１の外周面に照射される。

ＬＥＤ１０は、図４及び図５に示すように、半導体基板１５、発光層１６、絶縁層１７、上部電極１８、凹面ミラー１９等により形成されている。

発光層１６はダブルへテロ型で、エッチングにより平面視が正方形となるように形成されている。発光層１６の上面部分が光が放射される発光面１６ａとされている。

絶縁層１７は、発光面１６ａの周縁部、発光層１６の側面部、半導体基板１５の上面部を覆うように形成されている。半導体基板１５上に発光層１６を形成した後、半導体基板１５の上面と発光層１６の全体とを覆うように絶縁層１７を形成し、発光層１６の上面部分を覆っている絶縁層１７をエッチングで除去することにより発光面１６ａが露出されている。

上部電極１８は、絶縁層１７をエッチングして発光面１６ａを露出させた後、発光面１６ａ上におけるこの発光面１６ａの一部を覆う位置に形成されている。上部電極１８はスパッタリングで成膜したアルミニウムで形成されており、上部電極１８の外周面は発光層１６の発光面１６ａから放射される波長の光を反射する反射面とされている。

凹面ミラー１９は、石英などを用いた透明基板２０に凹面部２１を形成し、この凹面部２１の内周面に開口２２と反射面２３とが形成されている。開口２２は、凹面部２１の中央に位置して円形に形成され、反射面２３は開口２２の周囲を囲む位置に形成されている。反射面２３は、金属膜をスパッタリングや蒸着で成膜することにより形成され、発光層１６の発光面１６ａから放射される波長の光を反射する。また、開口２２は、凹面部２１の全体に金属膜を成膜した後、その金属膜をフォトリソグラフィーとエッチングとで取り除くことにより形成されている。

凹面部２１に開口２２と反射面２３とを形成した後、凹面ミラー１９は凹面部２１を発光層１６に対向させる向きに半導体基板１５上に取り付けられている。

このような構成において、ＬＥＤ１０では、上部電極１８と半導体基板１５の底面側に配置される図示しない下部電極との間に電圧を印加することにより発光層１６の発光面１６ａから光が放射される。発光面１６ａから放射される光は広がりをもっており、例えば、或る点（Ａ点）からはＢ、Ｃ、Ｄの３方向に放射される光が含まれる。このとき、Ｂ方向に放射された光は開口２２を通過して凹面ミラー１９の外部に放射される。また、Ｃ方向、Ｄ方向に放射された光は反射面２３で反射される。反射面２３で反射された光の一部は発光層１６側へ反射され、発光層１６側へ反射された光の一部は上部電極１８の外周面で反射され、上部電極１８の外周面で反射された光の一部が開口２２を通過して凹面ミラー１９の外部に放射される。

したがって、凹面ミラー１９を設けない場合に比べて、凹面ミラー１９の開口２２の領域から放射される光量を増やすことができ、光の利用効率を高めることができる。また、凹面ミラー１９を設けない場合には、上部電極１８に覆われた部分の発光面１６ａから光が放射されず、発光面１６ａの一部に暗部が発生する。しかし、凹面ミラー１９を設けることにより、凹面ミラー１９の反射面２３で反射された後に上部電極１８の表面で反射された光が開口２２から放射されるので、あたかも、発光面１６ａにおける上部電極１８で覆われている部分から光が放射されているような状態となり、開口２２から放射された光により形成される光スポット内に上部電極１８の影が映るということがなく、光スポット内に光の強度ムラの発生を抑制することができる。

このような凹面ミラー１９を備えたＬＥＤ１０をアレイ状に配列したＬＥＤアレイ１１を光書込装置３の一部として用い、ＬＥＤアレイ１１から放射された光を屈折率分布形レンズアレイ１３などの等倍結像系を通って感光体ドラム１上に集光させると、各ＬＥＤ１０から放射された光が開口２２を通過して狭い角度に集まるようになるので、ＬＥＤ１０から放射された光の屈折率分布形レンズ１４との結合効率が高まり、焦点での光強度を大きくすることができる。したがって、上部電極１８と下部電極との間に印加する電圧を同じにした場合には、凹面ミラー１９を設けない場合と比べて感光体ドラム１に集光される光の強度を高めることができ、高速で書き込みが可能な光書込装置３を得ることが可能となる。

本発明の第２の実施の形態を図６及び図７に基づいて説明する。なお、図１ないし図５において説明した部分と同じ部分は同じ符号で示し、説明も省略する（以下の実施の形態でも同じ）。

本実施の形態のＬＥＤ１０Ａでは、発光層１６の発光面１６ａ上に形成された上部電極１８Ａの側面１８ａが、発光面１６ａとなす角度が鋭角となる傾斜面とされている。他の部分の構成は第１の実施の形態と同じである。

したがって、反射面２３で反射された光が発光層１６側に進行して上部電極１８Ａに当った場合に、傾斜面とされている側面１８ａに当った光を効率よく開口２２に向けて進行させることができる。このため、開口２２を通過して凹面ミラー１９の外部に放射される光量を増加させることができ、光の利用効率を高めることができる。

ここで、上部電極１８Ａにおける側面１８ａの形成は、例えば、リフトオフ法を用いて行うことができる。このリフトオフ法で傾斜した側面１８ａを形成できる原理を図７に示す。

発光層１６における発光面１６ａを挟んだ位置に厚めのレジスト層Ｒを形成する。このレジスト層Ｒは、発光面１６ａ上の側壁が発光面１６ａに対して垂直となるように形成する。そして、レジスト層Ｒの上方からスパッタリングによりアルミニウム等の金属を付着させる。すると、レジスト層Ｒの開口部分に付着するアルミニウムにより開口径が徐々に小さくなるため、発光面１６ａ上に付着されるアルミニウムの幅は徐々に細くなり、山型に傾斜した側面１８ａをもつ上部電極１８Ａを形成することができる。

本発明の第３の実施の形態を図８及び図９に基づいて説明する。

本実施の形態のＬＥＤ１０Ｂでは、上部電極１８Ｂは発光面１６ａの中心付近を横断する位置に形成され、幅寸法が均一な形状に形成されている。さらに、上部電極１８は、断面形状が凹面ミラー１９の凹面部２１（反射面２３及び開口２２）に向けて凸レンズ形状に形成されている。他の部分の構成は第１の実施の形態と同じである。

したがって、反射面２３で反射された光が発光層１６側に進行して上部電極１８Ｂに当った場合に、断面形状が凸レンズ形状に形成されている上部電極１８Ｂの外周面に当った光を効率よく開口２２に向けて進行させることができる。このため、開口２２を通過して凹面ミラー１９の外部に放射される光量を増加させることができ、光の利用効率を高めることができる。

また、上部電極１８Ｂは、幅寸法が部分的に広くなった部分を有さず、幅寸法が全体として均一な形状に形成されて発光面１６ａの中心付近を横断して形成されているため、上部電極１８Ｂの周囲に発光面１６ａの発光領域を確保しつつ発光面１６ａの狭小化を図ることができ、ＬＥＤ１０Ｂの小型化を図ることができる。そして、ＬＥＤ１０Ｂを狭いピッチで配列したＬＥＤアレイの作製が容易になる。

ここで、断面形状が凸レンズ形状の上部電極１８Ｂを形成する場合には、以下のような方法を採用することができる。上部電極１８Ｂがドライエッチングで作製できる場合は、発光層１６と絶縁層１７とを作製した半導体基板１５に上部電極用の金属膜を成膜し、金属膜上に凸レンズ形状の断面を持つレジストパターンを作製し、低い選択比でエッチングを行えばよい。凸レンズ形状の断面を持つレジストパターンの作製方法としては、レジストを加熱してリフローさせるリフロー法や、マスクに透過率分布を与えておくグレイスケールマスクを利用した方法などがある。

本発明の第４の実施の形態を図１０に基づいて説明する。

本実施の形態のＬＥＤ１０Ｃでは、第３の実施の形態で説明したような断面形状が凸レンズ形状である上部電極１８Ｃを作製する場合に、断面形状を矩形状に形成した上部電極の上に銀などの金属微粒子を含む流動性のあるペースト材を塗布することにより形成したものである。ペースト材の塗布は、インクジェットなどからペースト材を吐出させることにより行うことができる。

塗布したペースト材を硬化させると、その硬化の過程で表面張力によりペースト材の表面が湾曲し、断面形状が凸レンズ形状となった上部電極１８Ｃを作製することができる。これにより、断面形状が凸レンズ形状となった上部電極１８Ｃの作製を容易に行うことができる。

本発明の第５の実施の形態を図１１に基づいて説明する。

本実施の形態のＬＥＤ１０Ｄでは、凹面ミラー３０が、半導体基板１５上における発光層１６と上部電極１８Ａとを囲む位置に透光性樹脂材料で形成された凸レンズ形状体３１と、この凸レンズ形状体３１の表面に形成された反射面３２とにより形成されている。凸レンズ形状体３１における頂上部分には反射面３２が形成されずに光の透過を許容する開口３３が形成されている。反射面３２は、アルミニウム等の金属を蒸着することにより形成されている。

このような構成において、発光面１６ａ上の或る点（Ａ点）からＢ、Ｃ、Ｄの３方向に放射された光のうち、Ｂ方向に放射された光は凸レンズ形状体３１内を進行して開口３３から凹面ミラー３０の外部に放射される。また、Ｃ方向、Ｄ方向に放射された光は凸レンズ形状体３１内を進行した後に反射面３２で反射され、反射面３２で反射された光の一部は発光層１６側へ反射され、発光層１６側へ反射された光の一部は上部電極１８Ａの外周面（側面１８ａ、上面）で反射され、上部電極１８Ａの外周面で反射された光の一部が凸レンズ形状体３１内を進行して開口３３から凹面ミラー３０の外部に放射される。

これにより、上述した各実施の形態の場合と同じように、開口３３から凹面ミラー３０の外部に放射される光量を増加させることができ、光の利用効率を高めることができる。

また、本実施の形態では、半導体基板１５上に凹面ミラー３０を直接形成しているため、発光層１６と凹面ミラー３０との位置合わせを高精度に行うことができる。また、半導体基板１５と凸レンズ形状体３１との熱膨張率の違いによる発光層１６と開口３３との位置ズレの発生を抑制することができる。

本発明の第１の実施の形態の画像形成装置を示す概略構成図である。 光書込装置の駆動系の概略構成を模式的に示すブロック図である。 ＬＥＤアレイと屈折率分布形レンズアレイと感光体ドラムとの位置関係を示す正面図である。 ＬＥＤを示す縦断正面図である。 その平面図である。 本発明の第２の実施の形態のＬＥＤを示す縦断正面図である。 上部電極の側面に傾斜面をリフトオフ法で形成する原理を説明する縦断正面図である。 本発明の第３の実施の形態のＬＥＤを示す縦断正面図である。 その平面図である。 本発明の第４の実施の形態のＬＥＤを示す縦断正面図である。 本発明の第５の実施の形態のＬＥＤを示す縦断正面図である。

符号の説明

１ 感光体
２ 帯電装置
３ 光書込装置
４ 現像装置
５ 転写装置
１０ 発光ダイオード
１０Ａ 発光ダイオード
１０Ｂ 発光ダイオード
１０Ｃ 発光ダイオード
１０Ｄ 発光ダイオード
１１ 発光ダイオードアレイ
１２ 駆動回路
１５ 半導体基板
１６ 発光層
１６ａ 発光面
１８ 上部電極
１８ａ 側面
１８Ａ 上部電極
１８Ｂ 上部電極
１８Ｃ 上部電極
１９ 凹面ミラー
２０ 透明基板
２１ 凹面部
２２ 開口
２３ 反射面
３０ 凹面ミラー
３１ 凸レンズ形状体
３２ 反射面
３３ 開口

Claims (10)

1. 半導体基板上に形成された発光層と、
   前記発光層の発光面上におけるこの発光面の一部を覆う位置に形成され、外周面が前記発光層から放射される波長の光を反射する反射面とされた上部電極と、
   前記発光層に対向させて前記半導体基板上に設けられ、中央部に位置する開口とこの開口の周囲に位置して前記発光層から放射される波長の光を反射する凹面形状の反射面とを有する凹面ミラーと、
   を具備する発光ダイオード。
2. 前記上部電極の側面が、前記発光層の前記発光面となす角度が鋭角になる傾斜面とされている請求項１記載の発光ダイオード。
3. 前記上部電極は、断面形状が前記凹面ミラーの前記反射面に向けて凸レンズ形状に形成されている請求項１記載の発光ダイオード。
4. 前記上部電極の表面は、金属微粒子を含むペースト材を塗布することにより形成されている請求項３記載の発光ダイオード。
5. 前記上部電極は、前記発光層の前記発光面の中心付近を横断する位置に幅寸法が均一な形状に形成されている請求項１ないし４のいずれか一記載の発光ダイオード。
6. 前記凹面ミラーは、凹面部が形成された透明基板を有し、前記凹面部の表面に前記開口と前記反射面とが形成されている請求項１ないし５のいずれか一記載の発光ダイオード。
7. 前記凹面ミラーは、前記発光層と前記上部電極とを囲む位置に位置付けられて前記半導体基盤上に透明樹脂材料で形成された凸レンズ形状体を有し、前記凸レンズ形状体の表面に前記開口と前記反射面とが形成されている請求項１ないし５のいずれか一記載の発光ダイオード。
8. 請求項１ないし７のいずれか一記載の発光ダイオードが前記半導体基板上に複数配列されている発光ダイオードアレイ。
9. 請求項８記載の発光ダイオードアレイと、前記発光ダイオードアレイの個々の前記発光ダイオードを点滅制御する駆動回路とを具備する光書込装置。
10. 感光体と、
    前記感光体の表面を帯電する帯電装置と、
    帯電された前記感光体の外周面に光を照射して静電潜像を形成する請求項９記載の光書込装置と、
    前記感光体に形成された静電潜像を現像してトナー画像を形成する現像装置と、
    前記感光体上のトナー画像を記録媒体に転写する転写装置と、
    を具備する画像形成装置。
    
    

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