JP4069564B2 - 発光サイリスタアレイの光量設定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子アレイの光量設定方法、特に電流−光出力特性が原点を通る直線とはならない発光素子が配列されたアレイの光量設定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光プリンタに用いられる発光素子アレイには、通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられている。このようなＬＥＤを用いた発光素子アレイでは、配列ピッチがワイヤボンディング法の限界ピッチにより決まり、５００ｄｐｉ（ビット／インチ）が限界であり、ＬＥＤを高密度に配置して、発光素子アレイの解像度を高めることができなかった。
【０００３】
このような問題を解決するため、本出願人は、ｐｎｐｎ構造の３端子発光サイリスタを用いた発光素子アレイを提案し、既に特許を得ている（特許第２８０７９１０号）。
【０００４】
この特許に係る技術によれば、発光サイリスタのアレイをｎ個（ｎは２以上の整数）毎にブロック化し、各ブロック毎にゲート配線を共通にし、かつ、各ブロック毎にアノードまたはカソードを共通の電極に接続している。このようにすることにより、発光のための信号を供給する電極の数を少なくすることができるので、発光素子の配列ピッチを小さくすることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
３端子発光サイリスタのＩ−Ｌ（電流−光出力）特性は、原点を通る直線とはならない。図１に、発光部面積が２０μｍ×２０μｍの３端子発光サイリスタのＩ−Ｌ特性を示す。横軸は電流（ｍＡ）を、縦軸は光出力（μＷ）を示す。１０ｍＡよりも大きな領域では、ほぼ直線的な変化をしているが、５ｍＡ以下ではほとんど発光していない。このため、発光サイリスタを小電流域で使うと発光効率が低くなり、同じ露光エネルギーを得るための消費電力が増え、結果的にヘッドの温度上昇が大きくなる。
【０００６】
一方、電流密度値が大きくなると、通電による光量低下が甚だしくなる。光量低下は、およそ通電時間に比例し、電流密度に対して指数関数的に増加する。通電時間による光量変化を図２に示す。横軸は時間（Ｈ）を、縦軸は初期値からの光量低下（％）を示している。
【０００７】
また、図３では、図２の結果を使って通電時間１０００Ｈ後における光量低下についてまとめ直した。図３より、１０００Ｈ後の光量低下が２％以下に収まるのは、電流密度が１００ＭＡ／ｍ² 以下の場合であることがわかる。また、１００ＭＡ／ｍ² という電流密度は、通信用ＬＥＤなどで使われる上限にあたり、これ以上の電流密度では、結晶欠陥が急増することが知られている（例えば、化合物半導体 基礎物性とその応用 応用物理学会関西支部編 日刊工業新聞社刊、昭和６１年刊参照）。このため、発光サイリスタに流す電流密度は１００ＭＡ／ｍ² 以下が望ましい。なお、前記の例の場合、１００ＭＡ／ｍ² は４０ｍＡに相当する。
【０００８】
本発明の目的は、Ｉ−Ｌ特性が原点を通る直線とはならない発光素子、例えば発光サイリスタが配列されたアレイにおいて、Ｉ−Ｌ特性に適合した光量設定方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、発光しきい電流が０でない発光素子を配列した発光素子アレイの光量設定方法である。第１の態様では、前記発光素子の電流を変調することにより光量を設定する。また、第２の態様では、前記発光素子の発光時間を変調することにより光量を設定する。さらに第３の態様では、前記発光素子の電流および発光時間を変調することにより光量を設定する。
【００１０】
発光素子が発光サイリスタの場合、低電流域で発光効率が低下する発光サイリスタにおいて、電流密度５０ＭＡ／ｍ² におけるＩ−Ｌ特性曲線直線部分の接線が電流密度軸を切る電流密度値を発光しきい電流密度Ｄ_thと定義する。この素子を発光させて、一定の露光エネルギーを得るために、発光素子に流す電流密度Ｄ_L が、
３×Ｄ_th＜Ｄ_L ＜１００ＭＡ／ｍ² （１）
の範囲となるように光量を設定する。
【００１１】
また、上記の光出力では、所望の露光エネルギーに比べて大きすぎるときは、発光時間を調整することが望ましい。
【００１２】
また、露光量を段階的に調整する（例えば階調表現）ときに、上記のＤ_L 値を選び、露光量は発光時間で調整する。
【００１３】
なお、本発明の光量設定方法を、発光素子アレイの光量を均一化する光量補正にも適用できることは、当業者ならば容易に理解できるであろう。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００１５】
【実施例１】
図１のようなＩ−Ｌ特性を持った発光素子サイリスタアレイを使って、光プリントヘッドを作るときの、電流および発光時間について考える。なお、以下の実施例において、発光サイリスタは、発光部面積が２０μｍ×２０μｍのものを用いた。
【００１６】
まず、電子写真方式に用いられる光プリントヘッドの構成を簡単に説明しておく。図４は、感光ドラム１０上に設けられた光プリントヘッドを示す。光プリントヘッドは、発光サイリスタを１列に並べて構成した発光サイリスタアレイ１２と、横長に構成されたロットレンズアレイ１４とから構成される。ロッドレンズアレイ１４は感光ドラム１０の接平面に対してほぼ直角にかつ感光体表面とほぼ平行に配置されている。また、発光サイリスタアレイ１２は、ロッドレンズアレイ１４を介して発光サイリスタアレイ１２からの光が感光ドラム１０に入射するように配置されている。
【００１７】
電子写真方式で２値記録に必要な露光エネルギーは、１〜１０ｍＪ／ｍ² 程度である。いま、必要露光エネルギーを６ｍＪ／ｍ² とし、ロッドレンズの結合効率を４％，６００ｄｐｉ（４２．３ミクロンピッチ）の画像を考えると、描画１ドットあたりの発光素子出力エネルギーは２７０ｐＪとなる。Ａ３サイズの用紙を毎秒１枚印刷する場合、１ラインに与えられる時間は、およそ１００μｓである。したがって、２７０ｐＪ／１００μｓ＝２．７μＷの光出力が必要である。図１のＩ−Ｌ特性によれば、２．７μＷの光出力を得るには、２．７ｍＡの電流を流さなければならない。一方、もし、１００ＭＡ／ｍ² に相当する４０ｍＡの電流を流したとすると、３６０μＷの光出力が得られるため、発光時間を１００μｓ×２．７μＷ／３６０μＷ＝０．７５μｓとすれば同じ露光エネルギーが得られることになる。
【００１８】
さて、発光サイリスタの端子間電圧は電流値に関わらずほぼ一定であるから、消費電力は電流値に比例する。したがって、発光素子に消費されるエネルギーは、電流と発光時間の積に比例する。すなわち、同じ出力露光エネルギーを得るための消費エネルギーの比率は、２．７ｍＡのときに比べて、４０ｍＡでは、４０ｍＡ×０．７５μｓ／（２．７ｍＡ×１００μｓ）＝０．１１となる。このエネルギー消費は、そのまま発熱となるため、ヘッドの温度上昇も約１／９に抑えることができる。
【００１９】
ここでは、寿命的に問題のない最大電流として４０ｍＡ（１００ＭＡ／ｍ² 相当）の電流での例を挙げたが、この値より小さく、かつ、十分な発光効率が得られる電流値ならばいかなる値であっても良い。
【００２０】
図１の発光サイリスタのＩ−Ｌ特性によれば、１０ｍＡ以上の領域では、特性は直線的となっている。そこで、１００ＭＡ／ｍ² の半分にあたる５０ＭＡ／ｍ² における接線Ｌ₁ （Ｌ＝ａＩ＋ｂ）を、このＩ−Ｌ特性の１次近似式として使うことを考える。ただし、この直線においてＬ＜０の領域はＬ＝０とする。（なお、Ｉ−Ｌ特性は、発熱の関係で大電流域において傾きが小さくなってくる場合があるが、発熱の影響が無視できるよう、短時間でのパルス点灯での測定値を使うことにより直線性は保たれる）。この直線Ｌ₁ が電流軸を切る値（発光しきい電流Ｉ_th）は、Ｉ_th＝−ｂ／ａとなる。
【００２１】
さて、いま図１のＩ−Ｌ特性から接線Ｌ₁ を求めたところ、ａ＝１０μＷ／ｍＡ，ｂ＝−４０μＷとなった。このとき、発光しきい電流Ｉ_th＝４ｍＡ、発光しきい電流密度Ｄ_th＝１０ＭＡ／ｍ² である。この直線と、ある電流値における発光効率Ｅ＝Ｌ／Ｉの計算結果を図５に示す。図５より、発光効率はＩ_thを越えると急激に大きくなり、Ｉ_thの３倍では約７μＷ／ｍＡとなり、頭打ち傾向が出てくる。電流値が無限大となると、Ｅ＝ａ＝１０μＷ／ｍＡとなるのでＩ_thの３倍のところで、およそ理想値の７０％の効率が得られることになる。
【００２２】
さて、次に、しきい電流値を変化させたとき、効率がどのように変化するかを計算した結果を図６に示す。図６では、横軸にしきい電流密度Ｄ_thをとり、縦軸はＤ＝１００ＭＡ／ｍ² のときの効率を１としたときの相対的な効率を示している。図６より、Ｄ_thの３倍以上の電流を取っておけば、相対値で０．６６以上を確保できる。
【００２３】
【実施例２】
多階調を表現するとき、電流値のみでコントロールを行うと、式（１）の電流密度Ｄ_L の範囲よりも低い部分がでてくるため、効率が下がる。また、小電流域ではＩ−Ｌ特性が直線からはずれるため、補正データを参照する必要があり構成が複雑になる。
【００２４】
そこで、やはり、Ｄ_L をＤ_thの３倍以上のところに設定して、階調は発光時間で調整する。また、発光時間の分解能が十分取れないときは、電流値と発光時間を併用しても良い。このときもＤ_L をＤ_thの３倍以上に取っておけば、光量はほぼ直線的な挙動を示すので、補正データを参照テーブルとして持つ必要はなく、構成が簡単になる。
【００２５】
まず、実施例１の本発明を使った例では、４０ｍＡの電流で０．７５μｓの露光条件であった。この露光時間のまま２５６階調を電流変調で行った場合の、階調レベルと電流値を図７に示す。全階調の平均電流は２１．８ｍＡであった。したがって、消費電力は０．７５μｓ×２１．８ｍＡ×ｋ（定数）である。一方、常に４０ｍＡ流し、発光時間で調整すると、露光量は発光時間に比例するので、平均露光時間は最大露光時間の半分になる。したがって、０．７５μｓ／２×４０ｍＡ×ｋ（定数）が消費電力となる。したがって、発光時間で階調を表現した方が、消費電力が２０／２１．８＝０．９２となり、約８％効率が高くなる。また、図７から明らかなように、低階調レベルの領域では直線からはずれているため、階調レベルと電流の関係を求めるテーブルを持たなければならず、構成が複雑になる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、Ｉ−Ｌ特性が原点を通る直線とはならない発光素子、例えば発光サイリスタが配列されたアレイにおいて、Ｉ−Ｌ特性に適合した光量設定方法を実現することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光部面積が２０μｍ×２０μｍの３端子発光サイリスタのＩ−Ｌ特性を示すグラフである。
【図２】発光サイリスタの通電時間による光量変化を示すグラフである。
【図３】発光サイリスタの通電時間１００Ｈ後における光量低下を示すグラフである。
【図４】光プリンタヘッドの構成を示す図である。
【図５】発光効率の計算結果を示すグラフである。
【図６】しきい電流値を変化させたとき、効率がどのように変化するかを計算した結果を示すグラフである。
【図７】２５６階調を電流変調で行った場合の、階調レベルＬと電流値の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 感光ドラム
１２ 発光サイリスタアレイ
１４ ロッドレンズアレイ

Claims (4)

1. 低電流域にて発光素子として利用可能であるものの当該低電流域では発光効率が低下する発光サイリスタを配列した発光サイリスタアレイの光量設定方法であって、
   前記発光サイリスタのＩ−Ｌ特性曲線が直線的な変化を示すものとして予め定められた範囲で当該発光サイリスタに電流を流し、当該電流を調整することにより光量を設定し、
   前記予め定められた範囲は、前記Ｉ−Ｌ特性曲線の電流密度５０ＭＡ／ｍ ² における接線が電流密度軸を切る電流密度値を発光しきい電流密度Ｄ _ｔｈ としたとき、前記発光サイリスタに流す電流の電流密度Ｄ _L が、発光しきい電流密度Ｄ _ｔｈ の３倍以上であり、かつ１００ＭＡ／ｍ ² 以下の範囲となるようにすることを特徴とする発光サイリスタアレイの光量設定方法。
2. 前記発光サイリスタは、ｎ個（ｎは２以上の整数）毎にブロック化され、
   前記発光サイリスタのゲート配線は、ブロック毎に共通とし、
   前記発光サイリスタのアノードまたは当該発光サイリスタのカソードは、ブロック毎に共通の電極に接続することを特徴とする請求項１に記載の発光サイリスタアレイの光量設定方法。
3. 光出力が、所望の露光エネルギーに比べて大きすぎるときは、発光時間を調整することを特徴とする請求項１記載の発光サイリスタアレイの光量設定方法。
4. 露光量を段階的に調整するときには、露光量を発光時間で調整することを特徴とする請求項１記載の発光サイリスタアレイの光量設定方法。

Images