JP4631248B2

JP4631248B2 - Optical writing head, optical printer, and light quantity correction method

Info

Publication number: JP4631248B2
Application number: JP2003045446A
Authority: JP
Inventors: 政英脇坂; 誠治大野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2011-02-16
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2004259724A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光素子／受光素子アレイおよび光書込みヘッドに関し、特に発光素子の発光強度をモニタすることにより光量補正を図った発光素子／受光素子アレイ、およびこのような発光素子／受光素子アレイを用いた光書込みヘッドに関する。本発明は、さらには、光書込みヘッドの光量補正方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＥＤアレイを光源とする光書込みヘッドおよびそれを用いた電子写真プリンタ等の画像形成装置においては、光源の初期の発光強度バラツキ、経時変化光量バラツキ、温度変化が及ぼす光量バラツキにより生じた画素間の発光強度バラツキが、印字画像の濃淡を生じ、印字画像にスジを発生させてしまって、画像品質を著しく低下させてしまう問題があった。
【０００３】
これらの解決方法として、特許文献１に記載の技術では、同一基板上に発光素子と受光素子とを２次元的に配置して発光素子／受光素子アレイを形成し、発光素子から出射された反射光を受光素子で検出して、受光素子で発光素子の発光強度変化をモニタし、発光強度の変化分を所定の露光量となるように補正し発光強度の安定化を図って、品位の高い画像を形成するようにした電子写真用光ヘッドを開示している。
【０００４】
なお、発光強度および露光量は、本明細書の中では、以下の意味で使いわける。発光強度は、各発光点が発光している瞬間の仕事率を表す。露光量は、発光強度を点灯時間で積分したもので、エネルギーの次元を持つ。すなわち、照射する光子の数に比例する量である。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１４４６３４号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載の電子写真用光ヘッドには次のような問題点がある。
【０００７】
図１に、発光素子／受光素子アレイを備える光書込みヘッドを示す。この光書込みヘッドによれば、ロッドレンズアレイ１０が設けられたハウジング１２と、発光素子／受光素子アレイ１４が設けられたヒートシンク１６とは、ロッドレンズアレイ１０の光軸１８が、発光素子／受光素子アレイ１４に一致するようにして配置され、部材２０により固定されている。
【０００８】
発光素子／受光素子アレイ１４の発光素子から出射された光は、ロッドレンズアレイ１０の入射面で一部反射され、発光素子／受光素子アレイ１４内に設けた受光素子に入射する、あるいは、ロッドレンズアレイ１０を透過して感光ドラム２２で正反射した光が、ロッドレンズに再入射し、受光素子に至る。
【０００９】
しかし、このような経路を経て受光素子に至る光の強度は、反射面の表面状態によって影響を受け、受光素子に入射する強度は変動してしまう。
【００１０】
例えば、感光ドラムの表面傷の有無や、ロッドレンズ出射面のトナー付着により、光の反射率や透過率が変化してしまう。これらの問題により、発光素子の温度依存変化および経時劣化の発光強度変化よりも過大な変化を生じてしまって、適切な光量補正を実施できないという問題点がある。
【００１１】
例えば、発光素子から出射された光は、ロッドレンズアレイの入射面および出射面の正反射光の約５〜１０％が受光素子に戻る。また、感光ドラム表面に照射された光は、感光ドラム表面の正反射率が２０％前後であるとすれば、感光ドラムで反射した光は、出射光比の約１０％が受光素子に戻る。
【００１２】
感光ドラムは、稼動過程にてクリーニングブレードとトナーとの接触により、表面に微細な傷が発生してしまい反射光は散乱してしまう。このため、受光素子に戻ってくる光の強度が変動してしまい、発光素子の正確な発光強度を検出することは困難となる。
【００１３】
また、図２に示すように光書込みヘッド内部に鏡等の反射物２４を設けることも考えられるが、部品増による、光書込みヘッドのサイズ増大およびコスト高を招いてしまう。
【００１４】
発光素子／受光素子アレイにおいて、発光素子と受光素子とを同じバンドギャップの材料で作ると、発光波長に対する受光素子の感度が低くなってしまい、大きな面積の受光素子が必要となるという問題点がある。
【００１５】
これは、発光素子ではバンドギャップよりも低いエネルギーの発光が生じ、また、バンドギャップ以上のエネルギーの光は発光層で自己再吸収を受け減衰し、バンドギャップ以下の光は吸収されないため、受光素子の感度が下がるためである。
【００１６】
本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、その目的は、発光素子の発光強度を受光素子でモニタし、光量補正を図る光学系において、光量補正を高い精度で実施可能とし、且つ低コストで実施できるようにすることにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明の発光素子／受光素子アレイは、同一基板内に、発光素子アレイと、この発光素子アレイの各発光素子にそれぞれ対応した受光素子よりなる受光素子アレイとを形成し、各受光素子の上面は配線材料で覆って反射光の入射を阻止し、発光素子の出射光が対応する受光素子に直接に入射し、各発光素子の発光強度をモニタできるようにしたことを特徴とする。
【００１８】
発光素子は、拡散法により形成された発光ダイオードで構成し、受光素子は、拡散法により形成されたフォトダイオードで構成することができる。
【００１９】
あるいは、発光素子アレイは、エピ成長により形成されたｐｎｐｎ構造よりなる自己走査型発光素子アレイで構成し、受光素子は、ｐｎｐｎ構造中のｐｎ接合よりなるフォトダイオードで構成することができる。
【００２０】
本発明の光書込みヘッドは、上記のような発光素子／受光素子アレイと、ロッドレンズアレイまたは平板マイクロレンズアレイとで構成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図３に、ＬＥＤ（発光ダイオード）とＰＤ（フォトダイオード）とを同一チップに集積した発光素子／受光素子アレイチップ３０を示す。発光素子（ＬＥＤ）３２に発光素子用ボンディングパッド３４が、受光素子（ＰＤ）３６には受光素子用ボンディングパッド３８が接続されている。受光素子３６の上面はボンディングパッド３８の配線材料によって覆われている。したがって、受光素子３６には、ロッドレンズや感光ドラムからの反射光が入力することはない。
【００２２】
図４に、図３のＸ−Ｘ′線断面図を示す。ｎ型基板４０の表面に、拡散マスクと保護膜を兼ねた絶縁膜４２が設けられており、この絶縁膜の開口部からｐ型不純物を拡散することにより、ｐ型領域４４，４６を形成している。このｐ型領域に配線３４，３８が接触している。図中、４８は裏面電極である。
【００２３】
ｐ型領域４４に電流を流すと発光するが、その発光の一部は基板４０内を伝搬し、ｐ型領域４６とｎ型基板４０との境界にあるｐｎ接合に到達する。この場合、受光素子３６は、バイアスしてフォトダイオード（ＰＤ）モードで使ってもよく、また、太陽電池モードで使ってもよい。このようにして、発光素子の発光強度を、対応する受光素子で検出することができる。
【００２４】
ＰＤは温度係数が比較的小さいため、温度による影響はあまり受けないが、ＰＤに微小電流を流すことにより、ダイオードの立ち上がり電圧を測定することにより、ＰＤの温度を知ることができる。この温度をもとにＰＤの感度を補正してもよい。また、図３では、受光素子用のボンディングパッド３８をすべて独立としたが、すべてのＰＤを１つのボンディングパッド接続して使ってもよい。また、受光素子をいくつかのブロックに分割し、各ブロック毎に１つのボンディングパッドに接続してもよい。
【００２５】
図５に、発光素子／受光素子の構成の第２の例を示す。図４では、ｐｎ接合を拡散で形成したが、ここでは、ｎ型半導体基板上にエピ成長により多層膜を形成し、メサエッチングにより分離して作製した。図中、５０はｎ型基板４０上に形成されたｎ型エピ層、５２はｐ型半導体層であり、発光素子を形成する。５４はｎ型基板４０上に形成されたｎ型半導体層、５６はｐ型半導体層であり、受光素子を形成する。５８は、保護絶縁膜である。なお、図４と同一の構成要素には図４と同一の参照番号を付して示す。
【００２６】
以上は、発光素子にＬＥＤを、受光素子ＰＤを用いた例であった。発光素子および受光素子は、これらに限られるものではなく、発光素子にｐｎｐｎ構造の３端子発光サイリスタを用いることもできる。
【００２７】
図６は、発光素子に３端子発光サイリスタを用い、自己走査型発光素子アレイに、受光素子を形成した発光素子／受光素子アレイを示す平面図である。図７は、図６のＹ−Ｙ′線断面を示す図である。さらに、図８は、図６に示す自己走査型発光素子アレイ部分の電気的な等価回路を示している。
【００２８】
図６において、６０は発光用サイリスタ（図８のＬ₁ ，Ｌ₂ ，Ｌ₃ ，…）、６２はシフト用サイリスタ（図８のＴ₁ ，Ｔ₂ ，Ｔ₃ ，…）、６４はゲート電極（図８のＧ₁ ，Ｇ₂ ，Ｇ₃ ，…）、６６は結合ダイオード（図８のＤ₁ ，Ｄ₂ ，Ｄ₃ ，…）、６８は抵抗（図８のＲ_L ）である。φ１，φ２はクロックパルスライン，Ｖ_GKは電源ライン，φ_I は書込み信号ラインである。７０は、発光用サイリスタに対応する受光素子、７２は受光素子ラインである。
【００２９】
図７において、発光用サイリスタおよびシフト用サイリスタは、ｐｎｐｎ構造で構成される。図中、８０はｎ型半導体基板、８２はｎ型半導体層、８４はｐ型半導体層、８６はｎ型半導体層、８８はｐ型半導体層、９０は保護絶縁膜である。なお、図６と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示してある。
【００３０】
図７からわかるように受光素子７０は、ｐ型半導体層８４とｎ型半導体層８２との間のｐｎ接合をＰＤとして使っている。このようなＰＤは、発光素子６０とは、メサエッチングにより分離されている。
【００３１】
ＰＤの構成は、これに限るものではなく、ｐｎｐｎ構造中の任意のｐｎ接合を用いることができる。例えば、図９では、ｎ型半導体層８６とｐ型半導体層８４との間のｐｎ接合をＰＤに利用している。発光効率を稼ぐためにダブルヘテロ構造としてある自己走査型発光素子アレイでは、この２つの層８６，８４が活性層に相当するため、発光素子の光を受光するには、このｐｎ接合を使うのが適している。なお図９において、７４，７５は受光素子ラインである。
【００３２】
また図１０では、ｐ型半導体層８８とｎ型半導体層８６との間のｐｎ接合をＰＤに利用している。ちょうど自己走査型発光素子アレイのアノード層，ゲート層に相当するために、自己走査型発光素子アレイとまったく同じ工程で作製できるという特徴がある。なお図１０において、７６，７７は受光素子ラインである。
【００３３】
図１１では、発光素子をｎ型半導体層８６，ｐ型半導体層８４，ｎ型半導体層８２の３層を使った光トランジスタとした。ｎ型半導体層８６をエミッタとし、光電流によるベース・エミッタ電流をコレクタ電流に変換する。この構成は、ｎ型半導体層８６から受光素子ライン７８の取り出しのみで作製可能なため、自己走査型発光素子アレイとまったく同じ工程を使える。
【００３４】
また、図１２では、図１１の構成を、受光素子と発光素子との間の分離メサエッチングの代わりに、水素イオンによるイオン注入により、半導体層８６，８４，８２を絶縁化させることにより、電気的な分離を行った。分離領域を、８９で示す。この構成は、受光素子と発光素子の間に、メサエッチングによる屈折率の不連続変化がないため、受光素子に入る光が多くなるという特徴がある。ここでは、図１１の構成に対して、イオン注入による分離を行ったが、図５，図７，図９，図１０のいずれに適用してもよい。
【００３５】
上述のような構造の発光素子／受光素子アレイチップ複数個を、直線状あるいは千鳥状に配列して光書込みヘッド用の発光素子／受光素子アレイを作製する。このような発光素子／受光素子アレイを搭載した図１の構成の光書込みヘッドにおける光量補正方法について説明する。
【００３６】
光量補正にあたっては、まず、光書込みヘッドの発光強度分布を測定する。図１３は、光書込みヘッドの発光強度分布を測定する装置を示す図である。（Ａ）は装置の側面図、（Ｂ）は正面図である。光書込みヘッド１００のロッドレンズアレイ１０２の配列方向に延びるレール１０４に、レールに沿って移動可能に、且つ光書込みヘッドの出射部に対向する位置に、光量センサ１０６を配置する。発光素子アレイを発光させて光量センサ１０６をレール１０４に沿って移動させることにより、ドット単位で発光強度分布を測定し、各ドットの露光量が均一となるように発光素子のドット単位の発光強度および／または点灯時間を調整する。その状態で、発光素子のドット単位またはチップ単位の発光強度または露光量を発光素子／受光素子アレイチップ内に設けられた受光素子により計測し、その値はドライバ回路内の不揮発性の記憶手段に記録しておく。
【００３７】
以上のようにして発光強度分布の測定された光書込みヘッド１００を光プリンタに設置する。図１４は光プリンタの構成を示す。円筒形の感光ドラム１１２の表面に、アモルファスＳｉ等の光導電性を持つ材料（感光体）が作られている。このドラムはプリントの速度で回転している。回転しているドラムの感光体表面を、帯電器１１４で一様に帯電させる。そして、光書込みヘッド１００で、印字するドットイメージの光を感光体上に照射し、光の当たったところの帯電を中和し、潜像を形成する。続いて、現像器１１８で感光体上の帯電状態にしたがって、トナーを感光体上につける。そして、転写器１２０でカセット１２２中から送られてきた用紙１２４上に、トナーを転写する。用紙は、定着器１２６にて熱等を加えられ定着され、スタッカ１２８に送られる。一方、転写の終了したドラムは、消去ランプ１３０で帯電が全面にわたって中和され、清掃器１３２で残ったトナーが除去される。
【００３８】
光書込みヘッド１００の発光素子の温度による光量変化および経時による光量変化を調整する場合には、光プリンタ印字時の用紙送り間などの時間的な空隙時に、発光素子をドット単位あるいは複数のドット単位で発光させ、その際の発光強度または露光量を受光素子で直接に計測し、その値と不揮発性の記憶手段に書き込まれた値と照合して、その差分を補正し、各ドットまたは複数ドット単位の光量が均一になるように発光素子の光量を調整する。
【００３９】
この際、感光ドラム１１２に光が照射され潜像が形成され、現像工程により、トナーが感光体に付着するが、前述の通り紙送りの空隙部分に相当するタイミングで発光タイミングをコントロールするため、感光体に付着したトナーは紙に付着することなく、清掃器１３２のクリーニングブレードにより清掃される。
【００４０】
この場合、紙送りの用紙間のピッチを意図的に設ける必要があるため、印字速度の低下を招く恐れもある。したがって、光量補正のタイミングは、印字枚数の複数枚毎に実施するのが好適である。
【００４１】
本実施例によれば、受光素子は、発光素子と同時に製造されるため、個別製作と比べてコストの低減が図れる。
【００４２】
また、本実施例によれば、受光素子は、発光素子からの光を直接に受光するため、従来技術のように反射物の表面状態の影響を受けない。したがって、精度の高い発光強度または露光量が検出できるので、経時や稼働状況変動においても、精度の高い光量補正が実施でき、スジが発生しない高品位な画像が得られる。
【００４３】
以下に、本発明の他の実施例を説明する。本実施例では、ロッドレンズアレイに代えて、光量ムラの非常に少ない光学樹脂レンズを用いる。
【００４４】
ロッドレンズアレイを用いた光書込みヘッドでは、レンズの光軸中心から発光素子の位置がずれると、レンズ周期での光量段差が発生してしまう。したがって、このような光書込みヘッドの場合は、光量補正を図るためには、図１３で説明したように、発光素子の光量はレンズを介した状態で光量を検出して、その光量を均一化する必要があったので、調整に大がかりに設備を必要とする。
【００４５】
これを回避するために平板マイクロレンズアレイを搭載した光書込みヘッドの概略を、図１５に示す。（Ａ）は平板マイクロレンズアレイ１４０を側面から見た図であり、（Ｂ）は平板マイクロレンズアレイの平面図である。平板マイクロレンズアレイ１４０は、多数のマイクロレンズ１４２が両面に形成された樹脂レンズアレイ１４４を複数枚（本実施例では２枚）、重ね合わせて構成される、発光素子／受光素子アレイ１４から出射した光は、感光ドラム２２に集光される。
【００４６】
このような構成の樹脂レンズ１４０は、光を２次元的に伝達できるため、レンズピッチに起因する光量伝達ムラが発生しないので、レンズを介しての光量データを取得する必要がない。したがって、ヘッド単独で発光素子の発光強度または露光量を検出できるため、大がかりな光量検出装置を必要としない。すなわち、発光素子をドット単位または複数のドット単位で発光させ、その際の発光強度または露光量を受光素子で計測し、その値を不揮発性の記憶手段に書き込む。印字中の紙送り間隙などのタイミングで発光させた発光素子の光エネルギーを受光素子にて計測して、不揮発性の記憶手段に書き込まれた値と照合し、差分を補正し、各ドットまたは複数ドット単位の露光量が均一になるように発光素子の発光強度および／または点灯時間を調整することができる。
【００４７】
本発明のさらに他の実施例を説明する。図６に示した実施例では、各発光素子６０毎に対応するＰＤ７０を設けた。しかし、図６の構成では、ＰＤ分だけチップ幅が増加し、その分コストが高くなる。また、図６の構成では、発光素子の辺とチップの長辺の間にＰＤを設けるため、チップを千鳥配列するとき、発光素子の間隔が広がってしまう。
【００４８】
そこで、本実施例の場合には、図１６に示すように、左端の第１発光素子７０の横（発光素子配列方向に、ずれた位置）に１個のＰＤ７０を設けた。なお、その他の構造は、図６と同一であり、したがって、図６と同一の構成要素には、同一の参照番号を付して示す。なお図６には、チップの左側端部に設けられたボンディングパッドを示している。３８は、ＰＤ７０のためのボンディングパッドである。
【００４９】
このような構成では、チップ幅をほとんど変えることがないため、コスト的に有利である。ただし、全発光素子に関する発光強度または露光量のモニタはできず、第１発光素子に関するデータで補正をかけることになる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば、チップ内に設けられた受光素子は、発光素子からの光を直接に受光するため、反射光を用いる必要がない。したがって、ロッドレンズアレイ等の光反射物の表面状態変化に影響されないために、精度の高い発光素子の発光強度または露光量が検出できる。この発光強度または露光量のモニタ結果を用いて光量補正を行うことにより、光量変化および発光素子の経時劣化による光量変化を補正し、品位の高い画像を保証できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発光素子／受光素子アレイを備える光書込みヘッドを示す図である。
【図２】鏡等の反射物を内部に有する光書込みヘッドを示す図である。
【図３】本発明による発光素子／受光素子アレイチップを示す図である。
【図４】図３のＸ−Ｘ′線断面図である。
【図５】発光素子／受光素子の構成の他の例を示す図である。
【図６】自己走査型発光素子アレイに、受光素子を形成した発光素子／受光素子アレイを示す平面図である。
【図７】図６のＹ−Ｙ′線断面を示す図である。
【図８】図６に示す自己走査型発光素子アレイ部分の電気的な等価回路を示す図である。
【図９】発光素子／受光素子の構成の他の例を示す図である。
【図１０】発光素子／受光素子の構成の他の例を示す図である。
【図１１】発光素子／受光素子の構成の他の例を示す図である。
【図１２】発光素子／受光素子の構成の他の例を示す図である。
【図１３】光書込みヘッドの光量分布を測定する装置を示す図である。
【図１４】光プリンタの構成を示す図である。
【図１５】平板マイクロレンズアレイを搭載した光書込みヘッドを示す図である。
【図１６】自己走査型発光素子アレイに、１個の受光素子を形成した発光素子／受光素子アレイを示す平面図である。
【符号の説明】
１０，１０２ロッドレンズアレイ
１２ハウジング
１４発光素子／受光素子アレイ
１６ヒートシンク
２２，１１２感光ドラム
２４反射物
３０発光素子／受光素子アレイチップ
３２発光素子
３４発光素子用ボンディングパッド
３６，７０受光素子
３８受光素子用ボンディングパッド
４０ｎ型基板
４４，４６ｐ型領域
４８裏面電極
５０，５４，８２，８６ｎ型半導体層
５２，５６，８４，８８ｐ型半導体層
５８，９０保護絶縁膜
６０発光用サイリスタ
６２シフト用サイリスタ
６４ゲート電極
６６結合ダイオード
６８抵抗
７２受光素子ライン
８０ｎ型半導体基板
８９分離領域
１００光書込みヘッド
１０６光量センサ
１１４帯電器
１１８現像器
１２０転写器
１２２カセット
１２４用紙
１２８スタッカ
１３０消去ランプ
１３２清掃器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a light emitting element / light receiving element array and an optical writing head, and more particularly to a light emitting element / light receiving element array whose light amount is corrected by monitoring the light emission intensity of the light emitting element, and such a light emitting element / light receiving element array. The present invention relates to the optical writing head used. The present invention further relates to a light amount correction method for an optical writing head.
[0002]
[Prior art]
In an optical writing head using an LED array as a light source and an image forming apparatus such as an electrophotographic printer using the same, the light emission between the pixels caused by the initial light emission intensity variation, the time-dependent light amount variation, and the light amount variation caused by the temperature change. There is a problem in that the variation in the light emission intensity causes the density of the printed image to cause streaks in the printed image, thereby significantly reducing the image quality.
[0003]
As a solution to these problems, in the technique described in Patent Document 1, a light emitting element and a light receiving element are two-dimensionally arranged on the same substrate to form a light emitting element / light receiving element array, and reflection emitted from the light emitting element is performed. Detects light with a light receiving element, monitors the light emission intensity change of the light emitting element with the light receiving element, corrects the change in the light emission intensity to a predetermined exposure amount, stabilizes the light emission intensity, and achieves high quality An electrophotographic optical head adapted to form an image is disclosed.
[0004]
In the present specification, the light emission intensity and the exposure amount are used in the following meanings. The light emission intensity represents the work rate at the moment when each light emitting point emits light. The exposure amount is obtained by integrating the light emission intensity by the lighting time, and has an energy dimension. That is, the amount is proportional to the number of photons to be irradiated.
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 2002-144634
[Problems to be solved by the invention]
However, the electrophotographic optical head described in Patent Document 1 has the following problems.
[0007]
FIG. 1 shows an optical writing head including a light emitting element / light receiving element array. According to the optical writing head, the housing 12 provided with the rod lens array 10 and the heat sink 16 provided with the light emitting element / light receiving element array 14 are arranged such that the optical axis 18 of the rod lens array 10 is light emitting element / light receiving. It is arranged so as to coincide with the element array 14 and is fixed by the member 20.
[0008]
The light emitted from the light emitting elements of the light emitting element / light receiving element array 14 is partially reflected by the incident surface of the rod lens array 10 and is incident on the light receiving elements provided in the light emitting element / light receiving element array 14, or the rod The light that has passed through the lens array 10 and specularly reflected by the photosensitive drum 22 reenters the rod lens and reaches the light receiving element.
[0009]
However, the intensity of light reaching the light receiving element through such a path is affected by the surface state of the reflecting surface, and the intensity incident on the light receiving element varies.
[0010]
For example, the reflectance and transmittance of light change depending on whether the surface of the photosensitive drum is flawed or the toner adheres to the exit surface of the rod lens. Due to these problems, there is a problem that a change that is larger than the temperature-dependent change of the light-emitting element and the light emission intensity change due to deterioration over time occurs, and appropriate light quantity correction cannot be performed.
[0011]
For example, about 5 to 10% of the regular reflection light from the incident surface and the exit surface of the rod lens array returns to the light receiving element. Further, if the light irradiated on the surface of the photosensitive drum has a regular reflectance of about 20% on the surface of the photosensitive drum, about 10% of the outgoing light ratio of the light reflected on the photosensitive drum returns to the light receiving element.
[0012]
In the photosensitive drum, fine scratches are generated on the surface due to the contact between the cleaning blade and the toner during the operation process, and the reflected light is scattered. For this reason, the intensity of the light returning to the light receiving element fluctuates, and it becomes difficult to detect the accurate light emission intensity of the light emitting element.
[0013]
In addition, as shown in FIG. 2, it is conceivable to provide a reflector 24 such as a mirror inside the optical writing head, but this increases the size and cost of the optical writing head due to the increase in the number of parts.
[0014]
In a light-emitting element / light-receiving element array, if the light-emitting element and the light-receiving element are made of the same band gap material, the sensitivity of the light-receiving element with respect to the emission wavelength is lowered, and a light-receiving element having a large area is required. is there.
[0015]
This is because the light emitting element emits light with energy lower than the band gap, and light with energy higher than the band gap is attenuated by self-reabsorption in the light emitting layer, and light below the band gap is not absorbed. This is because the sensitivity of is reduced.
[0016]
The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and its purpose is to monitor the light emission intensity of the light emitting element with the light receiving element and perform light amount correction with high accuracy in an optical system that performs light amount correction. The object is to enable implementation at a low cost.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The light-emitting element / light-receiving element array of the present invention is formed by forming a light-emitting element array and a light-receiving element array composed of light-receiving elements respectively corresponding to the light-emitting elements of the light-emitting element array on the same substrate. Is covered with a wiring material to prevent the incident of reflected light, and the emitted light of the light emitting element is directly incident on the corresponding light receiving element so that the emission intensity of each light emitting element can be monitored.
[0018]
The light emitting element can be composed of a light emitting diode formed by a diffusion method, and the light receiving element can be composed of a photodiode formed by a diffusion method.
[0019]
Alternatively, the light emitting element array can be constituted by a self-scanning light emitting element array having a pnpn structure formed by epi growth, and the light receiving element can be constituted by a photodiode having a pn junction in the pnpn structure.
[0020]
The optical writing head of the present invention can be composed of the light emitting element / light receiving element array as described above and a rod lens array or a flat microlens array.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 3 shows a light emitting element / light receiving element array chip 30 in which an LED (light emitting diode) and a PD (photodiode) are integrated on the same chip. A light emitting element bonding pad 34 is connected to the light emitting element (LED) 32, and a light receiving element bonding pad 38 is connected to the light receiving element (PD) 36. The upper surface of the light receiving element 36 is covered with the wiring material of the bonding pad 38. Therefore, the light reflected from the rod lens or the photosensitive drum is not input to the light receiving element 36.
[0022]
FIG. 4 shows a cross-sectional view taken along line XX ′ of FIG. An insulating film 42 serving as a diffusion mask and a protective film is provided on the surface of the n-type substrate 40, and p-type regions 44 and 46 are formed by diffusing p-type impurities from openings in the insulating film. ing. Wirings 34 and 38 are in contact with this p-type region. In the figure, 48 is a back electrode.
[0023]
Light is emitted when a current is passed through the p-type region 44, but part of the emitted light propagates through the substrate 40 and reaches the pn junction at the boundary between the p-type region 46 and the n-type substrate 40. In this case, the light receiving element 36 may be biased and used in a photodiode (PD) mode, or may be used in a solar cell mode. In this way, the light emission intensity of the light emitting element can be detected by the corresponding light receiving element.
[0024]
Since PD has a relatively small temperature coefficient, it is not significantly affected by temperature. However, the temperature of the PD can be known by measuring the rising voltage of the diode by passing a minute current through the PD. The sensitivity of the PD may be corrected based on this temperature. In FIG. 3, the bonding pads 38 for the light receiving elements are all independent, but all PDs may be connected to one bonding pad. Alternatively, the light receiving element may be divided into several blocks and connected to one bonding pad for each block.
[0025]
FIG. 5 shows a second example of the configuration of the light emitting element / light receiving element. In FIG. 4, the pn junction is formed by diffusion, but here, a multilayer film is formed on the n-type semiconductor substrate by epi-growth and separated by mesa etching. In the figure, 50 is an n-type epi layer formed on the n-type substrate 40, 52 is a p-type semiconductor layer, and forms a light emitting element. 54 is an n-type semiconductor layer formed on the n-type substrate 40, 56 is a p-type semiconductor layer, and forms a light receiving element. 58 is a protective insulating film. The same components as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals as those in FIG.
[0026]
The above is an example in which an LED is used as a light emitting element and a light receiving element PD is used. The light-emitting element and the light-receiving element are not limited to these, and a three-terminal light-emitting thyristor having a pnpn structure can be used for the light-emitting element.
[0027]
FIG. 6 is a plan view showing a light emitting element / light receiving element array in which a three-terminal light emitting thyristor is used as a light emitting element and a light receiving element is formed in a self-scanning light emitting element array. 7 is a view showing a cross section taken along line YY ′ of FIG. Further, FIG. 8 shows an electrical equivalent circuit of the self-scanning light emitting element array portion shown in FIG.
[0028]
6, 60 is a light emitting thyristor (L ₁ , L ₂ , L ₃ ,... In FIG. 8), 62 is a shift thyristor (T ₁ , T ₂ , T ₃ ,... In FIG. 8), and 64 is a gate electrode. (G ₁ , G ₂ , G ₃ ,... In FIG. 8), 66 is a coupling diode (D ₁ , D ₂ , D ₃ ,... In FIG. 8), and 68 is a resistor (R _{L in} FIG. 8). .phi.1, .phi.2 clock pulse line, V _GK is a power supply line, the phi _I is a write signal line. 70 is a light receiving element corresponding to the light emitting thyristor, and 72 is a light receiving element line.
[0029]
In FIG. 7, the light-emitting thyristor and the shift thyristor have a pnpn structure. In the figure, 80 is an n-type semiconductor substrate, 82 is an n-type semiconductor layer, 84 is a p-type semiconductor layer, 86 is an n-type semiconductor layer, 88 is a p-type semiconductor layer, and 90 is a protective insulating film. The same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals.
[0030]
As can be seen from FIG. 7, the light receiving element 70 uses a pn junction between the p-type semiconductor layer 84 and the n-type semiconductor layer 82 as a PD. Such a PD is separated from the light emitting element 60 by mesa etching.
[0031]
The configuration of the PD is not limited to this, and any pn junction in the pnpn structure can be used. For example, in FIG. 9, the pn junction between the n-type semiconductor layer 86 and the p-type semiconductor layer 84 is used for PD. In the self-scanning light-emitting element array having a double hetero structure in order to increase the light emission efficiency, the two layers 86 and 84 correspond to the active layer. Therefore, the pn junction is used to receive light from the light-emitting element. Is suitable. In FIG. 9, reference numerals 74 and 75 denote light receiving element lines.
[0032]
In FIG. 10, the pn junction between the p-type semiconductor layer 88 and the n-type semiconductor layer 86 is used for PD. Since it corresponds to the anode layer and the gate layer of the self-scanning light-emitting element array, it can be manufactured in exactly the same process as the self-scanning light-emitting element array. In FIG. 10, 76 and 77 are light receiving element lines.
[0033]
In FIG. 11, the light emitting element is a phototransistor using three layers of an n-type semiconductor layer 86, a p-type semiconductor layer 84, and an n-type semiconductor layer 82. The n-type semiconductor layer 86 is used as an emitter, and a base-emitter current due to a photocurrent is converted into a collector current. Since this structure can be manufactured by simply taking out the light receiving element line 78 from the n-type semiconductor layer 86, the same process as the self-scanning light emitting element array can be used.
[0034]
In FIG. 12, the structure of FIG. 11 is electrically isolated by insulating the semiconductor layers 86, 84, and 82 by ion implantation with hydrogen ions instead of separating mesa etching between the light receiving element and the light emitting element. Separation was performed. The separation region is shown at 89. This configuration is characterized in that a large amount of light enters the light receiving element because there is no discontinuous change in refractive index due to mesa etching between the light receiving element and the light emitting element. Here, separation by ion implantation is performed on the configuration of FIG. 11, but it may be applied to any of FIGS. 5, 7, 9, and 10.
[0035]
A plurality of light emitting element / light receiving element array chips having the above-described structure are arranged linearly or in a staggered pattern to produce a light emitting element / light receiving element array for an optical writing head. A light amount correction method in the optical writing head having the configuration of FIG. 1 equipped with such a light emitting element / light receiving element array will be described.
[0036]
In correcting the light amount, first, the light emission intensity distribution of the optical writing head is measured. FIG. 13 is a diagram showing an apparatus for measuring the emission intensity distribution of the optical writing head. (A) is a side view of the apparatus, and (B) is a front view. A light amount sensor 106 is disposed on a rail 104 extending in the arrangement direction of the rod lens array 102 of the optical writing head 100 so as to be movable along the rail and facing the emitting portion of the optical writing head. By emitting light from the light emitting element array and moving the light amount sensor 106 along the rail 104, the light emission intensity distribution is measured in dot units, and the light emission intensity in dot units of the light emitting elements so that the exposure amount of each dot is uniform. And / or adjust the lighting time. In this state, the light emission intensity or exposure amount in dot units or chip units of the light emitting element is measured by the light receiving element provided in the light emitting element / light receiving element array chip, and the value is stored in the nonvolatile storage means in the driver circuit. Record it.
[0037]
The optical writing head 100 whose emission intensity distribution is measured as described above is installed in the optical printer. FIG. 14 shows the configuration of the optical printer. A photoconductive material (photosensitive member) such as amorphous Si is made on the surface of the cylindrical photosensitive drum 112. This drum rotates at the speed of printing. The photoreceptor surface of the rotating drum is uniformly charged by the charger 114. Then, the optical writing head 100 irradiates the photosensitive member with the light of the dot image to be printed, neutralizes the charge where the light hits, and forms a latent image. Subsequently, the developing device 118 applies toner to the photoconductor according to the charged state on the photoconductor. Then, the toner is transferred onto the paper 124 sent from the cassette 122 by the transfer device 120. The sheet is heated and fixed by the fixing device 126 and sent to the stacker 128. On the other hand, the drum after transfer is neutralized by the erasing lamp 130 over the entire surface, and the remaining toner is removed by the cleaner 132.
[0038]
When adjusting the light quantity change due to the temperature of the light emitting element of the optical writing head 100 and the light quantity change with time, the light emitting element is arranged in dot units or a plurality of dot units during a time gap such as between paper feeds during optical printer printing. Light is emitted, the light emission intensity or exposure amount at that time is directly measured by the light receiving element, the value is compared with the value written in the non-volatile storage means, the difference is corrected, and each dot or multiple dots The light amount of the light emitting element is adjusted so that the light amount of the light becomes uniform.
[0039]
At this time, the photosensitive drum 112 is irradiated with light to form a latent image, and the toner adheres to the photoconductor in the development process. However, as described above, the emission timing is controlled at the timing corresponding to the paper feed gap. The toner adhering to the photoreceptor is cleaned by the cleaning blade of the cleaner 132 without adhering to the paper.
[0040]
In this case, since it is necessary to intentionally provide a pitch between the papers to be fed, the printing speed may be lowered. Therefore, it is preferable to perform the light amount correction timing for each of a plurality of printed sheets.
[0041]
According to the present embodiment, since the light receiving element is manufactured at the same time as the light emitting element, the cost can be reduced as compared with the individual manufacturing.
[0042]
Further, according to the present embodiment, the light receiving element directly receives the light from the light emitting element, so that it is not affected by the surface state of the reflector as in the prior art. Therefore, since the light emission intensity or the exposure amount with high accuracy can be detected, the light amount correction with high accuracy can be performed even with the passage of time or with fluctuations in operating conditions, and a high-quality image without streaking can be obtained.
[0043]
In the following, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, instead of the rod lens array, an optical resin lens with very little light amount unevenness is used.
[0044]
In an optical writing head using a rod lens array, when the position of the light emitting element is shifted from the center of the optical axis of the lens, a light amount step in the lens cycle occurs. Therefore, in the case of such an optical writing head, in order to correct the light amount, as described in FIG. 13, the light amount of the light emitting element is detected through the lens, and the light amount is made uniform. Since it was necessary to make adjustments, large-scale equipment is required for adjustment.
[0045]
FIG. 15 shows an outline of an optical writing head on which a flat microlens array is mounted in order to avoid this. (A) is the figure which looked at the flat micro lens array 140 from the side, (B) is the top view of a flat micro lens array. The flat microlens array 140 is emitted from the light emitting element / light receiving element array 14 formed by superposing a plurality (two in this embodiment) of resin lens arrays 144 having a large number of microlenses 142 formed on both surfaces. The light is condensed on the photosensitive drum 22.
[0046]
Since the resin lens 140 having such a configuration can transmit light two-dimensionally, there is no light amount transmission unevenness due to the lens pitch, and it is not necessary to acquire light amount data through the lens. Therefore, since the emission intensity or the exposure amount of the light emitting element can be detected by the head alone, a large-scale light amount detection device is not required. That is, the light emitting element emits light in dot units or a plurality of dot units, the light emission intensity or exposure amount at that time is measured by the light receiving element, and the value is written in the nonvolatile storage means. The light energy of the light emitting element that emits light at a timing such as the paper feed gap during printing is measured by the light receiving element, collated with the value written in the nonvolatile storage means, the difference is corrected, and each dot or multiple The light emission intensity and / or lighting time of the light emitting element can be adjusted so that the exposure amount in dot units is uniform.
[0047]
Still another embodiment of the present invention will be described. In the embodiment shown in FIG. 6, the PD 70 corresponding to each light emitting element 60 is provided. However, in the configuration of FIG. 6, the chip width is increased by the PD, and the cost is increased accordingly. In the configuration of FIG. 6, since the PD is provided between the side of the light emitting element and the long side of the chip, when the chips are arranged in a staggered manner, the interval between the light emitting elements is widened.
[0048]
Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 16, one PD 70 is provided beside the first light emitting element 70 at the left end (position shifted in the light emitting element arrangement direction). The other structures are the same as those in FIG. 6, and therefore the same components as those in FIG. 6 are denoted by the same reference numerals. FIG. 6 shows a bonding pad provided at the left end of the chip. Reference numeral 38 denotes a bonding pad for the PD 70.
[0049]
Such a configuration is advantageous in terms of cost because the chip width is hardly changed. However, it is impossible to monitor the light emission intensity or the exposure amount for all the light emitting elements, and the correction is applied with the data for the first light emitting element.
[0050]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the light receiving element provided in the chip directly receives light from the light emitting element, it is not necessary to use reflected light. Therefore, since it is not affected by the surface state change of the light reflecting object such as the rod lens array, the light emission intensity or the exposure amount of the light emitting element with high accuracy can be detected. By performing the light amount correction using the monitoring result of the light emission intensity or the exposure amount, the light amount change and the light amount change due to the deterioration of the light emitting element with time can be corrected, and a high quality image can be guaranteed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an optical writing head including a light emitting element / light receiving element array.
FIG. 2 is a diagram showing an optical writing head having a reflector such as a mirror inside.
FIG. 3 is a view showing a light emitting element / light receiving element array chip according to the present invention;
4 is a cross-sectional view taken along line XX ′ of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing another example of the configuration of the light emitting element / light receiving element.
FIG. 6 is a plan view showing a light emitting element / light receiving element array in which a light receiving element is formed on a self-scanning light emitting element array.
7 is a view showing a cross section taken along line YY ′ of FIG. 6. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an electrical equivalent circuit of the self-scanning light emitting element array portion shown in FIG.
FIG. 9 is a diagram showing another example of the configuration of the light emitting element / light receiving element.
FIG. 10 is a diagram showing another example of the configuration of the light emitting element / light receiving element.
FIG. 11 is a diagram showing another example of the configuration of the light emitting element / light receiving element.
FIG. 12 is a diagram showing another example of the configuration of the light emitting element / light receiving element.
FIG. 13 is a diagram showing an apparatus for measuring a light amount distribution of an optical writing head.
FIG. 14 is a diagram illustrating a configuration of an optical printer.
FIG. 15 is a diagram showing an optical writing head on which a flat microlens array is mounted.
FIG. 16 is a plan view showing a light emitting element / light receiving element array in which one light receiving element is formed in a self-scanning light emitting element array;
[Explanation of symbols]
10, 102 Rod lens array 12 Housing 14 Light emitting element / light receiving element array 16 Heat sink 22, 112 Photosensitive drum 24 Reflector 30 Light emitting element / light receiving element array chip 32 Light emitting element 34 Light emitting element bonding pads 36, 70 Light receiving element 38 Light receiving element Bonding pad 40 n-type substrate 44, 46 p-type region 48 back surface electrodes 50, 54, 82, 86 n-type semiconductor layers 52, 56, 84, 88 p-type semiconductor layers 58, 90 protective insulating film 60 light-emitting thyristor 62 shift Thyristor 64 Gate electrode 66 Coupling diode 68 Resistor 72 Light receiving element line 80 N-type semiconductor substrate 89 Separation area 100 Optical writing head 106 Light quantity sensor 114 Charger 118 Developer 120 Transfer device 122 Cassette 124 Paper 128 Stacker 130 Erase lamp 132 Cleaning Vessel

Claims

Each includes a light-emitting element array composed of a plurality of light-emitting elements and one light-receiving element corresponding to one light-emitting element at the end of the light-emitting element array on the same substrate. The upper surface of the element is covered with a wiring material to prevent the incident of reflected light, the emitted light of the one light emitting element is incident on the one light receiving element, and the emission intensity of the one light emitting element can be monitored. A plurality of light emitting element / light receiving element arrays arranged in a staggered pattern ;
A lens array for condensing light from the plurality of light emitting elements of each light emitting element array of the plurality of light emitting element / light receiving element arrays ,
The light emitting element array is composed of a self-scanning light emitting element array having a pnpn structure laminated by epi growth.
The one light receiving element is separated from the one light emitting element, and is constituted by a photodiode having a pn junction in the pnpn structure,
An optical writing head in which emitted light from a side surface of the pnpn structure of the one light emitting element is incident on the one light receiving element .

Each includes a light-emitting element array composed of a plurality of light-emitting elements and one light-receiving element corresponding to one light-emitting element at the end of the light-emitting element array on the same substrate. The upper surface of the element is covered with a wiring material to prevent the incident of reflected light, the emitted light of the one light emitting element is incident on the one light receiving element, and the emission intensity of the one light emitting element can be monitored. A plurality of light emitting element / light receiving element arrays arranged in a staggered pattern ;
A lens array for condensing light from the plurality of light emitting elements of each light emitting element array of the plurality of light emitting element / light receiving element arrays ,
The light emitting element array is composed of a self-scanning light emitting element array having a pnpn structure laminated by epi growth.
The light receiving element is separated from the light emitting element, and is composed of a phototransistor made of pnp or npn in the pnpn structure,
An optical writing head in which emitted light from a side surface of the pnpn structure of the one light emitting element is incident on the one light receiving element .

Wherein A plurality of light emitting element and the one receiving element, are separated by mesa etching, the optical writing head according to claim 1 or 2.

Wherein A plurality of light emitting element and the one receiving element, an ion implantation by are separated by a region which is insulated, the optical writing head according to claim 1 or 2.

The optical writing head according to claim 1, wherein the lens array is a rod lens.

The optical writing head according to claim 1, wherein the lens array is a flat microlens.

An optical printer comprising the optical writing head according to claim 5 .

An optical printer comprising the optical writing head according to claim 6 .

A light amount correction method for an optical writing head in an optical printer according to claim 7 ,
Wherein the plurality of respectively emit light a plurality of light emitting elements constituting the respective light emitting element array of the light emitting element / light-receiving element array, the light intensity sensor measures the luminous intensity distribution in the light emitting element units, the exposure amount of each light emitting element The light emission intensity and / or lighting time of each light emitting element is adjusted to be uniform, and in this state, the light emission intensity of one light emitting element at the end of each light emitting element array of the plurality of light emitting element / light receiving element arrays Alternatively, the exposure amount is measured by the one light receiving element corresponding to the one light emitting element, and the value is recorded in the storage means in the driver circuit,
When there is a time gap during printing with an optical printer, the one light emitting element of each light emitting element array of the plurality of light emitting element / light receiving element arrays emits light, and the light emission intensity or exposure amount is directly measured by the one light receiving element. A light amount correction that adjusts the light emission intensity and / or lighting time of a plurality of light emitting elements of each light emitting element array by correcting the difference between the measured value and the value recorded in the storage means Method.