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Dokumentenidentifikation DE19514073A1 23.11.1995
Titel Bildschreibeinrichtung mit LEDs
Anmelder Sharp K.K., Osaka, JP
Erfinder Aiba, Masahiko, Nara, JP
Vertreter TER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER & Partner, Patentanwälte, 81679 München
DE-Anmeldedatum 13.04.1995
DE-Aktenzeichen 19514073
Offenlegungstag 23.11.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.11.1995
IPC-Hauptklasse H04N 1/032
IPC additional class // H04N 1/29  
Zusammenfassung Es wird eine Bildschreibvorrichtung mit LEDs angegeben, bei der ein LED-Kopf aus einem einzelnen LED-Chip (21) mit mehreren LEDs (32) besteht, die jeweils mit Treiberschaltungen (34-36) verbunden sind. 2400 LEDs, die jeweils eine kleine Breite a von z. B. ungefähr 10 µm aufweisen, sind auf einem Si-Substrat (33) ausgebildet, das eine Breite von z. B. ungefähr 30 mm aufweist, die kleiner ist als die Breite einer photoempfindlichen Trommel (Länge der Größe A4: 210 mm), wobei die Ausbildung der LEDs mittels eines GaAs-Substrats (31) erfolgt. Zu den Peripherieschaltungen gehören Treiberschaltungen (34-36) wie Transistoren (34), die integral auf dem Si-Substrat ausgebildet sind. Die Treiberschaltungen und die LEDs werden jeweils über einen Halbleiterherstellprozeß miteinander verbunden, z. B. durch Aufdampfen von Aluminium. Das Licht vom LED-Kopfchip wird über eine Linse vergrößert, um ein Bild auf der photoempfindlichen Trommel auszubilden.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft das Gebiet von Bilderstellungsgeräten, die elektrische Information in Lichtinformation umwandeln, die auf einem Aufzeichnungsmedium wie einem Photoleiter aufgezeichnet wird.

Praktische Verwendung als Druckvorrichtung, bei der die oben genannte Elektrophotographie-Technologie verwendet wird, haben allgemein Laserdrucker gefunden, bei denen eine photoempfindliche Trommel unter Verwendung eines Abrasterdrehspiegels (eines Polygonspiegels) durch einen Laserstrahl beleuchtet wird, wie auch LED-Drucker, bei denen lichtemittierende Dioden (LEDs) deren Anzahl der Anzahl von Bildelementen entspricht, in der Abrasterrichtung für das Aufzeichnungsmedium und in der dazu rechtwinkligen Richtung angeordnet sind, um eine photoempfindliche Trommel dem LED-Licht auszusetzen.

Fig. 16 ist eine Ansicht, die ein Beispiel für den Gesamtaufbau eines herkömmlichen LED-Druckers zeigt. Eine Ladeeinrichtung 100 ist so angeordnet, daß sie einer photoempfindlichen Trommel (Aufzeichnungsmedium) 101 zugewandt ist, und sie versorgt die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel gleichmäßig mit Ladungen. Ein LED-Kopf 102 setzt eingegebene elektrische Signale in optische EIN/AUS-Signale um, mit denen die photoempfindliche Trommel 101 über ein Linsenarray 103 belichtet wird, ohne daß dabei eine Verkleinerung/Vergrößerung vorgenommen wird. Im Ergebnis wird auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel ein elektrostatisches latentes Bild ausgebildet, das den in den LED-Kopf 102 eingegebenen elektrischen Signalen entspricht. Die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel hat dort, wo das elektrostatische latente Bild ausgebildet ist, Wechselwirkung mit einer Entwicklungseinrichtung 104, an die eine Vorspannung angelegt ist, und dort wird entsprechend dem zu entwickelnden elektrostatischen latenten Bild Toner auf die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel übertragen. Diese mit dem Toner entwickelte Fläche wird weitergedreht und erreicht dann einen Übertragungsbereich. Andererseits wird ein Papierblatt 107 von einem Blattzuführbereich 106 zum Übertragungsbereich transportiert, und der Toner auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel wird durch Coronaionen, die eine Polarität umgekehrt zu der der Tonerladung auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel angesaugt, die von einer Übertragungs-Ladeeinrichtung 105 abgegeben werden, um ein latentes Bild auf dem Blatt Papier 107 auszubilden. Das Bild auf dem Druckpapier 107 ist in diesem Zustand nicht stabil, da es elektrostatisch abgelagert ist. Ein stabiles Bild wird dadurch erhalten, daß der Toner durch Erhitzen und Aufschmelzen in das Papier eindringt und dadurch fixiert wird, was unter Verwendung einer Fixiereinrichtung 108erfolgt.

Fig. 17 ist eine Ansicht, die die Innenstruktur eines Ausführungsbeispiels eines LED-Kopfs 102 zeigt. Es handelt sich um einen Kopf für einen Drucker mit einer Auflösung von 300 Punkten pro Zoll (dpi = dots per inch), der dadurch erhalten werden kann, daß rechteckige LEDs mit einer Seitenlänge von 60 µm ihrer vier Seiten mit Abständen von 85 µm angeordnet werden. Dabei ist es erforderlich, ungefähr 2400 LEDs beabstandet anzuordnen, um ein Bild für die ganze Länge der längeren Seite eines Blatt Papiers der Größe A4 bei einer Auflösung von 300 dpi zu erhalten. Diesem Erfordernis wurde herkömmlicherweise dadurch genügt, daß 38 LED-Chips 110, von denen jedes aus 64 rechteckigen LEDs 109 mit vier Seiten von ungefähr 60 µm, die mit ungefähr 85 µm Abstand angeordnet sind, besteht, auf einem Substrat 111 genau ausgerichtet und fixiert wurden. Jede LED 109 des LED-Chips 110 ist über einen Bonddraht 112 mit einem Treiberschaltungschip 113 verbunden und wird unabhängig mittels eines von einem Eingangsverbinder 114 zugeführten Eingangssignals angesteuert.

Ein solcher herkömmlicher Aufbau hat jedoch die folgenden Nachteile.

1) Da ein industriell herstellbarer LCD-Chip aus Kostengründen einer Größenbeschränkung unterliegt, ist es völlig unmöglich, einen LED-Kopf mit herkömmlicher Abmessung (z. B. idealerweise mit der kürzeren Seite eines Blatts der Größe A4) mittels eines einzigen LED-Chips herzustellen.

Ein LED-Chip wird dadurch hergestellt, daß ein Wafer aus GaAs oder GaAlAs wiederholt geätzt wird, ähnlich wie bei der Herstellung eines IC. Gemäß Schriftstücken in der Industrie und im Handel sind Barren (ein Barren wird zu Wafern zerschnitten) von 10 Zoll die größtverfügbaren zum Herstellen von Wafern. Wenn ein LED-Chip aus einem Wafer von 10 Zoll (1 Zoll = 2,54 mm) hergestellt wird, beträgt die größtmögliche Größe dieses LED-Chips ungefähr 241 mm. Wenn der LED- Chip durch Massenherstellung erzeugt wird, ist seine größtmögliche Größe 8 Zoll. Demgemäß wird der LED-Kopf 102 herkömmlicherweise z. B. auf die vorstehend genannte Weise hergestellt, daß mehrere kleine LED-Chips 110 (ungefähr 38 Chips) hergestellt und genau positioniert werden. Ein derartiger Aufbau erfordert jedoch hohe Genauigkeit von einigen µm beim Herstellen der Reihe von LED-Chips, was dazu führt, daß eine Vorrichtung mit großer Abmessung erforderlich ist und die Ausbeute unzufriedenstellend ist.

Wenn z. B. ein LED-Chip mit einer Länge von 241 mm (9,5 Zoll) und einer Auflösung von 600 dpi aus einem Wafer von 10 Zoll hergestellt wird, ist es angesichts des Prozentsatzes von Mängeln ziemlich schwierig, von allen der auf dem LED-Chip ausgebildeten 5700 Elemente gute Qualität zu erzielen.

2) Herkömmlicherweise werden der Treiberschaltungschip 113 mit den Treiberschaltungen zum Ansteuern einzelner LEDs 109 sowie der LED-Chip getrennt ausgebildet. Außerdem werden 2400 LEDs 109 über Bonddrähte mit den Treiberschaltungen verdrahtet. Für die Materialien, die zum Herstellen des Treiberschaltungschips und des LED-Chips geeignet sind, besteht wegen der erforderlichen Eigenschaften eine Beschränkung, und in der Literatur ist nichts dahingehend beschrieben, beide Chips auf ein und demselben Substrat auszubilden. Beim Stand der Technik ist der Treiberschaltungschip aus einem Si-Substrat hergestellt, und der LED-Chip ist aus einem Substrat aus GaAs oder GaAlAs hergestellt; die Verdrahtung erfolgt durch Drahtbonden. Dies verringert nicht nur die Zuverlässigkeit des LED-Kopfs, sondern es verhindert auch eine Kostenverringerung wegen des Zeitaufwands beim Herstellprozeß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bildschreibvorrichtung mit LEDs zu schaffen, bei der (1) kein Schritt zum Anordnen von LED-Chips mehr erforderlich ist und (2) die elektrische Verbindung zwischen einem jeweiligen LED und einer zugehörigen Treiberschaltung leicht herstellbar ist.

Diese Aufgabe ist durch die Vorrichtung gemäß der Lehre des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Breite eines praxisgerechten LED-Kopfs kleiner als die des Aufzeichnungsmediums zu machen, wenn der LED-Kopf hergestellt wird, da das Aufzeichnungsmedium Licht ausgesetzt wird, nachdem die Breite des Lichts vom LED-Kopf durch eine Vergrößerungs-/Projektionseinrichtung vergrößert wurde. Demgemäß können beim Herstellen eines LED-Kopfs alle zum Belichten des Aufzeichnungsmediums über seine ganze Breite erforderlichen LEDs auf einem einzigen Substrat ausgebildet werden, so daß also der LED-Kopf nicht in mehrere LED-Chips unterteilt werden muß.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, von jeder LED viel Emissionslicht dadurch zu erhalten, daß die LED-Form festgelegt wird. Da der LED-Kopf der Vorrichtung über geringe Breite verfügt, wird die Breite der jeweiligen LEDs klein. Daher wird, wenn das Verhältnis von Breite zu Länge einer LED 1 : 1 ist, wie bei einer üblichen LED, die Menge des von der LED emittierten Lichts kleiner. Wenn dagegen die LED eine größere Länge aufweist, wird ihre Emissionsfläche größer, weswegen trotz geringer Breite viel Emissionslicht erhalten werden kann. Im Ergebnis kann eine derartige LED-Schreibvorrichtung auch bei einem Bilderstellungsgerät angewandt werden, das Abrasterung mit Licht mit hoher Geschwindigkeit ausführt.

Gemäß der Erfindung wird Licht von einer LED auf ein Aufzeichnungsmedium projiziert und die Breite des Projektionslichts in Längsrichtung wird minimiert. Die Länge einer LED bei der Erfindung ist vorzugsweise größer als die Breite. Wenn jedoch das Verhältnis von Breite zu Länge extrem klein ist, besteht die Tendenz, daß das erzeugte Bild verzerrt wird, wenn LED-Licht direkt auf das Aufzeichnungsmedium projiziert wird. Aus diesem Grund wird die Breite des Lichts in Längsrichtung einer LED nur mit dem Ausmaß minimiert, daß sie beinahe mit der Breite des Lichts in Breitenrichtung der LED vor der Projektion übereinstimmt. Dann kann eine Bildverzerrung beim Projizieren des Bilds vermieden werden.

Ferner sind die Peripherieschaltung und die LEDs bei der Erfindung auf ein und demselben Substrat ausgebildet, die durch einen Halbleiterprozeß miteinander verbunden sind. Im Ergebnis ist Drahtbonden überflüssig, wie es herkömmlicherweise zum Verbinden eines LED-Kopfs mit einem Peripherieschaltungschip verwendet wird.

Dadurch, daß bei der Erfindung der LED-Kopf dadurch aufgebaut wird, daß alle LEDs auf ein und demselben Substrat ausgebildet werden, ist es nicht mehr erforderlich, mehrere LED-Chips präzise in Reihen anzuordnen, was zu einer Verbesserung der Ausrichtungsqualität des LED-Kopfs führt.

Ferner ist es gemäß der Erfindung selbst dann, wenn die Breite a jeder LED dadurch kleiner wird, daß die Breite A des LED-Kopfs klein gemacht wird, möglich, viel Licht von jeder LED zu erhalten. Demgemäß kann diese Bildschreibvorrichtung mit LEDs bei einem mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Bilderstellungsgerät verwendet werden.

Ferner kann gemäß der Erfindung selbst dann, wenn ein Bild unter Verwendung von LEDs mit extrem großer Länge b im Vergleich zur Breite a auf einer photoempfindlichen Trommel ausgebildet wird, ein verzerrungsfreies Bild hergestellt werden, da die Breite des Lichts in Längsrichtung einer LED durch eine Verkleinerungs- und Projiziereinrichtung minimiert wird.

Schließlich werden bei der Erfindung, da der LED-Kopf selbst als Chip ausgebildet ist, die Herstellschritte einfacher als im herkömmlichen Fall, bei dem der LED-Kopf und Peripherieschaltungen auf getrennten Chips ausgebildet sind, und es kann auch der Drahtbondschritt entfallen, was zu verbesserter Zuverlässigkeit führt.

Andere und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen deutlicher, in denen:

Fig. 1 eine Ansicht des Gesamtaufbaus eines Bilderstellungsgeräts ist, auf das eine erfindungsgemäße Bildschreibvorrichtung mit LEDs angewandt ist;

Fig. 2A, 2B eine Drauf- bzw. eine Vorderansicht der genannten Bildschreibvorrichtung mit LEDs sind;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen LED-Kopf ist;

Fig. 4 eine Schnittansicht des LED-Kopfs von Fig. 3 ist;

Fig. 5A, 5B eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht eines LED-Kopfchips sind;

Fig. 6 eine Ansicht ist, die einen Schaltungsaufbau eines LED-Kopfchips zeigt;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Aufbau eines LED-Kopfchips ist;

Fig. 8A, 8B eine Draufsicht bzw. eine Vorderansicht einer Bildschreibvorrichtung mit LEDs gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind;

Fig. 9 eine perspektivische Ansicht ist, die eine Anordnung aus einem LED-Kopf, einer Linse und einer photoempfindlichen Trommel zeigt;

Fig. 10A, 10B Ansichten sind, die veranschaulichen, wie Licht beim Ausführungsbeispiel der Erfindung läuft;

Fig. 11 eine Ansicht ist, die den Aufbau eines Halteteils einer zweiten Linse zeigt;

Fig. 12 eine Schnittansicht ist, die einen Aufbau einer einschichtigen photoempfindlichen Trommel zeigt;

Fig. 13 eine Ansicht ist, die den Aufbau einer photoempfindlichen Trommel mit aufgeteilten Funktionen zeigt;

Fig. 14 eine Ansicht ist, die eine Lichtintensitätscharakteristik für ein übliches optisches Linsensystem zeigt;

Fig. 15 eine Ansicht ist, die einen Schaltungsaufbau zum Korrigieren der Lichtintensitätscharakteristik zeigt;

Fig. 16 eine Ansicht ist, die den Aufbau eines üblichen LED- Druckers zeigt; und

Fig. 17 eine Ansicht ist, die den Aufbau eines herkömmlichen LED-Kopfs zeigt.

Nun werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 ist eine Ansicht des Gesamtaufbaus eines Bilderstellungsgeräts, bei dem eine Bildschreibvorrichtung mit LEDs verwendet ist, die die Erfindung verkörpert. Fig. 1 unterscheidet sich von Fig. 15 hinsichtlich der Bildschreibvorrichtung mit LEDs.

Eine Ladeeinrichtung 100 ist so angeordnet, daß sie einer photoempfindlichen Trommel (Aufzeichnungsmedium) 101 zugewandt ist, und sie versorgt die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel gleichmäßig mit Ladungen. Die Bildschreibvorrichtung mit LEDs setzt eingegebene elektrische Signale in optische EIN/AUS-Signale um, mit denen die photoempfindliche Trommel 101 über ein Linsenarray 103 belichtet wird. Im Ergebnis wird auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel ein elektrostatisches latentes Bild ausgebildet, das den in die Bildschreibvorrichtung 102 mit LEDs eingegebenen elektrischen Signalen entspricht. Die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel hat dort, wo das elektrostatische latente Bild ausgebildet ist, Wechselwirkung mit einer Entwicklungseinrichtung 104, an die eine Vorspannung angelegt ist, und zur Entwicklung wird Toner an die Oberfläche der photoempfindlichen Trommel übertragen, die dem elektrostatischen latenten Bild entspricht. Die photoempfindliche Trommel wird verdreht, so daß die durch den Toner entwickelte Oberfläche einen Übertragungsbereich erreicht. Andererseits wird ein Blatt Papier 107 von einem Blattzuführbereich 106 zum Übertragungsbereich geführt, und der Toner auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel wird von Coronaionen mit einer Polarität entgegengesetzt zu der der Ladung des Toners auf der Oberfläche der photoempfindlichen Trommel angesaugt, wobei diese Ionen von einer Übertragungsladeeinrichtung 105 abgegeben werden, um auf dem Blatt Papier 107ein latentes Bild zu erstellen. Das Bild auf dem Blatt Papier 107 ist in diesem Zustand nicht stabil, da es nur elektrostatisch aufgebracht ist. Ein stabiles Bild wird dadurch erhalten, daß der Toner durch Erhitzen und Aufschmelzen in das Blatt Papier eindringt, was unter Verwendung einer Fixiereinrichtung 108 erfolgt.

Die Fig. 2-5 sind Ansichten zum Erläutern des Ausführungsbeispiels. Die Fig. 2A, 2B sind Ansichten, die einen Aufbau der Bildschreibvorrichtung mit LEDs zeigen, wobei Fig. 2A eine Draufsicht ist, die den Aufbau in der ebenen Richtung der photoempfindlichen Trommel 101 (der Richtung entlang der Drehachse der photoempfindlichen Trommel) zeigt, und Fig. 2B eine Vorderansicht ist, die den Aufbau der photoempfindlichen Trommel 101 von vorne zeigt. Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen LED-Kopf, Fig. 4 ist ein Schnitt durch den LED- Kopf und die Fig. 5A, 5B sind eine Draufsicht bzw. eine Schnittansicht eines LED-Kopfchips. Fig. 6 ist eine Ansicht, die einen Schaltungsaufbau für den LED-Kopfchip zeigt.

Die Bildschreibvorrichtung mit LED-Kopf umfaßt einen LED- Kopf 2 und eine runde Konvexlinse 3, die durch einen Rahmen 4 gehalten werden. Die runde Konvexlinse 3 wird durch einen Linsenhaltebereich 4a gehalten, bei dem es sich um ein kreisförmiges Loch im Rahmen 4 handelt. Im Linsenhaltebereich 4a ist ein Anschlag 4b ausgebildet, und die runde Konvexlinse 3 wird dadurch festgehalten, daß sie zwischen den Anschlag 4b und einen Linsenbefestigungsring 4c eingeschlossen ist.

Der LED-Kopf 2 ist ein solcher, bei dem ein in ein zu integrierendes IC-Gehäuse 23 eingegossener LED-Kopfchip 21 auf einem Montagesubstrat 22 angeordnet ist. Der LED-Kopfchip 21 wird in das IC-Gehäuse 23 eingegossen, nachdem er durch Anbonden eines Drahts 26 mit einem Leiterrahmen 25 verbunden wurde. An der Vorderseite des IC-Gehäuses 23 ist transparentes Glas 24 vorhanden, durch das das Licht vom LED-Kopfchip 21 hindurchläuft. Dadurch wird die photoempfindliche Trommel 101 über die runde Konvexlinse 3 belichtet.

Es werden nun Aufbaubeispiele und Herstellschritte für den LED-Kopfchip 21 beschrieben.

Der LED-Kopfchip 21 des Ausführungsbeispiels, bei dem 2400 LEDs vorliegen, entspricht der Querbreite eines Blatts der Größe A4, und außerdem ist zusätzlich zu den LEDs eine Treiberschaltung für jede LED vorhanden. Wenn eine LED auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, wird im allgemeinen eine LED mit einer Breite von 30 mm als kostenmäßig vorteilhaft angesehen. Demgemäß sind bei diesem Ausführungsbeispiel 2400 LEDs 32 auf einem LED-Substrat (aus GaAs: Galliumarsenid) 31 mit einer Breite von 30 mm (Halbleitersubstratbreite: 30 µm) ausgebildet. Wenn die Trennung der 2400 LEDs und die Isolierung zwischen ihnen berücksichtigt wird, beträgt die Breite der vier Seiten einer LED 32 ungefähr 10 µm (LED-Breite a: 10 µm).

Andererseits ist eine Peripherieschaltung mit einer Treiberschaltung für jeweils eine LED auf einem Si-Substrat 33 mit einer Abmessung von ungefähr 30 mm × 8 mm ausgebildet. Die Peripherieschaltung umfaßt 2400 Transistoren 34, eine Latchstufe 35, ein Schieberegister 36 und einen Kontaktfleck 37 zum Anschließen einer Eingangssignalleitung. Der Herstellprozeß für die Peripherieschaltung ist derselbe wie der für ein herkömmliches Peripherieschaltungschip, jedoch ist in der Nähe der Transistoren 34 ein Raum zum Anbringen des LED- Substrats 31 freigehalten. Das LED-Substrat 31 wird körperlich durch Löten, Hartlöten oder dergleichen am Si-Substrat 33, auf dem die Peripherieschaltung ausgebildet ist, befestigt, und anschließend wird die Peripherieschaltung elektrisch mit einem Anschluß jeder LED 32 auf dem LED-Substrat 31 verbunden. Als elektrisches Anschließverfahren kann ein Halbleiterprozeßverfahren verwendet werden, wie Dampfniederschlagung von Aluminium mit anschließendem Ätzen (Aluminiumverdrahtung 38). So wird ein LED-Kopfchip 21 ausgebildet. Anschließend wird der LED-Kopfchip 21 in das IC-Gehäuse 23 eingegossen, nachdem eine Befestigung auf dem Leiterrahmen 25 erfolgt.

Gemäß der vorstehend genannten Weise werden der Schritt zum Ausbilden von LEDs 32 auf dem LED-Substrat 31 sowie der Schritt zum Ausbilden der Peripherieschaltung auf dem Si- Substrat 33 getrennt ausgeführt, und anschließend werden die beiden körperlich miteinander verbunden, um einen LED-Kopfchip aufzubauen. Außerdem kann die folgende Vorgehensweise genutzt werden.

Zunächst wird eine Peripherieschaltung mit einer Treiberschaltung auf dem Si-Substrat 33 ausgebildet. Danach wird ein GaAs-Film auf das Si-Substrat 33 aufgewachsen, um die LEDs 32 aus dem GaAs-Film herzustellen. Anschließend wird jede LED 32 elektrisch durch Dampfabscheidung von Aluminium und Ätzen mit der oben genannten Peripherieschaltung verbunden. Da es hierbei möglich ist, alle Herstellschritte für den LED-Kopfchip als Halbleiter-Herstellprozeß auszuführen, wird auf diese Weise der Vorteil erzielt, daß die Verarbeitung noch weiter vereinfacht ist.

Da im auf die vorstehend genannte Weise ausgebildeten LED- Kopfchip 21 sowohl die LEDs 32 als auch die Peripherieschaltung auf einem Chip angebracht sind, ist kein Drahtbonden erforderlich, um eine LED mit der zugehörigen Peripherieschaltung zu verbinden. D.h., daß die Verdrahtung durch einen Halbleiter-Herstellprozeß erfolgt, was zu verbesserter Zuverlässigkeit bei der Verdrahtung und zu Kosteneinsparungen führt.

Ferner ist ein GaAs-Substrat im allgemeinen teurer als ein Si-Substrat, weswegen dann, wenn nicht nur LEDs, sondern auch Peripherieschaltungen auf einem GaAs-Substrat ausgebildet werden, die Kosten ansteigen. Wenn dagegen wie beim Ausführungsbeispiel nur die LEDs 32 auf einem GaAs-Substrat 31 ausgebildet werden und die Peripherieschaltung auf einem Si- Substrat 33 ausgebildet wird, ist es möglich, einen LED- Kopfchip auf wirtschaftliche Weise aufzubauen. Wenn die Herstellung ohne Berücksichtigung von Kosten erfolgt, können die LEDs und die Peripherieschaltungen alle auf ein und demselben Substrat ausgebildet werden. Dadurch verringern sich die Schritte, wie sie bei der Herstellung eines LED-Kopfchips ausgeführt werden, was zu einfacher Herstellbarkeit führt.

Nachfolgend wird ein Bildschreibzustand unter Verwendung der wie vorstehend beschrieben aufgebauten Bildschreibvorrichtung mit LEDs beschrieben.

Bei einem Bildschreibvorgang werden Bildsignale für eine Zeile als serielle Signale in den LED-Kopfchip 21 eingegeben und im Schieberegister 36 gespeichert. Dann werden die Bildsignale für eine Zeile mittels Latchsignalen an die Latchstufe 35 übertragen, und jedes ausgegebene Signal wird über einen Transistor 34 an jeweils eine LED 32 gegeben.

Wenn ausreichende Belichtungszeit für eine Zeile zur Verfügung steht, kann außerdem das Ausgangssignal der Latchstufe 35 über eine Multiplexschaltung übertragen werden, so daß also die LEDs 32 matrixförmig angesteuert werden. Im Ergebnis kann eine Time-sharing-Ansteuerung ausgeführt werden, bei der die 2400 LEDs in 8 bis 64 Blöcke unterteilt sind, was zu einer Verringerung der internen Verdrahtungen und der Treiberschaltungen führt.

Das vom auf diese Weise angesteuerten LED-Kopfchip 21 emittierte Licht wird über die runde Konvexlinse 3 hindurchgestrahlt und auf der photoempfindlichen Trommel 101 abgebildet. Dabei sollte die Breite des vom LED-Kopfchip 21 ausgegebenen Lichts, die 30 mm beträgt, auf der photoempfindlichen Trommel bis auf die erforderliche Bildbreite (bei diesem Beispiel die Länge der Größe A4: 210 mm) vergrößert werden. Daher wird die Breite des vom LED-Kopfchip 21 ausgegebenen Lichts mittels der runden Konvexlinse 3 siebenfach vergrößert. Dabei wird das Licht von jeder LED so vergrößert, daß die vier Kanten statt 10 µm nun 70 µm lang sind.

Ein Beispiel für Aufbauspezifikationen (z. B. Linsenposition, Brennweite für eine solche Vergrößerung) ist das folgende:

Abstand zwischen dem LED-Kopfchip und der runden Konvexlinse: 26 mm Abstand zwischen der runden Konvexlinse und der photoempfindlichen Trommel: 182 mm Linsenöffnung: 24 mm Brennweite: 22,75 mm


Während die photoempfindliche Trommel in der in Fig. 2B dargestellten Pfeilrichtung gedreht wird, werden die 2400 LEDs auf dem LED-Kopfchip 21 abhängig vom eingegebenen Signal ein- und ausgeschaltet. Dadurch wird auf der photoempfindlichen Trommel 101 ein Bild (elektrostatisches latentes Bild) mit einer Breite von 210 mm ausgebildet.

Nun wird ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben.

Dieses zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich vom vorstehend angegebenen ersten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Form der LEDs auf dem LED-Kopfchip, und auch hinsichtlich des Linsenaufbaus, der das vom LED-Kopfchip ausgegebene Licht auf eine photoempfindliche Trommel leitet.

Die Fig. 7-11 sind Ansichten zum Erläutern dieses Ausführungsbeispiels. Fig. 7 ist eine Draufsicht, die einen Aufbau eines LED-Kopfchips zeigt. Die Fig. 8A, 8B sind Ansichten, die den Aufbau einer Bildschreibvorrichtung mit LEDs zeigt, wobei Fig. 8A eine Draufsicht ist, die den Aufbau einer photoempfindlichen Trommel 101 in der ebenen Richtung (Richtung entlang ihrer Drehachse) zeigt, und Fig. 8B eine Vorderansicht ist, die die photoempfindliche Trommel 101 von der Stirnseite zeigt. Fig. 9 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Anordnung aus einem LED-Kopf, einer Linse und einer photoempfindlichen Trommel zeigt. Die Fig. 10A, 10B sind Ansichten, die veranschaulichen, wie Licht bei diesem Ausführungsbeispiel läuft. Fig. 11 ist eine Ansicht, die den Aufbau eines Halteteils für eine zweite Linse zum Führen von Licht vom LED-Kopfchip zur photoempfindlichen Trommel zeigt. Teile, die solchen in den Fig. 2A, 2B und 3 entsprechen, sind mit denselben Bezugszahlen gekennzeichnet.

Wie in Fig. 7 dargestellt, ist in einem LED-Kopfchip 51 ein LED-Substrat 52 aus GaAs auf dem Si-Substrat 33 ausgebildet, und auf dem LED-Substrat 52 sind LEDs 53 ausgebildet. Eine LED 53 beim Ausführungsbeispiel ist so ausgebildet, daß sie rechteckig ist, mit einer Länge, die größer ist als die Breite a in der Anordnungsrichtung der LEDs. Dadurch, daß eine derartige Rechteckform für die LEDs verwendet wird, kann eine Emissionsfläche erhalten werden, die nahezu der einer herkömmlichen LED (vier Seiten mit 60 µm) entspricht, und im Ergebnis kann eine ausreichende Menge an Emissionslicht erhalten werden. Eine LED mit einer Länge der vier Seiten von jeweils 10 µm, wie beim obigen Ausführungsbeispiel, ist für ein Bilderstellungsgerät, das mit hoher Geschwindigkeit arbeitet, nicht geeignet, da keine ausreichende Menge an Emissionslicht zur Verfügung steht. Aus diesem Grund ist beim zweiten Ausführungsbeispiel die Form der LEDs in der Richtung der Länge b vergrößert, um eine große Emissionsfläche zu erzielen. Die Form der LEDs ist nicht auf Rechteckform beschränkt, sondern es können z. B. ovale LEDs verwendet werden. Letztendlich ist es nur erforderlich, daß die Länge b größer als die Breite a ist.

Nun werden Aufbaubeispiele für den Fall einer rechteckigen LED 53 beschrieben. Wenn 2400 LEDs 53 auf dem LED-Substrat 52 ausgebildet sind, muß die Breite a jeder LED 53 ungefähr 10 µm betragen, und zwar wegen der Abmessungen eines Halbleitersubstrats, das als ein Chip ausgebildet werden kann. Demgemäß ist die Länge b zu ungefähr 360 µm gewählt, um eine Emissionsfläche zu erhalten, die nahezu derjenigen einer LED entspricht, die vier Seiten mit 60 µm hat. Dadurch kann eine ausreichende Menge an Emissionslicht erhalten werden, die derjenigen von einer LED mit vier Seiten von 60 µm entspricht.

Übrigens entspricht das von einer LED emittierte Licht einem Bildpunkt bei der Bilderstellung. Es ist bevorzugt, daß das Verhältnis von Länge zu Breite für einen Bildpunkt 1 : 1 ist, wobei sich die Bildqualität verschlechtert, wenn das Verhältnis 1 : 1,5 überschreitet. Wie oben angegeben, ist die Form der LEDs 53 so gewählt, daß die Abmessungen 10 µm × 360 µm betragen, wodurch das Verhältnis von Breite zu Länge 1 : 36 ist, was für die Bilderstellung völlig ungeeignet ist. Aus diesem Grund wird das Licht in der Längsrichtung b mittels einer Linse verkleinert.

Wie in den Fig. 8A, 8B und 9 dargestellt, sind beim Ausführungsbeispiel eine erste Linse 54 und eine zweite Linse 55 zwischen dem LED-Kopf 2 und der photoempfindlichen Trommel 101 angeordnet. Die erste und die zweite Linse sind plattenförmig und wirken nur in einer Richtung, nämlich entweder in der Längs- oder der Breitenrichtung. Die erste Linse 54 ist in der Nähe des LED-Kopfs 2 angeordnet, um das vom LED-Kopfchip 51 ausgegebene Licht zu vergrößern und auf die photoempfindliche Trommel 101 zu projizieren. Andererseits ist die zweite Linse 55 in der Nähe der photoempfindlichen Trommel 101 angeordnet, um das vom LED-Kopfchip 51 ausgegebene Licht zu verkleinern und auf die photoempfindliche Trommel 101 zu projizieren. Die Vergrößerung der ersten Linse 54 ist angesichts der Größe des herzustellenden Bilds (210 mm Länge für die Größe A4) auf das ungefähr siebenfache eingestellt, und die Vergrößerung der zweiten Linse 55 ist wegen der oben genannten, zu verkleinernden Länge auf ungefähr 1/5,9 eingestellt. Dadurch beträgt die Größe eines auf der photoempfindlichen Trommel 101 ausgebildeten Bildpunkts ungefähr 70 µm × 61 µm.

Aufgrund dieses Aufbaus läuft das vom LED-Kopf ausgegebene Licht in der Bildschreibvorrichtung mit LEDs so, wie es in den Fig. 10A, 10B dargestellt ist. Dabei zeigt Fig. 10A den Laufweg von Licht in Richtung der Ebene der photoempfindlichen Trommel 101 (in der Richtung entlang der Rotationsachse der Trommel) und Fig. 10B zeigt den Laufweg von der Stirnseite der photoempfindlichen Trommel 101 her gesehen. Wie in den Figuren dargestellt, wird das vom LED-Kopf 2 ausgegebene Licht in der ebenen Richtung mittels der ersten Linse 54 siebenfach vergrößert und auf die photoempfindliche Trommel 101 projiziert. Andererseits wird das vom LED-Kopfchip 51 in der Vorderseitenrichtung der photoempfindlichen Trommel 101 (Bildabrasterrichtung) mittels der zweiten Linse 55 mit dem Faktor 1/5,9 verkleinert und auf die photoempfindliche Trommel 101 gestrahlt. Demgemäß ist ein Aufbaubeispiel für die in den Fig. 9, 10A und 10B dargestellte Linsenanordnung das folgende:

Abstand zwischen dem LED-Kopfchip und der ersten Linse: 26 mm Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linse: 152 mm Abstand zwischen der zweiten Linse und der photoempfindlichen Trommel: 30 mm Öffnung der ersten Linse: 24 mm Länge der ersten Linse: 48 mm Brennweite der ersten Linse auf der "Abbildungsgrad"-Seite: 22,75 mm Öffnung der zweiten Linse: 20 mm Länge der zweiten Linse: 230 mm Brennweite der zweiten Linse auf der "Abbildungsgrad"-Seite 25,67 mm


Die erste Linse 54 wird von einem Rahmen 6 gehalten, der auch den LED-Kopf 2 hält. Das Halteverfahren ist dasselbe, wie es in Fig. 2 veranschaulicht ist, wobei jedoch der Linsenhalteteil rechteckig ist, d. h., daß die erste Linse dadurch gehalten wird, daß sie zwischen einem integral im Rahmen 6 ausgebildeten Anschlag 6b und einem Befestigungsteil 6c gehalten wird, das in ein Linsenhalteteil 6a eingeführt ist. Z.B. ist, wie in Fig. 11 dargestellt, ein Rahmen 71 an der Rotationsachse 101a der photoempfindlichen Trommel 101 angebracht, und die zweite Linse 55 ist am Rahmen 71 befestigt. Dadurch kann der Abstand zwischen der zweiten Linse 55 und der photoempfindlichen Trommel 101 genau eingestellt werden.

Nun wird ein Verfahren zum Verbessern der Empfindlichkeit der photoempfindlichen Trommel beschrieben. Die photoempfindliche OPC (Organic Photosensitive Conductor = organischer, photoempfindlicher Leiter)-Trommel verfügt über einen Aufbau, wie er in den Fig. 12 und 13 dargestellt ist.

Fig. 12 zeigt eine einschichtige photoempfindliche Trommel, und eine Bezugszahl 131 repräsentiert einen Teil eines zylindrischen Aluminiumrohrs. In Fig. 13 sind auf einem solchen Rohr 131 ein Ladungsträger-Erzeugungsteil 142, das bei Belichtung Ladungsträger erzeugt, und ein Ladungsträger- Transportteil 143, das die Ladungsträger transportiert, in Doppelschicht aufgebracht, mit Dicken von 2 bis 3 µm bzw. 20 bis 30 µm.

Beim derzeitigen technischen Niveau wird im allgemeinen ein Typ mit aufgetrennten Funktionen verwendet, abgesehen von einigen wenigen Ausnahmen, und zwar wegen Massenherstellbarkeit, Stabilität und grundsätzlichen Eigenschaften. Als photoempfindliche Materialien für eine photoempfindliche Trommel vom Typ mit aufgetrennten Funktionen werden Azopigmente für das Ladungsträger-Erzeugungsteil und Hydrazonderivate für das Ladungsträger-Transportteil verwendet.

Die optische Empfindlichkeit der photoempfindlichen Trommel beträgt im allgemeinen ungefähr 0,3 bis 1 µJ/cm², und es ist bekannt, daß diese Empfindlichkeit durch Optimieren der Kombination aus den Materialien für das Ladungsträger-Erzeugungsteil und das Ladungsträger-Transportteil verbessert werden kann (da diese Materialien organische Materialien sind, besteht praktisch keine Begrenzung für denkbare Materialkombinationen). Außerdem ist weitere Optimierung durch Verbesserung der Reinheit der Materialien, eine Erhöhung der Konzentration des Materials des Ladungsträger-Erzeugungsteils und durch Dünnschichtbeschichtung möglich.

Derzeit ist es möglich, die Empfindlichkeit auf ungefähr 0,025 µJ/cm² zu verbessern, obwohl die Empfindlichkeit einer hochempfindlichen photoempfindlichen Trommel ungefähr 0,1 µJ/cm² beträgt.

Nun wird eine Verbesserung des optischen Linsensystems beschrieben.

A. Korrektur verringerter Lichtintensität im Umfangsbereich der Linse

Bei einem üblichen optischen System, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, besteht die Tendenz, daß der Umfangsbereich einer Linse im Vergleich zum mittleren Bereich dunkel ist, wobei die Erforderlichkeit einer Korrektur von der gewählten Linse abhängt. Dies gilt auch für die Erfindung. Insbesondere ist diese Tendenz bei einer Linse mit kleiner Öffnung auffällig. Wenn die Tendenz auffällt, wird eine Schaltung zum Einstellen des Emissionsstroms eines integrierten Lichtemissionselements verwendet, genauer gesagt, wird ein Stromsteuerwiderstand 40, wie in Fig. 15 dargestellt, zwischen die LED 32 und den Steuertransistor 34 in der Schaltung von Fig. 5 eingefügt, um den Strom einzustellen und dabei den Strom zu erhöhen, je mehr es von der Mitte zum Umfang hin geht. Dabei wird der Widerstandswert des Stromsteuerwiderstands 40 umso mehr verringert, je mehr eine LED am Umfangsbereich liegt, entfernt vom mittleren Bereich.

B. Korrektur der Linsenaberration

Die folgenden Aberrationen liegen bei optischen Linsensystemen vor, und sie werden wie folgt korrigiert.

B-1) Chromatische Aberration

Die Erfindung betrifft eine LED-Lichtquelle und damit monochromatisches Licht, weswegen theoretisch keine chromatische Aberration entsteht.

B-2) Sphärische Aberration

Idealerweise sollte die Form einer Linse kugelförmig sein. In der Praxis werden Linsen jedoch nur nahezu kugelförmig ausgebildet, damit der Herstellprozeß einfach ist, und im Ergebnis entsteht sphärische Aberration. Wegen dieser wird ein Bild zum Rand einer Linse hin verschwommen. Um diese Schwierigkeit zu überwinden, wird eine Linse hoher Genauigkeit verwendet, die so gut wie möglich kugelförmig ist, es wird nur der mittlere Bereich einer Linse mit großer Öffnung verwendet, oder es wird eine Kombination aus mehreren Linsen verwendet.

B-3) Astigmatismus

Die Bearbeitungsgenauigkeit einer Linse ist der Grund für Astigmatismus. Insbesondere dann, wenn die axiale Symmetrie der Oberfläche einer gekrümmten Linse unvollständig ist, entsteht Astigmatismus. Das Verbessern der Bearbeitungsgenauigkeit ist eine Maßnahme zum Überwinden dieser Schwierigkeiten.


Anspruch[de]
  1. 1. Bildschreibvorrichtung (1) mit LEDs, die durch Abrasterung ein Bild auf einem Aufzeichnungsmedium (101) unter Ansteuerung einzelner LEDs (32, 53) erzeugt, gekennzeichnet durch:
    1. - einen LED-Kopf (2), bei dem die mehreren LEDs (32, 53) in einer Reihe auf einem einzelnen Substrat (31, 52) ausgebildet sind, das eine kleinere Breite als das Aufzeichnungsmedium aufweist; und
    2. - eine Vergrößerungs-/Projiziereinrichtung (3, 54) zum Vergrößern der Breite des Lichts in der Anordnungsrichtung der LEDs des LED-Kopfs auf die Breite des Aufzeichnungsmediums und zum Aufprojizieren des vergrößerten Lichts auf das Aufzeichnungsmedium.
  2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die LEDs (53) mit solcher Form ausgebildet sind, daß ihre jeweilige Länge (b) größer ist als ihre rechtwinklig zur Länge stehende Breite (a).
  3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verkleinerungs-/Projiziereinrichtung (55) zum Verkleinern der Breite von LED-Licht in der Richtung rechtwinklig zur Anordnungsrichtung der LEDs (32, 53) des LED-Kopfs (2) auf nahezu die Breite des Lichts einer LED in der Anordnungsrichtung und zum Aufprojizieren des Lichts auf das Aufzeichnungsmedium (101) vorhanden ist.
  4. 4. Bildschreibvorrichtung (1) mit LEDs, mit:
    1. - mehreren in einer Zeile angeordneten LEDs (32, 53) und
    2. - einer Peripherieschaltung (34-37), die die mehreren LEDs einzeln ansteuert;
  5. dadurch gekennzeichnet, daß die Peripherieschaltung und die mehreren LEDs auf ein und demselben Halbleitersubstrat (33) ausgebildet sind und sie mittels eines Halbleiter-Herstellprozesses miteinander verbunden sind.






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