JP4574006B2 - Image forming apparatus - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複写機、プリンタ、ファクシミリなどとされる電子写真プロセスに基づく画像形成装置に関し、特に、露光手段が感光体内に設けられた背面露光方式の画像形成装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、レーザビームを露光手段としたプリンタなどの画像形成装置においては小型化、高速化、低消費電力化の開発が重要となってきている。従来、ポリゴンミラーを使ってレーザビームのスキャンを行い、感光ドラム外周に画像形成を行なう方式が主に開発され実用化されている。この方式で高速化する場合、ポリゴンミラーの回転数に限界があるため、特開平5−294005号公報に開示されているように、光源を複数のアレイ状にすることによって1走査で記録できる走査線の数を増やす例が知られている。
【0003】
また、スキャン系の限界から、高密度アレイ化した面発光レーザで記録体の主走査方向の幅にわたって一括露光を行い、感光ドラムの回転による副走査のみで高速化を図る例が、特開昭64−42667号公報や特開平9−200431号公報に開示されている。特開平9−200431号公報に示された代表的な図面を図9に示す。2次元アレイ化された面発光レーザ110から出射された光束がレンズ181によって拡大され、凹面鏡182によって集光させながら反射させ、感光ドラム115上に照射して光潜像を形成する。この場合、図10に示すように面発光レーザ110の発光点170を斜めに排列して面発光レーザの発光点の間隔よりも小さい間隔の150にて示すような解像度が得られるように工夫してある。
【0004】
一方、このようなレンズ系を用いる方式では、一定の空間が必要になるために、小型化には限界がある。特に、レーザプリンタのカラー化においては光学系が複数必要になるために小型化はさらに困難となる。
【0005】
このような高速化および小型化に関する問題を解決する1つの方法として、円筒状の透明支持体上にITO(インジウム錫酸化物)などの透明電極と光導電体層を積層して感光ドラムを形成し、アレイ状の露光手段を感光ドラムに内装して、ドラム内壁からの光で潜像を形成する「背面露光」という方式が提案されている(特開昭58−153957号公報、画像電子学会誌16(5)1987、P.306〜312)。この方式で、LEDアレイを用いた画像形成装置(特開平5−94068号公報)の代表的な例を図11に示す。
【0006】
感光ドラム201の中に露光ヘッド202が内装されており、露光ヘッド202はプリント基板220とLEDアレイ221から成り、セルフォックレンズ223によって感光ドラム201上に結像させるようになっている。
【0007】
露光ヘッド202によって感光ドラム201上に形成された潜像に対して現像ユニット203がトナーを供給し、トナー像を形成する。トナー像は転写ローラ204によって記録媒体Pに転写され、定着器207にて永久画像として記録媒体Pに定着される。
【0008】
このような構成では光学系が中空の感光ドラム内に収まっているために、非常に小型化することができるとともに、LEDをアレイ化しているためにポリゴンミラーの回転数に律速されることなく高速化が可能となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、面発光レーザは低しきい値で発振し、2次元アレイ化が容易であり、上記のようなプリンタに適している光源ではあるが、横モードや偏波モードの安定性に欠けるという問題点がある。
【0010】
そのため、レンズ系で結像させたり、ミラーで反射させたりする場合には、モードによって反射率などが異なるために、モード不安定性が露光ムラとなって画質の劣化につながる。モード安定化のためには発光点の面積を小さくして単一モード化することが必要となる。その結果、安定に出力できるレーザパワーは1mW程度に低くなるため、光学系での光の損失を最低限に抑えなければならない。
【0011】
このような問題を避けるには、感光ドラムの表面近傍に露光ヘッドを設けてコンタクト露光にすることが考えられるが、感光ドラムの表面近傍に露光ヘッドを配置するとトナーによる汚れの問題が発生する。
【0012】
一方、感光ドラム内にLEDアレイを配置する方法では、LEDの消費電力が大きいために大容量の電源を必要とし、装置全体が大型化するという問題点がある。また、全体の発熱量が増大して光強度などが揺らぐために露光ムラが発生する。さらに、LEDは発光の放射角が大きいために比較的大型のレンズが必要で、光の利用効率が低いためにさらに消費電力が増大するという問題点が生じる。
【0013】
従って、本発明の目的は、低消費電力、コンパクトで携帯性に優れ、高速記録が可能な画像形成装置を提供することである。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記目的は本発明に係る画像形成装置にて達成される。要約すれば、本発明は、透明支持体上に透明導電体層および光導電体層を順に設けた感光体と、前記感光体の内部に設けられ光を照射する光照射手段とを有し、
前記光照射手段が前記透明支持体側から光を照射して前記光導電体層に露光を行い、前記光導電体層上の露光された部分にトナーを供給して可視像を形成する画像形成装置において、
前記光照射手段は、基板と、前記基板に設けられ垂直方向に光を出射する面発光レーザとを有し、
前記基板は可撓性を有し、前記面発光レーザは前記感光体の内壁に密着するように取り付けられており、該面発光レーザを形成するために用いられたエピタキシャル成長用の半導体基板がすべて除去されていることを特徴とする画像形成装置である。
【0028】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る画像形成装置を図面に則して更に詳しく説明する。
【0029】
実施例1
本発明の第1実施例について図1〜図3により説明する。
【0030】
図1に本実施例による面発光レーザアレイを用いた背面露光方式の画像形成装置、例えばレーザービームプリンタを示す。
【0031】
図1に示すように、本実施例の画像形成装置は像担持体である感光ドラム(感光体)1を有し、その内部に面発光レーザアレイを備えた露光装置2が設置されている。露光装置2からの光で感光ドラム1の表面の電位を変化させ、トナー収容器4から現像器3を通して電位に応じてトナー5を供給する。感光ドラム1の回転によってその現像されたトナー5すなわちトナー像(可視像)が転写部まで搬送され、バイアス電源7が接続された転写ローラ8の作用によって記録材10上にトナー像が転写される。さらに、記録材10は定着ローラからなる定着器9に搬送され、ここでトナー像は記録材10に定着される。
【0032】
感光ドラム1は、図2に示すように、透明支持体20の表面に電極となる透明導電層21、露光装置2の光によって感光される光導電層22、光導電層2を保護するための表面層23が順に成膜された構造を備えている。
【0033】
現像器3は、磁気ローラ3aと非磁性導電性スリーブ3bから構成され、トナー収容器4から供給される導電性トナー5が感光ドラム1表面の感光された部分に付着する。このとき、現像器3と感光ドラム1との間にはバイアス電源6から現像バイアスを印加する。未露光部には導電性トナ5ーの接触で電荷が注入され、感光ドラム1上の光導電層22とトナー層の電位はほぼ同電位となってトナーは付着しない。一方、光露光を行った部分は電位が低下してトナーが付着し、トナー転写後は再び電位が上昇して磁気ローラ3aの磁気力で不要なトナー5は取り除かれる。つまり、現像器3はクリーニング機能も兼ね備えている。
【0034】
そのトナーとしては、表面がSiC、カーボンなどの導電体で覆われ、中央部にフェライトやマグネタイトなどの磁性体粒子を含むものを用いる。材料については上記に例示したものに限るものではない。
【0035】
このように、本実施例の画像形成装置は、帯電、露光、現像およびクリーニングをほぼ同時に行うようになっている。そのため、従来のコロナ放電を用いるタイプに比べて、画像形成プロセス、および装置の構成が大幅に簡単化され、低電圧化、オゾン発生の低減が可能となる。さらに、本発明では露光装置として面発光レーザを用いるため、大幅な低消費電力化が可能となる。したがって、装置の小型化、低電力化が同時になされて省スペース化はもちろん、ポータブル機器としても最適なレーザビームプリンタが提供できる。
【0036】
なお、図1における各部品の配置や大きさ、上下関係については例示的に示したものであり、本構成に限定されるものではない。
【0037】
つぎに本実施例における画像形成装置の各構成要素について、さらに説明する。
【0038】
感光ドラム1の透明支持体20は、好ましくはポリイミド、エポキシ、ポリエステル、ポリカーボネートなどの透光性樹脂で構成されるが、ガラス、石英などの無機材料でもよい。透明支持体20は直径2.5cm、長さ22cm(A4対応)の円筒体を構成する。円筒体の状態で、その表面に透明導電層21、光導電層22、表面層23を順に成膜する。
【0039】
透明導電層21は、好ましくはITO(インジウム錫酸化物)を蒸着または塗布法により形成する。または、SnO、ZnOやAu、Al薄膜等でもよい。
【0040】
光導電層22は、好ましくはa−Siまたはa−SiCをプラズマエンハスト化学気相成長法(PECVD)などで円筒体表面に成膜する。成膜は、スパッタ法、蒸着法などでもよい。必要に応じて、ドーピング制御や水素含有率制御などで導電性を変化させた多層構造にしたり、バンドギャップ制御のためにGe、Nなどを混入させたりしてもよい。
【0041】
表面層23は、表面保護や帯電、絶縁耐圧の確保などのために、ポリイミド、ポリエチレンなどの絶縁性樹脂やSiN、SiON、SiCなどの無機材料により構成する。
【0042】
つぎに、面発光レーザアレイから成る露光装置2について図3により説明する。
【0043】
図3(a)に示すように、露光装置2は、ガラスエポキシ基板またはSi基板などの基板31上に配線パターンを形成した支持体を備えており、支持体の上に、面発光レーザアレイ30およびCMOSドライバ32を実装している。面発光レーザアレイ30の表面には、図3(b)に示すように、平板マイクロレンズアレイ33を接着している。基板31の長手方向の大きさは感光ドラム1の長手方向の大きさと略同じである。
【0044】
面発光レーザアレイ30は、面発光レーザ35を千鳥状の2列にアレイ化しており、各列の面発光レーザ35における発光点34のピッチは84.6μmに設定している。1列目の発光点34の間の中央部に2列目の発光点34が補間するように配置されており、従って、42.3μmピッチで発光点34が並ぶことになるので、600dpiに対応することができる。列間隔、つまり1列目と2列目の発光点34の間隔も84.6μmに設定しており、ダイナミック点灯制御で、感光ドラム上の1列に露光点が並ぶように駆動制御している。
【0045】
また、面発光レーザアレイ30は、2列×50素子(=100素子、すなわち100個の面発光レーザ)を1つのチップとして、基板31上に47チップを直線状に実装して、合計2列×50×47=4700素子を集積化していて、感光ドラム1の幅、すなわち長手方向の大きさ、約19.8cmを一括露光することができる。つまり、面発光レーザの発光点34は感光ドラム1の長手方向の略全体をカバーしている。ただし、アレイ化した面発光レーザの一部は画像記録用ではなく、制御信号用等に用いてもよい。また、後で述べるように同時点灯(スタティック点灯)でなく、時間差を設けて逐次点灯するダイナミック点灯が露光には一般的である。
【0046】
上記チップの基板31への実装には、チップ外形と基板31上の電極パターンとのアライメントを行って逐次実装するフリップチップボンダー装置を用い、接合にはAu−Auの圧着、Au−SnやPb−Snの共晶、クリームハンダやAgペーストでの一括リフローなどの方法で行った。なお、素子数や解像度、一括露光する幅については例示的に示したものであり、上記の数字に限定されるものではない。また、レンズについてもガラスで形成した平板マイクロレンズ以外に、低コストな樹脂モールドレンズアレイなどを用いてもよい。
【0047】
一方、面発光レーザ35の駆動にはCMOSドライバIC32のベアチップを同一基板31上にハンダボールやAgペーストなどを用いてフリップチップボンディングしたものを用いた。なお、CMOSドライバIC32は、図3(b)に示したように面発光レーザ35と同様に複数個を並べて実装した。
【0048】
基板31上の配線37、38は、Cu−Ni−Au、Cu−Ni−Al、Ti−Pt−Auなどを用いたがこれに限るものではない。レーザ素子上のp電極35の表面はAuであり、Si−ICとの接続としてのワイヤボンディング36はAu、または、Al−Siを用いた。配線38は面発光レーザアレイ30の共通電極となるカソード電極を引き出すものであり、抵抗を下げるために複数箇所から配線している。また、信号用の配線37は図中には示していないが、基板31の両端に配線できるようにパターンが印刷されている。
【0049】
装置本体との記録信号のやりとりは、基板31の両端に固定したコネクタ(不図示)を通して配線することで行う。CMOSドライバとしては、カレントミラーで構成した電流源でもよいが、CMOSロジックをそのまま面発光レーザに注入する電圧源駆動が低コスト化には有利である。
【0050】
本実施例の面発光レーザは、780nm帯でしきい値が約2mA、5mAで1mW出力するものであり、通常動作の5mA駆動時の電圧は2.5Vである。3.3V−CMOSレベルの場合は、直列抵抗を挿入することで注入電流を制御することになり、アレイチップ抵抗を基板31上に実装しておく。なお、面発光レーザの波長帯についても上記に限定されるものではない。
【0051】
ところで、1素子あたりの注入電流が小さいとはいえ、1列の2350素子に一括して電流を流すと大電流になって発熱が大きくなるので、面発光レーザが高速駆動でき、光パワー密度が高いことを活かして、各素子の点灯時間を10nsec程度にすれば1ラインをダイナミック点灯で書き込むのに要する時間は、10nsec×4700=47μsecであり、600dpiでA4縦方向約30cmを記録するのに要する時間は、47μsec×7100=0.33secとなる。実際には、制御の遅延時間等があるが、1枚/秒以下は簡単に達成できる。
【0052】
上記の数値は例示的に示したものであるが、1画素あたりの露光時間は現像器と光パワーの関係で決まり、露光装置の性能としてはさらに高速でダイナミック点灯することができる。逆に光パワーを小さくして露光時間を長くし、同時点灯の数を増やしたダイナミック点灯としても良い。1素子毎のダイナミック点灯ではなく、n素子毎のダイナミック点灯にすることでn倍の高速化ができる。面発光レーザでは、駆動電流が小さいため、10素子程度の同時点灯は容易であり、上記の数値例の10倍の速度は簡単に達成できる。
【0053】
このように、本発明の背面露光方式の画像形成装置は、面発光レーザアレイを用いることにより、設計の自由度が広がり、飛躍的な高速記録を達成できる。
【0054】
また、面発光レーザでは、すでに述べたようにしきい値電流が低く、動作電流としても5〜10mA程度で1mWの光出力が可能である。従って、LEDアレイを用いた背面露光装置に比べると1/10以下の動作電流となり消費電力が大幅に低減できる。
【0055】
さらに、単一モード化した場合に光の放射角が数度程度と小さく出射パターンも円形になるために、レンズ設計が容易でかつ小さくでき、光の利用効率を向上させることができる。
【0056】
しかも、感光ドラムの内壁からコンタクト露光を行うためにトナーによる汚れの問題もなく、光学系も必要ないのでドラム径も小さく、従って装置全体を大幅に小型化することが可能である。
【0057】
このような小型で低消費電力のレーザプリンタは、特に携帯用のプリンタとして好適に供することができる。
【0058】
また、ポリゴンミラーを使用しないために、その回転数で印字速度が律速されることなく、発光点のアレイ数を記録紙の幅全体をカバーすることで、超高速なプリンタを提供することができる。
【0059】
なお、本実施例ではコロナ放電を用いない方式の背面露光について述べたが、従来のようにコロナ放電を用いる方式で背面露光してももちろんよい。また、本実施例では、円筒状の感光ドラムの場合を示したが、平面のベルト状の感光体でもよい。
【0060】
実施例2
つぎに、本発明の第2実施例について図4〜図6により説明する。
【0061】
本実施例は、露光装置をフレキシブル基板で構成して感光ドラム内壁に密着させ、集光用レンズの焦点位置精度を高めるものである。第1実施例では、堅い実装基板を用いたため感光ドラムの内壁から離して配置し、平板マイクロレンズアレイを使用して光導電層に焦点が合うようにしていたが、高い設置位置精度を必要としていた。それに対して、感光ドラムの内壁に露光装置を密着させることにより、露光装置から感光体の光導電層までの距離は2mm程度(感光ドラムの透明支持体の肉厚で決まる)となり、面発光レーザの放射角は数度程度なので、使用するレンズの曲率が小さく、焦点位置精度も向上できる。
【0062】
図4に、本実施例のフレキシブル露光装置60が感光ドラム1の内壁に密着している様子を示す。このようなフレキシブル露光装置60を実現するための構成を図5に示す。
【0063】
図5に示すように、フレキシブル露光装置60は、配線パターンを印刷した、ポリイミドまたはポリカーボネートなどの可撓性を有するフレキシブルプリント基板(通称FPC)50を備えている。ドライバ32としては、第1実施例と同様にSi−IC32をAgペースト56などでフリップチップ実装しており、ベアチップであるSi−IC32は基板裏面を研磨して100μm程度に薄くしてある。
【0064】
一方、面発光レーザはコンタクト露光にするためにワイヤボンディングをなくすため、エピタキシャルリフトオフにより薄膜化して表面配線を施している。薄膜化した面発光レーザの表面は配線のため、絶縁膜53が形成してあり、光出射窓54および電極配線用に穴を開けてある。表面のカソード電極52とSi−IC32の間は、蒸着とリフトオフを用いて作製した配線55で接続している。さらに表面には図示していないが、発光点54の部分にマイクロレンズを形成した樹脂モールドを被せてあり、表面の保護を行っている。
【0065】
薄膜構造を有する面発光レーザの作製方法を図6に沿って説明する。図6(a)において、薄膜化用基板であるn−GaAs基板40上に、n型でAl組成比を変えたAlGaAs多層膜からなるn−DBRミラー41、GaAs/AlGaAsの3層から成る量子井戸活性層とAlGaAsスペーサ層から成る1波長共振器42、p型でAl組成比を変えたAlGaAs多層膜から成るDBRミラー43、最表面にはp−GaAsコンタクト層(不図示)を有機金属気相成長法などによりエピタキシャル成長させた。
【0066】
発光領域の形成は、直径20μmでの円柱状のドライエッチングを行ったのち、水蒸気を流しながら加熱して活性層近傍のみを選択的に酸化してAlxOy層(選択酸化層)46を形成して直径5μmにまで小径化することで行っている。この選択酸化により、低しきい値化、および単一モード化が可能となる。エッチングした窪みにはポリイミドなどの光学樹脂48を埋め込んで平坦化している。また、素子間にも分離溝を形成したあと樹脂49で平坦化している。電流注入領域47のみコンタクトが取れるように、電流注入領域47以外の表面に絶縁膜44としてSiNxを成膜した。最後に表面にはTi/Pt/Auからなるアノード電極45を全面に形成する。
【0067】
図6(b)において、図6(a)に示したように作製した面発光レーザアレイを100μm程度の薄さにまで研磨してから、例えば2×50の素子でカッティングしてチップ化する。その後、このチップをフレキシブル基板50の表面に形成したアノード用電極パッド51に、Au−Au圧着、または、はんだなどで接着する。
【0068】
つぎに、図6(c)において、n−GaAs基板40をH2O2+NH3の混合液でエッチングして除去し、n−DBRミラー41を構成するAlGaAsでエッチングをストップする。その後、AlGaAsを除去してn−GaAsコンタクト層(不図示)を露出させて、カソード電極52を形成する。このカソード電極52の形状は任意であるが、本実施例では図5(a)に示したようにドーナツ状で光出射窓54を直径5μmの大きさにして、面発光レーザの高次横モードを出射させない空間フィルタとして機能させている。
【0069】
本実施例においては、面発光レーザがアノードコモンタイプになるので、高速ドライバICに対応させることができ、さらなる高速印字が可能となる。
【0070】
さらに、本実施例によれば、第1実施例と同様の効果を得ることができるとともに、上述したように、露光装置を感光ドラムの内壁に密着設置できるので、焦点位置精度を向上できる。
実施例3
つぎに、本発明の第3実施例について図7により説明する。
【0071】
本実施例は、図3に示したように面発光レーザをライン状にアレイ化するのでなく、露光装置を感光ドラム内部で往復運動させることで、露光装置のコストを低減するものである。
【0072】
上記実施例では、高速印字が可能であるものの、数千個以上の面発光レーザを集積化させるために、歩留まりの問題や、発光強度のバラツキの問題などから製作コストの上昇が懸念される。
【0073】
そこで、本実施例では高速性を若干低下させることでアレイ数を低減し、低コストの画像形成装置を実現するものである。
【0074】
図7(a)において、感光ドラム1をその長手方向に貫通するようにベルト73を配置する。ベルト73はローラ74a、74bに巻回し、どちらかのローラ74aまたは74bに駆動源として例えば逆転電動機(不図示)を連結して、ベルト73の往復運動を可能とする。そして、ベルト73の表面に露光装置2を固定し、ベルト73と共に、感光ドラム1の長手方向に沿った往復運動を行なわせる。
【0075】
露光装置2は、図7(b)に示すように、実装基板70上に10×10アレイの面発光レーザアレイ72とこれをドライブするためのSi−IC71が実装された構成となっている。面発光レーザアレイ72は移動方向Xに対して角度αだけ傾けて実装してあり、図中上側の列における最も左側の素子e1とその下の列における最も右側の素子e2が上下方向で、画素ピッチと同じ間隔になるように設定してある。これにより、面発光レーザの発光点の間隔よりも狭い間隔で露光が可能である。
【0076】
例えば、1200dpiに対応させる場合には、発光点のピッチは約21.2μmになるが、10×10アレイの素子間隔を、212μmピッチで正方形に形成し、α=約5.7度の傾き角にすればよい。この場合、1回の幅方向の走査で、100ライン分、すなわち2.12mm幅の印字が可能である。往復運動で印字させることにより、戻りの走査時間が節約でき、例えばA4の縦方向に30cm程度の印字を行うのには140回程度の走査回数になる。そして1走査で0.1secとした場合、14秒/枚となり印字速度は遅くなるものの、低価格、ポータブル性を重視した装置に十分適用できる。また、解像度を下げれば当然印字速度は速くなる。
【0077】
実施例4
つぎに、本発明の第4実施例について図8により説明する。
【0078】
上記実施例では、単色、すなわち、単一の背面露光感光ドラムを備えた画像形成装置の場合について説明したが、本実施例では、本発明を4色の画像形成ステーションを備えたフルカラー画像形成装置、例えばフルカラープリンタに適用するものである。すなわち、本実施例の画像形成装置は、図8に示すように、第1実施例にて説明した、面発光レーザアレイを用いた背面露光方式の画像形成装置と基本的に同様の構成を備えた、画像形成手段としての、イエロー用画像形成ステーション80、マゼンダ用画像形成ステーション81、シアン用画像形成ステーション82、およびブラック用画像形成ステーション83を転写材10の移動方向に沿って並設したものある。前出の部材と同一部材には同一符号を付して説明を省略し、図面も簡単化している。
【0079】
本実施例のように、前述した背面露光感光ドラムを4つ並列に並べた構成を備えることによって、小型のフルカラー画像形成装置として機能させることができる。特に4つ画像形成ステーションを同時に動作させたときに、本発明のように面発光レーザを用いた場合には、低電力化が可能なので、従来の露光装置を備えたフルカラー画像形成装置に比して有利である。さらに、この場合に、露光手段が小さいので4つの感光ドラムを並べても装置が大型化せず、ポータブルカラープリンターを提供することができる。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の画像形成装置は、透明支持体上に透明導電体層および光導電体層を順に設けた感光体と、前記感光体の内部に設けられ光を照射する光照射手段とを有し、前記光照射手段が前記透明支持体側から光を照射して前記光導電体層に露光を行い、前記光導電体層上の露光された部分に前記光導電体層側からトナーを供給してトナーを選択的に付着させ、可視像を形成する画像形成装置において、前記光照射手段は、基板と、前記基板に設けられ垂直方向に光を出射する面発光レーザとを有し、前記基板は可撓性を有し、前記面発光レーザは前記感光体の内壁に密着するように取り付けられており、該面発光レーザを形成するために用いられたエピタキシャル成長用の半導体基板がすべて除去されていることにより、光照射手段を感光体の内壁に密着設置することができ、焦点位置精度を向上でき、低消費電力、コンパクトで優れた携帯性、および高速記録を達成できる。
【0081】
また、本発明のが画像形成装置は、コロナ放電を用いない方法で露光するために、オゾンの発生がなく耐環境性に優れている。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による背面露光方式の画像形成装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図2】図1の画像形成装置における感光ドラムの層構成を示す図である。
【図3】本発明による露光装置の一実施例を示す斜視図(b)およびその要部拡大図(a)である。
【図4】本発明による露光装置の他の実施例における取付方を説明する図である。
【図5】図4の露光装置の構成を示す斜視図(a)および図5(a)の線A−A’に沿ったその一部断面図(b)である。
【図6】図4の露光装置における面発光レーザの作製方法を説明するための図である。
【図7】本発明による露光装置の他の実施例を説明するための一部切欠側面図(a)および拡大平面図(b)である。
【図8】本発明によるカラー画像形成装置の一実施例を示す概略構成図である。
【図9】面発光レーザを露光装置とする一従来例を示す図である。
【図10】面発光レーザアレイの発光点の並び方の一従来例を示す図である。
【図11】従来の背面露光を採用した画像形成装置の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
1 感光体
2 露光装置(光照射手段)
20 透明支持体
21 透明導電層
22 光導電層
23 表面層
30、72 面発光レーザアレイ
31、50、70 実装基板
32、71 ドライバIC
34、54 発光点
73 ベルト[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image forming apparatus based on an electrophotographic process such as a copying machine, a printer, and a facsimile, and more particularly to a back exposure type image forming apparatus in which an exposure unit is provided in a photosensitive body.
[0002]
[Prior art]
In recent years, development of downsizing, high speed, and low power consumption has become important in image forming apparatuses such as printers using laser beams as exposure means. Conventionally, a method of scanning a laser beam using a polygon mirror and forming an image on the outer periphery of a photosensitive drum has been mainly developed and put into practical use. When the speed is increased by this method, since the rotation speed of the polygon mirror is limited, as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 5-294005, scanning that can be recorded in one scan by forming the light source into a plurality of arrays. An example of increasing the number of lines is known.
[0003]
Another example is that, due to the limitations of the scan system, batch exposure is performed over the width in the main scanning direction of the recording medium with a high-density surface emitting laser, and the speed is increased only by sub-scanning by rotating the photosensitive drum. No. 64-42667 and Japanese Patent Laid-Open No. 9-200431. FIG. 9 shows a typical drawing disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-200431. The light beam emitted from the two-dimensional arrayed
[0004]
On the other hand, in a method using such a lens system, a certain space is required, so there is a limit to downsizing. In particular, in the colorization of a laser printer, since a plurality of optical systems are required, downsizing becomes even more difficult.
[0005]
One method for solving the problems related to speeding up and downsizing is to form a photosensitive drum by laminating a transparent electrode such as ITO (indium tin oxide) and a photoconductor layer on a cylindrical transparent support. In addition, a method called “back exposure” in which an array of exposure means is built in a photosensitive drum and a latent image is formed by light from the inner wall of the drum has been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 58-153957, Image Electronics Society of Japan). 16 (5) 1987, pages 306-312). FIG. 11 shows a typical example of an image forming apparatus (Japanese Patent Laid-Open No. 5-94068) using an LED array in this manner.
[0006]
An
[0007]
The developing
[0008]
In such a configuration, since the optical system is housed in a hollow photosensitive drum, it can be made very small, and since LEDs are arrayed, the speed is not limited by the rotational speed of the polygon mirror. Can be realized.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the surface emitting laser oscillates at a low threshold, can be easily formed into a two-dimensional array, and is a light source suitable for the printer as described above, but lacks stability in the transverse mode and the polarization mode. There is a point.
[0010]
For this reason, when an image is formed by a lens system or reflected by a mirror, the reflectivity varies depending on the mode, so that the mode instability becomes uneven exposure and leads to deterioration of image quality. In order to stabilize the mode, it is necessary to reduce the area of the light emitting point to achieve a single mode. As a result, the laser power that can be output stably becomes as low as about 1 mW, and thus the loss of light in the optical system must be minimized.
[0011]
In order to avoid such a problem, it is conceivable to provide an exposure head near the surface of the photosensitive drum for contact exposure. However, if the exposure head is arranged near the surface of the photosensitive drum, a problem of contamination with toner occurs.
[0012]
On the other hand, the method of arranging the LED array in the photosensitive drum has a problem that the power consumption of the LED is large, so that a large-capacity power source is required, and the entire apparatus is enlarged. In addition, since the overall heat generation amount increases and the light intensity etc. fluctuates, uneven exposure occurs. Further, since the LED has a large emission angle of light emission, a relatively large lens is necessary, and the power utilization efficiency is further increased due to low light use efficiency.
[0013]
SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide an image forming apparatus with low power consumption, compactness, excellent portability, and capable of high-speed recording.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The above object is achieved by the image forming apparatus according to the present invention. In summary, the present invention has a photoreceptor in which a transparent conductor layer and a photoconductor layer are sequentially provided on a transparent support, and a light irradiation means that is provided inside the photoreceptor and irradiates light.
Image formation in which the light irradiation means irradiates light from the transparent support side to expose the photoconductor layer, and supplies a toner to the exposed portion on the photoconductor layer to form a visible image In the device
The light irradiation means includes a substrate and a surface emitting laser provided on the substrate and emitting light in a vertical direction.And
The substrate has flexibility, and the surface emitting laser is attached so as to be in close contact with the inner wall of the photoconductor, and all of the epitaxial growth semiconductor substrate used to form the surface emitting laser is removed. Has beenAn image forming apparatus characterized by the above.
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The image forming apparatus according to the present invention will be described below in more detail with reference to the drawings.
[0029]
Example 1
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0030]
FIG. 1 shows a back exposure type image forming apparatus using a surface emitting laser array according to this embodiment, for example, a laser beam printer.
[0031]
As shown in FIG. 1, the image forming apparatus of the present embodiment has a photosensitive drum (photosensitive body) 1 as an image carrier, and an
[0032]
As shown in FIG. 2, the
[0033]
The developing
[0034]
As the toner, a toner whose surface is covered with a conductor such as SiC or carbon and which includes magnetic particles such as ferrite or magnetite at the center is used. The materials are not limited to those exemplified above.
[0035]
As described above, the image forming apparatus of the present embodiment performs charging, exposure, development and cleaning almost simultaneously. Therefore, the image forming process and the configuration of the apparatus are greatly simplified as compared with the conventional type using corona discharge, and the voltage can be reduced and the generation of ozone can be reduced. Furthermore, since a surface emitting laser is used as the exposure apparatus in the present invention, a significant reduction in power consumption is possible. Accordingly, it is possible to provide an optimum laser beam printer as a portable device as well as space saving by simultaneously reducing the size and power consumption of the apparatus.
[0036]
Note that the arrangement, size, and vertical relationship of each component in FIG. 1 are exemplarily shown, and are not limited to this configuration.
[0037]
Next, each component of the image forming apparatus in the present embodiment will be further described.
[0038]
The transparent support 20 of the
[0039]
The transparent conductive layer 21 is preferably formed by vapor deposition or coating method of ITO (indium tin oxide). Alternatively, SnO, ZnO, Au, Al thin film or the like may be used.
[0040]
The photoconductive layer 22 is preferably formed by depositing a-Si or a-SiC on the surface of the cylindrical body by plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) or the like. The film formation may be a sputtering method, a vapor deposition method, or the like. If necessary, a multilayer structure in which conductivity is changed by doping control, hydrogen content control, or the like, or Ge, N, or the like may be mixed for band gap control.
[0041]
The surface layer 23 is made of an insulating resin such as polyimide or polyethylene, or an inorganic material such as SiN, SiON, or SiC in order to protect the surface, charge, and withstand voltage.
[0042]
Next, an
[0043]
As shown in FIG. 3A, the
[0044]
In the surface emitting
[0045]
Further, the surface emitting
[0046]
The chip is mounted on the
[0047]
On the other hand, the surface-emitting
[0048]
The
[0049]
The recording signal is exchanged with the apparatus main body by wiring through connectors (not shown) fixed to both ends of the
[0050]
The surface emitting laser of the
[0051]
By the way, even though the injection current per element is small, if a current is applied to 2350 elements in a row at once, the current becomes large and heat generation increases, so that the surface emitting laser can be driven at high speed and the optical power density is high. Taking advantage of the high level, if the lighting time of each element is set to about 10 nsec, the time required to write one line by dynamic lighting is 10 nsec × 4700 = 47 μsec. The time required is 47 μsec × 7100 = 0.33 sec. Actually, there is a control delay time and the like, but 1 sheet / second or less can be easily achieved.
[0052]
Although the above numerical values are exemplarily shown, the exposure time per pixel is determined by the relationship between the developing device and the optical power, and the exposure apparatus can perform dynamic lighting at a higher speed. Conversely, dynamic lighting may be performed by reducing the light power to increase the exposure time and increasing the number of simultaneous lighting. By using dynamic lighting for every n elements instead of dynamic lighting for each element, the speed can be increased by a factor of n. In the surface emitting laser, since the driving current is small, simultaneous lighting of about 10 elements is easy, and the
[0053]
As described above, the image forming apparatus of the back exposure type of the present invention uses the surface emitting laser array, so that the degree of freedom of design is widened and dramatic high-speed recording can be achieved.
[0054]
In addition, as described above, the surface emitting laser has a low threshold current and can output light of 1 mW at an operating current of about 5 to 10 mA. Therefore, the operating current is 1/10 or less compared with a back exposure apparatus using an LED array, and the power consumption can be greatly reduced.
[0055]
Furthermore, when the single mode is selected, the light emission angle is as small as several degrees and the emission pattern is circular, so that the lens design can be made easy and small, and the light utilization efficiency can be improved.
[0056]
In addition, since contact exposure is performed from the inner wall of the photosensitive drum, there is no problem of contamination with toner, and no optical system is required, so the drum diameter is small, and thus the entire apparatus can be greatly reduced in size.
[0057]
Such a small and low power consumption laser printer can be suitably used particularly as a portable printer.
[0058]
Further, since the polygon mirror is not used, the printing speed is not limited by the number of rotations, and the number of light emitting point arrays is covered by the entire width of the recording paper, thereby providing an ultra-high speed printer. .
[0059]
In this embodiment, the back exposure using the corona discharge is described. However, the back exposure may be performed using the corona discharge as in the prior art. In this embodiment, a cylindrical photosensitive drum is shown, but a flat belt-like photosensitive member may be used.
[0060]
Example 2
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0061]
In this embodiment, the exposure apparatus is composed of a flexible substrate and is brought into close contact with the inner wall of the photosensitive drum, thereby improving the focal position accuracy of the condensing lens. In the first embodiment, since a rigid mounting substrate is used, it is arranged away from the inner wall of the photosensitive drum, and a flat microlens array is used to focus on the photoconductive layer. However, high installation position accuracy is required. It was. On the other hand, by bringing the exposure device into close contact with the inner wall of the photosensitive drum, the distance from the exposure device to the photoconductive layer of the photosensitive member is about 2 mm (determined by the thickness of the transparent support of the photosensitive drum), and a surface emitting laser. Since the radiation angle of the lens is about several degrees, the curvature of the lens used is small and the focal position accuracy can be improved.
[0062]
FIG. 4 shows a state in which the
[0063]
As shown in FIG. 5, the
[0064]
On the other hand, surface emitting lasers are thinned by epitaxial lift-off to provide surface wiring in order to eliminate wire bonding for contact exposure. An insulating
[0065]
A method for manufacturing a surface emitting laser having a thin film structure will be described with reference to FIGS. In FIG. 6A, an n-
[0066]
The light emitting region is formed by performing cylindrical dry etching with a diameter of 20 μm and then heating while flowing water vapor to selectively oxidize only the vicinity of the active layer to form an AlxOy layer (selective oxide layer) 46. This is done by reducing the diameter to 5 μm. By this selective oxidation, it is possible to reduce the threshold value and to achieve a single mode. The etched recess is flattened by filling an
[0067]
In FIG. 6B, the surface emitting laser array manufactured as shown in FIG. 6A is polished to a thickness of about 100 μm, and then cut into chips by cutting with 2 × 50 elements, for example. Thereafter, this chip is bonded to the
[0068]
Next, in FIG. 6C, the n-
[0069]
In this embodiment, since the surface emitting laser is an anode common type, it can be adapted to a high-speed driver IC, and further high-speed printing is possible.
[0070]
Furthermore, according to the present embodiment, the same effects as those of the first embodiment can be obtained, and as described above, the exposure apparatus can be installed in close contact with the inner wall of the photosensitive drum, so that the focal position accuracy can be improved.
Example 3
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0071]
In this embodiment, as shown in FIG. 3, the surface emitting lasers are not arrayed in a line, but the exposure apparatus is reciprocated inside the photosensitive drum to reduce the cost of the exposure apparatus.
[0072]
In the above-described embodiment, although high-speed printing is possible, in order to integrate several thousand or more surface emitting lasers, there is a concern about an increase in manufacturing cost due to a problem of yield and a problem of variation in emission intensity.
[0073]
Therefore, in this embodiment, the number of arrays is reduced by slightly reducing the high speed, and a low-cost image forming apparatus is realized.
[0074]
In FIG. 7A, a
[0075]
As shown in FIG. 7B, the
[0076]
For example, when it corresponds to 1200 dpi, the pitch of the light emitting points is about 21.2 μm, but the element interval of the 10 × 10 array is formed in a square with a pitch of 212 μm, and α = an inclination angle of about 5.7 degrees. You can do it. In this case, printing of 100 lines, that is, a width of 2.12 mm is possible by scanning once in the width direction. By performing printing by reciprocating movement, it is possible to save the return scanning time. For example, to print about 30 cm in the vertical direction of A4, the number of scanning is about 140 times. When 0.1 sec is set for one scan, the printing speed is slowed down to 14 seconds / sheet, but it can be sufficiently applied to an apparatus that places importance on low cost and portability. If the resolution is lowered, the printing speed is naturally increased.
[0077]
Example 4
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
[0078]
In the above embodiment, the case of an image forming apparatus having a single color, that is, a single back exposure photosensitive drum has been described. In this embodiment, the present invention is a full color image forming apparatus having a four color image forming station. For example, it is applied to a full-color printer. That is, as shown in FIG. 8, the image forming apparatus of this embodiment has basically the same configuration as that of the back exposure type image forming apparatus using the surface emitting laser array described in the first embodiment. Further, yellow
[0079]
By providing a configuration in which the above-described four back exposure photosensitive drums are arranged in parallel as in the present embodiment, it can function as a small full-color image forming apparatus. In particular, when four image forming stations are operated at the same time, when a surface emitting laser is used as in the present invention, the power consumption can be reduced. Therefore, compared with a full color image forming apparatus equipped with a conventional exposure apparatus. It is advantageous. Further, in this case, since the exposure means is small, the apparatus does not increase in size even when four photosensitive drums are arranged, and a portable color printer can be provided.
[0080]
【The invention's effect】
As described above, the image forming apparatus of the present invention includes a photoconductor in which a transparent conductor layer and a photoconductor layer are provided in order on a transparent support, and light irradiation that is provided inside the photoconductor and emits light. And the light irradiation means irradiates light from the transparent support side to expose the photoconductor layer, and the exposed portion on the photoconductor layer is exposed to the photoconductor layer side. In an image forming apparatus that forms a visible image by supplying toner and selectively attaching the toner, the light irradiation unit includes a substrate and a surface emitting laser that is provided on the substrate and emits light in a vertical direction. YesThe substrate has flexibility, and the surface-emitting laser is attached so as to be in close contact with the inner wall of the photosensitive member. An epitaxial growth semiconductor substrate used to form the surface-emitting laser is provided. All removedByThe light irradiation means can be installed in close contact with the inner wall of the photoconductor, improving the focal position accuracy,Low power consumption, compact and excellent portability, and high-speed recording can be achieved.
[0081]
In addition, since the image forming apparatus of the present invention performs exposure by a method that does not use corona discharge, it does not generate ozone and has excellent environmental resistance.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a back exposure type image forming apparatus according to the present invention.
2 is a diagram showing a layer structure of a photosensitive drum in the image forming apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 3A is a perspective view showing an embodiment of the exposure apparatus according to the present invention, and FIG.
FIG. 4 is a view for explaining how to attach an exposure apparatus according to another embodiment of the present invention.
5 is a perspective view (a) showing the configuration of the exposure apparatus in FIG. 4 and a partial cross-sectional view (b) along the line A-A ′ in FIG. 5 (a).
6 is a view for explaining a method of manufacturing a surface emitting laser in the exposure apparatus of FIG. 4; FIG.
FIG. 7 is a partially cutaway side view (a) and an enlarged plan view (b) for explaining another embodiment of the exposure apparatus according to the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of a color image forming apparatus according to the present invention.
FIG. 9 is a view showing a conventional example in which a surface emitting laser is used as an exposure apparatus.
FIG. 10 is a diagram showing a conventional example of how light emitting points are arranged in a surface emitting laser array.
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating an example of an image forming apparatus employing conventional backside exposure.
[Explanation of symbols]
1 Photoconductor
2 Exposure equipment (light irradiation means)
20 Transparent support
21 Transparent conductive layer
22 Photoconductive layer
23 Surface layer
30, 72 Surface emitting laser array
31, 50, 70 Mounting board
32, 71 Driver IC
34, 54 luminous point
73 Belt
Claims (1)
前記光照射手段が前記透明支持体側から光を照射して前記光導電体層に露光を行い、前記光導電体層上の露光された部分にトナーを供給して可視像を形成する画像形成装置において、
前記光照射手段は、基板と、前記基板に設けられ垂直方向に光を出射する面発光レーザとを有し、
前記基板は可撓性を有し、前記面発光レーザは前記感光体の内壁に密着するように取り付けられており、該面発光レーザを形成するために用いられたエピタキシャル成長用の半導体基板がすべて除去されていることを特徴とする画像形成装置。A photoconductor provided with a transparent conductor layer and a photoconductor layer in order on a transparent support; and a light irradiation means for irradiating light provided inside the photoconductor,
Image formation in which the light irradiation means irradiates light from the transparent support side to expose the photoconductor layer, and supplies a toner to the exposed portion on the photoconductor layer to form a visible image In the device
The light irradiation means, possess a substrate, and a surface emitting laser that emits light in a vertical direction is provided on the substrate,
The substrate has flexibility, and the surface emitting laser is attached so as to be in close contact with the inner wall of the photoconductor, and all of the epitaxial growth semiconductor substrate used to form the surface emitting laser is removed. an image forming apparatus characterized in that it is.
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