JP2006021480A - 画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】
感光体ドラム上を走査するレーザビームの走査幅がばらつきを抑え、高画質のカラー画像を得る。
【解決手段】
前記各々のレーザ走査光学ユニットにはそれぞれのクロック生成手段が設けられ、該クロック生成手段は、出力する周波数を設定する設定手段と、該設定手段の設定値に応じて出力する周波数を増減することが出来る発振器とを有し、前記クロック生成手段の出力をビデオクロックを生成する周波数として用いるとともに前記発振器に圧電振動子を用いることを特徴とする。
【選択図】図3
感光体ドラム上を走査するレーザビームの走査幅がばらつきを抑え、高画質のカラー画像を得る。
【解決手段】
前記各々のレーザ走査光学ユニットにはそれぞれのクロック生成手段が設けられ、該クロック生成手段は、出力する周波数を設定する設定手段と、該設定手段の設定値に応じて出力する周波数を増減することが出来る発振器とを有し、前記クロック生成手段の出力をビデオクロックを生成する周波数として用いるとともに前記発振器に圧電振動子を用いることを特徴とする。
【選択図】図3
Description
本発明は、回転多面鏡を備えた複数のレーザ走査光学ユニットにより、レーザビームを走査する電子写真方式のレーザビームプリンタや複写機などの画像形成装置に関する。
図2に、一般的なレーザビームプリンタのレーザ走査光学ユニットの構成を示す。図2において、レーザビームを用いた画像形成装置は、コントローラからの画像データを基に半導体レーザ1からレーザビームを発光させ、コリメータレンズ2を通して並行な光にし、回転多面鏡3で偏向し、fθレンズ4、リターンミラー5などの光学系レンズを介して、レーザビームを像担持体としての感光体ドラム8上に走査するように構成されている。また、コントローラからの画像データは、レーザビームが感光体ドラム8を走査する手前に配置された光センサ6からの出力信号に同期したビデオクロックのタイミングで処理され、半導体レーザ1からレーザビームを発光させる変調信号に変換される。この変調信号で発光したレーザビームが、感光体ドラム8上に静電潜像を形成する。この静電潜像が現像器で現像され、トナー像が形成される。従って、このトナー像がコントローラの画像データから形成された画像となる。ここで、レーザ走査光学ユニットは、半導体レーザ1、コリメータレンズ2、回転多面鏡3、fθレンズ4、リターンミラー5、BDセンサ6で構成される。
図1は、複数のレーザ走査光学ユニットを有するレーザビームプリンタの一例を示す。図1において、8a、8b、8c、8dは感光体ドラム、7a、7b、7c、7dは該感光体ドラム上にレーザビームを走査するレーザ走査光学ユニット、9a、9b、9c、9dは帯電器、10a、10b、10c、10dは現像器、11a、11b、11c、11dは第一転写器、12a、12b、12c、12dは清掃器である。
次に、動作について説明する。最初に、帯電器9aで帯電させられた感光体ドラム8aは、レーザ走査光学ユニット7aからのレーザビームで露光され、静電潜像を形成する。この静電潜像は、現像器10aで反転現像され、トナー像が感光体ドラム8a上に形成される。一方、ベルト駆動ローラ13で駆動される中間転写ベルト14は、図の右から左に搬送され、感光体ドラム8a上のトナー像は、第一転写器11aで中間転写ベルト14に転写される。第一転写器11aで転写されず感光体ドラム8a上に残ったトナーは、清掃器12aで清掃され感光体ドラム8a上から取り除かれる。
次に、帯電器9bで帯電させられた感光体ドラム8bは、レーザ走査光学ユニット7bからのレーザビームで露光され、静電潜像を形成する。この静電潜像は、現像器10bで反転現像され、トナー像が感光体ドラム8b上に形成される。感光体ドラム8b上のトナー像は、先に転写されたトナー像に重畳するように第一転写器11bで中間転写ベルト14に転写される。第一転写器11bで転写されず感光体ドラム5b上に残ったトナーは、清掃器12bで清掃され感光体ドラム8b上から取り除かれる。
他色でも同様に、帯電、露光、現像が行なわれ、先に転写されたトナー像に重畳するように転写されて一つのカラー画像が得られる。
中間転写ベルト14上で複数のトナーが重畳したカラー画像は、第二転写器15で給紙装置16から給紙された用紙17上に転写され、定着器18で定着され、排紙装置19に排紙されて印刷画像が得られる。
しかしながら、複数のレーザ走査光学ユニットを有するカラーレーザプリンタ等の画像形成装置においては、装置内温度による膨張、装置の振動、部品の加工精度や組み立て誤差による各色のレーザ走査光学ユニット間の位置ずれが問題になる。この位置ずれを補正して高精度のカラー印刷を得るためには、位置ずれを1画素以下の精度で補正することが要求される。
感光体ドラム8上を走査するレーザビームの走査幅は、回転多面鏡3での反射角θとfθレンズ4の焦点距離f値とで求められる。一般にfθレンズ4の焦点距離f値の精度は悪く、その誤差が走査幅のばらつきの原因となる。また、画像形成装置内の温度上昇による影響もある。熱により半導体レーザの出力光の波長が変化し、その波長変化がfθレンズの色収差となって走査幅にずれが生じる。また、熱によりレーザ走査光学ユニットが膨張して走査幅に影響する。
例えば、fθレンズの焦点距離の誤差が大きく、走査幅300mmに対して±1mm位の誤差が生じると仮定しても、fθレンズ4と感光体ドラム8の間にレーザビームを正反射するリターンミラー5を設けると、リターンミラー5の取り付け位置の調整により走査幅への影響を取り除くことができる。
一方、熱により半導体レーザの出力光の波長変化は例えば790nmで2〜3nm/10℃、fθレンズの色収差による走査幅の変化はほぼ20〜40μm/10℃である。また、レーザ走査光学ユニットの熱膨張は、ユニット内におけるレンズ類など構成品のレーザビームの走査方向に対して垂直方向の配置に影響するが、アルミを使用すると仮定すると熱膨張率が2.4×10−5であるから、走査幅の変化はほぼ40〜50μm/10℃である。装置内で発生する熱は、装置内に留まらないように熱対策がとられることや、その他のばらつき要因を考慮しても、走査幅のばらつきは300mmに対して±0.3mm程度である。
図1に示すような複数のレーザ走査光学ユニット7a、7B、7c、7dを有するレーザビームプリンタでは、各レーザ走査光学ユニットの温度差による走査幅のずれは、主走査方向の位置ずれとなってカラー画像の色ずれとなる。このように各レーザ走査光学ユニットの走査幅のばらつきにより高画質のカラー画像を得ることが困難になるという問題があった。
この問題を解決するために、特許文献1では、クロック発生器に、基準発振周波数を分周するための分周器と、この分周器の分周比を可変する手段が設け、分周器により周波数を増減させられた後の周波数を各クロック発生器のビデオクロックとして用いている。こ方法は、いわゆるPLL(Phase−Locked Loop)シンセサイザ回路である。
図8に、従来のPLLシンセサイザ回路の構成を示す。発振器101の基準クロックが1/Nr分周器102を介して位相比較器103の一方の入力端子に供給されると共に、電圧制御発振器105の出力が1/Nf分周器106を介して位相比較器103の他方の入力端子に供給される。位相比較器103において、両分周器102、106の出力の周波数及び位相が比較され、比較出力がローパスフィルタ104を介して電圧制御発振器105に供給される。
発振器101の発振周波数をfoscとすると、電圧制御発振器の発振周波数foutは
fout=(Nf/Nr)×fosc (1)
で示される。
fout=(Nf/Nr)×fosc (1)
で示される。
ここで、予め熱による走査幅のばらつきを計算しておき、補正すべきビデオクロックの周波数fvclkを求める。
fvclk=(Lm/Lr)×frclk (2)
ただし、frclkは基準となるビデオクロックの周波数、Lmは計算した走査幅、Lrは基準となる走査幅である。
ただし、frclkは基準となるビデオクロックの周波数、Lmは計算した走査幅、Lrは基準となる走査幅である。
この補正すべきビデオクロック周波数fvclkの値に最も近い電圧制御発振器105の周波数foutが得られるように1/Nr分周器102、1/Nf分周器106の分周比を設定する。
しかしながら、従来のPLLシンセサイザ回路では、電圧制御発振器105はトランジスタとコイル、コンデンサや抵抗の組合せで構成されるため、電圧変動やノイズの影響を受けやすく周波数選択性や周波数安定性や量産性が低いのが特徴である。
また、位相比較器103は、二つの入力信号の周波数及び位相を比較し、比較出力を抵抗とコンデンサの組合せで構成されたローパスフィルタ104を介して電圧制御発振器105に供給する。この位相比較器103の出力CPoは、図10に示すように抵抗とチャージ(Charge)用Tr1とディスチャージ(Discharge)用Tr2の二つのトランジスタがトーテンポール構造で構成され、チャージポンプ(Charge Pump)と呼ばれている。図9に示すように、チャージポンプは二つの信号fRとfFを位相を比較してfRがfFより早ければ、チャージ用トランジスタTR1を”On”させ、ディスチャージ用トランジスタTr2を”Off”させて定電流よりローパスフィルタ104にソース電流を”充電”する。この位相比較器103の出力CPoがVOHのとき、充電電流が流れる。一方、fRがfFより遅ければ、チャージ用トランジスタTr1を“Off”させ、ディスチャージ用トランジスタTr2を”On”させてローパスフィルタ104からシンク電流を”放電”させる。CPoがVOLのとき、充電電流が流れる。また、fRとfFとの位相が同じならば、位相比較器103は”Lock”状態と言い、チャージ用トランジスタTr1およびディスチャージ用トランジスタTr2を”Off”させてローパスフィルタ104に電流が流れないようにハイ・インピダンス(HiZ)状態になる。
チャージポンプがハイ・インピダンス状態が長く続くと、ローパスフィルタ104のコンデンサから電流が漏れ、電圧制御発振器105の制御電圧が低下してしまい電圧制御発振器105の出力周波数が変動してしまう。そのため、図9に示すように”Lock”状態でもチャージポンプは微小の充放電電流を流すように位相比較器103は構成されている。
しかし、この”Lock”状態での微小な充放電電流は、ローパスフィルタ104では完全にはカットできず、電圧制御発振器105の制御電圧に影響して発振周波数の近傍にスプリアス(spurious)が発生し位相ノイズやジッタの原因となり、印刷品質が低下する問題がある。
また、PLLシンセサイザ回路でも、1/Nr分周器102の設定値を大きくして位相比較器に入力される信号がローパスフィルタ104のカットオフ周波数より低くなると、チャージポンプの出力はローパスフィルタ104を通過してしまい、結果として、電圧制御発振器105の制御電圧が大きく変動してしまい出力周波数が一定でなくなってしまう問題がある。
本発明は、圧電振動子を用いた電圧制御発振器と、この電圧制御発振器の発振周波数を可変する手段とを設け、該手段により周波数を増減させられた後の周波数を各クロック発生器のビデオクロックとして用いること特徴とする。
本発明は、電圧制御発振器に、周波数選択性、周波数安定性、及び量産性に優れた圧電振動子を用い、かつ電圧制御発振器の発振周波数を可変する手段に位相比較器およびローパスフィルタを用いていないため、電圧制御発振器の発信周波数の近傍でのスプリアスの発生を抑え、位相ノイズやジッタの少ないビデオクロックが得られる利点がある。
以下、本発明を実施例により説明する。
図6に、本発明の実施例による画像形成装置の画像信号の流れとビデオクロックの関係を示す。感光体ドラム8に画像としての静電潜像を形成するためには、レーザビームの走査方向の書き出し位置と回転多面鏡3との関係が常に一致していなければならない。しかし、回転多面鏡3の回転は、クロック発生器21のクロックから完全に独立しているため、レーザビームを走査する前に、光センサ6に照射して回転多面鏡3との関係が一定である信号を生成する必要がある。この信号が主走査同期信号(BD、Beam Detectの略)である。同期化回路22で、クロック生成器21のクロックをこのBD信号に同期させ、回転多面鏡に同期したビデオクロックVCLKに変換する。
コントローラからの画像信号は、エンジン内のフリップフロップ23に一旦ラッチされ、ビデオクロックVCLKに同期したLD変調信号に変換され、LD変調信号がLDを駆動する。LDはレーザビームを照射し、コリメータレンズ2などの光学部品を介して、感光体ドラムに静電潜像を形成する。
図7、図6に示す回路の動作を説明するタイミングチャートである。ビデオクロックVCLKは、光センサ6からのBD信号の立ち下がりから一定のd時間遅延している。コントローラからの画像信号は、ビデオクロックVCLKに同期したLD変調信号に変換される。
ここでは、LD変調信号に同期信号BDを得るための光センサを照射するタイミングを記載していない。
レーザ走査光学ユニット7a、7b、7c、7dにおいて、前記したようにユニットのベース本体の素材をアルミとし、走査幅を300mmと仮定する。例えば、各レーザ走査光学ユニット内温度に10℃の差が有る場合は、半導体レーザの出力光の波長が微妙に異なったり、レーザ走査光学ユニットの熱膨張により、ビデオクロックVCLKが同一の周波数をもとにレーザビームを走査したとして、熱の影響を最も受けなかったユニットの走査幅は300mmに対して、熱の影響をまともに受けたユニットの走査幅は、fθレンズの色収差とユニットのベース本体の熱膨張により300.3mmとなり、走査の終端で0.3mmの位置ずれとなる。このとき、最も熱の影響を受けたレーザ走査光学ユニットのビデオクロックVCLKの周波数を0.1%高くすることにより、300.3mmの走査幅を300mmに短縮することができ、最も熱の影響を受けなかったレーザ走査光学ユニットの走査幅に一致させることができる。
0.3mmの位置ずれを解像度600dpiのレーザプリンタで1/8画素単位で補正するには、03.mmは7.09画素分あるから補正すべきビデオクロックの周波数は56.72個必要である。0.1%の位置ずれ量を、ビデオクロックの周波数補正量で表すと1000ppm(parts per million)であるから、1/8画素単位で補正するには周波数を17.6ppmに分解できれば良い。
水晶(SiO2)やタンタル酸リチウム(LiTaO3)に力を加えると電圧が生じ、逆にその材料に電圧を加えると歪みが生ずることを圧電効果という。加える電圧を交流にすると歪みの方向が次々と逆になるので、結果として振動する。この振動を利用したデバイスが圧電振動子である。水晶やタンタル酸リチウム以外にもニオブ酸リチウム(LiNbO3)や、酸化亜鉛(ZnO)薄膜が有る。
水晶やタンタル酸リチウムを用いた発振器は、切断の方向や角度、外形寸法などから発振周波数が決まり、その周波数は極めて再現性が高く、精度が高いのが特徴である。圧電振動子を用いた発振器は負荷容量の接続により発振周波数が高くなり、その変化量をΔf、直列共振周波数をf0とすると、次式で近似できる。
Δf/f0=C1/2(C0+ CL) (3)
ここで、C0は発振子の電極間の並列容量、C1はモーショナルキャパシタンスである。
ここで、C0は発振子の電極間の並列容量、C1はモーショナルキャパシタンスである。
圧電振動子を用いた電圧制御発振器は、コイルや抵抗やコンデンサを用いた電圧制御発振器より周波数選択性や周波数安定性や量産性が優れている。水晶を用いた電圧制御発振器では±200〜500ppmの範囲で周波数を変調することができる。また、タンタル酸リチウムを用いた電圧制御発振器は±2000〜5000ppmの範囲で周波数を変調することができる。
例えば、2.5Vを基準に制御電圧Vinが0.5Vのときで−2000ppm、制御電圧Vinが4.5Vのときで+2000ppmの周波数可変範囲を持つタンタル酸リチウムの周波数の変化量Δfと基準の周波数fRの比は
Δf/fR=(Vin−2.5)×10−3 (4)
と表せる。
Δf/fR=(Vin−2.5)×10−3 (4)
と表せる。
0.3mmの位置ずれを1/8画素単位で補正するには周波数を17.6ppmに分解できれば良いから式4に代入すると
Vin−2.5=0.0176V (5)
となる。補正する周波数は56.72通りでありから可変する制御電圧Vinは
0.0176×56.72=0.998V (6)
である。
Vin−2.5=0.0176V (5)
となる。補正する周波数は56.72通りでありから可変する制御電圧Vinは
0.0176×56.72=0.998V (6)
である。
つまり、基準電圧2.5Vを中心に1.5Vから3.5Vまで、0.0176V単位で制御電圧を可変できれば、03.mmの位置ずれを解像度600dpiのレーザビームプリンタで1/8画素単位で補正することができる。
図3は、本発明の第一の実施例である。図3において、31はデジタルデータからアナログ電圧に変換するデジタル−アナログ変換器(DAC)、32は圧電振動子を用いた電圧制御発振器である。デジタル−アナログ変換器31は、複数のレーザ走査光学ユニット7a、7b、7c、7dがそれぞれ形成した測定用トナーパッチを、図示しない光センサで測定して、基準のレーザ走査光学ユニットの走査幅に対する各レーザ走査光学ユニットの走査幅のずれ量を求めた結果から、各レーザ走査光学ユニットの走査幅のずれ量に応じてビデオクロックの周波数を選択するために設定値が入力され、その設定値から電圧制御発振器32の制御電圧に変換する。電圧制御発振器32は、制御電圧に応じた周波数を出力する。
図5に、圧電振動子を用いた電圧制御発振器32の一般的な構成を示す。51は、水晶やタンタル酸リチウムなどの圧電振動子、52は圧電振動子51を振動させるために加える電圧を切り替えるためのインバーター素子、53、54は抵抗器、55、56はコンデンサ、57は可変容量コンデンサ(バリキャップダイオード)である。可変容量コンデンサ57は、抵抗器54を通して加えられる電圧に対してコンデンサ容量を変えることができる。可変容量コンデンサ57とコンデンサ55、56の合成容量が、発振器が出力するクロックの周波数を決定する負荷容量になる。
圧電振動子を用いた電圧制御発振器32は、振動子の切断の方向や角度、外形寸法で振動する周波数が決まるので、その周波数は極めて再現性が高く精度が高い。また、本実施例では、位相比較器が入力された二つの信号の位相が一致して”Lock“状態のとき、微小の充放電電流を流すように構成されている位相比較器と、この微小の充放電電流をカットするローパスフィルタが無いため、発振周波数の近傍に発生するスプリアスを抑えられ、位相ノイズやジッタの少ないクロックが得られる。
デジタル−アナログ変換器31は、設定値が切り替わるとグリッジ・インパルス(ノイズ)を発生することがあるが、グリッジが発生する時間は短時間でありこの発生時間以降の電圧制御発振器32の出力周波数を使用すれば、グリッジの影響は受けない。
図4は、本発明の第二の実施例である。図4において、41は複数ビットのデータをラッチするフリップフロップ、42は複数ビットの比較器、43はカウンタ、44はデジタル−アナログ変換器、45は電圧制御発振器、46は電圧制御発振器45の出力信号を1/Nに分周する分周器、47は分周器46の出力信号の周期を測定するカウンタである。
複数ビットのフリップフロップ41には、複数のレーザ走査光学ユニット7a、7b、7c、7dがそれぞれ形成した測定用トナーパッチを、図示しない光センサで測定して、基準のレーザ走査光学ユニットの走査幅に対する各レーザ走査光学ユニットの走査幅のずれ量を求めた結果から、各レーザ走査光学ユニットの走査幅のずれ量に応じてビデオクロックの周波数を選択するために、ビデオクロックの周期を設定する設定値が格納されている。
比較器42は、A入力にフリップフロップ41の設定値を、B入力にカウンタ45の計数値を入力して、AとBを比較する。比較器42のA入力がB入力より大きい場合に出力される“A>B”信号が、カウンタ43のU入力に、A入力がB入力より小さい場合に出力される“A<B”信号が、カウンタ43のD入力に接続されている。
カウンタ43は、デジタル−アナログ変換器44の分解能に一致するビット数を有するアップ/ダウン・カウンタである。印刷ジョブ(Job)前や印刷ジョブ後にU入力が”1”のときカウンタ43は、アップ・カウンタとして動作し、D入力が“1”のときカウンタ43はダウン・カウンタとして動作する。
デジタル−アナログ変換器44は、カウンタ43の計数値から電圧制御発振器32の制御電圧に変換する。電圧制御発振器45は、制御電圧に応じた周波数を出力する。
本実施例は、電圧制御発振器45の発振周波数を分周器46で分周した信号の周期をカウンタ47で測定するため、電圧制御発振器45の発振周波数が変動して、フリップフロップ41の設定値と異なると、カウンタ43が動作し、電圧制御発振器45の発振周波数の変動を修正するようにデジタル−アナログ変換器44への出力を変化させ、電圧制御発振器45の発振周波数を補正する。
電圧制御発振器45を構成する可変容量コンデンサの特性が入力電圧に対して出力する容量がリニアでなければ、電圧制御発振器45の発振周波数の変動分がリニアでなくなってしまう。しかし、本実施例では電圧制御発振器45の発振周波数をフィードバックして変動分を補正するように動作するので、制御電圧のリニアな変化に対して発振周波数の変化分がリニアな出力が得られる。
1は半導体レーザ、2はコリメータレンズ、3は回転多面鏡、4はfθレンズ、5はリターンミラー、6は光センサ、7はレーザ走査光学ユニット、8は感光体ドラム、9は帯電器、10は現像器、11は第一転写器、12は清掃器、13はベルト駆動ローラ、14は中間転写ベルト、15は第二転写器、16は給紙装置、17は用紙、18は定着器、19は排紙装置、21はクロック発生器、22は同期化回路、23はフリップフロップ、24は半導体レーザドライバ31、44はデジタル−アナログ変換器、32、45は電圧制御発振器、41はフリップフロップ、42は比較器、43はカウンタ、46は分周器、47はカウンタ、101は発振器、102は分周器、103は位相比較器、104はローパスフィルタ、105は電圧制御発振器、106は分周器である。
Claims (5)
- レーザ素子、回転多面鏡、及び光学レンズ等で構成するレーザ走査光学ユニットと、該レーザ走査光学ユニットから出力されるレーザビームが走査して静電潜像を形成する感光体ドラムと、該感光体ドラム上の静電潜像からトナー像に現像する現像ユニットとからなり異なる色に対応した複数の画像形成手段とを有し、前記レーザ走査光学ユニットのレーザ素子はコントローラからの画像信号がクロック発生器の周波数から生成されたビデオクロックに同期した変調信号で駆動される画像形成装置において、前記各々のレーザ走査光学ユニットにはそれぞれのクロック生成手段が設けられ、該クロック生成手段は、出力する周波数を設定する設定手段と、該設定手段の設定値に応じて出力する周波数を増減することが出来る発振器とを有し、前記クロック生成手段の出力をビデオクロックを生成する周波数として用いるとともに前記発振器に圧電振動子を用いることを特徴とする画像形成装置。
- 前記圧電振動子は、タンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
- 前記設定手段は、デジタル−アナログ変換器であることを特徴とする請求項1に記載の画像形成装置。
- レーザ素子、回転多面鏡、及び光学レンズ等で構成するレーザ走査光学ユニットと、該レーザ走査光学ユニットから出力されるレーザビームが走査して静電潜像を形成する感光体ドラムと、該感光体ドラム上の静電潜像からトナー像に現像する現像ユニットとからなり異なる色に対応した複数の画像形成手段とを有し、前記レーザ走査光学ユニットのレーザ素子はコントローラからの画像信号がクロック発生器の周波数から生成されたビデオクロックに同期した変調信号で駆動される画像形成装置において、前記各々のレーザ走査光学ユニットにはそれぞれのクロック生成手段が設けられ、前記クロック生成手段は、出力する周波数の周期を設定する設定手段と、前記クロック生成手段の出力周波数を分周するための分周器と、前期分周器の出力信号の周期を測定する測定手段と、前記設定手段の設定値と前記測定手段の測定結果を比較する比較手段と、前期比各手段の結果に応じて出力する周波数を増減することが出来る発振器とを有し、前記クロック生成手段の出力をビデオクロックを生成する周波数として用いるとともに前記発振器に圧電振動子を用いることを特徴とする画像形成装置。
- 前記圧電振動子は、タンタル酸リチウムであることを特徴とする請求項4に記載の画像形成装置。
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Cited By (1)
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JP2008179145A (ja) * | 2007-01-24 | 2008-08-07 | Xerox Corp | 電子写真システム用rosドライバ回路およびその切り換え方法 |
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2004
- 2004-07-09 JP JP2004203344A patent/JP2006021480A/ja active Pending
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2008179145A (ja) * | 2007-01-24 | 2008-08-07 | Xerox Corp | 電子写真システム用rosドライバ回路およびその切り換え方法 |
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