JP5526861B2 - 負荷駆動装置、負荷駆動回路、画像読取装置および画像形成装置 - Google Patents

負荷駆動装置、負荷駆動回路、画像読取装置および画像形成装置 Download PDF

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Description

本発明は、画像読取装置(スキャナ)、及び、該画像読取装置を備えた画像形成装置(複写機、MFP、PPC)におけるセンサ(CCD)の高速駆動技術に関する。
画像読取装置としてのスキャナは、原稿からの反射光を取得し、センサ基板(SBU)内に配置されたCCDで光電変換し電気信号に変えることで原稿を読み取る。
SBUは主に、原稿からの反射光を光電変換するCCD、CCDからの出力信号に種々のアナログ処理を施すAFE(Analog-Front-End)、CCD又はAFEを駆動するための駆動信号を発生するタイミングジェネレータ(TG、Timing-Generator)、CCDを駆動するCCDドライバで構成される。
TGで生成されたCCD駆動信号は、CCDドライバを介してCCDに入力されるが、CCDを駆動するためには、CCD入力端において任意の2信号間の信号タイミングを一定期間以上確保しなければいけないといったように、単一又は2信号間における様々なタイミング制約を満足する必要がある。
しかし、CCD駆動を高速にするにつれ、タイミング制約を満足することが困難となる。これは、CCDドライバでの入出力遅延や、抵抗/容量の公差、伝送線路の寄生成分(抵抗/容量/インダクタ成分)、CCDの端子容量など、回路上に多数のバラツキ要因が存在しているためである。特にCCDドライバの立上り/立下り特性のバラツキにより、駆動信号の立上りエッジと立ち下がりエッジでCCDドライバの入出力遅延時間がばらつくことや、それによりCCD駆動信号のH/L期間のデューティー比がばらつくことが大きな問題となる。CCD駆動回路はこれらバラツキが要因ワーストとなった場合でも、タイミング制約を全て満足できるようにマージンを持たせて設計しなければならないが、高速化によってそのタイミングマージンが取れなくなる。
上記問題に対応する技術としては、CCDに入力している駆動信号をTGにフィードバックし、それにより任意の信号の遅延(位相)を制御する構成とすることで、各バラツキ要因を最小限にし、CCDの高速駆動を可能にすることができる技術が既に知られている。
関連する技術として、CCD駆動信号のタイミングスキューなどのばらつき要因を最低限にする目的で、駆動信号を発生して出力する駆動信号発生手段と、駆動信号発生手段から負荷に出力される駆動信号を駆動信号発生手段にフィードバックするフィードバック手段と、を備え、駆動信号発生手段は、フィードバックされた駆動信号に基づいて遅延を制御した駆動信号を発生して出力する構成が開示されている。これにより、CCD駆動信号のタイミングスキューなどのばらつき要因を最低限にする(特許文献1参照)。
しかし、今までの技術は、信号の遅延差を検出するためのフィードバック回路が駆動信号に直接つながっていることにより余分な負荷が増え、フィードバック回路の寄生成分などにより駆動信号に影響を与え、特に負荷の軽い信号では、遅延差バラツキを制御しても、CCD入力端での信号タイミングは結局ばらついてしまい最適にできないという問題があった。
本発明の目的は、CCDドライバ入出力での駆動信号の遅延バラツキ、H/L期間のデューティーのバラツキを最小限にし、CCD入力端での信号タイミングを最適にすることにより、CCD高速駆動を可能とする負荷駆動装置、負荷駆動回路、画像読取装置および画像形成装置を提供することにある。
請求項1記載の発明は、負荷とそれを駆動するための駆動信号、及び駆動信号とは別のバラツキを検出するためのバラツキ検出信号を生成し、供給する駆動信号生成手段と、駆動信号とバラツキ検出信号とを同一のICを介して供給するバッファ手段と、駆動信号生成手段で生成された、駆動信号以外の2信号のバラツキを検出するバラツキ検出手段と、バラツキ検出手段で検出された信号バラツキを駆動信号生成手段にフィードバックするフィードバック手段と、を備え、駆動信号生成手段は、フィードバックされたバラツキ情報としての駆動信号以外の2信号の電位差を基に負荷の入力端でH期間及びL期間におけるデューティー比のバラツキをより小さくするように、駆動信号の立上がり位置及び立下がり位置を制御する位相制御手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、CCD駆動信号に影響を与えることなく、CCDドライバ入出力での駆動信号の遅延バラツキ、H/L期間のデューティーのバラツキを最小限にし、CCD入力端での信号タイミングを最適にすることができる。CCD駆動信号の他に、駆動信号のバラツキを検出するための信号(ref_clk)を設け、駆動信号と同一のCCDドライバを介す構成としref_clkのCCDドライバ入力と出力でバラツキを検出し、バラツキに応じてタイミングジェネレータでの駆動信号の位相設定を制御することにより、駆動信号に影響を与えることなく、信号タイミングのバラツキを最小限にすることができるからである。
本発明の実施の形態におけるSBUでの信号の流れをについて説明する図である。 本発明の実施の形態におけるCCD駆動信号のタイミング制約について説明する図である。 本発明の実施の形態におけるCCDドライバ入出力での遅延バラツキ、H/L期間バラツキについて説明する図である。 本発明の実施の形態における構成について説明する図である。 本発明の実施の形態におけるバラツキ検出手段の構成について説明する図である。 本発明の実施の形態におけるバラツキ検出の方法について説明する図である。 本実施の形態による効果について説明する図である。 複数のCCDドライバが存在するときの構成について説明する図である。 図8の構成の効果について説明する図である。 位相制御部の構成について説明する図である。 位相セレクタの動作について説明する図である。 位相セレクタでの位相変化について説明する図である。 バラツキ検出手段をTG内に配置する構成について説明する図である。 タイミング制約が厳しい信号を同一のCCDドライバを介して供給する構成について説明する図である。 CCDドライバ出力のref(2)を分圧する構成について説明する図である。 ref(2)の信号レベルを変換するレベルシフト素子を挿入する構成について説明する図である。
図1は、SBUでの信号の流れをについて説明する図である。
スキャナは、原稿からの反射光を取得し、センサ基板(SBU)内に配置されたCCDで光電変換し電気信号に変えることで原稿を読み取る(図示せず)。その中でSBUは主に、原稿からの反射光を光電変換するCCD、CCDからの出力信号に種々のアナログ処理を施すAFE(Analog-Front-End)、CCD又はAFEを駆動するための駆動信号を発生するタイミングジェネレータ(TG、Timing-Generator)、CCDを駆動するCCDドライバで構成される。
CCDおよびAFEの駆動に必要な駆動信号(CCD_CLK、AFE_CLK)、及び、各種ゲート信号(GATE)は、TGで生成され、CCDやAFEに入力される。TGで生成されたCCD駆動信号は、CCDドライバを介してCCDに供給し、CCDは原稿からの反射光を光電変換しアナログ電気信号として出力する。出力されたアナログ電気信号は、バッファ回路(エミッタフォロワ回路で構成される)を介してコンデンサにより交流結合され、AFEに入力される。AFEでは、クランプ部によって基準黒レベルがAFEの内部基準電圧に補正され、サンプル・ホールド部で画像信号がサンプリングされ、増幅部で増幅された後、A/D変換部でデジタル画像データとして出力される(図示せず)。
図2は、CCD駆動信号のタイミング制約について説明する図である。
TGで生成されたCCD駆動信号は、CCDドライバを介してCCDに入力される(φ1,φ2,φ2L,RS,CP)が、各駆動信号は、図2のように単一又は2信号間でのタイミング制約が存在する。例えば、RSのHigh期間(t5)、又は、RS↓吐CP↓(t7)には各々確保しなければならない最小値が設定されており、CCDを駆動する上では、部品のばらつきがある場合でも、これらのタイミング制約を全て満足しなければならない(t1~t4,t6,t8の規格についても同様に確保しなければならない最小値が設定されている)。
また、Vx1はφ1↓-φ2↑,φ1↑-φ2↓のクロスポイントに関する規格であり、所定の電圧以上でクロスポイントを確保するように制約されている。例えば、図2(a)でφ2↑タイミングが遅れた場合、φ1↓-φ2↑クロスポイントVx1は小さくなり、φ2↑遅延時間が大きくなるとVx1は所定の電圧以下となり制約を満足できなくなる。そのためこの制約を満足するためには、ばらついた場合でもクロスポイントが確保できるようにφ1↓-φ2↑,φ1↑とφ2↓のタイミングを揃える必要がある。φ1↓-φ2L↑,φ1↑-φ2L↓のクロスポイントVx2に関しても同様である。
ここで、φ1/φ2はCCDイメージセンサ内のフォトダイオード(PD)で得られた信号電荷をアナログシフトレジスタ上で電荷転送を行うための転送クロックであり、φ2Lは最終段の転送クロックである。また、RSは出力段に転送されてきた信号電荷を電圧として検出するフローティングキャパシタに蓄積した信号電荷を初期状態にリセットするリセット信号であり、CPはCCD出力信号の基準を任意の電圧となるように調整(クランプ)するクランプ信号である。また、上記以外に、PDで得られた信号電荷を1ラインに1回アナログシフトレジスタに転送するためのシフトゲート信号があるが図示していない。
一方、各駆動信号はTG内のクロック生成部(図示せず)にて任意のタイミング関係となるように生成される。
図3は、CCDドライバ入出力での遅延バラツキ、H/L期間バラツキについて説明する図である。
CCD駆動を高速にするにつれ、タイミング制約を満足することが困難となる。これは、CCDドライバでの入出力遅延や、抵抗/容量の公差、伝送線路の寄生成分(抵抗/容量/インダクタ成分)、CCDの端子容量など、回路上に多数のバラツキ要因が存在しているためである。
図3に示すように、特にCCDドライバの立上り/立下り特性のバラツキにより、駆動信号の立上りエッジでの入出力遅延時間(ta)、立ち下がりエッジでの入出力遅延時間(tb)がばらつくことや、ta,tbがばらつくことによりCCD駆動信号のH/L期間のデューティー比がばらつくことが大きな問題となる。
CCD駆動回路はこれらバラツキ要因がワーストとなった場合でも、タイミング制約を全て満足できるようにマージンを持たせて設計しなければならないが、高速化によって特性バラツキが満足すべきタイミングに対して大きくなるために、そのタイミングマージンが取れなくなる。
尚、CCDドライバをバッファタイプを例として説明するが、インバータタイプでも良い。
図4は、本実施の形態での構成について説明する図である。
CCD駆動信号とは別の2信号であるバラツキ検出用信号(ref_clk)を設け、その2信号の遅延差をバラツキ検出手段で検出し、TGにある位相制御手段にフィードバックし、2信号の遅延差分CCD駆動信号の位相を制御できる構成とする。これにより、駆動信号に影響を与えることなく、検出された2信号の遅延差分駆動信号を補正することができる。
ここで、図4に示すように、CCD駆動信号とは別の2信号とは、バラツキ検出用信号(ref_clk)のCCDドライバを介さない信号(ref(1))とCCDドライバを介す信号(ref(2))とする。ref(1)とref(2)の遅延差をバラツキ検出手段で検出し、TGの位相制御手段にフィードバックし、駆動信号を制御することにより、高速駆動の際に問題となるCCDドライバの入出力での遅延バラツキや、H/L期間のデューティーバラツキを補正することができる。
図5は、バラツキ検出手段の構成について説明する図である。
バラツキ検出手段の構成は図5に示すように、バラツキ検出用信号のCCDドライバを介さない信号ref(1)とCCDドライバを介すref(2)をそれぞれ広域カットフィルタ(FIL)に供給し、高周波成分を除去し直流信号に変換し、それぞれの電圧の差分を検出する構成とし、その電圧の差分をTGにフィードバックする。
図6は、バラツキ検出の方法について説明する図である。
CCDドライバを介したバラツキ検出用信号(ref(2))は、CCDドライバを介さないバラツキ検出用信号(ref(1))と比べ、立上りエッジは立上りの入出力遅延T1、立下りエッジは立下りの入出力遅延T2、それぞれ遅延する。このとき、ref(2)のH期間は(T1−T2)削られることになる。このT1,T2はCCDドライバのパッケージが異なれば図3のように大きくばらつくので、高速駆動の際はバラツキを含めて各信号のタイミング規格を満足することは困難とり、T1,T2のバラツキを抑制することは必須となる。
そこで、ref(1)、ref(2)をそれぞれ高域カットフィルタに通すと、例えばCCDドライバを介さない信号ref(1)のH期間とL期間の比が1:1であれば、高域カットFILを通すことによりVcc/2の直流信号が得られる(Vccは電源電圧)。また、CCDドライバを介した信号ref(2)のH期間とL期間の比が1:2だとすると、FILを通すことによりVcc/3の直流信号が得られることになる。この電位差Vd=(Vcc/2−Vcc/3)が電位差検出手段で検出され、CCDドライバを介すことにより削られたH期間(T1−T2)に対応することになる。検出された電位差Vd=(Vcc/2−Vcc/3)をTGの位相制御手段にフィードバックする。
図7は、本実施の形態による効果について説明する図である。
電位差検出手段で検出された電位差Vd=(Vcc/2−Vcc/3)をTGの位相制御手段にフィードバックし、位相制御手段では電位差Vd=(Vcc/2−Vcc/3)に対応した期間(T1−T2)、CCD駆動信号のH期間を広げるように位相を制御する。これにより、位相制御後のCCDドライバを介した後のCCD_CLKIは、位相制御前のCCDドライバを介す
前の信号CCD_clk(1)と同一のH/L期間となり、CCDドライバを介すことにより生じるH/L期間のデューティー比のバラツキ(T1−T2のバラツキ)を実質無しにすることができる。
また、同一のCCDドライバを介す信号同士であればT1,T2のバラツキは特性トラッキングにより、小さくなるので、CCD_CLKIと同一CCDドライバを介している別の
駆動信号CCD_CLKIIとの信号間のタイミングバラツキを最小限に抑えることができ、適切なタイミングでCCDに供給することができる。
図8は、複数のCCDドライバが存在するときの構成について説明する図である。
図8のようにCCD駆動に際して、CCDドライバが複数個存在するときには、1つのCCDドライバにつきref_clkを1信号供給し、それぞれCCDドライバを介さない信号ref(1)とCCDドライバを介すref(1)、バラツキ検出手段を設け、各々CCDドライバ入出力でのバラツキを検出する構成とする。CCDドライバの特性は、同一パッケージ内では特性はトラッキングし、バラツキを小さく抑えることができる。しかし、パッケージが異なると特性バラツキは大きくなり、さらにCCDドライバの使用数が増えると、同一基板上にロットが異なるCCDドライバが搭載される可能性もあり、その場合バラツキはさらに大きくなる。そこで、各CCDドライバにバラツキ検出用信号を設け、それぞれCCDドライバを介さない信号ref(1)とCCDドライバを介すref(1)を設けることにより、CCDドライバ毎に入出力での遅延バラツキや、H/L期間のデューティーバラツキを制御することができ、CCDドライバの特性バラツキに関係なく各駆動信号を適切な位相に補正することができる。
図9は、図8の構成の効果について説明する図である。
異なるパッケージのCCDドライバでは、立上りエッジの入出力遅延時間(T1,T3)と立下りエッジの入出力遅延時間(T2,T3)のバラツキが大きくなり、T1−T2、T3−T4の時間も大きくばらつくことになる。図9のように、CCDドライバ入力前の駆動信号(CCD_clk(1)、CCD_clk(1))のH/L期間デューティーが同一であったとしても、異なるドライバを介すことによりドライバ出力後には、H/L期間のデューティーがCCD_clk(1)とCCD_clk(1)のように大きくばらつく場合がある。
そこで、図8のような構成にすることにより、CCDドライバ毎に入出力での遅延バラツキや、H/L期間のデューティーバラツキを補正することができ、パッケージの違いによるCCDドライバの特性バラツキを抑制し、CCD_CLKI、CCD_CLKIIIのように各駆動信号を適切な位相に制御することができる。
図10は、位相制御部の構成について説明する図である。図11は、位相セレクタの動作について説明する図である。図12は、位相セレクタでの位相変化について説明する図である。
位相制御手段は、図10のようなDLL(Delay-Lock-Loop)を用いることで、誤差の少ない構成にすることができる。 TG内で生成される各駆動信号(S1〜S4)をDLLの基準信号としており、それと遅延素子(D)の出力との位相を位相比較器で比較し、各遅延素子の遅延を制御し、最終的に基準信号と遅延素子の出力との位相が360°異なる(1周期分異なる)ように調整される(位相がロックされる)。このとき、遅延素子1段当たりの遅延量Dは、基準信号の周期T、遅延素子の数nとすると、D=T/n となり、遅延量Dは基準信号の周期Tと遅延素子数nのみで決まる。分解能を上げる(設定ステップを細かくする)ためには遅延素子数nを大きくすればよい。
また、位相セレクタにはバラツキ検出手段で検出された電圧差Vdがフィードバックされ、その電位差に応じて図11に示すような動作を行う。例えば、図12に示すように、遅延素子の数n=16、初期位相が立上りエッジはD(1)、立下りエッジはD(10)であったとする。バラツキ検出手段でVd=Vcc/8の電位差が検出されフィードバックされたとき、Vd=2*Vcc/16=Vcc/8となり立下りの位相を+2してD(12)となるように制御させる。これにより、CCDドライバの入出力でH期間のデューティーが小さくなる分を位相制御手段で補正することができる。
図13は、バラツキ検出手段をTG内に配置する構成について説明する図である。
これまでは、CCDの入出力での遅延バラツキを検出して位相を制御する構成であった。しかし、厳密には、生成された駆動信号がTGを出力する際にも、立上りエッジと立下りエッジの出力遅延バラツキが存在し、H/L期間のデューティーがばらつく要因となる。
そこで、図13に示すようにバラツキ検出手段をTG内に配置し、TGで生成されるバラツキ検出用信号の内部信号(ref(1))、TGから出力されCCDドライバを介した信号(ref(2))をTGにフィードバックした信号のバラツキを検出し、位相制御を行う構成とする。これにより、CCDドライバ入出力での遅延バラツキに加え、TG出力の際の立上りエッジと立下りエッジの出力遅延バラツキも含めた遅延バラツキを検出し制御することができるので、図4に示す構成よりもさらにバラツキを小さくすることができ、CCD入力端でのタイミングをより最適にすることができる。
図14は、タイミング制約が厳しい信号を同一のCCDドライバを介して供給する構成について説明する図である。
ここで、図2のt3〜t8のようにφ2LとRSとCPの信号間では、満足しなければならないタイミング規格が多く存在し、タイミングの制約が厳しくなりCCDの高速駆動の際に課題となるケースがある。これらの駆動信号を別パッケージのCCDドライバを介して供給する場合、それぞれの信号のH/L期間デューティーを最適に制御することができても、図9に示すCCDドライバの入出力遅延時間T1とT3のバラツキが問題となりタイミング制約を満足させることができなくなる。
そこで、図13に示すようにタイミング制約が厳しくなる信号(φ2L,RS,CP)は、同一のCCDドライバを介する構成とする。これにより、CCDドライバの入出力遅延バラツキは同一のICでは特性トラッキングにより小さくすることができるので、タイミング制約が厳しくなる信号間のタイミング規格を満足させるのに有利になる。
TG出力の駆動信号の論理レベルは、CCDドライバ出力の駆動信号の論理レベルよりも低い場合がある。このとき、CCDドライバ出力のバラツキ検出用信号(ref(2))の信号レベルを、TG出力のバラツキ検出用信号(ref(1))の信号レベルに合わせる必要がある。
この問題に関しては、図15に示すようにCCDドライバ出力のref(2)を分圧することや、図16のようにref(2)の信号レベルを変換するレベルシフト素子を挿入することなどで対応できる。これにより、TG出力の駆動信号の論理レベルがCCDドライバ出力の駆動信号の論理レベルよりも低い場合でも、バラツキ検出手段でCCDドライバ入出力での信号バラツキを検出することができる。
なお、上述する各実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更実施が可能である。
特開2008−072392号公報

Claims (13)

  1. 負荷とそれを駆動するための駆動信号、及び前記駆動信号とは別のバラツキを検出するためのバラツキ検出信号を生成し、供給する駆動信号生成手段と、
    前記駆動信号と前記バラツキ検出信号とを同一のICを介して供給するバッファ手段と、
    前記駆動信号生成手段で生成された、前記駆動信号以外の2信号のバラツキを検出するバラツキ検出手段と、
    前記バラツキ検出手段で検出された信号バラツキを前記駆動信号生成手段にフィードバックするフィードバック手段と、を備え、
    前記駆動信号生成手段は、フィードバックされたバラツキ情報としての駆動信号以外の2信号の電位差を基に前記負荷の入力端でH期間及びL期間におけるデューティー比のバラツキをより小さくするように、駆動信号の立上がり位置及び立下がり位置を制御する位相制御手段を備えることを特徴とする負荷駆動装置。
  2. 前記駆動信号以外の2信号は、前記駆動信号と同一の前記バッファ手段を介した信号と、介していない信号であることを特徴とする請求項1記載の負荷駆動装置。
  3. 前記バラツキ検出手段は、前記2信号の電位差を検出することを特徴とする請求項2に記載の負荷駆動装置。
  4. 前記バラツキ検出信号及び前記バラツキ検出手段は、1つの前記バッファ手段につき1つずつ所有することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。
  5. 前記位相制御手段は、複数の遅延素子及び位相セレクタ、位相比較器からなるDLLで構成されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。
  6. 前記バラツキ検出手段は、前記駆動信号生成手段の内部で構成されることを特徴とする請求項1又は3、4に記載の負荷駆動装置。
  7. タイミング制約の厳しい前記駆動信号同士を、同一の前記バッファ手段を介して供給する構成であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。
  8. 前記駆動信号と同一の前記バッファ手段を介して供給される前記バラツキ検出信号は、バッファ出力後分圧されることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。
  9. 前記駆動信号と同一の前記バッファ手段を介して供給される前記バラツキ検出信号は、バッファ出力後レベルシフト素子により論理レベルを変換することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。
  10. 前記負荷は、イメージセンサであることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。
  11. 請求項10に記載の負荷駆動装置を備えたことを特徴とする負荷駆動回路。
  12. 請求項11に記載の負荷駆動回路を備えたことを特徴とする画像読取装置。
  13. 請求項12に記載の画像読取装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。
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