JP5716346B2 - 信号バッファ回路とセンサ制御基板と画像読取装置および画像形成装置 - Google Patents

信号バッファ回路とセンサ制御基板と画像読取装置および画像形成装置 Download PDF

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Description

この発明は、信号バッファ回路、それを備えたセンサ制御基板、その信号バッファ回路又はセンサ制御基板を備えたスキャナ等の画像読取装置(デジタル複写機やデジタル複合機,ファクシミリ装置等の画像形成装置に搭載された画像読取部あるいは単体の画像読取装置)、およびその画像読取装置を搭載した画像形成装置に関する。
例えば、スキャナは、原稿の画像面(以下単に「原稿」ともいう)からの反射光を取得し、それをセンサ制御基板内に配置されているCCD(Charge Coupled Device)イメージセンサ(以下単に「CCD」と略称する)で光電変換して電気信号に変えることで原稿の画像を読み取るようにしている。
このようなスキャナで使用されるセンサ制御基板において、CCDからの出力信号はエミッタフォロワ回路を用いた信号バッファ回路(以下「エミッタフォロワ回路」ともいう)でバッファされ、AC結合を介してアナログ処理回路(AFE:Analog−Front−End)に入力される。このとき、電源のオン(ON)又はオフ(OFF)や、クロックの投入又は遮断等の一連の過渡動作時には、CCDから過大又は過小出力や、信号暴れが発生し、AFEへの過電圧又は過電流が問題となっていた。
そこで、このような問題に対応する技術として、従来、AFE前段のエミッタフォロワ回路で信号を遮断したり、又は振幅制限を行うことで、AFEへの過電圧又は過電流を防止する方法などが既に知られている。
例えば、特許文献1には、AFEへの過電圧を抑制するため、エミッタフォロワ回路の電源を遅延させることでトランジスタを遮断状態とし、CCDからの出力信号をAFEに伝えないことで過電圧を防止するようにした構成について開示されている。
しかしながら、このようなエミッタフォロワ回路で信号を遮断又は制限する従来の方法では、AFEへの過電圧又は過電流を回避できるが、信号を遮断又は制限しているエミッタフォロワ回路自身に過電圧(逆バイアス)が掛かってしまうという問題があった。
この発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、CCD等の負荷からの過大又は過小出力や信号の暴れに起因して発生するエミッタフォロワ回路等を用いた信号バッファ回路への過電圧および後段のAFEへの過電圧・過電流を同時に防止することを目的とする。
この発明は、上記の目的を達成するため、以下の(1)〜(15)に示す信号バッファ回路、センサ制御基板、画像読取装置、および画像形成装置を提供する。
(1)信号を後段に伝達するバッファ動作を行うバッファを有する信号バッファ回路であって、上記バッファの入力部と出力部との間に接続された抵抗手段と、上記出力部に直列に接続され、上記バッファが上記バッファ動作を行っている場合には低インピーダンス状態、上記バッファ動作を行っていない場合には高インピーダンス状態となるインピーダンス可変手段とを設けたものである。
(2)(1)の信号バッファ回路において、この信号バッファ回路をエミッタフォロワ回路とし、上記抵抗手段および上記インピーダンス可変手段を電気抵抗器およびダイオードとしたものである。
(3)信号を後段に伝達するバッファ動作を行うバッファを有する信号バッファ回路であって、上記バッファの入力部と出力部との間に接続され、上記バッファが上記バッファ動作を行っている場合には高インピーダンス状態、上記バッファ動作を行っていない場合には低インピーダンス状態となる第1のインピーダンス可変手段と、上記出力部に直列に接続され、上記バッファが上記バッファ動作を行っている場合には低インピーダンス状態、上記バッファ動作を行っていない場合には高インピーダンス状態となる第2のインピーダンス可変手段とを設けたものである。
(4)(3)の信号バッファ回路において、この信号バッファ回路をエミッタフォロワ回路とし、上記第1のインピーダンス可変手段および上記第2のインピーダンス可変手段をいずれもダイオードとしたものである。
(5)光電変換を行うイメージセンサと、そのイメージセンサの出力信号を受けて信号を後段に伝達する(2)又は(4)の信号バッファ回路と、その信号バッファ回路の出力信号を入力して信号増幅およびA/D変換を含むアナログ処理を行うアナログ処理回路とを有するセンサ制御基板において、上記エミッタフォロワ回路のオン/オフ制御を行うバッファ制御回路を設けたものである。
(6)(5)のセンサ制御基板において、上記バッファ制御回路を、上記エミッタフォロワ回路への電源の供給をオン/オフ制御する第1のスイッチと、該第1のスイッチをオン/オフ制御する第2のスイッチとによって構成し、上記第2のスイッチを上記電源の遅延信号によって制御するものである。
(7)(5)のセンサ制御基板において、上記バッファ制御回路を、上記エミッタフォロワ回路への電源の供給をオン/オフ制御する第1のスイッチと、該第1のスイッチをオン/オフ制御する第2のスイッチとによって構成し、上記第2のスイッチを任意のタイミングで制御可能な信号の遅延信号によってオン/オフ制御するものである。
(8)(5)のセンサ制御基板において、上記バッファ制御回路を、上記エミッタフォロワ回路への電源の供給をオン/オフ制御する第1のスイッチと、該第1のスイッチをオン/オフ制御する第2のスイッチとによって構成し、上記第2のスイッチを任意のタイミングで制御可能な信号でオン/オフ制御し、上記第1のスイッチを上記第2のスイッチからの制御信号の遅延信号でオン/オフ制御するものである。
(9)(8)のセンサ制御基板において、電気抵抗器とコンデンサとからなり、上記第1のスイッチをオン/オフ制御するための遅延信号を生成するRC回路を設け、上記第1のスイッチを、pnpトランジスタ又はPMOSトランジスタによって構成し、上記コンデンサを上記電源に接続したものである。
(10)(5)〜(9)のいずれかのセンサ制御基板において、上記エミッタフォロワ回路への電源供給端とグランドとの間に電気抵抗器を接続したものである。
(11)(5)〜(10)のいずれかのセンサ制御基板において、上記アナログ処理回路の入出力電流の電流量を制限する電流制限回路を設けたものである。
(12)(2)の信号バッファ回路において、上記電気抵抗器および上記ダイオードを同一の半導体チップ上に形成したものである。
(13)(4)の信号バッファ回路において、上記各ダイオードを同一の半導体チップ上に形成したものである。
(14)(2),(4),(12),又は(13)の信号バッファ回路、あるいは(5)〜(11)のいずれかのセンサ制御基板を備えた画像読取装置である。
(15)(14)の画像読取装置を備え、その画像読取装置によって読み取られた画像データに基づいて画像形成処理を行う画像形成装置である。
この発明によれば、信号バッファ回路に、バッファの入力部と出力部との間に接続された抵抗手段と、上記出力部に直列に接続されたインピーダンス可変手段とを備え、そのインピーダンス可変手段が、バッファがバッファ動作を行っている場合には低インピーダンス状態、バッファ動作を行っていない場合には高インピーダンス状態となることにより、信号バッファ回路への過電圧および後段のAFEへの過電圧・過電流を同時に防止することができる。
あるいは、信号バッファ回路に、バッファの入力部と出力部との間に接続された第1のインピーダンス可変手段と、上記出力部に直列に接続された第2のインピーダンス可変手段とを備え、第1のインピーダンス可変手段が、バッファがバッファ動作を行っている場合には高インピーダンス状態、バッファ動作を行っていない場合には低インピーダンス状態となり、第2のインピーダンス可変手段が、バッファがバッファ動作を行っている場合には低インピーダンス状態、バッファ動作を行っていない場合には高インピーダンス状態となることにより、高速信号の場合でも信号バッファ回路への過電圧および後段のAFEへの過電圧・過電流を同時に防止できる。
この発明による信号バッファ回路の一部の第1構成例を示す回路図である。 その信号バッファ回路の一部から置き換えたEFの構成例を示す回路図である。 図22に示す回路のEF42を図2のEF420に変更したセンサ制御基板における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミング図である。 この発明による信号バッファ回路の一部の第2構成例を示す回路図である。 その信号バッファ回路の一部から置き換えたEFの構成例を示す回路図である。 図22に示す回路のEF42を図5のEF420′に変更したセンサ制御基板における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミング図である。 図5に示したEF420′を用いた信号バッファ回路4を含むセンサ制御基板を構成する主要回路の構成例を示す回路図である。 図7のOVP43を改良したOVPの第1構成例を示す回路図である。
同じくOVP43を改良したOVPの第2構成例を示す回路図である。 同じくOVP43を改良したOVPの第3構成例を示す回路図である。 図5に示したEF420′を用いた信号バッファ回路4および図10に示したOVP430′を含むセンサ制御基板を構成する主要回路の構成例を示す回路図である。 図11に示した主要回路を含むセンサ制御基板における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミング図である。 図11と信号バッファ回路4の回路構成が若干異なるセンサ制御基板を構成する主要回路の構成例を示す回路図である。 図13に示した主要回路を含むセンサ制御基板における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミング図である。 図2に示したEF420を同一の半導体チップ上に形成して集積化した一例を示す回路図である。 図5に示したEF420′を同一の半導体チップ上に形成して集積化した一例を示す回路図である。
この発明によるセンサ制御基板を搭載したスキャナのハード構成例を示す概略図である。 この発明によるセンサ制御基板を搭載したスキャナを備えた画像形成装置の構成例を示す概略図である。 従来のセンサ制御基板の構成例を示す回路図である。 図19に示したセンサ制御基板を構成する主要回路の第1構成例を示す回路図である。 図20に示した回路を含む図19のセンサ制御基板における動作シーケンス上のCCD3の出力信号暴れによるAFE6,EF41,42への過電圧について説明するためのタイミング図である。 図19に示したセンサ制御基板を構成する主要回路の第2構成例を示す回路図である。 図22に示した回路を含む図19のセンサ制御基板における動作シーケンス上のCCD3の出力信号暴れによるEF42への過電圧について説明するためのタイミング図である。 図22のEF42を改良したEFの構成例を示す回路図である。
以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
以下の実施形態は、CCD/信号バッファ回路/AFEを有するセンサ制御基板において、以下の特徴を有する。
すなわち、エミッタフォロワ等の信号バッファ回路への過電圧(逆バイアス)を防止しながら、信号バッファ回路を遮断状態にできる構成とすることが特徴になっている。
そこで、その特徴について詳細に説明するが、その説明に入る前に、理解の便宜のため、従来のスキャナに搭載されているセンサ制御基板内での信号の流れと、そのセンサ制御基板の問題点について、図19〜図24を参照して説明する。なお、タイミングジェネレータ(TG)がアナログ処理回路(AFE)と別チップの構成の例で説明するが、TGがAFEに内蔵されている構成でも良い。
図19は、従来のセンサ制御基板の構成例を示す回路図である。
このセンサ制御基板を備えたスキャナは、原稿からの反射光を取得し、それをセンサ制御基板内に配置されているCCDで光電変換して電気信号に変えることで原稿の画像を読み取る(図示省略)。そのセンサ制御基板は、TG(タイミングジェネレータ)1、CCDドライバ(以下「DRV」ともいう)2、CCD3、信号バッファ回路(図19では「EF」)4、コンデンサ5、AFE6によって構成されている。
TG1は、各種クロックやゲート信号を発生する。それらの信号のうち、CCD3の駆動に必要な駆動信号であるCCD駆動信号(xccd_clk)は、ドライバICであるDRV2を介してCCD3に入力される。CCD3からはアナログ画像信号(ccdout)が出力され、エミッタフォロワ回路(EF)によって構成された信号バッファ回路4でバッファされ、コンデンサ5による交流結合を介してAFE6に入力される。
CCD3は、リニアイメージセンサであり、TG1からのCCD駆動信号に基づいて、原稿からの反射光を光電変換してアナログ画像信号として出力する。
AFE6は、入力されるアナログ画像信号に対して種々のアナログ処理を行う。つまり、サンプル・ホールド、クランプ動作、オフセット補正、信号増幅などを行い、最終的にA/D変換し、デジタル画像データを出力する。ここで、TG1から出力される信号(xshd)がDRV2を介してサンプル・ホールド信号(SHD)としてAFE6に供給される。また、TG1から出力されるマスタクロックMCLKがAFE6に供給される。
図20は、図19に示したセンサ制御基板を構成する主要回路の第1構成例を示す回路図である。
CCD3の信号バッファ回路4は、一般にエミッタフォロワ回路が用いられるが、中でもインピーダンスを十分に下げる目的で、例えば図20に示すように、npnトランジスタ411とpnpトランジスタ421を順に用いた2段構成のEF(エミッタフォロワ回路)41,42が用いられる。
この場合、1段目のEF41は、トランジスタ411のエミッタとグランド(GND)との間に介挿されている電気抵抗器(以下単に「抵抗器」という)であるエミッタ抵抗器412の抵抗Re1により立下りスルーレートが制限され、立下り応答は遅くなる。また、2段目のEF42も、同様に立上り応答が遅くなるが、更にAFE6内部のクランプ回路(CLP)61が動作している場合は、電源(10V)とトランジスタ421のエミッタとの間に介挿されているエミッタ抵抗器422の抵抗Re2とコンデンサ5のAC結合容量Cacとの時定数で決まる立上り応答(〜数ms)程度にしかならない。上記の応答速度は、設計時に想定したレベルの画像信号が入力される通常状態では問題にはならない。
一方、電源オン/オフ時、クロック出力開始/停止時、駆動タイミング変更時など、CCD3の駆動状態が過渡的な状態においてはCCD3の出力信号が過大/過小出力、又は、信号暴れが発生することが知られている。このときのCCD3の出力は通常動作時とは大きく異なり、例えばDC(直流)的に見れば電源(10V)〜GNDまでの定常レベルを出力し、AC的に見れば電源(10V)→GNDといった通常では考えられないような大振幅・高速(画素オーダー)信号変化も発生する。
このとき、CCD3の電源が10Vであるのに対し、AFE6の電源は3.3Vと異電源であるため、AFE6とは無関係にCCD3の出力信号が入力されることになる。すなわち、通常状態とは大きく異なる過渡状態でのCCD3の出力信号により、AFE6に過電圧(V1,V2)が掛かる、又は、AFE6に過電流(I1,I2)が流れる、更にはEF41,42に過電圧(トランジスタ411,421のベース−エミッタ(b−e)間に逆バイアスVbe1,Vbe2)が掛かるといった問題が生じる。
ここで、AFE6への過電圧・過電流は、CCD3の出力信号をコンデンサ5によるAC結合で入力していることにより、信号変化分がAFE6側に伝わることに起因して発生する。また、過電圧(逆バイアス)はEF41又はEF42の応答性を超える変化があった場合に、エミッタ電圧(Ve1又はVe2)がベース電圧(Vb1又はVb2)に追従しきれないことで発生する。
なお、図20の構成では、一般にEF41の応答性は立上り,立下りともに十分早く、逆バイアスは問題とならない。しかし、EF42については、電源オン時などクランプ回路61が常時オンになっている場合(初期設定で常時オンが解除される)はAC結合容量(〜数uF)を充電するため、立上り応答性は遅くなる(〜数ms)。つまり、立上り時の逆バイアスが問題となる。立下りの応答性はトランジスタ421を介した放電となるため十分早く、逆バイアスは問題とならない。このクランプ回路61の動作は初期設定によって、通常の動作(1ラインの任意の期間のみクランプ回路61をオンにする)に移行するため、電源オン〜初期設定までの期間が立上り応答性が遅くなり、通常状態(読取待機状態)〜電源オフまでの期間は立上り応答性が早くなっている。
図21は、図20に示した回路を含む図19のセンサ制御基板における動作シーケンス上のCCD3の出力信号暴れによるAFE6,EF41,42への過電圧について説明するためのタイミングチャートである。
このセンサ制御基板における動作シーケンスでは、まずCCD3,DRV2,TG1,およびAFE6の電源がオンになると、その電源(ここでは10Vのオン)を検知してtPOR期間後にリセット信号(XRESET)が解除される。ここで、XRESETはLow(ローレベル)がリセット状態、High(ハイレベル)がリセット解除状態を示し、TG1およびAFE6に入力されている(図示省略)。
リセットが解除されると、TG1およびAFE6は動作を開始する。
その後、ソフト(CPUからの通信)によって再度リセットを入れる(ソフトリセット)。これは、電源が瞬断された場合にリセットが掛からないことを避けるために行うソフト制御のリセットである。
ソフトリセットが解除されると、TG1およびAFE6を通常動作にするため、レジスタを設定する(初期設定)。その後、AFE6のゲイン調整などの自動調整を行い、システムは読取待機状態に移行する。
電源オフ時は、基本的に無制御であり、電源オフ(ここでは10Vのオフ)を検知すると、XRESETはリセット状態に入り、電源がオフになっていく。
一方、リセット期間中はTG1からCCDクロックが出力されないが、XRESET解除後はレジスタ初期状態(ハードデフォルト)で決まったCCDクロックが出力される。ソフトリセット期間中もクロックは出力されない。その後、初期設定で通常使用するクロックの位相/幅に設定され、通常状態のクロックとなり、読取待機状態に移行する。
電源オフ時は、リセットがかかるまでクロックを出力し、リセットが掛かるとクロックは出力停止となり、電源はオフになっていく。
ここで、電源オン期間(CCDクロック:オフ)は、CCD3の出力(ccdout)が電源電圧(10V)付近まで上昇する過大出力となる。これは、CCD3にクロックが投入されていない場合、CCD3の内部の電荷検出容量がリセット/クランプトランジスタを介して電源側にリークしていることに起因する現象であり、CCD3よってはGND側にリークすることもあり、この場合はGND(0V)付近の過小出力となる。
図21に示す過大出力は、電源電圧の立上り(〜数ms)に応じて上昇するが、それと同等以上にEF42の立上り応答性が遅いため、EF42の電圧Ve2が追従しきれず、EF42のベース−エミッタ(b−e)間に逆バイアスが掛かる。
XRESET解除後は、CCD3の出力信号が暴れる(図21のPOR期間)。これは、出力信号が通常のオフセットレベル(ここでは5V程度)になるとともに、リセット中に蓄積した電荷分を信号として吐き出すためである。この変化は大振幅・高速の立下り変化となるが、EF41の応答は早いため、エミッタ電圧Ve1はベース電圧Vb1に追従し、EF41のベース−エミッタ間に逆バイアスは掛からない。
また、図20に示したように、EF42の立下り応答は早いため、この信号暴れによる逆バイアスは掛からないが、その後、通常オフセットレベルに変化する立上り変化で逆バイアスが掛かる(図21のPOR期間)。一方、この信号暴れはAFE6にも伝わり、AFE6の入力部に電源(3.3V)又はGNDを超える過電圧(図20のV1,V2)が掛かることになり、内部のダイオード(保護ダイオード)62,63がオンになれば、過電流(図20のI1,I2)となる。
同様に、ソフトリセット期間は、クロック出力→停止→再開、初期設定期間ではCCDクロックの設定が初期値→通常設定値のように過渡動作が入るため、CCD3の出力が暴れることになる(図21のソフトリセット期間,初期設定期間)。そのため、この場合もEF42やAFE6に過電圧が掛かることになる。
読取待機状態(通常状態)では通常、過電圧は問題にならないが、外部から不意に光が入射された場合などでは、想定していた以上の出力(大振幅・高速の立下り変化)がCCD3から出力されることになるため、これがAFE6への過電圧となる(図21の通常状態期間)。このとき、EF41,42では立上り/立下り応答性は確保されているため、逆バイアスは掛からない。
さらに、電源オフ時は、リセット状態に移行する前にCCD3の電源(10V)が低下すると、信号が暴れる(図21の電源オフ期間,XRESET=High)。これは、CCD3の電源からCCD3の電荷検出部への電荷注入が起きているためであり、この信号変化も大振幅・高速の立下り変化であるため、AFE6への過電圧となる。この現象は、CCD3にクロックが入力されている場合に限り出力に現れるため、CCDクロックが停止するリセット状態では発生しない。但し、リセット状態でもクロック出力→停止の切り替わりや電源オフの変化によるCCD3の出力信号の暴れはあるため、やはり同様にAFE6への過電圧となる(図21の電源オフ期間,XRESET=Low)。このとき、EF41,42では、立上り/立下り応答性は確保されているため、逆バイアスは掛からない。
以上のように、CCD3の出力信号に起因したAFE6,EF41,42への過電圧・過電流は、電源オン/オフ時など、CCD3の動作が通常状態ではない一連の過渡状態において発生する。また、例えCCD3の動作が通常状態であっても、異常光の入力によっても発生する。
図22は、図19に示したセンサ制御基板を構成する主要回路の第2構成例を示す回路図であり、図20と対応する部分には同一符号を付している。
AFE6の過電圧を防止する従来技術としては、例えば図22に示すように、EF42の電源(10V)を遅延する構成が知られている(特許文献1参照)。
図22において、電源(10V)の投入時に、EF42の電源(Vcc_ef)は過電圧保護用の遅延回路(OVP)43にて緩やかに立ち上がる。このとき、Vcc_efが立上り始めはCCD3の出力信号(ccdout)より低いため、Vb2>Ve2、つまりEF42のpnpトランジスタ421が遮断状態となり、CCD3の出力信号の暴れをEF42で遮断することができる。また、Vb2<Ve2の場合でも、その差分の信号変化しかEF42に通らないため、AFE6への信号変化を低減することができる。
このようにしてAFE6への過電圧を防止する。
なお、EFは通常、CCD出力信号数(ex.RGB,Even/Odd)分だけ必要となり、図22のVcc_efはそれら複数チャネルに接続されている。したがって、各チャネル間の電気的クロストークを避けるために、OVP43をダーリントン接続のエミッタフォロワ構成とすることで、Vcc_efの出力インピーダンスを十分に下げて使用する。
図23は、図22に示した回路を含む図19のセンサ制御基板における動作シーケンス上のCCD3の出力信号暴れによるEF42への過電圧について説明するためのタイミングチャートである。
図23の例では、電源オン〜POR期間にかけてVcc_efを変化させているため、この期間のAFE6への過電圧は低減する。しかしこの場合、意図的にEF42を構成するトランジスタ421のベース−エミッタに逆バイアスを掛けてEF42を遮断状態としているため、EF42ではこれ自体による過電圧が掛かるという問題がある。特に、高速信号用途のトランジスタの場合、寄生容量やベース抵抗を低減する目的でベース幅を小さくしているため、ベース−エミッタ間の逆バイアスに対する耐圧は一般に数Vと低いため、上記逆バイアスが即座に問題となる。
また、Vcc_efが立ち上がる期間中にEF42を遮断状態(Vb2>Ve2)にすることでAFE6への信号を遮断しているが、Vcc_efが立ち上がってからは過電圧保護の効果はないので、通常状態又は電源オフ時の過電圧については全く防げないといった問題もある。
さらに、EF42を遮断状態(Vb2>Ve2)にすることでAFE6への信号を遮断しているが、Vb2<Ve2の場合は、その差分の信号変化を伝えてしまうことになる。すなわち、完全に信号を遮断するためには、Vcc_efの遅延時間を長くしてEF42を遮断する期間を長くする必要があるが、この場合、遅延時間のバラツキも大きくなるため、本来、自動調整時にVcc_efが通常の電圧に立ち上がってなければならないものが、個体によっては立ち上がらないものが発生し、最悪システムがダウンしてしまう。したがって、上記遅延時間を長くすることは困難となり、結果的にソフトリセットや初期設定といった電源オン時後半で行う制御で発生する過電圧は抑えることができない。
図24は、図22のEF42を改良したEFの構成例を示す回路図である。
この例のEF42′では、図22のEF42の逆バイアスを回避するため、例えば図24に示すように、ダイオードクランプを使用するのが最も一般的である。つまり、図22に示した回路から抜き出したEF42を構成するトランジスタ421のベース−エミッタ間にダイオード423が追加されている。このEF42′の回路構成では、トランジスタ421のベース−エミッタ間に逆バイアスが掛かる場合、ダイオード423がオンになるため、そのベース−エミッタ間は順方向電圧(Vf)となり、逆バイアスをVf程度に抑えることができる。
しかし、EF42′の入力部にはEF41を介してCCD3が接続され、出力部にはコンデンサ5によるAC結合を介してAFE6が接続されるため、図24の回路構成では、CCD3〜EF41〜ダイオード423〜AFE6という電流パスを形成し、電流(Iov)が流れることになる。つまり、CCD3の過大出力信号がAFE6に伝わることになり、AFE6の過電圧・過電流が再び問題となってしまう。この場合、AFE6の過電流はCCD3からも流れていることになるので、CCD3の過電流をも引き起こしてしまう。
そこで、上述した問題を解消するため、この発明の実施形態を以下に示す。
図1は、この発明による信号バッファ回路の一部の第1構成例を示す回路図である。
この信号バッファ回路では、逆バイアスを防止するため、バッファ11の入力部(IN)と出力部(OUT)との間(以下「入力−出力間」または「入出力間」ともいう)に高抵抗の抵抗手段である抵抗器(R)12を接続し、出力部には直列にインピーダンスが可変するインピーダンス可変手段であるインピーダンス可変素子(VZ)13を接続する構成としている。
ここで、インピーダンス可変素子13は、バッファ11がオンになっている(バッファ動作をしている)状態では低インピーダンス状態(オン状態)となり、バッファ11がオフになっている(バッファ動作をしていない:入出力間に逆バイアスが掛かっている)状態では高インピーダンス状態(オフ状態)となる。よって、CCD3からの過大又は過小出力や信号の暴れに起因して発生する信号バッファ回路への過電圧を抑制できる。
以下、図1に示した回路(信号バッファ回路の一部)をEF(エミッタフォロワ回路)に置き換えた例について説明する。
図2は、そのEFの構成例を示す回路図であり、図24と同じ部分には同一符号を付している。
図2に示すEF420は、図22に示した信号バッファ回路4にEF42の代わりに備えるものである。
このEF420において、高抵抗の抵抗器424は図1の抵抗器12に、ダイオード425はインピーダンスが可変するインピーダンス可変素子13にそれぞれ相当する。
EF420では、トランジスタ421のベース−エミッタ間に並列に抵抗器424が入っているため、そのベース−エミッタ間に逆バイアスが掛かっている場合のインピーダンスは、抵抗器424の抵抗Rとトランジスタ421のベース−エミッタ間の絶縁抵抗Rebとの合成となる。
ここで、トランジスタ421のベース−エミッタ間の絶縁抵抗Rebは通常数〜数十MΩであるが、抵抗Rはそれよりも小さく、かつEF(エミッタフォロワ回路)の通常の動作時に影響を与えない定数が選択され、凡そ数十〜数百kΩとなる。そのため、逆バイアス時のトランジスタ421のベース−エミッタ間のインピーダンスは抵抗Rで決まり、数十〜数百kΩとなる。
また、図22のOVP43より、電源Vcc_efは低い電圧となっているため、ダイオード425も遮断状態となり、その絶縁抵抗Rrも通常数〜数十MΩである。このとき、トランジスタ421のベース−エミッタ間に逆バイアスが掛かる場合は、そのベース(Vb2)とダイオード425のアノード(Va2)との間に逆バイアスが掛かることになるが、ダイオード425の絶縁抵抗Rrに対し、トランジスタ421のベース−エミッタ間のインピーダンスの方が十分に小さいため、Vb2−Va2に掛かっている逆バイアスのほとんどがダイオード425に掛かることになり、トランジスタ421のベース−エミッタ間には逆バイアスがほとんど掛からない。
すなわち、逆バイアスを耐圧の大きいダイオード425に持たせることで、トランジスタ421のベース−エミッタ間の逆バイアスを回避することができる。これは、ダイオード425が単純なpn接合構造であるために、逆バイアス耐圧が数十Vと高いためである。反対に、トランジスタ421は高速性などの観点からベース幅が小さい構造になっており、このためベース−エミッタ間逆バイアス耐圧は一般に数V程度しかない。なお、ダイオード425と並列に接続された容量Csは、ダイオード425の寄生容量を表している。
一方、EF420が非エミッタフォロワ動作の場合(逆バイアスが掛かっている場合)、ダイオード425はオフとなり、高インピーダンス状態となっているが、EF420がエミッタフォロワ動作をしている場合、ダイオード425はオンとなり、低インピーダンス状態となる。したがって、EF420は通常動作であるエミッタフォロワ動作そのものには影響を与えない。
以上のように、図2のEF420では、トランジスタ421のベース−エミッタ間逆バイアスを回避できるため、そのベース−エミッタ間逆バイアスを回避しつつ後段AFE6への信号を遮断することができ、EF420の過電圧およびAFE6への過電圧・過電流を同時に防止することができる。よって、トランジスタ421のベース−エミッタ間逆バイアスを容易に抑制できる信号バッファ回路を提供できる。
なお、ここではインピーダンス可変素子としてダイオードを例に説明したが、トランジスタやMOSFET等のスイッチを用いても同様の効果が得られる。また、ここでは、pnpトランジスタによるエミッタフォロワ回路を例に説明したが、npnトランジスタでも同様である。
図3は、図22に示した回路のEF42を図2のEF420に変更したセンサ制御基板(図19参照)における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミングチャートである。
図3の例は、図22に示した回路のEF42を図2のEF420に変更したセンサ制御基板における各部の電圧の様子を示しており、図23に対し、ダイオード425のアノード電圧Va2が追加されている。
図23において、電源オン期間でトランジスタ421のベース(Vb2)−エミッタ(Ve2)間に逆バイアスが掛かっていたが、図2の回路構成では、トランジスタ421のベース電圧Vb2に対してエミッタ電圧Ve2が追従するため、図3に示すように、トランジスタ421のベース−エミッタ間に逆バイアスは掛からない。また、逆バイアスはダイオード425の両端(Ve2−Va2)に掛かることになり、ダイオード425としては耐圧が高いため、逆バイアスは問題とならない。
図4は、この発明による信号バッファ回路の一部の第2構成例を示す回路図であり、図1と同じ部分には同一符号を付している。
図2に示したEF420の回路構成では、逆バイアスを回避することができるが、CCD3(図22参照)から定常的な大電圧が出ている場合、又は緩やかに信号が変化している場合に限られる。これは、図2の回路構成の場合、逆バイアス発生時のトランジスタ421のベースに対するエミッタの応答性が制限されるためである。
図2において、ダイオード425は等価的に寄生容量Csが存在するため、高抵抗R+寄生容量Csのローパスフィルタを形成する。このとき、高抵抗Rは数十〜数百kΩ、ダイオード425の寄生容量Csは数〜十数pFであるため、ローパスフィルタの帯域はCCD3の出力信号(数〜数十MHz:数十〜数百ns)に対して狭くなる。したがって、CCD3の出力信号のような高速信号変化によって逆バイアスが発生する場合、トランジスタ421のベース電圧Vb2に対してエミッタ電圧Ve2が追従せず、それによってトランジスタ421のベース−エミッタ間には逆バイアスが掛かってしまう。
なお、図3において、電源オン期間の緩やかな信号変化による逆バイアスしか回避できていないのはそのためである。また、POR期間およびソフトリセット期間において、Vb2の急峻な変化(この場合は立上り変化)にVe2が追従していないのも同様の理由である。
そこで、図4に示す信号バッファ回路では、高速な信号変化による逆バイアスを回避するため、バッファ11の入力−出力間にインピーダンスが可変する第1のインピーダンス可変手段であるインピーダンス可変素子(VZ2)14を接続し、出力部にも直列にインピーダンスが可変する第2のインピーダンス可変手段であるインピーダンス(VZ1)可変素子13を接続する構成としている。
ここで、インピーダンス可変素子13は、バッファ11がオンになっている(バッファ動作をしている)状態では低インピーダンス状態となり、バッファ11がオフになっている(バッファ動作をしていない:入出力間に逆バイアスが掛かっている)状態では高インピーダンス状態となる。それに対し、インピーダンス可変素子14は、バッファ11がオンになっている(バッファ動作をしている)状態では高インピーダンス状態となり、バッファ11がオフになっている(バッファ動作をしていない:入出力間に逆バイアスが掛かっている)状態では低インピーダンスとなる。よって、高速信号の場合でも、CCD3からの過大又は過小出力や信号の暴れに起因して発生する信号バッファ回路への過電圧を抑制できる。
以下、図4に示した回路(信号バッファ回路の一部)をEF(エミッタフォロワ回路)に置き換えた例について説明する。
図5は、そのEFの構成例を示す回路図であり、図2と対応する部分には同一符号を付している。
図5に示すEF420′は、図22に示した信号バッファ回路4にEF42の代わりに備えるものである。
このEF420′において、ダイオード425は図4のインピーダンス可変素子13に、ダイオード426はインピーダンス可変素子14にそれぞれ相当する。
EF420′の基本的な動作は図2によって説明したEF420の動作と同様であり、図2の高抵抗の抵抗器424が図5ではダイオード426に置き換わっている。
このため、トランジスタ421のベース−エミッタ間のインピーダンスは、図2で高抵抗R(数十〜数百kΩ)となっていたのが、ダイオード426のオン抵抗程度(〜数Ω)となる点が異なる。
これにより、図5に示すEF420′の回路構成では、トランジスタ421のベース−エミッタ間に掛かる逆バイアスを耐圧の大きいダイオード425に持たせて逆バイアスを回避することは変わらない(ベース−エミッタ間の逆バイアスは最悪でもダイオード425の順方向電圧(0.6〜0.7V)程度のみとなる)。しかし、トランジスタ421のベース−エミッタ間のインピーダンスがダイオード426により低インピーダンス(〜数Ω)となっていることで、ダイオード425の寄生容量Cs1が存在しても帯域の低下を防止することができる。つまり、逆バイアス発生時のトランジスタ421のベースに対するエミッタの応答性が制限されることがなくなり、CCD3の出力信号のような高速信号変化によって逆バイアスが発生する場合でも、EF420′の逆バイアスを確実に回避することができる。
一方、図2のEF420と同様に、EF420′がエミッタフォロワ動作をしている場合、ダイオード425はオンとなり、低インピーダンス状態となる。したがって、EF420′でも、通常動作であるエミッタフォロワ動作そのものには影響を与えない。また、トランジスタ421のベース−エミッタ間のダイオード426は、EF420′がエミッタフォロワ動作をしている場合、オフとなりインピーダンス状態となるため、ダイオード426についても通常動作であるエミッタフォロワ動作そのものには影響を与えない。更に、EF420′がエミッタフォロワ動作をしている場合、トランジスタ421のベース−エミッタ間がオン状態となり、交流的には等電位であるため、ダイオード426の寄生容量Cs2についてもエミッタフォロワ動作そのものには影響を与えない。
以上のように、図5のEF420′では、信号変化速度によらず、トランジスタ421のベース−エミッタ間逆バイアスを回避できるため、そのベース−エミッタ間逆バイアスを回避しつつ後段AFE6への信号を遮断することで、信号変化速度によらず、EF420′の過電圧およびAFE6への過電圧・過電流を同時に防止することができる。よって、高速信号の場合でも、トランジスタ421のベース−エミッタ間逆バイアスを容易に抑制できる信号バッファ回路を提供できる。
なお、ここでもインピーダンス可変素子としてダイオードを例に説明したが、トランジスタやMOSFET等のスイッチを用いても同様の効果が得られる。また、ここでは、pnpトランジスタによるエミッタフォロワ回路を例に説明したが、npnトランジスタでも同様である。
図6は、図22に示した回路のEF42を図5のEF420′に変更したセンサ制御基板(図19参照)における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミングチャートである。
図6の例は、図22に示した回路のEF42を図5のEF420′に変更したセンサ制御基板における各部の電圧の様子を示している。
図3において、POR期間およびソフトリセット期間の急峻な立上り変化でトランジスタ421のベース(Vb2)−エミッタ(Ve2)間に逆バイアスが掛かっていたが、図5の回路構成では、急峻な立上り変化の場合でも、トランジスタ421のベース電圧Vb2に対してエミッタ電圧Ve2が追従するため、図6に示すように、トランジスタ421のベース−エミッタ間に逆バイアスは掛からない。また、図3と同様に、逆バイアスはダイオード425の両端(Ve2−Va2)に掛かることになるが、ダイオード425としては耐圧が高いため、逆バイアスは問題にならない。これによって、信号変化によらず、逆バイアスを回避することができる。
図7は、図5に示したEF420′を用いた信号バッファ回路4を含むセンサ制御基板を構成する主要回路の構成例を示す回路図であり、図5,図22と対応する部分には同一符号を付している。なお、この主要回路は、図19に示したセンサ制御基板に搭載されているものとする。
図7に示す主要回路を含むセンサ制御基板では、信号バッファ回路4に図5に示したEF420′を用いることにより、信号変化速度によらず、EF420′への過電圧およびAFE6への過電圧・過電流を同時に防止することができる。なお、EF420′の電源供給端とGNDとの間に、デカップリングコンデンサ(Cd)7を介挿している。なお、「デカップリングコンデンサ」を以下単に「コンデンサ」という。
一方、EF420′を構成するトランジスタ421のエミッタにダイオード425を接続する構成とすることで、AC結合前の電圧(直流電圧)Va2は、ダイオード425の順方向電圧Vf分だけ上がることになり、EF420′へのアイドル電流(オフセット電流)が少なくなることで(トランジスタ421の動作点を変えることで)、周波数特性を劣化させてしまうという問題が生じる。
このとき、EF420′のアイドル電流を維持するためには、エミッタ抵抗器422の抵抗Re2を小さくしなければならないが、Re2を小さくすると、CCD3の出力信号の振幅に対するEF420′(トランジスタ421)のエミッタ電流の変化が大きくなるため、EF420′のリニアリティ特性(直線性)が劣化し、画像信号の特性劣化を招いてしまうため、それができない。
なお、図7のEF420′を図2に示したEF420に変更することもできる。
図8は、図7のOVP43を改良したOVPの第1構成例を示す回路図である。
上述したEF420′の直線性が劣化するという課題は、図7に示したように、逆バイアス防止用のダイオード425の順方向電圧によって抵抗Re2のエミッタ抵抗器422の両端の電圧差が小さくなるために発生し、OVP43がダーリントン接続のエミッタフォロワ構成であることにも起因している(Vcc_efが10Vに対してトランジスタ421のベース−エミッタ間電圧(一般に0.6〜0.8V程度)2段分電圧降下した電圧となるため)。
そこで、図8に示すOVP43′では、EF420′の直線性の劣化を防止するため、図7のOVP43におけるダーリントン接続のエミッタフォロワ構成ではなく、単純スイッチでEF420′への電源Vcc_ef(つまりOVP43′)の供給をオン/オフ制御してEF420′を遮断可能にする構成としている。つまり、図7に示したダーリントン接続のエミッタフォロワ構成に変えて、第1スイッチとしての機能を果すトランジスタ431と、第2スイッチとしての機能を果すトランジスタ432とを備えた構成にしている。トランジスタ431はVcc_efのオン/オフ制御を行い、トランジスタ432は電源10Vの遅延信号によってトランジスタ431のオン/オフ制御を行う。よって、OVP43′がバッファ制御回路に相当する。
ここで、電源(10V)が投入されると、トランジスタ432のベース電圧は、10Vに対し、RC回路(R1,C1)440で遅延させているため、トランジスタ432はオフ→オンへと緩やかに遷移する。同様に、トランジスタ431も緩やかにオフ→オンへと遷移し、その後、定常的にはオン状態となる。このとき、トランジスタ431が完全にオンになった状態では、Vcc_efは10Vからコレクタ−エミッタ間電圧(一般に最悪でも0.3V程度)分の電圧降下した電圧で済むため、Vcc_efはほぼ10Vとなる。
したがって、ダーリントン接続エミッタフォロワ構成に対し、Vcc_efを高くすることができるため、図7に示すように逆バイアス防止用のダイオード425が接続されても、エミッタ抵抗器422(抵抗Re2)の両端の電圧差を狭めることなく、Re2を変えない、又はむしろ大きくすることができる。そのため、EF420′の直線性の劣化を回避、又は改善することができる。
なお、図7のOVP43と同様に、トランジスタ432のベース電圧をRC回路(R1,C1)440で遅延させているのは、電源投入時、トランジスタ432およびトランジスタ431のオフ→オンに緩やかに遷移させ、Vcc_efの電圧変化を抑えてAFE6への過電圧を防止するためである。
また、図7のOVP43のダーリントン接続エミッタフォロワ構成の場合と同様に、チャネル間のクロストークを防止するため、通常、トランジスタ431は飽和状態としインピーダンスを下げて使用する。
EF420′への過電圧およびAFE6への過電圧・過電流の抑制効果は、図6で示したものと同じである。
このように、OVP43′によれば、EF420′への電源の供給をオン/オフ制御するトランジスタ431(第1のスイッチ)と、それをオン/オフ制御するトランジスタ432(第2のスイッチ)とからなるバッファ制御回路が、EF420′のオン/オフ制御を行うことにより、CCD3からの出力信号によって発生するEF420′への逆バイアス、およびAFE6への過電圧・過電流を抑制できる。
また、トランジスタ432を電源の遅延信号によって制御することにより、EF420′の直線性(画像データの直線性)の劣化を招くこともなくなる。
さらに、トランジスタ431がトランジスタ432からの制御信号の遅延信号でオン/オフ制御することにより、回路規模を増大させることもなくなり、また個体バラツキを低減することもできる。
図9は図7のOVP43を改良したOVPの第2構成例を示す回路図、図10は図7のOVP43を改良したOVPの第3構成例を示す回路図であり、いずれも図8と同じ部分には同一符号を付している。
図6に示したように、EF41およびEF420′の逆バイアスについては電源オン〜電源オフまでの一連の動作において全て回避することができるが、POR期間以降のAFE6への過電圧については依然として回避できていない。これは、EF420′のオン/オフをRC回路440等の遅延回路によって制御しているためであり、図23の説明で述べたように、遅延時間を長くすることに限界があるためである。
そこで、図9に示すOVP430では、電源投入〜通常状態に立ち上がるまでの過電圧・過電流を防止するため、図8のOVP43′のように電源の遅延信号でトランジスタ431(スイッチ)を制御するのではなく、任意のタイミングで制御可能な信号の遅延信号である制御信号xovpで制御する構成とする。
図9において、xovpは負極性の信号であり、Lowの場合にはトランジスタ431,432をオフ状態(過電圧保護モード)とし、Highの場合にはトランジスタ431,432はオン状態(通常動作モード)であり、信号としてはTG汎用ポート出力などを使えば任意のタイミングでVcc_ef、つまりEF420′のオン/オフ制御を行うことができる。
このため、例えば、電源オン〜初期設定までxovpをLowにしてEF420′をオフ状態とし、その後、通常動作(読取待機)状態に移行するときに、xovpをHighにしてEF420′をオン状態とすることで、電源オン〜初期設定までのAFE6への過電圧を回避することができる。なお、OVP430では、トランジスタ432がxovpをRC回路440で遅延させた遅延信号で制御することにより、Vcc_efを緩やかに立ち上げている。
このように、OVP430によっても、EF420′への電源の供給をオン/オフ制御するトランジスタ431と、それをオン/オフ制御するトランジスタ432とからなるバッファ制御回路が、EF420′のオン/オフ制御を行うことにより、CCD3からの出力信号によって発生するEF420′への逆バイアスおよびAFE6への過電圧・過電流を抑制できる。
また、トランジスタ432を任意のタイミングで制御可能な信号の遅延信号によって制御することにより、電源オン〜通常状態への移行までに発生する一連のEF420′への逆バイアスおよびAFE6への過電圧・過電流も抑制できる。
さらに、トランジスタ431がトランジスタ432からの制御信号の遅延信号でオン/オフ制御することにより、回路規模を増大させることもなくなり、また個体バラツキを低減することもできる。
但し、OVP430では、xovpが3.3V振幅(TG電源)であるのに対し、トランジスタ432がオンとなる電圧がベース−エミッタ間電圧(0.7V程度)と低いため、RC回路440の時定数を大きくする必要がある。
さらに、Vcc_efを緩やかに立ち上げるためにはトランジスタ431のコレクタ電流を、トランジスタ431のコレクタ電流を緩やかにするためにはトランジスタ431のベース電流を、トランジスタ431のベース電流を緩やかにするためにはトランジスタ432のコレクタ電流を、トランジスタ432のコレクタ電流を緩やかにするにはトランジスタ432のベース電流を、といったように、結果的に、トランジスタ432のベース電流を緩やかに変化させていることで実現しているため、トランジスタ432,431の電流増幅率(hfe)の影響を受けて、実際はベース−エミッタ間電圧が完全に立ち上がる前に(例えば0.5V程度で)トランジスタ431をオンにさせてしまう(トランジスタ432が完全にオン、つまり、飽和状態にならなくても電流増幅作用によりトランジスタ432はトランジスタ431のベース電流を引き込み、同様にトランジスタ431でも僅かなベース電流でコレクタ電流を流してしまう)。したがって、Vcc_efを緩やかに立ち上げようとすると、RC回路440の時定数はその数十倍程度を必要とするため、回路規模や個体バラツキの悪化を招くことになる。
そこで、図10に示すOVP430′では、図9のRC回路440を構成する抵抗R1の抵抗器441および容量C1のコンデンサ442を次のように接続する。つまり、抵抗器441をトランジスタ432のコレクタと抵抗器434の一端との間に介挿し、コンデンサ442を抵抗器433,434に並列に、つまり電源(10V)と抵抗器441との間に接続する。xovpは、トランジスタ432のベースに直接入力する。
OVP430′では、電源オン後、トランジスタ432をオフ→オンにするまでは、トランジスタ432がオフ状態であるため、A,B,Cの各点の電圧は10Vと等電位になっている。その状態でxovpによってトランジスタ432をオンにすると、トランジスタ432は飽和状態となり、C点はGND電圧まで電圧が低下する。このとき、容量C1のコンデンサ442に充電が開始されるが、B点の電圧はまだ10Vが保持されているため、抵抗R3の抵抗器434に電流は流れない。つまり、トランジスタ431のベース電流は流れず、トランジスタ431はオフ状態である。
一方、容量C1のコンデンサ442には抵抗R1の抵抗器441を介した充電電流が流れ、B点の電圧が緩やかに下がる。それに応じて、A点−B点の電位差が徐々に大きくなり、抵抗R3の抵抗器434に流れる電流、つまりトランジスタ431のベース電流が徐々に大きくなる。したがって、トランジスタ431のコレクタ電流を徐々に大きくすることができるため(実際は図7に示したデカップ容量Cdのコンデンサ7への充電電流のためVcc_efがある電圧に達すると電流は徐々に減っていく)、結果、Vcc_efを緩やかに立ち上げることができる。
このとき、図9に示したOVP430に対して、図10に示すOVP430′では、抵抗器441およびコンデンサ442からなるRC回路(R1,C1)の時定数はB点の電圧変化を決めており、それによってトランジスタ431のベース電圧(ベース電流)のみを制御しているため、トランジスタ431のhfeの影響しか受けないため、必要とするRC回路の時定数は数倍程度に抑えることができる。
なお、前述したように、図9,図10のVcc_efは複数チャネルに接続されているため、チャネル間のクロストークを防止するため、通常状態ではトランジスタ431を飽和状態とし、Vcc_efの出力インピーダンスを下げる必要がある。したがって、Vcc_efを緩やかに立ち上げるために、トランジスタ431のコレクタに抵抗器を接続することは困難である。
また、電源用スイッチ(ハイサイド・スイッチ)には一般にpnpトランジスタやPMOSトランジスタ(以下単に「PMOS」ともいう)などが用いられ、Lowでオンにする信号で制御される。
図10のOVP430′では、ハイサイド・スイッチのトランジスタ431にpnpトランジスタを用いている例であるが、トランジスタ431のベース電圧の変化を遅延させる(トランジスタ431をオン/オフ制御するための遅延信号を生成する)RC回路(R1,C1)の容量C1のコンデンサ442は電源(10V)に対して接続している。
これは、電源投入直後など、Vcc_efをオフ状態にしておきたい場合、Vcc_efを確実にオフ状態にするための構成であり、容量C1のコンデンサ442がGNDに対して接続されている構成では、コンデンサ442の充電電流としてトランジスタ431のベースから電流が流れ、Vcc_efがオンになってしまうためである。
このように、抵抗器441とコンデンサ442とからなり、上記第1のスイッチをオン/オフ制御するための遅延信号を生成するRC回路を設け、トランジスタ431を、pnpトランジスタ(PMOSでもよい)によって構成し、コンデンサ442を電源10Vに接続することにより、電源投入直後からEF420′を確実にオフ状態にできる。
一方、図9,図10に示したOVP430,430′では、xovpにより制御するため、10Vが入力されている状態でxovpによってトランジスタ431をオフにするというケースが発生する。
通常、Vcc_efの出力端には図7に示したデカップ容量Cdのコンデンサ7が接続されるため、Vcc_efの電圧を下げるにはコンデンサ7に蓄積された電荷を放電する必要があるが、その放電パスはEF420′のトランジスタ421のエミッタ→ベース→エミッタ抵抗器412(抵抗Re1)→GNDとなる。したがって、例えば10Vがオンになっている状態でCCD3が5Vの信号を出している場合、Vcc_efは5Vまで低下するまでは上記放電パスが存在するため放電が行われるが、5Vに到達すると、放電パスがなくなり放電しなくなる。
すなわち、Vcc_efは、5Vから低下しなくなり、EF420′を完全にオフに(遮断)できない。
そのため、図9,図10に示したOVP430,430′では、Vcc_efの電源供給端に抵抗Rbの抵抗器であるブリーダ抵抗器435を接続した構成とすることで、トランジスタ431をオフにした際に、図7に示したEF420′を確実にオン状態からオフ状態にできるようにしている。
図11は、図5に示したEF420′を用いた信号バッファ回路4および図10に示したOVP430′を含むセンサ制御基板を構成する主要回路の構成例を示す回路図であり、図7,図10と対応する部分には同一符号を付している。なお、この主要回路は、図19に示したセンサ制御基板に搭載されているものとする。
図11に示す主要回路を含むセンサ制御基板では、xovpを初期設定後に解除することで、電源オン〜初期設定までの一連の動作におけるEF420′への過電圧、AFE6への過電圧・過電流を防止することができる。
なお、図11のEF420′を図2に示したEF420に変更することもできる。
図12は、図11に示した主要回路を含むセンサ制御基板(図19参照)における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミングチャートである。
図12の例は、図11に示した主要回路を含むセンサ制御基板における各部の電圧の様子を示している。
図6に示したように、ソフトリセット期間および初期設定期間に発生していたAFE6への過電圧・過電流は、図11に示した主要回路を含むセンサ制御基板では、電源オン〜初期設定までxovpでVcc_efをオフ状態としているため、例えば図12に示すように発生しない。これによって、電源オン〜初期設定に渡る一連のEF420′への逆バイアスおよびAFE6への過電圧・過電流を回避することができる。
図13は、図11と信号バッファ回路4の回路構成が若干異なるセンサ制御基板を構成する主要回路の構成例を示す回路図であり、図11と対応する部分には同一符号を付している。なお、この主要回路は、図19に示したセンサ制御基板に搭載されているものとする。
これまでは、電源オン〜初期設定までの一連の過電圧に対して言及してきたが、通常状態(読取待機状態)での異常光入射や電源オフ時のAFE6への過電圧は抑制できていない。これは、通常状態や電源オフ時は無制御(制御できない)、あるいは電源オフについては高精度に検出する必要があるために抑制が困難だからである。したがって、電源オフ時の過電圧に対してはCCD3の出力信号を遮断するように制御するのではなく、過電圧が発生するような信号が入力されても、過電圧・過電流起こらないようにすることが重要である。
そこで、図13に示す主要回路を含むセンサ制御基板では、EF450のトランジスタ421のコレクタとGNDとの間に、電流制限回路(OVP)を構成する抵抗Rc2の抵抗器(以下「コレクタ抵抗器」または「電流制限抵抗器」ともいう)427を付加する構成とすることで、AFE6からの入出力電流を制限し、同時に電圧をも制限することによって、AFE6への過電圧・過電流を抑制する。つまり、信号バッファ回路4にEF450を用いることにより、読取待機状態又は電源オフ時のAFE6への過電圧・過電流を回避することができる。
なお、図13のEF450を図2に示したEF420に変更し、そのコレクタとGNDとの間に抵抗Rc2の抵抗器427を介挿することもできる。
図14は、図13に示した主要回路を含むセンサ制御基板(図19参照)における動作シーケンスによる効果について説明するためのタイミングチャートである。
図14の例は、図11に示した主要回路を含むセンサ制御基板における各部の電圧の様子を示している。
通常状態(読取待機)で異常光が入射された場合、ccdout,Vb1,Ve1は、これまでと変わらない。しかし、AFE6において、信号が−側に大きく変化する過大出力の状態では、図13のAFE6内の保護ダイオード62,63がオンになってAFE6から過電流がEF450へ流れ出す。このとき、AFE6からの電流は大部分が抵抗(電流制限抵抗)Rc2の抵抗器427に流れることになり、EF450のpnpトランジスタ421が徐々に飽和状態となる。
トランジスタ421が完全に飽和状態となると、そのコレクタ側にはそれ以上の電流は流れず、ベースを介してEF41側の抵抗Re1のエミッタ抵抗器412を流れる。ここで、エミッタ抵抗器412はEF41のnpnトランジスタ411のアイドル電流を決めるために設けられており、エミッタ抵抗器412の抵抗Re1は一般に1kΩ程度である。つまり、EF450のトランジスタ421のベース側にバイパスされた電流は数mAしか流れないため、結果、AFE6からの電流は制限される。
したがって、AFE6への入力電圧も制限されることになるので、AFE6への過電圧・過電流を抑制することができる。
なお、抵抗Rc2の電流制限抵抗器427による電流制限はAFE6への−側の過電圧・過電流に対して有効であり、+側には効果がない。しかし、+側の過電流はEF450の抵抗Re2(〜1kΩ)のエミッタ抵抗器422により制限されるため、AFE6への+側の過電圧・過電流は構成上問題にならない。
図15は図2に示したEF420を、図16は図5に示したEF420′をそれぞれ同一の半導体チップ上に形成して集積化した一例を示す回路図である。
図2に示したEF420および図5に示したEF420′はそれぞれ、例えば図15,図16に示すように、同一の半導体チップ470上に形成して集積化することにより、省スペース・低コストを実現することができる。なお、図15,図16は、pnpトランジタを内蔵した例であるが、npnトランジスタでも同様である。
以上、この発明をCCDによって原稿の画像を読み取るスキャナに搭載可能なセンサ制御基板やその内蔵回路に適用した実施形態ついて説明したが、この発明はこれに限らず、他のイメージセンサによって原稿の画像を読み取るスキャナに搭載可能なセンサ制御基板やその内蔵回路には勿論、それらのイメージセンサによって原稿の画像を読み取る他の画像読取装置に搭載可能なセンサ制御基板やその内蔵回路、それらのセンサ制御基板又はその内蔵回路を搭載した画像読取装置、その画像読取装置を搭載したデジタル複写機,ファクシミリ装置,プリンタ等の各種画像形成装置にもそれぞれ適用可能である。画像形成装置本体は、画像読取装置からの画像データを可視画像として印刷媒体に印刷することができる。また、この発明をイメージセンサ以外の負荷(モータ等)を駆動する負荷駆動回路を有する制御基板を搭載した画像読取装置や画像形成装置等の各種電子機器にも適用可能である。この発明による制御基板又はその内蔵回路を備えることにより、安定動作かつ高信頼性の画像読取装置や画像形成装置等の電子機器を提供することができる。
図17は、この発明によるセンサ制御基板を搭載したスキャナのハード構成例を示す概略図であり、図7,図11,図13等と同じ部分(CCD3)には同一符号を付している。
このスキャナ100は、フラットベッド方式のものであり、本体上面に、原稿が載置される原稿ガラスであるコンタクトガラス101が設置されている。
コンタクトガラス101の下方には、第1キャリッジ106と第2キャリッジ107が2対1の速度で矢印A方向(副走査方向)に移動するように配置されている。
第1キャリッジ106には光源としてのハロゲンランプ102と第1ミラー103が搭載され、第2キャリッジ107には第2ミラー104及び第3ミラー105が搭載されている。
ハロゲンランプ102によって照射された原稿からの反射光は、第1ミラー103、第2ミラー104、および第3ミラー105によって反射されて結像レンズ108に入射し、その結像レンズ108で集光され、CCD(リニアイメージセンサ)3の結像面に結像し、CCD3で光電変換されたアナログ電気信号がこの発明によるセンサ制御基板109でデジタル画像データ(原稿の画像データ)に変換され、後段に送られる。
一方、原稿の画像データの主走査方向(副走査方向と直交する方向)の分布を均一にするためには、シェーディング補正を行うが、そのための基準白板111の読み取りデータを取得する必要がある。
シェーディング補正を行うためには、原稿の画像読み取り前に、ハロゲンランプ102による照明により、基準白板111の表面が読み取られ、その読み取り結果(読み取りデータ)に基づいて原稿の画像読み取り時のシェーディング補正が行われる。
ここで、第1,第2キャリッジ106,107が2対1の速度で副走査方向に移動するのは、原稿面からCCD3の結像面までの光路長を一定に保持するためであり、CCD3はセンサ制御基板109上に搭載されている。
また、コンタクトガラス101の上面を覆うように圧板110が開閉可能に設けられ、コンタクトガラス101上に原稿が載置されたとき、外部からの光がCCD3に入射しないようにしている。なお、圧板110に代えてADF(自動原稿給送装置)あるいはARDFなどを設け、原稿を自動的に給送できるように構成することも可能である。
図18は、この発明によるセンサ制御基板を搭載したスキャナを備えた画像形成装置の構成例を示す概略図であり、図7,図11,図13,図17等と同じ部分には同一符号を付している。
画像形成装置200は、スキャナ100とプリンタ120とを備えている。
スキャナ100は、前述のようにTG1、CCDドライバ2、CCD3、信号バッファ回路4、AFE6、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)112を含むこの発明によるセンサ制御基板を備え、AFE6から10ビットのデジタル画像データがLVDS112に送られる。
一方、プリンタ120は、プリンタエンジン121と、このプリンタエンジン121を制御する制御部122とを備え、両者はI/F123により通信可能に接続されている。
制御部122は、CPU124、画像処理回路125、およびLVDS126を備えている。
CPU124は、TG1と相互に通信可能に接続し、LVDS126を介して入力されるデジタル画像データに基づいてプリンタエンジン121を制御し、記録紙等の媒体に画像を形成させる。プリンタエンジン121の画像形成プロセスは種々あり、いずれの形式のプリンタエンジンでも使用できるので、プリンタエンジンに関する説明は省略する。
この発明では、AFEやEFのいかなる過電圧・過電流も抑制できるため、この発明をスキャナや複写機等の画像形成装置に適用することにより、安定動作かつ高信頼性のシステムを実現できる。
なお、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術思想に含まれる技術的事項の全てが対象となることは言うまでもない。
以上の説明から明らかなように、この発明によれば、信号バッファ回路への過電圧を抑制することができる。したがって、過電圧を抑制できる信号バッファ回路、センサ制御基板、画像読取装置、および画像形成装置を提供することができる。
1:TG(タイミングジェネレータ) 2:CCDドライバ 3:CCD
4:信号バッファ回路 5,7,442:コンデンサ
6:AFE(アナログ処理回路) 11:バッファ
12,412,422,424,427,433〜435,441:抵抗器
13,14:インピーダンス可変素子
41,42,420,450:EF(エミッタフォロワ回路)
43,43′,430,430′:OVP(過電圧保護用の遅延回路)
62,63,423,425,426:ダイオード 100:スキャナ
109:センサ制御基板 200:画像形成装置
411,421,431,432:トランジスタ 440:CR回路
470:半導体チップ
特開2007−214688号公報

Claims (15)

  1. 信号を後段に伝達するバッファ動作を行うバッファを有する信号バッファ回路であって、
    前記バッファの入力部と出力部との間に接続された抵抗手段と、
    前記出力部に直列に接続され、前記バッファが前記バッファ動作を行っている場合には低インピーダンス状態、前記バッファ動作を行っていない場合には高インピーダンス状態となるインピーダンス可変手段とを設けたことを特徴とする信号バッファ回路。
  2. 請求項1に記載の信号バッファ回路において、
    当該信号バッファ回路はエミッタフォロワ回路であり、前記抵抗手段および前記インピーダンス可変手段は電気抵抗器およびダイオードであることを特徴とする信号バッファ回路。
  3. 信号を後段に伝達するバッファ動作を行うバッファを有する信号バッファ回路であって、
    前記バッファの入力部と出力部との間に接続され、前記バッファが前記バッファ動作を行っている場合には高インピーダンス状態、前記バッファ動作を行っていない場合には低インピーダンス状態となる第1のインピーダンス可変手段と、
    前記出力部に直列に接続され、前記バッファが前記バッファ動作を行っている場合には低インピーダンス状態、前記バッファ動作を行っていない場合には高インピーダンス状態となる第2のインピーダンス可変手段とを設けたことを特徴とする信号バッファ回路。
  4. 請求項3に記載の信号バッファ回路において、
    当該信号バッファ回路はエミッタフォロワ回路であり、前記第1のインピーダンス可変手段および前記第2のインピーダンス可変手段はいずれもダイオードであることを特徴とする信号バッファ回路。
  5. 光電変換を行うイメージセンサと、該イメージセンサの出力信号を受けて信号を後段に伝達する請求項2又は4に記載の信号バッファ回路と、該信号バッファ回路の出力信号を入力して信号増幅およびA/D変換を含むアナログ処理を行うアナログ処理回路とを有するセンサ制御基板において、
    前記エミッタフォロワ回路のオン/オフ制御を行うバッファ制御回路を設けたことを特徴とするセンサ制御基板。
  6. 前記バッファ制御回路は、前記エミッタフォロワ回路への電源の供給をオン/オフ制御する第1のスイッチと、該第1のスイッチをオン/オフ制御する第2のスイッチとによって構成され、前記第2のスイッチは前記電源の遅延信号によって制御されることを特徴とする請求項5に記載のセンサ制御基板。
  7. 前記バッファ制御回路は、前記エミッタフォロワ回路への電源の供給をオン/オフ制御する第1のスイッチと、該第1のスイッチをオン/オフ制御する第2のスイッチとによって構成され、前記第2のスイッチは任意のタイミングで制御可能な信号の遅延信号によってオン/オフ制御されることを特徴とする請求項5に記載のセンサ制御基板。
  8. 前記バッファ制御回路は、前記エミッタフォロワ回路への電源の供給をオン/オフ制御する第1のスイッチと、該第1のスイッチをオン/オフ制御する第2のスイッチとによって構成され、前記第2のスイッチは任意のタイミングで制御可能な信号でオン/オフ制御され、前記第1のスイッチは前記第2のスイッチからの制御信号の遅延信号でオン/オフ制御されることを特徴とする請求項5に記載のセンサ制御基板。

  9. 請求項8に記載のセンサ制御基板において、
    電気抵抗器とコンデンサとからなり、前記第1のスイッチをオン/オフ制御するための遅延信号を生成するRC回路を設け、
    前記第1のスイッチは、pnpトランジスタ又はPMOSトランジスタによって構成され、
    前記コンデンサは、前記電源に接続されていることを特徴とするセンサ制御基板。
  10. 前記エミッタフォロワ回路への電源供給端とグランドとの間に電気抵抗器が接続されていることを特徴とする請求項5乃至9のいずれか一項に記載のセンサ制御基板。
  11. 請求項5乃至10のいずれか一項に記載のセンサ制御基板において、
    前記アナログ処理回路の入出力電流の電流量を制限する電流制限回路を設けたことを特徴とするセンサ制御基板。
  12. 前記電気抵抗器および前記ダイオードが同一の半導体チップ上に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の信号バッファ回路。
  13. 前記各ダイオードが同一の半導体チップ上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の信号バッファ回路。
  14. 請求項2,4,12,又は13に記載の信号バッファ回路、あるいは請求項5乃至11のいずれか一項に記載のセンサ制御基板を備えていることを特徴とする画像読取装置。
  15. 請求項14に記載の画像読取装置を備え、該画像読取装置によって読み取られた画像データに基づいて画像形成処理を行うことを特徴とする画像形成装置。
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