JP2005257539A - 光学式エンコーダ - Google Patents

Abstract

【課題】 光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合で、パルスカウンタなどの負荷が故障して負荷短絡があった場合でも、出力トランジスタに過電流が連続して流れる期間は短く、出力トランジスタが破壊されることがない光学式エンコーダを提供する。
【解決手段】 光学式エンコーダの出力回路に、充電抵抗と直列に充電方向の電流のみを通すダイオードと、コンデンサと並列に設けられた放電抵抗とを備えたことにより、過電流によって充電されたコンデンサの放電速度は遅くなり、パルス信号オフ期間においてコンデンサは完全に放電されず電荷が残り、さらにコンデンサが充電されてコンデンサの端子電圧が保護トランジスタのＶＢＥに到達すると保護トランジスタがオンとなり、その結果出力トランジスタがオフとなる。
【選択図】 図９

Description

この発明は、光学式エンコーダに関するもので、特にトランジスタ出力回路に関する。

エンコーダの出力保護回路に関する公知文献として、下記特許文献１がある。特許文献１には、過電流が流れたときは過電流検出トランジスタが動作し、かつ出力トランジスタのコレクタ電位を抵抗を介して過電流検出トランジスタのベースに帰還してその出力トランジスタのコレクタ電流に制限を加えるようにして、過電流が流れるのを阻止する構成が記載されている。
実用新案登録第２６０３２１５号 公報

しかし、特許文献１には、エンコーダの回転ディスクが高速に回転する場合、すなわち入力パルスの周波数が高い場合における、負荷の短絡によって出力トランジスタに過電流が頻繁に流れる問題を解決することについて配慮されていない。この発明は、光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合における、負荷の短絡によって出力トランジスタに過電流が頻繁に流れる問題を解決することを目的とする。

前記課題を解決するため、この発明による光学式エンコーダは、駆動方向に対して複数の目盛りが形成された目盛り板と、目盛り板に対し光を投光する投光素子と、目盛り板からの反射光または透過光を受光する受光素子と、目盛り板と受光素子との間に配置されるとともに目盛り板に形成された目盛りに対応した開口が形成された遮光板と、受光素子で受光された受光信号を電気信号に変換する受光回路と、受光回路で得られた電気信号からパルス信号を生成する信号処理回路と、信号処理回路で得られたパルス信号を外部へ出力する出力回路とからなる光学式エンコーダであって、出力回路は、外部への接続に用いられる出力端子と、出力端子と接地電位または電源電位との間の出力電流の経路中に直列に設けられた出力スイッチング素子および出力抵抗とを備え、出力スイッチング素子は、信号処理回路で得られたパルス信号を制御入力として出力電流をオン・オフするものであり、さらに出力回路は、出力スイッチング素子の制御入力に接続されてオンしたときに出力スイッチング素子を強制的にオフにする保護スイッチング素子と、出力抵抗に出力電流が流れたときに出力抵抗の両端に発生する電位差によって充電されるコンデンサと、コンデンサに対する充電電流の経路中に設けられた充電抵抗とを備え、保護スイッチング素子は、前記コンデンサの充電量が所定値よりも大きくなるとオンするようにコンデンサの端子電圧が制御入力として与えられ、さらに出力回路は、コンデンサに対する充電電流の経路中に、充電抵抗と直列に充電方向の電流のみを通すダイオードと、コンデンサと並列に設けられた放電抵抗とを備えてなる。

光学式エンコーダは、受光素子が目盛り板からの反射光を受光する反射型であっても、受光素子が目盛り板からの透過光を受光する透過型であってもよい。反射型の光学式エンコーダの場合、複数の目盛りが形成された目盛り板は、正反射部と非正反射部とから形成された反射板で構成することが好ましい。また、透過型の光学式エンコーダの場合、複数の目盛りが形成された目盛り板は、透過部と非透過部とから形成された透過板で構成することが好ましい。

投光素子にはＬＥＤやレーザダイオードなどを用いることができ、受光素子にはフォトＩＣやフォトダイオードなどを用いることができる。また、出力スイッチング素子および保護スイッチング素子はトランジスタなどを用いることができる。

出力端子には、パルスカウンタなどの負荷が接続される。ここで負荷が短絡した場合、信号処理回路で得られたパルス信号がオンの期間、出力スイッチング素子に過電流が流れ、さらにコンデンサに過電流が到達してコンデンサが充電される。次に、パルス信号がオフとなって、出力スイッチング素子に過電流が流れず、充電されたコンデンサが放電を開始するが、コンデンサには放電抵抗が並列接続されているため、コンデンサの放電速度は遅くなる。光学式エンコーダの目盛り板の駆動が低速である場合、パルス信号がオフの期間にコンデンサは完全に放電されるが、目盛り板の駆動が高速である場合、パルス信号がオフの期間が短いため、このパルス信号オフ期間においてコンデンサは完全に放電されず電荷が残る。再度パルス信号がオンになると、コンデンサは電荷が残っている状態から再度充電される。この繰り返しにより、幾パルスかパルス信号がオンとなった時点で、コンデンサの充電量が所定値となり、コンデンサの端子電圧が保護スイッチング素子の制御入力として与えられて保護スイッチング素子がオンとなり、その結果パルス信号がオンとなっても出力スイッチング素子に過電流が流れ続けることはない。従って、この発明によると、光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合でかつ負荷短絡があった場合であっても、出力スイッチング素子が破壊されることはない。

この発明の一実施態様においては、出力回路において、出力スイッチング素子は、エミッタが出力抵抗を介して接地されるＮＰＮ型のトランジスタであり、保護スイッチング素子は、エミッタが接地されるＮＰＮ型のトランジスタである。

ここで、出力スイッチング素子であるＮＰＮ型のトランジスタ（出力トランジスタ）と出力抵抗とは、出力端子と接地電位との間で直列に設けられる。この実施態様においても負荷が短絡した場合、コンデンサの端子電圧が、保護スイッチング素子であるＮＰＮ型のトランジスタ（保護トランジスタ）のベース−エミッタ間電圧となると、保護トランジスタがオンとなり、その結果パルス信号がオンとなっても出力トランジスタに過電流が流れ続けることはない。従って、光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合でかつ負荷短絡があった場合であっても、出力トランジスタが破壊されることはない。

また、この発明の一実施態様においては、出力回路において、出力スイッチング素子は、エミッタが出力抵抗を介してエンコーダ駆動電源に接続されるＰＮＰ型のトランジスタであり、保護スイッチング素子は、エミッタがエンコーダ駆動電源に接続されるＰＮＰ型のトランジスタである。

ここで、出力スイッチング素子であるＰＮＰ型のトランジスタ（出力トランジスタ）と出力抵抗とは、出力端子とエンコーダ駆動電源との間で直列に設けられる。この実施態様においても負荷が短絡した場合、コンデンサの端子電圧が、保護スイッチング素子であるＰＮＰ型のトランジスタ（保護トランジスタ）のベース−エミッタ間電圧となると、保護トランジスタがオンとなり、その結果パルス信号がオンとなっても出力トランジスタに過電流が流れ続けることはない。従って、光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合でかつ負荷短絡があった場合であっても、出力トランジスタが破壊されることはない。

また、この発明の一実施態様においては、入力電位の接続端子が、保護スイッチング素子の制御入力に接続される比較回路を備え、入力電位と所定の基準電位との比較結果を比較回路の出力端子から外部に出力する。

保護スイッチング素子がトランジスタ（保護トランジスタ）である場合、比較回路の入力電位の接続端子は、保護トランジスタのベースに接続される。この実施態様によると、比較回路において、保護トランジスタのベースに接続された入力電位と、所定の基準電位とを比較して、入力電位が所定の基準電位を超えた場合に、その結果を外部に出力することにより、過電流が出力回路に流れているか否かが判断できる。外部への出力は光学式エンコーダに表示灯を設け、表示灯が点灯または点滅するようにしてもよい。

この発明によれば、光学式エンコーダの出力回路に、充電抵抗と直列に充電方向の電流のみを通すダイオードと、コンデンサと並列に設けられた放電抵抗とを備えたことにより、光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合でかつ負荷短絡があった場合であっても、出力スイッチング素子が破壊されることはない。

図１および図２は、この発明の第一実施形態の光学式エンコーダ１である。光学式エンコーダ１は、回転型で、インクリメント式で、かつ光学式であって、分解能は１０００パルス／回転である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は左側面図、図２は、図１（ｂ）のＡ−Ａ断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）、及び図２において、光学式エンコーダ１は、モータなどに連結されるシャフト１０１と、シャフト１０１の軸受け１０２と、軸受け１０２を保持する金属製のベース１０３と、シャフト１０１に固定される反射板１０４と、反射板１０４をシャフト１０１に固定する際の補助材であるフランジ１００と、反射板１０４と対向して配置される反射型の光学読取り器２と、光学読取り器２が固定される金属製のプレート１０５と、光学読取り器２から電気信号を取り出し処理する回路基板１０６と、回路基板１０６をプレート１０５に支持するための基板支持棒１０７と、反射板１０４や光学読取り器２や回路基板１０６をカバーし、ベース１０３に固定される金属製円筒状のケース１０８と、回路基板１０６に電気的に接続される電気コード１０９と、電気コード１０９をケース１０８に固定する際の補助材であるブッシュ１１０とからなる。

図３は、光学式エンコーダ１において、ケース１０８と電気コード１０９とブッシュ１１０とを取り外した状態の斜視図である。図３において、図１および図２にて示された構成要素と同一要素は、同一の符号を付与し説明を一部省略する。

反射板１０４は、厚さ０．１ミリの金属で形成される回転ディスクで、光学読取り器２と対向する面において、回転方向に沿って正反射部と非正反射部とが交互に形成されている。モータなどに連結されたシャフト１０１の回転とともに反射板１０４も回転し、反射板１０４からの正反射光を光学読取り器２が光学的に読み取り、回路基板１０６において電気処理され、電気コード１０９から対応する電気信号が出力される。

図４は、光学式エンコーダ１における主に光学読取り器２と電気処理に係る構成を示す図である。図４において、図１ないし図３にて示された構成要素と同一要素は、同一の符号を付与し説明を一部省略する。光学読取り器２の光学系を形成する主な構成要素は、反射板１０４に対して光を照射する投光ＬＥＤ３１０と、投光ＬＥＤ３１０からの照射光を一部透過し、反射板１０４からの反射光をフォトＩＣ４４０へ向かわせるハーフミラー４２０と、投光ＬＥＤ３１０からの照射光を平行光にして反射板１０４に照射し、反射板１０４からの反射光を集光してフォトＩＣ４４０で結像させる対物レンズ４１０と、対物レンズ４１０の焦点位置に配置されるピンホール４０１と、反射板１０４に形成された正反射部と非正反射部とに対応した投光部と遮光部とを有する遮光板４３０と、フォトＩＣ４４０とである。電気処理に係る構成要素は、投光ＬＥＤ３１０を駆動する投光回路３３０と、フォトＩＣ４４０が反射板１０４で反射した光を受光した後、フォトＩＣ４４０で生成される電気信号を増幅並びに波形整形する受光回路４５０と、受光回路４５０で得られた電気信号からパルス信号を生成する信号処理部４５１と、信号処理部４５１から得られたパルス信号を外部へ出力する出力回路４５２とからなる。

図５は、反射板１０４の平面図である。反射板１０４は円盤状に形成されており、その周縁部には正反射部と非正反射部とが交互に形成される反射帯域１２０が設けられ、中央部にはシャフト１０１を貫通固定するための軸孔１２１が開設される。光学式エンコーダ１の分解能が１０００パルス／回転であるため、反射板１０４には正反射部と非正反射部とが回転方向に沿ってそれぞれ１０００箇所形成されている。

図６は、図５におけるＥ部拡大である。図５において、反射帯域１２０は第１の反射帯域１２２と、第２の反射帯域１２３と、第３の反射帯域１２４とからなる３列の反射帯域で構成され、それぞれａ部が非正反射部となり、ｂ部が正反射部となる。これらの反射帯域は、レーザ加工機を用いて形成する。すなわち、表面が鏡面状態の金属製ディスクを準備し、この金属ディスクのａ部をレーザ照射によって表面を粗面化する。その結果、ａ部は粗面となって光を拡散反射する非正反射部となり、ｂ部は鏡面状態を維持して正反射部となる。第２の反射帯域１２３において、この正反射部と非正反射部とが交互に形成され、かつ正反射部の幅と非正反射部の幅が同じ幅で形成されているため、正反射部からの反射光のみを光学読取り器２が受光することにより、後で詳しく説明するが信号処理部４５１においてデューティ５０％のパルス信号を得ることができる。また、第２の反射帯域１２３がインクリメント式光学式エンコーダにおけるＡ相とＢ相とのパルス信号生成に寄与し、第１の反射帯域１２２と第３の反射帯域１２４とが、互いに１８０度の位相差を有し、それぞれＺ相と−Ｚ相のパルス信号生成に寄与する。なお、Ａ相とＢ相とは、後で詳しく説明するが、互いに９０度の位相差を有し、どちらの位相が進んでいるかを検出することにより反射板１０４の回転方向を特定する。

図７は、遮光板４３０の平面図である。遮光板４３０は、厚さ０．０５ミリの金属製の薄板から成り、反射板１０４の反射帯域１２０における正反射部と非正反射部とに対応するスリットパターンが、中央に形成されている。スリットパターンには、第１スリット列４３２と、第２スリット列Ａ相４３３と、第２スリット列−Ａ相４３４と、第３スリット列Ｂ相４３５と、第３スリット列−Ｂ相４３６と、第４スリット列４３７とが形成されており、これらのスリットパターンを中心として外側に遮光板取付穴４３１が設けられている。ここで、第１スリット列４３２と第４スリット列４３７とは、スリットの並んでいる方向に対して同位相にスリットが形成されており、第１スリット列４３２は第１の反射帯域１２２に対応してＺ相出力に関わり、第４スリット列４３７は第３の反射帯域１２４に対応して−Ｚ相出力に関わる。

第２スリット列Ａ相４３３と第２スリット列−Ａ相４３４とは、スリットの並んでいる方向に対して互いに１８０度の位相差をもってスリットが形成されており、第２スリット列Ａ相４３３は反射板１０４の第２の反射帯域１２３に対応してＡ相出力に関わり、第２スリット列−Ａ相４３４は第２の反射帯域１２３に対応して、Ａ相と１８０度の位相差をもった−Ａ相出力に関わる。第３スリット列Ｂ相４３５と第３スリット列−Ｂ相４３６とは、スリットの並んでいる方向に対して互いに１８０度の位相差をもってスリットが形成されており、第３スリット列Ｂ相４３５は第２の反射帯域１２３に対応してＢ相出力に関わり、第３スリット列−Ｂ相４３６は第２の反射帯域１２３に対応して、Ｂ相と１８０度の位相差をもった−Ｂ相出力に関わる。また、第２スリット列Ａ相４３３と第３スリット列Ｂ相４３５とは、互いに９０度の位相差を有し、第２スリット列−Ａ相４３４と第３スリット列−Ｂ相４３６とも、互いに９０度の位相差を有し、Ａ相とＢ相とでどちらの位相が進んでいるかを検出することにより反射板１０４の回転方向を特定する。

図８は、図４に示すフォトＩＣ４４０、受光回路４５０、信号処理部４５１、出力回路４５２の電気的構成を概略的に示した回路図である。図４において１つのブロックで示したフォトＩＣ４４０は、６つの個別のフォトＩＣ２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂとから成る。また、図４において１つのブロックで示した受光回路４５０は、６つの個別のＩ／Ｖ変換器１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂとから成る。また、図４において１つのブロックで示した信号処理部４５１は、３つの個別の差動増幅器１５、１６、１７と３つの個別のコンパレータ１８、１９、２０とから成る。さらに、図４において１つのブロックで示した出力回路４５２は、３つの個別の出力回路４５２Ａ、４５２Ｂ、４５２Ｃとから成る。

フォトＩＣ２５ａはＡ相、フォトＩＣ２５ｂは−Ａ相、フォトＩＣ２６ａはＢ相、フォトＩＣ２６ｂは−Ｂ相、フォトＩＣ２７ａはＺ相、フォトＩＣ２７ｂは−Ｚ相に対応する光を受光する。Ａ相と−Ａ相とに対応するフォトＩＣ２５ａ、２５ｂの出力電流は、それぞれＩ／Ｖ変換器１２ａ、１２ｂにてＩ／Ｖ変換されたのち、差動増幅器１５を介して変化分が強調される。Ｂ相と−Ｂ相とに対応するフォトＩＣ２６ａ、２６ｂの出力電流は、それぞれＩ／Ｖ変換器１３ａ、１３ｂにてＩ／Ｖ変換されたのち、差動増幅器１６を介して変化分が強調される。Ｚ相と−Ｚ相とに対応するフォトＩＣ２７ａ、２７ｂの出力電流は、それぞれＩ／Ｖ変換器１４ａ、１４ｂにてＩ／Ｖ変換されたのち、差動増幅器１７を介して変化分が強調される。差動増幅器１５、１６、１７の各出力は、その後段に配置されたコンパレータ１８、１９、２０にてそれぞれ二値化されたのち、出力回路４５２Ａ、４５２Ｂ、４５２Ｃへ入力される。電源回路２４は各回路へ電源を供給する。

各相において、−相の出力を用いて差動増幅している理由を、Ａ相の場合を例にとって以下に説明する。Ａ相に対応するフォトＩＣ２５ａから出力される電気信号は正弦波に近い波形信号となる。仮に−Ａ相を生成せずにＡ相だけでパルス信号を生成した場合、反射板１０４のばたつきや、投光ＬＥＤ３１０の照射光量の減衰などで、Ａ相の出力レベルが変化し、コンパレータで設定した閾値に対して、閾値より大きいオンレベルの時間と閾値より小さいオフレベルの時間が変動してしまい、コンパレータで処理された後のパルス信号はデューティ５０％の一定とならず変動してしまう。光学式エンコーダの出力を、回転量計測だけに用いるのでなく、位置計測としても用いる場合、上記パルス信号のデューティが変動することは、オンレベルの時間がばらつき、その結果位置信号がばらつくことになる。従って、−Ａ相の出力を生成してＡ相の出力と差動増幅し、各相のレベル変動をキャンセルする構成にしている。他の理由は、ノイズ耐性に関してであり、Ａ相と−Ａ相に例えば電気的ノイズが発生しても、差動増幅でノイズ成分を相殺させることができる。上記理由により−相の出力を用いて差動増幅する構成にして、デューティ５０％のパルス信号を得ている。

図９は、図８における出力回路４５２Ａ、４５２Ｂ、４５２Ｃの詳細回路図である。出力回路４５２は、入力端子２０１、出力トランジスタ２０２、出力端子２０３、抵抗値が１０Ωの出力抵抗２０４、保護トランジスタ２０５、容量が０．１μＦのコンデンサ２０６、抵抗値が１．２ｋΩの充電抵抗２０７、順電圧が０．６Ｖのダイオード２１０、抵抗値が２．４ｋΩの放電抵抗２１１、コンパレータ２１２、コンパレータ２１２の出力端と接続されるコンパレータ出力端子２１３とから成る。出力トランジスタ２０２は、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥが０．６ＶのＮＰＮ型トランジスタであり、保護トランジスタ２０５は、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥが０．６ＶのＮＰＮ型トランジスタである。出力端子２０３には、パルスカウンタ３０１の一端が接続され、パルスカウンタ３０１の他端はパルスカウンタ駆動電源３０２を介してグランドに接地される。出力回路４５２Ａ、４５２Ｂ、４５２Ｃは、同一構成の回路ですべて前記図９に示す回路から成る。

次に、Ａ相の出力回路４５２Ａを例にとって、反射板１０４が回転したときの出力回路の動作について説明する。反射板１０４の回転に伴って、入力端子２０１からデューティ５０％のパルス信号が入力される。反射板１０４が低速回転のときは長い周期のパルス信号が入力され、反射板１０４が高速回転のときは、短い周期のパルス信号が入力される。

入力端子２０１に入力されたパルス信号は、出力トランジスタ２０２のベースに入力され、パルス信号がハイレベル時に出力トランジスタ２０２をオンさせる。出力トランジスタ２０２がオンの間、パルスカウンタ３０１に接続されたパルスカウンタ駆動電源３０２からの供給電流が出力トランジスタ２０２のコレクタへ入力され、同時にパルスカウンタ３０１のカウンタがアップされてパルスカウンタ３０１は反射板１０４の回転量をカウントする。出力トランジスタ２０２のコレクタに入力された電流は、出力抵抗２０４を介してグランドに流れる。このとき一部の電流は、ダイオード２１０と充電抵抗２０７を介してコンデンサ２０６に到達し、コンデンサ２０６の充電が開始される。

次に、前記構成における光学式エンコーダ１において、（ケース１）：反射板１０４が６００ｒｐｍの低速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が正常な場合、（ケース２）：反射板１０４が６００ｒｐｍの低速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が故障の場合、（ケース３）：反射板１０４が６０００ｒｐｍの高速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が正常な場合、（ケース４）：反射板１０４が６０００ｒｐｍの高速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が故障の場合、の４ケースにおける出力回路の動作を示す。

図１０は、（ケース１）：反射板１０４が６００ｒｐｍの低速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が正常な場合における、入力端子２０１に入力される１０ｋＨｚ時のパルス信号と、コンデンサ２０６のグランドに対する電圧（以下単に電圧と示す）ＶＣ１との時間変化を表わした図である。ここで、６０１はパルス信号のパターンを、６０２はコンデンサ２０６の電圧波形を示す。なお、反射板１０４の分解能が１０００パルス／回転であるため、反射板１０４が６００ｒｐｍで回転すると、得られるパルス信号の周波数は１０ｋＨｚとなり、パルス信号のハイレベルのパルス幅およびローレベルの幅は５０μＳとなる。コンデンサ２０６において、パルス信号がハイレベルの間に充電される量は少なく、ＶＣ１が保護トランジスタ２０５のＶＢＥに到達することはない。また、充電されたコンデンサ２０６は、パルス信号がローレベルになると同時に放電を開始し、次のパルス信号がハイレベルとなる前にコンデンサ２０６の放電は完了してＶＣ１は０Ｖとなる。

図１１は、（ケース２）：反射板１０４が６００ｒｐｍの低速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が故障の場合における、入力端子２０１に入力されるパルス信号とコンデンサ２０６の電圧ＶＣ１との時間変化を表わした図である。ここで、６０１はパルス信号のパターンを、６０３はコンデンサ２０６の電圧波形を示す。

パルスカウンタ３０１が故障して、パルスカウンタ駆動電源３０２と出力端子２０３とが短絡すると、パルス信号がハイレベルの間、パルスカウンタ駆動電源３０２から出力トランジスタ２０２のコレクタに過電流が流れる。この過電流の一部は、出力抵抗２０４を介してグランドに流れるが、その他の過電流は、ダイオード２１０と充電抵抗２０７を介してコンデンサ２０６に到達し、コンデンサ２０６の充電が開始される。

コンデンサ２０６に到達した過電流により、コンデンサ２０６は図１１におけるＤ１の間急速に充電され、ＶＣ１は保護トランジスタ２０５のＶＢＥに到達する。ＶＣ１が保護トランジスタ２０５のＶＢＥに到達すると、保護トランジスタ２０５がオンとなり、入力端子２０１は保護トランジスタ２０５を介してグランドレベルとなり、入力端子２０１に入力されたパルス信号は出力トランジスタ２０２のベースに流れなくなる。その結果、出力トランジスタ２０２はオフとなり、過電流は出力トランジスタ２０２を流れない。過電流が出力トランジスタ２０２を流れないと、過電流によるコンデンサ２０６の充電は中止され、コンデンサ２０６は放電を開始する。コンデンサ２０６の放電が開始され、ＶＣ１が低下すると、ＶＣ１は保護トランジスタ２０５のＶＢＥを下回り、保護トランジスタ２０５がオフとなる。保護トランジスタ２０５がオフとなると、入力端子２０１に入力されたパルス信号は再度出力トランジスタ２０２のベースに流れる。その結果、再度出力トランジスタ２０２がオンとなり、過電流が出力トランジスタ２０２を流れ、コンデンサ２０６が充電される。これを繰り返すことにより、パルス信号のハイレベルが続く期間である図１１におけるＤ２の間において、コンデンサ２０６の電圧ＶＣ１は保護トランジスタ２０５のＶＢＥと同一値でほぼ一定値となる。

その後、充電されたコンデンサ２０６は、パルス信号がローレベルになると同時に放電を開始し始めるが、放電抵抗２１１がコンデンサ２０６に並列に接続されているため放電速度は低下し、図１１におけるＤ３の間を要して放電は完了する。

ケース２の場合、出力トランジスタ２０２に過電流が流れる期間はＤ１の間であり、期間Ｄ２は流れる動作と流れない動作が繰り返され、パルス信号がローレベルの期間Ｄ４では流れない。従って、出力トランジスタ２０２に過電流が連続して流れる期間の割合は、過電流が連続して流れない期間の割合に対して小さく、出力トランジスタ２０２が破壊されることはない。

なお、ダイオード２１０は、コンデンサ２０６の放電時における電流の逆流、すなわち電流が出力トランジスタ２０２のエミッタ側へ流れないようにする機能として働く。

図１２は、（ケース３）：反射板１０４が６０００ｒｐｍの高速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が正常な場合における、入力端子２０１に入力される１００ｋＨｚ時のパルス信号と、コンデンサ２０６の電圧ＶＣ１との時間変化を表わした図である。ここで、６０４はパルス信号のパターンを、６０５はコンデンサ２０６の電圧波形を示す。なお、反射板１０４の分解能が１０００パルス／回転であるため、反射板１０４が６０００ｒｐｍで回転すると、得られるパルス信号の周波数は１００ｋＨｚとなり、パルス信号のハイレベルのパルス幅およびローレベルの幅は５μＳとなる。ケース１と同様に、コンデンサ２０６において、パルス信号がハイレベルの間に充電される量は少なく、ＶＣ１が保護トランジスタ２０５のＶＢＥに到達することはない。また、充電されたコンデンサ２０６は、パルス信号がローレベルになると同時に放電を開始し、次のパルス信号がハイレベルとなる前にコンデンサ２０６の放電は完了してＶＣ１は０Ｖとなる。

図１３は、（ケース４）：反射板１０４が６０００ｒｐｍの高速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が故障の場合における、入力端子２０１に入力される１００ｋＨｚ時のパルス信号と、コンデンサ２０６の電圧ＶＣ１との時間変化を表わした図である。ここで、６０４はパルス信号のパターンを、６０６はコンデンサ２０６の電圧波形を示す。

パルスカウンタ３０１が故障して、パルスカウンタ駆動電源３０２と出力端子２０３とが短絡すると、パルス信号がハイレベルの間、ケース２と同様に、パルスカウンタ駆動電源３０２から出力トランジスタ２０２のコレクタに過電流が流れる。この過電流の一部は、出力抵抗２０４を介してグランドに流れるが、その他の過電流はダイオード２１０と充電抵抗２０７を介してコンデンサ２０６に到達し、コンデンサ２０６の充電が開始される。ケース４では、パルス信号がハイレベルとなる期間が短いために、パルス信号がハイレベルからローレベルになる時点で、コンデンサ２０６の充電はさほど進んでおらず、コンデンサ２０６の電圧ＶＣ１は保護トランジスタ２０５のＶＢＥに到達していない（期間Ｄ５）。次に、パルス信号がローレベルになると、コンデンサ２０６は放電を開始する。この時、放電抵抗２１１よって放電速度は低下し、次のパルス信号がハイレベルになる時点までの間に放電される量は少なく、コンデンサ２０６には電荷が残る（期間Ｄ６）。そして、再度パルス信号がハイレベルになると、コンデンサ２０６は電荷が残っている状態から再度充電を開始する。このパルス信号のオン・オフが数パルス繰り返されると、電圧ＶＣ１はＶＢＥに到達する（Ｄ７）。電圧ＶＣ１がＶＢＥに到達した後は、パルス信号がハイレベルの間、（ケース２）の期間Ｄ２と同様に、電圧ＶＣ１はＶＢＥと同一値でほぼ一定値となる。そして、再度パルス信号がローレベルになると、コンデンサ２０６は放電を開始するが、放電速度は遅く次のパルス信号がハイレベルになるまでの間では少しの量だけ放電する（期間Ｄ８）。従って、再度パルス信号がハイレベルになると、電圧ＶＣ１はすぐにＶＢＥに到達する。

ケース４の場合、出力トランジスタ２０２に過電流が連続して流れる期間は、電圧ＶＣ１がＶＢＥに到達するＤ７までの間におけるパルス信号がオンの間だけであり、Ｄ７以降は過電流が連続して流れる期間は短い。従って、出力トランジスタ２０２に過電流が連続して流れる期間は短く、出力トランジスタ２０２が破壊されることはない。

次に、放電抵抗２１１が存在することの効果を明らかにするため、放電抵抗２１１がない場合について詳しく説明する。図１４は図９の出力回路に対して、放電抵抗２１１とダイオード２１０とを取り除いた比較例の回路図である。

図１４の出力回路の場合であって、前記ケース４のように、反射板１０４が６０００ｒｐｍの高速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が故障の場合における、入力端子２０１に入力される１００ｋＨｚ時のパルス信号と、コンデンサ２０６の電圧ＶＣ１との時間変化を図１５に示す。ここで、６０４はパルス信号のパターンを、６０６はコンデンサ２０６の電圧波形を示す。

パルスカウンタ３０１が故障して、パルスカウンタ駆動電源３０２と出力端子２０３とが短絡すると、パルスカウンタ駆動電源３０２から出力トランジスタ２０２のコレクタに過電流が流れる。この過電流の一部は、出力抵抗２０４を介してグランドに流れるが、その他の過電流は、充電抵抗２０７を介してコンデンサ２０６に到達し、コンデンサ２０６の充電が開始される。

コンデンサ２０６に到達した過電流により、コンデンサ２０６はパルス信号がハイレベルの間急速に充電され、ＶＣ１は上昇する。しかし、パルス信号がハイレベルである期間が短いため、パルス信号がハイレベルの間にＶＣ１は保護トランジスタ２０５のＶＢＥに到達することはない。その後、充電されたコンデンサ２０６は、パルス信号がローレベルになると同時に放電を開始する。この時、放電抵抗２１１がないため放電速度は速く、次のパルス信号がハイレベルとなる前にコンデンサ２０６の放電は完了してＶＣ１は０Ｖとなる。

この場合、パルス信号がハイレベルである期間は常に出力トランジスタ２０２に過電流が流れることになり、従って、出力トランジスタ２０２に過電流が連続して流れる期間がデューティ５０％の状態で続くことになる。その結果、出力トランジスタ２０２に過大な負荷かかかり破壊に至る。

次に、放電抵抗２１１をコンデンサ２０６に並列接続させることによりコンデンサ２０６の放電速度が低下することについて説明する。はじめに、本発明の出力回路におけるコンデンサの放電時間について説明する。図９に戻って、コンデンサ２０６の容量をＣ１、出力抵抗２０４の抵抗値をＲ０、放電抵抗２１１の抵抗値をＲ１、出力抵抗２０４を流れる電流値をｉ０とした時の、両端電位ＶＢＥのコンデンサ２０６の放電時間ｔ１は次の（１）式で表される。

ｔ１＝−Ｃ１＊Ｒ１＊ｌｎ｛ＶＢＥ／（ｉ０＊Ｒ０）｝・・・（１）式
次に、放電抵抗２１１がない場合の出力回路におけるコンデンサの放電時間について説明する。図１４に戻って、コンデンサ２０６の容量をＣ１、出力抵抗２０４の抵抗値をＲ０、充電抵抗２０７の抵抗値をＲ２、出力抵抗２０４を流れる電流値をｉ０とした時の、両端電位ＶＢＥのコンデンサ２０６の放電時間ｔ２は次の（２）式で表される。

ｔ２＝−Ｃ１＊Ｒ２＊ｌｎ｛１−ＶＢＥ／（ｉ０＊Ｒ０）｝・・・（２）式
ここで、（１）式と（２）式とを比較すると、対数の真数部が異なる。（１）式の場合、過電流が大きくてｉ０の値が大きいと、対数の絶対値は大きくなり、その結果ｔ１は大きくなる。一方、（２）式の場合、過電流が大きくてｉ０の値が大きいと、対数の値は０に近づき、その結果ｔ２が小さくなる。従って、放電抵抗２１１をコンデンサ２０６に並列接続することにより、コンデンサ２０６の放電時間が長くなることがわかる。

次に、図９に示される放電抵抗２１１とダイオード２１０とを出力回路に備えた場合（図９）と、図１４に示される放電抵抗２１１とダイオード２１０とを出力回路に備えていない場合（図１４）とについて、負荷を短絡させた場合における、反射板１０４の回転速度に対する、出力トランジスタ２０２の破壊の有無の検証結果を示す。

反射板１０４の回転速度６００ｒｐｍ（パルス信号の周波数１０ｋＨｚ）：図９、図１４共に、出力トランジスタは破壊せず。

反射板１０４の回転速度３０００ｒｐｍ（パルス信号の周波数５０ｋＨｚ）：図９、図１４共に、出力トランジスタは破壊せず。

反射板１０４の回転速度４８００ｒｐｍ（パルス信号の周波数８０ｋＨｚ）：図９、図１４共に、出力トランジスタは破壊せず。

反射板１０４の回転速度６０００ｒｐｍ（パルス信号の周波数１００ｋＨｚ）：図９は、出力トランジスタは破壊せず。図１４は、出力トランジスタは破壊した。

上記検証結果から、負荷が短絡された場合における反射板１０４の高速回転に対して、図９に示される放電抵抗２１１とダイオード２１０とを出力回路に備えた場合の方が、図１４に示される放電抵抗２１１とダイオード２１０とを出力回路に備えていない場合よりも、出力トランジスタ２０２の破壊に対して保護されていることがわかる。

図１６は、出力トランジスタがＰＮＰ型である場合の出力回路の実施例である。ＰＮＰ型の出力回路は、入力端子５３１、出力トランジスタ５３２、出力端子５３３、出力抵抗５０４、保護トランジスタ５３５、コンデンサ５０６、充電抵抗５０７、ダイオード５１０、放電抵抗５１１とから成る。出力トランジスタ５３２は、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥが０．６ＶのＰＮＰ型トランジスタであり、保護トランジスタ５３５は、ベース−エミッタ間電圧ＶＢＥが０．６ＶのＰＮＰ型トランジスタである。出力端子５３３には、パルスカウンタ３０１の一端が接続され、パルスカウンタ３０１の他端はグランドに接地される。また、１２Ｖのエンコーダ駆動電源（ＶＣＣ）が出力回路に供給される。

ＰＮＰ型の出力回路においても、ＮＰＮ型の出力回路と同様の動作を行う。ＮＰＮ型の出力回路におけるケース４の場合を例にとって、ＰＮＰ型の出力回路の動作について説明する。なお、出力トランジスタ５３２は、ベースへの入力信号がローレベルのときオンとなり、ハイレベルのときオフとなる。

反射板１０４が６０００ｒｐｍの高速で回転し、かつパルスカウンタ３０１が故障して、出力端子５３３がグランドに短絡すると、ＶＣＣから出力抵抗５０４を介して出力トランジスタ５３２のエミッタに過電流が流れる。一方、過電流の一部は、コンデンサ５０６に到達し、コンデンサ５０６の充電が開始される。ケース４では、パルス信号がオンレベルとなる期間が短いために、パルス信号がオンレベルからオフレベルになる時点で、コンデンサ５０６の充電はさほど進んでおらず、コンデンサ５０６の電圧ＶＣ１は保護トランジスタ５３５のＶＢＥに到達していない。次に、パルス信号がオフレベルになると、コンデンサ５０６は放電を開始する。この時、放電抵抗５１１よって放電速度は低下し、次のパルス信号がオンレベルになる時点までの間に放電される量は少なく、コンデンサ５０６には電荷が残る。そして、再度パルス信号がオンレベルになると、コンデンサ５０６は電荷が残っている状態から再度充電を開始する。このパルス信号のオン・オフが数パルス繰り返されると、電圧ＶＣ１はＶＢＥに到達する。ＶＣ１が保護トランジスタ５３５のＶＢＥに到達すると、保護トランジスタ５３５がオンとなり、入力端子５３１は保護トランジスタ５３５を介してＶＣＣレベルとなり、その結果出力トランジスタ５３２はオフとなり、過電流は出力トランジスタ５３２を流れなくなる。

過電流が出力トランジスタ５３２を流れないと、過電流によるコンデンサ５０６の充電は中止され、コンデンサ５０６は放電を開始する。放電開始時点では、出力トランジスタ５３２がオフであるため、出力抵抗５０４における電圧降下はなく、ダイオード５１０のカソード側の電位はＶＣＣレベルとなり、アノード側の電位の方がカソード側の電位よりも低くなるため、放電の電流はダイオード５１０側に流れることなくコンデンサ５０６に並列に接続された放電抵抗５１１との間で放電される。コンデンサ５０６の放電が開始され、ＶＣ１が低下すると、ＶＣ１は保護トランジスタ５３５のＶＢＥを下回り、保護トランジスタ５３５がオフとなる。保護トランジスタ５３５がオフとなると、再度出力トランジスタ５３２がオンとなり、過電流が出力抵抗５０４を介して出力トランジスタ５３２に流れると共に、コンデンサ５０６にも到達し、再度充電される。これを繰り返すことにより、パルス信号のオンレベルが続く期間において、コンデンサ５０６の電圧ＶＣ１は保護トランジスタ５３５のＶＢＥと同一値でほぼ一定値となる。そして、再度パルス信号がオフレベルになると、コンデンサ５０６は放電を開始するが、放電速度は遅く次のパルス信号がオンレベルになるまでの間では少しの量だけ放電する。従って、再度パルス信号がオンレベルになると、電圧ＶＣ１はすぐにＶＢＥに到達する。

従って、ＰＮＰ型の出力回路においても、ＮＰＮ型の出力回路と同様に、出力トランジスタ５３２に過電流が連続して流れる期間は、電圧ＶＣ１がＶＢＥに到達するまでの間におけるパルス信号がオンの間だけであり、それ以降は過電流が連続して流れる期間は短い。従って、負荷が短絡した場合であって、反射板１０４が高速回転している場合であっても、出力トランジスタ５３２に過電流が連続して流れる期間は短く、出力トランジスタ５３２が破壊されることはない。

次に、パルスカウンタなどの負荷が故障して短絡した場合、その情報を光学式エンコーダの外部に出力する場合の実施例について説明する。図９に戻って、コンパレータ２１２は、基準電位が保護トランジスタ２０５のベース−エミッタ間電圧ＶＢＥより低い電圧である０．５Ｖに設定されている。負荷が短絡して過電流がコンデンサ２０６に到達し、コンデンサ２０６が充電されてコンパレータ２１２の基準電位に到達すると、コンパレータ２１２はオンとなって、コンパレータ出力端子２１３からオン信号が出力される。これにより、負荷短絡を検知することができる。なお、コンパレータ出力端子２１３にＬＥＤなどの表示器を接続すると、ＬＥＤの点灯により負荷短絡を視覚的に光学式エンコーダのユーザに知らせることが出来る。

なお、図９のＮＰＮ型の出力回路のみならず、図１６に示すＰＮＰ型の出力回路においても、保護トランジスタ２３５のベースにコンパレータの入力電位を接続して、所定の基準電位と比較することにより、負荷短絡を検知することができる。

本発明は、光学式エンコーダの出力回路に、充電抵抗と直列に充電方向の電流のみを通すダイオードと、コンデンサと並列に設けられた放電抵抗とを備えたことにより、光学式エンコーダの目盛り板の駆動が速くなった場合でかつ負荷短絡があった場合であっても、出力スイッチング素子が破壊されることはないため、光学式エンコーダ特にトランジスタ出力回路に好適である。

この発明の第一実施形態の光学式エンコーダ１であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は左側面図である。 図１（ｂ）におけるＡ−Ａ断面図である。 光学式エンコーダにおいて、ケースと電気コードとブッシュとを取り外した状態の斜視図である。 光学式エンコーダにおける主に光学読取り器と電気処理に係る構成を示す図である。 反射板の平面図である。 図５におけるＥ部拡大である。 遮光板の平面図である。 図４に示すフォトＩＣ、受光回路、信号処理部、出力回路の電気的構成を概略的に示した回路図である。 図８における出力回路の詳細回路図である。 ケース１における、パルス信号とＶＣ１との時間変化を表わした図である。 ケース２における、パルス信号とＶＣ１との時間変化を表わした図である。 ケース３における、パルス信号とＶＣ１との時間変化を表わした図である。 ケース４における、パルス信号とＶＣ１との時間変化を表わした図である。 図９の出力回路に対して、放電抵抗とダイオードとを取り除いた比較例の回路図である。 ケース４における、図１４の出力回路の場合のパルス信号とＶＣ１との時間変化を表わした図である。 出力トランジスタがＰＮＰ型である場合の出力回路の実施例である。

符号の説明

１ 光学式エンコーダ
２ 光学読取り器
１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂ Ｉ／Ｖ変換器
１５、１６、１７ 差動増幅器
１８、１９、２０ コンパレータ
２４ 電源回路
２５ａ、２５ｂ、２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ、４４０ フォトＩＣ
１０４ 反射板
１２０ 反射帯域
１２２ 第１の反射帯域
１２３ 第２の反射帯域
１２４ 第３の反射帯域
２０１ 入力端子
２０２ 出力トランジスタ
２０３ 出力端子
２０４ 出力抵抗
２０５ 保護トランジスタ
２０６ コンデンサ
２０７ 充電抵抗
２１０ ダイオード
２１１ 放電抵抗
２１２ コンパレータ
２１３ コンパレータ出力端子
３０１ パルスカウンタ
３０２ パルスカウンタ駆動電源
３１０ 投光ＬＥＤ
４３０ 遮光板
４３２ 第１スリット列
４３３ 第２スリット列Ａ相
４３４ 第２スリット列−Ａ相
４３５ 第３スリット列Ｂ相
４３６ 第３スリット列−Ｂ相
４３７ 第４スリット列
４５０ 受光回路
４５１ 信号処理部
４５２、４５２Ａ、４５２Ｂ、４５２Ｃ 出力回路
５０４ 出力抵抗
５０６ コンデンサ
５０７ 充電抵抗
５１０ ダイオード
５１１ 放電抵抗
５３１ 入力端子
５３２ 出力トランジスタ
５３３ 出力端子
５３５ 保護トランジスタ

Claims (4)

1. 駆動方向に対して複数の目盛りが形成された目盛り板と、前記目盛り板に対し光を投光する投光素子と、前記目盛り板からの反射光または透過光を受光する受光素子と、前記目盛り板と前記受光素子との間に配置されるとともに前記目盛り板に形成された前記目盛りに対応した開口が形成された遮光板と、前記受光素子で受光された受光信号を電気信号に変換する受光回路と、前記受光回路で得られた前記電気信号からパルス信号を生成する信号処理回路と、前記信号処理回路で得られたパルス信号を外部へ出力する出力回路とからなる光学式エンコーダであって、
   前記出力回路は、
   外部への接続に用いられる出力端子と、
   前記出力端子と接地電位または電源電位との間の出力電流の経路中に直列に設けられた出力スイッチング素子および出力抵抗とを備え、
   前記出力スイッチング素子は、前記信号処理回路で得られたパルス信号を制御入力として出力電流をオン・オフするものであり、
   さらに前記出力回路は、前記出力スイッチング素子の制御入力に接続されてオンしたときに前記出力スイッチング素子を強制的にオフにする保護スイッチング素子と、
   前記出力抵抗に出力電流が流れたときに前記出力抵抗の両端に発生する電位差によって充電されるコンデンサと、
   前記コンデンサに対する充電電流の経路中に設けられた充電抵抗とを備え、
   前記保護スイッチング素子は、前記コンデンサの充電量が所定値よりも大きくなるとオンするように前記コンデンサの端子電圧が制御入力として与えられ、
   さらに前記出力回路は、前記コンデンサに対する充電電流の経路中に、前記充電抵抗と直列に充電方向の電流のみを通すダイオードと、
   前記コンデンサと並列に設けられた放電抵抗と、
   を備える、光学式エンコーダ。
2. 前記出力回路において、
   前記出力スイッチング素子は、エミッタが前記出力抵抗を介して接地されるＮＰＮ型のトランジスタであり、
   前記保護スイッチング素子は、エミッタが接地されるＮＰＮ型のトランジスタである、
   請求項１に記載の光学式エンコーダ。
3. 前記出力回路において、
   前記出力スイッチング素子は、エミッタが前記出力抵抗を介してエンコーダ駆動電源に接続されるＰＮＰ型のトランジスタであり、
   前記保護スイッチング素子は、エミッタがエンコーダ駆動電源に接続されるＰＮＰ型のトランジスタである、
   請求項１に記載の光学式エンコーダ。
4. 入力電位の接続端子が、前記保護スイッチング素子の制御入力に接続される比較回路を備え、
   入力電位と所定の基準電位との比較結果を前記比較回路の出力端子から外部に出力する、請求項１乃至３のいずれかに記載の光学式エンコーダ。

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