(57)【要約】【課題】エンコーダーの検出精度の低下を低減することができるロボットおよびプリンターを提供すること。【解決手段】基台と、前記基台に対して回動軸まわりに回動可能に設けられているロボットアームと、前記ロボットアームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記ロボットアームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とするロボット。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台に対して回動軸まわりに回動可能に設けられているロボットアームと、
前記ロボットアームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記ロボットアームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とするロボット。
【請求項２】
第１アームと、前記第１アームに対して回動軸まわりに回動可能に設けられている第２アームと、を有するロボットアームと、
前記第２アームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記第１アームに対する前記第２アームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とするロボット。
【請求項３】
前記テレセントリック光学系は、物体側テレセントリックである請求項１または２に記載のロボット。
【請求項４】
前記テレセントリック光学系は、両側テレセントリックである請求項１または２に記載のロボット。
【請求項５】
前記テレセントリック光学系の光軸に対して傾斜した方向から前記マークに光を照射する光源部を備える請求項１ないし４のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項６】
前記光源部は、前記光軸まわりにリング状に配置されている請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
前記マークが顔料を用いて構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項８】
前記マークが凹凸を用いて構成されている請求項１ないし６のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項９】
前記エンコーダーは、前記マークを覆う光透過性のコーティングを備える請求項１ないし７のいずれか１項に記載のロボット。
【請求項１０】
前記マークは、前記基台または前記ロボットアームの表面にある請求項１に記載のロボット。
【請求項１１】
前記マークは、前記第１アームまたは前記第２アームの表面にある請求項２に記載のロボット。
【請求項１２】
回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記回動軸の前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とするプリンター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロボットおよびプリンターに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、回動可能な関節部を有するロボットアームを備えるロボットでは、一般に、関節部の回転角度、回転位置、回転数、回転速度等の回転状態をエンコーダーにより検出し、その検出結果に基づいて関節部の駆動を制御する。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載のエンコーダーは、グレイ符号等の数値パターンおよびストライプ状のパターンが形成されているコード板を撮像素子で読み取り、読み取った数値パターンおよびストライプ状のパターンから位置を検出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭６３−１８７１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載のエンコーダーは、撮像素子とパターンとの間の距離が変動した場合、撮像素子での結像倍率が変化してしまい、その結果、検出精度の低下を招くという課題がある。例えば、ロボットアームのように回転軸に対して非対称な重量分布がある場合、撮像素子とパターンとの間の距離が変化しやすく、このような課題が顕著となる。
【０００６】
本発明の目的は、エンコーダーの検出精度の低下を低減することができるロボットおよびプリンターを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の適用例または形態として実現することが可能である。
【０００８】
本適用例のロボットは、基台と、
前記基台に対して回動軸まわりに回動可能に設けられているロボットアームと、
前記ロボットアームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記ロボットアームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とする。
【０００９】
このようなロボットによれば、撮像素子とマークとの間にテレセントリック光学系（結像光学系）が配置されているため、マークと撮像素子との間の距離が変動しても、撮像素子への結像倍率の変化を低減することができ、その結果、エンコーダーの検出精度の低下を低減することができる。
【００１０】
本適用例のロボットは、第１アームと、前記第１アームに対して回動軸まわりに回動可能に設けられている第２アームと、を有するロボットアームと、
前記第２アームが前記回動することに伴って前記回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記第１アームに対する前記第２アームの前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とする。
【００１１】
このようなロボットによれば、撮像素子とマークとの間にテレセントリック光学系（結像光学系）が配置されているため、マークと撮像素子との間の距離が変動しても、撮像素子への結像倍率の変化を低減することができ、その結果、エンコーダーの検出精度の低下を低減することができる。
【００１２】
本適用例のロボットでは、前記テレセントリック光学系は、物体側テレセントリックであることが好ましい。
【００１３】
これにより、テレセントリック光学系に用いるレンズの数を少なく（例えば１枚）とすることができ、その結果、テレセントリック光学系の低コスト化、ひいては、エンコーダーの低コスト化を図ることができる。
【００１４】
本適用例のロボットでは、前記テレセントリック光学系は、両側テレセントリックであることが好ましい。
【００１５】
これにより、テレセントリック光学系が有するレンズと撮像素子との間の距離が変動しても、撮像素子への結像倍率の変化を低減することができる。そのため、テレセントリック光学系の組み立てが容易となるという利点がある。
【００１６】
本適用例のロボットでは、前記テレセントリック光学系の光軸に対して傾斜した方向から前記マークに光を照射する光源部を備えることが好ましい。
【００１７】
これにより、同軸落射照明を用いる場合に比べて、撮像素子の撮像画像のコントラストを向上させることができる。また、同軸落射照明を用いる場合に比べて、テレセントリック光学系が小型になるという利点もある。
【００１８】
本適用例のロボットでは、前記光源部は、前記光軸まわりにリング状に配置されていることが好ましい。
【００１９】
これにより、マークを均一に照明することができ、その結果、撮像素子の撮像画像の品位を向上させることができる。
【００２０】
本適用例のロボットでは、前記マークが顔料を用いて構成されていることが好ましい。
これにより、マークの形成を容易に行うことができる。また、一般に、顔料は光を散乱させる粒子を含有しているため、斜め照明を用いた場合、撮像素子の撮像画像のコントラストを向上させることができる。
【００２１】
本適用例のロボットでは、前記マークが凹凸を用いて構成されていることが好ましい。
これにより、マークの耐久性を向上させることができる。また、斜め照明を用いた場合、凹凸により光を散乱させることで、撮像素子の撮像画像のコントラストを向上させることができる。
【００２２】
本適用例のロボットでは、前記エンコーダーは、前記マークを覆う光透過性のコーティングを備えることが好ましい。
【００２３】
これにより、マークを保護することができる。ここで、同軸落射照明を用いた場合、良好なコントラストの撮像画像を得ることは難しいが、斜め照明を用いた場合、良好なコントラストの撮像画像を得ることが可能である。
【００２４】
本適用例のロボットでは、前記マークは、前記基台または前記ロボットアームの表面にあることが好ましい。
【００２５】
これにより、マークを設置するための部材を別途設ける必要がなく、部品点数を低減し、低コスト化を図ることができる。
【００２６】
本適用例のロボットでは、前記マークは、前記第１アームまたは前記第２アームの表面にあることが好ましい。
【００２７】
これにより、マークを設置するための部材を別途設ける必要がなく、部品点数を低減し、低コスト化を図ることができる。
【００２８】
本適用例のプリンターは、回動軸まわりに回動するマークと、前記マークを撮像する撮像素子と、を有し、前記撮像素子から出力される信号を用いて、前記回動軸の前記回動状態を検出するエンコーダーと、を備え、
前記エンコーダーは、前記撮像素子と前記マークとの間に配置されているテレセントリック光学系を有することを特徴とする。
【００２９】
このようなプリンターによれば、撮像素子とマークとの間にテレセントリック光学系（結像光学系）が配置されているため、マークと撮像素子との間の距離が変動しても、撮像素子への結像倍率の変化を低減することができ、その結果、エンコーダーの検出精度の低下を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の第１実施形態に係るロボットを示す側面図である。
【図２】図１に示すロボットが備えるエンコーダーを説明するための断面図である。
【図３】図２に示すエンコーダーが備えるマークを説明するための図である。
【図４】図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の撮像画像を説明するための図である。
【図５】図４に示す撮像画像内に設定される探索領域でのテンプレートマッチングを説明するための図である。
【図６】テンプレートマッチングの際に相関係数が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態である。
【図７】テンプレートマッチングの際に相関係数が最大または最小となる状態を示す図である。
【図８】テンプレートマッチングの際に相関係数が最大または最小となる状態から図６に示す状態とは反対側に１画素分ずれた状態を示す図である。
【図９】図２に示すエンコーダーが備えるテレセントリック光学系（結像光学系）の光軸に沿った断面図である。
【図１０】図９に示すテレセントリック光学系に設けた光源部を説明するための部分拡大断面図である。
【図１１】図９に示すテレセントリック光学系の変形例を説明するための部分拡大断面図である。
【図１２】顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークを同軸落射照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。
【図１３】顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークを斜め照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。
【図１４】顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークをクリア塗装でコートした状態で同軸落射照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。
【図１５】顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークをクリア塗装でコートした状態で斜め照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。
【図１６】本発明の第２実施形態に係るエンコーダーが備えるテレセントリック光学系（結像光学系）の光軸に沿った断面図である。
【図１７】本発明の第３実施形態に係るロボットが備えるエンコーダーを説明するための断面図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
【図１９】本発明のプリンターの実施形態の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明のロボットおよびプリンターを添付図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。
【００３２】
＜第１実施形態＞
（ロボット）
図１は、本発明の第１実施形態に係るロボットを示す側面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図１中の基台１１０側を「基端側」、その反対側（エンドエフェクター１５０側）を「先端側」と言う。また、図１の上下方向を「鉛直方向」とし、左右方向を「水平方向」とする。
【００３３】
図１に示すロボット１０は、いわゆる水平多関節ロボット（スカラロボット）であり、例えば、精密機器等を製造する製造工程等で用いられ、精密機器や部品等の把持や搬送等を行うことができる。
【００３４】
図１に示すように、ロボット１０は、基台１１０と、第１アーム１２０と、第２アーム１３０と、作業ヘッド１４０と、エンドエフェクター１５０と、配線引き回し部１６０と、を有している。ここで、第１アーム１２０、第２アーム１３０および作業ヘッド１４０は、ロボットアーム１００を構成している。以下、ロボット１０の各部を順次簡単に説明する。
【００３５】
基台１１０は、例えば、図示しない床面にボルト等によって固定されている。基台１１０の上端部には、第１アーム１２０が連結されている。第１アーム１２０は、基台１１０に対して鉛直方向に沿う第１軸Ｊ１まわりに回動可能となっている。
【００３６】
基台１１０内には、第１アーム１２０を回動させる駆動力を発生させる第１モーター１１１と、第１モーター１１１の駆動力を減速する第１減速機１１２とが設置されている。第１減速機１１２の入力軸は、第１モーター１１１の回転軸に連結され、第１減速機１１２の出力軸は、第１アーム１２０に連結されている。そのため、第１モーター１１１が駆動し、その駆動力が第１減速機１１２を介して第１アーム１２０に伝達されると、第１アーム１２０が基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに水平面内で回動する。また、基台１１０および第１アーム１２０には、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出する第１エンコーダーであるエンコーダー１が設けられている。
【００３７】
第１アーム１２０の先端部には、第２アーム１３０が連結している。第２アーム１３０は、第１アーム１２０に対して鉛直方向に沿う第２軸Ｊ２まわりに回動可能となっている。第２アーム１３０内には、第２アーム１３０を回動させる駆動力を発生させる第２モーター１３１と、第２モーター１３１の駆動力を減速する第２減速機１３２とが設置されている。そして、第２モーター１３１の駆動力が第２減速機１３２を介して第１アーム１２０に伝達されることにより、第２アーム１３０が第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２まわりに水平面内で回動する。また、図示しないが、第１アーム１２０および第２アーム１３０には、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出する第２エンコーダーであるエンコーダー１が設けられている。
【００３８】
第２アーム１３０の先端部には、作業ヘッド１４０が配置されている。作業ヘッド１４０は、第２アーム１３０の先端部に同軸的に配置されたスプラインナットおよびボールネジナット（ともに図示せず）に挿通されたスプラインシャフト１４１を有している。スプラインシャフト１４１は、第２アーム１３０に対して、その軸まわりに回転可能であり、かつ、上下方向に移動（昇降）可能となっている。
【００３９】
図示しないが、第２アーム１３０内には、回転モーターおよび昇降モーターが配置されている。回転モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってスプラインナットに伝達され、スプラインナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が鉛直方向に沿う軸Ｊ３まわりに正逆回転する。また、図示しないが、回転モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の回動状態を検出する第３エンコーダーが設けられている。一方、昇降モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってボールネジナットに伝達され、ボールネジナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が上下に移動する。昇降モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の移動量を検出する第４エンコーダーが設けられている。
【００４０】
スプラインシャフト１４１の先端部（下端部）には、エンドエフェクター１５０が連結されている。エンドエフェクター１５０としては、特に限定されず、例えば、被搬送物を把持するもの、被加工物を加工するもの等が挙げられる。
【００４１】
第２アーム１３０内に配置された各電子部品（例えば、第２モーター、回転モーター、昇降モーター、第１〜第４エンコーダー等）に接続される複数の配線は、第２アーム１３０と基台１１０とを連結する管状の配線引き回し部１６０内を通って基台１１０内まで引き回されている。さらに、かかる複数の配線は、基台１１０内でまとめられることによって、第１モーター１１１およびエンコーダー１に接続される配線とともに、基台１１０の外部に設置され、ロボット１０を統括制御する図示しない制御装置まで引き回される。
【００４２】
以上、ロボット１０の構成について簡単に説明した。このロボット１０は、前述したように、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１と、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１と、を備える。以下、エンコーダー１について詳述する。なお、以下では、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１について代表的に説明し、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１については、同様であるため、その説明を省略する。
【００４３】
（エンコーダー）
図２は、図１に示すロボットが備えるエンコーダーを説明するための断面図である。図３は、図２に示すエンコーダーが備えるマークを説明するための図である。
【００４４】
図２に示すように、前述したロボット１０の基台１１０は、第１モーター１１１と第１減速機１１２を支持する支持部材１１４を有し、第１モーター１１１および第１減速機１１２を収納している。このような基台１１０には、第１アーム１２０が第１軸Ｊ１まわりに回動可能に設けられている。
【００４５】
ここで、第１アーム１２０は、水平方向に沿って延びているアーム本体部１２１と、アーム本体部１２１から下方に向けて突出している軸部１２２と、を有し、これらが互いに接続されている。そして、軸部１２２は、軸受１１５を介して基台１１０に第１軸Ｊ１まわりに回動可能に支持されているとともに、第１減速機１１２の出力軸に接続されている。また、第１減速機１１２の入力軸は、第１モーター１１１の回転軸１１１１に接続されている。
【００４６】
このような相対的に回動する基台１１０および第１アーム１２０には、これらの回動状態を検出するエンコーダー１が設けられている。
【００４７】
エンコーダー１は、第１アーム１２０に設けられているマーク部２（スケール）と、基台１１０に設けられ、マーク部２を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。
【００４８】
マーク部２は、アーム本体部１２１の基台１１０と対向する部分、すなわち、アーム本体部１２１の下面の軸部１２２を囲む部分に設けられている。このマーク部２は、図３に示すように、第１軸Ｊ１とは異なる位置で第１軸Ｊ１まわりに沿って配置されている複数のマーク２１を有する。ここで、マーク２１は、第１アーム１２０の表面に設けられている。これにより、マーク２１を設けるための部材を基台１１０および第１アーム１２０とは別途設ける必要がない。そのため、部品点数を少なくすることができる。
【００４９】
なお、マーク２１は、第１アーム１２０の表面に直接設けられている場合に限定されず、例えば、第１アーム１２０の表面に貼着されたシート状の部材に設けられていてもよいし、第１アーム１２０とともに回動するように設けられた板状の部材に設けられていてもよい。すなわち、マーク２１が設けられる部材は、第１アーム１２０とともに基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに回動する部材であればよい。
【００５０】
本実施形態では、図３に示すように、複数のマーク２１は、第１軸Ｊ１まわりの同心円上の周方向に沿って等間隔（第１軸Ｊ１から等距離かつ等角度間隔）に並んで配置されている互いに異なる複数の位置識別マークである。図３に示す複数のマーク２１は、互いに異なるアルファベット（ローマ字）であり、図示では、ＡからＸまでの２４文字がアルファベット順に周方向に等間隔に並んで配置されている。このような各マーク２１の形成方法としては、例えば、レーザーマーキング、印刷、切削、エッチング等が挙げられる。
【００５１】
なお、マーク２１の数および大きさは、必要な分解能、後述する撮像素子３１の解像度等に応じて決められるものであり、図示の例に限定されず、任意である。また、複数のマーク２１同士の周方向での間隔は、等間隔でなくてもよい。また、各マーク２１は、図示のローマ字に限定されず、例えば、数字を用いてもよいし、アラビア文字、漢字等の他の文字を用いてもよいし、文字以外の記号、符号、しるし、標章、図案等を用いてもよい。また、各マーク２１は、判断部５で識別可能なものであればよく、必ずしも人間が識別可能なものである必要はない。例えば、各マーク２１に代えて、１次元バーコードやＱＲコード（登録商標）のようなもの、あるいはドットや直線、曲線からなるランダム模様を用いてもよい。
【００５２】
図２に示すマーク検出部３は、基台１１０内に設けられている撮像素子３１と、基台１１０が有する開口に設けられているテレセントリック光学系３０を含む光学ユニット３２と、を有し、撮像素子３１がテレセントリック光学系３０を介してマーク部２の周方向での一部（図３に示す撮像領域ＲＩ）にあるマーク２１を撮像する。
【００５３】
撮像素子３１としては、例えば、ＣＣＤ（Charge Coupled Devices）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等が挙げられる。このような撮像素子３１は、撮影された画像を画素ごとの電気信号に変換して出力する。撮像素子３１は、２次元撮像素子（エリアイメージセンサ）、あるいは１次元撮像素子（ラインイメージセンサ）のどちらでも適用可能である。１次元撮像素子は、画素の並びがアームの旋回円に接する方向に配置することが望ましい。２次元撮像素子を用いた場合は、情報量の多い２次元画像を取得でき、後述のテンプレートマッチングによるマーク２１の検出精度を高めやすい。その結果、第１アーム１２０の回動状態を高精度に検出することができる。１次元撮像素子を用いた場合は、画像取得周期いわゆるフレームレートが高いため、検出頻度を高めることが可能になり、高速動作時に有利である。
【００５４】
光学ユニット３２に含まれるテレセントリック光学系３０は、マーク２１と撮像素子３１との間に配置されている結像光学系であって、少なくとも物体側（マーク２１側）がテレセントリックである。これにより、マーク２１と撮像素子３１との間の距離が変動しても、撮像素子３１への結像倍率の変化を低減することができ、その結果、エンコーダー１の検出精度の低下を低減することができる。特に、本実施形態のテレセントリック光学系３０は、両側テレセントリックである。これにより、テレセントリック光学系３０が有するレンズと撮像素子３１との間の距離が変動しても、撮像素子３１への結像倍率の変化を低減することができる。そのため、テレセントリック光学系３０の組み立てが容易となるという利点がある。なお、テレセントリック光学系３０および光学ユニット３２の構成については、後に詳述する。
【００５５】
ここで、図３に示すように、撮像素子３１の撮像領域ＲＩは、第１アーム１２０の下面に、マーク部２の周方向での一部に重なるように設定されている。これにより、撮像素子３１は、撮像領域ＲＩ内にあるマーク２１を撮像することができる。したがって、撮像領域ＲＩに位置するマーク２１を読み取ることにより、第１アーム１２０の回動状態を知ることができる。
【００５６】
図２に示す判断部５は、マーク検出部３の検出結果に基づいて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する。この回動状態としては、例えば、回動角度、回動速度、回動方向等が挙げられる。
【００５７】
特に、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像（撮像画像データ）に対して基準画像（基準画像データ）を用いてテンプレートマッチングすることでマーク２１を画像認識する画像認識回路５１を有し、この画像認識回路５１の認識結果を用いて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する。ここで、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像内でのマーク２１の画像の位置に基づいて、基台１１０と第１アーム１２０との相対的な回動角度（以下、単に「第１アーム１２０の回動角度」ともいう）をより細かく判断することが可能に構成されている。また、判断部５は、マーク２１が検出される時間間隔に基づいて回動速度を求めたり、検出されるマーク２１の種類の順序に基づいて回動方向を判断したりすることも可能に構成されている。そして、判断部５は、前述した判断結果に応じた信号、すなわち、基台１１０および第１アーム１２０の回動状態に応じた信号を出力する。この信号は、例えば、図示しないコンピューター等の制御装置に入力され、ロボット１０の動作の制御に用いられる。なお、判断部５は、例えば、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどを用いてハードウエア化することが（処理速度と小型化、低コスト化の観点で）望ましい。あるいはＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）を含んで構成され、判断部５の少なくとも一部は、当該制御装置にハードウエアまたはソフトウエアとして組み込まれていてもよい。
【００５８】
また、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像の一部（マーク２１の画像を含む部分）を切り取って基準画像（テンプレート）を生成する機能をも有する。この基準画像の生成は、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断するのに先立って、あるいは、必要に応じて適時、各マーク２１ごとに行われる。そして、生成した基準画像は、各マーク２１に対応して記憶部６に記憶される。そして、判断部５は、記憶部６に記憶されている基準画像（テンプレート）を用いて、テンプレートマッチングを行う。なお、テンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断については、後に詳述する。
【００５９】
ここで、記憶部６には、各マーク２１に対応して、前述した基準画像（基準画像データ）がそれに対応するマーク２１の種類に関する情報（識別情報）、撮像画像内での座標（後述する基準画素の座標）に関する情報、および、第１アーム１２０の回動角度に関する情報（角度情報）とともに記憶されている。このような記憶部６としては、不揮発性メモリ、揮発性メモリのいずれも用いることができるが、電力を供給しなくても情報を記憶した状態を保持することができ、省電力化を図ることができるという観点から、不揮発性メモリを用いるのが好ましい。
【００６０】
（テンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態に判断）
以下、判断部５におけるテンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断について詳述する。なお、以下では、回動状態として回動角度を判断する場合を代表的に説明する。また、以下に説明するテンプレートマッチングの手法は、一例であり、これに限定されるものではない。
【００６１】
−基準画像の取得−
エンコーダー１では、テンプレートマッチングを用いて基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を判断するのに先立って、当該テンプレートマッチングに用いる基準画像を取得する。この基準画像の取得は、最初のテンプレートマッチングの前に１回行うだけでよいが、その後必要に応じて適時行ってもよい。その場合、テンプレートマッチングに用いる基準画像を、新たに取得した基準画像に更新することができる。
【００６２】
基準画像を取得する際には、第１アーム１２０を基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに適宜回動させ、撮像素子３１で複数のマーク２１を各マーク２１ごとに撮像する。そして、得られた各撮像画像をトリミングすることにより、各マーク２１ごとの基準画像を生成する。生成された基準画像は、その識別情報、画素座標情報および角度情報とともにこれらに対応付けられて記憶部６に記憶される。以下、図４に基づいて、この点を詳述する。
【００６３】
図４は、図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の撮像画像を説明するための図である。
【００６４】
第１アーム１２０が基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに回動すると、例えば、図４に示すように、撮像素子３１の撮像画像Ｇ内に映っている文字「Ａ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ａは、撮像画像Ｇ内を円弧Ｃ１、Ｃ２に沿って移動する。ここで、円弧Ｃ１は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動に伴ってマーク画像２１Ａの図４中下端が描く軌跡であり、円弧Ｃ２は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動に伴ってマーク画像２１Ａの図４中上端が描く軌跡である。また、図４では、マーク画像２１Ａの他に、文字「Ｂ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ｂ、および、文字「Ｘ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ｘが撮像画像Ｇ内に映っている場合を図示している。
【００６５】
ここで、撮像素子３１が撮像することにより得られる撮像画像Ｇは、撮像領域ＲＩに対応した形状であって、Ｘ軸方向に沿って延びている２つの辺とＹ軸方向に沿って延びている２つの辺とを有する矩形をなしている。また、撮像画像ＧのＸ軸方向に沿って延びている２つの辺は、円弧Ｃ１、Ｃ２にできるだけ沿うように配置されている。また、撮像画像Ｇは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に行列状に並んでいる複数の画素を有する。ここで、画素の位置は、Ｘ軸方向での画素の位置を示す「Ｘ」、および、Ｙ軸方向での画素の位置を示す「Ｙ」で表される画素座標系（Ｘ，Ｙ）で表される。また、撮像画像Ｇの外周部を除いた中央領域を有効視野領域ＲＵとし、有効視野領域ＲＵの図中左上端の画素が画像座標系（Ｘ，Ｙ）の原点画素（０，０）に設定されている。
【００６６】
例えば、文字「Ａ」を示すマーク２１を検出するための基準画像ＴＡを生成する場合、第１アーム１２０を基台１１０に対して適宜回動させ、マーク画像２１Ａを有効視野領域ＲＵ内の所定位置（図示ではＸ軸方向での中央に設定された中心線ＬＹ上）に位置させる。ここで、マーク画像２１Ａが当該所定位置に位置するときの、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動角度θＡ０は、測定等により事前に取得されている。
【００６７】
このような撮像画像Ｇを、マーク画像２１Ａを包含する必要最小限の範囲となるような矩形の画素範囲でトリミングすることにより、基準画像ＴＡ（文字「Ａ」を示すマーク２１の検出用のテンプレート）を得る。得られた基準画像ＴＡは、記憶部６に記憶される。このとき、基準画像ＴＡは、その画像の種類（図示の場合、文字「Ａ」）に関する識別情報、前述した回動角度θＡ０に関する角度情報、および、基準画像ＴＡの画素範囲における基準画素（図示では左上端の画素）の画素座標である基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）に関する画素座標情報とともに、これらに対応付けられて記憶される。すなわち、基準画像ＴＡおよびそれに対応する識別情報、角度情報および画素座標情報がテンプレートマッチングに用いる１つのテンプレートセットとなる。
【００６８】
−テンプレートマッチングを用いた回動状態の判断−
次に、図５ないし図８に基づいて、前述したように生成した基準画像ＴＡを用いたテンプレートマッチングについて説明する。
【００６９】
図５は、図４に示す撮像画像内に設定される探索領域でのテンプレートマッチングを説明するための図である。図６は、テンプレートマッチングの際に相関係数が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態である。図７は、テンプレートマッチングの際に相関係数が最大または最小となる状態を示す図である。図８は、テンプレートマッチングの際に相関係数が最大または最小となる状態から図６に示す状態とは反対側に１画素分ずれた状態を示す図である。
【００７０】
図５に示すように、有効視野領域ＲＵ内にマーク画像２１Ａが存在しているとき、基準画像ＴＡを用いて有効視野領域ＲＵの画像に対してテンプレートマッチングを行う。本実施形態では、有効視野領域ＲＵ全域を探索領域ＲＳとし、探索領域ＲＳに基準画像ＴＡを重ね、探索領域ＲＳに対して基準画像ＴＡを一画素ずつずらしながら、探索領域ＲＳと基準画像ＴＡとの重なり部分の相関係数を算出する。ここで、基準画像ＴＡは、その基準画素の画素座標を開始画素ＰＳ（原点画素Ｐ０）から終了画素ＰＥまで１画素ずつ移動され、探索領域ＲＳ全域の画素について、探索領域ＲＳと基準画像ＴＡとの重なり部分の相関係数（相関係数データ）が基準画像ＴＡの基準画素の画素座標ごとに算出される。そして、相関係数は、撮像画像データと基準画像データとの相関係数データとして、基準画像ＴＡの基準画素の画素座標に対応付けされて記憶部６に記憶される。
【００７１】
次に、記憶部６に記憶されている画素座標ごとの複数の相関係数のうち、最大値となる相関係数を選択し、その選択された相関係数となる基準画像ＴＡの画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）をマーク画像２１Ａの画素座標として決定する。このようにして、撮像画像Ｇ内でのマーク画像２１Ａの位置を検出することができる。
【００７２】
ここで、サブピクセル推定法を用いて、マーク画像２１Ａの画素座標を求めることが好ましい。相関係数が最大となる近傍では、図６ないし図８に示すように、マーク２１に対して基準画像ＴＡが重なる。図７に示す状態は、図６、８に示す状態（図７に示す状態から１画素ＰＸずれた状態）よりも相関係数が大きく、相関係数が最も大きくなる。しかし、図７に示す状態のように、マーク２１に対して基準画像ＴＡが完全に一致せずにずれて重なる場合、図７に示す状態をマーク画像２１Ａの画素位置と判断すると、そのずれが誤差となる。このずれは、最大で視野サイズＢとなる。すなわち、サブピクセル推定法を用いない場合、視野サイズＢが最小の分解能（精度）となる。
【００７３】
これに対し、サブピクセル推定法を用いると、視野サイズＢごとの相関係数を放物線等（等角直線でもよい）でフィッティングし、これらの相関係数間（画素ピッチ間）を補完（近似）することができる。そのため、より高精度にマーク画像２１Ａの画素座標を求めることができる。なお相関係数を求める方法としては、ゼロ平均正規化相関法（ＺＮＣＣ）、Sum of Absolute Difference法（ＳＡＤ）、Sum of Squared Difference法（ＳＳＤ）、位相限定相関法（ＰＯＣ）などを用いることができる。
【００７４】
このように、判断部５は、撮像画像Ｇの一部の領域である有効視野領域ＲＵに探索領域ＲＳを設定し、探索領域ＲＳ内でテンプレートマッチングを行う。これにより、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数を少なくし、テンプレートマッチングに関する演算時間を短縮することができる。そのため、第１アーム１２０の第１軸Ｊ１まわりの角速度（マーク２１の角速度）が速い場合においても、高精度な検出を行うことができる。また、撮像素子３１とマーク２１との間に配置されているテレセントリック光学系３０の収差によって、撮像画像Ｇの外周部分の歪やボケが大きくなっても、そのような歪やボケの少ない領域を探索領域ＲＳとして用いることで、検出精度の低下を低減することができる。なお、撮像画像Ｇ全域を探索領域ＲＳとして用いて基準画像ＴＡの生成およびテンプレートマッチングを行ってもよく、この場合、必要に応じて、収差を考慮した補正を行うことが好ましい。
【００７５】
本実施形態では、撮像領域ＲＩと第１軸Ｊ１との間の距離が十分に長いため、撮像画像Ｇ内において、円弧Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ、ほぼ直線に近似することができる。したがって、撮像画像Ｇ内において、マーク画像２１Ａの移動方向は、Ｘ軸方向に一致していると考えることができる。
【００７６】
そうすると、マーク画像２１Ａは、基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）にある基準画像ＴＡに対してＸ軸方向に画素数（ＸＡ１−ＸＡ０）分ずれた位置にあることとなる。したがって、撮像領域ＲＩの中心と第１軸Ｊ１との間の距離Ｒをｒとし、撮像素子３１の１画素に対応する撮像領域ＲＩ上の領域の幅（撮像素子３１の１画素あたりの視野サイズＢ）をＷとしたとき、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動角度θは、下記式（１）を用いて求めることができる。
【００７７】
【数１】
2018185251.tif 000003
【００７８】
この式（１）において、（ＸＡ１−ＸＡ０）×Ｗは、基準画像ＴＡの基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）に対応する実位置と、前述した相関係数が最大値となる基準画像ＴＡの画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）に対応する実位置との間の距離に相当する。また、２ｒπは、基台１１０に対して第１アーム１２０が３６０°回転したときのマーク２１の軌跡の長さ（円周の長さ）に相当する。
【００７９】
このように回動角度θを求めるに際しては、画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）に隣接する画素の相関係数を放物線あるいは放物曲面でフィッティングして最大となる相関係数の座標を決定する、いわゆるサブピクセル推定法を用いることもできる。これにより、画素単位よりも細かい分解能で撮像画像Ｇ内でのマーク画像２１Ａの位置を求めることができ、その結果、回動角度θの検出精度を高めることができる。
【００８０】
以上のようなテンプレートマッチングおよびそれを用いた回動角度θの算出を他（文字［Ａ］を示すマーク２１以外）のマーク２１についても同様に行う。ここで、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に少なくとも１つのマーク２１が欠けなく写り、かつ、テンプレートマッチング可能なように各マーク２１に対応した基準画像が登録されている。これにより、テンプレートマッチングが不可能な角度範囲が生じることを防止することができる。
【００８１】
前述した図４では、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に１つのマーク２１が欠けなく写るように、マーク２１および有効視野領域ＲＵが構成されているが、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に複数のマーク２１が欠けなく写るように、マーク２１および有効視野領域ＲＵが構成されていることが好ましい。この場合、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に写っている複数のマーク２１に対してテンプレートマッチングが可能となるように、互いに隣り合う２つ以上のマーク２１に対応する２つ以上の基準画像を用いてテンプレートマッチングを行う。このとき、当該２つ以上の基準画像が互いに部分的に重なっていてもよい。
【００８２】
すなわち、第１アーム１２０には、複数のマーク２１が配置されており、撮像素子３１は、第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの周方向に互いに隣り合う２つのマーク２１全体を包含させて撮像することが好ましい。これにより、撮像素子３１が撮像した２つのマーク２１のうちの一方のマーク２１が汚れ等により正確に読み取ることができなくなっても、他方のマーク２１を読み取って検出を行うことができる。そのため、高精度な検出精度を担保しやすいという利点がある。
【００８３】
（テレセントリック光学系）
以下、テレセントリック光学系３０およびそれに関する構成について詳述する。
図９は、図２に示すエンコーダーが備えるテレセントリック光学系（結像光学系）の光軸に沿った断面図である。
【００８４】
図９に示すように、光学ユニット３２は、一端が開口した有底筒状をなすケーシング３３と、ケーシング３３内に収納されているテレセントリック光学系３０および照明ユニット４と、を有する。ここで、テレセントリック光学系３０は、レンズ３４、３５および絞り３６を有する。
【００８５】
ケーシング３３は、筒状をなす筒状部材３３１（鏡筒）と、この筒状部材３３１の一端開口を塞ぐ底部材３３２と、を有する。筒状部材３３１および底部材３３２の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、金属材料、樹脂材料等が挙げられる。また、筒状部材３３１の内周面および底部材３３２の内面には、光の反射を防止する処理、例えば、黒色塗装等の処理が施されている。
【００８６】
このようなケーシング３３の底部材３３２の内面（筒状部材３３１内に露出した面）には、撮像素子３１が配置されている。また、筒状部材３３１内には、底部材３３２側（撮像素子３１側）から開口側（マーク部２側）に向けて、レンズ３５、絞り３６、レンズ３４、照明ユニット４がこの順で配置され、これらは、筒状部材３３１の内周面に対して例えば接着等により固定されている。
【００８７】
ここで、レンズ３４は、レンズ３４と絞り３６との中心間距離およびレンズ３４の中心とマーク部２との間の距離がそれぞれレンズ３４の焦点距離ｆ１に等しくなるように設置されている。また、レンズ３５は、レンズ３５と絞り３６との中心間距離およびレンズ３５の中心と撮像素子３１の撮像面との間の距離がそれぞれレンズ３５の焦点距離ｆ２に等しくなるように設置されている。また、絞り３６は、光軸ａ上に開口３６１を有している。また、テレセントリック光学系３０の結像倍率をＮとしたとき、Ｎ＝ｆ２／ｆ１なる関係を満たす。
【００８８】
なお、レンズ３４の中心とマーク部２との間の距離は、レンズ３４の焦点深度の範囲内でずれていてもよい。また、レンズ３５の中心と撮像素子３１の撮像面との間の距離は、レンズ３５の焦点深度の範囲内でずれていてもよい。
【００８９】
このようなテレセントリック光学系３０では、マーク部２とレンズ３４との間において、主光線（絞り３６の中心を通過する光線）が光軸ａに対して平行となる。そのため、マーク部２とレンズ３４との間の距離が変化しても、撮像素子３１上での結像倍率は変化しない。言い換えると、マーク部２とレンズ３４との間の距離が変化しても、撮像素子３１上の結像位置が変化しない。
【００９０】
照明ユニット４は、基板３７と、基板３７のレンズ３４とは反対側の面上に設けられている複数の光源部３８と、を有する。
【００９１】
基板３７は、例えば、配線基板であり、複数の光源部３８を支持するとともに、これらに電気的に接続されている。本実施形態では、基板３７は、開口３７１を有し、光軸ａまわりに環状をなしている。また、基板３７は、遮光性を有し、光源部３８からの光がレンズ３４側に入射するのを阻止する機能を有する。
【００９２】
複数の光源部３８は、基板３７の周方向に沿って光軸ａを中心とする同一円周上に並んで配置されている。各光源部３８は、例えば、発光ダイオードである。ここで、光源部３８から出射する光は、レンズ３４、３５での色収差による検出精度を低減する観点から、単一波長であることが好ましく、波長が小さいことがより好ましい。また、撮像素子３１での感度も良好であることから、光源部３８から出射する光は、例えば、青色光であることが好ましい。また、青色光を出射する発光ダイオードは、比較的安価である。なお、光源部３８の数、配置等は、図示のものに限定されないが、撮像素子３１での鮮明な撮像を行う観点から、マーク部２をできるだけ均一に照明することが好ましい。また、光源部３８上には、必要に応じて、光を拡散する光学部品を設けてもよい。
【００９３】
図１０は、図９に示すテレセントリック光学系に設けた光源部を説明するための部分拡大断面図である。図１１は、図９に示すテレセントリック光学系の変形例を説明するための部分拡大断面図である。
【００９４】
照明ユニット４は、光軸ａに対して傾斜した方向からマーク部２を照明する斜め照明を構成する。
【００９５】
ここで、図１０に示すように、光源部３８からの光ＬＬが基板３７の開口３７１を介してレンズ３４側に入射すると、撮像素子３１の撮像画質を悪化させる場合がある。したがって、照明ユニット４では、光源部３８からの光ＬＬが基板３７の開口３７１を介してレンズ３４側にできるだけ入射しないように、基板３７の開口３７１の形状、複数の光源部３８の配置および向き等を設定することが好ましい。
【００９６】
また、図１１に示すように、基板３７上に、光源部３８からの光ＬＬが基板３７の開口３７１を介してレンズ３４側に入射するのを阻止する遮光部材３９を設けてもよい。この遮光部材３９は、基板３７の開口３７１に応じた貫通孔３９１を有する筒状をなしており、基板３７の光源部３８側の面から突出している。遮光部材３９の構成材料としては、特に限定されず、例えば、樹脂材料、金属材料等が挙げられる。また、遮光部材３９の内周面は、ケーシング３３の内周面と同様に光の反射を防止する処理が施されていることが好ましい。また、遮光部材３９の外周面は、ケーシング３３の内周面と同様に光の反射を防止する処理が施されていてもよいし、光反射性を有していてもよい。遮光部材３９の外周面が光反射性を有する場合、遮光部材３９の外周面が光を散乱させる機能を有することが好ましい。これにより、光源部３８からの光が無駄なく利用でき、また、マーク部２を均一に照らすことができる。
【００９７】
図１２は、顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークを同軸落射照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。図１３は、顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークを斜め照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。ここで、「テレセントリックカメラ」とは、テレセントリック光学系および撮像素子を有し、テレセントリック光学系を介して撮像素子で撮像を行う機器のことを言う。
【００９８】
マーク２１（本例では「Ａ」の文字）を顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成した場合、同軸落射照明のテレセントリックカメラにより撮像したとき（図１２参照）に比べて、斜め照明のテレセントリックカメラにより撮像したとき（図１３参照）の方が撮像画像のコントラストが高い。
【００９９】
図１４は、顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークをクリア塗装でコートした状態で同軸落射照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。図１５は、顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマークをクリア塗装でコートした状態で斜め照明のテレセントリックカメラにより撮像した撮像画像である。
【０１００】
顔料塗料（白色ペンキ背景に黒色マーカー）で形成したマーク２１（本例では「Ｂ」の文字）をクリア塗装でコートした場合、同軸落射照明のテレセントリックカメラにより撮像したとき（図１４参照）、撮像画像のコントラストが極めて低くなるのに対し、斜め照明のテレセントリックカメラにより撮像したとき（図１５参照）、撮像画像の良好なコントラストが得られる。
【０１０１】
このように、塗料を用いて形成したマークを観測する場合、テレセントリックカメラによる撮像においては、同軸落射照明を用いるよりも、斜め照明を用いる方が良好なコントラストの撮像画像を得ることができる。
【０１０２】
また、同軸落射照明をテレセントリック光学系３０に適用しようとした場合、光源をケーシング３３の外部に設置しなければならず照明を含むテレセントリック光学系３０全体の大型化を招く。また、この場合、光軸ａ上にハーフミラーを設置しなければならず、結像光量を確保するためにより光量の多い光源が必要となってしまう。
【０１０３】
これに対し、斜め照明は、照明ユニット４のようにケーシング３３内に配置することができ、前述した同軸落射照明を用いる場合のような大型化の問題も生じない。また、光軸ａ上にハーフミラーを設置する必要がないため、結像光量の観点からも、同軸落射照明を用いる場合に比べて有利である。
【０１０４】
ここで、本実施形態のようにテレセントリックカメラと斜め照明とを組み合わせて用いる場合、マーク２１は、光を散乱させることが必要である。このような観点から、撮像画像においてマーク部２の明部となる部分であるマーク２１は、例えば、顔料塗料、顔料インクのような顔料を用いて形成するか、または、微小な凹凸処理により形成することが好ましい。一方、撮像画像においてマーク部２の暗部となる部分（マーク２１以外の部分）は、例えば、光源部３８からの光を吸収するよう当該光の補色または黒色の塗料、インク（顔料、染料を問わない）を用いて形成するか、または、鏡面とすることが好ましい。また、マーク部２は、前述したクリア塗装のような光透過性の膜により覆われていてもよい。
【０１０５】
以上のように、ロボット１０は、基台１１０と、基台１１０に対して第１軸Ｊ１（回動軸）まわりに回動可能に設けられているロボットアーム１００と、ロボットアーム１００の回動状態を検出するエンコーダー１と、を備える。ここで、エンコーダー１は、ロボットアーム１００が回動することに伴って第１軸Ｊ１まわりに回動するマーク２１と、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、を有し、撮像素子３１から出力される信号を用いて、ロボットアーム１００の回動状態を検出する。特に、エンコーダー１は、撮像素子３１とマーク２１との間に配置されているテレセントリック光学系３０を有する。
【０１０６】
このようなロボット１０によれば、撮像素子３１とマーク２１との間にテレセントリック光学系３０（結像光学系）が配置されているため、マーク２１と撮像素子３１との間の距離が変動しても、撮像素子３１への結像倍率の変化を低減することができ、その結果、エンコーダー１の検出精度の低下を低減することができる。
【０１０７】
本実施形態では、テレセントリック光学系３０は、両側（物体側および像側）テレセントリックである。これにより、テレセントリック光学系３０が有するレンズ３５と撮像素子３１との間の距離が変動しても、撮像素子３１への結像倍率の変化を低減することができる。そのため、テレセントリック光学系３０の組み立てが容易となるという利点がある。
【０１０８】
また、エンコーダー１は、テレセントリック光学系３０の光軸ａに対して傾斜した方向からマーク２１に光を照射する光源部３８を備える。これにより、同軸落射照明を用いる場合に比べて、撮像素子３１の撮像画像のコントラストを向上させることができる。また、同軸落射照明を用いる場合に比べて、テレセントリック光学系３０が小型になるという利点もある。
【０１０９】
さらに、光源部３８は、光軸ａまわりにリング状に配置されている。これにより、マーク２１を均一に照明することができ、その結果、撮像素子３１の撮像画像の品位を向上させることができる。
【０１１０】
また、マーク２１は、顔料を用いて構成されているか、または、凹凸を用いて構成されていることが好ましい。マーク２１が顔料を用いて構成されていることにより、マーク２１の形成を容易に行うことができる。また、一般に、顔料は光を散乱させる粒子を含有しているため、斜め照明を用いた場合、撮像素子３１の撮像画像のコントラストを向上させることができる。また、マーク２１が凹凸を用いて構成されていることにより、例えば、塗膜のように剥がれることがなく、塗膜でマーク２１を構成する場合に比べて損傷しづらいことから、マーク２１の耐久性を向上させることができる。また、斜め照明を用いた場合、凹凸により光を散乱させることで、撮像素子３１の撮像画像のコントラストを向上させることができる。
【０１１１】
ここで、エンコーダー１は、マーク２１を覆う光透過性のコーティングを備えることが好ましい。これにより、マーク２１を保護することができる。ここで、同軸落射照明を用いた場合、良好なコントラストの撮像画像を得ることは難しいが、斜め照明を用いた場合、良好なコントラストの撮像画像を得ることが可能である。
【０１１２】
本実施形態では、マーク２１は、ロボットアーム１００（より具体的には第１アーム１２０）の表面にある。これにより、マーク２１を設置するための部材を別途設ける必要がなく、部品点数を低減し、低コスト化を図ることができる。
【０１１３】
また、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１についても、前述した基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１と同様の構成を有し、同様の効果を奏する。
【０１１４】
すなわち、ロボット１０は、第１アーム１２０と、第１アーム１２０に対して第２軸Ｊ２（回動軸）まわりに回動可能に設けられている第２アーム１３０と、を有するロボットアーム１００と、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１と、を備える。ここで、エンコーダー１は、第２アーム１３０が回動することに伴って第２軸Ｊ２まわりに回動するマーク２１と、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、を有し、撮像素子３１から出力される信号を用いて、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出する。特に、エンコーダー１は、撮像素子３１とマーク２１との間に配置されているテレセントリック光学系３０を有する。これにより、第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１の検出精度の低下を低減することができる。
【０１１５】
第１アーム１２０に対する第２アーム１３０の回動状態を検出するエンコーダー１において、マーク２１は、第１アーム１２０または第２アーム１３０の表面にあることが好ましい。これにより、マーク２１を設置するための部材を別途設ける必要がなく、部品点数を低減し、低コスト化を図ることができる。
【０１１６】
＜第２実施形態＞
図１６は、本発明の第２実施形態に係るエンコーダーが備えるテレセントリック光学系（結像光学系）の光軸に沿った断面図である。
【０１１７】
以下、第２実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１１８】
本実施形態は、テレセントリック光学系の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１１９】
本実施形態のセンサーユニット３Ａが備える光学ユニット３２Ａは、図１６に示すように、一端が開口した有底筒状をなすケーシング３３Ａと、ケーシング３３Ａ内に収納されているテレセントリック光学系３０Ａおよび照明ユニット４と、を有する。ここで、テレセントリック光学系３０Ａは、レンズ３４および絞り３６Ａを有し、物体側テレセントリックである。
【０１２０】
ケーシング３３Ａは、筒状をなす筒状部材３３１Ａ（鏡筒）と、この筒状部材３３１Ａの一端開口を塞ぐ底部材３３２と、を有する。
【０１２１】
このようなケーシング３３Ａの筒状部材３３１Ａ内には、底部材３３２側（撮像素子３１側）から開口側（マーク部２側）に向けて、絞り３６Ａ、レンズ３４、照明ユニット４がこの順で配置され、これらは、筒状部材３３１Ａの内周面に対して例えば接着等により固定されている。
【０１２２】
ここで、絞り３６Ａは、光軸ａ上に開口２６１Ａを有しており、絞り３６Ａの中心と撮像素子３１の撮像面との間の距離がレンズ３４の焦点距離ｆ１に等しくなるように設置されている。また、レンズ３４は、レンズ３４と絞り３６との中心間距離がレンズ３４の焦点距離ｆ１に等しく、かつ、レンズ３４の中心とマーク部２との間の距離がレンズ３４の焦点距離ｆ１の２倍に等しくなるように設置されている。
【０１２３】
なお、レンズ３４の中心とマーク部２との間の距離は、レンズ３４の焦点距離ｆ１の２倍に完全に等しくなくてもよく、レンズ３４の焦点深度の範囲内でずれていてもよい。
【０１２４】
このようなテレセントリック光学系３０Ａにおいても、マーク部２とレンズ３４との間の距離が変化しても、撮像素子３１上での結像倍率は変化しない。
【０１２５】
このように、テレセントリック光学系３０Ａは、物体側テレセントリックである。これにより、テレセントリック光学系３０Ａに用いるレンズの数を少なく（例えば１枚）とすることができ、その結果、テレセントリック光学系３０Ａの低コスト化、ひいては、エンコーダーの低コスト化を図ることができる。
【０１２６】
以上説明したような第２実施形態によっても、エンコーダーの検出精度の低下を低減することができる。
【０１２７】
＜第３実施形態＞
図１７は、本発明の第３実施形態に係るロボットが備えるエンコーダーを説明するための断面図である。
【０１２８】
以下、第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１２９】
本実施形態は、マーク、撮像素子およびテレセントリックレンズの配置が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。
【０１３０】
図１７に示すロボット１０Ｂは、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１Ｂを備える。
【０１３１】
このエンコーダー１Ｂは、前述した第１実施形態のエンコーダー１と基本的な構成要素が同様であるが、マーク部２およびマーク検出部３の配置がエンコーダー１とは逆になっている。すなわち、エンコーダー１Ｂは、基台１１０に設けられているマーク部２と、第１アーム１２０に設けられ、マーク部２を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。
【０１３２】
このように、本実施形態では、マーク２１は、基台１１０の表面にある。これにより、マーク２１を設置するための部材を別途設ける必要がなく、部品点数を低減し、低コスト化を図ることができる。
【０１３３】
以上説明したような第３実施形態によっても、エンコーダー１Ｂの検出精度の低下を低減することができる。
【０１３４】
＜第４実施形態＞
図１８は、本発明の第４実施形態に係るロボットを示す斜視図である。なお、以下では、ロボット１０Ｃの基台２１０側を「基端側」、エンドエフェクター側を「先端側」という。
【０１３５】
以下、第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
【０１３６】
図１８に示すロボット１０Ｃは、垂直多関節（６軸）ロボットである。このロボット１０Ｃは、基台２１０と、ロボットアーム２００と、を有し、ロボットアーム２００が、第１アーム２２０、第２アーム２３０、第３アーム２４０、第４アーム２５０、第５アーム２６０および第６アーム２７０と、を備え、これらのアームが基端側から先端側に向かってこの順に連結されている。第６アーム２７０の先端部には、図示しないが、例えば、精密機器、部品等を把持するハンド等のエンドエフェクターを着脱可能に取り付けられる。また、図示しないが、ロボット１０Ｃは、ロボット１０Ｃの各部の作動を制御するパーソナルコンピューター（ＰＣ）等のロボット制御装置（制御部）を備えている。
【０１３７】
ここで、基台２１０は、例えば、床、壁または天井等に対して固定されている。第１アーム２２０は、基台２１０に対して第１回動軸Ｏ１まわりに回動可能となっている。第２アーム２３０は、第１アーム２２０に対して第１回動軸Ｏ１に直交している第２回動軸Ｏ２まわりに回動可能となっている。第３アーム２４０は、第２アーム２３０に対して第２回動軸Ｏ２に平行な第３回動軸Ｏ３まわりに回動可能となっている。第４アーム２５０は、第３アーム２４０に対して第３回動軸Ｏ３と直交している第４回動軸Ｏ４まわりに回動可能となっている。第５アーム２６０は、第４アーム２５０に対して第４回動軸Ｏ４と直交している第５回動軸Ｏ５まわりに回動可能となっている。第６アーム２７０は、第５アーム２６０に対して第５回動軸Ｏ５と直交している第６回動軸Ｏ６まわりに回動可能となっている。なお、第１回動軸Ｏ１〜第６回動軸Ｏ６について、「直交」とは、２つの軸のなす角度が９０°から±５°の範囲内でずれている場合も含み、また、「平行」とは、２つの軸の一方が他方に対して±５°の範囲内で傾斜している場合も含む。
【０１３８】
また、図示しないが、基台２１０および第１アーム２２０〜第６アーム２７０の各連結部（関節）には、モーターおよび減速機を有する駆動源が設けられている。ここで、基台２１０に対して第１アーム２２０を回動させる駆動源には、エンコーダー１が設けられている。このエンコーダー１の検出結果は、例えば、図示しないロボット制御装置に入力され、基台２１０に対して第１アーム２２０を回動させる駆動源の駆動制御に用いられる。また、図示しないが、他の関節部にもエンコーダーが設けられており、このエンコーダーとして、エンコーダー１を用いることができる。
【０１３９】
以上のように、ロボット１０Ｃは、基台２１０と、基台２１０に対して第１回動軸Ｏ１（回動軸）まわりに回動可能に設けられているロボットアーム２００と、ロボットアーム２００の回動状態を検出するエンコーダー１と、を備える。ここで、エンコーダー１は、ロボットアーム１００が回動することに伴って第１回動軸Ｏ１まわりに回動するマーク２１と、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、を有し、撮像素子３１から出力される信号を用いて、ロボットアーム２００の回動状態を検出する。特に、エンコーダー１は、撮像素子３１とマーク２１との間に配置されているテレセントリック光学系３０を有する。
【０１４０】
以上では、エンコーダー１が基台２１０に対する第１アーム２２０の回動状態を検出する場合を説明したが、エンコーダー１を他のアームの回動状態を検出するように他の関節部に設置することも可能である。この場合、エンコーダー１が回動状態を検出する２つのアームのうちの一方を「第１アーム」、他方を「第２アーム」と捉えればよい。
【０１４１】
（プリンター）
図１９は、本発明のプリンターの実施形態の概略構成を示す図である。
【０１４２】
図１９に示すプリンター１０００は、ドラム状のプラテンを備えたラベル印刷装置である。このプリンター１０００では、その両端が繰出軸１１２０および巻取軸１１４０に記録媒体としてのロール状に巻き付けられた紙系やフィルム系等の１枚のシートＳ（ウェブ）が、繰出軸１１２０と巻取軸１１４０の間に張架されており、シートＳはこうして張架された搬送経路Ｓｃに沿って、繰出軸１１２０から巻取軸１１４０へと搬送される。そして、プリンター１０００は、この搬送経路Ｓｃに沿って搬送されるシートＳに対して機能液を吐出してシートＳ上に画像を記録（形成）するように構成されている。
【０１４３】
プリンター１０００は、概略的な構成として、繰出軸１１２０からシートＳを繰り出す繰出部１１０２と、繰出部１１０２から繰り出されたシートＳに画像を記録するプロセス部１１０３と、プロセス部１１０３で画像の記録されたシートＳを切り抜くレーザースキャナー装置１００７と、シートＳを巻取軸１１４０に巻き取る巻取部１１０４とを含み構成されている。
【０１４４】
繰出部１１０２は、シートＳの端を巻き付けた繰出軸１１２０と、繰出軸１１２０から引き出されたシートＳを巻き掛ける従動ローラー１１２１と、を有する。
【０１４５】
プロセス部１１０３は、繰出部１１０２から繰り出されたシートＳを支持部としてのプラテンドラム１１３０で支持しつつ、プラテンドラム１１３０の外周面に沿って配置されたヘッドユニット１１１５に配置された記録ヘッド１１５１等により適宜処理を行わせ、シートＳに画像を記録するものである。
【０１４６】
プラテンドラム１１３０は、図示しない支持機構によりドラム軸１１３０ｓを中心にして回転自在に支持された円筒形状のドラムであり、繰出部１１０２から巻取部１１０４へと搬送されるシートＳを裏面（記録面とは反対側の面）側から巻き掛けられる。このプラテンドラム１１３０は、シートＳとの間の摩擦力を受けてシートＳの搬送方向Ｄｓに従動回転しつつ、周方向での範囲Ｒａにわたって、シートＳを裏面側から支持するものである。ここで、プロセス部１１０３では、プラテンドラム１１３０への巻き掛け部の両側でシートＳを折り返す従動ローラー１１３３、１１３４が設けられている。また、繰出軸１１２０と従動ローラー１１３３との間には、従動ローラー１１２１、１１３１およびセンサーＳｅが設けられ、巻取軸１１４０と従動ローラー１１３４との間には、従動ローラー１１３２、１１４１が設けられている。
【０１４７】
プロセス部１１０３は、ヘッドユニット１１１５を備え、ヘッドユニット１１１５には、イエロー、シアン、マゼンタおよびブラックに対応する４個の記録ヘッド１１５１が設けられている。各記録ヘッド１１５１は、プラテンドラム１１３０に巻き掛けられたシートＳの表面に対して若干のクリアランス（プラテンギャップ）を空けて対向しており、対応する色の機能液をノズルからインクジェット方式で吐出する。そして、搬送方向Ｄｓへ搬送されるシートＳに対して各記録ヘッド１１５１が機能液を吐出することにより、シートＳの表面にカラー画像が形成される。
【０１４８】
ここで、機能液として、紫外線（光）を照射することで硬化するＵＶ（ultraviolet）インク（光硬化性インク）を用いる。そのため、プロセス部１１０３のヘッドユニット１１１５には、ＵＶインクを仮硬化させてシートＳに定着させるために、複数の記録ヘッド１１５１の各間に第１ＵＶ光源１１６１（光照射部）が設けられている。また、複数の記録ヘッド１１５１（ヘッドユニット１１１５）に対して搬送方向Ｄｓの下流側には、本硬化用の硬化部としての第２ＵＶ光源１１６２が設けられている。
【０１４９】
レーザースキャナー装置１００７は、画像の記録されたシートＳを部分的に切り抜く、もしくは分断するように設けられている。レーザースキャナー装置１００７のレーザー発振器１４０１によって発振されたレーザー光は、エンコーダー１を含む駆動装置１４０２、１４０６、１４０８によって位置または回転位置（角度）を制御された第１レンズ１４０３および第１ミラー１４０７や第２ミラー１４０９などを経由し、被加工物であるシートＳに照射される。このように、シートＳに照射されるレーザー光ＬＡは、各駆動装置１４０２、１４０６、１４０８によって照射位置が制御され、シートＳ上の所望の位置に照射することができる。シートＳは、レーザー光ＬＡの照射された部分が溶断され、部分的に切り抜かれるか、もしくは分断される。
【０１５０】
以上のように、プリンター１０００は、エンコーダー１を備える。すなわち、プリンター１０００は、回動軸まわりに回動するマーク２１と、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、を有し、撮像素子３１から出力される信号を用いて、回動軸の回動状態を検出するエンコーダー１と、を備え、エンコーダー１は、撮像素子３１とマーク２１との間に配置されているテレセントリック光学系３０を有する。このようなプリンター１０００によれば、撮像素子３１とマーク２１との間にテレセントリック光学系３０（結像光学系）が配置されているため、マーク２１と撮像素子３１との間の距離が変動しても、撮像素子３１への結像倍率の変化を低減することができ、その結果、エンコーダー１の検出精度の低下を低減することができる。
【０１５１】
以上、本発明のロボットおよびプリンターを図示の好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、他の任意の構成物が付加されていてもよい。また、前述した２つ以上の実施形態の構成を組み合わせてもよい。
【０１５２】
また、エンコーダーの設置箇所は、前述した実施形態のような関節部に限定されず、相対的に回動する任意の２つのアームの関節部であってもよい。
【０１５３】
また、前述した実施形態では、ロボットアームの数は、前述した実施形態の数１つであったが、ロボットアームの数は、これに限定されず、例えば、２つ以上でもよい。すなわち、本発明のロボットは、例えば、双腕ロボット等の複数腕ロボットであってもよい。
【０１５４】
また、前述した実施形態では、ロボットアームが有するアームの数は、前述した実施形態の数に限定されず、例えば、３つ以上５つ以下、または、７つ以上であってもよい。
【０１５５】
また、本発明のロボットは、建物等の構造物に固定設置されるものに限定されず、例えば、脚部を有する脚式歩行（走行）ロボットであってもよい。
【符号の説明】
【０１５６】
１…エンコーダー、１Ｂ…エンコーダー、２…マーク部、３…マーク検出部、３Ａ…センサーユニット、４…照明ユニット、５…判断部、６…記憶部、１０…ロボット、１０Ｂ…ロボット、１０Ｃ…ロボット、２１…マーク、２１Ａ…マーク画像、２１Ｂ…マーク画像、２１Ｘ…マーク画像、３０…テレセントリック光学系、３０Ａ…テレセントリック光学系、３１…撮像素子、３２…光学ユニット、３２Ａ…光学ユニット、３３…ケーシング、３３Ａ…ケーシング、３４…レンズ、３５…レンズ、３６…絞り、３６Ａ…絞り、３７…基板、３８…光源部、３９…遮光部材、５１…画像認識回路、１００…ロボットアーム、１１０…基台、１１１…第１モーター、１１２…第１減速機、１１４…支持部材、１１５…軸受、１２０…第１アーム、１２１…アーム本体部、１２２…軸部、１３０…第２アーム、１３１…第２モーター、１３２…第２減速機、１４０…作業ヘッド、１４１…スプラインシャフト、１５０…エンドエフェクター、１６０…配線引き回し部、１７０…慣性センサー、２００…ロボットアーム、２１０…基台、２２０…第１アーム、２３０…第２アーム、２４０…第３アーム、２５０…第４アーム、２６０…第５アーム、２７０…第６アーム、３００…ハンド、３３１…筒状部材、３３１Ａ…筒状部材、３３２…底部材、３６１…開口、３７１…開口、３９１…貫通孔、１０００…プリンター、１００７…レーザースキャナー装置、１１０２…繰出部、１１０３…プロセス部、１１０４…巻取部、１１１１…回転軸、１１１５…ヘッドユニット、１１２０…繰出軸、１１２１…従動ローラー、１１３０…プラテンドラム、１１３０ｓ…ドラム軸、１１３１…従動ローラー、１１３２…従動ローラー、１１３３…従動ローラー、１１３４…従動ローラー、１１４０…巻取軸、１１４１…従動ローラー、１１５１…記録ヘッド、１１６１…第１ＵＶ光源、１１６２…第２ＵＶ光源、１４０１…レーザー発振器、１４０２…駆動装置、１４０３…第１レンズ、１４０６…駆動装置、１４０７…第１ミラー、１４０８…駆動装置、１４０９…第２ミラー、Ｂ…視野サイズ、Ｃ１…円弧、Ｃ２…円弧、Ｄｓ…搬送方向、Ｇ…撮像画像、Ｊ１…第１軸、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…軸、ＬＡ…レーザー光、ＬＬ…光、ＬＹ…中心線、Ｏ１…第１回動軸、Ｏ２…第２回動軸、Ｏ３…第３回動軸、Ｏ４…第４回動軸、Ｏ５…第５回動軸、Ｏ６…第６回動軸、Ｐ０…原点画素、ＰＥ…終了画素、ＰＳ…開始画素、Ｒ…距離、ＲＩ…撮像領域、ＲＳ…探索領域、ＲＵ…有効視野領域、Ｒａ…範囲、Ｓ…シート、Ｓｃ…搬送経路、Ｓｅ…センサー、ＴＡ…基準画像、ａ…光軸、ｆ１…焦点距離、ｆ２…焦点距離
【図１】
2018185251.tif 000004
【図２】
2018185251.tif 000005
【図３】
2018185251.tif 000006
【図４】
2018185251.tif 000007
【図５】
2018185251.tif 000008
【図６】
2018185251.tif 000009
【図７】
2018185251.tif 000010
【図８】
2018185251.tif 000011
【図９】
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【図１０】
2018185251.tif 000013
【図１１】
2018185251.tif 000014
【図１２】
2018185251.tif 000015
【図１３】
2018185251.tif 000016
【図１４】
2018185251.tif 000017
【図１５】
2018185251.tif 000018
【図１６】
2018185251.tif 000019
【図１７】
2018185251.tif 000020
【図１８】
2018185251.tif 000021
【図１９】
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