(57)【要約】【課題】キャリブレーション用のエンコーダーを別途用いなくても、高精度なキャリブレーションを行うことができるエンコーダーを提供すること、また、このエンコーダーを備えるロボットおよびプリンターを提供すること。【解決手段】基部と、前記基部に対して相対的に回動可能に設けられ、複数のマークを有するスケール部と、前記基部に配置され、前記マークを撮像する撮像素子と、前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてテンプレートマッチングを行う推定部と、を備え、前記複数のマークは、第１マークおよび第２マークを含んでおり、前記推定部は、前記第１マークの位置を検出してから前記第２マークの位置を検出するまでの間の前記基部に対する前記スケール部の回動角度に対応する前記撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、前記回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うことを特徴とするエンコーダー。【選択図】図１５
2019078621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
前記基部に対して相対的に移動可能または回動可能に設けられ、第１マークと第２マークを含む複数のマークを有するスケール部と、
前記基部に配置され、前記マークを撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてテンプレートマッチングを行うことで前記マークの位置を検出し、前記基部に対する前記スケール部の移動状態または回動状態を推定する推定部と、を備え、
前記推定部は、前記第１マークの位置を検出してから前記第２マークの位置を検出するまでの間の前記基部に対する前記スケール部の移動量または回動角度に対応する前記撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、前記移動量または前記回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うことを特徴とするエンコーダー。
【請求項２】
前記スケール部は、前記基部に対して相対的に回動可能である請求項１に記載のエンコーダー。
【請求項３】
前記基部に対する前記第１マークおよび前記第２マークのうちの少なくとも１つの絶対位置または絶対角度を記憶している記憶部を備える請求項１または２に記載のエンコーダー。
【請求項４】
基部と、
前記基部に対して相対的に移動可能または回動可能に設けられ、第１マークを含む複数のマークを有するスケール部と、
前記基部に配置され、前記マークを撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてテンプレートマッチングを行うことで前記マークの位置を検出し、前記基部に対する前記スケール部の回動状態を推定する推定部と、を備え、
前記推定部は、前記第１マークの位置を検出してから前記基部に対して前記スケール部が３６０°回動して、次に前記第１マークの位置を検出するまでの間の前記撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、３６０°である回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うことを特徴とするエンコーダー。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダーと、
第１部材と、
前記第１部材に対して回動可能に設けられている第２部材と、を備え、
前記エンコーダーは、前記第１部材に対する前記第２部材の回動状態を検出することを特徴とするロボット。
【請求項６】
前記第１部材側から前記第２部材側へ駆動力を伝達する減速機を備え、
前記スケール部は、前記第２部材に接続されている請求項５に記載のロボット。
【請求項７】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載のエンコーダーを備え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、エンコーダー、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】
従来、エンコーダーのキャリブレーションは、例えば特許文献１に開示されているように、キャリブレーション用の高精度なエンコーダーを別途用いて行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２３７６３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、キャリブレーション用のエンコーダーを別途用いることは、キャリブレーションの手間がかかるだけでなく、高精度なキャリブレーションを行うことが難しいという課題がある。
【０００５】
本発明の目的は、キャリブレーション用のエンコーダーを別途用いなくても、高精度なキャリブレーションを行うことができるエンコーダーを提供すること、また、このエンコーダーを備え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】
【０００６】
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。
【０００７】
本適用例のエンコーダーは、基部と、
前記基部に対して相対的に移動可能または回動可能に設けられ、第１マークと第２マークを含む複数のマークを有するスケール部と、
前記基部に配置され、前記マークを撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてテンプレートマッチングを行うことで前記マークの位置を検出し、前記基部に対する前記スケール部の移動状態または回動状態を推定する推定部と、を備え、
前記推定部は、前記第１マークの位置を検出してから前記第２マークの位置を検出するまでの間の前記基部に対する前記スケール部の移動量または回動角度に対応する前記撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、前記移動量または前記回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うことを特徴とする。
【０００８】
このようなエンコーダーによれば、推定部が、第１マークの位置を検出してから第２マークの位置を検出するまでの間の基部に対するスケール部の移動量または回動角度に対応する撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、当該移動量または当該回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うため、キャリブレーション用のエンコーダーを別途用いなくても、高精度なキャリブレーションを行うことができる。
【０００９】
本適用例のエンコーダーでは、前記スケール部は、前記基部に対して相対的に回動可能であることが好ましい。
これにより、ロータリーエンコーダーを実現することができる。
【００１０】
本適用例のエンコーダーでは、前記基部に対する前記第１マークおよび前記第２マークのうちの少なくとも１つの絶対位置または絶対角度を記憶している記憶部を備えることが好ましい。
【００１１】
これにより、アブソリュート型のエンコーダーのキャリブレーションを行うことができる。
【００１２】
本適用例のエンコーダーは、基部と、
前記基部に対して相対的に移動可能または回動可能に設けられ、第１マークを含む複数のマークを有するスケール部と、
前記基部に配置され、前記マークを撮像する撮像素子と、
前記撮像素子の撮像画像に対して基準画像を用いてテンプレートマッチングを行うことで前記マークの位置を検出し、前記基部に対する前記スケール部の回動状態を推定する推定部と、を備え、
前記推定部は、前記第１マークの位置を検出してから前記基部に対して前記スケール部が３６０°回動して、次に前記第１マークの位置を検出するまでの間の前記撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、３６０°である回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うことを特徴とする。
【００１３】
このようなエンコーダーによれば、推定部が、第１マークの位置を検出してから第２マークの位置を検出するまでの間の基部に対するスケール部の移動量または回動角度に対応する撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、当該移動量または当該回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うため、キャリブレーション用のエンコーダーを別途用いなくても、高精度なキャリブレーションを行うことができる。また、第１マークおよび第２マークの相対位置を事前に計測する必要がなく、キャリブレーションの簡単化を図ることができる。
【００１４】
本適用例のロボットは、本適用例のエンコーダーと、
第１部材と、
前記第１部材に対して回動可能に設けられている第２部材と、を備え、
前記エンコーダーは、前記第１部材に対する前記第２部材の回動状態を検出することを特徴とする。
【００１５】
このようなロボットによれば、高精度なキャリブレーションを行ったエンコーダーを用いることで、ロボットの高精度な動作を行うことができる。
【００１６】
本適用例のロボットでは、前記第１部材側から前記第２部材側へ駆動力を伝達する減速機を備え、
前記スケール部は、前記第２部材に接続されていることが好ましい。
【００１７】
これにより、減速機の入力軸側の回転状態を検出する場合に比べて、第１部材に対する第２部材の回動状態を高精度に推定することができる。
【００１８】
本適用例のプリンターは、本適用例のエンコーダーを備えることを特徴とする。
このようなプリンターによれば、高精度なキャリブレーションを行ったエンコーダーを用いることで、プリンターの高精度な動作を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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示す断面図である。
【図３】図２に示すエンコーダーが備えるスケール部を説明するための図である。
【図４】ディザリング法によるドットパターンを拡大して示す写真である。
【図５】図４に示す場合よりもドットの密度が小さいディザリング法によるドットパターンを拡大して示す写真である。
【図６】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７】図６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８】テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態を示す図である。
【図９】テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態を示す図である。
【図１０】テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から図８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１１】図３に示すスケール部が有する複数のマークを説明するための図である。
【図１２】第１マークの位置の検出（画素数のカウントの開始）を説明するための図である。
【図１３】第１マークに後続するマークの検出を説明するための図である。
【図１４】第２マークの位置の検出（画素数のカウントの終了）を説明するための図である。
【図１５】図２に示すエンコーダーのキャリブレーションの流れを示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第２実施形態に係るロボットを示す斜視図である。
【図１７】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】
【００２０】
以下、本発明のエンコーダー、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。
【００２１】
１．ロボット
＜第１実施形態＞
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中の基台側を「基端」、その反対側（エンドエフェクター側）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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。以下、ロボット１０の各部を順次簡単に説明する。
【００２４】
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。
【００２５】
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の駆動力の回転を減速する第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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。図示しないが、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モーターと、第２モーターの駆動力を減速する第２減速機とが設置されている。そして、第２モーターの駆動力が第２減速機を介して第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２モーターには、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エンコーダーが設けられている。
【００２８】
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。
【００２９】
第２アーム１３０内には、図示しないが、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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
以上、ロボット１０の構成について簡単に説明した。このようなロボット１０は、エンコーダー１と、第１部材である基台１１０と、基台１１０に対して回動可能に設けられている第２部材である第１アーム１２０と、を備え、エンコーダー１は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出する。このようなロボット１０によれば、後述するように高精度なキャリブレーションを行ったエンコーダー１を用いることで、ロボット１０の高精度な動作を行うことができる。
【００３４】
（エンコーダー）
以下、エンコーダー１について詳述する。なお、以下では、エンコーダー１をロボット１０に組み込む場合を例に説明する。
【００３５】
図２は、図１に示すロボットが備えるエンコーダーを示す断面図である。図３は、図２に示すエンコーダーが備えるスケール部を説明するための図である。図４は、ディザリング法によるドットパターンを拡大して示す写真である。図５は、図４に示す場合よりもドットの密度が小さいディザリング法によるドットパターンを拡大して示す写真である。なお、図４、５を除く各図では、説明の便宜上、各部の縮尺が適宜変更されており、図示の構成は実際の縮尺と必ずしも一致するわけではなく、また、各部の図示を適宜簡略化している。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
ここで、基台１１０は、基台１１０の自重や基台１１０が支える他の質量による荷重が加わる構造体である。同様に、第１アーム１２０も、第１アーム１２０の自重や第１アーム１２０が支える他の質量による荷重が加わる構造体である。このような基台１１０および第１アーム１２０の構成材料としては、それぞれ、特に限定されないが、例えば、金属材料が挙げられる。
【００３９】
本実施形態では、基台１１０および第１アーム１２０の外表面は、ロボット１０の外表面の一部を構成している。なお、基台１１０および第１アーム１２０の外表面上には、カバー、衝撃吸収材等の外装部材が装着されていてもよい。
【００４０】
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。
【００４１】
エンコーダー１は、第１アーム１２０に設けられているスケール部２と、基台１１０に設けられ、スケール部２を検出する検出部３と、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推定する推定部５と、推定部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。
【００４２】
スケール部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の下面であって軸部１２２を囲む部分に設けられている。このスケール部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不規則なパターンを有している。ここで、スケール部２は、第１アーム１２０の表面に設けられている。これにより、スケール部２を設けるための部材を基台１１０および第１アーム１２０とは別に設ける必要がない。そのため、部品点数を少なくすることができる。なお、スケール部２は、第１アーム１２０の表面に直に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、スケール部２が設けられる部材（回動部）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。
【００４３】
図３に示すように、スケール部２（不規則なパターン）は、撮像素子３１により撮像可能な複数のドット２０（図柄）が不規則に配置されて構成されている。ここで、「不規則なパターン」とは、スケール部２を第１軸Ｊ１まわりに必要な角度範囲（本実施形態では、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動可能な角度範囲）にわたって回動させたとき、撮像素子３１が撮像した後述する撮像画像Ｇ内の所定領域（例えば、後述する有効視野領域ＲＵまたは探索領域ＲＳ）に、後述する基準画像ＴＡに対応する大きさで、同じパターン（推定部５が識別不可能なパターン）が２回以上出現しないことを言う。そのため、スケール部２の互いに位置の異なる複数の部分のそれぞれを、スケール部２の周方向における位置識別のためのマーク２１として用いることができる。このように、スケール部２は、スケール部２の周方向での互いに異なる位置を識別可能な互いに異なる複数のマーク２１を有すると言える。なお、図３では、複数のマーク２１が第１軸Ｊ１を中心とする円周に沿って並んでいる場合を図示している。また、図３に示すマーク２１の位置、大きさ、数等は、一例であり、これに限定されるものではない。
【００４４】
このようなスケール部２（パターン）は、例えば、インクジェットプリンター（印刷装置の一例）を用いて形成することができる。この場合、ドット２０の密度を調整することで濃淡または階調を表現する手法であるＦＭスクリーニング法によるディザリング法を用いて処理したグレースケール画像を出力することで、図４または図５に示すようなパターンが得られ、これをスケール部２に用いることができる。図４は、複数のドット２０を比較的密に配置した場合のパターンの一例を示す。図５は、複数のドット２０を比較的粗に配置した場合のパターンの一例を示す。このようなパターンを得る際には、ＦＭスクリーニング法を単独で用いてもよいし、ＦＭスクリーニング法に他の方法（例えば、ドットの大きさを調整することで濃淡または階調を表現する手法であるＡＭスクリーニング法）を組み合わせた方法（例えば、ハイブリットスクリーニング法）を用いてもよい。
【００４５】
また、スケール部２のパターンは、第１軸Ｊ１まわりに連続的に配置されているので、後述する推定部５が基準画像（テンプレート）を生成する際に、回動方向（周方向）における位置の制約が少なく、自由度が高くなる。また、撮像画像ＧのＹ軸方向において有効視野領域ＲＵの外にもスケール部２のパターンが配置されているので、第１アーム１２０に対するスケール部２（パターン）の位置合わせを高精度に行わなくても、基準画像（テンプレート）を生成することができ、当該回動状態の推定が可能となる。
【００４６】
なお、スケール部２は、周方向に沿って濃淡が漸次変化していてもよい。すなわち、複数のドット２０の密度（配置密度）は、第１軸Ｊ１（回動軸）まわりに沿って変化していてもよい。また、スケール部２のドット２０（図柄）の色は、特に限定されず、いかなる色であってもよいが、スケール部２のドット２０以外の部分の色と異なることが好ましく、黒色または暗色であることがより好ましい。これにより、撮像素子３１の撮像画像のコントラストを大きくすることができ、その結果、検出精度を向上させることができる。
【００４７】
また、スケール部２のドット２０（図柄）の形状は、図示では、円形であるが、これに限定されず、例えば、楕円形、四角形、異形状等であってもよい。また、スケール部２のパターンは、前述した複数のドット２０で構成されたパターンのようなドットパターン（図柄の繰り返し）に限定されず、例えば、直線状のラインで構成されたパターン、曲線状のラインで構成されたパターン、ドット、直線状のラインおよび曲線状のラインのうちの少なくとも２つを組わせて構成されたパターン、またはこれらの反転パターン等であってもよい。
【００４８】
さらに、スケール部２のパターンは、後述する撮像素子３１によって撮像可能なパターンであれば、前述した印刷装置を用いて染料、顔料等のインクで形成されたパターンに限定されず、例えば、凹凸形状によるパターン、自然物に形成されているパターン等であってもよい。凹凸形状によるパターンとしては、例えば、エッチング、切削、ショットブラスト、サンドブラスト、ヤスリがけ等による加工面のザラツキまたはムラによる凹凸、紙、布（不織布、織布）等の表面の繊維による凹凸、塗膜表面の凹凸等が挙げられる。また、自然物に形成されているパターンとしては、例えば、木目等が挙げられる。また、例えば、黒色のビーズを混入した透明塗料により塗膜を形成すると、黒色の複数のビーズが不規則に配置された塗膜を得ることができ、このような塗膜の複数のビーズを不規則なパターンとしてスケール部２に用いてもよい。
【００４９】
また、スケール部２のマーク２１は、前述した不規則なパターンを用いたものに限定されず、例えば、数字を用いてもよいし、ローマ字、アラビア文字、漢字等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、１次元バーコード、ＱＲコード（登録商標）等を用いてもよい。
【００５０】
図２に示す検出部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光学系３２と、を有し、撮像素子３１が光学系３２を介してスケール部２の周方向での一部（図３に示す撮像領域ＲＩ）を撮像する。なお、必要に応じて、撮像素子３１の撮像領域ＲＩを照明する光源を設けてもよい。
【００５１】
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。
【００５２】
光学系３２は、スケール部２と撮像素子３１との間に配置されている結像光学系である。この光学系３２は、少なくとも物体側（スケール部２側）がテレセントリックであることが好ましい。これにより、スケール部２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、光学系３２が両側テレセントリックである場合、光学系３２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、光学系３２の組み立てが容易となるという利点がある。
【００５３】
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、スケール部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。
【００５４】
図２に示す推定部５は、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推定する。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。
【００５５】
特に、推定部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推定する。
【００５６】
ここで、推定部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および第１アーム１２０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）をより細かく推定することが可能に構成されている。また、推定部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推定したりすることも可能に構成されている。そして、推定部５は、前述した推定結果に応じた信号、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。
【００５７】
また、推定部５は、撮像素子３１の撮像画像の一部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推定するのに先立って、あるいは、必要に応じて適時、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態ごとに行われる。そして、生成した基準画像は、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態ごとに対応して記憶部６に記憶される。そして、推定部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推定については、後に詳述する。
【００５８】
このような推定部５は、例えば、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）またはＦＰＧＡ（field-programmable gate array）等を用いて構成することができる。このようにＡＳＩＣまたはＦＰＧＡを用いて推定部５をハードウエア化することで、推定部５の高処理速度化、小型化および低コスト化を図ることできる。なお、推定部５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサーと、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）等のメモリーとを含んで構成することができる。この場合、メモリーに記憶されたプログラムをプロセッサーが適宜実行することで、前述した機能を実現することができる。また、推定部５の少なくとも一部は、前述した制御装置に組み込まれていてもよい。
【００５９】
記憶部６には、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態ごとに、前述した基準画像（基準画像データ）が、それに対応する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、不揮発性メモリー、揮発性メモリー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、不揮発性メモリーを用いるのが好ましい。なお、記憶部６は、前述した推定部５と一体で構成されていてもよい。
【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の推定）
以下、推定部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推定について詳述する。なお、以下では、回動状態として回動角度を推定する場合を代表的に説明する。
【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の回動状態を推定するのに先立って、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６に基づいて、この点を詳述する。
【００６３】
図６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軸まわりに回動すると、例えば、図６に示すように、撮像素子３１の撮像画像Ｇ内に映っているマーク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６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６中上端が描く軌跡である。また、図６は、図３に示す撮像領域ＲＩ内に３つのマーク２１が含まれている場合を図示しており、これに対応して、図８に示す撮像画像Ｇには、マーク画像２１Ａの他に、マーク画像２１Ａに対して周方向での一方側に位置するマーク画像２１Ｂと、他方側に位置するマーク画像２１Ｘとが含まれている。
【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、マーク画像２１Ａに対応する基準画像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（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、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、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。ここで、エンコーダー１がアブソリュート型である場合、このテンプレートセットにおける角度情報は絶対角度である。また、エンコーダー１がインクリメント型である場合、このテンプレートセットにおける角度情報は相対角度である。また、このテンプレートセットにおける角度情報および画素座標情報は、後述するキャリブレーションにより調整することが可能である。
【００６８】
−テンプレートマッチングを用いた回動状態の推定−
次に、図７ないし図１０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７は、図６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８は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態を示す図である。図９は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態を示す図である。図１０は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から図８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７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値を算出する。ここで、基準画像ＴＡは、その基準画素の画素座標を開始座標ＰＳ（原点画素Ｐ０）から終了画素ＰＥまで１画素ずつ移動し、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値が基準画像ＴＡの基準画素の画素座標ごとに算出される。そして、算出された相関値は、撮像画像データと基準画像データとの相関値データとして、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値のうち、最大値となる相関値を選択し、その選択された相関値となる基準画像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、マーク画像２１Ａの画素座標を求める際、サブピクセル推定法を用いることが好ましい。相関値が最大となる近傍では、図８ないし図１０に示すように、マーク画像２１Ａに対して基準画像ＴＡが重なる。図９に示す状態は、図８、１０に示す状態（図９に示す状態から１画素ずれた状態）よりも相関値が大きく、相関値が最も大きくなる。しかし、図９に示す状態のように、マーク画像２１Ａ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９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ＢＸ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ＢＸが最小の分解能（精度）となる。これに対し、サブピクセル推定法を用いると、視野サイズＢＸごとの相関値を放物線等（等角直線でもよい）でフィッティングし、これらの相関値間（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、前述した説明では、相関値が最大となる画素座標がマーク画像２１Ａの画素位置となる場合を例に説明したが、相関値が最小となる画素座標がマーク画像２１Ａの画素位置となるようにテンプレートマッチングを行うことも可能である。
【００７３】
このように、推定部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光学系３２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。
【００７４】
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。
【００７５】
そうすると、図７に示すマーク画像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Ｘ軸方向での幅（撮像素子３１の１画素あたりの視野サイズ）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。
【００７６】
【数１】
2019078621.tif 000003
【００７７】
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、前述した相関値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。なお、θＡ０は、前述したように、マーク画像２１Ａが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の回動角度である。また、回動角度θは、第１アーム１２０が基台１１０に対して基準状態（０°）から回動した角度である。
【００７８】
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が欠けなく映り、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。
【００７９】
前述した図６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が欠けなく映るように、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が欠けなく映るように、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内に映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。
【００８０】
すなわち、撮像素子３１は、テンプレートマッチングの対象となる複数のマーク２１のうちの少なくとも２つのマーク２１全体を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。このように、推定部５は、探索領域ＲＳに対して複数の基準画像を同時に用いてテンプレートマッチングを行うことが好ましい。これにより、検出精度を高めることができる。なお、複数の基準画像を用いたテンプレートマッチングについては、第２実施形態で詳述する。
【００８１】
−キャリブレーション−
図１１は、図３に示すスケール部が有する複数のマークを説明するための図である。図１２は、第１マークの位置の検出（画素数のカウントの開始）を説明するための図である。図１３は、第１マークに後続するマークの検出を説明するための図である。図１４は、第２マークの位置の検出（画素数のカウントの終了）を説明するための図である。なお、図１１では、スケール部２のパターンが図示されているが、図１２ないし図１４では、説明の便宜上、スケール部２のパターンの図示を省略している。また、図１２ないし図１４では、説明に必要なマーク以外のマークの図示を省略している。
【００８２】
図１１に示すように、スケール部２には、その回動方向に沿って並ぶ複数のマーク２１が設定される。図１１では、ｉ−２番目からｉ＋２番目までの５つのマーク２１ｉ−２〜２１ｉ＋２が撮像画像Ｇに映っている状態を示している。なお、ｉは、各マーク２１にその並び順で付される番号であり、スケール部２に設定したマーク２１の個数をｎ個（ｎは、３以上の整数）としたとき、１以上ｎ以下の整数である。
【００８３】
前述したように、推定部５は、探索領域ＲＳに映っているマーク２１の位置をテンプレートマッチングにより検出し、基台１１０に対する相対的または絶対的な第１アーム１２０の回動角度（スケール部２の回動角度）を求める。その際、推定部５は、角度情報および画素座標情報とともに記憶部６に記憶されている基準画像を用いる。
【００８４】
ここで、記憶部６に記憶されている角度情報が実際の相対角度または絶対角度からずれていると、エンコーダー１の検出精度の低下を招く。そこで、以下に述べるようなキャリブレーションを行う。以下では、マーク２１が探索領域ＲＳ内を図中右側から左側へ移動する場合を例に説明する。なお、マーク２１が探索領域ＲＳ内を図中左側から右側へ移動する場合も、同様にキャリブレーションを行うことができる。また、キャリブレーションは、いかなる時期に行ってもよいが、例えば、エンコーダー１またはロボット１０の製造の最終工程時、エンコーダー１の動作中等に行うことが可能である。
【００８５】
キャリブレーションでは、まず、使用者の操作等により、図１２に示すように、マーク２１ｉ（第１マーク）を基準位置Ｘ０に位置させる。この基準位置Ｘ０は、探索領域ＲＳ内であれば、いかなる位置であってもよいが、図１２では、探索領域ＲＳの右側（すなわちマーク２１の移動方向上流側）の部分に設定されている。また、本実施形態では、基準位置Ｘ０に１つのマーク２１が位置しているとき、基準位置Ｘ０に対してマーク２１の移動方向下流側（図１２中左側）に他の１つのマーク２１が探索領域ＲＳ内に位置している。
【００８６】
そして、使用者の操作等によりスケール部２を回動させる。ここで、スケール部２が回動すると、その回動に伴って、マーク２１ｉは、探索領域ＲＳ内をスケール部２の回動方向（図１２中右側から左側）に移動する。このとき、推定部５は、基準画像ｉをマーク２１ｉの移動に追従させながら、テンプレートマッチングを行ってマーク２１ｉの位置を逐次検出する。そして、推定部５は、マーク２１ｉの移動に追従して移動する基準画像ｉの画素数をカウントする（基準位置Ｘ０から位置Ｘ１までの画素Ｐの数を数える）。
【００８７】
図１３に示すように、マーク２１ｉ＋１が基準位置Ｘ０に達したら、推定部５は、基準画像ｉ＋１をマーク２１ｉ＋１の移動に追従させながら、テンプレートマッチングを行いい、マーク２１ｉ＋１の移動に追従して移動する基準画像ｉ＋１の画素数をカウントする。このような画素数のカウントをマーク２１ｉ＋２以降についても同様に行う。なお、マーク２１ｉ＋１が基準位置Ｘ０に達したとき、マーク２１ｉは位置Ｘ１にある。
【００８８】
そして、図１４に示すように、再度マーク２１ｉが基準位置Ｘ０に達したら、推定部５は、画素数のカウントを停止する。これにより、スケール部２が３６０°回転したときのマーク２１の移動量（回動角度）に対応する撮像素子３１の画素数（前述したマーク２１ごとの基準位置Ｘ０から位置Ｘ１までの画素Ｐの数を合計した数）をカウントすることができる。そして、このカウント値とマーク２１の移動量（すなわち３６０°）とに基づいて、基台１１０に対する第１アーム１２０（またはスケール部２）の１画素あたりの回転角度を求めることができる。この１画素当たりの回動角度を用いることで、各基準画像の相対的な角度情報を調整し、キャリブレーションすることができる。ここで、マーク２１ｉが基準位置Ｘ０に位置しているときの基台１１０に対する絶対的な第１アーム１２０の回動角度（スケール部２の回動角度）が既知であれば、各基準画像の絶対的な角度情報を調整し、キャリブレーションすることもできる。
【００８９】
以下、図１５に基づいて、エンコーダー１のキャリブレーションの流れを説明する。
図１５は、図２に示すエンコーダーのキャリブレーションの流れを示すフローチャートである。
【００９０】
まず、推定部５は、複数のマーク２１のうちの任意の１つのマーク２１である第１マークが基準位置Ｘ０に位置しているか否かを判断する（ステップＳ１１）。そして、推定部５は、第１マークが基準位置Ｘ０に位置するまでステップＳ１１を繰り返す（ステップＳ１１のＮＯ）。第１マークが基準位置Ｘ０に位置した場合（ステップＳ１１のＹＥＳ）、推定部５は、第１マークを前述したマーク２１ｉに設定し（ステップＳ１２）、前述したように画素数のカウントを開始する（ステップＳ１３）。
【００９１】
次に、推定部５は、前述したマーク２１ｉ＋１（第１マークに後続するマーク２１）が基準位置Ｘ０に達したか否かを判断する（ステップＳ１４）。そして、推定部５は、マーク２１ｉ＋１が基準位置Ｘ０に位置するまでステップＳ１４を繰り返す（ステップＳ１４のＮＯ）。マーク２１ｉ＋１が基準位置Ｘ０に位置した場合（ステップＳ１４のＹＥＳ）、推定部５は、画素数のカウント値を記憶部６に記憶させる（ステップＳ１５）。このとき、カウント値は、マーク２１ｉまたはそれに対応する基準画像ｉの識別情報とともに記憶部６に記憶される。
【００９２】
次に、推定部５は、複数のマーク２１のうちの任意の１つのマーク２１である第２マーク（本実施形態では第１マークと同じマーク２１）が基準位置Ｘ０に達したか否かを判断する（ステップＳ１６）。そして、推定部５は、第２マークが基準位置Ｘ０に位置していない場合（ステップＳ１６のＮＯ）、ｉ＋１をｉとして設定し（ステップＳ１７）、前述したステップＳ１４に移行する。これにより、推定部５は、第２マークが基準位置Ｘ０に位置するまで、画素数のカウントを行い、そのカウント値を記憶部６に記憶させる。
【００９３】
一方、推定部５は、第２マークが基準位置Ｘ０に達した場合（ステップＳ１６のＹＥＳ）、画素数のカウントを終了する（ステップＳ１８）。そして、推定部５は、前述したように１画素当たりの移動量（回動角度）を算出する（ステップＳ１９）。その後、算出した１画素当たりの移動量（回動角度）を用いて、基準画像の角度情報を調整し（ステップＳ２０）、キャリブレーションを終了する。
【００９４】
以上のようなエンコーダー１は、前述したように、基部である基台１１０と、基台１１０に対して相対的に回動可能に設けられ、複数のマーク２１を有するスケール部２と、基台１１０に配置され、マーク２１を撮像する撮像素子３１と、撮像素子３１の撮像画像Ｇに対して基準画像を用いてテンプレートマッチングを行うことでマーク２１の位置を検出し、基台１１０に対するスケール部２の回動状態を推定する推定部５と、を備える。そして、複数のマーク２１は、第１マークおよび第２マークを含んでおり、推定部５は、第１マークの位置を検出してから第２マークの位置を検出するまでの間の基台１１０に対するスケール部２の回動角度に対応する撮像素子３１の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、当該回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行う。
【００９５】
このようなエンコーダー１によれば、推定部５が、第１マークの位置を検出してから第２マークの位置を検出するまでの間の基台１１０に対するスケール部２の回動角度に対応する撮像素子３１の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、当該回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行うため、キャリブレーション用のエンコーダーを別途用いなくても、高精度なキャリブレーションを行うことができる。
【００９６】
ここで、推定部５は、第１マークの位置を検出してから基部１１０に対してスケール部２が３６０°回動して、次に前記第１マークの位置を検出するまでの間の撮像素子３１の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、３６０°である回動角度とに基づいて、キャリブレーションを行う。したがって、第１マークおよび第２マークの相対位置を事前に計測する必要がなく、キャリブレーションの簡単化を図ることができる。なお、第１マークおよび第２マークが互いに異なる場合には、これらのマークの相対位置（例えば角度）が既知である必要がある。
【００９７】
また、エンコーダー１は、基台１１０（基部）に対する第１マークおよび第２マークのうちの少なくとも１つの絶対位置または絶対角度を記憶している記憶部６を備える。これにより、アブソリュート型のエンコーダーであるエンコーダー１のキャリブレーションを行うことができる。
【００９８】
本実施形態では、スケール部２は、基台１１０（基部）に対して相対的に回動可能である。これにより、ロータリーエンコーダーであるエンコーダー１を実現することができる。
【００９９】
ここで、前述したロボット１０は、基台１１０（第１部材）側から第１アーム１２０（第２部材）側へ駆動力を伝達する減速機である第１減速機１１２を備え、スケール部２は、第１アーム１２０に接続されている。これにより、第１減速機１１２の入力軸側の回転状態を検出する場合に比べて、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を高精度に推定することができる。
【０１００】
＜第２実施形態＞
図１６は、本発明の第２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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
図１６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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
以上のように、ロボット１０Ｃは、第１部材である基台２１０と、基台２１０に対して回動可能に設けられている第２部材である第１アーム２２０と、前述した第１実施形態または第２実施形態のエンコーダー１と、を備え、エンコーダー１は、基台２１０に対する第１アーム２２０の回動状態を検出する。このようなロボット１０Ｃによれば、エンコーダー１の検出精度が高いため、エンコーダー１の検出結果を用いて、ロボット１０Ｃの高精度な動作制御を行うことができる。
【０１０６】
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、関節部に対して一方側のアームを第１部材、他方側のアームを第２部材として捉えればよい。
【０１０７】
２．プリンター
図１７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。
【０１０８】
図１７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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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、前述した第１実施形態または第２実施形態のエンコーダー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）の制御された第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。
【０１１６】
以上のようなプリンター１０００は、前述したエンコーダー１を備える。このようなプリンター１０００によれば、高精度なキャリブレーションを行ったエンコーダー１を用いることで、プリンター１０００の高精度な動作を行うことができる。
【０１１７】
以上、本発明のエンコーダー、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。
【０１１８】
前述した実施形態では、本発明のエンコーダーをロータリーエンコーダーに適用した場合を例に説明したが、これに限定されず、本発明のエンコーダーをリニアエンコーダーに適用することも可能である。この場合、スケール部は、基部に対して相対的に移動可能に設けられ、その移動方向に沿って複数のマークが配置される。そして、推定部は、基準画像を用いて撮像素子の撮像画像に対してテンプレートマッチングを行うことでマークの位置を検出し、基部に対するスケール部の移動状態を推定する。この移動状態としては、例えば、移動距離、移動速度、移動方向等が挙げられる。
【０１１９】
ここで、リニアエンコーダーのキャリブレーションは、前述した実施形態と同様に行うことができる。すなわち、複数のマークは、第１マークおよび第２マークを含んでおり、推定部は、第１マークの位置を検出してから第２マークの位置を検出するまでの間の基部に対するスケール部の移動量に対応する撮像素子の画素数をカウントし、そのカウントした画素数と、当該移動量とに基づいて、キャリブレーションを行う。ただし、第１マークおよび第２マークは、互いに異なる位置であり、かつ、これらの相対位置（例えば距離）が既知であることが必要である。
【０１２０】
また、本発明のエンコーダーは、アブソリュート型およびインクリメンタル型のいずれの形式にも適用可能である。
【０１２１】
また、前述した実施形態では、ロボットの基台を「基部（第１部材）」、第１アームを「回動部（第２部材）」とした場合を例に説明したが、これに限定されず、相対的に回動する任意の２つの部材の一方を「基部」、他方を「回動部」とすることができる。すなわち、エンコーダーの設置箇所は、基台と第１アームとの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。また、エンコーダーの設置箇所は、ロボットが有する関節部に限定されない。
【０１２２】
また、前述した実施形態では、ロボットアームの数は、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。
【０１２３】
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、２つまたは６つであったが、アームの数は、これに限定されず、１つでもよいし、３つ以上５つ以下または７つ以上でもよい。
【０１２４】
また、前述した実施形態では、本発明のロボットの設置箇所は、床面に限定されず、例えば、天井面や側壁面等でもよいし、ＡＧＶ（Automatic Guided Vehicle）等の移動体でもよい。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。
【０１２５】
また、本発明のエンコーダーは、前述したプリンターに限定されず、回転部を有する産業用プリンター、民生用プリンター等の各種プリンターに用いることができる。また、本発明のエンコーダーをプリンターに用いる場合、エンコーダーの設置箇所は、前述したものに限定されず、例えば、紙送り機構、インクジェットプリンターのインクヘッドを搭載したキャリッジの移動機構等に用いてもよい。
【符号の説明】
【０１２６】
１…エンコーダー、２…スケール部、３…検出部、５…推定部、６…記憶部、１０…ロボット、１０Ｃ…ロボット、２０…ドット、２１…マーク、２１Ａ…マーク画像、２１Ｂ…マーク画像、２１Ｘ…マーク画像、２１ｉ…マーク、２１ｉ＋１…マーク、２１ｉ＋２…マーク、２１ｉ−１…マーク、２１ｉ−２…マーク、３１…撮像素子、３２…光学系、５１…画像認識回路、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、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…部、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、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、ＢＸ…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、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、Ｐ…画素、Ｐ０…原点画素、ＰＥ…終了画素、ＰＳ…開始座標、ＲＩ…撮像領域、ＲＳ…探索領域、ＲＵ…有効視野領域、Ｒａ…範囲、Ｓ…シート、Ｓ１１…ステップ、Ｓ１２…ステップ、Ｓ１３…ステップ、Ｓ１４…ステップ、Ｓ１５…ステップ、Ｓ１６…ステップ、Ｓ１７…ステップ、Ｓ１８…ステップ、Ｓ１９…ステップ、Ｓ２０…ステップ、Ｓｃ…搬送経路、Ｓｅ…センサー、ＴＡ…基準画像、Ｘ０…基準位置、Ｘ１…位置、ｉ…基準画像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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