(57)【要約】      （修正有）【課題】高精度エンコーダの精度校正方法を提供する。【解決手段】光斑画像捕捉モジュール１２５を利用して光学位置決め表面１１１からＮ枚の不変形光斑画像を取得し、前記モジュール１２５に設けられた画像対比関数式、及び演算処理関数式を用いて前記Ｎ枚の不変形光斑画像に基づいてＮ個の変位ベクトルを算出し、Ｎ個の円周位置決め角度座標を取得する。２次元画像センサの円形回転主体１１に対する物体表面の変位量の位置決め精度を向上させるために、α回転行列で前記Ｎ個の光斑画像から取得される前記複数個の変位ベクトルに対して変換を行い、光斑の暗領域により生じる変位成分の対比誤差を解消する。また、前記円形回転主体１１の平均回転半径を取得し、相隣する２個の変位ベクトルの内積により夾角を求めることにより、非偏心誤差に起因する変位ベクトル位置決めの誤差の回避が達成され、高精度の円周角度座標の位置決めが完成する。【選択図】図４
2017116397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高精度エンコーダの精度校正方法であって、
（１）光学位置決め表面を有する円形回転主体と、少なくとも２次元画像センサを有する光斑画像捕捉モジュールと、制御と処理モジュールとを提供し、その内、前記円形回転主体は、外部の作業機台の中心回転軸に連接され、かつ前記２次元画像センサの水平座標軸は、前記円形回転主体の水平座標軸との間に精度校正角度αを挟むステップと、
（２）前記光斑画像捕捉モジュールにより、各回ごとに一定値の小角度で連続的に１周り回転させる前記円形回転主体に対して光斑画像捕捉工程を行い、前記光学位置決め表面からＮ枚の光斑画像を取得すると共に、前記制御と処理モジュールのデータベース内に格納し、その内、当該光斑画像は、唯一性特徴を有する不変形光斑画像であるステップと、
（３）少なくとも１つの画像特徴対比法を利用して前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第Ｎ枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比を行い、非偏心誤差変位量を得るステップと、
（４）前記非偏心誤差変位量が前記光斑画像捕捉モジュールの位置決め精度よりも大きいか否かを判断し、いいえであれば、ステップ（５）を実行し、はいであれば、ステップ（６）を実行するステップと、
（５）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、複数個の変位ベクトルを取得すると共に、さらに前記複数個の変位ベクトルに基づいて前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の角度座標を算出して当該方法を終了するステップと、
（６）前記円形回転主体の平均回転半径を取得するステップと、
（７）前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の座標ベクトルを算出すると共に、前記Ｎ個の座標ベクトルのうちの全ての相隣する２個の座標ベクトルとの内積演算を行い、前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の補償後の角度座標を算出するステップとを含み、
その内、前記ステップ（５）と前記ステップ（６）とを実行する時、α回転行列の利用を必要として前記複数個の変位ベクトルに対して変位ベクトル変換工程を行うことを特徴とする、
高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項２】
前記円形回転主体を前記一定値の小角度（Δθ）で１回回転させる時、前記円形回転主体の円周移動距離を、前記２次元画像センサの画像取得範囲の１／２より小さくすることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項３】
当該画像特徴対比法を利用して最高重なり度のある相隣する２枚の光斑画像が前記多点光斑特徴対比を完成した後、前記位置決め精度の値を得ることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項４】
当該画像特徴対比法は、スケール不変特徴変換（Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＳＩＦＴ）の画像対比位置決め方法、または高速化ロバスト特徴（Ｓｐｅｅｄ  Ｕｐ  Ｒｏｂｕｓｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ，ＳＵＲＦ）の画像対比位置決め方法のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項５】
前記ステップ（５）は、さらに以下の詳細ステップ、即ち、
（５１）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、複数個の変位ベクトルを取得すると共に、前記データベース内に格納するステップと、
（５２）前記複数個の変位ベクトルに基づいて前記円形回転主体の位置決め円周長さを算出するステップと、
（５３）前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像の前記Ｎ個の角度座標に対応する第１角度座標を０度とすると共に、続いて全ての他の角度座標を、下記の数式（１）を用いて算出するステップとを含み、
【数１】
2017116397.tif 000068
式中、ΣΔＲは、前記位置決め円周長さを表し、θ１は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第２枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、θ２は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第３枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、θＮ−２は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第Ｎ−１枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、かつθＮ−１は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第Ｎ枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項６】
前記ステップ（６）は、さらに以下の詳細ステップ、即ち、
（６１）前記光斑画像捕捉モジュールにより、各回ごとに前記一定値の小角度で連続的にｍ周り回転させる前記円形回転主体に対して前記光斑画像捕捉工程を行い、前記光学位置決め表面からＮ×ｍ枚の光斑画像を取得すると共に、前記データベース内に格納するステップと、
（６２）当該画像特徴対比法で取得される全ての光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、Ｎ×ｍ個の変位ベクトルを取得するステップと、
（６３）前記α回転行列を利用して前記Ｎ×ｍ個の変位ベクトルに対して変換工程を行うステップと、
（６４）前記平均回転半径の値を、下記の数式（２）を用いて算出するステップとを含み、
【数２】
2017116397.tif 000069
式中、
2017116397.tif 000070
は、相隣する２枚の光斑画像の変位ベクトルを表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項７】
前記α回転行列は、下記の数式（３）で表され、
【数３】
2017116397.tif 000071
式中、
2017116397.tif 000072
である
2017116397.tif 000073
は、前記円形回転主体を前記一定値の小角度で回転させて生じる変位ベクトルを表し、
2017116397.tif 000074
である
2017116397.tif 000075
は、前記光斑画像捕捉モジュールにより取得される任意の２枚の相隣する光斑画像の変位ベクトルを表し、かつαは、前記精度校正角度を表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項８】
前記ステップ（７）は、さらに以下の詳細ステップ、即ち、
（７１）前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像の座標ベクトルを、下記の数式（４）で表し、式中、ｒａｖｅは、前記平均回転半径を表すステップと、
（７２）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、下記の数式（５）で表す前記複数個の座標ベクトルのうちの第２座標ベクトルを取得し、
式中、
2017116397.tif 000076
である
2017116397.tif 000077
は、第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像との間の変位ベクトルを表すステップと、
（７３）さらに当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、下記の数式（６）で表す全ての座標ベクトルを取得するステップと、
（７４）第１枚の光斑画像に対応する座標ベクトルである
2017116397.tif 000078
は、前記Ｎ個の補償後の角度座標のうちの第１角度座標として定義されると共に、続いて全ての他の補償後の角度座標を、下記の数式（７）を用いて算出し、式中、
2017116397.tif 000079
である
2017116397.tif 000080
は、第ｉ枚の光斑画像の座標ベクトルを表し、かつ
2017116397.tif 000081
である
2017116397.tif 000082
は、第ｉ枚の光斑画像の座標ベクトルを表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【数４】
2017116397.tif 000083
【数５】
2017116397.tif 000084
【数６】
2017116397.tif 000085
【数７】
2017116397.tif 000086
【請求項９】
前記精度校正角度αを、下記の数式（８）を用いて算出し、
【数８】
2017116397.tif 000087
式中、
2017116397.tif 000088
は、
2017116397.tif 000089
であることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項１０】
前記精度校正角度αの満たす必要のある制限条件を、以下の数式（９）で表し、
【数９】
2017116397.tif 000090
式中、ｑは、画素数を表し、かつΣΔＲは、前記円形回転主体の円周長さを表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、角度エンコーダの技術分野に係り、特に、高精度エンコーダの精度校正方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
磁気角度センサは、第２次世界大戦中に発明されたものであり、戦車に応用することにより、戦車の砲塔を悪環境でも精密な角度で回転させることができる。その後も科学技術の進歩に伴い、光電誘導方式を用いる角度センサが大きな発展を遂げている。
【０００３】
今に至るまで、光電誘導方式エンコーダの技術は相当に成熟している。従来の高精度の絶対位置決め円形光学格子１’を示す構成図である図１を参照する。
図１に示すように、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１’は、ハイデンハイン（ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ）から提出するものであり、かつそれは、主に、内環の光学格子１１’と外環の光学格子１２’とから構成される。その内、外環の光学格子１２’は、等間隔の光学格子で、かつ内環の光学格子１１’は、非等間隔の光学格子である。このような特殊な光学格子の配置方式により、光学センサの使用に合わせて、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１’は、精確な絶対角度位置決めを行うことができる。
【０００４】
続いて、図１の高精度の絶対位置決め円形光学格子１’の校正を示す構成図である図２を参照する。
図１の高精度の絶対位置決め円形光学格子１’の校正を行う時には、まず、等角度位置決めセンサ２１’を図２中の８個の円形点の位置に設けると共に、不等角度位置決めセンサ２２’を別の８個の三角形点の位置に設ける。続いて、円形光学格子を定速回転させ、１６個のセンサにより位置決め信号を同時に読み取って、複雑な交叉対比及び演算を行い、円形光学格子の精度校正情報が取得される。
【０００５】
ＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダは、別種類の広汎に応用されている光電誘導方式エンコーダである。従来のＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダを示す構成図である図３を参照する。
図３に示すように、複数本の明暗バーコード２２’’は、円形エンコーダ２’’の円周面２１’’上に設置される。このような設計によれば、前記明暗バーコード２２’’から読み取る位置決め情報を利用すると共に、図形対比で読み出す関連位置決め情報に合わせて、高解像度の絶対位置決め情報が取得される。
【０００６】
ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮの高精度の絶対位置決め円形光学格子１’及びＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダは、非常に広汎に応用されている。しかしながら、前記２種のエンコーダを実際応用する過程において、本願発明者は、前記２種のエンコーダには、いまなお以下に示すような欠点が存在していることが分かる。
【０００７】
（１）図１に示すように、前記内環の光学格子１１’と外環の光学格子１２’は、工具機により円盤上に加工して作製される。前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１’は、目盛誤差（ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ  ｅｒｒｏｒ）の自然欠陥を有することが推定される。一方、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１’は、作業機台の中心回転軸に取り付けられて実際応用される時、前記高精度の絶対位置決め円形光学格子１’も、応用過程において走査誤差（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｒｒｏｒ）及び偏心誤差（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ｅｒｒｏｒ）などを生じるという問題があった。
【０００８】
（２）図３に示すように、前記複数本の明暗バーコード２２’’は、工具機（或いはエッチング製造工程）により円形エンコーダ２’’の円周面２１’’上に加工して作製される。
前記ＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダも、同様に目盛誤差（ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ  ｅｒｒｏｒ）の自然欠陥を有することが推定される。一方、前記ＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダは、作業機台の中心回転軸に取り付けられて実際応用される時、前記ＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダも、応用過程において走査誤差（ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｒｒｏｒ）及び偏心誤差（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ｅｒｒｏｒ）などを生じるという問題があった。
【０００９】
（３）また、ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮの高精度の絶対位置決め円形光学格子１’或いはＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダは、長期間の使用を経た後、エンコーダの光学位置決め表面に汚染または破損を受けることになり、エンコーダの光学信号の読み取り品質に影響を及ぼす可能性があった。ほかに、作業機台を長期に亘って運転した後、前記円形光学格子１’或いは前記円形バーコードエンコーダと、作業機台の中心回転軸との長期間の回転摩擦により、偏心誤差の拡大を招くという問題もあった。
【００１０】
よって、習用の高精度の絶対位置決め円形光学格子及び円形バーコードエンコーダは、設計上、使用上の数多な欠陥があった。本願発明者は、上記事情に鑑みて鋭意研究開発した結果、以下の知見を得て本発明の高精度エンコーダの精度校正方法を完成するに至った。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の主な目的は、高精度エンコーダの精度校正方法を提供することであり、その主な技術特徴は、光斑画像捕捉モジュールを利用して前記光学位置決め表面からのＮ枚の不変形光斑画像を取得し、それから前記制御と処理モジュール内に予め設けられた画像対比関数式、及び特別に設計された演算処理関数式を用いて前記Ｎ枚の不変形光斑画像に基づいてＮ個の変位ベクトルを算出し、さらに前記円形回転主体のＮ個の円周位置決め角度座標を取得し、この方式により高精度エンコーダの技術が達成される。
特に、２次元画像センサの円形回転主体に対する物体表面の変位量の位置決め精度を向上させるために、本発明は、特に、α回転行列で前記Ｎ個の光斑画像から取得される前記複数個の変位ベクトルに対して変位ベクトル変換工程を行い、この方式により光斑の暗領域により生じる変位成分の対比誤差を解消する。
また、本発明は、さらに前記円形回転主体の平均回転半径を取得する方式により、成功的に、相隣する２個の変位ベクトルの内積によりこの２個の変位ベクトルの夾角を求めることができ、非偏心誤差に起因する変位ベクトル位置決めの誤差の回避が達成され、高精度の円周角度座標の位置決めが完成する。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の上記主な目的を達成するための本願発明者が提案する高精度エンコーダの精度校正方法は、以下のステップ（１）〜ステップ（７）を含む。
（１）光学位置決め表面を有する円形回転主体と、少なくとも２次元画像センサを有する光斑画像捕捉モジュールと、制御と処理モジュールとを提供し、その内、前記円形回転主体は、外部の作業機台の中心回転軸に連接され、かつ前記２次元画像センサの水平座標軸は、前記円形回転主体の水平座標軸との間に精度校正角度を挟むステップ。
（２）前記光斑画像捕捉モジュールにより、各回ごとに一定値の小角度（Δθ）で連続的に１周り回転させる前記円形回転主体に対して光斑画像捕捉工程を行い、前記光学位置決め表面からＮ枚の光斑画像を取得すると共に、前記制御と処理モジュールのデータベース内に格納し、その内、当該光斑画像は、唯一性特徴を有する不変形光斑画像であるステップ。
（３）少なくとも１つの画像特徴対比法（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｉｍａｇｅ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｌｉｂｒａｒｙ  ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｍｏｄｕｌｅ）を利用して前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第Ｎ枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比を行い、非偏心誤差変位量（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）を得るステップ。
（４）前記非偏心誤差変位量（ｅｃｃｅｎｔｒｉｃ  ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ）が前記光斑画像捕捉モジュールの位置決め精度よりも大きいか否かを判断し、「いいえ」であれば、ステップ（５）を実行し、「はい」であれば、ステップ（６）を実行するステップ。
（５）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、複数個の変位ベクトルを取得すると共に、さらに前記複数個の変位ベクトルに基づいて前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の角度座標を算出するステップ。
（６）前記円形回転主体の平均回転半径を取得すると共に、続いて前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の座標ベクトルを算出するステップ。
（７）前記Ｎ個の座標ベクトルのうちの全ての相隣する２個の座標ベクトルとの内積演算を行い、前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の補償後の角度座標を算出するステップ。
その内、前記ステップ（５）と前記ステップ（６）とを実行する時、α回転行列の利用を必要として前記複数個の変位ベクトルに対して変位ベクトル変換工程を行う。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の高精度の絶対位置決め円形光学格子を示す構成図である。
【図２】図１の高精度の絶対位置決め円形光学格子の校正を示す構成図である。
【図３】従来のＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダを示す構成図である。
【図４】高精度エンコーダ装置を示す構成図である。
【図５Ａ】円形回転主体の模式斜視図である。
【図５Ｂ】円形回転主体の模式斜視図である。
【図５Ｃ】円形回転主体の模式斜視図である。
【図６】レーザ光が３次元テクスチャ構造を有する光学位置決め表面に対する入射光と反射光を示す光路図である。
【図７Ａ】本発明の高精度エンコーダの精度校正方法を示すステップのフローチャートである。
【図７Ｂ】本発明の高精度エンコーダの精度校正方法を示すステップのフローチャートである。
【図７Ｃ】本発明の高精度エンコーダの精度校正方法を示すステップのフローチャートである。
【図８】相隣する２枚の光斑画像の実際画像を示す図である。
【図９】４枚の光斑画像の実際画像を示す図である。
【図１０】光斑画像の実際画像を示す図である。
【図１１】円形回転主体を示す上面図である。
【図１２】円形回転主体を示す上面図である。
【図１３】円形回転主体を示す上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明に係る高精度エンコーダの精度校正方法の好適な実施態様について、以下、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１５】
高精度エンコーダ装置を示す構成図である図４を参照する。
図４に示すように、前記高精度エンコーダ装置１は、円形回転主体１１と、光斑画像捕捉モジュール１２と、制御と処理モジュール１３と、角度調整モジュール１４とを備えるように構成される。その内、前記円形回転主体１１は、光学位置決め表面１１１を有し、即ち、その円周表面を有する。なおかつ、前記制御と処理モジュール１３は、少なくとも１つの画像対比関数式と、少なくとも１つの数学関数式ブロックと、データベースとを有する。
【００１６】
前記円形回転主体１１の模式斜視図である図５Ａ、図５Ｂと図５Ｃを同時に参照する。
図示のように、制御と処理モジュール１３に電気的に接続される光斑画像捕捉モジュール１２は、コヒーレント光（Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ  ｌｉｇｈｔ）を前記円形回転主体１１の光学位置決め表面１１１の上に発射させるために用いられる。例としては、レーザ光を前記円形回転主体１１の頂部表面（図５Ａ参照）、側辺表面（図５Ｂ参照）或いは底部表面（図５Ｃ参照）に発射することが挙げられる。続いて、光斑画像捕捉モジュール１２が前記光学位置決め表面１１１から反射される反射光を受光すると共に、反射光のレーザ光斑を検出することにより、対応する光斑画像を取得する。
【００１７】
本発明の主な技術特徴は、光斑画像捕捉モジュール１２を利用して前記光学位置決め表面１１１からのＮ枚の不変形光斑画像を取得し、それから前記制御と処理モジュール１３内に予め設けられた画像対比関数式、及び特別に設計された演算処理関数式を用いて前記Ｎ枚の不変形光斑画像に対応するＮ個の円周角度座標を算出し、この方式により高精度エンコーダの技術が達成される点である。
【００１８】
図４を継続的に参照すると共に、レーザ光が３次元テクスチャ構造を有する光学位置決め表面に対する入射光と反射光を示す光路図である図６を同時に参照する。
図示のように、前記光斑画像捕捉モジュール１２は、発光素子１２１と、前段絞り１２２（ｆｒｏｎｔ−ｓｔａｇｅ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  １２２）と、レンズ１２３と、後段絞り１２４（ｒｅａｒ−ｓｔａｇｅ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  １２４と、２次元画像センサ１２５とを備えるように構成される。その内、発光素子１２１は、当該コヒーレント光（即ち、図６に示すレーザ光３）を前記円形回転主体１１の光学位置決め表面１１１の上に発射させるために用いられる。かつ、前記前段絞り１２２は、反射光３’の二次反射散乱光を濾過するために用いられる。
また、レンズ１２３は、結像するために用いられ、前記円形回転主体１１の表面の反射光３’を２次元画像センサ１２５に結像させる。ほかに、後段絞り１２４は、入射光線の入射視角及び光斑平均サイズを制限・制御するために用いられ、光斑画像の変形量を効果的に低減することができる。さらに、２次元画像センサ１２５は、同様に制御と処理モジュール１３に電気的に接続される。ここでの２次元画像センサ１２５は、ＣＣＤ画像センサ或いはＣＭＯＳ画像センサであってもよく、前記レーザ光３のレーザ光斑画像を検出と記録するために用いられる。単一の物体の各物体表面に呈示されている３次元テクスチャパターンの何れも唯一であるため、レーザ光３が物体表面に入射する場合、その反射されるレーザ光斑画像も唯一の性特徴を有する点は説明に値する。
【００１９】
取得される光斑画像が唯一性特徴を有するかどうかを確保するために、本技術の光斑画像捕捉モジュール１２は、入射角が反射角に等しい鏡面反射の画像取得構造を採用しない。その主な理由は、鏡面反射の画像取得構成により、鏡面反射の物体表面から取得される０次回折画像（入射角が反射角に等しい）は、容易に前記鏡面反射の物体表面に近隣する他の小物体表面から取得される高次回折画像（入射角が反射角に等しくない）と重なるため、取得される本来の０次回折画像に変化が生じ、その結果、取得される光斑画像が不変形光斑画像ではなくなってしまうからである。
【００２０】
図４と図６を継続的に参照する。
図示のように、前記光学位置決め表面１１１は、巨視的に見ると平坦な物体表面であるが、微視的に見ると前記平坦な物体表面は、実際には多くの異なる小角度の小物体表面１１２で連接してなるものである。その内、この小角度は、小物体表面１１２の法線と平坦な物体表面の法線との夾角として定義される。小物体表面１１２のいずれも鏡面反射が生じる光学平面であるため、レーザ光３が光学位置決め表面１１１に入射する場合、これらの小物体表面１１２は、高次回折光３ｃ’を生じて光斑ノイズソースになる。
図６に示すように、光学位置決め表面１１１の３次元テクスチャ構造において、水平面との夾角が０度である小物体表面１１２の比が最高で、密度が最大であるので、鏡面反射の光斑画像のエネルギーも最大となる。しかしながら、鏡面反射の光斑画像のノイズも最大であり、高密度の０度である小物体表面１１２の鏡面反射の光斑画像に容易に高次回折光３ｃ’が生じることが原因で、鏡面反射の光斑画像のノイズが形成される。
【００２１】
図６に示すように、仮に、これらの小物体表面１１２の法線と平坦な物体表面の法線との夾角をθ’とし、光学反射原理に基づいて、入射光角度が水平面の法線に対してθ’角度に変えれば、反射光角度が２θ’角度を変えることになる。このため、２次元画像センサ１２５の光軸を入射光角度から２θ’角度偏移させれば、これらの小物体表面１１２は、２次元画像センサ１２５の鏡面反射の画像取得物体表面となり、反射光３’を２次元画像センサ１２５に結像させて不変形光斑画像になる。このような手順を通じて２次元画像センサ１２５が最適の信号雑音比の条件において、唯一性特徴を有する不変形光斑画像を取得することを確保することができる。
反対に、図６に示すように、もし本来の入射光角度が水平面に対する夾角をθ’とする場合、小角度が０度である前記複数の小物体表面１１２の鏡面反射光の角度もθ’になり、小角度が０度である前記複数の小物体表面１１２の鏡面反射光は、前段絞り１２２と後段絞り１２４（ｆｒｏｎｔ−ｓｔａｇｅ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  １２２，  ｒｅａｒ−ｓｔａｇｅ  ａｐｅｒｔｕｒｅ  １２４）によって阻止され、２次元画像センサ１２５に進入することができない。
【００２２】
例を挙げて言えば、もし小物体表面１１２の法線と平坦な物体表面の法線との夾角が５度である場合、２次元画像センサ１２５の光軸を入射光角度から１０度偏移させる必要がある。言い換えれば、２次元画像センサ１２５の光軸と前記平坦な物体表面との夾角をθ’＋１０度とする。
このような設置によれば、小角度が５度である小物体表面が、唯一性特徴を有する小物体表面になり、なおかつ、この唯一性特徴を有する小物体表面は、光学結像原理に従って、２次元画像センサ１２５の結像面に唯一性特徴を有する不変形光斑画像が形成される。補充説明すべきなのは、鏡面反射の結像点の光界の位相と一致であるため、２次元画像センサ１２５の結像面に亮点光斑が形成され、即ち、不変形光斑画像の特徴点が形成される。
【実施例】
【００２３】
本発明の高精度エンコーダの精度校正方法を示すステップのフローチャートである図７Ａ、図７Ｂと図７Ｃを参照する。
本発明の方法により、図４に示す高精度エンコーダ装置１を用いて高精度の角度位置決めエンコーダが完成する。このため、前記方法は、まず、ステップ（Ｓ０１）：光学位置決め表面１１１を有する円形回転主体１１と、少なくとも２次元画像センサ１２５を有する光斑画像捕捉モジュール１２と、制御と処理モジュール１３とを提供し、その内、前記円形回転主体１１は、外部の作業機台２の中心回転軸２１３に連接され、かつ前記２次元画像センサ１２５の水平座標軸は、前記円形回転主体１１の水平座標軸との間に精度校正角度αを挟むステップを実行する。説明に値するのは、前記円形回転主体１１としては、任意の円柱体であってもよく、例えばハイデンハイン（ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ）が提出する高精度の絶対位置決めエンコーダ或いはＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダであってもよい点である。その理由としては、本発明の技術精神は、光斑画像捕捉モジュール１２を利用して円形回転主体１１の光学位置決め表面１１１の光斑画像を捕捉することであり、事前に円周表面の上に設置される明暗バーコード或いは光学格子図案を読み取ることではないからである。
【００２４】
次に、前記方法は、ステップ（Ｓ０２）：前記光斑画像捕捉モジュール１２により、各回ごとに一定値の小角度（Δθ）で連続的に１周り回転させる前記円形回転主体１１に対して光斑画像捕捉工程を行い、前記光学位置決め表面１１１からＮ枚の光斑画像を取得すると共に、前記制御と処理モジュール１３のデータベース内に格納し、その内、当該光斑画像は、唯一性特徴を有する不変形光斑画像であるステップを実行する。
続いて、前記方法は、ステップ（Ｓ０３）：少なくとも１つの画像特徴対比法（ａｔ  ｌｅａｓｔ  ｏｎｅ  ｉｍａｇｅ  ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ  ｌｉｂｒａｒｙ  ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ  ｉｎ  ｔｈｅ  ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  ｍｏｄｕｌｅ１３）を利用して前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第Ｎ枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比を行い、非偏心誤差変位量を得るステップを実行する。
【００２５】
相隣する２枚の光斑画像の実際画像を示す図である図８を参照する。
図８に示すように、制御と処理モジュール１３は、例えばスケール不変特徴変換（Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＳＩＦＴ）の画像対比位置決め技術、または高速化ロバスト特徴（Ｓｐｅｅｄ  Ｕｐ  Ｒｏｂｕｓｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ，ＳＵＲＦ）の画像対比位置決め技術などの少なくとも１つの画像対比関数式を用いて前記Ｎ枚の光斑画像のうちの相隣する２枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比工程を行う。
ＳＯＮＹ（登録商標）製工業カメラ（型番：ＸＣＬ−５００５、ＣＣＤ素子寸法：３．４５ｘ３．４５μｍ、光学拡大倍率Ｍ＝１）を前記２次元画像センサ１２５として用いる場合、多点光斑特徴対比工程を行う時、統計削除法を利用して変位標準差の１．５倍よりも大きい特徴ペア点を削除することができる。こうして、相隣する２枚の光斑画像の像平面における変位量の標準差が０．００８画素サイズよりも小さいかを精確に対比することができるようになる。即ち、物体平面（即ち、光学位置決め表面１１１）の上の位置決め精度が３４．１ｎｍまで達し、標準差が約１／１００画素サイズまで達する。その内、位置決め精度は、（３．４５μｍ×０．００８）÷０．１から求められる３４．１ｎｍとする。
補充説明すべきなのは、前記光斑画像捕捉モジュール１２により、各回ごとに一定値の小角度（Δθ）で連続的に１周り回転させる前記円形回転主体１１に対して光斑画像捕捉工程を行う時、２次元画像センサ１２５の光斑画像の画像取得範囲が、光斑不変形の移動可能な距離よりも必ず小さいか等しく、かつ、前記円形回転主体１１を各回ごとに前記一定値の小角度（Δθ）で回転させる時に生じる物体平面における変位距離の２倍よりも大きい点である。即ち、物体平面における変位距離≦１／２（光斑画像の画像取得範囲）≦光斑不変形の移動可能な距離となる。従って、相隣する２枚の光斑画像の重なり画像取得範囲は、１／２光斑画像の画像取得範囲よりも大きいので、このゆえに重なり画像取得範囲内の２枚の光斑画像は、ほぼ完全一致の光斑画像特徴を有する。
【００２６】
４枚の光斑画像の実際画像を示す図である図９を参照する。なお、画像対比関数式を利用して第１枚の光斑画像と第１枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（０−０対比と略称）、第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（０−２０対比と略称）、第１枚の光斑画像と第３枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（０−４０対比と略称）、及び第１枚の光斑画像と第４枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（０−６０対比と略称）が完成する。多点特徴対比結果を下記の表１中にまとめて示す。
【００２７】
【表１】
2017116397.tif 000003
【００２８】
表１から、相隣する２枚の光斑画像の間により多くの同じ特徴点の数を有することが分かる。相隣する２枚の光斑画像の間により大きい重なり領域を有することを表す。しかし、光斑画像の変位距離の増加につれて、例えば第１枚の光斑画像と第４枚の光斑画像との間の変位距離を１２．８とすれば、この２枚の光斑画像の間の同じ特徴点の数が明らかに減少していき、この２枚の光斑画像の間の重なり領域を非常に小さくなる。このため、特徴点対比の方式により、２枚の光斑画像の間の変位距離を確定するのみならず、前記光学位置決め表面１１１の上の２個の画像取得点の間の位置決めを同時に精確に完成することができる。
【００２９】
さらに、画像対比関数式を利用して第１枚の光斑画像と第１枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（０−０対比と略称）、第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（０−２０対比と略称）、第２枚の光斑画像と第３枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（２０−４０対比と略称）、及び第３枚の光斑画像と第４枚の光斑画像との多点特徴対比位置決め（４０−６０対比と略称）が完成する。多点特徴対比結果を下記の表２中にまとめて示す。
【００３０】
【表２】
2017116397.tif 000004
【００３１】
表２から、相隣する２枚の光斑画像の相対変位距離がほぼ同様であることが分かる。かつ、共同の光斑の特徴点の数もほとんど差がない（２９５−２７６）。
さらに、０−０対比で取得される累積変位距離を、それぞれ０−２０、２０−４０と４０−６０対比で取得される累積変位距離と比較して、０−０と０−２０でも、０−０と２０−４０でも、或いは０−０と４０−６０でも、その累積変位距離の差は、いずれも±１／１００ｐｉｘｅｌ以内に存在することが分かる。これは、相隣する２枚の光斑画像の変位距離の累積量には誤差累積がないことを表す。このゆえに、長距離の変位量を精確に取得することができる。
【００３２】
光斑画像の実際画像を示す図である図１０を継続的に参照する。
図１０に示すように、もし円形回転主体１１の外径が３３センチである場合、ステップ（Ｓ０２）を実行した後、合計３６００３枚の光斑画像を取得する。その内、画像対比関数式で第３６０００番目の光斑座標画像と第００００１番目の光斑座標画像（画像取得起始点）に対して光斑特徴多点対比を行って位置決めした後、２枚の光斑画像は、Ｘ軸方向には１１．３６画素離れ、かつＹ軸方向には４．３８画素離れていることが分かる。
さらに、第３６００１、３６００２番目の光斑座標画像と第００００１番目の光斑座標画像に対して光斑特徴多点対比を行って位置決めを完成した後、前記２枚の光斑座標画像と第００００１枚の光斑座標画像との間のＹ軸変位は、それぞれ４．４６と４．４７画素であることが分かる。よって、第３６０００〜３６００２番目の光斑座標画像と第００００１番目の光斑座標画像（画像取得起始点）に対して光斑特徴多点対比を行って位置決めを完成した後、円形回転主体１１と前記中心回転軸２１との間に既に非偏心誤差が生じたことを確定することができる。
【００３３】
上記に続いて例えばハイデンハイン（ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ）が提出する高精度の絶対位置決めエンコーダ或いはＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダなどの一般商用の円形回転主体１１は、長期間の使用を経た後、いずれも偏心誤差が生じてしまい、その主な要因は、円形回転主体１１と作業機台の回転軸との両者の間の長期間の回転摩擦にある。
偏心誤差の欠陥を効果的に解決できない商用の円形回転主体と異なって、本発明の方法は、画像対比関数式を利用して第Ｎ枚の光斑画像と第１枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比を行い、さらに図４に示す円形回転主体１１と作業機台２の中心回転軸２１３との間に非偏心誤差が生じたかどうかを確認することができる。
【００３４】
前記円形回転主体１１を示す上面図である図１１を参照する。図１１に示すように、光斑画像捕捉モジュール１２が移動しないように固定する場合、前記円形回転主体１１を一定値の小角度で連続的に１周り回転させると、２次元画像センサ１２５により、前記円形回転主体１１を前記一定値の小角度で回転させる各回ごとに、１枚の対応する光斑画像が取得される。従って、前記円形回転主体１１を１周り回転させた後、２次元画像センサ１２５により、Ｎ枚の対応する光斑画像が取得される。
【００３５】
補充説明すべきなのは、図１１に標示する符号「１」、「２」、「Ｎ−１」及び「Ｎ」は、前記２次元画像センサ１２５の前記光学位置決め表面１１１の上の画像取得点である。なおかつ、
2017116397.tif 000005
は、画像取得点１と画像取得点２との間の変位ベクトルであり、
2017116397.tif 000006
は、画像取得点２と画像取得点３との間の変位ベクトルであり、
2017116397.tif 000007
は、画像取得点Ｎ−１と画像取得点Ｎとの間の変位ベクトルであり、かつ
2017116397.tif 000008
は、画像取得点Ｎと画像取得点１との間の変位ベクトルである。その内、
2017116397.tif 000009
となり、かつ
2017116397.tif 000010
は、さらに偏心誤差変位として定義される。
前記偏心誤差変位が、システムの位置決め精度よりも小さい或いは等しい場合、即ち、
2017116397.tif 000011
となり、円形回転主体１１と作業機台２の中心回転軸２１との同心度は、規格要求に合致することを表す。このゆえに、両者の間の非偏心誤差を無視してもよい。反対に、前記偏心誤差変位が、システムの位置決め精度よりも大きい場合、即ち、
2017116397.tif 000012
となり、円形回転主体１１と作業機台２の中心回転軸２１との同心度は、規格要求に合致していないことを表す。前記非偏心誤差に対して補償を行う必要がある。
【００３６】
このため、本発明の方法のステップ（Ｓ０４）の判断結果が「いいえ」であれば、円形回転主体１１と作業機台２の中心回転軸２１との同心度は、規格要求に合致することを表す。このゆえに、両者の間の非偏心誤差を無視してもよい。
この時、前記方法は、続いてステップ（Ｓ０５）：前記画像対比関数式で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比を行い、複数個の変位ベクトルを取得すると共に、さらに前記複数個の変位ベクトルに基づいて前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の角度座標を算出するステップを実行する。
【００３７】
図１１に示すように、円形回転主体１１の回転円周上に画像取得点ｉから小角度Δθｉで回転させて画像取得点ｉ＋１に到達した後、２次元画像センサ１２５により、第ｉ枚の光斑画像と第ｉ＋１枚の光斑画像が取得される。なおかつ、ＳＩＦＴ或いはＳＵＲＦなどの光斑特徴多点対比の位置決め方法を利用して、相隣する２枚の光斑画像の変位ベクトルは、
2017116397.tif 000013
として精確に算出される。画像取得点ｉの接線ベクトルと変位ベクトル
2017116397.tif 000014
との夾角をδｉとすると、幾何学的関係からδｉ＝Δθｉ／２が分かる。さらに、画像取得点ｉと画像取得点ｉ＋１との間の弦長が算出され、即ち、前記変位ベクトルのベクトル長さが
2017116397.tif 000015
から算出される。
一方、第Ｎ枚の光斑画像と第１枚の光斑画像は、最高重なり度を有するため、ベクトル重ね合せの原理に基づいて、
2017116397.tif 000016
が算出される。従って、全ての弦長を互いに加算すれば、全ての弦長で囲まれてなる円形回転主体１１の位置決め円周長さを、
2017116397.tif 000017
から取得する。位置決め円周長さを取得した後、前記Ｎ枚の光班画像に対応するＮ個の円周位置決め角度座標を自己校正して算出することができる。
【００３８】
Ｎ個の円周位置決め角度座標を取得しようとする場合、まず、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像の前記Ｎ個の角度座標に対応する第１角度座標を０度とする。続いて、第２枚の光斑画像に対応する円周位置決め角度座標を、
2017116397.tif 000018
から算出して取得する。かつ、第３枚の光斑画像に対応する円周位置決め角度座標を、
2017116397.tif 000019
から算出する。これによって類推すれば、全ての他の円周位置決め角度座標を、下記の数式（１）を用いて算出することができる。
【００３９】
＜数１＞
2017116397.tif 000020
前述した数式中、θＮ−２は、第Ｎ−１枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、かつθＮ−１は、第Ｎ枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表す。
【００４０】
説明に値するのは、ＳＯＮＹ製工業カメラ（型番：ＸＣＬ−５００５、ＣＣＤ素子寸法：３．４５ｘ３．４５μｍ、光学拡大倍率Ｍ＝１、ｆ＝１３．５ｍｍ）を前記２次元画像センサ１２５として用いる場合、吾人は、表２のデータから、システムの位置決め精度は、±１／１００ｐｉｘｅｌ以内に存在することを確定することができる点である。
これは、２枚の光斑画像の間の変位距離が１／２００ｐｉｘｅｌよりも小さい場合のみ、光斑画像捕捉モジュール１２により、この２枚の光斑画像の差異を正確に識別することができず、このゆえに、光斑画像の特徴点を対比して精確な角度位置決めを完成することができないことを表す。その内、１／２００ｐｉｘｅｌ＝３．４５μｍ／２００＝１７．２５ｎｍとなる。しかしながら、一般商用の高精度角度エンコーダの外径が約２０センチである場合、即ち、それに対応する円周長さが２０πセンチである。例え、２０μｍの像平面における変位を固定して１枚の光斑画像を取得する場合では、Ｎ枚の光斑画像の実際数字が２０πｃｍ／２０μｍ＝π×１０４と算出される。よって、各回ごとに前記円形回転主体１１を回転させる小角度（Δθ）の値が３６０度／π×１０４＝０．０１１度と算出される。
【００４１】
上記に続いて吾人は、図１１に絵示される円形回転主体１１の上面図から、前記
2017116397.tif 000021
と円形回転主体１１の垂直軸方向との夾角δｉが０．００５５度＝０．０１１度／２であることが分かる。さらに、前記円形回転主体１１の（水平変位成分，垂直変位成分）は、（２０μｍ１．９２×１０−３μｍ＝（２０μｍ×ｃｏｓ（０．００５５度）２０μｍ×ｓｉｎ（０．００５５度）から算出される。このことから、円形回転主体１１の垂直変位成分は、僅か１．９２×１０−３μｍであり、明らかに１７．２５ｎｍよりも小さいことが分かる。これは、２次元画像センサ１２５により、このような小さい垂直変位成分（１．９２×１０−３μｍ）の数値を正確に判読できないことを表す。通常、このような小さい垂直変位成分の数値は０と判読されていた。
説明に値するのは、２次元画像センサ１２５により、このような小さい垂直変位成分を読み取ることができても、２次元画像センサ１２５自身のノイズまたは光斑の暗領域により生じる変位成分の対比誤差のため、２次元画像センサ１２５により検出される変位ベクトルと円形回転主体１１の円周上の実際の変位ベクトルとの間に些細な誤差が生じてしまうことになる点である。
【００４２】
補充説明すべき点は、光斑の暗領域の対比誤差は、物体表面（即ち、光学位置決め表面１１１）の微小移動から由来する測定できない累積誤差であり、この微小移動量は、もし２次元画像センサ１２５の位置決め精度よりも小さい場合、光斑画像対比法を利用して物体表面の微小移動を反映させることができない点である。この原因に基づいて、もしこの微小移動を連続的に発生させると、その累積変位量の誤差値により光斑画像の対比位置決め誤差が生じてしまい、これは、いわゆる光斑の暗領域効果と呼ばれている。
【００４３】
そのため、光斑の暗領域効果に起因する光斑画像の対比位置決めの誤差を回避するために、本願発明者は、角度調整モジュール１４（図４参照）を前記光斑画像捕捉モジュール１２の２次元画像センサ１２５に連接し、前記角度調整モジュール１４により、前記２次元画像センサ１２５の設置角度を調整して、前記２次元画像センサ１２５の水平座標軸と前記円形回転主体１１の水平座標軸との間に精度校正角度αを挟むようにする。
図１２から、吾人は、既に画像対比関数式を用いてＮ個の変位ベクトルを求めることができることが理解され、即ち、
2017116397.tif 000022
となる。よって、前記光斑画像捕捉モジュール１２により取得される任意の２枚の相隣する光斑画像の変位ベクトルが
2017116397.tif 000023
として算出されると共に、さらに前記変位ベクトル
2017116397.tif 000024
と２次元画像センサ１２５の水平軸との夾角
2017116397.tif 000025
が
2017116397.tif 000026
となることが推定される。
【００４４】
前記円形回転主体１１を示す上面図である図１２を継続的に参照する。２次元画像センサ１２５（ｄｅｔｅｃｔｏｒ）の水平座標軸と円形回転主体１１（ｅｎｃｏｄｅｒ）の水平座標軸との間に精度校正角度αを挟むので、円形回転主体１１の変位ベクトルと２次元画像センサ１２５により検出される光斑画像の変位ベクトルは、α回転行列を用いて相互に変換することができる。その内、前記α回転行列は、下記の数式（３）で表される。
【００４５】
＜数３＞
2017116397.tif 000027
前記α回転行列中、
2017116397.tif 000028
である
2017116397.tif 000029
は、前記円形回転主体１１を前記一定値の小角度で回転させて生じる変位ベクトルを表し、
2017116397.tif 000030
である
2017116397.tif 000031
は、前記光斑画像捕捉モジュール１２により取得される任意の２枚の相隣する光斑画像の変位ベクトルを表し、かつαは、前記精度校正角度を表す。
【００４６】
補充説明すべきなのは、
2017116397.tif 000032
となり、かつ
2017116397.tif 000033
となる点である。
【００４７】
円形回転主体１１を示す上面図である図１３を継続的に参照する。
図１３から、前記光斑画像捕捉モジュール１２により取得される任意の２枚の相隣する光斑画像の変位ベクトルは、
2017116397.tif 000034
とし、かつ光斑画像捕捉モジュール１２の水平座標軸と前記
2017116397.tif 000035
との間の夾角
2017116397.tif 000036
となることが分かる。なおかつ、図１３から、前記円形回転主体１１を各回ごとに前記一定値の小角度（Δθｉ）で回転させる時に生じる変位ベクトルは、
2017116397.tif 000037
とし、かつ前記円形回転主体１１の水平座標軸と前記
2017116397.tif 000038
との間の夾角
2017116397.tif 000039
となることも分かる。さらに、吾人は、図１３から、
2017116397.tif 000040
と
2017116397.tif 000041
との関係式が
2017116397.tif 000042
となることが推定される。式中、
2017116397.tif 000043
となる。一方、円形回転主体１１を１周り回転させた後、前記一定値の小角度（Δθｉ）の総数が３６０度となるため、
2017116397.tif 000044
となることが推定される。
しかしながら、２次元画像センサ１２５の視角から見れば、
2017116397.tif 000045
が分かる。よって、さらに下記の数式（８）が推定される。
【００４８】
＜数８＞
2017116397.tif 000046
【００４９】
数式（８）から、２次元画像センサ１２５のノイズにより生じる誤差角度が
2017116397.tif 000047
が乱数（ｒａｎｄｏｍ  ｎｕｍｂｅｒ）であるため、ｎ次累積
2017116397.tif 000048
の値が０となることが分かる。そのため、吾人は、前記２次元画像センサ１２５の水平座標軸と前記円形回転主体１１の水平座標軸との間の夾角α（即ち、本発明に称する精度校正角度）を、数式（１０）を用いて求めることができる。精度校正角度αを取得した後、角度調整モジュール１４により、２次元画像センサ１２５の設置角度を調整して、前記２次元画像センサ１２５の水平座標軸と前記円形回転主体１１の水平座標軸との間に夾角αを挟むようにさせる。こうすれば、α回転行列に合わせて２次元画像センサ１２５により検出されるＮ個の光斑画像の変位ベクトル
2017116397.tif 000049
に対して、変位ベクトル変換工程を行うことだけで、前記円形回転主体１１を各回ごとに回転させて生じる変位ベクトル
2017116397.tif 000050
の値を精確に取得することができる。
この方式により、前記円形回転主体１１の物体表面（即ち、光学位置決め表面１１１）に対して高精度の円周角度座標の位置決めが達成される。補充説明すべきなのは、本発明において、前記精度校正角度αの満たす必要のある制限条件を、以下の数式（９）で表す。
【００５０】
＜数９＞
2017116397.tif 000051
式中、ｑは、画素数を表し、かつΣΔＲは、前記円形回転主体１１の円周長さを表す。
【００５１】
図７Ｂと図７Ｃを継続的に参照する。
ステップ（Ｓ０４）の判断結果が「はい」であれば、円形回転主体１１と作業機台２の中心回転軸２１との同心度は、規格要求に合致していないことを表し、即ち、
2017116397.tif 000052
となる。この場合、円形回転主体１１と作業機台２の中心回転軸２１との間に非偏心誤差が生じてしまい、前記非偏心誤差に対して補償を行う必要がある。
このため、方法手順は、継続的にステップ（Ｓ０６）：前記円形回転主体１１の平均回転半径を取得すると共に、続いて前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の座標ベクトルを算出するステップを実行する。なおかつ、続いてステップ（Ｓ０７）：前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の座標ベクトルを算出すると共に、前記Ｎ個の座標ベクトルのうちの全ての相隣する２個の座標ベクトルとの内積演算を行い、前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の補償後の角度座標を算出するステップを実行する。
【００５２】
図１１を再度参照する。
前記円形回転主体１１の平均回転半径を取得しようとする場合、まず、前記光斑画像捕捉モジュール１２により、各回ごとに前記一定値の小角度で連続的にｍ周り回転させる前記円形回転主体１１に対して前記光斑画像捕捉工程を行う必要があり、前記光学位置決め表面１１１からＮ×ｍ枚の光斑画像を取得すると共に、前記データベース内に格納する。続いて、当該画像特徴対比法で取得される全ての光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、Ｎ×ｍ個の変位ベクトル
2017116397.tif 000053
を取得する。続いて、前記平均回転半径を、下記の数式（２）を用いて取得する。
【００５３】
＜数２＞
2017116397.tif 000054
【００５４】
ここで、補充説明すべきなのは、２次元画像センサ１２５の検出位置決め精度を向上させるために、ステップ（Ｓ０６）を実行する時、同様に、α回転行列に合せて２次元画像センサ１２５により検出されるＮ×ｍ個の変位ベクトル
2017116397.tif 000055
に対して変位ベクトル変換工程を行う必要があり、それから平均回転半径ｒａｖｅを算出する点である。
【００５５】
ステップ（Ｓ０６）を用いて前記平均回転半径の値を取得した後、ステップ（Ｓ０７）において、まず、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像の座標ベクトルを、下記の数式（４）で表す。
【００５６】
＜数４＞
2017116397.tif 000056
式中、ｒａｖｅは、前記平均回転半径を表す。
【００５７】
続いて、当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、下記の数式（５）で表す前記複数個の座標ベクトルのうちの第２座標ベクトルを取得する。
【００５８】
＜数５＞
2017116397.tif 000057
式中、
2017116397.tif 000058
である
2017116397.tif 000059
は、第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像との間の変位ベクトルを表す。
【００５９】
さらに、当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、下記の数式（６）で表す全ての座標ベクトルを取得する。
【００６０】
＜数６＞
2017116397.tif 000060
【００６１】
最後に、第１枚の光斑画像に対応する座標ベクトルである
2017116397.tif 000061
は、前記Ｎ個の補償後の角度座標のうちの第１円周角度座標（即ち、０度）として定義されれば、続いて全ての他の補償後の円周角度座標を、下記の数式（７）を用いて算出する。
【００６２】
＜数７＞
2017116397.tif 000062
式中、
2017116397.tif 000063
となる。なおかつ、
2017116397.tif 000064
である
2017116397.tif 000065
は、第ｉ枚の光斑画像の座標ベクトルを表し、かつ
2017116397.tif 000066
である
2017116397.tif 000067
は、第ｉ枚の光斑画像の座標ベクトルを表す。
【００６３】
このような手順により、成功的に、相隣する２個の変位ベクトルの内積によりこの２個の変位ベクトルの夾角を求めることができ、非偏心誤差に起因する変位ベクトル位置決めの誤差の回避が達成され、高精度の円周角度座標の位置決めが完成する。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
以上の詳細な説明によって、本発明の高精度エンコーダの精度校正方法の技術特徴及びその実行可能性が、完全かつ明瞭に開示されており、本発明の方法が下記の利点を有することが分かる。
【００６５】
（１）例えばＲｅｎｉＳｈａｗ円形バーコードエンコーダ及び／或いはＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ）の高精度の絶対位置決め円形光学格子などの、非偏心誤差を自己校正できない商用の高精度の円盤エンコーダと異なって、本発明の高精度エンコーダ装置１（構造は図４参照）の主な技術特徴は、光斑画像捕捉モジュール１２を利用して前記光学位置決め表面１１１からのＮ枚の不変形光斑画像を取得し、それから前記制御と処理モジュール１３内に予め設けられた画像対比関数式、及び特別に設計された演算処理関数式を用いて前記Ｎ枚の不変形光斑画像に基づいてＮ個の変位ベクトルを算出し、さらに前記円形回転主体１１のＮ個の円周位置決め角度座標を取得し、この方式により高精度エンコーダの技術が達成される。
【００６６】
（２）また、いずれも目盛誤差（ｇｒａｄｕａｔｉｏｎ  ｅｒｒｏｒ）の自然欠陥を有する従来の光電誘導方式の角度センサと異なって、本発明が提出する高精度エンコーダ装置１は、唯一性特徴を有する光斑画像を用いて高精度角度符号化が完成するので、このゆえに円形回転主体１１の光学位置決め表面１１１に破損または汚染を受けても、本発明の高精度エンコーダ装置１によれば、走査誤差による位置決め精度の低下がなくなる。
【００６７】
（３）特に、２次元画像センサ１２５の円形回転主体１１に対する物体表面（即ち、光学位置決め表面１１１）の変位量の位置決め精度を向上させるために、本発明は、特に、α回転行列で前記Ｎ個の光斑画像から取得される前記複数個の変位ベクトルに対して変位ベクトル変換工程を行い、この方式により光斑の暗領域により生じる変位成分の対比誤差を解消する。
【００６８】
（４）また、本発明は、さらに前記円形回転主体１１の平均回転半径を取得する方式により、成功的に、相隣する２個の変位ベクトルの内積によりこの２個の変位ベクトルの夾角を求めることができ、非偏心誤差に起因する変位ベクトル位置決めの誤差の回避が達成され、高精度の円周角度座標の位置決めが完成する。
【００６９】
強調すべき点は、上記の詳細な説明は、本発明の実施可能な実施例を具体的に説明したものであり、本発明の特許範囲はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的精神を逸脱しない限り、その等効果実施又は変更は、なお、本願の特許請求の範囲内に含まれる点である。
【符号の説明】
【００７０】
＜本発明＞
１        高精度エンコーダ装置
１１      円形回転主体
１２      光斑画像捕捉モジュール
１３      制御と処理モジュール
１４      角度調整モジュール
１１１    光学位置決め表面
１２１    発光素子
１２２    前段絞り
１２３    レンズ
１２４    後段絞り
１２５    ２次元画像センサ
３        レーザ光
３’      反射光
３ａ’    反射光
３ｂ’    反射光
１１２    小物体表面
＜従来技術＞
１’      高精度の絶対位置決め円形光学格子
１１’    内環の光学格子
１２’    外環の光学格子
２１’    等角度位置決めセンサ
２２’    不等角度位置決めセンサ
２２’’  明暗バーコード
２’’    円形エンコーダ
２１’’  円周面
【図１】
2017116397.tif 000091
【図２】
2017116397.tif 000092
【図３】
2017116397.tif 000093
【図４】
2017116397.tif 000094
【図５Ａ】
2017116397.tif 000095
【図５Ｂ】
2017116397.tif 000096
【図５Ｃ】
2017116397.tif 000097
【図６】
2017116397.tif 000098
【図７Ａ】
2017116397.tif 000099
【図７Ｂ】
2017116397.tif 000100
【図７Ｃ】
2017116397.tif 000101
【図８】
2017116397.tif 000102
【図９】
2017116397.tif 000103
【図１０】
2017116397.tif 000104
【図１１】
2017116397.tif 000105
【図１２】
2017116397.tif 000106
【図１３】
2017116397.tif 000107
【手続補正書】
【提出日】平成29年2月8日(2017.2.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高精度エンコーダの精度校正方法であって、
（１）光学位置決め表面を有する円形回転主体と、少なくとも２次元画像センサを有する光斑画像捕捉モジュールと、制御と処理モジュールとを提供し、その内、前記円形回転主体は、外部の作業機台の中心回転軸に連接され、かつ前記２次元画像センサの水平座標軸は、前記円形回転主体の水平座標軸との間に精度校正角度αを挟むステップと、
（２）前記光斑画像捕捉モジュールにより、各回ごとに一定値の小角度で連続的に１周り回転させる前記円形回転主体に対して光斑画像捕捉工程を行い、前記光学位置決め表面からＮ枚の光斑画像を取得すると共に、前記制御と処理モジュールのデータベース内に格納し、その内、当該光斑画像は、唯一性特徴を有する不変形光斑画像であるステップと、
（３）少なくとも１つの画像特徴対比法を利用して前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第Ｎ枚の光斑画像に対して多点光斑特徴対比を行い、非偏心誤差変位量を得るステップと、
（４）前記非偏心誤差変位量が前記光斑画像捕捉モジュールの位置決め精度よりも大きいか否かを判断し、いいえであれば、ステップ（５）を実行し、はいであれば、ステップ（６）を実行するステップと、
（５）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、複数個の変位ベクトルを取得すると共に、さらに前記複数個の変位ベクトルに基づいて前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の角度座標を算出して当該方法を終了するステップと、
（６）前記円形回転主体の平均回転半径を取得するステップと、
（７）前記ステップ（６）の後で、前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の座標ベクトルを算出すると共に、前記Ｎ個の座標ベクトルのうちの全ての相隣する２個の座標ベクトルとの内積演算を行い、前記Ｎ枚の光斑画像に相応するＮ個の補償後の角度座標を算出するステップとを含むことを特徴とする、
高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項２】
前記円形回転主体を前記一定値の小角度（Δθ）で１回回転させる時、前記円形回転主体の円周移動距離を、前記２次元画像センサの画像取得範囲の１／２より小さくすることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項３】
前記ステップ（５）を行う場合、当該画像特徴対比法を利用して最高重なり度のある相隣する２枚の光斑画像が前記多点光斑特徴対比を完成した後、前記位置決め精度の値を得ることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項４】
前記ステップ（５）を行う場合、当該画像特徴対比法は、スケール不変特徴変換（Ｓｃａｌｅ  Ｉｎｖａｒｉａｎｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ，ＳＩＦＴ）の画像対比位置決め方法、または高速化ロバスト特徴（Ｓｐｅｅｄ  Ｕｐ  Ｒｏｂｕｓｔ  Ｆｅａｔｕｒｅ，ＳＵＲＦ）の画像対比位置決め方法のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項５】
前記ステップ（５）は、さらに以下の詳細ステップ、即ち、
（５１）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、複数個の変位ベクトルを取得すると共に、前記データベース内に格納し、その内、α回転行列の利用によって、前記複数個の変位ベクトルに対して変位ベクトル変換工程を行うステップと、
（５２）前記複数個の変位ベクトルに基づいて前記円形回転主体の位置決め円周長さを算出するステップと、
（５３）前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像の前記Ｎ個の角度座標に対応する第１角度座標を０度とすると共に、続いて全ての他の角度座標を、下記の数式（１）を用いて算出するステップとを含み、
【数１】
2017116397.tif 000108
式中、ΣΔＲは、前記位置決め円周長さを表し、θ１は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第２枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、θ２は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第３枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、θＮ−２は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第Ｎ−１枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表し、かつθＮ−１は、前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第Ｎ枚の光斑画像に対応する前記角度座標を表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項６】
前記ステップ（６）は、さらに以下の詳細ステップ、即ち、
（６１）前記光斑画像捕捉モジュールにより、各回ごとに前記一定値の小角度で連続的にｍ周り回転させる前記円形回転主体に対して前記光斑画像捕捉工程を行い、前記光学位置決め表面からＮ×ｍ枚の光斑画像を取得すると共に、前記データベース内に格納するステップと、
（６２）当該画像特徴対比法で取得される全ての光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、Ｎ×ｍ個の変位ベクトルを取得するステップと、
（６３）α回転行列を利用して前記Ｎ×ｍ個の変位ベクトルに対して変換工程を行うステップと、
（６４）前記平均回転半径の値を、下記の数式（２）を用いて算出するステップとを含み、
【数２】
2017116397.tif 000109
式中、
2017116397.tif 000110
は、相隣する２枚の光斑画像の変位ベクトルを表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項７】
前記α回転行列は、下記の数式（３）で表され、
【数３】
2017116397.tif 000111
式中、
2017116397.tif 000112
である
2017116397.tif 000113
は、前記円形回転主体を前記一定値の小角度で回転させて生じる変位ベクトルを表し、
2017116397.tif 000114
である
2017116397.tif 000115
は、前記光斑画像捕捉モジュールにより取得される任意の２枚の相隣する光斑画像の変位ベクトルを表し、かつαは、前記精度校正角度を表すことを特徴とする、請求項５または６に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項８】
前記ステップ（７）は、さらに以下の詳細ステップ、即ち、
（７１）前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像の座標ベクトルを、下記の数式（４）で表し、式中、ｒａｖｅは、前記平均回転半径を表すステップと、
（７２）当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、下記の数式（５）で表す前記複数個の座標ベクトルのうちの第２座標ベクトルを取得し、
式中、
2017116397.tif 000116
である
2017116397.tif 000117
は、第１枚の光斑画像と第２枚の光斑画像との間の変位ベクトルを表すステップと、
（７３）さらに当該画像特徴対比法で前記Ｎ枚の光斑画像のうちの全ての相隣する２枚の光斑画像に対して前記多点光斑特徴対比を行い、下記の数式（６）で表す全ての座標ベクトルを取得するステップと、
（７４）第１枚の光斑画像に対応する座標ベクトルである
2017116397.tif 000118
は、前記Ｎ個の補償後の角度座標のうちの第１角度座標として定義されると共に、続いて全ての他の補償後の角度座標を、下記の数式（７）を用いて算出し、式中、
2017116397.tif 000119
である
2017116397.tif 000120
は、第ｉ枚の光斑画像の座標ベクトルを表し、かつ
2017116397.tif 000121
である
2017116397.tif 000122
は、第ｉ枚の光斑画像の座標ベクトルを表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【数４】
2017116397.tif 000123
【数５】
2017116397.tif 000124
【数６】
2017116397.tif 000125
【数７】
2017116397.tif 000126
【請求項９】
前記精度校正角度αを、下記の数式（８）を用いて算出し、
【数８】
2017116397.tif 000127
式中、
2017116397.tif 000128
は、
2017116397.tif 000129
であることを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。
【請求項１０】
前記精度校正角度αの満たす必要のある制限条件を、以下の数式（９）で表し、
【数９】
2017116397.tif 000130
式中、ｑは、画素数を表し、かつΣΔＲは、前記円形回転主体の円周長さを表すことを特徴とする、請求項１に記載の高精度エンコーダの精度校正方法。