CN109420853A - 编码器、机器人以及打印机 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种编码器、机器人以及打印机，该编码器能够提高检测精度，并且本申请提供具备该编码器的机器人以及打印机。编码器的特征在于，具备：基部；转动部，被设为相对于所述基部能够绕转动轴转动；不规则的图案，在所述转动部沿着所述转动轴的周围配置；拍摄元件，配置于所述基部且拍摄所述图案；以及判断部，使用所述拍摄元件的拍摄结果来判断所述转动部相对于所述基部的转动状态。

Description

编码器、机器人以及打印机
技术领域
本发明涉及编码器、机器人以及打印机。
背景技术
作为编码器的一种而通常知晓光学式的旋转编码器(例如参照专利文献1)。旋转编码器例如在具备具有能够转动的关节部的机械臂的机器人中检测关节部的旋转角度、旋转位置、旋转次数、旋转速度等旋转状态。该检测结果例如应用于关节部的驱动控制。
例如，专利文献1所记载的编码器由拍摄元件读取形成有格雷码等数值图案以及条纹状的图案的代码板，根据读取的数值图案以及条纹状的图案来检测位置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开昭63-187118号公报
但是，在专利文献1所记载的编码器中，为了实现高检测精度，不得不在代码板上形成高精细的图案、或者在设置代码板时的定位中要求极高的精度。因此，在专利文献1所记载的编码器中，实际上存在难以实现较高的检测精度这样的课题。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种能够提高检测精度的编码器，并且提供具备该编码器的机器人以及打印机。
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而作出的，能够作为以下的适用例或者方式来实现。
本适用例的编码器的特征在于，具备：
基部；
转动部，被设为相对于所述基部能够绕转动轴转动；
不规则的图案，在所述转动部沿着所述转动轴的周围配置；
拍摄元件，配置于所述基部，并拍摄所述图案；以及
判断部，使用所述拍摄元件的拍摄结果来判断所述转动部相对于所述基部的转动状态。
根据这样的编码器，判断部使用拍摄元件的拍摄结果来判断转动部相对于基部的转动状态，因此即便图案并非高精细，也能够高精度地检测该转动状态。另外，由于图案不规则，因此即便没有高精度地进行图案相对于转动部的对位，也能够使拍摄元件的拍摄图像的图案按各所述转动状态不同，能够进行使用了拍摄元件的拍摄结果的该转动状态的判断。因此，不需要图案相对于转动部的高精度的对位，并且能够实现该转动状态的高精度的检测。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述图案具有基于抖动法的多个点。
由此，即便是比较大的范围，也能够容易形成不规则的图案。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述图案具有颜料或者染料。
由此，例如能够使用印刷装置，容易地形成不规则的图案。另外，这样的图案还具有基于拍摄元件的识别性优异这样的优点。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述多个点的密度沿着所述转动轴的周围进行变化。
由此，能够减少决定不规则的图案时的运算量(例如，简化抖动法所使用的运算式)。因此，即便相对于大范围的区域，也能够容易地形成不规则的图案。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部通过使用基准图像对所述拍摄元件的拍摄图像进行模板匹配来检测所述图案的一部分。
由此，即便图案(更具体来说为用作位置识别用的标志的部分)因污染等变得模糊不清，也能够通过模板匹配高精度地检测拍摄元件的拍摄图像内的标志的图像的位置。因此，能够实现低成本化且提高检测精度。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述拍摄元件以包含成为所述模板匹配的对象的多个标志中至少两个标志整体的方式进行拍摄。
由此，即便拍摄元件拍摄到的两个标志中一方的标志因污染等而变得无法准确读取，也能够读取另一方的标志而进行检测。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部在所述拍摄图像的一部分的区域设定搜索区域，在所述搜索区域内进行所述模板匹配。
由此，能够减少模板匹配所使用的搜索区域的像素数，缩短与模板匹配相关的运算时间。因此，在转动部的角速度快的情况下，也能够进行高精度的检测。另外，即使因配置于拍摄元件与标志之间的透镜的像差而使拍摄元件的拍摄图像的外周部分的弯曲、模糊增大，通过将那样的弯曲、模糊较少的区域用作搜索区域，也能够减少检测精度的降低。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部基于与所述转动部绕所述转动轴的角速度相关的信息，能够变更所述拍摄图像内的所述搜索区域在第一方向上的位置和长度中至少一方。
由此，能够设定与转动部的转动状态(角速度)相应的有效的搜索区域，进一步减少模板匹配所使用的搜索区域的像素数。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部基于过去两次以上的所述转动状态的判断结果，计算与所述角速度相关的信息。
由此，能够比较简单地设定与转动部的转动状态(角速度)相应的搜索区域。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部基于与所述转动部绕所述转动轴的角加速度相关的信息，能够变更所述拍摄图像内的所述搜索区域在第一方向上的位置和长度中至少一方。
由此，能够设定与转动部的转动状态(角速度)的变化(角加速度)相应的更有效的搜索区域。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部基于过去三次以上的所述转动状态的判断结果，计算与所述角加速度相关的信息。
由此，能够比较简单地设定与转动部的转动状态(角速度)的变化(角加速度)相应的搜索区域。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部基于所述拍摄图像内的所述搜索区域在所述第一方向上的位置，能够变更所述拍摄图像内的所述搜索区域在与所述第一方向垂直的第二方向上的位置和长度中至少一方。
由此，能够设定与转动部的转动状态(转动角度)相应的有效的搜索区域，进一步减少模板匹配所使用的搜索区域的像素数。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部基于与所述转动部相对于所述基部的转动角度相关的信息，能够变更所述拍摄图像内的所述基准图像的姿势。
由此，在搜索区域内标志的图像的姿势的变化大的情况下，也能够减少模板匹配的运算量，并且提高模板匹配的精度。
在本适用例的编码器中，优选的是，所述判断部判断所述转动部相对于所述基部的转动角度是否大于设定角度，并基于其判断结果，变更所述拍摄图像内的所述基准图像的姿势。
由此，能够实现模板匹配的高精度化，并且进一步减少模板匹配的运算量。
本适用例的机器人的特征在于，具备：第一构件；第二构件，被设为相对于所述第一构件能够转动；以及本适用例的编码器，检测所述第二构件相对于所述第一构件的转动状态。
根据这样的机器人，编码器的检测精度高，因此能够使用编码器的检测结果，进行机器人的高精度的动作控制。
本适用例的打印机的特征在于，具备本适用例的编码器。
根据这样的打印机，编码器的检测精度高，因此能够使用编码器的检测结果，进行打印机的高精度的动作控制。
附图说明
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的机器人的侧视图。
图2是表示图1所示的机器人所具备的编码器的剖视图。
图3是用于说明图2所示的编码器所具备的图案的图。
图4是放大表示基于抖动法的点图案的照片。
图5是放大表示与图4所示的情况相比而点的密度小的基于抖动法的点图案的照片。
图6是用于说明图2所示的编码器所具备的图案的变形例的图。
图7是沿着图2所示的编码器所具备的远心光学系统(成像光学系统)的光轴的剖视图。
图8是用于说明图2所示的编码器所具备的拍摄元件的拍摄图像的图。
图9是用于说明在图8所示的拍摄图像内设定的搜索区域内的模板匹配的图。
图10是表示从在模板匹配时相关值成为最大或者最小的状态起偏移1像素量的状态的图。
图11是表示在模板匹配时相关值成为最大或者最小的状态的图。
图12是表示从在模板匹配时相关值成为最大或者最小的状态起向与图10所示的状态相反的一侧偏移1像素量的状态的图。
图13是用于说明本发明的第二实施方式所涉及的编码器中的搜索区域(考虑转动部的角速度而设定的区域)的图。
图14是用于说明图13所示的搜索区域(考虑标志的移动轨迹而设定的区域)的图。
图15是用于说明本发明的第三实施方式所涉及的编码器中的搜索区域(考虑转动部的角速度以及角加速度而设定的区域)的图。
图16是用于说明本发明的第四实施方式所涉及的编码器中的搜索区域(考虑转动部的转动角度而设定的区域)的图。
图17是用于说明本发明的第五实施方式所涉及的编码器中的搜索区域内的基准图像(模板)的图。
图18是表示使图17所示的基准图像的姿势变化的状态的图。
图19是用于说明本发明的第六实施方式所涉及的编码器的剖视图。
图20是用于说明本发明的第七实施方式所涉及的编码器的剖视图。
图21是表示本发明的第八实施方式所涉及的机器人的立体图。
图22是表示本发明的打印机的实施方式的简要结构的图。
附图标记说明
1、编码器；1A、编码器；1B、编码器；2、标度部(图案)；2A、标度部(图案)；3、检测部；4、照明单元；5、判断部；6、存储部；10、机器人；10A、机器人；10B、机器人；10C、机器人；20、点；21、标志；21A、标志图像；21An、标志图像；21An-1、标志图像；21An-2、标志图像；21An-3、标志图像；21B、标志图像；21X、标志图像；31、拍摄元件；32、光学系统；33、壳体；34、透镜；35、透镜；36、光圈；37、基板；38、光源部；51、图像识别电路；110、基座；111、第一电动机；112、第一减速器；114、支承构件；115、轴承；120、第一臂；121、臂主体部；122、轴部；130、第二臂；140、作业头；141、花键轴；150、末端执行器；160、布线布置部；200、机械臂；210、基座；220、第一臂；230、第二臂；240、第三臂；250、第四臂；260、第五臂；270、第六臂；331、筒状构件；332、底构件；361、开口；371、开口；1000、打印机；1007、激光扫描装置；1102、抽出部；1103、处理部；1104、卷取部；1111、旋转轴；1115、头单元；1120、抽出轴；1121、从动辊；1130、台板鼓；1130s、鼓轴；1131、从动辊；1132、从动辊；1133、从动辊；1134、从动辊；1140、卷取轴；1141、从动辊；1151、记录头；1161、第一UV光源；1162、第二UV光源；1401、激光振荡器；1402、驱动装置；1403、第一透镜；1406、驱动装置；1407、第一反射镜；1408、驱动装置；1409、第二反射镜；B、视野尺寸；C1、圆弧；C2、圆弧；CP、中心；Ds、输送方向；G、拍摄图像；J1、第一轴(转动轴)；J2、第二轴；J3、轴；L0、像素范围；L1、像素范围；L2、像素范围；LA、激光；LY、中心线；O1、第一转动轴；O2、第二转动轴；O3、第三转动轴；O4、第四转动轴；O5、第五转动轴；O6、第六转动轴；P0、原点像素；PE、结束像素；PS、开始坐标；RI、拍摄区域；RS、搜索区域；RU、有效视野区域；Ra、范围；S、片材；Sc、输送路线；Se、传感器；TA、基准图像；a、光轴；f1、焦点距离；f2、焦点距离；r、距离；ΔX、中心间距离；ΔX1、中心间距离；ΔX2、中心间距离；β、倾斜角度。
具体实施方式
以下，基于附图所示的优选实施方式来详细说明本发明的编码器、机器人以及打印机。
＜第一实施方式＞
(机器人)
图1是表示本发明的第一实施方式所涉及的机器人的侧视图。此外，以下，为了方便说明，将图1中的上侧称作“上”、下侧称作“下”。另外，将图1中的基座侧称作“基端”、其相反侧(末端执行器侧)称作“前端侧”。另外，将图1的上下方向设为“铅垂方向”、左右方向设为“水平方向”。
图1所示的机器人10是所谓的水平多关节机器人(SCARA机器人)，例如在制造精密设备等的制造工序等中使用，能够进行精密设备、元件等的把持、输送等。
如图1所示，机器人10具有基座110、第一臂120、第二臂130、作业头140、末端执行器150、布线布置部160。以下，依次简单说明机器人10的各部分。
基座110例如通过螺栓等固定于未图示的地面。在基座110的上端部连结有第一臂120。第一臂120相对于基座110能够绕沿着铅垂方向的第一轴J1转动。
在基座110内，设置有产生使第一臂120转动的驱动力的第一电动机111、以及对第一电动机111的驱动力进行减速的第一减速器112。第一减速器112的输入轴与第一电动机111的旋转轴连结，第一减速器112的输出轴与第一臂120连结。因此，当第一电动机111驱动而其驱动力经由第一减速器112向第一臂120传递时，第一臂120相对于基座110绕第一轴J1在水平面内转动。
另外，在基座110以及第一臂120设有检测第一臂120相对于基座110的转动状态的第一编码器、即编码器1。
在第一臂120的前端部连结有第二臂130。第二臂130相对于第一臂120能够绕沿着铅垂方向的第二轴J2转动。虽未图示，在第二臂130内设置有产生使第二臂130转动的驱动力的第二电动机以及对第二电动机的驱动力进行减速的第二减速器。然后，第二电动机的驱动力经由第二减速器向第二臂130传递，由此使第二臂130相对于第一臂120绕第二轴J2在水平面内转动。另外，虽未图示，在第二电动机设有检测第二臂130相对于第一臂120的转动状态的第二编码器。
在第二臂130的前端部配置有作业头140。作业头140具有花键轴141，该花键轴141插入穿过于在第二臂130的前端部同轴配置的花键螺母以及滚珠丝杠螺母(均未图示)。花键轴141相对于第二臂130能够绕其轴旋转，并且能够沿上下方向移动(升降)。
虽未图示，在第二臂130内配置有旋转电动机以及升降电动机。旋转电动机的驱动力通过未图示的驱动力传递机构向花键螺母传递，当花键螺母正反旋转时，花键轴141绕沿着铅垂方向的轴J3正反旋转。另外，虽未图示，在旋转电动机设有检测花键轴141相对于第二臂130的转动状态的第三编码器。
另一方面，升降电动机的驱动力通过未图示的驱动力传递机构向滚珠丝杠螺母传递，当滚珠丝杠螺母正反旋转时，花键轴141沿上下移动。在升降电动机设有检测花键轴141相对于第二臂130的移动量的第四编码器。
在花键轴141的前端部(下端部)连结有末端执行器150。作为末端执行器150，没有特别限定，例如举出把持被输送物的部件、加工被加工物的部件等。
与配置于第二臂130内的各电子元件(例如第二电动机、旋转电动机、升降电动机、第一编码器～第四编码器等)连接的多个布线通过连结第二臂130与基座110的管状的布线布置部160内而被布置至基座110内。另外，所述多个布线在基座110内汇聚，由此与连接到第一电动机111以及编码器1的布线一并被布置至设置于基座110的外部且统一控制机器人10的未图示的控制装置。
以上，简单说明了机器人10的结构。该机器人10具备作为第一构件的基座110、被设为相对于基座110能够转动的作为第二构件的第一臂120、以及检测第一臂120相对于基座110的转动状态的编码器1(也可以是编码器1A或者1B)。该编码器1如后述那样能够提高检测精度。因此，能够使用编码器1的检测结果，进行机器人10的高精度的动作控制。
(编码器)
以下，详细说明编码器1。此外，以下，以将编码器1组装于机器人10的情况为例进行说明。
图2是表示图1所示的机器人具备的编码器的剖视图。图3是用于说明图2所示的编码器所具备的图案的图。图4是放大表示基于抖动法的点图案的照片。图5是放大表示与图4所示的情况相比而点的密度小的基于抖动法的点图案的照片。图6是用于说明图2所示的编码器所具备的图案的变形例的图。图7是沿着图2所示的编码器所具备的远心光学系统(成像光学系统)的光轴的剖视图。此外，在除了图4、5的各图中，为了方便说明，将各部分的比例尺适宜变更，图示的结构与实际的比例尺未必一致，另外，适宜简化各部分的图示。
如图2所示，所述的机器人10的基座110具有支承第一电动机111与第一减速器112的支承构件114，收纳第一电动机111以及第一减速器112。在这样的基座110上，第一臂120被设为能够绕第一轴J1转动。
第一臂120具有沿着水平方向延伸的臂主体部121以及从臂主体部121朝向下方突出的轴部122，它们彼此连接。然后，轴部122经由轴承115被基座110支承为能够绕第一轴J1转动，并且与第一减速器112的输出轴连接。另外，第一减速器112的输入轴与第一电动机111的旋转轴1111连接。
在此，基座110是施加基于基座110的自重、基座110支承的其它质量所产生的荷载的构造体。同样，第一臂120也是施加基于第一臂120的自重、第一臂120支承的其它质量所产生的荷载的构造体。作为这样的基座110以及第一臂120的构成材料，没有分别特别限定，例如举出金属材料。
在本实施方式中，基座110以及第一臂120的外表面构成机器人10的外表面的一部分。此外，也可以在基座110以及第一臂120的外表面上装配有罩部、冲击吸收材料等外装构件。
在这样的相对转动的基座110以及第一臂120设有检测它们的转动状态的编码器1。
编码器1具有设于第一臂120的标度部2、设于基座110且检测标度部2的检测部3、基于检测部3的检测结果而判断基座110以及第一臂120的相对转动状态的判断部5、以及与判断部5电连接的存储部6。
标度部2设于臂主体部121的与基座110对置的部分、即臂主体部121的下表面且是包围轴部122的部分。如图3所示，该标度部2具有在与第一轴J1不同的位置处沿着第一轴J1周围配置的不规则的图案。在此，标度部2设于第一臂120的表面。由此，不需要与基座110以及第一臂120独立地设置用于设置标度部2的构件。因此，能够减少元件件数。此外，标度部2不限于直接设于第一臂120的表面的情况，例如，可以设于在第一臂120的表面上粘贴的片状的构件，也可以设于被设为与第一臂120一并转动的板状的构件。即，设有标度部2的构件(转动部)只要是与第一臂120一并相对于基座110绕第一轴J1转动的构件即可。
如图3所示，标度部2(不规则的图案)通过将能够由拍摄元件31拍摄的多个点20(图样)不规则配置来构成。在此，“不规则的图案”是指，在使标度部2绕第一轴J1在必要的角度范围(在本实施方式中为第一臂120相对于基座110能够转动的角度范围)内转动时，在拍摄元件31拍摄到的后述的拍摄图像G内的规定区域(例如后述的有效视野区域RU或者搜索区域RS)，在与后述的基准图像TA对应的范围内，相同图案(判断部5无法识别的图案)不会出现两次以上。因此，能够将标度部2的多个部分(与基准图像TA对应)分别用作标度部2的周向上的位置识别用的标志21。这样，标度部2可以说具有能够识别标度部2的周向上的彼此不同的位置的彼此不同的多个标志21。此外，在图3中，图示了多个标志21沿着以第一轴J1为中心的圆周并排的情况。另外，图3所示的标志21的位置、大小、数量等仅是一个例子，不限定于此。
这样的标度部2(图案)例如能够使用喷墨打印机(印刷装置的一例)来形成。在该情况下，使用通过调整点20的密度来表现浓淡或者层次的方法即调频加网法而输出使用抖动法处理后的灰色标度图像，由此获得图4或者图5所示那样的图案，能够将其用于标度部2。图4表示将多个点20配置为比较密的情况下的图案的一例。图5表示将多个点20配置为比较稀的情况下的图案的一例。在获得这样的图案时，可以单独使用调频加网法，也可以使用向调频加网法组合其它方法(例如通过调整点的大小来表现浓淡或者层次的方法即调幅加网法)而成的方法(例如混合加网法)。
此外，标度部2的点20(图样)的颜色不特别限定，也可以是任意的颜色，但优选与标度部2的点20以外的部分的颜色不同，更优选为黑色或者暗色。由此，能够增大拍摄元件31的拍摄图像的对比度，其结果是，能够使检测精度提高。
另外，标度部2的点20(图样)的形状在图示中为圆形，但不限于此，例如也可以是椭圆形、四边形、异形等。另外，标度部2的图案只要是不规则的图案即可，不限于上述的由多个点20构成的图案那样的点图案(图样的重复)，例如也可以是由直线状的线构成的图案、由曲线状的线构成的图案、组合点、直线状的线以及曲线状的线中至少两者而构成的图案、或者它们的翻转图案等。
另外，标度部2的图案只要是能够由后述的拍摄元件31拍摄的图案，则不限于使用上述的印刷装置由染料、颜料等墨形成的图案，例如也可以是凹凸形状的图案、形成为自然物的图案等。作为凹凸形状的图案，例如举出基于蚀刻、切削、磨砂处理(Abrasiveblasting)、喷砂、锉削等的加工面的粗糙或者条纹所引起的凹凸、纸、布(无纺布、织物)等的表面的纤维所引起的凹凸、涂膜表面的凹凸等。另外，作为形成为自然物的图案，例如，举出木纹等。另外，例如当通过混入有黑色的珠子的透明涂料形成涂膜时，能够获得黑色的多个珠子不规则配置的涂膜，也可以将这样的涂膜的多个珠子作为不规则的图案而用于标度部2。
另外，标度部2的图案绕第一轴J1连续配置，因此后述的判断部5在生成基准图像(模板)时，在转动方向(周向)上位置的限制较少，自由度升高。另外，在拍摄图像G的Y轴方向上，在有效视野区域RU之外也配置有标度部2的图案，因此即使没有高精度地进行标度部2(图案)相对于第一臂120的对位，也能够生成基准图像(模板)，能够进行该转动状态的判断。
另外，如图6所示，标度部2也可以沿着周向使浓淡逐渐变化。即，多个点20的密度(配置密度)也可以沿着第一轴J1(转动轴)周围进行变化。在该情况下，与如图3所示浓淡(点20的配置密度)固定的情况相比，能够减少决定标度部2所使用的不规则的图案时的运算量(例如简化抖动法所使用的运算式)。因此，相对于大范围的区域，也能够容易形成不规则的图案。在此，当将每单位面积的点20所占的比例设为配置密度时，优选处于10％以上90％以下的范围内。由此，能够优化后述的模板匹配的精度，并且获得所述的优点。
图2所示的检测部3设于基座110而具有拍摄元件31以及光学系统32。拍摄元件31经由光学系统32拍摄标度部2(不规则的图案)的周向上的一部分(处于图3所示的拍摄区域RI的部分)。在此，拍摄元件31配置于第一臂120的下表面，拍摄区域RI被设定为与标度部2的一部分重叠。
更具体说明时，如图7所示，检测部3具有呈一端开口的有底筒状的壳体33、收纳在壳体33内的拍摄元件31、光学系统32以及照明单元4。
壳体33具有呈筒状的筒状构件331(镜筒)与处于该筒状构件331的一端的底构件332。作为筒状构件331以及底构件332的构成材料，没有特别限定，例如举出金属材料、树脂材料等。另外，在筒状构件331的内周面以及底构件332的内表面实施防止光的反射的处理、例如黑色涂装等处理。
在这样的壳体33的筒状构件331内从底构件332侧(拍摄元件31侧)朝向开口侧(标度部2侧)依次配置有拍摄元件31、光学系统32以及照明单元4。
拍摄元件31例如通过粘结剂等固定于所述壳体33的底构件332的内表面(在筒状构件331内露出的面)。拍摄元件31例如是CCD(Charge Coupled Devices(电荷耦合器件)或者CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor(互补金属氧化物半导体)等，将拍摄到的图像转换为以像素为单位的电信号进行输出。拍摄元件31能够适用于二维拍摄元件(俯视图像传感器)或者一维拍摄元件(线图像传感器)中任一方。一维拍摄元件优选沿像素的排列与臂的回转圆相接的方向配置。使用二维拍摄元件的情况下，能够获取信息量多的二维图像，容易提高基于后述的模板匹配的标志21的检测精度。其结果是，能够高精度地检测第一臂120的转动状态。使用了一维拍摄元件的情况下，由于图像获取周期、所谓的帧频较高，因此能够提高检测频率，在高速动作时是有利的。
光学系统32是配置在标度部2与拍摄元件31之间的成像光学系统。尤其是，光学系统32的物体侧(标度部2侧)以及像侧(拍摄元件31侧)的双方成为远心(两侧远心)。在此，通过使光学系统32的物体侧(标度部2侧)为远心，即便标度部2与拍摄元件31之间的距离变动，也能够减少朝向拍摄元件31的成像倍率的变化，其结果是，能够减少编码器1的检测精度的降低。另外，通过使光学系统32的像侧(拍摄元件31侧)为远心，即便光学系统32具有的后述的透镜34、35与拍摄元件31之间的距离变动，也能够减少朝向拍摄元件31的成像倍率的变化。因此，存在光学系统32的组装变得容易这样的优点。
这样的光学系统32具有透镜34、35以及光圈36。透镜35、光圈36、透镜34、照明单元4从底构件332侧(拍摄元件31侧)朝向开口侧(标度部2侧)依次配置，相对于筒状构件331的内周面例如通过粘结等进行固定。
在此，透镜34被设置为透镜34和光圈36的中心间距离以及透镜34的中心和标度部2之间的距离分别与透镜34的焦点距离f1相等。另外，透镜35被设置为透镜35和光圈36的中心间距离以及透镜35的中心和拍摄元件31的拍摄面之间的距离分别与透镜35的焦点距离f2相等。另外，光圈36在光轴a上具有开口361。另外，在将光学系统32的成像倍率设为N时，满足N＝f2/f1的关系。
此外，透镜34的中心与标度部2之间的距离也可以从与焦点距离f1完全相等的距离起，在透镜34的焦点深度的范围内偏离。另外，透镜35的中心与拍摄元件31的拍摄面之间的距离也可以从与焦点距离f2相等的距离起，在透镜35的焦点深度的范围内偏离。
在这样的光学系统32中，在标度部2与透镜34之间，主光线(通过光圈36的中心的光线)相对于光轴a成为平行。因此，即便标度部2与透镜34之间的距离变化，拍摄元件31上的成像倍率也不变化。换言之，即便标度部2与透镜34之间的距离变化，拍摄元件31上的成像位置也不变化。
此外，光学系统32只要使拍摄元件31能够拍摄标度部2的图案，不限于图12所示的远心光学系统，例如可以是物体侧远心，也可以是远心以外的成像光学系统。另外，光学系统32也可以是等倍光学系统、放大光学系统、缩小光学系统中任一方。
照明单元4相对于所述的光学系统32配置于标度部2侧，相对于筒状构件331的内周面例如通过粘结等进行固定。该照明单元4具有基板37、以及在基板37的与透镜34相反一侧的面上设置的多个光源部38。
基板37例如是布线基板，支承多个光源部38，并且与它们电连接。在本实施方式中，基板37具有开口371，绕光轴a呈环状。另外，基板37具有遮光性，具有阻止来自光源部38的光向透镜34侧入射的功能。
多个光源部38沿着基板37的周向在以光轴a为中心的同一圆周上并排配置。各光源部38例如是发光二极管。在此，从降低基于透镜34、35处的色像差的检测精度的观点出发，从光源部38射出的光优选为单一波长，更优选为波长小。另外，由于拍摄元件31处的灵敏度也良好，由此从光源部38射出的光例如优选为蓝色光。另外，射出蓝色光的发光二极管比较廉价。此外，光源部38的数量、配置等不限于图示的内容，从进行拍摄元件31处的清晰拍摄的观点出发，优选尽可能地均匀照明标度部2。另外，在光源部38上，根据需要也可以设置扩散光的光学元件。
图2所示的判断部5基于检测部3的检测结果而判断基座110以及第一臂120的相对转动状态。作为该转动状态，例如举出转动角度、转动速度、转动方向等。
尤其是，判断部5具有通过使用基准图像(基准图像数据)对拍摄元件31的拍摄图像(拍摄图像数据)进行模板匹配而对标志21进行图像识别的图像识别电路51，使用该图像识别电路51的识别结果，判断基座110以及第一臂120的相对转动状态。
在此，判断部5构成为，能够基于拍摄元件31的拍摄图像内的标志21的图像的位置，更细致地判断基座110以及第一臂120的相对转动角度(以下，仅称作“第一臂120的转动角度”)。另外，判断部5构成为，也能够基于标志21被检测的时间间隔而求出转动速度，基于被检测的标志21的种类的顺序而判断转动方向。然后，判断部5输出与所述的判断结果相应的信号、即与基座110以及第一臂120的转动状态相应的信号。该信号例如向未图示的控制装置输入，用于控制机器人10的动作。
另外，判断部5也具有剪切拍摄元件31的拍摄图像的一部分而生成基准图像(模板)的功能。该基准图像的生成在判断基座110以及第一臂120的相对转动状态之前进行，或者根据需要适时地以基座110以及第一臂120的相对转动状态为单位进行。然后，将生成的基准图像以基座110以及第一臂120的相对转动状态为单位而对应地存储于存储部6。然后，判断部5使用存储于存储部6的基准图像(模板)，进行模板匹配。此外，对于模板匹配以及使用了模板匹配的转动状态的判断，详见后述。
这样的判断部5例如能够使用ASIC(application specific integratedcircuit(特定应用集成电路))或者FPGA(field-programmable gate array(现场可编程门阵列))等来构成。这样使用ASIC或者FPGA使判断部5硬件化，由此能够实现判断部5的高处理速度化、小型化以及低成本化。此外，判断部5例如能够构成为包括CPU(Central ProcessingUnit(中央处理器)等处理器、ROM(Read only memory(只读存储器))、RAM(Random AccessMemory(随机访问内存))等存储器。在该情况下，通过使处理器适宜执行存储于存储器的程序，能够实现所述的功能。另外，判断部5的至少一部分也可以组装于所述的制御装置。
在存储部6中，以基座110以及第一臂120的相对转动状态为单位，将所述的基准图像(基准图像数据)与关于同其对应的拍摄图像内的坐标(后述的基准像素的坐标)的信息、以及关于第一臂120的转动角度的信息(角度信息)一并进行存储。作为这样的存储部6，能够使用非易失性存储器、易失性存储器中任一方，但从不供给电力也能够保持存储有信息的状态、能够实现节约电力这样的观点出发，优选使用非易失性存储器。此外，存储部6也可以与所述的判断部5一体构成。
以上那样的编码器1如所述那样具备作为基部的基座110、被设为相对于基座110绕第一轴J1(转动轴)能够转动的转动部即第一臂120、在第一臂120沿着第一轴J1周围配置的不规则的图案即标度部2、配置于基座110且拍摄标度部2的拍摄元件31、以及使用拍摄元件31的拍摄结果(拍摄图像的图像数据)来判断第一臂120相对于基座110的转动状态的判断部5。
根据这样的编码器1，由于判断部5使用拍摄元件31的拍摄结果来判断第一臂120相对于基座110的转动状态，因此即便标度部2(图案)并非高精细，也能够高精度地检测该转动状态。另外，由于标度部2(图案)是不规则的，因此即便无法高精度地进行标度部2(图案)相对于第一臂120的对位，也能够使拍摄元件31的拍摄图像的图案以该转动状态为单位而不同，能够进行使用了拍摄元件31的拍摄结果的该转动状态的判断。因此，不需要标度部2(图案)相对于第一臂120的高精度的对位，且能够进行该转动状态的高精度的检测。
在此，构成标度部2的多个点20优选通过使用抖动法来形成。即，优选标度部2(图案)具有基于抖动法而配置的多个点20(基于抖动法的多个点20)。由此，即便是比较大的范围，也能够容易形成不规则的图案(标度部2)。
另外，标度部2(图案)优选使用颜料或者染料来描绘(具有颜料或者染料)。由此，例如使用喷墨打印机那样的印刷装置，能够容易形成不规则的图案(标度部2)。另外，这样的图案(标度部2)也具有基于拍摄元件31的识别性优异这样的优点。
在此，作为使用拍摄元件31的拍摄结果来检测标度部2(图案)的一部分的方法，优选使用了模板匹配的方法。即，判断部5优选通过使用基准图像对拍摄元件31的拍摄图像进行模板匹配而检测标度部2(图案)的一部分。由此，即便标度部2(更具体来说为用作用于位置识别的标志21的部分)因污染等变得模糊不清，也能够通过模板匹配来高精度地检测拍摄元件31的拍摄图像内的标志21的图像的位置。因此，能够实现低成本化且提高检测精度。
(模板匹配以及使用了模板匹配的转动状态的判断)
以下，详细说明判断部5中的模板匹配以及使用了模板匹配的转动状态的判断。此外，以下，以作为转动状态而判断转动角度的情况为代表进行说明。
-基准图像的获取-
在编码器1中，在使用模板匹配而判断第一臂120相对于基座110的转动状态之前，获取该模板匹配所使用的基准图像。该基准图像的获取在最先的模板匹配之前进行一次即可，但也可以之后根据需要适时进行。在该情况下，能够将模板匹配所使用的基准图像更新为新获取的基准图像。
在获取基准图像时，使第一臂120相对于基座110绕第一轴J1适宜转动，通过拍摄元件31以各标志21为单位对多个标志21进行拍摄。然后，通过对获得的各拍摄图像进行修剪，生成以各标志21为单位的基准图像。生成的基准图像以与其像素坐标信息以及角度信息建立对应的方式与它们一并存储于存储部6。以下，基于图8，详细说明这点。
图8是用于说明图2所示的编码器所具备的拍摄元件的拍摄图像的图。
当第一臂120相对于基座110绕第一轴转动时，例如如图8所示，映在拍摄元件31的拍摄图像G内的标志21的图像即标志图像21A在拍摄图像G内沿着圆弧C1、C2移动。在此，圆弧C1是伴随着第一臂120相对于基座110的转动而标志图像21A的图8中下端所描绘的轨迹，圆弧C2是伴随着第一臂120相对于基座110的转动而标志图像21A的图8中上端所描绘的轨迹。另外，图8图示了在图3所示的拍摄区域RI内包括三个标志21的情况，与之对应，在图8所示的拍摄图像G中，除了标志图像21A以外，包括有相对于标志图像21A位于周向上的一方侧的标志图像21B与位于另一方侧的标志图像21X。
在此，拍摄元件31通过拍摄而获得的拍摄图像G呈与拍摄区域RI对应的形状、且是具有沿着X轴方向延伸的两条边与沿着Y轴方向延伸的两条边的矩形。另外，沿着拍摄图像G的X轴方向延伸的两条边被配置为尽可能地沿着圆弧C1、C2。另外，拍摄图像G具有沿X轴方向以及Y轴方向呈行列状并排的多个像素。在此，像素的位置由利用表示X轴方向上的像素的位置的“X”以及表示Y轴方向上的像素的位置的“Y”表示的像素坐标系(X，Y)表示。另外，将拍摄图像G的除去外周部而成的中央区域设为有效视野区域RU，将有效视野区域RU的图中左上端的像素设定为图像坐标系(X，Y)的原点像素(0，0)。
例如，在生成与标志图像21A对应的基准图像TA的情况下，使第一臂120相对于基座110适宜转动，使标志图像21A位于有效视野区域RU内的规定位置(在图示中设定于X轴方向上的中央的中心线LY上)。在此，标志图像21A位于该规定位置时的第一臂120相对于基座110的转动角度θA0通过测定等预先获取。
通过在成为包括标志图像21A的必要最小限度的范围那样的矩形的像素范围内修剪这样的拍摄图像G，获得基准图像TA(标志21的检测用的模板)。获得的基准图像TA被存储于存储部6。此时，基准图像TA与关于所述的转动角度θA0的角度信息、以及关于基准图像TA的像素范围内的基准像素(在图示中为左上端的像素)的像素坐标、即基准像素坐标(XA0，YA0)的像素信息一并以与它们建立对应的方式进行存储。即，基准图像TA、角度信息以及像素坐标信息成为模板匹配所使用的一个模板组合。
-使用了模板匹配的转动状态的判断-
接下来，基于图9～图12，对于使用了如所述那样生成的基准图像TA的模板匹配进行说明。
图9是用于说明在图8所示的拍摄图像内设定的搜索区域处的模板匹配的图。图10是表示从在模板匹配时相关值成为最大或者最小的状态起偏离1像素量的状态的图。图11是表示在模板匹配时相关值成为最大或者最小的状态的图。图12是表示从在模板匹配时相关值成为最大或者最小的状态起向与图10所示的状态相反的一侧偏离1像素量的状态的图。
如图9所示，在有效视野区域RU内存在有标志图像21A时，使用基准图像TA对有效视野区域RU的图像进行模板匹配。在本实施方式中，将有效视野区域RU整个区域设为搜索区域RS，在搜索区域RS重叠基准图像TA，对于搜索区域RS逐个像素地偏移基准图像TA，并且计算搜索区域RS与基准图像TA重叠的部分的相关值。在此，将基准图像TA的基准像素的像素坐标从开始坐标PS(原点像素P0)至结束像素PE逐个像素地移动，针对搜索区域RS整个区域的像素，按基准图像TA的基准像素的各像素坐标来计算搜索区域RS与基准图像TA的重叠部分的相关值。然后，将计算出的相关值作为拍摄图像数据与基准图像数据的相关值数据而与基准图像TA的基准像素的像素坐标建立对应并存储于存储部6。
接下来，选择存储于存储部6的按各像素坐标的多个相关值中的成为最大值的相关值，将成为该选择出的相关值的基准图像TA的像素坐标(XA1，YA1)决定为标志图像21A的像素坐标。这样一来，能够检测拍摄图像G内的标志图像21A的位置。
在此，在谋求标志图像21A的像素坐标时，优选使用子像素推断法。在相关值成为最大的附近，如图10～图12所示，相对于标志图像21A重叠基准图像TA。图11所示的状态与图10、12所示的状态(从图11所示的状态起偏离1像素的状态)相比而相关值增大，相关值变得最大。但是，如图11所示的状态那样，在相对于标志图像21A使基准图像TA不完全一致地偏移重叠的情况下，若将图11所示的状态判断为标志图像21A的像素位置，则该偏移成为误差。该偏移最大成为视野尺寸B。即，在不使用子像素推断法的情况下，视野尺寸B成为最小的分辨率(精度)。相对于此，在使用子像素推断法时，利用抛物线等(也可以是等角直线)对按各视野尺寸B的相关值进行修整，能够对这些相关值间(像素间距间)进行补全(近似)。因此，能够更高精度地求出标志图像21A的像素坐标。此外，在所述的说明中，以相关值变得最大的像素坐标成为标志图像21A的像素位置的情况为例进行了说明，但也能够以使相关值变得最小的像素坐标成为标志图像21A的像素位置的方式进行模板匹配。
这样，判断部5在作为拍摄图像G的一部分的区域的有效视野区域RU设定搜索区域RS，在搜索区域RS内进行模板匹配。由此，能够减少模板匹配所使用的搜索区域RS的像素数，缩短与模板匹配相关的运算时间。因此，在第一臂120的绕第一轴J1的角速度快的情况下，也能够进行高精度的检测。另外，由于在拍摄元件31与标志21之间配置的光学系统32的像差，使拍摄图像G的外周部分的变形、模糊增大，但通过将这样的变形、模糊较少的区域用作搜索区域RS，也能够减小检测精度的降低。另外，也可以使用拍摄图像G整个区域进行基准图像TA的生成以及模板匹配，在该情况下，优选根据需要，进行考虑了像差的校正。
在本实施方式中，由于拍摄区域RI与第一轴J1之间的距离足够长，因此在拍摄图像G内，圆弧C1、C2能够分别大致近似于直线。因而，在拍摄图像G内，能够认为标志图像21A的移动方向与X轴方向一致。
于是，图9所示的标志图像21A处于相对于处于基准像素坐标(XA0，YA0)的基准图像TA沿X轴方向偏移像素数(XA1-XA0)量的位置。因而，在将拍摄区域RI的中心与第一轴J1之间的距离设为r、将与拍摄元件31的一个像素对应的拍摄区域RI上的区域的X轴方向上的宽度(拍摄元件31的每一个像素的视野尺寸)设为W时，第一臂120相对于基座110的转动角度θ能够通过使用下述式(1)来求出。
[数1]
在该式(1)中，(XA1-XA0)×W相当于与基准图像TA的基准像素坐标(XA0，YA0)对应的实际位置和与所述相关值成为最大值的基准图像TA的像素坐标(XA1，YA1)对应的实际位置之间的距离。另外，2rπ相对于使第一臂120相对于基座110旋转360°时的标志21的轨迹的长度(圆周的长度)。此外，如所述那样，θA0是标志图像21A位于规定位置时的、第一臂120相对于基座110的转动角度。另外，转动角度θ是第一臂120相对于基座110从基准状态(0°)起转动的角度。
针对其它的标志21也同样进行以上那样的模板匹配以及使用了模板匹配的转动角度θ的计算。在此，在任意的转动角度θ中，在有效视野区域RU内不欠缺地映出至少一个标志21，并且登记有以能够模板匹配的方式与各标志21对应的基准图像。由此，能够防止产生无法模板匹配的角度范围。
在所述的图8中，在任意的转动角度θ中，以在有效视野区域RU内不欠缺地映出一个标志21的方式构成标志21以及有效视野区域RU，但优选在任意的转动角度θ中，以在有效视野区域RU内不欠缺地映出多个标志21的方式构成标志21以及有效视野区域RU。在该情况下，在任意的转动角度θ中，以相对于在有效视野区域RU内映出的多个标志21能够模板匹配的方式，使用与彼此相邻的两个以上的标志21对应的两个以上的基准图像进行模板匹配。此时，该两个以上的基准图像也可以彼此局部重叠。
即，拍摄元件31优选以包含成为模板匹配的对象的多个标志21中至少两个标志21整体的方式进行拍摄。由此，即便拍摄元件31拍摄到的两个标志21中的一方的标志21因污染等而无法准确读取，也能够读取另一方的标志21进行检测。因此，具有容易保证高精度的检测精度这样的优点。
＜第二实施方式＞
图13是用于说明本发明的第二实施方式所涉及的编码器中的搜索区域(考虑转动部的角速度而设定的区域)的图。图14是用于说明图13所示的搜索领域(考虑标志的移动轨迹而设定的区域)的图。
以下，对第二实施方式进行说明，以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，针对同样的事项而省略其说明。
本实施方式在搜索区域的设定范围不同以外与所述的第一实施方式相同。
在所述的第一实施方式中，将有效视野区域RU的整个区域设定为搜索区域RS。即，在所述的第一实施方式中，针对有效视野区域RU的整个区域的像素进行模板匹配而计算相关值。在此，使用了模板匹配的转动角度θ的判断所需的运算时间与搜索区域RS的像素数呈比例。另外，求出转动角度θ所需要的像素坐标仅是相关值变得最大的像素坐标(在使用子像素推断的情况下，也需要与其邻接的像素坐标)。因而，在第一实施方式中，根据情况，将运算时间的大部分耗费在无用的运算。
对此，在本实施方式中，利用过去的转动角度θ的随时间变化，预测在下次拍摄中标志21映出的位置，将仅限于该位置附近的像素区域设定为搜索区域RS。通过像这样设定搜索区域RS，能够大幅降低与模板匹配相关的运算量，也大幅缩短运算时间。
具体说明时，判断部5使关于转动角度θ的判断结果的信息与各标志21分别对应而存储于存储部6。然后，判断部5使用存储于存储部6的与过去的判断结果(转动角度θ)相关的信息，设定(更新)搜索区域RS的位置以及范围。
详细来说时，在拍摄元件31的拍摄定时的时间间隔固定的情况下，在将上次拍摄并判断标志21的转动角度θ设为θ11、上上次拍摄并判断该标志21的转动角度θ设为θ12、本次拍摄并判断该标志21的转动角度θ的预测转动角度设为θ14时，若第一臂120相对于基座110的旋转速度(角速度)固定，则θ11、θ12以及θ14由下述式(2)表示。
[数2]
θ14＝θ11+(θ11-θ12)…(2)
在此，如图13所示，式(2)是指，使作为基于上次的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-1与作为基于本次的拍摄的标志图像21A的标志图像21An之间的中心间距离和作为基于上上次的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-2与作为基于上次的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-1之间的中心间距离ΔX相等。但是，实际上，通常来说，第一臂120相对于基座110的旋转速度(角速度)变动，因此在将其变动量设为Δθ、将本次的实际的转动角度θ设为θ13时，由下述式(3)表示。
[数3]
θ13＝θ14±Δθ…(3)
在此，若Δθ的最大值是已知的，则通过将其最大值设为Δθ，能够唯一地决定θ13的范围。另外，若决定θ14，则也能够决定存在于有效视野区域RU内的基准图像TA的角度信息、即从转动角度θA0起的偏移(θ14-θA0)。然后，由于转动角度θA0是已知的，因此基于偏移(θ14-θA0)，能够预测在有效视野区域RU内的哪个像素范围具有与基准图像TA一致的标志图像21A。
由于θ13具有变动量Δθ的宽度，搜索区域RS的X轴方向上的像素范围L1成为在以θ14为基准与基准图像TA对应的像素范围至少添加与变动量Δθ的宽度相当的像素量而成的范围。
另外，搜索区域RS的Y轴方向上的像素范围也可以如所述的第一实施方式那样是有效视野区域RU的Y轴方向上的整个区域，但在如第一实施方式那样将标志图像21A在有效视野区域RU内移动的轨迹(圆弧C1、C2)视为直线的情况下，设为基准图像TA的Y轴方向上的像素范围或者比其稍大的范围。另外，在无法将有效视野区域RU内的圆弧C1、C2视为直线的情况下，如图14所示，在有效视野区域RU内的圆弧C1、C2的Y轴方向上的像素范围L0(最大范围)设定搜索区域RS的Y轴方向上的像素范围L2。
通过像这样设定搜索区域RS，即便有效视野区域RU内的标志图像21A的Y轴方向上的位置变化增大，也能够设定适当的搜索区域RS。另外，通过将搜索区域RS的Y轴方向上的像素范围设为有效视野区域RU的Y轴方向上的一部分，能够大幅减少模板匹配的运算量。在此，与在比较大的范围内以二维的方式进行图像的搜索的通常的模板匹配不同，主要在X轴方向上以一维的方式进行搜索领域RS内的模板匹配即可，因此与通常的模板匹配相比而进行一半以下的运算量即可。
根据以上内容，在本实施方式中，判断部5基于与第一臂120(转动部)的绕第一轴J1(转动轴)的角速度相关的信息，能够变更拍摄图像G内的搜索区域RS的“第一方向”即X轴方向上的位置和长度中至少一方。由此，能够设定与第一臂120的转动状态(角速度)相应的有效的搜索区域RS，进一步减少模板匹配所使用的搜索区域RS的像素数。
在此，判断部5基于过去两次以上的转动角度θ(转动状态)的判断结果，计算与第一臂120(转动部)相对于基座110(基部)的绕第一轴J1的角速度相关的信息。由此，能够比较简单地设定与第一臂120的转动状态(角速度)相应的搜索区域RS。
通过以上说明那样的第二实施方式，也能够实现低成本化且提高检测精度。
＜第三实施方式＞
图15是用于说明本发明的第三实施方式所涉及的编码器中的搜索区域(考虑转动部的角速度以及角加速度而设定的区域)的图。
以下，对第三实施方式进行说明，以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于同样的事项而省略其说明。
本实施方式在搜索区域的设定范围不同以外，与所述的第一实施方式相同。
在所述的第二实施方式中，在设定搜索区域RS时，由于仅使用根据与过去两次的转动角度θ(θ11、θ12)相关的信息来预测出的之前的第一臂120的角速度，因此需要设定考虑了角速度的变动量Δθ的最大值的大小的搜索区域RS。
在本实施方式中，在设定搜索区域RS时，使用与过去三次以上的转动角度θ相关的信息。由此，在第一臂120的角速度之外，也能够通过简单计算来预测角加速度。若像这样使用角加速度，则由于唯一地决定所述的式(3)的Δθ，因此也能够将θ13决定为一个值。此外，该决定出的θ13仅是预测值，因此需要进行模板匹配而求出实际的高精度的转动角度θ。
例如，如图15所示，在作为基于上次(第n-1次)的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-1与作为基于上上次(第n-2次)的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-2的中心间距离ΔX大于作为基于上上次(第n-2次)的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-2与作为基于三次前(第n-3次)的拍摄的标志图像21A的标志图像21An-3的中心间距离ΔX1的情况下，基于上次的拍摄的标志图像21An-1与作为基于本次的拍摄的标志图像21A的标志图像21An的中心间距离ΔX2变得大于中心间距离ΔX。
根据以上内容，在本实施方式中，判断部5基于与第一臂120(转动部)的绕第一轴J1(转动轴)的角加速度相关的信息，能够变更拍摄图像内的搜索区域RS的“第一方向”即X轴方向上的位置和长度中至少一方。由此，能够设定与第一臂120的转动状态(角速度)的变化(角加速度)相应的更有效的搜索区域RS。
在此，判断部5基于过去三次以上的转动角度θ(转动状态)的判断结果，计算与第一臂120(转动部)相对于基座110(基部)的绕第一轴J1的角加速度相关的信息。由此，能够比较简单地设定与第一臂120的转动状态(角速度)的变化(角加速度)相应的搜索区域RS。
通过以上说明那样的第三实施方式，也能够实现低成本化且提高检测精度。
＜第四实施方式＞
图16是用于说明本发明的第四实施方式所涉及的编码器中的搜索区域(考虑转动部的转动角度而设定的区域)的图。
以下，对第四实施方式进行说明，以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于同样的事项而省略其说明。
本实施方式在搜索区域的设定范围不同以外，与所述的第一实施方式相同。
所述的圆弧C1、C2能够基于拍摄区域RI的中心与第一轴J1之间的距离r通过计算来求出，另外，即便无法准确地知晓距离r，通过一边使第一臂120转动一边进行利用拍摄元件31的拍摄，由此能够预先知晓该距离r。若预先知晓圆弧C1或者C2，则在求出所述的转动角度θ13之后，能够将圆弧C1或者C2上的与转动角度θ13相当的像素坐标设为标志图像21A的预测像素坐标(预测位置)，将比基准图像TA的像素尺寸大出规定范围的像素范围设定为搜索区域RS。在该情况下，如图16所示，能够将搜索区域RS的Y轴方向上的像素范围L2设为最小限度(例如相对于基准图像TA的像素尺寸而上下扩张一个像素的程度)。由此，能够进一步减少搜索区域RS的像素数，削减运算量。
根据以上内容，在本实施方式中，判断部5基于拍摄图像G内的搜索区域RS的X轴(第一方向)上的位置，能够变更拍摄图像G内的相对于搜索区域RS的X轴方向垂直的Y轴方向(第二方向)上的位置和长度中至少一方。由此，能够设定与第一臂120的转动状态(转动角度)相应的有效的搜索区域RS，进一步减少模板匹配所使用的搜索区域RS的像素数。
通过以上说明那样的第四实施方式，也能够实现低成本化且提高检测精度。
＜第五实施方式＞
图17是用于说明本发明的第五实施方式所涉及的编码器中的搜索区域内的基准图像(模板)的图。图18是表示使图17所示的基准图像的姿势变化的状态的图。
以下，对第五实施方式进行说明，但以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于同样的事项而省略其说明。
本实施方式在对模板匹配中的基准图像适宜进行角度校正以外，与所述的第一实施方式～第四实施方式相同。
如所述那样，有效视野区域RU内的标志21的图像沿着圆弧C1、C2移动，因此根据该图像的位置，使该图像的姿势相对于X轴或者Y轴倾斜。另外，当相对于基准图像TA而标志21的图像的倾斜增大时，模板匹配的误差增大(例如，即便位置一致但相关值减小)，招致转动角度的判断精度的降低。作为防止这样的转动角度的判断精度的降低的方法，如所述那样在搜索区域RS内逐个像素地偏移基准图像TA并且以基准图像TA的像素位置为单位求出相关值之后，针对相关值成为规定值以上的几个像素位置，例如一点点地变更基准图像TA的姿势(角度)，并且重新计算相关值，从而决定相关值成为最大的像素位置以及角度。但是，在该方法中，运算量激增。
对此，在本实施方式中，着眼于有效视野区域RU内的标志21的图像的倾斜根据转动角度θ而变化这一点，例如基于与所述的第二实施方式或者第三实施方式同样地求出的转动角度θ13，变更基准图像TA的姿势(以下，也称作“倾斜校正”)。若知晓转动角度θ13，则基准图像TA的应校正的倾斜角度β唯一地被决定，追加对基准图像TA进行一次倾斜校正的运算即可。基于该追加的运算的运算量会略微增加，但能够提高转动角度θ的判断精度。
然而，在所述的实施方式中，说明了将基准图像TA的基准像素设定为左上端像素的情况，但在如本实施方式那样进行基准图像TA的倾斜校正的情况下，优选如图17所示，将基准图像TA的尽可能靠近中心CP的像素设定为基准像素，以该基准像素为基准(中心)而使基准图像TA旋转倾斜角度β进行倾斜校正。由此，能够减少以基准图像TA的倾斜校正为起因的基准图像TA的位置偏移。此外，也可以进行以中心CP为基准放大或者缩小基准图像TA的校正。
另外，在进行基准图像TA的倾斜校正时，优选在向基准图像TA的外周追加规定宽度量的像素而扩张了基准图像TA的像素范围的基础上，使该像素范围旋转与倾斜校正相应的角度(倾斜角度β)，按照原始的基准图像TA的像素范围的大小来修剪该旋转后的像素范围。由此，如图18所示，能够减少在倾斜校正后的基准图像TA中产生像素缺陷的情况。此外，即便在基准图像TA产生了像素缺陷，检测精度降低，但并非使模板匹配变得不可能。另外，即便不对基准图像TA进行倾斜校正，也对搜索区域RS进行倾斜校正，由此运算量的增加变大，但同样地能够提高判断精度。
另外，这样的基准图像TA的倾斜校正也可以通过以基准图像TA的像素位置为单位来进行，但在标志21的倾斜较小的情况下，即便不进行基准图像TA的倾斜校正，也几乎不会影响转动角度θ的判断精度。对此，例如，在如所述那样预测了θ13时，判断该预测的θ13是否为规定角度以下，在大于规定角度的情况下进行基准图像TA的倾斜校正，另一方面，在规定角度以下的情况下省略基准图像TA的倾斜校正而缩短运算时间。
根据以上内容，在本实施方式中，判断部5基于与第一臂120(转动部)相对于基座110(基部)的转动角度θ13相关的信息，能够变更拍摄图像G内的基准图像TA的姿势。由此，即便在搜索区域RS内标志21的图像的姿势的变化较大的情况下，也能够减少模板匹配的运算量且提高模板匹配的精度。
另外，判断部5判断第一臂120(转动部)相对于基座110(基部)的转动角度θ13是否大于设定角度，基于该判断结果，变更拍摄图像G内的基准图像TA的姿势。由此，能够实现模板匹配的高精度化，并且进一步减少模板匹配的运算量。
＜第六实施方式＞
图19是用于说明本发明的第六实施方式所涉及的编码器的剖视图。
以下，对第六实施方式进行说明，但以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于同样的事项而省略其说明。
本实施方式在编码器所具有的标度部(图案)的设置位置以及与其相关的结构不同以外，与所述的第一实施方式相同。
图19所示的机器人10A具备检测第一臂120相对于基座110的转动状态的编码器1A。该编码器1A具有设于第一臂120的轴部122的周面的标度部2A、设于基座110且检测标度部2A所具有的标志(未图示)的检测部3、基于检测部3的检测结果而判断基座110以及第一臂120的相对转动状态的判断部5、以及与判断部5电连接的存储部6。
虽未图示，标度部2A与所述的第一实施方式的标度部2的图案同样地由不规则的图案构成。然后，能够将标度部2A的彼此不同的多个部分分别用作位置识别用的标志。此外，标度部2A的图案可以直接设于轴部122的表面，也可以设于在轴部122上安装的圆筒状的构件。
在本实施方式中，检测部3所具有的拍摄元件31以及光学系统32配置为能够检测标度部2A的标志。即，标度部2A的标志与检测部3并排的方向是与第一轴J1交叉的方向(在本实施方式中为正交的方向)。由此，能够使标度部2A的标志以及检测部3接近第一轴J1。其结果是，能够实现基座110的小型化、轻型化。
另外，在这样的编码器1A中，在轴部122的外周面设定拍摄元件31的拍摄区域。然后，与所述的第一实施方式同样地进行模板匹配。此时，标度部2A的标志设于轴部122的外周面，因此伴随着轴部122的转动在该拍摄区域内保持一定的姿势呈直线移动。因此，在进行模板匹配时，不需要根据该拍摄区域内的该标志的姿势而使基准图像(模板)的朝向变化，仅使基准图像沿一方向移动即可，因此具有能够减少模板匹配的运算量这样的优点。
其中，由于轴部122的外周面成为圆筒状，因此在光学系统32为放大光学系统、缩小光学系统的情况下，通过改变与透镜的距离而使拍摄元件31的拍摄区域内的标度部2A的标志的大小与该拍摄区域内的位置相应地变化。因而，在进行模板匹配时，从提高其精度的观点出发，优选进行基准图像的放大或者缩小。另外，通过在即便不进行那样的基准图像的放大或者缩小也可视为那样的标度部2A的标志的大小不发生变化的范围内设定搜索区域，或者以使拍摄元件31的搜索区域内的标度部2A的标志的大小不发生变化的方式设计光学系统32，能够进行高精度的模板匹配。
通过以上说明的第六实施方式，能够实现低成本化且提高检测精度。
＜第七实施方式＞
图20是用于说明本发明的第七实施方式所涉及的编码器的剖视图。
以下，对第七实施方式进行说明，但以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于同样的事项而省略其说明。
本实施方式在标度部(图案)、拍摄元件以及光学系统的配置不同以外，与所述的第一实施方式相同。
图20所示的机器人10B具备检测第一臂120相对于基座110的转动状态的编码器1B。
该编码器1B的基本的构成要素与所述的第一实施方式的编码器1相同，但标度部2以及检测部3的配置与编码器1相反。即，编码器1B具有设于基座110的标度部2(图案)、设于第一臂120且检测标度部2的检测部3、基于检测部3的检测结果而判断基座110以及第一臂120的相对转动状态的判断部5、以及与判断部5电连接的存储部6。
这样，在本实施方式中，标度部2(图案)处于基座110的表面。由此，不需要另行设置用于设置标度部2的构件，能够减少元件件数，实现低成本化。
通过以上说明的第七实施方式，也能够减小编码器1B的检测精度的降低。
＜第八实施方式＞
图21是表示本发明的第八实施方式所涉及的机器人的立体图。此外，以下，将机器人10C的基座210侧称作“基端侧”、末端执行器侧称作“前端侧”。
以下，对第八实施方式进行说明，但以与所述的实施方式的不同点为中心进行说明，对于同样的事项而省略其说明。
图21所示的机器人10C是垂直多关节(6轴)机器人。该机器人10C具有基座210与机械臂200，机械臂200具备第一臂220、第二臂230、第三臂240、第四臂250、第五臂260以及第六臂270，这些臂从基端侧朝向前端侧依次连结。在第六臂270的前端部，虽未图示，例如将把持精密设备、元件等的手爪等末端执行器安装为能够装卸。另外，虽未图示，机器人10C具备控制机器人10C的各部分的工作的个人计算机(PC)等机器人控制装置(控制部)。
在此，基座210例如相对于地板、壁部或者顶板等进行固定。第一臂220能够相对于基座210绕第一转动轴O1转动。第二臂230能够相对于第一臂220绕与第一转动轴O1正交的第二转动轴O2转动。第三臂240能够相对于第二臂230绕与第二转动轴O2平行的第三转动轴O3转动。第四臂250能够相对于第三臂240绕与第三转动轴O3正交的第四转动轴O4转动。第五臂260能够相对于第四臂250绕与第四转动轴O4正交的第五转动轴O5转动。第六臂270能够相对于第五臂260绕与第五转动轴O5正交的第六转动轴O6转动。此外，针对第一转动轴O1～第六转动轴O6，“正交”也包括两个轴所成的角度从90°起在±5°的范围内偏移的情况，另外，“平行”也包括两个轴的一方相对于另一方在±5°的范围内倾斜的情况。
另外，虽未图示，在基座210以及第一臂220～第六臂270的各连结部(关节)设置了具有电动机以及减速器的驱动源。在此，在使第一臂220相对于基座210转动的驱动源设有编码器1。该编码器1的检测结果例如向未图示的机器人控制装置输入，应用于使第一臂220相对于基座210转动的驱动源的驱动控制。另外，虽未图示，在其它的关节部也设有编码器，作为该编码器，能够使用编码器1。
如以上那样，机器人10C具备第一构件即基座210、被设为相对于基座210能够转动的第二构件即第一臂220、以及检测第一臂220相对于基座210的转动状态的编码器1(也可以是编码器1A或者1B。以下相同)。根据这样的机器人10C，由于编码器1的检测精度高，因此能够使用编码器1的检测结果进行机器人10C的高精度的动作制御。
以上，说明了编码器1检测第一臂220相对于基座210的转动状态的情况，但也能够将编码器1设置于其它的关节部以便检测其它的臂的转动状态。
(打印机)
图22是表示本发明的打印机的实施方式的概要结构的图。
图22所示的打印机1000是具备鼓状的台板的标签印刷装置。在该打印机1000中，将其两端呈卷状地卷绕于抽出轴1120以及卷取轴1140的作为记录介质的纸类、薄膜类等的一张片材S(web)架设在抽出轴1120与卷取轴1140之间，片材S沿着如此架设的输送路线Sc，从抽出轴1120朝向卷取轴1140输送。然后，打印机1000构成为，对于沿着该输送路线Sc输送的片材S喷出功能液而在片材S上记录(形成)图像。
作为简要结构，打印机1000构成为包括从抽出轴1120抽出片材S的抽出部1102、向从抽出部1102抽出的片材S记录图像的处理部1103、剪切由处理部1103记录有图像的片材S的激光扫描装置1007、以及将片材S卷取于卷取轴1140的卷取部1104。
抽出部1102具有供片材S的端部卷绕的抽出轴1120、以及供从抽出轴1120抽出的片材S卷绕的从动辊1121。
处理部1103利用作为支承部的台板鼓1130来支承从抽出部1102抽出的片材S，通过沿着台板鼓1130的外周面配置的头单元1115所配置的记录头1151等进行适宜处理，向片材S记录图像。
台板鼓1130是被未图示的支承机构以鼓轴1130s为中心支承为旋转自如的圆筒形状的鼓，从背面(与记录面相反一侧的面)侧卷绕从抽出部1102朝卷取部1104输送的片材S。该台板鼓1130受到与片材S之间的摩擦力而沿片材S的输送方向Ds从动旋转，并且遍及周向上的范围Ra而从背面侧支承片材S。在此，在处理部1103中，在朝向台板鼓1130的卷绕部的两侧设有折回片材S的从动辊1133、1134。另外，在抽出轴1120与从动辊1133之间设有从动辊1121、1131以及传感器Se，在卷取轴1140与从动辊1134之间设有从动辊1132、1141。
处理部1103具备头单元1115，在头单元1115设有与黄色、蓝色、品红色以及黑色对应的4个记录头1151。各记录头1151相对于卷绕在台板鼓1130的片材S的表面隔开些许的空隙(台板间隙)进行对置，从喷嘴中以喷墨方式喷出对应的颜色的功能液。然后，通过使各记录头1151相对于朝向输送方向Ds输送的片材S喷出功能液，在片材S的表面形成彩色图像。
在此，作为功能液，使用通过照射紫外线(光)而固化的UV(ultraviolet)墨(光固化性墨)。因此，为了使UV墨临时固化而定影于片材S，在处理部1103的头单元1115上，在多个记录头1151各自之间设有第一UV光源1161(光照射部)。另外，相对于多个记录头1151(头单元1115)在输送方向Ds的下游侧设有作为本固化用的固化部的第二UV光源1162。
激光扫描装置1007被设为局部地剪切或断开记录有图像的片材S。通过激光扫描装置1007的激光振荡器1401振荡的激光经由通过包括编码器1的驱动装置1402、1406、1408来控制位置或者旋转位置(角度)的第一透镜1403以及第一反射镜1407、第二反射镜1409等，向作为被加工物的片材S照射。这样，向片材S照射的激光LA的照射位置由各驱动装置1402、1406、1408控制，能够向片材S上的期望的位置照射。片材S的被照射激光LA的部分被熔断，从而局部地剪切或断开。
以上那样的打印机1000如所述那样具备编码器1(也可以是编码器1A或者1B。以下相同)。根据这样的打印机1000，编码器1的检测精度高，因此能够使用编码器1的检测结果来进行打印机1000的高精度的动作控制。
以上，基于图示的优选实施方式而说明了本发明的编码器、机器人以及打印机，但本发明不限于此，各部分的结构能够置换为具有同样的功能的任意的结构。另外，也可以附加有其它的任意的构成物。另外，也可以组合所述的两个以上的实施方式的结构。
另外，在所述的实施方式中，以机器人的基座为“基部(第一构件)”、第一臂为“转动部(第二构件)”的情况为例进行了说明，但不限于此，也能够将相对转动的任意的两个构件的一方设为“基部”、另一方设为“转动部”。即，编码器的设置位置不限于基座与第一臂的关节部，也可以是相对转动的任意的两个臂的关节部。另外，编码器的设置位置不限于机器人具有的关节部。
另外，在所述的实施方式中，机械臂的数量为一个，但机械臂的数量不限于此，例如，也可以是两个以上。即，本发明的机器人例如也可以是双臂机器人等多臂机器人。
另外，在所述的实施方式中，机械臂所具有的臂的数量为2个或者6个，但臂的数量不限于此，可以是1个，也可以是3个以上5个以下或者7个以上。
另外，在所述的实施方式中，本发明的机器人的设置位置不限于地面，例如可以是顶面、侧壁面等，也可以是AGV(Automatic Guided Vehicle(无人搬运车))等移动体。另外，本发明的机器人不限于在建筑物等构造物上固定设置，例如，也可以是具有腿部的腿式歩行(行驶)机器人。
另外，本发明的编码器不限于所述的打印机，能够应用于具有旋转部的工业用打印机、民用打印机等各种打印机。另外，在将本发明的编码器应用于打印机的情况下，编码器的设置位置不限于所述的情况，例如也可以应用于送纸机构、搭载有喷墨打印机的墨头的滑架的移动机构等。

Claims (16)

1.一种编码器，其特征在于，具备：
基部；
转动部，被设为相对于所述基部能够绕转动轴转动；
不规则的图案，在所述转动部沿着所述转动轴的周围配置；
拍摄元件，配置于所述基部，并拍摄所述图案；以及
判断部，使用所述拍摄元件的拍摄结果来判断所述转动部相对于所述基部的转动状态。
2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于，
所述图案具有基于抖动法的多个点。
3.根据权利要求2所述的编码器，其特征在于，
所述图案具有颜料或者染料。
4.根据权利要求2或3所述的编码器，其特征在于，
所述多个点的密度沿着所述转动轴的周围进行变化。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的编码器，其特征在于，
所述判断部通过使用基准图像对所述拍摄元件的拍摄图像进行模板匹配来检测所述图案的一部分。
6.根据权利要求5所述的编码器，其特征在于，
所述拍摄元件以包含成为所述模板匹配的对象的多个标志中至少两个标志整体的方式进行拍摄。
7.根据权利要求5或6所述的编码器，其特征在于，
所述判断部在所述拍摄图像的一部分的区域设定搜索区域，在所述搜索区域内进行所述模板匹配。
8.根据权利要求7所述的编码器，其特征在于，
所述判断部基于与所述转动部绕所述转动轴的角速度相关的信息，能够变更所述拍摄图像内的所述搜索区域在第一方向上的位置和长度中至少一方。
9.根据权利要求8所述的编码器，其特征在于，
所述判断部基于过去两次以上的所述转动状态的判断结果，计算与所述角速度相关的信息。
10.根据权利要求8或9所述的编码器，其特征在于，
所述判断部基于与所述转动部绕所述转动轴的角加速度相关的信息，能够变更所述拍摄图像内的所述搜索区域在第一方向上的位置和长度中至少一方。
11.根据权利要求10所述的编码器，其特征在于，
所述判断部基于过去三次以上的所述转动状态的判断结果，计算与所述角加速度相关的信息。
12.根据权利要求8至11中任一项所述的编码器，其特征在于，
所述判断部基于所述拍摄图像内的所述搜索区域在所述第一方向上的位置，能够变更所述拍摄图像内的所述搜索区域在与所述第一方向垂直的第二方向上的位置和长度中至少一方。
13.根据权利要求5至12中任一项所述的编码器，其特征在于，
所述判断部基于与所述转动部相对于所述基部的转动角度相关的信息，能够变更所述拍摄图像内的所述基准图像的姿势。
14.根据权利要求13所述的编码器，其特征在于，
所述判断部判断所述转动部相对于所述基部的转动角度是否大于设定角度，并基于判断结果，变更所述拍摄图像内的所述基准图像的姿势。
15.一种机器人，其特征在于，具备：
第一构件；
第二构件，被设为相对于所述第一构件能够转动；以及
权利要求1至14中任一项所述的编码器，检测所述第二构件相对于所述第一构件的转动状态。
16.一种打印机，其特征在于，
所述打印机具备权利要求1至14中任一项所述的编码器。
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