JP2007139756A - 相対位置検出装置、回転体走行検出装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は簡易な構成で高精度・高安定・高分解能な相対位置計測装置、回転体走行検出装置及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】本発明は所定の反射率あるいは透過率の変化による光学マークが略一定間隔で形成されたスケールの像を一定サンプリング周期ごとにイメージセンサにより読み取り、読み取られた光学マークがイメージセンサ上を移動することを検知してスケールの相対的な位置を検出し、イメージセンサによって取得された画像データに基づいてイメージセンサ上に投影された光学マークの、イメージセンサによって読み取られた画像上に設けられた基準位置に基づく座標位置を算出する信号処理手段と、光学マークがイメージセンサ上の基準位置を通過する個数と光学マークのイメージセンサ上での座標位置の和に基づいてスケールの絶対移動距離を演算する位置演算手段とを有している。
【選択図】 図２

Description

本発明は相対位置検出装置、回転体走行検出装置及び画像形成装置に関し、詳細には電子写真やインクジェット方式などの複写機、プリンタ、ＦＡＸなどの画像形成装置における感光体ベルト、転写ベルト、用紙搬送ベルト、感光体ドラム、転写ドラム等の画像形成用の回転体の走行検出技術に関する。

従来、イメージセンサを用いた変位計測について、変位計測器や光学式マウスデバイスなどに利用されている技術がいくつか提案されている。その一つとして特許文献１によれば、イメージセンサで取り込んだ画像に対して、前回取り込み時の画像データと比較し、画像の移動位置を計算する。移動位置の計算には前回の画像と、今回取り込んだ画像について、前回取り込んだ画像を一画素ずつずらして自己相関を計算し、相関係数の最も高い位置を移動した位置として認識する。

このような方法では、通常のエンコーダなどと異なり基準スケールを用いなくても検出面の画像パターンが得られれば計測できるため、検出器単独での計測ができ、使い勝手が良い。また、スケールを使ったエンコーダでは信号エッジがインクリメントされないとデータが更新しないのに対して、位置データはサンプリングごとに更新されるため、無駄時間が少なくリアルタイム性が高い。
特開２００３−７６４８６号公報

しかしながら、上記特許文献１によれば、イメージの相関を用いた移動位置検出では全ての画素に対して相関係数を計算する必要があり、膨大な計算量を必要としリアルタイムでの計測が困難となる。また、積移動距離が必要な場合には、１サンプルごとの相対移動距離を積算する必要があるため、計測誤差が累積してしまう。更に、高精度な位置計測を必要とする場合、画素数を増やす必要があり、上記計算量がさらに増加してしまう。また、スケールを用いたエンコーダでは高精度なスケールを用いればスケールの精度でインクリメンタルな計測データが得られるが、分解能を高めるためにはスケールピッチを細かくする、信号を電気分割する必要があるため、高い分解能を得るためには光の回折を利用したホログラフィックなセンシングとなり光学的な構成および高精度な組み付け精度を要求される。また、元の信号品質が良好である必要があるため、高品質なスケールやセンサヘッドを必要とする問題がある。更に、スケールは所定の反射率あるいは透過率の変化による光学マークを略一定間隔で形成したものであるが、画像形成装置に用いられる中間転写ベルトのような可とう性の部材に精度の高い間隔で光学マークを形成することは困難であり、またスケールを形成する被検知物の温度や湿度などの環境変化による変形によっても光学マークの間隔に誤差を生じてしまう。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、イメージセンサを用いた計測とスケールを用いた計測の利点を組み合わせることで、簡易な構成で高精度・高安定・高分解能な相対位置計測装置、回転体走行検出装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。

本発明の相対位置検出装置は、所定の反射率あるいは透過率の変化による光学マークが略一定間隔で形成されたスケールの像を一定サンプリング周期ごとにイメージセンサにより読み取り、読み取られた前記光学マークがイメージセンサ上を移動することを検知して前記スケールの相対的な位置を検出する装置である。そして、本発明の相対位置検出装置は、イメージセンサによって取得された画像データに基づいてイメージセンサ上に投影された光学マークの、イメージセンサによって読み取られた画像上に設けられた基準位置に基づく座標位置を算出する信号処理手段と、光学マークがイメージセンサ上の基準位置を通過する個数と光学マークのイメージセンサ上での座標位置の和に基づいてスケールの絶対移動距離を演算する位置演算手段とを有することに特徴がある。よって、簡易な構成で高精度・高安定・高分解能な相対位置計測装置を提供できる。

また、イメージセンサは、スケール上の光学マークの少なくとも２つの光学マークを検出する光学系を有し、位置演算手段は、イメージセンサにより取得した画像データより複数の光学マークの間隔を求め、得られたマークの間隔によりスケールの移動距離を補正する。よって、光学マークの間隔を補正しながら、移動距離を演算することで非常に高精度な累積位置計測ができる。

更に、イメージセンサは、スケールに対して相対的な移動方向に複数も設けられ、各イメージセンサによって取得された各画像データに基づいて信号処理手段により各イメージセンサ上の基準位置からの光学マークのそれぞれの座標位置を算出し、スケール上の光学マークの通過数と光学マークの各座標位置の和に基づいて位置演算手段によりスケールの絶対移動距離をそれぞれ演算して光学マークの間隔の誤差を補正する。よって、光学マークのピッチの誤差を拡大することで高精度な光学マークのピッチ補正を行うことができる。

また、スケールに対して相対的な移動方向の異なる位置の光学マークの画像が単一のイメージセンサに結像される画像結合光学系をそれぞれ設け、複数の位置の光学マークを単一のイメージセンサにより検出することにより、画像処理やマーク中心座標算出も効率良く行うことができ、かつ高精度な光学マークのピッチ補正を行うことができる。

更に、イメージセンサは２次元イメージセンサであり、スケールは２次元方向に配列されたスケールであることにより、２次元の変位計測が可能となる。

また、別の発明としての回転体走行検出装置は、上記相対位置検出装置を用い、スケールを回転体に設け、回転体の回転速度及び回転位置の検出を行うことに特徴がある。よって、簡単に構成でき、かつ検出距離が変動しても計測誤差を少なく抑えることができる。

更に、別の発明としての画像形成装置は、上記相対位置検出装置を有することに特徴がある。よって、画像形成装置を構成する感光体ドラムや搬送ベルトの走行位置や走行速度を安定に検出することができ、高精度な画像形成が可能となる。

本発明の相対位置検出装置によれば、イメージセンサを用いた計測とスケールを用いた計測の利点を組み合わせることで、簡易な構成で高精度・高安定・高分解能に移動体の相対位置を検出することができる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る相対位置検出装置の構成を示す概略斜視図である。図２は第１の実施の形態例の相対位置検出装置の構成を示すブロック図である。両図に示す第１の実施の形態例の相対位置検出装置１０は、光源１１と、光学マーク１２を有するスケール１３と、イメージセンサ１４と、信号処理部１５と、位置演算部１６とを含んで構成されている。そして、スケール１３には、所定の反射率あるいは透過率の変化による光学マーク１２が略一定間隔で形成されている。また、イメージセンサ１４は、スケール１３の画像を一定サンプリング周期ごとに取り込む撮像素子である。更に、信号処理部１５は、イメージセンサ１４からのデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路１５−１と、フィルタリングを行うノイズ除去用のフィルタ１５−２と、濃度データから光学マークの中心を抽出する光学マーク中心抽出回路１５−３とを含んで構成されている。また、位置演算部１６は、信号処理部１５からの濃度データからスケールの位置を演算するものであり、光学マーク１２が、イメージセンサ１４によって読み取った画像上に設けられた基準位置を通過したときにカウントをインクリメントする光学マークカウンタ１６−１と、後述する演算処理により当該基準位置からの変位を計算する光学マーク位置演算回路１６−２と、光学マークカウンタ１６−１のカウント値と光学マーク１２のイメージセンサ１４上の位置から現在位置を計算する累積位置演算部１６−３とを含んで構成されている。なお、スケール１３は反射率あるいは透過率が基材とは異なる光学マーク１２が略一定間隔で連続しており、光学マーク１２はイメージセンサ１４で撮像したときに受光光量変動があるものであればよい。図１の中では黒いラインパターンで例を示しているが、ベース色が黒で、白いマークパターンであっても良いし、金属スリットのような透過型のパターンであっても構わない。また、イメージセンサ１４は一般的にはＣＣＤがよく用いられるが、Ｃ−ＭＯＳセンサなども利用できる。画素配列は１次元素子の場合は、スケール１３の配列方向に画素が配列するように利用することは言うまでもないが、２次元素子であっても構わない。更に、図２に示すように、イメージセンサ１４の前には結像レンズ１７を置き、スケール１３上の光学マーク１２が結像するようにする。このとき必要に応じて照明手段によりスケールを照明すると受光効率が良くＳ／Ｎの高い信号が得られる。

次に、図３はスケール上の光学マークがイメージセンサの受光面に結像されている例を示す図である。なお、図中では２本のライン状の光学マークが結像している例を示す。本発明は光学マークの移動を検出する位置計測装置であるため、少なくとも１つの光学マークが結像できるように結像レンズの径などを設計する。

次に、本実施の形態例の相対位置検出装置の動作について説明すると、図２の信号処理部１５ではイメージセンサ１４で受光したデータを位置計測データに変換する。イメージセンサ１４がＣＣＤである場合には、クロックに同期したアナログ信号が出力されるので、必要な分解能に相当するサンプリング周期でサンプリングし、図２のＡ／Ｄ変換回路１５−１によりＡ／Ｄ変換する。Ｃ−ＭＯＳセンサの場合は画素のアドレッシングによりデータが抽出されるので、順番にスキャンしてデータを取り出せばよい。得られたデータは、図３に示すような受光光量に応じた濃度データになる。そして、光学マーク中心抽出回路１５−３により、濃度データから光学マーク１２の中心位置を抽出した光学マーク中心データ（図３参照）を生成して位置演算部１６へ送る。光学マーク１２の中心位置はスレッシュホールドレベルを設定して立ち上がりと立ち下がりのエッジの中心を求める方法や、濃度の重心を求める方法が利用できる。

そして、位置演算部１６では、イメージセンサ１４上での光学マーク１２の位置を示すイメージセンサ１４での位置データから、イメージセンサ１４とスケール１３の実空間における相対的な位置を示すスケール１３での位置データに変換する。従来技術では、光学マークの濃度データの相関計数を計算して、もっとも相関の高い位置を相対移動位置として採用する方式であるが、本発明では図２の光学マークカウンタ１６−１によって光学マーク１２がイメージセンサ１４によって読み取った画像上に設けられた基準位置１２−１を通過したかどうかをカウントしたカウント値（Ｎ）と光学マークのピッチ（Ｐ）およびイメージセンサ１４における基準位置１２−１から光学マーク１２の位置（ｘ）を使って、移動距離Ｘを以下の式により計算する。

Ｘ＝Ｐ×Ｎ＋ｘ

次に、図４は光学マークの移動に伴う位置計測データと計算例を示す図である。同図において、Ｐ０は光学マークの間隔、ｘ１，ｘ２，・・・は、そのサンプル時のイメージセンサによって読み取った画像上に設けられた基準位置１２−１から光学マークの中心位置までの距離を示す。従来例の相関の計算は全ての画素に対して相関係数を求めるため、非常に多くの計算量を必要とするが、本発明では濃度データから、光学マークの中心位置データを生成し、光学マークの中心位置を計算するだけで移動距離を得ることができる。また、累積移動距離を計算する場合には得られた移動距離Ｘを積算するのではなく、光学マークがイメージセンサによって読み取った画像上に設けられた基準位置を通過した個数と現在の光学マークの位置ｘを使って計算するので、光学マークの精度に応じた精度で位置検出ができる。これらの機能は、後述する図９に示すようなソフトウェアやゲートアレイのみによっても構成可能である。

ここで、前述したように、画像形成装置に用いられる中間転写ベルトのような可とう性の部材に、光学マークを高精度な間隔で形成することは困難であり、また温度や湿度などの環境変化によるスケールを形成する被検知物の変形によっても光学マークの間隔に誤差を生じてしまう。そこで、本発明におけるイメージセンサはスケール上の光学マークの少なくとも２つの光学マークを検出できるように構成され、取得された光学マークの間隔を画像より求め、得られた光学マークの間隔により、スケールの移動距離を補正する。少なくとも２つの光学マークを検出できるようにするには、イメージセンサの大きさを、イメージセンサ上に投影される光学マークの間隔と光学マークの大きさの２倍の和よりも大きいサイズとすればよい。図５において、Ｍ１とＭ２が光学マークの中心位置であり、Ｐ（１）が光学マークＭ１と光学マークＭ２の間隔である。スケール上の光学マークの間隔が正確でない場合、もしくは非常に高精度な計測が求められる場合、光学マークの間隔を演算して、光学マークの位置Ｘを以下の計算式で求めればよい。

Ｘ＝Σ（Ｐ（ｋ））＋ｘ

よって、光学マークの間隔を補正しながら移動距離を演算することで非常に高精度な累積位置計測ができる。

図６は本発明の第２の実施の形態例に係る相対位置検出装置の構成を示す概略図である。同図において、図１及び図２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す第２の実施の形態例の相対位置検出装置では、イメージセンサがスケールの移動方向に複数設置されている。イメージセンサ１４−１と１４−２がセンサ間隔ｇ＝Ｎ×Ｐ０の距離を置いて設置されている場合、それぞれのイメージセンサ１４−１と１４−２により得られる光学マークのイメージセンサでの位置データが図７のようになっているときには、ｘａ−ｘｂが光学マークの間隔のＰ０からのずれを表しており、
Ｐ’＝Ｐ０＋（ｘａ−ｘｂ）／Ｎ
により新たな光学マークの間隔のＰ’への補正ができる。

このように、イメージセンサの間隔を離すことにより、光学マークの間隔の誤差をＮ倍に拡大していることになり、高精度な光学マークの間隔補正ができる。

図８は本発明の第３の実施の形態例に係る相対位置検出装置の構成を示す概略図である。同図において、図１及び図２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す第３の実施の形態例の相対位置検出装置では、イメージセンサ１４に、スケール移動方向の異なる位置の画像が結像される画像結合光学系（結像レンズ１７−１，１７−２、ミラー１８，１９−１，１９−２）を併せ持ち、複数の位置の光学マークを１つのイメージセンサで検出する。なお、本実施の形態例のように、イメージセンサを１つにすることでイメージセンサのコストを抑えることもさることながら、画像処理部や光学マークの中心位置の演算も一つで済むため効率がよい。また、スケールの離れた位置を計測して光学マークの間隔補正を行うことから、上述のように光学マークの間隔の補正が高精度に行うことができる。更に、本実施の形態例では画像結合光学系の例としてミラーを配置した光学系の例を示したが、他にはイメージファイバによる画像転送やプリズムを使った屈折光学系によって構成しても構わない。また、イメージセンサとして２次元イメージセンサを用い、スケールは２次元方向に配列されたスケールとすることで２次元の変位計測が可能である。更に、イメージセンサの替わりにフォトダイオードアレイを用いてもよい。

このように本発明では光学マークの間隔を補正しながら計測することができるので、環境により伸縮が発生するベルト状の走行対や検出高さが変動し、エンコーダヘッドを近接できない円筒面の回転体に対しても有効である。

図９は本発明の相対位置検出装置をベルト搬送装置へ適用した例を示す概略図である。同図において、搬送ベルト２０の所定の端部に上述のスケール１３を設けて、当該搬送ベルト２０を張架する駆動ローラをモータで回転させて搬送ベルト２０を移動させている。そして、上述した本発明の相対位置検出装置によって搬送ベルト２０上のスケール１３によって位置を検出するものであり、モータドライバ２２を制御する制御コントローラとしてはソフトウェア制御を行うようにＣＰＵ又はＤＳＰ２１を利用することが多いが、位置演算もプログラム上で実行できるので、共通に使えば簡略な構成で実現可能である。

図１０は本発明の相対位置検出装置を適用する別の発明の画像形成装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す別の発明の画像形成装置５０は、記録媒体としての転写用の用紙５２を搬送する搬送ベルト５３に沿って、この搬送ベルト５３の移動方向（図中の矢印Ｃの方向）の上流側から順に、複数個の画像形成ユニット５１Ｋ、５１Ｍ、５１Ｙ、５１Ｃが配列された、所謂タンデム型のカラー画像形成装置である。そして、画像形成ユニット５１Ｋが黒、画像形成ユニット５１Ｍがマゼンタ、画像形成ユニット５１Ｙがイエロー、画像形成ユニット５１Ｃがシアンの各画像を形成するもので、各画像形成ユニットは形成する画像の色が異なるだけで、内部構成は各画像形成ユニットとも共通である。よって、以下の説明では、画像形成ユニット５１Ｋについて具体的に説明することで、他の画像形成ユニットの構成についても説明したものとする。

図１０において、搬送ベルト５３は、無端状のエンドレスベルトで構成されて、上述したような光学マークを有するスケールが設けられ、図示していない本発明の相対位置検出装置によって位置を検出される。この搬送ベルト５３は、駆動回転させる駆動ローラ５５と、従動回転させられる従動ローラ５４とによって回転自在に張架されており、駆動ローラ５５の回転により矢印Ｃの方向に回転する。搬送ベルト５３の下方には、用紙５２が収納された給紙トレイ５６が配設されている。給紙トレイ５６に収納された用紙５２のうち、最上位置にある用紙５２は、画像形成時に送り出されて静電吸着により搬送ベルト５３の外周面に吸着される。この搬送ベルト５３に吸着された用紙５２は、搬送ベルト５３の回転方向の最上流側に配置された画像形成ユニット５１Ｋに搬送される。

この画像形成ユニット５１Ｋは、像担持体としての感光体ドラム５７Ｋと、この感光体ドラム５７Ｋの周囲に配置された帯電器５８Ｋ、露光器５９Ｋ、現像器６０Ｋ、感光体クリーナ６１Ｋなどから構成されている。露光器５９Ｋとしては、レーザスキャナが用いられ、レーザ光源からのレーザ光をポリゴンミラーで反射させ、ｆθレンズや偏向ミラー等を用いた光学系を介して露光光として出射するようにしている。画像形成に際し、感光体ドラム５７Ｋの周面は、暗中にて帯電器５８Ｋにより一様に帯電された後、露光器５８Ｙからの黒画像に対応した露光光６２Ｋ、この例ではレーザ光により露光され、静電潜像が形成される。この静電潜像は、現像器６０Ｋにおいて黒トナーにより可視像化され、感光体ドラム５７Ｋ上に黒のトナー像が形成される。この黒のトナー像は感光体ドラム５７Ｋと搬送ベルト５３上の用紙５２とが接する位置で転写器６３Ｋの働きにより用紙５２上に転写され、用紙５２上に単色（黒）の画像が形成される。転写を終えた感光体ドラム５７Ｋは感光体ドラム５７Ｋの周面に残留した不要なトナーが感光体クリーナ６１Ｋにより除去され、次の画像形成に備えられる。

このようにして、画像形成ユニット５１Ｋで単色（黒）を転写された用紙５２は、搬送ベルト５３によって次の画像形成ユニット５１Ｍに搬送される。画像形成ユニット５１Ｍでは、画像形成ユニット５１Ｋにおけると同様のプロセスにより感光体ドラム５７Ｍ上に形成されたマゼンタのトナー像が用紙５２上の黒のトナー像に重ね合わせて転写される。この黒のトナー像及びマゼンタのトナー像が転写された用紙５２は、さらに次の画像形成ユニット５１Ｙに搬送され、同様にして感光体ドラム５７Ｙ上に形成されたイエローのトナー像が用紙５２上に既に形成されている黒及びマゼンタのトナー像に重ね合わせて転写される。同様にしてさらに、次の画像形成ユニット５１Ｃでは、シアンのトナー像が重ね転写されて、フルカラーのカラー画像が得られる。このようにしてフルカラーの重ね合わせの画像が形成された用紙５２は、画像形成ユニット５１Ｃを通過した後、搬送ベルト５３から剥離されて定着器６４にて定着されて排紙される。

以上説明したように、本発明の相対位置検出装置を図１０に示すような円筒状の感光体ドラムや無端状の搬送ベルトを有する画像形成装置に適用することで、ドラムやベルトの走行速度を安定化させることができ、高精度な画像形成が可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る相対位置検出装置の構成を示す概略斜視図である。 本発明の相対位置検出装置の構成を示すブロック図である。 スケール上の光学マークがイメージセンサの受光面に結像されている例を示す図である。 光学マークの移動に伴う位置計測データと計算例を示す図である。 光学マークの位置の移動距離の算出を示す図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る相対位置検出装置の構成を示す概略図である。 光学マークの位置データの補正の様子を示す図である。 本発明の第３の実施の形態例に係る相対位置検出装置の構成を示す概略図である。 本発明の相対位置検出装置を適用するベルト搬送装置の一例を示す概略図である。 本発明の相対位置検出装置を適用する別の発明の画像形成装置の構成を示す概略断面図である。

符号の説明

１０；相対位置検出装置、１１；光源、１２；光学マーク、
１２−１；基準位置、１３；スケール、１４；イメージセンサ、
１５；信号処理部、１５−１；Ａ／Ｄ変換回路、１５−２；フィルタ、
１５−３；光学マーク中心抽出回路、１６；位置演算部、
１６−１；光学マークカウンタ、１６−２；光学マーク位置演算回路、
１６−３；累積位置演算部、１７，１７−１，１７−２；結像レンズ、
１８，１９−１，１９−２；ミラー、２０；搬送ベルト、
２１；ＤＳＰ／ＣＰＵ、２２；モータドライバ。

Claims (8)

1. 所定の反射率あるいは透過率の変化による光学マークが略一定間隔で形成されたスケールの画像を一定サンプリング周期ごとにイメージセンサにより読み取り、読み取られた前記光学マークが前記イメージセンサ上を移動することを検知して前記スケールの相対的な位置を検出する相対位置検出装置において、
   前記イメージセンサによって取得された画像データに基づいて前記イメージセンサ上に投影された前記光学マークの、前記イメージセンサによって読み取られた画像上に設けられた基準位置に基づく座標位置を算出する信号処理手段と、
   前記光学マークが前記イメージセンサ上の基準位置を通過する個数と前記光学マークの前記イメージセンサ上での座標位置の和に基づいて前記スケールの絶対移動距離を演算する位置演算手段と
   を有することを特徴とする相対位置検出装置。
2. 前記イメージセンサは、前記スケール上の光学マークの少なくとも２つの前記光学マークを検出する光学系を有する請求項１記載の相対位置検出装置。
3. 前記位置演算手段は、前記イメージセンサにより取得した前記画像データより複数の前記光学マークの間隔を求め、得られた前記光学マークの間隔により前記スケールの移動距離を補正する請求項２記載の相対位置検出装置。
4. 前記イメージセンサは、前記スケールに対して相対的な移動方向に複数も設けられ、前記各イメージセンサによって取得された各画像データに基づいて前記信号処理手段により前記各イメージセンサ上の基準位置からの前記光学マークのそれぞれの座標位置を算出し、前記スケール上の前記光学マークの通過数と前記光学マークの各座標位置の和に基づいて前記位置演算手段により前記スケールの絶対移動距離をそれぞれ演算して前記光学マークの間隔の誤差を補正する請求項１〜３のいずれかに記載の相対位置検出装置。
5. 前記スケールに対して相対的な移動方向の異なる位置の前記光学マークの画像が単一の前記イメージセンサに結像される画像結合光学系をそれぞれ設け、複数の位置の前記光学マークを単一の前記イメージセンサにより検出する請求項１又は２に記載の相対位置検出装置。
6. 前記イメージセンサは２次元イメージセンサであり、前記スケールは２次元方向に配列されたスケールである請求項１〜５のいずれかに記載の相対位置検出装置。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の相対位置検出装置を用い、前記スケールを回転体に設け、該回転体の回転速度及び回転位置の検出を行うことを特徴とする回転体走行検出装置。
8. 請求項１〜６のいずれかに記載の相対位置検出装置を有することを特徴とする画像形成装置。

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