JP2018120306A - エンコーダー、ロボットおよびプリンター - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化を図りつつ検出精度を高める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、前記基部に対して回動軸まわりに回動可能に設けられている回動部と、前記回動部に前記回動軸まわりに沿って配置されているマークと、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により前記マークを検出し、その検出結果に基づいて、前記基部に対する前記回動部の回動状態を判断する判断部と、を備えることを特徴とするエンコーダー。
【選択図】図２

Description

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。

エンコーダーの一種として光学式のロータリーエンコーダーが一般に知られている（例えば特許文献１参照）。ロータリーエンコーダーは、例えば、回動可能な関節部を有するロボットアームを備えるロボットにおいて、関節部の回転角度、回転位置、回転数、回転速度等の回転状態を検出する。その検出結果は、例えば、関節部の駆動制御に用いられる。

例えば、特許文献１に記載のエンコーダーは、グレイ符号等の数値パターンおよびストライプ状のパターンが形成されているコード板を撮像素子で読み取り、読み取った数値パターンおよびストライプ状のパターンから位置を検出する。

特開昭６３−１８７１１８号公報

しかし、特許文献１に記載のエンコーダーでは、高い検出精度を実現するためには、高精細なパターンをコード板に形成しなければならず、その結果、高コスト化を招いてしまうという問題があった。また、特許文献１に記載のエンコーダーでは、たとえ、高精細なパターンをコード板に形成したとしても、パターンが汚れ等によりかすれた場合、検出精度が極端に低下してしまうという問題もあった。

本発明の目的は、低コスト化を図りつつ検出精度を高める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。

上記目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のエンコーダーは、基部と、
前記基部に対して回動軸まわりに回動可能に設けられている回動部と、
前記回動部に前記回動軸まわりに沿って配置されているマークと、
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により前記マークを検出し、その検出結果に基づいて、前記基部に対する前記回動部の回動状態を判断する判断部と、を備えることを特徴とする。

このような特徴を有するエンコーダーによれば、テンプレートマッチングを用いてマークを認識して基部に対する回動部の回動状態を判断するため、高精細なマークを用いなくても、撮像素子の撮像画像内でのマークの画像の位置に基づいて、基部に対する回動部の回動状態を高精度に判断することができる。また、マークが汚れ等によりかすれたとしても、撮像素子の撮像画像内でのマークの画像の位置をテンプレートマッチングにより高精度に検出することができる。そのため、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記回動部には、複数の前記マークが配置されており、
前記撮像素子は、前記回動軸まわりの周方向に互いに隣り合う２つの前記マーク全体を包含させて撮像することが好ましい。

これにより、撮像素子が撮像した２つのマークのうちの一方のマーク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、他方のマークを読み取って検出を行うことができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、前記撮像画像の一部の領域に探索領域を設定し、前記探索領域内で前記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、テンプレートマッチングに用いる探索領域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、回動部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、撮像素子とマークとの間に配置されているレンズの収差によって、撮像素子の撮像画像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。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、前記回動部の前記回動軸まわりの角速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能であることが好ましい。

これにより、回動部の回動状態（角速度）に応じた無駄の少ない探索領域を設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域の画素数をより少なくすることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、過去２回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角速度に関する情報を算出することが好ましい。

これにより、回動部の回動状態（角速度）に応じた探索領域を比較的簡単に設定することができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、前記回動部の前記回動軸まわりの角加速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能であることが好ましい。

これにより、回動部の回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じたより無駄の少ない探索領域を設定することができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、過去３回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角加速度に関する情報を算出することが好ましい。

これにより、回動部の回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じた探索領域を比較的簡単に設定することができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向での位置に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向に対して垂直な第２方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能であることが好ましい。

これにより、回動部の回動状態（回動角度）に応じた無駄の少ない探索領域を設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域の画素数をより少なくすることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、前記基部に対する前記回動部の回動角度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記基準画像の姿勢を変更可能であることが好ましい。

これにより、探索領域内でマークの画像の姿勢の変化が大きい場合においても、テンプレートマッチングの演算量を低減しつつ、テンプレートマッチングの精度を高めることができる。

本発明のエンコーダーでは、前記判断部は、前記基部に対する前記回動部の回動角度が設定角度よりも大きいか否かを判断し、その判断結果に基づいて、前記撮像画像内における前記基準画像の姿勢を変更することが好ましい。

これにより、テンプレートマッチングの高精度化を図りつつ、テンプレートマッチングの演算量をより低減することができる。

本発明のロボットは、本発明のエンコーダーを備えることを特徴とする。
このような特徴を有するロボットによれば、エンコーダーの検出精度が高いため、エンコーダーの検出結果を用いて、ロボットの高精度な動作制御を行うことができる。また、エンコーダーが安価であるため、ロボットの低コスト化を図ることもできる。

本発明のプリンターは、本発明のエンコーダーを備えることを特徴とする。
このような特徴を有するプリンターによれば、エンコーダーの検出精度が高いため、エンコーダーの検出結果を用いて、プリンターの高精度な動作制御を行うことができる。また、エンコーダーが安価であるため、プリンターの低コスト化を図ることもできる。

本発明の実施形態に係るロボットを示す側面図である。 本発明の第１実施形態に係るエンコーダーを説明するための断面図である。 図２に示すエンコーダーが備えるマークを説明するための図である。 図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４に示す撮像画像内に設定される探索領域でのテンプレートマッチングを説明するための図である。 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画素分ずれた状態である。 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。 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６に示す状態とは反対側に１画素分ずれた状態を示す図である。 本発明の第２実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（回動部の角速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 図９に示す探索領域（マークの移動軌跡を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 本発明の第３実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（回動部の角速度および角加速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 本発明の第４実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（回動部の回動角度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。 本発明の第５実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域内での基準画像（テンプレート）を説明するための図である。 図１３に示す基準画像の姿勢を変化させた状態を示す図である。 本発明の第６実施形態に係るエンコーダーを説明するための断面図である。 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。

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。

（ロボット）
図１は、本発明の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。

図１に示すロボット１００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。

図１に示すように、ロボット１００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１００の各部を順次簡単に説明する。

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。

基台１１０内には、第１アーム１２０を回動させる駆動力を発生させる第１モーター１１１と、第１モーター１１１の駆動力を減速する第１減速機１１２とが設置されている。第１減速機１１２の入力軸は、第１モーター１１１の回転軸に連結され、第１減速機１１２の出力軸は、第１アーム１２０に連結されている。そのため、第１モーター１１１が駆動し、その駆動力が第１減速機１１２を介して第１アーム１２０に伝達されると、第１アーム１２０が基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに水平面内で回動する。

また、基台１１０および第１アーム１２０には、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出する第１エンコーダーであるエンコーダー１が設けられている。

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。

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。

図示しないが、第２アーム１３０内には、回転モーターおよび昇降モーターが配置されている。回転モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってスプラインナットに伝達され、スプラインナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が鉛直方向に沿う軸Ｊ３まわりに正逆回転する。また、図示しないが、回転モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の回動状態を検出する第３エンコーダーが設けられている。

一方、昇降モーターの駆動力は、図示しない駆動力伝達機構によってボールネジナットに伝達され、ボールネジナットが正逆回転すると、スプラインシャフト１４１が上下に移動する。昇降モーターには、第２アーム１３０に対するスプラインシャフト１４１の移動量を検出する第４エンコーダーが設けられている。

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。

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１００を統括制御する図示しない制御装置まで引き回される。

以上、ロボット１００の構成について簡単に説明した。このロボット１００は、後述する第１ないし第５実施形態のいずれかのエンコーダー１を備える。このエンコーダー１は、後述するように低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。そのため、エンコーダー１の検出結果を用いて、ロボット１００の高精度な動作制御を行うことができる。また、ロボット１００の低コスト化を図ることもできる。

（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１００に組み込む場合の一例について説明する。

＜第１実施形態＞
図２は、本発明の第１実施形態に係るエンコーダーを説明するための断面図である。図３は、図２に示すエンコーダーが備えるマークを説明するための図である。

図２に示すように、前述したロボット１００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。

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。

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。

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１００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。

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。

エンコーダー１は、第１アーム１２０に設けられているマーク部２と、基台１１０に設けられ、マーク部２を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。

マーク部２は、アーム本体部１２１の基台１１０と対向する部分、すなわち、アーム本体部１２１の下面の軸部１２２を囲む部分に設けられている。このマーク部２は、図３に示すように、第１軸Ｊ１とは異なる位置で第１軸Ｊ１まわりに沿って配置されている複数のマーク２１を有する。ここで、マーク２１は、第１アーム１２０の表面に設けられている。これにより、マーク２１を設けるための部材を基台１１０および第１アーム１２０とは別途設ける必要がない。そのため、部品点数を少なくすることができる。なお、マーク２１は、第１アーム１２０の表面に直接設けられている場合に限定されず、例えば、第１アーム１２０の表面に貼着されたシート状の部材に設けられていてもよいし、第１アーム１２０とともに回動するように設けられた板状の部材に設けられていてもよい。すなわち、マーク２１が設けられる部材（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。

本実施形態では、図３に示すように、複数のマーク２１は、第１軸Ｊ１まわりに等間隔に並んで配置されている互いに異なる複数の位置識別マークである。図３に示す複数のマーク２１は、互いに異なるアルファベット（ローマ字）であり、図示では、ＡからＸまでの２４文字がアルファベット順に周方向に等間隔に並んで配置されている。このような各マーク２１の形成方法としては、例えば、レーザーマーキング、印刷、切削、エッチング等が挙げられる。

なお、マーク２１の数および大きさは、必要な分解能、後述する撮像素子３１の解像度等に応じて決められるものであり、図示の例に限定されず、任意である。また、複数のマーク２１同士の周方向での間隔は、等間隔でなくてもよい。また、各マーク２１は、図示のローマ字に限定されず、例えば、数字を用いてもよいし、アラビア文字、漢字等の他の文字を用いてもよいし、文字以外の記号、符号、しるし、標章、図案、文字等を用いてもよい。また、各マーク２１は、判断部５で識別可能なものであればよく、必ずしも人間が識別可能なものである必要はない。例えば、各マーク２１に代えて、１次元バーコードやＱＲコード（登録商標）のようなものを用いてもよい。あるいは周期性がなければ全くランダムな模様でもかまわない。

図２に示すマーク検出部３は、基台１１０内に設けられている撮像素子３１と、基台１１０が有する開口に設けられているレンズ３２と、を有し、撮像素子３１がレンズ３２を介してマーク部２の周方向での一部（図３に示す撮像領域ＲＩ）にあるマーク２１を撮像する。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。

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。

レンズ３２は、結像光学系を構成する。結像光学系としては、等倍光学系、拡大光学系、縮小光学系のいずれも用いることができる。ここで、図３に示すように、撮像素子３１の撮像領域ＲＩは、第１アーム１２０の下面に、マーク部２の周方向での一部に重なるように設定されている。これにより、撮像素子３１は、撮像領域ＲＩ内にあるマーク２１を撮像することができる。したがって、撮像領域ＲＩに位置するマーク２１を読み取ることにより、第１アーム１２０の回動状態を知ることができる。

図２に示す判断部５は、マーク検出部３の検出結果に基づいて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する。この回動状態としては、例えば、回動角度、回動速度、回動方向等が挙げられる。

特に、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像（撮像画像データ）に対して基準画像（基準画像データ）を用いてテンプレートマッチングすることでマーク２１を画像認識する画像認識回路５１を有し、この画像認識回路５１の認識結果を用いて、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する。ここで、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像内でのマーク２１の画像の位置に基づいて、基台１１０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）をより細かく判断することが可能に構成されている。また、判断部５は、マーク２１が検出される時間間隔に基づいて回動速度を求めたり、検出されるマーク２１の種類の順序に基づいて回動方向を判断したりすることも可能に構成されている。そして、判断部５は、前述した判断結果に応じた信号、すなわち、基台１１０および第１アーム１２０の回動状態に応じた信号を出力する。この信号は、例えば、図示しない制御装置に入力され、ロボット１００の動作の制御に用いられる。なお、前述した判断部５の少なくとも一部は、当該制御装置にハードウエアまたはソフトウエアとして組み込まれていてもよい。

また、判断部５は、撮像素子３１の撮像画像の一部（マーク２１の画像を含む部分）を切り取って基準画像（テンプレート）を生成する機能をも有する。この基準画像の生成は、基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断するのに先立って、あるいは、必要に応じて適時、各マーク２１ごとに行われる。そして、生成した基準画像は、各マーク２１に対応して記憶部６に記憶される。そして、判断部５は、記憶部６に記憶されている基準画像（テンプレート）を用いて、テンプレートマッチングを行う。なお、テンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断については、後に詳述する。

ここで、記憶部６には、各マーク２１に対応して、前述した基準画像（基準画像データ）がそれに対応するマーク２１の種類に関する情報（識別情報）、撮像画像内での座標（後述する基準画素の座標）に関する情報、および、第１アーム１２０の回動角度に関する情報（角度情報）とともに記憶されている。このような記憶部６としては、不揮発性メモリ、揮発性メモリのいずれも用いることができるが、電力を供給しなくても情報を記憶した状態を保持することができ、省電力化を図ることができるという観点から、不揮発性メモリを用いるのが好ましい。

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「回動軸」である第１軸Ｊ１まわりに回動可能に設けられている「回動部」である第１アーム１２０と、第１アーム１２０に第１軸Ｊ１まわりに沿って配置されているマーク２１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によりマーク２１を検出し、その検出結果に基づいて、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を判断する判断部５と、を備える。

このようなエンコーダー１によれば、テンプレートマッチングを用いてマーク２１を認識して基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を判断するため、高精細なマーク２１を用いなくても、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に対する第１アーム１２０の回動状態を高精度に判断することができる。また、マーク２１が汚れ等によりかすれたとしても、撮像素子３１の撮像画像内でのマーク２１の画像の位置をテンプレートマッチングにより高精度に検出することができる。そのため、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。なお、「基部」は、基台１１０のマーク検出部３を含む部分であると言えるし、また、「回動部」は、第１アーム１２０のマーク２１を含む部分であると言える。

（テンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断）
以下、判断部５におけるテンプレートマッチングおよびそれを用いた回動状態の判断について詳述する。なお、以下では、回動状態として回動角度を判断する場合を代表的に説明する。

−基準画像の取得−
エンコーダー１では、テンプレートマッチングを用いて基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を判断するのに先立って、当該テンプレートマッチングに用いる基準画像を取得する。この基準画像の取得は、最初のテンプレートマッチングの前に１回行うだけでよいが、その後必要に応じて適時行ってもよい。その場合、テンプレートマッチングに用いる基準画像を、新たに取得した基準画像に更新することができる。

基準画像を取得する際には、第１アーム１２０を基台１１０に対して第１軸Ｊ１まわりに適宜回動させ、撮像素子３１で複数のマーク２１を各マーク２１ごとに撮像する。そして、得られた各撮像画像をトリミングすることにより、各マーク２１ごとの基準画像を生成する。生成された基準画像は、その識別情報、画素座標情報および角度情報とともにこれらに対応付けられて記憶部６に記憶される。以下、図４に基づいて、この点を詳述する。

図４は、図２に示すエンコーダーが備える撮像素子の撮像画像を説明するための図である。

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４に示すように、撮像素子３１の撮像画像Ｇ内に映っている文字「Ａ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ａは、撮像画像Ｇ内を円弧Ｃ１、Ｃ２に沿って移動する。ここで、円弧Ｃ１は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動に伴ってマーク画像２１Ａの図４中下端が描く軌跡であり、円弧Ｃ２は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動に伴ってマーク画像２１Ａの図４中上端が描く軌跡である。また、図４では、マーク画像２１Ａの他に、文字「Ｂ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ｂ、および、文字「Ｘ」を示すマーク２１の画像であるマーク画像２１Ｘが撮像画像Ｇ内に映っている場合を図示している。

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。

例えば、文字「Ａ」を示すマーク２１を検出するための基準画像ＴＡを生成する場合、第１アーム１２０を基台１１０に対して適宜回動させ、マーク画像２１Ａを有効視野領域ＲＵ内の所定位置（図示ではＸ軸方向での中央に設定された中心線ＬＹ上）に位置させる。ここで、マーク画像２１Ａが当該所定位置に位置するときの、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動角度θＡ０は、測定等により事前に取得されている。

このような撮像画像Ｇを、マーク画像２１Ａを包含する必要最小限の範囲となるような矩形の画素範囲でトリミングすることにより、基準画像ＴＡ（文字「Ａ」を示すマーク２１の検出用のテンプレート）を得る。得られた基準画像ＴＡは、記憶部６に記憶される。このとき、基準画像ＴＡは、その画像の種類（図示の場合、文字「Ａ」）に関する識別情報、前述した回動角度θＡ０に関する角度情報、および、基準画像ＴＡの画素範囲における基準画素（図示では左上端の画素）の画素座標である基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）に関する画素情報とともに、これらに対応付けられて記憶される。すなわち、基準画像ＴＡおよびそれに対応する識別情報、角度情報および画素座標情報がテンプレートマッチングに用いる１つのテンプレートセットとなる。

−テンプレートマッチングを用いた回動状態の判断−
次に、図５ないし図８に基づいて、前述したように生成した基準画像ＴＡを用いたテンプレートマッチングおよびについて説明する。

図５は、図４に示す撮像画像内に設定される探索領域でのテンプレートマッチングを説明するための図である。図６は、テンプレートマッチングの際に相関値が最大または最小となる状態から１画素分ずれた状態である。図７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図６に示す状態とは反対側に１画素分ずれた状態を示す図である。

図５に示すように、有効視野領域ＲＵ内にマーク画像２１Ａが存在しているとき、基準画像ＴＡを用いて有効視野領域ＲＵの画像に対してテンプレートマッチングを行う。本実施形態では、有効視野領域ＲＵ全域を探索領域ＲＳとし、探索領域ＲＳに基準画像ＴＡを重ね、探索領域ＲＳに対して基準画像ＴＡを一画素ずつずらしながら、探索領域ＲＳと基準画像ＴＡとの重なり部分の相関値を算出する。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画素ずつ移動され、探索領域ＲＳ全域の画素について、探索領域ＲＳと基準画像ＴＡとの重なり部分の相関値が基準画像ＴＡの基準画素の画素座標ごとに算出される。そして、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。

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。

特に、サブピクセル推定法を用いて、マーク画像２１Ａの画素座標を求める。相関値が最大となる近傍では、図６ないし図８に示すように、マーク２１に対して基準画像ＴＡが重なる。図７に示す状態は、図６、８に示す状態（図７に示す状態から１画素ずれた状態）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７に示す状態のように、マーク２１に対して基準画像ＴＡが完全に一致せずにずれて重なる場合、図７に示す状態をマーク画像２１Ａの画素位置と判断すると、そのずれが誤差となる。このずれは、最大で視野サイズＢとなる。すなわち、サブピクセル推定法を用いない場合、視野サイズＢが最小の分解能（精度）となる。これに対し、サブピクセル推定法を用いると、視野サイズＢごとの相関値を放物線等（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。

このように、判断部５は、撮像画像Ｇの一部の領域である有効視野領域ＲＵに探索領域ＲＳを設定し、探索領域ＲＳ内でテンプレートマッチングを行う。これにより、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数を少なくし、テンプレートマッチングに関する演算時間を短縮することができる。そのため、第１アーム１２０の第１軸Ｊ１まわりの角速度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レンズ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。

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。

そうすると、マーク画像２１Ａは、基準画素座標（ＸＡ０，ＹＡ０）にある基準画像ＴＡに対してＸ軸方向に画素数（ＸＡ１−ＸＡ０）分ずれた位置にあることとなる。したがって、撮像領域ＲＩの中心と第１軸Ｊ１との間の距離を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。

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。

このように回動角度θを求めるに際しては、画素座標（ＸＡ１，ＹＡ１）に隣接する画素の相関値を放物線あるいは放物曲面でフィッティングして最大となる相関値の座標を決定する、いわゆるサブピクセル推定法を用いることもできる。これにより、画素単位よりも細かい分解能で撮像画像Ｇ内でのマーク画像２１Ａの位置を求めることができ、その結果、回動角度θの検出精度を高めることができる。

以上のようなテンプレートマッチングおよびそれを用いた回動角度θの算出を他（文字［Ａ］を示すマーク２１以外）のマーク２１についても同様に行う。ここで、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に少なくとも１つのマーク２１が欠けなく写り、かつ、テンプレートマッチング可能なように各マーク２１に対応した基準画像が登録されている。これにより、テンプレートマッチングが不可能な角度範囲が生じることを防止することができる。

前述した図４では、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に１つのマーク２１が欠けなく写るように、マーク２１および有効視野領域ＲＵが構成されているが、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に複数のマーク２１が欠けなく写るように、マーク２１および有効視野領域ＲＵが構成されていることが好ましい。この場合、任意の回動角度θにおいて、有効視野領域ＲＵ内に写っている複数のマーク２１に対してテンプレートマッチングが可能となるように、互いに隣り合う２つ以上のマーク２１に対応する２つ以上の基準画像を用いてテンプレートマッチングを行う。このとき、当該２つ以上の基準画像が互いに部分的に重なっていてもよい。

すなわち、第１アーム１２０（回動部）には、複数のマーク２１が配置されており、撮像素子３１は、第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの周方向に互いに隣り合う２つのマーク２１全体を包含させて撮像することが好ましい。これにより、撮像素子３１が撮像した２つのマーク２１のうちの一方のマーク２１が汚れ等により正確に読み取ることができなくなっても、他方のマーク２１を読み取って検出を行うことができる。そのため、高精度な検出精度を担保しやすいという利点がある。

＜第２実施形態＞
図９は、本発明の第２実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（回動部の角速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。図１０は、図９に示す探索領域（マークの移動軌跡を考慮して設定した領域）を説明するための図である。

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。

本実施形態は、探索領域の設定範囲が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

前述した第１実施形態では、有効視野領域ＲＵの全域を探索領域ＲＳとして設定した。すなわち、前述した第１実施形態では、有効視野領域ＲＵの全域の画素についてテンプレートマッチングを行って相関値を算出した。ここで、テンプレートマッチングを用いた回動角度θの判断に要する演算時間は、探索領域ＲＳの画素数に比例する。また、回動角度θを求めるのに必要な画素座標は、相関値が最大となる画素座標（サブピクセル推定を用いる場合には、それに隣接する画素座標も必要となる）だけである。したがって、第１実施形態では、場合によっては、演算時間の大部分を無駄な演算に費やしていることとなる。

そこで、本実施形態では、過去の回動角度θの経時変化を利用して、次の撮像においてマーク２１が写る位置を予測し、その位置近傍の限られた画素領域だけを探索領域ＲＳに設定する。このように探索領域ＲＳを設定することにより、テンプレートマッチングに関する演算量を大幅に低減し、演算時間も大幅に短縮することができる。

具体的に説明すると、判断部５は、回動角度θに関する判断結果の情報を各マーク２１ごとに対応させて記憶部６に記憶させる。そして、判断部５は、記憶部６に記憶されている過去の判断結果（回動角度θ）に関する情報を用いて、探索領域ＲＳの位置および範囲を設定（更新）する。

詳述すると、撮像素子３１の撮像タイミングの時間間隔が一定である場合、前回にマーク２１（図示では、文字「Ａ」を示すマーク２１）を撮像して判断した回動角度θをθ１１とし、前々回に当該マーク２１を撮像して判断した回動角度θをθ１２とし、当該マーク２１を今回撮像して判断される回動角度θの予測回動角度をθ１４としたとき、基台１１０に対する第１アーム１２０の回転速度（角速度）が一定であれば、θ１１、θ１２およびθ１４は、下記式（２）で表される。

ここで、式（２）は、図９に示すように、前回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−１と今回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎとの間の中心間距離が、前々回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−２と前回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−１との中心間距離ΔＸに等しくなることを意味する。しかし、実際は、基台１１０に対する第１アーム１２０の回転速度（角速度）が変動することが一般的であるため、その変動分をΔθとし、今回の実際の回動角度θをθ１３としたとき、下記式（３）で表される。

ここで、Δθの最大値が既知であれば、その最大値をΔθとすることで、θ１３の範囲を一義的に決定することができる。また、θ１４が決定すれば、有効視野領域ＲＵ内に存在する基準画像ＴＡの角度情報である回動角度θＡ０からのズレ（θ１４−θＡ０）を決定することもできる。そして、回動角度θＡ０は既知であるため、ズレ（θ１４−θＡ０）に基づいて、有効視野領域ＲＵ内のどの画素範囲に基準画像ＴＡに合致するマーク画像２１Ａがあるかを予測することができる。

θ１３は変動分Δθの幅を有するため、探索領域ＲＳのＸ軸方向での画素範囲Ｌ１は、θ１４を基準として基準画像ＴＡに対応する画素範囲に、少なくとも変動分Δθの幅に相当する画素分を加えた範囲となる。

また、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲は、前述した第１実施形態のように有効視野領域ＲＵのＹ軸方向での全域であってもよいが、第１実施形態のようにマーク画像２１Ａが有効視野領域ＲＵ内を移動する軌跡（円弧Ｃ１、Ｃ２）を直線とみなせる場合、基準画像ＴＡのＹ軸方向での画素範囲またはそれよりも若干大きい範囲とする。また、有効視野領域ＲＵ内での円弧Ｃ１、Ｃ２を直線とみなさない場合、図１０に示すように、有効視野領域ＲＵ内における円弧Ｃ１、Ｃ２のＹ軸方向での画素範囲Ｌ０（最大範囲）に、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲Ｌ２を設定する。

このように探索領域ＲＳを設定することで、有効視野領域ＲＵ内のマーク画像２１ＡのＹ軸方向での位置変化が大きくなっても、適切な探索領域ＲＳを設定することができる。また、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲を有効視野領域ＲＵのＹ軸方向での一部とすることで、テンプレートマッチングの演算量を大幅に減らすことができる。ここで、比較的広範囲に二次元的に画像の探索を行う通常のテンプレートマッチングと異なり、探索領域ＲＳ内でのテンプレートマッチングを主にＸ軸方向に一次元的に行えばよいため、通常のテンプレートマッチングに比べて半分以下の演算量で済む。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、第１アーム１２０（回動部）の第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの角速度に関する情報に基づいて、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳの「第１方向」であるＸ軸方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である。これにより、第１アーム１２０の回動状態（角速度）に応じた無駄の少ない探索領域ＲＳを設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数をより少なくすることができる。

ここで、判断部５は、過去２回以上の回動角度θ（回動状態）の判断結果に基づいて、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０（回動部）の第１軸Ｊ１まわりの角速度に関する情報を算出する。これにより第１アーム１２０の回動状態（角速度）に応じた探索領域ＲＳを比較的簡単に設定することができる。

以上説明したような第２実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

＜第３実施形態＞
図１１は、本発明の第３実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（回動部の角速度および角加速度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。

以下、第３実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、探索領域の設定範囲が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

前述した第２実施形態では、探索領域ＲＳを設定する際、過去２回の回動角度θ（θ１１、１２）に関する情報から予測した直前の第１アーム１２０の角速度のみを用いるため、角速度の変動分Δθの最大値を考慮した大きさの探索領域ＲＳを設定する必要がある。

本実施形態では、探索領域ＲＳを設定する際、過去３回以上の回動角度θに関する情報を用いる。これにより、第１アーム１２０の角速度に加えて角加速度も簡単な計算で予測することができる。このように角加速度を用いれば、前述した式（３）のΔθが一義的に決まるため、θ１３も一つの値に決定することができる。なお、この決定したθ１３は、あくまで予測値であるため、テンプレートマッチングを行って実際の高精度な回動角度θを求める必要はある。

例えば、図１１に示すように、前回（ｎ−１回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−１と前々回（ｎ−２回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−２との中心間距離ΔＸが、前々回（ｎ−２回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−２と３回前（ｎ−３回目）の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎ−３との中心間距離ΔＸ１よりも大きい場合、前回の撮像によるマーク画像２１Ａｎ−１と今回の撮像によるマーク画像２１Ａであるマーク画像２１Ａｎとの中心間距離ΔＸ２は、中心間距離ΔＸよりも大きくなる。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、第１アーム１２０（回動部）の第１軸Ｊ１（回動軸）まわりの角加速度に関する情報に基づいて、撮像画像内における探索領域ＲＳの「第１方向」であるＸ軸方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である。これにより、第１アーム１２０の回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じたより無駄の少ない探索領域ＲＳを設定することができる。

ここで、判断部５は、過去３回以上の回動角度θ（回動状態）の判断結果に基づいて、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０（回動部）の第１軸Ｊ１まわりの角加速度に関する情報を算出する。これにより、第１アーム１２０の回動状態（角速度）の変化（角加速度）に応じた探索領域ＲＳを比較的簡単に設定することができる。

以上説明したような第３実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

＜第４実施形態＞
図１２は、本発明の第４実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域（回動部の回動角度を考慮して設定した領域）を説明するための図である。

以下、第４実施形態について説明するが、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

本実施形態は、探索領域の設定範囲が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

前述した円弧Ｃ１、Ｃ２は、撮像領域ＲＩの中心と第１軸Ｊ１との間の距離ｒを基に計算で求めることが可能であるし、また、距離ｒが正確にわからなくても、第１アーム１２０を回動させながら撮像素子３１での撮像を行うことで予め知ることが可能である。事前に円弧Ｃ１またはＣ２がわかっていれば、前述した回動角度θ１３を求めた後、円弧Ｃ１またはＣ２上の回動角度θ１３に相当する画素座標をマーク画像２１Ａの予測画素座標（予測位置）として、基準画像ＴＡの画素サイズよりも所定範囲だけ大きい画素範囲を探索領域ＲＳとして設定することができる。この場合、探索領域ＲＳのＹ軸方向での画素範囲Ｌ２を最小限（例えば、基準画像ＴＡの画素サイズに対して上下１画素拡張する程度）にすることができる。これにより、探索領域ＲＳの画素数をさらに少なくして、演算量を削減することができる。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳのＸ軸（第１方向）での位置に基づいて、撮像画像Ｇ内における探索領域ＲＳのＸ軸方向に対して垂直なＹ軸方向（第２方向）での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である。これにより、第１アーム１２０の回動状態（回動角度）に応じた無駄の少ない探索領域ＲＳを設定し、テンプレートマッチングに用いる探索領域ＲＳの画素数をより少なくすることができる。

以上説明したような第４実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

＜第５実施形態＞
図１３は、本発明の第５実施形態に係るエンコーダーにおける探索領域内での基準画像（テンプレート）を説明するための図である。図１４は、図１３に示す基準画像の姿勢を変化させた状態を示す図である。

以下、第５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。

本実施形態は、テンプレートマッチングにおける基準画像に角度補正を適宜行う以外は、前述した第１ないし第４実施形態と同様である。

前述したように、有効視野領域ＲＵ内のマーク２１の画像は、円弧Ｃ１、Ｃ２に沿って移動するため、当該画像の位置によっては、当該画像の姿勢がＸ軸またはＹ軸に対して傾く。また、基準画像ＴＡに対してマーク２１の画像の傾きが大きくなると、テンプレートマッチングの誤差が大きくなり（例えば、位置が一致していたとしても相関値が小さくなり）、回動角度の判断精度の低下を招く。このような回動角度の判断精度の低下を防止する方法として、前述したように探索領域ＲＳ内で１画素ずつ基準画像ＴＡをずらしながら基準画像ＴＡの画素位置ごとに相関値を求めた後、相関値が所定値以上となるいくつかの画素位置について、例えば基準画像ＴＡの姿勢（角度）を少しずつ変更しながら相関値を計算し直し、相関値が最大となる画素位置および角度を決定することが考えられる。しかし、この方法では、演算量が激増してしまう。

そこで、本実施形態では、有効視野領域ＲＵ内でのマーク２１の画像の傾きは、回動角度θに応じて変化することに着目し、例えば前述した第２実施形態または第３実施形態と同様にして求めた回動角度θ１３に基づいて、基準画像ＴＡの姿勢を変更（以下、「傾き補正」ともいう）する。回動角度θ１３がわかれば、基準画像ＴＡの補正すべき傾斜角度βが一義的に決まり、基準画像ＴＡを一回傾き補正する演算を追加するだけで済む。この追加する演算による演算量のわずかな増加はあるが、回動角度θの判断精度を高めることができる。

ところで、前述した実施形態では、基準画像ＴＡの基準画素を左上端画素に設定した場合を説明したが、本実施形態のように基準画像ＴＡの傾き補正を行う場合においては、図１３に示すように、基準画像ＴＡのできるだけ中心ＣＰに近い画素を基準画素に設定し、その基準画素を基準（中心）として基準画像ＴＡを傾斜角度β回転させて傾き補正を行うことが好ましい。これにより、基準画像ＴＡの傾き補正に起因する基準画像ＴＡの位置ずれを低減することができる。なお、中心ＣＰを基準として基準画像ＴＡの拡大または縮小する補正を行ってもよい。

また、基準画像ＴＡの傾き補正を行うに際しては、基準画像ＴＡの外周に所定幅分の画素を追加して基準画像ＴＡの画素範囲を拡張した上で、その画素範囲を傾き補正に応じた角度（傾斜角度β）回転させ、その回転後の画素範囲を元の基準画像ＴＡの画素範囲の大きさでトリミングすることが好ましい。これにより、図１４に示すように、傾き補正後の基準画像ＴＡに画素欠陥が生じるのを低減することができる。なお、基準画像ＴＡに画素欠陥が生じたとしても、検出精度が低下するが、テンプレートマッチングが不可能となるわけではない。また、基準画像ＴＡを傾き補正しなくても、探索領域ＲＳを傾き補正することで、演算量の増加が大きくなるが、同様に判断精度を高めることができる。

また、このような基準画像ＴＡの傾き補正は、基準画像ＴＡの画素位置ごとに行ってもよいが、マーク２１の傾きが小さい場合、基準画像ＴＡの傾き補正を行わなくても、回動角度θの判断精度にほとんど影響がない。そこで、例えば、前述したようにθ１３を予測したとき、その予測したθ１３が所定角度以下か否かを判断し、所定角度よりも大きい場合に基準画像ＴＡの傾き補正を行い、一方、所定角度以下である場合に基準画像ＴＡの傾き補正を省略して演算時間を短縮する。

以上のようなことから、本実施形態では、判断部５は、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０（回動部）の回動角度θ１３に関する情報に基づいて、撮像画像Ｇ内における基準画像ＴＡの姿勢を変更可能である。これにより、探索領域ＲＳ内でマーク２１の画像の姿勢の変化が大きい場合においても、テンプレートマッチングの演算量を低減しつつ、テンプレートマッチングの精度を高めることができる。

また、判断部５は、基台１１０（基部）に対する第１アーム１２０（回動部）の回動角度θ１３が設定角度よりも大きいか否かを判断し、その判断結果に基づいて、撮像画像Ｇ内における基準画像ＴＡの姿勢を変更する。これにより、テンプレートマッチングの高精度化を図りつつ、テンプレートマッチングの演算量をより低減することができる。

＜第６実施形態＞
図１５は、本発明の第６実施形態に係るエンコーダーを説明するための断面図である。

以下、第６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。

本実施形態は、エンコーダーが有するマークの設置位置およびそれに関する構成が異なる以外は、前述した第１実施形態と同様である。

図１５に示すロボット１０Ｄは、基台１１０に対する第１アーム１２０の回動状態を検出するエンコーダー１Ｄを備える。このエンコーダー１Ｄは、第１アーム１２０の軸部１２２の周面に設けられているマーク部２Ｄと、基台１１０に設けられ、マーク部２Ｄが有するマーク（図示せず）を検出するマーク検出部３と、マーク検出部３の検出結果に基づいて基台１１０および第１アーム１２０の相対的な回動状態を判断する判断部５と、判断部５に電気的に接続されている記憶部６と、を有する。

マーク部２Ｄは、図示しないが、軸部１２２の外周面に周方向に沿って配置されている複数のマークを有する。この複数のマークは、例えば、前述した第１実施形態のマーク２１と同様のマークを用いることができる。すなわち、軸部１２２の周面（円筒面）には、文字、数字、記号等の識別し得る複数のマークが周方向に沿って並んで配置されている。なお、マーク部２Ｄが有するマークは、軸部１２２の表面に直接設けられていてもよいし、軸部１２２に取り付けられた円筒状の部材に設けられていてもよい。

本実施形態では、マーク検出部３が有する撮像素子３１およびレンズ３２は、マーク部２Ｄのマークを検出し得るように配置されている。すなわち、マーク部２Ｄのマークとマーク検出部３とが並ぶ方向が第１軸Ｊ１に交差する方向（本実施形態では直交する方向）である。これにより、マーク部２Ｄのマークおよびマーク検出部３を第１軸Ｊ１に近づけることができる。その結果、基台１１０の小型化や軽量化を図ることができる。

また、このようなエンコーダー１Ｄでは、軸部１２２の外周面に撮像素子３１の撮像領域が設定される。そして、前述した第１実施形態と同様にテンプレートマッチングを行う。その際、マーク部２Ｄのマークは、軸部１２２の外周面に設けられているため、軸部１２２の回動に伴って当該撮像領域内を一定の姿勢のまま直線的に移動する。そのため、テンプレートマッチングを行う際に、当該撮像領域内での当該マークの姿勢に応じて基準画像（テンプレート）の向きを変化させる必要がなく、基準画像を一方向に移動させるだけで済むため、テンプレートテンプレートマッチングの演算量を少なくすることができるという利点がある。

ただし、軸部１２２の外周面は湾曲しているため、レンズ３２が拡大光学系や縮小光学系である場合、レンズとの距離が変化することにより撮像素子３１の撮像領域内におけるマーク部２Ｄのマークの大きさが当該撮像領域内の位置に応じて変化してしまう。したがって、テンプレートマッチングに際しては、その精度を高める観点から、基準画像の拡大または縮小を行うことが好ましい。また、そのような基準画像の拡大または縮小を行わなくても、そのようなマーク部２Ｄのマークの大きさの変化がないとみなせる小さい範囲に探索領域を設定するか、または、撮像素子３１の探索領域内におけるマーク部２Ｄのマークの大きさが変化しないようにレンズ３２を設計することで、高精度なテンプレートマッチングを行うことが可能である。

以上説明したような第７実施形態によっても、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。

（プリンター）
図１６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。

図１６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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

レーザースキャナー装置１００７は、画像の記録されたシートＳを部分的に切り抜く、もしくは分断するように設けられている。レーザースキャナー装置１００７のレーザー発振器１４０１によって発振されたレーザー光は、エンコーダー１を含む駆動装置１４０２、１４０６、１４０８によって位置または回転位置（角度）を制御された第１レンズ１４０３および第１ミラー１４０７や第２ミラー１４０９などを経由し、被加工物であるシートＳに照射される。このように、シートＳに照射されるレーザー光ＬＡは、各駆動装置１４０２、１４０６、１４０８によって照射位置が制御され、シートＳ上の所望の位置に照射することができる。シートＳは、レーザー光ＬＡの照射された部分が溶断され、部分的に切り抜かれるか、もしくは分断される。

以上のようなプリンター１０００は、エンコーダー１を備える。このエンコーダー１は、前述したように、低コスト化を図りつつ検出精度を高めることができる。そのため、エンコーダー１の検出結果を用いて、プリンター１０００の高精度な動作制御を行うことができる。また、プリンター１０００の低コスト化を図ることもできる。

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。

また、前述した実施形態では、ロボットの基台を「第１部材」または「基部」、第１アームを「第２部材」または「回動部」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「第１部材」または「基部」、他方を「第２部材」または「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。

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。

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つであったが、アームの数は、これに限定されず、例えば、１つまたは３つ以上でもよい。

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。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。

また、前述した実施形態では、本発明のロボットの一例として、水平多関節ロボットを例に説明したが、本発明のロボットは、相対的に回動する２つの部材を有すれば、垂直多関節ロボット等の他の形式のロボットであってもよい。

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。

１…エンコーダー、２…マーク部、３…マーク検出部、５…判断部、６…記憶部、２１…マーク、２１Ａ…マーク画像、２１Ａｎ…マーク画像、２１Ａｎ−１…マーク画像、２１Ａｎ−２…マーク画像、２１Ａｎ−３…マーク画像、２１Ｂ…マーク画像、２１Ｘ…マーク画像、３１…撮像素子、３２…レンズ、５１…画像認識回路、１００…ロボット、１１０…基台（基部）、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（回動部）、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、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、Ａ…マーク２１画像、Ｃ１…円弧、Ｃ２…円弧、ＣＰ…中心、Ｄｓ…搬送方向、Ｇ…撮像画像、Ｊ１…第１軸（回動軸）、Ｊ２…第２軸、Ｊ３…軸、Ｌ０…画素範囲、Ｌ１…画素範囲、Ｌ２…画素範囲、ＬＡ…レーザー光、ＬＹ…中心線、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、Ｓｃ…搬送経路、Ｓｅ…センサー、ＴＡ…基準画像、ΔＸ…中心間距離、ΔＸ１…中心間距離、ΔＸ２…中心間距離、β…傾斜角度

Claims (12)

1. 基部と、
   前記基部に対して回動軸まわりに回動可能に設けられている回動部と、
   前記回動部に前記回動軸まわりに沿って配置されているマークと、
   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により前記マークを検出し、その検出結果に基づいて、前記基部に対する前記回動部の回動状態を判断する判断部と、を備えることを特徴とするエンコーダー。
2. 前記回動部には、複数の前記マークが配置されており、
   前記撮像素子は、前記回動軸まわりの周方向に互いに隣り合う２つの前記マーク全体を包含させて撮像する請求項１に記載のエンコーダー。
3. 前記判断部は、前記撮像画像の一部の領域に探索領域を設定し、前記探索領域内で前記テンプレートマッチングを行う請求項１または２に記載のエンコーダー。
4. 前記判断部は、前記回動部の前記回動軸まわりの角速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である請求項３に記載のエンコーダー。
5. 前記判断部は、過去２回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角速度に関する情報を算出する請求項４に記載のエンコーダー。
6. 前記判断部は、前記回動部の前記回動軸まわりの角加速度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の第１方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である請求項４または５に記載のエンコーダー。
7. 前記判断部は、過去３回以上の前記回動状態の判断結果に基づいて、前記角加速度に関する情報を算出する請求項６に記載のエンコーダー。
8. 前記判断部は、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向での位置に基づいて、前記撮像画像内における前記探索領域の前記第１方向に対して垂直な第２方向での位置および長さのうちの少なくとも一方を変更可能である請求項４ないし７のいずれか１項に記載のエンコーダー。
9. 前記判断部は、前記基部に対する前記回動部の回動角度に関する情報に基づいて、前記撮像画像内における前記基準画像の姿勢を変更可能である請求項１ないし８のいずれか１項に記載のエンコーダー。
10. 前記判断部は、前記基部に対する前記回動部の回動角度が設定角度よりも大きいか否かを判断し、その判断結果に基づいて、前記撮像画像内における前記基準画像の姿勢を変更する請求項９に記載のエンコーダー。
11. 請求項１ないし１０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ロボット。
12. 請求項１ないし１０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。

Images