JP3683375B2 - ロータリエンコーダ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、読取装置で読み取ったビットマップ形式の画像データの位置誤差を測定する装置に好適なロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学的リニアスケールとして、例えばオーム社から出版された「サーボセンサの基礎と応用」（大島康次郎、秋山勇治共著）〔昭和６３年２月２０日発行〕が知られている。この刊行物に記載された技術を図１３ないし図１５を参照して説明する。
【０００３】
ここではリニアスケールの一例としてポジションスケールを例に挙げている。
【０００４】
例に挙げられたリニアスケールは、図１３に示すように全く等しいピッチの明暗の格子をもった２枚１組のメインスケール８１とインデックススケール８２とからなるガラススケール８３と、そのスケール８３を照明するＬＥＤからなる光源８４と、スケール８３を透過した光を検知するフォトダイオード８５から構成される。通常はインデックスケール８２が固定され、メインスケール８１が移動するが、その移動に連れてフォトダイオード８５の出力が変化する。
【０００５】
図１４（ａ）に示すように２枚のガラスの透過部が一致したとき、出力は最大となり、透過部とクロム蒸着された不透明部８６が重なったときには、出力は理想状態では０となる。したがって、その出力波形は理想的には図１４（ｂ）に示したような光量変化となるが、実際には明暗の格子ピッチが８μｍと小さいため、光の回折の影響やクロム烝着面での反射の影響があり、図１４（ｃ）に示すような出力波形のように近似正弦波の形で出力される。この出力波形の山の間隔がスケールのピッチに相当するので、山の数を数えることにより移動量を知ることができる。これがポジションスケールの基本原理であるが、実際には図１３のフォトダイオードＡ，Ｂ，／Ａ，／Ｂ（なお、「／」は反転を示す。）の４個を用いて各種の処理が行われている。
【０００６】
Ａ，Ｂ，／Ａ，／Ｂのおのおのに対応するインデックススケール８２の格子は、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相関係になっている。これをＡと／Ａ、Ｂと／Ｂを組み合わせて差動方式で検出し、スケール８２の汚れや光量変化に対して強くなるように設定し、信頼性を高めている。このようにして得られた信号をおのおの改めてＡ、Ｂとし、さらに電気的に反転された信号をそれぞれ／Ａ、／Ｂとする。そして、これらの信号を用いてさらに細かい寸法まで読み取るための処理が実行されている。
【０００７】
スケール８３の移動方向は図１５に示すようにＡ信号とＢ信号のどちらの信号の位相が進んでいるかを知ることで判定できる。スケール８３のピッチよりも細かく読む手法としては、Ａ信号だけ用いると基準レベルを下からよぎるときと上からよぎるときの両方をとらえて４μｍ単位で読める。さらにＢ信号を用いると２μｍまで読める。これ以上細かく読むためには、ＡとＢの信号を用いて４５°位相差の信号、Ｂと／Ａの信号から１３５°位相差の信号を作る必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記リニアスケールにおいては、光源（ＬＥＤ）８４の発する光をコリメートレンズ８７で平行光線にしてメインスケール８１とインデックススケール８２の重なりを通過してくる光を受光素子で検出するようにしているので、微細かつ高精度のメインスケール、インデックススケール、および精密なコリメートが必要になる。その結果、当然コストも高くなってしまう。
【０００９】
そこで、本出願人は微細かつ高精度のスリットを作ったり、受光素子の受光部のサイズを小さくしたり、インデックススケールなどの補助手段を使用することなく、安価で高分解能のロータリエンコーダを提供するために特願平８−２１６４９９号を提案した。この発明に係るロータリエンコーダは、円盤の周辺部に配置した曲線を読み取った画像データの半径方向の重心の位置を計算して円盤の回転位置、速度などを検出するようにしたものである。
【００１０】
ところが、このように円盤の周辺部に配置した曲線を読み取るようにすると、円盤の中心がずれると、そのずれに応じて曲線の位置が線状に配列された画像の読み取り素子から見ると円盤の半径方向にずれることになる。この発明では、曲線を読み取った画像データの半径方向の重心を計算することによって回転位置や速度を求めているので、このようにもし円盤にずれが生じると、回転の位置や速度の変化と同様の影響を重心の測定結果にもたらすことになる。すなわち、円盤の中心のずれは、円盤の回転位置および速度に対するノイズとして測定精度を低下させることになる。
【００１１】
一般に、円盤に軸と取り付ける際、厳密に軸の偏心がないようにするのは非常に難しく、あるいは、偏心のないようにするには厳密な調整を行う必要があり、このような要求に応えるには、どうしても製造コストが高くなってしまう。また、たとえ軸を正確に中心に取り付けることができたとしても、軸と軸受けとの間に隙間があるので、軸に加わる荷重によって軸は特定の方向から力を受け、どうしても偏心が生じることになる。
【００１２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、円盤の回転中心の変動による測定精度の低下を防止することができるロータリエンコーダを提供することにある。また、第２の目的は、円盤の回転中心が偏心しても測定精度が劣化しないロータリエンコーダを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、第１の手段は、回転板に所定の模様を形成し、その模様を読み取り手段によって読み取って制御演算装置によって回転板の回転角度または角速度に変換するロータリエンコーダにおいて、前記回転板の回転の偏心量を検出する手段と、前記偏心量を検出する手段によって検出された偏心量に基づいて前記読み取り手段によって読み取ったデータを補正する手段と、この補正する手段によって補正されたデータに基づいて回転板の回転角度または角速度に変換する手段とを備え、前記模様が、半径方向と常にあらかじめ設定された角度で交差し、その交点と中心との距離が半径の回転に対して連続して変化する所定長さの曲線が円盤の周辺部に複数個回転対称に形成されたパターンからなり、前記読み取り手段が、前記円盤の前記曲線と形成した部分と対向し、かつ前記円盤の半径方向に伸びたラインセンサと、前記パターンの画像を前記ラインセンサの受光部に結像する光学手段と、前記ラインセンサを制御して前記パターンの画像をあらかじめ設定した一定の時間間隔で読み取る手段とからなることを特徴としている。
【００１４】
第２の手段は、上記第１の手段において、 前記制御演算装置が、前記記読み取り手段によって読み取った画像データの前記曲線とその周辺の地肌部に対応する連続した領域を設定する手段と、前記領域を画素の整数個分ずつ順次移動させて設定し直す手段と、前記曲線の位置があらかじめ設定した場所に来たとき前記連続した領域を所定画素分ラインセンサの長さ方向に移動させ、隣接して配置されている前記曲線の画像を含む領域に再設定する手段と、領域が設定されるごとにその領域における前記曲線の位置を演算する手段と、領域の移動前後における前記曲線の移動量を演算する手段とからなることを特徴としている。
【００１５】
第３の手段は、上記第２の目的を達成するため、第１の手段におけるする偏心量を検出する手段を、円盤に設けられた曲線のパターンの回転中心を中心とする円のパターンと、この円のパターンを読み取る曲線の画像を読み取るラインセンサと一体となったセンサと、このセンサによって読み取った円のパターンの位置を得る手段とから構成したことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
１．測定原理
図１は、本出願の測定原理を典型的な場合を前提にして説明するための図である。図の主走査と書いた矢印１０１は線順次で画像を読み取る装置が同時に読み取る１ラインの画像の画素の並びと、この並列のデータを直線のデータに変換したときの時間軸上の順序を示す。図の副走査と書いた矢印１０２は主走査の１列が読み取る範囲を順次移動させながら読み取って行く方向を示している。移動する手段としては、原稿の画像を光電変換素子に投影するミラー、照明ランプなどを機械的に移動させるもの、原稿を移動させるもの、光電変換素子とその結像光学系を一体にして移動させるものなどがある。ここではこの主走査方向と副走査方向に平行な線で囲まれたそれぞれの４角形を画素ということにする。画素によって構成される平面は、原稿の画像を電気信号に変換されたデータが原稿の画像の写像がそのまま並んでいるというイメージでとらえることができ、ビットマップということもある。読み取り装置からリアルタイムで出力されるときには、主走査、副走査の方向が時間的な順序を示すが、出力されたデータをメモリに取り込んだ状態では、それぞれの画素を任意にアクセスすることも可能であり、主走査、副走査、時間の順序にとらわれない扱いも可能になる。
【００１９】
図１は主走査と副走査の画素サイズが等しい場合で、副走査方向の走査速度が変動するときと、一定速度で４５°の斜線を読み取るときに光電変換装置に投影されるが、像を全く劣化のないかたちでビットマップに対応させて示したものである。すなわち、ａは副走査方向の読み取りのタイミングを制御するクロックに対応する所定の一定速度で走査したときで、ビットマップにも４５°の像ができる。ｂは速度が変動するときの像で、速度に応じて傾きが異なってくる。
【００２０】
つまり、Ａ−Ｂは副走査方向の走査速度が０のときで、副走査方向の読み取りのタイミングを制御するクロックにより副走査方向のビットマップのアドレスが進んでも原稿を読み取っている位置が変わらないため、副走査方向に平行な線になってしまう。
【００２１】
Ｂ−Ｃは副走査方向の走査速度が所定の速度の１／２のときで、ビットマップのアドレスが進んでも、その半分しか進まない位置の画像を読んでいることになり、画像の副走査方向の線との角度はｔａｎθ＝０．５から、約２６．５７°である。
【００２２】
Ｃ−Ｄは所定の速度で走査しているときで、傾きは４５°である。同様にＤ−以降は走査速度が１．５倍の場合で、その角度は約５６．３１°である。つまり、走査速度によって像の傾きが異なること、言い換えれば斜線の主走査方向への移動量が、副走査方向の移動速度に対応することを測定原理として副走査方向の移動速度のムラ、ミラー、レンズ、光電変換装置の振動などに起因するビットマップ画像の画素の位置誤差を計測する。
【００２３】
以上、正方形の画素を持ち、４５°の線を使用した場合で説明したが、画素が正方形でなく、例えば、主走査の分解能４００ｄｐｉ、副走査の分解能６００ｄｐｉといった読み取り装置の画像データに適用することもでき、４５°以外の斜線を用いても同様に、斜線の画像の主走査方向への移動量が副走査方向の読み取り方向の速度に依存するという関係は成立するので、画素の位置誤差を計測することができる。
【００２４】
２．システム構成
図２は信号処理部のシステム構成を示すブロック図である。同図において信号処理部は、ＰＤ１、フォトアンプ２、サンプル・ホールド回路３、セレクト回路４、Ａ／Ｄ変換回路５、メモリ６、偏心量演算回路７、位置誤差演算回路８および制御部９から基本的に構成されている。
【００２５】
ＰＤ１はフォトダイオードで、一列に並んでラインセンサ４５ａを形成している。各ＰＤ１の出力はそれぞれのフォトアンプ２に入力され、所定の信号レベルまで増幅される。増幅された信号はサンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路３に入力される、サンプル・ホールド回路３の出力はセレクト回路４に入力される。セレクト回路４は入力された多数の信号の中から１つを選択してアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路５に入力する。デジタル信号に変換された信号はメモリ６に書き込まれる。位置誤差演算回路８は重心を計算するウインドウを設定し、ウインドウに対応するメモリ６に書き込まれた斜線のデータを使って誤差、速度、位置等を求めて出力する。さらに詳しくは、このメモリ６には、曲線ｃと後述の円５０を読み取った画像データが書き込まれる。曲線（斜線）ｃの部分の重心は、後述の「４．ウィンドウのデータと重心の計算」の項で説明するようにして計算される。並行して円５０の一部を読み取った画像データのラインが１つ進むごとに行われる。そして、円５０の画像データから得られた曲線（斜線）ｃ間の重心の変化を求め、これを偏心による曲線ｃの画像を移動量と考え、偏心量演算回路７で同じ１ライン進むときの曲線ｃの重心の変化量から偏心によって移動する量を減算して偏心による曲線ｃの重心の変化を補正する。そして、位置誤差演算回路８で補正された曲線の重心の移動から円盤の回転位置および速度を演算して出力する。
【００２６】
制御部９はシステム全体を統合して動作させるのに必要なデータやタイミング信号などをそれぞれのブロックに与えたり取得したりする。シェーディング補正を行うためのデータを取得するモードでは、斜線Ｌ（曲線ｃ）または原点Ｏを読んでいない位置に読み取りユニットがあることを確認し、フォトアンプ２のゲインを全て一定にし、サンプル・ホールド回路３、セレクト回路４およびアナログ・デジタル変換回路５を制御してラインセンサ４５ａ全体のデータをメモリ６を介して取得し、シェーディング補正を行うためのそれぞれのフォトアンプ２のゲインの設定値を求めて不揮発性メモリ６に保持させる。測定を行うモード時には、シェーディング補正を行うためのゲインを、ゲインをセットするモードを指定してそれぞれのフォトアンプ２にセットする。必要な補正量をアンプ２のゲインとして与えることにより、それ以降はシェーディング補正された読み取りデータが得られる。
【００２７】
ラインセンサ４５ａの各画素のデータを同じタイミングで、かつ同じ間隔で得るため、制御部８は内部の水晶振動子の発振周波数から作ってサンプル・ホールド回路３を制御する信号を出力する。この時間間隔はウインドウの重心がこの時間間隔の前後でいくら移動するかを求めることによって測定を行うので、非常に重要な役割を果たすものである。通常、水晶発振子を用いれば十分な精度が得られる。
【００２８】
セレクト回路（セレクタ）４で信号を選択して順次アナログ・デジタル変換を行うのは、アナログ・デジタル変換器（回路）５の数を少なくしてコストを下げるためである。フォトダイオード１は高速で読み取りが可能であり、ＣＣＤと比べれば通常Ｓ／Ｎは高いので高精度かつ高速な測定が可能であるが、この例ではセレクタ４で順次に読み取るので、次に説明する例に比較すれば速度の点では劣ることが不利な点ではある。
【００２９】
図３はこの実施形態における他の例を示すシステム構成を示すブロック図である。この実施形態では、セレクタ４を使用することなくＡ／Ｄ変換器１０をラインセンサ４５ａの画素の分だけ備えたもので、これによって前述の形態よりも高速対応性に優れている。なお、前記の例と本例では、Ａ／Ｄ変換器５，１０が１個であるものと画素の分の個数を有するものと両極端になっているが、所定数のＡ／Ｄ変換器９とセレクタ４によって複数の群に分けて処理することにより、これらの形態の中間の速度のシステムを構成することもできる。
【００３０】
図４はこの実施形態におけるさらに他の例を示すもので図でＣＣＤを使用した例である。光電変換装置はラインＣＣＤ１１で、ＣＣＤ１１の受光部に結像された原稿の画像と、測定用パターンの画像が電気信号に変換される。電気信号に変換された画像はＡ／Ｄ変換器１２で、デジタルの多値の画像データに変換される。変換されたデータは、シェーディング補正部１３で照明の不均一さ、レンズ周辺光量の低下、光電変換装置の画素間の感度の違いなどを補正するシェーディング補正を行う。シェーディング補正には、光電変換装置が読み取った基準濃度板２９のデータが使用される。シェーディング補正された画像データは図２および図３に示した例と同様にして処理される。
【００３１】
なお、ＣＣＤ１１を使用することのメリットは価格が安いことである。高速性やＳ／Ｎの点ではフォトダイオードアレイの方が好ましい。したがって、この例では、性能よりもコストを重視した構成となる。すなわち、この実施形態では、ラインセンサを使用し、複数のラインのデータを使い、重心の演算なども行うので、受光素子の数を含め、メモリ、演算素子などの電子部品は多くなる。しかし、どれも集積回路の技術により素子が多くなっても小型かつ安価に提供することができる。
【００３２】
３．位置誤差測定処理
図５は図１と同様のビットマップに斜線の画像データａがあるときの位置誤差の測定を行うときの処理を説明するためのものである。Ｗ1 は画像データの位置を求めるための演算を行う１１×３のウインドウである。ウインドウ内のデータの位置を求めるため、主走査方向における重心を演算する。この演算では、順次ウインドウの位置をＷ2,Ｗ3 ・・・と移動させながら重心を求める。重心の主走査方向の位置は４５°の線の場合、画素の位置がなんらかの誤差要因で移動することがなければ、ウインドウを図のように移動させた場合、主走査方向に１画素分ずつ移動するはずである。画素の移動量が１画素分と異なる場合は、何らかの原因で画素の位置が変動したことになり、位置誤差を求めることができる。位置誤差の主要な要因が副走査方向の走査速度のムラによることが分かっている場合には、位置誤差のデータか速度ムラにデータを変換することは容易である。
【００３３】
重心を求めるのに周辺の画素のデータを含む多数の画素データを使っているので、ＣＣＤ固有のノイズを始めとしてさまざまなノイズが画像データに含まれるが、重心を求める過程でノイズの影響が軽減され、Ｓ／Ｎの高い測定が可能になっている。通常、ウインドウの画素の数が多いほどＳ／Ｎは高くなる。
【００３４】
ウインドウの形状は主走査方向の重心を求めることから、主走査側に大きいことが望ましい。副走査方向は１としても測定可能である。
【００３５】
図６は斜線の数が複数あって複数の斜線ａ1 ，ａ2 ，ａ3 を使用して位置誤差を測定する場合のウインドウの移動とそれに伴う処理を説明するものである。図５の例と同様にウインドウを順次移動させ、あらかじめ設定したおいたＷn に達したとき、その次のウインドウとしてＷn+1 に移動させる。移動する前後の斜線のパターンａ1 とａ2 の間隔は測定用チャートを作成する段階で決めておき、その間隔の値を主走査方向の重心の移動を計算するときに補正する。Ｗn+1 、Ｗn+2 、Ｗn+3 ・・・と移動させる。パターン間の間隔を画素サイズの整数倍に設定しておくと、ウインドウをジャンプさせたときの補正が簡単であり、測定に先立って測定装置にこの補正量を入力するときにも便利である。
【００３６】
この例ではウインドウを１画素ずつ移動させているが、画素の位置誤差を起こす原因となる振動などの周波数帯域が低い場合は、ウインドウを２画素以上ずつ移動させても良い。こうすることによって測定に要する時間短くすることができる。
【００３７】
また、複数の斜線を使って位置誤差を測定するようにすれば、読み取り装置の読み取り範囲が縦長であっても副走査方向の全域にわたっての測定が可能になる。さらに、主走査方向の狭い幅のなかだけで測定するようにすれば、主走査方向における中央部とか、手前とか、奥側とかに分けて位置誤差を測定することも可能になる。
【００３８】
これらの図からも明らかなように、本願では高い分解能で位置誤差を測定する場合でも、それに応じて斜線のパターンを細くする必要は全くなく、システムのＭＴＦの制約の影響を受けない幅の広いパターンを使うことができるという特徴がある。幅の広いパターンを使えば、それに応じてウインドウも大きくなり、結果として測定の精度を上げることができる。なお、処理速度、リアルタイム処理を行う場合は、バッファのサイズ、回路規模の経済性などとのバランスでパターンの幅を設定すればよい。
【００３９】
なお、他の例として、幅の広い線のパターンを用い、どちらか片側のエッジのデータによっても同様に位置誤差を測定することが可能である。
【００４０】
また、副走査の読み取りタイミングと斜線との関係は常に同じであるから、前述の公知例のように副走査方向に並べられた等間隔の白黒のパターンでは避けることのできないモアレの問題を回避することができ、高精度な位置誤差の測定を可能にしている。
【００４１】
４．ウインドウのデータと重心の計算
図７はウインドウのデータと、斜線のパターンの関係を示すものである。ウインドウの各画素には斜線のパターンを読み取って得られる画像データの値が記入されている。画像データの値は８ビットのデジタルデータで、１０進法で表すと０〜２５５の値を取ることができる。図の値は画像のデータを１０進法で表記した値である。
【００４２】
主走査方向の重心を計算するには、各列ごとにデータの和を求める。これを右側からｈ0,ｈ1,・・・ｈ10とすると、それぞれ１４、３７、１５０、３４５、５６２、５９０、４２７、２０２、５０、１８、１３である。各画素の主走査方向の中心の座標を右から順に０〜１０とし、重心の主走査方向の位置をｍとすると、ｍの周りのモーメントは０となるので、
ｈ0 （ｍ−０）＋ｈ1 （ｍ−１）＋・・・ｈ10（ｍ−１０）＝０
が成り立ち、数値を入れて計算すると、
ｍ＝４．６６７
が得られる。
【００４３】
重心を求めるのは、補間などの前処理を必要とせず、演算の簡素化、高速化に有用である。画像の位置を求めるのは、各列ごとのデータの和の並びから、補間により所定の分解能のデータ列を得て、そのデータからピーク値の存在する位置を求める方法を使うこともできる。
【００４４】
５．斜線の幅
重心を計算するに当たり、斜線の幅はデータをきちんと読み取れるものであれば問題ないが、画素が正方形で、斜線の角度が４５°であり、画像の走査速度を所定の目標速度からのわずかなズレをより高精度で測定する場合、斜線の主走査方向の幅を画素の整数倍にしておくと、ウインドウを斜め方向に移動しても、斜線と画素の関係は斜線の両側で同じになり、画像データの誤差要因もバランスし、画像の位置を計算する精度を高めることができる。
【００４５】
６．主走査方向の斜線の画像の移動量と副走査方向の画素の位置誤差の関係
この実施形態では、副走査方向の画素の位置誤差を測定するために、斜線を読み取った画像の主走査方向へ画像の位置の移動を見ている。正方形の画素で４５°の斜線を使って測定する場合には、これまでの説明で明らかなように、主走査方向の移動量のウインドウ間における偏差がそのまま、副走査方向の位置誤差になる。画素が正方形でない場合、斜線の角度が４５°でない場合には、換算をして副走査方向の位置誤差を得る必要がある。
【００４６】
７．測定の処理手順
図８は、測定の処理手順を示すフローチャートである。この処理手順では、まず、計算するウインドウの位置を示すＷ．Ｐ．（ウインドウポインタ）をセットし（ステップＳ１）、次に、Ｗ．Ｐ．で指示されるウインドウのデータを取り込み（ステップＳ２）、取り込んだデータの総和Ｖを計算する（ステップＳ３）。
【００４７】
そして、データの総和Ｖがあらかじめ設定したａとｂとの間の値を持っているかどうかをチェックする（ステップＳ４）。このチェックでａとｂとの間に入っていれば、重心の計算を行い（ステップＳ５）、さらに、重心のずれを計算した（（
ステップＳ６）後、次のＷ．Ｐ．をセットする（ステップＳ７）。その後、ステップＳ２に戻ってデータフェッチ以降の処理を繰り返す。
【００４８】
一方、ステップＳ４で、データの総和Ｖがａとｂとの間に入っていなければ、ループから抜け出し、処理を終了する。
【００４９】
なお、ステップＳ４で処理の総和をチェックするのは、スタートのときにＷ．Ｐ．を誤ってセットしたため、ウインドウ内に斜線のデータがないような場合に、正しい測定がされていないのに測定結果が出力されるのを防止するという理由からである。また、測定に使う斜線の長さを短くしておけば、斜線が途切れた位置で打ち切ることができ、必要以上の測定を無駄を省くことができる。
【００５０】
８．ロータリエンコーダの構造
前記図１、図５および図６で述べたような斜線パターンの繰り返しが形成されたリニアスケールでは、所定の傾きを持った直線を読み取った画像データを使用して速度あるいは位置を求めていたが、これをそのまま円盤にパターンを形成する形式のロータリエンコーダに適用しようとすると、半径方向に配置されたラインセンサと斜線のなす角度が回転角度により変化するので、ラインセンサの画素の区切りと直線の位置関係が変わり、読み取ったデータの重心に回転角度以外のノイズが生じる。さらに、直線を読み取った画像の重心の移動量が角度に依存してしまい、角度や角速度の計算が面倒になるばかりでなく、別途に斜線の特定の位置を検出する手段を設けて、その位置での角度に対する重心の変化量を求め、そこを基準に角度または角速度を求めなけばならなくなる。そこで、このような面倒な手順を踏むことなく、斜線を使用したリニアスケールとほぼ同一の処理によって角度または角速度を求めるようにした。
【００５１】
図９は、この実施形態に係るロータリエンコーダのパターンを示す平面図、図１０は図９のパターンを拡大して示すとともに、ラインセンサと曲線と円、および円盤とラインセンサとの関係を示す説明図である。この図では、円盤の周辺部に曲線状のパターンｃを設けるとともに、図１０に示すようにラインセンサ４５ａが画像として読み込むことができる円５０とを設けてある。ラインセンサ４５ａは長手方向が円盤４２の半径に重なるように配置され、円盤が回転することによってラインセンサ４５ａによって検出される曲線の位置が半径方向に移動するとともに、円盤４２の中心にずれがあるときには、円４３の一部を読み取って得られる画像データの重心の位置が半径方向に移動する。円の一部を読み取った画像データの半径の方向の重心の移動量は、そのまま中心の位置の変動量に対応する。なお、円５０の一部を読み取って重心を計算するためのウィンドウは、曲線ｃの重心を計算する場合のように位置を移動させる必要はなく、円５０のパターンのパターンの幅が常にウィンドウ内に入っておればよい。
【００５２】
さらに、図１０を参照して説明すると、図１０において、３本の横に伸びた鎖線の中央がＸ軸、図の左側に図示しない原点Ｏ、この原点Ｏを通りＸ軸と直交するＹ軸からなるＸ，Ｙ座標系であると同時に、原点Ｏを共有し、Ｘ軸を角度０とする極座標系でもある。この原点Ｏは、エンコーダの円盤の中心と対応している。
【００５３】
曲線ｃは原点Ｏを中心とし、半径ｒ0 の円とＸ軸との交点Ａ（ｒ0 , ０）を通り、この点での傾きをπ／４ｒａｄ（４５°）という条件を与えている。Ｉ3 は同じく点Ａを通る傾き４５°の直線である。これは曲線ｃと斜線との違いを視覚的に明確にするために描いたものである。
【００５４】
曲線ｃは、さらに原点Ｏを通り、Ｘ軸との角度がθまたは−θの直線Ｉ1 ，Ｉ2 （これは円盤の半径を表す線に相当する。）との交点においてなす角度がπ／４であり、かつ連続であるという条件で求めた軌跡をプロットしたものである。
【００５５】
曲線ｃの軌跡の式をＸ，Ｙ座標であらわすと、
Ｘ ２ −ｒ0 （Ｘ＋Ｙ）＋Ｙ ２ ＝０
であり、極座標では、
ｒ＝ｒ0 （ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）
である。
【００５６】
ラインセンサ４５ａと曲線ｃとの交点を回転角を変数として求め、エンコーダでは通常θは小さいので、
ｔａｎ ２ θ→０
ｔａｎθ→０
として近似すると、
ｒ＝（１＋θ）ｒ0
となり、円盤がθｒａｄ回転したとき曲線の半径方向の移動量はθに比例することがわかる。このような関係によって重心の移動量から容易に角度または角速度を得ることができる。
【００５７】
２θの整数倍が円の１周の角度２πになるようにθを選び、曲線c は２θずつ原点の周りを回転させてコピーした形で円盤状に形成される。曲線c は直線Ｉ1,Ｉ2 で挟まれる範囲よりも図に示すように幾分長くしてあるので、Ｉ1,Ｉ2 などの直線は、隣接する曲線の両方に交差するようにしている。この両方の曲線に交差する部分で重心を計算するために設けたウインドウのジャンプを行う。
【００５８】
図１０において、鎖線で囲まれた長方形部分はラインセンサ４５ａで、曲線ｃおよび円盤４２とラインセンサ４５ａの関係を示し、ラインセンサ４５ａの長手方向が円盤４２の半径に沿う形で配置される。ラインセンサ４５ａが固定され、円盤４２が回転することによりラインセンサ４５ａが見る曲線ｃの位置が半径方向に移動することになる。
【００５９】
図９における曲線の繰り返しによるパターン４１は、前述の『１．測定原理』の斜線Ｌの場合で説明したようにラインセンサ４５ａの長さ方向で見たときに重なりを持つようにして所定のサイズのウインドウを曲線間でジャンプさせて連続した角度または角速度を測定できるようにしている。曲線ｃの半径方向との傾きは任意で、測定可能であるが、測定上の計算を簡略化するためには４５°あるいは１３５°が都合が良い。曲線ｃの幅はラインセンサ４５ａが読み取ったビットマップデータに所定のウインドウを設定してウインドウ内の曲線の重心を求めるので、ラインセンサ４５ａの画素の一辺のサイズの数倍から数十倍程度が望ましい。このように比較的大きなパターンを読み込むことで、微細な位置の変化を読み取るので、装置を構成するレンズの分解能を余り高くする必要もなく、パターンのエッジのスムーズさに対する要求も重心を計算する過程で影響が小さくなるのでコストが高くなることもない。
【００６０】
また、原点を基準に角度信号を出力する機能の場合には原点マーク４０も併せて形成する。この場合、曲線ｃと同様に読み取った原点マーク４０のデータの重心の位置を原点とするので、原点の精度を上げるために微細なマークを設けてその微細なマークを読み取るために高分解能のレンズや受光素子などの光学系を設ける必要はない。原点マーク４０は図９に示すように、ラインセンサ４５ａが曲線ｃを読み取る範囲外に設けてあり、このマーク４０を読み取れる位置でラインセンサ４５ａを長くしてある。このため原点用の別のセンサを設ける必要もなく、曲線ｃを読み取るためのラインセンサ４５ａをそのまま原点Ｏの位置を求めるためのセンサとして使用できるようにしている。なお、符号４２ａは円盤４２の外周を示す。
【００６１】
図１１は、本実施形態に係るロータリエンコーダの概略構成を示す図である。
【００６２】
図１１の円盤は図９の円盤４２の断面に相当し、この円盤４２を挟んで光源４３、レンズ４４、およびラインセンサ４５ａと制御基板が一体となったユニット４５が配置され、円盤４２は軸４６を中心に回転するようになっている。本実施形態では、円盤４２に形成された曲線ｃの画像をラインセンサ４５ａで読み取るので、円盤４２と光源４３との間に拡散板４７を設け、光の均一化を図っている。
【００６３】
なお、拡散板４７を設ける変わりに、拡散板４７に曲線ｃのパターン４１を形成してもよいし、拡散板４７が固定されるユニット４５側に曲線ｃのパターン４１を形成してもよい。ラインセンサ４５ａは図１２において上下方向、円盤４２に対しては半径方向に伸びており、レンズ４４によってセンサ上に結像する曲線ｃのパターン４１の画像を読み取る。
【００６４】
本実施形態では、円盤４２を透過形として、光源４３とラインセンサ４５ａは円盤４２を挟んで対向するように配置されているが、曲線ｃを画像として読み取るので、光源４３とラインセンサ４５ａを円盤４２の片側に配置し、光源４３で曲線ｃを照明してその反射光を読み取るように構成することもできる。
【００６５】
前述の従来例では、光源の発する光をコリメートレンズ８７で平行光線にしてメインスケール８１とインデックススケール８２の重なりを通過してくる光を受光素子８５で検出するようになっているので、微細かつ高精度のメインスケール８１、インデックススケール８２および精密なコリメートレンズ８７が必要になるが、本実施形態ではこれらのものは不要となり、その結果、コストを安くすることができる。
【００６６】
なお、上述の本実施形態のように構成すると、レンズのコサイン４乗則によるレンズ周辺光量の低下、センサの位置による照明光量のばらつき、ラインセンサの受光素子間の感度のばらつきなどを補正するためにシェーディング補正を行う必要がある（図４参照）。このシェーディング補正は、ラインセンサ４５ａが円盤４２の曲線ｃのない部分を読んでいるときのデータをメモリ５６に保持し、そのときのデータが一様になるように各画素の感度を補正するもので、このデータは所定のモードで読み取って不揮発生のメモリ５６に保持し、補正を行う際には常に使用される。
【００６７】
図１２は、図１１の読取装置に、光源の安定化機能を付加した例で、シェーディング補正のデータをあまり煩雑に取得することが困難な用途に使用する場合、あるいは、より高精度が要求されるような用途に使用したときに効果的である。
【００６８】
この例では、光源４３の出力を光量センサ４８でモニタして電気量に変換し、変換した電気量と光量制御部４９にあらかじめ設定されている目標値とを比較してネガティーブフィードバックにより光量の安定化を図っている。
【００６９】
なお、この発明は、円盤回転中心のずれを検出して曲線ｃの重心を計算することによって得られる回転位置および速度を補正するものなので、この実施形態のように円５０を設けて円盤の回転中心のずれを検出するようにしているが、この他に例えば、円盤の軸の位置を別の光学的手段などで直接測定してずれを検出してもよい。また、円盤に軸を取り付けた後、円盤の外周を加工して円盤の中心に対して精密な円になるように加工すれば、円盤の外周の位置を検出することによって軸の振れを検出することもできる。
【００７０】
さらに、この実施形態では、一体化したラインセンサ４５ａで曲線ｃと円５０のパターンの一部を読み取っているが、それぞれ別のセンサで読み取るようにしてもよい。また、円５０のパターンの一部を読み取った画像のデータの重心を求める以外に、パターンの片側のエッジの位置を求めることで代替したり、両側エッジを求めてその中央値から、ずれを検出することも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
これまでの説明で明らかなように、本発明によれば、円盤がθｒａｄ回転したときの曲線方向の移動量はθに比例するため、ラインセンサの読み取り画像の重心の移動量から容易に角度または角速度を得ることが可能となり、これにより、円盤の回転中心の変動による測定精度の低下を防止することができ、また、円盤の回転中心が偏心しても測定精度が劣化しないロータリエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における測定原理を示す説明図である。
【図２】本実施形態におけるシステム構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態におけるシステム構成の他の例を示すブロック図である。
【図４】本実施形態におけるシステム構成のさらに他の例を示すブロック図である。
【図５】ビットマップに斜線の画像データがあるときの位置誤差測定を行うときの処理を示す説明図である。
【図６】ビットマップで複数の斜線を使って位置誤差を測定する場合のウインドウの移動とそれに伴う処理を示す説明図である。
【図７】ウインドウのデータと斜線のパターンの関係を示す図である。
【図８】本実施形態における重心測定の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態におけるロータリエンコーダのパターンが形成された円盤の正面図である。
【図１０】本実施形態における円盤の周辺部に設けられた曲線（パターン）の形状を示す説明図である。
【図１１】本実施形態におけるロータリエンコーダの概略構成を示す断面図である。
【図１２】図１１のロータリエンコーダの変形例の概略構成を示す断面図である。
【図１３】従来例に係るリニアスケールの概略構成を示す斜視図である。
【図１４】従来例に係るリニアスケールの検出原理を示す説明図である。
【図１５】従来例に係るリニアスケールの移動方向の判別方法を示す図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ フォトアンプ
３ サンプル・ホールド回路
４ セレクト回路（セレクタ）
５，１０，１２ アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換器）
６ メモリ
７ 偏心量演算回路
８ 位置誤差演算回路
９ 制御部
１１ ＣＣＤ
１３ シェーディング補正回路
４０ 原点マーク
４１ 曲線
４２ 円盤
４３ 光源
４４ レンズ
４５ ユニット
４５ａ ラインセンサ
４６ 軸
４７ 拡散板
４８ 光量センサ
４９ 光量制御部
５０ 円
ｃ 曲線
【発明の属する技術分野】
この発明は、読取装置で読み取ったビットマップ形式の画像データの位置誤差を測定する装置に好適なロータリエンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光学的リニアスケールとして、例えばオーム社から出版された「サーボセンサの基礎と応用」（大島康次郎、秋山勇治共著）〔昭和６３年２月２０日発行〕が知られている。この刊行物に記載された技術を図１３ないし図１５を参照して説明する。
【０００３】
ここではリニアスケールの一例としてポジションスケールを例に挙げている。
【０００４】
例に挙げられたリニアスケールは、図１３に示すように全く等しいピッチの明暗の格子をもった２枚１組のメインスケール８１とインデックススケール８２とからなるガラススケール８３と、そのスケール８３を照明するＬＥＤからなる光源８４と、スケール８３を透過した光を検知するフォトダイオード８５から構成される。通常はインデックスケール８２が固定され、メインスケール８１が移動するが、その移動に連れてフォトダイオード８５の出力が変化する。
【０００５】
図１４（ａ）に示すように２枚のガラスの透過部が一致したとき、出力は最大となり、透過部とクロム蒸着された不透明部８６が重なったときには、出力は理想状態では０となる。したがって、その出力波形は理想的には図１４（ｂ）に示したような光量変化となるが、実際には明暗の格子ピッチが８μｍと小さいため、光の回折の影響やクロム烝着面での反射の影響があり、図１４（ｃ）に示すような出力波形のように近似正弦波の形で出力される。この出力波形の山の間隔がスケールのピッチに相当するので、山の数を数えることにより移動量を知ることができる。これがポジションスケールの基本原理であるが、実際には図１３のフォトダイオードＡ，Ｂ，／Ａ，／Ｂ（なお、「／」は反転を示す。）の４個を用いて各種の処理が行われている。
【０００６】
Ａ，Ｂ，／Ａ，／Ｂのおのおのに対応するインデックススケール８２の格子は、０°、９０°、１８０°、２７０°の位相関係になっている。これをＡと／Ａ、Ｂと／Ｂを組み合わせて差動方式で検出し、スケール８２の汚れや光量変化に対して強くなるように設定し、信頼性を高めている。このようにして得られた信号をおのおの改めてＡ、Ｂとし、さらに電気的に反転された信号をそれぞれ／Ａ、／Ｂとする。そして、これらの信号を用いてさらに細かい寸法まで読み取るための処理が実行されている。
【０００７】
スケール８３の移動方向は図１５に示すようにＡ信号とＢ信号のどちらの信号の位相が進んでいるかを知ることで判定できる。スケール８３のピッチよりも細かく読む手法としては、Ａ信号だけ用いると基準レベルを下からよぎるときと上からよぎるときの両方をとらえて４μｍ単位で読める。さらにＢ信号を用いると２μｍまで読める。これ以上細かく読むためには、ＡとＢの信号を用いて４５°位相差の信号、Ｂと／Ａの信号から１３５°位相差の信号を作る必要がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記リニアスケールにおいては、光源（ＬＥＤ）８４の発する光をコリメートレンズ８７で平行光線にしてメインスケール８１とインデックススケール８２の重なりを通過してくる光を受光素子で検出するようにしているので、微細かつ高精度のメインスケール、インデックススケール、および精密なコリメートが必要になる。その結果、当然コストも高くなってしまう。
【０００９】
そこで、本出願人は微細かつ高精度のスリットを作ったり、受光素子の受光部のサイズを小さくしたり、インデックススケールなどの補助手段を使用することなく、安価で高分解能のロータリエンコーダを提供するために特願平８−２１６４９９号を提案した。この発明に係るロータリエンコーダは、円盤の周辺部に配置した曲線を読み取った画像データの半径方向の重心の位置を計算して円盤の回転位置、速度などを検出するようにしたものである。
【００１０】
ところが、このように円盤の周辺部に配置した曲線を読み取るようにすると、円盤の中心がずれると、そのずれに応じて曲線の位置が線状に配列された画像の読み取り素子から見ると円盤の半径方向にずれることになる。この発明では、曲線を読み取った画像データの半径方向の重心を計算することによって回転位置や速度を求めているので、このようにもし円盤にずれが生じると、回転の位置や速度の変化と同様の影響を重心の測定結果にもたらすことになる。すなわち、円盤の中心のずれは、円盤の回転位置および速度に対するノイズとして測定精度を低下させることになる。
【００１１】
一般に、円盤に軸と取り付ける際、厳密に軸の偏心がないようにするのは非常に難しく、あるいは、偏心のないようにするには厳密な調整を行う必要があり、このような要求に応えるには、どうしても製造コストが高くなってしまう。また、たとえ軸を正確に中心に取り付けることができたとしても、軸と軸受けとの間に隙間があるので、軸に加わる荷重によって軸は特定の方向から力を受け、どうしても偏心が生じることになる。
【００１２】
本発明は、このような点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、円盤の回転中心の変動による測定精度の低下を防止することができるロータリエンコーダを提供することにある。また、第２の目的は、円盤の回転中心が偏心しても測定精度が劣化しないロータリエンコーダを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、第１の手段は、回転板に所定の模様を形成し、その模様を読み取り手段によって読み取って制御演算装置によって回転板の回転角度または角速度に変換するロータリエンコーダにおいて、前記回転板の回転の偏心量を検出する手段と、前記偏心量を検出する手段によって検出された偏心量に基づいて前記読み取り手段によって読み取ったデータを補正する手段と、この補正する手段によって補正されたデータに基づいて回転板の回転角度または角速度に変換する手段とを備え、前記模様が、半径方向と常にあらかじめ設定された角度で交差し、その交点と中心との距離が半径の回転に対して連続して変化する所定長さの曲線が円盤の周辺部に複数個回転対称に形成されたパターンからなり、前記読み取り手段が、前記円盤の前記曲線と形成した部分と対向し、かつ前記円盤の半径方向に伸びたラインセンサと、前記パターンの画像を前記ラインセンサの受光部に結像する光学手段と、前記ラインセンサを制御して前記パターンの画像をあらかじめ設定した一定の時間間隔で読み取る手段とからなることを特徴としている。
【００１４】
第２の手段は、上記第１の手段において、 前記制御演算装置が、前記記読み取り手段によって読み取った画像データの前記曲線とその周辺の地肌部に対応する連続した領域を設定する手段と、前記領域を画素の整数個分ずつ順次移動させて設定し直す手段と、前記曲線の位置があらかじめ設定した場所に来たとき前記連続した領域を所定画素分ラインセンサの長さ方向に移動させ、隣接して配置されている前記曲線の画像を含む領域に再設定する手段と、領域が設定されるごとにその領域における前記曲線の位置を演算する手段と、領域の移動前後における前記曲線の移動量を演算する手段とからなることを特徴としている。
【００１５】
第３の手段は、上記第２の目的を達成するため、第１の手段におけるする偏心量を検出する手段を、円盤に設けられた曲線のパターンの回転中心を中心とする円のパターンと、この円のパターンを読み取る曲線の画像を読み取るラインセンサと一体となったセンサと、このセンサによって読み取った円のパターンの位置を得る手段とから構成したことを特徴としている。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照し、本発明の実施の形態について説明する。
【００１８】
１．測定原理
図１は、本出願の測定原理を典型的な場合を前提にして説明するための図である。図の主走査と書いた矢印１０１は線順次で画像を読み取る装置が同時に読み取る１ラインの画像の画素の並びと、この並列のデータを直線のデータに変換したときの時間軸上の順序を示す。図の副走査と書いた矢印１０２は主走査の１列が読み取る範囲を順次移動させながら読み取って行く方向を示している。移動する手段としては、原稿の画像を光電変換素子に投影するミラー、照明ランプなどを機械的に移動させるもの、原稿を移動させるもの、光電変換素子とその結像光学系を一体にして移動させるものなどがある。ここではこの主走査方向と副走査方向に平行な線で囲まれたそれぞれの４角形を画素ということにする。画素によって構成される平面は、原稿の画像を電気信号に変換されたデータが原稿の画像の写像がそのまま並んでいるというイメージでとらえることができ、ビットマップということもある。読み取り装置からリアルタイムで出力されるときには、主走査、副走査の方向が時間的な順序を示すが、出力されたデータをメモリに取り込んだ状態では、それぞれの画素を任意にアクセスすることも可能であり、主走査、副走査、時間の順序にとらわれない扱いも可能になる。
【００１９】
図１は主走査と副走査の画素サイズが等しい場合で、副走査方向の走査速度が変動するときと、一定速度で４５°の斜線を読み取るときに光電変換装置に投影されるが、像を全く劣化のないかたちでビットマップに対応させて示したものである。すなわち、ａは副走査方向の読み取りのタイミングを制御するクロックに対応する所定の一定速度で走査したときで、ビットマップにも４５°の像ができる。ｂは速度が変動するときの像で、速度に応じて傾きが異なってくる。
【００２０】
つまり、Ａ−Ｂは副走査方向の走査速度が０のときで、副走査方向の読み取りのタイミングを制御するクロックにより副走査方向のビットマップのアドレスが進んでも原稿を読み取っている位置が変わらないため、副走査方向に平行な線になってしまう。
【００２１】
Ｂ−Ｃは副走査方向の走査速度が所定の速度の１／２のときで、ビットマップのアドレスが進んでも、その半分しか進まない位置の画像を読んでいることになり、画像の副走査方向の線との角度はｔａｎθ＝０．５から、約２６．５７°である。
【００２２】
Ｃ−Ｄは所定の速度で走査しているときで、傾きは４５°である。同様にＤ−以降は走査速度が１．５倍の場合で、その角度は約５６．３１°である。つまり、走査速度によって像の傾きが異なること、言い換えれば斜線の主走査方向への移動量が、副走査方向の移動速度に対応することを測定原理として副走査方向の移動速度のムラ、ミラー、レンズ、光電変換装置の振動などに起因するビットマップ画像の画素の位置誤差を計測する。
【００２３】
以上、正方形の画素を持ち、４５°の線を使用した場合で説明したが、画素が正方形でなく、例えば、主走査の分解能４００ｄｐｉ、副走査の分解能６００ｄｐｉといった読み取り装置の画像データに適用することもでき、４５°以外の斜線を用いても同様に、斜線の画像の主走査方向への移動量が副走査方向の読み取り方向の速度に依存するという関係は成立するので、画素の位置誤差を計測することができる。
【００２４】
２．システム構成
図２は信号処理部のシステム構成を示すブロック図である。同図において信号処理部は、ＰＤ１、フォトアンプ２、サンプル・ホールド回路３、セレクト回路４、Ａ／Ｄ変換回路５、メモリ６、偏心量演算回路７、位置誤差演算回路８および制御部９から基本的に構成されている。
【００２５】
ＰＤ１はフォトダイオードで、一列に並んでラインセンサ４５ａを形成している。各ＰＤ１の出力はそれぞれのフォトアンプ２に入力され、所定の信号レベルまで増幅される。増幅された信号はサンプル・ホールド（Ｓ／Ｈ）回路３に入力される、サンプル・ホールド回路３の出力はセレクト回路４に入力される。セレクト回路４は入力された多数の信号の中から１つを選択してアナログ・デジタル（Ａ／Ｄ）変換回路５に入力する。デジタル信号に変換された信号はメモリ６に書き込まれる。位置誤差演算回路８は重心を計算するウインドウを設定し、ウインドウに対応するメモリ６に書き込まれた斜線のデータを使って誤差、速度、位置等を求めて出力する。さらに詳しくは、このメモリ６には、曲線ｃと後述の円５０を読み取った画像データが書き込まれる。曲線（斜線）ｃの部分の重心は、後述の「４．ウィンドウのデータと重心の計算」の項で説明するようにして計算される。並行して円５０の一部を読み取った画像データのラインが１つ進むごとに行われる。そして、円５０の画像データから得られた曲線（斜線）ｃ間の重心の変化を求め、これを偏心による曲線ｃの画像を移動量と考え、偏心量演算回路７で同じ１ライン進むときの曲線ｃの重心の変化量から偏心によって移動する量を減算して偏心による曲線ｃの重心の変化を補正する。そして、位置誤差演算回路８で補正された曲線の重心の移動から円盤の回転位置および速度を演算して出力する。
【００２６】
制御部９はシステム全体を統合して動作させるのに必要なデータやタイミング信号などをそれぞれのブロックに与えたり取得したりする。シェーディング補正を行うためのデータを取得するモードでは、斜線Ｌ（曲線ｃ）または原点Ｏを読んでいない位置に読み取りユニットがあることを確認し、フォトアンプ２のゲインを全て一定にし、サンプル・ホールド回路３、セレクト回路４およびアナログ・デジタル変換回路５を制御してラインセンサ４５ａ全体のデータをメモリ６を介して取得し、シェーディング補正を行うためのそれぞれのフォトアンプ２のゲインの設定値を求めて不揮発性メモリ６に保持させる。測定を行うモード時には、シェーディング補正を行うためのゲインを、ゲインをセットするモードを指定してそれぞれのフォトアンプ２にセットする。必要な補正量をアンプ２のゲインとして与えることにより、それ以降はシェーディング補正された読み取りデータが得られる。
【００２７】
ラインセンサ４５ａの各画素のデータを同じタイミングで、かつ同じ間隔で得るため、制御部８は内部の水晶振動子の発振周波数から作ってサンプル・ホールド回路３を制御する信号を出力する。この時間間隔はウインドウの重心がこの時間間隔の前後でいくら移動するかを求めることによって測定を行うので、非常に重要な役割を果たすものである。通常、水晶発振子を用いれば十分な精度が得られる。
【００２８】
セレクト回路（セレクタ）４で信号を選択して順次アナログ・デジタル変換を行うのは、アナログ・デジタル変換器（回路）５の数を少なくしてコストを下げるためである。フォトダイオード１は高速で読み取りが可能であり、ＣＣＤと比べれば通常Ｓ／Ｎは高いので高精度かつ高速な測定が可能であるが、この例ではセレクタ４で順次に読み取るので、次に説明する例に比較すれば速度の点では劣ることが不利な点ではある。
【００２９】
図３はこの実施形態における他の例を示すシステム構成を示すブロック図である。この実施形態では、セレクタ４を使用することなくＡ／Ｄ変換器１０をラインセンサ４５ａの画素の分だけ備えたもので、これによって前述の形態よりも高速対応性に優れている。なお、前記の例と本例では、Ａ／Ｄ変換器５，１０が１個であるものと画素の分の個数を有するものと両極端になっているが、所定数のＡ／Ｄ変換器９とセレクタ４によって複数の群に分けて処理することにより、これらの形態の中間の速度のシステムを構成することもできる。
【００３０】
図４はこの実施形態におけるさらに他の例を示すもので図でＣＣＤを使用した例である。光電変換装置はラインＣＣＤ１１で、ＣＣＤ１１の受光部に結像された原稿の画像と、測定用パターンの画像が電気信号に変換される。電気信号に変換された画像はＡ／Ｄ変換器１２で、デジタルの多値の画像データに変換される。変換されたデータは、シェーディング補正部１３で照明の不均一さ、レンズ周辺光量の低下、光電変換装置の画素間の感度の違いなどを補正するシェーディング補正を行う。シェーディング補正には、光電変換装置が読み取った基準濃度板２９のデータが使用される。シェーディング補正された画像データは図２および図３に示した例と同様にして処理される。
【００３１】
なお、ＣＣＤ１１を使用することのメリットは価格が安いことである。高速性やＳ／Ｎの点ではフォトダイオードアレイの方が好ましい。したがって、この例では、性能よりもコストを重視した構成となる。すなわち、この実施形態では、ラインセンサを使用し、複数のラインのデータを使い、重心の演算なども行うので、受光素子の数を含め、メモリ、演算素子などの電子部品は多くなる。しかし、どれも集積回路の技術により素子が多くなっても小型かつ安価に提供することができる。
【００３２】
３．位置誤差測定処理
図５は図１と同様のビットマップに斜線の画像データａがあるときの位置誤差の測定を行うときの処理を説明するためのものである。Ｗ1 は画像データの位置を求めるための演算を行う１１×３のウインドウである。ウインドウ内のデータの位置を求めるため、主走査方向における重心を演算する。この演算では、順次ウインドウの位置をＷ2,Ｗ3 ・・・と移動させながら重心を求める。重心の主走査方向の位置は４５°の線の場合、画素の位置がなんらかの誤差要因で移動することがなければ、ウインドウを図のように移動させた場合、主走査方向に１画素分ずつ移動するはずである。画素の移動量が１画素分と異なる場合は、何らかの原因で画素の位置が変動したことになり、位置誤差を求めることができる。位置誤差の主要な要因が副走査方向の走査速度のムラによることが分かっている場合には、位置誤差のデータか速度ムラにデータを変換することは容易である。
【００３３】
重心を求めるのに周辺の画素のデータを含む多数の画素データを使っているので、ＣＣＤ固有のノイズを始めとしてさまざまなノイズが画像データに含まれるが、重心を求める過程でノイズの影響が軽減され、Ｓ／Ｎの高い測定が可能になっている。通常、ウインドウの画素の数が多いほどＳ／Ｎは高くなる。
【００３４】
ウインドウの形状は主走査方向の重心を求めることから、主走査側に大きいことが望ましい。副走査方向は１としても測定可能である。
【００３５】
図６は斜線の数が複数あって複数の斜線ａ1 ，ａ2 ，ａ3 を使用して位置誤差を測定する場合のウインドウの移動とそれに伴う処理を説明するものである。図５の例と同様にウインドウを順次移動させ、あらかじめ設定したおいたＷn に達したとき、その次のウインドウとしてＷn+1 に移動させる。移動する前後の斜線のパターンａ1 とａ2 の間隔は測定用チャートを作成する段階で決めておき、その間隔の値を主走査方向の重心の移動を計算するときに補正する。Ｗn+1 、Ｗn+2 、Ｗn+3 ・・・と移動させる。パターン間の間隔を画素サイズの整数倍に設定しておくと、ウインドウをジャンプさせたときの補正が簡単であり、測定に先立って測定装置にこの補正量を入力するときにも便利である。
【００３６】
この例ではウインドウを１画素ずつ移動させているが、画素の位置誤差を起こす原因となる振動などの周波数帯域が低い場合は、ウインドウを２画素以上ずつ移動させても良い。こうすることによって測定に要する時間短くすることができる。
【００３７】
また、複数の斜線を使って位置誤差を測定するようにすれば、読み取り装置の読み取り範囲が縦長であっても副走査方向の全域にわたっての測定が可能になる。さらに、主走査方向の狭い幅のなかだけで測定するようにすれば、主走査方向における中央部とか、手前とか、奥側とかに分けて位置誤差を測定することも可能になる。
【００３８】
これらの図からも明らかなように、本願では高い分解能で位置誤差を測定する場合でも、それに応じて斜線のパターンを細くする必要は全くなく、システムのＭＴＦの制約の影響を受けない幅の広いパターンを使うことができるという特徴がある。幅の広いパターンを使えば、それに応じてウインドウも大きくなり、結果として測定の精度を上げることができる。なお、処理速度、リアルタイム処理を行う場合は、バッファのサイズ、回路規模の経済性などとのバランスでパターンの幅を設定すればよい。
【００３９】
なお、他の例として、幅の広い線のパターンを用い、どちらか片側のエッジのデータによっても同様に位置誤差を測定することが可能である。
【００４０】
また、副走査の読み取りタイミングと斜線との関係は常に同じであるから、前述の公知例のように副走査方向に並べられた等間隔の白黒のパターンでは避けることのできないモアレの問題を回避することができ、高精度な位置誤差の測定を可能にしている。
【００４１】
４．ウインドウのデータと重心の計算
図７はウインドウのデータと、斜線のパターンの関係を示すものである。ウインドウの各画素には斜線のパターンを読み取って得られる画像データの値が記入されている。画像データの値は８ビットのデジタルデータで、１０進法で表すと０〜２５５の値を取ることができる。図の値は画像のデータを１０進法で表記した値である。
【００４２】
主走査方向の重心を計算するには、各列ごとにデータの和を求める。これを右側からｈ0,ｈ1,・・・ｈ10とすると、それぞれ１４、３７、１５０、３４５、５６２、５９０、４２７、２０２、５０、１８、１３である。各画素の主走査方向の中心の座標を右から順に０〜１０とし、重心の主走査方向の位置をｍとすると、ｍの周りのモーメントは０となるので、
ｈ0 （ｍ−０）＋ｈ1 （ｍ−１）＋・・・ｈ10（ｍ−１０）＝０
が成り立ち、数値を入れて計算すると、
ｍ＝４．６６７
が得られる。
【００４３】
重心を求めるのは、補間などの前処理を必要とせず、演算の簡素化、高速化に有用である。画像の位置を求めるのは、各列ごとのデータの和の並びから、補間により所定の分解能のデータ列を得て、そのデータからピーク値の存在する位置を求める方法を使うこともできる。
【００４４】
５．斜線の幅
重心を計算するに当たり、斜線の幅はデータをきちんと読み取れるものであれば問題ないが、画素が正方形で、斜線の角度が４５°であり、画像の走査速度を所定の目標速度からのわずかなズレをより高精度で測定する場合、斜線の主走査方向の幅を画素の整数倍にしておくと、ウインドウを斜め方向に移動しても、斜線と画素の関係は斜線の両側で同じになり、画像データの誤差要因もバランスし、画像の位置を計算する精度を高めることができる。
【００４５】
６．主走査方向の斜線の画像の移動量と副走査方向の画素の位置誤差の関係
この実施形態では、副走査方向の画素の位置誤差を測定するために、斜線を読み取った画像の主走査方向へ画像の位置の移動を見ている。正方形の画素で４５°の斜線を使って測定する場合には、これまでの説明で明らかなように、主走査方向の移動量のウインドウ間における偏差がそのまま、副走査方向の位置誤差になる。画素が正方形でない場合、斜線の角度が４５°でない場合には、換算をして副走査方向の位置誤差を得る必要がある。
【００４６】
７．測定の処理手順
図８は、測定の処理手順を示すフローチャートである。この処理手順では、まず、計算するウインドウの位置を示すＷ．Ｐ．（ウインドウポインタ）をセットし（ステップＳ１）、次に、Ｗ．Ｐ．で指示されるウインドウのデータを取り込み（ステップＳ２）、取り込んだデータの総和Ｖを計算する（ステップＳ３）。
【００４７】
そして、データの総和Ｖがあらかじめ設定したａとｂとの間の値を持っているかどうかをチェックする（ステップＳ４）。このチェックでａとｂとの間に入っていれば、重心の計算を行い（ステップＳ５）、さらに、重心のずれを計算した（（
ステップＳ６）後、次のＷ．Ｐ．をセットする（ステップＳ７）。その後、ステップＳ２に戻ってデータフェッチ以降の処理を繰り返す。
【００４８】
一方、ステップＳ４で、データの総和Ｖがａとｂとの間に入っていなければ、ループから抜け出し、処理を終了する。
【００４９】
なお、ステップＳ４で処理の総和をチェックするのは、スタートのときにＷ．Ｐ．を誤ってセットしたため、ウインドウ内に斜線のデータがないような場合に、正しい測定がされていないのに測定結果が出力されるのを防止するという理由からである。また、測定に使う斜線の長さを短くしておけば、斜線が途切れた位置で打ち切ることができ、必要以上の測定を無駄を省くことができる。
【００５０】
８．ロータリエンコーダの構造
前記図１、図５および図６で述べたような斜線パターンの繰り返しが形成されたリニアスケールでは、所定の傾きを持った直線を読み取った画像データを使用して速度あるいは位置を求めていたが、これをそのまま円盤にパターンを形成する形式のロータリエンコーダに適用しようとすると、半径方向に配置されたラインセンサと斜線のなす角度が回転角度により変化するので、ラインセンサの画素の区切りと直線の位置関係が変わり、読み取ったデータの重心に回転角度以外のノイズが生じる。さらに、直線を読み取った画像の重心の移動量が角度に依存してしまい、角度や角速度の計算が面倒になるばかりでなく、別途に斜線の特定の位置を検出する手段を設けて、その位置での角度に対する重心の変化量を求め、そこを基準に角度または角速度を求めなけばならなくなる。そこで、このような面倒な手順を踏むことなく、斜線を使用したリニアスケールとほぼ同一の処理によって角度または角速度を求めるようにした。
【００５１】
図９は、この実施形態に係るロータリエンコーダのパターンを示す平面図、図１０は図９のパターンを拡大して示すとともに、ラインセンサと曲線と円、および円盤とラインセンサとの関係を示す説明図である。この図では、円盤の周辺部に曲線状のパターンｃを設けるとともに、図１０に示すようにラインセンサ４５ａが画像として読み込むことができる円５０とを設けてある。ラインセンサ４５ａは長手方向が円盤４２の半径に重なるように配置され、円盤が回転することによってラインセンサ４５ａによって検出される曲線の位置が半径方向に移動するとともに、円盤４２の中心にずれがあるときには、円４３の一部を読み取って得られる画像データの重心の位置が半径方向に移動する。円の一部を読み取った画像データの半径の方向の重心の移動量は、そのまま中心の位置の変動量に対応する。なお、円５０の一部を読み取って重心を計算するためのウィンドウは、曲線ｃの重心を計算する場合のように位置を移動させる必要はなく、円５０のパターンのパターンの幅が常にウィンドウ内に入っておればよい。
【００５２】
さらに、図１０を参照して説明すると、図１０において、３本の横に伸びた鎖線の中央がＸ軸、図の左側に図示しない原点Ｏ、この原点Ｏを通りＸ軸と直交するＹ軸からなるＸ，Ｙ座標系であると同時に、原点Ｏを共有し、Ｘ軸を角度０とする極座標系でもある。この原点Ｏは、エンコーダの円盤の中心と対応している。
【００５３】
曲線ｃは原点Ｏを中心とし、半径ｒ0 の円とＸ軸との交点Ａ（ｒ0 , ０）を通り、この点での傾きをπ／４ｒａｄ（４５°）という条件を与えている。Ｉ3 は同じく点Ａを通る傾き４５°の直線である。これは曲線ｃと斜線との違いを視覚的に明確にするために描いたものである。
【００５４】
曲線ｃは、さらに原点Ｏを通り、Ｘ軸との角度がθまたは−θの直線Ｉ1 ，Ｉ2 （これは円盤の半径を表す線に相当する。）との交点においてなす角度がπ／４であり、かつ連続であるという条件で求めた軌跡をプロットしたものである。
【００５５】
曲線ｃの軌跡の式をＸ，Ｙ座標であらわすと、
Ｘ ２ −ｒ0 （Ｘ＋Ｙ）＋Ｙ ２ ＝０
であり、極座標では、
ｒ＝ｒ0 （ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ）
である。
【００５６】
ラインセンサ４５ａと曲線ｃとの交点を回転角を変数として求め、エンコーダでは通常θは小さいので、
ｔａｎ ２ θ→０
ｔａｎθ→０
として近似すると、
ｒ＝（１＋θ）ｒ0
となり、円盤がθｒａｄ回転したとき曲線の半径方向の移動量はθに比例することがわかる。このような関係によって重心の移動量から容易に角度または角速度を得ることができる。
【００５７】
２θの整数倍が円の１周の角度２πになるようにθを選び、曲線c は２θずつ原点の周りを回転させてコピーした形で円盤状に形成される。曲線c は直線Ｉ1,Ｉ2 で挟まれる範囲よりも図に示すように幾分長くしてあるので、Ｉ1,Ｉ2 などの直線は、隣接する曲線の両方に交差するようにしている。この両方の曲線に交差する部分で重心を計算するために設けたウインドウのジャンプを行う。
【００５８】
図１０において、鎖線で囲まれた長方形部分はラインセンサ４５ａで、曲線ｃおよび円盤４２とラインセンサ４５ａの関係を示し、ラインセンサ４５ａの長手方向が円盤４２の半径に沿う形で配置される。ラインセンサ４５ａが固定され、円盤４２が回転することによりラインセンサ４５ａが見る曲線ｃの位置が半径方向に移動することになる。
【００５９】
図９における曲線の繰り返しによるパターン４１は、前述の『１．測定原理』の斜線Ｌの場合で説明したようにラインセンサ４５ａの長さ方向で見たときに重なりを持つようにして所定のサイズのウインドウを曲線間でジャンプさせて連続した角度または角速度を測定できるようにしている。曲線ｃの半径方向との傾きは任意で、測定可能であるが、測定上の計算を簡略化するためには４５°あるいは１３５°が都合が良い。曲線ｃの幅はラインセンサ４５ａが読み取ったビットマップデータに所定のウインドウを設定してウインドウ内の曲線の重心を求めるので、ラインセンサ４５ａの画素の一辺のサイズの数倍から数十倍程度が望ましい。このように比較的大きなパターンを読み込むことで、微細な位置の変化を読み取るので、装置を構成するレンズの分解能を余り高くする必要もなく、パターンのエッジのスムーズさに対する要求も重心を計算する過程で影響が小さくなるのでコストが高くなることもない。
【００６０】
また、原点を基準に角度信号を出力する機能の場合には原点マーク４０も併せて形成する。この場合、曲線ｃと同様に読み取った原点マーク４０のデータの重心の位置を原点とするので、原点の精度を上げるために微細なマークを設けてその微細なマークを読み取るために高分解能のレンズや受光素子などの光学系を設ける必要はない。原点マーク４０は図９に示すように、ラインセンサ４５ａが曲線ｃを読み取る範囲外に設けてあり、このマーク４０を読み取れる位置でラインセンサ４５ａを長くしてある。このため原点用の別のセンサを設ける必要もなく、曲線ｃを読み取るためのラインセンサ４５ａをそのまま原点Ｏの位置を求めるためのセンサとして使用できるようにしている。なお、符号４２ａは円盤４２の外周を示す。
【００６１】
図１１は、本実施形態に係るロータリエンコーダの概略構成を示す図である。
【００６２】
図１１の円盤は図９の円盤４２の断面に相当し、この円盤４２を挟んで光源４３、レンズ４４、およびラインセンサ４５ａと制御基板が一体となったユニット４５が配置され、円盤４２は軸４６を中心に回転するようになっている。本実施形態では、円盤４２に形成された曲線ｃの画像をラインセンサ４５ａで読み取るので、円盤４２と光源４３との間に拡散板４７を設け、光の均一化を図っている。
【００６３】
なお、拡散板４７を設ける変わりに、拡散板４７に曲線ｃのパターン４１を形成してもよいし、拡散板４７が固定されるユニット４５側に曲線ｃのパターン４１を形成してもよい。ラインセンサ４５ａは図１２において上下方向、円盤４２に対しては半径方向に伸びており、レンズ４４によってセンサ上に結像する曲線ｃのパターン４１の画像を読み取る。
【００６４】
本実施形態では、円盤４２を透過形として、光源４３とラインセンサ４５ａは円盤４２を挟んで対向するように配置されているが、曲線ｃを画像として読み取るので、光源４３とラインセンサ４５ａを円盤４２の片側に配置し、光源４３で曲線ｃを照明してその反射光を読み取るように構成することもできる。
【００６５】
前述の従来例では、光源の発する光をコリメートレンズ８７で平行光線にしてメインスケール８１とインデックススケール８２の重なりを通過してくる光を受光素子８５で検出するようになっているので、微細かつ高精度のメインスケール８１、インデックススケール８２および精密なコリメートレンズ８７が必要になるが、本実施形態ではこれらのものは不要となり、その結果、コストを安くすることができる。
【００６６】
なお、上述の本実施形態のように構成すると、レンズのコサイン４乗則によるレンズ周辺光量の低下、センサの位置による照明光量のばらつき、ラインセンサの受光素子間の感度のばらつきなどを補正するためにシェーディング補正を行う必要がある（図４参照）。このシェーディング補正は、ラインセンサ４５ａが円盤４２の曲線ｃのない部分を読んでいるときのデータをメモリ５６に保持し、そのときのデータが一様になるように各画素の感度を補正するもので、このデータは所定のモードで読み取って不揮発生のメモリ５６に保持し、補正を行う際には常に使用される。
【００６７】
図１２は、図１１の読取装置に、光源の安定化機能を付加した例で、シェーディング補正のデータをあまり煩雑に取得することが困難な用途に使用する場合、あるいは、より高精度が要求されるような用途に使用したときに効果的である。
【００６８】
この例では、光源４３の出力を光量センサ４８でモニタして電気量に変換し、変換した電気量と光量制御部４９にあらかじめ設定されている目標値とを比較してネガティーブフィードバックにより光量の安定化を図っている。
【００６９】
なお、この発明は、円盤回転中心のずれを検出して曲線ｃの重心を計算することによって得られる回転位置および速度を補正するものなので、この実施形態のように円５０を設けて円盤の回転中心のずれを検出するようにしているが、この他に例えば、円盤の軸の位置を別の光学的手段などで直接測定してずれを検出してもよい。また、円盤に軸を取り付けた後、円盤の外周を加工して円盤の中心に対して精密な円になるように加工すれば、円盤の外周の位置を検出することによって軸の振れを検出することもできる。
【００７０】
さらに、この実施形態では、一体化したラインセンサ４５ａで曲線ｃと円５０のパターンの一部を読み取っているが、それぞれ別のセンサで読み取るようにしてもよい。また、円５０のパターンの一部を読み取った画像のデータの重心を求める以外に、パターンの片側のエッジの位置を求めることで代替したり、両側エッジを求めてその中央値から、ずれを検出することも可能である。
【００７１】
【発明の効果】
これまでの説明で明らかなように、本発明によれば、円盤がθｒａｄ回転したときの曲線方向の移動量はθに比例するため、ラインセンサの読み取り画像の重心の移動量から容易に角度または角速度を得ることが可能となり、これにより、円盤の回転中心の変動による測定精度の低下を防止することができ、また、円盤の回転中心が偏心しても測定精度が劣化しないロータリエンコーダを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態における測定原理を示す説明図である。
【図２】本実施形態におけるシステム構成を示すブロック図である。
【図３】本実施形態におけるシステム構成の他の例を示すブロック図である。
【図４】本実施形態におけるシステム構成のさらに他の例を示すブロック図である。
【図５】ビットマップに斜線の画像データがあるときの位置誤差測定を行うときの処理を示す説明図である。
【図６】ビットマップで複数の斜線を使って位置誤差を測定する場合のウインドウの移動とそれに伴う処理を示す説明図である。
【図７】ウインドウのデータと斜線のパターンの関係を示す図である。
【図８】本実施形態における重心測定の処理手順を示すフローチャートである。
【図９】本実施形態におけるロータリエンコーダのパターンが形成された円盤の正面図である。
【図１０】本実施形態における円盤の周辺部に設けられた曲線（パターン）の形状を示す説明図である。
【図１１】本実施形態におけるロータリエンコーダの概略構成を示す断面図である。
【図１２】図１１のロータリエンコーダの変形例の概略構成を示す断面図である。
【図１３】従来例に係るリニアスケールの概略構成を示す斜視図である。
【図１４】従来例に係るリニアスケールの検出原理を示す説明図である。
【図１５】従来例に係るリニアスケールの移動方向の判別方法を示す図である。
【符号の説明】
１ フォトダイオード
２ フォトアンプ
３ サンプル・ホールド回路
４ セレクト回路（セレクタ）
５，１０，１２ アナログ／デジタル変換回路（Ａ／Ｄ変換器）
６ メモリ
７ 偏心量演算回路
８ 位置誤差演算回路
９ 制御部
１１ ＣＣＤ
１３ シェーディング補正回路
４０ 原点マーク
４１ 曲線
４２ 円盤
４３ 光源
４４ レンズ
４５ ユニット
４５ａ ラインセンサ
４６ 軸
４７ 拡散板
４８ 光量センサ
４９ 光量制御部
５０ 円
ｃ 曲線
Claims (3)
- 回転板に所定の模様を形成し、その模様を読み取り手段によって読み取って制御演算装置によって回転板の回転角度または角速度に変換するロータリエンコーダにおいて、
前記回転板の回転の偏心量を検出する手段と、
前記偏心量を検出する手段によって検出された偏心量に基づいて前記読み取り手段によって読み取ったデータを補正する手段と、
この補正する手段によって補正されたデータに基づいて回転板の回転角度または角速度に変換する手段と、
を備え、
前記模様が、半径方向と常にあらかじめ設定された角度で交差し、その交点と中心との距離が半径の回転に対して連続して変化する所定長さの曲線が円盤の周辺部に複数個回転対称に形成されたパターンからなり、
前記読み取り手段が、前記円盤の前記曲線と形成した部分と対向し、かつ前記円盤の半径方向に伸びたラインセンサと、前記パターンの画像を前記ラインセンサの受光部に結像する光学手段と、前記ラインセンサを制御して前記パターンの画像をあらかじめ設定した一定の時間間隔で読み取る手段とからなることを特徴とするロータリエンコーダ。 - 前記制御演算装置が、前記記読み取り手段によって読み取った画像データの前記曲線とその周辺の地肌部に対応する連続した領域を設定する手段と、
前記領域を画素の整数個分ずつ順次移動させて設定し直す手段と、
前記曲線の位置があらかじめ設定した場所に来たとき前記連続した領域を所定画素分ラインセンサの長さ方向に移動させ、隣接して配置されている前記曲線の画像を含む領域に再設定する手段と、
領域が設定されるごとにその領域における前記曲線の位置を演算する手段と、
領域の移動前後における前記曲線の移動量を演算する手段と
からなることを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。 - 前記偏心量を検出する手段は、円盤に設けられた曲線のパターンの回転中心を中心とする円のパターンと、この円のパターンを読み取る曲線の画像を読み取るラインセンサと一体となったセンサと、このセンサによって読み取った円のパターンの位置を得る手段とからなることを特徴とする請求項１記載のロータリエンコーダ。
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