JP5352981B2 - 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

Description

本発明は位置検出装置、回転体走行検出装置及び画像形成装置に関わり、特に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好適なものである。

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各種提案されている（特許文献１乃至７）。
従来の変位測定装置においては、イメージセンサで取り込んだ画像を、前回取り込み時の画像データと比較して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仕組みとなっている。
このような変位測定方法では、通常のエンコーダ等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されないのに対して、位置データはサンプリングごとに更新されるため、無駄な時間が少なくリアルタイム性が高い。
特開２００４−２０５３０８公報 特開２００４−１１７０１０公報 特開２００３−０７６４８６公報 特開２００３−２２２５０５公報 特許第３６９３１６８号 特許第２６６８９３７号 特開平１０−２８１８１１号公報

しかしながら、上記したような従来技術においては以下のような問題点があった。
（１）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。
（２）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。
また、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。
また上記（２）の問題に対して、特許文献７のロータリーエンコーダでは円盤の回転に従って、傾斜した線の像がラインセンサ上をライン方向に移動するので、円盤の回転角度がラインセンサの画素単位の分解能で検知され、画素ピッチ粗いラインセンサを用いても高分解能の回転検知を行うことができる。

しかしながら、特許文献７の方法ではロータリーエンコーダスケールの偏心があると偏心方向の移動が回転方向の移動として検出されてしまう問題がある。従来技術においてはこの問題に対して、円盤の回転方向にも円状のラインパターンを形成し、同じラインセンサにて読み取ることで、円盤の偏心を検出して補正する方法を提案している。
本発明では、ラインセンサを用いた計測において、画素ピッチの粗いラインセンサを用いても高分解能で検知ができ、さらにスケールの偏心や蛇行が発生しても誤差が生じない位置検出装置、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。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、所定の反射率あるいは透過率の変化による連続したパターンにより形成されたスケールと、前記スケールを照明する光源と、前記スケールのパターンを読み取る受光手段と、前記受光手段の出力信号を処理する信号処理部と、を有し、少なくとも前記スケールの移動方向の位置を検出する位置検出装置において、前記スケールのパターンは、前記スケールの移動方向に一定の幅であるとともに、前記スケールの移動方向に一定間隔で、前記スケールの移動方向に直交するように形成されており、前記受光手段は、前記パターンに対して所定の角度を持って配設され、前記パターンの幅よりも広い領域を読み取り、前記受光手段で読み取ったパターンに基づいて前記スケールのスケール移動方向の位置変化を検知するとともに、前記受光手段で読み取ったパターンの幅方向の端部の位置に基づいて前記スケールのスケール移動方向に直交する方向の位置変化を検知することを特徴とする位置検出装置である。

請求項２に記載の発明は、前記スケールのパターンは、前記スケールの移動方向に対して直交するラインパターンと前記スケールの移動方向と平行で連続したラインパターンにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置である。
請求項３に記載の発明は、前記受光手段は、前記スケールのパターンの少なくとも２つを読み取り、前記受光手段によって読み取られた複数のパターンの間隔を演算することにより、前記パターン周期の誤差もしくはスケールの伸縮を補正する演算処理手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置である。
請求項４に記載の発明は、前記受光手段は、前記スケールの移動方向に複数配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の位置検出装置である。

請求項５に記載の発明は、前記受光手段は、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ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の位置検出装置である。
請求項６に記載の発明は、前記受光手段は、受光素子アレイであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の位置検出装置である。
請求項７に記載の発明は、前記受光手段の出力を信号処理して、電気角として９０°の位相差を持ったＡＢ相のパルス信号を出力する信号処理手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の位置検出装置である。
請求項８に記載の発明は、前記スケールは、円盤上に放射方向に形成されたラインパターンにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の位置検出装置である。

請求項９に記載の発明は、所定の反射率あるいは透過率の変化による連続したパターンにより形成されたスケールと、前記スケールを照明する光源と、前記スケールのパターンを読み取る受光手段と、前記受光手段の出力信号を処理する信号処理部と、を有し、少なくとも前記スケールの移動方向の位置を検出する位置検出装置において、前記スケールのパターンは、前記スケールの移動方向に一定の幅であるとともに、前記スケールの移動方向に一定間隔で、前記スケールの移動方向に直交するように形成されており、前記受光手段は、複数の受光領域を有し、該受光領域が前記スケールの移動方向及び前記スケールの移動方向と直交方向にずれた位置で検出するように、かつ前記複数の受光領域の各々が前記スケールのパターンの幅方向の端を読み取れるように配設され、前記複数の受光領域で読み取ったパターンに基づいて前記スケールの移動方向の位置および移動方向に直交する方向の位置変化を検知することを特徴とする位置検出装置である。

請求項１０に記載の発明は、前記受光手段は、複数の受光領域を有する受光素子と、前記受光領域が前記スケールの移動方向及び前記スケールの移動方向と直交方向にずれた開口を有し、それぞれの受光領域が受光する部分を制限するマスクと、により構成されていることを特徴とする請求項９に記載の位置検出装置である。
請求項１１に記載の発明は、前記スケールを照明する光源は、略平行光線を発することを特徴とする請求項９又は１０に記載の位置検出装置である。
請求項１２に記載の発明は、前記光源と前記受光手段との間に前記スケールの像を受光領域上に結像するレンズ手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の位置検出装置である。

請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２の何れか１項に記載の位置検出装置と、該位置検出装置の出力から回転走行体の位置を検知し駆動手段の制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする回転体走行検出装置である。
請求項１４に記載の発明は、前記回転体の回転方向と直交するスラスト方向を調整するスラスト調整手段を備え、前記制御手段は、前記駆動手段及び前記スラスト調整手段を制御することを特徴とする請求項１３に記載の回転体走行検出装置である。
請求項１５に記載の発明は、請求項１乃至１２の何れか１項に記載の位置検出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置である。

本発明によれば、スケールのスケール移動方向の位置変化を検知するとともに、スケール移動方向と直交する方向の位置変化を検知することができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る相対位置検出装置の構成を示す概略斜視図、図２は第１の実施形態に係る相対位置検出装置の構成を示すブロック図、図３は第１の実施形態に係る相対位置検出装置が適用される無端ベルト搬送装置の構成を示した図、図４は搬送ベルトに構成されるスケールの一例を示した図である。
第１の実施形態に係る相対位置検出装置は、図１、図２に示すように、光源１と、スケール２と、受光手段であるラインセンサ４と、信号処理部５と、位置演算部６とを含んで構成されている。スケール２には、所定の反射率あるいは透過率の変化によるマークパターンが一定周期で形成された光学マーク２ａが設けられている。なお、本実施形態の相対位置検出装置を図３に示すような無端ベルト搬送装置に適用する場合には、無端ベルト３の表面あるいは裏面にスケール２が形成される。
ラインセンサ４は、スケール２の光学パターン２ａを一定のサンプリング周期で取り込む撮像素子である。

信号処理部５は、ラインセンサ４からのデータをＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換回路５−１と、フィルタリングを行うノイズ除去用のフィルタ５−２と、濃度データからマークの中心を抽出するマーク中心抽出回路５−３とを含んで構成されている。また、位置演算部６は、信号処理部５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２ａが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マークカウンタ６−１と、後述する演算処理により基準位置からの変位を計算するマーク位置演算回路６−２と、マークカウント値とマーク位置から現在位置を計算する累積位置演算部６−３とを含んで構成されている。
なお、スケール２は、反射率あるいは透過率が基材とは異なる光学マーク２ａが一定周期で連続して形成されたものであり、光学マーク２ａはラインセンサ４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。なお、本実施形態では、光学パターン２ａを黒いラインパターンで例示しているが、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。
図２に示すように、ラインセンサ４の前には結像レンズ７を配置し、スケール２上の光学マーク２ａが結像するようにする。このとき必要に応じて照明装置１によりスケール２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。

図５は、一般的な相対位置検出装置におけるラインセンサの配置例を示した図、図６は本実施形態に係る相対位置検出装置におけるラインセンサの配置例を示した図である。
ラインセンサ４は、図５のようにスケール２の移動方向に平行に配置し、スケールパターンを検出する方法が一般的である。これに対して、本実施形態では図６のようにスケール２の移動方向に対して所定の角度を持って配設することで、ラインセンサの分解能を向上させるようにした点に特徴がある。

以下、図７を用いてラインセンサを傾けて配置することによる分解能の向上について説明する。
図７は、スケール２上の光学マーク（以下、「ラインパターン」と称する）２ａとラインセンサ４の配置例を示した図である。
ここで、ｄをラインパターン２ａの幅、Ｐ０をラインパターン２ａのピッチ、Ｌをラインセンサ４の長さ、Ｘをスケールの移動方向、θをスケールの移動方向Ｘからラインセンサ４を傾けた角度とすると、スケールがＸ方向に進むと、ラインセンサ４上ではラインセンサ４の長さ方向にラインパターン２ａが移動する。そして、スケール２がラインパターンピッチＰ０だけ移動したときは、ラインセンサ４上をラインパターン２ａが動く距離Ｌは、Ｐ０／Ｌ＝ｃｏｓθより、
Ｌ＝Ｐ０／ｃｏｓθ・・・（１）
となる。
またラインセンサ４上でラインパターン２ａがｘ’だけ移動したときの実際のスケール移動距離ｘは、
ｘ＝ｘ’・ｃｏｓθ・・・（２）
により計算される。

ここで、スケール２がスケール移動方向Ｘと直交する方向Ｙに移動してしまった場合を考えてみると、従来技術ではスケールパターンに角度がついているため、Ｙ方向にスケールが移動すると、あたかもＸ方向にスケールが移動するようにラインセンサ上でパターンが移動する（特許文献７の図１０参照）。
これに対して、本実施形態ではスケール２のラインパターン２ａはスケール移動方向と直交する方向Ｙのラインパターンであるため、ラインセンサ４上の像には変化が生じないこととなる。
従って、このような本実施形態の相対位置検出装置によれば、ラインセンサ４を傾けて配置することにより、スケール２の移動を１／ｃｏｓθ倍に拡大する効果を持たせつつ、スケール２の移動方向と直交する方向への移動による計測誤差が生じない高精度な相対位置検出装置を実現することができる。

次に本発明の第２の実施形態について説明する。
第２の実施形態に係る相対位置検出装置は、スケール２上のラインパターン２ａはスケール移動方向に一定の幅で形成され、ラインセンサ４が読み取るラインパターン２ａの領域はラインパターンの幅よりも広い領域であり、ラインセンサ４で読み取ったラインパターン２ａの幅方向の上下限値より、スケール２とラインセンサ４のスケール移動方向に直交する方向の位置変化を同時に検知するようにしたものである。
ここで、第２の実施形態に係る相対位置検出装置の動作を図７、図８を用いて説明する。
第２の実施形態では、スケール２上のラインパターン２ａの幅が一定の長さｄに規定されている。図８に示すように、スケールが移動するとラインセンサ４上のラインパターン２ａが移動するが、ラインパターン２ａの幅が一定であると、ラインセンサ４の長さ方向での上限と下限が決まる。ラインセンサ４上でのラインパターン２ａの投影幅ｄ’は、
ｄ’＝ｄ／ｓｉｎθ・・・（３）
であるため、スケール２の移動速度よりも十分速い速度でサンプリングを行えば、スケールの像はｄ’の幅の中で変化する。このｄ’の中心位置をラインセンサの上限、下限位置から求めることで、スケールの移動方向と直交方向の位置変化が検知できる。
従って、このような相対位置検出装置の構成を用いれば、スケール２とヘッドのＸ方向の移動のみならず、Ｙ方向の変位も観測することができる。

次に本発明の第３の実施形態について説明する。
第３の実施形態に係る相対位置検出装置は、第２の実施形態のＹ方向検知精度を高めるために、スケール２のマークパターン２ａにＹ方向検出用のパターンを設けるようにしている。
図９に示すように、スケール移動方向Ｘと平行に連続したラインパターン２ｂを設けるようにすればよい。図９では左右にラインパターン２ｂがある例を示したが、片方だけでも構わない。図９のようなスケール２をラインセンサ４で読み取ると、図１０に示すような信号が得られる。なお、図１０中の両端の信号がＹ方向検出用パターン２ｂの像に相当する。スケールのＹ方向移動がなければ、この信号は常に同じ位置に観測され、３本の信号がスケールのＸ方向移動に伴い移動する。
第２の実施形態では、上下限を見極めるために何サンプリングかのデータを監視する必要があるが、第３の実施形態に係る相対位置検出装置によれば、１回のサンプルでＹ方向位置を検知することができるようになる。

次に本発明の第４の実施形態について説明する。
第４の実施形態に係る相対位置検出装置は、ラインセンサ４がスケール２上のラインパターン２ａの少なくとも２本のラインを常に検出し、取得された複数のラインパターン２ａの間隔を演算することにより、ラインパターン周期の誤差もしくはスケール２の伸縮を補正する演算処理手段を有することである。
図１１はスケール上の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した図である。なお、動作については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
図１１では２本のライン状マークがラインセンサ上に結像している。従来技術では、マークの濃度データの相関計数を計算して最も相関の高い位置を相対移動位置として採用する方式が一般的であるが、本実施形態ではマークが基準位置を通過したかどうかをカウントしたマークカウント値（Ｎ）と、マークのピッチ（Ｐ）及びイメージセンサでの基準位置からマークの位置（ｘ）を使って、移動距離：Ｘを
Ｘ＝Ｐ×Ｎ＋ｘ
して計算する。

従来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、本実施形態では濃度データからマーク中心位置データを生成し、マーク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得られた移動距離Ｘを積算するのではなく、マークの通過個数と現在のマークの位置（ｘ）を使って計算するので、マークの精度に応じた精度で位置検出ができる。
図１１においては、Ｍ１とＭ２がマークの中心位置であり、Ｐ（１）がマークＭ１とマークＭ２のピッチである。
スケール上のマークピッチが正確でない場合、もしくは非常に高精度な計測が求められる場合、マークのピッチを演算して、マークの位置Ｘを、
Ｘ＝Σ（Ｐ（ｋ））＋ｘ
として求めればよい。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。

次に本発明の第５の実施形態について説明する。
図１２は第５の実施形態に係る相対位置検出装置を説明する図であり、第５の実施形態ではラインセンサ４がスケール２の移動方向に複数設置されていることを特徴とする。
図１２に示すようにラインセンサ４ａ、４ｂがセンサ間隔ｇ（ｇ＝Ｎ×Ｐ０）の距離を置いて設置されている場合に、図１３に示すようなマーク像が得られた場合、それぞれのラインセンサ４ａ、４ｂにより得られるマーク位置データは、ｘａ−ｘｂがマークピッチのＰ０からのずれを表しており、
Ｐ’＝Ｐ０＋（ｘａ−ｘｂ）／Ｎ
によりマークピッチの補正ができる。ラインセンサ４ａ、１４ｂの間隔を離すことにより、マークピッチの誤差をＮ倍に拡大していることになり高精度なマークピッチ補正ができる。

次に本発明の第６の実施形態について説明する。
図１４は第６の実施形態を示した図であり、この図１４に示すようにラインセンサの代わり２次元イメージセンサを用いることを特徴としている。このように構成すれば、より多くのラインパターンを検知することができることから、平均化処理によりスケールのラインパターンのムラを吸収でき、より高精度な計測が可能となる。Ｘ方向のみならずＹ方向の検知にも効果があることは言うまでもない。なお、イメージセンサの替わりに受光素子アレイを用いることも可能である。
また、ラインセンサの出力を信号処理して、電気角として９０°の位相差を持ったＡＢ相のパルス信号を出力することにより、一般的に用いられているエンコーダセンサとの置き換えが可能となる。その場合は、図１５に示すように信号処理部５の後段にパルス発生部８を設け、パルス発生部８においてＡＢ相パルスを生成すればよい。

次に本発明の第８の実施形態について説明する。
なお、第８の実施形態に係る相対位置検出装置の構成は、図１、図２に示した第１の実施形態に係る相対位置検出装置の構成と同一であるので説明を省略する。
第８の実施形態では、図１６に示すように受光手段としてラインセンサ４の代わりに２つの受光素子８１、８２を設けるようにしている。なお、本実施形態では２つの受光素子８１、８２を設ける場合を例に挙げて説明するが、受光素子に個数はそれ以上でも構わない。また、本実施形態では受光素子８１、８２がそれぞれ独立した構成する場合を例示しているが、１つのラインセンサ４で受光領域が別々に形成されているものを利用しても構わない。
このように第８の実施形態では、２つの受光素子８１、８２をスケール２の移動方向及び直交方向に位置をずらして配置した点に特徴がある。２つの受光素子８１、８２をスケール２の移動方向に位置をずらすことでスケール２上のマーク周期の誤差を補正することができる。また２つの受光素子８１、８２をスケール２の移動方向に対して直交する直交方向にずらすことで、スケール２の寄り方向を同時に検出することが出来るようになる。

ここで、寄り検出の原理について説明する。
図１７に寄り方向の検出原理の説明図を示す。
図１６において、スケール２がＲ方向（受光素子８１）に寄ってきたときには、受光素子８１で受光するマークパターンの面積が大きくなるため、図１７（ａ）に示すように、受光素子８１で受光する信号強度が大きくなり、逆に受光素子８２の信号強度が低下する。逆にＬ側に寄ってきたときは図１７（ｂ）のように受光素子８１の信号が小さく、受光素子８２の信号が大きくなる。
このように受光素子８１、８２の信号強度を比較することで、スケール２の寄りが検出できる。この相対位置検出装置をベルト搬送装置に適用した場合、ベルト搬送装置にステアリングローラなどの寄り方向制御装置を組み込み、受光素子８１と受光素子８２の信号強度が図１７（ｃ）のように同じ強度になるように制御を行うことで安定したベルト搬送が実現できる。

次に、マーク周期の補正方法について説明する。
図１８は２個の受光素子８１、８２の出力信号波形の一例である。なお、図１８においては説明の簡略化のため、スケール２の寄りがなく受光素子８１、８２の間隔がマーク周期の整数（Ｎ）倍に設定されているものとする。
このとき、マーク周期に誤差がないときは、図１８（ａ）に示すように２つの信号は同位相になるが、マーク周期が延びているときは、図１８（ｂ）に示すように受光素子８２の信号位相が遅れ、マーク周期が縮んでいるときには、図１８（ｃ）に示すように受光素子８２の信号位相が進む。
マーク周期の変化率Ｒは、受光領域の間隔をＬ、ベルト線速をＶ、位相差をＣａｂとすると、下記のように計算できる。
Ｒ＝Ｃａｂ・Ｖ／Ｌ
スケールピッチＰと受光領域の間隔Ｌはマーク周期Ｐの整数Ｎ倍に設定しているので、信号周期をＣａ、Ｌ＝Ｎ・Ｐ、Ｖ＝Ｐ／Ｃａ（ｎ）とすると、
Ｒ＝Ｃａｂ・（Ｐ／Ｃａ）／（Ｎ・Ｐ）＝Ｃａｂ／（Ｎ・Ｃａ）
で求められる。
実際のベルト線速Ｖｒｅａｌは、マーク周期の変化率Ｒをつかって表すと
Ｖｒｅａｌ＝Ｐ（１＋Ｒ）／Ｃａ
で計算される。

累積位置はセンサ信号のエッジカウント値「ｎ」にスケールピッチ「Ｐ」をかけて算出できるので、補正後の累積位置：Ｌｒｅａｌは、マークピッチごとのマーク周期誤差率をＲ（ｋ）とすると、
Ｌｒｅａｌ＝ｎ・Ｐ＋Σ（Ｐ・Ｒ（ｋ））
となり、ピッチ誤差の積分値を足した分が実際の累積移動距離になる。
以上のように、第８の実施形態では、２つの受光素子８１、８２で受光した信号の位相差によってマーク周期補正を行うことで、マーク周期誤差が生じても実際の走行体の速度を正確に計測できるようになる。
また第８の実施形態では、寄り計測とマーク周期補正の２つ機能を一つのセンサで実現できるため、低コストや小型化に効果があるばかりではなく、２つのセンサの位置誤差、環境変化による間隔変動によって発生するマーク周期補正の誤差や、２つのセンサの特性の違いによる計測誤差も除去でき、高精度な速度、位置計測を提供できる。

次に、本発明の第９の実施形態について説明する。
図１９はマスクパターンと受光素子の一例を示した図である。
第９の実施形態では複数の受光領域８３、８４を有する受光素子８５と所望の開口８６、８７を有するマスク８８を組み合わせることで位置のずれた２つの受光素子と同様の機能を実現することができる。位置のずれた受光領域８３、８４を有する受光素子８５はカスタム製品になりコストがかかってしまうが、このように構成すれば、安価にまた高精度な位置精度を確保することが出来る。

次に、本発明の第１０の実施形態について説明する。
図２０及び図２１は本発明の第１０の実施形態の説明図であり、第１０の実施形態の特徴は、光源１からの光に平行ビームを用いることである。これまで説明した本実施形態では、光源１はスケール２を照明する機能であったが、本実施形態では、光源１はスケール２のマークを照明するだけでなく、マークパターンを受光素子９２に投影する役割をもつ、このときスケール２のマークパターンは全反射型あるいは透過型のパターンを用いる。
図２０ではスケール２が反射型のマークパターンの時の例を示している。この場合、図２０のように光源１からの光をコリメータレンズ９１により平行ビームに変換し、この平行ビームをスケール２に照射すると、その反射光は図２１のように反射マークのある部分のみが反射され、受光素子９２にスケール２上のマークと同じようなパターンの光ビームが形成できる。このとき、光源１の光が散乱光であったり、収束光で会ったりすると、光は発散したり収束したりして、スケール上のパターンを再現できなくなる。

また、本実施形態に用いる光源１は空間的なコヒーレンスを必要とするので、光源１の面積が小さい光源が望ましい。低コストで発光面積が小さい光源としては半導体レーザや点光源ＬＥＤなどが利用できる。
このように光源からの光に平行ビームを用いると、受光素子９２にスケールパターンが直接投影できるので、結像光学系が不要になるばかりでなく、スケール２と受光素子９２の間隔変化によるフォーカスずれ（ピンぼけ）が発生せず、安定した計測を行うことができる。このような構成は、ベルト搬送装置やドラム回転装置など、被検値物の上下動が大きいものに対して非常に有効である。
また、これまで説明した本実施形態に係る相対位置検出装置は、ロータリーエンコーダに対しても適用可能である。

図２２は本実施形態に係る相対位置検出装置をロータリーエンコーダに適用する場合の一例を示した図であり、この場合はロータリーエンコーダ９に円盤状のスケール２を設けるようにすればよい。
また、これまで説明したように本実施形態に係る相対位置検出装置では、マークピッチ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２３は本実施形態に係る相対位置検出装置をベルト搬送装置への適用例を示す概略図である。
この図２３においては、搬送ベルト７１の所定の端部に上述のスケール２を設けて、当該搬送ベルト７１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７１を移動させている。そして、上述した本実施形態の相対位置検出装置によって搬送ベルト７１上のスケール２によって位置を検出するものである。モータドライバ７３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ＤＳＰ７２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２４は本実施形態に係る相対位置検出装置をベルト搬送装置への他の適用例を示す概略図である。上記した第２及び第３の実施形態に係る相対位置検出装置では、Ｘ方向とともにＹ方向も検出できるので、図２４に示すようなベルト搬送装置において、回転走行体を駆動するモータドライバ７３（駆動手段）と回転体の回転方向と直交するスラスト方向を調整するスラスト調整手段７４とを用いればベルトの回転制御とスラスト調整が同時に行える。

図２５は、本実施形態に係る相対位置検出装置を画像形成装置への適用例を示す概略図である。タンデム型間接転写方式のカラー画像形成装置を示す。符号１００は複写機本体、２００はそれを載せる給紙テーブル、３００は複写機本体１００上に取り付けるスキャナ、４００はさらにその上に取り付ける原稿自動搬送装置（ＡＤＦ）である。
複写機本体１００には、中央に、無端ベルト状の中間転写体１０を設ける。この中間転写体１０は、３つの支持ローラ（張架ローラ）１４、１５、１６に掛け回して図中時計回りに回転搬送可能とする。この図示例では、３つ支持ローラのうちの第２の支持ローラ１５の左側に、画像転写後に中間転写体１０上に残留する残留トナーを除去する中間転写体クリーニング装置１７を設ける。また、３つの支持ローラうちの第１の支持ローラ１４と第２の支持ローラ１５間に張り渡した中間転写体１０上には、その搬送方向に沿って、ブラック・シアン・マゼンタ・イエロの４つの画像形成手段１８を横に並べて配置してタンデム画像形成部２０を構成する。

タンデム画像形成部２０の直上には、さらに露光装置２１を設ける。一方、中間転写体１０を挟んでタンデム画像形成部２０と反対の側には、２次転写装置２２を備える。２次転写装置２２は、図示例では、２つのローラ２３間に、無端ベルトである２次転写ベルト２４を掛け渡して構成し、中間転写体１０を介して第３の支持ローラ１６に押し当てて配置し、中間転写体１０上の画像を記録紙に転写する。
２次転写装置２２の横には、記録紙上の転写画像を定着する定着装置２５を設ける。定着装置２５は、無端ベルトである定着ベルト２６に加圧ローラ２７を押し当てて構成する。上述した２次転写装置２２は、画像転写後の記録紙をこの定着装置２５へと搬送する記録紙搬送機能も備えている。もちろん、２次転写装置２２として、転写ローラや非接触のチャージャを配置してもよい。
なお、図示例では、このような２次転写装置２２および定着装置２５の下に、上述したタンデム画像形成部２０と平行に、記録紙の両面に画像を記録すべく記録紙を反転する記録紙反転装置２８を備える。

このカラー複写機を用いてコピーをとるときは、原稿自動搬送装置４００の原稿台３０上に原稿をセットする。または、原稿自動搬送装置４００を開いてスキャナ３００のコンタクトガラス３２上に原稿をセットし、原稿自動搬送装置４００を閉じてそれで押さえる。
そして、不図示のスタートスイッチを押すと、原稿自動搬送装置４００に原稿をセットしたときは、原稿を搬送してコンタクトガラス３２上へと移動して後、他方コンタクトガラス３２上に原稿をセットしたときは、直ちにスキャナ３００を駆動し、第１走行体３３および第２走行体３４を走行する。そして、第１走行体３３で光源から光を発射するとともに原稿面からの反射光をさらに反射して第２走行体３４に向け、第２走行体３４のミラーで反射して結像レンズ３５を通して読取りセンサ３６に入れ、原稿内容を読み取る。

また、不図示のスタートスイッチを押すと、不図示の駆動モータで支持ローラ１４、１５、１６の１つを回転駆動して他の２つの支持ローラを従動回転させ、中間転写体１０を回転搬送する。同時に、個々の画像形成手段１８で各感光体４０（４０Ｋ、４０Ｙ、４０Ｍ、４０Ｃ）を回転して各感光体４０上にそれぞれ、ブラック・イエロ・マゼンタ・シアンの単色画像を形成する。そして、中間転写体１０の搬送とともに、それらの単色画像を順次転写して中間転写体１０上に合成カラー画像を形成する。
一方、不図示のスタートスイッチを押すと、給紙テーブル２００の給紙ローラ４２の１つを選択回転し、ペーパーバンク４３に多段に備える給紙カセット４４の１つから記録紙を繰り出し、分離ローラ４５で１枚ずつ分離して給紙路４６に入れ、搬送ローラ４７で搬送して複写機本体１００内の給紙路４８に導き、レジストローラ４９に突き当てて止める。

そして、中間転写体１０上の合成カラー画像にタイミングを合わせてレジストローラ４９を回転し、中間転写体１０と２次転写装置２２との間に記録紙を送り込み、２次転写装置２２で転写して記録紙上にカラー画像を記録する。
画像転写後の記録紙は、２次転写装置２２で搬送して定着装置２５へと送り込み、定着装置２５で熱と圧力とを加えて転写画像を定着した後、切換爪５５で切り換えて排出ローラ５６で排出し、排紙トレイ５７上にスタックする。
一方、画像転写後の中間転写体１０は、中間転写体クリーニング装置１７で、画像転写後に中間転写体１０上に残留する残留トナーを除去され、タンデム画像形成部２０による再度の画像形成に備える。

次に、１次転写装置６２は、ローラ状とし、中間転写体１０を挟んで感光体４０に押し当てて設ける。ローラ状に限らず、非接触のコロナチャージャなどであってもよい。
そして、感光体４０の回転とともに、まず帯電装置で感光体４０の表面を一様に帯電し、次いでスキャナ３００の読取り内容に応じて上述した露光装置２１からレーザやＬＥＤ等による書込み光Ｌを照射して感光体４０上に静電潜像を形成する。
このようにカラー電子写真装置における中間転写ベルトと呼ばれる像担持手段では複数のカラー像を順次重ね合わせることからベルト搬送速度を一定に保つ事が必要とされるため本発明の適用が効果的である。

本発明の第１の実施形態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。 第１の実施形態に係る相対位置検出装置の構成を示すブロック図である。 本実施形態に係る相対位置検出装置が適用される無端ベルト搬送装置の構成を示した図である。 搬送ベルトに構成されるスケールの一例を示した図である。 一般的な相対位置検出装置におけるラインセンサの配置例を示した図である。 第１の実施形態に係る相対位置検出装置におけるラインセンサの配置例を示した図である。 スケール２上のラインパターンとラインセンサの配置例を示した図である。 第１の実施形態に係る相対位置検出装置におけるラインパターンの検出波形を示した図である。 第２の実施形態に係る相対位置検出装置におけるラインセンサの配置例を示した図である。 第２の実施形態に係る相対位置検出装置におけるラインパターンの検出波形を示した図である。 スケール上の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した図である。 第５の実施形態に係る相対位置検出装置を説明する図である。 第５の実施形態に係る相対位置検出装置を説明する図である。 第６の実施形態に係る相対位置検出装置を説明する図である。 第７の実施形態に係る相対位置検出装置を説明する図である。 第８の実施形態に係る相対位置検出装置のスケール上のラインパターンと受光素子の配置例を示した図である 寄り方向の検出原理の説明図である。 ２個の受光素子８１、８２の出力信号波形の一例である。 第９の実施形態に係る相対位置検出装置のマスクパターンと受光素子の一例を示した図である。 第１０の実施形態の説明図である。 第１０の実施形態の説明図である。 円盤状のスケール２を示した図である。 本実施形態に係る相対位置検出装置をベルト搬送装置への適用例を示す概略図である。 本実施形態に係る相対位置検出装置をベルト搬送装置への他の適用例を示す概略図である。 本実施形態に係る相対位置検出装置を画像形成装置への適用例を示す概略図である。

符号の説明

１…光源、２…スケール、２ａ、２ｂ…ラインパターン、３…無端ベルト、４、４ａ、４ｂ…ラインセンサ、５…信号処理部、５−１…Ａ／Ｄ変換回路、５−２…フィルタ、５−３…マーク中心抽出回路、６…位置演算部、６−１…マークカウンタ、６−２…マーク位置演算回路、６−３…累積位置演算部、７…結像レンズ、８…パルス発生部、９…ロータリーエンコーダ、７１…搬送ベルト、７２…ＤＳＰ、７３…モータドライバ、７４…スラスト調整手段、８１ ８２ ８５ ９２…受光素子、８３ ８４…受光領域、９１…コリメータレンズ

Claims (15)

1. 所定の反射率あるいは透過率の変化による連続したパターンにより形成されたスケールと、前記スケールを照明する光源と、前記スケールのパターンを読み取る受光手段と、前記受光手段の出力信号を処理する信号処理部と、を有し、少なくとも前記スケールの移動方向の位置を検出する位置検出装置において、
   前記スケールのパターンは、前記スケールの移動方向に一定の幅であるとともに、前記スケールの移動方向に一定間隔で、前記スケールの移動方向に直交するように形成されており、
   前記受光手段は、前記パターンに対して所定の角度を持って配設され、前記パターンの幅よりも広い領域を読み取り、
   前記受光手段で読み取ったパターンに基づいて前記スケールのスケール移動方向の位置変化を検知するとともに、前記受光手段で読み取ったパターンの幅方向の端部の位置に基づいて前記スケールのスケール移動方向に直交する方向の位置変化を検知することを特徴とする位置検出装置。
2. 前記スケールのパターンは、前記スケールの移動方向に対して直交するラインパターンと前記スケールの移動方向と平行で連続したラインパターンにより形成されていることを特徴とする請求項１に記載の位置検出装置。
3. 前記受光手段は、前記スケールのパターンの少なくとも２つを読み取り、
   前記受光手段によって読み取られた複数のパターンの間隔を演算することにより、前記パターン周期の誤差もしくはスケールの伸縮を補正する演算処理手段を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の位置検出装置。
4. 前記受光手段は、前記スケールの移動方向に複数配設されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の位置検出装置。
5. 前記受光手段は、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ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の位置検出装置。
6. 前記受光手段は、受光素子アレイであることを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の位置検出装置。
7. 前記受光手段の出力を信号処理して、電気角として９０°の位相差を持ったＡＢ相のパルス信号を出力する信号処理手段を備えることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の位置検出装置。
8. 前記スケールは、円盤上に放射方向に形成されたラインパターンにより形成されていることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の位置検出装置。
9. 所定の反射率あるいは透過率の変化による連続したパターンにより形成されたスケールと、前記スケールを照明する光源と、前記スケールのパターンを読み取る受光手段と、前記受光手段の出力信号を処理する信号処理部と、を有し、少なくとも前記スケールの移動方向の位置を検出する位置検出装置において、
   前記スケールのパターンは、前記スケールの移動方向に一定の幅であるとともに、前記スケールの移動方向に一定間隔で、前記スケールの移動方向に直交するように形成されており、
   前記受光手段は、複数の受光領域を有し、該受光領域が前記スケールの移動方向及び前記スケールの移動方向と直交方向にずれた位置で検出するように、かつ前記複数の受光領域の各々が前記スケールのパターンの幅方向の端を読み取れるように配設され、
   前記複数の受光領域で読み取ったパターンに基づいて前記スケールの移動方向の位置および移動方向に直交する方向の位置変化を検知することを特徴とする位置検出装置。
10. 前記受光手段は、複数の受光領域を有する受光素子と、
    前記受光領域が前記スケールの移動方向及び前記スケールの移動方向と直交方向にずれた開口を有し、それぞれの受光領域が受光する部分を制限するマスクと、
    により構成されていることを特徴とする請求項９に記載の位置検出装置。
11. 前記スケールを照明する光源は、略平行光線を発することを特徴とする請求項９又は１０に記載の位置検出装置。
12. 前記光源と前記受光手段との間に前記スケールの像を受光領域上に結像するレンズ手段を備えたことを特徴とする請求項１乃至１１の何れか１項に記載の位置検出装置。
13. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の位置検出装置と、該位置検出装置の出力から回転走行体の位置を検知し駆動手段の制御を行う制御手段と、を備えることを特徴とする回転体走行検出装置。
14. 前記回転体の回転方向と直交するスラスト方向を調整するスラスト調整手段を備え、前記制御手段は、前記駆動手段及び前記スラスト調整手段を制御することを特徴とする請求項１３に記載の回転体走行検出装置。
15. 請求項１乃至１２の何れか１項に記載の位置検出装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。

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