JP7450902B2 - 光学式エンコーダの動作方法 - Google Patents

Description

１．発明の分野
本開示は、概略的には装置ならびにその位置及び移動をセンサ装置を使用して検出するための方法に関し、より詳細には、装置ならびにその位置および移動を光学式エンコーダセンサを使用して検出するための方法に関する。

２．関連技術の説明
光学式エンコーダは、様々な用途で有用である。例えば、アブソリュートエンコーダを、物理的な位置をそのような位置に対応する電気信号へと変換することにより、物体の位置、移動または角度を判定するために使用することが可能である。（ロボットアームなどの）比較回転機構においては、アブソリュートエンコーダが、コード板上に形成された（バーコードなどの）所定のパターンを読み取るかまたは検出するため、および回転機構の絶対位置を示す信号を生成するためのセンサを有する。しかし、アブソリュートエンコーダの老朽化または劣化のために、コード板とセンサとの間の距離が変化し、この結果、捕捉された画像に（焦点ずれやぶれなどの）ひずみまたは歪みが生じる場合がある。このことが、アブソリュートエンコーダによって検出される位置、移動または角度の精度を損なうおそれがある。

１つ以上の実施形態においては、パターンをその上に有するコード板が提供される。前記パターンは、第１コードセットおよび第２コードセットを有する。前記第１コードセットは、第１波形と関連付けられている。前記第２コードセットは、第２波形と関連付けられている。

１つ以上の実施形態においては、エンコーダが、板、センサ、メモリおよびプロセッサを有する。前記板は、その上にパターンを有する。前記センサは、前記パターンの一部分の画像を取得するように構成されている。前記プロセッサは、前記センサによって取得された画像を少なくとも２つの波形へと変換するように構成されている。

１つ以上の実施形態においては、物体の位置を判定するための方法が、（ａ）前記物体に接続されたコード板の画像を取得することと、（ｂ）前記センサによって取得された前記画像を少なくとも２つの波形へと変換することと、（ｃ）前記複数の波形の位相情報を算出することと、（ｄ）前記位相情報に基づいて前記物体の位置を判定することとを含む。

本開示の複数の局面が、添付の図面を参考としながら以下の詳細な説明を参照することで、最適に理解されよう。図面において、様々な特徴が正確な縮尺率で図示される必要はなく、これらの様々な特徴の寸法が、説明の明瞭化のために任意に拡大または縮小されていてもよいことに留意されたい。
図１は、本開示の幾つかの実施形態による回転可能な機構の斜視図である。 図２Ａは、本開示の幾つかの実施形態による光学式エンコーダの斜視図である。 図２Ｂは、本開示の幾つかの実施形態によるディスク上のパターンの一部分の拡大図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、本開示の幾つかの実施形態による図２Ｂのパターンの一部分に対応する波形を図示したものである。 図４Ａおよび図４Ｂは、本開示の幾つかの実施形態によるシミュレーション結果を図示したものである。 図５は、本開示の幾つかの実施形態による光学式エンコーダの動作方法を図示したものである。

図面および発明の詳細な説明を通じ、同一のまたは同様の要素は共通の参照番号を用いて表される。本開示は、以下の詳細な説明を添付の図面と組み合わせて参照することで、より明らかとなろう。

本開示の複数の実施形態の構造、製造および使用を、以下に詳細に説明する。ただし、これらの実施形態が、様々な状況で具現化しうる数多くの利用可能な構想を示すものであることが理解されるべきである。以下の開示が、数多くの異なる実施形態または、様々な実施形態の異なる特徴を具現化した複数の例を述べたものであることが理解されるべきである。複数の部品及び装置の例を、以下に説明の目的のために記載する。これらは、当然のことながら、単に例示的なものであり、限定的であることは意図されていない。

図面に図示される複数の実施形態または実施例を、以下に特定の言語を用いて開示するが、これらの実施形態または実施例が限定を意図しないことが理解されよう。開示された実施形態ならびに、この文書に開示する原理の任意の更なる適用のいかなる変更および修正も本開示の範囲に含まれることが、当業者に理解されよう。

加えて、本開示が、様々な実施例において参照番号及び／または文字を繰り返してもよい。この繰り返しは、簡潔化および明瞭化の目的でなされ、記載される様々な実施例および／または構成間の関連性をそれ自体が規定するものではない。

図１は、本開示の幾つかの実施形態による回転可能な機構１００の斜視図である。幾つかの実施形態においては、回転可能な機構１００が、ロボットアームまたはロボットアームの一部分である。回転可能な機構１００は、第１端部１００Ａおよび、第１端部１００Ａと反対側の第２端部１００Ｂを有する。回転可能な機構１００は、複数のモータ１１０、減速歯車装置１２０、駆動プレート１３０、スクリューロッド１４０および関節１５０をさらに有する。

減速歯車装置１２０は、複数のモータ１１０の回転数を変化させるために、回転可能な機構１００の第１端部１００Ａに接続され、かつ複数のモータ１１０に取り付けられている。これらのモータ１１０および減速歯車装置１２０は、回転可能な機構１００のための複数の異なる駆動体を構成する。駆動プレート１３０が、回転可能な機構１００の第１端部１００Ａに回転可能に取り付けられている。スクリューロッド１４０が、回転可能な機構１００の第１端部に接続され、回転可能な機構１００の第２端部１００Ｂが、複数のモータ１１０によって発生された動力を使用して関節１５０を駆動し、関節１５０を回転または移動させる。

図２Ａは、本開示の幾つかの実施形態における光学式エンコーダ２００の斜視図である。幾つかの実施形態においては、光学式エンコーダ２００がアブソリュートエンコーダであり、図１の回転可能な機構の第２端部１００Ｂに配置されていてもよい。例えば、光学式エンコーダ２００が、図１の回転可能な機構１００の関節１５０に接続されているか、またはこれに隣接していてもよい。あるいは、光学式エンコーダ２００が、任意のその他の物体、装置または機構に、その角度、移動および／または位置を検出するために接続されていてもよい。光学式エンコーダ２００は、（「コード板」と称されてもよい）ディスク２１０、センサ２２０およびプロセッサ２３０を有する。

ディスク２１０は、センサ２２０に隣接して配置されている。ディスク２１０は、その上に所定のパターンを有する。幾つかの実施形態においては、図２Ａのディスク２１０上のパターンのうちの点線の四角Ａで囲まれた一部分の拡大図である図２Ｂに示すように、前記パターンが、複数の黒色部分２１０ａおよび複数の白色部分２１０ｂを有する。幾つかの実施形態においては、ディスク２１０を、プレート、フレーム、ロッドまたは任意のその他の、その上にパターンを有する好適な物体と置き換えることが可能である。

センサ２２０が、ディスク２１０上のパターンの一部分を取得し、取得された画像をプロセッサ２３０に送信するように構成されている。例えば、ディスク２１０が、点線の四角Ａで囲まれたパターンの一部分がセンサ２２０の捕捉領域内に配置されるように回転すると、点線の四角Ａで囲まれたパターンの一部分の画像がセンサ２２０によって取得または捕捉される。従って、センサ２２０によって取得される前記パターンの画像は、ディスク２１０の回転に伴って変化する。幾つかの実施形態においては、センサ２２０が、ディスク２１０上のパターンの異なる複数の部分の画像を取得するためのカメラまたは光学マウスを有してもよい。

幾つかの実施形態においては、図２Ｂの画像は、センサ２２０によって捕捉されたパターンの一部分である。図２Ｂの画像が、４つのコードセットＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を含む。別の複数の実施形態においては、センサ２２０によって捕捉された画像が、設計要件に応じて、いかなる数のコードセットを有してもよい。例えば、センサ２２０によって捕捉された画像が、Ｎが１よりも大きい整数であるＮ個のコードセットを有してもよい。図２Ｂの４つのコードセットＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４のそれぞれは、複数のブロック部分２１０ａおよび複数の白色部分２１０ｂを有し、２つの隣接する白色部分２１０ｂが１つのブロック部分２１０ａによって隔てられている。幾つかの実施形態においては、各ブロック部分２１０ａの幅は、各白色部分２１０ｂの幅と実質的に同じである。幾つかの実施形態においては、ブロック部分２１０ａが（「１」または「０」などの）論理値を表してもよい一方で、白色部分２１０ｂが逆の論理値を表してもよい。

幾つかの実施形態においては、図２Ｂに示すように、任意の２つの隣接するコードセットが位相差を有する。例えば、コードセットＰ１とコードセットＰ２との間の位相差φ１２は、約４５度であり、コードセットＰ２とコードセットＰ３との間の位相差φ２３は、約１３５度であり、コードセットＰ３とコードセットＰ４との間の位相差φ３４は、約３１５度である。任意の２つのコードセット間の位相差が、実施形態によって異なってもよい。

図２Ａを参照すると、プロセッサ２３０が、取得された画像をセンサ２２０から受信して、図１の回転可能な機構１００の角度および／または位置を判定するように構成されている。幾つかの実施形態においては、図１の回転可能な機構１００の角度および／または位置は、捕捉された画像の２つの隣接するコードセット間の位相差に基づいて判定される。

幾つかの実施形態においては、図２Ｂに示す画像を例に挙げると、プロセッサ２３０が、４つのコードセットＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４を、図３Ａに示す（例えば正弦波または余弦波などの）対応する波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４に変換するように構成されている。幾つかの実施形態においては、変換が、例えば高速フーリエ変換（ＦＦＴ）または任意のその他の好適なアルゴリズムを使用して実行される。プロセッサ２３０が、４つのコードセットＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４が対応する波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４に変換された後に、（例えばＰ１とＰ２、Ｐ２とＰ３またはＰ３とＰ４などの）２つの隣接するコードセットに対応する（例えばＷ１とＷ２、Ｗ２とＷ３またはＷ３とＷ４などの）２つの波形間の位相差φ１２、φ２３またはφ３４を算出するように構成されている。幾つかの実施形態においては、波形Ｗ１と波形Ｗ２との間の位相差φ１２は約４５度であり、波形Ｗ２と波形Ｗ３との間の位相差φ２３は約１３５度であり、波形Ｗ３と波形Ｗ４との間の位相差φ３４は約３１５度である。

プロセッサ２３０は、次に、位相差φ１２、φ２３およびφ３４を一連の数字または任意のその他の種類のコードへと変換するように構成されている。幾つかの実施形態においては、位相差が、Ｐが位相差であり、Ｎが対応する数字である以下の式：Ｎ＝Ｐ／４５に従って、対応する数字へと変換されてもよい。例えば、位相差４５度が数字「１」へと変換されてもよく、位相差１３５度が数字「３」へと変換されてもよく、位相差３１５度が数字「７」へと変換されてもよい。従って、図２Ｂに示すセンサ２２０によって捕捉された画像が、「１」、「３」および「７」を含む一連の数字（または数字「１３７」）へと変換されてもよい。別の複数の実施形態においては、位相差が、Ｐが位相差であり、Ｎが対応する数字であり、Ｍが設計要件に応じた０よりも大きい整数である以下の式：Ｎ＝Ｐ／Ｍに基づいて、対応する数字へと変換されてもよい。

プロセッサ２３０は、次に、図１の回転可能な機構１００の角度および／または位置を、数字「１３７」に基づき、変換テーブルを参照することによって判定するように構成されている。幾つかの実施形態においては、プロセッサ２３０が、一連の数字と回転可能な機構１００の対応する角度および／または位置との関連性を示す変換テーブルを記憶するように構成された（ＲＡＭ、フラッシュメモリおよび同等物などの）メモリを有してもよいか、またはこれに接続されている。

別の複数の実施形態においては、プロセッサ２３０は、波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４の（絶対位相などの）位相情報を、一連の数字または任意のその他の種類のコードへと直接に変換した後に、図１の回転可能な機構の角度および／または位置を、これらの数字に基づき、変換テーブルを参照することによって判定するように構成されている。

幾つかの既存のアブソリュートエンコーダにおいては、コード板がバーコードをその上に有し、アブソリュートエンコーダのカメラが、バーコードの一部分を示す画像を捕捉し、捕捉された画像をアブソリュートエンコーダのメモリ内に記憶されている画像と比較して、回転可能な機構の対応する位置または角度を判定するように構成されている。しかし、アブソリュートエンコーダの老朽化または劣化のために、コード板とセンサとの間の距離が変化し、この結果、捕捉された画像に（焦点ずれやぶれなどの）ひずみまたは歪みが生じる場合がありうる。このことが、アブソリュートエンコーダによって検出される位置、移動または角度の精度を損なうおそれがある。本開示の図２Ａおよび図２Ｂの実施形態によれば、センサ２２０によって捕捉されたディスク２１０上のパターンの一部分を一連の波形へと変換し、これらの波形の位相差に基づいて、回転可能な機構の位置、移動および／または角度を判定することにより、捕捉された画像の（焦点ずれやぶれなどの）ひずみまたは歪みが、回転可能な機構の位置、移動および／または角度の判定に及ぼす影響が軽減される。例えば、焦点がずれているかまたはぶれている画像がセンサ２２０によって捕捉された場合に、捕捉された画像のパターンが、図３Ｂに示す、各波形がノイズのために歪んだ一連の波形Ｗ１’、Ｗ２’、Ｗ３’およびＷ４’へと変換されてもよい。図３Ｂの歪んだ波形Ｗ１’、Ｗ２’、Ｗ３’およびＷ４’を、各波形のノイズをキャンセルまたは除去することによって補正して図３Ａの波形とすることにより、光学式エンコーダ２００によって検出された位置、移動または角度の精度を、コード板のピクセル数または解像度を増加させることなく向上させることが可能である。

加えて、図２Ａの光学式エンコーダ２００のメモリが、一連の数字と回転可能な機構１００の対応する角度および／または位置との間の関連性を示す変換テーブルのみを記憶するように構成されていることから、光学式エンコーダ２００のメモリに必要とされる記憶領域は、メモリが複数の画像を記憶するように構成されている既存の光学式エンコーダと比較すると、大幅に小さい。

図４Ａは、（捕捉された画像に直接に基づいて物体の位置または角度を判定する）既存のアブソリュートエンコーダおよび、（捕捉された画像から変換された波形間の位相差に基づいて物体の位置または角度を判定する）本開示の幾つかの実施形態による光学式エンコーダ２００のシミュレーション結果を図示している。図４Ａにおいて、曲線Ｌ１は光学式エンコーダ２００のシミュレーション結果を示し、他方の曲線Ｌ２は既存のアブソリュートエンコーダのシミュレーション結果を示している。図４Ａに示すように、ガウスぼかしのシグマが２．６に増加すると、光学式エンコーダ２００の精度は１００％のままであるが、既存のアブソリュートエンコーダの精度は８５．５％に低下する。

図４Ｂは、（捕捉された画像に直接に基づいて物体の位置または角度を判定する）既存のアブソリュートエンコーダおよび、（捕捉された画像から変換された波形間の位相差に基づいて物体の位置または角度を判定する）本開示の幾つかの実施形態による光学式エンコーダ２００のシミュレーション結果を図示している。図４Ｂにおいて、曲線Ｌ１’は光学式エンコーダ２００のシミュレーション結果を示し、他方の曲線Ｌ２’は既存のアブソリュートエンコーダのシミュレーション結果を示している。図４Ｂに示すように、（ノイズレベルなどの）ガウスノイズの分散が０から０．０６に増加すると、光学式エンコーダ２００の精度は１００％のままであるが、既存のアブソリュートエンコーダの精度は９９．５４％に低下する。図４Ａおよび図４Ｂによれば、図２Ａに示す光学式エンコーダ２００を使用することで、光学式エンコーダ２００によって検出される位置、移動または角度の精度が向上する。

図５は、本開示の幾つかの実施形態による光学式エンコーダの動作方法のフロー図である。幾つかの実施形態においては、図５の方法が、図２Ａに図示する光学式エンコーダ２００を動作させるために使用される。あるいは、図５の方法が、物体の角度または位置を判定するための任意のその他の光学式エンコーダを動作させるために使用されてもよい。

動作Ｓ５０を参照すると、（図２Ａのディスク２１０などの）コード板上のパターンの一部分の画像が、例えば図２Ａのセンサ２２０によって取得される。幾つかの実施形態においては、（図２Ｂに示す画像などの）取得された画像が、次の処理のためにプロセッサ２３０に送信されてもよい。

動作Ｓ５２を参照すると、取得された画像は、対応する波形へと変換される。例えば、図２Ｂの４つのコードセットＰ１、Ｐ２、Ｐ３およびＰ４が、図３Ａの（正弦波または余弦波などの）対応する波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４へと変換されてもよい。幾つかの実施形態においては、変換が、例えばＦＦＴまたは任意のその他の好適なアルゴリズムを使用して実行される。

幾つかの実施形態においては、焦点がずれているかまたはぶれている画像が捕捉された場合には、対応する変換された波形は、（図３Ｂに示すように）ノイズのために歪められてしまう。そのような場合に、図３Ｂの歪んだ波形Ｗ１’、Ｗ２’、Ｗ３’およびＷ４’を、各波形のノイズをキャンセルまたは除去することによって図３Ａの波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４となるように補正する動作Ｓ５３が実行されてもよい。

動作Ｓ５４を参照すると、２つの隣接する波形間の位相差が算出される。例えば、図３Ａに示すように、（「Ｗ１とＷ２」、「Ｗ２とＷ３」または「Ｗ３とＷ４」などの）２つの隣接する波形間の位相差φ１２、φ２３またはφ３４が、例えばプロセッサ２３０によって算出される。

動作Ｓ５６を参照すると、これらの位相差が、一連の数字または任意のその他の種類のコードへと変換される。幾つかの実施形態においては、各位相差が、Ｐが位相差であり、Ｎが対応する数字である以下の式：Ｎ＝Ｐ／４５に従って、対応する数字へと変換されてもよい。例えば、図３Ａに示すように、（それぞれ４５度、１３５度および３１５度である）位相差φ１２、φ２３およびφ３４が、数字「１」、「３」および「７」（または数字「１３７」へと変換されてもよい。別の複数の実施形態においては、位相差が、Ｐが位相差であり、Ｎが対応する数字であり、Ｍが設計要件に応じた０よりも大きい整数である以下の式：Ｎ＝Ｐ／Ｍに基づいて、対応する数字へと変換されてもよい。

動作Ｓ５８を参照すると、光学式エンコーダに接続された物体の角度および／または位置が、数字（またはコード）に基づき、例えば、一連の数字またはコードならびに、対応する前記物体の角度および／または位置に関する情報を記録している変換テーブルを参照することによって判定される。

別の複数の実施形態においては、波形Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３およびＷ４の（絶対位相などの）位相情報が、一連の数字または任意のその他の種類のコードへと変換されてもよく、次に、光学式エンコーダに接続された物体の角度および／または位置が、これらの数字（またはコード）に基づき、例えば変換テーブルを参照することによって判定される。

図５の実施形態によれば、取得された画像を一連の波形へと変換し、これらの波形の位相差に基づいて、回転可能な機構の位置、移動および／または角度を判定することにより、捕捉された画像の（焦点ずれやぶれなどの）ひずみまたは歪みが、物体の位置、移動および／または角度の判定に及ぼす影響が軽減され、この結果、光学式エンコーダによって検出される位置、移動および／または角度の精度が、コード板の画素数または解像度を増加させることなく向上される。

ここで使用される「約」、「実質的に」、「実質的な」および「概ね」という用語は、微小な差異を記載し、これを説明するために用いられる。これらの用語は、ある事象または状況と組み合わせて用いられる場合に、前記事象または状況が正確に発生する場合とともに、前記事象または状況がきわめて近似的に発生する場合も指しうる。例えば、これらの用語は、数値と組み合わせて用いられる場合に、±５％以内、±４％以内、±３％以内、±２％以内、±１％以内、±０．５％以内、±０．１％以内または±０．０５％以内などの、その数値の±１０％以内の差異の範囲を指してもよい。例えば、２つの数値の間の差が、これらの値の平均の、例えば±５％以内、±４％以内、±３％以内、±２％以内、±１％以内、±０．５％以内、±０．１％以内または±０．０５％以内などの、±１０％以内である場合に、これらの値が「実質的に」または「概ね」同一であるかまたは等しいとみなされてもよい。例えば、「実質的に」平行であることが、０°に対する角度差の範囲が、例えば±５％以内、±４％以内、±３％以内、±２％以内、±１％以内、±０．５％以内、±０．１％以内または±０．０５％以内などの、±１０％以内であることを指してもよい。例えば、「実質的に」垂直であることが、９０°に対する角度差の範囲が、例えば±５％以内、±４％以内、±３％以内、±２％以内、±１％以内、±０．５％以内、±０．１％以内または±０．０５％以内などの、±１０％以内であることを指してもよい。

ここで使用される単数を表す用語「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、別段の明示がなされていない限り、複数の指示対象を含む。幾つかの実施形態の記載においては、別の部品「の上」または「上」に設けられている部品は、前者の部品が後者の部品に（物理的に接触しているなど）直接に接している場合とともに、前者の部品と後者の部品との間に１つ以上の介在する部品が配置されている場合をも包含しうる。

本開示を、その具体的な実施形態を参照しながら説明および例示してきたが、これらの説明および例示は、本開示を限定するものではない。様々な変更を加えることが可能であり、同等の複数の部品を、実施形態において、添付の請求項に定める本開示の精神および範囲から逸脱することなく置き換えることが可能であることが当業者に明確に理解されよう。図面が正確な縮尺率である必要はない。本開示の描画と実際の装置との間に、製造工程における不確定要素などによる差があってもよい。具体的に例示されていない本開示のその他の実施形態が存在しうる。明細書及び図面は、限定的であるよりも例示的であることを意図されている。特定の状況、材料、物質の組成、方法またはプロセスを本開示の目的、精神および範囲に適合させるための修正を行うことが可能である。そのような修正はすべて、添付の請求項の範囲に含まれることを意図されている。ここに開示する複数の方法は、特定の順序で実施される特定の動作と関連させて記載されているが、これらの方法が、組み合わせられ、分割され、または並べ替えられて、本開示の教示から逸脱することなく同等な方法を構成することが可能である。従って、ここに特に指定しない限り、動作の順序および組み合わせは、本開示の限定事項ではない。

Claims (3)

1. 物体の位置を判定するための方法であって、
   （ａ）前記物体に接続された、第１波形と関連付けられている第１コードセット、第2波形と関連付けられている第2コードセット、第３波形と関連付けられている第３コードセットおよび第４波形と関連付けられている第４コードセットを有するパターンをその上に有するコード板上の画像を取得することと、
   （ｂ）センサによって取得された前記画像を前記第１波形、前記第2波形、前記第３波形および前記第４波形へと変換することと、
   （ｃ）前記第１波形と前記第２波形との間の第１の位相差、前記第２波形と前記第３波形との間の第２の位相差、および前記第３波形と前記第４波形との間の第３の位相差を算出することと、
   （ｄ）前記第１の位相差、前記第２の位相差および前記第３の位相差を、第１の数字、第２の数字および第３の数字に変換することと、
   （ｅ）一連の前記第１の数字、前記第２の数字および前記第３の数字に基づいて、前記物体の前記位置を判定することと、
   を含む方法。
2. 前記第１コードセットが複数の第１の白色部分を含み、
   前記第２コードセットが複数の第２の白色部分を含み、
   前記複数の第１の白色部分のそれぞれと前記複数の第２の白色部分のそれぞれとは物理的に隔てられている、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１コードセットが複数の第１の白色部分を含み、
   前記複数の第１の白色部分は一方向に沿って配置されており、前記複数の第１の白色部分のそれぞれは前記一方向に細長い、請求項１に記載の方法。