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JP2000283795A - パターン化されていない目標を用いた光学エンコーダ - Google Patents

パターン化されていない目標を用いた光学エンコーダ

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Publication number
JP2000283795A
JP2000283795A JP2000063422A JP2000063422A JP2000283795A JP 2000283795 A JP2000283795 A JP 2000283795A JP 2000063422 A JP2000063422 A JP 2000063422A JP 2000063422 A JP2000063422 A JP 2000063422A JP 2000283795 A JP2000283795 A JP 2000283795A
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JP
Japan
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target
pattern
encoder
data frame
processor
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2000063422A
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J Tulis Barkley
バークレイ・ジェイ・トゥリス
Mark T Smith
マーク・ティ・スミス
Mcculloch Larry
ラリー・マッコローチ
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Publication date
Application filed by Hewlett Packard Co filed Critical Hewlett Packard Co
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G—PHYSICS
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    • G01D5/3473—Circular or rotary encoders

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 パターン化された目標物を使用しないで光学
エンコーダにおける目標の相対的な動きを検知する。 【解決手段】 ある機械上の目標２８、３０にあるあり
のままの表面特徴を活用するもので、体系的なパターン
化された目標を必要としない。目標のありのままの表面
特徴をフォトセンサーアレイ３６によって画像化するこ
とである。このフォトセンサーアレイ３６が画像化され
た領域の連続したデータフレームを作り、画像化された
領域のデータフレームが目標の相対的な動きを検知でき
るようにプロセッサ３８により処理されるエンコーダ２
４を開示する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は運動センサーに関す
る。より詳しくは、本発明はフォトセンサーアレイを含
む光学エンコーダに関する。
【０００２】
【従来の技術】インクジェットプリンタは、回転式光学
エンコーダと線形式光学エンコーダを含むのが一般的で
ある。典型的な回転式エンコーダのパターン・エンコー
ダ・ホイールは、印刷媒体をプリンタの中で移動させる
駆動機構の一部を形成するシャフトまたはローラーに、
同心円状に取り付けられている。通常、このホイールは
薄いディスクであり、複数のエンコーダマークまたはス
ロットが付けられている。これらのマークまたはスロッ
トは、放射状に伸びる反射・非反射領域、または不透明
・透明領域が繰り返し現れるパターンをディスク上に付
与している。シャフトまたはローラーが用紙または他の
印刷媒体をプリンタの中で移動させるために回転すると
き、回転式エンコーダのホイールが回転する。
【０００３】通常、回転式エンコーダのアセンブリは、
１つまたは２つのフォトセンサー要素、照明器そして数
枚のフィルタやレンズを含む。照明器は、プリンタの作
動中、パターン付ホイール上の領域を照らすのに使用さ
れる。パターン付ホイールが回転するとき、マークまた
はスロットは照明領域を通る。マークまたはスロット
は、パターン付ホイールの角回転速度に比例する速度
で、光センサー要素によって検知される光を変調する。
そのように変調された光は、各光センサー要素に、角回
転速度に比例する周波数でパルス列を出力させる。この
フィードバック情報は、用紙の供給速度を制御する閉ル
ープコントローラに供給される。
【０００４】２つの光センサー要素を使用するとき、一
般には、一方のセンサー要素が他方のセンサー要素に対
して、それぞれの出力パルスを矩象（直角離角）関係
（quadrature relationship）となるように配置され
る。そのような関係によって、検知されるべきマークま
たはスロットの周期の４分の１の回転、方向および角の
変位が可能となる。
【０００５】線形式光学エンコーダは、印刷媒体を横切
るプリントヘッドの動きを検知し、計測するために使用
される。典型的な線形式エンコーダには、交互に入れ替
わるマークまたはスロットを有するパターン・エンコー
ダ・ストリップが含まれる。マークまたはスロットは、
そのストリップに沿って、反射・非反射部位、または不
透明・透明部位の繰返しパターンを創り出している。さ
らに、線形式光学エンコーダは、一般的に、照明器と矩
象関係に配置された少なくとも２つの光センサー要素と
を持つエンコーダ・アセンブリを含む。このエンコーダ
・アセンブリはプリントヘッドに固着されており、従っ
てパターン・ストリップに対して相対的に移動できる。
プリントヘッドがパターン・ストリップに対して相対的
に移動するとき、マークまたはスロットは、各光センサ
ー要素によって検知された光を、プリントヘッドの線形
移動速度に比例する速度で変調する。光センサー要素
は、プリントヘッドの線形移動速度に比例する周波数で
次々にパルス列を出力する。エンコーダ・アセンブリか
らのフィードバック情報は、プリントヘッドの線形速度
または位置を制御する閉ループコントローラに供給され
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】パターン・エンコーダ
・ホイールおよびパターン・ストリップのようなパター
ン化目標（パターンをつけた目標）は、特定の仕様にも
とづき設計される。これらの仕様として、マークまたは
スロットのピッチ、マーク／スペース比などがある。エ
ンコーダ・アセンブリの仕様として、光センサー要素の
位置、正確なパターン化目標の整列（ならびに正確なパ
ターン化目標の回転式エンコーダへの中心づけ）、高信
号対低信号比、欠陥密度などがある。これらの仕様のど
れか１つでも遵守されない場合には、エンコーダの正確
性が確保できなくなる可能性があり、光学エンコーダが
プリンタの中で正しく機能しない可能性が生まれる。
【０００７】パターン化目標を使用することにより、エ
ンコーダの製造および調整のコストと困難さが増加す
る。他方、パターン化目標が不要の場合、エンコーダは
より堅固なものにすることができよう。その上、光学エ
ンコーダの製造および組立ては単純化できるであろう
し、目標の変更についても寛容になることができよう。
人件費と材料費も低減できるであろう。従って、パター
ン化目標を不要にできれば、それにより光学エンコーダ
の原価の低減が可能となる。
【０００８】光学エンコーダの原価低減により、プリン
タ原価が低減されるであろう。プリンタのような大量市
場製品は、コストに非常に敏感である。とるに足らない
と思われるようなわずかの額のコスト節減であっても、
プリンタ製造業者、とりわけ年間何百万台も販売するプ
リンタ製造業者にとって、利益率に決定的な影響を与え
るものである。
【０００９】パターン化目標を使用しないで光学エンコ
ーダにおける目標の相対的な動きを検知することが望ま
れる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明は、ある機械上の
目標にあるありのままの表面特徴を活用するもので、体
系的なパターン化された目標を必要としない。本発明の
１つの特徴は、目標のありのままの表面特徴をフォトセ
ンサーアレイによって画像化することである。このフォ
トセンサーアレイが画像化された領域の連続したデータ
フレームを作り、画像化された領域のデータフレームが
目標の相対的な動きを検知できるように処理される。
【００１１】本発明の他の側面および長所は、本発明の
原理を例示する添付の図面とあわせて、以下の詳細な記
述から明らかになるであろう。
【００１２】
【発明の実施の形態】例示のための図に示されるよう
に、本発明はプリンタに関連する光学エンコーダに具現
化されている。該エンコーダは、プリンタ内の目標の相
対運動（例えば、相対的な動き、相対変位）についての
情報を供給する信号を発生させる。しかし、それはパタ
ーン化目標（例えば、パターン・エンコーダ・ホイー
ル、パターン・エンコーダ・ストリップ）を使用せずに
同情報を提供する。パターン化目標を使用しないことに
より、エンコーダの支持が改善される。それにより、エ
ンコーダの製造および組立てが単純化され、労働コスト
や資材コストが低減され、結果として、プリンタのコス
トが低減される。
【００１３】図１はプリンタ10を示す。このプリンタに
は、シャフト12、モーター14（および歯車列）ならびに
モーター14のためのコントローラ16が含まれる。プリン
タ10の作動中、モーター14はコントローラ16の制御の下
にシャフト12を回転させる。次に、シャフト12は、ロー
ラー（図示せず）を駆動する。このローラーはプリンタ
10内で用紙を供給する。コントローラ16は、フィードバ
ック情報を使用して、ローラーの回転位置や角速度、な
らびに所望位置および給紙速度における用紙を制御す
る。フィードバック情報には、シャフト12の角位置およ
び角速度が含まれる。
【００１４】用紙がプリンタ10内で供給されるため、第
２のモーター20（および歯車列）と連結器22（例えば、
ベルト駆動）は、プリントヘッド18をして用紙を横断す
るように移動させる。第２のモーター20も、また、コン
トローラ16によって制御される。コントローラ16は、フ
ィードバック情報たとえばプリントヘッド18の線形速度
を使用して、第２のモーター20を制御する。
【００１５】回転式光学エンコーダ24および線形式光学
エンコーダ26は、コントローラ16にフィード情報を供給
する。回転式エンコーダ24は、体系的なパターン・エン
コーダ・ホイールを含んでおらず、線形式エンコーダ26
は、体系的なパターン・エンコーダ・ストリップを含ま
ない。体系的なパターン・エンコーダ・ホイールを用い
る代わりに、回転式エンコーダ24は、シャフト12に結合
されたディスク28のありのままの表面特徴を利用する。
体系的なパターン・エンコーダ・ストリップを用いる代
わりに、線形式エンコーダ26は、プリントヘッド18の動
きに平行な固定された構成要素30のありのままの表面特
徴を利用する。固定された構成要素30は、例えば、プリ
ンタ10のストリップまたは壁であってよい。
【００１６】ディスク28およびストリップ30のありのま
まの表面特徴としては、粒状、粗い手触り、穴隙、掻き
傷、ひび、そして表面上の不具合などの構造上・仕上げ
上の特徴がある。他のタイプのありのままの表面特徴と
しては、機械加工跡、表面仕上げ傷、表面仕上げ特徴、
型枠跡などがあるが、これらに限定されるものではな
い。これらのありのままの表面特徴は、寸法や、形状、
相対位置などにおいて規則性のない可視的な特徴をもつ
表面に見られる。理想的には、ありのままの表面特徴
は、寸法および形状、他との相対位置において変化する
であろう。例えば、ありのままの表面特徴は、ディスク
28またはストリップ30の剥き出しの基板表面、ディスク
28またはストリップ30の基盤を覆うフィルムの外表面、
フィルムで被覆された基板表面などにみられる。ありの
ままの表面特徴は、基板表面の下にある特徴を含んでも
よい。そのような自然の表面特徴と使用できるのは、例
えば、光がディスク28またはストリップ30を透過する場
合である。
【００１７】回転式エンコーダ24は、ディスク28のある
領域を照射し、ありのままの表面特徴が異なる多方向に
光を撒き散らすようにする。結果として、多数の明と暗
の領域がイメージされる。回転式エンコーダ24は、照ら
された表面領域の連続データフレームを生成する。連続
データフレームは、そのとき、ディスク28とシャフト12
の相対回転動作を決定するように処理される。
【００１８】線形式エンコーダ26は、構成要素30の領域
を照らす。その結果として生じる明領域と暗領域は、線
形式エンコーダ26によって画像化される。連続データフ
レームが処理され、プリントヘッド18の相対的な線形動
作が決定される。
【００１９】図２は、該回転式エンコーダ24をより詳細
に示す。回転式エンコーダ24は、角度βでディスク28を
かすめ、ディスク28の領域Ａを照らす光線を発生するた
めの照明器32を含む。かすめ角βは、ディスク28の表面
からの角度、または投射角度の補角である。ディスク28
をかすめるような光は、表面の規則性のない、ありのま
まの表面特徴によって散乱され、多数の明領域と暗領域
を作り出す。
【００２０】回転式エンコーダ24は、更に、明領域と暗
領域のイメージを捕捉するCCDまたはCMOSデバイスのよ
うなフォトセンサーアレイ36を含む。そのイメージは領
域Ａ全体またはその一部のみを示すことができる。フォ
トセンサーアレイ36は、１次元または２次元のアレイに
整列された多くのピクセルを含む。レンズ34は、照明さ
れる領域Ａの全てまたは一部からフォトセンサーアレイ
36への光のイメージを描くのに使用できる。
【００２１】表面領域Ａの均一な照明が望まれる。照明
器32は、１つまたはそれ以上のLED、および集積化また
は分離された投射光学系を含んでもよい。そのようなオ
プティックスは、LEDによって放射される光を均質にす
る回折光学要素を含む。多数のLEDは、単一のLEDの場合
より、均一な照明を可能にするであろう。
【００２２】照明器32は通常LEDを用いるが、その代わ
りに１つもしくはそれ以上のレーザー、または空洞共振
LEDを含んでもよい。そのレーザーはコヒーレント光を
発生する。LEDは、これと対照的に、非コヒーレントま
たはほんの部分的にコヒーレントな光を発生する。
【００２３】光の波長のような特性は、照らされた表
面、および画像化された表面の特徴、およびフォトセン
サーアレイ36の応答に応じて選択される。光は、可視、
赤外線、紫外線、狭帯域または広帯域でもよい。より短
い波長は、表面からの燐光または蛍光放射を励起するの
に使用される。表面が高いコントラストを持つイメージ
を提供できる大きなスペクトラム依存性を示すかどうか
により、波長は選択的に決定できる。
【００２４】光は平行にしてもよいし、また、平行でな
くてもよい。平行にした光は、かすめるような照明を行
うために良好であることが知られている。つまり、かす
め角度である表面に入射する光は、表面輪郭形状（例え
ば、こぶ、溝）および表面構造要素（例えば、紙、織
物、木の表面を構成する繊維）に派生する表面特徴に対
して良好なコントラストを生み出す。
【００２５】回転式エンコーダ24の作動中、かすめ光(g
razing light)はディスク28の領域Ａを照明し、フォト
センサーアレイ36は、照明された領域Ａの少なくとも一
部を表現する連続データフレームを発生する。シャフト
12およびディスク28が回転すると、異なったありのまま
の表面特徴が領域Ａに入り、光を異なる方向に散乱させ
る。従って、影イメージ化される明領域と暗領域は、シ
ャフト12が回転されるにつれて変化する。照明された領
域Ａは、回転の中心から距離ｒにある。従って、フォト
センサーアレイ36を横切る距離はrθである。ここで、
θはシャフト12の増分角である。
【００２６】プロセッサ38は、フォトセンサーアレイ36
によって発生されるデータフレームを処理する。回転式
エンコーダ24のプロセッサ38は、シャフト12がある角度
増分によって回転されているかどうかを決定する。この
確認を行う方法として多数の手法が存在する。そのよう
な方法の１つは、プロセッサ38が相関方法を用いて連続
するイメージを比較することにより、シャフト12の変位
を測定する方法である。プロセッサ38は、シャフト12が
角度増分によって回転したそれぞれの時間に電気的パル
スを出力する。そのパルスはコントローラ16に供給され
る。
【００２７】フォトセンサーアレイ36および照明器32
は、プリント回路板（図示せず）に据え付けられる。こ
のプリント回路板およびレンズ34は、照明器32、レンズ
34およびフォトセンサーアレイ36の光学的整列を維持で
きるように、プリンタ10に据え付られる。その据付け
は、堅固におこない、光学的整列が固定した関係で維持
されるようにしている。プロセッサ38を別のチップ上で
実施する場合、プリント回路板に戴置してもよい。
【００２８】フォトセンサーアレイ36およびプロセッサ
38は、別のチップ上に組み付けてもよい。代わりに、プ
ロセッサ38は、単一チップ40上にフォトセンサーアレイ
36と共に集積化してもよい。
【００２９】図３は、フォトセンサーアレイ36と共に集
積化されているプロセッサ38を含むチップ40を示す。フ
ォトセンサーアレイ36は、規則正しい間隔で配置される
多数のピクセル36A〜36Gを含む。これらのピクセル36A
〜36Gは、全てが同一寸法である。ピクセルピッチは文
字Ｌで示されている。線形アレイ内の７つのピクセル36
A〜36Gは、例として示されている。
【００３０】ピクセル36A〜36Gは、目標28または30の個
々の特徴を認識しない。個々の特徴は、各ピクセル36A
〜36Gより一般に大きい。従って、各ピクセル36A〜36G
はその視野内の表面特徴の画像または投射部分の強度レ
ベルを効果的に測定する。ピクセル36A〜36Gのセットに
よって発生される出力信号は、画像化された表面特徴の
対照変化を示す。従って、図3に示されたフォトセンサ
ーアレイ36に対するデータフレームは、７つのピクセル
36A〜36Gによって測定された７つの強度レベルを含む。
【００３１】ピクセル36A〜36Gは、表面特徴の規則性の
ない寸法、形状および分布、ならびにその表面特徴によ
る無秩序の散乱によって、一般に異なった強度レベルを
検知する。シャフト12が回転し、またはプリントヘッド
18が移動するにつれて、異なった特徴がピクセル36A〜3
6Gの視野に入り、ピクセル36A〜36Gの強度レベルが変化
することになる。
【００３２】表１は、最初の位置Ｘ、第２の位置Ｘ＋Ｌ
および第3の位置Ｘ＋２Ｌで取り込まれるイメージにお
ける、変化する強度レベルの例を示す。ここで、Ｘは領
域Ａのイメージまたは投射内地点の最初の位置であり、
Ｘ＋Ｌは最初の位置Ｘから１ピクセルピッチＬの距離を
移動した後の地点の位置であり、Ｘ＋２Ｌは最初の位置
Ｘから２ピクセルピッチＬの距離を移動した後の地点の
位置である。シャフト12が回転するか、またはプリント
ヘッド18が移動するとき、地点Ｘは、ピクセル36Aから3
6Gを横断し、方向Ｄに移動する。この方向Ｄは、領域Ａ
とフォトセンサーアレイ36間の相対移動の方向に平行ま
たは直角である。
【００３３】表１から、強度パターン(100、125、166、
123、111)が最初の位置および第２の位置の間で１ピク
セルピッチＬだけシフトし、最初の位置および第３の位
置の間で2倍（２ピクセル２Ｌ）シフトすることがわか
る。従って、同じ強度レベルを、第１から第５のピクセ
ル36A〜36Eが最初の位置Ｘで、第２から第６までのピク
セル36B〜36Fが第２の位置Ｘ＋Ｌで、そして第３から第
７までのピクセル36C〜36Gが第３の位置Ｘ＋２Ｌで、検
知することになる。この特性は、シャフト12またはプリ
ントヘッド18が1つの増分量だけ移動したときに決定す
るために使用される。
【００３４】
【表１】
【００３５】表1における強度値は、例示的なものであ
る。その上、表１は、強度パターンの正確な長さＬの精
密なシフトを示す。しかしながら、実際には、強度パタ
ーンは長さＬの精密な増分でシフトされないかもしれな
い。更に、強度値は正確に合致しないだろう。正確に合
致しないことの他の理由として、雑音、領域Ａの非線形
動作および非均一な照明などが挙げられる。
【００３６】プロセッサ38は、強度パターンがいつピク
セル長Ｌだけシフトしたかを決定するために、相関法を
用いる。プロセッサ38は、現在の強度パターンを記憶す
るための多数のレジスタ42B〜42Gを含む第１のメモリ装
置42を包含する。第１のメモリ装置42のレジスタ42B〜4
2Gは、フォトセンサーアレイ36の最後の6ピクセル36B〜
36Gから、第１の転送装置44（要素44B〜44Gを含む）経
由で強度値を受け取る。プロセッサ38は、更に、第２の
転送装置45（要素45A〜45Fを含む）経由で参照強度パタ
ーンを記憶するための多数のレジスタ46A〜46Fを含む第
２のメモリ装置46を包含する。第2の記憶装置46に記憶
される強度データは、シャフト１２またはプリントヘッ
ド18の与えられた位置に相当する現在の参照イメージを
表す。また、領域Ａの投射イメージ内の地点が光学エン
コーダアレイ36に沿って１ピクセルピッチＬの距離を移
動した後、この参照イメージまたは強度パターンはイメ
ージの予言された強度パターンを表す。
【００３７】サンプリング期間の初期には、最後の６ピ
クセル36B〜36Gの強度パターンは、第１のメモリ装置42
に記憶され、最初の6ピクセル36A〜36Fの強度パターン
は第２のメモリ装置46に記憶される。シャフト12が回転
しまたはプリントヘッド18が移動するにつれ、第１のメ
モリ装置42は、最後の6ピクセル36B〜36Gからの新強度
パターンによって絶えず更新される。第２のメモリ装置
46は頻繁に更新されることはない。１ピクセル長の相対
距離分だけ横断すると、第１のメモリ42に記憶された強
度パターンは第２のメモリ装置46に記憶された強度パタ
ーンとおよそ同じになるであろう。従って、領域Ａのイ
メージまたは投射が、角度増分量θ（円弧長rθはピク
セルピッチ長Ｌにほぼ等しい）、またはピクセルピッチ
長Ｌに等しい線形距離を移動するとき、第１および第２
メモリ装置42および46の強度パターンはおよそ同等にな
るであろう。
【００３８】プロセッサ38は、更に、第１のメモリ装置
42に記憶されそこから（パス50経由で）読み出された現
行の強度パターンが、第２のメモリ装置46に記憶されそ
こから（パス52経由で）読み出された参照強度パターン
に合致するかどうかを決定するための相関器48を含む。
システム時計54は、領域Ａのイメージまたは投射がクロ
ック信号と次のクロック信号との間（between clocking
instances）のピクセルピッチ長Ｌのわずかな断片距離
分の移動を確実にするのに十分な速度でクロック信号を
第１転送装置46および相関器48に送る（最初を優先、そ
れから残り）。相関器48は相関法を実施することができ
る。たとえば、２つのメモリ装置中の強度値に差分平方
和解析（a sum-of-squared-difference analysis）は以
下のように計算できる。
【数１】 式中、I42Nは第１のメモリ装置42のN番目のレジスタに
記憶された強度値を表し、I46Mは第２のメモリ46のM番
目のレジスタに記憶された強度値を表し、Cは差分平方
和を表す。相関器48の出力は、差分平方和Cを示す信号C
ORRを供給する。
【００３９】付加的な参考資料が図４中の図４ａおよび
図４ｂに用意されている。シャフト12が回転していない
場合、第１および第２のメモリ装置42および46に記憶さ
れた強度パターンは同等にならず、相関信号C0RRは高レ
ベルであろう。シャフト12が回転し、またはプリントヘ
ッド18が移動するにつれて、ピクセル36A〜36Gの強度レ
ベルは変化するであろう。第1および第２のメモリ装置4
2および46に記憶された強度パターンが十分に等しくな
ると、相関信号CORRは最低レベルになるであろう。
【００４０】プロセッサ38は、更に、相関信号CORR信号
を参照信号CORR#REFと比較する比較器56を含む。比較器
56は、相関信号CORRが参照信号CORR#REFを超えるとき、
その出力58に低電圧レベルを割りつけ、相関信号CORRが
参照信号CORR#REF以下のとき、その出力58に高電圧レベ
ルを割りつける。参照信号CORR#REFは、相関信号CORRの
最小値のわずかに上になるように設計によって選定され
る。
【００４１】相関信号CORRが高レベル（等しくないこと
を示す）から低レベル（等しいことを示す）へ移るとき
はいつでも、第２の転送装置45の要素45A〜45Fが比較器
出力信号OUTおよび参照サンプルクロックコントローラ6
0経由でトリガーされる。第２転送装置45がこのように
してトリガーされ、または活性化されるとき、現在のピ
クセル値が第２のメモリ装置46に記憶される。２つのメ
モリ装置42および46中の強度パターンは、もはや等しく
ないため、相関信号CORRはすぐさま再び高くなり、従っ
て、比較器56の出力信号OUTを低レベルへ変化させる。
このようにして、単一の動作において、比較器出力パル
スOUTの立上り縁が発生され、新たな参照強度パターン
が第２のメモリ装置46に記憶される。
【００４２】このように、照らされる領域Ａが、フォト
センサーアレイ36のイメージスペースにおける１ピクセ
ル長Ｌに等しい相対的な動きを経験するたびごとに、パ
ルスOUTがプロセッサ38の出力58に供給される。各パル
スOUTは、増大動作、シャフトの12θ=L/(mr)またはプリ
ントヘッド18のL/mに符合する。ここに、mはイメージ光
学で使用される倍率を表す。
【００４３】パルスの発生前に移動した実際のイメージ
距離は、ピクセル36A〜36Fが第2のメモリ装置46に転送
される経路によって決定される。最初の３ピクセルのみ
が転送され、最後の３ピクセルが参照パターンに関連づ
けられるとき、パルスはN-3ピクセル長（Nはフォトセン
サーアレイ36における行数）の動作を表す。このよう
に、増大動作の総計は、フォトセンサーアレイ36のイメ
ージスペースにおけるピクセルピッチ長の１以上の倍数
に一致する。
【００４４】プロセッサ38は、付加的な転送・記憶要素
を含む第２の相関作業を実行することにより、反対方向
への動きを検知するように設計できる。
【００４５】増加するイメージコントラストは、信号対
雑音比を増加させる、つまり、測定精度を増加させる。
ナイキスト基準（Nyquist criteria）に背反することな
く（つまり、アリアジングを発生させることなく）検知
イメージにおける明領域と暗領域の数を増加させること
により、測定精度が増加する。
【００４６】規則性のない表面特徴の検知性は、かすめ
角度(grazing angle)（すなわち、表面垂線に対して大
きな入射角度）での照明を用いることによって高められ
る。かすめ角度は、平滑な、滑らから手触りの表面、ま
たは繊維ないしは粒子でなるやや粗目の表面に対して
は、１５度を超えない。これらの表面は、磨いた表面と
は異なり、かすめるような照明の下でより高い暗さレベ
ルで現れる。一般に、かすめ角度が高いと、これらの表
面の雑音信号比（SNR）が低くなり、かすめ角度が小さ
いと、信号が小さいにも拘わらず高い雑音信号比（SN
R）が得られるであろう。高いレベルのSNRにより、規則
性のない表面の観察・検知が容易になり、雑音によって
引き起される誤りをより少なくするであろう。プリント
された表面または光吸収の多くの異なるゾーンを持つ表
面に対して、より小さい入射角度（例えば、３０〜６０
度）が用いられよう。
【００４７】目標28または30の、ありのままの表面特徴
の検知性は、規則性のないテクスチャーによって高める
ことができる。例えば、 目標28または30は、磨耗し、
紙やすりで磨き、エッチングし、機械加工することがで
きる。
【００４８】図６は線形式エンコーダ26をより詳細に示
す。線形式エンコーダ26には、照明器32、レンズ34およ
び、集積化された検知器アレイ36とプロセッサ38を持つ
チップ40を包含する。しかしながら、線形式エンコーダ
26の照明器32、レンズ34、検知器アレイ36およびプロセ
ッサ38は、固定構成要素30上にありのままの表面特徴を
画像化するのに採用される。線形式エンコーダ26のプロ
セッサ38は、プリントヘッド18が既知の増量単位で移動
するとき電気パルスを出力する。そのパルスはコントロ
ーラ16（図１を見よ）に供給される。
【００４９】このように、エンコーダ24および26は、相
対的な動きを検知するために体系的なパターン化目標の
使用を必要としない。体系的なパターン化目標をしない
ことにより、製造および組立てを単純化し、人件費や材
料費を削減し、結果としてプリンタコストを低減させ
る。コスト低減上特に効果的なのが、既にプリンタの一
部となっている構造要素または回転要素のありのままの
生地表面を利用できることである。
【００５０】コスト低減に加えて、エンコーダ24または
26の目標28または30は、汚染および表面損傷にも強い。
体系的なパターン化目標の使用を排除することにより、
エンコーダの仕様の数を減らすことができる。例えば、
回転整列仕様を排除することにより、角測定の精度と正
確性が大幅に引き上げられる。
【００５１】プロセッサ38は、目標の使用（部材、ディ
スク）からパルス型の増大する出力を発生させるための
相関技術を使用する。それについても開示されている。
プロセッサ38は、１以上のピクセルのピクセル動作を関
連させるように配線されることができるであろう。しか
しながら、相関型の増大変位測定を回転式に応用するこ
とにより、そしてより大きいレンズ倍率と同様に補間的
な（interpolative）サブサンプル相関見積もりを使用
することによって、相関見積もり間の不感帯が大きく低
減される。
【００５２】光学エンコーダ24、26の使用はプリンタに
限られない。例えば、本発明はスキャナー、コンピュー
タ、コンピュータ周辺機器、コンピュータ機器、情報機
器および他の機器に適用され得るであろう。図５の一般
的方法はこれらの機器に以下のように適用できるであろ
う。つまり、領域内の規則性のないありのままの表面特
徴が、フォトセンサーアレイ36によって画像化される目
標表面の領域を照射する（ブロック200）、照射された
表面領域（ブロック（202））の相対的な動きを決定す
るためにフォトセンサーアレイ36が発生した連続データ
フレームを処理する。
【００５３】更に、光学エンコーダ24および26は上述の
特定の実施例に限られない。例えば、他の相関アルゴリ
ズムが使用され得る。他のアルゴリズムとして、積の
和、正規化された積の和、平方差の和の平均平方根、正
規化された平方差の和、絶対差の和、正規化された絶対
差の和等がある。
【００５４】イメージを捕らえ、転送しおよび記憶し、
並びにそのイメージの相関関係を計算するためのアナロ
グまたはディジタルアプローチが使用され得る。光セン
サー要素は、連続的なデータとして、または統合され見
本抽出されたデータとして読み取ることができる。転送
装置は、並列動作のためにサンプルホールド回路、また
は直列動作のために多重および多重除去回路を利用する
ことができる。
【００５５】レンズ34は遠焦点レンズでもよい。遠焦点
レンズは倍率を不変に保ちながら視界の奥行きを与え
る。結果として、遠焦点レンズは、エンコーダの位置決
め要求と製造許容と焦点を緩和する。レンズ34は、もし
も、フォトセンサーアレイ36が目標28または30に非常に
近づけて移動され得るのなら、または伝達性照明が適切
に平行化されるのなら、削除され得るであろう。
【００５６】回転式エンコーダにとってディスク28は選
択的である。シャフト12の円周または端面の部分が画像
化に十分な大きさであれば、ディスクは必要とされな
い。しかしながら、イメージ可能表面を増すためにディ
スクを使用することは、相対的な動きの測定の確度を増
すことになるであろう。
【００５７】目標28または30は、正照明によって照らさ
れる。直接正照明は、ビームスプリッター33（図７参
照）経由で領域Ａに標準的に向けられた照明によって供
給され、互いに補い合う配置の状態で、照明器32とフォ
トセンサーアレイ36は交換されることもできる。代替LE
D35は、目標30の厚さを光で満たすように縁照明を供給
することができる。
【００５８】反射材料製でないものの代わりに、 目標2
8'は透過材料で作ることもできる。例えば、目標28'は
透明なまたは半透明なプラスチックで作ることができ
る。照明器31はプラスチック目標28'の片側に、フォト
センサーアレイ36はプラスチック 目標28'の反対側に存
在してもよい（図8参照）。
【００５９】照明器は、自己照明目標、発光目標または
蛍光目標のような視感目標を用いることによって全て排
除することができる。発光目標は、検知され得る確かな
粒状性を有し、蛍光目標は、検知され得る不完全を有す
る。
【００６０】直線アレイを持つフォトセンサーアレイ36
が以上に示され、記述されたけれども、フォトセンサー
アレイ36は、回転動作用の円対称位置関係のような異な
った位置関係を代わりに持つことができる。極座標が移
動された距離を測定するのに使用され得る。
【００６１】増分的な動き(incremental motion)を示す
プロセッサ38を含む代わりに、エンコーダ24および26
は、動作の速度を示すプロセッサ38'を含んでもよい。
そのようなプロセッサ38'によって取られるステップが
図９に示されている。プロセッサ38'は、ピクセルデー
タの空間的勾配を計算する（ブロック300）、ピクセル
データの時間的勾配を計算する（ブロック302）、およ
び空間的勾配に対する時間的勾配の比を計算する（ブロ
ック304）ことによって目標動作の速度を計算する。そ
の比は、目標28または30上の目標領域Ａの変位の相対速
度を示す。
【００６２】空間的勾配は、ピクセルの行に沿った一方
向における差を取り、イメージ内の隣接したピクセル間
の強度の平均差として計算され得る。差の隔たりは、ピ
クセルピッチＬである。隣接するピクセルの各対に対し
て、プロセッサ38'はピクセル強度の差を計算する。そ
れから、プロセッサ38'は６対に関してこれらの差を合
計し、6で除算し、Ｌで除算する。このようにして、プ
ロセッサ38'は一方向において取られた平均空間的勾配S
Gを計算する。
【００６３】
【数２】 ここで、I36A〜I36Gはピクセル36A〜36Gの強度レベルで
ある。もしも、ピクセル長が２５μｍであり、平均空間
強度差が５０ユニットなら、そのときは平均空間的勾配
は2.0ユニット／μｍであろう。
【００６４】時間的勾配は、捕らえられたイメージの連
続的な対におけるイメージ間のピクセル強度の変化の平
均として計算され得る。各ピクセルに対して、プロセッ
サ38'は２つの連続したイメージまたはデータフレーム
に関して強度値の差を決定し、これらの差を全ピクセル
に関して合計し、および強度差をイメージ内のピクセル
数とフレーム間の時間で除算する。例えば、もしも、２
つの連続するデータフレームに関してピクセル強度値に
おける平均変化が２ユニットであり、２つのフレーム間
の時間が１０マイクロ秒なら、時間的勾配の平均値また
は強度変化の時間率は0.2ユニット／マイクロ秒であ
る。平均時間的勾配0.2ユニット／マイクロ秒を平均空
間的勾配2.0ユニット／μｍで割ると、マイクロ秒当り
0.1μｍのイメージ変位速度を生じる。
【００６５】本発明はパターン化された目標の必要性を
排除するけれども、パターン化目標を使用してもよい。
目標に独特かつ同定可能なパターンを付加すること（例
えば、いくつかの最大移動または完全な循環に関して繰
返し的でない、組織的に製作されたパターンを付加する
こと）は、絶対的な測定を可能とする。プロセッサ38"
は不変の参照目標パターンに対して、その目標上の固定
パターンの付加的な相関関係を探すであろう。このよう
に、プロセッサ38"は、現在のパターンと既に捕捉され
ているパターンの間の第１の相関関係を捜し（ブロック
400）、第１の相関関係が発見されるときにパルスを出
力し（ブロック402）、データフレーム内の現在のパタ
ーンとメモリに記憶された不変の参照目標パターン間の
第２の相関関係を捜し（ブロック404）、第2の相関関係
が発見されるときに信号を出力する（ブロック406）
（図１０参照）。絶対的な測定は、従って、第２の相関
関係が発見されるときに行なわれる。非繰返し型の絶対
参照パターンの１例は、連続的に増加する空間周波数で
正弦波として変化するプリント密度である。これは、規
則性のない生地テクスチャーの上に印刷され得る。他の
例は、規則性のない表面上の1対の発散する線であろ
う。増分的な出力を発生させるプロセッサと組み合わせ
て使用するとき、位置と共に連続して変化するパターン
を追加することにより、さもなくば増分的な位置測定で
おこりうるランアウトエラーを排除することができる。
【００６６】従って、本発明は、上述の実施態様に限定
されるものではない。本発明は、添付の請求項に従って
解釈されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による回転式および線形式の光学エンコ
ーダを含むプリンタのブロック図を示す。
【図２】図１に示された回転式光学エンコーダの模式的
な概略図である。
【図３】本発明に従う集積化フォトセンサーアレイおよ
び光学エンコーダのプロセッサのブロックダイアグラム
を示す。
【図４】図４ａは、図３に示されたプロセッサによって
発生される出力信号のグラフを示し、図４ｂは、図３に
示されたプロセッサによって発生される相関信号のグラ
フを示す。
【図５】本発明による相対的な動きの検知を実行する一
般的な方法のフローチャートを示す。
【図６】本発明による線形光学エンコーダの模式的な概
略図を示す。
【図７】本発明による光学エンコーダの代替実施例の模
式的な概略図を示す。
【図８】本発明による光学エンコーダの代替実施例の模
式的な概略図を示す。
【図９】本発明による速度検知を実行ずる方法のフロー
チャートを示す。
【図1０】本発明による絶対的な測定を実行する方法の
フローチャートを示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マーク・ティ・スミス アメリカ合衆国カリフォルニア州94403, サン・マテオ， ピコ・アベニュー 726 (72)発明者 ラリー・マッコローチ アメリカ合衆国カリフォルニア州95054, サンタ・クララ， イングルウッド・ド ライブ 3798

Claims (24)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ある機械にある目標の相対的な動きを検
    出する方法であって、該目標の表面が複数のありのまま
    の表面特徴を有するものであり、 該目標のありのままの表面上の特徴を画像化するべく、
    画像化された領域の連続したデータフレームを発生させ
    るフォトセンサーを使用するステップと、 前記目標の相対的な動きを検知するために、前記画像化
    領域のデータフレームを処理するステップとを含む方
    法。
  2. 【請求項２】 上記目標の画像化されている領域を照ら
    すステップを含む請求項１の方法。
  3. 【請求項３】 前記表面に光線の焦点をかすめ角度で合
    わせることにより前記領域を照らす請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記表面が平行照明で照らされる請求項
    ２の方法。
  5. 【請求項５】 前記領域を画像化する前に、その表面の
    状態を変えるステップからなる請求項１の方法。
  6. 【請求項６】 前記データフレームを処理するステップ
    は、前記データフレームからパターンを決定するステッ
    プと、該目標の相対変位を決定するための連続データフ
    レームに該パターンを関連付けるステップとが含まれ
    る、請求項１の方法。
  7. 【請求項７】 前記目標上のパターンに固定パターンを
    付加的に相関づけることを検索するステップであって、
    それにより付加的相関関係が発見されたときに絶対測定
    が得られる請求項６の方法。
  8. 【請求項８】 前記データフレームを処理するステップ
    が、前記データフレームの１つから第１のパターンを発
    生するステップと、前記第１のパターンと他のデータフ
    レーム内の後続のパターンの間での相関関係を探すステ
    ップであって、それにより該目標の相対的な動きが更新
    すべき後続のパターンを発生させるステップとを含み、
    相関関係が発見されたとき、増分変位を示すパルスが発
    生されることを特徴とする請求項１の方法。
  9. 【請求項９】 前記データフレームを処理するステップ
    は、ピクセルデータの空間的勾配を計算するステップ
    と、ピクセルデータの時間的勾配を計算するステップ
    と、該空間的勾配に対する該時間的勾配の比を計算する
    ステップとを含み、その比が目標速度の指標となる請求
    項1の方法。
  10. 【請求項１０】 ある機械上の目標の相対的な動きを検
    知するためのエンコーダであって、該目標の表面が複数
    のありのままの表面特徴を有し、 該目標のありのままの表面上の特徴を画像化するべく、
    画像化された領域の連続したデータフレームを発生させ
    るフォトセンサーアレイと、 前記データフレームに応答して、前記目標の相対的な動
    きを検知するため前記ありのままの特徴パターンを処理
    するためのプロセッサとを含んでなるエンコーダ。
  11. 【請求項１１】 前記画像化領域を照らすための照明器
    を含む請求項１０のエンコーダ。
  12. 【請求項１２】 前記照明器と前記目標の間の光通路に
    配置された遠焦点レンズを含む請求項10のエンコーダ。
  13. 【請求項１３】 前記画像化領域がかすめ角度をもって
    照らされる請求項１０のエンコーダ。
  14. 【請求項１４】 前記目標が発光性である請求項１０の
    エンコーダ。
  15. 【請求項１５】 前記プロセッサが、ピクセルデータの
    空間的勾配を計算し、ピクセルデータの時間的勾配を計
    算し、該空間的勾配に対する該時間的勾配の比を計算
    し、その比が目標速度の指標となる、請求項１０のエン
    コーダ。
  16. 【請求項１６】 前記プロセッサが前記データフレーム
    からのパターンを決定し、該目標の相対変位を決定する
    ための連続データフレームに該パターンを関連付けるス
    テップが含まれる、請求項１０のエンコーダ。
  17. 【請求項１７】 前記プロセッサが前記目標上のパター
    ンと固定パターンとの付加的な相関関係を探し、付加的
    な相関関係が発見されたときに信号を出力する、請求項
    １６のエンコーダ。
  18. 【請求項１８】 前記プロセッサが前記データフレーム
    の１つから第１のパターンを発生させ、前記第１のパタ
    ーンと他のデータフレームにおける後続のパターンとの
    相関関係を探し、それにより該目標の相対的な動きが更
    新すべき後続のパターンを発生させ、前記相関関係が発
    見されたとき増分変位を示すパルスを発生させる、請求
    項１０のエンコーダ。
  19. 【請求項１９】 目標と、 画像化領域の連続データフレームを発生させる該目標の
    ありのままの表面特徴を画像化するための手段と、 前記データフレームに応答して、前記目標の相対的な動
    きを示す信号を発生させ、前記目標と前記画像化手段と
    の間の相対的な動きを検知するよう前記のありのままの
    表面特徴パターンを処理する手段とを含むプリンタ。
  20. 【請求項２０】 前記目標が前記画像化手段に対して回
    転可能である請求項１９のプリンタ。
  21. 【請求項２１】 前記目標が前記画像化手段に対して線
    形に移動可能である請求項１９のプリンタ。
  22. 【請求項２２】 前記画像化領域を照らすための手段を
    含む請求項１９のプリンタ。
  23. 【請求項２３】 前記画像化領域がかすめ角度で照らさ
    れる請求項１９のプリンタ。
  24. 【請求項２４】 目標の少なくとも一部の画像を受け取
    るためのフォトセンサーアレイを含む光学エンコーダの
    ためのプロセッサであって、前記フォトセンサーアレイ
    から複数のデータフレームを受け取る手段と、前記デー
    タフレームの１つから第１のパターンを発生させる手段
    と、前記目標の相対的な動きが更新すべき後続パターン
    を発生させるようにした前記第１のパターンと他のデー
    タフレーム内の後続パターンとの間の相関関係を検出す
    る手段と、前記相関関係が発見されたとき前記目標の増
    分変位を示すパルスを発生させる手段とを含んでなるプ
    ロセッサ。
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