(57)【要約】【課題】  被検出体の姿勢が変化する場合においても、被検出体の位置や姿勢を高い精度で検出することができる位置検出装置および天秤装置を提供する【解決手段】  被検出体における所定領域に向けて照明光を出射する複数の発光素子を有する照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２と、所定領域における照度分布が均一になるように、複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御する光量制御部２７と、所定領域の画像を撮像する撮像部１１Ｙ，１１Ｚと、撮像部１１Ｙ，１１Ｚにより撮像された画像に基づいて、被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を検出する検出部２１と、が設けられたことを特徴とする。【選択図】  図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検出体における所定領域に向けて照明光を出射する複数の発光素子を有する照明部と、
前記所定領域における照度分布が均一になるように、前記複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御する光量制御部と、
前記所定領域の画像を撮像する撮像部と、
該撮像部により撮像された画像に基づいて、前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を検出する検出部と、
が設けられたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項２】
前記光量制御部は、照明光を出射する前記発光素子の数を制御することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項３】
前記光量制御部は、前記発光素子に供給される駆動電流を制御することを特徴とする請求項１記載の位置検出装置。
【請求項４】
前記光量制御部は、前記検出部により検出された前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて、前記複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置検出装置。
【請求項５】
前記光量制御部は、前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記発光素子から出射される照明光量を制御することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の位置検出装置。
【請求項６】
前記複数の発光素子は、照明光を出射する方向を個別に調節できることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の位置検出装置。
【請求項７】
被検出体における所定領域にむけて照明光を出射する照明部と、
前記所定領域の画像を撮像する撮像素子を有する撮像部と、
前記所定領域から前記撮像素子に入射する反射光の光量を調節し、前記撮像素子に結像される画像の照度分布を均一にする光量調節部と、
前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を検出する検出部と、
が設けられたことを特徴とする位置検出装置。
【請求項８】
前記光量調節部は、面に沿う所定方向に向かって光の透過率が変化するフィルタと、該フィルタを面に沿う方向に移動させる移動部と、を備え、
前記撮像素子には、前記フィルタを透過した反射光が入射され、
前記撮像素子に入射する反射光の光量は、前記移動部により前記フィルタを移動させることにより、調節されることを特徴とする請求項７記載の位置検出装置。
【請求項９】
前記光量調節部は、前記検出部により検出された前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて、前記所定領域から前記撮像素子に入射する反射光の光量を調節することを特徴とする請求項７または８に記載の位置検出装置。
【請求項１０】
前記光量調節部は、前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記所定領域から前記撮像部に入射する反射光の光量を調節することを特徴とする請求項７または８に記載の位置検出装置。
【請求項１１】
被検出体を支持するとともに、前記被検出体に作用する外力を計測する支持部と、
請求項１から請求項１０のいずれかに記載の位置検出装置と、
が設けられたことを特徴とする天秤装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置検出装置および天秤装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に風洞試験においては、風洞内の計測部に、飛行体等を模擬する模型を風洞内の気流による空力荷重に抗して支持する必要がある。さらには、必要に応じて模型の姿勢角を、気流の流れ方向に対して変動可能に支持する必要がある。従来、上述のように模型を支持する方法としては、以下の二つの模型支持方法などが採用されている。
一つ目は、風洞の床面から風洞内に突出させたストラット等を用いて、模型を上記計測部における風洞の断面の略中央に支持する方法である。二つ目は、風洞の断面の略中央を、上記気流の下流側から上流に向かって延在するスティング等を用いて、模型を上記計測部における風洞の断面の略中央に支持する方法である。
【０００３】
しかしながら、上述の模型支持方法では、ストラット等やスティング等の支持装置により模型周りの気流が乱されて、いわゆる支持装置干渉が生じることが知られている。支持装置干渉が生じると、模型に作用する空気力等の計測データ精度が低下するという不具合があった。
特に、模型の機体軸方向と気流の流れ方向との間の角度（例えば、迎角）が大きい場合に、模型に作用する空気力などを計測する高迎角試験や、動安定試験などにおいては、模型周りの気流が支持装置により大きく乱されていた。そのため、上記支持装置干渉が大きくなり、模型に作用する空気力等の計測データ精度がさらに低下するという不具合があった。
また、模型に作用する空気力やモーメントなどを計測する場合には、模型と支持装置との間に天秤を配置する必要があった。天秤には歪み計などが設けられ、歪み計など用いることにより、模型に作用する空気力やモーメントなどを計測することができる。
支持装置と同様に、天秤においても上記計測データの精度を保つために、模型周りの気流の流れを乱さないように設置する必要がある。そのためには、模型に対応した精密な加工が施された天秤を用いる必要があり、高価な天秤を用いる必要があった。
【０００４】
上述の不具合などを解消する模型支持装置として、磁力支持天秤装置が知られている。磁力支持天秤装置は、磁気力を利用して模型を風洞内の所定位置に支持するものであって、模型周りの気流の流れを乱さずに模型を支持するものである。そのため、磁力支持天秤装置には、試験データの精度の低下をきたすことなく風洞試験を実施できる利点がある。さらに、磁力支持天秤装置は、模型に作用する磁気力を制御することにより、風洞試験中においても模型の姿勢を制御することができる。そのため、気流の流れ方向に対する模型の姿勢角を、動的に、所定の角度に制御することができる。
また、磁力支持天秤装置は、模型を所定位置に制御する際に必要とされる磁気力に基づいて、試験時に模型に作用する空気力などを計測することができる（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−３４７３４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、模型を所定の位置や姿勢に制御するためには、模型の位置や姿勢を検出する位置検出センサが少なくとも必要となる。この模型の位置や姿勢などを検出する位置検出センサとしては、例えば、３つのラインセンサをＨ型に配置した位置検出センサが知られている。ラインセンサとは、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅｓ）素子などの撮像素子を一直線状に配置したセンサである。上記位置検出センサは、例えば、略円柱状の模型であって、模型の円周面にマーカと呼ばれる黒線が円環状に描かれた模型の位置等を検出することができる。具体的には、位置検出センサの各ラインセンサは、略直線状の映像（一次元の信号）を取得し、位置検出センサは、当該映像から模型の輪郭およびマーカを信号として抽出する。抽出された輪郭などの信号に基づいて、位置検出センサは、模型の位置等を算出することができる。
位置検出センサは、各ラインセンサが取得した映像に基づいて模型の位置等を算出している。そのため、模型の位置等を正確に算出するためには、模型の表面上で均一な照度となる照明光が照射された状況下で、各ラインセンサが模型などの映像を取得することが望ましい。従来は、光源としてメタルハライドランプが用いられている。メタルハライドランプから出射された照明光は、３分割されたライトガイドに導かれ、異なる三方向から模型に向けて照射されている。つまり、照明光は、模型における半径方向の中心方向に向かって異なる３方向から照射され、マーカが描かれた円周面近傍領域が均一な照度となるように照射されている。
【０００６】
しかしながら、上述の照明を用いた位置検出センサにおいては、模型の位置等の検出ができない場合があるという問題があった。
つまり、上述の照明には下記の照明特性があるため、位置検出センサのラインセンサによる輪郭あるいはマーカの検出ミスが発生する可能性があった。特に、模型の姿勢が変化する際に、上記検出ミスが発生する可能性が高かった。つまり、模型の姿勢が変化すると、照明と模型との間の距離および模型とラインセンサとの距離が変化するため、ラインセンサにより撮像される模型表面の照度が変化するためである。
一つ目の照明特性は、メタルハライドランプから出射される照明光の指向性が狭いという照明特性である。二つ目の照明特性は、照明光は３分割されたライトガイドに導かれて模型に照射されているという照明特性である。
これらの照明特性のため、模型におけるマーカが描かれた円周面近傍領域の照度は十分であっても、それ以外の領域、特に模型における前後端近傍領域の照度は不足する恐れがあった。照度が不足すると、ラインセンサにより取得された映像が不鮮明となり、輪郭あるいはマーカの検出ミスが発生する恐れがあった。
また、上述のようにライトガイドを用いる照明の場合、一般的に、照明されている模型の表面上の照度が低下し、輪郭あるいはマーカの検出ミスが発生する恐れがあった。照明光は、ライトガイドにより導かれる際に大きく損失するためである。
【０００７】
上述のように、ラインセンサにより撮像された模型表面の画像における照度が不均一な場合において、画像処理を行って、照度が均一な模型表面の画像を得る方法もしられている。
しかしながら、画像処理による画像の修正には限度があるため、模型の輪郭あるいはマーカの検出ミスが発生する可能性があった。例えば、ラインセンサにより撮像された元の画像において、照度が極端に不足して画像が不鮮明になっている場合には、画像処理を行っても当該画像を位置等の検出に用いるのに十分な画像に修正することは困難である。そのため、模型の輪郭あるいはマーカの検出ミスが発生する可能性があった。
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、被検出体の姿勢が変化する場合においても、被検出体の位置や姿勢を高い精度で検出することができる位置検出装置および天秤装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の位置検出装置は、被検出体における所定領域に向けて照明光を出射する複数の発光素子を有する照明部と、前記所定領域における照度分布が均一になるように、前記複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御する光量制御部と、前記所定領域の画像を撮像する撮像部と、該撮像部により撮像された画像に基づいて、前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を検出する検出部と、が設けられたことを特徴とする位置検出装置。
【００１０】
本発明によれば、照明部と光量制御部とが設けられているため、被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を高い精度で検出することができる。特に、被検出体の姿勢が変化する場合においても、位置等を高い精度で検出することができる。
照明部は、照明光を出射する複数の発光素子を備えており、被検出体における所定領域を照明することができる。光量制御部は、上記複数の発光素子から出射される照明光の光量を、個々の発光素子について制御し、上記所定領域における照度分布を均一にすることができる。そのため、撮像部は、均一に照明された所定領域の画像を撮像することができる。検出部は、上記画像に基づいて、被検出体の位置等を検出することができる。上記画像に基づくことにより、検出部は、照度分布が不均一な画像に基づく方法と比較して、被検出体の位置等をより高い精度で検出することができる。
光量制御部は、個々の発光素子から出射される照明光の光量を制御して、上記所定領域における照度分布を均一にすることができる。そのため、被検出体の姿勢が変化した場合にも、光量制御部により、所定領域における照度分布を均一に保つことができる。その結果、検出部は、光量制御部が設けられていない位置検出装置と比較して、被検出体の位置等をより高い精度で検出することができる。
【００１１】
上記発明においては、前記光量制御部は、照明光を出射する前記発光素子の数を制御することが望ましい。
【００１２】
本発明によれば、光量制御部は、照明光を出射する発光素子の数を制御するため、上記所定領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部は、例えば、被検出体の所定領域に近い照明部においては照明光を出射する発光素子の数を減らす制御を行う。一方、被検出体の所定領域から遠い照明部においては照明光を出射する発光素子の数を増やす制御を行う。つまり、所定領域のうち、照明部に接近した部分は、離れた部分と比較して、少ない発光素子で照明される。一方、照明部から離れた部分は、接近した部分と比較して、多くの発光素子で照明される。その結果、被検出体の姿勢が変化しても、上記所定領域における照度分布は均一に保たれる。
【００１３】
上記発明においては、前記光量制御部は、前記発光素子に供給される駆動電流を制御することが望ましい。
【００１４】
本発明によれば、光量制御部は、発光素子に供給される駆動電流を制御するため、上記所定領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部は、例えば、被検出体の所定領域に近い照明部においては発光素子に供給する駆動電流を減らす制御を行う。一方、被検出体の所定領域から遠い照明部においては発光素子に供給する駆動電流を増やす制御を行う。つまり、被検出体の所定領域に近い照明部からは、遠い照明部と比較して、より小さな光量の照明光が出射される。一方、被検出体の所定領域から遠い照明部からは、近い照明部と比較して、より大きな光量の照明光が出射される。
その結果、所定領域のうち、照明部に接近した部分は、離れた部分と比較して、小さな光量の照明光により照明される。一方、照明部から離れた部分は、接近した部分と比較して、大きな光量の照明光により照明される。つまり、被検出体の姿勢が変化しても、上記所定領域における照度分布は均一に保たれる。
【００１５】
上記発明においては、前記光量制御部は、前記検出部により検出された前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて、前記複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御することが望ましい。
【００１６】
本発明によれば、光量制御部は、検出された被検出体の位置等に基づいて、複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御するため、上記所定領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部は、検出された被検出体の位置等に基づくことにより、例えば、上記所定領域に近い照明部から出射される照明光の光量を小さくすることができる。一方、光量制御部は、上記所定領域から遠い照明部から出射される照明光の光量を大きくすることができる。そのため、被検出体の姿勢が変化しても、上記所定領域における照度分布は均一に保たれる。
【００１７】
上記発明においては、前記光量制御部は、前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記発光素子から出射される照明光量を制御することが望ましい。
【００１８】
本発明によれば、光量制御部は、撮像部に撮像された画像に基づいて、複数の発光素子から出射される照明光の光量を制御するため、上記所定領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部は、撮像部に撮像された画像に基づくことにより、例えば、上記所定領域において他の領域と比較して照度が高い領域に対応する領域の複数の発光素子から出射される照明光の光量を小さくすることができる。一方、光量制御部は、上記所定領域において他の領域と比較して照度が低い領域に対応する領域の複数の発光素子から出射される照明光の光量を大きくすることができる。そのため、被検出体の姿勢が変化しても、上記所定領域における照度分布は均一に保たれる。
【００１９】
上記発明においては、前記複数の発光素子は、照明光を出射する方向を個別に調節できることが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、複数の発光素子は、照明光を出射する方向を個別に調節することができるため、上記所定領域における照度分布を均一に保つことができる。
複数の発光素子は照明光を出射する方向を個別に調節できる。そのため、例えば、上記所定領域における他の領域と比較して、照度が低い領域に照明光を出射する発光素子の数を増やすことができる。具体的には、上記所定領域における複数の発光素子を有する照明部から離れた領域は、発光素子から出射された照明光が減衰するため、他の領域と比較して照度が低くなる。そのため、上記他の領域を照明する発光素子の数と比較して、上記離れた領域を照明する発光素子の数が多くなるように、複数の発光素子は、照明光を出射する方向を個別に調節される。
【００２１】
本発明の位置検出装置は、被検出体における所定領域にむけて照明光を出射する照明部と、前記所定領域の画像を撮像する撮像素子を有する撮像部と、前記所定領域から前記撮像素子に入射する反射光の光量を調節し、前記撮像素子に結像される画像の照度分布を均一にする光量調節部と、前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を検出する検出部と、が設けられたことを特徴とする。
【００２２】
本発明によれば、光量調節部が設けられているため、被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を高い精度で検出することができる。特に、被検出体の姿勢が変化する場合においても、位置等を高い精度で検出することができる。
光量調節部は、上記所定領域から撮像素子に入射する反射光の光量を調節し、上記撮像素子に結像される画像の照度分布を均一にすることができる。そのため、撮像部は、均一な照度分布に係る画像を撮像することができる。検出部は、上記画像に基づいて、被検出体の位置等を検出することができる。上記画像に基づくことにより、光量調節部を用いない方法と比較して、被検出体の位置等をより高い精度で検出することができる。
光量調節部は、上記所定領域から撮像素子に入射する反射光の光量を調節し、撮像部における受光面に結像される画像の照度分布を均一にするため、被検出体の姿勢が変化した場合にも、上記撮像素子における照度分布を均一に保つことができる。その結果、検出部は、光量制御部が設けられていない位置検出装置と比較して、被検出体の位置等をより高い精度で検出することができる。
【００２３】
上記発明においては、前記光量調節部は、面に沿う所定方向に向かって光の透過率が変化するフィルタと、該フィルタを面に沿う方向に移動させる移動部と、を備え、前記撮像素子には、前記フィルタを透過した反射光が入射され、前記撮像素子に入射する反射光の光量は、前記移動部により前記フィルタを移動させることにより、調節されることが望ましい。
【００２４】
本発明によれば、光量調整部は、フィルタと移動部とを備えるため、上記撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
フィルタは、面に沿う所定方向に向かって光の透過率が変化する。そのため、フィルタは、上記反射光がフィルタを透過する位置を制御することにより、撮像素子に入射する反射光の光量を調節することができる。移動部は、フィルタを移動させることができるため、撮像素子に入射する反射光が、フィルタのどの位置を透過するか制御することができる。そのため、光量調整部は、撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
具体的には、上記所定領域において、他の領域と比較して撮像素子に近い領域から撮像素子に入射する反射光の光量は大きい。移動部はフィルタを移動させて、フィルタにおける他の領域よりも光透過率が低い領域に光量の大きな反射光を入射させる。一方、上記所定領域における他の領域から撮像素子に入射する反射光の光量は小さくなる。移動部はフィルタを移動させて、フィルタにおける上記他の領域に光量の小さな反射光を入射させる。その結果、撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
【００２５】
上記発明においては、前記光量調節部は、前記検出部により検出された前記被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方に基づいて、前記所定領域から前記撮像素子に入射する反射光の光量を調節することが望ましい。
【００２６】
本発明によれば、光量調節部は、検出された被検出体の位置等に基づいて、所定領域から撮像素子に入射する反射光の光量を調節するため、上記撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
光量調節部は、検出された被検出体の位置等に基づいて、上記移動部によって上記フィルタを移動させることができる。例えば、光量調節部は、被検出体の位置等に基づいてフィルタを移動させることにより、他の領域に入射する反射光と比較して光量の大きな反射光が入射する領域に、フィルタにおける他の領域より光の透過率が低い領域を移動させることができる。一方、光量制御部は、他の領域に入射する反射光と比較して光量の小さな反射光が入射する領域に、フィルタにおける他の領域より光の透過率が高い領域を移動させることができる。ここで、光量の大きな反射光は、上記所定領域における他の領域より撮像素子に近い領域から反射された反射光であって、光量の小さな反射光は、上記所定領域における他の領域より撮像素子から離れた領域から反射された反射光である。そのため、光量調節部は、上記所定領域における照度分布は均一に保たれる。
また、被検出体の姿勢が変化することにより撮像素子における画像の照度分布が変化しても、光量調節部は、検出された被検出体の位置等に基づいて、所定領域から撮像素子に入射する反射光の光量を調節するため、上記撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
【００２７】
上記発明においては、前記光量調節部は、前記撮像部により撮像された画像に基づいて、前記所定領域から前記撮像素子に入射する反射光の光量を調節することが望ましい。
【００２８】
本発明によれば、光量調節部は、撮像部に撮像された画像に基づいて、所定領域から撮像素子に入射する反射光の光量を調節するため、上記撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
光量調節部は、撮像された画像に基づいて、上記移動部によって上記フィルタを移動させることができる。例えば、光量調節部は、撮像された画像に基づいてフィルタを移動させることにより、撮像された画像における他の領域と比較して照度が高い領域に、フィルタにおける他の領域より光の透過率が低い領域を移動させることができる。一方、光量調節部は、撮像された画像における他の領域と比較して照度が低い領域に、フィルタにおける他の領域より光の透過率が高い領域を移動させることができる。そのため、光量調節部は、上記撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
また、被検出体の姿勢が変化することにより撮像素子における画像の照度分布が変化しても、光量調節部は、撮像部に撮像された画像に基づいて、所定領域から撮像素子に入射する反射光の光量を調節するため、上記撮像素子における画像の照度分布を均一に保つことができる。
【００２９】
本発明の天秤装置は、被検出体を支持するとともに、前記被検出体に作用する外力を計測する支持部と、上記本発明の位置検出装置と、が設けられたことを特徴とする天秤装置。
【００３０】
本発明によれば、上記本発明の位置検出装置が設けられているため、被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を高い精度で検出することができる。特に、被検出体の姿勢が変化する場合においても、位置等を高い精度で検出することができる。そのため、本発明の天秤装置は精度の高い計測を行うことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の位置検出装置および天秤装置によれば、照明部と光量制御部とが設けられているため、被検出体の位置および姿勢の少なくとも一方を高い精度で検出することができる。特に、被検出体の姿勢が変化する場合においても、位置等を高い精度で検出することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
〔第１の実施形態〕
以下、本発明の第１の実施形態における磁気支持天秤装置ついて図１から図１２を参照して説明する。
図１は、本実施形態における磁気支持天秤装置の概略を説明するブロック図である。
磁気支持天秤装置（天秤装置）１は、図１に示すように、磁力により模型（被検出体）３を空中に支持するとともに、模型３に作用する外力を計測するものである。模型３に作用する外力としては、磁気支持天秤装置１が風洞装置に適用された際に、模型３に作用する空気力学的な力（揚力や抗力など）を例示することができる。
本実施形態においては、磁気支持天秤装置１を風洞装置に用いられる場合に適用して説明する。模型３としては、一方の端部が尖った円柱形状に形成されたものとして説明する。以下、本実施形態の説明において、模型３の周りにおける空気の流れる方向をｘ軸、鉛直方向をｚ軸、ｘ軸およびｙ軸に対して直交する方向をｙ軸として説明する（図２参照）。
【００３３】
磁気支持天秤装置１は、図１に示すように、磁力により模型３を支持する支持部５と、模型３の位置および姿勢を検出する位置検出部７と、支持部５および位置検出部７を制御する制御部９と、を備えている。
【００３４】
図２は、図１の支持部における電磁石の配置を説明する斜視図である。
支持部５は、磁界を発生させる１０個の電磁石Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９を備えている。模型３には、永久磁石（図示せず）が備えられている。
電磁石Ｃ０からＣ９は磁界を発生させることにより、発生させた磁界と模型３の永久磁石との間に、模型３を浮揚させる磁力を発生させるものである。また、電磁石Ｃ０からＣ９は、発生させた磁界により、模型３の位置および姿勢を制御するものでもある。
電磁石Ｃ０からＣ９は、それぞれ後述する電磁石制御部２３と配線２４により接続されている。配線２４には電磁石Ｃ０からＣ９に磁界を発生させる駆動電流が流される。なお、図示されていないが、各電磁石Ｃ０からＣ９と電磁石制御部２３との間にはパワーアンプが配置され、上記駆動電流はパワーアンプにより増幅されている。電磁石Ｃ０からＣ９は、図２に示すように、模型３を配置する領域を取り囲むように配置されている。以下、電磁石Ｃ０からＣ９について説明する。
なお、電磁石Ｃ０からＣ９としては、コイルから形成されたものなど、公知の電磁石を用いることができ、特に限定するものではない。
【００３５】
電磁石Ｃ０，Ｃ９は、模型３に作用する図２におけるｘ軸方向の力をバランスさせる電磁石であって、模型３のｘ軸方向における位置を制御するものである。具体的には、電磁石Ｃ０，Ｃ９は、空気流れによって模型３に作用するｘ軸方向の力（例えば抗力）とバランスする力を発生させる電磁石である。電磁石Ｃ０，Ｃ９は、模型３に対して、それぞれｘ軸の正方向および負方向に、模型３から所定距離だけ離れて配置されている。電磁石Ｃ０，Ｃ９には貫通孔が形成され、その貫通孔に空気が流れるように配置されている。
【００３６】
電磁石Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７は、図２中のｚ軸方向の力をバランスさせる電磁石であって、模型３を浮揚させるとともに、模型３のｚ軸方向における位置を制御するものである。具体的には、電磁石Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７は、空気流れによって模型３に作用するｚ軸方向の力（例えば揚力）および模型３に作用する重力とバランスする力を発生させる電磁石である。電磁石Ｃ１，Ｃ３は、ｚ軸に沿う方向に（縦に）並んで配置されているとともに、模型３におけるｘ軸の負方向側の端部（先端）近傍に配置されている。電磁石Ｃ５，Ｃ７は、ｚ軸に沿う方向に（縦に）並んで配置されているとともに、模型３おけるｘ軸の正方向側の端部（後端）近傍に配置されている。このような配置にすることで、一対の電磁石Ｃ１，Ｃ３と、一対の電磁石Ｃ５，Ｃ７と、を別々に制御して、模型３におけるｙ軸（ピッチ軸）周りの姿勢変化を制御することができる。
【００３７】
電磁石Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８は、図２中のｙ軸方向の力をバランスさせる電磁石であって、模型３のｙ軸方向における位置を制御するものである。具体的には、電磁石Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８は、空気流れによって模型３に作用するｙ軸方向の力とバランスする力を発生させる電磁石である。電磁石Ｃ２，Ｃ４は、ｙ軸に沿う方向に（横に）並んで配置されているとともに、模型３におけるｘ軸の負方向側の端部（先端）近傍に配置されている。電磁石Ｃ６，Ｃ８は、ｙ軸に沿う方向に（横に）並んで配置されているとともに、模型３おけるｘ軸の正方向側の端部（後端）近傍に配置されている。このような配置にすることで、一対の電磁石Ｃ２，Ｃ４と、一対の電磁石Ｃ６，Ｃ８と、を別々に制御して、模型３におけるｚ軸（ヨー軸）周りの姿勢変化を制御することができる。
【００３８】
図３は、図１の位置検出部の構成を説明する斜視図である。
位置検出部７は、図３に示すように、撮像部１１Ｙ，１１Ｚと、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２と、を備えている。
撮像部１１Ｙ，１１Ｚは、模型３における略中央領域（所定領域）を撮像するものである。撮像部１１Ｙは、図３のｙ軸方向から模型３を撮像するものであって、模型３におけるｘ軸方向の移動、ｚ軸方向の移動およびｙ軸周りの姿勢変化の検出に用いられる画像を撮像するものである。撮像部１１Ｚは、ｚ軸方向から模型３を撮像するものであって、模型３におけるｘ軸方向の移動、ｙ軸方向の移動およびｚ軸周りの姿勢変化の検出に用いられる画像を撮像するものである。
【００３９】
図４は、図３の撮像部の構成を説明する図である。
撮像部１１Ｙ，１１Ｚには、図３に示すように、１本のラインセンサ１５Ａと、２本ラインセンサ１５Ｂと、が備えられている。ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂは、ＣＣＤなどの撮像素子を同一直線の上に並べて配置したものであって、模型３における略中央領域を撮像するものである。ラインセンサ１５Ａは、図４のｘ軸方向に沿って延在するように配置されおり、模型３の長手軸線方向に沿って延在するように配置されている。ラインセンサ１５Ｂは、ｘ軸方向に対して直交する方向に延在するように配置されており、模型３の長手軸線方向に対して直交する方向に延在するように配置されている。また、２本のラインセンサ１５Ｂの間にラインセンサ１５Ａが配置され、これら３本のラインセンサ１５Ａ，１５Ｂは、Ｈ字状に配置されている。
また、模型３の略中央領域の円周面には、マーカ１７が黒い線で円環状に描かれている。模型３が配置される位置等は、マーカ１７がラインセンサ１５Ａの撮像領域に入る範囲内に設定されている。
なお、上述の実施形態においては、ＣＣＤを撮像素子として用いた実施形態に適用して説明したが、撮像素子としてＣＣＤを用いるものに限定することなく、ＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ  Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）など、その他の公知の撮像素子を用いても良く、特に限定するものではない。
【００４０】
照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２は、図３に示すように、模型３における略中央領域を照明するものである。照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２は、図３のｙ軸方向から模型３を照明するものであって、撮像部１１Ｙの両脇に一対の照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２が配置されており、撮像部１１Ｙに対してｘ軸の負方向に照明部１３Ｙ−１が配置され、ｘ軸の正方向に照明部１３Ｙ−２が配置されている。照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２は、図３のｚ軸方向から模型３を照明するものであって、撮像部１１Ｚの両脇に一対の照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２が配置されており、撮像部１１Ｚに対してｘ軸の負方向に照明部１３Ｚ−１が配置され、ｘ軸の正方向に照明部１３Ｚ−２が配置されている。
照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２には、複数の発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ：以下ＬＥＤと表記する。）（発光素子）１９が設けられている。ＬＥＤ１９は、光量制御部２７から駆動電流が供給され、照明光を出射するものである。複数のＬＥＤ１９は、ｘ軸方向に対して直交する方向に沿って列を形成するように配置され、さらに、上記ＬＥＤ１９の列がｘ軸方向に３列並んで配置されている。
【００４１】
図５は、図３の照明部の構成を説明する図である。
照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２に配置された複数のＬＥＤ１９は、個別に照明光の出射方向を調節できるように配置されている。具体的には、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２におけるＬＥＤ１９の照明光の出射方向は、図５に示すように調整されている。つまり、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２における両端部近傍においては、複数のＬＥＤ１９から出射された照明光が重畳するようにＬＥＤ１９の向きが調整されている。一方、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２における中央部近傍においては、複数のＬＥＤ１９から出射された照明光が重畳しないようにＬＥＤ１９の向きが調整されている。
なお、上述の実施形態においては、ＬＥＤを発光素子として用いた実施形態に適用して説明したが、発光素子としてＬＥＤを用いるものに限定することなく、その他の公知の発光素子を用いても良く、特に限定するものではない。
【００４２】
図６は、図１における制御部の構成を説明するブロック図である。
制御部９は、電磁石Ｃ０からＣ９から発生させる磁界を制御することにより、模型３を空中に浮揚させるとともに、所定の位置および姿勢に制御するものである。また、制御部９は、模型３を所定の位置および姿勢に保持するために必要とされる磁界から、模型３に作用する外力を検出するものでもある。さらに、制御部９は、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２に設けられた複数のＬＥＤから出射される照明光の光量を制御するものでもある。
制御部９は、図６に示すように、位置演算部（検出部）２１と、電磁石制御部２３と、外力計測部２５と、光量制御部２７と、記憶部２９とを備えている。
【００４３】
位置演算部２１は、撮像部１１Ｙ，１１Ｚから入力された画像信号に基づいて模型３の位置および姿勢を算出するものである。詳しい算出方法については、後述する模型３の位置等の検出方法において説明する。算出された模型３の位置等の情報は、電磁石制御部２３や光量制御部２７に出力される。
【００４４】
電磁石制御部２３は、外部から入力された模型３の位置等の情報と、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報とに基づいて、電磁石Ｃ０からＣ９に供給する駆動電流を制御するものである。
外力計測部２５は、模型３に作用する抗力や揚力などの空気力学的な力（外力）の大きさを計測するものである。
【００４５】
光量制御部２７は、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２に配置された複数のＬＥＤ１９に個別に駆動電流を供給して、ＬＥＤ１９から照明光を出射させるものである。同時に、光量制御部２７は、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報に基づいて、ＬＥＤ１９からの照明光の出射を制御するものである。
具体的には、光量制御部２７は、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報と、記憶部２９に記憶された照明光を出射するＬＥＤ１９の位置情報とに基づいて、照明光を出射するＬＥＤ１９の数および位置を制御するものである。光量制御部２７は、記憶部２９と情報交換可能に接続されている。
【００４６】
記憶部２９は、模型３の姿勢に対する、ＬＥＤ１９の制御情報がまとめられたテーブルを記憶するものである。本実施形態におけるＬＥＤ１９の制御情報とは、照明光を出射するＬＥＤ１９の数および位置情報である。記憶部２９は、光量制御部２７と情報交換可能に接続されている。
なお、上述のテーブルに記憶された照明光を出射するＬＥＤ１９の制御情報は、予め試験計測により模型３の中央領域を均一な照度分布で照明する最適なものを決定してもよいし、模型３の３次元形状、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２の配置関係およびＬＥＤ１９の配光特性などに基づいて光学シミュレーションにより最適なものを決定しても良く、特に限定するものではない。
【００４７】
なお、上述の撮像部１１Ｙ，１１Ｚと、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２と、位置演算部２１と、光量制御部２７と、記憶部２９により模型３の位置等を検出する位置検出装置が構成される。また、上述の支持部５と、位置演算部２１と、電磁石制御部２３とにより模型３を所定位置に支持する支持装置が構成される。
【００４８】
次に、上記の構成からなる磁気支持天秤装置１における模型３の位置および姿勢の検出方法について説明する。
図７は、照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
模型３の位置および姿勢を検出する場合には、まず、図７に示すように、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２や、照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２のＬＥＤ１９から照明光が模型３に照射される。図７においては、模型３の長手軸線がｘ軸と略平行な場合における照明光と模型３との相対位置関係が示されている。図７中のＬＥＤ１９で、黒く塗りつぶされているＬＥＤ１９は消灯されたＬＥＤ１９を示し、その他のＬＥＤ１９は、点灯されて照明光を出射しているＬＥＤ１９を示す。ここでは、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２や、照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２における中央に配置されたＬＥＤ１９は消灯され、両端に配置されたＬＥＤ１９は点灯されている。
図７に示す配置においては、模型３の中央領域が、撮像部１１Ｙや撮像部１１Ｚの両脇に配置された一対の照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２や、照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２から出射された照明光により略均一に照明されている。
【００４９】
撮像部１１Ｙ，１１Ｚは、図４に示すように、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにより、模型の中央領域を撮像する。撮像部１１Ｙ，１１Ｚのラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにより撮像された画像信号は、図６に示すように、制御部９の位置演算部２１に入力される。なお、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂから出力された画像信号は、位置演算部２１に入力される前に、ビデオアンプなどで増幅されてもよく、特に限定するものではない。
位置演算部２１は、入力された画像信号に基づいて模型３の位置および姿勢を算出する。具体的には、位置演算部２１は、ラインセンサ１５Ａにより撮像された画像信号からマーカ１７の位置を検出することにより、模型３のｘ軸方向の位置を算出する。また、位置演算部２１は、撮像部１１Ｙのラインセンサ１５Ｂにより撮像された画像信号から模型３の輪郭の位置を検出することにより、模型３のｚ軸方向の位置およびｙ軸周りの姿勢を検出する。さらに、位置演算部２１は、撮像部１１Ｚのラインセンサ１５Ｂにより撮像された画像信号から模型３の輪郭の位置を検出することにより、模型３のｙ軸方向の位置およびｚ軸周りの姿勢を検出する。
【００５０】
図８は、図１の模型におけるマーカが設けられた中央領域を示す部分拡大図である。図９は、図８の中央領域を撮像したラインセンサから出力される画像信号を説明する図である。図１０は、図９の画像信号を平滑化したデータを説明する図である。図１１は、図１０のデータを２値化したデータを説明する図である。
ここで、ラインセンサ１５Ａにより検出された画像信号からマーカ１７の位置の検出方法について、より具体的に説明する。ラインセンサ１５Ａは、図８に示す模型３における中央領域を撮像する。撮像される領域には、マーカ１７が描かれている。ラインセンサ１５Ａからは、図９に示す画像信号が出力され、位置演算部２１に入力される。上記画像信号は、ラインセンサ１５Ａを構成する複数のＣＣＤ（画素）の出力値が集合したものである。ＣＣＤは、入射する光の光量の比例した出力値を出力するものである。そのため、照明光の反射が小さいマーカ１７に対応するＣＣＤの出力値は小さくなっている。
位置演算部２１は、ラインセンサ１５Ａから入力された画像信号を平滑化する処理を行う。平滑化されたデータにおけるマーカ１７に対応する部分Ｍは、図１０に示すように、他の部分と比較してその値が小さくなっている。平滑化されたデータは、さらに２値化される。２値化されたデータにおけるマーカ１７に対応する部分Ｍは、図１１に示すように、値が０となっている。位置演算部２１において、このような処理を行うことにより、マーカ１７に対応する画素を特定することができる。その後、位置演算部２１は、取得した画像信号に基づいて、マーカ１７の位置を演算により求める。
【００５１】
なお、ラインセンサ１５Ｂより検出された画像信号から模型３の輪郭を検出する方法も、基本的に同じであるため、その説明を省略する。
【００５２】
次に、磁気支持天秤装置１における模型３の位置および姿勢の制御方法、模型３に作用する抗力などの計測方法について説明する。
上述のように、位置演算部２１により求められた模型３の位置および姿勢の情報は、図６に示すように、電磁石制御部２３に入力される。電磁石制御部２３は、外部から入力された模型３の位置等と、位置演算部２１において算出された模型３の位置等との差を求める。ここで、外部から入力された模型３の位置等とは、測定者などが磁気支持天秤装置１に入力する模型３の位置等であって、測定者などが、模型３に作用する抗力など測定しようとする模型３の所定の位置や姿勢このことである。なお、模型３の位置等は、時間の経過とともに変化するものであってもよいし、変化しないものであってもよく、特に限定するものではない。
つぎに、電磁石制御部２３は、上記模型３の位置等における差がゼロとなる模型３の位置等の移動方向および移動量を算出する。移動方向および移動量が算出されると、電磁石制御部２３は、算出された移動方向へ、模型３を算出された移動量だけ移動させるように電磁石Ｃ０からＣ９に供給する駆動電流を制御する。
電磁石Ｃ０からＣ９からは、模型３の永久磁石に作用する磁界が形成される。模型３には上記磁界に係る磁力が作用して、模型３の位置等は、上記外部から入力された模型３の位置等と一致するように移動される。
【００５３】
続いて、模型３に作用する抗力や揚力などの外部から作用する力の計測方法について説明する。
模型３に作用する抗力等を計測する際には、模型３の位置および姿勢が所定の位置等に制御される。具体的には、外力計測部２５は、まず、空気が流れていない場合に、模型３を所定位置等に保持するために電磁石Ｃ０からＣ９に供給される駆動電力をそれぞれ記憶する。そして、外力計測部２５は、空気が流れている場合に、電磁石Ｃ０からＣ９に供給される駆動電力と、上記記憶された駆動電力とを比較することにより模型３に作用する抗力等を求めている。
【００５４】
次に、本実施形態の特徴である模型３の照明方法について説明する。
上述のように、位置演算部２１により求められた模型３の位置および姿勢の情報は、図６に示すように、光量制御部２７に入力される。光量制御部２７は、記憶部２９から入力された模型３の位置等の情報に対応する、ＬＥＤ１９の制御情報を取得する。光量制御部２７は、取得したＬＥＤ１９の制御情報に基づいて、ＬＥＤ１９に供給する駆動電流を制御する。
例えば、入力された模型３の位置等の情報が、図７に示す模型３の位置等に係る情報の場合について説明する。この場合、光量制御部２７は、ＬＥＤ１９の制御情報に基づいてＬＥＤ１９に供給する駆動電流を制御することにより、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２や、照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２における中央の列に配置されたＬＥＤ１９を消灯し、両端の列に配置されたＬＥＤ１９を点灯する制御を行う。
【００５５】
図１２は、照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
一方、入力された模型３の位置等の情報が、図１２に示すように、模型３の先端が撮像部１１Ｙ，１１Ｚに接近した姿勢に係る情報の場合について説明する。
この場合、光量制御部２７は、ＬＥＤ１９の制御情報に基づいてＬＥＤ１９に供給する駆動電流を制御することにより、照明部１３Ｙ−１や照明部１３Ｚ−１における一方の端部の列および中央の列に配置されたＬＥＤ１９を消灯し、照明部１３Ｙ−２や照明部１３Ｚ−２における他方の端部の列に配置されたＬＥＤ１９を点灯する制御を行う。
【００５６】
上記の構成によれば、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２と光量制御部２７とが設けられているため、模型３の位置等を高い精度で検出することができる。特に、模型３の姿勢が変化する場合においても、位置等を高い精度で検出することができる。
照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２は、照明光を出射する複数のＬＥＤ１９を備えており、模型３における中央領域を照明することができる。光量制御部２７は、上記複数のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量を、個々のＬＥＤ１９について制御し、上記中央領域における照度分布を均一にすることができる。そのため、撮像部１１Ｙ，１１Ｚは、均一に照明された中央領域の画像を撮像することができる。位置演算部２１は、上記画像に基づいて、模型３の位置等を検出することができる。上記画像に基づくことにより、位置演算部２１は、照度分布が不均一な画像に基づく方法と比較して、模型３の位置等をより高い精度で検出することができる。
光量制御部２７は、個々のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量を制御して、上記中央領域における照度分布を均一にすることができる。そのため、模型３の姿勢が変化した場合にも、光量制御部２７により、中央領域における照度分布を均一に保つことができる。その結果、位置演算部２１は、光量制御部２７が設けられていない磁気支持天秤装置１と比較して、模型３の位置等をより高い精度で検出することができる。
【００５７】
本実施形態の磁気支持天秤装置１は、光量制御部２７は、照明光を出射するＬＥＤ１９の数を制御するため、上記中央領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部２７は、例えば、模型３の中央領域に近い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２においては照明光を出射するＬＥＤ１９の数を減らす制御を行う。一方、模型３の中央領域から遠い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２においては照明光を出射するＬＥＤ１９の数を増やす制御を行う。つまり、中央領域のうち、照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２に接近した部分は、離れた部分と比較して、少ないＬＥＤ１９で照明される。一方、照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２から離れた部分は、接近した部分と比較して、多くのＬＥＤ１９で照明される。その結果、模型３の姿勢が変化しても、上記中央領域における照度分布は均一に保たれる。
【００５８】
本実施形態の磁気支持天秤装置１は、光量制御部２７は、検出された模型３の位置等に基づいて、複数のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量を制御するため、上記中央領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部２７は、検出された模型３の位置等に基づくことにより、例えば、上記中央領域に近い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２から出射される照明光の光量を小さくすることができる。一方、光量制御部２７は、上記中央領域から遠い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２から出射される照明光の光量を大きくすることができる。そのため、模型３の姿勢が変化しても、上記中央領域における照度分布は均一に保たれる。
【００５９】
本実施形態の磁気支持天秤装置１は、複数のＬＥＤ１９は、照明光を出射する方向を個別に調節することができるため、上記中央領域における照度分布を均一に保つことができる。
複数のＬＥＤ１９は照明光を出射する方向を個別に調節できる。そのため、例えば、上記中央領域における他の領域と比較して、照度が低い領域に照明光を出射するＬＥＤ１９の数を増やすことができる。具体的には、上記中央領域における複数のＬＥＤ１９を有する照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２から離れた領域は、ＬＥＤ１９から出射された照明光が減衰するため、他の領域と比較して照度が低くなる。そのため、上記他の領域を照明するＬＥＤ１９の数と比較して、上記離れた領域を照明するＬＥＤ１９の数が多くなるように、複数のＬＥＤ１９は、照明光を出射する方向を個別に調節される。
【００６０】
〔第１の実施形態の第１変形例〕
次に、本発明の第１の実施形態の第１変形例について図１３から図１５を参照して説明する。
本変形例の磁気支持天秤装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、照明部の制御方法が異なっている。よって、本変形例においては、図１３から図１５を用いて照明部の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１３は、本変形例に係る磁気支持天秤装置における制御部の構成を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００６１】
磁気支持天秤装置（天秤装置）１０１の制御部１０９は、図１３に示すように、位置演算部２１と、電磁石制御部２３と、外力計測部２５と、光量制御部１２７と、記憶部１２９とを備えている。
【００６２】
光量制御部１２７は、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２に配置された複数のＬＥＤ１９に個別に駆動電流を供給して、ＬＥＤ１９から照明光を出射させるものである。また、光量制御部１２７は、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報に基づいて、ＬＥＤ１９からの照明光の出射を制御するものである。具体的には、光量制御部１２７は、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報と、記憶部１２９に記憶された各ＬＥＤ１９に供給する駆動電流値の情報とに基づいて、各ＬＥＤ１９に供給される駆動電流値を制御するものである。光量制御部１２７は、記憶部１２９と情報交換可能に接続されている。
【００６３】
記憶部１２９は、模型３の姿勢に対する、ＬＥＤ１９の制御情報がまとめられたテーブルを記憶するものである。本変形例におけるＬＥＤ１９の制御情報とは、各ＬＥＤ１９に供給する駆動電流値の情報である。記憶部１２９は、光量制御部１２７と情報交換可能に接続されている。
なお、上述のテーブルに記憶された各ＬＥＤ１９に供給する駆動電流値の情報は、予め試験計測により模型３の中央領域を均一な照度分布で照明する最適なものを決定してもよいし、模型３の３次元形状、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２の配置関係およびＬＥＤ１９の配光特性などに基づいて光学シミュレーションにより最適なものを決定しても良く、特に限定するものではない。
【００６４】
次に、磁気支持天秤装置１０１における作用を説明する。
磁気支持天秤装置１０１における模型３の位置および姿勢の検出方法および制御方法、並びに模型３に作用する抗力などの計測方法については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００６５】
次に、本変形例の特徴である模型３の照明方法について説明する。
第１の実施形態と同様に、位置演算部２１により求められた模型３の位置および姿勢の情報は、図１３に示すように、光量制御部１２７に入力される。光量制御部１２７は、記憶部１２９から入力された模型３の位置等の情報に対応する、ＬＥＤ１９の制御情報を取得する。光量制御部１２７は、取得したＬＥＤ１９の制御情報に基づいて、各ＬＥＤ１９に供給する駆動電流値を制御する。
【００６６】
図１４は、照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
ここでは、説明を簡単にするために、光量制御部１２７による駆動電流値が３段階（大電流値、中電流値、小電流値）に制御されている場合について説明する。なお、光量制御部１２７による駆動電流値の制御は、上述の３段階であってもよいし、それ以上またはそれ以下の段階数に分けて制御してもよいし、さらには、連続して制御してもよく、特に限定するものではない。
入力された模型３の位置等の情報が、図１４に示す模型３の位置等に係る情報の場合について説明する。この場合、光量制御部１２７は、全てのＬＥＤ１９に中電流値の駆動電流を供給することにより、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２や、照明部１３Ｚ−１，１３Ｚ−２に配置されたＬＥＤ１９から同一光量の照明光を出射させる制御を行う。
なお、ＬＥＤ１９は、供給される駆動電流の電流値に比例して出射される照明光の光量が変化するものである。
【００６７】
図１５は、照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
一方、入力された模型３の位置等の情報が、図１５に示すように、模型３の先端が撮像部１１Ｙ，１１Ｚに接近した姿勢に係る情報の場合について説明する。
この場合、光量制御部１２７は、照明部１３Ｙ−１や照明部１３Ｚ−１におけるｘ軸負方向側の端部の列から、ｘ軸正の方向に向かって順に、各列のＬＥＤ１９に小電流値、中電流値、大電流値の駆動電流を供給する。一方、光量制御部１２７は、照明部１３Ｙ−２や照明部１３Ｚ−２における全てのＬＥＤ１９に大電流値の駆動電流を供給する。
【００６８】
上記の構成によれば、光量制御部１２７は、ＬＥＤ１９に供給される駆動電流を制御するため、上記中央領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部１２７は、模型３の中央領域に近い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２においてはＬＥＤ１９に供給する駆動電流を減らす制御を行う。一方、模型３の中央領域から遠い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２においてはＬＥＤ１９に供給する駆動電流を増やす制御を行う。つまり、模型３の中央領域に近い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２からは、遠い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２と比較して、より小さな光量の照明光が出射される。一方、模型３の中央領域から遠い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２からは、近い照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２と比較して、より大きな光量の照明光が出射される。
その結果、中央領域のうち、照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２に接近した部分は、離れた部分と比較して、小さな光量の照明光により照明される。一方、照明部１３Ｙ−１または１３Ｙ−２および照明部１３Ｚ−１または１３Ｚ−２から離れた部分は、接近した部分と比較して、大きな光量の照明光により照明される。つまり、模型３の姿勢が変化しても、上記中央領域における照度分布は均一に保たれる。
【００６９】
〔第１の実施形態の第２変形例〕
次に、本発明の第１の実施形態の第２変形例について図１６を参照して説明する。
本変形例の磁気支持天秤装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、照明部の制御方法が異なっている。よって、本変形例においては、図１６を用いて照明部の制御方法のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１６は、本変形例に係る磁気支持天秤装置における制御部の構成を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７０】
磁気支持天秤装置（天秤装置）２０１の制御部２０９は、図１６に示すように、位置演算部２２１と、電磁石制御部２３と、外力計測部２５と、光量制御部２２７とを備えている。
【００７１】
位置演算部２２１は、撮像部１１Ｙ，１１Ｚから入力された画像信号に基づいて模型３の位置および姿勢を算出するものである。詳しい算出方法は、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。算出された模型３の位置等の情報は、電磁石制御部２３に出力される。
【００７２】
光量制御部２２７は、照明部１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２に配置された複数のＬＥＤ１９に個別に駆動電流を供給して、ＬＥＤ１９から照明光を出射させるものである。また、光量制御部２２７は、撮像部１１Ｙ，１１Ｚから入力された画像信号に基づいて、ＬＥＤ１９からの照明光の出射を制御するものである。
【００７３】
次に、磁気支持天秤装置２０１における作用を説明する。
磁気支持天秤装置２０１における模型３の位置および姿勢の検出方法および制御方法、並びに模型３に作用する抗力などの計測方法については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
【００７４】
次に、本変形例の特徴である模型３の照明方法について説明する。
光量制御部２２７には、図１６に示すように、撮像部１１Ｙ，１１Ｚから入力された画像信号が入力される。光量制御部２２７は、入力された画像信号の出力値分布が均一な分布となるように、照明光を出射するＬＥＤ１９の数および位置を制御する。具体的には、光量制御部２２７は、画像信号において他の領域と比較して出力値が小さな領域に対応する領域の複数のＬＥＤ１９について、照明光を出射するＬＥＤ１９の数を増やす制御を行う。一方、光量制御部２２７は、他の領域と比較して出力値が大きな領域に対応する領域の複数のＬＥＤ１９について、照明光を出射するＬＥＤ１９の数を減らす制御を行う。
【００７５】
上記の構成によれば、光量制御部２２７は、撮像部１１Ｙ，１１Ｚに撮像された画像に基づいて、複数のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量を制御するため、上記中央領域における照度分布を均一に保つことができる。
光量制御部２２７は、撮像部１１Ｙ，１１Ｚに撮像された画像に基づくことにより、例えば、上記中央領域において他の領域と比較して照度が高い領域に対応する領域の複数のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量を小さくすることができる。一方、光量制御部２２７は、上記中央領域において他の領域と比較して照度が低い領域に対応する領域の複数のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量を大きくすることができる。そのため、模型３の姿勢が変化しても、上記中央領域における照度分布は均一に保たれる。
【００７６】
〔第２の実施形態〕
次に、本発明の第２の実施形態について図１７から図２３を参照して説明する。
本実施形態の磁気支持天秤装置の基本構成は、第１の実施形態と同様であるが、第１の実施形態とは、撮像部の構成が異なっている。よって、本実施形態においては、図１７から図３３を用いて撮像部の構成のみを説明し、その他の構成要素等の説明を省略する。
図１７は、本実施形態における磁気支持天秤装置の概略を説明するブロック図である。
なお、第１の実施形態と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００７７】
磁気支持天秤装置（天秤装置）３０１は、図１７に示すように、磁力により模型３を支持する支持部５と、模型３の位置および姿勢を検出する位置検出部３０７と、支持部５および位置検出部３０７を制御する制御部３０９と、を備えている。
【００７８】
図１８は、図１７の位置検出部の構成を説明する斜視図である。
位置検出部３０７は、図１７に示すように、撮像部３１１Ｙ，３１１Ｚと、照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２と、を備えている。
撮像部３１１Ｙ，３１１Ｚは、模型３における略中央領域（所定領域）を撮像するものである。撮像部３１１Ｙは、図１７のｙ軸方向から模型３を撮像するものであって、模型３におけるｘ軸方向の移動、ｚ軸方向の移動およびｙ軸周りの姿勢変化の検出に用いられる画像を撮像するものである。撮像部３１１Ｚは、ｚ軸方向から模型３を撮像するものであって、模型３におけるｘ軸方向の移動、ｙ軸方向の移動およびｚ軸周りの姿勢変化の検出に用いられる画像を撮像するものである。
【００７９】
図１９は、図１８の撮像部の構成を説明する図である。図２０は、図１９のラインセンサ、グラデーションフィルタおよび模型等の位置関係を説明する模式図である。ここで、図１９は、図２０におけるレンズ３２３からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ、円形グラデーションフィルタ３１９Ａおよび矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを見た図である。
撮像部３１１Ｙ，３１１Ｚには、図１９に示すように、１本のラインセンサ１５Ａと、２本ラインセンサ１５Ｂと、光量調節部３１７とが備えられている。
光量調節部３１７は、１つの円板状の円形グラデーションフィルタ（フィルタ）３１９Ａと、２つの矩形状の矩形グラデーションフィルタ（フィルタ）３１９Ｂと、回転駆動機構（移動部）３２１Ａと、直線駆動機構（移動部）３２１Ｂと、を備えている。
各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂは、それぞれラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される画像の照度分布を均一化させるものである。円形グラデーションフィルタ３１９Ａは、図２０に示すように、模型３とラインセンサ１５Ａとの間に配置されている。２つの矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂは、それぞれ模型３とラインセンサ１５Ｂとの間に配置されている。なお、両グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂと模型３との間には、撮像部３１１Ｙ，３１１Ｚのレンズ３２３が配置されている。レンズ３２３は、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに模型３の像を結像させるものである。
【００８０】
図２１は、図１９の円形グラデーションフィルタにおける光の透過率を説明する図である。図２２は、図２１の円形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。図２３は、図２１の円形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。
回転駆動機構３２１Ａは、図１９に示すように、グラデーションフィルタ３１９Ａを中心軸線周りに回転駆動させ、その位相を制御するものである。回転駆動機構３２１Ａは、グラデーションフィルタ３１９Ａの円周面に設けられた円周ギア３３１と、円周ギア３３１に噛み合わされた駆動ギア３３３Ａと、を備えている。駆動ギア３３３Ａは、後述する光量調節部３１７により制御されるモータ（図示せず）により回転駆動される。
円形グラデーションフィルタ３１９Ａは、図２１から図２３に示すように、所定方向に向かって光の透過率が滑らかに連続して変化する減光フィルタである。具体的には、図２１のＡ−Ａ´方向における円形グラデーションフィルタ３１９Ａの光の透過率は、図２２に示すように、一方の端部（Ａ側の端部）から他方の端部（Ａ´側の端部）に向かって滑らかに連続して低下（変化）するように設定されている。一方、図２１のＢ−Ｂ´方向における円形グラデーションフィルタ３１９Ａの光の透過率は、図２３に示すように、一定の光透過率となるように設定されている。
【００８１】
図２４は、図１９の矩形グラデーションフィルタにおける光の透過率を説明する図である。図２５は、図２４の矩形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。図２６は、図２５の矩形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。
直線駆動機構３２１Ｂは、図１９に示すように、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを平行移動させ、ラインセンサ１５Ｂに対する相対位置を制御するものである。直線駆動機構３２１Ｂは、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂの一辺に設けられた直線ギア３３５と、直線ギア３３５に噛み合わされた駆動ギア３３３Ｂと、を備えている。駆動ギア３３３Ｂは、後述する光量調節部３１７により制御されるモータ（図示せず）により回転駆動される。
矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂは、図２４から図２６に示すように、所定方向に向かって光の透過率が滑らかに連続して変化する減光フィルタである。具体的には、図２４のＣ−Ｃ´方向における矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂの光の透過率は、図２５に示すように、一方の端部（Ｃ側の端部）から他方の端部（Ｃ´側の端部）に向かって滑らかに連続して低下（変化）するように設定されている。一方、図２４のＤ−Ｄ´方向における矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂの光の透過率は、図２６に示すように、一定の光透過率となるように設定されている。ここで、図２４におけるＣ−Ｃ´方向は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂの移動方向と略一致する方向であり、Ｄ−Ｄ´方向は、ラインセンサ１５Ｂの延在方向と略一致する方向である。
【００８２】
照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２は、第１の実施形態と同様に、模型３における略中央領域を照明するように配置されたものであって、複数のＬＥＤ１９が設けられたものである。
照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２は、模型３の姿勢等によらず、常に一定の光量の照明光を出射するものである。
【００８３】
図２７は、図１７における制御部の構成を説明するブロック図である。
制御部３０９は、電磁石Ｃ０からＣ９から発生させる磁界を制御することにより、模型３を空中に浮揚させるとともに、所定の位置および姿勢に制御するものである。また、制御部３０９は、模型３を所定の位置および姿勢に保持するために必要とされる磁界から、模型３に作用する外力を検出するものでもある。さらに、制御部３０９は、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを駆動制御することにより、それぞれラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される画像の照度分布を制御するものでもある。
制御部３０９は、図２７に示すように、位置演算部２１と、電磁石制御部２３と、外力計測部２５と、光量制御部３２７と、記憶部３２９とを備えている。
【００８４】
光量制御部３２７は、各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂを介してラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される画像の照度分布を制御するものである。同時に、光量制御部３２７は、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報に基づいて、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される画像の照度分布を制御するものである。
具体的には、光量制御部３２７は、位置演算部２１において算出された模型３の位置等の情報と、記憶部２９に記憶された照明光を出射するＬＥＤ１９の位置情報とに基づいて、ラインセンサ１５Ａと円形グラデーションフィルタ３１９Ａとの相対位相、および、ラインセンサ１５Ｂと矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂとの相対位置を制御するものである。光量制御部３２７は、記憶部３２９と情報交換可能に接続されている。
【００８５】
記憶部３２９は、模型３の姿勢に対する、ラインセンサ１５Ａと円形グラデーションフィルタ３１９Ａとの相対位相、および、ラインセンサ１５Ｂと矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂとの相対位置に係る情報がまとめられたテーブルを記憶するものである。記憶部３２９は、光量制御部３２７と情報交換可能に接続されている。
【００８６】
次に、上記の構成からなる磁気支持天秤装置３０１における模型３の位置および姿勢の検出方法について説明する。
磁気支持天秤装置３０１における模型３の位置および姿勢の制御方法、および、模型３に作用する抗力などの計測方法については、第１の実施形態と同様であるので、その説明を省略する。
次に、本変形例の特徴である模型３の姿勢等の検出方法および照明方法について説明する。まず、模型３の長手軸線方向がｘ軸と略平行な場合における模型３の姿勢等の検出方法および照明方法について、図２０等を参照しながら説明する。
【００８７】
模型３の位置および姿勢を検出する場合には、まず、照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２や、照明部３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２のＬＥＤ１９から一定の光量の照明光が模型３に照射される（図１７参照）。照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２から出射される照明光の配光は、図２０に示す模型３とラインセンサ１５Ａ，１５Ｂとの配置関係において、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂから出力される画像信号のレベルが略一定になるように調節されている。
模型３の中央領域から反射された反射光は、図２０に示すように、レンズ３２３を透過してラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される。ラインセンサ１５Ａに入射する反射光は、円形グラデーションフィルタ３１９Ａを透過し、ラインセンサ１５Ｂに入射する反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを透過する。
【００８８】
光量制御部３２７は、図２７に示すように、位置演算部２１により求められた模型３の位置等の情報に基づいて、各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂに制御信号を出力する。具体的には、光量制御部３２７は、位置演算部２１により求められた模型３の位置等の情報に基づいて、記憶部３２９から模型３の姿勢に対するラインセンサ１５Ａと円形グラデーションフィルタ３１９Ａとの相対位相に係る情報、および、ラインセンサ１５Ｂと矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂとの相対位置に係る情報を取得する。光量制御部３２７は、取得した情報に基づいて、回転駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂに制御信号を出力する。
回転駆動機構３２１Ａは、光量制御部３２７の制御信号に基づいて、ラインセンサ１５Ａと円形グラデーションフィルタ３１９Ａとの相対位相関係を、図２０に示すように制御する。具体的には、回転駆動機構３２１Ａは、駆動ギア３３３Ａの回転を、円周ギア３３１を介して円形グラデーションフィルタ３１９Ａに伝達することにより、円形グラデーションフィルタ３１９Ａを回転駆動させ、その位相を制御する。このとき、円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光透過率が一定となる方向（図２１におけるＢ−Ｂ´方向と平行な方向）が、ラインセンサ１５Ａの延在方向と略平行となる。
円形グラデーションフィルタ３１９Ａにより均一に減光された反射光は、ラインセンサ１５Ａに入射される。ラインセンサ１５Ａは、入射された反射光に基づいて、レベルが略一定の画像信号が出力される。
【００８９】
直線駆動機構３２１Ｂは、光量制御部３２７の制御信号に基づいて、ラインセンサ１５Ｂと矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂとの相対位置関係を、図２０に示すように制御する。具体的には、直線駆動機構３２１Ｂは、駆動ギア３３３Ｂの回転を、直線ギア３３５を介して矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂに伝達することにより、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを直線駆動させ、その位置を制御する。このとき、両矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂは、ラインセンサ１５Ｂに入射する反射光が、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける略中央を透過する位置に制御される。ここで、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂの中央においては、一方の端部（図２４のＣ側の端部）における光透過率と、他方の端部（図２４のＣ´側の端部）における光透過率との中間の光透過率を有する部分である。
矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにより減光された反射光は、ラインセンサ１５Ｂに入射される。ラインセンサ１５Ｂは、入射された反射光に基づいて画像信号が出力される。両ラインセンサ１５Ｂに入射する反射光は、両グラデーションフィルタ３１９Ｂにより同様に減光されている。そのため、両ラインセンサ１５Ｂから出力される画像信号のレベルは略同一となる。
【００９０】
図２８は、ラインセンサ、グラデーションフィルタおよび模型等の位置関係を説明する模式図である。
次に、模型３の先端がラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに近づいた場合における模型３の姿勢等の検出方法および照明方法について説明する。
模型３とラインセンサ１５Ａ，１５Ｂとの相対位置関係が、図２８に示すように、模型３の先端（図２８の左端）がラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに近づいた場合においても、照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量および配光は、上述の図２０の配置関係の場合と同様である。そのため、模型３の中央領域における先端側の領域における照度は、後端側（図２８の右側）の領域における照度より高くなる。つまり、模型３の中央領域における先端側の領域から反射される反射光の光量は大きくなり、後端側の領域から反射される反射光の光量は小さくなる。
模型３の中央領域から反射された反射光は、図２８に示すように、レンズ３２３を透過してラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される。ラインセンサ１５Ａに入射する反射光は、円形グラデーションフィルタ３１９Ａを透過し、ラインセンサ１５Ｂに入射する反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを透過する。
【００９１】
図２９は、図２８のラインセンサと、グラデーションフィルタとの相対位置関係等を説明する図である。図３０は、図２９の円形グラデーションフィルタにおける光透過率を説明する図である。ここで、図２９は、図２８におけるレンズ３２３からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ、円形グラデーションフィルタ３１９Ａおよび矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを見た図である。
光量制御部３２７は、図２７に示すように、位置演算部２１により求められた模型３の位置等の情報および記憶部３２９に記憶された情報に基づいて、各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂに制御信号を出力する。
回転駆動機構３２１Ａは、光量制御部３２７の制御信号に基づいて、ラインセンサ１５Ａと円形グラデーションフィルタ３１９Ａとの相対位相関係を、図２９に示すように制御する。具体的には、回転駆動機構３２１Ａは、光量の大きな反射光が、円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光透過率が低い端部（Ａ´側の端部）の近傍に入射するように、円形グラデーションフィルタ３１９Ａの位相を制御する。つまり、回転駆動機構３２１Ａは、図２９において、円形グラデーションフィルタ３１９Ａを、紙面に向かって右回り方向に所定位相だけ回転駆動する。このとき、光量の小さな反射光は、円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光透過率が高い端部（Ａ側の端部）の近傍に入射する。
かかる場合の円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおけるラインセンサ１５Ａに対応する領域の光透過率は、図３０に示すようになる。つまり、図２９の円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光量の大きな反射光が入射するＥ側端部から、光量の小さな反射光が入射するＥ´側端部にわたって、光の透過率が滑らかに連続して高くなる。
円形グラデーションフィルタ３１９Ａにより光量分布が均一になるように減光された反射光は、ラインセンサ１５Ａに入射される。ラインセンサ１５Ａは、入射された反射光に基づいて、レベルが略一定の画像信号が出力される。
【００９２】
直線駆動機構３２１Ｂは、光量制御部３２７の制御信号に基づいて、ラインセンサ１５Ｂと矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂとの相対位置関係を、図２９に示すように制御する。つまり、直線駆動機構３２１Ｂは、光量の大きな反射光が入射する側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ（図２９の左側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ）については、反射光が、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率が小さな他方の端部（図２４のＣ´側端部）の近傍を透過するように制御する。つまり、図２９の左側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを、円形グラデーションフィルタ３１９Ａに近づく方向に移動させる。同時に、直線駆動機構３２１Ｂは、光量が小さな反射光が入射する側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ（図２９の右側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ）については、反射光が、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率が大きな一方の端部（図２４のＣ側端部）の近傍を透過するように制御する。つまり、図２９の右側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを、円形グラデーションフィルタ３１９Ａから離れる方向に移動させる。
そのため、光量の大きな反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率の低い領域を透過し、光量の小さな反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率の高い領域を透過する。各矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにより光量が均一となるように減光された反射光は、ラインセンサ１５Ｂに入射される。各ラインセンサ１５Ｂは、入射された反射光に基づいて、それぞれレベルが略同一な画像信号が出力される。
【００９３】
図３１は、ラインセンサ、グラデーションフィルタおよび模型等の位置関係を説明する模式図である。
次に、模型３の後端がラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに近づいた場合における模型３の姿勢等の検出方法および照明方法について説明する。ここでは、模型３の姿勢が、姿勢検出可能な最大傾斜角度まで傾いた場合に適用して説明する。
模型３とラインセンサ１５Ａ，１５Ｂとの相対位置関係が、図３１に示すように、模型３の後端がラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに近づいた場合においても、照明部３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２のＬＥＤ１９から出射される照明光の光量および配光は、上述の図２０の配置関係の場合と同様である。そのため、模型３の中央領域における後端側の領域における照度は、先端側の領域における照度より高くなる。つまり、模型３の中央領域における後端側の領域から反射される反射光の光量は大きくなり、先端側の領域から反射される反射光の光量は小さくなる。
模型３の中央領域から反射された反射光は、図３１に示すように、レンズ３２３を透過してラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ上に結像される。ラインセンサ１５Ａに入射する反射光は、円形グラデーションフィルタ３１９Ａを透過し、ラインセンサ１５Ｂに入射する反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを透過する。
【００９４】
図３２は、図３１のラインセンサと、グラデーションフィルタとの相対位置関係等を説明する図である。図３３は、図３１の円形グラデーションフィルタにおける光透過率を説明する図である。ここで、図３２は、図３１におけるレンズ３２３からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂ、円形グラデーションフィルタ３１９Ａおよび矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを見た図である。
光量制御部３２７は、図２７に示すように、位置演算部２１により求められた模型３の位置等の情報および記憶部３２９に記憶された情報に基づいて、各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂに制御信号を出力する。
回転駆動機構３２１Ａは、光量制御部３２７の制御信号に基づいて、ラインセンサ１５Ａと円形グラデーションフィルタ３１９Ａとの相対位相関係を、図３２に示すように制御する。具体的には、回転駆動機構３２１Ａは、光量の大きな反射光が、円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光透過率が低い端部（Ａ´側の端部）に入射するように、円形グラデーションフィルタ３１９Ａの位相を制御する。つまり、回転駆動機構３２１Ａは、図３２において、円形グラデーションフィルタ３１９Ａを、紙面に向かって左回り方向に略９０°回転駆動する。このとき、光量の小さな反射光は、円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光透過率が高い端部（Ａ側の端部）に入射する。
かかる場合の円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおけるラインセンサ１５Ａに対応する領域の光透過率は、図３３に示すようになる。つまり、図３２の円形グラデーションフィルタ３１９Ａにおける光量の大きな反射光が入射するＡ側端部から、光量の小さな反射光が入射するＡ´側端部にわたって、光の透過率が滑らかに連続して高くなる。
円形グラデーションフィルタ３１９Ａにより光量分布が均一になるように減光された反射光は、ラインセンサ１５Ａに入射される。ラインセンサ１５Ａは、入射された反射光に基づいて、レベルが略一定の画像信号が出力される。
【００９５】
直線駆動機構３２１Ｂは、光量制御部３２７の制御信号に基づいて、ラインセンサ１５Ｂと矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂとの相対位置関係を、図３２に示すように制御する。つまり、直線駆動機構３２１Ｂは、光量の大きな反射光が入射する側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ（図３２の右側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ）については、反射光が、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率が最も小さな他方の端部（図２４のＣ´側端部）を透過するように制御する。つまり、図３２の右側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを、円形グラデーションフィルタ３１９Ａから最大限に離れる方向に移動させる。同時に、直線駆動機構３２１Ｂは、光量が小さな反射光が入射する側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ（図３２の左側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂ）については、反射光が、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率が最も大きな一方の端部（図２４のＣ側端部）の近傍を透過するように制御する。つまり、図３２の左側の矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂを、円形グラデーションフィルタ３１９Ａに最大限に近づける方向に移動させる。
そのため、光量の大きな反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率の最も低い領域を透過し、光量の小さな反射光は、矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率の最も高い領域を透過する。各矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにより光量が均一となるように減光された反射光は、ラインセンサ１５Ｂに入射される。各ラインセンサ１５Ｂは、入射された反射光に基づいて、それぞれレベルが略同一な画像信号が出力される。
【００９６】
なお、円形グラデーションフィルタ３１９Ａおよび矩形グラデーションフィルタ３１９Ｂにおける光透過率の変化は、模型３の最大傾斜時において、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂから出力される画像信号のレベルが均一となるように設定され、かつ、製作される。
【００９７】
上記の構成によれば、光量調節部３１７が設けられているため、模型３の位置および姿勢の少なくとも一方を高い精度で検出することができる。特に、模型３の姿勢が変化する場合においても、位置等を高い精度で検出することができる。
光量調節部３１７は、上記中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節し、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに結像される画像の照度分布を均一にすることができる。そのため、撮像部３１１Ｙ，３１１Ｚは、均一な照度分布に係る画像を撮像することができる。位置演算部２１は、上記画像に基づいて、模型３の位置等を検出することができる。上記画像に基づくことにより、光量調節部３１７を用いない方法と比較して、模型３の位置等をより高い精度で検出することができる。
光量調節部３１７は、上記中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節し、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける受光面に結像される画像の照度分布を均一にするため、模型３の姿勢が変化した場合にも、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける照度分布を均一に保つことができる。その結果、位置演算部２１は、光量調節部３１７が設けられていない磁気支持天秤装置３０１と比較して、模型３の位置等をより高い精度で検出することができる。
【００９８】
光量調節部３１７は、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂと各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂとを備えるため、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂは、面に沿う所定方向に向かって光の透過率が変化する。そのため、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂは、上記反射光が各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを透過する位置を制御することにより、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節することができる。各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂは、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させることができるため、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光が、フィルタのどの位置を透過するか制御することができる。そのため、光量調節部３１７は、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
具体的には、上記中央領域において、他の領域と比較してラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに近い領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量は大きい。各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂは各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させて、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂにおける他の領域よりも光透過率が低い領域に光量の大きな反射光を入射させる。一方、上記中央領域における他の領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量は小さくなる。各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂは各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させて、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂにおける上記他の領域に光量の小さな反射光を入射させる。その結果、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
【００９９】
光量調節部３１７は、検出された模型３の位置等に基づいて、中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節するため、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
光量調節部３１７は、検出された模型３の位置等に基づいて、各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂによって各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させることができる。例えば、光量調節部３１７は、模型３の位置等に基づいて各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させることにより、他の領域に入射する反射光と比較して光量の大きな反射光が入射する領域に、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂにおける他の領域より光の透過率が低い領域を移動させることができる。一方、光量調節部３１７は、他の領域に入射する反射光と比較して光量の小さな反射光が入射する領域に、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂにおける他の領域より光の透過率が高い領域を移動させることができる。ここで、光量の大きな反射光は、上記中央領域における他の領域よりラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに近い領域から反射された反射光であって、光量の小さな反射光は、上記中央領域における他の領域よりラインセンサ１５Ａ，１５Ｂから離れた領域から反射された反射光である。そのため、光量調節部３１７は、上記中央領域における照度分布は均一に保たれる。
また、模型３の姿勢が変化することによりラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布が変化しても、光量調節部３１７は、検出された模型３の位置等に基づいて、中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節するため、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
【０１００】
なお、上述の実施形態のように、光量調節部３１７は、検出された模型３の位置等に基づいて、中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節してもよいし、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに撮像された画像に基づいて、中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節してもよく、特に限定するものではない。このような構成とすることにより、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
光量調節部３１７は、撮像された画像に基づいて、各駆動機構３２１Ａ，３２１Ｂによって各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させることができる。例えば、光量調節部３１７は、撮像された画像に基づいて各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂを移動させることにより、撮像された画像における他の領域と比較して照度が高い領域に、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂにおける他の領域より光の透過率が低い領域を移動させることができる。一方、光量調節部３１７は、撮像された画像における他の領域と比較して照度が低い領域に、各グラデーションフィルタ３１９Ａ，３１９Ｂにおける他の領域より光の透過率が高い領域を移動させることができる。そのため、光量調節部３１７は、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
また、模型３の姿勢が変化することによりラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布が変化しても、光量調節部３１７は、撮像部に撮像された画像に基づいて、中央領域からラインセンサ１５Ａ，１５Ｂに入射する反射光の光量を調節するため、ラインセンサ１５Ａ，１５Ｂにおける画像の照度分布を均一に保つことができる。
【０１０１】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記の実施の形態においては、本発明に係る位置検出装置を磁力支持天秤装置に適用して説明したが、本発明に係る位置検出装置の適用は磁力支持天秤装置に限られることなく、その他の天秤装置にも適用できるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１０２】
【図１】本発明の第１の実施形態における磁気支持天秤装置の概略を説明するブロック図である。
【図２】図１の支持部における電磁石の配置を説明する斜視図である。
【図３】図１の位置検出部の構成を説明する斜視図である。
【図４】図３の撮像部の構成を説明する図である。
【図５】図３の照明部の構成を説明する図である。
【図６】図１における制御部の構成を説明するブロック図である。
【図７】照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
【図８】図１の模型におけるマーカが設けられた中央領域を示す部分拡大図である。
【図９】図８の中央領域を撮像したラインセンサから出力される画像信号を説明する図である。
【図１０】図９の画像信号を平滑化したデータを説明する図である。
【図１１】図１０のデータを２値化したデータを説明する図である。
【図１２】照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る磁気支持天秤装置における制御部の構成を説明するブロック図である。
【図１４】照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
【図１５】照明部から出射された照明光と、模型との相対位置関係を説明する模式図である。
【図１６】本発明の第１の実施形態の第２変形例に係る磁気支持天秤装置における制御部の構成を説明するブロック図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態における磁気支持天秤装置の概略を説明するブロック図である。
【図１８】図１７の位置検出部の構成を説明する斜視図である。
【図１９】図１８の撮像部の構成を説明する図である。
【図２０】図１９のラインセンサ、グラデーションフィルタおよび模型等の位置関係を説明する模式図である。
【図２１】図１９の円形グラデーションフィルタにおける光の透過率を説明する図である。
【図２２】図２１の円形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。
【図２３】図２１の円形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。
【図２４】図１９の矩形グラデーションフィルタにおける光の透過率を説明する図である。
【図２５】図２４の矩形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。
【図２６】図２５の矩形グラデーションフィルタの光の透過率を説明するグラフである。
【図２７】図１７における制御部の構成を説明するブロック図である。
【図２８】ラインセンサ、グラデーションフィルタおよび模型等の位置関係を説明する模式図である。
【図２９】図２８のラインセンサと、グラデーションフィルタとの相対位置関係等を説明する図である。
【図３０】図３０は、図２９の円形グラデーションフィルタにおける光透過率を説明する図である。
【図３１】ラインセンサ、グラデーションフィルタおよび模型等の位置関係を説明する模式図である。
【図３２】図３１のラインセンサと、グラデーションフィルタとの相対位置関係等を説明する図である。
【図３３】図３１の円形グラデーションフィルタにおける光透過率を説明する図である。
【符号の説明】
【０１０３】
１，１０１，２０１，３０１  磁気支持天秤装置（天秤装置）
３  模型（被検出体）
５  支持部
７，３０７  位置検出部
１１Ｙ，１１Ｚ，３１１Ｙ，３１１Ｚ  撮像部
１３Ｙ−１，１３Ｙ−２，１３Ｚ−１，１３Ｚ−２，３１３Ｙ−１，３１３Ｙ−２，３１３Ｚ−１，３１３Ｚ−２  照明部
１９  ＬＥＤ（発光素子）
２１，２２１  位置演算部（検出部）
２７，１２７，２２７  光量制御部
３１７  光量調節部
３１  円形グラデーションフィルタ（フィルタ）
３１９Ｂ  矩形グラデーションフィルタ（フィルタ）
３２１Ａ  回転駆動機構（移動部）
３２１Ｂ  直線駆動機構（移動部）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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