(57)【要約】【課題】装置全体の軽量化および小型化を図るとともに、測定ヘッドの位置を容易かつ高精度に制御することができる測定装置を提供すること。【解決手段】本発明の測定装置は、測定する対象物を載置するステージと、対象物の画像を取得する情報取得部を有する測定ヘッドと、測定ヘッドを上下方向に移動可能に支持する上下動機構と、を備える。上下動機構は、測定ヘッドの吊り部材と、回転によって吊り部材の巻き上げおよび引き出しを行うプーリと、測定ヘッドが下方に移動する際に伸びて弾性力が増加するバネと、プーリと連動して回転し、前記弾性力によってプーリに与える回転トルクをバネの伸び量が増加するほど低下させるカム形状を有するカムと、を有するカウンタバランス機構を含むことを特徴とする。【選択図】図２
2017049022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定する対象物を載置するステージと、
前記対象物の情報を取得する情報取得部を有する測定ヘッドと、
前記測定ヘッドを上下方向に移動可能に支持する上下動機構と、
を備え、
前記上下動機構は、
前記測定ヘッドの吊り部材と、
回転によって前記吊り部材の巻き上げおよび引き出しを行うプーリと、
前記測定ヘッドが下方に移動する際に伸びて弾性力が増加するバネと、
前記プーリと連動して回転し、前記バネの伸びによる前記弾性力の増加によって前記プーリの回転トルクが増加することを抑制するカムと、を有するカウンタバランス機構を含むことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記カムは、前記測定ヘッドが下降しようとする力と、前記回転トルクによって得られる前記測定ヘッドを吊り上げる力とをバランスさせる形状を有することを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記カムの回転中心と、前記バネの弾性力が与えられる前記カムの力点との距離は、前記ばねの弾性力が増加するほど短くなることを特徴とする請求項１または２に記載の測定装置。
【請求項４】
前記バネの固定端の取り付け位置を調整する調整部をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項５】
前記測定ヘッドを前記上下動機構とともに水平移動させる水平移動機構をさらに備えた請求項１〜４のいずれか１つに記載の測定装置。
【請求項６】
前記情報取得部を固定するベース部材を上下方向にガイドするガイド部と、
前記ベース部材を前記ガイド部に沿って上下方向に駆動する駆動部と、をさらに備えたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載の測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は測定装置に関し、より詳しくは対象物を測定するための測定ヘッドが少なくとも上下方向に移動可能に設けられた測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定ヘッドを上下方向（例えば重力方向）に移動することで測定対象物に関する種々の測定を行う測定装置がある。その一例として画像測定装置は、ステージ上に載置された対象物の画像を取り込み、画像処理することで対象物の大きさ（外寸、孔径など）を測定する装置である。対象物の画像を取り込む測定ヘッドにはカメラ（画像取得部）が設けられる。測定ヘッドと対象物との位置関係は、ＸＹＺ方向の少なくとも３軸に沿って設定可能になっている。
【０００３】
このような測定装置において測定ヘッドはカメラや光学系を有する重量物である。このため、測定ヘッドを移動させる際の駆動手段に大きな負荷がかかる。特に、測定ヘッドを上下方向（Ｚ軸方向）に移動させる場合、測定ヘッドを所望の高さに移動させたり、その高さに維持したりするために、モータ等の駆動機構には高い耐久性および信頼性が求められる。また、電源が切れた状態において測定ヘッドを任意の高さ位置に維持するのが困難となる。
【０００４】
特許文献１においては、３次元測定機におけるタッチプローブ等の検出子をＺ軸方向に移動させる機構にバランスウエイトが設けられた構成が開示されている。しかし、画像測定装置のように重量物である測定ヘッドに対応してバランスウエイトを設ける場合、測定ヘッドと同等な重量を有するバランスウエイトが必要になる。したがって、装置全体の軽量化が困難であるとともに、大きなバランスウエイトを配置するスペースが必要であり、装置の小型化が困難となる。
【０００５】
そこで、バランスウエイトの代わりにバネを用いる構成が考えられる。すなわち、測定ヘッドが下降しようとする力をバネの弾性力で対抗させる。バネを利用することで装置の軽量化および小型化を図ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−３５６０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、バネを用いる場合、測定ヘッドの位置によってバネの伸び（弾性力）が変化し、一定の抗力を得ることができない。このため、測定ヘッドの位置によってその位置を維持するための制御が難しくなるという問題が生じる。
【０００８】
本発明は、装置全体の軽量化および小型化を図るとともに、測定ヘッドの位置を安定かつ高精度に制御することができる測定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】
上記課題を解決するために、本発明の測定装置は、測定する対象物を載置するステージと、対象物の情報を取得する情報取得部を有する測定ヘッドと、測定ヘッドを上下方向に移動可能に支持する上下動機構と、を備える。上下動機構は、測定ヘッドの吊り部材と、回転によって吊り部材の巻き上げおよび引き出しを行うプーリと、測定ヘッドが下方に移動する際に伸びて弾性力が増加するバネと、プーリと連動して回転し、バネの伸びによる弾性力の増加によってプーリの回転トルクが増加することを抑制するカムと、を有するカウンタバランス機構を含むことを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、測定ヘッドの下方への移動によってバネが伸び、弾性力が増加しても、測定ヘッドを吊り上げる力の増加が抑制される。これにより、バネの伸び量にかかわらず測定ヘッドの上下方向の位置を安定して維持することができる。
【００１１】
本発明の測定装置において、カウンタバランス機構のカムは、測定ヘッドが下降しようとする力と、回転トルクによって得られる測定ヘッドを吊り上げる力とをバランスさせる形状であってもよい。これにより、測定ヘッドの上下方向の位置によってバネの弾性力が変化しても、測定ヘッドの下降に対する抗力を一定にすることができる。
【００１２】
本発明の測定装置において、カウンタバランス機構のカムの回転中心と、バネの弾性力がカムに与えられる位置（力点）との距離は、バネの弾性力が増加するほど短くなるようにしてもよい。これにより、バネの伸び量が増加するほど、カムに与えられる力の支点と力点との距離が短くなり、カムおよびプーリの回転トルクの変化を抑制することができる。
【００１３】
本発明の測定装置において、カウンタバランス機構のバネの固定端の取り付け位置を調整する調整部をさらに備えていてもよい。これにより、バネの個体差による弾性力の調整を行うことができる。
【００１４】
本発明の測定装置において、測定ヘッドを上下動機構とともに水平移動させる水平移動機構をさらに備えていてもよい。これにより、上下動機構を含めた測定ヘッドの水平方向への移動が容易となる。
【００１５】
本発明の測定装置において、情報取得部を固定するベース部材を上下方向にガイドするガイド部と、ベース部材をガイド部に沿って上下方向に駆動する駆動部と、をさらに備えていてもよい。これにより、駆動部の負荷が軽減され、測定ヘッドの移動制御を容易かつ高精度に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る画像測定装置の全体構成を示す図である。
【図２】（ａ）および（ｂ）は、カウンタバランス機構の構造を示す模式図である。
【図３】Ｚ軸駆動機構の具体例を示す斜視図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、カウンタバランス機構の回転トルクについて説明する模式図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、カウンタバランス機構の回転トルクについて説明する模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付し、一度説明した部材については適宜その説明を省略する。
【００１８】
〔測定装置の全体構成〕
図１は、本実施形態に係る測定装置、より具体的には画像測定装置１の全体構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態に係る画像測定装置１は、装置本体１０と、コンピュータシステム２０と、を備える。装置本体１０は、架台１１、ステージ１２、Ｘ軸ガイド１４および撮像ユニット１５を含む。本実施形態において、Ｘ軸方向（Ｘ軸に沿った方向）とは、ステージ１２の面に沿った一方向である。Ｙ軸方向（Ｙ軸に沿った方向）とは、ステージ１２の面に沿った方向でＸ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向（Ｚ軸に沿った方向）とは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向と直交する方向である。Ｚ軸方向は上下方向とも言う。また、Ｘ軸方向およびＹ軸方向は水平方向とも言う。
【００１９】
架台１１は、例えば除振台３の上に配置され、外部の震動が架台１１の上のステージ１２や撮像ユニット１５へ伝わることを抑制している。ステージ１２は、架台１１の上に配置される。ステージ１２は、測定の対象物であるワークＷＫを載置する台である。ステージ１２は、図示しないＹ軸駆動機構により架台１１に対してＹ軸方向に移動可能に設けられる。
【００２０】
架台１１の両側部には支持部１３ａおよび１３ｂが設けられる。支持部１３ａおよび１３ｂのそれぞれは架台１１の側部から上方に延びるよう設けられる。Ｘ軸ガイド１４はこの支持部１３ａおよび１３ｂの上に、これらを跨ぐように設けられる。Ｘ軸ガイド１４には撮像ユニット１５が取り付けられる。画像測定装置１において撮像ユニット１５は測定ヘッドの一例である。撮像ユニット１５は、図示しないＸ軸駆動機構によりＸ軸ガイド１４に沿いＸ軸方向に移動可能に設けられる。
【００２１】
撮像ユニット１５は、Ｚ軸駆動機構３００によってＺ軸方向に移動可能に設けられ、ワークＷＫの情報、より具体的には画像情報を取得する情報取得部１５０を有する。Ｚ軸駆動機構３００は、上下動機構の一例である。このような構成により、ステージ１２上のワークＷＫと、撮像ユニット１５とのＸ軸、Ｙ軸およびＺ軸のそれぞれに沿った相対的な位置関係が設定可能になる。すなわち、この位置関係を調整することで、撮像ユニット１５による撮像領域をワークＷＫの測定領域に合わせることができる。
【００２２】
コンピュータシステム２０は、コンピュータ本体２０１、キーボード２０２、マウス２０４およびディスプレイ２０５を備える。コンピュータ本体２０１は、装置本体１０の動作等を制御する。コンピュータ本体２０１は、制御ボード等の回路（ハードウェア）およびＣＰＵで実行されるプログラム（ソフトウェア）によって装置本体１０の動作を制御する。また、コンピュータ本体２０１は、装置本体１０から出力される信号に基づきワークＷＫの情報を演算し、演算結果をディスプレイ２０５に表示する。
【００２３】
ジョイスティック２０３は、ワークＷＫを撮像する位置を設定する際に用いられる。すなわち、ユーザがジョイスティック２０３を操作することで、ワークＷＫと撮像ユニット１５との相対的な位置関係が変化して、ディスプレイ２０５に表示される撮像領域の位置を調整することができる。
【００２４】
〔Ｚ軸駆動機構の構成〕
図２（ａ）および（ｂ）は、カウンタバランス機構の構造を示す模式図である。
カウンタバランス機構はＺ軸駆動機構３００に含まれる。カウンタバランス機構は、撮像ユニット１５の吊り部材３１０と、プーリ３２０と、バネ３３０とカム３４０とを有する。吊り部材３１０にはワイヤやベルトが用いられる。撮像ユニット１５は、吊り部材３１０の一端３１１と接続される。吊り部材３１０の他端３１２はプーリ３２０の外周面に固定される。吊り部材３１０はプーリ３２０の外周面に掛けられ、撮像ユニット１５を吊る状態になる。これにより、プーリ３２０の回転によって吊り部材３１０の巻き上げおよび引き出しが行われる。吊り部材３１０がプーリ３２０から引き出されると撮像ユニット１５がＺ軸方向に下降し、巻き上がるとＺ方向に上昇することになる。
【００２５】
バネ３３０の一端３３１は固定端であり、他端３３２は可動端となっている。バネ３３０の他端３３２には連結部３５０の一端３５１が接続される。連結部３５０の他端３５２はカム３４０の表面（プロファイル表面）に固定される。連結部３５０にはワイヤやベルトが用いられる。これにより、カム３４０の回転によって連結部３５０の巻き上げおよび引き出しが行われる。連結部３５０がカム３４０に巻き上がるとバネ３３０が伸ばされ、引き出されると縮むことになる。
【００２６】
カム３４０はプーリ３２０と連動して回転する。例えば、カム３４０とプーリ３２０とは同軸であって、重ね合わせた状態で連結されている。したがって、撮像ユニット１５がＺ軸方向に上下動するとプーリ３２０が回転し、この回転によってカム３４０が回転し、カム３４０の回転によってバネ３３０が伸び縮みする。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、撮像ユニット１５が上昇する場合、バネ３３０は縮む状態になる。一方、図２（ｂ）に示すように、撮像ユニット１５が下降する場合、バネ３３０は伸ばされる状態になる。
【００２８】
カム３４０のプロファイル（カム形状）としては、バネ３３０の伸びによる弾性力の増加によってプーリ３２０の回転トルクが増加することを抑制する形状になっている。具体的な一例として、カム３４０の回転中心Ｐ１と、バネ３３０の弾性力が与えられるカム３４０の位置（力点Ｐ２）との距離が、バネ３３０の伸び量が増加するほど短くなるプロファイルを有する。
【００２９】
図２（ａ）および（ｂ）に示す例では、カム３４０のプロファイル表面に掛けられた連結部３５０がプロファイル表面から離れる位置が力点Ｐ２（バネ３３０の弾性力がカム３４０に与えられる位置）となる。カム３４０の回転によって力点Ｐ２はプロファイル表面に沿って移動する。したがって、プロファイル表面に沿った力点Ｐ２と回転中心Ｐ１との距離は、カム３４０の回転角度によって変化する。
【００３０】
例えば、カム３４０の回転中心Ｐ１と力点Ｐ２との距離をＲとした場合、図２（ａ）に示すように、撮像ユニット１５が最も上昇している位置におけるカム３４０の回転中心Ｐ１と力点Ｐ２との距離は最も長いＲmaxであり、図２（ｂ）に示すように、撮像ユニット１５が最も下降している位置におけるカム３４０の回転中心Ｐ１と力点Ｐ２との距離は最も短いＲminである。カム３４０の回転によって距離Ｒは、ＲmaxからＲminまで徐々に変化することになる。
【００３１】
したがって、バネ３３０が伸びて弾性力が増加するほど、カム３４０の回転中心Ｐ１と力点Ｐ２との距離Ｒが短くなるため、バネ３３０の弾性力が増加してもカム３４０およびプーリ３２０の回転トルクの増加が抑制される。
【００３２】
つまり、撮像ユニット１５の下方への移動によってバネ３３０が伸び、弾性力が増加しても、このようなカム３４０のプロファイルによって撮像ユニット１５を吊り上げるための力の増加が抑制される。これにより、バネ３３０の伸び量にかかわらず撮像ユニット１５の上下方向の位置を安定して維持することができる。
【００３３】
カム３４０のプロファイルとしては、撮像ユニット１５が下降しようとする力と、プーリ３２０の回転トルクによって得られる撮像ユニット１５を吊り上げる力とをバランスさせる形状が好ましい。これにより、撮像ユニット１５の上下方向の位置によってバネ３３０の弾性力が変化しても、撮像ユニット１５の下降に対する抗力を一定にすることができる。
【００３４】
また、距離Ｒmaxがプーリ３２０の半径以下になっていることで、連結部３５０はプーリ３２０の半径以下のカム３４０のプロファイル表面に巻き取られることになる。これによって、撮像ユニット１５のＺ方向のストロークに対してバネ３３０の伸び量を少なくすることができる。
【００３５】
〔Ｚ軸駆動機構の具体例〕
図３は、Ｚ軸駆動機構の具体例を示す斜視図である。
撮像ユニット１５はベース部材１５１に固定される。このベース部材１５１に吊り部材３１０の一端３１１が接続される。ベース部材１５１は図示しないガイド部に沿って上下方向にガイドされ、上下に移動する。ベース部材１５１は図示しないモータ等の駆動部によって上下動可能になっている。Ｚ軸駆動機構３００に上記説明したカウンタバランス機構が含まれる。
【００３６】
吊り部材３１０は、サブプーリ３２５を介してプーリ３２０に掛けられる。サブプーリ３２５によって撮像ユニット１５とバネ３３０との間隔を拡げることができる。プーリ３２０、サブプーリ３２５、バネ３３０およびカム３４０は、本体フレーム３６０に固定される。
【００３７】
バネ３３０の一端３３１は、本体フレーム３６０に取り付けられた支持部３６１に引っ掛けられる。この支持部３６１に調整部が設けられていてもよい。調整部によってバネ３３０の一端３３１の取り付け位置をバネ３３０の伸縮方向に調整できるようにすれば、バネ３３０の個体差による弾性力の調整を行うことができる。
【００３８】
このようなＺ軸駆動機構３００では、モータ等の駆動部によってベース部材１５１を下方に移動させると吊り部材３１０が引き出され、プーリ３２０が回転する。この回転によってカム３４０が回転し、連結部３５０を巻き上げてバネ３３０が伸ばされる。一方、駆動部によってベース部材１５１を上方に移動させると吊り部材３１０が巻き取られ、プーリ３２０が回転する。この回転によってカム３４０が回転し、バネ３３０の弾性力によって連結部３５０が引き出される。連結部３５０が引き出されるとともにバネ３３０が縮むことになる。
【００３９】
〔カウンタバランス機構の回転トルク〕
図４（ａ）〜図５（ｂ）は、カウンタバランス機構の回転トルクについて説明する模式図である。
図４（ａ）および（ｂ）には撮像ユニット１５が最も上昇している状態が示され、図５（ａ）および（ｂ）には撮像ユニット１５が最も下降している状態が示される。図４（ｂ）は図４（ａ）の部分拡大図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）の部分拡大図である。
【００４０】
ここで、撮像ユニット１５の重量をＷ、プーリ３２０の半径をＲｐとする。また、図４（ａ）に示すように、撮像ユニット１５が最も上昇している状態でのバネ３３０の弾性力をＦ１とする。バネ３３０の伸びが最も小さい場合の弾性力はＦminであり、これが弾性力Ｆ１である。図５（ａ）に示すように、撮像ユニット１５が最も下降している状態でのバネ３３０の弾性力をＦ２とする。バネ３３０の伸びが最も大きい場合の弾性力はＦmaxであり、これが弾性力Ｆ２である。
【００４１】
図４（ａ）および（ｂ）に示すように、撮像ユニット１５が最も上昇している状態では、カム３４０の回転中心Ｐ１と力点Ｐ２との距離はＲmaxであり、力点Ｐ２にかかる力は弾性力Ｆminである。したがって、カム３４０の回転トルクはＦmin×Ｒmaxとなる。プーリ３２０の半径Ｒｐは一定であるため、撮像ユニット１５の重量Ｗによってプーリ３２０へ与えられる回転トルクはＷ×Ｒｐとなる。このカム３４０の回転トルクであるＦmin×Ｒmaxと、撮像ユニット１５の重量Ｗによってプーリ３２０へ与えられる回転トルクはＷ×Ｒｐとを一致させることで、撮像ユニット１５が下がろうとする力と、撮像ユニット１５を吊り上げようとする力とのバランスが取れて、撮像ユニット１５の位置が維持される。
【００４２】
一方、図５（ａ）および（ｂ）に示すように、撮像ユニット１５が最も下降している状態では、カム３４０の回転中心Ｐ１と力点Ｐ２との距離はＲminであり、力点Ｐ２にかかる力は弾性力Ｆmaxである。したがって、カム３４０の回転トルクはＦmax×Ｒminとなる。
【００４３】
本実施形態では、カム３４０のプロファイルによって、回転トルクはＦmin×ＲmaxからＦmax×Ｒminに至るまで一定のＷ×Ｒｐとなるよう設定される。これにより、撮像ユニット１５が上下方向のどの位置に配置されていても、撮像ユニット１５が下がろうとする力と、撮像ユニット１５を吊り上げようとする力とのバランスが取れて、撮像ユニット１５の位置が維持されることになる。
【００４４】
このように、本実施形態によれば、バランスウエイトを用いることなく撮像ユニット１５の位置を容易に維持することができるため、バランスウエイトを用いる場合に比べて画像測定装置１の軽量化を図ることができる。これにより、駆動部の負荷が軽減され、撮像ユニット１５の移動制御を容易に行うことができる。また、バランスウエイトを配置するスペースが不要のため、画像測定装置１の小型化を達成することができる。また、バネ３３０の伸び量にかかわらず撮像ユニット１５の位置を安定して維持することができ、撮像ユニット１５の位置を高精度に制御することが可能になる。
【００４５】
特に、撮像ユニット１５とともにＺ軸駆動機構３００をＸ軸方向に移動させる場合や、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動させる場合（水平方向移動）には、軽量化されたＺ軸駆動機構３００によって移動機構への負荷を軽減できるとともに、Ｚ軸駆動機構３００の軽量化による耐久性、制御性および信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００４６】
なお、上記に本実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。例えば、吊り部材３１０および連結部３５０はワイヤやベルトのほか、チェーンであってもよい。また、チェーンを用いる場合、プーリ３２０やサブプーリ３２５の代わりにスプロケットを用いてもよい。また、本発明は画像測定装置１以外であっても、測定ヘッドや測定子を上下方向に移動させてワークＷＫの測定を行う測定装置に適用可能である。また、前述の各実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、各実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含有される。
【符号の説明】
【００４７】
１…画像測定装置
３…除振台
１０…装置本体
１１…架台
１２…ステージ
１３ａ…支持部
１４…Ｘ軸ガイド
１５…撮像ユニット
２０…コンピュータシステム
１５０…情報取得部
１５１…ベース部材
２０１…コンピュータ本体
２０２…キーボード
２０３…ジョイスティック
２０４…マウス
２０５…ディスプレイ
３００…Ｚ軸駆動機構
３１０…吊り部材
３２０…プーリ
３２５…サブプーリ
３３０…バネ
３４０…カム
３５０…連結部
３６０…本体フレーム
３６１…支持部
ＷＫ…ワーク
【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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