投影機 / 測定顕微鏡

投影機とは

光学測定機の一種で測定原理は光学顕微鏡に似ています。対象物を台に乗せ、下から光を当てることで、対象物の影がスクリーン上に投影される仕組みです。スクリーン上の影を基準線などに合わせて、ステージを手動で移動させ、その移動量で寸法を測定したり、拡大出力した図面と重ね合わせてエッジ（輪郭）との差を目視で比較します。大型の投影機では、スクリーンが直径1mを超えるものもあります。
このように投影機は、物理的にスクリーンに映した対象物の影から目視でエッジを判断する必要があります。また、ステージの物理的な移動量や物理的なスケールを目視で確認して測定します。そのため、測定にはスキルが求められ、多くの工数を要します。さらに、測定者によってエッジの判断が異なることで、測定値に誤差が生じてしまうといった課題があり、近年は利用者数が減少傾向にあります。

投影機の原理とテレセントリック光学系

一般的な投影機は下から照明を照射し、ステージ上に置かれた測定対象物の影を、投影レンズを通して投影スクリーンに投影します。
この際、投影される像の大きさは測定対象物から正確な倍率で拡大された像であり、この像を測定することによって測定対象物の寸法を測ります。
ステージ上のどの位置であっても正確な倍率で投影できるよう、投影機においては「テレセントリック光学系」といわれる光学系が採用されています。一般的なレンズでは近くの物は大きく見え、遠くの物は小さく見え、これによって遠近感が判断できます。これに対して、テレセントリックレンズは近くのものでも遠くのものでも同じ大きさで投影されます。
このテレセントリックレンズにより、正確な倍率で物体の影を投影することができます。

A：投影スクリーン B：投影レンズ C：可動ステージ D：ステージ移動ハンドル（XYハンドル）

校正とキャリブレーション

継続的に高精度な測定を実施するために、一般的な投影機は定期的なメンテナンスが求められます。持ち運びをするのに適した大きさではないため、多くの場合メンテナンスは設置現場で実施されます。
また、仕様どおりの精度かを確認するため、定期的な校正を必要とします。投影機の校正周期は、6か月～3年です。校正もメンテナンスと同様、設置現場で実施されるのが一般的です。

測定顕微鏡とは

一般に、光学顕微鏡とXY方向に精密可動が可能なステージで構成されており、用途に応じて工具顕微鏡や工場用測定顕微鏡、万能測定顕微鏡などの種類があります。照明装置を使い分けて透過光または反射光を対象物に当て、陰の境目を基準線に合わせて測定します。一般的な顕微鏡と同様に、ホコリなど異物の浮遊・付着がない環境を必要とします。
測定顕微鏡は、XYステージの位置を調整しながら、測定点の座標を1点ずつ取得して測定します。対象物に段差がある場合、測定点の高さが変化するたびにピント調整が必要なため、測定に多くの工数を要します。また、人によってピントを合わす位置やエッジ合わせが異なるため、測定誤差が生じることも大きな課題です。

A：測定データ表示部 B：対物レンズ C：可動ステージ D：ステージ移動ハンドル（XYハンドル）

測定顕微鏡は、用途に応じて工具顕微鏡や工場用測定顕微鏡、万能測定顕微鏡などの種類があります。それぞれの特徴や用途は次の通りです。

工具顕微鏡…測定顕微鏡の原点で、元々工具の測定に用いられていた。
工場用測定顕微鏡…小さな加工部品などの測定に適している。
万能測定顕微鏡…工具顕微鏡よりも広い用途に対応し、大きな対象物の測定が可能。

取り扱いの注意点

一般の顕微鏡を使用する際と同様に、ホコリが浮遊していない環境で使用する必要があります。また、設置台は振動や傾斜のないことが求められます。
使用後はカバーをかけてホコリなどの異物付着を防止します。
測定顕微鏡の校正周期は、1～3年です。

画像寸法測定器とは

画像寸法測定器の測定原理は、投影機のそれとまったく異なります。まず、画像センサ（カメラ）で対象物を画像として捉えます。寸法測定には画像の画素を用いて寸法を算出・測定するため、撮像できる画像が高解像度であるほど高い精度でエッジを捉えることができ、より正確な測定が可能となります。また、画像処理で対象物のエッジを検出したりパターンを認識して位置・向きの補正、ステージの自動制御などが可能です。そのため、近年では、投影機よりも画像寸法測定器を用いた測定が主流となっています。

なかでもキーエンスの画像寸法測定器 IMシリーズ／LMシリーズは、高解像度な撮像が可能な高機能レンズやCMOS、そして独自のアルゴリズムにより対象物の輪郭を正確に判別し、複数箇所・複数個の対象物を一括で高精度測定が可能です。ピント合わせや対象物の位置・向き補正・設定呼び出し、エッジ判別、ステージ移動などは測定器が完全自動で行うため、人による測定値のバラつきが生じません。また、ステージに対象物を置いてボタンを押すだけの簡単操作を実現し、わずか数秒で測定が完了します。さらに、撮像データとCAD図面を画面上で比較し、差異のある箇所とその数値が簡単かつ正確に把握できます。他にもレポート自動作成機能などさまざまな機能で、圧倒的な業務改善が実現します。

投影機 / 測定顕微鏡 / 画像寸法測定器のメリット1：X・Y方向を一度に測定することができる

マイクロメーターやノギス、高さ／深さゲージなどのハンドツールでは一度の測定につき1方向の寸法しか測ることができません。しかし、画像寸法測定器／投影機／測定顕微鏡であれば、X・Y方向を一度に測ることがきます。

投影機 / 測定顕微鏡 / 画像寸法測定器のメリット2：非接触で測定するため対象物を選ばない

接触式の測定機器とは異なり、やわらかい対象物であっても、非接触で測定することができるため、測定圧によるゆがみで測定誤差が生じることがありません。

投影機 / 測定顕微鏡 / 画像寸法測定器のメリット3：測定工数を大幅削減

画像寸法測定器／投影機／測定顕微鏡は、X・Y方向を一度に測定できるため、ハンドツールに比べ、測定工数の短縮が可能です。特に、画像寸法測定器は一度に多くの測定項目に対応できるため、飛躍的な工数削減を実現することができます。

投影機の使い方

対象物をステージに載せます。
スクリーン上に拡大投影された像にスケールを当てて寸法を測ります。もしくは、XYステージを併用し、その移動量から寸法を測ることもできます。
演算機能付きの投影機では、ステージを移動させながら測定点をとっていくことで幅や径、角度などさまざまな測定結果が得られます。

長さ/幅の測り方

測定対象物をスクリーン上に置き、ステージの高さを調整してピントを合わせます。
次に、投影された画像上の測定したい辺の向きとスクリーンの基準線の向きを合わせ、XYステージの値を0に調整します。
次にステージ移動ハンドルを用いてステージを移動させ、投影画像上の測定したいもう一方の辺とスクリーンの基準線を合わせます。
このとき、ステージの移動量がX方向とY方向それぞれで表示され、この値が測定値となります。単純な一方向のみの測定の場合は、X方向またはY方向のみの移動量で測定します。

円の直径/半径の測り方

測定対象物をステージ上に置き、ステージの高さを調整してピントを合わせます。
次に、スクリーンに投影された画像上の円の中心点と基準線が交差している点を合わせます。
半径を測定する場合はここで0点を取り、ステージを移動させて円のエッジがステージ中心に合ったポイントで移動量を確認します。直径を測定する場合は、ここから1度円のエッジまでステージを移動させて0点をとり、反対側のエッジまで移動させて移動量を確認します。いずれの場合も十字に4方向程度測定するのが一般的です。
また、「チャート」といわれる同心円状に細かく目盛りの付いたシートをスクリーンに当てて測定することもできます。
演算機能付きの投影機の場合、円のエッジで3点の測定点をとると自動で直径や半径が算出されます。

角度の測り方

角度の測定にはいくつかの方法があります。
1つは、投影された画像の直線とスクリーンの基準線を合わせ、ステージをθ方向に回転させ、ステージの回転量を確認する方法。また、分度器のような細かい目盛りの付いた「チャート」といわれるシートをスクリーンに当てて確認する方法などがあります。
演算機能付きの投影機では2本の直線を指定することで角度が算出されます。

線図（チャート）の使い方

チャートにはいくつかの種類があります。
直径や半径を測定するため、同心円状に目盛りが書かれたもの、角度測定に使うため放射状に目盛りが書かれたもの、そして、そのどちらにも使えるものなどです。また、XY座標値を見るため、格子状に目盛りが書かれたものもあります。いずれもスクリーンに当て、投影された画像と合わせることによって測定します。

測定顕微鏡 / 画像寸法測定器の使い方

測定顕微鏡や画像寸法測定器は、メーカーやモデル、対象物や用途を限定したものなど、サイズ・形態・光学系・制御系・画像処理アルゴリズムやユーザーインターフェースなどが多種多様で、使い方もさまざまです。中には比較的大型のものでステージを数値制御するものもあります。照明やピントなどの条件出しや制御プログラミング、また、ソフトウェアやユーザーインターフェースによっては、測定項目に沿った設定や値の算出に知識やスキル、そして多くの工数を要する場合があります。

そこで、キーエンスは、スキルを問わず、また測定者による測定誤差なく、簡単操作で正確な測定が素早く行える画像寸法測定器を開発しました。画像寸法測定器 IMシリーズ／LMシリーズは、圧倒的な測定スピードと高い精度、そして設定・操作の容易さを同時に実現した、まったく新しい次世代の画像寸法測定器です。測定に必要な動作は下記の2ステップだけです。

1. 対象物を置きます。
2. ボタンを押すだけ（約3秒以内に測定完了）。

ピント合わせや照明条件の再現、ステージ移動、エッジ検出など測定器が完全自動で行います。シビアな位置決めなども不要で、高精細な光学系・高解像度CMOSを用いて±1～3μmの高精度測定が可能。また、わかりやすい補助ツールで仮想線・点を使った測定や幾何公差にも簡単に対応できます。CADデータとの輪郭比較時もエッジを高精度かつ定量的に自動検出できるため、人によるバラつきが生じません。簡単操作により測定作業が属人化せず、業務効率と測定スピードを飛躍的に向上させることができます。

投影機 / 測定顕微鏡の業界別導入事例

プレス品測定の効率化・定量化による課題解決

投影機での測定は時間がかかり、ノギスでの測定は細い穴径が測定できないなど複数の測定機器を使用しなければならいことや、工数増加が課題でした。キーエンスの画像寸法測定器 IM-8000シリーズであれば、1台で簡単に測定が完了します。また、最速約3秒で最大300箇所、100個の対象物を一括で定量的に測定することができます。

樹脂成形品の測定における課題解決とN数増加

投影機では、輪郭でしか測定できないため、内側部分はノギスやピンゲージで測定するなど、測定箇所により測定機器を使い分ける必要がありました。測定に時間がかかるためN数増やしができませんでした。キーエンスの画像寸法測定器 IM-8000シリーズであれば、1台で簡単に測定が完了します。また、最速約3秒で最大300箇所、100個の対象物を一括で測定可能。測定者によるバラつきも生じません。

歯車（ギア）の多様な寸法測定による大幅な効率化

歯車各部の寸法測定の改善例です。歯車の外径・内径・同心度、さらに「またぎ歯厚」を工程で検査します。キーエンスの高精度画像寸法測定器 LMシリーズなら、外径や歯のピッチ角度・同軸度の測定などを、仮想線を使って簡単に測定ができます。内径や外径の測定はもちろん、最小径や最大径も簡単に測定できます。バリも自動で認識して測定します。

輪ゴム・Oリングなど形状が安定しない対象物の測定

輪ゴムやOリングなど軟質な対象物は形状が不安定なため、外径と内径を正確に測定することが困難でした。キーエンスの画像寸法測定器 IMシリーズであれば、周囲長を測定することで、瞬時に外径・内径を演算で算出ができます。また、このような従来は測定が困難だった自由形態の対象物であっても、測定者による測定結果のバラつきが生じません。

Q.

画像寸法測定器は、投影機と比べてどれぐらい測定時間を短縮できますか？

A.

キーエンスの画像寸法測定器の場合、複数箇所を測定する場合でも、対象物をステージに置いて測定ボタンを押すだけで一括で測定が完了します。たとえば、投影機で1個10分を要していた測定を1日50個実施すると、年間2000時間になります。それを画像寸法測定器IM-8000シリーズで行った場合、1回の測定が数秒で完了するため、年間40時間程度にまで短縮できます。測定項目が多く工数がかかっている測定ほど、時間短縮の効果が高くなります。

Q.

画像寸法測定器は、なぜ測定対象物の位置決めが必要ではないのですか？

A.

キーエンスの画像寸法測定器の場合、複測定対象物をステージの視野範囲内に置いて測定ボタンを押すだけで、自動的にあらかじめ登録された対象物の映像パターンからステージ上の対象物の位置と角度を検出し、ピントなども自動調整して測定を実行します。検出範囲は視野の全範囲で、角度も360°対応可能です。そのため、従来の測定器のように測定のたび原点出しを行なったり、位置決めしたり、治具を用意したりといった必要がありません。

Q.

画像寸法測定器で幾何公差は測定できますか？

A.

はい、キーエンスの画像寸法測定器は、幾何公差測定ツールの利用が可能です。測定できる幾何公差は、真直度・真円度・直角度・平行度・点の位置度・同心度などです。また、標準搭載の補助線作成ツールを使って、線や点、円からさまざまな仮想線･点を作成して測定することも可能です。これらのツールでは、直感的なユーザーインターフェースを採用し、設定の容易さを追求しています。

Q.

画像寸法測定器で測ることができるのは、対象物の1つの面だけですか？

A.

いいえ、最新の画像寸法測定器 IM-8000シリーズでは、360°回転ツールを使用することで全面を速く正確に測定できます。さまざまな形状の対象物にに対応するため2種類のチャックをご用意。治具を使うことなく対象物を360°回転させながら、上面だけでなく、両側面や裏面まで一度で測定することができます。しっかり水平を保持して回転させることができるため、一度対象物をセットすれば再調整することなく、真円度・振れ測定といった立体的な測定まで対応可能です。

固定具

投影機の固定具は、測定対象物を正しい向きで固定するために使用されます。丸い対象物を挟んで横向きに置いたり、底面が平らでない対象物を測定に適した向きで固定したりする目的で使われます。固定具には、クリップのような形で挟むもの、ネジで固定するものなどがあります。

線図（チャート）

オーバーレイチャートは、スクリーン上に投影された測定画像に合わせるために使用します。チャートにはさまざまな種類があり、たとえば格子状や同心円状の目盛りが付いているものが多く使われます。
また、測定対象物の設計値を同じ倍率で拡大した線図チャートは、投影された画像と重ね合わせることで、実際の測定対象物と設計値の輪郭がどの程度違っているかを見ることができます。

ワーク表面への照射

投影機は下から照明を当て、光を透過させて影を作る（透過照明）だけでなく、上（レンズ側）から照明を当てて輪郭を映し出すこと（落射照明）もできます。
透過画像だけでは測定が困難な対象物でも、落射照明を使用することで測定が可能になります。

遮光カーテン

遮光カーテンは、外から入る光を遮断するために用いられます。外乱光を遮断することで、より正確に形状を投影することの目的に使われます。

投影機は、さまざまな測定ができる便利な測定機である一方で、下記のような欠点があります。

測定の安定性

人によってピントを合わす位置が異なり、測定誤差が生じる。
人のスキルによって作業効率や測定値が異なる。

対応力

形状比較をするとき、10倍に拡大した図面を投影像に重ね合わせ、差異を目視で確認する必要がある。
寸法や図面との相違箇所の数値を取得できない。
輪郭形状はトレース紙に転写するなど、データの保存や比較が困難。
測定箇所に応じて照明装置を使い分けるため、複数の同じ対象物を測定する際、正確な再現が難しい場合がある。

工数・コスト

手動でXYステージを動かして対象物の位置・向きを調整し、測定点の座標を1 点ずつ取得して測定するため時間がかかる。
段差がある対象物の場合、測定点の高さが変わるたびにピントを合わせる必要がある。
各種書類や輪郭形状の書き出しは、手作業となるため工数がかかる。

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• お客様に聞きました 投影機・測定顕微鏡から画像寸法測定器に変えた理由

  なぜ従来の測定機器から画像寸法測定器に変えたのか。画像寸法測定器の導入によって得られるメリットを実際の測定シーンにおける機能や性能、導入したお客様の声とともにわかりやすく紹介しています。

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• IMシリーズ 画像寸法測定器 測定事例集 仮想線20選

  置いて押すだけで測定が完了する画像寸法測定器 IMシリーズは、操作が簡単なだけではありません。仮想線を使ったさまざまな測定にもスムーズに対応。20の測定事例で、IMシリーズの対応力がわかる1冊です。

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• 画像寸法測定器 20の疑問にお答えします

  「置いて、押すだけ」で、こんなこと・あんなことはできるの？といったよくあるご質問と回答を集約したQ&A集です。画像寸法測定器は便利そうだけど、いろいろと疑問があるという方は、ご一読いただきたい1冊です。

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• IMシリーズ 医療分野の機器・部品 寸法測定事例集

  近年、医療機器分野の製品需要が高まり、新規参入する企業も増えました。安全性・信頼性を担保するために、高い精度が要求される医療機器分野の機械・部品を画像寸法測定器で測定する事例を集約しました。

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