(57)【要約】 【構成】  計測ユニットを３次元計測装置のフレームにより支持する。計測ユニットは、光学系の重量のため、揺動軸を中心に揺動する力のモーメントが加わるように構成され、さらに計測ユニットをフレームに対し、力のモーメントとは直角な方向にスライド自在に支持する姿勢保持部が設けられている。【効果】  ３次元計測装置のフレームから計測ユニットのベースに加わる力による、ベースの歪みが小さくなり、計測ユニットの姿勢を一定にできるので、３次元計測の精度が向上する。【選択図】     図２
2014228402.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象物体の３次元形状を測定するための光学系を備える計測ユニットを、フレームにより支持する３次元計測装置において、
前記計測ユニットを前記フレームに、揺動軸回りに揺動自在に取り付ける荷重支持部が設けられ、
前記計測ユニットは、前記光学系の重量のため、前記揺動軸を中心に揺動する力のモーメントが加わるように構成され、
さらに前記計測ユニットを前記フレームに対し、前記力のモーメントとは直角な方向にスライド自在に支持することにより、前記揺動軸回りの計測ユニットの姿勢を一定にする姿勢保持部が設けられていることを特徴とする、３次元計測装置。
【請求項２】
前記計測ユニットは、前記光学系の重量のため、前記揺動軸と平行な方向に揺動する力のモーメントも加わるように構成され、
前記計測ユニットと前記フレームとを、前記揺動軸と平行な方向に沿って当接させることにより、揺動軸と平行な方向に沿っての計測ユニットの姿勢を一定にする当接部材がさらに設けられていることを特徴とする、請求項１の３次元計測装置。
【請求項３】
前記光学系はカメラとプロジェクタとを備え、かつ前記計測ユニットはベースを備え、前記カメラと前記プロジェクタとが、ベースを挟んでベースの表裏に互いに向き合うように配置されていることを特徴とする、請求項１または２の３次元計測装置。  
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は３次元計測装置に関し、特に３次元計測装置のフレームへの、計測ユニットの取付に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタから計測対象の物体へ格子を投影すると共に、カメラで格子の写った物体を撮像することにより、物体の３次元形状を求めることが知られている（特許文献１  特許2903111）。なおプロジェクタと格子とカメラとの組合せに変えて、プロジェクタと液晶パネルとカメラとの組合せ等を用いても良い。そしてこのような３次元計測装置では、プロジェクタとカメラなどで構成される光学系を計測ユニット内に配置し、計測ユニットを適宜のフレームに固定し、３次元計測装置とする。
【０００３】
特許文献２（特開2007-17394）は、気温の変動により３次元計測データに誤差が生じることを指摘している。例えば特許文献１の場合、プロジェクタとカメラとの間隔が、計測ユニットのベースの熱膨張により変化し、間隔が僅かに変化しても３次元計測データとしては無視できない誤差になる。そして特許文献２は、ベースの温度を測定することにより、前記の間隔の変化を補正することを提案している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許2903111
【特許文献２】特開2007-17394
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら発明者は、測定ユニットのベースの熱膨張以外にも、温度変化に起因して誤差が生じることを見出した。例えばフレームにアルミニウムを用い、ベースにステンレス等の鋼材を用いると、フレームとベースの熱膨張率が相違する。熱膨張率が異なると、温度変化によりベースに、反り、曲がり等の歪みが生じる。ベースをフレームに比べて充分に厚くすると、ベースの歪みは小さくなったが、なおかつ無視できる程には小さくならなかった。またベースとフレームを同じ材質にしても、ベースにはプロジェクタ等からの発熱があり、両者の温度は完全には一致せず、ベースに歪みが生じた。そしてベースに歪みが生じると、ベースの温度のみでは補正しにくい複雑な誤差が生じる。
【０００６】
計測ユニットをフレームに固定する前に調整し、測定場所でフレームに固定すると、３次元計測装置の組立が容易になる。しかしながらベースをフレームに固定すると、ベースにフレームから締結力が加わり、これに伴ってベースが歪み、やはり誤差の原因となる。また計測ユニットの姿勢が変動すると、３次元形状の計測誤差が生じる。そこで発明者は、ベースとフレームとの間の応力により、ベースが歪まないようにし、かつ計測ユニットの姿勢を一定に保つようにすることを検討して、この発明に至った。
【０００７】
この発明の課題は、３次元計測装置のフレームから計測ユニットに加わる力による計測ユニットの歪みを軽減することにより、３次元計測の精度を向上させると共に、計測ユニットの姿勢を一定にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、計測対象物体の３次元形状を測定するための光学系を備える計測ユニットを、フレームにより支持する３次元計測装置において、
前記計測ユニットを前記フレームに、揺動軸回りに揺動自在に取り付ける荷重支持部が設けられ、
前記計測ユニットは、前記光学系の重量のため、前記揺動軸を中心に揺動する力のモーメントが加わるように構成され、
さらに前記計測ユニットを前記フレームに対し、前記力のモーメントとは直角な方向にスライド自在に支持することにより、前記揺動軸回りの計測ユニットの姿勢を一定にする姿勢保持部が設けられていることを特徴とする。
【０００９】
この発明では、計測ユニットへ加わる荷重を荷重支持部で揺動自在に支持する。計測ユニットには、前記光学系の重量のため、前記揺動軸を中心に揺動する力のモーメントが加わる。そこで姿勢保持部により、計測ユニットをフレームに対し、力のモーメントとは直角な方向にスライド自在に支持し、揺動軸回りの計測ユニットの姿勢を一定にする。そして計測ユニットが温度変化により膨張あるいは収縮すると、計測ユニットは姿勢保持部でフレームに対しスライドし、自然に熱変形する。このため気温等が変化しても、計測ユニットを曲げあるいは反らせる応力は発生せず、計測ユニットの曲がりあるいは反り等による計測誤差が生じない。そして計測ユニットの熱膨張自体は、温度センサにより容易に補正できる。また計測ユニットはフレームに固定されていないので、計測ユニットをフレームに固定する際の締結力による歪みが生じない。従って計測ユニットをフレームに取り付ける際に、計測ユニットが曲がりあるいは反ることがなく、これに伴う誤差も生じない。
【００１０】
好ましくは、前記計測ユニットは、前記光学系の重量のため、前記揺動軸と平行な方向に揺動する力のモーメントも加わるように構成され、前記計測ユニットと前記フレームとを、前記揺動軸と平行な方向に沿って当接させることにより、揺動軸と平行な方向に沿っての計測ユニットの姿勢を一定にする当接部材がさらに設けられている。このようにすると、揺動軸と平行な方向への計測ユニットの姿勢も一定にすることができる。
【００１１】
また好ましくは、前記光学系はカメラとプロジェクタとを備え、かつ前記計測ユニットはベースを備え、前記カメラと前記プロジェクタとが、ベースを挟んでベースの表裏に互いに向き合うように配置されている。このようにすると、ベースが温度変化により膨張あるいは収縮しても、ベースの厚さ方向での熱膨張あるいは熱収縮は僅かなため、カメラとプロジェクタとの間隔は変わらず、気温の影響を小さくできる。
【００１２】
実施例と特許請求の範囲との対応関係を示すが、これは特許請求の範囲を実施例に限定して解釈するためのものではない。荷重支持部は例えばピン２２と孔２０とで構成され、揺動軸は例えばピン２２である。姿勢保持部は、例えば長孔２４とピン２５の先端の突起２６，あるいは規制部材２８等により構成され、例えば図２の白抜き矢印に沿った力のモーメントを支持する。計測ユニットが縦長の部材の場合、姿勢保持部のスライド方向は例えば鉛直方向である。当接部材は例えばピン２５の接触面２５ａ、あるいは当接部材２９により構成され、例えば図１の白抜き矢印に沿った力のモーメントを支持する。荷重支持部、姿勢保持部、及び当接部は計測ユニット側に設けても、フレーム側に設けても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施例の計測ユニットのフレームへの取り付けを示す正面図
【図２】実施例の計測ユニットの側面図
【図３】実施例でのベースの長孔の周囲を拡大して示す図
【図４】実施例の３次元計測装置のブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１５】
図１〜図４に、実施例の３次元計測装置２を示す。図１は３次元計測装置２の正面を示し、これは計測対象の物体から３次元計測装置２を見たときの姿である。３はフレームで、支柱４と、支柱４により支持され水平な上下の桟５，６、天板７、及び基板８、等により構成されている。フレーム３の材質はアルミニウム、鋼等で、支柱４の本数は３本、４本等任意で、桟５，６の代わりに、面状の部材を支柱４に取り付けても良い。
【００１６】
１０は計測ユニットで、１２は例えばステンレスの鋼板から成るベースである。１４ａ，ｂは例えば上下一対のプロジェクタ、１６ａ，ｂは例えば上下一対のカメラで、プロジェクタ１４ａ，ｂの前面には図示しない可動の格子が配置され、スライド機構１８，１８によりスライドし、プロジェクタ１４ａ，ｂ，カメラ１６ａ，ｂ，スライド機構１８，１８と、これらの駆動回路とがベース１２に固定されている。格子を含むプロジェクタ１４ａとカメラ１６ａ，及びスライド機構１８を全体として１つの光学系とし、格子を含むプロジェクタ１４ｂとカメラ１６ｂ，及びスライド機構１８を全体として他の光学系とし、計測ユニット１０に上下一対の光学系を設ける。ただし計測ユニット１０に１個の光学系を設けても良い。なおベース１２とフレーム３は材質を共通にしても良い。また格子に変えて液晶パネル等を配置しても良く、あるいはプロジェクタ１４ａ，ｂからスポット状のビームを平行に多数投影して、格子を代用しても良い。さらにプロジェクタ１４ａ，ｂの代わりに他のカメラを配置し、例えば上部の２台のカメラの画像を組合せ、同様に下部の２台のカメラの画像を組合せることにより、三角測量の原理により３次元形状を測定しても良い。
【００１７】
実施例では、ベース１２に上下一対の光学系を固定する。プロジェクタ１４ａとカメラ１６ａとをベース１２の両面に向き合うように配置し、またプロジェクタ１４ｂとカメラ１６ｂとをベース１２の両面に向き合うように配置することにより、ベース１２が図１の上下方向に膨張あるいは収縮しても、向き合っているプロジェクタ１４ａ等とカメラ１６ａ等との間隔が、図１の上下方向には変化しないようにする。このようにすると、ベース１２の熱膨張あるいは熱収縮自体は影響が小さくなり、図１の左右方向での、プロジェクタ１４ａ，ｂ自体の熱膨張、及びカメラ１６ａ，ｂ自体の熱膨張を小さくするか、その影響を補正できるようにすればよい。
【００１８】
実施例での方向を図１，図２に示し、図１，図２の上下方向をそのまま上下方向とし、図１の左側を左、右側を右とする。また図２の左側（計測対象の物体側）を前、右側を後とする。
【００１９】
ベース１２の上部に孔２０が設けられ、上側の桟５等に基部が固定されているピン２２の先端のフック２３を、孔２０に係止する。ピン２２を揺動軸として計測ユニット１０を鉛直面内で水平軸回りに揺動自在に支持し、計測ユニット１０に加わる重力はピン２２を介し、フレーム３の桟５により支持される。またベース１２の下部には、長手方向が鉛直な長孔２４が設けられている。そしてフレーム３の下側の桟６に基部が固定されているピン２５の、先端の突起２６を長孔２４に挿通し、長孔２４の一方の側面から成る当接面２７に突起２６を当接させる。突起２６を長孔２４の当接面２７に当接させることにより、計測ユニット１０の前後方向に沿った姿勢を一定にする。突起２６は断面円形であるが、角形等でも良い。
【００２０】
図２に孔２０，長孔２４等を示し、孔２０は丸孔であるが、形状は任意で、ピン２２を挿通でき、かつ計測ユニット１０の荷重をピン２２へ伝達できればよい。ピン２２の先端のフックは必ずしも必要ではなく、計測ユニット１０が地震等により左右に振動した際に、フレーム３から計測ユニット１０が落下することを防止できればよい。長孔２４の形状は任意で、実施例では当接面２７が上下方向を向くが、計測ユニット１０を縦長ではなく横長に配置すると、長孔２４の長手方向は例えば水平でも良い。また当接面２７は、長孔２４の前側でも後側でも良い。なお長孔２４をベース１２の上側に、孔２０をベース１２の下側に設けても良い。
【００２１】
図２に示すように、ベース１２の前側にはプロジェクタ１６ａ，ｂ，カメラ１６ａ，ｂ等があり、後側にはこれらに匹敵する重量の部材がない。このためベース１２には、図２の白抜き矢印のように傾動させようとする力のモーメントが作用し、このモーメントを当接面２７でピン２５の先端の突起２６により支持することにより、ピン２２を揺動軸とする計測ユニット１０の姿勢を安定させる。ベース１２が熱膨張しても、当接面２７に沿ってピン２５の先端の突起２６がスライドすることで、ピン２２，２５からベース１２を歪ませるあるいは曲げる力が加わらない。従ってベース１２が反るあるいは曲がることがない。
【００２２】
長孔２４の周囲を図３に拡大して示す。ベース１２の左右で荷重が等しくないと、ベースを図１の左右方向に回転させようとする力のモーメントが作用する。実施例ではプロジェクタ１４ａ，ｂとスライド機構１８の重量が、カメラ１６ａ，ｂの重量よりも大きいので、図１の白抜き矢印の方向に、言い換えるとピン２２の軸方向と平行に、ベース１２を揺動させようとする力のモーメントが作用する。この力のモーメントをピン２５に設けた接触面２５ａにより支持し、図１の左右方向に沿ってのベース１２の姿勢を一定にする。即ち、突起２６の周囲でピン２５の先端に接触面２５ａを設け、接触面２５ａを長孔２４の周囲でベース１２の表面に当接させる。このようにすると、ピン２５の先端の突起２６により、図２の前後方向に沿ったベース１２の姿勢を一定にし、接触面２５ａにより、図１の左右方向に沿ったベース１２の姿勢を一定にする。なお図１に鎖線で示す当接部材２９をフレーム３側に設けて、図１の左右方向に沿ってのベース１２の姿勢を一定にしても良い。この場合、ピン２５の先端接触面２５ａは不要である。  
【００２３】
実施例のように、プロジェクタ１４ａとカメラ１６ａとを、ベース１２の両面に向かい合わせに配置し、プロジェクタ１４ｂとカメラ１６ｂとを、ベース１２の両面に向かい合わせに配置すると、プロジェクタ１４ａとカメラ１６ａとの上下の間隔は気温等が変化しても一定になり、またプロジェクタ１４ｂとカメラ１６ｂとの上下の間隔も気温等が変化しても一定になる。このためベース１２の熱膨張の影響は元々小さくなり、熱膨張の影響をさらに小さくする場合、センサS1と温度補正回路３６とを設けて、ベース１２の温度等により３次元形状のデータを補正すればよい。なお実施例では、ベース１２の反り、曲がり等の変形が小さく、かつプロジェクタ１４ａ，ｂとカメラ１６ａ，ｂの間隔が短いため、温度補正を省略しても良い。
【００２４】
以上のようにして、計測ユニット１０をフレーム３に熱応力等の応力無しで取り付け、しかも姿勢を安定させることができる。なおピン２２，２５をベース１２側に設け、孔２０と長孔２４とをフレーム３の桟５，６側に設けても良い。また図２の後方下部に鎖線で示す規制部材２８をベース１２に設けて、フレーム３の支柱４等により、前後方向に沿ってのベース１２の姿勢を規制しても良い。なお逆に規制部材２８をフレーム３側に設けて、ベース１２の姿勢を規制しても良い。
【００２５】
図４に、３次元計測装置２の回路構成を示す。実施例では例えば４台の３次元計測装置２が計測対象の物体の前後左右に配置されるが、３台、２台、あるいは１台等の３次元計測装置２を配置しても良く、３次元計測装置２の個数は任意である。格子３０はスライド機構１８によりスライドし、コントローラ３２によりスライド機構１８，プロジェクタ１４ａ，ｂ、カメラ１６ａ，ｂを制御する。そしてカメラ１６ａ，ｂが撮影した格子の投影画像を、信号処理回路３４により処理し、物体の３次元形状をカメラ１６ａ，ｂの視野の範囲で測定する。
【００２６】
S1は温度センサで、ベース１２の温度、あるいは計測ユニット１０の温度、カメラ１６ａ，ｂの表面温度、等を測定し、信号処理回路３４により求めた３次元形状の温度依存性を、温度補正回路３６により補正する。なお温度センサS1と温度補正回路３６は設けなくても良い。統合処理回路３８により、複数の３次元計測装置２からの３次元形状のデータを例えば重み付き平均等により統合し、計測対象物体の４周全方位の３次元形状データとする。統合処理回路３８は、例えばいずれかの３次元計測装置２内に設ける。
【００２７】
実施例の作用効果を説明する。ピン２２により計測ユニット１０の荷重を支持し、ピン２５の先端の突起２６を当接面２７に当接させ、ピン２５の先端の接触面２５ａを長孔２４の周囲のベース１２に当接させることにより、計測ユニット１０の姿勢を、図１の左右方向と図２の前後方向の２方向に沿って、一定にする。フレーム３に対してベース１２が固定されていないので、両者の熱変形等により、ベース１２に応力が加わることはない。またフレーム３にベース１２を固定する際の締め付け力等により、ベース１２に応力が加わることもない。向かい合うプロジェクタ１４ａ，ｂとカメラ１６ａ，ｂは、ベース１２を挟んでその表裏に配置されている。ベース１２の厚さ方向の熱膨張は僅かで、プロジェクタ１４ａとカメラ１６ａ、及びプロジェクタ１４ｂとカメラ１６ｂとの間隔はほぼ一定である。このためベース１２の熱膨張による影響を小さくできる。  
【００２８】
地震等による、フレーム３に対するベース１２の振動を防止する必要がある場合、フレーム３とベース１２とを連結するダンパを追加すればよい。またフレーム３を計測対象物体の周囲を取り囲む形状にし、１個のフレームに複数の計測ユニット１０を取り付けても良い。実施例では板状のベース１２をフレーム３に取り付けたが、計測ユニットがベースの代わりにフレームを備え、計測ユニットのフレームをフレーム３に取り付けても良い。
【符号の説明】
【００２９】
２            ３次元計測装置
３            フレーム
４            支柱
５，６        桟
７            天板
８            基板
１０          計測ユニット
１２          ベース
１４ａ，ｂ    プロジェクタ
１６ａ，ｂ    カメラ
１８          スライド機構
２０          孔
２２，２５    ピン
２３          フック
２４          長孔
２５ａ        接触面
２６          突起
２７          当接面
２８          規制部材
２９          当接部材
３０          格子
３２          コントローラ
３４          信号処理回路
３６          温度補正回路
３８          統合処理回路
S1            温度センサ
【図１】
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【図２】
2014228402.tif 000004
【図３】
2014228402.tif 000005
【図４】
2014228402.tif 000006