(57)【要約】【課題】３次元構造物に、レーザ光等を照射し、そのときの測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元形状データを取得する際、確実に３次元形状の向き及び位置合わせを行う。【解決手段】３次元形状測定装置１０は、少なくとも３個の球体が３次元配置され、球体の中心間を仮想して結んだときの仮想線分がいずれも測定対象物と交差しないように測定空間内の測定対象物の近傍に固定された基準立体物２０と、測定空間内に位置する測定対象物及び基準立体物２０の３次元形状の形状データを出力する３次元形状測定ユニット３０と、基準立体物２０の少なくとも３個の球体によって定まる測定空間内における基準立体物２０の位置及び向きを、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を用いて、測定対象物の３次元形状データを修正するコンピュータ５０と、を有する。【選択図】図１
2007121126.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象物である３次元構造物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、
測定空間内に位置する立体物であり、少なくとも３個の球体が３次元配置され、球体の中心間を仮想して結んだときの仮想線分がいずれも測定対象物と交差しないように測定空間内の測定対象物の近傍に固定された基準立体物と、
測定空間内に位置する測定対象物及び前記基準立体物の３次元形状の形状データを出力する測定ユニットと、
前記基準立体物の前記少なくとも３個の球体によって定まる、測定空間内における前記基準立体物の位置及び向きが、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を用いて、測定対象物の３次元形状データを修正する演算ユニットと、を有することを特徴とする３次元形状測定装置。
【請求項２】
前記演算ユニットは、前記少なくとも３個の球体の中心の位置座標を求め、この位置座標と前記少なくとも３個の球体の中心の目標位置座標との差分を求め、この差分が０に近づくように座標変換を定め、この座標変換を用いて測定対象物の３次元形状データを変換する請求項１に記載の３次元形状測定装置。
【請求項３】
前記測定ユニットは、レーザ光を測定対象物及び前記球体に照射し、そのときの反射光を用いて３次元形状データを求めて出力するユニットであり、
前記球体の表面は、レーザ光の鏡面反射を抑制するためにつや消し処理が施されている請求項１又は２に記載の３次元形状測定装置。
【請求項４】
前記球体は、サイズが互いに異なる請求項１〜３のいずれか１項に記載の３次元形状測定装置。
【請求項５】
前記測定対象物は回転体形状であり、
この回転体形状の回転中心軸の方向を左右方向というとき、前記基準立体物は、回転体形状を境にして左右方向のいずれか一方の側に設けられている請求項１〜４のいずれか１項に記載の３次元形状測定装置。
【請求項６】
測定対象物である３次元構造物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、
測定空間内に位置する立体物であり、少なくとも３個の球体が３次元配置された基準立体物を、球体の中心間を仮想して結んだときの仮想線分がいずれも測定対象物と交差しないように測定空間内の測定対象物の近傍に予め固定しておき、
３次元形状の測定の際、
測定空間内に位置する測定対象物及び前記基準立体物の３次元形状の形状データを測定し、
前記基準立体物の前記少なくとも３個の球体によって定まる測定空間内における前記基準立体物の位置及び向きが、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を用いて、測定対象物の３次元形状データを修正することを特徴とする３次元形状測定方法。
【請求項７】
測定対象物の３次元形状データを修正する際、前記少なくとも３個の球体の中心の位置座標を求め、この位置座標と前記少なくとも３個の球体の中心の目標位置座標との差分を求め、この差分が０に近づくように座標変換を定め、この座標変換を用いて測定対象物の３次元形状データを変換する請求項６に記載の３次元形状測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定対象物である３次元構造物に、レーザ光等を照射し、そのときの測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元形状データを取得する３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定対象物の３次元形状の測定は、レーザ光を測定対象物に照射し、そのとき測定対象物の反射光をＣＣＤ素子等の受光センサで受光することにより、測定対象物の３次元形状を測定することが一般的に行われている。
例えば、光切断法を用いてＣＣＤ素子で受光することにより測定対象物の３次元形状を測定することができる。
【０００３】
ところで、測定対象物をタイヤとし、タイヤのトレッド部分がタイヤの使用（走行）前後において、タイヤのトレッド部分のどの位置（タイヤの周方向の位置及び幅方向の位置）が摩耗したかを調べるために、タイヤの使用前と使用後における測定データの差を求めることが必要である。このためには、タイヤトレッド部の周上の位置及びタイヤの幅方向の位置を正確に位置合わせすることが必要である。
【０００４】
３次元形状測定を行う際の位置合わせの方法として、下記特許文献１が挙げられる。当該文献では、測定対象物の測定面の平面の向きを揃えるために、測定対象物保持具に３個の球体を、測定対象物を間に挟むように平面上に配置し、この球体を測定対象物とともに測定することを開示している。
当該文献では、平面状に並べた球体の中心座標から測定面を求め、この測定面が傾斜していないかを判断することができる。
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−３４４３２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、タイヤのように一方のサイド部〜トレッド部〜他方のサイド部を有し、回転体形状をしたトロイダル形状の形状測定では、トレッド部を正面に見てレーザ光を照射し、さらに、サイド部を斜めに見てレーザ光を照射する必要があるので、上記公報に開示されるように測定対象物を間に挟むように３個の球体を配置すると、球体の少なくとも１つは測定対象物の陰に隠れてレーザ光の測定ができない。
【０００７】
そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、測定対象物である３次元構造物に、レーザ光等を照射し、そのときの測定対象物からの反射光を受光することにより測定対象物の３次元形状データを取得する際、確実に３次元形状の向き及び位置合わせを行うことができる３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法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】
【０００８】
本発明は、測定対象物である３次元構造物の３次元形状を測定する３次元形状測定装置であって、測定空間内に位置する立体物であり、少なくとも３個の球体が３次元配置され、球体の中心間を仮想して結んだときの仮想線分がいずれも測定対象物と交差しないように測定空間内の測定対象物の近傍に固定された基準立体物と、測定空間内に位置する測定対象物及び前記基準立体物の３次元形状の形状データを出力する測定ユニットと、前記基準立体物の前記少なくとも３個の球体によって定まる、測定空間内における前記基準立体物の位置及び向きが、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を用いて、測定対象物の３次元形状データを修正する演算ユニットと、を有することを特徴とする３次元形状測定装置を提供する。
【０００９】
その際、前記演算ユニットは、前記少なくとも３個の球体の中心の位置座標を求め、この位置座標と前記少なくとも３個の球体の中心の目標位置座標との差分を求め、この差分が０に近づくように座標変換を定め、この座標変換を用いて測定対象物の３次元形状データを変換することが好ましい。
【００１０】
また、前記測定ユニットは、レーザ光を測定対象物及び前記球体に照射し、そのときの反射光を用いて３次元形状データを求めて出力するユニットであり、前記球体の表面は、レーザ光の鏡面反射を抑制するためにつや消し処理が施されていることが好ましい。
また、前記球体は、サイズが互いに異なることが好ましい。
【００１１】
また、前記測定対象物は回転体形状であり、この回転体形状の回転中心軸の方向を左右方向というとき、前記基準立体物は、回転体形状を境にして左右方向のいずれか一方の側に設けられていることが好ましい。
【００１２】
さらに、本発明は、測定対象物である３次元構造物の３次元形状を測定する３次元形状測定方法であって、測定空間内に位置する立体物であり、少なくとも３個の球体が３次元配置された基準立体物を、球体の中心間を仮想して結んだときの仮想線分がいずれも測定対象物と交差しないように測定空間内の測定対象物の近傍に予め固定しておき、３次元形状の測定の際、測定空間内に位置する測定対象物及び前記基準立体物の３次元形状の形状データを測定し、前記基準立体物の前記少なくとも３個の球体によって定まる、測定空間内における前記基準立体物の位置及び向きが、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を用いて、測定対象物の３次元形状データを修正することを特徴とする３次元形状測定方法を提供する。
【００１３】
測定対象物の３次元形状データを修正する際、前記少なくとも３個の球体の中心の位置座標を求め、この位置座標と前記少なくとも３個の球体の中心の目標位置座標との差分を求め、この差分が０に近づくように座標変換を定め、この座標変換を用いて測定対象物の３次元形状データを変換することが好ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、測定空間内に位置する立体物であり、少なくとも３個の球体が３次元配置され、球体の中心間を仮想して結んだときの仮想線分が測定対象物と交差しないように、測定対象物の近傍の、測定空間内に固定された基準立体物を用い、測定空間内に位置する測定対象物とともに３次元形状の形状データを出力する。このため、基準立体物の球体によって定まる測定空間内における基準立体物の位置及び向きを、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を用いて、測定対象物の３次元形状データを修正することができる。基準立体物は、測定対象物とともに同時に３次元形状データを出力するので、従来のように、球体が測定対象物に遮断されて測定できない場合は無くなり、測定対象物の３次元形状の向き及び位置合わせを確実にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、添付の図面に示す実施形態に基づいて、本発明の３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法を詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明における３次元形状測定装置の実施形態を表す概略構成図である。
図１に示す３次元形状測定装置１０は、空気入りタイヤ（以下、タイヤという）Ｔの３次元形状を予め定めた位置及び向きに合わせて配置したときのタイヤＴの３次元形状データを算出して記録保持する装置である。
３次元形状測定装置１０は、３次元構造物であるタイヤＴの幅方向（左右方向）の一方の側に設けられる基準立体物２０と、３次元形状測定ユニット３０と、コンピュータ５０と、モニタ６０とを有して構成される。
【００１７】
基準立体物２０は、３つの球体２１，２２，２３が測定空間内に３次元配置され、タイヤＴの近傍の、測定空間内に固定された立体物である。さらに、基準立体物２０は、球体２１，２２及び球体２１，２３及び球体２２，２３の中心間を仮想して結んだときの仮想線分が測定対象物と交差しないように配置されている。
基準立体物２０は、回転体形状であるタイヤＴの回転中心軸の方向を左右方向というとき、回転体形状のタイヤＴを境にして右方向の側に設けられている。勿論、左方向の側に設けられてもよい。
具体的には、基準立体物２０は、タイヤＴを回転可能な軸６０を保持する固定支持部７０からロッド２４を介して、球体２１，２２，２３が測定空間に固定配置されるように構成されている。
なお、球体２１，２２，２３は、後述するレーザ光の照射に対して鏡面反射を起こさないように、表面は艶消し処理が施されている。
【００１８】
球体２１，２２，２３は、いずれも同じサイズの球体であるが、本発明における球体は、サイズが互いに異なるものであってもよい。後述する球体の３次元形状データにおいて、複数の球体のデータがどの球体のデータかを特定する場合、サイズにより識別することが可能となるためである。これにより、球体を間違えることなく自動的に特定することができる。勿論、球体の位置は測定空間内に固定されており、各球体の概略の位置は予め判っているので、複数の球体のデータがどの球体のデータかを、入力指示により間違えることなく特定することはできる。
球体２１，２２，２３の配置に関して、球体２１，２２，２３のいずれか２つはタイヤＴの回転中心軸に対して垂直な平面上に配置される必要はない。少なくとも球体２１，２２，２３の配置は、直線上に配置されないように３次元配置されていればよい。
なお、本実施形態では、球体の個数は３個であるが、４個、５個等、３個以上の個数であればよい。
【００１９】
３次元形状測定ユニット３０は、測定空間内に位置するタイヤＴ及び基準立体物２０の３次元形状データを出力する装置である。
図２は、３次元形状測定ユニット３０の構成を説明する図である。
３次元形状測定ユニット３０は、ＣＰＵ３１、ドライバー回路３２、レーザダイオード３３、ガルバノミラー３４、光学系３５，３６、ＣＣＤ素子３７、ＡＤ変換器３８、ＦＩＦＯ３９，信号処理プロセッサ４０、及びフレームメモリ４１を有する。
３次元形状測定ユニット３０では、コンピュータ５０からの測定開始指示に応じて、ＣＰＵ３１は測定開始のトリガー信号を生成し、図示されないクロックジェネレータを起動してクロック信号を生成する。このクロック信号はＣＣＤ素子３７、ＡＤ変換器３８、ＦＩＦＯ３９、信号処理プロセッサ４０に供給される。一方、トリガー信号の生成により、ドライバー回路３２はレーザ光照射の信号を生成し、レーザダイオード３３に供給する。レーザダイオード３３は、これによりレーザ光を照射し、レーザ光をスリット光とし、このレーザ光の照射の信号に合わせて駆動を開始したガルバノミラー３４を振らして、光学系３５を介して照射されるスリット状のレーザ光をタイヤＴ及び基準立体物２０上でスキャンさせる。
【００２０】
一方、光学系３６を介して集束したレーザ光の反射光をＣＣＤ素子３７にて受光し、生成された画像信号をＡＤ変換器３８によりデジタル信号とし、ＦＩＦＯ３９を介して画像信号を順番に信号処理プロセッサ４０に供給する。信号処理プロセッサ４０は、光切断方法を用いた周知のアルゴリズムを実行する回路が組み込まれており、供給された画像信号から、タイヤＴ及び基準立体物２０の３次元形状データを生成する部分である。この３次元形状データは、フレームメモリ４１に逐次書き込まれ、必要に応じて呼び出される。画像信号から３次元形状データを生成する処理方法は、周知の光切断法を用いたアルゴリズムである。光切断法は、スリット光を測定対象物に照射し、測定対象物の曲がった帯状の反射光をＣＣＤ素子等のカメラで撮影し、画像における結像位置から３次元形状データを求める方法である。このときの演算は三角測量の原理に基づいて行われる。
生成されたタイヤＴ及び基準立体物２０の３次元形状データは、コンピュータ５０に供給される。
３次元形状測定ユニット３０は、以上の作用を行うように構成された装置である。
【００２１】
コンピュータ５０は、タイヤＴ及び基準立体物２０の３次元形状データを用いて、基準立体物２０の位置及び向きを、測定空間内に予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように規定される座標変換を定め、この座標変換を用いて、タイヤＴの３次元形状データを修正する部分である。このような処理は、コンピュータ５０にてプログラムを起動することにより機能するソフトウェア処理で行われる。
【００２２】
具体的には、まず、供給された形状データの中から、球体２１，２２，２３の中心位置座標を抽出する。球体２１，２２，２３の画像内の位置は予め判っているので、球体２１，２２，２３の表面の形状データを取り出すことができ、この取り出した形状データから各球体の中心位置座標を求める。
【００２３】
次に、球体２１，２２，２３の各中心位置座標を、図３（ａ）に示すように、予め定めた仮想球体１２１，１２２，１２３の中心位置を目標座標とし、この目標座標に対する中心位置座標の差分を求める。このときの目標座標は、予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きを規定するように定められており、この目標座標に球体２１，２２，２３の中心位置座標を一致させることで、予め定めた基準座標系の原点及び座標軸の向きに合うように設定されている。
【００２４】
次に、求められた差分を用いて、各球体の中心位置座標が、予め定めた目標座標に移動する座標変換（移動変換及び回転変換）の式を求める。すなわち、上記差分が０に近づくように座標変換の式を定める。各差分は、図３（ｂ）に示すように、３次元のベクトルで表されるので、計９個の差分の値があり、この９個の値を用いて、球体２１，２２，２３が仮想球体１２１，１２２，１２３に移動して一致するように、３自由度の移動変換と、２自由度の回転変換とを定める。
【００２５】
こうして算出された座標変換式を用いて、タイヤＴの３次元形状データを座標変換する。これにより、タイヤＴの回転中心軸を基準座標系の予め定めた向きに変換することができる。
さらに、図４に示されるように、座標変換されたタイヤＴの３次元形状データを用いて得られるタイヤＴの図心Ｇを、回転中心軸上で移動させて、図心Ｇの位置が予め定められる位置に来るようにタイヤＴの形状データを修正する。
こうして、タイヤＴの位置と向きが予め定めた位置と向きに揃うように処理されたタイヤＴの３次元形状データが得られる。
【００２６】
このように、タイヤＴの位置及び向きを予め定めた位置及び向きに揃うように修正するのは、タイヤＴの３次元形状データが、測定によって位置及び向きが変わらないようにするためである。特に、タイヤＴの使用後における摩耗形態を正確に知るには、摩耗後のタイヤＴの形状と使用前のタイヤＴの形状とを比較する必要がある。このため、数週間〜数ヶ月の時間をあけて取得された２つの３次元形状データについて精度高く位置及び向き合わせる必要がある。
【００２７】
図５（ａ）は、このようにして得られたタイヤＴの形状データの一部を用いてモニタ６０に表示される表示画面の一例を示している。図５（ｂ）は、タイヤＴの全周についてトレッド部の形状データを取得して、タイヤＴの使用前と使用後におけるトレッド部分の形状の変化量（摩耗変化）を求め、変化量に応じて色分けした図である。勿論、タイヤＴの周上の位置も、使用前と使用後において同じ周上の位置に位置合わせをして、３次元形状データを減算して求めた摩耗変化の結果である。これによると、図５（ｂ）のトレッド部の表面の左側ショルダー部分において、偏摩耗が生じていることが判る。
本発明では、タイヤＴの３次元形状を正確に位置及び向きを合わせて形状変化を求めることができる。
【００２８】
このように、少なくとも３個の球体が３次元配置され、タイヤＴの一方の側の近傍に固定された基準立体物２０を用い、タイヤＴの形状データと少なくとも３個以上の球体の形状データを同時に取得することができるので、予め定めた位置及び向きに正確に合うようにタイヤＴの形状データを変換することができる。上記特許文献１では、３個の球体が測定対象物の周りを囲むように配置されている。このため、タイヤＴのような立体構造物の３次元形状を測定する場合、３個の球体の配置では、タイヤ３個の球体にレーザ光を照射して測定することができない。
【００２９】
上記実施形態における３次元形状測定ユニット３０は、例えば光切断方法を用いた非接触３次元デジタイザＶＩＶＩＤ９ｉ（（株）コニカ  ミノルタ社製）が例示される。本発明においては、光切断方法の他、プロジェクタから格子を測定対象物に投影し、測定対象物上の変形格子像をカメラで撮影するとともに、格子パターンを一定ピッチずつずらしながらその都度撮影し、複数の画像から測定対象物の３次元形状のデータを取得するフェーズシフト法等を用いてもよい。
本発明では、３次元形状測定ユニットで、測定対象物及び基準立体物の３次元形状を現す形状データを同じ測定空間内に配置して測定できれば、どのような方法を用いてもよい。
また、測定対象物は、タイヤのみならず、自動車用ホイールやタービン等の回転体形状であってもよい。回転体形状の場合、回転中心軸を予め設定された向きに合わせるように座標変換することが好ましく、この場合、基準立体物を回転体形状の測定対象物の一方の側に配置して測定するとよい。
【００３０】
以上、本発明の３次元形状測定装置及び３次元形状測定方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明における３次元形状測定装置の実施形態を表す概略構成図である。
【図２】図１に示す３次元形状測定装置の３次元形状測定ユニットの構成を説明する図である。
【図３】図１に示す３次元形状測定装置で行われる座標変換を説明する図である。
【図４】図１に示す３次元形状測定装置で行われる位置の修正を説明する図である。
【図５】（ａ）は図１に示す３次元形状測定装置で得られる３次元形状データの画面表示の例を示す図であり、（ｂ）は、本発明の３次元形状測定装置を用いて求められたタイヤの偏摩耗の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  ３次元形状測定装置
２０  基準立体物
２１，２２，２３  球体
３０  ３次元形状測定ユニット
５０  コンピュータ
６０  モニタ  
【図１】
2007121126.tif 000003
【図２】
2007121126.tif 000004
【図３】
2007121126.tif 000005
【図４】
2007121126.tif 000006
【図５】
2007121126.tif 000007