JP2639582B2 - 三次元座標入力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、被測定物の周面をなぞることにより当該
被測定物の三次元の座標を得ることができる三次元座標
入力装置に関する。

〔従来の技術〕

従来の三次元座標入力装置の一例の概要を、第９図に
示してある。

この三次元座標入力装置は、ペン形状の位置指示器１
の先端部に、超音波信号から超音波に変換する変換素子
２を設け、この位置指示器１の変換素子２に超音波発生
器３から超音波信号を導き、その位置指示器１の先端部
で被測定物４をなぞり、そのなぞった点からの超音波を
Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各点に設けたセンサ5X、5Y、5Zで受
信し、これらセンサ5X、5Y、5Zからの信号を処理装置６
に入力し、処理装置６において位置指示器１の先端部で
指示した点の座標を求めるものである。つまり、この三
次元座標入力装置は、位置指示器１の先端から超音波が
センサ5X、5Y、5Zで受信されるまでの時間に基づいて位
置指示器１の先端から各受信点（センサ5X、5Y、5Z）ま
での距離を求め、これにより当該位置指示器１の先端部
で指示した点の座標を決定するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、超音波は温度に応じて伝播速度が異な
るので、超音波を計測に使用している上記三次元座標入
力装置は温度による補正をする必要があり、かつこの補
正が甚だ困難であることから、精度上に問題が生じる。

また、上記三次元座標入力装置は、第10図に示すよう
に被測定物４が円筒形である場合に、その円筒形内部に
位置指示器１の先端部が差し込まれると、超音波が各受
信点（センサ5X、5Y、5Z）まで届かず、測定ができない
という欠点がある。

さらに、上記三次元座標入力装置は、位置指示器１が
各受信点（センサ5X、5Y、5Z）に対して被測定物４を挾
んだ位置、つまり各受信点に対して被測定物４の裏側に
位置した場合にも、超音波が各受信点（センサ5X、5Y、
5Z）に届かないという欠点がある。

そこで、この発明は、被測定物の三次元座標を測定す
る際に測定点に対する制約がなく、かつ温度等の外部環
境条件に関係なく測定できるようにした三次元座標入力
装置を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

そして、上記の目的を達成するため、この発明に係る
三次元座標入力装置は、二次元上の少なくとも二点を指
示する位置指示器と、前記位置指示器により指示された
位置を検出し二次元位置信号として出力する二次元位置
検出装置と、前記位置指示器に設けられ二次元位置検出
装置の二次元測定面に対して垂直方向の位置を検出して
垂直位置信号を出力する垂直方向位置検出装置と、前記
二次元位置検出装置および垂直方向位置検出装置からの
各信号を処理して記憶・表示する処理装置とにより構成
したことを特徴とし、前記垂直方向位置検出装置を、前
記位置指示器に設けた支柱と、前記支柱に沿って摺動す
るスライダと、前記スライダに設けたプローブと、スラ
イダの移動量を電気信号にする変換装置とから構成した
ことを特徴としている。

〔作用〕

例えば、被測定物の周面の垂直方向に、垂直方向位置
検出装置のプローブを当接させてなぞる。このときの位
置指示器の位置を二次元位置検出装置により二次元位置
信号として出力する。また、このときの垂直方向の位置
を、垂直方向位置検出装置により検出して垂直位置信号
を出力する。こうして、被測定物の垂直方向について全
て測定終了したところで、垂直方向の測定点を所定の位
置だけずらし、再び上記測定を行う。そして、被測定物
の全周面（360度）、あるいは所定の測定面積を計測し
たところで、測定を終了する。この際に測定の結果得ら
れた信号の処理を、処理装置で行う。

上記測定は、垂直方向に行なったが、水平方向に測定
する方法もある。これは、いわゆる輪切り状に上記測定
を行うものである。このようにしても被測定物の三次元
座標が得られる。

〔実施例〕

以下、図示した実施例に基づいてこの発明に係る三次
元座標入力装置を具体的に説明する。

第１図は、この発明に係る三次元座標入力装置の実施
例を示す斜視図である。

第１図に示す三次元座標入力装置10は、二次元位置検
出装置11の上で、二次元上の少なくとも二点を指示でき
る位置指示器12p,12qを設けたベース13が自由に移動で
きる構成としてあり、かつベース13上に垂直方向位置検
出装置14を設けた構造をしている。

前記二次元位置検出装置11は、位置指示器12p,12qに
より指示された位置を検出して二次元位置信号として出
力する装置であり、その構造については例えば特開昭63
−295902号公報に記載されたものがある。この二次元位
置検出装置11の概略を第２図に示し、同図に従ってこの
二次元位置検出装置11の原理の概略を説明する。

この二次元位置検出装置11は、鉄を多量に含むアモル
ファス合金等の強磁性体で形成した磁歪伝達媒体21の、
端部に第１コイル22を巻回し、定常的磁場を発生する位
置指示器12p,12qによって指示される位置を検出すべき
範囲に第２コイル24を巻回したものが主体となって構成
されている。

第１コイル22は瞬時的磁場変動をコイル面に垂直に発
生させて磁歪伝達媒体21のそれぞれの巻回部位に磁歪振
動波を生起させるものであり、それぞれの第１コイル22
は第１マルチプレクサ25を介して、磁歪振動波を発生す
るに足るパルス電流を第１コイル22に供給できるパルス
電流発生起26に接続してある。そして、この第１コイル
22は隣接している一対の磁歪伝達媒体21を一組にして巻
回してあり、第１マルチプレクサ25によって選択された
一対の磁歪伝達媒体21ごとにパルス電流が印加される。
ここで、組み合わされた磁歪伝達媒体21のそれぞれの組
にa,b,c,dの添磁を付し、さらに同一の組の一方に添字
_１を、他方に添字_２を付して21a₁,21a₂,……,21d₁,21d₂
のように表し、以下これら磁歪伝達媒体21に関連する部
材についても同様とする。

磁歪伝達媒体21の第１コイル22を巻回した側の端面に
臨んで、例えば永久磁石からなるバイアス用磁気発生器
28が配設してあり、各磁歪伝達媒体21の第１コイル22を
巻回した部位に磁歪伝達媒体21の長手方向に平行なバイ
アス磁場を形成する。

上記第２コイル24も第１コイル22と同様に、隣接する
磁歪伝達媒体21を一組として巻回してあり、第１コイル
22が巻回された一対の磁歪伝達媒体21と同じものを一組
としてある。この第２コイル24は磁歪伝達媒体21を伝搬
する磁歪振動波により生じる誘導電圧を検出するための
もので、それぞれの第２コイル24の巻き方向は全て同一
であるとともに、一組の磁歪伝達媒体21で極性が逆とな
る。そして、この第２コイル24は第２マルチプレクサ27
を介して処理装置20に接続される。

処理装置20は第１マルチプレクサ25および第２マルチ
プレクサ27の両方に信号を送出し、一組の磁歪伝達媒体
21に巻回した第１コイル22とパルス電流発生器26とを接
続させるとともに、当該一組の磁歪伝達媒体21に巻回し
た第２コイル24とこの処理装置20とを接続する。

そして、第１コイル22にパルス電流を印加すると第１
コイル22で瞬時的磁場変動が発生し、磁歪伝達媒体21の
第１コイル22を巻回した部位で磁歪振動波が発生する。
この磁歪振動波は磁歪伝達媒体21固有の伝搬速度で磁歪
伝達媒体21の長手方向に伝搬する。この伝搬中におい
て、磁歪振動波が存在する磁歪伝達媒体21の各部位でそ
の電気機械結合係数｛機械的エネルギから電気的エネル
ギ（または電気的エネルギから機械手エネルギ）への変
換効率を示す係数｝の大きさに応じて機械的エネルギか
ら磁気的エネルギへの変換が行われ、第２コイル24に誘
導電圧が発生する。

この際、磁歪伝達媒体21の任意の部位に、その電気機
械結合係数が大きくなる程度の定常的な磁場が存在する
と、前記磁歪振動波が当該部位に到達したときに、第２
コイル24に大きな誘導電圧Ｖが発生する。

パルス電流を第１コイル22に印加した時点から誘導電
圧Ｖが検出されるまでの時間Ｔは、磁歪振動波が磁歪伝
達媒体21の第１コイル22を巻回した位置から位置指示器
12により指示された位置に到達するまでの時間にほぼ等
しい。したがって、この時間Ｔを処理装置20で測定し磁
歪振動波の伝搬速度との積をとれば、第１コイル22と位
置指示器12との間の距離ｌ、即ち位置指示器12の指示位
置（座標）を算出できる。

第２図に示す二次元位置検出装置11では、処理装置20
の指令に基づいて第１マルチプレクサ25と第２マルチプ
レクサ27が、第１コイル22とパルス電流発生器26との接
続および第２コイル24と処理装置20との接続を順次切り
替えながら、第１コイル22にパルス電流を印加し、第２
コイル24に誘導電圧Ｖが発生するまでの時間Ｔを処理装
置20で測定する。

すなわち、まず第１マルチプレクサ25が第１コイル22
aを選択して該第１コイル22aにパルス電流発生器26を接
続させるとともに、第２マルチプレクサ27が第２コイル
24aを選択して該第２コイル24aに処理装置20を接続させ
る。第２図に示すように、磁歪伝達媒体21a₁上に位置指
示器12pが存在する場合には、磁歪振動波が位置指示器1
2pで指示された位置に到達したときに第２コイル24a₁に
大きな誘導電圧V₁が発生する。したがって、第１コイル
22aにパルス電流を印加した時点からこの誘導電圧V₁が
検出されるまでの時間を処理装置20で計測すれば、第１
コイル22aが巻回された部位から位置指示器12pで指示さ
れた位置までの距離l₁を算出することができる。磁歪伝
達媒体21aについての計測が終了したならば、第１マル
チプレクサ25が第１コイル22bを選択するとともに、第
２マルチプレクサ27が第２コイル24bを選択する。第２
コイル24bの上には位置指示器は存在していないから上
記のような大きな誘導電圧は発生しない。すなわち、何
も検出されないのでこの第２コイル24b上では位置が指
示されていない。所定の時間が経過したならば、第１マ
ルチプレクサ25は第１コイル22cを選択し、第２マルチ
プレクサ27は第２コイル24cを選択する。第２コイル24c
₂上には位置指示器12qが存在しているから、大きな誘導
電圧V₂が発生して、上述のように距離l₂が求められる。

なお、マルチプレクサ25、27を介することなく、パル
ス電流発生器26に直接接続された１本のコイルを順に磁
歪伝達媒体21に巻回して第１コイルとするとともに、処
理装置20に直接接続された１本のコイルを磁歪伝達媒体
21に巻回して第２コイルとするものでは、２つ以上の位
置指示器で指示された位置が近接している場合には、誘
起される誘導電圧が干渉しあって、あたかも１ヵ所を指
示しているかのような検出結果が得られる。これに対し
て、上述のように、位置指示器によって指示された位置
を、マルチプレクサ25、27を介してそれぞれの磁歪伝達
媒体21について各別に検出するようにすれば、２つ以上
の位置指示器12を用いて同時に２つ以上の位置を指示す
る場合でも、これら位置指示器によって誘起される大き
な誘導電圧が相互に干渉し合うことが極力防止されるの
で、２つ以上の位置が近接している場合でも当該位置を
確実に検出できる。

以上により構成される磁歪伝達媒体21、第１コイル22
等を二組備え、それらの磁歪伝達媒体21を直交させて組
み合わせれば、一組をＹ方向の位置検出用とし、他の一
組をＹ方向の位置検出用として二次元の位置検出装置を
構成できることになる。

垂直方向位置検出装置14は位置指示器12p,12qを有す
るベース13上に設けられており、二次元位置検出装置11
の二次元測定面Ａに対して垂直方向の位置を検出して垂
直位置信号を出力する装置である。この垂直方向位置検
出装置14は、ベース13上で位置指示器12p,12qの間の中
間位置に支柱15を垂設し、支柱15に沿って摺動するスラ
イダ16を設け、スライダ16にプローブ17を取付け、かつ
スライダ16の移動量を垂直位置信号として電気信号に変
換する変換装置18をスライダ16に内蔵した構成としてあ
り、変換装置18の出力垂直位置信号をケーブル19を介し
て取り出せるようにしてある。また、プローブ17が被測
定物に接触しているときにのみ、二次元位置検出装置11
および垂直方向位置検出装置14の出力信号が出力される
ようにしてあり、例えば接触スイッチ、手動スイッチ等
によってこれを行うようにすればよい。垂直方向位置検
出装置14のさらに詳細な構造については後述する。

この二次元位置検出装置11からの信号と、垂直方向位
置検出装置14からの信号とは、処理装置20に供給される
ようにしてある。処理装置20は、上記各信号を処理し、
記憶し、図示しないがCRTディスプレイ等に表示できる
とともに、二次元位置検出装置11内の回路等の動作を制
御する装置である。

第３図は垂直方向位置検出装置14の取付け状態を示す
斜視図である。同図において、位置指示器12p,12qは一
定の間隔Ｄをもって配設されており、その間隔Ｄの中間
に位置、即ち位置指示器12p,12qの双方から距離ｄの位
置に位置させて支柱15が垂設してある。この支柱15は角
柱状をしており、一側面をガイド面40としてある。この
支柱15の形状は角柱状に限らず、後述するようにスライ
ダ16の移動量が検出できるものであれば、他の形状であ
っても構わない。ただし、支柱15の形状を円柱などにし
てスライダ16がこの支柱15を中心にして回動できるよう
にした場合には、後述するように２つの位置指示器12p,
12qを含む垂直面に対してプローブ17の方向が常に一定
の角度となるようにしておく必要があり、従ってスライ
ダ16の回動に連動して位置指示器12p,12qも支柱15を中
心にして旋回できる構造にする必要がある。あるいは、
プローブ17の方向と上記垂直面とがなす角度を常に検出
できるようにしておくものであっても構わない。このよ
うにスライダ16を支柱15を中心にして回動可能とすれ
ば、被測定物４の三次元座標を測定する際にプローブ17
の方向を変更でき、ベース13の位置を一定にしたまま広
範囲の測定を行えるので便利である。

そして、スライダ16に取付けたプローブ17の先端は、
中心線Ｏに対して距離Ｌの位置となる。

第４図は、スライダ16に内蔵する変換装置18を示す図
である。変換装置18は、減速機構41とエンコーダ42とを
有しており、この減速機構41の回転子43を支柱15に設け
られたガイド面40に当接させ、減速機構41の機械出力端
にエンコーダ42を取り付けてある。エンコーダ42の出力
はリード線44を介して出力コネクタ45に接続されてい
る。そして、スライダ16を移動させると回転子43が回転
し、該回転が減速機構41を介して適宜に減速されてエン
コーダ42に伝えられる。エンコーダ42は、その回転に応
じてスライダ16の移動量、即ち垂直位置信号を出力す
る。なお、支柱15とスライダ16とは、いわゆるデジタル
ノギスに類似する構造であって構わない。

次に、プローブ17の先端の二次元位置信号を求めるた
めの原理を第５図（Ｉ）ないし（IV）、第６図を参照し
て説明する。

まず、プローブ17の先端と位置指示器12p,12qとの位
置が異なるため、プローブ17の先端の二次元位置を得る
ための原理を説明する。

第５図（Ｉ）に示すように位置指示器12p,12qの座標
を（x₁,y₁），（x₂,y₂）とすると、これら位置指示器12
p,12qを結ぶ直線ｒ上のＯ点の座標は〔（x₁＋x₂）/2,
（y₁＋y₂）/2〕となる。直線ｒ上の点Ｏから垂線を引い
て長さＬとなる点をプローブ17の先端Ｐとして、この点
Ｐを（x,y）とおく。そして、直線ｒの傾きｍは、 ｍ＝（y₂−y₁）／（x₂−x₁） ……… 線分POの傾きＭは、ｒ⊥POなどで、ｍ・Ｍ＝−１であ
るから、 Ｍ＝−（x₂−x₁）／（y₂−y₁） ……… ここで、第５図（II）に示すように、ΔPROについて
考える。辺PRを１とすると、辺ORは、−（x₂−x₁）／
（y₂−y₁）となり、−（x₂−x₁）／（y₂−y₁）をｂとお
くと、斜辺OPは、 となる。

そこで、ΔPROの斜辺 を全辺を除算すると、第５図（III）に示すように、辺P
Rは、 となり、辺ORは となる。

さらに、第５図（III）の全辺にプローブ17の長さＬ
を乗じると、第５図（IV）に示すように、斜辺OPはＬ、
辺PRは となり、辺ORは となる。

上述の内容は、直線ｒに直交する直線上であって直線
ｒ上の点Ｏから距離Ｌのところにある点を求めたのであ
るが、当該点は第５図（Ｉ）に示すように、ＰとＰ′の
２点が存在することになる。すなわち、プローブ17の指
向した方向によってＰまたはＰ′の点を指示することに
なる。

点Ｏの座標に辺PRの長さ を減算するとｘが、点Ｏの座標に辺ORの長さ を減算すればｙが、また点Ｏの座標に辺PRの長さ を加算するとｘ′が、点Ｏの座標に辺ORの長さ を加算すればｙ′が、それぞれ求められる。これは、位
置指示器12p,12qが二点であるために生じる。被測定物
４の形状を測定するためには、Ｐ、Ｐ′のいずれの点が
真の測定点であるのかが求められなければならない。

第６図に示すように、二次元位置検出装置11の一隅を
原点（0,0）とし、対隅を最大点（x_max,y_max）とし、そ
の中間点を基準点Ｃとすれば、Ｃは（x_max/2,y_max/2）
となるとともに、測定を行う場合には、被測定物４をこ
の基準点Ｃ上に載置するものとする。

そして、測定に際して、前述のようにして得られたＰ
（x,y）とＰ′（ｘ′,y′）とを比較して、Ｃ（x_max/2,
y_max/2）点に近い方の値を有するものを選択すればよ
い。

第７図は、測定の方法を説明する図である。被測定物
４は、その中心を基準点Ｃに一致するようにおく。そし
て、例えば、被測定物４の周面の垂直方向に測定ライン
J₁、J₂、……Jnを決定する。また、各測定ラインJ₁、
J₂、……Jnごとに垂直位置測定点P₁、P₂、……Pmを決定
する。垂直方向位置検出装置14のプローブ17を測定ライ
ンJ₁の垂直位置測定点P₁、P₂、……Pmに当接させる。こ
のときの位置指示器12p,12qの位置を二次元位置検出装
置11により二次元位置信号として出力する。また、この
ときの垂直方向の位置を、垂直方向位置検出装置14によ
り検出して垂直位置信号を出力する。こうして、測定が
終了したところで、垂直方向の測定ラインJ₂にずらし、
再び上記測定を行う。そして、被測定物の全周面（360
度）、あるいは所定の測定面積を計測したところで測定
を終了し、測定の結果得られた信号の処理を処理装置20
で行うことにより三次元座標を得ることができる。

このような実施例によれば、環境条件を選ぶことなく
使用できるとともに、測定できない点が存することがな
い。

第８図は、この発明に係る三次元座標入力装置の他の
実施例を示す斜視図である。

第８図に示す実施例が第一実施例と異なるところは、
プローブの形状である。プローブ17′は、自由に形状を
選べるので、図示形状のようにすることにより、被測定
物４が円筒形状をしていても、その内周面を測定するこ
とができる。

また、プローブ17、17′の水平方向の長さを伸縮自在
なものとし、その伸縮量を測定して信号として処理装置
20に入力できるようにすれば、測定の際にベース13を一
定にしたままで垂直位置測定点P₁、P₂、……Pmを連続し
て測定できる。

この実施例では、二次元位置検出装置11として第２図
に示すような装置を用いたものについて説明したが、他
の手段による二次元位置検出装置を用いて二次元位置を
検出するものであっても構わない。

また、位置指示器12p,12qが２つのものについて説明
したが、３つ以上であっても構わず、３つの位置指示器
が同一直線上にないように配設すれば、前述したように
測定されるべき点が複数存することがないので、処理装
置での演算処理がより迅速に行える。

〔発明の効果〕

以上説明したように、この発明に係る三次元入力装置
によれば、位置指示器で指示した二次元位置を二次元位
置検出装置で検出するとともに、垂直方向位置検出装置
により垂直位置信号を得られるので、あらゆる測定点に
おいて三次元座標を得ることができる。

また、機械的に三次元座標を得ているので、温度等の
外部環境に影響されることがない。

さらに、機械的に半固定の状態で測定するので、測定
点が変動等することがなく精密に測定できる。

加えて、垂直位置信号は、支柱に沿って移動した移動
量を変換装置で減速し電気信号に変換するようにしてあ
るので、正確なものとなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明に係る三次元座標入力装置の実施例
を示す斜視図である。第２図は、同実施例で用いるのに
適した二次元位置検出装置の概略を示す斜視図である。
第３図は、位置指示器と垂直方向位置検出装置の位置関
係を示す一部破断して示す斜視図である。第４図は、垂
直方向位置検出装置の変換装置の概略構成を示す説明図
である。第５図は、プローブの先端の座標を位置指示器
の指示点から求める原理を説明するために示す説明図で
ある。第６図は、位置指示器が二点であることによるプ
ローブ先端の座標を決定する原理を説明するために示す
説明図である。第７図は、本装置を使用して被測定物を
測定するための方法の説明図である。第８図は、本発明
の他の実施例を示す斜視図である。 第９図は従来の三次元座標入力装置の原理を示す説明図
である。第10図は、従来の三次元座標入力装置による測
定の不都合を説明するための図である。 10……三次元座標入力装置 11……二次元位置検出装置 12p,12q……位置指示器 13……ベース、14……垂直方向位置検出装置 15……支柱、16……スライダ 17……プローブ、18……変換装置

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】二次元上の少なくとも二点を指示する位置
   指示器と、前記位置指示器により指示された位置を検出
   し二次元位置信号として出力する二次元位置検出装置
   と、前記位置指示器に設けられ二次元位置検出装置の二
   次元測定面に対して垂直方向の位置を検出して垂直位置
   信号を出力する垂直方向位置検出装置と、前記二次元位
   置検出装置および垂直方向位置検出装置からの各信号を
   処理して記憶・表示する処理装置とにより構成したこと
   を特徴とする三次元座標入力装置。
2. 【請求項２】前記垂直方向位置検出装置は、前記位置指
   示器に設けた支柱と、前記支柱に沿って摺動するスライ
   ダと、前記スライダに設けたプローブと、スライダの移
   動量を電気信号にする変換装置とから構成したことを特
   徴とする請求項１記載の三次元座標入力装置。