JP2007315815A - 三次元変位計測システム - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定対象物の６自由度の挙動の計測が的確に行え、安価で且つ小型化を図り得ると共に、被測定対象物に取付ける際の位置決めの容易化を図る。
【解決手段】 三次元変位計測システムを構成する三次元変位検出ユニット１４は、そのセンサ本体１を被測定対象物のうち、不動部に取付け、測定子８を、被測定対象物の変動部に取付ける。この状態で、測定子８に上記変動部からの振動や変位を受けると、連結ロッド６が水平軸４を中心として第２の回転部材５を回転し、あるいは連結ロッド６が垂直軸３を中心として、第１の回転部材２を回転する。また、連結ロッド６も測定子８の移動によって伸縮する。すると、第１の回転部材２の回転角は、第１の角度検出器９により、また、第２の回転部材５の回転角は、第２の角度検出器１０により、また、連結ロッド６の伸縮変位量は、変位変換器１１により、それぞれ検出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、三次元変位計測システムに関し、より具体的には、相対変位する被測定対象物の一方および他方に取付け固定し、相対的な三次元の変位を、三次元座標で動的に計測する三次元変位計測システムに関するものである。

２点間の相対変位を三次元座標で動的に測定するシステムとしては、超音波、光、レーザ光などを使用した非接触式のものが存在する。
しかしながら、これらの計測システムは、高い精度が得られる一方、一般に高価であり、寸法も大きいものが多いという難点がある。
一方、従来より存在する接触型の変位計を組み合わせて変位を計測することも可能ではあるが、動的変位の検出が困難であったり、外形寸法上の制約で狭い場所には取り付けられなかったり、測定結果を三次元座標で得るために、取り付けの際の位置決めが難しいなどの問題があった。
例えば、外気と内部流通物質と双方の温度変化によって複雑に変位する配管を三次元方向で測定するのに好適な三次元測定装置が特許文献１（特開平８−２３３５６９号公報）にて提案されている。

この特許文献１に記載の三次元測定装置は、台板上へ定置可能な固定枠体と、断面コ形をなし基辺中央背面に備える垂直軸により固定枠体へ回動可能に支持される回転体Ａと、断面コ形をなし両脚辺で水平軸により回転体Ａの両脚辺に枢着される回転体Ｂと、上記水平軸線に対しこれと直交して回転体Ｂに固着された受管と、上記受管へ進退自在に挿入され先端部が継手を介して被測定対象物に係止可能なロッドと、一端はロッド後端に係止され回転体Ｂに軸支されたプーリと係合し他端が回転体Ｂ上のポテンショメータに係止され附設ばねにより張力を附勢されたワイヤとから構成されている。
この特許文献１に係る三次元測定装置は、固定枠体とロッドと配管に連結された部材（測定子に相当）は、それぞれ、自在継手または水平・垂直軸に対し自由に動かすことができるような２自由度の構成によって接続されている。また、ロッドは、自由に伸縮できる構成となっているので、例えば、機械のフレームとエンジンの相対変化を考えた場合、エンジンの挙動は６自由度であるのに、この三次元測定装置は、３自由度の運動しか検出することができない。
なぜならば、ロッド先端の近傍には、自在継手が介挿されており、この自在継手の上下、左右、回転方向の動きを許容することはできるが、この挙動をセンサによって検出することはできないからである。

特開平８−２３３５６９号公報

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、その第１の目的とするところは、被測定対象物の６自由度の挙動が的確に計測できる三次元変位計測システムを提供することにあり、
第２の目的とするところは、画像によるものや、光、レーザなどを使用した非接触式のものに比べ安価で且つ小型の三次元変位計測システムを提供することにあり、
第３の目的とするところは、被測定対象物に取付ける際の位置決めが容易な三次元変位計測システムを提供することにある。

請求項１に記載した発明に係る三次元変位計測システムは、
上述した第１〜第３の目的を達成するために、
相対変位する被測定対象物の一方に取付け固定されるべきセンサ本体と、
このセンサ本体に対しジンバル機構によって垂直軸と水平軸のまわりに回転２自由度の動作が可能なるように基端が連結されると共に、自身のロッド軸方向に伸縮自在とされた連結ロッドと、
前記連結ロッドの他端に対し自在継手を介して連結され、前記被測定対象物の他方に取付け固定されるべき測定子と、
前記連結ロッドの水平軸および垂直軸を中心とした回転角度をそれぞれ検出する第１の角度検出器および第２の角度検出器と、
前記連結ロッドの伸縮量を検出する変位検出器と
から三次元変位検出ユニットを構成し、３台の前記三次元変位検出ユニットの各々の前記センサ本体を相対変位する前記被測定対象物の一方側の３個所にそれぞれ固定可能となし、
各々の前記測定子を前記被測定対象物の他方側の３個所にそれぞれ固定可能となし、
前記３台の三次元変位検出ユニットの各々の前記第１の角度検出器、各々の前記第２の角度検出器および各々の前記変位検出器から出力される６種の電気信号に基づいて、前記被測定対象物の三次元変位を計測し得るように構成したことを特徴としている。

請求項２に記載した発明に係る三次元変位計測システムの前記ジンバル機構は、前記垂直軸により前記センサ本体に回転可能に支持された第１の回転部材と、前記垂直軸に直交するように設けられた水平軸により前記第１の回転部材に回転可能に支持され、前記水平軸に直交する方向に前記連結ロッドが連結される第２の回転部材とから、構成されていることを特徴としている。
請求項３に記載した発明に係る三次元変位計測システムは、
前記第１の角度検出器および前記第２の角度検出器が、ホール素子を用いたポテンショメータであることを特徴としている。
請求項４に記載した発明に係る三次元変位計測システムは、
前記第１の角度検出器および前記第２の角度検出器が、ロータリエンコーダであることを特徴としている。
請求項５に記載した発明に係る三次元変位計測システムの前記変位検出器は、直動型変位計であることを特徴としている。

請求項６に記載した発明に係る三次元変位計測システムの前記変位検出器は、ワイヤ式変位計であることを特徴としている。
請求項７に記載した発明に係る三次元変位計測システムの前記３台の三次元変位検出ユニットは、
前記各々の第１の角度検出器、前記各々の第２の角度検出器および前記各々の変位検出器からそれぞれ出力されるアナログ信号を各別に増幅する３台のアンプと、
これら３台のアンプから出力されるアナログ信号を同じタイミングでデジタル信号に各別に変換する３台のＡ／Ｄ変換器と、
これら３台のＡ／Ｄ変換器から各別に出力されるデジタル信号を受け、三次元座標系に変換して変位方向、変位量を算出する演算手段と、
を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、
相対変位する被測定対象物の一方に取付け固定されるべきセンサ本体と、
このセンサ本体に対しジンバル機構によって垂直軸と水平軸のまわりに回転２自由度の動作が可能なるように基端が連結されると共に、自身のロッド軸方向に伸縮自在とされた連結ロッドと、
前記連結ロッドの他端に対し自在継手を介して連結され、前記被測定対象物の他方に取付け固定されるべき測定子と、
前記連結ロッドの水平軸および垂直軸を中心とした回転角度をそれぞれ検出する第１の角度検出器および第２の角度検出器と、
前記連結ロッドの伸縮量を検出する変位検出器と
から三次元変位検出ユニットを構成し、３台の前記三次元変位検出ユニットの各々の前記センサ本体を相対変位する前記被測定対象物の一方側の３個所にそれぞれ固定可能となし、
各々の前記測定子を前記被測定対象物の他方側の３個所にそれぞれ固定可能となし、
前記３台の三次元変位検出ユニットの各々の前記第１の角度検出器、各々の前記第２の角度検出器および各々の前記変位検出器から出力される６種の電気信号に基づいて、前記被測定対象物の三次元変位を計測し得るように構成したので、第１に、複雑に変化する被測定対象物の６自由度の挙動が的確に計測することが可能であり、第２に、画像によるものや光、レーザ光などを使用する、いわゆる非接触式の従来のものに比べて格段に安価であり且つ小型化が可能であり、第３に、被測定対象物に取付ける際の位置決めが容易な三次元変位計測システムを提供することができる。

請求項２に記載の発明によれば、
前記ジンバル機構は、前記垂直軸により前記センサ本体に回転可能に支持された第１の回転部材と、前記垂直軸に直交するように設けられた水平軸により前記第１の回転部材に回転可能に支持され、前記垂直軸に直交する方向に前記連結ロッドが連結される第２の回転部材とから、構成されているので、簡素で且つ安価な構成で、上記請求項１に記載の発明の効果を奏する三次元変位計測システムを提供することができる。
請求項３に記載の発明によれば、
前記第１の角度検出器および前記第２の角度検出器は、ホール素子を用いたポテンショメータであるので、高応答で且つ高精度で再度対応した検出信号を得る三次元変位計測システムを提供することができる。

請求項４に記載の発明によれば、
前記第１の角度検出器および前記第２の角度検出器は、ロータリエンコーダであるので、安価な上、分解能の高いものを使用し得る三次元変位計測システムを提供することができる。
請求項５に記載の発明によれば、
前記変位検出器は、直動型変位計であるので、連結ロッドの摺動が円滑で、高い応答性が得られる三次元変位計測システムを提供することができる。
請求項６に記載の発明によれば、
前記変位検出器は、ワイヤ式変位計を用いているので、長大の変位にも対応し得る三次元変位計測システムを提供することができる。

請求項７に記載の発明によれば、
前記３台の三次元変位検出ユニットは、前記各々の第１の角度検出器、前記各々の第２の角度検出器および前記各々の変位検出器からそれぞれ出力されるアナログ信号を各別に増幅する３台のアンプと、
これら３台のアンプから出力されるアナログ信号を同じタイミングでデジタル信号に各別に変換する３台のＡ／Ｄ変換器と、
これら３台のＡ／Ｄ変換器から各別に出力されるデジタル信号を受け、三次元座標系に変換して変位方向、変位量を算出する演算手段と、
を有するので、複雑に変位する被測定対象物の６自由度の挙動が電気的に即座に計測し得る三次元変位計測システムを提供することができる。

以下、本発明の実施の形態に基づき、図面を参照して本発明の三次元変位計測システムを詳細に説明する。
図１は、本発明の三次元変位計測システムのうちの三次元変位検出ユニットの第１の実施の形態を示す斜視図である。
図１において、１は、センサ本体であって、図面は省略して描いているが、少なくとも１つの壁面が開口された箱体を呈し、被測定対象物に取付けるための取付部を有している。
２は、垂直軸３によりセンサ本体１に回転可能に支持された第１の回転部材である。この第１の回転部材２には、上記垂直軸３と互いに直交するように水平軸４が設けられ、この水平軸４により第１の回転部材２に回転可能に第２の回転部材５が設けられている。この第２の回転部材５には、水平軸４に直交する方向に延びるように、連結ロッド６の外管部６ａが固定されている。この外管部６ａの内部に心棒部６ｂが出入自在に嵌合され、特に外管部６ａの内部には、心棒部６ｂとの間の摩擦を減少させるため、ベアリングが内装されており、心棒部６ｂは、外管部６ａ内を軽快に摺動し得るように構成されている。

連結ロッド６の先端側、即ち、心棒部６ｂの先端部には、自在継手７（例えば、ボールジョイント）を間に介して、測定子８が連結されている。
このように、センサ本体１対し、垂直軸３と水平軸４のまわりに回転２自由度の動作が可能なるように構成された機構部分をジンバル機構と称する。
即ち、図１において、センサ本体１、垂直軸３に支持された第１の回転部材２と水平軸４によって支持された第２の回転部材５と、連結ロッド６が取付けられる第２の回転部材５の部分を含めてジンバル機構ということとする。
このように構成されたジンバル機構には、各種の検出器が設置される。
垂直軸３には、第１の角度検出器９の回動軸が連結され、第１の角度検出器９の本体ケース側は、センサ本体１に固定される。
この第１の角度検出器９は、応答性の速いホール素子を用いたポテンショメータが用いられる。但し、このポテンショメータの代わりに、比較的安価で、低分解能のものから高分解能のものまで幅広く選択し得るロータリエンコーダを用いてもよい。

また、水平軸４には、第２の角度検出器１０の回動軸が連結され、第２の角度検出器１０の本体ケース側は第１の回転部材２に固定される。
この第２の角度検出器１０は、第１の角度検出器９と同様にホール素子を用いたポテンショメータやロータリエンコーダが用いられる。
第２の回転部材５の頂部には、変位検出器１１の本体ケース側が取付けられており、この本体ケース側から連結ロッド６に沿ってワイヤ１２が引き出され、そのワイヤ１２の先端は、連結ロッド６の心棒部６ｂに設けられた固定部材１３に固定されている。
変位検出器１１の本体ケース内には、ワイヤ１２を巻取る巻取りドラムと、この巻取りドラムに対し、常にワイヤ１２を巻込む方向の復原力を付与するうず巻ばねが内蔵されており、そのため、ワイヤ１２は、心棒部６ｂが伸長すれば、本体ケース内から繰り出され、反対に、心棒部６ｂが収縮すれば、上記うず巻ばねの復原力によって、繰り込まれる。

この変位検出器１１は、上記巻取りドラムの回転軸と一体に回転するロータリエンコーダを有している。但し、ロータリエンコーダに代えて、可変抵抗器を用い、例えば摺動ブラシを、巻取りドラムと一体に回動させるようにしてもよい。
このように構成された三次元変位検出ユニット１４は、センサ本体１が被測定対象物（図示せず）、例えば自動車を例にすれば、不動部とみなせる架台にねじ止め等の緊締手段をもって強固に取付け、固定され、測定子８が変動（変位）部となるエンジンの一部にねじ止め等の緊締手段をもって強固に取付け固定される。この状態で、エンジンが振動あるいは変位をすると、その変位が連結ロッド６からジンバル機構である第２の回転部材５を水平軸４を中心として、回動させて、その回動量が第２の角度検出器で検出され、さらに、この第２の回転部材２を介して第１の回転部材２を垂直軸３を中心として回動させてその回動量が第１の角度検出器９で検出され、さらに、測定子８と、第２の回転部材５との間の距離（長さ）の変動が、変位検出器１１によって検出され、いわゆる２角度１変位が検出される。

図２は、本発明に係る三次元変位計測システムの一部を構成する三次元変位検出ユニットの第２の実施の形態を示すもので、このうち図２の（ａ）は、左側面図、（ｂ）は、正面図である。
図２において、２１は、センサ本体であって、少なくとも１つの壁面が開口されたカバー部材２１ａで覆われており、被測定対象物の不動部１５に取付けるための取付フランジ部２１ｂを有している。
２２は、水平軸２３によりセンサ本体２１に回転可能に支持された第１の回転部材である。
この第１の回転部材２２には、上記水平軸２３と互いに直交するように垂直軸２４が設けられ、この垂直軸２４により第１の回転部材２２に回転可能に第２の回転部材２５が設けられている。
この第２の回転部材２５には、水平軸２３に直交する方向に延びるように、連結ロッド２６の外管部２６ａが固定されている。この外管部２６ａの内部に心棒部２６ｂが出入自在に嵌合され、特に、外管部２６ａの内部には心棒部２６ｂとの間の摩擦を減少させるため、ベアリングが内装されており、心棒２６ｂは、外管部２６ａ内を軽快に摺動し得るように構成されている。

連結ロッド２６の先端側、即ち、心棒部２６ｂの先端部には、自在継手（例えば、ボールジョイント）２７を間に介して測定子２８が連結されている。
このように、センサ本体２１、水平軸２３に支持された第１の回転部材２２と垂直軸２４によって支持された第２の回転部材２５と、連結ロッド２６が取付けられた第２の回転部材２５の部分を含めてジンバル機構ということとする。
このように構成されたジンバル機構には、各種の検出器が設置される。
水平軸２３には、第１の角度検出器２９の回動軸が連結され、第１の角度検出器２９の本体ケース側は、センサ本体２１に固定される。
この第１の角度検出器２９は、応答性の速いホール素子を用いたポテンショメータが用いられている。但し、このポテンショメータの代わりに、比較的安価で、低分解能のものから高分解能に至るものまで幅広く選択し得るロータリエンコーダを用いてもよい。

また、垂直軸２４には、第２の角度検出器３０の回動軸が連結され、第２の角度検出器３０の本体ケース部側は、第２の回転部材２５に固定される。
この第２の角度検出器３０は、第１の角度検出器２９と同様のものが用いられる。
第２の回転部材２２の外管部２６ａの頂部には、変位検出器３１の本体ケースが取付けられており、この本体ケース側から連結ロッド２６に沿って、変位伝達棒３２が延設され、その変位伝達棒３２の先端は、心棒部２６ｂに固定部材３３をもって連結固定される。
この第２の実施の形態における変位検出器３１は、直動型変位計が用いられる。
この直動型変位計は、ロッドの伸縮によって変位を検出する棒状の変位変換器のことをいう。
このように構成された三次元変位検出ユニット３４は、センサ本体２１が被測定対象物、例えば、自動車を例にすれば、不動部１５とみなせる架台にねじ止め等の緊締手段をもって強固に取付け、固定され、測定子２８が変動（変位）部１６となるエンジンの一部にねじ止め等の緊締手段をもって強固に取付け固定される。この状態で、エンジンが振動あるいは変位をすると、その変位が連結ロッド２６からジンバル機構である第２の回転部材２５を、垂直軸２４を中心として回動させて、その回動量が第２の角度検出器３０で検出され、さらに、この第２の回転部材２５を介して第１の回転部材２２を水平軸２３を中心として回動させてその回動量が第１の角度検出器２９で検出され、さらに、測定子２８と第２の回転部材２５との間の距離（長さ）の変動が、変位検出器３１によって検出され、いわゆる２角度１変位が検出される。

図３は、上記第１の実施の形態に係る三次元変位検出ユニット１４または第２の実施の形態に係る三次元変位検出ユニット３４を三次元座標系にあてはめた概念図である。
以下、本発明の作用につき、第１の実施の形態を代表して説明する。
図３および図４に示す直交三次元座標系Ｘ、Ｙ、Ｚにおいて、センサ本体１側にある連結ロッド６の運動支点を原点Ｏとし、連結ロッド６の先端部に連結した測定子８の中心（自在継手がボールジョイントであれば、その中心）を測定点Ａとする。ＸＹ座標の平面上に測定点Ａを垂直投影した点をＢとしたとき、直線Ｏ−Ａと直線Ｏ−Ｂが成す角をαとする。
また、直線Ｏ−ＢとＹ軸が原点Ｏで成す角度をβとする。さらに、原点Ｏとすると、これら２つの角度α、βと連結ロッド６の長さであるＯ−Ａの長さＬを随時計測することで、測定点Ａの位置を特定することができる。

即ち、図４に示す直交三次元座標系を用いて説明すると、測定点Ａの座標（ｘ、ｙ、ｚ）は、
ｘ＝Ｌ′・sinβ＝Ｌ・cosα・sinβ （１）
ｙ＝Ｌ′・sinβ＝Ｌ・cosα・cosβ （２）
ｚ＝Ｌ・sinα （３）
の（１）〜（３）式で表される。
ここで、適用例として原動機を載置した架台の上に防振機構を介して原動機が設置され、運転時の架台と原動機の動的な相対変位を計測する場合を例として説明する。原動機の挙動は、三次元座標系におけるＸ、Ｙ、Ｚ方向の変位３自由度と、各軸周りの回転３自由度、合計６自由度で表せるのに対し、第１の実施の形態の三次元変位検出ユニット１４は、回転２自由度と変位１自由度の合計３自由度の計測ができるようになっており、三次元変位検出ユニット１４の１台だけでは被測定対象物、この適用例では架台に対する原動機の完全な挙動の把握はできない。

なぜならば、連結ロッド６先端の測定子８の中心にはボールジョイントが組み込まれており、このボールジョイントでさらに３自由度の動作をするが、この３自由度の運動は検出することができないからである。
そこで、測定子８の内部にも軸ＯＡを含む直交３軸（Ｘ′、Ｙ′、Ｚ′）の各軸まわりの回転角度を検出する角度検出器を内蔵させればさらに３自由度の運動を計測でき、５個の角度検出器と１個の変位計によって、全体で６自由度の計測が可能になる。しかしながら、一般的に廉価な方法でこれを実現させると、測定子８が大きくなり、計測の際に設置の邪魔になることが予想される。よって、これに代わる別の方法として、本発明者らは、３自由度の運動を検出する三次元変検出ユニットを複数台使用する方法を創案した。即ち、１対の被測定対象物と不動部、例えばフレームとエンジンとの間に２台の三次元変位検出ユニットを取り付けることで５自由度の挙動が、３台の三次元変位検出ユニットを取り付けることで、６自由度の挙動が計測できるようになる。

３台の三次元変位検出ユニットを１対の被測定対象物と不動部に取り付けるということは、被測定対象物における測定点が３点設置されるということであり、この３点を通る仮想の面が被測定対象物に形成されることになる。それぞれの測定点の挙動は、それぞれの三次元変位検出ユニットによって計測された三次元座標で把握できる。よって、被測定対象物の３点の測定点で定義される面の挙動も、３台の三次元変位検出ユニットで得た３点の測定点の座標で把握できることになり、結果的に３台の三次元変位検出ユニットによって６自由度の挙動が計測できるようになる。

これを図６を用いて具体的に説明する。ここでは、三次元変位検出ユニットとして、第２の実施の形態に係る三次元変位検出ユニット３４を用いて説明する。架台とその上に載ったエンジンとの相対的な挙動を計測する場合を想定すると、まず架台、即ち、基準となる不動部に、基準三次元座標を設定する。次に、架台に三次元変位検出ユニット３４のセンサ本体２１を固定する。そして三次元変位検出ユニット３４の連結ロッド２６先端の測定子２８を被測定対象物（この事例ではエンジン）の任意の場所に固定する。通常、この場合は、不動部の基準三次元座標と三次元変位検出ユニットの測定値の基準となる測定三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）との間に相対的な角度および位置偏差が生じている。この角度および位置偏差を把握するために、以下の作業を行なう。
三次元変位検出ユニットの測定値の基準となる測定三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）の向きは、三次元変位検出ユニットのセンサ本体２１の数箇所に付与されている参照ポイントを、接触プローブを有した三次元座標測定器で計測することで、各三次元変位検出ユニット３４の三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）の向きと原点位置が特定できるようになっている。

この作業によって、三次元変位検出ユニット３４の三次元座標系の不動部の基準三次元座標系に対する傾きと各座標系の原点位置偏差を知ることができ、三次元変位検出ユニット３４の三次元座標系で表された測定ポイントの三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）を、不動部の基準三次元座標（Ｘ,Ｙ,Ｚ）に換算することができる。
この作業によって、３台の三次元変位検出ユニット３４によって得られた３つの測定ポイントの三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）の測定値を、すべて不動部の基準三次元座標上に表すことができ、３つの三次元変位検出ユニット３４によって得られた３箇所の測定ポイントの三次元座標（ｘ、ｙ、ｚ）測定値を、すべて基準となる不動部に設定したＸＹＺ座標上で表すことができる。
また、三次元座標測定器の測定座標系の向きを、不動部の基準三次元座標系と同一になる様に設置しておけば、三次元座標系の傾きを補正する作業は不要となる。
このように、被測定対象物の挙動を、３箇所の測定ポイントによって定義された仮想面の挙動を把握することで、不動部の基準三次元座標系で表すことができる。
これらの用途に対応すべく、本発明に係る三次元変位計測システムの計測部は、最大３台の三次元変位検出ユニットを接続し、同期させて計測することが可能になっている。

因に、図５に示すように、１対の測定対象物と不動部の間に２台の三次元変位検出ユニット３４，３４を取り付けた場合は、６自由度の挙動、即ち、図５であらわした三次元座標Ｘ、Ｙ、Ｚ各軸方向の変位と各軸まわりの回転のうち、２つの測定子２８，２８の運動中心を通る軸を中心とした回転運動Ｍｘについては、２台の三次元変位検出ユニット３４だけではこの挙動を検出できない。これは、２つの測定子２８，２８の運動中心を通る軸を中心とした回転運動が被測定対象物に発生しても、２台の三次元変位計からはこの挙動に応じた出力が得られないからである。
しかしながら、あらかじめこの２つの測定子の運動中心を通る軸を中心とした回転運動が構造的に発生しないことがわかっているような環境であれば、三次元変位検出ユニット３４を２台だけ設置すればよい。

図７は、上述した第２の実施の形態に係る三次元変位検出ユニット３４の概略構成を示すブロックダイアグラムである。
上述したように三次元変位検出ユニット３４の第１の角度検出器２９と第２の角度検出器３０と変位検出器３１からそれぞれ出力されるアナログ検出信号は、測定部３５に入力される。
測定部３５に設けられた電源部３９からは、センサ部に電源を供給すると共に、測定部３５のアンプ３６、Ａ／Ｄ変換器３７、インタフェース３８、等の各部に電源を供給する。センサ部から出力された上記３種類のアナログ検出信号は、測定部３５内のアンプ３６により増幅された後、Ａ／Ｄ変換器３７によりデジタル信号に変換され、インタフェース３８によりパソコン（パーソナルコンピュータ）４０に転送するに適する信号に変換してパソコン４０に転送される。パソコン４０においては、制御プログラムが予め格納してなる演算手段としての制御ソフトウエア４１によりデジタル信号に変換された上記検出信号を基に、三次元座標系に変換して、変位方向、変位量が算出される。

図８は、上述した三次元変位検出ユニット３４を３台用いて６自由度の三次元変位を計測するためのブロックダイアグラムを示す。
この場合のブロックダイアグラムは、図７に示すブロックダイアグラムが３つ同時に併用されるものであり、それぞれの構成、作用は、図７と同様であるので省略する。
但し、図８に示すブロックダイアグラムにおいては、各測定部３５、３５′、３５″の間は同期ケーブルで相互に接続され、各アナログ信号が同期して、Ａ／Ｄ変換器３７によって同じタイミングでデジタル信号に変換される。このデジタル信号は、ハブ４２を介してパソコン４０に転送される。
従って、被測定対象物の挙動が激しく変動する動的な変位であっても、的確にその変位の方向および変位量を把握することができる。
尚、これらの計測は、自動的に行われ、その結果、パソコン４０内の図示しない記憶装置に記憶される。そして、各変位データに基づき、計測時刻、などを設定すれば、変位状態を分析することができ、これらは図示はしないが、液晶ディスプレイで確認することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る三次元変位計測システムを構成する三次元変位検出ユニットの斜視図である。 本発明の第２の実施の形態に係る三次元変位計測システムを構成する三次元変位検出ユニットを示すもので、このうち（ａ）は左側面図、（ｂ）は正面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る三次元変位検出ユニットまたは第２の実施の形態に係る三次元変位検出ユニットを、三次元座標系にあてはめた概念図である。 本発明に係る三次元変位検出ユニットにより三次元変位を算出する場合の計測原理を説明するための説明図である。 本発明に係る三次元変位検出ユニットを２台用いて、５自由度の挙動を計測する場合の三次元変位計測システムの構成を示す説明図である。 本発明の一実施の形態に係る三次元変位計測システムの構成を示す説明図である。 本発明の一部を構成する三次元変位検出ユニットのブロック構成を示すブロックダイアグラムである。 本発明の一つの実施の形態に係る三次元変位計測システムのブロックダイアグラムである。

符号の説明

１ センサ本体
２ 第１の回転部材
３ 垂直軸
４ 水平軸
５ 第２の回転部材
６ 連結ロッド
７ 自在継手
８ 測定子
９ 第１の角度検出器
１０ 第２の角度検出器
１１ 変位検出器
１２ ワイヤ
１３ 固定部材
１４ 三次元変位検出ユニット
１５ 不動部
１６ 変動（変位）部
２１ センサ本体
２１ａ カバー部材
２２ 第１の回転部材
２３ 水平軸
２４ 垂直軸
２５ 第２の回転部材
２６ 連結ロッド
２７ 自在継手
２８ 測定子
２９ 第１の角度検出器
３０ 第２の角度検出器
３１ 変位検出器
３２ 変位伝達棒
３３ 固定部材
３４ 三次元変位検出ユニット
３５ 測定部
３６ アンプ
３７ Ａ／Ｄ変換器
３８ インタフェース
３９ 電源部
４０ パソコン（パーソナルコンピュータ）
４１ 制御ソフトウエア
４２ ハブ

Claims (7)

1. 相対変位する被測定対象物の一方に取付け固定されるべきセンサ本体と、
   このセンサ本体に対しジンバル機構によって垂直軸と水平軸のまわりに回転２自由度の動作が可能なるように基端が連結されると共に、自身のロッド軸方向に伸縮自在とされた連結ロッドと、
   前記連結ロッドの他端に対し自在継手を介して連結され、前記被測定対象物の他方に取付け固定されるべき測定子と、
   前記連結ロッドの水平軸および垂直軸を中心とした回転角度をそれぞれ検出する第１の角度検出器および第２の角度検出器と、
   前記連結ロッドの伸縮量を検出する変位検出器と
   から三次元変位検出ユニットを構成し、３台の前記三次元変位検出ユニットの各々の前記センサ本体を相対変位する前記被測定対象物の一方側の３個所にそれぞれ固定可能となし、
   各々の前記測定子を前記被測定対象物の他方側の３個所にそれぞれ固定可能となし、
   前記３台の三次元変位検出ユニットの各々の前記第１の角度検出器、各々の前記第２の角度検出器および各々の前記変位検出器から出力される６種の電気信号に基づいて、前記被測定対象物の三次元変位を計測し得るように構成したことを特徴とする三次元変位計測システム。
2. 前記ジンバル機構は、
   前記垂直軸により前記センサ本体に回転可能に支持された第１の回転部材と、
   前記垂直軸に直交するように設けられた水平軸により前記第１の回転部材に回転可能に支持され、前記水平軸に直交する方向に前記連結ロッドが連結される第２の回転部材
   とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の三次元変位計測システム。
3. 前記第１の角度検出器および前記第２の角度検出器は、ホール素子を用いたポテンショメータであることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元変位計測システム。
4. 前記第１の角度検出器および前記第２の角度検出器は、ロータリエンコーダであることを特徴する三次元変位計測システム。
5. 前記変位検出器は、直動型変位計であることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元変位計測システム。
6. 前記変位検出器は、ワイヤ式変位計であることを特徴とする請求項１または２に記載の三次元変位計測システム。
7. 前記３台の三次元変位検出ユニットは、前記各々の第１の角度検出器、前記各々の第２の角度検出器および前記各々の変位検出器からそれぞれ出力されるアナログ信号を各別に増幅する３台のアンプと、
   これら３台のアンプから出力されるアナログ信号を同じタイミングでデジタル信号に各別に変換する３台のＡ／Ｄ変換器と、
   これら３台のＡ／Ｄ変換器から各別に出力されるデジタル信号を受け、三次元座標系に変換して変位方向、変位量を算出する演算手段と、
   を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の三次元変位計測システム。

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