JP4242326B2 - 三次元スキャニングシステム用駆動装置及び、これを用いた歯牙コンピュータモデリング用三次元スキャニングシステム - Google Patents

Description

本発明は、４軸駆動部により歯牙の石膏モデルが取付けられたテーブル治具（ｔａｂｌｅ ｊｉｇ）に対するティルト、回転、及びメイン回転の３自由度と、位置設定用直線駆動の１自由度とを確保することにより、歯牙の石膏モデルの姿勢（ｐｏｓｔｕｒｅ）をどのような姿勢にも変換することができ、スキャニング作業の効率を高めた三次元スキャニングシステム用駆動装置及び、これを用いた歯牙のコンピュータモデリング用非接触式三次元スキャニングシステムに関する。

一般的に、歯科で行われる歯牙の矯正治療は、非正常的な歯牙の配列により生じる歯牙の機能的な障害（噛むとき音が出る、食べ物を切れない、発音障害等）と、審美的な障害（しゃくれ顎、八重歯、うちまがりの歯）とを治療する過程を示す。

前記のように、非正常的な歯牙の配列により生じる歯牙の機能的な障害や、審美的な障害を治療する場合に、歯牙の矯正治療において必要な歯牙の形態を測定して分析するための三次元形状データを得るために、主に三次元スキャニング方法を使用する。

このような歯牙の矯正治療は、１）治療の開始点で、患者の歯牙の石膏モデルを制作して歯牙の位置と傾き等のような形状データを獲得測定した後、２）これらの歯牙の非正常的な歯牙配列を理想的な配列に変えるための矯正方法を確定し、３）矯正用ブラケットを歯牙に取付けて矯正する、順番で進められる。

しかしながら、歯牙形状データの測定（歯牙の位置と傾きの測定）において、既存の方法は、熟練した技術者が手作業で三次元の歯牙の石膏モデルの形状データを測定したため、その精密度が劣り、多くの時間と努力が要求された。さらに、矯正が終わるまで多くの石膏モデルを数年間保管しなければならないため、広い保管所が必要になり、保持管理においても不都合があった。

このような前記の問題点を解決するために、患者の歯牙の石膏モデルを三次元スキャナーでスキャニングしてコンピュータモデル化し、コンピュータ上で三次元の形状データを取り出し、コンピュータデータの形式で石膏モデルを保管することができる三次元スキャニングシステムが提案された。

三次元スキャニングシステムは、歯牙矯正の際、歯牙の石膏モデルを手作業で測定し治療していた従来の方式から脱皮して、三次元の座標測定システムを使って石膏モデルを分析してコンピュータ内部的にデータを処理することにより、歯牙矯正に必要な形状データを既存手作業方式より速く、正確に測定することを目標としている。

一方、歯牙矯正のために被測定対象となる歯牙の石膏モデルは、形状が非常に複雑であり、表面の曲がりが激しく、全体形状と大きさがほぼ一定である。なお、材質と色がほぼ一定である特徴を持っている。かかる歯牙の石膏モデルを測定するにおいての特徴は、歯科医療用として重要な部分とそうではない部分とを区別し、測定時間が最大に短く、測定の結果を得るまで医者らからの入力を最小化することが望ましい。

さらに、測定された形状データは、歯科医療用として使用されるために、測定密度が十分高く、歯牙の三次元コンピュータグラフィックモデルを生成することができるよう測定点の位置と間隙等を選択することが可能で、測定点から医療用形状データを取り出すことができる特徴を持っている。

既存の汎用三次元スキャナーとしては、非接触式三次元スキャナーと接触式三次元スキャナー等があるが、このような既存の三次元スキャナーを用いた歯牙の石膏モデルの測定においては、次のような特徴と問題点を抱えている。

１．非接触式三次元スキャナー
非接触式三次元スキャナーとしては、レーザ距離センサーを３軸方向に直線駆動させるスキャナーと、レーザスリットとカメラとを用いるスキャナーとがある。まず、レーザ距離センサーを用いる三次元スキャナーは、図１のように歯牙の石膏モデルの下向きの測定面２ａと、図２のように垂直測定面２ｂとを、測定するのが難しい。したがって、被測定物の姿勢を変えて原点を決めてから再び測定する必要があるため、測定の時間が長くなってしまい、熟練した技術が必要になる。さらに、測定物の形状にしたがってＺ軸を動かす必要があり、医療用に必要な形状データを取り出すために高価な逆設計プログラムを使用しなければならない。

前記レーザスリットとカメラとを用いるスキャナーは１自由度の直線駆動をするスキャナーであって、図３のように被測定物の形状が複雑な場合、歯牙の石膏モデル３自体の形状によりカメラ４の視野が遮られて測定不可能な部分が生じてしまい、医療用に必要な形状データを取り出すために高価な逆設計プログラムを使用しなければならない。

２．接触式三次元スキャナー
接触式三次元スキャナーは、測定プローブ（ｐｒｏｂｅ）をｘ、ｙ、ｚの３軸方向に直線駆動させて物体に接触させることにより接触点の三次元座標を得る接触式３自由度のスキャナーであって、測定プローブの大きさより小さくて微細な曲がりを測定することができない。さらに、接触式三次元スキャナーは、図１のように、下向きの測定面２ａは測定しにくいため、非測定物の姿勢を変えて原点を決めてから再び測定しなければならず、測定位置を操作者が直接プローブを移動させて測定する必要があるため、時間が長くなり、熟練した技術が必要になる。なお、このシステム装備は高価であり、医療用に必要な形状データを取り出すために高価な逆設計プログラムを使用しなければならない。

前記のように既存の非接触式、接触式の歯牙の石膏モデル測定用三次元スキャナーには、複雑な形態の石膏モデルの場合には測定しにくいという問題点と、熟練した測定技術が必要になり、さらに形状データを取り出すためには高価な逆設計プログラムを必要とする問題点があった。

本出願人は、歯牙の石膏モデルをスキャニングするのにおいて表れた多くの問題点を解決しながら、効率的に歯牙の石膏モデルをスキャニングして別途の逆設計プログラムなしで、コンピュータモデルを生成することができる、歯牙のコンピュータモデリング用三次元スキャナーシステムを特許文献1において提案したことがある。
韓国特許第３８２９０５号明細書

前記特許文献1においての非接触式三次元スキャナーは、３軸で構成された駆動部により歯牙の石膏モデルを支持するターンテーブルに対する回転（Ｒｏｔａｔｉｏｎ）及びティルティング（Ｔｉｌｔｉｎｇ）の２自由度と、モデルの位置設定のための直線移動（Ｌｉｎｅｒ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ）の１自由度を有している。しかし、前記三次元スキャナーは、２自由度により歯牙の石膏モデルの姿勢が決められるため、最も測定しにくい部分である臼歯部（奥歯）の舌側面（舌と接する面）の一部を測定しにくく、それにより不必要なスキャン経路が追加されてしまい、スキャニングの時間が増加する問題があった。これについては、後に詳細に説明する。

しかし、上記の先行技術は、臼歯部の舌側面を測定するのにおいて、上記の問題点を効果的に解決できずにいる。

さらに、既存の三次元スキャナーのスキャニング方法を大別すると、被測定物が固定されており、３軸ロボットに測定装置を取付けてスキャンする場合と、被測定物は１軸回転をし、測定装置が１軸直線運動をしてスキャン作業を行う場合と、多軸ロボットに被測定物を取付け、複数の測定装置でスキャンする場合とがあるが、前記の短所がスキャン作業の問題点として表れている。

したがって、本発明は、このような従来技術の問題点を勘案し案出されたもので、その目的は、４軸駆動部により歯牙の石膏モデルが取付けられたテーブル治具に対するティルト（Ｔｉｌｔ）、回転（Ｒｏｔａｔｉｏｎ）、及びメイン回転（Ｍａｉｎ Ｒｏｔａｔｉｏｎ）の３自由度と、位置設定用直線駆動（Ｌｉｎｅｒ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ）の１自由度とを確保することにより、歯牙の石膏モデルの姿勢をどのような姿勢にも変換可能な三次元スキャニングシステム用駆動装置及び、これを用いた歯牙のコンピュータモデリング用非接触式４軸の三次元スキャニングシステムを提供することにある。

本発明の他の目的は、ティルティング駆動部に対するメインローテーション駆動部の回転により、カメラが臼歯部（奥歯）の舌側面（舌と接する面）を含める歯牙の石膏モデルのどのような部分も測定可能な姿勢に設定可能になり、スキャニング自動化が可能な歯牙のコンピュータモデリング用三次元スキャニングシステムを提供することにある。

さらに、本発明の他の目的は、歯牙の石膏モデルを測定するとき、手動測定が要求される姿勢を最小化し、自動測定可能な部分を最大に増加させることにより、スキャン経路の縮小とスキャン時間の短縮によりスキャニング作業の効率を高めた歯牙のコンピュータモデリング用三次元スキャニングシステムを提供することにある。

またさらに、本発明の他の目的は、熟練した操作者が介入せずに、スキャン作業の初期に設定した原点を基準として、被測定物の姿勢を駆動部により自動に変えて測定時間を画期的に短縮できる、自動化された三次元スキャニングシステムを提供することにある。

さらにまた、本発明の他の目的は、歯牙の、所望する任意の位置と姿勢とへの変更を自動に行うことができ、１回のみのスキャニングで精密度の良い測定データを得ることができる自動化された三次元スキャニングシステムを提供することにある。

本発明の第１特徴によると、三次元スキャニングシステム用駆動装置は、被測定物が取付けられるテーブル治具を第１回転の中心軸を中心に回転可能に支持し、両端に各々垂直に設けられた第１及び第２のティルティング支持台を備えたティルティングベッドと、前記ティルティングベッドに設けられテーブル治具を回転駆動させるためのローテーションモーターと、両端に、各々、第１及び第２のティルティング支持台に対応して垂直に設けられた第１及び第２のメインローテーション支持台を備え、前記第１及び第２のティルティング支持台から延びた第１及び第２のティルティングの中心軸をティルティング可能に支持するメインローテーションベッドと、前記メインローテーションベッドに設けられティルティングベッドをティルティングさせるためのティルティングモーターと、前記メインローテーションベッドを第２回転の中心軸を中心に回転可能に支持するための支持フレームと、前記支持フレームに設けられた直線駆動ベッドと、前記直線駆動ベッドに設けられメインローテーションベッドを回転駆動させるためのメインローテーションモーターと、前記直線駆動ベッドを直線移動させるための直線移動手段と、から構成され、前記テーブル治具、ティルティングベッド及びメインローテーションベッドは、それぞれ独立的に駆動され、前記メインローテーションベッドの第２回転の中心軸は、ティルティングベッドとメインローテーションベッドとが互いに平行状態を成すとき、テーブル治具の第１回転の中心軸と同一線上に位置設定されることを特徴とする。

本発明の第２特徴によると、歯牙コンピュータモデリング用三次元スキャニングシステムは、歯牙の石膏モデルが取付けられるテーブル治具と、前記テーブル治具を第１回転の中心軸を中心に回転可能に支持し、両端に、各々、垂直に設けられた第１及び第２のティルティング支持台を備えたティルティングベッドと、前記ティルティングベッドに設けられテーブル治具を回転駆動させるためのローテーションモーターと、両端に各々前記第１及び第２のティルティング支持台に対応して垂直に設けられた第１及び第２のメインローテーション支持台を備え、前記第１及び第２のティルティング支持台から延びた前記第１及び第２のティルティングの中心軸をティルティング可能に支持するメインローテーションベッドと、前記メインローテーションベッドに設けられティルティングベッドをティルティングさせるためのティルティングモーターと、前記メインローテーションベッドを第２回転の中心軸を中心に回転可能に支持するための支持フレームと、前記支持フレームが設けられた直線駆動ベッドと、前記直線駆動ベッドに設けられメインローテーションベッドを回転駆動させるためのメインローテーションモーターと、前記直線駆動ベッドを直線移動させるための直線移動手段と、前記歯牙の石膏モデルが原点に位置するとき、垂直にレーザ光を照射するレーザ光源と、前記歯牙の石膏モデルから反射されたレーザ反射光を撮影するカメラと、前記モーターを制御して歯牙の石膏モデルの位置及び姿勢を変更制御し、前記カメラによって撮影された映像信号を信号処理して形状データを生成するための制御部と、から構成され、前記テーブル治具、ティルティングベッド、メインローテーションベッド、及び直線駆動ベッドは、それぞれ独立的に駆動され、前記メインローテーションベッドの第２回転の中心軸は、ティルティングベッドとメインローテーションベッドとが互いに平行状態を成すとき、テーブル治具の第１回転の中心軸と同一線上に位置設定されることを特徴とする。

この場合、前記第１及び第２のティルティングの中心軸は、互いに一致するとともに直線駆動手段の直線駆動軸と水平に成り、前記直線駆動軸は、テーブル治具の第１回転の中心軸と垂直状態を成す。

本発明のシステムにおいては、前記カメラが、レーザ光源と一定の距離を隔てて直線駆動ベッドの直線駆動軸と同方向の上部に位置設定されているとき、歯牙の石膏モデルの臼歯部の舌側面の測定は、メインローテーションモーターによってティルティングベッドのティルティング中心軸をカメラの受光方向と同一か、あるいはこれに近接する方向に姿勢設定してティルティングベッドをティルティングさせた状態で行われる。

したがって、本発明では、歯牙の石膏モデルにおいての最も測定しにくい臼歯部の舌側面に対する測定も自動測定アルゴリズムにより実行可能になり、歯牙の石膏モデルのほぼ全部分に対する自動測定がなされ得る。

上記のように、本発明においては、歯牙矯正用の歯牙の石膏モデルを三次元にスキャニングするとき、歯牙の石膏モデルの位置と姿勢とを４軸で構成された駆動部を用いて能動的に変換させながら測定することにより、どのような姿勢にも変換可能で、臼歯部の舌側面を含める測定が必要な大部分の位置に対して操作者が介入せずに、正確で、最小限のスキャニング経路で短時間に測定することができる効果を提供する。

さらに、本発明の三次元スキャニングシステムにおいては、歯牙の、所望する任意の位置と姿勢とへの変更が４軸駆動部を通じて自動的に行うことができ、その結果、対象物を一回取付けてスキャニングを進めると、使用者がスキャニング途中に姿勢を変更せずに、さらに一々に点検することや、追加的な作業を必要とせず測定が行われるため、相当な測定時間の短縮によって効率的なスキャニング工程を具現でき、全部分をスキャニングすることができるため何回もスキャニングせずに一回の工程だけで精密度を得られる。

以下、上記の本発明を、好ましい実施形態が示された図面を参考して、さらに詳細に説明する。

添付された図１ないし図３は、一般的なレーザ測定光の照射角と、被測定物の姿勢による測定不可な角度とを説明するための説明図である。

まず、従来の三次元スキャナーを用いて歯牙の石膏モデルを測定するにおいての問題点について、図１ないし図３を参照して詳細に説明する。

従来の三次元スキャナーにおいては、図１のように、歯牙の石膏モデル３の測定面２ａがレーザスリット光１ａの照射方向に対して下向きでレーザスリット光１ａが測定面２ａに届かない場合、図２のように、測定面２ｂとレーザスリット光１ｂとの傾きが激しくて測定面２ｂに照られたレーザスリット光１ｂの厚さが非常に厚くなるため正確な測定が行われない場合、図３のように、測定面２ｃに走査されたレーザスリット光１ｃが物体の別の部分により遮られてカメラ４で見えない場合、測定が容易ではない。

歯牙は、上あごと下あごとに区分され、人が笑うとき、前から見える部分、つまり唇側と、舌が位置している奥側、つまり舌側とに区分される。大体、上あごは、舌側を基準に裏側からみると、図４（Ａ）のように歯牙が唇側（外側）に傾いており、下あごは、図４（Ｂ）のように舌側（内側）に傾いている。

図４（Ａ）のように、外側に歯牙が傾いている上あごの場合、レーザスリット光が届き得、その届いたレーザスリット光をカメラが認識することができるが、図４（Ｂ）のように歯牙が内側に傾いている場合、レーザスリット光が届かないか、届いてもカメラがレーザスリット光が届いた部分を認識することができない場合がある。

特に、図４（Ｂ）に示された下あごの臼歯部の舌側面は、前記の図１と図３における測定が容易ではない２つの場合が複合的に該当する例である。したがって、このような歯牙の石膏モデルの部分を測定する場合には、自動測定ができず人による手動測定に依存し、さらに、システムは構造的に測定姿勢を支援できなかったため、手動測定によっても測定ができない部分があった。

従来の３軸駆動の三次元スキャナー（特許文献１参照）は、図１０のように、原点１００に垂直方向、つまりＺ軸方向（図示せず）に上部に配置されたレーザ光源（図示せず）と、この光源と一定距離を隔てて斜めに上部に配置されたデータ受光部用カメラ４とが固定されている。そして、測定対象物である歯牙の石膏モデル３が、直線駆動部（図示せず）によりカメラ４の光の受光方向と一致する方向（Ｙ軸方向）に動いており、石膏モデル３を支持するテーブル治具５がＺ軸を中心に回転可能であり、なお、テーブル治具５をＸ軸を中心にティルティング駆動させるためのティルティング駆動部６がレーザとカメラ４とをつなぐ方向（つまり、Ｙ軸方向）と直交する方向に固定された構造を持っている。

しかし、前記３軸駆動スキャナーは、図１と図３の場合が複合された石膏モデルの臼歯部の舌側面部分（図４（Ｂ）参照）に対しては測定可能な姿勢を確保できていない。

したがって、臼歯部の舌側面のように、内側に傾いた部分には光の直進性によりレーザスリット光が届かないため、光が届くようにしてカメラで見得るように、図５及び図６のような姿勢が必要である。

さらに、図１の問題を解決するためには、測定面２ａを回してレーザスリット光１ａが測定面２ａにほぼ直角に走査されるようにしなければならず、図３の問題を解消するためには、測定面２ｃに走査されたレーザスリット光１ｃがカメラ４で見えるように石膏モデル３を回すことが必要である。

しかしながら、このような姿勢を具現するためには、ティルティング駆動部６の回転軸、つまりティルティング軸がレーザとカメラ４とをつなぐ方向（以下、「カメラ方向」という）と同一であるか、これと近接する方向に設定可能でなければならないが、前記従来のスキャナーは、ティルティング駆動部６がレーザとカメラ４とを繋ぐ方向と直交する方向に固定された構造を持っているため、要求される姿勢設定を行うことができなかった。

したがって、前記３軸駆動スキャナーは、歯牙の石膏モデル３においての臼歯部の舌側面に対する測定を自動測定アルゴリズムにより遂行することができず、手動操作の測定可能な多くの姿勢により部分的な測定を行わなければならなかった。

以下、本発明の一実施形態による４自由度−４軸駆動部を有する三次元スキャニングシステムを図７ないし図１１を参考して説明する。

図７は、本発明の一実施形態による歯牙モデリング用４軸の三次元スキャニングシステムの全体構成を概略的に示す構成図、図８は、図７における４軸駆動部に対する拡大斜視図、図９は、図７における４軸駆動部でのテーブル治具の位置移動と姿勢変更とを説明するための説明図である。

図７及び図８を参考すると、本発明の一実施形態による４軸で構成された三次元スキャニングシステムは、歯牙の矯正のために必要な歯牙の石膏モデル６０の形状データを測定するために、制御部１０、映像検出部２０及び４軸駆動部５０等から構成される。

歯牙の石膏モデル６０は、テーブル治具５５の上に固定された状態で、４軸駆動部５０によりその位置及び姿勢を変更しながら歯牙の石膏モデル６０に対するスキャニングが行われる。

前記４軸駆動部５０は、テーブル治具５５を回転駆動して歯牙の石膏モデル６０を回転させるためのローテーションモーター（５３：Ｍ２）と、テーブル治具５５とローテーションモーター（５３：Ｍ２）とを支持するティルティングベッド４１をティルティングさせるためのティルティングモーター（５２：Ｍ３）と、前記ティルティングベッド４１とティルティングモーター（５２：Ｍ３）とを支持するメインローテーションベッド４２を回転させるためのメインローテーションモーター（５４：Ｍ４）と、前記メインローテーションベッド４２とメインローテーションモーター（５４：Ｍ４）を支持するベッド支持フレーム４４と直線駆動ベッド３３とを直線移動させるためのリニアモーター（直線モーター）（５１：Ｍ１）と、を含めている。

前記４軸駆動部５０の構成を図８及び図９を参考して、さらに詳しく説明すると次の通りである。

前記テーブル治具５５は、その中心軸Ｃ１がティルティングベッド４１の下部面を貫通しベアリングを収容しているティルティングベッド４１に回転可能に結合されており、ローテーションモーター（５３：Ｍ２）により中心軸Ｃ１を中心に回転される。前記の構造によって、テーブル治具５５はティルティングベッド４１の上部において滑らかに回転することができるのである。

前記ティルティングベッド４１は、下部に位置するメインローテーションベッド４２と独立的にティルティングしなければならないため、ティルティングベッド４１とメインローテーションベッド４２との両端にはそれぞれ垂直に一対のティルティング支持台４１ａ、４１ｂとメインローテーション支持台４２ａ、４２ｂとが立てられており、ティルティング支持台４１ａ、４１ｂとメインローテーション支持台４２ａ、４２ｂとの間にはそれぞれベアリング４３ａ、４３ｂがメインローテーション支持台４２ａ、４２ｂに支持されている。

さらに、ティルティングベッド４１の両端から延びたティルティング中心軸Ｃ２はそれぞれベアリング４３ａ、４３ｂに回転可能に支持されており、両側の２中心軸Ｃ２はメインローテーション支持台４２ａ、４２ｂの円形の孔を貫通して互いに一致するように延びるとともに、リニアモーター（５１：Ｍ１）の直線駆動軸と水平に成り、テーブル治具５５の回転中心軸Ｃ１と垂直状態を成す。

ティルティング中心軸Ｃ２は、メインローテーション支持台４２ａに設けられたティルティングモーター（５２：Ｍ３）により旋回駆動されるように結合され、ティルティングモーター（５２：Ｍ３）の回転時に、テーブル治具５５を支持している前記ティルティングベッド４１をティルティング中心軸Ｃ２を中心にティルティングさせる。

前記テーブル治具５５とティルティングベッド４１とを支持しているメインローテーションベッド４２は、その下部に位置する直線駆動ベッド３３において、ブリッジ形態のベッド支持フレーム４４にベアリングにより、回転中心軸Ｃ３を中心に回転可能に支持され、前記回転中心軸Ｃ３は直線駆動ベッド３３に設けられたメインローテーションモーター（５４：Ｍ４）によって回転駆動される。

前記メインローテーションベッド４２の回転中心軸Ｃ３は、ティルティングベッド４１とメインローテーションベッド４２とが互いに平行状態になるとき、テーブル治具５５の回転中心軸Ｃ１と同一線上に設けられ、テーブル治具５５の回転と独立的に回転される。

前記直線駆動ベッド３３は、その下部面に取付けられた一対のスクリューハウジング３２ａ、３２ｂに固定されており、前記スクリューハウジング３２ａ、３２ｂは、それぞれベース３０に固定されている一対のリニアガイド３１ａ、３１ｂに取付けられて直線移動が可能に支持されており、前記スクリューハウジング３２ａ、３２ｂはスクリュー４５により直線駆動されて前記直線駆動ベッド３３を直線移動させる。

前記スクリュー４５はリニアモーター５１により回転され、前記ベース３０は、レーザダイオード２７と受光用カメラ２９とからなる光学系が、前記駆動部５０のモーター駆動時の振動と外部から加えられる振動とにより影響を受けずに安定的な姿勢を維持するように、できれば高重量の素材からなるのが好ましい。さらに、振動抑制のためにベース３０の下段部にゴムやシリコン等の防振の役割を果たす手段を取付けて振動を最大限に抑制させることが望ましい。

一方、前記リニアモーター５１と、ティルティングモーター５２、ローテーションモーター５３、メインローテーションモーター５４は、それぞれ石膏モデル６０の位置と姿勢を順に変更させるのに適合するステップモーターで構成されるが、一定の距離の範囲内で回転角を制限するために、それぞれのモーターには各々のリミットスイッチ（不図示）が設置されており、制御部１０の制御を受けるモータードライバー１５により駆動される。

前記制御部１０は、図７から示されるように、前記モータードライバー１５に制御信号を印加してモータードライバー１５により各モーター５１〜５４の回転量を制御し、ビデオボード２５に通じて入力される映像信号から歯牙の石膏モデル６０の形状データを取り出す役割を果たす。

前記制御部１０は、モータードライバー１５とのインターフェースのために並列ポートを備えた、周知のパソコン（ＰＣ）を用いて構成され得る。

前記パソコン（ＰＣ）は、周知のハードウエアとソフトウエアとに付加して、モータードライバー１５により各モーター５１〜５４の回転量を制御して石膏モデル６０の位置と姿勢を制御するためのモデル制御プログラムと、ビデオボード２５を通じて入力される映像信号から歯牙の石膏モデル６０の形状データを取り出すための信号処理プログラムとを、例えば、ハードディスクのような貯蔵装置に備える。

前記映像検出部２０は、歯牙の石膏モデル６０にレーザスリット光２１を照射するレーザダイオード２７と、このレーザダイオード２７によって照射されて前記歯牙の石膏モデル６０により反射される反射光を撮影する、例えばＣＣＤ型カメラ２９と、このカメラ２９により撮影された映像信号をグラビング（ｇｒａｂｂｉｎｇ）するビデオボード（イメージグラバー（ｉｍａｇｅ ｇｒａｂｂｅｒ））２５とから構成される。

さらに、前記ベース３０には、一対の垂直フレーム３４ａ、３４ｂと、この一対の垂直フレーム３４ａ、３４ｂの上端を連結する上部支持フレーム３５とが設けられている。

前記レーザダイオード２７は、歯牙の石膏モデル６０に垂直方向にレーザスリット光２１を走査するように歯牙の石膏モデル６０の上側の上部支持フレーム３５に垂直方向に設けられており、ケーブル２８を通じてビデオボード２５に連結されるカメラ２９は、歯牙の石膏モデル６０に照らされて反射されたレーザスリット光２２を受光するように、レーザダイオード２７と予め定められた距離を隔てて斜めに所定の角度で支持フレーム３４ｂ、３５に設けられている。

この場合、図７に示された実施形態においては、カメラ２９の受光方向がリニアモーター５１の移動方向と同一の方向に設定されているが、前記テーブル治具５５とティルティングベッド４１とを支持しているメインローテーションベッド４２がメインローテーシモーター（５４：Ｍ４）により回転中心軸Ｃ３を軸に回転駆動可能であるため、カメラ２９の設置角度はこれに制限されない。

一方、石膏モデル６０の一側から他側まで、各部分を順にスキャニングできるように、逐次に石膏モデルの位置と測定姿勢とを変更させることが必要である。

歯牙の石膏モデルを測定する際、測定姿勢を決めることは非常に複雑なことであるため、まず、測定する歯牙の標準モデルを三次元スキャナーを用いてコンピュータグラフィックスでモデリングした後、測定過程をシミュレーションすることにより、リニアモーター５１、ティルティングモーター５２、ローテーションモーター５３及びメインローテーションモーター５４によりなされる測定角度と測定順番を決定する。

この場合、まず、標準であると考えられる歯牙の石膏モデルをスキャナーを通じて読み取ってコンピュータ上でモデリングした後、モニター上でモデルを見ながら相対的な目の位置の変化にしたがって見える部分と見えない部分とを判断して、歯牙の石膏モデルの形状にしたがって一番広い面積が見える角度が分かり、なお、これにより、次回測定する時、好適な角度を探すための試行錯誤を省くことができる。

これを具現するために、周知のようにコンピュータグラフィックスライブラリーであるオープンＧＬ（ＯｐｅｎＧＬ：三次元グラフィックとモデリングのためのライブラリー）と推論システム（Ｅｘｐｅｒｔ Ｓｙｓｔｅｍ：言わば、専門家システムで、多くの事実と変数に基づいて推論過程を通じて所望の目標に接近する方法）とを結合して、精密性を向上し、未測定部分を除去して、最終的に最適測定姿勢の経路（一回のスキャンで一番多い部分のデータを得られる経路あるいは回転角度）を生成する自動教示システム（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｔｅａｃｈｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）が使用されている（特許文献１参照）。

本発明の一実施形態においては、４軸駆動システムを活用するために、既存の測定姿勢の自動教示システムを次のように変形させた。

１．３ＤスキャナーオープンＧＬシミュレーション：コンピュータグラフィックスであるオープンＧＬを用いて、完成の４軸駆動の三次元形状測定装置を仮想空間上にシミュレーションさせた。

２．標準歯牙モデルのメッシュ生成（Ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）：男女の標準歯牙モデルと、上あご／下あご、石膏ベースの有無、交合モデルの三次元ポイントデータ（Ｐｏｉｎｔ Ｄａｔａ）とをメッシュ生成（Ｍｅｓｈ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）して、仮想三次元スキャナーのテーブル治具５５の上に載置した。

３．測定目標歯牙の設定：ここで、測定目標歯牙とは、形状が複雑な歯牙モデルを一度に測定することは不可能であるため、歯牙モデルをいくつかの部分、例えば舌側、唇側、交合側、臼歯部の狭側に分けて、測定する時に目標になる歯牙の部分を測定目標歯牙として設定した。

４．事実ベースの駆逐：事実ベースの駆逐を、人の性別、年、欠損歯牙に対して、前で考えた上あご／下あごの可否、石膏ベースの有無、あご弓の大きさによってシステム推論の基準として活用した。

前記事実ベースを通じる推論過程を経て、測定角度と位置とを結合した測定姿勢を決定し、各測定目標の歯牙にしたがい測定姿勢を結合して、最大短時間に測定できる測定経路を決定する。

本発明の一実施形態においては、下記のように、歯牙の石膏モデル６０が取付けられたテーブル治具５５がローテーション駆動、ティルティング駆動、メインローテーション駆動で３自由度を形成して、歯牙の石膏モデル６０をどのような姿勢にも位置づけ得ることにより、変形された自動教示システムによる自動測定が可能な比率を、従来の５０％前後に留まっていたものを９５％以上に引き上げるのが可能になった。

以下、本発明の一実施形態による三次元座標を測定する過程について説明する。

まず、歯牙の石膏モデル６０がテーブル治具５５に固定されると、リニアモーター５１、ローテーションモーター５３、ティルティングモーター５２とメインローテーションモーター５４とを駆動してテーブル治具５５を原点１００に復帰させた後、テーブル治具５５を初期位置に移動させ、その時のＹ軸方向の座標（直線駆動ベッド３３の位置）を保つ。

続いて、前記の測定姿勢自動教示システムにより予め定められた最適測定姿勢の経路にしたがって、予め設定された測定目標歯牙に対する測定を開始する。

モーターＭ１−Ｍ４を駆動させて歯牙の石膏モデル６０の方向を変化させながらレーザスリット光２１が照射される支点の座標を測定する。このとき、現在のモーターの角度を測定して変換行列を得て、測定された座標を歯牙の基準座標系に対する座標に自動変換させることにより、歯牙の形状を測定することができる。

以下、それぞれのモーターＭ１−Ｍ４による駆動部５０の位置及び姿勢変換を図９ないし図１１を参考して説明する。

まず、制御部１０から、並列ポートを介して方向制御信号と連続的な矩形波パルスからなる制御信号とを、４個のモータードライバー部（図示せず）を備えたモータードライバー１５に印加すると、モータードライバー１５は、それぞれステップモーターからなるモーターＭ１−Ｍ４を制御するために分配された４個の矩形波パルスを発生してステップモーターに供給する。

その結果、リニアモーター（５１：Ｍ１）によって全体駆動部５０が一対のリニアガイド３１ａ、３１ｂに沿って直線移動して歯牙の石膏モデル６０の位置を決定し、その後、ローテーションモーター（５３：Ｍ２）によってテーブル治具５５が回転中心軸Ｃ１を中心に回転される。

続いて、ティルティングモーター（５２：Ｍ３）によって、歯牙の石膏モデル６０の取付けられたティルティングベッド４１がティルティング中心軸Ｃ２を中心にティルティングされ、メインローテーションモーター（５４：Ｍ４）によってリニアモーター（５１：Ｍ１）を除いた駆動部５０全体が回転される。

この場合、本発明の一実施形態においては、予め定められた最適測定姿勢の経路にしたがって、予め定められた測定目標歯牙の測定が行われるように４軸駆動モーター（Ｍ１−Ｍ４）が駆動制御される。

まず、歯牙の石膏モデル６０の中央部分測定時には、図１０のように、ティルティングベッド４１のティルティング中心軸Ｃ２がカメラ方向と直角に維持された状態で、ティルティングモーター（５２：Ｍ３）によってティルティングベッド４１をティルティングさせる。その結果、テーブル治具５５に支持された歯牙の石膏モデル６０の歯牙の先端部分にレーザスリット光が届くようになる。

この状態で、リニアモーター（５１：Ｍ１）が前進あるいは後進を行うと、定められた歯牙の幅に対して、上端から下端、または下端から上端までの測定が行われる。

その後、最適測定姿勢の経路にしたがって逐次測定が行われるとき、図１及び図３の問題を解消するために、レーザスリット光２１が歯牙の測定面２ａに直角に近く走査され、測定面２ｃに走査されたレーザスリット光２１がカメラ２９で見えるように石膏モデル６０を回すことが必要である。

これにより、ローテーションモーター（５３：Ｍ２）が回転されてテーブル治具５５を所定の角度だけ回転させ、必要に応じてメインローテーションモーター（５４：Ｍ４）によって、前記テーブル治具５５とティルティングベッド４１とを支持しているメインローテーションベッド４２を回転させ、ティルティングベッド４１をカメラ方向に所定の角度だけ変更させる。

このような動作を繰り返して歯牙の石膏モデル６０の両側端に位置する臼歯部の舌側面のように内側に傾いた部分を測定する場合、レーザスリット光２１が届いてカメラ２９で見得るように、図１１のように、メインローテーションモーター（５４：Ｍ４）によって、前記テーブル治具５５とティルティングベッド４１を支持しているメインローテーションベッド４２（つまり、ティルティングベッド４１）とが、カメラ２９とレーザダイオード２７とをつなぐ方向と同一か、あるいはこれと近接する方向に設定され、この状態で歯牙の石膏モデル６０が取付けられたティルティングベッド４１がティルティング中心軸Ｃ２（つまり、Ｘ軸）を中心にティルティングされると、図５または図６のように臼歯部の舌側面に対する測定可能な姿勢が出てくる。

したがって、本発明の一実施形態では、前記のようにティルティングベッド４１のティルティング中心軸Ｃ２を歯牙の石膏モデル６０の測定部位にしたがって逐次カメラの測定方向に回転させることが可能であるため、歯牙の石膏モデル６０においての非常に測定しにくい臼歯部の舌側面に対する測定も自動測定アルゴリズムによって実行可能になり、歯牙の石膏モデル６０のほぼ全部分に対して自動測定を行うことができる。

すなわち、本発明の一実施形態による三次元スキャナーは、４自由度を有する４軸駆動部を有するため、歯牙の石膏モデルの、２軸を基準にした対角方向の位置設定が可能であり、またレーザスリット光の走査とカメラの測定とが可能であるため、前記の従来技術の問題を全部解決するとともに、これにより、スキャン経路を画期的に短縮できるようになった。

前記の実施形態の説明においては、歯牙の石膏モデルに対するコンピュータモデリングを例にあげて説明したが、本発明は、歯牙の石膏モデル以外に、他の一般的な物体のモデリングンにおいても低価でシステム適用が可能である。

以上では、本発明を、特定の好ましい実施形態を例に挙げて図示説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されず、その趣旨を逸脱しない限り、当該発明の属する技術範囲で通常の知識を有する者によって、種々変更と修正が可能である。

一般的なレーザ測定光の照射角と、被測定物の姿勢による測定不可な角度とを説明するための、下向きの測定面を有する被測定物についての説明図である。 一般的なレーザ測定光の照射角と、被測定物の姿勢による測定不可な角度とを説明するための、垂直測定面を有する被測定物についての説明図である。 一般的なレーザ測定光の照射角と、被測定物の姿勢による測定不可な角度とを説明するための、複雑な形状を有する被測定物についての説明図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、各々、歯牙の石膏モデルの上あご及び下あごを後面から見た様子を示す、生物の形態の写真である。 歯牙の石膏モデルの臼歯部の舌側面に対する測定可能な姿勢を示す、生物の形態の写真である。 図５と同様に、歯牙の石膏モデルの臼歯部の舌側面に対する測定可能な姿勢を示す、生物の形態の写真である。 本発明による歯牙モデリング用の４軸三次元スキャニングシステムの全体構成を概略的に示す構成図である。 図７に示された本発明のシステムにおいて、４軸駆動部の拡大斜視図である。 図８の４軸駆動部において、テーブル治具の位置移動と姿勢変更を説明するための説明図である。 従来技術の３軸駆動部と本発明の一実施形態による４軸駆動部において、テーブル治具の位置移動と姿勢変更を比較説明するための、３軸駆動についての説明図である。 従来技術の３軸駆動部と本発明の一実施形態による４軸駆動部において、テーブル治具の位置移動と姿勢変更を比較説明するための、４軸駆動についての説明図である。

符号の説明

１ａ−１c、２１、２２…レーザスリット光、 ２ａ−２ｃ…測定面、３、６０…歯牙の石膏モデル、４、２９…カメラ、５…テーブル治具、６…ティルティング駆動部、１０…制御部、１５…モータードライバー、２０…映像検出部、２５…ビデオボード、２７…レーザダイオード、２８…ケーブル、２９…カメラ、３０…ベース、３１ａ、３１ｂ…リニアガイド、３２ａ、３２ｂ…スクリューハウジング、３３…直線駆動ベッド、３４ａ、３４ｂ、３５…支持フレーム、４１…ティルティングベッド、４１ａ、４１ｂ…ティルティング支持台、４２…メインローテーションベッド、４２ａ、４２ｂ…メインローテーション支持台、４３ａ、４３ｂ…ベアリング、４４…ベッド支持フレーム、４５…スクリュー、５０…４軸駆動部、５１…リニアモーター、５２…ティルティングモーター、５３…ローテーションモーター、５４…メインローテーションモーター、５５…テーブル治具、１００…原点。

Claims (5)

1. 被測定物が取付けられるテーブル治具を第１回転の中心軸を中心に回転可能に支持し、両端に各々垂直に設けられた第１及び第２のティルティング支持台を備えたティルティングベッドと、
   前記ティルティングベッドに設けられテーブル治具を回転駆動させるためのローテーションモーターと、
   両端に各々第１及び第２のティルティング支持台に対応して垂直に設けられた第１及び第２のメインローテーション支持台を備えて、前記第１及び第２のティルティング支持台から延びた第１及び第２のティルティングの中心軸をティルティング可能に支持するメインローテーションベッドと、
   前記メインローテーションベッドに設けられティルティングベッドをティルティングさせるためのティルティングモーターと、
   前記メインローテーションベッドを第２回転の中心軸を中心に回転可能に支持するための支持フレームと、
   前記支持フレームに設けられた直線駆動ベッドと、
   前記直線駆動ベッドに設けられメインローテーションベッドを回転駆動させるためのメインローテーションモーターと、
   前記直線駆動ベッドを直線移動させるための直線移動手段と、から構成され、
   前記テーブル治具、ティルティングベッド及びメインローテーションベッドは、それぞれ独立的に駆動され、
   前記メインローテーションベッドの第２回転の中心軸は、ティルティングベッドとメインローテーションベッドとが互いに平行状態を成すとき、テーブル治具の第１回転の中心軸と同一線上に位置設定されることを特徴とする三次元スキャニングシステム用駆動装置。
2. 前記第１及び第２のティルティングの中心軸は互いに一致するとともに直線移動手段の直線駆動軸と水平に成り、前記直線駆動軸はテーブル治具の第１回転の中心軸と垂直状態を成すことを特徴とする請求項１に記載の三次元スキャニングシステム用駆動装置。
3. 歯牙の石膏モデルが取付けられるテーブル治具と、
   前記テーブル治具を第１回転の中心軸を中心に回転可能に支持し、両端にそれぞれ垂直に設けられた第１及び第２のティルティング支持台を備えたティルティングベッドと、
   前記ティルティングベッドに設けられテーブル治具を回転駆動させるためのローテーションモーターと、
   両端に各々前記第１及び第２のティルティング支持台に対応して垂直に設けられた第１及び第２のローテーション支持台を備え、前記第１及び第２のティルティング支持台から延びた第１及び第２のティルティングの中心軸をティルティング可能に支持するメインローテーションベッドと、
   前記メインローテーションベッドに設けられティルティングベッドをティルティングさせるためのティルティングモーターと、
   前記メインローテーションベッドを第２回転の中心軸を中心に回転可能に支持するための支持フレームと、
   前記支持フレームが設けられた直線駆動ベッドと、
   前記直線駆動ベッドに設けられメインローテーションベッドを回転駆動させるためのメインローテーションモーターと、
   前記直線駆動ベッドを直線移動させるための直線移動手段と、
   前記歯牙の石膏モデルが原点に位置するとき、垂直にレーザ光を照射するレーザ光源と、
   前記歯牙の石膏モデルから反射されたレーザ反射光を撮影するカメラと、
   前記モーターを制御して歯牙の石膏モデルの位置及び姿勢を変更制御し、前記カメラによって撮影された映像信号を信号処理させて形状データを生成するための制御部と、から構成され、
   前記テーブル治具、ティルティングベッド、メインローテーションベッド、及び直線駆動ベッドは、それぞれ独立的に駆動され、
   前記メインローテーションベッドの第２回転の中心軸は、ティルティングベッドとメインローテーションベッドとが互いに平行状態を成すとき、テーブル治具の第１回転の中心軸と同一線上に位置設定されることを特徴とする歯牙のコンピュータモデリング用三次元スキャニングシステム。
4. 前記第１及び第２のティルティングの中心軸は互いに一致するとともに直線移動手段の直線駆動軸と水平に成り、前記直線駆動軸は、テーブル治具の第１回転の中心軸と垂直状態を成すことを特徴とする請求項３に記載の歯牙のコンピュータモデリング用三次元スキャニングシステム。
5. 前記カメラが、レーザ光源と一定の距離を隔てて直線駆動ベッドの直線駆動軸と同方向の上部に位置設定されているとき、歯牙の石膏モデルの臼歯部の舌側面の測定は、メインローテーションモーターによってティルティングベッドのティルティング中心軸をカメラの受光方向と同一に、あるいは、これと近接する方向に姿勢設定し、ティルティングベッドをティルティングさせた状態で行われることを特徴とする請求項３に記載の歯牙のコンピュータモデリング用三次元スキャニングシステム。

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