JPS6130167Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 本考案は多次元運動位置計測装置、特に２次元
または３次元運動する一点の運動位置、運動軌跡
などの運動状態を正確かつ簡単に得ることのでき
る多次元運動位置計測装置の点状光源構造に関す
る。

２次元または３次元運動する１点の運動状態
を、運動点に直接接触することなく正確に検出し
たいという要求は、種々の分野にみられる。例え
ば、歯科医学領域において下顎切歯点運動を計測
して咬合診断などの歯科治療のデータとしたり、
運動医学または神経医学領域において身体各部位
の運動測定を行つて身体の機能診断、矯正治療に
役立せたり、あるいは一般機械装置の機械各部の
運動軌跡を計測して機械設計のデータとするな
ど、運動点計測の必要性は各分野に広く存在す
る。

本考案は上述した運動体の特定箇所の２次元ま
たは３次元運動座標位置の推移を連続して非接触
的に測定できる小型軽量で、かつ、簡便な多次元
運動位置計測装置を提供することを目的とする。

特に本考案は、直交３方向に向合つて配置され
た３個の１次元光像検知器を有する多次元運動位
置計測装置に用いられる小型、軽量で高輝度の点
状光源構造を提供することを目的とする。

本考案はさらに、互いに直交方向に向合つて配
置された３個の１次元光像検知器に対する光点の
位置を精度よく定めることのできる点状光源構造
を提供することを目的とする。

本考案に係る点状光源構造は、３本の光学繊維
の光導入端を一箇所に集合させ、また各光放射端
を、該光放射端における軸線がともに一点で交わ
るように直交３方向に向けて配置せしめて成るも
のである。

以下、本考案を、図面を参照しながら、実施例
について説明する。

第１図は、３次元運動する運動体の１点の位置
を本考案に係る多次元運動位置計測装置によつて
計測する状態を示した全体斜視図である。第１図
の点１で表わした被計測点は、座標原点０のまわ
りで任意の３次元運動をするものとする。原点０
に対する直交座標軸Ｘ，Ｙ，Ｚを設定したとき、
被計測点１の座標をｘ，ｙ，ｚとする。３個の１
次元光像検知器２，２′および２″をそれぞれ座標
軸OX，OY、およびOZ上に配置し、１次元光像
検知器２には座標軸OXに対するｙ方向方位角θ
ｙまたはｚ方向方位角θｚを、また１次元光像検
知器２′には座標軸OYに対するｚ方向方位角また
はｘ方向方位角を、さらに１次元光像検知器２″
には座標軸OZに対するｘ方向方位角またはｙ方
向方位角をそれぞれ検出させる。この３個の１次
元光像検知器から出力させるｘ，ｙ，z3方向の
方位角信号は、演算器３に入力されて立体幾何学
的に組合せ演算処理して被測定点１の３次元座標
値ｘ，ｙ，ｚが算出される。そして前記演算器３
から出力される３次元座標値ｘ，ｙ，ｚは、多点
ペンレコーダなどの記録および表示器４によつて
座標値ｘ，ｙ，ｚの時間的変化または軌跡として
記録される。このような記録および表示器４とし
ては、上述の多点ペンレコーダのほかに、Ｘ−Ｙ
プロツタ、直視型蓄積管、走査変換管とテレビモ
ニターとを組合せたもの、またはICメモリーと
テレビモニターとを組合せたものなどを用いても
よい。

第２図ａ，ｂ，ｃは、運動体１ａの被計測点１
に固定された点状光源５の各種の例を示したもの
であつて、第２図ａは豆電球６、第２図ｂは他端
（図示省略）から光が導入されるようになつた光
学繊維７の一端７′を示したもので、この場合は
出力光が広角度に散乱するようにその端面を整形
してある。第２図ｃは３本の光学繊維７，７ａ，
７ｂを各繊維軸に垂直に端面を切断してその各一
端を集めたものであつて、この場合はその各一端
の繊維軸が概ねそれぞれ座標軸OX，OYおよび
OZの各軸方向に向くようにするとともに各一端
における各繊維軸の軸線の延長が一点（被計測点
１）で交わるようにしてある。したがつて第２図
ｃでは、前記軸線の延長上の１点に点状光源５が
あるのと同様になる。第３図は、第２図ｂに示し
たような光学繊維７を点状光源として用いる場合
の実施例であつて、一端７″から豆電球８および
レンズ９を通して光を導入し、他方の一端７′か
ら光を放射するようにした状態を示している。

第４図は、微細光束発生手段および受光感知手
段を有する１次元光像検知器２によつて点状光源
５の位置を検出する原理を示したものである。図
示実施例は、微細光束発生手段として遮蔽板にス
リツトを形成したものを用い、Ｘ軸上に配置され
た１次元光像検知器２によつて点状光源５のＸ軸
に対するｚ方向方位角θｚを検出する場合を示
す。いま、点状光源５はＸ−Ｚ平面上の一点ｘ，
ｚにあるものとする。Ｘ軸上の原点０からＸ軸に
沿つて距離ｄの位置に遮蔽板１１が配置され、こ
の遮蔽板１１にＹ軸の方向（紙面に対して垂直方
向）にのびた微小間隙Ｓのスリツト１０が形成さ
れている。遮蔽板１１に対して点状光源５と反対
側で遮蔽板１１のスリツト位置から距離ｆの位置
に受光感知手段、例えばＸ軸に対して垂直でかつ
Ｚ軸の方向に直線状に微小間隙で複数個配列され
た光ダイオードなどの受光素子列１２(1)，１２
(2)，１２(3)，…１２（ｎ）が配置されている。こ
こで、点状光源５のＸ軸に対するｚ方向方位角θ
ｚは、距離ｄおよび点状光源５のＸ−Ｚ座標値
ｘ，ｚによつて定まる。点状光源５からｎ方向方
位角θｚでスリツト１０に到達し該スリツト１０
を通過して１本の微細光束となつた光線１３は、
方位角θｚと距離ｆによつて定まるＸ−Ｚ座標上
の位置z₁で光ダイオード列１２(1)，１２(2)，…１
２（ｎ）の特定部分１２(i)に射突する。したがつ
て射突位置にある光ダイオード１２(i)からの受光
感知信号によつてz₁が測定されたとすると、第４
図から、 ｚ_１／ｆ＝tanθｚ＝ｚ／ｄ−ｘ …(1) なる関係がある。同様にＹ軸上に配置された１次
元光像検知器２′によつてｘ方向方位角θｘを検
出して測定値x₁が得られ、またＺ軸上に配置され
た１次元光像検知器２″によつてｙ方向方位角θ
ｙを検出して測定値y₁（θｘ，x₁，y₁はいずれも
図示省略）が得られたとすると、次の関係が成立
する。

ｘ_１／ｆ＝ｘ／ｄ−ｙ …(2)、 ｙ_１／ｆ＝ｙ／
ｄ−ｚ ……(3) (1)式、(2)式および(3)式を３元連立１次方程式とし
て解いた未知数ｘ，ｙ，ｚを算出することによ
り、次の計算式が得られる。

ｘ＝ｆ^２−ｆｙ_１＋ｙ_１ｚ_１／ｆ^３＋ｘ_１ｙ_１ｚ_１ｄ・
x₁…(4) ｙ＝ｆ^２−ｆｚ_１＋ｚ_１ｘ_１／ｆ^３＋ｘ_１ｙ_１ｚ_１ｄ・
y₁…(5) ｚ＝ｆ^２−ｆｘ_１＋ｘ_１ｙ_１／ｆ^３＋ｘ_１ｙ_１ｚ_１ｄ・
z₁…(6) ただし、(1)式ないし(6)式においては、簡単のた
め、ｄおよびｆは３方向について等しいものとし
て取扱つているが、ｄおよびｆが３方向について
異なる場合にも同様な算術的手段によつてｘ，
ｙ，ｚの計算式を導き出すことができる。

また、上述の実施例では点状光源の３次元運動
を仮定したが、２次元運動、即ち平面上を点状光
源が移動する場合も同様な手段で取扱うことがで
きる。１例としてＸ−Ｙ平面内における２次元運
動の場合の計算式を示すと次の通りである。

ｘ＝（ｆ−ｙ_１）／ｆ^２−ｘ_１ｙ_１ｄ・x₁ …(7) ｙ＝（ｆ−ｘ_１）／ｆ^２−ｘ_１・ｙ_１ｄ・y₁ …(8) このように、x₁，y₁，z₁などの測定値が各１次
元光像検知器から得られると、距離ｄおよびｆは
既知であるため、３次元運動の場合は(4)式、(5)式
および(6)式により、また２次元運動の場合には(7)
式および(8)式によつて、運動体の被計測点の座標
ｘ，ｙ，ｚが算出されるので、これらの演算をリ
アルタイムで演算器３（第１図）に実行させれ
ば、演算器３の出力から座標値ｘ，ｙ，ｚの時間
的変化あるいは軌跡データが得られる。

第５図は、第４図に示した本考案に係る１次元
光像検知器の実施例において点状光源５から発し
た光源１３が、遮蔽板１１上に設けられたスリツ
ト１０を通り抜け１本の微細光束となつて光ダイ
オード列１２(1)，１２(2)，…１２（ｎ）の１個の
光ダイオード１２(i)に射突する状態を示した斜視
図である。第５図から明らかなように、第４図に
示した本考案の１次元光像検知器の一実施例では
ピンホールカメラのピンホールの代りにスリツト
１０を、ピンホールカメラの感光板の代りに光ダ
イオード列１２(1)，１２(2)，…１２（ｎ）を置い
た構成になつている。ピンホールカメラと同様に
第４図示した本考案の一実施例における１次元光
像検知器の焦点深度はきわめて深い。また、第４
図の構成においてｄを十分大きくとれば運動範囲
の制限がほとんどないことは明らかである。

なお、被計測点が複数個存在する場合は、それ
ぞれに固定した点状光源５の発光色を被計測点ご
とに相違させ、１次元光像検知器２を複数個設け
てそれぞれ対応する点状光源５の発光色に適応す
るフイルターを取付けることにより同時多数点計
測することが可能である。また、本考案の別の用
途として立体の形状、たとえば、身体の外形、鋳
造物の外形、彫刻の外形などの形どりをする場
合、点状光源５を被計測立体の外面に沿い移動さ
せながら本考案の多次元運動位置計測装置により
点状光源５の移動軌跡を計測することによつて各
切断面の形状計測や外囲線３次元的計測などを行
うこともできる。この場合、被計測立体の表裏を
計測するには本考案に係る多次元運動位置計測装
置の１次元光像検知器２，２′または２″を各次元
ごとに１対ずす被計測点を狭んで相対向する位置
に設けるか、被計測立体の向きを反転させながら
計測を（８象限につき）繰返せばよく、さらに若
干の工夫によつて凹部の計測も可能である。

このように本考案は、点状光源を含む一次元光
像検知器の構造がきわめて簡単で小型軽量になし
得るので、簡便かつ高精度の下顎運動計測装置と
して利用することができる。

さらに本考案は、点状光源を取付けた被計測点
の運動範囲に制限がないので、下顎上の１点の運
動計測だけでなく、一般の２次元または３次元運
動の計測に広く適用することができる。

本考案の用途は上述のように、歯科医学領域に
おける下顎切歯点運動の計測、運動医学または神
径医学領域における身体各部位の運動計測、機械
工学における運動中の機械上の１注目点の運動計
測などをきわめて広く存在する。

本考案になる点状光源構造の具体的な一実施例
では、直径0.25mmの光学繊維を用いた場合、直交
３方向を向いた３本の光学繊維の各先端において
約200000フートランバートの輝度が得られ、明る
い室内においても計測が可能であつた。

また、小型クセノンランプ等の高輝度点状光源
は、放電によつて光点が揺れ動き、１次元光像検
知器と光点の相対位置が変動して計測誤差が大と
なるが、本考案になる点状光源の光点は変動する
ことがないので点状光源の位置精度を±0.05mm内
におさめることができ、正確な計測が可能となつ
た。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本考案に係る多次元運動位置計測装
置によつて３次元運動位置を計測する状態を示し
た全体斜視図、第２図ａ，ｂ，ｃは点状光源の各
種の例を示した斜視図、第３図は光学繊維を点状
光源として使用する状態を示した概略図、第４図
は本考案に係る１次元光像検知器によつて点状光
源の位置を検出する原理を示した図、第５図は第
４図の斜視図である。 １……被計測点、２……１次元光像検知器、３
……演算器、５……点状光源、１０……スリツ
ト、１１……遮蔽板、１２(1)，１２(2)，…１２
（ｎ）……光ダイオード。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 移動可能な被計測点に固定された１個の点状光
   源と、前記点状光源のまわりに互いに直交方向に
   向合つて配置された３個の１次元光像検知器とを
   有し、前記点状光源の位置変化を互いに直交方向
   からそれぞれ１次元光像の変化として取出す多次
   元運動位置計測装置において、３本の光学繊維を
   有しその光導入端が一箇所に集合しかつその各光
   放射端における軸線がともに一点で交わるように
   各光放射端が直交３方向に配置されてなる点状光
   源を備えたことを特徴とする多次元運動位置計測
   装置。