JP2002006243A - ３次元位置検出センサ及び位置決め方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明の課題は、小型で経済的な自動光配線装
置を実現するため、温度変化等が生じる環境で長期間使
用した際にも常に安定した自動光配線を実現する３次元
位置検出センサ及びそれを用いた位置決め方法を提供す
ることにある。 【解決手段】本発明は、照明光源２０と該照明光源２０
からの出射光を平行光もしくは収れん光に変換し、該出
射光の光軸と垂直な平面上に位置する第１の対象物２６
と該出射光の光軸と直交する軸に対して垂直な平面上に
位置する第２の対象物２７を同時もしくは一方ずつ該出
射光により順次照明する光学系と、該出射光を用いて前
記第１、第２の対象物２６，２７をＣＣＤ２９上に結像
させる装置を順次有し、第１、第２の対象物２６，２７
の撮像情報からロボットハンドと第１、第２の対象物２
６，２７間の３次元の相対位置情報を算出することを特
徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信用の自動光
配線装置に用いられる３次元位置検出センサ及びそれを
用いた位置決め方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】インターネットをはじめとする高速、大
容量のマルチメディア通信の発展とともに公衆網の光化
が急ピッチで進み、中でも都市部を中心としたインテリ
ジェントビル内の光配線が本格化してきている。これま
で都市ビル内の光配線は、人手による光コネクタ接続が
一般的であった。しかし近年のビル高層化にともなう光
配線接続・管理稼働の増大、フロアの模様替えに対する
柔軟性、光配線の高信頼化といった観点から、光配線・
管理の自動化が要求されている。このような要求に応え
るため、ロボットを用いてビル内の光配線・管理の自動
化を図る自動光配線装置の開発が進められている。こう
いった装置は、主にビル内の通信インフラ設備として利
用されるため、装置の小型化に加え、ＬＡＮ機器とほぼ
同等の広い温度範囲（５℃〜４５℃）での動作が要求さ
れ、ロボットハンドの高精度位置決め可否が装置構成の
ポイントとなっている。以下、図７、図８を用いて、自
動光配線装置の構成、動作を説明し、次にこの装置にお
ける従来の位置検出・位置決め法について説明する。

【０００３】図７は、自動光配線装置における光接続部
の拡大図を示したものであって、７１は入力光ファイ
バ、７２は出力光ファイバ、７３はプラグ、７３ａはプ
ラグ７３のほぼ中央部の突起部、７４はジャック、７４
ａは光軸合せ用の割スリーブ、７４ｂはコイルスプリン
グ、７４ｃはフェルール、７４ｄはストッパ、７５は接
続盤、７５ａは接続盤の前面、７６は係止片、７６ａは
係止片の突起部である。

【０００４】自動光配線装置における光接続は、入力光
ファイバ７１に取り付けられたプラグ７３（雄）と出力
光ファイバ７２に取り付けられたジャック７４（雌）を
接続することにより実現されている。接続盤７５に取り
付けられたジャック７４は、光軸合せ用の割スリーブ７
４ａ、プラグ７３とジャック７４の端面間に押圧力を付
与するコイルスプリング７４ｂ、フェルール７４ｃを有
しており、ストッパ７４ｄにより接続盤７５内にねじ締
結されている。またプラグ７３とジャック７４は、接続
盤７５の前面７５ａに取り付けられた係止片７６の突起
部７６ａとプラグ７３のほぼ中央部の突起部７３ａによ
り、機械的に締結されている。

【０００５】図８は、ロボットハンドを用いて対向する
任意の光ファイバ同士を自動的に接続、切断を行う自動
光配線装置の概念図を示したものであって、８１は入力
光ファイバ群、８２は出力光ファイバ群、８３はプラ
グ、８３ａは接続対象プラグ、８４はジャック、８４ａ
は接続対象ジャック、８５は接続盤、８６は３次元移送
機構、８６ａはＸ軸移送機構、８６ｂはＹ軸移送機構、
８６ｃはＺ軸移送機構、８６ａ１，８６ｂ１はパルスモ
ータ、８６ａ２，８６ｂ２はタイミングベルト、８６ａ
３，８６ｂ３はプーリ、８６ａ４，８６ｂ４はガイド、
８７はロボットハンドである。ここで、接続とは、入出
力光ファイバ間の光接続を行うこと、切断とは入出力光
ファイバ間の光接続を切断することを指す。なお、便宜
上、対向する一方の光ファイバ群を入力光ファイバ群、
他方の光ファイバ群を出力光ファイバ群として説明す
る。

【０００６】図において、自動光配線装置における入力
光ファイバ群８１、出力光ファイバ群８２間の光接続
は、３次元移送機構８６に取り付けられたロボットハン
ド８７によって接続対象プラグ８３ａを接続盤８５内の
接続対象ジャック８４ａに接続することにより行われ
る。本従来例では、３次元移送機構８６としてＸ，Ｙ，
Ｚの３軸直交型移送機構を例にとり説明する。プラグ８
３挿入軸方向のＸ軸移送機構８６ａ、ジャック８４配列
方向のＹ軸移送機構８６ｂは、それぞれパルスモータ８
６ａ１，８６ｂ１、タイミングベルト８６ａ２，８６ｂ
２、プーリ８６ａ３，８６ｂ３、ガイド８６ａ４，８６
ｂ４から構成される。ＸＹ軸と直交するＺ軸移送機構８
６ｃは、ＸＹ軸に比べストロークが小さいため、ＤＣモ
ータ、ギヤ、ガイドで構成している（図示せず）。対向
する入出力光ファイバ群８１，８２間の接続すなわちプ
ラグ８３、ジャック８４間の接続は、ロボットハンド８
７で接続対象プラグ８３ａを把持し、接続盤８５内に内
蔵された接続対象ジャック８４ａに接続する事により行
う。またプラグ８３とジャック８４の接続ペアを替える
場合は、該当する二つのプラグを接続盤８５上のジャッ
クからそれぞれロボットハンド８７により切断し、一方
のプラグを他方のプラグが接続されていたジャックへ、
他方のプラグをもう一方のジャックへ接続することによ
り可能である。このように自動光配線装置では、ロボッ
トハンドによりプラグを接続・切断して光の接続、切断
を行うため、接続対象プラグ８３ａを接続盤８５上の接
続対象ジャック８４ａに正確に位置決める必要があっ
た。このようなロボットハンドを特定の位置へ位置決め
る従来の方法としては、機構系の精度で位置決めるのが
一般的である。

【０００７】図９は、図８で示した自動光配線装置のロ
ボットハンドと接続盤を図示したものであり、従来の位
置決め例を説明する図である。９０はロボットハンド、
９１はプラグ、９１ａは接続対象プラグ、９２は接続
盤、９３はジャック、９３ａは接続対象ジャックであ
る。以下、図９を用いて機構系の精度により位置決める
手法について説明する。

【０００８】従来、この種のピンを穴に挿入するいわゆ
る自動はめあい装置の位置決めでは、初期電源投入時に
移送機構の正常性確認と機械的な原点位置を検出するた
め、ロボットハンド９０を３次元原点位置Ｏ（Ｘ_{0 、}Ｙ
_{0 、}Ｚ₀ ）へ位置決める原点出しが行われる。この原点
位置Ｏから接続盤９２の基準位置Ｐまでの距離は、事前
にティーチング量α（Ｘ_{off 、}Ｙ_{off 、}Ｚ_off ）として
計測されている。一方、この基準位置Ｐからジャック９
３までの距離は、加工時の加工寸法β_ｉ （Ｘ _{ｉ 、}Ｙ
_{ｉ 、}Ｚ_ｉ ）を実測することで一意的に決まっている。
従って、ロボットハンド９０の原点出しを行えば、α、
β_ｉ は既知なので、接続盤９２上の目的のジャック９
３ａの位置へ接続対象プラグ９１ａを把持したロボット
ハンド９０を位置決めることが可能となる。

【０００９】図１０は、接続盤に基準ピンを設け、この
基準ピン位置を基準として位置決める従来例を説明する
図であって、１００は接続盤、１０１は基準ピン、１０
２はロボットハンド、１０３はプラグ、１０３ａは接続
対象プラグ、１０４はジャック、１０４ａは接続対象ジ
ャックである。

【００１０】本例は先の従来例とほぼ同じく機構系の精
度で位置決める手法であるが、接続・切断動作を実行す
る前に基準ピン１０１をロボットハンド１０２で把持す
る点が違う。具体的な動作としては、まず原点位置Ｏへ
ロボットハンド１０２を位置決めた後、予め計測された
ティーチング量αを元に接続盤１００上の基準ピン１０
１を把持する。把持できない場合、ティーチング量αが
変化したこと、すなわちロボットハンド１０２と接続盤
１００間に相対位置誤差が生じたことを検出できる。一
方、基準ピン１０１をロボットハンド１０２で把持でき
た場合は、相対位置誤差が無いもしくは許容位置誤差範
囲内であることが確認できるので、その後、接続対象プ
ラグ１０３ａを把持し（）、点Ｐから既知の寸法β
_ｉ （Ｘ_{ｉ 、}Ｙ_{ｉ 、}Ｚ_ｉ ）をもとに接続対象ジャック
１０４ａへ一定量移送し位置決め（）が行われる。

【００１１】しかしながら、最初に述べた図９の従来例
では、ロボットハンドと接続盤間の３次元相対位置の検
出は行わず、原点出しと事前に計測しておいたティーチ
ング量による機械的な移送・位置決めであるため、構成
部品の加工精度、組立精度を高精度にする必要がある。
さらに、この種装置は空調のない部屋に設置されること
が多く、設置環境の温度変化が激しいところでは、装置
を構成する各部材の熱膨張係数の違いからロボットハン
ドと接続盤間に生じた相対位置誤差によりプラグ、ジャ
ック等の破損という致命的な障害を発生させる可能性が
ある。また連続動作に伴う摩耗や経年変化等による寸法
変化が生じ、結果として相対位置誤差が発生することも
考えられる。

【００１２】このように温度変化や部品の摩耗により相
対位置誤差が生じると、先に述べた従来例の如く原点か
ら一定量を機械的に移送し位置決める手法では、プラ
グ、ジャック等光接続部品の破損を伴い、安定した光接
続が得られない。また、図１０で示した従来例の場合で
は、図９に示した従来例に比べ基準ピンの把持可否確認
により、相対位置誤差の発生有無が事前に検出できるの
でプラグの破断等は事前に防ぐことはできるが、両者間
の相対位置誤差が大きい場合には、基準ピン把持時にロ
ボットハンドもしくは基準ピンを破壊するといった問題
がある。さらに基準位置から機構系の精度で位置決める
従来例１、２では、部材間に熱膨張差があった場合に基
準位置Ｐ、基準ピンからＹ方向に離れた端子ほど位置誤
差が積算して拡大し、Ｙ方向の位置決め位置により位置
決め誤差が変化するという事態になる。

【００１３】このように一点を基準にして位置を算出し
機械的精度で位置決める方法には限界がありこれを解決
する試みとして、接続盤上の両端のジャック脇に光セン
サを２ヶ配置し、光センサ間の距離を測定して、基準位
置からの誤差を積算させない方法も考えられている。し
かしながら、本手法においても接続盤平面内（ＹＺ平
面）の位置誤差検出はできるが、Ｘ軸方向の位置誤差検
出ができないという欠点がある。さらに本手法では経済
化、軽量化を狙ったタイミングベルト移送機構系を採用
した場合、タイミングベルトの歯間ピッチ誤差による位
置決め誤差が生じるという欠点を克服できない。

【００１４】このように、従来の機構精度に頼った位置
決め方法では、移送機構部品の製造ばらつき、周囲環境
温度変化、機構系の摩耗等により相対位置誤差が生じ、
安定した良好な光接続特性を確保することが困難であっ
た。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来の技術では、高精度な加工部品を精度良く組み立てて
装置を構成し、原点位置から機構系の精度のみで位置決
めを行っていたため、装置の重厚長大が回避できず、部
品・組立コストの低減化が困難であった。さらに、設置
環境の温度変化により生じた部材間の熱膨張係数に起因
した相対位置誤差や長期的な観点からは移送機構の摩耗
等により生じる相対位置誤差により安定した光学接続を
確保できないという欠点があった。

【００１６】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、従来の課題を解決し、小型で経済的な自動光配線装
置を実現するため、温度変化等が生じる環境で長期間使
用した際にも常に安定した自動光配線を実現する上で不
可欠な３次元位置検出センサ及びそれを用いた位置決め
方法を提供することを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、複数の光ファイバを有する一次側光ファイ
バ群と複数の光ファイバを有する二次側光ファイバ群間
の光接続をロボットハンドを用いて自動的に行う自動光
配線装置における３次元位置検出センサであって、照明
光源と該照明光源からの出射光を平行光もしくは収れん
光に変換し、該出射光の光軸と垂直な平面上に位置する
第１の対象物と該出射光の光軸と直交する軸に対して垂
直な平面上に位置する第２の対象物を同時もしくは一方
ずつ該出射光により順次照明する光学系と、該出射光を
用いて前記第１、第２の対象物を撮像素子上に結像させ
る手段を順次有し、第１、第２対象物の撮像情報から前
記ロボットハンドと第１、第２対象物間の３次元の相対
位置情報を算出する手段を具備したことを特徴とするも
のである。

【００１８】また本発明は、複数の光ファイバを有する
一次側光ファイバ群と複数の光ファイバを有する二次側
光ファイバ群間の光接続をロボットハンドを用いて自動
的に行う自動光配線装置における位置決め方法であっ
て、前記ロボットハンドに搭載した請求項１記載の３次
元位置検出センサによりロボットハンドと第１の対象物
間との３次元相対位置誤差およびロボットハンドと第２
の対象物間との３次元相対位置誤差を検出した後、これ
ら位置誤差をゼロもしくは許容位置誤差範囲内になるよ
うに機構を制御して位置決めることを特徴とする。

【００１９】従来の機構系の精度のみで位置決める位置
検出・位置決め方法とは、個別に目標物毎に位置誤差を
検出し、この位置誤差をゼロもしくは許容位置誤差範囲
内に位置決めできるので、温度変化がある設置環境下に
おいても高精度でかつ高信頼な位置検出と位置決めがで
きる点、機構系の精度が緩和でき小型・経済的な移送機
構が利用できる点が従来技術とは大きく異なる。

【００２０】本発明では、ロボットハンドに結像光学系
を主体とした３次元位置検出センサを搭載し、このセン
サでロボットハンドと２つの直交平面上の位置決め目標
物であるプラグもしくはジャックの３次元相対位置をＣ
ＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）
の画像信号から目標物毎に個別に検出することができ、
またこのセンサで検出した３次元の相対位置誤差信号を
元にこれら目標物とロボットハンド間の３次元相対位置
誤差をゼロもしくは許容位置決め誤差範囲内に機構を制
御することができるので、温度変化のある環境、長時間
の使用に関してもプラグ、ジャック等の光部品の破損等
のない高信頼な光接続が実現でき、また高精度な機構部
品や組立精度が要求されないので経済的な小型な装置構
成が可能となる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
形態例を詳細に説明する。

【００２２】図１は後述する実施形態例の３次元位置検
出センサを搭載した自動光配線装置を示したものであっ
て、１１はプラグ、１２は接続盤、１３はジャック、１
４は３次元位置検出センサ、１５はロボットハンド、１
６は３次元移送機構、１７は入力光ファイバ群、１８は
出力光ファイバ群である。

【００２３】光の接続は、入力光ファイバ群１７の端部
に取り付けられたプラグ１１と出力光ファイバ群１８の
端部に取り付けられたジャック１３を接続することによ
り行われる。

【００２４】図において、本実施形態例の３次元位置検
出センサ１４を搭載した自動光配線装置における位置検
出・位置決めでは、まず、プラグ１１を接続盤１２上の
ジャック１３に接続もしくは切断を行う前工程として、
ロボットハンド１５をプラグ切断位置もしくはプラグ接
続位置にティーチング量を元に粗位置決めする。その
後、ロボットハンド１５に搭載した３次元位置検出セン
サ１４でロボットハンド１５と接続盤１２上のプラグ１
１もしくはジャック１３間の３次元相対位置を検出し、
両者間の３次元相対位置誤差がゼロもしくは許容位置決
め誤差範囲内になるように３次元移送機構１６を制御し
て高精度位置決めを行う点が従来の位置決め法と異なる
点である。

【００２５】以下、本発明の実施形態例である３次元位
置検出センサについて説明する。

【００２６】図２は、本発明の実施形態例を示したもの
であって、図２（ａ）は３次元位置検出センサの構成を
示したもの、図２（ｂ）はＸ軸方向の位置検出方法を示
したものであって、２０は照明光源、２１は光ビーム、
２１ａは平行光、２１ｂはＰ波、２１ｃはＳ波、２１
ｄ，２１ｅは円偏光、２１ｆはＳ波、２１ｇはＰ波、２
２はコリメートレンズ、２３は方解石、２４は偏光ビー
ムスプリッタ、２５ａ，２５ｂはλ／４板、２６，２７
は対象面、２８は結像レンズ、２９はＣＣＤ、２９Ｌは
ＣＣＤ左部、２９ＲはＣＣＤ右部である。

【００２７】図２（ａ）において、照明光源２０から出
射した光ビーム２１は、コリメートレンズ２２を介して
平行光２１ａに変換される。その後、方解石２３等の偏
光素子により偏光面が直交する２本の直線偏光（Ｐ波２
１ｂ、Ｓ波２１ｃ）に変換され、偏光ビームスプリッタ
（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔ
ｔｅｒ）２４をＰ波２１ｂは直進し、Ｓ波２１ｃは９０
度反射して直進する。その後、両偏光ビーム２１ｂ，２
１ｃともＰＢＳ２４端面に取り付けられたλ／４板２５
ａ，２５ｂを通過後、円偏光２１ｄ，２１ｅに変換され
対象面２６，２７に照射される。この円偏光２１ｄ，２
１ｅにより照射された対象面２６，２７からの反射光
は、再度λ／４板２５ａ，２５ｂに入射し、先のＰＢＳ
２４入射時の直線偏光２１ｂ，２１ｃと９０度位相の違
う直線偏光Ｓ波２１ｆ、Ｐ波２１ｇに変換される。その
後、Ｘ軸方向の反射光である偏光Ｓ波２１ｆはＰＢＳ２
４で９０度光路を折り曲げられ、結像レンズ２８を介し
てＣＣＤ２９の左部２９Ｌに結像する。同様に、Ｚ軸方
向の対象面２７からの反射光はλ／４板２５ｂを透過
後、偏光Ｐ波２１ｇとなりＰＢＳ２４を透過し結像レン
ズ２８を介してＣＣＤ２９の右部２９Ｒに結像する。Ｃ
ＣＤ２９の左部２９Ｌ、ＣＣＤ２９の右部２９Ｒに結像
した像ＩＬ、ＩＲ間の距離ｄは、方解石２３の長さＬを
コントロールすることにより任意の距離に設定すること
ができる。

【００２８】本実施形態例では、偏光ビームを用いるこ
とでＸ方向にある対象面２６の像（ＹＺ平面の像）と、
Ｚ方向にある対象面２７の像（ＸＹ平面の像）を偏光分
離し、２つの像を空間的に分離して結像させることがで
きるので、像間の干渉もなく良好な結像性能を得ること
ができる。

【００２９】次に本実施形態例におけるＹＺ平面に対す
るＸ軸方向のフォーカス（Ｆｏｃｕｓ）制御法について
説明する。フォーカス制御の手法としては種々の方法が
あるが、ここでは画像のエッジ信号を用いたフォーカス
制御によるＸ方向の位置検出法を一例として説明する。
図２（ｂ）において、ＣＣＤ２９上に結像した接続盤
（対象面２６に相当）上の像ＩＬは、３次元位置検出セ
ンサを搭載した機構部をＸ軸方向に走査することにより
ピンぼけ状態からジャスピン状態Ｆそしてピンぼけ状態
へと遷移していく。この時、ＣＣＤ２９上の画像ＩＬの
ほぼ中心あたりのＺ方向の走査線Ｋの画像エッジの微分
値に着目すれば、この微分値が最大となる点でジャズピ
ン状態Ｆとなるので、この微分信号を使ってＸ軸方向の
移送機構を制御することによりＸ軸方向のフォーカス制
御が可能である。図２（ｃ）は同じくＸ軸方向のフォー
カス制御方法を示した他の例である。接続盤に相当する
ＸＹ対象面２６に二重円のマークを設け、ＣＣＤ２９上
に結像させ、先の例と同じ走査線Ｋ上の二重円像Ｉｃの
輝度分布Ｉ（ａ．ｕ．）をとる。同図に示すように比較
的光源の光量変化に対して強いコントラスト値Ｃ（（Ｉ
ｐ−Ｉｖ）／（Ｉｐ＋Ｉｖ））をフォーカス誤差信号と
して用い、コントラスト値Ｃが最大になるようにＸ方向
の移送機構を制御する事によりＸ軸方向のフォーカス制
御が可能である。以上Ｘ方向の位置検出方法について説
明したが、Ｘ方向、Ｚ方向とも光学系は同一なので、Ｚ
方向についてもＸ方向と同様のフォーカス制御ができる
ことは言うまでもない。このように本光センサでは、Ｙ
Ｚ平面とその平面に直交するＸＹ平面の２面に対して、
センサ間との３次元相対位置を検出することができる。

【００３０】図３は本発明の他の実施形態例であって、
３０は照明用光源、３１は光ビーム、３１ａは平行光、
３１ｂはＰ波、３１ｃはＳ波、３１ｄ，３１ｅは円偏光
ビーム、３１ｆはＳ波、３１ｇはＰ波、３２はコリメー
トレンズ、３３は検光子、３４は偏波面回転素子、３５
はＰＢＳ、３５ａ，３５ｂはλ／４板、３６，３７は対
象面、３８は結像レンズ、３９はＣＣＤである。

【００３１】本実施形態例は、先の実施形態例で述べた
空間的に分離した２つの像ではなく、一本のビームで時
間的に分離した２つの像を処理する実施形態例である。
照明用光源３０から出射した光ビーム３１は、コリメー
トレンズ３２により平行光３１ａに変換され検光子３３
を通過後、偏波面回転素子３４を介してＰＢＳ３５に入
射する。偏波面回転素子３４としては、λ／２板等を回
転させてコントロールする方法もあるが、ここでは、回
転機構部が不要で電圧のＯＮ／ＯＦＦのみで偏波面の回
転を制御できる利点を持つＴＮ（Ｔｗｉｓｔｅｄ Ｎｅ
ｍａｔｉｃ）液晶３４′で説明する。また説明の都合
上、電圧印加時にＴＮ液晶３４′通過後のビームはＰ
波、電圧ＯＦＦ時にＴＮ液晶３４′通過後のビームはＳ
波となるようＴＮ液晶３４′の偏波面を配置しているも
のとする。

【００３２】ＴＮ液晶３４′に電圧を印加すると、照明
用光源３０から出射した光ビーム３１は、ＴＮ液晶３
４′透過後、Ｐ波３１ｂとなりＰＢＳ３５に入射・通過
しλ／４板３５ａを透過して円偏光ビーム３１ｄに変換
され対象面３６を照明する。対象面３６からの反射光は
λ／４板３５ａを透過後、Ｓ波３１ｆに変換されＰＢＳ
３５で光路を９０度折り曲げられ、結像レンズ３８を介
してＸ方向の対象面３６の像ＸｉｍｇをＣＣＤ３９に結
像させる。次にＴＮ液晶３４′の電圧をＯＦＦにする
と、照明用光源３０から出射しコリメートされた平行光
３１ａは、ＴＮ液晶３４′透過後Ｓ波３１ｃとなり、Ｐ
ＢＳ３５に入射・反射し、λ／４板３５ｂ通過後、円偏
光ビーム３１ｅとなりＺ軸方向の対象面３７を照明す
る。この対象面３７からの反射光はλ／４板３５ｂを通
過後、偏光Ｐ波３１ｇに変換されるので、ＰＢＳ３５を
透過し、結像レンズ３８を介してＣＣＤ３９にＺ軸方向
の対象物３７の像Ｚｉｍｇを結像する。

【００３３】このように、ＴＮ液晶３４′の偏波面を電
圧で制御するだけで、Ｘ軸方向の対象面３６の像（ＹＺ
平面上の像）、Ｚ軸方向の対象面３７の像（ＸＹ平面上
の像）を切り替え結像させることができる。なお、本実
施形態例においても、Ｘ方向、Ｚ方向のフォーカス制御
は、先の実施形態例の図２（ｂ）、（ｃ）で説明した手
法と同じであるため説明は割愛する。

【００３４】図４は本発明の他の実施形態例であって、
４０は照明光源、４１は光ビーム、４１ａは平行光、４
１ｂは直進光ビーム、４１ｃは９０度反射した光ビー
ム、４１ｄ，４１ｅは光ビーム、４１ｄ′，４１ｅ′は
対象面からの反射光ビーム４１ｄ，４１ｅの残り半分の
迷光ビーム、４１ｆ，４１ｇはハーフミラー（ＨＭ）へ
の再入射光ビーム４１ｄ，４１ｅの半分の光ビーム、４
１ｈ，４１ｊ，４１ｋは光ビーム、４２はコリメートレ
ンズ、４３はハーフミラー（ＨＭ）、４４ａ，４４ｂは
ウエッジプリズム（ＷＰ）、４５，４５ａ，４６は対象
面、４７は結像レンズ、４８はＣＣＤ、戻り光遮蔽板４
９により放射させている。

【００３５】図４（ａ）において、照明光源４０から出
射した光ビーム４１はコリメートレンズ４２を介して平
行光４１ａに変換された後、戻り光遮蔽板４９を通過し
てハーフミラー（ＨＭ）４３に入射し、ＨＭ４３により
直進光ビーム４１ｂとＨＭ４３で９０度反射した光ビー
ム４１ｃの２本の光ビームに分離される。その後２本の
光ビーム４１ｂ，４１ｃは、ＨＭ４３の出射端に取り付
けられたウエッジプリズム（ＷＰ）４４ａ，４４ｂに入
射・透過しＷＰ４４ａ，４４ｂから出射する際に端面で
屈折し、それぞれの対象面４５，４６を照射する。対象
面４５，４６から反射された光ビームは、ＷＰ４４ａ，
ＷＰ４４ｂに再度屈折・入射し、先の入射ビーム４１
ｂ，４１ｃと平行で向きが反対の光ビーム４１ｄ，４１
ｅとなりＨＭ４３に至る。この時、ＨＭ４３への入射ビ
ーム４１ｄ，４１ｅの半分の光４１ｆは光路を９０度折
り曲げられ、４１ｇはＨＭ４３を透過して結像レンズ４
７を介して、ＣＣＤ４８の左面、右面に個別に結像す
る。また対象面４５，４６からの反射光４１ｄ，４１ｅ
の残り半分の迷光ビーム４１ｄ′はＨＭ４３を透過し、
４１ｅ′はＨＭ４３で反射してそれぞれ照明光源４０方
向へ戻ってくるので、これらの迷光を照明光源４０に戻
らぬようにするため、戻り光遮蔽板４９により放射させ
ている。ＣＣＤ４８上に結像する二つの像ＩＬ、ＩＲ間
の距離ｄは、ＷＰの角度θをコントロールすることによ
り任意の距離に設定することができる。

【００３６】本実施形態例では、先に示した２つの実施
形態例とは異なり、移送機構を用いずにＸ方向、Ｚ方向
のフォーカス信号を光学系から取得可能である。以下図
４（ｂ）を用いてＸ方向のフォーカス制御を例に取り説
明する。

【００３７】先に述べたように、ＨＭ４３、ＷＰ４４ａ
を透過した光ビーム４１ｈは、ＷＰの傾斜角θに応じて
偏角して対象面４５を照射し、対象面４５から反射した
後、ＷＰ４４ａに再度入射・屈折してＨＭ４３に入射し
光ビーム４１ｊとなる。一方、接続盤（ここでは対象面
４５に相当）とロボットハンド間のＸ方向の距離が変化
（ΔＸ）して対象面４５が対象面４５ａに移動した場
合、ＨＭ４３、ＷＰ４４ａを透過した光ビーム４１ｈ
は、対象面４５ａから反射した後、ＷＰ４４ａに再度入
射・屈折してＨＭ４３に入射し光ビーム４１ｋとなる。
このようにＷＰ４４ａの効果により対象面４５から対象
面４５ａへの移動（Δｘ）がＨＭ４３内の反射光ビーム
４１ｊから４１ｋへの平行シフト（ΔＺ）となり、結果
としてＣＣＤ４８上に結像する像Ｉ１，Ｉ２の中心間隔
εが変化する。従ってこのεを検出することにより、接
続盤（対象面４５）とロボットハンド間のＸ方向のフォ
ーカス誤差（Δｘ）を検出することができ、この誤差を
ゼロもしくは許容位置誤差範囲内とするよう機構制御す
ることによりフォーカス制御が可能である。Ｚ方向に対
しても全く同じ光学系であるため、Ｘ方向と同じ手法で
Ｚ方向のフォーカス制御が可能である。このように本実
施形態例では、先の２つの実施形態例とは異なり、移送
機構を用いてフォーカス信号を取得する必要がなく、ε
の値から直接フォーカス誤差を検出できる点で優れてい
る。

【００３８】図５は本装置における切断動作を説明する
図、図６は本装置における接続動作を説明する図であっ
て、５０はロボットハンド、５１は切断対象プラグ、５
２は３次元位置検出センサ、５３は接続盤上に設けた基
準マーク、５４はＣＣＤ、５４ＲはＣＣＤ右面、５４Ｌ
はＣＣＤ左面、５５は接続盤、５６は位置誤差ゼロ時の
プラグの仮想像、５７は基準マークの位置誤差ゼロ時の
仮想像、５８はＣＣＤ上のプラグ像、５９はＣＣＤ上の
基準マーク像、６０はロボットハンド、６１は接続対象
プラグ、６２は３次元位置検出センサ、６３は基準マー
ク、６４はＣＣＤ、６５は接続盤、６６は基準マークの
位置誤差ゼロ時の仮想像、６７は基準マーク像、６８は
接続対象ジャックである。

【００３９】以下、図５、図６を用いて自動光配線装置
の接続動作、切断動作時の３次元相対位置誤差検出とプ
ラグ切断、接続する手順を説明する。

【００４０】図５（ａ）において、まず原点Ｏ（Ｘ_{0 、}
Ｙ_{0 、}Ｚ₀ ）位置に位置決められたロボットハンド５０
は、事前に計測したティーチング量を元にプラグ切断位
置Ｃへの粗位置決めが行われる。この位置は、切断すべ
きプラグ５１がロボットハンド５０の直下になる位置で
あり、この位置で先の実施形態例で示した３次元位置検
出センサ５２でプラグ５１のＸＹ平面のプラグ像５８、
ＹＺ平面である接続盤５５上の基準マーク像５９を取得
する。位置決めの手順を図５（ｂ）に示す３次元位置検
出センサ５２のＣＣＤ５４の受光面を用いて説明する。
なお、ＣＣＤ５４に結像した像は、ＣＣＤ５４の右面５
４Ｒと左面５４Ｌに独立に結像する図２、図３の実施形
態例の場合で説明する。まずプラグ切断位置ＣでＸ方向
のフォーカス制御をＹＺ平面の基準マーク５３を用いて
行う。次にＺ方向のフォーカス制御をＣＣＤ５４上のプ
ラグ像５８のエッジの微分信号を用いて行う。なお、Ｚ
方向の位置誤差はＣＣＤ５４上の接続盤の基準マーク像
５９のずれ（ΔＺ）からも検出できるのでこの位置誤差
情報を用いてフォーカス制御を行ってもよい。このよう
にして、Ｘ、Ｚ方向のフォーカス制御によりＹＺ平面で
ある接続盤上の基準マーク像５９がＣＣＤ左側５４Ｌ上
に、ＸＹ平面上のプラグ像５８がＣＣＤ右側５４Ｒにフ
ォーカス状態で撮像することができる。ロボットハンド
５０の切断対象プラグ５１への位置決めは、このＣＣＤ
右側５４Ｒに撮像した切断対象プラグ５１のＸＹ平面の
プラグ像５８と位置誤差ゼロ時の仮想像５６との誤差
（Δｘ、Δｙ）を検出し、その後この位置誤差が０とな
るよう移送機構Ｘ，Ｙ軸を制御することで行われる。こ
の後、ロボットハンド５０で切断対象プラグ５１を把持
し、接続盤５５からプラグ５１を切断し切断動作が終了
する。このようにロボットハンド５０と接続盤５５上の
切断対象プラグ５１間の相対位置誤差を検出しこれらの
誤差をゼロもしくは許容位置誤差範囲内に機構を制御し
て位置決めることにより、高精度・高信頼でプラグの個
体差に依存しない切断動作が実行できる。

【００４１】また、図６に示すように、接続時において
も上述の切断時とほぼ同じ動作で位置検出、位置決め接
続動作が実行される。まず、原点Ｏ（Ｘ_{0 、}Ｙ
_{0 、}Ｚ₀ ）位置に位置決められたロボットハンド６０
は、接続対象プラグ６１を把持した後、事前に計測した
値を元に決定されているジャック接続位置Ｊに粗位置決
めされる。次にＸ方向のフォーカス制御をＹＺ平面の基
準マーク６３を用いて行った後、ロボットハンド６０に
搭載した３次元位置検出センサ６２により接続盤６５の
基準マーク６３の像６７（ＹＺ平面）と基準マーク６３
の位置誤差がゼロ時の仮想像６６から、ＹＺ方向の位置
誤差（Δｙ、ΔＺ）を検出する。その後この位置誤差が
０となるよう移送機構Ｙ、Ｚ軸を制御することで位置決
めが終了し、次にロボットハンド６０で接続対象プラグ
６１を把持し、接続盤６５の接続対象ジャック６８に接
続して接続動作が終了する。

【００４２】なお、ここでは図２、図３で示した３次元
位置検出センサの例で説明したが、図４に示す３次元位
置検出センサにおいても同様の位置検出、位置決め、接
続・切断動作ができることは先の説明から明らかなので
説明は省略する。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、２平
面の画像を一つの光学系で取得できる３次元位置検出セ
ンサを用いることによりロボットハンドと対象面間の３
次元の相対位置誤差を検出できるので、従来の機構精度
のみで位置決める例に比べ、耐環境性、経年変化に強い
高精度な位置検出と位置決めが可能になる。また接続盤
上のプラグ、もしくはジャック位置を個別検出できるの
で、基準点から目的の位置を算出する従来例とは違い誤
差が積算しないため、高精度な移送機構を用いる必要が
なく小型で経済的な装置構成が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態例の３次元位置検出センサを
搭載した自動光配線装置を示す斜視図である。

【図２】本発明の実施形態例に係る３次元位置検出セン
サを示す説明図である。

【図３】本発明の他の実施形態例に係る３次元位置検出
センサを示す説明図である。

【図４】本発明の他の異なる実施形態例に係る３次元位
置検出センサを示す説明図である。

【図５】本発明の実施形態例に係る３次元位置検出セン
サを用いて切断動作を示す説明図である。

【図６】本発明の実施形態例に係る３次元位置検出セン
サを用いて接続動作を示す説明図である。

【図７】自動光配線装置における雄雌構成の光接続部を
示す断面図である。

【図８】自動光配線装置の概念を示す斜視図である。

【図９】従来の位置決め方法を説明する斜視図である。

【図１０】従来の基準ピン位置を基準として位置決めす
る方法を説明する斜視図である。

【符号の説明】

１１…プラグ、１２…接続盤、１３…ジャック、１４…
３次元位置センサ、１５…ロボットハンド、１６…３次
元の移送機構、１７…入力光ファイバ群、１８…出力光
ファイバ群、２０…照明光源、２１…光ビーム、２１ａ
…平行光、２１ｂ…Ｐ波、２１ｃ…Ｓ波、２１ｄ，２１
ｅ…円偏光、２１ｇ…Ｐ波、２１ｆ…Ｓ波、２２…コリ
メートレンズ、２３…方解石、２４…偏光ビームスプリ
ッタ、２５ａ，２５ｂ…λ／４板、２６，２７…対象
面、２８…結像レンズ、２９…ＣＣＤ、２９Ｌ…ＣＣＤ
左部、２９Ｒ…ＣＣＤ右部、３０…照明用光源、３１…
光ビーム、３１ａ…平行光、３１ｂ…Ｐ波、３１ｃ…Ｓ
波、３１ｄ…円偏光ビーム、３１ｅ…円偏光ビーム、３
１ｆ…Ｓ波、３１ｇ…Ｐ波、３２…コリメートレンズ、
３３…検光子、３４…偏波面回転素子、３５…ＰＢＳ、
３５ａ，３５ｂ…λ／４板、３６…Ｘ軸方向の対象面、
３７…Ｚ軸方向の対象面、３８…結像レンズ、３９…Ｃ
ＣＤ、４０…照明光源、４１…光ビーム、４１ａ…平行
光、４１ｂ…直進光ビーム、４１ｃ…９０度反射した光
ビーム、４１ｄ，４１ｅ…光ビーム、４１ｄ′，４１
ｅ′…対象面からの反射光４１ｄ，４１ｅの残り半分の
光ビーム、４１ｆ，４１ｇ…ＨＭへの入射ビーム４１
ｄ，４１ｅの半分の光、４１ｈ，４１ｊ，４１ｋ…光ビ
ーム、４２…コリメートレンズ、４３…ハーフミラー、
４４ａ…ウエッジプリズム（ＷＰ）、４４ａ，４４ｂ…
ＷＰの端面、４５，４５ａ，４６…対象面、４７…結像
レンズ、４８…ＣＣＤ、４９…戻り光遮蔽板、５０…ロ
ボットハンド、５１…切断対象プラグ、５２…３次元位
置検出センサ、５３…基準マーク、５４…ＣＣＤ、５４
Ｒ…ＣＣＤ右面、５４Ｌ…ＣＣＤ左面、５５…接続盤、
５６…プラグの仮想像、５７…基準マークの仮想像、５
８…ＣＣＤ上のプラグ像、５９…ＣＣＤ上の基準マーク
像、６０…ロボットハンド、６１…接続対象プラグ、６
２…３次元位置検出センサ、６３…基準マーク、６４…
ＣＣＤ、６５…接続盤、６６…基準マークの位置誤差ゼ
ロ時の仮想像、６７…基準マークの像、６８…接続対象
ジャック、７１…入力光ファイバ群、７２…出力光ファ
イバ群、７２ａ…光軸合せ用の割スリーブ、７３…プラ
グ、７３ａ…プラグのほぼ中央部の突起部、７４…ジャ
ック、７４ｂ…コイルスプリング、７４ｃ…フェルー
ル、７４ｄ…ストッパ、７５…接続盤、７６…係止片、
７６ａ…係止片の突起部、８１…入力光ファイバ、８２
…出力光ファイバ、８３…プラグ、８３ａ…接続対象プ
ラグ、８４…ジャック、８４ａ…接続対象ジャック、８
５…接続盤、８５ａ…接続盤の前面、８６…３次元移送
機構、８７…ロボットハンド、８６ａ…Ｘ軸移送機構、
８６ｂ…Ｙ軸移送機構、８６ａ１，８６ｂ１…パルスモ
ータ、８６ａ２，８６ｂ２…タイミングベルト、８６ａ
３，８６ｂ３…プーリ、８６ａ４，８６ｂ４…ガイド、
８６ｃ…Ｚ軸移送機構、９０…ロボットハンド、９１…
プラグ、９１ａ…接続対象プラグ、９２…接続盤、９３
…ジャック、９３ａ…接続対象ジャック、１００…接続
盤、１０１…基準ピン、１０２…ロボットハンド、１０
３…接続対象プラグ、１０４ａ…接続対象ジャック。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０４Ｂ 10/22 Ｈ０４Ｂ 9/00 Ａ 10/00 (72)発明者 田中 伸英 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日 本電信電話株式会社内 Ｆターム(参考） 2H036 NA01 QA44 QA56 2H041 AA14 AA18 AB19 AC04 AZ01 AZ06 3F059 AA03 CA06 DA02 DA08 DB04 DB08 DB09 DC08 DD01 DD13 FA03 FB01 FB17 FC02 FC06 FC13 FC14 5F088 BA15 BB01 BB03 BB06 BB10 JA14 5K002 AA07 EA05 FA01 FA03 GA07

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の光ファイバを有する一次側光ファ
   イバ群と複数の光ファイバを有する二次側光ファイバ群
   間の光接続をロボットハンドを用いて自動的に行う自動
   光配線装置における３次元位置検出センサであって、 照明光源と該照明光源からの出射光を平行光もしくは収
   れん光に変換し、該出射光の光軸と垂直な平面上に位置
   する第１の対象物と該出射光の光軸と直交する軸に対し
   て垂直な平面上に位置する第２の対象物を同時もしくは
   一方ずつ該出射光により順次照明する光学系と、該出射
   光を用いて前記第１、第２の対象物を撮像素子上に結像
   させる手段を順次有し、第１、第２対象物の撮像情報か
   ら前記ロボットハンドと第１、第２対象物間の３次元の
   相対位置情報を算出する手段を具備したことを特徴とす
   る３次元位置検出センサ。
2. 【請求項２】 複数の光ファイバを有する一次側光ファ
   イバ群と複数の光ファイバを有する二次側光ファイバ群
   間の光接続をロボットハンドを用いて自動的に行う自動
   光配線装置における位置決め方法であって、 前記ロボットハンドに搭載した請求項１記載の３次元位
   置検出センサによりロボットハンドと第１の対象物間と
   の３次元相対位置誤差およびロボットハンドと第２の対
   象物間との３次元相対位置誤差を検出した後、これら位
   置誤差をゼロもしくは許容位置誤差範囲内になるように
   機構を制御して位置決めることを特徴とする位置決め方
   法。