(57)【特許請求の範囲】
【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もしくは切断を、接続盤上のジャックとプラグにより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いて前記ロボットハンドに搭載される３次元位置検出センサであって、
照明光源からの出射光を平行光に変換した後、偏光面が直交する２本の直線偏光ビームに分離する手段と、
偏光ビームスプリッタを用いて、分離された直線偏光ビームの一方を前記出射光の光軸と垂直なＹＺ平面上に位置する接続盤上の基準マークに照射し、分離された直線偏光ビームの他方を前記出射光の光軸と直交する軸に対して垂直なＸＹ平面上に位置するプラグに照射し、前記基準マークおよびプラグからの反射光を１つの撮像素子上に結像させる手段と、
前記基準マークおよびプラグの撮像情報から前記ロボットハンドの移送機構を制御して前記ＹＺ平面に直交するＸ方向および前記ＸＹ平面に直交するＺ方向のフォーカス制御を行う手段と、
フォーカス制御を行った後に撮像した前記基準マークおよびプラグの像とこれらの像の位置誤差ゼロ時の仮想像との誤差から前記ロボットハンドと前記基準マークおよびプラグとの間の３次元の相対位置情報を算出する手段と、
を具備したことを特徴とする３次元位置検出センサ。
【請求項２】
請求項１に記載の３次元位置検出センサを搭載したロボットハンドの位置決め方法であって、
前記３次元位置検出センサによりロボットハンドと接続盤上の基準マーク間との３次元相対位置誤差、およびロボットハンドとプラグ間との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前記ロボットハンドの移送機構を制御して位置を決めることを特徴とする位置決め方法。
【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、７４ａ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７４ａ、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、８６ａ３，８６ｂ３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８３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８６ａ１，８６ｂ１、タイミングベルト８６ａ２，８６ｂ２、プーリ８６ａ３，８６ｂ３、ガイド８６ａ４，８６ｂ４から構成される。ＸＹ軸と直交するＺ軸移送機構８６ｃ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８７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（Ｘ0 、Ｙ0 、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（Ｘoff 、Ｙoff 、Ｚoff ）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９３までの距離は、加工時の加工寸法βｉ （Ｘｉ 、Ｙｉ 、Ｚｉ ）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、βｉ は既知なので、接続盤９２上の目的のジャック９３ａ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、１０２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１０１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（▲２▼）、点Ｐから既知の寸法βｉ （Ｘｉ 、Ｙｉ 、Ｚｉ ）をもとに接続対象ジャック１０４ａへ一定量移送し位置決め（▲３▼）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もしくは切断を、接続盤上のジャックとプラグにより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いて前記ロボットハンドに搭載される３次元位置検出センサであって、照明光源からの出射光を平行光に変換した後、偏光面が直交する２本の直線偏光ビームに分離する手段と、偏光ビームスプリッタを用いて、分離された直線偏光ビームの一方を前記出射光の光軸と垂直なＹＺ平面上に位置する接続盤上の基準マークに照射し、分離された直線偏光ビームの他方を前記出射光の光軸と直交する軸に対して垂直なＸＹ平面上に位置するプラグに照射し、前記基準マークおよびプラグからの反射光を１つの撮像素子上に結像させる手段と、前記基準マークおよびプラグの撮像情報から前記ロボットハンドの移送機構を制御して前記ＹＺ平面に直交するＸ方向および前記ＸＹ平面に直交するＺ方向のフォーカス制御を行う手段と、フォーカス制御を行った後に撮像した前記基準マークおよびプラグの像とこれらの像の位置誤差ゼロ時の仮想像との誤差から前記ロボットハンドと前記基準マークおよびプラグとの間の３次元の相対位置情報を算出する手段と、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、前記３次元位置検出センサを搭載したロボットハンドの位置決め方法であって、前記３次元位置検出センサによりロボットハンドと接続盤上の基準マーク間との３次元相対位置誤差、およびロボットハンドとプラグ間との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前記ロボットハンドの移送機構を制御して位置を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ＣＣＤ（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、１４は３次元位置検出センサ、１５はロボットハンド、１６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１１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、２１ｄ，２１ｅは円偏光、２１ｆはＳ波、２１ｇはＰ波、２２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２１ｂ、Ｓ波２１ｃ）に変換され、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）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，２１ｃともＰＢＳ２４端面に取り付けられたλ／４板２５ａ，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，２１ｅ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ＰＢＳ２４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ＰＢＳ２４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。ＣＣＤ２９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（（Ｉｐ−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、ＹＺ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  Ｎｅｍａｔｉｃ）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３４′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ＰＢＳ３５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、ＰＢＳ３５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、４１ｂ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、４１ｈ，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４９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４１ｂ，４１ｃと平行で向きが反対の光ビーム４１ｄ，４１ｅ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４７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、５２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（Ｘ0 、Ｙ0 、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５４Ｒ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（Ｘ0 、Ｙ0 、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，２１ｅ…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、３１ｆ…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…ＣＣＤ、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′，４１ｅ′…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４１ｄ，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、５４Ｒ…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、５８…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、６２…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、８５…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、８６ａ３，８６ｂ３…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、１０３…接続対象プラグ、１０４ａ…接続対象ジャック。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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