JP2008028275A - 部品実装機の画像認識用照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】部品表面が鏡面の場合には光源の形が写るのを防止し、部品表面が粗く拡散性が強い場合には光量を大きくとって露光時間を短くできる画像認識用の照明装置を提供する。
【解決手段】部品供給部で移載ヘッドのノズル７０に吸着した部品２の画像を、移送途中で部品認識カメラ２０により撮像して基板に搭載するための部品実装機の画像認識用照明装置において、照明用光源（ＬＥＤ配列光源３２）の前に設けられた液晶調光シート８２と、部品表面の状態に合わせて、該液晶調光シート８２の透過率を変えるための透過率制御手段（マイコン、Ｄ／Ａ変換器、液晶ドライバ）とを備える。
【選択図】図６

Description

本発明は、部品実装機の画像認識用照明装置及び部品実装機に係る。特に、電子部品（以下単に部品とも称する）を基板等に実装する部品実装機に用いるのに好適な、部品供給部で搭載ヘッドのノズルに吸着した部品の画像を、移送途中でカメラにより撮像して位置認識し、搭載位置を補正して基板に搭載するための部品実装機の画像認識用照明装置、及び、該画像認識用照明装置を備えた部品実装機に関する。

プリント基板上にＩＣ、抵抗、コンデンサ等の多数のチップ部品を高速且つ高精度で自動搭載するための部品実装機が知られている。この部品実装機では、例えば特許文献１に示されるように、図１に示す如く、搬送路５上を搬送される基板４に、部品供給部のフィーダ３でノズル（図示省略）に吸着したチップ部品２を、矢印Ａに示す如く移動して搭載する移載ヘッド（図示省略）の移動経路上に、チップ部品２を下方から撮像するカメラを備えた部品認識ユニット（単にカメラとも称する）１３を配設し、移載ヘッドがフィーダ３上の吸着位置Ｐ１から基板４上の搭載位置Ｐ２まで軌跡１４に沿って移動する途中で、移載ヘッドがカメラ１３上に位置した時に、移載ヘッドを停止することなく、ノズルに吸着したチップ部品２の撮像を行なっている。

ここで、移載ヘッドが高速で移動する場合には、カメラ１３が露光を行なっている間にも部品２が移動しているので、露光時間が長いと、エッジ周辺が鈍り、認識した電子部品の画像がぼける。従って、露光時間を短くするため照明光量を増やす必要がある。

一方、部品表面が鏡面の場合、部品表面に対して垂直方向に投光しないとカメラに写らないので、図２に例示する如く、例えば多数のＬＥＤを配列した光源３２とハーフミラー２４を組合せた同軸落射照明装置３０を使用する。図２において、１５は、移載ヘッドのノズル、２０は部品認識カメラ、２２はレンズ、３６はカバーガラスである。

しかしながら、図３（Ａ）に例示する如く、ＬＥＤの影が写るので、これを防止するため、拡散板３４をＬＥＤ配列光源３２の前に置いている。例えば特許文献２では、同軸落射照明用光源の前に拡散シート（拡散部）を置き、特許文献３では拡散板としてのホモジナイザを置いている。

特許第３４４５６８１号公報（図１） 特許第３５９３４１９号公報 特開２００３−１９８１９５号公報 特公平３−５２８４３号公報

しかしながら、部品表面が粗く拡散性が強い場合には、ＬＥＤ配列光源３２の前に拡散板３４を入れなくても、ＬＥＤの形の写り込みが無く、ＬＥＤ光が直接部品２に当たるので、光量が大きくとれ、露光時間を短くできるが、鏡面部品に対応するため、拡散板３４を入れなければならず、十分な光量がとれないという問題があった。

一方、特許文献４には、印加電圧に応じて透過率が変化する液晶調光シートが記載されているが、部品実装機への応用は考えられていなかった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、部品表面が鏡面の場合は光源の形が写るのを防ぎ、部品表面が粗く拡散性が強い場合には、光量を大きくとることが可能な画像認識用照明装置を提供することを課題とする。

本発明は、部品供給部で移載ヘッドのノズルに吸着した部品の画像を、移送途中で部品認識カメラにより撮像して基板に搭載するための部品実装機の画像認識用照明装置において、ＬＥＤ配列光源、該ＬＥＤ配列光源の前に設けられた液晶調光シート、及び、該液晶調光シートを透過した前記ＬＥＤ配列光源の光を略９０度偏光して前記部品認識カメラの光軸と同一にするハーフミラーを含む同軸落射照明装置と、部品表面の状態に合わせて、前記液晶調光シートの透過率を変えるための透過率制御手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。

前記部品の表面状態を、予めデータとして記憶し、部品認識時に読み出して、液晶調光シートの透過率を制御することができる。

更に、前記液晶調光シートの透過率を、ノズル毎に制御することができる。

本発明は、又、前記の画像認識用照明装置を備えたことを特徴とする部品実装機を提供するものである。

本発明によれば、部品表面が鏡面の場合には、液晶調光シートの透過率を小さくして、光源の形が写るのを防止し、一方、部品表面が粗く拡散性が強い場合には、液晶調光シートの透過率を大として光量を大きくとることができる。従って、単一の画像認識用照明装置で、鏡面部品、拡散性部品の両者に対応できる。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

まず、図４を用いて、本発明の適用対象である部品実装機の所要な構成について説明する。

図４において、基台４０の中央部にはＸ方向に搬送路５０が配設されている。この搬送路５０は、（電子）基板４を搬送すると共に、搬送路５０上で基板４を保持し位置決めする。従って、搬送路５０は基板保持部を兼ねている。

基板搬送部５０の両側には、部品の供給部４２が配設され、それぞれの供給部４２には多数のパーツフィーダ４３が並設されている。各パーツフィーダ４３は、例えばテープに保持された電子部品を収納し、このテープをテープ長方向に送ることにより、電子部品を順次供給する。

Ｘ軸フレーム５２Ｘには、電子部品の移載ヘッド６０がＸ軸方向に移動自在に装着されている。このＸ軸フレーム５２Ｘは、その両端部が、左右一対のＹ軸フレーム５２ＹにＹ軸方向に移動自在に支持されて架設されている。又、移搭載ヘッド６０及びＸ軸フレーム５２Ｘは、それぞれ特に図示しないＸ軸モータ及びＹ軸モータにより駆動され、それぞれＸ軸及びＹ軸方向に移動自在となっている。これによって、移載ヘッド６０はＸＹ方向に任意に移動可能であり、下端部に装着された、例えば４本の吸着ノズル７０によりパーツフィーダ４３のピックアップ位置から電子部品をピックアップし、基板４上に搭載する。

又、基板４と部品供給部４２の間には、図２と同様の部品認識カメラ２０を含む部品認識ユニット８０がそれぞれ配設されており、該部品認識ユニット８０は、移載ヘッド６０ひいては吸着ノズル７０、及び、それが吸着保持する電子部品を下方から撮像することが可能となっている。移載ヘッド６０が電子部品を保持した状態で、移動経路がより短くなる部品認識ユニット８０のいずれかの上方に移動し撮像することにより、電子部品の識別、位置ずれ検出が行なわれる。

次に、図５を用いて、移載ヘッド６０の周辺について説明する。図５において、移載ヘッド６０には、Ｚ軸モータ６２及びボールねじ６４、更にθ軸モータ６６が設けられ、これらによりノズルシャフト６８はＺ軸及びθ軸方向に自在に駆動される。又、特に図示しない真空発生装置が接続されることで、ノズルシャフト６８の先端に着脱自在に係合される吸着ノズル７０には、電子部品が吸着保持される。合わせて、基板４に設けられる位置基準マークを認識するための基板認識カメラ７２及び基板照明ユニット７４が移載ヘッド６０と一体的に設けられている。

本発明に係る部品認識ユニット８０の内部構成を図６に示す。図６において、２０は、移載ヘッドのノズル７０が吸着保持した部品２を撮像する部品認識カメラ、２２は、該部品認識カメラ２０に取り付けられたレンズ、２４は、照明光を上方へ折返すハーフミラー、３０は、該ハーフミラー２４の側方に設けられたＬＥＤ配列光源３２と、特許文献４に記載された、電圧印加により不透明から透明状態に変わる液晶調光シート８２及び前記ハーフミラー２４より構成され、該液晶調光シート８２を透過した前記ＬＥＤ配列光源３２の光を部品認識カメラ２０の光軸と同一になるようにハーフミラー２４により反射（略９０度偏光）して、移載ヘッドのノズル７０が吸着保持した部品２を下方から照射するための同軸落射照明装置、３６は、部品認識ユニット８０内に塵埃が侵入するのを防止するカバーガラス、８４は、搭載ヘッドが吸着保持した部品２に対して比較的浅い角度の下方から照射する斜光照明装置を示す。

図７に示すように、前記液晶調光シート８２は、ネマチック液晶の小滴（カプセルと称する）８２ａが分散した透明ポリマーフィルム８２ｂを、その両面から透明導電層８２ｃでサンドイッチし、更に、その両面から透明プラスチックフィルム８２ｄで挟んだ積層構造をしている。

図７（Ａ）に示すように、透明導電層８２ｃ間に電圧を掛けない状態では、棒状の分子として表わされる液晶は、カプセル８２ａの内壁に沿って並ぶ。この状態で液晶調光シート８２に入射した光は、ポリマーと液晶の屈折率の違い、及び、液晶の複屈折性によって、カプセル８２ａの表面や内部で屈折する。その結果、光は直進できず散乱し、液晶調光シート８２は不透明に見える。

一方、図７（Ｂ）に示すように、透明導電層８２ｃ間に十分な電圧を掛けた状態では、電界の方向にカプセル８２ａ内の液晶分子が整列する。このように並んだ状態で、屈折率がポリマーと一致する液晶であれば、カプセル８２ａの界面が無いのに等しい状態となり、光は散乱せず直進する。その結果、液晶調光シート８２は透明に見える。

即ち、液晶調光シート８２は、電圧を印加しない通常の状態では、図７（Ａ）のような磨りガラス状の光学特性になり、一方、十分な電圧を印加すれば、図７（Ｂ）のような透明な光学特性になる。更に、印加電圧を調整することにより、図８に示すように、中間的な光学特性を連続的に得ることもできる。

以下、部品実装機の動作を、実際の基板への部品搭載作業に沿って説明する。

図４に示されるように、基板４は、図４における装置左手前側から搬送路５０によりＸ軸方向に搬入されると共に、基台４０内で予め定められる搭載位置へと搬送され固定される。移載ヘッド６０は、図示されないＸ軸モータ及びＹ軸モータの駆動により基板４上に移動し、図５に示した基板照明ユニット７４によって基板４上の位置基準マークを照射しつつ、基板認識カメラ７２により位置基準マークを撮影する（複数の位置基準マークがあれば順次同様に撮像する）。これらの撮像データを、部品実装機筐体内に格納されている画像認識部（図示省略）が演算し、基板４の基台４０における位置決めされた位置と角度のデータを得、それを元に部品２の搭載位置データの補正を行なう。

続いて、移載ヘッド６０は、部品供給部４２へ移動し、パーツフィーダ４３から基板４上に実装すべき電子部品を取り出す。部品を取り出した移載ヘッド６０は、Ｘ軸及びＹ軸方向に駆動されて、基板４上の搭載すべき位置へ移動を行なう。この際、移載ヘッド６０は、図９に示す如く、２つの部品認識ユニット８０のいずれか移動距離が短く到達可能な方の上を複数の吸着ノズル７０の並び方向（図９の左右方向）と平行に通過するように駆動される。この際に移載ヘッド６０のＸ軸方向の位置を検出するＸ軸エンコーダ（図示省略）からの出力信号を検出し、部品認識ユニット８０の直上に撮像すべき電子部品を吸着保持したノズル７０が位置したことを検知して、部品認識ユニット８０内の部品認識カメラ２０にトリガを与えてシャッタを切り、吸着保持した電子部品の撮像が各ノズル毎に行なわれる。

以下、４本のノズル７０を備えた移載ヘッド６０での動作及び制御部の構成の例を、図１０のフローチャートと図１１のブロック図により説明する。

始めに、マイコン８６により、ノズル７０に吸着されている部品のデータを読み出す（ステップ１００）。次に、マイコン８６で、吸着部品が鏡面部品であるか否かを判定し（ステップ１１０）、鏡面部品でなければ、液晶調光シート８２の駆動位置（ノズル番号による）を比較器８８Ａにセットする（ステップ１２０）。次に部品データより得た液晶調光シート８２の駆動電圧を、Ｄ／Ａ変換器９０Ａを介して液晶ドライバ９２に入力し、照明光の拡散度合を調整する（ステップ１３０）。次に、液晶劣化防止のため、液晶調光シートの駆動電圧極性を駆動パルス毎に反転する（ステップ１４０）。

一方、ステップ１１０の判定結果が正であり、鏡面部品である場合には、ステップ１２０乃至１４０による液晶調光シート駆動位置と駆動電圧の設定は行なわない。この場合、液晶調光シート８２は電圧をかけないので、光拡散状態のままであり、拡散板として作用する。

次に、部品撮像認識カメラ２０のシャッタＯＮ位置（ノズル番号による）を比較器８８Ｂにセットする（ステップ１５０）。次いで、照明のＯＮ位置（ノズル番号による）も比較器８８Ｃにセットする（ステップ１６０）。照明光量も部品データよりＤ／Ａ変換器９０Ｂを介してＬＥＤドライバ９４に入力する（ステップ１７０）。

このように各比較器８８Ａ〜Ｃがセットされた状態で、移載ヘッド６０がＸ軸方向に移動し、Ｘ軸エンコーダ信号は、位置カウンタ９６を介してＸ軸位置として各比較器８８Ａ〜Ｃに入る。

Ｘ軸位置が液晶調光シート８２をＯＮとすべきノズルの位置に達すると、比較器８８Ａの一致出力が出力され、ワンショットＭＳ９８Ａをトリガし、液晶調光シート８２の駆動電圧パルスが液晶ドライバ９２に入力される。すると、液晶ドライバ９２は、図１２に示す第１ノズル、第３ノズルの例の如く、先に設定された駆動電圧のパルスを液晶調光シート８２に印加する。この例では、印加電圧は第１ノズルで＋２４Ｖ、第３ノズルで−２４Ｖとなっている。

次にＸ軸がノズル近傍のカメラ２０のシャッタをＯＮとすべき位置に達すると、比較器８８Ｂの一致出力が出力され、ワンショットＭＳ９８Ｂをトリガし、図１２に示す如く、カメラシャッタトリガ信号が部品認識カメラ２０に入力され、カメラシャッタトリガ信号のパルス幅での露光が始まる。

次にＸ軸がノズル近くの照明をＯＮとすべき位置に達すると、比較器８８Ｃの一致出力が出力され、ワンショットＭＳ９８Ｃをトリガし、図１２に示す如く、ＬＥＤ配列光源３２のＯＮパルス信号がＬＥＤドライバ９４に入力される、ＬＥＤドライバ９４は、図１２に示す如く先に設定された照明光量相当のＬＥＤ駆動電圧パルスをＬＥＤ配列光源３２に印加し、パルス発光させる。カメラ２０はカメラシャッタトリガ信号のパルス幅での露光中であるので、ＬＥＤパルスに比例した明るさの部品画像が撮像される。

一方、比較器８８Ｃの一致出力によりセットされる一致Ｆ／Ｆ９９により、照明パルスＯＮをマイコン８６が検知し（ステップ１８０）、一致Ｆ／Ｆ９９をリセット（ステップ１９０）した後、ノズル番号Ｎｎを１だけ増やし（ステップ２００）、最終ノズル（Ｎｎ＝４）の処理が終了していなければ（ステップ２１０）、ステップ１００に戻って、次のノズルでの処理を第１ノズルと同様に行なう。

以上を最終の第４ノズルまで繰り返す。

画像認識部から得られた位置ずれ量、角度ずれ量の値と、既に求めた基板４の装置基台４０における位置及び角度情報から、それらを補正するようにＸ軸モータ、Ｙ軸モータ及びＺ軸モータ６２、θ軸モータ６６を駆動して、基板４上の所定の位置に精度良く電子部品の実装を行なう。

以上の動作を繰返し、架装されたパーツフィーダ４３から装着すべき電子部品の装着が全て完了すると、基板４は再び搬送路５０によりＸ軸方向に搬送され、装置外へと排出されて搭載作業が完了する。

図３（Ａ）は、鏡面であるメタルサンプルを、液晶調光シート８２を透明状態にして撮像した画像である。鏡面のためにＬＥＤの配列が写っている。これに対して、図３（Ｂ）は、同じ鏡面であるメタルサンプルを、液晶調光シート８２を拡散状態にして撮像した画像である。ＬＥＤ配列の写り込みが無くなっていることが分かる。又、図３（Ｃ）は、拡散面である白色セラミック板を、液晶調光シート８２を透明状態にして撮像した画像である。鏡面のときのようなＬＥＤ配列の写り込みは見られない。

以上のようにして、部品表面が拡散面の場合は、液晶調光シート８２に電圧を印加し、透明状態にして光量を稼ぎ、鏡面の場合は、液晶調光シート８２に電圧を印加せず、光拡散シートとして使用する。

これにより、光拡散性の部品の場合は、部品に当たる照明光量を上げて、部品認識時の移載ヘッドの移動速度を速くすることができ、タクトタイムを短縮することができる。

本実施形態においては、同軸落射照明装置３０に加えて拡散性部品用の斜光照明装置８４を設けているので、きめ細かな照明の制御が可能である。なお、斜光照明装置８４を省略することもできる。

又、前記実施形態においては、図１２に示したように、カメラシャッタが開いている間にＬＥＤ配列光源３２を点灯するようにしていたが、逆にＬＥＤ配列光源３２が点灯している間にカメラシャッタを露光するようにしても良い。又、ＬＥＤ配列光源３２をＯＮ−ＯＦＦせず、点灯したままとしても良い。光源の種類もＬＥＤ配列光源３２に限定されない。ノズルの数や配置も実施形態に限定されない。

特許文献１に記載された従来の部品認識方法を説明するための平面図 従来の部品認識ユニットの構成例を示す側面図 従来の問題点及び本発明の効果を示す図 本発明が適用される部品実装機の全体構成を示す斜視図 同じく搭載ヘッド部の詳細構成を示す斜視図 本発明に係る部品認識ユニットの実施形態の構成を示す側面図 本発明で用いる液晶調光シートの構成及び作用を示す断面図 同じく電圧と平行光線透過率の関係の例を示す図 前記部品実装機の動作を示す平面図 同じく本発明にかかる部品の処理手順を示す流れ図 同じく制御部の構成を示すブロック図 同じく動作を示すタイムチャート

符号の説明

２…部品
４…基板
２０…部品認識カメラ
３０…同軸落射照明装置
３２…ＬＥＤ配列光源
４０…基台
４２…部品供給部
４３…パーツフィーダ
５０…基板搬送路
５０Ｘ…Ｘ軸フレーム
５０Ｙ…Ｙ軸フレーム
６０…移載ヘッド
７０…吸着ノズル
８０…部品認識ユニット
８２…液晶調光シート
８６…マイコン
９０Ａ…Ｄ／Ａ変換器
９２…液晶ドライバ

Claims (3)

1. 部品供給部で移載ヘッドのノズルに吸着した部品の画像を、移送途中で部品認識カメラにより撮像して基板に搭載するための部品実装機の画像認識用照明装置において、
   ＬＥＤ配列光源、該ＬＥＤ配列光源の前に設けられた液晶調光シート、及び、該液晶調光シートを透過した前記ＬＥＤ配列光源の光を略９０度偏光して前記部品認識カメラの光軸と同一にするハーフミラーを含む同軸落射照明装置と、
   部品表面の状態に合わせて、前記液晶調光シートの透過率を変えるための透過率制御手段と、
   を備えたことを特徴とする部品実装機の画像認識用照明装置。
2. 前記部品の表面状態を、予めデータとして記憶し、部品認識時に読み出して、液晶調光シートの透過率を制御することを特徴とする請求項１に記載の部品実装機の画像認識用照明装置。
3. 前記液晶調光シートの透過率を、ノズル毎に制御することを特徴とする請求項１又は２に記載の部品実装機の画像認識用照明装置。

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