JP2008270649A - 表面実装機、及び、そのカメラ位置補正方法 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラの位置によらず、照明を点灯するだけで、位置補正用マークの認識を可能とする表面実装機、及び、カメラ位置補正方法を提供する。
【解決手段】部品認識用カメラや基板認識用カメラ４２を持った表面実装機において、カメラと認識対象物（基板８）との間に、光の一部を反射可能な光学部品（ハーフミラー６０）を配置し、該光学部品からの距離が光学部品と認識対象物との距離と等しい位置にカメラの位置補正用マーク６６を配置して、カメラとマークとを一体的に組み付け、照明を点灯した時に、そのマークの位置をカメラで認識できるようにする。
【選択図】図５

Description

本発明は、表面実装機、及び、そのカメラ位置補正方法に係り、特に、カメラによる撮像時のカメラ位置ずれを補正することが可能な表面実装機、及び、そのカメラ位置補正方法に関する。

ＩＣ、抵抗、コンデンサ等の多数の電子部品をノズルで吸着して、プリント基板や液晶基板等の各種基板に搭載する表面実装機（部品実装装置又はマウンタとも称する）が知られている。このような表面実装機の一例の構成を図１（全体）及び図２（ヘッド周辺）に示す。表面実装機（以下、単に実装機又はマシンとも称する）１０の前後に部品供給装置１２があり、部品を搭載する基板８をマシン左右方向から搬入する基板搬送装置１４や、部品供給装置１２から吸着した部品６の認識装置３０が本体に配置され、基板８へ移動可能なヘッド２０がＸＹ軸のロボット（ＸＹロボットと称する）１６上に配置されている。該ヘッド２０は、基板マーク８Ａや吸着部品６等を認識可能な基板認識装置４０や、部品６を部品供給装置１２から基板８へ移動可能なように部品６を吸着可能な、例えば複数のノズル２２を有している。又、ヘッド２０は、ノズル２２を支持して上下（Ｚ）方向へ移動させ、Ｚ方向の軸線廻りに回転させる機構（図示省略）を有している。

ノズル２２で吸着した部品６を基板８上へ正確に搭載する場合、吸着した部品６のノズル２２との位置関係を、何らかの認識、計測手段を用いて計算し、基板８上へのヘッド２０の停止位置を補正した後に搭載する必要がある。図２に一例を示したように、表面実装機１０に設置された部品認識装置３０は、例えば上向きの部品認識カメラ３２、レンズ３４及び照明３６で構成され、ノズル２２に吸着した部品６を下方向から撮像し、ノズル２２に対する部品吸着位置を計算する。そして、計算された部品６のノズル２２に対する吸着位置に基づいて搭載位置を補正して、部品６を基板８に搭載する。

又、部品６を搭載する基板８には、搭載座標を補正するためのマーク８Ａがあり、基板８の位置、角度、伸縮を、複数個のマーク８Ａを認識した撮像結果から計算して求めることができる。基板認識装置４０は、図２に一例を示した如く、ヘッド２０に下向きに装着された基板認識カメラ４２、レンズ４４及び照明４６で構成され、基板８のマーク８Ａを上方向から撮像し、基板８のマーク位置を計算する。そして、計算された基板マーク位置から求められる基板８の位置、角度、伸縮から搭載位置を補正して、部品６を搭載する。

図３に表面実装機１０の構成をブロック図で示す。この例では、大部品用の低倍率の部品認識カメラ３２に加えて、小部品用の高倍率の高解像度部品認識カメラ３８が設けられると共に、基板マーク認識用の左基板認識カメラ４２に加えて、部品供給装置１２チェック用の右基板認識カメラ４８が設けられている、図において、１８は制御装置である。

表面実装機を稼動していると、カメラ３２、４２の自己発熱や、駆動機構のモータ等の発熱による影響を受けて、部品認識カメラ３２と基板認識カメラ４２の位置がずれるため、正確に部品を搭載するためには、カメラの位置補正が必須となる。その一方、時間当たりの部品搭載点数の増大が市場より求められており、カメラの位置補正は、できるだけ短時間に実施する必要がある。

カメラの位置を補正する方法の一例としては、特許文献１に、部品認識カメラの上にマークを配置して、そのマークを部品認識カメラと基板認識カメラで認識し、そのマーク認識位置のずれ分をカメラの位置補正に使用する方法が記載されている。この方法では、部品認識カメラが部品を認識する際には、部品認識カメラの視野外に位置補正用マークを退避移動している。

特許第３１２９１３４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された方法でカメラの位置補正を実施すると、次のような問題点がある。

（１）位置補正するためには、基板認識カメラが位置補正用マークの上に移動する必要があるため、基板の搬入待ち時間等の待機時間にカメラの位置補正を実施しないと、かかった時間だけ部品搭載点数を減らすことになる。

（２）基板認識カメラが部品認識カメラ上の位置補正マークの上に移動して、位置補正用マークを認識してマークのずれ分を基板認識カメラの位置補正量とすると、実際には、基板認識カメラの位置補正だけでなく、基板認識カメラを移動するＸＹ軸のずれ分等、他の誤差要因も含めたずれ分しか補正できない。高精度にカメラ認識する場合、ＸＹ軸のずれ分等、他の誤差要因もカメラの自己発熱における認識位置ずれ量と同じ位大きいので、他の誤差要因と分けて補正することができれば、より正確なカメラ位置補正における温度補正が実施可能となる。

（３）１つの位置補正用マークを、基板認識カメラが上から、部品認識カメラが下から認識する場合、互いのカメラの焦点が位置補正用マークに合っている必要があり、カメラやレンズを設計する上で制約事項が増える。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、高精度に短時間に少ない制約で位置補正を実施可能とすることを課題とする。

本発明は、部品認識用カメラや基板認識用カメラを持った表面実装機において、カメラと認識対象物との間に、光の一部を反射可能な光学部品を配置し、該光学部品からの距離が、光学部品と認識対象物の距離と等しい位置にカメラの位置補正用マークを配置して、カメラとマークとを一体的に組み付け、照明を点灯した時に、そのマークの位置をカメラで認識できるようにして、前記課題を解決したものである。

ここで、前記マークを、カメラ視野内の外側を照明が透過せず、内側を照明が透過する形状とし、マークと認識対象物が同時に視野内に写り込むようにすることができる。

あるいは、前記マークを、カメラ視野内のできるだけ外側に複数個設けて、マークと認識対象物が同時に視野内に写り込むようにすることもできる。

本発明は、又、前記の表面実装機において、部品認識カメラを基板認識カメラの上に移動し、どちらかの位置補正用マークを相手のカメラで認識することを特徴とする表面実装機のカメラ位置補正方法を提供するものである。

本発明によれば、カメラと位置補正用マークを一体的に組み付けておくことで、カメラの位置によらず、照明を点灯するだけで、位置補正用マークの認識が可能となり、カメラの位置補正のタイミングにおける自由度が極めて高い。又、ＸＹ軸のずれ分等、他の誤差要因が入り込む余地のない簡単な構造で、カメラの認識位置補正機構が構成できる。更に、基板認識カメラ、部品認識カメラが複数個有ったとしても、個別に、それぞれ独立して位置補正が可能である。又、光学部品の配設位置は、カメラと認識対象物の間であれば何処でも良く、光学部品から位置補正用マーク迄の距離が、光学部品から位置認識対象物迄の距離と等しければ、位置補正用マークの配設位置も自由度が高い。特に、位置補正用マークの固定方法を、カメラや照明からの熱の伝導を防ぐ構造としておけば、特許文献１のようなマークの退避移動も不要で可動部も無いため、位置も極めて安定している。

更に、位置補正用マークの位置を、相手のカメラの焦点深度内に合うように配置しておけば、基板認識カメラと部品認識カメラ同士の位置合わせが、他の誤差を含まないため極めて正確に実施できる。その上、基板認識カメラ、部品認識カメラ以外のカメラにおいても、同様のカメラの位置補正機構を取り入れることができ、認識位置を安定して補正することができる。

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。

カメラの照明手段として、図４に基板認識装置４０で例示する如く、カメラ４２と認識対象物である基板８の間にハーフミラー（プリズムでも可）５０を設置して、基板８へ真上からディフューザ５４を介して照明５２を当てる同軸落射照明が一般的な方法として用いられている。

本発明の第１実施形態は、図５に示す如く、基板認識装置４０に、このハーフミラー（プリズムでも可）５０を上下反転したハーフミラー６０を設け、更に、同軸落射照明６２とハーフミラー６０との間で、ハーフミラー６０からの距離が、ハーフミラー６０と認識対象物である基板８の距離と等しくなる位置に、図６に例示するような形状の位置補正用マーク６６を設置したものである。図５において、６４は、照明６２用のディフューザである。

この構成において、照明６２を点灯すると、カメラ４２には、図７（Ｂ）に示す様に、位置補正用マーク６６が写り、認識可能となる。一方、照明６２を消灯し、リング状照明４６を点灯すると、図７（Ａ）に示す如く、基板マーク８Ａが認識可能となる。

本実施形態の場合、位置補正用マーク６６を認識する際に、基板８や部品６等の認識対象物と同時には認識できない。

そこで、図８に手順を示す如く、先ず基板認識カメラ４２を、基板マーク８Ａがカメラ視野に入ると予測される位置へ移動する（ステップＳ１００）。

その後、照明６２を点灯し、図７（Ｂ）に示した如く、基板認識カメラ４２で位置補正用マーク６６を認識する（認識結果をＸ１、Ｙ１とする）（ステップＳ１０２）。

マーク認識結果と記憶部に保存してある位置補正用マークの座標（Ｘ０，Ｙ０）との差分（Ｘ１−Ｘ０，Ｙ１−Ｙ０）が、基板認識カメラの位置ずれ量であるので、これを計算する（ステップＳ１０４）。

次いで、照明６２を消灯し、照明４６を点灯して、図７（Ａ）に示す如く、基板マーク８Ａを認識する（認識結果をＸｍ，Ｙｍとする）（ステップＳ１０６）。

この基板マーク認識結果を、基板認識カメラ４２の位置ずれ量分だけ補正する（ステップＳ１０８）。補正結果は、Ｘｍ−（Ｘ１−Ｘ０）、Ｙｍ−（Ｙ１−Ｙ０）と計算される。

この際に、図９に示す如く、位置補正用マーク６６がカメラ視野内に複数個入るように配置すると、基板認識カメラ４２の位置だけでなく、角度やカメラの拡大率（スケーリング）まで同時に補正可能となる。角度とスケーリング補正を実施する際には、記憶部に複数個の位置補正用マーク座標をそれぞれ保存しておく。位置補正用マークを２個使用する場合、１つのマーク座標と、もう１つのマーク座標を結んで得られる角度を角度補正に、座標同士のＸ方向距離、Ｙ方向距離をスケーリング補正に使用する。

図１０に示す如く、等ピッチでマトリックス上に位置補正用マーク６６を配置しておけば、カメラのディストーション補正を同時実施することも可能となる。

図８の手順では、ステップＳ１００で基板マーク８Ａ上に基板認識カメラ４２が移動した後にカメラの位置補正を実施しているが、基板マーク８Ａへの移動前に位置補正を実施しても構わない。又、カメラ４２による認識前に毎回補正を実施することが望ましいが、補正のタイミングは、どのタイミングでカメラの位置がずれるのか分かっている場合（例えば休日明けの立ち上がり）には、ずれが問題になるタイミング（例えば休日明けの立ち上がり３０分間）等のみで補正を実施すれば良い。

この構成では、カメラ４２、レンズ４４、照明６２、位置補正用マーク６６を一体構造としておくことで、カメラ４２（ヘッド２０）の位置によらず、照明６２を点灯だけで、位置補正用マーク６６の認識が可能となる。又、位置補正用マーク６６の固定方法を、カメラ４２や照明６２からの熱の伝導を防ぐ構造としておけば、特許文献１のようなマークの移動も不必要なため、カメラ４２と位置補正用マーク６６との位置も極めて安定している。更に、ハーフミラー６０の配設位置は、カメラ４２と認識対象物との間であれば何処でも良く、ハーフミラー６０から位置補正用マーク６６迄の距離が、ハーフミラー６０から認識対象物迄の距離と等しいという条件を守れば、位置補正用マーク６６の配設位置も自由度が高い。従って、カメラ以外の誤差要素が入り込む余地のない、簡単な構造の位置補正機構が構成される。

図１１に、位置補正マークを部品認識装置３０側に設けた第２実施形態を示す。図において、７０はハーフミラー、７２は同軸落射照明、７４はディフューザ、７６は、図６と同様な形状の位置補正マークである。

第２実施形態の処理手順を図１２に示す。ステップＳ２００〜Ｓ２１０は、図８のステップＳ１００〜Ｓ１１０と対応しているので、説明は省略する。

更に、図１３に示す基板認識装置４０側の第３実施形態の如く、従来と同様の同軸落射用ハーフミラー５０を、カメラ４２と認識対象物（基板８）の間に、カメラ４２の位置補正用ハーフミラー６０とは高さを変えて配設することで、同軸落射照明も利用可能とすることができる。部品認識装置３０側も同様である。

又、位置補正用マークの形状を、図１４に符号６７で示す如く、カメラ視野外からカメラ視野内のある位置までの照明を遮り、内側を照明が透過するように構成すると、図１５に示す第４実施形態の如く、照明６２点灯時に、図１６（Ｂ）に示す如く、位置補正用マーク６７と基板マーク８Ａの両方が一度にカメラ視野内に入り、同時認識が可能になる。

前記位置補正用マーク６７としては、図１４に示した如く、マークの形状を四角形、大きさはカメラ視野範囲内で最大サイズ、マークの内側が光を通し易い色で、マークの外側は光を通し難い色とすることができる。この四角形の位置、角度、大きさを認識することにより、カメラの位置、角度、スケーリング補正ができる。又、この四角形の角を１つの座標として認識し、２つ以上の角の座標からカメラの位置、角度、スケーリング補正を実施することも可能である。このマークの場合、位置補正用マークの四角形の中に認識対象物が入る必要があり、カメラの視野サイズと位置補正用マークサイズとの差分だけ認識対象物の認識可能サイズが小さくなる。

又、位置補正用マークは、図１７に符号６８で示すような形状を採ることも可能である。これは、カメラの視野内の最外角に１以上のマークを配置する方法であるが、この場合、認識対象物サイズに影響を与えないためには、位置補正用マークが小さい方が良い。小さいと、位置補正用マークの認識精度が悪くなる関係にあるので、適度な大きさで位置補正用マークを構成する。又、この場合も、複数個のマークで位置補正用マークを構成することにより、カメラの位置、角度、スケーリングの補正が可能である。又、カメラによる認識時に、毎回補正を実施することが望ましいが、補正のタイミングは、どのタイミングでカメラの位置がずれるか分かっている場合には、ずれる前のタイミングで補正を実施すれば良い。

本実施形態における処理手順を図１８に示す。図８との違いは、ステップＳ１０６が無く、位置補正用マーク６７、６８と認識対象物（基板８）が同時認識可能なことである。

図１８では、基板マーク８Ａに基板認識カメラ４２が移動後にカメラの位置補正を実施しているが、基板認識カメラ４２の位置補正は、基板マーク８Ａへの移動前に実施しても構わない。この場合、基板認識カメラ４２の焦点深度内の高さに位置補正用マークを写す対象物を設置しておき、その対象物を基板認識カメラで認識して、カメラの位置補正を実施することとなる。

以上は、位置補正マークを基板認識装置４０側に設けた場合であるが、図１９に示す第５実施形態の如く、部品認識装置３０側に設けることもできる。図において、７７は、図１４又は図１７に示したような形状の位置補正用マークである。

本実施形態における補正の流れも、図２０に示す如く、認識対象物が変わる以外は、基板認識カメラ４２における補正と同様である。

更に、第４、第５実施形態の場合、基板認識カメラ４２と部品認識カメラ３２同士の位置合わせも可能である。図２１に、第４実施形態で、基板認識カメラ４２と部品認識カメラ３２の認識対象物（基板８又は部品６）の高さが、それぞれのカメラの焦点深度内に入っている場合を示す。基板認識カメラ４２を部品認識カメラ３２上に移動した後、照明６２を点灯すると、部品認識カメラ３２には、基板認識カメラ４２側の位置補正マーク６７が認識できるので、その位置ずれ量を、互いにカメラの位置ずれ量として補正する。

具体的には、図２２に手順を示す如く、まず、基板認識カメラ４２を部品認識カメラ３２の上に移動する（ステップＳ３００）。

その後、照明６２を点灯し、部品認識カメラ３２で位置補正用マーク６７を認識する（認識結果をＸａ１、Ｙａ１とする）（ステップＳ３０２）。

次いで、マーク認識結果と記憶部に保存してある位置補正用マークの座標（Ｘａ０，Ｙａ０）との差分（Ｘａ１−Ｘａ０，Ｙａ１−Ｙａ０）が、お互いのカメラの位置ずれ量であるので、これを計算で求める（ステップＳ３０４）。

部品認識カメラ３２に対する基板認識カメラ４２の位置を、この位置ずれ量分だけ補正する（ステップＳ３０６）。

この際に、位置補正用マークをカメラ視野内に複数個入るように配置すると、カメラの位置だけではなく、角度も補正可能となる。角度補正を実施する際には、記憶部には複数個の位置補正用マーク座標をそれぞれ保存しておく。位置補正用マークを２個使用する場合、１つのマーク座標ともう１つのマーク座標を結んで得られる角度を角度補正に使用する。又、どちらかの認識カメラにおける認識前に、毎回補正を実施することが望ましいタイミングが分かっていれば、ずれる前のタイミングで補正を実施すれば良い。

又、基板認識カメラや部品認識カメラが複数個ある場合は、例えば１つの部品認識カメラに対するそれぞれの基板認識カメラとの補正を実施すれば良い。

この方法は、基板認識カメラ４２と部品認識カメラ３２の認識対象物（基板８、部品６）の高さが、それぞれのカメラの焦点深度内に入っていない場合でも、位置補正用マーク６７の位置を、位置補正側のカメラの焦点深度内に合わせておけば位置合わせ可能である。

又、この例では、基板認識カメラ４２側に位置補正用マーク６７を設けているが、図１９に示した第５実施形態のように、反対に、部品認識カメラ３２側に位置補正用マーク７７を設けて、図２３のように、基板認識カメラ４２でマーク７７を認識し、補正を実施することも可能である。

この場合の処理手順を図２４に示す。ステップＳ４００〜Ｓ４０６は、図２２のステップＳ３００〜Ｓ３０６と対応しており、認識対象が変わる以外は、図２２の手順と同じである。

特許文献１において、基板認識カメラで部品認識カメラの近辺や部品認識カメラ上に配置した位置補正用マークを認識して、基板認識カメラの位置を補正しているが、これは、ＸＹ軸平面内を移動可能に配置している基板認識カメラと、ベース側に固定されて配置している部品認識カメラの位置がずれた分を補正することが目的である。これに対して、本実施形態のように、片方のカメラで相手のカメラを直接認識できれば、他の誤差等が含まれずに補正ができるため、正確な補正が可能となる。

なお、前記実施形態においては、部品認識カメラ３２と基板認識カメラ４２の位置を補正していたが、補正対象はこれに限定されず、例えば図３に示した高解像度部品認識カメラ３８や部品供給装置用の右基板認識カメラ４８等、他のカメラの位置補正にも同様に適用できる。ハーフミラー６０、７０も、プリズム等、他の光学部品でも良い。

従来の表面実装機の一例の全体構成を示す斜視図 同じく部品認識カメラ及び基板認識カメラを示す斜視図 表面実装機の構成を示すブロック図 同じく同軸落射照明の構成を示す縦断面図 本発明の第１実施形態の構成を示す縦断面図 第１実施形態の位置補正用マークの形状を示す図 同じく各照明点灯時のカメラ視野を示す図 同じく処理手順を示す流れ図 同じく角度、スケーリング補正時のカメラ視野を示す図 位置補正用マークの変形例を示す図 本発明の第２実施形態の構成を示す縦断面図 同じく処理手順を示す流れ図 本発明の第３実施形態の構成を示す縦断面図 本発明の第４実施形態の位置補正用マークの形状を示す図 第４実施形態の構成を示す縦断面図 同じく各照明点灯時のカメラ視野を示す図 位置補正用マークの変形例を示す図 第４実施形態の処理手順を示す流れ図 本発明の第５実施形態の構成を示す縦断面図 同じく処理手順を示す流れ図 第４実施形態を用いて上下のカメラを位置補正している状態を示す縦断面図 同じく処理手順を示す流れ図 第５実施形態を用いて上下のカメラを位置補正している状態を示す縦断面図 同じく処理手順を示す流れ図

符号の説明

６…部品
８…基板
８Ａ…基板マーク
１０…表面実装機
２０…ヘッド
２２…ノズル
３０…部品認識装置
３２、４２…カメラ
３６、４６、５２、６２…照明
４０…基板認識装置
５０、６０、７０…ハーフミラー
６６、６７、６８、７６、７７…位置補正用マーク

Claims (4)

1. 部品認識用カメラや基板認識用カメラを持った表面実装機において、
   カメラと認識対象物との間に、光の一部を反射可能な光学部品を配置し、
   該光学部品からの距離が、光学部品と認識対象物の距離と等しい位置にカメラの位置補正用マークを配置して、カメラとマークとが一体的に組み付けられ、
   照明を点灯した時に、そのマークの位置をカメラで認識できるようにしたことを特徴とする表面実装機。
2. 前記マークを、カメラ視野内の外側を照明が透過せず、内側を照明が透過する形状とし、マークと認識対象物が同時に視野内に写り込むようにしたことを特徴とする請求項１に記載の表面実装機。
3. 前記マークを、カメラ視野内のできるだけ外側に複数個設けて、マークと認識対象物が同時に視野内に写り込むようにしたことを特徴とする請求項１に記載の表面実装機。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の表面実装機において、部品認識カメラを基板認識カメラの上に移動し、どちらかの位置補正用マークを相手のカメラで認識することを特徴とする表面実装機のカメラ位置補正方法。

Images