JP2013055515A

JP2013055515A - 産業用カメラ構造

Info

Publication number: JP2013055515A
Application number: JP2011192592A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sako; 宏酒匂
Original assignee: Toshiba Teli Corp
Current assignee: Toshiba Teli Corp
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2013-03-21

Abstract

【課題】シムや調整ネジ等の光学位置調整部品を用いることなく、部品点数を削減した簡単な構成で、外部応力に対して堅牢で長期に亘り安定した動作が期待できる産業用カメラ構造を提供する。
【解決手段】センサ基板１７をマウントベース１０の定められた光学位置に固定支持するセンサ基板支持スペーサ２０を一対の支柱により構成し、この支柱２０の調整軸部２０ｃによりレンズマウント１２に対する撮像素子１８の光学位置調整を行う構成として、調整軸部２０ｃを基軸に一定のクリアランス範囲の中で、センサ基板１７を浮かせた状態で、レンズマウント１２に対し、フランジバック、アオリ、光軸の位置調整を行い、調整後にセンサ基板１７を支柱２０の調整軸部２０ｃにはんだ付してセンサ基板１７をマウントベース１０に固定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばマシンビジョンシステムに適用して好適な産業用カメラ構造に関する。

マシンビジョンシステムにおいては、産業用カメラとして、撮像素子となるエリアイメージセンサにＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳイメージセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor）を用いたＦＡカメラと称される工業用電子撮像カメラが広く用いられている。

この種、マシンビジョンシステムに適用されるＦＡカメラは、撮影した画像の全ての領域に対して高精細な出力映像が要求されることから、イメージセンサを保持したセンサホルダとレンズマウントとの間における光学位置精度に関して１台ずつ個別に手作業による調整が行われる。例えば、Ｃマウントレンズの場合、レンズマウントにおけるレンズフランジ面と固体撮像素子の撮像面との間の距離、すなわちフランジバック（Ｆ．Ｂ．）を１７．５２６mmに精確に設定する必要があり、ＴＦＬ２マウントレンズの場合、Ｆ．Ｂ．を１７．５mmに精確に設定する必要がある。さらにレンズ光軸に対して撮像面に傾きが生じないように撮像面のアオリ調整、センタ調整等の光学位置調整を行う必要がある。このアオリおよびフランジバックを含めた光学位置調整は、三次元光学測定機を操作し、シム（アオリ調整用シムおよびフランジバック調整用シム）を用いて行われる。このシムを用いた光学位置調整は、レンズマウントの光軸に対して、撮像面を面方向（Ｘ・Ｙ方向）に移動可能に保持して、光学計測手段により計測しながら、Ｘ・Ｙ方向の位置決め（センタ調整）を行い、上記撮像素子を実装したセンサ基板を保持するセンサホルダ（デバイスホルダ）とレンズマウントとの間に一枚乃至数枚の調整シム（shim）を介挿して、光軸方向（Ｚ方向）の位置決め（フランジバック調整）を行っている。この際、光軸に直交する撮像面の傾きに対してもセンサホルダ支持点（４点）のシムの厚さ調整によるアオリ調整を行っている。この位置調整を経て、ねじ止めまたは接着剤を用いた接着により、レンズマウントに対し、光軸上の正しい位置に撮像素子を固定している。なお、センサホルダとレンズマウントとの間には、調整シムの他に、防塵カバー、フィルタ、押さえ板等が介在される。

しかしながら、このシムを用いた調整手段においては、厚さの異なる複数枚のシムを用意し、調整員の手作業により微細な位置調整を行うことから作業性並びに生産性に問題があった。また撮像素子を含む実装部品に対する放熱（熱伝導）効果がシムの介在によって妨げられるという問題があった。さらに、ねじ止めによるセンサホルダの保持手段においては、位置決め調整を行った後のねじの締め付けによる固定時において数画素分の位置ずれが生じる虞があるという精度上並びに構造上の問題を有していた。また、接着剤を用いたセンサホルダの保持手段においては、組立工程において接着剤の固化を待ち、位置ずれが生じていないことを確認した後、次の組立工程に移行することから、作業性に問題があるとともに、接着剤の経年変化による接着強度の劣化を招く慮があるという問題があった。

特開２００６−２０３７０６号公報

上記問題を解決した産業用カメラ構造を提供することを目的とする。

本発明の実施形態は、箱形筐体の前面部をなし該前面部に撮像窓およびレンズマウントを設けたマウントベースと、前記箱形筐体に収容され、前記レンズマウントの光軸上に撮像素子を実装したセンサ基板と、前記センサ基板と前記マウントベースとの間に介在して前記センサ基板を前記マウントベースに固定支持するスペーサとを有する産業用カメラ構造であって、前記スペーサは、前記マウントベースの前記レンズマウントを設けた面と反対側の面部に前記光軸に沿う方向に立設された、はんだ被着可能な一定長の調整軸部を有する複数本の支柱により構成され、前記センサ基板は、前記調整軸部に緩挿される取付孔を有し、該取付孔の周部にはんだ接合用の金属箔を有して、前記取付孔が前記調整軸部に緩挿され、前記金属箔が前記調整軸部にはんだ接合されて、前記撮像素子の撮像面が前記光軸に直交し、前記調整軸部において前記レンズマウントに対して、フランジバック調整とアオリ調整と光軸位置調整が行われた状態で、前記スペーサの前記調整軸部に固定支持されていることを特徴とする。

本発明の実施形態に係るカメラの構成要素を示す分解斜視図。上記実施形態に係るカメラの構成を示す正面図。上記実施形態に係るカメラの構成を示す側面図。上記実施形態に係るカメラの構成を示す背面図。図２のＡ−Ａ線に沿う正面図。図５のＡ部を拡大して示す図。

以下図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の実施形態に係るカメラの構成要素を示す分解斜視図、図２は上記実施形態に係るカメラの構成を示す正面図、図３は同側面図、図４は同背面図、図５は図２のＡ−Ａ線に沿う正面図、図６は図５のＡ部を拡大して示す図である。

本発明の実施形態に係る産業用カメラ構造は、図１に示すように、箱形のカメラ筐体の前面部をなし該前面部に撮像窓１１およびレンズマウント１２を設けたマウントベース１０と、箱形筐体に収容され、レンズマウント１２の光軸（ＣＯ）上に撮像素子１８を実装したセンサ基板１７と、センサ基板１７とマウントベース１０との間に介在して、センサ基板１７をマウントベース１０の定められた光学位置に固定支持するスペーサ（センサ基板支持スペーサ）２０とを有する。

上記センサ基板支持スペーサ２０は、マウントベース１０のレンズマウント１２を設けた面部１０Ａと反対側の面部１０Ｂにレンズマウント１２の光軸（ＣＯ）に沿う方向に立設された、はんだ被着可能な一定長の調整軸部（図６に示す符号２０ｃ参照）を有する複数本の支柱により構成されている。ここでは、センサ基板支持スペーサ２０を一対の支柱２０Ａ，２０Ｂにより構成している。

上記センサ基板１７は、同基板の面方向に一定のクリアランスを有してセンサ基板支持スペーサ２０を構成する一対の支柱２０Ａ，２０Ｂの調整軸部（２０ｃ）に緩挿される取付孔１７Ｈを有し、この取付孔１７Ｈの周部にはんだ接合用の金属箔１７Ｌを有して、取付孔１７Ｈが支柱２０の調整軸部２０ｃに緩挿され、金属箔１７Ｌが調整軸部（２０ｃ）に、はんだ２１によりはんだ接合されて、撮像素子１８の撮像面１８ｆが光軸（ＣＯ）に直交し、調整軸部（２０ｃ）においてレンズマウント１２に対して、フランジバック（Ｆ．Ｂ．）調整とアオリ調整と光軸位置調整が行われた状態で、センサ基板支持スペーサ２０を構成する一対の支柱２０Ａ，２０Ｂの調整軸部２０ｃに固定支持されている。

このように、実施形態の産業用カメラ構造は、センサ基板１７をマウントベース１０の定められた光学位置に固定支持するセンサ基板支持スペーサ２０を一対の支柱２０Ａ，２０Ｂにより構成して、この支柱２０Ａ，２０Ｂの調整軸部２０ｃによりレンズマウント１２に対する撮像素子１８の光学位置調整を行う構成としている。

この構成によれば、調整軸部２０ｃを基軸にセンサ基板１７を一定のクリアランス範囲の中で浮かせた状態で、レンズマウント１２に対し、フランジバック、アオリ、光軸位置の調整を行い、この調整後にセンサ基板１７をセンサ基板支持スペーサ２０（支柱２０Ａ，２０Ｂ）の調整軸部２０ｃにはんだ固定することで、シムや調整ネジ等の光学位置調整部品を用いることなく、部品点数を削減した簡単な構成にて、外部応力に対し堅牢で長期に亘り安定した動作が期待できる産業用カメラ構造を提供することができる。

上記した産業用カメラ構造のより詳細な構成を図面を参照して説明する。

センサ基板１７は、図１および図５に示すように、マウントベース１０の筐体内面側の面部１０Ｂに開口している撮像窓１１周縁との間に、樹脂スペーサ１５とゴムスペーサ１６を組み合わせた防塵および遮光用のスペーサ１４が介挿され、樹脂スペーサ１５の開口部１５ａとゴムスペーサ１６の開口部１６ａとにより、センサ基板１７に実装された撮像素子１８の撮像面１８ｆとマウントベース１０の撮像窓１１との間に撮像室となる空間部が形成されている。樹脂スペーサ１５にはゴムスペーサ１６の取付位置を案内するガイドブロック１５ｂが設けられている。

マウントベース１０は、図１および図３乃至図５に示すように、光軸（ＣＯ）に平行する取付基準面１０ｃを有し、アルミニウムを主材料とした軽金属によりマウントベース本体を構成している。マウントベース１０の筐体内面側の面部１０Ｂには、この面部１０Ｂに一定の厚みをもたせた一対の支持ブロック１３が撮像窓１１を挟んで左右両側に一体に形成されている。この一対の支持ブロック１３に、センサ基板支持スペーサ２０を構成する支柱２０Ａ，２０Ｂを立設するためのネジ孔が螺刻されている。このネジ孔の螺刻部に支柱２０Ａ，２０Ｂの螺着部２０ａを螺合し、締付台座部２０ｂをナット締めすることにより、支柱２０Ａ，２０Ｂがマウントベース１０の支持ブロック１３に一定量螺着され、マウントベース１０の支持ブロック１３に立設される。なお、この実施形態では、上記一対の支柱２０Ａ，２０Ｂを、レンズマウント１２の光軸（ＣＯ）を基点とした撮像面１８ｆの水平方向（図２に示すＡ−Ａ線方向）に沿う撮像窓１１の両側に対で１本ずつ設けているが、これに限らず、例えば、レンズマウント１２の光軸（ＣＯ）を基点とした撮像面１８ｆの垂直方向に沿う撮像窓の両側に対で設けた構成、若しくは矩形をなす撮像面１８ｆの各コーナー部の延長線上に４本設けた構成、若しくは撮像面１８ｆの中心点を通る撮像面１８ｆの対角線上に対で設けられているであってもよい。なお、この場合、当然のことながら支柱２０Ａ，２０Ｂの立設位置に対応してセンサ基板１７に取付孔１７Ｈが穿設され、取付孔１７Ｈのそれぞれに金属箔（ランド）１７Ｌが設けられる。

センサ基板１７をマウントベース１０に固定支持するセンサ基板支持スペーサ２０を構成する支柱２０Ａ，２０Ｂは、図５および図６に示すように、マウントベース１０に螺合する螺着部２０ａと、螺着部２０ａに連接して設けられた六角ナットを一体形成した締付台座部２０ｂと、センサ基板１７に設けた取付孔１７Ｈを調整軸部２０ｃに導くガイド部２０ｄとを有し、この実施形態では調整軸部２０ｃを含んで軸全体をはんだの被着が可能な黄銅で構成している。黄銅は熱伝導率が高く、はんだ付けに適した材質であり、はんだの濡れ性を考慮し表面処理としてスズメッキを施している。上記支柱２０は、少なくとも一定軸長の調整軸部２０ｃをはんだ被着可能とすればよく、例えば、接合はんだの量を一定に保つため、調整軸部２０ｃに溶融はんだの拡がりを規制するマスクを形成する手段を用いることも可能である。

センサ基板支持スペーサ２０を構成する支柱２０Ａ，２０Ｂと、同支柱２０Ａ，２０Ｂの調整軸部２０ｃに緩挿されるセンサ基板１７の取付孔１７Ｈとの間には、図４乃至図６に示すように、撮像面１８ｆの面方向に対して一定のクリアランスが形成されている。具体例を挙げると、調整軸部２０ｃの軸径を２φ、取付孔１７Ｈのスルーホール（Ｔｈ）を含んだ孔径（スルーホール内径）を３φとして、撮像面１８ｆの面方向に０．５mmの調整用クリアランスを設けている。

センサ基板１７は、図３乃至図５に示すように、一方面を部品実装面、他方面を配線パターン面として、部品実装面を筐体の前面側に向けて、センサ基板支持スペーサ２０を構成する支柱２０Ａ，２０Ｂを介し、マウントベース１０に固定支持される。部品実装面には、矩形状の撮像面を有するＣＣＤ（Charge Coupled Device）またはＣＭＯＳイメージセンサ（Complementary Metal Oxide Semiconductor Image Sensor）を用いた撮像素子（エリアイメージセンサ）１８が実装され、配線パターン面には撮像素子（エリアイメージセンサ）１８のリード電極１８ｐがリード電極孔１７ａから導出されて図示しない回路パターンに配線接続されている。

また、センサ基板１７の両面（部品実装面および配線パターン面）には、取付孔１７Ｈの周囲に、所定形状のはんだ接合用の金属箔１７Ｌが設けられ、取付孔１７Ｈには金属箔（銅箔）の皮膜が形成されて、この皮膜をスルーホール（Ｔｈ）とし、両面の各金属箔１７Ｌをランドとして、ランド１７Ｌの相互がスルーホールを介して相互に導電接続されている。

この一対のランド１７Ｌには、図３、図５、図６に示すように、センサ基板１７を、光学位置調整して後、支柱２０Ａ，２０Ｂの調整軸部２０ｃに固着するための、はんだ２１の溶融による、はんだ被膜が被着形成される。また光学位置調整後において、スルーホールと調整軸部２０ｃとの隙間に、はんだ２１が含浸される。

一対のランド１７Ｌおよびスルーホールと、センサ基板支持スペーサ２０を構成する一対の支柱２０Ａ，２０Ｂとマウントベース１０は相互に導電接続され、配線パターン面に設けられたランド１７Ｌは、配線パターン面においてグランドラインを介しグランド端子に回路接続されている。これにより、マウントベース１０はセンサ基板１７を支持するセンサ基板支持スペーサ２０を介してグランドレベルに接地され、グランド（ＧＮＤ）の強化と筐体内の電磁シールドの強化に寄与している。

さらに一対のランド１７Ｌと、ランド１７Ｌの相互を接続するスルーホール（Ｔｈ）と、調整軸部２０ｃに被着し、さらにランド１７Ｌとスルーホール（Ｔｈ）の間に含浸したはんだ２１と、支柱２０とにより、熱伝導性の高いセンサ基板１７の外筐側への放熱路が形成される。

上記したように、センサ基板１７をマウントベース１０の定められた光学位置に固定支持するセンサ基板支持スペーサ２０を一対の支柱２０Ａ，２０Ｂにより構成して、この支柱２０Ａ，２０Ｂの調整軸部２０ｃによりレンズマウント１２に対する撮像素子１８の光学位置調整を行う構成としたことにより、一定のクリアランス範囲の中で、センサ基板１７を浮かせた状態で、レンズマウント１２に対し、フランジバック、アオリ、光軸の位置調整を行い、調整後にセンサ基板１７を支柱２０の調整軸部２０ｃにはんだ固定することができ、これにより、シムや調整ネジ等の光学位置調整部品を用いることなく、部品点数を削減した簡単な構成で、外部応力に対して堅牢で長期に亘り安定した動作が期待できる産業用カメラ構造を提供することができる。

ここで上記実施形態に係る産業用カメラ構造の組立手順を図１乃至図６を参照して説明する。

マウントベース１０には、図１に示すように、箱形カメラ筐体の前面を構成する面部１０Ａに、撮像窓１１およびレンズマウント１２が設けられ、該面部１０Ａと反対側の筐体内面側の面部１０Ｂに、撮像窓１１を挟んでその左右両側に一定の厚みをもたせた一対の支持ブロック１３が一体に設けられている。この一対の支持ブロック１３にはそれぞれセンサ基板支持スペーサ２０を構成する一対の支柱２０Ａ，２０Ｂを立設するためのネジ孔が螺刻されている。

このネジ孔の螺刻部に支柱２０Ａ，２０Ｂの螺着部２０ａを螺合し、締付台座部２０ｂをナット締めする。これにより、マウントベース１０のレンズマウント１２が設けられた面部１０ａと反対側の面部１０ｂに一対の支柱２０Ａ，２０Ｂが螺着され、マウントベース１０の面部１０ｂにセンサ基板支持スペーサ２０を構成する一対の支柱２０Ａ，２０Ｂがレンズマウント１２の光軸（ＣＯ）と平行に立設される。

この一対の支柱２０Ａ，２０Ｂに、センサ基板１７の取付孔１７Ｈを緩挿する。この際、センサ基板１７の部品実装面とマウントベース１０の筐体内面側の面部１０Ｂに開口している撮像窓１１周縁との間に、樹脂スペーサ１５とゴムスペーサ１６を組み合わせた防塵および遮光用のスペーサ１４を介挿して、センサ基板１７に設けた一対の取付孔１７Ｈを一対の支柱２０に緩挿する。この際、センサ基板１７は、支柱２０に対して、光軸（ＣＯ）と平行する方向（図６に示すａ−ｂ方向＝Ｚ方向）および光軸（ＣＯ）と直交する面方向（図６に示すｃ−ｄ方向およびｃ−ｄと同一面上でｃ−ｄと直交する方向＝Ｘ・Ｙ方向）に一定のクリアランスを有した状態で緩挿されている。

この状態で（すなわち、調整軸部２０ｃを基軸に、センサ基板１７を上記一定のクリアランスを有した状態で）、センサ基板１７を撮像面１８ｆの面方向（Ｘ・Ｙ方向）および撮像面１８ｆと直交する方向に移動可能に保持して、光学計測手段により計測しながら、Ｘ・Ｙ方向の位置決め（センタ調整）と、撮像面の傾き（θ）補正（アオリ調整）と、光軸方向（Ｚ方向＝ａ−ｂ方向）の位置決め（フランジバック調整）とによる光学位置調整を行う。

この光学位置調整を行った後、一対の調整軸部２０ｃとランド１７Ｌに、はんだ２１の溶融によるはんだ付けを行い、一対の調整軸部２０ｃとランド１７Ｌをはんだ２１により固着する。これにより、図３および図５に示すように、溶融はんだ２１が調整軸部２０ｃと取付孔１７Ｈ内のスルーホールとの間に含浸した状態で一対の調整軸部２０ｃとランド１７Ｌが強固にはんだ接合され、センサ基板１７がレンズマウント１２の光軸（ＣＯ）に対して光学位置調整（センタ調整、アオリ調整、フランジバック調整）された状態でセンサ基板支持スペーサ２０を構成する一対の支柱２０Ａ，２０Ｂに固着され、支柱２０Ａ，２０Ｂを介してセンサ基板１７がマウントベース１０に固定支持される。なお、上記した光学位置調整を行うための光学計測手段は、例えば既存の三次元光学測定機と、センサ基板１７とマウントベース１０との相対位置を移動制御可能にする把持手段（マニピュレータ）を備えた既存の位置調整機構を用いることで実現可能であり、はんだ接合手段についても既存の半田鏝や半田付装置を用いることで実現可能である。

なお、上記したマウントベース１０、スペーサ１４、センサ基板１７、センサ基板支持スペーサ２０（支柱２０Ａ，２０Ｂ）等の形状や構造は、上記実施形態のものに限らず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変形、変更可能である。

１０…マウントベース、１１…撮像窓、１２…レンズマウント、１３…支持ブロック、１４…防塵および遮光用のスペーサ、１５…樹脂スペーサ、１６…ゴムスペーサ、１７…センサ基板、１７Ｈ…取付孔、１７Ｌ…ランド（はんだ接合用の金属箔）、１８…撮像素子（エリアイメージセンサ）、１８ｆ…撮像面、２０…センサ基板支持スペーサ、２０Ａ，２０Ｂ…支柱、２０ａ…螺着部、２０ｂ…締付台座部、２０ｃ…調整軸部、２０ｄ…ガイド部、２１…はんだ、Ｔｈ…スルーホール。

Claims

箱形筐体の前面部をなし該前面部に撮像窓およびレンズマウントを設けたマウントベースと、前記箱形筐体に収容され、前記レンズマウントの光軸上に撮像素子を実装したセンサ基板と、前記センサ基板と前記マウントベースとの間に介在して前記センサ基板を前記マウントベースに固定支持するスペーサとを有する産業用カメラ構造であって、
前記スペーサは、
前記マウントベースの前記レンズマウントを設けた面と反対側の面部に前記光軸に沿う方向に立設された、はんだ被着可能な一定長の調整軸部を有する複数本の支柱により構成され、
前記センサ基板は、
前記調整軸部に緩挿される取付孔を有し、該取付孔の周部にはんだ接合用の金属箔を有して、
前記取付孔が前記調整軸部に緩挿され、前記金属箔が前記調整軸部にはんだ接合されて、
前記撮像素子の撮像面が前記光軸に直交し、前記調整軸部において前記レンズマウントに対して、フランジバック調整とアオリ調整と光軸位置調整が行われた状態で、前記スペーサの前記調整軸部に固定支持されている
ことを特徴とする産業用カメラ構造。
前記支柱は、前記レンズマウントの光軸を基点とした前記撮像面の水平方向に沿う前記撮像窓の両側に対で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の産業用カメラ構造。
前記支柱は、前記レンズマウントの光軸を基点とした前記撮像面の垂直方向に沿う前記撮像窓の両側に対で設けられている、若しくは前記撮像面の中心点を通る前記撮像面の対角線上に対で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の産業用カメラ構造。
前記支柱は、前記マウントベースに螺合する螺着部と、前記螺着部に連接して設けられた締付台座部と、前記センサ基板に設けた前記取付孔を前記調整軸部に導くガイド部とを具備して構成されていることを特徴とする請求項１に記載の産業用カメラ構造。
前記支柱は、前記調整軸部を含んで黄銅により構成されていることを特徴とする請求項４に記載の産業用カメラ構造。
前記マウントベースは、前記箱形筐体の底面部を構成する、前記光軸に平行する取付基準面を有していることを特徴とする請求項１に記載の産業用カメラ構造。
前記センサ基板と前記撮像窓との間に防塵および遮光用のスペーサが介在され、前記センサ基板が前記スペーサで囲われた撮像室を介在して前記マウントベースに取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載の産業用カメラ構造。
前記はんだ接合用の金属箔は前記センサ基板の両面に設けられ、前記取付孔には前記金属箔の相互を導電接続し前記センサ基板の両面にランドを形成するスルーホールが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の産業用カメラ構造。
前記支柱は前記ランドを介してグランド電極に回路接続され、前記マウントベースは前記支柱を介して電磁シールドされていることを特徴とする請求項８に記載の産業用カメラ構造。