JP2013140082A

JP2013140082A - 高さ測定装置及び高さ測定方法

Info

Publication number: JP2013140082A
Application number: JP2012000418A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Murano; 陽一村野
Original assignee: Fuji Machine Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Fuji Corp
Priority date: 2012-01-05
Filing date: 2012-01-05
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】高さ測定対象物の上面の高さの測定をカメラの撮像画像を用いて行う場合に、高さ測定対象物の上面の高さを画像認識により精度良く測定できるようにする。
【解決手段】高さ測定対象物２２の上面に対して所定の傾斜角度θでレーザー光を照射するレーザー光源２１と、高さ測定対象物の上面のうちのレーザー光の照射位置を含む撮像エリアをその上方から撮像するマークカメラ２０とを備え、基準高さ面におけるレーザー光の照射位置を基準位置として設定する。そして、レーザー光を照射せずに撮像した高さ測定対象物の上面の画像と、これと同じ位置関係でレーザー光を照射して撮像した高さ測定対象物の上面の画像との差分画像を求め、その差分画像に基づいて高さ測定対象物の上面のレーザー光の照射位置を認識し、高さ測定対象物の上面におけるレーザー光の照射位置の基準位置からのずれ量とずれ方向とに基づいて高さ測定対象物の上面の高さを演算する。
【選択図】図２

Description

本発明は、高さ測定対象物の上面の高さの測定をカメラの撮像画像を用いて行う高さ測定装置及び高さ測定方法に関する発明である。

例えば、部品実装機において、回路基板の上面の高さの測定をカメラの撮像画像を用いて行う技術が特許文献１（特開２００９−２５３０３８号公報）に記載されている。このものは、高さ測定対象物である回路基板の上面に対して所定の傾斜角度でスポット光を照射すると共に、その回路基板の上面のうちのスポット光の照射位置を含む撮像エリアをその上方からカメラで撮像し、その画像を処理してスポット光の照射位置を認識し、そのスポット光の照射位置に基づいて回路基板の上面の高さを測定するようにしている。この測定方法は、回路基板の上面に対して所定の傾斜角度でスポット光を照射すると、回路基板の上面の高さに応じて回路基板の上面のスポット光の照射位置がずれるという幾何学的な関係を利用して回路基板の上面の高さを測定するものである。

特開２００９−２５３０３８号公報

ところで、スポット光を照射する回路基板の上面は、部品の実装面であり、配線パターンやパッドが数多く形成されているため、スポット光を照射した回路基板の上面をカメラで撮像しても、配線パターンやパッドの反射光等によって回路基板の上面のスポット光の照射位置を画像認識することに失敗したり、スポット光の照射位置を誤った位置に認識する可能性があった。その結果、画像認識の失敗により回路基板の上面の高さを測定できなかったり、スポット光の照射位置の誤認識により回路基板の上面の高さを誤測定する可能性があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、高さ測定対象物の上面の高さの測定をカメラの撮像画像を用いて行う高さ測定装置及び高さ測定方法において、高さ測定対象物の上面のスポット光の照射位置をその周囲の状態の影響を受けずに精度良く画像認識することができて、高さ測定対象物の上面の高さを画像認識により精度良く測定できるようにすることである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、高さ測定対象物の上面に対して所定の傾斜角度でスポット光を照射するスポット光源と、前記高さ測定対象物の上面のうちの前記スポット光の照射位置を含む撮像エリアをその上方から撮像するカメラと、前記カメラで撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像を処理する画像処理手段とを備え、前記画像処理手段は、前記スポット光を照射せずに撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像と、これと同じ位置関係で前記スポット光を照射して撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像との差分画像を求める手段と、前記差分画像に基づいて前記高さ測定対象物の上面の前記スポット光の照射位置を認識する手段と、前記スポット光の照射位置に基づいて前記高さ測定対象物の上面の高さを演算する手段とを有することを特徴とするものである。

この構成では、スポット光を照射せずに撮像した高さ測定対象物の上面の画像と、これと同じ位置関係でスポット光を照射して撮像した高さ測定対象物の上面の画像との差分画像を求めるため、高さ測定対象物の上面のうちのスポット光の照射位置を含む撮像エリア内に、スポット光の照射位置と識別困難な部分が存在しても、当該識別困難な部分を差分画像により除外してスポット光の照射位置を精度良く認識することができ、認識したスポット光の照射位置に基づいて高さ測定対象物の上面の高さを精度良く測定できる。

本発明は、請求項２のように、基準高さ面におけるスポット光の照射位置を基準位置として設定し、高さ測定対象物の上面におけるスポット光の照射位置の前記基準位置からのずれ量とずれ方向とに基づいて前記基準高さ面を基準とする高さ測定対象物の上面の高さを演算するようにすると良い。この場合、基準位置がカメラの視野（撮像画像）の中心位置［ＸＹ座標の原点（０，０）］となるように設定すれば、スポット光の照射位置の座標のみに基づいて、基準位置（０，０）からのスポット光の照射位置のずれ量とずれ方向を求めることができる。但し、本発明は、基準位置がカメラの視野（撮像画像）の中心位置からずれた位置にあっても良く、この場合でも、スポット光の照射位置の座標と基準位置の座標との差分を求めれば、スポット光の照射位置の基準位置からのずれ量とずれ方向を求めることができる。

本発明で高さ測定可能な対象物は、その上面に照射するスポット光の照射位置を含む撮像エリアをカメラで撮像可能な物体であれば、どの様な物体であっても良く、回路基板に限定されるものではない。

例えば、請求項３のように、部品実装機に装備された基準マーク撮像用のカメラを利用し、部品実装機に搬入された回路基板、該回路基板に実装された部品、部品を供給するフィーダ、該フィーダの部品吸着位置に送られてくる部品のいずれかの上面の高さを測定するようにしても良い。このようにすれば、既存の部品実装機にスポット光源を追加するだけで、回路基板等の上面の高さを測定することができ、低コストで本発明を実施することができる。

また、請求項４のように、スポット光源をカメラと一体的に移動させるように構成すると良い。このようにすれば、カメラを移動させて複数箇所の上面の高さを測定する場合に、スポット光源とカメラとの位置関係を一定に保って、複数箇所の上面の高さを精度良く測定することができる。

また、本発明を部品実装機に適用する場合は、請求項５のように、基準マーク撮像用のカメラで回路基板の基準マークを撮像する際に、スポット光を照射せずに撮像した画像と、これと同じ位置関係でスポット光を照射して撮像した画像を取得し、これら２つの画像の差分画像に基づいて該回路基板の上面のスポット光の照射位置を認識して該回路基板の上面の高さを演算するようにしても良い。このようにすれば、基準マーク撮像用のカメラで回路基板の基準マークを撮像する動作に、僅かな動作を追加することで、回路基板の上面の高さを測定することができるため、サイクルタイムを大幅に低下させることなく、低コストで回路基板の上面の高さを精度良く測定することができる。

尚、請求項６に係る発明は、請求項１に係る「高さ測定装置」の発明と実質的に同一の技術思想を、カテゴリーの異なる「高さ測定方法」の発明として記載したものである。

図１は本発明の一実施例における部品実装機のシステム構成を概略的に示すブロック図である。図２はマークカメラとレーザー光源と高さ測定対象物（回路基板）との位置関係を説明する図である。図３は回路基板の上面の高さに応じてレーザー光の照射位置がずれることを説明する図である。図４はレーザー光の照射位置のずれ量に基づいて回路基板の上面の高さを測定する方法を説明する図である。図５は高さ測定値演算プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

以下、本発明を実施するための形態を部品実装機に適用して具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいて部品実装機のシステム構成を説明する。

部品実装機は、コンピュータにより構成された制御装置１１と、キーボード、マウス等の入力装置１２と、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ等の表示装置１３と、部品実装機制御プログラムや後述する図５の高さ測定値演算プログラム等を記憶する記憶装置１４（記憶手段）と、吸着ノズル（図示せず）をＸＹＺ方向に移動させるノズル移動装置１５と、部品を実装する回路基板２２（図２参照）を搬送する基板搬送装置１６と、この基板搬送装置１６によって実装作業位置まで搬入された回路基板２２をクランプするクランプ装置１７と、部品を供給するフィーダ１８と、吸着ノズルに吸着した部品をその下方から撮像するパーツカメラ１９と、回路基板２２の上面の基準マークをその上方から撮像するマークカメラ２０（基準マーク撮像用のカメラ）と、回路基板２２の上面に対して所定の傾斜角度でビーム状のレーザー光（スポット光）を照射するレーザー光源２１（スポット光源）等を備えた構成となっている。

レーザー光源２１は、マークカメラ２０と一体的に移動するようにマークカメラ２０のユニットに組み付けられている。レーザー光源２１とマークカメラ２０との位置関係は、図２に示すように、レーザー光源２１の光軸（レーザー光の照射方向）とマークカメラ２０の光軸（撮像方向）とが交差し、且つ、回路基板２２の上面に対するレーザー光の照射角度θが、例えば３０°〜６０°の範囲（より好ましくは４０°〜５０°の範囲）となるように構成されている。

パーツカメラ１９とマークカメラ２０には、それぞれ撮像対象物を照明する照明装置（図示せず）が設けられている。レーザー光源２１から回路基板２２の上面に照射するレーザー光の照射位置を後述する差分画像により認識できるように、レーザー光の色と強度が設定されている。

また、クランプ装置１７は、部品実装機内の実装作業位置まで搬入された回路基板２２の両側部を、基準高さを決めるストッパ（図示せず）に下方から突き当ててクランプして該回路基板２２の両側部の上面を基準高さに位置決めするようになっている。この場合、回路基板２２の両側部の上面を基準高さに位置決めしても、回路基板２２の反りが発生すると、回路基板２２の上面の部品実装部位の高さが基準高さから上方又は下方にずれることがある。

そこで、本実施例では、実装機の制御装置１１（画像処理手段）によって図５の高さ測定値演算プログラムを実行することで、クランプ装置１７でクランプされた回路基板２２の上面のうちの部品実装部位等の高さ測定対象部位の高さの測定を、マークカメラ２０とレーザー光源２１とを用いて次のようにして行う。

まず、図２に示すように、マークカメラ２０を回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の鉛直上方（Ｚ軸上方）に移動させてマークカメラ２０の光軸を高さ測定対象部位に一致させると共に、マークカメラ２０の高さを基準高さから所定高さＤに位置決めする（ステップ１０１）。ここで、所定高さＤは、レーザー光源２１の光軸（レーザー光の照射方向）とマークカメラ２０の光軸（撮像方向）とが交差する位置が基準高さと一致するマークカメラ２０の高さに設定されている。

この位置関係では、図２及び図３に示すように、回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の高さが基準高さと一致すれば、回路基板２２の上面のレーザー光の照射位置がマークカメラ２０で撮像した画像（視野）の中心［原点（０，０）］の位置Ａと一致するが、回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の高さが基準高さより高くなれば、回路基板２２の上面のレーザー光の照射位置が画像の中心位置Ａからレーザー光源２１側にずれた位置Ｂに移動し、また、高さ測定対象部位の高さが基準高さより低くなれば、レーザー光の照射位置が画像の中心位置Ａからレーザー光源２１側とは反対側にずれた位置Ｃに移動する。従って、画像の中心位置Ａからのレーザー光の照射位置のずれ量とずれ方向が判明すれば、回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の高さを算出することができる。

例えば、図４に示すように、画像の中心位置Ａからのレーザー光の照射位置のずれ量をａとし、回路基板２２の上面に対するレーザー光の照射角度をθとすると、基準高さからの高さ測定対象部位の高さｈは、次式により算出される。
ｈ＝ａ×ｔａｎθ ……（１）

ここで、レーザー光の照射位置のずれ量ａは、レーザー光源２１側にずれる場合はプラス値とし、その反対側にずれる場合はマイナス値とすることで、ずれ量ａに方向性を持たせる。レーザー光の照射位置のずれ量ａは、レーザー光の照射位置の座標を用いて算出すれば良い。例えば、レーザー光源２１をマークカメラ２０の光軸に対してＸ軸方向に配置すれば、レーザー光の照射位置のＸ座標がそのままレーザー光の照射位置のずれ量ａとなり、ずれ量ａの測定が簡単になる。

回路基板２２の上面に対するレーザー光の照射角度θが４５°の場合は、ｔａｎθ＝１となるため、画像の中心位置Ａからのレーザー光の照射位置のずれ量ａが、基準高さからの高さ測定対象部位の高さｈと一致する。

上記（１）式で算出した基準高さからの高さ測定対象部位の高さｈを用いて、回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の高さの測定値は、次式により算出される。
高さ測定値＝基準高さ＋ｈ
＝基準高さ＋ａ×ｔａｎθ ……（２）

レーザー光を照射する回路基板２２の上面は、部品の実装面であり、配線パターンやパッドが数多く形成されているため、レーザー光を照射した回路基板２２の上面をマークカメラ２０で撮像しても、配線パターンやパッドの反射光等によって回路基板２２の上面のレーザー光の照射位置を画像認識することに失敗したり、レーザー光の照射位置を誤った位置に認識する可能性がある。

そこで、本実施例では、レーザー光の照射前後の画像の差分画像を用いてレーザー光の照射位置を認識する。具体的には、回路基板２２の上面の高さ測定対象部位にレーザー光を照射せずにマークカメラ２０で高さ測定対象部位を撮像してレーザー光照射無しの画像を取得すると共に（ステップ１０２）、これと同じ位置関係で、レーザー光源２１から高さ測定対象部位にレーザー光を照射してマークカメラ２０で高さ測定対象部位を撮像してレーザー光照射有りの画像を取得する（ステップ１０３）。尚、レーザー光照射無しの画像とレーザー光照射有りの画像は、どちらを先に撮像しても良い。

この後、レーザー光照射無しの画像とレーザー光照射有りの画像との差分画像を求めて（ステップ１０４）、この差分画像に基づいて回路基板２２の上面のレーザー光の照射位置を認識して、画像の中心位置Ａからのレーザー光の照射位置のずれ量ａを求める（ステップ１０５）。この場合、レーザー光照射無しの画像とレーザー光照射有りの画像とは、同一の部位の画像で、レーザー光照射の有無のみが異なるだけであるため、差分画像を求めれば、レーザー光の照射スポットのみを精度良く認識することができる。このため、画像内にレーザー光の照射位置と識別困難な部分が存在しても、当該識別困難な部分を差分画像により除外してレーザー光の照射位置を精度良く認識することができる。

この後、差分画像から求めたレーザー光の照射位置のずれ量ａを用いて、前記（２）式により回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の高さの測定値を算出する（ステップ１０６）。

以上説明した本実施例では、レーザー光を照射せずに撮像した高さ測定対象物（回路基板２２）の上面の画像と、これと同じ位置関係でレーザー光を照射して撮像した高さ測定対象物の上面の画像との差分画像を求めるため、高さ測定対象物の上面のうちのレーザー光の照射位置を含む撮像エリア内に、レーザー光の照射位置と識別困難な部分が存在しても、当該識別困難な部分を差分画像により除外してレーザー光の照射位置を精度良く認識することができ、認識したレーザー光の照射位置に基づいて高さ測定対象物の上面の高さを精度良く測定できる。

更に、本実施例では、高さ測定対象物の上面におけるレーザー光の照射位置の基準位置からのずれ量を算出する際に、基準位置がマークカメラ２０の視野（撮像画像）の中心位置［ＸＹ座標の原点（０，０）］となるように設定したので、レーザー光の照射位置の座標のみに基づいて、基準位置（０，０）からのレーザー光の照射位置のずれ量とずれ方向を求めることができ、演算処理が容易になる利点がある。

但し、本発明は、基準位置がマークカメラ２０の視野（撮像画像）の中心位置からずれた位置にあっても良く、この場合でも、レーザー光の照射位置の座標と基準位置の座標との差分を求めれば、レーザー光の照射位置の基準位置からのずれ量とずれ方向を求めることができる。

本発明で高さ測定可能な対象物は、その上面に照射するレーザー光の照射位置を含む撮像エリアをカメラで撮像可能な物体であれば、どの様な物体であっても良く、回路基板に限定されるものではない。例えば、本発明を部品実装機に適用する場合は、回路基板の他に、回路基板に実装された部品、部品を供給するフィーダ、該フィーダの部品吸着位置に送られてくる部品のいずれかの上面の高さを測定するようにしても良い。このようにすれば、既存の部品実装機にレーザー光源（スポット光源）を追加するだけで、回路基板等の上面の高さを測定することができ、低コストで本発明を実施することができる。

本発明は、部品実装機以外の装置にも適用可能であり、高さ測定に使用するカメラも、マークカメラ２０に限定されず、本発明を適用する装置に搭載されたカメラを使用したり、高さ測定専用のカメラを新たに設けても良い。

また、本実施例では、レーザー光源２１（スポット光源）をマークカメラ２０と一体的に移動させるように構成したので、マークカメラ２０を移動させて回路基板２２の複数箇所の上面の高さを測定する場合に、レーザー光源２１とマークカメラ２０との位置関係を一定に保って、回路基板２２の複数箇所の上面の高さを精度良く測定することができる。

また、本発明を部品実装機に適用する場合は、マークカメラ２０で回路基板２２の基準マークを撮像する際に、レーザー光を照射せずに撮像した画像と、これと同じ位置関係でレーザー光を照射して撮像した画像を取得し、これら２つの画像の差分画像に基づいて該回路基板２２の上面のスポット光の照射位置を認識して該回路基板２２の上面の高さを演算するようにしても良い。このようにすれば、マークカメラ２０で回路基板２２の基準マークを撮像する動作に、僅かな動作を追加することで、回路基板２２の上面の高さを測定することができるため、サイクルタイムを大幅に低下させることなく、低コストで回路基板２２の上面の高さを精度良く測定することができる。

尚、本実施例では、クランプ装置１７でクランプされた回路基板２２の両側部の上面の高さを基準高さに設定したが、基準高さの設定方法はこれに限定されるものではない。例えば、マークカメラ２０（カメラ）の高さから一定距離（例えば図２のＤ）だけ下がった高さを基準高さとしても良く、この場合でも、マークカメラ２０のＺ軸方向（鉛直上下方向）の位置を制御するＺ軸駆動装置のＺ軸座標系で回路基板２２の上面の高さ測定対象部位の高さを測定できる。

また、高さ測定対象物の上面にスポット光を照射するスポット光源は、レーザー光源２１に限定されず、可視光のスポット光を照射するスポット光源であっても良く、要は、スポット光の照射位置を差分画像で認識できるように、スポット光の色と強度を設定すれば良い。

１１…制御装置（画像処理手段）、１６…基板搬送装置、１７…クランプ装置、１８…フィーダ、２０…マークカメラ（基準マーク撮像用のカメラ）、２１…レーザー光源（スポット光源）、２２…回路基板（高さ測定対象物）

Claims

高さ測定対象物の上面に対して所定の傾斜角度でスポット光を照射するスポット光源と、
前記高さ測定対象物の上面のうちの前記スポット光の照射位置を含む撮像エリアをその上方から撮像するカメラと、
前記カメラで撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像を処理する画像処理手段とを備え、
前記画像処理手段は、前記スポット光を照射せずに撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像と、これと同じ位置関係で前記スポット光を照射して撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像との差分画像を求める手段と、前記差分画像に基づいて前記高さ測定対象物の上面の前記スポット光の照射位置を認識する手段と、前記スポット光の照射位置に基づいて前記高さ測定対象物の上面の高さを演算する手段とを有することを特徴とする高さ測定装置。
基準高さ面における前記スポット光の照射位置が基準位置として設定され、
前記画像処理手段は、前記高さ測定対象物の上面における前記スポット光の照射位置の前記基準位置からのずれ量とずれ方向とに基づいて前記基準高さ面を基準とする前記高さ測定対象物の上面の高さを演算することを特徴とする請求項１に記載の高さ測定装置。
前記カメラは、部品実装機に装備された基準マーク撮像用のカメラであり、
前記高さ測定対象物は、前記部品実装機に搬入された回路基板、該回路基板に実装された部品、部品を供給するフィーダ、該フィーダの部品吸着位置に送られてくる部品のいずれかであることを特徴とする請求項１又は２に記載の高さ測定装置。
前記スポット光源は、前記カメラと一体的に移動するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の高さ測定装置。
前記画像処理手段は、前記基準マーク撮像用のカメラで回路基板の基準マークを撮像する際に、前記スポット光を照射せずに撮像した画像と、これと同じ位置関係で前記スポット光を照射して撮像した画像を取得し、これら２つの画像の差分画像に基づいて該回路基板の上面における前記スポット光の照射位置を認識して該回路基板の上面の高さを演算することを特徴とする請求項３に記載の高さ測定装置。
高さ測定対象物の上面に対して所定の傾斜角度でスポット光を照射するスポット光源と、前記高さ測定対象物の上面のうちの前記スポット光の照射位置を含む撮像エリアをその上方から撮像するカメラとを備え、
前記スポット光を照射せずに撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像を取得すると共に、これと同じ位置関係で前記スポット光を照射して撮像した前記高さ測定対象物の上面の画像を取得し、取得した２つの画像の差分画像を求めて、該差分画像に基づいて前記高さ測定対象物の上面の前記スポット光の照射位置を認識し、前記スポット光の照射位置に基づいて前記高さ測定対象物の上面の高さを演算することを特徴とする高さ測定方法。