JP2929701B2

JP2929701B2 - 表面性状観測装置

Info

Publication number: JP2929701B2
Application number: JP29512590A
Authority: JP
Inventors: 茂樹小林; 孝宏名村
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1990-10-30
Filing date: 1990-10-30
Publication date: 1999-08-03
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JPH04166710A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞この発明は、表面の曲面形状が異なる方向に配向する
多数の曲面要素の集合より成る曲面体につき、各曲面要
素の配向性を検出するのに適用される曲面性状観測送致
に関連し、殊にこの発明は、プリント基板上に実装され
た部品につき、そのはんだ付け部分の形状などを検査す
るのに好適な曲面性状観測装置に関する。

＜従来の技術＞多配向性曲面をもつ曲面体として、プリント基板上に
実装された部品におけるはんだ付け部位の表面形状がそ
の代表例に挙げられる。従来、このはんだ付け部位、目
視検査により検査されており、はんだ付け状態の良否、
すなわちはんだの有無，量，溶解性，短絡，導通不良な
どがこの目視検査によって判定されている。

ところがこのような目視検査による方法では、検査ミ
スの発生が避けられず、判定結果も検査する者によりま
ちまちであり、また検査処理能力にも限界がある。

そこで近年、この種の検査を自動的に行うことができ
る自動検査装置が各種提案されているところではんだ付け部位の表面形状は、３次元の拡が
りをもつ立体形状であって、これを検査するには、３次
元の形状情報を検出できることが不可欠の条件となる。

第８図はこの条件を満たす自動検査装置の一例を示す
ものであり、レーザなどの光源から板状をなすスリット
光１を基板２上のはんだ付け部位へ照射している。この
スリット光１の照射により、はんだ付け部位を含む基板
２の表面には、立体形状に沿って歪を受けた公切断線３
が生成されるもので、その光切断線３の反射光像を撮像
装置４で際像して、その撮像パターンの歪状態をチェッ
クすることにより、はんだ付け部位の立体形状を検出す
る。

ところがこの検査方法の場合、スリット光１が照射さ
れた部分の形状情報が得られるのみであって、それ以外
の部分の立体形状を把握することは困難である。しかも
はんだ付け部位の表面は、その配向方向が基板２の垂直
方向に対して不定であるため、光源と撮像装置４との組
み合わせが少なくとも４組以上は必要であり、これがた
め装置が複雑化し、かつ高精度の組立作業が必要とな
り、コスト高を招くなどの問題がある。

そこでこの種問題を解消した方法として、検査対象で
ある曲面体の表面へ入射角が異なる光を照射し、曲面体
の表面からの各反射光像を撮像して、それぞれの撮像パ
ターンより曲面体の有する各曲面要素の配向性を検出す
るという方法が存在する。この方法の原理は、３次元画
像情報検出のひとつである「アクティブ・センシング
法」に属するものである。すなわちこの方法は、一定の
パターンをもった光束を検査対象に投光したとき、その
検査対象から得られる反射光束のパターンが検査対象の
立体的形状に対応して変形を受けることに着目したもの
で、その変形パターンから検査対象の形状を推定すると
いう方法である。

第９図は、この方法の原理説明図であり、光源５と撮
像装置６とから成る観測系と、観測対象である曲面体７
との位置関係を示している。

同図において、光源５より曲面体７の表面に対して入
射仰角ｉで光束８を投光すると、角度ｉ′（＝ｉ）の反
射光束９が真上に置かれた撮像装置６に入射して検出さ
れる。これにより前記光束８で照明された曲面体７の曲
面要素は基準面10に対してｉの仰角をなして配向してい
ることが検出されたことになる。従ってもし曲面体７の
表面性状が、はんだ付け面のように異なる仰角方向に配
向している多数の曲面要素から成るものであれば、入射
仰角が異なる複数の光源を用いて曲面体７の表面に投光
すれば、それぞれの入射仰角に対応する曲面要素の群が
撮像装置６により検出され、これにより曲面体７表面の
各曲面要素がそれぞれどんな仰角をなして配向をしてい
るか、すなわちはんだ付け部位の表面性状がどのようで
あるかを検出できる。

また光源５が、入射仰角がｉ＋Δｉからｉ−Δｉまで
２Δｉの幅をもつ光束８を投光するならば、その幅に対
応した幅を有する反射光束９が撮像装置６により検出さ
れることになる。すなわちこの場合は、基準面10となす
仰角がｉ＋Δｉからｉ−Δｉまでの幅の角度をもつ曲面
要素が検出できることになる。

さらに第10図に示すように、曲面体７への入射仰角が
異なる複数の光源11,12,13をもって投光装置を構成せす
れば、各光源による光束14,15,16の入射仰角に対応した
配向をもつ曲面要素がそれだけ詳細に検出できることに
なる。

上記の原理に基づきはんだ付け部位の外観を検査する
装置として、円環状の白色光源を複数用いたものが提案
されている（特開昭61−293657号）。

第11図はその検査原理を示すもので、半径が異なる３
個の円環状の白色光源17,18,19を基準面10に対して異な
る高さ位置に水平に配置されている。

いま各光源17,18,19の半径がr_n（ただしｎ＝1,2,
3）、基準面10に対する高さがh_n（ｎ＝1,2,3）とする
と、曲面体７への各光束の入射仰角はそれぞれi_n（ｎ＝
1,2,3）となり、曲面体７における仰角がそれぞれi_nで
ある各曲面要素を撮像装置６により検出することができ
る。このとき各光源17,18,19から曲面体７の表面を経て
撮像装置６に至る全光路長に比して曲面要素の大きさが
十分に小さいので、次式により入射仰角、すなわち検出
しようとする曲面要素の仰角を定めればよい。

この検査方法においては、はんだ付け面に対する入射
仰角の異なる３個の光源17,18,19による反射光像を相互
に識別するために、それぞれ光源17,18,19を時間的に異
なったタイミングで点灯し、また消灯するようにしてい
る。

＜発明が解決しようとする問題点＞しかしながらこのような方法では、曲面体７の各曲面
要素が基準面10に対してどのような仰角をなして配向し
ているかを検出できるのみで、方位角の方向についての
配向の状態を検出するのは困難である。しかも順次点灯
方式であるから、曲面性状の検査を高速で行うことがで
きないばかりでなく、異なる投光タイミングで得た各画
像を貯蔵するためのメモリや、これら画像を同一視野像
として演算処理するための演算装置や、各光源を瞬間的
に点滅させるための制御装置などが必要であり、技術面
での煩雑さが多く、またそれがコスト面や信頼性の面で
課題となっている。

この発明は、上記問題に着目してなされたもので、は
んだ付け部位など多数の曲面要素からなる曲面体の曲面
性状、とくに方位角の方向についての配向の状態を観測
できる曲面性状観測装置を提供することを目的とする。

またこの発明の他の目的は、曲面体の曲面性状を短時
間で観測でき、しかもコストの低減と信頼性の向上とを
実現した曲面性状観測装置を提供することにある。

＜問題点を解決するための手段＞請求項（１）にかかる発明は、観測対象である曲面体
を観測位置へ導入して前記曲面体の表面形状を観測する
表面性状観測装置であって、投光装置と撮像装置とを有
している。前記投光装置は、特定の色彩の光を時系列的
に投射する複数の光源列を備えると共に、各光源列は、
観測位置から見てそれぞれ異なる方位角に対応する各方
向に設けられたものである。

請求項（２）にかかる発明は、投光装置と撮像装置と
を有する同様の表面形状観測装置であって、前記投光装
置は、各列毎に異なる色彩の光を同時に投射する複数の
光源列を備えると共に、各光源列は、観測位置から見て
それぞれ異なる方位角に対応する方向に設けられたもの
である。

請求項（３）にかかる発明は、請求項（１）または
（２）における各光源列が複数の点状光源を整列配置し
て構成されたものである。

請求項（４）にかかる発明は、請求項（１）または
（２）における各光源列が長手形状をなす線状光源によ
り構成されたものである。

＜作用＞観測位置から見て所定の方位角に対応する方向の光源
列から所定の色彩の光を観測対象に投射すると、観測対
象の曲面性状につき、前記方位角に対応する方向につい
ての配向の状態を検出することができる。

したがって観測位置から見てそれぞれ異なる方位角に
対応する複数の方向に特定の色彩の光を投射する光源列
を配置し、各光源列より時系列的に光を投射すると、各
方位角に対応する方向についての配向をもつ曲面要素の
有無や位置を直接判定できる。

さらに観測対象から見て異なる方位角に対応する各方
向の光源列からそれぞれ異なる色彩の光を同時に観測対
象へ投射させるとき、撮像装置では曲面体の表面からの
反射光像を各色彩別に同時に得ることができ、その撮像
パターンを用いて曲面体の表面性状を高速で判断し得
る。

＜実施例＞第１図は、この発明が実施されたプリント基板検査装
置の概略構成を示す。

図示例の基板検査装置は、位置決め基板20Sを撮像し
て得られた前記位置決め基板20S上にある各部品21Sの検
査領域のパラメータ（判定データ）と、被検査基板20T
を撮像して得られた前記被検査基板20T上にある各部品2
1Tの検査領域のパラメータ（被検査データ）とを比較し
て、これらの各部品21Tが正しく実装されかつはんだ付
けされているかどうかを検査するためのものであって、
Ｘ軸テーブル部22,Y軸テーブル部23,投光部24,撮像部2
5,処理部26などをその構成として含んでいる。

Ｘ軸テーブル部22およびＹ軸テーブル部23は、それぞ
れ処理部26からの制御信号に基づいて動作するモータ
（図示せず）を備えており、これらモータ駆動によりＸ
軸テーブル部22が撮像部25をＸ方向へ移動させ、またＹ
軸テーブル部23が基板20S,20Tを支持するコンベヤ27を
Ｙ方向へ移動させる。

これら基板20S,20Tは、投光部24からの照射光を受け
つつ撮像部25により撮像される。

投光部24は、処理部26からの制御信号に基づき各列毎
に異なる色彩の光をそれぞれ発生して検査対象へ異なる
入射方位角で同時に照射するための複数の光源列28a,28
b,28c,28dを備えており、各光源例28a〜28dを発した光
束を前記基板20S,20Tを投光して、その反射光像を撮像
部25で得て電気信号に電気信号に変換する。

第２図および第３図は、この投光部24の具体例を示し
ており、ドーム形状をなすフード29の内面に前記の各光
源例28a〜28dを構成する多数の点状光源28を点在させた
状態で配備してある。フード29は下面開口を下方に向
け、上面の開口部30に撮像部25を位置させてある。

前記点状光源28には、発光ダイオードが用いてある
が、異なる色彩の光を投射できるものであれば、これに
限られないことは勿論である。

各光源列28a〜28dは、検査位置の上方であって検査位
置から見てそれぞれ異なる方位角に対応する各方向に配
置されるもので、第３図中、光源列28aに属する各点状
光源28がそれぞれ０゜と180゜の方位角に対応する各方
向に位置し、光源列28bに属する各点状光源28がそれぞ
れ45゜と225゜の方位角に対応する角方向に位置し、光
源列28cに属する各点状光源28がそれぞれ90゜と270゜の
方位角に対応する各方向に位置し、光源列28dに属する
各点状光源28がそれぞれ135゜と315゜の方位角に対応す
る各方向に位置するものである。

なお光源列は、上記実記例のように必ずしも全方位角
の方向にわたって設ける必要はなく、特定の方位角の方
向に限って設けてもよく、その場合は、検出したい表面
面素の有無や位置を直接判定できる。

また前記の各光源列28a〜28dは、同じ色彩の光を発生
する点状光線28を用いて構成すると共に、各光源列を時
系列的に点灯し、消灯させる方式であってもよく、その
場合は高速検査は実現できないものの、方位角の方向に
ついての配向の状態を検出し得ることは勿論である。

なお各光源列28a〜28dは、点状光源28を整列配置した
構成のものである必要はなく、第４図に示す如く、色カ
バーを被せた蛍光灯のような線状光源28′に置き換える
ことも可能である。

第５図は、検査対象48の表面の方位角検出原理を示す
もので、任意の点状光源28と検査対象48との幾何学的関
係を上方より俯瞰して表したものである。

同図において、点状光源28より検査対象48の表面に対
して入射方位角ｊで光束49が投光されると、その反射光
束が検査対象48の真上に位置する撮像部25に入射して検
出される。これにより前記光束49で照明された検査対象
48における曲面要素は座標軸50に対しｊの方位角をなし
て配向していることが検出される。従って検査対象48の
表面形状がはんだ付け面のように異なる方位角に配向し
ている多数の曲面要素から成るものであれば、入射方位
角が異なる複数の点状光源28より検査対象48の表面へ投
光すれば、それぞれの入射方位角に対応する曲面要素の
群が撮像部25により検出される。これにより検査対象48
の表面の各曲面要素がそれぞれどんな方位角をなして配
向しているかを検出できる。

また点状光源28が入射方位角がｊ−Δｊからｊ＋Δｊ
まで２Δｊの幅をもつ光束49を投光するならば、その幅
に対応した幅を有する反射光束が撮像されることにな
り、この場合は、座標軸50となす方位角がｊ−Δｊから
ｊ＋Δｊまでの幅の角度をもつ曲面要素が検出できるこ
とになる。

かくして第６図に示すように、検査対象48から見て異
なる方位角に対応する方向にそれぞれ点状光源28を配置
して投光部24を構成すれば、各点状光源28による光束49
の入射方位角に対応した配向性をもつ曲面要素をそれだ
け詳細に検出できることになる。

つぎに撮像部25は、検査位置の真上に位置させたカラ
ーテレビカメラ32を備えており、前記基板20Sまたは20T
からの反射光はこのカラーテレビカメラ32によって三原
色のカラー信号R,G,Bに変換されて処理部26へ供給され
る。

処理部26は、A/D変換部33,メモリ38,ティーチングテ
ーブル35,画像処理部34,判定部36,X,Yテーブルコントロ
ーラ37,撮像コントローラ31,CRT表示部41,プリンタ42,
キーボード40,フロッピーディスク装置43,制御部（CP
U）39などから構成されるもので、ティーチングモード
のとき、位置決め基板20Sについてのカラー信号R,G,Bを
処理し、はんだ付け状態が良好な各部品21Sの所定領域
につき投光された各色彩の光の反射光により形成された
色彩パターンを検出して、判定データファイルを作成
し、また検査モードのとき、被検査基板20Tについての
カラー信号R,G,Bを処理し、基板上の各部品21Tの所定領
域につき同様の色彩パターンを検出して被検査データフ
ァイルを作成する。そしてこの被検査データファイルと
前記判定データファイルとを比較して、この比較結果か
ら被検査基板20T上の所定の部品21Tにつきはんだ付け部
分の良，不良を自動的に判定する。

第７図（１）は、はんだ付けが良好であるとき、第７
図（２）ははんだか欠落しているとき、第７図（３）は
部品が欠落しているときのそれぞれのはんだ44の断面形
態と、各場合の撮像パターン45〜47との関係を対応付け
して示したものであり、各撮像パターン45〜47間には明
確な差異が現われるため、部品の有無やなんだ付けの良
否が判定できることになる。

第１図に戻って、A/D変換部33は前記撮像部25からカ
ラー信号R,G,Bが供給されたときに、これをアナログ・
ディジタル変換して制御部39へ出力する。メモリ38はRA
Mなどを備え、制御部39の作業エリアとして使われる。
画像処理部34は制御部39を介して供給された画像データ
を画像処理して前記被検査データファイルや判定データ
ファイルを作成し、これらを制御部39や判定部36へ供給
する。

ティーチングテーブル35はティーチング時に制御部39
から判定データファイルが供給されたとき、これを記憶
し、また検査時に制御部39が転送要求を出力したとき、
この要求に応じて判定データファイルを読み出して、こ
れを制御部39や判定部36などへ供給する。

判定部36は、検査時に制御部39から供給された判定デ
ータファイルと、前記画像処理部34から転送された被検
査データファイルとを比較して、その被検査基板20Tに
つきはんだ付け状態の良否を判定し、その判定結果を制
御部39へ出力する。

撮像コントローラ31は、制御部39と投光部24および撮
像部25とを接続するインターフェースなどを備え、制御
部39の出力に基づき投光部24の各点状光源28の光量を調
整したり、撮像部25のカラーテレビカメラ32の各色相光
出力の相互バランスを保つなどの制御を行う。

X,Yテーブルコントローラ37は制御部39と前記Ｘ軸テ
ーブル部22およびＹ軸テーブル部23とを接続するインタ
ーフェースなどを備え、制御部39の出力に基づきＸ軸テ
ーブル部22および軸テーブル部23を制御する。

CRT表示部41はブラウン管（CRT）を備え、制御部39か
ら画像データ、判定結果、キー入力データなどが供給さ
れたとき、これを画面上に表示する。プリンタ42は制御
部39から判定結果などが供給されたとき、これを予め決
められた書式（フォーマット）でプリントアウトする。
キーボード40は操作情報や位置決め基板20Sに関するデ
ータ、この位置決め基板20S上の部品21Sに関するデータ
などを入力するのに必要な各種キーを備えており、この
キーボード40から入力された情報やデータなどは制御部
39へ供給される。

制御部39は、マイクロプロセッサなどを備えており、
つぎに述べる手順に沿って動作する。

まず新たな被検査基板20Tを検査するときには、制御
部39は、ティーチングを実行するために装置各部を制御
して投光部24や撮像部25をオンし、また撮像条件やデー
タ処理条件を整える。つぎにＹ軸テーブル部23上に位置
決め基板20Sがセットされると、制御部39はＸ軸テーブ
ル部22およびＹ軸テーブル部23を制御して位置決め基板
20Sを位置出しした後、撮像部25に位置決め基板20Sを撮
像させる。この撮像動作で得られた三原色のカラー信号
R,G,BはA/D変換部33でA/D変換され、その変換結果はメ
モリ38にリアルタイムで記憶される。

ついで制御部39は、前記メモリ38より各色相に対応す
る画像データを画像処理部34へ転送させ、この画像処理
部34にて各色相の画像データを各色相別の適当なしきい
値で２値化するなどして、反射光の色彩パターンを検出
する。また制御部39は、画像処理部34を制御し、各部品
21Sの撮像パターンにつき各部分（電極など）の明度を
チェックするなどして各部品21Sの電極の位置や極性マ
ークの位置などを識別させる。

この後制御部39は、前記の各色彩パターンと前記の識
別結果とに基づいて、被検査基板20Tを検査するのに必
要な判定データファイルを作成し、これをティーチング
テーブル35に記憶させた後、ティーチングを終了する。

つぎに検査モードに移行すると、制御部39はティーチ
ングテーブル35やキーボード40からその日の日付データ
や、被検査基板20TのIDナンバ（識別番号）を取り込む
とともに、ティーチングテーブル35から判定データファ
イルを読み出して、これを判定部36に供給する。

この後、制御部39は、撮像条件やデータの処理条件を
整えた後、Ｙ軸テーブル部23上に被検査基板20Tがセッ
トされたかどうかをチェックする。

もしセットされておれば、制御部39は前記と同様、画
像処理部34にて各色彩パターンの検出および電極や極性
マークの識別を順次行わせた後、各色彩パターンと前記
の識別結果とに基づき被検査データファイルを作成す
る。ついで制御部39は、前記被検査データファイルを判
定部36に転送させ、この被検査データファイルと前記判
定データファイルとを比較させて、被検査基板20T上の
所定の部品21Tにつきはんだ付けの良否を判定させると
共に、この判定結果をCRT表示部41やプリンタ42に供給
して、これらを表示させ、またプリントアウトさせる。

＜発明の効果＞請求項（１）にかかる発明では、観測位置から見てそ
れぞれ異なる方位角に対応する各方向に特定の色彩の光
を投射する光源列を設け、観測位置に対し角光源列より
時系列的に光を投射するようにしたから、各方位角に対
応する方向についての配向をもつ曲面要素の有無や位置
を直接判定でき、はんだ付け面のように異なる方位角方
向に配向している多数の曲面要素から成る観測対象の曲
面形状を、精度良く観測することができる。

さらに請求項（２）にかかる発明では、異なる色彩の
光を同時に投射する複数の光源列をもって投光装置を構
成すると共に、各光源列を観測位置から見てそれぞれ異
なる方位角に対応する各方向に配置したから、撮像装置
では曲面体の表面からの反射光像を各色彩別に同時を得
ることができ、その撮像パターンを用いて曲面体の表面
性状を高速で判断し得る。また時系列的に各光源を点灯
動作させる方式のように、大きなメモリ容量を必要とせ
ず、また時間ずれのある画像を結合するための演算や光
源の点滅のタイミングをとるための制御が不要であり、
コストの低減および信頼性の向上を実現する。

また請求光（３）にかかる発明では、光源列が複数の
点状光源を整列放置して構成されるから、発光、ダイオ
ードのような高寿命かつ小型の光源を採択できる。

さらに請求項（４）にかかる発明では、光源列が長手
形状をなす線状光源により構成されるから、蛍光灯のよ
うな安価で簡易な光源も採択できるなど、発明目的を達
成した顕著な効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例にかかる基板検査装置の全
体構成を示す説明図、第２図は投光部の構成を示す拡大
断面図、第３図は光源列の構成例と配置状態とを示す投
光部の下面図、第４図は光源列の他の構成例と配置状態
を示す投光部の下面図、第５図および第６図は方位角の
検出原理を示す説明図、第７図ははんだ付け状態の良否
と撮像パターンとの関係を示す説明図、第８図は従来例
を示す説明図、第９図および第10図は仰角の検出原理を
示す説明図、第11図は従来例を示す説明図である。 24……投光部、25……撮像部 26……処理部、28……点状光源 28a〜28d……光源列

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30 102 G01N 21/84 - 21/91

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】観測対象である曲面体を観測位置へ導入し
て前記曲面体の表面形状を観測する表面性状観測装置で
あって、投光装置と撮像装置とを有し、前記投光装置は、特定の色彩の光を時系列的に投射する
複数の光源列を備え、各光源列は、観測位置から見てそれぞれ異なる方位角に
対応する各方向に設けられており、前記撮像装置は、観測位置の真上位置に前記曲面体の表
面の反射光像を撮像可能に配置されて成る表面性状観測
装置。
【請求項２】観測対象である曲面体を観測位置へ導入し
て前記曲面体の表面形状を観測する表面性状観測装置で
あって、投光装置と撮像装置とを有し、前記投光装置は、各列毎に異なる色彩の光を同時に投射
する複数の光源列を備え、各光源列は、観測位置から見てそれぞれ異なる方位角に
対応する各方向に設けられており、前記撮像装置は、観測位置の真上位置に前記曲面体の表
面の反射光像を撮像可能に配置されて成る表面性状観測
装置。
【請求項３】前記光源列は、複数の点状光源を整列配置
して構成されている請求項（１）または（２）に記載さ
れた表面性状観測装置。
【請求項４】前記光源列は、長手形状をなす線状光源に
より構成されている請求項（１）または（２）に記載さ
れた表面性状観測装置。