JP4263291B2 - 基板マーク認識機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、印刷配線基板上にＩＣ等のチップ部品を装着したり、クリームはんだを印刷したり、接着剤を塗布したりする表面実装装置に採用され、プリント基板上の位置決め用のマークを撮像カメラで撮影し、基板の位置認識を行う基板マーク認識機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、チップ部品等の細小化が進む中で、それら部品の実装密度を高めるために印刷配線基板における位置認識精度の向上が要求されている。
【０００３】
図８は、部品装着ヘッド１に取り付けられた従来の基板マーク認識機構２を示すもので、まず部品装着ヘッド１は、Ｘ−Ｙ移動機構３のＸスライダ３１の下部に固定されいる。
【０００４】
Ｘスライダ３１は、Ｘガイドレール３１ａの一端に設けられたＸ軸モータ３１ｂによって図示しないボールネジが駆動され、Ｘ方向にスライド自在に構成されるとともに、Ｘガイドレール３１ａ自体は、Ｙスライダ３２に取り付けられている。
【０００５】
Ｙスライダ３２は、ボールネジ３２ａの回転駆動により、固定部３３に設けられたＹガイドレール３３ａに沿い、Ｙ方向に位置決め自在に構成されている。
【０００６】
従って、Ｙスライダ３２はＹ方向に、またＸスライダ３１はＸ方向にスライド自在に設けられ、部品装着ヘッド１はＸ−Ｙ方向の任意の位置に位置決め可能である。また、部品装着ヘッド１自体は、図示しないが、モータ制御によりＸ−Ｙ方向に垂直なＺ軸方向を回転中心とし、水平（角度φ）方向に回動自在に構成されている。また、部品装着ヘッド１には、上下方向にスライド自在に取り付けられた実装用のツール、例えば吸着用のノズル１ａが取り付けられている。
【０００７】
そこでいま、図示しない搬送テーブルにより搬送された印刷配線基板４上面には例えば円形状の位置決め用のマーク４ａが複数箇所（例えば２箇所）に設けられ、そのマーク４ａを基板マーク認識機構２の撮像カメラ２１で撮像し、その撮像信号は画像処理装置５に供給され、マーク４ａの２次元座標上での中心位置、すなわちマーク４ａの中心位置を割り出すことができる。
【０００８】
画像処理装置５はまた、予め定めた基板４の基準位置との位置誤差をパターン認識により検出し、制御装置６に供給するので、制御装置６はその位置誤差が零となるよう部品装着ヘッド１をＸ−Ｙ−φ方向に移動制御する。
【０００９】
そこで、図９及び図１０に拡大して示したように、撮像カメラ２１及び照明具２２は部品装着ヘッド１に一体的に固定され、その中で撮像カメラ２１の撮像方向は基板４を載置した搬送テーブル面に垂直となるように構成されている。また、照明具２２は、複数個の発光ダイオード（ＬＥＤ）等のランプ２２ａ，２２ｂが撮像カメラ２１の光軸Ｚを中心とした半径Ｒの円周上に略等間隔に設けられ、いずれも基板４のマーク４ａ方向に向け光を照射するように取り付けられている。
【００１０】
また、撮像カメラ２１は、マーク４ａからの反射光を受けて撮像するが、鮮明な映像が得られるか否かは、マーク４ａからの反射光とマーク４ａを取巻く周囲背景領域からの反射光との間に形成されるコントラストに基づく。
【００１１】
ところで、印刷配線基板４には、ベーク板やエポキシ板等の比較的堅い絶縁物を基材としたもののほかに、最近ではポリエステル等を基材としたフィルム状のフレキシブル印刷配線基板が使用されるようになってきた。
【００１２】
このフレキシブル基板は厚さが薄く、折れ曲がりやすく、また仮にパレット治具であるマザーボード等に装着したとしても、基板表面は変形するので、必ずしも基板４面が撮像方向軸Ｚに垂直となるとは限らない。従ってまた、フレキシブル基板上のマーク４ａ面も、表面に凹凸が生じたり、歪んだり曲がったりした形状のものが存在した。
【００１３】
そこで、例えば図１１に示すように、マーク４ａの表面が丸みを帯び凸状に変形している場合、表面全体としての向きが必ずしも撮像方向軸Ｚに向かない場合がある。このような場合、撮像方向軸Ｚを中心に半径Ｒのリング状に配列されたランプ２２ａ，２２ｂによるマーク４ａからの反射光軸はずれ、撮像方向軸Ｚ方向からそれることとなった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、フレキシブル基板面のマークは、表面が変形しやすく、照明具からの照射された光の反射光軸がそれるので、撮像カメラにおいて鮮明なマーク画像が得られないという欠点があった。
【００１５】
しかもまた、ポリエステル等の樹脂フィルムからなる基板表面は、ベーク板等とは異なり比較的光反射係数が大きいので、銅箔等によるマーク表面からの反射光量との間に大きな差を得にくく、良好なコントラストが得られない性質がある。
【００１６】
従って、基板あるいはマークの表面が変形し、反射光軸がそれると、マークからは十分な反射光量が得られず、コントラストが低下し、マークの識別を困難とする問題が生じた。そこで、マーク識別の不良は、直ちに部品実装装置における稼働率低下にもつながるので、改善が要望されていた。
【００２１】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来の課題を解決するためになされたもので、基板面に設けられた位置決め用のマークに向け光を照射する照明具と、この照明具から照射された光の前記マークからの反射光を受け前記マークを撮影する撮像カメラとを有する基板マーク認識機構において、前記マークが設けられた位置の基板面と前記照明具とのなす角度が変化するように前記照明具を移動させる移動手段と、前記撮像カメラにより撮像される画像信号のピーク値に対し、予め設定された割合のレベルを基準閾値として設定する閾値設定回路と、この閾値設定回路で予め設定された基準閾値と、前記撮像カメラにより別途撮像されたマークの画像信号のピーク値に対し、前記予め設定された割合に基づく閾値を算出し、この算出された閾値と前記基準閾値との差が最小となるように前記移動手段を制御する制御回路とを具備することを特徴とする。
【００２２】
このように、本発明は、制御回路を備え、画像信号のピーク値に対し、予め設定された割合のレベルを基準閾値として設定し、別途撮像されたマークの画像信号のピーク値に対し、その予め設定された割合に基づく閾値を算出し、この算出された閾値と前記基準閾値との差が最小となるように前記移動手段を制御するので、照明具における光照射角度の調整制御により、常に良好なマーク画像を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明による基板マーク認識機構の一実施の形態を図１ないし図７を参照して詳細に説明する。なお、図８ないしは図１１に示した従来の構成と同一構成には同一符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００２４】
図１は本発明による基板マーク認識機構の第１の実施の形態を示す正面図である。すなわち、図８及び図９に示した従来の構成と同様に、照明具２２自体は、撮像カメラ２１の撮像方向軸Ｚを中心とした半径Ｒの円周上に複数個のＬＥＤによるランプ２２ａ，２２ｂを配置して構成されている。
【００２５】
その照明具２２は、部品装着ヘッド１に対し、移動機構２３により上下方向（すなわち撮像カメラ２１の撮像方向軸Ｚ方向）に摺動自在となるように取り付けられている。移動機構２３はリニアガイド２３ａを備え、照明具２２は、シリンダからなるアクチュエータ２３ｂによりリニアガイド２３ａに沿い上下方向に移動自在に構成されている。
【００２６】
また、移動機構２３には、図示しないがそれぞれ長さが異なる複数種のストッパが備えられ、選択された長さのストッパをリニアガイドスライダ２３ｃに当接させることによって、照明具２２を任意の高さＨの位置に停止させることができるように構成した。
【００２７】
基板４面上の位置決め用のマーク４ａを撮像し認識するに際しては、マーク４ａ面から十分な反射光量が撮像カメラ２１に供給されるとともに、マーク４ａからの反射光量とその背景となる基板４面からの反射光量との間に良好な相対比、すなわちコントラストが得られることが必要となる。
【００２８】
撮像画像上でのコントラストは、基板４面及びマーク４ａの各材質はもとより、照明具２２との間の相対位置関係から、撮像方向軸Ｚに対するそれぞれの表面のなす角度等、とりわけマーク４ａの表面の平坦さにより影響される。
【００２９】
いずれにしても、マーク４ａ面で必要十分な明るさが確保されるためには、（１）基板面上のマーク４ａと照明具２２との間の距離Ｄ、（２）照明具２２からマーク４ａに向け照射される光の基板４面に対する角度θの２点が問題となる。
【００３０】
そこで、この第１の実施の形態では、上述のように、移動機構２３により、照明具２２をたとえば図２に示す高さＨ０から、図３に示す高さＨ１の位置に移動し得るように構成した。
【００３１】
すなわち、図２に示すように、基板４面におけるマーク４ａの表面が平坦でなく凸状をなし、照明具２２から照射した光の反射光軸が撮像カメラ２１の撮像方向軸Ｚからそれ、マーク４ａからの十分な反射光量が得られない場合でも、図３に示すように、移動機構２３が照明具２２をより低い高さＨ１に移動させることにより、マーク４ａ面への照射光量は増大し、撮像カメラ２１は、背景である基板４面との間に良好なコントラストを得るに十分な量の反射光を得らることができる。
【００３２】
つまり、照明具２２内の各ランプ２２ａ，２２ｂ間の間隔Ｌは一定であり、また各ランプ２２ａ，２２ｂの向きも予め固定されているので、照明具２２を基板４面からの高さＨを低い方向に移動させると、マーク４ａとランプ２２ａ，２２ｂとの間の距離Ｄは近づき、マーク４ａに対する照射光量が増加するとともに、各ランプ２２ａ，２２ｂのマーク４ａに対する光照射角度θも小さくなり、図３に示すように、マーク４ａから撮像カメラ２１方向に反射する光の量は増加する。
【００３３】
このように、第１の実施の形態では、移動機構２３を設け照明具２２の高さＨを調整制御できるので、マーク４ａが設けられた位置の基板４面と照明具２２との間のなす角度θ、及びマーク４ａと照明具２２との間の間隔Ｄが変化し、マーク４ａの表面形状に対応して、マーク４ａから撮像カメラ２１に供給される反射光量が変化するので、良好なコントラストが得られる状況を選択し、マーク認識を行うことができる。
【００３４】
なお、上記説明で、移動機構２３のアクチュエータ２３ｂにシリンダを使用する旨説明したが、シリンダに代えサーボモータあるいはパルスモータとボールネジ等の組み合わせ構成を採用することもできる。
【００３５】
上記第１の実施の形態では、照明具２２の高さＨを変えることによって、マーク４ａへの照射角度θ及び照明具２２とマーク４ａとの間の距離Ｄの長さを共に変化させ、撮像カメラ２１への反射光量を調整させる旨説明したが、主に照射角度θを変えるように移動機構２３を構成することによって、同様に撮像カメラ２１への反射光量を増加させ、良好なコントラストを得ることもできる。
【００３６】
すなわち、照射角度θが変化するように照明具２２を移動させ、マーク４ａの撮像画像のコントラストを向上させ得るように構成した本発明による基板マーク認識機構の第２の実施の形態を図４ないし図６を参照して説明する。
【００３７】
すなわち、図４に示すように、照明具２２は撮像カメラ２１の撮像方向軸Ｚを中心に両側に対象にランプ２２ａ，２２ｂを配列し、各ランプ２２ａ，２２ｂが対称的に円弧状に形成された各ガイド溝２２１に沿って摺動自在に構成し、そのマーク４ａに対する照射角度θを変化（θ１→θ２、ないしθ２→θ１）させ、マーク４ａ表面形状に対応して撮像カメラ２１方向へ最も多く反射光量を得ることができる角度を選択できるようにした。
【００３８】
ガイド溝２２１におけるランプ２２ａ，２２ｂの移動には、図５（ａ）に示すように、ランプ２２ａ，２２ｂをリンク機構２２ｃに連結し、リンク機構２２ｃを図示しないサーボモータまたはパルスモータ等からなるアクチュエータにより上下矢印ｚ方向に駆動させ、たとえば破線で示す位置（ランプ２２ａ´，２２ｂ´）に移動させることができる。なお、このとき、リンク機構２２ｃが撮像カメラ２１によるマーク４ａの撮像に障害とならないように、リンク機構２２ｃの上部を円環状とした。
【００３９】
図５（ａ）では、ガイド溝２２１におけるランプ２２ａ，２２ｂの移動にリンク機構２２ｃを採用したが、図５（ｂ）に示すように、中空部を有し外側にガイドレール２２ｄａを構成したコーン（ｃｏｎｅ円錐）部材２２ｄを配置し、ランプ２２ａ，２２ｂにそれぞれ固定したアーム２２ａａ，２２ｂａ先端のカムフォロア（不図示）がガイドレール２２ｄａに沿い移動するように構成し、アクチュエータによりコーン部材２２ｄを上下矢印ｚ方向に駆動することによって、同様に破線で示す位置（ランプ２２ａ´，２２ｂ´）に移動させるようにも構成できる。
【００４０】
なお、この第２の実施の形態において、移動機構２３によって、照射角度θが変化するようにランプ２２ａ，２２ｂを移動させたが、この照射角度θの変化と同時に、第１の実施の形態のように照明具２２自体の高さＨをも変化させるように構成しても良い。
【００４１】
なお、図４に示した実施の形態では、照明具２２のランプを説明上、左右２個設けたように説明したが、撮像方向軸Ｚに中心にリング状に複数個配置するように構成できることは言うまでもない。
【００４２】
上記のように、第２の実施の形態でも、認識対象であるマーク４ａの表面状態に応じて最適な照射角度θが得られるよう設定し、撮像カメラ２１へ供給されるマーク４ａ面での反射光量を増大させ得るので、第１の実施の形態と同様に、マーク４ａの認識効率を高めることができる。
【００４３】
次に、上記第２の実施の形態では、照明具２２において、ＬＥＤ等からなるランプ２２ａ，２２ｂを円弧状のガイド溝２２１に沿って移動させ、マーク４ａに照射される照射角度θを変えるように構成したが、ランプ２２ａ，２２ｂを移動させることなく、予め照射角度θを種々変化させた位置に複数個のランプを配置し、同心円周上に複数層形成するように配列しても同様な効果を得ることができる。
【００４４】
すなわち、照明具２２に、予め照射角度θが異なるランプを複数個固定して配置し、マーク４ａの撮像画像のコントラストを向上させ得るように構成した本発明による基板マーク認識機構の第３の実施の形態を図６を参照して説明する。
【００４５】
すなわち、図６に示すように、照明具２２に、撮像方向軸Ｚを中心とした同心円周上にそれぞれ複数個のランプ２２ａ（１〜４），２２ｂ（１〜４）を配置し、それぞれ予めマーク４ａに対する照射角度θが異なる（θ１〜θ４）となるように構成した。
【００４６】
この結果、マーク４ａ表面は、少なくとも複数個の互いに照射角度θ（θ１〜θ４）が異なるランプ２２ａ（１〜４），２２ｂ（１〜４）に照射されるので、たとえマーク４ａの表面形状が変化していても、いずれかのランプはそのマーク４ａの表面形状の変化に対応して、撮像カメラ２１に十分な光量を供給するように機能するので、マーク４ａの認識確率を高めることができる。
【００４７】
なお、この実施の形態では、各ランプ２２ａ（１〜４）〜２２ｂ（１〜４）全てを点灯するようにしてもよく、あるいは切替回路を設け、マーク４ａの表面形状の変化に対応して、最も効果的に反射光量が得られるランプのみを選択的に点灯するように構成しても良い。
【００４８】
ところで、マーク４ａの認識では、上述のようにいかにして明るいマーク４ａ面が得られるかにかかっているので、例えば第１の実施の形態等における移動機構２３を制御し、マーク４ａから撮像カメラ２１への最適な反射光量が常に得られるように照明具２２を位置制御することができる。
【００４９】
そこで次に、撮像カメラ２１に取り込まれたマーク４ａの２値化（白黒）画像を導入し、移動機構２３を制御する制御回路２４を付加した本発明による基板マーク認識機構の第４の実施の形態を図７を参照して説明する。
すなわち、図７（ａ）は、図１ないし図３に示した第１の実施の形態に、別途制御回路２４を付加した本発明による基板マーク認識機構の第４の実施の形態を示すもので、まず制御回路２４の基準閾値設定回路２４１は、図７（ｂ）に示すように、予め撮像カメラ２１の撮像により得られたマーク４ａの画像信号のピークＰｋ値に対し、予め設定された割合、例えば１／２のレベルを基準閾値Ｋとして設定する。
【００５０】
この基準閾値Ｋは比較回路２４２に供給され、この比較回路２４２には、閾値算出回路２４３が接続されている。
【００５１】
閾値算出回路２４３は、図７（ｃ）に示すように、撮像カメラ２１によって順次撮像されるマーク４ａの画像信号を導入し、その画像信号における前記予め設定された割合（１／２）に基づく閾値Ｐｓを算出し、比較回路２４２に供給する。
【００５２】
比較回路２４２は、図７（ｃ）に示すように、上記基準閾値Ｋと新たに撮像されて得られたマーク４ａ画像信号の閾値Ｐｓと比較し、その差ΔＰ信号を駆動制御部２４４に供給する。
【００５３】
制御部２４４は移動機構２３に対し、閾値レベルの差ΔＰが最も小さくなるように制御信号を供給し、駆動機構２３は照明具２２に対し、マーク４ａとの距離またはマーク４ａに対する照射角度のすくなくともいずれか一方を、マーク４ａへの照射光量が増加するようにフィードバック制御するので、撮像カメラ２１によるマーク４ａ撮像信号は図７（ｄ）に示すように、閾値Ｐｓが基準閾値Ｋに近付き、コントラストの良好なマーク４ａ認識画像を得ることができる。
【００５４】
従って従来、基板４上のマーク４ａの表面が平坦でない場合、あるいは仮に平坦であっても基板４自体が搬送テーブル面と平行でなく傾いている場合等には、従来はマーク４ａから撮像カメラ２１方向への反射光量が大幅に減少し、良好なコントラストが得られなかったが、この第４の実施の形態によれば、フィードバック制御により、照明具２２におけるランプ位置を反射光量が増加するように構成されたので、マーク認識の自動化が可能となると同時に、マーク認識率が向上し、部品実装装置の稼働率を改善することが可能となる。
【００５５】
以上説明のように、本発明による基板マーク認識機構によれば、印刷配線基板上における位置決めマーク表面の形状が変化していても、良好な認識が行われ、基板における部品実装効率の大幅な改善が可能となる。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、制御回路を備え、画像信号のピーク値に対し、予め設定された割合のレベルを基準閾値として設定し、別途撮像されたマークの画像信号のピーク値に対し、その予め設定された割合に基づく閾値を算出し、この算出された閾値と前記基準閾値との差が最小となるように、照明具の照射角度を変えるので、的確な基板位置検出を自動的に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による基板マーク認識機構の第１の実施の形態を示す正面図である。
【図２】図１に示す機構の照明具の位置を示す正面図である。
【図３】図１に示す機構の照明具の他の位置を示す正面図である。
【図４】本発明による基板マーク認識機構の第２の実施の形態を示す正面図である。
【図５】図５（ａ）は図４に示す基板マーク認識機構のランプ移動機構を説明する正面図、図５（ｂ）は同じく図４に示す他のランプ移動機構を説明する正面図である。
【図６】本発明による基板マーク認識機構の第３の実施の形態を示す要部正面図である。
【図７】図７（ａ）は本発明による基板マーク認識機構の第４の実施の形態の要部を示す回路構成図、図７（ｂ）は図７（ａ）の基準閾値設定回路で設定される基準閾値を説明する説明図、図７（ｃ）は図７（ａ）の撮像カメラで得られるマーク映像を説明する説明図、図７（ｄ）は図７（ａ）に示す制御回路により制御されて撮像カメラで得られたマーク映像を説明する説明図である。
【図８】従来の基板マーク認識機構を採用した部品装着装置を示す正面図である。
【図９】図８に示す基板マーク認識機構の拡大正面図である。
【図１０】図８に示す機構の照明具からの照射光を説明する要部正面図である。
【図１１】図８に示す機構において、マーク表面が変形した場合の照明具からの照射光を説明する要部正面図である。
【符号の説明】
１ 部品装着ヘッド
２ 基板マーク認識機構
２１ 撮像カメラ
２２ 照明具
２２ａ，２２ｂ ランプ
２３ 移動機構
２４ 制御回路
３ Ｘ−Ｙ移動機構
４ 基板
４ａ マーク

Claims (1)

1. 基板面に設けられた位置決め用のマークに向け光を照射する照明具と、この照明具から照射された光の前記マークからの反射光を受け前記マークを撮影する撮像カメラとを有する基板マーク認識機構において、
   前記マークが設けられた位置の基板面と前記照明具とのなす角度が変化するように前記照明具を移動させる移動手段と、
   前記撮像カメラにより撮像される画像信号のピーク値に対し、予め設定された割合のレベルを基準閾値として設定する閾値設定回路と、
   この閾値設定回路で予め設定された基準閾値と、前記撮像カメラにより別途撮像されたマークの画像信号のピーク値に対し、前記予め設定された割合に基づく閾値を算出し、この算出された閾値と前記基準閾値との差が最小となるように前記移動手段を制御する制御回路とを具備することを特徴とする基板マーク認識機構。

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