JP4823782B2 - 部品位置決め方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品位置決め方法及び装置、特に電極数が多い上に、電極配列がランダムな電子部品を基板に実装する際に適用して好適な部品位置決め方法及び装置に関する。

一般に、表面実装装置においては、部品供給装置により供給される電子部品を吸着ノズルにより保持した後、所定位置の回路基板に実装することが行なわれている。このような実装を行なう際、吸着ノズルは必ずしも正しい姿勢で電子部品を吸着するとは限らないため、通常ＣＣＤカメラ等の部品認識装置を用いて吸着保持されている電子部品を撮像し、その画像に基づいて部品認識が行なわれている。

その部品認識の結果、正しい姿勢で吸着されていない場合には、位置補正、傾き補正等を行なって正しい姿勢となるように電子部品の位置決めを行なっている。

ところで、パッケージ底面にボール形状の電極がアレイ状に配列された、いわゆるボールグリッドアレイ（ＢＧＡ）型の電子部品を位置決めする場合、その部品の底面を撮像して得られる画像データを処理し、その画像処理により求まる電極配置を基に、吸着部品のノズル中心からの位置ずれや傾きを算出し、吸着部品の位置決めを行なっている。

そのために、例えば特許文献１には、吸着した部品を撮像し、その画像から抽出された電極配列のパターン（以下、単に電極パターンともいう）と、予め作成してある基準となる電極配列に関する照合パターンとを重ね合わせる照合を行ない、照合結果に基づいて抽出された電極座標を決定する位置決め技術が開示され、又、特許文献２には電極の配列がランダムであっても適用できる位置決め技術が開示されている。

従来の表面実装装置では、このような部品認識に際しては、位置決めの正確さを期するために、部品に配設されている全ての電極を対象にした電極パターンを照合パターンと重ね合せる照合処理を行なっている。このように全電極を対象として照合処理を行なっても、電極数が少ないうちは特に問題はなかった。

特開２０００−２３２２９９号公報 特開２００１−２８４９００号公報

しかしながら、電極数が次第に増加し、遂には１万個を超える電子部品も出現するようになったことから、位置決めのための照合処理に要する時間の増大が問題になってきた。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、電極数が非常に多く、しかもその配列がランダムな場合でも、位置決め精度を低下させることなく、画像認識による電極パターンの照合処理を短時間で行なうことができる部品位置決め方法及び装置を提供することを課題とする。

本発明は、部品位置決め方法において、電子部品が備えている電極の配列を記述した電極座標系で、全電極を含むように外接する第１矩形を設定するステップと、設定された第１矩形について電極密度が最大のコーナを選択するステップと、前記第１矩形の部分領域であって、選択された前記コーナの頂点を起点にし、該起点と対向する頂点位置の座標が縦方向、横方向でそれぞれ異なり、かつ面積が同一の複数矩形の中で、電極密度が最小の第２矩形を決定するステップと、決定された第２矩形に含まれる電極の配列を照合パターンに設定するステップと、設定された照合パターンを保存するステップと、該当する電子部品を撮像した画像座標系で、前記照合パターンに対応する電極パターンを抽出するステップと、保存されている照合パターンを読出し、抽出された電極パターンを照合して該電子部品を位置決めするステップと、を含むことにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、決定された第２矩形が複数存在する場合、各矩形中心からの電極の分布が最も離散している矩形を選択するステップを含むことにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、部品位置決め装置において、電子部品が備えている電極の配列を記述した電極座標系で、全電極を含むように外接する第１矩形を設定する手段と、設定された第１矩形について電極密度が最大のコーナを選択する手段と、前記第１矩形の部分領域であって、選択された前記コーナの頂点を起点にし、該起点と対向する頂点位置の座標が縦方向、横方向でそれぞれ異なり、かつ面積が同一の複数矩形の中で、電極密度が最小の第２矩形を決定する手段と、決定された第２矩形に含まれる電極の配列を照合パターンに設定する手段と、設定された照合パターンを保存する手段と、該当する電子部品を撮像した画像座標系で、前記照合パターンに対応する電極パターンを抽出する手段と、保存されている照合パターンを読出し、抽出された電極パターンを照合して該電子部品を位置決めする手段と、を備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。

本発明者は、照合する電極の数が多い方が位置決め精度が上がるが、電極数が極めて多い時には、事実上電極数と精度とは比例関係に無くなり、電極数と精度の関係は飽和曲線を描くようになることを知見した。

本発明は、必ずしも電極数が多ければ精度が良くなるわけではないという上記知見に基づき、ランダムに配列された電極に対しても、部分的に照合に使用する電極配列を切り出し、照合電極数を削減することにより高速化を図りつつも、精度低下が起こらない照合パターンを選択できるようにした。

即ち、本発明によれば、電極座標系において全電極を内側に外接するように設定した第１矩形から、電極密度が最大のコーナを選択すると共に、該コーナの頂点を起点とする同一面積で最も電極密度の低い第２矩形を決定し、該矩形の電極配列から照合パターンを作成するようにしたことにより、実装時に電子部品を撮像して得られる電極配列から前記参照パターンに対応する電極パターンを抽出する場合には、電極密度が最も高いコーナから画像処理を開始できるため、電極を迅速に抽出することができる。しかも、電極が最も離散した配列の電極パターンを取得できるため、電極パターンを移動・回転させて前記照合パターンに一致させる照合処理による位置決めを高速且つ高精度で行なうことができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る一実施形態の部品位置決め装置の概要を示すブロック図である。

本実施形態の部品位置決め装置は、吸着ノズル１と、該吸着ノズル１に吸着保持された電子部品２を、照明装置３による照明下で撮像する標準カメラ４及び高解像度カメラ５と、画像を表示させるモニタ６と、これらカメラ４、５により撮像した画像データ等を処理する画像処理装置１０と、表面実装装置（図示せず）の全体を制御するためのマシン制御装置２０とを備えている。

画像処理装置１０には、前記カメラ４又は５により撮像され、Ａ／Ｄコンバータ１１を介して入力される画像データを保存すると共に、保存されている画像データを適宜前記モニタ６に表示する画像メモリ１２と、該画像メモリ１２に保存されている画像データ等を、作業用メモリ１３に読出し、その画像データ等を基に画像処理等の各種制御演算を行なう制御部（ＣＰＵ）１４と、画像メモリ１２から読み出した画像データに対して、後述する部品に関する各種演算を実行する演算部１５と、演算結果等の部品に関するデータを保存する部品データ格納メモリ１６とが内蔵されている。

上記演算部１５は、制御部１４により実行されるプログラムにより実現され、又、該制御部１４はインタフェース１７を介して前記マシン制御装置２０に接続されている。

又、前記部品データ格納メモリ１６には、電子部品２に関する、電極（リード、ボール等）の形状、直径等の属性情報や配置情報が部品データとして保存されている。

本実施形態の部品位置決め装置では、前記画像処理装置１０に含まれる制御部１４及び演算部１５により、電子部品が備えている電極の配列を記述した電極座標系で、全電極を含むように外接する第１矩形を設定する手段と、設定された第１矩形について電極密度が最大のコーナを選択する手段と、選択されたコーナの頂点を起点として設定される同一面積の矩形の中で、電極密度が最小の第２矩形を決定する手段と、決定された第２矩形に含まれる電極の配列を照合パターンに設定する手段とが構築されており、設定された照合パターンは前記部品データ格納メモリ１６に保存されるようになっている。

又、前記制御部１４及び演算部１５により、該当する電子部品を基板に実装する際に該部品を撮像した画像座標系で、前記照合パターンに対応する電極パターンを抽出する手段と、前記部品データ格納メモリ１６に保存されている電極座標系の照合パターンを読出し、これと抽出された電極パターンを照合して、該電子部品を位置決めする手段も構築されている。

次に、本実施形態の作用を説明する。

本実施形態では、処理全体の概要を図２のフローチャートに示すように、生産前の準備としての照合パターン作成処理（ステップ１〜ステップ３）と、生産開始後の部品位置決め処理（ステップ４〜ステップ７）とが行なわれる。

まず、生産前に行なう照合パターン作成処理の動作について説明する。

マシン制御装置２０は、予め部品データをインタフェース１７を介して画像処理装置１０へ送信する。画像処理装置１０は、部品データを受信し（ステップ１）、それを部品格納メモリ１６に格納しておく。

次いで、画像処理装置１０は、部品データ格納メモリ１６に部品データとして保存されている全電極の配置（配列）情報、即ちデータ上の電極パターンを参照し、各パターンに合った最適な照合パターンを抽出（作成）する（ステップ２）。なお、この処理については、後に詳細に説明する。

画像処理装置１０は、このように新規に作成した照合パターンを部品データ格納メモリ１６に、対応する部品データの一部として追記する（ステップ３）。部品データが複数ある場合は、各部品毎に同様に照合パターンを抽出し、部品ＩＤに対応付けて格納する。そして、該当する部品を実装する際の画像認識による位置決めに備える。

次に、前記ステップ２の照合パターンの抽出について、図３のフローチャートに従って詳述する。

まず、評価基準値を設定する（ステップ１１）。

ここでは、第１評価基準値として、本実施形態による照合パターンの抽出を適用する最低照合電極数を設定する。本実施形態は、従来の全数照合では画像認識に時間がかかる電極数が多い電子部品を対象とするためである。具体的な設定電極数は、計算機の処理能力等を勘案して適宜設定することになるが、例えば３２とすることができる。この場合は、電極数が３２以下の電子部品は、全数照合を行なうことになる。

又、第２評価基準値として、最低分布面積を設定する。これは、配列全体の中で最遠方の電極を画像処理により予測位置決めするために必要な照合パターンの分布領域の最小面積であり、計算機の処理能力にも依存するが、例えば全電極パターン領域の１／８とすることができる。

次いで、検査ウィンドウを設定する（ステップ１２）。これは、前記部品データ格納メモリに格納されている対象部品の部品データに全電極の配列情報として含まれる電極パターンを囲むように外接する第１矩形を設定することに当たる。

図４には、部品データから取り込まれたランダムに配列された電極パターンの一例と、これら電極に外接する第１矩形Ｔを示す。なお、この図で数字は各電極に設定されているＩＤ番号で、それぞれ対応する（ｘ，ｙ）座標の電極座標系でその位置が規定されている。

このように全電極を内包するように外接する第１矩形が設定されると、該矩形に存在する４つのコーナの中で電極密度が最大のコーナを選択する（ステップ１３）。これは、矩形中心に対する電極重心のずれ方向により判定できる。この例では左上のコーナが選択される。

以上のように１つのコーナが選択されたならば、そのコーナの頂点Ａを起点とし、前記ステップ１１で評価基準値として設定されている面積（例えば、１／８）と同一の面積からなる矩形を発生させ、その中で電極密度が最小の第２矩形を決定する（ステップ１４）。但し、この第２矩形は、照合による位置決めに使用するため、２以上の電極を含む必要がある。

図５には、面積は第１矩形Ｔの１／８より大きい、１つの第２矩形の候補Ｔ´を示す。この図に示される起点Ａ（ｘ０，ｙ０）の対向頂点の座標（ｘ１，ｙ１）を、面積が同一となるように縦方向、横方向の矩形に変化させ、その中に含まれる電極が最も少ないものを第２矩形と決定する。なお、電極数のカウントに際しては、矩形の線上に位置する電極はカウントしない。

以上のようにして第２矩形が決定されたなら、その第２矩形が１つであるか否かを判定し（ステップ１５）、１つであればその矩形に含まれる電極配列を照合パターン候補とする。

このステップ１５で、第２矩形が２つ以上ある場合は、電極が矩形中心から最も離れて分散しているものを選択し（ステップ１６）、同様に照合パターン候補とする。具体的には、図６にイメージを示すように、第２矩形内に分布している電極に、中心から離れている程小さい係数の重み付けを行ない、その合計が最小のものを選択し、照合パターン候補に決定する。図７には、電極の配列が異なるが、重み付けをしたイメージを示す。但し、矩形中心から各電極重心（中心）までの距離を積算し、積算値か最小の矩形を選択するようにしても良い。

ステップ１５又はステップ１６により照合パターン候補に選択（決定）された第２矩形を、実際に照合パターン作成に使用するか否かを判定し（ステップ１７）、使用すると判定した場合には、その矩形に含まれる電極配列から照合パターンを作成（抽出）し、前記ステップ３により部品データ格納メモリ１６に部品データの一部として格納し、作業を終了する。

一方、ステップ１７で異なる大きさの照合パターンに変更する場合は、図８にイメージを示すように（ｘ１，ｙ１）を変更し、第２矩形を決定するための面積を変更（更新）し（ステップ１８）、前記ステップ１３に戻り照合精度が十分な適切な照合パターンがみつかるまで同様の処理を繰り返す。

以上詳述した照合パターンが必要な部品が他にあれば、それぞれ作成され、各照合パターンが部品データ格納メモリ１６に格納される。その後、生産が開始されると、該当する電子部品を実装する際に、その照合パターンを読出して部品の位置決めを行なう。

次に、生産時の動作について前記図２のフローチャートに従って、更に説明する。

前記マシン制御部２０は、次に実装する電子部品のサイズによって、前記２台のカメラ４、５から撮像するカメラを選択し、吸着ノズル１に吸着した電子部品２を、選択したカメラの撮像位置にセットする。その際、このマシン制御装置２０は、選択したカメラで撮像できるように照明装置３を移動し、点灯させると共に画像処理装置１０にインタフェース１７を介して、選択したカメラチャネル情報を伝送し、処理の実行を指示する。

この指示を受けた画像処理装置１０は、指定された方のカメラ４又は５を制御し、電子部品２の画像を撮像すると共に、その画像データをＡ／Ｄコンバータ１１でデジタル化し、画像メモリ１２に画像座標系の多値画像データとして記憶させる。

この画像処理装置１０は、前記ステップ２で予め抽出しておいた電極座標系の照合パターンを、部品データ格納メモリ１６から読出し、ソフトウェアにより実現されている位置決めモジュールを構成する前記演算部１５へ受け渡す（ステップ４）。なお、電極座標系は位置決め基準として予め定義した座標系であり、画像座標系は使用するカメラにより決る座標系である。

この演算部１５は、画像メモリ１２に画像座標系で保存されている画像データを処理し、画像内から前記照合パターンに対応する電極パターンを抽出すると共に、前記部品データ格納メモリ１６から入力されている該部品の照合パターンとの照合を行ない、吸着保持されている電子部品２の位置決めを行なう（ステップ５）。ここでは、一部の電極を照合することになるため、粗い位置決めを行なうことになる。

更に、この粗い位置決め結果を基に、前記部品データ格納メモリ１６に部品データとして格納されている残りの全ての電極の抽出を行ない（ステップ６）、部品の中心・傾きを算出する精密位置決めを行なう（ステップ７）。

この全電極による精密位置決めの結果は、インタフェース１７を介して、マシン制御装置２０に送信される。

送信を受けたマシン制御装置２０は、その情報に従って電子部品の姿勢を補正し、吸着ノズル１を搭載位置に移動し、電子部品２を基板上の目標位置に搭載する。

以上詳述した本実施形態によれば、粗い位置決めを行なう段階の照合処理で、最も電極密度の高いコーナを選択することにより、ラスタースキャンによる電極抽出を迅速に行なうことができるようにすると共に、該コーナの頂点を起点とする最も電極密度の低い第２矩形を決定し、照合パターンを作成するようにしたので、最遠方の予測電極の検出に失敗しない最低限の精度を補償できるレベルまで照合電極数を削減することができると共に、高速化と高精度化を同時に実現することができる。又、上記照合パターンの抽出を生産前に予め行なっておくことにより、更に生産時のタクトアップを図ることもできる。

本発明に係る一実施形態の部品位置決め装置の概要を示すブロック図 本実施形態による処理動作全体の流れの概要を示すフローチャート 本実施形態による照合パターン作成処理の流れを示すフローチャート 全電極配列と、これに設定される第１矩形を示す説明図 第１矩形内に第２矩形を決定する手順の一例を示す説明図 電極密度が同一の矩形に対して設定する重み付けのイメージを示す説明図 重み付けの計算結果の一例を示す説明図 第２矩形を更新するイメージを示す説明図

符号の説明

１…吸着ノズル
２…電子部品
３…照明装置
４…標準カメラ
５…高解像度カメラ
６…モニタ
１０…画像処理装置
１１…Ａ／Ｄコンバータ
１２…画像メモリ
１３…作業用メモリ
１４…制御部
１５…演算部
１６…部品データ格納メモリ
１７…インタフェース
２０…マシン制御装置

Claims (3)

1. 電子部品が備えている電極の配列を記述した電極座標系で、全電極を含むように外接する第１矩形を設定するステップと、
   設定された第１矩形について電極密度が最大のコーナを選択するステップと、
   前記第１矩形の部分領域であって、選択された前記コーナの頂点を起点にし、該起点と対向する頂点位置の座標が縦方向、横方向でそれぞれ異なり、かつ面積が同一の複数矩形の中で、電極密度が最小の第２矩形を決定するステップと、
   決定された第２矩形に含まれる電極の配列を照合パターンに設定するステップと、
   設定された照合パターンを保存するステップと、
   該当する電子部品を撮像した画像座標系で、前記照合パターンに対応する電極パターンを抽出するステップと、
   保存されている照合パターンを読出し、抽出された電極パターンを照合して該電子部品を位置決めするステップと、を含むことを特徴とする部品位置決め方法。
2. 決定された第２矩形が複数存在する場合、各矩形中心からの電極の分布が最も離散している矩形を選択するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の部品位置決め方法。
3. 電子部品が備えている電極の配列を記述した電極座標系で、全電極を含むように外接する第１矩形を設定する手段と、
   設定された第１矩形について電極密度が最大のコーナを選択する手段と、
   前記第１矩形の部分領域であって、選択された前記コーナの頂点を起点にし、該起点と対向する頂点位置の座標が縦方向、横方向でそれぞれ異なり、かつ面積が同一の複数矩形の中で、電極密度が最小の第２矩形を決定する手段と、
   決定された第２矩形に含まれる電極の配列を照合パターンに設定する手段と、
   設定された照合パターンを保存する手段と、
   該当する電子部品を撮像した画像座標系で、前記照合パターンに対応する電極パターンを抽出する手段と、
   保存されている照合パターンを読出し、抽出された電極パターンを照合して該電子部品を位置決めする手段と、を備えたことを特徴とする部品位置決め装置。

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