JP4980648B2 - カメラスケールの計測方法 - Google Patents

Description

本発明はカメラを用いた画像認識の基に基板の所定の位置に所定の電子部品などの部品を実装するような場合のカメラスケールの計測方法と部品実装機のカメラスケール計測装置、これを用いた部品実装機に関するものである。

このような部品実装機では、例えば互いに直交するＸＹ２方向に相対移動する部品取り扱い機構と基板取り扱い機構とにより部品および基板を取り扱って、それらを対応するカメラで撮って画像認識したデータの基に、基板の所定の位置に所定の部品を実装することが行なわれている。

この際、カメラで撮ったカメラエリア上で画像認識するサイズや距離と、部品取り扱い機構や基板取り扱い機構を制御手段によって働かせて基板や部品を相対移動させるときの移動量ないしは距離とが正しく対応している必要がある。

そこで、部品や基板を撮るカメラのカメラスケールを部品実装機ごとに、部品や基板を取り扱う部品取り扱い機構や基板取り扱い機構の動きを利用して部品や基板を画像認識のために撮るカメラの結像面であるカメラエリアでのカメラスケールを予め計測しておき、部品実装機でのアライメント調整や部品実装時の画像認識に利用するようにしている。

具体的には、カメラスケールの計測用の認識治具を部品取り扱い機構や基板取り扱い機構がなすＸＹロボットにより取り扱って、カメラエリア上でその上部と下部、左部と右部とに結像するようにＸＹロボットによるＸＹ２方向での既知な移動量にて移動させて順次に撮り、カメラエリア上の上下左右の結像位置の中心間の画素数と、前記移動の際のＸ方向移動量、Ｙ方向移動量と、の関係から画素に対応したＸＹ２方向のカメラスケールを計測している（特許文献１参照。）。
特開平７−１９８３５５号公報

しかし、近時の電子部品の微細化、実装密度の高まり、実装精度の高精度化などのために、従来からのカメラスケールの計測方法によるカメラスケールを基にした画像認識での部品実装では、実装不良による歩留まりの低下や生産性の低下をもたらすようになっている。

これにつき本発明者が種々に実験をし検討を重ねた結果、部品実装機に搭載されたカメラ固有のレンズ収差の影響で、同じカメラエリア内でありながら、その位置の違いによって画素に対応するカメラスケールに偏差が生じているのに、この偏差が画像認識に反映されていないことが原因しているものと知見した。例えば、画素単位で０．６μｍ〜０．７μｍの誤差があり、実際の部品実装に際しては６０μｍ〜７０μｍ程度の位置ずれとして現れ実装不良を招く。これをカメラレンズの収差を低減して対応するのでは経済的負担が大きくなるし、限界もある。

本発明の目的は、カメラエリアの部分的なカメラスケールの偏差に対応し精度よい画像認識が安価に達成できるカメラスケールの計測方法と部品実装機のカメラスケール計測装置、これを用いた部品実装機を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明のカメラスケールの計測方法は、画像認識を行うカメラのカメラエリアにおいて複数の単位エリアごとにカメラスケールを計測することを基本的な特徴としている。

このような構成によれば、カメラエリアのカメラスケールを、そのカメラエリアよりも小さい範囲の複数の単位エリアごとに計測するので、カメラのレンズ収差などで単位エリアごとに生じているかも知れない画素に対応するカメラスケールの偏差を反映した計測ができる。

本発明のカメラスケールの計測方法は、また、部品を実装する基板や基板に実装される部品を撮って画像認識を行ったデータを部品の基板への実装に供するカメラスケールの計測方法であって、サイズが既知な大きさの基準マークを対応するカメラで撮り、カメラエリアの基準マークが結像している複数の単位エリアごとに、基準マークの像が示すサイズとそのサイズ範囲でのカメラエリアの画素数との関係からその画素域に対応するカメラスケールを演算により計測することを別の特徴としている。

このような構成によれば、サイズが既知な大きさの基準マークを対応するカメラで撮るのに、カメラエリアの基準マークが結像しているカメラエリアよりも小さな複数の単位エリアでの、基準マークの像のサイズとそれに対応する範囲の画素数との関係から、カメラエリアよりも小さい範囲の複数の単位エリアごとの画素に対応するカメラスケールを計測して、カメラのレンズ収差などで単位エリアごとに生じているかも知れない画素数に対応するカメラスケールの偏差を反映したカメラスケールを得て、部品を基板に実装する場合の画像認識に供せられる。

この場合、基準マークはガラス板製の認識治具上に複数形成して、この認識治具を基板や部品に代えて配置し、対応するカメラにより撮る、さらなる構成によれば、
基準マークは印刷技術、薄膜形成技術とパターンエッチングやレーザ加工との組み合わせなどによるパターン形成方法にて、高いサイズ精度、配置精度、形状精度を得て十分に小さく形成しやすく、カメラスケールの計測にカメラエリアの部分ごとのカメラスケールの偏差を精度よく反映させられる。

これに代えて複数の基準マークが、この基準マークのサイズ未満の隙間を持って配置してあり、その隙間に対応する単位エリアの画素に対するカメラスケールは、その隙間の両側のカメラエリアで計測した画素単位のカメラスケールの平均値として演算する、さらなる構成によれば、
基準マークが明瞭な輪郭を持ってカメラエリアの複数位置に結像するので、それに対応する単位エリアごとのカメラスケールの計測の精度を高められるし、基準マークの結像位置間ではそれに隣接する単位エリアで計測したカメラスケールどうしの平均値とすることで実際と大差ないカメラスケールを設定することができる。

以上のようにしてカメラスケールデータを得る場合において、カメラエリアと基準マーク像の所定位置間の距離を演算し、各単位エリアで得たカメラスケールデータの位置データとする、さらなる構成によれば、
部品や基板を対応するカメラで撮って画像認識するときのカメラエリアにおける、マークや部品の位置、サイズ、距離といった画像認識位置に対応するカメラスケールを、対応する位置データを基に選択して画像認識に供することができる。

本発明のカメラスケールの計測方法によれば、単位エリアごとの偏差を反映したカメラスケールの計測データが得られ、安価なカメラを用いてカメラスケールの偏差の影響なく利用できるカメラキャリブレーションを実現して高精度な画像認識を可能にする。

単位エリアごとのカメラスケールは、単位エリアに対応したサイズが既知な複数の基準マークをカメラで撮ったときの像のサイズと画素数との関係から簡易に計測でき、特に、複数の基準マークを設けた認識治具を用いれば、１回撮りでカメラエリア全域での各単位エリアに対するカメラスケールの計測環境が得られるので短時間で計測できるし、基準マークおよびそれに対応する単位エリアの微小化に比例してカメラスケールの部分的な偏差により細かく対応できる。

また、単位エリアごとのカメラスケールは、各単位エリアにおけるカメラエリア計測方向の２点位置ずつに対応するよう認識治具を移動させて撮ったときの、既知な移動量とその移動範囲での画素数との関係からも容易に計測でき、特に、複数の認識治具を単位エリアごとに対応する数だけ用いて同時に移動させれば、各単位エリアでのカメラスケールの計測のための治具移動時間を短縮して短時間で計測できるし、認識治具の移動範囲およびそれに対応する単位エリアの微小化に比例してレンズ収差などによるカメラスケールの部分的な偏差により細かく対応できる。

これらのカメラスケールの計測方法を部品や基板を画像認識するカメラを有した部品実装機で実現するのに、基準マークや認識治具を部品取り扱い機構や基板取り扱い機構によって部品や基板に代って取り扱い、対応するカメラで撮った画像データにてカメラスケールを計測することにより、部品実装機ごとに違う部品を基板に実装する機械的な特性やこの実装のために部品や基板を画像認識するカメラごとの撮影特性の違いを反映したものとすることができる。

この結果、部品実装機がそのようなカメラスケール計測装置を装備して、計測したカメラスケールの基にアライメント調整をした後、計測したカメラスケールを基にした画像認識の基に部品を基板に実装することにより、高精度な実装が行なえる。

以下、本実施の形態に係るカメラスケールの計測方法と、部品実装機のカメラスケール計測装置、これを用いた部品実装機について、図１〜図８を参照しながら説明し本発明の理解に供する。

本実施の形態のカメラスケールの計測方法は、図１に示すような部品実装機１で基板３の所定の位置に所定の部品２を実装するために、部品２や基板３を画像認識する部品認識用のカメラ４や基板認識用のカメラ５につき、それらによる画像認識が適正に行われるようにそれらの結像面としてのカメラエリアでの画素に対応したカメラスケールを計測する場合の一例である。しかし、基本的にはカメラ単体を対象にしたカメラスケールの計測方法として本発明は有効であり、カメラの用途や使用状態が限定されるものではない。

図１に示す部品実装機１は、供給される部品２を基板３に実装するのに、部品２を部品取り扱い機構６によって取り扱い、基板３を基板取り扱い機構７によって取り扱う。基板取り扱い機構７は供給されるプリント配線基板などの基板３をステージ８上に搬入して位置決めし、部品２の実装に供した後、ステージ８から搬出する。部品取り扱い機構６は各種形態の部品供給部９にて供給される電子部品やコネクタなどの各種部品２を１つずつ吸着ノズル１１による吸着などにより保持してピックアップし、位置決めされている基板３の所定の位置の上に持ち運んで移載し実装することを設定回数繰り返し１つの基板３に対する部品２の実装を終了する。ここでの実装はクリーム半田などによる仮実装となる場合は後のリフロー炉での処理にて実装が完了するし、金属接合などを伴い即時に実装が完了する場合がある。なお、ステージ８には基板３の搬入や搬出を行う搬送部１２が付帯している。

多くの場合、部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７には、部品２と基板３とを互いに直角なＸＹ２方向に相対移動させる単純な移動形式にて基板３の所定の位置に部品２を対応させて実装するＸＹロボット方式が採用されている。もっとも、これに限られることはない。図１の例では、部品取り扱い機構６がＸ方向の駆動モータＭＸでねじ軸などを介して駆動されるＸ方向移動部６ａとＹ方向の駆動モータＭＹでねじ軸などを介して駆動されるＹ方向移動部６ｂとを有して、基板取り扱い機構７が位置決めしているステージ８上の基板３に対しＸＹ２方向に相対移動させるようにしている。部品取り扱い機構６は自身のＸＹ２方向の移動機能を利用して、吸着ノズル１１により部品供給部９にＸＹ方向に並んで供給される部品２を順次にピックアップすることができ、部品供給部９の側が移動しなくてよい構成となっている。

このような部品実装機１において、基板認識用のカメラ５は部品取り扱い機構６の側に設けられて、部品取り扱い機構６の部品取り扱い部である吸着ノズル１１とはＸＹ方向の位置関係が一義的な関係にある。また部品認識用のカメラ４は基板取り扱い機構７側に設けられて、基板取り扱い機構７が基板３を位置決めするステージ８とはＸＹ方向の位置関係が一義的な関係にある。また、部品認識用のカメラ４と基板認識用のカメラ５および吸着ノズル１１とも部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７の部品実装機１上でＸＹ方向に一義的な位置関係にある。しかし、これらの一義的な位置関係は各部品実装機１に共通なものとはなり難い。また、同一の部品実装機１においても環境温度の変化や運転中の昇温、摩耗などによって一義的な位置関係が変化することもある。

そこで、例えば、部品実装機１の初期運転時に、また、初期運転後の必要な時期に、吸着ノズル１１を部品認識用のカメラ４に位置合わせして撮ったときの画像認識による位置データと、基板３上の所定位置に設けられて基準マークなどに基板認識用のカメラ５に位置合わせして撮ったときの画像認識による位置データとを得れば、これら位置データとそれを得る場合の部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７間の相対移動量とから、前記の各一義的な位置関係を特定し、画像認識とそれに基づく部品２の基板３の所定位置への実装が所定の精度で実現されるようにアライメント調整することができる。そして、吸着ノズル１１を部品認識用のカメラ４に位置合わせしたときに、部品２の結像の位置や向きによって吸着ずれや回転ずれを正確に判定し、回転ずれを吸着ノズル１１の回転により補正したり、吸着ノズル１１が保持している部品２を基板の所定の位置に相対移動させるときの目標位置への移動量を補正したりできる。また、基板認識用のカメラ５で基板３上の所定の位置を画像認識したデータと、部品認識用のカメラ４で画像認識した部品２の位置との関係、具体的には部品２の基板３の所定の位置への移動量を正確に判定することができる。これらによって、基板３の所定の位置に所定の部品２を精度よく実装する条件が整う筈である。

しかし、カメラ４、５による画像認識には、既述したようにレンズ収差などによるカメラエリアにおける部分的なカメラスケールの偏差が影響して、画像認識精度、実装精度向上の妨げになっているのが実情である。

本実施の形態ではこのような問題に対応するのに、カメラ４やカメラ５における撮像画素が並んだ図２、図４、図５（ｂ）に示すようなカメラエリアＡにおいて、このカメラエリアＡよりも小さな複数の単位エリアＡ１、Ａ２、・・ＡｎごとにカメラスケールＣＳを、例えば１画素当たりのサイズなどとして計測することを基本的な特徴としている。このように、カメラエリアＡのカメラスケールを、そのカメラエリアＡよりも小さい範囲の複数の単位エリアＡ１・・ごとに計測すると、カメラ４、５のレンズ収差などで単位エリアＡ１、・・ごとに生じているかも知れない画素に対応するカメラスケールの偏差を反映した計測ができる。この結果、単位エリアＡ１、・・ごとの、レンズ収差などによる偏差を反映したカメラスケールの計測データが得られるので、安価なカメラ４、５を用いたカメラエリアＡの全域において単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールを利用できるようにするカメラキャリブレーションを実現して高精度な画像認識を可能にする。このような各単位エリアＡ１、・・ごとに異なって計測するカメラスケールを画像認識に実用するには、各単位エリアＡ１ごとのカメラスケールデータを計測した単位エリアＡ１、・・の各位置データと併せ用いればよい。具体的には、図２に示すように各単位エリアＡ１、・・のうちの画像認識する範囲に対応する各位置にある単位エリアＡ１で計測しているカメラスケールデータを加算し合って位置データやサイズデータを判定すればよい。

それには、カメラエリアＡと各単位エリアＡ１、・・の所定位置間の距離、例えばそれらの中心位置ＯとＯ１、・・Ｏｎとの間の距離Ｌを演算しておき位置データとして用いればよい。図２からわかるように、距離ＬはカメラエリアＡの例えば中心ＯなどからのＸ方向の距離データＬＸとＹ方向の距離データＬＹとの座標位置データとしてみることもできる。ここに、距離データＬＸは単位エリアＡ１２、Ａ１３でのカメラスケールＣＳ１２、ＣＳ１３が対応する画素数Ｐ１、Ｐ２分ずつ累積したもので、ＬＸ＝ＣＳ１２×Ｐ１＋ＣＳ１３×Ｐ２となり、距離データＬＹは単位エリアＡ２、Ａ７、Ａ１２でのカメラスケールＣＳ２、ＣＳ７、ＣＳ１２が対応する画素数Ｐ２、Ｐ７、Ｐ１２分ずつ累積したもので、ＬＹ＝ＣＳ２×Ｐ２＋ＣＳ７×Ｐ７＋ＣＳ１２×Ｐ１２となり、ＸＹ２方向の相対移動を伴い部品２を基板３に実装する部品実装機１での位置認識には好都合である。なお、位置データとしての距離ＬはＬ＝√（ＬＸ²＋ＬＹ²）として単純に得られる。なお、距離データＬＸをカメラエリアＡの中心位置Ｏを原点とした座標位置で見れば図２に示すように（ＸＯ０，ＹＯ０）＋（ＸＯ２，ＹＯ０）であり、距離データＬＹは（ＸＯ２，ＹＯ０）＋（ＸＯ２，ＹＯ２）である。

ここで、部品実装機１において部品２を実装する基板３や基板３に実装される部品２をカメラ４や５で撮って画像認識を行ったデータを部品２の基板３への実装に供するより具体的なカメラのカメラスケールの計測方法としては、サイズが既知な図３に示すような大きさの基準マーク２１を対応する部品認識用のカメラ４や基板認識用のカメラ５で撮り、図４にモニタ５１上に画像表示して示すカメラエリアＡにおいて、基準マーク２１が結像している複数の単位エリアＡ１、Ａ２、・・Ａｎごとに、基準マーク２１の像が示すサイズとそのサイズ範囲での画素数Ｐとの関係からその画素域に対応するカメラスケールＣＳを、先の例の場合のように、例えば１画素当たりのサイズとして演算により計測することができる。このようにすると、サイズが既知な大きさの基準マーク２１を対応するカメラ４やカメラ５で撮り、カメラエリアＡの基準マーク２１が結像しているカメラエリアＡよりも小さな複数の単位エリアＡ１、・・での、基準マーク２１の像のサイズとそれに対応する範囲の画素数Ｐとの関係から、カメラエリアＡよりも小さい範囲の複数の単位エリアＡ１、・・ごとにカメラスケールＣＳ１、ＣＳ２、・・ＣＳｎを計測することが、モニタ５１の表示画面を利用した画像認識操作で容易かつ短時間に行える。

ここに、単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールＣＳ１、ＣＳ２、・・ＣＳｎは、単位エリアＡ１、・・に対応したサイズが既知な複数の基準マーク２１をカメラ４やカメラ５で撮ったときの像のサイズと画素数との関係から簡易に計測でき、基準マークおよびそれに対応する単位エリアの微小化に比例してレンズ収差などによるカメラスケールの部分的な偏差により細かく対応できる。

基準マーク２１は温度変化の影響の受けにくい図３に示すようなガラス板などの認識治具２２上に複数形成して、この認識治具２２を部品実装機１において基板３や部品２に代えて配置し、対応するカメラ４やカメラ５により撮るようにすれば、基準マーク２１を印刷技術、薄膜形成技術とパターンエッチングやレーザ加工との組み合わせなどによるパターン形成方法にて、高いサイズ精度、配置精度、形状精度を得て十分に小さく形成しやすく、カメラスケールＣＳの計測に反映させられる。従って、複数の基準マーク２１を設けた認識治具２２を用いれば、１回撮りでカメラエリアＡ全域での単位エリアＡ１、・・の設定と各単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールＣＳ１、・・の計測環境が得られるので短時間で計測できる。もっとも、基準マーク２１は１つを、カメラエリアＡに設定する単位エリアＡ１、・・の位置に順次に移動させながら、単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールＣＳ１、・・ＣＳｎの計測を順次に進めていくこともできる。

認識治具２２上の複数の基準マーク２１は、図２に示すように、隣接のものと濃、淡、色など異なって隙間無く配置すると、基準マーク２１を利用した単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールＣＳ１、・・の計測がカメラエリアＡ内の全範囲につき余すことなく行える。しかし、これに代えて図３に示すように複数の基準マーク２１が、この基準マーク２１のサイズ未満の隙間Ｓを持って配置すると、パターン形成が容易でしかも寸法精度を高めやすい利点がある。このような場合、その隙間Ｓに対応する単位エリアＡＳの画素に対するカメラスケールＣＳＳは、その隙間Ｓの両側のカメラエリアＡ１、Ａ２、あるいはカメラエリアＡ１、Ａ６などで計測した画素単位のカメラスケールＣＳ１、ＣＳ２どうし、カメラスケールＣＳ１、ＣＳ６どうしの平均値として演算することができる。これにより、基準マーク２１が明瞭な輪郭を持ってカメラエリアＡの複数位置に結像するので、それに対応する単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールＣＳ１、・・の計測の精度を高められるし、基準マーク２１の結像位置間ではそれに隣接する単位エリアＡ１、・・で計測したカメラスケールＣＳ１、・・の平均値とすることで実際と大差ないカメラスケールＣＳＳを設定することができる。

また、カメラエリアＡの複数の単位エリアＡ１、Ａ２、・・ＡｎごとのカメラスケールＣＳ１、・・ＣＳｎを計測する方法としては、図５（ｂ）にモニタ５１の表示画像として示すカメラエリアＡに設定する複数の単位エリアＡ１、・・のサイズ未満の大きさの図５（ａ）に示すような認識治具４１またはそれに付した基準マーク４１ａを部品実装機１において基板３や部品２に代えて取り扱い、単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールの計測方向、例えばＸＹの２方向に一対ずつが並ぶ複数のＸ方向の位置Ｘ１、Ｘ２やＹ方向の位置Ｙ１、Ｙ２に、部品取り扱い機構６と基板取り扱い機構７との間の例えばＸＹ方向における前記アライメント調整上の既知の移動量ないしは移動距離ＬＸ、ＬＹずつ移動させて撮り、各単位エリアＡ１、・・上に順次結像させた認識治具４１などの像の例えば中心位置間の距離ＬＸ、ＬＹとこの距離範囲に対応する単位エリアＡ１、・・での画素数Ｐとの関係から、その画素に対応するカメラスケールＣＳ１、・・を演算により計測するようにもできる。このようにすると、部品取り扱い機構６や基板取り扱い機構７により認識治具４１を制御プログラムに従い取り扱って移動させるときの移動量は既知となることを利用して、カメラエリアＡにおけるカメラスケールの計測方向Ｘ、Ｙに一対ずつが並ぶＸ方向の位置Ｘ１、Ｘ２やＹ方向の位置Ｙ１、Ｙ２などに認識治具４１を移動させて順次撮り、認識治具４１や基準マーク４１ａの像の中心位置間の距離ＬＸやＬＹとこの距離に対応する単位エリアＡ１、・・での画素数Ｐとの関係から、その画素域に対応するＸＹ２方向のカメラスケールＣＳ１、・・を演算により計測するのに、この認識治具４１の移動とそれによるカメラスケールＣＳ１、・・の計測とをカメラエリアＡよりも小さい複数の単位エリアＡ１、・・につき行い、複数の基準マーク２１を利用した場合同様に、カメラ４やカメラ５のレンズ収差などで単位エリアＡ１、・・ごとに生じているかも知れない画素数に対応するカメラスケールＣＳの偏差を反映させたカメラスケールデータとして、部品２を基板３に実装する場合の画像認識に供せられる。

この場合も、複数の単位エリアＡ１、・・は、隙間無く設定することができるし、単位エリアＡ１、・・のサイズ未満の隙間を持って設定して、基準マーク２１を利用した場合同様に対応できる。また、得られた各単位エリアＡ１、・・のカメラスケールＣＳ１、・・のデータにより、カメラエリアＡ中心から各単位エリアＡ１、・・の中心位置までの距離を演算し、その認識治具４１の像にて得た単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールデータＣＳ１、・・の位置データとして、基準マーク２１を利用した場合どうように対応できる。また、単位エリアＡ１、・・の配列に隙間があるかどうかの対応も特に変わるところはないし、単位エリアＡ１、・・の微小化に比例してレンズ収差などによるカメラスケールの部分的な偏差により細かく対応できる。また、複数の単位エリアＡ１、・・にてそれに対応する認識治具４１を同時に移動させ、各単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールＣＳ１、・・の計測を短時間に進行することができる。

以上のようなカメラスケールの計測方法を部品実装機１において実現する計測装置としては、図１に示すように、部品２や基板３に代って与えられる基準マーク２１や認識治具２２または認識治具４１や基準マーク４１ａを部品取り扱い機構６または基板取り扱い機構７により取り扱って応するカメラ４またはカメラ５で撮り、基準マーク２１の既知なサイズまたは認識治具４１や基準マーク４１ａの部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７間の相対移動による既知な移動距離ないしは移動量と、この距離範囲に対応する画素範囲の画素数Ｐとの関係から、部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７による部品２および基板３の相対移動方向ＸＹでの画素に対応するカメラスケールＣＳ１、・・を複数のエリアＡ１、・・ごとに計測し、部品２を基板３に実装する際の画像認識に供する認識制御手段５０を備えたものとして、部品実装機１の動作を利用して達成することができる。

それには、認識制御手段５０は部品実装時の画像認識とに共用するものとしてよく、図２〜図４に示す方式に対応して、基準マーク２１をカメラエリアＡに設定する複数の単位エリアＡ１に対応して複数設けた認識治具２２を与えられて、部品取り扱い機構６または基板取り扱い機構７により取り扱い、対応するカメラ４またはカメラ５で一挙に撮り、単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールＣＳ１、・・を計測し、部品２を基板３に実装する際の画像認識に供するようにすればよく、ことにより、基準マーク２１を利用した単位エリアＡ１、・・ごとにカメラスケールＣＳ１、・・を計測する方式が１回のカメラ撮りによる画像データを基に達成できる。

また、別に認識制御手段５０は、図５に示す方式に対応して、カメラエリアＡに設定する複数の単位エリアＡ１、・・のサイズ未満の大きさの認識治具４１や基準マーク４１ａを部品取り扱い機構６または基板取り扱い機構７により取り扱い、単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールの計測方向である部品２および基板３の相対移動方向ＸＹに一対ずつが並ぶ複数のＸ方向の位置Ｘ１、Ｘ２とＹ方向の位置Ｙ１、Ｙ２とに既知の移動距離ＬＸ、ＬＹずつ移動させて撮り、各単位エリアＡ１、・・上に順次結像させた認識治具４１などの像の例えば中心位置間の距離ＬＸ、ＬＹとこの距離に対応する単位エリアＡ１、・・での画素数との関係から、その画素域に対応するＸＹ２方向のカメラスケールＣＳ１、・・を演算により計測し、部品２を基板３に実装する際の画像認識に供するようにすればよく、部品実装機１の動作を利用して小さな認識治具４１を用いた単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールＣＳ１、・・の計測を達成することができる。

これらのカメラスケール計測装置において、基準マーク２１を利用した場合に対応しては、図１に示すように、カメラ４やカメラ５で撮った画像を表示する既述のようなモニタ５１と記憶手段５２とを備え、認識制御手段５０は、モニタ５１上の画像に対する画像認識の基に単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールＣＳ１、・・の計測を進めて記憶手段５２に計測データを蓄積しながら、蓄積し終えた計測データとその計測した単位エリアＡ１、・・位置とカメラエリアＡの所定位置間の距離Ｌ、具体的にはそれらの中心間の距離Ｌを演算して、各単位エリアＡ１、・・で計測したカメラスケールＣＳ１、・・の位置データとして記憶手段５２に記憶するようにすれば、複数の基準マーク２１などを利用して計測したカメラエリアＡにおける単位エリアＡ１、・・ごとのカメラ４またはカメラ５のレンズ収差による偏差のあるかも知れないカメラスケールＣＳ１、・・を、それを計測したカメラエリアＡ上での実際の位置に対応させて利用し、部品実装時の画像認識に反映させられる。

また、認識治具４１や基準マーク４１ａの移動を利用した場合に対応しては、特に、認識制御手段５０は、カメラエリアＡに設定する各単位エリアＡ１、・・ごとに認識治具４１をＸＹ方向に既知な移動量にて移動させながらカメラ４またはカメラ５で撮り、各単位エリアＡ１、・・での認識治具４１が移動した距離とこれに対応する範囲での画素数とから所定の方向ＸＹでのカメラスケ-ルＣＳ１、・・を順次に演算して記憶手段５２に記憶するのに併せ、記憶した単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールＣＳ１、・・の基にカメラエリアＡの各単位エリアＡ１、・・との所定位置間の距離、具体的にはそれらの中心間の距離を演算して、それぞれの単位エリアＡ１、・・で計測したカメラスケールＣＳ１、・・の位置データとして記憶手段５２に記憶し、これらデータをカメラ４またはカメラ５による部品２または基板３の画像認識に供するようにすることで、小さな認識治具４１を移動させて計測したカメラエリアＡにおける単位エリアＡ１、・・ごとのカメラ４またはカメラ５のレンズ収差による偏差のあるかも知れないカメラスケールＣＳ１、・・を、それを計測したカメラエリア上での実際の位置に対応させて利用し、部品実装時の画像認識に反映させられる。

以上のような計測方法、計測装置を用いた部品実装機１としては、部品２や基板３に代って与えられる基準マーク２１や認識治具２２または認識治具４１や基準マーク４１ａを部品取り扱い機構６または基板取り扱い機構７により担持して取り扱い対応するカメラ４またはカメラ５で撮り、基準マーク２１の既知なサイズまたは認識治具４１の部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７間の相対移動による既知な移動距離と、この距離範囲での画素数Ｐとの関係から、部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７による部品および基板の相対移動方向ＸＹでのカメラスケールＣＳ１、・・を複数の単位エリアＡ１、・・ごとに計測する認識制御手段５０と、この認識制御手段５０によって計測したカメラスケールＣＳ１、・・のデータを記憶しておく記憶手段５２と、作業者による操作パネル５３からの計測開始信号入力によって認識制御手段５０を働かせてカメラスケールＣＳ１、・・の計測を行って記憶手段５２に記憶した後、部品２の実装動作を開始し、供給される部品２および基板３を部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７によって取り扱い、それらを対応するカメラ４またはカメラ５で撮った画像データを記憶手段５２に記憶されているカメラスケールＣＳ１、・・の基に認識制御手段５０にて画像認識した結果に対応して、基板３の所定の位置に所定の部品２を実装する実装制御手段５４とを備えたものとしている。なお、認識制御手段５０、記憶手段５２、実装制御手段５４はいずれも部品実装機１の動作制御用のマイクロコンピュータなどからなる制御装置５５の内部機能としており、別に格納しまたは外部から与えられる制御プログラム５６に従って動作し、カメラ４、５からの画像はビデオコントローラ５７を通じて受信してモニタ５１に画像表示しながらカメラスケールの計測やそれに基づく画像認識の処理を行うようにしている。これにより、部品実装機１は既述のようなカメラスケール計測装置を装備して、計測したカメラスケールの基にアライメント調整をした後、計測したカメラスケールを基にした画像認識により部品を基板に実装することにより、高精度な実装が行なえる。

ここで、部品実装機１における動作制御の１つの具体例について図６〜図８に示すフローチャートに従って説明する。部品実装機１の動作制御は電源の投入によって図６に示すフローチャートに沿って進行する。ステップＳ０では初期運転かどうかを、例えば初期運転フラグが初期設定されたままか否かによって判定する。初期運転であるとステップＳ１にて初期運転フラグをリセットして初期運転時のカメラスケールの計測制御をステップＳ２〜ステップＳ１１にて行う。ステップＳ２ではカメラ４のカメラスケールの計測要求を出し、部品認識用のカメラ４のカメラスケールの計測をスタートできるか否かをステップＳ３で判定する。これは、カメラ４のカメラスケールの計測のために作業者が部品取り扱い機構６にカメラスケールの計測のための撮像ターゲットとなる認識治具２２や４１が保持されたかどうかを確認するもので、吸着ノズル１１への吸着の有無によって自動的に検出してもよいし、作業者が準備を終えたことにより行う入力操作を待って判断してもよい。ステップＳ３でカメラ４の計測スタート条件が確認されるのを待って、ステップＳ４に移行し、カメラ４のカメラスケールの計測を部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７間での認識治具２２や４１とカメラ４との相対動作を伴い実行する。

次いで、ステップＳ５でカメラ４でのカメラスケールの計測終了が確認されるのを待って、ステップＳ６に移行してカメラ５のカメラスケールの計測の要求を出し、基板認識用のカメラ５のカメラスケールの計測をスタートできるか否かをステップＳ７で判定する。これは、カメラ５のカメラスケールの計測のために作業者が部品取り扱い機構６の撮像ターゲットした認識治具２２や４１が取り外され、代って基板取り扱い機構７の側のステージ８にカメラスケールの計測のための撮像ターゲットとなる認識治具２２や４１が保持されたかどうかを確認するもので、吸着ノズル１１での吸着解除およびステージ８への吸着の有無によって自動的に検出してもよいし、作業者が準備を終えたことにより行う入力操作を待って判断してもよい。ステップＳ７でカメラ５の計測スタート条件が確認されるのを待って、ステップＳ８に移行し、カメラ５のカメラスケールの計測を部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７間での認識治具２２や４１とカメラ４、５との相対動作を伴い実行する。

ステップＳ９でカメラ５のカメラスケールの計測が終了するのを待って、ステップＳ１０に移行し、記憶されているカメラ４、５のカメラスケールの計測データによって、カメラ４、５のカメラエリア全体でのカメラスケールを調整し、以降に行われる部品実装機１のアライメント調整や部品実装時の部品２や基板３の画像認識に正しく適用されるようにカメラ４、５についてのキャリブレーションを行った後、ステップＳ１１で部品実装機１のアライメント調整、具体的にはカメラ４、５側との位置関係をも含むアライメント調整を行なう。これを終えてステップＳ１２に以降して部品の実装動作を繰り返し、運転初期以外でのアライメント調整の要求があればステップＳ１１でのアライメント調整を行ってからＳ１２での部品実装動作に復帰する。

図６のステップＳ４における部品認識用のカメラ４のカメラスケールの計測処理の具体例は、図７に示すようにステップＳ２１にて部品側、つまり部品取り扱い機構６に部品認識用のカメラ４による撮像対象とする認識治具２２や４１などが保持されたかどうかを自動で、あるいは作業者による入力によって判定する。保持されていることを条件にステップＳ２２以下に移行する。ステップＳ２２〜ステップＳ２４の実線で示すフローチャート部分は認識治具２２を撮像対象とした場合の例を示し、先ずステップＳ２２で部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７による認識治具２２およびカメラ４の相対移動を伴い、認識治具２２をカメラ４で撮る。これにより図４に示すような全体に単位エリアＡ１、・・Ａｎが設定された画像がカメラエリアＡに得られるので、次のステップＳ２３でカメラエリアＡ全体についての単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールを順次に計測する。この計測の終了がステップＳ２４で確認されるとステップＳ２５以下に移行する。

これに対し、撮像対象を認識治具４１とする場合は、ステップＳ２２で部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７による認識治具４１とカメラ４との相対移動を伴い、図５（ｂ）に示すようなカメラエリアＡに設定する各単位エリアＡ１、・・につき、計測方向ＸＹに並ぶ２点位置に受運時に移動させる都度カメラ４で撮ることをステップＳ２２〜ステップＳ２４に示すフローチャート部分の破線ラインに従って繰り返しながら、カメラスケールの計測が整う都度ステップＳ２３で、各単位エリアＡ１、・・でのＸ方向およびＹ方向でのカメラスケールを順次に実行する。この計測の終了がステップＳ２４で確認されるとステップＳ２５以下に移行する。

ステップＳ２５では、計測された各単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールデータに対し、各単位エリアＡ１、・・関し計測したあるいは予め設定された位置データとを対応させて記憶し、ステップＳ２６にて各単位エリアＡ１、・・についての計測データの記憶が終了したことを確認するとリターンする。

図６のステップＳ８における部品認識用のカメラ５のカメラスケールの計測処理の具体例は、図８に示すようにステップＳ３１にて基板側、つまり基板取り扱い機構７に基板認識用のカメラ５による撮像対象とする認識治具２２や４１などが保持されたかどうかを自動で、あるいは作業者による入力によって判定する。保持されていることを条件にステップＳ３２以下に移行する。ステップＳ３２〜ステップＳ３４の実線で示すフローチャート部分は認識治具２２を撮像対象とした場合の例を示し、先ずステップＳ３２で部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７による認識治具２２およびカメラ５の相対移動を伴い、認識治具２２をカメラ４で撮る。これにより図４に示すような全体に単位エリアＡ１、・・Ａｎが設定された画像がカメラエリアＡに得られるので、次のステップＳ３３でカメラエリアＡ全体についての単位エリアＡ１、・・ごとのカメラスケールを順次に計測する。この計測の終了がステップＳ３４で確認されるとステップＳ３５以下に移行する。

これに対し、撮像対象を認識治具４１とする場合は、ステップＳ３２で部品取り扱い機構６および基板取り扱い機構７による認識治具４１とカメラ４との相対移動を伴い、図５（ｂ）に示すようなカメラエリアＡに設定する各単位エリアＡ１、・・につき、計測方向ＸＹに並ぶ２点位置に受運時に移動させる都度カメラ５で撮ることをステップＳ３２〜ステップＳ３４に示すフローチャート部分の破線ラインに従って繰り返しながら、カメラスケールの計測が整う都度ステップＳ３３で、各単位エリアＡ１、・・でのＸ方向およびＹ方向でのカメラスケールを順次に実行する。この計測の終了がステップＳ３４で確認されるとステップＳ３５以下に移行する。

ステップＳ３５では、計測された各単位エリアＡ１、・・でのカメラスケールデータに対し、各単位エリアＡ１、・・に関し計測したあるいは予め設定された位置データとを対応させて記憶し、ステップＳ３６にて各単位エリアＡ１、・・についての計測データの記憶が終了したことを確認するとリターンする。

本発明は画像認識を行なうカメラスケールの計測をレンズ収差による部分的な偏差を反映して行ない、画像認識精度を高め、安価なカメラで部品実装精度を高められる。

本発明のカメラスケールの計測方法と装置を用いた１つの実施の形態に係る部品実装機を示す概略構成図である。 図１の部品実装機におけるカメラスケールの計測の基本的手法を説明するカメラエリア図である。 図２のカメラスケールの計測手法を実行する１つの具体例に用いる認識治具の平面図である。 図３の認識治具を撮ったカメラについてのカメラスケールの計測の具体例を示すモニタ画像図である。 図２のカメラスケールの計測手法を実行する別の具体例を示し、（ａ）は本具体例に用いる認識治具の平面図、（ｂ）はその認識治具を撮ったカメラについてのカメラスケールの計測の具体例を示すモニタ画像図である。 図１の部品実装機でのカメラスケールの計測を含む運転制御の具体例を示すフローチャートである。 図６のフローチャートにおけるステップＳ４のサブルーチンにおける具体的制御例を示すフローチャートである。 図６のフローチャートにおけるステップＳ８のサブルーチンにおける具体的制御例を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 部品実装機
２ 部品
３ 基板
４、５ カメラ
６ 部品取り扱い機構
７ 基板取り扱い機構
８ ステージ
９ 部品供給部
１１ 吸着ノズル
１２ 搬送部
２１ 基準マーク
２２、４１ 認識治具
４１ａ 基準マーク
５０ 認識制御手段
５１ モニタ
５２ 記憶手段
５３ 操作パネル
５４ 実装制御手段
５５ 制御装置
５６ 制御プログラム
５７ ビデオコントローラ
Ａ カメラエリア
Ａ１、Ａ２、・・Ａｎ 単位エリア

Claims (2)

1. 部品を実装する基板や基板に実装される部品を撮って画像認識を行ったデータを部品の基板への実装に供するカメラスケールの計測方法であって、
   サイズが既知な大きさの基準マークがこの基準マークのサイズ未満の隙間を持って複数配置形成されたガラス板製の認識治具を基板や部品に代えて配置し、対応するカメラで撮り、カメラエリアの基準マークが結像している複数の単位エリアごとに、基準マークの像が示すサイズとそのサイズ範囲でのカメラエリアの画素数との関係からその画素域に対応するカメラスケールを演算により計測し、
   その隙間に対応する単位エリアの画素に対するカメラスケールは、その隙間の両側のカメラエリアで計測した画素単位のカメラスケールの平均値として演算することを特徴とするカメラスケールの計測方法。
2. カメラエリアと基準マーク像の所定位置間の距離を演算し、単位エリアでのカメラスケールデータの位置データとする請求項１に記載のカメラスケールの計測方法。

Images