JP5050953B2 - 布線作業支援装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品が実装されたプリント回路板（printed-circuit board：ＰＣＢ）に対する人手布線作業を支援する布線作業支援装置に関する。

部品が実装されたプリント回路板について設計変更、修理等が必要になった場合、配線パターン切断作業や布線作業が行われる。布線作業は、ジャンパ線の両端を半導体チップのリード（lead）又はパッド（pad）にハンダ付けする作業である。パッドは、プリント回路板に表面実装部品のリードをハンダで接続するためにプリント回路板に設けられた導体ランドである。

布線作業は、修正のために行われるという性質上、その内容は、小ロットを対象とし且つ多様で、特に修理時は一品一様であるため、ハンダゴテを用いた作業者による手作業で行われる。布線作業が出戻り作業である点、手作業である点等を考慮すると、布線作業に要する時間を短縮することは全体タクトタイム（takt time）の短縮及び人件費の削減に大きく寄与する。

このような布線作業時間の短縮を目指した作業支援装置として下記の特許文献１及び特許文献２に開示された装置が存在する。これらの装置は、作業図面や実装図面を入力情報として、作業者にディスプレイ上で作業を指示する。通常、紙ベースで配布される作業指示に対し、作業図面の手配等の段取りを省くという点において、これらの装置を用いることは一定の時間短縮効果を奏する。

図１は、従来の布線作業の流れを示す図である。この図は、下記の特許文献１や特許文献２に開示された装置を利用する場合、これらの装置を利用しない場合に比較して、作業指示書から対象チップＡ及びＢを認識する作業（ステップ１０２）に要する時間が３０秒から１０秒に短縮されることを示している。しかし、作業全体から見ると、その作業は全体の２割程度の時間しか占めていない。

図１において、実際にリードにジャンパ線を取付ける作業（ステップ１０８及び１１４）以外の作業は、全て段取り作業である。このように布線作業での大半を占める段取りは、作業指示書から対象チップ及び対象リード番号を読み取り、実際のプリント回路上での位置を特定する作業であり、この作業が改善されない限り大幅な段取り時間の短縮は望めない。そして、チップの高密度化、並びにそれに付随するチップリード及びプリント回路板の狭ピッチ化が進む近年においては、その傾向はより顕著になっている。また、かかる狭ピッチ化によって、リードカウントミスによるジャンパ線取付け位置間違いも発生しやすくなっている。

作業者は、紙による作業指示書上又はディプレイ上で、対象となるチップの位置情報を得、その情報と実際のプリント回路板とを照らし合わせて、そのプリント回路板上でのチップ位置を特定し、その後、ジャンパ線が取付けられるべきリードの位置を端から数えて特定する。上述の通り、近年のチップでは狭ピッチ化が進んでいるため、リードのカウントに手間がかかる上、製品である実際のプリント回路板上にマーキングを施すことは不可能である。そのため、作業者は、工具準備などで一旦目を離すと、再度、位置を特定する必要があり、作業における大きな無駄が発生しやすくなっている。

特開平０３−２５９３８１号公報 特開平１０−０１３１００号公報

本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、実際のプリント回路板又はそれを表示している画像上に布線作業の対象となるリード位置又はパッド位置を重ねて表示し、その状態の下で作業者が布線作業を実施するのを可能とする布線作業支援装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明によれば、部品が実装されたプリント回路板に対す
る人手布線作業を支援する布線作業支援装置であって、布線作業の対象となる部品の対象
リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースと、該プリント回路板を撮
像する画像入力部と、前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像デ
ータとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特
定部と、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回
路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示
部と、前記画像入力部からの画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知する工具情報報知部と、を具備する布線作業支援装置が提供される。

また、本発明によれば、上述の布線作業支援装置で実行される方法、及び、コンピュータシステムを上述の布線作業支援装置として機能させるためのプログラムが提供される。

開示の布線作業支援装置によれば、目視によるジャンパ線取付け位置の確認等の段取りに要する時間が短縮され、合わせて誤ったリードへのジャンパ線取付けといったミスが低減されるとともに、布線作業に付随する検査工程の削減が実現される。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図２は、本発明の一実施形態に係る布線作業支援装置の基本的構成を示す機能ブロック図である。この布線作業支援装置は、部品が実装されたプリント回路板（ＰＣＢ）２０２に対する人手布線作業を支援する装置であって、作業データベース（ＤＢ）２０４、画像入力部２０６、位置特定部２０８及び位置教示部２１０を備える。

データベース２０４は、布線作業の対象すなわち接続元及び接続先となる対象部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースである。布線作業の対象がパッドとなる場合には、当該パッドが接続されている対応リード番号が対象リードとして登録されるとともに、当該リードを基準とした当該パッドのＸ方向距離及びＹ方向距離が登録されている。また、データベース２０４には、対象チップの外形を表すマッチング用マスタ画像が登録されている。また、データベース２０４には、布線作業用工具としてのハンダゴテのコテ先の外形を表すマッチング用コテ先画像が登録されている。

画像入力部２０６は、プリント回路板２０２を撮像して、ストリーミングデータとして画僧データを出力する。位置特定部２０８は、作業データベース２０４に記憶された情報と画像入力部２０６からの画像データとに基づき、画像処理により、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する。位置教示部２１０は、位置特定部２０８によって特定された、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する。以下、図２に示される機能ブロックを実現する構成について説明する。

図３は、本実施形態に係る布線作業支援装置の具体的構成例を示す図である。この布線作業支援装置は、３人の作業者３０２がそれぞれの作業台３０４上で行う布線作業を支援するコンピュータシステムであり、各作業者に対応してカメラ３０６及びディスプレイ３０８を備えるとともに、入出力装置としてのカメラ３０６及びディスプレイ３０８を制御する１台のパーソナルコンピュータ（personal computer：ＰＣ）３１０を備える。ここで、カメラ３０６は、図２における画像入力部２０６として機能する。また、コンピュータ３１０は、図２における作業データベース２０４及び位置特定部２０８として機能する。また、ディスプレイ３０８は、図２における位置教示部２１０として機能する。

図４は、パーソナルコンピュータ３１０の内部構成例を示すブロック図である。同図に示されるように、コンピュータ３１０は、中央処理装置（ＣＰＵ：central processing unit）４０２、主記憶装置４０４、補助（外部）記憶装置としてのハードディスクドライブ（ＨＤＤ）４０６、キーボード、マウス等からなる操作部４０８、カメラインタフェース部４１０、ディスプレイインタフェース部４１２、等を備える。ＣＰＵ４０２は、バス４００を介して他の構成要素と接続され、主記憶装置４０４にロードされたプログラムを実行することにより、後述する処理を実現する。

図５は、カメラ３０６及びディスプレイ３０８の配置を示す図である。同図に示されるように、カメラ３０６は、プリント回路板２０２の上方に配置され、プリント回路板２０２を視野に捉える。ディスプレイ３０８は、作業者３０２とプリント回路板２０２との間に配置される。かくして、同図に示されるように作業スペース５０２が確保されるとともに、作業者３０２は、ディスプレイ３０８を見ながら作業をすることができる。

前述のように、近年のチップリードの狭ピッチ化に伴い、実際のジャンパ線取付け作業は据置きの拡大鏡を通して行われる場合が多い。この拡大鏡の機能がカメラ３０６及びディスプレイ３０８で賄われ、これらの機器が図５のように配置されることで、作業者３０２は拡大画像を視認しながら布線作業を行うことができ、かつ、カメラ３０６からの画像に対象リード又は対象パッドの位置が重ねてマーキング表示されることで、作業者３０２はディスプレイ３０８の表示のみに基づいて布線作業を進めることができる。

図６は、ディスプレイ３０８の表示画面を例示する図である。同図に示されるように、ディスプレイ３０８には、プリント回路板（ＰＣＢ）情報表示エリア６０２、接続元情報表示エリア６０４、接続先情報表示エリア６０６、工具情報表示エリア６０８及び回路画像表示エリア６１０が形成される。

プリント回路板（ＰＣＢ）情報表示エリア６０２には、布線作業対象のプリント回路板を特定する情報が表示される。接続元情報表示エリア６０４及び接続先情報表示エリア６０６の各々には、ジャンパ線の一端がハンダ付けされるべき対象チップを特定する情報（例えば、チップ型番とそのＰＣＢ内追番との組合せ）と対象リード又は対象パッドを特定する情報（例えば、リード番号）とが表示される。

回路画像表示エリア６１０には、カメラ３０６によってモニタリングされている対象ＰＣＢの全部又は一部についての画像が表示される。また、この画像では、接続元情報表示エリア６０４及び接続先情報表示エリア６０６において表示されている対象チップの対象リード又は対象パッドの実際の位置６１２及び６１４がマーキング表示される。また、布線作業用工具としてのハンダゴテ６１６がカメラ３０６によって捉えられ、回路画像表示エリア６１０に表示される。

工具情報表示エリア６０８には、ハンダゴテ６１６の先端６１８から一方の対象リード又は対象パッド６１２までの距離（Ｘ軸方向距離とＹ軸方向距離との組合せで表される）と、ハンダゴテ６１６の先端６１８から他方の対象リード又は対象パッド６１４までの距離と、が表示される。以下、図６に示されるような布線位置教示処理及び工具情報報知処理について説明する。

図７は、パーソナルコンピュータ３１０による布線位置教示処理の手順を示すフローチャートである。まず、コンピュータ３１０は、データベース２０４からの対象チップのマッチング用マスタ画像とカメラ３０６からの画像データとに基づいてパターンマッチングを行うことで、対象チップの型番に適合するチップが搭載されているＰＣＢ上位置を検出する（ステップ７０２）。複数の位置が検出される場合がある。

次いで、コンピュータ３１０は、検出されたチップについてシルク印刷文字を照合することで、対象チップのＰＣＢ内追番と適合するチップを検出する（ステップ７０４）。ステップ７０２及び７０４で対象チップが特定され、その取付け方向が取得される。

この時点で対象チップとして適合するチップを検出することができなかった場合、コンピュータ３１０は、作業者に、目視により対象チップを検出し、その位置を入力するよう促す（ステップ７０６及び７０８）。

次いで、コンピュータ３１０は、対象チップとして検出されたチップについて、エッジ抽出処理により、各リード位置を検出する（ステップ７１０）。エッジ抽出処理は、画像データにおける画素の階調に微分演算を施すことにより、エッジ画像を得る処理である。

次いで、コンピュータ３１０は、検出されたリード位置をカウントすることにより、データベース２０４からのリード番号情報に適合するリード位置を対象リード位置として検出する（ステップ７１２）。

次いで、コンピュータ３１０は、布線取付けの対象がリードである場合には、検出された対象リード位置をジャンパ線取付け位置として特定する（ステップ７１４及び７１６）。

一方、布線取付けの対象がパッドである場合には、コンピュータ３１０は、対象リード位置を基準とした対象パッドのＸ及びＹ方向距離を対象リード位置座標に加算する（ステップ７１４及び７１８）。そして、コンピュータ３１０は、加算により得られた対象パッド位置座標をジャンパ線取付け位置として特定する（ステップ７２０）。取付けの対象がパッドの場合に、対象リードを検出してから対象パッドを特定するのは、パッド自体にハンダが載っている場合もあり、画像処理で安定してパッドを検出することが困難な場合が想定されるからである。

最後に、コンピュータ３１０は、特定されたジャンパ線取付け位置をディスプレイ３０８の回路画像表示エリア６１０にマーキング表示する（ステップ７２２）。以上の処理によって特定される位置は、ストリーミング画像に常に重ねて表示されるため、作業者は、その位置をリアルタイムで確認することができる。

図８は、パーソナルコンピュータ３１０による工具情報報知処理の手順を示すフローチャートである。まず、コンピュータ３１０は、データベース２０４からのマッチング用コテ先画像とカメラ３０６からの画像データとに基づいてパターンマッチングを行うことで、ハンダゴテ６１６のコテ先の検出を試みる（ステップ８０２）。

次いで、コンピュータ３１０は、カメラ３０６の視野内にハンダゴテ６１６のコテ先が存在するか否かを判定する（ステップ８０４）。コンピュータ３１０は、コテ先が存在しない場合、工具情報表示エリア６０８（図６）の表示を中止する（ステップ８０６）。

一方、カメラ３０６の視野内にハンダゴテ６１６のコテ先が存在する場合、コンピュータ３１０は、エッジ抽出処理により、図９に示されるような、コテ先の二つの傾斜部を検出する（ステップ８０８）。次いで、コンピュータ３１０は、二つの傾斜部（エッジ）の交点をハンダゴテ６１６の先端６１８の位置として算出する（ステップ８１０）。コテ先先端にはハンダ等の付着物があり、安定してその位置を検出することができないため、本実施形態では、図９に示されるようなコテ先傾斜部の２直線をエッジ抽出処理により特定し、当該２直線の交点を計算で求め、その交点をハンダゴテ６１６の先端６１８とみなしている。

次いで、コンピュータ３１０は、ハンダゴテ６１６の先端６１８から対象リード又は対象パッドまでのＸ及びＹ軸方向距離を算出する（ステップ８１２）。最後に、コンピュータ３１０は、コテ先と対象リード又は対象パッドとの距離を工具情報表示エリア６０８（図６）に表示する（ステップ８１４）。かかる距離情報は、作業者に誤取付け防止を促すこととなる。

図１０は、本実施形態を利用した布線作業の流れを示す図である。図１と比較して明らかなように、本実施形態によれば段取り作業を省くことができ、大幅な工数低減が実現される。すなわち、目視によるジャンパ線取付け位置の確認等の段取り時間の短縮（８０％減）、合わせて、誤ったリードへの取付けといったミスの削減、及びそれに付随する検査工程の削減を実現することができる。

図１１は、本発明の他の実施形態について説明するための図である。図５と比較してわかるように、この実施形態では、図５の場合と同様に、プリント回路板２０２の上方に配置されてプリント回路板２０２を視野に捉えるカメラ３０６が設けられる。しかし、ディスプレイ３０８は設けられておらず、位置教示部として、ディスプレイ３０８に代えてプロジェクタ１１０２が配置される。

プロジェクタ１１０２は、取付け位置を表示した画像をプリント回路板２０２に投影することで取付け位置を教示する。この実施形態では、図５の場合と比較してより大きな取付け作業スペース１１０４を確保することができる。ハンダゴテのコテ先位置と取付け位置との距離は、音等の作業性を損なわない方法で作業者に報知される。この実施形態においても、前述の実施形態の場合と同様の作用及び効果が得られる。

以上の実施形態に関し、以下の付記を開示する。

（付記１） 部品が実装されたプリント回路板に対する人手布線作業を支援する布線作業支援装置であって、
布線作業の対象となる部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースと、
該プリント回路板を撮像する画像入力部と、
前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像データとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特定部と、
前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示部と、
を具備する布線作業支援装置。

（付記２） 前記位置教示部は、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、作業者とプリント回路板との間に配置されプリント回路板を表示しているディスプレイの画像上に、重ねてマーキング表示する、付記１に記載の布線作業支援装置。

（付記３） 前記位置教示部は、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、プロジェクタにより、実際のプリント回路板上に投影する、付記１に記載の布線作業支援装置。

（付記４） 前記画像入力部からの画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知する工具情報報知部、を更に具備する、付記１に記載の布線作業支援装置。

（付記５） 前記工具情報報知部は、布線作業用工具としてハンダゴテの先端を認識する、付記４に記載の布線作業支援装置。

（付記６） 布線作業の対象となる部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースを備え、部品が実装されたプリント回路板に対する人手布線作業を支援する布線作業支援方法であって、
画像入力部が、該プリント回路板を撮像する画像入力ステップと、
位置特定部が、前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像データとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特定ステップと、
位置教示部が、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示ステップと、
を具備する布線作業支援方法。

（付記７） 前記位置教示ステップは、前記位置特定ステップによって特定されたプリント回路板上位置を、作業者とプリント回路板との間に配置されプリント回路板を表示しているディスプレイの画像上に、重ねてマーキング表示する、付記６に記載の布線作業支援方法。

（付記８） 前記位置教示ステップは、前記位置特定ステップによって特定されたプリント回路板上位置を、プロジェクタにより、実際のプリント回路板上に投影する、付記６に記載の布線作業支援方法。

（付記９） 工具情報報知部が、前記画像入力ステップによって入力された画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知する工具情報報知ステップ、を更に具備する、付記６に記載の布線作業支援方法。

（付記１０） 前記工具情報報知ステップは、布線作業用工具としてハンダゴテの先端を認識する、付記９に記載の布線作業支援方法。

（付記１１） 部品が実装されたプリント回路板に対する人手布線作業を支援するために、コンピュータシステムを、
布線作業の対象となる部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースと、
該プリント回路板を撮像する画像入力部と、
前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像データとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特定部と、
前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示部と、
として機能させるための布線作業支援プログラム。

（付記１２） 前記位置教示部は、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、作業者とプリント回路板との間に配置されプリント回路板を表示しているディスプレイの画像上に、重ねてマーキング表示する、付記１１に記載の布線作業支援プログラム。

（付記１３） 前記位置教示部は、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、プロジェクタにより、実際のプリント回路板上に投影する、付記１１に記載の布線作業支援プログラム。

（付記１４） 該コンピュータシステムを、更に、前記画像入力部からの画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知する工具情報報知部、として機能させる、付記１１に記載の布線作業支援プログラム。

（付記１５） 前記工具情報報知部は、布線作業用工具としてハンダゴテの先端を認識する、付記１４に記載の布線作業支援プログラム。

従来の布線作業の流れを示す図である。 本発明の一実施形態に係る布線作業支援装置の基本的構成を示す機能ブロック図である。 本実施形態に係る布線作業支援装置の具体的構成例を示す図である。 パーソナルコンピュータの内部構成例を示すブロック図である。 カメラ及びディスプレイの配置を示す図である。 ディスプレイの表示画面を例示する図である。 パーソナルコンピュータによる布線位置教示処理の手順を示すフローチャートである。 パーソナルコンピュータによる工具情報報知処理の手順を示すフローチャートである。 ハンダゴテのコテ先傾斜部を示す図である。 本実施形態を利用した布線作業の流れを示す図である。 本発明の他の実施形態について説明するための図である。

符号の説明

２０２ プリント回路板
２０４ 作業ＤＢ
２０６ 画像入力部
２０８ 位置特定部
２１０ 位置教示部
３０２ 作業者
３０４ 作業台
３０６ カメラ
３０８ ディスプレイ
３１０ パーソナルコンピュータ
４００ バス
４０２ 中央処理装置
４０４ 主記憶装置
４０６ ハードディスクドライブ
４０８ 操作部
４１０ カメラインタフェース部
４１２ ディスプレイインタフェース部
５０２ 作業スペース
６０２ プリント回路板（ＰＣＢ）情報表示エリア
６０４ 接続元情報表示エリア
６０６ 接続先情報表示エリア
６０８ 工具情報表示エリア
６１０ 回路画像表示エリア
６１２，６１４ 対象リード又は対象パッド
６１６ ハンダゴテ
６１８ ハンダゴテの先端
１１０２ プロジェクタ
１１０４ 取付け作業スペース

Claims (6)

1. 部品が実装されたプリント回路板に対する人手布線作業を支援する布線作業支援装置であって、
   布線作業の対象となる部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースと、
   該プリント回路板を撮像する画像入力部と、
   前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像データとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特定部と、
   前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示部と、
   前記画像入力部からの画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知する工具情報報知部と、
   を具備する布線作業支援装置。
2. 前記位置教示部は、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、作業者とプリント回路板との間に配置されプリント回路板を表示しているディスプレイの画像上に、重ねてマーキング表示する、請求項１に記載の布線作業支援装置。
3. 前記位置教示部は、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、プロジェクタにより、実際のプリント回路板上に投影する、請求項１に記載の布線作業支援装置。
4. 前記工具情報報知部は、布線作業用工具としてハンダゴテの先端を認識する、請求項１に記載の布線作業支援装置。
5. 布線作業の対象となる部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースを備え、部品が実装されたプリント回路板に対する人手布線作業を支援する布線作業支援方法であって、
   画像入力部が、該プリント回路板を撮像する画像入力ステップと、
   位置特定部が、前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像データとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特定ステップと、
   位置教示部が、前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示ステップと、
   前記画像入力部からの画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知するステップと、
   を具備する布線作業支援方法。
6. 部品が実装されたプリント回路板に対する人手布線作業を支援するために、コンピュータシステムを、
   布線作業の対象となる部品の対象リード又は対象パッドについての情報を記憶するデータベースと、
   該プリント回路板を撮像する画像入力部と、
   前記データベースに記憶された情報と前記画像入力部からの画像データとに基づいて、対象リード又は対象パッドのプリント回路板上位置を特定する位置特定部と、
   前記位置特定部によって特定されたプリント回路板上位置を、実際のプリント回路板上又はプリント回路板を表示している画像上に、重ねてマーキング表示する位置教示部と、
   前記画像入力部からの画像データに基づいて、布線作業用工具のプリント回路板上位置を認識し、布線作業用工具と対象リード又は対象パッドとの距離を算出して報知する工具情報報知部と、
   として機能させるための布線作業支援プログラム。

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