JP5545737B2 - 部品実装機及び画像処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、部品を実装する実装面に設けられた基準位置マーク等の基準位置部をその上方からカメラで撮像し、そのカメラの撮像画像から基準位置部の位置を認識して当該基準位置部の位置を基準にして部品の実装位置を決める部品実装機及び画像処理方法に関する発明である。

例えば、特許文献１（特開２００８−７２０５８号公報）では、回路基板の厚みの相違等によってカメラと回路基板上面の基準位置マークとの間の距離が変化することで、撮像画像上での基準位置マークの位置ずれ量が変化するため、基準位置マークの位置ずれ量の検出精度が悪化することを課題として、実寸を示すための標示が所定間隔で付された測定治具を使用し、カメラの下方に位置する測定治具の高さ位置を段階的に変化させて測定治具の標示を撮像する処理を複数回繰り返して、１画素当たりの寸法と測定治具の高さ位置との関係を第１補正データ線として求め、更に、測定治具の高さ位置の変化に伴って撮像画像上で標示の中心位置が変化する場合は、測定治具の高さ位置と、撮像画像の中心と標示の中心位置との位置ずれ量に相当する画素数との関係を第２補正データ線として求め、回路基板の厚み（高さ位置）及びカメラの傾きが異なる条件下で、撮像画像上の基準位置マークの位置ずれ量に対して第１補正データ線と第２補正データ線を用いて補正するようにしている。

特開２００８−７２０５８号公報

上記特許文献１では、カメラの光軸が鉛直線に対して傾いている場合でも、撮像画像上の基準位置マークの位置ずれ量を補正できるが、この補正のために２種類の補正データ線（第１補正データ線と第２補正データ線）を作成しなければならず、２種類の補正データ線の作成作業に手間がかかるという問題があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと基準位置部の高さ位置の相違による基準位置部の認識位置のずれを従来より簡単に補正することができる部品実装機及び画像処理方法を提供することである。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、部品を実装する実装面に設けられた基準位置部をその上方から撮像するカメラと、前記カメラの撮像画像から前記基準位置部の位置を認識して当該基準位置部の位置を基準にして前記部品の実装位置を決める画像処理手段とを備えた部品実装機において、前記カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと前記基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正するための治具として、上面側に２つのマークが所定の高低差をつけて所定の水平方向距離だけ離して形成された認識位置ずれ補正治具を使用し、前記画像処理手段は、予め前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークを前記カメラで撮像する際に、一方のマークを前記カメラの視野の中心付近に位置させて撮像して当該一方のマークの位置を認識した後、前記カメラを他方のマークの方向に前記２つのマーク間の水平方向距離の真値だけ水平移動させて当該他方のマークを前記カメラで撮像して当該他方のマークの位置を認識して前記２つのマークの高低差における認識位置のずれ量に関係するデータ（以下「補正データ」という）を記憶手段に記憶しておき、前記実装面に設けられた基準位置部を前記カメラで撮像して前記基準位置部の位置を認識する際に、前記基準位置部の高さ位置と基準高さ位置との高低差と、前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークの高低差と、前記記憶手段に記憶された前記補正データとを用いて、前記カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと前記基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正するようにしたものである。

この構成によれば、予め、認識位置ずれ補正治具の２つのマークの位置をカメラの撮像画像から認識して２つのマークの高低差における認識位置のずれ量に関係する補正データを求めておくだけで、カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正することが可能となり、基準位置部の認識位置のずれを従来より簡単に補正することができる。
ところで、認識位置ずれ補正治具の２つのマークをカメラの視野内に同時に収めて撮像するようにすると、マーク認識用のカメラの視野が狭いため、２つのマークをカメラの視野内に同時に収めることができない場合がある。また、テレセントリックレンズを用いたカメラを用いれば、視差・収差による認識位置のずれは解消できるが、テレセントリックレンズを用いたカメラは、高価で大型であり、低コスト化・省スペース化の要求を満たすことができない。
そこで、本発明では、テレセントリックレンズを用いなくても、カメラの視野の中心に近付くほど、レンズの視差・収差の影響が少なくなることを考慮して、認識位置ずれ補正治具の２つのマークをカメラで撮像する際に、一方のマークをカメラの視野の中心付近に位置させて撮像して当該一方のマークの位置を認識した後、前記カメラを他方のマークの方向に前記２つのマーク間の水平方向距離の真値だけ水平移動させて当該他方のマークをカメラで撮像して当該他方のマークの位置を認識するようにしている。
このように、一方のマークをカメラの視野の中心付近に位置させて撮像すれば、テレセントリックレンズを用いなくても、レンズの視差・収差の影響を少なくして一方のマークの位置を精度良く認識できると共に、当該一方のマークから他方のマークの方向に向けてカメラを正確に水平移動させて、他方のマークもカメラの視野の中心に近付けて撮像することができる。これにより、他方のマークの位置もレンズの視差・収差の影響を少なくして認識することができ、２つのマークの高低差における認識位置のずれ量に関係する補正データを精度良く求めることができる。

この場合、請求項２のように、認識位置ずれ補正治具の２つのマークをカメラで撮像する際に、当該２つのマークのいずれか一方のマークの高さ位置を基準高さ位置と一致させるようにすると良い。これにより、基準位置部の認識位置のずれを補正するための演算処理を簡単化できる。

本発明は、回路基板に部品を実装する場合の他に、回路基板に実装した部品上に小型部品を重ねて実装（スタック実装）する場合にも適用可能であるが、前者の場合は、請求項３のように、回路基板の両側部を、基準高さ位置を決めるストッパに下方から突き当ててクランプ装置でクランプして該回路基板の両側部の上面を基準高さ位置に位置決めするようにしても良い。このように、回路基板の両側部の上面を基準高さ位置に位置決めすれば、回路基板の厚みが相違しても、回路基板の反りがなければ、回路基板上面の基準位置部の高さ位置が変化せず、基準高さ位置と一致して基準位置部の認識位置のずれが生じない。この場合は、回路基板の反りによる基準位置部の高さ位置の上下動のみによって基準位置部の認識位置のずれが生じるようになる。

尚、請求項４に係る発明は、請求項１に係る部品実装機の発明と実質的に同一の技術思想をカテゴリーの異なる画像処理方法の発明として記載したものである。

図１は本発明の一実施例における部品実装機のシステム構成を概略的に示すブロック図である。 図２はマークカメラの光軸の傾きと回路基板の反りによる基準位置マークの高さ位置の変動によって生じる基準位置マークの認識位置のずれを説明する図である。 図３は撮像画像上での基準位置マークの認識位置と本来の位置との関係を説明する図である。 図４は認識位置ずれ補正治具に設けた２つのマークの位置関係と各マークの撮像手順を説明する図である。 図５は認識位置ずれ補正治具の基準マークの撮像画像の一例を示す図である。 図６は認識位置ずれ補正治具の補正マークの撮像画像の一例を示す図である。 図７は基準マークの撮像画像と補正マークの撮像画像を合成した画像から、２つのマークの高低差Ｈにおける認識位置ずれ量ΔＬＸ，ΔＬＹを算出する方法を説明する図である。 図８はマークカメラを回路基板上面の基準位置マークを認識する位置へ移動させて基準位置マークを撮像する工程を説明する図である。 図９は回路基板の基準位置マークの認識位置のずれを補正する方法を説明する図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体化した一実施例を説明する。
まず、図１に基づいて部品実装機のシステム構成を説明する。
部品実装機は、コンピュータにより構成された制御装置１１と、キーボード、マウス等の入力装置１２と、液晶ディスプレイ、ＣＲＴ等の表示装置１３と、部品実装機制御プログラムや画像処理用データ等を記憶する記憶装置１４（記憶手段）と、吸着ノズルをＸ−Ｙ−Ｚ方向に移動させる吸着ノズル移動装置１５と、部品を実装する回路基板２２（図２参照）を搬送する基板搬送装置１６と、この基板搬送装置１６によって実装作業位置まで搬入された回路基板２２をクランプするクランプ装置１７と、部品を供給するフィーダ１８と、吸着ノズルに吸着した部品を下方から撮像するパーツカメラ１９と、回路基板２２上面の基準位置マーク２３（基準位置部）を上方から撮像するマークカメラ２０（カメラ）と、回路基板２２上面の基準位置マーク２３の高さ位置を計測する距離センサ２１（高さ位置計測手段）等を備えた構成となっている。

ここで、距離センサ２１は、レーザー式距離センサ等の光学式距離センサ、超音波式距離センサ等により構成され、吸着ノズル移動装置１５に鉛直下向きに取り付けられている。この距離センサ２１で回路基板２２上面の基準位置マーク２３の高さ位置を計測する場合は、吸着ノズル移動装置１５によって距離センサ２１を基準位置マーク２３の真上位置まで移動させて基準位置マーク２３の高さ位置を計測する。

また、クランプ装置１７は、部品実装機内の実装作業位置まで搬入された回路基板２２の両側部を、基準高さ位置を決めるストッパに下方から突き当ててクランプして該回路基板２２の両側部の上面を基準高さ位置に位置決めするようになっている。この場合、回路基板２２の両側部の上面を基準高さ位置に位置決めしても、回路基板２２の反りが発生すると、回路基板２２上面の基準位置マーク２３の高さ位置が基準高さ位置から上方又は下方にずれることがある。

一般に、マークカメラ２０は、吸着ノズル移動装置１５に鉛直下向きに取り付けられるが、図２に示すように、マークカメラ２０の取付誤差等によりマークカメラ２０の光軸が鉛直線に対して傾いている場合がある。このような場合、回路基板２２の反りにより基準位置マーク２３の高さ位置が基準高さ位置から上方又は下方にずれると、基準位置マーク２３の中心をマークカメラ２０の視野の中心に一致させた状態で撮像したつもりでも、実際には、図３に示すように、基準位置マーク２３の位置がマークカメラ２０の視野の中心からずれて撮像されてしまう。このため、撮像画像から求める基準位置マーク２３の認識位置の精度が低下する。

そこで、本実施例では、図４に示す認識位置ずれ補正治具２５を用いて、マークカメラ２０の光軸の鉛直方向からの傾きと基準位置マーク２３の高さ位置の相違による当該基準位置マーク２３の認識位置のずれを補正する。この認識位置ずれの補正は、画像処理手段として機能する制御装置１１によって後述する手順で実行される。

認識位置ずれ補正治具２５は、２段の階段状に形成され、低い方の段の上面に基準マーク２６が設けられ、高い方の段の上面に補正マーク２７が設けられている。これとは反対に、基準マーク２６を高い方の段に設け、補正マーク２７を低い方の段に設けても良い。この認識位置ずれ補正治具２５は、２つのマーク２６，２７の高低差Ｈと、両マーク２６，２７間の水平方向距離Ｌb が、それぞれ、予め高精度の計測器で正確に計測され、既知の値となっている。

基準位置マーク２３の認識位置のずれを補正する手順は、予め認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７をマークカメラ２０で撮像してその撮像画像から２つのマーク２６，２７の中心位置（Ｘ１，Ｙ１）、（Ｘ２，Ｙ２）を認識して、２つのマーク２６，２７の高低差Ｈにおける認識位置ずれ量ΔＬに関する補正データを求めて記憶装置１４に記憶しておく。ここで、認識位置ずれ量ΔＬは、２つのマーク２６，２７間の水平方向距離（２つのマーク２６，２７の認識位置間の距離）の計測値Ｌa と真値Ｌb との差で求められる。
ΔＬ＝Ｌa −Ｌb

認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７をマークカメラ２０で撮像する際に、基準マーク２６の高さ位置を基準高さ位置と一致させた状態にする。ここで、基準高さ位置は、クランプ装置１７のストッパで位置決めされた回路基板２２の両側部の上面の高さ位置と一致する。

ところで、認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７をマークカメラ２０の視野内に同時に収めて撮像するようにすると、マークカメラ２０の視野が狭いため、２つのマーク２６，２７をマークカメラ２０の視野内に同時に収めることができない場合がある。また、テレセントリックレンズを用いたカメラを用いれば、視差・収差による認識位置のずれは解消できるが、テレセントリックレンズを用いたカメラは、高価で大型であり、低コスト化・省スペース化の要求を満たすことができない。

そこで、本実施例では、テレセントリックレンズを用いなくても、マークカメラ２０の視野の中心に近付くほど、レンズの視差・収差の影響が少なくなることを考慮して、認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７をマークカメラ２０で撮像する際に、図４に示すように、まず、基準マーク２６の中心をマークカメラ２０の視野の中心付近に位置させて撮像して当該基準マーク２６の中心位置の座標（Ｘ１，Ｙ１）を認識した後［図５参照］、マークカメラ２０を基準マーク２６から補正マーク２７の方向に２つのマーク２６，２７間の水平方向距離の真値Ｌb だけ水平移動させて当該補正マーク２７をマークカメラ２０で撮像して当該補正マーク２７の中心位置の座標（Ｘ２，Ｙ２）を認識する［図６参照］。

この場合、マークカメラ２０を基準マーク２６から補正マーク２７の方向に２つのマーク２６，２７間の水平方向距離の真値Ｌb だけ水平移動させて当該補正マーク２７をマークカメラ２０で撮像するため、もし、補正マーク２７の高さ位置が基準マーク２６の高さ位置と同一であれば、補正マーク２７の認識位置（Ｘ２，Ｙ２）が基準マーク２６の認識位置（Ｘ１，Ｙ１）と一致するが、実際には、２つのマーク２６，２７間には高低差Ｈがつけられているため、その高低差Ｈとマークカメラ２０の光軸の傾きに応じて補正マーク２７の認識位置（Ｘ２，Ｙ２）が基準マーク２６の認識位置（Ｘ１，Ｙ１）からずれる。基準マーク２６の認識位置（Ｘ１，Ｙ１）に対する補正マーク２７の認識位置（Ｘ２，Ｙ２）のずれ方向がマークカメラ２０の光軸の傾き方向によって変動する補正マーク２７の認識位置のずれ方向となる。

図７は、図５に示す基準マーク２６の撮像画像と図６に示す補正マーク２７の撮像画像を合成した画像である。図７の画像で、２つのマーク２６，２７間の距離が２つのマーク２６，２７の高低差Ｈにおける認識位置ずれ量ΔＬ（２つのマーク２６，２７間の水平方向距離の計測値Ｌa と真値Ｌb との差）であり、基準マーク２６の認識位置（Ｘ１，Ｙ１）から補正マーク２７の認識位置（Ｘ２，Ｙ２）の方向に延びるベクトル方向が認識位置のずれ方向となる。

従って、補正マーク２７の認識位置のＸ方向ずれ量ΔＬＸとＹ方向ずれ量ΔＬＹは、次式で求められる。
ΔＬＸ＝Ｘ２−Ｘ１
ΔＬＹ＝Ｙ２−Ｙ１
この補正マーク２７の認識位置のＸ／Ｙ方向ずれ量ΔＬＸ，ΔＬＹを補正データ（認識位置ずれ補正量）として記憶装置１４に記憶しておけば良い。

本実施例のように、基準マーク２６をマークカメラ２０の視野の中心付近に位置させて撮像すれば、テレセントリックレンズを用いなくても、レンズの視差・収差の影響を少なくして基準マーク２６の位置を精度良く認識できると共に、当該基準マーク２６から補正マーク２７の方向に向けてマークカメラ２０を正確に水平移動させて、補正マーク２７もマークカメラ２０の視野の中心に近付けて撮像することができる。これにより、補正マーク２７の位置もレンズの視差・収差の影響を少なくして認識することができ、２つのマーク２６，２７の高低差Ｈにおける認識位置ずれ量ΔＬＸ，ΔＬＹを精度良く求めることができる。

尚、予め認識位置ずれ補正治具２５を位置決めする際に、２つのマーク２６，２７の中心を結ぶ直線がＸ軸又はＹ軸と平行となるように位置決めしておけば、マークカメラ２０を基準マーク２６から補正マーク２７の方向に水平移動させる動作がＸ方向又はＹ方向のみの移動となり、マークカメラ２０を２つのマーク２６，２７間の水平方向距離の真値Ｌb だけ水平移動させる動作が容易となる。

以上のようにして、認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７の高低差Ｈにおける認識位置ずれ量ΔＬＸ，ΔＬＹ（補正データ）を求めて記憶装置１４に記憶した後、クランプ装置１７により回路基板２２の両側部の上面を基準高さ位置に位置決めした状態で、距離センサ２１により回路基板２２上面の基準位置マーク２３の高さ位置ｈを計測する。この際、基準高さ位置からの基準位置マーク２３の高さ位置ｈを計測する。

この後、図８に示すように、マークカメラ２０を回路基板２２上面の基準位置マーク２３を認識する位置へ移動させて基準位置マーク２３を撮像し、その撮像画像から基準位置マーク２３の中心位置の座標（Ｘ０，Ｙ０）を認識する［図９参照］。

この後、認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７の高低差Ｈに対する回路基板２２の基準位置マーク２３の高さ位置ｈの比率ｈ／Ｈと、記憶装置１４に記憶された認識位置のＸ／Ｙ方向ずれ量ΔＬＸ，ΔＬＹとを用いて、次式により基準位置マーク２３の認識位置の座標（Ｘ０，Ｙ０）を補正して、補正後の基準位置マーク２３の認識位置の座標（Ｘ，Ｙ）を求める。
Ｘ＝（Ｘ０−ΔＬＸ）×ｈ／Ｈ
Ｙ＝（Ｙ０−ΔＬＹ）×ｈ／Ｈ

以上説明した本実施例によれば、予め、認識位置ずれ補正治具２５の２つのマーク２６，２７の位置をマークカメラ２０の撮像画像から認識して２つのマーク２６，２７の高低差Ｈにおける認識位置ずれ量ΔＬＸ，ΔＬＹを求めておくだけで、マークカメラ２０の光軸の鉛直方向からの傾きと回路基板２２の基準位置マーク２３の高さ位置の相違による当該基準位置マーク２３の認識位置のずれを補正することが可能となり、基準位置マーク２３の認識位置のずれを従来より簡単に補正することができる。

尚、本発明は、回路基板２２に部品を実装する場合の他に、回路基板２２に実装した部品上に小型部品を重ねて実装（スタック実装）する場合にも適用可能である。
また、部品を実装する実装面に設けられた基準位置部は、基準位置マーク２３に限定されず、特定の配線パターン、ランド、実装部品の特定形状部、端子等のいずれかを基準位置部として部品の実装位置を決める場合でも、本発明を適用して実施できる。

その他、本発明は、認識位置ずれ補正治具２５に設けるマーク２６，２７の形状も「●」に限定されず、「＋」、「◆」等の形状に変更しても良い等、要旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施できる。

１１…制御装置（画像処理手段）、１４…記憶装置（記憶手段）、１５…吸着ノズル移動装置、１６…基板搬送装置、１７…クランプ装置、２０…マークカメラ（カメラ）、２１…距離センサ（高さ位置計測手段）、２２…回路基板、２３…基準位置マーク（基準位置部）、２５…認識位置ずれ補正治具、２６…基準マーク、２７…補正マーク

Claims (4)

1. 部品を実装する実装面に設けられた基準位置部をその上方から撮像するカメラと、前記カメラの撮像画像から前記基準位置部の位置を認識して当該基準位置部の位置を基準にして前記部品の実装位置を決める画像処理手段とを備えた部品実装機において、
   前記カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと前記基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正するための治具として、上面側に２つのマークが所定の高低差をつけて所定の水平方向距離だけ離して形成された認識位置ずれ補正治具を使用し、
   前記画像処理手段は、予め前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークを前記カメラで撮像する際に、一方のマークを前記カメラの視野の中心付近に位置させて撮像して当該一方のマークの位置を認識した後、前記カメラを他方のマークの方向に前記２つのマーク間の水平方向距離の真値だけ水平移動させて当該他方のマークを前記カメラで撮像して当該他方のマークの位置を認識して前記２つのマークの高低差における認識位置のずれ量に関係するデータ（以下「補正データ」という）を記憶手段に記憶しておき、前記実装面に設けられた基準位置部を前記カメラで撮像して前記基準位置部の位置を認識する際に、前記基準位置部の高さ位置と基準高さ位置との高低差と、前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークの高低差と、前記記憶手段に記憶された前記補正データとを用いて、前記カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと前記基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正することを特徴とする部品実装機。
2. 前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークを前記カメラで撮像する際に、当該２つのマークのいずれか一方のマークの高さ位置を前記基準高さ位置と一致させることを特徴とする請求項１に記載の部品実装機。
3. 前記部品を実装する実装面は、回路基板の上面であり、
   前記回路基板の両側部を前記基準高さ位置を決めるストッパに下方から突き当ててクランプして該回路基板の両側部の上面を前記基準高さ位置に位置決めするクランプ装置を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の部品実装機。
4. 部品を実装する実装面に設けられた基準位置部をその上方からカメラで撮像し、そのカメラの撮像画像から前記基準位置部の位置を認識して当該基準位置部の位置を基準にして前記部品の実装位置を決める画像処理方法において、
   前記カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと前記基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正するための治具として、上面側に２つのマークが所定の高低差をつけて所定の水平方向距離だけ離して形成された認識位置ずれ補正治具を使用し、
   予め前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークを前記カメラで撮像する際に、一方のマークを前記カメラの視野の中心付近に位置させて撮像して当該一方のマークの位置を認識した後、前記カメラを他方のマークの方向に前記２つのマーク間の水平方向距離の真値だけ水平移動させて当該他方のマークを前記カメラで撮像して当該他方のマークの位置を認識して前記２つのマークの高低差における認識位置のずれ量に関係するデータ（以下「補正データ」という）を記憶手段に記憶しておき、前記実装面に設けられた基準位置部を前記カメラで撮像して前記基準位置部の位置を認識する際に、前記基準位置部の高さ位置と基準高さ位置との高低差と、前記認識位置ずれ補正治具の２つのマークの高低差と、前記記憶手段に記憶された前記補正データとを用いて、前記カメラの光軸の鉛直方向からの傾きと前記基準位置部の高さ位置の相違による当該基準位置部の認識位置のずれを補正することを特徴とする画像処理方法。

Images