JP5755502B2 - 位置認識用カメラ及び位置認識装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像対象物の位置を認識する位置認識用カメラ及び位置認識装置に関する発明である。

例えば、部品実装機においては、特許文献１（特開２００２−９４２９６号公報）に記載されているように、吸着ノズルに部品を吸着して回路基板に実装する際に、吸着ノズルに吸着した部品をその下方からカメラで撮像して、その画像信号を処理して部品の吸着位置を認識し、吸着ノズルに対する部品の吸着位置のずれ（部品の中心と吸着ノズルの中心とのずれ）を考慮して該部品を回路基板に実装するようにしている。この際、吸着ノズルに吸着した部品をその下方から撮像した画像には、吸着ノズルの中心が部品に隠れて見えないため、部品撮像時に吸着ノズルの中心をカメラの中心に正確に位置合わせして停止させる必要があるが、部品撮像毎に吸着ノズルの中心をカメラの中心に正確に位置合わせして停止させると、その分、部品の吸着から実装までに要する時間が長くなり、生産性が低下する。

そこで、特許文献１では、吸着ノズルに対して予め決められた位置に基準ピンを下向きに設けて、該基準ピンの下端を基準マークとすると共に、該基準マークの高さ位置を吸着ノズルの下端とほぼ同じ高さに設定し、部品撮像時に吸着ノズルに吸着した部品と基準マークの両方をカメラの視野内に収めて撮像し、カメラの画像信号を処理して基準マークを基準にして部品の位置を認識することで、吸着ノズルに対する部品の吸着位置のずれ（部品の中心と吸着ノズルの中心とのずれ）を計測できるようにしている。このようにすれば、部品撮像時に吸着ノズルの中心をカメラの中心に正確に位置合わせする必要がなくなり、吸着ノズルを移動させながら部品を撮像しても（つまり吸着ノズルの中心がカメラの中心からずれていても）、吸着ノズルに対する部品の吸着位置のずれを計測できるようになる。

特開平２００２−９４２９６号公報

ところで、図２に示すように、吸着ノズル３０に吸着した部品３１と基準マーク３２の両方をカメラのレンズを通して撮像素子３３の受光面に結像させて撮像する場合は、部品３１の画像は、撮像素子３３の受光面の中央側領域に結像し、基準マーク３２の画像は、撮像素子３３の受光面の端部付近の領域に結像する。基準マーク３２の位置は、吸着ノズル３０に吸着可能な最大サイズの部品３１の存在範囲より外側に位置させる必要があるため、撮像素子３３の受光面の２辺部付近の領域は、基準マーク３２のみを撮像する領域Ｂとなり、部品３１を撮像する領域Ａとしては利用できない。このため、部品３１と基準マーク３２の両方を撮像する撮像素子３３は、従来より縦横の画素数を基準マーク３２の撮像領域Ｂ分だけ増加させた大きなサイズの撮像素子３３を使用する必要があり、しかも、撮像素子３３のサイズが大きくなれば、その分、イメージサークル３４（カメラのレンズを通して撮像対象物がシャープに結像する円形の領域）も大きくする必要があり、その結果、カメラが大型化するばかりか、コストアップ幅も大きいという欠点があった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、撮像対象物と基準マークの両方を撮像するカメラのコンパクト化（省スペース化）と低コスト化を実現できる位置認識用カメラ及び位置認識装置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、基準位置を示す基準マークと撮像対象物の両方をイメージサークル内に収めて撮像する位置認識用カメラにおいて、前記イメージサークル内に撮像対象物を撮像するメイン撮像素子を配置すると共に、前記イメージサークル内のうちの前記メイン撮像素子の外側に前記基準マークを撮像するマーク用撮像素子を配置し、前記マーク用撮像素子が前記メイン撮像素子よりもサイズが小さいことを特徴とするものである。

ここで、イメージサークルは、カメラのレンズを通して撮像対象物がシャープに結像する円形の領域であり、このイメージサークル内に撮像対象物を撮像する四角形のメイン撮像素子が配置される。このため、イメージサークル内であっても、メイン撮像素子の外側には、撮像に使用されない部分が存在する。この点に着目して、本発明では、イメージサークル内のうちのメイン撮像素子の外側に、基準マークを撮像するマーク用撮像素子を配置したものである。このようにすれば、メイン撮像素子の受光面全体を撮像対象物の撮像領域として有効に使用できると共に、イメージサークル内のうちのメイン撮像素子の外側の空きスペースを有効に利用してマーク用撮像素子を配置することができる。このため、基準マークを撮像するのに撮像素子のサイズを大きくする必要がなく、イメージサークルも大きくする必要がないため、撮像対象物と基準マークの両方を撮像する位置認識用カメラのコンパクト化（省スペース化）を実現できる。しかも、基準マークを撮像するマーク用撮像素子は、サイズが小さい撮像素子を使用できるため、比較的安価であり、１個の大きな撮像素子で撮像対象物と基準マークの両方を撮像する従来構成と比較して、位置認識用カメラの低コスト化も実現できる。

本発明は、基準マークを１箇所のみに設けても良いが、この場合は、１箇所の基準マークを基準にして撮像対象物の一次元座標を計測できるだけであり、撮像対象物の二次元座標（回転角度）までは計測できない。

そこで、請求項２のように、基準マークを２箇所に設け、その２箇所の基準マークを１箇所ずつ撮像できるようにイメージサークル内の２箇所にそれぞれマーク用撮像素子を設けるようにしても良い。このようにすれば、２箇所の基準マークを基準にして部品の二次元座標（回転角度）を計測できる。

本発明の位置認識用カメラは、撮像対象物の位置を画像認識する様々な位置認識装置に適用可能であり、例えば、請求項３のように、位置認識用カメラの画像信号を処理して基準マークを基準にして撮像対象物の位置を認識する画像処理手段を位置認識装置に搭載すれば良い。

本発明を部品実装機に適用する場合は、請求項４のように、部品実装機の吸着ノズルに吸着された部品を撮像対象物とすると共に、基準マークを吸着ノズルに対して予め決められた位置に設け、画像処理手段により、基準マークを基準にして吸着ノズルに対する部品の吸着位置を認識するようにすれば良い。このようにすれば、部品実装機において、吸着ノズルに吸着された部品の吸着位置を認識する位置認識用カメラのコンパクト化（省スペース化）と低コスト化を実現することができる。
尚、本発明は、請求項５のように、メイン撮像素子とマーク用撮像素子との位置関係が予め決められている構成としても良い。実際には、メイン撮像素子とマーク用撮像素子とを位置精度良く取り付けることは難しいため、請求項６のように、メイン撮像素子とマーク用撮像素子との位置関係は、メイン撮像素子の中心位置に対するマーク用撮像素子の中心位置のオフセット量を事前に測定することにより決めるようにしても良い。

図１は本発明の実施例１を示す部品実装機の構成を示す縦断面図である。 図２は従来例におけるイメージサークルと撮像素子の配置関係を示す図である。 図３は実施例１におけるイメージサークル、メイン撮像素子及びマーク用撮像素子の配置関係を示す図である。 図４は実施例２におけるイメージサークル、メイン撮像素子及びマーク用撮像素子の配置関係を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態を部品実装機に適用して具体化した２つの実施例１，２を説明する。

本発明の実施例１を図１〜図３を用いて説明する。
まず、図１に基づいて部品実装機全体の概略構成を説明する。
Ｘ軸スライド１１は、Ｘ軸ボールねじ１２によってＸ軸方向（図１の左右方向）にスライド移動可能に設けられ、このＸ軸スライド１１に対して、Ｙ軸スライド１３がＹ軸ボールねじ１４によってＹ軸方向（図１の紙面垂直方向）にスライド移動可能に設けられている。

Ｙ軸スライド１３には、装着ヘッド１５が設けられ、この装着ヘッド１５にノズルホルダ１６がＺ軸駆動機構（図示せず）を介してＺ軸方向（上下方向）に昇降可能に設けられ、このノズルホルダ１６に吸着ノズル１７が下向きに取り付けられている。

一方、Ｘ軸スライド１１には、吸着ノズル１７に吸着した部品１８（撮像対象物）をその下面側から一対の反射鏡２０，２１を介して撮像する位置認識用カメラ２２（パーツカメラ）が設けられている。吸着ノズル１７に吸着した部品１８の下方に位置する反射鏡２０の上方には、吸着ノズル１７に吸着した部品１８をその下面側から照明する照明光源としてリング状のフロントライト２３が設けられている。尚、位置認識用カメラ２２を吸着ノズル１７の真下に配置した構成としても良い。

本実施例１では、吸着ノズル１７の上端フランジ部１７ａのうちの予め決められた位置に基準ピン２４が下向きに設けられ、該基準ピン２４の下端を基準マーク２５とすると共に、該基準マーク２５の高さ位置が吸着ノズル１７の下端とほぼ同じ高さとなるように設定されている。基準マーク２５の位置は、吸着ノズル１７に吸着可能な最大サイズの部品１８の存在範囲より外側に位置し、部品１８の位置を画像認識する際の基準位置となる。

位置認識用カメラ２２は、図３に示すように、部品１８と基準マーク２５の両方をイメージサークル２６内に収めて撮像するように構成されている。ここで、イメージサークル２６は、位置認識用カメラ２２のレンズを通して撮像対象物がシャープに結像する円形の領域である。このイメージサークル２６内に部品１８を撮像する四角形のメイン撮像素子２７が配置され、該イメージサークル２６内のうちのメイン撮像素子２７の外側の予め決められた位置に、基準マーク２５を撮像するマーク用撮像素子２８が配置されている。メイン撮像素子２７とマーク用撮像素子２８との位置関係は予め決められている。実際には、メイン撮像素子２７とマーク用撮像素子２８とを位置精度良く取り付けることは難しいため、測定用治具を使用して、メイン撮像素子２７の中心位置に対するマーク用撮像素子２８の中心位置のオフセット量を事前に測定する（メイン撮像素子２７を基準としてマーク用撮像素子２８の位置を測定する）。

具体的には、部品吸着面と基準マークを備えた治具（吸着ノズル１７と同じ形状）であって、部品吸着面と基準マークとの間の距離が十分に精度保証されている治具を使用する。この治具の部品吸着面の中心と基準マークの中心を結んだ直線の方向と基板搬送方向とが平行（又は直角）となるようにノズルホルダ１６に治具を取り付ける。通常、基板搬送装置の搬送方向とＸＹロボットのＸ方向とが平行となるように組み付けられるので、治具の部品吸着面の中心と基準マークの中心のどちらかを基準にして治具をノズルホルダ１６に取り付ける。この状態で、治具の部品吸着面の中心がメイン撮像素子２７の中心に位置するようにして治具を撮像し、この時のマーク用撮像素子２８に撮像された基準マークの位置を記憶する。この位置が基準マークの基準位置となる。

尚、メイン撮像素子２７とマーク用撮像素子２８の画素の方向は原則として平行でなければならないが、マーク用撮像素子２８のサイズが小さいため、画素の方向に多少の傾きがあっても、実質的に問題とならず、実際には傾きを無視することも可能である。図３に示すように、マーク用撮像素子２８がメイン撮像素子２７よりもサイズが小さくなっている。

部品実装機の制御装置（画像処理手段）は、生産中に、フィーダ（図示せず）から供給される部品１８を吸着ノズル１７に吸着して回路基板に実装する動作を制御すると共に、吸着ノズル１７に吸着した部品１８を回路基板側へ移送する途中で、該部品１８を撮像位置（フロントライト２３の上方位置）を通過させ、該部品１８と基準マーク２５の両方を下方からフロントライト２３で照明して位置認識用カメラ２２で撮像する動作を制御する。撮像時には、部品１８をメイン撮像素子２７で撮像すると共に、基準マーク２５をマーク用撮像素子２８で撮像し、各撮像素子２７，２８の画像信号を画像処理して、基準マーク２５を基準にして吸着ノズル１７に対する部品１８の吸着位置を認識する。

実際の撮像時には、上記の通り、マーク用撮像素子２８における基準マークの基準位置に対して、実際の吸着ノズル１７の基準マーク２５の測定値がずれた分（ΔＸ，ΔＹ）だけ、吸着ノズル１７の回転中心位置をオフセットさせる必要がある。

従来は、図２に示すように、１個の撮像素子３３で部品３１と基準マーク３２の両方を撮像するようにしていたため、縦横の画素数を基準マーク３２の撮像領域Ｂ分だけ増加させた大きなサイズの撮像素子３３を使用する必要があり、しかも、撮像素子３３のサイズが大きくなれば、その分、イメージサークル３４も大きくする必要があり、その結果、カメラが大型化するばかりか、コストアップ幅も大きいという欠点があった。

これに対し、本実施例１では、図３に示すように、イメージサークル２６内であっても、メイン撮像素子２７の外側には、撮像に使用されない部分が存在する点に着目して、イメージサークル２６内に部品１８を撮像するメイン撮像素子２７を配置すると共に、該イメージサークル２６内のうちのメイン撮像素子２７の外側に基準マーク２５を撮像するマーク用撮像素子２８を配置しているため、メイン撮像素子２７の受光面全体を部品１８の撮像領域として有効に使用できると共に、イメージサークル２６内のうちのメイン撮像素子１７の外側の空きスペースを有効に利用してマーク用撮像素子２８を配置することができる。このため、基準マーク２５を撮像するのに撮像素子のサイズを大きくする必要がなく、イメージサークル２６も大きくする必要がないため、部品１８と基準マーク２５の両方を撮像する位置認識用カメラ２２のコンパクト化（省スペース化）を実現できる。しかも、基準マーク２５を撮像するマーク用撮像素子２８は、サイズが小さい撮像素子を使用できるため、比較的安価であり、図２に示すように、１個の大きな撮像素子３３で部品３１と基準マーク３２の両方を撮像する従来構成と比較して、位置認識用カメラ２２の低コスト化も実現できる。

また、位置認識用カメラ２２の撮像素子を、部品１８を撮像するメイン撮像素子２７と、基準マーク２５を撮像するマーク用撮像素子２８とに分割しているため、様々な処理方法を採用できる。例えば、部品１８の画像処理と基準マーク２５の画像処理とを別々に並行して行っても良いし、先にマーク用撮像素子２８の画像処理を行った後にメイン撮像素子２７の画像処理を開始するようにしても良い。更に、マーク用撮像素子２８とメイン撮像素子２７のデータ転送を並行して実行しても良いし、基準マーク２５の位置認識と部品の位置認識を並行して実行するようにしても良い（最終的な補正量を求める時点で、部品の測定位置に基準マーク２５のずれ量だけオフセットすれば良い）。

尚、本実施例１では、基準ピン２４（基準マーク２５）を吸着ノズル１７の上端フランジ部１７ａに設けたが、ノズルホルダ１６に設けるようにしても良く、要は、吸着ノズル１７に対して予め決められた位置に基準ピン２４（基準マーク２５）を設けるようにすれば良い。

本発明は、上記実施例１のように基準マーク２５を１箇所のみに設けても良いが、この場合は、１箇所の基準マーク２５を基準にして部品１８の位置の一次元座標を計測できるだけであり、部品１８の位置の二次元座標（回転角度）までは計測できない。

そこで、図３に示す本発明の実施例２では、吸着ノズル１７に対して予め決められたＸ方向とＹ方向の２箇所にそれぞれ基準マーク２５Ｘ，２５Ｙを設けると共に、イメージサークル２６内のうちのメイン撮像素子２７の外側のＸ方向とＹ方向の２箇所に、それぞれマーク用撮像素子２８Ｘ，２８Ｙを設け、各マーク用撮像素子２８Ｘ，２８Ｙでそれぞれ基準マーク２５Ｘ，２５Ｙを撮像するようにしている。その他の事項は、前記実施例１と同じである。

以上説明した本実施例２では、２箇所の基準マーク２５Ｘ，２５Ｙを基準にして部品１８の二次元座標（回転角度）を計測できる。
上記実施例１，２は、いずれも、本発明を部品実装機に適用した実施例であるが、本発明は、部品実装機に限定されず、撮像対象物の位置を画像認識する様々な位置認識装置に適用可能である。

１１…Ｘ軸スライド、１３…Ｙ軸スライド、１５…装着ヘッド、１６…ノズルホルダ、１７…吸着ノズル、１８…部品（撮像対象物）、２０，２１…反射鏡、２２…位置認識用カメラ、２３…フロントライト、２４…基準ピン、２５，２５Ｘ，２５Ｙ…基準マーク、２６…イメージサークル、２７…メイン撮像素子、２８，２８Ｘ，２８Ｙ…マーク用撮像素子

Claims (6)

1. 基準位置を示す基準マークと撮像対象物の両方をイメージサークル内に収めて撮像する位置認識用カメラにおいて、
   前記イメージサークル内に前記撮像対象物を撮像するメイン撮像素子を配置すると共に、前記イメージサークル内のうちの前記メイン撮像素子の外側に前記基準マークを撮像するマーク用撮像素子を配置し、
   前記マーク用撮像素子が前記メイン撮像素子よりもサイズが小さいことを特徴とする位置認識用カメラ。
2. 前記基準マークは、２箇所に存在し、
   前記マーク用撮像素子は、前記２箇所の基準マークを１箇所ずつ撮像できるように前記イメージサークル内の２箇所にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の位置認識用カメラ。
3. 請求項１又は２に記載の位置認識用カメラと、
   前記位置認識用カメラの画像信号を処理して前記基準マークを基準にして前記撮像対象物の位置を認識する画像処理手段と
   を備えていることを特徴とする位置認識装置。
4. 前記撮像対象物は、部品実装機の吸着ノズルに吸着された部品であり、
   前記基準マークは、前記吸着ノズルに対して予め決められた位置に設けられ、
   前記画像処理手段は、前記基準マークを基準にして前記吸着ノズルに対する前記部品の吸着位置を認識することを特徴とする請求項３に記載の位置認識装置。
5. 基準位置を示す基準マークと撮像対象物の両方をイメージサークル内に収めて撮像する位置認識用カメラにおいて、
   前記イメージサークル内に前記撮像対象物を撮像するメイン撮像素子を配置すると共に、前記イメージサークル内のうちの前記メイン撮像素子の外側に前記基準マークを撮像するマーク用撮像素子を配置し、
   前記メイン撮像素子と前記マーク用撮像素子との位置関係が予め決められていることを特徴とする位置認識用カメラ。
6. 前記メイン撮像素子と前記マーク用撮像素子との位置関係は、前記メイン撮像素子の中心位置に対する前記マーク用撮像素子の中心位置のオフセット量を事前に測定することにより決められることを特徴とする請求項５に記載の位置認識用カメラ。

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