JP6721211B2 - 位置決め装置及び穿孔装置 - Google Patents

Description

本発明は、位置決め装置及び穿孔装置に関する。

カメラによってワークの表面を撮影し、画像処理によってワークの表面の位置決め対象部を示す特徴点の位置情報を取得して、被位置決め部材をワークの位置決め対象部に対して位置決めする位置決め装置が多様な用途に用いられている。

このような位置決め装置としては、例えばプリント基板の製造時にプリント基板にパンチ孔を形成する穿孔装置等を挙げることができる。このような穿孔装置では、ワークであるプリント基板のパターンを画像認識してパンチ孔を形成すべき位置決め対象部の情報を取得し、被位置決め部材であるパンチ及びダイをプリント基板の平面方向に位置決めして位置決め対象部に正対させる。

このような位置決め装置を用いて製造されるプリント基板の精細化が進んでおり、パンチ孔にもより高い位置精度が要求されるようになっている。このため、プリント基板のデザインに際して、位置決め対象部の位置を比較的正確に取得できるよう、位置決め対象部を示す特徴点が位置決め対象部内又はその近傍に配置される。

しかしながら、従来の位置決め装置では、被位置決め部材をカメラの光路の外に配置して位置決め対象部の位置を示す特徴点を隠すことがないようにした状態でワークの表面を撮影して位置情報を取得する必要がある。このため、位置情報の取得後に被位置決め部材を平面方向に比較的大きく移動して位置決め対象部に正対させることになる。このように、被位置決め部材の移動距離が大きくなると、例えば振動によるワークの位置ずれ、サーボシステムの精度等に起因して位置決め誤差が大きくなるという問題が生じる。

これに対して、穿孔装置用の位置決め装置において、パンチを位置決め対象部に正対させた状態でもパンチ直下のワーク表面をカメラで撮影できるよう、パンチの側方に光軸がワーク表面の法線方向に対して傾斜するようカメラを配設する構成が提案されている（特開２００２−２６４０８３号公報参照）。

前記公報に記載されるように、カメラの光軸を傾斜させると、光軸の傾斜方向の前後位置によってワーク表面の被写体距離（対物レンズと被写体との光軸方向の距離）が異なるものとなる。このため、前記公報に記載の構成では、光軸の傾斜方向の位置決め精度に限界がある。

また、前記公報には、プリント基板とパンチとの間に鏡を配置して、プリント基板の表面の法線方向から位置決め対象部を見た画像を撮影する構成も記載されている。

しかしながら、このように鏡を用いる構成では、パンチでプリント基板を打ち抜くときには鏡を側方に退避させる必要がある。この鏡の移動は穿孔動作のサイクルタイムを増大させるおそれがある。また、このような鏡の駆動に伴う振動によっても、プリント基板が位置ずれするおそれがある。

特開２００２−２６４０８３号公報

前記不都合に鑑みて、本発明は、比較的位置決め精度が高い位置決め装置及び穿孔装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するためになされた発明は、ワークの表面を撮影して位置情報を取得することにより被位置決め部材をワークに対して位置決めする位置決め装置であって、前記ワークの表面の法線方向視で光軸が交差するよう傾斜した方向から撮影する複数のカメラと、前記複数のカメラの撮影画像における特徴点の座標のうち、撮影したカメラの光軸に垂直な平面とワーク表面との交線方向の座標成分を抽出し、抽出した座標成分を組み合わせることにより、特徴点の多次元の座標を特定する画像処理部とを備えることを特徴とする位置決め装置である。

前記複数のカメラの光軸に垂直な面とワーク表面との複数の交線が互いに垂直であるとよい。

前記ワーク表面に対するカメラの光軸の傾斜角度としては、３０度以上７０度以下が好ましい。

前記被位置決め部材が複数のカメラから独立してワーク表面の法線方向に駆動されるとよい。

前記課題を解決するためになされた別の発明は、当該位置決め装置と前記被位置決め部材とを備え、前記被位置決め部材がパンチ及びダイである穿孔装置である。

本発明の位置決め装置及び穿孔装置は、ワークの表面の法線方向視で光軸が異なる方向に傾斜した複数のカメラを備えることによって、被位置決め部材をワーク表面の特徴点に略正対させた状態で複数のカメラによってワーク表面を撮影して特徴点の位置情報を取得できる。また、当該位置決め装置及び穿孔装置は、各カメラの撮影画像における特徴点の座標のうち、撮影したカメラの光軸に垂直な平面とワーク表面との交線方向の座標成分を抽出し、抽出した座標成分を組み合わせることにより、特徴点の多次元の座標を特定するので、カメラの光軸を傾斜させたことによる誤差が殆ど生じないため、位置決め精度が高い。

本発明の一実施形態の穿孔装置の構成を示す模式的側面図である。 図１の穿孔装置におけるカメラの配置を示す模式的平面図である。 本発明の図１とは異なる実施形態の穿孔装置の構成を示す模式的側面図である。

以下、適宜図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を詳説する。

［第一実施形態］
図１に示す本発明の第一実施形態に係る穿孔装置は、プリント基板（ワーク）Ｐにパンチ孔を形成する装置である。

当該穿孔装置は、それ自体が本発明の一つの実施形態である位置決め装置１と、この位置決め装置１によって位置決めされる被位置決め部材としてパンチ２及びダイ３とを備える。

当該穿孔装置は、図示しないが、例えばプリント基板Ｐを把持する把持機構、位置決め装置１を制御する制御装置等をさらに備えることができる。

＜位置決め装置＞
位置決め装置１は、パンチ２及びダイ３をそれぞれプリント基板Ｐの表面の法線方向に移動させる１対の昇降機構４と、この昇降機構４を保持し、プリント基板Ｐの平面方向にそれぞれ位置決め可能な１対の直交座標型ロボット５と、一方の直交座標型ロボット５により昇降機構４と共に保持される複数のカメラ（第１カメラ６及び第２カメラ７）と、この複数のカメラ６，７の撮影画像を解析する画像処理部８とを備える。

さらに、位置決め装置１は、直交座標型ロボット５に対して昇降機構４又は昇降機構４に対してパンチ２及びダイ３をプリント基板Ｐの表面の法線方向の軸を中心に回転位置決めする回転機構（不図示）を備えてもよい。

＜パンチ及びダイ＞
パンチ２及びダイ３としては、従来と同様に、プリント基板Ｐの打ち抜き形状に対応する平面形状を有するパンチ２と、パンチ２が嵌合する開口を有するダイ３とを使用することができる。

（昇降機構）
位置決め装置１の昇降機構４は、パンチ２の穿孔動作、つまりパンチ２をダイ３の開口に挿入する動作を行うことができるよう、パンチ２及びダイ３をプリント基板Ｐの表裏面に当接又は近接させる。

昇降機構４は、さらにパンチ２の穿孔動作を行うものであってもよい。つまり、パンチ２の穿孔動作は、パンチ２自体に出退機構を設けることで行ってもよく、昇降機構４を利用して行ってもよい。

昇降機構４としては、例えばリニアモーター、ボールねじ等を用いるサーボ機構の他、例えばエアシリンダーや油圧シリンダー等の直動機構を用いてもよい。

（直交座標型ロボット）
直交座標型ロボット５の構成としては、プリント基板Ｐに平行な一方向に延び、プリント基板Ｐに平行な方向に並んだ１対の第１ガイドと、この第１ガイドに沿って移動する１対の第１移動体と、この１対の第１移動体間にプリント基板Ｐの表面の法線方向視で第１ガイドと直交方向に掛け渡される１対の第２ガイドと、この第２ガイドに沿って移動し、昇降機構４を保持する第２移動体とを有するものとすることができる。

（カメラ）
第１カメラ６及び第２カメラ７は、パンチ２を保持する昇降機構４を位置決めする直交座標型ロボット５に保持され、パンチ２と共にプリント基板Ｐの平面方向に移動する。

この第１カメラ６及び第２カメラ７は、プリント基板Ｐの穿孔すべき対象部の位置情報を取得するために、プリント基板Ｐの表面の画像を撮影し、後述する画像処理部８に画像データを提供する。

第１カメラ６及び第２カメラ７は、パンチ２の側方に、図２に示すように、プリント基板Ｐの表面の法線方向視で光軸（第１カメラ６の光軸Ｘ１及び第２カメラ７の光軸Ｘ２）が交差するよう傾斜した方向からプリント基板Ｐの表面を撮影するよう配設される。

プリント基板Ｐの表面の法線方向視での第１カメラ６の光軸Ｘ１及び第２カメラ７の光軸Ｘ２の相対角度θとしては、パンチ２のプリント基板Ｐの平面方向の位置決めに用いる座標系の座標軸の相対角度（通常は９０度）と等しいことが好ましい。換言すると、第１カメラ６の光軸Ｘ１に垂直な平面とプリント基板Ｐの表面との交線及び第２カメラ７の光軸Ｘ２に垂直な平面とプリント基板Ｐの表面との交線が互いに垂直であれば、プリント基板Ｐの特徴点の平面方向の直交座標系における座標を比較的簡単に特定することができる。

プリント基板Ｐの表面の法線方向視における第１カメラ６の光軸Ｘ１の向き及び第２カメラ７の光軸Ｘ２の向きは、座標変換（行列演算）することなくパンチ２の平面方向の位置決めに用いることができるよう、直交座標型ロボット５の座標系の各軸方向と一致することが好ましい。

第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸のプリント基板Ｐの表面に対する傾斜角度の下限としては、３０度が好ましく、４０度がより好ましい。一方、第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸のプリント基板Ｐの表面に対する傾斜角度の上限としては、７０度が好ましく、６０度がより好ましい。第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸のプリント基板Ｐの表面に対する傾斜角度が前記下限に満たない場合、撮影画像の歪みが大きくなることで、位置決め精度が不十分となるおそれがある。逆に、第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸のプリント基板Ｐの表面に対する傾斜角度が前記上限を超える場合、第１カメラ６及び第２カメラ７がパンチ２に干渉するおそれや、プリント基板Ｐのパターンがパンチに隠れて位置情報の取得ができなくなるおそれがある。第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸のプリント基板Ｐの表面に対する典型的な傾斜角度としては、４５度とすることができる。第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸のプリント基板Ｐの表面に対する傾斜角度を４５度とすれば、直交座標型ロボット５によって第１カメラ６及び第２カメラ７を保持するための部材の加工が容易になり、市販品を利用できる可能性も大きくなる。

第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像面積の下限としては、平面視でパンチ２に外接する方形の面積の１．２倍が好ましく、１．５倍がより好ましい。一方、第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像面積の上限としては、平面視でパンチ２に外接する方形の面積の１０倍が好ましく、５倍がより好ましい。第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像面積が前記下限に満たない場合、必要な情報を画像内に収めることができず画像処理で特徴点の位置を認識できないおそれがある。逆に、第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像面積が前記上限を超える場合、後述する画像処理部８での画像処理の演算負荷が不必要に増大するおそれがある。

また、第１カメラ６及び第２カメラ７は、直交座標型ロボット５によって昇降機構４と並列に保持されているので、昇降機構４がパンチ２を第１カメラ６及び第２カメラ７から独立してプリント基板Ｐの表面の法線方向に駆動することができる。つまり、第１カメラ６及び第２カメラ７は、プリント基板Ｐの表面の法線方向には移動しないので、プリント基板Ｐの表面からの距離が常に一定になるよう保持される。これにより、撮影画像中での距離と実際の空間における距離との関係が一定となり、より正確に座標を特定することができる。

なお、パンチ２とは異なる被位置決め部材であるダイ３については、プリント基板Ｐに対して第１カメラ６及び第２カメラ７とは反対側に位置しているため、第１カメラ６及び第２カメラ７を用いた位置情報の取得に影響することや、第１カメラ６及び第２カメラ７と物理的に干渉することはない。また、ダイ３は、第１カメラ６及び第２カメラ７と異なる直交座標型ロボット５によって位置決めされるため、当然ながら、対応する昇降機構４によってカメラ６及び第２カメラ７から独立してプリント基板Ｐの表面の法線方向に駆動される。

第１カメラ６及び第２カメラ７の被写体距離（光軸上における対物レンズからプリント基板Ｐまでの距離）の下限としては、第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像範囲の平均幅の３倍が好ましく、５倍がより好ましい。一方、第１カメラ６及び第２カメラ７の被写体距離の上限としては、第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像範囲の平均幅の３０倍が好ましく、２０倍がより好ましい。第１カメラ６及び第２カメラ７の被写体距離が前記下限に満たない場合、第１カメラ６及び第２カメラ７のパンチ２との物理的な干渉を避けられないおそれがある。逆に、第１カメラ６及び第２カメラ７の被写体距離が前記上限を超える場合、当該位置決め装置１が不必要に大きくなるおそれや、撮影画像の分解能が低下することで位置決め精度が不十分となるおそれがある。なお、「撮像範囲の平均幅」とは撮像範囲の面積の平方根として算出される値を意味する。

（画像処理部）
画像処理部８は、第１カメラ６及び第２カメラ７が撮影した各画像データを公知の画像処理技術によって解析して、撮影画像におけるプリント基板Ｐのパターンの特徴点の座標をそれぞれ特定し、この特徴点の座標のうち、撮影したカメラの光軸に垂直な平面とプリント基板Ｐの表面との交線方向の座標成分を抽出する。

画像処理部８が座標成分を抽出する方向は、第１カメラ６及び第２カメラ７の直交座標型ロボット５への取り付けによって定められる。このため、画像処理部８は、第１カメラ６及び第２カメラ７が撮影した画像から抽出すべき座標成分の方向を予め記憶しておく。

画像処理部８は、第１カメラ６及び第２カメラ７が撮影した画像から抽出した異なる方向の座標成分を組み合わせることにより、プリント基板Ｐのパターンの特徴点の２次元の座標を特定する。

典型的には、プリント基板Ｐの表面の法線方向視で第１カメラ６の光軸Ｘ１と第２カメラ７の光軸Ｘ２とが互いに垂直となるよう傾斜させ、かつ第１カメラ６及び第２カメラ７の各撮影画像における縦軸が光軸Ｘ１，Ｘ２の傾斜方向に一致するよう配置する。この場合、各撮影画像における特徴点の横軸方向の座標成分だけを抽出し、一方の撮影画像から抽出した座標成分をそのまま横軸方向の座標成分とし、他方の撮影画像から抽出した座標成分をそのまま縦軸方向の座標成分として組み合わせれば、特徴点の２次元の座標が特定できる。

なお、画像処理において座標成分を抽出する特徴点は、プリント基板Ｐの導電パターンの中で予め設定される特徴的な形状の部分であってもよく、プリント基板Ｐに画像処理専用に設けられるマーキングであってもよい。

画像処理部８は、例えばパーソナルコンピューター等に画像処理プログラムをインストールすることよって構成することができる。この画像処理部８は、昇降機構４及び直交座標型ロボット５を制御するコンピューターと一体とすることができる。つまり、画像処理部８は当該位置決め装置の制御装置の機能の一部として、より具体的には制御プログラム中のパートプログラムやサブルーチンによって実現することができる。

＜利点＞
当該穿孔装置は、プリント基板Ｐの表面の法線方向視で光軸が異なる方向に傾斜した第１カメラ６及び第２カメラ７を備えることによって、パンチ２及びダイ３をプリント基板Ｐ表面の特徴点に略正対させた状態で第１カメラ６及び第２カメラ７によってプリント基板Ｐ表面を撮影して特徴点の位置情報を取得できるので、位置情報取得後の移動量が小さく位置決め誤差を抑制できる。

また、当該穿孔装置は、第１カメラ６及び第２カメラ７の撮影画像から特徴点の座標のうち、撮影したカメラの光軸Ｘ１，Ｘ２に垂直な平面とプリント基板Ｐの表面との交線方向、つまりプリント基板Ｐの表面の被写体距離が一定となる方向の座標成分を抽出し、抽出した座標成分を組み合わせることにより、プリント基板Ｐの特徴点の多次元の座標を特定するので、第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸を傾斜させたことによる誤差が殆ど生じないため、位置決め精度が高い。

［第二実施形態］
図３に示す本発明の第二実施形態に係る穿孔装置は、プリント基板（ワーク）Ｐにパンチ孔を形成する装置である。

当該穿孔装置は、それ自体が本発明の一つの実施形態である位置決め装置１ａと、この位置決め装置１ａによって位置決めされる被位置決め部材としてパンチ２及びダイ３とを備える。当該穿孔装置は、図示しないが、例えばプリント基板Ｐを把持する把持機構、位置決め装置１ａを制御する制御装置等をさらに備えることができる。

図３の穿孔装置におけるパンチ２及びダイ３の構成は、図１の穿孔装置におけるパンチ２及びダイ３の構成と同様とすることができる。このため、図３の穿孔装置について、図２の穿孔装置と重複する説明は省略する。

＜位置決め装置＞
位置決め装置１ａは、パンチ２及びダイ３をそれぞれプリント基板Ｐの表面の法線方向に移動させる１対の昇降機構４と、この昇降機構４を保持し、プリント基板Ｐの平面方向にそれぞれ位置決め可能な１対の直交座標型ロボット５と、一方の直交座標型ロボット５により昇降機構４と共に保持される複数のカメラ（第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａ）と、この複数のカメラ６ａ，７ａの撮影画像を解析する画像処理部８と、複数のカメラ６ａ，７ａの光軸を屈曲させる複数の反射鏡（第１反射鏡９及び第２反射鏡１０）とを備える。

さらに、位置決め装置１ａは、直交座標型ロボット５に対して昇降機構４又は昇降機構４に対してパンチ２及びダイ３をプリント基板Ｐの表面の法線方向の軸を中心に回転位置決めする回転機構（不図示）を備えてもよい。

図３の穿孔装置の位置決め装置１ａにおける昇降機構４、直交座標型ロボット５及び画像処理部８の構成は、図１の穿孔装置の位置決め装置１における昇降機構４、直交座標型ロボット５及び画像処理部８の構成と同様とすることができる。

（カメラ）
図３の穿孔装置の位置決め装置１ａにおける第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａは、図１の穿孔装置の位置決め装置１における第１カメラ６及び第２カメラ７と、その配置を除いて同様とすることができる。

第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａは、プリント基板Ｐに表面に正対して配設されるが、第１反射鏡９及び第２反射鏡１０によって光軸が屈曲させられることにより、プリント基板Ｐの表面の法線方向視で光軸が交差するよう傾斜した方向からプリント基板Ｐの表面を撮影する。

図３の穿孔装置の位置決め装置１ａにおける第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａの第１反射鏡９又は第２反射鏡１０からプリント基板Ｐまでの光軸の相互の相対角度及びプリント基板Ｐに対する角度としては、図１の穿孔装置の位置決め装置１における第１カメラ６及び第２カメラ７の光軸の相互の相対角度及びプリント基板Ｐに対する角度と同様とすることができる。

また、図３の穿孔装置の位置決め装置１ａにおける第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａによるプリント基板Ｐの表面の撮像面積、並びに第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａの被写体距離は、図１の穿孔装置の位置決め装置１における第１カメラ６及び第２カメラ７によるプリント基板Ｐの表面の撮像面積、並びに第１カメラ６及び第２カメラ７の被写体距離と同様とすることができる。

（反射鏡）
第１反射鏡９及び第２反射鏡１０は、第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａの光軸を屈曲させることにより、プリント基板Ｐの表面の法線方向に対して傾斜させる。

この第１反射鏡９及び第２反射鏡１０は、第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａとの相対位置が変化しないよう、直交座標型ロボット５によって保持されることが好ましい。また、第１反射鏡９及び第２反射鏡１０は、パンチ２の昇降動作を阻害しないよう平面視でパンチ２と重複しないよう配置される。

当該穿孔装置は、第１反射鏡９及び第２反射鏡１０を備えることにより第１カメラ６ａ及び第２カメラ７ａをパンチ２の近傍に配設することができるので、装置を小型化することができる。

［その他の実施形態］
前記実施形態は、本発明の構成を限定するものではない。従って、前記実施形態は、本明細書の記載及び技術常識に基づいて前記実施形態各部の構成要素の省略、置換又は追加が可能であり、それらは全て本発明の範囲に属するものと解釈されるべきである。

当該位置決め装置は、例えば複数のプローブを有する電気検査ヘッドをプリント基板等に当接させる電気検査装置等、穿孔装置以外の装置に使用されてもよい。

当該位置決め装置は、カメラを３つ以上有してもよく、３つ以上のカメラを用いて３次元の位置を特定してもよい。

当該位置決め装置は、昇降機構によってカメラが保持されてもよい。この場合、撮影の度に被写体距離が異なると、その都度座標を補正する必要が生じるため、撮影時には被写体距離が一定になるよう、カメラをワーク表面の法線方向の一定の位置に位置決めすることが好ましい。

当該位置決め装置は、例えば多関節ロボット等、直交座標型ロボット以外の駆動システムを備えるものであってもよい。

当該位置決め装置は、ワークの一方側に、単一の駆動システム（例えば直交座標型ロボット及び昇降機構）を備えるものであってもよく、ワークの両側の駆動システムの構成や自由度が互いに異なってもよい。具体例としては、プリント基板用穿孔装置においてダイを位置決めする駆動システムは、直交座標型ロボットのみからなり昇降機構を有せず、ダイをプリント基板の下面に近接した状態に保持し、プリント基板の表面の平面方向にのみダイを位置決めするものであってもよい。

当該位置決め装置は、被位置決め部材の平面位置が固定され、ワークが平面方向に位置決めされるものであってもよい。

本発明に係る位置決め装置及び穿孔装置は、プリント基板の製造に特に好適に利用することができる。

１，１ａ 位置決め装置
２ パンチ（被位置決め部材）
３ ダイ（被位置決め部材）
４ 昇降機構
５ 直交座標型ロボット
６，６ａ 第１カメラ
７，７ａ 第２カメラ
８ 画像処理部
９ 第１反射鏡
１０ 第２反射鏡
Ｐ プリント基板（ワーク）
Ｘ１，Ｘ２ 光軸
θ プリント基板の表面の法線方向視での光軸の相対角度

Claims (5)

1. ワークの表面を撮影して位置情報を取得することにより被位置決め部材をワークに対して位置決めする位置決め装置であって、
   複数のカメラと、
   前記複数のカメラの各々が、前記ワークの表面の法線方向視で光軸が交差するよう傾斜した方向から撮影するように、前記複数のカメラの各々の光軸を屈曲させる複数の反射鏡と、
   前記複数のカメラの撮影画像における特徴点の座標のうち、撮影したカメラの前記反射鏡により屈曲された光軸に垂直な平面とワーク表面との交線方向の座標成分を抽出し、抽出した座標成分を組み合わせることにより、特徴点の多次元の座標を特定する画像処理部と
   を備えることを特徴とする位置決め装置。
2. 前記反射鏡により屈曲された前記複数のカメラの光軸に垂直な面とワーク表面との複数の交線が互いに垂直である請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記ワーク表面に対する前記反射鏡により屈曲された光軸の傾斜角度が３０度以上７０度以下である請求項１又は請求項２に記載の位置決め装置。
4. 前記被位置決め部材が複数のカメラから独立してワーク表面の法線方向に駆動される請求項１、請求項２又は請求項３に記載の位置決め装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位置決め装置と前記被位置決め部材とを備え、
   前記被位置決め部材がパンチ及びダイである穿孔装置。
   

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