JPH05296744A

JPH05296744A - 形状測定装置

Info

Publication number: JPH05296744A
Application number: JP4102749A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Goto; 幸博後藤; Mitsuji Inoue; 三津二井上; Kikuyo Koike; 菊代小池; Yuji Fukutome; 裕二福留
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-04-22
Filing date: 1992-04-22
Publication date: 1993-11-09

Abstract

(57)【要約】【目的】測定対象物からの正反射光とその他の光と間違
うことなく選別でき、より高精度で信頼性の高い形状測
定装置を提供することにある。【構成】複数のＬＥＤ２…を任意に点灯させてはんだＳ
を異なる角度から照明し、はんだＳの表面で正反射した
光を撮像し、得られた画像から正反射光の像の位置を求
めてはんだＳの３次元形状を測定する形状測定装置にお
いて、複数の正反射光の像Ａ〜Ｄの相対距離ｌ₁と、リ
−ドの先端１６から複数の正反射光の像Ａ〜Ｄとの間の
距離ｌ₂とを基にしてはんだＳからの反射光の適正を判
断する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、形状測定装置に係り、
特に基板上に電子部品を接合するはんだ等のように鏡面
を有する被測定対象物を測定する形状測定装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、電子部品のはんだ付け状態の検査
は主に目視に頼られていた。近年、このような人手によ
る作業を廃止しようと、自動化のための検査装置や形状
測定装置の開発が行われている。

【０００３】そして、はんだの形状を測定する装置とし
て、例えば本出願人による特願平２−２３９００９号明
細書に記載されているようなものがある。すなわち、こ
の種の形状測定装置は、図７に示すように、中空な半球
状のカバ−１の内側に多数のＬＥＤを取付けるととも
に、これらＬＥＤ２…を経線方向及び緯度方向に所定間
隔で配置している。そして、ＬＥＤ２…は制御装置３に
接続されており、制御装置３によって例えば独立に点灯
制御される。

【０００４】さらに、形状測定装置にはＸ−Ｙテ−ブル
４が備えられており、Ｘ−Ｙテ−ブル４上には基板５が
載置されている。基板５には電子部品６がはんだ付けさ
れており、基板５はカバ−１によって覆われる。ＬＥＤ
２…が１つずつ点灯し、はんだの表面で正反射したＬＥ
Ｄ２…の光がカメラ７に取込まれる。そして、カメラ７
は正反射光の画像デ−タを画像処理装置８へ送る。上述
の形状測定装置の形状測定原理を図８（ａ）、（ｂ）を
用いて説明する。

【０００５】まず、光源（ＬＥＤ２）より測定対象物Ｏ
に光が照射され、このときの画像が撮像装置Ｐによって
撮像される。撮像された画像は、はんだ表面に正反射し
た光を撮らえている。そして、この画像で明るい点は光
源と撮像装置との位置関係から傾きの情報として得られ
る。そこで、この傾きの情報とは下式で求められる。 Θ_i＝９０−（θ_j＋θ_i）／２つまり、予め定まっている光源の測定対象物Ｏに対する
光の入射角度θ_iと撮像装置Ｐの角度θ_jから、撮像さ
れた画像の明るい点の傾きθが求まる。

【０００６】次に光源の位置を変更し、変更後の画像を
撮像装置Ｐにより取込む。このとき光源の位置を変更し
たことで測定対象物Ｏに対する光の入射角度がθ_i+1に
変更される。すなわち、このとき撮像された画像の明る
い点の傾きθ_i+1は下式で求められる。 Θ_i+1＝９０−（θ_j＋θ_i+1）／２以下、同様にΘ₃、Θ₄、…、Θ_xと求めていく。

【０００７】次に傾きΘ₁、Θ₂、…、Θ_xを求めた測
定対象物表面Ｏの形状が求められる。形状を測定する際
には高さ方向の情報が必要である。ここで、測定対象物
の外形形状は、任意の座標（ｘ、ｙ）の高さをｚとする
と、ｚ＝ｆ（ｘ、ｙ）の式で表される。この式は、傾き
を積分することにより求めることができる。つぎに、は
んだの形状測定のための具体的な作業を図９〜図１１に
基づいて説明する。

【０００８】図９中に、はんだＳの表面に生じる明るい
点の例が示されている。図中において、符号Ａ〜Ｄは明
るい点を示している。この明るい点Ａ〜Ｄは点灯するＬ
ＥＤ２…の切換えに伴い、リ−ドＱの延びる方向に沿っ
て一つずつ順に発生する。

【０００９】まず、点Ａがあらわれた場合、点Ａの重心
（代表点）Ｇ₁、及び点Ａのなす傾きΘ₁を求める。そ
して、他のＬＥＤについての明るい点Ｂ〜Ｄがあらわれ
た場合も同様に、各点の重心Ｇ₂〜Ｇ₄、及び各点のな
す傾きΘ₂〜Θ₄が求められる。そして、Ａ〜Ｄの４点
だけではなく５点以上の測定点を設定した場合には、測
定点の数に応じて重心Ｇ₅、Ｇ₆、…、及び傾きΘ₅、
Θ₆、…が求められる。なお、傾き０の領域、すなわち
基板表面は、例えば、はんだＳと基板との境界位置Ｇ₀
を基にして判別される。

【００１０】ここで、図６中において、はんだＳは基板
表面上に隆起しており、リ−ドＱの突出方向に沿って延
びるとともに、リ−ドＱの先端から離れるに従って低く
傾斜している。

【００１１】図６中のＧ₀とＧ₁、Ｇ₁とＧ₂、…はつ
ながりを有していない。そこで、Ｇ₀とＧ₁との中点Ｃ
₀、Ｇ₁とＧ₂との中点Ｃ₁、Ｇ₂とＧ₃との中点
Ｃ₂、…を順次算出する。ここでＣ₁からＣ₂までの面
の傾きをΘ₂と想定して、はんだＳの表面の形状を測定
する。ここでＣ₀からＣ₁までの長さをＬ₁、Ｃ₁から
Ｃ₂までの長さをＬ₂、…とする。このとき、Ｃ₁の高
さＺ₁は下式で算出できる。Ｚ₁＝Ｌ₁× tanΘ₁ 以下、Ｃ₂の高さＺ₂は下式で算出される。Ｚ₂＝Ｌ₂× tanΘ₂＋Ｚ₁ 結局、Ｃ_iの高さＺ_iは下式で算出できる。

【００１２】この検出結果を結ぶことにより図１０に示
したようにはんだＳの断面形状が算出できる。この図１
０では、リ−ドＱと同じ方向のＬＥＤの列を順次点灯さ
せていったが、他のＬＥＤの列を点灯させていくこと
で、図１１のようにはんだＳの全体の三次元形状を検出
することもできる。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、基板５上に
異物、凹凸、フラックス残り、及び、配線パタ−ン等が
存在していると、測定結果はこれらの影響を受け、実際
にははんだＳが存在していない場合であっても散乱光や
正反射光がカメラ７に取込まれることがある。

【００１４】つまり、図１２に示すように、基板５上に
異物９等が存在していると、ＬＥＤ２…からの光が異物
９で反射し、反射光の一部がカメラ７に取込まれる。そ
して、これらの光が、はんだの表面からの正反射光と区
別されない場合には、間違った判断が行われるおそれが
あった。

【００１５】本発明の目的とするところは、測定対象物
からの正反射光とその他の光と間違うことなく選別で
き、より高精度で信頼性の高い形状測定装置を提供する
ことにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段および作用】上記目的を達
成するために本発明は、複数の光源を任意に点灯させて
測定対象物を異なる角度から照明し、測定対象物の表面
で正反射した光を撮像し、得られた画像から正反射光の
像の位置を求めて測定対象物の３次元形状を測定する形
状測定装置において、複数の正反射光の像の相対距離
と、基準位置から複数の正反射光の像との間の距離とを
基にして測定対象物からの反射光の適正を判断すること
にある。

【００１７】こうすることによって本発明は、測定対象
物からの正反射光とその他の光と間違うことなく選別
し、形状測定装置の精度及び信頼性を向上できるように
したことにある。

【００１８】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図５に基づ
いて説明する。なお、従来の技術の項で説明したものと
重複するものについては同一番号を付し、その説明は省
略する。

【００１９】図１は第１の実施例の形状測定装置１１の
構成図である。外乱光を遮る半円球状のカバ−１に光源
としてのＬＥＤ２…を経線方向に１０度毎、緯度方向に
５度ごとに配置してある。このＬＥＤ２…は個々に独立
して点灯可能なようにＬＥＤ制御装置１２に接続されて
いる。

【００２０】また、カバ−１の下方には基板を載置する
載置台としてのＸ−Ｙテ−ブル４が設けられている。ま
た、このＸ−Ｙテ−ブル４はＸ−Ｙテ−ブル制御装置１
３に制御可能に接続されている。

【００２１】さらに、カバ−１の垂線方向に撮像手段と
してのカメラ７が配置されている。このカメラ７は撮像
した画像信号を画像処理装置１４に送信可能に接続され
ており、さらに画像処理装置１４はその処理結果をモニ
タ（図示しない）に表示可能に接続されている。

【００２２】前記ＬＥＤ制御装置１２、Ｘ−Ｙテ−ブル
制御装置１３、及び、画像処理装置１４は全体制御装置
１５に接続されている。これらのうちＬＥＤ制御装置１
２は全体制御装置１５の指令に基づいて特定の一つ又は
複数のＬＥＤ２…を点灯させる。また、Ｘ−Ｙテ−ブル
制御装置１３は、全体制御装置１５の指令に基づいて基
板５を案内し、検査領域を移動させる。

【００２３】また、画像処理装置１４は、カメラ７から
出力された画像デ−タを取込んで所定のアドレスに記憶
する機能を有している。さらに、画像処理装置１４は、
画像デ−タ中に現れた正反射光の位置を求める機能を有
している。次に、上述の形状測定装置１１の作用を説明
する。

【００２４】まず、Ｘ−Ｙテ−ブル４上に測定対象物で
ある電子部品６をはんだ付けした基板７が載置される。
基板７が載置されると全体制御装置１５が指令を発し、
Ｘ−Ｙテ−ブル制御装置１３がＸ−Ｙテ−ブル４を駆動
し、はんだ付け部がカメラ５が撮像する画面の中心に送
られる。これは予め基板７がＸ−Ｙテ−ブル４に位置決
めされており、その情報からＸ−Ｙテ−ブル４を駆動す
ることにより行う。

【００２５】このように、はんだＳを撮像位置に位置合
せした後に、ＬＥＤ制御装置１２が全体制御装置１５か
ら指示された点灯順序に従って、カバ−１に設けられた
ＬＥＤ２…を順番に点灯させていく。そして、ＬＥＤ制
御装置１２はＬＥＤ２…を、例えば経線方向に上から下
へ一つずつ点灯させ、経線方向の一列の点灯が終った後
に列を移してその列のＬＥＤ２…を順に点灯させる。こ
のとき、照明されたはんだ付け部分の画像がカメラ７に
より順次撮像される。

【００２６】このときの画面が図２及び図３に示されて
いる。図２中において、符号２ａ〜２ｄはＬＥＤを示し
ており、矢印Ａ´、Ｂ´、Ｃ´、Ｄ´は、はんだＳの表
面で正反射した光の進路を示している。そして、この正
反射光はカメラ７に入射する。

【００２７】はんだＳは、基板７の表面から隆起すると
ともに、リ−ドＱの突出方向に沿って延びている。そし
て、はんだＳは湾曲しながら、リ−ドＱから遠ざかるほ
ど徐々に低く傾斜している。

【００２８】カメラ７に取込まれる正反射光の像は、図
３に示すように、はんだＳのリ−ドＱの方向に沿って一
列に並ぶ。そして、最も上に位置するＬＥＤ２ａによる
正反射光の像Ａは、はんだＳの先端側に発生し、点灯す
るＬＥＤの位置が下へ移動するほど正反射光の像の位置
はリ−ドＱに近付く。例えば、ＬＥＤ２ｄの照射角度が
θ₁であるとすると、ＬＥＤ２ｄの光を正反射させるは
んだ面の傾斜角度θ₂は下式で与えられる。 θ₂＝（９０−θ₁）／２他のＬＥＤ２ａ〜２ｃについても照射角度は予め知られ
ているため、各ＬＥＤ２ａ〜２ｃの光を正反射させるは
んだ面の傾斜角度は同様に計算される。そこで、正反射
光の像が発生した位置に上述のようにして求められた傾
斜角度を当てはめて合成すれば、はんだＳの三次元形状
が測定される。

【００２９】ここで、はんだＳが適性な形状に凝固し、
はんだＳの断面形状が図２に示すように凹形状であれ
ば、正反射光の像Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは図３及び図４（ａ）
に示すように、リ−ドＱに遠い位置から近い位置へ順に
並ぶ。

【００３０】しかし、例えば、はんだＳが凸形状であれ
ば、正反射光の像Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄは図４（ｂ）に示すよ
うに、リ−ドＱに近い位置から遠い位置へ順に並び、ま
た、はんだＳに角度の変化が少ないときには、図４
（ｃ）に示すように一部の正反射光の像Ｂ、Ｃのみが広
い範囲に発生する。そして、いずれの場合も、三次元形
状を同様な計算法を用いて求めることが可能である。

【００３１】また、形状測定装置１１においては、正反
射光の像Ａ〜Ｄの位置を基に、像Ａ〜Ｄの相対距離と、
リ−ドＱの先端１６から像Ａ〜Ｄまでの距離とが求めら
れ、正反射光が適性であるか否かが選別される。

【００３２】つまり、ＬＥＤ２…の照射に伴って発生す
る散乱光、或いは、はんだＳの表面以外の場所で反射し
た正反射光の特徴として、ＬＥＤ２…の照射角度を変え
てもこのときの散乱光或いは正反射光の像の位置は大き
く変化しないことが挙げられる。このため、図３に示す
ように、正反射光の像Ａ〜Ｄのうち、リ−ドＱに最も遠
い像Ａと最も近い像Ｂとの互いの重心（代表点）間の距
離をｌ₁とし、リ−ドＱの先端１６（基準位置）からリ
−ドＱに最も近い像Ｂとの距離をｌ₂とすると、正反射
光が適正である場合には以下の関係式が成立する。ｌ₁＞ｌ₂ そして、正反射光が適正でない場合、ｌ₁、ｌ₂の関係
は以下のようになる。ｌ₁＜ｌ₂

【００３３】したがって、画像処理装置１４を用いて距
離ｌ₁、ｌ₂の関係を調べれば、正反射光が適正である
か否かを判断することができ、さらに、はんだＳの有無
を正確に知ることができる。そして、形状測定装置１１
に距離ｌ₁、ｌ₂の関係を調べる機能が追加されている
ので、形状測定装置１１の測定精度及び信頼性を向上す
ることが可能となる。

【００３４】ここで、図５に示すようにはんだＳが過剰
に供給され、基板５上で大量に隆起した場合には、はん
だＳの形状は適正であるが、正反射光の像Ａ〜Ｄは、は
んだＳの先端部に集中して現れ、像Ａ〜Ｄの順番が不規
則になる。そして、この場合には、端に位置する像Ａ、
Ｄの距離ｌ₁と、リ−ドＱの先端１６から最も近い像Ｄ
までの距離ｌ₂との関係は以下のようになる。ｌ₁＜ｌ₂ しかし、このような場合測定対象物は、はんだ過多とし
て扱われるため、形状測定装置１１の精度に悪影響が及
ぶことはない。なお、本発明は、要旨を逸脱しない範囲
で種々に変形することが可能である。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、複数の光
源を任意に点灯させて測定対象物を異なる角度から照明
し、測定対象物の表面で正反射した光を撮像し、得られ
た画像から正反射光の像の位置を求めて測定対象物の３
次元形状を測定する形状測定装置において、複数の正反
射光の像の相対距離と、基準位置から複数の正反射光の
像との間の距離とを基にして測定対象物からの反射光の
適正を判断するものである。したがって本発明は、測定
対象物からの正反射光とその他の光と間違うことなく選
別し、形状測定装置の精度及び信頼性を向上できるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す概略構成図。

【図２】本発明の一実施例における正反射の状態を示す
説明図。

【図３】本発明の一実施例における正反射光の像を示す
説明図。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は、はんだの形状に応じて変化
する正反射光の像をそれぞれ示す説明図。

【図５】はんだ過多の状態を示す説明図。

【図６】［図５］の状態において発生する正反射光の像
を示す説明図。

【図７】従来例を示す概略構成図。

【図８】（ａ）及び（ｂ）は測定原理を示す説明図。

【図９】作用を示す説明図。

【図１０】作用を示す説明図。

【図１１】作用を示す説明図。

【図１２】作用を示す説明図。

【符号の説明】

１…カバ−、２…ＬＥＤ（光源）、４…Ｘ−Ｙテ−ブ
ル、７…カメラ、１１…形状測定装置、１２…ＬＥＤ制
御装置、１３…Ｘ−Ｙテ−ブル制御装置、１４…画像処
理装置、１５…全体制御装置、Ｓ…はんだ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者福留裕二神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数の光源を任意に選択しながら点灯さ
せて測定対象物を異なる角度から照明し、上記測定対象
物の表面で正反射した光を撮像し、得られた画像から正
反射光の像の位置を求めて上記測定対象物の３次元形状
を測定する形状測定装置において、複数の正反射光の像
の相対距離と、基準位置から上記複数の正反射光の像と
の間の距離とを基にして上記測定対象物からの反射光の
適正を判断することを特徴とする形状測定装置。