JP4324442B2 - 部品データ生成装置及び電子部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品データ生成装置及び電子部品実装装置、更に詳細には、不規則に配置された電極を配列した電子部品を位置決めするための部品データを生成する装置、及び該データ生成装置を備えた電子部品実装装置に関するものである。

従来から、部品供給装置から供給される電子部品（以下単に部品という）を吸着ノズルで吸着して回路基板の所定位置に搭載し基板を生産する電子部品実装装置が知られている。実装される各部品に関して搭載位置などの搭載に必要な部品データが予め作成されており、実装機は、その部品データに基づいて部品認識、すなわち部品の吸着姿勢（位置ずれ、角度ずれ）を認識して、部品の位置決めを行い部品を所定の基板位置に実装している。

部品が、例えば、図７（Ａ）に示すように、ＢＧＡ（ボールグリッドアレイ）部品４０である場合には、半田電極４０ａが縦横方向に等ピッチにて格子状に配置されており、実装機において部品データを作成する際には、電極数、電極直径、縦横方向の電極ピッチ間隔などの諸元を入力し、電極の配置パターン有無を設定することにより部品データを生成することができ、実装機において該データを用いて部品認識、部品搭載を行っている。また、図７（Ｂ）に示すように、電極４１ａの配列が格子配列上にない部品４１の場合には、例えば、部品４１の中心位置座標を（０、０）として各電極の中心位置座標を定義することにより部品データを生成し、実装機において該部品データを用いて部品認識、搭載を行っていた。

また、部品データを作成するとき、入力された部品の諸元に基づいて部品の画像を寸法値とともに表示し、生成される部品データが正確なものであるかを検証できるようにすることが知られている（特許文献１）。
特開２００３−１１５７００号公報（請求項１、図３）

しかしながら、図８に示されるように格子配列上にない電極４２ａの数が多い部品４２のような場合には、（図８には１００個の電極を示すが１０００個を超える電極をもつ部品も実在する）、各電極座標の位置を各々入力する場合はデータ作成に非常に時間がかかり、データ作成の効率が非常に悪いという問題点があった。

また、電極の座標データがＣＡＤデータなどのように既知である場合はよいが、座標データすら存在しない場合は、３次元計測などを用い座標を計測してから入力するなどの必要があり、データ作成にかなりの時間を必要としていた。また、データ入力ミス、計測ミスにより正しく認識ができない場合は、データ作成を最初から実施しなければならずデータ生成における時間のロスが発生するという問題があった。

本発明は、このような問題点を解決するもので、複雑な電極配列をもつ電子部品でも、確実にしかも正確に部品データを作成することができ、高精度の部品認識や部品の位置決めが可能な部品データ作成装置、及び該部品データ作成装置を備えた電子部品実装装置を提供することを課題とする。

本発明（請求項１）は、
電極を配列した電子部品を認識するための部品データを生成する部品データ生成装置において、
電子部品を撮像する撮像手段と、
撮像された電子部品の画像上でカーソルにより少なくとも２点の位置を教示して、基準角度０°での画像に変換し、該基準角度０°での画像に対して電極の諸元を計測する領域を設定する設定手段と、
設定された領域にある電極の諸元を計測し、電極の諸元に関するデータを生成するデータ生成手段と、
生成された電極の諸元に関するデータを記憶する記憶装置と、
該電子部品の画像を処理して部品認識が可能かどうか確認する手段とを備え、
電子部品を回路基板に搭載するとき記憶装置から前記データが読み出され、読み出されたデータに基づき電子部品の認識が行われることを特徴とする。

また、本発明（請求項３）は、
電極を配列した電子部品を吸着ノズルで吸着して回路基板に実装し基板を生産する電子部品実装装置において、
基板生産開始前に電子部品を吸着ノズルで吸着して電子部品を撮像する撮像手段と、
撮像された電子部品の画像上でカーソルにより少なくとも２点の位置を教示して、基準角度０°での画像に変換し、該基準角度０°での画像に対して電極の諸元を計測する領域を設定する設定手段と、
設定された領域にある電極の諸元を計測し、電極の諸元に関するデータを生成するデータ生成装置と、
生成された電極の諸元に関するデータを記憶する記憶装置と、
該電子部品の画像を処理し部品認識が可能かどうかを確認する手段と、
基板生産時、前記生成されたデータを記憶装置から読み出し、読み出されたデータに基づいて電子部品の認識を行い電子部品の回路基板への搭載を制御する制御手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、電子部品を直接撮像手段で撮像し、その画像を処理して電極の座標位置や寸法などの諸元を測定し、部品認識や部品位置決めのための部品データを作成しているので、配置に規則性がない電極を多数有する部品であっても、その部品の認識に必要なデータを容易に生成することが可能となる。

また、本発明では、実際の部品を吸着ノズルで吸着して、その吸着された部品の画像から当該部品を認識するためのデータを生成しているので、データ作成と同時に、該データに基づいて部品の認識が可能かどうかを検証することができ、データの信頼性を高めることができる。

本発明は、電極配置に規則性のない部品のデータを自動的に生成することを可能とし、作業者によるデータ生成時間を大幅に削減し、また、ミスせずにデータ生成することを可能にするデータ生成装置であり、電子部品実装機に本データ生成装置を備えることにより、不規則な電極配置の部品でも容易にしかも確実に部品認識を行って部品の搭載を可能にするものである。以下に、本発明を、図面に示す実施例に従って詳細に説明する。

図１は、部品データ生成装置を備えた電子部品実装装置の概略図であり、同図に示すように、電子部品実装装置１は、中央部から少し後方で左右方向に延在する回路基板搬送路１５と、装置１の前部（図示の下側）に配設され、回路基板１０に実装される部品を供給する部品供給部１１と、装置１の前部に配設されたＸ軸移動機構１２とＹ軸移動機構１３を備えている。

Ｘ軸移動機構１２は、部品を吸着する吸着ノズル１３ａを備えた吸着ヘッド部１３をＸ軸方向に移動させ、またＹ軸移動機構１３は、Ｘ軸移動機構１２並びに吸着ヘッド部１３をＹ軸方向に移動させる。また装着ヘッド部１３は、吸着ノズル１３ａを垂直方向（Ｚ軸方向）に昇降可能に移動させるＺ軸移動機構を備え、また吸着ノズルをノズル軸（吸着軸）を中心に回転させるθ軸移動機構を備えている。また、吸着ヘッド部１３には、支持部材に取り付けるようにして、回路基板１０上に形成された基板マークを撮像する基板認識カメラ１７が搭載されている。また、部品供給部１１の側部には、吸着ノズル１３ａに吸着された部品を下方から撮像する部品認識カメラ（撮像手段）１６が配置されている。

図２は電子部品実装装置の制御系の構成を示している。２０は、装置全体を制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭなどからなるコントローラ（制御手段）であり、これに以下の２１〜３１の構成が接続され、それぞれを制御している。

Ｘ軸モータ２１は、Ｘ軸移動機構１２の駆動源で、吸着ヘッド部１３をＸ軸方向に移動させ、また、Ｙ軸モータ２２は、Ｙ軸移動機構１３の駆動源で、Ｘ軸移動機構１２をＹ軸方向に駆動し、それにより吸着ヘッド部１３はＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。

Ｚ軸モータ２３は、吸着ノズル１３ａを昇降させるＺ軸駆動機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１３ａをＺ軸方向（高さ方向）に昇降させる。また、θ軸モータ２４は、吸着ノズル１３ａのθ軸回転機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１３ａをそのノズル中心軸（吸着軸）を中心にして回転させる。

画像認識装置２７は、吸着ノズル１３ａに吸着された部品１８の画像認識を行うもので、Ａ／Ｄ変換器２７ａ、メモリ２７ｂ及びＣＰＵ２７ｃから構成される。そして、吸着された部品１８を撮像した部品認識カメラ１６から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器２７ａによりデジタル信号に変換してメモリ２７ｂに格納し、ＣＰＵ２７ｃがその画像データに基づいて吸着された部品の認識を行う。すなわち、画像認識装置２７は、部品中心と吸着角度を演算し、部品の吸着姿勢を認識する。また、画像認識装置２７は、基板認識カメラ１７で撮像された基板マークの画像を処理して基板マーク位置を演算する。

また、画像認識装置２７は、部品認識カメラ１６で撮像された部品１８の画像データを処理して、部品に配列された電極の座標値（座標位置）や電極の寸法など部品の諸元を計測し、部品搭載時に行われる部品認識のためのデータを生成するデータ生成手段の機能も有する。

キーボード２８とマウス２９は、部品データなどのデータを入力するために用いられる。

記憶装置３０は、フラッシュメモリなどで構成され、データ生成手段で生成された部品データ、キーボード２８とマウス２９により入力された部品データ、及び不図示のホストコンピュータから供給される部品データなどを格納するのに用いられる。

表示装置（モニタ）３１は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１６で撮像した部品１８の画像などをその表示面３１ａに表示する。

以下に、部品実装機において、複雑な電極配置（規則性のない電極配置）を有する部品のデータを生成する生成手順を、図３の流れに従って説明する。この手順は、基板生産開始前にコントローラ２０のＲＯＭ、あるいはＲＡＭに格納されたデータ生成プログラムにより順次実行される。

電子部品実装装置１において、吸着ヘッド部１３は、コントローラ２０の制御の元に部品供給部１１へ移動し、吸着ノズル１３ａがデータを作成すべき部品１８を吸着したあと、部品認識カメラ１６へ移動し、部品１８が部品認識カメラ１６で撮像され、その画像が表示装置３１の画面３１ａに表示される。

データ生成プログラムが起動されると、表示装置３１には、パラメータ選択画面が表示されるので、ボール電極か、ランド電極かなどのパラメータを入力する（ステップＳ１）。

表示装置３１の画面３１ａには、図４に示すように、部品１８の画像とクロスカーソル３１ｂ、３１ｃが表示されるので（ステップＳ２）、このクロスカーソルにより、図４（Ａ）、（Ｂ）に示すように、部品１８の傾きが０°に整えられる少なくとも２点（電極）１８ａと１８ｂの位置を教示し、図４（Ｃ）に示すように、この２点１８ａ、１８ｂを結ぶ線３１ｄを部品の画像の傾き（吸着ノズルによる部品の吸着傾きに相当）としてティーチングする（ステップＳ３）。そして、線３１ｄが水平のカーソル線３１ｂと一致するように、θ軸モータ２４を回転させることにより吸着ノズル１３ａを回転して部品の画像を回転させる。これにより、部品１８の画像は、傾きが０°、すなわち基準角度の画像に補正され、部品が基板に搭載されるとき吸着された部品の辺が基準線（例えば基板の１辺）に対してなす角度が０°となる角度（基準角度）の画像に変換される。この基準角度となる位置を基準位置として画像データに基づいて部品データが生成される。なお、部品の画像データは、部品１８を回転させずにその画像データを回転させてもよい。

部品がこのように基準角度（傾き０°）に整えられた後に、図５（Ａ）に示すようにクロスカーソルにおいて部品１８の中心位置１８’を教示する（ステップＳ４）。この場合、ウィンドウカーソルや実際の部品の移動により部品中心を設定するようにしてもよい。

部品中心位置１８’が確定した後、測定開始命令を実行して（ステップＳ５）、ウィンドウカーソル３２を画面に表示し（ステップＳ６）、図５（Ｂ）に示すように、電極座標を計測する領域をウィンドウカーソル３２にて選択し、計測領域をティーチングし、設定する（ステップＳ７、領域設定手段）。この時、ウィンドウカーソルは複数回表示させ座標計測を必要とする電極のみが選択されるように設定してもよいし、また、計測対象外としたい部分がある場合、除外する領域を設定できるようにしてもよい。このような、処理がステップＳ６からＳ９に図示されている。

以上のようにして、部品の中心位置及び、電極の座標を計測する領域が設定された後に、計測開始コマンドを実行する（ステップＳ１０）。これにより、画像認識装置２７のＣＰＵ２７ｃは、メモリ２７ｂに取り込まれた部品の画像（基準角度の画像に変換されている）のうち、ウィンドウカーソル３２で設定された画像内のデータを処理して、各電極の位置座標と電極サイズを計測し、各電極の座標値と電極サイズのデータを生成する。

以下に、電極がボール電極である部品（ＢＧＡ）であるときに、ボール電極の座標、そのボール径の計測方法を説明する。

画像認識装置２７は、ウィンドウカーソル３２で設定された計測領域の画像データを、図６（Ａ）で矢印線３３で示すように、画像データの１ラインにそって画素ごとに左側から順次読み出し、その画素の濃度データが、予め設定されたしきい値より高い値が検出されると、その画素データの座標値を記録し、また該しきい値より低くなったらその画素データの座標値も記録する。一つのラインについてこのような処理が終了すると、次のラインについても同様な処理を行い、順次各ラインの各画素ごとに、その濃度データを調べる。

例えば、図６（Ｂ）に示したように、ライン３３ａにある画素データで、最初に濃度データがしきい値を超えるのは、ボール電極１８ｃの上端部エッジにある画素が処理されるときである。従って、最初にボール電極１８ｃのエッジが検出される。例えば、ライン３３ｂの各画素を読み出すと、ボール電極１８ｄのエッジを検出するが、このエッジの画素の座標値は、電極１８ｃのものとかなり離れているので、記録しないようにする。このような処理を各ラインの各画素ごとにその濃度データをしきい値と比較することにより、ボール電極１８ｃの円周（エッジ）に沿った各画素の座標値を求め、それを記録することができる。

このように電極のエッジ位置が検出されると、各エッジの画素のうち、縦方向（Ｙ方向）に最大の座標値Ｙ２をもつ画素位置が電極の上端であり、また、最小の座標値Ｙ１をもつ画素位置が電極の下端であり、また横方向（Ｘ方向）に最大の座標値Ｘ２をもつ画素位置が電極の右端であり、最小の座標値Ｘ１をもつ画素位置が電極の左端である。従って、Ｙ１とＹ２の平均値を、電極の中心のＹ座標とし、Ｘ１とＸ２の平均値を電極の中心のＸ座標とする。また、電極の直径は、（Ｙ２―Ｙ１）あるいは（Ｘ２―Ｘ１）、あるいは（Ｙ２―Ｙ１）と（Ｘ２―Ｘ１）の平均値とする。

このようにして一つのボール電極の中心位置、直径が求まると、再び、最初のラインから各画素ごとにその濃度データをしきい値と比較し、電極のエッジ検出を行う。なお、この時、既に検出した電極のデータ（電極の諸元）は塗りつぶし、２度と同じ位置を検出しないようにしておくと、誤検出することがない。

また、電極のエッジ位置検出では、射影を用いる方法もある。まず画像に細線化処理を施すことにより、画像の電極が圧縮されて、電極の中心にほぼ一画素だけ濃度を持つ画像を作成する。細線化処理によって濃度を持った画素は、電極のおおよその中心位置を指し示しているので、その画素の位置から、元の画像において上下左右方向に画像を走査し、濃度変化から射影を作成する領域を決定する。この領域において縦横の射影を用いて電極のサイズ及び中心位置を求める。この時、予め設定した領域でエッジが検出できなかった場合、エッジを検出できるまで射影領域を拡張してもよい。

以上のように、計測が全て終了すると、測定完了コマンドが出力され（ステップＳ１１）、画像認識装置２７は、計測した電極の座標値や寸法を、部品認識が可能なデータ形式に変換し、部品データとして記憶装置３０に保存する。また、部品データ生成後に、画像認識装置２７は、部品１８の画像を処理し、生成された部品データに基づいて、公知のアルゴリズムに従って部品１８の中心位置、傾きを演算し、部品認識が可能かどうかを確認する（ステップＳ１２）。この部品認識の際、中心位置及び傾きは予めティーチングした位置、及び傾き（基準角度）を検出するので、位置ずれ（部品中心と吸着中心の位置ずれ）並びに角度ずれがほぼ０となれば、生成した部品データは、正しいものであり（ステップＳ１３のＹＥＳ、ステップＳ１４）、この段階で、部品データ生成プログラムが終了する。尚、正常に画像認識ができない場合（ステップＳ１３のＮＯ）、すなわち、位置ずれあるいは角度ずれが発生する場合には、データ生成を最初から実行し認識しやすい電極を選択するなどしてデータ生成を再び実行する。

以上は、基板生産開始前の処理であったが、実際に、基板の生産を開始し、部品を回路基板に搭載する段階では、部品供給装置１１から供給される部品を吸着ノズル１３ａで吸着し、吸着ヘッド部１３を部品認識カメラ１６上部に移動させて、部品を同カメラで撮像する。撮像された部品の画像は、画像認識装置２７で画像処理され、記憶装置３０から当該部品の部品データが読み出されて、この部品データに基づいて部品中心と部品の傾きが演算され、部品の吸着姿勢が認識される。部品中心と吸着中心間に位置ずれがあり、また角度ずれが検出されると、これらの位置ずれと角度ずれがＸ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２２、θ軸モータ２４を駆動することにより、補正され、部品が所定の回路基板位置に正しい姿勢（基準角度）で搭載される。

なお、上述した実施例では、部品実装機におけるデータ生成を示したが、部品認識用のデータは、実装機で作成する以外に、部品撮像を行う撮像装置と画像入力装置及びパソコンの構成による専用のデータ生成装置で生成することもでき、この専用のデータ生成装置から作成された部品データを実装機で用いることも可能である。

電子部品実装装置の全体の概略構成を示した斜視図である。 電子部品実装装置の制御系の構成を示したブロック図である。 部品データの生成の流れを示すフローチャートである。 画像を基準角度に変換する流れを示した画面図である。 （Ａ）は部品の中心位置をティーチングする状態を示した画面図、（Ｂ）は計測領域を設定する状態を示した画面図である。 （Ａ）は画像を走査して電極を検出する状態を示した画面図、（Ｂ）はその拡大図である。 （Ａ）は電極を規則的に配列した部品の平面図、（Ｂ）は電極を不規則に配列した部品の平面図である。 多数の電極を不規則に配列した部品の平面図である。

符号の説明

１３ 吸着ヘッド部
１３ａ 吸着ノズル
１６ 部品認識カメラ
２０ コントローラ
２７ 画像認識装置
３０ 記憶装置

Claims (4)

1. 電極を配列した電子部品を認識するための部品データを生成する部品データ生成装置において、
   電子部品を撮像する撮像手段と、
   撮像された電子部品の画像上でカーソルにより少なくとも２点の位置を教示して、基準角度０°での画像に変換し、該基準角度０°での画像に対して電極の諸元を計測する領域を設定する設定手段と、
   設定された領域にある電極の諸元を計測し、電極の諸元に関するデータを生成するデータ生成手段と、
   生成された電極の諸元に関するデータを記憶する記憶装置と、
   該電子部品の画像を処理して部品認識が可能かどうか確認する手段とを備え、
   電子部品を回路基板に搭載するとき記憶装置から前記データが読み出され、読み出されたデータに基づき電子部品の認識が行われることを特徴とする部品データ生成装置。
2. 前記電極の諸元が、電極の座標値及び／又は電極の寸法であることを特徴とする請求項１に記載の部品データ生成装置。
3. 電極を配列した電子部品を吸着ノズルで吸着して回路基板に実装し基板を生産する電子部品実装装置において、
   基板生産開始前に電子部品を吸着ノズルで吸着して電子部品を撮像する撮像手段と、
   撮像された電子部品の画像上でカーソルにより少なくとも２点の位置を教示して、基準角度０°での画像に変換し、該基準角度０°での画像に対して電極の諸元を計測する領域を設定する設定手段と、
   設定された領域にある電極の諸元を計測し、電極の諸元に関するデータを生成するデータ生成装置と、
   生成された電極の諸元に関するデータを記憶する記憶装置と、
   該電子部品の画像を処理し部品認識が可能かどうかを確認する手段と、
   基板生産時、前記生成されたデータを記憶装置から読み出し、読み出されたデータに基づいて電子部品の認識を行い電子部品の回路基板への搭載を制御する制御手段と、
   を備えたことを特徴とする電子部品実装装置。
4. 前記電極の諸元が、電極の座標値及び／又は電極の寸法であることを特徴とする請求項３に記載の電子部品実装装置。

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