JP5095164B2 - 撮像装置の光軸ずれ検出方法、部品位置補正方法及び部品位置補正装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品実装機により基板に搭載された電子部品（以下、単に部品という）あるいは吸着ヘッドに吸着された部品を撮像する撮像装置の光軸ずれを検出する方法、及び部品実装機により基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品を撮像装置により撮像して部品位置を補正する部品位置補正方法と装置に関する。

従来から、部品実装機の吸着ヘッドにより吸着された部品を部品認識カメラで撮像し、その画像を処理して部品の位置検出（部品中心並びに部品傾きの検出）、いわゆる部品認識を行い、その認識結果に基づいて部品搭載位置を補正し、部品を精度よく基板上の所定位置に搭載する部品実装機が知られている。

また、部品が搭載された後、吸着ヘッドを部品搭載位置に移動させ、基板に部品が搭載された状態を吸着ヘッドに搭載された基板認識カメラで撮像し、その画像から部品が正しい搭載位置に搭載されているかの確認、検査などが行われている。

たとえば、部品実装機の装着誤差検出装置が開示され、カメラで撮影した画像に対して画像処理を施すことによって、部品の装着誤差を検出する方法が提案されている（特許文献１）。

また、基板認識カメラあるいは部品認識カメラなどの撮像装置は、その光軸（撮像光軸）が認識すべき基板あるいは部品の面に対して傾かないように、つまり垂直になるように取り付けられる。しかしながら、通常取付誤差などによりカメラの光軸は、認識すべき対象物の面に立てた法線に対してある程度の傾きをもっている。このようにカメラの光軸に傾きがあると、たとえボケがなく撮影できたとしても、計測値には、カメラの光軸の傾き分のオフセットが常に発生してしまう。そのため、たとえば特許文献２では、部品認識カメラで吸着された部品を撮像する場合、カメラの光軸の傾き分のオフセットを取得して認識データを補正することが行われている。
特許第３０１５１４４号公報 特開平８−１８９８１１号公報

ところで、部品が基板の正規の搭載位置に正しく搭載されたかどうかの検査は、吸着ヘッドに搭載されたカメラを、基板に搭載された部品上に移動させて部品を撮像しているために、同検査に対しては、固定カメラに対する部品の高さをノズルの移動量により調整する特許文献２に記載のような方法を、用いることができない。

そのため、搭載位置検査のように移動カメラを用いて部品を撮像する場合には、移動カメラの光軸ずれによるオフセット量を検出することができず、三次元計測器で計測した結果と部品実装機で計測した結果とでは、一定のオフセットが発生していた。

本発明は上記の点に鑑みてなされたもので、撮像装置の光軸のずれを容易に検出可能な光軸ずれ検出方法、並びに光軸ずれがある場合の該ずれを補正できる部品位置補正方法および装置を提供することを目的とする。

本発明は上記の課題を解決するために、
基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品を撮像する撮像装置の光軸ずれを検出する部品実装機の撮像装置の光軸ずれ検出方法であって、
基板の部品搭載面あるいは吸着ヘッドに吸着された部品の部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを前記撮像装置により、パターンと撮像装置との間であって、且つ、パターンが設けられた面から所定の高さの範囲に第１の屈折率を有する物質が介在する状態で撮像し、更に前記範囲に第２の屈折率を有する物質が介在する状態でパターンを撮像装置により撮像し、
第１の屈折率を有する物質が介在する状態でのパターンの中心の撮像画面中心からのずれ量と第２の屈折率を有する物質が介在する状態でのパターンの中心の撮像画面中心からのずれ量をそれぞれ求め、
前記求めた各ずれ量と、第１の屈折率を有する物質及び第２の屈折率を有する物質の厚さと、に基づいて撮像装置の光軸ずれを検出する構成を採用した。

また、本発明では、
基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品の部品位置を補正する部品実装機の部品位置補正方法であって、
基板の部品搭載面あるいは吸着ヘッドに吸着された部品の部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを撮像装置により、パターンと撮像装置との間であって、且つ、パターンが設けられた面から所定の高さの範囲に第１の屈折率を有する物質が介在する状態で撮像し、更に前記範囲に第２の屈折率を有する物質が介在する状態でパターンを撮像装置により撮像し、
第１の屈折率を有する物質が介在する状態でのパターンの中心の撮像画面中心からのずれ量と第２の屈折率を有する物質が介在する状態でのパターンの中心の撮像画面中心からのずれ量をそれぞれ求め、
撮像装置によって検出された部品の位置を、前記求めた各ずれ量と、第１の屈折率を有する物質及び第２の屈折率を有する物質の厚さと、部品の厚さと、に基づいて補正する構成も採用している。

更に、本発明では、
部品実装機において部品の位置を補正する部品位置補正装置であって、
基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品を撮像するための撮像装置と、
基板の部品搭載面あるいは吸着ヘッドに吸着された部品の部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを前記撮像装置により、パターンと撮像装置との間であって、且つ、パターンが設けられた面から所定の高さの範囲に第１の屈折率を有する物質が介在する状態で撮像し、更に前記範囲に第２の屈折率を有する物質が介在する状態でパターンを撮像装置により撮像し、第１の屈折率を有する物質が介在する状態でのパターンの中心の撮像画面中心からのずれ量と第２の屈折率を有する物質が介在する状態でのパターンの中心の撮像画面中心からのずれ量をそれぞれ算出する算出手段と、
撮像装置によって検出された部品の位置を、前記算出された各ずれ量と、第１の屈折率を有する物質及び第２の屈折率を有する物質の厚さと、部品の厚さと、に基づいて補正する補正手段とを有する構成も採用している。

本発明によれば、基板の部品搭載面あるいは部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを撮像装置によりそれぞれ第１と第２の屈折率を有する物質を介して撮像して、撮像されたパターンの中心の画面中心からのずれ量を算出するようにしているので、簡単な方法で撮像装置の光軸ずれを検出することができる。また、撮像装置の光軸ずれがある場合、基板に搭載された部品あるいは搭載されるべき部品の位置検出結果を光軸ずれに応じて補正することができ、正確な部品位置検出あるいは位置計測が可能となる。

以下、本発明による実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、部品（電子部品）をプリント基板に搭載する部品実装機（マウンタ）１の概略を示す部分破断斜視図である。

この部品実装機１では、図１に示すように、吸着ノズル１３ａを備えた吸着ヘッド１３がＸ軸方向に移動できるようにＸ軸移動機構１１に取り付けられており、また、Ｘ軸移動機構１１はＹ軸方向に移動できるようにＹ軸移動機構１２に取り付けられ、それにより吸着ヘッド１３はＸ、Ｙ軸方向に移動可能となる。

部品供給装置１４から供給される部品２は、吸着ヘッド１３により吸着され、搬送路１５に沿って搬送されるプリント基板（以下、単に基板という）１０の所定位置に搭載される。基板の位置ずれを認識するために、吸着ヘッド１３には、基板認識カメラ（移動カメラ）１７が搭載されており、また部品の吸着姿勢を認識するために部品認識カメラ（固定カメラ）１６が部品実装機１の底部に取り付けられている。

また、部品実装機１の前面上部には、装置の動作状態などを表示するオペレーションモニター１８が設けられており、装置全体の制御と、画像処理などを行う制御部１９が本体内に設けられている。制御部１９は、基板認識カメラ１７で撮影された基板１０の画像を処理して基板位置を検出して、その正規の位置に対するずれ量を算出する。また制御部１９は、部品認識カメラ１６で撮像された部品画像に基づき部品位置を検出して、吸着ずれを算出し、これらの基板のずれ量並びに吸着ずれ量に基づいて部品搭載位置を補正し部品２を基板１０の正規の位置に正しい姿勢で搭載する。

その後、吸着ヘッド１３を部品搭載位置に移動させて、基板１０に部品２が搭載された状態を基板認識カメラ１７で撮像し、その画像から部品２が正しい搭載位置に搭載されているかの確認、検査などが行われる。

図２は、図１に示した部品実装機１の制御構成の概略を示すブロック図である。

基板認識カメラ１７を搭載した吸着ヘッド１３をＸ軸方向に移動させるＸモータ１０１、Ｙ軸方向に移動させるＹモータ１０２のそれぞれは、Ｘモータドライバ１０４、Ｙモータドライバ１０５に接続される。Ｘモータ１０１、Ｘモータドライバ１０４は、図１のＸ軸移動機構１１を構成しており、Ｙモータ１０２、Ｙモータドライバ１０５は、Ｙ軸移動機構を構成している。

また、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θモータ１０３が、θモータドライバ１０６に接続される。

各モータ１０１、１０２、１０３はそれぞれＣＰＵ１０７からの指令値に従って各モータドライバ１０４、１０５、１０６を介して駆動される。各モータドライバ１０４、１０５、１０６には、それぞれのモータのエンコーダカウンタが設けられていて、各モータ１０１、１０２、１０３の駆動量が検出される。

基板認識カメラ１７で撮像された基板１０は、基板画像処理部１０８で画像処理され、基板１０の位置が認識される。また、この基板画像処理部１０８では、後述するように、基板上に搭載された部品の画像に対して画像処理が施され、部品の搭載位置が求められる。また、部品認識カメラ１６で撮像された部品２は、部品画像処理部１０９で画像処理され部品位置（部品中心と部品傾き）が認識される。

ＣＰＵ１０７には、メモリ１１０が接続されており、このメモリ１１０には、制御プログラムや認識プログラムなどのプログラム、画像処理に伴うデータあるいは一時的に発生するデータなどが格納される。

図２で点線で囲った部分が図１の制御部１９に対応する。

図３は、図１に示した部品実装機１において、基板１０に実装した部品２が正規の搭載位置に搭載されているかを検査するために、基板認識カメラ（以下、単にカメラという）１７を、基板上に搭載された部品２上に移動させ、部品２を上部から撮影する様子を示している。なお、カメラ１７のレンズ１７ａはテレセントリックな光学系となっている。

カメラ１７は、基板１０に搭載された部品２の中心２ａに移動し、部品２の基板１０への実装状態を撮像する。ここでは、部品２の中心２ａが基板１０の正規の搭載位置１０ａの直上になるように実装された状態が、正しい実装状態であるとしている。

図３に示すように、カメラ１７の光軸（撮像光軸）Ｏ_１が、部品中心２ａを通る基板１０の上面と鉛直な直線（法線）Ｏ_２に対して角度θ_０の光軸ずれがあると、部品２の中心２ａが基板１０の搭載位置１０ａの直上にあったとしても、部品２の中心２ａが基板１０の位置１０ｂの直上にあるように観察されてしまう。

これは、基板１０の上面（搭載面）の高さＨ_１と部品２の上面の高さＨ_２とに差があり、部品の厚さ（Ｈ_２−Ｈ_１）に比例して一定のオフセットが発生しているためである。

図４は、図１に示した部品実装機１において、パターン２０を形成した基板１０をカメラ１７で撮影する様子を示す概略側面図である。カメラ１７は、その光軸Ｏ_１が基板１０の上面（搭載面）と同じ高さに形成されたパターン２０の中心２０ａに一致するように移動し、基板１０の上のパターン２０を撮像する。

基板画像処理部１０８は、撮像されたパターンの画像を処理し、公知のアルゴリズムを用いて、パターン２０の中心２０ａを検出（計測）する。カメラ１７の撮像画面中心と光軸Ｏ_１とは一致しているので、検出されたパターン２０の中心２０ａは、撮像画面中心からのずれ量（オフセット値）となる。パターン２０の中心が撮像画面中心と一致している場合には、上記ずれ量は０である。

図５は、図４に示した基板１０上のパターン２０の上にクラウンガラス３０をおいた状態を示す概略側面図である。クラウンガラス３０は、その厚さや屈折率が予め判明している透明な物質である。

図６は、図５で点線で示したクラウンガラス３０の周辺を拡大して示す側面図である。

光軸Ｏ_１に沿ってクラウンガラス３０に入射する光は、クラウンガラス３０の屈折率ｎに応じて屈折し、クラウンガラス３０の厚さｔに関係するパターン２０の位置２０ｂに達する。したがって、図５のように、図４の状態に対してクラウンガラス３０を挿入することによって、パターン２０の中心は、パターンクラウンガラス３０が無い場合の位置２０ａとはずれた位置２０ｂにシフトする。

クラウンガラス３０は平行に作られており、クラウンガラス３０の上面と鉛直な直線Ｏ_２と、カメラ１７の光軸Ｏ_１とが成す角度をθ_０とし、角度θ_０で光軸Ｏ_１に沿って進む光線がクラウンガラス３０の屈折率ｎ（たとえば１．５１７）により角度θ_１で屈折されたとすると（図６参照）、θ_０とθ_１の関係は以下の式（１）によって表される。

ｓｉｎ（θ_１）＝ｓｉｎ（θ_０）／ｎ （１）
クラウンガラス３０がない空気中では図６の実線のように、パターン２０の中心２０ａからの光線がカメラ１７の撮像画面中心に向かう光線となるが、クラウンガラス３０を間に入れるとクラウンガラス３０の屈折により点線で示したように、中心２０ａからシフトした位置２０ｂからの光線が、カメラ１７の撮像画面中心に向かう。従って、カメラ１７でパターン２０を撮像すると、パターン２０は右側にシフトして撮像される。

そのシフト量ΔＬは、位置２０ｂから直線Ｏ_１へ引いた垂線の足と位置２０ｂ間の距離に相当し、クラウンガラス３０の厚さｔと屈折率ｎ、屈折角θ_１を用いて以下の式（２）によって計算することができる。

ΔＬ＝ｔ×ｃｏｓ（θ_０）×（ｔａｎ（θ_０）−ｔａｎ（θ_１）） （２）
但し、θ_１＝ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（θ_０）／ｎ）
ここで、図６に図示した状態でパターン２０を撮像し、撮像されたパターンを画像処理し、パターンの中心を求める。この求められたパターン中心と撮像画面中心間の距離、つまりパターン中心の画面中心からのずれ量がΔＬに相当するので、ΔＬは、撮像されたパターンの中心を計測することにより求めることができる。ガラス厚さｔと屈折率ｎは既知であるので、上記求めたΔＬから式（２）を用いて光軸の傾きθ_０を算出することができる。

なお、上述した例では、クラウンガラス３０がないとき（つまり図４に示すように空気だけの場合）でのパターン２０の中心の撮像画面中心からのずれ量は０としているが、ずれ量がある場合には、空気だけでのずれ量と、クラウンガラス３０を置いたときのずれ量の差分データを求めるようにする。

図６のＬは、カメラの撮像画面中心を通る光軸Ｏ_１とクラウンガラス３０の上面とが交わる点と、クラウンガラス３０が無い場合の光軸Ｏ_１と基板上面とが交わる点のＸ座標の差である。

式（２）を実際に適用するに当たっては、この式が非常に複雑な式のため、ΔＬの値に対するＬ：ΔＬの比のデータテーブルを持つか、ΔＬの値に対するθ_０のデータテーブルを持つことによって、精度良くθ_０を求めることができる。

また、レンズの光軸は部品実装機上では機械的に固定されるためθ_０は高々±３．００°程度しか傾かないことがわかっている。そこで、ガラス厚さｔを２．００［ｍｍ］、ガラスの屈折率ｎを１．５１７に固定して、Ｌ：ΔＬの比をシミュレーションすると平均値で２．９３４１、最大値で２．９３４２、最小値で２．９３３９となった。平均値との最大誤差は０．０１％未満であり、Ｌ：ΔＬの比を定数２．９３４１としても、Ｌを極めて小さい誤差で近似することができる。

Ｌ：ΔＬの比によってＬを求めた場合には、θ_０は以下の式（３）で算出することができる。

θ_０＝ｔａｎ^−１（Ｌ／ｔ） （３）
また、図６から理解できるように、光は直進するのでＬ：ΔＬの比はガラスの厚みとは関係なく一定であり、ガラスの屈折率により一意に決定することができ、クラウンガラス以外のガラスやアクリル等でも同様の近似が可能である。

また、Ｌ：ΔＬの比を定数βとすると、式（３）を、以下の式（３'）で表すことができる。

θ_０＝ｔａｎ^−１（β×ΔＬ／ｔ） （３'）
また、搭載する部品の厚みが予めわかっている場合には、光軸ずれによる基板上面と部品上面のシフト量ΔＬｐは部品の厚さをｔｐとすると、ΔＬｐ＝ｔｐ×ｔａｎ（θ_０）により求めることができる。これに、式（３'）を代入すると、
ΔＬｐ＝ｔｐ×ｔａｎ（ｔａｎ^−１（β×ΔＬ／ｔ））となり、さらに、
ΔＬｐ＝ｔｐ×β×ΔＬ／ｔとなる。

ここで、ｔ及びｔｐは既知であり定数と考えられることから、
ΔＬｐ＝Ｃ_０×β×ΔＬ
但し、Ｃ_０＝ｔｐ／ｔ
で表される。

また、ガラスの屈折率が一定であればβも定数として近似できるため、ΔＬｐは以下式（４）で表すことができる。

ΔＬｐ＝Ｃ×ΔＬ （４）
但し、Ｃ＝ｔｐ／ｔ×β
式（４）により、任意の厚さｔｐの部品上面でのシフト量がΔＬとＣとの積により簡単に求められることがわかる。従って、部品搭載位置検査で、光軸ずれのあるカメラを用いて部品位置を検出した場合でも、上記のように光軸ずれによるシフト量が計算できるので、検出した部品位置を簡単に補正することができる。

なお、上述の実施例では、空気中とガラスとの屈折率の違いからカメラの光軸傾きを求める例を示したが、屈折率の異なる複数種類のガラス等の物質を用い、まず所定の屈折率を有する物質をパターン上の置いて上記ずれ量を求め、続いてその屈折率と異なる屈折率の物質と交換してずれ量を求め、両ずれ量の差分データを求めて光軸ずれを計算するようにしてもよい。

このように、基板の部品搭載面と同じ高さに設けられたパターンを屈折率の異なる物質を介してそれぞれ撮像し、屈折率を変化させる前と変化させた後でのパターン中心の撮像画面中心からのずれ量を求めることにより、カメラの光軸ずれを検出することができる。

また、このずれ量ΔＬと、部品厚さｔｐと物質の厚さｔとの比に基づいて式（４）により基板に搭載された部品の光軸ずれによるシフト量ΔＬｐを求めることができる。従って、部品の搭載位置検査で、カメラ１７で部品を撮像し、その画像処理により基板上の搭載された部品の位置を検出する場合、検出された部品位置を、ΔＬｐだけ補正することにより、カメラの光軸ずれによる位置ずれを補償することができるので、カメラに光軸ずれがあっても、信頼性のある搭載位置検査を行うことができる。

以上説明した実施例では、カメラとして吸着ヘッド１３に搭載された基板認識カメラの例を示したが、部品認識カメラ１６の光軸ずれも同様にして検出することができる。この場合には、部品認識面と同じ高さにパターン２０と同様なパターンを設け、このパターンを部品認識カメラ１６により屈折率の異なる物質を介してそれぞれ撮像し、第１の屈折率でのパターン中心の撮像画面中心からのずれ量と、第２の屈折率での該ずれ量の差分データに基づいて部品認識カメラの光軸ずれを検出することもできる。

また、搭載される部品を部品認識カメラ１６で撮像してその部品位置を検出する場合、検出された部品位置を、上記求めたずれ量、物質の厚さ並びに部品の厚さに基づいて補正することができ、部品認識カメラに光軸ずれがあっても、正確な部品位置検出が可能となる。

電子部品をプリント基板に搭載する部品実装機の概略構成を示す部分破断斜視図である。 図１に示した部品実装機の制御構成の概略を示すブロック図である。 図１に示した部品実装機において、基板に実装した部品をカメラで撮影する様子を示す説明図である。 図１に示した部品実装機において、パターンを形成した基板をカメラで撮影する様子を示す説明図である。 図４に示した基板上のパターンの上にクラウンガラスを置いて基板を撮影する状態を示す説明図である。 図５のクラウンガラスの周辺を拡大して示す説明図である。

符号の説明

１ 部品実装機
２ 電子部品
１０ 基板
１１ Ｘ軸移動機構
１２ Ｙ軸移動機構
１３ 吸着ヘッド
１３ａ 吸着ノズル
１４ 部品供給装置
１５ 搬送路
１６ 部品認識カメラ
１７ 基板認識カメラ
１８ オペレーションモニター
１９ 制御部
２０ パターン
３０ クラウンガラス

Claims (3)

1. 基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品を撮像する撮像装置の光軸ずれを検出する部品実装機の撮像装置の光軸ずれ検出方法であって、
   前記基板の部品搭載面あるいは前記吸着ヘッドに吸着された部品の部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを前記撮像装置により、前記パターンと前記撮像装置との間であって、且つ、前記パターンが設けられた面から所定の高さの範囲に第１の屈折率を有する物質が介在する状態で撮像し、更に前記範囲に第２の屈折率を有する物質が介在する状態で前記パターンを前記撮像装置により撮像し、
   前記第１の屈折率を有する物質が介在する状態での前記パターンの中心の撮像画面中心からのずれ量と前記第２の屈折率を有する物質が介在する状態での前記パターンの中心の撮像画面中心からのずれ量をそれぞれ求め、
   前記求めた各ずれ量と、前記第１の屈折率を有する物質及び前記第２の屈折率を有する物質の厚さと、に基づいて前記撮像装置の光軸ずれを検出することを特徴とする撮像装置の光軸ずれ検出方法。
2. 基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品の部品位置を補正する部品実装機の部品位置補正方法であって、
   前記基板の部品搭載面あるいは前記吸着ヘッドに吸着された部品の部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを撮像装置により、前記パターンと前記撮像装置との間であって、且つ、前記パターンが設けられた面から所定の高さの範囲に第１の屈折率を有する物質が介在する状態で撮像し、更に前記範囲に第２の屈折率を有する物質が介在する状態で前記パターンを前記撮像装置により撮像し、
   前記第１の屈折率を有する物質が介在する状態での前記パターンの中心の撮像画面中心からのずれ量と前記第２の屈折率を有する物質が介在する状態での前記パターンの中心の撮像画面中心からのずれ量をそれぞれ求め、
   前記撮像装置によって検出された部品の位置を、前記求めた各ずれ量と、前記第１の屈折率を有する物質及び前記第２の屈折率を有する物質の厚さと、前記部品の厚さと、に基づいて補正することを特徴とする部品位置補正方法。
3. 部品実装機において部品の位置を補正する部品位置補正装置であって、
   基板に搭載された部品あるいは吸着ヘッドに吸着された部品を撮像するための撮像装置と、
   前記基板の部品搭載面あるいは前記吸着ヘッドに吸着された部品の部品認識面と同じ高さに設けられたパターンを前記撮像装置により、前記パターンと前記撮像装置との間であって、且つ、前記パターンが設けられた面から所定の高さの範囲に第１の屈折率を有する物質が介在する状態で撮像し、更に前記範囲に第２の屈折率を有する物質が介在する状態で前記パターンを前記撮像装置により撮像し、前記第１の屈折率を有する物質が介在する状態での前記パターンの中心の撮像画面中心からのずれ量と前記第２の屈折率を有する物質が介在する状態での前記パターンの中心の撮像画面中心からのずれ量をそれぞれ算出する算出手段と、
   前記撮像装置によって検出された部品の位置を、前記算出された各ずれ量と、前記第１の屈折率を有する物質及び前記第２の屈折率を有する物質の厚さと、前記部品の厚さと、に基づいて補正する補正手段と、
   を有することを特徴とする部品位置補正装置。

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