(57)【要約】【課題】実装機の吸着ノズルに吸着された部品の吸着状態を検査する。【解決手段】実装機の吸着ノズル１０５に吸着された部品Ｗが正しい吸着状態にあるか否かを検査するために、単色光源１０１からピンホール１０２を通り対物レンズ１０４によって集光されるプローブ光Ｐを部品Ｗによって反射させ、ハーフミラー１０７によって光検出装置１０６に集光する共焦点光学系を用いる。プローブ光Ｐを２次元走査させるために、ピンホール１０２を矢印Ｒで示すように水平方向へ移動させる。あるいは、ニポウディスクや２次元ガルバノミラー等を用いる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実装機の保持手段に保持された部品を測定する部品計測装置において、
光源からピンホールを透過した測定光を対物レンズによって前記部品に集光させ、前記部品から反射され前記ピンホールへ逆進する戻り光をビーム分離手段によって分離し、結像レンズを介して光検出装置に取り込む共焦点光学系と、
前記測定光を前記共焦点光学系の光軸に対して直交するように２次元走査するための２次元走査手段と、を備え、
前記光検出装置の出力を、所定の閾値によって二値化することを特徴とする部品計測装置。
【請求項２】
前記２次元走査手段が、前記ピンホールを複数配設したニポウディスクと、前記ニポウディスクを回転させるモータと、を有することを特徴とする請求項１記載の部品計測装置。
【請求項３】
前記２次元走査手段が、前記測定光を傾斜反射面によって反射する２次元ガルバノミラーおよびｆθレンズを有することを特徴とする請求項１記載の部品計測装置。
【請求項４】
光源からピンホールを透過した測定光を対物レンズによって被測定物に集光させ、前記被測定物から反射され前記ピンホールへ逆進する戻り光をビーム分離手段によって分離し、結像レンズを介して光検出装置に取り込む共焦点光学系による３次元計測方法において、
前記共焦点光学系の光軸に対して直交するように前記測定光を２次元走査しながら継続的に前記戻り光を前記光検出装置によって検出する工程と、
前記光検出装置の出力を、所定の閾値によって二値化する工程と、を有することを特徴とする３次元計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣ・抵抗・コンデンサ等の部品を配線基板の表面に実装する実装機において、実装する部品を保持する吸着ノズル上の部品の位置や形状の測定を行うための部品計測装置および３次元計測方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、配線基板に実装される部品を吸着ノズルによって吸着し、配線基板上の所定位置に部品を搬送して実装する実装機が一般的に知られており、産業上広範囲に利用されている。このような実装機では、部品を吸着ノズルが吸着する際に横にずれたり、ねじれたりすることに起因して、部品の実装位置ずれが発生する。
【０００３】
このような吸着ずれに起因する実装位置ずれを防止する方法としては、吸着ノズルによって部品を吸着した後、吸着位置を測定し、位置補正をかける方法が一般的に行われている。例えば、特許文献１に開示されたものは、吸着ノズルでチップ（部品）を吸着した後に、カメラによって部品吸着状態を撮像し、画像処理によりノズルと部品の相対的な位置関係を算出することによって、部品の位置決め精度を向上させている。
【０００４】
この技術に関連して、画像処理の精度を高めることにより部品吸着位置の補正をより高精度に行うためには幾つかの課題が存在する。その課題とは、部品の表面反射率の分布や吸着ノズル等の映りこみ、画像処理の最適閾値設定等である。
【０００５】
これらの課題のうち、実装部品の表面反射率の違いによる画像認識精度の低下に対する対策として、特許文献２では部品画像をラインセンサのスキャンによって撮像する際に、部品表面の状態に応じて照明光量を適切に制御することによりコントラストの高い画像を獲得し、部品認識精度を高めている。
【０００６】
また、部品がノズル径よりも小さい場合は、部品の背景に吸着ノズルが映りこみ、部品位置の画像処理計測精度を低下させると言う問題がある。これに対して、特許文献３では、吸着部品の背後に開閉可能なシャッターを設けて、撮像時にシャッターを閉めることで背景の映りこみを防いでいる。
【０００７】
このようにして得られた画像に対して、部品位置を決定する方法としては、例えば、特許文献４において、画像を２値化する閾値を漸次変化させ、的確な画像認識が行われるまで画像認識処理を繰り返すことで部品位置を特定している。
【特許文献１】特開平４−２７１９８号公報
【特許文献２】特開平１０−６５４００号公報
【特許文献３】特開２００１−２１９９５９号公報
【特許文献４】特開平６−７４９０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の手法を用いた場合、撮像を行うためにはカメラの焦点位置に実装部品を一たん静止させる必要があり、一つの部品の実装に要する時間の短縮の妨げになっているという問題がある。
【０００９】
また、画像処理に必要となる閾値の計算は、場合によっては収束しないことや、吸着状態によっては部品認識精度を大きく落としてしまうという問題点がある。これらの部品認識精度を低下させる原因としては、背景の映りこみが大きな問題となっているが、この問題を画像処理アルゴリズムによって回避しようとすると、計算に要する時間が長くなり、やはりタクトの短縮を大きく妨げる要因となってしまう。また、シャッターを開閉するような手法を用いる場合にも、開閉に要する時間のロスがあるためタクトの短縮には不利である。
【００１０】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、画像撮像のために部品の搬送を停止する必要がないうえに、単純なアルゴリズムで正確な部品認識を行うことができる部品計測装置および３次元計測方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の部品計測装置は、実装機の保持手段に保持された部品を測定する部品計測装置において、光源からピンホールを透過した測定光を対物レンズによって前記部品に集光させ、前記部品から反射され前記ピンホールへ逆進する戻り光をビーム分離手段によって分離し、結像レンズを介して光検出装置に取り込む共焦点光学系と、前記測定光を前記共焦点光学系の光軸に対して直交するように２次元走査するための２次元走査手段と、を備え、前記光検出装置の出力を、所定の閾値によって二値化することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
光検出装置に撮像素子を用いれば、共焦点光学系の特性からピンホールを通過した測定光が対物レンズによって集光される位置に部品が存在する場合に限り、光検出装置に光が入射する。従って、測定光の集光位置をＸＹＺ方向に３次元的に走査することによって部品の画像を取得することができる。このとき、光軸方向の走査は、吸着ノズル等部品の保持手段の部品搬送機能を利用することができるため、部品搬送を停止することなく測定光を２次元的に走査するだけでよい。
【００１３】
走査する領域を、部品が存在すると予想される位置周辺に限定することにより、背景の吸着ノズル等の映りこみを完全に防止することができる。このようにして取得された画像においては、部品の存在しない部分からの光のほとんどがピンホールによって遮断されることから、光源の光量が大きくなっても非部品部からの光は光検出装置に入射しない。そのため、光量の大きい光源を利用することで、部品部と非部品部とのコントラストを大きくすることができる。これにより、適当な閾値を設けた単純な２値化処理によって正確な部品位置等の測定を行うことができる。この方法では複雑な画像処理アルゴリズムを必要としないため、部品実装工程の時間を大幅に短縮できる。
【００１４】
光軸方向と直交する面内を高速に測定光を２次元走査するための２次元走査手段として、ニポウディスクと呼ばれる多数のピンホールが設置された円板を使用するとよい。ニポウディスクには放射状にピンホールが設置されているため、ニポウディスクを回転させることで各ピンホールを通過した光の集光点を光軸方向に垂直な面内で走査させることができる。このとき、ディスクの回転数を高めることにより、高速な面内方向走査が実現可能であり、吸着ノズル等による部品移動による光軸方向の走査と組み合わせることにより、部品搬送を停止することなく部品の撮像を行うことができる。
【００１５】
また、２次元走査手段として、２次元ガルバノミラーを用いてもよい。２次元ガルバノミラーは２枚のミラーを任意の傾斜反射面となるよう周期的に駆動することにより測定光の方向を２次元的にシフトすることができる。方向をシフトさせた測定光に対し、ｆθレンズで集光することによって、集光位置を平面内で２次元走査させることができる。
【００１６】
２次元ガルバノミラーは高周波駆動が可能であるから、高速２次元走査と吸着ノズル等による部品移動を利用した光軸方向の走査と組み合わせることにより、部品搬送を停止することなく部品の画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１８】
図１に示すように、表面実装を行う実装機において部品の実装位置ずれを計測するために、共焦点光学系による測定光を用いる。点光源からの測定光であることが望ましいため、単色光源１０１の後にピンホール１０２を設置する。このとき、単色光源１０１からの光を集光レンズ１０３を用いてピンホール１０２に集光することによって光量を増強することができる。
【００１９】
測定光を被測定物である部品Ｗの表面に集光させるため、対物レンズ１０４が設置されている。対物レンズ１０４により集光された測定光であるプローブ光Ｐは、保持手段である吸着ノズル１０５に吸着保持された部品Ｗの表面で反射・散乱される。反射・散乱されたプローブ光Ｐの一部は対物レンズ１０４に逆入射する戻り光となる。このとき、対物レンズ１０４の焦点位置が部品Ｗの表面に一致している場合、対物レンズ１０４へと逆入射する戻り光は、前記測定光と同一の光路を逆進し、ピンホール１０２を通過する。ここで、部品Ｗがプローブ光Ｐの集光位置からずれている場合、対物レンズ１０４に逆入射する戻り光の光路は、測定光の光路と一致しないため、ピンホール１０２を透過しない。このことから、ピンホール１０２を通過した戻り光を検出することによって、プローブ光Ｐの集光位置に部品Ｗの表面が存在するか否かを判別することができる。
【００２０】
ピンホール１０２を通過した戻り光を検出するためには、戻り光を光検出装置１０６に導入する必要性がある。そこで、戻り光のみをサンプリングするために、単色光源１０１とピンホール１０２との間にビーム分離手段であるハーフミラー１０７を設置することで、ピンホール１０２を通過した戻り光のみを抽出することができる。抽出された戻り光は、結像レンズ１０８を介して光検出装置１０６に導入する。
【００２１】
図１に示す共焦点光学系では、プローブ光Ｐの集光位置に部品Ｗの表面が存在するか否かのみがわかるため、部品Ｗの吸着状態を３次元計測するためには３次元的に走査することが必要である。走査すべき方向は、共焦点光学系の光軸方向と、この光軸方向に対して垂直な２軸方向である。光軸方向の走査に関しては実装機の持つ部品搬送動作を利用する。これにより部品画像撮像のための停止時間を無くすことができ、実装機のタクト短縮に寄与することができる。これに対して、光軸方向に垂直な面内の２次元走査に関しては、以下のような機構を必要とする。
【００２２】
光軸方向に垂直な面内を２次元走査する第１の方法として、ピンホール１０２による点光源位置を２次元的に走査する方法がある。図１のピンホール１０２を矢印Ｒで示すように光軸に水平な面内で移動すると、図２に示すように、プローブ光Ｐの集光位置Ｐ0 も光軸に水平な面内で移動する。このように、ピンホール１０２を移動させて点光源位置を２次元的に走査することにより、プローブ光Ｐの集光位置Ｐ0 を２次元走査することができる。
【００２３】
図３は、点光源位置を走査するためにニポウディスク２０９を用いたものである。すなわち、点光源化のためのピンホール部に、多数のピンホール２０２を有するニポウディスク２０９を設置する。ニポウディスク２０９には、回転中心から螺旋状にピンホール２０２が配列されており、ニポウディスク２０９の中心にモータ軸が設置されたモータ２１０によって回転させる。
【００２４】
ニポウディスク２０９をモータ２１０によって回転させると、ニポウディスク２０９の回転面内の任意の点において、最低１回はピンホール２０２が通過する。従って、単色光源１０１を点灯させた状態でニポウディスク２０９を回転させれば点光源が連続的に走査されるため、部品Ｗは、最低１回はプローブ光Ｐによって照射される。
【００２５】
この方法を利用した場合、モータ２１０の回転数を高めることにより、高速走査を実現できる。また、螺旋状に配置したピンホール２０２を複数ライン設置することにより、走査速度の向上や、走査密度の向上を実現することができる。
【００２６】
このような構成では、最終的にピンホール２０２を通過する戻り光を結像レンズ１０８によって結像すると、ピンホール２０２の位置が変動することから結像位置も２次元的に走査されることになる。そこで、ＣＣＤ素子等の撮像素子２０６を光検出装置として使用することにより、部品Ｗの画像を取得することができる。
【００２７】
図４は、プローブ光Ｐを２次元走査させる第２の方法を示す。これは、単色光源１０１の後にピンホール１０２を設置する共焦点光学系に、２次元ガルバノミラー３０９を用いるものである。２次元ガルバノミラー３０９は２枚のミラー３０９ａ、３０９ｂによって構成されており、各ミラー３０９ａ、３０９ｂはある軸を中心に回転し、傾斜を与えることができる。すなわち、２枚のミラー３０９ａ、３０９ｂの回転軸は互いに直交しているため、各ミラー３０９ａ、３０９ｂの傾斜反射面により、点光源からの光の進行方向を任意方向に曲げることができる。
【００２８】
２次元ガルバノミラー３０９からの光は、その後ｆθレンズ３１０に入射する。ｆθレンズ３１０を通った光は、２次元ガルバノミラー３０９によっていかなる進行方向に曲げられていても、同一の進行方向を持つように配置されている。このとき、光の進行方向は同じであるが、光軸の位置はシフトしている。すなわち、この構成によれば、２次元ガルバノミラー３０９の傾斜を制御することによって、任意の位置に光軸をシフトさせることができる。
【００２９】
光軸をシフトさせた光を対物レンズ１０４に入射させると、そのシフト量に応じてプローブ光Ｐの集光位置がシフトする。このとき、プローブ光Ｐは光軸に垂直な平面内を移動するため、２次元ガルバノミラー３０９の傾斜を制御することで、最終的にプローブ光Ｐの集光位置を２次元的に走査することができる。
【００３０】
このような構成をとった場合、ピンホール１０２を透過する戻り光を結像レンズ１０８によって結像すると、ピンホール１０２の位置が不変であることから常に同一位置に集光される。そこで、結像位置にはフォトダイオード等の光検出素子３０６を光検出装置として配置する。光検出素子３０６からは走査された情報が連続的に出力されるため、出力情報を走査経路に対応した２次元配列情報に並べ替えることによって、部品Ｗの画像を取得することができる。
【００３１】
本実施の形態によれば、撮像された画像は、共焦点光学系の特徴から部品が存在しない部分における光検出量が０となっている。実際には、光検出素子等の電気的ノイズ等の影響で完全に０ではないが、光源の光量を大きくすることによって、高いコントラストを持った画像を得ることができる。そのため、各画素の出力値に対して一定の閾値を設けて２値化することによって、画像内における部品位置等の特定を行うことができる。
【実施例１】
【００３２】
本実施例では縦１ｍｍ・横０．５ｍｍ・高さ０．５ｍｍの１００５部品と呼ばれる抵抗チップを吸着ノズルで吸着した状態についての画像を取得し、２値化による部品位置測定を行った。
【００３３】
図５は、本実施例で使用した共焦点光学系の構成を示す。単色光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザ５０１（波長６３２．８ｎｍ）を使用した。光源から発せられたレーザ光はビームエキスパンダ５０１ａによって２０倍に拡大され、直径１０ｍｍの直線光束とされる。このレーザ光を、ピンホール５０２に対して照射することで点光源を得る。ピンホール５０２の大きさは直径５０μｍである。
【００３４】
２次元走査を行うためのニポウディスク５０９は直径１００ｍｍの円盤で、厚み０．２ｍｍの表面は黒色塗装されたステンレス製である。ニポウディスク５０９には、図６に示すように、中心間距離５００μｍで多数のピンホール５０２が連続して設置されている。このとき、各ピンホール５０２は半径が２５μｍずつ異なる同心円上に配置してあるため、ピンホール列は螺旋状に配列される。ニポウディスク５０９には、この螺旋状のピンホール列が５本設置されている。
【００３５】
このピンホール５０２に対してレーザ光をより効率的に照射するため、集光レンズアレイを設置した。この集光レンズアレイには直径４００μｍの集光レンズ５０３が、ニポウディスク５０９のピンホール配置と同じ配置で設置されている。この集光レンズアレイを使用することにより、ニポウディスク５０９単独で点光源化を行った場合に比べ点光源の光量を４００倍に増強することができ、画像のＳ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３６】
このニポウディスク５０９と集光レンズアレイを同期して回転させることによりピンホール５０２がオーバーラップして全面を走査することができる。ニポウディスク５０９および集光レンズアレイの回転は、スピンドルモータ５１０を使用し、５０００ｒｐｍでの回転が可能である。
【００３７】
レーザ光は、集光レンズアレイの半径３５〜４５ｍｍの範囲に照射し点光源化している。点光源からの光は対物レンズ５０４へと入射する。対物レンズ５０４には、焦点距離１５０ｍｍで、倍率が１０倍の対物レンズを使用した。対物レンズ５０４を経て１００５部品に集光されたプローブ光の戻り光は、ニポウディスク５０９に設置されたピンホール５０２を逆向きに通過して、レーザ光源５０１側に到達する。この戻り光を取り出すため、集光レンズアレイとニポウディスク５０９との間に、ハーフミラー５０７を設置した。これにより、光軸を９０度曲げ、戻り光の分離・抽出を行っている。抽出された戻り光を結像するため、結像レンズ５０８を設置し、光検出装置にはＣＣＤカメラ５０６を使用した。結像レンズ５０８は焦点距離３００ｍｍの単レンズであり、ニポウディスク５０９の表面がＣＣＤ面に結像するように調整する。ＣＣＤカメラ５０６は３０ｆｐｓのフレームレートを持ち、６４０×４８０画素を備えている。
【００３８】
以上述べたような光学系を用いて、吸着ノズルによって光軸方向に搬送される１００５部品の吸着状態の画像撮像を行った。画像撮像は、ニポウディスク５０９の回転と部品移動によって３次元的に走査する間のみ、ピンホール５０２からの光をＣＣＤカメラ５０６に導入することによって行う。
【００３９】
吸着ノズルによる搬送速度は、１０ｍｍ／ｓで実験を行った。スピンドルモータ５１０を４８００ｒｐｍで回転させると、ニポウディスク５０９が５本のピンホール列を持つことから４００回／秒の面走査を行うことができる。ここで、部品の表面だけを捉え、吸着ノズルを撮像しないようにするため、光軸方向の走査距離を１００μｍとすると吸着ノズルの搬送速度から、１／１００ｓｅｃの時間だけ走査することとなる。従って、１回の走査によって２５μｍ間隔で４回の面走査を行うことができる。このようにして撮像することによって、背景ノズルの映りこみが無い部品画像を得ることができる。
【００４０】
得られた部品画像に対して、輝度値に対して閾値を設けて単純な二値化処理を行った。このとき、部品に対応する部分の輝度値は、表面反射率によって変動するが、部品が存在しない部分での輝度値は略０である。そのため、閾値としては理論上１を閾値に設定すれば良いが、ノイズ等の問題からある程度大きめの値とすることが望ましい。そこで、画像の全画素について輝度値の平均値を算出し、閾値として使用することとした。このようにして算出された閾値を使用することにより、高輝度部（部品に対応）と低輝度部（非部品部に対応）とが確実に識別された二値化画像を得ることができた。
【実施例２】
【００４１】
図７に示すように、２次元走査を行うための機構として、２次元ガルバノミラー７０９を使用した。単色光源としてはＨｅ−Ｎｅレーザ７０１（波長６３２．８ｎｍ）を使用した。光源から発せられたレーザ光は結像レンズであるレーザフォーカスレンズ７０３によって、ピンホール７０２に集光することで点光源を得る。ピンホール７０２の大きさは、直径５０μｍのピンホールを使用した。
【００４２】
ピンホール７０２を通過した光は、２枚のミラー７０９ａ、７０９ｂを有する２次元ガルバノミラー７０９に入射し、任意の方向へと進行方向を曲げることができる。本実施例では、２次元ガルバノスキャナとして高速走査を可能にするため、共振型ガルバノスキャナを使用した。これにより、各軸を４ＫＨｚで走査することが可能である。２次元ガルバノミラー７０９からの光はｆθレンズ７１０に入射する。ガルバノスキャナを駆動させることで、光軸を任意にシフトさせることができる。
【００４３】
ｆθレンズ７１０からの光は対物レンズ７０４へと入射する。対物レンズ７０４には、焦点距離１５０ｍｍで、倍率が１０倍の対物レンズを使用した。
【００４４】
次に、戻り光の検出部の構成について述べる。戻り光は、ピンホール７０２を通過して、光源側に到達する。この戻り光を取り出すため、レーザフォーカスレンズ７０３とピンホール７０２との間に、ハーフミラー７０７を設置した。これにより、光軸を９０度曲げ、戻り光の抽出を行っている。抽出された戻り光を結像するため、結像レンズ７０８を設置し、光検出装置にはフォトダイオード７０６を使用した。この結像レンズ７０８は焦点距離３００ｍｍの単レンズであり、ピンホール７０２がセンサ面に結像するように調整する。
【００４５】
以上述べたような光学系を用いて、吸着ノズルによって光軸方向に搬送される１００５部品の吸着状態の画像の撮像を行った。部品画像の撮像は、ガルバノスキャナと部品移動によって３次元的に走査する間に得られるフォトダイオード７０６からの情報を、コンピュータによって２次元配列に並べることによって獲得する。
【００４６】
吸着ノズルによる搬送速度は、１０ｍｍ／ｓで実験を行った。２次元ガルバノミラー７０９を、各軸１００Ｈｚ、４０００Ｈｚで駆動することにより、１００回／秒の面走査を行うことができる。ここで、部品の表面だけを捉え、吸着ノズルを撮像しないようにするため、光軸方向の走査距離を１００μｍとすると吸着ノズルの搬送速度から、１／１００ｓｅｃの時間だけ走査することとなる。従って、１回の走査によって２５μｍ間隔で４回の面走査を行うことができる。このようにして部品画像を撮像することによって、背景ノズルの映りこみが無い部品画像を得ることができる。なお、画像のサイズは、１２８×４０（ｍｍ）であった。
【００４７】
得られた画像に対して、輝度値に対して閾値を設けて単純な二値化処理を行った。このとき、部品に対応する部分の輝度値は、表面反射率によって変動するが、部品が存在しない部分での輝度値は略０である。そのため、閾値としては理論上１を閾値に設定すればよいが、ノイズ等の問題からある程度大きめの値とすることが望ましい。そこで、画像の全画素について輝度値の平均値を算出し、閾値として使用することとした。このようにして算出された閾値を使用することにより、高輝度部（部品に対応）と低輝度部（非部品部に対応）とが確実に識別された二値化画像を得ることができた。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】一実施の形態による共焦点光学系の基本構成を示す図である。
【図２】ピンホール移動によるプローブ光の位置変化を示す図である。
【図３】ニポウディスクを備えた共焦点光学系を示す図である。
【図４】２次元ガルバノミラーを備えた共焦点光学系を示す図である。
【図５】実施例１による共焦点光学系を示す図である。
【図６】図５のニポウディスクのピンホール配置を示す図である。
【図７】実施例２による共焦点光学系を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０１    単色光源
１０２、２０２、５０２、７０２    ピンホール
１０３、５０３    集光レンズ
１０４、５０４、７０４    対物レンズ
１０５    吸着ノズル
１０６    光検出装置
１０７、５０７、７０７    ハーフミラー
１０８、５０８、７０８    結像レンズ
２０６    撮像素子
２０９、５０９    ニポウディスク
３０６    光検出素子
３０９、７０９    ２次元ガルバノミラー
５０６    ＣＣＤカメラ
７０３    レーザフォーカスレンズ
７０６    フォトダイオード
【図１】
2006343166.tif 000003
【図２】
2006343166.tif 000004
【図３】
2006343166.tif 000005
【図４】
2006343166.tif 000006
【図５】
2006343166.tif 000007
【図６】
2006343166.tif 000008
【図７】
2006343166.tif 000009