JP2003536252A - オンヘッド式ラインスキャン感知を備えた配置機械のための較正方法 - Google Patents

オンヘッド式ラインスキャン感知を備えた配置機械のための較正方法

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スクネス，ティモシー，エー．
ラド，エリック，ピー．
ダキッテ，デビッド，ダブリュー．
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サイバーオプティクス コーポレーション
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Abstract

(57)【要約】 オンヘッド式ラインスキャン感知を備えた配置機械のための較正方法を提供する。 【解決手段】オンヘッド式ラインスキャンセンサ（６４）を有する捕捉・位置決め機（３１）の較正方法が開示される。前記較正は、フーリエ変換方法および正規化された相関方法を含む焦点測定方法を介して１つ以上のノズル先端のＺ軸の高さ情報を取得することを含む。さらに、リニア検出器の傾き、水平目盛係数、および垂直目盛係数のような他の物理的な諸特徴が測定されて、部品の位置決めのプロセスにおいて補償される。ノズルの振れ、その他の物理的な諸特徴もまた、正弦曲線当てはめ法によって測定され、Ｚ方向の高さの較正データの結果がその後の部品の位置決めのために用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の背景 本発明は捕捉・位置決め機に関する。より詳細には、本発明は捕捉・位置決め
機の較正方法に関する。
【０００２】 捕捉・位置決め機は、電子部品組立事業において個々の部品をプリント回路基
板上に装着するために用いられる。これらの機械は、個々の電子部品を回路基板
上に配置するという単調なプロセスを自動化する。捕捉・位置決め機は、動作中
には、一般的に部品供給装置（フィーダ：feeder）あるいは類似のものから個々
の部品を摘み上げ、その部品を回路基板上の個々の位置に配置する。
【０００３】 配置の動作中、一般的に捕捉・位置決め機は、適当な配置のために部品の向き
を調整するために、配置の前に、与えられた部品を確認するか、または撮像する
必要がある。このような撮像によって部品の向きが正確に調整されるので、部品
は所望の位置に正確に配置される。
【０００４】 ある標準的な様式の捕捉・位置決め機は、ミネソタ州ゴールデンバレー（Gold
en Valley）のサイバーオプティクス（CyberOptics：登録商標）社によって供給
可能なレーザーアライン（LaserAlign：登録商標）センサのような陰影センサを
用いる。陰影センサ内では、テスト中の対象物は回転させられ、陰影（あるいは
陰影像）の有効な幅が検出器上で監視される。陰影（あるいは陰影像）の幅を監
視することによって、対象物の寸法を計算することができる。捕捉・位置決め機
は開始時に較正されて、センサからのあらゆる位置的な出力が、捕捉・位置決め
機の座標系に数学的に関連付けられる。捕捉・位置決め機とセンサ出力との間の
相関関係がＸおよびＹ方向において知られると、捕捉・位置決め機はテスト中の
対象物を、例えばプリント回路基板上の、その意図された（Ｘ，Ｙ）の位置に正
確に配置することができる。ノズルのＺ方向の高さを較正する方法も開示される
ので、捕捉・位置決め機は正確なＺ方向の高さで意図された位置に対象物を繰り
返し配置することができる。しかしながら、（Ｘ，Ｙ）およびＺ方向で捕捉・位
置決め機を較正する開示された方法は、捕捉・位置決め機内のセンサの型式に対
し独得のものである。
【０００５】 他の様式の捕捉・位置決め機は、配置ヘッドが移動している間に部品を撮像す
るためにオンヘッド式ラインスキャンセンサを用いる。オンヘッド式センサとは
、本明細書では、回路基板へ部品を移動する間に、部品の向きを感知するように
、少なくとも１つの次元で配置ヘッドと共に移動するセンサのことである。これ
は、部品の向きを感知するために、部品が定常位置に移動され、そこから部品が
回路基板へ移動されるようなオフヘッド式システムと対照的である。本明細書に
おけるラインスキャンセンサは、与えられた条件内で映像の１つの線を捕らえる
ような、一列に配列された複数の光感知要素からなる光学的センサである。部品
全体をラインスキャンセンサで変換し、取得された複数の線を記憶することによ
って、部品の映像が実像化されて、Ｘ、Ｙ、およびθの向きが、この走査された
映像を用いて計算される。
【０００６】 オンヘッド式ラインスキャン感知技術を含む配置機械は、様々な様式の配置さ
れ得る部品に適応する。オンヘッド式ラインスキャンセンサは、チップコンデン
サ、カッドフラットパック（Quad Flat Packs：ＱＦＰ）、ＴＳＯＰ、ボールグ
ッリッドアレイ（Ball Grid Arrays：ＢＧＡ）、ＣＳＰ、およびフリップチップ
（flip-chips）などの部品を、直接的に撮像することができる。ラインスキャン
カメラのビデオ出力によって、ビデオプロセッサは部品の向きを計算することが
できる。部品の所望の向きおよび現在の向きを知ることによって、捕捉・位置決
め機は、部品の向きを修正し、プリント回路基板上に部品を配置する。ラインス
キャン映像はまた、配置されるべき部品についての検査情報を提供することもで
きる。さらにオンヘッド式ラインスキャン感知を含む配置機械は、摘み上げ（pi
ck up）のオフセット誤差を測定するために、固定された検査位置に移動する段
階が省かれるので、オフヘッド式感知技術に比べて非常に高速である。しかしな
がら、オンヘッド式ラインスキャン感知技術を用いた捕捉・位置決め機の正確さ
を増大するために、ラインスキャンセンサ、および配置機械の他の部品とのライ
ンスキャンセンサの物理的な関係の慎重な較正が実行されなければならない。
【０００７】 発明の概要 オンヘッド式ラインスキャンセンサを有する捕捉・位置決め機の較正方法が開
示される。較正は、フーリエ（Fourier）変換法および正規化された補償法を含
む焦点測定法を介して、１つ以上のノズル先端（nozzle tips）のＺ軸の高さ情
報を取得することを含む。さらに、部品配置の過程において、リニア検出器の傾
き（tilt）、水平目盛係数、および垂直目盛係数のようなその他の物理的な諸特
性が測定され、かつ補償される。ノズルの振れ、その他の物理的な諸特性はまた
、正弦曲線当てはめ方法によって測定され、その結果のＺ方向の高さ較正データ
がその後の部品配置に用いられる。
【０００８】 図面の簡単な説明 図１は、捕捉・位置決め機の平面図である。 図２は、本発明の１つの実施例による捕捉・位置決めヘッドの斜視図である。 図３は、本発明の１つの実施例による捕捉・位置決め機の較正方法のブロック
図である。 図４は、ノズルのＺ方向位置に対するコントラストのグラフである。 図５は、回転させられたラインスキャンセンサの概略図である。 図６は、剪定されたラインスキャン映像の概略図である。 図７は、較正対象物の概略図である。 図８は、ラインスキャンセンサステージ（stage）のＸ−Ｙ座標系におけるラ
インスキャンセンサおよび較正対象物の概略図である。 図９は、捕捉・位置決め機の座標系に関連付けられたラインスキャンセンサス
テージ座標系の概略図である。 図１０Ａは、ライスキャン・センサの座標系において測定される部品Ａおよび
Ｂの概略図である。 図１０Ｂは、捕捉・位置決め機の座標系において測定される部品ＡおよびＢの
概略図である。 図１１は、ノズルの振れを示す概略図である。 図１２は、図８に示されたノズルの振れに関連する様々な角度でのノズル先端
の位置を示す平面図である。 図１３Ａは、ノズルの角度θに対するＸ’およびＹ’に沿ったノズル先端の位
置を示す一組のグラフである。 図１３Ｂは、ノズルの角度θに対するＸ’およびＹ’に沿ったノズル先端の位
置を示す一組のグラフである。
【０００９】 好ましい実施例の詳細な説明 図１は、本発明の１つの実施例による捕捉・位置決め機３１の平面図である。
捕捉・位置決め機３１は、チップ抵抗、チップコンデンサ、フリップチップ、ボ
ール・グリッド・アレイ、カッドフラットパック、およびコネクタなどの様々な
電子部品をプリント回路基板などの製作品３２上に装着するように適用される。
【００１０】 様々な方法が開示されるにつれて、３つの適切な座標系があることが明らかに
されるであろう。正確かつ繰り返し可能に、意図された位置に部品を配置するた
めに、前記３つの座標系間の相互関係がわからなければならない。走査された映
像の座標は、座標表示後に単一のダッシュを付して（すなわち、（Ｘ′，Ｙ′，
Ｚ′））表記される。ラインスキャンセンサステージ座標は、ダッシュなし（す
なわち、Ｘ，Ｙ，Ｚ）で表記される。捕捉・位置決め座標系は二重のダッシュ付
き（すなわち、Ｘ″，Ｙ″，Ｚ″）で表記され、対象物座標系は三重のダッシュ
ラベル付けの慣例（すなわち、Ｘ″′，Ｙ″′，Ｚ″′）で表記される。
【００１１】 個々の部品は、コンベヤ３３の対抗側面上に配置されたフィーダ３４から摘み
上げられる。フィーダ３４は、既知のテープフィーダ、あるいはその他の適当な
装置であってよい。
【００１２】 捕捉・位置決めヘッド３７は、フィーダ３４から部品を取り外し可能に摘み上
げて、その部品を製作品３２上のそれぞれの装着位置に搬送するように適用され
る。ヘッド３７は、図２に関連してより詳細に述べられる。ヘッド３７は、キャ
リッジ４１上に移動可能に配置され、ボールねじまたはその他の適当な装置を介
して駆動モータ４２に結合される 。つまり、ヘッド３７は、モータ４２の駆動
によって、矢印２０で示されるように、キャリッジ４１に沿ってＹ″方向に移動
する。モータ４２は、コントローラ３９にＹ″軸の位置信号を提供するエンコー
ダ４３に結合される。
【００１３】 図２に飛んで、ラインスキャンセンサ６４は部品をその下側から見るので、セ
ンサ６４からの走査された映像は部品の下側の詳細を含む。典型的には、下側は
、ファインピッチボール（fine pitch balls）、支柱、あるいはその他の結合手
段を有する部品の大部分の詳細部分を示す。ラインスキャンセンサ６４はまた、
可変解像度と共に可変視野という利点を有するので、より詳細さが必要とされる
につれて、解像度および視野が適当に調整されることができる。
【００１４】 キャリッジ４１は、一組のガイドレール４６上に装着されて、矢印２２で示さ
れるように、Ｘ″軸に沿って移動可能である。キャリッジ４１は駆動モータ４９
に結合されるので、キャリッジ４１およびヘッド３７は、モータ４９の駆動によ
ってＸ″軸に沿って変位する。エンコーダ５１は、コントローラ３９にＸ″軸の
位置信号を提供するようにモータ４９に結合される。
【００１５】 捕捉・位置決め機３１はまた、エンコーダ４２、５１からエンコーダ位置信号
を受信し、センサ６４（図２に示される）からラインスキャン映像情報を受信し
、かつカメラ９２（図２に示される）から基準映像データを受信するコントロー
ラ３９を含む。本明細書に、より詳細に後述されるように、コントローラ３９は
、捕捉・位置決め機３１を較正するための物理的な諸特性を計算する。
【００１６】 その他の種類のラインスキャンセンサが、較正のために本発明の方法と共に適
用可能である。例えば、高性能の捕捉・位置決め機のいくつかは、その全てが回
転ヘッドの中心点の回りで回転するような複数のノズル上で、それが摘み上げる
部品を連続的に配置する回転ヘッドを含むタレット（turret）システムを有する
。従来のＸ，Ｙ平行移動ガントリ（gantry）捕捉・位置決め機に関しては、いく
らかは、ガントリが別の直角方角において固定されている間に、それらが一次元
内で小量移動するように、最近改変された。さらに対象物を走査するどのような
ラインスキャンセンサのためにも、対象物が静止している間にセンサが移動する
か、センサが静止している間に対象物が移動するか、またはセンサと対象物の両
方が同時に移動しなければならないことが理解される。
【００１７】 図２は、本発明の１つの実施例による配置ヘッド３７の斜視図である。図示さ
れるように、配置ヘッド３７は、２つの真空捕捉ノズル６２ 、基準感知カメラ
９２、オンヘッド式ラインスキャンセンサ６４、およびラインスキャンセンサス
テージ８８を含む。ノズル６２は、捕捉ユニット８４に結合され、それによりノ
ズル６２によって保持された部品８６Ａおよび８６Ｂは、上下移動され、それぞ
れのノズル軸の周囲に回転される。図２には２つのノズル６２が示されるけれど
も、１つを含む適切な任意数のノズルが本発明の実施例を実現するために用いら
れることができる。
【００１８】 ラインスキャンセンサ６４は、リニアステージ８８上に移動可能に支持される
ので、ラインスキャンセンサ６４は矢印２１で示されるようにＹ方向に移動可能
である。リニアモータ（図示されず）は駆動力を供給するが、ステージ８８を動
かすための、どのよう機械的な設備も採用可能である。基準カメラ９２はヘッド
３７上に配置され、製作品上のレジストレーションマークや基準を測定する。本
明細書に、より詳細に後述されるように、基準の位置は、較正を促進するばかり
でなく配置位置の補償量を計算するために用いられる。
【００１９】 捕捉・位置決め機３１を較正するために、一般的には、捕捉・位置決め機の多
数の物理的な諸特性を測定する必要がある。これらの物理的な諸特性、およびセ
ンサ座標系、ラインスキャンステージ座標系、および捕捉・位置決め機の座標系
との間の数学的な関係の認識によって、システム内のプロセッサはヘッドの移動
のための命令を計算することができ、それによって最終的に正確に部品を配置す
ることができる（このプロセスは、部品位置の「較正」と呼ばれる）。これらの
諸特性は、捕捉・位置決め機内のＺ位置エンコーダのいくつかの基準位置に対す
る配置ヘッド上の各ノズル先端のＺ軸高さ、配置ヘッド上の各ノズル位置、ライ
ンスキャンセンサの実効軸、ラインスキャンセンサの水平目盛係数、ラインスキ
ャンセンサの垂直目盛係数、および各ノズルの振れを含む。
【００２０】 本発明の全ての実施例は、較正のためにラインスキャンセンサを利用する。較
正プロセスの第１の段階はノズル先端のＺ軸高さの位置決めであることが望まし
く、これにより、較正のその後の段階はラインスキャンセンサの焦点面で実行さ
れる、つまりより正確に実行される。ノズルのＺ軸高さが確立されると、全ての
部品および較正対象物が、ラインスキャンセンサによって走査される時に最も焦
点が合わせられる（すなわち、焦点面に配置される）ように、各ノズルは適当な
Ｚ軸位置に調整されることができる。
【００２１】 図３は、本発明の１つの実施例によるＺ軸高さの計算方法を示す。図３に示さ
れる方法は、図３の説明中に現れる理由から自動焦点法とみなされることができ
る。図３の方法の開始に先立って、各ノズル先端の鋭い端部に強い光を当てる照
射様式が選択されることができる。ラインスキャンセンサは、様々な照射様式の
高性能な組み合わせを採用することができ、これらの照射については、本明細書
に組み込まれた、１９９９年１１月３日に提出された「改良されたイメージング
システムを有する電子部品組立て装置（ELECTRONICS ASSEMBLY APPARATUS WITH
IMPROVED IMAGING SYSTEM）」と題する出願番号０９／４３２，５５２号に説明
される。一旦走査された映像が取得されると、ノズル先端の焦点の測定値を供給
し、最終的には、ノズル先端が最も焦点が合うところでノズルのＺ方向高さを計
算するために、走査された映像に焦点測定方法が適用される。焦点測定方法の２
つの実施例が本明細書に示されるが、他の方法も同様に適切である。
【００２２】 各ノズルを上げることによって、ブロック１００で手順が開始し、各先端がラ
インスキャンセンサの最良焦点の平面のＺ方向位置上にあることが知られる。次
に、ブロック１０２に示されるように、ラインスキャンセンサ６４をＹ方向に搬
送し、走査された映像内の全てのノズル先端の単一映像を取得することによって
、全てのノズル先端の走査が実行される。
【００２３】 ブロック１０４で、焦点測定方法がノズル先端の走査された映像に適用されて
、その結果が現在セットされるいくつかのＺ方向高さ表示と共に記憶される。焦
点測定法の２つの実施例が本明細書に説明されるけれども、最良焦点に対応する
光学的なＺ方向高さを識別するあらゆる方法が適切であることが理解される。
【００２４】 焦点測定方法の第１の実施例では、二次元フーリエ変換が、ノズル先端の走査
された映像上で実行される。ノズル先端の走査された映像は非常に高い周波数を
有するので、フーリエ変換によって高周波数成分の強さ、すなわち映像の鋭さの
解析が可能となる。走査された映像の高周波数部分を識別するための他の手段が
採用されてもよい。
【００２５】 ブロック１０８で、ブロック１０４からの焦点測定結果が、先のノズルのＺ方
向位置での映像から記憶された個々の焦点測定結果と比較される。焦点測定方法
のこの第１の実施例では、走査された映像のフーリエ変換中の、選択された高周
波数の空間成分の振幅が、最良焦点の測定値である。部分最大値が、最良焦点の
ための最適なＺ方向高さにおよそ相当する値に達するまで、各ノズルの高周波数
成分の振幅が増大する。最大値に達した後、高周波数成分の振幅が減少し始める
。これらのモニタされた振幅が減少し始めると、現在セットされるＺ方向高さは
最適なＺ方向の高さより低くなる。図３に示されるように、Ｚ方向高さが最適の
Ｚ方向高さ未満でないならば、ノズルはブロック１１２で低くされて、プロセス
は再びブロック１０２から開始する。
【００２６】 そうでなければ、プロセスはブロック１１０に継続し、最高のコントラストが
得られ、最良焦点が得られる最適のＺ方向高さを各ノズルに対して補間するため
に、四次多項式が振幅データに当てはめられる。曲線当てはめはノイズを抑制し
、任意の焦点の選択が計算されるのを可能にする。あらゆる適切な曲線当てはめ
方法が、「焦点測定（focus-metric）」方法からの結果をあらゆる適切な数学的
モデルに当てはめるために用いられることができる。曲線当てはめの結果は、「
焦点測定」データからの各ノズルのための最良焦点のＺ方向の高さ位置の補間を
好ましいように容易にする。
【００２７】 振幅フーリエ変換以外の関数が、走査された映像内のノズル端部の鋭さを測定
するために用いられることができ、この情報は、ノズル先端の映像が最良焦点に
ある時を計算するために用いられることができる。
【００２８】 代わりの焦点測定方法が、図３のブロック１０４で用いられることができる。
この代替の焦点測定では、各ノズル先端のテンプレート（すなわち、期待された
映像）が、走査された映像内のノズル先端と比較される。テンプレートは、ソフ
トウェア内に構成することができ、あるいは、先に記憶された、鋭く焦点が合っ
たノズル先端の映像が用いられることができる。正規化された相関アルゴリズム
は、テンプレート一致の程度を示すスコアを返し、そのスコアは各Ｚ方向高さで
の焦点の測定値として記憶される。相関スコアが最大である時、ノズル先端の走
査された映像は最良に焦点が合っている。正規化された相関法およびフーリエ変
換方法以外の様々な様式の自動焦点方法が等しく適用可能である。
【００２９】 較正プロセスの次の好ましい段階は、ラインスキャンセンサの移動方向に垂直
な、ラインスキャンセンサ内のリニア検出器の実効軸を形成することである。こ
の実効軸に傾きがあると、全ての映像は剪定されたように見える。図５は、Ｘ軸
に関して非常に大きな角度θdだけ傾けられたリニア検出器の実効軸６５を示す
。この図中のＹ軸は、ラインスキャンステージ８８の移動方向である。明確にす
るために、ラインスキャンステージ８８は図５では省略されているが、図２に示
される。
【００３０】 図６は、部品８６Ａおよび８６Ｂの剪定されたそれぞれの映像８７Ａおよび８
７Ｂを示す。また、図６内の符号は、捕らえられたビデオ映像内に現れるライン
スキャンセンサ６４のＸ′−Ｙ′座標系である。続く手順は、ノズルの内の１つ
によって摘み上げられた既知の寸法の較正対象物を走査するために、ラインスキ
ャンセンサを用いる。検出器の傾きは、較正対象物のこのイメージから計算され
る。
【００３１】 以下に計算される検出器の傾きθdが、許容範囲より大きい場合、ラインスキ
ャンセンサハウジングは、その機械的なマウント上のＸ−Ｙ平面内で回転させら
れる。この回転は、センサステージ８８をヘッド３７の適所、あるいはその他の
適切な機械装置に固定するボルトを緩めることによって実行される。その後、検
出器の傾きが許容範囲内になるまで、走査、検出器の傾きの計算、およびライン
スキャンセンサハウジングを回転する手続きは繰り返される。さらに、ラインス
キャンセンサの水平および垂直目盛係数が同じ手順で測定される。
【００３２】 検出器の傾き、ラインスキャンセンサの水平目盛係数および垂直目盛係数を測
定するために、既知の寸法の較正対象物が用いられる。この対象物は、高精度の
フォトリソグラフ技術によって作られるのが望ましい。適切な較正対象物１２８
の例が図７に示される。特徴１３０Ａ〜１３０Ｆは、既知の大きさ、形、および
Ｘ″′−Ｙ″′座標系内の位置にある。これらの特徴もまた基準マークとして参
照される。
【００３３】 成功裏に用いられてきた別の様式の較正対象物１２８は、その対象物上にパタ
ーン形成された正方形の直行配列のグリッドを有する。
【００３４】 一般的には、特徴あるいはグリッドの映像は、剪定され、回転させられ、かつ
ラインスキャン映像内でオフセットを有する。
【００３５】 図８では、較正対象物１２８が、Ｘ軸に関してθgだけ回転させられている。
【００３６】 図５および６に戻って、ラインスキャン映像内の点が、式（１）の関係によっ
て、ステージ８８の座標フレーム内の点に変換されることがわかる。
【００３７】
【数１】 ここで、ｈおよびｖは、それぞれ水平および垂直目盛係数であり、式（１）は目
盛および剪定の両方を補償する。
【００３８】 図８は、較正対象物１２８の映像取得の前のラインスキャンセンサ６４を示す
。較正対象物は、真空ノズル（図示されず）の内の１つによって保持される。較
正対象物は、角度θgだけ回転して示されている。ステージ座標フレーム内で、
オフセットを無視した特徴１３０Ａ〜１３０Ｆの位置が次の回転の式によって与
えられる。
【００３９】
【数２】 式（１）および（２）を等式にすると次式（３）が与えられる。
【００４０】
【数３】 リニア検出器の傾き、水平目盛係数、および垂直目盛係数を計算するために、
幾何学的な変換が用いられる。アフィン変換として既知の、１つの幾何学的な変
換は、平行移動、回転、スケーリング、および剪定を与えることができる。アフ
ィン変換についてのさらなる情報は、ジョージ ウォルバーグ（George Wolberg
）による「デジタル映像の撓曲（Digital Image Warping）」と題する専攻論文
（１９９０年のＩＥＥＥコンピュータ協会出版物：IEEE Computer Society Pres
s）に提供されている。
【００４１】 Ｘ′−Ｙ′ラインスキャンセンサ・イメージ座標フレーム内の点は、次式（４
）のアフィン変換によって、Ｘ″−Ｙ″較正対象物座標フレームにマッピングさ
れるのが好ましい。
【００４２】
【数４】 ここで、（Ｘ′0，Ｙ′0）は、較正対象物１２８の始点のオフセットであり、α
、β、γ、δは、較正対象物の映像の回転、大きさ、および剪定を表わす。各特
徴１３０Ａ〜１３０Ｆの位置（Ｘ′，Ｙ′）は、正規化された相関方法によって
ラインスキャン映像内に見出される。式（４）は、特徴１３０Ａ〜１３０Ｆそれ
ぞれに対して繰り返される。変数α、β、γ、δ、Ｘ′0、Ｙ′0は、最小二乗法
などの既知の方法によって見出されるが、補間方法も適切である。
【００４３】 式（４）を式（３）に代入すると次式が得られる。
【数５】 検出器の傾き、水平目盛係数、および垂直目盛係数のみを計算することが所望さ
れるので、オフセットは再び無視される。 式（５）が全ての
【００４４】
【数６】 に対し成り立つと次式が得られる。
【００４５】
【数７】 （６）の「ノースイースト（northeast）」式が導出されると次式が得られる。
【００４６】
【数８】 較正対象物の傾きθgを求めるために式（７）を解くと次式が得られる。
【００４７】
【数９】 標準的な三角恒等式を用いることによって式（６）は、次式（９）になる。
【００４８】
【数１０】 検出器の傾きθdを求めるために式（９）を解くと次式が得られる。
【００４９】
【数１１】 水平および垂直目盛係数は次式(１１)、（１２）によって得られる。
【００５０】
【数１２】
【００５１】 対象物上の明確に輪郭を描かれた正方形または長方形のようなパターンを用い
て対象物を撮像することによって、検出器の傾きθdを計算するための他の方法
が実行される。一旦対象物の走査された映像（パターンを含む）が取得されると
、パターンを形成する各線分の傾きは、市場で入手可能なマシン・ビジョン・ソ
フトウェア（machine vision software）によって計算されることができる。長
方形における少なくとも２つの隣接した線分の式を知ることによって、前記２つ
の線分間の角度θdが計算され、その線分間の期待された角度と比較されること
ができる。その代わりに、ある方法は、それぞれが線分の交差によって形成され
る、少なくとも３つの点上で変換を実行することによって、θdおよび目盛係数
を計算することができる。最後に、ステージ８８は、引き続く測定において、初
期の検出器ステージの傾きの較正による角度θdによって機械的に調整されるこ
とができる。
【００５２】 一旦リニア検出器の傾きが移行されると、配置機械の座標フレームへのライン
スキャンステージ座標フレームのマッピングが決定される。図９は、オンヘッド
式ラインスキャンセンサステージの座標軸が、配置機械のＸ″−Ｙ″軸に関して
傾けられた例を示す。（本発明の配置機械の実施例では、配置ヘッドは、Ｘ″−
Ｙ″軸の両方内で移動する。他の配置機械の実施例では、配置ヘッドは、Ｘ″ま
たはＹ″軸のどちらかでしか移動しない。）
【００５３】 図２に示された符号８６Ａおよび８６Ｂの部品を摘み上げることによって手順
が開始する。以下簡略化のために、部品８６Ａおよび８６Ｂは、それぞれ部品Ａ
およびＢとする。この較正段階のために、部品は、長方形に機械加工されたブロ
ックであるのが好ましい。しかしながら、標準的な電子部品もまた用いられるこ
とができる。その後、部品ＡおよびＢはラインスキャンセンサ６４によって走査
されて、部品ＡおよびＢの中心位置が計算される。部品ＡおよびＢが走査された
後、それらは対象基板上に配置される。それから、基準カメラ９２が引き続いて
部品ＡおよびＢの上方に配置されて、基板上のそれらの位置が配置機械座標フレ
ーム内で測定される。基準カメラ９２は配置ヘッドに装着されているので、基準
カメラ９２は、移動して配置機械座標フレームを測定する。
【００５４】 図１０Ａは、単一のダッシュ付きのラインスキャン座標系においてラインスキ
ャンセンサ６４によって測定された、部品ＡおよびＢのそれぞれの位置（Ｘ′A
，Ｙ′A）および（Ｘ′B，Ｙ′B）を示す。２点間の線１３２は、Ｙ′軸に関す
る角度εを形成する。図１０Ｂは、配置機械３１の二重のダッシュ付きの座標系
において基準カメラ９２によって測定された部品ＡおよびＢのそれぞれの位置（
Ｘ″A，Ｙ″A）および（Ｘ″B，Ｙ″B）を示す。２点間の線１３４は、Ｙ′軸に
関する角度ωを形成する。この例では、２つの座標フレームが、式（１３）によ
って得られる角度φだけ相互に関して回転させられる。 式（１４）および（１
５）によって、εおよびωの値が得られる。
【００５５】
【数１３】 ラインスキャンセンサ６４のダッシュ付きの座標フレーム（Ｘ′，Ｙ′）にお
いて形成された測定値を平行移動および回転によって、配置機械３１の二重のダ
ッシュ付きの座標フレーム（Ｘ″，Ｙ″）内に変換することが、次式によって与
えられる。
【００５６】
【数１４】 平行移動の総量Ｘ′0およびＹ′0は、部品ＡまたはＢのどちらかの測定された
位置を式（１６）に代入することによって計算される。このことを部品Ａの測定
された位置に対して行うと次式が得られる。
【００５７】
【数１５】 捕捉・位置決め機３１の正確さはまた、ノズルの正確な位置を測定すること、
およびノズルが回転しているときのあらゆる機械的な振れを測定することによっ
て向上させられる。振れとは、ノズル先端の平面内で測定されるような、その実
効回転軸からのノズル先端のオフセットのことである。図１１は、振れを伴うノ
ズル６２の側面図であり、１８０°回転させられた後の同じノズルが破線で示さ
れる。ノズルの位置および関連する振れを測定するために、ノズルは走査されて
、その後それらの位置が、前述の正規化された相関方法によって計算される。ノ
ズルはその後、θ方向にインクリメントされ、ノズルが３６０°回転されるまで
、正規化された相関方法を用いて、それらの位置を走査および測定する手続きが
繰り返される。図１２は、様々なノズル角度でのノズル先端の位置の一例を示す
。図１２内の符号１〜６の円は、この例のノズル先端の像である。図１３Ａおよ
び１３Ｂは、ノズルのθ位置に対してプロットされたノズル先端のＸ′およびＹ
′の位置である。図１３Ａおよび１３Ｂ内の符号１〜６もまたノズル先端の位置
である。ノズルの振れの軸および角度は、以下に述べるように、Ｘ′およびＹ′
位置に対する最適正弦曲線からわかる。図１３Ａおよび１３Ｂはまた、これらの
最適正弦曲線を示す。ノズル番号ｋの先端の位置に対する式は次式で与えられる
。
【００５８】
【数１６】 ここで、座標 (Ｘ′ck，Ｙ′ck)はノズル番号ｋの回転中心、Ｒkは回転半径であ
る。ノズル角度はθkであり、ξkは角度のオフセットである。
【００５９】 式（１９）および（２０）を解いてノズルの中心位置、半径、および角度のオ
フセットを求めるために、以下の因数ａkおよびｂkが定義される。
【００６０】
【数１７】 標準的な三角関数角度差公式を用いると、式（１９）および（２０）は次式（２
３）になる。
【００６１】
【数１８】 そこで、ａk、ｂk、および各ノズルの回転中心を計算するために、最小二乗法が
用いられる。回転半径および角度のオフセットは、次式によって得られる。
【００６２】
【数１９】 部品が、配置の前に、ラインスキャンセンサ６４によって測定された後に回転
されなければならない時は、２つの角度でノズル中心の差が計算される。そして
その差は、ラインスキャンセンサによって測定された値の修正に適用される。修
正値計算に関するさらなる情報が本明細書に組み込まれて前述された米国特許出
願に記述されている。
【００６３】 図１３Ａおよび１３Ｂから、プリント回路基板上の配置されるべき向きとは異
なる向きに摘み上げられたために、部品が大きな角度で回転させらなければなら
ない時には、ノズルの振れが大きな誤差の原因になることが明らかになる。部品
が、配置の前に、ほぼ−９０°、９０°、あるいは１８０°に回転することは典
型的なことである。振れ修正の必要量を低減するために、部品はラインスキャン
センサでスキャニングされる前に、それらの大体の配置の向きに事前に回転させ
られることができる。この事前の回転は、ノズルが走査のためにある位置に引き
込められる間、あるいはノズルが部品の捕捉後に引き込められている間に実施さ
れることができる。
【００６４】 本発明を好ましい実施例によって説明してきたが、本発明の精神や範囲を逸脱
することなく詳細や形式上の変更が可能なことを当業者は理解するであろう。特
に、本発明の較正方法は種々のノズルに容易に拡張されることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 捕捉・位置決め機の平面図である。
【図３】 本発明の１つの実施例による捕捉・位置決め機の較正方法のブロッ
ク図である。
【図４】 ノズルのＺ方向位置に対するコントラストのグラフである。
【図９】 捕捉・位置決め機の座標系に関連付けられたラインスキャンセンサ
ステージ座標系の概略図である。 の位置を示す平面図である。
【図１３Ａ】 ノズルの角度θに対するＸ’およびＹ’に沿ったノズル先端の
位置を示す一組のグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダキッテ，デビッド，ダブリュー． アメリカ合衆国 55417 ミネソタ州、ミ ネアポリス、サーティーンス アベニュー サウス 5101 Ｆターム(参考） 5E313 AA01 AA11 CC04 EE03 EE24 EE25 FF24 FF28 FF33 FF40

Claims (33)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 走査された映像を提供するために、オンヘッド式ラインスキャ
    ンセンサで少なくとも１つのノズルを走査すること、 前記走査された映像上の少なくとも一部分に基づいた、前記少なくとも１つの
    ノズルの物理的な特徴を計算すること、および 前記計算された物理的な特徴の少なくとも一部分に基づいて、部品を位置決め
    することを含む少なくとも１つのノズルを有する捕捉・位置決め機の較正方法。
  2. 【請求項２】 前記少なくとも１つのノズルの走査段階が多数の追加的な走査
    された映像を提供するために繰り返された後に、ノズルがＺ方向に配置され、前
    記物理的な特徴が少なくとも１つのノズルのＺ方向の高さである請求項１の方法
    。
  3. 【請求項３】 さらに、前記走査された映像および前記多数の追加的な走査さ
    れた映像に焦点測定方法を実行することを含み、焦点測定方法の結果がＺ方向の
    高さを計算するために用いられる請求項２の方法。
  4. 【請求項４】 前記焦点測定方法が、前記走査された映像および前記多数の走
    査された映像内の高周波数成分の強さを分析することを含む請求項３の方法。
  5. 【請求項５】 前記高周波数成分の強さの分析の段階が、フーリエ変換を実行
    することを含む請求項４の方法。
  6. 【請求項６】 前記強さの分析の段階が、前記走査された映像および前記複数
    の追加的な走査された映像の鋭さの多数の測定値を提供し、さらに前記Ｚ方向の
    高さの計算の段階が、多数の鋭さの測定値間の補間を含む請求項４の方法。
  7. 【請求項７】 前記焦点測定方法が、多数の相関測定値を提供するために、前
    記走査された映像および前記多数の追加的な走査された映像をテンプレート映像
    と比較すること含み、前記多数の相関測定値がＺ方向の高さを計算するために用
    いられる請求項３の方法。
  8. 【請求項８】 Ｚ方向の高さが、前記多数の相関測定値の補間から計算される
    請求項６の方法。
  9. 【請求項９】 さらに、少なくとも１つのノズルで部品を摘み上げ、かつ前記
    Ｚ方向の高さに基づくＺ軸上の部品の位置決めを含む請求項２の方法。
  10. 【請求項１０】 前記ラインスキャンセンサが配置ヘッド上に装着され、前記
    物理的な特徴が配置ヘッド上の少なくとも１つのノズルの位置である請求項１の
    方法。
  11. 【請求項１１】 前記位置が２つの直行する軸に関連して示される請求項１０
    の方法。
  12. 【請求項１２】 前記位置が、ラインスキャン座標系、ステージ座標系、およ
    び捕捉・位置決め座標系の関数として計算される請求項１０の方法。
  13. 【請求項１３】 さらに、少なくとも１つのノズルで部品を摘み上げること、
    および前記位置に基づく捕捉・位置決め座標系に関する部品の位置決めを含む請
    求項１０の方法。
  14. 【請求項１４】 前記配置ヘッドが追加的なノズルを有し、前記物理的な特徴
    が少なくとも１つのノズルおよび追加的なノズルの位置を示す請求項１０の方法
    。
  15. 【請求項１５】 少なくとも１つのノズルへ対象物を取り付けること、 ラインスキャン座標によって表現された走査された映像を提供するために、オ
    ンヘッド式ラインスキャンセンサで前記対象物を撮像すること、 前記対象物の少なくとも２つの特徴に基づいて、物理的な座標系とラインスキ
    ャン座標系との間のマッピングを計算すること、および 前記マッピングの関数として物理的な特徴を計算することを含む物理的な座標
    系および少なくとも１つのノズルを有する捕捉・位置決め機の較正方法。
  16. 【請求項１６】 前記走査された映像がパターンを含み、前記マッピングの計
    算段階が前記パターンの少なくとも一部分をモデル化する少なくとも１つの式を
    含み、前記計算された式が前記パターンの期待された式と比較され、かつ検出器
    の傾きがそこから計算される請求項１５の方法。
  17. 【請求項１７】 前記走査された映像がパターンを含み、前記マッピングの計
    算段階が少なくとも３点を計算することを含み、その各点が前記パターンの関連
    付けられた２つの線分の交差によって形成され、少なくとも３点の移動が検出器
    の傾きをもたらす請求項１５の方法。
  18. 【請求項１８】 前記マッピングの計算段階が、捕捉・位置決め座標系、ライ
    ンスキャンセンサのステージを表す座標系、対象物を表す座標系、およびライン
    スキャン座標系間の数学的な関係を計算することを含む請求項１５の方法。
  19. 【請求項１９】 前記マッピングの計算段階が、少なくとも２つの座標系間の
    幾何学的な変換を実施することを含む請求項１８の方法。
  20. 【請求項２０】 前記幾何学的な変換がアフィン変換である請求項１９の方法
    。
  21. 【請求項２１】 前記物理的な特徴が、前記物理的な座標系に対する前記ライ
    ンスキャン座標系の傾きである請求項１５の方法。
  22. 【請求項２２】 さらに、少なくとも１つのノズルで部品を摘み上げることお
    よびその部品の位置決めを含む請求項２１の方法。
  23. 【請求項２３】 前記対象物がその上にグリッドパターンを有する請求項１５
    の方法。
  24. 【請求項２４】 前記物理的な特徴がラインスキャン座標系の目盛係数である
    請求項１５の方法。
  25. 【請求項２５】 前記目盛係数が垂直軸に関して表わされる請求項２４の方法
    。
  26. 【請求項２６】 前記目盛係数が水平軸に関して表わされる請求項２４の方法
    。
  27. 【請求項２７】 さらに、少なくとも１つのノズルで部品を摘み上げ、 その
    部品の位置決めのために前記目盛係数を用いる請求項２４の方法。
  28. 【請求項２８】 ノズルの回転につれて、その多数の走査された映像を提供す
    るために、オンヘッド式ラインスキャンセンサで少なくとも１つのノズルを撮像
    すること、および 前記多数の走査された映像内の前記ノズルの位置の関数としてノズルの振れを
    計算することを含む少なくとも１つのノズルを有する捕捉・位置決め機の較正方
    法。
  29. 【請求項２９】 前記振れの計算段階が、回転の中心および少なくとも１つの
    ノズルのための角度のオフセットを計算することを含む請求項２８の方法。
  30. 【請求項３０】 さらに、少なくとも１つのノズルで部品を摘み上げること、
    およびその部品の配置のために振れを用いることを含む請求項２８の方法。
  31. 【請求項３１】 さらに、意図された部品の配置位置を振れによって補償する
    ことを含む請求項２９の方法。
  32. 【請求項３２】 少なくとも１つの部品を摘み上げ、製作品上に前記少なくと
    も１つの部品を装着するように適用された配置ヘッド、 前記配置ヘッド上に配置されたラインスキャンセンサ、 前記配置ヘッド上に配置された基準カメラ、および ラインスキャンセンサが映像を走査できるようにするように適用され、さらに
    前記走査された映像上の少なくとも一部分に基づいた捕捉・位置決め機の物理的
    な特徴を計算するように適用された、前記配置ヘッド、前記ラインスキャンセン
    サ、および前記基準カメラに結合されたコントローラを含む捕捉・位置決め機。
  33. 【請求項３３】 部品フィーダから製作品へ部品を搬送する手段、 前記搬送手段に結合されたラインスキャンセンサ、 前記ラインスキャンセンサを用いて捕捉・位置決め機を較正する手段を含む捕
    捉・位置決め機。
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