JP2004522148A - 部品を配置するための改良されたレーザ整列センサ - Google Patents

Abstract

部品を配置するための改良されたレーザ整列センサを提供する。
【解決手段】
ピックアンドプレースのための装置（１５０）によって配置されるべき部品（１８）の配置情報を感知するためのセンサ（１８４）が開示される。センサ（１８４）は、それぞれが部品（１８）上に異なる入射角で照明を指向するように配置された複数の光源（１２，１４）を含んでいる。各光源（１２，１４）は、さらに、付勢信号により光を発生するように構成されている、光源制御電子装置（３８）が設けられ、複数の光源（１２，１４）に接続されて該光源（１２，１４）を連続的に付勢する。複数の光源（１２，１４）に関連してセンサ（１８４）内に検出器（２４）が配置され、少なくとも部品（１８）の１つの影を受け取り、部品（１８）が回転している間に撮像された影（２０，２２）を示すデータを検出器の出力に供給する。

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、プリント回路基板、回路配線を含むハイブリッド基板、およびその他の回路配線担体等の上に、ピックアンドプレース（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ）システムを介することにより正確な配置のために電気部品を整列する制御システムに関する。より具体的には、本発明は、非接触レーザベースのセンサシステムに関し、適正な配置のため部品の角度方位および位置（ｘ，ｙ）を正確に決定して、ピックアンドプレース機械がこのピックアンドプレース機械の座標系に関して部品の角度方位を修正できるようにするシステムに関する。
【０００２】
電気デバイス組立産業では、標準化された供給機構から部品、例えばテープリールを自動的に摘み上げて、これらの部品をプリント回路基板等、適当な担体上に配置するピックアンドプレース機械を使用する。プリント回路基板は前記部品を数多く含んでいるので、コスト効率のよい製造のためにプリント回路基板上への部品配置の自動化は必須である。
【０００３】
ピックアンドプレース機械における一つの重要な特徴は、部品の向きおよび位置が配置に先立って行われる点である。ある種のピックアンドプレース機械は、検査ステーションに部品を移送し、検査カメラ等によってその部品を撮像する。一旦撮像が行われてしまえば、コントローラ若しくはその他の適当な装置が、その部品の映像から向きや位置の情報を計算する。このようなシステムについての一つの欠点は、撮像ステーションに部品を移送する時間、部品を撮像する時間、および撮像ステーションから配置位置まで部品を移送する時間が付加的に必要となることである。別のタイプのピックアンドプレース機械は、部品供給器から配置位置まで部品が搬送される間に、部品を撮像する「頭上（ｏｎ−ｈｅａｄ）」センサを使用する。したがって、前の例と比較すると、頭上部品検査システムは一般的に高い部品のスループットを可能にし、ひいては低コストでの製造を可能にする。
【０００４】
頭上センサを組み入れたピックアンドプレース機械は既知である。その一つの装置が、スクーネス（Ｓｋｕｎｅｓ）等によって特許取得され、本発明の承継人に承継された米国特許第５，２７８，６３４号に示されている。米国特許第５，２７８，６３４号は、対象の部品にレーザ照明を指向させ、それが通り過ぎるとレーザ照明が直線検出器上に投げかけられるようにするレーザ光源を用いた頭上部品検出器を開示している。レーザが付勢されたまま、部品は真空クイルによって回転させられ、その間に直線検出器に投影された映像はモニタされる。これによって、部品の位置だけでなく部品の角度方位が決定され、適正な配置となるように修正される。
【０００５】
スクーネス等によって示されているシステムはピックアンドプレース機械における電気部品配置の技術を進歩させるのに役立っているが、改良の余地がある。その改良は、この特許文献の残りの部分を読むことによって明らかになるであろう。
【０００６】
発明の概要
ピックアンドプレース機械によって配置されるべき部品の配置情報を感知するセンサが開示される。このセンサは、それぞれが、部品上に異なる入射角で照明を指向させるように配置された複数の光源を含んでいる。それぞれの光源はさらに付勢信号に基づいて光を発生するように構成されている。光源制御電気装置が設けられ、連続的および／または選択的に各光源に付勢信号を供給するために複数の光源に接続される。検出器は、部品の少なくとも一つの影を受け取るために、複数の光源に関連してセンサ内に配置され、そして部品が回転している間に投影された影を示すデータを検出器出力として提供する。
【０００７】
図面の簡単な説明
図１Ａは、本発明の実施例が特に有用なピックアンドプレース機械を示す平面図である。
図１Ｂは、センサの斜視図である。
図２は、本発明の一実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
図３は、本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
図４は、本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
図５は、本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
図６は、本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
【０００８】
詳細な説明
図１Ａは、本発明の実施例が特に有用なピックアンドプレース機械を示す平面図である。図１Ａはピックアンドプレース機械１５０を示したものであるが、分離ガントリ設計（ｓｐｌｉｔ ｇａｎｔｒｙ ｄｅｓｉｇｎｓ）等、他の形式のピックアンドプレース機械を使用することができる。図１Ａに記載したように機械１５０はプリント回路基板等のワークピースを移送するように適合された移送機構１５２を含む。移送機構１５２は装着部１５４及び搬送機１５６を含む。移送機構１５２は、ワークピースが搬送機１５６によって装着部１５４に搬送されるよう、ベース１５８上に配置される。給送機構１６０が移送機構１５２の両側全域に亘って配置され、そこへ部品を供給する。給送機構１６０は、テープ供給機（ｔａｐｅｄ ｆｅｅｄｅｒ）のような、電子部品を供給するために構成された適当な装置であることができる。
【０００９】
ピックアンドプレース機械１５０はプレート１５８上に配置されたヘッド１６２を含む。ヘッド１６２は給送機構１６０および装着部１５４間で移動できる。図示のように、ヘッド支持部１６４はレール１６６上で移動できるので、ヘッド１６２はベース１５８上をｙ方向に移動できる。ヘッド１６２のｙ方向の動きは、モータ１７０がモータ駆動信号に応答してヘッド支持部１６４の一方に係合しているボールねじ１７２を回転させたときに生じ、それによって支持部１６４をｙ方向に変位させる。ヘッド１６２はまた、ベース１５８に対するヘッドのｘ方向の動きが可能なようにレール１６８上に支持される。ヘッド１６２のｘ方向の動きは、モータ１７４がモータ駆動信号に応答してヘッド１６２に係合しているボールねじ１７６を回転させたときに生じ、そしてヘッド１６２をｘ方向に変位させる。
【００１０】
図示のように、ヘッド１６２は、本体１７８、ノズル装着部１８０、ノズル１８２、およびセンサ１８４（図１Ｂ参照）を含む。ノズル装着部１８０は本体１７８内に配置され、本体１７８内に各々のノズル１８２を装着している。ここに使用されたように、「ノズル」は、部品を離脱可能に保持することができるいかなる手段をも意味する。各々のノズル１８２は、ｚ方向（上下）に動くことができ、かつ、サーボモータなど適当な駆動部材によってｚ軸の周りに回転できる。センサ１８４はノズル１８２で保持された部品に関する映像情報を取得するように構成されている。センサ１８４は、センサ１８４が部品の向きおよびオフセットに基づいて変化する画像情報を提供できるように、適当な照明装置と検出装置とを含む。この情報はそれぞれの部品の向きおよびオフセットが計算するために処理電子装置３４に供給される。
【００１１】
図２は、本発明の実施例に係る部品方位および配置検出システムを示す図である。システム１０は、少なくとも二つの異なる角度から部品１８上に照明１６を指向させるように配置された光源１２，１４を含む。光源１２，１４からの照明１６は部品１８によってある範囲遮断され、それぞれ影２０，２２を形成する。影２０，２２は、好ましくは直線的な電荷結合素子（ＣＣＤ）センサである検出器２４上に投影される。検出器２４は、積分期間中その上に入射する光に関する電荷を取得する多数の光電子素子、つまりピクセルを含む。検出器２４は、瞬時に影２０，２２の直線的映像を捉え、その捉えられた映像に関するデータを、リンク２８を介して検出器電子装置２６に供給する。
【００１２】
部品１８がノズル３０に保持もしくは固定されると、一つもしくは両方の光源１２，１４が付勢されている間、部品１８は矢印３２で示される方向に回転される。認識できるように、部品１８が回転している間、影２０，２２は、照明の光線１６を遮る部品１８の断面積に基づいて、寸法と位置を変える。部品１８が回転している間、検出器２４からのデータが読まれそして／若しくは格納され、この検出器２４からの信号は、ノズル３０に対する部品１８の位置（ｘ，ｙ）だけでなく部品１８の回転方位を計算するために使用される。検出器電子装置２６は、このデータをリンク３６を経由して処理電子装置３４に供給する。図２に示したように、処理電子装置３４はまた、好ましくは光源制御電子装置３８に接続され、部品１８が回転している間、処理電子装置３４は光源１２，１４の付勢制御を行う。処理電子装置は適当なパーソナルコンピュータ内に存在することができ、角度方位およびオフセットを計算するための適当なソフトウェアを含む。処理電子装置３４はノズル３０の角度方位を示すエンコーダ４０からの信号を供給される。したがって、本質的にどの光源が付勢されているかを知り、エンコーダ４０によって示されたノズル３０の角度方位を知ることにより、および回転中に部品１８によって投影された影の映像を検出することにより、処理電子装置３４は、センサの内部幾何図形的配列の適当な情報が与えられ、部品の向きおよび位置を計算する。
【００１３】
本発明の実施例は、検査中に、部品のシングルエッジおよびダブルエッジ測定法の両方を使って部品情報（部品サイズ、センタオフセット、および角度方位等）を抽出できるように設計されている。一般的に、ダブルエッジ測定法は、図２に記載したように、両端の影が検出器の上に同時に落ちることができるような大きさの部品である場合に使用される。したがって、同じ時間間隔内に異なる光源によって検出器の上に部品の複数端の影を投影することができる。シングルエッジ測定法およびダブルエッジ測定法の違いは、シングルエッジ測定法においては、部品の他の端がはっきりしないような大きさの部品であるために、光源によって部品の一端だけが検出器の上に投影されるようにすることである。
【００１４】
ある実施例では、映像情報が収集される前の経過時間を減少させるため、２もしくはそれ以上の光源が連続して作動される。これは、光源およびＣＣＤつまり撮像アレイによって規定される面に関して、これらの光源が間隔をあけて配置されているときに特に効果がある。光源は、全体的に、検出器２４の面に垂直であって、かつノズル３０を通る線に関して互いに異なる角度位置にあるので、各光源１２，１４の主要光線は、部品１８に入射するとき、この垂直線に対して異なる角度で指向される。ここで使用したように、主要光線は、検出器本体の機械的軸に名目上関連している放射光源によって発生された照明の中心から発散する光線であり、発散された放射光の主要部分（一般的には対称である）は、主要光線によって二つに分けられる。これによって、影に含まれる端情報等の情報は部品の異なる空間位置を表すことができる。つまり図２に示すように、一方の側の端が光源１２に関して一列に並び、そして、９０度以内の回転であれば、他方の側の端が光源１４に関して一列に並ぶことができる。
【００１５】
光源１２，１４は適当な方法で連続して作動できる。例えば、検出器２４の全フレーム読み出し速度で、光源１２，１４を連続して作動させると、作動されるこれら光源間で経過する時間の長さを短縮し、その間の部品の角度回転量を相対的に小さくする。このように、光源を連続して作動することにより、両方の光源から個別にもたらされる情報はよく区別でき、そして、特定の光源の測定の間に部品によって移動される距離を低減することができる。したがって、変動を減らして個々の光源からの一連の映像の解像度を高める。各々の光源は部品の異なる回転位置からの映像情報を収集することを可能にする。部品に対する異なる光源位置に基づき、部品の一つ以上の角度位置からの情報が比較的短い時間間隔内に測定される。角度情報を得るために、単一光源が存在し、かつ部品の全周回転が必要とされる場合に要するよりも少ない時間で部品情報を収集できる。
【００１６】
本発明の実施例の他の重要な特徴は、種々の寸法の部品を投影できるように配置された複数の光源を収容することによって、大きさ（寸法）が変化する測定エンベロープ、つまり感知場を創り出すことを可能にした点である。例えば、部品の側面から側面までが２５ｍｍであるならば、部品の公称中心から１２．５ｍｍに位置し、検出器に対して垂直に配置された光源が、その主要光線で回転している部品の端を捉えるであろう。光源はそこから放射される光特有の固定円錐角を有し、公称中心からの距離および横方向つまり大まかに言って検出器表面に平行な距離は、上述のように部品の端の影を投影するために、この光源の光の拡散を考慮に入れて調節されることができる。しかし、例えばノズル３０から８ｍｍの位置に指向し、検出器２４に平行な部品１８の直径に沿う主要光線は、光源の位置だけでなく光の固定角度の相対的方位によって、遮蔽される。各光源１２，１４の固定角に基づいて、各光源は部品の種々の部分を照らす。部品の寸法に応じて、部品は、その端が照明領域内にあったり、なかったりする。
【００１７】
部品が小さいものから大きいものに交換されるにつれて、光源の主要光線が検出器２４に平行、すなわち横方向の線に沿う方向に徐々に向けられ、またノズル３０すなわち部品の回転中心を通る検出器２４に垂直な線から徐々に遠ざけられると、光源１２，１４を選択的に続けて作動させることにより、該光源は徐々に大きな部品の端を投影できるようになる。好ましくは、光源１２，１４は、同じ短時間間隔に部品１８の両側から影を投影するように配置される。適当な光源の選択により、検出器２４の上に部品１８の端が投影されるように光源をターンオンすることができる。これによって、大きさが変化する部品が、固定された測定エンベロープつまり感知場である複数のセンサを使用することなく検出器の上に投影される。
【００１８】
上記説明では、感知場内に単一のノズルが配置された実施例に焦点を当てたが、他の実施例では感知場内に適当な数のノズルを設けることができる。図３は本発明のその他の実施例に従って部品の向きを検出するためのシステム２０を示す図である。システム２０は図２に示したシステムと同じ若しくは同様の要素を多く含み、同様の要素には同様の番号が付けられている。図３には、処理時間を低減するため、複数部品の向きおよび位置が実質的に同時に投影されるように感知場に配置されることができる一つ以上のノズル３０を示す。
【００１９】
感知場は、放射（光）源および検出器間にあって、ノズルの上に配置された部品がその上に光を指向される領域である。この実施例では、部品の端からの影が、一つの検出器２４または複数の検出器の上に投影される。ノズル３０並びに光源１２，１４の位置に応じ、光源の組み合わせからの照明によって、若しくは種々の光源１２，１４を順に作動することによって、特定のノズル３０上の部品１８の影が他のノズル上の部品の影から区別できるように投影される。これは、本質的に同時に感知場内で一つ以上の部品２８の測定を可能にするという利点を有している。さらに、ノズル３０の間隔に応じて、該ノズルは種々の寸法の部品を保持することができ、そのうえ、この部品がノズル上で回転されている間に、該部品の測定を成し遂げることができる。
【００２０】
図４は、本発明の他の実施例に従った部品測定システムを示す図である。図４は、検出器２４が二つの分離して間隔をあけた検出器部分２４Ａ，２４Ｂからなり、その各々が特定の光源１２，１４から入射する光を受ける感知場を示す。これは、もし必要ならば、より小さい検出器部分２４Ａ，２４Ｂの使用を可能にし、また、検出部分２４Ａ，２４Ｂは個別に包まれることができる。この方法では、同じ大きな部品感知エンベロープを作るために非常に長い検出器２４を必要としない。
【００２１】
図５は、本発明の他の実施例に従った部品測定システム６０を示す図である。システム６０は図４に示されたシステム５０と多くの類似点を有し、同様の部品には同様の番号付けしている。システム６０及び５０間の主な相違点は、検出器部分２４Ａ，２４Ｂの相対的向きである。つまり、図４においては、検出器部分２４Ａ，２４Ｂの面はほぼ同じ平面にあり、そして、二次元的にみたとき、共通の直線になる。しかし、図５に示されたシステム６０は、検出器部分２４Ａ，２４Ｂが同じ平面にないように配置された検出器部分２４Ａ，２４Ｂを示す。したがって、システム６０の検出器部分２４Ａ，２４Ｂは共通の直線にならない。その代わりに、検出器部分２４Ａと２４Ｂは、各検出器部分に対応する光源からの照明の中心線に対して、垂直に配置されるのが好ましい。例えば、検出器部分２４Ａは端部６２および６４が光源１４から等距離にあるように、光源に関して方向付けらている。検出器部分２４Ａはまた、影２０の面内に配置される。
【００２２】
図６は、本発明の他の実施例に従った測定および検出システム７０を示す図である。システム７０は図２に示した実施例と類似であり、同様の要素には同様の番号付けがなされている。図６および図２それぞれのシステム７０および１０間の主な違いは、鏡のような反射面７２，７４を備えていることである。図示のように、光源１２，１４は、最初はそれらの照明を検出器２４から離れた方向に指向させ、この照明はそれぞれ反射器７２，７４上に当り、そしてノズル３０および検出器２４に向けて指向される。この実施例は光源１２，１４における配置の柔軟性を許容する。図６に示すように、検出器２４は図４及び図５に示した検出器レイアウトにも組み入れることができる。しかし、分離された検出器部分と反射器を使用する実施例においては、一つの光源は反射器を使用し、他の光源はその主要光線が部品上に直接入射するようにする、つまり反射器を要しないように配置できることも考慮される。
【００２３】
本発明の実施例の動作はおおよそ次のステップを伴う。第１のステップは光源、ノズルおよび検出器の互いの位置を校正することである。この動作に適用できる多くの技術がある。例えば、座標測定器内に位置を固定された試験部品付きセンサを配置することにより、また、座標測定器を使ってすべての試験用部品の相対位置を確認することにより、ノズル位置および検出器位置に関して種々のセンサ部品の位置が計算され、光源から検出器上に入射される光線の位置が認識される。
【００２４】
第２ステップとして、端を抽出するために処理される特徴的強度プロフィールを有する光源すなわち光源から入射される光によって、検出器上に各部品の影が投影される。端位置は下位ピクセルに内挿（補間）できる。この補間はセントロイド計算若しくは曲線のあてはめを含む数多くの技法を使って遂行することができる。これは、さらにエンコーダに対する特定の端位置および公知の光源光線位置に関連する。さらに、明確にされた影の端は、（ｒ，シータ）の対を提供する。シータは、ノズル軸上若しくはノズル軸に装着されてその相対的な角度を示すエンコーダの位置であり、ｒは、角度空間および時間内の特定の点における部品の位置を明確にする、光源から検出器上の端位置までの距離である。（ｒ，シータ）の対はノズル上で部品が回転している間に収集される。これら（ｒ，シータ）の対は、公知の技法を使って、部品幅、部品長さ、回転中心ｘに対するノズルのオフセット、回転中心ｙに対するノズルのオフセット、およびノズル角度位置に対する特定された部品の参照枠、を含む部品情報を取り出すために使用される。ソフトウェアによって、この情報により、部品位置は特定のピックアンドプレース機械の機械的参照の枠として解釈され、プリント回路基板上の目標位置上に部品は適切に配置される。
【００２５】
本発明は、好ましい実施例を参照して説明されたが、当業者は、本発明の精神および範囲から外れないで形状および詳細を変更することができる。例えば、検出器２４の複数部分は、同じ平面内若しくは同じ平面外に配置することができる。また、前記検出器部分は物理的に調節される必要がなく、検出器のセグメントであることができ、光源および検出器に関する複数ノズルの位置が、部品および検出器部分に関して点灯される光源の選択に基づいて前記検出器上に部品が投影される。
【図面の簡単な説明】
【図２】
本発明の一実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
【図３】
本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
【図４】
本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
【図５】
本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
【図６】
本発明の他の実施例に従って部品の向きおよび位置を検出するためのシステムを示すブロック図である。
【符号の説明】
１０……部品方位および配置検出システム、１２，１４……光源、１６……照明、１８……部品、２０，２２……影、２４……検出器、２６……検出器電子装置、２８，３６……リンク、３０……ノズル、３４……処理電子装置、３８……光源制御電子装置、４０……エンコーダ

Claims (16)

1. ノズルを有するピックアンドプレース機械によって配置される部品の配置情報を感知するためのセンサにおいて、
   前記ノズルに対して実質的に垂直な平面に沿って、部品上に異なる入射角で光を指向させるように配置され、それぞれが付勢信号に基づいて光を発生するように構成されている複数の光源と、
   前記複数の光源に接続されて選択的に各光源に付勢信号を供給する光源制御電子装置と、
   前記複数の光源に関連して配置され、前記部品の少なくとも一つの影部分を受け取り、前記部品が回転している間に投影された影部分の少なくとも一つを示すデータを提供する検出器出力を有する検出器とを備えたセンサ。
2. 前記光源の全てが実質的に同じ平面に照明を与えるように配置されている請求項１記載のセンサ。
3. 前記検出器が前記光源と同じ平面に配置されている請求項２記載のセンサ。
4. 前記ノズルに対して動作可能に結合され前記ノズルの角度方位を表すエンコーダ信号を提供するエンコーダをさらに備えている請求項１記載のセンサ。
5. 前記検出器が複数の検出器部分からなる請求項１記載のセンサ。
6. 前記複数の検出器部分が互いに隣接して配置されている請求項５記載のセンサ。
7. 前記検出器部分が互いに共通の面にある請求項５記載のセンサ。
8. 前記検出器部分が、互いに共通の面にない請求項５記載のセンサ。
9. 各検出器部分が前記部品の異なる部分を投影し、そして各検出器部分が少なくとも一つの影部分の像に基づくデータグループを提供し、かつ前記データグループが特徴的尖点（カスプ）を含んでいるとともに、第１データグループからの特徴的尖点が第２のデータセットからの特徴的尖点よりも違った部品方位で発生する請求項５記載のセンサ。
10. 前記各検出器部分が、他の検出器部分に関連した角度に向けられた主要な軸を有するように配置されている請求項５記載のセンサ。
11. 前記角度が約９０度である請求項１０記載のセンサ。
12. 前記複数の光源が少なくとも三つの光源からなる請求項１記載のセンサ。
13. 少なくとも一つの光源および前記検出器の間に配置された反射器をさらに備えている請求項１記載のセンサ。
14. 前記部品および検出器の間に配置された反射器をさらに備えた請求項１記載のセンサ。
15. 前記光源制御電子装置が、連続する光源に付勢信号を供給するように構成されている請求項１記載のセンサ。
16. ピックアンドプレース機械に関連してワークピースを受け取り移動するように構成された移送機構と、
    複数の部品を供給するように構成された少なくとも一つの給送機を含む給送機構と、
    前記給送機構から前記ワークピースに対して離脱可能に部品を搬送するように構成された配置ヘッドと、
    ピックアンドプレース機械によって配置されるべき部品の配置情報を感知するセンサとを備え、
    前記センサが、
    ノズルに対して実質的に垂直な平面に沿って、部品上に異なる入射角で光を指向させるように配置され、それぞれが付勢信号に基づいて光を発生するように構成されている複数の光源と、
    前記複数の光源に接続されて連続的に各光源に付勢信号を供給する光源制御電子装置と、
    前記複数の光源に関連して配置され、前記部品の少なくとも一つの影部分を受け取り、前記部品が回転している間に投影された影部分の少なくとも一つを示すデータを提供する検出器出力を有する検出器と、
    前記配置ヘッドに結合されて部品方位を表すデータを提供するエンコーダと、
    前記エンコーダおよび前記センサに接続されて検出器出力および前記エンコーダからデータを受け取れるように構成され、指令信号を前記光源制御電子装置に供給するとともに、前記部品が回転している間に供給されたデータに基づいて部品配置情報を計算する処理電子装置とを含んでいるピックアンドプレース機械。

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