JP2006093247A - 電子部品実装装置及びノズル返却方法 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の目的は、電子部品を電子回路基板上に搭載する電子部品搭載装
置において、ノズル１の回転方向位置が一定となるようにノズルチェンジャ１５に返却するようにした。これにより再現性良く電子部品を基板に装着可能とする。
【解決手段】本発明の電子部品搭載装置１０は、ノズル１をノズルチェンジャ１５に返却するにあたり、ノズル１を撮像装置１６にて下方より撮像し、ノズル１のフランジ部１ｂにも受けた溝１ｃを画像認識装置にて溝１ｃの回転方向位置を認識する。そして、必要であればノズル１を回転補正して、ノズルチェンジャ１５の上面に設けたピン７ｂと溝１ｃが係合するようにノズル１をノズルチェンジャ１５に返却する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、電子部品実装装置、特にノズルチェンジャ上のノズルの交換を自動で行う電子部品実装装置及びノズルチェンジャ上にノズルを返却するノズル返却方法に関する。

従来、吸着ノズルを有する部品装着用のヘッドユニットにより、テープフィーダー等の部品供給部からチップ部品を吸着して、位置決めされているプリント基板上に移送し、プリント基板の所定位置に装着するようにした部品装着装置は一般に知られている。この装置においては、上記ヘッドユニットがＸ軸方向およびＹ軸方向に移動可能とされるとともに、吸着ノズルがＺ軸方向に移動可能かつ回転可能とされ、各方向の移動および回転のための駆動機構が設けられている。

この部品装着装置においては、チップ部品が吸着ノズルに吸着された段階ではチップ部品の位置（中心位置および吸着角度）にばらつきがあるので、そのチップ部品の位置を検出し、それに基づいて装着位置を補正することが要求される。そのために、吸着ノズルにより吸着されたチップ部品を撮像するＣＣＤカメラ等の撮像手段と、この撮像手段により撮像したチップ部品の画像を処理する画像処理手段とからなる認識手段を設け、この認識手段により部品吸着状態を認識し、例えば吸着位置を検出して、その位置検出に基づき装着位置の補正量を求めるようにしたものも知られている。

ここで、電子部品搭載機は、搭載する電子部品の多様化に伴い多種多様のサイズのノズルを用意する必要から、ノズルチェンジャを装備し、これに様々な種類のノズルを複数保持させて電子部品の形状に対応してノズルを交換するようにしている。通常、ノズルチェンジャには複数のノズル保持位置があり、それぞれにロケーション番号が設定され、どのロケーション番号の保持位置にどの種類（ノズル番号）のノズルを保持させるか、すなわちロケーション番号毎のノズル番号の割付（ノズル割付）情報を電子部品搭載機に記憶させておくことができる。

しかしながら、ノズル保持位置においてノズルの回転方向位置は規制されていないので、装着ヘッドにノズルを装着した場合、ノズルの回転方向位置は一定回転位置で装着されない。ノズルは多少なりとも偏芯を有するのでチップ部品を基板に装着したときに再現性が悪いという問題点があった。

ところで、ノズル保持位置でノズルの回転方向位置を規制して一定回転位置でノズルを装着した場合、何らかのエラーで非常停止ボタンが押されると動力源の電源は遮断される。そして、非常停止が解除されるとＸ軸方向、Ｙ軸方向およびZ軸方向は原点に向かって移動し、原点センサによって初期位置を知ることができる。しかしながら、ノズルの回転方向については原点センサを有しないから、人手によってノズルを取り外してノズルチェンジャへ返却しなければならない。

また、特許文献１によれば、円筒形状のチップ部品を基板に装着するために、ノズルの下面に溝が形成されてチップ部品を該溝に嵌合させて吸着するが、装着ヘッドに吸着ノズルを装着する場合には、該溝の方向を所定の方向に人手によって合わせる必要があった。
特許第２９５１０７２号公報

以上のように電子部品搭載の再現性を高めたり特殊吸着面形状のノズルのために、ノズルを所定の回転位置で装着ヘッドに装着しようとすると、ノズルの脱着を人手を介して行わなければならないという問題点があった。

そこで本発明は、ノズルチェンジャ上にノズルを返却する前に、CＣＤカメラ上に移動してノズルのフランジ部を撮像してノズルの回転方向の装着位置を認識する。そしてノズルの回転方向位置の補正が必要であればノズルの回転方向補正を行なって、ノズルチェンジャ上のノズルのフランジ部に形成した溝が係合するようににノズルをノズルチェンジャに返却して電子部品搭載精度の再現性の高い電子部品実装装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明では、電子部品を吸着するノズルが着脱自在に取り付けられるヘッドを備え、かつ、該ヘッドに取り付けられたノズルに電子部品を吸着して、該電子部品を基板上に移動して搭載するとともに、電子部品の形状に対応して前記ヘッドのノズルを異なる種類のノズルに交換するために、複数のノズルを前記ヘッドに装着可能に保持するノズルチェンジャを備えた電子部品実装装置において、前記ノズルのフランジ部の円周部に設けた略半円形の溝と、前記ノズルチェンジャの上面に設けて前記溝と係合するピンと、前記フランジ部を撮像装置にて撮像して前記溝の回転方向位置を認識する画像認識部とを備えたことで、前記課題を解決している。

そして請求項２に記載の発明では、電子部品を吸着するノズルが着脱自在に取り付けられるヘッドを備え、かつ、該ヘッドに取り付けられたノズルに電子部品を吸着して、該電子部品を基板上に移動して搭載するとともに、電子部品の形状に対応して前記ヘッドのノズルを異なる種類のノズルに交換するために、複数のノズルを前記ヘッドに装着可能に保持するノズルチェンジャを備えた電子部品実装装置において、前記ノズルのフランジ部を撮像装置にて撮像して画像を取り込む工程と、前記画像においてフランジ部の画像の外周エッジを検出して前記フランジ部の画像の重心を計算する工程と、前記重心を中心として前記外周エッジの略内側をスキャンして前記フランジ部の溝を検出する工程と、前記溝の前記重心を中心とする回転方向位置を計算する工程と、前記計算結果に基づいて前記ノズルの回転方向を補正する工程と、前記ノズルを前記ノズルチェンジャに返却する工程とからなることを特徴としている。

また、請求項３に記載の発明では、請求項２に記載のノズル返却方法は常には行わず、非常停止解除時または停電からの復帰時にのみ行われることを特徴としている。

本発明の電子部品実装装置によれば、ノズルチェンジャにノズルを返却するにあたり、ノズルを撮像装置にて撮像し、画像認識装置によってノズルのフランジ部の円周部に設けた略半円形の溝を検出する。そして、ノズルチェンジャの上面に設けた２本のピンと、ノズルのフランジ部の円周部に設けた略半円形の２つの溝が係合するようにノズルチェンジャにノズルを返却するようにしたので、ノズルの回転方向位置が常に一定方向でノズルチェンジャにセットされる。従って、次にノズルをシャフトに装着した時に一定方向で装着されるから、シャフトに対してノズルが多少の偏芯が有ったとしても再現性良く電子部品を装着することができる。また、電子部品吸着時の安定性を高めるために吸着面を長方形とする場合があるが、シャフトへのノズルの装着方向が既知であるから供給される電子部品の向きにあわせてノズルの方向を制御できるので安定した状態で電子部品を装着することができる。

また、何らかのエラーが発生して非常停止処置により動力系の電源が断となっても、非常停止解除にあたっては制御系の電源は断となっていないから、ノズルのが装着位置は記憶されているので、ノズルの回転方向を補正してノズルチェンジャの所定位置にノズルを返却することができる。

更に、ノズルのフランジ部を撮像装置にて撮像して画像を取り込み、フランジ部の外周エッジを検出してフランジ部外周を円として該円の重心を計算する。以後前記重心を中心としたスキャンにより溝のエッジを検出し、前記重心を中心とした溝の回転方向位置を計算している。従って、溝の回転方向位置が正確に認識できるのでノズルチェンジャの上面に設けた２本のピンと、ノズルのフランジ部の円周部に設けた略半円形の２つの溝が干渉することなくノズルをノズルチェンジャに返却することができる。

以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態である電子部品実装装置の斜視図である。図２は装着ヘッド部の斜視図、図３はシステム構成を示すブロック図、図４はノズルのフランジ部とノズルチェンジャのピンの位置関係を示す図、図５はノズルとの着脱の様子を説明する縦断面図、図６はノズルのフランジ部に対する画像認識処理の説明図、図７はノズル返却処理の動作を示すフローチャートである。

まず、図１および図２を参照して電子部品実装装置１０の全体構造を説明する。１３は基板１９を搬入・搬出する基板搬送装置である。基板搬送装置１３によって搬送された基板１９は基板保持部１３ａに保持されている。Ｘ軸ガイド１７はＹ軸ガイド１８、１８に掛け渡され、Ｙ軸ガイド１８、１８に支持されておりＹ方向に水平移動可能である。装着ヘッド部１１はＸ軸ガイド１７に支持されておりＸ方向に水平移動可能である。装着ヘッド部１１はＸ軸ガイド１７とＹ軸ガイド１８により構成されるＸＹ移送部１２によりＸ方向およびＹ方向に水平移動可能である。

装着ヘッド部１１には、電子部品（図示しない）を吸着・保持する吸着ノズル１がシャフト２により交換可能に複数保持されている。装着ヘッド部１１はそのノズルの下端部に部品供給部（フィーダ）１４の電子部品供給位置Ｐに供給される電子部品（チップ部品）を真空吸着して撮像装置（ＣＣＤカメラ）１６の上部へＸＹ移動する。撮像装置１６はチップ部品の下面を撮像し、画像認識処理により吸着・保持したチップ部品の吸着ずれ量（ＸＹ誤差、角度誤差）を演算して、基板１９の正規装着位置に対する位置補正を行って基板１９に装着する。なお、ノズル１はシャフト２の先端に装着されるが、隠れて見えないので図２では別途破線で導いて図示している。

基板搬送装置１３とＣＣＤカメラ１６の間には、シャフト２によりノズル１が交換可能に保持されるノズルチェンジャ１５が配置されている。シャフト２は、装着ヘッド部１１に複数装備されており、各シャフト２の先端に多種多様のノズル１が着脱自在に取り付けられるようになっている。シャフト２はノズル１をノズルチェンジャ１５に返却し、他のノズル１をノズルチェンジャ１５から装着する。なお、ノズル１とシャフト２との脱着関係についての詳細は後述する。

図３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２１〜３０の構成が接続され、それぞれを制御する。

Ｘ軸モータ２１は、装着ヘッドのＸ軸移動機構の駆動源で、装着ヘッド部１１をＸ軸ガイド１７に沿ってＸ軸方向に移動させ、また、Ｙ軸モータ２２は、装着ヘッド部１１のＹ軸移動機構の駆動源で、Ｘ軸ガイド１７をＹ軸ガイド１８に沿ってＹ軸方向に駆動し、それにより装着ヘッド部１１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１を昇降させるＺ軸昇降機構の駆動源で、吸着ノズル１をＺ軸方向に昇降させる。また、θ軸モータ２４は、吸着ノズル１のθ軸回転機構の駆動源で、吸着ノズル１をそのノズル中心軸を中心にして回転させる。なお、図３では、Ｚ軸モータ２３とθ軸モータ２４は、１個しか図示されていないが、装着される吸着ノズル１の数だけ設けられる。

バキューム機構２５は真空を発生し、不図示のバキュームスイッチを介して装着ヘッド部１１のそれぞれの吸着ノズル１に真空の負圧を発生させる。負圧によりチップ部品を部品供給部１４から吸着・保持し、負圧供給カットによりチップ部品を基板１９に装着する。

画像認識装置２７は、吸着ノズル１のそれぞれに吸着された電子部品（チップ部品）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、吸着されたチップ部品３２を撮像した撮像装置（ＣＣＤカメラ）３１から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器２７ａにより画像データの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チップ部品３２の吸着位置のずれ量と吸着角度ずれを算出する。図３では、ＣＣＤカメラ１６は、１個しか図示されていないが、配置される撮像装置の数だけ設けられる。さらに、基板マーク認識用としてＣＣＤカメラが装着ヘッド部１１に配設されている。

記憶装置２６は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード２８とマウス２９により入力された部品データ、あるいは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を格納するのに用いられる。

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。モニタ（表示装置）３０は、部品データ、演算データ、及びＣＣＤカメラ１６で撮像したチップ部品３２の画像などを表示する。

なお、図３は、制御系の構成を示す図なので、各要素の配置は必ずしも、実際のものとは一致していない。例えば、チップ部品３２を撮像する撮像装置（ＣＣＤカメラ）１６（図１参照）は上向きであるのに対して、基板マーク認識用のＣＣＤカメラ１６ａ（図２参照）は下向きである。

電子部品実装装置１０の構成は上記のように成り、以下その動作について説明する。まず基板搬送装置１３により基板１９を基板保持部１３ａに搬送して固定的に保持する。装着ヘッド部１１をＸＹ移動させて装着ヘッド部１１に取付けたＣＣＤカメラ１６ａにより基板マークを撮像する。そして画像処理により基板１９の所定位置からのＸＹずれ量と傾き（水平方向）を計算する。すなわち基板位置決めの補正値を求める。

そして、装着ヘッド部１１をXY移送部１２によりXY移動させて部品供給部１４の電子部品供給位置Pから電子部品（チップ部品）３２をノズル１の吸着面に吸着する。次に、装着ヘッド部１１をXY移動して吸着したチップ部品３２を撮像装置（CCDカメラ）１６の上方に位置させてチップ部品３２の下面をCCDカメラ１６にて撮像し、画像を画像認識装置２７のメモリ２７ｂに取込む。

画像認識装置２７はメモリ２７ｂに取り込んだ画像を画像処理してチップ部品１６の吸着位置ずれを認識してθ回転補正値を計算するとともに吸着位置ずれ量と前述の基板位置決めの補正値からXY補正値を計算する。そして、θ回転補正値とXY補正値に基づいてコントローラ２０はチップ部品３２の位置を補正して基板１９に装着する。

なお、チップ部品の種類に応じてノズル１を交換する。まず、ノズル１をノズルチェンジャ１５に返却するが、この場合にはＣＣＤカメラ１６の上部へＸＹ移動して、撮像装置１６にてノズル１の下面を撮像し、画像認識処理によりノズル１の角度誤差を演算する。そして、必要であれば角度誤差を補正してからノズル１をノズルチェンジャ１５に返却する。そして、ノズルチェンジャ１５に載置されたノズル１の中から目的のノズル１を選択してシャフト２に装着する。

ノズルチェンジャ１５にノズルが返却された状態について説明する。図４において、ノズル１は外周に張り出すフランジ部１ｂを有し、フランジ部１ｂの外周には略半円の溝部１ｃがノズル１の中心に対して対象に２個所形成されている（図２参照）。そして、溝部１ｃはノズルチェンジャ１５の上面に設けられたピン７ｂに係合するように置かれている。

ここで、前述したように、ノズルチェンジャ１５上でのノズル１とシャフト２との着脱の様子を、図５を参照して詳細に説明する。まず、脱着に関係する部分のノズル１とシャフト２の構成を説明する。

図５（ａ）に示すように、シャフト２は筒状に形成された軸部２ａを有し、軸部２ａの先端の外周にはバネを固定するバネ固定部２ｂとノズルアダプタ２ｃが対となって上下に設けられている。そして、バネ固定部２ｂとノズルアダプタ２ｃとの間にはバネ２ｄが取り付けられ、バネ２ｄがその弾力により上下に伸縮することに伴い、ノズルアダプタ２ｃが上下に移動自在となっている。また、軸部２ａの先端とノズルアダプタ２ｃとに挟まれる空間には球状の鋼球２ｅが備えられ、鋼球２ｅと軸部２ａとの当接する部分の軸部２ａ側には、鋼球２ｅの一部がやや突出できる程度の孔２ｆが形成されている。
一方、ノズル１は、シャフト２の軸部２ａの先端の内側に配置されて装着されるようになっている。ここで、シャフト２の軸部２ａの孔２ｆから鋼球２ｅの一部が突出する部分には、鋼球２ｆの一部が嵌合される凹部が形成されている。

次に、シャフト２に装着されたノズル１をノズルチェンジャ１５上に返却する場合の動作を説明する。図５（ａ）に示すように、ノズル１が装着されたシャフトをノズルチェンジャ１５上のノズル１の保持位置に保持されるように、そして、フランジ部１ｂの溝１ｃがピン７ｂに係合するようにシャフト２を降下させる。この場合、ノズル１の保持位置の両脇に設けられて上方に突出したピン７ｂにノズルアダプタ２ｃが押し付けられ、ノズルアダプタ２ｃはバネ２ｄの付勢力に反発して上方にやや押し上げられる。これと同時に、ノズルアダプタとノズルの凹部との間の空間で鋼球はフリーな状態となっている。

そして、前述した真空発生装置１３により、ノズル１を下方（ノズル１がノズルチェンジャ１５上に押し付けられる方向）にブローし、シャフト２を上方に移動させる。この作用により、図５（ｂ）に示すように、シャフト２の鋼球２ｅはその一部がノズル１の凹部１ａに嵌合することなく、シャフト２からノズル１が外されて、ノズルチェンジャ１５上にノズル１が保持されるようになっている。

また、ノズルチェンジャ１５上に保持されたノズル１をシャフト２の先端に取り付ける場合には、まず、図５（ａ）に示すように、ノズルチェンジャ１５上に保持されたノズル１の上方からシャフト２を押し下げる。この場合、ノズルアダプタ２ｃがピン７ｂに押し当てられ、ノズルアダプタ２ｃとノズル１の凹部１ａとの間の空間で鋼球２ｅはフリーな状態となる。

そして、真空発生装置１３により、ノズル１を上方（ノズル１をシャフト２に吸引する方向）にバキュームし、シャフト２を上方に移動させる。この作用により、図５（ｃ）に示すように、ノズルアダプタ２ｃにより、シャフト２の鋼球２ｅがノズル１側に押し当てられるとともに、その一部がノズル１の凹部１ａに嵌合されてシャフト２にノズル１が装着されるようになっている。

図７のフローチャートは、ノズル返却処理の全体を示している。図７および図６を用いてノズル返却処理について説明する。図７において、ノズル返却のスタートにより装着ヘッド部１１をXY移動してノズル１を撮像装置（CCDカメラ）１６の上部へ位置させる（ステップＳＴ１）。ノズル１を下方から撮像して画像認識装置２７のメモリ２７ｂに画像を取込む（ステップＳＴ２）。

図６はノズル１を下方から撮像した画像である。画像認識装置２７にてフランジ部１ｂの外周エッジ４を検出して、２つの円弧（図６の場合は上下の円弧）からフランジ部１ｂの外周を円として認識する。そして、円の重心５を計算する（ステップＳＴ３）。

次に、重心５を中心としてフランジ部１ｂの外周エッジ４の略内側６をスキャンする（ステップＳＴ４）。そして、溝部１ｃに到達したエッジ７を４個所見つけて溝を検出する（ステップＳＴ５）。

重心５を中心として溝１ｃの回転角度位置を計算する（ステップＳＴ６）。そして、ノズル回転補正を要するかどうかの分岐に進む（ステップＳＴ７）。ノズル回転補正が必要であればＹｅｓに進み、θ軸モータ２４を駆動してノズル回転補正を行う（ステップＳＴ８）。ノズル回転補正が必要なければＮｏへ進み、ステップＳＴ８は飛ばしてステップＳＴ９へ行く。

装着ヘッド部１１をXY移動してノズル１をノズルチェンジャ１５の返却場所の上部に位置させる（ステップＳＴ９）。Ｚ軸モータ２３を駆動してシャフト２を下降させてノズル１をノズルチェンジャ１５にセットしてシャフト２を上昇させる。（ステップＳＴ１０）。以上によってノズル１のノズルチェンジャ１５への返却処理は終了となる。

以上のように、ノズル１は所定の一定回転方向を向けてノズルチェンジャ１５に返却されるから、シャフト２に装着した場合においても一定回転方向を向けてノズル１はシャフト２に装着される。従って、シャフト２に対してノズル１がわずかではあるが偏芯が有ったとしても再現性良く電子部品を装着できる。

また、何らかのエラーが発生して非常停止処置により動力系の電源が断となっても、非常停止解除にあたっては制御系の電源は断となっていないから、どのシャフト２にどのノズル１が装着されているかは記憶されているので、ノズル１の回転方向を補正してノズルチェンジャ１５の所定位置にノズル１を返却することができる。人手によらず自動的にノズル１の返却が可能である。

なお、実施例では記憶装置２６をフラッシュメモリと記載したが、フラッシュメモリに代わってＥＥＰＲＯＭに置き換えれば１バイト単位で読み書きが行えるから、ノズル１の位置情報を記憶装置２６に記憶させ、ノズル交換ごとにノズル１の位置情報を書き換えれば停電からの再起動にあたっても自動的にノズルチェンジャ１５にノズル１を返却することができる。

電子部品実装装置の斜視図である。 装着ヘッド部の斜視図である。 システム構成を示すブロック図である。 ノズルのフランジ部とノズルチェンジャのピンの位置関係を示す図である。 ノズルとの着脱の様子を説明する縦断面図である。 ノズルのフランジ部に対する画像認識処理の説明図である。 ノズル返却処理の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ ノズル
１ｂ フランジ部
１ｃ 溝
２ シャフト
４ 外周エッジ
５ 重心
６ 外周エッジの略内側
７ｂ ピン
１０ 電子部品実装装置
１１ 搭載ヘッド部
１２ ＸＹ移送部
１３ 基板搬送装置
１４ 部品供給部
１５ ノズルチェンジャ
１６ 撮像装置（ＣＣＤカメラ）
１７ Ｘ軸ガイド
１８ Ｙ軸ガイド
１９ 基板
２７ 画像認識装置
２７ｂ メモリ
３２ 電子部品（チップ部品）

Claims (3)

1. 電子部品を吸着するノズルが着脱自在に取り付けられるヘッドを備え、かつ、該ヘッドに取り付けられたノズルに電子部品を吸着して、該電子部品を基板上に移動して搭載するとともに、電子部品の形状に対応して前記ヘッドのノズルを異なる種類のノズルに交換するために、複数のノズルを前記ヘッドに装着可能に保持するノズルチェンジャを備えた電子部品実装装置において、
   前記ノズルのフランジ部の円周部に設けた略半円形の溝と、前記ノズルチェンジャの上面に設けて前記溝と係合するピンと、前記フランジ部を撮像装置にて撮像して前記溝の回転方向位置を認識する画像認識装置とを備えたことを特徴とする電子部品実装装置。
2. 電子部品を吸着するノズルが着脱自在に取り付けられるヘッドを備え、かつ、該ヘッドに取り付けられたノズルに電子部品を吸着して、該電子部品を基板上に移動して搭載するとともに、電子部品の形状に対応して前記ヘッドのノズルを異なる種類のノズルに交換するために、複数のノズルを前記ヘッドに装着可能に保持するノズルチェンジャを備えた電子部品実装装置において、
   前記ノズルのフランジ部を撮像装置にて撮像して画像を取り込む工程と、前記画像においてフランジ部の画像の外周エッジを検出して前記フランジ部の画像の重心を計算する工程と、前記重心を中心として前記外周エッジの略内側をスキャンして前記フランジ部の溝を検出する工程と、前記溝の前記重心を中心とする回転方向位置を計算する工程と、前記計算結果に基づいて前記ノズルの回転方向を補正する工程と、前記ノズルを前記ノズルチェンジャに返却する工程とからなることを特徴とするノズル返却方法。
3. 請求項２に記載のノズル返却方法は常には行わず、非常停止解除時または停電からの復帰時にのみ行われることを特徴とするノズル返却方法。
   
   

Images