JP2007149934A - 部品位置認識装置、基板認識装置及び電子部品実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】カメラ全体を移動したり、ノズルや基板の高さを変えることなく、部品や基板の撮像面に常に焦点を合わせることのできる部品位置認識装置、基板認識装置および電子部品実装装置を提供する。
【解決手段】部品４６を吸着してカメラ６２により撮像し、部品４６を吸着したノズル４２と部品４６の位置ずれ量を認識するための部品位置認識装置６０において、カメラ６２の光路上に光路を折返すための光学素子（移動プリズム６８、ハーフミラー８０）を進退自在に配置し、部品の厚さに応じて該光学素子を進退させ、カメラ６２の焦点位置が常に部品４６の撮像面に来るように調整する。
【選択図】図４

Description

本発明は、部品位置認識装置、基板認識装置及び電子部品実装装置に係り、特に、電子部品をプリント基板又は液晶やディスプレイパネル基板等に自動的に実装する電子部品実装装置の部品の吸着状態（姿勢）を認識する部品位置認識装置、基板上の部品搭載位置を認識する基板認識装置、及び、これらを用いた電子部品実装装置に関する。

電子部品（以下、単に部品とも称する）をプリント基板又は液晶やディスプレイパネル基板等に自動的に実装する電子部品実装装置においては、部品を吸着してカメラにより撮像し、部品を吸着したノズルと部品の位置ずれ量を認識するための部品位置認識装置や、基板上の部品搭載位置をカメラにより撮像し、部品搭載位置ずれ量を認識するための基板認識装置が用いられている。

例えば特許文献１には、図１に示す如く、Ｘ−Ｙ移動する部品装着部３に部品装着ヘッド３１を取付け、その下端に部品吸着及び装着時に下方に進出する吸着ノズル３２を設け、この吸着ノズル３２が上下移動する空間の４５°反射面に平行な方向に進入又は退出する第１の４５°反射鏡３４を設けて、その進入時に、吸着ノズル３２に吸着された部品１０の像を水平方向に反射し、第１の４５°反射鏡３４に対向する位置に設けた第２の４５°反射鏡３６で更に垂直上方に反射させることが記載されている。この際、吸着ノズル３２の上昇量を、第１の４５°反射鏡３４に部品１０が衝突しない最小の上昇量とし、その上昇量に応じて焦点が合うように撮像手段３７を上下移動させて部品像を取り込み、取り込んだ画像の認識結果に基づいて部品１０の吸着位置ずれ量を補正し、所定位置に部品１０を装着するようにされている。

図において、３３は、吸着ノズル３２で保持した部品１０を上昇より照らし出すための照明部、３５は、第１の４５°反射鏡３４を、部品吸着及び装着時に吸着ノズル３２の上下移動空間から４５°上方に退避させ、部品認識時に吸着ノズル３２の真下に４５°方向から進入させるための移動手段である。

又、特許文献２には、図２に示す如く、部品供給部１より装着ヘッド２にて電子部品１０を吸着し、吸着された状態の電子部品１０の画像を認識装置にて認識し、プリント基板１１の所定位置に装着する電子部品装着方法であって、前記装着ヘッド２にて部品供給部１より電子部品１０を吸着する第１工程と、前記第１工程にて吸着された電子部品１０の被計測面（撮像面Ｂ）が画像入力装置（カメラ４）の合焦点面Ａに来るように、予め登録された前記電子部品１０の厚みデータに基づいて前記装着ヘッド２を位置決めする第２工程と、前記第２工程後、前記画像入力装置（４）により得られた前記電子部品１０の画像を前記認識装置にて認識する第３工程と、前記第３工程にて得られた認識結果に基づき、前記プリント基板１１上に前記電子部品１０を装着する第４工程とからなることを特徴とする電子部品装着方法が記載されている。

この技術では、電子部品１０の位置計測のための画像入力に際し、電子部品１０の被計測面（Ｂ）が画像入力装置４の合焦点面Ａに来るように、予め登録された電子部品の厚みデータに基づいて、装着ヘッド２を位置決めし、被計測面（Ｂ）が常に合焦点面Ａに合うようにしている。図３において、Ｈはレンズ５の主点位置である。

又、特許文献３には、ヘッドユニットをプリント基板上に移動させた後、全体上下動用サーボモータを作動させてカメラと部品の装着対象である基板の特定部位、例えば角部若しくは基板マークとの距離がカメラの焦点距離に合致するようにカメラのＺ方向位置を変更させることにより、基板自体の位置、若しくは、基板の特定部位の位置が一軸方向に対して種々に変化したとしても、それに応じて位置変更手段により撮像手段の相対位置を変更させることにより、その認識対象を認識できるようにすることが記載されている。

特開平５−２６７８９２号公報（図２） 特許第２８０１３３１号公報（第１図） 特開２００１−２０３５００号公報（図１乃至図３）

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、焦点距離を調整するために撮像手段３７の全体を上下移動させているため、搬送部重量が大きく、駆動部の大型化、動作速度が遅くなるといった問題や、カメラのケーブル等が摺動動作に対応できるようにするための対策が必要等の問題があった。

又、特許文献２に記載の技術は、吸着ノズルを備えた装着ヘッド２の高さを部品１０により各々変更しているが、レンズ５の倍率が個々に微妙に違い、調整により認識精度に差が出るため、デフォルト状態でのカメラ取付時の調整が大変であるという問題を有する。

又、特許文献３に記載の技術では、全体上下動用サーボモータを作動させてカメラのＺ軸方向位置を変更させているが、サーボモータを使用して焦点距離の変更分の移動量を動作させるので、高さを変えるときの移動時間がかかったり、Ｚ軸方向のガイドの精度によるカメラ位置の位置ずれの発生等の問題があった。又、カメラ全体を移動させるので、比較的大きな移動機構が必要となるという問題もあった。

本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、カメラ全体を移動したり、ノズルや基板の高さを変えることなく、部品や基板の撮像面に常に焦点を合わせることができるようにすることを課題とする。

本発明は、部品を吸着してカメラにより撮像し、部品を吸着したノズルと部品の位置ずれ量を認識するための部品位置認識装置において、カメラの光路上に光路を折返すための光学素子を進退自在に配置し、部品の厚さに応じて該光学素子を進退させ、カメラの焦点位置が常に部品の撮像面に来るように調整して、前記課題を解決したものである。

又、基板上の部品搭載位置をカメラにより撮像し、部品搭載位置ずれ量を認識するための基板認識装置において、カメラの光路上に光路を折返すための光学素子を進退自在に配置し、部品搭載位置の高さに応じて該光学素子を進退させ、カメラの焦点位置が常に基板の撮像面に来るように調整して、同じく前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記の部品位置認識装置及び／又は基板認識装置を備えたことを特徴とする電子部品実装装置を提供するものである。

本発明によれば、ノズルに吸着される部品の厚みや、基板上の部品搭載位置が変化しても、カメラ全体やノズルの高さを部品等に変更することなく、カメラの焦点位置を常に部品や基板の撮像面に来るようにすることができる。

従って、レンズにより微調整が必要なカメラ取付位置の組付け時の最終調整においても、デフォルトのピント合わせが簡単になり、画像がボケないので高精度に認識することが可能となる。又、基板への部品の搭載高さが異なる場合は、吸着保持した部品の高さを部品の搭載面の高さに設定し、認識装置側で焦点距離を調整することにより、搭載高さが異なる場合でも、搭載時の条件に合わせて認識が可能となり、高精度の搭載が可能となる。

又、基板マーク認識に使用した場合には、部品の搭載面の高さが複数あっても、異なる高さに認識高さを設定して認識することができ、認識高さと搭載高さを合致させた状態で認識することができるので、高精度に認識することが可能となる。

更に、焦点距離の移動量に対して、実際の光学素子の移動量は、焦点距離の移動量の１／２の動作量だけ移動させればよく、動作量が半分で済むので、機械的な位置精度を高精度に保て、且つ、移動時間が短時間で済む。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。

図３は、本発明の実施形態の全体構成を示す、電子部品実装装置の要部構成図である。図において、下向きの基板認識装置（図示省略）を備えた装着ヘッド４０は、電子部品実装装置のＸ軸方向への移動を行なうＸ軸ガントリ５０に取付けられている。又、該装着ヘッド４０とＸ軸ガントリ５０は、電子部品実装装置のＹ軸方向への移動を行なうＹ軸ガントリ５２に取付けられている。

更に、電子部品実装装置の前面（図の左側）には、基板（図示省略）へ搭載する電子部品（図示省略）を供給するための電子部品供給装置（例えばテープ式のパーツフィーダ）５４が設置されている。該電子部品供給装置５４の奥側（右側）には、ノズル４２又は４４が吸着した部品とノズル４２、４４の位置関係を認識するための部品位置認識装置６０が、本体に上向きに設置されている。

前記装着ヘッド４０には、左側吸着ノズル４２と右側吸着ノズル４４の２本の吸着ノズルが設置されている。これらの装着ノズル４２、４４は、それぞれ部品を吸着し、保持することが可能となっている。

次に、装着ヘッド４０で吸着した電子部品の吸着位置を認識するための本発明の第１実施形態に係る部品位置認識装置６０について、図４及び図５を参照して詳細に説明する。

前記部品位置認識装置６０の一番下には、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等の撮像装置（カメラとも称する）６２があり、該撮像装置６２には、像を結像するためのレンズ６４が取付けられている。前記撮像装置６２及びレンズ６４の上方には、固定プリズム６６が取付けられ、該固定プリズム６６により、光路を１８０°折返して移動プリズム６８に光が入るように配置されている。該移動プリズム６８も、光路を１８０°折返して、上方に向けて光路を変更させている。

前記移動プリズム６８は、ステー７０に固定されていて、該ステー７０は、直動軸受のリニアガイド７２に固定されており、上下方向に移動可能な構造となっている。

前記ステー７０には直動モータ７４が取付けられており、移動プリズム６８を上下方向に移動可能な構成となっている。

前記移動プリズム６８で折返された光は、部品位置認識装置６０の上方に位置決めされたノズル４２又は４４（図では４２）で吸着した電子部品（例えばチップ部品）４６に至るので、該部品位置認識装置６０の上部に装備された照明装置７６を発光させることにより、電子部品４６の画像を撮像することができる。

ここで、部品位置認識装置６０とレンズ６４を組み合わせた時の焦点距離に関して、図５（Ａ）に示す如く、電子部品４６から移動プリズム６８までの光路長をＷ１、移動プリズム６８内の光路長をＷ２、移動プリズム６８から固定プリズム６６までの光路長をＷ３、固定プリズム６６内の光路長をＷ４、固定プリズム６６からレンズ６４までの光路長をＷ５とすると、電子部品４６からレンズ６４までの光路長Ｗｄは次式で表わされる。

Ｗｄ＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗ５ …（１）

以上の構成において、電子部品４６の搭載動作の流れを図３乃至図５を参照して説明する。

まず、図３の装着ヘッド４０を、Ｘ軸ガントリ５０及びＹ軸ガントリ５２を動作させて、電子部品供給装置５４の上方に移動し、吸着ノズル４２、４４で電子部品４６を吸着する。

そして、電子部品４６を吸着した装着ヘッド４０を、図４に示した如く、部品位置認識装置６０の上方へ移動し、その上を通過させる。

以下、この認識動作を図５を参照して詳細に説明する。

まず、図５（Ａ）に示す如く、電子部品４６の部品高さがｔ_０であった場合、このときの部品４６からレンズ６４までの距離Ｗｄは、（１）式で示したように、Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗ５である。

次に、図５（Ｂ）に示す如く、部品高さがｔ_０よりＺだけ厚いｔ_１（＝ｔ_０＋Ｚ）の部品の場合、部品を吸着したノズル４２の高さは一定とし、ｔ_０のときと同じ高さにしたい場合、移動プリズム６８の位置を変更する。即ち、直動モータ７４を動作させて、ｔ_０に対して高さの差Ｚの１／２の動作量だけ下側に駆動する。リニアガイド７２に固定されたステー７０が移動することにより、ステー７０に固定された移動プリズム６８が、下側にＺ／２だけ移動する。すると、移動後の部品４６からレンズ６４までの距離Ｗｄは次式に示す如くとなり、認識対象部品４６からレンズ６４までの焦点距離を変えずに、常に一定にして、カメラ６２のピントを合わせることができる。

（Ｗ１＋Ｚ／２）＋Ｗ２＋（Ｗ３＋Ｚ／２）＋Ｗ４＋Ｗ５−Ｚ
＝Ｗ１＋Ｗ２＋Ｗ３＋Ｗ４＋Ｗ５ …（２）

本実施形態においては、カメラ６２を上向きに設置しているので、カメラ６２及びレンズ６４を、従来と同様に上向きに設置することができる。なお、固定プリズム６６を省略して、レンズ６４及びカメラ６２を移動プリズム６８の上方左側に破線Ａで示す方向に下向きに設置することもできる。この場合には、固定プリズム６６を省略することができ、構成が簡略である。又、固定プリズム６６を、その右側だけの反射面を有するミラーに変えて、レンズ６４及びカメラ６２を、その左側に破線Ｂで示す方向に横向きに設置することも可能である。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る部品位置認識装置を詳細に説明する。

本実施形態は、部品位置認識装置６０内の電子部品４６の下方に固定プリズム６６を横向きに配置して、光路を横方向に折り曲げ、同じく横向きに配置した移動プリズム６８により、二度反射して１８０°戻るような形で、再び固定プリズム６６の下方の反射面に当たり、該固定プリズム６６の下方に配置したレンズ６４及びカメラ６２に入射するようにしたものである。

前記移動プリズム６８は、第１実施形態と同様に、ステー７０、リニアガイド７２及び直動モータ７４により、図の横方向に移動される。

本実施形態においては、移動プリズム６８を図の左右方向に移動させることによって、吸着ノズル４２の停止高さやカメラ６２の位置を変えることなく、焦点距離を変えることができる。

なお、前記第１及び第２実施形態では、いずれも光路を折返すのに移動プリズム６８を用いていたが、光路を折返す手段、光学素子はこれに限定されず、図７に示す第３実施形態のように、無偏光型ハーフミラー８０と反射ミラー８２、８４の組合せを用いることもできる。

本実施形態においては、部品位置認識装置６０内の電子部品４６装着位置の下方に無偏光型ハーフミラー８０を配置して、光路を左方向に折り曲げる。無偏光型ハーフミラー８０で折り曲げられた光路は、左側の反射ミラー８２に当たり、ハーフミラー８０に戻るような形で、再びハーフミラー８０に当たり、透過した像が、右側の反射ミラー８４に当たり下方に反射される。反射した像が右側反射ミラー８４の下方に配置したレンズ６４及びカメラ６２に入光する。

本実施形態においても、第２実施形態と同様に、ステー７０、リニアガイド７２及び直動モータ７４により反射ミラー８２を図の左右方向に移動させることにより、焦点距離を変えることができる。

本実施形態においては、プリズムを用いていないので、部品位置認識装置６０を軽量化できる。

次に、図８を参照して、図３に示した電子部品実装装置の装着ヘッド４０側に下向きに配置される基板認識装置９０に適用した、本発明の第４実施形態を詳細に説明する。

本実施形態において、基板認識装置９０の一番上には、ＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等の撮像装置（カメラとも称する）６２があり、該撮像装置６２には、像を結像するためのレンズ６４が取付けられている。撮像装置６２及びレンズ６４の下方には、固定プリズム６６が設けられており、該固定プリズム６６により光路を１８０°折返して、移動プリズム６８に光が入るように配置されている。移動プリズム６８も光路を１８０°折返して、下方に向けて光路を変更させている。移動プリズム６８は、ステー７０に固定されていて、ステー７０は直動軸受のリニアガイド７２に固定されており、上下方向に移動可能な構造となっている。ステー７０には直動モータ７４が取付けられており、移動プリズム６８を上下方向に移動可能な構造となっている。

移動プリズム６８で折返された光は、基板認識装置９０の下方にある基板９２の搭載面に至るので、照明装置７６を発光させることにより、前記基板９２の搭載面にある搭載位置補正マーク（基板マーク又はマークとも称する）９４を撮像することができる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、基板マーク９４の高さによって移動プリズム６８をその半分だけ移動させることにより、常に基板マーク９４に焦点位置を合わせることができる。電子部品４６と異なり、基板９２の高さは容易に変えることができないので、本発明が特に有用である。

なお、前記実施形態においては、いずれも、部品認識装置６０又は基板９２上で装着ヘッド４０を停止して認識していたが、停止しないで通過しながら認識してもよい。

又、直角プリズムの代わりに、その他のプリズムや複数の反射ミラーの組合せ等を用いてもよい。

照明も斜方照明でなく、他の照明を用いてもよい。

更に、直動モータ７４の代わりに、回転モータにボールねじやベルト機構等を組合せて、直線駆動ができるようにした機構を使用しても良く、又、超音波モータやピエゾ素子等の微小駆動装置等を使用してもよい。

又、本発明に係る部品位置認識装置及び基板認識装置のいずれか又は双方を電子部品実装装置に採用することができる。

特許文献１に記載された部品装着装置の要部構成を示す断面図 特許文献２に記載された電子部品装着方法を説明するための断面図 本発明が適用される電子部品実装装置の全体構成の要部を示す斜視図 本発明に係る第１実施形態の部品位置認識装置の構成を示す断面図 同じく作用を説明するための光路図 本発明に係る第２実施形態の部品位置認識装置を示す断面図 同じく第３実施形態の部品位置認識装置を示す断面図 本発明に係る第４実施形態の基板認識装置を示す断面図

符号の説明

４０…装着ヘッド
４２、４４…吸着ノズル
４６…電子部品
６０…部品位置認識装置
６２…撮像装置（カメラ）
６４…レンズ
６６…固定プリズム
６８…移動プリズム
７２…リニアガイド
７４…直動モータ
８０…ハーフミラー
９０…基板認識装置
９２…基板
９４…基板マーク

Claims (3)

1. 部品を吸着してカメラにより撮像し、部品を吸着したノズルと部品の位置ずれ量を認識するための部品位置認識装置において、
   カメラの光路上に光路を折返すための光学素子を進退自在に配置し、
   部品の厚さに応じて該光学素子を進退させ、カメラの焦点位置が常に部品の撮像面に来るように調整することを特徴とする部品位置認識装置。
2. 基板上の部品搭載位置をカメラにより撮像し、部品搭載位置ずれ量を認識するための基板認識装置において、
   カメラの光路上に光路を折返すための光学素子を進退自在に配置し、
   部品搭載位置の高さに応じて該光学素子を進退させ、カメラの焦点位置が常に基板の撮像面に来るように調整することを特徴とする基板認識装置。
3. 請求項１に記載の部品位置認識装置や請求項２に記載の基板認識装置を備えたことを特徴とする電子部品実装装置。

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