JP2008215903A

JP2008215903A - 基板表面高さ測定装置および基板表面高さ測定方法、作業装置、作業方法

Info

Publication number: JP2008215903A
Application number: JP2007050971A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Kaita; 健一戒田; Yasushi Mizuoka; 靖司水岡
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-03-01
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2008-09-18
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: JP4882799B2

Abstract

【課題】基板の素材等に影響されることなく基板表面の任意箇所の高さを測定する基板表面高さ測定装置および基板表面高さ測定方法と、測定された任意箇所の高さに基づいて作業部の高さ制御を行う作業装置および作業方法を提供する。
【解決手段】基板表面の測点に対して空気の塊を衝突させて衝撃荷重を印加する空気発砲装置８と、印加された衝撃荷重により基板表面に励起された振動から生じる振動波を所定の高さ位置で検知する超音波センサ９と、基板表面に衝撃荷重を印加してから振動波を検知するまでの経過時間に基づいて測点の基板基準面に対する高さｈ１を測定する制御部１０と、基板基準面を基準として予め設定された実装高さｈ２から測点の基板基準面に対する高さｈ１を減じて実装高さｈ３を算出し、この実装高さｈ３に基づいてノズル７の高さ制御を行う実装高さ制御部１３を備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板表面の任意箇所の高さを測定する基板表面高さ測定装置および基板表面高さ測定方法と、測定された任意箇所の高さに基づいて作業部の高さ制御を行う作業装置および作業方法に関するものである。

部品の表面実装においては、実装ヘッドを基板表面に向けて下降させることで実装ヘッドにピックアップされた部品を基板表面に装着する手法がとられている。実装ヘッドの下降距離すなわち実装高さは、基板表面に部品を過不足のない荷重で装着することができるように制御されるが、基板の反り等により基板表面に凹凸が生じている場合、凹部に対しては荷重が不足し、凸部に対しては荷重が過大となり、いずれにしても実装品質の上で好ましくない状況を招くことになる。そこで従来、レーザ光を基板表面に照射してから反射光を受光するまでの経過時間の長短により基板表面の凹凸形状を検出し、この凹凸形状に基づいて実装高さを補正する方法が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−２９９５９７号公報

しかしながら、基板が透光性の高い素材で形成されていたり、基板表面に鏡面状の電極等が形成されていたりする場合、レーザ光が基板表面で適切に反射しないことがあるため、凹凸が正確に検出できないという問題がある。一方、レーザ光に代えて超音波を使用する方法も知られており、超音波であれば基板の素材を問わないが、レーザ光と異なり超音波は指向性がないため、基板表面の任意の個所のみを検出対象とすることができないという問題がある。

そこで本発明は、基板の素材等に影響されることなく基板表面の任意箇所の高さを測定する基板表面高さ測定装置および基板表面高さ測定方法と、測定された任意箇所の高さに基づいて作業部の高さ制御を行う作業装置および作業方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の基板表面高さ測定装置は、基板表面の任意個所に対して衝撃荷重を印加する衝撃荷重印加手段と、印加された衝撃荷重により基板表面に励起された振動から生じる振動波を所定の高さ位置で検知する振動波検知手段と、基板表面に衝撃荷重を印加してから振動波を検知するまでの経過時間に基づいて基板表面の任意個所の高さを測定する測定手段を備えた。

請求項２記載の基板表面高さ測定装置は請求項１に記載の基板表面高さ測定装置であって、前記衝撃荷重印加手段が、空気の塊を基板表面の任意個所に衝突させることで衝撃荷重を印加する。

請求項３記載の基板表面高さ測定方法は、基板表面の任意個所に対して衝撃荷重を印加する工程と、印加された衝撃荷重により基板表面に励起された振動から生じる振動波を所定の高さ位置で検知する工程と、基板表面に衝撃荷重を印加してから振動波を検知するまでの経過時間に基づいて基板表面の任意個所の高さを測定する工程を含む。

請求項４記載の作業装置は、前記測定手段により測定された基板表面の任意個所の高さに基づいて基板表面の任意個所に対して作業する作業部の高さ制御を行う。

請求項５記載の作業方法は、前記測定手段により測定された基板表面の任意個所の高さに基づいて基板表面の任意個所に対して作業する作業部の高さ制御を行う。

本発明によれば、基板表面の任意箇所に印加された衝撃荷重により励起された振動から生じる振動波を検知することで基板表面の任意箇所の高さをスポット的に測定するので、基板の素材や測定箇所の周辺状況に影響されることなく正確な高さを測定することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の部品実装装置の斜視図、図２は本発明の実施の形態の基板表面高さ測定装置の構成図である。

最初に本発明の実施の形態の部品実装装置について説明する。図１において、部品実装装置１は基板に部品を表面実装する装置である。基板２は基板搬送レール３により部品実装装置１の所定位置に搬入される。部品は部品供給装置４に複数個収納されている。実装ヘッド５は直交ロボット６により基板２と部品供給装置の上方で水平移動可能であり、部品供給装置４からピックアップした部品を所定位置にある基板２に実装する。なお、図１では１つの基板２に対し実装ヘッド５と部品供給装置４が２つずつ設けられたデュアルヘッド型実装装置を示している。

図２において、実装ヘッド５には複数のノズル７が設けられている。各ノズル７はそれぞれ独立して昇降動作が可能であり、実装時には基板表面に向けて下降し、部品が基板表面に接した後は部品を基板表面に対して押下することで荷重を印加し、部品と基板の接合強度を確保するようになっている。

さらに実装ヘッド５には空気発砲装置８と超音波センサ９が併設されている。空気発砲装置８は基板表面の任意箇所を測点として空気の塊（矢印ａ）を発砲する装置であり、基板基準面から所定の高さ位置となる箇所から空気塊を発砲する。測点には空気塊が衝突した際に衝撃荷重が印加され、これにより基板表面に振動が励起される。この振動により測点を発信源とする振動波（破線ｂ）が発生し、空気発砲装置８に併設された超音波センサ９により検知される。超音波センサ９は基板基準面から所定の高さ位置となる箇所に振動波を検知するセンサ部が設けられている。

基板基準面は表面に凹凸がなく平坦な状態にある基板２の表面高さに設定されている。この基板基準面は部品の実装高さを決定するための基準となっており、基板基準面と一致した高さにある基板２の表面に部品を過不足ない荷重を印加しながら実装することができるようにノズル７の下降量が設定されている。基板２の表面に凹凸がある場合、基板基準面より高い箇所では印加荷重が過大となり、基板基準面より低い箇所では印加荷重の不足が発生するので、実装に先立って実装予定の箇所を測点として基板基準面に対する高さを測定し、測定結果に基づいて実装高さの補正を行うことが必要となる。

次に本発明の実施の形態の基板表面高さ測定装置について説明する。図２において、基板表面高さ測定装置は、基板表面の任意個所に対して衝撃荷重を印加する衝撃荷重印加手段である空気発砲装置８と、印加された衝撃荷重により基板表面に励起された振動から生じる振動波を所定の高さ位置で検知する振動波検知手段である超音波センサ９と、基板表面に衝撃荷重を印加してから振動波を検知するまでの経過時間に基づいて基板表面の任意個所の高さを測定する測定手段である制御部１０とで構成されている。

制御部１０から出力部１１に出力信号が送信されると、空気発砲装置８から測点に向けて空気塊が発砲される。超音波センサ９が測点から発信された振動波を検知すると、入力部１２から制御部１０に入力信号が送信される。制御部１０では、空気塊の速度が既知なので基板基準面までの空気塊の航続距離から空気塊の航続時間が算出し、出力信号の送信時から入力信号の受信時までの経過時間から空気塊の航続時間を減じた時間に温度補正をした音速を乗ずることで測点から超音波センサ９のセンサ部までの距離が測定される。センサ部と基板基準面との距離は既知であるので、制御部１０は測点の基板基準面に対する高さｈ１を測定し、測定結果をノズルの昇降動作の制御を行う実装高さ制御部１３に送信する。

実装高さ制御部１３は、基板基準面を基準として予め設定された実装高さｈ２から実装高さの補正量となる測点の基板基準面に対する高さｈ１を減ずる演算を行い、測点となった箇所に部品を実装する際の実装高さｈ３を算出し、この実装高さｈ３に基づいて測点となった箇所に部品を実装する際の実装高さ制御を行う。なお、図２に示すように基板表面が凸状に変形し、測点が基板基準面より上位にある場合はｈ２からｈ１を減じる演算を行うが、これとは逆に基板表面が凹状に変形し、測点が基板基準面より下位にある場合はｈ２にｈ１を加える演算を行うことになる。

なお、空気塊の航続時間の演算には、厳密にいえば測点の基板基準面に対する変位量（図２では測点の基板基準面に対する高さｈ１）を考慮するべきであるが、基板表面の変形の度合いは実際には極めて微小なものであるので、上記の演算において考慮していない。また、上記の演算において測定された測点から超音波センサ９のセンサ部までの距離は、超音波センサ９が測点の鉛直上方に位置する場合に測点から超音波センサ９のセンサ部までの高さとすることができる。超音波センサ９は測点の鉛直上方に位置することが必須ではなく、適宜補正を行うことで測定距離を高さに変換することは可能である。

また、空気発砲装置８は測点に確実に空気塊を衝突させることが可能であれば配置は問われない。望ましくは、空気発砲装置８と超音波センサ９を測点の略鉛直上方となる位置に配置することで、測点周辺に遮蔽物があっても測定結果に与える影響を最小限に抑えることが可能である。なお、衝撃荷重印加手段として、空気塊を発砲する空気発砲装置８の他に基板表面の任意個所に対してスポット的衝撃荷重を印加することが可能な装置であれば使用することができる。また、振動波検知手段として、振動波に含まれる超音波成分を検知する超音波センサ９の他に振動波の到達を検知可能な装置であれば使用することができる。

さらに、基板表面高さ測定装置は、基板表面に対して作業する作業部の高さ制御を行う必要がある作業装置、例えば、作業部となる実装ヘッドの実装高さ制御を行って基板表面に過不足のない荷重を印加しながら部品を実装する部品実装装置１を始め、作業部となる塗布ノズルの塗布高さ制御を行って基板表面に適正な厚さの接着用ボンドを塗布するボンド塗布装置等に適用することが可能である。この場合、基板表面高さ装置は様々な装置から発せられるノイズに囲まれた環境下で振動波のセンシングを行うことになり、ノイズが外乱となって振動波を正確に検知することが困難になる場合も考えられる。この場合、振動波のパターンを周囲のノイズパターンから明確に区別することができるように、レーザ光の出力パターンを調整することで対応することができる。また、超音波センサ９に通過帯域の外のすべての周波数を完全に減衰させるバンドパスフィルタを適用し、測点からのみ発信され得る周波数帯のみを検知できるようにすることでもセンシングの信頼性を高めることができる。

本発明によれば、基板表面の任意箇所に印加された衝撃荷重により励起された振動から生じる振動波を検知することで基板表面の任意箇所の高さをスポット的に測定するので、基板の素材や測定箇所の周辺状況に影響されることなく正確な高さを測定することができるという利点を有し、基板表面の高さを正確に測定する必要のある表面実装分野やボンド塗布分野において有用である。

本発明の実施の形態の部品実装装置の斜視図本発明の実施の形態の基板表面高さ測定装置の構成図

符号の説明

２基板
８空気発砲装置
９超音波センサ
１０制御部
１１出力部
１２入力部
１３実装高さ制御部

Claims

基板表面の任意個所に対して衝撃荷重を印加する衝撃荷重印加手段と、印加された衝撃荷重により基板表面に励起された振動から生じる振動波を所定の高さ位置で検知する振動波検知手段と、基板表面に衝撃荷重を印加してから振動波を検知するまでの経過時間に基づいて基板表面の任意個所の高さを測定する測定手段を備えた基板表面高さ測定装置。
前記衝撃荷重印加手段が、空気の塊を基板表面の任意個所に衝突させることで衝撃荷重を印加する請求項１に記載の基板表面高さ測定装置。
基板表面の任意個所に対して衝撃荷重を印加する工程と、印加された衝撃荷重により基板表面に励起された振動から生じる振動波を所定の高さ位置で検知する工程と、基板表面に衝撃荷重を印加してから振動波を検知するまでの経過時間に基づいて基板表面の任意個所の高さを測定する工程を含む基板表面高さ測定方法。
前記測定手段により測定された基板表面の任意個所の高さに基づいて基板表面の任意個所に対して作業する作業部の高さ制御を行う作業装置。
前記測定手段により測定された基板表面の任意個所の高さに基づいて基板表面の任意個所に対して作業する作業部の高さ制御を行う作業方法。