JP2009085689A - 電子部品の三次元測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着ノズル等で保持された電子部品にライン光を投光して三次元測定する際、該部品にライン光を細かい間隔で投光する場合でも、短時間で確実に測定できるようにする。
【解決手段】保持手段１０により保持された電子部品Ｐに、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品を三次元測定する電子部品の三次元測定装置において、色が異なる複数のライン光Ｒ、Ｇ、Ｂを所定の間隔で前記電子部品に投光するライン光発生手段１５、１９等と、前記電子部品に投光されたライン光の反射光を分別受光して撮像する撮像手段２１とを備えた。
【選択図】図９

Description

本発明は、電子部品の三次元測定方法、特にプリント基板又は液晶やディスプレイ基板等の基板に自動的に実装する電子部品実装装置に適用して好適な、電子部品の三次元測定方法に関する。

いわゆるＱＦＰやＳＯＰ等の電子部品を、三次元測定した後に基板に実装する電子部品実装装置としては、例えば特許文献１に開示されている。

この実装装置が備えている三次元測定装置は、その概要を図１に示すように、ＬＥＤ照明光源１３１により吸着ノズル１１７に保持されている電子部品１３０を照明し、該電子部品１３０の下方に配したＣＣＤカメラ１２６で撮像して位置決めのための二次元データを取得するようになっている。

その後、この二次元データから電子部品１３０の吸着角度を補正した後、レーザダイオード１２１を点灯し、コリメートレンズ１２２及びフォーカスレンズ１２３を通過させたスポット光を投光ミラー１２４で反射させることにより、ラインジェネレータレンズ１２５により、電子部品１３０の端子部１３０Ａにライン光１２５Ａを、下方斜め４５°より投光する。

更に、リニアモータ１２８により投光ユニット１２７を、図中左右方向に移動させて上記電子部品１３０をライン光で走査する。このライン光１２５Ａの投光像を、前記ＣＣＤカメラ１２６で撮像し、ライン光による光切断線から各端子の高さデータを取得し、端子部１３０Ａの平坦度を検査している。この平坦度が適正であれば、位置決めデータに基づいて電子部品１３０を基板上に搭載する。

前記特許文献１に開示されている三次元測定装置では、電子部品の高さ計測（三次元測定）を、図１に示されているように斜め下方からライン光を電子部品へ照射し、その乱反射光の一部（カメラに届く光）を用いて、端子の高さデータを取得している。

ところで、電子部品のリード端子が曲がっている場合、ライン光の投光位置から外れる可能性があるため、１回で投光されるレーザーライン光の幅内に全ての端子が収まり、計測が可能となるケースは希である。

そのため、電子部品の端子が曲がっている場合を想定し、ある程度の余裕を持った領域にライン光を複数回投光する必要性がある。また、端子を高精細で計測する場合には、投光するライン光の間隔を細かくする必要がある。

従って、計測精度を向上させるために、端子が曲がっている電子部品があることを想定して、投光する領域を余裕を持って設定し、その上投光する間隔を細かくして計測精度を向上させようとすると、投光するライン光の本数は必然的に増加することになる。

特開２００１−６０８００号公報

しかしながら、前記従来の方式では、１回で投光される１色のライン光を一枚の白黒画像で撮像して計測しているため、計測精度を向上させようとして投光するライン光の本数を増加させれば、撮像回数が増加することになるため、結果として処理時間が大幅に増加してしまうという問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、吸着ノズル等で保持された電子部品にライン光を投光して三次元測定する際、該電子部品にライン光を細かい間隔で投光する場合でも、短時間で測定することができる電子部品の三次元測定装置を提供することを課題とする。

本発明は、保持手段により保持された電子部品に、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品を三次元測定する電子部品の三次元測定装置において、色が異なる複数のライン光を所定の間隔で前記電子部品に投光するライン光発生手段と、前記電子部品に投光されたライン光の反射光を分別受光して撮像する撮像手段とを備えることにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、電子部品に複数色のライン光をそれぞれ間隔をおいて投光し、しかも投光したライン光をそれぞれ色毎に分別して撮像できるようにしたので、単色のライン光を投光する場合に比べ色数倍の測定を行なうことができるため、高精度な計測を短時間で実現することができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図２は、本発明に係る一実施形態の三次元測定装置が適用される電子部品実装装置の概観を示す斜視図である。

この電子部品実装装置は、基台１の中央部にはＸ方向に搬送路２が配設されている。この搬送路２は、基板保持部を兼ねており、基板３をＸ方向に搬送すると共に、搬送路２上の所定位置に基板３を保持し、位置決めする。

又、この搬送路２の両側には、電子部品の供給部４が配置され、それぞれの供給部４には多数台のパーツフィーダ５が並設されている。各パーツフィーダ５は、電子部品を収納・保持しているテープをその長さ方向に送ることにより、該電子部品を順次供給するようになっている。

又、Ｘ軸テーブル６には、電子部品の移載ヘッド７が装着されていると共に、該Ｘ軸テーブル６は、対向して並設されたＹ軸テーブル８Ａ及び８Ｂに、両端部が支持され架設されている。これらＸ軸テーブル６及びＹ軸テーブル８Ａ、８Ｂを駆動することにより移載ヘッド７が水平方向に移動され、その下端部に装着されている、後述する図３に示す吸着ノズル１０によりパーツフィーダ５の部品吸着位置から電子部品をピックアップし、基板３上に移載する。

前記Ｘ軸テーブル６及びＹ軸テーブル８Ａ、８ＢからなるＸＹ方向駆動手段により移載ヘッド７が移動される、搬送路２と供給部４との間の移動経路の下方には、ＣＣＤカメラ等からなる部品認識カメラ９が配設され、該カメラ９により移載ヘッド７や吸着ノズル１０が下方から撮像されるようになっている。

そして、この移載ヘッド７に保持されている電子部品を、カメラ９で撮像することにより、電子部品の識別や位置ずれの検出が行なわれる。又、カメラ９の近傍には、電子部品の端子部の平坦度を検査する本実施形態の三次元測定装置１４が配設されている。この三次元測定装置１４については、後に詳述する。

前記移載ヘッド７には、図３に拡大して示すように複数のノズルシャフト１１がそれぞれθ軸モータ１２に取り付けられ、各ノズルシャフト１１は独立にθ方向に回転駆動可能になっている。又、移載ヘッド７には、各ノズルシャフト１１に対応するＺ軸モータ１３が設置され、各ノズルシャフト１１が独立に昇降動作が可能になっている。又、各ノズルシャフト１１の先端には、吸着ノズル１０が着脱自在に装着され、吸着ノズル１０の先端には、エアを吸引して電子部品を保持するための吸着孔が設けられている。

まず、本実施形態の三次元測定装置１４の基本となる装置の構成と作用について説明する。但し、便宜上同一の符号を使用する。

基本となる三次元測定装置１４は、図４にその側面から見た概要を示すように、レーザダイオード１５からのレーザ光が、コリメートレンズ１６とフォーカスレンズ１７を介して投光ミラー１８に入射されると、その反射光がラインジェネレータレンズ１９によりライン光として吸着ノズル１０に保持されている電子部品Ｐに照射（投光）されるようになっている。又、吸着ノズル１０に保持されている部品Ｐの下方には、撮像ミラー２０が、該撮像ミラー２０の反射方向には撮像カメラ２１がそれぞれ配設されている。

上記レーザダイオード１５には、レーザダイオードコントローラ１５Ｂが接続され、該レーザダイオード１５への電流値を制御することにより発光時の光量（レーザパワー）を任意に変更可能とされている。また、撮像カメラ２１には、或る画角をもった撮像レンズ２１Ｂが取付けられている。

又、フォーカスレンズ１７と投光ミラー１８とラインジェネレータレンズ１９が一体的に内蔵されている投光ユニット２６は、リニアアクチュエータ２２に直結されており、水平方向に正常に保持された電子部品Ｐの下面に平行（図中、両矢印方向）に、且つ、図５の要部上面図にイメージを示すように、照射されたライン光Ｌの先端の照射ラインに対して直交する方向に、駆動自在になっている。

なお、前記三次元測定装置１４は、投光ミラー１８によるレーザ光の反射方向が９０°異なっており、それに対応した構造になっている以外は、基本的な構成が前記図１に示したものと実質的に同一である。従って三次元測定の原理も実質同一である。

次に、以上の構成からなる三次元測定装置の動作を、図６に示すフローチャートに従って説明する。

まず、前記図２に示した搬送路２上に基板３が搬入され、位置決めされると（ステップ１、２）、移載ヘッド７は電子部品をピックアップするために、ノズルシャフト１１の先端に装着されている吸着ノズル１０を供給部４上へ移動させる（ステップ３）。

移載ヘッド７が部品吸着位置へ整定後、Ｚ軸モータ１３の駆動によりノズルシャフト１１を下降させると、その先端の吸着ノズル１０が部品吸着高さまで下降し、パーツフィーダ５に納められている電子部品と当接する直前に、図示しない真空発生装置を作動させ、ノズルシャフト１１の管路内を負圧とすることにより、該吸着ノズル１０の先端に当接した電子部品を吸着する（ステップ４）。

その後、吸着された電子部品の吸着位置及び角度の認識を行なうため、実装装置本体に設けられている部品認識カメラ９上へ移動し（ステップ５）、吸着部品の位置認識を行なう（ステップ６）。位置認識した結果を基に、移載ヘッド７が該カメラ９の近傍に配されている三次元測定装置１４上へと移動を行ない（ステップ７）、吸着されている電子部品の高さ計測箇所が、三次元測定装置１４の測定位置（ライン光の焦点位置）となるように、位置決めされる。

次に、ステップ８で行なう前記図４の三次元測定装置による三次元測定について説明する。

光源であるレーザダイオード１５から発せられた光は、コリメートレンズ１６で集光されて平行光となる。フォーカスレンズ１７はこの平行光をスポット光となるように絞り込む。フォーカスレンズ１７からのスポット光は、投光ミラー１８により垂直軸と４５°の角度をなすように曲げられる。

この曲げられた光路の直ぐ後ろに置かれたラインジェネレータレンズ１９は、入射光を幅（厚さ）３０μｍ、長さ４０ｍｍ（図４の紙面に垂直な方向、図５の寸法Ｗ）のライン光Ｌとして、測定対象である電子部品Ｐの端子Ｐａに投光する。

電子部品Ｐの端子Ｐａからの拡散反射光の一部（電子部品の端子に対して垂直な成分）は、撮像ミラー２０で反射されて撮像カメラ２１により撮像される。又、このとき、リニアアクチュエータ２２に接続された投光ユニット２６は、リニアアクチュエータ２２の駆動により図示される左右両矢印の方向（電子部品下面に平行且つ照射されるライン光の照射ラインに対して直交する方向）に前後直線運動を行なう。

これにより投光ユニット２６は、コリメータレンズ１６によって形成された平行光線に向かって前進・後退の直線運動を行なうことになるが、このように平行光線に向かって前後直線運動を行っても、フォーカスレンズ１７の結像作用には影響を及ぼさないので、測定対象である電子部品Ｐが水平方向に正常保持されている場合には、その端子には常に一定幅のライン光が照射されることになる。

そこで、前記図４において、投光ユニット２６を右から左に、一定速度（例えば７００ｍｍ／sec）でスキャン移動させる。撮像カメラ２１の視野内の所定の箇所に拡散反射光が入光可能となる位置に来たとき、レーザダイオード１５を所定時間だけ（例えば５０μsec）点灯する。

上記スキャン移動によって、後述する電子部品の端子認識画像を得ることが出来る。この画像データを画像処理することにより、電子部品の三次元測定を行なうことができる。この三次元測定の原理について以下に簡単に説明する。

図７は、電子部品の例がＱＦＰで、そのリード端子を三次元測定する様子を示した図である。

図７（Ａ）は、電子部品Ｐが、ＸＹθの各軸の駆動により、前記三次元測定装置１４の上部に、ＸＹの各軸に対して平行で、しかも該三次元測定装置１４の視野の中心位置に一致するように位置決めされた状態を示す上面図であり、リニアアクチュエータ２２によって走査されるライン光Ｌが、電子部品Ｐのリード端子Ｐａに照射されている状態のイメージを示している。

図７（Ｂ）はその側面図であり、リード端子Ｐａで拡散反射した光の一部が垂直方向に反射している状態（撮像カメラによって撮像されている光）を示しており、図７（Ｃ）は同図（Ｂ）のライン光Ｌが照射されるリード端子Ｐａの拡大図である。

ここで、測定対象となるリード端子Ｐａのうち、変形等により他と比較して異なる高さのリード端子Ｐｂが存在し、これによりライン光Ｌが照射される高さが図７（Ｃ）に示すように正常端子Ｐａと比較してΔｔだけ異なっていたとする。ライン光Ｌの照射により、リード端子Ｐａはその下方に設けた撮像カメラに図８に示すような光切断線画像として撮像されるが、高さの異なるリード端子Ｐｂは同図に示すようにΔｘだけ離れた位置に撮像される。そしてライン光Ｌの投光角度はリード端子Ｐａに対して４５°をなしているのでΔｘ＝Δｔとなり三次元（高さ）測定が可能となる。

前記ステップ８の三次元測定の結果、測定部品に高さの異なる端子が検出され、その測定値Δｘが任意に設定可能な閾値より大きい場合には、測定した電子部品に異常がある（ＮＧ）と判断し、装置内の図示しない返却トレイ上へ移動し、吸着部品をエアブローにより返却を行なう等の、適切なエラー処理がなされる（ステップ９）。

上述した前記ステップ８による三次元測定の結果により、電子部品の異常が認められなかったＯＫの場合には、移載ヘッド７は搬送路２に固定されている基板３上の所定位置に移動し（ステップ１０）、θ軸モータ１２とＺ軸モータ１３の駆動により、電子部品を基板３へ搭載する（ステップ１１）。

その後、基板３への電子部品の搭載が全て完了するまで生産動作を継続する（ステップ１２）。

以上詳述した基本の三次元測定装置１４によれば、正確に平坦度（高さ）を測定することができるため、極めて有効である。

しかしながら、１つの電子部品内に変形などにより他と比較して異なる高さのリード端子Ｐｂが、図７（Ａ）の上下にそれぞれ配列された方向に多数存在する場合や、測定（計測）するリード端子の存在しうる範囲が広い場合などには、多数のレーザ光（ライン光）を照射しなければ計測できないことがある。また、端子を高精細で計測する場合、投光するレーザ光の間隔を細かくする必要がある。前記図４に示した基本の方式では、撮像装置（カメラ）を用いて投光ユニット２６を移動させて走査しているため、投光するレーザ光の数が増すと、撮像時間が増加して撮像処理に要する時間が増加することになる。

そこで、本実施形態では、図９に前記図４に相当する側面図を示すように、一度に複数色（周波数）のレーザ光を投光し、この複数投光されたレーザ光と同一の色（周波数）をそれぞれ別途に受光できる撮像素子を備えた撮像装置にて画像を取得する装置構成とした。これにより、一回の撮像で複数の高さデータを取得し、処理時間の短縮を実現した。

本実施形態では、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の３色を用いている。但し、複数色（周波数）のレーザ光を使用して、レーザ光と同一の色（周波数）をそれぞれ別途に受光できる撮像素子を備えた撮像装置を用いた装置構成であれば、これに限定されない。

図９に示した本実施形態の三次元測定装置１４は、図４に示した単色レーザ光を使用した構成を拡張し、３色のレーザ光を使用した構成としたものである。従って、３色のレーザ光を使用するため、構成は一部異なるものの基本的な三次元測定装置の動作原理は、図４を用いて説明したものと同様である。

即ち、レーザダイオード１５は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）３色のレーザ光を発光するために、図１０（Ａ）に上から見た平面図で示すように、横方向に対応する色分の３台配置する。これに伴い、レーザダイオードコントローラ１５Ｂもそれぞれ対応する３機接続してある。但し、１機で３台のレーザダイオード１５をコントロールできるような構成としてもよいことは言うまでもない。

同様に、コリメートレンズ１６、フォーカスレンズ１７及びラインジェネレータレンズ１９もそれぞれ対応させて３枚配設し、投光ミラー１８は、図１０（Ａ）の平面図で示したように幅が広い１枚のミラーを対応する位置に配置している。但し、赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）３色のレーザ光毎にそれぞれ１枚、計３枚のミラーを設置しても良い。又、別途に受光できる、即ち分別受光可能な撮像カメラ２１としてはカラーカメラを採用している。

図９にＲ、Ｇ、Ｂを付して示したように、赤、緑、青の３色のレーザ光を一定間隔ずらして電子部品へ照射する。図１０（Ａ）の平面図で示したように各レーザ光に間隔Δｄを与えるため、図１０（Ｂ）にレーザダイオード１５側から見たイメージを正面図で示すように、赤色、緑色、青色（ＲＧＢ）３色のレーザダイオード１５に、高さの差異Δｄを与える。

これに伴い図９及び図１０（Ａ）（Ｂ）に示されているように、コリメートレンズ１６、フォーカスレンズ１７及びラインジェネレータレンズ１９も、それぞれ各レーザ光の発光位置に合わせて高さを調節する。

この結果、図１１（Ｂ）のように高さ方向の差異Δｄの３色の光をカラー撮像カメラ２１により、一度に撮像することができる。図１１（Ｃ）には、分かり易くするために一方の反射光を拡大して示した。なお、図１１（Ａ）は、比較のために図４に示した方式で、単色レーザ光を白黒撮像カメラにより撮像した場合の図である。

図１１（Ｂ）のカラー画像より赤色、青色、緑色それぞれの画素の集合について重心位置を求め、端子の高さ位置を取得する。３色のレーザ光を走査して電子部品へ照射する方法で複数枚の画像を取得した際には、高さの差異Δｄを加味してデータを結合し、電子部品全体の三次元測定を実施する。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。

（１）一度に複数色（周波数）のレーザ光を投光し、投光された複数のレーザ光と同一の色（周波数）をそれぞれ別途に受光できる撮像素子を備えた撮像装置にて画像を取得することにより、一回の撮像で複数の高さデータを取得することができ、撮像所要時間を大幅に短縮できるので、処理時間の短縮が実現できる。

（２）単色光の場合に比べて処理時間を考慮せずに、複数のレーザ光を、端子が存在すると想定される領域に、満遍なく投光することにより、さらに高精細な検出が可能となる。

なお、前記実施形態では、レーザダイオード１５を色数に応じて複数設置しているが、例えば、白色光を投光するユニットから発する光を、プリズムや特殊レンズにより分光して複数の光を投光できるようにして同様な効果が得られるようにしてもよい。

又、前記実施例では、レーザ光を一定間隔で投光する例を説明しているが、一定間隔ではなく、間隔が既知であればランダムに設定した投光ユニットを設置しても良い。

三次元測定装置の概要を示す側面図 本発明に係る一実施形態に適用される電子部品実装装置の概観を示す斜視図 上記電子部品実装装置に搭載されている移載ヘッドを示す斜視図 本実施形態に係る一実施形態に適用される基本となる三次元測定装置を示す概略側面図 上記三次元測定装置の要部を上面から見た状態を示す説明図 図４に示した三次元測定装置の作用を示すフローチャート 三次元測定の原理を示す説明図 三次元測定の原理を示す他の説明図 本実施形態の三次元測定装置の概要を示す、前記図４に相当する側面図 本実施形態の三次元測定装置の要部を拡大して示す平面図と正面図 本実施形態の作用を示す説明図

符号の説明

１０…吸着ノズル（保持手段）
１４…三次元測定装置
１５…レーザダイオード
１６…コリメートレンズ
１７…フォーカスレンズ
１８…投光ミラー
２０…撮像ミラー
２１…撮像カメラ
２２…リニアアクチュエータ
２６…投光ユニット
Ｐ…電子部品
Ｐａ…端子
Ｌ…ライン光
Ｒ…赤
Ｇ…緑
Ｂ…青

Claims (1)

1. 保持手段により保持された電子部品に、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品を三次元測定する電子部品の三次元測定装置において、
   色が異なる複数のライン光を所定の間隔で前記電子部品に投光するライン光発生手段と、
   前記電子部品に投光されたライン光の反射光を分別受光して撮像する撮像手段とを備えたことを特徴とする電子部品の三次元測定装置。

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