JP2010261955A - 多数のエリアアレイ型画像検出器を使用するヘッド搭載部品アライメント - Google Patents

Abstract

【課題】ピック・アンド・プレイス機械のノズルに保持されたときに部品のオフセットおよび方向を検知するセンサを提供する。
【解決手段】センサは、複数の２次元カメラ３００と、バックライト照明装置３０６と、コントローラ３０８とを含む。各カメラはピック・アンド・プレイス機械のノズルを含む視野を有する。バックライト照明装置は照明を複数の２次元カメラに向けるように構成されている。バックライト照明装置は複数の２次元カメラからノズルの反対側に位置決めされている。コントローラは複数の２次元カメラおよびバックライト照明装置に接続されている。コントローラは、複数の２次元カメラによって検出された、バックライトで照らされた複数の影の画像に基づいて（複数の）部品３０２のオフセットおよび方向情報を決定するように構成されている。コントローラはオフセットおよび方向情報をピック・アンド・プレイス機械のコントローラに供給する。
【選択図】図４

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００９年５月６日に出願され、その内容が全体として参照によって本明細書に組み込まれた米国仮特許出願第６１／１７５，９１１号を基礎とし、利益を主張する。

著作権留保
本特許文書の開示内容の一部は著作権保護の対象となる資料を含んでいる。著作権者は、米国特許商標庁の特許ファイルまたは記録に掲載されている状態での特許文書または特許開示内容の何人による複写コピーに異議を唱えないが、そうでなければ、何であれ全著作権の全権利を留保する。

背景
ピック・アンド・プレイス機械は、一般に電子回路基板を製造するため使用される。未完成のプリント回路基板が通常はピック・アンド・プレイス機械に供給され、ピック・アンド・プレイス機械は次に部品供給装置から個々の電子部品を取り上げ、この部品を基板に載置する。部品は、はんだペーストが溶融されるか、または、接着剤が完全に硬化する後続のステップまで、はんだペーストまたは接着剤によって一時的に基板上に保持される。個別の電子部品は、適切な電気的接触を確実にするため、回路基板上に正確に載置される必要があるので、基板上の部品の正確な角度方向および横位置合わせを必要とする。

ピック・アンド・プレイス機械動作は興味深い。製造される回路基板のコストを引き下げるため、機械は時間当たりに載置される部品の個数を最大化するように素早く動作することが必要である。エレクトロニクス産業の技術水準が進歩するのにつれて、部品のサイズは減少し、相互接続の密度が増加している。したがって、部品配置の許容誤差が顕著に減少している。実際のピック・アンド・プレイス機械動作は、多くの場合、許容可能な配置精度の水準を達成するために速度に関する妥協を必要とする。

ピック・アンド・プレイス機械動作が効率的に高速化される１つの方法は、部品が載置場所へ移動している間に、ノズルまたは真空クイルに接触して取り上げられた部品位置および角度方向の両方を正確に評価することができるセンサの利用にある。このようなセンサは、固定されたアライメントセンサまでの別個の移動を必要とするシステムとは違って、本質的に、真空クイルに接触した部品位置および方向を決定するタスクが載置機械の速度に影響を与えることなく実行されることを可能にする。このようなセンサは公知であり、米国ミネソタ州ゴールデン・バレーの所在のＣｙｂｅｒＯｐｔｉｃｓ社から、Ｍｏｄｅｌ ＬＮＣ−６０の商標表記で市販されている。これらのセンサのいくつかの態様は、米国特許第５，２７８，６３４号、米国特許第６，４９０，０４８号、および、米国特許第６，５８３，８８４号に記載されている。

光学式ヘッド搭載部品測定の何らかの実施は、初期部品方向および位置を計算するために異なる部品回転角で、バックライトで照らされた部品によって映された影を観察した。薄い測定リボンが照明と、典型的にリニア検出器である検出器とによって画定される。部品は、完全な、または、ほぼ完全な影を検出器の上に作るためにこのリボンの中に適切に位置決めされるべきである。この位置決めは、部品自体が薄いとき、回転軸に沿った高精度モーション作動を必要とする。ベアダイまたは小型の受動素子のような薄いコンポーネントは、ますます一般的になっている。

部品は回転させられ、影の変化の度合いが測定毎の部品の影の広がりを決定し、ここから、初期オフセットおよび方向を決定するため解析される。多くの場合、影の処理を簡単にするため、光源はほぼコリメートされ、受信光学系はほぼテレセントリックである。経験上、この方法は広範囲の部品に対して正確かつ高速である。リニア検出器の画素は、典型的に、高さ数μｍに過ぎないので、僅かに１個の破片の塵が１個以上の画素を簡単に隠す。画像または照明のノイズおよび不完全度は必ず視野角の対角線より大きいので、大型の部品のためのセンサは、途切れのない連続視野角を提供するために、単一で、大型で、かつ、コストのかかる光学系をもたなければならない。

近年、部品配置ユニットが、リニア検出器に基づくレーザ・アライメント・システムの上述の制限のうちのいくつかを取り扱う欧州特許出願ＥＰ１８４０５０３Ａ１においてＪｏｓｅｐｈ Ｈｏｒｉｊｏｎによって提案された。特に、Ｈｏｒｉｊｏｎ出願は、同時に最大４個の部品の部品位置および方向を検出するため単一の２次元イメージャの使用を提案する。Ｈｏｒｉｊｏｎ出願はピック・アンド・プレイス機械のための部品アライメントおよび位置センサの技術の改良を説明しているが、さらなる改良の余地が依然として存在する。

概要
ピック・アンド・プレイス機械のノズルに保持されたときに部品オフセットおよび方向を検知するセンサが提供される。センサは、複数の２次元カメラと、バックライト照明装置と、コントローラとを含む。各カメラはピック・アンド・プレイス機械のノズルを含む視野を有する。バックライト照明装置は照明を複数の２次元カメラに向けるように構成されている。バックライト照明装置は複数の２次元カメラからノズルの反対側に位置決めされている。コントローラは複数の２次元カメラおよびバックライト照明装置に接続されている。コントローラは、複数の２次元カメラによって検出された、バックライトで照らされた複数の影画像に基づいて（複数の）部品のオフセットおよび方向情報を決定するように構成されている。コントローラはオフセットおよび方向情報をピック・アンド・プレイス機械のコントローラに供給する。

発明の実施形態が実施され得る直交座標系型ピック・アンド・プレイス機械の概略図である。 本発明の実施形態による部品の概略的な断層撮影再構成を示す図である。 １つの視野の中でノズルに保持された２つの例示的な部品の概略画像を示す図である。 本発明の実施形態による視野のサブセットの選択を説明する概略画像を示す図である。 本発明の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。 本発明の別の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。 本発明の別の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。 本発明の実施形態による重複する視野を有する複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。 本発明の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている異なるサイズの複数の部品の概略平面図である。 本発明の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている単一の大型の部品の概略平面図である。 ノズルに保持されている不適切に取り上げられた部品の概略図である。 本発明の実施形態による取り上げ動作後に部品位置およびアライメントを検出する方法のフローチャートである。 本発明の別の実施形態による取り上げ動作後に部品位置およびアライメントを検出する方法のフローチャートである。

図１は本発明の実施形態が適用できる典型的な直交座標型ピック・アンド・プレイス機械２０１の概略図である。ピック・アンド・プレイス機械２０１は、運搬システムまたはコンベヤ２０２を介して、回路基板のようなワークピースを受け取る。配置ヘッド２０６は、その後、部品供給装置（図示せず）からワークピースに搭載されるべき１個以上の電気部品を取得し、そして、ワークピース上で適当な方向および適当な位置に部品を載置するためにｘ、ｙおよびｚ方向にワークピースに対して相対運動を行う。相対運動は、配置ヘッドを移動させること、ワークピースを移動させること、または、両者の組み合わせによって生成され得る。配置ヘッド２０６は、配置ヘッド２０６が（複数の）部品を取り上げ場所から載置場所へ移動させるときに、ノズル２０８、２１０、２１２によって保持された１個以上の部品位置および方向を計算できるか、または、さもなければ、決定できるアライメントセンサ２００を含むことがある。

本発明の実施形態は、一般に、複数の２次元検出器アレイ、イメージング光学系、および、拡散バックライトを利用する光学式ヘッド搭載部品オフセットおよび方向測定装置を提供する。２次元カメラの焦点面は部品の回転の中心を通る平面とほぼ一致する。各カメラは全部または殆どの回転角に亘って部品から適度に鋭い影のエッジを生成するために十分な被写界深度を有する。２次元画像は、センサが照明域の中での部品のさほど厳密ではない位置決めを許容することを可能にする。源となる照明は、好ましくは、カメラの反対側の構造化されていない拡散バックライトによって発生される。照明装置は、イメージング光学系に対する厳密な位置決めをすることなく、有用な画像の視野（ＦＯＶ）を埋めるだけでよい。照明源は、光の効率的な照準を実現しやすくし、そして、カメラの視野全体に亘ってほぼ均一な強度を生成するために何らかの光学系を利用することがある。カメラ光学系はテレセントリックでも非テレセントリックでもよい。非テレセントリック光学系は、視野より幅が狭く、単一のカメラの物理的寸法より大きい部品の測定できるようにするカメラと、視野が重複した多数のカメラを使用する測定装置とを可能にさせる。いくつかのカメラからの統合したデータ収集は非常に大型の部品の測定の成功を可能にする。多数の視野が重複したセンサの有効な測定領域の幅は必要に応じて広くすることが可能である。

図２は部品の概略的な断層撮影再構成を示す。断層撮影再構成の実際の技術は、米国特許第６，５８３，８８４号に記載された技術を含む適当な技術であればよい。図３ａは、２次元検出器の単一の視野で観察される２つの隣接するノズルに保持された２個の部品の概略画像を示す。第１の部品は、典型的に、よく使われている小型の部品である。第２の部品は、一般的なより大型の薄い部品である平坦な部品である。２行以上の画素の１次元ラインが獲得されるので、２次元画像からの最も有用な画像が画像を処理する際に使用できる。この画像サブセット視野の選択は、キャリブレーションを介して行われるか、または、データが収集されるときにソフトウェアで動的に計算される。多数のデータのラインに適用される統計的技術は、ノイズを抑制し、薄い部品の影の検出を高め、破片および欠陥の痕跡を取り除くことになる。

図３ｂは本発明の実施形態による視野のサブセットの選択を説明する概略画像を示す。サブセットは仮想的に示され、列のサブセットおよび行のサブセットを含むことがある。

図４は本発明の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。図４は、部品３０２がそれぞれのノズルによって保持されているとき、バックライトで照らされた部品３０２を観察する複数（６個）の小型の２次元カメラを示している。各カメラ３００は、好ましくは、隣接カメラのうちの少なくとも１台のカメラの視野と重複する視野（ＦＯＶ）３０４を含む。各カメラ３００は、ＳＭＴ部品配置ヘッドの（図４の紙面に入り、そして、紙面から出る）ノズル軸を形式的に含有する平面の焦点画像を作成する２次元イメージング検出器アレイおよび集光光学系を含む。拡散照明スクリーン３０６は、（複数の）部品のバックライトで照らされた影の画像を作成するためにカメラ３００の光軸にほぼ沿って部品３０２の背後に設置される。カメラはテレセントリックでもよいが、しかし、好ましい実施形態では、カメラはテレセントリックではなく、それによって、光学系が非常に小さくなること、そして、カメラ３００の視野３０４がカメラ３００の物理的寸法より大きくなることを可能にする。各カメラ３００は、バックライト照明装置３０６と共に、マイクロプロセッサまたはデジタル信号プロセッサのような適当なコンピューティング装置であってもよいコントローラ３０８に連結されている。コントローラ３０８は、ハードウェア、ソフトウェア、または、これらの組み合わせを用いて、複数の２次元カメラ３００によって検出された、バックライトで照らされた複数の影の画像に基づいて（複数の）部品のオフセットおよび方向情報を決定し、オフセットおよび方向情報をピック・アンド・プレイス機械のコントローラへ供給するように構成されている。

典型的に、部品３０２は一連の画像が収集される間にそれぞれのノズル軸の周りに回転させられる。搭載された電子機器、または、補助処理モジュールもしくはコンピュータに常駐するソフトウェアアルゴリズムは、一連の画像の中の影のエッジの場所を計算し、各部品位置および方向を決定するためにこの連続物を処理する。

部品は、典型的に、部品の回転軸がカメラの光軸と直交したカメラから観察されるような横から見た部品であるが、装置は部品が単に横から見た見え方をカメラに提示することがないように、ある角度で先端に付けられた部品または回転軸と一体となって機能することになる。

図５ａは本発明の別の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。図５ａは図４に類似しているが、単一の２次元カメラ３００が複数の部品３０２の位置および方向情報を提供することができる本発明の実施形態を示している。特に、図５ａでは、６台のカメラ３００が１２個の部品３０２の位置および方向情報を検出可能である。

図５ｂは本発明の別の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。図５ｂは図５ａに類似しているが、２方向で使用されているバックライト照明発生器３１６からの照明を示している。本実施形態では、１２台の２次元カメラが２４個の部品位置および方向情報を検出可能である。

図５ｃは本発明の実施形態による重複する視野を有する複数の２次元画像検出器を使用して検出されている複数の部品の概略平面図である。図５ｃは、隣接する視野の間に約５０％の重複が存在するように視野３０４が意図的に選択された実施形態を示している。特に、カメラ３００−１の視野３０４−１はカメラ３００−２の視野３０４−２のおよそ半分と重複する。同様に、視野３０４−２は視野３０４−３の半分と重複し、以下同様である。このように、殆どの部品は異なる視点から２台の別個のカメラによって観察可能である。このことは、立体ビジョン処理および技術が速度および／または精度を増加させるため、または、ノズル上での部品姿勢に関する診断情報さえ提供するために、奥行きの側面を検知するため使用可能である点で有利である。

図６は本発明の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている異なるサイズの複数の部品の概略平面図である。この特徴は、ピック・アンド・プレイス機械が異なるサイズの部品を同時に載置することがあるので有利である。このようにして、本発明の実施形態はこのような異なるサイズの部品を容易に受け入れることが可能である。

図７は本発明の実施形態による複数の２次元画像検出器を使用して検出されている単一の大型の部品の概略平面図である。３つの異なるカメラ３００のそれぞれがバックライトで照らされた影の画像の一部分を検出する。単一の部品のバックライトで照らされた影の画像のエッジは１台以上のカメラによって検出されることがある。非常に大型の部品の部品位置および方向を検出する能力もまたピック・アンド・プレイス機械動作で役に立つ。視野の範囲内に実質的に適合する部品の画像は、載置に先立って適切または不適切な姿勢のバックライトで照らされた影の画像の外形の解析を可能にする。

図８はノズルに保持されている不適切に取り上げられた部品の概略図である。これは本発明の実施形態を使用して検出可能な状況である。

図９は本発明の実施形態による取り上げ動作後に部品位置およびアライメントを検出する方法のフローチャートである。方法４００は、ピック・アンド・プレイスが部品をノズルに取り上げるブロック４０２で始まる。次に、ブロック４０４で、ピック・アンド・プレイス機械は、部品をセンサ測定領域に載置する。ブロック４０６で、センサは全視野画像を記録する。ブロック４０８で、センサは部品の有用な影を含む視野のサブセットを決定するため全視野画像を解析する。次に、ブロック４１０で、センサは（複数の）カメラの視野に選択されたサブセット視野を設定する。ブロック２１４で、ノズルは部品を回転させ、その間にセンサがバックライトで照らされた影の画像を記録し処理する。好ましくは、ブロック４１２の実行中に、ピック・アンド・プレイス機械は取り上げ場所からワークピース上の意図された載置場所まで部品を移動させている。ブロック４１４で、センサは、必要に応じて、多数のカメラからのデータを融合し、部品外形を決定するために一連の影のエッジを処理する。付加的に、センサキャリブレーションは、ブロック４１６に示されているように、画像の中の影の位置を部品測定領域の中の光線域にマップすることが可能である。ブロック４１８で、センサは、部品の回転軸からのＸＹオフセットと初期方向角とを決定するため部品外形データを解析する。ピック・アンド・プレイス機械は、ブロック４２０に示されているように、何らかの異常アライメント基準を定義するために光学的部品外形モデルを供給可能である。次に、ブロック４２２で、オフセットおよび方向の結果がピック・アンド・プレイス機械の制御システムへ通知される。ブロック４２４で、ピック・アンド・プレイス機械は部品のオフセットおよび方向を補正するため載置目標を調整する。最後に、ブロック４２６で、ピック・アンド・プレイス機械は部品を正確に載置する。

図１０は本発明の別の実施形態による取り上げ動作後に部品位置およびアライメントを検出する方法のフローチャートである。方法４５０は、ピック・アンド・プレイス機械が大型の部品を取り上げ、部品をノズルに保持し続けるブロック４５２で始まる。次に、ブロック４５４で、ピック・アンド・プレイス機械は部品をセンサ測定領域の中に位置決めする。ブロック４５６で、ピック・アンド・プレイス機械は、大型の部品の予想長さを示すために、空いているノズルをセンサに知らせる。ブロック４５８で、センサは部品の影を観察する少なくとも１台のカメラからの全視野画像を記録する。ブロック４６０で、全視野画像が、有用な影の情報を含むサブセット視野を決定するため、好ましくは、センサによって解析される。ブロック４６２で、センサは、複数のカメラに選択されたサブセット視野を設定する。ブロック４６４で、センサはバックライトで照らされた影の画像を分類する。次に、ブロック４６６で、ピック・アンド・プレイス機械が取り上げ場所から載置場所へ部品を移動させる間にノズルが回転し、その間にセンサがバックライトで照らされた部品の影を記録し処理する。ブロック４６８で、センサは全部の分類されたカメラ画像の中の部品の影を解析し、全体的に左右の部品の影のエッジを決定する。ブロック４７０で、センサは、部品の回転軸からのＸＹオフセットと初期回転角とを決定するため部品外形データを解析する。ピック・アンド・プレイス機械は、ブロック４７２に示されるように、異常アライメント基準を定義するために光学的部品外形モデルを供給することがある。センサキャリブレーションは、ブロック４７４に示されているように、画像の中の影のエッジ位置を部品測定領域の中の光線域にマップすることが可能である。ブロック４７６で、オフセットおよび方向の結果がピック・アンド・プレイス機械の制御システムへ通知される。ブロック４７８で、制御システムは部品のオフセットおよび方向を補正するため載置目標を調整する。最後に、ブロック４８０で、ピック・アンド・プレイス機械は部品を正確に載置する。

本発明の実施形態は部品オフセットおよび方向決定の技術に数多くの発展をもたらすと考えられるが、検出された影から部品位置および方向を適切に計算するため検出器の画素位置を照明域の光線位置および方向にマップするようにセンサが正確にキャリブレーションされることが依然として重要である。

本発明は好ましい実施形態に関連して説明されているが、当業者は、発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、変更が形式および細部においてなされることがあることを明確に理解するであろう。

Claims (15)

1. ピック・アンド・プレイス機械のノズルに保持されているときに部品のオフセットおよび方向を検知するセンサであって、
   各カメラが該ピック・アンド・プレイス機械のノズルを含む視野を有する複数の２次元カメラと、
   照明を前記複数の２次元カメラに向けるように構成され、前記複数の２次元カメラからノズルの反対側に位置決めされているバックライト照明装置と、
   前記複数の２次元カメラおよび前記バックライト照明装置に接続され、前記複数の２次元カメラによって検出された、バックライトで照らされた複数の影の画像に基づいて前記部品のオフセットおよび方向情報を決定し、該オフセットおよび方向情報を前記ピック・アンド・プレイス機械のコントローラに供給するように構成されているコントローラと、
   を含むセンサ。
2. 前記複数のカメラのうちの第１のカメラの視野が、前記複数のカメラのうちの第２のカメラの視野と重複する、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記重複が視野の約半分である、請求項２に記載のセンサ。
4. 少なくとも１台のカメラが非テレセントリック光学系を含む、請求項１に記載のセンサ。
5. 全カメラが非テレセントリック光学系を含む、請求項４に記載のセンサ。
6. 全カメラが１台のカメラの光軸と実質的に垂直な方向に、実質的に互いに整列されている、請求項１に記載のセンサ。
7. 該バックライト照明装置が拡散バックライト照明装置である、請求項１に記載のセンサ。
8. 複数の部品のオフセットおよび方向情報を実質的に同時に提供するように構成されている、請求項１に記載のセンサ。
9. 部品の個数が前記複数台のカメラを含むカメラの台数と同じである、請求項８に記載のセンサ。
10. 前記部品のサイズが異なる、請求項８に記載のセンサ。
11. 前記部品の個数が前記複数台のカメラを含むカメラの台数より多い、請求項８に記載のセンサ。
12. ピック・アンド・プレイス機械の中の少なくとも１台の対応するノズルに保持された少なくとも１個の部品を検知する方法であって、
    前記少なくとも１個の部品をセンサの測定領域の中に位置決めするステップと、
    前記少なくとも１個の部品の全視野画像を記録するステップと、
    サブセット視野を選択するため前記全視野画像を解析するステップと、
    少なくとも１台の２次元カメラに前記サブセット視野を設定するステップと、
    前記サブセット視野のバックライトで照らされた影の画像を記録する間に前記ノズルを回転するステップと、
    前記少なくとも１個の部品と相対的にオフセットおよび方向情報を決定するため前記バックライトで照らされた影の画像を解析するステップと、
    前記オフセットおよび方向情報をピック・アンド・プレイス機械のコントローラに供給するステップと、
    を含む方法。
13. 複数の２次元カメラの視野にまたがる少なくとも１個の部品を検知する方法であって、
    前記少なくとも１個の部品をセンサの測定領域の中に位置決めするステップと、
    前記少なくとも１個の部品の全視野画像を記録するステップと、
    サブセット視野を選択するため前記全視野画像を解析するステップと、
    前記複数の２次元カメラに前記サブセット視野を設定するステップと、
    前記複数の２次元カメラからの前記サブセット視野のバックライトで照らされた影の画像を記録する間にノズルを回転するステップと、
    影のエッジを含む前記複数の２次元カメラからの前記バックライトで照らされた影の画像を決定するため前記複数の２次元カメラからの前記バックライトで照らされた影の画像を解析するステップと、
    一連の影のエッジを融合するステップと、
    前記少なくとも１個の部品と相対的にオフセットおよび方向情報を決定するステップと、
    前記オフセットおよび方向情報をピック・アンド・プレイス機械のコントローラに供給するステップと、
    を含む方法。
14. 前記オフセットおよび方向情報を使用して前記少なくとも１個の部品をワークピースに載置するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
15. 画像の中の影のエッジを部品の中の光線域にキャリブレーションするステップをさらに備える、請求項１３に記載の方法。

Images