JP2012173188A - 画像形成装置および画像形成方法ならびに部品実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることができる画像形成装置および画像形成方法ならびに部品実装装置を提供する。
【解決手段】３次元部品７を対象とする３次元画像形成において、走査光の計測対象面からの反射光の受光位置を検出する位置検出部を、受光面の計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂを有する構成とし、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂがそれぞれ受光した光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたとデータ処理部１５ａの受光量判定部によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して３次元認識画像を形成する。これにより、受光した光量が過大である場合に生じるノイズを排除することができ、安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電子部品などの計測対象物の３次元認識画像を形成する画像形成装置および画像形成方法ならびにこの画像形成装置を用いた部品実装装置に関するものである。

近年電子機器の小型化・高機能化に伴い、電子部品の実装形態におけるファイン化・高密度化が急速に進展している。このため、基板に電子部品を実装する部品実装分野では、実装位置精度の更なる向上が求められており、電子部品の基板への搭載作業においては、実装ヘッドに保持された状態の電子部品の位置や形状を光学的に検出することが行われる（特許文献１参照）。この特許文献１に示す先行技術例においては、ヘッド部に保持された電子部品を３次元センサによって計測することにより３次元の形状検査を行い、この検査結果に基づいてリード曲がりやバンプの欠落などの電子部品の異常の有無を判定するとともに、電子部品を基板に搭載する際の位置補正を行うようにしている。

そして３次元センサとして、ここではレーザ光をポリゴンミラーによって主走査方向に走査させた走査光を、副走査方向に移動する電子部品の計測対象面にｆθレンズを介して入射させ、この反射光をＰＳＤ（位置検出素子）によって受光する構成を用いており、ＰＳＤの受光位置検出結果に基づいて高さ方向の情報を含む電子部品の３次元形状データを生成するようにしている。

特開平１０−５１１９５号公報

上述のように、ＰＳＤを用いた３次元センサにおいては、計測対象面によって反射されてＰＳＤによって受光される光量が、使用されるＰＳＤの特性やＰＳＤから出力される信号を処理する電子回路の特性にマッチしていることが求められる。すなわち、ＰＳＤは受光により発生した電荷が端部電極に到達することによって生じる電気信号によって受光位置を検出する構成となっていることから、受光した光量がそのＰＳＤの特性に対して過大である場合には、１つの走査動作によって発生した電荷が次の走査までに完全に出力されずに受光面に滞留することによる誤検出が生じる。

例えば、ＱＦＰなどのリード部品のリードからの反射光を受光した光量が過大である場合には、抜けきれずに滞留した電荷が次の走査時に出力されることから、本来リードが存在しない部位を走査する際にリードの存在を示す検出信号がノイズとして出力される場合がある。反対に受光した光量が過小である場合にも同様に誤検出が生じ、本来リードが存在する部位を走査しているにも拘わらず、検出結果を示す認識画像においてリードが欠落した黒抜け部分として現れる現象が生じる。

このような不具合は、部品の計測対象面の状態によって反射光の光量が大きく変化することに起因して発生するものであるため、使用するＰＳＤを選定することのみによっては常に正しい検出結果を得ることは難しい。また複数のＰＳＤを異なる受光角度で配置して、計測対象の部品の種類に応じてこれらを選択的に使い分けることも考えられるが、受光量が過大、過小のいずれの場合にも不具合が生じるため、常に適正な光量を保つことが難しい。このように、従来のＰＳＤを用いた部品の３次元認識においては、受光量のばらつきに起因して安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることが困難であるという課題があった。

そこで本発明は、安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることができる画像形成装置および画像形成方法ならびに部品実装装置を提供することを目的とする。

本発明の画像形成装置は、部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、前記計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成装置であって、光発生手段によって発生された前記光を主走査方向に走査させる走査手段と、前記主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する前記計測対象面に対して前記走査された走査光を所定の入射方向から入射させる走査光入射手段と、前記走査光の計測対象面からの反射光の受光位置を検出し、受光面の前記計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する位置検出部と、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子が受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する受光量判定部と、前記位置検出部の受光位置検出結果に基づき計測対象面の前記３次元認識画像を形成する画像形成部とを備え、前記画像形成部は、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した前記光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと前記受光量判定部によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として前記光量のうち小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成する。

本発明の画像形成方法は、部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、前記計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成方法であって、光発生手段によって発生された前記光を主走査方向に走査させる走査工程と、前記主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する前記計測対象面に対して前記走査された走査光を所定の入射方向から入射させる走査光入射工程と、受光面の前記計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する位置検出部によって、前記走査光の計測対象面からの反射光の受光位置を検出する位置検出工程と、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子が受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する受光量判定工程と、前記位置検出工程における受光位置検出結果に基づき計測対象面の前記３次元認識画像を形成する画像形成工程とを含み、前記受光量判定工程において前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した前記光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として前記光量のうち小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成する。

本発明の部品実装装置は、基板保持部に保持された基板に部品供給部から取り出された部品を実装する部品実装装置であって、実装ヘッドを移動させることにより前記部品供給部から部品を取り出して前記基板に実装する部品実装機構と、前記実装ヘッドに保持された前記部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、前記計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成装置と、前記画像形成装置によって形成された前記３次元認識画像に基づいて前記部品の電極部の位置および高さを認識する認識部と、前記部品実装機構および画像形成装置を制御する制御部とを備え、前記画像形成装置は、光発生手段によって発生された前記光を主走査方向に走査させる走査手段と、前記実装ヘッドを移動させることにより前記主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する前記計測対象面に対して前記走査された走査光を所定の入射方向から入射させる走査光入射手段と、前記走査光の前記計測対象面からの反射光の受光位置を検出し、受光面の前記計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する位置検出部と、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子が受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する受光量判定部と、前記位置検出部の受光位置検出結果に基づき計測対象面の前記３次元認識画像を形成する画像形成部とを備え、さらに前記画像形成部は、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した前記光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと前記受光量判定部によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として前記光量のうち小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成する。

本発明によれば、走査光の計測対象面からの反射光の受光位置を検出する位置検出部を、受光面の計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する構成とし、第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと受光量判定部によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して３次元認識画像を形成することにより、受光した光量が過大である場合に生じるノイズを排除することができ、安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることができる。

本発明の一実施の形態の部品実装装置の平面図 本発明の一実施の形態の画像形成装置に用いられる３次元センサの構成説明図 本発明の一実施の形態の画像形成装置に用いられる３次元センサによる３次元計測の説明図 本発明の一実施の形態の画像形成装置により形成される３次元認識画像の説明図 本発明の一実施の形態の部品実装装置の制御系の構成を示すブロック図 本発明の一実施の形態の画像形成装置における認識不良発生例の説明図 本発明の一実施の形態の画像形成装置による３次元画像形成処理を示すフロー図 本発明の一実施の形態の画像形成装置による３次元部品認識処理の説明図

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。まず図１を参照して部品実装装置１の構造を説明する。図１において、基台１ａにはＸ方向（基板搬送方向）に基板搬送機構２が配設されている。基板搬送機構２は上流側装置から搬入された基板３を搬送し、搬送経路に設けられた基板保持部に位置決めして保持する。基板搬送機構２の両側には、部品供給部４Ａ、４Ｂが配置されている。部品供給部４Ａには部品トレイ６を供給するトレイフィーダ５が装着されており、部品供給部４Ｂには複数のテープフィーダ８が並設されている。

部品トレイ６にはＱＦＰやＢＧＡなど、リードやバンプなど３次元形状を有する電極部が設けられたタイプの３次元部品が収納されている。部品トレイ６はマガジンなどの収納容器に複数が積層収納されており、トレイフィーダ５が部品トレイ６を所定の部品取出し位置に位置させることにより、３次元部品７は以下に説明する部品実装機構による部品ピックアップ位置に供給される。テープフィーダ８は実装対象の部品を保持したキャリアテープをピッチ送りすることにより、部品を部品実装機構による部品ピックアップ位置に供給する。

基台１ａのＸ方向の一端部には、リニアモータによるＹ方向駆動機構を備えたＹ軸移動テーブル９が配設されており、Ｙ軸移動テーブル９には同様にリニアモータによるＸ方向駆動機構を備えたＸ軸移動テーブル１０Ａ、１０ＢがＹ方向に移動自在に結合されている。Ｘ軸移動テーブル１０Ａ、１０Ｂにはいずれも実装ヘッド１１がＸ方向の移動自在に装着されている。実装ヘッド１１は下端部に部品を吸着して保持する吸着ノズル１２ａ（図２参照）を備えた複数の単位移載ヘッド１２を備えており、Ｙ軸移動テーブル９、Ｘ軸移動テーブル１０Ａ、１０Ｂを駆動することにより実装ヘッド１１は部品供給部４Ａ、４Ｂと基板搬送機構２との間を移動し、部品供給部４Ａ、４Ｂから取り出した部品を基板搬送機構２の基板保持部に保持された基板３に実装する。

したがって、ヘッド移動機構であるＹ軸移動テーブル９、Ｘ軸移動テーブル１０Ａ、１０Ｂおよび実装ヘッド１１は、実装ヘッド１１を移動させることにより部品供給部４Ａ、４Ｂから部品を取り出して基板３に実装する部品実装機構を構成する。Ｘ軸移動テーブル１０Ａ、１０Ｂには、実装ヘッド１１と一体的に移動する基板カメラ１３が装着されており、基板カメラ１３を基板搬送機構２に保持された基板３の上方に移動させることにより、基板カメラ１３は基板３の実装位置を撮像して認識する。

基板搬送機構２と部品供給部４Ａとの間には、部品カメラ１４、３Ｄセンサ１５、ノズルストッカ１６が配設されており、基板搬送機構２と部品供給部４Ｂとの間には、部品カメラ１４、ノズルストッカ１６が配設されている。部品カメラ１４はラインセンサを用いたラインカメラであり、部品供給部４Ａ、４Ｂから部品を取り出した実装ヘッド１１が部品カメラ１４の上方で移動することにより、部品カメラ１４は実装ヘッド１１に保持された状態の部品を下方から撮像する。これにより、部品の位置や形状などの２次元情報が取得される。

３Ｄセンサ１５は、部品供給部４Ａから取り出された３次元部品７を対象として、３次元画像を形成するための処理を行う。すなわち実装ヘッド１１に保持された３次元部品７の計測対象面７Ｐに対してレーザ光を照射し、照射されたレーザ光の反射光を受光することにより、計測対象面７Ｐの平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成装置としての機能を有している。

次に図２を参照して３Ｄセンサ１５の構造を説明する。なお、図２（ａ）、（ｂ）は、３Ｄセンサ１５のＹ方向、Ｘ方向の矢視をそれぞれ示しており、３Ｄセンサ１５の上方では単位移載ヘッド１２の吸着ノズル１２ａに保持された３次元部品７が、走査方向（Ｘ方向）に所定の走査速度で移動する。図２（ｂ）において、上面に開口部２０ａが設けられた筐体２０内の底部には、計測光であるレーザ光を発光するレーザ光源部２１（光発生手段）が光軸を垂直上向きにして配置されており、レーザ光源部２１の上方にはレーザ光を集光する集光レンズ２２が配置されている。

レーザ光源部２１から発光された光は集光レンズ２２によって集光されて上方へ照射され（矢印ａ）、さらにミラー２７によって水平方向へ反射されて（矢印ｂ）、多角反射面を有するポリゴンミラー２３に入射する。反射面に入射した入射光は上方に反射されて上方に位置するｆθレンズ２４に入射し、垂直上方に投射される。このとき、ポリゴンミラー２３を回転駆動部２３ａ（図２（ａ））によって回転させる（矢印ｃ）ことにより、ミラー２７を介して投射される照射光は、矢印ｅ１，ｅ２，ｅ３の順（矢印ｄ方向）に、すなわち主走査方向に走査されながら、開口部２０ａの上方に位置する３次元部品７の計測対象面７Ｐ（図２（ａ）参照）に垂直下方から入射する。

計測対象面７Ｐは、単位移載ヘッド１２を移動させることにより、主走査方向であるＹ方向と直交する副走査方向に３Ｄセンサ１５に対して相対移動する。上記構成において、回転駆動部２３ａによって回転するポリゴンミラー２３は、レーザ光源部２１によって発生したレーザ光を主走査方向に走査する走査手段となっている。そしてｆθレンズ２４は、単位移載ヘッド１２を移動させることにより主走査方向と直交する副走査方向（Ｘ方向）に相対移動する計測対象面７Ｐに対して、走査されたレーザ光の走査光を所定の入射方向である垂直下方から入射させる走査光入射手段となっている。

レーザ光の入射方向の両側部には、３次元部品７からの反射光を受光可能な斜め下方に位置して、２対の第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂが受光面２５ａ（図３（ｂ）参照）を斜め上向きにして配置されている。第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂは、受光面２５ａに入射したスポット光の受光位置を検出する機能を有しており、この受光位置検出結果を用いることにより、三角測距法によって計測対象面７Ｐの計測対象部位の高さ位置を検出する。すなわちｆθレンズ２４を介して計測対象面７Ｐに入射した光は３次元部品７の下面の各部位によって下方に反射され、集光レンズ２６によって集光されて第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂの受光面２５ａによって受光される。

ここで第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂのそれぞれの受光面２５ａの計測対象面７Ｐに対する傾斜角度は、第１ＰＳＤ２５Ａが計測対象面７Ｐに対して傾斜している傾斜角度θ１よりも、第２ＰＳＤ２５Ｂが計測対象面７Ｐに対して傾斜している傾斜角度θ２の方が大きくなるように設定されている（図３（ｂ）参照）。すなわち第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂは、走査光の計測対象面７Ｐからの反射光の受光位置を検出し、受光面の計測対象面７Ｐに対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子（第１ＰＳＤ２５Ａ）および第２の位置検出素子（第２ＰＳＤ２５Ｂ）を有する位置検出部となっている。そして第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂが受光することによって取得されたデータはデータ処理部１５ａによってデータ処理され、後述する３次元画像形成処理が行われる。

次に図３，図４を参照して、計測対象の３次元部品７の形状および３Ｄセンサ１５の機能を説明する。図３（ａ）に示すように、実装対象となる３次元部品７は矩形状の本体部７ａの４辺から複数のリード７ｂが延出した構造のリード付き部品である。リード７ｂの先端部は本体部７ａの下面の底面７ｄよりも下方に位置して水平方向に屈曲したリード脚部７ｃとなっており、３次元部品７を基板３に実装した状態では、リード脚部７ｃの下面のリード当接面７ｅが基板３の回路電極に当接する。このような構成のリード付き部品の実装においては、リード脚部７ｃができるだけ同一平面内にあって実装状態においてすべてのリード７ｂが基板３の回路電極に均一に当接することが求められる。このため、３次元部品７を対象とする部品実装動作においては、リード７ｂの水平面内の平面形状に加えて高さ方向の形状異常（いわゆるリード浮き）を計測対象として、３Ｄセンサ１５によって３次元部品７の３次元認識画像を取得するようにしている。

３Ｄセンサ１５による３次元部品７の３次元認識においては、前述の走査手段によってレーザ光を主走査方向に走査させるとともに、３次元部品７を実装ヘッド１１によってＹ方向に移動させることにより計測対象面７Ｐに対してレーザ光を２次元的に走査させる。すなわち、図４（ａ）に示すように、前述の走査手段によってレーザ光を走査線ＳＬに沿って主走査方向（Ｙ方向）に走査させながら（矢印ｋ）、実装ヘッド１１によって３次元部品７を副走査方向（Ｘ方向）に所定の走査速度で移動させる（矢印ｌ）ことにより、走査線ＳＬを所定の走査線間隔で移動させる。

図３（ａ）は、このようにして走査させたレーザ光の入射光が垂直下方から１つのリード７ｂのリード当接面７ｅに入射した状態を示している。この入射光の反射光（矢印ｉ１）は集光レンズ２６を介して第１ＰＳＤ２５Ａの受光面によって受光され、このとき第１ＰＳＤ２５Ａの両端部の端部電極Ａ，Ｂからそれぞれ出力される電気信号をデータ処理部１５ａが受信することにより、受光面における受光位置ｄ１が検出される。なおここでは第１ＰＳＤ２５Ａの場合についてのみ説明したが、第２ＰＳＤ２５Ｂについても同様である。ここで第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂをそれぞれ入射光軸に関して対配置しているのは、計測光の入射点近傍に微小突起など不均一な反射光を発生する要因が存在して特定方向への反射光が遮られるような場合にも、他方向への反射光を確実に受光して正常な計測結果を得るようにするためである。

そしてこの受光位置ｄ１に基づき、三角測距法によって入射位置のリード脚部７ｃの高さが求められる。破線で示すリード７ｂは低い位置にある状態を示しており、この場合には第１ＰＳＤ２５Ａの受光面において受光位置ｄ１と異なる受光位置ｄ２が検出され、これにより破線で示すリード７ｂの高さが求められる。このようにして計測対象面７Ｐの全範囲についてレーザ光を走査させながら各走査点毎の高さを求めることにより、計測対象面７Ｐにおける３次元部品７の３次元形状を示す高さ情報を検出することができる。そして本実施の形態においては、計測対象面７Ｐの平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって、図４（ｂ）に示す各走査点の高さ情報を表す３次元認識画像を形成するようにしている。

図４（ｂ）において、３次元認識画像を示す認識画面２９には、暗像で表される背景部２９ａ中に、底面７ｄ、リード裏面７ｆ、リード当接面７ｅの平面形状が、それぞれの高さに応じて異なる輝度で表示される。すなわち最も下方に位置するリード当接面７ｅが最も高輝度で表されれ、底面７ｄ、リード裏面７ｆの順に低い輝度で表される。このようにして形成された３次元認識画像を画像認識処理することにより、３次元部品７の位置や形状を検査する部品認識において、リード７ｂの延出長さａやリード幅ｂ、リードピッチｐなどの水平面内での形状・位置不良の有無に加えて、リード浮きｈなどの高さ方向の形状、すなわち３次元形状における不良の有無を検出することができる。

ここで図３（ｂ）を参照して、３Ｄセンサ１５における第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂの配置姿勢とそれぞれの受光面２５ａが受光する受光量との関係を説明する。第１ＰＳＤ２５Ａは計測対象面７Ｐに対して所定の傾斜角度θ１（例えば１５°）で配置されており、第２ＰＳＤ２５Ｂは計測対象面７Ｐに対して傾斜角度θ１よりも大きい傾斜角度θ２（例えば３５°）で配置されている。このため、上方の計測対象物からの反射光（矢印ｊ１，ｊ２）が受光面２５ａに入光する際の入射角は、第１ＰＳＤ２５Ａにおける入射角α１よりも第２ＰＳＤ２５Ｂにおける入射角α２の方が小さくなる。したがって、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂにおいて受光面２５ａが単位面積あたりに受光する光量は、入射する反射光の強度が同じならば傾斜角度θ１の小さい第１ＰＳＤ２５Ａの方が第２ＰＳＤ２５Ｂよりも大きくなる。

そして受光面２５ａが受光する光量は、反射状態によっても大きく変動するため、受光面２５ａが単位面積あたりに受光する光量は、走査対象部位の表面性状、すなわち入射した光を特定方向に反射する全反射の状態か、あるいは入射した光をランダムな方向に反射する乱反射の状態かによって大きく変動する。このような受光面２５ａが受光する光量の変動が、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂの作動特性によって規定される所定の光量範囲からはずれている場合には、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂから出力される高さ情報は必ずしも計測対象面７Ｐの３次元形状を正しく反映させたものとはならず、局部的に誤った情報を含む３次元認識画像が形成される。この光量の過大・過小に起因する不具合の発生態様および本実施の形態におけるその対応策については後述する。

次に図５を参照して制御系の構成を説明する。制御装置３０（制御部）は部品実装機構、すなわち基板搬送機構２、Ｙ軸移動テーブル９、Ｘ軸移動テーブル１０Ａ、Ｘ軸移動テーブル１０Ｂよりなるヘッド駆動機構および部品供給部４Ａ、部品供給部４Ｂを制御することにより、部品供給部４Ａ、部品供給部４Ｂから取り出した部品を基板３に実装する部品実装動作が実行される。認識部３１は制御装置３０によって制御されて、基板カメラ１３，部品カメラ１４、３Ｄセンサ１５により取得された認識画像を認識処理する。基板カメラ１３によって取得された認識画像を認識処理することにより、基板３における部品実装点の位置が認識される。

部品カメラ１４によって取得された認識画像を認識処理することにより、実装ヘッド１１に保持された状態の部品の識別や位置ずれ状態が検出される。３Ｄセンサ１５によって取得された３次元認識画像を認識処理することにより、３Ｄセンサ１５に保持された状態の３次元部品７の３次元形状部分を有する部品の部品状態が検出される。すなわち、認識部３１は、画像形成装置としての３Ｄセンサ１５によって形成された３次元認識画像に基づいて、３次元部品７の電極部（図３に示すリード７ｂ参照）の位置および高さを認識する処理を行う。

３Ｄセンサ１５は第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂおよび第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂからの出力信号をデータ処理するデータ処理部１５ａを備えている。データ処理部１５ａは、受光量判定部３２および画像形成部３３より構成される。受光量判定部３２は、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂが受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する。画像形成部３３は、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂよりなる位置検出部の受光位置検出結果に基づき、計測対象面７Ｐの３次元認識画像を形成する。記憶部３４は、部品実装作業を実行するための必要な各種のプログラムやデータに加えて、部品カメラ１４、３Ｄセンサ１５による部品検査における異常の有無判定のための検査データを記憶する。入出力部３５は、キーボードやタッチパネルなどによる操作指令やデータを入力する入力処理、表示パネルに画面を表示させる出力処理を行う。

次に図６を参照して、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂが受光する光量の過不足に起因して３次元画像において生じる不具合例について説明する。図６（ａ）は認識対象の３次元部品７の一部を示しており、ここでは楕円で示す部位（イ）（ロ）内のリード当接面７ｅが認識対象となる場合に生じる誤認識について説明する。３次元部品７を対象とする３次元認識においては、部位（イ）（ロ）内はそれぞれ走査線ＳＬ１、走査線ＳＬ２のように走査され、各走査点が図３（ａ）にて示す高さ情報の取得対象となる。

図６（ｂ）は、上述の走査処理における第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂのそれぞれの受光量を示しており、受光量グラフ（イ）、（ロ）は、それぞれ図６（ａ）に示す部位（イ）（ロ）を対象とする走査によって取得される受光量データを示している。ここで受光量曲線Ｌ１，Ｌ２は、それぞれ第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂによって個別に受光された受光量を示している。また受光量グラフ（イ）、（ロ）にて設定された第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２は、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂによって正常な受光位置検出結果を得ることができる光量を規定する閾値である。すなわち、上限値を第１閾値ＴＨ１とし下限値を第２閾値ＴＨ２とする所定の範囲内の光量を受光している場合にのみ、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂは正常に受光位置を検出する。

図６（ｂ）に示す例では、受光量グラフ（イ）において、受光量曲線Ｌ１は第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２によって規定される閾値範囲内にあり、受光量曲線Ｌ２は、第２閾値ＴＨ２よりも少ない値を示している。換言すれば、図６（ａ）に示す部位（イ）については、受光量が閾値範囲内の受光量曲線Ｌ１を与える第１ＰＳＤ２５Ａによる受光位置検出結果は正常であるものの、受光量が閾値範囲からはずれた受光量曲線Ｌ２を与える第２ＰＳＤ２５Ｂによる受光位置検出結果は正しくないことを示している。

すなわち、第１ＰＳＤ２５Ａによる受光位置検出結果によれば、図４（ｂ）に示すように、底面７ｄ、リード裏面７ｆ、リード当接面７ｅの平面形状が、それぞれの高さに応じて異なる輝度で表示された３次元認識画像を得ることができる。これに対し第２ＰＳＤ２５Ｂによる受光位置検出結果を用いると、受光量が閾値範囲からはずれて過小であることに起因して、図６（ｃ）の画像例（イ）に示すように、本来高輝度部分として表れるべきリード当接面７ｅの範囲が部分的に欠損して暗像範囲に含まれる黒抜け部Ｅ１となって現れる。

また受光量グラフ（ロ）においては、受光量曲線Ｌ１は部分的に第１閾値ＴＨ１を超えた大きな値となって規定の閾値範囲から部分的にはみ出しており、受光量曲線Ｌ２は、第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２によって規定される閾値範囲内にある場合の例を示している。換言すれば、図６（ａ）に示す部位（ロ）については、受光量が閾値範囲内にある受光量曲線Ｌ２を与える第２ＰＳＤ２５Ｂによる受光位置検出結果は正常であるものの、受光量が閾値範囲からはずれた受光量曲線Ｌ１を与える第１ＰＳＤ２５Ａによる受光位置検出結果は正しくないことを示している。

すなわち、第２ＰＳＤ２５Ｂによる受光位置検出結果によれば、図４（ｂ）に示すように、底面７ｄ、リード裏面７ｆ、リード当接面７ｅの平面形状が、それぞれの高さに応じて異なる輝度で表示された３次元認識画像を得ることができる。これに対し第１ＰＳＤ２５Ａによる受光位置検出結果を用いると、受光量が閾値範囲からはずれて過大であることに起因して、図６（ｃ）の画像例（ロ）に示すように、高輝度部分として表れるリード当接面７ｅの範囲が後続走査線側の暗像範囲に部分的にはみ出したノイズ部Ｅ２となって現れる。この現象は、受光量が過大であるために１回の走査の受光による電荷が、次の走査までに端部電極Ａ，Ｂ（図３（ａ））から完全に抜けきれずに滞留し、この滞留分が誤差となることによって発生する。

このような位置検出素子が受光する光量の過大・過小に起因する検出不具合を防止するため、本実施の形態では、３Ｄセンサ１５に用いられる位置検出部を、同一部位から反射された光を異なる光量で受光することが可能な２組の位置検出素子（第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂ）を有する構成としている。そして前述の第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２を適切に設定して、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂによる受光位置検出結果を使い分けることにより、図６（ｃ）に示すような光量の過大・過小に起因する検出不具合を防止するようにしている。この受光位置検出結果の使い分けは、受光量判定部３２の機能によって行われる。なおここでは、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂの２つのＰＳＤについて共通の１組の閾値（第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２）を設定する例を示したが、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂのそれぞれについて異なる上限値、下限値を有する２組の閾値を個別に設定するようにしてもよい。

次に本実施の形態の画像形成装置による３次元画像形成方法について、図７のフローに則して図８を参照して説明する。ここでは、部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する。

まず３Ｄ部品（３次元部品７）の認識が開始される（ＳＴ１）。すなわち、部品供給部４Ａにて部品トレイ６から３次元部品７を取り出したＸ軸移動テーブル１０Ａが３Ｄセンサ１５の上方へ移動する。次いで部品スキャンが実行される（ＳＴ２）。すなわち、光発生手段であるレーザ光源部２１によって発生したレーザ光をポリゴンミラー２３によって主走査方向（Ｙ方向）に走査させながら（走査工程）、３次元部品７を保持したＸ軸移動テーブル１０Ａを副走査方向（Ｘ方向）へ所定の走査速度で相対移動させる（図４（ａ）参照）。次いで３次元部品７の計測対象面７Ｐに対して、走査光を所定の入射方向から入射させる（走査光入射工程）。

そして入射した走査光の反射光を、受光面２５ａの計測対象面７Ｐに対する傾斜角度が相異なる第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂが受光することにより、走査光の計測対象面７Ｐからの反射光の受光位置を検出する（位置検出工程）。これにより、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂによってそれぞれ計測対象面７Ｐの各部位の高さ情報を含む３次元画像データの基となる各部位毎の受光位置が取得される。このとき、図８（ａ）において楕円で示す部位（イ）（ロ）についても、図６（ａ）に示す例と同様に、走査が実行される。

次に、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂが受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する（受光量判定工程）。この受光量判定を行うことにより、部品スキャンによって取得された受光位置検出結果において第１ＰＳＤ２５Ａでのノイズ発生画素の有無を判断する（ＳＴ３）。すなわち、受光量判定部３２が第１ＰＳＤ２５Ａから出力される受光量データを判定することにより、所定の範囲の上限値として設定された第１閾値ＴＨ１を超えているか否かを判断する。

ここで第１ＰＳＤ２５Ａによって受光される受光量を示す受光量曲線Ｌ１が第１閾値ＴＨ１を超えていると判定した場合には、当該受光量に対応した画素はノイズ発生画素であると判断して、これらの受光位置検出結果を第２ＰＳＤ２５Ｂの対応画素データによって置き換えるデータ置き換え処理を実行する（ＳＴ４）。そしてこのようにして取得された受光位置検出結果に基づき、画像形成部３３によって３次元認識画像が形成される（ＳＴ５）。すなわちここでは、位置検出工程における受光位置検出結果に基づき計測対象面７Ｐの各部位の高さ情報を求め、計測対象面７Ｐの３次元認識画像を形成する（画像形成工程）。

図８に示す例では、部位（イ）の走査では第１ＰＳＤ２５Ａによる受光量曲線Ｌ１は第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２によって規定される閾値範囲内にあることから、第１ＰＳＤ２５Ａによる受光位置検出結果を採用する。また部位（ロ）の走査では、特定の時間領域Ｒにおいて受光量曲線Ｌ１は部分的に第１閾値ＴＨ１を超えた大きな値となって規定の閾値範囲からはみ出していることから、この時間領域Ｒについては、第１閾値ＴＨ１、第２閾値ＴＨ２によって規定される閾値範囲内にある受光量曲線Ｌ２を与える第２ＰＳＤ２５Ｂによる受光位置検出結果を採用する。これにより、図６（ｃ）にて例示した光量の過大・過小に起因する不具合を招くことなく、図８（ｃ）に示すように、底面７ｄ、リード裏面７ｆ、リード当接面７ｅの平面形状が、それぞれの高さに応じて異なる輝度で表示された正しい３次元認識画像を得ることができる。

すなわち本実施の形態では、受光量判定工程において第１の位置検出素子である第１ＰＳＤ２５Ａおよび第２の位置検出素子である第２ＰＳＤ２５Ｂがそれぞれ受光した光量のうち大きい方の光量（ここでは第１ＰＳＤ２５Ａの受光量）が所定の範囲を超えたと受光量判定部３２によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として、小さい方の光量（ここでは第２ＰＳＤ２５Ｂの受光量）に基づく受光位置検出結果を採用して３次元認識画像を形成するようにしている。このとき、小さい方の光量が所定の範囲の下限を示す第２閾値ＴＨ２以上であって、所定の範囲以内であると判定された場合にのみ、小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して３次元認識画像を形成するよう、判定基準を設定しておくことが望ましい。

そしてこのようにして形成された３次元認識画像を認識部３１によって認識処理することにより、部品状態検査が行われる（ＳＴ６）。すなわち、検査対象の３次元部品７について、図４（ｂ）に示すリード７ｂの延出長さａやリード幅ｂ、リードピッチｐなどの水平面内での形状やリード浮きｈなどの３次元形状が検査される。そしてこの検査結果を記憶部３４に記憶された検査データと比較することにより、部品状態が正常であるか否かが判定される（ＳＴ７）。そして部品状態が正常であると判定されたならば、３Ｄ部品認識を終了し（ＳＴ８）、部品実装動作のための次の動作ステップに移行する。また（ＳＴ７）にて部品状態が正常でないと判定されたならば、入出力部３５の報知手段によってエラー報知を行う（ＳＴ９）。

上記説明したように、本実施の形態に示す３次元部品を対象とする３次元画像形成においては、走査光の計測対象面７Ｐからの反射光の受光位置を検出する位置検出部を、受光面の計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂを有する構成とし、第１ＰＳＤ２５Ａ、第２ＰＳＤ２５Ｂがそれぞれ受光した光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと受光量判定部３２によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して３次元認識画像を形成するようにしている。これにより、受光した光量が過大である場合に生じるノイズを排除することができ、安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることができる。

本発明の画像形成装置および画像形成方法ならびに部品実装装置は、安定した３次元認識画像を形成して正しい部品認識結果を得ることができるという効果を有し、基板に電子部品を実装する部品実装装置において電子部品の形状検査や位置補正を行う用途に有用である。

１ 部品実装装置
２ 基板搬送機構
３ 基板
４Ａ，４Ｂ 部品供給部
５ トレイフィーダ
６ 部品トレイ
７ ３次元部品
７ａ 本体部
７ｂ リード
７Ｐ 計測対象面
１１ 実装ヘッド
１５ ３Ｄセンサ
２１ レーザ光源部
２３ ポリゴンミラー
２４ ｆθレンズ
２５Ａ 第１ＰＳＤ
２５Ｂ 第２ＰＳＤ

Claims (5)

1. 部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、前記計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成装置であって、
   光発生手段によって発生された前記光を主走査方向に走査させる走査手段と、
   前記主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する前記計測対象面に対して前記走査された走査光を所定の入射方向から入射させる走査光入射手段と、
   前記走査光の計測対象面からの反射光の受光位置を検出し、受光面の前記計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する位置検出部と、
   前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子が受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する受光量判定部と、
   前記位置検出部の受光位置検出結果に基づき計測対象面の前記３次元認識画像を形成する画像形成部とを備え、
   前記画像形成部は、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した前記光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと前記受光量判定部によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として前記光量のうち小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記画像形成部は、前記小さい方の光量が所定の範囲以内であると判定された場合にのみ、前記小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、前記計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成方法であって、
   光発生手段によって発生された前記光を主走査方向に走査させる走査工程と、
   前記主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する前記計測対象面に対して前記走査された走査光を所定の入射方向から入射させる走査光入射工程と、
   受光面の前記計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する位置検出部によって、前記走査光の計測対象面からの反射光の受光位置を検出する位置検出工程と、
   前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子が受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する受光量判定工程と、
   前記位置検出工程における受光位置検出結果に基づき計測対象面の前記３次元認識画像を形成する画像形成工程とを含み、
   前記受光量判定工程において前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した前記光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として前記光量のうち小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成することを特徴とする画像形成方法。
4. 前記受光量判定工程において前記小さい方の光量が所定の範囲以内であると判定された場合にのみ、前記小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成することを特徴とする請求項３記載の画像形成方法。
5. 基板保持部に保持された基板に部品供給部から取り出された部品を実装する部品実装装置であって、
   実装ヘッドを移動させることにより前記部品供給部から部品を取り出して前記基板に実装する部品実装機構と、
   前記実装ヘッドに保持された前記部品の計測対象面に対して照射された光の反射光を受光することにより、前記計測対象面の平面情報を示す２次元画像における各画素の輝度によって高さ情報を表す３次元認識画像を形成する画像形成装置と、
   前記画像形成装置によって形成された前記３次元認識画像に基づいて前記部品の電極部の位置および高さを認識する認識部と、前記部品実装機構および画像形成装置を制御する制御部とを備え、
   前記画像形成装置は、光発生手段によって発生された前記光を主走査方向に走査させる走査手段と、前記実装ヘッドを移動させることにより前記主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する前記計測対象面に対して前記走査された走査光を所定の入射方向から入射させる走査光入射手段と、前記走査光の前記計測対象面からの反射光の受光位置を検出し、受光面の前記計測対象面に対する傾斜角度が相異なる第１の位置検出素子および第２の位置検出素子を有する位置検出部と、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子が受光する光量が所定の範囲内にあるか否かを判定する受光量判定部と、前記位置検出部の受光位置検出結果に基づき計測対象面の前記３次元認識画像を形成する画像形成部とを備え、さらに前記画像形成部は、前記第１の位置検出素子および第２の位置検出素子がそれぞれ受光した前記光量のうち大きい方の光量が所定の範囲を超えたと前記受光量判定部によって判定されたならば、当該走査部位についての受光位置検出結果として前記光量のうち小さい方の光量に基づく受光位置検出結果を採用して前記３次元認識画像を形成することを特徴とする部品実装装置。

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