JP2612980B2

JP2612980B2 - 表面実装機におけるキャリブレーション方法

Info

Publication number: JP2612980B2
Application number: JP3211092A
Authority: JP
Inventors: 尚美近藤
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1991-08-22
Publication date: 1997-05-21
Anticipated expiration: 2012-05-21
Also published as: JPH0510746A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、回路基板上に装着すべ
き部品を認識し、所定の位置に実装する表面実装機にお
けるキャリブレーション方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、各種電子機器を構成する電子回路
に対して、小型の回路部品（チップ）をより高密度に実
装する要求が高まっている。この要求に伴ない、部品実
装技術は、図１４に示すピン挿入方式から図１５に示す
表面実装方式が採用されるようになってきた。すなわ
ち、図１４のピン挿入方式では、プリント基板に貫通孔
を多数穿設し、基板の表面側から各孔に抵抗又は容量素
子、ＩＣ等の回路部品のリードを挿入して各々の突出端
をハンダ付けするのに対し、図１５の表面実装方式で
は、プリント基板上の所定位置に抵抗その他の回路素子
やＩＣを設置してリードをハンダ付けする。従って、孔
開けが不要で、回路素子のリードも短縮され、小型化さ
れた部品の高密度実装に適している。このような表面実
装を行う手段として、表面実装機（チップマウンタとも
称する）が用いられている。

【０００３】表面実装機では、必要な部品をバキューム
ノズルに吸着してその吸着状態を検出する。そして、位
置ずれ等があればそれを修正して、部品を回路基板上に
装着する。このため、表面実装機は、部品吸着装置とそ
の移動機構及び位置決め機構、部品の吸着状態を検出す
る検出装置等を備えている。

【０００４】また、多くの表面実装機では、部品の取出
し位置や基板上の部品搭載位置は、数値入力により図面
等のデ−タから直接入力できるようになっている。この
入力方式では、取出し位置のデ−タや基板上の部品位置
デ−タから部品実装動作軸の座標値を算出するために、
取出し位置や基板の座標系と部品実装動作軸の座標系と
の関係を予め知っておく必要がある。このように各座標
系の関係を求めることをキャリブレ−ションと呼んでい
る。

【０００５】従来のキャリブレ−ション方法は、次のよ
うな手順で行われていた。

【０００６】あらかじめ表面実装機の設計図面より、
凡の座標系の関係を算出する。ただし、これは機械加工
誤差や組立誤作を考慮していないため、実際の関係から
ずれることが多い。

【０００７】で求めた関係に従って表面実装機を動
作させてみて取出し位置の誤差や部品搭載位置の誤差を
計測し、その結果に基づいて座標の関係を修正する。

【０００８】修正した座標の関係に従ってを再度行
う。これは、満足できる精度が得られるまで繰り返す。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
方法では、の誤差を正確に計るための装置が必要にな
る。一方、目視等で誤差を計るならば、誤差が正確に求
まらない場合が多いのでからの動作を何回も繰り返
すことになる。また、メンテナンス等で表面実装機の要
素や部品の機械的な位置関係がずれた時にも、キャリブ
レーションを行う必要がある。このように、従来の表面
実装機におけるキャリブレーションは非常に煩わしい作
業であった。

【００１０】従って、本発明の目的は、表面実装機にお
いて従来の方法では煩わしい作業であったキャリブレ−
ションを容易かつ正確に行えるようにすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、回路基板上に
装着すべき部品を所定の取り出し位置に送り込む部品供
給装置と、前記取り出し位置にある部品を吸着する部品
吸着装置と、該部品吸着装置に近接する計測位置と該計
測位置から所定距離離れた待機位置との間を移動可能
で、前記部品吸着装置に吸着された部品の状態を計測位
置にて計測する計測装置と、該計測装置を計測位置と待
機位置との間で移動させ且つ計測位置に位置決めする計
測用駆動機構と、前記部品吸着装置、計測装置及び計測
用駆動機構を一体に支持し、作動時には、前記部品を吸
着した部品吸着装置を回路基板上に移動させ、当該部品
を回路基板上の搭載位置に装着する部品位置決め装置と
を備えた表面実装機におけるキャリブレーション方法で
あって、前記部品位置決め装置に対する回路基板、部品
供給装置又は部品吸着装置の位置関係を求めるために基
準となる基板及び部品を用意し、当該基準基板上の所定
の位置に装着した基準部品の上に部品吸着装置を移動さ
せて該基準部品を吸着し、該基準部品の位置を計測装置
で計測し、この計測結果から部品位置決め装置の座標系
における基準部品の位置を計算する動作を、基準基板上
に装着した適宜の数の基準部品について行うことによ
り、部品位置決め装置の座標系と回路基板、部品供給装
置又は部品吸着装置の座標系との関係を求めることを特
徴とする。

【００１２】本発明の具体的態様では、前記部品位置決
め装置の座標系を基準座標とし、該基準座標系における
基準部品の位置と、前記基準基板の座標系における基準
部品の装着位置とを求め、それらの値に基づいて基準座
標系から基準基板の座標系への変換行列を得ることを特
徴とする。

【００１３】

【作用】表面実装機の作動時には、部品取出し位置で部
品吸着装置が必要な部品を吸着すると、部品位置決め装
置が作動して部品吸着装置を部品搭載位置に向けて移動
させる。一方、計測用駆動機構が作動して計測装置を待
機位置から部品吸着装置に近接する計測位置まで移動さ
せ、位置決めする。ここで、計測装置は部品の吸着状
態、例えば部品吸着装置に対する部品の位置及び傾きを
検出する。この検出により、位置ずれ等があればそれを
修正する。検出後、計測用駆動機構が計測装置を計測位
置から待機位置に戻す。その後、部品位置決め装置によ
り部品吸着装置が部品搭載位置に到達すると、吸着を解
除して部品を回路基板上に搭載する。かくして、部品位
置決め装置の作動により、部品を吸着した部品吸着装置
が部品取出し位置から部品搭載位置までの最短経路上を
移動している間に、部品吸着装置と共に移動する計測装
置が部品の吸着状態を計測する。つまり、計測装置は部
品吸着装置と共に、部品取出し位置から部品搭載位置ま
で移動できるので、計測位置が制約されず、任意の位置
で計測可能である。本発明によれば、基準となる基板及
び部品（基準チップ）を用いてキャリブレーションを行
う。

【００１４】基板座標のキャリブレーションでは、部品
吸着装置を基準基板上で位置のわかっている基準部品の
上に移動させて基準部品を吸着し、その位置を上記のよ
うに計測する。その結果から、部品位置決め装置の座標
系における基準部品の位置を計算する。これを適宜の個
数の基準部品について行うことにより、部品位置決め装
置の座標系と基板の座標系との関係が求められる。

【００１５】部品供給装置の部品取り出し位置のキャリ
ブレーションの場合には、部品取り出し位置の座標系の
中で位置のわかっている部品供給装置に対して上記と同
様の作業を行う。

【００１６】

【実施例】図１は、本発明による表面実装機の実施例の
外観斜視図である。全体を１で示す表面実装機は、正面
側に両開き扉２ａ，２ｂを備えたキャビネット２の上に
載置された台板（テーブル）３上の構成要素と、キャビ
ネット２の内部に収納された構成要素とから成る。

【００１７】テーブル３の上面には、後で詳細に説明す
る部品吸着装置を構成する部品搭載ヘッド４を備えた部
品位置決め装置であるロボット５が設置されている。更
に、回路基板となるプリント基板６を移動させるベルト
コンベヤ７、各基板上に搭載すべき種々の部品（チッ
プ）を同一種類毎にまとめてテーピングした多数のテー
プカートリッジ８、各カートリッジ８のテーピングされ
た部品を前側フィーダベース９ａ及び後側フィーダベー
ス９ｂ上の取出し位置へそれぞれ送り出す部品供給装置
である前側テープフィーダ１０ａ及び後側テープフィー
ダ１０ｂ、モニタ用ＣＲＴ１１、オペレータが操作する
キーボード１２及びロボット操作パネル１３等が設置さ
れる一方、キャビネット２内には、後述のコントローラ
１４及び画像処理装置１５が設置されている。

【００１８】ロボット５は、搭載ヘッド４を支持してこ
れをテーブル３に対し垂直な上下方向（Ｚ軸方向）に移
動させるＺ軸スライドブロック１６（図２図）と、この
Ｚ軸スライドブロック１６をベルトコンベヤ７と平行な
方向（Ｘ軸方向）に移動させるＸ軸アーム１７と、この
Ｘ軸アーム１７全体をベルトコンベヤ７と直角の方向
（Ｙ軸方向）に移動させるＹ軸アーム１８とから成る。

【００１９】Ｘ軸アーム１７は、Ｚ軸スライドブロック
１６を上下動可能に収納した中空の角柱状のＺ軸ベース
１９をＸ軸方向に摺動自在に支持する。Ｚ軸ベース１９
の上端には、Ｚ軸スライドブロック１６をＺ軸方向に移
動させるためのＺ軸モータ２０が装着され、Ｚ軸ベース
１９内には、図１中に破線で示したように、Ｚ軸モータ
２０の回転をＺ軸スライドブロック１６の上下動に変換
するボールねじ機構２１が収納されている。また、Ｘ軸
アーム１７内には、Ｘ軸モータ２２と、その回転をＺ軸
ベース１９のＸ軸方向移動に変換するボールネジ機構２
３が収納されている。Ｘ軸アーム１７の一端部はＹ軸ア
ーム１８に沿って、他端部はテーブル３上でＹ軸アーム
１８と平行に設置されたゲート状のガイド部材２４の横
軸に沿って、それぞれ摺動自在に支持されている。更
に、Ｙ軸アーム１８内には、Ｙ軸モータ２５と、その回
転をＸ軸アーム１７のＹ軸方向移動に変換するボールね
じ機構２６が収納されている。上記３つのモータ２０、
２２、２５には、それぞれＡＣサーボモータが用いられ
る。

【００２０】従って、搭載ヘッド４を取り付けたＺ軸ス
ライドブロック１６は、Ｚ軸モータ２０の駆動によりＺ
軸ベース１９に沿ってＺ軸方向に移動し、Ｘ軸モータ２
２の駆動によりＺ軸ベース１９と共にＸ軸アーム１７に
沿ってＸ軸方向に移動し、更に、Ｙ軸モータ２５の駆動
によりＺ軸ベース１９及びＸ軸アーム１７と共にＹ軸ア
ーム１８に沿ってＹ軸方向に移動する。

【００２１】また、ロボット５は、Ｘ軸アーム１７、Ｙ
軸アーム１８及びＺ軸ベース１９の各々のボールネジ機
構と各モータ２２、２５及び２０に内蔵されたエンコー
ダとでＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸上の位置を検出し、コントロ
ーラ１４にフィードバックするようになっている。

【００２２】次に、実施例の搭載ヘッド４について説明
する。

【００２３】図２及び図３に示すように、ヘッド部は、
前記Ｚ軸スライドブロック１６の下端部に固着したＬ形
のヘッドベース３０と、その一方の側に設置されたノズ
ルインデックス機構３１と、その駆動源としてヘッドベ
ース３０の反対側に取り付けられたパルスモータ３２と
で構成される。

【００２４】ノズルインデックス機構３１は、円筒状の
回転ハウジング３３を主体とし、その外周面に等角度
（この場合 120°）間隔で放射状に突出して配置された
３種の吸着ノズル３４、３５、３６を有する。これらの
ノズルはそれぞれ径の大きさが異なるもので、実施例で
はノズル３４の径が最も大きく、ノズル３５が中、ノズ
ル３６が最小である。

【００２５】更に図４に示すように、ノズルインデック
ス機構３１は、回転ハウジング３３の外周面に設置され
た位置決め用シリンダ３７と、このシリンダ３７と平行
に移動可能に取り付けられ、且つシリンダ３７から突出
したプランジャ３８に連結部材３９を介して結合された
インデックス及びノズル選択用位置決めピン４０と、ハ
ウジング３３の端面に隣接した円形の回転板４１と、ハ
ウジング３３の中心軸に沿って回転自在に貫通した回転
シャフト４２とを含む。

【００２６】シャフト４２の一端には回転板４１が、他
端にはベルト車４３がそれぞれ固着されると共に、図３
に示すようにベルト車４３とパルスモータ３２の回転軸
に取り付けたベルト車４４との間にベルト４５が巻き掛
けられ、パルスモータ３２の回転をシャフト４２に伝達
するようになっている。

【００２７】回転板４１には、ハウジング３３を回転さ
せるために位置決めピン４０の先端部が入る孔４６が少
なくとも１個（図では３個）設けられる。一方、ヘッド
ベース３０には、各吸着ノズル（大、中、小）３４、３
５、３６を下側の吸着位置に設定したところでハウジン
グ３３を固定するために位置決めピン４０の基端部が入
る３個の孔４７ａ、４７ｂ（図２）、４７ｃ（図示省
略）が設けられる。このヘッドベース３０は、ハウジン
グ固定部として用いられる。

【００２８】従って、例えば図２に示すように、吸着ノ
ズル（大）３４を下側の吸着位置に設定した状態では、
位置決めピン４０は、その基端部が吸着ノズル（大）３
４に対応するヘッドベース３０側の孔４７ａに入ってい
る。この状態から吸着ノズルの切替えをするとき、例え
ば吸着ノズル（中）３５を吸着位置に切り替える場合に
は、位置決めピン４０を図３において左方に移動させ、
その基端部をヘッドベース側の吸着ノズル（大）３４に
対応する孔４７ａから抜いて、位置決めピン４０の先端
部を回転板４１の孔４６（図の場合３個のいずれでもよ
い）に入れる。これにより、回転板４１とハウジング３
３が駆動連結される。すなわち、シャフト４２の回転が
回転板４１及び位置決めピン４０を介してハウジング３
３に伝達されるので、パルスモータ３２の駆動でハウジ
ング３３を回転させることができる。この場合、ハウジ
ング３３は、位置決めピン４０がヘッドベース３０側の
吸着ノズル（中）３５に対応する孔４７ｂに来るまで回
転し、その回転停止後、位置決めピン４０を上記と反対
方向に移動させてその先端部を回転板４１の孔４６から
抜き、基端部をヘッドベース側の孔４７ｂに入れる。こ
れにより、ハウジング３３は再びヘッドベース側に固定
され、吸着ノズル（中）３５は吸着位置に設定される。

【００２９】各吸着ノズル３４、３５、３６は、図４に
示すように、回転ハウジング３３の外側に放射状に延び
た円筒部の内部にその中心線を軸として回転自在に設置
された回転シャフト４９の先端部に挿入固定され、回転
シャフト４９の中心部に形成された細長い通路５０を介
して、円筒部の側面に形成された空気抜き口（バキュー
ム取出し口）５１に連通している。使用の際には、真空
ポンプ等を用いて空気抜き口５１から空気を吸引するこ
とにより、吸着ノズル３４の先端に部品５２が吸着され
る。

【００３０】回転ハウジング３３の中心に向かって延び
た回転シャフト４９の基端部にはベベルギヤ５３が固着
され、このギヤ５３は、回転シャフト４２に固着された
ベベルギヤ５４と噛み合っている。従って、パルスモー
タ３２によって駆動されるシャフト４２の回転により、
ベベルギヤ５４及び５３と回転シャフト４９を介して各
吸着ノズル３４、３５、３６が回転する。

【００３１】回転ハウジング３３の外側に延びた各円筒
部の先端は光拡散板６０で覆われ、各吸着ノズル３４、
３５、３６はこの光拡散板６０を貫通している。光拡散
板６０には、後述のようにノズルによる部品吸着状態の
検出に必要な照明装置から光が照射される。実施例で
は、部品吸着状態の検出のために必要な光が各吸着ノズ
ルに対して直角の方向から送られる。従って、光拡散板
６０は、その一方の側面から入射した光を下方に向けて
拡散させ或は反射させるため、図５及び図６に拡大して
示すように、光拡散板６０の周囲は、光源側を除いて、
反射膜６１又は反射面６２として形成される。

【００３２】光拡散板６０に光を当てる照明装置は、光
拡散板６０側に開口を有するケーシング６３と、図５に
示すようにケーシング６３内に配置された複数個の光源
（この場合、３個の発光ダイオード）６４と、ケーシン
グ６３を固定した光学系ブロック６５とで構成される。

【００３３】光学系ブロック６５は、Ｌ字形の角筒状の
ハウジングから成り、その下部先端側と角部には、それ
ぞれ内側に反射面を向けた平面鏡６６及び６７が配置さ
れている。光学系ブロック６５の下部先端側の平面鏡６
６の上方に位置する部分は、円形の透明板６８が装着さ
れ、光透過窓を形成している。一方、光学系ブロック６
５の上方に延びた部分の内部には望遠レンズ６９が収納
されており、その上方に接写リング７０及びＣＣＤ（電
荷結合素子）カメラ７１が配置されている。

【００３４】従って、照明装置の光源６４から出た光
は、光拡散板６０を透過し、ノズルの先端に吸着した部
品５２を上方から均一に照らす。これをＣＣＤカメラ７
１から見ると、部品５２は２枚の平面鏡６６及び６７を
介して安定した像として捕えることができる。

【００３５】光学系ブロック６５は、Ｚ軸ベース１９の
下端部に固定したブロック支持部７２に対しＸ軸方向に
摺動可能に取り付けられ、図４に示すエアシリンダ７３
を含む駆動機構により移動する。光学系ブロック６５の
位置は、エアシリンダ７３の両端側に配置された一対の
位置検出器７４（図４には、そのうちの１つを示す）に
より検出される。なお、ブロック支持部７２の上面には
緩衝器７５が設置されている。この実施例では、上記の
ように吸着ノズルの先端に吸着された部品の像を捕える
カメラ７１と、吸着ノズルの先端に近接した計測位置で
部品の像をカメラ７１に導入するレンズを含む光学系ブ
ロック６５とが、吸着ノズルに吸着された部品の状態を
計測する計測装置を構成し、光学系ブロック６５の駆動
機構が、計測装置を吸着ノズルに近接する計測位置とこ
の位置から所定距離離れた待機位置との間で移動させ且
つ計測位置に位置決めする計測用駆動手段を構成してい
る。上記の構成により、部品吸着装置としての部品搭載
ヘッド４、計測装置としてのカメラ７１と光学系ブロッ
ク６５及びその駆動機構は、部品位置決め装置としての
ロボット５に対して一体に支持されている。

【００３６】図７は、上記ヘッド部の１サイクル動作を
示す。順に説明すると、次の通りである。

【００３７】搭載ヘッド４は、図１のロボット５の作
動により、フィーダベース９上の部品取出し位置まで移
動し、所定の高さまで下降する。そして、テープフィー
ダ１０により当該取出し位置へ送られた部品５２に対し
て選択したノズルが、吸着位置すなわち図２図の吸着ノ
ズル（大）３４の位置にない場合には、そのノズルが吸
着位置に来るまでハウジング３３を回転し、その後バキ
ューム吸引によりノズルの先端に部品５２を吸着する。

【００３８】搭載ヘッド４が上昇し、所定の部品搭載
位置すなわちベルトコンベヤ７で運ばれたプリント基板
６上の位置に向かって移動する。この時、光学系ブロッ
ク６５を図において左に移動（前進）させ、その先端部
をノズルに吸着された部品５２の真下に位置付ける。

【００３９】部品５２を吸着したノズルを回転させて
部品を基板６上での搭載角度に設定する。ここで、部品
の姿勢すなわち部品の位置と傾きを計測する。この計測
は、ＣＣＤカメラ７１で捕えた部品の像を画像処理装置
１５に送って処理し、コントローラ１４で判定すること
で達成される。

【００４０】計測の結果、補正を要するならば、光学
系ブロック６５を右に移動（後退）させた後、搭載ヘッ
ド４それ自体をＸＹ平面上で移動させ又は部品を吸着し
たノズルを回転させることにより、部品の搭載位置又は
傾きを修正する。

【００４１】搭載ヘッド４が下降し、プリント基板６
上に部品を位置付けてノズルの吸引を止め、大気圧に開
放することにより、部品を基板上に搭載する。

【００４２】搭載ヘッド４が上昇し、次の部品を搭載
する場合は、部品取出し位置まで移動する。

【００４３】上記の動作の特徴は、部品を吸着したヘッ
ドが部品取出し位置から搭載位置へ部品を搬送する経路
上で、部品の画像計測及び補正動作（上記及びの動
作）を行なうことにより、実装時間の短縮化を図ってい
ることにある。

【００４４】図８は、部品計測時の吸着ノズルと部品の
状態の例を示す。このように、吸着している部品の重心
位置（ΔＸ，ΔＹ）及び等価慣性楕円体の長軸の傾きΔ
θを計測することにより、補正に必要なデータが得られ
る。

【００４５】図９は、コントローラ１４のハードウエア
構成を示す。

【００４６】コントローラ１４は、前述したモニタ用Ｃ
ＲＴ１１及びキーボード１２を接続し、更にＣＣＤカメ
ラ７１を接続した画像処理装置１５と通信路ＲＳ２３２
Ｃを介して接続したパソコン８０を主体とし、これに付
設したバス拡張ボード８１に接続したバス拡張ボックス
８２内のＸ軸及びＹ軸モータコントロール回路８３、Ｚ
軸モータコントロール回路８４、θ軸モータコントロー
ル回路８５、出力ボード８６及び入力ボード８７と、各
モータコントロール回路８３、８４、８５からの出力信
号を受けて、各々対応するＸ軸モータ２２、Ｙ軸モータ
２５、Ｚ軸モータ２０、θ軸パルスモータ３２を駆動す
るＸ軸サーボアンプ８８、Ｙ軸サーボアンプ８９、Ｚ軸
サーボアンプ９０及びθ軸パルスモータドライバ９１
と、出力ボード８６からの出力を受けてコンベヤモータ
９２を駆動する信号に変換するインタフェース回路９３
とを備えている。

【００４７】上記の出力ボード８６には、その出力によ
り駆動されて前記位置決めシリンダ３７を作動させるソ
レノイドバルブ９４と、同様に出力ボード８６からの出
力により駆動されて前記カメラシフト用のエアシリンダ
７３（図２）を作動させるソレノイドバルブ９５が接続
される。また、入力ボード８７には、前記３つのノズル
３４、３５、３６の位置を検出する３個のセンサ９６
と、前記位置決めピン４０（図４）の位置を検出するセ
ンサ９７が接続される。

【００４８】このコントローラ１４のパソコン８０は、
モータの制御、シーケンス制御、プログラムの変更な
ど、表面実装機全体の制御を受け持つ。また、パソコン
８０は、ホストコンピュータ９８と通信回線を介して接
続し、或はフレキシブルディスク９９等の媒体を介して
ホストコンピュータ９８とデータ等の交換を行なうディ
スクユニット１００を接続することもできる。

【００４９】パソコン８０に接続したモータコントロー
ル回路８３、８４、８５及び画像処理装置１５は、それ
ぞれ独立した機能を持ち、サーボモータ３軸とパルスモ
ータの制御及び吸着した部品の姿勢算出を行なうこと
で、パソコン８０の負荷軽減に寄与する。画像処理装置
１５は、計測装置のＣＣＤカメラ７１からの情報によ
り、部品吸着装置に吸着された部品の状態に関する画像
処理を行う。

【００５０】モニタＣＲＴ１１は、パソコン８０の画面
表示と画像処理装置１５のモニタ画面表示の両方に使用
できる。

【００５１】実施例の表面実装機は、上記のような計測
及び補正動作を実現するために、ロボット５に対する基
板及びテープフィーダ１０の位置関係を正確に求める必
要があり、その位置関係を求めるためにキャリブレーシ
ョン機能を備える。また、動作上の必要性の他に、メン
テナンスなどで位置関係がずれた場合にこの機能を利用
すると、部品位置データをその都度変更する必要がない
という利点もある。

【００５２】以下、キャリブレーションについて詳細に
説明する。

【００５３】１．初めに、座標系を次のように定義する
（図１０参照）。

【００５４】“Base”（基準座標）：ロボット５の動作
座標と同一とする。動作座標におけるノズルの先端を原
点とし、ロボット５のＸ軸、Ｙ軸方向にそれぞれの座標
軸をとる。

【００５５】“Plate ”（位置決めされた基板の座
標）：基板の基準となる角（かど）を原点とし、基板の
Ｘ軸、Ｙ軸方向にそれぞれの座標軸をとる。

【００５６】“Feed１”（前側フィ−ダベース９ａの座
標）：前側フィ−ダベース９ａの取り出し位置を原点と
して、前側テープフィーダ１０ａの取り出し位置方向を
Ｘ軸とした座標系。

【００５７】“Feed２”（後側フィーダベース９ｂの座
標）：後側フィ−ダベース９ｂの取り出し位置を原点と
して、後側テープフィーダ１０ｂの取り出し位置方向を
Ｘ軸とした座標系。

【００５８】“Nozzle”（吸着ノズルの座標系）：ノズ
ル中心を原点とし、基準座標系に平行に座標軸をとる。
この座標系はロボットの先端に固定され、ロボットと共
に動く。また、ノズルは３種類（大中小）あるが、その
うちの１つ（例えば、大ノズル３４）をこの座標の基準
とする。また、部品装着位置補正用カメラ画面の座標も
同一にとる。

【００５９】ここで、基準座標“Base”から各座標への
同次変換行列をそれぞれＴ_Plate ，Ｔ_Feed1 ，Ｔ_Feed2 ，Ｔ_Nozzleとする。

【００６０】各座標は高さ及び方向の情報がなく、同一
平面上にあると考えてよいので、同次変換行列は、

【００６１】

【数１】

【００６２】と表現される。ここで、θは基準座標に対
する現在の座標の傾き、（ａ，ｂ）は基準座標中での現
在の座標の原点の位置である。

【００６３】なお、上記のような同次変換行列Ｔで表わ
される座標系中の１点（ｘ_1,ｙ₁ ）と基準座標中での座
標値（ｘ_0、ｙ₀ ）との関係は、次のように表わされる。

【００６４】

【数２】

【００６５】キャリブレーションは、各同次変換行列Ｔ
_Plate 、Ｔ_Feed1 、Ｔ_Feed2 及び各ノズル間のオフセッ
トを求めることである。

【００６６】２．ノズルオフセット大ノズル３４を座標の基準としたとき、このノズル３４
に対する中ノズル３５及び小ノズル３６のオフセット量
は、次の手順で求められる。

【００６７】（１）大ノズル３４の中心にカメラ画面の
原点をセットする。このとき、ノズルの先端が回転中心
にない場合には、回転角度によって先端の位置が変化す
る。このため、ノズルを回転させながら、何回か位置を
計測し、その中心位置を原点とする。例えば図１１に示
すように、ノズルを 120°ずつ回転して計測したときの
重心位置をベクトルｘ ₁ ，ｘ ₂ ，ｘ ₃ で表わすと、ノズ
ルの回転中心位置ｘ ₀は次のように表わされる。

【００６８】

【数３】

【００６９】（２）（１）で設定した原点位置に対し
て、中ノズル及び小ノズルのオフセット量を画像によっ
て計測し、記憶する。このときも、各ノズルを回転させ
ながら何回か計測し、その中心をとる。

【００７０】３．基板座標のキャリブレーションここでは、Ｔ_Plate を求める方法について説明する。

【００７１】Ｔ_Plate は部品装着位置を計算する基準と
なる座標であるから、キャリブレーション用の基準基板
と計測装置を用いて正確なキャリブレーションを行う。

【００７２】Ｔ_Plate は、基準基板上の位置が正確にわ
かっている点の基準座標での座標値から求めることがで
きる。

【００７３】（１）基準基板基準基板は、プリント基板と同じ大きさに形成し、２箇
所以上の既知の位置に穴を開けておく。穴には、チップ
と同程度の大きさの基準チップが挿入できるようにして
おく。基準基板は、予め穴に基準チップをさし、表面実
装機のベルトコンベヤで流して所定の位置に位置決めし
ておく。

【００７４】例えば図１２に示すように、基準チップ１
０１と、それを搭載する穴１０３の位置（この場合、３
箇所）が正確に決められた基準基板１０２とを用意す
る。基板の座標内における穴１０３の位置（ｘ_pi，
ｙ_pi）［ｉ＝１，・・・，ｎ（穴の数）］は予めわかって
いる。

【００７５】（２）視覚計測ロボット５をマニュアルで動かし、上記の穴１０３の上
方位置付近にノズルがくるようにする。次に、ノズルを
下降させて基準チップ１０１を吸着した後、カメラ７１
を含む計測装置で基準チップ１０１の重心（中心）位置
を計測する。基準座標での穴１０３の座標値は、計測装
置の原点位置（ロボットの座標値）に計測装置による計
測位置を加えることによって求められる。

【００７６】ここで、基板座標中でのｉ番目の穴の位置
を示すベクトルを

【００７７】

【数４】

【００７８】とし、吸着した基準チップ１０１を計測装
置で計測したときの計測位置のベクトルをｖ _i 、計測し
たときの表面実装動作軸の座標系における計測装置の原
点位置ベクトルをｗ _i とすると、表面実装動作軸の座標
系における基準チップ１０１の位置（穴１０３の位置）
ｓ _i は、

【００７９】

【数５】ｓ _i ＝ｗ _i ＋ｖ _i …(5) となる。ｗ _i は動作軸の座標値を読むことによってわか
り、ｖ _i は計測値であるから、計測時にｓ _i を計算して
求めることができる。

【００８０】また、ｓ _i とｕ _i の関係は、

【００８１】

【数６】ｓ _i ＝Ｔ_Plate ｕ _i …(6) と表わされる。但し、

【００８２】

【数７】

【００８３】であるから、

【００８４】

【数８】

【００８５】とすると、

【００８６】

【数９】ｘ_ri＝ｘ_pi cosθ−ｙ_pi sinθ＋ａ …
(9) ｙ_ri＝ｘ_pi sinθ＋ｙ_pi cosθ＋ｂ …(10)となる。

【００８７】ところが、実際に計測した値には誤差が含
まれているので、必ずしも上記の関係が満たされるとは
限らない。そこで、計測したｖ _i とｓ _i から最小２乗法
によってＴ_Plate を求めることにする。すなわち、各計
測における誤差を

【００８８】

【数１０】ｅ_xi＝ｘ_ri−ｘ_pi cosθ＋ｙ_pi sinθ−ａ …(11) ｅ_yi＝ｙ_ri−ｘ_pi sinθ−ｙ_pi cosθ−ｂ …(12) とし、

【００８９】

【数１１】

【００９０】を最小にするθ，ａ，ｂを求める。

【００９１】そこで、Ｓ_E をａ，ｂ，θで偏微分する
と、

【００９２】

【数１２】

【００９３】となり、これらの値を０と置いたとき最小
値が得られる。

【００９４】

【数１３】

【００９５】上記３式(17)、(18)、(19)より

【００９６】

【数１４】

【００９７】ここで、θ＝θ₀ ＋Δθ（θ₀ は設計上の
角度、Δθは誤差）とし、Δθ≪１とすると、 cosΔθ
≒１， sinΔθ≒Δθであるから、

【００９８】

【数１５】

【００９９】また、

【０１００】

【数１６】

【０１０１】図１３は、上記の基板座標のキャリブレー
ション動作をフローチャートで表わしたものである。

【０１０２】初めに、基板の座標内における穴の番号ｉ
を１にセットし（ステップ１）、基準基板を所定の位置
に位置決めする（ステップ２）。

【０１０３】次に、ロボット５をマニュアル操作で動か
して、ｉ番目の穴に入れた基準チップの上方位置付近に
ノズルをセットする（ステップ３）。ここで、ロボット
５の座標値（カメラ７１の原点位置）ｗ _i を読み取って
記憶しておく（ステップ４）。

【０１０４】次にｚ軸下降、すなわちノズルを下降させ
（ステップ５）、基準チップを吸着し（ステップ６）、
ｚ軸上昇（ステップ７）後、カメラを前進させて（ステ
ップ８）、基準チップの重心（中心）位置ｖ _i を計測し
て記憶する（ステップ９）。その後、カメラを後退させ
（ステップ１０）、吸着を解除し（ステップ１１）、基
準座標での穴の座標値ｓ _i ＝ｗ _i ＋ｖ _i を計算する（ス
テップ１２）。

【０１０５】次にｉを１つ増やし（ステップ１３）、ｉ
が穴の数ｎを越えたか否かを判定する（ステップ１
４）。その結果、“Ｎｏ”ならばステップ３以下の動作
を繰り返し、“Ｙｅｓ”ならば、式(22)〜(24)にてΔθ
からθ、ａ及びｂを計算して記憶する（ステップ１
５）。

【０１０６】かくして、基準座標から基板座標への同次
変換行列Ｔ_Plate が求められ、基板座標のキャリブレー
ションが達成される。

【０１０７】４．フィーダベース座標のキャリブレーシ
ョンフィーダ用ベースの座標については、実際に使用するフ
ィーダ（テープフィーダ等）をベースに固定し、実際の
チップ部品を吸着して計測することにより、上記の基準
座標の場合と同様の方法でキャリブレーションを行う。

【０１０８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、位置決
め装置の作動により、部品を吸着した部品吸着装置が部
品取出し位置から部品搭載位置までの最短経路上を移動
している間に、部品吸着装置と共に移動する計測装置が
部品の吸着状態を計測するので、部品計測が迅速化さ
れ、部品実装の効率が大きく向上すると共に、計測装置
も部品吸着装置と共に移動できるので、計測位置が制約
されず、任意の位置で計測可能である。すなわち、従来
は、部品の位置と姿勢をそれぞれ別の位置で計測するた
め、それぞれの位置に固定したカメラ等の計測手段で計
測していたが、本発明では、単一の計測装置が部品吸着
装置と共に移動しながら計測するので、同一視野での計
測が可能となり、高精度の計測が行われる。このため、
表面実装機における回路基板などの座標位置関係を求め
るキャリブレーションの際にも、基準基板上の所定の位
置に装着した適宜の個数の基準部品に対する吸着状態の
計測を迅速に且つ高精度で行い、その計測結果から前記
部品位置決め装置の座標系と回路基板などの座標系との
関係を求めることができる。加えて、キャリブレーショ
ンのために基準となる基板及び部品の他には特別の装置
を必要とせず、表面実装機の使用者が容易にキャリブレ
ーション作業を実施できるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の表面実装機を示す斜視図。

【図２】部品搭載ヘッド部とその周辺部の構成を示す
図。

【図３】部品搭載ヘッド部の部分断面平面図。

【図４】部品搭載ヘッド部の内部とその周辺部の構造を
示す部分的縦断面図。

【図５】ヘッド先端部の縦断面図。

【図６】図５の線VI−VIに沿う一部断面底面図。

【図７】部品搭載ヘッド部の動作説明図。

【図８】部品計測時の吸着ノズルと部品の状態の例を示
す図。

【図９】コントローラのハードウエア構成を示すブロッ
ク図。

【図１０】実施例のキャリブレーションのための座標系
を示す図。

【図１１】ノズルを 120°ずつ回転して計測したときの
重心位置ｘ ₁ ，ｘ ₂ ，ｘ ₃ とノズルの回転中心位置ｘ ₀
を示す図。

【図１２】キャリブレーション用の基準チップと基準基
板を示す図。

【図１３】基板座標のキャリブレーションを行う手順を
示すフローチャート。

【図１４】プリント基板に対する部品実装方式のうちの
ピン挿入方式を示す図。

【図１５】プリント基板に対する部品実装方式のうちの
表面実装方式を示す図。

【符号の説明】１…表面実装機、２…キャビネット、３…台板、４…搭
載ヘッド、５…ロボット、６…プリント基板、７…ベル
トコンベヤ、８…テープカートリッジ、９ａ，９ｂ…フ
ィーダベース、１０ａ，１０ｂ…テープフィーダ、１１
…ＣＲＴ、１２…キーボード、１３…操作パネル、１４
…コントローラ、１５…画像処理装置、１６…Ｚ軸スラ
イドブロック、１７…Ｘ軸アーム、１８…Ｙ軸アーム、
１９…Ｚ軸ベース、２０…Ｚ軸モータ、２１，２３，２
６…ボールねじ機構、２２…Ｘ軸モータ、２４…ガイド
部材、２５…Ｙ軸モータ、３０…ヘッドベース、３１…
ノズルインデックス機構、３２…パルスモータ、３３…
ハウジング、３４，３５，３６…吸着ノズル、３７…位
置決め用シリンダ、４０…位置決めピン、４１…回転
板、４２…回転シャフト、４３，４４…ベルト車、４
６，４７，４８…孔、５１…空気抜き口、５２…部品、
５３，５４…ベベルギヤ、６０…光拡散板、６３…ケー
シング、６４…光源、６５…光学系ブロック、６６，６
７…平面鏡、６８…窓、７１…ＣＣＤカメラ、７３…エ
アシリンダ、８０・・・・パソコン、８３，８４、８５…モ
ータコントロール回路、８８，８９，９０…サーボアン
プ、９１…パルスモータドライバ、９４，９５…ソレノ
イドバルブ、９６，９７…位置センサ、１０１…基準チ
ップ、１０２…基準基板、１０３…穴。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】回路基板上に装着すべき部品を所定の取り
出し位置に送り込む部品供給装置と、前記取り出し位置にある部品を吸着する部品吸着装置
と、該部品吸着装置に近接する計測位置と該計測位置から所
定距離離れた待機位置との間を移動可能で、前記部品吸
着装置に吸着された部品の状態を前記計測位置にて計測
する計測装置と、該計測装置を前記計測位置と前記待機位置との間で移動
させ且つ前記計測位置に位置決めする計測用駆動機構
と、前記部品吸着装置、前記計測装置及び前記計測用駆動機
構を一体に支持し、作動時には、前記部品を吸着した前
記部品吸着装置を前記回路基板上に移動させ、当該部品
を前記回路基板上の搭載位置に装着する部品位置決め装
置とを備えた表面実装機におけるキャリブレーション方
法であって、前記部品位置決め装置に対する前記回路基板、部品供給
装置又は部品吸着装置の位置関係を求めるために基準と
なる基板及び部品を用意し、当該基準基板上の所定の位
置に装着した基準部品の上に前記部品吸着装置を移動さ
せて該基準部品を吸着し、該基準部品の位置を前記計測
装置で計測し、この計測結果から前記部品位置決め装置
の座標系における前記基準部品の位置を計算する動作
を、前記基準基板上に装着した適宜の数の基準部品につ
いて行うことにより、前記部品位置決め装置の座標系と
前記回路基板、部品供給装置又は部品吸着装置の座標系
との関係を求めることを特徴とするキャリブレーション
方法。
【請求項２】前記部品位置決め装置の座標系を基準座標
とし、該基準座標系における前記基準部品の位置と、前
記基準基板の座標系における前記基準部品の装着位置と
を求め、それらの値に基づいて前記基準座標系から前記
基準基板の座標系への変換行列を得ることを特徴とする
請求項１記載の表面実装機におけるキャリブレーション
方法。