JP4015402B2 - 部品吸着ノズル、及び部品実装装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、部品実装装置及び該部品実装装置に使用される部品吸着ノズル並びにその部品吸着ノズルの認識方法に関し、特には、微小チップ部品用に供する部品吸着ノズル並びにその部品吸着ノズルの認識方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、従来から提供されている部品実装装置１００の概略構成を示す。この部品実装装置１００では、部品供給部１０１から供給された部品が実装ヘッド１０２の部品吸着ノズル１０３に吸着されて保持される。ノズル１０３及びこれに保持された部品はヘッド搬送装置１０５によって光学認識装置（撮像装置）１０６上に搬送される。光学認識装置１０６は、予め記憶されているノズル１０３の基準位置と部品との位置ずれ（平面位置のずれと回転角度のずれ）を認識する。光学認識装置１０６から位置ずれの情報を得た制御装置１０７は、位置ずれに対応する信号を実装ヘッド１０２に送信する。この信号を受信したヘッド１０２は、部品１０４の位置ずれを補正し、回路基板１０９の所定の実装位置に部品１０３を実装する。
【０００３】
このような部品実装において、回路基板１０９の所定位置に正確に部品１０４を実装するためには、部品実装装置１００に対するノズル１０３の正確な位置を知る必要がある。そのため、従来、計測用のダミーノズル（図示せず）を実装ヘッド１０２に装着し、このダミーノズルを実装ヘッド１０２のノズル回転軸（垂直軸）を中心に回転し、回転時に描かれるダミーノズルの軌跡から部品吸着ノズルの回転中心を求め、求めた回転中心を部品吸着ノズルの吸着面の中心と見做し、この見做し中心を位置補正等の制御用基準位置として利用している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ノズル１０３は、部品の特性（形状、重さ等）に応じて選択できるよう実装ヘッド１０２に着脱自在となっており、実装ヘッド１０２に装着された状態でノズル１０３は実装ヘッド１０２のノズル回転軸に対して偏心又は傾斜していることが有り得る。また、実装ヘッド１０２自体が傾斜していることも有り得る。
【０００５】
したがって、制御用基準位置（見做し中心）は、必ずしも部品吸着ノズル１０３の吸着面中心を正確に代表するものでなく、そのために回路基板１０９に実装された部品１０４が目的の実装位置からずれる可能性があった。あるいは、部品吸着ノズル１０３の吸着面の中央に部品１０６を吸着することができず、当該部品１０４を実装する際に部品吸着ノズル１０３が回路基板１０９に実装済みの他の部品と干渉し、これを破損することがあり得た。
【０００６】
特に部品１０４のサイズが微小である場合、部品吸着ノズル１０３の強度を保つため、部品１０４より部品吸着ノズル１０３の吸着面の面積の方が大きくならざるをえない。ここで微小サイズとは、例えば０６０３（０．６ｍｍ×０．３ｍｍ）、１００６（１．０ｍｍ×０．６ｍｍ）、１６０８（１．６ｍｍ×０．８ｍｍ）のような大きさのチップ部品を含む。このため、例えばゼロコンマ数ｍｍ間隔で前記微小チップ部品を回路基板１０９に実装するいわゆる狭隣接実装において、部品吸着ノズル１０３が実装済みの隣接部品に干渉する恐れが大きくなる。また、部品吸着ノズル１０３により部品供給部１０１から部品１０４を取り出す際、僅かの位置ずれで取り出しミスをするという恐れもある。このため、部品ノズル１０３の吸着面の位置を正確に知ることが微小チップ部品を実装するために極めて重要になる。
【０００７】
また、部品吸着ノズル１０３に吸着保持した部品１０４の状態を正確に知ることも重要であるため、光学認識装置１０６でこの部品１０４を認識する。この方式として、一般的に部品１０４に直接照射し部品１０４の反射光により部品の状態を認識する反射方式と、部品１０４の後側から照光し、部品１０４の外形のシルエットを認識する透過方式がある。前記のように部品１０４よりも部品吸着ノズル１０３の吸着面の面積の方が大きい場合は、透過方式では認識できず、反射方式で部品１０４を認識することになる。このような認識条件のため、部品１０４を保持している部品吸着ノズル１０３の吸着面が反射すると、部品１０４の反射光との判別ができなくなり、結局部品の状態を認識できないことになる。
【０００８】
そこで、本発明は、部品吸着ノズルの基準位置（例えば、吸着面の中心などの特定位置）を正確に認識できる実装装置用部品吸着ノズル及び該部品吸着ノズルを備えた部品実装装置並びに部品吸着ノズルの認識方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は、部品実装装置の部品搬送ヘッドに装着される部品吸着ノズルであって、部品を吸引して保持する吸着面と、光学的に認識可能な被認識部とを有し、被認識部は該被認識部から吸着面の特定位置を求めることができる状態に設けられている部品吸着ノズルを提供する。この部品吸着ノズルにおいて、被認識部は吸着面に対向する方向から認識できる場所に配置することが好ましい。また、被認識部は光を反射する面又は発光部で形成することができる。
【００１０】
本発明ではまた、部品吸着ノズルに保持された部品を回路基板の所定実装位置に実装する部品実装装置に、部品吸着ノズルに保持された部品を認識する認識部と、前記認識部の認識結果に基づいて回路基板に対する部品の位置を補正する制御部とを有し、部品吸着ノズルは吸着面の特定位置に対応した被認識部を有する。そして、前記認識部は前記被認識部を認識して前記吸着面の特定位置を求める。また、前記制御部は前記認識部で求めた吸着面の特定位置と前記部品吸着ノズルに保持された部品の位置とを用いて、部品吸着時における前記部品に対する前記特定位置を補正し、もしくは実装時における回路基板に対する部品の位置を補正する。
【００１１】
本発明はまた、部品吸着ノズルの認識方法に関し、この方法は、吸着面に対向する方向から認識できる被認識部を備えた部品吸着ノズルを用意し、用意された部品供給ノズルを実装ヘッドに装着し、被認識部を吸着面に対向する方向から撮像し、撮像された被認識部から部品吸着面の特定位置を求めるものである。この方法の他の形態はさらに、吸着面に部品を吸着し、吸着面に吸着された部品の位置を認識し、吸着面の特定位置と吸着面に吸着された部品の位置との位置ずれを求め、位置ずれが小さくなるように部品に対する特定位置を補正し、もしくは前記部品を回路基板に実装する時の実装位置に対する部品の位置を補正することを含む。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施の形態を説明する。なお、以下に説明する複数の実施の形態において、同一の符号は同一又は類似の構成又は構成部分を示している。
【００１３】
図１（ａ）から図１（ｃ）は、部品実装装置の実装ヘッド１０に着脱自在に装着される部品吸着ノズル（以下、単に「ノズル」という。）１を示す。従来技術で説明した図１０の部品実装装置１００の主要部は本願発明に用いるものと同一であり、図１の実装ヘッド１０は図１０の実装ヘッド１０２に相当する。本願発明では、ノズルの形状、及び当該ノズルの形状を使用した部品実装装置、部品実装方法を対象としている。ノズル１は、上部に実装ヘッドとの連結部２、下部に吸着部３を有する。上部連結部２と下部吸着部３の間には、実装ヘッドへノズル１を着脱する際に着脱工具（図示せず）が差し込まれる２つのフランジ４が設けられている。吸着部３の下端部にはノズル１の中心軸５に垂直で且つ対称な吸着面６が加工されており、この吸着面６に開口する吸着孔７と連結部２の上端面８に形成された上部開口９とがノズル１の内部に形成された流路（図示せず）を介して相互に流体的に連結され、実装ヘッド１０に装着された状態で、該実装ヘッド１０から供給される吸引力によって吸着面６に実装部品が吸着されるようにしてある。
【００１４】
なお、吸着面６の大きさはノズル１が吸着する部品のサイズや重さ等によって異なり、例えば０．６ｍｍ×０．３ｍｍほどの微小部品を吸着するノズルの場合、吸着面６は０．６ｍｍ×０．５ｍｍの大きさに加工される。
【００１５】
図１（ｂ）に示すように、吸着部３の外形は、先端の四角形吸着面６から上方に向かって順次形成された複数の部分で形成されている。具体的に、本実施の形態において前記複数の部分は、吸着面６から上方に向かって伸びる逆角錐台部分１１と、中心軸５を中心とする下部円筒部分１２と、中心軸５を中心として下部円筒部分１２の上端から半径方向外側に向かって拡大された環状部分１３と、中心軸５を中心とし且つ環状部分１３よりも小径の上部円筒部分１４とを含む。
【００１６】
環状部分１３の下面（被認識部）１５は、認識装置からノズル１に向けて照射される光を良好に反射する反射面としてある。他方、環状部分１３の下面１５を除く吸着部３の外周面（吸着面６を含む。）は非反射面としてある。これらの反射面と非反射面は、例えば、ノズル１の全面又は吸着部３の全面に黒色クロムめっきを施して反射防止膜を形成した後、環状部分１３の下面１５を研磨して金属反射面に仕上げして形成される。または、黒色クロムめっきの後、環状部分１３の下面１５に反射材料を塗装するか、金属などの反射性の材料からなるリングを接着等により固定することで被認識部を形成してもよい。あるいは前記研磨の代わりに下面１５に別途金属メッキなどの光輝処理を施してもよい。
【００１７】
なお、図１（ａ）、（ｂ）に示す例では、被認識部が環状に形成されているが、環状の一部として形成されていてもよい。また、図示の例では吸着面６から下面１５までの距離は３．６ｍｍに形成されているが、この距離は、部品認識の際に下面１５からの反射が部品認識の障害とならず、かつ下面１５を認識する際に下降するノズル１が他の機材と干渉することがない適切な距離に設定される。
【００１８】
このように構成されたノズル１は、図１（ａ）に示すように、実装ヘッド１０のノズルホルダ１６に保持される。ノズルホルダ１６は、所定の垂直軸１７を中心として回転自在に支持される。したがって、ノズルホルダ１６に保持されたノズル１は、垂直軸１７を中心として回転する。
【００１９】
実装ヘッド１０に保持されたノズル１について、吸着面６の特定位置、例えば中心１８（中心軸５が吸着面６に交叉する位置）が計測される。この計測において、図２（ａ）に示すように、ノズル１を装着した実装ヘッド１０は、認識装置１９の視準軸（光軸）２０上に送られる。図２（ｃ）に示すように、認識装置１９は、ノズル１を照明装置２９を使用して下方から照明し、環状部分１３の下面（反射面）１５から反射された光の像（下面１５の像）を撮像する。認識装置１９又は制御装置３０は、画像中に含まれる環状部分１３の像（特に、環状部分１３の外縁形状又は内縁形状若しくは双方）から該環状部分１３の中心、すなわち吸着面６の中心１８（制御基準位置、図１（ｃ）参照）を求める。この際、環状部分１３の中心をもって吸着面６の中心１８を求めることから、環状部分１３と吸着面６との同心度は厳しく管理されており、例えば当該同心度は０．０２ｍｍ以下になるよう管理される。
【００２０】
また、実装ヘッド１０の垂直軸１７を中心としてノズルホルダ１６を回転し、この回転中に撮影された環状部分１３の複数の像から、認識装置１９又は制御装置３０が垂直軸１７の位置を求める。なお、垂直軸１７の検出にはノズル１と同一形状のダミーノズルを用いてもよい。図３は、撮影された画像上における視準軸２０、吸着面中心１８（中心軸５）、実装ヘッド垂直軸１７の一例を示しており、これら垂直軸１７、吸着面中心１８、視準軸２０の位置関係を示すデータは、認識装置１９又は制御装置の記憶部に記憶され、部品実装時に利用される
【００２１】
実際に部品を回路基板に実装する場合、吸着面６に部品２１を吸着したノズル１及び実装ヘッド１０は、図２（ｂ）に示すように、認識装置１９の上方に送られる。なお、図２（ａ）、（ｂ）は、下面１５を認識する場合（図２（ａ））と、部品２１の吸着状態を認識する場合（図２（ｂ））との間におけるノズル１の高さの差が分かるよう、両者を対比した図としている。部品２１は、光を反射する表面部分を有している。認識装置１９は、ノズル１及び該ノズル１に保持された部品２１を、図２（ｄ）に示すように、照明装置１９を使用して下方から照明し、部品２１からの反射光を撮影して部品２１の位置を認識する。
【００２２】
図２（ａ）〜（ｄ）を参照して分かるように、認識装置１９の焦点には、認識すべき対象が位置するように配置されている。例えば吸着面６の中心１８認識時には環状部分１３が認識装置１９の焦点に一致するよう（図２（ａ）、（ｃ））、また部品認識時には部品２１が認識装置１９の焦点に一致するよう（図２（ｂ）、（ｄ））、認識装置１９からノズル１までの距離が変更される。図示のように、部品認識時（図２（ｂ）、（ｄ））においては、下面１５が認識装置１９の焦点から外れるため、部品認識の障害となることはない。また、下面１５以外のノズル１表面は非反射面となっているため、その他の部分も部品認識の障害となることはない。
【００２３】
次に、認識装置１９又は制御装置３０は、図４に示すように吸着面６（吸着面中心１８）に対する部品２１の位置ずれ２３（吸着面６に対する部品２１の水平方向のずれと角度のずれの両方を含む）を求める。続いて、認識装置１９又は制御装置３０は、今回求めた位置ずれ２３と、図３に示す実装ヘッド１０の垂直軸１７（ノズル１の回転中心１７）と吸着面６の中心１８との位置ずれ２４とをもとに、実装ヘッド１０の移動量又は回転角若しくは双方の位置を補正し、実装ヘッド１０が回路基板の所定の実装位置に部品２１を実装する。
【００２４】
このように、本実施の形態では、吸着面の見做し中心ではなく、吸着面６の実際の位置を求めている。また、吸着面６の実際の位置をもとに、部品２１の位置ずれを補正しているので、部品２１を回路基板の目的の位置に正確に実装できる。さらに、吸着面６の実際の位置をもとに、部品供給部において吸着面６の中心１８に部品２１を吸着できる。そのため、吸着面６に対する部品２１の位置ずれが小さくなり、その後の補正量が減少する。したがって、回路基板に既に実装されている部品と新たに実装される部品との間に十分な距離が無い場合でも、既に実装されている部品にノズルが接触することがない。換言すれば、部品吸着時における吸着率を高め、実装時における実装率を高め、そして回路基板への高密度の部品実装を可能にする。
【００２５】
上述のノズル認識や部品認識において、認識装置１９でノズル１、部品２１を認識する際、これらノズル１、部品２１は認識装置１９の視野内で停止する必要はなく、単にその視野内を通過するだけもでよい。
【００２６】
また、上述の実施の形態では、環状部分１３の環状下面１５を被認識部として利用したが、被認識部は環状面に限るものでなく、その形から吸着面６の中心を特定できるものであればいかなる形のものであってもよい。例えば、被認識部として、複数の小さな点状反射面、所定の長さの直線状又は曲線状若しくは弧状反射面、他の形状（例えば、四角形）の環状反射面が利用可能である。
【００２７】
被認識部を設ける場所も、環状部分１３に限るものでなく、ノズル１をその下面から撮影して得られた画像から吸着面６の中心１８を特定できる場所であれば、いかなる場所であってもよい。例えば、図５に示すように、ノズル１の吸着面６に開口する吸着孔７の内部に、吸着面６から所定の深さだけ後退した部分に複数の点状反射面２５を形成し、これらの反射面２５を被認識部として利用してもよい。これらの点状反射面２５は、黒色クロムめっきされた吸着面６を放電加工等によって彫り込んで形成することができる。
【００２８】
また、図６に示すように、吸着面６、又はノズル１をその下面から撮影して得られた画像に現れるノズル部分に点状又は線状の発光部２６を設け、これらを被認識部として利用してもよい。これらの発光部２６は、それ自体が光を発する発光素子であってもよいし、離れた場所に置かれた光源からの光を光ファイバなどを用いて導光する通路の発光端部であってもよい。
【００２９】
さらに、図７に示すように、ノズル１の少なくとも吸着部３を透光性の材料（プラスチックなど）で形成すると共に、吸着面６を形成する部材の表面に、光を吸収する非透光部分２７と光を透過する一つ線状等又は複数の点状等の透光部分（被認識部）２８とを形成し、その透光部分２８から出射される光を認識装置１９で認識することによって吸着面６の中心を求めてもよい。なお、被認識部を吸着面６又はその近傍に設けた場合、被認識部の認識時と部品の認識時とで、認識装置１９に対する実装ヘッド１０の高さを調整する必要がない。部品認識を行う際には照明を切ることで被認識部が認識動作に障害を与えることがない。
【００３０】
部品吸着時に部品２１に対して吸着面６の位置がずれていた場合、その位置ずれは種々の方法により解消できる。例えば、図８に示すように、ある部品吸着時、吸着面６の中心１８と吸着された部品の位置（部品吸着位置）２２との間に、直交する２方向（Ｘ方向とＹ方向）にｘ、ｙの位置ずれが認められたとする。この場合、次回の部品吸着前に、吸着面中心１８の座標を、Ｘ、Ｙ方向に関して、吸着面中心１８と部品吸着位置２２との位置ずれを小さくする方向にΔｘ、Δｙだけ補正する。補正量Δｘ、Δｙは、位置ずれｘ、ｙに適当な補正係数（例えば、０．１）を乗じて得られる。また、位置ずれｘ、ｙの値は測定ごとに変動し得る。そのため、複数回の測定から位置ずれの平均値を求め、その平均値に補正係数を乗じて補正量を求めてもよい。そして、そのような補正を行うことで、部品吸着及び実装の精度が向上し、回路基板の所定位置に正確に部品を実装することができる。
【００３１】
図９は、本実施の形態にかかる部品吸着ノズルの認識方法のフローチャートを示している。図において、まず＃１で、ダミーノズルを使用してノズルの回転中心を測定する。次に＃２で実装ヘッドにノズルを装填し、＃３で当該ノズルの吸着面の中心（特定位置）を測定した後、＃４で部品を吸着する。＃５で吸着した部品の位置ずれ量の測定が開始され、＃６で実装ヘッドが移動して各ノズル（実装ヘッドに複数のノズルを装填する場合）に対して認識動作が行われ（＃７）、＃８で吸着ずれ量が算出される。その結果に基づいて＃９で所定の補正内容（使用される補正係数など）に基づいて補正量測定がされ、＃１０で次に部品の吸着に対して補正量が更新される。以下、＃４の部品吸着に戻り、この手順が繰り返される。
【００３２】
以上、本発明に係る部品吸着ノズル、部品吸着ノズルの認識方法について述べてきたが、従来、吸着される部品のサイズが部品吸着ノズルの吸着面のサイズよりも大きいのが普通であることから、透過式の認識（認識装置に対向する側から照明し、認識装置で部品をシルエット状に認識する）が行われていた。この場合には部品吸着ノズル１に非反射処理は施されていないため、吸着面の認識が可能であった。近年、部品が吸着面のサイズ以下に微小化して前記の透過式の認識ができなくなり、反射式の認識が行われるようになったことに伴って部品吸着ノズル１へ非反射処理が施されるようになり、これによって吸着面の認識ができなくなっていた。したがって、本発明は、特に微小部品の吸着に使用される部品吸着ノズルに対して適用されることが特に有利であるが、但し、大型部品に使用される部品吸着ノズルに対しても同様な適用は可能である。
【００３３】
また、以上の説明では、吸着面６に部品を吸着しない状態で吸着面中心位置を求めたが、認識装置１９で被認識部の一部でも認識して吸着面中心位置を求めることができる限り、吸着面６に部品を吸着した状態で吸着面中心位置を求めてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば部品吸着ノズルにおける吸着面の実際の位置が正確に認識できると共に、認識された正確な吸着面の位置を用いて部品の吸着及び実装が行われるので、回路形成体上の所定位置に正確に部品を実装できる。これにより、部品吸着時における吸着率、及び部品実装時における実装率を高めることができ、また吸着面と既実装部品との干渉による障害を排除することができ、部品実装の生産効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施の形態の部品吸着ノズルの正面図〔図１（ａ）〕、図１（ａ）に示すノズルの先端拡大斜視図〔図１（ｂ）〕と拡大底面図〔図１（ｃ）〕である。
【図２】 図１に示す部品吸着ノズルの被認識部と該部品吸着ノズルに保持された部品を認識する処理を説明するための斜視図である。
【図３】 実装ヘッドの回転中心、吸着面の中心、認識装置の視準軸との関係を模式的に示す説明図である。
【図４】 部品吸着ノズルとこれに保持された部品を示す拡大底面図である。
【図５】 部品吸着ノズルに設けた被認識部の他の形態を示すノズルの先端拡大正面図〔図５（ａ）〕と拡大底面図〔図５（ｂ）〕である。
【図６】 部品吸着ノズルに設けた被認識部の他の形態を示すノズルの先端拡大底面図である。
【図７】 部品吸着ノズルに設けた被認識部の他の形態を示すノズルの先端拡大底面図である。
【図８】 認識された吸着面中心の位置ずれを補正する方法を説明する説明図である。
【図９】 本発明に係る実施の形態の部品吸着ノズルの認識方法を示すスローチャートである。
【図１０】 部品実装装置の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１：部品吸着ノズル
３：吸着部
５：中心軸
６：吸着面
７：吸着孔
１５：被認識部
１８：吸着面中心
１９：認識装置

Claims (2)

1. 部品実装装置の実装ヘッドに装着される部品吸着ノズルであって、
   部品を吸着して保持する吸着面と、
   光学的に認識可能な被認識部とを有し、
   前記吸着面は光を反射しない非反射面であり、これにより前記吸着面に保持された部品に照射した光が反射して当該部品形状が認識されるよう形成され、
   前記被認識部は、前記吸着面以外の箇所に位置した光を反射する反射面から形成され、
   前記被認識部は、該被認識部から前記吸着面の特定位置を求めることができる状態に設けられ、
   前記被認識部は、前記特定位置と同心状に環状に形成されていることを特徴とする部品吸着ノズル。
2. 部品吸着ノズルに保持された部品を回路基板の実装位置に実装する部品実装装置であって、
   前記部品実装装置は、
   前記部品吸着ノズルに保持された部品を認識する認識部と、
   前記認識部の認識結果に基づいて前記回路基板に対する部品の位置を補正する制御部とを有し、
   前記部品吸着ノズルは吸着面の特定位置に対応した被認識部を有し、
   前記認識部は前記被認識部を認識して前記吸着面の特定位置を求めるよう形成され、
   前記制御部は前記認識部で求めた前記吸着面の特定位置と前記部品吸着ノズルに保持された部品の位置とを用いて、部品吸着時における前記部品に対する前記特定位置を補正し、もしくは実装時における前記回路基板に対する部品の位置を補正するよう形成され、
   前記部品吸着ノズルが請求項１に記載の部品吸着ノズルであることを特徴とする部品実装装置。

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