JP4309221B2 - 電子部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品実装装置、更に詳細には、電子部品をプリント基板または液晶やディスプレイパネル基板などに自動的に実装する電子部品実装装置に関するものである。

従来より、前後左右に移動することができる搭載ヘッドに、上下方向に駆動できるＺ軸を備えて、この搭載ヘッドにより電子部品をプリント基板に自動で搭載する電子部品実装装置がある。そして、この搭載ヘッドが持つＺ軸下部には、電子部品を吸着させるために各電子部品の種類やサイズに対応する吸着ノズルが装着される。吸着ノズルには様々な種類があり、電子部品を吸着ノズルで吸着して移動させる際、その電子部品に適した吸着ノズルが搭載ヘッドに装着される。適していない吸着ノズルが装着されていると、良好な電子部品の吸着が保証されなくなり、電子部品をプリント基板上の所定位置に正確に搭載する搭載精度に悪影響を及ぼす可能性がでてくる。

このため、プリント基板の生産動作開始前に、これから使用する生産プログラムに書きこまれている数種類の吸着ノズルがノズル交換機（吸着ノズルを収納するもの）の所定の位置にセットされ、生産前に検査を実施することにより、生産中の吸着や搭載ミスを減少させている。

例えば、特許文献１では、ノズルの自動交換を行なうため、ノズル毎に異なる形状や個数のマークを形成し、マークの形状や個数を認識することでノズル種類の識別を行ない最適なノズルを搭載ヘッドに装着している。
特開２００２−２８０７９８号公報（図１）

しかしながら、特許文献１に示すような方式では、吸着ノズルの種類を認識するために、ノズル本体に、ノズルを識別できる固有のマークを形成し、その形状や数によりノズルの識別を行なっている。このため、ノズル種が増大するに連れてマーク形状の変更や配置が煩雑となり、製造コストを増大させてしまうという問題や、ノズル種を識別するための認識プログラムが複雑化するという問題があった。

従って、本発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、簡単な構成でしかも簡単な認識アルゴリズムで、搭載ヘッドに装着された吸着ノズルの種類を認識することが可能な電子部品実装装置を提供することを課題とする。

また、本発明（請求項１）は、
吸着ノズルにより吸着された電子部品を回路基板に実装する電子部品実装装置において、
種類ごとに異なる色で着色された吸着ノズルと、
前記吸着ノズルの着色された部分に異なる色の照明光を順次切り替えて照射する照明手段と、
前記着色された部分からの反射光を受光する受光器と、
吸着ノズルの種類ごとに付与された色情報を吸着ノズルの種類に対応させて記憶する記憶装置と、
前記受光器の信号に基づき着色された部分の色を識別し、記憶されている色情報から前記吸着ノズルの種類を認識する認識手段と、
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、吸着ノズルに多種の色情報を付すことができ、この色情報が簡単な構成で、しかも簡単なシステムで認識できるため、吸着ノズルの種類を認識する認識プログラムの作成が容易となり、装置製造コストを低減でき、また、認識時間を短縮して、基板生産効率を向上させることができる。

本発明は、吸着ノズルに色情報を付し、これを認識装置で認識して吸着ノズルの種類を認識するもので、以下図面に示す実施例に基づき本発明を詳細に説明する。

図１は、本発明の１実施例を示す電子部品実装装置の構成図である。符号１で示すものは、搭載ヘッドであり、後述のようにそれぞれ電子部品（以下、部品と略す）を吸着保持する複数の吸着ノズルを備えている。搭載ヘッド１は、Ｘ軸方向に移動できるようにＸ軸ガントリ２に取付けられており、Ｘ軸ガントリ２は、Ｙ軸方向に移動できるように、Ｙ軸ガントリ３に取付けられている。また、回路基板（以下、基板と略す）５に実装する部品を供給する電子部品供給装置４が電子部品実装装置の前面に配置されている。さらに、電子部品の吸着位置ずれ（吸着ノズルの中心位置と吸着した部品の中心位置との位置ずれ）と吸着角度ずれ（傾き）を検出するために、部品を撮像するカラーＣＣＤからなる認識カメラ（撮像手段）６が、電子部品供給装置４と基板５間に配置される。この認識カメラ６は、さらに吸着ノズルに付された色を識別するために、吸着ノズルを下方部からカラー撮像する。また、吸着する部品のサイズや形状に応じて、搭載ヘッド１の吸着ノズルを交換するためのノズル交換機７が装置本体に設けられており、このノズル交換機７内には複数種のノズルが保管、管理されている。

図２は搭載ヘッド１の構造を詳細に示している。搭載ヘッド１は、その基台１ａが図１のＸ軸ガントリ２に取り付けられＸ軸駆動機構によりＸ軸方向に移動可能となっている。搭載ヘッド１は、部品を真空吸着する吸着ノズル８を複数備え、夫々の吸着ノズルのノズル軸（吸着軸）を中心に吸着ノズルを回転させるθ軸回転機構９と、吸着ノズルを上下方向に駆動するＺ軸駆動機構１０が基台１ａに取り付けられている。各吸着ノズル８のθ軸回転機構９とＺ軸駆動機構１０は、互いに独立しており他のノズルの動作に関係なく、回転または昇降動作が可能となっている。

ノズル交換機７内に収納されている吸着ノズル８は、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、その円錐柱部８’の周面全体が、認識カメラ６が感度を有する色で着色されたり、あるいは図５（ａ）、（ｂ）に示すように、円錐柱部８’の周面が３つの面８ａ、８ｂ、８ｃに分割され、各面が、認識カメラ６の感度を有する色、例えば面８ａは赤色で、面８ｂは緑色で、面８ｃは青色でそれぞれ着色されている。

図３は電子部品実装装置の制御系の構成を示している。２０は、装置全体を制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭなどからなるコントローラ（制御手段）であり、これに以下の２１〜３２の構成が接続され、それぞれを制御している。

Ｘ軸モータ２１は、搭載ヘッド１のＸ軸駆動機構（不図示）の駆動源で、搭載ヘッド１をＸ軸ガントリ２に沿ってＸ軸方向に移動させ、また、Ｙ軸モータ２２は、搭載ヘッド１のＹ軸駆動機構（不図示）の駆動源で、Ｘ軸ガントリ２をＹ軸ガントリ３に沿ってＹ軸方向に駆動し、それにより搭載ヘッド１はＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。

Ｚ軸モータ２３は、吸着ノズル８を昇降させるＺ軸駆動機構１０の駆動源で、吸着ノズル８をＺ軸方向（高さ方向）に昇降させる。また、θ軸モータ２４は、吸着ノズル８のθ軸回転機構９の駆動源で、吸着ノズル８をそのノズル中心軸（吸着軸）を中心にして回転させる。なお、図３では、Ｚ軸モータ２３とθ軸モータ２４は、１個しか図示されていないが、装着される吸着ノズルの数（図２の例では４個）だけ設けられる。

バキューム機構３２は真空を発生し、不図示のバキュームスイッチを介して各吸着ノズル８に真空の負圧を発生させる。

認識装置（認識手段）２７は、吸着ノズル８のそれぞれに吸着された部品１２の画像認識を行うもので、Ａ／Ｄ変換器２７ａ、メモリ２７ｂ及びＣＰＵ２７ｃから構成される。そして、吸着された部品１２を撮像した認識カメラ６から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器２７ａによりデジタル信号に変換してメモリ２７ｂに格納し、ＣＰＵ２７ｃがその画像データに基づいて吸着された部品１２の吸着位置ずれ量と吸着角度ずれ量を算出する。また、認識装置２７は、認識カメラ６で撮像された吸着ノズルの着色部分８’の下方部からのカラー画像を取り込んで、吸着ノズル８の種類やその装着状態を認識する。

キーボード２８とマウス２９は部品データなどのデータを入力するために用いられる。また、記憶装置３０は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード２８とマウス２９により入力された部品データ、あるいは不図示のホストコンピュータから供給される部品データを格納するのに用いられる。また、記憶装置３０には、吸着ノズルの種類ごとに異なる色で着色された部分が何色であるかの色情報が吸着ノズルの種類に対応させて記憶されている。

モニタ（表示装置）３１は、部品データ、演算データ、及び認識カメラ６で撮像した部品１２の画像などを表示する。

なお、図３は、制御系の構成を示す図なので、各要素の配置は必ずしも、実際のものとは一致しておらず、例えば、吸着ノズル８は一つしか図示されていない。

次に、以上の構成において部品の吸着から画像認識を行なって基板に搭載するまでの動作について説明する。以下の動作はコントローラ２０の制御の元に行われる。

まず、Ｘ軸モータ２１とＹ軸モータ２２を駆動することにより、搭載ヘッド１を電子部品供給装置４の上方に移動させ、続いて、一つあるいは複数の吸着ノズル８をＺ軸モータ２３を駆動することにより下降させる。また、バキューム機構３２により真空を発生させて、電子部品供給装置４にある部品を、吸着ノズル８により吸着保持する。この時、部品の吸着は電子部品供給装置４からの供給状況によって複数ノズルにより同時に、若しくは順次に行われる。

部品吸着が完了すると、搭載ヘッド１が認識カメラ６の上方へと移動し、各複数ノズルにより吸着された部品が撮像され、その画像信号が認識装置２７に送信される。認識装置２７は、その画像をメモリ２７ｂに取り込んで、公知のアルゴリズムで部品の画像認識を行い、部品の吸着位置ずれ（吸着ノズルの中心位置と吸着した部品の中心位置との位置ずれ）と吸着角度ずれ（傾き）を算出し、そのデータが記憶装置３０、コントローラ２０のＲＡＭなどに記憶される。

搭載ヘッド１が基板位置に移動すると、各吸着ノズル８で吸着された部品の基板への搭載が行われる。吸着ノズルで吸着された部品は、その搭載位置に到達したら、その吸着ノズルで吸着した部品について算出しておいた吸着位置ずれ並びに角度ずれを、Ｘ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２２、θ軸モータ２４を微小駆動することにより、それぞれ補正し、その後、吸着ノズルを下降させ、そのバキュームスイッチを切り、負圧を解除して部品を基板上に搭載した後、吸着ノズルを上昇させる。同様に、他の吸着ノズルで吸着された部品が、それぞれ位置ずれ、角度ずれを補正して基板上の所定位置に搭載される。

このような部品搭載時に、搭載部品のサイズや形状が変更される場合には、Ｘ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２２を駆動して搭載ヘッド１をノズル交換機７まで移動し、当該部品に最適な吸着ノズルを選択しその吸着ノズルへの交換が行われる。最適な吸着ノズルへの交換が行われると、搭載ヘッド１が認識カメラ６へ移動され、吸着ノズル８の着色された部分８’が下方からカラーで撮像される。

撮像された吸着ノズルの着色部分のカラー画像は、認識装置２７に入力され、デジタル画像に変換された後メモリ２７ｂに格納される。認識装置２７のＣＰＵ２７ｃは、メモリ２７ｂに格納された画像から、認識カメラ６のカラーＣＣＤ（原色系のＣＣＤ）のピクセルごとのＲ（赤色）信号値の総和、Ｇ（緑色）信号値の総和、Ｂ（青色）信号値の総和を比較することにより、着色部分が何色で着色されているかを識別する。例えば、Ｒ信号値の総和が所定のしきい値以上で、他の信号値の総和がほぼ０であると、図４の吸着ノズル８の円錐柱部の周面８’が赤色で着色さていると識別し、Ｇ信号値の総和が所定のしきい値以上で、他の信号値の総和がほぼ０であると、緑色に、またＢ信号値の総和が所定のしきい値以上で他の信号値の総和がほぼ０であると、青色に着色されていると識別する。また、ＲＧＢの各信号値の総和がどのような比率になっているかで、中間色も識別することができる。

記憶装置３０には、吸着ノズルの種類に応じて付与された着色部分の色情報が吸着ノズルの種類に対応させてデータベース化されて記憶されているので、認識装置２７は、識別された色に対応する吸着ノズルの種類を取得することにより吸着ノズルの種類を認識する。

なお、色の識別を向上させるために、適当な方法で着色部分８’以外の部分の画像をマスキングし、Ｓ／Ｎ比を高めるようにするのが好ましい。

また、上記ＲＧＢの信号値の総和は、着色部分の画像をメモリ２７ｂに格納してから求めるのではなく、認識カメラ６から認識装置２７に画像を取り込むときに、リアルタイムに求めるようにしてもよい。

また、認識した吸着ノズルの種類が、これから搭載される部品に適した吸着ノズルである場合には、上記のように、部品吸着を開始し、また、適した吸着ノズルでない場合には、再び、搭載ヘッド１をノズル交換機７に移動させて、適した吸着ノズルに交換し、上記と同様な吸着ノズルの認識を行って、その適否を再検査する。

また、図５（ａ）、（ｂ）に示したように、吸着ノズル８が単色ではなく、複数色（赤、緑、青）で着色されている場合には、搭載ヘッドにおける吸着ノズルの装着状態、特に、吸着ノズルのノズル軸を中心とする取り付け回転角度（装着角度）を認識することができる。すなわち、ＲＧＢの信号値が顕著に変化するピクセル位置を取得することにより、異なる色の領域８ａ、８ｂ、８ｃの境界線８ｄ、８ｅ、８ｆのピクセル位置を求めることができるので、その境界線の傾きを求めることができる。従って、これを基準角度と比較することにより、吸着ノズルの基準角度に対する装着角度を求めることができる。

吸着ノズルの装着角度が演算できる場合には、電子部品供給装置４で部品を吸着する際、θ軸モータ２４を駆動して吸着ノズル８の装着角度を補正し、吸着ノズルを部品吸着に最適なθ角度に調整を行なった上で、部品の吸着を行なう。更に、部品種の変更などによりノズル交換が必要となった際には、上記で得た装着角度を元に、θ軸モータ２４を駆動し、吸着ノズル８をノズル交換機７への格納に適した角度に調整した上で、吸着ノズルの格納、交換を実施する。

なお、搭載ヘッド１には、図２に示すように、複数のノズルが装着されているので、搭載ヘッド１を認識カメラ６上で移動させることにより、各吸着ノズルを順次撮像して、他の吸着ノズルに関しても、同様に吸着ノズルの種類を認識するようにする。

図６は、吸着ノズルに付された色情報を検出する他の実施例を示す図である。この実施例では、吸着ノズルを認識カメラ６で撮像する代わりに、図６に示すように、吸着ノズル８の側方で、搭載ヘッド１上に搭載された吸着ノズル８を検出装置１１により認識する。検出装置１１は、照明手段１３と、受光器１４からなり、照明手段１３は、赤色（Ｒ）の照明光を発生する光源１３ａ、緑色（Ｇ）の照明光を発生する光源１３ｂ、青色（Ｂ）の照明光を発生する光源１３ｃを有し、図７に示すように、コントローラ２０により制御される光源点灯回路２５により光源１３ａ、１３ｂ、１３ｃが順次所定時間だけ点灯され、ＲＧＢ三色の照明光が時間差を持たせて発生される。各色の照明光は、吸着ノズル８の着色された部分８’に照射され、着色された部分８’からの反射光が受光器１４で受光され、その信号値が認識装置２７に入力される。

また、搭載ヘッドの複数の吸着ノズルを認識するために、検出装置１１は、図７に示したように、検出装置駆動機構（不図示）の駆動モータ２６により吸着ノズル８の並び方向に移動される。

その他の構成は、実施例１と同様である。

このような構成において、吸着ノズル８が搭載ヘッドに装着されたら、駆動モータ２６を駆動して検出装置１１を吸着ノズル８に移動させ、光源点灯回路２５により光源１３ａ、１３ｂ、１３ｃを順次所定時間点灯する。それにより、図８に示したように、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の照明光が順次発生され、吸着ノズル８の着色部分８’に照射される。受光器１４のスペクトル感度が、赤、緑、青の領域で同じであると仮定して、例えば、吸着ノズルの着色部分が緑色に着色されている場合には、光源１３ｂを点灯して緑色の照明光を照射したときに最も反射光量が多くなり、受光器１４は、大きな出力値を認識装置２７に送信する。従って、認識装置２７は、吸着ノズルが、光源１３ｂの照明光と同色の緑色に着色されていることを識別する。この色情報を元に記憶装置３０に格納されているデータベースにアクセスして、その緑色の色情報に係る吸着ノズルの種類を取得して、吸着ノズルの種類を認識する。

この実施例の場合も、各光源１３ａ、１３ｂ、１３ｃを順次切り替えて点灯させたとき、それぞれ受光器１３から得られる信号値を比較することにより、中間色も識別できるので、実施例１と同様に、吸着ノズルが何色で着色されているかを識別でき、データベースとして記憶されている色情報から吸着ノズルの種類を識別することができる。

なお、搭載ヘッド１には、図２に示すように、複数のノズルが装着されているので、検出装置１１を吸着ノズル８の並びの方向（Ｘ軸方向）に移動して、他の吸着ノズルの種類を同様に認識する。

他の実施例

認識カメラ６は、図１に示したように、実装装置本体に固定する固定型、搭載ヘッドに搭載される搭載型、若しくはその他の方式があるが、いずれのタイプでも同様な効果が得られる。

吸着ノズルの種類、その装着角度の認識は、ノズルの交換前後のみでなく、実動時間や部品の吸着・搭載回数などによって定められる一定間隔毎や、吸着や搭載エラーの発生頻度に応じて行なうようにしてもよい。

本発明の電子部品実装装置の全体の構成を概略示す斜視図である。 搭載ヘッドの詳細な構成を示した斜視図である。 電子部品実装装置の制御系の構成を示すブロック図である。 （ａ）は、周面が単色で着色された吸着ノズルの斜視図、（ｂ）はその底面図である。 （ａ）は、周面が複数色で着色された吸着ノズルの斜視図、（ｂ）はその底面図である。 吸着ノズルの色情報を識別する検出装置の構成を示した構成図である。 実施例２の制御系の構成を示すブロック図である。 吸着ノズルに付した色情報を識別する方法を示したタイミング図である。

符号の説明

１ 搭載ヘッド
６ 認識カメラ
７ ノズル交換機
８ 吸着ノズル
８’ 吸着ノズルの着色部分
１１ 検出装置
１２ 電子部品
１３ 照明手段
１４ 受光器

Claims (2)

1. 吸着ノズルにより吸着された電子部品を回路基板に実装する電子部品実装装置において、
   種類ごとに異なる色で着色された吸着ノズルと、
   前記吸着ノズルの着色された部分に異なる色の照明光を順次切り替えて照射する照明手段と、
   前記着色された部分からの反射光を受光する受光器と、
   吸着ノズルの種類ごとに付与された色情報を吸着ノズルの種類に対応させて記憶する記憶装置と、
   前記受光器の信号に基づき着色された部分の色を識別し、記憶されている色情報から前記吸着ノズルの種類を認識する認識手段と、
   を備えたことを特徴とする電子部品実装装置。
2. 搭載ヘッドに複数の前記吸着ノズルが備えられており、該複数の吸着ノズルと前記照明手段並びに前記受光器とが該複数の吸着ノズルの並び方向に相対的に移動されて、各吸着ノズルごとに前記認識が行われることを特徴とする請求項１に記載の電子部品実装装置。

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