JP4973294B2 - 部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品の３次元形状を計測する３次元形状計測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、搭載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。
２００４−２３５６７１号公報

上述のような３次元センサにおいては、レーザ光源によって発生された計測用の光は、複数の反射ミラーやレンズより構成される複雑な光学回路を経由して電子部品の計測対象面に照射される。このため、このような光学回路を構成する各部の部品精度や組付け精度に誤差があると、計測精度に大きな影響を及ぼす。特に、正しい３次元形状データを取得するためには、計測対象面に走査光を予め設定された所定の入射方向から正しく入射させることが求められるが、前述の誤差が存在する場合には走査光は正規の入射方向からずれた状態で計測対象面に入射し、この結果ＰＳＤの受光位置に誤差を生じる結果となる。そしてこのような誤差は、装置稼動時間の経過に伴う経時変化によっても生じることが知られている。このように従来の３次元形状計測においては、光学回路を構成する各部の部品精度や組付け精度などの誤差に起因する走査光の入射方向のずれによって、正しい３次元形状データを取得す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、正しい３次元形状データを取得することができる３次元形状計測装置を用いた部品実装装置を提供することを目的とする。

本発明の部品実装装置は、部品供給部から搭載ヘッドによって取り出した部品を基板に移送搭載する部品実装装置であって、前記搭載ヘッドを前記部品供給部と前記基板との間で移動させるヘッド移動機構と、前記ヘッド移動機構による移動経路に配設され前記搭載ヘッドに保持された部品の３次元形状を計測することにより前記部品の識別および位置検出を行う３次元形状計測装置とを備え、前記３次元形状計測装置は、前記部品に対して照射される光を発生する光発生手段と、前記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物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、前記入射方向を挟んで配置され前記走査光の前記計測対象物からの反射光を受光して受光位置を検出する１対の受光位置検出手段と、前記受光位置検出手段の受光位置検出結果に基づき前記計測対象面の３次元形状データを生成する形状データ生成手段と、前記１対の受光位置検出手段の受光位置検出結果から、前記部品実装装置を長時間継続して作動させることによる温度上昇に起因する熱変形を含む要因により前記走査光が前記所定の入射方向からずれて入射することに起因する受光位置の誤差を分離して検出し、検出された前記誤差に基づいて前記受光位置検出結果を補正する補正手段とを備え、前記補正手段が予め定められた所定のインターバルにて前記受光位置検出結果を補正する。

本発明によれば、１対の受光位置検出手段の受光位置検出結果から走査光が所定の入射方向からずれて入射することに起因する受光位置の誤差を分離して検出し、検出された誤差に基づいて受光位置検出結果を補正することにより、走査光の入射方向のずれに起因する計測誤差を排除して、正しい３次元形状データを取得することができる。

次に本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態の部品実装装置の斜視図、図２は本発明の一実施の形態の３次元形状計測装置の斜視図、図３は本発明の一実施の形態の３次元形状計測装置の部分断面図、図４は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、図５は本発明の一実施の形態の３次元形状計測方法における受光位置補正処理の説明図である。

まず図１を参照して部品実装装置の構造を説明する。部品実装装置１は、電子部品２を基板３に実装する機能を有するものであり、電子部品２は部品供給部４に並設されたテープフィーダ５に複数収納されている。テープフィーダ５に収納された電子部品２は部品供給口５ａにて搭載ヘッド９によって取り出される。搭載ヘッド９は電子部品２を吸着してピックアップするノズル６を複数備えており、これらのノズル６は搭載ヘッド９から下方に向けて昇降可能に、また軸心廻りに回転自在に構成されている。

搭載ヘッド９は直交ロボット（Ｘロボット７，Ｙロボット８）に水平移動可能に設けられており、Ｘロボット７，Ｙロボット８は、搭載ヘッド９を移動させるヘッド移動機構を構成する。基板３は基板搬送機構１０に沿って搬送方向（Ｘ方向）に水平移動可能に保持されており、基板搬送機構１０による搬送経路に設定された実装ステージに位置決めされる。部品供給部４から電子部品２を取り出した搭載ヘッド９は基板３の上方に移動し、ここで搭載ヘッド９が部品搭載動作を実行することにより、電子部品２は基板３の部品実装点に実装される。

部品供給部４と基板搬送機構１０の間の搭載ヘッド９の移動経路には３次元センサ１１（３次元形状計測装置）が配設されている。３次元センサ１１は搭載ヘッド９に保持された電子部品２の３次元形状を計測する機能を有しており、電子部品２を保持した搭載ヘッド９が３次元センサ１１の上方を所定の方向（ここではＸ方向）へ移動することにより、３次元センサ１１は電子部品２に形成されたバンプやリードなどの形状を含む３次元形状を計測する。そしてこの３次元形状の計測結果に基づいて電子部品２の種類の識別や、バンプやリードなどの形状欠陥の有無を検査するとともに、電子部品２の水平位置が検出される。搭載ヘッド９によって電子部品２を基板３に実装する際には、この位置検出結果に基づいて電子部品２の基板３に対する搭載位置の補正が行われる。

次に図２を参照して、３次元センサ１１の構造を説明する。３次元センサ１１は、計測対象物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物の３次元形状を計測する機能を有しており、ここでは搭載ヘッド９に保持された電子部品２が計測対象物となっている。図２において水平姿勢で保持されたベースプレート１２の上面には、レーザ光源１３、レンズ光学系１４、第１のミラー１５、ポリゴンミラー１６および第２のミラー１８が配設されている。レーザ光源１３は光発生手段であり、電子部品２に照射されるレーザ光を発生する。レンズ光学系１４はレーザ光源１３によって発生されたレーザ光を集光して水平方向に整形する。第１のミラー１５は、レンズ光学系１４を透過したレーザ光の方向を水平面内で変更する。ポリゴンミラー１６は第１のミラー１５によって方向が変更されたレーザ光を複数の回転ミラー面によって反射する機能を有しており、ポリゴンスキャナモータ１７によって複数の回転ミラーを垂直軸ａ廻りにｂ方向に高速回転させることにより、ポリゴンミラー１６によって方向が変更されたレーザ光は水平方向に走査される。

ポリゴンミラー１６によって走査された走査光は、略４５度の仰角で配置された第２のミラー１８によって上方に反射され、第２のミラー１８の直上に配置されたｆθレンズ１９を透過することにより、垂直上方向きの光線となって電子部品２の下面に入射する。このとき、電子部品２は搭載ヘッド９によって矢印ｄ方向（副走査方向）に規定の副走査速度で移動しており、ｆθレンズ１９を透過したレーザ光は、電子部品２の下面に対して矢印ｃ方向（主走査方向）に規定の主走査速度で走査されながら入射する。そしてこの主走査、副走査によって、計測対象物である電子部品２の下面に格子状に設定された複数の計測対象点に対して、計測用のレーザ光を入射させることが可能となっている。

したがって、ポリゴンスキャナモータ１７によって回転するポリゴンミラー１６は、レーザ光源１３によって発生されたレーザ光を主走査方向に走査させる走査手段となっており、第２のミラー１８およびｆθレンズ１９は、主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する電子部品２に対して、ポリゴンミラー１６によって走査された走査光を所定の入射方向（本実施の形態においては垂直下方）から入射させる走査光入射手段となっている。なお本実施の形態においては、Ｙ方向、Ｘ方向がそれぞれ主走査方向、副走査方向に設定されているが、部品実装装置内における搭載ヘッドの移動経路によっては、主走査方向、副走査方向を入れ替えてもよい。

電子部品２の下方において、走査光が垂直上方に入射する軌跡によって形成される平面（図２に示すハッチング部ｅ参照。以下、「垂直入射面ｅ」と略称する。）のＸ方向における両側には、１対のＰＳＤ（位置検出素子）２１Ａ、２１Ｂが、それぞれ受光面を電子部品２の下面に向けた姿勢でセンサプレート２０Ａ、２０Ｂに保持されて配設されている。ここでは、１対のＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂは、入射方向である垂直入射面ｅを挟んで、垂直入射面ｅに関して対称に配置された形態となっている。なお１対のＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂは、垂直入射面ｅに対するそれぞれのＰＳＤの配置角度が明確になっている限りにおいては、必ずしも入射方向に関して対称に配置する必要はない。

垂直入射面ｅから電子部品２に入射した走査光は斜め下方に反射され、それぞれ集光レンズ２２Ａ、２２Ｂによって集光されて、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの受光面に結像される。これにより、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂはそれぞれ結像位置と相関する電気信号を受光位置検出結果として出力する。したがってＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂは、入射方向を挟んで配置され走査光の電子部品２からの反射光を受光して受光位置を検出する１対の受光位置検出手段となっている。なおここでは受光位置検出手段としてＰＳＤを用いた例を示しているが、ＣＣＤエリアセンサやＣＭＯＳエリアセンサなど受光位置を平面的に検出可能なセンサであれば、受光位置検出手段として用いることが可能である。

図３は、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂから出力された位置検出結果によって計測対象物の３次元形状データを取得する際の高さ検出方法を示している。図３において実線で示す電子部品２の下面は、３次元センサ１１による３次元計測における基準高さ位置Ｈ０を示しており、この基準高さ位置Ｈ０にある電子部品２の下面からの反射光は、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの受光面における基準位置Ｐ０に結像する。そしてこの基準高さ位置から高さ差ΔＨだけ下方にある計測対象点からの反射光は、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂにおいてそれぞれ基準位置Ｐ０からΔＨに対応したΔＺｈだけ外側方向に変位した結像点Ｐａ，Ｐｂに結像する。なおここではＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの受光面における方向を、それぞれ外側方向を正方向、内側方向を負方向として定義している。

そして前述のように、レーザ光を電子部品２の下面において主走査、副走査させることにより、電子部品２の下面に設定された格子状の計測対象点のそれぞれにおいてＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂから出力されるΔＺｈを求めることができる。そしてそれぞれのΔＺｈをΔＨに対応させることにより、格子状の各計測対象点における高さ分布を示すデータ、すなわち３次元形状データを生成することができる。この３次元形状データの生成は、後述する３次元形状データ生成部３３によって、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの受光位置検出結果に基づき実行される。なお、計測対象物である電子部品２の下面からの反射光を１対で配置された２つのＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂによって受光する方式を採用することにより、電子部品２の下面の段差などに起因して一方側のＰＳＤによる受光が遮断された場合においても、他方側のＰＳＤに入射した反射光の受光位置によって高さ計測が行えるようになっている。

次に図４を参照して、制御系の構成を説明する。図４において、制御部３０はＣＰＵであり、記憶部３１に記憶された各種の処理プログラムを実行することにより、部品実装装置１の各部の動作や処理を制御する。記憶部３１には、前述の処理プログラムのほか、基板３を対象として部品実装動作を実行するために必要な部品データや実装位置座標などの実装データ、さらに３次元センサ１１による計測処理に必要とされるデータを記憶する。

機構駆動部３２は、基板搬送機構１０、搭載ヘッド９およびヘッド移動機構を構成するＸロボット７、Ｙロボット８を駆動する。３次元形状データ生成部３３は、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂから出力された位置検出結果によって計測対象物である電子部品２の３次元形状
データを取得する。すなわち、３次元形状データ生成部３３は、受光位置検出手段であるＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの受光位置検出結果に基づき、計測対象面の３次元形状データを生成する形状データ生成手段となっている。受光位置補正部３４は、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂから出力される受光位置検出結果の誤差、すなわち走査光が所定の入射方向からずれて入射することに起因する誤差を補正する補正手段としての機能を有している。

図５を参照して、受光位置補正部３４による受光位置検出結果の補正機能を説明する。上述のように、３次元センサ１１は、電子部品２に対して垂直入射面ｅ（図２）より入射した走査光の反射光を、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂによって受光することにより計測対象面である電子部品２の下面の高さ情報を取得する構成となっている。この構成において、良好な計測精度を確保するためには、走査光が電子部品２に対して予め設定された所定の入射方向から正確に入射する必要がある。しかしながら３次元センサ１１は前述のように、レーザ光源１３によって発生したレーザ光をレンズ光学系１４、ミラー１５を経由してポリゴンミラー１６によって走査光とし、ミラー１８およびｆθレンズ１９を介して計測対象物である電子部品２の下面に入射させる構成となっていることから、ベースプレート１２の上面における前記各部の組み付け精度や、ベースプレート１２自体の取付水平精度、さらにはレーザ光源１３を長時間継続して作動させることによる温度上昇に起因するベースプレート１２の熱変形など、各種の要因によって走査光の入射方向が正しい入射方向からずれ、図２に示す垂直入射面ｅが正しい垂直面からずれる場合が生じる。

図５は、ミラー１８によって反射されて電子部品２の下面に入射する走査光の入射方向を示す角度が、実線で示す正規の入射方向（正しい垂直入射面）から誤差Δθだけずれた場合を示している。そしてこの入射方向のずれにより、電子部品２の下面から反射されてＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの受光面における結像点が移動する。すなわちＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの受光面において、受光位置はＰＳＤ２１Ａでは−ΔＺｘ（負方向）、ＰＳＤ２１ＢではΔＺｘ（正方向）だけ変位する。ここでΔＺｘは、前述の誤差Δθに対応する受光位置の誤差である。したがって入射方向が誤差Δθだけずれることにより、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれから受光位置検出結果として出力される出力値ＨＡ、ＨＢは、ＨＡ＝ΔＺｈ−ΔＺｘ、ＨＢ＝ΔＺｈ＋ΔＺｘとなる。

換言すれば、走査光の入射方向が実線で示す正規の入射方向から誤差Δθだけずれた状態で入射していることに起因して、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの受光位置出力結果は、本来の高さ位置を示す正しい受光位置の出力値に対して、受光位置の誤差−ΔＺｘ、＋ΔＺｘだけずれた結果となる。したがって、正しい受光位置を示す出力値ΔＺｈを得るためには、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂのそれぞれの出力値に対して、ＰＳＤ２１ＡではΔＺｘを加算し、ＰＳＤ２１ＢではΔＺｘだけ減算する補正処理を行う必要がある。これにより、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂのいずれからも正しい受光位置を示す出力値ΔＺｈが得られる。

ここで受光位置の誤差ΔＺｘは、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂからそれぞれ同時に出力された出力値ＨＡ，ＨＢを用いて、ΔＺｘ＝（ＨＢ−ＨＡ）／２の計算式によって、誤差ΔＺｘのみを分離して検出することができる。そしてこのようにして検出された受光位置の誤差ΔＺｘに基づいて、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの出力値が補正される。なお本実施の形態においては、入射方向が正規の入射方向に対してΔθだけ傾いている場合についての補正を説明したが、入射方向が正規の入射方向に対して平行にずれているような場合においても、同様にずれに起因する誤差を分離して検出し、この誤差を用いてＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの出力値の補正を行うことができる。この受光位置の誤差ΔＺｘを分離して求めるための演算およびＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂの出力値の補正は、受光位置補正部３４によって実行される。

これにより、３次元センサ１１の各部の機械誤差など多様な要因によって電子部品２に
対して走査光が入射する入射方向が正しい方向からずれているような場合においても、ＰＳＤ２１Ａ、２１Ｂは常に補正された正しい出力値、すなわち計測対象点の正しい高さ情報を示す出力値を３次元形状データ生成部３３に対して出力する。したがって３次元センサ１１による３次元形状計測において、電子部品２の正しい３次元形状データを得ることができる。

すなわち本実施の形態に示す３次元センサ１１による３次元形状計測方法においては、まず光発生手段であるレーザ光源１３によって発生された光をポリゴンミラー１６によって主走査方向に走査させ、主走査方向と直交する副走査方向に相対移動する計測対象物である電子部品２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）。次いで入射方向に関して対称に配置された１対の受光位置検出手段であるＰＳＤ２１Ａ，２１Ｂによって、走査光の反射光を受光して受光位置を検出する（受光位置検出工程）。次いでＰＳＤ２１Ａ，２１Ｂの受光位置検出結果に基づき、３次元形状データ生成部３３によって電子部品２の３次元形状データを生成する（形状データ生成工程）。そしてこのようにして生成された３次元形状データに基づき、電子部品２の形状検査および水平方向の位置検出が行われ、基板３に電子部品２を実装する際にはこの位置検出結果に基づいて搭載ヘッド９による搭載位置の補正が行われる。

このように部品実装動作を実行する過程においては、予め定められた所定のインターバルにて、前述の走査光の入射方向の誤差に起因する受光位置検出結果の補正が実行される。すなわち、前述のように１対のＰＳＤ２１Ａ，２１Ｂの受光位置検出結果から、走査光が所定の入射方向からずれて入射することに起因する受光位置の誤差を分離して検出し、検出された誤差に基づいて受光位置検出結果を補正する。これにより、走査光の入射方向のずれに起因する計測誤差を排除して、正しい３次元形状データを取得することができる。

なお上記実施の形態においては、搭載ヘッド９に保持されて副走査方向に移動する電子部品２の３次元形状を３次元センサ１１によって計測する例を示しているが、本発明はこのような適用例に限定されるものではない。すなわち計測対象物としては電子部品２以外であってもよく、また計測対象物を３次元センサ１１に対して副走査方向に相対移動させる形態であれば、停止した状態の計測対象物に対して３次元センサ１１を副走査方向に相対移動させる形態であってもよい。

本発明の部品実装装置は、正しい３次元形状データを取得す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。

本発明の一実施の形態の部品実装装置の斜視図 本発明の一実施の形態の３次元形状計測装置の斜視図 本発明の一実施の形態の３次元形状計測装置の部分断面図 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３次元形状計測方法における受光位置補正処理の説明図

符号の説明

１ 部品実装装置
２ 電子部品
３ 基板
４ 部品供給部
６ 吸着ノズル
７ Ｘロボット
８ Ｙロボット
９ 搭載ヘッド
１０ 基板搬送機構
１１ ３次元センサ（３次元形状計測装置）
１３ レーザ光源
１６ ポリゴンミラー
１７ ポリゴンスキャナモータ
１８ 第２のミラー
１９ ｆθレンズ
２１Ａ、２１Ｂ ＰＳＤ

Claims (1)

1. 部品供給部から搭載ヘッドによって取り出した部品を基板に移送搭載する部品実装装置であって、前記搭載ヘッドを前記部品供給部と前記基板との間で移動させるヘッド移動機構と、前記ヘッド移動機構による移動経路に配設され前記搭載ヘッドに保持された部品の３次元形状を計測することにより前記部品の識別および位置検出を行う３次元形状計測装置とを備え、
   前記３次元形状計測装置は、前記部品に対して照射される光を発生する光発生手段と、前記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物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、前記入射方向を挟んで配置され前記走査光の前記計測対象物からの反射光を受光して受光位置を検出する１対の受光位置検出手段と、前記受光位置検出手段の受光位置検出結果に基づき前記計測対象面の３次元形状データを生成する形状データ生成手段と、前記１対の受光位置検出手段の受光位置検出結果から、前記部品実装装置を長時間継続して作動させることによる温度上昇に起因する熱変形を含む要因により前記走査光が前記所定の入射方向からずれて入射することに起因する受光位置の誤差を分離して検出し、検出された前記誤差に基づいて前記受光位置検出結果を補正する補正手段とを備え、前記補正手段が予め定められた所定のインターバルにて前記受光位置検出結果を補正することを特徴とする部品実装装置。

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