JP5507050B2 - ３ｄセンサ - Google Patents

Description

本発明は、高さ測定に用いる３Ｄセンサに関するものである。

実装分野においては、パッケージ部品等の接合面の状態を検査するため３Ｄセンサが広く用いられている。３Ｄセンサは、接合面に照射したレーザ光を接合面で反射させ、反射光を位置検出素子で受光することで測点の三次元位置を測定する装置であり、レーザ光を接合面に沿って一方向に走査させ、この走査方向と直交する方向に接合面が移動することで接合面全面にレーザ光を照射し、測定対象物である接合面の三次元位置を測定する（特許文献１参照）。
特開２００４−２３５６７１号公報

従来の３Ｄセンサは、複数の位置検出素子から得られた高さからデータ処理系での演算処理によって１つの高さを算出し、これを測定対象物の真の高さとして出力していた。ここでは最終的に得られた１つの高さデータのみが出力の対象となり、その高さデータを算出するために行われた演算処理の状態はデータ処理系の内部で消化され、外部に出力されることはなかった。そのため、最終的に出力された高さデータの真偽が問題になる場合に原因を分析することができず、合理的な対策をとることが困難であった。

そこで本発明は、高さ測定結果に問題があった場合の原因分析を可能にした３Ｄセンサを提供することを目的とする。

請求項１に記載の３Ｄセンサは、測定対象物にレーザ光を投射する発光素子と、測定対象物によって反射されたレーザ光を受ける複数の位置検出素子と、レーザ光を受けて各位置検出素子から出力された信号値に基づいて複数の位置検出素子ごとに測定対象物の高さを算出する高さデータ算出手段と、複数の位置検出素子ごとに算出した測定対象物の高さデータの演算処理によって算出した測定対象物の真の高さを出力する高さデータ出力手段を備え、前記高さデータ算出手段は、前記信号値を高倍または低倍に増幅する複数の増幅回路を含み、前記高さデータ出力手段が、前記測定対象物の真の高さと併せて、前記複数の位置検出素子のそれぞれから出力される信号値、およびそれぞれの信号値から真の高さを演算する過程における判断を示すフラグを出力することにより最終的に出力した高さデータは高倍または低倍のいずれの前記増幅回路を経て算出されたものなのかについての情報を出力する。

本発明の３Ｄセンサは、複数の位置検出素子から測定対象物の高さを演算する処理の状態を示すデータを、演算された測定対象物の高さと併せて出力するので、出力された高さデータの真偽が問題になる場合には、演算処理の状態を示すデータを原因分析に参照することができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の３Ｄセンサの概略構成図、図２は本発明の実施の形態の位置検出素子の配置図、図３は本発明の実施の形態の３Ｄセンサのデータ処理系のブロック図、図４は測定対象物からの反射光の光跡図である。

最初に３Ｄセンサの構成と機能について図１と図２を参照して説明する。３Ｄセンサは、１つの発光素子１と複数の位置検出素子２で構成されている。ここでは発光素子１として半導体レーザを用い、位置検出素子２として４つのＰＳＤを用いる。半導体レーザ１の光は投光レンズ３によって集光され、測定対象物４に投射される。測定対象物４から反射された光の一部は受光レンズ５に入射し、各ＰＳＤ１〜４上に結像する。反射光の結像位置は、半導体レーザ１と測定対象物４の距離、すなわち測定対象物４の高さによって異なるので、結像位置を検出することで測定対象物４の高さを測定することができる。

４つの位置検出素子２（ＰＳＤ１〜４）は、主走査方向ａおよび半導体レーザ１の光軸ｂで定義された平面ｃと光軸ｂで直交する平面ｄ上に配置されている。これらのＰＳＤは、光軸ｂを対称軸として対称に配置された２つのＰＳＤで１組をなし、各組は対称軸に対して異なる角度をなしている。ＰＳＤ１とＰＳＤ２は対称軸に対して角度θ１をなして対配置され、ＰＳＤ３とＰＳＤ４は対称軸に対して角度θ２をなして対配置されている。ＰＳＤ１とＰＳＤ２の組は比較的小さい角度θ１の反射光を受光し、ＰＳＤ３とＰＳＤ４の組は比較的大きい角度θ２の反射光を受光する。なお、位置検出素子２は本実施の形態に示した個数および配置に限定されるものではなく、１つの発光素子１に対して複数配置されていればよい。

次に、３Ｄセンサのデータ処理系について図３を参照して説明する。ここでは、４つのＰＳＤ１〜４から出力される電流信号に基づいて段階的に演算処理を施し、最終的に１つの高さデータ（真の高さデータ）Ｚを算出する。データ処理系によって出力されるのは高さデータＺだけではなく、各ＰＳＤ１〜４から出力された電流の信号値Ｙ１、Ｙ２と、演算状態を示すフラグＦも併せて出力される。従って、最終的に得られた高さデータＺが算出される過程でどのような演算処理が行われたのかを事後的に分析することが可能になっている。

測定対象物４からの反射光を受光した各ＰＳＤ１〜４は、それぞれ反射光の結像位置に応じた信号値Ｙ１、Ｙ２を出力する。出力された信号値Ｙ１、Ｙ２は増幅回路（高倍）７と増幅回路（低倍）８により高倍と低倍の増幅率で増幅され、信号値Ｙ１Ｈ、Ｙ１ＬとＹ２Ｈ、Ｙ２Ｌ（Ｈは高倍、Ｌは低倍により増幅されたことを表す）に変換される。

第１演算部９は、高倍で増幅された信号値Ｙ１Ｈ、Ｙ２Ｈについて、図中に示した演算式に従って所定の演算処理を行い、高さデータＺＸＨ（Ｘ：１〜４）を算出する。低倍で増幅された信号値Ｙ１Ｌ、Ｙ２Ｌについても第１演算部１０が同様の演算処理を行い、高さデータＺＸＬ（Ｘ：１〜４）を算出する。第１演算部９、１０の演算処理により、各ＰＳＤ１〜４に対して高増幅率による高さＺＸＨ（Ｘ：１〜４）と低増幅率による高さＺＸＬ（Ｘ：１〜４）が得られる。

第２演算部１１は、各ＰＳＤ１〜４に対して２つの高さデータＺＸＨ（Ｘ：１〜４）、ＺＸＬ（Ｘ：１〜４）から１つの高さデータＺＸ（Ｘ：１〜４）を選択する演算処理を行う。第１演算部９の演算式中の分母であるＹ１Ｈ＋Ｙ２Ｈの値が受光輝度について予め設定した上限閾値を超えている場合には、低増幅率による高さデータＺＸＬ（Ｘ：１〜４）を選択し、閾値を超えていなければ高増幅率による高さデータＺＸＨ（Ｘ：１〜４）を選択する。

第３演算部１２は、対配置されたＰＳＤ１とＰＳＤ２の組、ＰＳＤ３とＰＳＤ４の組に対してそれぞれ１つの高さデータを算出する演算処理を行う。各組の２つのＰＳＤに対して得られた２つの高さデータの差の絶対値が予め設定した閾値Δを超えるときにはこれらの高さデータは無効とし、閾値Δを超えていなければ２つの高さデータの平均を採用する。例えば２つの高さデータの差の絶対値｜Ｚ１−Ｚ２｜が閾値Δ１２（ＰＳＤ１、２に適用される閾値）を超えていなければ、高さデータＺ１２として（Ｚ１＋Ｚ２）／２を採用する。

図４（ａ）に示すように測定対象物４の測点Ｐの周囲が平坦であって測点Ｐからの反射光が途中で乱反射されることなく直接各ＰＳＤ１〜４に入射する場合には、対配置されたＰＳＤ１とＰＳＤ２に対して得られる高さデータＺ１、Ｚ２は若干の計測誤差はあるにしても概ね測点Ｐの高さを正確に示した略同一の値となる。ＰＳＤ３とＰＳＤ４についても同様である。従って、各組に対して得られる高さデータＺ１２（＝（Ｚ１＋Ｚ２）／２）とＺ３４（＝（Ｚ３＋Ｚ４）／２）はどちらも測点Ｐの高さを示した数値となる。

これに対し、図４（ｂ）に示すように測点Ｐの両側に凸部４ａ、４ｂが存在する場合には、測点Ｐからの反射光は凸部４ａ、４ｂで乱反射されてから各ＰＳＤ１〜４に入射する。このような乱反射光を受光すると、ＰＳＤ１とＰＳＤ２から得られる高さデータＺ１、Ｚ２は真の測点Ｐではなく、偽の測点Ｄ１の高さを示すことになる。同様にＰＳＤ３とＰＳＤ４から得られる高さデータＺ３、Ｚ４も偽の測点Ｄ２の高さを示すことになる。この場合、対配置されたＰＳＤ１とＰＳＤ２に対して得られた２つの高さデータの差｜Ｚ１−Ｚ２｜が閾値Δ１２を超えていない限り、高さデータＺ１２は偽の測点Ｄ１の高さを示すことになり、同様に高さデータＺ３４も偽の測点Ｄ２の高さを示すことになる。

第４演算部１３は、２つの高さデータＺ１２、Ｚ３４から１つの高さデータＺを算出する演算処理を行う。２つの高さデータＺ１２、Ｚ３４の差の絶対値が予め設定した閾値δを超えるときにはこれらの高さデータＺ１２、Ｚ３４は無効とし、閾値Δを超えていなければ２つのデータＺ１２、Ｚ３４の平均（Ｚ１２＋Ｚ３４）／２を真の高さデータＺとして採用する。

従って、測点Ｐからの反射光が途中で乱反射されることなく直接各ＰＳＤ１〜４に入射する場合には、高さデータＺ１２とＺ３４はどちらも測点Ｐの高さを示した略同一の値となり、これらの差｜Ｚ１２−Ｚ３４｜は閾値δを超えることはないので、真の高さデータＺとして（Ｚ１２＋Ｚ３４）／２が採用される。これに対し、測点Ｐからの乱反射光が各ＰＳＤ１〜４に入射する場合には、２つの高さデータＺ１２、Ｚ３４の差は偽の測点Ｄ１、Ｄ２の距離の差となるので、｜Ｚ１２−Ｚ３４｜は閾値δを超えることになり、２つの高さデータＺ１２、Ｚ３４は無効にされる。

なお、本実施の形態では、対配置された２組のＰＳＤ１〜４を配置しているが、１組のＰＳＤ１、２の２個を配置した事例と比較すると次のような利点がある。すなわち、２個のＰＳＤ１、２を配置した事例では、対配置されたＰＳＤ１、２の組において算出された高さデータＺ１２が測点Ｐの最終的な高さとなるので、乱反射が起きた場合には偽の測点Ｄ１の高さがそのまま最終的な高さとして採用されることになる。これに対し、４個のＰＳＤ１〜４を配置した場合では、対配置されたＰＳＤ１、２とＰＳＤ３、４の各組においてそれぞれ算出された高さデータＺ１２と高さデータＺ３４の差を第４演算部１３にて閾値処理することで、偽の測点Ｄ１、Ｄ２の高さデータを排除することが可能である。

本実施の形態におけるデータ処理系６は、上記の構成および演算処理過程により高さデータＺを出力するが、それに加えて、第２演算部１１、第３演算部１２、第４演算部１３
のそれぞれの段階における演算処理の状態を示すデータであるフラグＦ、および各ＰＳＤ１〜４が出力する電流値Ｙ１、Ｙ２を高さデータＺとともに出力する。具体的には、最終的に出力した高さデータＺはどのＰＳＤから得られたデータを用いて算出されたものなのか、そのデータは高倍または低倍の何れの増幅回路を経て算出されたものなのか、対配置された２つのＰＳＤのそれぞれから得たデータに閾値を超えるような差があるかなどについての情報を出力する。これらの情報は、高さデータＺの真偽が問題となる場合の解析に用いることができ、例えばどの演算処理の段階で問題が発生したのか、さらに何れかのＰＳＤや増幅回路に故障等の不具合が生じているかなどの原因を合理的に究明することができる。

本発明の３Ｄセンサは、電子部品の電極やバンプ等の形状の正確な認識が要求される電子部品実装分野において特に有用である。

本発明の実施の形態の３Ｄセンサの概略構成図 本発明の実施の形態の位置検出素子の配置図 本発明の実施の形態の３Ｄセンサのデータ処理系のブロック図 測定対象物からの反射光の光跡図

符号の説明

１ 半導体レーザ
２ ＰＳＤ
４ 測定対象物
６ データ処理系
９、１０ 第１演算部
１１ 第２演算部
１２ 第３演算部
１３ 第４演算部

Claims (1)

1. 測定対象物にレーザ光を投射する発光素子と、測定対象物によって反射されたレーザ光を受ける複数の位置検出素子と、レーザ光を受けて各位置検出素子から出力された信号値に基づいて複数の位置検出素子ごとに測定対象物の高さを算出する高さデータ算出手段と、複数の位置検出素子ごとに算出した測定対象物の高さデータの演算処理によって算出した測定対象物の真の高さを出力する高さデータ出力手段を備え、
   前記高さデータ算出手段は、前記信号値を高倍または低倍に増幅する複数の増幅回路を含み、
   前記高さデータ出力手段が、前記測定対象物の真の高さと併せて、前記複数の位置検出素子のそれぞれから出力される信号値、およびそれぞれの信号値から真の高さを演算する過程における判断を示すフラグを出力することにより最終的に出力した高さデータは高倍または低倍のいずれの前記増幅回路を経て算出されたものなのかについての情報を出力することを特徴とする３Ｄセンサ。

Images