JP6147016B2 - 組立機 - Google Patents

Description

本発明は、供給位置で取得した部品を組立位置まで移送して、当該部品を被組立体に組み付ける組立機に関するものである。

組立機は、回路基板に複数の電子部品を実装して電子回路製品を生産する部品実装機や、パワーモジュールなどを組み立てる製造設備として用いられる。例えば、上記の部品実装機は、部品供給位置において吸着ノズルにより電子部品を吸着し、この電子部品を部品組立位置（回路基板上の所定の座標位置）に実装する構成となっている。ここで、部品供給位置で供給される複数の電子部品は、吸着ノズルに対して吸着される部位や角度が個々に異なる。そのため、吸着した電子部品を回路基板に単に移載したのでは、吸着ノズルによる電子部品の保持状態が影響することになる。

そこで、例えば特許文献１，２には、部品カメラを用いて認識した吸着ノズルによる電子部品の保持状態を実装制御に反映させた構成が開示されている。具体的には、特許文献１では、部品供給位置から電子部品を部品実装位置まで移送する際に、部品カメラにより電子部品を下方から撮像し、取得した画像データに基づいて吸着ノズルに対する電子部品の位置および角度を計測する構成となっている。また、特許文献２では、吸着ノズルを支持するヘッド内において吸着された電子部品を側方から撮像し、電子部品の高さを計測する構成となっている。そして、部品実装機は、認識した電子部品の保持状態に応じて吸着ノズルの位置や角度などを補正することで、実装精度の向上を図っている。

特開２０１０−１９９６３０号公報 特開２０１２−２３５０５６号公報

しかしながら、特許文献１では、電子部品を移送する際に、部品カメラの上方を経由する必要がある。そのため、移送経路の延長に伴うサイクルタイムの増加が懸念される。また、特許文献２では、例えば画像処理により投影された電子部品の外形全体から部品高さを計測する。そのため、電子部品におけるリード部を除いた本体部の高さを計測する場合には、マスク処理などにより本体部以外を除外した画像処理が必要となる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、従来とは異なる構成により、部品の立体形状を認識して組立制御の精度向上を図ることが可能な組立機を提供することを目的とする。

本発明に係る組立機は、部品供給位置に供給された部品を取得して保持する保持部材と、１または複数の前記保持部材を昇降可能に支持し、前記部品供給位置から被組立体が位置決めされた部品組立位置まで移動可能に設けられた移動ヘッドと、前記移動ヘッドの内部に配置され、上昇した状態の前記保持部材に保持された前記部品を対象物として、前記対象物に予め定められたパターン光を投影するプロジェクタと、前記移動ヘッドの内部に前記プロジェクタから規定距離だけ離間して配置され、前記対象物に投影された前記パターン光を撮像するカメラと、前記カメラの撮像により取得した複数の画像データに基づいて前記対象物の立体形状を計測する形状計測部と、前記形状計測部による計測結果に基づいて、前記保持部材の昇降および前記移動ヘッドの移動を制御する制御部と、を備え、前記移動ヘッドは、回転可能なホルダ部材により複数の前記保持部材を支持し、当該ホルダ部材の回転により前記移動ヘッドにおいて前記保持部材を昇降可能とする昇降位置に複数の前記保持部材を順次割出し可能に構成され、前記プロジェクタおよび前記カメラにより構成される計測ユニットは、前記昇降位置に所定の前記保持部材が割出されることによって前記昇降位置と異なる位置に割出された他の前記保持部材に保持された部品を前記対象物とし、前記移動ヘッドには、複数の前記計測ユニットが設けられ、複数の前記計測ユニットの各前記プロジェクタは、互いに異なる前記パターン光を対応する前記対象物に投影する。

このような構成によると、形状計測部は、プロジェクタとカメラを用いた能動型計測のアクティブステレオ法により、保持部材が保持している部品の立体形状を計測することができる。これにより、制御部は、計測結果である部品の立体形状から保持部材に対する部品の位置および角度を認識することができる。また、制御部は、部品の立体形状から部品の全体または一部の高さを認識することができる。そして、制御部が認識した部品の立体形状を勘案して保持部材の昇降および移動ヘッドの移動を制御することにより、組立機は、組立制御の精度向上を図ることが可能となる。

第一実施形態における部品実装機を構成する組立機を示す全体図である。 部品装着ヘッドの一部を拡大した正面図である。 図２のＡ方向矢視図である。 吸着ノズルと計測ユニットの位置関係を示す模式図である。 位相の異なるパターン光を示す図である。 制御装置を示すブロック図である。 部品実装機による実装制御を示すアクティビティ図である。

以下、本発明の組立機を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。実施形態においては、組立機が部品実装機を構成する場合を例示する。部品実装機は、例えば、集積回路の製造工程において、回路基板に複数の電子部品を実装する装置である。回路基板は、本発明の「被組立体」に相当する。この回路基板は、例えばクリームハンダ印刷機により電子部品の装着位置にハンダを塗布され、複数の部品実装機を順に搬送されて電子部品を装着される。その後に、電子部品を装着された回路基板は、リフロー炉に搬送されてハンダ付けされることにより集積回路を構成する。

＜実施形態＞
（部品実装機の全体構成）
部品実装機１（本発明の「組立機」に相当する）は、基板搬送装置１０と、部品供給装置２０と、部品移載装置３０と、複数の計測ユニット６１〜６８と、基板カメラ６９と、制御装置７０とを備えて構成される。基板搬送装置１０、部品供給装置２０、および部品移載装置３０は、部品実装機１の基台２に設けられ、制御装置７０により制御される。また、図１に示すように、部品実装機１の水平幅方向（図１の左上から右下に向かう方向）をＸ軸方向、部品実装機１の水平長手方向（図１の右上から左下に向かう方向）をＹ軸方向、鉛直高さ方向（図１の上下方向）をＺ軸方向とする。

基板搬送装置１０は、回路基板Ｂを部品実装機１のＸ軸方向に搬送する装置であり、回路基板Ｂを所定位置に位置決めして保持する基板保持装置を兼ねる。この基板搬送装置１０は、部品実装機１のＹ軸方向に並設された第一搬送機構１１と第二搬送機構１２とにより構成されたダブルコンベアタイプの装置である。第一搬送機構１１は、一対のガイドレール１１ａ，１１ｂと、図示しないコンベアベルトなどにより構成されている。

第一搬送機構１１の一対のガイドレール１１ａ，１１ｂは、基台２の上部にＸ軸方向に平行に配置され、コンベアベルトに載置されて搬送される回路基板Ｂを案内する。また、第一搬送機構１１には、所定位置まで搬送された回路基板Ｂを基台２側から押し上げてクランプすることで、回路基板Ｂを位置決めするクランプ装置が設けられている。第二搬送機構１２は、第一搬送機構１１と同様に構成されているため、詳細な説明を省略する。

部品供給装置２０は、回路基板Ｂに実装される電子部品を供給する装置である。部品供給装置２０は、部品実装機１のＹ軸方向の前部側（図１の左前側）に配置されている。この部品供給装置２０は、本実施形態において、複数のカセット式のフィーダ２１を用いたフィーダ方式としている。フィーダ２１は、基台２に対して着脱可能に取り付けられるフィーダ本体部２１ａとフィーダ本体部２１ａの後端側に設けられたリール収容部２１ｂとを有する。フィーダ２１は、リール収容部２１ｂにより部品包装テープが巻回された供給リール２２を保持している。

上記の部品包装テープは、電子部品が所定ピッチで収納されたキャリアテープと、このキャリアテープの上面に接着されて電子部品を覆うトップテープとにより構成される。フィーダ２１は、図示しないピッチ送り機構により供給リール２２から引き出された部品包装テープをピッチ送りする。そして、フィーダ２１は、キャリアテープからトップテープを剥離して電子部品を露出させている。これにより、フィーダ２１は、フィーダ本体部２１ａの前端側に位置する部品供給位置Ｐｓにおいて、部品移載装置３０が電子部品を吸着可能となるように電子部品の供給を行っている。

部品移載装置３０は、電子部品を部品供給位置Ｐｓから回路基板Ｂの装着位置Ｐａ（本発明の「部品組立位置」に相当する）に移載する装置である。本実施形態において、部品移載装置３０は、基板搬送装置１０および部品供給装置２０の上方に配置された直交座標型としている。この部品移載装置３０は、Ｙ軸方向に延在する一対のＹ軸レール３１ａ，３１ｂにＹ軸方向に移動可能にＹ軸移動台３２が設けられている。Ｙ軸移動台３２は、ボールねじ機構を介してＹ軸モータ３３の動作により制御される。また、Ｙ軸移動台３２には、Ｘ軸移動台３４がＸ軸方向に移動可能に設けられている。Ｘ軸移動台３４は、図示しないボールねじ機構を介してＸ軸モータ３５の動作により制御される。

また、部品移載装置３０のＸ軸移動台３４には、部品装着ヘッド４０（本発明の「移動ヘッド」に相当する）が取り付けられている。この部品装着ヘッド４０は、Ｚ軸と平行なＲ軸回りに回転可能なノズルホルダ４１により複数の吸着ノズル４２を昇降可能に支持する。このノズルホルダ４１および吸着ノズル４２は、それぞれ本発明の「ホルダ部材」および「保持部材」に相当する。また、部品装着ヘッド４０は、フレーム４３をＸ軸移動台３４に固定され、当該フレームの上部にＲ軸モータ４４およびＺ軸モータ４５を支持している。

より詳細には、部品装着ヘッド４０のノズルホルダ４１は、全体形状としては円柱状に形成され、図２に示すように、インデックス軸４６を介してＲ軸モータ４４の出力軸に連結されている。これにより、ノズルホルダ４１は、Ｒ軸モータ４４およびインデックス軸４６によって回転制御可能に構成されている。また、ノズルホルダ４１は、図３に示すように、Ｒ軸と同心の円周上において周方向に等間隔に複数（本実施形態では１２本）のノズルスピンドル４７をＺ軸方向に摺動可能に支持している。各ノズルスピンドル４７の下端部には、図２に示すように、吸着ノズル４２が交換可能にそれぞれ取り付けられている。このように、ノズルホルダ４１は、各ノズルスピンドル４７を介して各吸着ノズル４２を支持している。

また、ノズルスピンドル４７の上端部にはノズルギヤ４７ａが形成されている。このノズルギヤ４７ａは、インデックス軸４６の外周側に相対回転可能に支持されたθ軸ギヤ５１とＺ軸方向に摺動可能に噛合している。θ軸ギヤ５１は、Ｚ軸方向に所定長さの歯幅を有し、図示しないθ軸モータと変速機構５２を介して連結され、θ軸モータにより回転駆動する。このような構成により、θ軸モータが回転すると、変速機構５２およびθ軸ギヤ５１を介して、ノズルホルダ４１に支持された全てのノズルスピンドル４７が回転する。よって、各吸着ノズル４２は、θ軸モータの回転によりノズルホルダ４１に対して自転し、θ軸モータ等によって回転制御可能に構成されている。

また、ノズルスピンドル４７の外周側であって、ノズルホルダ４１の上面とノズルギヤ４７ａの下面との間には圧縮スプリング４８が設けられている。ノズルスピンドル４７は、この圧縮スプリング４８によりノズルホルダ４１に対して上方に付勢され、下端部に形成された大径部４７ｂがノズルホルダ４１の下面に当接することで上方への移動を規制されている。つまり、ノズルスピンドル４７の大径部４７ｂがノズルホルダ４１に当接している状態は、ノズルスピンドル４７に取り付けられた吸着ノズル４２が最も上昇した状態にある。

複数のノズルスピンドル４７のうち後述する昇降位置Ｈ１に割出されたノズルスピンドル４７の上端面には、ノズルレバー５３が当接している。ノズルレバー５３は、Ｚ軸モータ４５の出力軸に図示しないボールねじ機構を介して連結され、Ｚ軸モータ４５の回転駆動によりＺ軸方向に移動制御される。このような構成により、Ｚ軸モータ４５が回転すると、ノズルレバー５３がノズルスピンドル４７を押圧し、ノズルスピンドル４７が圧縮スプリング４８の弾性力に抗してＺ軸方向にノズルスピンドル４７を下降させる。

このように、Ｚ軸モータ４５や圧縮スプリング４８等により昇降機構が構成され、吸着ノズル４２は、ノズルスピンドル４７のＺ軸方向移動に伴って昇降するようになっている。また、各吸着ノズル４２には、ノズルスピンドル４７を介して図示しない吸着ノズル駆動装置から負圧が供給される。これにより、各吸着ノズル４２は、その先端部で部品Ｔを吸着可能としている。

ブラケット５４は、全体形状としては有底筒状に形成され、フレーム４３に固定されている。このブラケット５４は、ノズルホルダ４１の下端部および上昇した状態にある各吸着ノズル４２を覆うことにより環境光をある程度遮断している。また、ブラケット５４の底部のうち昇降位置Ｈ１に対応する位置には、昇降する吸着ノズル４２が通過可能となるように貫通孔５４ａが形成されている。

複数の計測ユニット６１〜６８は、後述する制御装置７０の形状計測部７２による部品Ｔの立体形状の計測に用いられる画像データを取得するユニットである。各計測ユニット６１〜６８は、外部で予め組み付けられてユニット化されており、部品装着ヘッド４０のブラケット５４の底部にそれぞれ固定されることにより、部品装着ヘッド４０の内部に配置される構成となっている。具体的には、図３に示すように、ノズルホルダ４１により割出された各吸着ノズル４２のうち昇降位置Ｈ１と隣り合う割出し位置Ｈ２から順に割出し位置Ｈ９に割出されている計８個の各吸着ノズル４２に対応する位置に、計測ユニット６１〜６８が順に配置されている。

計測ユニット６１（６２〜６８）は、図４に示すように、プロジェクタ６１ａ（６２ａ〜６８ａ）および計測カメラ６１ｂ（６２ｂ〜６８ｂ）により構成される。また、各計測ユニット６１〜６８は、本実施形態においては、ブラケット５４における配置位置および投影するパターン光が異なるのみで、基本的な構成は実質的に同一である。従って、以下では割出し位置Ｈ２に対応する位置に配置された計測ユニット６１について詳細な構成について説明する。

プロジェクタ６１ａは、立体形状の計測対象となる対象物に予め定められたパターン光を投影する装置である。ここで、計測ユニット６１は、部品装着ヘッド４０の内部において昇降位置Ｈ１と隣り合う割出し位置Ｈ２に対応した位置に配置されている。つまり、プロジェクタ６１ａは、割出し位置Ｈ２において上昇した状態の吸着ノズル４２に保持された部品Ｔを対象物とする。このプロジェクタ６１ａは、光源の光をスリットまたは透過型の液晶などにより所定のパターン光を生成し、投影レンズにより対象物に投影している。本実施形態において、プロジェクタ６１ａにより投影されるパターン光は、図５に示すように、輝度が正弦波状に変化する縞状からなる。

計測カメラ６１ｂは、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）等の撮像素子を有するデジタルカメラである。計測カメラ６１ｂは、図４に示すように、部品装着ヘッド４０の内部にプロジェクタ６１ａから規定距離Ｄｐだけパターン光の配列方向（図５の上下方向）に離間して配置され、対象物に投影されたパターン光を撮像する。計測カメラ６１ｂは、通信可能に接続された制御装置７０による制御信号に基づいて撮像を行い、当該撮像により取得した画像データを制御装置７０に送出する。

割出し位置Ｈ３〜Ｈ９に対応して配置された他の計測ユニット６２〜６８は、割出し位置Ｈ２に対応して配置された計測ユニット６１と実質的に同一の構成であるが、対象物に投影するパターン光が相違する。具体的には、図５の上段に示すように、プロジェクタ６１ａが投影するパターン光を基準として、プロジェクタ６２ａ〜６４ａは、周波数Ａの周期の１／４にあたる（１／２）πずつ位相を縞状の配列方向（図５の上下方向）にシフトさせたパターン光を投影する。また、プロジェクタ６５ａ〜６８ａは、図５の下段に示すように、プロジェクタ６１ａの周波数Ａとは異なる周波数Ｂのパターン光を投影する。そして、プロジェクタ６５ａが投影するパターン光を基準として、プロジェクタ６６ａ〜６８ａは、（１／２）πずつ位相を縞状の配列方向（図５の上下方向）にシフトさせたパターン光を投影する。

基板カメラ６９は、計測ユニット６１の計測カメラ６１ｂと同様に、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の撮像素子を有するデジタルカメラである。基板カメラ６９は、通信可能に接続された制御装置７０による制御信号に基づいて撮像を行い、当該撮像により取得した画像データを制御装置７０に送出する。また、基板カメラ６９は、光軸がＺ軸方向となるようにＸ軸移動台３４に固定され、回路基板Ｂを撮像可能に構成されている。より詳細には、基板カメラ６９は、基板搬送装置１０によって所定位置に搬入された回路基板Ｂに設けられた基板マーク（フィデューシャルマークとも称される）を撮像する。

制御装置７０は、主として、ＣＰＵや各種記憶装置、制御回路により構成され、計測カメラ６１ｂ〜６８ｂおよび基板カメラ６９の撮像により取得した画像データに基づいて部品装着ヘッド４０の動作を制御する。この制御装置７０は、図６に示すように、実装制御部７１、形状計測部７２、記憶装置７３に、バスを介して入出力インターフェイス７４が接続されている。入出力インターフェイス７４には、モータ制御回路７５および撮像制御回路７６が接続されている。

実装制御部７１は、モータ制御回路７５を介して部品装着ヘッド４０に支持された吸着ノズル４２の昇降や吸着ノズル駆動装置の動作を制御する。より詳細には、実装制御部７１は、部品実装機１に複数設けられた各種センサから出力される情報や、各種の認識処理の結果を入力する。そして、実装制御部７１は、記憶装置７３に記憶されている制御プログラム、各種センサによる情報、後述する形状計測部７２による計測結果などに基づいて、モータ制御回路７５に制御信号を送出することで各種制御を行う。

形状計測部７２は、各計測カメラ６１ｂの撮像により取得した複数の画像データに基づいて対象物の立体形状を計測する。本実施形態において、形状計測部７２は、図５に示される各パターン光にそれぞれ対応する複数の画像データを用いて、位相シフト法により対象物の立体形状を計測する構成としている。また、位相シフト法では、対象物に投影する位相の異なるパターン光については少なくとも３種類が必要とされ、１周期を４分割して（１／２）πずつシフトさせる方法が一般に多く用いられる。本実施形態では、対象物とする部品のサイズが小さく、また部品のリード部などの凹凸が不連続となることなどに鑑みて、図５に示すように、異なる周波数Ａ，Ｂからなる２組のパターン光を用いる構成としている。

そして、形状計測部７２は、先ず、各組における４種類のパターン光に対応した画像データに基づいて画素ごとの輝度を算出する。次に、形状計測部７２は、算出された輝度に依存するパターン光の投影角度、規定距離Ｄｐ、計測カメラ６１ｂ〜６８ｂの焦点距離に基づいて、各画素に対応する計測対象の各部位までの距離を各組についてそれぞれ算出する。そして、形状計測部７２は、各組で算出された距離の値で補間し合うことにより、対象物の各部位までの距離を算出して、結果として対象物の立体形状を取得している。

記憶装置７３は、ハードディスク装置などの光学ドライブ装置、またはフラッシュメモリなどにより構成される。この記憶装置７３には、部品実装機１を動作させるための制御プログラム、バスや通信ケーブルを介して計測カメラ６１ｂ〜６８ｂおよび基板カメラ６９から制御装置７０に転送された画像データ、各種制御における画像処理の一時データなどが記憶される。入出力インターフェイス７４は、ＣＰＵや記憶装置７３と各制御回路７５，７６との間に介在し、データ形式の変換や信号強度を調整する。

モータ制御回路７５は、実装制御部７１による制御信号に基づいて、Ｙ軸モータ３３、Ｘ軸モータ３５、Ｚ軸モータ４５、およびθ軸モータを制御する。これにより、部品装着ヘッド４０が各軸方向に位置決めされるとともに、所定の吸着ノズル４２が昇降位置Ｈ１に割出されるとともに、当該吸着ノズル４２が所定角度となるように制御される。撮像制御回路７６は、制御装置７０のＣＰＵまたはモータ制御回路７５による撮像の制御信号に基づいて、各計測カメラ６１ｂ〜６８ｂおよび基板カメラ６９による撮像を制御する。また、撮像制御回路７６は、各計測カメラ６１ｂ〜６８ｂおよび基板カメラ６９の撮像による画像データを取得して、入出力インターフェイス７４を介して記憶装置７３に記憶させる。

（部品実装機における実装制御）
部品実装機１における実装制御について、図７を参照して説明する。この実装制御は、複数の吸着ノズル４２に順次部品を吸着させる吸着サイクルと、部品供給位置Ｐｓから装着位置Ｐａまで部品装着ヘッド４０を移動させる工程と、部品を回路基板に順次装着する装着サイクルとを繰り返す制御である。そして、この実装制御では、実装精度の向上を図るために、各吸着ノズル４２による部品の吸着状態に対応して吸着ノズル４２の移動を制御している。そのため、制御装置７０は、図７に示すように、吸着サイクルなどと並行して、部品の立体形状の計測処理、および当該処理に必要となる画像データを取得する撮像サイクルを実行する構成としている。

より詳細には、吸着サイクルにおいては、制御装置７０は、先ずノズルホルダ４１を回転させて部品を吸着していない特定の吸着ノズル４２を昇降位置Ｈ１に割出す（ステップ１１（以下、「ステップ」を「Ｓ」と表記する））。そして、制御装置７０は、部品の吸着処理を実行する（Ｓ１２）。具体的には、昇降位置Ｈ１に割出された吸着ノズル４２を下降させ、吸着ノズル４２の先端部に部品供給装置２０により共有された部品を吸着させる。その後に、吸着ノズル４２を上昇端まで上昇させる。

このとき、制御装置７０は、吸着ノズル４２による吸着処理（Ｓ１２）と並行して、他の吸着ノズル４２に既に保持された部品の撮像処理を行う。詳細には、制御装置７０は、先ず、昇降位置Ｈ１に所定の吸着ノズル４２が割出されることによって昇降位置Ｈ１とは異なる位置（割出し位置Ｈ２〜Ｈ９）に割出された他の吸着ノズル４２について、既に吸着処理により部品を保持しているか否かを判定する（Ｓ２１）。そして、吸着ノズル４２が部品を保持している場合には（Ｓ２１：Ｙｅｓ）、部品の撮像処理を行う（Ｓ２２）。一方で、吸着ノズル４２が部品を保持していない場合には（Ｓ２１：Ｎｏ）、待機した状態を維持する。

部品の撮像処理（Ｓ２２）では、部品を保持した吸着ノズル４２の割出し位置Ｈ２〜Ｈ９に対応して配置された計測ユニット６１〜６８に制御信号が送出される。例えば、昇降位置Ｈ１と隣り合う割出し位置Ｈ２に対応して配置された計測ユニット６１が部品を保持している場合には、先ず、プロジェクタ６１ａが図５の上段最左に示すようなパターン光を対象物である部品に投影する。この状態で、計測ユニット６１の計測カメラ６１ｂが部品を撮像することにより画像データが取得され、計測カメラ６１ｂから制御装置７０に当該画像データが送出される。

その後に、制御装置７０は、実装制御において必要とする吸着ノズル４２の全てに部品が吸着されたかにより今回の吸着サイクルが終了したか否かを判定する（Ｓ１３）。吸着サイクルが終了していない場合には（Ｓ１３：Ｎｏ）、再び所定の吸着ノズル４２を昇降位置Ｈ１に割出し（Ｓ１１）、および部品の吸着処理（Ｓ１２）を繰り返す。このとき、吸着ノズル４２が割出し位置Ｈ２〜Ｈ９に順次割出されることになり、上記と同様に部品の撮像処理が行われる。

このような動作を繰り返すことにより吸着サイクルが終了すると（Ｓ１３：Ｙｅｓ）、制御装置７０は、部品装着ヘッド４０を部品供給位置Ｐｓから装着位置Ｐａまで移動させる（Ｓ１４）。このとき、制御装置７０は、当該移動と並行して、各吸着ノズル４２に保持された部品の撮像処理を行う。ここでは、上記のＳ１１，Ｓ２２と同様に、各吸着ノズル４２を割出し位置Ｈ２〜Ｈ９の何れかに割出し（Ｓ２３）、部品の撮像処理を行う（Ｓ２４）。そして、部品を吸着した全ての吸着ノズル４２について、Ｓ２２またはＳ２４の撮像処理により８箇所の割出し位置Ｈ２〜Ｈ９で撮像され、撮像サイクルが終了したかを判定する（Ｓ２５）。

つまり、本実施形態では、１２本の吸着ノズル４２の全てに部品を吸着した場合には、１本の吸着ノズルにつき８箇所（Ｈ２〜Ｈ９）での撮像により８枚の画像データが取得され、全体として９６枚（８枚×１２）の画像データが取得される。全ての画像データが取得されていない場合には（Ｓ２５：Ｎｏ）、Ｓ２３およびＳ２４を繰り返す。一方で、全ての画像データが取得された場合には（Ｓ２５：Ｙｅｓ）、立体形状の計測処理に移行する（Ｓ２６）。

ここで、位相シフト法などのアクティブステレオ法を用いた立体形状の計測処理においては、異なるパターン光を投影する際に計測の対象物の位置や角度が変化すると誤差が生じる。本実施形態では、上述のように異なるパターン光を別々の計測ユニット６１〜６８により投影し、撮像を行う構成としている。よって、上記のような誤差を抑制するためには、移動する部品が計測ユニット６１〜６８に対して一定の姿勢を維持する必要がある。これに対して、本構成のような部品装着ヘッド４０では、吸着ノズル４２を割出す（Ｓ１１，Ｓ２３）ためにノズルホルダ４１を回転させると、各吸着ノズル４２は、ノズルギヤ４７ａおよびθ軸ギヤ５１の歯数差とＲ軸モータ４４の回転量に応じた分だけ自転する。これにより、計測ユニット６１〜６８に対する部品の角度が変化するおそれがある。

そこで、制御装置７０は、各割出し位置Ｈ２〜Ｈ９におけるノズルホルダ４１に対する吸着ノズル４２の回転角度が一定となるように、θ軸モータとＲ軸モータ４４の回転駆動を同期させた制御を行う。つまり、ノズルホルダ４１がＲ軸回りに角度αだけ回転された場合には、吸着ノズル４２も同方向に角度（α＋２ｎπ：ｎは０以上の整数）だけ自転するように、Ｒ軸モータに同期してθ軸モータが駆動制御される。このような同期制御により、吸着ノズル４２の割出しにより部品がＲ軸回りに公転しても、計測ユニット６１〜６８に対しては常に同一の姿勢が維持される。

続いて、形状計測部７２は、取得した画像データに基づいて各吸着ノズル４２に保持された各部品の立体形状を計測する（Ｓ２６）。より詳細には、形状計測部７２は、一の部品に対する縞状の配列方向の異なる２組計８枚の画像データを用いて、位相シフト法により各組で部品の各部位（画素に対応する）までの距離を算出する。そして、算出された部品の各部位までの距離に基づいて部品の立体形状を取得する。これを本実施形態では、最大で１２個の部品について計測を行う。

そして、制御装置７０の実装制御部７１は、形状計測部７２による計測結果、即ち各部品の立体形状に基づいて、当該部品の実装処理を行う（Ｓ１５）。より詳細には、実装制御部７１は、部品の立体形状に基づいて、部品の有無や、吸着ノズル４２に対する部品の位置および角度を認識する。また、実装制御部７１は、必要に応じて部品の全体または一部の高さを認識する。そして、実装制御部７１は、認識した部品の位置等と、基板カメラ６９の撮像による画像データを画像処理して認識した基板マークの位置に基づいて、部品装着ヘッド４０の移動および吸着ノズル４２の昇降を制御して、当該部品を回路基板上に装着する。

さらに、制御装置７０は、吸着サイクル（Ｓ１１〜Ｓ１３）と同様に、昇降位置Ｈ１への吸着ノズル４２の割出しと装着動作を繰り返して、複数の吸着ノズル４２に吸着されていた部品を回路基板に順次装着する装着サイクルを実行する。このように、部品実装機１は、装着サイクルが終了した後に、制御プログラムに従って再び部品装着ヘッド４０を部品供給位置Ｐｓまで戻し、各サイクル（Ｓ１１〜Ｓ１６，Ｓ２１〜Ｓ２６）を繰り返すことにより部品の実装制御を行う構成となっている。

なお、上述した実装制御において、立体形状の計測処理（Ｓ２６）は、部品装着ヘッド４０の移動中に行うものとしている。これに対して、例えば、吸着サイクル（Ｓ１１〜Ｓ１３）と並行した部品の撮像処理（Ｓ２２）により一の部品について同組４枚または２組８枚の画像データが取得された際には、Ｓ２６における立体形状の計測処理に先行して、吸着サイクル（Ｓ１１〜Ｓ１３）と並行に当該部品の立体形状の計測処理を実行してもよい。さらに、立体形状の計測処理は、計測対象の部品が装着されるまでに終了していればよいことから、装着サイクル（Ｓ１５）と並行に実行されるものとしてもよい。

（本実施形態の構成による効果）
上述した部品実装機１によると、制御装置７０の形状計測部７２は、能動型計測のアクティブステレオ法により、吸着ノズル４２が保持している部品の立体形状を計測することができる。これにより、実装制御部７１は、計測結果である部品の立体形状から吸着ノズル４２に対する部品のサイズ、位置および角度を認識することができる。また、実装制御部７１は、部品の立体形状から部品の全体または一部の高さを認識することができる。そして、実装制御部７１が認識した部品の立体形状を勘案して吸着ノズル４２の昇降および部品装着ヘッド４０の移動を制御することにより、部品実装機１は、実装制御の精度向上を図ることが可能となる。

また、形状計測部７２は、アクティブステレオ法のうちパターン光に正弦波パターンを用いた位相シフト法をより対象物の立体形状を計測するものとした。これにより、アクティブステレオ法における他の方法と比較して、少ない画像データにより広範囲に亘り対象物の立体形状を計測することが可能となる。従って、立体形状の計測に要する時間を短縮できるとともに、部品の細部を認識することができる。

計測ユニット６１〜６８は、部品装着ヘッド４０内において昇降位置Ｈ１と異なる位置に割出される吸着ノズル４２に対応した位置（割出し位置Ｈ２〜Ｈ９）に設けられている。そして、計測ユニット６１〜６８は、当該吸着ノズル４２に保持された部品を対象物として、プロジェクタ６１ａ〜６８ａがパターン光を投影し、計測カメラ６１ｂ〜６８ｂが投影されたパターン光を撮像する構成となっている。よって、計測ユニット６１〜６８は、昇降位置Ｈ１にある吸着ノズル４２が部品の取得や装着のために動作している間にも、立体形状の計測に用いられる画像データを取得するための撮像を行うことができる。従って、実装制御全体に要する時間を短縮して、実装制御の効率化を図ることができる。

ここで、アクティブステレオ法においては、三角測量に基づく計測方法ため、プロジェクタ６１ａと計測カメラ６１ｂの設置間隔が既知であることが前提とされる。つまり、プロジェクタ６１ａと計測カメラ６１ｂを部品実装機１に配置する際には、両部材６１ａ，６１ｂが規定距離Ｄｐだけ離間して配置されるように調整されることが求められる。これに対して、計測ユニット６１がプロジェクタ６１ａおよび計測カメラ６１ｂをユニット化して構成されることにより、両部材６１ａ，６１ｂの距離や設置角度を予め調整することができる。よって、部品実装機１への設置作業の負担を軽減することができる。

また、アクティブステレオ法においては、画像処理を行うために、部品に異なる複数のパターン光をそれぞれ投影した状態で撮像して取得された画像データが用いられる。具体的には、位相シフト法ではパターン光の位相が異なる。そのため、従来、プロジェクタには、異なるパターン光を投影するために、例えばスリットの駆動機構や位置制御用のセンサなどを必要としていた。

これに対して、本実施形態の部品実装機１は、部品装着ヘッド４０がノズルホルダ４１の回転により複数の吸着ノズル４２から特定の吸着ノズル４２の位置を割出すことを利用して、部品装着ヘッド４０内における所定の割出し位置Ｈ２〜Ｈ９で互いに異なるパターン光を投影した撮像を行うものとしている。これにより、各割出し位置Ｈ２〜Ｈ９での撮像回数を低減することができるので、複数の画像データを取得するための撮像に要する時間を短縮することができる。また、１台のプロジェクタ６１ａ〜６８ａが１種類のパターン光を投影する構成とすることで、スリットの駆動機構や位置制御用のセンサなどが不要となり、構成を簡易にして装置のコストを低減できる。

本実施形態において、組立機が部品実装機１を構成するものとした。ここで、部品実装機１では、実装制御（組立制御）の精度向上が望まれ、部品サイズや耐衝撃性などが異なる部品種に対応するために、吸着ノズル４２による部品の吸着状態をより正確に認識する必要性がある。そこで、アクティブステレオ法を用いた立体形状の計測処理を部品装着ヘッド４０に設けられた計測ユニット６１〜６８を用いて行う構成を部品実装機１に適用することで、部品のサイズおよび吸着状態をより確実に認識することができる。そして、この計測結果に基づいて実装制御を行うことで、装着位置Ｐａへの装着をより高精度に行うことができ、また部品の耐衝撃性に応じた吸着ノズル４２の昇降速度の制御が可能となる。

＜実施形態の変形態様＞
（吸着ノズル検査への応用）
本実施形態においては、制御装置７０の形状計測部７２は、吸着ノズル４２に保持された部品を対象物として、当該対象物の立体形状を計測するものとした。これに対して、形状計測部７２は、吸着ノズルを対象物としてもよい。詳細には、例えば、４台の計測ユニット６１〜６４を用いて、各プロジェクタ６１ａ〜６４ａにより上昇した状態にあり且つ部品を保持していない吸着ノズルにパターン光を投影する。そして、各計測カメラ６１ｂ〜６４ｂが投影されたパターン光を撮像し、形状計測部７２は、各計測カメラ６１ｂ〜６４ｂの撮像により取得した複数の画像データに基づいて吸着ノズル４２の立体形状を計測する。当該計測の方法については、本実施形態で対象物を部品とした場合と同様の方法とすることができる。

そして、実装制御部７１は、形状計測部７２の計測結果に基づいて、吸着ノズル４２の先端部の状態を検査する。より具体的には、実装制御部７１は、検査結果により、吸着ノズル４２の欠けや部品の持ち帰りの有無、吸着ノズル４２の洗浄の要否などを認識することができる。これにより、部品実装機１は、実装制御のリカバリ処理や吸着ノズル４２の交換等を行うことにより、良好な実装環境を維持することができる。また、このように部品の立体形状を計測するための計測ユニット６１〜６４をノズル検査に兼用とすることができるので装置のコストを低減できる。

（ディップ検査への応用）
形状計測部７２が立体形状を計測する対象物は、吸着ノズル４２の他に、接合材料を転写された部品としてもよい。ここで、部品を回路基板に接合するために、両部材の間に接合材料としてハンダが塗布される。ハンダを塗布する方法としては、上述のようなクリームハンダ印刷機などにより回路基板上の装着位置にハンダを印刷する他に、部品実装機に設けられたディップ装置のハンダ槽に吸着ノズル４２に保持された部品を浸漬（ディップ）させることで部品にハンダを転写する方法がある。

このような場合において、部品にハンダが適切に転写されたかの検査を要することがある。従来では、部品カメラなどにより下方から撮像して、撮像により取得した画像データを画像処理してディップ検査をしていた。これに対して、ハンダを転写された部品を対象物として立体形状を計測し、本実施形態で例示した構成をディップ検査に用いてもよい。この立体形状の計測については、部品または吸着ノズルの立体形状の計測と実質的に同様であるため詳細な説明を省略する。

このような構成によると実装制御部７１は、部品の立体形状に基づいて接合材料の状態を検査し、この検査結果に応じた実装制御を行うことができる。具体的には、実装制御部７１は、検査結果により、部品に転写された接合材料の分量や位置などが許容範囲にあるか否かを認識することができる。また、部品の立体形状を計測するためのプロジェクタ６１ａ〜６８ａおよび計測カメラ６１ｂ〜６８ｂをノズル検査に兼用とすることができるので装置のコストを低減できる。

（その他）
本実施形態においては、部品実装機１の制御装置７０は、プロジェクタとカメラを用いた能動型計測のアクティブステレオ法のうち位相シフト法により対象物の立体形状を計測するものとした。アクティブステレオ法としては、位相シフト法の他にスポット光投影法やスリット光投影法、交換コード化法などが知られ、これらの方法を用いた構成としてもよい。

何れのアクティブステレオ法においても、部品に異なる複数のパターン光をそれぞれ投影した状態で撮像して取得された画像データが用いられる。具体的には、位相シフト法では上述のようにパターン光の位相が異なり、空間コード化法ではパターン光の明暗のピッチが異なり、スポット光投影法およびスリット光投影法では対象物に対するパターン光の投影位置が異なる。そのため、本実施形態で例示したように、異なるパターン光を別々のプロジェクタから投影する構成についても同様に適用することが可能である。

また、部品装着ヘッド４０は、回転可能なノズルホルダ４１により複数の吸着ノズル４２を保持するものとし、昇降位置Ｈ１と異なる割出し位置Ｈ２〜Ｈ９に対して配置された計測ユニット６１〜６８によりパターン光の投影および撮像を行う構成とした。これに対して、部品装着ヘッド４０は、１本の吸着ノズルのみを保持する構成としてもよい。このような場合には、昇降位置において上昇した状態にある吸着ノズルの部品を対象物として、パターン光の投影および撮像を行う。但し、異なる複数のパターン光を投影する必要があるため、例えば位相シフト法による計測の場合には、プロジェクタ内のスリットを縞状の配列方向に移動させる機構を設ける必要がある。

本実施形態では、８台の計測ユニット６１〜６８がそれぞれ異なるパターン光を投影して（図５を参照）、撮像を行うものとした。ここで、計測ユニットは、プロジェクタとカメラを少なくとも１台ずつ有する構成であればよく、例えば、複数のプロジェクタを備えオンオフ切り換えにより異なるパターン光を投影したり、複数のカメラを備え同時に別の角度から撮像したりする構成としてもよい。さらに、２組以上のパターン光を用いる構成では、本実施形態のように周波数を相違させる他に、対象物に対してパターン光を投影する角度を相違させる構成としてもよい。

また、本実施形態では、組立機が部品実装機１を構成する場合を例示して説明した。その他に、供給位置で取得した部品を組立位置まで移送して、当該部品を被組立体に組み付ける組立機であれば、計測した部品の立体形状に基づいて組立制御を行うことが可能である。よって、組立機は、例えば、パワーモジュールなどを組み立てる製造設備を構成するものとしてもよい。このような構成においても、本実施形態と同様の効果を得られる。

１：部品実装機（組立機）、 ２：基台
１０：基板搬送装置、 ２０：部品供給装置
３０：部品移載装置
４０：部品装着ヘッド（移動ヘッド）
４１：ノズルホルダ（ホルダ部材）、 ４２：吸着ノズル（保持部材）
６１〜６８：計測ユニット
６１ａ〜６８ａ：プロジェクタ、 ６１ｂ〜６８ｂ：計測カメラ
７０：制御装置、 ７１：実装制御部、 ７２：形状計測部
Ｂ：回路基板（被組立体）、 Ｔ：部品、 Ｄｐ：規定距離
Ｐｓ：部品供給位置、 Ｐａ：装着位置（部品組立位置）
Ｈ１：昇降位置、 Ｈ２〜Ｈ９：割出し位置

Claims (5)

1. 部品供給位置に供給された部品を取得して保持する保持部材と、
   １または複数の前記保持部材を昇降可能に支持し、前記部品供給位置から被組立体が位置決めされた部品組立位置まで移動可能に設けられた移動ヘッドと、
   前記移動ヘッドの内部に配置され、上昇した状態の前記保持部材に保持された前記部品を対象物として、前記対象物に予め定められたパターン光を投影するプロジェクタと、
   前記移動ヘッドの内部に前記プロジェクタから規定距離だけ離間して配置され、前記対象物に投影された前記パターン光を撮像するカメラと、
   前記カメラの撮像により取得した複数の画像データに基づいて前記対象物の立体形状を計測する形状計測部と、
   前記形状計測部による計測結果に基づいて、前記保持部材の昇降および前記移動ヘッドの移動を制御する制御部と、
   を備え、
   前記移動ヘッドは、回転可能なホルダ部材により複数の前記保持部材を支持し、当該ホルダ部材の回転により前記移動ヘッドにおいて前記保持部材を昇降可能とする昇降位置に複数の前記保持部材を順次割出し可能に構成され、
   前記プロジェクタおよび前記カメラにより構成される計測ユニットは、前記昇降位置に所定の前記保持部材が割出されることによって前記昇降位置と異なる位置に割出された他の前記保持部材に保持された部品を前記対象物とし、
   前記移動ヘッドには、複数の前記計測ユニットが設けられ、
   複数の前記計測ユニットの各前記プロジェクタは、互いに異なる前記パターン光を対応する前記対象物に投影する組立機。
2. 前記プロジェクタは、輝度が正弦波状に変化する縞状からなり且つ位相の異なる３種類以上の前記パターン光を前記対象物に投影し、
   前記形状計測部は、各前記パターン光にそれぞれ対応する複数の前記画像データを用いて、位相シフト法により前記対象物の立体形状を計測する、請求項１の組立機。
3. 前記保持部材は、部品を先端部で吸着して保持する吸着ノズルであり、
   前記組立機は、前記制御部の制御により前記被組立体である回路基板に前記吸着ノズルが保持する前記部品を実装する部品実装機を構成する、請求項１または２の組立機。
4. 前記プロジェクタは、上昇した状態にあり且つ前記部品を保持していない前記吸着ノズルを対象物として、前記対象物に前記パターン光を投影し、
   前記形状計測部は、前記カメラの撮像により取得した複数の画像データに基づいて前記対象物の立体形状を計測し、
   前記制御部は、前記形状計測部による計測結果に基づいて、前記吸着ノズルの先端部の状態を検査する、請求項３の組立機。
5. 前記部品実装機は、前記部品を前記回路基板に接合する接合材料を前記部品に転写するディップ装置を備え、
   前記プロジェクタは、上昇した状態にあり且つ前記接合材料を転写された前記部品を対象物として、前記対象物に前記パターン光を投影し、
   前記形状計測部は、前記カメラの撮像により取得した複数の画像データに基づいて前記対象物の立体形状を計測し、
   前記制御部は、前記対象物とした前記部品に転写された前記接合材料の状態を検査する、請求項３または４の組立機。