JP6928527B2 - 高さ測定装置、高さ測定方法および基板作業装置 - Google Patents

Description

本発明は、鉛直方向における基板の高さを測定する高さ測定装置、高さ測定方法および当該高さ測定装置を装備する基板作業装置に関するものである。

基板に対して所定の作業を行う基板作業装置が従来より数多く提案されている。基板作業装置の一例として部品実装装置が知られている。部品実装装置は、基板を搬送する基板搬送装置と、電子部品（以下、単に「部品」という）を基板に実装するためのヘッドユニットとを備えている。また近年、ヘッドユニットに高さセンサを取り付け、部品が実装される基板の高さを測定する部品実装装置が提供されている（例えば特許文献１参照）。この部品実装装置では、部品実装を行う前に基板の高さが測定され、その測定結果に基づいて部品実装が行われる。このため、基板搬送装置により搬送されてきた基板に反りなどが生じて基板の高さが変動していたとしても、当該基板への部品の実装を円滑に行うことができる。

特許第６１０３８００号

特許文献１に記載の装置では、基板の高さを測定するために、いわゆる拡散反射タイプの高さセンサが用いられている。この高さセンサはレーザー光照射部および反射光検出部を有している。レーザー光照射部および反射光検出部は互いに隣接配置されている。レーザー光照射部は下方に配置された対象物である基板に向かってレーザー光を鉛直下方に照射する。そして、基板によりレーザー光が反射されることで発生する拡散反射光のうち鉛直方向に対して傾斜した光軸を有する反射光を反射光検出部が受光して基板の高さを測定する。

ここで、レーザー光が基板の表面で反射されるのであれば、基板の高さを安定して測定することができる。しかしながら、基板の種類によっては、レーザー光が基板の表層を透過し、その他の場所、例えば基板の内部に存在する内部配線層で反射されることがある。この場合、高さセンサは内部配線層の高さを基板の高さとして誤検出してしまう。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、基板の種類を問わず、鉛直方向における基板の高さを高精度に測定することができる高さ測定技術、ならびに当該高さ測定技術を用いて基板作業を良好に行うことができる基板作業装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、測定対象となる基板の高さを測定する高さ測定装置であって、基板の上面に対して鉛直方向から照射光を投光するとともに照射光が基板の内部で反射されることで発生する拡散反射光のうち鉛直方向に対して傾斜した光軸を有する反射光を受光して鉛直方向における照射光の反射位置の高さを検出する高さセンサと、測定対象となる基板と同一構成の基板を反りのない状態で高さセンサにより検出して得られる反りのない状態での基板の上面から反射位置までの距離をオフセット量とするオフセット設定部と、オフセット量を記憶する記憶部と、測定対象となる基板を高さセンサにより検出して得られる反射位置の高さを記憶部に記憶されているオフセット量に基づいて補正して測定対象となる基板の高さを決定する高さ決定部とを備えることを特徴としている。

また、本発明の第２態様は、基板の上面に対して鉛直方向から照射光を投光するとともに照射光が基板の内部で反射されることで発生する拡散反射光のうち鉛直方向に対して傾斜した光軸を有する反射光を受光する高さセンサを用いて測定対象となる基板の高さを測定する高さ測定方法であって、測定対象となる基板と同一構成の基板を反りのない状態で保持しながら高さセンサにより鉛直方向における照射光の反射位置の高さを検出し、基板の上面から反射位置までの距離をオフセット量として記憶部に記憶するオフセット設定工程と、測定対象となる基板を保持しながら高さセンサにより検出して得られる反射位置の高さをオフセット量に基づいて補正して測定対象となる基板の高さを決定する高さ決定工程とを備えることを特徴としている。

さらに、本発明の第３態様は、高さ測定装置と、高さ測定装置により測定された測定対象となる基板の高さに基づいて測定対象となる基板に所定の作業を行う作業部とを備えることを特徴としている。

このように構成された発明では、測定対象となる基板と同一構成で、しかも反りのない状態の基板を用いてオフセット量が設定されている。そして、測定対象となる基板の高さを高さセンサにより検出して得られる検出結果がオフセット量に基づいて補正され、基板の高さが測定される。このため、基板の種類を問わず、鉛直方向における基板の高さを高精度に測定することが可能となる。

ここで、鉛直方向と直交するＸＹ座標系において座標位置が互いに異なる、複数の測定ポイントで測定対象となる基板の高さを測定するとき、オフセット設定部は測定ポイント毎にオフセット量を測定するとともに測定ポイントに関連付けて記憶部に格納し、高さ決定部は測定ポイントに対応するオフセット量を記憶部から読み出して補正を行うように構成してもよい。このように複数の測定ポイントについてオフセット量をそれぞれ記憶しておき、それらの中から対応するオフセット量を用いて補正が行われるため、基板の高さを高精度に補正することができる。その結果、鉛直方向における基板の高さがさらに高精度に測定される。

また、オフセット設定部が、測定ポイント毎に、測定ポイントの周辺ポイントで高さセンサにより検出して得られる反りのない状態の基板での照射光の反射位置の高さを周辺量として求め、周辺量のオフセット量からの変化量に基づいて測定ポイントの有効性を確認するように構成してもよい。これは後で詳述するように基板の反りによって照射光の照射位置（後で説明する図８中の符号Ｐｗ）について位置ズレが生じ、その結果、当該測定ポイントに対応するオフセット量をそのまま用いるのが妥当でない場合があることを考慮したものである。つまり、測定ポイントだけでなく、その周辺ポイントについても基板での照射光の反射位置の高さを求め、それらから測定ポイントの有効性を確認しておくことが有益である。というのも、基板の反りによってオフセット設定時と測定対象の基板の高さ測定時とで照射光の照射位置がずれたとしても、その測定ポイントが有効性を有するものであれば、それを用いて高精度な補正を行うことができ、高い信頼性が得られるからである。そこで、測定ポイントの有効性を予め求めておくことで優れた基板の高さ測定が可能となる。

なお、変化量が所定値を超える、つまり有効性に乏しい測定ポイントについては、測定対象となる基板の高さを測定するための複数の測定ポイントから除外してもよく、これによって補正について高い精度を維持することができる。

以上のように、本発明によれば、測定対象となる基板の高さを高さセンサで測定する前に、それと同一構成の基板を反りのない状態で高さセンサにより検出してオフセット量を求めておき、測定対象となる基板を高さセンサにより検出して得られる基板の高さをオフセット量に基づいて補正して基板の高さを決定している。したがって、基板の種類を問わず、鉛直方向における基板の高さを高精度に測定することができる。また、こうして測定された基板の高さを利用することで、測定対象となる基板に対して基板作業を良好に行うことができる。

本発明に係る基板作業装置の第１実施形態である部品実装装置を模式的に示す部分平面図である。 図１の側面部分拡大図である。 図１に示す部品実装装置の電気的構成を示すブロック図である。 図１に示す部品実装装置の動作を示すフローチャートである。 オフセット設定処理を示すフローチャートである。 吸着ノズルの下降量の補正処理を示すフローチャートである。 オフセット設定処理および吸着ノズルの下降量の補正処理を模式的に示す図である。 基板の反りの有無と測定ポイントとの関係を模式的に示す図である。 本発明に係る部品実装装置の第２実施形態で実行されるオフセット設定処理を示すフローチャートである。

図１は本発明に係る基板作業装置の第１実施形態である部品実装装置を模式的に示す部分平面図である。また、図２は図１の側面部分拡大図である。さらに、図３は図１に示す部品実装装置の電気的構成を示すブロック図である。図１、図２および以下の図では、鉛直方向に平行なＺ方向、それぞれ水平方向に平行なＸ方向およびＹ方向からなるＸＹＺ直交座標を適宜示す。この部品実装装置１は平面視で略矩形形状を有する基台１１を有している。この基台１１には、部品を実装するための作業エリアとしての実装エリアと、この実装エリアの上流側に設定される待機エリアと、実装エリアの下流側に設定される出口エリアとがＸ方向に直線状に設定されている。

基台１１には、基板搬送装置２が設けられている。基板搬送装置２は一対のコンベア２１、２１と、バックアップ機構２２と、クランプ機構（図３中の符号２３）を備えている。一対のコンベア２１、２１はＹ方向に互いに一定距離だけ離間して配置されている。コンベア２１、２１は装置全体を制御する制御部８０の駆動制御部８２からの駆動指令に応じて作動し、基板Ｂや後で説明する図７に示すように基板Ｂと同一種類であり同一構成の基板（以下「オフセット用基板ＢＢ」という）を待機エリアから実装エリアの作業位置（図１の基板Ｂの位置）に搬送する。また、クランプ機構２３が駆動制御部８２からの駆動指令に応じて作動して作業位置に位置決めされた基板Ｂやオフセット用基板ＢＢを固定するとともに、バックアップ機構２２が駆動制御部８２からの駆動指令に応じて作動して基板Ｂやオフセット用基板ＢＢを下面Ｂｂ側から支持する。そして、実装エリアでは、基板Ｂに対してヘッドユニット３により部品Ｐが実装された後、基板Ｂの固定および支持を解除した後でコンベア２１、２１は部品実装を完了した基板Ｂを実装エリアから出口エリアに搬出する。一方、オフセット用基板ＢＢについては、後で説明するオフセット設定処理が実行された後、オフセット用基板ＢＢの固定および支持を解除した後でコンベア２１、２１はオフセット設定処理後のオフセット用基板ＢＢを実装エリアから出口エリアに搬出する。

バックアップ機構２２は、図１に示すように、一対のコンベア２１、２１間に配置されている。バックアップ機構２２は、図２に示すように、バックアッププレート２２１と、バックアッププレート２２１を昇降駆動する昇降部２２４と、バックアッププレート２２１に植設される複数のバックアップピン２２６とを備えている。バックアッププレート２２１は、Ｘ方向にやや細長の長方形に形成されており、例えばＳＫ４等の磁性体から形成されている。バックアッププレート２２１には、上下方向に貫通する複数の装着孔２２３が水平面内（ＸＹ平面）において一定の間隔でマトリックス状に穿設されている。このため、これらのうち選択された装着孔２２３にバックアップピン２２６を装着することによって、基板Ｂやオフセット用基板ＢＢを下面Ｂｂ側から支持可能となっている。

バックアップピン２２６は、基板Ｂやオフセット用基板ＢＢをその下面Ｂｂ側から支持する構造体である。バックアップピン２２６は、円柱状の円筒体２２７と、円筒体２２７の上部に突出する支持軸２２８と、円筒体２２７の反対側に突出する装着軸２２９とを同心且つ一体に備えている。装着軸２２９をバックアッププレート２２１の装着孔２２３に挿入することにより、円筒体２２７がバックアッププレート２２１に着座する。こうして、バックアップピン２２６はバックアッププレート２２１に植立される。そして、植設されたバックアップピン２２６は、支持軸２２８の先端で基板Ｂやオフセット用基板ＢＢを下面Ｂｂから支持するように構成されている。

このように構成されたバックアッププレート２２１は、昇降部２２４の固定台２２５上に対して複数のボルトで固定され、駆動制御部８２からの駆動指令に応じて昇降部２２４が作動することにより固定台２２５と一体に昇降し、これによってバックアップピン２２６を昇降させる。例えばバックアッププレート２２１が上昇することで、バックアップピン２２６の先端が基板Ｂやオフセット用基板ＢＢの下面Ｂｂに当接して基板Ｂやオフセット用基板ＢＢを下面Ｂｂから支持する。一方、バックアッププレート２２１が下降することで、バックアップピン２２６が基板Ｂやオフセット用基板ＢＢの下面Ｂｂから鉛直下方に離れて基板Ｂやオフセット用基板ＢＢの搬出が可能となる。

部品実装装置１は、２個のヘッドユニット３それぞれをＸＹ方向に個別に駆動するＸＹ駆動機構４を備える。このＸＹ駆動機構４は、それぞれＸ方向に平行に延設されてヘッドユニット３をＸ方向に移動可能に支持する一対のＸビーム４１、４１を有する。各Ｘビーム４１には、Ｘ方向に平行に延設されたボールネジ４２と、ボールネジ４２を回転駆動するＸモーター４３とが取り付けられている。Ｘモーター４３は、ここの例ではサーボモーターである。そして、ボールネジ４２のナットにヘッドユニット３が取り付けられている。さらに、ＸＹ駆動機構４は、それぞれＹ方向に平行に延設された一対のＹビーム４４、４４を有する。各Ｘビーム４１の一端は一方のＹビーム４４によりＹ方向に移動可能に支持され、各Ｘビーム４１の他端は他方のＹビーム４４によりＹ方向に移動可能に支持される。各Ｙビーム４４には、Ｘビーム４１、４１をＹ方向に駆動するＹモーター４５が取り付けられている。各Ｙモーター４５は、ここの例ではリニアモーターであり、Ｘビーム４１、４１の端に取り付けられた可動子４５１、４５１と、Ｙ方向に平行に延設された固定子４５２とを有する。そして、可動子４５１と固定子４５２との間に働く磁力によって可動子４５１とともにＸビーム４１がＹ方向に駆動される。かかるＸＹ駆動機構４によれば、Ｘモーター４３およびＹモーター４５によって、ヘッドユニット３をＸＹ方向に移動させることができる。

部品供給部５は、一対のコンベア２１、２１のＹ方向の両側のそれぞれに配設されている。部品供給部５では、Ｘ方向に並ぶ複数のテープフィーダー５１（以下、単に「フィーダー５１」と称する）が着脱可能に装着されている。各フィーダー５１は集積回路、トランジスター、コンデンサ等の小片状の部品Ｐ（チップ部品）を所定間隔おきに収納したテープをＹ方向に間欠的に送り出すことによって、テープ内の部品Ｐを部品供給位置に供給する。

ヘッドユニット３は、Ｘ方向に平行に配列された複数の実装ヘッド３１を有している。各実装ヘッド３１はＺ方向（鉛直方向）に延びた長尺形状を有し、その下端に係脱可能に取り付けられた吸着ノズル（図示省略）によって部品Ｐを吸着・保持することが可能となっている。吸着ノズルは鉛直方向Ｚに昇降及び回転可能に設けられるとともに、吸着ノズルを昇降させるＺモーター４７及び吸着ノズルを回転させるＲモーター４９が装備されている（図３参照）。そして、ヘッドユニット３はフィーダー５１の上方へ移動して、フィーダー５１により供給される部品Ｐを吸着ノズルで吸着して保持する。それに続いて、ヘッドユニット３は作業位置の基板Ｂの上方に移動し、部品Ｐを吸着保持した吸着ノズルを下降させた後に部品Ｐの吸着を解除することで、基板Ｂの上面Ｂａに部品Ｐを実装する。

本実施形態では、フィーダー５１により供給される部品Ｐの吸着ノズルによる吸着状態を側方から撮像するサイドビューカメラ３２（図３）がヘッドユニット３に取り付けられている。

また、当該ヘッドユニット３には、鉛直方向Ｚにおける基板Ｂの高さを検出する高さセンサ７が取り付けられている。この高さセンサ７は、特許文献１に記載の装置と同様に拡散反射タイプのセンサであり、基板Ｂややオフセット用基板ＢＢに対して鉛直方向Ｚから照射光を投光するとともに照射光が基板Ｂややオフセット用基板ＢＢにより反射されることで発生する拡散反射光のうち鉛直方向Ｚに対して傾斜した光軸を有する反射光を受光して鉛直方向Ｚにおける基板Ｂやオフセット用基板ＢＢの高さを測定する。本実施形態では、高さセンサ７により検出された検出値をオフセット設定処理に求めておいたオフセット量で補正することで測定精度を高め、その測定結果に基づいて上記吸着ノズルの下降量を制御し、部品実装の安定化を図っている。なお、これらの点については後で詳述する。

また、部品供給部５とコンベア２１との間には、部品認識カメラ６が配置されている。部品認識カメラ６は、部品供給部５において吸着ノズルにより吸着された部品Ｐを撮像し、部品情報および位置ずれ情報を取得するための画像情報を提供する。この部品撮像は、部品供給部５から基板Ｂへの移動中にヘッドユニット３が部品認識カメラ６の上方を通過することで実行される。こうして取得された画像を解析することで、吸着された部品ＰのＸＹ平面における位置ずれ量および回転角度を求めることが可能となっている。

図３に示すように、上記ように構成された部品実装装置１の装置各部を制御するために、部品実装装置１は制御部８０を有している。制御部８０はＣＰＵ（CentralProcessingUnit）により構成される演算処理部８１を備えている。演算処理部８１には、駆動制御部８２と、記憶部８３と、画像処理部８４と、入出力制御部８５と、表示部８６と、入力部８７と、がそれぞれ接続されている。

制御部８０では、高さセンサ７は入出力制御部８５に接続されており、高さセンサ７の検出結果が入出力制御部８５を介して演算処理部８１に与えられる。演算処理部８１は、記憶部８３に記憶されているオフセット設定プログラムを実行して高さセンサ７の検出結果をオフセット量とし、記憶部８３に格納する。また、基板Ｂに部品Ｐを実装する際には、演算処理部８１は高さセンサ７により検出された検出値（鉛直方向における照射光の反射位置）を受け取るとともに記憶部８３からオフセット量を読み出し、当該オフセット量により検出値を補正して真の基板Ｂの高さ、つまり鉛直方向Ｚにおける基板Ｂの上面Ｂａの高さを決定する。このように本実施形態では、演算処理部８１はオフセット設定部８１１および高さ決定部８１２として機能する。

図４は図１に示す部品実装装置の動作を示すフローチャートである。また、図５はオフセット設定処理を示すフローチャートであり、図６は吸着ノズルの下降量の補正処理を示すフローチャートである。さらに図７はオフセット設定処理および吸着ノズルの下降量の補正処理を模式的に示す図である。

部品実装の対象となる基板Ｂ（本発明の「測定対象となる基板」の一例に相当）に対して高さセンサ７から照射光を鉛直方向に投光すると、鉛直方向における照射光の反射位置が基板Ｂの種類に応じて相違し、上記オフセット量が相違することがある。そこで、本実施形態では、演算処理部８１は新たなオフセット量の設定の要否を判定する（ステップＳ１）。より具体的には、基板Ｂに対応するオフセット量が既に記憶部８３に格納されているか否かを判定する。そして、オフセット量が格納されていない場合、つまり基板Ｂが今までに取り扱ったことがないものである場合には、当該基板Ｂに対する部品実装動作に先立って、演算処理部８１は装置各部を以下のように制御してオフセット設定処理を実行した（ステップＳ２）後でステップＳ３に進んで部品実装を開始する。一方、オフセット量が既に格納されている場合には、以下のオフセット設定処理を行わず、ステップＳ３に進んで部品実装を開始する。

オフセット設定処理では、演算処理部８１はオフセット用基板ＢＢを準備するとともに部品実装装置１のコンベア２１、２１にセットすることをオペレータに促すメッセージを表示部８６に表示させる。それを確認したオペレータがオフセット用基板ＢＢのセットを完了し、入力部８７を介してオフセット開始指令を与えると、コンベア２１、２１がオフセット用基板ＢＢを実装エリアの作業位置に搬入する（ステップＳ２１）。そして、当該オフセット用基板ＢＢがクランプ機構２３により固定されるとともにバックアップ機構２２により下面Ｂｂ側から支持され、次のステップＳ２２でオペレータによりガラス板ＧＰがオフセット用基板ＢＢ上に載置される。これによって、図７の（ａ）欄に示すように、ガラス板ＧＰがその自重によりオフセット用基板ＢＢを上方から押え、オフセット用基板ＢＢを反りのない状態にする。

次に、ヘッドユニット３がＸ方向および／またはＹ方向に移動し、ＸＹ座標系において座標位置が互いに異なる複数の測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎのうち一つの測定ポイント、例えば１番目の測定ポイントＭＰ１の直上に高さセンサ７を位置させる（ステップＳ２３）。そして、図７の（ａ）欄の左端図に示すように、測定ポイントＭＰ１に位置決めされた高さセンサ７の投光部（図示省略）から照射光Ｌinが鉛直方向Ｚに落射されるとともにオフセット用基板ＢＢにより拡散反射された反射光のうち鉛直方向Ｚに対して傾斜した光軸を有する反射光Ｌoutが受光部（図示省略）で受光される。このため、鉛直方向Ｚにおけるオフセット用基板ＢＢの高さに関連する信号が高さセンサ７から出力され、演算処理部８１は測定ポイントＭＰ１でのオフセット用基板ＢＢの高さを取得する。ここで、例えば図７に示すように部品実装の対象となる基板Ｂおよびオフセット用基板ＢＢが照射光Ｌinを透過させる材料で形成されるとともに、測定ポイントＭＰ１において基板Ｂやオフセット用基板ＢＢの上面Ｂａ（鉛直方向Ｚにおける高さＨs1＝０）から深さＨw1に内部配線層ＷＬ１が存在する場合、オフセット用基板ＢＢの上面Ｂａから深さＨw1の位置Ｐw1で照射光Ｌinは拡散反射される（基板の種類が同一であるため、当該反射態様は基板Ｂにおいても同様である）。そこで、本実施形態では、測定ポイントＭＰ１について、反りのない状態で高さセンサ７により検出された高さＨw1をオフセット量ＯＦ１として測定ポイントＭＰ１と関連付けて記憶部８３に格納する（ステップＳ２４）。なお、図７では、内部配線層ＷＬ１で反射が生じる場合を例示しているが、反射位置はこれに限定されるものではなく、例えば測定ポイントＭＰｎにおいては内部配線層ＷＬ２で反射が生じ、反りのない状態で高さセンサ７により検出された高さＨwnがオフセット量ＯＦｎとして測定ポイントＭＰｎと関連付けて記憶部８３に格納される。また、内部配線層ＷＬ１、ＷＬ２以外の内部配線層やその他の中間層により反射され、それに対応したオフセット量が設定されることもある。

次のステップＳ２５では、全ての測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎについてオフセット量ＯＦ１〜ＯＦｎの算出および記憶部８３への格納が完了したか否かを演算処理部８１は判定し、当該ステップＳ２５で「ＮＯ」と判定されている間、測定ポイントを順次変更しながらステップＳ２３、Ｓ２４を繰り返す。これによって、測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎ毎のオフセット量ＯＦ１〜ＯＦｎが設定される。それに続いて、オペレータによるガラス板ＧＰの除去（ステップＳ２６）後に、演算処理部８１はオフセット用基板ＢＢの固定および支持を解除した後でコンベア２１、２１によりオフセット用基板ＢＢを実装エリアから出口エリアに搬出する（ステップＳ２７）。なお、図５に示すオフセット設定処理では、オフセット用基板ＢＢの搬入および搬出と、ガラス板ＧＰの載置・除去とを分離して行っているが、オフセット用基板ＢＢ上にガラス板ＧＰを載置した状態のままオフセット用基板ＢＢおよびガラス板ＧＰを一体的に搬入および搬出してもよい。また、ガラス板ＧＰの載置・除去をロボット（図示省略）により行ってもよい。さらに、オフセット用基板ＢＢの反りを取り除くための治具としてガラス板ＧＰを用いているが、例えば吸着板などの他の治具を用いてもよい。これらの点については、後で説明する実施形態においても同様である。

図４に戻って説明を続ける。ステップＳ３では、オフセット用基板ＢＢと同一種類の未処理基板Ｂがコンベア２１、２１によって実装エリアの作業位置に搬入される。そして、クランプ機構２３により作業位置に位置決めされた基板Ｂを固定するとともに、バックアップ機構２２により基板Ｂを下面Ｂｂ側から支持する。ここで、図７の（ｂ）欄に示すように基板Ｂが反って鉛直方向Ｚにおける基板Ｂの上面Ｂａの高さが変動することがある。そこで、本実施形態では、１または複数の部品Ｐをフィーダー５１からピックアップした後に基板Ｂへ移動して部品Ｐのそれぞれを互いに異なる実装位置に搭載する実装ターンを単純に行うのではなく、基板Ｂの高さ測定と下降量の補正とを組み合わせることで部品Ｐを基板Ｂの上面Ｂａに良好に搭載可能としている。

本実施形態では、ヘッドユニット３が部品供給部５に移動し、フィーダー５１から供給される部品Ｐを吸着ノズルで吸着して保持する（ステップＳ４）。そして、吸着ノズルで部品Ｐを保持したままヘッドユニット３が基板Ｂの上方に移動し、高さセンサ７を測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎのいずれかの上方に位置させる（ステップＳ５）。例えば複数の部品Ｐの搭載位置と測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎとを完全に一致させている場合には、最初に搭載すべき搭載位置に対応する測定ポイントの上方に高さセンサ７を位置させる。また、複数の部品Ｐの搭載位置と直接関係することなく、基板Ｂに対してＭ×Ｎのマトリックス状に測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎを設定している場合や基板Ｂの内部構造（内部配線層ＷＬ１、ＷＬ２の配設位置など）に対応して測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎを設定している場合には、最初の部品を搭載すべき搭載位置に最も近い測定ポイントの上方に高さセンサ７を位置させる。そして、下降量の補正処理を実行することで基板Ｂの上面Ｂａの高さ位置に応じた吸着ノズルの下降量を設定する（ステップＳ６）。

下降量の補正処理では、上記のように所望の測定ポイント、例えば測定ポイントＭＰ１に位置決めされた高さセンサ７によって基板Ｂでの照射光の反射位置の高さ検出を行う（ステップＳ６１）。この測定ポイントＭＰ１では、図７の（ｂ）欄に示すように、照射光Ｌinは内部配線層ＷＬ１の位置Ｐw1で拡散反射され、そのうちの反射光Ｌoutが高さセンサ７により受光され、高さＨw1が測定ポイントＭＰ１での照射光の反射位置の高さとして検出される。また、高さセンサ７が別の測定ポイント、例えば測定ポイントＭＰｎに位置決めされた場合には、高さＨwnが測定ポイントＭＰｎでの照射光の反射位置の高さとして検出される。つまり、いずれの測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎにおいても、検出結果はそれぞれ鉛直方向Ｚにおける基板Ｂの上面Ｂａの高さＨs1〜Ｈsnからオフセット量ＯＦ１〜ＯＦｎだけずれた値となる。

そこで、本実施形態では、演算処理部８１は上記ステップＳ５で高さセンサ７が位置決めされた測定ポイント、例えば測定ポイントＭＰ１では、それに対応するオフセット量ＯＦ１を記憶部８３から読み出し（ステップＳ６２）、オフセット量ＯＦ１により高さセンサ７の検出結果（高さＨw1）を補正し、当該測定ポイントＭＰ１での基板Ｂの上面Ｂａの高さＨs1を算出する（ステップＳ６３）。そして、こうして求められた基板Ｂの上面Ｂａの高さに応じて演算処理部８１は下降量を補正する（ステップＳ６４）。

再び図４に戻って、次のステップＳ７では演算処理部８１は部品Ｐを吸着している吸着ノズルを搭載点の上方に位置させるとともに補正された下降量だけ下降させることで当該部品Ｐを基板Ｂに搭載する。例えば搭載位置と一致している、あるいは近傍に位置している測定ポイントでの基板Ｂの上面Ｂａが基板Ｂの反りによって浮き上がっている場合には、その浮上量だけ下降量を減じることで基板Ｂの反りにかかわらず部品Ｐを基板Ｂの上面Ｂａに安定して良好に搭載することができる。

こうして１つの部品Ｐについて基板Ｂへの搭載が完了すると、演算処理部８１は当該実装ターンが完了したか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ４で吸着された全部品Ｐの搭載が完了していない間（ステップＳ８で「ＮＯ」）、ステップＳ５に戻って上記一連の動作（ステップＳ５〜Ｓ７）を繰り返す。なお、本実施形態では、部品Ｐ毎に上記一連の動作を実行しているが、１つの測定ポイントに対して複数の部品Ｐの搭載位置が近接している場合には、ステップＳ７において、それら複数の部品Ｐを順次搭載してもよい。

こうして、１つの実装ターンが完了すると、ステップＳ９に進んで、演算処理部８１は全実装ターンが実行されたか否かを判定する。そして、全実装ターンが完了していない間、ステップＳ４に戻ってステップＳ４〜Ｓ８を繰り返す。一方、全実装ターンが完了したことを確認すると、演算処理部８１は基板Ｂの固定および支持を解除した後でコンベア２１、２１により部品実装を完了した基板Ｂを実装エリアから出口エリアに搬出する（ステップＳ１０）。そして、次の未処理基板Ｂが存在する場合には、演算処理部８１はステップＳ１に戻って上記処理（ステップＳ１〜Ｓ１０）を繰り返す。

以上のように、本実施形態によれば、部品Ｐを実装すべき基板Ｂと同一構成を有するオフセット用基板ＢＢにガラス板ＧＰを載置して反りのない状態を作り出した上で、測定ポイントＭＰ１〜ＭＰｎのオフセット量ＯＦ１〜ＯＦｎをそれぞれ設定し、記憶部８３に格納している。そして、鉛直方向Ｚにおける基板Ｂでの照射光の反射位置の高さを高さセンサ７で検出すると、当該検出を行った測定ポイントに対応するオフセット量を記憶部８３から読み出し、当該オフセット量を用いて高さセンサ７による検出結果を補正して基板Ｂの高さを測定している。このため、基板Ｂの種類を問わず、鉛直方向Ｚにおける基板Ｂの高さを高精度に測定することができる。

また、こうして測定された高さに基づいて下降量を演算して基板Ｂの上面Ｂａへの部品Ｐの搭載を行っている。このため、部品Ｐを基板Ｂに良好に搭載することができ、高い精度で、しかも安定して部品実装を行うことができる。

ところで、拡散反射タイプの高さセンサ７を用いた場合、例えば図８（ｂ）および（ｃ）に示すように基板Ｂの反り有無によって照射光Ｌinが照射される位置が変位する。つまり、高さセンサ７を同一の測定ポイントＭＰに位置決めしているものの、オフセット量を求めた時と高さ測定を行った時とで照射光Ｌinが照射される位置ＰｗがＸＹ座標系においてずれることがある。例えば基板Ｂの最大ソリ量βとした際に照射位置の位置ズレ量αとなることがあり、当該位置ズレがオフセット量による補正に悪影響を及ぼすことがある。例えば同図（ａ）に示すように予め設定された測定ポイントＭＰが内部配線層ＷＬの端部である場合、オフセット量を設定する段階（つまり反りがない状態）では、照射光Ｌinは内部配線層ＷＬに照射され、それを反映したオフセット量が設定されるが、基板Ｂの反りによって照射光Ｌinの照射位置ＰｗがＸＹ座標系においてシフトし、内部配線層ＷＬから外れて照射されることがある。このような場合、測定ポイントＭＰに対応するオフセット量をそのまま用いて補正処理を行うことは具体的妥当性を欠く、すなわち、当該測定ポイントＭＰが有効なものでなく、むしろ当該測定ポイントＭＰ以外の測定ポイントを用いて基板Ｂの高さを測定するのが望ましいと考えられる。

そこで本願発明の第２実施形態では、以下に詳述するように、測定ポイント毎にオフセット量を求めるのみならず、基板Ｂが反った場合にも当該オフセット量が高さ補正に有効なものとして機能するか否かを判定した上で、有効性を有すると判断した測定ポイントのみを用いて基板Ｂの高さ測定を行う。

図８は基板の反りの有無と測定ポイントとの関係を模式的に示す図である。図９は本発明に係る部品実装装置の第２実施形態で実行されるオフセット設定処理を示すフローチャートである。第２実施形態が第１実施形態と大きく相違する点は、測定ポイントの有効性を判定するとともに有効性判定に基づき測定ポイントを調整する工程（ステップＳ２８）をオフセット設定処理に追加した点である。したがって、その他の構成および動作は基本的に第１実施形態と同一であるため、同一構成については同一符号を付して説明を省略する一方、相違点については図８および図９を参照しつつ詳述する。

第２実施形態においても、基板Ｂに対する部品実装動作に先立って、演算処理部８１は装置各部を以下のように制御してオフセット設定処理を実行した（ステップＳ２）後でステップＳ３に進んで部品実装を開始する。すなわち、オフセット設定処理では、第１実施形態と同様にオフセット用基板ＢＢを実装エリアの作業位置に搬入し（ステップＳ２１）、ガラス板ＧＰによりオフセット用基板ＢＢの反りを取り除いた状態で、高さセンサ７により測定ポイントＭＰについて高さセンサ７によりオフセット用基板ＢＢの高さを検出し、これをオフセット量として測定ポイントＭＰと関連付けて記憶部８３に格納する（ステップＳ２４）。

これに続いて、演算処理部８１が上記した追加工程（ステップＳ２８）を実行する。すなわち、オフセット用基板ＢＢのＸＹ座標系において上記測定ポイントＭＰを取り囲む複数（第２実施形態では８個）の周辺ポイントＳＰの直上に高さセンサ７が順次位置するようにヘッドユニット３を移動させる。そして、周辺ポイントＳＰ毎に高さセンサ７により検出されるオフセット用基板ＢＢでの照射光の反射位置の高さを本発明の「周辺量」として検出し、記憶部８３に一時的に記憶する。つまり、測定ポイントＭＰでの照射光の反射位置の高さ（オフセット量）以外に、当該測定ポイントＭＰを取り囲む周辺ポイントＳＰでの照射光の反射位置の高さ（周辺量）が検出される。

ここで、測定ポイントＭＰと周辺ポイントＳＰとの相互間隔は、基板Ｂが最大ソリ量β（図８（ｃ）参照）だけ反ったときの位置ズレ量αに設定されており、基板Ｂが反ったとしても、照射光Ｌinの照射位置Ｐｗは周辺ポイントＳＰで囲まれた領域に収まる。したがって、周辺ポイントＳＰの高さが測定ポイントＭＰの高さＨから大きくずれない、つまり検出高さが安定している場合には、測定ポイントＭＰに対応するオフセット量を用いた補正処理は非常に有効なものとなる。これに対し、例えば図８に示すように測定ポイントＭＰが内部配線層ＷＬの周縁部分である場合には、高さセンサ７を周辺ポイントＳＰに位置させながらオフセット用基板ＢＢでの照射光の反射位置の高さを検出した際の検出結果は測定ポイントＭＰでの照射光の反射位置の高さから大きくずれている、つまり検出高さが不安定となる。この場合、同一の測定ポイントＭＰでありながらも照射位置Ｐｗが基板Ｂの反りによってオフセット設定処理時の照射位置Ｐｗからずれることで正確な補正が困難となる。

そこで、本実施形態では、演算処理部８１が測定ポイントＭＰのオフセット量に対する各周辺ポイントＳＰでの検出高さの変化量をそれぞれ算出し（ステップＳ２８３）、それらのうちの最大変化量がしきい値を超えているか否かを判定する（ステップＳ２８４）。ここで、ステップＳ２８４で「ＹＥＳ」、つまり検出高さが不安定であり、正確な補正が困難となると判定した場合には、当該測定ポイントＭＰを削除する。一方、ステップＳ２８４で「ＮＯ」、つまり検出高さが安定しており、当該測定ポイントＭＰで検出した高さＨをオフセット量として正確な補正が可能であると判定した場合には、当該測定ポイントＭＰの有効性を確認し、そのまま用いる。

このような追加工程（ステップＳ２８）を含めた一連の工程を、第１実施形態と同様にステップＳ２５で「ＹＥＳ」と判定されるまで繰り返し、ステップＳ２８５で有効性が確認された全ての測定ポイントについてオフセット量を格納する。それに続いて、オペレータによるガラス板ＧＰの除去（ステップＳ２６）後に、演算処理部８１はオフセット用基板ＢＢの固定および支持を解除した後でコンベア２１、２１によりオフセット用基板ＢＢを実装エリアから出口エリアに搬出する（ステップＳ２７）。

以上のように、第２実施形態によれば、測定ポイントＭＰ毎に、測定ポイントＭＰの周辺ポイントＳＰで高さセンサ７により検出して得られる反りのない状態のオフセット用基板ＢＢでの照射光の反射位置の高さを周辺量として求め、周辺量のオフセット量からの変化量に基づいて測定ポイントＭＰの有効性を確認している。そして、有効性を備えた測定ポイントＭＰに対応するオフセット量を用いて高精度な補正を行っている。このため、基板Ｂの高さ測定を第１実施形態よりも高い信頼性で行うことができる。

このように、上記実施形態では、高さセンサ７と制御部８０とで基板Ｂの高さ測定を行っており、これらによって本発明の「高さ測定装置」の一例が構成されている。また、ヘッドユニット３が本発明の「所定の作業」の一例である部品実装作業を行っており、本発明の「作業部」として機能している。また、オフセット設定処理（ステップＳ２）および下降量の補正処理中のステップＳ６３がそれぞれ本発明の「オフセット設定工程」および「高さ決定工程」の一例に相当している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では、基板Ｂ以外にオフセット用基板ＢＢを別途準備しているが、複数の基板Ｂのうち１枚をオフセット用基板ＢＢとして用い、その後で当該オフセット用基板ＢＢに部品Ｐを実装してもよい。

また、上記第２実施形態では有効性なしと判断された測定ポイントＭＰを削除している（ステップＳ２８５）が、削除することは必須事項ではなく、ソフトウエア的なアプローチ、例えば有効性を有しないことを指標するフラグを立てて基板Ｂの高さ測定に使用しないように設定してもよい。また、このように有効性を有しない測定ポイントは発生した場合には、当該測定ポイントから所定距離だけずらした別の測定ポイントに対応するオフセット量を用いたり、当該測定ポイントに近接する複数の別の測定ポイントに対応するオフセット量を補間して得られる値をオフセット量として用いたりして高さ測定を行ってもよい。

さらに、上記実施形態では、本発明に係る高さ測定装置を部品実装装置に適用しているが、本発明の適用対象はこれに限定されるものではなく、基板に対して所定の処理、例えば基板上に搭載された部品を検査する検査処理や基板の上面に半田などの印刷材料を印刷する印刷処理を実行する基板作業装置全般に適用することができる。

この発明は、鉛直方向における基板の高さを測定する高さ測定装置、高さ測定方法および当該高さ測定装置を装備する基板作業装置全般に適用することができる。

１…部品実装装置（基板作業装置）
３…ヘッドユニット（作業部）
７…高さセンサ
８０…制御部
８１…演算処理部
８３…記憶部
８１１…オフセット設定部
８１２…高さ決定部
Ｂ…基板
ＢＢ…オフセット用基板
ＭＰ、ＭＰ１〜ＭＰｎ…測定ポイント
ＯＦ１〜ＯＦｎ…オフセット量
ＳＰ…周辺ポイント
Ｚ…鉛直方向

Claims (6)

1. 測定対象となる基板の高さを測定する高さ測定装置であって、
   基板の上面に対して鉛直方向から照射光を投光するとともに前記照射光が前記基板の内部で反射されることで発生する拡散反射光のうち前記鉛直方向に対して傾斜した光軸を有する反射光を受光して前記鉛直方向における前記照射光の反射位置の高さを検出する高さセンサと、
   前記測定対象となる基板と同一構成の基板を反りのない状態で前記高さセンサにより検出して得られる前記反りのない状態での前記基板の上面から前記反射位置までの距離をオフセット量とするオフセット設定部と、
   前記オフセット量を記憶する記憶部と、
   前記測定対象となる基板を前記高さセンサにより検出して得られる前記反射位置の高さを前記記憶部に記憶されている前記オフセット量に基づいて補正して前記測定対象となる基板の高さを決定する高さ決定部と
   を備えることを特徴とする高さ測定装置。
2. 請求項１に記載の高さ測定装置であって、
   前記鉛直方向と直交するＸＹ座標系において座標位置が互いに異なる、複数の測定ポイントで前記測定対象となる基板の高さを測定するとき、
   前記オフセット設定部は前記測定ポイント毎に前記オフセット量を測定するとともに前記測定ポイントに関連付けて前記記憶部に格納し、
   前記高さ決定部は前記測定ポイントに対応するオフセット量を前記記憶部から読み出して前記補正を行う高さ測定装置。
3. 請求項２に記載の高さ測定装置であって、
   前記オフセット設定部は、前記測定ポイント毎に、前記測定ポイントの周辺ポイントで前記高さセンサにより検出して得られる前記反りのない状態の基板の上面から前記反射位置までの距離を周辺量として求め、前記周辺量の前記オフセット量からの変化量に基づいて前記測定ポイントの有効性を確認する高さ測定装置。
4. 請求項３に記載の高さ測定装置であって、
   前記オフセット設定部は、前記変化量が所定値を超える前記測定ポイントについては、前記測定対象となる基板の高さを測定するための複数の測定ポイントから除外する高さ測定装置。
5. 基板の上面に対して鉛直方向から照射光を投光するとともに前記照射光が前記基板の内部で反射されることで発生する拡散反射光のうち前記鉛直方向に対して傾斜した光軸を有する反射光を受光する高さセンサを用いて測定対象となる基板の高さを測定する高さ測定方法であって、
   前記測定対象となる基板と同一構成の基板を反りのない状態で保持しながら前記高さセンサにより前記鉛直方向における前記照射光の反射位置の高さを検出し、前記基板の上面から前記反射位置までの距離をオフセット量として記憶部に記憶するオフセット設定工程と、
   前記測定対象となる基板を保持しながら前記高さセンサにより検出して得られる前記反射位置の高さを前記オフセット量に基づいて補正して前記測定対象となる基板の高さを決定する高さ決定工程と
   を備えることを特徴とする高さ測定方法。
6. 請求項１ないし４のうちのいずれか一項に記載の高さ測定装置と、
   前記高さ測定装置により測定された前記測定対象となる基板の高さに基づいて前記測定対象となる基板に所定の作業を行う作業部と
   を備えることを特徴とする基板作業装置。

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