JPH03167408A - 実装部品の高さ測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、プリント基板上に実装された部品の形状や位
置ずれ等の外観検査に用いられる実装部品の高さ測定装
置に関するものである。

従来の技術 従来、プリント基板上に実装された部品の位置ずれ、欠
品、浮き等の不良の検査は目視検査に頼っていた。とこ
ろが、製品の小型軽量化に伴いプリント基板上の部品の
小型化や高密度実装がよ９一層進み、目筏検査が困難に
なってきた。

そこで最近、これらの検査の自動化が強く望捷れるよう
になり、いくつかの検査装置が提案されている。これら
の中で、部品の高さデータを計測しこれを用いて不良を
検出する方法がある。この方法は、部品の形状を三次元
的に捉え検査するため高さデータが精度良く計測できれ
ば有望である。

特願昭６３−２６８４３７号の「実装基板検査装置」は
、この方法を用いたものである。

第５図は、そのような装置のブロック図である。

第５図にむいて、５０１はプリント基板、５０２はプリ
ント基板５０１上に実装されている部品、５０３はプリ
ント基板５０１を移動させる搬送手段、５０４はその移
動方向を示す矢印である。５０５はレーザ光源、５０６
はレーザ光源５０５からのレーザ光、５０７はポリゴン
ミラ−　５０８はレーザ光をポリゴンミラ−５０７に導
くため”の反射ミラー　５０９はｆ−θレンズ、５１０
は光切断ミラーである。５１１は集光レンズ、５１２は
光位置検出センサ、５１３は光位置検出センサ５１２か
らの出力信号、５１４は光位置検出センサの出力５１３
から高さデータを算出する演算手段、５１５は高さデー
タを用いて部品の実装状態の良否を判定する判定手段を
示している。

以上のような構成において、レーザ光源５０５より出射
されたレーザ光５０６は、反射ミラー５０８、ポリゴン
ミラ−５０７、ｆ一θレンズ５０９　Ｋようフリント基
板５０１上に垂直に照射されるとともに、プリント基板
５０１の短辺方向に一次元走査される。

そのプリント基板５０１及びプリント基板５０１上の部
品を走査したレーザ光は拡散しその一部は、光切断ミラ
ー５１０、ポリゴンミラ−５０７、集光レンズ５１１に
より光位置検出センサ（たとえばＰＳＤ（ポジション　
センシティプ　デテクタ）：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎ
ｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　）　　５１２上に結
像される。光位置検出センサ５１２は、結像された光点
の位置に応じた信号５１３を出力し、高さ演算手段５１
４では、この位置信号を用いて高さデータを算出する。

プリント基板全面について高さデータを測定するために
、プリント基板５０１を搬送手段５０３によｂ定められ
た速度で５０４の方向に移動させている０ 判定手段５１５では、予め与えられた基準高さデータと
実測した高さデータを比較し、部品５０２の実装状態の
良否を判定する。捷た、部品が実装されてはいけない部
分での余分な部品の有無を判定する。

なか、以上の動作を行うためには、プリント基板の先端
が検査装置に入９検査を開始することを示す同期信号、
１ラインの走査開始を示す同期信号、および１画素毎の
タイミングを示すクロツク信号が必要であるが、ここで
は図示していない。

発明が解決しようとする課題 高さデータを正確に測定しこれを用いて三次元的に検査
する方法は、三次元情報を二次元に射影しこれをテレビ
カメラで測定する方法等よシ優れている。

しかし、プリント基板上の部品の高さを正確にかつ、高
速に測定することは非常に困難であるため、部分的な検
査にのみ使用されていた。この理由は、プリント基板１
たは部品にレーザ光を照射したときの反射光のダイナミ
ックレンジと高さデータを算出する演算回路のダイナミ
ックレンジの違いである。すなわち、反射光の方は、１
０５〜１０６程度、演算回路の方は１０２〜ｌ０３（ア
ナログ演算器の演算精度）程度であるため、反射光が強
い場合や逆に非常に弱い場合は高さデータが精度良く測
定できなかった。

１た、処理速度についても、アナログ演算回路を用いて
いるため高速処理が困難である。

本発明は上記課題に鑑み、高さデータを正確に、かつ高
速に測定することのできる実装部品の高さ測定装置を提
供するものである。

課題を解決するための手段 上記課題を解決するため、本発明では以下に示す手段を
用いている。

レーザ光によりプリント基板および基板上の部品を走査
するレーザ走査光学系と、プリント基板むよび基板上の
部品からの反射光を集光し光位置検出センサに導く反射
光学系と、反射光学系により集光された光点位置の変位
を検出する光位置検？センサと、このセンサの光電変換
信号を増幅する増幅器と、増幅器の出力をディジタル化
し高さデータを算出する高さ演算器とを具備した実装部
品の高さ測定装置において、第１の課題であるダイナミ
ックレンジの拡張については、光位置検出センサの出力
を増幅する増幅器の利得を入力レベルに応じて自動的に
切９替える（レンジ切替機能）と共に、高さ演算回路を
ディジタル化することで対処できる。

第２の課題である処理速度の高速化については、レンジ
切替機能を有する増幅器の構成を変更し、利得の異なる
増幅器とこの出力を制限するり■ツタを複数組設け、こ
れらを並列に動作させ、入力レベルに応じて予め定めら
れた増幅器の出力を選択する方式を採用することで対処
できる。捷た、高さ演算回路をディジタル化することに
より処理速度の改善を図ることができる。

以上の手段によｂ１前記課題を解決することが可能にな
るが、逆に新たな問題も発生するためこれを解決する手
段が必要になる。すなわち、高さ演算回路はレンジ切替
が行われた後の位置信号を用いているが、レンジ切替は
瞬時にできるものではなく、あるセットリング時間を要
する。このレンジ切替過渡期の信号は、ＰＳＤの出力す
る位置信号とは関連がなくなるため、この過渡期の信号
をＡ／Ｄ変換し高さ演算を行うと高さデータにエラーを
生じる。このため、高さ演算を開始する（Ａ／Ｄ変換開
始）直前ではレンジ切替を禁止し、エラーの発生を抑制
している。

１た、他の方法としてはレンジ切替と高さ演算の動作を
同期させることにより、レンジ切替に伴う高さエラーを
軽減することができる。

作用 本発明は、光位置検出センサの出力を増幅する増幅器の
利得を入力レベルに応じて自動的に切り替える（レンジ
切替機能）手段を用いることにより、プリント基板およ
びプリント基板上に実装された部品からの反射光の強さ
によらず精度のよい高さデータを測定することができる
。１た、レンジ切替機能を有する増幅器の構成を変更し
、利得の異なる増幅器とこの出力を制限するリミッタを
複数組設け、これらを並列に動作させ、入力レベルに応
じて対応する増幅器の出力を選択する方式を採用するこ
とと、高さ演算回路をディジタル化することにより処理
速度の高速化が実現ができる。

実施例 以下、第１図を用いて本発明の一実施例を説明する。第
１図は本発明の一実施例における実装部品の高さ測定装
置を示すブロック図であり、プリント基板の外観検査に
用いた場合の例である。第１図において、レーザ光源１
０５よシ出射されたレーザ光１０６は、反射ミラー１０
８、ポリゴンミラー１０７およびｆ一θレンズ１０９に
よりプリント基板１０１上に垂直に照射される。プリン
ト基板全面について走査（二次元走査〉する方法として
、プリント基板の短辺方向はポリゴンミラ−１０７を回
転させることで一次元走査（主走査）し、プリント基板
の長辺方向はプリント基板１０１を搬送手段１０３によ
り定められた速度で１０４の方向に移動（副走査）させ
ている。

プリント基板１０１及びプリント基板上の部品１０２を
走査したレーザ光は拡散するが、そのうちの一部は光切
断ミラー１ｌＯ、ポリゴンミラ−１０７、集光レンズ１
１１により光位置検出センサ（たとえばＰＳＤ　（ポジ
ション　センシティブ　デテクタ）：　Ｐｏｓｉｔｉｏ
ｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ　）　　１
１２上に結像される。光位置検出センサ１１２は、結像
された光点の位置に応じた信号１１３　（Ｉ１、Ｉ２）
を出力するものであう、とのセンサ上での光の変位はプ
リント基板上での部品の高さに比例した値である。高さ
データへの変換は、この位置信号（ｈ、Ｉ２）を用いて
行うことができる。

すなわち、 高さデータＨ＝Ｋ・　（ＩＩ　　Ｉ２）　／　（Ｉｔ　
＋Ｉ２）・・・・・・（１） （但し、Ｋ：正規化係数） で求めることができる。この場合は、センサ面の中心が
高さ二〇になｂ１これからの変位を求めることになる。

センサの端点を基準にする場合は、第（１）式において
分子（Ｉ１−Ｉ２）の代わりに１ｓｔたはＩ２とすれば
よい。

本実施例では、光位置検出センサの出力１１３はレンジ
切替が可能な増幅器１１６に入力され、高さ演算に適し
たレベルに増幅され出力される。高さ演算部１１４では
、増幅された位置信号１１７をＡ／Ｄ変換しディジタル
処理により高さデータを算出する。１た、Ａ／Ｄ変換開
始信号１１８をレンジ切替が可能な増幅器に送ｐ，Ａ／
Ｄ変換直前のレンジ切替を禁止し高さエラーの発生を抑
制している。

高さ演算部における演算も基本的には第（１）式と同じ
であるが、入力される信号のレベルがレンジ切替を行う
増幅器により一定範囲に入ジ、ダイナミックレンジが抑
えられた形になっている点が異なるＯ 判定演算部１１５では、予め与えられた基準高さデータ
と高さ演算部１１４で測定した高さデータ１１９とを比
較し、部品１０２の実装状態の良否を判定する。１た、
部品を実装してはいけない部分に余分な部品の有るか無
いかを判定するものである。

以上の動作を順次繰シ返して行うことにより、プリント
基板１０１上全面について検査することが出来る。この
一連の動作を行うためには、プリント基板の先端が検査
装置に入ジ検査を開始することを示す同期信号、１ライ
ンの走査開始を示す同期信号、および１画素毎のタイミ
ングを示すクロック信号が必要であるが、ここでは説明
を割愛する。

次に、レンジ切替増幅器１１６、高さ演算部１１４、判
定演算部１１５について、第２図を用いて詳しく説明す
る。

レンジ切替増幅器１１６は、１ず光位置検出センサ１１
２からの位置信号１１３　（Ｉ．、Ｉ２）を加算器２０
３で加算し輝度信号２０４とし、輝度信号のレベルをレ
ベル判定回路２０５判定し、次にレベル判定結果２０６
に従い複数の増幅器群２０１、２０２の出力の中から予
め定められたものを選択するものである。

この場合、位置信号１１３の２つの信号ＩＩ、Ｉ２はレ
ンジ切替増幅回路２０１および２０２でそれぞれレンジ
が切替えられるが、ともに等しい増幅率で処理される。

？イ■ング制御回路２０７は、画素クロック２１５から
レンジ切替の禁止期間を作り出すもので、高さ演算部１
１４のＡ／Ｄ変換開始直前においてレンジ切替を行わな
いようにしている。この理由は、レンジ切替に要する時
間が本実施例では約２００ｎａ必要であり、この間の位
置信号は意味をもたなく、高さ演算を行うとエラーにな
る。したがって、ｌ画素毎にサンプリングを行うＡ／Ｄ
変換の開始直前２００ｎｓの間にレンジ切替が起こらな
いようにして、高さエラーの発生を防止している。

高さ演算部１１４は、レンジ切替を行った２つの位置信
号をｌ画素ごとにＡ／Ｄ変換器２０９、２１０を用いて
ディジタル化し、ディジタル演算回路２１３で高さデー
タを算出するものである。演算回路２１３で行う演算内
容は第（１）式で示したものであう、ディジタル回路を
用いて容易に実現でき、高速化も図れる。

高さ演算部１１４からの高さデータは、８ビットで規格
化されｌ画素毎に判定部１１５に送られる。

判定部１１５では、測定した高さデータを測定データメ
モリに格納し、基準データメモリに予め格納してある基
準データと比較演算し、部品が実装されたプリント基板
の外観を検査するものである。

判定の方法としては、測定データの基準データからのず
れを検出し、この大きさにょう良否の判定を行っている
。この検査装置では、プリント基板全面のデータが測定
してあるため、検査領域を自由に設定できる。したがっ
て、部品が実装されていない領域に余分な部品が付着し
たう、プリント基板が損傷したシする不良も検査できる
。

第３図にレンジ切替器１１６の詳細な構成を示す。

第３図に示した実施例では、レンジ切替の速度に重点を
おいて構成したものである。すなわち、輝度信号２０４
のレベル判定を行い、その結果に応じて増幅器のゲイン
を可変する方式ではレンジの切替が細かくできるメリッ
トはあるが、増幅器のセットリング時間が問題になｂ１
高速化が図れない。

したがって、ここではゲインが固定した増幅器を複数個
設け、レベル判定後は出カの選択のみを行う方式を用い
ている。

上記構成の動作を説明する０なお、第３図はレンジ切替
増幅器のうち、一方のレンジ切替回路のみを示している
。光位置検出センナからの位置信号１１３は、ゲインが
固定の３つの増幅器３０８、３０９、３１０に入力され
それぞれ１倍、１０倍、１００倍される。入力されるレ
ベルにより、これらの増幅器の出力が飽和する可能性が
あり、飽和した場合は増幅器の応答速度に影響が出るた
め、これらの増幅器は、それぞれリミッタ３１１、３１
２、３１３を組み合わせて用い出力が飽和しないように
構成している。各増幅器の出力は、アナグロスイッチ３
１４に入力され、その中の１つが選択されノくツファ増
幅器３１５を介して出力される。

入力レベルの判定は、前述したように２つの位置信号１
１３を加算器３０１で加算し、この信号（輝度信号２０
４）を用いて行う。ここでは、輝度信号を３つのレンジ
に分割するため、２つの高速アナログコンパレータ３０
２、３０３と閾値を設定する基準電源３０５とを用い、
ウィンドコンパレータヲ構成している。閾値電圧は、輝
度信号２０４の上限電圧のｌ／１０と１／Ｚｏｏに設定
している。２つのコンバレータによｂレベル判定された
結果はデコーダ３０６によう輝度信号の振幅レベルの領
域を示す信号（レンジ信号）に変換される。この信号で
アナログスイッチを制御し、所望のレベルに増幅された
位置信号を選択し出力する。

デコーダ３０６の後段にあるラッチ３０７は、レンジの
切替を禁止するためのもので、高さ演算部のＡ／Ｄ変換
器が変換を開始する直前においてレンジ切替の信号が変
化しないようにしている。タイミング制御回路３１６は
、画素クロック２１５よりＡ／Ｄが動作する直前のタイ
ミングを生成するものである。

以上の動作により、入力される位置信号１１３は、即時
にレベル判定され自動的に増幅器のレンジが切シ替えら
れ、一定の範囲に収捷った信号を出力することができる
。

レンジ切替による高さデータの演算エラーを抑えるｆｓ
２の方法として、レンジ切シ替え動作と高さ演算動作と
を同期化させる方法がある。すなわち、１画素の期間内
ではレベルが変化することをなくし、１画素の初めにレ
ベル判定、レンジ切替を行いその後Ａ／Ｄ変換し高さデ
ータを演算するものである。第４図にこの方法の実施例
を示す。

第４図に示す方法は、渣ずサンプル／ホールド回路４０
１、４０２を用いて画素クロックが入力された直後に位
置信号１１３をアナログ的にメモリし、１画素の期間内
は同一レベルを保持するものである。

次に、このサンプル／ホールドされた信号を用いてレン
ジ切り替え増幅器１１６でレンジ切替を行ない、最後に
高さ演算部１１４で高さ演算を行うものである。したが
って、レンジ切シ替えと高さ演算（Ａ／Ｄ変換）とが同
時に行われることがなくなシ、レンジ切替による高さデ
ータの演算エラーを抑えることができる。

なお、タイミング制御回路４０３は画素クロックよりサ
ンプル／ホールド制御信号を生成し、タイミ／グ制御回
路４０４は高さ演算部のＡ／Ｄ変換器の変換開始信号を
生成するものである。

発明の効果 本発明はレーザ光によりプリント基板および基板上の部
品を走査するレーザ走査光学系と、プリント基板および
基板上の部品からの反射光を集光し光位置検出センサに
導く反射光学系とへ反射光学系により集光された光点位
置の変位を検出する光位置検出センサと、とのセンサの
光電変換信号を増幅する増幅器と、増幅器の出力をディ
ジタル化し高さデータを算出する高さ演算器とを設け、
光位置検出センサの出力を増幅する増幅器の利得を入力
レベルに応じて自動的に切り替える（レンジ切替機能）
と共に、高さ演算回路をディジタル化することによう、
プリント基板上の部品の高さを正確に測定することが可
能になる。

１た、レンジ切替機能を有する増幅器の構成を変更し、
利得の異なる増幅器とこの出力を制限するリミッタを複
数組設け、これらを並列に動作させ、入力レベルに応じ
て予め定められた増幅器の出力を選択する方式を採用し
、高さ演算回路をディジタル化することによｂ１演算速
度の高速化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例における実装部品の高さ測
定装置の概念図、第２図は第１図のレンジ切り替え増幅
器釦よび高さ演算部の詳細ブロック結線図、第３図は第
２図のレンジ切シ替え増幅器の詳細ブロック結線図、第
４図は同レンジ切り替え増幅器を設けたことによる高さ
演算エラーを防止するためのブロック結線図、第５図は
従来の実装部品の高さを測定する装置の概念図である。 １０１・・・プリント基板、１０２・・・部品、１０３
・・・搬送手段、ｌＯ４・・・移動手段、１０５・・・
レーザ光源、１０７・・・ポリゴンミラ−　１０８・・
・反射ミラー　１０９・・・ｆ−θレンズ、ｌ１０・・
・光切断ミラー　１１１・・・集光レンズ、１１２・・
・光位置検出センサ、１ｌ４・・・高さ演算部、１１５
・・・判定演算部、１１６・・・レンジ切替増幅器。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）レーザ光により対象物体を走査するレーザ走査光
   学系と、その対象物体からの反射光を集光し光位置検出
   センサに導く反射光学系と、その反射光学系により集光
   された光点位置の変位を検出する光位置検出センサと、
   その光位置検出センサの光電変換信号を増幅する増幅器
   と、その増幅器の出力をディジタル化し高さデータを算
   出する高さ演算器とを具備し、前記光電変換信号を増幅
   する増幅器は、複数の異なった利得を有する増幅器群と
   、その増幅器群の出力を制限するリミッタ群とで構成さ
   れ、入力信号のレベルに応じて予め定められた増幅器か
   らの出力を選択することを特徴とする実装部品の高さ測
   定装置。
2. （２）高さデータを算出する演算器は、Ａ／Ｄ変換器と
   高さデータを算出するディジタル演算回路とで構成され
   、前記光電変換信号を増幅する増幅器にＡ／Ｄ変換開始
   信号を送り、Ａ／Ｄ変換開始直前における出力の選択を
   禁止することを特徴とする請求項１記載の実装部品の高
   さ測定装置。
3. （３）光電変換信号を増幅する増幅器の前段にサンプル
   ／ホールド回路を設け、その増幅器からの出力の選択と
   高さデータを算出する演算器の動作とを同期させること
   を特徴とする請求項１記載の実装部品の高さ測定装置。