JPH10504393A - 高精度半導体部品位置合せシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 センサシステム（４５）は、光源（６０）と、部品（３０）に一層多くの光を通過させてセンサアレー（６５）上に一層鮮明な部品の像を得ることを可能にする光学レンズ系（６１、７１、７８）とから構成される。開示の光学レンズ系に基づき、レーザダイオード（６２）、ＬＥＤ（６６）またはその他の適切な光源のいずれかを用いることができ、光学的効率が大幅に向上する。センサシステム（４５）は、表面実装部品装着機用の搬送機構（４３）上に直接に取り付けられる。部品（３２）と、部品（３０）をその上に装着する回路基板（３４）との間を部品（３０）が移送される際に、部品（３０）が回転して検出器アレー（６５）上に落ちる鮮明な陰影が監視される。吸引クイル（２４）上における部品（３０）の正確な部品角度配向と座標（Ｘ、Ｙ）位置を求めるための処理アルゴリズムをいくつか開示する。その後、センサ（６５）は訂正信号を部品装着機に送る。

Description

【発明の詳細な説明】 高精度半導体部品位置合せシステム 発明の背景 本発明は、表面実装部品装着機などの装着システムによって精確な装着を行う に際して、角度配向と座標（Ｘ、Ｙ）位置とに関して電気部品の精確な位置合せ を行う制御システムに関する。より詳細には、本発明は、回路基板上や他の作業 表面上において部品装着機により部品の精確な装着を行うための部品の角度配向 と部品の座標位置決めとを精確に決定し、かつその修正を装着システムに可能な らしめるような、光学的に高効率の非接触型センサシステムに関する。 現在広く使用されている部品装着機においては、容器まで移動して部品を摘み 上げ、その部品を適切に配向し、かつその部品を回路基板やその他の作業片まで 運ぶために１つまたはそれ以上の吸引クイルが使用されている。上記部品は、回 路基板上あるいは作業片上に刻印された回路配線と適切な接触状態にあるリード 線に対して適切な位置に精確に装着される。各電気部品は、適切な電気的接触を 保証するために回路基板上に精確に装着されなければならないが、これには正確 な角度配向ならびに横方向の位置決めが要求される。角度配向と横方向の位置決 めは機械的手段を介して達成することができる。吸引クイルが装着対象部品を摘 み上げる。４つのあご部あるいはハンマーが、取付け装置から懸下されており、 横方向に移動して部品の４辺すべてを実質的に等しい力で打ち付けられるように なっている。このような機械的システムの意図するところは、角度配向が正しく なるように、かつ吸引クイルの中央に位置するように部品を吸引クイル上に転移 させることである。これらの部品の打ち付けは、この種の部品に通常使用されて いる材料の微小クラックなどの損傷を部品に与えるおそれがある。さらに、角度 配向および横方向位置に関し、今日の技術で使用されている設計基準によって要 求される高い精度を達成することは難しい。 光を応用した非接触型の方法が多数提案されている。しかしながら、これまで の光応用システムには、今日の技術に要求される効率と高速度および高精度を効 率的に達成することは困難であった。また、部品を光ビーム中に介在させ、その 光の強度を１つの受光素子または１対の受光素子で検出し、もっとも狭い陰影を 示す最大光強度を測定することにって部品の適切な角度配向を得るようにした感 光システムも提案されている。しかし、このようなシステムは広範囲の装置部品 を取扱うこと、さらには位置合せに要求される精度を達成することが困難である 。 装着対象部品の寸法は、現今通常の場合で、砂粒以下の部品から１〜２インチ の範囲の部品までにわたっている。ある受光システムが、当然ではあるが、大形 部品における陰影の変化を十分検出できる大きさに設計されているとしても、小 形部品（約０．０２インチ）の回転で生ずる微小な変化は全光強度に与える効果 が小さく実際上検出不能である。２検出器システムの場合、各検出器に入射する 光の割合を分析して端部位置を決定した上で、部品をその２つの検出器の間に精 確に位置合せしなければならない。しかしながら、受光素子を機械的に位置合せ してそのような測定値を得ることはきわめて困難である。 さらには、一連のレーザ光源を一連のレーザ光検出器に位置合せすることも提 案されている。このような設計により、１つの検出器もしくは１対の検出器の提 案に関わる問題のいくつかが克服される。しかしながら、そのようなシステムの 較正は困難であり、実現可能な精度レベルは個々のレーザ光源の互いの間隔以上 のものではない。最小間隔はレーザダイオード光源の寸法によって決まるが、こ れもなお信頼できる部品の位置検出には大き過ぎる。要求される物理的間隔も回 折効果によって悪影響を受け、このような設計の精度をさらに限定する。また、 多数のレーザ光源を伴うこのようなシステムはきわめて高コストなものとなると 考えられる。 ＴＶカメラを用いた映像応用システムは高精度を得ることができる。しかしな がら、それらは提案されているシステムの中で最も高価なものの１つであり、ク イルの進路において容器からＴＶ地点へ、次いで作業片や回路基板へと逸脱の必 要が生じ、工程が大幅にスローダウンする。さらに、部品が載置されているクイ ルからこのようなシステムによって装着される非常に小形の部品の特定の要素を 区別することは困難な場合もある。 レーザダイオードを含み、その光をコリメータレンズで平行にし、かつスリッ ト穴を通過させるようにしたレーザセンサシステムも提案されている。このシス テムはレーザ光線を備え、そのレーザ光線が部品の傍を通過しかつ部品によって 遮断されて部品の位置合せ状態を検知している。部品によって投じられた陰影が 直線アレー検出器によって検出される。検出器アレーから読み込まれたデータが 分析されて、検出器アレーに投じられた陰影の立上りエッジと立下りエッジを検 出する。陰影のエッジのみを検出して分析するので、０.０２インチの部品（par t）を位置合せするとき、２.０インチの部品を位置合せして得られるのと同程度 の精度が得られる。しかしながら、この高精度システムは、とくに光をセンサア レーへと通過させるレンズのごく一部において、発生されるレーザエネルギーの ほんの一部しか利用しておらず、光学的な欠陥に対しては影響を受けやすい。し たがって、陰影と光とを区別するための照射エネルギーのはるかに多くの割合を 捕捉するセンサシステムが必要とされている。低電力レーザおよびＬＥＤ光源を 含む数種の異なる光源のいずれかを用いて、より鮮明な部品の影像を検出器上に 作り出すためのセンサシステムが必要とされている。 発明の概要 従来、最も高い精度はレーザ系システムで達成されている。部品を精確に測定 し、位置合せするのにレーザ光線、自然点光源の精密度が使用されている。この システムは、センサアレーが検出すべき部品を通り越すような一条の光線を作り 出すスリット穴を備えている。しかしながら、従来、レーザを使用した場合、発 生エネルギーの大部分が開口スリットにおける担体によって吸収されるか、担体 によって部品やセンサアレーから反射隔離される。精度は高くても最も効率的な システムとは言えない。 本発明では、コリメータレンズ、集光レンズ、円柱レンズ、撮像レンズ、およ びテレセントリックレンズシステムにおいてレーザが使用される態様を、光源か らの光の大部分が部品を通り越し、測定のために集められて、検出器上により鮮 明な部品像を得るようにした構成において示している。これらの光学的手段を用 い、レーザの所要電力を大幅に、現行のシステムの１００倍以上に低減させるこ とができる。この低減電力レベルにおいて、レーザは非干渉性の光の点光源とし て作用し、大幅に低下した電力レベルおよび応力レベルでレーザ測定の高精度が 維持される。 広範囲の光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）も部品位置合せの測定用として 従来検討されてきた。しかしながら、たいていのＬＥＤ光源から投じられた光の 大部分は、生じる陰影が“ファジー（ぼやけ）”過ぎて、レーザ光で励起される ようなものと同等のセンサを提供することができない。ただし、光源側の開口ま たは負レンズを使用した場合、あるいは一部の応用例において極小のＬＥＤを使 用した場合、ＬＥＤをセンサ光学系への光エネルギーの点光源として機能させる ことができる。その点光源は、低電力ＬＥＤとしても、必要な高精度を達成する 。その他、これに代えて受光側に撮像レンズを利用して検出器上に影像を結ばせ 、必要とされる高精度の測定値を得るに十分な像の鮮明さを与えることも可能で ある。 またさらに、何らかの適切な光源を用い、部品の影像が測定可能で適切な位置 合せが達成可能であるような視界と焦点深度を有するテレセントリックな光学系 を使用することができる。視界は、最も大形の部品でも全体を見通せるようにす るために重要であり、焦点深度は、いかなる部品も寸法に関わらず鮮明に合焦さ せうるために重要である。テレセントリックレンズの作用の利点は、広範囲の部 品寸法、あるいは部品とレンズ／センサ構成との間の様々な距離に対しても、な お部品像が検出器において鮮明に合焦され、一定倍率で視認されるということで ある。おそらく光学的な変形を伴いながらこれらの代替光源を利用することによ り、陰影と光とを区別するための発散エネルギーをその本質においてはるかに多 くの割合で捕捉する高効率センサシステムを実現することができる。 本発明の１つの目的は、部品装着機による装着において部品の角度配向と横方 向位置を高精度に求めることである。 本発明の１つの目的は、検出器での測定において光源からの輻射光を高い割合 で集光することにより光学的効率を実質的に増大させることである。 本発明の１つの目的は、高精度を有する部品装着機によって装着される部品の 角度配向を精確に求めることである。 本発明の１つの目的は、傷やレンズ欠陥などの光学的欠陥の検出性能への影響 を実質的に低減させることである。 本発明の１つの目的は、数種の異なる光源を用いて部品の角度配向と横方向の 位置決めを精確に求めることである。 本発明の１つの目的は、５００ミリ秒未満単位で部品装着機によって装着され る部品の角度配向と横方向の位置決めを精確に求めることである。 本発明の１つの目的は、１つまたはそれ以上のリードエッジの検出陰影を用い て部品の角度配向と横方向位置を精確に求めることである。 本発明の１つの目的は、単に投影することによって可能である以上に鮮明な部 品の像をセンサ上に合焦させることである。 本発明の１つの目的は、寸法の大幅な変化を伴う広範囲の部品に対して角度配 向と横方向位置を精確に求めることである。 本発明の上記その他の目的、特徴ならびに利点は、以下の好ましい実施態様、 図面および添付の請求の範囲の記載を吟味することにより当業者には明らかとな ろう。 図面の説明 図１は、本発明の実施態様を示す図である。部品装着機によりプリント回路基 板あるいは作業片上に装着される部品を収容した部品トレーが図１に示されてい る。また、光学センサによって囲まれたクイルにより最短経路で運ばれている部 品も図１に示されている。 図２は、部品を回転させる回転モータと、装着ヘッド制御ボックスと、光学的 位置合せセンサとを備えた部品搬送機構をより詳細に示す立面図である。位置合 せセンサを貫いて延びているのは、部品を保持する吸引クイルである。 図３は、光源と、光ビームに部品を通過させて直線アレー撮像素子に入射させ るレンズと、部品位置を決定する処理素子とを含む本発明の基本要素の図である 。位置合せ工程において、部品は光源内へ引き込まれ、測定のため回転させられ る。 図４は、部品が誤配向されており、その結果、光が測定領域を横切って投じら れて部品に合焦し通過して検出器アレーに入射するときの光路図である。図４は 、 部品の隅から隅へ投影された幅広の陰影を示している。図４の直線アレー上部に は、直線アレーからの代表的なデータを示している。 図５は、部品が位置合せされた状態にあるときの図４と同じ構成部分・要素が 示している。直線アレー上に投じられた陰影すなわち暗部の幅は、図４における より狭くなっている。ＣＣＤアレーからの対応データも、陰影の狭くなっている ことを示している。 図６ａおよび６ｂから成る図６は、好ましい実施態様の側面図および上面図を 示す。図６のセンサは、好ましくは、部品の両側に円柱レンズを使用し、これに より本実施態様のセンサにおいて検出器での測定に使用する低電力レーザダイオ ードによってきわめて大量のエネルギーが発散されるように最大限に促進される 。 図７ａおよび７ｂから成る図７は、センサの光源側にコリメータレンズと円柱 レンズとを使用したレーザ系センサの側面図および上面図を示す。円柱レンズか らの光が大きさの異なる２種の部品に入射するのが示されている。大形部品と小 形部品が示されている。円柱レンズからの合焦は、幅細の光線の厚みがおおよそ 測定下の部品の厚さより１桁小さくなるようになっている。図示の通り、影は検 出器の真ん中を完全に横切って投じられ、その結果、検出器アレー上に鮮明に輪 郭を浮き上がらせた暗部および明部が得られる。 図８ａおよび８ｂから成る図８は、センサの光源側にコリメータレンズ、受光 側に円柱レンズを配した同様なセンサの側面図および上面図を示す。影像は受光 側の円柱レンズを使用した検出器アレー上に鮮明に合焦する。円柱レンズは、部 品エッジを狭く回避した光だけが検出器上に鮮明に合焦する効果を有している。 図９ａおよび９ｂから成る図９は、広領域発光ダイオード（ＬＥＤ）光源を主 要な相違として除くと図６に示す好ましい実施態様と同様な実施態様の側面図お よび上面図を示している。広領域ＬＥＤ光源とコリメータレンズとの間に開口が 介在しており、点光源で生成されるのと類似したセンサを生成している。図６に 示した好ましい実施態様の場合と同様、図９のセンサシステムも、部品の両側に 円柱レンズを使用しており、レーザダイオードから発された照射光をより多く検 出器で集光するように構成されている。 図１０ａおよび１０ｂから成る図１０は、図１０における実施態様が負レンズ を使用しており、それによりセンサシステムに広領域ＬＥＤが組み込まれてその センサシステムからより多くの光を除去するようにし、したがって前述のセンサ システムの目的が達成されるような点光源として組み込まれる構成とした以外は 、図９の実施態様と同様な実施態様の側面図および上面図を示している。 図１１ａおよび１１ｂから成る図１１は、小領域ＬＥＤを用いた実施態様の側 面図および上面図を示しており、小領域ＬＥＤは、センサが図９および図１０に 示したセンサと同様の結果を達成可能とする一方、図９および図１０に示した開 口あるいは負レンズのいずれかを用いる必要をなくしている。 図１２は、低電力レーザ光源、ＬＥＤ、またはその他の光源とすることができ る光源を示し、できるだけ多くの光が部品を通過するように方向づけるために集 光レンズを使用している。２つのレンズとテレセントリック絞りとから成るテレ セントリックレンズシステムを用い、部品の作る影のより明瞭で鮮明な像である ような部品像が検出器で作り出され、これにより部品またはリードエッジの一層 精確な検出が可能となる。 図１３は、開口と検出器との間に撮像レンズが介在しないことを除いては、図 １２の実施態様と同様な実施態様を示している。このテレセントリックな実施態 様もテレセントリックレンズシステムの目的に合致するものであり、検出器から の部品の距離全長にわたり、または広範な部品寸法に対して一定の像サイズを維 持する。しかしながら、像が図１２に示した実施態様により得られるものと同程 度に明瞭あるいは鮮明でない場合もある。 図１４は撮像レンズシステムの別の構成を示し、ここでは特殊ドーピングを施 した一連のガラスロッドから成る傾き指標（ＧＲＩＮ）レンズシステムを使用し てセンサアレー上に部品の精確な像を合焦させるようにしている。各ＧＲＩＮレ ンズはセンサアレー上に部品の小領域の像を形成する。ＧＲＩＮレンズアレーの 利点は、受光側にただ１つの従来のレンズを用いた同等の撮像システムの場合よ りもはるかに少ないスペースで済むという点である。ＧＲＩＮレンズアレーによ り短い光路および広い開口が提供される。 図１５ａおよび１５ｂから成る図１５は、単純撮像レンズシステムの側面図お よび上面図を示しており、ここでは、部品を通過した光を、撮像レンズを通過し てセンサアレー上に鮮明に結像させるように方向づけるため、集光レンズまたは コリメータレンズを使用している。 図１６ａおよび１６ｂから成る図１６は、撮像レンズからの合焦光が、撮像レ ンズとセンサアレーとの間に介在するガラスブロック端部から反射されて光路を 折り返した後、そこを出てからセンサアレーに入射するようにした代替撮像レン ズシステムの側面図および上面図を示している。例えばアルミニウムのガラスブ ロック反射膜の部分が高反射率を保証している。この実施態様は、撮像レンズと センサアレーとの間に要求される間隔を短縮する利点があり、センサスペースが 節約される。このようなガラスブロックは、センサシステムの光源側、受光側、 あるいはその両者において使用することができる。ガラスブロックは、光学系に 要求される物理スペースを重畳し短縮することを目的としたスペースミラーまた はその他の光学部品に置き換えてもよい。 図１７ａおよび１７ｂから成る図１７は、２つの隣り合ったクイル上に部品を 位置合せするためのもう１つの検出器を追加した以外、図６に示す構成と同様な 構成の側面図および上面図を示している。 図１８ａおよび１８ｂから成る図１８は、リード測定システムのそれぞれ上面 図および側面図を示す。様々な角度からの光が部品のリードを通過し、テレセン トリック光学系によりリードに鮮明に合焦することができるように幅広の光源を 使用している。 図１９は、角度配向と横方向位置を得るための１つの方法を線図で示している 。図１９に示す通り、識別器を使用してデータがいつ閾値電圧を下回るかを求め ている。識別器はアナログデータをディジタル形式に変換し、それを部品の角度 配向とエッジ位置を確定するために使用することができる。図１９に例示されて いるのは、部品の陰影の立上りエッジと立下りエッジで識別されるデータポイン トである。検出された部品陰影の一方または両方のエッジを処理して位置合せを 決定することができる。図１９には、識別してリード位置合せのディジタル表現 に 変換することができるリード陰影のエッジも示されている。 図２０は、位置合せ状態にある部品のエッジを精確に位置決めするために使用 することのできる正弦波適用アルゴリズムをグラフで示している。部品が回転さ れて位置合せ状態に入るにつれて減少する測定値が、部品が回転して位置合せ状 態から抜け出るにつれて増大する測定値と正弦波で比較されている。これら２つ の正弦波測定値が交差する点を用いて、部品位置合せの精確な角度を発見するこ とができる。 図２１は、部品の正確な角度位置合せを見出すために使用することのできる重 心計算工程をグラフで示している。このアルゴリズムは部品幅測定値の集合の重 心を発見し、その結果得られた重心の角度が正確な位置合せ角度を定義する。 好ましい実施態様の説明 図１および図２に、本発明が適用される環境の概略を示す。図１は、中空の管 である１つまたはそれ以上の吸引クイル（２４）を使用して部品（３０）を部品 トレー（３３）の予め定められた容器（３２）から順に摘み上げ、前記部品（３ ０）を精確に位置合せしなければならない回路基板（３４）またはその他の表面 上へ可及的に速やかに運搬し、部品（３０）のリード（５０）を回路基板（３４ ）上にあらかじめ設けられた配線レイアウトに対して適切な位置合せを行いなが ら所望の位置に精確に部品（３０）を装着するようにした代表的な表面実装部品 装着機を線図で示している。高精度の装着を得るためには、Ｘ−Ｙ平面における 位置決め誤差０.００１インチで０.０３０度の角度位置合せすなわち配向の精度 が望ましい。この種のシステムで広く採用されている部品（３０）の部品寸法は 、約０.０２インチのサイズから２インチにわたるが、場合によってはもっと大 きな部品（３０）の寸法が要求される。 角度配向は、誤配向が電気リード線の位置決めに及ぼす影響という点から重要 である。最大の部品寸法（例えば２インチ）の場合、０.１０度それると部品外 側エッジのリード位置が約０.００２インチ傾く、すなわち誤装着される。０.０ ３°の位置合せ精度が本発明の１つの目的となっているのはこのためである。 図２について説明すると、回転モータ（４１）と、吸引クイル（２４）の保持 、 回転および後退のための固定装置を含む装着ヘッド制御ボックス（４３）とを備 えた部品搬送機構（４０）が開示されている。部品（３０）のピックアップ、位 置合せ、位置決めおよび装着のため、回転する固定装置がクイル（２４）を回転 させる。図２にはまたセンサ（４５）および部品（３０）も表示されており、そ れらの適切な装着は本発明の課題である。 従来の設計になる部品制御ボックス（４３）には、部品（３０）を真空圧力に よって吸着するクイル（２４）を後退させるための手段であり、かつモータを備 えた手段と、部品をクイル（２４）の端部に保持する真空を生成するための手段 と、角度位置エンコーダと、力センサ等とが設けられている。制御ボックス（４ ３）には、クイル（２４）がそれを通って延び、かつ角度配向の決定およびクイ ル（２４）の中心との位置合せを行うために部品（３０）をそこに入れることの できる開口（４８）を内部に有するレーザ／光応用位置合せセンサ（４５）が取 り付けられている。 図３は、センサ（４５）の構成要素の概略図である。説明を簡単にするため、 光源（６０）から、部品（３０）を運ぶクイル（２４）が通過するレンズ（６１ ）、および直線アレー撮像センサ（６５）に至る視界線が表示されている。実用 的にはもっと長い焦点距離が望ましく、これは反射ミラーとコリメータレンズま たは放物面レンズ（図示は省略）を用いて達成することができる。 本発明の引例として参照される米国特許第５,２７８,６３４号に、高精度レー ザセンサが開示されている。この米国特許のシステムにおいては、レーザダイオ ードがコリメータレンズで平行化される光の点光源として作用し、コリメータレ ンズと陰影を測定すべき部品との間に介在させたスリット開口により平行光を与 える。これにより部品の両端部を越えて延びる光線が得られ、部品を回転させな がら陰影が直線アレー上に投じられる。すると、陰影それ自体、または好ましく は陰影のエッジを高精度で測定し確認することができ、その結果、装着のために 部品を適切に中心合せし、かつ位置合せすることができる。当業者に知られてい るように、スリット開口機構によって大量の光エネルギーが遮断される。しかし ながら、以下により詳しく説明するように、位置合せを検知するための下記光学 系を用いるとはるかに大量の光エネルギーを効率的に利用することができる。 次に図４を参照すると、光源（６０）あるいは介在する光学素子なしで陰影（ ９０）の検出が示されている。光（６３）が、ほとんどの実施態様では部品（３ ０）を横切る直線において、また別の実施態様では部品（３０）に向って投影さ れ、その結果、部品（３０）の全部分を完全に横断して光パターンが生成される 。部品（３０）によって遮断されない光は部品（３０）を通過して、中心間距離 １０.４マイクロメートルで直線状に構成されたそれぞれ１０.４マイクロメート ル×１０.４マイクロメートルの形状をした３,４５６個の素子を有する、テキサ スインストゥルメンツ社製部品番号ＴＣ１０４などの直線ＣＣＤ検出器アレー（ ６５）に入射する。部品（３０）によって投じられた上記光パターンは上記多素 子センサアレー（６５）によって検出される。好ましくは、部品（３０）と検出 器アレー（６５）との間に、関連する波長外である周囲光その他の光を最小化す る光学フィルタ（７６）が設けられる。この後、検出器アレー（６５）からこう して捕捉されたデータ（８０）を以下に詳述する１つもしくはそれ以上のアルゴ リズムで処理する。 ３,４５６個の検出器アレー素子を使用することにより、大形部品の測定が可 能となる。各素子は約０.４ミル中心間隔で隔てられ、高精度を可能としている 。角度配向および横方向位置における微小な変化に対する感度が従来技術に比較 して著しく増大する。これは、陰影エッジ付近の任意の光検出器素子において、 光レベルのわずかな変化が小さな角度回転に対して非常に大きなものとなるから である。 図４には、位置合せされていない角度配向における部品（３０）が示されてい る。図４に示す通り、陰影（９０）を作り出す部品（３０）の角度誤配向のため 、比較的多数の検出器素子がレーザから阻止されている。さらに、部品（３０） のエッジを通過した光の回折によって生じる明部と暗部（９０）との間に作られ たアレー（６５）に入射する、より少ない陰影（９３、９４）の小領域がある。 また、部品（３０）の最外端部から離れた光の回折と反射に起因して、陰影（９ ０）の外側のエッジに隣り合って少し明るい部分（９６、９７）が検出される。 図４ にはさらに、レーザ光源（６０）から非遮断光を受光する検出器アレー（６５） の一部（１０２、１０３）を示すＣＣＤアレー（６５）から読み込まれたデータ のデータパターン（８０）が示されており、そして反射および回折による光（９ ６、９７）の増加と、回折によって生じた陰影領域（９３、９４）のエッジにお ける漸減量の光（１１０、１１２）と、そして検出器アレー（６５）上で暗影領 域（９０）の両側で同一パターンが現れることによって、相補的に表される暗影 領域（９０）が表されている。 図５は、部品（３０）が角度配向されたときの光パターンおよびデータ（８０ ）を示している。図４と図５の比較から明らかなように、センサアレー（６５） からのデータ（８０）による判定に基づき、いつ陰影パターン（９０）が最も狭 くなるかを判定することによって角度位置合せを確実なものとすることができる 。これは、陰影の立上りエッジ（１１０）と陰影の立下りエッジ（１１２）のい ずれか、もしくは両方に追随して求めることによって、また陰影のエッジ（１１ ０）１１２）に先行、後続するデータ（８０）のみを捕捉し、エッジ（１１０、 １１２）に対するデータ（８０）を実際に処理していつ陰影（９０）が最も狭く なるか、すなわち位置合せ状態となるかを求めることにより、最少の電子処理手 段で達成することができる。部品もまた、１つまたはそれ以上のリードの陰影エ ッジ（１７０、１８０）に対応するデータを捕捉することにより、リードの位置 に基づいて位置合せすることができる。さらに、個々のリード自体をこのセンサ を用いて位置決めすることができる。 陰影エッジの投影と判定は、高価で複雑なレーザダイオード（６２）の代わり に使用することのできる、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）（６６）などの他の 光源（６０）でも行うことができ、これにより、より経済的なセンサ（４５）で あって、なおかつ部品（３０）の寸法が極小の砂粒大から大寸法のカッドフラッ トパックまでにわたるこのようなシステムに利用される可能性のある広範囲の部 品（３０）を装着するために必要な高精度を達成するセンサが提供される。最後 に、例えばテレセントリック系光学素子、撮像レンズ、または傾き指標レンズ（ ７８）などの撮像光学素子を用いても同様に、必要な精度を達成するために要求 さ れる細部の鮮明さを得ることができる。このようにして、低価格でより信頼性の 高いセンサ（４５）を精度や効率を損なうことなく提供することができる。 本発明の好ましい実施態様を図６に示す。図６ａおよび６ｂに示す通り、部品 （３０）の光源側および受光側の両方に円柱レンズ（７１）を使用することによ り光が最大限に活用され、光学的効率およびエネルギー効率が最大化される。図 ６ａは本実施態様の側面図、図６ｂはその上面図を示している。光をコリメータ レンズ（６１）に向けて投影するのに、好ましくは、低電力で動作するレーザダ イオードを使用する。他に、コリメータレンズの代わりに集光レンズを使用する こともできる。光は単に部品の垂直方向の中心上に垂直方向に集束し、受光側円 柱レンズ（７１）は単に部品の中心からの光を集光する。こうして、センサアレ ー（６５）に投影されたときの陰影（９０）像を鮮明化することにより垂直方向 の光の回折または反射によって生じるいかなる不鮮明さも最小化もしくは排除す ることができる。コリメータレンズ（６１）および円柱レンズ（７１）の位置の 順序を反転しても同様の結果を得ることができる。この代替として、これらの両 方のレンズの機能を単一の非点収差レンズに結合することもできる。図６に示す 好ましい実施態様はＬＥＤで、好ましくは小光源領域において、順調に作用する 。 レーザダイオード（６２）から発された光エネルギーの実質的にすべてが図６ のセンサシステムで使用されるため、円柱レンズ（７１）系を用いた場合には要 求されるエネルギーが実質的に少なくなること、またシステムの定格出力電力が １〜２ミリワットのときレーザダイオード（６２）からの電力１０〜２０マイク ロワットにおいて満足すべき結果が得られることが判明した。したがって、図６ に示した本設計は、前記先行特許に記載されたスリット開口（７５）を用いた設 計に基づくレーザ（６２）よりもその効率が少なくとも約１００倍高くなる。通 常定格のレーザダイオード（６２）を用いた場合、実質上装置に応力が加わらな いため、本センサシステムは相当長期間にわたって交換や修理の必要なしに維持 することができる。さらに、光学系の効率の増大により、光源をパルス化するこ とができる。パルス動作により、検出器は短期間で得られる固定像を捕捉するこ とが可能となる。これによって、部品の回転に起因するぶれが低減される。図６ に示した実施態様の説明で使用したものであって、かつ以下に説明する他の実施 態様で使用する低光度光源を参照すると、本適用例で使用した場合、通常よりは るかに低いレーザパワーで動作するレーザダイオード、例えば２０マイクロワッ トレベルで２ミリワット定格のレーザダイオードまたはＬＥＤのいずれかを動作 させることになる。ＬＥＤは一般に直射レーザ光より広い領域にわたって光を投 影するため、当該領域すなわち部品方向に投じる発散エネルギーは少なくなる。 この結果、本発明の目的において、ＬＥＤも低光度光源と見なされる。 さらに、円柱レンズ（７１）は光を厚さ１ミル以下の線条にまで集束させて１ ０ミル厚以上の部品（３０）に入射するため、側部エッジを通過する光を除き、 レーザダイオード（６２）によって発生される光のすべてが、部品（３０）の上 や下を光が通過することなく部品（３０）によって阻止される。これによっては るかに暗い陰影（９０）が生成され、像コントラスト、したがって検出精度が増 大する。本センサシステムはまた、レンズ（６１、７１）における欠陥に強い。 光を断面積の大きなレンズで伝え、集めているので、このセンサは環境の障害、 ほこり、汚れ等に対する耐久性が高い。 次に図７の他の実施態様について説明すると、図７ａは円柱レンズ（７１）を 用いたレーザ応用システムの側面図、図７ｂはその上面図である。図７の実施態 様において、レーザビーム（６３）はコリメータレンズ（６１）で平行光とされ 、円柱レンズ（７１）へと通過する。センサ（４５）の光源側の円柱レンズ（７ １）は、レンズ（７１）の近隣で厚さ２ミリメートル、大形寸法部品の近隣で厚 さ０.５０ミリメートル、焦点で厚さ０.０２５ミリメートルと変化する光線（６ ３）を集束させる。したがって、この微細に集束された光線を用いて部品（３０ ）に直線を投影することができ、以下により詳しく述べるように非常に鮮明な輪 郭をもつ陰影（９０）と鮮明な輪郭をもつ陰影エッジ（１１０、１１２）とを分 析に際して提供することができる。本実施態様においては、光が部品の上や下の いずれにも逸れることができないように光を部品上に集束させるので検出誤差が 低減される。光は側部エッジを通過するに過ぎない。したがって、ノズル陰影の アレー上への投影や部品下側を通過する無関係な光から生じる検出誤差に起因し て混 乱を招くおそれのあるような部品最上部からは像が集光されない。 図８ａおよび８ｂに示すように、円柱レンズ（７１）がセンサシステム受光側 へ移動することにより利点が得られる。低パワー光の位置合せのためにコリメー タレンズ（６１）を用い、さらに円柱レンズ（７１）を用いて得られた光パター ン（１０２、１０３）と陰影（９０）をダイオードアレー（６５）上に集束させ る。本実施態様は、部品（３０）中心の像を検出器（６５）上に鮮明に合焦させ るという効果を有する。部品（３０）の上または下を通過する光線は検出器アレ ー（６５）上の狭い検出器列の上には結像しない。 当業者には明らかなように、本発明の設計は、センサ（４５）の受光側に円柱 レンズ（７１）を、さらに随意選択として光源側にスリット開口（７５）を使用 することにより先行発明の設計と組み合わせることができる。受光側の円柱レン ズ（７１）の付加的長所は、検出器素子（６５）上の像を鮮明化し、その結果よ り高精度で輪郭の鮮明な陰影（９０）が得られることであろう。この向上した鮮 明さによりレーザダイオード（６２）からのエネルギーの一部を節約できるが、 ２つの円柱レンズ（７１）を全面的に活用した図６の設計程ではない。 概して、先行ＵＳ特許と関連して開示された構成と同様の構成において発光ダ イオード（ＬＥＤ）（６６）を活用することは有利でない。なぜなら、ＬＥＤ（ ６６）は通常幅広で広領域の光源だからである。パワーが大領域に由来するため ＬＥＤは低光度光を放射する。ＬＥＤ（６６）とレーザ（６２）光源とで光源寸 法を比較すると、５００ミクロン対２ミクロンのオーダーであり、より小さなレ ーザ光源の能力ではるかに大きな影像が生成されることになる。しかしながら、 光学素子（６１、７１）を上述の方法や上記図６〜８に示す方法、あるいは図９ および図１０に関連して説明し示す方法と同様な方法で使用すると、発光ダイオ ード（６６）を光源（６０）として使用することの不利益が克服されて、ＬＥＤ （６６）応用センサ（４５）の効率を大きく高めることになる。 既述の通り、主たる目的は点光源から光を発散させることである。したがって 、もう１つの解決手段は、図９に示すように、ＬＥＤ光源（６６）とコリメータ レンズ（６１）との間に開口（７５）を介在させることである。図９ａおよび９ ｂ は、図９の実施態様においては幅広の光源領域をもつＬＥＤが使用されているこ とを除けば、光源側および受光側の両方に円柱レンズ（７１）を使用した図６に 示す好ましい実施態様と本質的に同じ実施態様を示すものである。本実施態様で は、点光源の発光と同等にまで発光を減じて、このような構成によって投じられ る陰影（９０）の鮮明度を向上させる。ただし、当業者には明らかな通り、開口 付き光学フィルタ（７５）に入射する光エネルギーのためにエネルギー損失があ る。 また別の方法は、図１０ａおよび図１０ｂに示すように、発光ダイオード（６ ６）とコリメータレンズ（６１）との間に介在させた負レンズ（７３）の使用で ある。光学の熟練者には周知の通り、負レンズ（７３）は発光ダイオード（６６ ）の外観光源寸法を減少させるように作用して、図１０のコリメータレンズ（６ １）を通過する光の平行化を実質的に改善する。 最後に、図１１ａおよび１１ｂにおける実施態様の側面図および上面図に示す ように、小領域ＬＥＤ光源（６７）を使って検出器アレー（６５）に鮮明な像を 作ることができる。小領域ＬＥＤ光源（６７）の使用すると、図９および図１０ に示す広領域光源ＬＥＤ（６６）による実施態様で要求されるような開口（７５ ）または負レンズ（７３）のいずれかを使用する必要がなくなる。しかしながら 、部品（３０）から検出器アレー（６５）へできるだけ多くの光を投影させるた めに集光レンズまたはコリメータレンズ（６１）が必要である。さらに、図１１ のセンサシステムでも、部品（３０）の両側に円柱レンズ（７１）を介在させて より多くの放射光を集め、検出器アレー（６５）上にそれに対応してより鮮明な 像を投影するようにしている。ここでさらに、レンズ（６１）の焦点距離を長く して、かつＬＥＤをそれに対応してレーザから遠ざければ、図１１のＬＥＤ光源 （６７）の寸法をより大きなものにできることを理解すべきである。距離を増や せば光源の角度幅が小さくなるが、これは図９〜図１１のすべての意図するとこ ろである。 図６に関連して既に述べた通り、コリメータレンズまたは集光レンズおよび円 柱レンズの位置を反転しても同じ光集束効果を得ることができる。この代替とし て、コリメータレンズ、または集光レンズ、および円柱レンズの構成に代えて単 一の非点収差レンズを用いて、部品の光源側で同様の光集束効果を得ることがで きる。 最後に、図１２〜図１４に撮像システムを用いた３つの実施態様が示されてい る。図１２および図１３のテレセントリックレンズ構成は、レンズ（７７）から の部品（３０）の広範囲の距離にわたって、すなわち部品（３０）の寸法に関係 なく、検出器（６５）の限度内に十分に包括される像を合焦させる。テレセント リックレンズ系は、広範囲のレンズ−対象物間距離にわたって、一定の像寸法を 維持するという特徴を有する、よく知られた撮像レンズの１種である。テレセン トリックレンズ系は、受光された光の平行化された部分だけを選択するレンズ（ ７７）と開口（７５）とによって作用する。したがって、光源（６０）はセンサ の受光側で効果的に平行化される。図１２および図１３では光源側に小光源と集 光レンズ（７８）が示されているが、その小光源と集光レンズ（７８）を大領域 光源と代えてもなお十分鮮明な像が検出器（６５）上に投影されうる。ただし、 集光レンズ（７８）もしくはコリメータレンズ（６１）を備えてなるべく多くの 光を部品（３０）に通過させるべく方向づけることが好ましい。 図１２および図１３において、大形レンズ（７７）を部品（３０）と検出器（ ６５）との間に設け、小開口（７５）をレンズ（７７）と検出器（６５）との間 に介在させてテレセントリック作用を実現することができる。大形レンズ（７７ ）の目的は、部品（３０）を通過する光の平行化部分を集光し、その光を開口（ ７５）の中心に集束させることである。前に述べたコリメータレンズ（６１）の 場合と同様、軸に平行な光線のみが測定に使用される。レンズ（７７）は部品（ ３０）の側部を通過する平行光のみを主として集光するので、レンズ（７７）は 部品（３０）と少なくとも同じ大きさでなければならない。この場合も、開口（ ７５）がおおよそレンズの焦点距離にあれば、レンズ（７７）への平行光線によ って生じる像は開口（７５）を通じて投影され、センサアレー（６５）上に鮮明 な像を再現する。この他、非平行光は開口（７５）の担体によって阻止される。 図１２に示す通り、検出器アレー（６５）の近くに撮像レンズ（７７）を使用す る と、図１３に示す実施態様を越えたさらにいっそうの作用の向上が実現されて、 分析ならびに測定において歪みの少ない像が鮮明に合焦する。 図１４に示すように、受光側に傾き指標（ＧＲＩＮ）レンズ（７８）を用いて 同様な撮像作用を実現してもよい。受光側光学素子に撮像システムを使用するこ との１つの不利益は、必要焦点距離を計算に入れられるように、撮像レンズから 検出器アレー（６５）までの必要距離をとるために、センサの寸法を大きくしな ければならないことである。ＧＲＩＮレンズアレー（７８）を使用すると、各レ ンズの視野が縮小され、その結果必要レンズ径および焦点距離が縮小されること によってこの問題は解消される。ＧＲＩＮレンズアレー（７８）は、各個内部で 像の二重反転が生起する一連のガラスロッドから構成される。各ロッドは、セン サアレー（６５）上において１：１比の像を形成する小径レンズである。図１４ を参照して、ＧＲＩＮレンズの各々は、部品（３０）で示される平面Ａ部分をセ ンサアレー（６５）で示され対応する平面Ｂ部分上に結像する。得られる複合像 （９０）は、下記に述べる方法における測定に際して十分明瞭である。また別の 実施態様において、高い解像度および大きな被写界深度が要求される場合、異な る焦点距離を有する１組のレンズ片を光学素子の受光側に介在させることができ る。各レンズ片は異なる光線を検出器上に結像させる。部品が位置決めされる高 さの関数として正確なレンズ片を選ぶようにする。 図１５は単に受光側に撮像レンズ（７６）を使用してセンサアレー（６５）上 に部品（３０）を結像させるようにした実施態様を示している。センサアレー（ ６５）上で鮮明に合焦した像を検出できる一方、この構成の不利な点は、レンズ 径が部品（３０）よりも大きくなければならないという要求事項と、大径レンズ は実際には比較的焦点距離が長いということから、部品（３０）と検出器（６５ ）との間に大きな間隔が必要とされることである。 レンズ配列およびセンサアレー（６５）からの必要距離を縮小させるための１ つの代替実施態様は、多反射表面を使用して光路を折り返らせることである。も う１つの代替実施態様は、図１６に示すように、撮像レンズ（７６）とセンサア レー（６５）との間にガラスブロック（６７）の介在を含むことである。この実 施態様においては、光路がガラスブロック（６７）の端部からの反射により折り 返される。反射表面により、光は何度もブロック（６７）を通過してから、ブロ ック（６７）の底部付近から出射してセンサアレー（６５）上に影像を作ること が可能となる。 以上に述べた実施態様は、２つ以上の検出器を介して同時に２つ以上の部品を 位置決めするときに利用することが可能である。そのような１つの実施態様が、 側面図を示す図１７ａと上面図を示す図１７ｂから成る図１７に示されている。 図１７に示す実施態様は、単一の光源と、部品を保持して集束光ビーム内に引き 込む２つのクイルと、部品（３０）にできるだけ多くの光を通過させるように方 向づける光源側の合焦レンズ系と、受光レンズ構成と、第１の部品（３０）によ って投じられる陰影または像を捕捉するための１つのセンサアレー（６５）およ び第２の部品（３０’）によって投じられる陰影または像を捕捉するためのもう １つのアレー（６５）の２つのセンサアレー（６５、６５’）とから構成される 。部品はお互いに位置合せされていないと想定されているので、アレーからの処 理は各部品に対し個別に行われる。このようにして、１組の光学素子を活用して ２つの部品を同時に精確に位置合せすることができる。さらに、２つの部品が小 形部品の場合、１つだけの検出器（６５）を使って両部品を位置合せすることも 可能である。これはソフトウェアあるいは電子的ハードウェアを用いて直線アレ ー上の２領域を、あたかも２つの異なるアレーであるかのように処理することで 行われる。 図１８ａと図１８ｂから成る図１８は、それぞれ、リード測定システムの上面 図と側面図を示す。様々な角度からの光が平面１における部品のリードを通過し て平面２におけるリードをある程度一様に照射することができるように幅広の光 源が用いられている。平面２におけるリードは、テレセントリック光学系によっ て検出器が位置する平面３上に鮮明に合焦される。このデータにより、検出器か らリードエッジデータを直接読み取ってリード位置を決定することができる。 図１９、２０、および２１は、データを高精度に処理する種々の方法を示す。 位置合せ／位置センサ（４３）によって分析される部品（３０）幅の範囲は、通 常０.０２〜２インチの範囲であり、さらに大きいこともある。３,０００個以上 の素子のダイオードアレー（６５）からのすべてのデータ（８０）を保持し、分 析することは実用的でもないし、必要でもない。部品（３０）によってダイオー ドアレー（６５）上に投じられた陰影（９０）のエッジ（１１０、１１２）のい ずれか一方もしくは両方に関連するデータ（８０）だけを獲得し分析すればよい 。図１９を参照すると、主たる対象であるＡ−ＢとＣ−Ｄの２つの区域があり、 一方のＡ−Ｂは陰影（９０）の立上りエッジ（１１０）であり、他方のＣ−Ｄは 陰影（９０）の立下りエッジ（１１２）である。すなわち、区域Ａ−Ｂにおける データは部品の一方の側によって生じる陰影のエッジを画定し、区域Ｃ−Ｄでは 反対側によって生じる陰影のエッジを画定する。 画定されたエッジ（１１０、１１２）を用いて、区域Ａ−ＢおよびＣ−Ｄに示 す通り、部品（３０）を位置合せすることができる。部品（３０）はまず最初に 、誤り位置であることが分かっている位置から採り上げられ、したがって、大き な陰影（９０）を投影する。部品（３０）は次いで部品装着ヘッド（４３）によ って回転させられ、陰影（９０）幅が最小化する角度位置が注目される。初期の 特許では、アレー（６５）上により大きな陰影を投影するため、部品を位置合せ 外であることが知れている位置に予備位置合せを行っていた。この予備位置合せ の動きはいまや、ある程度の予備位置合せ位置、好ましくは５〜１５度だけセン サを回転させることによって排除されている。陰影（９０）が最も狭いときのエ ッジ位置、およびそれらのクイル（２４）中心からの偏差も注目される。これら の位置によって、部品の横方向位置の算出が可能になる。次いで部品を９０°回 転させ、ここで再びエッジ（１１０、１１２）位置の一方もしくは両方によって 測定された部品（３０）の陰影（９０）の中心とクイル（２４）の中心との比較 に基づいて、直交する横方向位置を求めることができる。部品はまた、リード位 置に基づいて位置合せすることができる。例えば、図１９に示すように、リード の陰影エッジ（１７０および１８０）を使って、本明細書記載の処理のいずれか によって部品の位置合せを行うことができる。 陰影（９０）の幅は、部品（３０）が回転され位置合せされていくときに減少 していくので、陰影（９０）のエッジ（１１０）上に位置するフォトダイオード 素子が受ける光が、陰影（９０）幅が最小になる地点まで増えていく。部品が回 転し続けると、陰影幅は増大し、同じ受光素子上に入射する光の量は減少し始め る。こうして、陰影エッジの精確な位置を発見することにより、部品（３０）を 精確にレーザビームと平行に配向することができる。 図１９に表された１つの利用可能な方法は、閾値電圧（ＶＴＨ）および、アレ ー（６５）の各素子の電圧がいつ閾値電圧ＶＴＨ以下になるかを検出し、それに よって部品（３０）の陰影（９０）が検出されたことを示すことにより、ダイオ ードアレー（６５）からのアナログデータ（８０）をディジタル形式（１２０） に変換するようにした比較器または識別器を使用することである。 好ましくは、アレー（６５）における各素子は５メガヘルツのデータ速度で逐 次読み取られ、閾値電圧ＶＴＨと比較される。最初に閾値より低下したことを読 み取ったデータ（８０）における画素数を保持信号として使用し、直前のデータ 読取り値および最初の発生の直後のデータ読取り値の数を陰影の立上りエッジ（ １１０）としてデータバッファに格納する。格納するデータ点の数は任意の数が 可能であるが、最初の保持信号（Ａ−Ｂ）に先行する、かつ後続する３２個の画 素数で満足すべき結果が得られ、この場合、部品（３０）の精確な角度配向なら びに横方向位置を分析するのに合計わずか１２８データ（Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ）を要 するのみである。 同様に、データ信号が最初に閾値電圧ＶＴＨを越えるときの陰影（１１２）の 立下りエッジについてデータを読取り、格納することができる。このデータはそ の後、現在の陰影エッジについてのデータとして格納される。 先行特許において、部品が回転しながら位置合せされるときにその各エッジを 精確に求めるための多様なアルゴリズム的手段が記載されている。さらに別途の アルゴリズム的手法を利用してエッジ位置を精確に求めることもできる。例えば 、エッジデータ（８２）は、部品（３０）が回転しながら位置合せされるとき、 そのエッジからの反射および回折効果のために、線形でなく傾斜したものとなっ ている。分析領域におけるエッジの精確な位置は、区域（１１０、１１２）また は その代替として（１７０、１８０）における多様なデータ点（８２）の１次導関 数をとって求めることができる。陰影（９０）の傾きが最大になるところがエッ ジ位置である確度が最も大きい。精確なエッジ位置すなわち１次導関数がピーク となるところのデータ（８２）を維持することにより、それぞれの角度変化Δθ に対してエッジの位置が識別される。 また、部品（３０）が回転しながら位置合せされるときには精確なエッジ位置 が低下し、部品（３０）が回転して位置合せから抜け出た後では陰影（９０）幅 が増加する。当業者に知られているように、回転するエッジの変化する位置から 得られる図は正弦曲線となる。データ図を図２０に示す。さらに、減少する正弦 曲線（８８）が増加する正弦曲線（８９）と交差する点（１００）が、位置合せ におけるエッジを精確に位置決めする。こうして、測定工程が完了した後、部品 を回転させて最大精度に対する正弦曲線（８８、８９）の交点まで戻すことがで きる。 これに代わるものとして、部品位置合せの決定に重心発見アルゴリズムを用い ることができる。部品の近似角度を任意の数の手段によって求めることができる 。例えば、部品陰影の最小幅が測定される角度をこのアルゴリズムのための近似 角度として用いることができる。図２１に示すように、この近似角度を中心にあ る一定数ｎ個の幅測定値（２８４）の１領域をその後の演算のデータ集合として 取り出す。選択されたデータ集合における各幅値に基づいて閾値幅Ｗ_Tを算出す る。図２０に示す通り、前記データ集合における個々の幅測定値（２８４）によ って下側境界を定められ、閾値幅によって上側境界を定められた領域が定義され る。そしてこの領域の重心（２８０）を計算する。重心の角度θ₀を位置合せ角 度として用いる。こうして部品（３０）を正確な角度位置合せにおいて装着する ことができる。この方法の利点は、この方法が位置合せのための最小幅角度法よ りも位置合せ演算におけるノイズ免疫性を改善し、さらにいっそう高精度をもた らすことにある。 上記実施態様、方法および工程を用いることにより、今日の技術水準の要求に 適った部品の回路基板への装着に際して部品を正確に位置決めすることのできる 、 きわめて高精度かつ高解像度の検出システムが実現される。開示・記載されてい る多くの実施態様において多数の多様な変形ならびに変更を行いうることは当業 者には明白であろう。このような変更ならびに変形はすべて添付の請求の範囲に 含まれるものと見なされる。 本発明をここに記載し、われわれは以下のものを請求する：

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ホーガン，カール・イー アメリカ合衆国55105ミネソタ州セント・ ポール、グッドリッチ・アベニュー2301番 (72)発明者 ラッド，エリック アメリカ合衆国55343ミネソタ州ホプキン ス、ノース・バン・ブーレン・トレイル 608番 (72)発明者 ピーターソン，ブルース アメリカ合衆国55441ミネソタ州プリマス、 サーティセブンス・プレイス・ノース9710 番

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品の位置合せを行うための 高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源から前記部品への障害物のない光路を備えて前記光源と部品との間に 直接に介在させた少なくとも１つの手段であって、大量の光を部品に投影し、か つ前記部品を通過させ、それにより陰影エッジを有する陰影を投じるための前記 手段と； 前記部品とセンサアレーとの間に介在させた少なくとも１つの手段であって、 前記光と部品によって投じられた陰影とを多素子センサアレー上に鮮明に合焦さ せるための前記手段と； 複数の検出器素子を備えて、前記光と前記部品によって前記センサアレー上に 投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレーであって、部品エッジの周 りに投影された光の大部分と前記部品によって投じられた陰影が前記センサアレ ーによって検出されるようにした前記多素子センサアレーと； 前記部品の角度位置と座標位置とを算出するための処理手段とを備えて成り、 前記処理手段は、 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つの陰 影エッジを表すデータを収集するための手段と； 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた前記陰影エッジを表 すデータを分析して前記部品の正しい位置合せを決定するための手段とを備えた 処理手段である、 センサシステム。 ２． 前記低光度光源がレーザダイオードを備え、かつ前記レーザダイオードが 非干渉性の高い光を発散する点光源として作用する、請求項１記載のセンサシス テム。 ３． 前記投影手段が、 前記光源と前記部品との間に介在させたコリメータレンズと； 前記コリメータレンズと部品との間に介在させた円柱レンズであって、前記部 品を横断して光線を合焦させ、それにより輪郭の鮮明な陰影エッジを前記センサ アレー上に投影するようにした前記円柱レンズとを備えた、請求項１記載のセン サシステム。 ４． 前記投影手段が、前記光源と前記部品との間に介在させたコリメータレン ズと、前記コリメータレンズ前記部品との間に介在させた第１の円柱レンズであ って、光を前記部品上に合焦させるための前記第１の円柱レンズとを備え、かつ 前記合焦手段が、前記部品によって投じられた陰影の像を前記センサアレー上に 鮮明に合焦させるための第２の円柱レンズを備え、前記第１および第２の円柱レ ンズの組合せによって、前記光源から発された大量の照射光を前記センサアレー によって検出可能とした、請求項１記載のセンサシステム。 ５． 前記投影手段が、光を前記部品上に合焦させるための非点収差レンズを備 え、前記合焦手段が、前記部品によって投じられた陰影の像を前記センサアレー 上に鮮明に合焦させるための円柱レンズを備え、前記非点収差レンズと前記円柱 レンズとの組合せによって、前記光源から発された大量の照射光を前記センサア レーによって検出可能とした、請求項１記載のセンサシステム。 ６． 前記低光度光源が発光ダイオードを備えた、請求項１記載のセンサシステ ム。 ７． 点光源を模倣するために、前記投影手段が前記光源と部品との間に介在さ せた負レンズを備えた、請求項６記載のセンサシステム。 ８． 前記投影手段が、前記光源と前記部品との間に介在させたコリメータレン ズと、同様に前記光源と前記部品との間に設けられた第１の円柱レンズとを備え 、前記合焦手段が、前記部品と前記多素子センサアレーとの間に介在させた第２ の円柱レンズであって、前記部品によって投じられた陰影の像を前記センサアレ ー上に鮮明に合焦させるための前記第２の円柱レンズを備え、前記第１および第 ２の円柱レンズの組合せによって、前記光源から発された大量のエネルギーを前 記センサアレーによって捕捉可能とした、請求項７記載のセンサシステム。 ９． 前記合焦手段が、 前記部品と前記多素子センサアレーとの間に介在させた撮像レンズであって、 前記部品によって投じられた陰影の像を前記センサアレー上に鮮明に合焦させる ための前記撮像レンズを備えた、請求項６記載のセンサシステム。 １０． 前記合焦手段が、 前記部品と前記多素子センサアレーとの間に介在させたレンズであって、前記 部品エッジの周囲を通過する光だけを集光するための前記レンズと； 前記レンズと前記多素子センサアレーとの間に介在させた開口であって、前記 光と前記部品によって投じられた陰影の鮮明な像を前記センサアレー上に投影さ せるために概ね平行光のみを通過させるようにした前記開口とを備えた、請求項 １記載のセンサシステム。 １１． 前記合焦手段が、 前記部品と前記多素子センサアレーとの間に介在させたレンズであって、前記 部品エッジの周囲を通過する光だけを集光するための前記レンズと； 前記レンズと前記多素子センサアレーとの間に介在させた開口であって、前記 部品エッジの周囲を通過する光のみを通過させるようにした前記開口と； 前記開口と前記多素子センサアレーとの間に介在させた撮像レンズとを備え、 前記光と前記部品によって投じられた陰影の鮮明な像を前記多素子センサアレー 上に投影させ、前記像の大きさが前記部品の前記レンズからの距離と無関係に一 定である、請求項１記載のセンサシステム。 １２． 前記合焦手段が、 前記部品と前記多素子センサアレーとの間に介在させたレンズ直線アレーを備 え、前記レンズ直線アレーは一連の小領域像を合焦させるための複数の小形レン ズを備え、前記小領域像の集合全体が、１つまたはそれ以上の部品エッジの像を 前記多素子センサアレー上に形成するようにした、請求項１記載のセンサシステ ム。 １３． 前記投影手段が、大量の光が前記部品を通過するように方向づけるため に、前記光源と前記部品との間に介在させた集光レンズをさらに備えた、請求項 １０または１１または１２に記載のセンサシステム。 １４． 前記投影手段が、大量の光が前記部品上に入射して前記部品を通過する ように方向づけるために、前記光源と前記部品との間に介在させたコリメータレ ンズをさらに備えた、請求項１０または１１または１２に記載のセンサシステム 。 １５． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品の位置合せを行うため の高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源と前記部品との間に介在させた少なくとも１つの手段であって、前記 光源から大量の光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させ、それにより 陰影エッジを有する陰影を投じるための前記手段であって、 前記光源と前記部品との間に介在させた第１の円柱レンズであって、前 記光を前記部品上に合焦させ、通過させるための前記円柱レンズと； 前記部品と多素子センサアレーとの間に介在させた第２の円柱レンズで あって、前記部品によって投じられた前記陰影の像を鮮明に合焦させるための前 記第２の円柱レンズと； 複数の検出器素子を備えて、前記部品の側部を通過する光と前記部品に よって前記センサアレー上に投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレ ーであって、前記第１および第２の円柱レンズの組合せによって、部品エッジの 周りに投影された光の大部分と前記部品によって投じられた陰影とが前記センサ アレーによって検出されるようにした前記多素子センサアレーとを備えた前記手 段と； 前記部品の角度位置と座標位置とを算出するための処理手段とを備えて成り、 前記処理手段は、 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つの陰 影エッジを表すデータを収集するための手段と； 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた前記陰影エッジを表 すデータを分析して前記部品の正しい位置合せを決定するための手段とを備えた 処理手段である、 センサシステム。 １６． 前記投影手段が、前記光源と前記部品との間に介在させたコリメータレ ンズをさらに備えた、請求項１５記載のセンサシステム。 １７． 点光源を模倣するために、前記低光度光源がレーザダイオード光源を備 え、かつ前記センサシステムが前記光源と前記部品との間に介在させた開口を備 えた、請求項１５記載のセンサシステム。 １８． 点光源を模倣するために、前記低光度光源がレーザダイオードを備え、 かつ前記投影手段が、前記光源と前記部品との間に介在させた負レンズである、 請求項１５記載のセンサシステム。 １９． 前記低光度光源が小領域発光ダイオードを備えた、請求項１５記載のセ ンサシステム。 ２０． 前記低光度光源がレーザダイオードを備え、かつ前記レーザダイオード が発光ダイオード非干渉性光の点光源として作用する、請求項１５記載のセンサ システム。 ２１． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品の位置合せを行うため の高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源と部品との間に介在させた少なくとも１つの手段であって、前記光源 から大量の光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させ、それにより陰影 エッジを有する陰影を投じるための前記手段と； 前記部品と前記多素子センサアレーとの間に介在させたレンズであって、前記 部品エッジの周囲を通過する光だけを集光するための前記レンズと； 前記レンズと前記多素子センサアレーとの間に介在させた開口であって、前記 光と前記部品によって投じられた陰影の鮮明な像を前記センサアレー上に投影さ せるために平行光のみを通過させるようにした前記開口と； 複数の検出器素子を備えて、前記部品を通過する光と前記部品によって前記セ ンサアレー上に投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレーであって、 前記部品エッジの周りに投影された光の大部分と前記部品によって投じられた陰 影とが前記センサアレーによって検出されるようにした前記多素子センサアレー と； 前記部品の角度位置と座標位置とを算出するための処理手段とを備えて成り、 前記処理手段は、 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つの陰 影エッジを表すデータを収集するための手段と； 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた前記陰影エッジを表 すデータを分析して前記部品の正しい位置合せを決定するための手段とを備えた 処理手段である、 センサシステム。 ２２． 前記低光度光源が発光ダイオードを備えた、請求項２１記載のセンサシ ステム。 ２３． 前記低光度光源が、非干渉性の高い光の点光源として作用するレーザダ イオードを備えた、請求項２１記載のセンサシステム。 ２４． 前記開口と前記多素子センサアレーとの間に介在させた撮像レンズをさ らに備え、前記光と前記部品によって投じられた陰影の鮮明な像を前記多素子セ ンサアレー上に投影させ、前記像の大きさが前記部品の前記レンズからの距離と 無関係に一定である、請求項２１記載のセンサシステム。 ２５． 前記投影手段が、大量の光が前記部品上に入射し前記部品を通過するよ うに方向づけるための集光レンズを備えた、請求項２１記載のセンサシステム。 ２６． 前記投影手段が、大量の光が前記部品上に入射し前記部品を通過するよ うに方向づけるためのコリメータレンズを備えた、請求項２１記載のセンサシス テム。 ２７． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品の位置合せを行うため の高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源と部品との間に直接に介在させた少なくとも１つの手段であって、大 量の光を部品に投影し、かつ前記部品を通過させ、それにより陰影エッジを有す る陰影を投じるための前記手段と； 前記部品と多素子センサアレーとの間に介在させたレンズ直線アレーであって 、前記レンズ直線アレーは一連の小領域像を合焦させるための複数の小形レンズ を備え、小領域像の集合全体が陰影エッジの像を前記多素子センサアレー上に形 成するようにした前記レンズ直線アレーと； 複数の検出器素子を備えて、前記光と前記部品によって前記センサアレー上に 投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレーであって、部品エッジの周 りに投影された光の大部分と前記部品によって投じられた陰影が前記センサアレ ーによって検出されるようにした前記多素子センサアレーと； 前記部品の角度位置と座標位置とを算出するための処理手段とを備えて成り、 前記処理手段は、 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つの陰 影エッジを表すデータを収集するための手段と； 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた前記陰影エッジを表 すデータを分析して前記部品の正しい位置合せを決定するための手段とを備えた 処理手段である、 センサシステム。 ２８． 前記低光度光源が発光ダイオードを備えた、請求項２７記載のセンサシ ステム。 ２９． 前記低光度光源が、定格電力以下で動作するレーザダイオードを備えた 、請求項２７記載のセンサシステム。 ３０． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品の位置合せを行うため の高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源と前記部品との間に介在させた少なくとも１つの手段であって、前記 光源から大量の光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させ、それにより 陰影エッジを有する陰影を投じるための前記手段であって、 前記光源と前記部品との間に介在させた第１のコリメータレンズであっ て、前記光を前記部品上に合焦させ、通過させるための前記第１のコリメ ータレンズと； 前記部品と多素子センサアレーとの間に介在させた撮像レンズであって 、前記部品によって投じられた陰影を結像するための前記撮像レンズと； 複数の検出器素子を備えて、前記部品の側部を通過する光と前記部品に よって前記センサアレー上に投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレ ーとを備えた前記手段と； 前記部品の角度位置と座標位置とを算出するための処理手段とを備えて成り、 前記処理手段は、 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つのエ ッジを表すデータを収集するための手段と； 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つのエ ッジを表すデータを分析して前記部品の正しい位置合せを決定するための手段と を備えた処理手段である、 センサシステム。 ３１． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品で吸引クイルを有する 部品装着機によって運ばれるその部品を位置合せする方法において、 前記部品を前記吸引クイルで摘み上げる工程と； 平行光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させる工程と； 前記部品を前記平行光内に引っ込めて検出器アレー上に陰影を投じる工程と； 前記部品をステップ毎に回転させる工程と； 前記センサアレー上に投じられた前記陰影のエッジを検出する工程と； 前記陰影のエッジの陰影内部または付近に含まれる複数のデータ点を捕捉する 工程と； 回転毎に前記各データ点の１次導関数を演算する工程と； 走査毎に得られる前記１次導関数を比較する工程と； 前記演算された１次導関数が最大になるときの前記エッジに関するデータだけを 捕捉する工程と； 前記捕捉されたデータを処理して前記部品の横方向位置ならびに角度配向を求 める工程とから構成される、方法。 ３２． 吸引クイルを有する部品装着機によって運ばれる部品を位置合せする方 法において、 前記部品を前記吸引クイルで摘み上げる工程と； 平行レーザ光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させる工程と； 前記部品を前記平行光内に引っ込めて検出器アレー上に陰影を投じる工程と； 前記部品をステップ毎に回転させる工程と； 各ステップ後に部品エッジ位置を求める工程と； 一連の逐次走査から得られた各部品エッジ位置をスペース内の参照点に対して グラフ化し、前記部品が位置合せに入る方向に回転するときグラフが減少正弦曲 線となり、部品が位置合せから抜け出るときグラフが増加正弦曲線となるように する工程と； 前記減少正弦曲線ならびに増加正弦曲線の交点を求め、前記交点が前記部品の 位置合せされる正確な位置を表すようにした工程と； 前記部品を前記グラフの交点によって指定された位置まで回転させる工程とか ら構成される、方法。 ３３． エッジ（以下、部品エッジという）を有する部品の位置合せを行うため の高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源と前記部品との間に介在させた少なくとも１つの手段であって、前記 光源から大量の光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させ、それにより 陰影エッジを有する陰影を投じるための前記手段であって、 前記光源と前記部品との間に介在させた第１のコリメータレンズであっ て、前記光を前記部品上に合焦させ、通過させるための前記第１のコリメータレ ンズと； 前記部品と多素子センサアレーとの間に介在させた撮像レンズであって 、前記部品によって投じられた陰影を結像するための前記撮像レンズと； 複数の検出器素子を備えて、前記部品の側部を通過する光と前記部品に よって前記センサアレー上に投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレ ーと； 前記光の光路を折り返し、前記光と前記部品の陰影を前記センサアレー 上へと通過させるための反射表面を備えたブロックと； 複数の検出器素子を備えて、前記部品の側を通過する光と前記部品によ って前記センサアレー上に投じられた陰影とを検出する前記多素子センサアレー とを備えた前記手段と； 前記部品の角度位置と座標位置とを算出するための処理手段であって、 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つのエ ッジを表すデータを収集するための手段と； 前記部品によって前記センサアレー上に投じられた少なくとも１つのエ ッジを表すデータを分析して前記部品の正しい位置合せを決定するための手段と を備えた前記処理手段とを備えて成る、 センサシステム。 ３４． いずれもがエッジ（以下、部品エッジという）を有する２つの部品の位 置合せを行うための高効率かつ高精度の部品位置合せセンサシステムにおいて、 単一の低光度光源と； 前記光源と前記部品との間に介在させた少なくとも１つの手段であって、前記 光源から大量の光を前記部品上に投影し、かつ前記部品を通過させ、それにより 陰影エッジを有する陰影を投じるための前記手段であって、 前記光を前記部品上に合焦させ、通過させるための第１の円柱レンズと ； 前記部品と多素子センサアレーとの間に介在させた第２の円柱レンズで あって、前記部品によって投じられた陰影を鮮明に合焦させるための前記第２の 円柱レンズとを備えた前記手段と； 複数の検出器素子を備えて、前記部品の側部を通過する光と前記第１の部品に よって前記センサアレー上に投じられた陰影とを検出する第１の多素子センサア レーと； 複数の検出器素子を備えて、前記部品の側部を通過する光と前記第２の部品に よって前記センサアレー上に投じられた陰影とを検出する第２の多素子センサア レーと； 前記部品の角度と座標位置とを算出するための１つもしくはそれ以上の処理手 段とを備えて成り、 前記処理手段は、 前記第１および第２の部品によって第１および第２のセンサアレー上に 投じられた少なくとも１つのエッジを表すデータを収集するための手段と； 前記第１および第２の部品によって前記第１および第２のセンサアレー 上に投じられた少なくとも１つのエッジを表すデータを分析して前記各部品の正 しい位置合せを決定するための手段とを備えた処理手段である、 センサシステム。 ３５． 前記部品がプラスチックまたはセラミックの本体でパッケージングされ 、その本体が部品エッジを有しており、前記部品本体エッジの周囲に投影された 光および部品本体によって投じられた陰影を前記センサアレーで検出するように した、請求項１記載のセンサシステム。 ３６． 前記部品が本体でパッケージングされて多数のリード線をもち、そのリ ード線の各々が部品エッジを有しており、前記部品リードエッジの周囲に投影さ れた光および前記部品リードによって投じられた陰影を前記センサアレーで検出 するようにした、請求項１記載のセンサシステム。 ３７． 前記部品がプラスチックまたはセラミックの本体でパッケージングされ て多数のリード線をもち、その本体およびリード線の各々が部品エッジを有して おり、前記部品本体およびリードエッジの周囲に投影された光および前記部品本 体および部品リードによって投じられた陰影を前記センサアレーで検出するよう にした、請求項１記載のセンサシステム。 ３８． 前記低光度光源が発光ダイオードを備え、前記センサシステムがさらに コリメータレンズを備え、前記発光ダイオードが前記光源の角度幅を小さくする ように前記コリメータレンズより１焦点距離分だけ前方に配置された、請求項１ ５記載のセンサシステム。