JPH1068697A

JPH1068697A - 真空ノズルの閉塞検出方法および装置

Info

Publication number: JPH1068697A
Application number: JP9159214A
Authority: JP
Inventors: Kazemuugoodaaji Baido; バイド・カゼム−ゴーダージ; Malone Alex; アレックス・マローン; Jean F Hilman Baru; バル・ジーン・エフ・ヒルマン
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1996-06-03
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 1998-03-10
Anticipated expiration: 2017-06-02
Also published as: DE19721953A1; JP4082758B2; US5742396A; DE19721953B4

Abstract

(57)【要約】【課題】高速素子配置機上の真空ノズルが閉塞状態に
あるか否かを検出するための方法および装置を提供す
る。【解決手段】真空ノズル（１０）は、真空ポート（２
５）と、一端に開口（１２）とを有する中空管を有す
る。プラスチック製の光導器を真空ノズルに接続する。
光導器はその一部分が露出され、離れた光源（３０）に
よる照射を受ける。光導器は光を通過させ、真空ノズル
の内部から開口（１２）を照射する。照射された開口か
ら射出する光の量を、離れて位置する光検出器（３５）
によって測定する（５５）。照射開口における光量測定
値を所定の標準と比較することにより、開口が閉塞状態
にあるか否かについて判断を行う（６０）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に真空素子
ピックアップ方法(method of vacuum pick-up ofcompon
ents)に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】本願は、"Method for Detecting Obstru
cted Nozzles" と題する、１９９６年３月４日に出願さ
れ、Motorola, Inc.に譲渡された、Kazem-Gourdarzi et
al.による係属中の米国出願番号第０８／１０，３００
０号に関連がある。

【０００３】全ての電子機器組立製造ラインは、いずれ
かの形態の素子配置システム(component placement sys
tem)を必要とする。最も単純な素子配置機器は、静止ハ
ンド(steady hand) と１対のピンセットである。より複
雑なシステムは自動素子配置機を使用し、手作業による
配置の場合と同様、その目的はある位置から部品をピッ
クアップし、基板上の新たな場所にそれを配置すること
である。通常、ピックアップは、手作業または素子に適
したサイズの真空チャック(vacuum chuck)を用いること
による自動化システムのいずれかによって行う。素子
は、自動素子供給装置を用いて、ピックアップ位置に送
出される。全ての場合において、素子の配置には、精度
と信頼性という２つの重要な基準がある。素子配置の再
現精度(repeatability) は、典型的に、配置ヘッド上に
ある機械的な心合わせ用噛み合い部(mechanical center
ing jaws) の使用によって補佐される。配置ヘッドは、
典型的に、ピックアップ位置から基板上の所望の場所に
移動し、真空を解除することにより素子を所望の場所に
緩やかに落下させることによって、基板上に素子を取り
付ける。典型的に、素子は接着剤またははんだペースト
の中に配置され、後続の処理の間素子の移動が防止され
る。はんだペーストおよび接着剤は双方ともある程度の
粘着性(tackiness) があり、素子を定位置に保持するの
に役立つ。表面実装技術では、典型的に、自動ピックア
ップおよび配置機器(automated pick and place equipm
ent)に２つの主要な手法が取り入れられている。第１の
手法は、各素子に専用ヘッドを使用することである。こ
のヘッドは素子を供給装置から基板またはプリント回路
基板（ＰＣＢ）に転送する。コンベアが基板を移動さ
せ、１列に並んだ配置ヘッドを通過する際に、これらの
配置ヘッドが累進的に部品を基板に密集させていく(pop
ulate)。このタイプのシステムは、典型的に、非常に大
量で長い操業という状況に用いられる。第２の手法は、
単一のヘッド機械であり、これはマイクロプロセッサで
制御され、多数の相互交換可能なチャックを内蔵してお
り、様々な供給装置からの部品を素早くピックアップ
し、一度に単一基板に部品を密集させることができる。
この手法は、設定時間が比較的短く機械に非常に柔軟性
があるので、多くの異なる組立を行う短い操業ないし中
程度の操業に適している。

【０００４】多数のチャックを有する単一ヘッド素子配
置機の場合、１０個以上の真空チャックが単一のヘッド
上にある。これらのチャック各々を初期の動作状態に維
持することが非常に重要である。これらのチャックのい
ずれかがずれたり動作不能状態になった場合、素子の配
置に誤差が生じたり、あるいは素子が回路基板に取り付
けられないことになる。タレット・ヘッド(turret hea
d) を有する高速機は、膨大な数（毎時１４，０００な
いし５０，０００）の小型素子を配置する能力があり、
真空チャックの問題、即ち、真空ノズルが詰まることは
重大な問題である。真空チャックの小さなオリフィス
は、環境内の埃や粒子によって容易に閉塞されてしま
う。機械の連続的な運転時間(up-time) および信頼性を
保証するためには、真空チャックを定期的に用心深く浄
化しなければならない。加えて、真空ノズルは、完全に
動作不能状態となるまで、閉塞状態にあるか否かを判定
する方法がなく、それが判定されたときには、既に欠陥
製品が製造されてしまうという問題がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】したがって、技術的現
状において、真空ノズルの詰まり即ち閉塞(clog or obs
tructed)を予め検出可能なシステムを考案することがで
きれば、望ましいことであり有意義な改善となろう。か
かる方法が実現すれば、高速素子配置装置の保守コスト
低減を図り、組立後の電子製品の品質向上が得られ、配
置プログラムに基づく最適なサイクル・タイムを維持す
ることができよう。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、高速素子配置
機上の真空ノズルが閉塞状態にあるか否かを検出するた
めの方法および装置を提供する。真空ノズルは、真空ポ
ートと、一端に開口とを有する中空管を有する。プラス
チック製の光導器を真空ノズルに接続する。光導器はそ
の一部分が露出され、離れた光源による照射を受ける。
光導器は光を通過させ、真空ノズルの内部から開口を照
射する。照射された開口から射出する光の量を、離れて
位置する光検出器によって測定する。照射開口における
光量測定値を所定の標準と比較することにより、開口が
閉塞状態にあるか否かについて判断を行う。

【０００７】

【発明の実施の形態】高速素子配置システム上で真空ノ
ズルが詰まると、配置の誤差(placement defects) や自
動生産ラインのサイクル・タイム増大の原因となる。高
速素子配置機上にある真空ノズルの開口が閉塞状態にあ
るか否かを検出する新規な方法は、真空ノズルを離れた
光源で照射する段階を含む。真空ノズルは、典型的に、
一端に開口を有する中空の管であり、この開口は供給装
置から素子をピックアップする先端面(tip face)として
機能し、素子をプリント回路基板上の所望位置に搬送す
る。真空ノズルに取り付けられている光導器(light gui
de) は、真空ノズル・アセンブリから離れて配置された
光源によって照射される一部分を有する。光導器の真空
ノズルに対する位置は、光導器が照射されている場合、
光がこのガイドを通過して中空管の内部を照射し、これ
によって、真空ノズルの内部から先端面における開口を
照らし出すように決められる。ノズルを内蔵する回転ヘ
ッドが離れた光源の近くを通過すると、ノズルの内部が
光導器によって照射され、先端面が測定装置によって撮
像される。測定装置とは、典型的にカメラのことであ
る。測定装置は、照射された真空ノズルの開口から射出
する光があれば、この光量を測定する。この測定値を１
組の標準的な基準と比較し、次に、開口が詰まっている
か否かについて判定を行う。開口が閉塞状態にはない場
合、開口は明るい光として見える。開口が完全に閉塞状
態にある場合、ノズルの孔は見えず、暗くなっている。
ノズルが部分的に閉塞している場合、明るい領域と暗い
領域の組み合わせが見え、これはノズルの閉塞量および
程度を表わす。ノズルの内部を照らし、次にノズル外部
から先端面を撮像することにより、ノズル内部にあるあ
らゆる埃または汚染を「照らし出す(backlit) 」ため、
検出が非常に容易となる。ここで図１を参照すると、本
発明によるノズルの絵画構成図が示されている。真空ノ
ズル１０は、典型的に、中空の管およびこの管の中心に
穿設された同心状の孔で構成されている。ノズル１０の
一端は開口１２を有し、素子（図示せず）をピックアッ
プする真空チャックとして機能する。図面の図ではノズ
ルの先端をテーパー状として示しているが、これは１つ
のオプションに過ぎず、必要であれば正方形状に切断し
てもよいことは明らかである。真空ノズル１０の他端
は、素子配置システムのタレット・ヘッド（図示せず）
にノズルを取り付けるために用いられる。このノズルの
端部は、典型的に、ノズル・ブロック１４と呼ばれてい
る。特定用途の１つでは、ノズル・ブロック１４は、保
持用ネジ１６によって、交換可能な真空ノズル１０に取
り付けられる。ノズル・ブロック１４は、タレット・ヘ
ッドにノズルを固定し、適正な向きに整合するという機
能を果たす。

【０００８】本発明の一実施例では、ノズル・ブロック
にウインドウ２０のような開口を設けることにより、ウ
インドウ２０が周囲光を導入し、ノズル・ブロック内の
チャネル１８を通過して、真空ノズル１０の内部に到達
させる。特定のノズル取り付け方式における正確な構成
によっては、入来光をより効率的に導入し合焦するよう
に機能する１枚以上のレンズ２１または１つ以上のプリ
ズム２３のような追加素子を設ける場合もある。ノズル
・ブロックを用いない状況では、ウインドウおよび／ま
たはレンズはノズル自体に内蔵される。いずれの場合で
も、ウインドウ、関連するチャネルおよび／またはレン
ズの正確な配置はさほど重大ではない。しかしながら、
これらが真空ノズルの内部を照射することによって、先
端面の開口１２を照射し、真空ノズルの通常動作を妨害
しない（即ち、ノズル内の真空経路を過度に狭めない）
ように構成することは重要である。

【０００９】本発明の第２実施例（図２に示す）では、
ノズル・ブロック１４は、適切なプラスチック，ガラス
またはセラミック材料で作られて光導器である。プラス
チック製の光導器は、光導体(light pipe)または光導管
(light conduit) としても知られ、文献において既知で
あり、米国特許番号第４，２６０，２２０号に開示され
ている。この特許の内容は本願でも使用可能である。端
的に言えば、光導器１５の一端は、光源３０からの光を
集めるように機能し、光導器はこの光をその光軸２８に
沿って導入する。光導器は構造的な物質で形成され、ほ
ぼ内部全反射(near-total internal reflection)に基づ
いて動作する。最終的に、導入された光線の内ガイドの
受容角度内に納まったものは、内部拡散反射面(interna
l diffusely reflecting surface) （光抽出器２４）に
達する。この内部拡散反射面は、入射光の大部分を、内
部全反射によってガイド内に閉じ込めることができない
方向に、方向転換させる。したがって、このように方向
転換された光線は、光導器から漏出可能である。ポリカ
ーボネートやアクリル（とりわけ、Minnesota Mining a
nd Manufacturing Companyから入手可能であり、例え
ば、3M Optical Lighting Filmがある）のような透明な
プラスチックが、光導器として典型的に用いられる。こ
れらの光導器は、米国特許番号第４，９３７，７１６
号，第５，３３９，３８２号，第５，３０９，５４４，
第４，６１５，５７９号において、照明具(luminaries)
やその他の物体を形成するために使用されている。ま
た、これらは発光ダイオード（ＬＥＤ）用光導体(light
pipe)としても用いられており、Optopipe^TMLight Pipe
として知られているこのような光導体の１つが、米国，
東京およびシンガポールにおいて、Dialight Corporati
on，Roxboro Group Company によって販売されている。
Optopipe^TMLight Pipeは、光のための導管として作用
し、光を光源から意図した視角に導く。この視角は、光
源の軸から垂直とすることも可能である。プラスチック
製の光導器１５は、Optopipe^TMLight Pipeから作られ、
従来のノズル・ブロックと同様に変更および構成され、
真空ノズルに接続された。光導器は光軸に沿って、ガイ
ド内の９０°曲管を伝って光を導入し、赤いＬＥＤが光
導器の一端に配置されたときに、明るい光の円が真空ノ
ズルの先端面に見られた。変更したOptopipe^TMLight Pi
peは、ノズルの内部に光を効率的に導入することによっ
て十分な明るさを得られるようにしたので、カメラによ
る先端面の撮像が可能となり、ノズル閉塞の様々な状態
の明確な写真が得られる。このように、本発明の一実施
例は、部分的または全体的にプラスチック製の光導器か
ら成るノズル・ブロックによって、従来の金属製ノズル
・ブロックとの置き換えるを実現する。プラスチック製
ノズル・ブロックのある部分を不透明とすれば、視覚装
置に入射する背景光の量を制限可能であることは明白で
ある。

【００１０】本発明の第３実施例（図３に示す）では、
金属ノズル・ブロック１４は、内部にプラスチック光導
器が形成されている。例えば、図１に示した空のチャネ
ル１８は、ここでは、適切な透明なプラスチック材で充
填され、プラスチック光導器２２を形成し、光抽出器２
４は、真空ノズルの上側開口の直接上に位置するか、あ
るいはノズルの内側に部分的に位置する。この構成は、
プラスチック製の光導体の利点と共に、金属製ノズル・
ブロック１４に付随する堅牢性および構造的一体性を与
えるものである。

【００１１】次に図１ないし図３を参照すると、真空ポ
ート２５も真空ノズル内に形成されており、ノズルを真
空に引いて素子をピックアップするために用いられる。
光源３０は真空ノズルから離れて配置されている。光源
３０は真空ノズルとは関連がない、即ち、物理的には全
く接続されていない。これによって、真空ノズルは、配
線や他の電源による煩わしさがなく、タレット上で自由
に回転および移動が可能となる。離れた光源は、発光ダ
イオード，レーザのような専用の光，または単に作業所
照明器具によって与えられる周囲光であってもよい。光
学測定装置３５も真空ノズル１０から離れて取り付けら
れており、開口１２が閉塞状態にあるか否かについて判
定を行うために用いられる。光学測定装置３５は、カメ
ラ，光メータ(light meter) ，フォトダイオード等のよ
うな、光を測定可能な手段から成り、その数はいくつで
もよい。また、光学測定装置３５は、電磁スペクトルの
可視範囲に限定される必要はない。紫外線および／また
は赤外線光の使用も、可視光の使用に代わるものとし
て、同様に受け入れ可能である。光学測定装置３５をノ
ズルから遠ざけて離れた位置に配置することによって得
られる利点は、離れた光源３０の使用によって得られる
利点と同様である。光学測定装置３５は決してノズルに
は接しないので、ノズルの妨害になることはなく、ノズ
ルに限定のない自由な移動を可能とする。

【００１２】次に図４を参照すると、実際に離れた光源
が光導器の一端を照射する（ステップ５０）。光は光導
器を通過し、対向端から射出し、真空ノズルの内部を照
射する。離れて配置された光学測定装置によって、真空
ノズルから射出する光の量を測定する（ステップ５
５）。次に、ノズルが閉塞状態にあるか否かについて判
断する（ステップ６０）。ノズル開口から射出する光の
測定値は、ノズル開口の閉塞度合いの逆関数である。即
ち、閉塞状態にあるノズルは光を殆どまたは全く通過さ
せず、妨げが全くない即ち閉塞されていないノズルは大
量の光を通過させる。ステップ６０で用いられる判断機
構は、典型的に、機械のオペレーティング・システムに
常駐するソフトウエア・アルゴリズムである。しかしな
がら、洗練度が低いシステムでは、手動で行う場合もあ
る。１組の標準値と比較することによって（典型的に、
ソフトウエア・アルゴリズムは参照テーブルを使用す
る）、ノズルが詰まっているか否かについて判断を行
う。ノズルが閉塞状態にある場合、周囲の圧力より高い
レベルの空気または窒素のような加圧ガスを用いてノズ
ルに加圧することにより、ノズルの浄化を試してもよい
（ステップ６５）。この時点において、これまでのプロ
セスを繰り返す。即ち、再びノズルを照射し、開口から
出てくる光を測定し、ノズルが閉塞状態にあるか否かに
ついて判断を行う。その意図は、加圧空気がノズルを塞
いでいるあらゆる埃を移動させ、吹き飛ばすことにあ
る。ノズルを浄化する試みが成功した場合、機械のタレ
ットは、その通常動作である、供給装置から素子をピッ
クアップし、それらを基板上に配置する動作を継続する
（ステップ７０）。ステップの繰り返しは多数回実行可
能であることは、読者には明白であろう。例えば、オペ
レータはノズル浄化の試行を３回行うように機械のパラ
メータを設定し、３回目の試行でも浄化できなかった場
合、ソフトウエアによってそのノズルに動作不能状態と
してフラグを立てる、あるいは表示する。こうして、ノ
ズルをシステムから除去し、以降の組立作業には使用さ
せない。必要であれば、機械のオペレータには、配置機
上にある赤い警告光で知らせることも可能である。この
時点で、オペレータには、動作不能状態のノズルを除去
しそれを新しいものと交換するか、あるいは単にそのノ
ズルを回避して製造を続けるという選択肢がある。

【００１３】図５は、ノズル状態の典型的な３つの事例
を示す。無閉塞ノズル８０は、カメラには真っ白に見え
る、即ち、ノズルを通じて光が輝いており、閉塞物は全
く見えない。部分的に閉塞状態にあるノズル８２は、ノ
ズルの１つ以上の部分に黒いパターンを示す。このパタ
ーンは、単純な部分的な閉塞（１０％未満）からほぼ全
体的な閉塞（８０ないし９０％に近づく）までにわたる
可能性がある。完全に詰まったノズル８４では、ノズル
開口から射出する光は全くなく、したがって、ビデオ・
カメラ上では黒い点として見える。

【００１４】要約すれば、素子配置機上の真空ピックア
ップ・ノズルが閉塞状態にあるか否かを判定する非接触
方法を示した。この方法は、従来技術に比べて、真空ノ
ズルおよび機械のタレットが、追加のワイヤまた接続部
による妨害または係累を受けることが全くないという重
要な利点がある。離れて配置された光源および離れて配
置されたカメラは、機械のタレットに、通常に動作する
完全な自由を与える。加えて、殆どの素子配置機は、典
型的に、基板上の配置に先だって部品の配向検査を行う
ためのカメラを有しているので、この同じカメラを用い
てノズル状態を確認することができる。離れた光源は、
機械上の多数の場所に取り付けられ、したがって、価格
効率が高く、簡素で、しかも信頼性が高いシステムが提
供され、高速素子配置機の信頼性および再現精度に格段
の向上をもたらすことになる。

【００１５】以上、本発明の好適実施例について図示し
かつ説明してきたが、本発明はそれに限定されるもので
はない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による真空ノズルの断面
図。

【図２】本発明の第２実施例による真空ノズルの断面
図。

【図３】本発明の第３実施例による真空ノズルの断面
図。

【図４】本発明によるプロセスのフロー・チャート。

【図５】３つのノズル状態を示す図。

【符号の説明】

１０真空ノズル１２開口１４ノズル・ブロック１６保持用ネジ１８チャネル２０ウインドウ２１レンズ２３プリズム２４光抽出器２５真空ポート３０光源３５光学測定装置８０無閉塞ノズル８２閉塞ノズル

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者バル・ジーン・エフ・ヒルマンアメリカ合衆国フロリダ州プランテーション、ナンバー612、クリアリー・ブルバード8060

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高速素子配置機用の真空ノズルの先端面に
おける開口が閉塞状態にあるか否かを検出する方法であ
って：前記真空ノズルの中空内側部分を照射し、前記先
端面における開口を通じて光線を投影することにより、
前記真空ノズルの内側から、前記真空ノズルの先端面に
おける開口を照射する照射段階；前記真空ノズル外部の
検出器によって、前記先端面における開口から射出する
光の強度を測定する測定段階；および前記先端面におけ
る開口から射出した光の測定強度を所定の標準と比較
し、前記先端面における開口が閉塞状態にあるか否かに
ついて判定を行う比較段階；から成ることを特徴とする
方法。
【請求項２】前記比較段階の後に、前記真空ノズルを周
囲圧力より高いレベルに加圧することによって、前記先
端面における開口を浄化する浄化段階を更に含むことを
特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】前記照射段階，前記測定段階，および前記
比較段階は、前記浄化段階を実行した後に反復すること
を特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】前記比較段階の２回目の実行後に、前記真
空ノズルを周囲圧力よりも高いレベルに加圧することに
よって、前記ノズル開口を浄化する段階を更に含むこと
を特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】前記浄化段階の２回目の実行後に、前記真
空ノズルが動作不能であることを指定する段階を更に含
むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】前記測定段階は、前記先端面において照射
された開口を、離れたカメラによって目視する段階を含
むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】前記測定段階は、前記先端面における開口から射出する光の画像を捕獲す
る段階；およびデジタル画像を作成する段階；より成る
ことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】前記比較段階は、前記デジタル画像を測定
し、該デジタル画像を参照テーブル内の１組の標準値と
比較するアルゴリズムより成ることを特徴とする請求項
７記載の方法。
【請求項９】前記照射段階は、前記真空ノズルとは機構
的に離れた光源によって照射する段階を更に含むことを
特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】高速素子配置機用真空ノズル・アセンブ
リであって：一の先端面に開口を有する中空管；および
前記中空管に取り付けられた光導器であって、前記真空
ノズル・アセンブリから離れて位置する光源によって照
射されるように配置された第１部分を有する前記光導
器；から成り、前記光導器は、前記中空管の内側部分を
照射するように配された第２部分を有し；前記光導器
は、前記光源からの光を、前記第１部分から前記第２部
分に導入し、前記先端面における前記開口を照射するこ
とを特徴とする真空ノズル・アセンブリ。