KR101022302B1

KR101022302B1 - 개선된 옵틱스를 갖는 다중 소스 정렬 센서

Info

Publication number: KR101022302B1
Application number: KR1020057003325A
Authority: KR
Inventors: 데이빗 디. 매드슨; 데이빗 엠. 카렌조; 프레데릭 엠. Ii 캐시
Original assignee: 사이버옵틱스 코포레이션
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2011-03-21
Also published as: GB0505532D0; DE10393193T5; GB2410328B; WO2004021759A1; KR20050059149A; GB2410328A; JP2005537648A

Abstract

본 발명의 특징들은 컴팩트 구성요소 정렬 센서를 위한 상대적으로 엄격한 인클로저를 수용할 수 있는 광 레이아웃을 제공한다. 특히, 본 발명의 양태들은 발산 정도를 감소시키고, 바람직하게는 구성요소 영역으로 들어가기 전에 복수의 발산 광원들(212, 214)로부터의 광을 실질적으로 콜리메이팅하는 단일 광학 구성요소(217)를 제공한다. 이에 대해, 부품 수는 낮게 유지되고 광학 트레인 자체의 물리적 크기가 상대적으로 작아진다.

센서, 픽 앤드 플레이스, 검출기, 전자 구성요소

Description

개선된 옵틱스를 갖는 다중 소스 정렬 센서{MULTIPLE SOURCE ALIGNMENT SENSOR WITH IMPROVED OPTICS}

본 발명의 배경(BACKGROUND OF THE INVENTION)

본 발명은 인쇄 회로 기판들, 회로 트레이스들을 포함하는 하이브리드 기판들, 및 회로 트레이싱들의 다른 캐리어들과 같은 표면들에 픽 앤 플레이스(pick-and-place) 기계들에 의해 정확하게 배치하기 위한 전기 구성요소들을 정렬시키는 제어 시스템들에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 픽 앤 플레이스 기계가 구성요소의 각도 방위를 적당한 배치를 위해 픽 앤 플레이스 기계의 좌표계에 대해 보정할 수 있게 하는 구성요소들의 각도 방위 및 위치(x, y)를 정확하게 결정하는 비접촉식 광기반 센서 시스템(non-contact light-based sensor system)에 관한 것이다.

전자 장치 조립 산업은 픽 앤 플레이스 기계들을 이용하여 테이프 릴들과 같은 표준화된 피더 기계들로부터 구성요소들을 자동으로 "집고(pick)" 이와 같은 구성요소들을 인쇄 회로 기판들과 같은 적절한 캐리어들 상에 자동으로 "배치한다 (place)". 주어진 인쇄 회로 기판은 많은 수의 이와 같은 구성요소들을 포함할 수 있고 따라서 상기 인쇄 회로 기판 상의 구성요소 배치의 자동화는 비용 효율적인 제조를 위해 필수이다. 주어진 픽 앤 플레이스 기계의 하나의 중요한 측면은 구성요소 방위 및 위치가 배치이전에 검출되는 방식에 있다. 몇몇 픽 앤 플레이스 기계 들은 구성요소를 검사 카메라 등(즉, 오프-헤드 시스템들)에 의해 이미지화 되는 검사 장소로 이송한다. 일단 이미지화 되면, 제어기, 또는 다른 적합한 장치는 구성요소 이미지로부터 방위 및 위치 정보를 계산한다. 이와 같은 시스템들과 관련된 하나의 문제점은 구성요소를 이미지화 장소에 이송하고, 상기 구성요소를 이미지화하고, 상기 구성요소를 이미지화 장소에서 배치 위치로 이송하는 데 필요한 시간이 추가되는데 있다. 다른 형태의 픽 앤 플레이스 기계는 구성요소 피더로부터 배치 위치로 이송되는 동안 구성요소를 본래대로 이미지화하기 위해 "온-헤드(on-head)" 센서를 사용한다. 따라서, 상기 예와는 대조적으로, 온-헤드 구성요소 검사 시스템들은 통상적으로 더 높은 구성요소 스루풋을 허용하고 따라서 더 낮은 비용의 제조를 허용한다.

온-헤드 센서들이 통합된 픽 앤 플레이스 기계들이 공지되어 있다. 이와 같은 장치 중의 하나가 스컨스(Skunes) 등에 허여되고 본 발명의 양수인에게 양도된 미국 특허 제 5,278,634 호에 시사되어 있다. 미국 특허 제 5,278,634 호는 단일 광원을 사용하여 조명을 관심대상인 구성요소 상에 및 구성요소를 지나 지향시키며, 이 조명이 검출기상에 위치되는 온-헤드 구성요소 검출기를 개시한다. 구성요소는 고정 크기 윈도를 통해 스컨스의 '634 센서의 하우징에 끼워진다. 여기된 광으로, 상기 구성요소는 검출기 상에 드리워진 쉐도우의 폭이 모니터링되는 동안 진공 퀼(vacuum quill)에 의해 회전된다. 최소 쉐도우 폭은 직사각형 구성요소의 측면들이 검출기에 대해 수직으로 정렬될 때 등록된다. 종종 픽 앤 플레이스 기계에 존재하는 관련 전자장치는 노즐의 원하는 회전 운동을 계산한다(픽 앤 플레이스 기 계의 기준축들 정보로). 이로써, 구성요소 위치뿐만 아니라 구성요소의 각도 방위가 결정되고 보정되어 적당하게 배치된다.

다른 픽 앤 플레이스 기계는 가변 크기들의 구성요소들을 수용하기 위해 센서에 다중의 광원들을 갖는 센서들을 이용한다.

스컨스 등에 의해 시사된 이 시스템은 픽 앤 플레이스 기계들에서 전자 구성요소를 배치하는 기술에 중요한 진보를 제공했지만, 넓은 범위의 크기들을 가진 구성요소들을 사용하도록 되어 있는 효율적인 센서가, 상이한 크기로 되어 있는 윈도들을 갖는 센서들을 교환하는 데 더 빠른 배치 및 더 적은 기계 휴지 시간(down-time)을 제공할 수 있을 것이다.

발명의 요약{SUMMARY OF THE INVENTION}

본 발명의 특징들은 컴팩트 구성요소 정렬 센서를 위한 상대적으로 엄격한 인클로저 요건들을 수용할 수 있는 광학 레이아웃을 제공한다. 특히, 본 발명의 양태들은 발산 정도를 감소시키고, 바람직하게는 상기 구성요소 영역으로 들어가기 전에 복수의 발산 광원들로부터의 광을 실질적으로 콜리메이팅하는 단일 광학 구성요소를 제공한다. 이 점에 있어서는, 부품 수가 낮게 유지되고 광학 트레인 자체의 물리적 크기가 상대적으로 작아진다.

도면의 간단한 설명{BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS}

도 1A는 본 발명의 픽 앤 플레이스 기계의 평면도.

도 1B는 본 발명 센서의 사시도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스 템의 개략도.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스템의 개략도.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스템의 개략도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스템의 개략도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스템의 개략도.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스템의 개략도.

도 8은 단일 검출기 소스 쌍의 개략도.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소 방위 및 위치를 검출하는 시스템의 개략도.

편의를 위해, 동일 참조 지정 번호를 가진 상이한 도면들에서의 항목들은 적절히 동일하거나 동일 또는 유사한 기능을 갖는다.

바람직한 실시예들의 상세한 설명

{DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS}

도 1A는 본 발명의 실시예들이 특히 유용한 픽 앤 플레이스 기계(150)의 평면도이다. 도 1A의 설명은 픽 앤 플레이스 기계(150)에 대해 제공될 것이지만, 스 플릿 갠트리 디자인들(split gantry designs)과 같은 다른 형태의 픽 앤 플레이스 기계들이 사용될 수 있다. 도 1A에 도시된 것과 같이, 기계(150)는 인쇄 회로 기판과 같은 피가공물을 이송하도록 되어 있는 이송 기구(152)를 구비한다. 이송 기구(152)는 장착부(154)와 컨베이어(156)를 구비한다. 이송 기구(152)는 피가공물이 컨베이어(156)에 의해 장착부(154)로 반송되도록 베이스(158) 상에 배치된다. 피더 기구들(160)은 일반적으로 이송 기구(152)의 측면에 배치되고 전자 부품들을 거기에 공급한다. 피더들(160)은 전자 구성요소들을 제공하도록 되어 있는 임의의 적합한 장치들일 수 있다.

픽 앤 플레이스 기계(150)는 베이스(158) 상에 배치된 헤드(162)를 구비한다. 헤드(162)는 피더 기구들(160) 중 어느 하나와 장착부(154) 사이에서 이동 가능하다. 도시된 것과 같이, 헤드 지지체들(164)은 레일들(166) 상에서 이동가능하므로 헤드(162)가 베이스(158) 위에서 y 방향으로 이동할 수 있게 한다. y 방향에서의 헤드(162)의 이동은, 모터(170)가 모터 작동 신호에 응답하여 헤드 지지체들(164) 중 하나와 맞물린 볼 스크류들(172)을 회전시켜 y 방향으로 지지체(164)를 변위시킬 때, 일어난다. 헤드(162)는 또한 레일(168) 위에 지지되어 베이스(158)에 대해 x 방향으로의 헤드 이동을 허용한다. x 방향에서의 헤드(162)의 이동은, 모터(174)가 모터 작동 신호에 응답하여 헤드(162)와 맞물린 볼 스크류(176)를 회전시켜 x 방향으로 헤드(162)를 변위시킬 때, 일어난다. 다른 픽 앤 플레이스 디자인들이, 심지어 x 및 y 이동들로만 동작하지 않는 디자인들 조차도 본 발명이 사용될 수 있도록 개조될 수 있다.

헤드(162)는 일반적으로 본체(178), 노즐 마운트(180), 노즐들(182) 및 센서(184)를 구비한다. 노즐 마운트(180)는 본체(178)내에 배치되고 각각의 노즐들(182)을 본체(178)내에 장착한다. 본 명세서에 사용된 것과 같이, "노즐"은 구성요소를 해제 가능하게 유지할 수 있는 어떤 장치를 의미하도록 의도된 것이다. 각각의 노즐들(182)은 z 방향(상/하), x 및 y 방향들로 이동 가능하고, 서보 모터들과 같은 임의의 적합한 작동 부재들에 의해 z 축을 주위를 회전 가능하다. 센서(184)는 노즐들(182)에 의해 유지된 구성요소들과 관련된 쉐도우 정보를 획득하도록 되어 있다. 센서(184)는, 센서(184)가 구성요소 방위 및 오프-셋에 기초하여 변하는 쉐도우 정보를 제공할 수 있도록 적절한 조명 장치들 및 검출 장치들을 구비한다. 센서(184)는 헤드(162) 상에 장착될 수 있고, 또는 대안으로 센서(184)는 헤드(162)에 대해 고정된 위치에 장착될 수 있다. 센서(184)에 의해 처리 전자장치(34)에 제공된 정보는 각 구성요소 방위들 및 오프셋들을 계산하기 위해 사용된다. 이와 같은 정보는 x 및 y 축들에서의 오프셋 및 회전 오프셋을 계산하는 것을 포함한다.

도 1B는 소스들(12, 14, 15)을 따로 따로 갖는 센서(184)를 도시한다. 부품(들)은 부분적으로 감지 영역(31)내에 끼워지고, 조명이 검출기(24)에 위치될 때 연속적으로 여기되는 각각의 소스들로부터의 조명을 가린다. 전자장치(26)는 노즐(도시하지 않음)이 부품을 회전시킬 때 검출기로부터 복수의 출력들을 수신한다. 전자장치(26)는 픽 앤 플레이스 기계내의 센서(184)의 외측에 부분적으로 위치될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소 방위 및 배치 검출 시스템(10)의 개략도이다. 시스템(10)은 적어도 2개의 상이한 각도들로부터 구성요소(18) 상에 조명(16)을 지향시키기 위해 배열되는 소스들(12, 14)을 구비한다. 소스들(12, 14)은, 각 소스로부터 고려되는 충분한 강도의 조명을 제공하는 한 임의의 적합한 광원들일 수 있다. 따라서, 소스들(12, 14)은 소스 비간섭성 또는 가간섭성의 조명일 수 있다. 바람직하게는, 소스들(12, 14)은 레이저 다이오드들이지만, 몇몇 실시예들에서, 소스들(12, 14)은 발광 다이오드들(LED들)이다. 소스들(12, 14)은 소스들 중 하나 및 검출기 상의 2 지점들(검출기 상의 시작 및 종료 화소)에 의해 정의된 것과 같은 실질적으로 동일한 평면에 조명을 제공하기 위해 위치될 수 있다. 한쌍의 소스들(12, 14)이 도시되었지만, 임의의 적합한 수의 소스들이, 예를 들면 3개의 소스들이 사용될 수 있다. 소스들(12, 14)로부터의 조명(16)이 어느 정도 구성요소(18)에 의해 차단되어 바람직하게는 선형 전하 결합 소자(CCD) 센서 또는 상보형 금속 산화물 반도체(CMOS) 센서인 검출기(24) 상에 쉐도우들(20, 22)을 각각 생성한다. 검출기(24)는 다수의 광전기 소자들, 또는 화소들을 구비한다. 검출기(24)는 짧은 순간에 쉐도우들(20, 22)을 캡쳐하고 캡쳐된 쉐도우 이미지와 관련된 데이터(예를 들면, 검출기 출력)를 링크(28)를 통해 검출기 전자장치(26)에 제공한다. 필요에 따라서는 추가의 광학 구성요소들(예를 들면, 렌즈들, 프리즘들 등)이 검출기(24) 앞에 배치되어 구성요소의 이미지(이미지화 또는 포커싱된 쉐도우)가 검출기(24) 상에 입사되고, 이때 검출기는 상기 쉐도우보다는 오히려 쉐도우 이미지를 나타내는 검출기 출력을 제공한다. 본원에 사용된 것과 같이, "쉐도우"는 관 심 대상 구성요소에 의한 적어도 부분적인 방해에 기초하여 변하는 강도(intensity)의 광에 의해 부분적으로 생성되는 임의의 화상(representation)을 의미하는 것으로 의도된다. 따라서, 쉐도우는 검출기 상에 위치되기 전에 포커싱 되지 않을 수 있거나 또는 포커싱 될 수 도 있다.

구성요소(18)가 노즐(30)에 유지되거나 그렇지 않으면 부착될 때, 구성요소(18)는 소스들(12, 14)이 선택적으로 여기되어 있는 동안 화살표(32)로 나타낸 것과 같이 회전된다. 이해될 수 있는 것과 같이, 구성요소(18)의 회전 중, 쉐도우들(20, 22)은 이미 주어진 조명의 빔(16)을 차단하는 구성요소(18)의 단면적에 기초하여 크기 및 위치를 변경할 것이다. 검출기(24)로부터의 신호가 구성요소(18)의 회전 중 판독 및/또는 저장되어 검출기(24)로부터의 데이터는 노즐(30)에 대한 구성요소(18)의 회전 방위 및 구성요소(18)의 위치(x, y)를 계산하기 위해 사용된다. 검출기 전자장치(26)는 이러한 데이터를 링크(36)를 통해 처리 전자장치(34)에 제공한다. 또한 바람직하게는, 도 2에 도시된 것처럼, 처리 전자장치(34)가 소스 제어 전자장치(38)에 연결되어 처리 전자장치(34)는 구성요소(18)의 회전 중 소스들(12, 14)의 여기(energization)를 제어한다. 소스 제어 전자장치(38) 또는 여기 전자장치(38)는 몇몇 실시예들에서는 센서(184)내에 장착된다. 처리 전자장치(34)는 적절한 퍼스널 컴퓨터내에 존재하고 각도 방위 및 오프셋을 계산하기 위한 적절한 소프트웨어를 포함한다. 처리 전자장치(34)가 또한 인코더(40)에 연결되어 처리 전자장치(34)에는 노즐(30)의 각도 방위를 나타내는 인코더(40)로부터의 신호가 제공된다. 따라서, 어느 소스들이 여기되었는지를 알고, 인코더(40)로 나타낸 것과 같은 노즐(30)의 각도 방위를 필수적으로 앎으로써, 그리고 회전하는 동안 구성요소(30)에 의해 드리워진 쉐도우들의 이미지들을 검출함으로써, 처리 전자장치(34)는 센서의 내부의 기하학적인 적절한 지식이 주어지면, 구성요소 방위 및 위치를 계산한다.

도 2는 구성요소(18)의 2개의 에지들의 쉐도우들이 검출기(24)에 위치되므로, 소스들(12, 14) 모두에 대해 고려된 더블-에지 측정(double-edged measurement)을 도시한다.

본 발명의 다양한 실시예들이 구성요소 정보(부품 크기, 중심 오프셋, 및 각도 방위 등)를 검사 중에 있는 구성요소의 싱글 에지 또는 더블 에지 측정들의 어느 하나를 이용하여 추출할 수 있도록 설계된다. 전형적으로, 도 2에 도시된 것과 같이, 더블 에지 측정들은 구성요소의 치수들이 양 구성요소 에지들의 쉐도우들로 하여금 중첩 없이, 동일 구성요소 측정 시간 동안 검출기 상에 위치되게 할 때 사용된다. 따라서, 구성요소의 적어도 2개의 에지들이 동일 구성요소 측정 시간내에서 상이한 소스들에 의해 검출기 상에 그림자를 드리울 수 있다. 싱글 에지 측정과 더블 에지 측정간의 차이는, 싱글 에지 측정 처리 동안에는 구성요소의 다른 에지의 쉐도우가 검출기 상에 떨어질 수 없을 만큼 너무 큰 구성요소로 인해서 구성요소의 하나의 에지만이 임의의 소스에 의해 검출기 상에 그림자가 드리워질 수 있다는 것이다.

2 이상의 소스들은 이미지 정보가 계산을 위해 수집되기 전에 경과된 시간을 감소시키도록 나열된다. 이로써, 이들 소스들이 소스들, 및 CCD 또는 촬상 어레이 (예를 들면 도 1B참조)에 의해 정의된 평면에 대해 분리되어 이격되어 있을 때 특히 유리하다. 소스들이 대체적으로 검출기(24)의 표면에 대해 수직인 노즐(30)로부터 인출된 선에 대해 서로 상이한 각도 위치들에 있으므로, 각각의 소스들(12, 14)은 구성요소(18)에 입사할 때 법선에 대해 상이한 각도로 지향되는 그 주광선(principal ray)을 가질 것이다. 본 명세서에 사용된 것과 같이, 주광선은, (통상 대칭인) 방사된 방사선의 코어를 그 주광선이 양분하도록, 명목상 검출기 본체의 기계적 축에 대하여 방사원에 의해 발생된 조명의 중심으로부터 광이 방사되는 것이다. 따라서, 에지 정보와 같은 쉐도우에 포함된 정보는 구성요소의 상이한 공간 위치를 나타낼 수 있으며, 도 2에 도시된 것과 같이, 일측의 에지는 소스(12)에 대해 정렬될 수 있고, 구성요소의 90도 회전 이하에서 다른 측은 소스(14)에 대해 정렬될 수 있다.

광원들(12, 14)은 임의의 적절한 방식으로 배열된다. 예를 들면, 검출기(24)의 풀 프레임 판독 속도(예를 들면 2 kHz 라인 판독 속도)에서의 배열 소스들(12, 14)은 배열된 이들 소스들 간에서 경과하는 시간량을 감소시켜 그 기간 중 구성요소의 각도 회전량이 상대적으로 작아진다. 소스들을 그렇게 배열시킴으로써, 양 소스로부터 얻어진 새도 이미지들이 개별적으로 얻어져서 임의의 특정 쉐도우 이미지 사이의 구성요소의 이동이 감소될 수 있어, 세분성(granularity)을 감소시키고 그 특정 소스로부터의 이미지들의 시퀀스 해상도를 향상시킨다. 각 소스는 구성요소의 상이한 회전 위치로부터의 새도 이미지들의 수집을 허용한다. 구성요소에 대한 상이한 소스 위치들에 기초하여, 구성요소의 하나 이상의 각도 위치로부터의 새도 이 미지들은 상대적으로 작은 시간에 수집된다. 구성요소의 완전 회전(full rotation)이 각도 정보를 얻기 위해 요구될 수 있으므로 구성요소 정보는 단일 소스가 데이터를 수집하기 위해 여기되면 요구될 수 있는 것보다 작은 시간에 수집될 수 있다.

본 발명의 실시예들의 다른 중요한 특징은 측정 인벨로프, 또는 가변 치수의 센싱 필드(sensing field)를 생성할 수 있는 능력에 있다. 본원에 사용된 것과 같이, "센싱 필드"는 하우징과 같은 기계적 장애물에 의해 변형되는 것과 같은, 센서내의 여기된 소스들에 의해(모든 소스들이 여기될 때) 조명되는 누적 공간이다. 따라서, 센싱 필드는 기계적 하우징 조차 필요로 하지 않는다. 단일 센서가 가변크기의 구성요소들에 대한 방위를 감지할 수 있도록 위치된 복수의 소스들을 센싱 필드가 수용함으로써 형성된다. 예를 들면, 구성요소가 옆으로 25밀리미터에 있으면 이때 상기 구성요소의 수직 중심으로부터 12.5밀리미터에 배치되고 검출기에 수직으로 배치된 그 주광선을 갖는 하나의 여기된 소스는 센싱 필드에서 회전하고 있었던 구성요소의 에지를 캡쳐할지도 모른다. 이 실시예는, 그 가장 단순한 형태로, 구성요소 크기 당 단지 하나의 여기된 소스를 필요로 한다. 소스들은 이들로부터 방출된 광의 특정 입체 원뿔각을 가지므로, 전술한 검출기 표면에 수직인 중심 및 측면으로부터 또는 거기에 대략 평행한 거리는 상기 부품의 에지의 쉐도우를 드리우는 광원의 이러한 발산을 고려하여 조정될 수 있다. 그러나, 검출기(24)에 평행한 구성요소(18)의 직경을 따라서, 그리고 예를 들면 노즐(30)로부터 8밀리미터 위치를 가르키는 주광선을 가지도록 배치된 소스가, 소스의 위치뿐만 아니라 광의 입체각의 상대 방위에 의존하여 차단될 수도 있다. 각 소스(12, 14)의 입체각 및 구성 요소 크기에 기초하여, 각 소스는 구성요소의 여러 부분들을 조명할 것이다. 상이한 크기의 구성요소들은, 심지어 쉐도우의 일부를 발생하기 위해서, 상이한 소스들의 사용을 요구하므로, 여기시킬 복수의 소스들 중 하나 이상의 어떤 소스를 선택하는가가 중요하다. 소스 제어 전자장치(38)는 또한 예상된 구성요소 크기에 기초하여 선택적 소스 여기를 제공할 수 있다. 그러나, 소스 제어 전자장치는 처리를 촉진하기 위해 동일 크기의 구성요소들에 대해 가변 여기 배열들을 제공하거나 구성요소들에 대한 추가 정보를 제공할 수 있다.

구성요소들이 동일 센서에서 작은 것에서 큰 부품들로 교환되기 때문에, 검출기(24)에 평행한 선 또는 검출기로부터 측방향의 라인을 따라 더 증가하여 포인팅되지만, 노즐(30) 또는 구성요소의 회전 중심을 지나 검출기(24)에 수직한 선으로부터 측정된 주광선들을 가진 소스들은, 선택적으로 소스들(12, 14)을 배열함으로써 더욱더 큰 구성요소들의 에지들을 이미화할 것이다(도 1B의 화살표 A 참조). 바람직하게는, 소스들(12, 14)은 동일한 구성요소 측정 시간 구간에 구성요소(18)의 대향 측면들로부터 쉐도우들을 드리울 수 있도록 배열된다(각 소스가 일측의 쉐도우를 드리울 경우). 소스의 적절한 선택은, 구성요소(18)의 에지가 검출기에 이미화될 수 있도록, 소스가 일반적으로 예측된 부품 크기의 사전 지식에 기초하여, 온(on)되게 한다. 이로써, 가변 크기들의 구성요소들은, 고정된 측정 인벨로프 또는 센싱 필드로 되는 다중 센서들을 사용할 필요없이, 검출기(24) 상에 이미지화 될 수 있다.

상기 설명은 단일 노즐이 센싱 필드내에 배치되는 실시예들에 초점이 맞추어 졌지만, 다른 실시예들은 임의의 적합한 수의 노즐들을 센싱 필드에 제공할 수 있다. 도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 방위들을 검출하는 시스템(20)의 개략도이다. 시스템(20)은 도 2에 도시된 시스템(10)과 동일 또는 유사한 요소들을 많이 구비하며 같은 요소들은 유사하게 번호가 매겨져 있다. 도 3은 하나 이상의 노즐(30)이 센싱 필드(31)에 배치될 수 있어, 다중 구성요소 방위들 및 위치들이 처리 시간을 감소시키기 위해 실질적으로 동시에 이미화될 수 있다.

센싱 필드(31)는 방사(광) 소스들과 검출기 사이의 영역이고, 여기서 노즐 상에 배치된 구성요소들은 이들 위로 지향되는 광을 가질 것이다. 이 실시예에 있어서, 구성요소들의 에지들로부터의 쉐도우들은 검출기(24) 상에 드리워진다. 노즐들(30) 및 소스들(12, 14)의 위치들에 의존하여, 특정 크기의 구성요소(18)가 다양한 소스들(12, 14) 등을 배열시킴으로써 측정되며, 이로써 구성요소(18)의 쉐도우들이 다른 노즐 상의 구성요소들의 쉐도우들로부터 구별될 수 있다. 소스(12, 14) 시 배열이(time sequencing) 도 3에 도시되어 있으며, 여기서 전자장치(38)는 먼저 소스(12)를 여기시키고, 이후 소스(14)를 여기시킨다. 이것은 하나 이상의 구성요소(18)가 센싱 영역에서 반드시 동시에 측정되게 하는 이점을 가진다. 더욱이, 노즐들(30)의 간격에 의존하여, 노즐들은 가변 크기들의 구성요소들을 유지할 수 있고, 또한 이와 같은 구성요소들이 노즐들 상에서 회전되는 동안 구성요소의 측정이 달성될 수 있게 한다.

도 3은 구성요소(18)의 2개의 에지들의 쉐도우들이 검출기(24) 상에 위치되므로, 소스들(12, 14)에 대해 고려된, 더블 에지 측정의 예이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 측정 시스템(50)의 개략도이다. 도 4는 검출기(24)가 2개의 이격된 검출기 부분들(24A, 24B)을 포함하고, 이들 각각이 특정 소스(12, 14)로부터 입사된 광을 수신하는 센싱 필드(31)를 도시한다. 각 소스 검출기 쌍이 독립적으로 동작하므로, 검출기 부분들(24A, 24B)은 다양한 각도들로 서로 인접하여 배치될 수 있다. 검출기(24A)의 주축은 검출기(24B)의 주축과 동일한 평면에 있을 필요는 없다. 더욱이, 검출기 부분들(24A, 24B)은 구성요소의 상이한 부분들로부터의 쉐도우들을 이미지화할 수 있도록 배치될 수 있다. 분리 검출기 부분들을 사용하는 것은 보다 작은 부품들을 사용하는 것을 허용하며, 필요하다면, 검출기 부분(24A, 24B)이 분리되어 패키징될 수 있게 한다. 이러한 방식에서, 매우 긴 검출기(24)가, 동일하게 큰 구성요소 센싱 인벨로프 또는 필드(31)를 설정하기(establish)위해 요구되는 것은 아니다. 그러나, 소스들(12, 14)의 배열은 본질적으로 이전 실시예에서와 동일하다.

도 4는 구성요소(18)의 2개의 에지들의 쉐도우들이 각각의 검출기들(24A 24B) 상에 위치되므로, 소스들(12, 14)에 대해 고려된 더블 에지 측정의 예이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 측정 시스템(60)의 개략도이다. 시스템(60)은 도 4에 도시된 시스템(50)과 많은 유사성을 가지며, 유사한 구성요소들은 유사하게 번호가 매겨져 있다. 시스템(60)과 시스템(50) 사이의 주요 차이는 검출기 부분들(24A, 24B)의 상대 방위들이다. 특히, 도 4를 참조하면, 검출기 부분들(24A, 24B)의 면들은 대략 동일한 평면에 놓이며, 2차원으로 보았을 때, 공통 선상에 있는 것처럼 보인다. 그러나, 도 5에 도시된 시스템(60)은 검출기 부분 들(24A, 24B)의 주축들이 동일 평면에 놓이지 않도록 배치된 검출기 부분들(24A, 24B)을 도시한다. 따라서, 시스템(60)의 검출기 부분들(24A, 24B)은 서로에 대해 공통-선상에 있는 것처럼 보이지 않는다. 대신에, 검출기 부분들(24A, 24B)은 각 검출기 부분을 위한 각 소스로부터의 조명의 중심선에 대해 수직으로 배치된다. 예들 들면, 검출기 부분(24A)은 단부들(62, 64)이 소스로부터 등거리가 되도록 소스(14)에 대해 배향된 것처럼 보인다. 검출기 부분(24A)는 또한 쉐도우(20)의 평면에 배치되고, 소스 배열은 도 5의 상대적 타이밍 도에 도시된 것과 같이 동작한다. 검출기 부분들(24A, 24B)이 서로에 대해 상대적으로 약간 비스듬히 배치되어 도시되어 있지만, 임의의 적합한 각도 예를 들면 90도가 이용될 수 있다.

도 5는 구성요소(18)의 2개의 에지들의 쉐도우들이 각각의 검출기들(24A, 24B)에 위치되므로, 각 소스에 대해 고려된, 양면 측정(double sided measurement)의 예이다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 구성요소 측정 및 검출 시스템(70)의 개략도이다. 시스템(70)은 도 2에 도시된 실시예와 유사한 요소들은 유사하게 번호가 매겨져 있다. 도 6 및 도 2 각각의 시스템(70)과 시스템(10) 사이의 주요 차이는, 거울형 반사면들(72, 74)의 준비에 있다. 도시된 것과 같이, 소스들(12, 14)은 이들의 조명을 처음에는 검출기(24)로부터 멀리 지향시키고, 여기서 조명은 거울형 반사기들(72, 74), (통상적으로 실질적으로 거울인) 각각에 위치되며, 노즐(30) 및 검출기(34)를 향해 지향된다. 이 실시예는 소스들(12, 14)의 배치에 유연성을 제공한다. 도 6에 도시된 것과 같은 검출기(24)는, 또한 도 4 또는 도 5에 도시된 검출 기 배치들 중 어느 하나와 통합될 수 있다. 그러나, 분할 검출기 부분들 및 거울형 반사기들을 이용하는 실시예들에서, 하나의 소스는 거울과 같은 반사기를 이용하지만 다른 소스는 그 주광선이 구성요소 상에 직접 입사되도록 위치될 수 있고, 그 결과 거울형 반사기를 필요로 하지 않을 수 있다는 것을 예측할 수 있다. 더욱이, 도 6은 소스들(12, 14)과 구성요소 사이에 거울형 반사기들의 사용을 도시하고 있지만, 이와 같은 거울형 반사기들은 구성요소와 검출기(34) 사이에 배치되어도 된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구성요소 측정 및 검출 시스템(80)의 개략도이다. 시스템(80)은 본 발명의 실시예들이 구성요소 오프셋 및 너무 큰 구성요소들에 대한 회전 방위를 검출(예를 들면, 싱글 에지 측정)하기 위해 어떻게 사용될 수 있는지를 보이기 위해 도시된 것이다. 이 논의는 단일 에지 측정들을 위한 회전 및 위치 (x, y) 오프셋들의 상세 계산에 제공되고, 양면 측정들로 확대될 수 있다. 또한, 딜레이(Deley)의 미국 특허 제5,559,727호는 상이한 광원/검출기 장치로 양면 측정들에 대한 회전 및 위치 오프셋들의 계산을 제공을 하며, 이렇게 인용됨으로써 본 명세서에 통합된다. 도 7은 하나의 에지 쉐도우만이 각각의 검출기들(24A, 24B)에 위치되므로 소스들(12, 14) 중 어느 하나에 대한 단면 측정(single-sided measurement)의 예를 도시한다. 이와 같은 구성요소들은 일반적으로 너무 커서 임의의 단일 검출기 부분 상에 동시에 대향측의 쉐도우들을 맞출 수 없다.

도 7은 검출기 부분들(24A, 24B) 상에 쉐도우들을 드리우는 구성요소(100)를 도시한다. 그러나, 구성요소(100)가 너무 커서 그 대향측면들의 쉐도우들이 검출기 부분들(24A, 24B) 상에 위치되지 때문에 각각의 검출기 부분은 단지 단일 쉐도우를 캡쳐링한다. 이 실시예에서는, 구성요소(100)가 구성요소(100)의 각 측면들이 소스들(12, 14) 중 어느 하나로부터 나오는 소정의 광선과 정렬되는 때를 나타내는 쉐도우의 최소량들을 검출하기 위해 회전되는 동안, 검출기 출력들(28A, 28B)이 모니터링된다. 예를 들면, 도 7에 도시된 예에서, 약간의 반시계방향의 회전은 구성요소(100)의 에지(102)를 소스(14)로부터 나오는 광선과 정렬시킬 것이다. 이와 같은 정렬은 검출기 부분(24) 상에 국부적인 최소량을 발생시킬 것이다. 도 7에는, 검출기들이 소스들에 대해 직각으로 위치되어 있는 것으로 보이지만, 직각이 아닌 위치 결정이 이용될 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

도 7 에서의 x-축 및 y-축 오프셋, 구성요소의 폭, 구성요소의 측면들 모두의 길이, 및 구성요소의 회전 오프셋을 결정하기 위해, 도 8에 도시된 도 7의 하나의 소스-검출기 쌍의 유사 예를 고려하라. 최소 폭의 길이는 쉐도우 에지와 검출기 지점(O₁) 사이의 거리(D₁)를 발견함으로써 측정된다. 거리(D₁)는 다음과 같은 방식으로 구성요소 치수(L₁)와 관련이 있다. 거리(D₁)가 최소일 때,

그래서

및

L_c 및

₁_side_a에 대한 식들은 side_c가 도 8의 side_a와 유사한 위치로 회전될 때와 유사하게 유도될 수 있다. 인코더 및 인코더 전자장치는 인코더 회전(E₁)을 캡쳐하고, D₁은 최소 이다. 연속 인코더 회전들 간의 스텝 사이즈가 T이면, 이 때 side_a가 픽 앤 플레이스 기계의 기준 축에 정렬될 때의 부품 회전 인코더 값은 검출기(24b)의 장축(major axis)에 수직이다.

여기서

₁_side_a는 포인트 소스(12)에서 검출기(24b) 상의 O₁에 대한 라인과 S₁에 대한 라인이 이루는 각도이고,

₁는 소스(12)에서 검출기(24b) 상의 O₁에 대한 라인과 픽 앤 플레이스 기계에서의 기준축이 이루는 각도이다. 구성요소의 폭 (W_ac)은,

에 의해 계산될 수 있다.

그리고 라인(W)에 따른 부품의 중심으로부터의 노즐 축(30)(회전 축)의 오프셋은 다음 식에 의해 주어진다.

수학식e들 1 - 6에 의해 수학적으로 기술된 계산 처리는 구성요소(100)의 나머지 2개의 대향측면들에 대해 선택적으로 반복될 수 있고, 그로부터 직교 폭 및 오프셋이 계산될 수 있다. 이 처리는 구성요소(100)에 대해 반복해서 적용될 수 있고, 여기서 값들(L_a, L_b,L_c, L_d)(구성요소(100)의 측면들의 길이)는 소스들(12, 14)을 여기하는 배열에 의해 결정되는 검출기들(24b, 24a) 상에 소스들(12, 14)에 의해 드리워진 이용 가능한 최소의 임의의 배열 및 이들 소스들에 대한 구성요소(100)의 회전으로부터 유도될 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 양태에 따른 구성요소 방위 및 배치 검출 시스템(210)의 개략도이다. 도 9는 도 1과 다소 유사하고, 유사한 구성요소들은 유사하게 번호가 매겨져 있다. 시스템(210)은 적어도 2개의 상이한 각도들로부터 구성요소(218) 상에 조명(216)을 지향시키도록 배치된 소스들(212, 214)을 구비한다. 소스들(212, 214)은 이들이 각 소스로부터 고려된 충분한 강도의 조명을 제공하는 한 임의의 적합한 광원들일 수 있다. 따라서, 소스들(212, 214)은 비간섭성 또는 가간섭성 조명 소스들일 수 있다. 바람직하게는, 소스(212, 214)는 레이저 다이오드들이지만, 몇몇 실시예들에서, 소스들(212, 214)은 발광 다이오드들일 수 있다. 소스들(212, 214)은 소스들 중 어느 하나 및 검출기 상의 2지점(검출기상의 시작 및 종료 화소)에 의해 정의된 것과 같이, 실질적으로 동일한 평면에 조명을 제공하기 위해 위치될 수 있다.

소스들(212, 214)로부터의 발산 조명은 광학 소자(217)를 통과하며, 이 광학 소자는 조명의 발산 정도를 감소시키고, 바람직하게는 거기를 통과하는 광을 실질적으로 콜리메이팅한다. 도시된 것과 같이, 소스(212)로부터 소자(217)를 통과하는 조명은 발산이 감소된 제 1 빔(219)을 형성하고, 반면, 소스(214)로부터 소자(217)를 통과하는 조명은 발산이 감소된 제 2 빔을 형성한다. 바람직하게는, 광학 소자(217)는 구면 또는 원통 중 어느 하나일 수 있는 렌즈이다. 그러나, 원통 렌즈가 바람직하다. 소자(217)로부터 나온 조명은 덜 발산되어, 그렇지 않으면 존재할 수도 있는 광 다발(ray bundle)을 더 컴팩트하게 제공함으로써, 더 적은 구성요소 회전이 요구되므로, 구성요소 정렬 계산을 빠르게 한다. 게다가, 당업자는 광학 소자(217)가 광학적으로 이상적인 방위로부터 후방에 배치된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이러한 방식으로, 소자(217)는 구성요소 영역(223) 가까이에 평탄한 면을 제공한다. 구성요소 영역 가까이에 소자(217)에 의한 평탄한 면을 제공하는 것은 오염 물들에 대항하는 시스템(210)에 편리한 시일을 제공한다.

본 발명의 일 특징에 따르면, 필터(225)는 검출기(224) 상에 위치되는 주변 광을 감소시키기 위해 검출기(224) 가까이에 배치된다. 필터(225)는 입사광 각도들 및/또는 파장들에 기초하여 필터링할 수 있다.

당업자는 4면을 갖는 구성요소에 대해, 완전한 구성요소 측정이 약 225도(양 에지들을 이미지화 하기 위한 180도 + 제 1 에지를 이미지하기 위한 45도)의 회전으로 실행될 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 이것은 완전한 구성요소 회전을 요구하는 것보다 훨씬 빠르다.

몇몇 경우에 있어서, 픽 앤 플레이스 기계는 구성요소 크기의 사전 지식을 가지지 않아도 된다. 이와 같은 경우들에, 상기 기계는 적어도 하나의 검출기 상에 적어도 하나의 쉐도우 부분을 드리우기 위해 소스들 중 어느 하나가 구성요소에 대해 배치되는지의 여부를 결정하기 위해 복수의 소스들이 순차적으로 여기되는 "소스 스캔"을 수행할 수 있다. 이와 같은 조합이 발견되면, 구성요소 측정 및 정렬이, 선택된 검출기/소스 조합(들)으로 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예들의 동작은 다음과 같은 단계들을 포함한다. 제 1 단계는 서로에 대해 소스, 노즐 및 검출기 위치들을 조정(calibrating)한다. 이러한 동작을 위해 사용될 수 있는 다수의 기술들이 있다. 예들 들면, 다양한 센서 구성요소들의 위치들의 계산은 센서를 좌표 측정 기계의 적소에 고정된 테스트 구성요소들과 함께 배치하고 이후 광원 또는 광원들로부터 검출기 상에 입사되는 광선의 위치가 노즐 위치 및 검출기 위치에 대해 알려지도록 모든 테스트 구성요소들의 상대 위치를 식별하기 위해 좌표 측정 기계를 이용함으로써 수행될 수 있다.

제 2 단계로서, 광원 또는 광원들로부터 입사된 광에 의해 검출기 상에 드리워지는 각 구성요소들로부터의 쉐도우 또는 쉐도우들은 에지를 추출하도록 처리되는 특징 강도 프로파일을 가진다. 에지 위치는 부화소 위치에 대해 보간될 수 있다. 이와 같은 보간은 중심 계산 또는 곡선 근사(curve fitting)를 포함하는 임의의 수의 기술들을 이용하여 실행될 수 있다. 그런데 이것은 인코더 위치 및 알려진 소스 광선 위치에 대한 특정 에지 위치에 관한 것이다. 이 때, 쉐도우의 정의된 에지는 (r,

)쌍을 제공하며 여기서

는 노즐 샤프트 상에 위치되고 그 상대 각도 위치를 나타내는 노즐 샤프트에 부착되는 인코더의 위치이고, (r,

)는 소스로부터 각도 공간 및 시간에 있어서 그 특정 지점에서의 구성요소의 위치를 정의하는 검출기 상의 에지 위치까지의 거리이다. (r,

) 쌍들은 노즐 상에서의 구성요소의 회전 중 수집된다. 이들 (r, )쌍들은 도 7에 따른 공지의 기하학적 기술들을 이용하여 (r,

, B₁)를 유도하기 위해 사용되며, 여기서

는 각도 부품 방위, 구성요소 폭, 구성요소 길이, 회전 중심 x의 노즐 오프셋, 회전 중심 y의 노즐 오프셋, 및 노즐 각도 위치에 대해 구성요소 기준의 정의된 프레임의 각도 위치를 포함하는 구성요소 정보를 계산하기 위해

와 함께 이용된다. 이러한 정보에 의해, 구성요소 위치가 소프트웨어에 의해 기계적 기준의 특정 픽 앤드 플레이스 기계들의 프레임으로 병진이동될 수 있고 구성요소는 인쇄 회로 기판 상의 그 목표 위치 상에 배치되도록 적절히 위치될 수 있다.

이상 본 발명을 최선의 실시예들을 참조하여 기술되었지만, 이 기술 분야에서 숙련된 사람들은 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 형태 및 상세를 변경할 수 있다는 것을 인식할 수 있을 것이다. 예를 들면, 검출기(24)의 다수의 부분들이 동일 평면내에 또는 동일 평면 밖에 배치될 수 있다. 더욱이, 이와 같은 검출기 부분들은 물리적으로 인접할 필요는 없지만 광원들 및 검출기들에 대한 다수의 노즐들의 위치가 구성요소들로 하여금 구성요소들 및 검출기 부분들에 대해 온으로 되는 소스들의 선택에 기초하여 이와 같은 검출기 위치들 상에 이미지될 수 있도록 검출기들의 세그먼트들일 수 있다.

Claims

전자 구성요소 취급 기계(electronic component handling machine)에서의 구성요소에 대한 배치 정보를 계산하기 위한 센서 시스템에 있어서,

상기 기계는 상기 구성요소를 해제가능하게 유지하고 상기 구성요소를 회전시키도록 되어 있고,

상기 센서 시스템은:

센서;

상기 센서내에서 상기 구성요소가 배치되는 구성요소 영역을 조명하도록 배치된 상기 센서 내의 복수의 발산 광원들;

상기 구성요소가 상기 구성요소 영역에 적어도 부분적으로 배치될 때, 상기 구성요소가 상기 복수의 발산 광원들 중 적어도 하나로부터 조명을 차단하여 생성하는 쉐도우(shadow)가 형성되도록 상기 광원들에 관련되어 위치되고, 상기 구성요소가 회전하는 동안 복수의 출력들을 제공하도록 되어 있는, 검출기;

상기 구성요소 영역과 상기 복수의 발산 광원들 사이에 개재된 옵틱스로서, 상기 구성요소 영역과 상기 복수의 발산 광원들 사이를 통과하는 광의 발산을 감소시키는, 상기 옵틱스; 및

상기 배치 정보를 계산하기 위해 상기 검출기 출력들을 수신하는 계산 전자장치(computing electronics)를 포함하는, 센서 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 옵틱스는 구면 렌즈인, 센서 시스템.
제 2 항에 있어서, 상기 구면 렌즈는 상기 구성요소 영역 방향으로 배치되는 평단면을 가지는, 센서 시스템.
제 3 항에 있어서, 상기 평탄한 면은 오염물들에 대항하는 시일(seal)을 제공하는, 센서 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 옵틱스는 원통 렌즈인, 센서 시스템.
제 5 항에 있어서, 상기 원통 렌즈는 평탄한 후면을 가진, 센서 시스템.
제 6 항에 있어서, 상기 평탄한 후면은 오염물들에 대항하는 시일을 제공하기 위해 상기 구성요소 영역 방향으로 배치되는, 센서 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 옵틱스는 상기 구성 요소 영역과 상기 복수의 발산 광원들 사이를 통과하는 광을 콜리메이팅하는, 센서 시스템.
제 1 항에 있어서, 상기 검출기상에 위치되는(falling) 주변 광(ambient light)을 감소시키기 위한 주변 광 필터를 더 포함하는, 센서 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 필터는 각 필터(angular filter)인, 센서 시스템.
제 9 항에 있어서, 상기 필터는 상기 조명 파장들을 통과시키지만 주변광은 감쇠시키도록 구성되는, 센서 시스템.
제 11 항에 있어서, 상기 필터는 또한 각 필터인, 센서 시스템.