JP2009094295A - 電子部品の高さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着ノズル等で保持された電子部品を三次元測定する際、ライン光の正反射光を正確に撮像し、高さを高精度に測定できるようにする。
【解決手段】保持手段１０により保持された電子部品Ｐに、ライン光発生手段１９により斜め下方からライン光Ｌを照射した際の光切断線を撮像手段２１により撮像し、得られた画像データに基づいて、該電子部品の高さを測定する電子部品の高さ測定装置において、前記電子部品の下面に平行に、前記ライン光発生手段を移動させてライン光を走査する投光ユニット２６に、該下面に照射されたライン光の正反射光を、前記撮像手段の撮像部に反射させるミラー２７が一体的に固定されている。
【選択図】図４（Ａ）

Description

本発明は、電子部品の高さ測定装置、特にプリント基板又は液晶やディスプレイ基板等の基板に自動的に実装する電子部品実装装置に適用して好適な、電子部品の高さ測定装置に関する。

いわゆるＱＦＰやＳＯＰ等の電子部品を、三次元測定（高さ測定）した後に基板に実装する電子部品実装装置としては、例えば特許文献１に開示されている。

この実装装置が備えている三次元測定装置は、その概要を図１（Ａ）に示すように、ＬＥＤ照明光源１３１により吸着ノズル１１７に保持されている電子部品１３０を照明し、該電子部品１３０の下方に配したＣＣＤカメラ１２６で撮像して位置決めのための二次元データを取得するようになっている。

その後、この二次元データから電子部品１３０の吸着角度を補正した後、レーザダイオード１２１を点灯し、コリメートレンズ１２２及びフォーカスレンズ１２３を通過させたスポット光を投光ミラー１２４で反射させることにより、ラインジェネレータレンズ１２５により、電子部品１３０の端子部１３０Ａにライン光１２５Ａを、下方斜め４５°より投光する。

更に、リニアモータ１２８により投光ユニット１２７を、図中左右方向に移動させて上記電子部品１３０をライン光で走査する。このライン光１２５Ａの投光像を、前記ＣＣＤカメラ１２６で撮像し、ライン光による光切断線から各端子の高さデータを取得し、端子部１３０Ａの平坦度を検査している。この平坦度が適正であれば、位置決めデータに基づいて電子部品１３０を基板上に搭載する。

前記特許文献１に開示されている三次元測定装置では、電子部品の高さ計測（三次元測定）を、図１（Ａ）に示されているように斜め下方からライン光を電子部品へ照射し、その乱反射光の一部（カメラに届く光）を用いて、端子の高さデータを取得している。

また、図１（Ａ）に示す計測方法とは別の他の方法としては、図１（Ｂ）に示すように、ライン光の投光位置を固定して正反射光を用いて端子の高さデータを取得する方法がある。この方法の場合、図１（Ａ）の場合と同様にライン光を走査すると、電子部品の測定位置によって、撮像カメラのワークディスタンス（投光位置から光学系までの距離）が変わってしまうため、被写界深度（焦点深度）を深く取らなければならず、レンズ等のサイズを大きくしなければならなくなる。これを回避した上でより正確に測定するためには、上記図１（Ｂ）に両矢印で示したように測定部品の方をライン光と垂直の方向で副走査するようにして測定する必要がある。

特開２００１−６０８００号公報

しかしながら、図１（Ａ）の方式では検査対象となる電子部品の計測箇所（例えばコネクター部品のコネクター部）が、極めて凹凸の無い平面（鏡面状態）であった場合には、電子部品に照射したライン光は略正反射となり、電子部品の下方に配されたＣＣＤカメラへは光が届かないため、端子の高さデータの取得が極めて困難、或いは不可能となる問題がある。また、図１（Ｂ）のように正反射光を用いた方法の構成では、鏡面状態の電子部品を測定することが可能となるが、この方法の場合副走査するヘッドを動作させるとことで機械的ながた等の影響により部品の高さ方向のずれを生じてしまい、本来の部品の高さに対して誤差を生じてしまう問題点があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、吸着ノズル等で保持された電子部品の高さを測定する際、レンズサイズ等の撮像系を変更することなく、しかも測定部品を機械的に水平移動させることなく、ライン光の正反射光を正確に撮像することにより、高さを高精度に測定することができる電子部品の高さ測定装置を提供することを課題とする。

本発明は、保持手段により保持された電子部品に、ライン光発生手段によりライン光を斜め下方から照射した際の光切断線を撮像手段により撮像し、得られた画像データに基づいて、該電子部品の高さを測定する電子部品の高さ測定装置において、前記電子部品の下面に平行に、前記ライン光発生手段を移動させてライン光を走査する投光ユニットに、該下面に照射されたライン光の正反射光を、前記撮像手段の撮像部に反射させるミラーが一体的に固定されていることにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記電子部品の下面からの反射光を、前記ライン光に直交する方向に集光するレンズアレイが、前記ミラーと撮像手段との間、又は、保持された電子部品と前記ミラーとの間に配設されているようにしてもよい。

本発明によれば、電子部品の下面に照射されたライン光が正反射する方向に、該正反射光を撮像手段の撮像部に反射させるミラーを、ライン光を走査する投光ユニットと一体で移動できるようにしたので、ライン光を走査した際の正反射光のワークディスタンスを常に一定に維持することができる。従って、電子部品の下面で正反射されたライン光を常に正確に撮像することが可能となり、正反射光を使った高さ測定を高精度で実現することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図２は、本発明に係る第１実施形態に使用される電子部品実装装置の概観を示す斜視図である。

この電子部品実装装置は、基台１の中央部にはＸ方向に搬送路２が配設されている。この搬送路２は、基板保持部を兼ねており、基板３をＸ方向に搬送すると共に、搬送路２上の所定位置に基板３を保持し、位置決めする。

又、この搬送路２の両側には、電子部品の供給部４が配置され、それぞれの供給部４には多数台のパーツフィーダ５が並設されている。各パーツフィーダ５は、電子部品を収納・保持しているテープをその長さ方向に送ることにより、該電子部品を順次供給するようになっている。

又、Ｘ軸テーブル６には、電子部品の移載ヘッド７が装着されていると共に、該Ｘ軸テーブル６は、Ｙ軸テーブル８Ａとこれに対向して並設されたガイド８Ｂに、両端部が支持され架設されている。これらＸ軸テーブル６及びＹ軸テーブル８Ａ、８Ｂを駆動することにより移載ヘッド７が水平方向に移動され、その下端部に装着されている、後述する図３に示す吸着ノズル１０によりパーツフィーダ５の部品吸着位置から電子部品をピックアップし、基板３上に移載する。

前記Ｘ軸テーブル６及びＹ軸テーブル８Ａ、８ＢからなるＸＹ方向駆動手段により移載ヘッド７が移動される、搬送路２と供給部４との間の移動経路の下方には、ＣＣＤカメラ等からなる部品認識カメラ９が配設され、該カメラ９により移載ヘッド７や吸着ノズル１０が下方から撮像されるようになっている。

そして、この移載ヘッド７に保持されている電子部品を、カメラ９で撮像することにより、電子部品の識別や位置ずれの検出が行なわれる。又、カメラ９の近傍には、電子部品について端子部の平坦度を検査する三次元測定装置（端子部高さ測定装置）１４が配設されている。この三次元測定装置１４については、後に詳述する。

前記移載ヘッド７には、図３に拡大して示すように複数のノズルシャフト１１がそれぞれθ軸モータ１２に取り付けられ、各ノズルシャフト１１は独立にθ方向に回転駆動可能になっている。又、移載ヘッド７には、各ノズルシャフト１１に対応するＺ軸モータ１３が設置され、各ノズルシャフト１１が独立に昇降動作が可能になっている。又、各ノズルシャフト１１の先端には、吸着ノズル１０が着脱自在に装着され、吸着ノズル１０の先端には、エアを吸引して電子部品を保持するための吸着孔が設けられている。

前記三次元測定装置１４は、図４（Ａ）にその側面から見た概要を示すように、レーザダイオード１５からのレーザ光が、コリメートレンズ１６とフォーカスレンズ１７を介して投光ミラー１８に入射されると、その反射光がラインジェネレータレンズ（ライン光発生手段）１９によりライン光として吸着ノズル１０に保持されている電子部品Ｐに照射（投光）されるようになっている。又、吸着ノズル１０に保持されている部品Ｐの下方には、撮像ミラー２０が、該撮像ミラー２０の反射方向には撮像カメラ２１がそれぞれ配設されている。なお、図中符号１５Ｂはレーザコントローラ、２１Ｂはカメラレンズである。

又、フォーカスレンズ１７、投光ミラー１８及びラインジェネレータレンズ１９が一体的に内蔵されている投光ユニット２６には、電子部品Ｐの端子Ｐａから反射される正反射光を受けて、鉛直下方向に反射する位置に配された反射ミラー２８と、その反射ミラー２８から反射した光をライン光に直交する方向に集光するためのレンズアレイ２７が固定されている。そして、これら各光学部品を備えた投光ユニット２６は、リニアアクチュエータ２２に直結されており、水平方向に正常に保持された電子部品Ｐの下面に平行（図中、両矢印方向）に、且つ、図５の要部上面図にイメージを示すように、照射されたライン光Ｌの先端の照射ラインに対して直交する方向に、駆動自在になっている。

上記レンズアレイ２７は各レンズがライン光のライン方向に配列されており、図４（Ｃ）にイメージを示すように、ライン方向に直行する方向に広がった光を集光するように作用する。

レンズアレイ２７は、図４（Ｂ）に拡大して示すように等しい焦点距離を有する複数の集光レンズ部２７Ａが一列に並ぶように合成樹脂あるいはガラスで一体成形されている。各集光レンズ部２７Ａは、ライン光の焦点位置におけるライン光の長さ内に複数個並ぶように略矩形状の外形を有し、ライン光に直交する一方の面が球面状に形成された球面集束型のものである。

レンズアレイ２７としては、球面集束型に替えて屈折率分布型のものも使用することができる。この場合は円柱のレンズを円柱部が接するようにして一列あるいは複数列並べて、円柱間の隙間を接着剤で充填して形成されている。

なお、本実施形態に適用される三次元測定装置１４は、投光ミラー１８によるレーザ光の反射方向が９０°異なっており、それに対応した構造になっている以外は、基本的な構成が前記図１（Ａ）に示したものと実質的に同一である。従って三次元測定の原理も実質同一である。

次に、以上の構成における本実施形態の三次元測定の動作を、図６に示すフローチャートに従って説明する。

まず、前記図２に示した搬送路２上に基板３が搬入され、位置決めされると（ステップ１、２）、移載ヘッド７は電子部品をピックアップするために、ノズルシャフト１１の先端に装着されている吸着ノズル１０を供給部４上へ移動させる（ステップ３）。

移載ヘッド７が部品吸着位置へ整定後、Ｚ軸モータ１３の駆動によりノズルシャフト１１を下降させると、その先端の吸着ノズル１０が部品吸着高さまで下降し、パーツフィーダ５に納められている電子部品と当接する直前に、図示しない真空発生装置を作動させ、ノズルシャフト１１の管路内を負圧とすることにより、該吸着ノズル１０の先端に当接した電子部品を吸着する（ステップ４）。

その後、吸着された電子部品の吸着位置及び角度の認識を行なうため、実装装置本体に設けられている部品認識カメラ９上へ移動し（ステップ５）、吸着部品の位置認識を行なう（ステップ６）。位置認識した結果を基に、移載ヘッド７が該カメラ９の近傍に配されている三次元測定装置１４上へと移動を行ない（ステップ７）、吸着されている電子部品の高さ計測箇所が、三次元測定装置１４の測定位置（ライン光の焦点位置）となるように、位置決めされる。

次に、ステップ８で行なう前記図４の三次元測定装置による三次元測定について説明する。

光源であるレーザダイオード１５から発せられた光は、コリメートレンズ１６で集光されて平行光となる。フォーカスレンズ１７はこの平行光をスポット光となるように絞り込む。フォーカスレンズ１７からのスポット光は、投光ミラー１８により垂直軸と４５°の角度をなすように曲げられる。

この曲げられた光路の直ぐ後ろに置かれたラインジェネレータレンズ１９は、入射光を幅（厚さ）３０μｍ、長さ４０ｍｍ（図４の紙面に垂直な方向、図５の寸法Ｗ）のライン光Ｌとして、測定対象である電子部品Ｐの端子Ｐａに投光する。

電子部品Ｐの端子Ｐａからの正反射光は、まず投光ユニット２６に設置・固定された反射ミラー２８を介して鉛直下方向に反射され、さらにその反射光の進行方向に入光するように配設されたレンズアレイ２７を介して好適に集光される。その後、プリズムミラー２１を介して撮像カメラ２３により撮像される。

又、このとき、リニアアクチュエータ２２に接続された投光ユニット２６は、リニアアクチュエータ２２の駆動により図示される左右両矢印の方向（電子部品下面に平行且つ照射されるライン光の照射ラインに対して直交する方向）に前後直線運動を行なう。

これにより投光ユニット２６は、コリメータレンズ１６によって形成された平行光線に向かって前進・後退の直線運動を行なうことになるが、このように平行光線に向かって前後直線運動を行っても、フォーカスレンズ１７の結像作用には影響を及ぼさないので、測定対象である電子部品Ｐが水平方向に正常保持されている場合には、その端子には常に一定幅のライン光が照射されることになる。

そこで、前記図４（Ａ）において、投光ユニット２６を右から左に、一定速度（例えば７００ｍｍ／sec）で移動させる。撮像カメラ２１の視野内の所定の箇所に正反射光が入光可能となる位置に来たとき、レーザダイオード１５を所定時間だけ（例えば５０μsec）点灯する。すると、投光位置にある電子部品Ｐの端子Ｐａの表面が粗い場合でも、反射した光がレンズアレイ２７によって十分集光されるため、撮像カメラ２１によりコントラストの良い画像を撮像することができることから、高精度な高さ測定を行なうことができる。

このように撮像された画像データを画像処理することにより、電子部品の三次元測定（端子部高さ測定）を行なうことができる。この三次元測定の原理について以下に簡単に説明する。

図７は、電子部品の例がＱＦＰで、そのリード端子を三次元測定する様子を示した図である。

図７（Ａ）は、電子部品Ｐが、ＸＹθの各軸の駆動により、前記三次元測定装置１４の上部に、ＸＹの各軸に対して平行で、しかも該三次元測定装置１４の視野の中心位置に一致するように位置決めされた状態を示す上面図であり、リニアアクチュエータ２２によって走査されるライン光Ｌが、電子部品Ｐのリード端子Ｐａに照射されている状態のイメージを示している。

図７（Ｂ）はその側面図であり、リード端子Ｐａで拡散反射した光の一部が垂直方向に反射している状態（撮像カメラによって撮像されている光）を示しており、図７（Ｃ）は同図（Ｂ）のライン光Ｌが照射されるリード端子Ｐａの拡大図である。

ここで、測定対象となるリード端子Ｐａのうち、変形等により他と比較して異なる高さのリード端子Ｐｂが存在し、これによりライン光Ｌが照射される高さが図７（Ｃ）に示すように正常端子Ｐａと比較してΔｔだけ異なっていたとする。ライン光Ｌの照射により、リード端子Ｐａはその下方に設けた撮像カメラに図８に示すような光切断線画像として撮像されるが、高さの異なるリード端子Ｐｂは同図に示すようにΔｘ´だけ離れた位置に撮像される。

そして、リード端子Ｐａ、Ｐｂの表面が鏡面に近い場合には、ライン光Ｌの投光角度はリード端子Ｐｂに対して４５°をなしているので、リード端子と撮像カメラ２１とを結ぶ光軸が沿直方向に対して４５°傾斜しており、従ってΔｘ´＝√２×Δｔとして三次元（高さ）測定が可能となる。

前記ステップ８の三次元測定の結果、測定部品に高さの異なる端子が検出され、その測定値Δｘ´が任意に設定可能な閾値より大きい場合には、測定した電子部品に異常がある（ＮＧ）と判断し、装置内の図示しない返却トレイ上へ移動し、吸着部品をエアブローにより返却を行なう等の、適切なエラー処理がなされる（ステップ９）。

以上詳述した前記ステップ８による三次元測定の結果により、電子部品の異常が認められなかったＯＫの場合には、移載ヘッド７は搬送路２に固定されている基板３上の所定位置に移動し（ステップ１０）、θ軸モータ１２とＺ軸モータ１３の駆動により、電子部品を基板３へ搭載する（ステップ１１）。

その後、基板３への電子部品の搭載が全て完了するまで生産動作を継続する（ステップ１２）。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。

（１）前記図１を用いて説明した従来の方式では困難であった、測定部が鏡面に近い電子部品に対しても、ライン光を走査した際の正反射光を用いて電子部品の端子部高さ測定を高精度に行なうことが可能となる。

（２）測定部品を機械的に副走査することなく、電子部品の下面にライン光を確実に走査し、その際の正反射光を用いた測定を高速で正確に行うことが可能となる。

（３）ライン光の反射光を、結像する前にレンズアレイによって一度集光するため、表面が粗い電子部品の端子であってもよりコントラストの良い画像が得られる。従って、端子の表面状態が異なる部品の種類によらず、高精度な端子部高さの測定が可能となる。

図９は、本発明に係る第２実施形態の三次元測定装置の要部を示す、前記図４（Ａ）に相当する断面図である。

本実施形態では、レンズアレイ２７を、ライン光Ｌが投光される電子部品Ｐの端子Ｐａの反射位置とミラー２８との間に配設したものである。これにより、前記第１実施形態の場合と実質上同一の効果が得られる。

三次元測定装置の概要を示す側面図 他の三次元測定装置の概要を示す側面図 本発明に係る第１実施形態に適用される電子部品実装装置の概観を示す斜視図 上記電子部品実装装置に搭載されている移載ヘッドを示す斜視図 本発明に係る第１実施形態の三次元測定装置を示す概略側面図 本実施形態に適用されるレンズアレイを拡大して示す斜視図 上記レンズアレイの光学的な作用の特徴を示すイメージ図 上記三次元測定装置の要部を上面から見た状態を示す説明図 本実施形態の作用を示すフローチャート 三次元測定の原理を示す説明図 三次元測定の原理を示す他の説明図 本発明に係る第２実施形態の三次元測定装置を示す概略側面図

符号の説明

１０…吸着ノズル（保持手段）
１４…三次元測定装置
１５…レーザダイオード
１６…コリメートレンズ
１７…フォーカスレンズ
１８…投光ミラー
２０…撮像ミラー
２１…撮像カメラ
２２…リニアアクチュエータ
２６…投光ユニット
２７…レンズアレイ
２８…ミラー
Ｐ…電子部品
Ｐａ…端子
Ｌ…ライン光

Claims (2)

1. 保持手段により保持された電子部品に、ライン光発生手段により斜め下方からライン光を照射した際の光切断線を撮像手段により撮像し、得られた画像データに基づいて、該電子部品の高さを測定する電子部品の高さ測定装置において、
   前記電子部品の下面に平行に、前記ライン光発生手段を移動させてライン光を走査する投光ユニットに、該下面に照射されたライン光の正反射光を、前記撮像手段の撮像部に反射させるミラーが一体的に固定されていることを特徴とする電子部品の高さ測定装置。
2. 前記電子部品の下面からの反射光を、前記ライン光に直交する方向に集光するレンズアレイが、前記ミラーと撮像手段との間、又は、電子部品と前記ミラーとの間、に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電子部品の高さ測定装置。

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