JP4609241B2

JP4609241B2 - 電子部品の高さ検出センサの光軸調整方法

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Publication number: JP4609241B2
Application number: JP2005248976A
Authority: JP
Inventors: 正宜日吉; 秀浩佐保; 登山崎; 忠士遠藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007067040A

Description

本発明は、電子部品実装装置に備えられた電子部品の高さ検出センサの光軸調整方法に関するものである。

電子部品供給部からノズルにより電子部品をピックアップして基板等の実装対象に実装する電子部品の実装分野においては、電子部品を正確に基板等の実装対象に実装するため、ノズルによりピックアップされた電子部品の高さを測定している。測定された電子部品の高さは、実装の際のノズルの高さ位置決め制御にフィードバックされる他、電子部品の寸法データと照合されて電子部品の吸着姿勢が判断され、異常吸着（電子部品が装着面を下方に向けた姿勢で吸着される以外の姿勢で吸着されること）等が検出される。これにより、電子部品が不安定な状態で基板等に実装される実装不良を未然に防いでいる。

電子部品の高さを測定する手段としては、光電センサを用いたものが知られている（例えば特許文献１参照）。これは、離間して配置された投光器から受光器に投光されるレーザ光にノズルを直交して下降させ、ノズル本体及びノズルにピックアップされた電子部品がそれぞれ光軸を通過した時点のノズルの高さを検出し、それぞれのノズルの高さの差から電子部品の高さを算出して電子部品の高さを測定するものである。
特開平１１−２９８１９６号公報

特許文献１記載の手段によるノズルの高さの検出は、ノズル本体又はノズルにピックアップされた電子部品がレーザ光を遮光することにより変化する受光器の受光量が、ある閾値に達したときのノズル駆動部のエンコーダ値を検出して行われる。

しかしながら、投光器と受光器間の光軸が正しく調整されていないと、ノズルの高さの変化量と受光量の変化量との間の相関が乱れ、電子部品の精確な高さ測定ができない。特に近年の微小化した電子部品の測定に際しては、光軸を適切に調整してノズルの高さに相関する受光量の変化を明確にする必要がある。

そこで、本発明は、電子部品の高さ検出センサの光軸を適切に調整することができる電子部品の高さ検出センサの光軸調整方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、投光スポットとなる投光オリフィスから光を投光する投光器と、この投光器と対向して配置されてこの投光器から投光される光を受光スポットとなる受光オリフィスに受光する受光器と、この受光器の受光感度を調整可能な増幅装置からなる電子部品の高さ検出センサを備えた電子部品実装装置において、前記受光オリフィスの径は前記電子部品の前記投光された光を遮光する遮光面より小さい径であり、前記投光オリフィスの径は前記受光オリフィスの径よりも大きな径であり、前記受光器の受光感度を向上させた状態で前記投光器と前記受光器の相対位置を調整して光軸調整を行う際に、前記投光スポットとなる投光オリフィスと前記受光スポットとなる受光オリフィスの間にフィルタを介在させて前記受光器の受光量を減少させる。

請求項２記載の発明は、投光スポットとなる投光オリフィスからレーザ光を投光する投光器と、この投光器と対向して配置されてこの投光器から投光されるレーザ光を受光スポットとなる受光オリフィスに受光する受光器と、この受光器の受光感度を調整可能な増幅装置からなる電子部品の高さ検出センサを備えた電子部品実装装置において、前記受光オリフィスの径は前記電子部品の前記投光された光を遮光する遮光面より小さい径であり、前記投光オリフィスの径は前記受光オリフィスの径よりも大きな径であり、前記受光器の受光感度を向上させた状態で前記投光器と前記受光器の相対位置を調整して光軸調整を行う際に、前記投光スポットとなる投光オリフィスと前記受光スポットとなる受光オリフィスの間に低透光率のフィルタを介在させて前記受光器の受光量を減少させることにより、前記受光器の完全受光状態における受光量が前記受光器の飽和状態における受光量より低い値となるようにした。

本発明によれば、高さ検出センサの光軸調整を行う際に、フィルタを介在させて受光量を減少させているので、受光感度を向上させたままの状態で光軸調整を行うことができる。また、受光量を減少させることにより、完全受光状態となった時点を数値的に把握することができるので、精確な光軸調整が可能となる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の平面図、図２（ａ）は本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の移載ヘッドの平面図、図２（ｂ）は本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の移載ヘッドの正面図、図３（ａ）は本発明の一実施の形態における高さ検出センサの構成図、図３（ｂ）は本発明の一実施の形態における高さ検出センサのオリフィス径と電子部品との関係を示した側面図、図３（ｃ）は本発明の一実施の形態における高さ検出センサのオリフィス径と電子部品との関係を示した平面図、図４は本発明の一実施の形態における高さ検出センサの増幅装置の電気的構成図、図５（ａ）、（ｂ）は本発明の一実施の形態における高さ検出センサの遮光長と受光量の関係を示すグラフ、図６は本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の制御系のブロック図、図７は本発明の一実施の形態における高さ検出センサの光軸調整の様子を示す説明図、図８は本発明の一実施の形態における高さ検出センサの光軸調整度と受光量の関係を示すグラフである。

まず、電子部品実装装置の全体構成について、図１及び図２を参照して説明する。図１において、基台１上の略中央には搬送ガイド２が配設されている。搬送ガイド２は、実装対象としての基板３を搬送して所定位置に位置決めする基板位置決め部となっている。なお、本発明においては、基板３の搬送方向をＸ方向とし、これに水平面内で直交する方向をＹ方向とする。搬送ガイド２のＹ方向における両側方には電子部品供給部４が配設されており、複数個のパーツフィーダ５が並設されている。

基台１のＸ方向における両端部には一対のＹテーブル６が配設されている。Ｙテーブル６上にはＸテーブル７が架設されており、Ｙテーブル６の駆動によりＹ方向に移動できるようになっている。Ｘテーブル７の側部には移載ヘッド８が装着されており、Ｘテーブル７の駆動によりＸ方向に移動できるようになっている。すなわち、Ｙテーブル６及びＸテーブル７は、移載ヘッド８を基台１上でＸ方向及びＹ方向に水平移動させる水平移動手段となっている。

図２（ａ）において、移載ヘッド８には複数のノズルユニット１０が並設されている（本実施の形態では、４個のノズルユニットをＸ方向に配列したノズルユニット列をＹ方向に２列配列している）。各ノズルユニット１０の下端部には電子部品Ｐを吸着するノズル１１が装着されており、各ノズル１１は、Ｚ方向に昇降及びＸＹ平面内で回転できるようになっている。

図１において、搬送ガイド２と電子部品供給部４の間にはラインカメラ１４等からなる電子部品認識部が配設されており、ノズル１１に吸着されてピックアップされた電子部品Ｐを下方から認識する。ラインカメラ１４の側方には、ノズル高さ検出センサ２０が配設されており、ノズル１１に吸着されてピックアップされた電子部品Ｐの高さを測定する。

次に、ノズル高さ検出センサ２０について、図３（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。図３（ａ）において、ノズル高さ検出センサ２０は、離間して対向配置された投光器２１及び受光器２２と、投光器２１及び受光器２２と電気的に接続された増幅装置２６とセンサ制御部２７から構成される。投光器２１と受光器２２の対向する面には、それぞれ投光スポットとなる投光側オリフィス２１ａと受光スポットとなる受光側オリフィス２２ａが設けられており、投光側オリフィス２１ａを介して投光器２１から水平に投光されるレーザ光２５が受光側オリフィス２２ａを介して受光器２２により受光される。

投光器２１と受光器２２には、それぞれ投光器駆動部２３と受光器駆動部２４が備えられている。これらの投光器駆動部２３と受光器駆動部２４の駆動により、投光器２１と受光器２２をそれぞれ上下方向及び水平方向に移動及び回転させて、投光器２１と受光器２２の光軸調整を行うようになっている。

受光器２２に受光されるレーザ光２５は光電素子により電圧に変換され、増幅装置２６で増幅されてセンサ制御部２７に出力される。従って、レーザ光２５が遮光されて受光量に変化がある場合、この変化量が僅かであっても、センサ制御部２７において、増幅された電圧の変化量として明確に検出することができる。

なお、投光側オリフィス２１ａと受光側オリフィス２２ａは、投光器２１と受光器２２の対向する面に設けられているが、図３においては説明の便宜上、投光側オリフィス２１ａと受光側オリフィス２２ａが設けられた面を前面に振った状態を図示している。

図４において、増幅装置２６には、受光器出力電圧増幅回路であるオペアンプ２８と複数の可変抵抗（本実施の形態では２個の可変抵抗Ｒ１、Ｒ２を示している）が備えられており、この可変抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を増減することにより電圧の増幅量を調節することができ、これにより受光器２２の受光感度を調整することができる。

図３（ａ）、（ｂ）において、センサ制御部２７はＺ軸エンコーダ１２と電気的に接続されている。Ｚ軸エンコーダ１２はＺ軸駆動部１３と直結しており、Ｚ軸駆動部１３の駆動によって昇降するノズル１１のＺ軸変位量をパルスによるエンコーダ値として検出する。

Ｚ軸駆動部１３の駆動によりノズル１１を昇降させると、ノズル１１の下端部及びノズル１１の下端部に吸着された電子部品Ｐがレーザ光２５に交差することによりレーザ光２５が遮光されて受光器２２の受光量が変化する。この受光量がある閾値α（図５参照）に達すると、センサ制御部２７からＺ軸エンコーダ１２にｏｎ／ｏｆｆ信号が発せられ、その時点のエンコーダ値を取得してデータ処理部４０に送信するようになっている。

電子部品Ｐの高さはこのエンコーダ値から算出することができる。すなわち、ノズル１１の下端部に吸着された電子部品Ｐの側面で遮光されて受光器２２の受光量が閾値αになったときに取得されるエンコーダ値と、電子部品Ｐを吸着していない状態のノズル１１の下端部でレーザ光２５が遮光されて受光器２２の受光量が閾値αになったときに取得されるエンコーダ値の差から電子部品Ｐの高さに相当するノズル１１の移動量であるエンコーダ値を算出し、既知のエンコーダ値とノズル１１の移動量の相関から電子部品Ｐの高さが算出される。

図５（ａ）において破線で示した線図Ｓ２は、通常の高さ検出センサにおける遮光長と受光量の関係を示したグラフである。ノズル１１がレーザ光２５に対して下降してレーザ光２５と交差すると、それまで受光側オリフィス２２ａの全面に受光して飽和状態となっていた受光量が減少し始める。ノズル１１が更に下降して、受光側オリフィス２２ａに受
光されていたレーザ光２５が鉛直方向に遮光されて遮光長が増大していくと、受光器２２の受光量が漸次減少し、受光器２２にレーザ光２５が受光されなくなる完全遮光状態となる（実際にはレーザ光２５の回折現象により微量のレーザ光２５が受光されるため、受光量は必ずしもゼロにはならない）。

図３（ｂ）、（ｃ）は、電子部品Ｐと投光側オリフィス２１ａと受光側オリフィス２２ａの大きさの関係を示している。電子部品Ｐは電子部品実装装置において取り扱われる電子部品のうち最小の電子部品である。この電子部品Ｐは、例えば０４０２チップ部品の場合、縦辺が約０．４ｍｍ、横辺が約０．２ｍｍ、厚さが約０．２ｍｍであり、一般的な投光器及び受光器おける投受光スポットの径１ｍｍに比べて小さい。そのため、受光器の受光量に与える電子部品Ｐによる遮光量の影響は小さく完全遮光が生じないので、遮光長と受光量の関係が図５に示す破線図のような相関にならず、閾値を設定して電子部品Ｐの高さを測定することはできない。

このような微小な電子部品Ｐの高さを測定するため、図３（ｂ）に示すように、受光器２２に設けられた受光側オリフィス２２ａは、電子部品Ｐの遮光面より小さい径ｄにして受光スポットを狭めている。これにより、遮光長の増大に伴って受光量が減少し、最終的には完全遮光状態が現れるようにしている。なお遮光面とは、レーザ光２５を遮光する電子部品Ｐの高さｈと縦辺Ｗ、横辺Ｌ、またノズルの外径Ａをいう。なお、図３（ｃ）では、電子部品の縦辺Ｗの面で遮光しているが、ノズル１１を９０度回転させて横辺Ｌの面で遮光することもできる。電子部品Ｐの高さを測定する際には、広い遮光面でレーザ光２５を遮光するとより精確な測定を行うことができるので、例えば０４０２チップ電子部品は、横辺Ｌ（０．２ｍｍ）の面で遮光するよりも縦辺Ｗ（０．４ｍｍ）で遮光する方が精度の高い測定ができる。従って、測定の際には、電子部品Ｐを吸着したノズル１１を回転させ、より広い遮光面をレーザ光２５と交差させることが望ましい。

また、レーザ光２５の回折の影響を抑えるために、投光器２１の投光側オリフィス２１ａを小径にしてレーザ光線の幅を狭めることが望ましいが、あまり小径になると投光器２１と受光器２２との間で光軸調整が困難になるため、受光側オリフィス２２ａの径ｄより若干大きな径Ｄに形成している。例えば、投光側オリフィス２１ａの径Ｄを０．３ｍｍ、受光側オリフィス２２ａの径ｄを０．１ｍｍ程度にすると、回折の影響を抑制することができるとともに光軸調整の作業性を確保することができる。

受光器２２に小径の受光側オリフィス２２ａを設けたことにより受光器２２の受光量が減少するので、受光器２２の受光感度を向上させて、遮光長の増大に伴う受光量の減少の相関をより明確に検知できるようにしている。受光感度の向上は、増幅装置２６に備えられた可変抵抗Ｒ１、Ｒ２の抵抗値を変更することにより行われる。

図５（ａ）において実線で示した線図Ｓ１は、受光感度を向上させた場合の遮光長と受光量の関係を示したグラフである。完全遮光となる遮光長の直前までは受光量が飽和状態を保ち受光量は減少しないが、これを超えて遮光が進むと受光量が急激に減少する。このため、完全遮光状態となる遮光長近辺における実線図の傾きβ１は急勾配となっている。一方、従来の受光感度を向上させていない状態の遮光長と受光量の関係を示す破線図における傾きβ２は緩勾配となっている。

このため、閾値α近辺においては、同じ遮光長ａに対する受光量の変化量が、受光感度を向上させた場合（図中ｃで表示）のほうが従来の受光感度を向上させていない場合（図中ｂで表示）より大きい。従って、高さ検出センサ２０の周囲環境の温度の変化等による外乱によりセンサ特性に変化が生じた場合であっても、受光感度を向上させていると遮光長の変動を小さく抑えることができる。図５（ｂ）において、外乱により受光量と遮光長
の相関が乱れ、正常状態における相関関係を示す実線図Ｓ１と破線図Ｓ２は、それぞれ受光量ｅに相当する分だけ下方に移動して実線図Ｓ３と破線図Ｓ４に表される相関関係に変化している。なお、実線図Ｓ３は受光感度を向上させた場合、線図Ｓ４は受光感度を向上させてない場合である。

実線図Ｓ１においては、閾値αに達した時点の遮光長はｆ１であるが、外乱によりセンサ特性が変化した実線図Ｓ３においては、閾値αに達した時点の遮光長はｆ３となっている。破線図Ｓ２、Ｓ４においても同様に、遮光長はそれぞれｆ２とｆ４となっている。ｆ１とｆ３の遮光長の差ｇ１は、ｆ２とｆ４の遮光長の差ｇ２より小さいので、外乱によりセンサ特性に変化が生じた場合であっても、受光感度を向上させていると、受光感度を向上させていない場合と比べより真の遮光長に近い値が示されることになる。これにより、様々な外乱の存在下においても、受光量が閾値αに達した時点のノズル１１の高さのばらつきを小さく抑えることができるので、外乱による影響を抑えた安定したエンコーダ値を取得することができ、微小な電子部品Ｐの高さを精確に測定することができる。

なお、閾値αは、遮光長の増大と受光量の減少が相関する傾きβ１が発生する部分に設定されるが、完全遮光となる部分は回折による受光の影響が生じ、また、受光量が飽和状態から減少し始める部分も周辺環境によりばらつきが生じるので、両部分の略中央に設定するのが望ましい。

次に、電子部品実装装置の制御系について、図６を参照して説明する。制御部３０は、搬送ガイド２、パーツフィーダ５、Ｙテーブル６、Ｘテーブル７、ノズルユニット１０、ラインカメラ１４、高さ検出センサ２０とバス３１により接続されており、ＮＣプログラム３４に基づいてこれらの駆動を制御する。ＮＣプログラム３４はデータベース部３２に予め記憶されており、このデータベース部３２には、他に電子部品ライブラリ３３、基板データ３５、ノズルデータ３６、受光量閾値データ３７が記憶されている。上記の閾値αはこの受光量閾値データ３７に記憶されている。

また、制御部３０はデータ処理部４０と接続されており、データ処理部４０は、取得されたエンコーダ値から電子部品Ｐの高さを測定するとともに、部品ライブラリ３３に記憶された各種電子部品の寸法データと比較し、品種の照合や電子部品の吸着姿勢等の確認を行う。

操作・入力部４１は、キーボードやデータドライブ等の入力手段からなり、電子部品実装装置の動作を手動にて制御し、データベース部３２に予めデータを入力する。表示部４２は、液晶パネルやＣＲＴ等の表示手段からなり、実装装置の動作等に関する各種の情報等を可視的に表示する。

電子部品実装装置は以上のように構成され、次に、電子部品実装装置における高さ検出センサ２０の光軸調整について、図７及び図８を参照して説明する。光軸調整は、投光器２１から水平に投光されるレーザ光２５が受光器２２に完全受光された状態、すなわち受光器２２の受光スポットである受光側オリフィス２２ａの全面に受光された状態となるように投光器２１と受光器２２の位置や傾きを調整して行う。

図７において、投光器２１と受光器２２の間にフィルタ２９を介在させてレーザ光２５と交差させている。フィルタ２９は低投光率フィルタであり、投光器２１から投光されるレーザ光２５を一部遮光して光量を半分程度に減少させている。投光器駆動部２３と受光器駆動部２４の駆動により、投光器２１と受光器２２を上下動させ、投光側オリフィス２１ａの中心高さと受光側オリフィス２２ａの中心高さを水平に揃える。また、投光器２１から投光されるレーザ光２５が水平になるように投光器２１の傾きを調整する。そして、
レーザ光２５の光線上に受光側オリフィス２２ａが位置するように受光器２２の鉛直方向及び水平方向の傾きを調整する。

図８中の線図Ｔ１、Ｔ２は、投光器２１と受光器２２の光軸調整度と受光器２２の受光量の関係を示している。図８において、横軸は光軸調整度を示しており、光軸調整度が０のときに投光器２１と受光器２２の光軸が一致し、０から＋側若しくは−側に離れるに従って光軸のズレが大きくなる。

実線図Ｔ１は、投光器２１と受光器２２の間にフィルタ２９を介在させて光軸調整を行った場合の光軸調整度と受光量の関係を示しており、光軸調整度が０のとき完全受光状態となって受光量Ｗ１は最大値となっている。従って、受光器駆動部２４の駆動により受光側オリフィス２２ａの位置をレーザ光２５に対して相対的に変化させたときの受光器２２の受光量の変化をセンサ制御部２７（図３（ａ）参照）で数値的に管理し、受光量が最大となるときの受光側オリフィス２２ａの位置を検出することにより高さ検出センサ２０の光軸調整をすることができる。

図８中の破線図Ｔ２は、フィルタ２９を介在させない場合の光軸調整度と受光量の関係を示している。受光器２２の受光感度が向上された状態においては、完全受光状態とはなっていない場合であっても受光量は飽和値に達して飽和状態となっているので、完全受光状態を数値的に判断して光軸調整度が０となった時点を検出することができず、精確な光軸調整ができない。そのため、受光感度を向上させた高さ検出センサ２０における光軸調整の際には、投光器２１と受光器２２の間にフィルタ２９を介在させてレーザ光２５に交差させることにより、受光器２２に受光される光量を半分程度に減少させている。これにより、光軸調整度と受光量の関係が実線図Ｔ１で表される関係のようになり、受光量の最大値Ｗ１が飽和状態における受光量より低い値となって数値的に捉えることができるので、完全受光状態となった時点を明確に判断することが可能となる。

このように、微小な電子部品の高さを精確に測定するために受光感度が向上された高さ検出センサの光軸調整を行う際に低投光率フィルタを介在させて受光量を減少させているので、受光感度を向上させたままの状態で光軸調整を行うことができる。また、受光量を減少させることにより、完全受光状態となった時点を数値的に把握することができるので、精確な光軸調整が可能となる。

なお、この完全受光状態となった時点の受光量Ｗ１と受光側オリフィス２２ａの位置をセンサ制御部２７に記憶させておくことにより、次回からの光軸調整が容易となるとともに、光軸調整毎の誤差をなくして検知精度のばらつきを抑えることができる。

本発明によれば、高さ検出センサの受光感度を向上させたままの状態で光軸調整を行うことができ、また、完全受光状態となった時点を数値的に把握することにより精確な光軸調整が可能となるので、微小な電子部品の高さを測定して実装する分野に有用である。

本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の平面図（ａ）本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の移載ヘッドの平面図（ｂ）本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の移載ヘッドの正面図（ａ）本発明の一実施の形態における高さ検出センサの構成図（ｂ）本発明の一実施の形態における高さ検出センサのオリフィス径と電子部品との関係を示した側面図（ｃ）本発明の一実施の形態における高さ検出センサのオリフィス径と電子部品との関係を示した平面図本発明の一実施の形態における高さ検出センサの増幅装置の電気的構成図（ａ）本発明の一実施の形態における高さ検出センサの遮光長と受光量の関係を示すグラフ（ｂ）本発明の一実施の形態における高さ検出センサの遮光長と受光量の関係を示すグラフ本発明の一実施の形態における電子部品実装装置の制御系のブロック図本発明の一実施の形態における高さ検出センサの光軸調整の様子を示す説明図本発明の一実施の形態における高さ検出センサの光軸調整度と受光量の関係を示すグラフ

符号の説明

２０高さ検出センサ
２１投光器
２１ａ投光側オリフィス
２２受光器
２２ａ受光側オリフィス
２５レーザ光
２６増幅装置
２９フィルタ

Claims

投光スポットとなる投光オリフィスから光を投光する投光器と、この投光器と対向して配置されてこの投光器から投光される光を受光スポットとなる受光オリフィスに受光する受光器と、この受光器の受光感度を調整可能な増幅装置からなる電子部品の高さ検出センサを備えた電子部品実装装置において、
前記受光オリフィスの径は前記電子部品の前記投光された光を遮光する遮光面より小さい径であり、前記投光オリフィスの径は前記受光オリフィスの径よりも大きな径であり、
前記受光器の受光感度を向上させた状態で前記投光器と前記受光器の相対位置を調整して光軸調整を行う際に、前記投光スポットとなる投光オリフィスと前記受光スポットとなる受光オリフィスの間にフィルタを介在させて前記受光器の受光量を減少させることを特徴とする電子部品の高さ検出センサの光軸調整方法。
投光スポットとなる投光オリフィスからレーザ光を投光する投光器と、この投光器と対向して配置されてこの投光器から投光されるレーザ光を受光スポットとなる受光オリフィスに受光する受光器と、この受光器の受光感度を調整可能な増幅装置からなる電子部品の高さ検出センサを備えた電子部品実装装置において、
前記受光オリフィスの径は前記電子部品の前記投光された光を遮光する遮光面より小さい径であり、前記投光オリフィスの径は前記受光オリフィスの径よりも大きな径であり、
前記受光器の受光感度を向上させた状態で前記投光器と前記受光器の相対位置を調整して光軸調整を行う際に、前記投光スポットとなる投光オリフィスと前記受光スポットとなる受光オリフィスの間に低透光率のフィルタを介在させて前記受光器の受光量を減少させることにより、前記受光器の完全受光状態における受光量が前記受光器の飽和状態における受光量より低い値となるようにしたことを特徴とする電子部品の高さ検出センサの光軸調整方法。