JP2008175600A - 電子部品の三次元測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子部品を三次元測定する際、ライン光が湾曲している場合でも、簡単に補正できるようにする。
【解決手段】保持手段により保持された電子部品に、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品の平坦度を測定する電子部品の三次元測定方法において、測定位置にセットした平坦な基準板にライン光を投光した際の光切断線を撮像し、撮像された画像データと、これに対応する直線からのずれ量Δｗを予め求めておき、電子部品の平坦度を測定する際に、撮像された画像データを、対応するずれ量に基づいて補正する。
【選択図】図９

Description

本発明は、電子部品の三次元測定方法及び装置、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、電子部品の三次元測定方法及び装置に関する。

電子部品の端子部の高さを計測する三次元測定を行なった後、該電子部品を基板に実装する電子部品実装装置が、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、撮像された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。

ところで、前記特許文献１に開示されている三次元測定装置では、電子部品の端子高さ計測（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。そのため、この方式では測定対象が平坦な面である場合には、撮像される光切断線画像は、ライン光がｙ方向に延びているとすると、図１（Ｂ）に破線でイメージを示すように、直線状になるはずである。

特開２００１−６０８００号公報

しかしながら、前記従来の方式では、光学部品の機械的な加工精度や組付け精度等の影響により、スポット光のラインジェネレータレンズへの入射角度が完全に光軸に一致していなかった場合には、同図（Ｂ）に実線で併記したように、カメラから見たライン光は完全な直線ではなく湾曲したものとなる。

従来の高さ計測は、撮像されたライン光の光切断線画像が直線であり、その直線位置からのずれ量によって部品（端子）高さを計測する測定原理を採用しているため、このようにライン光が湾曲することは計測精度を悪化させる原因となるという問題があった。

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を三次元測定する際、ラインジェネレータから照射されるライン光（光切断線）が湾曲している場合でも、ライン光の湾曲を簡単に補正することができる電子部品の三次元測定方法及び装置を提供することを課題とする。

請求項１の発明は、保持手段により保持された電子部品に、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品の平坦度を測定する電子部品の三次元測定方法において、測定位置にセットした平坦な基準板にライン光を投光した際の光切断線を撮像し、撮像された画像データと、これに対応する直線からのずれ量を予め求めておき、電子部品の平坦度を測定する際に、撮像された画像データを、対応するずれ量に基づいて補正することにより、前記課題を解決したものである。

請求項２の発明は、保持手段により保持された電子部品に、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品の平坦度を測定する電子部品の三次元測定装置において、前記ライン光を投光するラインジェネレータレンズの光軸と、該ラインジェネレータレンズからライン光を投光させる入射光の入射方向とのずれを調整する調整手段を備えたことにより、同様に前記課題を解決したものである。

請求項１の発明によれば、ライン光を平坦な基準板に照射した際の光切断線画像と、正常時の光切断線画像である直線とのずれ量を予め求めておき、実際に電子部品を測定する際、得られる光切断線画像を該ずれ量で補正するようにしたので、ライン光が直線からずれている場合でも、端子高さを正確に測定することができる。

請求項２の発明によれば、装置の組付け時に、調整手段によりラインジェネレータレンズの光軸と、入射光の入射方向とを一致させることができるため、両者間にずれがあるため、ライン光が湾曲している場合でも簡単に補正することができる。

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、対向して並設されたＹ軸テーブル８Ａ及び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、電子部品の端子部の平坦度を検査する三次元測定装置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２１が、該撮像ミラー２１の反射方向には撮像カメラ２３がそれぞれ配設されている。

前記レーザダイオード１５には、レーザダイオードコントローラ１５Ａが接続され、該レーザダイオード１５への電流値を制御することにより発光時の光量（レーザパワー）を任意に変更可能とされている。又、撮像カメラ２３には、ある画角をもった撮像レンズ２３Ａが取付けられている。

又、フォーカスレンズ１７と投光ミラー１８と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は、リニアアクチュエータ２４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。

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、それに反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）５０μｍ、長さ３０ｍｍ（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からの拡散反射光の一部（電子部品の端子に対して垂直な成分）は、撮像ミラー２１で反射されて撮像カメラ２３により撮像される。又、このとき、リニアアクチュエータ２４に接続された投光ユニット２６は、リニアアクチュエータ２４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。

レーザダイオード１５から照射されたライン光は、測定部表面で反射をし、撮像ミラー２１を介しハーフミラー２２を通過して撮像カメラ２３によって撮像される。

そこで、前記図４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拡散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の端子に反射した光が撮像カメラ２１に入光するため、それを撮像することで高さ測定を行なうことができる。

認識対象部品がＳＯＰ、ＱＦＰ、ＢＧＡ等のレーザスキャン方向に複数の端子を持つ部品である場合には、１回のスキャン移動中にレーザダイオード１５を複数回点灯させる。このスキャン移動によって、後述する図８に示すような電子部品の端子認識画像を得ることができる。

このように撮像された画像を画像処理することにより、電子部品の三次元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２４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Δｘ＝Δｔとなり三次元（高さ）測定が可能となる。

但し、上記測定においては、ラインジェネレータレンズ１９に入射するコリメート光（スポット光）が、ラインジェネレータレンズ１９の光軸に対して完全に平行でない（一致していない）限り、撮像した画像のイメージを図９に示すように、実際にはライン光は僅かに湾曲し、直線からずれる。

図８に示した測定原理から、この湾曲（中央にｙ方向の接線（図示せず）を想定した場合、その接線からの左右（図中、上下方向）のライン位置のずれ（Δｗ））は、そのまま端子高さの測定精度に影響を及ぼすことになるため、撮像画像から端子高さを算出する際に補正を行なう必要がある。

そこで、本実施形態では、実際の端子高さは、撮像画像から求めた端子高さがΔｚであったとすると、正しい高さはこのΔｚからラインの湾曲によるずれ（Δｗ）を差し引いた値となるため、正しい高さΔＺを、次式
高さ測定値（ΔＺ）
＝画像から求めた端子高さ（Δｚ）−ライン湾曲によるずれ（Δｗ）
により補正して求める。

補正に使用するライン光の湾曲によるずれ量（Δｗ）は、初期組付け時に、測定位置にセットしたフラットな平面治具（例えば平面度０．００１ｍｍの基準板）にライン光を当てた際の画像を取得し、あらかじめｙ方向（ライン光の長手方向）におけるずれ量（Δｗ）を算出しておく。

そして、この算出結果を数値データとして保存して利用するか、又は、その結果からｙ方向直線位置とライン湾曲によるずれ量（Δｗ）との関係式（Δｗ＝ｆ（ｙ））を予め求めておき、この式からずれ量（Δｗ）を算出し、画像処理による測定結果の補正に利用する。

このように測定結果を補正することにより、ライン光が湾曲していた場合でも、端子高さを正確に測定することができる。

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）組付け時のばらつきによるライン光の非直線性（湾曲による位置ずれ）を補正できるため、より高精度な高さ測定が可能となる。

（２）ライン光の非直線性（湾曲による位置ずれ）をソフトウェア上で補正可能であるため、測定装置の部品加工、及び光学部品等の組付け時の許容誤差を緩和することができるため、組付け工数や所要時間の削減が可能であると共に、コスト削減が可能となり、結果として装置原価の低減を図ることができる。

図１０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拡大して示すイメージ図である。

前記第１実施形態では、ライン光のずれ量（Δｗ）をソフトウェアによって補正を行っていたが、本実施形態ではラインジェネレータレンズ１９の取付け角度を調整できる調整機構（調整手段）を採用し、スポット光の入射方向にラインジェネレータレンズの光軸を一致させる調整を行うことにより、ライン光の湾曲を装置組付け時に予め修正するようにした。

図１０には、前記図４における投光ユニット２６の先端部分が示されており、この先端部分に回転可能なレンズホルダ２７と、これを所定の回転位置で固定する固定ねじ２８とを含む調整機構を設けてある。

レンズホルダ２７内にはラインジェネレータレンズ１９が組み込まれており、該レンズホルダ２７を両矢印方向に回転させることによりラインジェネレータレンズ１９に対する入射光であるスポット光の入射角度を変更することが可能になっている。

図１１（Ａ）、（Ｂ）にラインジェネレータレンズ１９と入射光との関係を斜視図と側面図によりそれぞれ示すように、一般に直線状のライン光を生成することができる光軸Ｌｓに対して、光の入射角がαずれている場合には、同図（Ａ）にイメージを示すように湾曲したライン光が得られることになる。

これに対して、本実施形態においては、フラットな平面治具にライン光を照射した際に、ライン光の湾曲が規定の値よりも小さくなるようにレンズホルダ２７を回転させて調整し、固定ネジ２８により該レンズホルダ２７をその位置に固定して組付け調整を行なう。

従って、本実施形態によれば、図１１に相当する図１２に示すように、入射光の入射方向をラインジェネレータレンズ１９の光軸と一致させることが可能となるため、同図（Ａ）にイメージを示すように直線状のライン光を生成することが可能となり、端子高さの正確な測定が可能となる。

但し、上記のような調整手段によりラインジェネレータレンズ１９への入射光の角度を調整する場合には、その分第１実施形態に比べて装置原価（部品製造コスト、組付け工数等）が増加する恐れがあるが、ずれが生じた場合はいつでも調整し、補正できる上に、基本的には一度調整すれば、その後の補正計算は不要であるという利点もある。

なお、前記実施形態では、入射光とラインジェネレータレンズ１９の光軸とのずれを調整する手段として、ラインジェネレータレンズ１９の角度を調整する機構を示したが、これに限定されず、入射光の方向を調整してもよく、そのために、例えば投光ミラー１８の傾斜角度を調整する機構を採用してもよい。

三次元測定装置の概要を示す側面図 従来の問題点を示す線図 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 本実施形態に適用される三次元測定装置を示す概略側面図 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 本実施形態の補正原理を示す説明図 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イメージ図 本実施形態によるライン光の補正前の状態を示すイメージ図 本実施形態によるライン光の補正後の状態を示すイメージ図

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
２１…撮像ミラー
２３…撮像カメラ
２４…リニアアクチュエータ
２６…投光ユニット
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、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品の平坦度を測定する電子部品の三次元測定方法において、
   測定位置にセットした平坦な基準板にライン光を投光した際の光切断線を撮像し、撮像された画像データと、これに対応する直線からのずれ量を予め求めておき、
   電子部品の平坦度を測定する際に、撮像された画像データを、対応するずれ量に基づいて補正することを特徴とする電子部品の三次元測定方法。
2. 保持手段により保持された電子部品に、ライン光を投光した際の光切断線を撮像し、得られる画像データに基づいて、該電子部品の平坦度を測定する電子部品の三次元測定装置において、
   前記ライン光を投光するラインジェネレータレンズの光軸と、該ラインジェネレータレンズからライン光を投光させる入射光の入射方向とのずれを調整する調整手段を備えたことを特徴とする電子部品の三次元測定装置。

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