JP4351083B2 - 表面実装機 - Google Patents

Description

本発明は、吸着ノズルに吸着された実装用部品をカメラによって撮像する撮像装置を備えた表面実装機に関するものである。

従来、実装用部品を吸着ノズルによって吸着してプリント配線板に実装する表面実装機としては、例えば特許文献１に記載されているように、吸着ノズルに吸着された実装用部品が正しいものか否かを判別したり、実装用部品の実際の位置や角度を検出するために、吸着ノズルに吸着された実装用部品をカメラによって撮像する構成のものがある。

前記特許文献１に示された表面実装機は、吸着ノズルを支持する移動ヘッドの下面に吸着ノズルの位置を判別することができるマーク（以下、これを基準マークという）が設けられている。この基準マークは、吸着ノズルに吸着された実装用部品とともにカメラによって撮像される。従来の表面実装機は、前記カメラによって撮像された画像中の基準マークの位置から実装用部品の吸着ノズルに対する位置ずれ量、角度を画像処理によって求め、実装時の移動ヘッドの移動方向、移動量などを補正して前記実装用部品をプリント配線板の正しい位置に実装する構成が採られている。

前記カメラは、吸着ノズルの下端部に吸着された前記実装用部品と、これより上方に離間した位置にある前記基準マークとの両方を鮮明に撮像することができるように被写界深度が設定されている。また、このカメラは、移動ヘッドが水平方向に移動している状態で実装用部品と基準マークとを撮像することができるように構成されている。このように移動ヘッドを移動させながら撮像するのは、撮像時間を短縮し、表面実装のタクトタイムを短縮するためである。
なお、本出願人は、本明細書に記載した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に密接に関連する先行技術文献を出願時までに見付け出すことはできなかった。
特開平５−６３３９８号公報

上述した従来の表面実装機は、生産性を向上させるために、表面実装のタクトタイムをさらに短縮することが要請されている。この要請に応えるためには、移動ヘッドの移動速度を速くすることが最も効果的である。しかし、移動ヘッドの移動速度を上昇させると、前記カメラで撮像するときの露光時間が短縮されるために、鮮明な画像を得ることが難しくなる。このような不具合は、カメラの絞りを開き、カメラの受光量を増大させることによってある程度は解消することができる。しかしながら、この構成を採ると、カメラの被写界深度が浅くなるために、実装用部品と基準マークとの両方に焦点を合わせることはできなくなる。

このようにカメラの絞りを開いた状態で実装用部品と基準マークとに焦点が合うようにするためには、実装用部品と基準マークとを高さが略等しくなるように位置付ければよい。すなわち、カメラの焦点を基準マークに位置付け、吸着ノズルを実装用部品が基準マークと同等の高さに位置するように上昇させた状態で撮像することによって、前記両者に焦点を合わせることができる。

しかしながら、基準マークの高さ（移動ヘッドの下端部の高さ）は、プリント配線板の実装面より高くなるから、上述したように実装用部品を基準マークと同等の高さまで上昇させて撮像すると、撮像位置と実装位置とが上下方向に異なるために、吸着ノズルの昇降が僅かでも傾いて実施されてしまう場合には実装用部品がプリント配線板の正しい位置からずれて実装されるおそれがある。前記基準マークの高さがプリント配線板の実装面より高くなる理由は、移動ヘッドは、実装用部品を実装位置に位置付けるためにプリント配線板の上を水平方向に移動するものであるから、この移動時にプリント配線板上に既に実装されている他の部品に基準マーク（移動ヘッドの下端部）が接触することがないようにするためである。すなわち、移動ヘッドは、実装高さが最大となる実装用部品に対して上方に離間する位置に設けられているからである。

また、実装用部品を基準マークの高さまで上昇させて撮像するために、前記上昇動作と撮像後の下降動作とに要する時間だけタクトタイムが長くなってしまうという問題も発生する。特に、実装される部品の高さが相対的に低いプリント配線板に実装用部品を実装する場合は、不必要に高い位置まで実装用部品を上昇させることになるから、タイムロスはさらに増加する。

本発明はこのような問題を解消するためになされたもので、カメラによって実装用部品と基準マークとを鮮明に撮像することができる構成を採りながら、移動ヘッドの移動速度を一層速くして生産性を向上させることができる表面実装機を実現することを目的とする。

この目的を達成するため、本発明に係る表面実装機は、水平方向に移動可能に構成された移動ユニットと、この移動ユニットに吸着ヘッドを介して昇降可能に設けられた吸着ノズルと、前記移動ユニットに設けられた画像処理用基準マークとを備え、前記吸着ノズルによって部品供給部から取り出した吸着済み実装用部品と前記基準マークとを、水平方向に移動させてこの移動経路の途中でカメラによって下方から撮像し、前記吸着済み実装用部品をプリント配線板上の所定の位置に移載させる表面実装機において、前記カメラの焦点を、前記プリント配線板に実装された状態での高さが最も高くなる搭載済み実装用部品より低い位置に位置付け、前記吸着ノズルを、前記吸着済み実装用部品が撮像時は前記焦点と同じ高さに位置しかつ前記プリント配線板上を移動するときはこのプリント配線板上で高さが最も高い搭載済み実装用部品より上方に位置する構成とし、前記移動ユニットに、前記基準マークを前記カメラの焦点と同じ高さになる位置と、前記プリント配線板上で高さが最も高くなる搭載済み実装用部品より高い位置との間で往復動させる基準マーク用移動装置を前記吸着ヘッドとは別に設けたものである。

本発明に係る表面実装機は、プリント配線板に実装された状態での高さが最も高くなる搭載済み実装用部品より高くなる位置に基準マークを移動させることによって、基準マークが前記搭載済み実装用部品に接触することがないように移動ヘッドをプリント配線板の上方で移動させることができる。
また、基準マークをカメラの焦点と同じ高さとなる位置に移動させることによって、カメラの焦点を基準マークに的確に合わせることができる。さらに、実装用部品を吸着ノズルに吸着させて前記カメラの焦点と同じ高さに位置させた状態でカメラの上方に移動させることにより、カメラの焦点をこの吸着済み実装用部品に的確に合わせることができる。このため、カメラの受光量が増大するように絞りを開いた状態であっても、吸着済み実装用部品と基準マークとを画像が鮮明になるようにカメラによって撮像することができる。
したがって、移動ヘッドの移動速度を速くすることができ、生産性が高い表面実装機を提供することができる。

（第１の実施の形態）
以下、本発明に係る表面実装機の一実施の形態を図１ないし図６によって詳細に説明する。
図１は本発明に係る表面実装機の平面図、図２は表面実装機の上部の正面図、図３は要部の構成図で、同図（ａ）は撮像時の状態を示し、同図（ｂ）はプリント配線板上を移動するときの状態を示す。図４は各部材の高さを説明するための構成図、図５は表面実装機の制御系のブロック図、図６は撮像時の動作を説明するためのフローチャートである。

これらの図において、符号１で示すものは、この実施の形態による表面実装機である。この表面実装機１は、基台２の上部にプリント配線板３を搬送するためのコンベア４と、後述するヘッドユニット５を移動させる移動装置６とを備えている。前記ヘッドユニット５によって、本発明でいう移動ヘッドが構成されている。

前記コンベア４は、プリント配線板３を図１において基台２の左右方向（以下、この方向を単にＸ方向という）に搬送し、図示していないクランプ機構によって作業位置に保持するように構成されている。このコンベア４の両側方には、実装用部品７（図３および図４参照）が収納されたテープフィーダ８と、後述する吸着ノズル９（図２および図３参照）に吸着された実装用部品７や後述する基準マーク１０（図３参照）を下方から撮像する部品認識カメラ１１とが設けられている。

前記カメラ１１は、図３および図４に示すように、光源としてＬＥＤ１２を備えた照明部１３と、ＣＣＤ固体撮像素子１４を有するセンサ本体１５とから構成されており、基台２における一方のテープフィーダ８と前記コンベア４との間であってプリント配線板３の搬送面より低い部位に、上方を指向する状態で取付けられている。
このカメラ１１の前記センサ本体１５は、ＣＣＤ固体撮像素子１４が図１において上下方向（以下、この方向を単にＹ方向という）に並設されたＣＣＤリニアセンサであって、前記照明部１３に形成されたＹ方向のスリット１３ａ（図１参照）を通して一次元的に実装用部品７や基準マーク１０を撮像するように構成されている。

また、このカメラ１１は、受光量が最大となるように形成されており、このため、上方の一箇所に焦点が合うように構成されている。この実施の形態によるカメラ１１の焦点位置は、図４に示すように、プリント配線板３の実装面の高さＡと略同じ高さに位置付けられている。

前記移動装置６は、前記コンベア４の上方でＹ方向に沿って延びる２本の固定レール２１，２１を有するＹ方向移動装置２２と、前記固定レール２１，２１どうしの間に架け渡された可動レール２３を有するＸ方向移動装置２４とによって構成されている。前記ヘッドユニット５は、前記Ｘ方向移動装置２４に取付けられている。前記ヘッドユニット５と移動装置６は、後述する制御装置２５（図５参照）によって移動方向、距離、速度などが制御される。

前記Ｙ方向移動装置２２は、前記固定レール２１に沿って延びるボールねじ軸２６と、このボールねじ軸２６を駆動するＹ軸サーボモータ２７とによってＸ方向移動装置２４の可動レール２３をＹ方向に往復させる。前記可動レール２３は、前記ボールねじ軸２６のナット部材２６ａに固定されている。前記Ｙ軸サーボモータ２７には、エンコーダからなる位置検出手段２８が設けられている。
前記Ｘ方向移動装置２４は、Ｘ方向に延びる可動レール２３に並設されたボールねじ軸２９と、このボールねじ軸２９を駆動するＸ軸サーボモータ３０とによってヘッドユニット５をＸ方向に往復させる。前記Ｘ軸サーボモータ３０には、エンコーダからなる位置検出手段３１が設けられている。

前記ヘッドユニット５には、図２に示すように、吸着ノズル９を保持する吸着ヘッド３２がＸ方向に間隔をおいて８個設けられており、これらの吸着ヘッド３２の両外側となる部位に後述する撮像用基準マーク１０が設けられている。また、このヘッドユニット５には、図５に示すように、前記吸着ヘッド３２を上下方向（Ｚ方向）に移動させるＺ軸サーボモータ３３と、吸着ヘッド３２を上下方向を軸線方向として回転させるＲ軸サーボモータ３４とが吸着ヘッド毎に設けられている。前記Ｚ軸サーボモータ３３とＲ軸サーボモータ３４には、エンコーダからなる位置検出手段３５，３６がそれぞれ設けられている。この実施の形態によるヘッドユニット５は、８個ある吸着ヘッド３２毎に昇降動作と回転動作とを行うことができるように構成されている。すなわち、前記吸着ノズル９は、前記吸着ヘッド３２を介して前記ヘッドユニット５に昇降可能に設けられている。

前記吸着ヘッド３２は、固着された吸着ノズル９を大きさや吸気吸込口の口径の異なるものへ交換することができるように構成されている。前記吸着ノズル９は、従来からよく知られているように、空気吸込口が開口する下端部に実装用部品７を吸着するものである。この吸着ノズル９は、前記テープフィーダ８上の実装用部品７を吸着するとき下降する。実装用部品７を吸着後この実装用部品（吸着済み実装用部品）７の下面が、カバーテープが剥がされた実装用部品７を収納するテープ上面を僅かに越える高さとなるまで吸着ノズル９は上昇し、前記吸着済み実装用部品７がテープと干渉することなく水平に移動可能となる。実装用部品７を吸着している状態でプリント配線板３の上方を移動するときには、吸着している実装用部品（吸着済み実装用部品）７の下端の高さが図４中に二点鎖線Ｂで示す搭載済み実装用部品７ａの高さより高くなるように位置付けられる。吸着済み実装用部品７をプリント配線板３に搭載するとき吸着ノズル９が下降する。本実施の形態ではテープフィーダ８に装着されるテープのカバーテープを剥がした状態の上面が、プリント配線板３の実装面の高さＡと略同じ高さとされている。

前記基準マーク１０は、図２〜図４に示すように、上下方向に延びる柱状部材１０ａの下端面に形成されている。前記柱状部材１０ａは、基準マーク用移動装置４１を介して前記ヘッドユニット５における吸着ヘッド３２を支持する部分（上下方向に移動することがない部分）に装着されている。この実施の形態による前記基準マーク用移動装置４１は、
前記柱状部材１０ａの水平方向への移動を規制するガイド部材４２を備え、図示していないエアシリンダによって前記柱状部材１０ａを予め定めた下降位置と上昇位置との間で昇降させる構成が採られている。このエアシリンダは、後述する制御装置２５によって動作が制御される。すなわち、前記基準マーク用移動装置４１は、前記ヘッドユニット５に前記吸着ヘッド３２とは別に設けられている。

前記下降位置は、図３（ａ）に示すように、前記基準マーク１０の位置がカメラ１１の焦点と同じ高さ（この実施の形態ではプリント配線板３の実装面の高さＡと略同じ高さ）となるように設定されている。前記上昇位置は、図３（ｂ）および図４に示すように、前記基準マーク１０の位置がプリント配線板３に実装された状態での高さが最も高くなる搭載済み実装用部品７ｂより高くなるように設定されている。前記最も高い搭載済み実装用部品７ｂの上端の高さを図４中に二点鎖線Ｃで示す。
前記基準マーク用移動装置４１によって柱状部材１０ａを下降位置に移動させることにより、基準マーク１０がカメラ１１の焦点位置に位置するようになるから、この状態で撮像を行うことにより、基準マーク１０の鮮明な画像を得ることができる。この画像は、カメラ１１から画像データとして後述する制御装置２５に送られる。

制御装置２５は、図５に示すように、主制御手段４３と、サーボモータ駆動用のドライバ４４と、画像処理手段４５および演算手段４６などによって構成されており、実装用部品７をテープフィーダ８からプリント配線板３に移載させる実装動作を統括的に実行する構成が採られている。
前記主制御手段４３は、この実施の形態による表面実装機１が有する全てのアクチュエータ（各サーボモータやソレノイド、エアシリンダなど）の動作を制御するプログラムを記憶しており、このプログラムに基づいて前記ドライバ４４とヘッドユニット５のドライバ４７とに制御信号を送出する。
前記画像処理手段４５は、前記カメラ１１から送られた画像データに所定の画像処理を施す構成が採られている。前記演算手段４６は、吸着ノズル９に実装用部品７が吸着されているか否かと、吸着ノズル９に吸着された実装用部品７が正しいものであるか否かを判別するとともに、この実装用部品７の位置、角度などを求める構成が採られている。

次に、この実施の形態による表面実装機１の実装動作を前記制御装置２５のさらに詳細な構成の説明と合わせて図６に示すフローチャートによって説明する。
先ず、図６のステップＳ１において、制御装置２５は、基台２上に搬送されているプリント配線板３の実装用データを記憶したデータライブラリ（基板情報）から今回実装する８個の実装用部品７の種類、位置などのデータ（部品情報）を吸着ヘッド３２毎に読み出す。この実施の形態による制御装置は、８個の実装用部品７を一つの吸着グループとして取り扱う構成が採られており、前記基板情報から吸着グループ毎に部品情報を読み出す構成が採られている。

次に、ステップＳ２において、制御装置２５は、ヘッドユニット５をテープフィーダ８の部品供給部の上方に移動させ、各吸着ヘッド３２の吸着ノズル９に所定の実装用部品７を吸着させ、吸着後その位置で、前記吸着済み実装用部品７の下面がカバーテープが剥がされた実装用部品７を収納するテープ上面を僅かに越える高さ（略実装面の高さＡ）まで上昇させる。これにより、前記吸着済み実装用部品７をテープと干渉することなく水平に移動可能となるとともに、前記吸着済み実装用部品７の下面がカメラ１１の焦点位置と略同じ高さ（高さＡ）となる。これとともに、制御装置２５は、基準マーク用移動装置４１を動作させることによって、基準マーク１０を下降位置（カメラ１１の焦点位置と同じ高さ）に位置付ける。この実施の形態による表面実装機１は、テープフィーダ８で実装用部品７を吸着する位置がカメラ１１とはＹ方向に離間しているため、実装用部品７の吸着動作が終了した後にヘッドユニット５を前記カメラ１１の横（Ｘ方向に隣接する位置）に位置するように移動させる。

しかる後、制御装置２５は、ステップＳ３で示すように、吸着ノズル９に吸着されている実装用部品７と基準マーク１０とがカメラ１１の上方を通過するように、ヘッドユニット５をＸ方向に沿って水平に移動させる。このとき制御装置２５は、ヘッドユニット５の移動に同期させてカメラ１１による撮像を行う。この実施の形態では、基準マーク用移動装置４１によって基準マーク１０がカメラ１１の焦点位置と同じ高さに位置付けられているから、上述したようにヘッドユニット５を単にＸ方向に移動させるだけであっても基準マーク１０と吸着済み実装用部品７との両方を焦点が合った状態でカメラ１１により撮像することができる。

このときカメラ１１によって撮像された画像は、基準マーク１０と吸着ヘッド３２毎の吸着済み実装用部品７とが鮮明に写っており、制御装置２５は、前記画像によって実装用部品７の有無、正誤などを判別するとともに、実際の実装用部品７の吸着位置、角度などを検出し、吸着ヘッド３２毎に目標実装位置データなどを補正する。前記画像を撮像した吸着済み実装用部品７の高さは、プリント配線板３の実装面と略同じ高さであるから、吸着ノズル９が例え斜めに昇降するようなことがあっても、高い精度をもって目標実装位置を設定することができる。

この撮像行程において、制御装置２５は、ステップＳ４〜ステップＳ７に示すように、各吸着ヘッド３２を吸着済み実装用部品７の撮像が終了した順番にそれぞれ所定の高さまで上昇させる。この所定の高さとは、吸着済み実装用部品７の下端が搭載済み実装用部品７ａの高さ（図４において二点鎖線Ｂで示す）より高い位置（以下、この位置をＸＹ移動高さという）のことをいう。また、このときには、基準マーク用移動装置４１を動作させることにより、撮像が終了した基準マーク１０を前記上昇位置まで上昇させる。
この撮像行程で全ての吸着済み実装用部品７と基準マーク１０とが撮像された後、制御装置２５は、ステップＳ８において、ヘッドユニット５をプリント配線板３の上方へ移動させるときの移動速度を求める。

この移動速度は、最期に撮像された吸着済み実装用部品７と基準マーク１０とが前記ＸＹ移動高さに上昇するより早く、ヘッドユニット５がプリント配線板３上に移動してしまうことがないような速度に設定する。このように移動速度を設定するのは、前記最期に撮像された吸着済み実装用部品７または基準マーク１０がプリント配線板３上の搭載済み実装用部品７ａに接触することを防ぐためである。前記移動速度を求めた後、制御装置２５は、ステップＳ９において、ヘッドユニット５をプリント配線板３上の目標位置に向けて前記移動速度でＸ方向とＹ方向とに移動させる。そして、制御装置２５は、ステップＳ１０〜Ｓ１１に示すように、全ての吸着ノズル９の吸着済み実装用部品７と基準マーク１０とが前記ＸＹ移動高さに上昇した後に、必要に応じてヘッドユニット５の移動速度を上昇させる。

ヘッドユニット５が前記目標位置に移動した後、制御装置２５は、ステップＳ１２において、８個の吸着ヘッド３２に吸着された全ての吸着済み実装用部品７をプリント配線板３に実装する。その後、制御装置２５は、ステップＳ１３において、基台上に位置するプリント配線板３に全ての実装用部品７が実装されたか否かを判別し、全ての実装用部品７が実装されている場合は終了動作を行う。前記プリント配線板３への実装用部品７の実装が終了していない場合は、制御装置２５は、ステップＳ１４に進み、今回実装した８個の実装用部品７の上端の高さが前記搭載済み実装用部品７ａの高さＢより高いか否かを判別する。

このとき制御装置２５は、今回実装した実装用部品７の中に前記搭載済み実装用部品７ａの高さＢより高いものが存在する場合は、ステップＳ１５において前記ＸＹ移動高さのデータを更新してからステップＳ１６に進み、今回実装した実装用部品７が前記搭載済み実装用部品７ａの高さＢより低いと判別した場合には直接ステップＳ１６に進む。ステップ１６においては、制御装置２５は、次回の吸着グループの実装用部品７を吸着するために、前記ステップＳ１で読み出した部品情報を初期化し、テープフィーダ８側へヘッドユニット５を移動させる。

上述したように構成された表面実装機１は、ヘッドユニット５をプリント配線板３上で移動させるときには基準マーク１０を実装用部品７（搭載済み実装用部品７ａや実装高さが最大となる実装用部品７ｂ）に接触することがない高さに配置し、撮像時には吸着済み実装用部品７と基準マーク１０とをカメラ１１の焦点位置に位置付けることができる。
このため、この表面実装機１は、受光量を増大させるために被写界深度が浅くなるカメラ１１によって吸着済み実装用部品７と基準マーク１０とを撮像するにもかかわらず、前記両者の鮮明な画像を得ることができる。この結果、この実施の形態による表面実装機１は、ヘッドユニット５の移動速度を従来より増大させることができた。

上述した実施の形態では、カメラ１１の焦点位置がプリント配線板３の実装面の高さＡと略同じ高さに設定され、この実装面の高さＡとテープフィーダ８上に装着された実装用部品７を収納するテープ上面が略同じ高さに位置付けられている例を示したが、吸着ノズル９の昇降時の傾きが小さい場合には、実装面の高さＡと撮像時の吸着済み実装用部品７の下面位置、すなわちカメラ１１の焦点位置との間に違いがあってもよく、カメラ１１の焦点位置は、プリント配線板３に実装された状態での高さが最も高くなる搭載済み実装用部品７ｂより低くなる位置であれば適宜変更することができるし、テープフィーダ８上に装着された実装用部品７を収納するテープ上面の高さも適宜変更することができる。カメラ１１の焦点位置と前記テープ上面の位置は、プリント配線板３の実装面の高さＡより下方に位置付けることができるし、前記高さＡより上方に位置付けることもできる。なお、カメラ１１の焦点位置がプリント配線板３に実装された状態での高さが最も高くなる搭載済み実装用部品７ｂより高くなる場合には、そもそも撮像時に吸着済み実装用部品７の下面位置と略同一の高さとされる基準マーク１０を上下させる必要はない。
また、カメラ１１は、ＣＣＤリニアセンサを用いるものに限定されることはなく、他の固体撮像デバイスを使用して形成することができる。この場合、使用する固体撮像デバイスの種類に応じて撮像時に基準マーク１０や吸着済み実装用部品７をカメラの上方で一時停止させることも可能である。

この実施の形態による基準マーク用移動装置４１の動力源はエアシリンダが用いられているが、この動力源は、エアシリンダの代わりに、ソレノイドやサーボモータなどを用いることもできる。

本発明に係る表面実装機の平面図である。 表面実装機の上部の正面図である。 要部の構成図である。 各部材の高さを説明するための構成図である。 表面実装機の制御系のブロック図である。 撮像時の動作を説明するためのフローチャートである。

符号の説明

１…表面実装機、３…プリント配線板、５…ヘッドユニット、７，７ａ，７ｂ…実装用部品、９…吸着ノズル、１０…基準マーク、１０ａ…柱状部材、１１…カメラ、３２…吸着ヘッド、４１…基準マーク用移動装置。

Claims (1)

1. 水平方向に移動可能に構成された移動ユニットと、この移動ユニットに吸着ヘッドを介して昇降可能に設けられた吸着ノズルと、前記移動ユニットに設けられた画像処理用基準マークとを備え、前記吸着ノズルによって部品供給部から取り出した吸着済み実装用部品と前記基準マークとを、水平方向に移動させてこの移動経路の途中でカメラによって下方から撮像し、前記吸着済み実装用部品をプリント配線板上の所定の位置に移載させる表面実装機において、前記カメラの焦点を、前記プリント配線板に実装された状態での高さが最も高くなる搭載済み実装用部品より低い位置に位置付け、前記吸着ノズルを、前記吸着済み実装用部品が撮像時は前記焦点と同じ高さに位置しかつ前記プリント配線板上を移動するときはこのプリント配線板上で高さが最も高い搭載済み実装用部品より上方に位置する構成とし、前記移動ユニットに、前記基準マークを前記カメラの焦点と同じ高さになる位置と、前記プリント配線板上で高さが最も高くなる搭載済み実装用部品より高い位置との間で往復動させる基準マーク用移動装置を前記吸着ヘッドとは別に設けたことを特徴とする表面実装機。

Images