JP5113406B2 - 電子部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品実装装置に係り、特に移載ヘッド上に設けられた撮像手段に、電子部品の実装対象に対する三次元の撮像精度向上を図り、部品の実装精度を向上する際に適用して好適な電子部品実装装置に関する。

プリント基板等の配線基板に電子部品を搭載（実装）するために、一般に電子部品実装装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような電子部品実装装置においては、移載ヘッドに装着された吸着ノズルにより、所定位置に供給される電子部品を吸着保持した後、位置決めされた基板上の目標位置に搭載することが行なわれている。

このように、吸着ノズルに保持した電子部品を配線基板上の目標位置に正確に搭載するためには、配線基板の位置を正確に把握する必要がある。そこで、例えば特許文献２に開示されている電子部品実装装置においては、移載ヘッド上に固定された撮像手段により、配線基板上のフィデューシャルマーク（基準マーク）等を撮像し、その撮像結果から該基板の正確な位置を演算により特定する、いわゆる画像認識が行なわれている。

特開２００３−１６８８９９号公報 特開２０００−２９４９９６号公報

しかしながら、前記特許文献１、２等に開示されている従来の電子部品実装装置において、撮像手段により認識する搭載対象は、プリント基板等の平坦な配線基板のみであるため、電子部品の上に更に他の電子部品を搭載する等のように、搭載対象の高さが異なる（変化する）三次元搭載を行なうような場合には、搭載面上の基準マークの認識や、搭載後の電子部品の搭載位置の確認等を画像認識により行なうことができなかった。

又、配線基板等の搭載面に大きな反りや撓みが生じている場合には、基準マーク等を認識する時の焦点ずれや、搭載高さの変動が原因で、搭載位置精度が低下するという問題もあった。

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、電子部品を平坦でない搭載対象に搭載する場合でも、目標位置に正確に搭載することができる電子部品実装装置を提供することを課題とする。

本発明は、移載ヘッドに鉛直方向に進退動可能に取付けられたシャフトの先端に装着されたノズルにより電子部品を保持し、該電子部品を搭載対象に搭載する電子部品実装装置において、搭載対象の特定部位を認識する撮像手段と、該撮像手段を鉛直方向に進退動させる駆動手段とが前記移載ヘッドに配設され、前記駆動手段により前記撮像手段を鉛直方向に進退動させた際に取得された該撮像手段の鉛直方向の位置に応じた水平方向の位置ずれ量を保存する手段を備えており、前記撮像手段の鉛直方向の位置に応じた水平方向の位置ずれ量を取得する際には、前記撮像手段を、該撮像手段が鉛直方向に進退動した際の光軸ずれを補正するための三次元キャリブレーション治具の直上に移動させることにより、前記課題を解決したものである。

本発明においては、更に、前記ノズルを鉛直方向に進退動させた際に取得された該ノズルの鉛直方向位置に対する水平方向の相対的な位置ずれ量を保存する手段を備えるようにしてもよい。

本発明によれば、搭載対象上のマーク等の基準位置（特定部位）を撮像する撮像手段を鉛直方向に移動可能とすると共に、該撮像手段を実際に移動させて予め取得した位置ずれ量を基に、鉛直方向の任意の位置において撮像手段の水平方向の位置ずれを補正できるようにしたので、高さの異なる搭載対象上の正確な位置認識が可能となった。従って、上記撮像手段により任意高さの搭載対象上の基準位置を撮像することにより、撮像された画像中の基準位置を基に搭載対象上の正確な位置を決定できるため、電子部品を任意高さの搭載面等の搭載対象上に正確に実装することができる。

又、ノズルの鉛直方向に対する水平方向の位置ずれ量を保存する場合には、従来は搭載高さが異なる場合や吸着部品の厚みが大きく異なる場合にはノズルシャフトの直動精度によって発生していた搭載位置のずれを補正できるため、より高精度な部品実装が可能となる。

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１は、本発明に係る一実施形態の電子部品実装装置の外観を示す斜視図である。

図１において、基台１の中央部には搬送路２が配設されている。この搬送路２は、基板３をＸ方向に搬送すると共に、図示されている位置に該基板３を位置決めし、保持する基板保持部を兼ねている。

上記搬送路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が並載されている。各パーツフィーダ５は、テープ内に収容・保持された電子部品を、該テープを長手方向に送ることにより電子部品をピックアップ位置に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。この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とに、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を図示しないモータにより駆動することにより移載ヘッド７は水平方向に移動可能であり、図２に拡大して示すように、その下端部に装着された吸着ノズル１０によりパーツフィーダ５のピックアップ位置から電子部品を吸着してピックアップし、基板３上に移載（実装）する。従って、Ｘ軸テーブル６及びＹ軸テーブル８Ａは、移載ヘッド７の水平方向駆動手段となっている。

搬送路２と供給部４の間にある、移載ヘッド７の移動径路が設定される領域には部品撮像手段９が配設されている。この部品撮像手段９は、移載ヘッド７に装着されている吸着ノズル１０を下方から撮像し、吸着保持された電子部品を撮像することにより、該電子部品の識別とノズル中心からの位置ずれの検出が行なわれる。

本実施形態の電子部品実装装置が備えている移載ヘッド７について詳述する。

図２において、移載ヘッド７には４つの吸着ヘッドが搭載され、各吸着ヘッド毎にノズルシャフト１１がθ軸モータ１２に取り付けられ、各ノズルシャフト１１が独立にθ方向に回転可能となっている。

又、各ノズルシャフト１１は、Ｚ軸モータ１３により、独立に昇降動作が可能となっていると共に、ノズルシャフト先端にはエアを吸引するための吸着孔が設けられた吸着ノズル１０が着脱自在に装着されている。

これら４つの吸着ヘッドは、前記移載ヘッド７のベースであるヘッドプレート１４にＸ軸方向に並ぶように配設されている。

又、このヘッドプレート１４には、基板３上のフィデューシャルマーク１５を認識するための基板撮像手段１６が取付けられている。この基板撮像手段１６は、ＣＣＤカメラ１６Ａとレンズ１６Ｂが一体でリニアガイド１７を介して、ボールねじ１８によって鉛直方向に移動自在とされている。このボールねじ１８には撮像ユニット駆動用のサーボモータ１９が連結され、該サーボモータ１９の駆動により撮像ユニットであるＣＣＤカメラ１６Ａ、レンズ１６Ｂは任意の高さに移動・停止させることができるようになっている。

更に、図２に示してあるように、基板撮像手段１６の下方にはＬＥＤを含む同軸照明基板２０Ａと、同軸照明用のビームスプリッタ（あるいはハーフミラー）２１、同じくＬＥＤを含む円形の斜光照明基板２０Ｂとが配されており、装置本体に内蔵された制御装置（図示せず）のＣＰＵにより、認識対象物に適した照明手段が適時選択されるようになっている。なお、上記照明基板２０Ａ、２０Ｂとビームスプリッタ２１は、ヘッドプレート１４に固定され、基板撮像手段１６と共に移動しないようになっている。

又、本実施形態の電子部品実装装置では、基台１の所定個所に、基板撮像手段１６が鉛直方向に駆動した際の光軸ずれを補正するための三次元キャリブレーション治具２２が備えられている。但し、この治具２２は、必要に応じて取り外しが可能になっている。

この三次元キャリブレーション治具２２は、図３（Ａ）に示すように円錐表面に等間隔で円状のマークが複数描かれた（もしくは溝が削られた）形状をしており、上面から見た場合には、同図（Ｂ）に示されるように、異なる高さに径が異なる複数の同心円のマークが配された形状となっている。

マークサイズは、最大の治具底面が基板撮像手段１６の持つ視野範囲内（例えばφ２０ｍｍ）であり、且つ高さは基板撮像手段１６の駆動範囲内（例えば２０ｍｍ）となるように設計されている。又、これら同心円マークは、一定高さ間隔（例えば１ｍｍ）毎に描かれている。

又、キャリブレーション治具２２の底面は、図４に示すように基板３の上面（電子部品の搭載面）よりも所定の高さ（例えば２ｍｍ）だけ低い位置となるように、且つ該基板３の上面に対して中心軸が垂直となるように基台１の所定個所に設置されている。

移載ヘッド７がＸ軸テーブル６及びＹ軸テーブル８により水平方向に移動され、キャリブレーション治具２２の直上に基板撮像手段１６を移動することにより、該基板撮像手段１６により生産動作中の任意のタイミングでキャリブレーション治具２２の撮像を行なうことが可能である。この場合、基板撮像手段１６の高さに応じて、図５に示すように焦点高さが一致した同心円マークが明瞭に撮像されることになる。

又、本実施形態においては、図６に示すように、ノズルシャフト１１の先端にもキャリブレーション治具ノズル２２Ａ（図４の三次元キャリブレーション治具２２を水平面に対して対称形状としたものに相当）が取り付けられている。従って、移載ヘッド７をＸＹ駆動により該治具２２Ａが部品撮像手段９の直上になるように移動することによって、該部品撮像手段９を用いてキャリブレーション治具ノズル２２Ａを撮像することができ、これにより、ノズルシャフト１１の移動高さに応じて図５と同様の画像を取得することができる。

このキャリブレーション治具ノズル２２Ａは、装置本体に備えられている自動ノズル交換機（図示せず）によって任意のタイミングで着脱自在で、吸着ノズル１０に変換可能になっている。

以上のように、本実施形態の電子部品実装装置は、前記キャリブレーション治具２２を使用して基板撮像手段１６の鉛直方向の位置に応じた水平方向の位置ずれ量を測定し、三次元補正データとして予め取得しておき、それを記憶手段に保存することにより、実際に撮像したときの高さに合わせて撮像対象の水平方向位置を補正する機能を備えるようにしてある。この三次元補正データの取得については後述する。

同様に、本実施形態の電子部品実装装置は、前記キャリブレーション治具ノズル２２Ａを使用して部品撮像手段９に対するノズルシャフト１１の鉛直方向の位置に応じた水平方向の位置ずれ量を測定し、三次元補正データとして予め取得しておき、それを記憶手段に保存することにより、実際に部品を搭載するときのノズルシャフト１１の高さに合わせて搭載対象の水平方向位置を補正する機能を備えるようにしてある。

次に、本実施形態の作用を、図７に示すフローチャートに従って説明する。

基板の搬入を開始し（ステップ１）、それが三次元補正が必要な基板であるか否かを判定し（ステップ２）、必要な場合には基板撮像手段１６とノズルシャフト１１に関する三次元補正データ（相関式（１）、（２））の取得を行なう（ステップ３、４）。

まずはこのステップ３とステップ４の三次元補正データの取得について詳細に説明する。なお、この操作は、ステップ５の基板搬入完了まで、即ち装置電源投入時や基板搬入時等の生産動作開始前に行なえば良い。

補正データを取得するに当り、前記移載ヘッド７を、該ヘッド上の基板撮像手段１６が、前記図２に示したように、基台１上に設置されている前記三次元キャリブレーション治具２２の直上となるように移動する。

次いで、サーボモータ１９を駆動して、基板撮像手段１６を三次元キャリブレーション治具２２の底面（基台１の上面）に焦点が合う高さへと移動する。

その後、サーボモータ１９の駆動により、基板撮像手段１６を所定の速度でキャリブレーション治具２２の高さ（例えば２０ｍｍ）だけ上昇させる。この上昇時には、キャリブレーション治具２２に設けられたマークの高さ間隔（例えば１ｍｍ）毎に基板撮像手段１６によって基準マークの撮像が行なわれる。撮像した画像は、前記図５に示したように、その撮像高さに一致した何れかの高さのマークにのみ焦点が合い、それ以外の高さの基準マークは焦点高さが異なるためピントがボケて撮像されることになる。

こうして得られた各画像より、撮像時の高さに対応する円形マークの中心座標を画像認識処理によって算出する。本来、キャリブレーション治具２２に設けられた各円形マークが全て同心円状であるため、理論上は円形マークの中心座標は変動しないはずであるが、実際にはリニアガイド１７の取り付け角度やそのガイドレールの真直度等によって、認識位置の中心が撮像高さに応じて水平方向に変動している。そこで、その変動量を画像認識により補正データとして取得する。

これにより、基板撮像手段１６の高さ（サーボモータ１９のエンコーダ値：ｚ）と、各画像から求めたマークの中心座標（Ｘ，Ｙ）との相関関係式
Ｘ＝ｆ（ｚ），Ｙ＝ｇ（ｚ） …（１）
を取得し、装置本体内部の図示しない記憶装置（ＲＡＭ）に格納する。

この時、マークの中心座標（Ｘ，Ｙ）は、基板３の上面である基板認識高さ（Ｈ_０）における中心座標を基準（Ｘ_０，Ｙ_０）とし、そこからの偏差として算出する。

図８には、Ｘ方向のみの偏差を表わす関数のイメージを示す。図示は省略するが、Ｙ方向に関しても同様の関係式が得られる。

次いで、移載ヘッド７は、ノズルシャフト１１にキャリブレーション治具ノズル２２Ａを装着した状態で、キャリブレーション治具ノズル２２Ａの中心が装置本体上の部品撮像手段９の直上に位置するように移動する。

その後、ノズルシャフト１１はＺ軸モータ１３の駆動により、キャリブレーション治具ノズル２２Ａの高さ（＝前記キャリブレーション治具２２の高さ（２０ｍｍ）に相当）だけ上昇する。その際、上記（１）式の算出手法と同様にして、吸着ノズルの高さ（Ｚ軸モータ１３のエンコーダ値：ｚ’）と、ノズル中心座標（Ｘ’，Ｙ’）との相関関係式
Ｘ’_１＝ｆ（ｚ’_１），Ｙ’_１＝ｇ（ｚ’_１）
を取得し、装置本体内部の図示しない記憶装置（ＲＡＭ）に格納する。

この時、ノズルシャフト（軸）１１が複数（＝ｎ）あるときには、各軸について関係式を求め、上記ｚ’_１の関係式を含めた、
Ｘ’_２＝ｆ（ｚ’_２），Ｙ’_２＝ｇ（ｚ’_２）
〜Ｘ’_ｎ＝ｆ（ｚ’_ｎ），Ｙ’_ｎ＝ｇ（ｚ’_ｎ） …（２）
を取得し、同様に記憶装置（ＲＡＭ）に格納しておく。

続いて、以上のような（１）式、（２）式の三次元補正データを記憶装置に格納することにより補正機能を備えた本実施形態の電子部品実装装置による生産動作について説明する。

まず、搬送路２上に基板３が搬入され、位置決めされることにより基板搬入が完了する（ステップ５）。

その後、移載ヘッド７は搭載位置の基準となる基準マーク（基板３上のフィデューシャルマーク１５や図示しないＩＣマーク）の位置を認識するために、ヘッド上の基板撮像手段１６が基準マーク（図中基板マーク）の直上となるように移動する（ステップ６）。

この時、予め設定されている基準マークの認識高さ（フィデューシャルマーク１５の場合は基板３の上面）よりも所定高さ（例えば２ｍｍ）低い焦点調整準備位置（前記図４の基台１の上面）に基板撮像手段１６の焦点高さを一致させるようにサーボモータ１９を駆動させ、基板撮像手段１６を移動させておく（ステップ７）。

次いで、前記ステップ６のＸＹ移動により、移載ヘッド７が基準マークの認識位置に到達すると同時に、サーボモータ１９を駆動させ、基板撮像手段１６は前記焦点調整準備位置から予め設定された測定範囲（例えば４ｍｍ）だけ上昇させる。その際、上昇時には予め設定された間隔（例えば０．５ｍｍ）毎に基板撮像手段１６によって基準マークの撮像を行なう（ステップ８）。

ここで得られた各画像について、コントラスト値（例えば、明るさの階調変化の微分値）を求め、図９にイメージを示すように、最も高い画像のコントラストが得られる時のピーク位置（Ｚ_ｐ）を近似式より算出する。

続いて、上記結果からコントラストのピーク位置（Ｚ_ｐ）に基板撮像手段１６を位置決めすると共に、再度、基板撮像手段１６によって基準マークの認識を行なう。

その後、基準マークの認識位置（Ｘ_ｚｐ，Ｙ_ｚｐ）に、予め求めた撮像高さとキャリブレーション治具２２の中心座標位置との相関関係式（１）より得られる、コントラストのピーク位置（Ｚ_ｐ）における水平方向の認識位置ずれ量（即ち、上記関係式（１）にＺ_ｐを代入した値：Ｘ_ｐ＝ｆ（Ｚ_ｐ），Ｙ_ｐ＝ｇ（Ｚ_ｐ））を加算することにより、撮像高さにおける水平方向の真の基準マーク位置を算出する（ステップ９、１０）。

上記動作によって、基板３に限らず、搭載対象上の基準マークの高さが変動した場合（基板の撓みや、ＩＣチップ上面のマークを認識する場合等）にも、ヘッド上の基板撮像手段１６の直動精度によらず、正確な基準マーク位置を認識することができる。即ち、搭載対象の水平方向の位置を確定できる。

以上のように搭載対象の高さと水平方向の位置が確定した後、移載ヘッド７は電子部品をピックアップするために供給部４上へと移動する（ステップ１１）。このとき、ノズルシャフト１１の先端には、前記治具ノズル２２Ａから交換された所定の吸着ノズル１０が取付けられている。

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。その際、ノズルシャフト先端に取り付けられている吸着ノズル１０が部品吸着高さまで下降し、パーツフィーダ５に収められている電子部品と当接する直前で、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、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１２）。

吸着ノズル１０で電子部品を吸着した後、移載ヘッド７は吸着部品の吸着位置、及び角度の認識を行なうため、装置本体に設けられた部品撮像手段９上へ移動し、吸着部品の位置認識を行なう。

この時、予め求めた吸着ノズルの高さと吸着ノズルの中心座標位置との相関関係式（２）より求まる、搭載高さ（Ｚ’_ｃ）におけるノズル中心位置ずれ量（即ち、上記関係式にＺ’_ｃを代入した値：Ｘ_ｃ＝ｆ（Ｚ’_ｃ），Ｙ_ｃ＝ｇ（Ｚ’_ｃ））を、計算上のノズル中心位置に加算することにより、搭載高さにおける真のノズル中心位置を算出する（ステップ１３、１４）。但し、搭載高さ（Ｚ’_ｃ）は部品搭載面の高さと、吸着部品の厚みにより求められる。

次いで、上で位置認識した結果を基に移載ヘッド７は、搬送路２に固定された基板３上の所定の搭載位置に移動し（ステップ１５）、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上へ搭載する（ステップ１６、１７）。

以上のステップ１３〜１７の動作によって、基板の撓みや、ＩＣチップ上面に搭載する場合等のように搭載高さが変動した場合でも、ノズルシャフト１１の直動精度によらず、正確な目標位置に電子部品を搭載することができる。

本実施形態の電子部品実装装置では、以上の動作を繰返し行なうことにより基板への電子部品の搭載を順次行なうことができ（ステップ１８）、全部品の搭載終了後に基板を搬出する（ステップ１９）。

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）基準マークの高さが変動する（一定していない）場合でも、焦点位置が一致する高さに基板撮像手段１６を自動的に調整し、且つ正確なマーク位置の認識が可能となる。

（２）搭載面の高さが変動する場合でも、正確な位置へ電子部品を搭載することが可能となる。

（３）上記２つの効果により、三次元実装等に対応し得る汎用性の高い電子部品実装装置を提供することが可能となる。

なお、前記実施形態では、基準マークの認識のための焦点調整時において、ＣＣＤカメラ１６Ａが視野全体の画像を取得するようにしたが、ＣＣＤカメラの有効面積のうち一部分のみ撮像データを用いて、コントラスト値を算出し焦点位置を調整するようにしても良い。例えば、図１０に視野全体を正方形で示すように、視野中心付近の水平ラインのみをパーシャル撮像機能により取得する。これにより、画像データの転送時間や認識処理時間が短縮され、より高タクトで焦点調整を行なうことが可能となる。

又、基板撮像手段１６の各高さ毎のキャリブレーション治具中心位置との相関関係式（１）、及び吸着ノズル（ノズルシャフト）の各高さ毎のノズル中心位置との相関関係式（２）とを、生産動作前に取得するとしているが、ユーザからの要求により生産動作中の任意のタイミングで上記関係式を再取得し、装置本体の記憶装置（ＲＡＭ）への書換えを行なうようにしても良い。若しくは、所望の搭載精度が得られなくなった場合や、移載ヘッド内部の温度検出センサ（図示せず）によりヘッド内の温度が予め設定された閾値を超えた場合等に、自動的に上記取得動作を行なうようにしても良い。

又、基準マークの認識を基板搬入後に行なっているが、更に高い搭載精度を要求される場合や、搭載個所毎にＩＣマーク等が存在する場合には、各搭載動作毎など、適時基準マークの認識を行なうようにしても良い。

又、円錐状の表面に複数の円マークを設けたキャリブレーション治具を用いているが、異なる高さに認識可能な基準マークを設けた形状であれば、如何なる形状であってもよく、例えば図１１（Ａ）に斜視図と、同図（Ｂ）にカメラ方向からの平面図を示すように、階段状の治具で、階段毎に○等の基準マークを設けたものであってもよい。

又、前記実施形態では、搭載前のフィデューシャルマークの認識を行なうことを主眼としているが、前記基板撮像手段１６は搭載後の部品搭載位置検査に利用することも可能であることは言うまでもない。

本発明に係る一実施形態の電子部品実装装置の外観を示す斜視図 本実施形態の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 三次元キャリブレーション治具の特徴を示す斜視図と平面図 三次元キャリブレーション治具の設置方法を示す説明図 三次元キャリブレーション治具を撮像して得られる画像の特徴を示す説明図 ノズルシャフト用の三次元キャリブレーション治具の取付状態を示す斜視図 本実施形態の作用を示すフローチャート 取得される補正関数のイメージを示す線図 フィデューシャルマークを撮像した画像に基づく高さ決定方法を示す線図 フィデューシャルマークを撮像した画像の他の処理方法を示す説明図 三次元キャリブレーション治具の変形例を示す斜視図と平面図

符号の説明

２…搬送路
３…基板
６…Ｘ軸テーブル
８Ａ…Ｙ軸テーブル
９…部品撮像手段
１０…吸着ノズル
１１…ノズルシャフト
１２…θモータ
１３…Ｚ軸モータ
１６…基板撮像手段
２２…三次元キャリブレーション治具
２２Ａ…三次元キャリブレーション治具ノズル

Claims (2)

1. 移載ヘッドに鉛直方向に進退動可能に取付けられたシャフトの先端に装着されたノズルにより電子部品を保持し、該電子部品を搭載対象に搭載する電子部品実装装置において、
   搭載対象の特定部位を認識する撮像手段と、該撮像手段を鉛直方向に進退動させる駆動手段とが前記移載ヘッドに配設され、
   前記駆動手段により前記撮像手段を鉛直方向に進退動させた際に取得された該撮像手段の鉛直方向の位置に応じた水平方向の位置ずれ量を保存する手段を備えており、
   前記撮像手段の鉛直方向の位置に応じた水平方向の位置ずれ量を取得する際には、前記撮像手段を、該撮像手段が鉛直方向に進退動した際の光軸ずれを補正するための三次元キャリブレーション治具の直上に移動させることを特徴とする電子部品実装装置。
2. 更に、前記ノズルを鉛直方向に進退動させた際に取得された該ノズルの鉛直方向位置に対する水平方向の相対的な位置ずれ量を保存する手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電子部品実装装置。

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