JP5254106B2 - 電子部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、搭載ヘッドに備えるノズルで電子部品をピックアップしてから、基板上の該当位置までノズルを移動し、ピックアップした電子部品を実装していく際に、ピックアップした電子部品及び基板の少なくとも一方の位置認識に基づいて、該電子部品の実装位置を補正するようにした電子部品実装装置に係り、特に、ピックアップした電子部品及び基板の少なくとも一方の位置を画像認識するために、カメラのレンズの焦点を被写体に合わせる際、高速に、コントラストピーク値の合焦位置を求めることができる電子部品実装装置に関する。

電子部品実装装置では、搭載ヘッドに備えるノズルで電子部品をピックアップ（例えば吸着）してから、基板上の該当位置までノズルを移動し、吸着した電子部品を実装していく。又、この実装の際には、吸着した電子部品及び基板の少なくとも一方をカメラで撮像し、この画像認識による位置認識に基づいて、該電子部品の実装位置を補正するようにしている。

ここで、上述の撮像におけるカメラの自動焦点合わせ機構としては、特許文献１において、その図４および図５に示されるように、ヘッドユニット５ｂに取付けられた、部品を実装する基板を上方から撮像するためのカメラ４０は、サーボモータ４２により、基板に対して昇降作動可能とされ、焦点合わせされる位置までＺ軸を移動する構成のものがある。

又、基板に設けたマークの位置を画像認識するために、カメラのレンズの焦点を被写体に合わせる際には、Ｚ軸を移動させながら焦点位置を移動させ、コントラストピーク値の合焦位置を求めた後、Ｚ軸を移動させてこの合焦位置を基板マークに合わせる。以下、上記のように合焦位置を求める動作や、これに伴ってコントラスト値やそのピーク値を求める処理をまとめて、フォーカス動作と呼ぶ。

又、特許文献２では、その図５に示されるように、上記のように合焦位置を求める際、まず、広い範囲を粗いピッチでＺ軸を移動させながら焦点位置を移動させ、コントラストピーク値の大まかな合焦位置を求めた後（粗フォーカス動作）、次に、この合焦位置を含む狭い範囲を細かいピッチでＺ軸を移動させながら焦点位置を移動させ、コントラストピーク値の合焦位置を求め（密フォーカス動作）、このように粗フォーカス動作及び密フォーカス動作の２段階で合焦位置を求めるようにしている。これによって、広い走査範囲にわたって短時間で精度よく合焦位置を求めるようにしている。

特開２００１−２０３５００号公報（図５） 特開平１０−４８５１２号公報（図５）

しかしながら、従来の電子部品実装装置のフォーカス動作では、以下のような問題点があった。

前述のように、フォーカス動作において、コントラストピーク値を探すためには、レンズ光学系を機械機構的に上下に走査しながら、多数の画像を撮り、その画像処理を行なうことになる。従って、従来のフォーカス動作には、機械機構的な動作が伴い時間がかかるという問題があった。

更に、電子部品実装装置において、部品を実装する基板には湾曲があり、このため、基板高さが例えば±３ｍｍと大きく変動する場合がある。この場合、基板マーク認識毎に、フォーカス動作を行なって合焦させるよう、基板マークに焦点調整をする必要があり、時間がかかるフォーカス動作を、度々行なう必要があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するためのもので、吸着した電子部品及び基板の少なくとも一方の位置を画像認識するために、カメラのレンズの焦点を被写体に合わせる際、高速に、コントラストピーク値の合焦位置を求め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、搭載ヘッドに備えるノズルで電子部品をピックアップしてから、基板上の該当位置までノズルを移動し、ピックアップした電子部品を実装していく際に、基板及びピックアップした電子部品の位置認識に基づいて、該電子部品の実装位置を補正するようにした電子部品実装装置において、波長が互いに異なる少なくとも２種類の照明装置及び該照明装置で照らされる被写体を撮像するカメラを、前記搭載ヘッド上、及び基台における基板と供給部との間の位置上の、少なくとも一方に設け、それぞれの波長でのコントラスト値を演算し、予め求めてあるそれぞれの波長でのコントラストカーブ特性により、前記演算されたコントラスト値に対応する可視光波長での合焦位置を求め、該合焦位置に焦点を調整して撮像し、得られた画像の位置認識を行なって、部品実装時に用いる補正データを求める画像入力認識処理部を備えたことにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記照明装置として、可視光、及び近赤外光の照明装置を備えることができる。

なお、本発明において、前記位置認識の際の撮像対象に応じて予め設定された光量に制御する照明駆動部を、更に備えると共に、前記画像入力認識処理部が、それぞれの波長でのコントラストカーブ特性を、前記撮像対象に応じて予め記憶しておくものであることも可能である。

従来、フォーカス動作の際に、コントラストピーク値を探すためにレンズ光学系を機械的に走査させながら多数の画像を撮っていたが、本発明によれば、波長が互いに異なる少なくとも２種類の光、例えば、可視光と近赤外光の合焦位置がずれている特性を利用することで、２回の撮像処理ですむ。このため、本発明によれば、動作時間を要するレンズ光学系の機械的な走査を行なう必要がなく、動作時間の短縮を図ることができる。

本発明が適用された実施形態の電子部品実装装置全体の斜視図 前記実施形態の部品認識ユニットの内部構成を示す側面図 上記実施形態の電子部品実装装置の搭載ヘッド７及び周辺部を示す主要構成斜視図 前記実施形態の基板認識ユニットの構成を示す側面図 前記実施形態の焦点調整及び照明の制御を行なう制御装置の構成を示したブロック図 前記実施形態において搬入された基板に対する部品実装処理を示すフローチャート 前記実施形態におけるモータ駆動焦点調整機構付レンズの単色可視光照明と近赤外光照明によるコントラストカーブを示すグラフ 上記コントラストカーブのデータが格納されたデータテーブルを示す線図 前記実施形態において、本発明を適用した、単色可視光と近赤外光照明の切り換えによる自動焦点調整処理を示すフローチャート

以下、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用された実施形態の電子部品実装装置全体の斜視図である。

この図において、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。搬送路２は基板３を搬送すると共に搬送路２上で基板３を保持し位置決めする。従って搬送路２は基板保持部を兼ねている。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。パーツフィーダ５はテープに保持された電子部品を収納し、このテープをテープ長方向に送ることにより電子部品を順次供給する。

Ｘ軸フレーム６には、電子部品の搭載ヘッド７がＸ軸方向に移動自在に装着されている。Ｘ軸フレーム６は、その両端がＹ軸フレーム８ａ及び８ｂに両端部をＹ軸方向移動自在に支持されて架設されている。又、搭載ヘッド７及びＸ軸フレーム６はそれぞれ特に図示しないＸ軸モータ及びＹ軸モータにより駆動され、それぞれＸ軸及びＹ軸方向に移動自在となっている。これによって搭載ヘッド７はＸＹ方向に任意に移動可能であり、下端部に装着された吸着ノズル１４（図３参照）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１００をピックアップし、基板３上に実装する。

又、基台１における基板３と供給部４との間の位置には、後述する部品認識ユニット９ａ、９ｂが夫々配設されており、部品認識ユニット９ａ、９ｂは搭載ヘッド７ひいては吸着ノズル１４及びそれが吸着保持する電子部品１００を下方から撮像することが可能である。搭載ヘッド７が電子部品を保持した状態で移動経路がより短くなる部品認識ユニット９ａ、９ｂの何れかの上方に移動し撮像することにより、電子部品の識別、位置ずれ検出が行われる。

ここで、部品認識ユニット９ａ及び９ｂについて、その内部構成を示す側面図である図２を用いて説明する。

図２において、１７は搭載ヘッド７が吸着保持した部品を撮像する部品認識カメラ、６１は部品認識カメラ１７に取り付けられたモータ駆動焦点調整機構付レンズ、６２は照明光を上方へと折り返すビームスプリッタ、２７はビームスプリッタ側方に設けられてビームスプリッタにより反射された光で搭載ヘッド７が吸着保持した電子部品を下方から照射する可視光と近赤外光に切り換えが可能な同軸照明装置、２８は搭載ヘッド７が吸着保持した電子部品に対して比較的浅い角度の下方から照射する可視光と近赤外光に切り換えが可能な斜光照明装置、２９は認識ユニット９ａ及び９ｂ内部に塵埃が侵入するのを防止するカバーガラス、３０は同軸ＬＥＤ光を拡散させる拡散板を示す。ここで、モータ駆動焦点調整機構付レンズ６１は、駆動用モータ２４によって上下方向に焦点位置が移動される。

次に、図３は、本実施形態の電子部品実装装置の搭載ヘッド７及び周辺部を示す主要構成斜視図である。

図３において、搭載ヘッド７にはＺ軸モータ１０及びボールネジ１１、更にθ軸モータ１２が設けられ、これらにより、ノズルシャフト１３はＺ軸及びθ軸方向に自在に駆動される。又、特に図示しない真空発生装置が接続されることで、ノズルシャフト１３の先端に着脱自在に係合される吸着ノズル１４には電子部品が吸着保持される。

併せて、基板３に設けられる位置基準マークを認識するためのモータ駆動焦点調整機構付レンズ１８、基板認識カメラ１５及び基板照明ユニット１６が搭載ヘッド７と一体的に設けられる。ここで、これらモータ駆動焦点調整機構付レンズ１８、基板認識カメラ１５及び基板照明ユニット１６を併せて基板認識ユニットと呼ぶ。

図４は、上記の基板認識ユニットの構成を示す側面図である。

この図において、１５は基板３に設けられる位置基準マークを撮像する基板認識カメラ、１８は該基板認識カメラ１５に取り付けられたモータ駆動焦点調整機構付レンズ、１９は照明光を下方へと折り返すビームスプリッタ、２０はビームスプリッタ側方に設けられてビームスプリッタにより反射された光で基板３上を上方から照射する可視光と近赤外光に切り換えが可能な同軸照明装置、２１は該基板３上に対して比較的浅い角度の上方から照射する可視光と近赤外光に切り換えが可能な斜光照明装置、２２は基板認識ユニット内部に塵埃が侵入するのを防止するカバーガラス、２６は同軸ＬＥＤ光を拡散させる拡散板２６を示す。ここで、モータ駆動焦点調整機構付レンズ１８は、駆動用モータ２３によって上下方向に焦点位置が移動される。

図５は、本実施形態の焦点調整及び照明の制御を行なう制御装置の構成を示したブロック図である。

図示されるように、部品実装機メイン制御部４０には、基板認識カメラ１５及び部品認識カメラ１７で撮像された影像に基づく画像認識を行なう画像入力認識処理部４２、及び、本発明が適用されたフォーカス動作に係る処理を行なう照明・焦点調整制御部４４が接続されている。更に、該部品実装機メイン制御部４０には、搭載ヘッド７を移動させるＸ−Ｙ駆動装置５４、真空圧により吸着ノズル１４に電子部品を吸着する部品吸着実装装置５５、搬送路２において基板３を搬入、保持、搬出する基板搬送装置５６、本実施形態の電子部品実装装置が備えるその他の付属品制御装置５７に接続されている。

上記の照明・焦点調整制御部４４は、画像入力認識処理部４２に接続され、これと連携動作する。又、該照明・焦点調整制御部４４には、モータドライバ５１及び５２を介して前述の駆動用モータ２３及び２４が接続され、照明駆動部４６が接続されている。

該照明駆動部４６には、まず、基板認識ユニットが備える、基板認識・可視光同軸落射照明装置２０Ａ、基板認識・可視光斜光照明装置２１Ａ、基板認識・近赤外光同軸落射照明装置２０Ｂ、及び、基板認識・近赤外光斜光照明装置２１Ｂが接続されている。更に、該照明駆動部４６には、部品認識ユニット９ａ、９ｂが備える、部品認識・可視光同軸落射照明装置２７Ａ、部品認識・可視光斜光照明装置２８Ａ、部品認識・近赤外光同軸落射照明装置２７Ｂ、及び、部品認識・近赤外光斜光照明装置２８Ｂが接続されている。該照明駆動部４６は、これらの照明装置の光量を、位置認識の際の撮像対象に応じて予め設定された光量に制御する。該設定は、照明・焦点調整制御部４４内の記憶装置に予め格納されている。図５ブロック図では部品認識ユニット９ａのみ表示している。部品認識ユニット９ｂも同様の接続とする。

なお、これらの照明装置における発光手段は特に限定されるものではない。例えば、可視光や近赤外光など、個々の照明装置において必要な波長での発光が可能なＬＥＤを用いることも可能である。可視光の照明装置において、黄色や青色などの単色のＬＥＤを用いてもよい。ＬＥＤによれば、点滅が速やかであり、波長が互いに異なる照明装置を選択的に点灯することも容易であり、安定した光量で照明することができる。

図６は、本実施形態において搬入された基板に対する部品実装処理を示すフローチャートである。

このフローチャートにおいて、太線矩形で図示されるステップＳ１０４、Ｓ１１０、及びＳ１１４において、本発明が適用されたフォーカス動作が行なわれる。ここで、ステップＳ１０４及びＳ１１４では、基板認識ユニットによるフォーカス動作であり、ステップＳ１１０では、部品認識ユニット９ａ、９ｂによるフォーカス動作である。

このフローチャートにおいて、まず、ステップＳ１０２では、今回搬入された基板３に関するデータを読み込む。又、ステップＳ１０４では、読み込んだ基板データに基づいて、基板認識ユニットにより、搬入されている基板３の基板マークに対して、フォーカス動作を行なった後に、搬送路２において保持されている基板３の位置ずれ量を認識する。

次に、ステップＳ１０６では、基板３に実装する最初の電子部品のデータを読み出す。ステップＳ１０８では、データを読み出した電子部品を吸着ノズル１４で吸着し、部品認識ユニット９ａ及び９ｂのいずれかまで移動する。ステップＳ１１０では、部品認識ユニット９ａ、９ｂにより、吸着されている電子部品に対してフォーカス動作を行なった後に、該電子部品の位置ずれ量を認識する。

ステップＳ１１２では、吸着している電子部品がチップ部品であるか否か判定する。チップ部品である場合はステップＳ１１８に進み、補正データ演算処理を行なう。

あるいは、チップ部品ではないと判定された場合、ステップＳ１１４において、基板上の各目的ＩＣマークまで基板認識ユニットを移動し、基板認識ユニットにより、基板３の上面の「ＩＣマーク」に対してフォーカス動作を行なった後に、該ＩＣマークの撮像に基づいてＩＣマーク位置ずれ量を認識する。該ステップＳ１１４の後にはステップＳ１１６において、補正データ演算処理を行なう。

ここで、ステップＳ１１６における補正データ演算処理は、ステップＳ１１０において部品認識ユニット９ａ、９ｂにより認識した電子部品の位置ずれ量、ステップＳ１１４において部品認識ユニット９ａ、９ｂにより認識したＩＣマークの位置ずれ量に基づいて、吸着している電子部品を基板３に実装する際の、実装位置の補正量を求めるものである。

ステップＳ１１８における補正データ演算処理は、ステップＳ１０４において基板認識ユニットにより認識した基板３の位置ずれ量、ステップＳ１１０において部品認識ユニット９ａ、９ｂにより認識した電子部品の位置ずれ量に基づいて、吸着している電子部品を基板３に実装する際の、実装位置の補正量を求めるものである。

このフローチャートにおいて、ステップＳ１１６の後、あるいはステップＳ１１８の後、ステップＳ１２０では、補正データ演算処理によって求められた実装位置の補正量による補正を行ないながら、搭載ヘッド７を移動させて吸着ノズル１４に吸着されている電子部品を基板３上の該当位置に実装する。

電子部品の実装後には、ステップＳ１２２において、次に実装する電子部品の部品データを読み出す。この際、基板３への部品実装がすべて終了している場合、新たな部品データは読み出されない。続くステップＳ１２４では、この新たな部品データの読出しの可否に基づき、基板３への部品実装の終了を判定する。終了と判定された場合は、このフローチャートの処理をすべて終了する。あるいは、終了ではないと判定された場合、前述のステップＳ１０８の前方に分岐する。

図７は、本実施形態におけるモータ駆動焦点調整機構付レンズ１８又は６１の単色可視光照明と近赤外光照明によるコントラストカーブを示すグラフであり、図８は、このコントラストカーブのデータが格納されたデータテーブルを示す線図である。

ここで、図８のデータテーブルのデータに基づいてグラフを描くと、図７のようになる。又、このデータテーブルは、照明・焦点調整制御部４４において予め設定され、格納されている。

まず、図７において、横軸は、焦点調整駆動用モータにより動かされるレンズの位置（レンズ及び被写体の間の距離、あるいはその変位量）、縦軸は、画像データから得られるコントラスト値を示す。又、実線ＬＡ１のカーブは、ある対象物（第１対象物）に対する可視光照明によるコントラストカーブであり、実線ＬＢ１のカーブは、同対象物に対する近赤外光照明によるコントラストカーブである。更に、破線ＬＡ２のカーブは、上記とは別の対象物（第２対象物）に対する可視光照明によるコントラストカーブであり、破線ＬＢ２のカーブは、同対象物に対する近赤外光照明によるコントラストカーブである。このように、対象物が変われば破線のカーブの様にコントラストカーブも変わる。

ここで、モータ駆動焦点調整機構付レンズ１８又は６１に使用しているレンズは、レンズ面の曲率、レンズ面位置、硝材を調整することで、可視光でコントラストピーク値となるレンズ位置ＰＡ０と、近赤外光でコントラストピーク値となるレンズ位置ＰＢ０とに、差がある特性に設計している。

図９は、本実施形態において、本発明を適用した、単色可視光と近赤外光照明の切り換えによる自動焦点調整処理を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ１４２において可視光コントラスト処理を行ってコントラストＬＡ（前述のＬＡ１やＬＡ２など）を求め、この後、ステップＳ１５０において近赤外光コントラスト処理を行ってコントラストＬＢ（前述のＬＢ１やＬＢ２など）を求める。

又、ステップＳ１４４あるいはステップＳ１５２では、照明駆動部４６は、該当する照明装置を、撮像対象物に応じて予め設定された光量で点灯する。ステップＳ１４６あるいはステップＳ１５４では、基板認識ユニットや部品認識ユニット９ａ、９ｂにより撮像を行って、画像データを取得する。続くステップＳ１４８あるいはステップＳ１５６では、取得された画像データに対して画像入力認識処理部４２により画像処理を行い、コントラストＬＡやコントラストＬＢを求める。

このようにしてコントラストＬＡやコントラストＬＢが求められると、ステップＳ１５８において、照明・焦点調整制御部４４は、前述のように図８のようなデータテーブルが予め格納されているため、これらコントラストＬＡやコントラストＬＢを該データテーブルに照合することで、現在のレンズ位置Ｐ１を速やかに把握することができる。又、ステップＳ１６０では、この現在のレンズ位置Ｐ１に基づいて、可視光照明での合焦位置ＰＡ０への、被写体に対するレンズ移動量（Ｐ１−ＰＡ０）が求められ、焦点を合わせることができる。

ここで、データテーブルとの照合の際、例えば、対象物が第１対象物であれば、可視光照明でコントラスト値ＬＡ１、近赤外光照明でコントラスト値ＬＢ１のテーブルで照合し、対象物が第２対象物であれば、可視光照明でコントラスト値ＬＡ２、近赤外光照明でコントラスト値ＬＢ２のテーブルで照合することにより、現在のレンズ位置Ｐ１が分かり、可視光照明での合焦位置ＰＡ０へのレンズ移動量が求められ、焦点を合わせることができる。

例えば、図７のグラフにおいて、現在のレンズ位置が破線Ｐ１、可視光照明での合焦点のレンズ位置が破線ＰＡ０、近赤外光照明での合焦点のレンズ位置が破線ＰＢ０であるとする。

この現在のレンズ位置Ｐ１では、第１対象物であれば、可視光照明のコントラスト値はＬＡ１（Ｐ１）、近赤外光照明のコントラスト値はＬＢ１（Ｐ１）となる。従って、上記のステップＳ１５８において、これらコントラスト値ＬＡ１（Ｐ１）、及びコントラスト値ＬＢ１（Ｐ１）を、データテーブルと照合することで、破線で図示されるような現在のレンズ位置Ｐ１を見出すことができ、又このレンズ位置Ｐ１に基づいて、可視光照明での合焦点のレンズ位置ＰＡ０を見出すことができる。

あるいは、第２対象物であれば、可視光照明のコントラスト値はＬＡ２（Ｐ１）、近赤外光照明のコントラスト値はＬＢ２（Ｐ１）となる。従って、上記のステップＳ１５８において、これらコントラスト値ＬＡ２（Ｐ１）、及びコントラスト値ＬＢ２（Ｐ１）を、データテーブルと照合することで、破線で図示されるような現在のレンズ位置Ｐ１を見出すことができ、又このレンズ位置Ｐ１に基づいて、可視光照明での合焦点のレンズ位置ＰＡ０を見出すことができる。

なお、前述した実施形態では、モータ駆動焦点調整機構付レンズ１８又は６１により焦点調整を行なっているが、それ以外の手段として、基板マーク認識時には基板を、部品認識時には部品を上下させることで焦点調整を行なう方法がある。

１…基台
３…基板
４…供給部
７…搭載ヘッド
１４…吸着ノズル
１５…基板認識カメラ（カメラ）
１６…基板照明ユニット
１７…部品認識カメラ（カメラ）
１８、６１…モータ駆動焦点調整機構付レンズ
１９、６２…ビームスプリッタ
２０、２７…同軸照明装置（照明装置）
２１、２８…斜光照明装置（照明装置）
２３、２４…駆動用モータ
４０…部品実装機メイン制御部
４２…画像入力認識処理部
４４…照明・焦点調整制御部
４６…照明駆動部

Claims (3)

1. 搭載ヘッドに備えるノズルで電子部品をピックアップしてから、基板上の該当位置までノズルを移動し、ピックアップした電子部品を実装していく際に、基板及びピックアップした電子部品の位置認識に基づいて、該電子部品の実装位置を補正するようにした電子部品実装装置において、
   波長が互いに異なる少なくとも２種類の照明装置及び該照明装置で照らされる被写体を撮像するカメラを、前記搭載ヘッド上、及び基台における基板と供給部との間の位置上の、少なくとも一方に設け、それぞれの波長でのコントラスト値を演算し、予め求めてあるそれぞれの波長でのコントラストカーブ特性により、前記演算されたコントラスト値に対応する可視光波長での合焦位置を求め、該合焦位置に焦点を調整して撮像し、得られた画像の位置認識を行なって、部品実装時に用いる補正データを求める画像入力認識処理部を備えたことを特徴とする電子部品実装装置。
2. 前記照明装置として、可視光、及び近赤外光の照明装置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。
3. 前記位置認識の際の撮像対象に応じて予め設定された光量に制御する照明駆動部を、更に備えると共に、
   前記画像入力認識処理部が、それぞれの波長でのコントラストカーブ特性を、前記撮像対象に応じて予め記憶しておくものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電子部品実装装置。

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