レーザー高さ測定装置および部品実装機
【課題】正確に測定位置を制御でき、かつセンサの取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができるレーザー高さ測定装置を提供する。
【解決手段】レーザー光Ｌ１を照射するレーザー光照射部６１および対象物で反射されたレーザー光を検出する反射光検出部６２を有するレーザー高さセンサ６と、レーザー高さセンサ６を平面内で移動させるセンサ移動機構（ヘッド駆動機構４１〜４３）と、所定の較正位置（光入射軸ＡＯ上）に配置された画像カメラ（部品カメラ５）と、レーザー光Ｌ１を減衰しつつ透過する減光フィルタ７１と、レーザー高さセンサ６を較正位置ＡＯに位置決めしてレーザー光Ｌ１を照射し、減光フィルタ７１を透過したレーザー光を画像カメラ５で撮像してレーザー光画像を得るレーザー光撮像手段と、座標位置の補正値をレーザー光画像上でのレーザー光の位置に基づいて求める補正値取得手段と、を備える。
【解決手段】レーザー光Ｌ１を照射するレーザー光照射部６１および対象物で反射されたレーザー光を検出する反射光検出部６２を有するレーザー高さセンサ６と、レーザー高さセンサ６を平面内で移動させるセンサ移動機構（ヘッド駆動機構４１〜４３）と、所定の較正位置（光入射軸ＡＯ上）に配置された画像カメラ（部品カメラ５）と、レーザー光Ｌ１を減衰しつつ透過する減光フィルタ７１と、レーザー高さセンサ６を較正位置ＡＯに位置決めしてレーザー光Ｌ１を照射し、減光フィルタ７１を透過したレーザー光を画像カメラ５で撮像してレーザー光画像を得るレーザー光撮像手段と、座標位置の補正値をレーザー光画像上でのレーザー光の位置に基づいて求める補正値取得手段と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いて対象物の高さを測定するレーザー高さ測定装置、および該レーザー高さ測定装置を組み込んで基板の上面高さを測定する部品実装機に関し、より詳細には、高さを測定する測定位置の補正手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に生産作業を施す基板生産機として、はんだ印刷機、部品実装機、リフロー機、および基板検査機などがあり、これらを基板搬送装置で連結して基板生産ラインを構築するのが一般的になっている。このうち部品実装機は、基板を部品実装位置に搬入し位置決めし搬出する基板搬送装置と、部品を供給する部品供給装置と、部品供給装置から部品を採取して位置決めされた基板に装着する実装ヘッドおよび実装ヘッドを水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を有する部品移載装置と、実装ヘッドが部品供給装置から基板上に移動する途中で採取されている部品を撮像する部品カメラと、を備えている。部品実装機は、さらに、位置決めされた基板の位置やＩＤコードなどを確認するために基板カメラを実装ヘッドに備えている。
【０００３】
近年、部品実装機の実装ヘッドにレーザー高さセンサを取り付けてヘッド駆動機構により位置決めされた基板の所定座標位置に移動させ、基板の高さを複数位置で測定する技術が提案されている。これにより、部品を装着する基板の上面の高さを正確に測定でき、基板に反りなどが生じていても円滑な部品装着動作を行える効果が生じる。レーザー高さセンサは、部品実装機に限定されず、特許文献１に例示されるように基板検査機などにも応用されている。特許文献１の基板検査装置は、レーザー変位センサ（レーザー高さセンサ）、変位計測手段、計測位置教示手段、および基板高さ演算手段を備え、基板上の検査対象の高さを求めて検査を行うようになっている。
【０００４】
部品実装機の実装ヘッドに取り付けられたレーザー高さセンサは、ヘッド駆動機構により水平面内の直交２方向に駆動され、測定位置はヘッド駆動機構上の平面座標系の座標値を用いて制御される。そして、実装ヘッドの部品実装機基台に対する位置関係は、構成部材の寸法公差や取り付けおよび調整のばらつきなどにより構造上の寸法誤差が生じるため、前述の基板カメラの撮像データにより位置補正を行うのが一般的になっている。この位置補正は、基板カメラの実装ヘッドに対する位置関係の誤差も同時に解消する。さらに、この位置補正は、レーザー高さセンサの測定位置の補正にも同様に適用される。
【０００５】
一方、レーザー高さセンサの高さ測定精度は、対象物である基板の表面状態に左右されがちである。例えば、測定に必要な面積範囲内で高さが一定でないと高さ測定精度が低下する。また、表面の材質によってレーザー光の反射率が変化し、ランドパターンなどでは反射率は高いが、基板素地では反射率が低く、高さ測定精度が低下する一因となり得る。例えば、測定位置を所定のマーカーやランドパターン内に設定しても、測定位置の制御誤差により実際の測定時にレーザー光の照射位置がマーカーやランドパターンからはみ出ると、高さ測定精度が低下する。この種の高さ測定の精度向上に関する技術例が特許文献２および３に開示されている。
【０００６】
特許文献２の三次元形状計測装置は、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るラインセンサと、ラインセンサおよび計測対象の一方をラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、移動部を制御するとともに画像を解析することによって計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えている。画像解析部は、複数の高さを有する校正用ターゲット、例えば３つ以上の平面を段状に有する校正用ターゲットを用いて校正を行うようになっている。これにより、校正用ターゲットを取り替えたり、高さを調整したりする必要がなく、高さの校正を迅速に行うことができる、とされている。
【０００７】
また、特許文献３のレーザ光量制御装置は、レーザ光を射出するレーザ光源と、レーザ光を集光して射出する集光レンズと、レーザ光の一部を分離したモニタ光を検出する検出手段と、モニタ光の光量に基づいてレーザ光の光量を制御する光量制御手段とを備え、レーザ光の一部をモニタ光として反射する反射面を集光レンズが有することを特徴としている。さらに実施形態では、モニタ光の検出手段としてフォトダイオードが例示されている。この構成によれば、ビームスプリッタのような高価な部品を用いることなく安定性の高いモニタ光を得ることができ、装置の小型化、コストの削減を図ることができる、とされている。
【０００８】
なお、レーザー高さセンサによる高さ測定の技術は、基板生産機に限定されるものではなく、幅広い分野の設備機械に適用し得る技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３０７９３号公報
【特許文献２】特開２００８−１７０２７９号公報
【特許文献３】特開２００３−１１０１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、部品実装機の実装ヘッドにレーザー高さセンサおよび基板カメラが組み込まれた構成では、従来、実装ヘッドの部品実装機基台に対する位置関係が基板カメラの撮像データにより較正されていた。このため、基板上の部品装着ポイントや撮像位置の制御精度は良好に保たれるが、レーザー高さセンサの測定位置の制御精度が低下するおそれがあった。なぜなら、実装ヘッドにレーザー高さセンサを組み付ける際にも基板カメラの場合と同様に構成部材の寸法公差や取り付けおよび調整のばらつきなどがあって、センサの実装ヘッドに対する位置関係に誤差が生じるにも拘わらず、較正および補正が行われていないからである。したがって、レーザー高さセンサの測定位置の制御精度を確保するために、センサの取り付け位置調整機構を設けて各部品実装機で個別に取り付け位置の調整を行い、装置ごとの個体差や調整者の調整作業のばらつきなどに特別な配慮を払う必要があった。
【００１１】
一方、基板を小形化するために部品や回路パターンの軽薄短小化および部品実装の高密度化が近年進んでおり、レーザー高さセンサによる高さ測定に好適な測定位置が限られてきている。つまり、高さが一定でかつレーザー光の反射率が良好な測定範囲が限られ、測定範囲は１ｍｍ四方未満程度しか確保できなくなってきている。このため、レーザー高さセンサの測定高さの精度を向上するために、測定位置の制御精度を向上することが喫緊の課題となっている。
【００１２】
これに対し、特許文献１および２の技術は測定高さ自体の較正および補正に関する技術であり、また、特許文献３の技術は測定に用いるレーザー光の光量調整に関する技術であり、いずれも測定位置の制御精度を維持および向上するものではない。
【００１３】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高さを測定する際に正確に測定位置を制御でき、かつセンサの取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができるレーザー高さ測定装置、および該レーザー高さ測定装置を組み込んだ部品実装機を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する請求項１に係るレーザー高さ測定装置の発明は、対象物に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射部、および前記対象物で反射されたレーザー光を検出する反射光検出部を有して前記対象物の高さを測定するレーザー高さセンサと、前記レーザー高さセンサを平面内で移動させるセンサ移動機構と、を備えるレーザー高さ測定装置であって、前記センサ移動機構上の平面座標系で表した所定の較正位置に配置された画像カメラと、前記較正位置に位置決めされた前記レーザー高さセンサのレーザー光照射部と前記画像カメラの光入射部との間に配置され、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって照射されたレーザー光を減衰しつつ透過する減光フィルタと、前記レーザー高さセンサを前記較正位置に位置決めし、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって前記レーザー光を照射し、前記減光フィルタを透過したレーザー光を前記画像カメラで撮像してレーザー光画像を得るレーザー光撮像手段と、前記レーザー高さセンサが前記センサ移動機構によって前記平面座標系の座標位置に移動されたときに前記レーザー光照射部から前記対象物に向かって照射されるレーザー光の前記平面座標系での座標位置の補正値を、前記レーザー光画像上での前記レーザー光の位置に基づいて求める補正値取得手段と、を備える。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記レーザー高さ測定装置は部品が実装される基板の生産を行う基板生産機に組み込まれており、前記対象物は前記基板生産機の作業位置に水平姿勢でクランプされた基板であり、前記減光フィルタは、前記作業位置にクランプされた基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。
【００１６】
請求項３に係る部品実装機の発明は、基板を部品実装位置に搬入し位置決めし搬出する基板搬送装置と、部品を供給する部品供給装置と、前記部品供給装置から前記部品を採取して前記位置決めされた基板に装着する実装ヘッドおよび前記実装ヘッドを水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を有する部品移載装置と、前記実装ヘッドが前記部品供給装置から前記基板上に移動する途中で採取されている部品を撮像する部品カメラと、を備え、前記実装ヘッドに、請求項１または２に記載のレーザー高さ測定装置の前記レーザー高さセンサが取り付けられ、前記部品移載装置の前記ヘッド駆動機構は、前記レーザー高さ測定装置の前記センサ移動機構に兼用され、前記部品カメラは、前記レーザー高さ測定装置の前記画像カメラに兼用され、前記レーザー高さ測定装置の前記減光フィルタは、前記部品カメラの光入射部上に、前記部品実装位置に位置決めされた前記基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係るレーザー高さ測定装置の発明では、センサ移動機構により較正位置に位置決めされたレーザー高さセンサのレーザー光照射部からレーザー光が照射され、レーザー光は減光フィルタを減衰しつつ透過して画像カメラに達し、レーザー光画像が得られる。レーザー光画像上のレーザー光の位置は、減光フィルタの作用によって高精度に求められ、較正位置からの偏移量を座標位置の補正値として求めることができる。これにより、レーザー高さセンサがセンサ移動機構によって任意の座標位置に移動されたときに、レーザー光の照射位置すなわち測定位置をこの補正値を用いて補正することができる。つまり、任意の座標位置で高さを測定する際に、センサ移動機構により補正値を考慮してレーザー高さセンサを移動させ、正確に測定位置を制御できる。
【００１８】
また、センサの構成部材の寸法公差や取り付け作業のばらつきなどに起因する構造上の寸法誤差が生じていても、測定装置ごとに寸法誤差を補正値として求め、補正することができる。したがって、センサの取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができる。
【００１９】
請求項２に係る発明では、レーザー高さ測定装置は基板生産機に組み込まれており、対象物は水平姿勢でクランプされた基板とされ、減光フィルタは基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。このため、仮にレーザー高さセンサが傾斜して取り付けられてレーザー光の光軸が傾斜していても、較正位置における減光フィルタ上の座標位置の誤差と、基板の上面における座標位置の誤差とが略一致する。したがって、較正位置で求めた補正値を用いることにより、正確に基板上の任意の測定位置を制御できる。
【００２０】
請求項３に係る部品実装機の発明では、実装ヘッドにレーザー高さセンサが取り付けられ、ヘッド駆動機構はセンサ移動機構に兼用され、部品カメラは画像カメラに兼用され、減光フィルタは部品カメラの光入射部上に基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。したがって、従来の部品実装機の構成を変更することなく、治具として減光フィルタを用いて補正値を求めることができ、正確に基板上の任意の測定位置を制御できる。これにより、基板の上面の高さを複数位置で正確に測定でき、基板に反りなどが生じていても円滑な部品装着動作が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態の部品実装機を説明する斜視図である。
【図２】（１）はレーザー高さセンサの構成および高さ検出方式を模式的に説明する図であり、（２）は高さ測定の対象物および測定位置を模式的に説明する図である。
【図３】実施形態の部品実装機に組み込まれたレーザー高さ測定装置の測定位置の較正実施状況を説明する図である。
【図４】図３のレーザー高さセンサから連結部までの範囲を拡大した部分斜視図である。
【図５】減光フィルタを有する較正治具の構造を示す斜視断面図である。
【図６】実施形態で得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。
【図７】較正治具を使用しない場合に得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。
【図８】減光フィルタが透過レーザー光の位置を高精度化する作用を説明する別のレーザー光画像例であり、（１）は減光フィルタ使用時、（２）は減光フィルタ未使用時を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態の部品実装機について、図１〜図８を参考にして説明する。図１は、実施形態の部品実装機１を説明する斜視図である。実施形態の部品実装機１には、本発明のレーザー高さ測定装置が組み込まれている。部品実装機１は、基板搬送装置２、部品供給装置３、部品移載装置４、および部品カメラ５を基台９に組み付けるとともに、部品移載装置４の実装ヘッド４４にレーザー高さセンサ６を取り付け、各装置２〜６を図略の制御コンピュータから制御するようにして構成する。
【００２３】
基板搬送装置２は、第１および第２ガイドレール２１、２２、一対のコンベアベルト、およびクランプ装置などにより構成されている。第１および第２ガイドレール２１、２２は、基台９の上部中央を横断して搬送方向（Ｘ軸方向）に延在し、かつ互いに平行するように基台９に組み付けられている。第１および第２ガイドレール２１、２２の直下に、互いに平行に配置された一対のコンベアベルトが並設されている。コンベアベルトは、コンベア搬送面に基板Ｋを戴置した状態で搬送方向（Ｘ方向）に輪転して、基板Ｋを基台９の中央部に設定された部品実装位置に搬入および搬出する。また、基台９の中央部のコンベアベルトの下方にクランプ装置が設けられている。クランプ装置は、基板Ｋを押し上げて水平姿勢でクランプし、部品実装位置に位置決めする。図１には、部品実装位置に位置決めされた基板Ｋが示されている。
【００２４】
部品供給装置３はフィーダ方式の装置であり、部品実装機１の長手方向の前部（図１の左前側）に設けられている。部品供給装置３は、着脱可能な多数のカセット式フィーダ３１がセットされて構成されている。カセット式フィーダ３１は、本体３２と、本体３２の後部に設けられた供給リール３３と、本体３２の先端に設けられた部品取出部３４とを備えている。供給リール３３には多数の部品が所定ピッチで封入された細長いテープ（図示省略）が巻回保持され、このテープがスプロケット（図示省略）により所定ピッチで引き出され、部品が封入状態を解除されて部品取出部３４に順次送り込まれるようになっている。
【００２５】
部品移載装置４は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能なＸＹロボットタイプの装置である。部品移載装置４は、一対のＹ軸レール４１、４２、実装ヘッド４４、吸着ノズル４５、基板カメラ４６などにより構成されている。一対のＹ軸レール４１、４２は基台９の長手方向の後部（図１の右奥側）から前部の部品供給装置３の上方にかけて配設されている。Ｙ軸レール４１、４２上に、移動台４３が水平２方向（ＸＹ方向）に移動可能に支持されている。移動台４３には、実装ヘッド４４が設けられている。実装ヘッド４４には、負圧により部品を吸着採取する吸着ノズル４５が下向きに突設され、さらに基板Ｋの上面を撮像する基板カメラ４６が下向きに設けられている。
【００２６】
部品移載装置４の実装ヘッド４４は２つのサーボモータにより水平２方向（ＸＹ方向）に駆動され、さらに吸着ノズル４５は別のサーボモータにより昇降方向に駆動される。これにより、吸着ノズル４５は、部品供給装置３のカセット式フィーダ３１から部品を吸着採取して位置決めされた基板Ｋ上の装着ポイントに装着する。基板カメラ４６は、位置決めされた基板Ｋのフィデューシャルマークを読み取り、基板Ｋの部品実装位置に対する位置誤差を検出して、吸着ノズル４５が部品を装着するときの位置制御に反映する。
【００２７】
上述のＹ軸レール４１、４２、移動台４３、および２つのサーボモータは、実装ヘッド４４を水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を構成している。また、部品実装位置や装着ポイントは、ヘッド駆動機構上の平面座標系の座標値で表される。実装ヘッド４４の基台９に対する相対的な位置関係は、平面座標系で表した基準位置に実装ヘッド４４を移動させたときの基板カメラ４６の撮像データにより予め較正されている。つまり、平面座標系の任意の座標位置で適用される補正値が予め求められている。したがって、実装ヘッド４４やヘッド駆動機構を構成する構成部材の寸法公差や取り付けおよび調整のばらつきなどにより構造上の寸法誤差が生じていても、補正値が用いられることで実装ヘッド４４の位置の制御精度は良好に保たれる。
【００２８】
部品カメラ５は、基板搬送装置２と部品供給装置３との間の基台９の上面に、上向きに設けられている。部品カメラ５は、吸着ノズル４５が部品供給装置３から基板Ｋ上に移動する途中で吸着採取されている部品の状態を撮像して検出するものである。部品カメラ５が部品の吸着位置や回転角のずれ、リードの曲がりなどを検出すると、必要に応じて部品装着動作が微調整され、装着が困難な部品は廃棄される。部品カメラ５の周辺の詳細構造は後で説明する。
【００２９】
部品実装機１は、図略の制御コンピュータを備えている。制御コンピュータは、生産する基板の基板種と装着される部品種との対応関係を始めとする諸情報、基板カメラ４６や部品カメラ５の撮像データ、および図略のセンサの検出情報などに基づいて、部品装着動作を制御する。
【００３０】
次に、レーザー高さ測定装置について説明する。レーザー高さ測定装置を構成するレーザー高さセンサ６は、図１に示されるように、実装ヘッド４４の下側に基板カメラ４６と並んで下向きに取り付けられている。したがって、レーザー高さセンサ６は実装ヘッド４４によって移動され、ヘッド駆動機構はレーザー高さセンサ６を移動させるセンサ移動機構に兼用されている。図２の（１）はレーザー高さセンサ６の構成および高さ検出方式を模式的に説明する図であり、（２）は高さ測定の対象物および測定位置を模式的に説明する図である。
【００３１】
図２の（１）に示されるように、レーザー高さセンサ６は、隣接配置されたレーザー光照射部６１および反射光検出部６２を有している。レーザー光照射部６１は、下方に配置された対象物である基板Ｋに向かって、レーザー光Ｌ１を下向きに照射する。レーザー光Ｌ１は基板Ｋの上面で反射され、反射レーザー光Ｌ２が反射光検出部６２に入射する。反射光検出部６２は、反射レーザー光Ｌ２の検出位置の違いから、対象物の高さＨを検出する。図２の（１）では、基板Ｋが正規の高さＨにあるときの反射レーザー光Ｌ２と、基板Ｋｘが正規よりも上方の高さＨ３にあるときの反射レーザー光Ｌ３とが例示されている。
【００３２】
また、図２の（２）に示されるように、レーザー高さセンサ６の高さ測定の対象物は基板Ｋの上面であり、複数の測定位置で高さ測定を行う。図には、基板ＫのＹ軸方向の３箇所ｙ１、ｙ２、およびｙ３の測定位置が例示されている。実際には、Ｘ軸方向の３箇所も考慮し、基板Ｋ上の合計９箇所の格子点を測定位置として高さ測定を行う。この場合、基板Ｋが平板でかつ水平姿勢を保っていると、全測定位置で同じ高さＨが測定される。また、図中に破線で例示されるように、反りのある基板Ｋｘでは、各測定位置でそれぞれ異なった高さｈ１〜ｈ３が測定される。また、基板Ｋが水平姿勢でなく傾斜してクランプされた場合も、各測定位置で異なった高さが測定される。なお、合計９箇所の測定位置は例であって、所望する任意数量の任意の測定位置をヘッド駆動機構上の平面座標系の座標値を用いて設定することができる。
【００３３】
また、部品カメラ５は、レーザー高さ測定装置の測定位置の較正を行うための画像カメラに兼用されている。部品カメラ５の位置は、センサ移動機構すなわちヘッド駆動機構上の平面座標系の特定の座標位置で表されており、特定の座標位置が較正位置に該当する。さらに、レーザー高さ測定装置の測定位置の較正を行うための治具として、減光フィルタ７を用いる。
【００３４】
図３は、実施形態の部品実装機１に組み込まれたレーザー高さ測定装置の測定位置の較正実施状況を説明する図であり、一部は断面が示されている。また、図４は、図３のレーザー高さセンサ６から連結部５３までの範囲を拡大した部分斜視図である。図３において、レーザー高さセンサ６は、ヘッド駆動機構によって平面座標系で表された較正位置に位置決めされている。つまり、レーザー高さセンサ６のレーザー光照射部６１が、部品カメラ５の鉛直真上に位置決めされている。部品カメラ５は、鉛直方向の光入射軸ＡＯを有し、支持台５２を介して基台９上に取り付けられている。部品カメラ５の上部中央は、上方からの光が入射する光入射部５１となっている。部品カメラ５の上方には筒状の連結部５３が配設され、連結部５３の上側には上向きに開いた底のない椀状の上端部材５４が配設されている。部品カメラ５、連結部５３、および上端部材５４は、光入射軸ＡＯを共有しており、さらに、レーザー高さセンサ６が較正位置に正確に位置決めされると、レーザー光Ｌ１の光軸が光入射軸ＡＯに重なるようになっている。
【００３５】
連結部５３の内壁の一つの側面には、多数のＬＥＤよりなる落射光源５３１が設けられている。また、連結部５３の内部を斜めに横切ってハーフミラー５３２が設けられている。ハーフミラー５３２は、落射光源５３１から照射された水平方向の落射光を鉛直上向きに反射し、上方からの光を部品カメラ５の光入射部５１に向けて透過する。連結部５３の開いた上面は、透明なカバーガラス５３３により覆われている。上端部材５４の椀状の内面には、多数のＬＥＤよりなる側射光源５４１が設けられている。落射光源５３１および側射光源５４１は、部品カメラ５が吸着ノズル４５に吸着採取されている部品の状態を撮像するときに、部品を鉛直下方および斜め側方から照明するようになっている。落射光源５３１および側射光源５４１は、レーザー高さ測定装置の測定位置を較正するときには消灯される。
【００３６】
上端部材５４の椀状の開いた上面に、減光フィルタ７１を有する較正治具７がセットされている。図５は、減光フィルタ７１を有する較正治具７の構造を示す斜視断面図である。較正治具７は、光入射軸ＡＯを中心とする略軸対称形状であり、上側の大径の母板７２、下側の小径の押え板７３、その間の減光フィルタ７１、および押えねじ７４で構成されている。母板７２および押え板７３は中央に通過穴を有し、両者７２、７３の間で通過穴を塞ぐように減光フィルタ７１が配置されて挟持されている。母板７２と押え板７３とは、押えねじ７４により固定されている。減光フィルタ７１は、樹脂製フィルムからなり、レーザー高さセンサ６から照射されるレーザー光Ｌ１を所定の減衰率で減衰させつつ透過させる。減光フィルタ７１のレーザー光減衰率は、後述する透過レーザー光の位置の高精度化が良好となるように適宜選定する。
【００３７】
較正治具７は、常時の部品装着動作時には使用されず、レーザー高さ測定装置の測定位置を較正するときに、上端部材５４の上面に内向きに設けられた内フランジ５４２の上にセットされて使用される。このとき、図３に示されるように、減光フィルタ７１は、レーザー高さセンサ６のレーザー光照射部６１と部品カメラ５の光入射部５１との間に配置される。また、レーザー高さセンサ６に対する減光フィルタ７１の高さＨが、部品実装位置に位置決めされた基板Ｋの上面の正規高さＨ（図２参照）と一致するようになっている。なお、実施形態では較正治具７のセットおよび取り外しを人手により行うが、これに限定されず、セット機構を付加して自動で行うようにしてもよい。
【００３８】
図３に示される状況で、レーザー光撮像手段および補正値取得手段からなる較正を行う。レーザー光撮像手段では、まず、ヘッド駆動機構によりレーザー高さセンサ６を較正位置、すなわち部品カメラ５の光入射軸ＡＯの鉛直上方に位置決めする。次に、レーザー光照射部６１から部品カメラ５の光入射部５１に向かってレーザー光Ｌ１を下向きに照射する。すると、レーザー光Ｌ１は、減光フィルタ７１を減衰しつつ透過して透過レーザー光となり、部品カメラ５の光入射部５１に達する。部品カメラ５は、透過レーザー光を撮像してレーザー光画像を得る。
【００３９】
補正値取得手段では、レーザー光画像上での透過レーザー光の位置に基づいて補正値を求める。例えば、ヘッド駆動機構による較正位置の位置制御に殆ど誤差がない場合、透過レーザー光の位置はレーザー光画像の画像領域の中央となる。この場合、補正値はゼロでよい。ところが、ヘッド駆動機構による較正位置の位置制御に誤差がある場合、透過レーザー光の位置はレーザー光画像の画像領域の中央から偏移する。この場合、偏移量に相当する補正値を設定する。補正値は、レーザー高さセンサ６が基板Ｋ上の座標位置に移動されたときに、その座標位置を補正するために用いられる。
【００４０】
なお、前述した較正は、部品実装機１を製造した直後、および定期点検などでヘッド駆動機構の再調整や一部の構成部品の交換をした直後に実施すればよく、日々の始動時に毎回実施する必要はない。
【００４１】
次に、前述のように構成された実施形態の部品実装機１におけるレーザー高さ測定装置の作用について説明する。図６は、実施形態で得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。図６の（１）のレーザー光画像の全領域画像で、透過レーザー光は略中央の小さな輝点Ｐ１で示されている。また、中央部分の縦２２ピクセル×横２８ピクセルを拡大した（２）で、透過レーザー光は数ピクセルの輝点Ｐ１によって示されている。そして、輝点Ｐ１の位置は、直交する細線の交点で示される光入射軸ＡＯの位置に一致している。したがって、この場合は補正値をゼロとする。仮に、透過レーザー光の輝点Ｐ１の位置が光入射軸ＡＯの位置から偏移していた場合、偏移量に相当する補正値を設定する。
【００４２】
一方、図７は、較正治具７を使用しない場合に得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。較正治具７を使用しない場合、図７の（１）のレーザー光画像の全領域画像で、透過レーザー光は不規則な形状の輝くエリアＰ２で示されている。また、中央部分を拡大した（２）で、輝くエリアＰ２は拡大画像の大部分を占めている。このため、透過レーザー光の位置を正確に判別することは困難であり、正確な補正値を求めることができない。
【００４３】
図６と図７を比較すれば明らかなように、減光フィルタ７１には、透過レーザー光の位置を高精度化する作用がある。一般的に、レーザー高さセンサ６のレーザー光照射部６１では、内部の乱反射などの原因により、レーザー光Ｌ１は光軸を中心として周辺にも多少の成分を有している。減光フィルタ７１は、レーザー光Ｌ１の周辺の成分を抑え、光軸中心の成分だけを抽出する作用がある。
【００４４】
図８は、減光フィルタ７１が透過レーザー光の位置を高精度化する作用を説明する別のレーザー光画像例であり、（１）は減光フィルタ７１使用時、（２）は減光フィルタ７１未使用時を示している。図８の（１）に示される減光フィルタ７１使用時に、透過レーザー光は小さな輝くエリアＰ３で示されている。また、このレーザー光画像からエリアＰ３の光入射軸ＡＯに対する偏移量、すなわち補正値を正確に求めることができる。一方、（２）に示される減光フィルタ７１未使用時に、透過レーザー光は広く輝くエリアＰ４で示されている。さらに、格子状に多数の輝点が生じている。このため、透過レーザー光の位置は推定できても、光入射軸ＡＯに対する偏移量、すなわち補正値を正確に求めることが難しい。
【００４５】
実施形態のレーザー高さ測定装置を組み込んだ部品実装機１によれば、レーザー光画像上の透過レーザー光の位置が減光フィルタ７１の作用によって高精度に求められ、光入射軸ＡＯ（較正位置）からの偏移量を座標位置の補正値として求めることができる。さらに、レーザー高さセンサ６がヘッド駆動機構によって基板Ｋ上の任意の座標位置に移動されたときに、レーザー光の照射位置すなわち測定位置をこの補正値を用いて補正することができる。つまり、基板Ｋ上の任意の座標位置で高さ測定を行う際に、ヘッド駆動機構により補正値を考慮してレーザー高さセンサ６を移動させ、正確に測定位置を制御できる。
【００４６】
また、レーザー高さセンサ６の構成部材の寸法公差や取り付け作業のばらつきなどに起因する構造上の寸法誤差が生じていても、部品実装機１ごとに寸法誤差を補正値として求め、補正することができる。したがって、レーザー高さセンサ６の取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができる。
【００４７】
さらに、従来の部品実装機１の構成を変更することなく、減光フィルタ７１を有する較正治具７を用いて補正値を求めることができ、正確に基板Ｋ上の任意の測定位置を制御できる。これにより、基板Ｋの上面の高さを複数位置で正確に測定でき、基板Ｋに反りなどが生じていても円滑な部品装着動作が行える。
【００４８】
なお、本発明のレーザー高さ測定装置は、部品実装機１以外の基板生産機や、他の業種の設備機械にも組み込むことができる。その他、本発明は様々な応用や変形が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１：部品実装機
２：基板搬送装置 ２１、２２：第１および第２ガイドレール
３：部品供給装置 ３１：カセット式フィーダ
４：部品移載装置 ４１、４２：Ｙ軸レール移動台 ４３：移動台
４４：実装ヘッド ４５：吸着ノズル ４６：基板カメラ
５：部品カメラ（画像カメラ） ５１：光入射部 ５３：連結部 ５４：上端部材
６：レーザー高さセンサ ６１：レーザー光照射部 ６２：反射光検出部
７：較正治具 ７１：減光フィルタ ７２：母板 ７３：押え板 ７４：押えねじ
９：基台
Ｌ１：レーザー光 Ｌ２、Ｌ３：反射レーザー光 ＡＯ：光入射軸
Ｋ、Ｋｘ、Ｋｙ：基板 Ｈ、Ｈ３、ｈ１〜ｈ３：高さ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光を用いて対象物の高さを測定するレーザー高さ測定装置、および該レーザー高さ測定装置を組み込んで基板の上面高さを測定する部品実装機に関し、より詳細には、高さを測定する測定位置の補正手段に関する。
【背景技術】
【０００２】
基板に生産作業を施す基板生産機として、はんだ印刷機、部品実装機、リフロー機、および基板検査機などがあり、これらを基板搬送装置で連結して基板生産ラインを構築するのが一般的になっている。このうち部品実装機は、基板を部品実装位置に搬入し位置決めし搬出する基板搬送装置と、部品を供給する部品供給装置と、部品供給装置から部品を採取して位置決めされた基板に装着する実装ヘッドおよび実装ヘッドを水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を有する部品移載装置と、実装ヘッドが部品供給装置から基板上に移動する途中で採取されている部品を撮像する部品カメラと、を備えている。部品実装機は、さらに、位置決めされた基板の位置やＩＤコードなどを確認するために基板カメラを実装ヘッドに備えている。
【０００３】
近年、部品実装機の実装ヘッドにレーザー高さセンサを取り付けてヘッド駆動機構により位置決めされた基板の所定座標位置に移動させ、基板の高さを複数位置で測定する技術が提案されている。これにより、部品を装着する基板の上面の高さを正確に測定でき、基板に反りなどが生じていても円滑な部品装着動作を行える効果が生じる。レーザー高さセンサは、部品実装機に限定されず、特許文献１に例示されるように基板検査機などにも応用されている。特許文献１の基板検査装置は、レーザー変位センサ（レーザー高さセンサ）、変位計測手段、計測位置教示手段、および基板高さ演算手段を備え、基板上の検査対象の高さを求めて検査を行うようになっている。
【０００４】
部品実装機の実装ヘッドに取り付けられたレーザー高さセンサは、ヘッド駆動機構により水平面内の直交２方向に駆動され、測定位置はヘッド駆動機構上の平面座標系の座標値を用いて制御される。そして、実装ヘッドの部品実装機基台に対する位置関係は、構成部材の寸法公差や取り付けおよび調整のばらつきなどにより構造上の寸法誤差が生じるため、前述の基板カメラの撮像データにより位置補正を行うのが一般的になっている。この位置補正は、基板カメラの実装ヘッドに対する位置関係の誤差も同時に解消する。さらに、この位置補正は、レーザー高さセンサの測定位置の補正にも同様に適用される。
【０００５】
一方、レーザー高さセンサの高さ測定精度は、対象物である基板の表面状態に左右されがちである。例えば、測定に必要な面積範囲内で高さが一定でないと高さ測定精度が低下する。また、表面の材質によってレーザー光の反射率が変化し、ランドパターンなどでは反射率は高いが、基板素地では反射率が低く、高さ測定精度が低下する一因となり得る。例えば、測定位置を所定のマーカーやランドパターン内に設定しても、測定位置の制御誤差により実際の測定時にレーザー光の照射位置がマーカーやランドパターンからはみ出ると、高さ測定精度が低下する。この種の高さ測定の精度向上に関する技術例が特許文献２および３に開示されている。
【０００６】
特許文献２の三次元形状計測装置は、位置に応じて周期的に輝度が変化する光パタンを画像として読み取るラインセンサと、ラインセンサおよび計測対象の一方をラインセンサの主走査方向と異なる副走査方向に移動させる移動部と、移動部を制御するとともに画像を解析することによって計測対象の三次元形状を計測する画像解析部とを備えている。画像解析部は、複数の高さを有する校正用ターゲット、例えば３つ以上の平面を段状に有する校正用ターゲットを用いて校正を行うようになっている。これにより、校正用ターゲットを取り替えたり、高さを調整したりする必要がなく、高さの校正を迅速に行うことができる、とされている。
【０００７】
また、特許文献３のレーザ光量制御装置は、レーザ光を射出するレーザ光源と、レーザ光を集光して射出する集光レンズと、レーザ光の一部を分離したモニタ光を検出する検出手段と、モニタ光の光量に基づいてレーザ光の光量を制御する光量制御手段とを備え、レーザ光の一部をモニタ光として反射する反射面を集光レンズが有することを特徴としている。さらに実施形態では、モニタ光の検出手段としてフォトダイオードが例示されている。この構成によれば、ビームスプリッタのような高価な部品を用いることなく安定性の高いモニタ光を得ることができ、装置の小型化、コストの削減を図ることができる、とされている。
【０００８】
なお、レーザー高さセンサによる高さ測定の技術は、基板生産機に限定されるものではなく、幅広い分野の設備機械に適用し得る技術である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３０７９３号公報
【特許文献２】特開２００８−１７０２７９号公報
【特許文献３】特開２００３−１１０１８８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
ところで、部品実装機の実装ヘッドにレーザー高さセンサおよび基板カメラが組み込まれた構成では、従来、実装ヘッドの部品実装機基台に対する位置関係が基板カメラの撮像データにより較正されていた。このため、基板上の部品装着ポイントや撮像位置の制御精度は良好に保たれるが、レーザー高さセンサの測定位置の制御精度が低下するおそれがあった。なぜなら、実装ヘッドにレーザー高さセンサを組み付ける際にも基板カメラの場合と同様に構成部材の寸法公差や取り付けおよび調整のばらつきなどがあって、センサの実装ヘッドに対する位置関係に誤差が生じるにも拘わらず、較正および補正が行われていないからである。したがって、レーザー高さセンサの測定位置の制御精度を確保するために、センサの取り付け位置調整機構を設けて各部品実装機で個別に取り付け位置の調整を行い、装置ごとの個体差や調整者の調整作業のばらつきなどに特別な配慮を払う必要があった。
【００１１】
一方、基板を小形化するために部品や回路パターンの軽薄短小化および部品実装の高密度化が近年進んでおり、レーザー高さセンサによる高さ測定に好適な測定位置が限られてきている。つまり、高さが一定でかつレーザー光の反射率が良好な測定範囲が限られ、測定範囲は１ｍｍ四方未満程度しか確保できなくなってきている。このため、レーザー高さセンサの測定高さの精度を向上するために、測定位置の制御精度を向上することが喫緊の課題となっている。
【００１２】
これに対し、特許文献１および２の技術は測定高さ自体の較正および補正に関する技術であり、また、特許文献３の技術は測定に用いるレーザー光の光量調整に関する技術であり、いずれも測定位置の制御精度を維持および向上するものではない。
【００１３】
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みてなされたものであり、高さを測定する際に正確に測定位置を制御でき、かつセンサの取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができるレーザー高さ測定装置、および該レーザー高さ測定装置を組み込んだ部品実装機を提供することを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する請求項１に係るレーザー高さ測定装置の発明は、対象物に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射部、および前記対象物で反射されたレーザー光を検出する反射光検出部を有して前記対象物の高さを測定するレーザー高さセンサと、前記レーザー高さセンサを平面内で移動させるセンサ移動機構と、を備えるレーザー高さ測定装置であって、前記センサ移動機構上の平面座標系で表した所定の較正位置に配置された画像カメラと、前記較正位置に位置決めされた前記レーザー高さセンサのレーザー光照射部と前記画像カメラの光入射部との間に配置され、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって照射されたレーザー光を減衰しつつ透過する減光フィルタと、前記レーザー高さセンサを前記較正位置に位置決めし、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって前記レーザー光を照射し、前記減光フィルタを透過したレーザー光を前記画像カメラで撮像してレーザー光画像を得るレーザー光撮像手段と、前記レーザー高さセンサが前記センサ移動機構によって前記平面座標系の座標位置に移動されたときに前記レーザー光照射部から前記対象物に向かって照射されるレーザー光の前記平面座標系での座標位置の補正値を、前記レーザー光画像上での前記レーザー光の位置に基づいて求める補正値取得手段と、を備える。
【００１５】
請求項２に係る発明は、請求項１において、前記レーザー高さ測定装置は部品が実装される基板の生産を行う基板生産機に組み込まれており、前記対象物は前記基板生産機の作業位置に水平姿勢でクランプされた基板であり、前記減光フィルタは、前記作業位置にクランプされた基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。
【００１６】
請求項３に係る部品実装機の発明は、基板を部品実装位置に搬入し位置決めし搬出する基板搬送装置と、部品を供給する部品供給装置と、前記部品供給装置から前記部品を採取して前記位置決めされた基板に装着する実装ヘッドおよび前記実装ヘッドを水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を有する部品移載装置と、前記実装ヘッドが前記部品供給装置から前記基板上に移動する途中で採取されている部品を撮像する部品カメラと、を備え、前記実装ヘッドに、請求項１または２に記載のレーザー高さ測定装置の前記レーザー高さセンサが取り付けられ、前記部品移載装置の前記ヘッド駆動機構は、前記レーザー高さ測定装置の前記センサ移動機構に兼用され、前記部品カメラは、前記レーザー高さ測定装置の前記画像カメラに兼用され、前記レーザー高さ測定装置の前記減光フィルタは、前記部品カメラの光入射部上に、前記部品実装位置に位置決めされた前記基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係るレーザー高さ測定装置の発明では、センサ移動機構により較正位置に位置決めされたレーザー高さセンサのレーザー光照射部からレーザー光が照射され、レーザー光は減光フィルタを減衰しつつ透過して画像カメラに達し、レーザー光画像が得られる。レーザー光画像上のレーザー光の位置は、減光フィルタの作用によって高精度に求められ、較正位置からの偏移量を座標位置の補正値として求めることができる。これにより、レーザー高さセンサがセンサ移動機構によって任意の座標位置に移動されたときに、レーザー光の照射位置すなわち測定位置をこの補正値を用いて補正することができる。つまり、任意の座標位置で高さを測定する際に、センサ移動機構により補正値を考慮してレーザー高さセンサを移動させ、正確に測定位置を制御できる。
【００１８】
また、センサの構成部材の寸法公差や取り付け作業のばらつきなどに起因する構造上の寸法誤差が生じていても、測定装置ごとに寸法誤差を補正値として求め、補正することができる。したがって、センサの取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができる。
【００１９】
請求項２に係る発明では、レーザー高さ測定装置は基板生産機に組み込まれており、対象物は水平姿勢でクランプされた基板とされ、減光フィルタは基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。このため、仮にレーザー高さセンサが傾斜して取り付けられてレーザー光の光軸が傾斜していても、較正位置における減光フィルタ上の座標位置の誤差と、基板の上面における座標位置の誤差とが略一致する。したがって、較正位置で求めた補正値を用いることにより、正確に基板上の任意の測定位置を制御できる。
【００２０】
請求項３に係る部品実装機の発明では、実装ヘッドにレーザー高さセンサが取り付けられ、ヘッド駆動機構はセンサ移動機構に兼用され、部品カメラは画像カメラに兼用され、減光フィルタは部品カメラの光入射部上に基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される。したがって、従来の部品実装機の構成を変更することなく、治具として減光フィルタを用いて補正値を求めることができ、正確に基板上の任意の測定位置を制御できる。これにより、基板の上面の高さを複数位置で正確に測定でき、基板に反りなどが生じていても円滑な部品装着動作が行える。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】実施形態の部品実装機を説明する斜視図である。
【図２】（１）はレーザー高さセンサの構成および高さ検出方式を模式的に説明する図であり、（２）は高さ測定の対象物および測定位置を模式的に説明する図である。
【図３】実施形態の部品実装機に組み込まれたレーザー高さ測定装置の測定位置の較正実施状況を説明する図である。
【図４】図３のレーザー高さセンサから連結部までの範囲を拡大した部分斜視図である。
【図５】減光フィルタを有する較正治具の構造を示す斜視断面図である。
【図６】実施形態で得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。
【図７】較正治具を使用しない場合に得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。
【図８】減光フィルタが透過レーザー光の位置を高精度化する作用を説明する別のレーザー光画像例であり、（１）は減光フィルタ使用時、（２）は減光フィルタ未使用時を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の実施形態の部品実装機について、図１〜図８を参考にして説明する。図１は、実施形態の部品実装機１を説明する斜視図である。実施形態の部品実装機１には、本発明のレーザー高さ測定装置が組み込まれている。部品実装機１は、基板搬送装置２、部品供給装置３、部品移載装置４、および部品カメラ５を基台９に組み付けるとともに、部品移載装置４の実装ヘッド４４にレーザー高さセンサ６を取り付け、各装置２〜６を図略の制御コンピュータから制御するようにして構成する。
【００２３】
基板搬送装置２は、第１および第２ガイドレール２１、２２、一対のコンベアベルト、およびクランプ装置などにより構成されている。第１および第２ガイドレール２１、２２は、基台９の上部中央を横断して搬送方向（Ｘ軸方向）に延在し、かつ互いに平行するように基台９に組み付けられている。第１および第２ガイドレール２１、２２の直下に、互いに平行に配置された一対のコンベアベルトが並設されている。コンベアベルトは、コンベア搬送面に基板Ｋを戴置した状態で搬送方向（Ｘ方向）に輪転して、基板Ｋを基台９の中央部に設定された部品実装位置に搬入および搬出する。また、基台９の中央部のコンベアベルトの下方にクランプ装置が設けられている。クランプ装置は、基板Ｋを押し上げて水平姿勢でクランプし、部品実装位置に位置決めする。図１には、部品実装位置に位置決めされた基板Ｋが示されている。
【００２４】
部品供給装置３はフィーダ方式の装置であり、部品実装機１の長手方向の前部（図１の左前側）に設けられている。部品供給装置３は、着脱可能な多数のカセット式フィーダ３１がセットされて構成されている。カセット式フィーダ３１は、本体３２と、本体３２の後部に設けられた供給リール３３と、本体３２の先端に設けられた部品取出部３４とを備えている。供給リール３３には多数の部品が所定ピッチで封入された細長いテープ（図示省略）が巻回保持され、このテープがスプロケット（図示省略）により所定ピッチで引き出され、部品が封入状態を解除されて部品取出部３４に順次送り込まれるようになっている。
【００２５】
部品移載装置４は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に移動可能なＸＹロボットタイプの装置である。部品移載装置４は、一対のＹ軸レール４１、４２、実装ヘッド４４、吸着ノズル４５、基板カメラ４６などにより構成されている。一対のＹ軸レール４１、４２は基台９の長手方向の後部（図１の右奥側）から前部の部品供給装置３の上方にかけて配設されている。Ｙ軸レール４１、４２上に、移動台４３が水平２方向（ＸＹ方向）に移動可能に支持されている。移動台４３には、実装ヘッド４４が設けられている。実装ヘッド４４には、負圧により部品を吸着採取する吸着ノズル４５が下向きに突設され、さらに基板Ｋの上面を撮像する基板カメラ４６が下向きに設けられている。
【００２６】
部品移載装置４の実装ヘッド４４は２つのサーボモータにより水平２方向（ＸＹ方向）に駆動され、さらに吸着ノズル４５は別のサーボモータにより昇降方向に駆動される。これにより、吸着ノズル４５は、部品供給装置３のカセット式フィーダ３１から部品を吸着採取して位置決めされた基板Ｋ上の装着ポイントに装着する。基板カメラ４６は、位置決めされた基板Ｋのフィデューシャルマークを読み取り、基板Ｋの部品実装位置に対する位置誤差を検出して、吸着ノズル４５が部品を装着するときの位置制御に反映する。
【００２７】
上述のＹ軸レール４１、４２、移動台４３、および２つのサーボモータは、実装ヘッド４４を水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を構成している。また、部品実装位置や装着ポイントは、ヘッド駆動機構上の平面座標系の座標値で表される。実装ヘッド４４の基台９に対する相対的な位置関係は、平面座標系で表した基準位置に実装ヘッド４４を移動させたときの基板カメラ４６の撮像データにより予め較正されている。つまり、平面座標系の任意の座標位置で適用される補正値が予め求められている。したがって、実装ヘッド４４やヘッド駆動機構を構成する構成部材の寸法公差や取り付けおよび調整のばらつきなどにより構造上の寸法誤差が生じていても、補正値が用いられることで実装ヘッド４４の位置の制御精度は良好に保たれる。
【００２８】
部品カメラ５は、基板搬送装置２と部品供給装置３との間の基台９の上面に、上向きに設けられている。部品カメラ５は、吸着ノズル４５が部品供給装置３から基板Ｋ上に移動する途中で吸着採取されている部品の状態を撮像して検出するものである。部品カメラ５が部品の吸着位置や回転角のずれ、リードの曲がりなどを検出すると、必要に応じて部品装着動作が微調整され、装着が困難な部品は廃棄される。部品カメラ５の周辺の詳細構造は後で説明する。
【００２９】
部品実装機１は、図略の制御コンピュータを備えている。制御コンピュータは、生産する基板の基板種と装着される部品種との対応関係を始めとする諸情報、基板カメラ４６や部品カメラ５の撮像データ、および図略のセンサの検出情報などに基づいて、部品装着動作を制御する。
【００３０】
次に、レーザー高さ測定装置について説明する。レーザー高さ測定装置を構成するレーザー高さセンサ６は、図１に示されるように、実装ヘッド４４の下側に基板カメラ４６と並んで下向きに取り付けられている。したがって、レーザー高さセンサ６は実装ヘッド４４によって移動され、ヘッド駆動機構はレーザー高さセンサ６を移動させるセンサ移動機構に兼用されている。図２の（１）はレーザー高さセンサ６の構成および高さ検出方式を模式的に説明する図であり、（２）は高さ測定の対象物および測定位置を模式的に説明する図である。
【００３１】
図２の（１）に示されるように、レーザー高さセンサ６は、隣接配置されたレーザー光照射部６１および反射光検出部６２を有している。レーザー光照射部６１は、下方に配置された対象物である基板Ｋに向かって、レーザー光Ｌ１を下向きに照射する。レーザー光Ｌ１は基板Ｋの上面で反射され、反射レーザー光Ｌ２が反射光検出部６２に入射する。反射光検出部６２は、反射レーザー光Ｌ２の検出位置の違いから、対象物の高さＨを検出する。図２の（１）では、基板Ｋが正規の高さＨにあるときの反射レーザー光Ｌ２と、基板Ｋｘが正規よりも上方の高さＨ３にあるときの反射レーザー光Ｌ３とが例示されている。
【００３２】
また、図２の（２）に示されるように、レーザー高さセンサ６の高さ測定の対象物は基板Ｋの上面であり、複数の測定位置で高さ測定を行う。図には、基板ＫのＹ軸方向の３箇所ｙ１、ｙ２、およびｙ３の測定位置が例示されている。実際には、Ｘ軸方向の３箇所も考慮し、基板Ｋ上の合計９箇所の格子点を測定位置として高さ測定を行う。この場合、基板Ｋが平板でかつ水平姿勢を保っていると、全測定位置で同じ高さＨが測定される。また、図中に破線で例示されるように、反りのある基板Ｋｘでは、各測定位置でそれぞれ異なった高さｈ１〜ｈ３が測定される。また、基板Ｋが水平姿勢でなく傾斜してクランプされた場合も、各測定位置で異なった高さが測定される。なお、合計９箇所の測定位置は例であって、所望する任意数量の任意の測定位置をヘッド駆動機構上の平面座標系の座標値を用いて設定することができる。
【００３３】
また、部品カメラ５は、レーザー高さ測定装置の測定位置の較正を行うための画像カメラに兼用されている。部品カメラ５の位置は、センサ移動機構すなわちヘッド駆動機構上の平面座標系の特定の座標位置で表されており、特定の座標位置が較正位置に該当する。さらに、レーザー高さ測定装置の測定位置の較正を行うための治具として、減光フィルタ７を用いる。
【００３４】
図３は、実施形態の部品実装機１に組み込まれたレーザー高さ測定装置の測定位置の較正実施状況を説明する図であり、一部は断面が示されている。また、図４は、図３のレーザー高さセンサ６から連結部５３までの範囲を拡大した部分斜視図である。図３において、レーザー高さセンサ６は、ヘッド駆動機構によって平面座標系で表された較正位置に位置決めされている。つまり、レーザー高さセンサ６のレーザー光照射部６１が、部品カメラ５の鉛直真上に位置決めされている。部品カメラ５は、鉛直方向の光入射軸ＡＯを有し、支持台５２を介して基台９上に取り付けられている。部品カメラ５の上部中央は、上方からの光が入射する光入射部５１となっている。部品カメラ５の上方には筒状の連結部５３が配設され、連結部５３の上側には上向きに開いた底のない椀状の上端部材５４が配設されている。部品カメラ５、連結部５３、および上端部材５４は、光入射軸ＡＯを共有しており、さらに、レーザー高さセンサ６が較正位置に正確に位置決めされると、レーザー光Ｌ１の光軸が光入射軸ＡＯに重なるようになっている。
【００３５】
連結部５３の内壁の一つの側面には、多数のＬＥＤよりなる落射光源５３１が設けられている。また、連結部５３の内部を斜めに横切ってハーフミラー５３２が設けられている。ハーフミラー５３２は、落射光源５３１から照射された水平方向の落射光を鉛直上向きに反射し、上方からの光を部品カメラ５の光入射部５１に向けて透過する。連結部５３の開いた上面は、透明なカバーガラス５３３により覆われている。上端部材５４の椀状の内面には、多数のＬＥＤよりなる側射光源５４１が設けられている。落射光源５３１および側射光源５４１は、部品カメラ５が吸着ノズル４５に吸着採取されている部品の状態を撮像するときに、部品を鉛直下方および斜め側方から照明するようになっている。落射光源５３１および側射光源５４１は、レーザー高さ測定装置の測定位置を較正するときには消灯される。
【００３６】
上端部材５４の椀状の開いた上面に、減光フィルタ７１を有する較正治具７がセットされている。図５は、減光フィルタ７１を有する較正治具７の構造を示す斜視断面図である。較正治具７は、光入射軸ＡＯを中心とする略軸対称形状であり、上側の大径の母板７２、下側の小径の押え板７３、その間の減光フィルタ７１、および押えねじ７４で構成されている。母板７２および押え板７３は中央に通過穴を有し、両者７２、７３の間で通過穴を塞ぐように減光フィルタ７１が配置されて挟持されている。母板７２と押え板７３とは、押えねじ７４により固定されている。減光フィルタ７１は、樹脂製フィルムからなり、レーザー高さセンサ６から照射されるレーザー光Ｌ１を所定の減衰率で減衰させつつ透過させる。減光フィルタ７１のレーザー光減衰率は、後述する透過レーザー光の位置の高精度化が良好となるように適宜選定する。
【００３７】
較正治具７は、常時の部品装着動作時には使用されず、レーザー高さ測定装置の測定位置を較正するときに、上端部材５４の上面に内向きに設けられた内フランジ５４２の上にセットされて使用される。このとき、図３に示されるように、減光フィルタ７１は、レーザー高さセンサ６のレーザー光照射部６１と部品カメラ５の光入射部５１との間に配置される。また、レーザー高さセンサ６に対する減光フィルタ７１の高さＨが、部品実装位置に位置決めされた基板Ｋの上面の正規高さＨ（図２参照）と一致するようになっている。なお、実施形態では較正治具７のセットおよび取り外しを人手により行うが、これに限定されず、セット機構を付加して自動で行うようにしてもよい。
【００３８】
図３に示される状況で、レーザー光撮像手段および補正値取得手段からなる較正を行う。レーザー光撮像手段では、まず、ヘッド駆動機構によりレーザー高さセンサ６を較正位置、すなわち部品カメラ５の光入射軸ＡＯの鉛直上方に位置決めする。次に、レーザー光照射部６１から部品カメラ５の光入射部５１に向かってレーザー光Ｌ１を下向きに照射する。すると、レーザー光Ｌ１は、減光フィルタ７１を減衰しつつ透過して透過レーザー光となり、部品カメラ５の光入射部５１に達する。部品カメラ５は、透過レーザー光を撮像してレーザー光画像を得る。
【００３９】
補正値取得手段では、レーザー光画像上での透過レーザー光の位置に基づいて補正値を求める。例えば、ヘッド駆動機構による較正位置の位置制御に殆ど誤差がない場合、透過レーザー光の位置はレーザー光画像の画像領域の中央となる。この場合、補正値はゼロでよい。ところが、ヘッド駆動機構による較正位置の位置制御に誤差がある場合、透過レーザー光の位置はレーザー光画像の画像領域の中央から偏移する。この場合、偏移量に相当する補正値を設定する。補正値は、レーザー高さセンサ６が基板Ｋ上の座標位置に移動されたときに、その座標位置を補正するために用いられる。
【００４０】
なお、前述した較正は、部品実装機１を製造した直後、および定期点検などでヘッド駆動機構の再調整や一部の構成部品の交換をした直後に実施すればよく、日々の始動時に毎回実施する必要はない。
【００４１】
次に、前述のように構成された実施形態の部品実装機１におけるレーザー高さ測定装置の作用について説明する。図６は、実施形態で得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。図６の（１）のレーザー光画像の全領域画像で、透過レーザー光は略中央の小さな輝点Ｐ１で示されている。また、中央部分の縦２２ピクセル×横２８ピクセルを拡大した（２）で、透過レーザー光は数ピクセルの輝点Ｐ１によって示されている。そして、輝点Ｐ１の位置は、直交する細線の交点で示される光入射軸ＡＯの位置に一致している。したがって、この場合は補正値をゼロとする。仮に、透過レーザー光の輝点Ｐ１の位置が光入射軸ＡＯの位置から偏移していた場合、偏移量に相当する補正値を設定する。
【００４２】
一方、図７は、較正治具７を使用しない場合に得られたレーザー光画像の画像例であり、（１）は全領域画像、（２）は（１）の中央部分の拡大画像を示している。較正治具７を使用しない場合、図７の（１）のレーザー光画像の全領域画像で、透過レーザー光は不規則な形状の輝くエリアＰ２で示されている。また、中央部分を拡大した（２）で、輝くエリアＰ２は拡大画像の大部分を占めている。このため、透過レーザー光の位置を正確に判別することは困難であり、正確な補正値を求めることができない。
【００４３】
図６と図７を比較すれば明らかなように、減光フィルタ７１には、透過レーザー光の位置を高精度化する作用がある。一般的に、レーザー高さセンサ６のレーザー光照射部６１では、内部の乱反射などの原因により、レーザー光Ｌ１は光軸を中心として周辺にも多少の成分を有している。減光フィルタ７１は、レーザー光Ｌ１の周辺の成分を抑え、光軸中心の成分だけを抽出する作用がある。
【００４４】
図８は、減光フィルタ７１が透過レーザー光の位置を高精度化する作用を説明する別のレーザー光画像例であり、（１）は減光フィルタ７１使用時、（２）は減光フィルタ７１未使用時を示している。図８の（１）に示される減光フィルタ７１使用時に、透過レーザー光は小さな輝くエリアＰ３で示されている。また、このレーザー光画像からエリアＰ３の光入射軸ＡＯに対する偏移量、すなわち補正値を正確に求めることができる。一方、（２）に示される減光フィルタ７１未使用時に、透過レーザー光は広く輝くエリアＰ４で示されている。さらに、格子状に多数の輝点が生じている。このため、透過レーザー光の位置は推定できても、光入射軸ＡＯに対する偏移量、すなわち補正値を正確に求めることが難しい。
【００４５】
実施形態のレーザー高さ測定装置を組み込んだ部品実装機１によれば、レーザー光画像上の透過レーザー光の位置が減光フィルタ７１の作用によって高精度に求められ、光入射軸ＡＯ（較正位置）からの偏移量を座標位置の補正値として求めることができる。さらに、レーザー高さセンサ６がヘッド駆動機構によって基板Ｋ上の任意の座標位置に移動されたときに、レーザー光の照射位置すなわち測定位置をこの補正値を用いて補正することができる。つまり、基板Ｋ上の任意の座標位置で高さ測定を行う際に、ヘッド駆動機構により補正値を考慮してレーザー高さセンサ６を移動させ、正確に測定位置を制御できる。
【００４６】
また、レーザー高さセンサ６の構成部材の寸法公差や取り付け作業のばらつきなどに起因する構造上の寸法誤差が生じていても、部品実装機１ごとに寸法誤差を補正値として求め、補正することができる。したがって、レーザー高さセンサ６の取り付け位置調整機構や位置調整作業を必要とせずに測定位置の制御精度を保つことができる。
【００４７】
さらに、従来の部品実装機１の構成を変更することなく、減光フィルタ７１を有する較正治具７を用いて補正値を求めることができ、正確に基板Ｋ上の任意の測定位置を制御できる。これにより、基板Ｋの上面の高さを複数位置で正確に測定でき、基板Ｋに反りなどが生じていても円滑な部品装着動作が行える。
【００４８】
なお、本発明のレーザー高さ測定装置は、部品実装機１以外の基板生産機や、他の業種の設備機械にも組み込むことができる。その他、本発明は様々な応用や変形が可能である。
【符号の説明】
【００４９】
１：部品実装機
２：基板搬送装置 ２１、２２：第１および第２ガイドレール
３：部品供給装置 ３１：カセット式フィーダ
４：部品移載装置 ４１、４２：Ｙ軸レール移動台 ４３：移動台
４４：実装ヘッド ４５：吸着ノズル ４６：基板カメラ
５：部品カメラ（画像カメラ） ５１：光入射部 ５３：連結部 ５４：上端部材
６：レーザー高さセンサ ６１：レーザー光照射部 ６２：反射光検出部
７：較正治具 ７１：減光フィルタ ７２：母板 ７３：押え板 ７４：押えねじ
９：基台
Ｌ１：レーザー光 Ｌ２、Ｌ３：反射レーザー光 ＡＯ：光入射軸
Ｋ、Ｋｘ、Ｋｙ：基板 Ｈ、Ｈ３、ｈ１〜ｈ３：高さ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射部、および前記対象物で反射されたレーザー光を検出する反射光検出部を有して前記対象物の高さを測定するレーザー高さセンサと、前記レーザー高さセンサを平面内で移動させるセンサ移動機構と、を備えるレーザー高さ測定装置であって、
前記センサ移動機構上の平面座標系で表した所定の較正位置に配置された画像カメラと、
前記較正位置に位置決めされた前記レーザー高さセンサのレーザー光照射部と前記画像カメラの光入射部との間に配置され、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって照射されたレーザー光を減衰しつつ透過する減光フィルタと、
前記レーザー高さセンサを前記較正位置に位置決めし、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって前記レーザー光を照射し、前記減光フィルタを透過したレーザー光を前記画像カメラで撮像してレーザー光画像を得るレーザー光撮像手段と、
前記レーザー高さセンサが前記センサ移動機構によって前記平面座標系の座標位置に移動されたときに前記レーザー光照射部から前記対象物に向かって照射されるレーザー光の前記平面座標系での座標位置の補正値を、前記レーザー光画像上での前記レーザー光の位置に基づいて求める補正値取得手段と、
を備えるレーザー高さ測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記レーザー高さ測定装置は部品が実装される基板の生産を行う基板生産機に組み込まれており、前記対象物は前記基板生産機の作業位置に水平姿勢でクランプされた基板であり、
前記減光フィルタは、前記作業位置にクランプされた基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置されるレーザー高さ測定装置。
【請求項３】
基板を部品実装位置に搬入し位置決めし搬出する基板搬送装置と、部品を供給する部品供給装置と、前記部品供給装置から前記部品を採取して前記位置決めされた基板に装着する実装ヘッドおよび前記実装ヘッドを水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を有する部品移載装置と、前記実装ヘッドが前記部品供給装置から前記基板上に移動する途中で採取されている部品を撮像する部品カメラと、を備え、
前記実装ヘッドに、請求項１または２に記載のレーザー高さ測定装置の前記レーザー高さセンサが取り付けられ、
前記部品移載装置の前記ヘッド駆動機構は、前記レーザー高さ測定装置の前記センサ移動機構に兼用され、
前記部品カメラは、前記レーザー高さ測定装置の前記画像カメラに兼用され、
前記レーザー高さ測定装置の前記減光フィルタは、前記部品カメラの光入射部上に、前記部品実装位置に位置決めされた前記基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される部品実装機。
【請求項１】
対象物に向かってレーザー光を照射するレーザー光照射部、および前記対象物で反射されたレーザー光を検出する反射光検出部を有して前記対象物の高さを測定するレーザー高さセンサと、前記レーザー高さセンサを平面内で移動させるセンサ移動機構と、を備えるレーザー高さ測定装置であって、
前記センサ移動機構上の平面座標系で表した所定の較正位置に配置された画像カメラと、
前記較正位置に位置決めされた前記レーザー高さセンサのレーザー光照射部と前記画像カメラの光入射部との間に配置され、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって照射されたレーザー光を減衰しつつ透過する減光フィルタと、
前記レーザー高さセンサを前記較正位置に位置決めし、前記レーザー光照射部から前記光入射部に向かって前記レーザー光を照射し、前記減光フィルタを透過したレーザー光を前記画像カメラで撮像してレーザー光画像を得るレーザー光撮像手段と、
前記レーザー高さセンサが前記センサ移動機構によって前記平面座標系の座標位置に移動されたときに前記レーザー光照射部から前記対象物に向かって照射されるレーザー光の前記平面座標系での座標位置の補正値を、前記レーザー光画像上での前記レーザー光の位置に基づいて求める補正値取得手段と、
を備えるレーザー高さ測定装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記レーザー高さ測定装置は部品が実装される基板の生産を行う基板生産機に組み込まれており、前記対象物は前記基板生産機の作業位置に水平姿勢でクランプされた基板であり、
前記減光フィルタは、前記作業位置にクランプされた基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置されるレーザー高さ測定装置。
【請求項３】
基板を部品実装位置に搬入し位置決めし搬出する基板搬送装置と、部品を供給する部品供給装置と、前記部品供給装置から前記部品を採取して前記位置決めされた基板に装着する実装ヘッドおよび前記実装ヘッドを水平面内の直交２方向に駆動するヘッド駆動機構を有する部品移載装置と、前記実装ヘッドが前記部品供給装置から前記基板上に移動する途中で採取されている部品を撮像する部品カメラと、を備え、
前記実装ヘッドに、請求項１または２に記載のレーザー高さ測定装置の前記レーザー高さセンサが取り付けられ、
前記部品移載装置の前記ヘッド駆動機構は、前記レーザー高さ測定装置の前記センサ移動機構に兼用され、
前記部品カメラは、前記レーザー高さ測定装置の前記画像カメラに兼用され、
前記レーザー高さ測定装置の前記減光フィルタは、前記部品カメラの光入射部上に、前記部品実装位置に位置決めされた前記基板の上面と同じ高さに水平姿勢で配置される部品実装機。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１３−１６５７０（Ｐ２０１３−１６５７０Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４７０１７（Ｐ２０１１−１４７０１７）
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００２３７２７１）富士機械製造株式会社 (775)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月１日（２０１１．７．１）
【出願人】（０００２３７２７１）富士機械製造株式会社 (775)
【Ｆターム（参考）】
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