JP2995707B2 - 高精度構成要素整合センサ・システム - Google Patents

高精度構成要素整合センサ・システム

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Description

【発明の詳細な説明】 （技術分野） 本発明は、表面実装構成要素配置装置の如き把持／定
置（pick−and−place）システムによる精密定置のため
の角度配向および座標（X,Y）位置決めの両方に関する
電気構成要素を正確に整合する制御システムに関する。
特に、本発明は、回路板あるいは他の製作素材（work
piece）上の構成要素定置装置による構成要素の正確な
定置のため、構成要素の角度配向および構成要素の座標
位置決めを正確に決定し、把持／定置システムがこれを
結合することを可能にする非接触レーザに基くセンサ・
システムに関する。
（背景技術） 今日広く使用される２つの形式の構成要素定置装置が
存在しており、その一方は１つ以上の真空中空軸（vacu
um quills）を用いて収容箱（bin）へ移動し、構成要
素を取上げて正しい配向に向け、構成要素を回路板また
は他の製作素材へ運び、リード（lead）を回路板または
他の製作素材上に規定される回路結線と適正に接触させ
た状態で構成要素をその適正位置に正確に配置するデカ
ルト（cartesian）方式である。使用される他の形式の
定置システムは、構成要素が収容箱から拾い上げられて
回路板上に定置するための円形要素搬送機構の周囲に配
置されたステーションを介して段階状に置かれる回転木
馬即ちターレット定置システムである。本発明は、高い
速度と精度で構成要素を正確に定置しなければならない
デカルト方式に最も有効である。
電気的構成要素は、適正な電気的接触を保証するため
回路板上に正確に定置されねばならず、このため正しい
角度配向および側方位置決定を必要とする。角度配向お
よび側方位置決定は、今日では機械的手段によって最も
広く行われている。真空中空軸は、定置されるべき部品
を拾い上げる。構成要素収容箱と回路板間の移動中、固
定装置から吊下げられる４個のジョーあるいはハンマー
が下方へ移動して、略々等しい力で４つ全ての側面上に
おいて構成要素に当たる。このような機械的システムの
意図は、ずれがゼロ度の正しい角度配向を確保すると共
に構成要素を真空中空軸の中心に置くように、構成要素
を真空中空軸上に移送することにある。このような構成
要素への衝突は、コンデンサあるいはこのような他の構
成要素において一般に用いられるセラミック材料の微小
な割れの如き損傷を生じ得る。また、送り間隔および幅
が僅かに約0.254〜0.635mm（10〜25ミル）の大きさに過
ぎない今日の技術において用いられる設計ルールが要求
する角度配向および側方位置の両方に関して非常に高い
精度を達成することは非常に難しい。異なる構成要素寸
法を許容するため、６つの異なるジョー・サイズが要求
され、これが高い経費をもたらし得る。
多くの非接触の高精度の方法が提起されている。しか
し、過去の光に基くシステムは、今日の技術で要求され
る高速度および高精度を達成する上で困難があった。
TVカメラを用いる視覚に基くシステムは、高精度を達
成することができる。しかし、これらは提起されたシス
テムの内最も高価なものの１つであり、収容箱からTVス
テーションへの、次いで製作素材または回路板への中空
軸の経路において偏向を必要とし、これがプロセスを実
質的に遅いものにしている。本発明のレーザ・センサ
は、略々２倍の時間節減を達成するため偏向なしに構成
要素を回路板上の適当箇所へ直接搬送する構成要素搬送
中空軸を包囲するように接続されている。更に、このよ
うなシステムにより構成要素が載置される中空軸から定
置される非常に小さな構成要素の特定パラメータを弁別
することは時に困難である。
１つの構成要素がコリメートされた光ビームの光路内
に介挿され、光の強さが１つの光検出器あるいは１対の
光検出器により検出され、最大の光強さが最も狭い陰を
表示してこれより構成要素の適正な角度配向を表示する
光検出システムもまた提起されてきた。しかし、このよ
うなシステムでは、定置される構成要素の範囲を取扱
い、かつ整合に要求される精度を達成することは困難で
ある。定置される構成要素の寸法は、通常約0.05乃至5
0.8mm（0.02乃至2.0インチ）の範囲で変化する。１つの
光検出器システムが、必要とされる約50.8mm（2.0イン
チ）の部分に対する陰の変化を検出するに充分な大きさ
に設計されるならば、約0.05mm（0.02インチ）の部分の
回転により生じる僅かな（fractinal）変動は実質的に
検出不可能である全光強さにほとんど影響を及ぼさな
い。２つの検出システムの場合は、構成要素の部分は縁
部位置を決定するため分析される各検出器に当たる光の
比率により２つの検出器間に正確に整合されねばならな
い。しかし、このような測定を行うように光検出器を機
械的に整合することは非常に困難である。光の均一性は
正確でなければならず、このようなシステムは、構成要
素のリードの陰がその構成要素体部の陰から弁別されな
いため、リード位置を検出することができない。
最後に、一連のレーザ光源が一連の光検出器と整合さ
れることも提起された。このような設計は、１つの検出
器あるいは１対の検出器に対する提案と関連する諸問題
のあるものを克服する。しかし、達成可能な精度は個々
のレーザ光源相互の間隔以上のなにものでもあり得な
い。最小の間隔は、レーザ・ダイオード光源の大きさに
より与えられ、これは0.5mmである。この最小間隔は、
信頼し得る構成要素の位置の検出のためには依然として
大き過ぎる。要求される物理的間隔もまた、回折効果に
より悪影響を受けてこのような設計精度を更に制限す
る。また、多くのレーザ光源を含むこのようなシステム
のコストもまた実施不能に高価となるものと考えられ
る。
現在の技術により構成要素の定置を達成するための必
要なことは、角度配向精度が0.03゜以下でかつ約0.0254
（0.001インチ）より良好な側方位置精度を以て、約0.0
5乃至50.8mm（0.02乃至2.0インチ）間で変化する部品範
囲を数百ミリ秒で迅速に整合し得る構成要素システムで
ある。本発明は、特にこの要求に対応するものである。
（発明の概要） 本発明は、約0.05乃至50.8mm（0.02乃至2.0インチ）
の寸法範囲にある構成部品を正確に整合するよう設計さ
れたレーザに基くシステムである。この結果を達成する
ために、非常に高速かつ高精度のレーザに基づいたシス
テムが運動する定置機構に対して固定される。このセン
サ・システムは、レーザ・ダイオードを含み、それから
の光は視準（collimating）レンズによりコリメートさ
れ、スリット開口に通される。これは、縞状のレーザ光
を生じ、このレーザ光は整合が検出される構成要素を通
過し阻止される。構成要素になり投影される陰は線形ア
レイ検出器により検出される。検出要素間の典型的な間
隔は、10乃至14マイクロメートル（μｍ）である。検出
要素の個数は、定置される最も大きな構成要素に適合す
るように選定される。検出器アレイから読出されるデー
タは、検出器アレイに投影される陰の前縁と後縁を検出
するため分析される。陰の縁部のみが検出されて分析さ
れるため、約50.8mm（2.0インチ）部品を整合するとき
に達成される時と同じ精度が約0.05mm（0.02インチ）の
部品を整合する時に達成される。以下に述べるデータ処
理アルゴリズムを用いて、0.03゜以下で角度配向が達成
可能であり、側方の整合は約0.025mm（0.001インチ）以
下の精度で達成可能である。
また、構成要素体部の配向および側方の位置決定のみ
ならず、構成要素が定置されるべき回路板上に正確に整
合されねばならない実際の要素である構成要素体部から
の電気リードもまた検出することが可能である。
本発明の一目的は、構成要素定置装置による定置され
る構成要素の角度配向および側方位置を正確に決定する
ことにある。
本発明の一目的は、0.03゜以下の精度で構成要素定置
装置により定置されるべき構成要素の角度配向を正確に
決定することにある。
本発明の一目的は、構成要素定置装置により約0.025m
m（0.001インチ）以下の精度で定置されるべき構成要素
の側方位置を決定することにある。
本発明の一目的は、500ミリ秒以下で構成要素定置装
置により定置されるべき構成要素の角度配向及び側方位
置を決定することにある。
本発明の一目的は、構成要素定置装置により定置され
るべき構成要素におけるリードの角度配向および側方位
置を決定することにある。
本発明の一目的は、0.03゜以下の角度精度で角度配向
を決定し、かつ大きさが約0.05乃至50.8mm（0.02乃至2.
0インチ）の寸法範囲に対して約0.025mm（0.001イン
チ）以下の精度で側方位置を決定することにある。
本発明の上記および他の目的、特徴および利点につい
ては、当業者には望ましい実施態様、図面および特許請
求の範囲の以降の記述を読めば明らかになるであろう。
（図面の簡単な説明） 図１および図２は、本発明が用いられるべき一般的な
環境を示している。図１は、１つ以上の真空中空軸24を
用いて予め定めたビン32から構成要素30を逐次拾い上
げ、できるだけ迅速に構成要素を正確に整合されねばな
らない回路板34または他の表面へ搬送し、回路板34上に
前に形成された配線レイアウトに構成要素30のリード50
を適正に整合させるように構成要素30を所望の場所に正
確に定置する典型的な表面実装用構成要素定置装置を略
図で示している。高精度の定置のためには、約0.025mm
（0.001インチ）のX,Y面における位置決め誤差とともに
0.30゜の角度整合即ち配向における精度が要求される。
このようなシステムにおいて典型的に用いられる構成要
素30の部品寸法は、ある場合にはより大きな構成要素30
の寸法が要求されるが、大きさが約25.4mm（１インチ）
の略々20/1000から約50.8mm（２インチ）の範囲で変化
する。
角度配向は、電気リードの設定に及ぼす不正配向の影
響の故に重要である。最も大きな構成要素サイズ（例え
ば、約50.8mm（２インチ））の場合、0.10゜の偏差が、
構成要素の外縁部におけるリード位置を約0.051mm（0.0
02インチ）だけ傾き即ち不良配置を生じる。0.03゜の整
合精度が本発明の目的である理由は、このためである。
図２において、回転モータ41と、真空中空軸24を保持
し回転させ引込めるための固定装置を含む定置ヘッド制
御箱43とを含む構成要素機構40が開示されている。回転
固定装置は、構成要素30の拾い上げ、整合、位置決めお
よび定置の目的のため真空中空軸を回転させる。また、
図２には、レーザ・センサ45、および適正な定置が本発
明の目的である構成要素30も示される。
周知の設計である構成要素制御箱43においては、構成
要素30が真空作用により引付けられる中空軸を引込める
ための装置、構成要素を中空軸24の端部に保持する真空
を生じる装置、角度位置エンコーダ、作用力センサなど
がある。制御箱43には、中空軸24が貫通しかつ構成要素
30がその角度配向の決定のためおよび中空軸24の中心に
対する整合のため引込めることができる開口48を有する
レーザに基づいた整合センサ45が取付けられている。
図３は、レーザ・センサ45の構成要素の概略図であ
る。論議を簡単にするため、視線の表示はレーザ60から
視準レンズ61を通り構成要素30および中空軸24を通って
線形アレイ・イメージ・センサ65に至るように示され
る。実施においては、より長い焦点長さが望ましく、図
４および図５は、レーザ60および他の構成要素の望まし
い実施例の実際の配向を更に正確に表わしている。換言
すれば、図４および図５に示されるように、望ましい実
施例は、部品から遠ざかる方向に指向されたレーザ・ダ
イオード60と、視準レンズ61を通るようレーザ光ビーム
を指向させる２個の反射ミラー70、72と、部品30を通る
スリット・オリフィス75とを含み、構成要素30の縁部を
通るレーザ・ビームまたは縞のこの部分が光フィルタ26
により濾波され、線形CCDアレイ65に当たり、角度配向
およびX,Y位置について処理されるべきデータを生じ
る。また、１つの反射用放物面レンズ（図示せず）をミ
ラー70、72の代わりに用いることも可能である。
図６乃至図８は更に、表面実装要素定置装置に対する
レーザに基づいた構成要素整合センサ45の構成要素、お
よびその動作モードを略図的に示している。図６に示さ
れるように、コヒーレントな短い波長を有することが望
ましいレーザ光源は、視準レンズ61に対して直接あるい
は反射ミラー70、72を介して間接的に指向されて、構成
要素30の全ての部分へ等しい光を提供する。構成要素に
より投影される光パターンは、多要素センサ・アレイ65
により検出される。スリット開口75を用いて、（Ａ）構
成要素30を完全に横切り、あるいは（Ｂ）構成要素30お
よびそのリード50を横切り、あるいは特殊な状況では
（Ｃ）図９に示される如くリード50自体を横切って配置
される光（図９におけるＡ、Ｂ、Ｃ）の均等な縞を確保
する。構成要素30により妨げられない光は、構成要素30
を通過して、各々が10.4マイクロメートルの中心間隔で
直線に沿って10.4μｍ×10.4μｍである3456個の要素を
持つ、Texas Instruments社製の部品番号TC104の如き
線形CCD検出器アレイ65に当たる。構成要素30と検出器
アレイ65間に介挿されるのは、問題となる波長から外れ
る周囲光および他の光を最小限に抑える光フィルタ26で
ある。検出器アレイ65からこのように捕捉されたデータ
80は、次に、以下に更に詳細に述べる１つ以上のアルゴ
リズムを用いて処理される。
単色レーザ・ダイオードが用いられる場合に生じ得る
塵埃からのスペックル効果を軽減するため、コヒーレン
トで比較的短い波長を持つレーザ光源60が望ましい。3,
456個の検出器アレイ要素の使用は、大きな部品を測定
することを可能にする。これらの要素は、その中心間が
約0.01mm（ほぼ0.4ミル）で隔てられ、これにより高い
精度が可能になる。角度配向および側方位置における小
さな変化に対する感度は、従来技術の装置より著しく増
大する。これは、陰の縁部付近の所与の光検出器の場
合、光レベルの微細な変化が非常に小さな角度の回転に
対して非常に大きくなり得る故である。
次に図７において、構成要素30は、その角度配向が整
合状態から外れた状態で示される。図７に示されるよう
に、比較的多数の検出要素が、陰90を生じる構成要素30
の不正角度配向の故にレーザから遮られている。更に、
構成要素30の縁部を通った光の回折により生じた明るい
部分と暗い部分90との間に生じたアレイ65に当たる比較
的小さな陰93、94の小さな領域が存在する。更に、僅か
に明るい部分96、97が、構成要素30の最も外側縁部から
外れた光の回折および反射による陰90の外側縁部に隣接
して検出される。図７に示されるのは、レーザ光源60か
らの妨げられない光、従って反射からの光の増加96、9
7、屈折により生じる陰領域93、94における光の減少
量、および検出器アレイ65の対応側における同じパター
ンを持つ暗い陰領域90を受ける検出器アレイ65の部分10
2、103を示すCCDアレイ65から読出されるデータのデー
タ・パターン80である。図８は、構成要素が角度におい
て整合状態にある時の光パターンおよびデータ80を示し
ている。図７および図８の比較から明らかなように、角
度の整合は、検出器アレイ65からのデータ80により決定
される陰パターン90が最も狭い時を決定することにより
確保することができる。これは、陰110の前縁部と陰112
の後縁部を追って決定することにより、また陰の縁部11
0、112の前後にあるデータ80のみを捕捉することによ
り、最小限の電子処理装置を用いて達成することができ
る。
図10は、データの高精度での処理方法を示している。
整合および位置センサ45により分析されるべき部品30の
幅の範囲は、通常は約0.508乃至50.8mm（0.02乃至２イ
ンチ）の範囲であり、これより大きいこともある。3,00
0要素以上のダイオードアレイ65から全てのデータ80を
保持して分析することは実用的でなくまた必要でもな
い。構成要素によりダイオードアレイ65上に投影される
陰90の縁部110、112に関連するデータ80のみを得て分析
する必要がある。図10において、主たる問題の２つの区
間Ａ−ＢとＣ−Ｄがあり、一方の区間Ａ−Ｂは陰90の前
縁部110であり、他方のＣ−Ｄは陰90の後縁部112であ
る。換言すれば、区間Ａ−Ｂにおけるデータは構成要素
の片側により生じる陰の縁部を定義し、区間Ｃ−Ｄは反
対側により生じる縁部を定義する。
区間Ａ−ＢおよびＣ−Ｄで示される如き定義された縁
部110、112を用いて、部品30を整合することができる。
最初に、構成要素30が不整合であると知られる位置にお
いて拾い上げられ、従ってより大きな陰90を投射する。
構成要素30は次に、構成要素定置ヘッド43により回転さ
せられ、陰90の幅が最小となる角度位置が判る。陰90が
最も狭い時の縁部位置が知られ、その中空軸24の中心か
らの偏よりもまた知られる。これらの位置は、部品の側
方位置の計算を可能にする。次に、縁部110、112の位置
により決定される構成要素30の陰90の中心を中空軸24の
中心と比較することに再び基いて、構成要素を90゜回転
することができ、直交の側方位置が決定できる。
あるいはまた、直交の側方位置を決定するため第１セ
ンサ45に対して直交して配置される第２のセンサ（図示
せず）を使用することもできる。
構成要素30が整合状態に回転されることにより陰90の
幅が減少するに従って、陰90の縁部110に配置される特
定のフォトダイオード要素は、陰90の幅が最小となる地
点まで徐々に多くの光を受けることになる。構成要素が
回転し続けると、陰の幅が増加し、同じ感光要素に当た
る光量は減少し始める。このため、陰の縁部にあると決
定される感光要素からの出力が最大となる位置、即ち、
最大量の光を受取る位置を見出すことにより、構成要素
30を正確にレーザ光に平行に配向させることができる。
図10に示される使用可能な１つの方法は、閾値電圧
（VTH）と、ダイオードアレイ65の各要素における電圧
が閾値電圧VTHよりも低下する時を検出することによ
り、前記ダイオードアレイ65からのアナログ・データ80
をディジタル表示120へ変換するコンパレータ即ち弁別
器との使用であり、これにより構成要素30の陰90が検出
されたことを示す。
アレイ65における各要素は、5MHzのデータ速度で逐次
読出されて閾値電圧VTHと比較される。データ80が閾値
電圧より低い最初の低下を読出すピクセル・カウントが
ラッチ信号として用いられ、最初の発生の直前直後のデ
ータの読み回数が陰の前縁部110としてデータ・バッフ
ァに格納される。データ点がいくつあっても格納するこ
とができるが、最初のラッチ信号（Ａ−Ｂ）の前後の32
ピクセルが満足できるのであることが判り、構成要素30
の正確な角度配向および側方位置の分析に必要な合計で
僅かに128項目のデータ（Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄ）を提供す
る。
同様に、データ信号が最初に閾値電圧VTHより高く増
加する時、陰の後縁部112についてデータが読出され格
納される。次いで、このデータは、現在の陰の縁部位置
のためのデータとして格納される。
次いで、中空軸が増分的に回転し、ダイオードアレイ
65からのデータ80の次に続く走査が分析される。データ
が１ミリ秒以下でアレイから読出すことができるため、
構成要素30は約150ミリ秒間に90゜回転する。この回転
運動の影響は精度に対して小さい。５ピッチの整合のた
めに、部品30は、最初の通過が適正な角度整合を確立し
た領域にわたって更にゆるやかに回転させられる。続く
走査において、陰90の前縁部110が、電圧が最初に閾値
電圧VTHより低下したダイオード・アレイ位置のピクセ
ル・カウントにより再び決定される。陰90の前縁部110
がより高いピクセル・カウントで検出されるならば、こ
のことは、陰90が狭くなったことを示し、前のデータが
無視され、陰90の現在の位置を示す新しいデータが格納
される。上記プロセスは、構成要素30の整合を示す最も
狭い陰90が決定されるまで繰返される。
基本的には、角度配向はアルゴリズム数により正確に
決定することができる。適正な角度配向は、「縁部ピク
セル」の強さが最大となる角度において確立することが
できる。前記アルゴリズムはまた、弁別器および閾値電
圧VTHを用いることにより図10に示される２進形態で構
成することもできる。陰90が狭くなるに伴い、当たる
光、従ってある光検出器要素から読出される電圧は、閾
値電圧より高くなり、次いで構成要素が回転して整合点
を通過すると、閾値電圧より低くなる。２進弁別器を用
いて、電圧が閾値より高くなる角度、および電圧が閾値
より低くなる角度を記録することができる。適正な整合
は、電圧、従って光が最大の強さに達した２つの角度の
中間となるように決定することができる。角度位置を著
しく精密に解く即ち超分解（super−resolve）するこの
２進法を用いて多数の「縁部ピクセル」を分析すること
ができる。
パッケージの陰の前縁部110および後縁部112は、ディ
ジタル化されたアナログ・ビデオ・データを用いて計算
することができる。適正な角度配向は、陰の幅90が最小
となる地点で確立される。角度位置を超分解するため内
挿法もまた用いることができる。
アナログ閾値を陰のビデオ・データに同様に適用する
ことにより、側方（X,Y）位置の決定のため同様なデー
タ分析を行うことができる。パッケージ幅は、前縁及び
後縁の「縁部ピクセル」間の距離である。パッケージ中
心は、２つの縁部ピクセルの中間に置かれる。また、回
折パターンの有限幅を許容するため補正因数を加えるこ
ともできる。ビデオ信号がディジタル化されると、縁部
位置の計算のための多数のイメージ処理アルゴリズムが
存在する。明らかなように、側方位置を直交方向に配置
するために部品が90゜回転させられる。
図10において、CCDアレイ65から読出されたデータを
閾値電圧VTHと比較するコンパレータを含み得る弁別器
（図11に示される）が用いられる。図10に示されるよう
に、回折および反射の故に、陰90の前縁部110および後
縁部112に存在するデータ点Ａ−Ｂ、Ｃ−Ｄが多数存在
することになる。しかし、回折および反射は、陰の前縁
部および後縁部の両方に均等に生じ、従って角度配向お
よび側方位置の双方はこの方法即ちアルゴリズムを用い
て正確に確立することができる。データ80は、レーザ光
の縞が図９に示される位置Ａに置かれるならば、図10の
領域Ａ−Ｂのみに集められる。この縞が図９の位置Ｂま
で下がると、別のデータが集められて構成要素30に取付
けられたリード50の位置を確立する。このことは、最も
正確に位置決めされねばならないものがリード50である
故に重要である。リード50は、１つ以上の検出器65の要
素が遮断される時閾値より下の、データにおける低下を
生じ、このようなデータはまた弁別器により２進値17
2、182へ変換することもできる。このため、リード50の
正確な位置は、定置の目的のため確認することができ
る。同様に、縞が図９の位置Ｃとして示されるリードに
のみ当たるように中空軸24を更に引込めることができ
る。従って、最も微細なピッチの構成要素30が正確に配
置され得る。
次に図11において、角度配向および側方位置に対する
補正を信号で送るため用いられる処理装置200のブロッ
ク図が示される。中空軸を回転させる回転モータ41が、
中空軸24の位置の角度配向、従ってプロセッサ202に対
する構成要素30の角度配向を提供する角度位置エンコー
ダおよびモニター43と機械的に結合されている。構成要
素のX,Y位置の計算に先立ち、中空軸24のX,Y位置が、中
空軸24のみを正確な心出しのためレーザ・ビーム中に挿
入することにより位置決めされる。その後、回路板34に
構成要素80を正確に定置する目的のため、構成要素30の
縁部の検出されたX,Y位置が中空軸24の中心と比較され
る。同様に、角度位置エンコーダ43が最初に０゜の角度
偏差になるよう較正される。
正確な角度配向および側方位置を数百ミリ秒以内で得
ることが本発明の目的であるため、全ての処理は非常に
高い速度で行われる。例えば、望ましい実施例において
は、ピクセル・クロックおよびアレイのタイミング装置
204の速度は5MHzの読出し速度である。どのセンサ要素
が読出されつつあるかを示すピクセル・クロック即ちカ
ウント206は、アナログ／ディジタル・コンバータ208
と、陰の前縁部弁別器210と、陰の後縁部弁別器212とに
接続される。先に述べたように、この弁別器は、データ
の読みを閾値電圧VTHと比較する電圧コンパレータでよ
く、同じ電圧コンパレータが陰の前縁部および後縁部の
双方を弁別するため使用することができる。
ピクセル・クロックおよびアレイ・タイミング装置20
4もまた、光検出器要素からデータを読出す目的のため
光検出器アレイ65に接続される。アナログ／ディジタル
・コンバータ208からの全てのデータは、陰の縁部が検
出される時一時的および恒久的な格納のため陰の前縁部
データ・バッファ214に接続されている。陰の前縁部弁
別器210が閾値電圧VTHより低下するデータを検出する
時、前縁部が表示され、前縁部110と関連するデータ80
を格納するためラッチ信号220として陰の前縁部データ
・バッファ214に接続される。更に、前縁部検出信号224
もまた陰の前縁部弁別器およびデータ・バッファ228に
接続されて、これを検出して、後縁部112について検出
された時同様にデータ80を格納することを可能にする。
バッファされたデータは処理装置202に接続されて、角
度配向およびX,Yの側方位置に対する計算を行う。
角度配向が整合される場所を示すプロセッサ202の出
力230は、構成要素定置装置に接続されて、構成要素30
が回路板34上に定置される時正確な角度配向を確保す
る。同様に、構成要素30の縁部のX,Y位置は、中空軸24
の正確な中心と比較され、この第２の信号235もまた、
回路板34における構成要素30の正確な定置の目的のため
一方または両方の方向に必要なオフセットを確立するた
め構成要素定置装置に接続される。
下記の表は、部品を拾い上げて適正な整合を両直交方
向における角度整合および側方位置の双方について検査
する時、本発明を用いて300ミリ秒以下で達成すること
ができる近似時間および非常に高い分解能を示す。
処理速度が機械的な運動に対する制限よりはるかに早
いので、角度位置信号230およびX,Y位置信号235は迅速
かつ正確に計算され、かつ回路板34における適正な定置
における構成要素30の精密でかつ正確な定置のため構成
要素定置装置へ送られ得る。
図12aに示されるように、270゜にわたり90゜間隔で回
転する構成要素30の４つの側面の内３つを走査すること
により、比較的大きな部品30が本システムにより許容さ
れ得る。図12bおよび図12cは、どれだけ追加の光学系を
使用できるかを示す。図12bにおいては、比較的大きな
部品が投影したイメージ90が２つのレンズ229、231によ
り縮小される。同様に、図12cに示されるように、同様
なレンズ229、231を用いて光検出器アレイ65上のイメー
ジを拡大することにより更に高い分解能を達成すること
ができる。
上記の実施例、方法およびプロセスを用いて、今日の
技術の要件に含まれる、回路板上の構成要素の定置のた
め構成要素を正確に位置決めすることができる非常に高
速かつ高分解能の検出システムが達成される。当業者に
は、線形アレイの代わりにある面積のアレイの使用の如
き本文に記載された特定の実施例において、あるいは更
にTVカメラと関連する同じ方法即ちアルゴリズムを用い
て、多くの変更および修正が可能であることが明らかで
あろう。かかる全ての変更および修正は、請求の範囲に
含まれるべきものである。
フロントページの続き (72)発明者 ボッシ，カーティス・ジェイ アメリカ合衆国ミネソタ州55345，ミネ トンカ，プリマス・ロード・サウス 415 (56)参考文献 特開 昭57−17804（ＪＰ，Ａ) 特表 昭61−500341（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2183820（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01B 11/00 - 11/30

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】高精度高速構成要素整合センサ・システム
    において、 光源と、 視準レンズと、 センサ・アレイであって、上記構成要素を通過した光、
    及び、上記構成要素により当該センサ・アレイ上に投影
    された陰を検出する多数の検出要素を有する多要素セン
    サ・アレイと、 上記センサ・アレイ上に投影される上記構成要素の陰の
    各縁部を表す複数のデータ点を決め、上記構成要素の陰
    の各縁部近くの複数のデータ点のみを取得し、上記取得
    したデータのみを分析することにより上記構成要素の角
    度及び座標位置を計算する処理手段であって、上記処理
    手段は、 上記陰の前縁部を検出して分析する手段と、 上記陰の後縁部を検出して分析する手段と、 上記構成要素により投影された陰の前縁部と後縁部の位
    置に基づいて、構成要素の位置を計算する手段とを含
    み、 上記処理手段に接続されて上記構成要素の角度配向を表
    示する第１の信号手段と、 上記処理手段に接続されて上記構成要素の座標位置を表
    示する第２の信号手段とを備えるセンサ・システム。
  2. 【請求項２】上記光源がレーザ・ダイオードである請求
    項１に記載のセンサ・システム。
  3. 【請求項３】真空中空軸を有する表面実装構成要素定置
    装置により担持される構成要素を整合する方法におい
    て、 上記構成要素を真空中空軸により拾い上げ、 視準化された光の縞を提供し、 上記光の経路に光要素アレイを設け、 上記構成要素の陰の輪郭が上記光要素アレイ上に投影さ
    れるように、上記構成要素を視準化された光の縞の中に
    引き込み、 上記構成要素を回転して、上記構成要素により投影され
    る陰を変化させ、 上記センサ・アレイ上に投影された陰の前縁部と後縁部
    とを検出し、 上記陰の前縁部及び後縁部の近くの複数のデータ点のみ
    を取得し、 上記取得した前縁部と後縁部のデータを用いて最小の陰
    の輪郭から角度配向を計算し、 上記陰の前縁部と後縁部の側方位置を上記中空軸の中心
    と比較して、上記中空軸により担持された構成要素の第
    １方位での構成要素の側方位置を決定し、 上記構成要素の第２方位での上記陰の前縁部と後縁部の
    側方位置を上記中空軸の中心と比較して、上記第１方位
    に相対的に回転された他の方位での上記構成要素の側方
    位置を決定するステップからなる方法。
  4. 【請求項４】高精度高速構成要素整合センサ・システム
    において、 光源と、 視準レンズと、 多要素センサ・アレイであって、上記構成要素を通過し
    た光と、上記構成要素により投影された上記センサ・ア
    レイ上の陰とを検出するための多数の検出要素を有する
    多要素センサ・アレイと、 上記構成要素の厚さの一部のみに沿って上記構成要素の
    上に入射する光の幅を制限する縞生成光学要素と、 上記センサ・アレイ上に投影される上記構成要素の陰の
    各縁部を表す複数のデータ点を決め、上記構成要素の陰
    の各縁部近くの複数のデータ点のみを取得し、上記取得
    したデータのみを分析することにより上記構成要素の角
    度及び座標位置を計算する処理手段であって、上記処理
    手段が、 上記陰の前縁部を検出して分析する手段と、 上記陰の後縁部を検出して分析する手段と、 上記構成要素により投影された陰の前縁部と後縁部の位
    置に基づいて構成要素の位置を計算する手段とを含み、 上記処理手段と接続されて上記構成要素の角度配向を表
    示する第１の信号手段と、 上記処理手段に接続されて上記構成要素の座標位置を表
    示する第２の信号手段とを備えるセンサ・システム。
  5. 【請求項５】真空中空軸を有する表面実装構成要素定置
    装置により担持される構成要素を整合する方法におい
    て、 上記構成要素を真空中空軸により拾い上げ、 視準化された光の縞を提供し、 上記光の経路に光要素アレイを設け、 上記構成要素の陰の輪郭が上記光要素アレイ上に投影さ
    れるように、上記構成要素を視準化された光の縞の中に
    引き込み、 上記構成要素を回転し、 上記センサ・アレイ上に投影された陰の前縁部と後縁部
    とを検出し、 上記陰の前縁部及び後縁部の近くの複数のデータ点のみ
    を取得し、 取得した前縁部と後縁部のデータを用いて最小の陰の輪
    郭に基づく角度配向を計算し、 上記陰の前縁部と後縁部の側方位置を上記中空軸の中心
    と比較して、上記中空軸により担持された構成要素の第
    １方位での構成要素の側方位置を決定する各ステップか
    らなる方法。
  6. 【請求項６】上記光がレーザ光であることを特徴とする
    請求項５記載の方法。
  7. 【請求項７】光源と多要素光センサ・アレイ（各要素が
    ピクセルからなる）との間に配置される中空軸を有する
    表面実装構成要素定置装置により搬送される構成要素の
    適正な側方位置と角度配向とを決定する方法において、 上記構成要素の方に向けられた視準化された光の縞を提
    供し、 上記中空軸と上記構成要素を縦軸まわりに回転し、 上記回転している間、上記中空軸と上記アレイのピクセ
    ルを定期的に読み、 上記回折パターンの有限の幅を補正することを含み、上
    記構成要素の側方位置と角度配向を決定するため、上記
    アレイの読み取り値の内、上記構成要素の陰の各縁部の
    近くの複数のデータ点のみを処理するステップからなる
    方法。
  8. 【請求項８】光源と多要素光センサ・アレイ（各要素が
    ピクセルからなる）との間に配置される中空軸を有する
    表面実装構成要素定置装置により搬送される矩形構成要
    素の適正な側方位置と角度配向とを決定する方法におい
    て、 上記構成要素の１部分の方に向けられた視準化された光
    の縞を提供し、 上記中空軸と構成要素とを縦軸まわりに回転して、上記
    構成要素の４辺のうちの３辺の少なくとも１部分を、当
    該回転の間に光路の中に位置させ、 上記回転の間に上記アレイのピクセルを定期的に読み、 アレイの読み取り値の内、上記構成要素の陰の各縁部の
    近くの複数のデータ点のみを処理して、上記構成要素の
    側方位置と角度配向を決定するステップからなる方法。
  9. 【請求項９】光源と多要素光センサ・アレイ（各要素が
    ピクセルからなる）との間に配置される中空軸を有する
    表面実行構成要素定置措置により搬送される構成要素の
    適正な側方位置と角度配向とを決定する方法において、 上記構成要素の方に向けられた視準化された光の縞を提
    供し、 第１の回転方向にある上記中空軸と上記構成要素を回転
    することにより上記の視準化された光の縞に関連する上
    記構成要素を最初に方向付け、 上記中空軸と上記構成要素とを縦軸まわりに、上記第１
    の方向とは反対の第２の回転方向に回転し、 上記第２の回転方向に回転している間に上記アレイのピ
    クセルを読み取り、 上記アレイの読み取り値の内、上記構成要素の陰の各縁
    部の近くの複数のデータ点のみを処理して、上記構成要
    素の側方位置と角度配向とを決定するステップからなる
    方法。
  10. 【請求項１０】光源と多要素光センサ・アレイ（各要素
    がピクセルからなる）との間に配置される中空軸を有す
    る表面実装構成要素定置装置により搬送される構成要素
    の適正な側方位置と角度配向とを決定する方法におい
    て、 上記中空軸の方に向けられた視準化された光の縞を提供
    し、 上記センサ上の中空軸の陰を検知して、上記センサ上の
    中空軸の陰の位置を同定し、 上記構成要素を上記中空軸の端で、上記視準化された光
    の縞の中にいれ、 上記中空軸と上記構成要素とを縦軸まわりに回転し、 回転の間に上記アレイのピクセルを定期的に読み、 アレイの読み取り値の内、上記構成要素の陰の各縁部の
    近くの複数のデータ点のみを処理して、上記構成要素の
    側方位置と角度配向とを決定するステップからなる方
    法。
  11. 【請求項１１】光源と多要素光センサアレイ（各要素が
    ピクセルからなる）との間に挿入された構成要素の適正
    な側方位置と角度配向とを決定する方法において、 上記構成要素の方に向けられた視準化された光の縞を生
    成し、 光を受けているアレイ内の何れのピクセルから出力され
    る電圧よりも低く、完全に陰となっている何れのピクセ
    ルから出力される電圧よりも高い基準電圧しきい値を設
    定し、 上記中空軸及び上記構成要素を縦軸まわりに増加回転
    し、 上記増加回転させる毎にアレイの各ピクセルの電圧を読
    み取り、 上記基電圧しきい値と上記読み取った電圧とを比較し、 上記基準電圧しきい値を最初に下回った電圧のピクセル
    ・カウントでの第１の縁部のピクセルのデータ電圧読み
    取り値を格納すると共に、上記基準電圧しきい値を再び
    超えた電圧のピクセル・カウントでの第２の縁部のピク
    セルのデータ電圧読み取り値を格納し、 増加回転させる毎に、上記第１の縁部のピクセルが、上
    記前に格納した縁部のピクセルよりも高いピクセル・カ
    ウントであり、上記陰が更に狭くなっているか否かを決
    定し、 上記第１の縁部のピクセルが、直前に格納されたより狭
    い陰を示す第１の縁部のピクセルよりも少ないピクセル
    カウントの場合、上記データを取得し、 陰が最も狭い時に、上記取得したデータを処理して、上
    記構成要素の側方位置及び角度配向を決定するステップ
    からなる方法。
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