(57)【要約】本発明の特徴は、コンパクトな部品整列センサに対する比較的厳しい包囲要件に適応することができる光学的レイアウトを提供する。特に、本発明の或る局面は、発散の程度を低減し、好ましくは、部品ゾーンに入る前に複数の発散光源（２１２，２１４）からの光を実質的に平行にする単一の光学的構成要素を提供する。この点に関して、パーツ数が低く保たれ、そして光学的トレーンの物理的サイズが比較的小さい。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を解放可能に保持し且つ当該部品を回転させるよう適合されている電子部品ハンドリング・マシンにおける部品についての配置情報を計算するためのセンサ・システムであって、
センサと、
前記センサ内の部品ゾーンを照射するよう配設された前記センサ内の複数の発散光源と、
前記部品が前記部品ゾーンに少なくとも一部分配設されたとき、前記部品が前記複数の発散光源のうちの少なくとも１つの発散光源からの少なくとも幾らかの照射を遮って、前記部品の少なくとも一部の影を検出器上に形成するように前記光源に対して位置決めされた検出器であって、前記部品が回転しながら複数の検出器出力を与えるよう適合された前記検出器と、
前記部品ゾーンと前記複数の発散光源との間に介在されて、それらの間を通過する光の発散を低減する光学手段と、
前記検出器出力を受け取って、前記配置情報を計算する電子計算装置と
を備えるセンサ・システム。
【請求項２】
前記光学手段が球面レンズである請求項１記載のセンサ・システム。
【請求項３】
前記球面レンズが、前記部品ゾーンに近接して配設された実質的に平坦な表面を有する請求項２記載のセンサ・システム。
【請求項４】
前記平坦な表面が汚染物に対する封止を与える請求項３記載のセンサ・システム。
【請求項５】
前記光学手段が円筒レンズである請求項１記載のセンサ・システム。
【請求項６】
前記円筒レンズが実質的に平坦な背面を有する請求項５記載のセンサ・システム。
【請求項７】
前記実質的に平坦な背面が、前記部品ゾーンに近接して配設されて、汚染物に対する封止を与える請求項６記載のセンサ・システム。
【請求項８】
前記光学手段が、当該光学手段を通過する光を実質的に平行にする請求項１記載のセンサ・システム。
【請求項９】
前記検出器に近接して配設されて、前記検出器上に落ちる周辺光を低減する周辺光フィルタを更に備える請求項１記載のセンサ・システム。
【請求項１０】
前記フィルタがアンギュラ・フィルタ（ａｎｇｕｌａｒ  ｆｉｌｔｅｒ）である請求項９記載のセンサ・システム。
【請求項１１】
前記フィルタが、前記照射の波長を通すが、しかし周辺光を減衰させるよう構成されている請求項９記載のセンサ・システム。
【請求項１２】
前記フィルタもアンギュラ・フィルタである請求項１１記載のセンサ・システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の背景］
本発明は、電気部品を、印刷回路板、回路トレース（ｃｉｒｃｕｉｔｒｙ  ｔｒａｃｅｓ）を含むハイブリッド基板、及び回路トレースの他のキャリヤーのような表面上へピック・アンド・プレイス・マシン（ｐｉｃｋ−ａｎｄ−ｐｌａｃｅ  ｍａｃｈｉｎｅｓ）によって正確な位置に配置する制御システムに関する。より詳細には、本発明は、非接触型光ベースのセンサ・システムであって、部品の角度的向き及び位置（ｘ，ｙ）を正確に決定して、ピック・アンド・プレイス・マシンが当該部品の角度的向きを当該ピック・アンド・プレイス・マシンの座標系に対して適正な位置に補正するの可能にする非接触型光ベースのセンサ・システムに関する。
【０００２】
電子デバイス組立産業は、ピック・アンド・プレイス・マシンを用いて、部品を標準化されたフィーダ（送り）機構から自動的に「ピックアップし（拾い上げ）」、そして、そのような部品を、印刷回路板のような適切なキャリヤー上に「配置」する。所与の印刷回路板は、多数のそのような部品を含み得て、従って、印刷回路板への部品の配置の自動化は、コスト効果の高い製造にとって本質的である。所与のピック・アンド・プレイス・マシンの重要な局面は、配置する前に部品の向き及び位置を検出する方法である。一部のピック・アンド・プレイス・マシンは、部品を検査ステーションへ搬送し、そこにおいて、部品は、検査カメラ又は類似のもの（即ち、オフヘッド・システム（ｏｆｆ−ｈｅａｄ  ｓｙｓｔｅｍｓ））により像形成される。ひとたび、像形成されると、制御器、又は他の適切な装置が、向き及び位置の情報をその部品の像から計算する。そのようなシステムに係る１つの欠点は、部品を像形成ステーションまで移送し、当該部品を像形成し、そしてその部品を像形成ステーションから配置位置まで移送するのに必要とされる追加時間である。別のタイプのピック・アンド・プレイス・マシンは、「オンヘッド（ｏｎ−ｈｅａｄ）」センサを用いて、部品フィーダから配置位置まで移送されながら、当該部品を本質的に像形成する。こうして、上記の事例とは対照的に、オンヘッド部品検査システムは、典型的には、より高い部品スループットを可能にし、従って、より低いコストの製造を可能にする。
【０００３】
オンヘッド・センサを組み込むピック・アンド・プレイス・マシンは既知である。１つのそのような装置は、Ｓｋｕｎｅｓ他へ発行され、本発明の譲受人へ譲渡された米国特許Ｎｏ．５，２７８，６３４に教示されている。米国特許Ｎｏ．５，２７８，６３４は、単一の光源を用いて、照射を関心の部品に及びそれを通り過ぎるよう指向させるオンヘッドの部品検出器を開示する。部品は、Ｓｋｕｎｅｓ他の’６３４のセンサのハウジングの固定の大きさの窓に嵌る。光が活性状態にされたとき、部品は、検出器上へ投影された影の幅がモニタリングされながら真空クイルにより回転させられる。最小影幅は、矩形の部品の側部が検出器に対して垂直に整列されるとき、登録される。関連の電子装置は時にピック・アンド・プレイス・マシンに存在するが、当該関連の電子装置は、ノズルの所望の回転運動を（当該ピック・アンド・プレイス・マシンの基準軸を知って）計算する。これは、部品の角度的向き、並びに部品の位置を決定し、且つ適正な位置に補正するのを可能にする。
【０００４】
他のピック・アンド・プレイス・マシンは、センサ内に複数の光源を有するセンサを採用して、様々な大きさの部品に適応する。
Ｓｋｕｎｅｓ他により教示されたシステムはピック・アンド・プレイス・マシンにおける電子部品配置の技術に著しい進歩を提供したとはいえ、広範囲の大きさを有する部品に対する使用に適合された効率的センサは、異なる大きさの窓を有するセンサを交換するため、より早い配置及びより少ないマシン中断時間を提供するであろう。
【０００５】
［発明の概要］
本発明の特徴は、コンパクトな部品整列センサのための比較的厳しい包囲要件に適応することができる光学的レイアウトを提供する。特に、本発明の或る局面は、発散の程度を低減する単一の光学的部品を設け、そして、部品ゾーンに入る前に複数の発散光源からの光を実質的に平行にすることが好ましい。この点に関しては、パート数が低く保たれ、そして光学縦列自体の物理的大きさが比較的小さい。
【０００６】
便宜上、異なる図面において同じ参照番号を有するアイテムは、適宜、同じものであるか、又は同じ又は類似の機能を供する。
【０００７】
［好適な実施形態の詳細な説明］
図１Ａは、本発明の実施形態が特に有効であるピック・アンド・プレイス・マシン１５０の平面図である。図１Ａの説明がピック・アンド・プレイス・マシン１５０に関して提供されるであろうが、スプリット・ガントリー設計（ｓｐｌｉｔ  ｇａｎｔｒｙ  ｄｅｓｉｇｎｓ）のような他の形式のピック・アンド・プレイス・マシンを用いることができる。図１Ａに示されているように、ピック・アンド・プレイス・マシン１５０は、印刷回路板のような加工品を移送するよう適合されている移送機構１５２を含む。移送機構１５２は、取り付けセクション１５４及びコンベヤ１５６を含む。移送機構１５２は、加工品がコンベヤ１５６により取り付けセクション１５４へ搬送されるように基台１５８上に配設されている。フィーダ機構１６０は、一般的に、移送機構１５２の両側に配設され、そしてそれへ電子部品を供給する。フィーダ機構１６０は、電子部品を提供するよう適合された任意の適切な装置であり得る。
【０００８】
ピック・アンド・プレイス・マシン１５０は、基台１５８上に配設されたヘッド１６２を含む。ヘッド１６２は、複数のフィーダ機構１６０のいずれかと取り付けセクション１５４との間で移動可能である。分かることができるように、ヘッド支持部材１６４は、レール１６６上を移動可能であり、それによりヘッド１６２が基台１５８上でｙ方向に移動するのを可能にする。ｙ方向におけるヘッド１６２の移動は、モータ１７０がモータ作動信号に応答してボールねじ１７２を回転させるとき生じ、当該ボールねじ１７２は、ヘッド支持部材１６４のうちの１つと係合することによりヘッド支持部材１６４をｙ方向に変位させる。ヘッド１６２はまた、レール１６８上に支持され、基台１５８に対してｘ方向のヘッドの移動を可能にする。ｘ方向におけるヘッド１６２の移動は、モータ１７４がモータ作動信号に応答してボールねじ１７６を回転させるとき生じ、当該ボールねじ１７６は、ヘッド１６２と係合し、ヘッド１６２をｘ方向に変位させる。他のピック・アンド・プレイス設計、例えば、ｘ及びｙ方向の移動において排他的には動作しないピック・アンド・プレイス設計は、本発明との使用に適合され得る。
【０００９】
ヘッド１６２は、一般的に、本体１７８、ノズル取り付け部１８０、ノズル１８２、及びセンサ１８４を含む。ノズル取り付け部１８０は、本体１７８内に配設され、そしてノズル１８２のそれぞれを当該本体１７８内に取り付ける。本明細書で用いられるように、「ノズル」は、部品を解放可能に保持することができる任意の装置を意味することを意図している。ノズル１８２のそれぞれは、ｚ方向（上下方向）、ｘ方向、及びｙ方向に移動可能であり、そしてサーボ・モータのような任意の適切な作動部材によりｚ軸の周りに回転可能である。センサ１８４は、ノズル１８２により保持された部品と関連した影情報を獲得するよう適合されている。センサ１８４は、適切な照射装置及び検出装置を含み、それによりセンサ１８４が部品の向き及びオフセット（偏り）に基づいて変わる影情報を提供することができる。センサ１８４は、ヘッド１６２上に取り付けられることができ、又は代替として、センサ１８４は、ヘッド１６２に対して固定の位置に取り付けられることができる。センサ１８４により処理電子装置３４へ与えられる情報を用いて、それぞれの部品の向き及びオフセットを計算することができる。そのような情報は、ｘ軸及びｙ軸のオフセット、並びに回転方向オフセットを計算することを含む。
【００１０】
図２は、本発明の一実施形態に従った部品の向き及び位置検出システム１０の図である。部品の向き及び位置検出システム１０は、照射１６を部品１８上へ少なくとも２つの異なる角度から指向させるよう構成されている光源１２、１４を含む。光源１２、１４がそれぞれの光源について考えてみると十分な強度の照射を与える限り、光源１２、１４は、任意の適切な光源であることができる。従って、光源１２、１４は、非コヒーレントな、又はコヒーレントな照射であることができる。光源１２、１４はレーザ・ダイオードであることが好ましいが、しかし一部の実施形態においては、光源１２、１４は発光ダイオード（ＬＥＤ）である。光源１２、１４は、それら光源の一方と検出器上の２つの点（当該検出器上の始めのピクセルと終わりのピクセル）により規定される実質的に同じ平面に照射を与えるよう配置することができる。１対の光源１２、１４が示されているが、３つの光源のような任意の適切な数の光源を用いることができる。光源１２、１４からの照射１６は、部品１８により或る程度まで遮られ、それにより検出器２４上にそれぞれの影２０、２２を発生する。なお、検出器２４は、直線状電荷結合デバイス（ＣＣＤ）センサ又は相補形金属酸化半導体（ＣＭＯＳ）センサであることが好ましい。検出器２４は、或る一定数の光電素子又はピクセルを含む。検出器２４は、本質的に、影２０、２２を短い瞬時に捕捉し、そして当該捕捉された影のイメージと関連したデータ（例えば、検出器出力）を検出器電子装置２６へリンク２８を介して与える。希望される場合には、追加の光学的部品（例えば、レンズ、プリズム等）が、検出器２４の前に配置され得て、それにより部品の像（像形成（ｉｍａｇｅ）された、又は焦点合わせされた影）が検出器２４上に入射し、次いで、検出器２４は、影よりむしろ影の像を表す検出器出力を与える。本明細書で用いられるように、「影」は、関心の部品による少なくとも部分的遮断に基づいて変わる光の強度により部分的に発生される任意の表示を意味することを意図している。従って、影は、検出器上に落ちる前に、焦点合わせされてもされなくともよい。
【００１１】
部品１８がノズル３０に保持され、又はさもなければノズル３０に付着されるので、部品１８は、光源１２、１４が選択的に励起される間に矢印３２により示されるように回転される。分かることができるように、部品１８の回転中に、影２０、２２は、照射の所与のビーム１６を遮断する部品１８の断面範囲に基づいて大きさ及び位置を変えるであろう。検出器２４からの信号は、部品１８の回転中に、読み取られ及び／又は記憶され、それにより検出器２４からのデータを用いて、ノズル３０に対する部品１８の回転の向き、並びに部品１８の位置（ｘ，ｙ）を計算する。検出器電子装置２６は、このデータを処理電子装置３４へリンク３６を介して与える。図２に示されるように、処理電子装置３４は、部品１８の回転中に光源１２、１４の励起を制御するように光源制御電子装置３８に結合されるのが好ましい。光源制御電子装置３８又は励起電子機器３８は、或る実施形態においては、センサ１８４内に取り付けられている。処理電子装置３４は、適切なパーソナル・コンピュータ内に存在することができ、そして角度的向き及びオフセットを計算するための適切なソフトウエアを含む。処理電子装置３４はまた、エンコーダ４０に結合され、それにより、処理電子装置３４は、ノズル３０の角度的向きを示す信号をエンコーダ４０から与えられる。従って、どの光源が励起されているかを本質的に知り、エンコーダ４０により示されるようにノズル３０の角度的向きを知り、そして回転されている間に部品１８により投影される影の像を検出することにより、処理電子装置３４は、センサの内部幾何学の適切な知識を与えられると、部品の向き及び位置を計算する。
【００１２】
図２は、部品１８の２つの端部の影が検出器２４上に落ちるので光源１２、１４のいずれか一方を考えてみると二重端部測定を示す。
【００１３】
本発明の様々な実施形態は、検査下での部品の単一の端部又は二重の端部の測定を用いて、部品の情報（部品の大きさ、センター・オフセット、及び角度的向き等）を抽出することができるよう設計されている。典型的には、二重端部測定は、図２に示されるように、部品の寸法により部品の両端部の影が、オーバラップすること無しに、同じ部品の測定時間中に、検出器の上に落ちることが可能になる場合用いられる。従って、部品の少なくとも２つの端部が、同じ部品の測定時間内で異なる光源により検出器上に影を作ることができる。単一端部測定と二重端部測定との相違は、単一端部測定プロセス中に、部品の唯１つの端部は、部品が部品の他方の端部の影が検出器上に落ちないであろう程大きいことに起因して、いずれの光源により検出器上にその影を形成される。
【００１４】
２つ又はそれより多い光源は、像情報が計算のため収集される前の経過時間を低減するよう順序付けられる。これは、３つの光源が当該光源、及びＣＣＤ又は像形成アレイ（例えば、図１Ｂを参照）により定義される平面に対して別々に離間される場合特に有利である。光源が一般的に、検出器２４の表面に対して垂直であるノズル３０から引かれた線に対して互いから異なる角度位置にあるので、光源１２、１４のそれぞれは、部品１８上へ入射するとき、その主要光線をこの法線に対して異なる角度で指向させるであろう。本明細書で用いられるように、主要光線は、検出器本体の機械的軸から公称として参照された放射源により発生された照射の中心から発する主要光線であり、それにより、発した放射のコア（なお、それは典型的には対称である。）は主要光線により二分にされる。これは、端部情報のような、影に含まれる情報が部品の異なる空間位置を表すことを可能にする。即ち、図２に示されるように、１つの側の端部が、光源１２に対して整列され得て、そして９０度未満の部品の回転で、別の側の端部が、光源１４に対して整列され得る。
【００１５】
光源１２、１４は、任意の適切な要領で順序付けられる。例えば、光源１２、１４を、検出器２４のフル・フレーム読み出し速度（例えば、２ｋＨｚライン読み出し速度）で順序付けることは、これらの光源の間で経過する時間量を低減する。なお、その時間量は、その間隔中における部品の角度回転量が比較的小さいように順序付けられている。光源をそのように順序付けることにより、いずれかの光源から導出された影の像を個々に得ることができ、それにより、いずれの特定の影の像間の部品の運動を低減することができ、従って粒状度（ｇｒａｎｕｌａｒｉｔｙ）を低減し、且つその特定の光源からの一連の像の解像度を増強する。各光源は、影の像を部品の異なる回転位置から収集することを可能にする。部品に対する異なる光源位置に基づいて、部品の２以上の角度位置からの影の像は、比較的短い時間内で収集される。部品の情報は、単一の光源が励起されてデータを収集する場合要求されるであろう時間より少ない時間で収集することができる。それは、部品の全回転が角度情報を得るため要求されるからである。
【００１６】
本発明の実施形態の別の重要な特徴は、測定エンベロープ、又は変化する寸法の検知フィールドを生成する能力にある。本明細書で用いられるように、「検知フィールド」は、ハウジングのような任意の機械的遮蔽物により変更されるように、（全ての光源が励起されたとき、）励起された光源によりセンサに照射された累積的空間である。従って、検知フィールドは、機械的ハウジングすら要求するとは限らない。検知フィールドは、単一のセンサが大きさの変化する部品の向きを検知することができるように配置された複数の光源を適応させることにより形成される。例えば、部品が横方向に２５ｍｍである場合、部品の公称中心から１２．５ｍｍに配置され且つ検出器に対して垂直に配設される１つの励起された光源は、その主要光線を有し、検知フィールドで回転しつつあった部品の端部を捕捉するであろう。この実施形態は、その最も単純な形式で、或るサイズの部品につき唯１つの励起された光源を要求する。光源は、それらから放出される光の指定された円錐の立体角を有し、そのため、上記説明したように、公称中心からそして検出器表面に対して横方向又はおおよそ平行である距離は、パーツの端部の影を投影するためこの光源の発散を与えるよう調整することができる。しかしながら、例えば、ノズル３０から８ミリメートルの位置に且つ検出器２４に平行な部品１８の直径に沿って向かう光源の主要光線を有して配置される光源は、光の立体角の相対的向き並びに光源の位置に依存して遮られるであろう。各光源１２、１４の立体角、及び部品の大きさに基づいて、各光源は、部品の様々な区域を照射する。複数の光源のうちのどの１つ又はそれより多くの光源を励起すべきかを選択することは、重要である。それは、異なった大きさの部品が影の一部分でさえ発生するため異なる光源の使用となるからである。光源制御電子装置３８はまた、選択的な光源励起を、予想される部品の大きさに基づいて与えることができる。しかしながら、光源制御電子装置３８は、処理を促進するため、又は部品についての追加の情報を提供するため同じ大きさの部品に対して変化する励起順序を与えることができる。
【００１７】
部品が同じセンサにおいて小さいパーツから大きいパーツへ交換されるにつれ、検出器２４に対して平行な線又は検出器２４から横方向の線に沿ってますます遠くに向けられるがしかし検出器２４に対して垂直の線からノズル３０又は部品の回転の中心を介して測定された主要光線を有する光源は、光源１２、１４を選択的に順序付けることにより、ますます大きい部品の端部を像形成するであろう。（図１Ｂにおける矢印Ａを参照）。光源１２、１４は、（各光源が１つの側の影を投影するケースにおいては、）影を部品１８の対向する両側から同じ部品測定時間間隔で投影するよう順序付けられる。適切な光源の選択は、一般的に、予期されるパーツの大きさのアプリオリの知識に基づいて、光源をオンにすることを可能にし、それにより部品１８の端部を検出器２４上に像形成することができる。これは、固定の測定エンベロープ又は検知フィールド型である複数のセンサの使用を必要としないで、大きさが変化する部品を検出器２４上に像形成することを可能にする。
【００１８】
上記の説明は、単一のノズルが検知フィールド内に配設される実施形態に焦点を合わせたが、他の実施形態は、任意の適切な数のノズルを検知フィールドに設けることができる。図３は、本発明の別の実施形態に従って部品の向きを検出するためのシステム２０の図である。システム２０は、図２に示されたシステム１０と同じ又は類似の構成要素の多くを含み、そして類似の構成要素は、類似の番号が付されている。図３は、２以上のノズル３０が検知フィールド３１に配設されることができ、それにより複数の部品の向き及び位置が処理時間を低減するため実質的に同時に像形成されることができることを示す。
【００１９】
検知フィールド３１は、放射（光）源と検出器との間の範囲であり、そこにおいては、ノズル上に配置された部品は、光をそれら部品の上に指向させる。この実施形態においては、部品の端部からの影は、検出器２４上に投影される。ノズル３０及び光源１２、１４の位置に依存して、特に所定の大きさである部品１８は、様々な光源１２、１４を順序付ける等により測定され、それにより部品１８の影は、他のノズル上の部品の影から区別されることができる。光源制御電子装置３８が光源１２を最初に励起し、次いで光源１４を励起するという光源１２、１４の時間的順序付けが、図３に示されている。これは、２以上の部品１８を検知範囲において実質的に同一時間に測定することを可能にする利点を有する。更に、ノズル３０同士の間隔に依存して、ノズル３０は、大きさが変化する部品を保持することができ、それでもなお、そのような部品をノズル３０上を回転させながら部品の測定を達成することを可能にする。
【００２０】
図３は、部品１８の２つの端部の影が検出器２４上に落ちるので、光源１２、１４に関して考えてみると二重の端部測定の一例を示す。
【００２１】
図４は、本発明の別の実施形態に従った部品測定システム５０の図である。図４は、検知フィールド３１を示し、そこにおいては、検出器２４が、離間した２つの検出器部分２４Ａ、２４Ｂを備え、それらの検出器部分のそれぞれが、光源１２、１４から入射した光を受け取る。検出器部分２４Ａ、２４Ｂは、それぞれの光源−検出器対が独立に動作するので、互いに隣接して且つ様々な角度で配設することができる。検出器２４Ａの主軸は、検出器２４Ｂの主軸と同じ平面にあるとは限らない。更に、検出器２４Ａ及び２４Ｂは、部品の異なるパーツからの影を像形成するよう構成されることができる。分離している検出器部分を用いることにより、より小さい検出器部分の使用が可能になり、そして、必要ならば、検出器部分２４Ａ、２４Ｂを別々にパッケージ化することも可能になる。このようにして、非常に長い検出器２４は、同じ大きい部品検知エンベロープ又はフィールド３１を確立するため必要とされない。しかしながら、光源１２、１４の順序付けは、前の実施形態におけると本質的に同じである。
【００２２】
図４は、部品１８の２つの端部の影が検出器２４Ａ、２４Ｂのそれぞれの上に落ちるので、光源１２、１４に関して考えてみると二重の端部測定の一例である。
【００２３】
図５は、本発明の別の実施形態に従った部品測定システム６０の図である。部品測定システム６０は、図４に示される部品測定システム５０に対して多くの類似性を有し、そして類似の部品は類似の番号が付されている。部品測定システム６０と５０との主要な相違は、検出器部分２４Ａ及び２４Ｂの相対的向きである。詳細には、図４に言及すると、検出器部分２４Ａ及び２４Ｂの表面が、ほぼ同じ平面に存在し、そして、２次元で見たとき共平面に見える。しかしながら、図５に示される部品測定システム６０は、検出器部分２４Ａ及び２４Ｂの主軸が同じ平面に存在しないように配設されている検出器部分２４Ａ及び２４Ｂを示す。従って、部品測定システム６０の検出器部分２４Ａ及び２４Ｂは、互いに対して共平面に見えない。代わりに、検出器部分２４Ａ及び２４Ｂは、各検出器部分に関してそれぞれの光源からの照射の中心線に対して垂直に配設されている。例えば、検出器部分２４Ａは、端部６２及び６４が光源１４から等距離であるように光源１４に対して配向されているように見える。検出器部分２４Ａも、影２０の平面に配設され、そして、光源の順序付けは、図５の相対的タイミング図に示されるように動作する。検出器部分２４Ａ及び２４Ｂが、互いに対して比較的僅かな角度で配設されているように示されているが、９０度のような任意の適切な角度を用いることができる。
【００２４】
図５は、部品１８の２つの端部の影が検出器２４Ａ、２４Ｂのそれぞれの上に落ちるので、各光源に関して考えてみると二重の端部測定の一例である。
【００２５】
図６は、本発明の別の実施形態に従った部品測定及び検出システム７０の図である。部品測定及び検出システム７０は、図２に示される実施形態に類似しており、そして類似の構成要素は、類似の番号を付されている。図６のシステム７０と図２のシステム１０との間の主要相違は、反射鏡面７２、７４を設けることにある。分かることができるように、光源１２、１４は、最初に、それらの照射を検出器部分２４から遠ざかるように指向され、当該その照射は、反射鏡面７２、７４（典型的には、実質的に鏡）上に落ち、そしてノズル３０及び検出器３４に向けて指向される。この実施形態は、光源１２、１４の配置に関する柔軟性を与える。図６に示されるように検出器２４はまた、図４又は図５に示されるそれぞれの検出器のレイアウトのいずれかを組み込むことができるであろう。しかしながら、分割された検出器部分及び鏡面反射体を用いた実施形態においては、１つの光源は、鏡面反射体を利用することができるであろうし、そして一方別の光源は、その主要光線が部品上に直接入射し、従って鏡面反射体を必要としないように配置されることができるであろう。更に、図６が光源１２、１４と部品との間に鏡面反射体を使用することを示すが、そのような鏡面反射体は、部品と検出器３４との間に配設されることができるであろう。
【００２６】
図７は、本発明の実施形態に従った部品測定及び検出システム８０の図である。部品測定及び検出システム８０は、本発明の実施形態を用いて、特大の部品に対する部品のオフセット及び回転の向きを検出する仕方（例えば、単一の端部測定）を示すよう図示されている。この説明は、単一の端部測定のための回転及び位置（ｘ，ｙ）のオフセットの計算を詳述するよう与えられおり、そして二重端部測定へ拡張することができる。Ｄｅｌｅｙへの米国特許Ｎｏ．５，５５９，７２７はまた、異なる光源／検出器配置の場合の両側測定のための回転及び位置のオフセットを計算することを提供する。図７は、１個の端部の唯１つの影が検出器部分２４Ａ、２４Ｂのそれぞれの上に落ちるので、光源１２、１４のどちらか一方に関して片側測定の一例を示す。そのような部品は、一般的に、対向する両側の影を任意の単一の検出器部分上に同時に適合させるには大き過ぎる。
【００２７】
図７は、影を検出器部分２４Ａ及び２４Ｂ上に投影する部品１００を示す。しかしながら、各検出器部分は単一の影を捕捉するのみである。それは、部品１００がその対向する両側の影が検出器部分２４Ａ及び２４Ｂ上に落ちない程大きいからである。この実施形態においては、検出器出力２８Ａ及び２８Ｂは、部品１００のそれぞれの片（側部）が光源１２、１４のいずれか一方から発する所与の光線と整列されるときを示す影の最小を検出するため当該部品１００が回転されながらモニタリングされる。例えば、図７に示される事例においては、僅かな反時計回りの回転は、部品１００の端部１０２を光源１４から発する光線と整列する状態にするであろう。そのような整列は、極小を検出器部分２４Ａ上に発生するであろう。図７において、検出器が光源に対して直角に位置されるように見えるが、非直交位置もまた採用し得ることが理解されるであろう。
【００２８】
図７における、ｘ軸及びｙ軸のオフセット、部品の幅、部品の側部の全ての長さ、及び部品の回転オフセットを決定するため、図８に示される、図７の１個の光源−検出器対の類似の例を考える。最小幅の長さは、影端部と検出器点Ｏ１との間の距離Ｄ１を求めることにより測定される。距離Ｄ１は、次のように部品の寸法Ｌ１と関連している。距離Ｄ１が最小であるとき、
【００２９】
【数１】
2005537648.tif 000003
【００３０】
であり、そこで、
【００３１】
【数２】
2005537648.tif 000004
【００３２】
及び
【００３３】
【数３】
2005537648.tif 000005
【００３４】
である。
ＬＣ及びα１＿ｓｉｄｅ＿ａに関する式は、ｓｉｄｅ＿ｃ（側部Ｃ）が図８におけるｓｉｄｅ＿ａ（側部Ａ）のような類似の位置へ回転されるとき同様に導出されることができる。エンコーダ及びエンコーダ電子装置は、エンコーダ回転Ｅ１を捕捉する。なお、Ｄ１は最小である。連続したエンコーダ回転間のステップの大きさがＴである場合、ｓｉｄｅ＿ａ（側部Ａ）がピック・アンド・プレイス・マシンの基準軸に整列されており、且つ検出器２４ｂの主軸に垂直であるとき、パーツ回転エンコーダ値は、
【００３５】
【数４】
2005537648.tif 000006
【００３６】
である。
ここで、α１＿ｓｉｄｅ＿ａが、点光源１２において検出器２４ｂ上のＯ１への線とＳ１への線と間に形成される角度であり、そしてθ１が、光源１２において検出器２４ｂ上のＯ１への線とピック・アンド・プレイス・マシンの基準軸との間に形成される角度である。部品の幅Ｗａｃは、次式のように計算することができる。
【００３７】
【数５】
2005537648.tif 000007
【００３８】
そして、パーツの中心からの線Ｗに沿ったノズル軸３０（回転軸）のオフセットは、次式により与えられる。
【００３９】
【数６】
2005537648.tif 000008
【００４０】
式１から式６により数学的に記述した計算プロセスは、部品１００の残りの対向する両側に対して繰り返されることができること任意であり、それから、直交した幅及びオフセットを計算することができる。このプロセスは、部品１００に繰り返し適用することができ、そこにおいて、値Ｌａ、Ｌｂ、Ｌｃ、Ｌｄ（部品１００の側部の長さ）は、光源１２、１４を励起する順序付けと、光源１２、１４に対する部品１００の回転とにより決定されるように、光源１２、１４による検出器２４ｂ、２４ａ上への使用可能な最小投影の任意のシーケンスから導出することができる。
【００４１】
図９は、本発明の一局面に従った部品の向き及び配置検出システム２１０の図である。図９は、図１に幾分類似していて、類似の構成要素は同様の番号を付されている。部品の向き及び配置検出システム２１０は、照射２１６を部品２１８上へ少なくとも２つの異なる角度から指向するよう構成されている光源２１２、２１４を含む。光源２１２、２１４は、それら光源が各光源について考えてみると十分な強度の照射を与える限りいずれの適切な光源であることができる。従って、光源２１２、２１４は、非コヒーレントな又はコヒーレントな照射源であることができる。光源２１２、２１４は、レーザ・ダイオードであることが好ましいが、しかし一部の実施形態においては、光源２１２、２１４は、発光ダイオードである。光源２１２、２１４は、それらの光源のいずれか一方と検出器上の２点（検出器上の始めのピクセルと終わりのピクセル）とにより規定されるように、実質的に同じ平面に照射を与えるよう配置されることができる。
【００４２】
光源２１２からの発散する照射は、光学素子２１７を通り、当該光学素子２１７は、当該照射の発散の程度を低減し、そして好ましくは通過する光を実質的に平行にするよう機能する。図示されているように、光源２１２から光学素子２１７を通過する照射は、低減した発散を有する第１のビーム２１９を形成し、一方光源２１４から光学素子２１７を通過する照射は、低減した発散を有する第２のビーム２２１を形成する。光学素子２１７は、球面か又は円筒形であるレンズであることが好ましい。しかしながら、円筒形のレンズがより好ましい。光学素子２１７から発する照射は、その発散がより少なく、さもなければ存在するであろう光線束（ｒａｙ  ｂｕｎｄｌｅ）より一層コンパクトな光線束を提供し、それにより、部品の回転がより少なくしか必要とされないので、部品の整列の計算を迅速化する。その上、当業者は、光学素子２１７が光学的に理想の向きから反対方向に配設されることを認めるであろう。このように、光学素子２１７は、部品のゾーン２２３に近接した平坦な表面を有する。光学素子２１７が平坦な表面を部品ゾーンに近接して有することにより、部品の向き及び配置検出システム２１０に汚染物に対する便利なシールが提供される。
【００４３】
本発明の一局面に従って、フィルタ２２５は、検出器２２４上に落ちる周囲光を低減するため、検出器２２４に近接して配設される。フィルタ２２５は、入射光の角度及び／又は波長に基づいてフィルタリングすることができる。
【００４４】
当業者は、４つの側部を有する部品に対して、完全な部品の測定を約２２５度（両方の端部を像形成するための１８０度＋第１の端部を像形成するため最大４５度）の回転で実行することができる。これは、部品の完全な１回転を必要とするより著しく早い。
【００４５】
或るケースにおいては、ピック・アンド・プレイス・マシンは、部品の大きさの任意のアプリオリの知識を持たなくよい。そのようなケースにおいては、ピック・アンド・プレイス・マシンは、「光源走査」を実行することができ、そこにおいては、複数の光源が順次励起されて、それら光源のうちのいずれかが少なくとも１つの影部分を少なくとも１つの検出器上に投影するよう部品に対して配設されているかどうかを決定する。そのような組み合わせが見つけられる場合、部品の測定及び整列は、その選択された検出器／光源の組み合わせでもって実行することができる。
【００４６】
本発明の実施形態の動作は、一般的に、次のステップを含む。第１のステップは、光源、ノズル及び検出器位置を相互に対して較正することである。この動作のため用いることができる多数の技術が存在する。例えば、様々なセンサ素子の位置の計算は、座標測定機械の適所に固定された試験構成要素を有するセンサを配置し、次いで当該座標測定機械を用いて、試験構成要素の全ての相対的位置を識別し、それにより、１つ又は複数の光源から検出器上へ入射する光線の位置をノズルの位置及び検出器の位置に対して知ることにより実行されることができる。
【００４７】
第２のステップとして、１つ又は複数の光源から入射する光による検出器上への各部品の投影からの１つ又は複数の影は、端部を抽出するよう処理される特性強度プロフィールを有する。端部位置は、サブピクセル位置へ補間されることができる。そのような補間は、重心計算又は曲線適合を含むいずれの多くの技術を用いて実行することができる。次いで、これは、特定の端部位置をエンコーダ位置及び既知の光源光線位置と関連づける。次いで、影の定義された端部が１つの（ｒ，θ）対を与える。なお、θは、ノズルのシャフト上にある又はその相対的角度位置を示すノズル・シャフトに取り付けられているエンコーダの位置であり、そして（ｒ，θ）は、光源から、検出器上の端部位置であって部品の位置を角度空間及び時間におけるその特有の点において定義する上記端部位置までの距離である。（ｒ，θ）対は、ノズル上での部品の回転中に収集される。これら複数の（ｒ，θ）対を用いて、且つ図７のように既知の幾何学的技術を用いて、（ｒ，θ，Ｂ１）を導出する。ここで、θは、αと一緒に用いて、パーツの角度的向きを計算する。なお、部品の情報は、部品の幅、部品の長さ、回転中心のノズル・オフセットｘ、回転中心のノズル・オフセットｙ、及びノズルの角度位置に対して部品の基準の定義されたフレームの角度位置を含む。この情報を用いて、部品の位置が、機械的基準の特定のピック・アンド・プレイス・マシンのフレームの中にソフトウエアを介して翻訳することができ、そして部品は、印刷回路板上のその目標位置上に配置されるよう適正に位置決めされることができる。
【００４８】
本発明が好適な実施形態を参照して説明されたが、当業者は、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなしに、変更を形式及び詳細について行い得ることを認めるであろう。例えば、検出器２４の複数の部分が、同じ平面内に又は同じ平面内で無しに配置されることができるであろう。更に、そのような検出器部分は、物理的に隣接しているとは限らないで、検出器のセグメントであり得て、それにより、光源及び検出器に対する多重ノズルの位置が、部品及び検出器部分に対してオンにされる光源の選択に基づいて部品をそのような検出器部分上に像形成することを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】図１Ａは、本発明のピック・アンド・プレイス・マシンの平面図である。図１Ｂは、本発明のセンサの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
【図４】図４は、本発明の別の実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
【図８】図８は、単一の検出器・光源対の図である。
【図９】図９は、本発明の一実施形態に従った、部品の向き及び位置を検出するためのシステムの図である。
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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