(57)【要約】【課題】３次元画像を高精度で撮像する３次元撮像装置等を提供する。【解決手段】レーザ光を照射する半導体レーザ１２と、照射されたレーザ光を水平方向に走査させるポリゴンミラー１５と、水平方向に走査されたレーザ光を鉛直方向に反射して電子部品２に入射させる第２のミラー１６と、電子部品２で反射されたレーザ光を受光するＰＳＤ１８と、ＰＳＤ１８における受光状態に基づいて電子部品２の３次元画像データを生成する画像処理部２１と、を備えた３次元撮像装置において、第２のミラー１６の水平方向における向きを変更し、電子部品２で反射されたレーザ光がＰＳＤ１８に受光されるようにレーザ光の走査方向を変更するようにした。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を照射する照射手段と、前記照射された光を一方向に走査させる走査手段と、前記走査された光を反射して被撮像体に入射させる反射面を有する反射手段と、前記反射面の向きを変更する可変手段と、前記被撮像体で反射された光を受光する受光手段と、前記受光手段における受光状態に基づいて前記被撮像体の３次元画像データを生成する画像処理手段と、を備え、
前記反射面の向きを変更することで光の走査方向を変更し、前記被撮像体で反射された光が前記受光手段に受光されるようにした３次元撮像装置。
【請求項２】
前記走査手段が光を水平方向に走査させ、前記反射手段が前記水平方向に走査された光を鉛直方向に反射し、前記可変手段が前記反射面の水平方向における向きを変更する請求項１に記載の３次元撮像装置。
【請求項３】
前記反射面が水平方向に回動し、任意の向きで回動が規制される請求項２に記載の３次元撮像装置。
【請求項４】
部品を基板に実装する部品実装装置であって、
請求項１に記載の３次元撮像装置により生成された部品の３次元画像データに基づいて部品の形状検査を行う部品実装装置。
【請求項５】
光を照射する照射手段と、前記照射された光を一方向に走査させる走査手段と、
前記走査された光を反射して被撮像体に入射させる反射面を有する反射手段と、前記反射面の向きを変更する可変手段と、前記被撮像体で反射された光を受光する受光手段と、前記受光手段における受光状態に基づいて前記被撮像体の３次元画像データを生成する画像処理手段と、を備えた３次元撮像装置における撮像方法であって、
前記反射面の向きを変更することで光の走査方向を変更し、前記被撮像体で反射された光が前記受光手段に受光されるようにした撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品をはじめとした各種部品の３次元画像を撮像する撮像装置および撮像方法、部品実装装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の高密度化する電子部品の実装分野においては、ＱＦＰ、ＢＧＡ等に代表される電子部品の狭ピッチ多ピン化が進展し、実装品質の更なる向上が求められている。そのため、ピックアップされた電子部品の実装面を撮像して高さ方向を含む３次元画像データを生成し、この３次元画像データに基づいて電子部品の３次元形状検査および電子部品と基板との２次元位置合わせを行っている（特許文献１参照）。
【０００３】
実装面の３次元画像データは、ポリゴンミラーにより実装面の一方向に光を走査させながら部品を走査方向と直交する副走査方向に移動させることで実装面の全域に光を走査させ、その反射光を位置検出素子（ＰＳＤ：Ｐｏｓｉｔｉｏｎ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ  Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）で受光し、ＰＳＤにおける受光状態に基づいて画像処理することで生成される。ＰＳＤは、複数の受光素子の集合体により受光領域を形成しており、実装面の形状に対応した位置で走査光を受光する。ポリゴンミラーは、その回転軸を水平方向に向けた状態で配置され、その上方を移動する部品に向けて光を走査させているが、近年、回転軸の長寿命化を図るため、回転軸を鉛直方向に向けて配置するようになってきている。この場合、水平方向に光が走査されるため、ポリゴンミラーと部品との間に反射ミラーを配置し、光の進行方向を鉛直方向に変換することが行われている。
【特許文献１】特開２００４−２３５６７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、反射ミラーを配置するための機械部品に加工誤差や施工誤差等があると、進行方向を鉛直方向に変更された光の走査方向が副走査方向と完全には直交しないことがある。ＰＳＤは、実装面の形状に対応した位置で受光するため、実装面で反射された走査光を受光した受光軌跡は直線ではなく波形を描く。そのため、光の走査方向によっては受光軌跡が受光領域をはみ出してしまうことがあり、実装面の３次元画像データを正確に生成することができず、結果として、電子部品の３次元形状検査および電子部品と基板との２次元位置合わせ精度が悪化するという問題が生じる。
【０００５】
従来、ＰＳＤにおける受光状態を高さデータに変換する画像処理段階で、誤差解消のための補正値を考慮した処理が行われていたが、受光領域をはみ出した部分については受光データ自体が取得されないという問題を解決するものではなかった。また、ＰＳＤの取り付け角度を調整することである程度の補正は可能であるが、反射ミラーの配置自体に誤差がある場合について補正するだけの調整代を備えたものではなかった。
【０００６】
そこで本発明は、３次元画像を高精度で撮像する３次元撮像装置および撮像方法、部品実装装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の３次元撮像装置は、光を照射する照射手段と、前記照射された光を一方向に走査させる走査手段と、前記走査された光を反射して被撮像体に入射させる反射面を有する反射手段と、前記反射面の向きを変更する可変手段と、前記被撮像体で反射された光を受光する受光手段と、前記受光手段における受光状態に基づいて前記被撮像体の３
次元画像データを生成する画像処理手段と、を備え、前記反射面の向きを変更することで光の走査方向を変更し、前記被撮像体で反射された光が前記受光手段に受光されるようにした。
【０００８】
請求項２に記載の３次元撮像装置は、請求項１に記載の３次元撮像装置において、前記走査手段が光を水平方向に走査させ、前記反射手段が前記水平方向に走査された光を鉛直方向に反射し、前記可変手段が前記反射面の水平方向における向きを変更する。
【０００９】
請求項３に記載の３次元撮像装置は、請求項２に記載の３次元撮像装置において、前記反射面が水平方向に回動し、任意の向きで回動が規制される。
【００１０】
請求項４に記載の部品実装装置は、部品を基板に実装する部品実装装置であって、請求項１に記載の３次元撮像装置により生成された部品の３次元画像データに基づいて部品の形状検査を行う。
【００１１】
請求項５に記載の撮像方法は、光を照射する照射手段と、前記照射された光を一方向に走査させる走査手段と、前記走査された光を反射して被撮像体に入射させる反射面を有する反射手段と、前記反射面の向きを変更する可変手段と、前記被撮像体で反射された光を受光する受光手段と、前記受光手段における受光状態に基づいて前記被撮像体の３次元画像データを生成する画像処理手段と、を備えた３次元撮像装置における撮像方法であって、前記反射面の向きを変更することで光の走査方向を変更し、前記被撮像体で反射された光が前記受光手段に受光されるようにした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、走査された光を反射して被撮像体に入射させる反射面の向きを変更し、レーザ光の走査方向を変更することで、被撮像体で反射されたレーザ光を受光手段により受光することができるので、３次元画像の測定精度を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本実施の形態の電子部品実装装置の斜視図、図２は本実施の形態の３次元撮像装置の斜視図、図３は本実施の形態の３次元撮像装置における受光状態を示す平面図である。
【００１４】
最初に、電子部品実装装置について説明する。図１において、電子部品実装装置１は、電子部品２を基板３に実装する機能を備えている。電子部品２はパーツフィーダ４に複数収納されている。パーツフィーダ４に収納された電子部品２は、部品供給口５にてノズル６に吸着されてピックアップされる。ノズル６は直交ロボット（Ｘロボット７、Ｙロボット８）に水平移動可能に設けられたヘッド９の下部に複数装着され、ヘッド９から下方に向けて昇降可能に、また軸心周りに回転可能に構成されている。基板３は搬送レール１０に沿って水平移動可能に支持されており、実装を行うための所定の位置に位置決めされる。ノズル６に吸着された電子部品２は、ヘッド９の水平移動により基板３の上方に位置決めされ、ノズル６の下降動作により基板３の表面に実装される。３次元撮像装置１１は、ノズル６に吸着された電子部品２の下面（実装面）の３次元形状を撮像する。電子部品の実装面には、基板３の表面の電極パッドと接合させる半田バンプやリード等が形成されており、これらの形状等に不具合がないかどうかについて３次元形状に基づいて検査を行う。検査の結果、不具合のない電子部品２については、半田バンプやリード等と基板３の表面の電極パッドとの２次元位置合わせを行う。このように、３次元撮像装置１１を用いることで、不具合のある電子部品２を排除し、正常な電子部品２と基板３との正確な位置合わせを可能とし、実装品質の低下を防止している。
【００１５】
次に、３次元撮像装置について説明する。図２において、３次元撮像装置１１は、水平方向にレーザ光を照射する照射手段である半導体レーザ１２と、照射されたレーザ光を集光整形する第１のレンズ群１３と、第１のレンズ群１３を透過したレーザ光の進路を水平面内で変更させる第１のミラー１４と、第１の反射ミラー１４で進路変更されたレーザ光を水平方向に走査させる回転ミラー面を備えたポリゴンミラー１５と、ポリゴンミラー１５で走査されたレーザ光（水平走査光）を鉛直方向に進路変更させる第２のミラー１６と、第２のミラー１６で鉛直方向に進路変更され、被撮像体である電子部品２の実装面で反射されたレーザ光を集光整形する第２のレンズ群１７と、第２のレンズ群１７を透過したレーザ光を受光手段である位置検出素子（ＰＳＤ）１８に結像させる第３のレンズ群（図示せず）とで構成されている。ポリゴンミラー１５は、周方向に複数の平面ミラーを連続して配置して構成され、ポリゴンスキャナモータ２０を駆動源として鉛直軸ａを中心に水平面内で矢印ｂ方向に高速回転し、入射したレーザ光を水平方向に走査させる走査手段としての機能を備えている。ポリゴンミラー１５により水平方向に走査されたレーザ光は、反射手段である第２のミラー１６で反射して鉛直方向に進路変更し、電子部品２の実装面に入射する。なお、半導体レーザ１２からＰＳＤ１８に至るまでのレーザ光の進路を破線で示している。
【００１６】
実装面の３次元画像を撮像するためには、実装面全域にレーザ光を入射させる必要があるので、実装面に入射するレーザ光の走査方向ｃと水平面内で直交する副走査方向ｄに電子部品２を移動させ、実装面全域にレーザ光を走査させる。実装面全域で反射したレーザ光は、矩形状の受光領域を形成するＰＳＤ１８に結像し、結像した位置と相関する電気信号がＰＳＤ１８から画像処理部２１に発信される。なお、図２では省略しているが、ＰＳＤ１８は、実装面に入射するレーザ光の進路軌跡の線対称となる位置にも配設されており、実装面で反射したレーザ光が実装面の凹凸形状等により一方のＰＳＤへの進路が遮断された場合であっても他方のＰＳＤに受光されるようになっている。画像処理部２１は、ＰＳＤ１８の受光状態に基づいて実装面の形状を三角測量法により測定し、一対のＰＳＤ１８からそれぞれ受信した電気信号の合成処理を行って実装面の３次元画像データを生成する機能を備えた画像処理手段である。なお、第１のミラー１４は、半導体レーザ１２とポリゴンミラー１５の位置関係により必要となるものであって、第１のミラー１４による反射方向にレーザ光を直接照射できる位置に半導体レーザ１２を配置することが可能な場合には不要である。
【００１７】
第２のミラー１６は、その仰角が略４５度となるように台座２２に支持されている。台座２２は、撮像装置１１のベース部材２３に鉛直軸ｅを中心として水平面内で回動自在に設けられ、第２のミラー１６の水平方向における向きを任意の向きに変更できるようになっている（矢印ｆ参照）。台座２２には、鉛直方向に上下動可能なピン２４が設けられており、ピン２４の先端をベース部材２３に当接させて台座２２を回動しないように規制することができる。ピン２４の上下動は、ねじ構造の他、バネ等の付勢手段により下方に付勢された状態に構成し、回動が規制された状態を維持するように構成することも可能である。台座２２を回動させる際には、付勢力に抗して上方に移動させることで規制が解かれる。また、ピン２４の先端とベース部材２３が当接する箇所に摩擦係数を上げるための加工を施すことで、台座２２の回動をより強力に規制することが可能となり、衝撃等の外力により第２のミラー１６の水平方向における向きが変わる事故を防止することができる。台座２２は、第２のミラー１６の向きを変更する可変手段として機能し、ピン２４は、第２のミラー１６の水平方向における回動を規制する規制手段として機能する。
【００１８】
次に、レーザ光の走査方向を変更する方法について説明する。図２において、入射箇所の凹凸形状によりレーザ光の反射方向は異なるので、矢印ｃ方向に直線に走査した場合であっても、ＰＳＤ１８における受光軌跡は必ずしも直線とはならず、実装面の凹凸等の形状に対応した波形を描くことが多い。そのため、レーザ光の走査方向によっては、反射し
たレーザ光がＰＳＤ１８の受光領域外にはみ出し、正しく受光されない場合が起こり得る。例えば、レーザ光が副走査方向（矢印ｄ参照）と直交する方向（矢印ｃ参照）に走査すれば、図３（ａ）に示すように、受光軌跡ｈは受光領域に収まるが、走査方向が副走査方向と直交する方向に対して大きくずれていると、図３（ｂ）に示すように、受光軌跡ｉの一部が受光領域外にはみ出した状態となる場合がある。このように、ＰＳＤ１８により形成された矩形状の受光領域を有効に使用することができないと、実装面の高さ方向の測定レンジが狭まり、比較的大きな凹凸を有する実装面に対しては十分な測定精度を確保することができず、電子部品の３次元形状検査および電子部品と基板との２次元位置合わせ精度を悪化させることになる。このような事態を回避するため、第２のミラー１６の水平方向における向きを調節してレーザ光の走査方向を変更することで、測定レンジを広く確保することが可能となり、実装面で反射されたレーザ光がＰＳＤ１８に正しく受光されるので、測定精度を確保することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明によれば、走査された光を反射して被撮像体に入射させる反射面の向きを変更し、レーザ光の走査方向を変更することで、被撮像体で反射されたレーザ光を受光手段により受光することができるので、３次元画像の測定精度を確保することができるという利点を有し、高度な実装精度が要求される実装分野等において特に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本実施の形態の電子部品実装装置の斜視図
【図２】本実施の形態の３次元撮像装置の斜視図
【図３】本実施の形態の３次元撮像装置における受光状態を示す平面図
【符号の説明】
【００２１】
１  電子部品実装装置
２  電子部品
１１  ３次元撮像装置
１２  半導体レーザ
１５  ポリゴンミラー
１６  第２のミラー
１８  ＰＳＤ
２１  画像処理部
２２  台座
２４  ピン
【図１】
2008085023.tif 000003
【図２】
2008085023.tif 000004
【図３】
2008085023.tif 000005