(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構成素子を受け取り個所から載置個所に搬送する取り付けヘッドにおいて、
構成素子（２０３）を受け取る際に受け取り個所に対して運動する、および／または構成素子（２０３）を載置する際に載置個所に対して運動するグリップ装置（２０２）と、
少なくとも取り付け過程の経過時にグリップ装置（２０２）に対して固定の空間的位置に配置されている光学式間隔スイッチ（１００）とを有しており、
該光学式間隔スイッチは、共焦形の結像原理にしたがい非接触で高速に間隔を決定する光学式間隔スイッチであり、
該光学式間隔スイッチは、ほぼ点状の光送出素子と、
該光送出素子を、結像光学系（１１２）の結像特性によってあらかじめ定まるスイッチ領域（１１３）に結像する結像光学系（１１２）と、
前記光送出素子と同じ個所に配置されている、または該光送出素子に対して共焦に配置されているほぼ点状の光受光素子と、
該光受光素子に結合されている光検出装置とを有しており、
該光検出装置を構成して信号（３１０）が出力されるようにし、ここで該信号（１３０）が出力されるのは、
前記スイッチ領域（１３）に対象体が移動し、
前記光送出素子から送出され前記結像光学系（１２）を介して前記対象体に当たった光が、少なくとも部分的に散乱し、散乱した光が結像光学系（１１２）によって前記受光素子に結像される場合であり、
前記光学式間隔スイッチ（１００）は調整され、これによりグリップ装置（２０２）の運動中に前記の受け取り個所または載置個所が前記スイッチ領域（１１３）に入るようにされており、
前記光検出装置は、グリップ装置（２０２）の運動を制御する制御装置に結合されており、これによって前記の受け取り個所または載置個所がスイッチ領域（１１３）に入る際に当該運動の速度が変更されることを特徴とする、
構成素子を受け取り個所から載置個所に搬送する取り付けヘッド。
【請求項２】
前記光検出装置を構成して、対象体によって散乱し受光素子に戻った光の強度の経過が最大の強度値（Ｓｍａｘ）を越えた後、あらかじめ設定されたまたは最大の強度値（Ｓｍａｘ）によって決まる相対的または絶対的な強度値を下回る場合に前記信号（３１０）が出力されるようにした、
請求項１に記載の取り付けヘッド。
【請求項３】
前記結像光学系（１１２）は集光レンズを有する、
請求項１または２に記載の取り付けヘッド。
【請求項４】
前記の光送出素子および受光素子は、光導波体（１３０）の第１の端部（１１１）によって実現される、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の取り付けヘッド。
【請求項５】
前記光導波体（１３０）は単一モードの光導波体である、
請求項４に記載の取り付けヘッド。
【請求項６】
前記光導波体（１３０）の第２の端部は、光源（２４）にも、光検出装置の光検出器（１２５）にも共に光学的に結合されている、
請求項４または５に記載の取り付けヘッド。
【請求項７】
前記の光導波体（１３０）の第２の端部は２つの部分端部に分割されており、
第１の部分端部（１２２）は光源（１２４）に、第２の部分端部（１２３）は光検出器（１２５）に結合されている、
請求項６に記載の取り付けヘッド。
【請求項８】
前記の光源（１２４）および光検出器（１２５）は、ビームスプリッタを有するファイバー入力結合装置によって、前記の光導波体（１３０）の第２の端部に光学的に結合されている、
請求項６に記載の取り付けヘッド。
【請求項９】
前記光源（１２４）は、レーザまたは発光ダイオードである、
請求項６から８までのいずれか１項に記載の取り付けヘッド。
【請求項１０】
前記光検出器（１２５）は、２次電子倍増管、フォトダイオードまたはアバランシュフォトダイオードである、
請求項６から９までのいずれか１項に記載の取り付けヘッド。
【請求項１１】
前記の結像光学系（１１２）の結像特性によってあらかじめ定められる付加的なスイッチ領域に該結像光学系（１１２）によって結像されるほぼ点状の少なくとも１つの付加的な光送出素子と、
該付加的な光送出素子と同じ個所、または該付加的な光送出素子に共焦に配置されるほぼ点状の少なくとも１つの付加的な受光素子と、
該付加的な受光素子に結合されている付加的な光検出装置とを付加的に有しており、
該光検出装置を構成して付加的な信号が出力されるようにし、ここで該信号の出力されるのは、対象体が前記の付加的なスイッチ領域に移動し、かつ
前記の付加的な光送出素子から送出され結像光学系（１１２）を介して対象体に当たった光が、少なくとも部分的に散乱され、該散乱された光が結像光学系によって前記の付加的な受光素子に結像される場合である、
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の取り付けヘッド。
【請求項１２】
基板（２００）に構成素子（２０３）を取り付ける自動取り付け機械において、
請求項１に記載の取り付けヘッドを使用することを特徴とする、
自動取り付け機械。
【請求項１３】
基板（２００）に構成素子（２０３）を取り付ける方法において、
グリップ装置（２０２）に保持された構成素子（２０３）を載置個所に対して動かし、
該載置個所は、光学式間隔スイッチ（１００）のスイッチ領域（１１３）に入り、
該光学式間隔スイッチは、共焦形の結像原理にしたがい非接触で高速に間隔を決定する光学式間隔スイッチであり、
該光学式間隔スイッチは、ほぼ点状の光送出素子と、
該光送出素子を、結像光学系（１１２）の結像特性によってあらかじめ定まるスイッチ領域（１１３）に結像する結像光学系（１１２）と、
前記光送出素子と同じ個所に配置されている、または該光送出素子に対して共焦に配置されているほぼ点状の光受光素子と、
該光受光素子に結合されている光検出装置とを有しており、
該光検出装置を構成して信号（３１０）が出力されるようにし、ここで該信号（１３０）が出力されるのは、
前記スイッチ領域（１３）に対象体が移動し、
前記光送出素子から送出され前記結像光学系（１２）を介して前記対象体に当たった光が、少なくとも部分的に散乱し、散乱した光が結像光学系（１１２）によって前記受光素子に結像される場合であり、
該スイッチ領域（１１３）に載置個所が入る際に信号（３１０）をトリガして、該信号を前記グリップ装置（２０２）の運動を制御する制御装置に転送し、
グリップ装置（２０２）の運動の速度を変更することを特徴とする、
基板に構成素子を取り付ける方法。
【請求項１４】
構成素子を保持していないグリップ装置（２０２）を受け取り個所に対して動かし、
該受け取り個所が、前記の光学式間隔スイッチ（１００）の前記のスイッチ領域または付加的なスイッチ領域（１１３）に入り、
該スイッチ領域（１１３）に受け取り個所が入る際に信号（３１０）をトリガして、グリップ装置（２０２）の運動を制御する制御装置に該信号を転送し、
グリップ装置（２０２）の運動の速度を変更する、
請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
グリップ装置（２０２）によって保持される構成素子（２０３）を載置個所の方向に動かし、および／または
構成素子（２０３）を保持していないグリップ装置（２０２）を受け取り個所の方向に動かす、
請求項１３または１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記のグリップ装置（２０２）の運動の速度を低減する、
請求項１３から１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記の載置個所または受け取り個所によって散乱し受光素子に戻った光の強度の経過が、最大の強度値（Ｓｍａｘ）を越えた後、あらかじめ定めた、または最大の強度値（Ｓｍａｘ）によって決定される相対的または絶対的な強度値を下回った際に前記信号（３１０）をトリガする、
請求項１３から１４までのいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共焦の結像原理にしたがい非接触で高速に間隔を決定する光学式間隔スイッチ（Abstandsschalter）と、この光学式距離スイッチを使用して基板に構成素子を取り付ける取り付けヘッド（Bestueckungskopf）および自動取り付け機械とに関し、さらに上記の光学式間隔スイッチを使用して基板に構成素子を取り付ける方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板に構成素子を自動的に取り付ける際には、構成素子は、構成素子供給装置の受け取り個所から、構成素子がプリント基板に載置される個所にグリップ装置によって搬送される。
【０００３】
以下で構成素子とは取り付け可能なすべての素子のことであり、これは、例えば電子構成素子、電気機械構成素子、電気的および機械的なコンタクトのためのプラグおよびプラグ接続部ならびに遮蔽板である。取り付け可能な素子はさらに例えば、半導体ウェーハの個々の部分ないしは生のダイであり、これらは例えば構造化およびウェーハの裁断の後、処理されて作製すべき構成素子になる。
【０００４】
グリップ装置としては例えばいわゆる吸引ピペットが使用され、これは取り付けヘッドに配置されておりかつ減圧システムに接続することができる。吸引ピペットを用いることにより、取り付けるべき構成素子を、円滑に構成素子供給装置から取り出し、そこから所望の取り付けポジションに確実に搬送し、精確に定められた載置個所において送出することができる。今日の自動取り付け機械においてできる限り高い取り付けレートを達成するためには、構成素子供給装置からの構成素子の取り出しと、搬送と、この部材の基板への載置とをできる限り迅速に行わなければならない。しかしながら同時に構成素子、グリップ装置および基板はいかなる場合であっても損傷されてはならない。取り付けるべき構成素子の損傷は、例えばつぎのようにして発生する。すなわち例えば吸引ピペットによって垂直方向に上から保持された、取り付けるべき構成素子は、高すぎる速度で基板に載置されると、これに結びついた強い衝突によって損傷されるのである。例えば基板の位置は、反りによって所定の目標値を中心として大きく散らばり得るため、相応の手段によってグリップ装置および取り付けるべき構成素子が基板に過度に強く衝突しないようにする必要がある。
【０００５】
ＵＳ５２８５９４６からこのために電子構成素子をプリント基板の表面に取り付ける装置が公知であり、ここではグリップ装置としての吸引ピペットは、ばねで支承されている。このばねによって、構成素子を基板に載置する際、ないしは構成素子供給装置にある構成素子に吸引ピペットを載置する際に所要の押しつけ力が達成され、この際に過剰な圧力または衝突によって構成部材が壊されないようにするのである。この解決手段によってグリッパは故障しやすくなり、その重量も増加し、さらに達成可能な位置決め精度は低減されてしまう。
【０００６】
取り付けるべき構成素子の損傷を回避すると同時に比較的高い取り付け効率を達成する別の公知の手段では、最初の高速搬送運動の後、構成素子は載置の前の最後の区間においてにゆっくり動かされ、これによってこの構成素子が過度に強く基板に衝突しないようにされる。比較的高いエラー率という犠牲を伴う高い取り付け効率は、この場合、上記の高速の搬送運動を、取り付けるべき基板の直前のぎりぎりまで可能なかぎり維持することによって達成される。取り付けエラーの確率が低くなるのは、上記の高速の搬送運動を載置の前に早めに低めて、構成部材の過度に強い衝突を確実に排除できるようにする場合である。したがって自動の構成素子取り付けにおいてはつねに、できる限りに高い取り付け速度と、できる限りに小さな取り付けエラー率と間の妥協点を見いださなければならないのであり、ここでこの取り付けエラー誤り率は、過度につよい衝突が原因で発生する。
【０００７】
【特許文献１】
合衆国特許第５２８５９４６号明細書
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、取り付けヘッドおよび自動取り付け機械を提供して、基板への構成素子の取り付けを高い取り付け効率かつ同時に低い欠陥率で可能にすることである。さらに本発明の課題は、基板に構成素子を取り付ける方法を提供して、同様に高い取り付け効率でわずかな欠陥率を実現することであり、ここでこれは、損傷された構成素子、損傷されたグリップ装置および／または損傷された基板によって発生する。
【０００９】
取り付けヘッドに関する課題は、本発明により、構成素子を受け取り個所から載置個所に搬送する取り付けヘッドにおいて、構成素子を受け取る際に受け取り個所に対して運動する、および／または構成素子を載置する際に載置個所に対して運動するグリップ装置と、少なくとも取り付け過程の経過時にグリップ装置に対して固定の空間的位置に配置されている本発明の光学式間隔スイッチとを有しており、この光学式間隔スイッチは、共焦形の結像原理にしたがい非接触で高速に間隔を決定する光学式間隔スイッチであり、この光学式間隔スイッチは、ほぼ点状の光送出素子と、この光送出素子を、結像光学系の結像特性によってあらかじめ定まるスイッチ領域に結像する結像光学系と、上記の光送出素子と同じ個所に配置されている、またはこの光送出素子に対して共焦に配置されているほぼ点状の光受光素子と、この光受光素子に結合されている光検出装置とを有しており、この光検出装置を構成して信号が出力されるようにし、ここでこの信号が出力されるのは、上記のスイッチ領域に対象体が移動し、上記の光送出素子から送出され上記の結像光学系を介して前記対象体に当たった光が、少なくとも部分的に散乱し、散乱した光が結像光学系によって前記受光素子に結像される場合であり、この間隔スイッチは調整され、これによりグリップ装置の運動中に受け取り個所または載置個所がスイッチ領域に入るようにされており、上記の光検出装置は、グリップ装置の運動を制御する制御装置に結合されており、これによって上記の受け取り個所または載置個所がスイッチ領域に入る際に運動の速度が変更されることを特徴とする、構成素子を受け取り個所から載置個所に搬送する取り付けヘッドによって解決され、自動取り付け機械に関する課題は、本発明により、上記の取り付けヘッドを使用することを特徴とする自動取り付け機械を構成することによって解決される。例えば吸引ピペットであるグリップ装置は、構成素子を受け取る際には受け取り個所に対して運動し、および／または構成素子を載置する際には載置個所に対して運動する。この光学式間隔スイッチは、少なくとも取り付け過程の経過時にはグリップ装置に対して固定の空間的位置に配置されている。さらにこの間隔スイッチは、グリップ装置の運動中に受け取り個所または載置個所がスイッチ領域に入り、これによって光検出装置によって相応する出力信号が送出されるように調整されている。運動するグリップ装置に間隔スイッチを空間的に固定して配置することによって得られる利点は、種々異なる空間的なサイズを有する種々異なる構成素子を基板に取り付ける際、および／または実際基板位置と目標基板位置とが共焦の間隔スイッチに起因して偏差する際に、光学的な視誤差を回避できることである。視誤差は、例えば、慣用の光学式センサを使用する際、スイッチ領域がセンサによって斜めの角度で検出される場合に発生することがある。また本発明の取り付けヘッドでは、光検出装置は制御装置に結合されており、この制御装置によってグリップ装置の運動の経過を制御することができる。これによってグリップ装置の運動の速度を、受け取り個所または載置個所がスイッチ個所に入った際に変更することができる。例えば構成素子を基板に載置する過程では、この構成素子が基板に接触する直前にグリップ装置の運動の速度を低減することができる。これによって構成素子の搬送運動の大部分において取り付け効率を最大化するために高い速度を使用する場合であっても、欠陥率、すなわち損傷された構成素子および／または損傷されたグリップ装置による取り付けエラーを低減することができる。
【００１０】
また上記の取り付け方法に関する課題は、本発明により、基板に構成素子を取り付ける方法において、グリップ装置に保持された構成素子を載置個所に対して動かし、この載置個所は、本発明の光学式間隔スイッチのスイッチ領域に入り、この光学式間隔スイッチは、共焦形の結像原理にしたがい非接触で高速に間隔を決定する光学式間隔スイッチであり、この光学式間隔スイッチは、ほぼ点状の光送出素子と、この光送出素子を、結像光学系の結像特性によってあらかじめ定まるスイッチ領域に結像する結像光学系と、上記の光送出素子と同じ個所に配置されている、またはこの光送出素子に対して共焦に配置されているほぼ点状の光受光素子と、この光受光素子に結合されている光検出装置とを有しており、この光検出装置を構成して信号が出力されるようにし、ここでこの信号が出力されるのは、上記のスイッチ領域に対象体が移動し、上記の光送出素子から送出され上記の結像光学系を介して前記対象体に当たった光が、少なくとも部分的に散乱し、散乱した光が結像光学系によって前記受光素子に結像される場合であり、このスイッチ領域に載置個所が入る際に信号をトリガし、この信号をグリップ装置の運動を制御する制御装置に転送し、グリップ装置（２０２）の運動の速度を変更することによって解決される。
【００１１】
また上記の取り付け方法に関する課題は、本発明により、基板に構成素子を取り付ける方法において、グリップ装置に保持された構成素子を載置個所に対して動かし、この載置個所は、本発明の光学式間隔スイッチのスイッチ領域に入り、この光学式間隔スイッチは、共焦形の結像原理にしたがい非接触で高速に間隔を決定する光学式間隔スイッチであり、この光学式間隔スイッチは、ほぼ点状の光送出素子と、この光送出素子を、結像光学系の結像特性によってあらかじめ定まるスイッチ領域に結像する結像光学系と、上記の光送出素子と同じ個所に配置されている、またはこの光送出素子に対して共焦に配置されているほぼ点状の光受光素子と、この光受光素子に結合されている光検出装置とを有しており、この光検出装置を構成して信号が出力されるようにし、ここでこの信号が出力されるのは、上記のスイッチ領域に対象体が移動し、上記の光送出素子から送出され上記の結像光学系を介して前記対象体に当たった光が、少なくとも部分的に散乱し、散乱した光が結像光学系によって前記受光素子に結像される場合であり、このスイッチ領域に載置個所が入る際に信号をトリガし、この信号をグリップ装置の運動を制御する制御装置に転送し、グリップ装置（２０２）の運動の速度を変更することによって解決される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の基礎にあるアイデアは、センサ構造を簡略化することによって共焦の光学式間隔センサを、光学式間隔スイッチないしは光学式近接スイッチに改造し得るということである。少なくとも部分的に反射性を有するないしは光を散乱させる検出すべき対象体が、静止した間隔スイッチに対して同様に空間的に静止しているスイッチ領域に入る場合、または光学式間隔スイッチが、スイッチ領域と一緒に対象体に対して運動して対象体と間隔スイッチとの間の所定の間隔を下回ったないしは上回った際に信号が出力される場合、光学式間隔スイッチをいつでも有利に使用可能である。光学式であり、ひいては非接触で動作する本発明の間隔スイッチは、測定個所に対して斜めに見た場合であっても測定誤差は生じず、また測定領域ないしはスイッチ領域が極めて小さいことに起因して、散乱光または反射光に対して最小の感度が得られるという利点を有する。
【００１３】
請求項２を説明するためにまず、スイッチ領域に入る対象体によって反射ないしは散乱して受光素子に戻る光の強度の経過を定性的に説明する。ここで前提とするのは、検出すべき対象体が最初はスイッチ領域外の離れたところにあることである。この場合、受光素子に散乱される光の強度は極めてわずかである。つぎに対象体がスイッチ領域に接近すると、受光素子に反射され結像される強度は増大する。この強度は、調べるべき対象体の表面がスイッチ領域のちょうど中央にある場合に最大値に到達する。検出すべきこの対象体が光学式間隔スイッチにさらに近づくと、散乱を生じる対象体表面は、まずスイッチ領域の中央領域から、つぎにスイッチ領域全体から離れ、受光素子によって検出される強度は元のように減少する。これによって請求項２に記載したように、どのような場合に、すなわち光学式スイッチと、スイッチ過程をトリガする対象体との間の間隔がどの程度になってスイッチ信号が出力されるのかを精確に決定することができる。これによればこの信号は、散乱して戻って来た光の強度の経過が、最大の強度値を越えた後、所定の閾値をちょうど下回った場合にトリガされる。殊に有利であることが分かったのは、この閾値が、前もって求めた強度値の所定の数分の１になっている場合である。このようにすることの利点は、例えば大きなノイズを有する検出器信号において、信号が不所望にも誤ってトリガされてしまう確率が格段に低減されることである。
【００１４】
光学式間隔スイッチの結像光学系は請求項３によれば集光レンズを有することができる。殊に簡単な形態では、結像光学系全体がただ１つの集光レンズで実現される。焦点深度および焦点の幅によって決定されるスイッチ領域の大きさは簡単に計算可能である。初歩的な光学的考察から分かるのは、光学式間隔スイッチの焦点深度は、レンズの開口数ＮＡの平方に反比例することである。したがって例えば０．１２の開口数ＮＡにおいては約３０μｍの深さ方向の分解能が得られる。スイッチ精度、すなわち光学式スイッチと、スイッチ過程をトリガする対象体との間隔に関連して出力信号が送出される精度は、焦点深度よりも約１０倍も高精度である。
【００１５】
請求項４に記載された本発明の殊に有利な実施形態では、光学式間隔スイッチの光送出素子および受光素子は、光導波体の第１の端部によって実現される。この光導波体は、請求項５によれば単一モードの光導波体である。これにより、小さなピンホール絞りを使用しなくても、光送出素子の光学的にアクティブな領域も、受光素子の光学的にアクティブな領域も共に小さく維持することができ、これによって簡単にほぼ点状の光を送出し受光する素子を実現することが可能である。単一モードの光導波体の使用はさらにつぎのような利点を有する。すなわち、光導波体に供給されるより高次モードの光は、単一モードの光導波体を通って光が通過する過程で、殊にこの光導波体の湾曲部で出力結合されるという利点を有するのである。これによって保証されるのは、この光送出素子により、単一横モードを有する光だけが放射されることである。
【００１６】
請求項６に記載された本発明の別の有利な実施形態では、光導波体の第２の端部は、光源にも、光検出装置の光検出器にも共に光学的に結合されている。このことの利点は、光学式間隔スイッチを、空間的に互いに分離された２つのモジュールに分割できることであり、ここでこれらの２つのモジュールは、光導波体を介して光学的に結合される。ここで純粋に光学的な第１のモジュールは、光導波体の第１の端部と結像光学系とを有する。電気光学的な第２のモジュールは、光源と、光検出器と、光導波体の第２の端部と、光検出装置とを有する。これらの２つのモジュールを空間的に分離することの利点は、殊に純粋に光学的な上記のモジュールをコンパクトかつ軽量に実現できることである。これにより、光学式間隔スイッチをつぎのような測定個所にも使用できることである。すなわちこの測定個所は、これまではこれに接近できないことに起因して、および／または測定個所が高速に動くことに起因して、従来の間隔センサを用いた検出に不適当であった測定個所である。
【００１７】
請求項７によれば、光導波体の第２の端部における第１の部分端部は光源に、また第２の部分端部は光検出器に結合される。これは有利にはつぎのようにして行われる。すなわち第２の光導波体端部を光学式の３分岐光導波体結合器によって分け、得られた部分端部と、光検出器ないしは光源とを光学的に結合するのである。
【００１８】
請求項８によれば、光源および光検出器は、ビームスプリッタを有するファイバー入力結合装置によって光導波体の第２の端部に光学的に結合される。
【００１９】
請求項９に記載された本発明の実施形態によれば、光源はレーザ、例えば半導体レーザまたは発光ダイオードである。しかしながら使用可能な光源の種類は、明に挙げたこれらの光源に限定されない。光源として例えば気体放電ランプ、ハロゲンランプ、フィラメントを有するふつうの電球または蛍光管も使用可能である。場合によっては、使用する光源によって得られる光送出素子の空間的な広がりを有利なピンホール絞りによって小さくしなければならないこともある。いずれの場合にも放射される光の波長は、赤外線のスペクトル領域、可視のスペクトル領域または紫外線のスペクトル領域のいずれにあってもよい。
【００２０】
請求項１０に記載された実施形態では、光検出器は、２次電子倍増管、フォトダイオードまたはアバランシュフォトダイオードである。
【００２２】
請求項１４では、構成素子を基板に載置する際にのみ請求項１３の方法を使用するのではなく、構成素子を受け取る際にも使用し、これによって自動取り付け機械の取り付け効率をさらに向上させる。
【００２３】
請求項１５では、グリップ装置によって保持される構成素子を載置個所の方向に動かし、および／または構成素子を保持していないグリップ装置を受け取り個所の方向に動かす。
【００２４】
請求項１６に記載された実施形態によれば、グリップ装置の運動の速度を低減する。
【００２５】
請求項１７によれば、載置個所または受け取り個所によって散乱し受光素子に戻った光の強度の経過が、最大の強度値を越えた後、あらかじめ定めた、または最大の強度値によって決定される相対的または絶対的な強度値を下回った際に信号をトリガする。
【００２６】
請求項１７に記載された実施形態によれば、グリップ装置の運動の速度を低減する。
【００２７】
請求項１８によれば、載置個所または受け取り個所によって散乱し受光素子に戻った光の強度の経過が、最大の強度値を越えた後、あらかじめ定めた、または最大の強度値によって決定される相対的または絶対的な強度値を下回った際に信号をトリガする。
【００２８】
【実施例】
本発明の別の利点および特徴は、実施例としてみなすべきであり、現時点で有利である実施形態の以下の説明に記載されている。
【００２９】
図１からわかるように、光学式間隔スイッチ１００は、空間的に互いに分離された２つのモジュール、すなわち光モジュール１１０と、電気光学モジュール１２０とに分割されている。これらの空間的に互いに分離された２つのモジュールは、光導波体１３０を介して接続されており、これは有利にはいわゆる単一モード光導波体である。光モジュール１１０は、ファイバ端部１１１を有しており、これはほぼ点状の光送出素子としてもまた同時にほぼ点状の光受光素子としても使用される。ファイバ端部１１１から放射される光ビームは、結像光学系１１２を介してスイッチ領域１１３に結像される。相応する光束の周縁光線は図１において参照符号１１４で示されている。光導波体１３０の他方のファイバ端部は電気光学モジュール１２０において２つ部分端部、すなわち第１の部分端部１２２および第２の部分端部１２３に分けられている。これは図１に示した本発明の実施形態では、３分岐光導波体結合器１２１によって行われる。光導波体１３０の第１の部分端部１２２は、光源１２４、例えばレーザダイオードに結合されている。光導波体１３０の第２の部分端部１２３は、光検出器１２５、例えばフォトダイオードに光学的に結合されている。光源１２４は制御線路１４ａを介して、または光検出器１２５は検出器線路１２５ａを介して電子装置モジュール１２６に接続されている。電子装置モジュール１２６の役割は、光源１２４から放射される光の強度を制御することであり、また検出器１２５に給電電圧を給電すると共にこの検出器から出力される検出器信号を検出することである。電子装置モジュール１２６は、ここに記載した実施例では、インタフェース１４０を有しており、これによって光学式間隔スイッチ１００と、別のモジュール、例えばマイクロプロセッサとを結合することが可能である。
【００３０】
以下では光学式間隔スイッチ１００の機能を詳しく説明する。ファイバ端部１１１から放射される光束１１４は、ここで示した実施例では簡単な両凸レンズまたはより有利には両非球面レンズである結像光学系１１２によってスイッチ領域領域１１３に結像される。ここでスイッチ領域１１３の空間的なサイズは、レンズ１１２によって行われる光学的な結像の焦点深度および焦点の幅によって決定される。ここで少なくとも部分的に反射性を有する、ないしは光を散乱させる対象体が外部からスイッチ領域１１３に移動すると、この対象体によって反射ないしは散乱された光の強度が結合光学系１１２によってファイバ端部１１１に結像される。したがって対象体がスイッチ領域１１３に近づくと、ファイバ端部１１１に当たる光の強度は上昇して、検出すべき対象体の表面と、スイッチ領域１１３の中央の領域とがちょうど一致する場合にその最大値に達する。検出すべき対象体が結像光学系１１２にさらに接近すると、散乱してファイバ端部１１１に戻る光の強度は元のように減少する。散乱して戻ってきた光の強度の経過から出力信号が形成され、ここでこの出力信号は、検出すべき対象体と、光学式間隔スイッチ１００ないしは結像光学系１１２との所定の間隔において出力され、また上記の光の強度は、光検出器１２５によって検出されかつ電子的な検出器信号として電子装置モジュール１２６に転送される。この出力信号は、散乱して戻り光検出器１２５によって検出された光の強度から電子装置モジュール１２６によって求められる。択一的には、散乱して戻ってきた光の強度の経過を、図示しないプロセッサによって評価することも可能であり、ここでこれはインタフェース１４０を介して電子装置モジュール１２６に結合されている。
【００３１】
図２には、基板２００に構成素子を自動的に取り付けるために光学式間隔スイッチを使用する例が示されている。すでに図１で説明した、この光学式間隔スイッチの構成部材は、図２において同じ参照符号を有しており、以下ではさらに説明しない。図２からわかるように、光導波体１３０を介して、光学式間隔スイッチ１００の図示しない電気光学モジュールに結合される光モジュール１１０は、固定の接続部２２１によって支持部２０１に連結されている。例えば回転ヘッドである取り付けヘッドに属する支持部２０１は、取り付けヘッドに対して運動可能であり、これによってここに示した実施例において吸引ピペットであるグリップ装置２０２は、基板２００に対して運動可能である。これによってグリップ装置２０２に保持される構成素子２０３を基板２００に載置することができる。支持部２０１が垂直方向に運動すると、構成素子２０３も、スイッチ領域１１３も共に運動し、その空間的な位置は光軸２２２と、光モジュール１１０の周縁光線１１４とによって決定される。構成素子２０３の動きの経過は、両向き矢印２１４によって示されており、またスイッチ領域１１３の動きの経過は、両向き矢印２１３によって示されている。支持部２０１に対する、光軸２２２の固定の空間的位置は、固定の接続部２２１と、ケーシング２２０とによって決定される。このケーシングは、光導波体１３０のファイバ端部と、支持部２０１とに対して定められた空間的な位置で結像光学系１１２を支持する。
【００３２】
光学式間隔スイッチの光モジュール１１０は調整がなされており、これによってグリップ装置２０２と、取り付けるべき基板２００の表面との間で所定の距離を下回ったことないしは上回ってことが電気光学モジュール１２０によりトリガ信号によって示される。光学式間隔スイッチ１００を調整する際には、スイッチ領域１１３を調整して、グリップ装置２０２が上方に動く際に、光学式間隔スイッチ１００によって信号が出力されない限り、取り付けるべき基板の表面から離れているようにする。グリップ装置２０２が下方に動く際には、基板２００と構成素子２０３との間、ないしは受け取り個所にある構成素子と、グリップ装置２０２との間の調整したスイッチ間隔に到達した際に、信号がグリップ制御装置２０２の制御装置（図示せず）に出力される。ここでこの信号は、グリップ装置２０２の動きの経過を補正して、構成素子２０３が、低減された速度で基板２００に載置されるようにする。構成素子２０３を基板２００に載置する際には、図示しない第２のセンサによって、基板表面との機械的なコンタクトが通知され、グリップ装置２０２の動きが停止される。このようにして全体として高い取り付け効率にもかかわらず、構成素子２０３が基板２００に最小の衝撃で衝突することが保証されるため、損傷された基板、損傷された構成素子および／または損傷されたグリップ装置による取り付けプロセスのエラーの確率も同様に最小化される。
【００３３】
図３には検出器信号Ｓｄｅｔの経過３００が示されており、これは検出すべき対象体がスイッチ領域１１３に入ったか、または光学式間隔スイッチ１００が、表面、例えば基板２００の表面の方向に運動した場合の経過である。光学式間隔スイッチが基板表面の方向に動く際には、基板２００がスイッチ領域１１３に入ると直ちに、測定される検出器信号Ｓｄｅｔは増大する。ディジタルの「サンプルアンドホールド」方式によって、検出器強度の最大値Ｓｍａｘが決定される。上記の出力信号は、最大値Ｓｍａｘの後、強度が半分に低下したまさにその時に出力される。少なくともぎりぎりでノイズレベルを上回るトリガ閾値を付加的に使用する場合、これによって保証されるのは、例えば、ノイズによって発生する検出器１２５の出力信号の変動によって、上記の出力信号が誤ってトリガされてしまわないことである。別の利点は、出力信号の出力時点が、走行運動、すなわち光学式間隔スイッチ１００の速度および加速度に依存しないことである。検出器信号Ｓｄｅｔの半値全幅Δｘは、使用される結像光学系の開口数ＮＡの平方に反比例する。
【００３４】
まとめると本発明により、非接触で高速に間隔を決定する共焦の光学式間隔スイッチ１００が得られ、ここでこれは、光を放出すると同時に光を受光する点状の素子と、結像光学系１１２と、受光素子に結合された光検出装置とを有する。ここでは上記の結像光学系によって光送出素子がスイッチ領域１１３に結像され、このスイッチ領域は結像光学系の結像特性によってあらかじめ定められる。上記の光検出装置によって信号３１０が出力され、ここでこれは少なくとも部分的に反射するないしは光を散乱する対象体が上記のスイッチ領域１１３に移動し、反射ないしは散乱された光が受光素子に当たる場合に行われる。光送出素子および受光素子は有利には光導波体端部１１１によって実現される。これによって光学式間隔スイッチ１００は、光導波体１３０を介して互いに接続される別個の２つのモジュールに分割することができ、ここで純粋に光学的なモジュール１１０は、コンパクトかつ軽量に実現可能である。さらに本発明により、間隔スイッチ１００を使用して基板２００に構成素子２０３を取り付ける方法が得られる。この方法では構成素子２０３の載置速度は載置の直前に低減され、これにより全体として高速な取り付け過程において、構成素子２０３の基板２００への衝突またはグリップ装置２０２の構成素子２０３への衝突が問題の値にまで低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例による光学式間隔スイッチの概略構造図である。
【図２】光学式間隔スイッチをグリップ装置に取り付ける例を示す図である。
【図３】検出すべき対象体によって散乱された光の強度の定性的な経過と、ここから得られる出力信号とを示す線図である。
【符号の説明】
１００  光学式間隔スイッチ
１１０  光モジュール
１１１  ファイバ端部
１１２  結像光学系
１１３  スイッチ領域
１１４  周縁光線
１２０  電気光学モジュール
１２１  ３分岐光導波体結合器
１２２  第１の部分端部
１２３  第２の部分端部
１２４  光源
１２５  光検出器
１２４ａ  制御線路
１２５ａ  検出器線路
１２６  電子装置モジュール
１３０  光導波体
１４０  インタフェース
２００  基板
２０１  支持部
２０２  グリップ装置
２０３  構成素子
２２０  ケーシング
２２１  接続部
２２２  光軸
【図１】
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【図２】
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【図３】
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