(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速素子配置機用の真空ノズルの先端面における開口が閉塞状態にあるか否かを検出する方法であって：
前記真空ノズルの中空内側部分にプラスチックの光導器が取り付けられ、前記光導器が真空ノズルから遠位に位置決めされた光源によって照射されるように配置された第１の部分を備え、前記光導器が、中空内側部分を通じて前記先端面における開口に光線を投影するように配置された第２の部分を備え、光が前記光導器を通るとき、前記中空内側部分の内側を照射するように、前記光導器がほぼ内部全反射に基づいて動作するような構造的な物質から形成され、前記真空ノズルの中空内側部分に取り付けられた光導器を照射することにより、前記真空ノズルの内側から、前記真空ノズルの先端面における開口を照射する照射段階；
前記真空ノズル外部の離れた検出器によって、前記開口を塞ぐことなく、前記先端面における開口から射出する光の強度を測定する測定段階；および
前記先端面における開口から射出した光の測定強度を所定の標準と比較し、前記先端面における開口が閉塞状態にあるか否かについて判定を行う比較段階；
から成ることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記比較段階の後に、前記真空ノズルを周囲圧力より高いレベルに加圧することによって、前記先端面における開口を浄化する浄化段階を更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記照射段階，前記測定段階，および前記比較段階は、前記浄化段階を実行した後に反復することを特徴とする請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記比較段階の２回目の実行後に、前記真空ノズルを周囲圧力よりも高いレベルに加圧することによって、前記ノズル開口を浄化する段階を更に含むことを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
前記浄化段階の２回目の実行後に、前記真空ノズルが動作不能であることを指定する段階を更に含むことを特徴とする請求項４記載の方法。
【請求項６】
前記離れた検出器は、離れたカメラを有し、
前記測定段階が、前記先端面において照射された開口を、前記離れたカメラによって撮像する段階を更に有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記測定段階は、
前記先端面における開口から射出する光の画像を捕獲する段階；および
デジタル画像を作成する段階；
より成ることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項８】
前記比較段階は、前記デジタル画像を測定し、該デジタル画像を参照テーブル内の１組の標準値と比較するアルゴリズムより成ることを特徴とする請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記照射段階は、前記真空ノズルとは物理的に接続されていない光源によって照射する段階を更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項１０】
高速素子配置機用真空ノズル・アセンブリであって：
一の先端面に開口を有する中空管と、
前記中空管に取り付けられたプラスチックの光導器であって、前記真空ノズル・アセンブリから離れて位置する光源によって照射されるように配置された第１部分を有する前記光導器と、を有し：前記光導器は、前記中空管の内側部分の内側を照射するように、ほぼ内部全反射に基づいて動作するような構造的な物質から形成された第２部分を備え、前記光導器は、前記光源からの光を、前記第１部分から前記第２部分に導入し、前記先端面における前記開口を照射し、
前記開口を塞ぐことなく、前記先端面における開口から射出する光の強度を測定する、前記真空ノズル外部の離れた検出器と、を有する
ことを特徴とする真空ノズル・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に真空素子ピックアップ方法(method of vacuum pick-up of components)に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本願は、"Method for Detecting Obstructed Nozzles" と題する、１９９６年３月４日に出願され、Motorola, Inc.に譲渡された、Kazem-Gourdarzi et al.による係属中の米国出願番号第０８／１０，３０００号に関連がある。
【０００３】
全ての電子機器組立製造ラインは、いずれかの形態の素子配置システム(component placement system)を必要とする。最も単純な素子配置機器は、静止ハンド(steady hand) と１対のピンセットである。より複雑なシステムは自動素子配置機を使用し、手作業による配置の場合と同様、その目的はある位置から部品をピックアップし、基板上の新たな場所にそれを配置することである。通常、ピックアップは、手作業または素子に適したサイズの真空チャック(vacuum chuck)を用いることによる自動化システムのいずれかによって行う。素子は、自動素子供給装置を用いて、ピックアップ位置に送出される。全ての場合において、素子の配置には、精度と信頼性という２つの重要な基準がある。素子配置の再現精度(repeatability) は、典型的に、配置ヘッド上にある機械的な心合わせ用噛み合い部(mechanical centering jaws) の使用によって補佐される。配置ヘッドは、典型的に、ピックアップ位置から基板上の所望の場所に移動し、真空を解除することにより素子を所望の場所に緩やかに落下させることによって、基板上に素子を取り付ける。典型的に、素子は接着剤またははんだペーストの中に配置され、後続の処理の間素子の移動が防止される。はんだペーストおよび接着剤は双方ともある程度の粘着性(tackiness) があり、素子を定位置に保持するのに役立つ。
表面実装技術では、典型的に、自動ピックアップおよび配置機器(automated pick and place equipment)に２つの主要な手法が取り入れられている。第１の手法は、各素子に専用ヘッドを使用することである。このヘッドは素子を供給装置から基板またはプリント回路基板（ＰＣＢ）に転送する。コンベアが基板を移動させ、１列に並んだ配置ヘッドを通過する際に、これらの配置ヘッドが累進的に部品を基板に密集させていく(populate)。このタイプのシステムは、典型的に、非常に大量で長い操業という状況に用いられる。第２の手法は、単一のヘッド機械であり、これはマイクロプロセッサで制御され、多数の相互交換可能なチャックを内蔵しており、様々な供給装置からの部品を素早くピックアップし、一度に単一基板に部品を密集させることができる。この手法は、設定時間が比較的短く機械に非常に柔軟性があるので、多くの異なる組立を行う短い操業ないし中程度の操業に適している。
【０００４】
多数のチャックを有する単一ヘッド素子配置機の場合、１０個以上の真空チャックが単一のヘッド上にある。これらのチャック各々を初期の動作状態に維持することが非常に重要である。これらのチャックのいずれかがずれたり動作不能状態になった場合、素子の配置に誤差が生じたり、あるいは素子が回路基板に取り付けられないことになる。タレット・ヘッド(turret head) を有する高速機は、膨大な数（毎時１４，０００ないし５０，０００）の小型素子を配置する能力があり、真空チャックの問題、即ち、真空ノズルが詰まることは重大な問題である。真空チャックの小さなオリフィスは、環境内の埃や粒子によって容易に閉塞されてしまう。機械の連続的な運転時間(up-time) および信頼性を保証するためには、真空チャックを定期的に用心深く浄化しなければならない。加えて、真空ノズルは、完全に動作不能状態となるまで、閉塞状態にあるか否かを判定する方法がなく、それが判定されたときには、既に欠陥製品が製造されてしまうという問題がある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、技術的現状において、真空ノズルの詰まり即ち閉塞(clog or obstructed)を予め検出可能なシステムを考案することができれば、望ましいことであり有意義な改善となろう。かかる方法が実現すれば、高速素子配置装置の保守コスト低減を図り、組立後の電子製品の品質向上が得られ、配置プログラムに基づく最適なサイクル・タイムを維持することができよう。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高速素子配置機上の真空ノズルが閉塞状態にあるか否かを検出するための方法および装置を提供する。真空ノズルは、真空ポートと、一端に開口とを有する中空管を有する。プラスチック製の光導器を真空ノズルに接続する。光導器はその一部分が露出され、離れた光源による照射を受ける。光導器は光を通過させ、真空ノズルの内部から開口を照射する。照射された開口から射出する光の量を、離れて位置する光検出器によって測定する。照射開口における光量測定値を所定の標準と比較することにより、開口が閉塞状態にあるか否かについて判断を行う。
【０００７】
【発明の実施の形態】
高速素子配置システム上で真空ノズルが詰まると、配置の誤差(placement defects) や自動生産ラインのサイクル・タイム増大の原因となる。高速素子配置機上にある真空ノズルの開口が閉塞状態にあるか否かを検出する新規な方法は、真空ノズルを離れた光源で照射する段階を含む。真空ノズルは、典型的に、一端に開口を有する中空の管であり、この開口は供給装置から素子をピックアップする先端面(tip face)として機能し、素子をプリント回路基板上の所望位置に搬送する。真空ノズルに取り付けられている光導器(light guide) は、真空ノズル・アセンブリから離れて配置された光源によって照射される一部分を有する。光導器の真空ノズルに対する位置は、光導器が照射されている場合、光がこのガイドを通過して中空管の内部を照射し、これによって、真空ノズルの内部から先端面における開口を照らし出すように決められる。ノズルを内蔵する回転ヘッドが離れた光源の近くを通過すると、ノズルの内部が光導器によって照射され、先端面が測定装置によって撮像される。測定装置とは、典型的にカメラのことである。測定装置は、照射された真空ノズルの開口から射出する光があれば、この光量を測定する。この測定値を１組の標準的な基準と比較し、次に、開口が詰まっているか否かについて判定を行う。開口が閉塞状態にはない場合、開口は明るい光として見える。開口が完全に閉塞状態にある場合、ノズルの孔は見えず、暗くなっている。ノズルが部分的に閉塞している場合、明るい領域と暗い領域の組み合わせが見え、これはノズルの閉塞量および程度を表わす。ノズルの内部を照らし、次にノズル外部から先端面を撮像することにより、ノズル内部にあるあらゆる埃または汚染を「照らし出す(backlit) 」ため、検出が非常に容易となる。
ここで図１を参照すると、本発明によるノズルの絵画構成図が示されている。真空ノズル１０は、典型的に、中空の管およびこの管の中心に穿設された同心状の孔で構成されている。ノズル１０の一端は開口１２を有し、素子（図示せず）をピックアップする真空チャックとして機能する。図面の図ではノズルの先端をテーパー状として示しているが、これは１つのオプションに過ぎず、必要であれば正方形状に切断してもよいことは明らかである。真空ノズル１０の他端は、素子配置システムのタレット・ヘッド（図示せず）にノズルを取り付けるために用いられる。このノズルの端部は、典型的に、ノズル・ブロック１４と呼ばれている。特定用途の１つでは、ノズル・ブロック１４は、保持用ネジ１６によって、交換可能な真空ノズル１０に取り付けられる。ノズル・ブロック１４は、タレット・ヘッドにノズルを固定し、適正な向きに整合するという機能を果たす。
【０００８】
本発明の一実施例では、ノズル・ブロックにウインドウ２０のような開口を設けることにより、ウインドウ２０が周囲光を導入し、ノズル・ブロック内のチャネル１８を通過して、真空ノズル１０の内部に到達させる。特定のノズル取り付け方式における正確な構成によっては、入来光をより効率的に導入し合焦するように機能する１枚以上のレンズ２１または１つ以上のプリズム２３のような追加素子を設ける場合もある。ノズル・ブロックを用いない状況では、ウインドウおよび／またはレンズはノズル自体に内蔵される。いずれの場合でも、ウインドウ、関連するチャネルおよび／またはレンズの正確な配置はさほど重大ではない。しかしながら、これらが真空ノズルの内部を照射することによって、先端面の開口１２を照射し、真空ノズルの通常動作を妨害しない（即ち、ノズル内の真空経路を過度に狭めない）ように構成することは重要である。
【０００９】
本発明の第２実施例（図２に示す）では、ノズル・ブロック１４は、適切なプラスチック，ガラスまたはセラミック材料で作られて光導器である。プラスチック製の光導器は、光導体(light pipe)または光導管(light conduit) としても知られ、文献において既知であり、米国特許番号第４，２６０，２２０号に開示されている。この特許の内容は本願でも使用可能である。端的に言えば、光導器１５の一端は、光源３０からの光を集めるように機能し、光導器はこの光をその光軸２８に沿って導入する。光導器は構造的な物質で形成され、ほぼ内部全反射(near-total internal reflection)に基づいて動作する。最終的に、導入された光線の内ガイドの受容角度内に納まったものは、内部拡散反射面(internal diffusely reflecting surface) （光抽出器２４）に達する。この内部拡散反射面は、入射光の大部分を、内部全反射によってガイド内に閉じ込めることができない方向に、方向転換させる。したがって、このように方向転換された光線は、光導器から漏出可能である。ポリカーボネートやアクリル（とりわけ、Minnesota Mining and Manufacturing Companyから入手可能であり、例えば、3M Optical Lighting Filmがある）のような透明なプラスチックが、光導器として典型的に用いられる。これらの光導器は、米国特許番号第４，９３７，７１６号，第５，３３９，３８２号，第５，３０９，５４４，第４，６１５，５７９号において、照明具(luminaries)やその他の物体を形成するために使用されている。また、これらは発光ダイオード（ＬＥＤ）用光導体(light pipe)としても用いられており、OptopipeTMLight Pipeとして知られているこのような光導体の１つが、米国，東京およびシンガポールにおいて、Dialight Corporation，Roxboro Group Company によって販売されている。OptopipeTMLight Pipeは、光のための導管として作用し、光を光源から意図した視角に導く。この視角は、光源の軸から垂直とすることも可能である。プラスチック製の光導器１５は、OptopipeTMLight Pipeから作られ、従来のノズル・ブロックと同様に変更および構成され、真空ノズルに接続された。光導器は光軸に沿って、ガイド内の９０°曲管を伝って光を導入し、赤いＬＥＤが光導器の一端に配置されたときに、明るい光の円が真空ノズルの先端面に見られた。変更したOptopipeTMLight Pipeは、ノズルの内部に光を効率的に導入することによって十分な明るさを得られるようにしたので、カメラによる先端面の撮像が可能となり、ノズル閉塞の様々な状態の明確な写真が得られる。このように、本発明の一実施例は、部分的または全体的にプラスチック製の光導器から成るノズル・ブロックによって、従来の金属製ノズル・ブロックとの置き換えるを実現する。プラスチック製ノズル・ブロックのある部分を不透明とすれば、視覚装置に入射する背景光の量を制限可能であることは明白である。
【００１０】
本発明の第３実施例（図３に示す）では、金属ノズル・ブロック１４は、内部にプラスチック光導器が形成されている。例えば、図１に示した空のチャネル１８は、ここでは、適切な透明なプラスチック材で充填され、プラスチック光導器２２を形成し、光抽出器２４は、真空ノズルの上側開口の直接上に位置するか、あるいはノズルの内側に部分的に位置する。この構成は、プラスチック製の光導体の利点と共に、金属製ノズル・ブロック１４に付随する堅牢性および構造的一体性を与えるものである。
【００１１】
次に図１ないし図３を参照すると、真空ポート２５も真空ノズル内に形成されており、ノズルを真空に引いて素子をピックアップするために用いられる。光源３０は真空ノズルから離れて配置されている。光源３０は真空ノズルとは関連がない、即ち、物理的には全く接続されていない。これによって、真空ノズルは、配線や他の電源による煩わしさがなく、タレット上で自由に回転および移動が可能となる。離れた光源は、発光ダイオード，レーザのような専用の光，または単に作業所照明器具によって与えられる周囲光であってもよい。光学測定装置３５も真空ノズル１０から離れて取り付けられており、開口１２が閉塞状態にあるか否かについて判定を行うために用いられる。光学測定装置３５は、カメラ，光メータ(light meter) ，フォトダイオード等のような、光を測定可能な手段から成り、その数はいくつでもよい。また、光学測定装置３５は、電磁スペクトルの可視範囲に限定される必要はない。紫外線および／または赤外線光の使用も、可視光の使用に代わるものとして、同様に受け入れ可能である。光学測定装置３５をノズルから遠ざけて離れた位置に配置することによって得られる利点は、離れた光源３０の使用によって得られる利点と同様である。光学測定装置３５は決してノズルには接しないので、ノズルの妨害になることはなく、ノズルに限定のない自由な移動を可能とする。
【００１２】
次に図４を参照すると、実際に離れた光源が光導器の一端を照射する（ステップ５０）。光は光導器を通過し、対向端から射出し、真空ノズルの内部を照射する。離れて配置された光学測定装置によって、真空ノズルから射出する光の量を測定する（ステップ５５）。次に、ノズルが閉塞状態にあるか否かについて判断する（ステップ６０）。ノズル開口から射出する光の測定値は、ノズル開口の閉塞度合いの逆関数である。即ち、閉塞状態にあるノズルは光を殆どまたは全く通過させず、妨げが全くない即ち閉塞されていないノズルは大量の光を通過させる。ステップ６０で用いられる判断機構は、典型的に、機械のオペレーティング・システムに常駐するソフトウエア・アルゴリズムである。しかしながら、洗練度が低いシステムでは、手動で行う場合もある。１組の標準値と比較することによって（典型的に、ソフトウエア・アルゴリズムは参照テーブルを使用する）、ノズルが詰まっているか否かについて判断を行う。ノズルが閉塞状態にある場合、周囲の圧力より高いレベルの空気または窒素のような加圧ガスを用いてノズルに加圧することにより、ノズルの浄化を試してもよい（ステップ６５）。この時点において、これまでのプロセスを繰り返す。即ち、再びノズルを照射し、開口から出てくる光を測定し、ノズルが閉塞状態にあるか否かについて判断を行う。その意図は、加圧空気がノズルを塞いでいるあらゆる埃を移動させ、吹き飛ばすことにある。ノズルを浄化する試みが成功した場合、機械のタレットは、その通常動作である、供給装置から素子をピックアップし、それらを基板上に配置する動作を継続する（ステップ７０）。ステップの繰り返しは多数回実行可能であることは、読者には明白であろう。例えば、オペレータはノズル浄化の試行を３回行うように機械のパラメータを設定し、３回目の試行でも浄化できなかった場合、ソフトウエアによってそのノズルに動作不能状態としてフラグを立てる、あるいは表示する。こうして、ノズルをシステムから除去し、以降の組立作業には使用させない。必要であれば、機械のオペレータには、配置機上にある赤い警告光で知らせることも可能である。この時点で、オペレータには、動作不能状態のノズルを除去しそれを新しいものと交換するか、あるいは単にそのノズルを回避して製造を続けるという選択肢がある。
【００１３】
図５は、ノズル状態の典型的な３つの事例を示す。無閉塞ノズル８０は、カメラには真っ白に見える、即ち、ノズルを通じて光が輝いており、閉塞物は全く見えない。部分的に閉塞状態にあるノズル８２は、ノズルの１つ以上の部分に黒いパターンを示す。このパターンは、単純な部分的な閉塞（１０％未満）からほぼ全体的な閉塞（８０ないし９０％に近づく）までにわたる可能性がある。完全に詰まったノズル８４では、ノズル開口から射出する光は全くなく、したがって、ビデオ・カメラ上では黒い点として見える。
【００１４】
要約すれば、素子配置機上の真空ピックアップ・ノズルが閉塞状態にあるか否かを判定する非接触方法を示した。この方法は、従来技術に比べて、真空ノズルおよび機械のタレットが、追加のワイヤまた接続部による妨害または係累を受けることが全くないという重要な利点がある。離れて配置された光源および離れて配置されたカメラは、機械のタレットに、通常に動作する完全な自由を与える。加えて、殆どの素子配置機は、典型的に、基板上の配置に先だって部品の配向検査を行うためのカメラを有しているので、この同じカメラを用いてノズル状態を確認することができる。離れた光源は、機械上の多数の場所に取り付けられ、したがって、価格効率が高く、簡素で、しかも信頼性が高いシステムが提供され、高速素子配置機の信頼性および再現精度に格段の向上をもたらすことになる。
【００１５】
以上、本発明の好適実施例について図示しかつ説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例による真空ノズルの断面図。
【図２】本発明の第２実施例による真空ノズルの断面図。
【図３】本発明の第３実施例による真空ノズルの断面図。
【図４】本発明によるプロセスのフロー・チャート。
【図５】３つのノズル状態を示す図。
【符号の説明】
１０    真空ノズル
１２    開口
１４    ノズル・ブロック
１６    保持用ネジ
１８    チャネル
２０    ウインドウ
２１    レンズ
２３    プリズム
２４    光抽出器
２５    真空ポート
３０    光源
３５    光学測定装置
８０    無閉塞ノズル
８２    閉塞ノズル
【図１】
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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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