(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部に、磁場内に置かれるときにその磁場に変化が生じる性質を有して構成される物体（被測定物）の位置を検出する方法であって、
対向して配置される２つの磁極によって、周辺の磁界分布の乱れの影響を実質的に排除する程度の大きさの直流の磁場領域を形成し、
前記磁場領域内の前記被測定物とは異なる位置に配置される磁場検出手段によって、前記磁場領域内の前記被測定物が基準位置にあるときの所定位置でのＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度を測定し、
前記磁場検出手段によって前記磁場領域内で前記被測定物が変位したときの前記所定位置でのＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度を測定し、
前記基準位置にあるときの磁束密度の測定値と、前記被測定物が変位したときの磁束密度の測定値とに基づいて、前記被測定物の位置を演算し、特定すること
を特徴とする物体の位置検出方法。
【請求項２】
前記基準位置にあるときの磁束密度の測定値と、前記被測定物が変位したときの磁束密度の測定値とから、各軸方向（Ｘ，Ｙ、Ｚ）における磁束密度の値の差分Δｘ、Δy、Δzを算出し、この差分Δｘ、Δy、Δzのベクトルの大きさを算出し演算することで磁場検出手段から被測定物までの距離を求め、さらに、この差分Δｘ、Δy、Δzからセンサを中心とした被測定物の方向を求めることによって、前記被測定物の位置を演算し、特定することを特徴とする請求項１に記載の物体の位置検出方法。
【請求項３】
前記被測定物は、位置を可変に出来る位置補正ユニットに固定されたノズルを有した液体を定量ずつ吐出する装置における、磁性材料または磁場の磁束分布に影響力を持つ材料にて作成したノズルであることを特徴とする請求項１または２に記載の物体の位置検出方法。
【請求項４】
少なくとも一部に、磁場内に置かれるときにその磁場に変化が生じる性質を有して構成される物体（被測定物）の位置を検出する装置であって、
対向して配置される２つの磁極によって、周辺の磁界分布の乱れの影響を実質的に排除する程度の大きさの直流の磁場領域を形成する手段と、
前記磁場領域内の前記被測定物とは異なる位置に配置され、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度を測定して、その測定結果を出力する磁場検出手段と、
前記被測定物が前記磁場領域内の基準位置にあるときに前記磁場検出手段が検出するＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度の値と、前記磁場領域内で前記被測定物が変位したときに磁場検出手段が検出するＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度の値とに基づいて、前記被測定物の位置を演算し、特定する手段と、
から構成される物体の位置検出装置。
【請求項５】
前記被測定物の位置を演算し、特定する手段は、
前記の基準位置にあるときの磁束密度の測定値と、前記の被測定物が変位したときの磁束密度の測定値とから、各軸方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における磁束密度の値の差分Δｘ、Δy、Δzを算出し、この差分Δｘ、Δy、Δzのベクトルの大きさを算出し演算することで磁場検出手段から被測定物までの距離を求め、さらに、この差分Δｘ、Δy、Δzから磁場検出手段を中心とした被測定物の方向を求めることによって、被測定物の位置を特定する手段であることを特徴とする請求項４に記載の物体の位置検出装置。
【請求項６】
前記被測定物は、位置を可変に出来る位置補正ユニットに固定されたノズルを有した液体を定量ずつ吐出する装置における、磁性材料または磁場の磁束分布に影響力を持つ材料にて作成したノズルであることを特徴とする請求項５に記載の物体の位置検出装置。
【請求項７】
前記磁場形成手段は、断面がほぼＣ字形の永久磁石によって構成され、その対向する２つの磁極間の空間に前記磁場領域が形成されるようになっており、前記磁場検出手段は、磁気センサ取付部の一端にホール素子をデバイスとする磁気センサを有して構成されるとともに、前記磁気センサ取付部の磁気センサ側が２つの磁極間の側方から前記磁場領域内に侵入するように配置され、前記ノズルは、上方から前記磁場領域内に移動するように構成されていることを特徴とする請求項６の物体の位置検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、少なくとも一部に、磁場内に置かれるときにその磁場に変化が生じる性質を有して構成される物体の三次元位置検出方法およびその位置検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、被測定物の三次元位置情報を得るには、例えば、(1)ＣＣＤカメラなどのデジタル画像信号を利用して、複数の画像信号から三次元位置情報を得る方法、(2)測定ターゲットをモータの回転数に比例し移動するステージ (Ｘ−Ｙ−Ｚ移動ステージ)
に予め取付けておき、そのモータの回転数を回転数センサーやロータリーエンコーダーなどを用いて測定し、その測定値から移動距離を求めることにより、三次元位置情報を得る方法などがあつた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各従来技術は、次のような問題があった。まず、画像を利用する上記検出方法については、カメラが画像として取り込める空間が決まっているため、ターゲットがこの範囲外にある場合には、測定対象物を全く認識することができない。一方で、カメラの画素数が位置精度を決めてしまうため、広範囲にわたる画像が取り込めるレンズを装着した場合には、１画素に相当する実際の長さが大きくなるため、その結果として精度のよい位置情報を得ることが非常に難しくなるという問題があった。さらに、レンズを用いることにより画像に歪みが生じるため、正しい位置情報を得るためには、これを補正する必要があった。その他、測定ターゲットのコントラストをきれいに取る必要があるため、測定物にライトを均一に当てるといった特別の工夫も必要となるという問題があった。
【０００４】
一方、移動ステージを用いて位置検出を行う上記方法については、測定物からの情報を直接得ているのではなく、測定物が取付けられている移動ステージの移動量から位置を算出するという間接的な方法を用いているため、例えば、移動ステージの駆動源であるモータにバックラッシュなどが発生してもこれを検出することができないので、得られる情報は多分に誤差を含んでおり、精度良く位置を知ることが難しかった。また、あくまでもテーブルの位置を測定しているにすぎないので、例えば多数の被測定物を順にテーブルに載せて測定するためには、テーブルと被測定物とを精度良く取り付けなければならず、さらには、自由に動く被測定物、例えば虫やほこりといったものの自由な動きの中での位置情報を知ることは、この方法ではできなかった。
【０００５】
この発明は、従来技術が抱えている上述した問題点に着目してなされたもので、被測定物の三次元位置情報を正確に、しかも非接触にて行うことができる物体の位置検出方法および位置検出装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明は、少なくとも一部に、磁場内に置かれるときにその磁場に変化が生じる性質を有して構成される物体（以下、「被測定物」という）の位置を検出する方法であって、
対向して配置される２つの磁極によって、周辺の磁界分布の乱れの影響を実質的に排除する程度の大きさの直流の磁場領域を形成し、
前記被測定物とは異なる位置で前記磁場領域内に配置される磁場検出手段によって、前記磁場領域内の被測定物が基準位置にあるときの所定位置でのＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度を測定し、
前記磁場検出手段によって前記磁場領域内で前記被測定物が変位したときの前記所定位置でのＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度を測定し、
前記基準位置にあるときの磁束密度の測定値と、前記被測定物が変位したときの磁束密度の測定値とに基づいて、前記被測定物の位置を演算し、特定すること
を特徴とする。
なお、本発明の上記方法において、基準位置にあるときの磁束密度の測定値と、被測定物が変位したときの磁束密度の測定値とから、各軸方向（Ｘ，Ｙ、Ｚ）における磁束密度の値の差分Δｘ、Δy、Δzを算出し、この差分Δｘ、Δy、Δzのベクトルの大きさを算出し演算することで磁場検出手段から被測定物までの距離を求め、さらに、この差分Δｘ、Δy、Δzからセンサを中心とした被測定物の方向を求めることによって、被測定物の位置を演算し、特定することができる。
また、前記被測定物は、位置を可変に出来る位置補正ユニットに固定されたノズルを有した液体を定量ずつ吐出する装置における、磁性材料または磁場の磁束分布に影響力を持つ材料にて作成したノズルとすることができる。
【０００７】
また、この発明に係る物体の位置検出装置は、少なくとも一部に、磁場内に置かれるときにその磁場に変化が生じる性質を有して構成される物体（被測定物）の位置を検出する装置であって、対向して配置される２つの磁極によって、周辺の磁界分布の乱れの影響を実質的に排除する程度の大きさの直流磁場領域を形成する手段と、前記被測定物とは異なる位置で前記磁場領域内の所定箇所に配置され、Ｘ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度を測定して、その測定結果を出力する磁場検出手段と、
前記被測定物が前記磁場領域内の基準位置にあるときに前記磁場検出手段が検出するＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度の値と、前記磁場領域内で前記被測定物が変位したときに磁場検出手段が検出するＸ、Ｙ、Ｚ各方向における磁束密度の値とに基づいて、前記被測定物の位置を演算し、特定する手段と、から構成されることを特徴とするものである。
【０００８】
なお、本発明の上記装置について、前記被測定物の位置を演算し、特定する手段は、前記基準位置にあるときの磁束密度の測定値と、前記被測定物が変位したときの磁束密度の測定値とから、各軸方向（Ｘ、Ｙ、Ｚ）における磁束密度の値の差分Δｘ、Δy、Δzを算出し、この差分Δｘ、Δy、Δzのベクトルの大きさを算出し演算することで磁場検出手段から被測定物までの距離を求め、さらに、この差分Δｘ、Δy、Δzから磁場検出手段を中心とした被測定物の方向を求めることによって、前記被測定物の位置を特定する手段から構成することが好ましい実施形態である。
また、前記被測定物としては、位置を可変に出来る位置補正ユニットに固定されたノズルを有した液体を定量ずつ吐出する装置における、磁性材料または磁場の磁束分布に影響力を持つ材料にて作成したノズルとすることができる。
さらに、磁場形成手段としては、断面がほぼＣ字形の永久磁石を採用することができ、その対向する２つの磁極間の空間に磁場領域が形成されるようになっており、磁場検出手段としては、磁気センサ取付部の一端にホール素子をデバイスとする磁気センサを有する形態を採用し、その磁気センサ側が２つの磁極間の側方から磁場領域内に侵入するように配置することができ、被測定物としてのノズルは、上方から磁場領域内に移動するように構成することができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、この発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明にかかる物体の位置検出装置の原理を説明する模式図であり、この装置は、任意の強さの磁場を形成するための磁場発生装置２０と、この磁場発生装置２０の作用により形成される磁場領域内には、被測定物１２と共にＸ軸, Ｙ軸, Ｚ軸の互いに直交する方向の磁束密度を測定するための磁場検出部２４と、そして磁場発生装置２０によって形成される磁場が前記被測定物１２が介在することにより発生するＸＹＺ軸方向における磁場の強さ,
即ち、磁束密度の変動に基づいて該被測定物１２の位置を特定する演算部３０とで構成されている。
【００１０】
上記磁場発生装置２０は、地磁気および非測定対象物（測定の対象でない物体）が出す磁気の影響を実質的に無くすためのノイズキャンセリングを行うための手段である。一般に、磁場検出部２４が検出する磁界の強さは被測定物からの磁気情報だけではなく、地磁気による影響の他、その磁場環境下にある多くの物体 (磁性体) による磁界分布 (磁力線分布) の乱れを検出していることになる (図２参照) 。従って、例えば被測定物は静止しているにもかかわらず、周辺の物体が移動すれば磁場の磁力線分布に変化が生じてしまう。つまり、この場合、生じた磁場の変化が被測定物によるものか、非測定対象物（測定の対象でない物体）によるものかを特定することが難しくなる。そこで、本発明では被測定物からの情報のみに焦点を絞れるように、つまり非測定対象物（測定の対象でない物体）からの影響を排除するために、磁場検出部周辺に予め任意の強さの磁場を予め形成しておくことが必要となるのである。従って、本発明にかかる磁場発生装置２０は、単に任意の磁場を付与できればよく、その要請に応えられるものとしては、永久磁石の他、直流磁界でもまた、差動コイルや差動トランスのように励磁コイルをもち交流磁界を付与できるコイルを用いてもよい。
【００１１】
次に、上記被測定物１２は、それ自身が磁性をもつ磁性体か、少なくともその一部に磁性を有する場合の他、非磁性体であっても、例えばフェライトの如き磁性体 (マーカー) を一部に具える (付着) ような各種の物体で構成されている必要がある。即ち、この物体が上記磁場内に置かれるとき、その磁場に何らかの変化が生じるようにすればよい。なお、この被測定物１２としては、強磁性体のように磁界に大きな変化を与え得る材料がとくに好ましい。
【００１２】
次に、上記磁場検出部２４は、いわゆる磁気センサのことであって、上記磁場の磁束密度Ｂを測定するプローブで構成されている。この磁場検出部２４は、それぞれ線形独立な３方向(Ｘ,Ｙ,Ｚ)の磁界成分を検出するために、各検出部は互いに直交する関係に置かれ、互いには平行にならないように組み合わされる１個のデバイスで構成されている。例えば、好ましくはホール素子をデバイスとしてこのデバイスのヘッドが互いに直交する３面(Ｘ,Ｙ,Ｚ)で構成された磁束密度に感応するデジタルタイプの位置センサなどが好適に用いられる。
【００１３】
この磁場検出部２４では、被測定物１２の変位にともなう磁束密度Ｂの変化を測定しており、例えば、図３に示すように、前記変位の大きさに応じて磁束密度Ｂが変化する現象を利用し、被測定物１２の変位位置、即ち位置の特定を行うのである。
【００１４】
次に、上記演算部４は、上記磁場検出部２４の各検出部(センサ)で測定された磁界成分,即ち、被測定物１２が標準状態,即ち基準位置にあるときの磁束密度Ｂ1(b1x,b1y,b1z),Ｂ2(b2x,b2y,b2z),Ｂ3(b3x,b3yb3z)と、前記被測定物１２が空間的に変位したときに検出される、いわゆるセンサと被測定物の相対位置の変化に応じた磁束密度Ｂ'1(b'1x,b'1y,b'1z),Ｂ'2(b'2x,b'2y，b'2z),Ｂ'3(b'3x,b'3y,b'3z)の変化から、該被測定物１２の変動位置を演算し、特定するものである。
【００１５】
例えば、被測定物１２が基準位置にあるときの磁束密度の値と該被測定物１２が空間的に変位したときの磁束密度の値の差分を算出し、この差分Δｘ,Δｙ，Δｚのベクトルの大きさを算出することにより、被測定物１２とセンサ２４間の距離を求める。この場合、この距離が小さいほど上記ベクトルの大きさが大きくなる(変化量が大きくなる)。そこで、このベクトルの大きさを下記Ｉ式に基づき演算することによって、センサ２４を中心としてこのセンサからノズルまでの距離
(位置) がわかる。
【数１】
0004319270.tif 000002
【００１６】
また、被測定物１２の方向(位置)は、磁束密度がベクトルであることを再度利用し、Δｘ、Δｙ、Δｚそれぞれを評価することにより判断することができる。このことは、上記式(Ｉ)で求められる磁界の大きさが同じ値であっても、それぞれの成分の差分Δｘ、Δｙ、Δｚがどのような値の組み合わせ(Δｘ、Δｙ、Δｚ)になっているかで、センサ２４を中心とした被測定物１２の方向が求められるからである。特に、使用する被測定物１２が限定される場合には、予め被測定物１２の位置とそれぞれのセンサ２４が検出する磁束密度の関係を測定しておき、これをデータベース化し、測定される各センサとこのデータベースを比較参照することで被測定物の位置を特定すると、さらに処理が速くなるメリットがある。
【００１７】
次に、図４は、この発明に係る位置検出の方法を、流体を定量づつ吐出する装置１０における流体貯留容器１２(以下、「シリンジ」と称する)の、ノズル位置補正機構に適用した具体例を示すものである。このノズル位置補正機構は、固定板１４に保持されたシリンジ１２を交換する際に発生するノズル１６の位置ずれを補正する目的で用いられるものである。
【００１８】
ところで、流体, 例えばクリームハンダをシリンジのノズルを介して基板(ワーク)上の配線に沿って吐出させ塗布する装置にあっては、前準備として、(i)吐出する流体をシリンジに充填する、(ii)シリンジを塗布装置にセットする、(iii)塗布条件を設定する、という作業が必要になってくる。そして、塗布作業を繰り返し行い、シリンジ内の流体が減少または無くなった場合、(1)使用済みシリンジを流体充填済みの他のシリンジと交換し、(2)その交換において発生した塗布条件の微調整を行う(特に、シリンジの先端に取付けられたノズルとワークとの間隔をシリンジ交換時の間隔と等しくなるよう調整を行う)、(3)塗布作業を再開する、という作業が一般的なシリンジ交換時の作業となる。
【００１９】
こうした作業において重要なことは、ノズルとワーク間の距離を正確にトレースすることである。とくに、このシリンジの交換作業においては、シリンジの加工精度 (固体差) やシリンジの固定位置の再現性が、シリンジに取付けられているノズルの先端の位置精度を決める重要な因子となる。ところが現実には、上記因子の差に由来してノズルとワークの距離がシリンジ交換前後において大きく異なるため、結局、シリンジ交換毎にノズルの位置を補正しなければならないのが実情である。
【００２０】
このような実情に鑑み開発した本発明に係る位置検出のためには、少なくとも以下のような構成を採用することが必要である。
(1)磁性材料または磁場の磁束分布に影響力をもつ材料にてノズル１６を作成すること。
(2)磁場を検出するために、Ｘ,Ｙ,Ｚ方向のそれぞれの磁束密度を検出することができる磁気センサ２４を使用すること。
(3)その磁気センサ２４は各々が互いに直交するように、かつ平行にならないように個別にまたは３個を１組として、望ましくは地磁気等の影響を除去した磁場内に配置すること。
(4)被測定物が置かれる位置は、地磁気およびその他のノズル以外の磁気の影響を除去して測定の精度を上げるために、磁気センサ２４には予め永久磁石などの磁場発生装置２０などにより任意の磁場を形成させておくこと。
なお、本発明において、磁場形成手段としての上記磁場発生装置は、例えば、図４に示すように、ベース２２に固定された、断面がほぼＣ字形の永久磁石２０から形成され、その対向する２つの磁極間の空間に磁場領域が形成されるように構成することができる。
【００２１】
そこで、上掲のシリンジ１２の位置を検出するに当たっては、位置検出装置を上記のように構成することにより、測定ターゲットであるノズル１６付近の磁場をより明確にセンシングするようにした。このような構成にした場合、ノズル１６が磁気センサ２４に近づくと、前記磁場における磁界ベクトルに変化が生じる。この変化の仕方は、ノズル１６の位置により異なる。つまり、磁気センサ２４により各々Ｘ軸, Ｙ軸, Ｚ軸方向の成分として把握される磁束密度の変化をノズル位置情報として検出する。そして、このようにして検出されたＸ, Ｙ, Ｚ軸方向のそれぞれの磁束密度の変化を演算部３０において演算させることにより、ノズル１６の位置を特定するのである。
なお、本発明において、磁場検出手段としては、例えば、図４に示されるように、磁気センサ取付部２６の一端にホール素子をデバイスとする磁気センサ２４を有する形態を採用し、その磁気センサ側が２つの磁極間の側方から磁場領域内に侵入するように配置することができる。
【００２２】
例えば、図５は、磁場発生装置２０によって、形成された標準磁場Ｂに接して配置された磁気センサ２４によって、その磁場Ｂ内に交換のために新たにセットした新ノズルの存在による磁束密度分布を、各センサとの相対位置の変化にあわせて測定したグラフである。このグラフのもつ意味は、図３において、上記基準位置からノズル１６をベース方向 (Ｚ方向) に変位させた場合において、磁気センサ２４の、各方向成分を検出するセンサの基準位置における磁束密度と、測定開始点における磁束密度との差分Δｘ，Δｙ，Δｚを100％とし、さらにＺ軸鉛直下方向の任意の２点間の距離を100％とした場合の、変位と磁束密度差分との関係を示したものである。
なお、Ｚ軸の変位方向は磁気センサ２４とノズル１６との距離が増加する方向である。これより、センサ２４とノズル１６との距離が増加する(離れる)と磁界が変化しなくなることがわかる。また、各変化分Δｘ，Δｙ，Δｚの組み合わせ(Δｘ，Δｙ，Δｚ)は、センサとノズルの位置関係に固有なものであることがわかる。
【００２３】
なお、この実施例において、シリンジ１２とノズル１６は、ロボットまたはアクチュエータといった位置を可変にできる位置補正ユニット２８に固定されており、演算部３０における演算結果を、その位置補正ユニット２８に出力してこれを駆動させ、必要量だけ移動させることで、変位を補正する。
【００２４】
以上説明したようにこのような方法によれば、ノズルの位置補正を非接触で精度よく行えるために、ノズル先端を損傷させるようなことがなく、かつクリアに保つことが可能である。また、磁界を検出するセンサの使用により、カメラ等を用いる方法に比べ、システムをコンパクトにすることができる。さらに、ノズルが非磁性体でできているノズルであっても、磁性体または磁性体でできているマーカを予めノズルの任意の場所に付けることで測定が可能となり、ノズルの材質を問わずに位置補正が可能となる。
【００２５】
【発明の効果】
かくして本発明に係る物体の位置検出方法および位置検出装置によれば、物体の有する磁性という特性が空間内に位置する物体周辺の磁界分布に変化を与えることを利用し、その磁界分布の変化を測定することによって物体の位置を特定することができるので、物体の位置検出を直接的でかつ非接触にて精度良く行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の位置検出方法の原理説明図である。
【図２】磁場中に測定物を配置した場合の磁場の変化を説明するための模式図である。
【図３】変位の大きさと磁束密度変化の関係を示すグラフである。
【図４】この発明の位置検出方法が適用される液体塗布装置の要部を示す斜視図である。
【図５】被測定物と磁気センサ間の距離を変化させたときの各磁気センサによる磁束密度変化を示すグラフである。
【符号の説明】
１０ 液体塗布装置
１２ 被測定物
(シリンジ)
１４ 測定物固定板
１６ ノズル
１８ 位置補正ユニット取付板
２０ 永久磁石（磁場発生装置）
２２ ベース
２４ 磁気センサ（磁場検出部）
２８ 位置補正ユニット
３０ 演算部
【図１】
0004319270.tif 000003
【図２】
0004319270.tif 000004
【図３】
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【図４】
0004319270.tif 000006
【図５】
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