CN1095624C - 电子元件安装装置 - Google Patents

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Abstract

电子元件安装装置包括：一个用来输送一个要安装的电子元件(2)的输送盘部分(4)；一个用来移动一个要安装的电子元件(2)的X-轴机器手臂(5)和Y-轴机器手臂部分(6)；一个用来吸取和移动电子元件的吸头部分(7)；一个3D传感器(8)；和一个用来存储高度数据作为三维图像数据的图像存储器，因此能够在一次处理中同时地完成电子元件(2)的定位和三维形态检查。

Description

电子元件安装装置
本发明涉及到一个用来自动地把电子元件安装到一块板(如一块印刷电路板、液晶显示面板或等离子显示面板)上的电子元件安装装置。
在用于安装带有窄引线间距和窄引线宽度的方形扁平封装的电子器件和接线器这样的电子元件的电子元件安装装置中，传统的做法是在把元件安装到印刷电路板上之前对元件的引线位移进行自动检测。US-A-5200 799表示从本发明结果提出一个用于检查印刷电路板上元件封装状况的***最近的已有技术，***包括用于接收由于激光光束照亮印刷电路板而产生的散射光，并且把该接收到的散射光转换为位置信号的一个位置检测装置。这个位置信号用于获得印刷电路板上元件的亮度数据和至少两个高度数据。在两个高度数据之间差的基础上确定元件的合适高度数据。检查***通过比较最后的高度数据与预定的参考数据来确定封装条件。
因此，这种光检测***检查在基板上安装元件的不良状态，如位置不精确、缺失、上升和元件封装或者在印刷电路板上安装的焊接不良。
图9A-9D是根据已有技术的电子元件安装装置的安装过程的方框图。在大多数已有技术的电子元件安装装置中，通过如图9A-9D所示的过程顺序安装带有窄引线间距的电子元件。尤其是，在图9A所示的步骤中，装在输送盘3上的电子元件2是由安装装置的吸头部分7吸起。然后，在图9B所示的步骤中，被吸起的电子元件的图像由定位摄象机47所摄取，并且通过这些所获得的定位信息，利用图像处理装置对该电子元件2定位。
在图9C所示的步骤中，利用在图9B所示的步骤中获得的位置信息，用传送型的引线位移传感器48对元件2检查共面性，或者用另外的共面检查摄象机49获取引线端部或端部阴影的图像，以便该图像容易由图像处理装置做共面检查。
在图9D所示的步骤中，如果检查结果没有发现异常现象，基于图9B的步骤中获取的位置信息，对印刷电路板9以及要被安装在其上的电子元件2一同进行的校正计算。然后，把电子元件2安放在印刷电路板9上的特定位置。
然而，如果用上述已有技术的电子元件安装装置，通过图9A-9D所示的步骤中顺序执行元件安装，由于在图9B的步骤中定位摄象机47和引线位移传感器48或者在图9C的步骤中共面检查摄象机49彼此实际上是分开固定的，所以这就需要在图9C的步骤中利用图9B的步骤中获取的定位信息机械地定位元件，因此各步骤的过程不能同时执行，只能顺序处理，同时要安装的元件在各个步骤需要进行移动、停止、上升/下降或其它运动处理。结果，包括安装元件的移动、停止、上升/下降或其它运动工作时间在内，图9B和图9C的步骤中处理时间会直接影响整个安装时间，因此整个安装时间由于这些运动的操作时间而增加，这是一个缺点。
除此之外，当共面检查由图9C的步骤中的传送型引线位移传感器48执行时，它将必须各自地扫描要安装元件的四条边，在这里处理时间通常约是1到3秒。这种处理时间使元件安装时间延长。特别是在大量安装方形扁平封装器件和接线器中这将带来很大的缺陷。同时，还有当用共面检查摄象机49执行共面检查时，如前所述情况，考虑到摄象机的聚焦或者由于分辨率较低而分区摄取图像或其它操作，这需要较长的时间检查。这还引起安装周期的问题。
因此，本发明的目的是提供一种在需要三维形态检查(如共面检查)安装元件中，能够减少安装处理时间的电子元件安装装置，并且能够确保在元件安装中获取图像的水平和垂直两个方向的像素尺寸(分辨率)，并且还能够灵活地适用于窄间距元件如方形扁平封装器件和接线器安装情况中较高速度和较高分辨率(较高精度)的安装过程。
在实现本发明的这些方面和其它方面，根据本发明的第一个方面，在这儿提供的一种电子元件安装装置包括：
一个用来把要安装的电子元件输送到一个底板上的元件输送部分；
一个用来吸取电子元件的吸头部分；
一个用来移动吸头部分的吸头部分移动器件；
一个三维图像摄取器件，提供在吸头部分移动范围下面的位置，用来通过一激光光束对吸头部分所吸住的元件进行线扫描，从每条线获得元件所在位置的位置数据以及对应于该位置数据的元件的高度数据；
一个用来存储从三维图像摄取器件获取的高度数据如三维图像数据的图像存储器；和
一个用来执行对电子元件的三维图像数据图像处理的控制部分。
在这种设计中，安装元件的三维图像能够通过三维图像摄取器件来获取，并且能够对该三维图像执行图像处理，通过这一处理，电子元件的定位和三维元件的形态检查能够同时完成。
结果，鉴于图9所示已有技术中由摄象机定位和三维形态特性如共面检查是顺序执行(分开处理)的，而图10所示的是定位和三维检查能够同时处理的，因此元件安装时间能够大大地缩短。在此参照图10A-10C，描述本发明与图9A-9D所示已有技术之间的差别。
图10A-10C是对应于本发明第一方面的一个较特殊例子的电子元件安装装置安装过程图。参照图10A-10C，附图标记2表示一个电子元件；3表示一个放置电子元件2的输送盘；7表示一个用来移动电子元件2的吸头部分；8表示一个用来捕获三维图像的三维图像摄取装置3D传感器；以及9表示一块将要在上面安装电子元件2的印刷电路板。
在图10A所示的步骤中，电子元件2被吸头部分7从输送盘3吸起。如图10B所示的步骤，当电子元件2随着吸头部分7的移动在3D传感器8上移动，被吸起和移动的电子元件2的底部2a的三维图像通过移动图像处理装置G1和用3D传感器8发射的激光光束8a扫描被捕获存入图像存储器M1。然后，对这个三维图像上执行图像处理，通过这个处理来完成电子元件2的定位和三维形态检查。在图10C所示的步骤中，基于图像处理装置G1处理确定的位置信息电子元件2被安装在印刷电路板9上。
根据本发明的第二个方面，这里提供一个依据本发明第一方面的电子元件安装装置，其中控制部分这样设置，以便由激光光束与电子元件在三维图像摄取器件的上方移动的方向垂直的方向上扫描获得的三维图像数据，并存储到图像存储器，同时把用来移动电子元件的移动器件的工作速度设置为常量。
在这种设计中，在第一方面所描述的电子元件安装装置中，移动轴的工作速度设置为常数，并且可以消除在安装过程前后元件移动轴的不必要的停顿。因此，能够减少安装过程中的处理时间。
根据本发明的第三方面，这里提供一个电子元件安装装置包括：
一个用来移动要安装的电子元件到一个底板上的移动器件；
一个安置在移动器件下面位置的多棱镜；
一个为多棱镜发射激光光束的半导体激光器；
一个安置在多棱镜周围位置的位置传感器；和
一个用来在激光光束已经投射到电子元件的下表面的位置传感器上形成图像的图像形成透镜，
其中半导体激光器这样安置以便其激光光束将投射到旋转多棱镜，再反射，并且投射到通过多棱镜上方的电子元件的下表面，其中根据由移动器件使电子元件通过多棱镜上方的操作和通过多棱镜的旋转操作触发激光器扫描，计算由位置传感器的输出数据，获得元件三维图像数据并存储到图像存储器，因此，利用该三维图像同时执行电子元件的定位和形态检查。
在这种设计中，电子元件的三维图像能够通过多棱镜、半导***置传感器件、以及半导体激光器等组成的三维图像摄取器件来获取，通过这个获取的三维图像，电子元件的定位和三维形态检查能够同时完成。
根据本发明的第四方面，这里提供一个电子元件安装装置还包括：
一个用来从移动器件的一个参考位置计算移动器件的移动量的移动量检测电路；
一个用来基于多棱镜的转动量信号的接收从多棱镜的一个参考位置计算多棱镜的转动量的转动量检测电路；和
一个用来比较移动器件的移动量和多棱镜的转动量的第一比较电路，
其中当从第一比较电路获得的移动器件的移动量和多棱镜的转动量的差作为一个比较结果落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为有效数据处理，而当上述转动量的差没有落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为无效数据处理。
根据本发明的第五方面，这里提供一个电子元件安装装置还包括：
一个用来计算每次移动器件移动速度的移动速度检测电路；
一个用来基于多棱镜的转动量信号的接收计算每次多棱镜的转动速度的转动速度检测电路；
一个用来彼此比较移动器件的移动速度和多棱镜的转动速度的第二比较电路，
其中当从第一比较电路获得的移动器件的移动速度和多棱镜的转动速度的差作为一个比较结果落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为有效数据处理，而当上述转动速度的差没有落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为无效数据处理。
在这种设计中，在第三与/或第四方面所述的电子元件安装装置中，移动要安装的电子元件的移动量以及多棱镜的转动量，和/或移动器件的移动速度以及多棱镜的移动速度由电路监控，通过该电路监控可以保证由移动器件和多棱镜两者相互独立的扫描运动获取的三维图像的处于正常状态(即横向比率一致，而没有任何部分形变)。因此，从三维图像的处理获得的计算结果的精度和可靠性是可以保证的。
根据本发明的第六方面，这里提供一个依据第三到第五方面的任何一个的电子元件安装装置还包括：
一个用来变换三维图像获取的基本时钟速率的时钟速率变换装置，
其中当对于三维图像需要高分辨率时，基本时钟速率通过时钟速率变换装置设置较快，同时移动器件的移动速度设置慢一些，而当为获取三维图像需要高速时，基本时钟速率通过时钟速率变换装置设置较慢，同时移动器件的移动速度设置快一些。
在这种设计中，在上述第三到第五方面的任何一个方面的电子元件安装装置中，为了获取三维图像，该装置能够通过改变基本时钟速率以及结合加速或减速在移动器件上物体移动的速度来工作。在这种方法中，执行对应于要安装元件的电子元件的定位和三维形态检查并不损害获取图像的正确性，在为选择定位或检查精度增强分辨率与为选择速度增强扫描速度之间的切换能够简单地执行。
根据本发明的第七方面，这里提供一个依据第三到第六方面的任何一个方面的电子元件安装装置还包括：
一个用来在元件定位于图像数据获取起始位置后的时间直到元件定位于线扫描的有效激光光束起始位置期间计算元件移动距离的器件，
其中考虑到由计算装置计算的距离，利用三维图像实现的元件定位。
根据上述结构，当根据计算装置执行的计算结果实现元件定位时，它能够避免由于时间偏移的变化而可能引起定位精度下降，结果提高定位的精度。
根据上述本发明的各个方面，该电子元件安装装置能够在需要三维形态检查(如共面检查)的安装元件中减少安装处理时间，并且能够保证元件安装中获取图像的水平和垂直像素尺寸(分辨率)，还能够灵活地灵活地适应较高速和较高分辨率(较高精度)的窄间距元件如方形扁平封装器件和接线器的安装。
下面参照附图并结合实施例说明本发明的各种特点，其中：
图1是一个根据本发明的一个实施例的电子元件安装装置的整体轮廓图；
图2A，2B，2C，2D，2E，和2F是本实施例中三维图像获取的解释图；
图3A，3B，和3C是本实施例中电子元件安装操作的解释图；
图4是一个本实施例中3D传感器沿X轴方向的截面布局图；
图5是一个本实施例中3D传感器沿Y轴方向的截面布局图；
图6是一个从本实施例中3D传感器输出信号解释图；
图7是一个本实施例中主控制部件的内部布局图；
图8是一个本实施例中高度计算电路的内部布局图；
图9A，9B，9C，和9D是根据已有技术电子元件安装装置的安装过程图；
图10A，10B，和10C是根据本发明的一个实施例的电子元件安装装置的安装过程图；
图11是一个根据本实施例测量高度方法的一个例子的解释图；
图12是一个本实施例中主控制部件和其他独立器件之间的关系解释图；
图13是一个本实施例中显示图像获取时间的时序图；
图14是一个本实施例中显示从图像获取到图像处理操作的流程图；
图15A，15B，和15C是顺序进行元件引线识别的一个例子的算法的解释图；
图16A，16B，和16C是关于元件引线位移的测量方法解释图；
图17是一个元件的各个引线端高度的计算解释图；以及
图18是一个显示本实施例中一组电子元件的图像获取和处理的时序图。
在描述本发明之前，注意同样的附图标记表示附图中同样的部件。
在下文中，参照附图详细描述一个本发明实施例的电子元件安装装置。
图1是一个根据本发明的电子元件安装装置的整体轮廓图。图1中，附图标记1表示一个电子元件安装装置的安装装置主体；2表示一个要被安装装置安装的电子元件(以后，简称为元件)；3表示一个放置元件的盘；4表示一个用来自动输送盘3上元件2的作为元件输送单元的盘输送单元；7表示一个用来在安装过程中吸起和放下元件2的吸头；5表示作为吸头部分移动装置的一个部件的X-Y轴机械手臂的一部分的X-轴侧机械手臂(以后，简称为X-轴机械手臂)，它使吸头7沿着X轴移动；6a和6b表示X-Y轴机械手臂的一部分的Y-轴侧机械手臂(以后，简称为Y-轴机械手臂)，它使吸头7沿着Y轴移动；8表示一个三维(以后，简称为3D)传感器，它获取元件2的高度图像；9表示一块其上安装元件2的印刷电路板。
当放置于输送盘3上的元件2被吸头7吸起并且沿着X-轴机械手臂5移动时，一个元件2的3D(高度)图像被3D传感器8捕获。通过3D传感器8捕获的(高度)图像由软件进行处理，以便于对元件2的定位、引线位移或者其它项目的3D形态检查。然后，根据该定位信息，把元件2安装在印刷电路板9上的特定位置。
图2A-2F是根据本发明实施例的电子元件安装装置的3D图像捕获过程的解释图。在图2A-2F中，附图标记2表示被X-轴机械手臂5的操作移动的元件；8表示三维传感器；44表示由一个多棱镜扫描的激光光束；45表示一个元件2的引线端之一并且它被弯向相对放置表面的一侧(即发生位移)；46表示由3D传感器8从引线端45的图像获取的高度数据。
图2A-2C描述元件2的3D图像是如何通过元件2在3D传感器8上移动的步骤捕获到图像存储器35中，通过激光光束44在垂直于元件运动的方向上扫描，施加激光光束44到元件2的下表面来在半导***置传感器上形成一个激光光束44的反射图像，并且计算半导***置传感器的输出来确定高度。
如从3D传感器8一侧看，图像存储器35各条水平线中捕获的数据是位于各条激光扫描线上的高度计算对象(在本例中为元件2的引线和封装)的高度数据。这些数据如X-Y横截面视图所示。
图2D-2F描述当元件2在3D传感器8已经通过时某个时间点上图像存储器35的一个状态。尤其是，如果引线端45发生位移，对应于在Z-W横截面视图之外的引线端45的高度46比其他引线高。该数据比较使得3D形态检查(如对引线位移的检查)能够进行。
另外，因为图像存储器35接收元件2的二维图像，尽管在亮度数据和高度数据之间存在差别，这个信息的图像处理能以如摄象机的图像摄取器件图像处理的同样方式使元件2定位。
图3A-3C是根据本发明实施例的电子元件安装装置的安装操作解释图。在图3A-3C中，附图标记2，3，4，8，9表示要被吸起元件，输送盘，盘输送单元，3D传感器，以及要在其上安装元件的印刷电路板。
在图3A中，由从点A至点B，从点B至点C，以及从点C至点D的箭头所示的轨迹表示元件2通过由电子元件安装装置的安装在印刷电路板9上所要求的位置的一系列操作包括如下步骤：从输送盘上吸起元件2，使得元件2通过3D传感器8，由此3D传感器8获取元件2的3D图像，通过该图像数据的图像处理执行元件的定位和检查由此计算和修正安装位置。
图3B，3C表示各条机械手臂沿X轴和Y轴根据图3A所示的元件2的轨迹方向移动操作是如何加速或减速。在这种情况下，元件2在沿X-轴在点B至点C之间移动时，通过3D传感器8上方获得一个3D图像。在这个过程中，X-轴机械手臂的操作速度为常数而Y轴机械手臂保持不动。
对于其他操作，为了减少总的安装时间，在从在点A和点B之间的操作到在点B和点C之间的操作，以及从在点B和点C之间的操作到在点C和点D之间的操作的速度改变点的暂时停顿所需的加速和减速操作被消除，所以可以提高该机器安装的效率。
下面将详细描述3D传感器8的构造和功能。
图4是一个3D传感器8的沿X轴方向看的布局视图(截面图)，而图5是一个3D传感器8的沿Y轴方向看的布局视图(截面图)。在图4和图5中，附图标记5表示X轴机械手臂，7表示吸头，2表示被吸起的元件，10表示一个发射激光光束的半导体激光器，11表示一组用于聚焦和整形激光光束的聚焦和整形透镜，12表示一个用于通过机械转动使激光光束扫描并投射到镜子上的多棱镜，13表示一个通过部分激光光束和反射另一部分的半透镜，以及14表示一块用于反射光的镜。
再者，标号15表示一个用于改变光路径的F-8透镜，使得被通过多棱镜12机械地移动的激光光束垂直地投射在元件2上，它是被投射的对象；16a，16b表示形成已经投射到元件2上激光光束的反射(散射光)图像的图像形成透镜；17a，17b表示作为位置检测元件的半导***置传感器器件(以后简称PSD)，已经投射到元件2上激光光束的反射光经过图像形成透镜16a，16b形成图像于该半导***置传感器器件上，其中PSD17a，17b每个都有产生与图像形成波束的位置有关的电信号的功能。还有，18a，18b表示PSD 17a，17b的输出信号。
在这种情况中，从半导体激光器10发射的激光光束在由聚光-整形透镜11在光束轮廓中聚光和整形，然后通过半反射镜13，由反射镜14反射，投射在多棱镜12上。多棱镜12是在以恒定的转动速度运动，投射在反射镜表面的激光光束将转动。还有，激光光束的光路由F-θ透镜15改变，并被垂直地投射在元件2上，并且反射光经过图像形成透镜16a，16b在每个PSD 17a，17b上形成图像以便该PSD 17a，17b产生允许元件2的激光反射表面被测量的的输出信号18a，18b。
再者，附图标记19表示一个用于检测光输入的光传感器，20表示把光已经输入到光传感器19的事实向外界通知的信号。这个信号20当多棱镜12的各个镜表面已经达到特定角度时将变化，并且对应于多棱镜12的每个表面的一个原始信号(表示来自于哪个表面)。此外，如果多棱镜12有18个表面，当多棱镜12以相等的间隔(对于18个表面每个20度)转动到一些角度时按着转动信号分别18次输出。所得的信号称作多棱镜12的转动量信号。
在本实施例中的3D传感器8有两个PSD电路***。设计这种预防措施主要是来补偿基于元件上激光反射的仅一个PSD电路***不足的情况，该反射光可能不会根据角度反射回到PSD电路。虽然三个或多于三个的***可能更有效，但是它技术上类似于两个***的情况，所以在这里基于两个***描述。
在此，一个由PSD 17a，17b测量元件高度的方法实例将分别地根据图11所示PSD 17a的情况描述。
在图11中，一束通过F-θ透镜15从垂直于图11的绘图纸方向投射到元件2上的激光光束不规则地从元件2反射。在这种情况下，假设投射点是一个从元件2的底部高度为0的A1点和一个从底部高度为H的B1点，该散射的激光光束通过图像形成透镜16a形成图像，然后分别在PSD17a的点A2和B2形成图像。结果，在点A2和B2产生电动力，并且电流I1和I2从点C流出而电流I3和I4从点D流出。电流I1和I3的值由与点A2与C之间的距离XA以及点A2与D之间的距离成比例的电阻元件来确定，同时电流I2和I4的值由与点B2与C之间的距离XB以及点B2与D之间的距离成比例的电阻元件来确定。那么，当PSD 17a的长度是L，图11中的XA和XB由下面公式得出：
      XA＝L×I3/(I1+I3)
      XB＝L×I4/(I2+I4)
因此，在图11的PSD 17a上点A2与B2之间的距离H′由下面公式确定：
      H′＝XA-XB
上面高度H由在PSD上确定的H′来确定。
接下来，参照图6和7描述根据这个实施例在电子器件安装装置中形成3D图像的工作原理。
图6是一个从本实施例的电子器件安装装置的3D传感器输出信号解释图，而图7是一个主控制部件的内部布局方框图。参照图6，附图标记2表示元件；5表示X-轴机器手臂；7表示吸头；8表示3D传感器；18a，18b表示PSD的输出；20表示转动量信号；21表示电子元件安装装置的主控部分；22表示一个用来报告在X-轴机器手臂5上3D图像的获得图像参考位置的主控部分21的参考位置传感器；23表示当吸头7已经通过了参考位置传感器22时，用于通知它的主控制部分21的参考位置信号；以及25表示由解码器24输出的解码信号。
当元件2由X-轴机器手臂5的移动从输送盘3中吸起，该解码器24保持正常地给出解码信号(AB相位，Z相位或等效信号)25到主控制部分21。因而，因为当元件2通过参考位置传感器22时，该参考位置信号23被传送到主控制部分21，所以这两个信号使得主控制部分21可以从元件2在X-轴机器手臂5上的参考位置计算出该元件的相对位置。
同时，随着多棱镜12的转动，在3D传感器8内的多棱镜12的转动量被作为转动量信号正常地送给主控制部分21。这样，转动量信号20象参考位置信号23一样自元件通过参考位置后，计算多棱镜12的转动量。
因为多棱镜12的转动量与其速度成比例地增加，所以X-轴机器手臂5的移动量同样增加。另一方面，在本实施例的3D传感器8中，假设多棱镜12将转动并且X-轴机器手臂5在3D图像的图像获取中以相对于多棱镜12转动的均匀速度笔直前进。如果这个条件被破坏，获得的3D图像的每个像素的水平和垂直分辨率将随着速度的改变而改变。这是在测量精度中产生误差的一个因素。因此，在本实施例的电子元件安装装置中，3D图像由上述结构的3D传感器8获得，并存入主控制部分21的图像存储器35中，同时该装置利用电动机的解码信号25以及多棱镜12的转动量信号20来监视和控制着基本上执行匀速转动运动的多棱镜12与由电机(如伺服电机)驱动的吸头7之间的匹配。
参照图7，附图标记26表示在接收到解码信号25时，用于从X-轴机器手臂5的参考位置来计算移动量(距离)的一个移动量检测电路；27表示在接收到解码信号25时，用来计算X-轴机器手臂5每次移动速度的一个移动速度检测电路；28表示在接收到多棱镜12的转动量信号20时，从X-轴机器手臂5的参考位置来计算转动的移动量的一个检测电路；29表示在接收到转动量信号20时，用来计算多棱镜12的每次转动速度的一个转动速度检测电路；30表示一个用来比较X-轴机器手臂5的移动与多棱镜的转动之间的移动量的第一比较电路；31表示一个用来比较X-轴机器手臂5的移动与多棱镜的转动之间的移动量的第二比较电路；32，33分别表示用来存储比较电路30，31的比较结果的存储电路；34表示一个用来控制和监视整个主控制部分21的处理电路；35表示一个用来获得或者存储3D图像(高度图像)的图像存储器；36表示一个用来产生各种时序信号以便获得由3D传感器8传送的PSD输出18a，18b的时序产生电路；38表示一个用来把PSD输出18a，18b变换并且校正到高度信号的高度计算电路。
由3D传感器8产生的PSD输出18a，18b通过接口电路37输入到主控制部分21。输入的PSD输出18a，18b基本上是PSD 17a，17b输出的未处理信号。为了使高度图像用软件方式处理，必须执行各种类型的计算如在PSD输出18a，18b上执行高度变换和效正计算，并且这个是由高度计算电路38来完成。由高度计算电路38计算的信号作为高度数据获得存入图像存储器35，并且易于各种类型软件由处理电路处理。
存入到图像存储器35的高度数据的获取继续在图像存储器35的各自的水平线上执行。在这种情况下，多棱镜12的转动量信号20是作为各个多棱镜面的同步信号(参考信号)使用的。
在这样一个图像获取操作的顺序中，X-轴机器手臂5的操作(即为了图像的获取跟踪元件的移动)和多棱镜12的操作是彼此独立地执行。更详细地，根据解码信号25，X-轴机器手臂5的移动量和移动速度是分别由移动量检测电路26与移动速度检测电路27计算。然后，根据多棱镜12的转动量信号20，多棱镜12的转动量和转动速度分别由转动量检测电路28与转动速度检测电路29计算。X-轴机器手臂5和多棱镜12的移动量和移动速度分别由比较电路30，31彼此比较，并且该比较结果存在存储电路32，33中。用这种方法，在X-轴机器手臂5移动和多棱镜12转动之间的同步操作被监视和控制。
作为一个监视的例子，在每个比较电路30，31中，当从比较结果获得的差落在允许的范围内时，存储在图像存储器中的数据被处理为有效数据。当所述差没有落在允许的范围内时，存储在图像存储器中的数据被处理为无效数据。即，可能任何比较误差大于一个特定的水平就认为是图像获取错误，并且接着用多于一个的获取图像的方法，或者通过参考比较结果，使用软件或一个附加提供的电路对在图像存储器35中的3D图像进行标准化、校正或其他处理。
在此，下面将描述把多棱镜12的转动量变换为移动量的例子。
假设多棱镜12具有十二个面并且设计为当多棱镜12转动30度(＝360°/12)时元件2被移动40μm。在这时，当在图像获得启动后多棱镜12的转动量是125.5周，则元件2被移动了60240μm[＝125.5(周)×12(面/周)×40μm]。
为了在电路中实现这种工作，在图像获取期间对来自多棱镜12(来自每个表面源的信号编号是多棱镜12的每个表面的一个参考点)的转动量信号20的脉冲数量进行记数。在上述的例子中，当多棱镜12被转动125.5周，表面源的数据被计数到1506[＝125.5(周)×12(表面源的数量)。因此，当转动量信号20的脉冲数量是1506，可以认为元件移动了40μm，而后，多棱镜12的转动量能够变换为移动量。
图8是一个高度计算电路38的内部布局图。附图标记41表示一个用来在PSD输出18a，18b上执行模数变换的A-D变换电路；42表示一个时钟产生电路；43表示一个通过从时钟产生电路42产生的一组时钟选出一个用来提供一个速率(频率)的时钟给A-D变换电路41或图像存储器35作为时钟速率变换装置的时钟选择电路；44表示一个用来在PSD输出18a，18b上通过三角测量原理执行计算的高度转换电路；以及45表示一个用来纠正在表面PSD 17a，17b上形成图像的光束的位置与激光光束投射在测量目标的位置之间的非线性关系的高度纠正电路。在这种情况下，由时钟产生电路42产生的两种或多种频率的时钟由时钟选择电路43选择，并且该选中的时钟送到主控制部分21内的所需电路，如需要这些信号的A-D转换电路41和图像存储器35，同时X-轴机器手臂的工作速度与这些时钟的速度成反比地增加或减少。因此，它不用附加任何特殊电路就能够改变分辨率，同时保持获取图像(3D图像)的水平和垂直像素尺寸。例如，如果当在4MHz下执行A-D变换，而X-轴机器手臂是以100mm/s的速度操作的，则水平和垂直像素尺寸彼此相等，都为是50μm。在这种情况下，如果选择8MHz时钟并供给需要的电路，并且如果X-轴机器手臂是以50mm/s的速度操作的，则可以获得像素尺寸(分辨率)为25μm的图像。
在这种情况下，每线数据量(水平线)加倍，同时垂直方向的情况也与之相同。因此，对于相同的视野尺寸试图获得两倍的分辨率将需要一个比图像存储器35大于四倍的容量。随着分辨率的增强，这取决于是否选择增大图像存储器35的容量还是限制图像存储器35视野尺寸。
接下来，将根据图7，8，12和13描述各个信号与由图7和8中主控制部分21执行的图像获取和图像处理的之间的关系。
电机给移动吸头7抓起元件2的X-轴机器手臂5提供动力。从编码器输出一个表示X-轴机器手臂5一定量移动距离的AB相位信号和表示一个固定位置(电机一定的旋转角度)的Z相位信号共同至电机。
当Z相位信号和位置检测传感器信号都被用于检测表示位置的位置传感器(这可以由一种光传感器或霍尔元件构成的)接收到，图像数据-获取操作开始。
因为Z相位信号和传感器信号被接收之后到图像数据-获取操作开始之前这段时间(或周期)很短，如图13中所示，激光光束发射和图像数据-获取操作的同步操作是通过硬件自动地与表示多棱镜12表面源的旋转量信号同步执行的，而不是通过处理电路34来执行。为了执行这个操作，时钟发生电路36输出一个图像数据-获取时钟，例如，需要获取1000线图像数据。以这种方式，用于获取旋转量信号20的时钟处理为表示位置(多棱镜12各个表面的表面源)，并且检测到了就表示图像数据-获取操作开始。例如，当每个元件的1000线图像数据被获取时，用于元件的图像获取操作通过获取1000线图像数据自动地完成。
从各个PSD输出至18a，18b的两个模拟信号以上述方式输入，然后通过一个如图12所示的放大电路202放大。随后，这两个模拟信号通过表面电路37通过水平比较器电路38的A-D转换电路41进行模拟-数字变换。随后，根据从PSD输出的18a，18b被数字化的这两个信号上述的水平比较器执行吸头水平位置的计算。这里，假如一个数字信号的数值落到一个允许的范围内，该数据被视为正常的数据并顺序处理。假如这个数值落到一个不允许的范围内，该数据被忽略。这就是，在两个PSD的输出18a，18b中，如果其中一个输出落在允许范围内，只有在允许范围内的这个PSD输出是有用的。如果两个PSD的输出都落在允许范围内，两个PSD的输出数值之间的平均值是有用的。如果两个PSD的输出都落在不允许范围内，两个PSD的输出作为误差发生不再被继续处理。
在吸头水平数据以这种方式计算之后，通过水平校正电路45执行水平校正。不过尽管在PSD 17a，17b上的投射波束的位置是线性变化的，而在PSD 17a，17b上的对应位置不是线性变化的，这个水平校正必须执行。水平校正是通过预置的用于校正的存储表格或曲线方程来执行的并且根据上述方式校正计算的水平数据，获得精确的水平数据结果。
水平校正水平数据输入到图像储存电路35中而从时钟发生电路36获得的时钟作为地址存储。
然后，根据存储电路32中作为旋转量检测电路28和移动量检测电路26之间的比较电路的比较结果的数据，决定究竟该图像数据是否落在了允许范围内，如果不在允许范围内，存储在图像存储器电路35内的图像数据被当作无效数据。如果该图像数据落在允许范围内，存储在图像存储器电路35内的数据被处理电路34读出，以进行作为元件的位置的图像处理。
如图14的流程图所示，在下文中将较详细地介绍一个图像获取操作的流程例子和关于元件2的获取的图像处理操作。
如图14所示，首先，元件2的图像获取在步骤60执行。
接着，在步骤61，已经获取图像的元件2的引线定位被执行。作为定位，尽管方法(算法)有多种，一个典型的例子将在下面叙述。这个定位较好地以如下方式执行。首先，如图15A所示，四边形的元件2的一侧引线倾斜度如方形扁平封装被粗略地检测。接着，如图15B所示，在被粗略地检测的引线之间任意地选择两个引线的位置。最后，如图15C所示，根据粗略检测引线位置，精确地检测在元件一侧的引线位置。以这种方法，四边形元件2(如方形扁平封装元件)的一侧引线位置被检测，根据在一侧的已检测引线位置，余下的引线位置可以用如图15C所示的相对于另一侧的引线精确地检测。
接下来，在步骤62确定引线的间距是否合适。如果合适，每个引线的高度计算在步骤63按下面描述的方式执行。在高度计算中，如图17所示，围绕每个引线的引线端204的一组像素(对应于图17中的每个小方块)的高度信息(这是本身存储在图像存储器中的数据)根据61步骤获得的引线位置信息求平均以便获得引线高度。每个引线的三维位置是通过加引线高度到由位置操作求出的各个引线的位置而求出的信息(Xi，Yi，Zi)，其中i＝1，---，n(n为引线数目)。
接下来，在步骤64，一个虚拟平面(基座平面)被计算。在此，下面将描述这个虚拟平面。一般来讲，当每个具有一组如方形扁平封装引线的元件安装在一个底板上时，该元件的引线部分可能与板上的电极分开，这种情况称作引线位移状态。用来检测元件在安装底板上之前的引线位移的引线位移检测是在步骤65执行。当该过程在元件被管口吸住的条件下执行，如图16A所示，该元件可能倾斜地被管口7a吸起。因此，由于这种元件的倾斜精确的引线位移不能够通过计算每个引线的高度简单地得出。另外，找出元件安装其接触面上的虚拟平面，并且从虚拟距离求出到每个引线的距离，以估算其引线的位移量。在图16A中，附图标记201表示一个参考平面，而200表示由于元件在被管口7a吸起时引起的倾斜造成两个引线高度之间的误差(H1-H2)。
上述虚拟平面202是由元件的三个引线位置构成的，并且满足下面两个条件的平面能够作为虚拟平面202的结构点。
(1)       如图16B所示，所有的引线都位于虚拟平面的上方或平面上。
(2)       如图16C所示，投影在虚拟平面202上的元件2的重心点203是位于由构成平面202引线位置的三个点定义的三角形内。
接下来，根据在步骤63计算的高度和在步骤64找出的虚拟平面，在步骤65确定是否引线位移量落在一个允许的范围内。该引线位移量是通过计算引线与从所有引线中引线的三维位置求出的虚拟平面之间的距离求出的。该距离意指自虚拟平面的每个引线的引线位移量。如果引线位移量的值落在允许的范围内，图像处理工作是在步骤67以引线位移错误产生而结束。如果引线倾斜在步骤62没有落在允许的范围内，图像处理工作是在步骤66以为间距错误产生而结束。
接下来，将描述纠正图像获取时序的移位纠正过程的例子。
图12是一个显示图7的主控制部分21与各个器件之间的关系方框图，在这图中检测电路26-29，比较电路30，31，存储电路32，33，以及处理电路34在单个多棱镜控制部分200中显示。图13是一个表示图像获取时序的时序图。
在图12和13中，当元件2根据吸头部分7的移动定位在一个特定的位置时，3D传感器8输出位置测量传感器信号，而多棱镜控制部分200是处于为在用来移动元件的电动机解码器输出之一的Z相位产生时刻获取图像数据的准备工作状态而且保证一个固定位置。
在部分200已经处于准备工作状态后，在与该多棱镜12的表面源的检测操作同步下对每一条线取得实际的图像数据。即，检测表示多棱镜12平面起始的转动量20，然后在该半导体10发出激光束同时进行的图像获取操作。
在这时刻，如图13所示，在吸头部分7定位在图像获取起始位置后直到图像数据获取实际开始有一个时间延时。这个时间延时包括一个在图像获取之前因为吸头部分7与多棱镜12的异步而元件可能移动的时间量t，而由于电路的建立引起的作为准备周期的一个延时是一个固定时间。
在这个时间延时之后，一帧图像与多棱镜12同步获取。
因此，元件2定位在3D传感器8的图像获取起始位置后直到3D传感器8的多棱镜12定位在扫描开始位置元件2被移动的距离是用来由计数电路300移动元件2通过计算电动机编码器输出(AB相位)求出以便输出该结果到处理电路34。然后，根据求出的结果，执行元件2的定位，结果避免了由于定时移位变化引起的定位精度的恶化。所以，这定位能够一较高的精度执行。
虽然在上述的实施例中元件2是由吸头部分7的单吸引管口吸起，但是本发明能够应用到具有一组管口的吸头部分7的情况。在这样情况下一组元件分别被一组管口吸起，当定位和元件形态检查连续执行时，例如，每个元件有1000线的图像数据被获取，则对应于四个管口有4000线的图像数据被获取同时每1000线的图像数据与一个元件的图像数据有关。
对于定位和三维形态检查的次数被认为是大大地占用了处理时间。然而，根据本发明，当被一组管口吸起的一组元件的三维图像由3D传感器顺序地获取然后这些元件由管口依次安装在一个底板上时，在一个元件被一个管口吸起并移动和一组元件被一组管口吸起并移动的两种情况下对应于元件从元件吸起位置到元件安装位置的移动时间是近似于恒定量，结果获得较好的效果，特别是减少处理的时间。
如图18所示，在考虑元件2的安装顺序，图像处理的顺序能够适应于具有多个管口的吸头部分7的变化。即，例如假设四个管口(从第1到第4)顺序地吸起元件2并且它们的图像数据在图像存储器电路35中获取，这些元件就以从第1到第4的顺序安装在一个底板上。在这种时候，每当获取到每个元件的图像数据时，就确定是否在其它元件图像数据的图像处理之前应该执行获取图像数据的图像处理。那么，具有最高优先权元件的图像处理能够在其它元件图像处理之前执行。在这样的情况下，因为图像处理是在安装工作的较早的阶段执行，所以安装工作能够在相应的图像处理完成后执行，即使其它元件的图像处理被执行。
再者，从上面的描述明显看出，增强分辨率不仅仅需要时钟速率的增加而且还同时减少X-轴机器手臂5的速度。
另一种情况，要保持跟上元件(如方形扁平封装元件和接线器)的狭窄的间距，就不可避免地要增强图像的分辨率，同时能够用粗略分辨率测量的元件将用可能最快速度的扫描形成图像。在这些情况中，用来增强分辨率的这种方法是非常有效的。
如上所述，根据本发明，高度图像是利用三维图像摄取器件得到的，并且对这由三维图像摄取器件得到的三维图像进行图像处理。结果，这使得在同一过程中同时对要安装的电子元件执行定位以及进行以共面检查为代表的三维元件形态检查成为可能。
因此，在需要如共面检查的三维形态检查的安装元件过程期间安装处理时间能够减少。
还有，作为一个例子用来移动吸头部分如X-轴机器手臂或Y-轴机器手臂的吸头部分移动器件的工作速度可以定为常量，并且元件的移动在移动工作前后的安装操作期间不受中止的约束。除此之外，异步的两个轴(吸头部分移动器件的驱动轴和多棱镜驱动轴)可以基本上机械地工作。因此，这可以提供一个能够通过采用三维图像摄取器件获取三维图像来确保水平和垂直像素尺寸(分辨率)的***。
这还可以确保在元件安装期间对应于该获取图像的水平和垂直像素尺寸(分辨率)。
再者，对于狭窄间距元件(如方形扁平封装元件和接线器)的安装，在获取元件图像时，需要采用增强分辨率。另一方面，对于元件的安装可以用较低分辨率来测量，通过较低分辨率(与增强分辨率相比)可以快速扫描完成进行图像获取，同时保持安装元件获取图像中像素的正常性。
所以，对于狭窄间距元件(如方形扁平封装元件和接线器)的安装，电子元件安装装置能够灵活地适应较高速和较高分辨率(较高精度)的安装。
虽然在本实施例中解码器24的输出是用于从吸头部分7在X-轴机器手臂5上的参考位置检测一个相对位置，但是它能够通过直接地运用一个线性尺度到X-轴机器手臂5来检测吸头部分7的位置。
这整个公开的日本专利申请号No.8-100744是1996年4月23日申请的，其中包括详细说明，权利要求，附图，以及摘要合并在一起的全套参考。
尽管本发明已经参照附图结合实施例全部进行了描述，但是应该注意，对于本技术领域技术人员来说，还可以作出各种各样显而易见的变化和修改。这些变化和修改是包括在本权利要求所确定的本发明范围之内的，除非这些变化和修改超出权利要求的范围。

Claims (7)

1.一个电子元件安装装置，其特征在于，其中包括：
一个用来输送要安装的电子元件(2)到一个底板上的元件输送部分(4)；
一个用来吸取从元件输送部分(4)输送来的电子元件(2)的吸头部分(7)；
一个用来移动吸取电子元件(2)的吸头部分的吸头移动器件(5，6)；
一个提供于吸头部分(7)移动范围下面的位置三维图像摄取器件(8)，用来通过一激光光束对被吸头部分(7)所吸住的元件(2)进行线扫描，从每条线获得元件(2)所在位置数据以及对应于该位置数据的元件(2)的高度数据；
一个用来存储从三维图像摄取器件(8)获取的作为三维数据的高度数据的图像存储器(35)；和
一个用来执行对电子元件(2)的三维图像数据图像处理，根据所获得的高度数据和位置的位置数据把该元件安装到该底板上，并且产生对该三维图像数据处理的结果的控制部分(21)。
2.根据权利要求1所述的电子元件安装装置，其特征在于，控制部分这样设置以便由激光光束在相对电子元件于上述三维图像摄取器件移动方向的垂直方向上扫描获得的三维图像数据存储到图像存储器，同时把用来移动电子元件的移动器件的工作速度设置为常量。
3.根据权利要求1所述的电子元件安装装置，其特征在于，所述三维图像摄取器(8)包括：
一个安置在移动器件(5，6)下面位置的多棱镜(12)；
一个对多棱镜(12)发射激光光束的半导体激光器(10)；
一个安置在多棱镜(12)周围位置的位置传感器(17a，17b)；和
一个用来在激光光束已经投射到电子元件(2)的下表面的位置传感器(17a，17b)上形成图像的图像形成透镜(16a，16b)，以及
其中半导体激光器(10)这样安置以便其激光光束将投射到旋转多棱镜(12)，再反射，并且透过上述多棱镜(12)投射到电子元件(2)的下表面，以及其中根据由移动器件(5，6)使电子元件(2)通过上述多棱镜(12)的工作和通过多棱镜(12)的转动工作触发激光器扫描，由计算位置传感器(17a，17b)的输出数据获得的电子元件(2)的三维图像数据存储到图像存储器(35)中，因此，通过该三维图像，执行电子元件(2)的定位和形态检查，并根据所述电子元件的定位和形态检查结果将所述元件安装到底板上。
4.根据权利要求3所述的电子元件安装装置，其特征在于，其中还包括：
一个用来从移动器件的一个参考位置计算移动器件的移动量的移动量检测电路(26)；
一个用来基于多棱镜的转动量信号的接收从多棱镜的一个参考位置计算多棱镜的转动量的转动量检测电路(28)；和
一个用来彼此比较移动器件的移动量和多棱镜的转动量的第一比较电路(30)，
其中当从第一比较电路获得的移动器件的移动量和多棱镜的转动量的差作为一个比较结果落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为有效数据处理，而当该差没有落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为无效数据处理。
5.根据权利要求3或4所述的电子元件安装装置，其特征在于，其中还包括：
一个用来计算每次移动器件移动速度的移动速度检测电路(27)；
一个用来基于多棱镜的转动量信号的接收，计算每次多棱镜的转动速度的转动速度检测电路(29)；
一个用来比较移动器件的移动速度和多棱镜的转动速度的第二比较电路(31)，
其中当从第二比较电路获得的移动器件的移动速度与多棱镜的转动速度的差作为一个比较结果落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为有效数据处理，而当差没有落在允许的范围内时，在图像存储器中的存储数据作为无效数据处理。
6.根据权利要求3或4所述的电子元件安装装置，其特征在于，其中还包括：
一个用来变换三维图像获取的基本时钟速率的时钟速率变换装置，
其中当对于三维图像需要高分辨率时，基本时钟速率通过时钟速率变换装置设置较快，同时移动器件的移动速度设置慢一些，而当为获取三维图像需要高速时，基本时钟速率通过时钟速率变换装置设置较慢，同时移动器件的移动速度设置快一些。
7.根据权利要求3或4所述的电子元件安装装置，其特征在于，其中还包括：
一个用来在元件定位于图像数据获取起始位置后的时间直到元件定位于线扫描的有效激光光束起始位置期间计算元件移动距离的器件(300)，
其中根据由计算装置计算的距离，利用三维图像实现的元件定位。
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