JP4008168B2

JP4008168B2 - プリント基板検査装置

Info

Publication number: JP4008168B2
Application number: JP33634299A
Authority: JP
Inventors: 隆鈴木; 健神山; 泰久中道; 史夫加島; 秀昭高橋
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1999-11-26
Filing date: 1999-11-26
Publication date: 2007-11-14
Anticipated expiration: 2019-11-26
Also published as: JP2001156425A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリント基板を検査するプリント基板検査装置に係り、特に、基板表面の各種状態を高速に検査できるプリント基板検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プリント基板製造時には、プリント基板の半田付け状態や、部品の搭載状態を検査装置で検査するようになっている。この基板の製造ラインは、例えば半田印刷機〜検査装置〜部品搭載機で構成されている。
上記ライン上での検査装置には、前段の半田印刷機で半田が印刷されたプリント基板が搬入され、このプリント基板に印刷された半田の状態を検査して後段の部品搭載機に搬出する。部品搭載機ではプリント基板に電子部品を実装する。
【０００３】
検査装置では、前段の半田印刷機で半田印刷された箇所を搬送装置の上部に配置されたＣＣＤやレーザ変位計等の検査手段で検出し、半田印刷の状態（欠損の有無等）を検査するようになっている。この検査手段は、プリント基板上を走査して各半田を検出するようになっている。
【０００４】
図６は、レーザ変位計５０による変位量の検出原理を示す概要図である。
光源５１からのレーザビームをプリント基板Ｐの基板面に照射し、その照射点Ｓの反射光による像を結像レンズ５３によって受光素子５４の受光面５４ａに結像させる構成である。
【０００５】
これにより、プリント基板Ｐが高さ方向Ｚに移動すると（半田等の突起があると）、照射点ＳがＳ’あるいはＳ”に移動し、対応して受光素子５４の受光面５４ａの結像点Ｋの位置がＫ’あるいはＫ”に移動する。受光素子５４は、この結像点Ｋの位置に対応した検出信号を出力し、この信号の変化量に基づきプリント基板Ｐ上の突起（半田）の変位量（高さや外形）を出力する。レーザ変位計が検出可能な検出範囲は、図示の如く所定の範囲を有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
検査手段として非接触のレーザ変位計を用いると、半田の高さを検出でき、面積と高さから体積を得ることができる。
しかしながら、従来の検査装置に用いたレーザ変位計は、プリント基板Ｐに対してレーザビームを１点の照射点Ｓに照射する構成であるため、この検査手段をプリント基板Ｐに対し相対的に縦横方向（Ｘ，Ｙ軸）に走査移動させねばならなかった。
【０００７】
一方、検査手段に直線状のＣＣＤを用いた場合、このＣＣＤを搬送方向と直交する方向に（Ｙ軸に沿って）配置すれば、ＣＣＤはプリント基板の搬送方向（Ｘ軸）にのみ移動させれば検査できる。しかし、ＣＣＤは半田の外形しか検出できず高さ、及び体積を求めることができず、プリント基板Ｐの検査項目を増やすことができなかった。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、プリント基板の各種項目を短時間で検査でき、特にプリント基板上の変位量を精度良く検出することができるプリント基板検査装置の提供を目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のプリント基板検査装置は、プリント基板の表面状態を検査するプリント基板検査装置において、
前記プリント基板に対向配置され、該プリント基板にレーザビームを照射する光源と、該光源から出射されたレーザビームをプリント基板上で走査させる偏向手段と、前記プリント基板の反射光の検出位置に基づきプリント基板上の突起の変位量を前記走査範囲で連続的に検出する受光素子からなる非接触型のセンサヘッドと、
前記センサヘッドを前記突起の変位方向に移動自在なＺ軸移動手段と、
前記センサヘッドから出力される１走査期間中における所定ポイントの変位量の平均値を演算する平均化手段と、前記センサヘッドの検出範囲に対応して前記Ｚ軸移動手段を移動制御するための設定範囲が前記検出範囲に対して狭い範囲で設定される範囲設定手段と、前記１走査期間中の前記変位量の平均値が前記範囲設定手段に設定された設定範囲内に納まっているか否かを判断し、前記平均化処理手段が演算した前記変位量の平均値が前記設定範囲を超える場合にのみ前記センサヘッドと前記プリント基板との間隔が一定な距離になるように前記Ｚ軸移動手段を所定の移動量だけ駆動制御する移動量算出手段とからなる処理手段と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
また、前記センサヘッドから出射されるレーザビームの走査方向と直交する方向に相対的に前記Ｚ軸移動手段を移動させるＹ軸移動手段を備えた構成としてもよい。
【００１２】
また、前記センサヘッドから出射されるレーザビームの走査方向に沿って前記プリント基板を搬出入する搬送手段と、
前記センサヘッドから出射されるレーザビームの走査方向と直交する方向に前記搬送手段を移動させるＹ軸移動手段と、
前記Ｚ軸移動手段を前記プリント基板の搬送方向に沿って移動させるＸ軸移動手段とを備え、
前記センサヘッドは、前記搬送手段の搬送方向中途位置に設けられており、該中途位置で停止されるプリント基板を検査するものであり、
前記プリント基板の検査時は、前記Ｙ軸移動手段により前記プリント基板を搬送方向と直交する方向に移動させ、また、前記Ｘ軸移動手段により前記センサヘッドを搬送方向に沿って移動させることにより基板面全体の検査を実行させる構成としてもよい。
【００１３】
また、前記Ｘ軸移動手段は、前記プリント基板上に照射されるレーザビームの走査範囲の間隔で前記センサヘッドを前記搬送方向に移動させる構成にもできる。
【００１４】
上記構成によれば、センサヘッド２０はレーザビームを所定の走査範囲でプリント基板Ｐに照射させ、この走査範囲の変位量を連続的に出力する。
処理手段３２は、平均化手段３３が１走査期間中の所定ポイントの変位量の平均値を演算する。移動量算出手段３５は、変位量の平均値が範囲設定手段３４に設定された所定範囲内に納まっているか否かを判断する。所定範囲を超える場合、Ｚ軸移動手段２９を駆動し、センサヘッド２０とプリント基板Ｐの間の距離が一定な距離になるよう制御する。
これにより、センサヘッド２０は、プリント基板Ｐ上の反りや傾きに対応して高さ方向に移動しながら変位量を測定していき常時測定可能にする。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明のプリント基板検査装置の実施形態を説明する。図１は、プリント基板検査装置の側面図、図２は同平面図である。
検査装置１の筐体内部には、搬送手段２が設けられプリント基板Ｐを図中Ｘ軸方向に搬送させる。この搬送方向手前側には前段装置の搬出部が設けられ、搬送方向後端側には後段装置の搬入部が設けられている。
【００１６】
搬送手段２は、図２中Ｙ軸方向に所定幅を有して配置された一対のレール３（３ａ，３ｂ）及びベルト４（４ａ，４ｂ）を有する。このＹ軸はＸ軸（搬送方向）と直交する方向である。一方は固定レール３ａであり、ベルト４ａはこの固定レール３ａ上を移動する無端状に形成される。他方は固定レール３ａと平行な可動レール３ｂであり、同様に無端状のベルト４ｂを有する。ベルト４ａ，４ｂはそれぞれ両端が回転軸５で軸支され、モータ６の回転でプリント基板ＰをＸ軸方向に搬送移動させる。
【００１７】
これら固定レール３ａと可動レール３ｂは、Ｙ軸テーブル７上に設けられている。Ｙ軸テーブル７は、Ｙ軸方向に延びる複数の支軸、ボールネジ、及びモータ等からなるＹ軸移動手段８によってＹ軸方向に移動自在である。
このＹ軸テーブル７上には、支軸、ボールネジ、及びモータ等からなるＷ軸移動手段１０が設けられ、可動レール３ｂをＷ軸方向に移動自在に支持している。Ｗ軸はＹ軸と同方向である。
これにより、可動レール３ｂは固定レール３ａに対してＹ軸方向に移動し、互いの間隔が可変自在であり、搬送するプリント基板Ｐの幅に対応することができる。なお、不図示であるが、固定レール３ａ、及び可動レール３ｂには側部位置にそれぞれプリント板Ｐを案内する側板が設けられている。
【００１８】
Ｙ軸テーブル７の上方位置には、プリント基板Ｐを検査する検査手段１２が設けられている。この検査手段１２にはレーザ変位計が用いられ、プリント基板Ｐの表面側の状態を検出する。例えば前段装置が半田印刷機であれば半田の突起（高さ方向Ｚの変位量を検出する。この検査手段１２は、Ｘ，Ｙ軸方向に移動走査され、プリント基板Ｐの３次元データを出力する。検査手段１２の検出信号は処理手段３２に出力される。
【００１９】
検査手段１２は、レーザ変位計のセンサヘッド２０と走査移動手段２７を備えている。
走査移動手段２７は、Ｘ軸移動手段２８と、Ｚ軸移動手段２９で構成され、Ｚ軸移動手段２９にセンサヘッド２０が設けられている。
Ｘ軸移動手段２８は、プリント基板Ｐの検査位置上部においてＸ軸方向に沿って水平な支軸、ボールネジ、及びモータ等で構成されている。このＸ軸方向の長さはプリント基板Ｐの長さ程度である。
【００２０】
Ｚ軸移動手段２９は、Ｘ軸移動手段２８のモータによってＸ軸方向に移動自在な移動体２９ａと、移動体２９ａの上下方向（Ｚ軸方向）に設けられた支軸、ボールネジ、及びモータ等で構成されている。この移動体２９ａはボールネジに螺合しており、ボールネジの回転によって上下動自在である。
これにより、センサヘッド２０は、プリント基板Ｐの搬送方向（Ｘ軸方向）に走査移動自在である。ここで、Ｚ軸移動手段２９は、プリント基板Ｐと所定の間隔を維持した状態で変位量を測定する倣い計測を行うため、センサヘッド２０を高さ方向に移動させる。
【００２１】
上記のセンサヘッド２０の構成を図３の斜視図に示す。
このセンサヘッド２０の投光系では、光源２１から放射されるレーザビームを振動ミラー型等の偏向装置２２によって一定角度内の範囲で偏向させ、この偏向されたビームをレンズ２３によってその光軸が一平面上で平行に移動するビームにする。そして、このビームをプリント基板Ｐの表面に所定の入射角度により照射し、その照射点Ｓを直線的に往復走査又は片道走査する。
【００２２】
照射点Ｓを直線的に走査されたビームは、入射角度と同じ角度で正反射され、その照射点Ｓの像を第１の円筒面レンズ（シリンドリカルレンズ）２４及び第２の円筒面レンズ２５によって受光素子２６の受光面２６ａに結像される。
上記走査によりプリント基板Ｐ上の半田突起の高さに対応した検出信号が受光素子２６から出力される。そして、上記走査により半田突起の高さを一方向に渡って連続的に測定する。
ここで、センサヘッド２０による走査範囲を図２中ｘＡで示す。この走査方向は、プリント基板Ｐの搬送方向Ｘに沿った方向である。
【００２３】
図４は、装置の電気的構成を示すブロック図である。
処理手段３２は、センサヘッド２０から出力される高さデータを含む検出信号に基づき、プリント基板Ｐ上の半田の面積、体積等を演算して求め、予め記憶されている座標形式の各半田のデータベースと照合し各半田の状態（欠損等）を検査する。なお、この検査を実行する構成は図示していない。
【００２４】
図４には、走査時における倣い制御にかかる構成のみを抽出してある。
図示のように、センサヘッド２０の検出信号（高さデータ）は、平均化手段３３で平均化される。範囲設定手段３４には、高さ方向に関する所定の設定範囲が設定されている。
移動量算出手段３５は、平均化手段３３の高さの平均値が、範囲設定手段３４に設定された設定範囲内に納まっているか否かを判断し、納まっているときには、Ｚ軸移動手段２９の高さ制御を実行しない。一方納まっていないときには、納まる方向にＺ軸移動手段２９を高さ制御する。範囲設定手段に設定する設定範囲は、センサヘッド２０の高さ方向の検出範囲（図５参照）に対応して設定される。少なくとも、設定範囲はセンサヘッドの検出範囲に対して十分に狭い範囲に設定する。
【００２５】
次に、上記構成による装置の動作を説明する。
プリント基板Ｐは、搬送手段２のモータ６が回転によりベルト４ａ，４ｂ上をＸ軸方向に移動する。略中央部の検査位置には固定用のストッパ１３が突出しており、プリント基板Ｐがこの検査位置にて停止するようになっている。
プリント基板Ｐは位置検出センサ（不図示）により検査位置に達したことが検出された後、モータ６の停止で検査手段１２の直下に位置する。この状態でプリント基板Ｐは不図示の矯正機構により搬送方向の反りが矯正される。具体的には、レール３ａ，３ｂは、この長さ方向に渡ってプリント基板Ｐの両端部を挟持し、この両端部は長さ方向の反りが矯正される。
【００２６】
この状態で検査手段１２による検査が実行される。
センサヘッド２０は、プリント基板Ｐ上の変位量（半田突起）をＸ，Ｙ軸方向に走査して行う。うちＸ軸方向の走査は走査移動手段２７によりセンサヘッド２０を移動制御して行う。また、Ｙ軸方向の走査は、搬送装置１のＹ軸テーブル７を移動制御して行うようになっている。
【００２７】
具体的には、図２の平面図に記載の如く、センサヘッド２０によるレーザビームの照射点Ｓをプリント基板Ｐの４隅部分（位置Ｔ１）から開始し、同時にモータを駆動してＹ軸テーブル７をこのプリント基板Ｐの幅Ｄに対応した距離だけＹ１方向に移動させて（同Ｙ軸方向を主走査方向とする）、連続的に半田突起の変位量を検出していく。
このＹ軸テーブル７の移動時、固定レール３ａ及び可動レール３ｂの間隔は不変であるためプリント基板Ｐは、同Ｙ１方向に移動する。
レーザビームの照射点Ｓがプリント基板Ｐの他端側（位置Ｔ２）まで移動すると、モータ８ｂの駆動を停止させる。
【００２８】
この後、走査移動手段２７のＸ軸移動手段２８のモータを駆動してセンサヘッド２０をＸ軸方向に所定量（位置Ｔ３）まで移動（副走査）させる。
このＸ軸方向への移動量は、センサヘッド２０の走査範囲ｘＡに対応している。図２記載のように、センサヘッド２０がレーザビームをＸ軸方向に図中ｘＡの幅で走査する場合、この走査幅ｘＡに対応した所定量だけセンサヘッド２０をＸ軸方向に移動させる。
【００２９】
副走査後、Ｙ軸テーブル７をＹ２方向に移動させて連続的に半田突起の変位量を検出していく。
この後、走査移動手段２７のＸ軸移動手段２８のモータを駆動してセンサヘッド２０をＸ軸方向に所定量（位置Ｔ４まで）移動（副走査）させる。
以上のようなＸ，Ｙ軸への移動走査の繰返しでプリント基板Ｐ上の半田突起の変位量を連続的に検出していく。
【００３０】
このように、搬送手段２がＹ軸方向に移動可能な構成であることを利用して、プリント基板Ｐの検査処理時に、センサヘッド２０側はＸ軸方向にのみ移動制御するようになっている。
【００３１】
上記のように、センサヘッド２０をプリント基板Ｐに対して相対的にＸ，Ｙ軸方向に走査することによって、センサヘッド２０からは連続的にプリント基板Ｐ上の半田の突起に対応した高さデータ（検出信号）を連続出力する。
この際、処理手段３０は倣い制御を実行する。
センサヘッド２０が走査範囲ｘＡを１回走査した際に得られた複数ポイントの高さデータは、平均化手段３３で平均化処理される。例えば、１回の走査で１５００ポイントの高さデータが得られるが、平均化手段３３は所定ポイント間隔で複数、例えば１０ポイントの高さデータを抽出して抽出した１０ポイントの高さデータの平均値を求める。
【００３２】
移動量算出手段３５は、得られた高さデータの平均値が範囲設定手段３４に設定されている範囲（α±β）内にあるか否かを判断する。
高さデータの平均値が設定範囲（α±β）内に納まっている時には、次回のセンサヘッド２０による走査時におけるＺ軸移動手段２９の高さ制御を実行せず、プリント基板Ｐとセンサヘッド２０の間隔が一定な状態で走査を実行させる。
【００３３】
一方、高さデータの平均値が設定範囲（α±β）から外れた場合には、次回のセンサヘッド２０による走査時にＺ軸移動手段２９の高さ制御を実行する。
例えば、プリント基板Ｐが傾いていて、センサヘッド２０との間隔が以前に比して短くなった場合（＋γ：γ＞β）、一定間隔（Ｌ）を保持するためにセンサヘッド２０を（−γ）分だけ離す方向（上方向）にＺ軸移動手段２９を移動制御する。
また、センサヘッド２０との間隔が以前に比して長くなった場合（−γ：γ＞β）、一定間隔（Ｌ）を保持するためにセンサヘッド２０を（＋γ）分だけ近づける方向（下方向）にＺ軸移動手段２９を移動制御する。
このように、プリント基板Ｐ上の突起の形状に対応して、センサヘッド２０がこの突起と常に一定距離を保つよう制御する。
【００３４】
図５は、設定範囲の設定を示す図である。
（ａ）に示すように、センサヘッド２０は所定の作動距離Ｌ（センサヘッド２０筐体からプリント基板Ｐまでの間の物理的最短距離）を有し、この作動距離Ｌを中心として検出範囲±Ｂを有している。したがって、平均値が常時作動距離Ｌのほぼ中心に位置するよう（α＝０）、設定範囲α±βを検出範囲±Ｂの範囲内に設定すればよい。
これに限らず、図５（ｂ）に示すように、検出範囲±Ｂの範囲内であれば、作動距離Ｌから離れた位置を基準（α≠０）として設定範囲α±βを設定することもできる。図示の例では、設定範囲α±βを作動距離Ｌの上方位置にやや偏位させた状態である。但し、設定範囲α±βは、検出範囲±Ｂの範囲内に設定する必要がある。
【００３５】
上記の倣い制御を実行することにより、プリント基板Ｐの反りや傾きの影響を除去した変位データ（検出信号）を得ることができるようになる。
即ち、プリント基板Ｐが反っていても、この反りに沿ってセンサヘッド２０が高さ移動し、このプリント基板Ｐ上の半田の変位量を測定できるようになる。
処理手段３２は、プリント基板Ｐ上に形成された大部分を占めるレジスト面を高さの基準データとして取込み、センサヘッド２０がこのレジスト面の高さを測定後、半田の高さを測定することにより、直前のレジスト面を基準として半田の高さを補正する。
【００３６】
上記実施の形態の平均化手段３３は、センサヘッド２０の走査速度が高速であることから、１走査中で間引きした変位量の平均を演算する構成としたが、平均化演算が高速に行えるのであれば、１走査全ての変位量の平均を演算する構成とすることもできる。
【００３７】
上記の倣い制御により検査手段１２がプリント基板Ｐの検査を終了した後は、ストッパ１３が退避してモータ６の駆動によりプリント板ＰはＸ軸方向の後段装置に搬出される。
【００３８】
上記の実施形態では、Ｘ軸方向にセンサヘッド２０を移動させ、Ｙ軸方向にプリント基板Ｐを移動させる構成を説明したが、これに限らず相対的に移動する構成であればよい。例えば、プリント基板Ｐ側が固定でセンサヘッド２０側がＸ，Ｙ軸いずれにも移動する構成にもできる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明によれば、プリント基板に対しレーザビームを走査させるため、プリント基板を高速に検査することができる。この際プリント基板の突起の変位量を検出でき、面積、高さ、体積等の各種項目を検査できるようになる。また、プリント基板の反りや傾きに応じてＺ軸移動手段を駆動させセンサヘッドをこの変位方向に移動させる構成であるため、プリント基板の反りや傾きの影響を受けずに基板面に対する突起の変位量を正確に測定できるようになる。
また、センサヘッドから出力される１走査期間中における所定ポイントの変位量の平均値を設定範囲と比較して平均化された変位量が設定範囲を超える場合にセンサヘッドと前記プリント基板との間隔が一定となるようセンサヘッドを移動制御することにより、突起の状態が変化しても常時この突起の変位量を正確に測定できるようになる。
また、Ｙ軸移動手段によりセンサヘッドをレーザビームの走査方向と直交する方向に相対的に移動させることにより、センサヘッドの走査範囲の幅で直交する方向に渡る面積の変位量を短時間で検査できるようになる。
また、Ｙ軸移動手段でプリント基板側をＹ軸に移動させ、Ｘ軸移動手段でセンサヘッドをＸ軸方向に移動させることにより、プリント基板の基板面全体の検査を短時間で行えるようになる。
この際、Ｘ軸移動手段は、前記プリント基板上に照射されるレーザビームの走査範囲に対応してセンサヘッドを搬送方向に移動させることにより、プリント基板の検査を最も効率的に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプリント基板検査装置の実施の形態を示す側面図。
【図２】同装置の平面図。
【図３】センサヘッドの構成を示す斜視図。
【図４】装置の電気的構成を示すブロック図。
【図５】倣いの範囲設定を説明するための図。
【図６】レーザ変位計の測定原理を示す概要図。
【符号の説明】
２…搬送手段、３…レール、４…ベルト、７…Ｙ軸テーブル、８…Ｙ軸移動手段、１２…検査手段、２０…センサヘッド、２８…Ｘ軸移動手段、２９…Ｚ軸移動手段、３２…処理手段、３３…平均化手段、３４…範囲設定手段、３５…移動量算出手段、Ｐ…プリント基板。

Claims

プリント基板の表面状態を検査するプリント基板検査装置において、
前記プリント基板に対向配置され、該プリント基板にレーザビームを照射する光源と、該光源から出射されたレーザビームをプリント基板上で走査させる偏向手段と、前記プリント基板の反射光の検出位置に基づきプリント基板上の突起の変位量を前記走査範囲で連続的に検出する受光素子からなる非接触型のセンサヘッドと、
前記センサヘッドを前記突起の変位方向に移動自在なＺ軸移動手段と、
前記センサヘッドから出力される１走査期間中における所定ポイントの変位量の平均値を演算する平均化手段と、前記センサヘッドの検出範囲に対応して前記Ｚ軸移動手段を移動制御するための設定範囲が前記検出範囲に対して狭い範囲で設定される範囲設定手段と、前記１走査期間中の前記変位量の平均値が前記範囲設定手段に設定された設定範囲内に納まっているか否かを判断し、前記平均化処理手段が演算した前記変位量の平均値が前記設定範囲を超える場合にのみ前記センサヘッドと前記プリント基板との間隔が一定な距離になるように前記Ｚ軸移動手段を所定の移動量だけ駆動制御する移動量算出手段とからなる処理手段と、
を備えたことを特徴とするプリント基板検査装置。
前記センサヘッドから出射されるレーザビームの走査方向と直交する方向に相対的に前記Ｚ軸移動手段を移動させるＹ軸移動手段を備えた請求項１記載のプリント基板検査装置。
前記センサヘッドから出射されるレーザビームの走査方向に沿って前記プリント基板を搬出入する搬送手段と、
前記センサヘッドから出射されるレーザビームの走査方向と直交する方向に前記搬送手段を移動させるＹ軸移動手段と、
前記Ｚ軸移動手段を前記プリント基板の搬送方向に沿って移動させるＸ軸移動手段とを備え、
前記センサヘッドは、前記搬送手段の搬送方向中途位置に設けられており、該中途位置で停止されるプリント基板を検査するものであり、
前記プリント基板の検査時は、前記Ｙ軸移動手段により前記プリント基板を搬送方向と直交する方向に移動させ、また、前記Ｘ軸移動手段により前記センサヘッドを搬送方向に沿って移動させることにより基板面全体の検査を実行させる構成とされた請求項１記載のプリント基板検査装置。
前記Ｘ軸移動手段は、前記プリント基板上に照射されるレーザビームの走査範囲の間隔で前記センサヘッドを前記搬送方向に移動させる構成とした請求項３記載のプリント基板の検査装置。