KR100367272B1 - 부품정렬센서및부품검출시스템 - Google Patents

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Abstract

센서 시스템(45)은 광원(60) 및 광학렌즈 시스템(61, 71, 78)으로 구성되며, 광학렌즈 시스템은 보다 많은 빛을 부품(30)에 조사시켜 센서 어레이(55)상에 보다 선명한 부품 이미지를 얻는다. 개시된 광학렌즈 시스템으로 인해 광효율이 상당히 증가되므로, 레이저 다이오드(62), LED(66) 또는 다른 적절한 광원이 사용될 수 있다. 센서 시스템(45)은 표면 설치 부품 배치 기계의 운반 메카니즘에 직접 설치된다. 부품의 빈(bin)(32)과 부품이 배치될 회로기판사이에서 부품이 운반되는 중에 부품(30)은 회전되며, 검출기 어레이(65)에는 선명한 새도우가 검출된다. 몇가지 프로세싱 알고리즘이 진공퀼(24)상의 부품(30)의 정확한 각도방위 및 좌표(X, Y)위치를 결정하기 위해 개시된다. 그 다음에, 센서(65)는 부품 배치기계로 정확한 신호를 전송한다.

Description

부품 정렬 센서 및 부품 검출 시스템{HIGH PRECISION SEMICONDUCTOR COMPONENT ALIGNMENT SYSTEMS}
요즈음 흔히 사용되는 부품 배치 기계에서는, 빈(bin)으로 이동하기 위해 부품을 픽업(pick up)하고 부품을 올바른 방향으로 향하게 하며 부품을 회로기판 또는 다른 작업대(work piece)로 운반하는데 하나 또는 둘 이상의 진공퀼(vacuum quill)이 사용된다. 부품은 회로기판 또는 작업대의 회로접점과 정확히 접촉되게하는 리드(lead)를 가지고 올바른 위치에 정확히 배치된다. 각각의 전기적 부품은 올바른 전기적 접촉을 보장하도록 회로기판에 정확하게 배치되어야 하며, 이것은 정확한 각도 방위 및 측면 배치(lateral positioning)를 필요로 한다. 각도 방위 및 측면 배치는 기계적인 수단을 통해 이루어질 수 있다. 진공퀼은 배치될 부품을 픽업한다. 고정장치에 매달려 있는 4개의 조(jaws) 또는 해머(hammers)는 옆으로 이동할 수 있으며 실질적으로 동일한 힘으로 부품의 4 측면 모두를 때릴 수 있다. 이러한 기계적 시스템의 목적은 진공퀼상의 부품의 위치를 바꾸어 부품의 각도 방위가 교정되게 하며 부품이 진공퀼의 중심에 놓이게 한다. 이와 같이 부품에 충격을 주면, 이러한 부품에 흔히 사용되는 재료의 작은 균열(microcracking)과 같은 부품 손상을 일으킬 수 있다. 이것은 또한 각도 방위 및 측면위치에 대해 요즈음 사용되는 기술의 설계규범이 요구하는 고도의 정밀도를 이루기 어렵다.
다수의 광 기반(light-based) 비접촉 방법(non-contact method)이 제안되어 있다. 그러나, 종래의 광 기반 시스템은 요즈음 기술에서 필요로 하는 효율과 고속 및 고정밀도를 효과적으로 이루기 어렵다. 광 감지 시스템은 또한 부품이 광빔내에 배치되고, 하나의 광 검출기 또는 한 쌍의 광 검출기에 의해 광의 세기가 검출되며 가장 좁은 새도우(shadow)를 나타내어 부품의 적정한 각도 방위를 나타내는 최대 광세기를 측정하는 곳에 제안되어 왔다. 그러나, 이러한 시스템은 배치되는 부품의 범위를 조정하고 정렬에 필요한 정밀도를 이루기가 어렵다.
오늘날, 배치될 부품의 크기는 보통 모래 알갱이보다 더 작은 것에서부터 1 내지 2 인치(inches) 범위의 크기이다. 만약 하나의 광 검출기 시스템이 큰 부품의새도우 변화를 충분히 검출할 수 있는 크기로 설계되면, 가장 작은 부품(대략 0.02 인치)의 회전에 의해 발생되는 아주 작은 변화는 총 광세기에 거의 영향을 주지 않으므로 실제로 검출할 수 없을 것이다. 두개의 검출기 시스템의 경우, 부품 부분은 에지 위치를 결정하기 위해 분석되는 각 검출기의 광 감소 비율(ratio)을 가지고 두 검출기 사이에 정확하게 정렬되어야 한다. 그러나, 이렇게 측정하기 위해 광 검출기를 기계적으로 정렬하는 것은 상당히 어렵다.
마지막으로, 일련의 레이저 광 검출기로 정렬되는 일련의 레이저 광소스가 또한 제안되어 있다. 이렇게 설계된 장치는 하나의 검출기 또는 한 쌍의 검출기를 갖는 시스템 구조에 관련된 몇 가지 문제점을 극복할 수 있다. 그러나, 이러한 시스템의 경우 측정이 어렵고, 정밀도는 개별 레이저 소스간의 간격정도에 지나지 않는다. 레이저 소스간의 최소 간격은 레이저 다이오드 소스의 크기에 의해 제공되며, 이것은 신뢰할만한 부품위치검출을 위해서는 여전히 너무 크다. 요구된 물리적 간격은 회절효과에 의해 부정적인 영향을 받으므로 이렇게 설계된 장치의 정밀도를 더욱 제한한다. 또한, 많은 레이저 소스를 포함하는 이러한 시스템은 매우 고가이다.
TV 카메라를 사용하는 시각 기반 시스템(vision based system)은 고정밀도를 이룰 수 있다. 그러나, 이것은 제안된 시스템중 가장 비싼것중의 하나이며, 빈으로 부터 TV 위치까지, 그 다음에 작업대 또는 회로기판까지 퀼의 경로에서 벗어날 필요가 있는데, 이것은 실질적으로 프로세스 속도를 떨어뜨린다. 또한, 이러한 시스템에 의해 부품이 탑재된 퀼로부터 배치되는 아주 작은 부품의 특정 파라미터를 제거하는 것이 어려울 때도 있다.
레이저 다이오드를 포함하는 레이저 센서 시스템이 또한 제안되며, 레이저 다이오드로 부터의 광은 시준렌즈(collimating lens)에 의해 시준되어 슬릿 개구(slit aperture)을 통해 통과된다. 이것은 정렬이 감지되고 있는 부품을 통과시키고 부품에 의해 차단된 레이저 광의 스트라이프(stripe)를 제공한다. 부품에 의해 형성된 새도우는 선형 어레이 검출기에 의해 검출된다. 검출기 어레이로부터 판독된 데이터는 분석되어 검출기 어레이상에 형성되는 새도우의 리딩에지(leading edge) 및 트레일링 에지(trailing edge)를 검출한다. 단지 새도우 에지만이 검출되어 분석되므로, 0.02 인치 부품을 정렬할 때와 2.0 인치 부품을 정렬할 때 동일한 정도의 정밀도가 이루어진다. 그러나, 이러한 고정밀 시스템은 발생된 레이저 에너지의 작은 부분만을 사용하며 광학적 결함, 특히 광이 센서 어레이로 통과되는 렌즈의 작은 부분에서의 결함에 민감하다. 그러므로, 새도우와 광 사이를 구별하기 위해 실제로 보다 많은 방출된 에너지를 포획(captures)하는 센서 시스템이 필요하다. 저출력 레이저 및 LED 광소스를 포함하는 몇 개의 상이한 광소스를 사용하여 검출기에 보다 선명한 부품 새도우 이미지를 생성하는 센서 시스템이 필요하다.
본 발명은 표면설치 부품 배치기계(surface mount component placement machine)와 같은 선택 및 배치 시스템(pick-and-place system)을 통한 정확한 배치를 위해 각도 방위(angular direction) 및 좌표(X, Y) 위치에 대해 전기적 부품을 정확하게 정렬시키는 제어 시스템에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 부품 배치기계에 의해 부품을 회로기판 또는 다른 작업표면(work surface)에 정확하게 배치하기 위해 부품의 각도 방위 및 부품의 좌표 위치를 정확하게 결정하여 선택 및 배치 시스템을 교정하는 광학적으로 효율적인 비접촉 센서 시스템(non-contact sensor systems)에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 환경을 도시한 것이다. 도 1은 부품들을 포함하는 부품부 트레이(component part tray)를 도시하는데, 상기 부품들은 부품 배치기계에 의해 인쇄 회로 기판 또는 작업대에 배치된다. 도 1은 또한 광센서에 의해 둘러싸인 퀼(quill)에 의해 가능한한 최단거리로 운반되는 부품을 도시한다.
도 2는 부품을 회전시키는 회전모터, 배치 헤드 제어박스(placement headcontrol box) 및 광 정렬 센서를 포함하는 부품운반 메카니즘을 보다 상세히 도시한 것이다. 정렬 센서를 통해 연장된 것은 부품을 붙잡고 있는 진공퀼이다.
도 3은 광원, 광 빔 또는 스트라이프(stripe)가 부품을 통해 지나가 선형 어레이 이미지 센서를 비추게 하는 렌즈 및 부품의 위치를 결정하는 프로세싱 요소를 포함하는 본 발명의 기본 요소를 도시한 것이다. 정렬시 부품부를 광원속으로 끌어올리고 측정을 위해 회전시킨다.
도 4는 부품부가 측정영역에 걸쳐 분산된 광으로 잘못 인도될 때 광을 집중시켜 부품부를 통과하여 검출기 어레이를 비추게 하는 광경로를 도시한 것이다. 도 4는 부품부의 코너(corner)마다 형성된 넓은 새도우를 도시한다. 도 4의 선형 어레이 위에 도시된 것은 선형 어레이의 전형적인 데이터이다.
도 5는 부품이 정렬될 때의 도 4와 동일한 부품 및 요소를 도시한다. 선형 어레이상에 형성된 새도우 또는 어두운 부분의 폭은 도 4에서 보다 더 좁다. CCD 어레이의 대응하는 데이터도 마찬가지로 새도우가 좁아진 것을 나타낸다.
도 6은 도 6a 및 6b로 구성되며, 본 발명의 바람직한 실시예의 측면도 및 평면도를 도시한다. 도 6의 센서는 바람직하게 부품의 양 측면에서 실린더 렌즈를 사용하며, 따라서 저출력 레이저 다이오드에 의해 방출되는 에너지의 상당한 양이 실시예의 센서의 검출기에서 측정하는데 실질적으로 사용되게 한다.
도 7은 도 7a 및 7b로 구성되며, 센서의 소스측에 시준렌즈 및 실린더 렌즈를 사용하여 레이저 기반 센서의 측면도 및 평면도를 도시한 것이다. 실린더 렌즈로 부터의 광은 크기가 다른 상이한 두개의 부품을 비추는 것으로 도시되어 있다.크기가 큰부품과 작은 부품이 도시되어 있다. 실린더 렌즈로 부터의 초점은 광선의 두께가 측정되는 부품의 두께보다 대략 1계 단위크기 만큼 작게 결정된다. 도시된 바와 같이, 새도우는 검출기의 중간부분을 완전히 가로질러 형성되어 검출기 어레이상에 명확하게 규정된 어둡고 밝은 부분을 제공한다.
도 8은 도 8a 및 8b로 구성되며, 센서의 소스측에 시준렌즈와 수신측에 실린더 렌즈를 갖는 유사한 센서의 측면도 및 평면도를 도시한다. 새도우의 이미지는 수신측의 실린더 렌즈를 사용하여 검출기 어레이에 선명하게 집중된다. 실린더 렌즈는 부품 에지를 협소하게 빠져나가는 광만을 검출기상의 라인으로 선명하게 집중시키는 효과를 갖는다.
도 9는 도 9a 및 9b로 구성되며, 광역 발광다이오드(LED) 광원을 제외하고는 도 6에 도시된 바람직한 실시예와 동일한 실시예의 측면도 및 평면도를 도시한다. 개구는 광역 LED 광원과 시준 렌즈사이에 배치되어 광의 포인트 소스를 가지고 생성된 것과 유사한 센서를 생성한다. 도 6에 도시된 바람직한 실시예에와 같이, 도 9의 센서 시스템도 또한 부품의 양측에 실린더 렌즈를 사용하여 레이저 다이오드로 부터 방출된 조사된 광의 상당한 양을 검출기에서 수집한다.
도 10은 도 10a 및 도 10b로 구성되며, 도 9에 도시된 실시예와 유사한 실시예의 평면도 및 측면도를 도시하며, 다른점은 도 10에 도시된 실시예는 네거티브 렌즈(negative lens)를 사용하여 광역 LED 가 센서 시스템으로 부터 훨씬 멀리 떨어져 있게되도록 센서시스템에 나타나게 하여 이전의 센서 시스템의 목적이 이루어지도록 포인트 소스로서 나타난다.
도 11은 도 11a 및 도 11b로 구성되며, 작은 영역 LED 를 사용하는 실시예의 측면도 및 평면도를 도시하며, 작은 영역 LED 는 센서가 도면에 도시된 개구 또는 네거티브 렌즈를 사용할 필요없이 도 9 및 도 10에 도시된 센서와 유사한 결과를 이루게 한다.
도 12는 저출력 레이저 광소스, LED 또는 임의의 다른 광소스일 수 있는 광소스를 도시하며, 가능한 한 많은 양의 광이 부품을 통과하게 하는데 집광렌즈가 사용된다. 두개의 렌즈 및 텔레센트릭 스톱(stop)을 포함하는 텔레센트릭 렌즈 시스템을 사용하여 부품의 이미지가 검출기에 생성되며, 이것은 부품에 의해 생성된 보다 더 선명하고 뚜렷한 광 새도우의 이미지이며 부품 또는 리드 에지를 보다 정확하게 검출하게 한다.
도 13은 개구와 검출기 사이에 이미지 렌즈를 배치하지 않는 것을 제외하고는 도 12의 실시예와 동일한 실시예를 도시한다. 이러한 텔레센트릭 실시예는 또한 텔레센트릭 렌즈 시스템의 목적을 충족시킨다. 즉, 검출기로부터 부품까지의 거리변화에 대해 또는 부품의 크기변화에 대해 일정한 이미지 크기를 유지한다. 그러나, 어떤 경우에는 도 12에 도시된 실시예를 사용하여 얻을 수 있는 것만큼 선명하거나 뚜렷한 이미지를 얻지 못할 것이다.
도 14는 이미지 렌즈 시스템의 두 번째 형태를 도시하며, 일련의 특정하게 처리된 유리 로드(glass rods)로 구성되는 그레디언트 인덱스 렌즈(gradient index(GRIN) lens)가 부품의 정확한 이미지를 센서 어레이에 집중시키기 위해 사용된다. 각각의 GRIN 렌즈는 센서 어레이에 부품의 작은 영역의 이미지를 형성한다.GRIN 렌즈 어레이의 잇점은 수신측에 하나의 통상적인 렌즈를 사용하는 동등한 이미지 시스템의 경우보다 훨씬 작은 공간을 필요로 한다. GRIN 렌즈 어레이는 짧은 광경로 및 넓은 렌즈구경을 제공한다.
도 15는 도 15a 및 도 15b로 구성되며, 간단한 이미지 렌즈 시스템의 측면도 및 평면도를 도시하며, 광이 부품 및 이미지 렌즈를 통과하게 하는데 집광 또는 시준렌즈가 사용되며, 이미지 렌즈는 센서 어레이에 이미지를 선명하게 집중시킨다.
도 16은 도 16a 및 도 16b로 구성되며, 또 다른 이미지 렌즈 시스템의 측면도 및 평면도를 도시하며, 이미지 렌즈로 부터 집중된 광이 이미지 렌즈와 센서 어레이 사이에 배치된 유리 블럭(glass block)의 단부에서 반사되어 광이 센서 어레이상으로 빠져나가기 전에 광경로를 굴절시킨다. 알루미늄과 같은 유리블럭 반사코팅 부분은 높은 반사성을 보장한다. 이러한 실시예는 이미지 렌즈와 센서 어레이사이의 요구된 거리를 줄여 센서공간을 줄이는 잇점이 있다. 이러한 유리 블럭은 소스, 수신기 또는 센서 시스템의 양측에 사용될 수 있다. 유리 블럭은 공간거울(space mirror) 또는 광학 시스템에서 요구되는 물리적 공간을 굴절시키고 짧게하는 다른 광학적 부품으로 대치될 수 있다.
도 17은 도 17a 및 도 17b로 구성되며, 두 인접한 퀼상의 부품의 정렬을 위해 제 2 검출기를 추가하는 것을 제외하고는 도 6에 도시된 것과 동일한 구성의 측면도 및 평면도를 도시한 것이다.
도 18은 도 18a 및 도 18b로 구성되며, 리드측정 시스템의 평면도 및 측면도를 각각 도시한 것이다. 여러 가지 각도로 부터의 광이 부품의 리드를 통해 통과하며 텔레센트릭 광학 시스템에 의해 리드를 검출기에 선명하게 집중시키기 위해 광역 소스가 사용된다.
도 19는 각도 방위 및 측면위치를 이루는 한 가지 방법을 도식적으로 도시한 것이다. 도 19에 도시된 바와 같이, 데이터가 임계 전압 아래로 떨어질 때를 결정하기 위해 판별장치(discriminator)가 사용된다. 판별장치는 아날로그 데이터를 부품의 각도 방위 및 에지 위치를 확정하는데 사용될 수 있는 디지탈 형태로 변환한다. 도 19에 도시된 것은 부품 새도우의 리딩에지 및 트레일링 에지를 식별하는 데이터 포인트들이다. 검출된 부품 새도우 에지중 하나 또는 둘 모두가 정렬을 결정하기 위해 처리될 수 있다. 도 19에는 또한 리드 정렬의 디지탈 표현으로 판별되어 변환될 수 있는 리드 새도우의 에지들이 도시되어 있다.
도 20은 부품이 정렬될 때 부품의 에지를 정확하게 위치 지정하는 데 사용될 수 있는 사인곡선 적용 알고리즘(sinusodial fitting algorithm)을 도시한 것이다. 부품이 정렬시 회전되어감에 따라 감소하는 측정치는 부품이 회전되며 정렬로부터 벗어남에 따라 증가하는 측정치와 사인곡선을 통해 비교된다. 이러한 두 사인곡선이 교차하는 포인트를 사용하여 부품의 정확한 정렬 각도를 구할 수 있다.
도 21은 부품의 정확한 각도 정렬을 찾아내는 데 사용할 수 있는 중심(centroid) 계산 프로세스를 도시한 것이다. 이런 알고리즘은 부품폭 측정값 세트의 중심을 찾아내며, 찾은 중심의 각도는 정확한 정렬 각도를 규정한다.
종래의 기술에서 고도의 정밀도는 레이저를 사용한 시스템에 의해 이루어진다. 자연적인 광 포인트 소스인 레이저 빔의 정밀도는 부품을 정확하게 측정하고 정렬하는데 사용되어 왔다. 그것은 광의 정확한 밴드(band) 또는 스트라이프가 생성되어 센서 어레이에 의해 검출될 부품을 통과시키는 슬릿 개구를 가진다. 그러나, 종래의 기술에서 레이저를 사용할 때, 대부분의 방출된 에너지는 슬릿 개구의 캐리어(carrier)에 의해 흡수되거나 캐리어에 의해 부품 및 센서 어레이로 부터 반사된다. 비록 정확하기는 하지만 이것은 가장 효율적인 시스템이 아니다.
본 발명은 광소스로 부터 더 많은 광이 부품을 통과하고 측정을 위해 수집되어 검출기에 보다 선명한 부품 이미지가 검출되게 하는 그런 방식으로, 레이저를 시준렌즈, 집광렌즈(condenser lens), 실린더 렌즈(cylinder lens), 이미지 렌즈(imaging lens) 및 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens) 시스템과 함께 사용할 수 있는 방법을 제시한다. 이러한 광학적 수단을 사용하면 레이저를 사용하는데 필요한 전원은 실질적으로 현 시스템보다 100 배정도 감소될 수 있다. 이러한 감소된 파워수준에서, 레이저는 비 간섭성 광의 포인트 소스로서 동작하며 레이저 측정의 고정밀도는 실질적으로 보다 낮은 파워 및 스트레스 수준(stress level)으로 유지된다.
넓은 소스 발광 다이오드(LED)는 또한 종래의 기술에서 부품 정렬을 측정하는데 고려되어 왔다. 그러나, 대부분의 LED 광소스로부터 투사된 광역의 광은 새도우를 지나치게 "희미하게(fuzzy)" 하여 레이저 광으로 에너지를 공급받는 것에 필적하는 센서를 제공할 수 없다. 그러나, 만약 소스측에 개구(틈) 또는 네거티브 렌즈가 사용되거나 어떤 응용의 경우 매우 작은 LED가 사용되면, LED는 센서 광학계에 대한 광 에너지의 포인트 소스로서 동작될 수 있다. 저출력의 LED 로서도 포인트 소스는 필요한 고도의 정밀도를 이룬다. 또한, 이미지 렌즈는 새도우의 상이 직접 검출기에 맺히도록 수신측에 사용될 수 있어 필요한 고도의 정확한 측정을 위해 충분한 이미지의 선명도를 제공한다.
마지막으로, 적절한 광소스와 함께, 텔레센트릭 광학계가 초점의 시계(field of view) 및 심도(depth)와 함께 사용될 수 있으며, 그에 따라 부품의 새도우 이미지가 측정될 수 있으며 올바른 정렬이 이루어진다. 시계는 심지어 가장 큰 부품이 충분히 관찰되게 하는데 중요하며, 초점의 심도는 임의의 부품이 크기에 관계없이 선명하게 집중될 수 있도록 하는데 중요하다. 텔레센트릭 렌즈동작의 잇점은 부품크기의 범위가 넓은 경우 또는 부품 대 렌즈/센서 구성 사이의 거리가 많이 다를 경우 부품 이미지가 여전히 검출기에 선명하게 집중되며 일정한 구성으로 관찰된다는 것이다. 광학적 변경이 가능한 이러한 다른 광소스는 본질적으로 새도우와 광사이를 구별짓기 위해 방출된 에너지를 실질적으로 더 많이 획득하는 고효율의 센서 시스템을 이루는데 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 부품 배치 기계에 의한 배치를 위해 부품의 각도 방위 및 측면위치를 정확하게 결정하는 것이다.
본 발명의 목적은 검출기에서의 측정을 위해 광소스로 부터 방출된 광을 보다 더 많이 수집하므로써 광효율을 실질적으로 증가시키는 것이다.
본 발명의 목적은 고도의 정밀도로 부품 배치 기계에 의해 배치될 부품의 각도 방위를 정확하게 결정하는 것이다.
본 발명의 목적은 스크래치(scratches) 및 렌즈 결함을 포함하는 광학적인 결함에 대해 검출감도를 실질적으로 감소시키는 것이다.
본 발명의 목적은 몇 개의 다른 광원을 사용하여 부품의 각도 방위 및 측면배치를 정확하게 결정하는 것이다.
본 발명의 목적은 500 밀리초이내에 부품 배치 기계에 의해 배치될 부품의 각도 방위 및 측면배치를 정확하게 결정하는 것이다.
본 발명의 목적은 하나 또는 둘 이상의 리드 에지의 검출된 새도우를 사용하여 부품의 각도 방위 및 측면위치를 정확하게 결정하는 것이다.
본 발명의 목적은 단순히 새도우를 비추므로서 가능한 것보다 더 선명하고 뚜렷하게 부품의 이미지를 센서에 집중시키는 것이다.
본 발명의 목적은 부품크기 변화가 상당히 큰 경우에 각도 방위 및 측면위치를 정확하게 결정하는 것이다.
본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 이러한 목적 및 다른 목적과, 특징 및 장점들은 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시예에 대해 설명하면 명백하게 이해할 것이다.
도 1 및 도 2는 본 발명에서 사용될 일반적인 환경을 도시한다. 도 1은 하나 또는 둘 이상의 속이 빈 튜브인 진공퀼(24)을 가지는 전형적인 표면설치 부품 배치 기계를 도시한 것이며, 진공퀼(24)은 부품 트레이(33)내 소정의 빈(32)으로 부터 부품(30)들을 순차적으로 픽업하며 가능한한 신속하게 회로기판(34) 또는 부품(30)이 정확하게 정렬되어야 하는 다른 표면으로 운반하고 부품의 리드(50)가 회로기판(34)상에 이전에 생성되어 있는 배선층(wiring layout)에 올바르게 정렬되게 부품을 원하는 위치에 정확하게 배치하는데 사용된다. 고도로 정확한 배치를 위해서는 X,Y평면에서 0.001 인치의 위치에러를 가지는 0.030도의 각도 정렬(angular alignment) 또는 각도 방위의 정확성이 요구된다. 비록 어떤 경우에는 보다 더 큰 부품(30)이 필요하지만, 이러한 시스템에 전형적으로 채용된 부품(30) 크기는 대략 0.002 내지 2 인치 사이에 있다.
각도 방위는 전기리드의 배치에서 잘못된 방위가 갖는 영향 때문에 중요하다. 최대의 부품크기(예를들어, 2 인치)의 경우, 0.10도의 편차로 인해 부품의 외부에지에서의 리드위치가 대략 0.002인치 잘못 배치된다. 이러한 이유 때문에 본 발명의 목적은 0.03도의 정렬 정밀도를 유지하는 것이다.
도2 를 참조하면, 부품운반 메카니즘(40)은 회전모터(41)와, 진공퀼(24)을 붙잡고 회전시키며 안으로 끌어올리는 고정장치를 포함하는 배치헤드 제어박스(43)를 포함한다. 회전고정장치는 부품(30)을 픽업하고 정렬하며 위치시키고 배치하기 위해 진공퀼(24)을 회전시킨다. 도2 에는 또한 센서(45)와 부품(30)이 도시되어 있으며, 부품을 올바르게 배치하는 것이 본 발명의 주제이다.
통상의 방식으로 설계된 부품 제어박스(43)내에는 진공압력에 의해 부품(30)이 부착되는 퀼(24)을 안으로 끌어올리는 모터를 포함하는 수단, 퀼(24)의 단부에 부품을 붙잡는 진공을 생성하는 수단, 각도 위치 인코더, 힘센서(force sensor) 등과 같은 것이 있다. 내부에 개구(48)을 갖는 레이저 또는 광을 사용하는 정렬센서(45)가 제어박스(43)에 부착되며, 개구(48)를 통해 퀼(24)이 연장되고 개구안으로 부품(30)이 그의 각도 방위의 결정 및 퀼(24)의 중심과 정렬을 위해 안으로 끌어올려질 수 있다.
도 3은 센서(45)의 구성요소를 개략적으로 도시한 것이다. 설명의 편의를 위해, 시선(a line of sight representation)은 광원(60)으로 부터 렌즈(61)를 통해 부품(30)을 선형 어레이 이미지 센서(65)로 운반하는 퀼(24)을 통과하는 것으로 도시된다. 실제로는 반사 거울 및 시준렌즈 또는 하나의 파라볼릭 렌즈(parabolic lens)(도시되지 않음)로 이루어질 수 있는 긴 초점렌즈가 요구된다.
본 명세서에 포함된 미합중국 특허 제 5,278,634 호는 고도로 정확한 레이저 센서가 개시되어 있으며, 이는 본 발명의 참조로 인용된다. 이 미합중국 특허의 시스템에서, 레이저 다이오드는 시준렌즈와 새도우가 측정될 부품사이에 배치된 슬릿 개구로 평행광을 제공하도록 시준렌즈로 시준되는 광의 포인트 소스로 동작한다. 이것은 부품의 두 단부를 넘어 연장되는 광의 스트라이프를 제공하며, 새도우는 부품을 회선시키는 동안에 선형 어레이상에 형성된다. 다음에, 부품이 배치를 위해 정확하게 중심이 잡히고 정렬될 수 있도록 새도우 그 자체, 또는 바람직하게는 섀도의 에지가 결정되어 고도의 정밀도로 확정될 수 있다. 본 기술 분야에 잘 알려진 바와 같이, 상당한 양의 광에너지는 슬릿 개구 메카니즘에 의해 차단된다. 그러나, 상세히 후술하는 바와 같이, 정렬을 감지하는 후술된 광 시스템을 가지고 실질적으로 상당한 양의 광에너지를 효과적으로 사용할 수 있다.
도 4를 참조하면, 광원(60) 또는 광학적인 어떤 개입없이 새도우(90)를 검출하는 것을 도시한다. 광(63)은 대부분의 실시예에서 부품(30)을 일직선으로 가로질러 투사되며, 다른 실시에서는 부품(30)을 향해 투사되어 부품(30)의 모든 부분에 걸쳐 광패턴이 생성된다. 부품(30)에 의해 차단되지 않는 광은 부품(30)을 통과해, 예를들어 텍사스 인스트루먼트사(Texas Instruments Corporation) 제품의 중심대 중심사이가 10.4 마이크로미터이고 라인을 따라 10.4 마이크로미터씩 구성된 3,456개의 요소를 가지는 부품번호 TC104 와 같은 선형 CCD 검출기 어레이(65)를 비춘다. 부품(30)에 의해 형성된 광패턴은 멀티요소 센서 어레이(65)에 의해 검출된다. 엠비언트광(ambient light) 및 사용하는 파장이 아닌 임의의 다른 광을 최소화시키는 광필터(optical filter)(76)가 부품(30)과 검출기 어레이(65)사이에 바람직하게 배치된다. 검출기 어레이(65)로 부터 얻은 데이터(80)는 상세히 후술될 하나 또는 둘 이상의 알고리즘을 사용하여 처리된다.
3,456개의 검출기 어레이 요소를 사용하는 것은 많은 부분이 측정되게 한다. 요소들은 고정밀도를 유지할 수 있는 대략 0.4 밀리 센터만큼 떨어져 있다. 각도 방위 및 측면위치에서의 아주 작은 변화에 대한 감도가 종래의 장치에 비해 상당히 높아진다. 이것은 새도우 에지 근처 소정의 광검출기 요소의 경우 광레벨에서의 아주 작은 변화가 아주 작은 각도회전에 대해서 아주 커질 수 있기 때문이다.
도 4에서, 부품(30)은 정렬시 벗어난 각도 방위로 도시되어 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 비교적 많은 수의 검출기 요소가 새도우(90)를 생성하는 부품(30)의 어긋난 각도 방위 때문에 레이저로 부터 차단된다. 또한, 부품(30)의 에지를 통과한 광의 회절에 의해 발생된 밝은 부분과 어두운 부분(90)사이에 생성된 어레이(65)를 비추는 새도우(93, 94)의 작은 영역들이 있다. 또한, 부품(30)의 최외각 에지를 벗어난 광의 회절 및 반사 때문에 아주 조금 더 밝은 부분(96, 97)이 새도우(90)의 외부에지에 인접한 곳에서 검출될 것이다. 도 4에는 또한 레이저 소스(60)로 부터 차단되지 않은 광을 수신하는 검출기 어레이(65)의 부분(102, 103)을 도시한 CCD 어레이(65)로 부터 판독되는 데이터의 데이터패턴(80)이 도시되며, 이 데이터 패턴은 반사 및 회절에 의한 광의 증가(96, 97), 회절 및 검출기 어레이(65) 측면에서 동일한 패턴을 가지는 어두운 새도우 영역(90)에 의해 유발된 새도우 영역의 에지(93, 94)에서의 광의 감소(110, 112)를 나타낸다.
도 5는 부품(30)이 각도 정렬시 광 패턴 및 데이터를 도시한 도면이다. 도 4 및 도 5를 비교해 보면 명백히 알 수 있는 바와 같이, 각도 정렬은 센서 어레이(65)로 부터의 데이터(80)에 의해 결정된 바와 같이 새도우 패턴(90)이 가장 좁아지는 때를 결정하므로써 보장될 수 있다. 이것은 새도우의 리딩에지(110) 및 트레일링 에지(112)중 어느하나 또는 둘 모두에 후속하여 결정하므로써, 또한 새도우의 에지(110, 112)에 선행하고 에지를 후속하는 데이터만을 포획하여 새도우(90)가 가장 좁거나 정렬중인 때를 결정하기 위해 에지(110, 112)의 데이터를 실질적으로 처리하므로써 최소한의 전자적 처리 수단으로 이루어질 수 있다. 부품은 또한 하나 또는 둘 이상의 리드 새도우 에지(170, 180)에 대응하는 데이터를 포획하므로써 리드의 위치를 사용하여 정렬될 수 있다. 더욱이, 리드 각각은 이러한 센서를 사용하여 위치될 수 있다.
새도우 에지를 투사하고 결정하는 것은 값이 더 비싸고 복잡한 레이저 다이오드(62)대신 사용될 수 있는 발광 다이오드(LEDs)(66)와 같은 다른 광원으로 이루어 질 수 있어 부품(30)을 배치하는데 필요한 고도의 정밀도를 유지하며, 부품의 크기가 모래입자 정도의 대단히 작은크기로 부터 상당한 크기의 쿼드 플랫 팩(quad flat pack)범위인 그러한 시스템에 대해 사용될 수도 있는 보다 더 경제적인 센서(45)를 제공한다. 마지막으로, 텔레센트릭 광학계(telecentric optics), 이미지 센서 또는 그레디언트 인덱스 렌즈(78)와 같은 이미지 광학(imaging optics)을 사용하여 필요한 정도의 정밀도를 얻는데 요구되는 정확성을 얻을 수 있다. 이러한 방식으로, 정밀도 및 효율을 희생하지 않고도 비용이 적게들고 신뢰할 수 있는 센서(45)를 제공할 수 있다.
도 6에 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 도 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, 소스측 및 부품(30)의 수신측에서 실린더 렌즈(71)를 사용하므로써 광을 충분히 사용할 수 있고 광 및 에너지 효율을 극대화할 수 있다. 도 6a는 실시예의 측면도를 도시한 것이고, 도 6b는 실시예의 평면도를 도시한 것이다. 저 출력에서 동작하는 레이저 다이오드는 시준렌즈(61)를 향해 광을 투사하는데 바람직하게 사용된다. 또한, 시준렌즈 대신 실린더 렌즈가 사용될 수 있다. 광은 부품의 수직중심상에 수직으로 집중되기만 하고 수신 실린더 렌즈(71)는 부품의 중심으로 부터 광을 수집하기만 한다. 이러한 방식으로, 센서 어레이(65)상에 형성되는 새도우(90) 이미지를 선명하게 하므로써 수직방향으로 광의 회절 또는 반사에 의해 생기는 흐림현상(fuzziness)을 최소화하거나 제거할 수 있다. 시준렌즈(61)와 실린더 렌즈(71)의 위치를 바꾸므로써 동일한 결과를 얻을 수 있다. 또한, 하나의 비점수차렌즈(astigmatic lens)로 이들 두 렌즈의 기능을 조합할 수 있다. 도 6에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예는 또한 바람직하게는 작은 소스 영역에서 LED 를 사용해도 잘 동작한다.
레이저 다이오드(62)로 부터 방출된 실질적인 모든 광에너지가 도 6의 센서 시스템에서 사용되기 때문에, 실린더 렌즈(71) 시스템에는 실질적으로 보다 적은 에너지가 필요하며 시스템상에서 정격출력이 1-2 밀리와트인 레이저 다이오드(62)로 부터의 출력이 10-20 마이크로와트이면 만족할만한 결과를 얻을 수 있다. 그러므로, 도 6에 도시한 바와같은 방식은, 이전의 특허에서 개시한 슬릿 개구(75)를 이용한 방식을 사용한 레이저(62)보다 적어도 대략 100 배 이상의 효율을 갖는다. 보통수준의 레이저 다이오드(62)를 사용할 경우 장치에 실질적인 스트레스가 없는데 이것은 센서 시스템을 실질적으로 상당한 시간동안 교체 또는 수리할 필요없이 사용할 수 있음을 의미한다. 더욱이, 광학 시스템의 효율이 증가하기 때문에, 광원은 펄스화(pulsed)될 수 있다. 펄스화 동작은 검출기가 짧은 기간에 얻은 프로우전 이미지(forzen image)를 포획할 수 있게 한다. 이것은 부품의 회전에 의해 발생하는 흐림현상(blur)을 줄인다. 이러한 응용에서 사용될 때 저휘도 광원의 기준은 도6 및 후술할 다른 실시예에서 도시된 실시예를 기술할 때 사용된 바와같이 보통의 레이저보다 훨씬 낮은 파워에서 동작하는, 예를들어 2 밀리와트에서 20 마이크로와트 수준의 레이저 다이오드 또는 LED에서 동작하는 레이저 다이오드를 의미한다. LED들은 전형적으로 레이저 다이오드 보다 더 광역상으로 광을 투사하므로 관심있는, 즉 부품방향의 영역에 투사되는 방출 에너지는 더 작다. 그러므로, 본 발명의 목적을 위해서 LED들도 또한 저휘도 광원으로 고려된다.
더욱이, 실린더 렌즈(71)는 광을 1 밀리보다 작은 두께의 스트라이프로 집중시키므로, 레이저 다이오드에 의해 생성되는 광은 측면 에지를 따라 통과하는 광을 제외하고는 부품(30)의 위 또는 아래를 통과하는 어떠한 광도 없이 부품(30)에 의해 모두 차단된다. 이것은 더욱 어두운 새도우(90)를 생성하며, 이미지 콘트라스트(contrast)에 더하여 검출 정밀도를 향상시킨다. 센서 시스템은 또한 렌즈(61, 71)의 결함에 대해 덜 민감하다. 광은 렌즈의 보다 넓은 부분에 의해 전달되거나 수집되므로, 센서는 환경적 장애요소, 먼지, 오물 등에 대해 보다 더 잘 적응된다.
도 7의 또 다른 실시예를 참조하면, 도 7a는 실린더 렌즈(71)를 사용한 레이저를 이용하는 시스템의 측면도를, 도 7b는 평면도를 제공한다. 도 7의 바람직한 실시예에서, 레이저빔(63)은 시준렌즈(61)에 의해 시준된 다음에 실린더 렌즈(71)를 통과한다. 센서(45)의 소스측의 실린더 렌즈(71)는 광선을 집중시키며, 집중된 광선의 두께는 렌즈(71)부근에서 2 밀리미터, 크기가 큰 부품부근에서 0.50 밀리미터, 그리고 초점포인트에서는 0.025 밀리미터의 범위이다. 이것은 광선을 정교하게집중시키므로 부품을 가로질러 광선을 투사하는데 사용될 수 있어 아주 명확하게 규정된 새도우(90)와 충분히 후술되는 것처럼 명확하게 규정된 분석용 새도우 에지(110, 112)를 제공한다. 이러한 실시예에서는 광이 이런 방식으로 부품에 집중되어 부품의 위 또는 아래로 빠져나가지 않게 되므로 검출에러가 줄어든다. 광은 측면 에지를 따라서만 통과될 것이다. 그러므로, 어레이상으로 노즐 새도우(nozzle shadow)를 투사하거나 부품 아래로 통과하는 외부광으로 부터 생길 수 있는 검출에러 때문에 혼동(confusion)이 유발될 수 있는 부품의 상부로 부터 수집되는 이미지는 하나도 없다.
도 8a 및 도 8b에 도시된 바와 같이, 센서 시스템의 측면을 수용하도록 실린더 렌즈(71)를 이동하면 장점이 생길 수 있다. 보다 낮은 출력의 광을 정렬하는 시준렌즈(61)를 사용하여 실린더 렌즈(71)는 광패턴(102, 103) 및 새도우(90)를 다이오드 어레이(65)상에 직접 집중시키는데 사용된다. 이러한 실시예는 부품(30) 중심의 이미지를 검출기(65)에 선명하게 집중시키는 효과가 있다. 부품(30)의 위 또는 아래를 통과한 광선은 검출기 어레이(65)의 검출기들의 좁은 열(row)에 비춰지지는 않을 것이다.
본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람이라면 명백히 알고 있는 바와 같이, 본 발명의 설계는 센서45)의 수신측에 실린더 렌즈(71)를 사용하고, 또한 소스측에 슬릿 개구(75)를 선택적으로 사용하여 종래의 발명과 결합될 수 있다. 수신측의 실린더 렌즈(71)의 부가적인 잇점은 검출기 요소(65)상의 이미지를 뚜렷하게 만들어 보다 정확하고 명확하게 규정된 새도우(90)를 얻는다. 이러한 선명도의 개선은 레이저 다이오드(62)로 부터의 에너지를 어느 정도 보존하는데 사용될 수 있지만 두개의 실린더 렌즈(71)가 충분히 사용되는 도 6에 설계된 방식 만큼은 되지 않는다.
일반적으로, 종래의 미합중국 특허와 결합하여 개시된 것과 유사한 구성에서는 발광 다이오드(LEDs)(66)를 사용하는 것은 잇점이 없다. 이것은 LED(66)가 통상적으로 광역 소스이기 때문이다. LED는 파워가 광역으로 부터 나오기 때문에 저휘도의 광을 방출한다. LED(66)와 레이저(62)소스 사이의 소스크기를 비교하면 500 미크론(micron) 대 2 미크론단위이며, 보다 더 작은 레이저 소스가 훨씬 더 뚜렷한 새도우 이미지를 생성할 수 있다. 그러나, 전술한 도 6-8에 도시된 또는 도 9 및 도 10과 결합하여 기술되거나 도시된 것과 유사한 방식의 광학계(61, 71)를 사용할 경우, 소스(60)로서 발광 다이오드(66)를 사용하면 LED(66)를 사용한 센서(45)의 효율을 상당히 증가시킬 수 있는 가능성을 없애 버릴 수 있는 단점이 있다.
기술한 바와 같이, 포인트 소스로부터 방출된 광을 가지는 것이 주 목적이다. 그러므로, 다른 하나의 해결책은 도 9에 도시된 바와 같이 LED 광소스(66)와 시준렌즈(61)사이에 개구(75)를 배치하는 것이다. 도 9a 및 도 9b 는 소스 및 수신측에 실린더 렌즈(71)를 사용하는 도 6에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예와 근본적으로 동일한 실시예를 도시하며, 다른점은 다만 도 9에 도시된 실시예는 넓은 소스영역을 갖는 LED 를 사용한다는 것이다. 이러한 실시예는 이런 구성에 의해 형성된 새도우(90)의 선명도를 향상시키는 포인트 소스의 경우와 동일하게 될 광 방출을 줄인다. 그러나, 본 기술분야에 통상의 지식을 가지 사람이면 명백히 알 수있는 바와 같이, 개구가 있는 광학 필터(75)를 비추는 광에너지 때문에 에너지 손실이 있을 것이다.
또 다른 방법은 도 10a 및 10b에 도시된 바와 같이 발광 다이오드(66)와 시준렌즈(61)사이에 배치된 네거티브 렌즈(73)를 사용하는 것이다. 광학분야에 잘 알려진 바와 같이, 네거티브 렌즈(73)는 도 10의 시준렌즈(61)를 통해 통과하는 광을 실질적으로 보다 더 잘 시준하는 발광 다이오드(66)의 외견상의 소스크기를 줄이는 작용을 한다.
마지막으로, 도 11a 및 도 11b에 도시된 실시예의 평면도 및 측면도에서와 같이, 작은 영역 LED 광소스(67)를 사용하므로써 검출기 어레이(65)에 선명한 이미지를 생성할 수 있다. 작은 영역 LED 광소스(67)를 사용하는 것은 도 9 및 도 10에 도시된 넓은 소스영역 LED(66)에서 요구되는 바와 같은 개구(75) 또는 네거티브 렌즈(73)가 필요하지 않게 한다. 그러나, 집광장치(condenser) 또는 시준렌즈(61)는 가능한한 많은 광을 부품(30)를 통해 검출기 어레이(65)로 투사하는데 여전히 필요하다. 더욱이, 도 11의 센서 시스템은 부품(30)의 양측에 실린더 렌즈(71)를 배치하여 더 많은 방출된 광을 수집하고 대응하는 만큼 뚜렷한 이미지를 검출기 어레이(65)상으로 투사한다. 도 11의 LED 소스(67)의 크기는 렌즈(61)의 초점거리가 길어지면 더 크지고 LED 는 레이저로 부터 대응하는 만큼 더 멀리 배치된다. 증가된 거리는 소스의 각도 폭을 작게하는데, 이것이 도 9-11에 도시된 실시예의 목적이다.
도 6과 관련하여 상술한 바와 같이, 시준 또는 집광렌즈와 실린더 렌즈의 위치를 바꾸어도 동일한 광집중 효과를 낼 수 있다. 또한, 시준 또는 집광렌즈 및 실린더 렌즈 구성 대신 하나의 비점수차 렌즈를 사용하여 부품의 소스측에서 동일한 광집중 결과를 가질 수 있다.
마지막으로, 이미지 시스템을 채용하는 3개의 실시예가 도 12-14에 도시된다. 도 12 및 도 13의 텔레센트릭 렌즈 구성은 렌즈(77)로 부터 부품(30)까지의 거리의 넓은 범위에 걸쳐 또는 부품(30)의 크기에 관계없이 검출기(65)의 범위내에 완전히 포함된 이미지를 선명하게 집중시킨다. 텔레센트릭 렌즈 시스템은 렌즈로 부터 물체까지 거리의 범위에 걸쳐 동일한 이미지 크기를 유지하는 특성을 갖는 잘 알려진 형태의 이미지 렌즈이다. 그러므로, 광원(60)은 센서의 수신측에서 효과적으로 시준된다. 비록 작은 소스 및 집광렌즈(78)가 도 12 및 도 13의 소스측에 도시되어 있지만, 만약 작은 소스 및 집광렌즈(78)를 광역 소스로 바꾸면 여전히 충분히 선명한 이미지가 검출기(65)에 투사될 수 있을 것이다. 그러나, 집광렌즈(78) 또는 시준렌즈(71)는 가능한한 많은 광이 직접 부품(30)을 통과하도록 포함되는 것이 바람직하다.
부품(30)과 검출기(65)사이에 큰 렌즈(77)가 배치되고 상기 렌즈(77)와 검출기(65)사이에는 작은 개구(75)가 배치된 도 12 및 도 13에서 텔레센트릭 동작이 이루어질 수 있다. 큰 렌즈(77)의 목적은 부품(30)을 통과하는 광의 시준된 부분을 수집하여 개구(75)의 중심에 집중시키는 것이다. 앞서 기술된 시준렌즈(71)를 갖는 경우와 같이, 축에 평행한 광선만이 판단을 위해 사용된다. 렌즈(77)는 부품(30)의 측면을 지나가는 평행광만을 주로 수집하기 때문에 크기가 적어도 부품(30)만큼은되어야 한다. 만약 개구(75)가 대략 렌즈의 초점길이이면, 렌즈(77)에 평행한 광선에 의해 발생된 이미지는 개구(75)를 통해 형성되어 센서 어레이(65)상에 선명한 이미지를 재생할 것이다. 이와 달리, 평행하지 않은 광은 개구(75)의 캐리어(carrier)에 의해 차단될 것이다. 도 12에 도시된 바와 같이 검출기 어레이(65)근처에 분석 및 측정을 위한 왜곡을 줄이면서도 이미지를 선명하게 집중시키는 이미지 렌즈(76)를 사용하여 도 13에 도시된 실시예의 경우보다 더 향상된 동작이 이루어질 수 있다.
유사한 이미징 동작이 도 14에 도시된 바와같이 수신측의 그레디언트 인덱스(GRIN)렌즈(78)를 사용하여 이루어질 수 있다. 수신 광학계에서 이미지 시스템을 사용하는 것의 한 단점은 초점 경로길이를 위해 이미지 렌즈로 부터 검출기 어레이(65)까지 요구된 거리를 수용하도록 센서크기가 증가되어야 한다는 것이다. RIN 렌즈(78)를 사용하면 각 렌즈의 시계가 줄어들어 요구된 렌즈 직경 및 초점길이가 감소하므로써 이러한 문제점이 줄어든다. GRIN 렌즈 어레이(78)는 일련의 유리 로드로 구성되는데, 각각의 유리 로드에서 이미지의 이중반전이 일어난다. 각 로드는 센서 어레이(65)상에 1:1 이미지를 형성하는 작은 직경의 렌즈이다. 도 14를 참조하면, 각각의 GRIN 렌즈는 부품(30)에 도시된 바와같이 평면A 부분을 센서 어레이(65)에 도시된 바와 같이 대응하는 평면B 부분에 상이 맺히게 한다. 결과의 합성 이미지(90)는 후술하는 방식으로 판단하기 위해 적절하게 처리(crisp)된다. 또 다른 실시예에서, 고해상도 및 시계(field)의 깊은 심도가 요구되면, 상이한 초점길이를 가지는 렌즈 슬라이스의 세트가 광학계의 수신측에 배치된다. 각각의 슬라이스는 검출기에 상이한 라인의 상이 맺히게 할 것이다. 정확한 렌즈 슬라이스가 부품이 위치되는 높이의 기능으로서 선택된다.
도 15는 부품(30)의 상이 센서 어레이(65)에 맺히게 하기 위해 수신측에 이미지 렌즈(76)를 단순히 사용하는 실시예를 도시한다. 선명하게 집중된 이미지가 센서 어레이(65)에 검출될 수 있는 반면에, 이러한 구성의 단점은 부품(30)보다 더 큰 렌즈 직경이 요구되기 때문에 부품(30)과 검출기65)사이의 거리가 보다 더 커야하며, 더 큰 직경의 렌즈가 실제로 비교적 긴 초점길이를 가진다는 것이다.
렌즈 배치 및 센서 어레이(65)로 부터 요구되는 거리를 줄이기 위한 또 다른 실시예는 광학 경로를 굴곡시키기 위해 멀티 반사표면을 사용하는 것이다. 또 다른 실시예는 도 16에 도시된 바와 같이 이미지 렌즈(76)와 센서 어레이(65)사이에 배치된 유리 블럭(67)을 포함한다. 이러한 실시예에서, 광학 경로는 유리 블럭(67)의 단부에서의 반사 때문에 굴절된다. 반사표면은 광이 블럭(67)의 하부근처를 빠져나가기 전에 몇번 블럭(67)을 통과하게 하여 센서 어레이(65)에 새도우 이미지를 생성한다.
상술한 실시예는 두개 이상의 검출기를 사용하여 두개 이상의 부품을 동시에 위치시키는데 사용될 수 있다. 이러한 하나의 실시예가 도 17에 도시되어 있으며, 도 17은 측면도를 도시한 도 17a와 평면도를 도시한 도 17b로 구성된다. 도 17에 도시된 실시예는 하나의 소스, 부품을 붙잡고 집중된 광빔속으로 끌어올리는 두개의 퀼, 가능한한 많은 광이 부품(30)을 통과하게 하는 소스측의 집중렌즈 시스템, 수신렌즈 구성 및 두개의 센서 어레이(65, 65')를 포함하며, 센서 어레이(65)는 제1 부품(30)에 형성된 새도우 또는 이미지를 포획하고, 센서 어레이(65')는 제 2 부품(30')에 의해 형성된 새도우 또는 이미지를 포획한다. 부품들이 서로 정렬된다고 생각할 수는 없으므로, 어레이로 부터의 처리는 부품 각각에 대해 따로 이루어진다. 이러한 방식으로, 한 세트의 광학계가 동시에 두개의 부품을 정확하게 정렬하는데 사용될 수 있다. 더욱이, 만약 두개의 부품이 작으면, 단지 하나의 검출기(65)를 사용하여 두 부품을 정렬할 수도 있다. 이것은 선형 어레이의 두 영역을 마치 두개의 상이한 어레이인 것처럼 처리하는 소프트웨어 또는 전자적 하드웨어를 사용하여 이루어질 수 있다.
도 18은 도 18a 및 도 18b로 구성되며, 리드 측정 시스템의 평면도 및 측면도를 각각 도시한다. 다양한 각도로 부터의 광이 평면 1 내 부품의 리드들을 통과하여 평면 2 내 리드들을 어느정도 일정하게 비출 수 있도록 광역이 사용된다. 이러한 데이터를 가지고 검출기의 리드 에지 데이터를 직접 판독해내므로써 리드위치를 결정할 수 있다.
도 19, 20 및 21은 고도의 정밀도로 데이터를 처리하는 여러 가지 방법을 도시한다. 정렬 및 위치센서(43)에 의해 분석될 부품(30)폭의 범위는 보통 0.02 내지 2 인치이며 더 클 수도 있다. 3,000 개가 넘는 구성요소의 다이오드 어레이(65)로 부터 모든 데이터(80)를 보유하고 분석하는 것은 실제적이지 않을뿐더러 필요치도 않다. 부품(30)에 의해 다이오드 어레이(65)에 형성된 새도우(90)의 에지(110, 112)중 하나 또는 둘다에 관련되는 데이터(80)만을 획득하여 분석할 필요가 있다. 도 19를 참조하면, 1차적으로 관심이 있는 두개의 구역, A-B, C-D 이 있는데, 한구역 A-B 는 새도우(90)의 리딩에지(110)이고, 다른 구역 C-D 는 새도우(90)의 트레일링 에지(112)이다. 즉, 구역 A-B 내의 데이터는 부품의 한측면에 의해 발생된 새도우의 에지를 규정하며, 구역 C-D 내의 데이터는 부품의 반대쪽 측면에 의해 발생된 새도우의 에지를 규정한다.
구역 A-B 및 C-D 에 도시된 바와 같이 규정된 에지(110, 112)를 사용하여 부품(30)이 정렬될 수 있다. 초기에 부품(30)이 잘못 정렬된 것으로 알려진 위치에서 픽업되어 보다 더 큰 새도우(90)를 형성한다. 다음에, 부품(30)은 부품 배치 헤드(43)에 의해 회전되며, 새도우(90) 폭이 최소화되는 각 위치를 찾는다. 앞선 특허에서, 부품은 어레이(65)에 보다 더 큰 새도우를 형성하기 위해 정렬에서 벗어나는 것으로 알려진 위치에 사전 정렬된다. 몇몇 사전 정렬 위치, 바람직하게는 5 내지 15도 만큼 센서를 바람직하게 회전하므로써 이러한 정렬 이동을 제거한다. 새도우(90)가 가장 좁을 때의 에지 위치와, 퀼(24) 중심으로 부터 에지 위치의 편차(deviation)도 또한 구한다. 이러한 위치로 부품의 측면위치를 계산할 수 있다. 다음에, 부품을 90°회전하며, 에지(110, 112)위치중 하나 또는 둘다에 의해 결정된 바와 같이 부품(30)의 새도우(90) 중심을 퀼(24)의 중심과 비교하여 직각의 측면위치를 결정할 수 있다. 부품은 또한 리드의 위치를 사용하여 정렬될 수 있다. 예를들면, 도 19에 도시된 바와 같이 리드 새도우 에지(170 및 180)는 여기서 기술된 임의의 프로세스를 사용하여 부품을 정렬하는데 사용될 수 있다.
부품(30)이 정렬안으로 회전되어 들어감으로 인해 새도우(90)의 폭이 감소함에 따라, 새도우(90)의 에지(110)에 위치한 포토다이오드 요소는 새도우(90) 폭이최소가 되는 포인트까지 점점 더 많은 광을 수신할 것이다. 부품이 계속해서 회전함에 따라 새도우 폭은 증가되고 동일한 포토 요소를 비추는 광의 양은 감소하기 시작할 것이다. 따라서, 새도우 에지의 정확한 위치를 찾아내므로써 부품(30)을 레이저빔과 평행으로 향하게 할 수 있다.
도 19에 도시된 사용될 수 있는 한가지 방법은 임계전압(VTH) 및 비교기 또는 판별장치(discriminator)를 사용하는 것으로, 비교기 또는 판별장치는 어레이(65) 요소 각각의 전압이 임계전압(VTH) 아래로 떨어질 때를 검출하여 부품(30)의 새도우(90)가 검출되었음을 나타내므로써 다이오드 어레이(65)로 부터의 아날로그 데이터(80)를 디지탈 데이터(120)로 변환한다.
바람직하게는 어레이(65)내의 각 요소는 5 메가헤르쯔(megahertz)의 데이터 속도로 순차적으로 판독되어 임계전압(VTH)과 비교된다. 임계전압 아래로 처음 떨어질 때를 판독한 데이터(80)인 픽셀카운트(pixel count)는 래치신호(latch signal)로 사용되고, 임계전압 아래로 처음 떨어지 때 직전과 직후에 판독한 데이터의 수는 새도우의 리딩에지(110)로서 데이터 버퍼에 저장된다. 비록 임의의 수의 데이터 포인트가 저장될 수 있지만, 첫 번째 래치신호(A-B)에 선행 및 후속하는 32 픽셀이면 충분하며, 부품(30)의 정확한 각도 방위 및 측면위치를 분석하는데 필요한 총 128 개 항목의 데이터(A-B, C-D)를 제공한다.
마찬가지로, 데이터 신호가 처음으로 임계전압(VTH)위로 올라갈 때 새도우의 트레일링 에지(112)동안에 데이를 판독하여 저장할 수 있다. 다음에, 이 데이터는현재의 새도우 에지 위치에 대한 데이터로서 저장된다.
이전의 특허에서, 부품이 정렬로 회전되어 들어감에 따라서 부품의 각 에지를 정확하게 결정하기 위해 여러 가지 알고리즘 수단이 기술되었다. 에지의 위치를 정확하게 결정하는데 부가적인 알고리즘 기법이 사용될 수 있다. 예를들면, 에지 데이터(82)는 부품(30)이 정렬로 회전되어 들어감에 따라서 부품의 에지로 부터의 반사 및 회절영향 때문에 선형이 아니고 경사져 있다. 분석영역에서 에지의 정확한 위치는 구역(110, 112) 또는 (170, 180)내 여러 가지 데이터 포인트(82)의 1차 도함수를 구하므로써 결정될 수 있다. 새도우(90)의 기울기가 가장 큰 곳이 가장 적절한 에지 위치이다. 정확한 에지 위치, 즉 1차 도함수의 피크(peaks)에 유지된 데이터(82)는 각도 △θ 변화 각각에 대한 에지 위치를 식별한다.
또한, 정확한 에지 위치는 부품(30)이 정렬내에 회전되어 들어감에 따라 줄어들며, 부품(30)이 회전되어 정렬을 벗어나오기 시작한 후 새도우(90) 폭은 증가할 것이다. 본 기술 분야에 통상의 지식을 가진 사람이면 잘 알 수 있는 바와 같이, 회전하는 에지의 위치변화를 도시한 결과는 사인곡선(sinusoidal)일 것이며, 이것은 도 20에 도시된다. 더욱이, 감소하는 사인곡선(88)이 증가하는 사인곡선(89)과 교차하는 포인트(100)는 정렬될 때 에지의 위치를 정확하게 정한다. 결과적으로, 측정과정이 완료된 후 부품은 최고도의 정밀도로 사인곡선(88, 89)의 교차점으로 회전되어 되돌아갈 수 있다.
또한, 중심을 찾는 알고리즘이 부품 정렬을 결정하는데 사용될 수 있다. 부품의 대략적인 각도는 임의의 개수의 수단에 의해 결정될 수 있다. 예를들면, 부품 새도우의 가장 작은 폭이 측정되는 각도는 이러한 알고리즘의 경우 대략적인 각도로서 사용될 수 있다. 도 21에 도시된 바와 같이, 이러한 대략적인 각도주변에 모인 폭측정값(284)의 어떤 고정된 수, n 의 영역이 더 계산하기 위한 데이터세트로서 선택된다. 임계값, WT은 선택된 데이터세트내 폭을 사용하여 계산된다. 도20 에 도시된 바와 같이, 영역은 데이터세트내 개별 폭측정값(284)아래 및 임계폭위로 제한되는 곳으로 규정된다. 다음에, 이러한 영역의 중심(280)이 계산된다. 중심의 각도 θ0는 정렬 각도로서 사용된다. 다음에, 부품(30)은 정확한 각도의 정렬에 배치될 수 있다. 이러한 방법의 잇점은 정렬에 대해 최소폭 각도 방안에 비해 정렬 계산시 잡음영향을 덜 받으며, 또한 보다 높은 해상도를 제공하는 것이다.
상술한 실시예, 방법 및 프로세스를 사용하여 요즈음 요구되는 기술인 회로기판에 부품을 배치하기 위해 부품을 정확하게 위치 지정할 수 있는 매우 신속하고 아주 정확하며 고해상도의 감지 시스템이 이루어진다. 본 기술분야에 통상의 지식을 가진 사람이면 도시되고 기술된 많은 실시예에서 다양한 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 이러한 모든 변경 및 수정은 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않게 이루어진다.

Claims (24)

  1. 제 1 부품 축과 제 2 부품 축을 제공하는 부품을 정렬하기 위한 것으로, 상기 제 1 및 제 2 부품축은 대체로 서로 교차하는 고 효율 및 고 정밀의 부품 정렬 센서 시스템에 있어서,
    부품 측정 위치에 상기 부품을 선택적으로 배치하는 부품 캐리어와;
    광 에너지가 대체로 상기 부품 측정 위치로 투사되도록 지향된 광원과;
    상기 광원으로부터 광 에너지를 수신하도록 지향된 멀티 요소 센서 어레이로서, 상기 멀티 요소 센서 어레이에 의해 수신된 광 에너지는, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치내에 있을 경우에 상기 부품에 의해 형성된 새도우에 의해 판별되는 상기 멀티 요소 센서 어레이와;
    상기 광원과 상기 부품 측정 위치 사이에 배치되어 있으며, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에 상기 광 에너지가 대체적으로 상기 광 부품 축을 따라 집중되도록 하고, 상기 광 에너지의 실질적인 부분을 포획하도록 고안되어, 대체적으로 협대역인 상기 집중된 광 에너지가 상기 제 1 부품 축을 따라 제공되도록 하며, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 제 1 부품 축을 따르는 초점이 맞추어진 이미지와 상기 제 2 부품 축을 따르는 새도우를 상기 멀티 요소 센서 어레이로 투사하는 광 요소; 및
    상기 부품의 각도 및 좌표 위치를 계산하는 것으로, 상기 멀티 요소 센서 어레이에 의해 수신된 광 에너지를 나타내는 데이터를 수집하는 수단과, 상기 데이터를 분석하여 상기 부품의 바른 정렬을 판정하는 수단을 포함하는 처리 수단을 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드를 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드를 포함하는 부품 정렬 센서 시스템
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 요소는 개구가 있는 광 필터와 시준 렌즈 및 제 1 실린더 렌즈를 포함하고, 상기 개구가 있는 광 필터는 상기 발광 다이오드와 상기 시준 렌즈 사이에 배치되며, 상기 시준 렌즈는 상기 개구가 있는 광필터와 상기 제 1 실린더 사이에 배치되고, 상기 제 1 실린더 렌즈는 상기 시준 렌즈와 상기 부품 측정 위치 사이에 배치되며, 상기 시스템은 상기 부품 측정 위치에 있는 상기 부품과 상기 멀티 요소 센서 어레이 사이에 배치된 제 2 실린더 렌즈를 더 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 광 요소는 네거티브 렌즈와, 시준 렌즈 및 제 1 실린더 렌즈를 포함하며, 상기 네거티브 렌즈는 상기 광역 발광 다이오드와 상기 시준 렌즈 사이에 배치되고, 상기 시준 렌즈는 상기 네거티브 렌즈와 상기 제 1 실린더 렌즈 사이에 배치되며, 상기 제 1 실린더 렌즈는 상기 시준 렌즈와 상기 부품 측정 위치 사이에 배치되고, 상기 시스템은 상기 부품 측정 위치에 있는 상기 부품과 상기 멀티 요소 센서 어레이 사이에 배치된 제 2 실린더 렌즈를 더 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 요소는 시준 렌즈와 제 1 실린더 렌즈를 포함하며, 상기 시준 렌즈는 상기 발광 다이오드와 상기 제 1 실린더 렌즈 사이에 배치되고, 상기 제 1 실린더 렌즈는 상기 시준 렌즈와 상기 부품 측정 위치 사이에 배치된 부품 정렬 센서 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 부품 측정 위치에 있는 상기 부품과 상기 멀티 요소 센서 어레이 사이에 배치된 제 2 실린더 렌즈를 더 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 요소는 시준 렌즈와 제 1 실린더 렌즈를 포함하며, 상기 시준 렌즈는 상기 광원과 상기 제 1 실린더 렌즈 사이에 배치되고, 상기 제 1 실린더 렌즈는 상기 시준 렌즈와 상기 부품 측정 위치 사이에 배치된 부품 정렬 센서 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 부품 측정 위치에 있는 상기 부품과 상기 멀티 요소 센서 어레이 사이에 배치된 제 2 실린더 렌즈를 더 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서 시스템은 적어도 두 개의 부품을 정렬하도록 고안된 부품 정렬 센서 시스템.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 멀티 요소 센서 어레이는 적어도 두 개의 멀티 요소 센서 어레이를 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 광원과 상기 부품 측정 위치 사이에 배치된 다수의 광 요소를 포함하며, 상기 다수의 광 요소는, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 광 에너지가 대체적으로 상기 광 부품 축을 따라 집중되도록 하고, 상기 광 에너지의 실질적인 부분을 포획하도록 고안되어, 대체적으로 협대역인 상기 집중된 광 에너지가 상기 제 1 부품 축을 따라 제공되도록 하며, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 제 1 부품 축을 따르는 초점이 맞추어진 이미지와 상기 제 2 부품 축을 따르는 새도우를 상기 멀티 요소 센서 어레이로 투사하는 부품 정렬 센서 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드를 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 센서 시스템은 적어도 두 개의 부품을 정렬하도록 고안된 부품 정렬 센서 시스템.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 멀티 요소 센서 어레이는 적어도 두 개의 멀티 요소 센서 어레이를 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 광원은 단일 광원인 부품 정렬 센서 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드를 포함하는 부품 정렬 센서 시스템.
  18. 제 1 부품 축과 제 2 부품 축을 제공하는 부품을 검출하기 위한 것으로, 상기 제 1 및 제 2 부품축은 대체로 서로 교차하여 부품 뷰잉 평면을 제공하며, 상기 부품은 상기 제 1 축을 따라 부품 폭을 제공하고 상기 제 2 축을 따라 부품 높이를제공하는 부품 검출 시스템에 있어서,
    광을 제공하는 대체적인 포인트 광원과;
    상기 광원과 관련되게 지향된 검출기로서, 상기 광원과 상기 검출기 사이에 진행 경로를 제공하는 상기 검출기와;
    상기 광원과 상기 검출기 사이의 광 경로내의 부품 측정 위치에 부품을 선택적으로 배치하는 부품 캐리어; 및
    상기 부품을 통과하는 광을 수신하고, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 배치될 경우에, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 부품 뷰잉 평면을 상기 제 2 축을 따라 초점이 맞추어진 이미지로서 그리고 상기 제 1 축을 따라 새도우로서 상기 검출기에 투사하는 렌즈를 포함하는 부품 검출 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 광원과 상기 부품 사이에 배치된, 상기 광원을 시준하는 시준 렌즈를 더 포함하는 부품 검출 시스템.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 부품 측정 위치에 있는 광 스트립내에 상기 시준된 소오스 광을 포커싱하는 렌즈를 더 포함하고, 상기 광 스트립은, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 부품의 폭을 때리는 부품 검출 시스템.
  21. 제 1 부품 축과 제 2 부품 축을 제공하는 부품을 검출하기 위한 것으로, 상기 제 1 및 제 2 부품축은 대체로 서로 교차하여 부품 뷰잉 평면을 제공하며, 상기 부품은 상기 제 1 축을 따라 부품 폭을 제공하고 상기 제 2 축을 따라 부품 높이를 제공하는 부품 검출 시스템에 있어서,
    광 진행 경로를 따라 비 시준된 광을 제공하는 광원과;
    상기 광 진행 경로내에 배치된 검출기와;
    상기 광원과 상기 검출기 사이의 광 경로내의 부품 측정 위치에 부품을 선택적으로 배치하는 부품 캐리어; 및
    상기 부품과 상기 검출기 사이의 상기 광 경로내에 배치되어, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 제 1 및 제 2 축중 어느 하나를 따라 상기 검출기로 상기 부품의 이미지를 투사하고, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에, 상기 제 1 및 제 2 축중 다른 하나를 따라 상기 검출기로 상기 부품의 이미지를 투사하는 렌즈 수단을 포함하는 부품 검출 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 시스템은, 상기 광원과 상기 부품 사이의 상기 광경로내에 배치되어,상기 부품의 상기 폭을 가로질러 상기 부품의 에지를 지나가도록 광 스트라이프를 지향시키는 부품 검출 시스템.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 시스템은 상기 렌즈 수단과 상기 검출기 사이에 배치되어, 상기 검출기로 부터의 이미지를 폴딩(folding)하고, 상기 폴딩된 이미지를 상기 검출기로 지향시키는 폴딩(folding) 수단을 더 포함하는 부품 검출 시스템.
  24. 제 21 항에 있어서,
    상기 검출기 부품은 서로 대치된 제 1 및 제 2 측면을 가지며, 상기 부품이 상기 부품 측정 위치에 있을 경우에 상기 부품의 제 1 측면이 상기 광원과 마주보고 상기 제 2 측면이 상기 검출기와 마주보도록 상기 부품 측정 위치가 상기 광원과 상기 검출기 사이에 배치되는 부품 검출 시스템.
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