特許 7219990 振動検出システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-02-01

(45)【発行日】2023-02-09

(54)【発明の名称】振動検出システム

(51)【国際特許分類】

   G01H 9/00 20060101AFI20230202BHJP

【ＦＩ】

G01H9/00 C

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021544016

(86)(22)【出願日】2020-09-03

(86)【国際出願番号】 JP2020033353

(87)【国際公開番号】W WO2021045135

(87)【国際公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-03-01

(31)【優先権主張番号】P 2019160471

(32)【優先日】2019-09-03

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】519294332

【氏名又は名称】株式会社新川

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】弁理士法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】カークビー マイケル

(72)【発明者】

【氏名】中野 晶太

(72)【発明者】

【氏名】宗像 広志

【審査官】亀澤 智博

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２２１１５９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－００３３９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０５２５８７８３（ＣＮ，Ａ）

【文献】特表２０１２－５１６４３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００８－２８６７９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－０６８６７３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｈ ９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

表面が非鏡面の観測対象物の振動を検出する振動検出システムであって、
前記観測対象物にレーザ光を照射するレーザ光源と、
前記レーザ光が照射された前記観測対象物を撮像して画像を取得する撮像素子を有するカメラと、
前記カメラが撮像した画像を処理して振動発生個所を表示する画像処理装置と、を含み、
前記カメラは、撮像の際の露光時間が前記観測対象物の振動周期よりも長く、前記観測対象物の前記表面で反射した前記レーザ光の干渉により発生する干渉パターンを含む画像として取得し、
前記画像処理装置は、前記カメラが取得した前記観測対象物の非振動時の干渉パターンを含む画像と振動時の干渉パターンを含む画像との偏差から、振動発生画素を特定し前記観測対象物の画像に特定した振動発生画素に対応する表示を含ませた観測画像を出力すること、
を特徴とする振動検出システム。

【請求項3】

請求項１に記載の振動検出システムであって、
前記画像処理装置は、特定した振動発生画素の周囲の所定範囲に所定個数の他の振動発生画素が存在する場合には、その画素の振動発生画素の特定を維持し、所定範囲に所定個数の振動発生画素が存在しない場合には、その画素の振動発生画素の特定を取り消すこと、
を特徴とする振動検出システム。

【請求項4】

請求項１又は３に記載の振動検出システムであって、
前記レーザ光源は、前記観測対象物に単一波長の平行レーザ光を照射すること、
を特徴とする振動検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、観測対象物の振動を検出する振動検出システム、特に、表面が非鏡面の観測対象物の振動を検出する振動検出システムに関する。

【背景技術】

【0002】

ワイヤボンディング装置において、キャピラリ等のツールの超音波振動を観測する場合には、レーザドップラー振動計を用いる方法が多く用いられている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１３－１２５８７５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、観測対象物の二次元面での振動をリアルタイムに検出することが求められている。しかし、特許文献１に記載された方法では、振動の測定箇所は、レーザ光を照射した点又は線上に限られ、二次元面での振動をリアルタイムに観測することができなかった。

【0005】

そこで、本発明は、観測対象物の二次元面での振動をリアルタイムに検出することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明の振動検出システムは、表面が非鏡面の観測対象物の振動を検出する振動検出システムであって、観測対象物にレーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光が照射された観測対象物を撮像して画像を取得する撮像素子を有するカメラと、カメラが撮像した画像を処理して振動発生個所を表示する画像処理装置とを含むことを特徴とする。

【0007】

このように、カメラで撮像した二次元の画像に基づいて振動発生個所を特定するので、観測対象物の二次元面での振動をリアルタイムに検出することができる。

【0008】

本発明の振動検出システムにおいて、カメラは、撮像の際の露光時間が観測対象物の振動周期よりも長く、観測対象物の表面で反射したレーザ光の干渉により発生する干渉パターンを含む画像として取得し、画像処理装置は、カメラが取得した観測対象物の非振動時の干渉パターンを含む画像と振動時の干渉パターンを含む画像との偏差から、振動発生画素を特定し、観測対象物の画像に特定した振動発生画素に対応する表示を含ませた観測画像を出力してもよい。

【0009】

表面が非鏡面の観測対象物にレーザ光を照射すると、非鏡面反射によるレーザ光の干渉による干渉パターンがカメラの撮像素子の表面に出現する。カメラの撮像素子は、この干渉パターンの画像として取得する。撮像の際のカメラの露光時間は観測対象物の振動周期よりも長いので、観測対象物が振動すると、カメラは、ぶれた干渉パターンの画像を取得する。干渉パターンの画像がぶれると、非振動の場合に比べて画素の明るさの強度が変化する。このため、振動時の明るさの強度が非振動時の明るさの強度から変化している画素を振動発生画素と特定し、観測対象物の画像に特定した振動発生画素に対応する表示を含ませた観測画像を出力することにより、観測対象物の振動部分を可視化して表示することができる。

【0010】

本発明の振動検出システムにおいて、画像処理装置は、特定した振動発生画素の周囲の所定範囲に所定個数の他の振動発生画素が存在する場合には、その画素の振動発生画素の特定を維持し、所定範囲に所定個数の振動発生画素が存在しない場合には、その画素の振動発生画素の特定を取り消してもよい。

【0011】

これにより、ノイズによって実際に振動していない画素を振動発生画素と特定することを抑制して精度よく振動の検出を行うことができる。

【0012】

本発明の振動検出システムにおいて、レーザ光源は、観測対象物に単一波長の平行レーザ光を照射してもよい。

【0013】

単一波長の平行レーザ光を照射することにより、非鏡面反射によるレーザ光の干渉パターンがより明確に出現し、カメラで撮像する斑点模様がより明確になる。これにより、より精度よく振動の検出を行うことができる。

【発明の効果】

【0014】

本発明は、観測対象物の二次元面での振動をリアルタイムに検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】実施形態の振動検出システムの構成を示す系統図である。

【図2】キャピラリの表面で反射した平行レーザ光がカメラの撮像素子に入射する状態を示す模式図である。

【図3】カメラが撮像する画像を示す模式図である。

【図4】カメラの撮像素子の画素を示す模式図である。

【図5】画像処理装置での画像処理を示すフローチャートである。

【図6】モニタに出力された観測画像を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しながら実施形態の振動検出システム１００について説明する。なお、以下の説明では、振動検出システム１００は、ワイヤボンディング装置１０の超音波ホーン１２やキャピラリ１３を観測対象物としてこれらの振動を検出することとして説明する。

【0017】

最初に図１を参照しながら観測対象物である超音波ホーン１２やキャピラリ１３を含むワイヤボンディング装置１０について簡単に説明する。ワイヤボンディング装置１０は、ボンディングアーム１１と、超音波ホーン１２と、キャピラリ１３と、超音波振動子１４と、ボンディングステージ１６とを含んでいる。

【0018】

超音波ホーン１２は、先端にキャピラリ１３が取付けられ、後端に超音波振動子１４が取付けられる。超音波ホーン１２は、超音波振動子１４が発生する超音波振動によって超音波振動し、キャピラリ１３を超音波振動させるものである。超音波ホーン１２は、ボンディングアーム１１に接続されており、図示しない駆動機構によってキャピラリ１３がボンディングステージ１６に対して接離する方向に駆動される。ボンディングステージ１６は、表面に半導体素子１７が取付けられた基板１８を吸着固定する。ワイヤボンディング装置１０は、図示しない駆動機構によってキャピラリ１３の先端を半導体素子１７の電極の上に押し付けてワイヤ１５を半導体素子１７の電極にボンディングし、その後、キャピラリ１３を基板１８の電極の上に移動させ、キャピラリ１３の先端を基板１８の電極の上に押し付けてワイヤ１５を基板１８の電極にボンディングする。これにより、ワイヤボンディング装置１０は、半導体素子１７の電極と基板１８の電極との間をループワイヤ１９で接続する。従って、ボンディング動作中には、超音波ホーン１２とキャピラリ１３は、超音波振動している。実施形態の振動検出システム１００は、超音波ホーン１２やキャピラリ１３の二次元面での振動の検出、表示を行うものである。超音波ホーン１２やキャピラリ１３の表面は非鏡面で表面には細かな凹凸がある。

【0019】

図１に示すように、振動検出システム１００は、レーザ光源２０と、カメラ３０と、画像処理装置４０とで構成される。

【0020】

レーザ光源２０は、ビームエクスパンダによってレーザ発振器から出力された単一波長のレーザ光を平行レーザ光２１に変換し、単一波長の平行レーザ光２１を超音波ホーン１２やキャピラリ１３に照射するものである。カメラ３０は撮像素子３１を含み、平行レーザ光２１が照射された超音波ホーン１２やキャピラリ１３の二次元の画像を撮像する。画像処理装置４０は、カメラ３０が撮像した二次元の画像を処理して振動発生個所を特定し、振動部分の表示を他の部分の表示と異ならせた二次元の観測画像１２ｅ，１３ｅ（図６参照）をモニタ５０に出力、表示させるものである。画像処理装置４０は、内部に情報処理を行うプロセッサ４１とメモリ４２とを含むコンピュータである。

【0021】

次に図２～図６を参照しながら、実施形態の振動検出システム１００の動作について説明する。

【0022】

図２に示すように、キャピラリ１３の表面１３ａは非鏡面で表面１３ａには細かな凹凸があるので、平行レーザ光２１をキャピラリ１３の表面１３ａに照射すると、平行レーザ光２１はキャピラリ１３の表面１３ａでランダムな方向に反射する。この非鏡面反射による反射レーザ光２２は、互いに干渉し、カメラ３０の撮像素子３１の表面に反射レーザ光２２の干渉パターンが出現する。

【0023】

干渉パターンは、光が強めあう明るい部分と光を弱めあう暗い部分とを有するため、カメラ３０の撮像素子３１は、図３に示すように、干渉パターンをキャピラリ１３の画像１３ｂの表面に出現した多数の明部３３と暗部３４とで構成された斑点模様の画像１３ｃとして取得する。

【0024】

従って、カメラ３０により超音波ホーン１２とキャピラリ１３とを撮像すると、カメラ３０は、図１３の視野３２の中に示すように、斑点模様のある超音波ホーン１２の画像１２ｂと、斑点模様のあるキャピラリ１３の画像１３ｂとを取得する。画像１２ｂ，１３ｂは、干渉パターンを含む画像である。

【0025】

撮像の際のカメラ３０の露光時間は超音波ホーン１２とキャピラリ１３の超音波振動の振動周期よりも長い。このため、超音波ホーン１２とキャピラリ１３とが超音波振動していると、振動の山となっている領域では露光中に撮像素子３１の上の斑点模様のある超音波ホーン１２の画像１２ｂと、斑点模様のあるキャピラリ１３の画像１３ｂとが矢印９１，９２に示すようにぶれる。一方、振動の節の領域では、超音波ホーン１２とキャピラリ１３とが超音波振動しても露光中に撮像素子３１の上の画像１２ｂと画像１３ｂとはぶれない。

【0026】

露光中に画像１２ｂ，１３ｂがぶれる領域では、撮像素子３１の画素３６の明るさの強度が超音波ホーン１２、キャピラリ１３が超音波振動していない静止状態、或いは非振動状態の明るさの強度に比べて変化する。一例を示すと、振動の山がある領域では画素３６の明るさの強さが非振動時に比べて大きくなる。

【0027】

一方、振動の節となって露光中に画像１２ｂ，１３ｂがぶれない場合には、画像１２ｂ，１３ｂは超音波ホーン１２とキャピラリ１３とが静止状態、或いは、非振動状態の画像１２ａ，１３ｂと略同様となる。このため、露光中に画像１２ｂ，１３ｂがぶれない振動の節の領域では、撮像素子３１の画素３６の明るさの強度は超音波ホーン１２、キャピラリ１３が超音波振動していない静止状態、或いは非振動状態の明るさの強度と略同様となる。

【0028】

そこで、画像処理装置４０のプロセッサ４１は、図４に示すように、超音波振動している際の明るさの強度が超音波振動していない静止時或いは非振動時の明るさの強度から変化している画素３６を振動発生画素３７と特定する。ここで、明るさの強度とは、画素３６の検出する明るさの度合で、例えば、０～２５５の２５６階調で表されるものでもよい。

【0029】

画像処理装置４０は、一度に画像処理を行う視野３２の二次元画像の一領域である画像フレーム３５の各画素３６について以下に説明するような処理を行って振動発生画素３７を特定する。以下の説明では、符号に後に記載する座標（ｘ，ｙ）は、二次元の画像フレーム３５の座標（ｘ，ｙ）を示し、例えば、画素３６（ｘ，ｙ）は座標（ｘ，ｙ）の画素３６を示す。

【0030】

図５のステップＳ１０１に示すように、画像処理装置４０のプロセッサ４１は、メモリ４２に格納したカメラ３０から取得した超音波振動時の二次元画像と静止時或いは非振動時の二次元画像から、超音波振動時の画像フレーム３５ｖと静止時の画像フレーム３５ｓとを読み出す。

【0031】

図５のステップＳ１０２に示すように、プロセッサ４１は、各画素３６（ｘ，ｙ）における超音波振動時の明るさの強度Ｉｖ（ｘ，ｙ）と静止時の明るさの強度Ｉｓ（ｘ，ｙ）との平均値Ｉａ（ｘ，ｙ）を計算する。
平均値Ｉａ（ｘ，ｙ）＝［Ｉｖ（ｘ，ｙ）＋Ｉｓ（ｘ，ｙ）］／２

【0032】

図５のステップＳ１０３に示すように、プロセッサ４１は、各画素３６（ｘ，ｙ）における超音波振動時の明るさの強度Ｉｖ（ｘ，ｙ）と平均値Ｉａ（ｘ，ｙ）との偏差の絶対値の画像フレーム３５における平均値を絶対偏差平均値として算出する。
絶対偏差平均値＝｜Ｉｖ（ｘ，ｙ）－Ｉａ（ｘ，ｙ）｜の画像フレーム３５での平均値

【0033】

図５のステップＳ１０４に示すように、プロセッサ４１は、下記の（式１）により、正規化したピクセル強度の４乗値ＮＩａｖｅ（ｘ，ｙ）を算出する。
ＮＩａｖｅ（ｘ，ｙ）＝
［｜Ｉｖ（ｘ，ｙ）－Ｉａ（ｘ，ｙ）｜／絶対偏差平均値］^４ －－－－ （式１）

【0034】

図５のステップＳ１０５に示すように、プロセッサ４１は、ＮＩａｖｅ（ｘ，ｙ）が１以上となる場合には、その画素３６（ｘ，ｙ）の明るさの強さの変化は有意であると判断し、図５のステップＳ１０６に進んでその画素３６（ｘ，ｙ）を振動発生画素３７（ｘ，ｙ）として特定してステップＳ１０７に進む。プロセッサ４１は、ステップＳ１０７で画像フレーム３５の全ての画素３６（ｘ，ｙ）を処理していないと判断した場合には、ステップＳ１０４に戻って次の画素３６（ｘ，ｙ）の処理を行う。一方、プロセッサ４１は、図５のステップＳ１０５でＮＯと判断した場合には、ステップＳ１０４に戻って次の画素３６（ｘ，ｙ）の処理を行う。プロセッサ４１は、画像フレーム３５の全ての画素３６(ｘ，ｙ)においてＮＩａｖｅ（ｘ，ｙ）を算出し、画像フレーム３５の中の振動発生画素３７（ｘ，ｙ）を特定したら、図５のステップＳ１０７でＹＥＳと判断して図５のステップＳ１０８に進む。

【0035】

図５のステップＳ１０８において、プロセッサ４１は、一つの振動発生画素３７(ｘ，ｙ)の周囲の所定範囲に他の振動発生画素３７（ｘ１，ｙ１）が所定個数だけ存在するか確認する。例えば、所定範囲として振動発生画素３７(ｘ，ｙ)を中心とした５×５の画素３６の正方形のアレイを設定し、この中に、７～８個の他の振動発生画素３７（ｘ１，ｙ１）が存在するかどうかを確認してもよい。そして、図５のステップＳ１０８でＹＥＳと判断した場合には、画素３６（ｘ，ｙ）の明るさの強度の変化は、超音波振動に起因するものと判断して図５のステップＳ１０９に進んで画素３６（ｘ，ｙ）の振動発生画素３７（ｘ，ｙ）としての特定を維持する。

【0036】

一方、アレイの中に、７～８個の他の振動発生画素３７（ｘ１，ｙ１）が存在しない場合には、画素３６（ｘ，ｙ）の明るさの強度の変化は、振動に起因するものではないと判断して図５のステップＳ１１０に進んで画素３６（ｘ，ｙ）の振動発生画素３７（ｘ，ｙ）の特定を取り消す。

【0037】

そして、プロセッサ４１は、振動発生画素３７（ｘ，ｙ）の特定を確定させる。プロセッサ４１は、各画像フレーム３５において上記の処理を行い、撮像素子３１の全ての画素３６（ｘ，ｙ）について振動発生画素３７（ｘ，ｙ）の特定を確定させる。

【0038】

図６に示すように、プロセッサ４１は、超音波ホーン１２、キャピラリ１３の画像に、特定した振動発生画素３７（ｘ，ｙ）に対応する表示を含ませた観測画像１２ｅ，１３ｅを出力することにより、超音波ホーン１２、キャピラリ１３の二次元面での振動を可視化して表示する。

【0039】

観測画像１２ｅ，１３ｅは様々な形式とすることができるが、図５では、一例として、電灯等の非干渉光線を超音波ホーン１２とキャピラリ１３とに照射して取得した一般的な画像の振動発生画素３７に対応する部分に赤い点５２を重ねて表示している。この表示方法によれば、振動の山となっている領域には、多くの赤い点５２が表示され、振動の節になっている部分には赤い点はほとんど表示されない。図５に示す例では、赤い点５２が多く表示されている超音波ホーン１２と、キャピラリ１３の直径が変化する中間部分と、キャピラリ１３の先端部分に振動の山があり、そのほかの部分が振動の節であることがわかる。

【0040】

以上説明したように、実施形態の振動検出システム１００は、超音波ホーン１２やキャピラリ１３の二次元の画像を処理して二次元の観測画像１２ｅ，１３ｅとして表示するので、超音波ホーン１２やキャピラリ１３の二次元面での振動をリアルタイムに検出することができる。

【0041】

以上の説明では、振動検出システム１００は、ワイヤボンディング装置１０の超音波ホーン１２とキャピラリ１３の振動を検出することとして説明したが、ワイヤボンディング装置１０の他の部分の振動の検出にも適用することができる。

【0042】

例えば、図１に示すワイヤボンディング装置１０のボンディングの際に半導体素子１７に平行レーザ光２１を照射して、半導体素子１７の振動を検出することができる。そして、半導体素子１７の振動が大きい場合には、キャピラリ１３からの振動エネルギがボンディング以外の振動に費やされており、ボンディングが良好に行われていないと判断することができる。同様に基板１８の振動が大きいかどうかを検出し、基板１８の振動が大きい場合には、キャピラリ１３からの振動エネルギがボンディング以外の振動に費やされており、ボンディングが良好に行われていないと判断できる。

【0043】

また、振動検出システム１００は、ワイヤボンディング装置１０以外の装置、例えば、ダイボンディング装置等の他の半導体製造装置の各部の振動の検出に適用することができる。

【0044】

以上の説明では、レーザ光源２０は、単一波長の平行レーザ光２１を観測対象物に照射することとして説明したが、これに限らず、波長に少し幅があってもよいし、平行光ではないレーザ光を照射するようにしてもよい。また、レーザ光は、強度に多少のむらがあってもよい。また、以上の説明では、干渉パターンの画像は、多数の明部３３と暗部３４とを含む斑点模様として説明したが、これに限らず、縞模様等他の模様であってもよい。

【0045】

また、観測対象物の振動方向が一方向ではない場合には、レーザ光源２０とカメラ３０とを複数個用意し、多方向から観測対象物にレーザ光を照射すると共に複数のカメラ３０で多方向から画像を撮像することにより、多方向の振動を検出することができる。

【符号の説明】

【0046】

１０ ワイヤボンディング装置、１１ ボンディングアーム、１２ 超音波ホーン、１２ａ，１３ｂ，１３ｃ 画像、１２ｅ，１３ｅ 観測画像、１３ キャピラリ、１３ａ 表面、１４ 超音波振動子、１５ ワイヤ、１６ ボンディングステージ、１７ 半導体素子、１８ 基板、１９ ループワイヤ、２０ レーザ光源、２１ 平行レーザ光、２２ 反射レーザ光、３０ カメラ、３１ 撮像素子、３２ 視野、３３ 明部、３４ 暗部、３５，３５ｖ，３５ｓ 画像フレーム、３６ 画素、３７ 振動発生画素、４０ 画像処理装置、４１ プロセッサ、４２ メモリ、５０ モニタ、５２ 赤い点、１００ 振動検出システム。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】