JP2008177451A - 直動装置および電子部品実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】稼動時におけるリニアブロック内の複数のボール列にかかる荷重変動を抑制した直動装置を提供する。
【解決手段】２つに分割された板状体１２ａ、１２ｂをスライド部材１２ｃにより連結してスライダ１２を構成し、板状体１２ａ、１２ｂにそれぞれリニアブロック１５を設けた。これにより、スライダ１２に熱変形が生じた場合であっても、スライド部材１２ｃによるスライド幅が伸び代となってスライダ１２の熱変形による伸びを内部吸収することで、リニアブロック１５をリニアレール１１周りに回転させようとするローリング荷重の発生を抑制することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、リニアモータを駆動源とする直動装置および直動装置を備えた電子部品実装装置に関するものである。

電子部品の実装分野においては、電子部品をピックアップして基板に移載する実装ヘッドの移動装置を備えた実装装置が広く用いられている。この移動装置としては、直交方向をそれぞれの移動方向とする直動装置を組み合わせた直交ロボットが一般的に用いられ、それぞれの直動装置の移動長さを直交する２辺とする矩形領域を実装ヘッドの移動領域としている。一般に直動装置は、一方向に延伸されたビームと、ビームに沿って移動するスライダとで構成され、スライダ側に配置した可動子とビーム側に配置した固定子を対向させたリニアモータを駆動源としている。また、スライダの直線移動を補助するリニアガイドが設けられ、ビーム側に一方向に延伸されたリニアレールが配置され、スライダ側にリニアレールに沿って移動するリニアブロックが配置されている。

直動装置の駆動時には可動子に内蔵されたコイルに通電を行うため、可動子から発熱してスライダに熱変形が生じることがある。従来、この熱変形を極小化するため、放熱を促す放熱フィンや通気を促す空気溝を設けたり、スライダと可動子との接触部に断熱材を用いた直動装置が知られている（特許文献１参照）。
特開２００５−６４４１８号公報

スライダの直線移動を補助するリニアガイドは非常に精密な構造であるため、品種の選定にあたっては、所定の性能を発揮し、また寿命を全うできるように十分な荷重計算を行っているが、スライダの熱変形に起因するリニアレールとリニアブロックの位置ずれにより生じる偏荷重は考慮されていない。この偏荷重によりリニアガイドには局所的に過大な負荷がかかるため、破損や偏摩耗などが生じて想定した期間に遥かに満たない期間で寿命が尽きてしまっていた。

このようなスライダの熱変形を従来知られている直動装置で回避しようとすると、放熱フィンや断熱材を大型化、高密度化する方向での対応となるため、駆動部であるスライダの重量が増加して移動性の悪化を招来してしまう。

そこで本発明は、稼動時におけるリニアブロック内の複数のボール列にかかる荷重変動を抑制した直動装置および電子部品実装装置を提供することを目的とする。

請求項１記載の直動装置は、ビームと、前記ビームに一方向に延伸して設けられた一対の平行リニアレールと、前記一対の平行リニアレールのそれぞれに前記一方向において移動自在に装着された一対のリニアブロックと、前記一対のリニアブロックに跨設されたスライダと、前記ビーム側であって前記一対の平行レールの間に設けられた固定子と、前記スライダ側であって前記一対のリニアブロックの間に前記固定子と対向して設けられた可動子を備え、前記スライダと前記一対のリニアブロックのうち少なくとも何れか一方のリニアブロックとの連結箇所に前記スライダの熱変形による伸び代を確保するスライド部材を配した。

請求項２記載の電子部品実装装置は請求項１に記載の直動装置を備えた電子部品実装装置であって、前記スライダに装着した実装ヘッドによりピックアップした電子部品を基板に移載する。

本発明によれば、スライダとリニアブロックとの連結箇所にスライダの熱変形による伸び代を確保するスライド部材を配することで、スライダの熱変形に起因するローリング荷重の発生によりリニアブロック内の複数のボール列に想定外の荷重がかかる事態を回避することができるので、リニアブロックとリニアレールの寿命を可能な限り想定期間まで延命させることが可能となり、交換スパンを長期化できることによるコストの低減が期待できる。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態の電子部品実装装置の斜視図、図２は本発明の実施の形態の直動装置の斜視図、図３は図２のＡＡ断面図、図４は本発明の実施の形態のスライダとリニアブロックの連結箇所を示す側面図、図５は本発明の実施の形態の直動装置の側面図である。

最初に、本発明の実施の形態の電子部品実装装置について説明する。図１において電子部品実装装置１は、基台２に設けられた基板搬送装置３、電子部品供給装置４、第１の直動装置５、第２の直動装置６、実装ヘッド７とで構成されている。基台２の上部は作業面２ａとなっており、この作業面２ａ上で実装作業が行われる。基板搬送装置３は、基板８をＸ方向に搬送する機能を有するとともに作業面２ａ上の所定の位置に保持する機能を有し、実装前の基板８を電子部品実装装置１に搬入し、実装中は所定の位置で保持した状態を維持し、実装後は基板８の保持を解除して電子部品実装装置１から搬出する。なお、以下の説明においては、基板８の搬送方向をＸ方向とし、これに水平面内で直交する方向をＹ方向としている。電子部品供給装置４は、内部に収納した複数の電子部品を所定の個数ずつ所定の姿勢で外部に供給する機能を備え、基板搬送装置３の両側方に複数個ずつ配置されている。

第１の直動装置５および第２の直動装置６は、基台２の上方で対象物をそれぞれＹ方向およびＸ方向に直線的に移動させる機能を備えている。第２の直動装置６は、その一端が第１の直動装置５に支持されており、第１の直動装置５の駆動によりＹ方向に移動することができる。また、第２の直動装置６には実装ヘッド７が支持されており、第２の直動装置６の駆動によりＸ方向に移動することができる。従って、第１の直動装置５と第２の直動装置６の駆動の組み合わせにより、実装ヘッド７を基台２の上方で水平移動させ、任意の位置に位置決めすることができる。実装ヘッド７には電子部品を吸着するノズル９が設けられており、ノズル９は電子部品供給装置４から供給された電子部品を吸着して基板４に実装する。

次に、本発明の実施の形態の第２の直動装置について説明する。図２および図３において、第２の直動装置６は、作業面２ａ（図１参照）と平行なＸ方向に延伸されたビーム１０と、ビーム１０のＹ方向における側部にＸ方向に延伸して設けられた一対のリニアレール１１と、一対のリニアレール１１にＸ方向に移動可能に設けられたスライダ１２と、スライダ１２に設けられた可動子１３とビーム１０に設けられた固定子１４からなるリニアモータとで構成されている。

ビーム１０は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ＝Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）製の筒状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃをＺ方向に積層し、第１の筒状体１０ａの両側に第２の筒状体１０ｂ、１０ｃを配置した構成となっ
ている。ＣＦＲＰは、炭素繊維にエポキシ樹脂などの高分子材料を含浸させた後、硬化させて成形した複合材料であり、強度に優れ、鉄やアルミ等の金属に比べ、同等の強度、剛性であっても、より軽量化できるという特長を有しているが、炭素繊維の加工が難しく、複雑な形状に成形することは困難であり、コストアップの要因となる。ビーム１０は、個々の断面形状は比較的単純な矩形状である３つの筒状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃをＺ方向に積層して一体的に成形するため、製造工程において特別な困難性はない。

第２の筒状体１０ｂ、１０ｃのスライダ１２と相対する面には、複数のボール転動面１１ａ（図４参照）を備えたリニアレール１１がＸ方向に延伸して設けられている。また、第１の筒状体１０ａのスライダ１２と相対する面には、リニアモータを構成する固定子１４がＸ方向に延伸して設けられている。なお、第１の筒状体１０ａと第２の筒状体１０ｂ、１０ｃのスライダ１２と相対する面には一対のリニアレール１１とリニアモータのＹ方向における寸法差に応じた段差が必要となるため、第１の筒状体１０ａは第２の筒状体１０ｂ、１０ｃに比べＹ方向における延長が短くなっている。

スライダ１２の第２の筒状体１０ｂ、１０ｃと相対する箇所には、複数のボール列１５ａ（図４参照）を内蔵したリニアブロック１５が設けられている。リニアブロック１５は、内蔵されたボール列１５ａがボール転動面１１ａに正確に係合するようにリニアレール１１に取り付けられ、ボール列１５ａがボール転動面１１ａを転動することでリニアレール１１に沿ってＸ方向に移動自在となっている。スライダ１２の第１の筒状体１０ａと相対する箇所には、リニアモータを構成する可動子１３がスペーサ１６を介して設けられており、可動子１３は固定子１４と所定の距離（ギャップ）をおいて対向した状態にある。可動子１３のスライダ１２と対向する側には、可動子１３とスライダ１２の間に形成された空隙部ａに突出する放熱フィン１７がＸ方向に沿って設けられている。ビーム１０の先端部には、可動子１３とスライダ１２の間に形成された空隙部ａにＸ方向の空気流を形成するファン１８が設けられている。

直動機構を構成するリニアモータの可動子１３側に内蔵されたコイルに電気を流して磁束を発生させると、固定子１４に配列された永久磁石との間で作用する引斥力により可動子１３に推進力が発生し、スライダ１２がＸ方向に移動する。可動子１３には電流により発熱が生じるが、空隙部ａに存在する空気層による断熱効果と、セラミックやフェノール樹脂等の熱伝導率の小さい断熱性素材で形成されるスペーサ１６による断熱効果によりスライダ１２側に伝達しにくくなっている。また、スライダ１２が移動する際には、空隙部ａが通気孔の役割を果たすため、電流により可動子１３に発生した熱が放熱フィン１７から発散される。なお、スライダ１２の停止中には、可動子１３の発熱が放熱フィン１７の周囲に滞留してしまうので、ファン１８の駆動により空隙部ａにＸ方向の空気流を強制的に形成して放熱を促す。

これにより、スライダ１２側への伝熱が抑制され、熱変形に起因するスライダ１２のスムーズな移動の阻害を防止し、位置決め精度の向上とリニアブロック１５とリニアレール１１の長寿命化を図ることができる。さらに、可動子１３と固定子１４の間には磁力による強力な吸引力が作用するが、ビーム１０を構成する３つの筒状体１０ａ、１０ｂ、１０ｃの対向する側面で形成される２つの接合部１９がリブの役割を果たし、可動子１３と固定子１４の間のギャップの変位や一対のリニアレール１１の変形を極小化し、可動子１３と固定子１４の間に作用する吸引力に起因するスライダ１２のスムーズな移動の阻害と位置決め精度の悪化を防止している。なお、空気流形成手段であるファン１８は、放熱フィン１７に近接している程より強力な空気流を形成することができるので、スライダ１２に一体的に設け、スライダ１２の位置に関わらず常に放熱フィン１７に近接した状態に維持することで高い放熱効果が期待できる。

次に、スライダ１２とリニアブロック１５との連結箇所の構造および作用について説明する。図３において、スライダ１２は、鉛直方向に２つに分割された板状体１２ａ、１２ｂをスライド部材１２ｃを用いて連結して構成されている。板状体１２ａ、１２ｂにはそれぞれリニアブロック１５が設けられ、この一対のリニアブロック１５にスライダ１２が跨設された状態となっている。スライド部材１２ｃは板状体１２ａに設けられたリニアブロック１５の近傍に配され、板状体１２ｂに可動子１３が設けられている。

図４（ａ）において、スライド部材１２ｃは板状体１２ａから下方に突出して設けられている。板状体１２ｂの上部には、嵌挿されたスライド部材１２ｃを鉛直方向にスライドさせるための嵌挿孔１２ｄが上方に開口して形成されている。板状体１２ａと板状体１２ｂは、嵌挿孔１２ｄに嵌挿されたスライド部材１２ｃのスライドにより鉛直方向における相対的な位置を変更することができる。

図４（ｂ）において、スライダ１２に熱変形が発生した場合、嵌挿孔１２ｄとスライド部材１２ｃによるスライド幅が伸び代となって板状体１２ｂのみを変位させ（矢印ｂ参照）、板状体１２ａを変位させることなくスライダ１２の熱変形による鉛直方向への伸びを内部吸収する。従って、板状体１２ａにはスライダ１２の熱変形に起因する熱応力がほとんど作用しないので、リニアブロック１５をリニアレール１１周りに回転させようとするローリング荷重の発生を抑制することができる。

リニアブロック１５とリニアレール１１の品種の選定にあたっては、所定の性能を発揮し、また所定の寿命を全うできるように動定格荷重および定格寿命の計算を行っている（ＪＩＳ Ｂ １５１８参照）。しかし、スライダの熱変形に起因するローリング荷重が発生するような使用条件化では、当初想定した範囲外の荷重がリニアレール１１とリニアブロック１５の接触部である各ボール列１５ａに作用することがあり、想定期間に満たない期間で寿命が尽きてしまうことがあった。

本実施の形態の直動装置では、スライダ１２は、鉛直方向に２つに分割された板状体１２ａ、１２ｂをスライド部材１２ｃを用いて接離可能に連結して構成されるので、スライダ１２の熱変形に起因するローリング荷重の発生を抑制し、各ボール列１５ａに想定外の荷重がかかる事態を回避している。これにより、リニアブロック１５とリニアレール１１の寿命を可能な限り想定期間まで延命させることができるので、交換スパンを長期化できることによるコストの低減が期待できる。また、想定外の荷重変動を抑制できるので、リニアブロック１５の移動性と直進精度の向上も期待できる。近年、移動性やコスト面からスライダ１２は軽量なアルミで形成されることが多いが、アルミは線膨張係数が大きく断熱や放熱だけでは熱変形を完全に回避するのは困難であるので、上述したスライダ１２を用いることで熱変形による悪影響を効果的に排除することができる。

なお、スライド部材１２ｃを下方に位置するリニアブロック１５の近傍に配し、板状体１２ａに可動子１３を設けることも可能であるが、上述したようにスライド部材１２ｃを上方に位置するリニアブロック１５の近傍に配し、板状体１２ｂに可動子１３を設けることで、スライダ１２の主体となる板状体１２ｂは上方に変位することになり、例えば、板状体１２ｂに装着した実装ヘッドにより下方にある基板に電子部品を実装する際の実装高さが安全側、すなわち基板から離れる側に確保され、実装品質管理の点で有利である。

第１の直動装置５についても、以上説明した第２の直動装置６と同様の構成となっており、Ｙ方向に延伸されたビーム２５と、ビーム２５のＸ方向における側部にＹ方向に延伸して設けられた一対のリニアレール２６と、一対のリニアレール２６にＹ方向に移動可能に設けられたスライダ２７を備え、直動機構としてリニアモータを備えている。スライダ２７のリニアレール２６と対向する側には一対のリニアレール１１と係合するリニアブロ
ック２８が設けられ、スライダ２７はリニアモータの駆動によりＹ方向に摺動自在となっている。第２の直動装置６は、その一端がスライダ２７に片持ち支持された状態で装着されている。

図３において、スライダ１２の上部はビーム１０の上方を通って反対側方に突出する上部アーム１２ａとなっており、ビーム１０の上方となる箇所に実装ヘッド７の動作制御を行う制御基板２０が設けられている。制御基板２０は、電子部品実装装置１全体の動作制御を行う図示しない主制御部や電源と接続されており、その接続ケーブルがビーム１０を挟んでスライダ１２の反対側方に配線されている。図４において、ビーム１０のＹ方向における側方には、接続ケーブル２１の配線経路を形成する配線ボックス２２が設けられている。

配線ボックス２２は長尺の筒状体であり、その一端はスライダ１２の上部アーム１２ａの突出部に固定され、他端は下部ブラケット２３に固定されている。下部ブラケット２３は、ビーム１０の下部から側方にＸ方向に延伸して設けられ、配線ボックス２２の他端は、ビーム１０が第１の直動装置５に支持される一端側に向けて開口するように固定されている。制御基板２０に接続された配線ケーブル２１は、ビーム１０の一端側に導かれ、第２の直動装置５を経由して主制御部と接続される。配線ボックス２２は可撓性を備えており、スライダ１２のＸ方向への移動に伴って移動する一端と下部ブラケット２３に固定された他端の間に形成される接続ケーブル２１の配線経路を容易に変更できるようになっている。

このように、第２の直動装置６では、比較的重量が嵩む制御基板２０、実装ヘッド７、接続ケーブル２１の配線経路の重量バランスを考慮してビーム１０の所定の位置に配設することで、ビーム１０に作用する重量バランスを整えている。特に重量バランスの中心をビーム１０の断面中心に近づけることで、スライダ２７をリニアレール２６に係合させるリニアブロック２８にかかる荷重が略均一になるので、リニアレール２６とリニアブロックとの間に生じる摩擦力のむらをなくしスライダ２７のスムーズな移動を実現するとともに偏磨耗を防止し、耐久性の向上を図ることができる。また、ビーム１０の捻れ等の変形が抑制されるので、スライダ１２のスムーズな移動の阻害と位置決め精度の悪化を防止することができる。なお、制御基板２０は、ビーム１０の下方に配設することも可能であり、そのＹ方向における位置を実装ヘッド７および接続ケーブル２１の配線経路の重量バランスを考慮して変位させてもよい。

本発明によれば、スライダとリニアブロックとの連結箇所にスライダの熱変形による伸び代を確保するスライド部材を配することで、スライダの熱変形に起因するローリング荷重の発生によりリニアブロック内の複数のボール列に想定外の荷重がかかる事態を回避することができるので、リニアブロックとリニアレールの寿命を可能な限り想定期間まで延命させることが可能となり、交換スパンを長期化できることによるコストの低減が期待できるという利点を有し、実装分野において有用である。

本発明の実施の形態の電子部品実装装置の斜視図 本発明の実施の形態の直動装置の斜視図 図２のＡＡ断面図 本発明の実施の形態のスライダとリニアブロックの連結箇所を示す側面図 本発明の実施の形態の直動装置の側面図

符号の説明

１ 電子部品実装装置
５ 第１の直動装置
６ 第２の直動装置
７ 実装ヘッド
８ 基板
１０、２５ ビーム
１１、２６ リニアレール
１２、２７ スライダ
１２ｃ スライド部材
１２ｄ 嵌挿孔
１５、２８ リニアブロック
１３ 可動子
１４ 固定子

Claims (2)

1. ビームと、前記ビームに一方向に延伸して設けられた一対の平行リニアレールと、前記一対の平行リニアレールのそれぞれに前記一方向において移動自在に装着された一対のリニアブロックと、前記一対のリニアブロックに跨設されたスライダと、前記ビーム側であって前記一対の平行レールの間に設けられた固定子と、前記スライダ側であって前記一対のリニアブロックの間に前記固定子と対向して設けられた可動子を備え、
   前記スライダと前記一対のリニアブロックのうち少なくとも何れか一方のリニアブロックとの連結箇所に前記スライダの熱変形による伸び代を確保するスライド部材を配した直動装置。
2. 請求項１に記載の直動装置を備えた電子部品実装装置であって、
   前記スライダに装着した実装ヘッドによりピックアップした電子部品を基板に移載する電子部品実装装置。

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