JP2008288399A - 軸受とこれを使用した実装機 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は部品に作用する衝撃力を低減できる軸受とこれを使用した実装機を提供することを目的とする。
【解決手段】回転軸１１の外周と外側ケーシング１０の内周との間に配置されて気密された気密エリア３０に、第１の気体供給口２５を介して気体２９を供給し、回転軸１１の内周面と上下軸１２の外周面の間に形成された静圧軸受用隙間２３に、回転軸１１に形成された第２の気体供給口２７ａ〜２７ｄを介して気密エリア３０から気体２９を供給するので、回転軸１１と上下軸１２の間の摩擦係数を小さくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は各種の実装機の装着ヘッドなどに使用される軸受に関するものである。

図１３（ａ）に示す部品供給位置１に供給された部品２を、図１３（ｈ）に示す基板搬送経路の上の基板３の実装位置４に実装する実装機では、次の工程で運転されている。
先ず、図１３（ｂ）に示すように、部品供給位置に供給された部品２に向かって装着ヘッド５が降下し、装着ヘッド５のノズル６が部品２を吸着して、図１３（ｃ）に示すように装着ヘッド５が部品供給位置から上昇する。

次いで、図１３（ｄ）に示すように、ノズル６が吸着保持している部品２の姿勢をカメラ７で撮像して認識する。認識した吸着保持中の部品の姿勢と前記実装位置４における部品方向に応じて、図１３（ｅ）に示すようにノズル６をその軸芯回り（矢印８方向）に回転させて、前記実装位置４に適合するように部品２の向きを修正する。

部品を吸着保持している装着ヘッド５は、図１３（ｆ）に示した基板３の前記実装位置４に向かって水平方向に移動し、図１３（ｇ）に示すように装着ヘッド５が前記基板３に向かって降下し、吸着保持していた部品２を基板３の実装位置４に搬送し、ノズル６による吸着保持を解除して、図１３（ｈ）に示すように装着ヘッド５が上昇して一つの部品２の実装が完了する。

この実装工程中において、装着ヘッド５が図１３（ｆ）から図１３（ｇ）に示すように基板３に向かって降下して、部品２が基板３に押し付けられた際に、部品２を破損しないように、ノズル６は装着ヘッド本体に対してその軸芯方向（矢印９方向）に移動自在に支持されている。

特許文献１などに示されている装着ヘッドの構造を図１４（ａ）に示す。
この装着ヘッドは、外側ケーシング１０と、外側ケーシング１０の内側に配置された回転軸１１と、回転軸１１の内側に配置された上下軸１２を有している。回転軸１１はベアリング１３ａ，１３ｂを介して外側ケーシング１０に取り付けられており、外側ケーシング１０に対して回転軸１１は回転自在である。上下軸１２はその質量を打ち消すように固定側としての外装ケーシング１０との間にスプリング１４を介装して支持されるとともに、回転軸１１と上下軸１２の間の摩擦力を低減することを目的として、回転軸１１と上下軸１２の間にボールスプライン１５が設けられている。

このように構成した装着ヘッドは、外側ケーシング１０に対して回転軸１１を回動させると、上下軸１２が回転軸１１とともにその軸芯回り（矢印８方向）に回動する。上下軸１２の先端で部品２を吸着保持し、装着ヘッドの全体を基板３に向けて降下させて、図１４（ｂ）に示すように部品２が基板３に当接してから、装着ヘッドが図１４（ｃ）に示す位置で停止するまでの間には制御誤差１６が存在している。これを緩衝するために、ボールスプライン１５が設けられており、装着ヘッドの降下量の駆動制御に制御誤差１６があっても上下軸１２と回転軸１１がボールスプライン１５によって相対的にスライドして退避し、部品２に作用する衝撃力を軽減している。
特開平８−２７９６９７号公報

近年は、抵抗素子等のチップ部品の小型化が進み、実装寸法が４００μｍ×２００μｍの０４０２部品の採用が進んできている。今後益々その形状の部品は使用が増加すると思われ、部品に作用する衝撃力をさらに小さくすることが要求されている。

また、チップ部品がさらに小型化していく傾向にあり、衝撃力を低下させる技術は重要な技術である。部品が小型化していくと、部品内蔵基板が進んでくるが、その場合には、同様に、部品を基板の中に内蔵される場合に、衝撃力が重要な要素となる。

このことは、チップ部品の実装の場合だけでなく、フリップチップボンダーでも同様であって、１００μｍの厚みを遥かに下回る５０μｍもしくはそれ以下のチップが出てきている。ＣＵＰ（Circuit under pad）構造の採用やパッドピッチの縮小化で、層間膜の脆弱化で、前記衝撃力の低下は必要な技術となってきている。

また、ダイボンダなどの実装機でも、より衝撃力をすることができるものが要求されているのが現状である。
本発明は、部品に作用する衝撃力を従来品に比べて低減できる軸受とこれを使用した実装機を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の軸受は、外側ケーシングと、前記外側ケーシングの内側に配置され前記外側ケーシングに対して軸芯の回りに回転駆動される回転軸と、前記回転軸の内側に配置され前記軸芯の方向にスライドする上下軸と、前記回転軸の外周と前記外側ケーシングの内周との間に配置されて気密された気密エリアを形成するシール手段とを設け、前記回転軸の内周面と前記上下軸の外周面の間に静圧軸受用隙間を形成し、前記気密エリアに、前記外側ケーシングに形成された第１の気体供給口を介して気体を供給し、前記静圧軸受用隙間に、前記回転軸に形成された第２の気体供給口を介して気体を供給したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の軸受は、請求項１において、第１の気体供給口の前記外側ケーシングの内周側の開口は、前記気密エリアを取り巻くよう形成された環状溝であることを特徴とする。

本発明の請求項３記載の軸受は、請求項１において、第２の気体供給口の前記回転軸の内周側の開口よりも大きな断面積の気体保持室を第２の気体供給口の途中に設けたことを特徴とする。

本発明の請求項４記載の軸受は、部品を部品供給部から装着ヘッドで保持し、基板上に実装もしくは装着する実装機において、前記装着ヘッドの回転軸並びに前記回転軸の内側に配置され先端で部品を保持し上下方向にスライド可能な上下軸に請求項１乃至３の内の一つに記載の軸受を使用したことを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の実装機は、外側ケーシングと、前記外側ケーシングの内側に配置され前記外側ケーシングに対して軸芯の回りに回転駆動される回転軸と、前記回転軸の内側に配置され前記軸芯の方向にスライドする上下軸とを有する装着ヘッドを備え、実装すべき部品を前記上下軸の先端で保持し、前記上下軸で保持された部品の姿勢とこの部品の実装位置での姿勢とに応じて前記外側ケーシングに対して前記回転軸を介して前記上下軸をその軸芯回りに回動させ、実装位置と前記装着ヘッドを相対移動させて前記部品を実装位置に搬送し、前記部品を介して前記上下軸が前記実装位置に衝突した反作用で前記上下軸が前記回転軸に対して前記軸芯の方向にスライドして退避するように、前記回転軸の外周と前記外側ケーシングの内周との間に形成された気密エリアに、前記外側ケーシングに形成された第１の気体供給口を介して気体を供給し、前記回転軸の内周面と前記上下軸の外周面の間に形成された静圧軸受用隙間に、前記気密エリアから前記回転軸に形成された第２の気体供給口を介して気体を供給することを特徴とする。

本発明によると、回転軸の外周と外側ケーシングの内周との間に配置されて気密された気密エリアに、外側ケーシングに形成された第１の気体供給口を介して気体を供給し、回転軸の内周面と上下軸の外周面の間に形成された静圧軸受用隙間に、回転軸に形成された第２の気体供給口を介して気密エリアから気体を供給するので、外装ケーシングに対する回転軸の回動位置が変化しても静圧軸受用隙間に気体を供給することができ、従来品に比べて回転軸と上下軸の間の摩擦係数を小さくすることができ、この軸受を実装機の装着ヘッドに採用した場合には、部品に作用する衝撃力を従来品に比べて低減できる。

以下、本発明の各実施の形態を図１〜図１２に基づいて説明する。
（実施の形態１）
図１〜図４は本発明の実施の形態１を示す。

図１に示す装着ヘッド５Ａは、外側ケーシング１０の内側に、外側ケーシング１０に対して軸芯の回りに回動できるようにベアリング１３ａ，１３ｂを介して回転軸１１が取り付けられている。

外側ケーシング１０の天井部に取り付けられたモータ１７の出力軸は、減速器１８を介して回転軸１１の上面の中心に連結されており、モータ１７の駆動によって外側ケーシング１０に対して回転軸１１がベアリング１３ａ，１３ｂによってガイドされながら回動し、回転軸１１のその時々の回動位置は位置検出器１９で検出されている。

回転軸１１の内側の凹部１１ａには前記軸芯の方向にスライドする上下軸１２が設けられており、上下軸１２の下端は外側ケーシング１０の外側に突出している。上下軸１２の上端は、上下軸１２の質量を打ち消すように引っ張り型のスプリング２０を介して回転軸１１に連結されている。また、この例では、上下軸１２がノズル６として作用する場合を示しており、上下軸１２の下端に吸着口２２が形成されている。吸着口２２は上下軸１２の下端において吸着ホース２１を介して圧力源としての真空源に連結されている。

図２に示すように、回転軸１１の凹部１１ａは水平断面形状が四角形で、この凹部１１ａに静圧軸受用の隙間２３（数ミクロン程度）をあけて係合した上下軸１２の形状も四角形であって、回転軸１１の回動と一体に上下軸１２も回動する。

外側ケーシング１０の内周には、環状溝２４が形成されており、環状溝２４は第１の気体供給口としての第１の連通孔２５を介して外部接続口２６に接続されている。環状溝２４に対応して回転軸１１には、回転軸１１の凹部１１ａに連通する第２の気体供給口としての第２の連通孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄが形成されている。

外側ケーシング１０の内周面と回転軸１１の外周面の間には、環状溝２４から第２の連通孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄへエアーを気密状態で送れるように、シール手段としてのエアシール２８ａ，２８ｂが前記軸芯方向に互いに離れて配置されている。ここではＯリングをエアシール２８ａ，２８ｂとして使用したが、Ｙパッキンで構成することもできる。

このように構成したため、外部接続口２６から供給されたエアー２９は、エアシール２８ａ，２８ｂで挟まれた環状溝２４の気密エリア３０に第１の連通孔２５を介して供給され、環状溝２４の気密エリア３０から第２の連通孔２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄを介して隙間２３に、外側ケーシング１０に対して回転軸１１が何れの回動位置にあってもエアーが供給されて放出されているため、回転軸１１と上下軸１２の間に静圧軸受を構成できる。この場合の実装衝撃力の発生の様子を図４に示す。比較例として、図３には回転軸１１と上下軸１２の間にボールスプライン１５の軸受を設けた従来品の場合の実装機における実装衝撃力の発生の様子を示す。

図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す比較例は、図１４（ａ）（ｂ）（ｃ）の実装工程を模式図で表したものであり、図３（ａ）は初期状態、図３（ｂ）は基板３への当接状態、図３（ｃ）は上下軸１２がボールスプライン１５によって退避したフローティング状態である。

静摩擦係数μ０、動摩擦係数をμ１とする。Ｈ０は上下軸１２の質量ｍによる重力をキャンセルするスプリング１４の引っ張り力である。図３（ｂ）において装着ヘッドは速度Ｖで基板３に部品２を介して当接する。このときの、部品２に作用する力Ｆは、
Ｆ ＝ ｍｖ／ｔ ＋ ｍｇ ＋ Ｐμ０ ＋ Ｈ０
になる。ｔは、Ｖが変化した場合のその時の時間を表す。

この場合には、“ｍｇ＋Ｈ０”でバランスが取れるように設計できる。それ以外に、“ｍｖ／ｔ＋Ｐμ０”が大きな要因になる。この場合、Ｖの速度を低速にすると、ダメージは小さくなるが、Ｐμ０は、与圧Ｐと静摩擦係数μ０に依存する。ボールスプライン１５を使用した場合には、Ｐμ０を小さくすることが難しい。よって、接触時の被把持物にかかる力Ｆが、被対象物にダメージを与える。

また、前記装着ヘッドが基板３に部品２を介して当接後、図３（ｂ）〜（ｃ）の時に部品２に作用する力Ｆは、
Ｆ ＝ ｍｇ ＋ Ｐμ１ ＋ Ｈ１
が発生し、Ｐμ１が重要になる。また、上下軸１２は退避するため、“ｍｇ＋Ｈ１”の値も関係してくる。図３（ｄ）は実装工程の時に、部品２に作用する力Ｆの変化をグラフ化したものである。

図４（ａ）は初期状態、図４（ｂ）が基板３への当接状態、図４（ｃ）は上下軸１２が静圧軸受によって退避したフローティング状態である。ここでのＰは、エアーで押す力をそのように定義する。図４（ｄ）は実装工程の時に、部品２に作用する力Ｆの変化をグラフ化したものであって、実線が静圧軸受の場合であり、仮想線は図３に示したボールスプラインの場合であって、この場合には、上下軸１２へのボールスプラインの場合の与圧Ｐより、静圧軸受の場合のエアー圧による押圧Ｐが小さくなる。しかも、静摩擦係数と動摩擦係数の両方が、ボールスプラインを使う場合より静圧軸受の方が少なくなり、大幅に初期の衝撃力も、速度がゼロ近傍になった時点での衝撃力も低減できる。

（実施の形態２）
図５〜図７は本発明の実施の形態２を示す。
実施の形態１において回転軸１１の凹部１１ａは水平断面形状が四角形で、上下軸１２の形状も四角形であったが、図５に示す別の例のように回転軸１１の凹部１１ａと上下軸１２ともに、角部を面取りした形状に構成することもできる。

また、図６に示す別の例のように回転軸１１の凹部１１ａと上下軸１２ともに、五角形以上の多角形に構成することもできる。２７ａ〜２７ｆは第２の連通孔である。
また、図７に示す別の例のように回転軸１１の凹部１１ａと上下軸１２ともに、円形で、回転軸１１と上下軸１２の一方に他方に設けた溝３１に係合する突起３２を形成して構成することもできる。

（実施の形態３）
図８と図９は本発明の実施の形態３を示す。
実施の形態１においては回転軸１１のエアー流路は、第２の連通孔２７ａ〜２７ｄが形成されているだけであったが、この実施の形態３では、回転軸１１内の全周囲にわたるエアー保持室３３が、共通の気体保持室として第２の連通孔２７ａ〜２７ｄの途中に設けた点が異なっている。エアー保持室３３は、第２の連通孔２７ａ〜２７ｄの前記回転軸１１の内周側の開口よりも大きな断面積であって、安定した圧力のエアーを確保し、摩擦の少ない静圧軸受を構成している。

（実施の形態４）
図１０は本発明の実施の形態４を示す。
実施の形態３においては、引っ張り型のスプリング２０が回転軸１１と上下軸１２の間に介装されていたが、上下軸１１の途中に形成した鍔部３４と外側ケーシング１０との間に、上下軸１２の質量を打ち消すように圧縮型のスプリング２０ｂを介装している点だけが異なっている。

なお、ここでは図３に示した実施の形態３の場合を例に挙げて説明したが、実施の形態１または実施の形態２においても同様に実施できる。
（実施の形態５）
図１１は本発明の実施の形態５を示す。

実施の形態４においては、上下軸１２の下端に吸着ホース２１が接続されていたが、この実施の形態５では、回転軸１１の上面の中心に歯車３５の中心を一致させて取り付け、この歯車３５を、外側ケーシング１０に取り付けられたモータ１７の出力軸に取り付けられた歯車３６に噛合させて回転軸１１を回動させると共に、上下軸１２の上端が、回転軸１１の上面に形成された孔１１ｂと、歯車３５に形成された孔３５ｂと、外側ケーシング１０の天井部に形成された孔１０ｂとを通して、外側ケーシング１０の外部に延設されている。

また、実施の形態４においては、上下軸１２の下端において吸着ホース２１が吸着口２２に連結されていたが、この実施の形態５では、上下軸１２の下端から上端にわたって内部通路１２ｂが形成されており、上下軸１２の上端において内部通路１２ｂが吸着ホース２１に連結されている。

このように構成したため、上下軸１２の下端の吸着口２２の付近に吸着ホース２１を連結する必要がないため、回動する上下軸１２における吸着ホース２１の取り回しが実施の形態４の場合に比べて容易である。

なお、ここでは図１０に示した実施の形態４の場合を例に挙げて説明したが、実施の形態１〜実施の形態３においても同様に実施できる。
（実施の形態６）
図１２は本発明の実施の形態６を示す。

実施の形態５においては、上下軸１２の鍔部３４と外側ケーシング１０との間に介装した圧縮型のスプリング２０ｂだけで、上下軸１２の質量を打ち消していたが、この実施の形態６では、上下軸１２の上端に設けたシリンダ装置３７と圧縮型のスプリング２０ｂとで、上下軸１２の質量を打ち消すように構成されている点だけが異なっている。

シリンダ装置３７は、上下軸１２の上端に被されたシリンダ室３７ａと、このシリンダ室３７ａを圧力源に接続するバルブ３７ｂと、バルブ３７ｂを記憶部３７ｃの記憶内容に基づいて制御して補正圧力を発生させる制御部３７ｄとで構成されている。記憶部３７ｃの記憶内容は、上下軸１２の初期状態の位置が目的の位置になるように初期設定されている。

上記の各実施の形態のうちで、エアー保持室３３を設けたものについては、例えば図８に仮想線で示すように、エアー保持室３３から隙間２３にエアーを供給するように回転軸１１に孔２７ｘを設け、上下軸１２の軸芯方向に沿って配列された複数の孔から上下軸１２の周面に向かってエアーを噴射することによって、上下軸１２の傾きの低減に有効である。

なお、上記の各実施の形態では部品を吸着保持して実装位置にマウントする場合を例に挙げて説明したが、部品を吸着保持するのではなくて、ロボットハンド，開閉爪などの別の把持手段で部品を保持して実装位置にマウントする実装機や、フリップチップボンダーや、ダイボンダなどの実装機でも同様に実施することができる。

本発明は、薄型化されて脆弱化している各種部品を実装時の衝撃力から保護することができ、製品の歩留の向上に寄与することができる。

本発明の実施の形態１の縦断面図 図１のＸ−ＸＸ断面図 比較例の衝撃力の説明図 実施例の衝撃力の説明図 本発明の実施の形態２の水平断面図 別の実施例の水平断面図 更に別の実施例の水平断面図 本発明の実施の形態３の縦断面図 図８のＸ−ＸＸ断面図 本発明の実施の形態４の縦断面図 本発明の実施の形態５の縦断面図 本発明の実施の形態６の縦断面図 一般的な部品実装の工程図 従来の実装ヘッドの構成図

符号の説明

５Ａ 装着ヘッド
１０ 外側ケーシング
１１ 回転軸
１１ａ 回転軸１１の内側の凹部
１２ 上下軸
１３ａ，１３ｂ ベアリング
１７ モータ
１８ 減速器
１９ 位置検出器
２０ 引っ張り型のスプリング
２０ｂ 圧縮型のスプリング
２１ 吸着ホース
２２ 吸着口
２３ 静圧軸受用の隙間
２４ 環状溝
２５ 第１の連通孔（第１の気体供給口）
２６ 外部接続口
２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ 第２の連通孔（第２の気体供給口）
２７ｘ 孔
２８ａ，２８ｂ エアシール（シール手段）
２９ エアー
３０ 気密エリア
３１ 溝
３２ 突起
３３ エアー保持室
３４ 上下軸１２の鍔部
３５，３６ 歯車
３７ａ シリンダ室
３７ｂ バルブ
３７ｃ 記憶部
３７ｄ 制御部

Claims (5)

1. 外側ケーシングと、
   前記外側ケーシングの内側に配置され前記外側ケーシングに対して軸芯の回りに回転駆動される回転軸と、
   前記回転軸の内側に配置され前記軸芯の方向にスライドする上下軸と、
   前記回転軸の外周と前記外側ケーシングの内周との間に配置されて気密された気密エリアを形成するシール手段と
   を設け、前記回転軸の内周面と前記上下軸の外周面の間に静圧軸受用隙間を形成し、
   前記気密エリアに、前記外側ケーシングに形成された第１の気体供給口を介して気体を供給し、
   前記静圧軸受用隙間に、前記回転軸に形成された第２の気体供給口を介して気体を供給した
   軸受。
2. 第１の気体供給口の前記外側ケーシングの内周側の開口は、前記気密エリアを取り巻くよう形成された環状溝である
   請求項１記載の軸受。
3. 第２の気体供給口の前記回転軸の内周側の開口よりも大きな断面積の気体保持室を第２の気体供給口の途中に設けた
   請求項１記載の軸受。
4. 部品を部品供給部から装着ヘッドで保持し、基板上に実装もしくは装着する実装機において、
   前記装着ヘッドの回転軸並びに前記回転軸の内側に配置され先端で部品を保持し上下方向にスライド可能な上下軸に請求項１乃至３の内の一つに記載の軸受を使用した
   実装機。
5. 外側ケーシングと、
   前記外側ケーシングの内側に配置され前記外側ケーシングに対して軸芯の回りに回転駆動される回転軸と、
   前記回転軸の内側に配置され前記軸芯の方向にスライドする上下軸と
   を有する装着ヘッドを備え、
   実装すべき部品を前記上下軸の先端で保持し、前記上下軸で保持された部品の姿勢とこの部品の実装位置での姿勢とに応じて前記外側ケーシングに対して前記回転軸を介して前記上下軸をその軸芯回りに回動させ、実装位置と前記装着ヘッドを相対移動させて前記部品を実装位置に搬送し、
   前記部品を介して前記上下軸が前記実装位置に衝突した反作用で前記上下軸が前記回転軸に対して前記軸芯の方向にスライドして退避するように、前記回転軸の外周と前記外側ケーシングの内周との間に形成された気密エリアに、前記外側ケーシングに形成された第１の気体供給口を介して気体を供給し、前記回転軸の内周面と前記上下軸の外周面の間に形成された静圧軸受用隙間に、前記気密エリアから前記回転軸に形成された第２の気体供給口を介して気体を供給する
   実装機。

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