JP2010034095A - 電子部品実装装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着して実装する電子部品の外形や大きさだけでなく、電子部品の重量にも応じて、吸着ノズルなどの吸着手段の選定や、実装動作の設定を行う。
【解決手段】自重負担ばね５は、上下動自在にされた吸着機構部の重さを相殺する。ロードセル７は、与えられた与圧の大きさを検出する。与圧ばね６は、該ロードセル７に、吸着機構部の上下動の移動量に応じた与圧を与える。これらにより、吸着ノズル２に吸着した電子部品１の重量を測定する機構部を構成し、ロードセル７で検出された与圧に大きさに基づいて、吸着ノズル２に吸着した電子部品１の重量を測定する。
【選択図】図６

Description

本発明は、装着ヘッド部に備える吸着ノズルで電子部品を吸着してから、基板上の該当位置までノズルを移動し、吸着した電子部品を前記該当位置に実装する電子部品実装装置に係り、特に、吸着して実装する部品の外形や大きさだけでなく、電子部品の重量にも応じて、吸着ノズルなどの吸着手段の選定や、実装動作の設定を行うことができる電子部品実装装置に関する。

電子部品実装装置の生産プログラムは、基板に部品を実装していく動作のプログラムを電子部品実装装置のユーザがプログラムしたものである。又、部品実装で用いる吸着ノズルは、電子部品実装装置において、電子部品の外形及び大きさに応じ予め設定されている。

従って、ユーザは、各電子部品の実装動作をプログラムする際、該設定に従って、実装する電子部品の大きさに応じ用いるノズルを指定することになり、又、ノズルの吸着保持力の設定、吸着動作時、部品吸着後の装着ヘッド部の移動時、又搭載動作時における、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸などの装着ヘッド部の各移動軸の速度の設定をすることになる。

ここで、特許文献１で指摘されているように、意図しない吸着ノズルを装着してしまう場合が考えられる。例えば、電子部品との接触による衝撃を吸収するためのスプリングが内蔵されている吸着ノズルを装着すべきところ、該スプリングがない吸着ノズルを装着してしまうと、電子部品の吸着姿勢が不安定になり、基板への電子部品の搭載精度が悪化してしまう。

このため、特許文献１では、ヘッド部に装着されているノズルの種類を認識するようにしている。例えば、装着されているノズルを撮像し、認識するようにしている。

特開２００７−２４２７５５号公報（図１）

しかしながら、最近では、電子部品の重量が大きい高密度な電子部品が使用されており、このような重量のある電子部品の場合は、電子部品の外形及び大きさだけでノズルを選択しても、適切なノズル選択とならず、吸着保持力も正しく設定されない。

又、ノズル径に応じて吸着保持力が変わるため、適切ノズルの選択は難しく、得られる吸着保持力が判断できず、場合によっては、電子部品吸着時に電子部品を吸着できなかったり、電子部品がズレたり、落下してしまったりするなどの現象が発生してしまう問題があった。

更に、電子部品の吸着状況に応じて、ノズルの吸着保持力の設定、吸着動作時、部品吸着後の装着ヘッド部の移動時、又搭載動作時における、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸などの装着ヘッド部の各移動軸の速度が正しく設定されず、このため、部品吸着時に部品が吸着できない、電子部品がずれる、落下してしまうなどの現象が発生してしまう問題があった。

本発明は、前記従来の問題点を解決するためのもので、吸着して実装する電子部品の外形や大きさだけでなく、電子部品の重量にも応じて、吸着ノズルなどの吸着手段の選定や、実装動作の設定を行うようにすることができる電子部品実装装置を提供することを課題とする。

本発明は、装着ヘッド部に備える吸着ノズルで電子部品を吸着してから、基板上の該当位置まで吸着ノズルを移動し、吸着した電子部品を実装していく電子部品実装装置において、電子部品を吸着する吸着機構部と、前記吸着機構部を上下動自在に保持するノズルベースと、前記吸着機構部の重さを相殺する自重負担ばねと、与えられた与圧の大きさを検出するロードセルと、前記ロードセルに、前記吸着機構部の上下動の移動量に応じた与圧を与える与圧ばねと、を含む部品重量測定機構部を備え、記ロードセルで検出された与圧の大きさに基づいて、吸着機構部に吸着した電子部品の重量を測定することにより、前記課題を解決したものである。

ここで、前記部品重量測定機構部で測定した電子部品の重量に応じて、電子部品の吸着保持力、最適ノズルの選択、及び、電子部品吸着後の装着ヘッド部のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸の各移動軸の速度の、少なくともいずれか１つの適正値を求め、該適正値に基づいて、部品搭載動作の設定を行なうことができる。

本発明によれば、ノズルに吸着した部品の重量を測定することができる。又、測定された重量に従って、自動的に吸着保持力を求め、部品の外形及び大きさと併せて、最適ノズルの判断ができる。又、該測定重量に従って、ノズルの吸着保持力の設定、吸着動作時、電子部品吸着後の装着ヘッド部の移動時、又搭載動作時における、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸などの装着ヘッド部の各移動軸の速度の設定を適正に行うことができる。従って、電子部品の未吸着や部品ズレや部品落下を防ぎ、搭載信頼性や品質を向上させることができる。

又、該測定重量に従って、最適ノズルの判断や、これら設定の不適切なものを見出すことができる。更には、部品搭載の順番の最適な条件を求め、生産することにより、生産タクトのロスを回避できる。

以下、図を用いて本発明の実施の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明が適用された実施形態の電子部品実装装置の模式的な平面図、図２は、本実施形態の主要部の部品重量測定機構部の側面図、図３は、制御関係のハードウェア構成を示すブロック図である。

電子部品１を実装する基板１０は、矢印ＩＮに示すように左方から搬入され、部品実装完了後、矢印ＯＵＴに示されるように右方から搬出される。基板１０には、実装時の基板位置を検出するためのマーク１０ａが印刷されている。

実装時の基板位置に対して、図中下側の位置には、比較的小さく軽量な電子部品１を供給するためのテープフィーダ１２が配列されている。該テープフィーダ１２は、リールに巻かれたテープ１２ａ（図２）を逐次繰り出しながら、長手方向に等間隔で多数埋め込まれている電子部品１を１つずつ順に供給する。

又、実装時の基板位置に対して、図中上側で左端には、比較的大きく重い電子部品１を供給するためのトレイホルダ１３が配置されている。なお、該トレイホルダ１３の右には、テープフィーダ１２が配列されている。

なお、部品廃棄ボックス１４及び回収ベルト１９は、一旦吸着ノズル２に吸着した電子部品１を、基板１０には搭載せず、廃棄あるいは回収するためのものである。通常、高価な電子部品１は回収ベルト１９により回収し、その他のものは部品廃棄ボックス１４に廃棄する。

装着ヘッド部１１は、４つの吸着ノズル２を装着するヘッド部分１１ａと、１つの吸着ノズル２を装着するヘッド部分１１ｂとを備える。ヘッド部分１１ａに比べてヘッド部分１１ｂの方が、吸着保持力が大きい吸着ノズル２を装着し易い。装着ヘッド部１１に取り付けられた吸着ノズル２は、バキューム機構２５（図３）により電子部品１を吸着する。本実施形態において、該バキューム機構２５には、供給される圧縮空気を用いて負圧を発生させるエジェクタ、該負圧により電子部品１を吸着する吸着ノズル２、種々の切換え弁その他が含まれる。これら切換え弁は、コントローラ３２（図３）によって制御される。

なお、図１において、１７は、装着ヘッド部原点基準である。この装着ヘッド部原点基準１７における原点マーク１７ａ及び１７ｂを、装着ヘッド部１１に取り付けられた後述するＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂで撮像し、装着ヘッド部１１のＸ軸原点及びＹ軸原点を正確に設定するようにしている。

次に、図２において、装着ヘッド部１１において、吸着ノズル２は、テープフィーダ１２のテープ１２ａに貼り付けられ、あるいはトレイホルダ１３に格納された電子部品１を吸着するものである。

この吸着ノズル２は、ノズルシャフト３の下端（先端）に、軸方向の一定値以上の荷重によって嵌合され、又は取り外されるようになっている。ノズルチェンジャ１６に納められる該当の吸着ノズル２の位置において、該当の吸着ノズル２が嵌合され、あるいは、取り外され、交換可能になっている。

又、ノズルシャフト３は、ノズルブラケット４に対してベアリング４ａを介在させて取り付けられ、その軸線回りのθ軸方向に回動できるようにされている。これに対して、ノズルベース８は、装着ヘッド部１１において、鉛直のＺ軸方向に移動可能になっている。

ノズルベース８に対して、ノズルブラケット４は上下動自在になっており、これにより、吸着ノズル２、ノズルシャフト３、ベアリング４ａ及びノズルブラケット４からなる吸着機構部はノズルベース８に対して上下動自在に保持されている。

ノズルベース８において上下動自在のノズルブラケット４の下端を支えるように自重負担ばね５が配置され、その弾性力によりノズルブラケット４を含む吸着機構部の重さを相殺するようになっている。又、ノズルブラケット４の上端に与圧ばね６が配置され、ノズルブラケット４を含む吸着機構部の上下動の移動量に応じ、与圧ばね６は、その弾性力によって与圧ばね６の他端（上端）に配置されたロードセル７に対して与圧を与える。ロードセル７は、吸着機構部の上下動によって与圧ばね６から与えられる与圧の大きさを検出し、該与圧の大きさに応じた信号をコントローラ３２に出力する。

これら吸着機構部、自重負担ばね５、与圧ばね６、ロードセル７及びノズルベース８により、本発明が適用される部品重量測定機構部が構成されている。

次に、装着ヘッド部１１は、図３に示すＸ軸モータ２１が装着された図示されないＸ軸機構部により矢印Ｘで示されるＸ軸方向の軸移動がなされ、Ｙ軸モータ２２ａ及び２２ｂがそれぞれ装着された図示されないＹ軸左側機構部及びＹ軸右側機構部により矢印Ｙ_L及び矢印Ｙ_Rで示されるＹ軸方向の軸移動がなされる。又、該装着ヘッド部１１に内蔵される、Ｚ軸モータ２３が装着された図示されないＺ軸機構部によりＺ軸方向の、θ軸モータ２４が装着された図示されないθ軸駆動機構によりθ軸方向の軸移動がなされる。

ここで、図１において、ヘッド部分１１ａには、該ヘッド部分１１ａにおいて同時吸着可能な４つの電子部品１それぞれの吸着位置を測定するための図示されていないマルチレーザラインセンサが備えられている。またヘッド部分１１ｂには、該ヘッド部分１１ｂに吸着中の電子部品１の吸着位置を測定するための図示されていないレーザラインセンサが備えられている。これらマルチレーザラインセンサ及びレーザラインセンサが出力する信号は、レーザ認識装置３４（図３）に入力される。

レーザ認識装置３４は、マルチレーザラインセンサ又はレーザラインセンサが出力する信号に基づいて、該当の吸着ノズル２に吸着されている電子部品１の、θ軸に直交する特定方向の断面長さを測定し、吸着ノズル２における吸着位置を測定する。

又、電子部品実装装置においては、図１に示すように、吸着ノズル２に吸着されている電子部品１を下方から撮影するＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラ１５ｃ、１５ｄが備えられる。ヘッド部分１１ａの図１中左、又ヘッド部分１１ｂの右には、それぞれ、ＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂが設けられている。これらＣＣＤカメラ１５ａ、１５ｂは、基板１０の基準マーク１０ａや、装着ヘッド部原点基準１７の原点マーク１７ａ及び１７ｂを上方から撮像し、基板１０の搬入位置や、装着ヘッド部１１の原点位置を正確に把握し、設定するようになっている。

図３に示すように、これらＣＣＤカメラ１５ａ〜１５ｄは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２７ｃ及びメモリ２７ｂを有する画像認識装置２７が内蔵する、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器２７ａに接続されている。該画像認識装置２７は、ＣＣＤカメラ１５ａ〜１５ｄによって撮影される電子部品１や、基板１０上の基準マーク１０ａの、寸法や中心位置、又、θ軸を中心とする電子部品１の回転角を測定するシステムを構成している。該画像認識装置２７は、コントローラ３２からの指示を、記憶装置２６を介して受ける。

このコントローラ３２は、ＣＰＵ、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）を内蔵し、キーボード２８、マウス２９、画面表示装置３０が接続されている。該画面表示装置３０は、画像認識装置２７にも接続されている。又、該コントローラ３２は、前述したＸ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２２ａ及び２２ｂ、Ｚ軸モータ２３、θ軸モータ２４、バキューム機構２５、レーザ認識装置３４、記憶装置２６が接続されている。該コントローラ３２は、電子部品実装装置の実装動作の全体的な制御を行う。

図４は、本実施形態における生産プログラムの最適化処理を示すフローチャートである。

このフローチャートに示される処理は、主としてコントローラ３２において行われるものである。

まずステップＳ１０１では、ステップＳ１１２まで続くプログラム編集処理を起動し、電子部品１の外形や大きさだけでなく、部品重量にも応じ、生産プログラムを最適化する処理を開始する。又、ステップＳ１０２では、部品重量測定機構部を用いたステップＳ１０６まで続く吸着保持力測定処理を実行する。

ステップＳ１０３では、電子部品実装装置において予め行われている、部品の外形及び大きさに応じた吸着ノズル２選択の設定に基づいて、実装しようとする部品を吸着するための吸着ノズル２を装着する。

又、ステップＳ１０４では、テープフィーダ１２又はトレイホルダ１３における部品吸着位置においてＺ軸を下降させ、実装しようとする電子部品１を吸着する。電子部品１を吸着するため、吸着ノズル２の先端が電子部品１に接触した状態は、図５に示されるようになる。電子部品１に対して吸着ノズル２先端が押し付けられるため、前述の図２の状態に比べ、図５に図示されるように自重負担ばね５が伸長し、与圧ばね６が圧縮され、ロードセル７への与圧は増加する。該与圧の大きさに応じ、又、装着ヘッド部１１におけるノズルブラケット４の高さ（位置）は、無負荷時の図２の時より、Ｌ１だけ上昇する。

ステップＳ１０５でＺ軸を上昇すると、ステップＳ１０６では、本実施形態の部品重量測定機構部において、実装しようとする電子部品１の重量を測定することができる。電子部品１を吸着した状態でＺ軸を上昇させると、図６に示されるような状態になる。この状態では、前述の図２の状態に比べ、吸着している電子部品１の重量により吸着ノズル２が引き下げられる。このため、図示されるように自重負担ばね５が圧縮され、与圧ばね６が伸長し、ロードセル７への与圧は減少する。該与圧の大きさに応じ、装着ヘッド部１１におけるノズルブラケット４の高さ（位置）は、無負荷時の図２の時より、Ｌ２だけ低くなる。

図６のように、装着ヘッド部１１が上昇し吸着中の電子部品１がテープ１２ａから離れると、与圧ばね６の与圧減少の度合いに応じたロードセル７から入力される信号に従って、コントローラ３２は吸着中の電子部品１の重量を測定することができる。

なお、図７は、本実施形態において与圧ばね６がロードセル７に与える与圧を示すタイムチャートである。

このタイムチャートにおいて、時刻ｔ１は、図２のように、電子部品１の吸着前の状態である。時刻ｔ２は、図５のように、電子部品１に吸着ノズル２先端が押し付けられた状態であり、図７における荷重ｇ１はこの押し付ける応力に相当する。時刻ｔ３は、図６のように、電子部品１を吸着した状態でＺ軸を上昇させた状態であり、図７における荷重ｇ２は吸着中の電子部品１の重量に相当する。

電子部品１の重量が測定されると、ステップＳ１０７では、コントローラ３２により、その測定値又図８に示す既設定値に従って、次の（１）式から、適切な吸着保持力（Ｆ）を求める。更に、（２）式から、吸着可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍ）を求めることができる。又、これら吸着保持力（Ｆ）及び吸着可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍ）が求められると、図９のような既定の設定条件に従って、適切な吸着ノズル２が求められる。

吸着保持力（Ｆ）＝完全負荷値（Ｐ）×吸着部開口面積（Ｓ）/１０
……（１）
吸着可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍ）
＝吸着保持力（Ｆ）/９．８/安全率（γ）×１０００
……（２）

ここで、図９は、本実施形態における吸着保持力（Ｆ）及び吸着可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍ）の算出結果の一例を示す線図である。

続いて、ステップＳ１０８では、コントローラ３２により、上述のように求めた吸着保持力（Ｆ）、又図１０に示される加速度に基づいて、装着ヘッド部１１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸の各移動軸の移動可能な最大重量を求める。そして、装着ヘッド部１１の移動時又搭載動作時における、このような移動軸の適切な速度の設定を行う。

ＸＹ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍＸＹ）
＝摩擦係数（μ）×吸着保持力（Ｆ）
/（９．８×摩擦係数（μ）＋加速度（α））
×１０００/安全率（γ） ……（３）
Ｚ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍＺ）
＝吸着保持力（Ｆ） ／（９．８×摩擦係数（μ）
＋加速度（α））×１０００/安全率（γ） ……（４）
θ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍθ）
＝３×摩擦係数（μ）×吸着保持力（Ｆ）
×開口部直径（Ｄ）/（部品辺長(B)＾２×加速度（α）
＋３ 摩擦係数（μ）×９．８× 開口部直径（Ｄ））
……（５）

ここで、図１１〜図１３は、それぞれ、本実施形態におけるＸＹ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍＸＹ）、Ｚ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍＺ）、θ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍθ）の算出結果の一例を示す線図である。

続いて、ステップＳ１０９では、これらステップＳ１０７及びステップＳ１０８で得られた結果の最適な各データを生産プログラムにおいて反映させる。該データは、吸着保持力、選定される吸着ノズル２、装着ヘッド部１１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸の各移動軸の速度を示すデータである。

次に、ステップＳ１１０では、電子部品１の搭載順番の最適化を行う。即ち、部品の重量に応じて、他のヘッドとペアリングするかどうかの判断を行い、吸着、ヘッド移動、搭載時の電子部品１毎の、装着ヘッド部１１のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸の各移動軸の速度に応じて、電子部品１の搭載順番を決定し、制御し、生産タクトのロスを回避する。

ステップＳ１１１では、これを生産プログラムに反映し、又該生産プログラムを記録保存する。この後、ステップＳ１１２では、ステップＳ１０１で起動したプログラム編集処理を終了する。

なお、以上において、摩擦係数は、吸着部の材質が鋼の場合は０．６、ゴムの場合は１として計算している。一般的な摩擦係数は、鋼対鋼で０．４〜０．８程度、ゴム対鋼で１〜４程度である。又、θ軸の移動可能速度は、部品形状が一辺Ｂｍｍの正方形で厚みが一様と仮定し、且つ、部品中心を吸着した場合の値となっている。

なお、本実施形態の電子部品実装装置は、装着ヘッド部１１に備える吸着ノズル２で部品を吸着してから、基板上の該当位置まで吸着ノズル２を移動し、該吸着した電子部品１を実装していく電子部品実装装置であるが、他の形態の電子部品実装装置であってもよい。例えば、吸着ノズル２による電子部品１の吸着は、負圧の空気圧による吸着に限らず、機械動作を行うアクチュエータで電子部品１を挟んで保持するようなものであってもよい。

又、ロードセルとしては、水晶ロードセル、圧電素子（ＰＺＴ）ロードセル、ストレンゲージ（ひずみゲージ）ロードセル、半導体ロードセルがあげられる。

本発明が適用された実施形態の電子部品実装装置の模式的な平面図 上記実施形態の主要部の部品重量測定機構部の側面図 前記実施形態の制御関係のハードウェア構成を示すブロック図 前記実施形態における生産プログラムの最適化処理を示すフローチャート 前記実施形態の部品重量測定機構部において吸着ノズルの先端が電子部品に接触した状態における側面図 前記実施形態の部品重量測定機構部において電子部品を吸着した吸着ノズルが上昇した状態における側面図 前記実施形態において与圧ばねがロードセルに与える与圧を示すタイムチャート 前記実施形態において吸着保持力（Ｆ）を求めるための既設定値を示す線図 前記実施形態における吸着保持力（Ｆ）及び吸着可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍ）の算出結果の一例を示す線図 前記実施形態における加速度の条件の一例を示す線図 実施形態におけるＸＹ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍＸＹ）の算出結果の一例を示す線図 実施形態におけるＺ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍＺ）の算出結果の一例を示す線図 実施形態におけるθ軸の移動可能な最大重量（Ｍａｘ＿ｍθ）の算出結果の一例を示す線図

符号の説明

１…電子部品
２…吸着ノズル
３…ノズルシャフト
４…ノズルブラケット
５…自重負担ばね
６…与圧ばね
７…ロードセル
８…ノズルベース
１０…基板
１１…装着ヘッド部
１１ａ、１１ｂ…ヘッド部分
１２…テープフィーダ
１３…トレイホルダ
１５ａ〜１５ｄ…ＣＣＤカメラ
２５…バキューム機構

Claims (2)

1. 装着ヘッド部に備える吸着ノズルで電子部品を吸着してから、基板上の該当位置まで吸着ノズルを移動し、吸着した電子部品を実装していく電子部品実装装置において、
   電子部品を吸着する吸着機構部と、
   前記吸着機構部を上下動自在に保持するノズルベースと、
   前記吸着機構部の重さを相殺する自重負担ばねと、
   与えられた与圧の大きさを検出するロードセルと、
   前記ロードセルに、前記吸着機構部の上下動の移動量に応じた与圧を与える与圧ばねと、
   を含む部品重量測定機構部を備え、
   前記ロードセルで検出された与圧の大きさに基づいて、吸着機構部に吸着した電子部品の重量を測定することを特徴とする電子部品実装装置。
2. 請求項１に記載の部品重量測定機構部で測定した電子部品の重量に応じて、電子部品の吸着保持力、最適ノズルの選択、及び、電子部品吸着後の装着ヘッド部のＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸、θ軸の各移動軸の速度の、少なくともいずれか１つの適正値を求め、
   該適正値に基づいて、部品搭載動作の設定を行なうことを特徴とする電子部品実装装置。

Images