JP2011142350A

JP2011142350A - 部品実装装置および部品実装方法

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Publication number: JP2011142350A
Application number: JP2011092179A
Authority: JP
Inventors: Akira Kimura; 明木村; Katsuhiko Ono; 勝彦大野; Yukitake Maekawa; 幸毅前川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2011-04-18
Filing date: 2011-04-18
Publication date: 2011-07-21

Abstract

【課題】吸着ノズル等の保持手段の回転振れによる部品の装着精度の劣化を解消するようにした。
【解決手段】部品を保持する保持手段と、保持手段を回転させる回転機構と、部品を保持する位置と部品を装着する位置との間で保持手段を移動させる移動手段とを備えた部品実装装置に関し、保持手段に保持した部品を設定された角度回転させて実装するにあたり、保持手段の回転ぶれによる部品の保持位置のぶれ量を芯ぶれ量として、芯ぶれ量が既知である基準角度から逆方向に保持手段を設定された角度回転させた位置で部品を保持手段に保持させ、保持手段を基準角度に戻すことにより部品を設定された角度回転させる。
【選択図】図５

Description

本発明は部品実装装置および部品実装方法に係り、とくに保持手段によって部品を保持し、実装角度となるように保持手段を回転させてワーク上の所定の位置に前記部品を実装するようにした部品実装装置および部品実装方法に関する。

電子回路は絶縁材料から成る回路基板上に形成される。すなわち絶縁材料の回路基板上に接合された銅箔を選択的にエッチングして所定の配線パターンを形成するとともに、その上に部品を実装し、部品の電極を配線パターンの接続ランドに半田付けし、これによって電子部品が互いに接続されて所定の電子回路が形成される。

このような回路基板上における部品の実装のために、電子部品実装装置が用いられる。実装装置はマウントヘッドを備え、このマウントヘッドの先端部に取付けられている吸着ノズルによって部品をパーツカセットから取出し、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、およびＺ軸方向の運動の組合わせによって回路基板上の所定の位置にマウントするものである。

ここで回路基板上の所定の位置に正しく電子部品を実装するために、マウントヘッドにワーク認識カメラを取付けておき、このワーク認識カメラによって回路基板上の基準マークを画像認識し、この画像認識に基いて回路基板の位置の補正を行なうようにしている。そしてこのような位置補正に応じてマウントヘッドによる部品の実装に補正を加え、回路基板上の所定の位置へ正しく電子部品を実装している。

特開平１０−１９０２９７号公報特開平１０−０７０３９７号公報

従来の部品実装装置においては、マウントヘッドの吸着ノズルによって部品を吸着した後に実装角度となるように回転させ、さらにＣＣＤカメラやレーザ光等によって部品の吸着ノズルに対するずれ量を計測し、このずれ量を補正して装着を行なうようにしていた。従って吸着ノズルによって吸着してから部品を装着する実装角度に回転させると、その回転振れによって部品を保持している回転機構部の基準位置がずれる。このためにその後に補正をかけたとしても、基準位置がずれているために誤った補正量とになり、その結果装着された部品のワークに対する装着精度が悪くなる問題があった。

図１０に示すように吸着ノズル１を回転させて実装角度となるように部品を回転させる必要があることから、吸着ノズル１を軸受け３、４によって回転可能に支持しており、吸着ノズル１の先端部で部品５を吸着する。このときに吸着ノズル１がその仮想の軸線に一致するように回転する場合には、図１０に示すように吸着ノズル１の部品５を保持する先端部の中心は仮想中心Ｏに一致する。

ところが実際には、吸着ノズル１の軸線の湾曲した軸曲りや、軸受け３、４の芯違い等の理由から、図１１に示すように、吸着ノズル１の軸線、とくにその先端部であって部品５を吸着する部分がずれ、図１１に示すように回転振れを生ずる。

このような回転振れに伴う吸着ノズル１の回転機構部の基準位置がずれると、回転角度と回転振れの関係を前もって計測して近似するキャリブレーションを行なっても、この回転振れ軌跡が図１１に示すように円や楕円にはならず、異形の中心軌跡６を描く。すなわち軸受け３、４の芯違いや吸着ノズル１の軸曲りの組合わせによって、吸着ノズル１の軸に負荷がかかり、現実的にはひずんだ複雑な楕円形状の近似し難い中心軌跡６となっているために、キャリブレーション自体に誤差を生ずる。従ってとくに吸着ノズル１で吸着した後に回転を行なうと、上記の回転振れによって部品５の実装位置に位置ずれを起し、装着精度を向上させるのに対して限界となっていた。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、吸着ノズル等の保持手段の回転振れによる部品の装着精度の劣化を解消するようにした部品実装装置および部品実装方法を提供することを目的とする。

本願の一発明は、部品を保持する保持手段と、前記保持手段を回転させる回転機構と、前記部品を保持する位置と前記部品を装着する位置との間で前記保持手段を移動させる移動手段と、を備え、前記保持手段に保持した前記部品を設定された角度回転させて実装するにあたり、前記保持手段の回転ぶれによる前記部品の保持位置のぶれ量を芯ぶれ量として、前記芯ぶれ量が既知である基準角度から逆方向に前記保持手段を前記設定された角度回転させた位置で前記部品を前記保持手段に保持させ、前記保持手段を前記基準角度に戻すことにより前記部品を前記設定された角度回転させることを特徴とする部品実装装置に関するものである。

本願の別の発明は、保持手段により保持した部品を設定された角度回転させて実装する部品実装方法において、前記保持手段の回転ぶれによる前記部品の保持位置のぶれ量を芯ぶれ量として、前記芯ぶれ量が既知である基準角度から逆方向に前記保持手段を前記設定された角度回転させた位置で、前記保持手段が部品を保持し、前記部品を保持した後に、前記保持手段を前記基準角度に戻すことにより前記部品を前記設定された角度回転させて前記部品を実装することを特徴とする部品実装方法に関するものである。

以上のように、本発明によれば、保持手段によってワーク上に実装される部品の装着位置が芯ぶれ量の影響を受けることがなくなり、装着精度が向上する。

部品実装装置の全体の構成を示す斜視図である。マウントヘッドを示す一部を破断した正面図である。同マウントヘッドの側面図である。ミラーを退避したときのマウントヘッドの側面図である。吸着ノズルを下降させたときのマウントヘッドの側面図である。制御部のシステム構成を示すブロック図である。部品の装着動作を示すフローチャートである。芯ぶれによって吸着ノズルの先端部が移動する状態を示す正面図および平面図である。別の装着動作を示すフローチャートである。理想的な状態の吸着ノズルの支持を示す縦断面図である。芯ぶれによって吸着ノズルの先端部が偏心した状態を示す縦断面図である。

以下本発明を図示の形態によって説明する。まず装着角度となるように回転させたときの芯ぶれが防止される部品実装装置の全体の構成を図１〜図３によって説明する。

図１に示すように部品実装装置はベース１０を備えるとともに、このベース１０上にはフレーム１１が架装されている。そしてその一方の側面にはパーツカセット装着台１２が設けられており、この装着台１２上にパーツカセット１３を配列して搭載するようにしている。図１においては単一のパーツカセット１３のみしか図示されていないが、実際にはそれぞれ異なる種類の部品を保持したテープをリールによって保持した多数のパーツカセット１３が一列に配されるようになる。そして上記パーツカセット１３の配置位置の前方には横方向に延びる搬送コンベア１４が設けられており、この搬送コンベア１４によって回路基板１５が供給される。

これに対してフレーム１１の下部にはＸ軸ユニット１７が取付けられるとともに、このＸ軸ユニット１７によってＸ軸方向に移動可能なＹ軸ユニット１８が設けられており、Ｙ軸ユニット１８によってＹ軸方向に移動自在にマウントヘッド１９が取付けられている。マウントヘッド１９はその先端側に図２に示すように吸着ノズル２０を備えており、この吸着ノズル２０によって部品を吸着保持し、上記回路基板１５上の所定の位置にマウントする。

次にマウントヘッド１９の構成について図２および図３により説明する。マウントヘッド１９はフレーム２３を備えるとともに、このフレーム２３にボールナット２４が回転自在に支持されている。そしてボールナット２４は垂直に配されるボールねじ２５と螺合されている。しかもボールナット２４にはプーリ２６が取付けられている。そしてフレーム２３上のモータ２８の出力軸２９にプーリ３０が取付けられている。ボールナット２４のプーリ２６とモータ２８の出力軸２９のプーリ３０との間にはタイミングベルト３１が掛渡されている。

先端部に吸着ノズル２０を備えるボールねじ２５はさらにスプラインナット３４と係合されている。スプラインナット３４は上記ボールナット２４の下側に位置し、しかもその外周部にプーリ３５を備えている。これに対して図３に示すモータ３６にはその出力軸にプーリ３７が固着されている。そしてスプラインナット３４のプーリ３５とモータ３６のプーリ３７との間にタイミングベルト３８が掛渡されている。

またフレーム２３にはブラケット４１を介してワーク認識カメラ４２が支持されている。ワーク認識カメラ４２は搬送コンベア１４によって送られてきた回路基板１５（図１参照）を上方から認識するためのものである。

また上記フレーム２３にはブラケット４５が固着されるとともに、このブラケット４５の先端側に横方向に延びるようにリニアガイド４６が取付けられている。そしてリニアガイド４６と平行にボールねじ４７もブラケット４５に支持されている。そしてアーム４８が上記ボールねじ４７と螺合するボールナット４９に固着されている。そしてアーム４８の先端側の部分にはミラー５０が取付けられている。またボールねじ４７にはプーリ５２が固着されている。また水平方向に配されたモータ５４の出力軸５５にはプーリ５６が固着されている。そしてボールナット４９のプーリ５２とモータ５４のプーリ５６との間にタイミングベルト５７が掛渡されている。またブラケット４５の側部にはさらに別のブラケット６０を介してミラー６１が支持されるとともに、このミラー６１の上部に部品認識
カメラ６２が取付けられている。部品認識カメラ６２は吸着ノズル２０によって吸着された部品の下面の画像をミラー５０、６１によって反射させて取込み、画像認識を行なうためのものである。

上記ワーク認識カメラ４２および部品認識カメラ６２は図６に示すようにコントローラ６３に接続されている。コントローラ６３は上記のカメラ４２、６２によって取込まれた画像処理を行なうとともに、演算をするためのコンピュータを備えている。またコントローラ６３はＸ軸ユニット１７、Ｙ軸ユニット１８、モータ２８、３６、５４、および搬送コンベア１４をそれぞれ制御する。

このように本実施の形態の電子部品実装装置は、図１に示すように電子部品をテープによって巻装した状態で供給するパーツカセット１３と、回路基板１５を搬送する搬送コンベア１４と、電子部品をパーツカセット１３から取出して回路基板１５上の所定の位置に実装するためのマウントヘッド１９と、マウントヘッド１９を回路基板１５の所定の位置へ移動するためのＸ軸ユニット１７およびＹ軸ユニット１８とから構成されている。

そして上記マウントヘッド１９は図２および図３に示すように、電子部品を吸着するための吸着ノズル２０と、この吸着ノズル２０を上下方向に移動および回転させるためのスプライン付きボールねじ２５と、スプライン付きボールねじ２５のボールナット２４をタイミングベルト３１を介して回転させるためのモータ２８と、スプライン付きボールねじ２５のスプラインナット３４をタイミングベルト３８を介して回転させるためのモータ３６と、吸着ノズル２０に吸着された電子部品の位置を検出する第１のミラー５０、第２のミラー６１、および部品認識カメラ６２と、吸着ノズル２０が上下動するときにミラー５０を退避させるためのリニアガイド４６、ボールねじ４７、タイミングベルト５７を介してボールねじ４７を回転させるためのモータ５４、および電子部品を装着する回路基板１
５の位置を検出する基板認識カメラ４２から構成される。

ここでモータ３６を駆動することなくスプラインナット３４を停止させた状態でモータ２８によってボールナット２４を回転させると、ボールねじ２５は回転することなく上下動する。従って吸着ノズル２０のＺ軸方向の運動が可能になる。これに対してモータ３６によってスプラインナット３４を回転させるとともに、モータ２８によって同じ角度でボールナット２４を回転させると、ボールねじ２５は上下動することなく回転運動のみを行なう。従ってこれにより吸着ノズル２０の回転動作、すなわちθ軸の動作が行なわれる。

次にこのような実装装置による電子部品の実装動作の概要を説明する。回路基板１５は搬送コンベア１４によって搬送され、所定の位置で位置決めされる。するとこの実装装置はマウントヘッド１９をＸ軸ユニット１７およびＹ軸ユニット１８によってＸ軸方向およびＹ軸方向に移動させ、回路基板１５上のフィデューシャルマークをマウントヘッド１９に設けられているワーク認識カメラ４２によって撮像してその位置を検出し、これによって回路基板１５の正確な位置を促らえる。このような動作によってワーク認識カメラ４２を何処に移動させれば電子部品を実装すべき位置の上に来るかが分る。

その後にマウントヘッド１９は電子部品を供給するパーツカセット１３の部品取出し位置まで移動し、吸着ノズル２０を下降させて電子部品を真空吸着する。このときにミラー５０の位置は図４および図５に示すように吸着ノズル２０の上下動作エリアから退避した位置にある。そして吸着ノズル２０が電子部品を吸着した後にボールナット２４の回転によって所定の高さまで上昇し、その後にミラー５０が図３に示すように吸着ノズル２０の下まで移動する。すると吸着ノズル２０に吸着された電子部品の下面の映像がミラー５０、６１によって反射され、部品認識カメラ６２によって撮像される。

部品認識カメラ６２によって撮像された電子部品の位置に関する情報を用いて吸着時の電子部品のカメラ画像基準位置（通常は吸着ノズル２０の回転中心位置）からの位置ずれ量を検出する。マウントヘッド１９は予めプログラムされた回路基板１５上の所定の位置に吸着時の位置ずれ量を補正した位置に移動する。この後にミラー５０を図４に示すように退避させて図５に示すように吸着ノズル２０を下降させ、電子部品を回路基板１５上の所定の位置に装着する。

ここで吸着ノズル２０の回転振れによる装着位置に生ずる誤差を排除するために、本実施の形態においては、予め機械的精度の保証をとったノズルの角度を基準角度、例えば０°としておき、また部品の装着角度をβ°とする。ここで基準角度、あるいは０°においては、吸着ノズル２０が芯ぶれを起さないか、芯ぶれの量が既知の状態であることを要する。図８に示すようにノズル２０が回転する場合には、基準角度あるいは角度０においてノズル２０の中心が仮想中心Ｏを通り、これによって基準角度において芯ぶれが０になる場合である。

図７に示すように部品７０を吸着する前に吸着ノズル２０を回転方向０°にリセットする。そしてこの後に吸着ノズル２０を装着する角度と等しい角度βだけ反対方向に回転させる。そしてノズル２０を下降させて部品７０を吸着する。そして吸着した後所定の高さまで吸着ノズル２０を上昇させ、吸着ノズル２０をβ°だけ回転させ電子部品７０を装着角度に合わせることによって、吸着ノズル２０は基準角度、すなわち０°に一致した状態になる。そしてこの角度は、図８に示す場合には、その芯ぶれ量が０になる。

この後にミラー５０が図２および図３に示すように吸着ノズル２０の下まで移動する。吸着ノズル２０に吸着された部品７０の像はミラー５０およびミラー６１によって反射され、部品認識カメラ６２で撮像される。吸着ノズル２０は機械的精度が保証された基準角度になっているので、部品認識カメラ６２で撮像された電子部品７０の位置から軸振れの大小に関係なく吸着時の電子部品の微少位置ずれ量を正確に検出することが可能になる。

マウントヘッド１９は予めプログラムされた回路基板１５上の所定の位置に検出した正確な吸着時の微少位置ずれ量を補正した位置に移動し、ミラー５０を再度図４および図５のように退避させ、図５に示すように吸着ノズル２０を下降させて機械的精度の保証をとった吸着ノズル２０の角度０の付近で電子部品７０を回路基板１５上の所定の位置に装着する。

従って補正量を正確に反映させた状態での装着が可能になり、装着精度が向上する。このときに機械的精度の保証をとった吸着ノズル２０の基準角度、すなわち０°からの補正分だけずれた角度で装着することになるが、角度成分の補正量は微少な角度であるために、ノズルの芯ぶれの影響はほとんど受けない。従ってこのことから、芯ぶれの影響を実質的に受けない正確な部品７０の実装が可能になる。

上述のような角度成分の補正量が微少な場合には問題ないが、補正量が微少な場合には補正による角度によって芯ぶれの影響を受ける可能性がある。そこで実際に使用頻度のある補正領域で、任意の点数で吸着ノズル２０の機械的精度を合わせ込んだ基準角度０°からのずれ量を予め測定して補間させ、それを反映させることによって装着精度の向上が可能になる。

図９はこのような補間された角度を利用するマウント動作を示している。ここではノズル２０のそのときの角度を検出し、補間によって求められた基準角度の内の最も近い基準角度を検出する。そして吸着ノズル２０を検出された基準角度にリセットする。この後に吸着ノズル２０を実装角度に等しい角度だけ逆方向に回転させる。そして逆方向に回転された後に吸着ノズル２０で部品７０を吸着し、吸着ノズル２０を実装角度に等しい角度で正方向へ回転させる。そして部品７０の画像認識を部品認識カメラ６２によって行なうとともに、補正角度吸着ノズル２０を回転させる。そしてこの後に吸着ノズル２０によって部品７０の実装を行なう。

このように本実施の形態の部品実装装置および実装方法は、吸着ノズル２０が機械的精度を保証された角度で、補正量を認識し、補正を反映し、保証された付近で装着を行なうようにしたものである。従って電子部品７０の装着精度が向上されるようになり、とくに吸着ノズル２０の回転に伴う芯ぶれの影響を回避することが可能になる。

１０‥‥ベース、１１‥‥フレーム、１２‥‥パーツカセット装着台、１３‥‥パーツカセット、１４‥‥搬送コンベア、１５‥‥回路基板、１７‥‥Ｘ軸ユニット、１８‥‥Ｙ軸ユニット、１９‥‥マウントヘッド、２０‥‥吸着ノズル、２３‥‥フレーム、２４‥‥ボールナット、２５‥‥ボールねじ、２６‥‥プーリ、２８‥‥モータ、２９‥‥出力軸、３０‥‥プーリ、３１‥‥タイミングベルト、３４‥‥スプラインナット、３５‥‥プーリ、３６‥‥モータ、３７‥‥プーリ、３８‥‥タイミングベルト、４１‥‥ブラケット、４２‥‥ワーク認識カメラ、４５‥‥ブラケット、４６‥‥リニアガイド、４７‥‥ボールねじ、４８‥‥アーム、４９‥‥ボールナット、５０‥‥ミラー、５２‥‥プーリ、５４‥‥モータ、５５‥‥出力軸、５６‥‥プーリ、５７‥‥タイミングベルト、６０‥‥ブラケット、６１‥‥ミラー、６２‥‥部品認識カメラ、６３‥‥コントローラ、６５、６６‥‥軸受け、６７‥‥軌跡、７０‥‥部品

Claims

部品を保持する保持手段と、
前記保持手段を回転させる回転機構と、
前記部品を保持する位置と前記部品を装着する位置との間で前記保持手段を移動させる移動手段と、を備え、
前記保持手段に保持した前記部品を設定された角度回転させて実装するにあたり、前記保持手段の回転ぶれによる前記部品の保持位置のぶれ量を芯ぶれ量として、前記芯ぶれ量が既知である基準角度から逆方向に前記保持手段を前記設定された角度回転させた位置で前記部品を前記保持手段に保持させ、前記保持手段を前記基準角度に戻すことにより前記部品を前記設定された角度回転させることを特徴とする部品実装装置。
保持手段により保持した部品を設定された角度回転させて実装する部品実装方法において、
前記保持手段の回転ぶれによる前記部品の保持位置のぶれ量を芯ぶれ量として、前記芯ぶれ量が既知である基準角度から逆方向に前記保持手段を前記設定された角度回転させた位置で、前記保持手段が部品を保持し、
前記部品を保持した後に、前記保持手段を前記基準角度に戻すことにより前記部品を前記設定された角度回転させて前記部品を実装することを特徴とする部品実装方法。