JP2013206934A - 直動部品 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の鉄やアルミビームに比べてビームの変形を抑制し、ビームの重量を大幅に低減させることで、ヘッド部の高い位置決め精度を悪化させることなく、またＣＦＲＰの加工性を向上させることにより、装置の生産性を向上させることができる直動部品を提供する。
【解決手段】作業面を備えた装置の該作業面の面内方向に移動可能に設けた直動部品であって、
前記直動部品は前記作業面と平行に一方向に延伸し、その長手方向に平行に備えられたガイドと、前記ガイドに前記直動部品の長手方向に移動可能なように備えられたヘッド部と、前記直動部品の両端に固定部を備えた直動機構から構成され、
前直動部品の長手方向に対する断面が多角形からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製筒状体からなり、前記筒状体の壁面は、炭素繊維の配向が前記ビームの長手方向に平行な０°層と、長手方向に対して直交する９０°層と、長手方向に対して斜交する±４５°層とから構成されていることを特徴とする直動部品。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電子部品の実装装置や検査装置等の実装分野で使用される装置に組み込まれる直動部品（以下、ビームともいう）に関するものである。

電子部品の実装装置や検査装置等は、ビームをプリント基板の搬送方向と直交する方向（Ｙ方向）に移動させ、このビームの長手方向に沿って取り付けられたガイドに沿ってヘッド部をビームの長手方向（Ｘ方向）に移動させ、ヘッド部に取り付けられた吸着ノズルをＸＹ方向に移動させることにより、部品供給装置から電子部品を取り出し、非常に高い位置決め精度で所定のプリント基板上に装着している。

この高い位置決め精度は、例えば、ビームの断面を一様な多角形の中空リブ構造とし、ビームとヘッド部が移動する際の加減速によるビームの前記Ｙ方向、および、ビームの自重方向（Ｚ方向）の変形を最小限に抑えることで保持されている。

しかしながら、装置の生産性を向上させるため、ビームの移動の高速化が求められているが、ビーム軽量化のための断面低減は、ビームの変形が増加し、ヘッドの位置決め精度を悪化させることが課題となっている。

また、ビームやヘッドの移動機構は、リニアモーターや送りねじ機構等が一般的に用いられており、特に高速で移動を可能とするリニアモーターは、可動子と固定子の間で作用する強力な磁力により発生する熱により、ビームに熱変形が生じ、ヘッド部のスムーズな移動を妨げるとともに、ヘッドの位置決め精度を悪化させる要因にもなっている。

そのため、特許文献１に示されるように、従来からビームに使用されている鉄やアルミニウム等に比べて比剛性が高く、低熱膨張性を有するＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）がビームに用いられてきた。特許文献１では、ＣＦＲＰの難加工性により、単純な矩形断面を持つＣＦＲＰ製筒状体を貼り合わせたビームが開示されている。

特許第４６７０７９０号

本発明は、上記のような問題点に鑑み、従来の鉄やアルミビームに比べてビームの変形を抑制し、ビームの重量を大幅に低減させることで、ヘッド部の高い位置決め精度を悪化させることなく、またＣＦＲＰの加工性を向上させることにより、装置の生産性を向上させることができる直動部品を提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る直動部品は、以下の構成からなる。すなわち、
（１）作業面を備えた装置の該作業面の面内方向に移動可能に設けた直動部品であって、
前記直動部品は前記作業面と平行に一方向に延伸し、その長手方向に平行に備えられたガイドと、前記ガイドに前記直動部品の長手方向に移動可能なように備えられたヘッド部と、前記直動部品の両端に固定部を備えた直動機構から構成され、
前直動部品の長手方向に対する断面が多角形からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製筒状体からなり、前記筒状体の壁面は、炭素繊維の配向が前記ビームの長手方向に平行な０°層と、長手方向に対して直交する９０°層と、長手方向に対して斜交する±４５°層とから構成されていることを特徴とする直動部品、
（２）前記±４５°層は、前記ＣＦＲＰ製筒状体の各面の総厚みの２５〜６５％を有することを特徴とする（１）に記載の直動部品、
（３）前記直動部品の長手方向に対して略直角方向にリブを設けることを特徴とする（１）または（２）に記載の直動部品、
（４）前記直動部品の面のうち、少なくとも１面は開口していることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の直動部品、
（５）前記直動部品に備えられたガイドと反対側の面が開口していることを特徴とする（４）に記載の直動部品、
である。

本発明によれば、ビームの変形や熱変形を低減させることができ、かつ、従来の鉄やアルミビームに比べて大幅に重量を低減させることで、ヘッド部の高い位置決め精度を悪化させることなく、装置の生産性を向上させることができる直動部品を提供することができる。

具体的には、ビームを多角形断面のＣＦＲＰ製筒状体とし、かつ、一方向に揃えた炭素繊維をビームの長手方向に平行となる０°層と、ビーム長手方向に対して直交となる９０°層とビームの長手方向に対して±４５°層で積層すると、ビームの移動による変形と移動機構から発生する熱による熱変形を抑えることで、ビームの大幅な重量を低減させながら、ヘッド部の位置決め精度を悪化させることなく、装置の生産性を向上させることが出来る。

本発明にかかる電子部品実装装置の概略斜視図である。 図１におけるビームおよびスライダーのＡ−Ａ断面図である。 本発明にかかるビームにおいて、他の発明態様に係る多角形断面のＣＦＲＰ製筒状体の断面図である。 本発明にかかるビームにおいて、ビームの長手方向に対して略直角方向にリブを有する多角形断面のＣＦＲＰ製筒状体の概略斜視図である。 本発明にかかるビームにおいて、ビームの１面が開口している多角形断面のＣＦＲＰ製筒状体の概略斜視図である。

この発明の望ましい実施形態について、図面を参照して説明する。

最初に、一般的な電子部品実装装置の構成および動作について説明する。図１は本発明の一実施形態に関わる電子部品実装装置の斜視図の一例を示している。電子部品実装装置１は、少なくとも基台２に設けられた基板搬送装置３と、電子部品供給装置４と、直動装置５と、ヘッド７とから構成されている。

基台２の上面は、水平な作業面２ａを備えており、この作業面２ａ上に設けられた基板搬送装置３が、実装前の基板８をＹ方向に搬送して電子部品実装装置１に搬入し、電子部品の実装中は基板８を所定位置に保持したのち、実装作業を行う。実装後は、基板８の保持を解除してＹ方向へ搬送し、基板８を電子部品実装置１から搬出する。以下の説明では、基板８の搬送方向をＹ方向とし、これに直交する方向をＸ方向とする。
電子部品供給装置４は、内部に収納された複数の電子部品を所定の個数と姿勢で外部へ供給する機能を備え、基台２に設けられている。

直動装置５は、基台２上に配置され、作業面２ａに平行なＸ方向に延びたビーム６と、ビーム６を両端で支持し、Ｙ方向に直線的に移動させる機能を備え、基台２上の両端に設けられた一対のＹ方向ガイド１２に取り付けられたスライダー９と、ビーム６に設けられた一対のＸ方向ガイド１１に支持され、Ｘ方向に直線的に移動させる機能を備えているヘッド７とから構成されており、結果的に、ヘッド７は基台２上をＸ方向とＹ方向へ直線的に移動させることができ、作業面２ａ上の任意の位置に位置決めすることができる。なお、直動装置５に備えられた移動機構は、具体的にはリニアモーターや送りねじ機構等が用いられており、電子部品実装装置１の生産性を考慮して選択される。

また、ヘッド７には電子部品を吸着するノズル７ａが設けられており、電子部品供給装置４から電子部品を吸着し、基板８の所定の位置に実装する。このような動作を繰り返し、電子部品実装装置１は、１時間あたり数万個以上の電子部品を装着することが可能である。このため、直動装置５は極めて短時間で加減速し、高速で動作している。

図２は図１のＡ−Ａ断面を示すもので、直動装置５が動作する際にビーム６に作用する荷重の状態を示すものである。ヘッド７とビーム６への取付状態とＸ方向の直線的な移動機構を詳細に説明する。

ヘッド７は、ヘッド７に設けられたスライド機構を有する支持部品１５とビーム６に設けられたＸ方向ガイド１２で強固に支持されており、ヘッド７に設けられたリニアモーターの可動子１３とビーム６に設けられた固定子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、ビーム６に設けられたＸ方向ガイド１１に沿って、ヘッド７がＸ方向に移動する機構を有している。また、前述の通り、ビーム６はＹ方向に直線的に移動させる機能を備えているため、ヘッド７はＸ方向とＹ方向に、極めて短時間で加減速し、高速で動作することが可能である。

それ故に、電子部品を装着するために、所定の位置でヘッド７が急停止した際、慣性の法則によりＹ方向の動的な荷重２２とヘッド７の自重（Ｚ方向）による静的な荷重２３がヘッド７の重心位置２１に発生し、Ｘ方向ガイド１１とビーム支持部品１５を介してビーム６に作用し、ビーム６が変形する。Ｙ方向の動的な荷重２２は、ヘッド７の自重による静的な荷重２３とＹ方向の加速度を乗じた値で決定される。

ビーム６の固定方法は、特に限定するものでないが、ビーム６の両端に取り付けられたスライダー９の範囲で固定され（図１）、ヘッド７の停止位置がビーム６のＸ方向の長さの中央部の位置する場合、ビーム６の変形が最大となる。ビーム６の変形は、電子部品を吸着、実装するノズル７ａの先端が位置ずれを起こすため、実装装置としての位置決め精度が悪化する。つまり、ビーム６の変形が電子部品実装装置の位置決め精度に影響するため、ビーム６の変形を抑えるため、ビーム６に高い剛性を満足する材料と構造を選定する必要がある。また、実装装置の生産性向上のため、ビーム６の軽量化が必要である。さらに、直動部品５の移動機構から発生する熱により、ビーム６が変形するため、前述と同様に電子部品実装装置の位置決め精度に影響するため、ビーム６の熱変形も抑えることが必要である。

ビーム６の断面形状は特に限定するものでは無いが、多角形断面の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）製筒状体であることが重要である。

ビーム６に使用する炭素繊維としては、ＰＡＮ系炭素繊維では汎用糸、中弾性糸、高弾性糸、または、ピッチ系炭素繊維等の強化繊維を選択することができる。これらの強化繊維を織物やクロス等にした強化繊維基材に樹脂を含浸させてＣＦＲＰを製造することができるが、予め樹脂を含浸させ、一方向に揃えられた強化繊維基材（プリプレグ）を選定すると、後述するように積層構成によるビームの強度を適切に発揮できるため好適である。強化繊維基材は、目的とする強度、剛性、弾性、低熱膨張、加工性に応じて繊維配向や目付量を選ぶことができる。また、樹脂も特に限定されるものではないが、樹脂自身の強度や取扱性等の観点から、エポキシ系樹脂などが好適に用いられる。

積層構成は、多角形断面の各面について、一方向に揃えた強化繊維がＸ方向と平行となる略０°層と、前記Ｘ方向に対して直交となる略９０°層と、前記Ｘ方向に対して略±４５°層°で構成され、各面の総厚みに対して２５〜６５％を略±４５°層で構成されることも好ましい態様である。このような積層構成を有するビーム６とすると、同サイズのアルミニウム製のビームに比べ、ビームの重量を最大５０％に低減することができ、同等の位置決め精度を発揮できる。ここで、略０°層、略９０°層、略±４５°層の角度については、それぞれ±５°のずれを含むものである。

次に、前記略±４５°層の厚みが総厚みの２５〜６５％とする場合の効果を説明する。

ヘッド７がビーム６の中央部に位置した状態で、直動装置５がＹ方向に高速で動作、急停止する際、前述の通り、図２に示すＹ方向の動的な荷重２２とヘッド７の自重であるＺ方向の静的な荷重２３がヘッド７の重心位置２１に発生し、Ｘ方向ガイドビーム６に同時に作用する。その際、ビーム６は、ビーム６の両端をスライダー９で固定されているため、Ｙ方向の動的な荷重２２により、ビーム６の両端固定部を起点に、ビーム６にねじり変形が発生する。また、ヘッド７の自重であるＺ方向の静的な荷重２３により、ビーム６のたわみ変形が発生する。

図２に示すとおりビーム６の断面が略三角形断面で、各面の前記略±４５°層の厚みが総厚みの２５〜６５％、残りを略０°層と略９０°層とする場合、±４５°層がビーム６のねじれ変形を、略０°層と略９０°層がたわみ変形を効果的に抑制するため、実装装置の位置決め精度を確保しつつ、ビーム６の各面の総厚みを最小化することができ、ビーム６の重量を最小化することが可能である。これにより、実装装置の生産性が向上する。なお、前記略±４５°層は、最表層に設けず、厚みの中心近傍に配置し、対象配置されることが好ましい。

一方、前記と同断面で前記略±４５°層の厚みが２５％未満となる場合、例えば、略０°層と略９０°層のみで強化繊維を構成する場合、ビーム６のたわみ変形を抑制することができるが、ビーム６のねじれ変形が大きくなり、実装装置の位置決め精度が２倍以上悪化する。逆に、前記略±４５°層の厚みが６５％超となる場合、略０°層と９０°層の強化層が減少するため、ビーム６のたわみ変形が増加し、結果的にビーム６の変形量が大きくなり、実装装置の位置決め精度が悪化する。したがって、前記略±４５°層の厚みが２５％未満、または、６５％超となる場合、いずれも位置決め精度の悪化を抑えるため、ビーム６の総厚みを大きく、すなわち、断面係数を大きくする必要があり、ビーム６の重量が増加し、実装装置の生産性が悪化する。

断面形状については、具体的に図２に示すように、ビーム６は概ね三角形断面で、Ｘ方向ガイド１１を介してビーム支持部品１５と接触する第１の筒状体６ａと第２の筒状体６ｂとが、第３の筒状体６ｃと一体に組み合わされた九角形断面の中空リブ構造を有するものである。製造コストを抑えるためには、筒状体６ｃのみの単純な三角形断面とする方がより好ましい。また、ビームの変形を大きく抑えるため、図３に示すような概ね四角形断面のビーム３１のような筒状体としても良い。

図４は、効果的にビームの断面変形を抑えるため、図４（ａ）に示す三角形断面を有するビーム６、または、図４（ｂ）に示す概ね四角形断面のビーム３１のＸ方向に対して、略直交するＹ方向にリブ６ｄを設けたものである。リブ６ｄの位置、数は特に限定するものではないが、ビームの両端部とビーム中央部に少なくとも１箇所以上を配置することが好ましい態様である。これによりビームの断面変形が大幅に抑えられ、位置決め精度が向上する。

図５は、ビーム３１の二面を開口させたビーム３１ａを示している。開口面の位置、数は特に限定するものではないが、ビーム３１ａに設けられているＸ方向ガイド取付面３２に対して反対側の面とすることが好ましい態様である。これにより、ビームの更なる軽量化が可能となり、移動機構の負担を軽減しながら、高速で移動する事ができ、電子部品実装の生産性向上につながる。

また、直動装置５に備えられているヘッド７の他にカメラ等の撮像装置やペースト塗布装置等を装着することも可能であり、何れの装置を装着した場合であっても位置決め精度が向上し、品質の向上を図ることができる。

１：電子部品実装装置
２：基台
２ａ：作業面
３：基板搬送装置
４：電子部品供給装置
５：直動装置
６：ビーム
６ａ：第１の筒状体
６ｂ：第２の筒状体
６ｃ：第３の筒状体
６ｄ：リブ
７：ヘッド
７ａ：ノズル
８：基板
９：スライダー
１１：Ｘ方向ガイド
１２：Ｙ方向ガイド
１３：可動子
１４：固定子
１５：ビーム支持部品
２１：重心位置
２２：Ｙ方向の動的な荷重
２３：Ｚ方向の静的な荷重
３１：略四角形断面のビーム
３１ａ：ビーム３１の二面を開口させたビーム

Claims (5)

1. 作業面を備えた装置の該作業面の面内方向に移動可能に設けた直動部品であって、
   前記直動部品は前記作業面と平行に一方向に延伸し、その長手方向に平行に備えられたガイドと、前記ガイドに前記直動部品の長手方向に移動可能なように備えられたヘッド部と、前記直動部品の両端に固定部を備えた直動機構から構成され、
   前直動部品の長手方向に対する断面が多角形からなる炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）製筒状体からなり、前記筒状体の壁面は、炭素繊維の配向が前記ビームの長手方向に平行な０°層と、長手方向に対して直交する９０°層と、長手方向に対して斜交する±４５°層とから構成されていることを特徴とする直動部品。
2. 前記±４５°層は、前記ＣＦＲＰ製筒状体の各面の総厚みの２５〜６５％を有することを特徴とする請求項１に記載の直動部品。
3. 前記直動部品の長手方向に対して略直角方向にリブを設けることを特徴とする請求項１または２に記載の直動部品。
4. 前記直動部品の面のうち、少なくとも１面は開口していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直動部品。
5. 前記直動部品に備えられたガイドと反対側の面が開口していることを特徴とする請求項４に記載の直動部品。

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