JP2014003153A

JP2014003153A - 部品実装装置

Info

Publication number: JP2014003153A
Application number: JP2012137404A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Ikeda; 裕池田; Isao Takahira; 功高平
Original assignee: Hitachi High Tech Instruments Co Ltd
Current assignee: Hitachi High Tech Instruments Co Ltd
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2014-01-09

Abstract

【課題】プリント基板には、プリント基板の基材と回路パターンの材料物性の違いや、リフロー炉を通過させることにより、プリント基板に変形（反り）が発生する。このように反りの発生したプリント基板に電子部品を実装しようとすると、プリント基板上にある電子部品の実装位置が、反りの無いプリント基板上の設計実装位置とずれてしまうため、そのままでは正確な位置に実装することができない。さらにプリント基板は薄板化される傾向にあるため、前記の実装位置ずれと同じく実装品質が悪化する恐れがある。
【解決手段】本発明は、基板の平面的な位置ずれを得ることを特徴とする。本発明は、得られた平面的な位置ずれを考慮して、部品の実装を行うことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板に部品を実装するための部品実装装置、部品実装方法に関する。特に、本発明は、プリント基板に電子部品を搭載する部品実装装置、部品実装方法に関する。

現在、様々な電気製品の基板に電子部品を実装する作業は自動化されており、その際に使用されるのが部品実装装置である。部品実装装置における部品の実装は、ノズルが電子部品を吸着保持して、基板上へ移動し、吸着保持した電子部品を基板へ搭載することで行われる。

部品実装装置の従来技術としては、特許文献１が挙げられる。特許文献１には、回路基板を湾曲させ支持すること、湾曲させた形状に対応した湾曲面を有するサポートブロック３８を有することを開示する。その他の先行技術としては、特許文献２乃至５が挙げられる。

特開２００７−２１４２２７号公報特開２０１０−２４３２０５号公報特開２００９−２３１６５２号公報特開２００５−０８３９３９号公報特開２００５−０１０１０３号公報

近年、電子部品の小型化や高密度実装に伴い、プリント基板への部品の実装にはより高い実装精度が求められる。本発明では、高精度部品実装のためには、プリント基板の平面的なずれが無視できないことを見出した。この点については従来技術では、配慮がなされていない。

この点を、より分かりやすく説明するなら、例えば以下のように説明される。部品を実装する対象であるプリント基板には、より複雑な回路パターンを有するものや、電子部品を両面に実装するようなものも存在する。これらのプリント基板には、プリント基板の基材と回路パターンの材料物性の違いや、リフロー炉を通過させることにより、プリント基板に変形（反り）が発生する。このように反りの発生したプリント基板に電子部品を実装しようとすると、プリント基板上にある電子部品の実装位置が、反りの無いプリント基板上の設計実装位置とずれてしまうため、そのままでは正確な位置に実装することができない。さらにプリント基板は薄板化される傾向にあるため、前記の実装位置ずれと同じく実装品質が悪化する恐れがある。

本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、精度の高い部品実装を行うことを目的とする。

本発明は、基板の平面的な位置ずれを得ることを特徴とする。

本発明は、得られた平面的な位置ずれを考慮して、部品の実装を行うことを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも精度の高い部品実装を行うことが可能となる。

実施例１の基板搬送コンベア５１を説明する図。プリント基板１の平面的な位置ずれを得る動作について説明する図。実施例１の部品実装動作のフローチャート。実施例２を説明する図。実施例３を説明する図。実施例４を説明する図。実施例５を説明する図。実施例６を説明する図。電子部品実装装置を説明する図。プリント基板１をその表面上方から説明する図。

以下、実施例を、図面を用いて説明する。

図９に電子部品実装装置５０の平面図を示す。電子部品実装装置５０の基台５９上に種々の電子部品をそれぞれの電子部品の取り出し位置（部品吸着位置）に１個ずつ供給する部品供給部５３の一部が着脱可能に複数個並んで設置固定されている。

対向する部品供給部５３群の間には、基板搭載装置の一例である基板搬送コンベア５１が設けられている。基板搬送コンベア５１は、プリント基板５２を図９中ＦからＧの方向へ搬送する搬送手段と、矢印Ｆの方向から搬送されてくるプリント基板５２を所定の位置に位置決め保持するプリント基板保持手段と、を持ち、プリント基板５２上に電子部品が装着された後、矢印Ｇの方向にプリント基板を搬送する。

プリント基板５２が搬送される方向と同方向には長い一対のＸビーム５５が配置されている。その両端部には図示していないアクチュエータ（例えば、リニアモータなど）が取り付けられている。このアクチュエータによりＸビーム５５は、プリント基板５２が搬送される方向と直交する方向に、Ｙビーム５７に沿って移動可能に支持されており、部品供給部５３とプリント基板５２との間を行き来することが可能である。

さらにＸビーム５５には、図示していないアクチュエータ（例えば、リニアモータなど）により、Ｘビーム５５の長手方向に、Ｘビームに沿って移動する装着ヘッド５４が設置されている。

部品供給部５３と基板搬送コンベア５１との間には、認識カメラ５６とノズル保管部５８が配置されている。認識カメラ５６は、部品供給部５３にて装着ヘッド５４に吸着した電子部品の部品情報や位置ずれ情報を取得するためのもので、基板搬送方向および基板搬送方向と直交する方向の吸着した電子部品の位置ずれ量や回転角度を、電子部品を撮影することにより確認できる。言うまでもなく、撮影することにより、電子部品が吸着されているか否かを確認することもできる。Ｘビーム５５およびＹビーム５７が並行して動作することにより、部品供給部５３からプリント基板５２上に移動する際に、装着ヘッド５４は認識カメラ５６上を通過させられ、前述した電子部品の位置ずれ情報を取得する。ノズル保管部５８は、種々の電子部品を吸着および装着するために必要な、装着ヘッド５４に取り付けられた図示していない複数の吸着ノズルを保管しておくところである。電子部品に対応した吸着ノズルを取り付けるように指示された場合、装着ヘッド５４はＸビーム５５およびＹビーム５７の並行動作により、ノズル保管部５８まで移動させられ、吸着ノズルを交換する。

図１に本実施例の基板搬送コンベア５１の概略図を示す。基板搬送コンベア５１は、プリント基板１を搬送する搬送ベルト２と、プリント基板１の下面を把持したり、搬送したりするために上下方向に移動可能に構成され、搬送ベルト２を移動可能に保持する移動体３と、プリント基板１の上面を把持する基板押さえブロック４と、プリント基板１の反り角度を計測する角度センサ５と、を備える。搬送ベルト２は、図示していない駆動手段（例えば、サーボモータであっても良い）によってプリント基板１の搬送方向と同方向に移動するようになっている。

また移動体３は、図示していない駆動手段（例えば、空気圧を利用して上下動するようにしても良い）によって、矢印１０１のごとく上下方向に移動するようになっている。

角度センサ５は、対向する基板押さえブロック４同士の間のスペース（他の表現としてはプリント基板１の裏面側）に配置されている。また、角度センサ５はプリント基板１の中心１０２（これは、プリント基板１の裏面と対向する場所の中心と表現することもできる）よりも基板の端部に近い位置に配置されている。角度センサ５の種類としては、非接触型の光学的センサ、電気的センサが含まれるし、レーザを用いたオートコリメータを含んで構成されていても良いし、二次元の変位センサを含んで構成されても良い。

基板搬送コンベア５１の動作を以下に示す。プリント基板１を搬送する場合、移動体３は搬送ベルト２と共に下方に移動して待機している（この状態では、プリント基板１は搬送ベルト２と基板押さえブロックとに把持されていない）。

次に、プリント基板１を搬送ベルト２の上面に置く。搬送ベルト２が、図示していない駆動手段によって移動させられると、搬送ベルト２と共にプリント基板１も移動するようになっている。

プリント基板１が所望の位置に到達すると搬送を停止し、搬送ベルト２と共に移動体３が上方向へ移動し、プリント基板１を基板押さえブロック４と搬送ベルト２とで把持し、プリント基板１を固定させる。ここで、搬送ベルト２は例えば、プリント基板１の端部に力を印加することで、プリント基板１を搬送する搬送部であると表現することができる。
また、基板押さえブロック４と移動体３とが動作することにより、プリント基板１を挟み込む動作は、例えば、プリント基板１の端部を把持する動作であると表現することもできる。

プリント基板１が固定された状態で電子部品をプリント基板上に装着ヘッド５４によって実装する。電子部品の実装が完了すると、プリント基板の把持状態は解除され、搬送ベルト２によってプリント基板は搬送排出される。

プリント基板１が把持されると、角度センサ５によってプリント基板１の反り角度θを計測する。角度センサ５は、プリント基板１の把持部に近接して設置され、プリント基板１の端部の反り角度θを計測するようになっている。この反り角度θからプリント基板１の平面的なずれが算出され、Ｘビーム５５、Ｙビーム５７はこの平面的なずれを考慮して装着ヘッド５４を移動させる（この動作については後述する）。

角度センサ５の配置については、プリント基板１の片端部に設置されても良いし、片端側に複数個設置しても良いし、あるいは両端に複数個設置しても良い。

次に、図２を用いて、プリント基板１の平面的な位置ずれ得る動作について説明する。

まず、図１で説明したように角度センサ５によってプリント基板１の反り角度θ／２が計測されるものとする。

電子部品実装装置内の処理部は、このθ／２から、曲率半径Ｒ、及び反り高さＨを得る。この際、以下の条件が仮定される。

（ａ）Ｘ軸およびＹ軸は図２のようにプリント基板の反り方向（凸方向）にＹ軸を、幅方向にＸ軸を取る。

（ｂ）反りの無いプリント基板の上面をｙ＝０、反りの無いプリント基板の幅の中点をｘ＝０とする（原点Ｏとする）。

（ｃ）プリント基板の幅をＬ（このＬは設計データ、実測値等から既知である）とする。プリント基板の反りは略円弧状になっているものと仮定する（曲率半径をＲとする）。

（ｄ）反りの無いプリント基板上の設計実装位置を（ｘ_0i，ｙ_0i）、反ったプリント基板上の実装位置を（ｘ_1i，ｙ_1i）とする。

この条件では、曲率半径Ｒは、円弧の長さＬ、円弧の中心角θとすると、次式（１）により表される。

また反り高さＨは、次式（２）で表される。

次に、電子部品実装装置内の処理部は、反ったプリント基板上の実装位置（ｘ_1i，ｙ_1i）として、反ったプリント基板とＹ軸との交点をＯ′とした場合における、（ｘ_1i，ｙ_1i）とＯ′を結ぶ弦の長さＬ_Giを得る。Ｌ_Giは、Ｌ_Giに対応する中心角をθ_Giとすると、次式（３）で表すことができる。

実装位置（ｘ_1i，ｙ_1i）は次式（４）および（５）のように表される。

したがって、Ｘ軸方向の平面的なずれ量Δｘは、次式（６）で表現される。

また、Ｙ軸方向の平面的なずれ量Δｙは、次式（７）で表現される。

次に、本実施例における部品実装動作を図３のフローチャートを用いて説明する。図９のプリント基板５２が基板搬送コンベア５１により搬送される（ステップ６０）。プリント基板５２は所望の位置で停止させられ把持される（ステップ６１）。次に角度センサ５により反り角度θを計測する（ステップ６２）。電子部品実装装置内の処理部は、反り角度θから反り形状を推定して基板上の実装位置（ｘ_1i，ｙ_1i）を算出する（ステップ６３）。さらに、電子部品実装装置内の処理部は、実装位置の位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）を得る（ステップ６４）。そして、装着ヘッド５４の移動量を修正し（ステップ６５）、部品を実装する（ステップ６６）。

このようにすることで、プリント基板５２に反りがあっても電子部品の実装位置の平面的なずれを取得し、装着ヘッド５４の移動量を補正することができるので、高精度な部品実装が可能となる。

本実施例の角度センサ５は、プリント基板５２の反りを計測する手段と表現することができる。また、本実施例の部品実装装置内の処理部は、計測された反り量に基づいてプリント基板５２上の実装位置の座標点を新たに推定する演算手段と、設計上の実装位置の座標点と推定された実装位置の座標点との差分を演算する差分演算手段と、を有すると表現することができる。また、Ｘビーム５５、Ｙビーム５７は、差分演算手段の結果に応じて装着ヘッドを水平（プリント基板面内）方向および垂直方向に移動させる移動手段と表現することができる。そして、本実施例は、これらの構成を有することで、プリント基板５２が反っていることによる実装位置のずれを考慮して、電子部品をプリント基板に実装する装着ヘッドの水平（プリント基板面内）方向および垂直方向の移動量を補正することができるため、プリント基板５２が変形していても（反りがあっても）プリント基板上に正確に電子部品を装着することが可能となり、実装品質を向上させることが可能になる。さらに電子部品をプリント基板５２に実装する装着ヘッドの垂直方向の移動量も補正することができるため、電子部品の押し込み過ぎによる電子部品の破損や位置ずれ、プリント基板の振動を防止する効果もあり、実装品質を向上させることも可能となる。

次に実施例２について説明する。本実施例と実施例１との違いは、本実施例は高さセンサ６を有する点である。図４は本実施例の基板搬送コンベアの概略図である。基板搬送コンベアは、プリント基板１を搬送する搬送ベルト２と、プリント基板１の下面を把持したり、搬送したりするために上下方向に移動可能に構成されている移動体３と、プリント基板１の上面を把持する基板押さえブロック４と、プリント基板１の反り高さＨを計測する高さセンサ６と、を備える。

搬送ベルト２は、図示していない駆動手段（例えば、サーボモータであっても良い）によってプリント基板１の搬送方向と同方向に移動するようになっている。また移動体３は、図示していない駆動手段（例えば、空気圧を利用して上下動するようにしても良い）によって、矢印のように上下に移動するようになっている。搬送ベルト２、及び移動体３の動作は実施例１と同様である。

本実施例における基板搬送コンベアの動作を以下に示す。プリント基板１を搬送する場合、移動体３は搬送ベルト２と共に下方に移動して待機している（この状態では、プリント基板１は搬送ベルト２と基板押さえブロックとに把持されていない）。

プリント基板１が所望の位置に到達すると、搬送ベルト２と共に移動体３が上方向へ移動し、プリント基板１を基板押さえブロック４と搬送ベルト２とで把持し、プリント基板１を固定させる。

プリント基板１が把持されると、高さセンサ６によってプリント基板１の反り高さＨを計測する。高さセンサ６は、プリント基板１の裏面側の略中央に設置され、プリント基板１の反り高さＨを計測するようになっている。高さセンサ６は、プリント基板１の略中央に一箇所設置されても良いし、長手（奥行き）方向に複数個設置しても良い。高さセンサ６は、例えば、非接触式（レーザ変位計）であっても良いし、接触式であっても良い。

高さＨが計測されると、部品実装装置内の処理部は、実施例１に示す数式によって実装位置の位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）を得る。装着ヘッド５４の移動量はこの位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）によって決定される。

本実施例では、反り角度θではなく反り高さＨを得ることでも、高精度な部品実装が行える。

次に、実施例３について図５を用いて説明する。本実施例が実施例１及び２と異なる点は、高さセンサ７として２本のレーザ変位計を使用する点である。

基板搬送コンベアは、プリント基板１を搬送する搬送ベルト２と、プリント基板１の下面を把持したり、搬送したりするために上下方向に移動可能に構成されている移動体３と、プリント基板１の上面を把持する基板押さえブロック４と、プリント基板１の反り角度を計測する高さセンサ７と、を備える。

搬送ベルト２は、図示していない駆動手段（例えば、サーボモータであっても良い）によってプリント基板１の搬送方向と同方向に移動するようになっている。また移動体３は、図示していない駆動手段（例えば、空気圧を利用して上下動するようにしても良い）によって、移動するようになっている。

基板搬送コンベアの動作を以下に示す。プリント基板１を搬送する場合、移動体３は搬送ベルト２と共に下方に移動して待機している（この状態では、プリント基板１は搬送ベルト２と基板押さえブロックとに把持されていない）。

プリント基板１が把持されると、高さセンサ７によってプリント基板１の反り角度θを計測する。高さセンサ７は、前述したように例えば２本のレーザ変位計を組み合わせて構成されるものであり、そのレーザの間隔は既知である。高さセンサ７は、レーザの間隔とそれぞれのプリント基板１までの距離の差分によりプリント基板１の反り角度θを計測する。

高さセンサ７はプリント基板１の把持部に近接して設置される。高さセンサ７は、プリント基板１の片端部に設置されても良いし、片端側に複数個設置しても良いし、あるいは両端に複数個設置しても良い。プリント基板の反り角度θから位置ずれ量（Δｘ，Δｙ）を得るプロセスは実施例１と同様である。本実施例においても、高精度な部品実装が可能となる。

次に実施例４について図６を用いて説明する。実施例４が他の実施例と異なる点は、圧力センサ８を有する点にある。

基板搬送コンベアは、プリント基板１を搬送する搬送ベルト２と、プリント基板１の下面を把持したり、搬送したりするために上下方向に移動可能に構成されている移動体３と、プリント基板１の上面を把持する基板押さえブロック４と、プリント基板１と接触して圧力を計測する圧力センサ８と、を備える。

圧力センサ８は、移動体３がプリント基板１を把持する際の把持力を検知し、移動体３は、圧力センサ８が検知した把持力が適切な力になるように上下動するようになっている。このようにすることで、プリント基板１に異常な変形をさせることなく、プリント基板１を確実に把持することが可能である。圧力センサ８は、例えば、ピエゾ素子で構成されていても良い。

次に実施例５について図７を用いて説明する。実施例５が他の実施例と異なる点は、基板押さえブロック４の形状にある。

基板搬送コンベアは、プリント基板１を搬送する搬送ベルト２と、プリント基板１の下面を把持したり、搬送したりするために上下方向に移動可能に構成されている移動体３と、プリント基板１の上面を把持する基板押さえブロック４と、を備える。

搬送ベルト２は、図示していない駆動手段（例えば、サーボモータであっても良い）によってプリント基板１の搬送方向と同方向に移動するようになっている。

また移動体３は、図示していない駆動手段（例えば、空気圧を利用して上下動するようにしても良い）によって、移動するようになっている。

基板押さえブロック４は、かぎ状の突起部９を有している。プリント基板１は、移動体３によって上方向へ移動させられると、突起部９と搬送ベルト２とにより把持される。一定の把持力が移動体３によって付加されると、突起部９は、矢印Ａや矢印Ｂの方向に回転変形する。突起部９が変形すると、突起部９とプリント基板１の接触点はプリント基板１の幅方向（プリント基板に記載している矢印方向）に移動するため、プリント基板１の反りを緩和する効果がある。なお、突起部９は、プリント基板１の内側から外側へ向かうように湾曲していると表現することもできる。

次に実施例６について図８を用いて説明する。実施例６が他の実施例と異なる点は、基板押さえブロック４の形状にある。

基板押さえブロック４には、回転軸１１と回転軸１１を支点として回転可能に支持されたリンク部１０が取り付けられている。また回転軸１１には図示していない接触力の付与手段が内蔵されており、プリント基板１がリンク部１０に接触するとプリント基板１に力が作用するようになっている。プリント基板１は、移動体３によって上方向へ移動させられると、リンク部１０と搬送ベルト２とにより把持される。一定の把持力が移動体３によって付加されると、リンク部１０は、矢印Ａや矢印Ｂの方向（例えばプリント基板１の内側から外側へ向かう方向と表現することもできる）に回転する。リンク部１０が回転すると、リンク部１０とプリント基板１の接触点はプリント基板１の幅方向（プリント基板に記載している矢印方向）に移動するため、プリント基板１の反りを緩和する効果がある。

以上、本発明の実施例について説明したが、角度センサ５、高さセンサ６、高さセンサ７の配置方法については様々なバリエーションが考えられる。プリント基板１をその表面上方から説明する図であるが、例えば、角度センサ５、高さセンサ６、高さセンサ７等のプリント基板１の平面的な位置ずれを得るためのセンサ１１０を、プリント基板１の裏側に２次元的に複数配置することも本明細書の開示の範囲内である。また、電子部品実装装置の構造は、本実施例の構成でなくても良い。

１、５２プリント基板
２搬送ベルト
３移動体
４基板押さえブロック
５角度センサ
６、７高さセンサ
８圧力センサ
９突起部
１０リンク部
１１回転軸
５０電子部品実装装置
５１基板搬送コンベア
５３部品供給部
５４装着ヘッド
５５Ｘビーム
５６認識カメラ
５７Ｙビーム
５８ノズル保管部
５９基台

Claims

部品実装装置において、
基板に部品を実装する部品実装部と、
前記部品実装部を移動させる移動部と、
前記基板の平面的な位置ずれを得る計測部と、を有し、
前記移動部が前記部品実装部を移動させる移動量は前記位置ずれを考慮して決定されることを特徴とする部品実装装置。
請求項１に記載の部品実装装置において、
前記基板を搬送するための搬送部を有し、
前記計測部は、前記搬送部内の前記基板の裏面と対向する場所に配置されることを特徴とする部品実装装置。
請求項２に記載の部品実装装置において、
前記計測部は、前記基板が反った角度を得て、
前記位置ずれは前記反った角度から得られることを特徴とする部品実装装置。
請求項２に記載に部品実装装置において、
前記計測部は、前記基板の高さを得て、
前記位置ずれは前記基板の高さから得られることを特徴とする部品実装装置。
請求項２に記載の部品実装装置において、
前記搬送部は、前記基板の端部に力を印加することで前記基板を搬送し、
前記計測部は、前記基板の裏面と対向する場所よりも前記端部に力を印加する場所に近い位置に配置されること特徴とする部品実装装置。
請求項２に記載の部品実装装置において、
前記搬送部は、前記基板の端部を把持することで前記基板を固定し、
前記端部を把持する部分は突起を有することを特徴とする部品実装装置。
請求項６に記載の部品実装装置において、
前記突起は、前記基板の内側から外側へ向かうよう湾曲していることを特徴とする部品実装装置。
請求項６に記載の部品実装装置において、
前記突起は、前記基板の内側から外側へ向かうよう回転することを特徴とする部品実装装置。
請求項２に記載の部品実装装置において、
前記搬送部は、前記基板裏面端部に力を印加するベルトと、
前記ベルトを前記基板に対して上下方向に移動させるベルト移動部と、
前記基板表面端部を押さえるための押さえ部と、を有することを特徴とする部品実装装置。
請求項９に記載の部品実装装置において、
前記押さえ部の前記基板表面端部と対向する場所には、ピエゾ素子が配置されていることを特徴とする部品実装装置。