JP2015131313A - Laser soldering head - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、はんだ付け対象にレーザー光を投射してはんだ付けを行うレーザー用はんだ付けヘッドに関するものである。 The present invention relates to a laser soldering head for performing soldering by projecting laser light onto a soldering target.
はんだ付け対象にレーザー光をスポット状に投射してはんだ付けを行うレーザー用はんだ付けヘッドは、例えば特許文献1や特許文献2等に開示されているように、従来より公知である。この種のはんだ付けヘッドは、一般に、ハウジングの内部に1つ又は複数の光学レンズを有していて、この光学レンズでレーザー光をスポット状に集光し、それをはんだ付け対象に投射するように構成されている。前記レンズは、ハウジング内の一定の位置に固定されているため、焦点の位置も決まっている。
Laser soldering heads for performing soldering by projecting laser light onto a soldering target in a spot shape have been conventionally known as disclosed in, for example,
一方、はんだ付け対象に投射すべきスポットの径は、常に一定であるとは限らず、はんだ付け対象の大小やレーザー光の熱エネルギー等によって異なり、はんだ付け条件に応じて様々な径のスポットを投射しなければならないケースは多い。このような場合、従来では、必要なスポット径を得るために、前記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象(例えば基板)との距離を相対的に変化させ、それによってレーザー光のスポット径を大小に調整するようにしていた。 On the other hand, the diameter of the spot to be projected onto the soldering target is not always constant, and varies depending on the size of the soldering target, the thermal energy of the laser beam, etc. There are many cases that must be projected. In such a case, conventionally, in order to obtain a required spot diameter, the distance between the soldering head and a soldering target (for example, a substrate) is relatively changed, and thereby the spot diameter of the laser beam is adjusted to be large or small. I was trying to do it.
しかし、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させる方法は、スポットの径を目視等で確認しながら作業を行わなければならないため、その作業が比較的面倒である。しかも、はんだ付けヘッドに、前記光学レンズを利用してはんだ付け対象を撮像するCCDカメラが取り付けられている場合には、前記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を変化させると、前記光学レンズとはんだ付け対象との距離が変化するため、CCDカメラの結像位置もずれることになり、再調整が必要になる。 However, the method of relatively changing the distance between the soldering head and the soldering target must be performed while confirming the spot diameter by visual observation or the like, and thus the operation is relatively troublesome. In addition, when a CCD camera that captures an image of a soldering object using the optical lens is attached to the soldering head, the optical lens can be changed by changing the distance between the soldering head and the soldering object. Since the distance between the soldering object and the soldering object changes, the imaging position of the CCD camera also shifts, and readjustment is necessary.
一方、特許文献3には、集光レンズの位置を光軸方向に調整することによってワーク上面に焦点を合わせるようにしたレーザー加工装置が開示されており、この技術をはんだ付けヘッドに利用すれば、はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポットの径を調整することも不可能ではない。
On the other hand,
しかし、この特許文献3に開示された技術は、集光レンズの位置を調整するものであるため、前述したようにはんだ付けヘッドがCCDカメラを備えている場合には、前記集光レンズの位置を変化させてスポットの径を変化させると、該集光レンズの焦点がはんだ付け対象と一致しなくなり、前記CCDカメラによるはんだ付け対象の撮像が困難になることが考えられる。
However, since the technique disclosed in
本発明の目的は、はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポット径の調整を、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させることなく、また、CCDカメラによるはんだ付け対象の撮像に影響を及ぼすことなく行うことができる、簡単で合理的な設計構造を有するはんだ付けヘッドを提供することにある。 An object of the present invention is to adjust the spot diameter of a laser beam projected onto a soldering object without relatively changing the distance between the soldering head and the soldering object, and to image the soldering object with a CCD camera. It is an object of the present invention to provide a soldering head having a simple and rational design structure that can be performed without affecting the operation.
上記目的を達成するため、本発明のレーザー用はんだ付けヘッドは、レーザー光を導入するレーザー導入部と、レーザー光をはんだ付け対象に投射するレーザー投射口とを有するハウジングの内部に、前記レーザー光の光軸に沿って前記レーザー導入部側からレーザー投射口側に向けて順番に、前記光軸に沿って可動の入光レンズと、前記光軸に対して45度傾斜する半透鏡と、一定の位置に固定された集光レンズとを配設すると共に、前記ハウジングに、前記半透鏡及び集光レンズを介してはんだ付け対象の画像を撮像するCCDカメラを取り付け、前記ハウジングに、前記入光レンズの位置を調整する位置調整機構を設けて、該位置調整機構で前記入光レンズの位置を前記光軸に沿って調整することにより、前記はんだ付け対象に投射されるレーザー光のスポットの径を調整可能としたことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a laser soldering head according to the present invention includes a laser introducing portion for introducing a laser beam, and a laser projection port for projecting the laser beam onto a soldering target. A light incident lens movable along the optical axis, a semi-transparent mirror inclined at 45 degrees with respect to the optical axis, and a constant, in order from the laser introduction unit side toward the laser projection port side along the optical axis A condensing lens fixed at a position, and a CCD camera for picking up an image to be soldered via the semi-transparent mirror and the condensing lens is attached to the housing, and the light incident is attached to the housing. A position adjustment mechanism that adjusts the position of the lens is provided, and the position adjustment mechanism adjusts the position of the light incident lens along the optical axis, thereby projecting onto the soldering target. That is characterized in that the diameter of the laser beam spot was adjustable.
前記位置調整機構は、前記光軸と平行に配設された螺子軸と、該螺子軸を回転駆動する電動モータと、前記螺子軸に螺合して該螺子軸の回転により該螺子軸に沿って移動するナット部材と、前記入光レンズを保持するレンズホルダーとを有し、該レンズホルダーと前記ナット部材とが相互に連結されている構成であることが望ましい。
また、前記位置調整機構は、前記螺子軸に平行に配設されたガイド軸と、該ガイド軸に沿って摺動自在のスライダとを有し、該スライダが前記レンズホルダーに連結されていることが望ましい。
The position adjusting mechanism includes a screw shaft disposed in parallel with the optical axis, an electric motor that rotationally drives the screw shaft, and a screw shaft that is engaged with the screw shaft and rotates along the screw shaft. It is desirable that the nut member move and the lens holder for holding the light incident lens, and the lens holder and the nut member are connected to each other.
The position adjusting mechanism includes a guide shaft disposed in parallel to the screw shaft and a slider slidable along the guide shaft, and the slider is coupled to the lens holder. Is desirable.
本発明によれば、はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポット径の調整を、入光レンズの位置を光軸に沿って調整することにより、従来のようにはんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させることなく、簡単に行うことができる。しかもその際、レーザー導入部側の入光レンズとレーザー投射口側の集光レンズのうち、該集光レンズの位置を調整するようにしたので、CCDカメラによるはんだ付け対象の撮像に影響を及ぼさない。 According to the present invention, the adjustment of the spot diameter of the laser beam projected onto the soldering object is performed by adjusting the position of the light incident lens along the optical axis, so that the soldering head and the soldering object can be adjusted as in the past. This can be done easily without relatively changing the distance. In addition, since the position of the condensing lens is adjusted among the incident lens on the laser introduction side and the condensing lens on the laser projection port side at that time, it affects the imaging of the soldering target by the CCD camera. Absent.
図は本発明に係るレーザー用はんだ付けヘッドの一実施形態を示すもので、このはんだ付けヘッドは、はんだ付けロボットのアームに取り付けて使用されるもので、不図示のレーザー発振器から出力されたレーザー光3を導入してはんだ付け対象4に投射するための投射部1と、前記はんだ付け対象4をCCDカメラ5で撮像するための撮像部2とを有すると共に、前記はんだ付け対象4に線状はんだ7を供給するためのはんだノズル6を有している。
FIG. 1 shows an embodiment of a laser soldering head according to the present invention. This soldering head is used by being attached to an arm of a soldering robot, and a laser output from a laser oscillator (not shown). While having the
前記投射部1は、前記レーザー光3の光軸L1に沿って図の上下に真っ直ぐ延びる主ハウジング11を有している。該主ハウジング11は、前記光軸L1に沿って上方から下方に向けて順に、第1ハウジング部分11aと第2ハウジング部分11bと第3ハウジング部分11cとを有していて、前記第1ハウジング部分11aの上端部に、前記レーザー発振器から光ファイバー14を通じてレーザー光3を導入するためのレーザー導入部13が形成され、前記第3ハウジング部分11cの下端部に、先細り状の投射ノズル15が連結されて、該投射ノズル15の先端部に、前記レーザー光3をはんだ付け対象4に向けて投射するためのレーザー投射口16が形成されている。なお、前記光軸L1と前記主ハウジング11の軸線とは実質的に一致している。従って、以下の説明においては、前記軸線にも符号L1を付すものとする。
The
前記レーザー導入部13には、前記光ファイバー14を接続するためのコネクタ17が設けられ、該コネクタ17に接続された前記光ファイバー14の先端部14aから、レーザー光3が、先広がり状態で出射されるようになっている。従って、前記光ファイバー14の先端部14aは実質的に光源としての役目を果たすものであり、このため以下の説明においては、前記レーザー導入部13における前記光ファイバー14の先端部14aを「光源」と呼ぶものとする。
The
前記主ハウジング11における第1ハウジング部分11aの内部には、前記レーザー導入部13から導入された先広がり状のレーザー光3を円形の平行光又は平行光に近い形に変換する入光レンズ20が、前記光軸L1に沿って可動に設けられたレンズホルダー21に保持された状態で配設され、前記第3ハウジング部分11cの内部には、前記入光レンズ20からのレーザー光3を集光して前記レーザー投射口16からはんだ付け対象4にスポット状に投射する集光レンズ22が、前記レーザー投射口16の近くの定位置において該第3ハウジング部分11cに固定された状態で配設され、前記第2ハウジング部分11bの内部には、前記入光レンズ20から集光レンズ22に向かうレーザー光3は透過させるが、前記はんだ付け対象4から前記集光レンズ22を通して入射される可視光8は反射する半透鏡23が、前記光軸L1に対して45度傾斜する姿勢で配設されている。
Inside the
一方、前記撮像部2は、前記主ハウジング11の第2ハウジング部分11bから分岐して前記第1ハウジング部分11aと平行に延びる副ハウジング12を有し、該副ハウジング12の上端に前記CCDカメラ5が取り付けられている。また、該副ハウジング12の内部には、前記半透鏡23で水平方向に反射された平行光としての可視光8を上向きに反射する全反射鏡24と、該全反射鏡24で反射された可視光8を集光して前記CCDカメラ5に結像させる結像レンズ25とが、撮像用光軸L2に沿って配設されている。
前記主ハウジング11と副ハウジング12とは、前記はんだ付けヘッドのハウジング10を構成するものである。
On the other hand, the
The
前記CCDカメラ5で撮像されたはんだ付け対象4の画像は、図示しないモニターに表示され、例えば、はんだ付けを行う前のティーチングの段階で、この画像を見ながらはんだ付け対象4に対するレーザービームの投射位置の位置決めを行うのに使用されたり、はんだ付け時にそのはんだ付けが正常に行われているか否かといったようなことを監視するのに使用される。
An image of the
前記主ハウジング11における前記第1ハウジング部分11aの、前記入光レンズ20に隣接する位置には、該入光レンズ20の位置を前記光軸L1に沿って調整するための位置調整機構28が設けられている。
前記位置調整機構28は、前記第1ハウジング部分11aの外側面に取り付けられた上方の支持部材29a及び下方の支持部材29bと、該上方の支持部材29a及び下方の支持部材29bに上端及び下端を回転自在に支持されて前記光軸L1と平行に配設された螺子軸30と、前記上方の支持部材29a上に載置された電動モータ31と、該電動モータ31の回転軸31aに取り付けられた小径の駆動歯車32と、前記螺子軸30に取り付けられて該駆動歯車32と噛合する大径の従動歯車33と、前記螺子軸30に螺合して該螺子軸30の回転により該螺子軸30に沿って移動するナット部材34と、前記入光レンズ20を保持する前記レンズホルダー21とを有し、該レンズホルダー21と前記ナット部材34とが、前記第1ハウジング部分11aの側面の縦長の窓孔35から延出する連結アーム21aを介して相互に連結されている。
A
The
また、前記位置調整機構28は、前記上方の支持部材29aと下方の支持部材29bとに上端と下端とを支持されることによって前記螺子軸30に平行に配設されたガイド軸37と、該ガイド軸37に沿って摺動自在のスライダ38とを有し、該スライダ38が前記レンズホルダー21又はナット部材34に連結され、前記ガイド軸37とスライダ38とによって前記入光レンズ20の上下動を案内するように構成されている。前記ガイド軸37は、前記螺子軸30の両側の対称をなす位置に2つ設けることもできる。
The
前記螺子軸30、ナット部材34、駆動歯車32、従動歯車33、ガイド軸37及びスライダ38は、前記上下の支持部材29a,29bに取り付けられたカバー36によって覆われていることが望ましい。
The
そして、前記電動モータ31を正、逆に回転させると、前記螺子軸30が正、逆に回転し、それに伴って前記ナット部材34とレンズホルダー21とが該螺子軸30に沿って上下動し、前記入光レンズ20の位置が前記光軸L1に沿って図の上下方向に調整されるようになっている。
前記電動モータ31には、パルスモータを用いることが望ましい。このパルスモータは、回転数や回転角度等を正確に制御することができるので、前記入光レンズ20の位置を正確に把握しかつ制御することができる。しかし、前記入光レンズ20の位置を電磁的方法や光学的方法等によって検出する位置センサを別に設けることもできる。
When the
The
前記入光レンズ20は、通常、図1に示すように、前記位置調整機構28によって原点位置Aに保持されている。この原点位置Aは、前記レーザー導入部13即ち光源14aから導入された先広がり状のレーザー光3を、該入光レンズ20で前記光軸L1と平行な平行光に変換する位置であり、該入光レンズ20が原点位置Aにあるとき、該入光レンズ20の焦点は前記光源14aに一致している。また、平行光の状態で前記集光レンズ22に入射されたレーザー光3は、該集光レンズ22の焦点の位置に集光する。
The
従って、前記入光レンズ20が原点位置Aに保持されている状態で、はんだ付け対象4を前記集光レンズ22の焦点の位置に配置すれば、該はんだ付け対象4に投射されるスポットSの径は最小になり、前記はんだ付け対象4を、前記集光レンズ22の焦点の位置より該集光レンズ22側に近づけて配置すれば、前記スポットSの径は、前記はんだ付け対象4を前記焦点上に配置した場合より大きくなる。
Therefore, if the
いま、前記はんだ付け対象4が前記集光レンズ22の焦点の位置に配置されている場合に、前記入光レンズ20の位置を原点位置Aと光源14aとの間で調整することにより、前記はんだ付け対象4に投射されるレーザービームのスポットSの径を大小に調整することができる。
Now, when the
即ち、前記電動モータ31で前記螺子軸30を正回転させて、図3及び図4に示すように、前記ナット部材34を該螺子軸30に沿って図の上方に移動させ、前記入光レンズ20を前記原点位置Aから光源14a側に移動させると、該光源14aが、前記入光レンズ20の焦点の位置より該入光レンズ20に近づくため、該光源14aから先広がりの状態で入光レンズ20に入射したレーザー光3は、該入光レンズ20によって平行光よりもやや拡大された拡大光の状態に変換される。そして、この拡大光の状態に変換されたレーザー光3は、そのまま半透鏡23を透過して前記集光レンズ22に入射され、該集光レンズ22で収束されて該集光レンズ22の焦点より遠くの位置に集光されることになる。このため、前記はんだ付け対象4に投射されるレーザー光3のスポットSの径は、前記入光レンズ20が原点位置AにあるときのスポットSの径より大きくなる。
That is, the
逆に、前記レーザー光3のスポットSの径を大きく調整した状態から、前記電動モータ31により前記螺子軸30を逆回転させて前記ナット部材34を該螺子軸30に沿って図の下方に移動させ、前記入光レンズ20を前記原点位置Aに近づけると、前記光源14aが該入光レンズ20から遠ざかって焦点の位置に近づくため、該入光レンズ20から出射されるレーザー光3は次第に平行光に近づいていく。このため、前記集光レンズ22によるレーザー光3の集光位置も次第に該集光レンズ22の焦点に近づくことになり、その結果、前記はんだ付け対象4に投射されるレーザー光3のスポットSの径は次第に小さくなる。
On the contrary, from the state where the diameter of the spot S of the
また、前記はんだ付け対象4が、予め前記集光レンズ22の焦点の位置より該集光レンズ22に近い位置に配置されている場合にも、前記入光レンズ20の位置を調整することにより、前記はんだ付け対象4に投射されるレーザービームのスポットSの径を調整することができる。この場合、初期状態において、前記はんだ付け対象4に投射されるスポットSの径は、該はんだ付け対象4が前記集光レンズ22の焦点の位置にある場合より大きく設定されているが、前記入光レンズ20を原点位置Aから前記集光レンズ22に近づく方向(光源14aから遠ざかる方向)に変位させることにより、前記スポットSの径を小さく調整することができる。なお、図示した実施形態では、前記入光レンズ20の原点位置Aが第1ハウジング部分11aの下端部近くに設定されているが、該入光レンズ20を前述したように原点位置Aから前記集光レンズ22に近づく方向に変位させるように構成する場合には、その移動が可能な位置に前記原点位置Aが設定される。
Further, even when the
そして、前記電動モータ31を逆方向に回転させ、前記入光レンズ20を前記原点位置Aから前記集光レンズ22に近づく方向に移動させると、該入光レンズ20の焦点から光源14aが遠ざかるため、該光源14aから先広がりの状態で該入光レンズ20に入射したレーザー光3は、該入光レンズ20によって平行光よりもやや収束された収束光の状態に変換される。そして、この収束光の状態に変換されたレーザー光3は、そのまま半透鏡23を透過して前記集光レンズ22に入射され、該集光レンズ22で更に収束されて該集光レンズ22の焦点より手前の位置に集光されることになる。このため、前記はんだ付け対象4に投射されるレーザー光3のスポットSの径は小さくなる。
Then, when the
このように、前記入光レンズ20の位置を光軸L1に沿って調整することにより、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象4との距離を相対的に変化させることなく、該はんだ付け対象4に投射されるレーザー光3のスポットSの径を調整することができる。
In this way, by adjusting the position of the
一方、前記はんだ付け対象4は、前記CCDカメラ5により、前記半透鏡23及び集光レンズ22を通じて常時撮像され、その状態が監視されているが、前記レーザー光3のスポットSの径の調整は、前記入光レンズ20の位置を調整することにより行われ、前記集光レンズ22は一定の位置に固定されたまま移動しないので、該集光レンズ22の焦点の位置も変化することはなく、このため、前記CCDカメラ5によるはんだ付け対象4の撮像に影響が及ばない。
On the other hand, the
また、前記はんだノズル6は、不図示のはんだ供給装置からチューブ6bを通じて送られる線状はんだ7を、先端の供給口6aから前記はんだ付け対象4に向けて必要量ずつ供給するもので、前記ハウジング10に、ノズル取付機構40を介して、該ハウジング10の回りを回動可能なるように取り付けられ、駆動手段41で駆動されるように構成されている。
Further, the
前記ノズル取付機構40は、前記第3ハウジング部分11cの外周にベアリング42を介して前記軸線L1を中心に回転自在なるように取り付けられた回転部材43を有している。該回転部材43には、前記第3ハウジング部分11cの回りを回転自在の円環状をしたノズル支持部材47が、前記回転部材43の下面に固定された円環状の連結部材48を介して連結され、前記ノズル支持部材47の一端に、上下方向に延びる支持杆49が、螺子50で上下方向に位置調整可能に取り付けられ、該支持杆49の先端に、連結軸49aを中心に角度調整可能なるようにノズル取付具51が連結され、該ノズル取付具51に、前記はんだノズル6が、連結軸51aを中心に傾斜角度を調整可能なるように連結されている。
前記ノズル支持部材47及び連結部材48のうち少なくとも一方は、前記円環状以外の形状、例えばアーム形をしていても良い。
The
At least one of the
図示した実施形態において、前記回転部材43は歯車により形成され、また、前記駆動手段41は電動モータ44により形成されていて、該電動モータ44が、前記第2ハウジング部分11bの外側面に固定された支持台45上に載置され、該電動モータ44の駆動軸44aに取り付けられた駆動歯車46が、前記回転部材43の外周の歯に噛合している。前記電動モータ44にはパルスモータを用いることが望ましい。
In the illustrated embodiment, the rotating
前記電動モータ44の駆動軸44aと、駆動歯車46と、回転部材43と、連結部材48とは、前記ハウジング10に取り付けたカバー52で覆われている。
The
そして、前記電動モータ44を正逆方向に必要な角度回転させることにより、前記回転部材43が従動回転し、それに追随して前記ノズル支持部材47が正逆に回転することにより、該ノズル支持部材47に支持された前記はんだノズル6が、図1及び図4に示すように、前記ハウジング10の回りを正逆方向に必要な角度回動するようになっている。
Then, by rotating the
このように前記はんだノズル6をハウジング10の回りで回動させる理由は、前記はんだ付けヘッドを用いてはんだ付け対象4をはんだ付けする際に、該はんだ付けヘッドの位置及び姿勢等を、はんだ付け対象4である電子部品の配置や形状等に応じて様々に変更するが、その場合に、前記はんだノズル6が電子部品やはんだ付け装置に付随する他の部品等に接触するのを防止するためである。
The reason why the
3 レーザー光
4 はんだ付け対象
5 CCDカメラ
10 ハウジング
13 レーザー導入部
16 レーザー投射口
20 入光レンズ
21 レンズホルダー
22 集光レンズ
23 半透鏡
28 位置調整機構
30 螺子軸
31 電動モータ
34 ナット部材
35 窓孔
36 カバー
L1 光軸(軸線)
S スポット
DESCRIPTION OF
S spot
Claims (3)
前記ハウジングに、前記入光レンズの位置を調整する位置調整機構を設けて、該位置調整機構で前記入光レンズの位置を前記光軸に沿って調整することにより、前記はんだ付け対象に投射されるレーザー光のスポットの径を調整可能とした、
ことを特徴とするレーザー用はんだ付けヘッド。 Inside a housing having a laser introduction part for introducing laser light and a laser projection opening for projecting laser light onto a soldering object, from the laser introduction part side to the laser projection opening side along the optical axis of the laser light In turn, a light incident lens movable along the optical axis, a semi-transparent mirror inclined by 45 degrees with respect to the optical axis, and a condenser lens fixed at a fixed position, and A CCD camera that captures an image of a soldering target through the semi-transparent mirror and the condenser lens is attached to the housing,
The housing is provided with a position adjusting mechanism that adjusts the position of the light incident lens, and the position adjusting mechanism adjusts the position of the light incident lens along the optical axis, thereby being projected onto the soldering target. The laser beam spot diameter can be adjusted.
This is a laser soldering head.
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