JP2016081941A - 表面実装機の部品保持ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ロータリーヘッド式の部品保持ヘッドにおいて、部品のピックアップ又は実装の位置精度を向上させること。【解決手段】ヘッド本体に対して鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられたロータリーヘッドの円周方向に沿って複数本のスピンドルが配置され、各スピンドルの下端に部品保持具３２が装着され、スピンドルをその軸線方向に沿ったＺ方向に下降させることで当該スピンドルの下端に装着された部品保持具が着地して部品６０をピックアップ又は実装するようにしており、部品保持具を着地させるためにスピンドルをＺ方向に下降させるとき、当該スピンドルのＺ方向の下降動作とロータリーヘッドのＲ方向の回転動作とがオーバーラップする表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了した後にスピンドルのＺ方向の下降速度を一定速度にし、この一定速度のままで部品保持具を着地させる。【選択図】図７

Description

本発明は、ＩＣチップ等の部品（電子部品）を基板上に実装する表面実装機において、部品を保持する部品保持具を備える部品保持ヘッドに関する。

一般的に表面実装機は、部品保持ヘッドを部品供給部の上方に移動させ、そこで部品保持ヘッドに備えられた部品保持具としてのノズルに下降・上昇動作（昇降動作）を行わせて、ノズルの下端部に部品を真空吸着してピックアップし、次に部品保持ヘッドを基板の上方へ移動させ、そこで再度ノズルに下降・上昇動作を行わせて、部品を基板の所定の座標位置に実装するように構成されている。

また、部品保持ヘッドの代表的な型式として、ロータリーヘッド式の部品保持ヘッドが知られている（例えば特許文献１）。ロータリーヘッド式の部品保持ヘッドは、ヘッド本体に対して鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられた、円柱ないし円筒状のロータリーヘッドを有する。ロータリーヘッドには、その円周方向に沿って複数本のスピンドルが配置され、各スピンドルの下端にノズルが装着される。

このようにロータリーヘッド式の部品保持ヘッドでは、スピンドルの下端にノズルが装着され、これが一ユニットとしてロータリーヘッドの円周方向に沿って複数取り付けられている。そして部品をピックアップ又は実装するときには、ロータリーヘッドをＲ方向に回転させることで選択した特定のスピンドルを下降させ、そのスピンドルの下端に装着されたノズルを下降させて着地させる。

また、ロータリーヘッド式の部品保持ヘッドにおいては、ノズルを着地させるためにスピンドルをＺ方向に下降させるとき、タクトタイム短縮の点から、スピンドルのＺ方向の下降動作とロータリーヘッドのＲ方向の回転動作とをオーバーラップさせて実施することがある。当然、ノズルは、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了した後に着地するように制御するが、近年、更なるタクトタイム短縮の要求から、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了してからノズルが着地するまでの時間は、例えば数ミリ秒のオーダーまで短縮されている。

このような状況のなか、本発明者らがロータリーヘッド式の部品保持ヘッドにおいて部品のピックアップ又は実装の位置精度を低下させる要因について検討した結果、ロータリーヘッドがＲ方向に回転すると、その回転動作によりスピンドルユニットの位置精度が低下し、これが部品のピックアップ又は実装の位置精度を低下させる要因の一つであることが判明した。すなわち、スピンドルユニットは複数の部材から構成されておりスピンドルユニット内には機構的隙間が存在するところ、ロータリーヘッドがＲ方向に回転すると、スピンドルユニット内にＲ方向に応力が発生し、かつ応力の変化が発生する。この応力の変化とスピンドルユニット内の機構的隙間によってスピンドルユニットの位置精度が低下し、結果として部品のピックアップ又は実装の位置精度を低下するのである。

例えば、図９（ａ）に示すようにスピンドル３１が２本のスピンドル部材を連結して形成されている場合、ロータリーヘッドのＲ方向回転によりスピンドルユニット内にＲ方向に応力の変化が発生すると、同図（ｂ）に示すようにスピンドル３１が２本のスピンドル部材の連結部分で屈曲し、スピンドルユニットの位置精度が低下する。

このスピンドルユニットの位置精度の低下すなわち位置ずれは、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了すれば復元方向に向かうが、上述のとおりロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了してからノズルが着地するまでの時間が短いと、スピンドルユニットの位置ずれが復元しないままノズルが着地してしまう。また、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了してからノズルが着地するまでの時間が比較的長かったとしても、スピンドルのＺ方向の昇降時の加速度（昇降加速度）によりスピンドルユニット内にＺ方向の応力の変化が発生すると、これが復元の妨げとなって復元する前に着地してしまうこともある。なお、このＺ方向の応力の変化が大きいほどスピンドルユニットは復元しにくくなるので、従来技術では、スピンドルの昇降加速度の絶対値（以下、単に「昇降加速度」という。）に上限を定める必要がある。

このように、本発明者らは、ノズルを着地させるためにスピンドルをＺ方向に下降させるとき、スピンドルのＺ方向の下降動作とロータリーヘッドのＲ方向の回転動作とをオーバーラップさせるロータリーヘッド式の部品保持ヘッドにおいては、Ｒ方向の回転動作及びＺ方向の下降動作により生じる応力の変化に起因して、部品のピックアップ又は実装の位置精度が低下するという問題があることを認識した。

特開平１０−２８４８８９号公報

本発明が解決しようとする課題は、かかるロータリーヘッド式の部品保持ヘッドにおいて、部品のピックアップ又は実装の位置精度を向上させることにある。

本発明の一観点によれば、次の表面実装機の部品保持ヘッドが提供される。
「ヘッド本体に対して鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられたロータリーヘッドの円周方向に沿って複数本のスピンドルが配置され、各スピンドルの下端に部品保持具が装着され、スピンドルをその軸線方向に沿ったＺ方向に下降させることで当該スピンドルの下端に装着された部品保持具が着地して部品をピックアップ又は実装するようにしており、部品保持具を着地させるためにスピンドルをＺ方向に下降させるとき、当該スピンドルのＺ方向の下降動作とロータリーヘッドのＲ方向の回転動作とがオーバーラップする表面実装機の部品保持ヘッドであって、
部品保持具を着地させる動作において、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了した後にスピンドルのＺ方向の下降速度を一定速度にし、この一定速度のままで部品保持具を着地させる、表面実装機の部品保持ヘッド。」

すなわち本発明では、部品保持具を着地させる動作において、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了した後にスピンドルのＺ方向の下降速度を一定速度にする、つまり昇降加速度を０にすることで、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作によりスピンドルユニット内に生じた応力の変化を０又は一定にすることができる。これにより、当該応力の変化により生じたスピンドルユニット内の機構的隙間の変化が元に戻り復元されるので、スピンドルユニットの位置精度が向上する。そして、この一定速度（昇降加速度０）のままで部品保持具を着地させることで、部品のピックアップ又は実装の位置精度を向上させることができる。

なお、各スピンドルがその軸線周りのＴ方向に回転可能である場合、部品保持具を着地させる動作においては、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作及びスピンドルのＴ方向に回転動作が終了した後にスピンドルのＺ方向の下降速度を一定速度にし、この一定速度のままで部品保持具を着地させることが好ましい。

ここで、本発明では、部品保持具の着地前にスピンドルの下降速度を一定速度（昇降加速度０）とすることから、昇降加速度を０にすることなくそのまま部品保持具を着地させる従来技術に比べると、タクトタイムが長くなるようにも思える。しかし従来技術において、例えば図９（ｂ）に示したように変形したスピンドルユニットを可能な限り復元させるには、上述したＺ方向の応力の変化を小さくするためにスピンドルの昇降加速度を小さくする必要があるが、本発明では上述のとおり、部品保持具の着地前にスピンドルの下降速度を一定速度にすることで、この一定速度（昇降加速度０）の間にスピンドルユニットを復元させることができるので、スピンドルの下降速度を一定速度にする前のスピンドルの昇降加速度を大きくすることができる。したがって、本発明では、従来技術と同等のタクトタイムを実現できるのみならず、従来技術に比べタクトタイムを短縮することも可能となる。

このように、スピンドルの下降速度を一定速度にする前のスピンドルの昇降加速度を適宜設定可能とするため、本発明では、スピンドルの昇降加速度は可変とすることが好ましい。

なお、本発明において「部品保持具の着地」とは、部品のピックアップ工程において部品保持具の下端部が部品の上面に着地すること、及び部品の実装工程において部品保持具の下端部に保持された部品が基板の上面に着地することの両方を含む概念である。

以上のとおり本発明によれば、部品保持具を着地させるためにスピンドルをＺ方向に下降させるとき、スピンドルのＺ方向の下降動作とロータリーヘッドのＲ方向の回転動作とをオーバーラップさせるロータリーヘッド式の部品保持ヘッドにおいて、部品のピックアップ又は実装の位置精度を向上させることができる。また、部品のピックアップ又は実装の位置精度を確保しつつ、スピンドルの昇降加速度を従来技術に比べ大きくすることもできるので、タクトタイムを短縮しうる。

本発明の実施例による部品保持ヘッドの全体構成を示す斜視図である。 図１の部品保持ヘッドにおいてスピンドル（ノズル）をＺ方向に昇降させる機構を示す説明図である。 図２のスピンドル（ノズル）をＺ方向に昇降させる機構において昇降具周りの構成を示す説明図である。 図２に示す昇降具によりスピンドル（ノズル）を下降させるときの様子を示し、（ａ）はスピンドル（ノズル）が初期位置にある状態を示し、（ｂ）はスピンドル（ノズル）を下降させた状態を示す。 スピンドルの下端に装着されたノズル部分の断面を拡大して示す斜視図である。 ノズルが着地したときの光ファイバセンサの受光量の変化を模式的に示す図である 本発明の実施例による部品保持ヘッドの動作を概念的に示す図である。 本発明によるノズルの下降プロファイルのバリエーションを概念的に示す図である。 ロータリーヘッドの回転動作によるスピンドルユニットの位置精度低下の要因を例示的に示す概念図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。

図１は、本発明の実施例による部品保持ヘッドの全体構成を示す斜視図である。

同図に示す部品保持ヘッド１０はロータリーヘッド式の部品保持ヘッドであり、ヘッド本体２０に、略円柱状のロータリーヘッド３０が鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられている。このロータリーヘッド３０には、その周方向に沿って等間隔で複数本のスピンドル３１が配置され、各スピンドル３１の下端に部品を吸着保持する部品保持具としてノズル３２が装着されている。スピンドル３１は、図２にも表れているように複数の部材からなり、ノズル３２とともにスピンドルユニットを構成し、これがロータリーヘッド３０に取り付けられている。

ロータリーヘッド３０は、ヘッド本体２０に設置されたＲサーボモータ２１の駆動によりＲ方向に回転する。また、各スピンドル３１は、ヘッド本体２０に設置されたＴサーボモータ２２の駆動により、その軸線周りのＴ方向に回転する。更に、ヘッド本体２０には、特定位置にあるスピンドル３１ａを軸線方向に沿ったＺ方向に昇降させるためのＺサーボモータ２３が配置されている。Ｒサーボモータ２１の駆動によりロータリーヘッド３０をＲ方向に回転させる機構、及びＴサーボモータ２２の駆動により各スピンドル３１をＴ方向に回転させる機構については周知であるので、その説明は省略する。Ｚサーボモータ２３の駆動によりスピンドル３１ａを下降させる機構については、以下に説明する。

図２は、図１の部品保持ヘッド１０においてスピンドル３１ａをＺ方向に昇降させる機構を示す説明図である。ヘッド本体２０に配置されたＺサーボモータ２３のモータ軸は、ボールねじ機構２４のねじ軸２４ａに連結され、このねじ軸２４ａにナット２４ｂが装着されている。そして、このナット２４ｂに昇降具２５が連結されている。したがって、Ｚサーボモータ２３の駆動により、ナット２４ｂとともに昇降具２５がＺ方向に移動する。

昇降具２５はヘッド本体２０側に１個だけ設けられている。スピンドル３１を下降させるときには、昇降具２５に対してスピンドル３１を相対的に移動させることにより下降させるスピンドル３１（前記特定位置にあるスピンドル３１ａ）を選択し、昇降具２５を下降させることにより当該スピンドル３１ａ及びその下端のノズル３２を下降させる。本実施例では図３に示すように、ロータリーヘッド３０をＲ方向に回転させることにより昇降具２５に対してスピンドル３１を移動させ、昇降具２５の直下にあるスピンドル３１ａを下降させる。ただし、特定位置にあるスピンドル３１ａを選択して下降させる構成はこれに限定されず、昇降具を移動させて下降させるスピンドルを選択するようにしてもよい。また、特定位置は２箇所以上あってもよい。

図２に戻って、昇降具２５が連結されたナット２４ｂには、連結バー２６、及びヘッド本体２０に固定的に設けたスプラインシャフト２７に装着されたスプラインナット２８を介して、光ファイバセンサ４０が連結されている。すなわち、光ファイバセンサ４０は昇降具２５と一体的に設けられている。したがって、光ファイバセンサ４０は、Ｚサーボモータ２３の駆動により昇降具２５がＺ方向に移動すると、これと同調してＺ方向に移動する。その様子を図４に示す。図４（ａ）はスピンドル３１ａが初期位置にある状態を示し、図４（ｂ）は図２に示す昇降具２５によってスピンドル３１ａを下降させた状態を示す。 なお、スピンドル３１は２つのコイルばねからなる弾発体３３（図２参照）によって常に上方の初期位置に向けて付勢されている。

光ファイバセンサ４０は、発光部及び受光部が光ファイバやレンズとともに同一軸線上に組み込まれたもので、その構成自体は周知である。本実施例において光ファイバセンサ４０は図２に示すように、スピンドル３１の下端にコイルばね３４（弾性体）を介して装着されたノズル３２の斜め上方に配置されている。そして、光ファイバセンサ４０の発光部は、図５に拡大して示すノズル３２の外周上面の反射面３２ａに向けて斜め下向きに光Ｐを発する。その光Ｐは光ファイバセンサ４０の受光部で反射光として受光される。

ここで、ノズル３２は上述のとおり、スピンドル３１の下端にコイルばね３４を介して装着されている。したがって、スピンドル３１の下降によりその下端のノズル３２が着地すると、コイルばね３４が圧縮されてスピンドル３１に対するノズル３２の上下方向の位置が変化する。具体的にはノズル３２がスピンドル３１の下端側に向けて相対的に移動する。

一方、光ファイバセンサ４０の発光部から発せされる光Ｐは、図２に示すレンズ４０ａによって、ノズル３２が着地していない着地前状態のときの反射面３２ａに焦点が合せられている。したがって、ノズル３２が着地してその上下方向の位置が変化すると、反射面３２ａで反射される反射光の量が減少し、光ファイバセンサ４０の受光部で受光する受光量が減少する（図６参照）。本実施例では、この受光量の減少を光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂで検知する。そして、センサ部４０ｂは受光量が所定量減少したとき、具体的には、例えば図６に示す閾値Ａ以下になったときに、ノズル３２が着地したと判断し、着地検知信号を発する。

次に、本実施例の部品保持ヘッドの動作を、図７を参照して説明する。なお、図７は部品６０を基板７０に実装する実装工程を示しているが、部品保持ヘッドの動作は部品のピックアップ工程においてもこれと同様である。

図７においてＡ時点より、ノズル３２のＺ方向の下降動作（Ｚ軸下降）が開始する。このＺ軸下降の初期段階においてノズル３２は、図３で説明したＴ方向の回転動作（Ｔ軸回転）及びＲ方向の回転動作（Ｒ軸回転）を伴いつつ下降する。その後、光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂは、検知対象のノズル３２の着地前であって、そのＴ軸回転及びＲ軸回転が終了した後（図７ではＢ時点）における実測の受光量が、予め設定した許容範囲内であるかどうかを判定する。このＢ時点における受光量が許容範囲内であれば、光ファイバセンサ４０は、このＢ時点における受光量に基づいて瞬時に閾値Ａを自動設定し、この閾値Ａを基準としてノズル３２が着地したか否かを判断する。図７の例ではＣ時点で受光量が閾値Ａ以下となったので、この時点でノズル３２が着地したと判断する。

ここで、図７にＺ軸速度として表されているノズルの昇降プロファイル、特に下降プロファイルに注目すると、Ｚ軸下降の初期段階では下降速度を大きくし、その後、下降速度を漸次低下させ、更に図７にＲ軸速度として表されているロータリーヘッドのＲ方向の回転動作（Ｒ軸回転）、及び図７にＴ軸速度として表されているスピンドルのＴ方向の回転動作（Ｔ軸回転）が終了した後に、スピンドル（ノズル）のＺ方向の下降速度を一定速度（昇降加速度を０）にしていることがわかる。これにより、上述のとおり、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作によりスピンドルユニット内に生じた機構的隙間の変化が元に戻り復元されるので、スピンドルユニットの位置精度が向上する。そして、図７にも示すように、この一定速度（昇降加速度０）のままでノズル３２を着地させることで、部品のピックアップ又は実装の位置精度を向上させることができる。

なお、上述のＲ軸回転及びＴ軸回転が終了する時点は、部品保持ヘッドの制御プロクラムにより把握でき、実際には、例えば図７のＢ時点はノズル３２を昇降させるＺサーボモータ２３のエンコーダ値に基づいて決定できる。また、図７に示すようなノズルの昇降プロファイル（下降プロファイル）は、図２に示す制御部５０がＺサーボモータ２３を制御することで実現できる。

このノズルの下降プロファイルは、上述のＲ軸回転及びＴ軸回転が終了した後に、ノズルの下降速度を一定速度（昇降加速度を０）にしてそのまま着地させるという条件を満たす限り、例えば図８に例示するように任意に設定できる。

図８は、このノズルの下降プロファイルのバリエーションを例示している。図８（ａ）の下降プロファイルは、図７の下降プロファイルに比べ下降初期の昇降加速度を大きくして急速下降させる例である。この例によれば、図７の例に比べタクトタイムを短縮できる。また、図８（ｂ）の下降プロファイルは、下降後期の昇降加速度も大きくして急速減速させる例である。この例によれば、タクトタイムを更に短縮できる。

一方、図８（ｃ）の下降プロファイルは、下降後期の昇降加速度を段階的に小さくして緩減速させる例である。この例によれば、ノズルの下降によるＺ方向の応力変化の影響を軽減できる。その他、種々のバリエーションがあることは当業者に自明である。

以上の構成において、部品保持ヘッド１０を有する表面実装機は、スピンドル３１の下端に装着されたノズル３２により、部品供給部から部品を吸着しピックアップしてプリント基板上に移送し、プリント基板上の所定位置に実装する。この部品のピックアップ時及び実装時においては、光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂが、上述の要領でノズル３２毎に設定した閾値Ａを基準としてノズル３２が着地した否かを判断し、着地が検知されれば着地検知信号を発する。この着地検知信号は、図２に示す制御部５０に送信される。制御部５０は着地検知信号を受信すると、昇降具２５を下降させるＺサーボモータ２３を所定の押込み量を考慮して停止させる。これにより、ノズル３２の下降ストロークが的確に制御され、ノズル３２が正確に着地する。また、制御部５０は、Ｚサーボモータ２３を制御して、上述のとおりＲ軸回転及びＴ軸回転が終了した後に、ノズルの下降速度を一定速度（昇降加速度を０）にしてそのまま着地させる。これにより、部品のピックアップ又は実装の位置精度が向上する。

以上の実施例においては、光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂは制御部５０と別個に設けたが、センサ部４０ｂの機能を制御部５０に組み込むこともできる。また、制御部５０はＺサーボモータ２３に組み込むこともできる。更に、着地検知センサとしては光ファイバセンサ４０以外の反射型の光センサを使用することもできる。

また、実施例では、光ファイバセンサ４０からの着地検知信号に基づいてノズルの下降を停止するようにしたが、予め目標着地位置を設定しておき、この目標着地位置にノズルが到達したらノズルの下降を停止するようにしてもよい。すなわち、本発明において光ファイバセンサ４０は省略可能である。

１０ 部品保持ヘッド
２０ ヘッド本体
２１ Ｒサーボモータ
２２ Ｔサーボモータ
２３ Ｚサーボモータ
２４ ボールねじ機構
２４ａ ねじ軸
２４ｂ ナット
２５ 昇降具
２６ 連結バー
２７ スプラインシャフト
２８ スプラインナット
３０ ロータリーヘッド
３１，３１ａ スピンドル
３２ ノズル
３２ａ 反射面
３３ 弾発体
３４ コイルばね（弾性体）
４０ 光ファイバセンサ（着地検知センサ）
４０ａ レンズ
４０ｂ センサ部
５０ 制御部（昇降制御手段）
６０ 部品
７０ 基板

Claims (3)

1. ヘッド本体に対して鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられたロータリーヘッドの円周方向に沿って複数本のスピンドルが配置され、各スピンドルの下端に部品保持具が装着され、スピンドルをその軸線方向に沿ったＺ方向に下降させることで当該スピンドルの下端に装着された部品保持具が着地して部品をピックアップ又は実装するようにしており、部品保持具を着地させるためにスピンドルをＺ方向に下降させるとき、当該スピンドルのＺ方向の下降動作とロータリーヘッドのＲ方向の回転動作とがオーバーラップする表面実装機の部品保持ヘッドであって、
   部品保持具を着地させる動作において、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作が終了した後にスピンドルのＺ方向の下降速度を一定速度にし、この一定速度のままで部品保持具を着地させる、表面実装機の部品保持ヘッド。
2. 各スピンドルは、軸線周りのＴ方向に回転可能であり、
   部品保持具を着地させる動作において、ロータリーヘッドのＲ方向の回転動作及びスピンドルのＴ方向に回転動作が終了した後にスピンドルのＺ方向の下降速度を一定速度にし、この一定速度のままで部品保持具を着地させる、請求項１に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
3. スピンドルのＺ方向の昇降の加速度が可変である、請求項１又は２に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。