JP2016086096A - 表面実装機の実装ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】ノズルにより部品を真空吸着して基板に実装する表面実装機の実装ヘッドにおいて、部品実装のタクトタイムを短縮しつつ、確実に部品を実装できるようにすること。【解決手段】スプール６１を初期位置Ａから正圧切替位置Ｃへ移動させることにより、正圧供給経路６２ｂへの切替えを行うスプールバルブと、スプール６１の移動を制御する制御手段と、ノズルに吸着された部品が基板に着地したことを検知する着地検知センサと備えた表面実装機の実装ヘッドである。前記制御手段は、ノズルに吸着された部品が基板に着地する前に、スプール６１を初期位置Ａと正圧切替位置Ｃとの間にある準備位置Ｂまで移動させ、前記着地検知センサが部品の着地を検知したら、スプール６１を準備位置Ｂから正圧切替位置Ｃまで移動させる。【選択図】図８

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、部品を真空吸着して保持し、その保持した部品を基板に実装する実装ヘッドに関する。

一般的に表面実装機は、実装ヘッドを部品供給部の上方に移動させ、そこで実装ヘッドに備えられたノズルに下降・上昇動作を行わせて、ノズルの下端部に部品を真空吸着してピックアップし、次に実装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。

このように一つのノズルによって部品のピックアップ及び実装を行うため、ノズルには負圧と正圧とを切り替えて供給する。具体的には、部品のピックアップ時には負圧供給経路を通じて負圧を供給し部品を真空吸着する。そして、当該部品の実装時には負圧供給経路から正圧供給経路への切替えを行い、ノズル内の真空を破壊して正圧によるブローを行う。

このような負圧供給経路から正圧供給経路への切替えを行う機構として、スプールバルブが知られている。すなわちスプールバルブは、部品の実装時、スプールを負圧切替位置から正圧切替位置に移動させることで、負圧供給経路から正圧供給経路への切替えを行う。ただし、スプールを負圧切替位置から正圧切替位置に移動させるには時間を要し、また、正圧に切り替えてから真空破壊が完了しブローが開始されるまでにも時間がかかる。つまり、切替動作の開始からブローよる部品実装が可能となるまでには、ある程度の時間（例えば７ｍｓ程度、以下「ブロー準備時間」という。）を要する。したがって、ノズルに吸着された部品が基板に着地（タッチ）した時点で正圧への切替動作を開始すると、その位置で少なくともブロー準備時間分だけ待つ必要があり、タクトタイムの増加を招く。

そこで、従来、ノズルに吸着された部品が基板に着地する着地タイミングを予め計算により求めておき、この計算上の着地タイミングに対して、上述のブロー準備時間相当分だけ早いタイミングで正圧への切替動作を開始させる技術が提案されている（例えば特許文献１、２）。すなわち、この従来技術は、正圧への切替動作開始のタイミング制御により、ブロー準備時間相当分のタクトタイムを短縮しようとするものである。

しかし、計算上の着地タイミングは、あくまで計算上のものであるから、実際の着地タイミングとズレが生じることがある。例えば基板に反りがあると、計算上の基板高さと実際の基板高さに違いがあるから、計算上の着地タイミングと実際の着地タイミングとにズレが生じる。

また、計算上の着地タイミングを求めるには、設計上の基板高さ等、各種設計値の入力が必要であるが、その入力には人間が関与することから、ヒューマンエラーに基づく入力ミスが起こりうる。そうすると当然ながら、計算上の着地タイミングと実際の着地タイミングとにはズレが生じる。

上述の従来技術において、計算上の着地タイミングと実際の着地タイミングとにズレがあると、部品の実装ミス等のトラブルが起こるおそれがある。すなわち、計算上の着地タイミングが実際の着地タイミングより早いと、実際の着地前にブローが始まるから基板への実装前に部品が落下して実装ミスとなるおそれがある。一方、計算上の着地タイミングが実際の着地タイミングより遅いと、実際に着地してもブローが始まらないから部品が実装されない実装ミスが起こりうる。

特開２００３−２８３１８８号公報 特開平６−３３８７００号公報

本発明が解決しようとする課題は、ノズルにより部品を真空吸着して基板に実装する表面実装機の実装ヘッドにおいて、部品実装のタクトタイムを短縮しつつ、確実に部品を実装できるようにすることにある。

本発明の一観点によれば、次の表面実装機の実装ヘッドが提供される。
「負圧供給経路を通じて供給される負圧により部品を吸着したノズルに、正圧供給経路を通じて正圧を供給することにより、当該部品を基板に実装する表面実装機の実装ヘッドであって、
スプールを初期位置から正圧切替位置へ移動させることにより、前記正圧供給経路への切替えを行うスプールバルブと、前記スプールの移動を制御する制御手段と、ノズルに吸着された部品が基板に着地したことを検知する着地検知センサとを備え、
前記制御手段は、ノズルに吸着された部品が基板に着地する前に、前記スプールを前記初期位置と前記正圧切替位置との間にある準備位置まで移動させ、前記着地検知センサが部品の着地を検知したら、前記スプールを前記準備位置から前記正圧切替位置まで移動させる、表面実装機の実装ヘッド。」

このように本発明では、着地前にスプールを準備位置まで移動させる予備動作を行うので、その分、部品実装のタクトタイムを短縮できる。そして、正圧への切替動作は、着地検知センサが部品の着地を検知してから、つまり実測の着地タイミングに基づいて行うので、確実に部品を実装できる。

本発明において、前記スプールは開孔を有するものとし、前記正圧切替位置において前記開孔が前記正圧供給経路と完全に整合するようにすることができる。そしてこの場合、前記準備位置は、前記開孔が前記正圧供給経路と整合し始める手前の位置とすることができる。これにより、前記準備位置で真空破壊が生じることを防止でき、より確実に部品を実装できる。

また、本発明においてスプールバルブは、スプールの移動により正圧供給経路と負圧供給経路とを切り替えるものとすることができる。この場合、前記初期位置は負圧切替位置であり、前記スプールバルブは前記スプールを負圧切替位置から正圧切替位置へ移動させることにより前記正圧供給経路への切替えを行い、前記スプールを正圧切替位置から負圧切替位置へ移動させることにより前記負圧供給経路への切替えを行う。

本発明によれば、ノズルにより部品を真空吸着して基板に実装する表面実装機の実装ヘッドにおいて、部品実装のタクトタイムを短縮しつつ、確実に部品を実装できる。

本発明の実施例による実装ヘッドの全体構成を示す斜視図である。 図１の実装ヘッドにおいてスピンドル（ノズル）をＺ方向に下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方向に下降させる機構において押圧具周りの構成を示す説明図である。 図２に示す押圧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。 制御部（制御手段）によるＺサーボモータの制御例を示す。 スプールバルブの構成例と動作を概念的に示す図である。 図８のスプールバルブの動作の一例を示すタイムチャートである。

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実装ヘッドの全体構成を示す斜視図である。

同図に示す実装ヘッド１０はロータリーヘッド式の実装ヘッドであり、ヘッド本体２０に、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ノズル３２が装着されている。

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の実装ヘッド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に押圧具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とともに押圧具２５がＺ方向に移動する。

押圧具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、押圧具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、押圧具２５を下降させることにより当該スピンドル３１ａ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押圧具２５に対してスピンドル３１を移動させ、押圧具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、押圧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、押圧具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、着地検知センサと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は押圧具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の駆動により押圧具２５がＺ方向に移動すると、これと連動して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に示す押圧具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が着地していない初期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、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。

なお、本明細書において「ノズルの着地」とは、部品の吸着（ピックアップ）工程においてノズル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ノズル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。

以上の構成において、実装ヘッド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。なお、この部品のピックアップ動作及び実装動作においては、ノズル３２に負圧と正圧とを切り替えて供給するが、これについては後で説明する。

また、部品のピックアップ時及び実装時においては、図２で説明したように、保持具２５の直下に位置させたスピンドル３１ａの上端面を押圧具２５が押圧して、そのスピンドル３１ａをＺ方向に下降させる。その後、スピンドル３１ａ先端のノズル３２が着地すると、上述のとおり、コイルばね３４が圧縮されてスピンドル３１ａに対するノズル３２の上下方向の位置が変化し、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。そして、光ファイバセンサ４０のセンサ部４２が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（制御手段）５０に送信される。制御部５０は着地検知信号を受信すると、押圧具２５を下降させるＺサーボモータ２３を停止させる。これにより、ノズル３２の下降ストロークが適切に制御され、ノズル３２が正確に着地する。

図７は、制御部５０によるＺサーボモータ２３の制御例を示す。図７には、Ｚサーボモータ２３の駆動によるノズル３２の下降速度と下降ストロークの時間変化、すなわちノズルの下降プロファイルを示している。下降ストロークの設計値は８ｍｍである。

図７に示すように、制御部５０は、下降初期は下降速度を大きくし、その後、ストロークが３ｍｍ（第１の高さ位置）になったら下降速度を漸次低下させ、更にストロークが６．７ｍｍ（第２の高さ位置）になったら下降速度が一定となるようにＺサーボモータ２３を制御する。そして、ノズル３２が着地して光ファイバセンサ４０から着地検知信号を受信すると、制御部５０はＺサーボモータ２３を停止させる。図７では、ノズル３２が着地するまで実際の下降ストロークが設計値どおりの８ｍｍの場合と、設計値（８ｍｍ）より大きかった場合（９ｍｍ）と小さかった場合（７ｍｍ）の３パターンを示しているが、いずれの場合も下降ストロークは適切に制御され、ノズル３２は正確に着地する。

次に、本発明による部品実装の動作を説明する。

部品の吸着は、負圧供給経路を通じてノズルに負圧を供給することで実現され、部品の実装は、当該ノズルに正圧供給経路を通じて正圧を供給することで実現される。そして、負圧供給経路と正圧供給経路との切替えは、スプールバルブによって実現される。

図８は、スプールバルブの構成例と動作を概念的に示す図、図９は、図８のスプールバルブの動作の一例を示すタイムチャートである。

図８に示すスプールバルブ６０は、パルスモータ７０の回転軸７０ａに連結されたレバー７１の回転によってスプール６１を直線的に移動させることで、負圧供給経路６２ａと正圧供給経路６２ｂとの切替えを行う。負圧供給経路６２ａは真空ポンプ等の負圧供給源に接続され、正圧供給経路６２ｂは正圧エアタンク等の正圧供給源に接続されている。

スプールバルブ６０の構成をより具体的に説明すると、スプール６１は開孔６１ａを有し、この開孔６１ａが負圧供給経路６２ａと完全に整合する位置が負圧切替位置Ａで、開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと完全に整合する位置が正圧切替位置Ｃである。部品の実装時においては、負圧切替位置Ａがスプール６１の初期位置である。そして、負圧切替位置Ａと正圧切替位置Ｃとの間に準備位置Ｂがある。図８の例において準備位置Ｂは、開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと整合し始める直前の位置に設定している。なお、スプール６１の移動の制御は、図２に示した制御部５０がパルスモータ７０の動作を制御することにより行う。

ノズルに吸着した部品を基板に実装する際は、ノズルが着地する前の段階、例えばノズルが下降動作を開始した段階で、制御部５０がパルスモータ７０の動作を制御して、スプール６１を負圧切替位置Ａから準備位置Ｂまで移動させる予備動作を実行する。そして、上述の光ファイバセンサ４０によりノズルの着地が検知されると、制御部５０はパルスモータ７０の動作を制御してスプール６１を準備位置Ｂから正圧切替位置Ｃまで移動させるブロー動作を実行する。これにより、ノズルに正圧が供給され、ノズル内の真空が破壊されてブローが行われ、部品が基板に実装される。部品の実装が完了したら、制御部５０はパルスモータ７０の動作を制御してレバー７１を中立の位置Ｄに戻す。この中立の位置Ｄは、上述したロータリーヘッド３０のＲ方向回転による次のスピンドル３１のスプールバルブ６０を受け入れるための待機位置Ｄである。すなわち、この待機位置Ｄにおいて次のスピンドル３１のスプールバルブ６０を受け入れる。この次のスプールバルブ６０のスプール６１は負圧切替位置Ａにあるので、後は上述の要領で、スプール６１を準備位置Ｂ、正圧切替位置Ｃへと順次移動させ、その後、レバー７１を待機位置Ｄに戻す。以後、全てのスピンドル３１のノズルによる部品の実装が終了するまで、この動作を繰り返す。

このように本発明では、ノズルの着地前にスプール６１を準備位置Ｂまで移動させる予備動作を行うので、その分（例えば２ｍｓ程度）、部品実装のタクトタイムを短縮できる。そして、正圧への切替動作は、光ファイバセンサ４０がノズルの着地を検知してから、つまり実測の着地タイミングに基づいて行うので、確実に部品を実装できる。

また、本発明では、実測の着地タイミングが得られるので、これに基づいて、ノズルの下降プロファイルを最適に設定することができる。例えば、実測の着地タイミングに基づいてノズルが停止するように設定すると、図７に示した下降プロファイルにおける下降速度一定の領域を実質的になくすことができ、タクトタイムを更に短縮できる。

なお、実施例において準備位置Ｂは、開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと整合し始める直前の位置に設定したが、この準備位置Ｂは、負圧切替位置Ａと正圧切替位置Ｃとの間であれば任意に設定でき、例えば、正圧切替位置Ｃの手前で開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと一部整合する位置とすることもできる。ただし、ノズルが着地する前の準備位置Ｂ（予備動作段階）で真空破壊が生じることを防止する点からは、準備位置Ｂは、開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと整合し始める手前の位置とすることが好ましく、タクトタイムの短縮をも勘案すると、開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと整合し始める直前の位置とすることが更に好ましい。

また、実施例では、一つのスプールバルブ６０によって負圧供給経路６２ａ及び正圧供給経路６２ｂへの切替えを行うようにしたが、負圧供給経路への切替えは、別の切替機構よって行うようにすることもできる。だたし、実装ヘッドの小型化の点からは、実施例のように一つのスプールバルブ６０によって負圧供給経路６２ａ及び正圧供給経路６２ｂへの切替えを行うことが好ましい。

また、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、実施例では、ノズル３２の着地を検知する非接触センサとして光ファイバセンサ４０を使用したが、磁気センサ等の他の非接触センサを使用することもできる。更に、本発明はロータリーヘッド式以外の実装ヘッドにも適用可能である。

１０ 実装ヘッド
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（昇降手段）
２４ ボールねじ機構
２４ａ ねじ軸
２４ｂ ナット
２５ 押圧具
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（制御手段）
６０ スプールバルブ
６１ スプール
６１ａ 開孔
６２ａ 負圧供給経路
６２ｂ 正圧供給経路
７０ パルスモータ（レバー駆動手段）
７０ａ 回転軸
７１ レバー

Claims (4)

1. 負圧供給経路を通じて供給される負圧により部品を吸着したノズルに、正圧供給経路を通じて正圧を供給することにより、当該部品を基板に実装する表面実装機の実装ヘッドであって、
   スプールを初期位置から正圧切替位置へ移動させることにより、前記正圧供給経路への切替えを行うスプールバルブと、前記スプールの移動を制御する制御手段と、ノズルに吸着された部品が基板に着地したことを検知する着地検知センサとを備え、
   前記制御手段は、ノズルに吸着された部品が基板に着地する前に、前記スプールを前記初期位置と前記正圧切替位置との間にある準備位置まで移動させ、前記着地検知センサが部品の着地を検知したら、前記スプールを前記準備位置から前記正圧切替位置まで移動させる、表面実装機の実装ヘッド。
2. 前記スプールは開孔を有し、前記正圧切替位置において前記開孔が前記正圧供給経路と完全に整合する、請求項１に記載の表面実装機の実装ヘッド。
3. 前記準備位置は、前記開孔が前記正圧供給経路と整合し始める手前の位置である、請求項２に記載の表面実装機の実装ヘッド。
4. 前記初期位置は負圧切替位置であり、前記スプールバルブは、前記スプールを負圧切替位置から正圧切替位置へ移動させることにより前記正圧供給経路への切替えを行い、前記スプールを正圧切替位置から負圧切替位置へ移動させることにより前記負圧供給経路への切替えを行う、請求項１から３のいずれかに記載の表面実装機の実装ヘッド。