JP2016097427A - 超音波はんだ鏝装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】より精度の高い鏝先の温度制御を可能にする超音波はんだ鏝装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】超音波振動子１１で発生する超音波振動を伝達させることで振動するチップ１３と、チップ１３を非接触状態で挿通する誘導コイル１４とを有する超音波はんだ鏝１０と、チップ１３の先端部にはんだを供給するはんだ供給装置２０と、チップ１３の温度を非接触で測定する非接触温度センサ７と、誘導コイル１４の温度を測定するコイル用温度センサ８と、チップ１３の温度と、誘導コイル１４の温度とに基づいて、誘導コイル１４に流れる交流電流を制御する電流制御部４０とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、超音波振動を利用してはんだ付けを行う超音波はんだ鏝装置及びその制御方法に関するものである。

従来から、ろう材（はんだを含む）に超音波振動させた鏝先（チップ）を接触させることにより、はんだ付けやろう付けを行なう超音波はんだ鏝装置やろう付け装置が知られている。例えば、特許文献１には、電磁誘導によって鏝先を発熱させる電磁誘導コイルと、鏝先に超音波振動を加える超音波振動子とを有し、ろう材に対して超音波振動を与えることで、装着物と被装着物との接合強度を向上させるろう付け装置が開示されている。

ところで、この種のろう付け装置のチップは、使用するはんだやろう材に適した温度に精度よく管理されることが望ましい。そこで、上記特許文献１に開示されたろう付け装置では、チップに温度センサを直接設け、検出された温度に基づいてチップの温度を所定の温度に制御している。

特開２０１０−１４２８４８号公報

本発明は、このような従来の温度センサを備えたはんだ鏝装置の改良に関するものであり、チップの温度を高精度かつ安定的に制御して管理することが可能な超音波はんだ鏝装置及びその制御方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によれば、超音波振動子で発生する超音波振動を伝達させることで振動するチップと、該チップを非接触状態で挿通する誘導コイルとを有する超音波はんだ鏝と、上記チップの先端部にはんだを供給するはんだ供給装置と、を備える超音波はんだ鏝装置であって、該超音波はんだ鏝装置は、上記チップの温度を非接触で測定する非接触温度センサと、上記誘導コイルの温度を測定するコイル用温度センサと、上記チップの温度と、上記誘導コイルの温度とに基づいて、上記誘導コイルに流れる交流電流を制御する電流制御部とを備えることを特徴とする。

上記発明によれば、チップの温度を非接触温度センサで測定しているため、超音波振動子で発生する超音波振動が該非接触温度温度センサに伝達されることを防止することができる。しかも、上記発明によれば、チップの温度と誘導コイルの温度とに基づいて上記交流電流を制御することができる。したがって、チップの温度を高精度かつ安定的に制御して管理することができる。

また、上記発明において、上記電流制御部は、上記誘導コイルの温度が所定の閾値以上であるときに上記誘導コイルに流れる電流をカットするコイル温度制御部を有することが好ましい。このように、電流制御部がコイル温度制御部を有することで、誘導コイルの温度が閾値以上となることを防止することができるため、誘導コイルの過熱を防止することができる。

また、上記発明における上記超音波はんだ鏝は上記誘導コイルを覆うケースを備え、該ケースは、上記誘導コイルの内側に設けられる内筒と、該誘導コイルを収容し上記内筒との間に隙間を形成する外筒とを有し、該ケースの一端部に、上記誘導コイルを冷却するための冷却用気体を上記隙間に流入させるための流入口を設け、上記ケースの他端部に、上記隙間内に流入している冷却用気体を上記ケースの外部に流出させるための流出口を設けることが好ましい。このように、誘導コイルの内側に設けられる内筒と、誘導コイルを収容する外筒との間に隙間が形成され、この隙間に冷却用気体が流通しているため、誘導コイルの温度が必要以上に上昇することを抑制することができる。

さらに、本発明の内筒は、空隙を介在させて上記チップを挿通させる空隙部を有していることが好ましい。このように、チップと内筒との間に空隙を介在させることでチップと内筒とが非接触となるため、チップにおける超音波振動の減衰を防止すること、及び誘導コイルへの超音波伝達を防止することができる。

また、本発明の上記チップの少なくとも一部に上記非接触温度センサで温度を測定する黒色部位を設けることが好ましい。このように、チップの少なくとも一部に設けられる黒色部位の温度を測定することで、非接触温度センサによる温度測定の測定精度が向上する。

また、本発明の超音波はんだ鏝装置の制御方法としては、超音波振動子で発生する超音波振動を伝達させることで振動するチップと、該チップを非接触状態で挿通する誘導コイルとを有する超音波はんだ鏝と、上記チップの先端部にはんだを供給するはんだ供給装置と、を備える超音波はんだ鏝装置の制御方法であって、上記チップの温度を非接触温度センサにより非接触で測定すると同時に、上記誘導コイルの温度をコイル用温度センサにより測定し、上記チップの温度と上記誘導コイルの温度とに基づいて、誘導コイルに流れる交流電流を制御することを特徴とする。

上記発明によれば、チップの温度を非接触で測定するため、超音波振動子で発生する超音波振動の影響を受けずにチップの温度を測定する超音波はんだ鏝装置の制御が可能となる。しかも、上記発明によれば、チップの温度と誘導コイルの温度に基づいて上記交流電流を制御するため、チップの温度を高精度かつ安定的に制御して管理することができる。

この場合において、測定された上記誘導コイルの温度は所定の閾値以上であるときに誘導コイルに流れる電流をカットすることが好ましい。このように、誘導コイルの温度が所定の閾値以上であるときに誘導コイルに流れる電流をカットする制御を行うことで、誘導コイルの過熱を防止することができる。

本発明によれば、チップの温度を非接触温度センサで測定しているため、超音波振動子で発生する超音波振動が該非接触温度温度センサに伝達されることを防止することができる。しかも、チップの温度と誘導コイルの温度とに基づいて上記交流電流を制御することができる。したがって、チップの温度を高精度かつ安定的に制御して管理することができる。

本発明に係る超音波はんだ鏝装置の構成を示すブロック図である。 図１に示すケースの内部構造を説明するための要部破断断面図である。

図１，図２に基づいて、本発明に係る超音波はんだ鏝装置１の実施形態について説明する。超音波はんだ鏝装置１は、超音波振動子１１が内蔵されている発振部１２で発生する超音波振動を伝達させることで振動するチップ１３と、該チップ１３を非接触状態で挿通する誘導コイル１４とを有する超音波はんだ鏝１０と、チップ１３の先端部に糸はんだ２１を供給するはんだ供給装置２０とを備える。

超音波はんだ鏝１０は、基端部に設けられる発振部１２と、先端部に設けられるチップ１３及び高周波誘導加熱式の誘導コイル１４と、発振部１２とチップ１３とを両端に有し発振部１２で発生する超音波振動をチップ１３に伝達するホーン１５とを備えている。この発振部１２に内蔵されている超音波振動子１１は１０−１００ｋＨｚ、好ましくは４０−６０ｋＨｚ程度の超音波振動を発生させるもので、そのリード線が超音波制御部３０に接続されることで、この超音波振動子１１が超音波制御部３０で制御されるようになっている。また、本実施形態では、上記ホーン１５は上記チップ１３と一体に形成されると共に発振部１２に対して着脱可能に形成されている。

チップ１３及びホーン１５は、上記糸はんだ２１を熱で溶融させると共に該糸はんだ２１に超音波振動を作用させるものであり、磁性体の金属、例えばモリブデン、モリブデン合金や炭素鋼などの金属によって構成されている。なお、チップ１３の先端側には、表面に黒体塗料を塗布し、又は黒クロームのメッキ処理を施す黒色部位１３ａを設けることが好ましい。

上記誘導コイル１４は螺旋状に形成されており、この誘導コイル１４に、該誘導コイル１４に印加する交流電流を制御する電流制御部としての温度コントローラ４０が接続されている。この誘導コイル１４に交流電流を印加すると、磁界が誘導コイル１４の軸心を貫くようにして発生する。そして、この磁界が経時的に変化することで渦電流が上記チップ１３に流れ、該チップ１３が自己発熱する。

チップ１３の発熱効率は、チップ１３に流れる渦電流の電流浸透深さが小さくなるにつれて向上する。ここで、上記電流浸透深さは、上記誘導コイル１４に印加される交流電流の周波数が高くなるか、チップ１３を構成する材質の比透磁率が大きくなるか、若しくは該チップ１３を構成する材質の固有抵抗値が小さくなるにつれて小さくなる。従って、チップ１３の発熱効率は、上記交流電流の周波数が高く、上記比透磁率が大きく、上記固有抵抗率が小さくなるほど向上する。

次に、図２に基づいて、誘導コイル１４を覆うケース１６について説明する。図２の左側は、ケース１６の外筒１６ａをチップ１３の軸線Ｌに沿って破断し誘導コイル１４、内筒１６ｂ、キャップ部１６ｃ、及びテーパー部１６ｇを切断していない状態を示す図であり、図２の右側は、外筒１６ａ、誘導コイル１４、内筒１６ｂ、キャップ部１６ｃ、及びテーパー部１６ｇを上記軸線Ｌに沿って破断した状態を示す図である。

ケース１６は耐熱性の樹脂で形成されており、誘導コイル１４の内側に当接する外径Ｒ２の内筒１６ｂと、誘導コイル１４を収容し内筒１６ｂとの間に隙間１６ｈを形成する内径Ｒ１の外筒１６ａとを有する。また、内筒１６ｂの上端側には外筒１６ａと同径のキャップ部１６ｃが一体に形成されている。この内筒１６ｂと外筒１６ａとは上記チップ１３を中心とした同心円となるように形成されている。従って、隙間１６ｈはチップ１３の軸線Ｌに対して垂直方向の断面形状がドーナツ状となるように形成されている。

外筒１６ａの下端側には下端に向かって外径の小さくなるテーパー部１６ｇが設けられている。また、このテーパー部１６ｇの内部には内筒１６ｂの外径と等しい径Ｒ２の空洞が形成されており、この空洞を介して内筒１６ｂがテーパー部１６ｇに挿通されている。また、内筒１６ｂの上端部には、上記ホーン１５を非接触で覆うホーンカバー１５ａが嵌合されており、このホーン１５の先端部に設けられているチップ１３が内筒１６ｂ内の空間である空隙部１６ｉを非接触で挿通している。

上記キャップ部１６ｃの外筒１６ａとの当接部には縁に沿う溝１６ｄが形成されており、この溝１６ｄに外筒１６ａが嵌合することで、キャップ部１６ｃと外筒１６ａとが密着する。また、キャップ部１６ｃの側面には、内筒１６ｂ内の空隙部１６ｉと連通する連通孔１６ｊが形成されており、この連通孔１６ｊをネジ孔としてネジを取り付けることで、ケース１６がホーンカバー１５ａに固定される。

キャップ部１６ｃには誘導コイル１４を冷却するための冷却用気体を隙間１６ｈに流入させるための流入口１６ｅが設けられ、外筒１６ａの下端部には隙間１６ｈ内に流入している冷却用気体をケース１６の外部に流出させるための流出口１６ｆが設けられている。この流入口１６ｅには、圧縮空気を冷却用気体としてケース１６内に流入させるための冷却エアー供給部１９が接続されており、流入口１６ｅから流入される圧縮空気が上記隙間１６ｈを流通して流出口１６ｆから流出する。

このように、本発明の実施形態のケース１６には、流入口１６ｅから隙間１６ｈを介して流出口１６ｆに連通する圧縮空気の流路が形成され、この流路に沿って誘導コイル１４が設けられているため、誘導コイル１４の温度が必要以上に上昇することを抑制することができる。

次に、チップ１３及び誘導コイル１４の温度を測定する温度計について説明する。上記超音波はんだ鏝装置１に備えられている温度計は、チップ１３の温度を非接触で測定する非接触温度センサ７と、誘導コイル１４の温度を測定するコイル用温度センサ８とからなる。非接触温度センサ７としては、チップ１３、好ましくは上記チップ１３の黒色部位１３ａから放射される赤外線を測定することでチップ１３の温度を測定する放射温度計が用いられる。また、コイル用温度センサ８は誘導コイル１４に取り付けられるセンサであり、例えば熱電対が用いられる。

上記非接触温度センサ７及びコイル用温度センサ８には、これらの非接触温度センサ７及びコイル用温度センサ８で測定された温度に基づいて誘導コイル１４に流れる交流電流を制御する温度コントローラ４０が接続されている。温度コントローラ４０は、チップ１３の温度の設定、検出及び比較・演算を行うチップ温度制御部４１と、誘導コイル１４の温度の検出及び比較を行うコイル温度制御部４２と、これらのチップ温度制御部４１及びコイル温度制御部４２からの出力信号に基づいて誘導コイル１４に流す交流電流を制御する交流出力制御部４３を備えている。また、交流出力制御部４３には、誘導コイル１４の電源である直流電源４が接続されており、この直流電源４から流れる直流電流が後述する交流出力制御部４３内のインバータ回路４３ａで交流電流に変換されて、この交流電流が誘導コイル１４に流れる。

チップ温度制御部４１は、チップ１３の設定温度を入力及び記憶するチップ温度設定回路４４と、上記非接触温度センサ７で測定されたチップ１３の温度を検出するチップ温度検出回路４５とを備えている。また、上記チップ温度設定回路４４は、チップ１３の設定温度をキーボード等により入力する入力回路４４ａと、入力されたチップ１３の設定温度を記憶する記憶回路４４ｂとを備えている。

また、上記チップ温度制御部４１は、検出されたチップ１３の温度と記憶された該チップ１３の設定温度とを比較してチップ１３の温度が該設定温度となるように上記誘導コイル１４に流す交流電流の周波数を演算するＣＰＵ等のチップ温度比較演算回路４６を備えている。この交流電流の周波数はＰＷＭ方式に基づいて演算されており、直流電源４から交流出力制御部４３に流れる直流電流をオン・オフすることによって形成される交流電流の周波数の周期がチップ温度比較演算回路４６で演算されている。

コイル温度制御部４２は、上記温度コイル用温度センサ８で測定された誘導コイル１４の温度を検出するコイル温度検出回路４７と、誘導コイル１４の過熱を防止するために設定される閾値を記憶するコイル温度記憶回路４８と、検出された誘導コイル１４の温度が所定の閾値以上であるか否かを比較して、その比較結果を交流出力制御部４３に出力するＣＰＵ等のコイル温度比較回路４９とを備えている。

交流出力制御部４３は、直流電源４からの直流電流をチップ温度比較演算回路４６で演算された周波数の交流電流に変換するインバータ回路４３ａと、コイル温度比較回路４９から出力された比較結果に基づいて、誘導コイル１４の温度が所定の閾値以上であるときに誘導コイル１４に流れる上記交流電流をカットし、誘導コイル１４の温度が所定の閾値未満であるときに誘導コイル１４に上記交流電流を流すオン・オフ制御を行う出力制御回路４３ｂとを備えている。

このように、チップ１３の温度を測定する温度センサを非接触温度センサ７とすることで、超音波振動子１１で発生する超音波振動が該センサ７に伝達されることを防止することができる。しかも、チップ１３の温度と誘導コイル１４の温度とに基づいて誘導コイル１４に流れる交流電流を制御することができる。したがって、チップ１３の温度を高精度かつ安定的に制御して管理することができる。

また、チップ１３の黒色部位１３ａの温度を非接触温度センサ７で測定することで、非接触温度センサ７による温度測定の測定精度が向上する。さらに、チップ１３と内筒１６ｂとの間には空隙部１６ｉが設けられているため、チップ１３と内筒１６ｂとが非接触となる。そのため、チップ１３と内筒１６ｂとの当接に起因するチップ１３での超音波振動の減衰及び誘導コイル１４への超音波伝達を防止することができる。また、コイル温度制御部４２で検出される温度が所定の閾値以上であるときには、誘導コイル１４に印加される交流電流がカットされるため、熱による誘導コイル１４の損傷を未然に防止することができる。

また、超音波はんだ鏝装置１は、上記被はんだ付けワーク２の配線方向（図１中において左右方向）にスライド移動する移動フレーム３を備えている。この移動フレーム３には上記超音波はんだ鏝１０及び上記非接触温度センサ７が取り付けられているため、該超音波はんだ鏝１０及び非接触温度センサ７は上記移動フレーム３と共に被はんだ付けワーク２の配線方向に移動する。

また、はんだ供給装置２０は、図示しないリール装着部に装着されるリール２２に巻かれる糸はんだ２１を必要長さずつ繰り出すはんだ送り部２３を有しており、この糸はんだ２１の先端部にチップ１３を当接することで、はんだ付けが行われる。糸はんだ２１を供給するタイミングや供給速度等は図示しない制御回路により制御され、これらの設定ははんだ付けの条件に応じて変更することができる。

以上、本発明に係る超音波はんだ鏝装置及びその制御方法について説明してきたが、本発明は上記の実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲の趣旨を逸脱しない範囲で様々な設計変更が可能であることは言うまでもない。例えば、上記の実施形態では、チップ１３の先端側に黒色部位１３ａが設けられているが、黒色部位１３ａはチップ１３全体に設けられていてもよい。また、上記の実施形態では、チップ温度比較演算回路４６は、チップ温度検出回路４５で検出されたチップ温度のみに基づいて誘導コイル１４に流す交流電流の周波数を演算しているが、該チップ温度と上記コイル温度検出回路４７で検出された誘導コイル１４の温度との双方に基づいて演算してもよい。

１ 超音波はんだ鏝装置
７ 非接触温度センサ
８ コイル用温度センサ
１０ 超音波はんだ鏝
１１ 超音波振動子
１３ チップ
１３ａ 黒色部位
１４ 誘導コイル
１６ ケース
１６ａ 外筒
１６ｂ 内筒
１６ｅ 流入口
１６ｆ 流出口
１６ｉ 空隙部
１６ｈ 隙間
２０ はんだ供給装置
２１ 糸はんだ（はんだ）
４０ 温度コントローラ（電流制御部）
４２ コイル温度制御部

Claims (7)

1. 超音波振動子で発生する超音波振動を伝達させることで振動するチップと、該チップを非接触状態で挿通する誘導コイルとを有する超音波はんだ鏝と、
   上記チップの先端部にはんだを供給するはんだ供給装置と、
   を備える超音波はんだ鏝装置であって、
   該超音波はんだ鏝装置は、
   上記チップの温度を非接触で測定する非接触温度センサと、
   上記誘導コイルの温度を測定するコイル用温度センサと、
   上記チップの温度と、上記誘導コイルの温度とに基づいて、上記誘導コイルに流れる交流電流を制御する電流制御部と、
   を備えることを特徴とする超音波はんだ鏝装置。
2. 上記電流制御部は、上記誘導コイルの温度が所定の閾値以上であるときに上記誘導コイルに流れる電流をカットするコイル温度制御部を有することを特徴とする請求項１に記載の超音波はんだ鏝装置。
3. 上記超音波はんだ鏝は上記誘導コイルを覆うケースを備え、
   該ケースは、上記誘導コイルの内側に設けられる内筒と、該誘導コイルを収容し上記内筒との間に隙間を形成する外筒とを有し、
   該ケースの一端部に、上記誘導コイルを冷却するための冷却用気体を上記隙間に流入させるための流入口を設け、
   上記ケースの他端部に、上記隙間内に流入している冷却用気体を上記ケースの外部に流出させるための流出口を設ける、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波はんだ鏝装置。
4. 上記内筒は、空隙を介在させて上記チップを挿通させる空隙部を有していることを特徴とする請求項３に記載の超音波はんだ鏝装置。
5. 上記チップの少なくとも一部に上記非接触温度センサで温度を測定する黒色部位を設けることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の超音波はんだ鏝装置。
6. 超音波振動子で発生する超音波振動を伝達させることで振動するチップと、該チップを非接触状態で挿通する誘導コイルとを有する超音波はんだ鏝と、
   上記チップの先端部にはんだを供給するはんだ供給装置と、
   を備える超音波はんだ鏝装置の制御方法であって、
   上記チップの温度を非接触温度センサにより非接触で測定すると同時に、上記誘導コイルの温度をコイル用温度センサにより測定し、
   上記チップの温度と上記誘導コイルの温度とに基づいて、誘導コイルに流れる交流電流を制御することを特徴とする超音波はんだ鏝装置の制御方法。
7. 測定された上記誘導コイルの温度が所定の閾値以上であるときに上記誘導コイルに流れる電流をカットすることを特徴とする請求項６に記載の超音波はんだ鏝装置の制御方法。
   

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