JP2017038007A - 半田処理装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半田を基板上に供給して溶融固着させる半田処理装置において、半田鏝部の供給孔内で溶融した半田が基板側へ確実に移動し、供給孔内に留まることがないようにする。【解決手段】半田片Wの供給の経路である半田孔51を有し、前記供給された半田片Wを溶融させる鏝先5と、鏝先5を離接方向に移動させる多関節アームAmと、鏝先5と配線基板Bdに接触させた後、鏝先5と配線基板Bdとを離間させ、離間状態を所定時間保持させる制御部Cとを備える。【選択図】図2

Description

本発明は半田鏝を有する半田処理装置に関するものである。
近年、多くの電気機器が電子部品を実装した電子回路を搭載している。電子回路の形成工程においては、半田鏝を用いた半田付けが利用される。例えば、配線基板に形成されたスルーホールに電子部品の端子やワイヤーが挿入され、その先端部分をスルーホールの周囲に形成された配線パターン(ランド)に半田付けすることで、電子部品やワイヤーの配線基板への実装固定がなされる。
半田付けの工程は、半田鏝の鏝先にて加熱溶融された半田が、配線基板へ供給されることにより実現される。例えば特許文献1に開示された装置では、筒状の鏝先内に半田片を供給し、供給された半田片を鏝先内で加熱溶融させて半田付けを行う構成となっている。
特許第5184359号公報
しかしながら、従来の半田処理装置では、溶融した半田が配線基板側に移動せず鏝先内に留まる不具合が生じることがあった。
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、鏝先内で溶融した半田が基板側へ確実に移動し、鏝先内に留まることがない半田処理装置の提供をその目的とするものである。
本発明に係る半田処理装置は、半田を基板上に供給して溶融固着させる半田処理装置であって、前記供給の経路である供給孔を有し、前記供給された半田を溶融させる半田鏝部と、前記基板及び前記半田鏝部の少なくとも一方を離接方向に移動させる駆動手段と、前記半田鏝部と前記基板とを接触させた後、前記半田鏝部と前記基板とを離間させ、離間状態を所定時間保持させる制御部とを備える構成とする。本構成によれば、供給孔内で溶融した半田を基板側へ確実に移動させることができる。
上記構成としてより具体的には、前記制御部は、前記半田鏝部に供給された半田が溶融した後に、前記半田鏝部と前記基板とを離間させる構成とするのが望ましい。
より具体的構成としては、前記制御部は、前記半田鏝部と前記基板とを接触させた時から所定時間後に、前記半田鏝部と前記基板とを離間させる構成とするのが好ましい。
上記構成としてより具体的には、前記半田鏝部と前記基板との接触を検知する検知手段をさらに備える構成とするのが好ましい。
前記検知手段としてはタッチセンサーであるのが好ましい。
上記構成としてより具体的には、前記供給孔内に気体を通風させ、前記供給孔内の半田を前記基板側へ圧出する構成するのが好ましい。
上記構成としてより具体的には、前記半田鏝部と前記基板との離間距離は0.1mm〜3mmの範囲であるのが好ましい。
本発明に係る半田処理装置によれば、半田鏝部の供給孔内で溶融した半田が基板側へ確実に移動し、供給孔内に留まることがない。
本発明に係る半田処理装置の一実施形態を示す斜視図である。 図1に示された半田処理ユニットの正面図である。 半田処理ユニット内の斜視図である。 半田処理ユニットの断面図である。 カッター上刃の移動に関する説明図である。 半田付けの工程図である。
本発明の実施形態について、図面を参照しながら以下に説明する。なお、本発明の内容は当該実施形態に何ら限定されるものではない。また以下の説明で用いるX,Y,Zの各方向は、図1に示す通りである。
[半田処理装置の全体構成等]
図1は本発明にかかる半田処理装置の一実施例を示す斜視図、図2は図1に示す半田処理ユニットの正面図、図3は図2の半田処理ユニット内の斜視図、図4は図3の半田処理ユニットのP面で切断した断面図であり、図5は図3に示す半田処理ユニットに設けられた駆動機構の一部の分解斜視図である。なお、図3では、外装カバー81及び支持部1の一部を切断し、半田処理ユニットの内部を表示するようにしている。
図1に示すように半田処理装置Aは、駆動手段としての多関節アームAmと、多関節アームAmの先端に取り付けられた半田処理ユニットUと、配線基板Bdを固定する治具Gjとを備える。半田処理ユニットUの下部からは半田鏝部Saが露出している。多関節アームAmは、X方向、Y方向、Z方向の移動及びX方向に延びる軸周り、Y方向に延びる軸周り、Z方向に延びる軸周りの回転が可能である。
半田処理装置Aは、治具Gjに取り付けられた配線基板Bdと、配線基板Bdに配置された電子部品Epの端子とに溶融半田を供給し、接続固定を行う。半田付けを行うとき、多関節アームAmをX方向及びY方向に移動させ、半田処理ユニットUの半田鏝部Saと配線基板BdのランドLdとの位置決めを行う。そして、位置決め後Z方向に移動することで、半田鏝部Saの先端をランドLdに接触させることができる
これにより、多関節アームAmの先端に取り付けられた半田鏝部Saは、配線基板Bdに対して接触及び離間自在となり、配線基板Bd上の所望箇所への半田付けが可能となる。半田付けの具体的工程については後述する。なお、半田鏝部Saと配線基板Bdとの接触及び離間は、多関節アームAmの移動と共に治具Gjを移動させて行ってもよく、反対に半田処理ユニットUを固定して治具Gjを移動させて行ってもよい。
[半田処理ユニット]
図2に示すように、半田処理ユニットUはユニット本体8と支持枠体9とを備える。多関節アームAmには支持枠体9が取り付けられいる。支持枠体9は上フレーム部91と横フレーム部92とを有する。ユニット本体8は、支持枠体9の横フレーム部92に上下方向に離隔して取り付けられた2つのスライドベアリング93a,93bによって上下方向に移動自在に取り付けられている。そして、支持枠体9の上フレーム91とユニット本体8との間には引張りコイルバネ95が介装されており、ユニット本体8は引張りコイルバネ95によって吊り下げられた状態となっている。なお、横フレーム92に形成されたストッパー部94によってユニット本体8の下方への移動は制限される。
また、上フレーム91にはタッチセンサーSが取り付けられ、ユニット本体側にはタッチセンサーSと対向する位置に当接部82が形成されている。ユニット本体8は外装カバー81によって覆われており、外装カバー81の下面から半田鏝部Saが露出している。なお、ヒーターユニット4と鏝先5とを組み合わせたものが半田鏝部Saを構成している。
図2では、配線基板Bdの下面側に電子部品Epが配置され、電子部品EpのピンPがスルーホールを挿通して配線基板Bdの上面から突出している。そして、スルーホールの周囲にはランドLdが形成されている。ピンPとランドLdとの半田付けは、予め入力されたデータに基づき制御部Cが多関節アームAmを駆動させて半田処理ユニットU(半田鏝部Sa)を移動させ、配線基板BdのランドLdの上方に鏝先5を位置させた後、鏝先5を下方に移動させて配線基板Bdに鏝先5を接触させる。
鏝先5と配線基板Bdとの接触はタッチセンサーSによって行う。すなわち、鏝先5が配線基板Bdと接触するとユニット本体8が支持枠体9に対して相対的に上方に移動し、ユニット本体8の当接部82がタッチセンサーSに当接してタッチセンサーSから制御部Cに信号が発せられる。なお、タッチセンサーSを用いることなく、予め入力されたデータに基づく多関節アームAmの駆動制御で鏝先5を配線基板Bdに接触させてもよい。ただし、配線基板Bdの撓みや寸法精度などによって鏝先5が配線基板Bdに接触しない不具合が生じる虞があるので、タッチセンサーSを設けることが望ましい。タッチセンサーSとして実施例では接触すると接点が入切するスイッチを示したが、位置の変化を電気抵抗で連続的に検出する変位センサーや、歪みゲージを利用した荷重センサーを用いても良い。なお、引張りコイルバネ95の力はユニット本体8の重量に対抗して上方向に作用して、鏝先5が配線基板Bdに接するときの荷重を低減させている。このため、鏝先5が配線基板Bdに接触する際の衝撃を緩和する働きを奏する。
[ユニット本体8]
図3に示すようにユニット本体8の内部構造は、上方から糸半田Wを供給し、下部に設けられた鏝先5を利用して半田付けするものである。ユニット本体8は、支持部1、カッター機構2、駆動機構3、ヒーターユニット4、鏝先5及び半田送り機構6を備えている。なお、図3では図の見易さを考慮して、支持部1の一部を切断して表示している。また図3および図4には図示していないが、半田処理装置Aには、窒素などの不活性気体の発生供給装置が備えられている。
支持部1は、立設された平板状の壁体11を備えている。カッター機構2は、半田送り機構6によって送られた糸半田Wを所定長さの半田片に切断するものである。カッター機構2は、摺動ガイド13に固定されたカッター下刃22と、カッター下刃22の上部に配置され、摺動可能に配置されたカッター上刃21とを備えている。また、カッター機構2は、駆動機構3の後述する第2アクチュエーター32によって、上下方向(カッター上刃21の摺動方向と交差する方向)に駆動されるプッシャーピン23を備えている(図4参照)。
図4に示すように、カッター上刃21は、半田送り機構6にて送られた糸半田Wが挿入される貫通孔である上刃孔211と、プッシャーピン23が挿入された貫通孔であるピン孔212とを備えている。上刃孔211の下端の辺縁部は切刃状に形成されている。
カッター下刃22は、上刃孔211を貫通した糸半田Wが挿入される貫通孔である下刃孔221を備えている。下刃孔221の上端の辺縁部は切刃状に形成されている。上刃孔211と下刃孔221とは、糸半田Wが挿入されている状態で、糸半田Wと交差する方向にずれることで、互いの切刃によって糸半田Wを半田片に切断する。
上刃孔211とピン孔212とは、カッター上刃21の摺動方向に並んで設けられている。カッター上刃21は、上刃孔211と下刃孔221とが上下に重なる位置と、ピン孔212と下刃孔221とが上下に重なる位置との間を摺動する。
図4に示すように、駆動機構3は、カッター下刃22に固定されカッター上刃21を摺動させる第1アクチュエーター31と、カッター上刃21に取り付けられ、プッシャーピン23を駆動する第2アクチュエーター32とを備えている。
第1アクチュエーター31は、カッター下刃22に固定されたシリンダー311と、シリンダー311の内部に配置され、供給される空気の圧力で伸縮するピストンロッド312とを備えている。ピストンロッド312の先端部分がカッター上刃21に固定されており、ピストンロッド312の伸縮動作によってカッター上刃21が摺動する。
なお、図4に示すユニット本体8では、第1アクチュエーター31のピストンロッド312がシリンダー311から最も突出したとき、カッター上刃21が図中左端にあり、上刃孔211が下刃孔221と上下に重なるようになっている。また図5に示すように、ピストンロッド312がシリンダー311に収納されたとき、カッター上刃21が図中右端に移動し、ピン孔212が下刃孔221と上下に重なるようになっている。
第2アクチュエーター32は、カッター上刃21に固定されたシリンダー321と、シリンダー321の内部に配置され、空気圧で伸縮するピストンロッド322とを備えている。ピストンロッド322の先端にはプッシャーピン23が固定されている。
第2アクチュエーター32は、ピン孔212と下刃孔221とが上下に重なっている状態のとき、ピストンロッド322を伸長させることで、プッシャーピン23を下刃孔221に挿入し、ピストンロッド322をシリンダー321に収容することでプッシャーピン23を下刃孔221から抜く。カッター機構2によって切断された半田片が下刃孔221に残っている場合でも、このプッシャーピン23の動作によって、押し出される。
半田送り機構6は、糸半田Wを供給するものであり、糸半田Wを送る一対の送りローラ61と、送りローラ61で送られる糸半田Wをガイドするガイド管62とを備えている。一対の送りローラ61は、支持部1に取り付けられており、糸半田Wを挟むとともに、回転することで糸半田Wを下方に送る。送りローラ61は回転角度(回転数)によって、送り出した糸半田の長さを決定している。
ガイド管62は、弾性変形可能な管体であり、上端は、送りローラ61の糸半田Wが送り出される部分に近接して配置されている。また、ガイド管62の下端はカッター上刃21の摺動に追従して移動するものであり、上刃孔211に連結されている。ガイド管62はカッター上刃21が摺動する範囲で引っ張られたり、突っ張ったりしないように設けられている。
カッター下刃22の下部には、窒素や空気を下刃孔221に送り込むための通気経路225が設けられている。また図3および図4に示すように、半田鏝部Saは、カッター機構2の下方に固定されている。半田鏝部Saの詳細について以下に説明する。
半田鏝部Saは、ヒーターユニット4と、ヒーターユニット4に取り付けられた鏝先5を備えている。図4に示すように、ヒーターユニット4は、通電によって発熱するヒーター41と、ヒーター41を取り付けるためのヒーターブロック42と、ヒーターブロック42を保持するヒーターブロック保持部43とを備えている。
ヒーターブロック42は円筒形状を有しており、外周面には、ヒーター41が巻き付けられている。ヒーターブロック42は、軸方向の下端部に鏝先5をとりつけるための断面円形状の凹部421と、凹部421の底部の中心部から反対側に貫通する半田供給孔422とを備えている。
ヒーターブロック保持部43は、平板状の本体部に形成された貫通孔を備えている。この貫通孔にヒーターブロック42を圧入することで、ヒーターブロック42はヒーターブロック保持部43に保持されている。ヒーターブロック保持部43を支持部1に取り付けることで、半田鏝部Saが支持部1に固定される。図4に示すように、カッター下刃22の下刃孔221は、ヒーターブロック42の半田供給孔422に連通している。
鏝先5は、半田に対して非濡れ性の部材であり、上下方向(軸方向)に伸びる円筒形状となっている。鏝先5の中央部分には、軸方向に延びる半田孔(供給孔)51が形成されている。鏝先5は、高い熱伝導率を有する材料、例えば、炭化ケイ素、窒化アルミ等のセラミックやタングステン等の金属によって形成されていることが好ましい。
鏝先5は、半田鏝部Saの本体に対して着脱可能であり、装着時には上部がヒーターブロック42の凹部421に挿入して配置され、下端部がヒーターブロック42より下方に突出する。この状態において、鏝先5の半田孔51と半田供給孔422とが連通する。カッター機構2で切断された糸半田は、下刃孔221から半田供給孔422を介して半田孔51に供給される。
半田鏝部Saで半田付けを行う場合、ヒーターブロック42を介してヒーター41の熱が伝達され、その熱で半田孔51に供給された半田片を溶融する。ユニット本体8によれば、筒形状の鏝先5の先端を、配線基板BdのランドLdに接触させた状態で半田付けを行うことが出来る。これにより、半田やフラックスヒューム等の飛び散りを抑制することが可能である。
半田鏝部Saには、鏝先5の温度を検出するように配置された第1熱電対71(以下、「温度検出手段」と称することがある)が備えられている。温度検出手段による鏝先5の温度の検出結果は、半田片を溶融させて半田付けが可能となるように、ヒーター41による加熱を適切に制御するための情報として利用される。
なお、半田鏝部Saには、ヒーターブロック42の温度を検出するように配置された第2熱電対72も備えられており、ヒーター41による加熱をより精度良く制御する用途等に利用される。なお、第2熱電対72の設置は省略されても良く、鏝先5の温度を検出する手段としては、熱電対以外の手段が利用されても構わない。
また半田処理装置Aには、当該装置が正常に機能するように各種動作を制御する制御部C(図2に図示)が設けられている。制御部Cは、例えばMPUやCPU等の論理回路を備え、第1アクチュエーター31、第2アクチュエーター32、ヒーター41、ローラ61等を制御する機能を有している。また制御部Cは、多関節アームAmによる半田処理ユニットU(半田鏝部Saを含む)の移動を制御する機能も有しており、更に、温度検出手段の検出結果を継続的に取得することが可能である。
より具体的に説明すると、制御部Cは、多関節アームAmによって半田処理ユニットU(半田鏝部Saを含む)の所定位置まで移動させる工程、及び鏝先5内に供給された半田片を用いて半田付けを行うための半田付け工程が適宜行われるように、半田処理装置Aの各部を制御する。
[半田付け工程]
図6に基づき本発明に係る半田処理装置の半田付け工程について説明する。制御部Cは、鏝先5の先端が配線基板Bdに接触するように多関節アームAmを駆動させる(図6(a))。配線基板Bdと鏝先5との接触は、前述のようにタッチセンサーSにより検知する。そして、タッチセンサーSからの検知信号に基づき制御部Cは多関節アームAmの駆動を停止させる。このときユニット本体8の重量と引張りコイルばね95の引張力との差の荷重が鏝先5から配線基板5に作用して、配線基板Bdと鏝先5とは接触状態を保つ。その後に制御部Cは、糸半田から半田片Wが切り出されるようにローラ61と各アクチュエーター(31、32)を制御し、鏝先5の半田孔51に半田片Wが供給されるようにする(図6(b))。
また制御部Cは、半田片Wが投入される前にこの半田片Wが溶融する温度となるようにヒーター41による加熱を制御し、配線基板Bd上において、半田片Wを用いた半田付けが達成されるようにする(図6(c))。なお、この際に制御部Cは、例えば、鏝先5の温度が約400℃となるようにヒーター41を加熱制御する。溶融した半田片はその重量あるいは通風圧力によって鏝先5の下部に移動するが、鏝先5と配線基板5のランドLdとが緊密に接触してその間に隙間がない場合には半田片投入前に存在していた気体に邪魔されて鏝先5の末端すなわち配線基板Bdに十分に充填されないことがある。
このため制御部Cは、多関節アームAmを駆動させて鏝先5を配線基板Bdから所定距離dだけ離間させる(図6(d))。そしてこの離間状態を所定時間保持する。これにより、鏝先5とランドLdとの間に隙間が発生するので、鏝先5の半田孔51内に溶融半田が残留していた場合には、この溶融半田を配線基板Bdへ確実に流下させることができる。
また、半田片Wの溶融処理を行うときに、半田孔51内部の半田片を酸化させないため、あるいはフラックスヒューム(煙)等を半田孔51から外に排出するために、窒素などの不活性気体を半田孔51内に供給している。半田孔51内に供給された不活性気体は鏝先5の周壁に形成された排出孔52から排出される。鏝先5を配線基板Bdから離間させた後もこの不活性気体を半田孔51内に継続して通風させるのが望ましい。これにより、半田孔51内を通風した不活性気体が鏝先5の下面開口から吹き出し、半田孔51内に残留している溶融半田が不活性気体によって配線基板Bd側に圧出されるからである。
ここで、配線基板Bdと鏝先5との離間距離dに特に限定はなく、配線基板Bdと鏝先5との隙間から前記不活性気体が排気可能となる程度でよい。通常、0.1mm〜3mmの範囲が好ましく、より好ましくは0.5mm〜2mmの範囲である。また、配線基板Bdと鏝先5との離間状態を保持する時間としては0.1秒〜2秒好ましくは0.2〜1秒程度で足りる。
配線基板Bdから鏝先5を離間させるタイミングとしては、鏝先5に供給された半田片Wが溶融した後であるのが望ましい。半田片Wが溶融する前に配線基板Bdから鏝先5を離間させると、外気との接触などにより半田片Wの温度が低下して溶融が不完全となり半田付け不良となるおそれがあるからである。
鏝先5内の半田片Wが溶融したかどうかの一つの指標として、配線基板Bdに鏝先5が接触した時からの経過時間を用いることができる。半田片Wが鏝先5内に供給されてから溶融するまでの時間は、半田片Wの形状及び体積、鏝先5の加熱温度などから予測することができる。また、予備実験などで実測することもできる。したがって、配線基板Bdに鏝先5が接触した時から所定時間後に配線基板から鏝先5を離間させることにより半田片Wの溶融不良を防止することができる。
なお、鏝先5内の半田片Wが溶融したかどうかは検知手段を設けて検知しても構わない。このような溶融検知手段としては本出願人が提案した特願2014-234269に記載の構成が本発明にも用いることができる。
制御部Cは、配線基板Bdから鏝先5を所定距離離間させて所定時間保持させた後、次の半田付け処理位置に半田処理ユニットUを移動させる。そして、図6(a)〜(d)に示される一連の半田付け工程を繰り返し行う。
なお、タッチセンサーSを用いて制御部Cにより設定した駆動量を送出したのにもかかわらずタッチセンサーSが配線基板Bdとの接触を検出しない場合には、配線基板Bdが供給されていないなどの半田処理ユニットUと配線基板Bdとの位置関係が適切でないと判断する。また、駆動量が設定値に達しないのにもかかわらずタッチセンサーSが接触を検出した場合には、配線基板Bd上の部品に接触したなどの前述と同様に半田処理ユニットUと配線基板Bdとの位置関係が適切でないと判断する。上記の異常を検出した場合にはその異常を報知したりあるいは半田処理を停止することも可能である。
以上説明した実施形態では、配線基板Bdを固定した状態で半田処理ユニットUを移動させていたが、半田処理ユニットUを固定し配線基板Bdを移動させる形態としてもよく、また半田処理ユニットU及び配線基板Bdの双方を移動させる形態としてもよい。
以上、本発明に係る半田処理装置を図に基づき説明したが、本発明はこの内容に限定されるものではない。また本発明の実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない限り、種々の改変を加えることが可能である。
本発明は、例えば自動的に半田付けを行う半田処理装置等に利用可能である。
1 支持部
11 壁体
13 摺動ガイド
2 カッター機構
21 カッター上刃
211 上刃孔
212 ピン孔
22 カッター下刃
221 下刃孔
23 プッシャーピン
3 駆動機構
31 第1アクチュエーター
311 シリンダー
312 ピストンロッド
32 第2アクチュエーター
321 シリンダー
322 ピストンロッド
4 ヒーターユニット
41 ヒーター
42 ヒーターブロック
421 凹部
422 半田供給孔
43 ヒーターブロック保持部
5 鏝先
51 半田孔(供給孔)
52 排出孔
6 半田送り機構
61 送りローラ
62 ガイド管
71 第1熱電対
72 第2熱電対
A 半田処理装置
Sa 半田鏝部
W 糸半田(半田片)
Bd 配線基板
Ep 電子部品
Ld ランド

Claims (7)

  1. 半田を基板上に供給して溶融固着させる半田処理装置であって、
    前記供給の経路である供給孔を有し、前記供給された半田を溶融させる半田鏝部と、
    前記基板及び前記半田鏝部の少なくとも一方を離接方向に移動させる駆動手段と、
    前記半田鏝部と前記基板とを接触させた後、前記半田鏝部と前記基板とを離間させ、離間状態を所定時間保持させる制御部と
    を備えることを特徴とする半田処理装置。
  2. 前記制御部は、前記半田鏝部に供給された半田が溶融した後に、前記半田鏝部と前記基板とを離間させる請求項1記載の半田処理装置。
  3. 前記制御部は、前記半田鏝部と前記基板とを接触させた時から所定時間後に、前記半田鏝部と前記基板とを離間させる請求項2記載の半田処理装置。
  4. 前記半田鏝部と前記基板との接触を検知する検知手段をさらに備える請求項1〜3のいずれかに記載の半田処理装置。
  5. 前記検知手段がタッチセンサーである請求項4記載の半田処理装置。
  6. 前記供給孔内に気体を通風させ、前記供給孔内の半田を前記基板側へ圧出する請求項1〜5のいずれかに記載の半田処理装置。
  7. 前記半田鏝部と前記基板との離間距離が0.1mm〜3mmの範囲である請求項1〜6のいずれかに記載の半田処理装置。
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