JP2018046732A

JP2018046732A - 補助空圧機能付きリニヤモーター

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Publication number: JP2018046732A
Application number: JP2016194810A
Authority: JP
Inventors: 薫岡田; Kaoru Okada
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-09-12
Filing date: 2016-09-12
Publication date: 2018-03-22

Abstract

【課題】被加圧体に対して加圧するための機構に使用する加圧駆動装置で、数ｇの超低圧から数十ｋｇ以上の高圧までの広レンジと、高精度、及び高速加圧を１つの加圧駆動装置で提供することにある。【解決手段】リニヤモーター１８に加圧軸を設け、加圧軸をエアーにて加圧することで、低圧用のリニヤモーター１８で、高圧を出す事を可能にする。更に、リニヤモーター１８による推力により、圧力を設定圧になるように電流制御する事で、リニヤモーター駆動電源の分解能で精密に加圧することを特徴とする。【選択図】図１

Description

半導体同士、半導体とプリント基板、またはＦＰＣ基板とプリント基板など、主に、電子機器部品のプリント基板端子部への接合搭載用の装置に使用される加圧用駆動装置に関するものである。

半導体などをプリント基板に実装する装置の加圧ユニットは、接合材の種類によって圧力の大きさや精度が違っており、接合材料に対応した装置が必要になる。例えば、ハンダ材料であるマイクロバンプ接合では、数グラムから数十グラムの圧力を加えて加熱接合が行われるが、他の接合、例えば、ＡＣＦやＡＣＰ接合では、圧力が数Ｋｇから数十Ｋｇといった高い圧力が必要になってくる。

圧力が数十Ｋｇの推力の加圧ユニットを持つ装置では、一般にシリンダーやモーターが使用されるが、加圧移動軸として使用されるボールねじや、シリンダー内のピストン摺動により、数ｇ〜数十ｇの低圧対応は出来ない。

数ｇ〜数十ｇまでの超低圧領域の加圧は、従来、リニヤモーターによる電流制御が用いられているが、最大でも５Ｋｇまでの推力のため、高圧の対応は出来ない。

プリント基板への実装はマウンタが主流な実装になっているが、ベアチップの半導体や、ＦＰＣを直接実装する方式の対応は出来ていない。実現するには、接合対象に最適な接合方式が必要になってくるため、１台の接合装置で、数ｇ〜数十Ｋｇといった超低圧〜高圧まで対応可能な実装装置が必要である。

特開２００２−４３３３６号公報特開２００１−２２５２００号公報特開２００８−５７６６３号公報

従来のシリンダーによる加圧では、シリンダー軸の摺動抵抗変化や、圧力変動により数十ｇの加圧変動は避けられない。

モーターでの加圧方式は、加圧軸であるボールねじの摺動抵抗があるため、数ｇ以下の制御は出来ない。

リニヤモーターによる圧力制御は、定電流で行うことにより、数ｇでの加圧制御が可能ではあるが、加圧力は最大でも５Ｋｇまでのものに限られており、それ以上の圧力については、コイルや磁石が大きくなり、コスト的も問題がある。

様々な接合方式を使った基板実装への量産対応や試作対応のために、装置の低コスト化や、生産性向上の面から、数ｇ〜数十Ｋｇを数ｇの精度で加圧実装するための装置を実現できる加圧駆動装置が必要である。

図１に基本構成を示す。リニヤモーター１８の上部に、自重保持加圧室７及び加圧室６、及びピストン１で構成するシリンダー５４を、シャフト３により直結する構造を特徴とする。（請求項１，２）

図２において、リニヤモーター軸には、シャフト３が取り付けられており，シャフト先端には、ピストン１が取り付けられている。加圧バルブ２と自重保持バルブ４にエアーを充填することで、シャフト３に圧力が加わる構造を特徴とする。（請求項１，２）ピストン１と加圧室６、及び自重保持加圧室７を含む構造はは図１４の様に、汎用シリンダー５８とカップリング５５に替えた構造でも良い。（請求項９）

自重保持加圧室７は、メタルシール８とピストン１により密閉され、自重保持バルブ４からエアーを充填することで、シャフト３以下の構成部品の重量を、軽減又はゼロ補償することを可能にする。この機能により、リニヤモーター１８が重量を保持する推力は、軽減、もしくは０になる。

上記のエアーによる重量軽減又は、ゼロ補償は、例えば、バネによる補償も可能ではあるが、バネの延びや、環境温度変化により補償は変動する。エアーの場合、精密レギュレター１６を使用することで、調整した後の自重保持圧力は、一定で変動しない。

動作方式は、シャフトを移動させる方式として、シリンダーによる方式と、リニヤモーターによる方式がある。前者を動作方式１、後者を動作方式２とする。以下は動作方式１についてである。
加圧室６には、加圧バルブ２にエアーを充填することにより、加圧室６内部の圧力が自重保持加圧室７以上の圧力になったときに、ピストン１に固定されたシャフト３は下降する。この時、シャフト３下部に加圧対象物があれば、加圧室６から、自重保持加圧室７の上向きの圧力を引いた圧力で加圧さる。

加圧室６のエアー圧力により、ピストン１には自重保持加圧室圧力を引いた圧力が加わり、目標とする圧力（エアー設定圧力４４）に近づいた時に、シャフト３に結合されたリニヤモーターに電流を流し、エアーによる圧力と、リニヤモーター１８で作られた圧力が合成されて、シャフト３に加わる。図１５はシャフト３がシリンダーにより移動した状態である。

リニヤモーター１８による圧力は、最大推力の１／６５５３６の分解能で出力され、例えば、最大推力が１Ｋｇの場合は、０．０１５ｇの圧力精度を持つ。エアー圧力とリニヤモーター１８推力の併用では、加圧力はエアー圧力にリニヤモーター推力が加算されるが、リニヤモーター１８の制御推力が高分解能のため、エアーのみの制御よりも、高精度の圧力制御が可能になる。

図３は圧力を縦軸、時間を横軸とした場合の特性で、エアー設定圧力４４をエアーで加圧し、目標圧力であるリニヤモーター設定圧力４３は、リニヤモーター１８の加圧量と、エアー加圧量を加算して生成する。

リニヤモーター１８は、例えば、図７のように圧力センサー２３が、シャフト３に直結されるＬＭガイド５６に設置されている場合、リニヤモーター１８を制御するコントローラー１７は、圧力センサー２３の値が設定圧になるように加圧制御を、最大推力の１／６５６５３６の分解能で加圧するため、高圧設定でありながら、高精度に設定圧力で加圧することが可能である。

図４は請求項４にある制御方式である。エアー設定圧力４４は、コントローラー１７から比例電磁弁１５をＰＩＤ制御することにより、図８に示す様に、ＰＩＤ制御無しの場合に比べて高速に昇圧することが出来る。

請求項５に記載のように、エアー設定圧力４４に到達後、シャフト３に直結したリニヤモーター１８を、コントローラー１７が制御し、高精度に設定圧力であるリニヤモーター設定圧力４３に到達させ、加圧力を高精度で維持し続ける。

請求項６に記載のように、自重保持圧力制御は、精密レギュレター１６にて供給され、ダイヤフラム位置の変動や環境温度変動に関係なく、常に一定圧力である。

動作方式２としては、シャフト３の下降を、リニヤモーター１８により実行し、接触後、リニヤモーター１８を、位置制御から荷重制御に切り替えて、対象物を加圧する方式である。更に、リニヤモーター１８の最大設定圧力を超える場合は、加圧バルブ２にエアーを充填する事により、自重保持加圧室７の圧力を引いた圧力と、リニヤモーター１８の推力を合成した圧力で加圧される。動作方式１同様に、リニヤモータ推力より大きい推力で加圧出来ると同時に、加圧精度はリニヤモーターの加圧精度で実行されるため、高精度である。

以上の構造により以下に記述する効果がある。
・数ｇから数十Ｋｇまでの加圧を、１台の加圧ユニットで実現出来る。
・低圧は数ｇ、高圧荷重も十数ｇの高精度で加圧可能である。
・シリンダーエアー加圧に比べて、昇圧の高速化を実現出来る。
・低圧、高圧兼用加圧ユニットの使用で、装置のコストダウンが可能である。
・駆動部の摩擦が無いため、無塵埃化と、潤滑油を使用しないため、滅菌化が可能である。
・発熱が小さく小型化が可能である。

本発明の断面図（待機位置）本発明の外観側面図本発明の圧力特性図本発明の制御系統図実施例外観図空圧制御の違い特性図実施例制御系統図実施例特性図プリント基板への実装例ＬＥＤチップの一括圧着実装例ＬＥＤチップの個片実装例本発明の断面図で、汎用シリンダー使用の構造本発明の断面図（ピストン１下降後の状態）

補助空圧機能付きリニヤモーターを使用した、圧着装置ユニットの実装例を図７に記述する。圧着装置ユニットの取り付けベース３３には、補助空圧機能付きリニヤモーターと、移動軸受け２２とリニヤセンサー２６が設置されている。リニヤセンサー２６はリニヤセンサーベース取り付け２７により固定されている。

圧着前の待機状態では、移動軸２４以下圧着ツールヒーター２９までの取り付け部品は、リニヤセンサーゲージ２５と、リニヤセンサー２６により、リニヤセンサー分解能の精度で、動作方式１の場合、シリンダー５４による位置制御で、動作方式２の場合は、リニヤモーター１８による位置制御が行われ、一定位置に静止している。図９のリニヤセンサー配線３１と圧力センサー配線３２は、コントローラー１７に接続されている。

被圧着物３０と圧着ツールヒーター２９の間隔はシャフト３の移動距離になる。圧着動作を開始すると、リニヤセンサーゲージ２５と、動作方式１ではリニヤセンサー２６によるシリンダー５４の位置制御が行われ、又、動作方式２では、リニヤセンサー２６によるリニヤモーターの位置制御が行われ被圧着物３０に接触するまで、ピストン１、シャフト３、以下圧着ツールヒーター２９までの部分が下降する。動作方式１のシリンダー５４の位置制御の場合、比例電磁弁１５をコントローラー１７で、リニヤセンサー２６位置を目標とした空圧制御により実行される。

図１０は被圧着物を加圧する時の位置制御特性３４と圧力制御特性３５である。図１０の特性図で、制御が開始されると、位置制御特性３４にあるように、動作方式１のシリンダー５４はコントローラー１７から比例電磁弁１５を制御することで、動作方式２の場合は、リニヤモーターにより下降する。被圧着物３０に対して、圧力センサー２３による接触検出３６が行われると、コントローラー１７から比例電磁弁制御配線２１で結線された比例電磁弁１５により、エアー設定圧４４を目標圧力としたＰＩＤ制御で、加圧室６を高速に昇圧する。エアー設定圧４４に達成すると、リニヤモーター加圧制御４２が開始され、リニヤモーター設定圧４３までコントローラー１７は、リニヤモーター駆動配線２０にて電流駆動を実行する。コントローラー１７は、リニヤモーター設定圧４３と圧力センサー２３の差を、ＰＩＤ制御にて０になるように電流駆動を実行する。リニヤモーター設定圧４３達成後も、加圧設定時間４５の期間は制御が継続される。

加圧設定時間４５完了後、動作方式１では、シリンダー５４が、動作方式２では、リニヤモーター１８が圧力制御から位置制御に切り替わり、無荷重で静止する。そのときコントローラー１７は、フィードバックセンサーを圧力センサー２３からリニヤセンサー２６に切り替える。同時に、リニヤモーター１８の電流を停止して推力を０にする。

その後、動作方式１の場合は、シリンダー５４で、動作方式２の場合は、リニヤモーター１８で、待機位置４６に上昇のため、上昇位置制御期間４０に移り、シャフト３は上昇して、待機位置４６で静止する。

図１１の様に、プリント基板上にＩＣチップを実装する場合、ＩＣチップの種類や接合方式で、様々な接合圧力が必要になる。又、図１２の様なＬＥＤ実装では、量産時のＬＥＤの多数個一括接合の場合と、図１３のような試作時の個片接合の場合があり、場合によって加圧力が、数十ｇ〜数十Ｋｇの差がでるが、本発明によりすべての圧力を含む実装装置が１台で実現できる。

更に、回転部を含むモーターを使用していないため、発塵が無くクリーン化に対応出来ることと、潤滑油を使用しないことから滅菌化が可能、又騒音が小さく、且つ、発熱が少なく小型化出来ることから、医療分野での応用にも適している。

１ピストン
２加圧バルブ
３ＶＣＭシャフト
４自重保持バルブ
５ブッシャー
６加圧室
７自重保持加圧室
８メタルシール
１４元圧レギュレター
１５比例電磁弁
１６自重保持圧レギュレター
１７コントローラー
１８リニヤモーター
１９エアー配管
２０リニヤモーター駆動配線
２１比例電磁弁制御配線
２２移動軸受け
２３圧力センサー
２４移動軸
２５リニヤセンサーゲージ
２６リニヤセンサー
２７リニヤセンサーベース取り付け
２８圧着ツール取り付けベース
２９圧着ツールヒーター
３０被圧着物
３１リニヤセンサー配線
３２圧力センサー配線
３３圧着ヘッド取り付けベース
３４位置制御特性
３５荷重制御特性
３６接触検出
３７下降位置制御期間
３８エアー加圧期間
３９圧力センサーフィードバック期間
４０上昇位置制御期間
４１エアー加圧量
４２リニヤモーター加圧量
４３リニヤモーター設定圧力（目標設定圧力）
４４エアー設定圧力
４５加圧設定時間
４６待機位置
４７ＣＯＣマイクロバンプハンダ接合圧力＝数ｇ
４８導電性接着剤圧力＝十数Ｋｇ
４９数個Ａｕバンプ圧力＝数ｇ
５０数千個ハンダバンプ圧力＝十数ｇ
５１ＦＰＣ導電性接着剤圧力＝数十Ｋｇ
５２ＬＥＤ基板
５３ＬＥＤチップ
５４シリンダー
５５カップリング
５６ＬＭガイド
５７シャフトブラケット
５８汎用シリンダー

Claims

リニヤモーター１８にある、シャフト３の先端に、ピストン１を取り付け，密閉した加圧室６と自重保持加圧室７を設け、加圧バルブ２と、自重保持バルブ４によりエアーを充填し、シャフト３を軸方向に加圧し、更に、シャフト３に取り付けられたリニヤモーター１８の推力と、シリンダー５４の空圧を加算して、軸方向の圧力を生成する構造を特徴とする。
請求項１で、リニヤモーター１８にある、シャフト３の先端に、ピストン１を設け、エアーシリンダー軸とリニヤモータ軸が一体となった構造。
請求項１で、ピストン１の下部に自重保持加圧室７を設け、自重保持バルブ４からエアーを充填することにより、ピストン１以下の部材を含む重量を軽減、又は補償する推力を持つ構造。
請求項１で、ピストン１の上部に加圧室６を設け、加圧バルブ２から比例電磁弁１５により、設定圧に近い補助加圧を行うと同時に、リニヤモーター１８により推力を発生させて、その圧力を加圧室６の空圧に加算し、精密に設定圧力に到達した後、連続制御を行うことを特徴とする加圧制御方式。
請求項４で、低圧設定の場合はリニヤモーター１８のみで加圧制御を行い、高圧の場合は加圧室６に，エアーを加圧バルブ２にて充填させ加圧し、更にリニヤモーター１８にて、加圧制御を行うことを特徴とする制御方式。
請求項３で、自重保持加圧室７へのエアー充填は、精密レギュレター１６を設け外部温度変化やシャフト３の移動に関係なく、一定の圧力を供給することを特徴とする構造。
請求項１，４，５で加圧室６に加圧バルブ２から充填されるエアーは、比例電磁弁１５を、コントローラー１７によって、制御することを特徴とする制御方式。
請求項１で、ピストン１、加圧室６，及び自重保持加圧室７は、図１４の様に汎用シリンダー５８と、カップリング５５で代替えする構造も含む。