JP2019035754A - 計量装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】計量すべき媒体の滴を基板上に迅速に、さらに正確な滴を配置することを可能にする計量装置を提供する。
【解決手段】本発明は、ロボットに固定するために設けられたベース要素と、ベース要素に移動可能に支持された計量弁と、計量弁がベース要素に対して可動となるための少なくとも１つのピエゾアクチュエータとを含む媒体を計量する装置に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、媒体を計量するロボットに固定可能な装置に関する。
このような計量装置は一般的に知られており、例えば、半導体産業において、はんだペーストを、特に液滴の形態で基板上に塗布して基板上にはんだ付け点を形成するために使用される。計量装置をロボットに取り付けると、ロボットが計量装置を１つのはんだポイントから次のはんだポイントに移動させ、ドロップの正確な位置で停止するという点で、所定の時間内に複数の液滴状のはんだポイントの完全な自動実装が可能となる。特にロボットの加速と減速時に発生する慣性質量で、特定の状況下でロボットの望ましくない振動を引き起こし、それによって媒体の正確な計量を損なう可能性があり、はんだポイントが配置され得る場所で少なくとも速度を制限するといったことが、既知の計量装置で問題となることが判明している。
本発明の根底をなす目的は、計量すべき媒体の滴を基板上に迅速に、さらに正確な滴を配置することを可能にする計量装置を提供することである。
目的は、請求項１の特徴を有する装置によって満足される。本発明による計量装置は、特に、ロボットに固定するために設けられたベース要素と、ベース要素に移動可能に支持された計量弁と、計量弁がベース要素に対して移動可能となる少なくとも１つのピエゾアクチュエータとを備える。
本発明の根底にある一般的な考え方は、ロボットだけで滴を配置するのに必要な計量弁の移動を実施するのではなく、この目的のためにピエゾアクチュエータを追加的に設けることである。言い換えれば、ロボットの動きにはピエゾの動きが重畳されており、ロボットの動きと比べてより速く正確に制御することができる。計量装置は、このようにして、例えば、基板上で一定の速度で移動することができるが、少なくとも、大幅に減速および加速する必要はなく、滴の実際の配置は、ピエゾアクチュエータによって引き起こされる。結果として、正確に計量された液滴、特にはんだペーストの滴のような１００μｍから２００μｍの範囲の直径を有する滴は、基板に非常に迅速に、従ってより経済的に適用することができる。
本発明の有利な実施形態は、従属請求項、明細書及び図面から明らかである。
一実施形態によれば、計量弁がベース要素に対して第１の方向に移動可能となる第１のピエゾアクチュエータと、計量弁がベース要素に対して第２の方向に移動可能となる第２のピエゾアクチュエータとが設けられている。換言すれば、２つの異なるピエゾ移動が提供され、これらのピエゾ移動は、計量弁が移動できる平面に及ぶ。ピエゾアクチュエータのストロークは、１００μｍ〜５００μｍの範囲で設定できる。
第１および第２の方向は、好ましくは、互いに少なくとも直角である。第１および第２の方向の一方は、ロボットの動きの方向と一致させることが可能であり、すなわちピエゾの動きの一方は、ロボットの動きと一致する。第１の方向は、例えば、垂直方向であり、特にＺ方向を規定することができ、第２の方向は水平方向であり、特にロボットが動くことができるＸまたはＹ方向を規定する。
水平方向のロボットの動きが同じ方向の第１のピエゾ運動とそれに重なる垂直方向の第２のピエゾ運動とを有する場合、計量弁、特に計量弁の計量針によってサイクロイドを描くことが可能であり、前記サイクロイドは、滴を基板上に配置するのに特に適している。
さらなる実施形態によれば、計量弁は、少なくとも１つの第１の可撓性要素によって、特に少なくとも１つの第１の板バネによってベース要素に接続される中間要素によって保持される。平行四辺形のバネ構成を形成する２つの第１の可撓性要素は、小さな撓みを有する隙間のないリニアガイドに有利に設けられる。少なくとも１つの第１の可撓性要素は、ベース要素と中間要素との間の相対移動を可能にし、好ましくは、ベース要素と中間要素との間に有利に接続される第１のピエゾアクチュエータによって達成される。
さらなる実施形態によれば、計量弁は、少なくとも１つの第２の可撓性要素によって、特に少なくとも１つの第２の板バネによって中間要素に接続される。少なくとも１つの第２の可撓性要素は、計量弁と中間要素との間の相対運動を可能にし、これは有利には計量弁と中間要素との間に接続された第２のピエゾアクチュエータによって達成される。
特に効果的な方法で計量される媒体の粒子が計量弁を詰まらせることを防ぎ、計量弁の恒久的に信頼できる機能に特に貢献するため、計量弁は、スライダー弁であることが好ましい。
さらなる実施形態によれば、計量弁のスライダーは、第３のピエゾアクチュエータによって作動させることができる。計量弁にピエゾアクチュエータを使用することにより、迅速で正確な制御の前述の利点は、計量弁自体の動作、すなわち実際の計量においても効果を発揮する。第３のピエゾアクチュエータの動作方向は、ここでは、計量弁を動かすためのピエゾアクチュエータの動作方向と一致し、例えば垂直方向に向けることができる。
少なくとも１つのセンサは、有利には、少なくとも１つのピエゾアクチュエータのたわみを検出するために設けられる。従って、ピエゾアクチュエータへの電圧の印加によってピエゾアクチュエータの所望のたわみが実際に達成されたか否かを、そのようなセンサによって確認することができ、電圧を任意に適切に適合させることができる。つまり、センサは、ピエゾアクチュエータの調整を可能にする。対応するセンサは、好ましくは、各ピエゾアクチュエータに関連付けられる。しかし、一般に、ピエゾアクチュエータの１つのみ、または選択されたピエゾアクチュエータだけが、それぞれの１つのセンサでモニタすることもできる。
前記または各圧電アクチュエータは、電圧の印加時に変形する、特に湾曲するピエゾ素子と、前記ピエゾ素子に取り付けられた片持ちアームとを備えることができる。ピエゾアクチュエータのストロークは、片持ちアームで増やすことができる。
さらなる実施形態によれば、計量されるべき媒体用のカートリッジがベース要素によって保持される。カートリッジは、計量されるべき媒体用のラインによって計量弁に流体接続されることができ、計量弁がベース要素に対して、したがってカートリッジに対して移動するのを補償するために、ラインは、少なくとも部分的に可撓性チューブによって形成されている。
本発明のさらなる主題は、ロボットと、それに固定された上述の種類の装置とを備える計量システムである。上記の利点は、計量システムによって対応して達成することができる。
さらに、本発明は、ロボットと、前記ロボットに移動可能に支持された計量弁とを備えた計量システムによって媒体を計量する方法に関し、計量弁は、ロボットによって第１の方向に移動され、同時に少なくとも１つの第１のピエゾアクチュエータによって第１の方向にロボットに対して移動され、かつ少なくとも１つの第２のピエゾアクチュエータによって第１の方向に略垂直な第２の方向にロボットに対して移動され、計量弁の計量針は、第１および第２の方向によって広がった平面においてサイクロイドを描く。はんだペーストの正確に計量された滴、例えば特に１００μｍ〜２００μｍの範囲の直径を有する滴は、この方法を用いて特に迅速かつ経済的に基板に適用される。
本発明は、有利な実施形態および添付の図面を参照して、単なる例として以下に説明される。
本発明による計量装置の斜視図である。 図１の計量装置の簡略斜視図である。 図１の計量装置の簡略化した側面図である。 図１の計量装置の断面図である。 図１の計量装置の計量弁の詳細図である。 図１の計量装置を備えた本発明による計量システムの斜視図である。
計量されるべき媒体、ここでははんだペーストを基板１１０（図６）上に配置するための計量装置１０が図面に示されている。
計量装置１０は、計量装置１０をロボット１０（図６）に固定するのに役立つベース要素１２を備え、ロボット１０によって計量装置１０を基板１１０上で水平方向に移動させることができる。ベース要素１２は、長方形プレートの形態で構成され、カートリッジ１６が収容される穴１４を有する。カートリッジ１６は、少なくともほぼ垂直に位置合わせされた円筒形の設計を有し、計量される媒体、すなわちはんだペーストを含む。
ベース要素１２から垂直に下方に延び、中間要素２０をベース要素１２に接続するために役立つ板バネの形態の弾性接続要素１８が、ベース要素１２の対向する側に取り付けられている。接続要素１８は、平行四辺形ばね構成を形成し、中間要素２０がベース要素１２に対して所定の水平方向に前後に移動することを可能にする。この文脈では、ベース要素１２に対する中間要素２０の移動方向は、Ｘ方向と定義され、垂直方向はＺ方向と呼ばれる。
中間要素２０のベース要素１２に対する動きは、一対の第１のピエゾアクチュエータ２２によって制御され、図中で前側に配置された１つのみが認識される。対応して形成された第１のピエゾアクチュエータ２２が計量装置１０の後側に配置される。
各第１のピエゾアクチュエータ２２は、ベース要素１２の下側に固定され、電圧の印加時に変形、本実施形態では反るピエゾ素子２４を備える。片持ちアーム２６は、ベース要素１２から離れたピエゾ素子２４の側に取り付けられ、ピエゾ素子２４の有効なたわみ、ひいてはピエゾアクチュエータ２２のストロークを増加させる働きをする。ピエゾ素子２４と片持ちアーム２６とは、片持ちアーム２６の自由端が垂直下向きになるように、実質的にＺ方向に整列され、ピエゾ素子２４の作動は、片持ちアーム２６の自由端の水平方向の、より正確にはＸ方向のたわみをもたらす。片持ちアーム２６は、その自由端の領域で第１の接続ロッド２８によって中間要素２０にしっかりと結合されているため、片持ちアーム２６のたわみが中間要素２０に直接伝達される。したがって、中間要素２０は、第１のピエゾアクチュエータ２２を作動させることによって、たとえば数１００μｍの範囲にわたって、ベース要素１２に対してＸ方向に移動することができる。
弁キャリア３０は、中間要素２０の下部に取り付けられ、実際には中間要素２０に対して弁キャリア３０の回転を可能にするジョイントを形成する水平に整列した第２の板バネ３２によって取り付けられる。弁キャリア３０は、計量弁３４を保持し、計量弁は、それに応じて中間要素２０に対して動くことができる。
図では正面に配置された１つだけが認識できる一対の第２のピエゾアクチュエータ３６が設けられ、弁キャリア３０の移動を制御し、したがって中間要素２０に対する計量弁３４の動きを制御する。これに対応して形成された第２のピエゾアクチュエータ３６が計量装置１０の後側に配置される。各第２のピエゾアクチュエータ３６は、中間要素２０に固定され、電圧の印加時に変形する、本実施形態では反るピエゾ素子３８を備える。片持ちアーム４０は、中間要素２０から離れたピエゾ素子３８の側に取り付けられ、ピエゾ素子３８の有効なたわみ、ひいてはピエゾアクチュエータ３６のストロークを増加させる働きをする。ピエゾ素子３８と片持ちアーム４０は、片持ちアーム４０の自由端がＸ方向を向くように実質的に水平に整列され、ピエゾ素子３８の作動は、片持ちアーム４０の自由端の垂直方向、すなわちＺ方向のたわみをもたらす。片持ちアーム４０は、その自由端の領域において第２の接続ロッド４１によって弁キャリア３０にしっかりと結合されているため、片持ちアーム４０のたわみが弁キャリア３０に直接伝達される。したがって、第２のピエゾアクチュエータ３６を作動させることによって、弁キャリア３０、したがって計量弁３４を中間要素２０に対して、例えば数１００μｍの範囲にわたってＺ方向に移動させることができる。
計量弁３４の下側には、計量されるべき媒体を分配するための計量針４２が形成され、第１のピエゾアクチュエータ２２および第２のピエゾアクチュエータ３６の対応する作動によってベース要素１２に対してＺ方向、すなわち、垂直方向またはＸ方向、すなわち水平方向に移動することができる。前述したように、第１および第２のピエゾアクチュエータ２２，３６は、計量針４２がベース要素１２に対して数百μｍ、例えば最大５００μｍのストロークでＸ方向およびＺ方向に移動することができるように形成されている。
計量装置１０がロボット１００によって少なくともほぼ一定の速度でＸ方向に基板１１０上を移動され、第１および第２のピエゾアクチュエータ２２，３６が同時に適切に制御される場合、ロボットの移動は、ピエゾ移動を重ね合わすことによって、計量針４２が基板１１０上にサイクロイドを描くことができる。直径が例えば１００μｍ〜２００μｍの計量されるべき媒体の滴を理想的に基板１１０上に置くことができる。計量針４２は、対応するように適合された直径を有し、例えば、本願では１００ｍｍ〜１５０ｍｍの範囲にあることが理解されるだろう。
計量弁３４の設計は、図４により正確に示されている。計量針４２への計量されるべき媒体の供給は、カートリッジ１６を計量針４２に接続するライン４４を介して行われる。ライン４４は、中実素材のボアによって実現されるより大きな部分である。しかし、計量弁３４がベース要素１２に対して移動する一方でカートリッジ１６がベース要素１２にしっかりと固定されているため、ライン４４の一部は、中間要素２０の切り欠きを通り垂直に延びる可撓性チューブピースによって形成され、カートリッジ１６を計量弁３４に固定的に挿入されたブラケット４６に接続する。
ライン４４を介して計量針４２に供給される計量されるべき媒体の入口は、スライダー４８（図４および図５）によって制御され、スライダー４８は、入口開口部を閉塞する板バネ４９の復帰力に抗してＺ方向に下方に押され得る。計量弁３４は、換言すればスライダー弁である。スライダー４８の作動は、第３のピエゾアクチュエータ５０によって行われ、第３のピエゾアクチュエータ５０は、中間要素２０に面する計量弁３４の壁に固定され、電圧の印加によって変形する、本実施形態では反るピエゾ素子５２を備える。片持ちアーム５４が、中間要素２０から離れたピエゾ素子５２の側に取り付けられ、ピエゾ素子５２の有効なたわみ、ひいては第３のピエゾアクチュエータ５０のストロークを増加させる働きをする。ピエゾ素子５２と片持ちアーム５４とは、片持ちアーム５４の自由端がＸ方向を向くように実質的に水平に整列され、ピエゾ素子５２の作動は、片持ちアーム５４の自由端の垂直方向、すなわちＺ方向のたわみをもたらす。片持ちアーム５４は、その自由端の領域で第３の接続ロッド５６によってスライダー４８にしっかりと連結されているので、片持ちアーム５４のたわみがスライダー４８に直接伝達される。したがって、スライダー４８は、第３のピエゾアクチュエータ５０を作動させることによって、中間要素２０に対してＺ方向に移動することができ、これに対応して、計量針４２を介して計量される媒体の分配を制御することができる。
各片持ちアーム２６，４０，５４の自由端の領域には、それぞれの片持ちアーム２６，４０，５４（図１）の実際のたわみを検出するためのセンサ５８が配置されている。各片持ちアーム２６，４０，５４の実際のたわみの検出は、ピエゾアクチュエータ２２，３６，５０の調整を可能にし、計量装置１０の恒久的な正確な動作に寄与する。
計量装置１０は、センサ５８によって出力された信号を処理し、ピエゾアクチュエータ２２，３６，５０（図１および図４）を制御または調整するための適切な論理モジュール５８を備えることが理解されるだろう。
図６は、基板１００にハンダペーストの滴を配置するためのロボット１００とそれに固定された計量装置１０とを含む計量システムを示す。
１０ 計量装置
１２ ベース要素
１４ 穴
１６ カートリッジ
１８ 接続要素
２０ 中間要素
２２ ピエゾアクチュエータ
２４ ピエゾ素子
２６ 片持ちアーム
２８ 接続ロッド
３０ 弁キャリア
３２ 板バネ
３４ 計量弁
３６ ピエゾアクチュエータ
３８ ピエゾ素子
４０ 片持ちアーム
４１ 接続ロッド
４２ 計量針
４４ ライン
４５ チューブピース
４６ ブラケット
４８ スライダー
４９ 板バネ
５０ ピエゾアクチュエータ
５２ ピエゾ素子
５４ 片持ちアーム
５６ 接続ロッド
５８ センサ
６０ 論理モジュール
１００ ロボット
１１０ 基板

Claims (17)

  1. ロボット（１００）に固定するために設けられたベース要素（１２）と、前記ベース要素（１２）に移動可能に支持される計量弁（３４）と、少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（２２，３６）であって、前記少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（２２，３６）によって、前記計量弁（３４）が前記ベース要素（１２）に対して移動可能となる、少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（２２，３６）と、を備える媒体の計量装置（１０）。
  2. 第１のピエゾアクチュエータ（２２）によって、前記計量弁（３４）が前記ベース要素（１２）に対して第１方向に移動可能となり、かつ第２のピエゾアクチュエータ（３６）によって、前記計量弁（３４）が前記ベース要素（１２）に対して第２方向に移動可能となることを特徴とする、請求項１に記載の計量装置（１０）。
  3. 前記第１および第２方向は、少なくとも互いに略直角であり、および／または前記第１方向が垂直に配向され、および前記第２方向が水平に配向されることを特徴とする、請求項２に記載の計量装置（１０）。
  4. 前記計量弁（３４）が、少なくとも１つの第１の可撓性要素（１８）、特に少なくとも１つの第１の板バネによって前記ベース要素（１２）に接続された中間要素（２０）で保持されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  5. ２つの第１の可撓性要素（１８）が設けられ、平行四辺形のバネ構成を形成することを特徴とする、請求項４に記載の計量装置（１０）。
  6. 第１のピエゾアクチュエータ（２２）が前記ベース要素（１２）および前記中間要素（２０）の間に接続されることを特徴とする、請求項４または請求項５に記載の計量装置（１０）。
  7. 前記計量弁（３４）が、少なくとも１つの第２の可撓性要素（３２）、特に少なくとも１つの第２の板バネによって前記中間要素（２０）に接続されていることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  8. 第２のピエゾアクチュエータ（３６）が前記中間要素（２０）および前記計量弁（３４）の間に接続されていることを特徴とする、請求項４〜７のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  9. 前記計量弁（３４）がスライダー弁であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  10. 前記計量弁（３４）のスライダーが第３のピエゾアクチュエータ（５０）によって作動可能であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  11. 前記第３のピエゾアクチュエータ（５０）の動作方向が前記計量弁（３４）を動かすためのピエゾアクチュエータ（２２）の動作方向に一致することを特徴とする請求項１０に記載の計量装置（１０）。
  12. 前記少なくとも１つのピエゾアクチュエータ（２２，３６，５０）のたわみを検出するために少なくとも１つのセンサ（５８）が設けられることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  13. 計量されるべき媒体のためのカートリッジ（１６）が前記ベース要素（１２）内に保持されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  14. 前記カートリッジ（１６）が計量されるべき媒体のためのライン（４４）によって前記計量弁（３４）に流体的に接続され、前記ライン（４４）は、可撓性のチューブ（４５）によって少なくとも部分的に形成されていることを特徴とする、請求項１３に記載の計量装置（１０）。
  15. 前記または各ピエゾアクチュエータ（２２，３６，５０）が、電圧の印加によって変形する、特に反るピエゾ素子（２４，３８，５２）と、前記ピエゾ素子に取り付けられた片持ちアーム（２６，４０，５４）とを備えることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の計量装置（１０）。
  16. ロボット（１００）と、前記ロボットに固定された、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の計量装置（１０）とを備える計量システム。
  17. 計量システムによって媒体を計量する方法であって、前記計量システムは、ロボット（１００）と、前記ロボット（１００）に移動可能に支持される計量弁（３４）とを備え、前記計量弁（３４）は、前記ロボット（１００）によって第１方向に移動し、同時に前記ロボット（１００）に対して少なくとも１つの第１のピエゾアクチュエータ（２２）によって前記第１方向、および前記第１方向に略垂直の第２方向に移動することによって、前記計量弁（３４）の計量針（４２）は、前記第１および第２方向によって広がる平面にサイクロイドを描く、方法。
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