JP4522826B2 - 電子部品圧着装置 - Google Patents

Description

本発明は、電子部品圧着装置、特に電子部品をプリント配線基板、液晶基板又はディスプレイパネル基板等に自動的に実装する電子部品実装装置に適用して好適な、電子部品圧着装置に関する。

従来の電子部品圧着装置としては、特許文献１に、図９に示すような圧着荷重を高荷重にするときには、固定手段によりガイド孔１２９Ａと合致した係入孔１２９Ｂに固定ピン１３０を係入し、圧着ブロック１１９に対して圧着ツール１２３を相対的に固定した状態で、第１押圧付与手段の押圧力を圧着ブロック１１９及び圧着ツール１２３に付与し、圧着荷重を低荷重にするときは、圧着ブロック１１９と圧着ツール１２３を固定しない状態で、第２押圧付与手段の押圧力を圧着ツール１２３に付与することにより、圧着荷重を容易に切換可能としたものが開示されている。

又、特許文献２には、図示は省略するが、電空レギュレータを介して供給されるエアによって電子部品を押圧可能な複数種類の空圧型の圧着ヘッド、バネによって押圧力を発生するバネ内蔵型の圧着ヘッド、荷重検出圧着方式に使用される剛体型の圧着ヘッド等の複数種類の圧着ヘッドを選択的に装着可能とすることにより、広い荷重範囲に対応することができると共に効率的な圧着作業を行なうことができるようにしたものを開示している。

特開２００２−４３３３６号公報 特開２００４−５５７０５号公報

しかしながら、特許文献１の電子部品圧着装置は、固定ピン１３０をシリンダにより係入孔１２９Ｂに係入して圧着ブロック１１９に対する圧着ツール１２３の相対的な固定を行ない、高荷重状態に切換えるが、この方法では圧着ツール１２３を固定する際の位置決めに精度が必要である上に、押圧時に固定ピンに対してせん断力が作用するため、長期間使用すると固定ピン１３０の破壊や、係入孔１２９Ｂの磨耗等が発生し、ひいては交換の必要が生じることがある。

又、固定ピン１３０を動作させる機構をヘッドに持つことになり、ヘッドの大型化、制御の複雑化という問題がある。更に、低荷重範囲についてはロードセル１２０等による直接的な荷重検出ではなく、変位（移動距離）という二次的なパラメータを用いたオープンループの制御となっており、付与する荷重の精度が悪いという問題もある。

特許文献２の電子部品圧着装置は、圧着ヘッドを交換することにより異なる荷重範囲に対応しているが、圧着ヘッドの交換のための機構を圧着ヘッドに持つ必要があり、ヘッドの大型化、ひいては、可動部の重量が増加することによる負荷の増大や、ヘッド交換工程による負荷の増大が発生してしまうという問題があり、又、一つの部品に対して異なる範囲の荷重で加圧することができないという問題もある。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、ヘッド本体を大型化することなく、低荷重から高荷重の広い範囲にわたり、部品圧着時の荷重精度の向上を図ることができる電子部品圧着装置を提供することを課題とする。

本発明は、圧着ツールに保持された部品を、第１荷重範囲で圧着する第１加圧手段と、前記第１加圧手段を同軸方向に移動させ、圧着ツールに保持された部品を、第１荷重範囲より高荷重の第２荷重範囲で圧着する第２加圧手段と、前記第１加圧手段による圧着時には、第２加圧手段により第１加圧手段を当接させ、第１加圧手段の第２加圧手段に対する相対移動を規制する第１規制手段と、前記第２加圧手段による圧着時には、圧着ツールの第１加圧手段に対する相対移動を規制する第２規制手段と、を備えており、前記第１加圧手段及び第２加圧手段により圧着ツールに保持された部品を圧着する際の荷重を、それぞれ検出する第１荷重検出手段及び第２荷重検出手段が設置されていると共に、前記第１加圧手段はエアベアリングが内蔵されたエアシリンダで、前記第２加圧手段はボイスコイルモータであり、前記第１荷重検出手段は、前記エアシリンダとエア供給源との間に空圧ホースを介して設けられた荷重検出機能を有する電空レギュレータであるようにしたことにより、前記課題を解決したものである。

本発明によれば、特別な装置を設置することなく、荷重範囲を切替えられるようにしたので、ヘッド本体を大型化することなく、低荷重から高荷重の広い範囲にわたり、部品圧着時の荷重精度の向上を図ることができる。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る第１実施形態の電子部品圧着装置が適用される電子部品実装装置の要部を示す斜視図である。

図１において符号１は、図示を省略した部品を吸着保持し加圧（押圧）を行なう加圧手段を備えた圧着ヘッド（電子部品圧着装置）であり、該圧着ヘッド１は、それ自体の位置補正を行なうための、図示を省略した基板認識装置（カメラ）を備えている。又、この圧着ヘッド１は、電子部品実装装置のＸ軸方向への移動を行なうＸ軸ガイド２に取り付けられ、更に該Ｘ軸ガイド２と共に、Ｙ軸方向へ移動するためのＹ軸ガイド３に取り付けられている。

この電子部品実装装置には、吸着した電子部品の姿勢を認識するＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラ等を有する部品認識装置４が所定位置に固定されている。又、この実装装置の前面には、基板へ搭載する電子部品を供給するための電子部品供給装置５が設置されている。

次に、本実施形態の圧着ヘッド１について図２を使用して説明する。

圧着ヘッド１は、水平部と垂直部とからなるヘッドベース６を有しており、該ベース６を介して前記Ｘ軸ガイド２に接続され、固定されている。そして、このヘッドベース６の垂直部６Ａの内側にはリニアガイド１０が当接され、該リニアガイド１０が固定されているＺ軸方向駆動部１４が垂直（Ｚ軸）方向に案内され、移動が可能な構造になっている。

即ち、このＺ軸方向駆動部１４は、略円筒形の枠体を有し、該枠体外周の図中右側の上下２箇所に前記リニアガイド１０が固定されている。又、この枠体上部の左側には水平延長部１４Ａが固定されている。

圧着ヘッド１では、Ｚ軸方向駆動部１４を垂直方向に駆動するために、ヘッドベース６の水平部６ＢにＺ軸回転モータ７が固定されている。このＺ軸回転モータ７には、図示しないカップリングを介してボールねじシャフト８が連結され、該ボールねじシャフト８には、Ｚ軸方向駆動部１４の水平延長部１４Ａに固定されているボールねじナット９が螺入されており、該Ｚ軸方向駆動部１４全体が、Ｚ軸回転モータ７の回転動作により垂直方向に移動可能になっている。

次に、Ｚ軸方向駆動部１４について詳述する。

Ｚ軸方向駆動部１４の枠体上部には、θ回転モータ１１が固定されている。このθ回転モータ１１は、カップリング１２及びスプライン軸（図示せず）を介してボイスコイルモータ（第２加圧手段）１３の駆動部のシャフト１３Ａに回転力のみ伝達可能に接続され、Ｚ軸方向駆動部１４と一体でＺ軸方向に相対移動自在な状態になっている。

ボイスコイルモータ１３の駆動部のシャフト下端には、加圧検知部１７が接続固定されている。加圧検知部１７は、Ｚ軸方向駆動部１４の枠体の内周に対してボールブッシュ１５で直動と回転が共に自在に支持されており、加圧検知部１７及びボイスコイルモータ１３の駆動部は、Ｚ軸方向に移動が可能で、且つθ回転モータ１１の回転動作により回転が可能な構造となっている。

加圧検知部１７の先端（下端）には、エアベアリングが内蔵された空圧式の微小加圧シリンダ（第１加圧手段）１８が同軸上に接続固定されている。この微小加圧シリンダには、３本の空圧ホースが連結されており、空圧ホース２２は加圧用電空レギュレータ（第１荷重検出手段、図示せず）を介してエア供給源に、空圧ホース２１はエアベアリング駆動用エア供給源にそれぞれ連結され、前者は電磁弁（図示せず）を介して大気圧及び正圧に選択的に切換可能になっている。空圧ホース２０は、部品吸着用の真空吸着源に連結され、部品吸着部を構成している。又、微小加圧シリンダ１８は回転力がエアベアリングを介してその固定部と可動部とで伝達される構造となっている。

Ｚ軸方向駆動部１４の下端には、微小加圧シリンダ１８の上昇を所定位置で規制するためのストッパ（第１規制手段）１６が直結されている。

次に、前記加圧検知部１７と微小加圧シリンダ１８の内部構造について図３を参照して詳細に説明する。

加圧検知部１７の内部には、加圧量（荷重）を検知するためにロードセル（第２荷重検出手段）２３が下向きに固定されている。ロードセル２３の検知部の下側には、ロードセル２３の破壊防止を兼ねたばね２４が少量の与圧を持たせて固定されている。ばね２４のロードセル２３と反対側にはスプラインシャフト２５が固定されている。このスプラインシャフト２５はスプライン軸受２６によって支持されており、垂直方向のみに動作が可能になっている。スプラインシャフト２５のばね２４と反対側の端部（下端）には、微小加圧シリンダ１８が固定されている。

微小加圧シリンダ１８のピストンロッド１９は、エアベアリング２７で支持され、摺動抵抗がほぼゼロの状態で垂直動作が可能になっていることから、部品搭載時の衝撃荷重が低く抑えられており、しかも摺動抵抗が小さいので微小加圧も可能になっている。

ピストンロッド（圧着ツール）１９の先端には、部品吸着用の吸着孔３０が開設されており、空圧ホース２０を介して図示しない真空吸着源に接続されている。又、微小加圧シリンダ１８の上部には、スラスト軸受３１が取り付けてあり、微小加圧シリンダ１８を前記ストッパ１６に当接した状態で、θ回転モータ１１により回転させる動作が可能な構造となっている。

以上の主な構成からなる本実施形態の圧着ヘッド１による電子部品の圧着搭載動作の流れを、更に図４、図５をも参照して説明する。

前記図１の電子部品実装装置において、圧着ヘッド１をＸ軸ガイド２、Ｙ軸ガイド３の駆動機構を動作させて電子部品供給装置５の上方に移動させ、部品を吸着した後、該圧着ヘッド１を部品認識装置４の上方へ移動させ、該認識装置４により吸着した部品を認識する。

部品の認識を完了した後、圧着ヘッド１をＸ軸、Ｙ軸ガイド２、３により、図示しない基板上の電子部品の搭載予定部に移動させ、目標の搭載位置に圧着搭載を行なう。

この部品圧着搭載動作を、低荷重の第１荷重範囲と高荷重の第２荷重範囲の場合について以下に詳述する。

（１）低荷重加圧の場合（例えば、０．１［Ｎ］〜５［Ｎ］程度まで）
図４に示すように、ボイスコイルモータ１３を駆動し、加圧検知部１７をＺ軸上方に移動させ、微小加圧シリンダ１８を引き寄せることにより、その上端部をストッパ１６に当接させて動きを規制し、その位置を保持する。このようにストッパ１６により微小加圧シリンダ１８の上方向の動きに規制をかけることにより、Ｚ軸回転モータ７を回転駆動させ、Ｚ軸方向駆動部１４を所定位置まで下降させて部品を基板に搭載する際、微小加圧シリンダ（第１加圧手段）１８のみで加圧を行なうことができる。

微小加圧シリンダ１８は、ストッパ１６に当接された状態でもスラスト軸受３１により回転動作が可能な状態となっている。微小加圧シリンダ１８のピストンロッド１９の先端に吸着した部品に対しては、空圧ホース２２を介して接続された電空レギュレータで該シリンダ１８への空気圧力値をフィードバック制御することにより、高精度な微小加圧を行なうことが可能となる。

（２）高荷重加圧の場合（例えば、５［Ｎ］〜５０［Ｎ］程度まで）
図５に示すように、ボイスコイルモータ１３を駆動し、加圧検知部１７を図４の状態からストッパ１６と接触しない位置まで下げる。この状態でピストンロッド１９の先端に吸着した部品を加圧することにより、スプラインシャフト２５、及び該シャフト２５に接続されたばね２４を介してロードセル２３で加圧量を計測することができる。ロードセル２３で検出した加圧量は、図示しない制御装置を介してボイスコイルモータ１３に駆動信号が出力され、適切な加圧量となるようにボイスコイルモータ１３の駆動位置が制御される。このときの微小加圧シリンダ１８のピストンロッド１９に接続されたピストンは、空圧ホース２２を介して正圧が供給されて、図示されているように微小加圧シリンダ１８の内部の上側のストロークエンド（第２規制手段）１８Ａに当接され、位置が固定されることにより、加圧機能が停止された状態になっている。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られる。

大荷重用のボイスコイルモータ１３により微小加圧シリンダ１８をストッパ１６に当接させるか否かにより、微小荷重から大荷重まで１つの圧着ヘッド１で加圧することができるようになることから、ヘッドの大型化やヘッド交換による負荷の増加を抑えることができる。

通常、大荷重を検知できるロードセルを使用して微小荷重を検知しようとしても精度が悪く、微小加圧を精度良く制御することができない。逆に、精度良く加圧量を制御するために、高精度なロードセルを使用すると、定格荷重が低いため、高荷重を検知することはできない。ところが、本実施形態では、制御系統と加圧駆動源を低荷重用と高荷重用にそれぞれ持っているため、低荷重から高荷重まで高精度に制御を行なうことができる。

本実施形態では、低加圧駆動源に小型アクチュエータ（微小加圧シリンダ）をヘッドの先端部に設置したことにより、駆動部の質量が小さくてすみ、衝撃荷重を非常に小さく抑えることができる。

同様に低荷重加圧用に小型の別の第１加圧手段を設けたことにより、軸受等に小型のエアベアリングを使用することができるようになった。そのため、荷重駆動手段の軸受部に大型のエアベアリング等を使用して摺動抵抗を微小にする必要がなく、低コストの転がり軸受を使用することができることから、ヘッドの低コスト化が可能になるという利点もある。

又、前記の如く低荷重と高荷重の切換えを高加圧用駆動源であるボイスコイルモータ１３を使用して行なうようにしたことにより、切換専用のアクチュエータを必要とせず、圧着ヘッドが大型化するという問題を回避することができる。

次に、図６を参照して本発明の参考例について説明する。

本参考例の圧着ヘッドは、Ｚ軸方向駆動部１４にボイスコイルモータ（第２加圧手段）１３が収容されているところまでは、前記第１実施形態の場合と同様であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

本参考例では、ボイスコイルモータ１３の直ぐ下のＺ軸方向駆動部１４の下端位置にストッパ（第１規制手段）１６が直結され、該ストッパ１６に微小加圧機構２９の上部を構成する第２のボイスコイルモータ（第１加圧手段）３２の上端が当接されることにより、それ以上のＺ軸方向の動きを規制することができるようになっている。この微小加圧機構２９には、加圧検知部１７がスプライン２８を介して該微小加圧機構２９の外周部内面に対してＺ軸方向の直動が自在で、且つ、θ方向の回転が拘束された状態で収容されている。

本参考例におけるＺ軸方向駆動部１４の上部外側に固定されているθ回転モータ１１は、第１実施形態と同様にカップリング１２及び図示しないスプラインシャフト及びスプラインナットを介して、ボイスコイルモータ１３のシャフト１３Ａに回転力を伝達可能であると共に、該駆動部１４と一体でＺ軸方向に移動自在になっている。ボイスコイルモータ１３のシャフト１３Ａの反対側の先端（下端）は、前記微小加圧機構２９と接続固定されている。

この微小加圧機構２９について詳述すると、その内部には微小加圧用のボイスコイルモータ３２が固定され、その下方には、加圧検知部１７が第１加圧手段である前記ボイスコイルモータ３２のシャフトに接続固定されている。この加圧検知部１７は、前記の如くスプライン２８を解して微小加圧機構２９の内部に支持されており、加圧検知部１７及びボイスコイルモータ３２等からなる駆動部は、垂直方向に移動可能となっていると共に、θ回転モータ１１の回転動作により回転が可能な構造になっている。

微小加圧機構２９の上端部には、スラスト軸受３１が取り付けてあり、該微小加圧機構をストッパ１６に当接させても、その回転動作が可能な構造になっている。

本参考例の加圧検知部１７は、スプラインシャフト（圧着ツール）２５の先端に部品吸着用の吸着孔が開設され、空圧ホース２０を介して図示しない真空吸着源に連結される以外は、前記図３を用いて説明した第１実施形態の場合と実質的に同一であるので、同一の符号を付して説明を省略する。

次に、本参考例における部品圧着搭載動作について、図７、図８をも参照して説明する。

（１）低荷重加圧の場合（例えば、１［Ｎ］〜５［Ｎ］程度まで）
図７に示すように、ボイスコイルモータ１３を駆動し、加圧検知部１７等をＺ軸上側に移動させ、微小加圧機構２９（ボイスコイルモータ３２）をストッパ１６に当接させて上昇動を規制し、その位置を保持する。微小加圧機構２９を上側方向に規制をかけることにより、加圧時に微小加圧機構２９のみによる加圧を行なうことができる。微小加圧機構２９の上端部にはスラスト軸受３１があり、θ方向の回転動作は規制されない。スプラインシャフト２５の先端に吸着した部品を、ボイスコイルモータ３２を駆動し、加圧検知部１７のスプラインシャフト２５及び該シャフト２５の上端に接続されたばね２４を介してロードセル２３により、ボイスコイルモータ３２による加圧量を計測することができる。ロードセル２３で検知した加圧量を基に、ボイスコイルモータ３２の駆動量を制御することにより微小加圧を行なうことができる。

（２）高荷重加圧の場合（例えば、５［Ｎ］〜５０［Ｎ］程度まで）
図８に示すように、ボイスコイルモータ１３を駆動し、微小加圧機構２９を図７の状態からストッパ１６と接触しない位置まで下げる。このとき、微小加圧用のボイスコイルモータ３２は、その可動部を駆動して図示されるように下端の当接部（第２規制手段）３４に加圧検知部１７を引き上げ、その上端を当接させて位置を固定することにより、スプラインシャフト（圧着ツール）２５のボイスコイルモータ３２に対する相対移動を規制すると共に、該モータ３２の加圧機能を停止させてある。

この状態でスプラインシャフト２５に吸着した部品を加圧することにより、スプラインシャフト２５及び該シャフト２５に接続されたばね２４を介してロードセル２３でボイスコイルモータ（第２加圧手段）１３による加圧量を計測することができる。ロードセル２３で検出した加圧量は図示しない制御装置を介してボイスコイルモータ１３に駆動信号が出力され、適切な加圧量となるようにボイスコイルモータ１３の位置が制御される。

以上詳述した本参考例によれば、１つのロードセル２３で低荷重用と高荷重用の両方の加圧手段の加圧量を検出することができる。従って、第１実施形態に比較し、検出精度は劣るが、ヘッド１の長さを短くすることができる。

なお、前記実施形態では、θ回転モータ１１は、スプラインを介して一連の荷重制御機構部と連結されているので、それ自体の固定はヘッドベース６で行なってもよい。

実施形態の圧着ヘッドが適用される電子部品実装装置の要部を模式的に示す斜視図 第１実施形態の圧着ヘッドを模式的に示す断面図 第１実施形態の加圧検知部と微小加圧シリンダの詳細を示す断面図 低荷重加圧時の第１実施形態の圧着ヘッドを模式的に示す断面図 高荷重加圧時の第１実施形態の圧着ヘッドを模式的に示す断面図 参考例の圧着ヘッドを模式的に示す断面図 低荷重加圧時の参考例の圧着ヘッドを模式的に示す断面図 高荷重加圧時の参考例の圧着ヘッドを模式的に示す断面図 従来の圧着ヘッドの概要を示す断面図

符号の説明

１…圧着ヘッド（電子部品圧着装置）
２…Ｘ軸ガイド
３…Ｙ軸ガイド
４…部品認識装置
５…電子部品供給装置
６…ヘッドベース
７…Ｚ軸回転モータ
８…ボールねじシャフト
９…ボールねじナット
１０…リニアガイド
１１…θ回転モータ
１２…カップリング
１３、３２…ボイスコイルモータ
１４…Ｚ軸方向駆動部
１５…ボールブッシュ
１６…ストッパ
１７…加圧検知部
１８…微小加圧シリンダ
１９…ピストンロッド
２３…ロードセル
２５…スプラインシャフト

Claims (1)

1. 圧着ツールに保持された部品を、第１荷重範囲で圧着する第１加圧手段と、
   前記第１加圧手段を同軸方向に移動させ、圧着ツールに保持された部品を、第１荷重範囲より高荷重の第２荷重範囲で圧着する第２加圧手段と、
   前記第１加圧手段による圧着時には、第２加圧手段により第１加圧手段を当接させ、第１加圧手段の第２加圧手段に対する相対移動を規制する第１規制手段と、
   前記第２加圧手段による圧着時には、圧着ツールの第１加圧手段に対する相対移動を規制する第２規制手段と、を備えており、
   前記第１加圧手段及び第２加圧手段により圧着ツールに保持された部品を圧着する際の荷重を、それぞれ検出する第１荷重検出手段及び第２荷重検出手段が設置されていると共に、
   前記第１加圧手段はエアベアリングが内蔵されたエアシリンダで、前記第２加圧手段はボイスコイルモータであり、
   前記第１荷重検出手段は、前記エアシリンダとエア供給源との間に空圧ホースを介して設けられた荷重検出機能を有する電空レギュレータであることを特徴とする電子部品圧着装置。

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