JP4781314B2 - 部品実装ヘッドおよび電子部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、プリント基板等に電子部品を実装する部品実装ヘッドおよびその部品実装ヘッドを１つ以上搭載した電子部品実装装置に関し、更に詳しくは、部品実装ヘッドのシャフト部を回転自在に支持する軸受構造に関する。

一般の電子装置では、複数の端子を有する電子部品、例えばフラットパッケージ化された多端子のＩＣ部品、ＴＣＰ（Ｔａｐｅ ｃａｒｒｉｅｒ ｐａｃｋａｇｅ）、ＩＣチップ等の部品がプリント基板、あるいは液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等の表示パネル部（以後、「基板」と略す）の電極に実装されて電子回路が実現される。複数の端子を有するＩＣ部品としては、２方向に端子が配置されたＳＯＰ（Ｓｍａｌｌ Ｏｕｔｌｉｎｅ Ｐａｃｋａｇｅ）や、４方向に端子が配置されたＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａｃｋａｇｅ）などがある。

通常、このような部品を基板に実装するために、電子部品実装装置が用いられる。以下、簡単に電子部品実装装置の動作を説明する。先端に吸着ノズルが取り付けられた部品実装ヘッドによって部品供給部から部品が取り出され、基板が置かれた地点まで搬送される。その後、部品実装ヘッドが下降し、基板の電極の表面に設けられた半田層あるいはＡＣＦ（異方性導電シート）に対して部品の各端子が所定の位置精度で実装される。

基板上に配置された電極の位置や方向は様々である。部品実装ヘッドは、吸着ノズルに吸着された電子部品の端子を基板上に配された電極に正確に位置決めする必要がある。このため、部品実装ヘッドはアームに取り付けられ、水平面内で移動できるようになっている。また先端に吸着ノズルが取り付けられた部品実装ヘッドのシャフトが軸受で支持され、モータ等を用いて回転できるように構成されている。

従来、一般的に使用されている部品の端子間のピッチは１００μｍ〜３００μｍ程度である。このピッチに対応するため、部品実装ヘッドには５〜４０μｍ程度の位置精度が要求される。部品実装ヘッドは、アームのピボット運動とシャフトの回転運動との組み合わせによって、基板に対して５〜４０μｍ程度の精度で位置制御される。また最近では、部品の端子間のピッチが３０〜５０μｍとファインピッチ化している。このような部品の実装においては、部品実装ヘッドに２μｍ〜３μｍ程度の位置精度が求められてきている。

部品実装ヘッドのシャフトを回転自在に支持する軸受構造について説明する。通常、シャフトは部品実装ヘッドを支える円柱状の孔の内壁を有するフレームに設けられる。シャフトの円柱状の孔の内壁の上下には一対の円筒状の軸受が配置されている。実装部品ヘッド（シャフト）にかかる重量負荷の大きさ、実装ヘッドの回転速度および実装ヘッドの回転軸精度を考慮して、軸受にはアンギュラ玉軸受が用いられる。

アンギュラ玉軸受（以降、「軸受」と略称）を使用する場合、軸受にスラスト加重を加えて、軸受の隙間をマイナスにする予圧が行われる。予圧の主な目的は以下の通りである。軸のラジアル方向およびアキシアル方向の位置決めを正確にするとともに、軸の振れを抑える。軸受の剛性を高める。アキシアル方向の振動および共振による異音を防止する。転動体である玉の旋回滑り、公転滑りおよび自転滑りを抑制する。軌道輪に対して、転動体を正しい位置に保つ。

従来、電子部品実装装置のシャフトに用いる軸受には定位置予圧が行われている。定位置予圧とは、機械的位置関係に基づいて予圧が得られる方法である。具体的には、部品実装ヘッドのシャフトにおいて、一対の軸受の中間にナット等のネジが配置されている。そして、ネジの位置を調整し、ネジと軸受との機械的位置関係を変化させることによって、軸受に付与される予圧の値が決まる。

このように、正しく予圧された軸受によって、電子部品実装装置のシャフトが滑らかに回転し、部品実装ヘッドの基板に対する位置決め精度が保証される。つまり、部品が基板上の所定の位置に高精度に置かれる。このようにして基板上の所定の位置に置かれた電子部品が接着剤あるいはＡＣＦ等の接合材を介して基板上に仮固定される。

電子部品が仮固定された基板がリフロー炉により加熱され、部品の各端子が電極に半田付けされていた。しかしながら、最近では、部品を吸着ノズルに吸着させたまま、部品の端子を基板の電極上に半田付けする方法が採られるようになってきている。あるいは、液晶やプラズマディスプレイ等のパネル（基板）の電極部について、ＴＣＰやＩＣをＡＣＦを介して実装し、部品を吸着ノズルに吸着させたままＴＣＰやＩＣの電極を基板の電極に熱圧着接合する方法が採用されようになってきている。そして、この目的を達成するために、電子部品を吸着し保持する吸着ノズル等の部品保持部にヒータ等による加熱ツール部を取り付けた部品実装ヘッドが採用されている（例えば「特許文献１」および「特許文献２」）。

上述の加熱ツールを有する部品実装ヘッドでは、近年の市場要望であるファインピッチ化（部品の端子間のピッチが３０〜５０μｍ、部品実装ヘッドに２μｍ〜３μｍ程度の）位置精度の要求を満たすことが非常に困難であり、実質的に不可能である。なぜならば、加熱ツールによる発熱に起因する熱膨張のために、軸受の予圧が大きく変動して、ファインピッチ化で要求される位置精度を満足できないからである。
特許第２５０４４６６号公報 特許第３６３３４９３号公報

本発明は、このような従来の問題点に着目してなされたもので、熱に伴う軸受の予圧の調整を必要としない部品実装ヘッドを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る部品実装ヘッドは、
第１の中心軸に沿って円柱状の孔の内壁を有するフレームと、
第２の中心軸に沿って円筒状或いは円柱状に延在すると共に、当該第２の中心軸が前記第１の中心軸と実質的に一致するように、前記フレームの円柱状の孔に配置される第１のシャフトと、
前記第１の中心軸および前記第２の中心軸に沿う方向で相互に離間した位置に配され、前記フレームに前記第１のシャフトを回転自在に支持させる第１の軸受および第２の軸受と、
前記第１の軸受と前記第２の軸受との間に、その伸縮方向が前記第２の中心軸と平行となるように所定量だけ圧縮された状態で配置され、前記第１の軸受および前記第２の軸受を、圧縮の反力により予圧する少なくとも３本のコイルバネと、
前記第２の軸受と前記少なくとも３本のコイルバネとの間に配置されて前記コイルバネによる前記第２の軸受の予圧を媒介するとともに、外周部に凹部を有するリング状のスペーサと、
前記第１の中心軸と垂直な方向に進退可能に前記フレームに取り付けられ、先端側の部分が前記スペーサの凹部と係合することで、前記スペーサを前記第２の中心軸に平行な方向に移動させて位置を微調整し、前記コイルバネにより予圧される前記第２の軸受を前記フレームに対して固定する、セットネジとを備える。

ここで、前記第１の軸受部は、
前記第１のシャフトの外壁に支持される第１の内輪と、
前記フレームの内壁に支持される第１の外輪と、
前記第１の内輪と前記第１の外輪との間で転動自在に配置された第１の玉とを備え
前記第２の軸受部は、
前記第１のシャフトの外壁に支持される第２の内輪と、
前記フレームの内壁に支持される第２の外輪と、
前記第２の内輪と前記第２の外輪との間で転動自在に配置された第２の玉とを備え、
前記第１および前記第２の外輪は前記圧縮されたコイルバネの反力によって、それぞれ、前記第１および第２の玉を前記第１および前記第２の内輪に対して弾性的に押しつけられることで、前記第１の軸受および前記第２の軸受が予圧されることが好ましい。

また本発明に係る部品実装ヘッドは、さらに、前記第１の外輪と前記圧縮されたコイルバネとの間に配置される円筒状のケーシングを備え、
前記圧縮されたコイルバネの反力は、前記ケーシングを介して、前記第１の外輪に伝達されるとともに、前記スペーサを介して、前記第２の外輪に伝達されることが好ましい。

また前記スペーサは、前記第１の中心軸に垂直な半径方向に移動可能且つ当該第１の中心軸に対して点対称に、前記フレームに設けられた複数のセットネジにより当該第１の中心軸と平行な方向に移動して前記第２の外輪に押しつけられることが好ましい。また前記第１および第２の軸受はアンギュラ玉軸受であることが好ましい。

また前記第１のシャフトは前記第２の中心軸に沿って延在する円筒状に形成され、
第３の中心軸に沿って円筒状或いは円柱状に延在すると共に、当該第３の中心軸が前記第２の中心軸と実質的に一致するように、前記第１のシャフトの円筒状の内壁によって覆われて当該第２の中心軸に平行な方向に移動自在に支持される第２のシャフトと、
前記第２のシャフトの２つの端部のうちで、前記第２の軸受の近傍に位置する端部に配置されて、実装する電子部品を吸着し、保持する保持手段とをさらに備えることが好ましい。また前記保持手段は、保持された電子部品を加熱するヒータを備えることが好ましい。

また本発明に係る電子部品実装装置は、上記のいずれかの部品実装ヘッドが、回転自在な支持部材の外周部近傍に複数個取り付けられたヘッド部を備える。

本発明に係る部品実装ヘッドは、実装工程において、軸受に対する予圧の変動が抑制されるために、基板に電子部品を実装する際の位置精度が確保される。

本発明の実施の形態について詳述する前に、本発明にかかる部品実装ヘッドの基本的な概念について説明する。一般的な部品実装ヘッドで半田付けする方法では、リフロ-炉で半田付けする方法（以降、「リフロー半田付け方法」と称す）には無かった問題が生じる。つまり、リフロー半田付け方法では、部品実装ヘッドは特に加熱源を有しないために通常の機械の運転時の温度程度にしかならない。しかし、部品実装ヘッドで半田付けする方法（以降、「実装ヘッド半田付け方法」と称す）においては、半田を溶融点（２００℃前後）以上に加熱して溶融させるための加熱ツール部を実装ヘッドに有している。加熱ツール部は、半田の溶融点以上になるように発熱し、その熱はシャフトを介して軸受にも伝わり、これらの温度を上昇させる。

通常、加熱ツール部には実装動作の間継続して電力が供給される。従って、実装動作を開始してからの時間の経過に伴って加熱ツール部の熱がシャフトや軸受に伝わり、シャフトや軸受も高温になる。つまり、シャフトや軸受は、リフロー半田付け方法に比べて部品実装ヘッドの加熱ツール部が半田の融点以上（２５０℃〜３００℃）に加熱されるため、シャフトや軸受は７０℃〜１５０℃程度の高温になる。言い換えれば、部品実装ヘッドの稼働前（定位置予圧のためのネジ位置調整時）と稼働中とで、定位置予圧を与えるためのネジと軸受との機械的位置関係は、リフロー半田付け方法の場合に比べて、７０℃〜１５０℃×熱膨張係数分だけ大きく変化し（伸び）てしまう。

このような大幅な機械的位置関係の変化により、予圧も大きく変化する。実装動作中に、軸受の予圧が実装ヘッドの軸受けガイド構成により予圧が高いあるいは低いなど大きく変動すると、以下に述べるような症状が発生する。軸のラジアル方向およびアキシアル方向の位置決めが不正確になるともに、軸の回転や摺動にムラが生じて動きが悪くなるいわゆるコジリ（以降、「コジリ」と称す）あるいは軸の振れが発生する。さらに軸受の剛性が部分的に高くなる、あるいは剛性が低下する。予圧が下がる場合は、さらにアキシアル方向の振動および共振による異音が発生し、転動体の旋回滑り、公転滑りおよび自転滑りが発生する。軌道輪に対して、転動体を正しい位置に保てなくなる。

つまり、予圧力が低下すれば、軸受は内輪と外輪の間隔がプラス側に変化して、転動体である玉の軌道が膨らんだり、斜めになったりする。一方予圧力が増大すれば、玉が内輪と外輪で締め付けられて回転抵抗が増し、コジリ等が発生する。いずれの場合において、玉の滑らかな転動が阻害されて、軸受は滑らかに回転出来なくなる。

予圧の変動による予圧量が増加しすぎると、軸受にコジリが生じやすくなり、シャフトの回転負荷が回転位置によって変動する。その結果、シャフトの回転が不均一になり、制御された位置に精度良く停止できなくなる。また、モータの回転力がコジリによって生じる軸受の回転抵抗を上回った時点で、軸受は急激に回転するというぎくしゃくした動きをする。特に、予圧が低下した場合には、アームのピボット運動の開始時および停止時の反動によって、軸受の回転状態が変動する。

上述のような、熱膨張による寸法変化に起因する定位置予圧の変動を吸収して、従来の部品実装ヘッドでファインピッチ精度を実現するためには、実装工程中に、部品実装装置のシャフトに取りけられたネジを操作して、軸受との機械的位置関係を変化させて、予圧の変化を補償してやる必要がある。しかしながら、定位置予圧ネジ部は高温になるので、作業は危険で困難である。さらに、実装行程を中断しなければならないので、部品実装の生産性も落ちる。

なお、以上説明した実装ヘッド半田付け方法の問題点は、若干温度は低いが、ＴＣＰやＩＣの電極を、ＡＣＦを用いて基板の電極に熱圧着により接合する方法（以降、「実装ヘッド熱圧着方法」と称す）においても当てはまる。

また、基板への電子部品の実装効率を高めるため、複数の部品実装ヘッドを搭載したロータリー式のヘッド部を備えた電子部品実装装置が用いられるようになってきている。ロータリー式のヘッド部を備えた電子部品実装装置では、基板へ部品を実装するまでの一連の動作を、複数の部品実装ヘッドを用いて互いの動作をオーバーラップさせながら行っている。このような一連の動作を問題なく行うためには、部品実装ヘッドそれぞれの特性が揃っていることが不可欠である。

そのため、ロータリー式ヘッド部に従来の実装ヘッド半田付け方法あるいは実装ヘッド熱圧着方法を採用する場合、ファインピッチ精度を実現するためには、実装工程中に、複数の部品実装ヘッドのそれぞれに対して、定位置予圧を調整し直さねばならない。

しかし、複数の部品装着ヘッドの予圧を調整して位置精度をそろえるためには相当の時間を要し、結果として実装効率を低下させる大きな要因となる。このため従来の軸受構造では、加熱ツール部が取り付けられた部品実装ヘッドを、実装精度が高いロータリー式のヘッド部を持つ電子部品実装装置に採用することは困難である。特に市場からの要望が高まってきている高精度の実装精度（位置精度２〜３μｍ）を確保する上では、より困難性が増す。

上述のように、従来の実装ヘッド半田付け方法あるいは実装ヘッド熱圧着方法における予圧の変動は、ネジによって軸受を締め付ける定位置予圧では実装ヘッドの部品保持部に備えられた加熱ツール部の発熱によるシャフトや軸受の熱膨張による寸法変化を自動的に吸収できないことによる。つまり、発熱による機械定位置関係の変化を補償できないことが予圧変動の原因である。よって、本発明においては、シャフトや軸受の熱膨張による寸法変化を弾性的に吸収するために、定位置予圧の代わりに定圧予圧が用いられる。

具体的には、一対の軸受の間にコイルバネを圧縮した状態でセットし、同コイルバネの圧縮力に対する反力を軸受に対する予圧として利用する。言うまでもなく、このようにセットされたコイルバネは、シャフトや軸受の熱膨張による寸法変化に追随して、弾性的に伸び縮みする。部品実装ヘッドのシャフトの熱膨張率をβとし、温度Ｔの変化量を△Ｔとし、熱膨張によるシャフトにおける一対の軸受間の長さの寸法Ｌｓの変化量を△Ｌｓとすると、一対の軸受間のシャフト長Ｌｓの温度変化による熱膨張△Ｌｓは次式（１）で表す関係がある。
△Ｌｓ＝β×△Ｔ×Ｌｓ ・・・・（１）

コイルバネが軸受間にセットされる前の自由長をＬｆとし、コイルバネがセットされた時点の圧縮長をＬｃとし、セットされたコイルバネが軸受に及ぼす初期予圧をＰｃとし、コイルバネのばね定数をＫｃ、コイルバネの数をｎ（ｎは自然数）とすると、次式（２）および（３）で表す関係がある。
Ｐｃ＝Ｋｃ×（Ｌｆ−Ｌｃ）×ｎ ・・・・（２）

シャフトにおける軸受間の温度が△Ｔだけ変化したとき、本発明にかかる定圧予圧では、予圧Ｐの変化量△Ｐｃ‘は次式（３）で表される。
Ｐ＝Ｋｃ×（Ｌｆ−Ｌｃ＋ΔＬｓ）×ｎ
＝Ｐｃ＋Ｋｃ×ΔＬｓ×ｎ
Ｐ＝Ｐｃ＋ΔＰｃ‘
ここで、ΔＬｓ≪（Ｌｆ−Ｌｃ）なのでΔＰｃ‘は極めて小さいため
Ｐ≒Ｐｃ ・・・・（３）

一方、従来の定位置予圧での応力は、部品実装ヘッドのシャフトの熱膨張率をβ、ヤング率をＥとすると、温度Ｔの変化量△Ｔに対するシャフトにおける一対の軸受間の長さＬｓの熱応力σｔは次式（４）で表される。
σｔ＝−Ｅ×β×△Ｔ ・・・・（４）

上式（４）において、一対の軸受間の予圧Ｐの変化量ΔＰｔは、予圧の受圧面積をＡ、初期予圧をＰｔとすると
△Ｐｔ＝σｔ／Ａ
Ｐ＝Ｐｔ＋△Ｐｔ
Ｐｔ＝Ｐｃとした場合、予圧ＰはＰ＝Ｐｃ＋ΔＰｔとなり、軸受間の熱応力による予圧変化ΔＰｔが予圧力を変動させる。

したがって、本発明の定圧与圧は、実装ヘッドの軸受間のシャフトの温度変化による熱伸縮による与圧力の影響を受けにくい。

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態に係る部品実装ヘッドについて説明する。図１に本発明の実施の形態に係る部品実装ヘッドの外観を示し、図２に、図１のシャフト部の中心軸で切り取った断面を示す。また図３ａに図１の線Ｘａ−Ｘａで切断した断面を、図３ｂに図１の線Ｘｂ−Ｘｂで切断した断面を示す。また図４に、図１に示す部品実装ヘッドのうちシャフト部分の展開斜視図を示し、図５にシャフト部分を除く他の構成部材の展開斜視図を示す。また図６に、図２の断面図のうち軸受の左半分を拡大して示す。

最初に部品実装ヘッド１００の基本的構成について説明する。図１、図２および図４に示すように、部品実装ヘッド１００のシャフト部は、シャフトの軸まわりに自転する円筒状の第１のシャフト１の円筒部に、シャフトの軸方向に摺動する第２のシャフト２が収容されて構成されている。第２のシャフト２の先端には、電子部品を吸着保持し、加熱する加熱ツール部９が取り付けられている。また第１のシャフト１は、図示しない電子部品実装装置の本体に設けられたフレーム３（２点鎖線で示す）の円柱状の孔３ａに収容されている。さらに、第１のシャフト１は、一対の軸受１０ａおよび１０ｂによって、フレーム３の内壁に対して回転自在に支持されている。なお、図ではフレーム３の円柱状の孔の中心軸Ｉと第１のシャフト１の中心軸IIは概ね同一線上で表される。また図２中、第２のシャフト２について、視認性を考慮して一部構成が削除されている。

次に、フレーム３と第１のシャフト１との間に取り付けられた一対の軸受について説明する。図１、図２、および図３に示すように、本実施の形態においては、一対の軸受に対して定圧予圧を与えるために８本のコイルバネ（以降、「予圧バネ」）１７が、設けられている。

軸受の構造について具体的に説明する。図５および図６から読み取れるように、フレーム３の内壁の上部には、第１の内輪１２ａ、第１の外輪１３ａ、および第１の内輪１２ａと第１の外輪１３ａとの間を回動する複数の第１の玉１１ａで構成された第１の軸受１０ａが配置されている。同様に、フレーム３の内壁の下部には、第２の内輪１２ｂ、第２の外輪１３ｂ、および第２の内輪１２ａと第２の外輪１３ａとの間を転動する複数の第２の玉１１ｂで構成された第２の軸受１０ｂが配置されている。

第１の内輪１２ａおよび第２の内輪１２ｂはともに、第１のシャフト１の外壁に支持され、第１の外輪１３ａおよび第２の外輪１３ｂはともに、フレーム３の内壁に保持されている。複数の第１の玉１１ａが第１の内輪１２ａと第１の外輪１３ａとの間を転動し、複数の第２の玉１１ｂが第２の内輪１２ｂと第２の外輪１３ｂとの間を転動することにより、第１のシャフト１はフレーム３に対して回転自在に支持されている。

図６に示すように、第１の軸受１０ａの第１の内輪１２ａと、第２の軸受１０ｂの第２の内輪１２ｂとの間には、円筒状の第１のスペーサ１４が設けられている。第１の内輪１２ａ、第１のスペーサ１４、および第２の内輪１２ｂは、第２のスペーサ２１を介してナット１５の締め付けにより第１のシャフト１の外周面に固定されている。つまり、第１の内輪１２ａと第２の内輪１２ｂの間隔は、第１のスペーサ１４にて規制されている。

第１の軸受１０ａの第１の外輪１３ａと、第２の軸受１０ｂの第２の外輪１３ｂとの間には、円筒状のケーシング１６、予圧バネ１７、および第３のスペーサ１８が配置されている。予圧バネ１７はケーシング１６と第３のスペーサ１８の間で、所定量だけ圧縮された状態で保持されている。この圧縮された予圧バネ１７の反力Ｐがケーシング１６および第３のスペーサ１８を介して第１の外輪１３ａおよび第２の外輪１３ｂにそれぞれ予圧として伝達される。

これらの部材は、第１のシャフト１の下端に設けられた鍔部１ａと上端に配されたナット１５によって上下方向の位置が規制されている。第１の内輪１２ａとナット１５の間には第２のスペーサ２１およびシール部材２２が配されている。またナット１５はボルト２３を締めることによってナット１５の回転方向が規制され、第１のシャフト１に固定される。

図３ａ、図５および図６に示すように、ケーシング１６の下方には円柱状の空間１６ａが８個形成され、それぞれの空間１６ａに予圧バネ１７が圧縮された状態で収納されている。基本的に８個の予圧バネ１７の寸法および特性は等しい。また８個の空間１６ａは円周上に等間隔すなわち第１のシャフト１の中心軸IIに対して点対称となる位置に配置されている。

上述のように、圧縮された予圧バネ１７の反力が、ケーシング１６および第３のスペーサ１８を介して第１の外輪１３ａと第２の外輪１３ｂの間に予圧Ｐとして与えられる。この予圧Ｐによって、第１の外輪１３ａにより第１の玉１１ａは第１の内輪１２ａに押し付けられ、第２の外輪１３ｂにより第２の玉１１ｂは第２の内輪１２ｂに押し付けられる。結果、第１および第２の軸受１０ａ、１０ｂの位置精度および必要な剛性が確保される。

なお第２の内輪１２ｂの下側には第２のプレート２０がボルト２４を介してフレーム３に固定されており、第２の外輪１３ｂが落下するのを防止し、また第３のスペーサ１８とプレート２０により外輪１３ｂが挟み込まれフレーム３の内壁に固定されている。

次に、稼働中の部品実装ヘッド１００における予圧Ｐについて説明する。図１、図２および図４に示すように、第２のシャフト２の下端部８に加熱ツール部９が取り付けられている。加熱ツール部９に吸着保持された電子部品はヒータ９ａで加熱され、電子部品の端子が基板の電極に半田付けされ、あるいはＡＣＦを介して熱圧着される。例えば半田を溶かすためには基板の実装面を２００℃程度に加熱する必要があり、そのためにはヒータ９ａの温度を２５０℃〜３００℃に保つ必要がある。

加熱ツール部９は、給電後所定の温度まで上昇するのに時間がかかるため、実装作業を開始する前に給電が開始され、実装作業が行われている間継続して給電され、一定温度に保持される。加熱ツール部９の熱が第２のシャフト２、第１のシャフト１を介して軸受１０ａ、１０ｂまで伝わる。

従来の部品実装ヘッドでは、軸受の予圧をネジで調整していたため、温度の上昇に伴ってシャフトや軸受を構成する部材の寸法が変化することによって予圧が大きく変化する。その結果、軸受にコジリが生じ、軸まわりに自転動作するシャフトの回転位置によって負荷が変化し、回転位置精度が低下していた。そのため、回転位置精度を上げるための軸受に対して高い初期予圧の設定は困難であった。

本実施の形態では、自転動作する第１のシャフト１の中心軸に対し点対称の位置に配置された８つの予圧バネ１７によって、軸受１０ａおよび１０ｂに対して予圧Ｐを与えている。予圧手段としてコイルバネを用いることによって、熱膨張などの寸法変化による予圧の変動を非常に小さく抑えることができる。さらに、本実施の形態におけるように８本の予圧バネ１７をシャフトの中心軸に対し点対称の位置に配置することによって、温度Ｔの変化△Ｔによる予圧Ｐの変化量△Ｐを抑制すると共に、予圧変動により軸受１０ａ、１０ｂおよび第１のシャフト１が中心軸に対して傾き、コジリ等が発生するのを防止している。

まず、予圧Ｐの変化量△Ｐの抑制について説明する。上式（２）より、予圧バネによる予圧力Ｐｃは、予圧バネのバネ定数Ｋと予圧バネの圧縮長さの積で表される。ｎ（ｎは３以上の整数）本の予圧バネで予圧Ｐを発生させる場合に、予圧バネの１本あたりの予圧力はＰｃ／ｎである。よって、ｎ本の予圧バネ１７を使う場合には、予圧バネ１７のバネ定数はＫ／ｎで良い。上式（３）より、寸法変化△Ｌによる予圧Ｐの変化量△Ｐは、バネ定数Ｋ／ｎに比例する。よって、ｎ本の予圧バネ１７を用いることによって、１本の予圧バネを用いる場合に比べて、温度変化による予圧Ｐの変化量△Ｐｃ‘、つまり変動量を１／ｎに抑制できる。

なお、シャフトの中心軸まわりの熱伸縮の均一性が高い場合および／あるいは実装ヘッドに要求される位置精度が低い場合は、ｎ本の予圧バネ１７の変わりに、１本の予圧バネを用いて定圧予圧を発生させて構成してもよい。この場合、従来の定位置予圧に比べて十分予圧変動は抑制されることは上述の通りである。なお、１本のバネはシャフトの周囲を囲むような大きさに形成される必要がある。

次に、軸受１０ａ、１０ｂの第１のシャフト１の中心軸に対する傾き防止について説明する。まず、上述のようにｎ本の予圧バネ１７の変わりに、１本の大きな予圧バネで定圧予圧手段を構成した場合について考える。基本的には、予圧バネの両端は、軸受と面接触するように平面度が確保されて形成される。予圧バネを取り付けた時点では、軸受との面接触が実現されていても、部品実装工程における軸受の回転、アームのピボット動作、さらには実装ヘッドの加熱に伴う不均一な熱伝導などの原因によって、予圧バネと軸受とは点接触になってしまうことがある。

つまり、予圧Ｐが軸受の１点に集中する。このような１点に与圧が集中した結果、軸受が本来あるべきシャフトの中心軸に対して傾いてしまう。傾けば、均一な予圧の効果がなくなり、軸受が大きくコジルことになる。これに対して、ｎ本の予圧バネ１７で予圧手段を構成することによって、それぞれの予圧バネ１７はＰ／ｎの予圧で軸受と接触する。また、ｎ本の予圧バネ１７は、シャフト軸に対して点対称の位置のｎ箇所に配置される。結果、ｎ本の予圧バネ１７が軸受と点接触した場合でも、Ｐ／ｎの予圧が所定の１点に集中せず、点対称なｎ箇所に分散される。

また、ｎ本の予圧バネ１７のそれぞれが軸受と点接触した場合でも、第１の軸受１０ａと第２の軸受１０ｂとの間に、その伸縮方向が第２の中心軸に対して平行かつ点対称な位置に、予圧量に相当する長さだけ圧縮された状態で予圧バネ１７を複数本設けているため、予圧に対する姿勢は安定する。この意味から、予圧バネ１７の本数ｎは３以上であれば良いが、その上限は部品実装ヘッドの要求に基づいて適宜決定される。

なお本実施の形態では、第１の外輪１３ａと第２の外輪１３ｂの間に第３のスペーサ１８が配置されている。第３のスペーサ１８は、下側の軸受１０ｂの外輪１３ｂの上面に接するように位置している。これは、予圧バネ１７による予圧Ｐの他に、予圧バネ１７の重量を含めて予圧バネ１７に対して重力方向にかかる力をすべて、外輪１３ｂに伝える機能を有している。フレーム３に第３のスペーサ１８の位置を外輪１３ｂに押し付けるように調整するセットネジが３本設けられている。

図６に示すように、第３のスペーサ１８の外周部に形成された、断面が三角形状の溝の頂点とセットネジ１９の中心軸がずれている。従って、セットネジ１９を前後に移動させることによって、第３のスペーサ１８を第１のシャフト１の中心軸に平行な方向に移動させることができる。セットネジ１９の位置を前後に移動させ、第３のスペーサ１８の位置を微調整することにより、第２のプレート２０と第３のスペーサ１８の間に外輪１３ｂを挟み込んで固定することができる。これにより、予圧バネ１７の予圧力は、第３のスペーサ１８を介して第２の軸受１０ｂの第２の外輪１３ｂとケーシング１６を介して第１の軸受１０ａの第１の外輪１３ａとの間に与えられる。

以下に、部品実装ヘッド１００を構成する他の部材について簡単に説明する。図２および図４に示すように、シャフトの軸方向に摺動する第２のシャフトは、ボールスプラインで構成されている。具体的には、第２のシャフト２は、軸方向に高精度に移動するスプラインシャフト８と、スプラインシャフト８を支持するスプラインナット４で構成されている。スプラインナット４のフランジの下端部はボルト２５を介して第１のシャフト１に固定されている。またスプラインシャフト８（第２のシャフト２）の中心軸IIIと第１のシャフト１の中心軸IIは概ね同一線上にある。なおボールスプラインの構成は本発明の軸受構造とは直接関係しないため、詳細な説明は省略する。

スプラインシャフト８の上部には平板上の第１のプレート５が取り付けられ、またスプラインシャフト８を取り囲むようにコイルバネ６が配置されている。このコイルバネ６は第１のシャフト１に設けられた段差部と第１のプレート５の間で高さ方向の位置が規制されている。スプラインシャフト８はコイルバネ６によって常に上方に付勢されている。電子部品実装装置に設けられた図示しないアームで第１のプレート５を下方に押すと、スプラインシャフト８は第１のシャフト１の中空部を通って下方に移動する。

第１のシャフト１の上部にはアーム部材７が取り付けられている。このアーム部材７の先端部は、図示しない電子部品実装装置のアームと連結されており、部品実装装置の駆動手段を駆動することにより第１のシャフト１は中心軸周りに回動する。

スプラインシャフト８（第２のシャフト２）の下端部には、その中心に部品の真空吸引用の通気孔８ａが形成されており、図示しないチューブを介して図示しない部品実装装置本体の吸引装置に連結されている。吸引装置を動作させてスプラインシャフト８の通気孔内を負圧にすることにより、スプラインシャフト８の下端部に設けられた加圧ツール部９の先端に電子部品を吸着し保持することができる。

なお本実施の形態では、ボールスプラインを用いて第２のシャフトであるスプラインシャフト８を軸方向に移動可能に構成することにより、スプラインシャフト８の下端部に設けられた加熱ツール部９を上下動させたが、必ずしもこのような構成を採用する必要はない。第１のシャフト１の先端に加熱ツール部９を取り付け、アームを用いて第１のシャフト１そのものを上下動させるようにしても良い。この場合、第１のシャフト１は、中心部に部品の真空吸引のための通気孔を有する円柱状のシャフトで構成することが好ましい。

以上のように構成された部品実装ヘッド１００に動作について説明する。部品実装ヘッド１００を用いてＱＦＰ、ＴＣＰ、ＩＣチップ等の電子部品を基板に実装するときは、まず、部品実装ヘッド１００は、図示しない部品供給部から取り出され、あるいは受け渡される部品を吸着して保持する。

その後、部品実装ヘッド１００が移動し、部品実装ヘッド１００の部品保持部（加熱ツール部９）に保持された部品は、基板が配置された地点の直上に搬送される。次に実装装置の制御部の指令に従い、部品実装ヘッド１００の上部に取り付けられたアーム部材７が所定の角度回転し、部品の端子が基板の被取付部となる電極の位置に来るように位置決めされる。

ついで、実装装置本体に取り付けられたアーム（図示せず）が第１のプレート５に押し当てられた状態で下方に移動する。アームの移動につれてのスプラインシャフト８（第２のシャフト２）が下方に移動し、加熱ツール部９に吸着された部品の各端子が、基板上の電極の上面、詳しくは予め電極の表面に設けられた半田層あるいはＡＣＦを介して載置される。そして、ヒータ９ａによって熱くなった加熱ツール部９を介して部品が加熱され、部品の端子が基板の電極上の半田層に押し付けられた状態で半田が溶け、部品の端子が基板の電極に半田付けされる。あるいは部品の端子がＡＣＦを介して基板の電極上に押し付けられ、ＡＣＦの導電性接着部の軟化あるいは溶着、溶融により部品が基板に仮圧着あるいは本圧着される。

上述したように本発明に係る部品実装ヘッドは、軸受に付与される予圧の変動を抑えることができるため、予圧の調整が不要となる。特に部品を基板に熱接合、熱圧着するプロセスに用いられる部品実装ヘッドの加熱ツール部の発熱による熱収縮の予圧変動を抑えることができる。従って、本発明は、複数の部品実装ヘッドを用いることが前提となるロータリー式のヘッド部を備えた部品実装装置に採用した場合に、特に効果を発揮する。

図７に、４つの部品装着ヘッドが支持部材に取り付けられたロータリー式ヘッド部の一例を示す。ロータリー式ヘッド部５０は、上述の実施の形態に係る部品装着ヘッド１００ａ〜１００ｄが円盤状の支持部材３０の周辺部近傍に等間隔に設けられている。支持部材３０は、実装装置の制御部（図示せず）からの指令に基づいて図示しないモータで駆動され、軸４０を中心に回転する。図８に、ロータリー式ヘッド部５０を備えた電子部品実装装置２００の一例を示す。

以上説明したように、本発明に係る部品実装ヘッド１００は、軸受１０ａ、１０ｂの予圧付与手段として、軸を中心として点対称の位置に配された複数の予圧バネ１７を用いている。このような予圧付与手段を用いることにより、熱によって軸のまわりに自転する第１のシャフトや軸受を構成する部材が膨張しても、複数の予圧バネが分散して予圧力を軸受に与えるため、予圧の変動を最小限に留めることができ、コジリによる位置精度の悪化が解消される。

なお本実施の形態では軸受１０ａ、１０ｂに予圧を与える手段として８個のコイルバネ１７を用いたが、必ずしも８個である必要はなく、３個以上のコイルバネを第１のシャフト１の軸に対して点対称となる位置に配置すればよい。

また、本実施の形態では、軸受にアンギュラ玉軸受を用いたが、これに限定されるものではなく、予圧を与えて軸受の位置精度や剛性を調整できるものであれば、深溝玉軸受等の他の種類の軸受を用いることができる。

また、上述のように、本発明は、部品の電極と基板の電極とをＡＣＦを介して熱圧着する加熱ヒータを有した部品実装ヘッド、あるいは加熱ヒータを有して部品の半田付けを行う部品実装ヘッドにおいて顕著な効果を有する。しかしながら、リフロー炉を用いて部品の半田付けを行う部品実装ヘッドにおいても、予圧変動の低下による位置精度の改善に効果を発揮することは言うまでもない。

以上、図面を参照して本発明を実施するための最適な形態について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されるものではなく、当業者であれば想到しうる形態についても本発明の範囲に属することは明らかである。

本発明に係る部品実装ヘッドは、電子部品を吸着ノズルに吸着した状態で半田付けを行う電子部品実装装置に広く利用可能である。

本発明の実施の形態に係る部品実装ヘッドの正面図 図１の部品実装ヘッドをシャフトの中心軸で切り取った断面図 図１の部品実装ヘッドの線Ｘａ−Ｘａでの断面図 図１の部品実装ヘッドの線Ｘｂ−Ｘｂでの断面図 本発明の実施の形態に係る部品実装ヘッドのうちシャフト部分の構成部材の展開斜視図 本発明の実施の形態に係る部品実装ヘッドのうちシャフト部分以外の構成部材の展開斜視図 図２の部品実装ヘッドの要部断面図 本発明の実施の形態に係る部品実装ヘッドが４つ取り付けられたロータリー式ヘッド部を示す平面図 図７のロータリー式ヘッド部を用いた電子部品実装装置の構成を示す斜視図

符号の説明

１ 第１のシャフト
２ 第２のシャフト（ボールスプライン）
３ フレーム
４ スプラインナット
５、２０ プレート
６ コイルバネ
７ アーム部材
８ スプラインシャフト
９ 加熱ツール部
１０ａ、１０ｂ 軸受
１１ａ，１１ｂ 玉
１２ａ，１２ｂ 内輪
１３ａ，１３ｂ 外輪
１４ 第１のスペーサ
１５ ナット
１６ ケーシング
１７ 予圧バネ
１８ 第３のスペーサ（スペーサ）
１９ セットネジ
２１ 第２のスペーサ
３０ 支持部材（フレーム）
４０ 軸
５０ ロータリー式ヘッド部
１００ 部品実装ヘッド
２００ 電子部品実装装置

Claims (8)

1. 第１の中心軸（I）に沿って円柱状の孔の内壁を有するフレーム（３）と、
   第２の中心軸（II）に沿って円筒状或いは円柱状に延在すると共に、当該第２の中心軸が前記第１の中心軸（I）と実質的に一致するように、前記フレーム（３）の円柱状の孔に配置される第１のシャフト（１）と、
   前記第１の中心軸（I）および前記第２の中心軸（II）に沿う方向で相互に離間した位置に配され、前記フレーム（３）に前記第１のシャフト（１）を回転自在に支持させる第１の軸受（１０ａ）および第２の軸受（１０ｂ）と、
   前記第１の軸受（１０ａ）と前記第２の軸受（１０ｂ）との間に、その伸縮方向が前記第２の中心軸（II）と平行となるように所定量（△Ｌ）だけ圧縮された状態で配置され、前記第１の軸受（１０ａ）および前記第２の軸受（１０ｂ）を、圧縮の反力（Ｐ）により予圧する少なくとも３本のコイルバネ（１７）と、
   前記第２の軸受（１０ｂ）と前記少なくとも３本のコイルバネ（１７）との間に配置されて前記コイルバネ（１７）による前記第２の軸受（１０ｂ）の予圧を媒介するとともに、外周部に凹部を有するリング状のスペーサ（１８）と、
   前記第１の中心軸（I）についての径方向に進退可能に前記フレーム（３）に取り付けられ、前記径方向の内方に進んだときに先端側の部分が前記スペーサの凹部と係合することで、前記スペーサ（１８）を前記第２の中心軸（II）に平行な方向に移動させて位置を微調整し、前記コイルバネ（１７）により予圧される前記第２の軸受（１０ｂ）を前記フレーム（３）に対して固定する、セットネジ（１９）とを備える部品実装ヘッド（１００）。
2. 前記凹部が底に頂部を有するとともに、前記セットネジ（１９）が先端に頂部を有し、前記凹部と前記セットネジ（１９）とは、互いに係合していない状態で、それぞれの頂部の前記第１の中心軸（I）に沿った位置が一致していない、請求項１記載の部品実装ヘッド（１００）。
3. 前記第１の軸受（１０ａ）は、
   前記第１のシャフト（１）の外壁に支持される第１の内輪（１２ａ）と、
   前記フレーム（３）の内壁に支持される第１の外輪（１３ａ）と、
   前記第１の内輪（１２ａ）と前記第１の外輪（１３ａ）との間で転動自在に配置された第１の玉（１１ａ）とを備え、
   前記第２の軸受部（１０ｂ）は、
   前記第１のシャフト（１）の外壁に支持される第２の内輪（１２ｂ）と、
   前記フレーム（３）の内壁に支持される第２の外輪（１３ｂ）と、
   前記第２の内輪（１２ｂ）と前記第２の外輪（１３ｂ）との間で転動自在に配置された第２の玉（１１ｂ）とを備え、
   前記第１の外輪（１３ａ）および前記第２の外輪（１３ｂ）が前記圧縮されたコイルバネ（１７）の反力（Ｐ）によって、それぞれ、前記第１の玉（１１ａ）および第２の玉（１１ｂ）を前記第１の内輪（１２ａ）および前記第２の内輪（１２ｂ）に対して弾性的に押しつけられることで、前記第１の軸受（１０ａ）および前記第２の軸受（１０ｂ）が予圧されることを特徴とする請求項１に記載の部品実装ヘッド（１００）。
4. さらに、前記第１の外輪（１３ａ）と前記圧縮されたコイルバネ（１７）との間に配置される円筒状のケーシング（１６）を備え、
   前記圧縮されたコイルバネ（１７）の反力（Ｐ）は、前記ケーシング（１６）を介して、前記第１の外輪（１３ａ）に伝達されるとともに、前記スペーサ（１８）を介して、前記第２の外輪（１３ｂ）に伝達されることを特徴とする請求項３に記載の部品実装ヘッド（１００）。
5. 前記第１の軸受（１０ａ）および前記第２の軸受（１０ｂ）はアンギュラ玉軸受であることを特徴とする請求項３に記載の部品実装ヘッド（１００）。
6. 前記第１のシャフト（１）は前記第２の中心軸（II）に沿って延在する円筒状に形成され、
   第３の中心軸（III）に沿って円筒状或いは円柱状に延在すると共に、当該第３の中心軸（III）が前記第２の中心軸（II）と実質的に一致するように、前記第１のシャフト（１）の円筒状の壁によって覆われて当該第２の中心軸（II）に平行な方向に移動自在に支持される第２のシャフト（２）と、
   前記第２のシャフト（２）の２つの端部のうちで、前記第２の軸受（１０ｂ）の近傍に位置する端部に配置されて、実装する電子部品を吸着し保持する保持手段（９）とをさらに備える請求項４に記載の部品実装ヘッド（１００）。
7. 前記保持手段（９）は、保持された電子部品を加熱するヒータ（９ａ）を備える請求項６に記載の部品実装ヘッド（１００）。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の部品実装ヘッド（１００）が、回転自在な支持部材（３０）の外周部近傍に複数個取り付けられるヘッド部（５０）を備え、部品を基板に実装する電子部品実装装置（２００）。

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