JP6179706B2

JP6179706B2 - 液体材料吐出装置

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Publication number: JP6179706B2
Application number: JP2013019842A
Authority: JP
Inventors: 水野　亨; 亨水野; 田中　浩二; 浩二田中; 正明竹島; 政裕石井; 光悦牧田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2013-02-04
Publication date: 2017-08-16
Anticipated expiration: 2033-02-04
Also published as: JP2013188737A

Description

本発明は、ペースト状の材料や接着剤等の粘性流体を含む液体材料を対象物に吐出する液体材料吐出装置に関する。

電子部品を製造する工程において用いられる、所定の液体材料を対象物に対して吐出し塗布等する液体材料吐出装置として、例えばディスペンサを備える装置が一般に用いられている。ディスペンサ５０は、図１３に示すように、液体材料６０を内部に保持するシリンジ５１と、シリンジ内部に加圧空気を供給するチューブ５２と、加圧空気の圧力を制御する圧力制御部５３と、液体材料の温度を検出する温度センサ５４と、当該温度を制御する温度制御部５５とから構成される。

ディスペンサ５０においては、液体材料６０に対して加圧空気を介して加えられる圧力(圧力の値と加圧時間)を制御することで、吐出させる液体材料の体積を制御している。一般的には、シリンジ５１の内部を、チューブ５２及び圧力制御部５３の内部に設けられたバルブ５６を介して所定の圧力を有する外部の圧力空気源６１と接続し、このバルブ５６を解放する時間によって加圧時間の制御を行っている。さらにバルブ５６とシリンジ５１との間に減圧弁５７を設置し、この減圧弁５７を用いてシリンジ５１内部に付加される圧力を制御している。

特開２００１−２４６２９９号公報

特許文献１は、カメラによって塗布対象物の位置を認識する認識工程を開示する。しかし、塗布対象物の微小化が進むにつれ、カメラによって塗布対象物の位置を認識するだけでは微量且つ精密な塗布を行うのに不十分となる場合もあり、より多くの情報が必要となってきている。

本発明は、上記の点に鑑み、カメラを利用して塗布対象物の位置認識とは異なる新たな情報を取得可能とし、微量且つ精密な塗布に寄与することができる液体材料吐出装置を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、液体材料吐出装置である。この装置は、
シリンジと、
前記シリンジの内部に存在する液体材料を吐出するニードルと、
前記シリンジの内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記シリンジを塗布対象物に対して相対移動可能に保持する相対移動手段と、
前記相対移動手段を支持する基台と、
前記基台に固定され、前記ニードルの先端を先端側から撮像する下カメラとを備え、
前記シリンジを保持して水平一軸或いは二軸方向に移動可能なフレームに固定され、前記塗布対象物を上方から撮像する上カメラと、
基準穴を有する治具とを有し、
前記治具の前記基準穴を前記下カメラ及び前記上カメラでそれぞれ撮像することによって、双方のカメラの座標のずれ量を特定し、そのずれ量を補正し、
さらに、前記下カメラは、前記ニードル先端周辺の樹脂付着を撮像する。

本発明のもう一つの態様は、液体材料吐出装置である。この装置は、
シリンジと、
前記シリンジの内部に存在する液体材料を吐出するニードルと、
前記シリンジの内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記シリンジを相対移動可能に保持する相対移動手段と、
前記相対移動手段を支持する基台と、
前記ニードルによる液体材料の捨て打ち用に設けられた捨て打ち部と、
前記シリンジとともに前記相対移動手段に保持され、前記ニードル先端或いは塗布対象物を斜め上方から撮像する傾斜カメラとを備え、
前記捨て打ち部は鉛直方向に起立するピンを有し、捨て打ちを行う時は前記ピン先端と前記ニードル先端を近接させ、前記傾斜カメラは前記ピン先端と前記ニードル先端の位置を撮像して両者が近接していることを確認可能とする。

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法やシステムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、カメラを利用して塗布対象物の位置認識とは異なる新たな情報を取得可能とし、微量且つ精密な塗布に寄与することができる。

実施の形態に係る液体材料吐出装置における、下カメラ５８１によるニードル５０３先端への樹脂付着量検出手順説明図。下カメラ５８１によるニードル５０３先端の撮像画像の例。上カメラ５８７を利用した補正データ取得手順の説明図。上カメラ５８７による撮像画像の一例の説明図。同液体材料吐出装置のニードル５０３の下端周辺の拡大側断面図。同底面図。同液体材料吐出装置のニードル５０３の下端の押さえ付け状態の一例を示す底断面図。同状態の別の例を示す底断面図。同液体材料吐出装置のプランジャー５３７の形状の一例を示す断面図。同プランジャー５３７の形状の別の例を示す断面図。１つのニードル５０３に対して１つ設けられた小型カメラ５８５の配置説明図。本発明の実施の形態に係る液体材料吐出装置の平面図。同液体材料吐出装置の正面図。同液体材料吐出装置の右側面図。同液体材料吐出装置のディスペンサユニット５内の配管説明図。同液体材料吐出装置の捨て打ち部５８９の模式的説明図。シリンジを有するディスペンサの一般的な概略構成図。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を詳述する。なお、各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は発明を限定するものではなく例示であり、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。

まず、図８〜図１１を参照して本装置の全体構成を説明した後に、図１〜図７により要部を詳細に説明する。

図８は、本発明の実施の形態に係る液体材料吐出装置の平面図である。図９は、同液体材料吐出装置の正面図である。図１０は、同液体材料吐出装置の右側面図である。図１１は、同液体材料吐出装置のディスペンサユニット５内の配管説明図である。この液体材料吐出装置は、基台１と、載置台２と、ＸＹＺテーブル３と、ディスペンサユニット５と、搬送ユニット９と、主制御部１２とを備える。なお、水平面内で直交する２方向をＸ方向及びＹ方向、鉛直方向をＺ方向と定義している。

載置台２は基台１の上面に固定され、ＸＹＺテーブル３は載置台２に固定され、ディスペンサユニット５はＸＹＺテーブル３によってＸＹＺの各方向に移動自在に支持される。搬送ユニット９は基台１の上面に固定され、塗布対象物としての基板１１が搬送ユニット９によってＸ方向に搬送される。なお、塗布対象物としては、半導体実装基板等の基板のほか、ＬＣＤ(Liquid Cristal Display)パネルやＬＥＤ(発光ダイオード)等がある。主制御部１２は、基台１(筐体)の内部にあって装置全体の動作を制御するもので、記憶部１３と演算部１５と圧力制御部１７とを有する。

ＸＹＺテーブル３は、台板３０１と、Ｘ軸スライドガイド３０３と、Ｘ軸スライダ３０５と、Ｙ軸支持フレーム３１１と、Ｙ軸スライドガイド３１３と、Ｙ軸スライダ３１５と、Ｚ軸支持フレーム３２１と、Ｚ軸スライドガイド３２３と、Ｚ軸スライダ３２５とを有する。

台板３０１は載置台２の上面に固定され、Ｘ軸スライドガイド３０３は台板３０１の上面に固定され、Ｘスライダ３０５はボールネジ駆動機構で駆動されてＸ軸スライドガイド３０３に沿って移動可能である。なお、ボールネジ駆動機構は、ボールネジ軸をモータで回転駆動することで、該ボールネジ軸に螺合するボールネジナットを該ボールネジ軸の軸方向に移動するものである。

Ｙ軸支持フレーム３１１はＸ軸スライダ３０５に固定され、Ｙ軸スライドガイド３１３はＹ軸支持フレーム３１１に固定され、Ｙ軸スライダ３１５はボールネジ駆動機構で駆動されてＹ軸スライドガイド３１３に沿って移動可能である。Ｚ軸支持フレーム３２１はＹ軸スライダ３１５に固定され、Ｚ軸スライドガイド３２３はＺ軸支持フレーム３２１に固定され、Ｚ軸スライダ３２５はボールネジ駆動機構で駆動されてＺ軸スライドガイド３２３に沿って移動可能である。したがって、Ｚ軸スライダ３２５はＸＹＺの各方向に移動自在であり、Ｚ軸スライダ３２５に取り付けられたディスペンサユニット５もＸＹＺの各方向に移動自在である。

ディスペンサユニット５は、シリンジ５０１及び吐出部としてのニードル５０３並びにこれらに対する配管を４系統有する。図１１に示すように、各系統のシリンジ５０１は、切替弁５５１を介して圧空源５９１及び真空源５９２に接続されている。切替弁５５１と圧空源５９１及び真空源５９２との間にはそれぞれ調圧弁５９６,５９７があり、シリンジ５０１内の圧力を調整可能である。負圧は遮蔽弁５６１によって遮蔽可能である。また、開放弁５６２を開くことでシリンジ５０１の内部圧力を大気圧に等しくできる。各々の弁は圧力制御部１７によって制御される。

水平一軸或いは二軸方向（すなわちＸＹ方向）に移動可能なフレームとしてのＺ軸支持フレーム３２１には下方を（すなわち基板１１を上方から）撮像可能な上カメラ５８７（鉛直方向の視野軸を有する）が取り付け固定され、基板１１に塗布済みの液滴を撮像可能である。ニードル５０３を側方から撮像するために横カメラ５８０が基台１に取り付けられ、ニードル５０３の下端に保持された液摘を撮像可能である。また、下カメラ５８１（鉛直方向の視野軸を有する）は基台１に固定され、ニードル５０３を下方から撮像可能である。

これらのカメラは様々な役割を果たすことができる。例えば下カメラ５８１と不図示の治具（基準器）を利用して上カメラ５８７のＸＹ座標の特定できる。具体的には、板状治具の基準穴（貫通孔）を下カメラ５８１及び上カメラ５８７でそれぞれ撮像することで双方のカメラの座標のずれを特定し、当該ずれ量を補正できる。また、下カメラ５８１で撮像および画像処理を行うことでニードル５０３先端のＸＹ座標の特定（必要に応じて補正）でき、さらに基板１１の塗布面の高さを測定する測定器（不図示）先端を下カメラ５８１で撮像することでその先端のＸＹ座標の特定（必要に応じて補正）できる。また、装置稼動中に同じく下カメラ５８１でニードル５０３先端周辺の樹脂付着状態を撮像して、樹脂付着による品質不具合が懸念される場合（樹脂付着の異常を検出したとき）はノズルクリーニングを実施するなどの用途が考えられる。なお、異常としては、例えばニードル５０３の先端径に対して大きく膨らんだ又ははみ出た付着樹脂外形が考えられる。また、異常検出時に音声や光、画像等により作業者に報知する報知手段（例えば警告灯やスピーカー、モニタ）を備えるとよい。

図１（Ａ）〜（Ｃ）は、下カメラ５８１によるニードル５０３先端への樹脂付着量検出手順の説明図である。まず、ディスペンサユニット５は、捨て打ち部５８９（捨打ち樹脂受け）の上方に移動し、指定回数分だけ樹脂塗布（樹脂捨打ち）を行う。樹脂捨打ち後、ディスペンサユニット５は下カメラ５８１の上方に移動し、下カメラ５８１でニードル５０３先端を撮像し、ニードル５０３先端への樹脂付着を検出する。なお、これらの工程は装置稼動前の動きの例であり、装置稼働中の場合は指定ワーク又は指定基板への塗布終了後に樹脂付着の検出を実施可能である。

図２（Ａ）〜（Ｃ）は、下カメラ５８１によるニードル５０３先端の撮像画像の例であり、図２（Ａ）は正常状態（樹脂付着なし）、図２（Ｂ）は樹脂付着があるものの閾値内のため正常と判断される場合、図２（Ｃ）は閾値を超える樹脂付着のため異常と判断される場合を示す。樹脂付着量が閾値を超えるか否かの判定は、画像処理装置内でパターンマッチング処理で実施する。あるいは、２値化処理でも実施可能な場合もある。なお、下カメラ５８１による撮像は、背景の影響を受けないように、カメラ倍率をニードル５０３先端平面がモニタ全面に映し出される条件にするとよい。また、樹脂付着量が増大してきたときに、異常と判定する閾値以内であっても、樹脂付着量が増えつつあると判定するようにしてもよい。この場合、例えば、異常と判定する閾値よりも小さい閾値を少なくとも１つ設定しておく。樹脂付着量増大の判定は複数の閾値を設けて段階的に行ってもよい。

また、上カメラ５８７は例えば、基板１１上に塗布された数個の液滴を撮像し画像処理をすることでそれら液滴の中心位置（ＸＹ座標）を特定し、ニードル５０３のプログラム上のＸＹ中心位置（各々の液滴を塗布した時のＸＹ座標の設定値）と実際の液滴中心位置（ＸＹ座標）のズレ量を特定して補正することが可能である。

図３は（Ａ）〜（Ｃ）、上カメラ５８７を利用した補正データ取得手順の説明図である。まず、ノズルクリーニングを実施してニードル５０３先端の樹脂付着を除去後、ディスペンサユニット５は、基板１１（ここではショット校正用の基板）の上方の指定位置に移動し、この位置で樹脂塗布（点塗布）を実施する。その後、上カメラ５８７が塗布された液滴上方（塗布時のニードル５０３中心のＸＹ座標設定値）に移動する。このときの移動量は、上カメラ５８７の中心位置とニードル５０３の中心との距離と等しい。上カメラ５８７は、塗布された液滴を撮像し、画像処理により液滴中心位置（ＸＹ座標）及び液滴の外径を測定する（図４）。なお、以上の塗布から測定までの動作は、複数回実行してもよく、この場合は例えば複数回分の測定データの平均を取っても取ってもよい。ここで、塗布時のニードル５０３中心のＸＹ座標設定値と液滴中心位置（ＸＹ座標）にズレがあったときは、当該ズレ量をＸＹ補正データとして蓄積し、実際の塗布実行時、ディスペンサユニット５による塗布位置をＸＹ補正データにより補正する。また、液滴外径を基に、液滴面積を計測し、吐出状態の経時変化を判定することもできる。図４は、上カメラ５８７による撮像画像の一例の説明図である。図４に示すオフセット量Ｘとオフセット量ＹがＸＹ補正データとなる。

本装置の全体的な動作を概説する。まず、図８の搬送ユニット９の搬入部９１に塗布対象物としての基板１１が供給される。基板１１は、搬入部９１から塗布部９５まで搬送されて所定位置に位置決めされる。ディスペンサユニット５は、ＸＹＺテーブル３の支持により塗布部９５上(基板１１上)に移動し、液体材料を基板１１に塗布する。塗布作業が終了すると、基板１１は搬出部９７に搬送されて排出される。なお、必要に応じて、塗布部９５の前段に予熱部を設けてヒータ等の予熱手段で基板１１の温度を上げ、塗布部９５の後段に予熱部を設けて基板１１の温度を保持又は上げる。所定数の基板１１に対して塗布作業を実行後、ディスペンサユニット５はＹ方向に後退する。

図５Ａは、同液体材料吐出装置のニードル５０３の下端周辺の拡大側断面図である。図５Ｂは、同底面図である。図６Ａは、同液体材料吐出装置のニードル５０３の下端の押さえ付け状態の一例を示す底断面図である。図６Ｂは、同状態の別の例を示す底断面図である。図６Ｃは、同液体材料吐出装置のプランジャー５３７の形状の一例を示す断面図である。図６Ｄは、同プランジャー５３７の形状の別の例を示す断面図である。

シリンジ５０１とニードル５０３は、相互に着脱自在に取り付けられる(シリンジ５０１下端部の雄ネジとニードル５０３上端部の雌ネジとが螺合されている)。ニードル５０３はニードルホルダ５３３に保持され、シリンジ５０１はシリンジケース５１１に保持される。ニードルホルダ５３３はシリンジケース５１１に固定されており、シリンジ交換時はシリンジケース５１１からシリンジ５０１のみを取り外すことができる。

ニードル５０３の先端部材(針状部)は、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、ニードルホルダ５３３の押し付け面５３５にプランジャ５３７(バネを内蔵した付勢力を持つツール)で側方から押し付けられている。これにより、シリンジ交換時のニードル５０３の位置ずれを防止でき、かつニードル交換時のニードル５０３の位置再現性を高めることができる。押し付け面５３５は、ニードル５０３の先端部材が嵌る凹部形状であるとよく、例えば図６Ａに示すような円弧面(半円周面)若しくは楕円弧面又は図６Ｂに示すようなＶ溝面であってもよい。また、プランジャー５３７の先端面のうちニードル５０３の先端部材を押す部分は、図６Ａ及び図６Ｂのように平面であってもよいし、ニードル５０３の先端部材が嵌る凹部形状、例えば図６Ｃに示すような円弧面(先端部材よりも大径)若しくは楕円弧面又は図６Ｄに示すようなＶ溝面であってもよい。

図８に示す横カメラ５８０は、真空校正に用いられる。すなわち、ニードル５０３の先端(下端)に所定量の液摘を吐出させた後、横カメラ５８０で液摘を撮像しながら画像処理により真空校正を実施する。真空校正には例えば本出願人提案の特開２００７−２９９１２号に開示の技術が利用可能である。簡単に説明すると、ニードル５０３の下端に液滴が保持された状態で横カメラ５８０にて撮像し、撮像した液滴の形状から当該液滴の下端とニードル５０３の基準位置(下端)との距離を演算部１５で算出する。算出した距離が一定時間設定された範囲内にとどまるように圧力制御部１７で真空値を調整する。

図７に示すように、傾斜カメラとしての小型カメラ５８５（傾斜方向の視野軸を有する）がニードル５０３とともにＺ軸スライダ３２５に取り付けられており、小型カメラ５８５はＸＹＺ各方向にニードル５０３とともに移動可能である。これにより、小型カメラ５８５でニードル５０３の下端を図示の例では斜め上方から常時撮像することができ、例えば操作者がニードル５０３の下端の汚れ等を監視するのに便利である。小型カメラ５８５は全てのニードル５０３に対して各々１個ずつ設けられている。小型カメラ５８５は、カメラ部分(レンズ、鏡筒、撮像素子)が径９ｍｍ×長さ２３.５ｍｍ、カメラ部分を取り付けるカメラケースの最大径が１９ｍｍ、カメラケースを他の部品に取り付けるフランジが１９ｍｍ×３４ｍｍと小型のものである。

この小型カメラ５８５の視野に含まれれば、例えば不図示のモニタに拡大表示すること等により、製品塗布プログラム動作時の基板１１近傍のニードル５０３の位置確認や、塗布後の液滴の塗布状態の確認に用いることができる。また、基板１１上の塗布対象物が例えば複数の部品の隙間のように寸法変動要素を含む場合は、当該隙間等を小型カメラ５８５で撮像して、その寸法を算出して適正な塗布量となるようニードル５０３からの液体材料の吐出量を補正すること（隙間が大きければ吐出量を増やし、隙間が小さければ吐出量を減らす等）も可能である。

さらにこの小型カメラ５８５の応用として次のような例が挙げられる。図１２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、基台１の所定位置に捨て打ち部５８９が設けられており、捨て打ち部５８９は流動を促進する鉛直方向に起立するピン５９１を有し、ニードル５０３先端の液滴をピン５９１に乗り移すことで、捨て打ち時にニードル５０３への液滴の再付着を防止している。このとき、図１２（Ｃ）に示すようにピン５９１とニードル５０３の先端位置がずれると液滴の乗り移りが上手くいかず、捨て打ちするはずだった液滴が残り、本来の塗布に悪影響を及ぼすリスクがある。そこで、小型カメラ５８５でピン５９１とニードル５０３の先端位置を撮像し、例えば不図示のモニタに拡大表示すること等により、このずれが発生していることを捨て打ち前に認識することが可能となり、位置補正等により捨て打ちミスを未然に防ぐことが可能となる。

本実施の形態によれば、下カメラ５８１、上カメラ５８７、及び小型カメラ５８５を利用して塗布対象物の位置認識の他に新たな種々の情報を取得可能となり、微量且つ精密な塗布に寄与することが可能となる。その他の効果は下記のとおりである。

(1) ニードル５０３の先端部材がニードルホルダ５３３の押し付け面５３５にプランジャ５３７で側方から押し付けられているため、シリンジ交換時のニードル５０３の位置ずれを防止でき、かつニードル交換時のニードル５０３の位置再現性を高めることができる。

(2) １つのニードル５０３に対して１つの小型カメラ５８５がニードル５０３とともにＺ軸スライダ３２５に取り付けられているので、操作者はモニタでニードル５０３の下端の状況を常時監視することができて便利である。

以上、実施の形態を例に本発明を説明したが、実施の形態の各構成要素や各処理プロセスには請求項に記載の範囲で種々の変形が可能であることは当業者に理解されるところである。以下、変形例について触れる。

実施の形態におけるニードル５０３は、非接触塗布ノズル（ジェットディスペンサ等）としてもよく、同じように本発明の作用効果が実施される。

１基台、２載置台、３ＸＹＺテーブル、５ディスペンサユニット、９搬送ユニット、１２主制御部、１３記憶部、１５演算部、１７圧力制御部、５０１シリンジ、５０３ニードル、５１１シリンジケース、５３３ニードルホルダ、７０１発光部、７０２受光部、５１４反射部材、５１５開口、５３５押し付け面、５３７プランジャー、５８５小型カメラ

Claims

シリンジと、
前記シリンジの内部に存在する液体材料を吐出するニードルと、
前記シリンジの内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記シリンジを塗布対象物に対して相対移動可能に保持する相対移動手段と、
前記相対移動手段を支持する基台と、
前記基台に固定され、前記ニードルの先端を先端側から撮像する下カメラとを備え、
前記シリンジを保持して水平一軸或いは二軸方向に移動可能なフレームに固定され、前記塗布対象物を上方から撮像する上カメラと、
基準穴を有する治具とを有し、
前記治具の前記基準穴を前記下カメラ及び前記上カメラでそれぞれ撮像することによって、双方のカメラの座標のずれ量を特定し、そのずれ量を補正し、
さらに、前記下カメラは、前記ニードル先端周辺の樹脂付着を撮像する、液体材料吐出装置。
シリンジと、
前記シリンジの内部に存在する液体材料を吐出するニードルと、
前記シリンジの内部の圧力を制御する圧力制御部と、
前記シリンジを相対移動可能に保持する相対移動手段と、
前記相対移動手段を支持する基台と、
前記ニードルによる液体材料の捨て打ち用に設けられた捨て打ち部と、
前記シリンジとともに前記相対移動手段に保持され、前記ニードル先端或いは塗布対象物を斜め上方から撮像する傾斜カメラとを備え、
前記捨て打ち部は鉛直方向に起立するピンを有し、捨て打ちを行う時は前記ピン先端と前記ニードル先端を近接させ、前記傾斜カメラは前記ピン先端と前記ニードル先端の位置を撮像して両者が近接していることを確認可能とする、液体材料吐出装置。