JP6312807B2 - 部品装着ヘッド - Google Patents

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Description

本発明は、部品を基板等に装着する際に使用される部品装着ヘッドに関する。
部品装着ヘッドとして、例えば、下記特許文献に記載されているようなヘッドが検討されている。そのヘッドでは、吸着ノズルに作用する力を検出し、吸着ノズルのモータによる昇降を、その検出された力に基づくフィードバック制御を行うことにより、部品装着の際の部品の押付荷重を管理するように構成されている。
特開2011−40551号公報
発明の解決しようとする課題
上記特許文献に記載の部品装着ヘッドは、部品装着の際の部品の押付荷重を管理できるという利点から、優れたヘッドであるが、そのようなヘッドには、改良の余地が残されており、なんらかの改良を施すことにより、そのようなヘッドの実用性を向上させることが可能である。本発明は、そのような実情に鑑みてなされたものであり、実用性の高い部品装着ヘッドを提供することを課題とする。
上記課題を解決するために、本発明の部品装着ヘッドは、
部品を装着するための部品装着ヘッドであって、
ヘッド本体と、
そのヘッド本体に昇降可能に保持されて下端部に装着穴が設けられた軸本体と、その装着穴に着脱可能に設けられるとともに第1エア通路が設けられたスリーブとを有するノズル保持具と、
前記スリーブに対して上下方向に摺動可能に嵌め合わされ、前記第1エア通路と連通するとともに下端部に開口する第2エア通路が設けられ、その下端部において部品を吸着保持する吸着ノズルと、
前記ノズル保持具を前記ヘッド本体に対して昇降させる第1昇降装置と、
前記吸着ノズルを前記ノズル保持具に対して昇降させる第2昇降装置と、
前記吸着ノズルに作用する上下方向の作用力を検出する作用力検出器と、
部品の装着の際にその部品に設定された力が加わるように、前記作用力検出器によって検出されている作用力に基づいて、前記第2昇降装置の動作を制御する制御装置と
を備え、
前記第1エア通路と前記第2エア通路とが、前記スリーブと前記吸着ノズルの互いの摺動面において連通するように構成され、
前記第2昇降装置が、前記吸着ノズルのフランジ部において前記吸着ノズルと係合するように構成される。
本発明の部品装着ヘッドによれば、吸着ノズルに対するエアの吸排が上記摺動面において行われるため、吸着ノズルに供給されていた負圧の解除に起因する上記作用力の変化が小さく、部品の装着の際に、その部品に加える力を適正に制御することが可能となる。なお、作用力検出器によって検出される作用力は、吸着ノズルに作用する種々の力の総和であってもよく、それら種々の力の一部であってもよい。
実施例の部品装着ヘッドの正面図である。 上記部品装着ヘッドの吸着ノズル周辺を示す一部断面正面図である。 上記部品装着ヘッドの吸着ノズル周辺を示す一部断面側面図である。 上記吸着ノズルおよびそれを保持するスリーブの平面図である。 吸着ノズルへの作用力の部品装着の際の経時的変化を示すグラフである。 比較例の部品装着ヘッドの吸着ノズル周辺を示す一部断面正面図である。
以下、本発明の代表的な実施形態を、実施例として、図を参照しつつ詳しく説明する。なお、本発明は、下記実施例の他、当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した種々の態様で実施することができる。
[1]部品装着ヘッドの構成
実施例の部品装着ヘッド10(以下、単に「装着ヘッド10」という場合がある)は、ヘッド本体12を備え、ヘッド本体12は、回転昇降軸14を、それの軸線に平行な方向の移動(昇降)とその軸線まわりの回転とを許容する状態で保持する軸保持部16と、第1リニアモータ18を固定的に保持するモータ保持部20とを有している。本装着ヘッド10では、軸保持部16とモータ保持部20とは互いに固定されている。回転昇降軸14は、下端部において、部品保持具としての吸着ノズル22を保持しており、ノズル保持具として機能する。
回転昇降軸14は、図2,図3に拡大して示すように、下端部に装着穴23が設けられた軸本体24と、それに着脱可能な筒状のスリーブ26とを有している。スリーブ26は、吸着ノズル22を軸方向に相対移動可能かつ相対回転不能に保持した状態で、装着穴23に着脱される。つまり、吸着ノズル22は、スリーブ26を介して軸本体24に装着され、装着された後は回転昇降軸14の一部として機能する。
さらに、図4をも参照しつつ説明すれば、吸着ノズル22は、軸部28とフランジ部30とを有するノズル本体32と、軸部28の下端に固定されたノズルチップ34と、軸部28を囲うようにしてフランジ部30に固定的に付設されたばね保持筒36とを含んで構成されている。軸部28のフランジ部30より上方の部分が、スリーブ26に摺動可能に嵌め合わされている。つまり、スリーブ26の内周面38と軸部28の外周面40とが、回転昇降軸14と吸着ノズル22の互いの摺動面として機能する状態で、吸着ノズル22が回転昇降軸14に摺動可能に嵌め合わされているのである。
軸部28の上部には、上下方向に延びるようにして横方向に貫通する長穴42が設けられている。一方、スリーブ26には、その長穴42と向かい合う位置に1対の穴44が設けられている。それら1対の穴44と長穴42を挿通するようにして、係止ピン46が、スリーブ26に固定されている。この係止ピン46のスリーブ26から延びだす両端の部分は、回転昇降軸14の軸本体24の下端部に設けられた1対のJスロット48と係合するようにされており(図1参照)、吸着ノズル22は、スリーブ26とともに、1対のJスロット48を介して、軸本体24に着脱可能とされているのである。スリーブ26は、スプリング50および係止環52を含んで構成されるロック機構によって、係止ピン46が1対のJスロット48と係合した状態において、軸本体24に固定される。そのような固定によって、スリーブ26は、軸本体24に対して、上下方向に移動不能とされ、かつ、回転が禁止される。ちなみに、係止ピン46が長穴42を貫通していることによって、吸着ノズル22のスリーブ26に対する回転が禁止されている。
一方で、吸着ノズル22は、軸部28に設けられた長穴42により、その長穴42の長さに応じた分だけ、スリーブ26に対して、つまり、回転昇降軸14に対して、上下方向に移動可能とされている。吸着ノズル22のばね保持筒36の上端には内鍔54が設けられる一方で、スリーブ26の下端には、外鍔56が設けられており、それら内鍔54と外鍔56とに両端を支持される状態で、圧縮コイルスプリングである付勢スプリング58が、スリーブ26とばね保持筒36との間に配設されている。付勢スプリング58は、吸着ノズル22を、回転昇降軸14に対して上方に付勢する弾性体として機能し、図2,3に示す状態では、その付勢スプリング58によって、吸着ノズル22は、長穴42と係止ピン46とによって規制される可動範囲における上昇端に位置させられている。なお、スリーブ26の上端には、蓋60が付設されている。
回転昇降軸14には、エアの給排のためのエア通路が設けられている。具体的には、軸本体24には、それの内部において装着穴23まで延びる主通路62が設けられており、スリーブ26には、それの壁面に、周方向における互いに反対側に位置するようにして1対の分岐通路64が設けられている。1対の分岐通路64の各々は、上端が装着穴23に開口しており、下端が軸部28の上下方向における中間の位置において、スリーブ26の内周面38に開口している。それら主通路62,装着穴23とスリーブ26の上端とによって区画されるエア室66,1対の分岐通路64を含んで、回転昇降軸14側の、つまり、ノズル保持具側のエア通路である第1エア通路が構成されているのである。なお、主通路62は、上方側において、エア制御弁67に接続されており、そのエア制御弁67は、図示を省略する正負圧供給源に接続されている。
一方で、吸着ノズル22には、軸部28とノズルチップ34に跨って形成されたノズル側通路68が形成されている。ノズル側通路68は、第2エア通路として機能し、吸着ノズル22の先端に開口するとともに、軸部28の中間部の周方向における互いに反対の2箇所において、軸部28の外周面40に開口している。つまり、このノズル側通路68は、吸着ノズル22の上端部において閉塞された状態となっている。ノズル側通路68の軸部28における1対の開口は、上記1対の分岐通路64の内周面38への1対の開口と、周方向において向かい合う位置に位置している。ちなみに、軸部28の外周面40には、2つの開口の各々の位置において上下方向に延びる1対の溝70が設けられており、それら1対の溝70は、上記1対の分岐通路64の内周面38への2つの開口と、周方向において互いに向かい合う位置に形成されている。その1対の溝70に、ノズル側通路68の1対の開口が開口しているのである。2つの分岐通路64の開口と、ノズル側通路68の2つの開口とが、2つの溝70を介して連通させられていることで、スリーブ26に対する上下方向の可動範囲において吸着ノズル22がいかなる位置に位置させられても、ノズル側通路68と上記ノズル保持具側のエア通路との連通が担保されることになる。以上のような構成から、ノズル側通路68と上記ノズル保持具側のエア通路とは、軸部28とスリーブ26の互いの摺動面において、互いに連通しているのである。
ノズル側通路68に負圧が供給されることによって、つまり、ノズル側通路68が大気圧より低い圧力とされることで、図1に示すように、吸着ノズル22の先端に、部品Pが吸着され、その部品Pが、吸着ノズル22の先端において、装着ヘッド10に保持される。
また、吸着ノズル22の軸部28の上端と、スリーブ26の上端に付設された蓋60との間には、もう1つのエア室72が区画形成されている。このエア室72は、吸着ノズル22のスリーブ26に対する上下移動に伴って容積が変動する。その容積変動によるエア室72の圧力の変動を防止すべく、軸部28の外周面40には、別の1対の溝74が、上記1対の溝70に対して周方向において90°ずれた位置に、形成されており、この1対の溝74を介して、エア室72が大気圧に開放されている。つまり、エア室72が、1対の溝74と、スリーブ26に設けられた1対の穴とを介して、吸着ノズル22の外部と連通しているのである。
前記第1リニアモータ18は、ノズル保持具である回転昇降軸14と第2リニアモータ80とを共に昇降させる。そのために、第1リニアモータ18には、昇降駆動部材82が取り付けられている。昇降駆動部材82は、ヘッド本体12の軸保持部16の外側を、回転昇降軸14に沿って上下方向に延びており、中間部に第1係合部84を有し、下端部に第2リニアモータ80を保持している。その第2リニアモータ80が、水平軸線まわりに回転可能なローラにより構成された第2係合部86を有している。第1係合部84は回転昇降軸14の上端近傍に設けられたフランジ88に、第2係合部86は吸着ノズル22のフランジ30に、それぞれ回転昇降軸14および吸着ノズル22の回転を許容する状態で係合している。なお、ヘッド本体12には、1対のガイド92が取り付けられており、昇降駆動部材82は、それら1対のガイド72によって、上下移動が案内される。
なお、回転昇降軸14のフランジ88の上方にはギヤ100が設けられ、ヘッド本体12に取り付けられた回転駆動源たる回転モータ102の回転軸に固定されたギヤ104と噛み合わされている。ギヤ100,104は回転昇降軸14の昇降を許容するとともに、回転モータ102の回転を回転昇降軸14に伝達する。回転モータ102,ギヤ100,104によって回転昇降軸14の回転駆動装置が構成されているのであり、回転昇降軸14の回転はJスロット48と係止ピン46との係合、および、係止ピン46と長穴42との係合により、スリーブ26,吸着ノズル22のそれぞれに伝達される。
以上のような構成から、本装着ヘッド10では、第1リニアモータ18および昇降駆動部材82を含んで、ノズル保持具である回転昇降軸14をヘッド本体12に対して昇降させる第1昇降装置が構成されており、また、第2リニアモータ80および上述の付勢スプリング58とを含んで、吸着ノズル22をヘッド本体12に対して昇降させる第2昇降装置が構成されているのである。なお、第2昇降装置は、吸着ノズル22を回転昇降軸14に対して昇降させる装置と考えることも可能である。ちなみに、本装着ヘッド10の第2昇降装置における付勢スプリング58は、吸着ノズル22を、それが上昇する方向に付勢しており、第2リニアモータ80は、その付勢スプリング58が吸着ノズル22に作用する力に抗して、吸着ノズル22に、それが下降する方向の力を作用させることで、吸着ノズル22が下降する。なお、第2昇降装置は、吸着ノズル22をそれが下降する方向に付勢する付勢スプリングと、吸着ノズル22をそれが上昇する方向に付勢するモータとによって構成されていてもよい。
本装着ヘッド10では、第2リニアモータ80の本体部と、上述の第2係合部86との間に、第2リニアモータ80が吸着ノズル22から受ける力を検出するために、ロードセル106が設けられている。このロードセル106は、吸着ノズル22に作用する上下方向の力を検出するための作用力検出器として機能する。詳しく言えば、本装着ヘッド10では、吸着ノズル22に作用する上向きの力であり、その力は、第2リニアモータ80が発揮させる下向きの力の反力と考えることができる。言い換えれば、概して、弾性反力に依拠して上記付勢スプリング58が吸着ノズル22に作用させる上向きの力と、部品を基板に装着する際に部品を介して基板が吸着ノズル22に作用させる上向きの力との和が、作用力として、ロードセル106によって検出される。
本装着ヘッド10は、図示を省略するX−Y移動装置により、X−Y平面に沿って部品供給装置の上方と、回路基材としての基板を保持する基板保持装置の上方とへ移動させられる。本装着ヘッド10が部品供給装置の上方に位置するときに、吸着ノズル22は、X−Y平面に直角なZ方向に昇降させられ、部品供給装置から部品を吸着して取り出す。一方、基板保持装置の上方に位置するときに、吸着ノズル22は、X−Y平面に直角なZ方向に昇降させられ、吸着ノズル22において保持された部品を装着する。この装着の際、簡単に言えば、第1リニアモータ18が昇降駆動部材82を下降させて、回転昇降軸14と第2リニアモータ80とを下降させ、それとともに第2リニアモータ80が吸着ノズル22を回転昇降軸14に対して相対的に上下方向に動作させる。この装着の際の本装着ヘッド10の動作については、後に詳しく説明する。なお、吸着ノズル22の昇降を行う際に、装着ヘッド10自体をも昇降させてもよい。また、必要に応じて回転モータ102が作動させられて、吸着ノズル22に保持された部品の回転姿勢が修正ないし変更される。以上の作動における第1リニアモータ18,エア制御弁67,回転モータ102等の制御は通常の装着ヘッドと同様であるため説明を省略する。
装着ヘッド10の動作の制御は、図1に示す制御装置110によって行われる。そのため、第1リニアモータ18,第2リニアモータ80,回転モータ102,エア制御弁67が、制御装置110に接続されている。なお、後に詳しく説明するが、部品の装着の際の第2リニアモータ80の制御は、ロードセル106によって検出された上記作用力に基づいて行われるため、ロードセル106も、制御装置110に接続されている。
[2]部品装着の際の部品装着ヘッドの制御
吸着ノズル22において保持された部品を基板に装着(載置)する際、基板への部品の当接により、部品が衝撃を受ける可能性がある。また、クリームはんだが印刷された基板に部品を装着することに鑑みれば、部品が当接した後においては、設定された力で部品を基板に押し付けることが望まれる。上記部品が受ける衝撃を緩和するため、および、適正な力での部品の基板への押付のために、本装着ヘッド10では、ロードセル106によって検出された上記作用力に基づいて、第2リニアモータ80の動作が制御される。
図5に、部品の装着の際にロードセル106によって検出される作用力の経時変化を示す。部品の装着の際、第1リニアモータ18によって吸着ノズル22を下降させるのであるが、部品が基板に当接するまでの期間を巡航期間とよべば、その巡航期間では、付勢スプリング58を圧縮させつつ吸着ノズル22をスリーブ26に対して所定量下降させた状態となるように、第2リニアモータ80に電流が供給される。詳しくいえば、ロードセル106によって検出される作用力が、設定された目標作用力となるように、検出される作用力に基づいて、第2リニアモータ80に供給される電流がフィードバック制御される。
部品の基板への当接が、ロードセル106によって検出される作用力の変化に基づいて検出され、その時に、目標作用力が、部品が設定された力(設定押付力)で基板に押し付けられるような値に変更される。当接の際には、大きな力が部品にかかるが、部品に加わる力を小さくするために、上記フィードバック制御によって、第2リニアモータ80に供給される電流が減少させられる。つまり、部品の装着の際にその部品に設定された力が加わるようなフィードバック制御が行われるのである。その結果、第2リニアモータ80が発揮する力が小さくされて、クッション的な効果が得られることになる。
フィードバック制御の応答性が悪いと、図5の2点鎖線で示すように、当接の際に部品にかかる力が大きくなる。本装着ヘッド10では、当接の際に部品にかかる力が許容当接力を超えて過大となるまでの間に少なくとも2サイクルの制御サイクルが実行可能である高周波制御系とされており、上記当接が検出されるや否や、制御装置110は反力が設定押付力と等しくなるように第2リニアモータ80への供給電流を制御する。その結果、反力の変動が実線で示すように小さく抑制されるのであり、上記当接時における当接衝撃が部品Pに損傷を与えることのない大きさに抑制される。つまり、本装着ヘッド10では、相当に応答性のよいフィードバック制御が行われるのである。
部品の基板への当接の後、設定時間経過後に、上記ノズル保持具側のエア通路を介して吸着ノズル22のノズル側通路68に供給されていた負圧が解除されて、部品の吸着ノズル22への吸着が解除される。負圧の解除は、ノズル側通路68を大気圧に開放することによって行ってもよいが、本装着ヘッド10では、部品の吸着をより効果的に解除するために、ノズル保持具側のエア通路を介してノズル側通路68に正圧を供給することによって行われる。この正圧の供給の後、設定時間経過後に、第1リニアモータ18によって吸着ノズル22が上昇させられることで、部品が基板に載置された状態で残り、部品の基板への装着が完了する。
本装着ヘッド10では、ロードセル106を用いて、上記作用力を検出している。つまり、ロードセル106によって作用力検出器が構成されている。第2リニアモータ80が吸着ノズル22を下降させる方向に作用させる力、つまり、第2リニアモータ80の発生させる力は、付勢スプリング58から吸着ノズル22に作用する作用力や、部品を介して基板から吸着ノズル22に作用する作用力の反力と考えることができ、概して、第2リニアモータ80に実際に供給されている電流に応じたものとなる。したがって、第2リニアモータ80への実際の供給電流をモニタすることによって、第2リニアモータ80が発生させる力、つまり、吸着ノズル22への作用力をモニタすることが可能である。そのことを利用して、第2リニアモータ80が吸着ノズル22に作用する力の目標である上記目標作用力を、第2リニアモータ80が発生させるように、実際の供給電流に基づくフィードバック制御を行うことで、上述の制御を実行することも可能である。そのような制御を行う場合、実際に供給されている電流を検出する電流検出器が、ロードセル106に代わって、作用力検出器として機能することになる。つまり、ロードセル106を用いずに、第2リニアモータ80をフィードバック制御してもよいのである。
なお、上記目標作用力を発生させるべく上記フィードバック制御が行われるのであるが、第2リニアモータ80は、自身の動作位置の検出のためのエンコーダを装備しており、実際は、目標作用力と、ロードセル106によって実際に検出された作用力とに基づいて、目標動作位置が算出され、その目標動作位置に基づいて、上記フィードバック制御が行われる。
[3]エア通路どうしを摺動面で連通させるメリット
従来の一般的な、部品装着ヘッドの吸着ノズル22の周辺は、例えば、図6に示すように構成されている。詳しく言えば、その部品装着ヘッドでは、吸着ノズル22に形成されたエア通路であるノズル側通路122は、軸部28の上端に開口している。また、スリーブ26の上端には蓋が付設されておらず、ノズル側通路122は、その上端の開口において、回転昇降軸14の軸本体24に形成されたエア通路に連通している。
図6に示すような構造の部品装着ヘッドでは、例えば、吸着ノズル22に正圧を供給する場合、その正圧に依拠する力が、吸着ノズル22の軸部28の上端部およびノズル側通路122に、吸着ノズル22を下方に移動させるように作用することになる。つまり、吸着ノズル22を下降させる向きの作用力となるのである。したがって、正圧が供給された場合、その作用力が外乱となり、ロードセル106が検出すべき作用力が変化してしまうことになるのである。具体的には、正圧が供給された場合、ロードセル106によって検出される作用力が小さくなる。その結果、上記フィードバック制御によって、第2リニアモータ80は、目標作用力を作用させようとして、例えば、図5において点線で示すように、大きな力を発生させることになってしまう。すなわち、部品を基板に押し付ける力が適正なものとはならなくなってしまうのである。
それに対し、上記実施例の装着ヘッド10では、上述のように、ノズル側通路68と上記ノズル保持具側のエア通路とが、軸部28とスリーブ26の互いの摺動面において、互いに連通していることから、吸着ノズル22に正圧が供給された場合にも、その正圧に依拠する力が、殆ど、吸着ノズル22を下方に移動させる力とはならない。つまり、その力が、ロードセル106によって検出すべき作用力の外乱とはならないのである。したがって、装着ヘッド10によれば、吸着ノズルに供給されていた負圧の解除に起因する上記作用力の変化が小さく、部品の装着の際に、その部品に加える力、すなわち、部品を基板に押し付ける力を適正に制御することが可能となるのである。
10:部品装着ヘッド 12:ヘッド本体 14:回転昇降軸〔ノズル保持具〕 18:第1リニアモータ〔第1昇降装置〕 22:吸着ノズル 24:軸本体 26:スリーブ 38:内周面〔摺動面〕 40:外周面〔摺動面〕 58:付勢スプリング〔弾性体〕〔第2昇降装置〕 62:主通路〔第1エア通路〕 64:分岐通路〔第1エア通路〕 66:エア室〔第1エア通路〕 67:エア制御弁 68:ノズル側通路〔第2エア通路〕 80:第2リニアモータ〔第1昇降装置〕 82:昇降駆動部材〔第1昇降装置〕 106:ロードセル〔作用力検出器〕 110:制御装置 122:ノズル側通路

Claims (4)

  1. 部品を装着するための部品装着ヘッドであって、
    ヘッド本体と、
    そのヘッド本体に昇降可能に保持されて下端部に装着穴が設けられた軸本体と、その装着穴に着脱可能に設けられるとともに第1エア通路が設けられたスリーブとを有するノズル保持具と、
    前記スリーブに対して上下方向に摺動可能に嵌め合わされ、前記第1エア通路と連通するとともに下端部に開口する第2エア通路が設けられ、その下端部において部品を吸着保持する吸着ノズルと、
    前記ノズル保持具を前記ヘッド本体に対して昇降させる第1昇降装置と、
    前記吸着ノズルを前記ノズル保持具に対して昇降させる第2昇降装置と、
    前記吸着ノズルに作用する上下方向の作用力を検出する作用力検出器と、
    部品の装着の際にその部品に設定された力が加わるように、前記作用力検出器によって検出されている作用力に基づいて、前記第2昇降装置の動作を制御する制御装置と
    を備え、
    前記第1エア通路と前記第2エア通路とが、前記スリーブと前記吸着ノズルの互いの摺動面において連通するように構成され
    前記第2昇降装置が、前記吸着ノズルのフランジ部において前記吸着ノズルと係合する部品装着ヘッド。
  2. 前記第2エア通路が、前記吸着ノズルの上端部において閉塞されている請求項1に記載の部品装着ヘッド。
  3. 前記第2昇降装置が、前記吸着ノズルを、その吸着ノズルが上昇する方向と下降する方向との一方に付勢する弾性体と、前記吸着ノズルを、その吸着ノズルが上昇する方向と下降する方向との他方に付勢するモータとを含んで構成され、
    前記制御装置が、前記モータを制御することで、前記第2昇降装置の動作を制御するように構成された請求項1または請求項2に記載の部品装着ヘッド。
  4. 前記第1エア通路を介して前記第2エア通路に負圧を供給することで前記吸着ノズルが部品を吸着保持するように構成されるとともに、
    吸着保持された部品を装着する際に、前記第1エア通路を介して前記第2エア通路に正圧を供給するように構成された請求項1ないし請求項3のいずれか1つに記載の部品装着ヘッド。
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