JP6338488B2 - 熱加工装置におけるワーク厚さ確認方法および装置 - Google Patents

Description

この発明は、電子部品や機械部品の抵抗溶接や樹脂部品の熱カシメなどに用いる熱加工装置に適用するワーク厚さ確認方法と、この方法の実施に用いる熱加工装置とに関するものである。

従来より電子部品の実装などに広く用いられているリフローハンダ付け装置においては、ヒータチップをワーク（ハンダ付けする対象）に対してばねを介して押圧しながら加熱し、ハンダを溶融させるものが知られている（特許文献１）。この方法では、所定の加熱終了時点になると加熱を停止し（あるいは温度を下げ）ハンダの凝固を待ってヒータチップを上昇させるものである。

またヒータチップを昇降ヘッドに昇降可能に保持し、ヒータチップを押下するばねのばね力がワークを押し潰すのを防ぐため、ヒータチップの下降を制限するストッパを昇降ヘッドに設けることが、同一出願人により提案されている（ばね加圧式昇降ヘッド、特許文献２）。

さらに抵抗溶接機の上部電極の位置（高さ）をシリンダで制御する場合に、上部電極を保持するシリンダロッドに固定した腕の上下動を前記シリンダとは別に設けた高さ計測部（ロータリーエンコーダ）で測定するものも提案されている（特許文献３）。

特開２０１１−１１０５７４号公報 特開２００７−１７３５２２号公報 特許第５３１３６２１号公報

これらの装置では、ワークは適正厚さのものに対してヒータチップの下面高さが適正となるように予め設定している。このため、ワーク供給装置の不良などにより、異なるワークをセットしたり、ワークの設置位置がずれてヒータチップが接触する溶接箇所が変動したり、厚さが異なるワークがヒータチップの下方にセットされたり、ワークが供給されなかったり、密着した２枚以上のワークが重なって供給された時などに、適正な加熱加工ができなくなることがあり得る。このような場合にヒータチップに溶接電流が供給されると、溶接箇所が不正確になったり、ヒータチップやワーク保持台を痛めることになり、また電源回路に不具合を発生させる原因ともなり得る。

この発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ロータリーエンコーダなどの高価で複雑な高さ計測部を用いること無く、ヒータチップとワークとの接触高さを高精度に検出することができ、異なるワークをセットしたり、ワークの設置位置の変動や、ワークの不供給（供給失敗）や二重供給などの供給不良などによる溶接不良の発生を予防し、ヒータチップや電源回路の破損を防止し、常に適正な加熱加工をすることができるようにした、熱加工装置におけるワーク厚さ確認方法を提供することを第１の目的とする。またこの方法の実施に用いる熱加工装置を提供することを第２の目的とする。

この発明によれば第１の目的は、基台に対して上下位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きにばね付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、前記昇降ヘッドを下降させて前記ヒータチップをワークに押圧しかつ発熱させて前記ワークを加熱加工する熱加工装置に適用され、前記ワークの厚さを確認する方法であって、
前記ワークの否セット状態およびセット状態で前記昇降ヘッドは前記基台に対して回転量が検出可能なモータにより昇降制御されかつ前記モータの回転量から前記昇降ヘッドの昇降量が検出可能であり、
前記ワークの否セット状態およびセット状態で前記昇降ヘッドが高さＨが既知である基準位置から下降して前記ヒータチップが前記基台上面および前記ワークにそれぞれ接触し前記ばねが設定圧縮量になるまでのモータ回転量（Ｎ₀、Ｎ₁）を求め、これらの差Ｄ（＝Ｎ₀−Ｎ₁）から前記ワークの厚さＴを求めることを特徴とする熱加工装置におけるワーク厚さ確認方法、により達成される。

また第２の目的は、基台に対して昇降可能かつ上下位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きにばね付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、前記昇降ヘッドを下降させて前記ヒータチップをワークに押圧しつつ発熱させて前記ワークを加熱加工する熱加工装置であって、
前記ヒータチップの前記ワークに対するばね加圧力を前記昇降ヘッドと前記ヒータチップとの相対移動量から検出するフォトセンサからなるばね力検出センサーと、
前記昇降ヘッドを昇降駆動するステッピングモータと、
このステッピングモータを制御するモータ駆動制御部と、
前記ヒータチップの加熱温度を検出する温度センサーと、
前記ヒータチップに供給する加熱電流を制御する温度制御手段と、
前記ステッピングモータの駆動パルス数を検出するパルスカウント部と、
前記ワークの否セット状態およびセット状態で前記昇降ヘッドが基準位置から下降し前記ヒータチップが前記基台上面および前記ワークに接触して前記ばねが設定圧縮量になるまでのモータ回転数（Ｎ₀、Ｎ₁）を求め、これらの差Ｄ（＝Ｎ₀−Ｎ₁）から前記ワークの厚さＴを求め、この検出したワーク厚さＴが適正範囲内にあるか否かを判定する厚さ判定部と、
ワーク厚さが適正範囲内に無い時に加熱加工中止と判定して前記昇降ヘッドを前記基準位置に復帰させ加熱加工を中止させる中止判定部と、
前記昇降ヘッドの昇降およびヒータチップ温度を制御すると共に前記中止判定部の判定に基づいて加熱加工を続行または中止させる制御部と、
を備えることを特徴とする熱加工装置、により達成される。

第１の目的を達成する前記発明（第１の発明）によれば、前記ワークの否セット状態およびセット状態で昇降ヘッドを回転角度検出可能なモータ（例えばステッピングモータ）により昇降するとともに、このモータの回転量によってヒータチップ下面がワークに接触する高さを検出するから、ロータリーエンコーダなどの高価で複雑な高さ計測部を用いること無く、ヒータチップが接触するワーク表面の高さを高精度に検出することができる。このため、厚さが異なるワークをセットした場合を判別でき、ワークの設置位置の変動や、ワークの不供給や二重供給などの供給不良などを検出して、溶接不良の発生を予防できる。また、ヒータチップや電源回路の破損を防止し、常に適正な加熱加工をすることができる。

第２の目的を達成する前記発明（第２の発明）によれば、この方法の実施に用いる熱加工装置が得られる。

この発明の一実施例である抵抗溶接機の斜視図 この装置の加圧式昇降ヘッドを示す一部断面側面図 同じくこの装置の機能ブロック図 同じくこの装置の動作の流れ図 この装置の昇降ヘッドの復帰位置（Ａ）と下降位置（Ｂ）を示す図 この装置におけるワークの供給不良例を示す図

この実施例では抵抗溶接機を示しているが、この発明は樹脂部品の熱カシメなどの熱加工装置にも適用することができる。ステッピングモータの回転量は、このステッピングモータの駆動パルス数を加算することにより求めればよく、制御部を通常構成するＣＰＵのカウンタ機能を利用することができる（請求項２）。すなわちこの回転量と昇降ヘッドの昇降量とは常に一定（比例）しているから、ステッピングモータの制御回路に、この回転量を求めかつワークの厚さを検出するためのソフトウェアを追加することにより構成することが可能であり、部品点数が増えず、構成が簡単である。

前記ヒータチップによる基台上面および前記ワークに対する押圧力を前記ばねの圧縮量から求め、この圧縮量が予め設定した所定圧縮量となるまで昇降ヘッドを下降させることにより、昇降ヘッドの基準位置からばねをこの所定圧縮量圧縮するまでのモータ回転量Ｎ₀、Ｎ₁を検出し、これらの差Ｄ（＝Ｎ₀−Ｎ₁）からワーク厚さＴをａ×Ｄ（ａはモータの１つの駆動パルスに対応する昇降ヘッドの昇降量）により求め、ワーク厚さＴが適正範囲内にある時に前記ヒータチップを発熱させればよい（請求項３）。

前記ばねの圧縮量は、前記昇降ヘッドとヒータチップとの相対移動量をフォトセンサで検出するものとすることができる（請求項４）。この場合には例えば昇降ヘッド側に固定した発光体（発光ダイオード）および受光体（フォトセンサ）との間にヒータチップ側に設けた遮光板を上下方向に進退出可能として、ヒータチップが昇降ヘッドに対して所定量上昇したことを受光体で検出するように構成することができる。前記ヒータチップの基準位置は、昇降ヘッドを予め決めた基準位置（復帰位置、ホームポジション）に上昇させた位置とすることができる（請求項５）。

図１，３において符号１０は主制御手段（主コントローラ）、１２は電源部、１４は溶接機である。１６は主制御手段１０に設けた電源スイッチである（図１）。主コントローラ１０は、図３に示す制御部１０Ａ、モータドライバー１０Ｂ、パルスカウント部１０Ｃ、厚さ判定部１０Ｄ、中止判定部１０Ｅなどを有する。この主コントローラ１０の前面には、表示パネル２０が取り付けられている。

制御部１０ＡはＣＰＵで構成され、パルスカウント部１０Ｃ、厚さ判定部１０Ｄ、中止判定部１０Ｅはこの制御部１０Ａの制御プログラムに組み込まれたソフトウェアにより構成される。表示パネル２０は、メニュー画面や、熱加工に伴う種々のデータや設定値（設定値の許容範囲を含む。）などを表示する表示部２０Ａとしての機能と、その表面に設けた透明なタッチセンサ（図示せず）からなる入力手段である設定部２０Ｂの機能とを持つ（図３）。この設定部２０Ｂから後記する種々の設定値が設定される。

溶接機１４は図２に詳細に示すように、基台２２と、この基台２２から垂直に起立する支柱２４と、この支柱２４に昇降可能に保持されたステッピングモータ２６によって昇降される昇降ヘッド２８と、この昇降ヘッド２８に上下動可能に保持されて下方へ突出するロッド３０と、このロッド３０の下端に固定されたヒータチップ（ツール）３２とを持つ。このロッド３０は、昇降ヘッド２８に固定された筒３４内に装填されたコイルばね３６によって、下向きに付勢されている。

モータ２６はステッピングモータが望ましいが、回転角度センサを内蔵するサーボモータであってもよく、その回転量によって昇降ヘッド２８の位置を制御できるものであればよい。支柱２４にはラック２６Ａが固定され、このラック２６Ａに噛合するウォームギヤ２６Ｂがこのモータ２６によって回転駆動される(図２）。ウォームギヤ２６Ｂの正逆転によって、ラック２６Ａおよびこれと一体の支柱２４に対して昇降ヘッド２８が上下動する。モータ２６の回転量（回転角度）と昇降ヘッド２８の昇降量とは正比例している。

コイルばね３６の上端は、筒３４の上端に螺合されたばね力調節手段となるキャップ３８に支持されている。コイルばね３６の下端は、ロッド３０の上端に取り付けられたばね力検出センサーである圧力センサー４０に支持されている。この圧力センサー４０は、例えば歪みゲージ（ロードセル）、圧電素子、感圧ダイオードなど種々の検出原理のものから適切なものを用いることができる。この圧力センサー４０に代えて、前記キャップ３８の回転量を示す目盛りを用いてコイルばね３６のばね力を設定しても良い。

ロッド３０には下限位置設定部材となるストッパとしての板４２が固定され、この板４２はロッド３０の下降時に昇降ヘッド２８の内底壁に当接して位置決めされる（図２の位置）。ヒータチップ３２をワークに接触させた位置から昇降ヘッド２８をさらに所定量下降させることにより、ヒータチップ３２のワークに対する押圧力を所定圧力に設定することができる。すなわち熱溶着の前にコイルばね３６の圧縮量を一定に設定する。この場合、一方（例えば昇降ヘッド２８）の側に発光体（発光ダイオード）と受光体（フォトセンサ）４０Ａ（図２では重なっている。）を対向させて固定し、これらの間に進入／退出する遮光板４０Ｂを他方（例えばロッド３０）に固定しておき、昇降ヘッド２８に対するロッド３０の相対移動量が予め設定した所定量になったことを受光体４０Ａで検出するようにすれば良い。

ヒータチップ３２は上方に開くスリットを形成して略Ｕ字状とした電気抵抗材料で作られ、両端間に電流を流すことによって瞬時に発熱するものである。このヒータチップ３２はウェルドケーブル４４（図１）によって、電源部１２に収容された溶接トランス１２Ａ（図３）の二次側に接続されている。

また電源部１２は、溶接トランス１２Ａと、ヒータチップ３２の温度制御手段となる電流制御部１２Ｂを備える。電流制御部１２Ｂは主コントローラ１０の制御部１０Ａが出力する温度指令Ｐ₁に基づいてヒータチップ３２の温度を制御する。すなわちこの電流制御部１２Ｂにはヒータチップ３２の先端付近に固定した熱電対４６（図３）が検出するヒータチップ温度θがフィードバックされ、このヒータチップ温度θを温度指令Ｐ₁に一致させるようにパルス幅制御したパルス電流Ｐ₂を溶接トランス１２Ａに送る。溶接トランス１２Ａはこのパルス電流Ｐ₂を昇圧してヒータチップ３２に送り発熱させる。

モータドライバー１０Ｂは制御部１０Ａが出力する回転指令Ｑ₁に基づいてモータ２６を制御する。すなわちモータドライバー１０Ｂは、この回転指令Ｑ₁によって正逆いずれかの回転方向に所定回転量だけモータ２６を回転させる。ここにモータ２６はステッピングモータあるいはサーボモータでありその回転量によって昇降ヘッド２８の高さが正確に制御される。

４８は被熱加工対象となるワークである。このワーク４８は、例えば基板５０の表面にクシ刃状に形成したプリント回路の接続端子に、フレキシブルプリント配線板（ＦＰＣ）５２の電極を重ねて熱溶着するものとする。この場合には、熱溶着部のいずれかには予めはんだメッキをしたり、クリームはんだを供給しておくものとする。ヒータチップ３２は、この熱溶着部に上方から押圧され、この状態で発熱されてはんだを溶融しハンダ付けする。

主コントローラ１０の制御部１０Ａには、前記設定部２０Ｂの設定に基づいて前記モータドライバー１０Ｂの回転方向、回転量、ヒータチップ３２の温度などが入力され、これらに基づいて制御部１０Ａは、モータドライバー１０Ｂに回転指令Ｑ₁を、電流制御部１２Ｂに温度指令Ｐ₁を出力する。

パルスカウント部１０Ｃは、このモータ２６の回転に伴って制御部１０Ａが出力する駆動パルス数をカウントする。すなわちこのパルスカウント部１０Ｃが持つカウンタは、昇降ヘッド２８の基準位置（ホームポジション、ＨＰ）で０にクリヤしてから昇降ヘッド２８を下降させる際のモータ回転数（回転量）に対応するパルス数Ｎを積算する。ここに基準位置ＨＰからワークをセットしていない状態のワーク４８の載置台上面までの距離Ｈは予め設定され、この距離Ｈに相当するパルス数Ｎ₀も予め設定されているものとする（図5の（Ａ））。

厚さ判定部１０Ｄは、ワークの非セット時とセット時におけるこのパルスカウント数Ｎ（Ｎ₀、Ｎ₁）をそれぞれ求め、これらの差Ｄ＝Ｎ₀−Ｎ₁を求め、この差Ｄにモータ２６の１駆動パルスに対する昇降ヘッド２８の昇降量ａを積算することにより、ワークの厚さＴ＝ａ×Ｄを求めることができる。なおＮ₀は、ヒータチップ３２が基台上面に接触してばねの３６を所定圧縮量ｎ圧縮するまでの回転量であり、Ｎ₁は、ヒータチップ３２がワーク４８に接触してばね３６を所定圧縮量ｎ圧縮するまでの回転量である。

中止判定部１０Ｅは、この検出したワークの厚さＴが、設定範囲内にあるか否かを判定し、設定範囲内にあれば制御部１０Ａにそのまま加熱加工を進めさせる。設定範囲を外れたと判定した時には、直ちに警告を出し、加熱加工を中止させる。

次に図４を用いて動作を説明する。主コントローラ１０の電源スイッチ１６をオンにすると、主コントローラ１０のＣＰＵが起動し表示パネル２０にメニュー画面が表示される。オペレータはメニュー画面で「データ設定」を選択し、種々のデータ（設定値）を設定する。ここで設定するデータは、主としてワーク４８の熱加工の押圧力、加熱温度、熱加工の終了条件などに対応するデータと、昇降ヘッド２８の基準位置ＨＰからワーク載置台表面までの高さＨ、ばね３６の設定圧縮量ｈ、ワークの厚さＴなどに関するデータを含んでいる。

熱加工の開始前には、ヒータチップ３２のロッド３０は常にばね３６により下方に押圧され、ストッパとなる板４２が昇降ヘッド２８の内底壁に当接することにより下限位置に保持されている。ここにばね３６のばね力（押圧力、圧縮圧力）は、ばね力調節手段となるキャップ３８によって初期設定される。すなわちこのキャップ３８を回転することによりばね３６のばね力を調節し、必要に応じてこのばね力を検出する圧力センサ４０の検出値が所定値になるように初期設定する。このばね力の初期設定は、キャップ３８の回転位置によって予め設定しておいても良いのは前記したとおりである。

データの設定と、ばね３６のばね力設定が終わると、ワーク４８を除去しておく（ステップ１００）。主コントローラ１０のＣＰＵからなる制御部１０Ａはモータ２６により昇降ヘッド２８を基準位置（ホームポジションＨＰ、図５、６）に上昇させる（図４のステップＳ１０２）。またパルスカウント部（カウンタ）１０Ｃはカウント値Ｎを０にセットする（ステップＳ１０４）。この状態で制御部１０Ａは昇降ヘッド３２をこの位置から下降させ、従ってヒータチップ３２を下降させるが、この時の下降量はモータ２６を回転させるモータ駆動パルスのパルス数Ｎをパルスカウント部１０Ｃで積算（カウント）することにより求めることができる（ステップＳ１０６）。

ヒータチップ３２が基台２２の上面（ワークセット部の上面）に当接すると、ロッド３０のストッパである板４２は昇降ヘッド２８の内底壁から離れ、ロッド３０の位置を固定したまま、昇降ヘッド２８が下降を続ける。この昇降ヘッド２８の下降により、この昇降ヘッド２８と一体の筒３４と、この筒３４の上端に螺合したキャップ３８も下降するから、ばね３６は圧縮される。この時、ばね３６の圧縮量が所定量ｈになると、前記フォトセンサ４０Ｂで検出され（ステップＳ１０８）、モータ２６は停止される（ステップＳ１１０）。

パルスカウント部１０Ｃは、昇降ヘッド２８の基準位置ＨＰからこのモータ停止位置までのパルスカウント値Ｎ＝Ｎ₀を積算しているから、このカウント値Ｎ₀を制御部１０Ａのメモリに記憶する。次にワーク４８をセットして（ステップＳ１１４）、同様にステップＳ１０２〜Ｓ１１２の処理を行い、この時のカウント値Ｎ1をメモリする（ステップＳ１１２）。

厚さ判定部１０Ｄでは、これらの積算値Ｎ₀、Ｎ₁を用いてワーク２８の厚さＴを次のようにして判定する。すなわちこの積算値Ｎ₀、Ｎ₁の差Ｄ＝Ｎ₀−Ｎ₁を演算し、この差Ｄのカウント数に、モータ２６の１駆動パルスに対応する昇降ヘッド２８の移動量（昇降量）をａを積算して、ワーク厚さＴ＝ａ×Ｄとする（ステップＳ１１６）。

中止判定部１０Ｅは、この検出したワーク厚さＴが予め設定した許容範囲内であるか否かを判定し（ステップＳ１１８）、許容範囲内なら問題なしとして加熱加工を進め（ステップＳ１２０）、熱加工後に冷却する（ステップＳ１２２）。そして昇降ヘッド２８を基準位置ＨＰに復帰させて（ステップＳ１２４）、処理したワークを排出し（ステップＳ１２６）、続けて処理するワークがあれば（ステップＳ１２８）ステップＳ１１４に戻って次のワークに交換する。またステップＳ１１８において、ワーク厚さＴが許容範囲を外れていると判定した時には警告を出して（ステップＳ１３０）、熱加工処理を中止する（ステップＳ１３２）。

１０ 主制御手段（主コントローラ）
１０Ａ 制御部
１０Ｂ モータドライバー（モータ駆動制御部）
１０Ｃ パルスカウント部
１０Ｄ 厚さ判定部
１０Ｅ 中止判定部
１２ 電源部
１２Ｂ 電流制御部（温度制御手段）
１４ 溶接機
２２ 基台
２４ 支柱
２６ ステッピングモータ
２８ 昇降ヘッド
３０ ロッド
３２ ヒータチップ
３６ ばね
４０Ａ フォトセンサ
４６ 熱電対（温度センサー）
４８ ワーク

Claims (6)

1. 基台に対して上下位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きにばね付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、前記昇降ヘッドを下降させて前記ヒータチップをワークに押圧しかつ発熱させて前記ワークを加熱加工する熱加工装置に適用され、前記ワークの厚さを確認する方法であって、
   前記昇降ヘッドは前記基台に対して回転量が検出可能なモータにより昇降制御されかつ前記モータの回転量から前記昇降ヘッドの昇降量が検出可能であり、
   前記ワークの否セット状態およびセット状態で前記昇降ヘッドが高さＨが既知である基準位置から下降して前記ヒータチップが前記基台上面および前記ワークにそれぞれ接触し前記ばねが設定圧縮量になるまでのモータ回転量（Ｎ₀、Ｎ₁）を求め、これらの差Ｄ（＝Ｎ₀−Ｎ₁）から前記ワークの厚さＴを求めることを特徴とする熱加工装置におけるワーク厚さ確認方法。
2. 前記モータはステッピングモータであり、前記ステッピングモータの回転量は、前記基準位置から前記ステッピングモータの駆動パルス数を加算することにより求める請求項１のワーク厚さ確認方法。
3. 前記昇降ヘッドの前記基準位置から前記ヒータチップが前記基台上面に接触し前記ばねを設定圧縮量圧縮するまでのモータ回転量Ｎ₀と、前記ヒータチップが前記ワークに接触してから前記ばねを前記設定圧縮量圧縮するまでの回転量Ｎ₁とを求め、前記モータの１つの駆動パルスに対応する昇降ヘッドの昇降量ａおよび前記回転量の差Ｄ（＝Ｎ₀−Ｎ₁）を用いて ワークの厚さＴ（＝Ｄ×ａ）を求め、この厚さＴがワークの適正厚さ範囲内である時に前記ヒータチップを発熱させる請求項１のワーク厚さ確認方法。
4. 前記ばねの設定圧縮量は、前記昇降ヘッドと前記ヒータチップとの相対移動量をフォトセンサで検出することにより求める請求項１のワーク厚さ確認方法。
5. 前記ヒータチップの基準位置は、昇降ヘッドの予め決めた復帰位置である請求項１のワーク厚さ確認方法。
6. 基台に対して昇降可能かつ上下位置固定可能な昇降ヘッドに、下向きにばね付勢されたヒータチップを上下動可能に保持し、前記昇降ヘッドを下降させて前記ヒータチップをワークに押圧しつつ発熱させて前記ワークを加熱加工する熱加工装置であって、
   前記ヒータチップの前記ワークに対するばね加圧力を前記昇降ヘッドと前記ヒータチップとの相対移動量から検出するフォトセンサからなるばね力検出センサーと、
   前記昇降ヘッドを昇降駆動するステッピングモータと、
   このステッピングモータを制御するモータ駆動制御部と、
   前記ヒータチップの加熱温度を検出する温度センサーと、
   前記ヒータチップに供給する加熱電流を制御する温度制御手段と、
   前記ステッピングモータの駆動パルス数を検出するパルスカウント部と、
   前記ワークの否セット状態およびセット状態で前記昇降ヘッドが基準位置から下降し前記ヒータチップが前記基台上面および前記ワークに接触して前記ばねが設定圧縮量になるまでのモータ回転数（Ｎ₀、Ｎ₁）を求め、これらの差Ｄ（＝Ｎ₀−Ｎ₁）から前記ワークの厚さＴを求め、この検出したワーク厚さＴが適正範囲内にあるか否かを判定する厚さ判定部と、
   ワーク厚さが適正範囲内に無い時に加熱加工中止と判定して前記昇降ヘッドを前記基準位置に復帰させ加熱加工を中止させる中止判定部と、
   前記昇降ヘッドの昇降およびヒータチップ温度を制御すると共に前記中止判定部の判定に基づいて加熱加工を続行または中止させる制御部と、
   を備えることを特徴とする熱加工装置。
   

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