JP6417173B2 - 表面実装機の部品保持ヘッド - Google Patents

Description

本発明は、ＩＣチップ等の部品（電子部品）を基板上に実装する表面実装機において、部品を保持する部品保持具を備える部品保持ヘッドに関する。

一般的に表面実装機は、部品保持ヘッドを部品供給部の上方に移動させ、そこで部品保持ヘッドに備えられた部品保持具としてのノズルに下降・上昇動作（昇降動作）を行わせて、ノズルの下端部に部品を真空吸着してピックアップし、次に部品保持ヘッドを基板の上方へ移動させ、そこで再度ノズルに下降・上昇動作を行わせて、部品を基板の所定の座標位置に実装するように構成されている。

上述のように、ノズルに下降・上昇動作を行わせて部品をピックアップする場合、ノズルの下降ストロークが大きすぎるとノズルの下端部が部品の上面を強く押圧して部品を破壊する。下降ストロークが小さすぎると、ノズルは部品の上面に着地できず、部品をピックアップミスする。部品を基板に実装する場合も同様であり、ノズルの下降ストロークが大きすぎるとノズルの下端部に吸着された部品が基板に強く押圧されて破壊する。下降ストロークが小さすぎると、部品は基板の上面に着地できず、部品を実装ミスする。したがってノズルの下降ストロークは的確に制御しなければならない。

ノズルの下降ストロークを的確に制御するための方法として、ノズルの着地を検知する検知手段（着地検知センサ）を利用した方法が特許文献１に提案されている。また本願出願人は、同様にノズルの下降ストロークを的確に制御するための方法として、特願２０１３−２１２２２０において、着地検知センサに反射型の光センサ（光ファイバセンサ）を用いた方法を提案した。この光ファイバセンサは、ノズルの外周の反射面に向けて光を発する発光部と、反射面で反射された反射光を受ける受光部と、反射光の受光量を連続的に計測可能なセンサ部とを有し、受光量が閾値以下に減少したときにノズルが着地したと判断して着地検知信号を発する。すなわち、光ファイバセンサの発光部から発せられる光は、ノズルが着地していない着地前状態のときの反射面に焦点が合せられているところ、ノズルが着地してその上下方向の位置が変化すると、反射面で反射される反射光の量が減少し、光ファイバセンサの受光部で受光する受光量が減少する。具体的には、後述する図６に示すように閾値Ａを基準として設定し、受光量が閾値Ａ以下に減少したときに着地したと判断し、その時点でノズルの下降を停止する。

この閾値Ａについて本発明者らは当初、光ファイバセンサを用いた事前の実験結果に基づき、固定値として設定していた。ところが本発明者らが、ノズルが着地していない着地前状態の受光量を実測したところ、同じタイプのノズルであっても、その受光量は個々のノズルによって大きく変動することがあることがわかった。また、使用に伴いノズルの反射面に汚れが付着したりすることにより、同一のノズルであっても着地前状態の受光量は継時的に変動（減少）することがあることもわかった。

このように、ノズルによってあるいは継時的に着地前状態の受光量が変動するのに対して、閾値Ａを固定値とすると、以下の問題が生じる。
（ａ）着地前状態の受光量が閾値Ａを下回るようなノズルであった場合、光ファイバセンサは、当該ノズルが着地していないにもかかわらず、誤って着地したと判断する。そうすると、ノズルが現実に着地する前に部品のピックアップ（吸着）動作又は実装動作が開始され、結果としてピックアップミス又は実装ミスが発生する。また、当該ノズルについては、そもそも着地を検知できない事態にもなりうる。
（ｂ）着地前状態の受光量が閾値Ａを大きく上回るようなノズルであった場合、当該ノズルが着地して受光量が減少しても、閾値Ａ以下になるまでに時間がかかる。結果として、ノズルが着地してから停止するまでの時間が長くなり、ノズルが部品を過剰に強く押圧して部品が破壊する等の問題が生じる。すなわち、ノズルの押込み量を的確に制御できない。

このように従来の着地検知センサ（光ファイバセンサ）による着地検知機能は、部品保持具（ノズル）の性状の違い等による着地前状態の受光量の変動に対する適応性、すなわちロバスト性が十分ではなかった。

特許第３５４３０４４号公報

本発明が解決しようとする課題は、部品保持具（ノズル）の着地を検知する着地検知センサを備えた表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、着地検知センサによる着地検知機能のロバスト性を向上させることにある。

本発明の一観点によれば、次の表面実装機の部品保持ヘッドが提供される。
「軸線周りのＴ方向に回転可能かつ軸線方向に沿ったＺ方向に昇降可能なスピンドルと、前記スピンドルの下端に弾性体を介して装着された部品保持具と、前記スピンドルをＺ方向に昇降させる昇降具と、前記昇降具と同調してＺ方向に昇降し、前記部品保持具が着地したことを検知して着地検知信号を発する着地検知センサとを備えた表面実装機の部品保持ヘッドであって、
前記着地検知センサは、前記部品保持具の外周の反射面に向けて光を発する発光部と、前記反射面で反射された反射光を受ける受光部と、前記反射光の受光量を連続的に計測可能なセンサ部とを有し、前記受光量が閾値以下に減少したときに前記着地検知信号を発するように構成されており、
更に、前記着地検知センサは、検知対象の部品保持具の着地前であって当該部品保持具を装着したスピンドルのＴ方向の回転動作が終了した後における受光量に基づいて、前記閾値を設定する、表面実装機の部品保持ヘッド。」

本発明において、部品保持ヘッドが、そのヘッド本体に鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられたロータリーヘッドを備えたロータリーヘッド式の場合、閾値は、検知対象の部品保持具の着地前であって当該部品保持具を装着したスピンドルのＴ方向及びＲ方向の回転動作が終了した後における受光量に基づいて設定する。

また、本発明において閾値の設定は部品保持具を着地させる動作の度毎に行い、閾値は逐次更新することが好ましい。

なお、本発明において「部品保持具の着地」とは、部品のピックアップ工程において部品保持具の下端部が部品の上面に着地すること、及び部品の実装工程において部品保持具の下端部に保持された部品が基板の上面に着地することの両方を含む概念である。

本発明によれば、着地検知の基準となる受光量の閾値は、検知対象の部品保持具の着地前状態の実測の受光量に基づいて設定する。しかも、閾値設定用の受光量を計測は、Ｔ方向及びＲ方向の回転動作の終了後に実施する。すなわち、閾値設定は、部品保持具の着地時の最終姿勢と同じ姿勢（回転方向の姿勢）の着地前状態で行われることから、検知対象の部品保持具毎に最適な閾値を設定できる。

以上より、本発明によれば、着地検知センサによる着地検知機能のロバスト性を向上させることができる。また、これにより、部品保持具の下降ストロークをより的確に制御できるようになる。

本発明の実施例による部品保持ヘッドの全体構成を示す斜視図である。 図１の部品保持ヘッドにおいてスピンドル（ノズル）をＺ方向に昇降させる機構を示す説明図である。 図２のスピンドル（ノズル）をＺ方向に昇降させる機構において昇降具周りの構成を示す説明図である。 図２に示す昇降具によりスピンドル（ノズル）を下降させるときの様子を示し、（ａ）はスピンドル（ノズル）が初期位置にある状態を示し、（ｂ）はスピンドル（ノズル）を下降させた状態を示す。 スピンドルの下端に装着されたノズル部分の断面を拡大して示す斜視図である。 ノズルが着地したときの光ファイバセンサの受光量の変化を模式的に示す図である。 本発明による閾値の設定方法を概念的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。

図１は、本発明の実施例による部品保持ヘッドの全体構成を示す斜視図である。

同図に示す部品保持ヘッド１０はロータリーヘッド式の部品保持ヘッドであり、固定的に配置されたヘッド本体２０に、ロータリーヘッド３０が鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられている。このロータリーヘッド３０には、その周方向に沿って等間隔で複数本のスピンドル３１が配置され、各スピンドル３１の下端に部品を吸着保持する部品保持具としてノズル３２が装着されている。

ロータリーヘッド３０は、ヘッド本体２０に設置されたＲサーボモータ２１の駆動によりＲ方向に回転する。また、各スピンドル３１は、ヘッド本体２０に設置されたＴサーボモータ２２の駆動により、その軸線周りのＴ方向に回転する。更に、ヘッド本体２０には、特定位置にあるスピンドル３１ａを軸線方向に沿ったＺ方向に昇降させるためのＺサーボモータ２３が配置されている。Ｒサーボモータ２１の駆動によりロータリーヘッド３０をＲ方向に回転させる機構、及びＴサーボモータ２２の駆動により各スピンドル３１をＴ方向に回転させる機構については周知であるので、その説明は省略する。Ｚサーボモータ２３の駆動によりスピンドル３１ａを下降させる機構については、以下に説明する。

図２は、図１の部品保持ヘッド１０においてスピンドル３１ａをＺ方向に昇降させる機構を示す説明図である。ヘッド本体２０に配置されたＺサーボモータ２３のモータ軸は、ボールねじ機構２４のねじ軸２４ａに連結され、このねじ軸２４ａにナット２４ｂが装着されている。そして、このナット２４ｂに昇降具２５が連結されている。したがって、Ｚサーボモータ２３の駆動により、ナット２４ｂとともに昇降具２５がＺ方向に移動する。

昇降具２５はヘッド本体２０側に１個だけ設けられている。スピンドル３１を下降させるときには、昇降具２５に対してスピンドル３１を相対的に移動させることにより下降させるスピンドル３１（前記特定位置にあるスピンドル３１ａ）を選択し、昇降具２５を下降させることにより当該スピンドル３１ａを下降させる。本実施例では図３に示すように、ロータリーヘッド３０をＲ方向に回転させることにより昇降具２５に対してスピンドル３１を移動させ、昇降具２５の直下にあるスピンドル３１ａを下降させる。ただし、特定位置にあるスピンドル３１ａを選択して下降させる構成はこれに限定されず、昇降具を移動させて下降させるスピンドルを選択するようにしてもよい。また、特定位置は２箇所以上あってもよい。

図２に戻って、昇降具２５が連結されたナット２４ｂには、連結バー２６、及びヘッド本体２０に固定的に設けたスプラインシャフト２７に装着されたスプラインナット２８を介して、光ファイバセンサ４０が連結されている。すなわち、光ファイバセンサ４０は昇降具２５と一体的に設けられている。したがって、光ファイバセンサ４０は、Ｚサーボモータ２３の駆動により昇降具２５がＺ方向に移動すると、これと同調してＺ方向に移動する。その様子を図４に示す。図４（ａ）はスピンドル３１ａが初期位置にある状態を示し、図４（ｂ）は図２に示す昇降具２５によってスピンドル３１ａを下降させた状態を示す。 なお、スピンドル３１は２つのコイルばねからなる弾発体３３（図２参照）によって常に上方の初期位置に向けて付勢されている。

光ファイバセンサ４０は、発光部及び受光部が光ファイバやレンズとともに同一軸線上に組み込まれたもので、その構成自体は周知である。本実施例において光ファイバセンサ４０は図２に示すように、スピンドル３１の下端にコイルばね３４（弾性体）を介して装着されたノズル３２の斜め上方に配置されている。そして、光ファイバセンサ４０の発光部は、図５に拡大して示すノズル３２の外周上面の反射面３２ａに向けて斜め下向きに光Ｐを発する。その光Ｐは光ファイバセンサ４０の受光部で反射光として受光される。

ここで、ノズル３２は上述のとおり、スピンドル３１の下端にコイルばね３４を介して装着されている。したがって、スピンドル３１の下降によりその下端のノズル３２が着地すると、コイルばね３４が圧縮されてスピンドル３１に対するノズル３２の上下方向の位置が変化する。具体的にはノズル３２がスピンドル３１の下端側に向けて相対的に移動する。

一方、光ファイバセンサ４０の発光部から発せされる光Ｐは、図２に示すレンズ４０ａによって、ノズル３２が着地していない着地前状態のときの反射面３２ａに焦点が合せられている。したがって、ノズル３２が着地してその上下方向の位置が変化すると、反射面３２ａで反射される反射光の量が減少し、光ファイバセンサ４０の受光部で受光する受光量が減少する（図６参照）。本実施例では、この受光量の減少を光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂで検知する。そして、センサ部４０ｂは受光量が所定量減少したとき、具体的には、例えば図６に示す閾値Ａ以下になったときに、ノズル３２が着地したと判断し、着地検知信号を発する。

次に、本発明による閾値Ａの設定方法について図７を参照しつつ説明する。なお、図７は部品６０を基板７０に実装する実装工程を示しているが、閾値Ａの設定方法は部品のピックアップ工程においてもこれと同様である。

図７においてＡ時点より、ノズル３２のＺ方向の下降動作（Ｚ軸下降）が開始する。このＺ軸下降の初期段階においてノズル３２は、図３で説明したＴ方向の回転動作（Ｔ軸回転）及びＲ方向の回転動作（Ｒ軸回転）を伴いつつ下降する。その後、光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂは、検知対象のノズル３２の着地前であって、そのＴ軸回転及びＲ軸回転が終了した後（図７ではＢ時点）における実測の受光量に基づいて瞬時に閾値Ａを自動設定し、この閾値Ａを基準としてノズル３２が着地したか否かを判断する。図７の例ではＣ時点で受光量が閾値Ａ以下となったので、この時点でノズル３２が着地したと判断する。このような閾値設定をノズル３２による部品の実装（ピックアップ）動作毎に繰り返し、その度毎に閾値Ａを更新する。

なお、この閾値Ａの設定のタイミングとなるＴ軸回転及びＲ軸回転が終了する時点は、部品保持ヘッドの制御プロクラムにより把握でき、実際には、例えば図７のＢ時点はノズル３２を昇降させるＺサーボモータ２３のエンコーダ値に基づいて決定できる。

このように、Ｔ軸回転及びＲ軸回転が終了した後における実測の受光量に基づいて閾値Ａを設定することで、検知対象のノズル３２毎に最適な閾値Ａを設定できる。すなわち、Ｔ軸回転及びＲ軸回転が終了すると、そのノズル３２の回転方向の姿勢は着地時の最終姿勢と同じとなる。したがって、この最終姿勢と同じとなる着地前状態における受光量に基づいて設定された閾値Ａは、受光量減少による着地検知の判断基準値として最適である。そして、このようにノズル３２毎に設定した閾値Ａを用いて当該ノズル３２が着地したか否かを判断することで、ノズル３２の性状の違い等によって各ノズル３２において着地前状態の受光量が変動したとしても、これに応じた閾値Ａが設定されるので、光ファイバセンサ３２による着地検知機能のロバスト性が向上する。また、ノズル３２の汚れなどにより、当該ノズル３２の着地前状態の受光量が経時的に減少したとしても、ノズル３２を使用する度に、そのときの受光量に応じた的確な閾値Ａが設定されるので、この点でもロバスト性が向上するとともに、ノズル３２の使用可能期間を延長することができる。仮に閾値Ａが固定値であると、ノズル３２の着地前状態の受光量が減少すると先に説明した問題が生じるので、早期に新しいノズルに交換する必要がある。

以上の構成において、部品保持ヘッド１０を有する表面実装機は、スピンドル３１の下端に装着されたノズル３２により、部品供給部から部品を吸着しピックアップしてプリント基板上に移送し、プリント基板上の所定位置に実装する。この部品吸着時及び実装時においては、光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂが、上述の要領でノズル３２毎に設定した閾値Ａを基準としてノズル３２が着地した否かを判断し、着地が検知されれば着地検知信号を発する。この着地検知信号は、図２に示す制御部（制御手段）５０に送信される。制御部５０は着地検知信号を受信すると、昇降具２５を下降させるＺサーボモータ２３を停止させる。これにより、ノズル３２の下降ストロークが的確に制御され、ノズル３２が正確に着地する。

以上の実施例においては、光ファイバセンサ４０のセンサ部４０ｂは制御部５０と別個に設けたが、センサ部４０ｂの機能を制御部５０に組み込むこともできる。また、着地検知センサとしては光ファイバセンサ４０以外の反射型の光センサを使用することもできる。更に、本発明はロータリーヘッド式以外の部品保持ヘッド、すなわちＲ方向の回転動作を伴わない部品保持ヘッドにも適用可能である。この場合、閾値Ａの設定は、Ｔ軸回転の終了後に行う。

１０ 部品保持ヘッド
２０ ヘッド本体
２１ Ｒサーボモータ
２２ Ｔサーボモータ
２３ Ｚサーボモータ
２４ ボールねじ機構
２４ａ ねじ軸
２４ｂ ナット
２５ 昇降具
２６ 連結バー
２７ スプラインシャフト
２８ スプラインナット
３０ ロータリーヘッド
３１，３１ａ スピンドル
３２ ノズル
３２ａ 反射面
３３ 弾発体
３４ コイルばね（弾性体）
４０ 光ファイバセンサ（着地検知センサ）
４０ａ レンズ
４０ｂ センサ部
５０ 制御部（制御手段）
６０ 部品
７０ 基板

Claims (4)

1. 軸線周りのＴ方向に回転可能かつ軸線方向に沿ったＺ方向に昇降可能なスピンドルと、前記スピンドルの下端に弾性体を介して装着された部品保持具と、前記スピンドルをＺ方向に昇降させる昇降具と、前記昇降具と同調してＺ方向に昇降し、前記部品保持具が着地したことを検知して着地検知信号を発する着地検知センサとを備えた表面実装機の部品保持ヘッドであって、
   前記着地検知センサは、前記部品保持具の外周の反射面に向けて光を発する発光部と、前記反射面で反射された反射光を受ける受光部と、前記反射光の受光量を連続的に計測可能なセンサ部とを有し、前記受光量が閾値以下に減少したときに前記着地検知信号を発するように構成されており、
   更に、前記着地検知センサは、検知対象の部品保持具の着地前であって当該部品保持具を装着したスピンドルのＴ方向の回転動作が終了した後における受光量に基づいて、前記閾値を設定する、表面実装機の部品保持ヘッド。
2. 前記部品保持具を着地させる動作の度毎に、前記着地検知センサは、その部品保持具の着地前であって当該部品保持具を装着したスピンドルのＴ方向の回転動作が終了した後における受光量に基づいて、前記閾値を設定する、請求項１に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
3. 前記スピンドルは、ヘッド本体に鉛直軸周りのＲ方向に回転可能に取り付けられたロータリーヘッドの周方向に沿って複数本配置されており、
   前記着地検知センサは、検知対象の部品保持具の着地前であって当該部品保持具を装着したスピンドルのＴ方向及びＲ方向の回転動作が終了した後における受光量に基づいて、前記閾値を設定する、請求項１又は２に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
4. 前記部品保持具を着地させる動作の度毎に、前記着地検知センサは、その部品保持具の着地前であって当該部品保持具を装着したスピンドルのＴ方向及びＲ方向の回転動作が終了した後における受光量に基づいて、前記閾値を設定する、請求項３に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。