JP6453602B2 - 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有す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適切に制御しなければならない。

ノズルの下降ストロークを適切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（ノズルを検知するセンサ）を利用した方法が特許文献１に提案されている。しかし、ノズルが部品をピックアップ又は実装する位置付近に、新たにノズルを検知するセンサを設置しようとしても、その付近には既に、基板を認識するためのカメラや基板の表面高さを計測するための高さセンサなど他のセンサ類が配置されている場合が多く、設置スペース上の問題がある。これらのセンサ類は、ノズルが部品をピックアップ又は実装する位置にできるだけ近接して設置するのが好ましいので、新たにノズルを検知するセンサを設置するにあたっては、既存のセンサ類の位置を実質的に変えることなく、新たなセンサと既存のセンサ類とを共存させることが望まれる。

特許第３５４３０４４号公報

本発明が解決しようとする課題は、表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、部品保持具（ノズル）を検知するセンサを、既存の他のセンサ類と適切に共存させることができるようにすることにある。

前記課題を解決するため本発明者らは、表面実装機の部品保持ヘッドに汎用されているロータリーヘッドにおける部品保持具（ノズル）の配置形態及び動作形態に着目した。すなわち、ロータリーヘッドにおいては、部品をピックアップ又は実装する部品保持具以外の部品保持具がロータリーヘッドの回転方向に沿って円周状にオフセットしていることにより生じるスペースが存在することに着目し、このスペースに部品保持具を検知するセンサを配置することで、この部品保持具を検知するセンサを既存の他のセンサ類と適切に共存させることができるようにした。

すなわち本発明によれば、以下の（１）から（５）に記載の表面実装機の部品保持ヘッドが提供される。

（１）ヘッド本体に対して鉛直軸周りの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円周方向に沿って複数本のスピンドルが配置され、各スピンドルの下端に部品保持具が装着され、前記スピンドルを昇降させることで当該スピンドルの下端に装着された部品保持具が部品をピックアップ又は実装する表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、
前記部品をピックアップ又は実装する部品保持具を検知するセンサを、前記スピンドルが昇降する位置に対して前記ロータリーヘッドの回転方向の上流側又は下流側にオフセットさせて配置し、
前記スピンドルを昇降させる昇降部材を前記ヘッド本体側に有し、前記センサは前記昇降部材と一体化されて当該昇降部材と同調して昇降することを特徴とする表面実装機の部品保持ヘッド。

（２）前記部品保持具を検知するセンサを、前記スピンドルが昇降する位置に対して前記ロータリーヘッドの回転方向の上流側にオフセットさせて配置した、（１）に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

（３）前記センサはアーム部材の先端側に取り付けられており、前記アーム部材の基端側が前記昇降部材と連結されて一体化されている、（１）に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

（４）前記アーム部材の先端側の昇降をガイドするガイド部材を有する、（３）に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

（５）前記ガイド部材は、前記ヘッド本体に対して固定されている、（４）に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

本発明において部品保持具を検知するセンサは、スピンドルが昇降する位置、つまり部品保持具が部品をピックアップ又は実装する位置に対して、ロータリーヘッドの回転方向の上流側又は下流側にオフセットさせて配置している。したがって、既存のセンサ類の位置を実質的に変えることなく、部品保持具を検知するセンサを既存のセンサ類と適切に共存させることができる。

また、部品保持具を検知するセンサをオフセットさせるためにアーム部材を使用した場合（前記（３）参照）、当該アーム部材の先端側の昇降をガイドするガイド部材を設けることで（前記（４）参照）、部品保持具を検知するセンサをオフセットさせたにも関わらず、当該センサをスムーズに昇降させることができる。

本発明の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をＺ方向に昇降させる機構を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）、（ｄ）は要部の斜視図である。 図２のスピンドルをＺ方向に昇降させる機構において昇降部材周りの構成を示す説明図である。 図１の部品保持ヘッドにおいて使用した光ファイバセンサの要部を、その取付状態を含めて示す斜視図である。 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。 部品保持ヘッドを含む表面実装機の要部の底面図である。 部品保持ヘッドの要部の左側面図である。

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、ヘッド本体（メインフレーム）２０に、ロータリーヘッド４０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４０には、その円周方向に沿って等間隔で複数本のスピンドル４１が配置され、各スピンドル４１の下端に部品を吸着保持する部品保持具としてノズル４２が装着されている。

ロータリーヘッド４０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４１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４１ａ（図３参照）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４０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４１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４１ａを昇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４１ａをＺ方向に昇降させる機構を示す図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）、（ｄ）は要部の斜視図である。

Ｚサーボモータ２３のモータ軸は、ボールねじ機構のねじ軸２４に連結され、このねじ軸２４にボールねじ機構のナットが装着され、このナットに昇降部材２５が締結されている。また、昇降部材２５には、回転止めと昇降ガイドために上部スプラインシャフト２６が装着されている。そして、この昇降部材２５に押圧具２５ａが一体的に連結されている。したがって、Ｚサーボモータ２３の駆動により、昇降部材２５とともに押圧具２５ａがＺ方向に移動する。

昇降部材２５及び押圧具２５ａ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４１を下降させるときには、押圧具２５ａに対してスピンドル４１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４１（前記特定位置にあるスピンドル４１ａ）を選択し、押圧具２５ａを下降させることにより当該スピンドル４１ａ及びその下端に装着されたノズル４２ａ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４０をＲ方向に回転させることにより押圧具２５ａに対してスピンドル４１を移動させ、押圧具２５ａの直下にあるスピンドル４１ａを下降させる。ただし、特定位置にあるスピンドル４１ａを選択して下降させる構成はこれに限定されず、押圧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、押圧具２５ａが連結された昇降部材２５には、アダプタ部材２７を介してアーム部材２８の基端が連結され、このアーム部材２８の先端側にセンサホルダ部材２９を介して、ノズルを検知するセンサとして光ファイバセンサ３０が連結されている。また、アーム部材２８の先端側には、昇降部材２５の昇降に伴うアーム部材２８の昇降をガイドするために下部スプラインシャフト３１が装着されている。この下部スプラインシャフト３１は、固定部材３２を介してヘッド本体２０に固定されている。

ここで、前記アダプタ部材２７は、光ファイバセンサ３０のＸＹ方向の位置を調整するためのＸＹ方向位置調整部材である。すなわち、アダプタ部材２７は、昇降部材２５に対して、Ｚ方向に垂直な水平面内でＸＹ方向に位置調整可能に連結される。これによって、アダプタ部材２７と一体であるアーム部材２８のＸＹ方向の位置が調整され、その結果、アーム部材２８に連結された光ファイバセンサ３０のＸＹ方向の位置が調整される。

また、前記センサホルダ部材２９は、光ファイバセンサ３０のＺ方向の位置を調整するためのＺ方向位置調整部材である。すなわち、センサホルダ部材２９は、アーム部材２８に対してＺ方向に位置調整可能に連結される。これによって、センサホルダ部材２９に一体に連結（保持）された光ファイバセンサ３０のＺ方向の位置が調整される。

このように光ファイバセンサ３０は、アダプタ部材２７、アーム部材２８及びセンサホルダ部材２９を介して昇降部材２５に連結されるが、アダプタ部材２７及びセンサホルダ部材２９による位置調整がなされた後は、昇降部材２５及び押圧具２５ａと一体化される。したがって、光ファイバセンサ３０は、Ｚサーボモータ２３の駆動により押圧具２５ａがＺ方向に移動すると、これと連動してＺ方向に移動する。すなわち、光ファイバセンサ３０は、押圧具２５ａの昇降によるスピンドル４１ａのＺ方向の移動と同調してＺ方向に移動する。なお、スピンドル４１は２つのコイルばねからなる弾発体４１ｂ（図１参照）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３０は、発光部及び受光部が光ファイバやレンズとともに組み込まれたもので、その構成自体は周知である。図４は、本実施例で使用した光ファイバセンサ３０の要部を、その取付状態を含めて示す斜視図である。前述のとおり、光ファイバセンサ３０は、センサホルダ部材２９を介してアーム部材２８に連結される。そして本実施例の光ファイバセンサ３０は、その光軸方向を調整するための光軸方向調整手段として偏心カラー３０ａを有する。すなわち、偏心カラー３０ａは、光ファイバセンサ３０のレンズ３０ｂに装着されており、この偏心カラー３０ａをレンズ３０ｂに対して回転させることで、光ファイバセンサ３０の光軸方向を調整する。

次に、光ファイバセンサ３０のセンサ機能について説明する。

本実施例において光ファイバセンサ３０は、図１に表れているようにスピンドル４１の下端に装着されたノズル４２（前記特定位置にあるノズル４２ａ）の斜め上方に配置されている。そして、光ファイバセンサ３０の発光部は、図５に拡大して示すノズル４２ａの外周上面の反射面４２ｂ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３０の受光部で受光される。

ここで、ノズル４２は、図５に示すとおりスピンドル４１の下端にコイルばね４３（弾性体）を介して装着されている。したがって、スピンドル４１の下降によりその下端のノズル４２が着地すると、コイルばね４３が圧縮されてスピンドル４１に対するノズル４２の上下方向の位置が変化する。具体的にはノズル４２がスピンドル４１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３０の発光部から発せされる光Ｐは、図４に示したレンズ３０ｂによって、ノズル４２が着地していない初期状態のときの反射面４２ｂに焦点が合せられている。したがって、ノズル４２が着地してその上下方向の位置が変化すると、反射面４２ｂで反射される反射光の量が減少し、光ファイバセンサ３０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（図示省略）で検知する。そして、センサ部は受光量が所定量減少したとき、例えば図６に示す閾値Ａ以下になったときに、ノズル４２が着地したと判断し、着地検知信号を発する。

なお、本明細書においてノズル４２（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ノズル４２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ノズル４２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。

次に、光ファイバセンサ３０のレイアウトについて説明する。

図７は、部品保持ヘッド１０を含む表面実装機の要部の底面図、図８は、部品保持ヘッド１０の要部の左側面図である。

図７において、前述のとおり特定位置にあるスピンドル４１ａが昇降し、そのスピンドル４１ａの先端に装着されたノズル４２ａが部品をピックアップ又は実装する。

一方、ロータリーヘッド４０は図７中でＲ方向に回転するが、同図に表れているように、ロータリーヘッド４０において前記特定位置にあるノズル４２ａ以外のノズル４２はロータリーヘッドの回転方向に沿って円周状にＹ方向にオフセットしている。このノズルのオフセット配列によりロータリーヘッド４０においては、前記特定位置にあるノズル４２ａ、つまりスピンドル４１ａが昇降する位置に対して当該ロータリーヘッド４０の回転方向の上流側及び下流側に、スペースＳ１、Ｓ２（図７中、下線で囲まれた領域）が存在する。本実施例では、上流側のスペースＳ１を利用して光ファイバセンサ３０を配置している。なお、この光ファイバセンサ３０は、図５で示したように特定位置にあるノズル４２ａを検知する。

図７において、前記特定位置にあるスピンドル４１ａが昇降する位置、すなわちノズル４２ａが部品をピックアップ又は実装する位置の付近には、基板を認識するためのカメラ５０と基板の表面高さを計測するための高さセンサ６０が配置されている。これらは、その機能目的上、ノズル４２ａが部品をピックアップ又は実装する位置にできるだけ近接して配置するようにしている。このような他のセンサ類と光ファイバセンサ３０を共存させるにあたり、前述のとおり、光ファイバセンサ３０をロータリーヘッド４０の機構上存在するスペースＳ１又はＳ２に配置することは、既存のセンサ類の位置を実質的に変えることなく新たに光ファイバセンサ３０を追加配置できる点で有効である。また、光ファイバセンサ３０をスペースＳ１又はＳ２に配置することで、既存のセンサ類の機能に悪影響を与えることなく、光ファイバセンサ３０自体の機能も十分に発揮できる。

なお、図７において符号７０は、部品をピックアップ又は実装した後のノズルを観察するためのサイドビューセンサである。このサイドビューセンサ７０は、その機能目的上、ノズルが部品をピックアップ又は実装する位置に対して、ロータリーヘッド４０の回転方向の下流側に配置され、結果として、スペースＳ２は既に専有されていることがある。したがって、光ファイバセンサ３０は上流側のスペースＳ１に配置することが好ましい。

このように光ファイバセンサ３０を、ノズルが部品をピックアップ又は実装する位置（図２で説明した昇降部材２５のある位置）からスペースＳ１にオフセットさせるために、本実施例ではアーム部材２８（図２参照）を使用している。すなわち、アーム部材２８の基端側を昇降部材２５に連結し、アーム部材２８の先端側に光ファイバセンサ３０を取り付けることで、光ファイバセンサ３０をスペースＳ１にオフセットさせ、かつ光ファイバセンサ３０が昇降部材２５と同調して昇降する構成としている。

ただしこのような構成では、昇降時にアーム部材２８が撓むなどして、その先端側に取り付けられた光ファイバセンサ３０の昇降がスムーズに行われない懸念がある、そこで本実施例では、図２で説明したように、アーム部材２８の先端側に下部スプラインシャフト３１を装着してアーム部材２８の先端側の昇降をガイドするようにしている。しかも、この下部スプラインシャフト３１は、固定部材３２（図８参照）を介してヘッド本体２０に固定されているため、アーム部材２８の先端側は、よりスムーズに昇降する。

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４１の下端に装着されたノズル４２により、部品を部品供給部からピックアップし保持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。

このピックアップ時及び実装時においては、図３で説明したように、押圧具２５ａの直下に位置させたスピンドル４１ａの上端面を押圧具２５ａが押圧して、そのスピンドル４１ａをＺ方向に下降させる。その後、スピンドル４１ａ先端のノズル４２が着地すると、前述のとおり、コイルばね４３が圧縮されてスピンドル４１ａに対するノズル４２の上下方向の位置が変化し、光ファイバセンサ３０の受光部で受光する受光量が減少する。そして、光ファイバセンサ３０のセンサ部が着地検知信号を発する。この着地検知信号は、表面実装機の制御部に送信される。この制御部は着地検知信号を受信すると、押圧具２５ａ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４２の下降ストロークが適切に制御され、ノズル４２が正確に着地する。

なお、以上の実施例では、ノズル４２を検知するセンサとして光ファイバセンサ３０を使用したが、磁気センサ等の他の非接触センサを使用することもできる。また、本発明はロータリーヘッド式以外の部品保持ヘッドにも適用可能である。

１０ 部品保持ヘッド
２０ ヘッド本体（メインフレーム）
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 ボールねじ機構のねじ軸
２５ 昇降部材
２５ａ 押圧具
２６ 上部スプラインシャフト
２７ アダプタ部材
２８ アーム部材
２９ センサホルダ部材
３０ 光ファイバセンサ
３０ａ 偏心カラー
３０ｂ レンズ
３１ 下部スプラインシャフト（ガイド部材）
３２ 固定部材
４０ ロータリーヘッド
４１，４１ａ スピンドル
４１ｂ 弾発体
４２，４２ａ ノズル（部品保持具）
４２ｂ 反射面
４３ コイルばね（弾性体）
５０ カメラ
６０ 高さセンサ
７０ サイドビューセンサ

Claims (5)

1. ヘッド本体に対して鉛直軸周りの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円周方向に沿って複数本のスピンドルが配置され、各スピンドルの下端に部品保持具が装着され、前記スピンドルを昇降させることで当該スピンドルの下端に装着された部品保持具が部品をピックアップ又は実装する表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、
   前記部品をピックアップ又は実装する部品保持具を検知するセンサを、前記スピンドルが昇降する位置に対して前記ロータリーヘッドの回転方向の上流側又は下流側にオフセットさせて配置し、
   前記スピンドルを昇降させる昇降部材を前記ヘッド本体側に有し、前記センサは前記昇降部材と一体化されて当該昇降部材と同調して昇降することを特徴とする表面実装機の部品保持ヘッド。
2. 前記部品保持具を検知するセンサを、前記スピンドルが昇降する位置に対して前記ロータリーヘッドの回転方向の上流側にオフセットさせて配置した、請求項１に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
3. 前記センサはアーム部材の先端側に取り付けられており、前記アーム部材の基端側が前記昇降部材と連結されて一体化されている、請求項１に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
4. 前記アーム部材の先端側の昇降をガイドするガイド部材を有する、請求項３に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
5. 前記ガイド部材は、前記ヘッド本体に対して固定されている、請求項４に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

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