JP6618420B2 - 温度測定装置および温度測定方法 - Google Patents

Description

この発明は、例えば、半田付け装置の筒状の鏝の温度を精度よく測定するような装置に関する。

従来、プリント基板に電子部品を機械的に半田付けする半田付け装置が提供されている。この半田付け装置には、半田の液面にプリント基板を接触させて半田付けするフロー半田付け法や、予めパターンに合わせてクリーム半田を基板に印刷しておきクリーム半田に熱を加えて溶かすことで半田付けするリフロー半田付け法等、様々な方式が提案されている。

ここで、出願人は、円筒形の半田ごてを用い、この半田ごて内にプリント基板のスルーホールに挿通された電子部品のピンを挿入し、内部で半田を溶かして半田付けする方式の半田付け装置を開発し、提供している（特許文献１参照）。

この出願人の半田付け装置は、半田付け箇所に筒状のノズルで半田付けすることができ、しかも、熱伝達効率の良いヒータユニットで熱引きの大きい製品に対して短時間ではんだ付けができ、熱供給の偏りがない為不良率も低減され、且つ、導電性異物（はんだボール）も飛散しないはんだ付け装置として自動車メーカー等の顧客から大変好評を得ている。

ここで、出願人は、半田付け装置の筒状のノズルがヒータユニットにより加熱されるものであるから、このノズルの温度を測定することを検討した。

しかしながら、筒状のノズルに対して、単に温度測定用の端子等を接触させて測定するだけでは、安定して測定することができないという問題があった。

特開２０１３−１２０８６９号公報

この発明は、上述の問題に鑑みて、筒状のノズルの温度を安定して測定できる温度測定装置および温度測定方法を提供することを目的とする。

この発明は、半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する当接体と、前記当接体の熱を検出する熱検出手段とを備え、前記当接体は、前記半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する接触面が前記半田付け装置用筒状ノズルの先端面に面接触するように角度変更可能とする角度変更許容手段により支持されている半田付け装置用筒状ノズルの温度測定装置であることを特徴とする。

この発明により、筒状のノズルの温度を安定して測定できる温度測定装置および温度測定方法を提供できる。

半田付け装置の右側面図。 半田付け装置の外観構成の説明図。 ヒータユニット、ノズルユニット、および温度測定装置の構成を示す拡大構成図。 測定子の近傍を一部断面図により説明する説明図。 ノズルにより測定子が押し込まれる様子の説明図。 キャリブレーションを行う校正装置の構成図。

以下、この発明の一実施形態を図面と共に説明する。

図１および図２は、半田付け装置１の外観構成の説明図であり、図１は右側面
図、図２（Ａ）は正面図、図２（Ｂ）はヘッド部３の外装を一部省略して示す平面図である。

図１に示すように、半田付け装置１は、半田付け対象であるプリント基板Ｐのスルーホールに半田付けを行うノズル２４（半田付け装置用筒状ノズル，半田ごて）を有するヘッド部３と、ヘッド部３およびノズル２４をフローティング状態にするエアーサスペンションユニット５と、エアーサスペンションユニット５およびノズル２４をステッピングモータ等の駆動手段によって半田付け対象に近接／離間させる方向（図１の上下方向）に移動させる近接離間方向移動ユニット６と、近接離間方向移動ユニット６およびノズル２４をステッピングモータ等の駆動手段によってプリント基板Ｐが搬送される搬送方向（図１の奥行方向，図２（Ａ）の左右方向）に移動させる搬送方向移動ユニット７と、搬送方向移動ユニット７およびノズル２４をステッピングモータ等の駆動手段によって搬送方向移動ユニット７の搬送幅方向（図１の左右方向，図２（Ａ）の前後方向）に移動させる搬送幅方向移動ユニット８と、ノズル２４の温度測定を行う温度測定装置３０とを有している。

エアーサスペンションユニット５の上部には、リールに巻かれた糸半田２が設けられている。
ヘッド部３の下部には、ヒータユニット２５と、その下方に配置されてノズル２４を備えたノズルユニット２０が設けられている。
搬送幅方向移動ユニット８の上面は、プリント基板Ｐを搬送する搬送路９の上面とほぼ同じ高さに構成されている。

ヘッド部３の可動範囲は、搬送幅方向移動ユニット８の上方に位置する待機位置（図１に示すＰ１の位置）と、プリント基板Ｐに対して半田付けを行う半田付け領域Ｅ１，Ｅ２（図２（Ｂ）のＥ１，Ｅ２で囲まれる領域）と、ノズル２４の温度測定を行う温度測定位置（温度測定装置３０の上方位置）となる。ヘッド部３は、これらの待機位置、半田付け領域、及び温度測定位置のどの位置であっても近接離間方向移動ユニット６によって移動される。

この構成により、半田付け装置１は、待機時にはノズルユニット２０を待機ポジションＰ１（図１参照）の高さおよび位置に収納しておき、半田付け工程を実行するときは半田付け領域Ｅ１，Ｅ２内で待機ポジションＰ１よりも低い（半田付け対象に近い）半田付けポジションＰ２（図１参照）の高さにて半田付けを行う。ノズル２４の温度測定時は、領域Ｅ１，Ｅ２の外（領域Ｅ１１，Ｅ１２）で半田付けポジションＰ２よりさらに低い温度測定ポジションＰ３（後述の図５（Ｂ）参照）で温度測定を実行する。ノズル２４は、円筒形であり、ヒータユニット２５により加熱される。半田付け装置１は、このノズル２４の内部の孔２４ａにカットされた半田を供給し、この半田をノズル内で溶融してノズル２４の先端２４ｃに接触しているスルーホールに半田付けを行うことができる。

図３は、ヒータユニット２５、ノズルユニット２０、および温度測定装置３０を正面から見た一部断面正面拡大図であり、図４は温度測定装置３０の一部を拡大して一部断面にして説明する説明図である。

ヒータユニット２５は、半田供給方向である鉛直方向の孔を有する円筒形の半田導入筒２７を内部に備え、この半田導入筒２７の下方に配置された半田鏝となるノズル２４と半田導入筒２７を囲む円筒形のヒータ２６を備えている。

ヒータユニット２５の下部に設けられたノズルユニット２０は、セラミックにより円筒形に形成されたノズル２４と、このノズル２４をヒータユニット２５へ取り付けるノズルホルダ２１を有している、ノズルホルダ２１は、ノズル２４の先端部分を露出させた状態で、ノズル２４の半田供給方向（鉛直方向）の孔が半田導入筒２７の孔に連通するように、ノズル２４をヒータユニット２５に固定する。また、ノズルホルダ２１は、ノズル２４に加えてヒータ２６の外側も被覆し、ヒータ２６が露出しないようにしている。

温度測定装置３０は、半田付け動作時にノズルユニット２０がスルーホールに対して近接／離間する半田付け動作方向（この実施例では鉛直方向）に長い円柱形の内部空間３６を有する筐体３５と、この筐体３５のノズルユニット２０側の端部に取り付けられる略リング状のカバー３１を有している。

カバー３１は、図４（Ａ）のノズル非接触状態の拡大断面図に示すように、ノズル２４側に内側へ突出して内径を小さくした内側突出部３２が設けられている。

カバー３１の内部空間３６側には、内側突出部３２の内径よりも大きく内部空間３６の内径より小さい円盤状の測定子４１（当接体）が設けられている。この測定子４１は、湾曲や凹凸のない平板状で薄く形成されている。測定子４１の厚みは、１ｍｍ以下の厚みとすることができ、０．５ｍｍ以下が好ましく、０．３ｍｍ以下がより好ましく、０．１ｍｍ程度が好適である。この実施例では０．１ｍｍとしている。このように、測定子４１を薄くして体積を小さくすることにより、ノズル２４から熱が伝わる速度を速め、短時間で測定することができる。この実施例では、１０秒あれば確実に精度の良い温度測定を行うことができ、実質的には６秒程度で正しい温度測定を実現できる。

筐体３５の内部空間３６には、図４（Ｂ）の温度測定装置３０とノズル２４の一部断面平面図に示すように、半田付け動作方向に伸縮するスプリングプランジャ４８（角度変更許容手段，付勢手段）が、半田付け動作方向に見て測定子４１の中心から等距離の位置に複数設けられている。このスプリングプランジャ４８は、３つ以上とすることができ、４つとすることが好ましい。この実施例では４つのスプリングプランジャ４８を、測定子４１の中心から等距離で相互に等間隔に離れるよう正方形の頂点位置に配置している。また、スプリングプランジャ４８は、先端に半球形状の支持部４２（支持突起）が設けられている。このスプリングプランジャ４８は、半田付け動作方向に見て、ノズル２４の孔２４ａ（半田付け孔）より外側で、かつ、ノズル２４の外周２４ｂより内側で、測定子４１の裏面４１ｂ（反対面）に支持部４２の接触部４３が接触するように配置されている。

この接触部４３の位置は、孔２４ａと外周２４ｂの中間点よりも外周２４ｂ側の位置に設定されており、できるだけ外周２４ｂに近い位置に設定されている。これにより、測定子４１をノズル２４の端面にしっかりと押しつけることができ、測定子４１とノズル２４の面接触を確実に行えるようにしている。

この測定子４１と接触する支持部４２は、半球状の凸部に形成されており、その先端が接触部４３となっている。これにより、測定子４１と支持部４２が接触部４３で点接触するように構成されている。このように点接触とすることで、ノズル２４から測定子４１へ伝わる熱ロスを抑え、熱が外部（支持部４２）に奪われないようにできる。

このように構成されたスプリングプランジャ４８がフローティング機構として機能することで、測定子４１をノズル２４側へ向かって付勢しており、ノズル２４と接触していない測定子４１をカバー３１の内側突出部３２に押し付けるように接触させている。ここで、ノズル２４が測定子４１に接触してからさらに押し込む押し込み量は、０．３ｍｍ以上とすることができ、０．５ｍｍ以上が好ましく、０．５ｍｍ〜１ｍｍとすることができる。

４つのスプリングプランジャ４８は独立して伸縮するため、ノズル２４が傾いて接触した場合やノズル２４の端面が傾いていた場合に、測定子４１がそれに合わせて角度を替え、しっかりと面接触することができる。この面接触を確実に行うことで、ノズル２４の熱を熱電対４５（熱検出手段）に確実に伝えることができる。このとき測定可能な傾きは、適宜の角度までとすることができ、例えば４５°以内とすることができ、３０°以内とすることが好ましく、１０°以内とすることがより好ましく、２°以内とすることが好適である。

また、このスプリングプランジャ４１は、空間３６ａの半田付け動作方向の長さの何倍もの長さに長く形成されている。具体的には、２倍以上とすることがで、４倍以上とすることが好ましく、８倍程度とすることが好適である。この実施例では、約８倍に構成されている。これにより、ノズル２４によって押し込まれる際に、押し込まれた量によって弾性力が変化することを極力抑制し、常に同じ力で測定子４１をノズル２４に押し付けることができる。このように一定の力で押し付けることで、常に安定した温度測定を実現できる。

また、筐体３５の内部空間３６には、熱電対４５が設けられている。この熱電対４５は、先端４６が、測定子４１の裏面４２ａの中心位置（熱検出位置）で接触するように配置されている。すなわち、この接触位置（熱検出位置）は、半田付け動作方向に見てノズル２４の孔２４ａの内側とすることができ、孔２４ａの中心付近が好ましく、孔２４ａの中心が好適である。この実施例では、接触位置が孔２４ａの中心に位置している。これにより、円形や略円形に面接触するノズル２４からの熱がほぼ均等に伝達してくる中心位置で安定した温度測定を実現できる。また、このように各部位からの熱が集まる中心位置で測定することにより、ノズル２４の一部に異変があって温度状態が均一でなかった場合にもその異変による温度変化が影響した全体としての温度（若しくは平均としての温度）を測定することができる。

熱電対４５の線経は、φ１ｍｍ以下とすることができ、φ０．５ｍｍ以下とすることが好ましく、φ０．３ｍｍ以下とすることがさらに好ましく、φ０．１ｍｍ程度とすることが好適である。この実施例ではφ０．１ｍｍに構成されている。また、熱電対４５の先端４６は球形に形成されて、測定子４１と点接触するように構成されている。このようにして熱電対４５に細い線を用いることで、熱容量を小さくして熱ロスを抑制することができる。

また、筐体３５の内部空間３６には、カバー３１から測定子４１の沈み込みを許容する距離を空けてガイド４７が設けられている。このガイド４７からカバー３１の内側突出部３２までの空間が、スプリングプランジャ４８によって測定子４１が半田付け動作方向に位置移動でき、かつ、スプリングプランジャ４８によって測定子４１が角度変更できる空間３６ａとなる。

この空間３６ａは、半田付け動作方向（鉛直方向）の長さがノズル２４の半径方向の長さ（水平方向の長さ）より短く構成されており、より詳しくは測定子４１の傾きが所定角度以下になるように構成されている。この所定角度は、４５°以下とすることができ、３０°以下とすることが好ましい。これにより、測定子４１が傾きすぎて、ノズル２４を後退させても測定子４１が水平状態に戻らないということを防止できる。

なお、このガイド４７は、スプリングプランジャ４８が伸縮動作できるようにスプリングプランジャ４８を挿通する孔が設けられている。これにより、ノズル２４が当接して測定子４１が押し込まれることを許容でき、その押し込み位置でノズル２４に測定子４１を面接触させることができる。また、内側突出部３２により測定子４１が内部空間３６の外へ抜け出ることを防止できる。

温度測定装置３０は、図１に示すように、半田付け装置１内に設けられた温調器６２に接続されている。この温調器６２は、温度測定装置３０から受け取る信号を温度に変換し、制御部６３に渡す。半田付け装置１内に設けられている制御部６３は、ヒータ２６（図３参照）を半田付けに適した温度に加熱し、各駆動手段によってヘッド部３をＸＹＺ軸の３次元に移動させて、エアーサスペンションユニット５のフローティング機能によって半田付け対象となるスルーホールにノズル２４の先端２４ｃ（図４（Ａ）参照）を適度な力で接触させ、糸半田２を繰り出しカットして必要量の半田をノズル２４内に供給し、半田付けを実行する。制御部６３は、この一連の半田付け動作を連続して実行する。制御部６３は、所定回数実施後、あるいは所定時間駆動後など、予め設定されたタイミングで、各駆動手段によってヘッド部３をＸＹＺ軸の３次元に移動させて、ノズル２４の先端を温度測定装置３０の測定子４１に接触させ、温度測定装置３０による温度測定を実行する。制御部６３は、測定した温度を表示部６１に表示するとともに、記憶部６４に記憶する。

この記憶部６４に測定日時とともに記憶された温度データは、グラフ表示するなど適宜利用することができる。この温度データを用いることで、制御部６３あるいは利用者は、任意の測定日時の応答速度や温度測定値等を確認することができる。これにより、制御部６３あるいは利用者は、ノズルクリーニングを行うべきタイミングや、ノズル２４の交換時期を確認することができる。また、制御部６３あるいは利用者は、温度測定のログデータや上記の温度データから、ノズル２４へのヒュームの付着状態やノズル２４の欠損等を診断することができる。

以上の構成により、ノズル２４を温度測定装置３０の内部空間３６ａに挿入し、安定した高精度の温度測定を実現できる。
このように構成された温度測定装置３０を有する半田付け装置１は、温度測定装置３０によってノズル２４の温度を測定することができる。詳述すると、半田付け装置１は、温度測定装置３０により測定した温度を図示省略する記憶手段に記憶しておくことができる。これにより、測定データを記憶手段から取り出して後日に確認するといったことができる。また、複数の測定データをグラフ表示して確認・分析することもできる。

また、測定子４１が角度変更可能で、かつ押下を受け付けるスプリングプランジャ４８を備えた構成により、ノズル２４の温度の安定性を確認することができる。

詳述すると、図５（Ａ）の一部拡大断面図に示すように、ノズル２４の先端２４ｃが測定子４１の接触面４１ａに接触していない状態では、測定子４１が内側突出部３２に接触するよう十分に突出している。そこから、図５（Ｂ）の一部拡大断面図に示すように、ノズル２４が半田付け動作方向に進出してきても、スプリングプランジャ４８の弾性力によって測定子４１がノズル２４の端面にしっかりと面接触する。

図５（Ｃ）の一部拡大断面図に示すように、ノズル２４が傾いていても、スプリングプランジャ４８によりノズル２４の端面に測定子４１を面接触させることができる。

また、半田付け装置１は、人の手を介さずとも温度測定装置３０によりノズル２４の温度を自動測定できるため、半田付けを行っているラインを停止させることなく温度測定を実行できる。このため、半田付け処理をするラインの稼働中にリアルタイムにノズル２４の温度状態を測定でき、ヒュームの付着状態やノズル２４の欠損等を診断してノズル２４の交換時期をアラームで報知するといったことが可能となる。

図６は、温度測定装置３０のキャリブレーションを行う校正装置５０の構成を示す説明図である。

校正装置５０は、ノズル２４をセットして上下動するヘッド部３Ａと、温度測定装置３０と、制御ボックス５１と、タッチパネル５５を備えている。

ヘッド部３Ａは、実施例１のヘッド部３と同一構造であり、ヒータユニット２５内のヒータにてノズルユニット２０に設けられたノズル２４を加熱することができる。このヘッド部３Ａは、適宜の駆動手段によって半田付け動作方向（上下方向）に動作でき、下方に配置された温度測定装置３０にノズル２４を当接させることができる。

制御ボックス５１は、温調器５２と、ＰＬＣ／通信ユニット５３とを備えている。温調器５２は、温度測定装置３０からの信号を温度に変換する。ＰＬＣ／通信ユニット５３は、温調器５２からの温度の信号をタッチパネル５５に伝達する。タッチパネル５５は、ＰＬＣ／通信ユニット５３から受け付けた温度を画面表示し、タッチ入力によってヒータ温度の設定や温度測定等の動作支持を受け取る。

校正装置５０のノズル２４の下方位置には、略Ｃ字型の装着部５０が設けられている。この装着部５０には、温度測定装置３０が装着される。
その他、上述した実施例１と同一の構成要素については同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

以上の構成により、校正装置５０は、温度測定装置３０によりノズル２４の温度を測定することができ、温度測定装置３０のキャリブレーションを行うことができる。

また、校正装置５０は、マスターとなるヒータユニット２５とノズル２４を予め定めた任意の温度に設定しておき、温度測定装置３０により温度測定し、温度測定値が規定値内であることを保証することができる。また、マスターとなるヒータユニット２５自身も、温度測定装置３０によって温度が保証されたものを使用できる。

また、校正装置５０は、略Ｃ字型の装着部５０に温度測定装置３０を容易に着脱できる。このため、利用者は、温度測定装置３０のキャリブレーションを簡単に行うことができる。

なお、この発明は、上述した実施形態に限られず、他の様々な実施形態とすることができる。

この発明は、生産設備で半田付けを実行するような産業に利用することができる。

２４…ノズル
２４ａ…孔
２４ｃ…先端
３０…温度測定装置
４１…測定子
４１ａ…接触面
４１ｂ…裏面
４２…支持部
４５…熱電対
４８…スプリングプランジャ

Claims (5)

1. 半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する当接体と、
   前記当接体の熱を検出する熱検出手段とを備え、
   前記当接体は、前記半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する接触面が前記半田付け装置用筒状ノズルの先端面に面接触するように角度変更可能とする角度変更許容手段により支持されている
   半田付け装置用筒状ノズルの温度測定装置。
2. 前記角度変更許容手段は、前記当接体を前記半田付け装置用筒状ノズルへ向かって付勢する付勢手段によって構成されている
   請求項１記載の温度測定装置。
3. 半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する当接体と、
   前記当接体の熱を検出する熱検出手段とを備えた温度測定装置によって温度を測定する温度測定方法であって、
   前記当接体は、前記半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する接触面が前記半田付け装置用筒状ノズルの先端面に面接触するように角度変更可能とする角度変更許容手段により支持されており、
   前記接触面と反対側の反対面にて前記熱検出手段により熱を検出する
   半田付け装置用筒状ノズルの温度測定方法。
4. 半田付け装置用筒状ノズルと、前記半田付け装置用筒状ノズルを加熱するヒータと、前記半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する当接体と前記当接体の熱を検出する熱検出手段とを備えた前記半田付け装置用筒状ノズルの温度測定装置を有する半田付け装置であって、
   前記当接体は、前記半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する接触面が前記半田付け装置用筒状ノズルの先端面に面接触するように角度変更可能とする角度変更許容手段により支持されている
   半田付け装置。
5. 前記当接体は、前記半田付け装置用筒状ノズルの先端が当接する接触面が前記半田付け装置用筒状ノズルの半田付け孔の先端面積よりも大きく形成されている
   請求項４記載の半田付け装置。

Images