JP6654800B2 - パルスモータ機構の脱調検出装置及び脱調検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルスモータにより可動体を移動させるパルスモータ機構において、パルスモータの脱調を検出する装置及び方法に関する。

パルスモータ（ステッピングモータ）は、パルス信号（デジタル信号）で直接駆動でき、パルス信号が入力されるごとに一定角度ずつ回転することが可能な、位置決め機能を有するモータである。このようなパルスモータでは、特に過負荷や急な速度変化の際に、入力パルス信号とモータ回転との同期が失われることがあり、このような状態を脱調と呼んでいる。

このパルスモータの脱調を検出する装置として、光センサ（透過型光センサ）を用いた装置が知られている（例えば特許文献１）。

図９は、光センサを用いた脱調検出装置の基本構成を示す図である。すなわち、パルスモータ７０の回転軸７０ａに、当該パルスモータの回転に伴って回転動作する可動体７１が取り付けられており、この可動体７１に一体的に遮光体７２が形成されている。そして、可動体７１の原点位置（図９（ａ）の位置）における遮光体７２の位置に光センサ８０が配置されている。具体的には、この可動体７１の原点位置において遮光体７２を挟むように光センサ８０の発光部と受光部が配置される。したがって、可動体７１が原点位置にあるときは、遮光体７２によって光センサ８０が遮光されて遮光状態となる。

このような構成において、パルスモータ７０の回転駆動により可動体７１を原点位置から移動させた後、再び原点位置に復帰させたときに、図９（ａ）の原点位置に正しく復帰すれば光センサ８０が遮光状態となるので、この場合は脱調なしと判断する。一方、図９（ｂ）に示すように、可動体７１の復帰位置が原点位置からずれていると光センサ８０は透光状態となるので、この場合は脱調ありと判断する。

ところが、光センサ８０が透光状態と遮光状態のいずれであるかの判定は、当然、所定の閾値を基準として行われるところ、例えば、図９（ｃ）のようにわずかな脱調の場合、遮光状態と判定され、結果として脱調なしと判断されることがある。このようなわずかな脱調であっても、特に可動体の移動量が小さく高い移動精度（位置決め精度）が要求される場合には問題となる。

特開平１０−１４６４８０号公報

本発明が解決しようとする課題は、パルスモータの脱調を高い精度で検出可能な、パルスモータ機構の脱調検出装置及び脱調検出方法を提供することにある。

本発明の一観点によれば、次のパルスモータ機構の脱調検出装置が提供される。
「パルスモータの回転をパルス制御するモータ制御部と、
前記パルスモータの回転に伴って移動動作する可動体と、
前記可動体に一体的に形成された遮光体と、
前記可動体の原点位置において前記遮光体を挟むように配置された発光部及び受光部を有する光センサと、
前記光センサの受光量が、閾値未満であると遮光状態、閾値以上であると透光状態と判定する受光量判定部と、
を備え、
前記可動体の移動動作が回転動作であり、回転動作の範囲が原点位置から４５°の範囲内であり、
前記可動体は、前記パルスモータの回転軸に連結されたレバーであり、このレバーの回転動作により表面実装機の実装ヘッドに使用される複数のスピンドルにそれぞれ設けられているスプールバルブのスプールを移動させるとともに、前記回転動作のたびに原点位置に復帰し、この原点位置で次のスピンドルのスプールバルブを受け入れる、パルスモータ機構の脱調検出装置であって、
前記モータ制御部がパルス制御により前記パルスモータを回転させることで前記レバーを原点位置から移動させた後に原点位置に復帰させたときに、前記受光量判定部が遮光状態と判定した場合において、前記モータ制御部が、前記パルスモータを一方向に回転させて遮光状態から透光状態に変わるまでのパルス数をカウントし、このカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているときに脱調と判断する、パルスモータ機構の脱調検出装置。」

また、本発明の他の観点によれば、次のパルスモータ機構の脱調検出方法が提供される。
「パルスモータの回転をパルス制御するモータ制御部と、
前記パルスモータの回転に伴って移動動作する可動体と、
前記可動体に一体的に形成された遮光体と、
前記可動体の原点位置において前記遮光体を挟むように配置された発光部及び受光部を有する光センサと、
を備え、
前記可動体の移動動作が回転動作であり、回転動作の範囲が原点位置から４５°の範囲内であり、
前記可動体は、前記パルスモータの回転軸に連結されたレバーであり、このレバーの回転動作により表面実装機の実装ヘッドに使用される複数のスピンドルにそれぞれ設けられているスプールバルブのスプールを移動させるとともに、前記回転動作のたびに原点位置に復帰し、この原点位置で次のスピンドルのスプールバルブを受け入れる、パルスモータ機構の脱調検出方法であって、
前記モータ制御部がパルス制御により前記パルスモータを回転させることで前記レバーを原点位置から移動させた後に原点位置に復帰させたときに、前記光センサの受光量が閾値未満の遮光状態であった場合において、前記パルスモータを一方向に回転させて遮光状態から透光状態に変わるまでのパルス数をカウントし、このカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているときに脱調と判断する、パルスモータ機構の脱調検出方法。」

このように本発明によれば、可動体を原点に復帰させたときに光センサが遮光状態であって脱調なしであるかのように思われる場合であっても、パルスモータを一方向に回転させて遮光状態から透光状態に変わるまでのパルス数をカウントし、このカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているか否かによって、わずかな脱調も検出できる。

ここで、「基準のパルス数許容範囲」は、可動体を正しい原点位置から移動させたときに光センサが遮光状態から透光状態に変わるまでの「基準のパルス数」に基づいて設定される。すなわち、上述のカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているときは、可動体が正しい原点位置に復帰していないということであり、本発明はこのようなわずかな脱調も検出できる。なお、「基準のパルス数」は、原点位置調整後の当該パルスモータを用いて事前に計測して得ることができるし、パルスモータ機構の設計上の寸法関係やパルスモータの仕様等から計算して求めることもできる。

このように本発明では、可動体を原点位置に復帰させた後に脱調検出を行うから、可動体が移動動作のたびに原点位置に復帰する構成であることが、脱調検出には好都合である。

また、本発明ではわずかな脱調を検出できることから、このようなわずかな脱調が問題となりうるような、可動体の移動量が小さいパルスモータ機構において顕著な効果を奏する。例えば、可動体の回転動作の範囲が原点位置から４５°の範囲内であるようなパルスモータ機構、具体的には後述するような、可動体がスプールバルブのスプールを移動させるパルスモータ機構に適用すると効果的である。

本発明によれば、従来技術では検出できないようなわずかな脱調を、光センサの精度を上げるなどの特別な対応をとることなく、簡単な構成で検出でき、パルスモータ機構の位置決め精度を向上させることができる。

本発明を適用した表面実装機の実装ヘッドの全体構成を示す斜視図である。 図１の実装ヘッドにおいてスピンドル（ノズル）をＺ方向に下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方向に下降させる機構において押圧具周りの構成を示す説明図である。 図２に示す押圧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。 スプールバルブの構成例と動作を概念的に示す図である。 本発明によるパルスモータ機構の脱調検知装置を示す概念図である。 光センサを用いた脱調検出装置の基本構成を示す図である。

以下、本発明を表面実装機の実装ヘッドに適用した実施例により、本発明の実施の形態を説明する。

図１は、本発明を適用した表面実装機の実装ヘッドの全体構成を示す斜視図である。

同図に示す実装ヘッド１０はロータリーヘッド式の実装ヘッドであり、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の実装ヘッド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に押圧具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とともに押圧具２５がＺ方向に移動する。

押圧具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、押圧具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、押圧具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押圧具２５に対してスピンドル３１を移動させ、押圧具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、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、着地検知センサと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は押圧具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の駆動により押圧具２５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。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に示す押圧具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が着地していない初期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、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。

なお、本明細書において「ノズルの着地」とは、部品の吸着（ピックアップ）工程においてノズル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。

以上の構成において、実装ヘッド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。なお、この部品のピックアップ動作及び実装動作においては、ノズル３２に負圧と正圧とを切り替えて供給するが、これについては後で説明する。

また、部品のピックアップ時及び実装時においては、図２で説明したように、保持具２５の直下に位置させたスピンドル３１ａの上端面を押圧具２５が押圧して、そのスピンドル３１ａをＺ方向に下降させる。その後、スピンドル３１ａ先端のノズル３２が着地すると、上述のとおり、コイルばね３４が圧縮されてスピンドル３１ａに対するノズル３２の上下方向の位置が変化し、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。そして、光ファイバセンサ４０のセンサ部４２が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５０に送信される。制御部５０は着地検知信号を受信すると、押圧具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適切に制御され、ノズル３２が正確に着地する。

次に、ノズル３２による部品の吸着及び実装に関わる動作について説明する。

図５に示すようにノズル３２は、その内部にエア通路３２ｂと有する。すなわち、部品の吸着は、このエア通路３２ｂに負圧供給経路を通じて負圧を供給することで実現され、部品の実装は、エア通路３２ｂに正圧供給経路を通じて正圧を供給することで実現される。そして、負圧供給経路と正圧供給経路との切替えは、スプールバルブによって実現される。

図７は、スプールバルブの構成例と動作を概念的に示す図である。なお、図７においては、後述する遮蔽体は省略している。

図７に示すスプールバルブ６０は、パルスモータ７０の回転軸７０ａに連結されたレバー７１（可動体）の回転によってスプール６１を直線的に移動させることで、負圧供給経路６２ａと正圧供給経路６２ｂとの切替えを行う。負圧供給経路６２ａは真空ポンプ等の負圧供給源に接続され、正圧供給経路６２ｂは正圧エアタンク等の正圧供給源に接続されている。

スプールバルブ６０の構成をより具体的に説明すると、スプール６１は開孔６１ａを有し、この開孔６１ａが負圧供給経路６２ａと完全に整合する位置が負圧切替位置Ａで、開孔６１ａが正圧供給経路６２ｂと完全に整合する位置が正圧切替位置Ｃである。部品の実装時においては、負圧切替位置Ａがスプール６１の初期位置である。そして、負圧切替位置Ａと正圧切替位置Ｃとの間に準備位置Ｂがある。なお、スプール６１の移動の制御は、図２に示した制御部５０がパルスモータ７０の動作をパルス制御して可動体としてのレバー７１を回転動作させることにより行う。つまり、図２の制御部５０はパルスモータ７０の回転をパルス制御する「モータ制御部」でもある。

ノズルに吸着した部品を基板に実装する際は、ノズルが着地する前の段階、例えばノズルが下降動作を開始した段階で、制御部５０がパルスモータ７０の動作を制御して、レバー７１によりスプール６１を負圧切替位置Ａから準備位置Ｂまで移動させる予備動作を実行する。そして、上述の光ファイバセンサ４０によりノズルの着地が検知されると、制御部５０はパルスモータ７０の動作を制御して、レバー７１によりスプール６１を準備位置Ｂから正圧切替位置Ｃまで移動させるブロー動作を実行する。これにより、ノズルに正圧が供給され、ノズル内の真空が破壊されてブローが行われ、部品が基板に実装される。部品の実装が完了したら、制御部５０はパルスモータ７０の動作を制御してレバー７１を中立の位置Ｄに戻す。この中立の位置Ｄは、上述したロータリーヘッド３０のＲ方向回転による次のスピンドル３１のスプールバルブ６０を受け入れるための待機位置Ｄである。すなわち、この待機位置Ｄにおいて次のスピンドル３１のスプールバルブ６０を受け入れる。この次のスプールバルブ６０のスプール６１は負圧切替位置Ａにあるので、後は上述の要領で、スプール６１を準備位置Ｂ、正圧切替位置Ｃへと順次移動させ、その後、レバー７１を待機位置Ｄに戻す。以後、全てのスピンドル３１のノズルによる部品の実装が終了するまで、この動作を繰り返す。

次に、図７のパルスモータ７０を例として、本発明によるパルスモータ機構の脱調検知装置の構成及び動作を説明する。

図８は、本発明によるパルスモータ機構の脱調検知装置を示す概念図である。装置の基本構成は図９と同じであり、パルスモータ７０の回転軸７０ａに、当該パルスモータ７０の回転に伴って回転動作する可動体７１（レバー）が取り付けられており、この可動体７１に一体的に遮光体７２が形成されている。そして、可動体７１の原点位置（図９（ａ）の位置）における遮光体７２の位置に透過型の光センサ８０が配置されている。具体的には、この可動体７１の原点位置において遮光体７２を挟むように光センサ８０の発光部と受光部が配置される。したがって、可動体７２が原点位置にあるときは、遮光体７２によって光センサ８０が遮光されて遮光状態となる。

光センサ８０が透光状態と遮光状態のいずれであるかは、所定の閾値を基準として判定する。すなわち、センサ８０の受光量が閾値未満であると遮光状態、閾値以上であると透光状態と判定する。この判定は、図示しない受光量判定部で実行できる。この受光量判定部は、例えば光センサ８０に内蔵させることができる。

このような構成において、パルスモータ７０の回転駆動により可動体７１を原点位置から移動させた後、再び原点位置に復帰させたときに、図９（ａ）に示したように原点位置に正しく復帰すれば光センサ８０が遮光状態となるので、この場合は脱調なしと判断する。一方、同じく図９（ｂ）に示したように、可動体７０の復帰位置が原点位置から完全にずれていると、光センサ８０は透光状態となるので、この場合は脱調ありと判断する。

一方、図９（ｃ）に対応する図８（ａ）に示すようにわずかな脱調の場合、遮光状態と判定されることがある。この場合、本発明では、上述したモータ制御部５０が、パルスモータ７０を一方向に回転させて遮光状態（図８（ａ）の状態）から透光状態（図８（ｂ）の状態）に変わるまでのパルス数をカウントする。そして、このカウントされたパルス数が「基準のパルス数許容範囲」を逸脱しているときには脱調と判断する。

ここで、「基準のパルス数許容範囲」は、上述のとおり、可動体７１を正しい原点位置（図９（ａ）の位置）から移動させたときに光センサ８０が遮光状態から透光状態に変わるまでの「基準のパルス数」に基づいて設定される。すなわち、上述のカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているときは、可動体７１が正しい原点位置に復帰していないということであり、本発明ではこのようなわずかな脱調も検出できる。

例えば「基準のパルス数」が１００で、「基準のパルス数許容範囲」を１００±１０に設定した場合、上述のカウントされたパルス数が１００±１０を逸脱しているときは、脱調ありと判断する。

このように本発明ではわずかな脱調を検出できることから、本発明は、可動体の回転動作の範囲が小さく、しかも高い位置決め精度が要求されるパルスモータ機構に適用すると効果的である。例えば図７の例では、可動体（レバー）７１の回転動作の範囲は約１５°と小さく、しかも負圧供給経路６２ａと正圧供給経路６２ｂとの切替えを的確に実行するには高い位置決め精度が要求される。したがって、この図７のような構成に本発明を適用すると効果的である。更に、本発明では、可動体を原点位置に復帰させた後に脱調検出を行うから、図７の例のように可動体（レバー）７１が移動動作のたびに原点位置に復帰する構成であることは、脱調検出に好都合である。

なお、以上の実施例は、パルスモータ７０の回転により可動体７１が回転動作する場合であるが、パルスモータの回転により可動体が直進動作する場合にも本発明は適用できる。

１０ 実装ヘッド
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（昇降手段）
２４ ボールねじ機構
２４ａ ねじ軸
２４ｂ ナット
２５ 押圧具
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（モータ制御部）
６０ スプールバルブ
６１ スプール
６１ａ 開孔
６２ａ 負圧供給経路
６２ｂ 正圧供給経路
７０ パルスモータ
７０ａ 回転軸
７１ レバー（可動体）
７２ 遮光体
８０ 透過型の光センサ

Claims (2)

1. パルスモータの回転をパルス制御するモータ制御部と、
   前記パルスモータの回転に伴って移動動作する可動体と、
   前記可動体に一体的に形成された遮光体と、
   前記可動体の原点位置において前記遮光体を挟むように配置された発光部及び受光部を有する光センサと、
   前記光センサの受光量が、閾値未満であると遮光状態、閾値以上であると透光状態と判定する受光量判定部と、
   を備え、
   前記可動体の移動動作が回転動作であり、回転動作の範囲が原点位置から４５°の範囲内であり、
   前記可動体は、前記パルスモータの回転軸に連結されたレバーであり、このレバーの回転動作により表面実装機の実装ヘッドに使用される複数のスピンドルにそれぞれ設けられているスプールバルブのスプールを移動させるとともに、前記回転動作のたびに原点位置に復帰し、この原点位置で次のスピンドルのスプールバルブを受け入れる、パルスモータ機構の脱調検出装置であって、
   前記モータ制御部がパルス制御により前記パルスモータを回転させることで前記レバーを原点位置から移動させた後に原点位置に復帰させたときに、前記受光量判定部が遮光状態と判定した場合において、前記モータ制御部が、前記パルスモータを一方向に回転させて遮光状態から透光状態に変わるまでのパルス数をカウントし、このカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているときに脱調と判断する、パルスモータ機構の脱調検出装置。
2. パルスモータの回転をパルス制御するモータ制御部と、
   前記パルスモータの回転に伴って移動動作する可動体と、
   前記可動体に一体的に形成された遮光体と、
   前記可動体の原点位置において前記遮光体を挟むように配置された発光部及び受光部を有する光センサと、
   を備え、
   前記可動体の移動動作が回転動作であり、回転動作の範囲が原点位置から４５°の範囲内であり、
   前記可動体は、前記パルスモータの回転軸に連結されたレバーであり、このレバーの回転動作により表面実装機の実装ヘッドに使用される複数のスピンドルにそれぞれ設けられているスプールバルブのスプールを移動させるとともに、前記回転動作のたびに原点位置に復帰し、この原点位置で次のスピンドルのスプールバルブを受け入れる、パルスモータ機構の脱調検出方法であって、
   前記モータ制御部がパルス制御により前記パルスモータを回転させることで前記レバーを原点位置から移動させた後に原点位置に復帰させたときに、前記光センサの受光量が閾値未満の遮光状態であった場合において、前記パルスモータを一方向に回転させて遮光状態から透光状態に変わるまでのパルス数をカウントし、このカウントされたパルス数が基準のパルス数許容範囲を逸脱しているときに脱調と判断する、パルスモータ機構の脱調検出方法。