JP6734625B2 - 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（ノズルの着地を検知するセンサ）を利用した方法が特許文献１に提案されている。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、ノズルの着地を検知する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を有し、所定の閾値に対する受光量の変化によりノズルの着地を検知する。

このように反射型の光センサ（光ファイバセンサ）を用いて、その受光量の変化よりノズルの着地を検知する場合、誤検知を防止し検知精度を向上させる点から、ノズルの着地を検知する前の受光量はできる限り一定であることが望まれる。この点から、従来は発光部から発せられる光の光軸が、検知対象のノズルの鉛直方向中心軸に向くようにしていたが、必ずしも検知精度は十分とはいえなかった。

特許第３５４３０４４号公報

本発明が解決しようとする課題は、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）の着地を検知するセンサの検知精度を向上させることにある。

本発明者らが前記課題を解決するために部品保持具（ノズル）の着地を検知するセンサの配置等について検討した結果、詳細は後述するが、部品保持具の着地を検知する反射型の光センサの発光部から発せられる光の光軸方向を、部品保持具の鉛直方向中心軸よりロータリーヘッドの回転方向（Ｒ方向）の下流側にオフセットさせると、ノズルの着地を検知する前の受光量が高いレベルで安定するという新規な知見が得られた。本発明は、この知見に基づき完成されたもので、具体的には、以下の（１）から（３）に記載の表面実装機の部品保持ヘッドを提供する。

（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弾性体を介して部品保持具が装着され、前記ヘッド本体には前記Ｒ方向に回転して特定位置に到来したスピンドルを下降させる押圧具が設けられ、前記押圧具を下降させることにより前記特定位置に到来したスピンドルを下降させて当該スピンドルの下端に装着された部品保持具を着地させ、当該部品保持具の着地により前記弾性体が圧縮されて当該部品保持具の当該スピンドルに対する上下方向の位置が変化する表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、
前記特定位置に到来したスピンドルの下端に装着された部品保持具の着地を検知する反射型の光センサを、前記押圧具と一体的に設け、
前記光センサは、前記特定位置にある着地前の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を同一軸線上に有し、前記反射面は前記部品保持具の鉛直方向中心軸を中心軸とする円錐台の側面を成すように当該部品保持具の外周に形成され、前記発光部からの光は、前記反射面で反射された反射光が前記受光部に向かうように前記反射面に向けて斜め下向きに発せられ、かつ、前記発光部から発せられる光の光軸が、前記特定位置にある部品保持具の鉛直方向中心軸上の位置より、前記Ｒ方向の回転方向の下流側の前記反射面の位置を指向するようにオフセットして配置されたことを特徴とする表面実装機の部品保持ヘッド。

（２）前記オフセットの量は、前記オフセットの量の変化に対して前記受光部の受光量の変化が最小となるように設定されている、（１）に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

（３）前記光センサは、所定の閾値に対する受光量の変化により部品保持具を検知し、前記閾値は、前記受光部による受光量の安定領域における受光量に基づき設定されている、（１）又は（２）に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。

本発明によれば、部品保持具（ノズル）の着地を検知する反射型の光センサにおいて、部品保持具の着地を検知する前の受光量が高いレベルで安定する。これにより、当該センサによる部品保持具の着地の検知精度が向上し、部品保持具の下降ストローク等をより的確に制御することができる。

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。 本発明における「オフセット」を概念的に示す平面図である。 オフセット角度θ（オフセット量ｄ）を変化させて光ファイバセンサの受光部の受光量を測定した結果を示す（オフセット角度＝−１．０°）。 同上（オフセット角度θ＝−０．５°）。 同上（オフセット角度θ＝０．０°）。 同上（オフセット角度θ＝＋０．５°）。 同上（オフセット角度θ＝＋１．０°）。 同上（オフセット角度θ＝＋１．５°）。 同上（オフセット角度θ＝＋２．０°）。 図８Ａ〜Ｇの結果を基に各例における受光量をオフセット角度θに対してプロットしたものである。

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。なお、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、ノズルの着地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。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、その基本を説明する。

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の受光部で反射光として受光される。

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、前記特定位置にあるスピンドル４１ａの下降によりその下端のノズル４２ａが着地すると、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４２ａの上下方向の位置が変化する。具体的にはノズル４２ａがスピンドル４１ａ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４２ａ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４２ａ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４２ａ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（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。

再び図６を参照すると、特定位置にあるノズル４２ａが着地する前の受光量は、経時的にできる限り安定していることが好ましい。ノズル４２ａが着地する前の受光量の経時的変化が大きいと、ノズル４２ａが着地していないにも関わらず受光量が閾値Ａ以下になり、誤って着地検知信号を発することになるからである。また、ノズル４２ａが着地する前の受光量は、できる限り高いレベルであることが好ましい。ノズル４２ａが着地する前の受光量が高レベルであると、閾値Ａの設定の自由度が増し、より的確にノズル４２ａの着地を検知できるようになるからである。

本発明では、ノズル４２ａが着地する前の受光量を高いレベルで安定させるために、光ファイバセンサ３０の発光部から発せられる光の光軸方向を特定の方向にオフセットさせている。

図７は、このオフセットを概念的に示す平面図である。同図において、光ファイバセンサ３０は、前述の要領で特定位置に到来したノズル４２ａの着地を検知する。本発明では、光ファイバセンサ３０の発光部から発せられる光Ｐの光軸が、特定位置にあるノズル４２ａの鉛直方向中心軸Ｃ上の位置より、ロータリーヘッド４０の回転方向（Ｒ方向）の下流側の反射面４２ｂの位置を指向するようにオフセットして光ファイバセンサ３０を配置している。言い換えれば、特定位置にあるノズル４２ａの着地を検知する光ファイバセンサ３０の発光部から発せられる光の光軸方向を、当該ノズル４２ａの鉛直方向中心軸Ｃよりロータリーヘッドの回転方向（Ｒ方向）の下流側にオフセット量ｄをもってオフセットさせている。

図８Ａ〜Ｇは、本発明の効果を検証するための試験として、図７のオフセット量ｄを変化させて、光ファイバセンサ３０の受光部の受光量を測定した結果を示す。試験では、前記特定位置を基準（ゼロ）として、ロータリーヘッドのＲ方向のオフセット角度θを変化させることで前記特定位置におけるオフセット量ｄを変化させた。オフセット角度θ及びオフセット量ｄの関係は下記表１のとおりであり、光ファイバセンサ３０の発光部の光軸方向が、Ｒ方向の下流側にオフセットする方向をプラス（＋）、上流側にオフセットする方向をマイナス（−）とした。そして、試験では、表１中のＮｏ.Ａ〜Ｇのオフセット角度θ（オフセット量ｄ）に設定した各例について、実際のロータリーヘッドの動作にならってロータリーヘッドをＲ方向に回転させ、ノズルが前記特定位置に到来する前の時点から前記特定位置を過ぎて行くまでの、光ファイバセンサ３０の受光部の受光量の経時変化を測定した。表１中のＮｏ.Ａ〜Ｇが、それぞれ図８Ａ〜Ｇの結果に対応する。

図８Ａ〜Ｇより、オフセット角度θ（オフセット量ｄ）がプラス、すなわち光ファイバセンサ３０の発光部から発せられる光の光軸方向が、ノズルの鉛直方向中心軸よりロータリーヘッドの回転方向（Ｒ方向）の下流側にオフセットしていると、光ファイバセンサ３０の受光部の受光量の経時変化が抑えられ受光量が安定することがわかる。ここで、オフセット角度θ（オフセット量ｄ）の上限は、光ファイバセンサ３０がノズルの着地を検知するものであるという前提条件から必然的に定まる。具体的には、光ファイバセンサ３０の発光部から発せられる光の光軸方向が、図５で説明したノズル４２ａの反射面４２ｂの範囲内にあることが必要条件であるから、この必要条件よりオフセット角度θ（オフセット量ｄ）の上限は定まることとなる。

ここで、図６で説明した閾値Ａは、図８Ｄ〜Ｇに示す本発明の例における受光量の経時的変化において、受光量の安定領域における受光量に基づき設定される。受光量の安定領域とは、図８Ｄ〜Ｇにおいて、受光量の立上り領域及び立下り領域を除いた領域のことである。このように受光量の安定領域における受光量に基づいて閾値を設定することで的確な閾値を設定でき、光ファイバセンサ３０の検知精度向上につながる。

図９は、図８Ａ〜Ｇの結果を基に各例における受光量をオフセット角度θに対してプロットしたものである。図９より、本実施例の場合、オフセット角度θが＋１．０°のときに、受光量が最大となるとともにオフセット角度θの変化に対する受光量の変化が最小となることが分かる。オフセット角度θの変化に対する受光量の変化が小さいといいうことは、オフセット角度θ（オフセット量ｄ）が誤差等により多少変わったとしても、安定した受光量が得られるということであるので、光ファイバセンサ３０の検知精度の向上、安定化のために好ましい。したがって、本実施例の場合、オフセット角度θは＋１．０°が最適である。なお、最適なオフセット角度θ（オフセット量ｄ）の値は、ロータリーヘッドの構成、寸法等によって変わるが、そのロータリーヘッドにおいて図９と同様の試験を実施することにより求めることができる。

このオフセット角度θ（オフセット量ｄ）の調整は、図２で説明したアダプタ部材２７（ＸＹ方向位置調整部材）及びセンサホルダ部材２９（Ｚ方向位置調整部材）、並びに図４で説明した偏心カラー３０ａ（光軸方向調整手段）を用いて行う。

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）

Claims (3)

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弾性体を介して部品保持具が装着され、前記ヘッド本体には前記Ｒ方向に回転して特定位置に到来したスピンドルを下降させる押圧具が設けられ、前記押圧具を下降させることにより前記特定位置に到来したスピンドルを下降させて当該スピンドルの下端に装着された部品保持具を着地させ、当該部品保持具の着地により前記弾性体が圧縮されて当該部品保持具の当該スピンドルに対する上下方向の位置が変化する表面実装機の部品保持ヘッドにおいて、
   前記特定位置に到来したスピンドルの下端に装着された部品保持具の着地を検知する反射型の光センサを、前記押圧具と一体的に設け、
   前記光センサは、前記特定位置にある着地前の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を同一軸線上に有し、前記反射面は前記部品保持具の鉛直方向中心軸を中心軸とする円錐台の側面を成すように当該部品保持具の外周に形成され、前記発光部からの光は、前記反射面で反射された反射光が前記受光部に向かうように前記反射面に向けて斜め下向きに発せられ、かつ、前記発光部から発せられる光の光軸が、前記特定位置にある部品保持具の鉛直方向中心軸上の位置より、前記Ｒ方向の回転方向の下流側の前記反射面の位置を指向するようにオフセットして配置されたことを特徴とする表面実装機の部品保持ヘッド。
2. 前記オフセットの量は、前記オフセットの量の変化に対して前記受光部の受光量の変化が最小となるように設定されている、請求項１に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。
3. 前記光センサは、所定の閾値に対する受光量の変化により部品保持具の着地を検知し、前記閾値は、前記受光部による受光量の安定領域における受光量に基づき設定されている、請求項１又は２に記載の表面実装機の部品保持ヘッド。