JPH06109560A

JPH06109560A - 外力測定装置及びこれを用いた部品装着装置

Info

Publication number: JPH06109560A
Application number: JP4257698A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Hashimoto; 昌彦橋本; Hitoo Togashi; 仁夫富樫; Yoshitoshi Morita; 芳年森田; Michio Kunimitsu; 道生国光; Tomomi Yamaguchi; 智実山口
Original assignee: KYOTO KODO GIJUTSU KENKYUSHO; Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: KYOTO KODO GIJUTSU KENKYUSHO; Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1992-09-28
Filing date: 1992-09-28
Publication date: 1994-04-19

Abstract

(57)【要約】【目的】圧電素子の出力端に電荷増幅器を接続した外
力測定装置において、電荷増幅器の出力電圧の減衰を可
及的に抑制すると共に、測定動作を繰り返した場合に
も、正確な測定値が得られる外力測定装置を提供する。【構成】外力の作用によって電荷を発生する圧電素子
61と、該圧電素子から発生する電荷の変化分をチャージ
して電圧信号を出力する電荷増幅器７とを具えた外力測
定装置において、前記電荷増幅器７を構成する帰還ルー
プには、ＯＮ−ＯＦＦ制御可能なスイッチ８が並列に接
続され、該スイッチ８は、出力電圧を基準値と比較する
コンパレータ81等によりＯＮ−ＯＦＦ制御されて、外力
の作用しない期間に閉成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品を基板上に表
面装着するチップマウンタ等において、部品に作用する
外力を測定する装置、及び該装置を具えた部品装着装置
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、プリント基板上の所定位置に電子
部品を自動的に表面実装する装置においては、電子部品
を真空吸着する吸着ノズルを具えた吸着ヘッド機構が装
備され、該吸着ヘッド機構は、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸方向
の移動制御が可能な往復装置に取り付けられている。

【０００３】上記表面実装装置を用いた表面実装におい
ては、先ず吸着ヘッド機構を電子部品供給装置の部品供
給部へ移動させて、吸着ノズルによって電子部品を真空
吸着し、その後、該電子部品をプリント基板の上方位置
まで移動させ、更に、該吸着ヘッド機構を降下せしめ
て、電子部品をプリント基板表面の所定位置に設置す
る。そして、電子部品がプリント基板に接触した時点
で、更に吸着ヘッド機構を下方へ駆動して、電子部品を
基板表面の接着層或いは半田ペースト層へ押し付け、該
電子部品をプリント基板に固定或いは仮固定する。その
後、吸着ヘッド機構を部品供給装置上へ復帰せしめて、
次の電子部品の表面実装動作に移行するのである。

【０００４】従来の表面実装装置においては、吸着ヘッ
ド機構の昇降動作は、カム機構の駆動によって行なわれ
ている。ここで、カム機構は、部品供給装置上の電子部
品に吸着ノズルを押し当てる際、及び、吸着した電子部
品をプリント基板に押し付ける際、電子部品に過度の衝
撃力や押圧力が作用しない様、カム曲線が設計されてい
る。

【０００５】しかしながら、近年の電子部品の種類の多
様化に伴って、電子部品の形状、寸法(厚さ)、及び材質
は多岐に亘っている。例えばＩＣ(ＬＳＩ)ベアチップの
如き繊細な電子部品も出現しており、表面実装装置によ
って表面実装すべき電子部品の機械的性質は、電子部品
の種類によって大きく異なる。従って、表面実装装置を
用いた表面実装においては、電子部品の種類毎に、吸着
保持の際、及び表面実装時に作用する押圧力を適切な値
に制限する必要がある。

【０００６】そこで、表面実装装置として、吸着ヘッド
機構をリニアモータで駆動するもの(特開昭60-66500、
昭63-232496)、圧縮ばねを駆動源として用いるもの(特
開昭63-22292)、電空レギュレータを利用するもの(特開
平1-246899)等が提案されている。

【０００７】ところが、リニアモータによる駆動方式を
採用した装置においては、装置構成が複雑で、大重量と
なる問題がある。又、圧縮ばねを用いた装置や、電空レ
ギュレータを利用した装置では、実際に電子部品に作用
する押圧力を正確に制御することが困難である。

【０００８】この問題を解決するべく、部品吸着ヘッド
に、前記押圧力を測定すべき圧電素子を装備して、該圧
電素子の出力電圧に基づいて部品装着ヘッドの上下運動
を制御し、所定の押圧力で電子部品をプリント基板上へ
押圧する方式が考えられる。

【０００９】ところで、圧電素子は電気的にはコンデン
サと見做すことが出来、力が加わった場合、数１に示す
如く作用力に比例した電荷が発生する。

【００１０】

【数１】Ｑ＝ｄ₃₃・Ｆ

【００１１】ここで、Ｑは電荷量［C］、Ｆは作用力
［N］、ｄ₃₃は等価圧電定数［×10^-12C/N］である。従
って、圧電素子から発生した電荷を検出することによっ
て、押圧力を測定することが出来るのである。

【００１２】一方、圧電素子から発生した電荷を検出す
るためには、一般に図２に示す如き電荷増幅器(チャー
ジアンプ)が用いられる。該電荷増幅器(７)は、圧電素
子(61)の出力端にＦＥＴ入力型のＯＰアンプ(71)を接続
し、その帰還ループには抵抗Ｒｆ及びコンデンサＣｆを
介装して構成され、圧電素子(61)が発生した電荷を電圧
信号に変換して出力するものである。

【００１３】尚、帰還ループのコンデンサＣｆに対して
並列に接続した抵抗Ｒｆは、直流成分の安定化を図る役
割を担う。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、電荷増幅器
(７)の出力電圧は、Ｃｆ・Ｒｆによって決まる時定数に
応じて減衰することになる(図３に示す曲線ａ−ｃ)。こ
の減衰を小さくするためには、ＣｆとＲｆの値を大きく
設定すればよい。しかし、電荷増幅器(７)のゲインはＣ
ｆの逆数となるため、一定のゲインを得るためには、Ｃ
ｆの値を制限なく大きくすることは出来ない。直流成分
の安定化を図るＲｆの値についても無制限に大きくする
ことは出来ない。

【００１５】又、電子部品装着時の押圧動作終了時点で
は、押圧時に抵抗側へリークした電荷分だけコンデンサ
Ｃｆには負方向に電荷がチャージされるため、該時点に
おける出力電圧は、図３中に破線で示す如くｃ点からｅ
点まで低下し、その後、徐々に正方向に増加することに
なる。

【００１６】従って、出力電圧が零レベルに戻らない時
点で、再度の押圧動作を行なうと、その時点の負の出力
電圧分だけ、出力電圧と押圧力の関係がずれて、正確な
測定が出来ない問題がある。特にこの問題は、ＣｆとＲ
ｆの値を大きく設定した場合に累積効果によって顕著と
なる。

【００１７】本発明の目的は、外力の作用によって電荷
を発生する圧電素子と、該圧電素子から発生する電荷の
変化分をチャージして電圧信号を出力する電荷増幅器と
を具えた外力測定装置において、電荷増幅器の出力電圧
の減衰を可及的に抑制すると共に、測定動作を繰り返し
た場合にも、正確な測定値が得られる外力測定装置を提
供することである。

【００１８】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る外力測定装置
は、圧電素子の出力端に接続した電荷増幅器の帰還ルー
プに対し、ＯＮ−ＯＦＦ制御可能なスイッチを並列に接
続する。該スイッチは、制御手段によりＯＮ−ＯＦＦ制
御して、外力の作用しない期間に閉成するものである。

【００１９】ここで、制御手段は、電荷増幅器の出力電
圧が所定の基準値を下回った時点を検出する検出手段を
具え、該時点にてスイッチを閉成する構成が採用出来
る。又、外力の作用する直前時点を検出する検出手段を
具え、該時点にてスイッチを閉成する構成を採ることも
可能である。

【００２０】又、本発明に係る部品装着装置は、部品に
作用する押圧力を測定する外力測定装置を具え、該外力
測定装置は、部品吸着ヘッドに装備されて前記押圧力に
応じた電荷を発生する圧電素子と、該圧電素子から発生
する電荷の変化分をチャージして電圧信号を出力する電
荷増幅器とを具えている。電荷増幅器を構成する帰還ル
ープには、ＯＮ−ＯＦＦ制御可能なスイッチを並列に接
続する。該スイッチは、制御手段によりＯＮ−ＯＦＦ制
御して、１つの装着動作が終了した後、次の装着動作が
開始するまでの期間に閉成するものである。

【００２１】

【作用】上記外力測定装置においては、電荷増幅器の帰
還ループの時定数を可能な範囲で大きく設定して、電荷
増幅器の出力電圧の減衰を可及的に抑制する。これによ
って、外力が零レベルに低下した時点での出力電圧の負
方向への変化量も減少することになる。

【００２２】一方、時定数の増大に伴って、出力電圧が
負方向に変化した後の正方向への復帰は緩慢な応答動作
となるが、外力の作用しない期間に、スイッチが制御手
段によって閉成されることにより、出力電圧は迅速に零
レベルへ到達する。従って、その後、短い期間をおい
て、次の外力測定を行なう場合にも、出力電圧と押圧力
の関係がずれることはなく、正確な測定値が得られる。

【００２３】又、部品装着装置においては、外力測定装
置の同様の作用により、押圧動作を頻繁に繰り返した場
合にも、正確な測定値が得られることになる。

【００２４】

【発明の効果】本発明に係る外力測定装置によれば、電
荷増幅器の出力電圧の減衰を可及的に抑制すると共に、
外力測定動作を繰り返した場合にも、正確な測定値が得
られる。特に、本発明に係る外力測定装置を具えた部品
装着装置においては、部品装着時の押圧力を正確に測定
することが出来、これによって部品に損傷を与えること
なく確実な装着動作が実現される。

【００２５】

【実施例】以下、本発明の一実施例につき、図面に沿っ
て詳述する。図４乃至図９は、本発明を実施すべき電子
部品自動装着装置の具体的な構成を示しており、先ず、
該装置のメカニズムについて説明する。

【００２６】図４に示す如く電子部品装着装置(２)は、
機台上に、プリント基板(31)を搬送するための一対のコ
ンベア(32)(33)を備えるとともに、電子部品を載置する
ための部品トレイ(30)を具え、さらにコンベア(32)(33)
を挟んで両側には、テープ(38)に収容された電子部品を
１ピッチずつ送るテープフィーダユニット(37)と、電子
部品を縦積みした状態で収納する部品マガジン(39)を配
置している。

【００２７】電子部品を吸着保持するための吸着ヘッド
機構(４)をＸ軸方向およびＹ軸方向へ移動させるＸ−Ｙ
テーブルは、機台上にＹ軸方向へ架設された一対のＹ軸
方向ガイド体(35)(36)と、該ガイド体に摺動可能に係合
し、Ｙ軸方向に駆動されるＸ軸方向ガイド体(34)とを具
え、吸着ヘッド機構(４)は、Ｘ軸方向ガイド体(34)上に
Ｘ軸方向へ往復駆動可能に取り付けられている。

【００２８】吸着ヘッド機構(４)は、図５に示す如くＸ
軸方向ガイド体(34)に対して摺動可能に係合したＺ軸方
向ガイド体(53)を具え、該Ｚ軸方向ガイド体(53)には、
一対の軸受け(55)(56)によって垂直に支持されたボール
ねじ(52)が配置されている。該ボールねじ(52)には、Ｚ
軸方向ガイド体(53)に摺動可能に係合して上下動を案内
された昇降ブロック(54)が螺合している。

【００２９】ボールねじ(52)の上端部には、Ｚ軸方向ガ
イド体(53)上に設置されたモータ(51)が連結されてい
る。また、昇降ブロック(54)には、吸着ヘッド機構(４)
に突設した支持アーム(40)が固定されている。従って、
モータ(51)の駆動によってボールねじ(52)が回転する
と、ねじ推力によって昇降ブロック(54)が昇降駆動さ
れ、これに伴って吸着ヘッド機構(４)が昇降することに
なる。

【００３０】吸着ヘッド機構(４)は、図６に示す如く支
持アーム(40)に軸受け(401)(402)を介して垂直に支持さ
れた外筒(44)を具え、該外筒(44)の内部に内筒(45)が配
置され、外筒(44)に対して軸方向の移動が可能でかつ相
対回転不能に係合している。内筒(45)の中央孔(46)は図
示省略する真空ポンプに連繋している。また、内筒(45)
の下端部には、吸着ノズル(41)を挟圧保持する一対の挟
圧アーム(42)(42)が取り付けられている。

【００３１】外筒(44)の内部上面には押圧力検出センサ
として、圧電素子(61)が設置されている。該圧電素子(6
1)は、水晶、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料で構
成され、荷重の作用によって歪みを生じたとき、この歪
量に相当する電荷を発生するものである。従って、電荷
の発生量を検出することによって、部品がプリント基板
に接触した際の押圧力を測定することが可能となる。

【００３２】内筒(45)は、バネ(102)を介して外筒(44)
と連繋し、内筒(45)の重量によってバネ(102)が僅かに
縮んだ状態で、内筒(45)の上面が圧電素子(61)の下面と
接触している。従って、吸着ノズル(41)に保持した部品
がプリント基板から受ける力によって、圧電素子(61)が
押圧され、該押圧力に応じた電荷を発生することにな
る。

【００３３】前記一対の挟圧アーム(42)(42)は、図７の
如く内筒(45)の下端部に枢支連結され、両アーム間にス
プリング(43)が張設されている。これによって、吸着ノ
ズル(41)は、両挟圧アーム(42)(42)により着脱可能に挟
圧保持され、保持された状態で、ノズル孔は内筒(45)の
中央孔(46)と連通することになる。

【００３４】尚、外筒(44)にはタイミングベルト(48)よ
って駆動されるプーリ(47)が取り付けられており、図示
省略する駆動機構によって外筒(44)を所定角度だけ回転
させて、吸着ノズル(41)に保持した電子部品(３)の向き
を任意に変えることが可能となっている。

【００３５】上記電子部品自動装着装置(２)は、図８に
示すマイクロコンピュータ(１)によって動作が制御され
ている。すなわち、電子部品装着装置(２)の昇降駆動用
モータ(51)の制御においては、前記圧電素子から構成さ
れる圧力センサー(６)の出力信号がＡ／Ｄ変換器(13)を
介してマイクロコンピュータ(１)へ供給され、これに応
じてマイクロコンピュータ(１)がモータ制御信号を作成
し、該信号はＤ／Ａ変換器(11)を介してモータドライバ
(12)へ送られ、これによってモータ(51)の回転が制御さ
れることになる。

【００３６】次に、圧力センサ(６)の検出信号に基づく
モータ(51)の制御について説明する。図９はこのときの
押圧力の制御系を示すブロック図である。押圧力の制御
は、マイクロコンピュータ(１)内にあらかじめ設定した
押圧力を目標値として、モータ(51)をフィードバック制
御し、電子部品に加わる力を所定の値に制御するもので
ある。

【００３７】上記マイクロコンピュータ(１)内に設定さ
れた目標値と圧力センサー(６)によって検出した押圧力
の偏差を前記モータ(51)を含む駆動系(21)へ入力する。
また、電子部品およびプリント基板を含む制御対象(22)
から得られる押圧力は、圧力センサー(６)によって検出
され、マイクロコンピュータ(１)へフィードバックされ
る。

【００３８】上記の制御によって、電子部品(３)を予め
決められた所定の押圧力でプリント基板(31)上に装着す
ることができるのである。尚、上記圧力制御の終了時点
は、例えば、マイクロコンピュータ(１)が出力すべき目
標値を零に立ち下げることによって、或いは、押圧動作
を開始してからの経過時間を計測し、一定時間が経過し
たときに吸着ヘッド機構(４)がプリント基板(31)から上
昇する方向に昇降用モータ(51)を回転させることで実現
できる。

【００３９】上記制御は、電子部品(３)のプリント基板
(31)の装着時だけではなく、部品供給部における部品吸
着動作に際しても適用される。そして、電子部品の表面
実装が完了すると、次の電子部品の吸着および装着動作
へ移行し、同様の処理を繰り返すのである。

【００４０】上記圧電素子(61)から発生する電荷は、図
１に示す外力測定装置へ供給され、該電荷が電圧信号に
変換されて、電子部品装着時の押圧力が測定される。図
１の如く、圧電素子(61)の出力端には、電荷増幅器(７)
が接続される。該電荷増幅器(７)は、周知のＦＥＴ入力
型のＯＰアンプ(71)を具え、その帰還ループには、圧電
素子(61)が発生した電荷をチャージするためのコンデン
サＣｆと、これと並列に出力電圧の直流成分の安定化を
図る抵抗Ｒｆが挿入されている。

【００４１】又、電荷増幅器(７)の後段には、Ｃｆのば
らつきによる誤差を補償すると共に出力電圧を適当な値
に増幅するための非反転増幅器(９)が接続されている。
この非反転増幅器(９)の増幅率を適当に大きく設定すれ
ば、出力電圧信号の減衰を可及的に抑制するべく、Ｃｆ
及びＲｆの値を可能な範囲で大きく設定した場合にも、
ゲインの低下を補うことが出来る。

【００４２】更に本発明に係る外力測定装置において
は、出力電圧の基準値のオフセット調整のために、帰還
ループのコンデンサＣｆ及び抵抗Ｒｆに対して並列にＦ
ＥＴスイッチ(７)を接続している。又、非反転増幅器
(９)の出力電圧はコンパレータ(81)へ送出して、基準電
圧と比較し、該比較結果に応じて、前記ＦＥＴスイッチ
(８)をＯＮ−ＯＦＦ制御している。

【００４３】該ＯＮ−ＯＦＦ制御の様子を図３にて説明
する。図３において、２点鎖線で示すａ点及びｂ点を含
むパルス波形Ａは、圧電素子に作用する押圧力の変化を
表わしている。

【００４４】出力電圧を比較すべきコンパレータの基準
値は、図３に１点鎖線で示す様に零レベルよりも僅かに
低い負の値に設定されており、実線で示す出力電圧の変
化が、ａ点及びｃ点を経て、基準値のｄ点を通過する時
点で、コンパレータ(81)が動作してＦＥＴスイッチ(８)
を閉成せしめるのである。

【００４５】これによって、出力電圧の波形Ｂは、ｅ点
まで低下することなく、ｄ点から零レベルへ向けて迅速
に復帰し、自動的にオフセット調整が行われることにな
る。従って、頻繁に押圧動作を繰り返す場合でも、押圧
開始時には出力電圧は零に戻っており、誤差が累積する
ことはない。この結果、電子部品装着時の押圧力を正確
に測定出来、電子部品に損傷を与えることなく確実な装
着動作が実現される。

【００４６】上記実施例では、押圧動作の完了時点を出
力電圧の低下に基づいて検出し、該時点にてスイッチを
閉成しているが、スイッチを閉成するタイミングは、次
の押圧動作を開始する直前でも可い。例えば吸着ヘッド
機構(４)に連繋して近接スイッチを設け、吸着ヘッド機
構(４)に保持された部品が基板の近傍まで下降した時点
を近接スイッチにより検出する構成が採用出来る。この
場合、図８に示す如く近接スイッチ(62)の動作信号をマ
イクロコンピュータ(１)へ供給して、コンピュータ制御
によって前記ＦＥＴスイッチを閉成せしめることが可能
である。近接スイッチの替わりにリミットスイッチ等を
用いることも出来る。

【００４７】又、マイクロコンピュータ(１)は、吸着ヘ
ッド機構(４)の下降動作を制御するものであり、自身の
制御動作に基づいて、部品が基板の近傍まで下降した時
点を認識することが出来るから、単独でＦＥＴスイッチ
をＯＮ−ＯＦＦ制御することも可能である。

【００４８】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは
勿論である。例えば図１に示すコンパレータ(81)の機能
をソフトウエアによって実現することも可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る外力測定装置の構成を示す回路図
である。

【図２】従来の外力測定装置の回路図である。

【図３】外力測定装置の出力電圧の変化を示すグラフで
ある。

【図４】表面実装装置の外観を示す斜視図である。

【図５】ヘッド昇降機構に取り付けられた吸着ヘッド機
構の外観を示す斜視図である。

【図６】吸着ヘッド機構の断面図である。

【図７】吸着ヘッド機構のノズル部の拡大断面図であ
る。

【図８】表面実装装置のモータ駆動系を示すブロック図
である。

【図９】圧力制御系を示す制御ブロック図である。

【符号の説明】

(61) 圧電素子 (７) 電荷増幅器 (８) ＦＥＴスイッチ (81) コンパレータ (９) 非反転増幅器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者富樫仁夫大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (72)発明者森田芳年大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (72)発明者国光道生大阪府守口市京阪本通２丁目18番地三洋電機株式会社内 (72)発明者山口智実京都府京都市下京区中堂寺南町17番地京都リサーチパーク財団法人京都高度技術研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】外力の作用によって電荷を発生する圧電
素子と、該圧電素子から発生する電荷の変化分をチャー
ジして電圧信号を出力する電荷増幅器とを具えた外力測
定装置において、前記電荷増幅器を構成する帰還ループ
には、ＯＮ−ＯＦＦ制御可能なスイッチが並列に接続さ
れ、該スイッチは、制御手段によりＯＮ−ＯＦＦ制御さ
れて、外力の作用しない期間に閉成されることを特徴と
する外力測定装置。
【請求項２】制御手段は、電荷増幅器の出力電圧が所
定の基準値を下回った時点を検出する検出手段を具え、
該時点にてスイッチを閉成する請求項１に記載の外力測
定装置。
【請求項３】制御手段は、外力の作用する直前時点を
検出する検出手段を具え、該時点にてスイッチを閉成す
る請求項１に記載の外力測定装置。
【請求項４】部品吸着ヘッドに保持した部品を装着面
の所定位置に押圧して設置する部品装着装置であって、
部品に作用する押圧力を測定する外力測定装置を具え、
該外力測定装置は、部品吸着ヘッドに装備されて前記押
圧力に応じた電荷を発生する圧電素子と、該圧電素子か
ら発生する電荷の変化分をチャージして電圧信号を出力
する電荷増幅器とを具え、該電荷増幅器を構成する帰還
ループには、ＯＮ−ＯＦＦ制御可能なスイッチが並列に
接続され、該スイッチは、制御手段によりＯＮ−ＯＦＦ
制御されて、１つの装着動作が終了した後、次の装着動
作が開始するまでの期間に閉成されることを特徴とする
部品装着装置。