JPWO2007111296A1 - 実装ヘッド、および電子部品実装装置 - Google Patents

実装ヘッド、および電子部品実装装置 Download PDF

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Abstract

電子部品実装装置において、ノズル機構をノズルユニットの鉛直上方にシャフト型リニアモータを配設し、シャフト型リニアモータの鉛直上方にリニアエンコーダを配設して構成することでスリムな形状とする。これにより、各ノズル機構のＸＹ方向（水平方向）における占有面積を小さくすることが可能になり、隣接するノズル間のピッチを狭ピッチ化することができ、小型化、高集積化する基板における電子部品の実装ピッチの狭ピッチ化に対応できる。

Description

本発明は、電子部品の実装に用いられるノズル機構、実装ヘッド、および電子部品実装装置に関する。
電子機器の小型軽量化、高機能化の進展に伴い、これに搭載される基板においてもさらなる小型化、高集積化が求められている。このように小型化、高集積化する基板においては、電子部品が実装される実装箇所が狭ピッチ化しているため、実装ヘッドにおいてもノズルピッチを狭ピッチ化することが要求される。
従来、実装ヘッドに備えられたノズルは、基板に対して上下動および軸回転可能に構成されており、ノズルの上部に備えられたモータの回転駆動がボールねじやナット等の駆動伝達機構によりノズルの上下動に変換されている（特許文献１参照）。
特開２００２−９４９１号公報
ところで、ノズルピッチを狭ピッチ化するためには、サーボモータおよびサーボモータの回転運動をノズルの上下運動に伝達する駆動伝達機構を備えたノズル機構をスリム化する必要がある。しかしながら、ノズル機構は、ノズルに吸着保持された電子部品を基板に対して押圧する荷重機構を兼務しており、また、電子部品の実装における生産性を低下させないように上下移動速度を確保する必要があるためスリム化には限界がある。
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、電子部品の実装ピッチの狭ピッチ化に対応したスリムなノズル機構およびノズルピッチを狭ピッチ化した実装ヘッド、さらにノズルピッチを狭ピッチ化した実装ヘッドを備えた電子部品実装装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、フレームと、
電子部品を解除可能に吸着保持するノズルと、
その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられたノズルユニットと、
上記フレームに対して固定され、上記ノズルユニットを上記フレームに対して上下移動させるシャフト型リニアモータと、
上記ノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するためのリニアエンコーダとを備え、
上記シャフト型リニアモータが上記ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記リニアエンコーダが上記シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設されるノズル機構を提供する。
本発明の第２態様によれば、複数のノズルにそれぞれ吸着保持した電子部品を基板の複数の実装箇所に実装する実装ヘッドであって、
フレームと、
その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられた複数のノズルユニットと、
上記フレームに対して固定され、上記各々のノズルユニットを上記フレームに対して個別に上下移動させる複数のシャフト型リニアモータと、
上記各々のノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するための複数のリニアエンコーダとを備え、
上記各シャフト型リニアモータが上記各ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記各リニアエンコーダが上記各シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設される実装ヘッドを提供する。
本発明の第３態様によれば、電子部品供給装置および基板保持装置に対して水平移動可能に備えられ、上記電子部品供給装置に収納された複数の電子部品を複数のノズルにより吸着保持して、上記基板保持装置に保持された基板における複数の実装箇所に上記それぞれの電子部品を実装する実装ヘッドを備える電子部品実装装置において、
上記実装ヘッドが、
フレームと、
その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられた複数のノズルユニットと、
上記フレームに対して固定され、上記各々のノズルユニットを上記フレームに対して個別に上下移動させる複数のシャフト型リニアモータと、
上記各々のノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するための複数のリニアエンコーダとを備え、
上記各シャフト型リニアモータが上記各ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記各リニアエンコーダが上記各シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設される電子部品実装装置を提供する。
本発明の第４態様によれば、上記電子部品供給装置が備える複数の電子部品供給用フィーダの配置間隔と、同じ配置間隔にて、上記それぞれのノズルユニットがフレームに装備されている、第３態様に記載の電子部品実装装置を提供する。
本発明によれば、狭ピッチでノズルを配列することが可能になるので、小型化、高集積化により狭ピッチ化する基板への電子部品の実装に適したノズル機構、実装ヘッド、および電子部品実装装置を実現することができる。
本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、本発明の実施形態の電子部品実装装置の全体構成図であり、 図２は、上記実施形態の実装ヘッドの斜視図であり、 図３は、上記実施形態のノズル機構の側面図および制御系の構成図である。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
最初に、本発明の実施の形態の電子部品実装装置の全体構成について説明する。図１に本実施形態の電子部品実装装置の全体構成図を示す、図１において、電子部品実装装置のベースとなる基台１上には、基板２の搬送を行う基板搬送装置３がＸ方向に延伸して配設されている。基板搬送装置３には基板２をクランプして保持する機能が備わっており、Ｘ方向に搬送される基板２を所定の位置で保持する基板保持装置として機能する。なお、本実施形態においては、基板２の搬送方向をＸ方向とし、これに水平面内で直交する方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に直交する鉛直方向をＺ方向とする。
基板搬送装置３のＹ方向における両側方には、電子部品供給用フィーダの一例である複数のパーツフィーダ４が並設されている。パーツフィーダ４は電子部品供給装置として機能し、内部に収納された複数の電子部品を供給口５に順次供給する。
基台１のＸ方向における両端部には一対のＹテーブル６が配設されており、この一対のＹテーブル６上にＸテーブル７が架設されている。Ｘテーブル７には実装ヘッド８が装着されている。Ｙテーブル６およびＸテーブル７には、それぞれＹ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ａ（図３参照）が備えられており、実装ヘッド８を基台１に対して相対的に水平移動させる。
図２に本実施形態の実装ヘッドの斜視図を示す。図２において、実装ヘッド８はブラケット８ａによりＸテーブル７に装着されている。ブラケット８ａには複数のノズル機構９を所定の間隔で保持するフレーム２０が装着されている（本実施形態においては、Ｘ方向に６列、Ｙ方向に２列の計１２個のノズル機構が装着されている）。各ノズル機構９の下端には電子部品を解除可能に吸着保持するノズル１０が装着されている。各ノズル機構９には、ノズル１０をθ方向（Ｚ軸周り）に回転させるためのθ回転機構３０が備えられている。θ回転機構３０は、モータ３１に直結するプーリ３２および各ノズル１０に直結するプーリ３３に係合されたタイミングベルト３４により、モータ３１の駆動を各ノズル１０の回転に伝達する機構により構成されている。なお、図示はしていないが、θ回転機構は、Ｘ方向に配列された６列のノズル機構９を一組として構成されており、本実施形態においては、２組のθ回転機構が備えられている。
また、各ノズル機構９には、ノズル１０を上下移動させるためのＺ軸駆動機構４０が備えられている。さらに、各ノズル機構９には、吸排気機構５０が備えられており、図示しない真空発生源の駆動によりノズル１０内を真空吸引することにより電子部品を吸着保持し、ノズル１０内の排気を行うことにより電子部品をリリースするいわゆる真空破壊を行う。図３に示すように、Ｙ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ａ、θ回転機構３０、Ｚ軸駆動機構４０、吸排気機構５０は制御部１１と電気的及び制御的に接続されており、制御部１１から送信される制御指令に基づいて駆動する。
図１および図２において、実装ヘッド８の側方にはカメラ１２が配設されている。カメラ１２は、実装ヘッド８と一体となって基台１に対して相対的にＸＹ方向に水平移動し、認識対象の撮像を行う撮像手段として機能する。また、基板搬送装置３とパーツフィーダ４の間にはカメラ１３が配設されている。カメラ１３は、パーツフィーダ４の供給口５からノズル１０によりピックアップされた電子部品を下方からスキャニングする撮像手段として機能する。
図３に、本実施形態のノズル機構の側面図および制御系の構成図を示す。図３において、カメラ１２により撮像された認識対象の画像は、制御部１１に含まれる画像処理領域１１ｃにより画像処理され、演算領域１１ｂにより認識対象の中心とカメラ１２の認識原点との水平位置関係が演算される。記憶領域１１ａにはカメラ１２の認識原点と各ノズル１０の軸中心との距離データが予め記憶されており、演算領域１１ｂにより実装ヘッド８の任意のノズル１０の軸中心と認識対象の中心との水平位置関係が演算される。制御部１１は演算領域１１ｂによる演算結果に基づいてＹ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ｂの駆動の制御を行い、これにより任意のノズル１０の軸中心と認識対象の中心との位置合わせが行われる。なお、カメラ１２による認識対象は、ピックアップの際にはパーツフィーダ４の供給口５に供給された電子部品であり、実装の際には基板２の所定箇所に設けられた位置合わせ用の認識マーク等である。
カメラ１３により撮像された認識対象の画像は画像処理領域１１ｃにより画像処理され、演算領域１１ｂにより認識対象の中心とカメラ１３の認識原点との水平位置関係が演算される。通常、カメラ１３による認識対象はノズル１０に吸着された電子部品であり、認識対象となる電子部品を吸着したノズル１０の軸中心がカメラ１３の認識原点と撮像画像上で重なるように実装ヘッド８が位置決めされる。したがって、演算領域１１ｂにより演算された電子部品の中心とカメラ１３の認識原点との水平位置関係がノズル１０の軸中心と電子部品の中心のずれとなる。制御部１１は、演算領域１１ｂによる演算結果に基づいてＹ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ｂの駆動の制御を行う。これにより、ノズル１０に吸着された電子部品が、実装箇所に正確に位置合わせ補正される。また、画像処理領域１１ｃでは電子部品の画像のパターン認識を行い、ノズル１０に吸着された電子部品の姿勢認識を行う。演算領域１１ｂによりノズル１０に吸着された電子部品の姿勢と正常な実装姿勢とのずれを演算する。制御部１１は、演算領域１１ｂによる演算結果に基づいてθ回転機構３０の駆動の制御を行う。これにより、ノズル１０に吸着された電子部品の姿勢が正常な実装姿勢に補正される。
制御部１１には、キーボードやドライバ等からなる入力部１５が接続されており、記憶領域１１ａに予め記憶させる様々なデータを入力したり、制御部１１に直接指令を入力したりする。さらに、制御部１１には出力部１６が接続されている。出力部１６は、ＣＲＴや液晶パネル等の可視表示手段を備え、電子部品実装装置における動作状況を可視表示する。さらに出力部１６は警告手段を備え、装置の稼動中に不具合が生じた場合等にオペレータにエラー情報を伝える。
また、演算領域１１ｂは、電子部品実装装置における様々な演算処理を行う。演算処理に必要なデータは予め記憶領域１１ａに記憶されている。さらに記憶領域１１ａには制御プログラムが記憶されており、制御部１１は制御プログラムに従って電子部品実装装置における実装動作の制御を行う。
次に、本発明の実施の形態のノズル機構について説明する。図３において、各ノズル機構９はフレーム２０に所定の間隔をおいて保持されている。各ノズル機構９には、下端にノズル１０が装着されたノズルユニット２１と、ノズル１０をフレーム２０に対して上下移動させるＺ軸駆動機構４０と、ノズル１０をθ方向（Ｚ軸周り）に回転させるθ回転機構３０と、ノズル１０内を吸排気して電子部品のピックアップおよびリリースを行う吸排気機構５０と、ノズルユニット２１のフレーム２０に対する上下位置を検出するためのリニアエンコーダ６０が備えられている。
ノズルユニット２１はボールスプライン２３を主体として構成され、ボールスプライン２３はベアリング２４によりθ方向（Ｚ軸周り）に回転自在に軸受けされている。ノズル１０はスプライン軸２３ａの下端に装着され、スプライン軸２３ａのＺ方向への摺動に連動して移動し、フレーム２０に対して上下に変位する。スプライン軸２３ａの周囲にはコイルばね２５が装着されており、コイルばね２５の上端はスプライン軸２３ａの上端部に形成された係止部２６により係止されている。コイルばね２５の下端は、例えばプーリ３３に係止されることでフレーム２０に対して固定されている。図３に示す左側のノズル機構９のように、スプライン軸２３ａに何ら外力が作用しないと、スプライン軸２３ａおよびこれに装着されたノズル１０はコイルばね２５の弾性力により上方に付勢された状態となる。一方、図３に示す右側のノズル機構のように、スプライン軸２３ａを下方に押圧する力が作用すると、スプライン軸２３ａおよびノズル１０はコイルばね２５の弾性力に抗して下方に移動する。コイルばね２５は、ノズル１０をフレーム２０に対して上方に付勢する付勢手段として機能する。
θ回転機構３０において、プーリ３３はその肉厚の薄型化が図られている。通常、このようなプーリは、その外周側から締結されることによりスプライン軸に固定される構造が採用される。しかしながら、本実施形態のノズル機構９においては、プーリ３３の薄型化を図っているため、プーリ３３の上下方向からプーリ３３を挟み込む方式にて、スプライン軸２３ａへの固定を行っている。このような固定方法が採用されていることにより、プーリ３３の実質的な外周端の径を小さくすることができ、後述するように、それぞれのノズル１０の配置の狭ピッチ化に寄与することができる。
なお、コイルばねのばね長がばね巻き径に対して大きくなり過ぎると、圧縮された際に座屈し易くなり、座屈したばね部が他の部位に干渉する不具合が生じることがある。そのため、コイルばね２５は、スペーサ２９によりＺ方向に２段に分割されており、ばね巻き径を大きくすることなくばね長を確保している。これにより、隣り合うノズル機構９を近接して配設した場合に、座屈したコイルばね２５が相互に干渉することを防止することができる。
ノズルユニット２１の鉛直上方には、Ｚ軸駆動機構４０を構成するシャフト型リニアモータが配設されている。シャフト型リニアモータ４０は、フレーム２０に対して固定された固定子４１と、固定子４１に対して上下方向にスライド自在の可動子４２により構成されている。可動子４２には永久磁石のＳ極およびＮ極が所定の間隔で交互に配列されており、固定子４１に内蔵されたコイルに通電すると可動子４２をＺ方向に移動させるための推力が発生する。ノズルユニット２１とシャフト型リニアモータ４０の間には、可動子４２の推力をスプライン軸２３ａに伝達する伝達手段としてのボールスプライン２７が配設されており、可動子４２の下端がボールスプライン２７のスプライン軸２７ａの上端が接続されている。
可動子４２に下向きの推力を発生させると、可動子４２と接続されたスプライン軸２７ａが鉛直下方に移動し、コネクタ２８を介してスプライン軸２３ａの上端に押圧力を作用する。この押圧力がコイルばね２５の弾性力を超えると、スプライン軸２３ａは下方へ移動し、スプライン軸２３ａの下端に装着されたノズル１０がフレーム２０に対して下方に移動する。制御部１１には推力調整領域１１ｄが含まれており、コイルに通電する電流を調整して可動子４２の推力を調整することによりノズル１０のフレーム２０に対する上下位置を調整する。なお、コネクタ２８は、スプライン軸２３ａの上端を軸受けするベアリング２４に当接してノズルユニット２１を下方に押圧するので、ボールスプライン２３の回転の影響を受けることはない。
シャフト型リニアモータ４０の鉛直上方には、リニアエンコーダ６０が配設されている。リニアエンコーダ６０は可動部６１と固定部６２により構成されている。可動部６１はフレーム２０に設けられた軸受け６３にＺ方向に上下移動自在に挿通されて可動子４２の上端と接続されており、可動子４２の上下移動に連動して上下に移動可能になっている。固定部６２はフレーム２０に対して固定されており、可動子４２の上下移動に連動して上下に移動可能な可動部６１との相対的な上下位置が変化するようになっている。この上下位置の変化量は、可動部６１に設けられた被検出部６１ａを固定部６２に設けられた検出ヘッド６２ａにより検出した電気信号を制御部１１に含まれる位置検出領域１１ｅにおいて処理することで検出される。これにより、可動部６１のフレーム２０に対する上下位置、すなわちノズル１０のフレーム２０に対する上下位置が検出される。
なお、可動子４２は、ボールスプライン２７によりθ方向への変位が規制されているので、可動子４２に接続された可動部６１もθ方向への変位が規制されＺ方向への変位のみが許容される。従って、可動部６１がＺ方向におけるどの位置に上下移動した場合であっても、可動部６１に設けられた被検出部６１ａは常に固定部６２に設けられた検出ヘッド６２ａと対向した状態が維持され、ノズル１０のフレーム２０に対する上下位置を検出することができる。
制御部１１は、ノズル１０のフレーム２０に対する上下位置に基づいて可動子４２の推力の調整を行う。すなわち、スループットを向上させる、つまり生産性を向上させるためにはノズル１０の上下移動速度を高くすることが要求される。一方、ノズル１０により電子部品を吸着保持したり実装したりする際には、ノズル１０の下降速度を低下させて電子部品や基板に与える衝撃を低減させる必要がある。そのため、ノズル１０の下端が電子部品に対して所定の位置まで近接した時点、およびノズル１０に吸着された電子部品が基板の実装箇所に対して所定の位置まで近接した時点で可動子４２の推力を低下させ、ノズル１０の下降速度を低下させる。このように、ノズル１０のフレーム２０に対する上下位置に基づいてノズル１０の上下移動速度を制御することにより、スループットを低下させることなく実装品質を維持することができる。また、ノズル１０はコイルばね２５によりフレーム２０に対して上方に付勢されているため、可動子４２に内蔵されたコイルへの通電が中断若しくは停止すると、可動子４２に働く推力がゼロになりコイルばね２５による弾性力のみが作用してノズル１０が急上昇することがある。その結果、ノズル１０に吸着された電子部品が落下したり各駆動系に衝撃が加わったりする等の不具合が生じることがある。そのため、可動子４２への通電の遮断を遅延するための電気回路を制御部１１に設け、通電が遮断した時点から可動子４２の推力が徐々に低下するように制御を行う。
このように本実施形態のノズル機構９は、ノズルユニット２１の鉛直上方にシャフト型リニアモータ４０を配設し、シャフト型リニアモータ４０の鉛直上方にリニアエンコーダ６０を配設した構成を採用してスリムな形状としている。このような構成を採用することにより、ＸＹ方向（水平方向）における占有面積を小さくすることが可能となる。特に、従来のサーボモータとボールねじ等の伝達機構の組み合わせによるノズル機構においてサーボモータの回転角を検出するロータリーエンコーダに比べ、鉛直方向における相対位置の変化を検出するリニアエンコーダは大幅にスリム化することが可能である。したがって、各ノズル１０のＸ方向におけるピッチＰ１とＹ方向におけるピッチＰ２（図２および図３参照）を従来に比べ大幅に狭ピッチ化することができる。これにより、小型化、高集積化する基板の狭ピッチ化する実装箇所に対応したピッチでノズル１０を配列した実装ヘッドを実現することができる。
例えば、従来の実装ヘッドにおける各ノズルのＸ方向におけるピッチＰ１は２１ｍｍであるのに対して、本実施形態ではピッチＰ１を１０．５ｍｍと、従来の２分の１程度に狭ピッチ化することができる。パーツフィーダにおいては、搭載品種数増加の目的でダブルフィーダ（１台のパーツフィーダにてその幅方向に２つの供給口を配置したフィーダ）を用いることは従来から行われているが、このようなダブルフィーダが用いられても、実装ヘッドにおけるノズルピッチを狭くすることができなかったために、同時吸着できるフィーダの組み合わせに制限が存在している。すなわち、１台のダブルフィーダにおけるそれぞれの供給口から同時に電子部品を吸着取り出しすることができないという問題が存在している。しかしながら、本実施形態ではノズルピッチを狭くすることができるため、例えばノズルピッチをダブルフィーダのピッチに合わせることが可能となる。このような場合にあっては、１台のダブルフィーダのそれぞれの供給口から電子部品を同時に吸着取り出しすることが可能となり、電子部品の実装における生産性を向上させることができる。
また、パーツフィーダ４（図１参照）が２個の電子部品を同時に供給することが可能なダブルフィーダである場合に、各ノズル１０Ｙ方向におけるピッチＰ２をパーツフィーダ４の供給口５（図１参照）に供給される２個の電子部品のＹ方向におけるピッチに対応させることが可能となり、２個同時にピックアップしてスループットを向上することができる。
さらに、ノズル１０の上下移動にリニアモータの推力を直接利用しているので、従来の回転運動を直線運動に伝達する方法に比較してノズル１０の上下移動量を直接調整することが可能となり、電子部品の実装の際のダイレクトな荷重制御を行うことができる。すなわち、従来の実装ヘッドのように駆動伝達機構としてボールねじ機構が用いられているような構成においては、ねじ溝ピッチの誤差を考慮してノズルの上下移動における精度を調整する必要がある。これに対して、本実施形態では、従来のように駆動伝達機構が介在することなく、リニアモータ４０にて直接的に上下移動量が決定されるため、リニアエンコーダ６０の精度により上下移動の精度が決定される。
また、本実施形態においては、従来のように駆動伝達機構を介在させることなく、シャフト型リニアモータ４０によりノズル１０の直接的な上下移動を実現しているため、ノズル機構９において軽量化および小型化を図ることができる。
本発明によれば、狭ピッチでノズルを配列することが可能になるので、小型化、高集積化する基板に電子部品を狭ピッチで実装する分野において有用である。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
２００６年３月２７日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００６−０８４６０１号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
本発明は、電子部品の実装に用いられるノズル機構、実装ヘッド、および電子部品実装装置に関する。
電子機器の小型軽量化、高機能化の進展に伴い、これに搭載される基板においてもさらなる小型化、高集積化が求められている。このように小型化、高集積化する基板においては、電子部品が実装される実装箇所が狭ピッチ化しているため、実装ヘッドにおいてもノズルピッチを狭ピッチ化することが要求される。
従来、実装ヘッドに備えられたノズルは、基板に対して上下動および軸回転可能に構成されており、ノズルの上部に備えられたモータの回転駆動がボールねじやナット等の駆動伝達機構によりノズルの上下動に変換されている（特許文献１参照）。
特開２００２−９４９１号公報
ところで、ノズルピッチを狭ピッチ化するためには、サーボモータおよびサーボモータの回転運動をノズルの上下運動に伝達する駆動伝達機構を備えたノズル機構をスリム化する必要がある。しかしながら、ノズル機構は、ノズルに吸着保持された電子部品を基板に対して押圧する荷重機構を兼務しており、また、電子部品の実装における生産性を低下させないように上下移動速度を確保する必要があるためスリム化には限界がある。
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、電子部品の実装ピッチの狭ピッチ化に対応したスリムなノズル機構およびノズルピッチを狭ピッチ化した実装ヘッド、さらにノズルピッチを狭ピッチ化した実装ヘッドを備えた電子部品実装装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
本発明の第１態様によれば、フレームと、
電子部品を解除可能に吸着保持するノズルと、
その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられたノズルユニットと、
上記フレームに対して固定され、上記ノズルユニットを上記フレームに対して上下移動させるシャフト型リニアモータと、
上記ノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するためのリニアエンコーダとを備え、
上記シャフト型リニアモータが上記ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記リニアエンコーダが上記シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設されるノズル機構を提供する。
本発明の第２態様によれば、複数のノズルにそれぞれ吸着保持した電子部品を基板の複数の実装箇所に実装する実装ヘッドであって、
フレームと、
その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられた複数のノズルユニットと、
上記フレームに対して固定され、上記各々のノズルユニットを上記フレームに対して個別に上下移動させる複数のシャフト型リニアモータと、
上記各々のノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するための複数のリニアエンコーダとを備え、
上記各シャフト型リニアモータが上記各ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記各リニアエンコーダが上記各シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設される実装ヘッドを提供する。
本発明の第３態様によれば、電子部品供給装置および基板保持装置に対して水平移動可能に備えられ、上記電子部品供給装置に収納された複数の電子部品を複数のノズルにより吸着保持して、上記基板保持装置に保持された基板における複数の実装箇所に上記それぞれの電子部品を実装する実装ヘッドを備える電子部品実装装置において、
上記実装ヘッドが、
フレームと、
その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられた複数のノズルユニットと、
上記フレームに対して固定され、上記各々のノズルユニットを上記フレームに対して個別に上下移動させる複数のシャフト型リニアモータと、
上記各々のノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するための複数のリニアエンコーダとを備え、
上記各シャフト型リニアモータが上記各ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記各リニアエンコーダが上記各シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設される電子部品実装装置を提供する。
本発明の第４態様によれば、上記電子部品供給装置が備える複数の電子部品供給用フィーダの配置間隔と、同じ配置間隔にて、上記それぞれのノズルユニットがフレームに装備されている、第３態様に記載の電子部品実装装置を提供する。
本発明によれば、狭ピッチでノズルを配列することが可能になるので、小型化、高集積化により狭ピッチ化する基板への電子部品の実装に適したノズル機構、実装ヘッド、および電子部品実装装置を実現することができる。
本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。
以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
最初に、本発明の実施の形態の電子部品実装装置の全体構成について説明する。図１に本実施形態の電子部品実装装置の全体構成図を示す、図１において、電子部品実装装置のベースとなる基台１上には、基板２の搬送を行う基板搬送装置３がＸ方向に延伸して配設されている。基板搬送装置３には基板２をクランプして保持する機能が備わっており、Ｘ方向に搬送される基板２を所定の位置で保持する基板保持装置として機能する。なお、本実施形態においては、基板２の搬送方向をＸ方向とし、これに水平面内で直交する方向をＹ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向に直交する鉛直方向をＺ方向とする。
基板搬送装置３のＹ方向における両側方には、電子部品供給用フィーダの一例である複数のパーツフィーダ４が並設されている。パーツフィーダ４は電子部品供給装置として機能し、内部に収納された複数の電子部品を供給口５に順次供給する。
基台１のＸ方向における両端部には一対のＹテーブル６が配設されており、この一対のＹテーブル６上にＸテーブル７が架設されている。Ｘテーブル７には実装ヘッド８が装着されている。Ｙテーブル６およびＸテーブル７には、それぞれＹ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ａ（図３参照）が備えられており、実装ヘッド８を基台１に対して相対的に水平移動させる。
図２に本実施形態の実装ヘッドの斜視図を示す。図２において、実装ヘッド８はブラケット８ａによりＸテーブル７に装着されている。ブラケット８ａには複数のノズル機構９を所定の間隔で保持するフレーム２０が装着されている（本実施形態においては、Ｘ方向に６列、Ｙ方向に２列の計１２個のノズル機構が装着されている）。各ノズル機構９の下端には電子部品を解除可能に吸着保持するノズル１０が装着されている。各ノズル機構９には、ノズル１０をθ方向（Ｚ軸周り）に回転させるためのθ回転機構３０が備えられている。θ回転機構３０は、モータ３１に直結するプーリ３２および各ノズル１０に直結するプーリ３３に係合されたタイミングベルト３４により、モータ３１の駆動を各ノズル１０の回転に伝達する機構により構成されている。なお、図示はしていないが、θ回転機構は、Ｘ方向に配列された６列のノズル機構９を一組として構成されており、本実施形態においては、２組のθ回転機構が備えられている。
また、各ノズル機構９には、ノズル１０を上下移動させるためのＺ軸駆動機構４０が備えられている。さらに、各ノズル機構９には、吸排気機構５０が備えられており、図示しない真空発生源の駆動によりノズル１０内を真空吸引することにより電子部品を吸着保持し、ノズル１０内の排気を行うことにより電子部品をリリースするいわゆる真空破壊を行う。図３に示すように、Ｙ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ａ、θ回転機構３０、Ｚ軸駆動機構４０、吸排気機構５０は制御部１１と電気的及び制御的に接続されており、制御部１１から送信される制御指令に基づいて駆動する。
図１および図２において、実装ヘッド８の側方にはカメラ１２が配設されている。カメラ１２は、実装ヘッド８と一体となって基台１に対して相対的にＸＹ方向に水平移動し、認識対象の撮像を行う撮像手段として機能する。また、基板搬送装置３とパーツフィーダ４の間にはカメラ１３が配設されている。カメラ１３は、パーツフィーダ４の供給口５からノズル１０によりピックアップされた電子部品を下方からスキャニングする撮像手段として機能する。
図３に、本実施形態のノズル機構の側面図および制御系の構成図を示す。図３において、カメラ１２により撮像された認識対象の画像は、制御部１１に含まれる画像処理領域１１ｃにより画像処理され、演算領域１１ｂにより認識対象の中心とカメラ１２の認識原点との水平位置関係が演算される。記憶領域１１ａにはカメラ１２の認識原点と各ノズル１０の軸中心との距離データが予め記憶されており、演算領域１１ｂにより実装ヘッド８の任意のノズル１０の軸中心と認識対象の中心との水平位置関係が演算される。制御部１１は演算領域１１ｂによる演算結果に基づいてＹ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ｂの駆動の制御を行い、これにより任意のノズル１０の軸中心と認識対象の中心との位置合わせが行われる。なお、カメラ１２による認識対象は、ピックアップの際にはパーツフィーダ４の供給口５に供給された電子部品であり、実装の際には基板２の所定箇所に設けられた位置合わせ用の認識マーク等である。
カメラ１３により撮像された認識対象の画像は画像処理領域１１ｃにより画像処理され、演算領域１１ｂにより認識対象の中心とカメラ１３の認識原点との水平位置関係が演算される。通常、カメラ１３による認識対象はノズル１０に吸着された電子部品であり、認識対象となる電子部品を吸着したノズル１０の軸中心がカメラ１３の認識原点と撮像画像上で重なるように実装ヘッド８が位置決めされる。したがって、演算領域１１ｂにより演算された電子部品の中心とカメラ１３の認識原点との水平位置関係がノズル１０の軸中心と電子部品の中心のずれとなる。制御部１１は、演算領域１１ｂによる演算結果に基づいてＹ軸駆動機構６ａおよびＸ軸駆動機構７ｂの駆動の制御を行う。これにより、ノズル１０に吸着された電子部品が、実装箇所に正確に位置合わせ補正される。また、画像処理領域１１ｃでは電子部品の画像のパターン認識を行い、ノズル１０に吸着された電子部品の姿勢認識を行う。演算領域１１ｂによりノズル１０に吸着された電子部品の姿勢と正常な実装姿勢とのずれを演算する。制御部１１は、演算領域１１ｂによる演算結果に基づいてθ回転機構３０の駆動の制御を行う。これにより、ノズル１０に吸着された電子部品の姿勢が正常な実装姿勢に補正される。
制御部１１には、キーボードやドライバ等からなる入力部１５が接続されており、記憶領域１１ａに予め記憶させる様々なデータを入力したり、制御部１１に直接指令を入力したりする。さらに、制御部１１には出力部１６が接続されている。出力部１６は、ＣＲＴや液晶パネル等の可視表示手段を備え、電子部品実装装置における動作状況を可視表示する。さらに出力部１６は警告手段を備え、装置の稼動中に不具合が生じた場合等にオペレータにエラー情報を伝える。
また、演算領域１１ｂは、電子部品実装装置における様々な演算処理を行う。演算処理に必要なデータは予め記憶領域１１ａに記憶されている。さらに記憶領域１１ａには制御プログラムが記憶されており、制御部１１は制御プログラムに従って電子部品実装装置における実装動作の制御を行う。
次に、本発明の実施の形態のノズル機構について説明する。図３において、各ノズル機構９はフレーム２０に所定の間隔をおいて保持されている。各ノズル機構９には、下端にノズル１０が装着されたノズルユニット２１と、ノズル１０をフレーム２０に対して上下移動させるＺ軸駆動機構４０と、ノズル１０をθ方向（Ｚ軸周り）に回転させるθ回転機構３０と、ノズル１０内を吸排気して電子部品のピックアップおよびリリースを行う吸排気機構５０と、ノズルユニット２１のフレーム２０に対する上下位置を検出するためのリニアエンコーダ６０が備えられている。
ノズルユニット２１はボールスプライン２３を主体として構成され、ボールスプライン２３はベアリング２４によりθ方向（Ｚ軸周り）に回転自在に軸受けされている。ノズル１０はスプライン軸２３ａの下端に装着され、スプライン軸２３ａのＺ方向への摺動に連動して移動し、フレーム２０に対して上下に変位する。スプライン軸２３ａの周囲にはコイルばね２５が装着されており、コイルばね２５の上端はスプライン軸２３ａの上端部に形成された係止部２６により係止されている。コイルばね２５の下端は、例えばプーリ３３に係止されることでフレーム２０に対して固定されている。図３に示す左側のノズル機構９のように、スプライン軸２３ａに何ら外力が作用しないと、スプライン軸２３ａおよびこれに装着されたノズル１０はコイルばね２５の弾性力により上方に付勢された状態となる。一方、図３に示す右側のノズル機構のように、スプライン軸２３ａを下方に押圧する力が作用すると、スプライン軸２３ａおよびノズル１０はコイルばね２５の弾性力に抗して下方に移動する。コイルばね２５は、ノズル１０をフレーム２０に対して上方に付勢する付勢手段として機能する。
θ回転機構３０において、プーリ３３はその肉厚の薄型化が図られている。通常、このようなプーリは、その外周側から締結されることによりスプライン軸に固定される構造が採用される。しかしながら、本実施形態のノズル機構９においては、プーリ３３の薄型化を図っているため、プーリ３３の上下方向からプーリ３３を挟み込む方式にて、スプライン軸２３ａへの固定を行っている。このような固定方法が採用されていることにより、プーリ３３の実質的な外周端の径を小さくすることができ、後述するように、それぞれのノズル１０の配置の狭ピッチ化に寄与することができる。
なお、コイルばねのばね長がばね巻き径に対して大きくなり過ぎると、圧縮された際に座屈し易くなり、座屈したばね部が他の部位に干渉する不具合が生じることがある。そのため、コイルばね２５は、スペーサ２９によりＺ方向に２段に分割されており、ばね巻き径を大きくすることなくばね長を確保している。これにより、隣り合うノズル機構９を近接して配設した場合に、座屈したコイルばね２５が相互に干渉することを防止することができる。
ノズルユニット２１の鉛直上方には、Ｚ軸駆動機構４０を構成するシャフト型リニアモータが配設されている。シャフト型リニアモータ４０は、フレーム２０に対して固定された固定子４１と、固定子４１に対して上下方向にスライド自在の可動子４２により構成されている。可動子４２には永久磁石のＳ極およびＮ極が所定の間隔で交互に配列されており、固定子４１に内蔵されたコイルに通電すると可動子４２をＺ方向に移動させるための推力が発生する。ノズルユニット２１とシャフト型リニアモータ４０の間には、可動子４２の推力をスプライン軸２３ａに伝達する伝達手段としてのボールスプライン２７が配設されており、可動子４２の下端がボールスプライン２７のスプライン軸２７ａの上端が接続されている。
可動子４２に下向きの推力を発生させると、可動子４２と接続されたスプライン軸２７ａが鉛直下方に移動し、コネクタ２８を介してスプライン軸２３ａの上端に押圧力を作用する。この押圧力がコイルばね２５の弾性力を超えると、スプライン軸２３ａは下方へ移動し、スプライン軸２３ａの下端に装着されたノズル１０がフレーム２０に対して下方に移動する。制御部１１には推力調整領域１１ｄが含まれており、コイルに通電する電流を調整して可動子４２の推力を調整することによりノズル１０のフレーム２０に対する上下位置を調整する。なお、コネクタ２８は、スプライン軸２３ａの上端を軸受けするベアリング２４に当接してノズルユニット２１を下方に押圧するので、ボールスプライン２３の回転の影響を受けることはない。
シャフト型リニアモータ４０の鉛直上方には、リニアエンコーダ６０が配設されている。リニアエンコーダ６０は可動部６１と固定部６２により構成されている。可動部６１はフレーム２０に設けられた軸受け６３にＺ方向に上下移動自在に挿通されて可動子４２の上端と接続されており、可動子４２の上下移動に連動して上下に移動可能になっている。固定部６２はフレーム２０に対して固定されており、可動子４２の上下移動に連動して上下に移動可能な可動部６１との相対的な上下位置が変化するようになっている。この上下位置の変化量は、可動部６１に設けられた被検出部６１ａを固定部６２に設けられた検出ヘッド６２ａにより検出した電気信号を制御部１１に含まれる位置検出領域１１ｅにおいて処理することで検出される。これにより、可動部６１のフレーム２０に対する上下位置、すなわちノズル１０のフレーム２０に対する上下位置が検出される。
なお、可動子４２は、ボールスプライン２７によりθ方向への変位が規制されているので、可動子４２に接続された可動部６１もθ方向への変位が規制されＺ方向への変位のみが許容される。従って、可動部６１がＺ方向におけるどの位置に上下移動した場合であっても、可動部６１に設けられた被検出部６１ａは常に固定部６２に設けられた検出ヘッド６２ａと対向した状態が維持され、ノズル１０のフレーム２０に対する上下位置を検出することができる。
制御部１１は、ノズル１０のフレーム２０に対する上下位置に基づいて可動子４２の推力の調整を行う。すなわち、スループットを向上させる、つまり生産性を向上させるためにはノズル１０の上下移動速度を高くすることが要求される。一方、ノズル１０により電子部品を吸着保持したり実装したりする際には、ノズル１０の下降速度を低下させて電子部品や基板に与える衝撃を低減させる必要がある。そのため、ノズル１０の下端が電子部品に対して所定の位置まで近接した時点、およびノズル１０に吸着された電子部品が基板の実装箇所に対して所定の位置まで近接した時点で可動子４２の推力を低下させ、ノズル１０の下降速度を低下させる。このように、ノズル１０のフレーム２０に対する上下位置に基づいてノズル１０の上下移動速度を制御することにより、スループットを低下させることなく実装品質を維持することができる。また、ノズル１０はコイルばね２５によりフレーム２０に対して上方に付勢されているため、可動子４２に内蔵されたコイルへの通電が中断若しくは停止すると、可動子４２に働く推力がゼロになりコイルばね２５による弾性力のみが作用してノズル１０が急上昇することがある。その結果、ノズル１０に吸着された電子部品が落下したり各駆動系に衝撃が加わったりする等の不具合が生じることがある。そのため、可動子４２への通電の遮断を遅延するための電気回路を制御部１１に設け、通電が遮断した時点から可動子４２の推力が徐々に低下するように制御を行う。
このように本実施形態のノズル機構９は、ノズルユニット２１の鉛直上方にシャフト型リニアモータ４０を配設し、シャフト型リニアモータ４０の鉛直上方にリニアエンコーダ６０を配設した構成を採用してスリムな形状としている。このような構成を採用することにより、ＸＹ方向（水平方向）における占有面積を小さくすることが可能となる。特に、従来のサーボモータとボールねじ等の伝達機構の組み合わせによるノズル機構においてサーボモータの回転角を検出するロータリーエンコーダに比べ、鉛直方向における相対位置の変化を検出するリニアエンコーダは大幅にスリム化することが可能である。したがって、各ノズル１０のＸ方向におけるピッチＰ１とＹ方向におけるピッチＰ２（図２および図３参照）を従来に比べ大幅に狭ピッチ化することができる。これにより、小型化、高集積化する基板の狭ピッチ化する実装箇所に対応したピッチでノズル１０を配列した実装ヘッドを実現することができる。
例えば、従来の実装ヘッドにおける各ノズルのＸ方向におけるピッチＰ１は２１ｍｍであるのに対して、本実施形態ではピッチＰ１を１０．５ｍｍと、従来の２分の１程度に狭ピッチ化することができる。パーツフィーダにおいては、搭載品種数増加の目的でダブルフィーダ（１台のパーツフィーダにてその幅方向に２つの供給口を配置したフィーダ）を用いることは従来から行われているが、このようなダブルフィーダが用いられても、実装ヘッドにおけるノズルピッチを狭くすることができなかったために、同時吸着できるフィーダの組み合わせに制限が存在している。すなわち、１台のダブルフィーダにおけるそれぞれの供給口から同時に電子部品を吸着取り出しすることができないという問題が存在している。しかしながら、本実施形態ではノズルピッチを狭くすることができるため、例えばノズルピッチをダブルフィーダのピッチに合わせることが可能となる。このような場合にあっては、１台のダブルフィーダのそれぞれの供給口から電子部品を同時に吸着取り出しすることが可能となり、電子部品の実装における生産性を向上させることができる。
また、パーツフィーダ４（図１参照）が２個の電子部品を同時に供給することが可能なダブルフィーダである場合に、各ノズル１０Ｙ方向におけるピッチＰ２をパーツフィーダ４の供給口５（図１参照）に供給される２個の電子部品のＹ方向におけるピッチに対応させることが可能となり、２個同時にピックアップしてスループットを向上することができる。
さらに、ノズル１０の上下移動にリニアモータの推力を直接利用しているので、従来の回転運動を直線運動に伝達する方法に比較してノズル１０の上下移動量を直接調整することが可能となり、電子部品の実装の際のダイレクトな荷重制御を行うことができる。すなわち、従来の実装ヘッドのように駆動伝達機構としてボールねじ機構が用いられているような構成においては、ねじ溝ピッチの誤差を考慮してノズルの上下移動における精度を調整する必要がある。これに対して、本実施形態では、従来のように駆動伝達機構が介在することなく、リニアモータ４０にて直接的に上下移動量が決定されるため、リニアエンコーダ６０の精度により上下移動の精度が決定される。
また、本実施形態においては、従来のように駆動伝達機構を介在させることなく、シャフト型リニアモータ４０によりノズル１０の直接的な上下移動を実現しているため、ノズル機構９において軽量化および小型化を図ることができる。
本発明によれば、狭ピッチでノズルを配列することが可能になるので、小型化、高集積化する基板に電子部品を狭ピッチで実装する分野において有用である。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
２００６年３月２７日に出願された日本国特許出願Ｎｏ．２００６−０８４６０１号の明細書、図面、及び特許請求の範囲の開示内容は、全体として参照されて本明細書の中に取り入れられるものである。
図１は、本発明の実施形態の電子部品実装装置の全体構成図である。 図２は、上記実施形態の実装ヘッドの斜視図である。 図３は、上記実施形態のノズル機構の側面図および制御系の構成図である。

Claims (4)

  1. フレームと、
    電子部品を解除可能に吸着保持するノズルと、
    その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられたノズルユニットと、
    上記フレームに対して固定され、上記ノズルユニットを上記フレームに対して上下移動させるシャフト型リニアモータと、
    上記ノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するためのリニアエンコーダとを備え、
    上記シャフト型リニアモータが上記ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記リニアエンコーダが上記シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設されるノズル機構。
  2. 複数のノズルにそれぞれ吸着保持した電子部品を基板の複数の実装箇所に実装する実装ヘッドであって、
    フレームと、
    その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられた複数のノズルユニットと、
    上記フレームに対して固定され、上記各々のノズルユニットを上記フレームに対して個別に上下移動させる複数のシャフト型リニアモータと、
    上記各々のノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するための複数のリニアエンコーダとを備え、
    上記各シャフト型リニアモータが上記各ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記各リニアエンコーダが上記各シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設される実装ヘッド。
  3. 電子部品供給装置および基板保持装置に対して水平移動可能に備えられ、上記電子部品供給装置に収納された複数の電子部品を複数のノズルにより吸着保持して、上記基板保持装置に保持された基板における複数の実装箇所に上記それぞれの電子部品を実装する実装ヘッドを備える電子部品実装装置において、
    上記実装ヘッドが、
    フレームと、
    その下端において上記ノズルが回転可能に装着され、上記フレームに対して上下移動可能に設けられた複数のノズルユニットと、
    上記フレームに対して固定され、上記各々のノズルユニットを上記フレームに対して個別に上下移動させる複数のシャフト型リニアモータと、
    上記各々のノズルユニットの上記フレームに対する上下位置を検出するための複数のリニアエンコーダとを備え、
    上記各シャフト型リニアモータが上記各ノズルユニットの鉛直上方に配設されるとともに、上記各リニアエンコーダが上記各シャフト型リニアモータの鉛直上方に配設される電子部品実装装置。
  4. 上記電子部品供給装置が備える複数の電子部品供給用フィーダの配置間隔と、同じ配置間隔にて、上記それぞれのノズルユニットがフレームに装備されている、請求項３に記載の電子部品実装装置。
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