JPWO2011121992A1 - 部品実装装置 - Google Patents

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Abstract

ヘッド(101)をX軸方向に摺動自在に案内するX軸方向に延びて配置されるレール(102)と、レール(102)がY軸方向の一端部に取り付けられ、X軸方向に延びて配置される棒形状のXビーム(103)と、Xビーム(103)をY軸方向に摺動自在に案内するY軸方向に延びて配置されるYビーム(104)とを備える部品実装装置であって、レール(102)の熱膨張とXビーム(103)の熱膨張との差によって発生する反りに抗し、炭素繊維強化樹脂からなり、第一締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上でXビーム(103)のY軸方向の他端部に締結される補強部材(105)を備える。

Description

本願発明は、基板に部品が実装された実装基板を生産するための設備である部品実装装置に関し、特にヘッドを直線的に移動させるビームを備える部品実装装置に関する。
従来、部品実装装置の一つとして、固定されている基板に対し、部品供給部から部品を保持し、基板上方まで部品を搬送し、部品を降下させて基板に取り付ける部品実装機がある。当該実装機は、保持した部品のXY方向(水平面内)の位置を正確に再現する必要がある。一方、実装基板の生産性を向上させるため、部品供給部から基板上方まで部品を搬送し、XY方向の位置決めをするまでの速度や、部品を実装した後に部品供給部まで戻るまでの速度などをできる限り早める必要もある。
そこで、部品実装機は、基台にY軸方向に延びて固定されるYビームと、前記Yビームに対してスライド可能に取り付けられるX軸方向に延びて配置されるXビームと、前記Xビームに対してスライド可能に取り付けられるヘッドを備える構造となっている。これにより、正確かつ高速に部品を搬送することができるものとなっている。
ここで、Xビームは、直接ヘッドと摺動してヘッドを直線的に案内するレールが取り付けられている。これは、ヘッドと摩擦が生じるレールは、摩擦などに強いが重い金属を材料として採用し、レールとヘッドとを支えるXビームは、構造的強度を備え軽量な金属を材料として採用することで、Yビームに沿って運動する部材の軽量化を図るためである。
しかしながら、異なる金属からなり、X軸方向に長いレールとXビームとが接合されるため、部品実装機の温度が変化するとバイメタル効果によりXビームに反りが発生する。このようにXビームに反りが発生すると、基板に部品を正確に取り付けることが困難となり、また、反りを加味した補正をヘッドを移動させるためのデータに加えなければならず、部品実装機の生産性に悪影響を及ぼすこととなる。
そこで、特許文献1や特許文献2、特許文献3に記載の発明は、Xビームのレールが取り付けられている側と反対側に、レールと同じ材質の棒状の補強部材を取り付けてXビームの曲がりを防止している。これによりレールとXビームとによって発生する反りを補強部材とXビームとによって発生する反りによって相殺し、レールを真っ直ぐに維持することができるものとなっている。
特開2002−176294号公報 特開2003−168898号公報 特開2001−352200号公報
ところが、Xビームとレールとの間で発生する反りを相殺するためには、補強部材は、線膨張係数などレールと同じ特性を備える必要がある。従って、X方向の熱膨張、及び、熱応力がつりあうようにXビームにはレールとほぼ同じ形状で同じ重量の補強部材が取り付けられることとなり、Xビームに取り付けられる部材の全重量は増加する。つまり、Xビームを高速に運動させることが困難となって部品実装機の生産性を向上させることが困難となる。
そこで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、補強部材とXビームとの間に発生する反りでレールとXビームとの間に発生する反りを相殺させてXビームを真っ直ぐに維持するのではなく、Xビームの他端部のXビームの熱膨張を抑えてレールによる反りに抗することのできる補強部材の材料として、炭素繊維強化樹脂(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)を選定するに至った。ここで、炭素繊維強化樹脂とは、レールに用いられる材料よりも同一重量あたりの強度が大きく線膨張係数が小さいため、レールと同材料からなる補強部材に比べて軽量化が図れると共に、温度の変化が発生しても炭素繊維強化樹脂の線膨張係数が小さいことを利用してXビームの反りに抗することができる材料である。
そしてさらに鋭意研究と実験との結果、Xビームの反りを効果的に抑制できる炭素繊維強化樹脂の取付態様を見いだすに至った。
本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、Xビームの反りに有効に抗することのできる態様で炭素繊維強化樹脂が取り付けられた部品実装装置の提供を目的としている。
上記目的を達成するために、本願発明にかかる部品実装装置は、ヘッドをX軸方向に摺動自在に案内する、X軸方向に延びて配置されるレールと、前記レールがY軸方向の一端部に取り付けられ、X軸方向に延びて配置される棒形状のXビームと、前記XビームをY軸方向に摺動自在に案内する、Y軸方向に延びて配置されるYビームとを備える部品実装装置であって、前記レールのX軸方向の熱膨張と前記XビームのX軸方向の熱膨張との差によって発生する前記Xビームの反りに抗する補強部材であって、炭素繊維強化樹脂からなり、第一締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上で前記XビームのY軸方向の他端部に締結される補強部材を備えることを特徴としている。
これにより、炭素繊維強化樹脂製の部材の接合に一般に用いられる接着剤を使用しなくとも、Xビームと炭素繊維強化樹脂からなる補強部材とを構造的に接合することができる。従って、Yビームに沿って運動する部材全体の重量の低減を図ることができると共に、Xビームの反りに抗してXビームを真っ直ぐに維持することができるのはもとより、接着剤を用いる場合に比べて補強部材のXビームへの取り付けが容易であり部品実装装置の組み立てコストの低減を図ることができる。また、Xビームと補強部材との分離も容易であるため、各部材のリサイクルなどを容易に行うことが可能となる。
なお、上記記載は、補強部材とXビームとの接合に接着剤を使用することの禁止を意味するのではなく、接着剤を使用する場合でも締結具を併用しさえすれば、本願発明に含まれる。
また、前記レールは、前記Xビームに対し第二締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上で前記XビームのY軸方向の一端部に締結され、前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは、前記レールを前記Xビームに締結する前記第二締結具のX軸方向の配置ピッチ以下であることが好ましい。
これにより、Xビームの反りに対し補強部材が効果的に抗する状態とすることが可能となる。なお、このピッチの関係は、実験的、及び、経験的に得られたものであり、その結果については実施の形態の項で説明する。
また、前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは、前記レールを前記Xビームに締結する前記第二締結具のX軸方向の配置ピッチの1/n倍(nは自然数)であることが好ましい。
また、前記第一締結具のX軸方向の位置は、前記第二締結具のX軸方向の位置と一致することが好ましい。
これらにより、Xビームの反りに対し補強部材が効果的に抗することが可能となる。
なお、このピッチの関係は、実験的、及び、経験的に得られたものであり、作用を詳細に説明することは困難であるが、次の様に考えることができる。
レールとXビームとの熱膨張差によってXビームを反らせる力は、レールとXビームとを締結する第二締結具が配置されるXビームの部分に発生するため、第二締結具の配置ピッチと同じピッチで応力がXビームに発生することとなる。一方、レールを取り付けた側と反対側であるXビームのY軸方向の他端部にてXビームのX軸方向の熱膨張を抑えてXビームの反りに抗する力も同様に、第一締結具を介してXビームに加えられる。第一締結具の配置ピッチが第二締結具の配置ピッチより広くなると、反りを発生させる力が加えられる点の数よりも反りに抗する力が加えられる点の数が少なくなり、間隔も広くなる。従って、1点における反りに抗する力が大きくなり、反りに抗する力の発生源である補強部材の負担が増加するためと考えられる。
また、X軸方向における第二締結具の位置と第一締結具を配置位置とを一致させることで、Xビームを反らせる力と反りに抗する力とがX軸方向に対し直角に(Y軸方向に)拮抗するため、Xビームを真っ直ぐに維持しやすくなると考えられる。
また、前記第一締結具は、ボルトを備え、前記補強部材は、前記ボルトを挿通する挿通孔を備えてもよい。
炭素繊維強化樹脂からなる補強部材に挿通孔を設けることは、補強部材の強度の低下となるため、回避すべき構造と考えられる。しかし、本願発明者らは、鋭意研究と実験との結果、第一締結具から隣接する第一締結具までの間の補強部材の強度が所定の条件を満たしていれば、締結部分における補強部材の強度が前記条件以下であっても、Xビームの反りに十分抗することができることを見いだした。
また、補強部材に挿通孔を設けることでXビームに対する補強部材の着脱が容易となるため、補強部材の交換などのメンテナンスも容易となる。また、代表的な締結具であるボルトを第一締結具の一つとして使用することができるため、汎用性に富み、低コストで本願発明を実現することが可能となる。
また、前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは60mm以下であってもよい。
これにより、効果的にXビームを真っ直ぐに維持することが可能となる。なお、このピッチの関係は、実験的、及び、経験的に得られたものであり、その結果については実施の形態の項で説明する。
また、前記XビームのYZ断面の形状は、Y軸方向の他端部に至るまで徐々にZ軸方向の間隔がY軸対称で狭くなる形状を有してもよい。
これにより、Xビーム自体の重量を軽減でき、Yビームに沿って運動する部材の全重量の低減に寄与することが可能となる。
本願発明によれば、軽量で反りにくいXビームを備えた部品実装装置を提供することが可能となり、部品実装の位置の正確性や高速性を高めて生産性の向上に寄与することが可能となる。
図1は、部品実装装置を模式的に示す斜示図である。 図2は、Xビームの断面とヘッドとを側方から示す平面図である。 図3は、Xビームとヘッドとを背方から示す平面図である。 図4は、Xビームとヘッドとを正面から示す平面図である。 図5は、他の実施の形態にかかるXビームの断面を示す平面図である。 図6は、第一締結具の別例を断面で示す平面図である。 図7は、本願発明の効果を示す図である。 図8は、第一締結具の配置ピッチを変更した場合のXビームの反りを示すグラフである。
次に、本願発明にかかる部品実装装置の実施の形態である部品実装機について、図面を参照しつつ説明する。
図1は、部品実装装置を模式的に示す斜示図である。
同図に示すように、部品実装装置100は、部品供給部(図示せず)から部品300を基板200の上方にまで搬送し、搬送した部品300を基板200に取り付ける装置であり、ヘッド101と、レール102と、Xビーム103と、Yビーム104と、補強部材105とを備えている。
ヘッド101は、部品300を着脱自在に保持する保持手段111(図2など参照)を有する装置であり、X軸方向に往復動自在にレール102に取り付けられている。
本実施の形態の場合、保持手段111は、真空吸着により部品300を保持するノズルであり、ヘッド101は、保持手段111を8本備えている。また、ヘッド101は、保持手段111をそれぞれ独立にZ軸方向に出没させる機構を備えており、部品300を保持して搬送し、基板200に部品300を取り付ける機能を備えている。
なお、ヘッド101は、部品300を基板200に実装する装置ばかりでなく、部品300を検査するためのヘッド101や、部品300を接着するための樹脂を塗布するためのヘッド101等でもよい。
Yビーム104は、Xビーム103をY軸方向に摺動自在に案内する部材である。本実施の形態の場合、2本のYビーム104が平行に配置されており、各Yビーム104は、基台106にY軸方向に延びた状態で固定されている。
なお、Yビーム104は、基台106と一体に形成されるものでもよい。
図2は、Xビームの断面とヘッドとを側方から示す平面図である。
図3は、Xビームとヘッドとを背方から示す平面図である。
これらの図に示すように、レール102は、ヘッド101をX軸方向に摺動自在に案内する棒状の部材であって、X軸方向に延びて配置されている。
本実施の形態の場合、部品実装装置100は、2本のレール102を備えており、2本のレール102は、Z軸方向に平行に並んで配置されている。
レール102は、ヘッド101と相対的に摺動し摩擦が発生するため、SCM435などの鋼が材料として選定されている。
レール102は、Xビーム103に対し第二締結具122によりX軸方向に並ぶ3箇所以上でXビーム103のY軸方向の一端部に締結されている。具体的には、第二締結具122は六角穴付きボルトであり、Xビームに設けられたねじ穴に第二締結具122を螺着することでレール102がXビーム103に取り付けられる。本実施の形態の場合、第二締結具122は、60mmのピッチでX軸方向に並べて等間隔に配置されている。
図4は、Xビームとヘッドとを正面から示す平面図である。
図2、図4に示すように、Xビーム103は、レール102がY軸方向の一端部に取り付けられる棒形状の部材であって、X軸方向に延びて配置される部材である。
本実施の形態の場合、Xビーム103のYZ断面の形状(図2参照)は、Y軸方向の他端部に至るまで徐々にZ軸方向の間隔がY軸対称で狭くなる形状を有している。Xビーム103の当該断面形状により、2本のレール102が配置される間隔相当の長さを一辺とする正方形をXビーム103の断面形状とした場合に比べてXビーム103を軽量化することが可能となる。
また、Xビーム103の当該断面形状により、2本のレール102とXビーム103との間で発生するX軸方向の熱膨張差によるXビーム103を反らせる方向の応力をXビーム103のY軸方向におけるレール102の取り付け側とは反対側に位置し、レール102とは離れたXビーム103の他端部の狭い範囲に集中させることができる。従って、Xビーム103の他端部に取り付けられる補強部材105を構成する材料として、集中した前記応力に抗することのできる炭素繊維強化樹脂を採用することで、レール102が取り付けられる側とは反対側のXビーム103のX軸方向の熱膨張を抑え、材質の異なるレール102との熱膨張差によるXビーム103の反りを抑制して真っ直ぐに維持することが可能となり、また、1本の補強部材105を配置するだけで、Xビーム103全体の反りを抑制することが可能となるためYビーム104に沿って運動する部材の重量をさらに軽減することが可能となる。
また、Y軸対称でZ軸方向の幅が狭くなっているため、前記応力が均等に補強部材105に伝わり、Xビーム103がねじれることを抑制している。
一般に、Xビーム103は、ヘッド101のX軸方向の往復動を案内するレール102をX軸方向に沿って保持する部材であり、往復動するヘッド101が振動すると保持している部品300を落とすなどの不具合が発生し、また、正確な位置に部品300を運ぶためには撓みなどを極力抑える必要がある。従って、Xビーム103は、構造的な強度を十分に備えている必要がある。一方、Xビーム103は、レール102やヘッド101と共に、Yビーム104に沿って直線的に往復動する部材であり、軽量であるほど高速で部品300を搬送することが可能となる。
Xビーム103は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金の引き抜き材で構成されている。また、Xビーム103は中空形状となっており、構造的な強度を確保するため多数のリブが設けられている。
なお、Xビーム103は、図5に示すように、矩形の断面形状を有していてもよい。また、補強部材105が複数本取り付けられるものでもよい。
補強部材105は、レール102のX軸方向の熱膨張とXビーム103のX軸方向の熱膨張との差によって発生するXビーム103のY軸方向の反りに抗してXビーム103を真っ直ぐに維持する部材である。また、補強部材105の材料は、炭素繊維強化樹脂が採用されている。また、補強部材105は、第一締結具151によりX軸方向に並ぶ3箇所以上でXビーム103のY軸方向の他端部に締結されている。
本実施の形態の場合、第一締結具151は六角ボルトであり、Xビームに設けられたねじ穴に第一締結具151を螺着することで補強部材105がXビーム103に取り付けられる。また、補強部材105は、第一締結具151であるボルトを挿通する挿通孔(図示せず)が設けられている。なお、挿通孔は、細長い板状の補強部材105を形成後、ドリルなどによって穿設してもよく、また、挿通孔を有する形状で補強部材105を成型してもかまわない。
炭素繊維強化樹脂からなる補強部材105の線膨張係数は、レール102の線膨張係数の3.5%以下であることが好ましい。温度変化に対する補強部材105の長さの変化がレール102に対して十分に少なくなければ、レール102によって発生するXビーム103の反りに補強部材105が十分に対抗できないためである。
また、補強部材105の厚みは、挿通孔の加工性等の観点から6mm以下が好ましい。補強部材105の厚みが3mm程度であっても十分に反りを抑制できる。補強部材105の幅は、10mm以上、100mm以下が好ましい。補強部材105の長さは、レール102と同じ長さであることが好ましい。
第一締結具151は、補強部材105のX軸方向の両端部とこれらの中間部の少なくとも3箇所で補強部材105を締結することが望ましい。本実施の形態の場合、第一締結具151のX軸方向の位置は、第二締結具122のX軸方向の位置と一致している。第一締結具151の配置ピッチは、第二締結具122の配置ピッチと同じであり、第一締結具151は、60mmのピッチでX軸方向に並べて等間隔に配置されている。
なお、第一締結具151は、ボルトに限定されるものではない。例えば、第一締結具151としてリベットなど採用し、補強部材105をXビーム103に締結してもかまわない。また、図6に示すように、第一締結具151は、挟持部材152と止めねじ153を備え、補強部材105に挿通孔を設けることなく、Xビーム103と挟持部材152との間にある補強部材105を止めねじ153で締め付けることにより締結するものでもかまわない。
次に、本願発明の実施例を説明する。
図7は、本願発明の効果を示す図である。
同図中(a)は、比較例を示す図であり、断面矩形のXビーム、鋼製のレール、レールと同じ材質の補強部材の場合を示している。(b)は、本願発明の実施例を示す図であり、断面矩形のXビーム、鋼製のレール、炭素繊維強化樹脂製の補強部材を2本取り付けた場合を示している。(c)は、本願発明の実施例を示す図であり、断面矩形のXビーム、鋼製のレール、炭素繊維強化樹脂製の1本の補強部材を2本のレールから等距離の位置に取り付けた場合を示している。(d)は、本願発明の実施例を示す図であり、Y軸方向に徐々に狭くなる断面矩形のXビーム、鋼製のレール、炭素繊維強化樹脂製の1本の補強部材を2本のレールから等距離の位置に取り付けた場合を示している。
同図に示すように比較例である(a)に比べて、補強部材を炭素繊維強化樹脂に変えることにより、重量は、比較例の重量の55%程度まで軽量化することが可能であることが解る。さらに、Xビームの断面形状をY軸方向に徐々に狭くなる形状とすれば、重量は、比較例の重量の半分を切り、47%程度まで軽量化することが可能であることが解る。
また、温度を20度から35度に上昇させた際のXビームの反り量は、50μm以下であることが部品実装装置として要求される仕様である。比較例である(a)の場合も反り量は26μmであり、要求される仕様を満たしている。一方、炭素繊維強化樹脂製の補強部材を2本取り付けた(b)は、反り量が一桁であり、Xビームをより真っ直ぐに維持することができることを示している。また、炭素繊維強化樹脂製の補強部材を1本取り付けた(c)は、比較例である(a)よりも反り量が増加しているが、要求される仕様は満たしている。さらに、Xビームの断面形状をY軸方向に徐々に狭くなる形状とした(d)は、比較例である(a)と同程度の反り量であることが解る。
(d)が(c)に比べて反り量が低減しているのは、Xビームの断面形状により、Z軸方向に並んで配置されるレールによってそれぞれ発生する応力が、補強部材の位置に集中する一方、炭素繊維強化樹脂製の補強部材が温度上昇によりわずかに縮む性質により前記応力を相殺する方向に応力を発生させることや、補強部材がその形状(X軸方向の長さ)を維持して前記応力に抗するためであると考えられる。
なお、Xビームに対するレールの取り付けは、すべて60mmピッチに配置される第二締結具であるボルトによって締結されている。また、Xビームに対する補強部材の取り付けは、すべて60mmピッチで、かつ、X軸方向において第二締結具と同じ位置に第一締結具であるボルトによって締結されている。また、反り量は、Xビームの長手方向の一端部を固定した際の他端部の振れ幅である。
図8は、第一締結具の配置ピッチを変更した場合のXビームの反りを示すグラフである。
同グラフは、60mmピッチに配置される第二締結具であるボルトによってSCM435などの鋼からなるレールが取り付けられたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるXビームに対して、補強部材をXビームに取り付ける第一締結具の配置ピッチを振って実験した結果を示している。
同グラフから解るように、レールをXビームに取り付ける第二締結具の配置ピッチ以下のピッチで補強部材をXビームに取り付ける第一締結具が配置されている場合、要求される仕様を満たすことができるが、第二締結具の配置ピッチ以上のピッチで第一締結具が配置されている場合、要求される仕様を満たすことができ無いことが解る。また、第二締結具の配置ピッチは、レールの取り付け強度の関係上70mmより広げることは困難である。従って、第一締結具の配置ピッチは70mm以下が好ましい。また、レールをXビームに取り付ける第二締結具の配置ピッチと補強部材をXビームに取り付ける第一締結具の配置ピッチとを合致させることがより好ましい。例えば、いずれのピッチも60mmとする場合などである。
以上により、炭素繊維強化樹脂製の部材の接合に一般に用いられる接着剤を使用しなくとも、Xビームと炭素繊維強化樹脂からなる補強部材とを構造的に接合することができる。従って、Yビームに沿って運動する部材全体の重量の低減を図ることができると共に、Xビームの反りに抗してXビームを真っ直ぐに維持することができるのはもとより、接着剤を用いる場合に比べて補強部材のXビームへの取り付けが容易であり部品実装装置の組み立てコストの低減を図ることができる。また、Xビームと補強部材との分離も容易であるため、各部材のリサイクルなどを容易に行うことが可能となる。従って、Xビーム103の反りを要求仕様以下に抑えつつ、Yビーム104に沿って移動する部材の重量を軽減でき、部品300を基板200に高速かつ正確に実装することが可能となる。
本願発明は、ヘッドをXY方向に自在に高速で移動させる部品実装装置に利用でき、例えば部品を基板に実装する部品実装機ばかりでなく、基板に取り付けられた部品を検査する検査機や、接着剤などを基板に塗布する塗布機などにも利用可能である。
100 部品実装装置
101 ヘッド
102 レール
103 Xビーム
104 Yビーム
105 補強部材
106 基台
111 保持手段
122 第二締結具
151 第一締結具
152 挟持部材
153 止めねじ
200 基板
300 部品
本願発明は、基板に部品が実装された実装基板を生産するための設備である部品実装装置に関し、特にヘッドを直線的に移動させるビームを備える部品実装装置に関する。
従来、部品実装装置の一つとして、固定されている基板に対し、部品供給部から部品を保持し、基板上方まで部品を搬送し、部品を降下させて基板に取り付ける部品実装機がある。当該実装機は、保持した部品のXY方向(水平面内)の位置を正確に再現する必要がある。一方、実装基板の生産性を向上させるため、部品供給部から基板上方まで部品を搬送し、XY方向の位置決めをするまでの速度や、部品を実装した後に部品供給部まで戻るまでの速度などをできる限り早める必要もある。
そこで、部品実装機は、基台にY軸方向に延びて固定されるYビームと、前記Yビームに対してスライド可能に取り付けられるX軸方向に延びて配置されるXビームと、前記Xビームに対してスライド可能に取り付けられるヘッドを備える構造となっている。これにより、正確かつ高速に部品を搬送することができるものとなっている。
ここで、Xビームは、直接ヘッドと摺動してヘッドを直線的に案内するレールが取り付けられている。これは、ヘッドと摩擦が生じるレールは、摩擦などに強いが重い金属を材料として採用し、レールとヘッドとを支えるXビームは、構造的強度を備え軽量な金属を材料として採用することで、Yビームに沿って運動する部材の軽量化を図るためである。
しかしながら、異なる金属からなり、X軸方向に長いレールとXビームとが接合されるため、部品実装機の温度が変化するとバイメタル効果によりXビームに反りが発生する。このようにXビームに反りが発生すると、基板に部品を正確に取り付けることが困難となり、また、反りを加味した補正をヘッドを移動させるためのデータに加えなければならず、部品実装機の生産性に悪影響を及ぼすこととなる。
そこで、特許文献1や特許文献2、特許文献3に記載の発明は、Xビームのレールが取り付けられている側と反対側に、レールと同じ材質の棒状の補強部材を取り付けてXビームの曲がりを防止している。これによりレールとXビームとによって発生する反りを補強部材とXビームとによって発生する反りによって相殺し、レールを真っ直ぐに維持することができるものとなっている。
特開2002−176294号公報 特開2003−168898号公報 特開2001−352200号公報
ところが、Xビームとレールとの間で発生する反りを相殺するためには、補強部材は、線膨張係数などレールと同じ特性を備える必要がある。従って、X方向の熱膨張、及び、熱応力がつりあうようにXビームにはレールとほぼ同じ形状で同じ重量の補強部材が取り付けられることとなり、Xビームに取り付けられる部材の全重量は増加する。つまり、Xビームを高速に運動させることが困難となって部品実装機の生産性を向上させることが困難となる。
そこで、本願発明者らは、鋭意研究と実験の結果、補強部材とXビームとの間に発生する反りでレールとXビームとの間に発生する反りを相殺させてXビームを真っ直ぐに維持するのではなく、Xビームの他端部のXビームの熱膨張を抑えてレールによる反りに抗することのできる補強部材の材料として、炭素繊維強化樹脂(CFRP:Carbon Fiber Reinforced Plastics)を選定するに至った。ここで、炭素繊維強化樹脂とは、レールに用いられる材料よりも同一重量あたりの強度が大きく線膨張係数が小さいため、レールと同材料からなる補強部材に比べて軽量化が図れると共に、温度の変化が発生しても炭素繊維強化樹脂の線膨張係数が小さいことを利用してXビームの反りに抗することができる材料である。
そしてさらに鋭意研究と実験との結果、Xビームの反りを効果的に抑制できる炭素繊維強化樹脂の取付態様を見いだすに至った。
本願発明は、上記知見に基づきなされたものであり、Xビームの反りに有効に抗することのできる態様で炭素繊維強化樹脂が取り付けられた部品実装装置の提供を目的としている。
上記目的を達成するために、本願発明にかかる部品実装装置は、ヘッドをX軸方向に摺動自在に案内する、X軸方向に延びて配置されるレールと、前記レールがY軸方向の一端部に取り付けられ、X軸方向に延びて配置される棒形状のXビームと、前記XビームをY軸方向に摺動自在に案内する、Y軸方向に延びて配置されるYビームとを備える部品実装装置であって、前記レールのX軸方向の熱膨張と前記XビームのX軸方向の熱膨張との差によって発生する前記Xビームの反りに抗する補強部材であって、炭素繊維強化樹脂からなり、第一締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上で前記XビームのY軸方向の他端部に締結される補強部材を備えることを特徴としている。
これにより、炭素繊維強化樹脂製の部材の接合に一般に用いられる接着剤を使用しなくとも、Xビームと炭素繊維強化樹脂からなる補強部材とを構造的に接合することができる。従って、Yビームに沿って運動する部材全体の重量の低減を図ることができると共に、Xビームの反りに抗してXビームを真っ直ぐに維持することができるのはもとより、接着剤を用いる場合に比べて補強部材のXビームへの取り付けが容易であり部品実装装置の組み立てコストの低減を図ることができる。また、Xビームと補強部材との分離も容易であるため、各部材のリサイクルなどを容易に行うことが可能となる。
なお、上記記載は、補強部材とXビームとの接合に接着剤を使用することの禁止を意味するのではなく、接着剤を使用する場合でも締結具を併用しさえすれば、本願発明に含まれる。
また、前記レールは、前記Xビームに対し第二締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上で前記XビームのY軸方向の一端部に締結され、前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは、前記レールを前記Xビームに締結する前記第二締結具のX軸方向の配置ピッチ以下であることが好ましい。
これにより、Xビームの反りに対し補強部材が効果的に抗する状態とすることが可能となる。なお、このピッチの関係は、実験的、及び、経験的に得られたものであり、その結果については実施の形態の項で説明する。
また、前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは、前記レールを前記Xビームに締結する前記第二締結具のX軸方向の配置ピッチの1/n倍(nは自然数)であることが好ましい。
また、前記第一締結具のX軸方向の位置は、前記第二締結具のX軸方向の位置と一致することが好ましい。
これらにより、Xビームの反りに対し補強部材が効果的に抗することが可能となる。
なお、このピッチの関係は、実験的、及び、経験的に得られたものであり、作用を詳細に説明することは困難であるが、次の様に考えることができる。
レールとXビームとの熱膨張差によってXビームを反らせる力は、レールとXビームとを締結する第二締結具が配置されるXビームの部分に発生するため、第二締結具の配置ピッチと同じピッチで応力がXビームに発生することとなる。一方、レールを取り付けた側と反対側であるXビームのY軸方向の他端部にてXビームのX軸方向の熱膨張を抑えてXビームの反りに抗する力も同様に、第一締結具を介してXビームに加えられる。第一締結具の配置ピッチが第二締結具の配置ピッチより広くなると、反りを発生させる力が加えられる点の数よりも反りに抗する力が加えられる点の数が少なくなり、間隔も広くなる。従って、1点における反りに抗する力が大きくなり、反りに抗する力の発生源である補強部材の負担が増加するためと考えられる。
また、X軸方向における第二締結具の位置と第一締結具を配置位置とを一致させることで、Xビームを反らせる力と反りに抗する力とがX軸方向に対し直角に(Y軸方向に)拮抗するため、Xビームを真っ直ぐに維持しやすくなると考えられる。
また、前記第一締結具は、ボルトを備え、前記補強部材は、前記ボルトを挿通する挿通孔を備えてもよい。
炭素繊維強化樹脂からなる補強部材に挿通孔を設けることは、補強部材の強度の低下となるため、回避すべき構造と考えられる。しかし、本願発明者らは、鋭意研究と実験との結果、第一締結具から隣接する第一締結具までの間の補強部材の強度が所定の条件を満たしていれば、締結部分における補強部材の強度が前記条件以下であっても、Xビームの反りに十分抗することができることを見いだした。
また、補強部材に挿通孔を設けることでXビームに対する補強部材の着脱が容易となるため、補強部材の交換などのメンテナンスも容易となる。また、代表的な締結具であるボルトを第一締結具の一つとして使用することができるため、汎用性に富み、低コストで本願発明を実現することが可能となる。
また、前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは60mm以下であってもよい。
これにより、効果的にXビームを真っ直ぐに維持することが可能となる。なお、このピッチの関係は、実験的、及び、経験的に得られたものであり、その結果については実施の形態の項で説明する。
また、前記XビームのYZ断面の形状は、Y軸方向の他端部に至るまで徐々にZ軸方向の間隔がY軸対称で狭くなる形状を有してもよい。
これにより、Xビーム自体の重量を軽減でき、Yビームに沿って運動する部材の全重量の低減に寄与することが可能となる。
本願発明によれば、軽量で反りにくいXビームを備えた部品実装装置を提供することが可能となり、部品実装の位置の正確性や高速性を高めて生産性の向上に寄与することが可能となる。
図1は、部品実装装置を模式的に示す斜示図である。 図2は、Xビームの断面とヘッドとを側方から示す平面図である。 図3は、Xビームとヘッドとを背方から示す平面図である。 図4は、Xビームとヘッドとを正面から示す平面図である。 図5は、他の実施の形態にかかるXビームの断面を示す平面図である。 図6は、第一締結具の別例を断面で示す平面図である。 図7は、本願発明の効果を示す図である。 図8は、第一締結具の配置ピッチを変更した場合のXビームの反りを示すグラフである。
次に、本願発明にかかる部品実装装置の実施の形態である部品実装機について、図面を参照しつつ説明する。
図1は、部品実装装置を模式的に示す斜示図である。
同図に示すように、部品実装装置100は、部品供給部(図示せず)から部品300を基板200の上方にまで搬送し、搬送した部品300を基板200に取り付ける装置であり、ヘッド101と、レール102と、Xビーム103と、Yビーム104と、補強部材105とを備えている。
ヘッド101は、部品300を着脱自在に保持する保持手段111(図2など参照)を有する装置であり、X軸方向に往復動自在にレール102に取り付けられている。
本実施の形態の場合、保持手段111は、真空吸着により部品300を保持するノズルであり、ヘッド101は、保持手段111を8本備えている。また、ヘッド101は、保持手段111をそれぞれ独立にZ軸方向に出没させる機構を備えており、部品300を保持して搬送し、基板200に部品300を取り付ける機能を備えている。
なお、ヘッド101は、部品300を基板200に実装する装置ばかりでなく、部品300を検査するためのヘッド101や、部品300を接着するための樹脂を塗布するためのヘッド101等でもよい。
Yビーム104は、Xビーム103をY軸方向に摺動自在に案内する部材である。本実施の形態の場合、2本のYビーム104が平行に配置されており、各Yビーム104は、基台106にY軸方向に延びた状態で固定されている。
なお、Yビーム104は、基台106と一体に形成されるものでもよい。
図2は、Xビームの断面とヘッドとを側方から示す平面図である。
図3は、Xビームとヘッドとを背方から示す平面図である。
これらの図に示すように、レール102は、ヘッド101をX軸方向に摺動自在に案内する棒状の部材であって、X軸方向に延びて配置されている。
本実施の形態の場合、部品実装装置100は、2本のレール102を備えており、2本のレール102は、Z軸方向に平行に並んで配置されている。
レール102は、ヘッド101と相対的に摺動し摩擦が発生するため、SCM435などの鋼が材料として選定されている。
レール102は、Xビーム103に対し第二締結具122によりX軸方向に並ぶ3箇所以上でXビーム103のY軸方向の一端部に締結されている。具体的には、第二締結具122は六角穴付きボルトであり、Xビームに設けられたねじ穴に第二締結具122を螺着することでレール102がXビーム103に取り付けられる。本実施の形態の場合、第二締結具122は、60mmのピッチでX軸方向に並べて等間隔に配置されている。
図4は、Xビームとヘッドとを正面から示す平面図である。
図2、図4に示すように、Xビーム103は、レール102がY軸方向の一端部に取り付けられる棒形状の部材であって、X軸方向に延びて配置される部材である。
本実施の形態の場合、Xビーム103のYZ断面の形状(図2参照)は、Y軸方向の他端部に至るまで徐々にZ軸方向の間隔がY軸対称で狭くなる形状を有している。Xビーム103の当該断面形状により、2本のレール102が配置される間隔相当の長さを一辺とする正方形をXビーム103の断面形状とした場合に比べてXビーム103を軽量化することが可能となる。
また、Xビーム103の当該断面形状により、2本のレール102とXビーム103との間で発生するX軸方向の熱膨張差によるXビーム103を反らせる方向の応力をXビーム103のY軸方向におけるレール102の取り付け側とは反対側に位置し、レール102とは離れたXビーム103の他端部の狭い範囲に集中させることができる。従って、Xビーム103の他端部に取り付けられる補強部材105を構成する材料として、集中した前記応力に抗することのできる炭素繊維強化樹脂を採用することで、レール102が取り付けられる側とは反対側のXビーム103のX軸方向の熱膨張を抑え、材質の異なるレール102との熱膨張差によるXビーム103の反りを抑制して真っ直ぐに維持することが可能となり、また、1本の補強部材105を配置するだけで、Xビーム103全体の反りを抑制することが可能となるためYビーム104に沿って運動する部材の重量をさらに軽減することが可能となる。
また、Y軸対称でZ軸方向の幅が狭くなっているため、前記応力が均等に補強部材105に伝わり、Xビーム103がねじれることを抑制している。
一般に、Xビーム103は、ヘッド101のX軸方向の往復動を案内するレール102をX軸方向に沿って保持する部材であり、往復動するヘッド101が振動すると保持している部品300を落とすなどの不具合が発生し、また、正確な位置に部品300を運ぶためには撓みなどを極力抑える必要がある。従って、Xビーム103は、構造的な強度を十分に備えている必要がある。一方、Xビーム103は、レール102やヘッド101と共に、Yビーム104に沿って直線的に往復動する部材であり、軽量であるほど高速で部品300を搬送することが可能となる。
Xビーム103は、アルミニウムまたはアルミニウムを主成分とする合金の引き抜き材で構成されている。また、Xビーム103は中空形状となっており、構造的な強度を確保するため多数のリブが設けられている。
なお、Xビーム103は、図5に示すように、矩形の断面形状を有していてもよい。また、補強部材105が複数本取り付けられるものでもよい。
補強部材105は、レール102のX軸方向の熱膨張とXビーム103のX軸方向の熱膨張との差によって発生するXビーム103のY軸方向の反りに抗してXビーム103を真っ直ぐに維持する部材である。また、補強部材105の材料は、炭素繊維強化樹脂が採用されている。また、補強部材105は、第一締結具151によりX軸方向に並ぶ3箇所以上でXビーム103のY軸方向の他端部に締結されている。
本実施の形態の場合、第一締結具151は六角ボルトであり、Xビームに設けられたねじ穴に第一締結具151を螺着することで補強部材105がXビーム103に取り付けられる。また、補強部材105は、第一締結具151であるボルトを挿通する挿通孔(図示せず)が設けられている。なお、挿通孔は、細長い板状の補強部材105を形成後、ドリルなどによって穿設してもよく、また、挿通孔を有する形状で補強部材105を成型してもかまわない。
炭素繊維強化樹脂からなる補強部材105の線膨張係数は、レール102の線膨張係数の3.5%以下であることが好ましい。温度変化に対する補強部材105の長さの変化がレール102に対して十分に少なくなければ、レール102によって発生するXビーム103の反りに補強部材105が十分に対抗できないためである。
また、補強部材105の厚みは、挿通孔の加工性等の観点から6mm以下が好ましい。補強部材105の厚みが3mm程度であっても十分に反りを抑制できる。補強部材105の幅は、10mm以上、100mm以下が好ましい。補強部材105の長さは、レール102と同じ長さであることが好ましい。
第一締結具151は、補強部材105のX軸方向の両端部とこれらの中間部の少なくとも3箇所で補強部材105を締結することが望ましい。本実施の形態の場合、第一締結具151のX軸方向の位置は、第二締結具122のX軸方向の位置と一致している。第一締結具151の配置ピッチは、第二締結具122の配置ピッチと同じであり、第一締結具151は、60mmのピッチでX軸方向に並べて等間隔に配置されている。
なお、第一締結具151は、ボルトに限定されるものではない。例えば、第一締結具151としてリベットなど採用し、補強部材105をXビーム103に締結してもかまわない。また、図6に示すように、第一締結具151は、挟持部材152と止めねじ153を備え、補強部材105に挿通孔を設けることなく、Xビーム103と挟持部材152との間にある補強部材105を止めねじ153で締め付けることにより締結するものでもかまわない。
次に、本願発明の実施例を説明する。
図7は、本願発明の効果を示す図である。
同図中(a)は、比較例を示す図であり、断面矩形のXビーム、鋼製のレール、レールと同じ材質の補強部材の場合を示している。(b)は、本願発明の実施例を示す図であり、断面矩形のXビーム、鋼製のレール、炭素繊維強化樹脂製の補強部材を2本取り付けた場合を示している。(c)は、本願発明の実施例を示す図であり、断面矩形のXビーム、鋼製のレール、炭素繊維強化樹脂製の1本の補強部材を2本のレールから等距離の位置に取り付けた場合を示している。(d)は、本願発明の実施例を示す図であり、Y軸方向に徐々に狭くなる断面矩形のXビーム、鋼製のレール、炭素繊維強化樹脂製の1本の補強部材を2本のレールから等距離の位置に取り付けた場合を示している。
同図に示すように比較例である(a)に比べて、補強部材を炭素繊維強化樹脂に変えることにより、重量は、比較例の重量の55%程度まで軽量化することが可能であることが解る。さらに、Xビームの断面形状をY軸方向に徐々に狭くなる形状とすれば、重量は、比較例の重量の半分を切り、47%程度まで軽量化することが可能であることが解る。
また、温度を20度から35度に上昇させた際のXビームの反り量は、50μm以下であることが部品実装装置として要求される仕様である。比較例である(a)の場合も反り量は26μmであり、要求される仕様を満たしている。一方、炭素繊維強化樹脂製の補強部材を2本取り付けた(b)は、反り量が一桁であり、Xビームをより真っ直ぐに維持することができることを示している。また、炭素繊維強化樹脂製の補強部材を1本取り付けた(c)は、比較例である(a)よりも反り量が増加しているが、要求される仕様は満たしている。さらに、Xビームの断面形状をY軸方向に徐々に狭くなる形状とした(d)は、比較例である(a)と同程度の反り量であることが解る。
(d)が(c)に比べて反り量が低減しているのは、Xビームの断面形状により、Z軸方向に並んで配置されるレールによってそれぞれ発生する応力が、補強部材の位置に集中する一方、炭素繊維強化樹脂製の補強部材が温度上昇によりわずかに縮む性質により前記応力を相殺する方向に応力を発生させることや、補強部材がその形状(X軸方向の長さ)を維持して前記応力に抗するためであると考えられる。
なお、Xビームに対するレールの取り付けは、すべて60mmピッチに配置される第二締結具であるボルトによって締結されている。また、Xビームに対する補強部材の取り付けは、すべて60mmピッチで、かつ、X軸方向において第二締結具と同じ位置に第一締結具であるボルトによって締結されている。また、反り量は、Xビームの長手方向の一端部を固定した際の他端部の振れ幅である。
図8は、第一締結具の配置ピッチを変更した場合のXビームの反りを示すグラフである。
同グラフは、60mmピッチに配置される第二締結具であるボルトによってSCM435などの鋼からなるレールが取り付けられたアルミニウムまたはアルミニウム合金からなるXビームに対して、補強部材をXビームに取り付ける第一締結具の配置ピッチを振って実験した結果を示している。
同グラフから解るように、レールをXビームに取り付ける第二締結具の配置ピッチ以下のピッチで補強部材をXビームに取り付ける第一締結具が配置されている場合、要求される仕様を満たすことができるが、第二締結具の配置ピッチ以上のピッチで第一締結具が配置されている場合、要求される仕様を満たすことができ無いことが解る。また、第二締結具の配置ピッチは、レールの取り付け強度の関係上70mmより広げることは困難である。従って、第一締結具の配置ピッチは70mm以下が好ましい。また、レールをXビームに取り付ける第二締結具の配置ピッチと補強部材をXビームに取り付ける第一締結具の配置ピッチとを合致させることがより好ましい。例えば、いずれのピッチも60mmとする場合などである。
以上により、炭素繊維強化樹脂製の部材の接合に一般に用いられる接着剤を使用しなくとも、Xビームと炭素繊維強化樹脂からなる補強部材とを構造的に接合することができる。従って、Yビームに沿って運動する部材全体の重量の低減を図ることができると共に、Xビームの反りに抗してXビームを真っ直ぐに維持することができるのはもとより、接着剤を用いる場合に比べて補強部材のXビームへの取り付けが容易であり部品実装装置の組み立てコストの低減を図ることができる。また、Xビームと補強部材との分離も容易であるため、各部材のリサイクルなどを容易に行うことが可能となる。従って、Xビーム103の反りを要求仕様以下に抑えつつ、Yビーム104に沿って移動する部材の重量を軽減でき、部品300を基板200に高速かつ正確に実装することが可能となる。
本願発明は、ヘッドをXY方向に自在に高速で移動させる部品実装装置に利用でき、例えば部品を基板に実装する部品実装機ばかりでなく、基板に取り付けられた部品を検査する検査機や、接着剤などを基板に塗布する塗布機などにも利用可能である。
100 部品実装装置
101 ヘッド
102 レール
103 Xビーム
104 Yビーム
105 補強部材
106 基台
111 保持手段
122 第二締結具
151 第一締結具
152 挟持部材
153 止めねじ
200 基板
300 部品

Claims (7)

  1. ヘッドをX軸方向に摺動自在に案内するX軸方向に延びて配置されるレールと、
    前記レールがY軸方向の一端部に取り付けられ、X軸方向に延びて配置される棒形状のXビームと、
    前記XビームをY軸方向に摺動自在に案内するY軸方向に延びて配置されるYビームとを備える部品実装装置であって、
    前記レールの熱膨張と前記Xビームの熱膨張との差によって発生する前記Xビームの反りに抗する補強部材であって、炭素繊維強化樹脂からなり、第一締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上で前記XビームのY軸方向の他端部に締結される補強部材
    を備える部品実装装置。
  2. 前記レールは、前記Xビームに対し第二締結具によりX軸方向に並ぶ3箇所以上で前記XビームのY軸方向の一端部に締結され、
    前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは、前記レールを前記Xビームに締結する前記第二締結具のX軸方向の配置ピッチ以下である
    請求項1に記載の部品実装装置。
  3. 前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは、前記レールを前記Xビームに締結する前記第二締結具のX軸方向の配置ピッチの1/n倍(nは自然数)である
    請求項2に記載の部品実装装置。
  4. 前記第一締結具のX軸方向の位置は、前記第二締結具のX軸方向の位置と一致する
    請求項3に記載の部品実装装置。
  5. 前記第一締結具は、ボルトを備え、
    前記補強部材は、前記ボルトを挿通する挿通孔を備える
    請求項1に記載の部品実装装置。
  6. 前記補強部材を前記Xビームに締結する前記第一締結具のX軸方向の配置ピッチは70mm以下である
    請求項1に記載の部品実装装置。
  7. 前記XビームのYZ断面の形状は、Y軸方向の他端部に至るまで徐々にZ軸方向の間隔がY軸対称で狭くなる形状を有する
    請求項1に記載の部品実装装置。
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