JPWO2020017016A1 - 部品装着機の吸着ノズル - Google Patents

Abstract

部品装着機の吸着ノズルは、基板に装着される部品の長方形の被吸着面の短辺の内側に当接可能な一対の短開口縁、および前記被吸着面の長辺の内側に当接可能な一対の長開口縁が環状に連なる先端開口部と、少なくとも負圧エアが導入される基端開口部と、円錐内面の一部を用いて形成され前記基端開口部から前記短開口縁に向かって延在するとともに、前記短開口縁に近付くにつれて相互に接近する一対の円錐テーパ面、および、前記基端開口部から前記長開口縁に向かって延在するとともに、前記長開口縁に近付くにつれて相互に接近する一対の平面テーパ面によって内側に区画されるテーパ空隙部と、を備える。

Description

本明細書は、部品装着機に設けられて、導入される負圧エアにより部品を吸着する吸着ノズルに関する。

プリント配線が施された基板に対基板作業を実施して、回路基板を量産する技術が普及している。対基板作業を実施する対基板作業機の代表例として、部品の装着作業を実施する部品装着機がある。多くの部品装着機は、導入される負圧エアにより部品を吸着する吸着ノズルを備える。この種の吸着ノズルに関連する技術例が特許文献１、２に開示されている。

特許文献１に開示された吸着ノズルは、真空ホース接続部と、先細のノズルチップと、それらの中心を貫いた透孔を備え、該透孔を滑らかな円錐形状と成している。この吸着ノズルによれば、空気抵抗が少なく、吸引力が大きく、ゴミの引っ掛かりが少ない、とされている。

また、特許文献２には、管状中空の吸着ノズル内を負圧にして、該吸着ノズルの先端部に部品を吸着させる部品吸着装置が開示されている。この吸着ノズルは、管内形状が基端側より先端側に亘り、先端側が縮径された連続したテーパ形状となされている。これによれば、吸着ノズルを流動するエアの管内抵抗が少なくなり、効率の良いエアの流れが確保され、安定した部品吸着を行うことができる、とされている。

特開平８−２９４８９１号公報 特開２０００−３０８９８７号公報

ところで、特許文献１、２の吸着ノズルにおいて、内部の空隙部の断面積は、先端に向かうにつれて減少しており、いわゆるテーパ形状となっている。しかしながら、吸着ノズルの吸着力は、テーパ形状の良し悪しに依存して変化するため、往々にして吸着力不足の問題が生じていた。また、吸着ノズルの空隙部の形状を検討する上で、圧力損失（ないしは空気抵抗）を低減するための指針は明らかになっていなかった。

本明細書では、ノズル内の空隙部における圧力損失を小さくして、従来よりも大きな吸着力を得られる部品装着機の吸着ノズルを提供することを解決すべき課題とする。

本明細書は、基板に装着される部品の長方形の被吸着面の短辺の内側に当接可能な一対の短開口縁、および前記被吸着面の長辺の内側に当接可能な一対の長開口縁が環状に連なる先端開口部と、少なくとも負圧エアが導入される基端開口部と、円錐内面の一部を用いて形成され前記基端開口部から前記短開口縁に向かって延在するとともに、前記短開口縁に近付くにつれて相互に接近する一対の円錐テーパ面、および、前記基端開口部から前記長開口縁に向かって延在するとともに、前記長開口縁に近付くにつれて相互に接近する一対の平面テーパ面によって内側に区画されるテーパ空隙部と、を備える部品装着機の吸着ノズルを開示する。

本明細書で開示する部品装着機の吸着ノズルは、一対の短開口縁および一対の長開口縁が環状に連なった略長方形の先端開口部と、概ね円形の基端開口部と、一対の円錐テーパ面および一対の平面テーパ面によって内側に区画されるテーパ空隙部を備える。テーパ空隙部では、断面形状が基端開口部の円形から先端開口部の略長方形へと徐々に変化しつつ、断面積が徐々に減少する。このため、テーパ空隙部の断面形状および断面積の急変箇所が存在せず、発生する圧力損失が抑制される。したがって、従来構成と比較して圧力損失を小さくすることができ、結果として従来よりも大きな吸着力が得られる。

実施形態の部品装着機の吸着ノズルの外観斜視図である。 実施形態の吸着ノズルの縦断面図である。 ノズル先端部材の外観斜視図である。 ノズル先端部材の内部の空隙部の形状を示した斜視図である。 ノズル先端部材の位置決め突部を通る縦断面図である。 図５と直交する方向のノズル先端部材の縦断面図である。 図５の VII−VII 方向からみたノズル先端部材の横断面を２倍弱拡大した横断面図である。 図５の VIII−VIII 方向からみたノズル先端部材の先端開口部を約１０倍拡大した図である。 比較例の吸着ノズルの内部の空隙部の形状を示した斜視図である。

１．実施形態の部品装着機の吸着ノズル１の構成
実施形態の吸着ノズル１は、部品装着機に設けられ、導入される負圧エアにより部品を吸着する。また、吸着ノズル１は、導入される正圧エアにより部品を基板に装着する。部品装着機の構成については良く知られているので、説明は省略する。図１は、実施形態の部品装着機の吸着ノズル１の外観斜視図である。また、図２は、実施形態の吸着ノズル１の縦断面図である。吸着ノズル１は、起立した状態で使用され、図１の右下側および図２の右側が下側となって使用される。吸着ノズル１は、ノズル本体部材２、およびノズル先端部材３を具備する。図３は、ノズル先端部材３の外観斜視図である。

ノズル本体部材２は、図２に示されるように、二重円筒状に構成されている。内側円筒に相当するシャフト部材２１の内部は、円柱状空間の本体空隙部２２となっている。シャフト部材２１は、基端開口２３、一対の長孔２４、および先端組み付け座２５を有する。基端開口２３は、シャフト部材２１の上側に開口する部位である。基端開口２３は、図略のノズルホルダに接続されて気密が維持される。かつ、ノズルホルダから基端開口２３を経由して本体空隙部２２へと、負圧エアおよび正圧エアが選択的に導入される。

一対の長孔２４は、シャフト部材２１の中間辺りの側面に向かい合って形成され、上下方向に延在する。先端組み付け座２５は、シャフト部材２１の下側の内面の内径が拡大されて形成される。先端組み付け座２５には、ノズル先端部材３が組み付けられる。図１に示されるように、先端組み付け座２５の周方向の一箇所は、上下方向に切り開かれて位置決め溝２６となっている。

外側円筒に相当するスリーブ２Ａは、シャフト部材２１の外周に配置され、かつ気密を維持する。スリーブ２Ａは、基端開口２Ｂ、貫通ピン２Ｃ、および背景板２Ｄを有する。基端開口２Ｂは、スリーブ２Ａの上側に開口する部位である。貫通ピン２Ｃは、スリーブ２Ａの中間辺りを水平方向に貫いて固定される。貫通ピン２Ｃは、シャフト部材２１の一対の長孔２４を通り抜けている。貫通ピン２Ｃは、図略のノズルホルダによって、交換可能に保持される。これにより、吸着ノズル１の全体が交換可能に保持される。

貫通ピン２Ｃは、長孔２４の内部を上下方向に相対移動可能となっている。加えて、シャフト部材２１は、図略のスプリングにより、スリーブ２Ａに対して相対変位可能に支承される。これによれば、ノズル先端部材３が部品などに衝突したとき、シャフト部材２１は、スリーブ２Ａに対して相対的に上昇し、衝突時のショックが低減される。

背景板２Ｄは、スリーブ２Ａの下側が外向きに鍔状に拡がった部位である。背景板２Ｄは、ノズル先端部材３が吸着した部品を下方からカメラで撮像するときの背景となる。背景板２Ｄが存在することにより、画像処理を行って部品の外形形状を検出する際の検出精度が高められる。加えて、カメラの撮像条件の設定も容易となる。

ノズル先端部材３は、図２および図３に示されるように、組み付け基部３１、下側本体部３５、先端開口部４、基端開口部５、テーパ空隙部６、および空隙調整部７を備える。組み付け基部３１は、ノズル先端部材３の上部の筒状の部位である。組み付け基部３１の外径寸法Ｄ１（図６参照）は、シャフト部材２１の先端組み付け座２５の内径に略一致する。

組み付け基部３１の周方向の一箇所には、外向きに突出する位置決め突部３２が設けられている。組み付け基部３１は、先端組み付け座２５に下方から嵌め込まれて組み付けられる。このとき、位置決め突部３２が位置決め溝２６に嵌入して、ノズル先端部材３の周方向の組み付け位相角が一定に保たれる。下側本体部３５は、組み付け基部３１の下側に一体的に形成される。下側本体部３５は、その上部が組み付け基部３１よりも太く、下側ほど細く形成される。

先端開口部４は、下側に開口して部品に当接し、部品を直接的に吸着する部位である。基端開口部５は、上側に開口する部位である。テーパ空隙部６は、ノズル先端部材３の内部空間であり、基端開口部５の下側に形成される。空隙調整部７は、テーパ空隙部６の下端と先端開口部４を連通する内部空間である。

２．ノズル先端部材３の詳細形状
ノズル先端部材３の形状について、さらに詳細に説明する。図４は、ノズル先端部材３の内部の空隙部の形状を示した斜視図である。図５は、ノズル先端部材３の位置決め突部３２を通る縦断面図である。図６は、図５の縦断面図と直交する方向のノズル先端部材３の縦断面図である。また、図７は、図５の VII−VII 方向からみたノズル先端部材３の横断面を２倍弱拡大した横断面図である。さらに、図８は、図５の VIII−VIII 方向からみたノズル先端部材３の先端開口部４を約１０倍拡大した図である。ノズル先端部材３は、例えば、成形型の中でセラミクス材料を焼結する型成形法を用いて製造される。

先端開口部４は、図８に示されるように、一対の短開口縁４１および一対の長開口縁４２が交互に連なって、環状に形成される。短開口縁４１は、部品の長方形の被吸着面の短辺の内側に当接可能とされる。長開口縁４２は、被吸着面の長辺の内側に当接可能とされる。一対の短開口縁４１の形状は、後述する円錐テーパ面６１の先端形状に一致している。また、一対の長開口縁４２の形状は、被吸着面の長辺の中央で相互に接近するくびれ形状となっている。先端開口部４の大きさは、長方形の被吸着面の大きさに合わせて適正に設定される。

また、先端開口部４の外側、すなわちノズル先端部材３の先端外形は、長方形の四頂点に丸みが付与された角丸長方形となっている。角丸長方形の周縁には、面取りが施されている。角丸長方形の長辺寸法Ｓ１および短辺寸法Ｓ２も、長方形の被吸着面の大きさに合わせて適正に設定される。このように、先端開口部４および外側の形状および寸法が適正化されて、安定した部品の吸着が実現される。また、長開口縁４２のくびれ形状は、被吸着面の中央から偏移した位置を吸着した場合に、部品の一隅が先端開口部４に入り込んで傾斜姿勢となることを抑制する。

基端開口部５は、円形の開口形状を有する。基端開口部５の内径寸法Ｄ２（図６参照）は、本体空隙部２２の内径よりも小さめとされている。ノズル先端部材３の組み付け状態において、基端開口部５は、本体空隙部２２に臨む。これにより、本体空隙部２２から基端開口部５を経由してテーパ空隙部６へと、負圧エアおよび正圧エアが選択的に導入される。

テーパ空隙部６は、向かい合う一対の円錐テーパ面６１、および向かい合う一対の平面テーパ面６５によって、ノズル先端部材３の内側に区画形成される。テーパ空隙部６は、ノズル先端部材３の長さ方向の先端寄りを除いた大部分を占める。円錐テーパ面６１および平面テーパ面６５は、周方向に交互に配置される。一対の円錐テーパ面６１は、円錐内面の一部を用いて形成され、基端開口部５から短開口縁４１に向かって延在する。基端開口部５において、一対の円錐テーパ面６１は、円形の開口形状に一致する。また、一対の円錐テーパ面６１は、短開口縁４１に近付くにつれて相互に接近する。

本実施形態において、円錐テーパ面６１は、頂角が相違する二種類の円錐内面の組み合わせを用いて形成される。すなわち、円錐テーパ面６１は、基端側円錐テーパ面６２および先端側円錐テーパ面６３が境界６４で連結されて形成される。基端側円錐テーパ面６２は、組み付け基部３１の内側に形成される。一方、先端側円錐テーパ面６３は、下側本体部３５の内側に形成される。図６に示されるように、基端側円錐テーパ面６２の頂角Ａ１は、先端側円錐テーパ面６３の頂角Ａ２よりも大きい。

一対の平面テーパ面６５は、基端開口部５から長開口縁４２に向かって延在するとともに、長開口縁４２に近付くにつれて相互に接近する。図４および図６に示されるように、平面テーパ面６５の幅寸法Ｗは、基端開口部５においてゼロである。平面テーパ面６５の幅寸法Ｗは、基端開口部５から下側に向かうにつれて徐々に増加し、基端側円錐テーパ面６２と先端側円錐テーパ面６３との境界６４付近で最大となる。この境界６４よりも下側で、平面テーパ面６５の幅寸法Ｗは、著変しない。

ここで、図７に示されるように、テーパ空隙部６の断面形状は、円錐テーパ面６１に対応する一対の円弧６７、および平面テーパ面６５に対応する一対の線分６８で囲まれる。基端開口部５において、一対の円弧６７は、テーパ空隙部６の断面形状の周囲の全体を占める。これにより、基端開口部５は円形となっている。基端開口部５から下降するにつれて、断面形状に占める円弧６７の比率は徐々に減少する。テーパ空隙部６の先端の断面形状は、相対的に短い円弧６７Ｓおよび相対的に長い線分６８Ｌで囲まれた略長方形（図７の中央の形状）となる。

また、二種類の円錐内面を組み合わせて円錐テーパ面６１を形成することにより、図５および図６に示される二方向でテーパ空隙部６の縦断面形状を適正化できる。つまり、テーパ空隙部６の断面積の上下方向に沿う変化を適正化して、圧力損失を効率的に低減できる。なお、頂角Ａ１と頂角Ａ２の大小関係は、逆転してもよい。

空隙調整部７は、ノズル先端部材３の長さ方向の先端寄りの一部分のみを占める。空隙調整部７は、空隙の断面形状を調整する。具体的に、空隙調整部７は、テーパ空隙部６の先端の略長方形の断面形状（図７参照）を、先端開口部４（図８参照）の形状まで調整する。空隙調整部７の断面形状は、上下方向に移動するにつれて徐々に変化する。また、空隙調整部７の断面積は、下側に向かうにつれて僅かずつ減少するか、あるいは殆ど変化しない。

また、サイズの異なる部品に対応するために、複数種類の吸着ノズル１が必要となる。複数種類の吸着ノズル１は、ノズル本体部材２を共通とし、複数種類のノズル先端部材３のいずれかが組み付けられて製造される。複数種類のノズル先端部材３は、先端開口部４の大きさ、および先端開口部４の外側の長辺寸法Ｓ１および短辺寸法Ｓ２が相違する。それでも、ノズル先端部材３の全長Ｌ１、および、組み付け基部３１の外径寸法Ｄ１は共通化される（図６参照）。

このため、基端開口部５の内径寸法Ｄ２、基端側円錐テーパ面６２の頂角Ａ１、および先端側円錐テーパ面６３の頂角Ａ２が適宜設計変更され、テーパ空隙部６の形状が適正化される。これによれば、部品装着機において複数種類の吸着ノズル１を共通に使用でき、装着作業の精度向上や生産効率の向上に寄与する。例えば、部品を吸着および装着するときの吸着ノズル１の昇降制御方法を共通化したり、吸着ノズル１の自動交換動作を効率化したりできる。加えて、複数種類の吸着ノズル１を製造するときの部品点数が少なくて済むので、製造コストの低減に寄与できる。

３．実施形態の部品装着機の吸着ノズル１の作用および効果
次に、実施形態の部品装着機の吸着ノズル１の作用および効果について、比較例と比較して説明する。図９は、比較例の吸着ノズルの内部の空隙部９の形状を示した斜視図である。比較例の吸着ノズルにおいて、空隙部９は、円筒状部９１、円錐状部９２、断面形状変化部９３、および先端部９４が連なって形成される。

円筒状部９１では、円形の断面形状および断面積が一定に保たれる。円錐状部９２では、円形の断面形状が保たれつつ、断面積が比較的急峻に減少する。断面形状変化部９３では、円形の断面形状が略長方形へと比較的急峻に変化しつつ、断面積は減少する。先端部９４では、略長方形の断面形状および狭い断面積が一定に保たれる。比較例の吸着ノズルは、長さ方向のうち限られた範囲のみで、断面形状および断面積を変化させている。このため、実施形態と比較して変化が急峻となり、発生する圧力損失は大きくなる。比較実験の結果によれば、実施形態の吸着ノズル１は、比較例の吸着ノズルと比較して、１．３倍の吸着力を発揮する。

実施形態の部品装着機の吸着ノズル１は、一対の短開口縁４１および一対の長開口縁４２が環状に連なった略長方形の先端開口部４と、略円形の基端開口部５と、一対の円錐テーパ面６１および一対の平面テーパ面６５によって内側に区画されるテーパ空隙部６を備える。テーパ空隙部６では、断面形状が基端開口部５の円形から先端開口部４の略長方形へと徐々に変化しつつ、断面積が徐々に減少する。このため、テーパ空隙部６の断面形状および断面積の急変箇所が存在せず、発生する圧力損失が抑制される。したがって、従来構成と比較して圧力損失を小さくすることができ、結果として従来よりも大きな吸着力が得られる。

４．実施形態の応用および変形
なお、基端開口部５における平面テーパ面６５の幅寸法Ｗがゼロでなく、基端開口部５が非円形であってもよい。また、円錐テーパ面６１は、単一の円錐内面で形成されてもよく、あるいは、三種類以上の円錐内面の組み合わせで形成されてもよい。さらに、空隙調整部７は、省略することも可能である。また、ノズル本体部材２の構造は、先端組み付け座２５の形状を除いて、適宜変更することができる。本実施形態は、その他にも様々な応用や変形が可能である。

１：吸着ノズル ２：ノズル本体部材 ２１：シャフト部材 ２２：本体空隙部 ２Ａ：スリーブ ３：ノズル先端部材 ４：先端開口部 ４１：短開口縁 ４２：長開口縁 ５：基端開口部 ６：テーパ空隙部 ６１：円錐テーパ面 ６２：基端側円錐テーパ面 ６３：先端側円錐テーパ面 ６５：平面テーパ面 ７：空隙調整部 ９：空隙部 Ａ１：頂角 Ａ２：頂角

Claims (5)

1. 基板に装着される部品の長方形の被吸着面の短辺の内側に当接可能な一対の短開口縁、および前記被吸着面の長辺の内側に当接可能な一対の長開口縁が環状に連なる先端開口部と、
   少なくとも負圧エアが導入される基端開口部と、
   円錐内面の一部を用いて形成され前記基端開口部から前記短開口縁に向かって延在するとともに、前記短開口縁に近付くにつれて相互に接近する一対の円錐テーパ面、および、前記基端開口部から前記長開口縁に向かって延在するとともに、前記長開口縁に近付くにつれて相互に接近する一対の平面テーパ面によって内側に区画されるテーパ空隙部と、
   を備える部品装着機の吸着ノズル。
2. 一対の前記円錐テーパ面は、頂角が相違する複数種類の前記円錐内面の組み合わせを用いて形成される、請求項１に記載の部品装着機の吸着ノズル。
3. 前記テーパ空隙部と前記先端開口部との間に、空隙の断面形状を調整する空隙調整部をさらに備える、請求項１または２に記載の部品装着機の吸着ノズル。
4. 前記先端開口部は、一対の前記短開口縁が前記円錐テーパ面の先端形状に一致し、かつ一対の前記長開口縁が前記被吸着面の前記長辺の中央で相互に接近するくびれ形状とされている、請求項３に記載の部品装着機の吸着ノズル。
5. 前記先端開口部、前記基端開口部、および前記テーパ空隙部をそれぞれ備え、前記先端開口部の大きさが相違する複数種類のノズル先端部材のいずれかと、
   複数種類の前記ノズル先端部材に対して共通の形状をもち、かつ、組み付けられた前記ノズル先端部材の前記基端開口部に少なくとも前記負圧エアを導入する本体空隙部を備えるノズル本体部材と、
   を具備する請求項１〜４のいずれか一項に記載の部品装着機の吸着ノズル。

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