JP5121590B2 - 表面実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面実装装置、特に電子部品等の部品を基板に搭載する際等の荷重制御に適用して好適な表面実装装置に関する。

通常、表面実装装置１は、図１に示すように、左右方向に延在されている基板搬送路２により搬送され、位置決めされた基板Ｓ上に部品供給部３に供給される電子部品を実装するヘッドユニットが有する搭載ヘッド１０と、該搭載ヘッド１０をＸ方向及びＹ方向にそれぞれ移動させるＸ軸移動機構１２及びＹ軸移動機構１４を備えている。

Ｘ軸移動機構１２は、部品を吸着する吸着ノズル１０Ａを備えた搭載ヘッド１０をＸ軸方向に移動させると共に、Ｙ軸移動機構１４は、Ｘ軸移動機構１２と一体で搭載ヘッド１０をＹ軸方向に移動させる。又、搭載ヘッド１０は、吸着ノズル１０ＡをＺ軸方向に昇降可能に移動させるＺ軸移動機構を備えていると共に、吸着ノズル１０Ａをノズル軸（吸着軸）を中心に回転させるθ軸回転機構を備えている。又、搭載ヘッド１０には、基板Ｓ上に形成された基板マークを撮像する基板認識カメラ１６が、支持部材を介して取付けられている。又、部品供給部３の側部には、吸着ノズル１０Ａに吸着された部品を下方から撮像する部品認識カメラ１８が配置されている。

上記のような電子部品実装装置においては、チップ等の電子部品を搭載ヘッドが有する吸着ノズルで吸着保持した後、位置決めされているプリント基板等の基板上に搭載することが行われている。

又、このように基板上に種々の電子部品を搭載可能とするために、対応する電子部品を上記吸着ノズルで吸着保持できるように、テープフィーダ等の複数の部品供給装置を前記部品供給部３に配列装着し、それぞれのピックアップ位置に電子部品を供給する方法が採用されている。なお、以下には、搭載ヘッド、吸着ノズル及び電子部品をそれぞれ、単にヘッド、ノズル及び部品とも記す。

近年部品の極小化が進み、部品供給装置からの吸着時や基板上への部品搭載時にノズルが部品へ与える荷重低減が求められている。また、一方ではフリップチップのフラクサ（フラックス）転写時や基板上への搭載時にノズルが部品へ与える荷重の制御（ある一定荷重で一定時間ノズルにより部品を押付ける）が求められている。更に、市場からはタクトアップ（時間あたりの部品搭載点数の増大）が求められており、ヘッドに装着するノズルが増える多ノズル化の傾向があり、加えてヘッド自体もタクトアップの目的で１マシンあたりのヘッドが増える多ヘッド化の傾向もある。

ノズルが部品へ与える荷重制御技術の一例としては、各ノズルに荷重センサを配置して部品にノズルが与えた荷重をノズル毎に測定し、その結果からノズル昇降機構（Ｚ軸）の動作を制御して荷重を制御する方法が特許文献１に開示されている。

ノズルが部品へ与える荷重制御技術の他一例としては、部品が搭載される基板を支持している側に荷重センサを配置して部品にノズルが与えた荷重を基板を介して測定し、その結果からノズル昇降機構（Ｚ軸）の動作を制御して荷重を制御する方法が特許文献２に開示されている。

特開２００５−１９９５７号公報 特許３１２８３５４号公報

しかしながら特許文献１の荷重制御技術には、各ノズルに荷重センサを配置し、部品にノズルが与えた荷重をノズル毎に測定することになるため、ノズルの数だけ荷重センサを配置する必要があることから、多ノズル化されたヘッドの場合にはその構造を複雑にし、ヘッドの軽量化やサイズの縮小化を妨げ、更には故障になる確率も増えるためにヘッド交換等のメンテ性も悪化することとなる。

又、特許文献２の荷重制御技術の場合は、荷重センサが基板支持側に配置されているため、荷重センサの数が最低３個あればよいため多ノズル化の影響は受けないが、ノズルが部品へ与えている荷重は基板上へ部品を搭載している時しか測定出来ないため、他の荷重制御が出来ない。例えば、部品吸着時やフラクサ転写時の荷重は測定出来ないため、その際の荷重制御は不可能となる。ただし、部品吸着部の支持側やフラクサの支持側にも荷重センサを配置すれば、部品吸着時やフラクサ転写時の荷重制御も可能にはなるが、それぞれの支持側に荷重センサを取付けることは、一般に部品吸着の使用数が多く、しかも頻繁に部品供給装置を表面実装機に脱着する必要があることから実用的ではない。

本発明は、前記従来の問題点を解決するために、多ノズル化されたヘッドの場合でも、構造を複雑にすることなく、ヘッドの軽量化や縮小化を妨げることのないヘッドユニットを備えた表面実装装置を提供することを課題とする。

本発明は、水平方向の一軸に案内移動されるヘッドプレートと、該ヘッドプレートに固定された搭載ヘッドとを有するヘッドユニットを備えた表面実装装置において、搭載ヘッドとヘッドプレートとの間に垂直方向の荷重を測定する荷重センサを介設していると共に、前記ヘッドプレートの背面には、前記一軸の方向に延びる一対のレールにそれぞれ案内されるリニアガイドが対向配置され、且つ、前記ヘッドプレートの前面には、前記搭載ヘッドが前記荷重センサを間に介在させて固定されていることにより、前記課題を解決したものである。

本発明は、又、前記搭載ヘッドを前記ヘッドプレートに少なくとも３箇所で固定し、各固定箇所に荷重センサを介設するようにしてもよい。

本発明は、又、前記搭載ヘッドを前記ヘッドプレートに、対向配置されたリニアガイドを介して垂直方向に移動可能に固定し、リニアガイド間の中心位置に荷重センサを介設するようにしてもよい。

本発明によれば、水平方向に案内移動されるヘッドプレートに、垂直方向の荷重を検出可能な荷重センサを介して搭載ヘッドを固定するようにしたので、該搭載ヘッドに装着される吸着ノズルの数の如何に拘わらず、構造を複雑にすることなく電子部品の搭載時はもとより、吸着時にも正確に荷重制御することが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

本発明に係る第１実施形態の表面実装装置は、ヘッドユニットを除き、基本的な構成は前記図１に示したものと同一である。

一般的にヘッドユニット３０は、図２に上から見たＸ軸とＹ軸との関係を、図３に分解した状態をそれぞれ示すように、ヘッドプレート３２、搭載ヘッド１０等で構成されている。

ヘッドプレート３２は、Ｘ軸方向に移動可能なようにＸ軸移動機構１２のレール１２Ａにリニアガイド３６を介して固定されていると共に、Ｙ軸移動機構１４によりＹ軸方向へも、図示しないベルトやボールねじやリニアモータ等で駆動されるようになっている。

本実施形態では、このヘッド１０とヘッドプレート３２との間に上下方向の荷重を測定出来る荷重センサを介在させ、これにヘッド１０の全荷重がかかるようにヘッドをヘッドプレート３２に固定する。

ここでは、図４に示すように荷重センサ４０として水晶圧電式力センサを使用している。図には、ヘッド１０を固定ねじ４２で固定した状態を１箇所のみ示してあるが、全体としては４箇所固定し、各固定位置に荷重センサ４０を取付けている。従って、各荷重センサ４０にかかる荷重を合算すると、ヘッド１０の質量＋ヘッド１０が与えた荷重が測定出来る。

ヘッド質量を予め測定しておいて荷重センサ４０の合算値からヘッド質量を引けば、ヘッドが与えた荷重が計算出来る。例えば、全荷重センサの合算値が５．１ｋｇでヘッド質量が５ｋｇだった場合、ヘッド１０が与えた荷重は０．１ｋｇとなる。

なお、この荷重センサ（水晶圧電式力センサ）４０としては、固定ねじ４２の軸方向の圧縮力Ｆｚに感応する水晶素子以外に、面方向のせん断力（Ｆｘ、Ｆｙ）に感応する２つの水晶素子を組合せた３成分力センサを有効に利用できる。

一般に、ヘッド１０は、ノズル１０Ａの配置はＸ軸（またはＹ軸）に平行に一列に並んだパラレルヘッド（図３では６本のノズル１０Ａが並列している）と、例えば特開２００５−２６７２３号公報に開示されているような回転軸を中心に円弧上にノズルが配置されたロータリヘッドの２種類に分けられる。本実施形態ではパラレルヘッドを採用しているが、ロータリヘッドにも適用できる。

パラレルヘッドでは通常、部品吸着時はタクトＵＰのためにノズルが同時に部品吸着し、部品搭載は各ノズル個別に実施することができる。またロータリヘッドでは通常、部品吸着も部品搭載も各ノズル個別に実施する。

各ノズルが個別に動作し部品に荷重を与えているノズルがひとつであれば、その部品に与える荷重はそのノズルの昇降機構（Ｚ軸）の動作を制御することにより荷重を制御出来る。ただし、複数のノズルが同時に荷重を与えるパラレルヘッドを使用する各ノズル同時部品吸着時には、各ノズルが与えている個別の荷重は計算出来ず、荷重の総和しか計算出来ないために荷重制御は出来ない。

フリップチップの場合は、部品吸着は部品に傷をつけたりしないように吸着出来れば良く、部品搭載はある一定荷重で搭載するために荷重制御が求められることが多い。そのため、パラレルヘッドの各ノズル同時部品吸着時のように荷重制御が出来なくても問題にはならない。

また、その際にはノズルとして、図５に示すように吸着部Ｎによる衝撃力を低減する目的でばねＳを使用している構造を採用し、さらに、部品吸着時のノズル下降速度を制御してノズルが部品に当たる際に傷をつけないように対策してもよい。

もしパラレルヘッドにおいて部品吸着時の荷重制御が必要な部品がある場合は、その部品を吸着するノズルの昇降動作を別のノズルの昇降動作とは同時に実施せずに、分けて実施することによって荷重制御が必要な部品のみの荷重制御も可能となる。

以下に制御方法を説明する。本実施形態では、図６にあるような制御構成になっており、前述した如く、ヘッド１０にはＮｏ.１〜Ｎｏ.６の６本のノズル１０Ａが配置されていて、該ヘッド１０はヘッドプレート（図中、ヘッド固定部）３２に４箇所で固定され、各固定位置にＮｏ.１〜Ｎｏ．４の荷重センサ４０が介設されている。荷重合算装置５０は４個の荷重センサ４０の測定値を合算して合算値を制御装置６０へ送っている。

次に、図７のフローチャートを参照しながら制御の流れを説明する。

ノズルを吸着位置や搭載位置やフラクサ転写位置等の荷重制御実施位置へ移動する（ステップ１）。移動完了し整定後に荷重合算装置５０でヘッド質量を測定する（ステップ２）。記憶装置からノズルが部品へ与える目標荷重とその荷重をかけておく時間を読み出す（ステップ３）。ノズル昇降装置で荷重合算装置５０の測定値が目標荷重＋ヘッド質量に到達するまでノズル１０Ａを下降する（ステップ４）。目標荷重に到達したらノズル１０Ａの下降を停止し（ステップ６）、荷重をかける時間その荷重を保持する（ステップ７）。その後、ノズル昇降機構でノズルを上昇して荷重制御を終了する（ステップ８）。

以上詳述した本実施形態によれば、ヘッド１０とヘッドプレート３２との間に荷重センサ（水晶圧電式力センサ）４０を挟んでヘッドを固定するだけで、ヘッド構造の複雑化やメンテ性の悪化がなく、また、ヘッド１０の軽量化やサイズの縮小化を妨げずにノズル１０Ａが部品へ与える荷重制御が可能となる。また同時に、部品吸着、フラクサ転写、部品搭載等のいかなる時でもノズル１０Ａが部品へ荷重制御することを可能としている。さらに、ヘッド質量が変わらなければ、ノズルの配置や数が変わろうとどのようなヘッドにおいてもノズルの荷重制御を可能とするため、極めて自由度が高い。高価な荷重センサの使用個数を抑えて、荷重制御を容易に実現し、さらに、タクトアップの要求に対してもほとんど影響を与えない。

図８には、第２実施形態の要部の特徴を示し、前記図４に示した第１実施形態の荷重センサ４０としての水晶圧電式力センサの代りにロードセル４４を介設したものに相当し、それ以外は同一である。ここでは便宜上、上下の２箇所のロードセル４４が示されており、このロードセル４４としては、せん断受感形（ビーム型）を利用できる。

図９は第３実施形態のヘッドユニット３０の特徴を示す、前記図３に相当する斜視図である。

この図に示されるように、本実施形態では、ヘッドプレート３２にヘッド１０を垂直方向（上下方向）に案内移動可能とするリニアガイド３６が左右に対向して配設され、両者間の中心位置に荷重センサとして１つのロードセル４４が固定されている。そして、ヘッド１０をロードセル４４に当接した状態で、その左右位置を左右のリニアガイド３６に、図示しないねじでそれぞれ固定してヘッドユニット３０とする。

このようにすることにより、ノズル１０Ａに荷重が加わったときのヘッド１０の動きは上下方向に規制されるため、１つのロードセル（荷重センサ）４４によりヘッド全体の荷重を測定することができる。

なお、前記第１、第２実施形態では、ヘッドプレート３２に対するヘッド１０の固定箇所が４つの場合を示したが、ヘッド１０の垂直面を規定できればよいので３箇所以上であればよい。又、荷重センサについてはロードセルや圧電素子以外であってもよく、使用できるものであれば特に種類を問わない。

表面実装装置の要部を示す斜視図 ヘッドユニットとＸＹ軸の関係を示す要部平面図 ヘッドユニットの特徴を示す分解斜視図 第１実施形態の特徴を示す部分断面図 吸着ノズルの一例を示す断面図 表面実装装置の制御構成の概要を示すブロック図 実施形態の作用を示すフローチャート 第２実施形態の特徴を示す部分断面図 第３実施形態の特徴を示す分解斜視図

符号の説明

１０…搭載ヘッド（ヘッド）
１０Ａ…吸着ノズル（ノズル）
３０…ヘッドユニット
３２…ヘッドプレート
３６…リニアガイド
４０…荷重センサ（水晶圧電式力センサ）
４４…ロードセル

Claims (3)

1. 水平方向の一軸に案内移動されるヘッドプレートと、該ヘッドプレートに固定された搭載ヘッドとを有するヘッドユニットを備えた表面実装装置において、搭載ヘッドとヘッドプレートとの間に垂直方向の荷重を測定する荷重センサを介設していると共に、
   前記ヘッドプレートの背面には、前記一軸の方向に延びる一対のレールにそれぞれ案内されるリニアガイドが対向配置され、且つ、
   前記ヘッドプレートの前面には、前記搭載ヘッドが前記荷重センサを間に介在させて固定されていることを特徴とする表面実装装置。
2. 前記搭載ヘッドを前記ヘッドプレートに少なくとも３箇所で固定し、各固定箇所に荷重センサを介設することを特徴とする請求項１に記載の表面実装装置。
3. 前記搭載ヘッドを前記ヘッドプレートに、対向配置されたリニアガイドを介して垂直方向に移動可能に固定し、リニアガイド間の中心位置に荷重センサを介設することを特徴とする請求項１に記載の表面実装装置。

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