JP6280925B2 - 部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品実装装置に関する。例えば、電子部品を吸着し、基板に電子部品を搭載する部品実装装置に関する。

現在、様々な電気製品の基板に電子部品を実装する作業は自動化されており、その際に使用されるのが部品実装装置である。電子部品は年々微小化が進んでいる。2011年の電子部品の部品サイズのトレンドは0.4[mm]×0.2[mm]だが、2014年には0.3[mm]×0.15[mm]が主流になると予測されており、さらなる高速高精度実装が要求されている。

電子部品の破損を防止する従来技術としては、特許文献１が挙げられる。特許文献１では、電子部品が破損する主な原因となる基板の反りを生産動作前に検知することで部品破壊を防止することが可能であることを開示している。

特開２０１３−４５７８５号公報

高速高精度実装を実現するための１つのアプローチは、動作軸を高速動作させ生産性を向上させることである。しかし、電子部品の微小化に伴い、動作軸を高速動作させると、基板に電子部品を実装した際の圧力により電子部品が破損する場合もある。

電子部品が破損する主な原因は、基板の反りである。基板の反り量を考慮せずに部品を実装してしまうと、必要以上の圧力を電子部品に与えてしまい、その結果電子部品が破損してしまう場合もある。

特許文献１では、基板へ部品を実装する生産運転（部品実装）の前に基板毎に基板全域の高さを計測することを開示している。しかし、毎基板検査するため、生産時間とは別に検査時間が必要となるため生産性が低下するという課題がある。

本発明は、保持した部品と基板との間の距離を光学的に得るため距離検知部を有し、以下の動作（１）、及び（２）の少なくとも１つを行うことを１つの特徴とする。（１）ノズルの加速度、及び速度の少なくとも１つを決定する。（２）ヘッドアクチュエータ（他の表現としては部品を保持したノズル）の位置を変更する。

本発明は以下の効果のうち少なくとも１つを奏する。（１）部品の破損を防ぐことができる。（２）生産性を低下させることがない。（３）基板が反った場合でも、位置精度の高い部品実装を行うことができる。

実施例１に係る部品搭載装置全体の上面図。 図１の部品搭載装置の正面図。 ヘッドアクチュエータ１１３と基板１２３の位置関係説明図。 Z方向上向きの反りを有する基板とヘッドアクチュエータの位置関係説明図。 部品破損、及び実装精度悪化を説明する図。 Z方向下向きの反りを有する基板とヘッドアクチュエータの位置関係説明図。 ノズルが基板へ到達しない現象と実装精度悪化に関する説明図。 距離検知センサを搭載したヘッドアクチュエータ８０１の説明図 ヘッドアクチュエータ８０１のノズル選択動作と高さ検知方法の説明図。 ヘッドアクチュエータ８０１のノズル選択動作と高さ検知方法の説明図。 ヘッドアクチュエータ８０１のノズル上下動作説明図。 ヘッドアクチュエータ８０１のノズル回転動作説明図。 ヘッドアクチュエータ８０１の下面図。 距離検知センサによる基板高さ検知説明図。 距離検知センサの検出結果を使用したノズル位置の変更を説明する図。

以下、実施例について図面を用いて説明する。

図１-１４を用いて実施例１を説明する。説明図１は実施例１に係る部品搭載装置全体の上面図である。

基板１２３は紙面左側から基板ガイド１９１によって電子部品搭載位置に搬送される。

基板の搬送方向に直交する方向に第１のＹビーム１０１、第２のＹビーム１０２、Ｙビームガイド１８０が配置されている。

第１のＹビーム１０１、第２のＹビーム１０２とＹビームガイド１８０にはそれぞれ、Ｘビーム１０３、１０４、１０５、１０６が配置されている。

Ｘビーム１０３、１０４、１０５、１０６は、Ｙビーム１０１、１０２、Ｙビームガイド１８０にそれぞれに配置されたリニアモータ等のアクチュエータ１０７によってレール１８１、１８２に沿って基板の搬送方向に対して直交方向に移動する。

Ｘビーム１０３、１０４、１０５、１０６には、それぞれリニアモータ等のアクチュエータ１０９、１１０、１１１、１１２が配置されている。

そして、アクチュエータ１０９、１１０、１１１、１１２にはそれぞれ、電子部品を基板１２３に搭載するヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６がそれぞれ配置されている。

ここでアクチュエータ１０９、１１０、１１１、１１２は、リニアモータではなく、ボールネジ等の機構を用いれば安価かつ軽量な構成とすることができる。

そして、ヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６は、それぞれアクチュエータ１０９、１１０、１１１、１１２によってＹビーム１０１、１０２に対して直交方向（基板搬送方向に対して水平方向）に駆動される。

電子部品をヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６に供給する部品供給装置１５１、１５２、１５３、１５４は第１のＹビーム１０１、第２のＹビーム１０２の両端に配置されている。

そして、搭載する電子部品が無くなった場合等は、アクチュエータ１０７，１０８によってＸビーム１０３、１０４、１０５、１０６が部品供給装置１５１、１５２、１５３、１５４の手前（又は上方）に移動し、さらに、アクチュエータ１０９、１１０、１１１、１１２によって、ヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６が、任意の方向に移動し電子部品を補給する。

そして、部品搭載装置には、電子部品の姿勢を確認するカメラ１１７、１１８、１１９、１２０が、第１のＹビーム１０１、第２のＹビーム１０２の間に配置されており、補給された電子部品の姿勢はこのカメラ１１７、１１８、１１９、１２０によってそれぞれ確認される。

もし、姿勢に傾きが検出された場合は、ヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６が電子部品の傾きを調整する。

なお、このカメラ位置であれば、基板１２３の中央付近に部品を搭載する場合、ヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６の移動距離が最短となる。

また、制御部１２４は、上述した様々な動作の処理、制御、及び後述する様々な動作の処理、制御を行う。

Ｙビーム１０２、１０３には温度を測定可能なセンサ１６１、１６２、１６３、１６４を搭載している。このとき、センサ１６１、１６２、１６３、１６４を搭載する場所はＹビーム両端に限定するものではない。

また、Ｘビーム１０３、１０４、１０５、１０６には温度を測定可能なセンサ１７１、１７２、１７３、１７４を搭載している。このとき、センサ１７１、１７２、１７３、１７４の搭載位置はＸビーム両端に限定するものではない。

図２は、図１の部品搭載装置を図１の矢印１３０から観察した場合の矢視図である。

ここでは、第１のＹビーム１０１周辺の部分について詳細に説明するが、第２のＹビーム１０２についても同様である。

第１のＹビーム１０１にはアクチュエータ１０７が配置され、アクチュエータ１０７にはＸビーム１０３が荷台２０１上の基板１２３の搬送方向に対して直交方向に移動自在に接続されている。

Ｘビーム１０３の紙面垂直方向にはアクチュエータ１０９が配置され、このアクチュエータ１０９にヘッドアクチュエータ１１３が基板搬送方向に対して平行方向に移動自在に接続されている。

図１、図２で示した実施例のように、基板搬送方向に対して直交方向、及び平行方向にそれぞれ独立に移動自在な構成を取ることによって、従来よりも高速な部品搭載装置を構成することができる。

なお、図１では、Ｘビームが４つの場合を説明したが、Ｘビームの数を限定するものではない。

また、Ｘビーム１０３、１０４、１０５、１０６はそれぞれ取り外し可能にしても良い。その場合は、例えば、異なる種類のヘッドアクチュエータを接続することもでき、より多彩な部品の搭載を実現することもできる。

上述したビームの構成により、各ヘッドアクチュエータ１１３、１１４、１１５、１１６を独立して自在に駆動することが可能となる。

基板１２３は基板搬送路１９１に保持されており、基板搬送路１９１によって搬送される。

図３を用いてヘッドアクチュエータの先端３９０と基板１２３の位置関係を説明する。以降の説明は、他のヘッドアクチュエータについても適用できる。ヘッドアクチュエータの先端３９０には電子部品３０１を保持するノズル３０２が搭載されている。ヘッドアクチュエータ１１３はノズル３０２を基板１２３まで下降することにより基板１２３に電子部品３０１を目標の実装位置３０３に実装する。基板１２３は基板搬送路１９１に保持されており、基板１２３の高さも基板搬送路１９１によって決定される。

ノズル３０２が基板１２３まで下降する際のノズル３０２の移動量３０４は、保持した電子部品３０１の厚みによって決定される。即ち、移動量３０４は既知であるノズル３０２の先端から基板１２３までの距離から電子部品３０１の厚みを引いた量と実質的に同視できる。

ノズル３０２の移動加速度及び速度は基板上面付近において停止するよう制御される。よって、基板１２３及び電子部品３０１には必要以上の圧力をかけずに、電子部品３０１を基板１２３へ実装することが望ましい。

図４を用いて、基板１２３がＺ方向上向きの反りを有する場合のヘッドアクチュエータ１１３と基板の位置関係を説明する。

基板１２３は基板搬送路１９１の基板保持部４０１と平行である場合が多いが、Ｚ方向上向きの反りを有する基板４０２も存在する。

基板４０２に電子部品を実装する場合、ノズル３０２は、反りの無い基板１２３に電子部品を実装する場合の移動量３０４よりも少ない移動量４０３で基板４０２へ到達する必要がある。

図５を用いて基板へ電子部品を実装する際の部品の破損と実装精度の悪化を説明する。

部品実装装置は通常、ヘッドアクチュエータ１１３から基板までの高さは検知していないため、反りを有する基板５０２へ電子部品を実装する場合であっても、ノズル３０２は反りのない基板５０１に到達する場合と同様に基板５０１へ移動する。

反りの無い基板５０１へ移動する際のノズルの移動量は符号３０４である。しかし、Ｚ方向上向きの反りを有している基板５０２の場合、基板５０２にノズルが到達する移動量は４０３であるべきである。

ノズル３０２の移動加速度及び速度は、基板５０１の上面付近において電子部品が停止するよう制御される。よって、基板５０２へノズル３０２が電子部品を実装する場合は、ノズル３０２の移動速度及び加速度は基板５０１へ電子部品を実装する場合よりも高くなる。この場合、ノズル３０２先端に保持した電子部品には必要以上の圧力がかかり、符号５０７で示すように電子部品が破損する可能性がある。

また、目標実装位置が実装位置５０３である場合、基板５０２には角度５０４の反りがあるため、実装位置５０３はX方向にΔX５０５ずれた位置５０６へ移動する。

ノズル３０２側では、実装位置５０３の変化を認識できないため、ノズル３０２が電子部品を実装する位置は実装位置５０７となる。つまり、反りがあった場合の目標実装位置である位置５０３とは異なる位置に電子部品を実装してしまう場合もあるということである。この説明はＸ方向についての部品破損、及び実装精度誤差についてのものであるが、Y方向についても同様の説明が適用できる。

図６を用いて、基板がＺ方向下向きの反りを有する場合のヘッドアクチュエータ１１３と基板の位置関係を説明する。

基板１２３は基板搬送路１９１の基板保持部４０１と平行である場合が多いが、Ｚ方向下向きの反りを有する基板６０１も存在する。

基板６０１へ電子部品を実装する場合、ノズル３０２は、基板１２３に部品を実装する場合の移動量３０４よりも多い移動量６０２で基板６０１へ到達する。

図７を用いて基板へ電子部品を実装する際の実装不良と実装精度の悪化を説明する。

部品実装装置はヘッドアクチュエータ１１３から基板までの高さを検知していないため、反りを有する基板６１０へ部品を実装する場合であっても、ノズル３０２は反りのない基板５０１に到達するよう場合と同様に移動する。

反りの無い基板５０１へ移動する際のノズルの移動量は３０４である。しかし、Ｚ方向下向きの反りを有している基板６０１の場合、基板６０２にノズルが到達する移動量は６０２であるべきである。

ノズル３０２の移動加速度及び速度は、基板５０１の上面付近において停止するよう制御される。よって、基板６０１へノズル３０２が部品を実装する場合であっても、ノズル３０２は基板５０１上で停止するよう制御されるため、ノズル３０２は基板６０１に到達せず、ノズル３０２の先端に保持した部品を必要な圧力で実装できない可能性がある。

また、目標実装位置は実装位置６０５であるが、基板６０１には角度６０３の反りがあるため、実装位置６０５はX方向にΔX６０４ずれた位置へ移動する。

ノズル３０２側では、実装位置６０５の変化を認識できないため、ノズル３０２が電子部品を実装する位置は実装位置６１０となる。つまり、反りがあった場合の目標実装位置とは異なる位置に電子部品を実装してしまう場合もあるということである。この説明はＸ方向についての部品破損、及び実装精度誤差についてのものであるが、Y方向についても同様の説明が適用できる。

このような望ましくない現象に配慮したのが本実施例である。以降は、本実施例のヘッドアクチュエータ８０１について説明する。

図８は、本実施例のヘッドアクチュエータ８０１を説明する図である。ヘッドアクチュエータ８０１は主にノズル回転機構とノズル上下機構とノズル選択機構が搭載されている。

ヘッドアクチュエータ８０１は図２のＸビーム１０３に接続されている。ノズル上下モータ８０２には、ボールネジ８０３が接続されている。さらにボールネジ８０３の端部はガイド８０４によって支持されている。

ボールネジ８０３には、アーム８０５が接続されている。アーム８０５の先端はノズル移動部８０６に接続されており、ノズル移動部８０６には、中空構造のノズルシャフト８０７が接続されている。さらに、ノズルシャフト８０７は、ロータ８０８に接続されている。

そしてノズルシャフト８０７の先端には開口を有する電子部品を吸着するためのノズル３０２が取り外し可能に接続されている。

ノズル回転モータ８３０はヘッドアクチュエータ８０１の中心を回転軸としてノズル３０２を回転させる機能を持つ。

次にノズルの選択動作，上下動作、回転動作について、ヘッドアクチュエータ８０１の構成をさらに詳細に説明する。

図９Ａ、図９Ｂは、ヘッドアクチュエータ８０１のノズル選択動作及び距離検知センサの動作を詳細に説明する図である。

まず、ノズルの選択動作について説明する。センタースプライン９０１において、ノズル選択用ベルト９０２がノズル選択モータ８１０によって回転すると、センタースプライン９０１も回転し、センタースプライン９０１に接続されたノズル移動部８０６、及びノズル台座９０３も同期して、同じ角度だけ回転する。そして、ノズル台座９０３の回転に伴って、切り欠き部９０４も回転する。これによって、ノズル台座上の任意のノズルを選択することができる。なお、ノズル台座９０３に接触しているのは、ノズルシャフト８０７に接続されたローラ等の回転体９０５であるため、ノズル台座９０３が回転する際の摩擦の影響を少なくすることができる。ここで、発塵の影響を考慮するなら、回転体９０５の硬度と、ノズル台座９０３の硬度は同じであることが望ましい。

距離検知センサ８５０はヘッドアクチュエータ８０１から実装対象である基板までの高さを検知するセンサである。距離検知センサ８５０はノズル選択モータ８１０の動作によりノズル移動部８０６と実質的に同じ角度だけ回転することによって、選択されたノズルの近傍に移動される。

次に、図１０を用いてノズルの上下動作について説明する。ノズル移動部８０６はセンタースプライン９０１に接続されている。センタースプライン９０１は、ノズル移動部８０６の移動方向を規定するガイドとしての役割を果たす。ノズル移動部８０６の先端１００１は、図８で説明したノズル台座９０３の切り欠き部９０４の内部に配置されている。

さらに、各ノズルシャフト８０７は、回転体９０５を介して、ノズル台座９０３に配置されている。そして、ノズル上下モータ８０２によって、ノズル移動部８０６が上下に移動すると、それに接続されたノズル移動部８０６の先端１００１上の回転体９０５、及び回転体９０５に接続されたノズルシャフト８０７が上下する。

このような構成によって、ヘッドアクチュエータ８０１という限られた空間の中で効率的に、ノズルの選択動作，上下動作を行うことが可能となる。

次に、図１１を用いてヘッド回転動作について説明する。ノズル回転モータ1１０１はロータ８０８を回転させることにより、ロータ８０８に取り付けられたノズルシャフト８０７をロータ８０８の中心を回転軸として回転させる。これにより、ノズルシャフト８０７に取り付けられたローラ等の回転体９０５は、ノズル台座９０４上を回転する。これにより任意のノズルシャフト８０７を任意の角度へ移動することができ、また、ノズル移動部８０６に移動することが可能となる。

図１２にロータ８０８を下面からみた説明図を示す。ノズル３０２はロータ８０８にロータ８０８の中心から距離１２０１に同心円状に配置されている。この時、距離は同心円状でなくともよい。ノズル３０２には電子部品１２０２が真空により保持されている。ノズル回転モータ１１０１とロータ８０８との相互作用によって、ノズル３０２は回転方向１２０５の方向に移動する。ノズル３０２の移動は、電子部品１２０２を基板へ実装する際に適切な角度に変更するために、又は電子部品１２０２の角度測定などのために、行われる場合がある。

図１３を用いて距離検知センサ８５０によるノズル近傍の高さ検知方法を説明する。距離検知センサ８５０はノズル選択モータの動作により選択されたノズルの近傍に移動する。

距離検知センサ８５０は、保持した部品と基板１３０１との間の距離を光学的に得るための計測するものであり、例えば、レーザ測長器を含む。距離検知センサ８５０からの光の光軸１３０２はロータ８０８の外側にある。距離検知センサ８５０によって基板１３０１上に形成される照明領域は部品実装のために基板１３０１に接近するノズルを基板１３０１上に投影した点の近傍に形成される。ここで近傍とは、例えば、距離検知センサ８５０によって基板１３０１上に形成される照明領域と部品実装のために基板１３０１に接近するノズルを基板１３０１上に投影した点との距離は、照明領域と他のノズルのいずれを基板１３０１上に投影した点との距離よりも短い関係にある位置と表現することができる。

次に、距離検知センサ８５０が基板１３０１と電子部品との間の距離１３０３を得る方法について説明する。例えば、距離検知センサ８５０は、まず距離検知センサ８５０から基板１３０１までの距離Ｄ₀を計測する。次に、Ｄ₀から既知である距離検知センサ８５０から電子部品までの距離Ｄ₁を引くことで、距離Ｄ₂を得る。距離Ｄ₂は図１３の基板１３０１から電子部品までの距離１３０３と実質的に同視できる。このようにして、距離検知センサ８５０は基板１３０１と電子部品との間の距離１３０３を得る。距離１３０３は基板１３０１上におけるノズルが下降する位置から部品までの距離ではないが、前述したように、距離検知センサ８５０によって基板１３０１上に形成される照明領域は部品実装のために基板１３０１に接近するノズルを基板１３０１上に投影した点の近傍に形成されるので、距離１３０１は実質的には基板１３０３上におけるノズルが下降する位置から部品までの距離と同等に取り扱える。

そして、図１の制御部１２４は、得られた距離１３０３から電子部品を保持したノズルが基板１３０１に接近するための加速度、及び速度のうち少なくとも１つ（望ましくは両
方）を決定する。より具体的には、制御部１２４は、基板１３０１上でノズルの加速度、及び速度のうち少なくとも１つ（望ましくは両方）が実質的にゼロとなるよう、加速度、及び速度のうち少なくとも１つ（望ましくは両方）を決定する。この距離１３０３の取得後の、加速度、及び速度のうちの少なくとも１つ（望ましくは両方）の決定は、ヘッドアクチュエータ８０１が部品供給装置１５１、１５２、１５３、１５４のいずれかから部品を供給し、部品を保持したノズルが基板１３０１に向かって下降を開始するまでの時間内に行われる。つまり、本実施例では、従来技術のように、基板全体を計測することや距離１３０３を得るために特別な時間を設ける必要は無いということである。

よって、本実施例によれば、生産性を落とさずに、部品の破損を効果的に防止することが可能となる。

次に、図１４を用いて基板の傾きに起因する目標実装位置のずれを得て、ノズルの位置を変更する方法を説明する。

まず、基板５０２の端部の座標も事前に得ることができので、図１４に示す基板５０２の端部から反りが無い場合の目標実装位置５０３までの距離x₀を得ることができる。

保持した電子部品から反りのない基板５０１までの距離３０４（ｙ₀）は本来の設計値から得ることができるので既知である。また、保持した部品から反りを有する基板５０２までの距離４０４（ｙ₁）は距離検知センサ８５０から得ることができる。その結果、図１４に示すｙ₂がｙ₂＝ｙ₀−ｙ₁として得ることができる。そして、tanθ＝ｙ₂/x₀から、θの値を得ることができる。また、Δxは基板５０２の端部から基板５０２上の目標実装位置５０５までの距離は、基板５０２の端部から反りが無い場合の目標実装位置５０３までの距離x₀と実質的に同視できるので、復素平面を利用してΔx＝X₀-X₀cosθとして得ることができる。なお、距離検知センサ８５０は、その検知結果から目標実装位置５０５の高さｙ₂を得ることができるので高さ検知センサであると表現することもできる。

Δxが得られたのち、アクチュエータ１０９、１１０、１１１、１１２のいずれかによってヘッドアクチュエータ８０１は−Δx分移動し、部品実装を行う。この説明はＹ方向についても適用することができる。本実施例によれば、目標実装位置が変化した場合でも、高精度な部品実装を行うことができる。

本実施例中のヘッドアクチュエータは実施例１以外の他の部品実装装置に適用しても良い

１０１…第１のＹビーム
１０２…第２のＹビーム
１０３、１０４、１０５、１０６…第１のＸビーム
１０７、１０８、１０９、１１０、１１１、１１２…アクチュエータ
１１３、１１４、１１５、１１６…ヘッドアクチュエータ
１１７、１１８、１１９、１２０…カメラ
１２１、１２２…部品供給装置
１２３…基板
１２４…制御部
８０２…ノズル上下モータ
８０３…ボールネジ
８０６…アーム
８０７…ノズルシャフト
８０９…ノズル
８１０…ノズル選択モータ
８３０…ノズル回転モータ
８５０…距離検知センサ
９０１…センタースプライン
９０２…ノズル選択用ベルト
９０４…切り欠き部
９０５…回転体

Claims (5)

1. 実装用ノズル、及び前記実装用ノズルが保持した部品と基板との間の距離を光学的に得るための距離検知部を含む部品実装部を有し、
   前記基板の搬送方向をＸ方向、Ｘ方向と水平面内で直交する方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向の双方と直交する方向をＺ方向とするとき、
   前記距離検知部が発する光が前記基板に対してＺ方向から照射されることによって前記基板上に形成される照明領域は、部品実装のため前記基板に対してＺ方向に延びる移動軸に沿って接近する前記実装用ノズルの、前記移動軸の延長線が前記基板と交差する部分の近傍に形成される部品実装装置であって、
   前記部品実装部は、円筒状に配列された複数のノズルと、前記複数のノズルから前記実装用ノズルを選択するためのノズル選択部と、を有し、
   前記照明領域は、前記ノズル選択部により選択され、前記部品を実装するために前記基板に接近する前記実装用ノズルの近傍に形成されるものであり、
   前記近傍とは、前記照明領域と前記選択された実装用ノズルの前記延長線が交差する部分との距離が、前記照明領域と前記選択された実装用ノズル以外の前記複数のノズルのいずれの移動軸の延長線が前記基板と交差する部分との距離よりも短い関係にある位置である、部品実装装置。
2. 請求項１に記載の部品実装装置において、
   前記実装用ノズルが前記基板に接近する時の加速度、及び速度のうち少なくとも１つは前記距離検知部の検知結果を使用することで決定される部品実装装置。
3. 請求項１又は２に記載の部品実装装置において、
   前記実装用ノズルのＸ方向の位置は、前記距離検知部の検知結果に応じて変更される部品実装装置。
4. 請求項１に記載の部品実装装置において、
   前記距離検知部は選択された前記実装用ノズルに応じて、位置を変更する部品実装装置。
5. 請求項４に記載の部品実装装置において、
   前記ノズル選択部は、選択された実装用ノズルを上下動させるノズル移動部と、このノズル移動部を前記ノズルの配列方向に回転させるノズル選択モータとを含み、
   前記距離検知部は、前記ノズル選択モータの動作により前記ノズル移動部と実質的に同じ角度だけ回転することによって、前記選択されたノズルの近傍に移動される、部品実装装置。

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