JPH07136868A - 部品装着装置における加圧力制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装着される個々の部品についてこれに付与す
べき適当な加圧力値を自ら判断してその値の加圧力で当
該部品を装着することができる部品装着装置における加
圧力制御装置を提供することを目的とする。 【構成】 加圧機構（パルスモータ１０４等）によって
プリント基板上の電子部品をプリント基板側へ加圧し
て、該電子部品を装着面に圧着せしめる部品装着装置に
おいて、実際の装着動作に際して電子部品に作用する加
圧力を測定する加圧力検出器２０８を備え、この測定さ
れた加圧力の変曲点を判定し、この判定された変曲点に
基づいて部品装着に適当とされる加圧力が当該電子部品
に付与されるようにパルスモータ１０４の駆動を制御す
るマイクロコンピュータ５１から成る制御手段を備え
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電子部品、特に多数の
リード端子を有するＱＦＰ（Ｑｕａｄ Ｆｌａｔ Ｐａ
ｃｋａｇｅ）等をプリント基板へ装着する部品装着装置
における加圧力制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、プリント基板上の所定位置に電子
部品を自動的に表面実装する装置においては、電子部品
を真空吸着するための吸着ノズルを備えた吸着ヘッド機
構が装備され、この吸着ヘッド機構は、Ｘ軸、Ｙ軸、及
びＺ軸方向の移動制御が可能な往復装置に取り付けられ
る。

【０００３】上記表面実装装置を用いた表面実装におい
ては、まず吸着ヘッド機構を電子部品供給装置の部品供
給部へ移動させて、吸着ノズルによって電子部品を真空
吸着し、その後、この電子部品をプリント基板の上方位
置まで移動させ、更に、この吸着ヘッド機構を降下させ
て、電子部品をプリント基板表面の所定位置に設置す
る。

【０００４】そして、電子部品がプリント基板に接触し
た時点で、更に吸着ヘッド機構を下方へ駆動して、電子
部品を基板表面の接着層或いは半田ペースト層へ押しつ
け、電子部品をプリント基板に固定或いは仮固定する。
或いは、電子部品をプリント基板に接触させたまま保持
し、レーザー光などの高エネルギー光や熱風等を照射又
は付与して半田を溶融させ、電子部品の半田付けを行
う。

【０００５】その後、吸着ヘッド機構を部品供給装置上
へ復帰させて、次の電子部品の実装動作に移行する。

【０００６】ところで、従来の表面実装装置において
は、吸着ヘッド機構の昇降動作は、カム機構の駆動によ
って行われている。ここで、カム機構は、部品供給装置
上の電子部品に吸着ノズルを押し当てる際、および吸着
した電子部品をプリント基板に押しつける際において電
子部品に過度の衝撃力や加圧力が作用しないようにカム
曲線が設計されている。

【０００７】しかしながら、近年の電子部品の小型化お
よび多様化に伴って、電子部品の形状、寸法（厚さ）、
及び材料は多岐にわたり、表面実装すべき電子部品の機
械的性質は、電子部品の種類によって大きく異なってい
る。また、前述のように、電子部品の装着後に吸着ヘッ
ドを直ちに上昇させずに電子部品を保持したまま半田付
けを行う場合には、電子部品のリード端子を適当な状態
で、且つ全リード端子がプリント基板に接触するように
しなければならない。

【０００８】従って、電子部品の種類に対応して表面実
装を自動的に行うためには、電子部品の種類毎に吸着保
持の際の加圧力および表面実装時に作用させる加圧力を
適当な値に制御する必要がある。

【０００９】このため、例えば、吸着ヘッドに加圧力を
検出するための加圧力検出器を備え、電子部品をプリン
ト基板に装着するときの当該電子部品に作用させる加圧
力を制御することが考えられる。具体的には、電子部品
の種類毎に最適な加圧値を予め目標値として設定すると
ともに、前記検出器で加圧値を検出して上記目標値との
差（偏差）を検出し、この偏差が０となるように吸着ヘ
ッドの降下速度と降下距離を制御することが考えられ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記フ
ィードバック制御による加圧力制御装置では、多種類の
電子部品についての表面実装が可能になるものの、同種
の電子部品間でのばらつきには十分に対処することがで
きない。例えば、多数のリード端子を持つ電子部品にお
いては、図９に示すように、リード端子５００の先端部
の平坦度にばらつき（図中のｇで示される端子先端部の
浮き上がり等）が発生しているが、このような電子部品
５０１については一部のリード端子が他の端子に先駆け
てプリント基板に接触して変形するために、同種の電子
部品について一律に設定された目標加圧値に基づきフィ
ードバック制御を行ったのでは、他の端子がプリント基
板に接触する前に加圧値が目標加圧値に達したと判断さ
れてそれ以上の降下がなされず、全てのリード端子がプ
リント基板に接触していないのに半田付けが行われてし
まうおそれがある。

【００１１】また、吸着ノズルが降下しすぎることによ
ってリード端子が反り返ってしまうのを防止するため
に、図１０に示すように、ノズル５０２の先端部にスト
ッパー部材５０３を取り付けた加圧力制御装置が提案さ
れている。

【００１２】しかし、上記のごとくストッパー部材５０
３を設けると、吸着治具が大きくなるとともに、ストッ
パー部材５０３の当接スペースをプリント基板上に設け
る必要が生ずるためにプリント基板設計に制約を受ける
という弊害が生じる。また、電子部品の装着には、電子
部品の吸着状態をビデオカメラにより撮影し、位置補正
を行うのが一般的であるが、このストッパー部材５０３
が吸着状態を認識するのに障害になるという欠点もあ
る。更に、リード端子の平坦度のばらつきが大きく、特
にリード形状が大きく上方にずれているような電子部品
においては、ストッパー部材５０３によって押し込み量
が不足してプリント基板に接触しないリード端子が生じ
る可能性がある。

【００１３】本発明は、上記の事情に鑑み、装着される
個々の部品についてこれに付与すべき適当な加圧力値を
自ら判断してその値の加圧力で当該部品を装着すること
ができる部品装着装置における加圧力制御装置を提供す
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明の部品装着装置に
おける加圧力制御装置は、上記の課題を解決するため
に、加圧機構によって装着面上の部品を装着面側へ加圧
して、該部品を装着面に圧着せしめる部品装着装置にお
いて、実際の装着動作に際して部品に作用する加圧力を
測定する手段と、この測定された加圧力の変曲点を判定
する手段と、この判定された変曲点に基づいて部品装着
に適当とされる加圧力が当該部品に付与されるように制
御する制御手段とを備えたことを特徴としている。

【００１５】

【作用】個々の部品の装着動作に際して測定される加圧
力値において変曲点が生じる時点は、その部品における
リード端子の全てが装着面に当接した時点に対応する。
従って、上記の変曲点が生じた時点が部品装着に適当と
される加圧力が当該部品に付与されている時点であり、
この変曲点と判定された時点での加圧力を保持すること
により、或いは種々の条件によってはこの加圧力よりも
僅かに高い又は低い加圧力を付与することにより、個々
の部品についてそれに適当とされる加圧力で当該部品の
装着が行えることになる。

【００１６】従って、個々の部品におけるリード端子の
平坦度のばつきには十分に対応できない従来のフィード
バック制御の欠点を解消することができるとともに、ス
トッパー部材も不要となることから、かかるストッパー
部材を用いることにより生じる不具合も解消されること
になる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明をその実施例を示す図に基づい
て説明する。

【００１８】図１は、加圧機構によって装着面上の部品
を装着面側へ加圧して該部品を装着面に圧着せしめる部
品装着装置３０１を示した斜視図である。

【００１９】部品装着装置３０１には、プリント基板３
０２を搬送するための一対のコンベヤ３０３，３０４、
電子部品を載置するための部品トレイ３０５、テープ状
に収納された電子部品を供給するテープフィーダユニッ
ト３０６、縦積みされた電子部品を供給する部品マガジ
ン３０７、これら電子部品をプリント基板３０２へ搭載
する吸着ヘッド機構３０８、吸着ヘッド機構３０８をＸ
軸方向へ往復駆動する駆動装置３０９、Ｙ軸方向へ往復
駆動する駆動装置３１０が設けられている。

【００２０】図２は、吸着ヘッド機構３０８およびその
周辺機器を拡大して示す斜視図である。吸着ヘッド機構
３０８の吸着ヘッド本体１０１は、支持体１０２によっ
てボールねじ１０３に連結され、モーター１０４の駆動
によりＺ軸方向に往復移動可能となっている。また、こ
れらを支える支持体１０５は連結部材１０６によって駆
動装置３０９に連結されており、Ｘ軸方向へ往復移動が
可能となっている。

【００２１】図３は、上記吸着ヘッド本体１０１の内部
構造を示す縦断側面図である。このヘッド本体１０１
は、外筒２０１と中筒２０２と内筒２０５を備える。

【００２２】外筒２０１は、支持体１０２によってボー
ルねじ１０３に連結されており、パルスモーター１０４
の回転によってＺ軸方向へ往復移動するようになってい
る。外筒２０１の上部には電子部品回転用のモーター２
０４が配置されている。モーター２０４の回転軸は外筒
２０１内に配置された中筒２０２の上部中央に連結され
ている。

【００２３】中筒２０２は外筒２０１内に設けた軸受２
０３によってＺ軸回りに回転可能に支持されるが、Ｚ軸
方向には移動できないようになっている。また、中筒２
０２内には内筒２０５の後部側が挿入されており、当該
内筒２０５はＺ軸方向には摺動可能とされるがＺ軸回り
には回転できないように中筒２０２により支持されてい
る。中筒２０２内の上部空間内には押圧治具２１０がＺ
軸方向に摺動可能に設けられている。押圧治具２１０と
中筒２０２における上部内壁との間にはコイルばね２０
９が縮装されており、このコイルばね２０９により内筒
２０５が下方に付勢されるようになっている。

【００２４】内筒２０５の後端部には加圧力検出器（荷
重変換器）２０８が取り付けられており、内筒２０５に
加わるＺ軸方向の圧力は、加圧力検出器２０８と前記押
圧治具２１０との間で生じる圧力となって当該加圧力検
出器２０８で検出されるようになっている。また、内筒
２０５の後端側の側面からは排気パイプ２０６が突出し
て設けられており、この排気パイプ２０６は前記の外筒
２０１および中筒２０２の側部に各々形成された開口部
２０７から筒外に出されている。排気パイプ２０６は図
示しない排気装置に接続されており、この排気装置によ
り内筒２０５内の空気を排気して減圧することにより、
内筒２０５の先端部において電子部品２１２を吸引保持
できるようになっている。

【００２５】内筒２０５の先端部には吸着治具２１１が
着脱可能に取り付けられている。吸着治具２１１は、電
子部品２１２の形状に合わせて最適な吸引作用が発揮で
きるものとして予め用意されたもののなかから、装着す
る電子部品２１２に応じて選択されて内筒２０５に取り
付けられる。また、内筒２０５に電子部品２１２が吸着
された状態で前記モーター２０４を駆動することによ
り、電子部品２１２を所定の角度に回転させることがで
きる。

【００２６】次に、上記のごとく構成された部品装着装
置における一連の部品実装動作を説明する。

【００２７】まず、駆動装置３０９，３１０によって部
品トレイ３０５の上方へ吸着ヘッド機構３０８が移動
し、そのヘッド本体１０１がモーター１０４の回転によ
り下降して電子部品２１２の上部へ吸着治具２１１を押
し当て、排気装置により内筒２０５の内部を減圧し電子
部品２１２を吸着保持する。その後、吸着ヘッド本体１
０１は電子部品２１２を吸着保持したまま上昇し、駆動
装置３０９，３１０によってプリント基板３０２の実装
位置の上方まで移動する。そして、モーター１０４の回
転によって吸着ヘッド本体１０１が下降し、電子部品２
１２がプリント基板へ押し当てられる。

【００２８】このとき、内筒２０５は電子部品２１２が
受ける加圧力に応じて上下微動するので、加圧力検出器
２０８はそれにより歪みを生じ、電子部品２１２に作用
する加圧力を電気信号に変換して出力する。そして、加
圧力検出器２０８にて検出した加圧力に基づき後述する
マイクロコンピュータ（加圧力制御装置）によって変曲
点を算出し、この変曲点に基づき適切な加圧力で吸着ヘ
ッド本体１０１の下降動作が停止するように制御する。
このようにして、電子部品２１２をプリント基板へ押し
当てが終了した後、内筒２０５の内部の気圧を操作して
電子部品２１２の吸着保持を解除し、吸着ヘッド本体１
０１を上昇させることにより一連の装着動作が終了す
る。

【００２９】次に、加圧力制御装置について説明する。

【００３０】加圧力制御装置は、電子部品２１２に加わ
る加圧力を加圧力検出器２０８にて検出し、この検出値
に基づいて前記吸着ヘッド機構３０８における吸着ヘッ
ド本体１０１のＺ軸方向の移動、即ち、パルスモーター
１０４の回転を制御するものである。

【００３１】図４に加圧力制御装置のブロック図を示
す。そして、この加圧力制御装置における動作を図５の
フローチャートに示す。

【００３２】マイクロコンピュータ５１は、加圧力制御
のためのプログラムを格納するＲＯＭ、変曲点判定に必
要な加圧力検出値や差分演算値等を保持するＲＡＭ、前
記プログラムに従って前記ＲＡＭから読み出した各種デ
ータに基づき加圧力制御の実行に必要な指令を出すＣＰ
Ｕ等（いずれも図示せず）を備えている。

【００３３】まず、マイクロコンピュータ５１は、吸着
ヘッド本体１０１にて吸着保持した電子部品２１２の種
類に応じた所定の降下速度を設定し、この速度指令信号
をパルス発生器５２に送る。そして、パルス発生器５２
は、上記速度指令に応じたパルス波を発生し、これをド
ライバ５３に出力する。ドライバ５３は、パルス波に応
じてパルスモーター５４を駆動し、これにより吸着ヘッ
ド本体１０１の降下が開始される（ステップ１）。

【００３４】加圧力検出器２０８は、電子部品２１２に
加わる加圧力を検出して電気信号に変換する。順次出力
されてくる加圧力検出信号はＡ／Ｄ変換器５６によって
サンプリングされてディジタル信号に変換され、マイク
ロコンピュータ５１に入力される（ステップ２）。マイ
クロコンピュータ５１は前記ＲＡＭに加圧力検出値を記
憶させ、この記憶保持している加圧力検出値と新たに入
力されてくる加圧力検出値との差分演算を行って加圧力
値の変化量を求める（ステップ３）。そして、この変化
量からノイズ成分を除去するとともにこの変化量をＲＡ
Ｍに記憶し（ステップ４）、既に記憶されているそれ以
前の変化量との比較によって定常状態（変化量が一定に
なったか）か否かを判断する（ステップ５）。なお、変
化量が一定になる時点が加圧力の変曲点である。

【００３５】ステップ５において定常状態でないと判断
されれば上記のステップ２〜ステップ５を繰り返す。一
方、定常状態と判断されたなら、吸着ヘッド本体１０１
の下降を停止させ（ステップ６）、加圧力制御を終了す
る。その後は、前述したように、内筒２０５の内部の気
圧を操作して電子部品２１２の吸着保持を解除し、吸着
ヘッド本体１０１を上昇させることになる。なお、ステ
ップ３の差分演算とステップ４のノイズ除去処理はその
順序を逆にしても構わないものである。

【００３６】本実施例では、上述のごとく加圧力値の変
曲点をサンプリング値の差分演算により求めているが、
以下、これについて具体的に説明する。

【００３７】図６には、電子部品がプリント基板上に接
触し、更に押し下げられていく場合に受ける加圧力の測
定値（検出電圧）およびその変化量（電圧変化量ΔＶ）
を示している。図６中の横軸は押し下げ量を表し、０点
は複数のリード端子のうちの一つのリード端子先端がプ
リント基板に接触した点を示している。また、縦軸は荷
重変換器が検出した加圧力に相当する電圧値および電圧
変化量ΔＶを示しており、１ｍＶ≒１ｇｆとされる。こ
こに、グラフ（ａ）は押し下げ量に対する検出電圧値を
示し、グラフ（ｂ）〜（ｅ）は各々差分演算により求め
た電圧変化量ΔＶであって、（ｂ）は押し下げ量の差Δ
Ｚが１０μｍ、（ｃ）はΔＺが２０μｍ、（ｃ）はΔＺ
が３０μｍ、（ｄ）はΔＺが４０μｍ、（ｅ）はΔＺが
５０μｍの場合をそれぞれ示している。

【００３８】上記の電圧変化量は、以下の数式１により
算出される。

【００３９】

【数１】ΔＶ（Ｚ）＝Ｖ（Ｚ）−Ｖ（Ｚ−ΔＺ））

【００４０】なお、上記の加圧力測定には、厚さが３５
μｍ、幅１５０μｍの銅リードが図７に示すような形で
合計１４４本使用されている電子部品２１２を用いた。
そして、この電子部品のリード先端部から部品本体下面
までの距離は、実測すると、平均して約１６０μｍであ
った。また、電子部２１２上に位置するものは吸着治具
２１１であり、従来のようなストッパー部材は設けられ
ていない。

【００４１】前記図６の電圧変化量のグラフは、押し下
げ量が０の点から電圧変化量が増加し続ける増加区間
（Ｐ点までの区間）と、変化量が一定となる定常区間
（Ｐ点からＱ点に至区間）と、変化量が急激に増加する
急増区間（Ｑ点以降の区間）とに分かれる。以下、これ
らの区間と電子部品におけるプリント基板上での状態と
の関係について説明する。

【００４２】図８（ａ）はリード端子の先端がプリント
基板３０２に接触し始めた状態、同図（ｂ）は全てのリ
ード端子がプリント基板に接触した状態、同図（ｃ）は
更に降下したためにリード端子が反り返って部品本体の
下面がプリント基板３０２に接触した状態をそれぞれ示
している。

【００４３】前記の増加区間は、同図（ａ）の状態から
同図（ｂ）の状態に移行するときに生ずる。これは、リ
ード端子に平坦度のばらつきがあるため、当該電子部品
を降下させるに伴ってプリント基板に接触するリード端
子の数が増加していくことに起因する。

【００４４】前記の定常区間は、同図（ｂ）の状態から
同図（ｃ）の状態に移行するときに生ずる。これは、同
図（ｂ）の状態で全てのリード端子がプリント基板に接
触しており、電子部品が押し下げられても各リード端子
の湾曲量に比例して圧力が増加するだけであり、押し下
げ量に比例して加圧力が増大するから、差分量の増大傾
向が見られなくなるのである。

【００４５】前記の急増区間は、同図（ｃ）の状態で更
に電子部品に押し下げ力が加わるときに生ずる。これ
は、電子部品２１２の本体部分は樹脂等の硬質材料で構
成されていおり、殆ど弾性を持たないためである。

【００４６】なお、前述したように、電子部品本体の下
面からリード端子の先端までの距離は１６０μｍ前後で
あるが、図６のグラフでは、Ｑ点は押し下げ量が２００
μｍのときに生じている。その差の４０μｍの値は、リ
ード端子の平坦度のばらつき及び測定装置の平行度の誤
差によるものである。

【００４７】ここで、電子部品の実装で最も適切な状態
と考えられるのは、前記図８（ｂ）の状態である。即
ち、全てのリード端子がプリント基板に接触し、かつ押
し過ぎていない状態である。従って、かかる状態のと
き、即ち、前記図６のグラフにおいては定常区間に入っ
たとき、別言すればグラフのＰ点（変曲点）を検出した
ときにパルスモーター１０４の回転を停止して吸着ヘッ
ド本体１０１の降下を停止させればよいことになる。

【００４８】グラフのＰ点（変曲点）を求めるには、数
学的には二次微分演算を行えばよいのであるが、検出電
圧のグラフ（ａ）はなめらかに立ち上がる曲線であり、
且つ立ち上がれば単調増加する直線となり、また測定に
はノイズが含まれることを考慮する必要があるため、二
次微分演算は最良とはいえない。このため、本実施例で
は、前記の数式１で示した差分演算によって定常区間に
入ったか否かを判断するようにしている。

【００４９】なお、差分値によって定常区間に入ったか
否かを判断するには、順次入力されてくる新たなサンプ
リング値とメモリに保持した旧値（例えばΔＺ値を５０
μｍとすれば５０μｍ前の位置におけるサンプリング
値）との比較で差分値を算出し、更に、この差分値と、
次の新たなサンプリング値で上記と同様に算出した新た
な差分値とで定常状態か増加状態かを判断する必要があ
るから、理想的な停止位置よりも少し降下した位置が変
曲点として判断される傾向がある。

【００５０】従って、取り扱う電子部品によっては、吸
着ヘッド本体１０１の降下停止動作が理想的な変曲点位
置よりも遅れてなされ、押し込み過ぎが予想される。か
かる場合は、停止動作の後にパルスモーター１０４を所
定量逆回転させて吸着ヘッド本体１０１を僅かに上昇さ
せればよい。なお、この上昇によってリード端子がプリ
ント基板から離間することのないように、上記上昇量は
リード端子がそのばね性により復元可能な量以下とす
る。

【００５１】また、上述した押し込み過ぎの傾向は、Δ
Ｚ値を大きくするほど顕著になる。一方、ΔＺ値を小さ
くすればする程、グラフ（ｃ）〜（ｅ）のごとく増加区
間と定常区間との識別が困難になってくる。従って、か
かる識別性と変曲点検出の遅延性とを比較考量し、取り
扱う電子部品によってΔＺ値を定めることになる。な
お、リード端子が比較的抵抗力を有する場合は、ΔＺ値
を大きくできる。リード端子に抵抗力が有る場合は、Δ
Ｚ値を多少大きくしても、前記の増加区間が比較的顕著
に現れるためである。

【００５２】また、部品装着装置にセッティングされる
プリント基板のＺ軸に対する傾き量によっては、リード
端子の全てがプリント基板に接触する時点で既に一部の
リード端子に反り返りが生ずることが考えられるので、
上記プリント基板のＺ軸に対する傾きを出来るだけ小さ
くしておく必要がある。プリント基板３０２を搬送する
コンベア３０３，３０４においてその水平度を十分に確
保できないような場合は、例えば、プリント基板停止位
置の下方に、水平度を持った真空吸着装置を配置し、搬
送されてくるプリント基板を真空吸着で仮固定して電子
部品実装動作を行うようにすればよい。

【００５３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、装着さ
れる個々の部品についてこれに付与すべき適当な加圧力
値を自ら判断してその値の加圧力で当該部品を装着する
ことができ、従来のフィードバック制御による欠点およ
びストッパー部材を用いることによる欠点を解消するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】部品装着装置の外観を示す斜視図である。

【図２】吸着ヘッド機構の外観を示す斜視図である。

【図３】吸着ヘッド機構の縦断側面図である。

【図４】本発明の加圧力制御装置を示すブロック図であ
る。

【図５】本発明の加圧力制御動作を示すフローチャート
である。

【図６】電子部品がプリント基板上に接触し、更に押し
下げられた場合に受ける加圧力の測定値（検出電圧）お
よびその変化量（電圧変化量ΔＶ）を示したグラフであ
る。

【図７】ストッパー部材を有しない吸着治具にて吸着さ
れた電子部品を示す斜視図である。

【図８】同図の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ電子部品の
降下によるリード端子の状態を示す説明図である。

【図９】リード端子にばらつきがある電子部品を示す斜
視図である。

【図１０】ストッパー部材が備えられた吸着治具にて吸
着された電子部品を示す斜視図である。

【符号の説明】

５１ マイクロコンピュータ ５２ パルス発生器 ５３ ドライバ ５６ Ａ／Ｄ変換器 １０１ 吸着ヘッド本体 １０４ パルスモーター ２０８ 加圧力検出器 ２１２ 電子部品 ３０２ プリント基板

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 加圧機構によって装着面上の部品を装着
   面側へ加圧して、該部品を装着面に圧着せしめる部品装
   着装置において、実際の装着動作に際して部品に作用す
   る加圧力を測定する手段と、前記加圧力の変曲点を判定
   する手段と、前記変曲点に基づいて部品装着に適当とさ
   れる加圧力が当該部品に付与されるように制御する制御
   手段とを備えたことを特徴とする部品装着装置における
   加圧力制御装置。