JP4842085B2 - 部品実装装置 - Google Patents

Description

本発明は、部品実装装置、特に電子部品をプリント基板や液晶のディスプレイパネル基板等の基板に加圧制御しながら搭載する際に適用して好適な部品実装装置に関する。

電子部品をプリント基板等に加圧制御しながら自動的に実装（搭載）する部品実装装置としては、図９に示すベアチップマウンタが特許文献１に開示されている。

このベアチップマウンタは、上面に印刷配線基板１０３を搭載して水平面内に直角方向に移動させるＸＹテーブル１０４と、前記ＸＹテーブルの上方に位置してベアチップ１０１の上面を吸着する吸着ノズル部１０２と、前記吸着ノズル部と接続して前記ベアチップの真空吸引を行なう真空発生器１０５と、前記吸着ノズル部を保持してその上下動作の案内を行なう第一の一軸テーブル１０６と、前記第一の一軸テーブルを保持するブラケット１０７と、前記吸着ノズル部を下方に押下する圧縮ばね１０８と、下面において前記圧縮ばねの上端と接触するロッド１０９と、前記ブラケットに保持され前記ロッドの上面と接触するロードセル１１０と、前記第一の一軸テーブルの可動部をつり上げて前記圧縮ばねの荷重方向と反対の方向に前記一軸テーブルの可動部の自重以上の荷重を発生させる引っ張りばね１１１と、前記ロードセルに接続されて前記ロードセルの検出圧力を出力する加圧力検出部１１２と、前記ブラケットを保持してモータによってその上下動作の駆動を行なう第二の一軸テーブル１１３と、前記加圧力検出部に接続されて前記第二の一軸テーブルの動作の制御を行なうテーブルコントローラ１１４とを備えている。

又、特許文献２には、部品実装装置に搭載されているヘッド１２６を含むボンディング荷重の制御装置として、図１０に示すようなチップ１２１を固定するコレット１２２と、コレット１２２と突出部１２５とを含むヘッド１２６と、一定の圧力で突出部１２５を加圧するシリンダ１２８と、突出部１２５が受ける荷重を電圧に変換するロードセル１２９と、筐体１３０と、筐体１３０に固定されたボールねじ１３２と、ボールねじ１３２を回転させるモータ１３３と、ＣＰＵ１３４と、基板１３５を固定するステージ１３６とを備えたものが開示されている。

特開２００４−１５８７４３号公報 特開２００１−１２７０８１号公報

しかしながら、特許文献１や２に開示されている、基板上に部品を加圧搭載する部品実装装置には、以下のような問題があった。

荷重を検出するためのロードセルがヘッド上にあるため、部品の吸着や搭載のためにヘッドをＸＹ方向等に移動させる際、その移動動作に伴いロードセルやそれに付随する部品が振り回されることになるため、ロードセルの故障やケーブルの断線などの恐れがあることから、信頼性が劣る。

同様にヘッド上にロードセルを配置しているため、それに関連する圧縮ばねやロッド等の検出系の機構が必要となり、ヘッドの構造が複雑となることから、ヘッドが大型化して重量増加につながる。

本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、基板上に部品を高精度に加圧搭載することができる上に、搭載ヘッドの構造を簡単にし、小型軽量化することができる部品実装装置を提供することを課題とする。

本発明は、Ｘ軸駆動手段及びＹ軸駆動手段により平面方向に移動可能な搭載ヘッドが、部品を吸着保持する吸着ノズルと、加圧駆動部をＺ軸方向に進退動させ、該加圧駆動部に支持された前記吸着ノズルを同方向に移動させる加圧駆動手段と、該加圧駆動手段を固定し支持する支持フレームと、該支持フレームをＺ軸方向に進退動させ、前記加圧駆動手段と一体で前記吸着ノズルを同方向に移動させるＺ軸駆動手段と、前記吸着ノズルで吸着保持した部品を前記加圧駆動手段により加圧搭載する基板を支持する基板搭載テーブルとを備えた部品実装装置において、前記基板搭載テーブルに、支持基板に加わる荷重を検出する荷重検出手段を付設したことにより、前記課題を解決したものである。

本発明においては、前記荷重検出手段が、前記基板搭載テーブルの下に設置された複数のロードセルであり、各ロードセルの下方には、たわみ過ぎを防止するストッパが配設されているようにしてもよい。

本発明は、又、加圧搭載時には、前記荷重検出手段により基板にかかる荷重を検出しながら、該荷重が荷重指令値に一致するように前記加圧駆動手段により部品に対して加圧制御する制御手段を備えている。この場合、前記制御手段は、部品吸着時には、前記加圧駆動部を前記支持フレームの下側ストッパ部に目標加圧量に当接させた状態で、前記Ｚ軸駆動手段により吸着ノズルの先端を所定位置の部品に接触させるようにしてもよい。

本発明によれば、基板搭載テーブルに荷重検出手段を付設し、該基板搭載テーブル上に支持されている基板に部品を加圧搭載する際に加わる荷重を、該荷重検出手段により検出できるようにしたので、高精度な荷重制御をしながら部品の加圧搭載が可能であると共に、搭載ヘッドから荷重検出手段及びその付随部品や関連機構を排除することができるため、該搭載ヘッドの構造を簡単にできる上に小型軽量化を実現できる。

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。

図１は、本発明に係る一実施形態の電子部品実装装置の概略構成図である。

図１において搭載ヘッド１は、部品を吸着保持し加圧を行なう加圧装置と、搭載ヘッド１の位置補正を行なう図示しない認識装置を備えている。

搭載ヘッド１は電子部品実装（搭載）装置のＸ軸方向への移動を行なうＸ軸ガントリ（Ｘ軸駆動手段）２に取付けられている。搭載ヘッド１とＸ軸ガントリ２は電子部品搭載装置のＹ軸方向へ移動するためのＹ軸ガントリ（Ｙ軸駆動手段）３に取り付けられている。

又、この電子部品搭載装置には、吸着した電子部品の姿勢を認識するＣＭＯＳカメラやＣＣＤカメラを使用した認識装置４が搭載ヘッド１の可動範囲に固定されている。基板へ搭載するための電子部品を供給する電子部品供給装置５が電子部品搭載装置の前面に設置されている。

次に、搭載ヘッド１について図２を使用して説明を行なう。

搭載ヘッド１は、Ｘ軸ガントリ２と連結固定を行なうためのヘッドベース６を有してある。ヘッドベース６は、リニアガイド７と接続され、垂直Ｚ軸駆動部（支持フレーム）１５は垂直Ｚ軸方向に移動が可能な構造となっている。

ヘッドベース６の上部には、部品を回転動作させるためのθモータ９と、スプライン軸受とベアリングで構成された垂直回転駆動部軸受２０と、垂直回転駆動シャフト２１があり、又θモータの動力を垂直回転駆動シャフト２１に伝えるベルト１０と、垂直Ｚ駆動部１５を垂直上下動させるためのＺ軸モータ（Ｚ軸駆動手段）１１が取り付けられている。又、このＺ軸モータ１１にはカップリング１２を介してボールねじのねじ部１４が接続されている。

垂直Ｚ駆動部１５には、加圧用のボイスコイルモータ（加圧駆動手段、以下、ＶＣＭと記す）８が取り付けられている。このＶＣＭ８は、マグネット側の稼動子８ａとコイル側の固定子８ｂから構成されており、又、該ＶＣＭ８とθモータ９は、垂直回転駆動シャフト２１を介して接続されていて、該ＶＣＭ８の可動側の稼動子８ａ等は、垂直回転駆動シャフト２１によって垂直Ｚ駆動部１５に対して独立に支持されていることから、該垂直Ｚ駆動部１５に対して回転動作が可能であると共に、上下動作（Ｚ軸方向進退動）が可能になっている。

又、ＶＣＭ８の上側には、上側ストッパ２１ａが取付けられており、ＶＣＭ８が上方に駆動した場合にヘッドスベース６の上側ストッパ部６ａに当接することにより、ＶＣＭ８の上方への移動ストロークが規制されている。

同様にＶＣＭ８の下側にも下側ストッパ２１ｂが取付けられており、垂直Ｚ駆動部１５の下側ストッパ部１５ａにＶＣＭ８の下側ストッパ２１ｂが当接することにより、ＶＣＭ８の下方への移動ストロークが規制されている。

又、垂直Ｚ駆動部１５には、ボールねじのナット部１３が固定されており、該ナット部１３にはＺ軸モータ１１とカップリング１２を介して接続されたボールねじのねじ部１４が嵌挿されており、Ｚ軸モータ１１を回転動作させることにより、ボールねじのナット部１３によって垂直Ｚ駆動部１５が上下に動作可能な構造となっている。

更に、垂直Ｚ駆動部１５に固定されているＶＣＭ８の下部には、ボールブッシュ１６が取付けられており、該ボールブッシュ１６を介してノズルシャフト１７が保持され、該ノズルシャフト１７は垂直Ｚ駆動部１５に対して回転動作と垂直上下動作が可能な構造となっている。

又、ノズルシャフト１７の下方の先端には、ノズルチャック機構１８により、吸着ノズル１９が保持され、且つ、交換可能な構造になっている。このノズル１９は、部品４０の吸着保持を行ない、基板搭載テーブル３０上に搭載支持されている基板３４にその部品４０を搭載することができるようになっている。

この基板搭載テーブル３０では、図２に示されるように、その上面に搭載された前記基板３４が、クランプ３３により支持固定されるようになっている。

又、この基板搭載テーブル３０の下部にはロードセル（荷重検出手段）３１が付設されており、該ロードセル３１は、その下側が装置本体に固定されているロードセル取付け台３２により支持されている。このロードセル取付け台３２には、過負荷によりロードセル３１がたわみ過ぎて破壊してしまうことを防止するためにロードセルストッパ３２ａが上方に突設されている。

又、このロードセル３１は、図３に基板搭載テーブル３０を透視した状態を模式的に示すように、該基板搭載テーブル３０の下部の４隅に配置固定されていると共に、各ロードセル３１はロードセルアンプ３５に接続されている。

図４には、本実施形態の部品実装装置が備えている制御系の概要を示す。

この制御系は、ＣＰＵ４０等により構成され、該ＣＰＵ４０には、Ｚ軸駆動系を構成するＺ軸モータ１１とそれに内蔵されているＺ軸エンコーダ４１とがＺ軸ドライバ４２を介して、又、θ軸駆動系を構成するθ軸モータ９とそのエンコーダ４３とがθ軸ドライバ４４を介して、更に、加圧駆動系を構成するＶＣＭモータ８がＶＣＭドライバ４５を介して接続され、それぞれ制御信号の授受が可能になっている。

又、上記ＶＣＭドライバ４５は、装置本体上の前記ロードセル３１がロードセルアンプ３５を介して接続され、ＣＰＵ４０からの荷重指令値に対して、ロードセルアンプ３５の出力値を検出しながら一致させる制御を行なう制御手段を構成している。但し、この制御機能はＣＰＵ４０で実現してもよい。

以上の構成からなる電子部品供給装置において実行される、電子部品の加圧搭載動作から次の部品の吸着動作までを、図５〜図８をも参照して説明する。

図１の搭載ヘッド１を、Ｘ軸ガントリ２、Ｙ軸ガントリ３を駆動させて電子部品供給装置５の上方に移動し、吸着ノズル１９により電子部品を吸着する。

電子部品を吸着した搭載ヘッド１を、認識装置４の上方へ移動し、該認識装置４により部品の認識を行なう。

部品の認識を完了した後、搭載ヘッド１を図示しない基板上の電子部品の搭載予定部に移動し、該搭載ヘッド１の吸着ノズル１９に吸着されている電子部品４０を基板３４上の搭載位置に搭載する。

以下、これらの動作について詳述するが、便宜上部品搭載動作を先に説明する。

前述した部品位置補正のための認識動作を行なった後、該部品４０を搭載位置（基板上方）に移動させ、部品搭載動作を行なうが、その際の下降・加圧動作を、図６に示すタイムチャートを参照すると共に、図７のフローチャートに従って詳述する。

上記部品搭載動作は、搭載ヘッド１を基板３４上の部品搭載位置に移動し、Ｚ軸モータ１１を駆動し垂直Ｚ駆動部１５と共に吸着ノズル１９を下降させることにより行なう。

その際、ＶＣＭ８に電圧を印加して下方向に力を発生させ、図５のように下側ストッパ２１ｂを垂直Ｚ駆動部１５の下側ストッパ部１５ａに突き当て、下方へのＶＣＭ８の動きを規制しておく。

この状態で、Ｚ軸モータ１１により垂直Ｚ駆動部１５と一体で吸着ノズル１９を下降し、吸着されている部品４０が基板面の直前の高さに達したところで吸着ノズル１９を急速停止させる。

このとき、ＶＣＭ８の稼動子８ａとノズルシャフト１７等の重さと減速時の加速度により慣性力が下方向に働くが、ＶＣＭ８の下側ストッパ２１ｂは下側ストッパ部１５ａにより位置が規制されているため、ＶＣＭ８が発生している力以上の慣性力が下方向に働いてもノズル１９先端の位置に変化は見られない。

このようにＺ軸モータ１１を駆動して、時間Ｔ１で、ＶＣＭ８の出力値がＶ２で下側ストッパ２１ｂが図５の規制状態にある垂直Ｚ駆動部１５をＺ３の高さから、部品が基板上面に接触しない高さで、該上面より微小変位だけ上方の第１高さＺ１に高速で下降を行なう（ステップ１、２）。次に、速度を切り換え、時間Ｔ２で、低速で基板上面の高さ（＝０）より下方に設定した第２高さＺ２までの移動を開始する（ステップ３）。なお、Ｚ３、Ｚ１、Ｚ２等のＺ軸高さは、Ｚ軸モータ１１に内蔵されているエンコーダ４１の出力により決定される。

その際、Ｚ軸モータ１１により基板上面に吸着部品が接触しない上記第１高さＺ１へ移動完了したという信号を、ＣＰＵ４０がエンコーダ４１から受けた場合には、ＶＣＭ８に出力値Ｖ１の通電を行ない、該ＶＣＭ８の稼動子８ａと、これに接続されて上下動するノズルシャフト１７、ノズルチャック１８、吸着ノズル１９及びストッパ２１ａ、２１ｂ等からなる可動部の重量＋αの加圧力を上方に発生させ、可動部の自重キャンセル＋αの力Ｖ１を発生させる（ステップ４）。これにより、下側ストッパ２１ｂが、図５の状態から図２の規制されない状態になる。

ＶＣＭ８に上向きのＶ１を維持したままＺ軸モータ１１を駆動して、垂直Ｚ駆動部１５と共に吸着ノズル１９をそのまま下降させる。吸着ノズル１９が基板３４上面の高さ０に到達すると、時刻Ｔ０で基板へノズル１９に吸着されている部品が接触し、基板搭載テーブル３０に圧力が発生してその圧力がロードセル３１に伝わるため、部品４０の接触タイミングＴ０がロードセル２４により検出される。

時間Ｔ２において、時刻Ｔ０でノズル１９の吸着部品が基板３４に接触しても、ロードセル３１の出力が所定荷重Ｌ１になり（ステップ５）、更にＺ軸モータ１１は駆動をエンコーダ出力がＺ２になるまで停止させない。このＺ２は、ＶＣＭ８がＶ１の出力で可動部を上昇させて図２の状態にしても、吸着部品４０が十分に接触する、例えば基板面高さより０．２ｍｍ下の高さに設定されている。

一方、ＶＣＭ８は、ロードセル３１からノズル１９（部品４０）の接触信号を受けると、下向きの力に切り替え、徐々に加圧量（荷重）を増加させて設定した出力値Ｖ２まで増大させ、ロードセル３１の出力値が所定の目標加圧量Ｌ１になるまで加圧を行なう（ステップ５）。目標の加圧量Ｌ１に達し、更に第２高さＺ２に到達した時点（ステップ６）で停止して高さを維持する（ステップ７）と共に、ＶＣＭ８を停止して荷重を維持し（ステップ８）、予め設定してある加圧時間Ｔ３の間、目標の加圧量を維持した後（ステップ９）、加圧搭載動作を終了する。

以上のように、部品４０の加圧搭載動作が終了したら、搭載ヘッド１の垂直Ｚ駆動部１５をＺ軸モータ１１により上向きに上昇させ（ステップ１０）、第３高さＺ３まで高速上昇させることにより、加圧制御による１回の部品搭載動作が完了し、次の吸着動作に移行する。

上記部品吸着動作は、図８に示すように搭載ヘッド１を部品供給装置５上の部品吸着位置で、Ｚ軸モータ１１を駆動し垂直Ｚ駆動部１５と共に吸着ノズル１９を下降させる。

その際、基本動作は前記加圧搭載と同じであり、ＶＣＭ８に電圧を印加して下方向に力を発生させ、前記図５と同様に下側ストッパ２１ｂを垂直Ｚ駆動部１５の下側ストッパ部１５ａに突き当て、下方へのＶＣＭ８の動きを規制しておく。

Ｚ軸モータ１１により垂直Ｚ駆動部１５と一体で吸着ノズル１９を下降し、吸着する部品の吸着面の直前の高さで吸着ノズル１９を急速停止させる。

このとき、ＶＣＭ８の稼動子８ａ及びノズルシャフト１７等の重さと減速時の加速度により慣性力が下方向に働くが、ＶＣＭ８の下側ストッパ２１ｂにより位置が規制されているために、ＶＣＭ８が発生している力以上の慣性力が下方向に働いてもノズル１９先端の位置に変化は見られない。

上記のように吸着ノズル１９を急速停止した後、ＶＣＭ８に上向きの力を発生させて接触時の衝突荷重を低減させるよう力を設定する。ＶＣＭ８に上向きの力を維持したままＺ軸モータ１１をゆっくり動作させて垂直Ｚ軸駆動部１５を下降させる。この時、加圧用ＶＣＭ８は、オープンループ制御により部品を破壊しない程度の圧力を発生させて下側ストッパ２１ｂを下側ストッパ部１５ａに突き当て、これによりノズル１９のＺ軸方向の位置が分るようにする。

目標の吸着高さまで吸着ノズル１９を下降させ、Ｚ軸の動作を停止する。その後、図示しないエジェクターの電磁弁をＯＮし、部品吸着のためのバキュームエアをノズル１９の吸着穴に発生させ、部品４０を吸着する。

部品４０を吸着保持した後、Ｚ軸モータ１１を駆動して部品を上昇させ、搭載ヘッド１を移動させて認識装置４の上へ移動する。

以上説明したように、本実施形態によれば以下の効果が得られる。

（１）ロードセル３１を基板下部の固定部である基板搭載テーブル３０に配置したので、搭載ヘッドにロードセルを設置する必要がなくなり、ヘッド構造を簡素化ができ、ヘッドの大型化、重量化を防ぐことが出来る。

（２）搭載ヘッドに荷重検出器であるロードセルを配置する必要が無くなるので、ヘッド上に設けることによるヘッドの振動の問題や、ケーブルなど付属部品を振り回すことに起因する信頼性低下等の問題が無くなる。

（３）ヘッド上からロードセルを除外したので、ロードセルの形状や大きさの制限が少なくなり、選択の幅が広がることから、より高精度なロードセルや低コストのロードセルを利用することが出来る。

（４）従って、ヘッド上に持っている加圧駆動手段（ＶＣＭ）により、加工搭載時の荷重制御プロファイルが複雑な部品の製造（搭載）にも対応できるようになるので、搭載時に高精度な加圧動作が可能となり、しかも吸着時においてもオープンループ制御での加圧動作を行なうことにより、部品を破壊しない吸着動作が可能となる。

以上、本発明について具体的に説明したが、本発明は、前記実施形態に示したものに限定されない。

例えば、前記図２等に示した搭載ヘッドにおいて、ボールブッシュ１６は、回転と直動が自在なエアベアリング等であっても構わない。

又、前記搭載ヘッドにおいては、ＶＣＭ８は図示されるムービングマグネット方式でなく、磁石が固定側に配され、コイルが可動側に配されるムービングコイル方式であっても構わない。同様にＶＣＭ８はリニア同期モータなどの他のリニアモータであっても可動部が旋回可能な構成であれば構わない。

又、前記搭載ヘッドにおいて、垂直Ｚ軸モータ１１の動力を垂直移動に変換する手段はタイミングベルトとプーリの組み合わせなど、他の運動変換手段であっても構わない。同様に、回転θ軸モータ９の動力を伝達する際に減速などが必要であれば、ギヤやハーモニックドライブなどの減速機構を介して吸着ノズルを含む回転体に接続されても構わない。

本発明に係る一実施形態の部品実装装置を模式的に示す概略斜視図 本実施形態の部品実装装置が備えている搭載ヘッドと基板搭載テーブルの概要を示す断面図 上記基板搭載テーブルの特徴を示す要部斜視図 部品実装装置の制御系の概要を示すブロック図 加圧駆動部が下降規制状態にある前記図２に相当する断面図 本実施形態による部品搭載時の加圧動作と上昇動作の概要を示すタイムチャート 本実施形態による部品の加圧搭載動作を示すフローチャート 吸着動作時の本実施形態の搭載ヘッドの概要を示す断面図 従来の部品実装装置の概要を示す断面図 従来の搭載ヘッドの概要を示す断面図

符号の説明

１…搭載ヘッド
２…Ｘ軸ガントリ
３…Ｙ軸ガントリ
８…ボイスコイルモータ（ＶＣＭ）
１１…Ｚ軸モータ
１５…垂直Ｚ駆動部
１５ａ…下側ストッパ部
１９…吸着ノズル
２１ａ…上側ストッパ
２１ｂ…下側ストッパ
３０…基板搭載テーブル
３１…ロードセル
４０…ＣＰＵ
４５…ＶＣＭドライバ（制御手段）

Claims (3)

1. Ｘ軸駆動手段及びＹ軸駆動手段により平面方向に移動可能な搭載ヘッドと、部品が加圧搭載される基板を支持する基板搭載テーブルと、を備え、前記搭載ヘッドが、前記部品を吸着保持する吸着ノズルと、該吸着ノズルを上下方向に付勢可能である加圧駆動手段と、該加圧駆動手段を支持すると共に前記吸着ノズルを上下方向の一定範囲で移動可能であるように支持する支持フレームと、該支持フレームをＺ軸方向に進退動させ前記加圧駆動手段及び前記吸着ノズルを同方向に移動させるＺ軸駆動手段と、を備えた部品実装装置において、
   前記基板搭載テーブルに支持される基板に加わる荷重を検出可能であるように前記基板搭載テーブルに付設された荷重検出手段と、前記加圧駆動手段及び前記Ｚ軸駆動手段を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記部品の前記基板上への加圧搭載時において、まず前記Ｚ軸駆動手段により前記吸着ノズルを前記基板の上方から下降させて前記吸着ノズルに吸着保持される前記部品が前記基板の上面の直前の高さに達したところで前記吸着ノズルの下降を一旦停止させ、次に前記加圧駆動手段により前記吸着ノズルを上方に付勢しつつ前記荷重検出手段により前記基板にかかる荷重を検出しながら前記Ｚ軸駆動手段により前記吸着ノズルを前記下降の速度よりも低速で更に下降させ、前記荷重検出手段により前記部品が前記基板に接触したことを検出すると前記加圧駆動手段により前記吸着ノズルを下方に付勢して所定の荷重で前記部品を前記基板に加圧するように前記加圧駆動手段及び前記Ｚ軸駆動手段を制御することを特徴とする部品実装装置。
2. 前記荷重検出手段が、前記基板搭載テーブルの下に設置された複数のロードセルであり、各ロードセルの下方には、たわみ過ぎを防止するストッパが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の部品実装装置。
3. 前記吸着ノズルには該吸着ノズルの前記支持フレームにおける前記上下方向の移動の範囲の下限を位置決めするための下側ストッパが連結され、前記支持フレームには前記下側ストッパが上方から当接する下側ストッパ部が設けられ、
   前記制御手段は、部品吸着時には、前記下側ストッパを前記支持フレームの前記下側ストッパ部に前記加圧駆動手段により目標加圧量に当接させた状態で、前記Ｚ軸駆動手段により前記吸着ノズルの先端を所定位置の部品に接触させることを特徴とする請求項１又は２に記載の部品実装装置。

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