JP2008168333A

JP2008168333A - レーザー式はんだ付け装置

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Publication number: JP2008168333A
Application number: JP2007006216A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kono; 寛史河野
Original assignee: Japan Unix Co Ltd
Current assignee: Japan Unix Co Ltd
Priority date: 2007-01-15
Filing date: 2007-01-15
Publication date: 2008-07-24
Anticipated expiration: 2027-01-15
Also published as: JP5148118B2; CN101583456B; CN101583456A

Abstract

【課題】リング状のレーザービームにより、ＣＣＤカメラによる撮像の精度を低下させることなく、電子部品の焼けの問題を解消して精度の良いはんだ付けを行うことができるようにする。
【解決手段】円形レーザービームＢ１をリング状レーザービームＢ５に変換するビーム変換部１０の後に、該ビーム変換部１０で変換されたリング状レーザービームＢ５をはんだ付け対象８に投射するビーム投射部１１を、互いの光軸Ｌ１，Ｌ２を９０度の角度に交叉させて配設し、はんだ付け対象８を撮像するＣＣＤカメラ１２を、その撮像用光軸Ｌ３を上記ビーム投射部１１の光軸Ｌ２に一致させて配設することにより、このビーム投射部１１を通じてはんだ付け対象８を撮像するように構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザービームを使用してＩＣやＬＳＩなどの電子部品やその他のワークを精密にはんだ付けするレーザー式はんだ付け装置に関するものである。

レーザービームを使用してはんだ付けする技術は、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されているように従来より公知である。これらの技術は、はんだ付けヘッドからプリント基板等のはんだ付け対象に向けてレーザービームを投射し、このレーザービームの熱ではんだを溶融させてはんだ付けするもので、非接触ではんだ付けを行うことができるという利点がある。また、これらの特許文献に記載されたものは、ＣＣＤカメラではんだ付け対象を撮像し、その画像をモニターで確認しながらレーザービームのビーム径や投射位置等の調整を行うことにより、精度の良いはんだ付けを行うことができるように構成されている。

ところが、上記従来のはんだ付け装置は、図９に示すように、はんだ付けヘッド４０から円形のレーザービーム４１を投射しているため、基板４２のスルーホール４２ａ内に電子部品４３の端子４３ａを挿入してこの端子４３ａをプリント配線４４にはんだ付けするような場合に、上記スルーホール４２ａを通して電子部品４３にレーザービーム４１が投射され、該電子部品４３の一部に焼けが発生するという問題があった。

一方、特許文献３及び特許文献４には、リング状のレーザービームを使用して対象物を加熱又は加工する技術が開示されている。そこで、このようなリング状のレーザービームを使用してスルーホール形の基板に対する電子部品のはんだ付けを行うことにより、スルーホールを通してレーザービームが電子部品に投射されるのを防ぐことができるため、上述した焼けの問題は解消されるものと思われる。
特開２０００−４２７７５号公報特開２００２−１５２１号公報特開２００５−２８４２８号公報特開２００６−２２９０７５号公報

しかし、上記特許文献３及び特許文献４に記載された装置は、円形のレーザービームを特殊な角度に屈折させることによってリング状に変換する光学素子（曲面レンズ）を、加熱対象物に対向させて配置し、この曲面レンズからリング状のレーザービームを加熱対象物に直接投射するようにしているため、この技術を例えば上記特許文献２に記載された装置に適用した場合、上述した電子部品の焼けの問題は解消することができても、上記曲面レンズを介してＣＣＤカメラではんだ付け対象を撮像することになるため、その画像が歪んでしまい、ビーム径や投射位置の調整を精度良く行うことはできない。

そこで本発明の目的は、リング状のレーザービームを使用し、ＣＣＤカメラによる撮像の精度を低下させることなく電子部品の焼けの問題を解消して精度の良いはんだ付けを行うことができる、レーザー式はんだ付け装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によれば、レーザービームを出力するレーザー発振器と、円形のレーザービームをリング状のレーザービームに変換するビーム変換部と、該ビーム変換部で変換されたリング状レーザービームをはんだ付け対象に投射するビーム投射部と、上記はんだ付け対象を撮像するＣＣＤカメラとを有し、上記ビーム変換部とビーム投射部とを互いの光軸を９０度の角度に交叉させて配設することにより、上記レーザー発振器から出力された円形のレーザービームを、上記ビーム変換部でリング状のレーザービームに変換したあと上記ビーム投射部に出射するように構成されると共に、上記ＣＣＤカメラを、撮像用の光軸を上記ビーム投射部の光軸に一致させて配設することにより、このビーム投射部を通じてはんだ付け対象を撮像するように構成されていることを特徴とするレーザー式はんだ付け装置が提供される。

本発明においては、上記ビーム変換部が、凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとを有し、凹形コーンレンズは、入射面がビーム変換部の光軸と直交する平坦面によって形成されると共に、出射面が凹形の円錐面を有し、また、上記凸形コーンレンズは、入射面が凸形の円錐面を有すると共に、出射面がビーム変換部の光軸と直交する平坦面によって形成されていて、上記凹形コーンレンズでレーザー発振器からの円形レーザービームをリング状レーザービームに変換したあと、このリング状レーザービームを上記凸形コーンレンズで平行なレーザービームにして上記ビーム投射部に出射するように構成されていることが望ましい。

本発明において、上記凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとは、上記円錐面の中心を軸線方向に貫通する中空孔を有していても良く、これにより、円環部の中心に円形部を有するリング状レーザービームを得ることができる。
また、上記凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとの間の距離を調節自在とすることにより、リング状レーザービームのビーム径を変更可能とすることもできる。

本発明においては、上記コーンレンズを設ける代わりに、リング状の透光部を有する変換部材を設け、上記レーザー発振器からの円形レーザービームをこの変換部材の透光部を透過させることによってリング状レーザービームに変換したあと、上記ビーム投射部に向けて出射するように構成することも可能である。

また、本発明において好ましくは、上記ビーム投射部が、該ビーム投射部の光軸及び上記ビーム変換部の光軸に対してそれぞれ４５度傾斜させて配設され、上記ビーム変換部から出射されたリング状レーザービームを反射するハーフミラーと、該ハーフミラーで反射されたリング状レーザービームを所定のビーム外径及びビーム内径となるように収束させてはんだ付け対象に投射する投射レンズとを有することである。

本発明によれば、ビーム変換部とビーム投射部とを互いの光軸を９０度交叉させて配設すると共に、ＣＣＤカメラによるはんだ付け対象の撮像を上記ビーム投射部を通じて行うように構成したことにより、ＣＣＤカメラによる撮像精度を低下させることなく、上記リング状レーザービームによって電子部品の焼けを防止したはんだ付けを行うことが可能となる。

図１は本発明に係るレーザー式はんだ付け装置の第１実施形態を記号を用いて模式的に示すもので、図中の符号１は、図示しないはんだ付けロボットの多関節アームに取り付けられるはんだ付けヘッド、２はレーザービームＢ１を出力するレーザー発振器、３はこのレーザー発振器２からのレーザービームＢ１を上記はんだ付けヘッド１に導く光ファイバーを示している。また、５はプリント配線６が施された基板、７は該基板５にはんだ付けされる電子部品を示していて、この電子部品７の端子７ａが基板５のスルーホール５ａ内に挿入され、プリント配線６に対してはんだ付けされる。従って、この端子７ａとプリント配線６とがはんだ付けされる部分がはんだ付け対象８である。

上記はんだ付けヘッド１は、上記光ファイバー３から供給される円形のレーザービームＢ１をリング状のレーザービームＢ５に変換するビーム変換部１０と、該ビーム変換部１０で変換されたリング状レーザービームを所定のビーム径に調整してはんだ付け対象８に投射するビーム投射部１１と、上記はんだ付け対象８を撮像するＣＣＤカメラ１２とを有し、上記ビーム変換部１０とビーム投射部１１とが、それらの光軸即ち変換部光軸Ｌ１と投射部光軸Ｌ２とを９０度の角度に交叉させた状態で筒状のハウジング１３の内部に収容され、このハウジング１３の上端部に上記ＣＣＤカメラ１２が取り付けられている。

上記ビーム変換部１０は、上記光ファイバー３から出射される円形のレーザービームＢ１を変換部光軸Ｌ１に沿って反射させる反射ミラー１５と、この反射ミラー１５で反射されたレーザービームＢ２を一定のビーム径を有する平行なレーザービームＢ３にする入射レンズ１６と、該入射レンズ１６で平行化されたレーザービームＢ３をリング状のレーザービームＢ４に変換する凹形コーンレンズ１７と、該凹形コーンレンズ１７からビーム径が拡大するように出射されたリング状レーザービームＢ４を平行化する凸形コーンレンズ１８とを有し、これらの反射ミラー１５と入射レンズ１６と凹形コーンレンズ１７と凸形コーンレンズ１８とが、上記変換部光軸Ｌ１に沿って順次配設されている。

図２から明らかなように、上記凹形コーンレンズ１７は、変換部光軸Ｌ１と直交する平坦な入射面２０と、凹形の円錐面２１ａからなる出射面２１とを有し、また、上記凸形コーンレンズ１８は、凸形の円錐面２２ａからなる入射面２２と、変換部光軸Ｌ１と直交する平坦な出射面２３とを有していて、これら一対のコーンレンズ１７，１８が、それらの円錐面２１ａ，２２ａ同士を相互に向かい合わせると共に、相互間に所定の間隔を保った状態で、中心軸線を上記変換部光軸Ｌ１と一致させて同心状に配設されている。これら両コーンレンズ１７，１８の円錐面２１ａ，２２ａの傾斜角度は、互いに同じであることが望ましい。

そして、上記凹形コーンレンズ１７の平坦な入射面２０から円形の平行なレーザービームＢ３が入射されると、このレーザービームＢ３は、出射面２１における凹形の円錐面２１ａとその頂点２１ｂから出射される際に、リング形（ドーナツ形）に屈折され、広がり角を持ったリング状のレーザービームＢ４となる。
このリング状レーザービームＢ４は、次の凸形コーンレンズ１８における凸形の円錐面２２ａからなる入射面２２から入射することにより、一定のビーム外径Ｄ１とビーム内径Ｄ２とを有する平行なリング状レーザービームＢ５となり、上記ビーム投射部１１に向けて出射される。従って、上記ビーム外径Ｄ１とビーム内径Ｄ２との差の１／２がビーム幅Ｗである。

上記凹形コーンレンズ１７と凸形コーンレンズ１８とは、相互間に一定の距離を保って配設されていても良いが、図示したように、凸形コーンレンズ１８を固定とし、凹形コーンレンズ１７を変換部光軸Ｌ１に沿って変位させるといったように、少なくとも一方を位置調節自在として両コーンレンズ１７，１８間の距離を調節可能とすることにより、上記リング状レーザービームＢ５のビーム径を変更することができる。

上記ビーム投射部１１は、上記投射部光軸Ｌ２に沿って配設されたハーフミラー２５と一つの投射レンズ２６とを有している。上記ハーフミラー２５は、レーザー発振器２からのレーザービームは透過させることなく反射するが、その他の光（可視光）は透過させる性質を有するもので、上記投射部光軸Ｌ２及び変換部光軸Ｌ１に対してそれぞれ４５度傾斜する向きに配設されていて、上記ビーム変換部１０の凸形コーンレンズ１８から変換部光軸Ｌ１に沿って出射された平行なリング状レーザービームＢ５を、上記投射部光軸Ｌ２に沿った方向に反射させる。反射されたリング状レーザービームＢ６は、上記凸形コーンレンズ１８から出射されたリング状レーザービームＢ５と同じビーム外径Ｄ１及びビーム内径Ｄ２とを有する平行なリング状レーザービームである。

上記ハーフミラー２５で反射された平行なリング状レーザービームＢ６は、凸レンズからなる上記投射レンズ２６で収束され、所定のビーム外径及びビーム内径とビーム幅とを有するリング状レーザービームＢ７としてはんだ付け対象８に投射される。
図３には、はんだ付け対象８に投射されたリング状レーザービームＢ７の投射パターンが示されている。この図から分かるように、上記リング状レーザービームＢ７は、プリント配線６上においてスルーホール５ａを取り囲むように投射され、該スルーホール５ａを通じて基板５の下面の電子部品７に投射されない。従って、該電子部品７の焼けが発生しない。そして、この状態で図示しない糸はんだが供給されると、該糸はんだが上記レーザービームＢ７によって溶融され、端子７ａとプリント配線６とがはんだ付けされる。

上記はんだ付け対象８に投射される上記リング状レーザービームＢ７の好ましいビーム径及びビーム幅は、はんだ付け条件等によって異なるが、一般的には、ビーム外径Ｄ１が１．５〜２．５ｍｍ、ビーム内径Ｄ２が１〜１．５ｍｍ程度であり、従ってビーム幅Ｗは０．５〜１ｍｍ程度ということになる。しかし、これ以外の数値であっても良いことはもちろんである。

また、上記ＣＣＤカメラ１２は、撮像用の光軸Ｌ３を上記ビーム投射部１１における投射部光軸Ｌ２と一致させて配設され、このビーム投射部１１を通じてはんだ付け対象８を撮像するようになっている。図中２８は、上記ハーフミラー２５とＣＣＤカメラ１２との間に配設された結像用レンズである。上記ＣＣＤカメラ１２で撮像したはんだ付け対象８の画像は、図示しないモニターに表示され、この画像を見ながらはんだ付け対象８に対するレーザービームＢ７の投射位置の位置決めが行われるが、このような技術は特開２００２−１５２１号公報によって既に公知であり、本発明の要旨とも直接関係がないため、これ以上の詳細な説明は省略する。

かくして、上記ビーム変換部１０とビーム投射部１１とをそれらの光軸Ｌ１，Ｌ２を９０度の角度に交叉させて配設すると共に、ＣＣＤカメラ１２によるはんだ付け対象８の撮像を上記ビーム投射部１１を通じて行うことにより、上記ビーム変換部１０を、ＣＣＤカメラ１２によるはんだ付け対象８の撮像に関与しないように構成することができる。この結果、光を特殊な方向に屈折させる上記凹形コーンレンズ１７や凸形コーンレンズ１８の介在による像の歪みが生じないため、ＣＣＤカメラ１２による撮像精度を低下させることなく、リング状レーザービームによって電子部品７の焼けを防止したはんだ付けを行うことが可能となる。

上述した図１の第１実施形態は、図３に示すような円環部のみを有するリング状のレーザービームＢ７を得るためのものであるが、この第１実施形態における凹形コーンレンズ１７と凸形コーンレンズ１８とを、図４の変形例に示すような構成を有する凹形コーンレンズ１７Ａと凸形コーンレンズ１８Ａとに変更することにより、図５に示すような、円環部ｍと円形部ｎとを有するリング状レーザービームＢ７を得ることができる。

上記凹形コーンレンズ１７Ａと凸形コーンレンズ１８Ａとは、出射面２１及び入射面２２における円錐面２１ａ，２２ａの中心部を軸線方向に貫通する円形の中空孔２１ｃ，２２ｃを有するもので、これらの中空孔２１ｃ，２２ｃの中心を上記変換部光軸Ｌ１が通るように配設されている。両コーンレンズ１７Ａ，１８Ａの中空孔２１ｃ，２２ｃは、互いに同径であることが望ましいが、凸形コーンレンズ１８Ａの中空孔２２ｃが凹形コーンレンズ１７Ａの中空孔２１ｃより若干大きくても構わない。

いま、図４に示すように、上記凹形コーンレンズ１７Ａの平坦な入射面２０から円形で平行なレーザービームＢ３が入射されると、このレーザービームＢ３は、出射面２１における凹形の円錐面２１ａと中空孔２１ｃとを通って該出射面２１から出射される際に、屈折するものと直進するものとに分光され、円環部ｍと円形部ｎとを有するリング状のレーザービームＢ４となる。このリング状レーザービームＢ４は、次の凸形コーンレンズ１８Ａの入射面２２における円錐面２２ａから入射すると共に中空孔２２ｃを透過することにより、図５に示すようなビームパターンを有する平行なリング状レーザービームＢ５となり、上記ビーム投射部１１を経てはんだ付け対象８に投射される。

図６は本発明の第２実施形態を示すもので、この第２実施形態のはんだ付け装置が上記第１実施形態のはんだ付け装置と異なる点は、ビーム変換部１０において円形のレーザービームＢ３をリング状のレーザービームＢ５に変換する機構が、一対の凹形コーンレンズ１７と凸形コーンレンズ１８とを組み合わせたものではなく、リング状の透光部３１を有する変換部材３０で形成されているという点である。

上記変換部材３０は、図７からも分かるように、ガラスなどからなる円形の透明基板３２の表面に、不透明シートを貼着したり不透明塗料を塗布することによって円環状の第１不透明部３３と円形の第２不透明部３４とを同心状に形成し、これらの不透明部３３，３４間にリング状の上記透光部３１を形成したもので、上記反射ミラー１５と入射レンズ１６との間に配設されている。これにより、上記反射ミラー１５からの円形のレーザービームＢ２が、この変換部材３０の上記透光部３１を透過することによって広がり角を持つリング状のレーザービームＢ４となったあと、このレーザービームＢ４が、上記入射レンズ１６によって平行なレーザービームＢ５に変換される。
なお、この第２実施形態における上記以外の構成及び作用は第１実施形態と実質的に同じであるため、それらの同一構成部分に第１実施形態と同じ符号を付し、具体的な説明は省略する。

また、この第２実施形態において、図５に示すような円環部ｍと円形部ｎとを有するリング状レーザービームを得るためには、上記変換部材３０を、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示す変形例のように構成すれば良い。この変形例における変換部材３０Ａは、円形の透明基板３２の表面に、径が大小異なる円環状の第１不透明部３３と第２不透明部３５とを同心状に形成することにより、これら両不透明部３３，３５間にリング状の透光部３１を形成すると共に、内側の第２不透明部３５の内部に円形の透光部３６を形成したものである。

なお、上記第２実施形態とその変形例とにおいて、上記透明基板３２と不透明部３３，３４，３５及び透光部３１，３６とを、楕円や矩形あるいはその他の多角形状に形成することにより、該透光部３１，３６の形状に応じた形状を有するリング状レーザービームを得ることができる。

本発明に係るレーザー式はんだ付け装置の第１実施形態を記号を用いて模式的に示す構成図である。図１の要部拡大図である。はんだ付け対象に投射されたリング状レーザービームの投射パターンを示す要部平面図である。第１実施形態におけるビーム変換部の変形例を示す要部構成図である。図４の変形例によって得られるリング状レーザービームの投射パターンを示す要部平面図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。上記第２実施形態に用いられている変換部材の正面図である。上記変換部材の変形例の正面図である。上記変換部材の変形例の断面図である。従来のはんだ付け方法を示す要部側面図である。

符号の説明

２レーザー発振器
８はんだ付け対象
１０ビーム変換部
１１ビーム投射部
１２ＣＣＤカメラ
１７，１７Ａ凹形コーンレンズ
１８，１８Ａ凸形コーンレンズ
２０，２２入射面
２１，２３出射面
２１ａ，２２ａ円錐面
２１ｃ，２２ｃ中空孔
２５ハーフミラー
２６投射レンズ
３０，３０Ａ変換部材
３１，３６透光部

Claims

レーザービームを出力するレーザー発振器と、円形のレーザービームをリング状のレーザービームに変換するビーム変換部と、該ビーム変換部で変換されたリング状レーザービームをはんだ付け対象に投射するビーム投射部と、上記はんだ付け対象を撮像するＣＣＤカメラとを有し、
上記ビーム変換部とビーム投射部とを互いの光軸を９０度の角度に交叉させて配設することにより、上記レーザー発振器から出力された円形のレーザービームを、上記ビーム変換部でリング状のレーザービームに変換したあと上記ビーム投射部に出射するように構成されると共に、上記ＣＣＤカメラを、撮像用の光軸を上記ビーム投射部の光軸に一致させて配設することにより、このビーム投射部を通じてはんだ付け対象を撮像するように構成されていることを特徴とするレーザー式はんだ付け装置。
上記ビーム変換部が、凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとを有し、凹形コーンレンズは、入射面がビーム変換部の光軸と直交する平坦面によって形成されると共に、出射面が凹形の円錐面を有し、また、上記凸形コーンレンズは、入射面が凸形の円錐面を有すると共に、出射面がビーム変換部の光軸と直交する平坦面によって形成されていて、上記凹形コーンレンズでレーザー発振器からの円形レーザービームをリング状レーザービームに変換したあと、このリング状レーザービームを上記凸形コーンレンズで平行なレーザービームにして上記ビーム投射部に出射するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け装置。
上記凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとが、上記円錐面の中心を軸線方向に貫通する中空孔を有することを特徴とする請求項２に記載のはんだ付け装置。
上記凹形コーンレンズと凸形コーンレンズとの間の距離を調節自在とすることによってリング状レーザービームのビーム径を変更可能としたことを特徴とする請求項３に記載のはんだ付け装置。
上記ビーム変換部が、リング状の透光部を有する変換部材を備えていて、上記レーザー発振器からの円形レーザービームをこの変換部材の透光部を透過させることによってリング状レーザービームに変換するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付け装置。
上記ビーム投射部が、該ビーム投射部の光軸及び上記ビーム変換部の光軸に対してそれぞれ４５度傾斜させて配設され、上記ビーム変換部から出射されたリング状レーザービームを反射するハーフミラーと、該ハーフミラーで反射されたリング状レーザービームを所定のビーム外径及びビーム内径となるように収束させてはんだ付け対象に投射する投射レンズとを有することを特徴とする請求項１から５の何れかに記載のはんだ付け装置。