JP6170097B2 - 部分はんだ付け装置およびノズル濡れ性検出器具 - Google Patents

Description

この発明は、溶融はんだを用いたフローはんだ付け方式の部分はんだ付け装置およびノズル濡れ性検出器具に関する。

フローはんだ付け装置の一例として、溶融はんだを噴流ノズルの先端から噴流させ、ノズル口から盛り上がった状態で流れるはんだをワークのはんだ付けの必要箇所（領域）に接触させることで、はんだ付けを行う部分はんだ付け装置（トレース方式はんだ付け装置、スポットはんだ付け装置などと称される）が知られている。このようなはんだ付け装置は、プリント配線基板における電子部品が配置される領域など、一部の領域のみに選択的にはんだ付けを行うことができる。部分はんだ付け装置においては、プリント配線基板および噴流ノズルの一方が相対的に移動してはんだ付けがなされる箇所が選択される。

部分はんだ付け装置において、噴流ノズルの先端付近の外周面は酸化および喰われ等の影響によって、噴流ノズルから流れ出た溶融はんだの噴流ノズルの外周面に対する濡れ広がり（以下、濡れ性と称する）が悪化し、溶融はんだが外周面の全体を流れず、溶融はんだの形状、流れに偏りが生じる。このような溶融はんだの流れの不安定さによって、はんだ付けの不良が発生するおそれがあった。

このような不良を抑制するために、一般的には、噴流ノズルの外周面に活性力の比較的高いフラックスを塗布しておき、必要な濡れ性を確保している。しかしながら、経時変化、酸化物の影響等によって、外周面の濡れ性が悪化する。そのため、作業者が定期的に噴流ノズルの濡れ性の確認を行い、必要に応じて清掃を行ったり、フラックスを塗布したり、さらには、噴流ノズルを交換していた。

例えば特許文献１には、噴流ノズルを清掃する噴流ノズル清掃装置を備える部分はんだ付け装置が記載されている。ノズル清掃装置は、ブラシによって噴流ノズルの外周面の酸化物や炭化物を除去するものである。

特許第５５８３３０４号公報

作業者が噴流ノズルの外周面の溶融はんだの流れを目視により判断することは、作業者の負担の増加を伴い、また、作業者の個人差によって判定結果の信頼性が低下するおそれがある。特許文献１に記載の噴流ノズル清掃装置は、定期的に清掃を行ったり、所定回数のはんだ付けを行った時に清掃を行うものである。しかしながら、時間経過や、はんだ付けの回数で、清掃のタイミングを判定することは、噴流ノズルの清掃または交換が必要な時になされることを保証するものではなかった。

したがって、この発明の目的は、高精度に噴流ノズルの外周面の濡れ性を検出することができ、噴流ノズルの清掃、交換を適切に行うことを可能とする部分はんだ付け装置およびノズル濡れ性検出器具を提供することにある。

上述した課題を解決するために、この発明は、はんだ槽からの溶融はんだが先端から流れ出る筒状の噴流ノズルと、ワークおよび噴流ノズルの一方を相対的に移動させる変位装置と、噴流ノズルの先端付近の外周面の濡れ性を検出するノズル濡れ性検出部とを備える部分はんだ付け装置である。
この発明は、溶融はんだが流れ出る先端付近の外周面で溶融はんだの存在を検出することによって、噴流ノズルの濡れ性を検出するノズル濡れ性検出器具である。

少なくとも一つの実施形態によれば、噴流ノズルの先端付近の外周面の濡れ性を高精度に検出することができ、噴流ノズルの清掃、交換等を適切な時期に行うことが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、この発明中に記載されたいずれの効果であってもよい。また、以下の説明における例示された効果によりこの発明の内容が限定して解釈されるものではない。

この発明の一実施の形態の概略を示す略線図である。 この発明の説明に使用する略線図である。 この発明を適用できる部分はんだ付け装置の断面図である。 濡れ性が良い場合のはんだの噴流状態の説明に使用する断面図である。 濡れ性が悪い場合のはんだの噴流状態の説明に使用する断面図である。 ノズル濡れ性検出部の平面図および断面図である。 濡れ性の判定のための構成を示すブロック図である。 この発明の一実施の形態の処理の説明に用いるフローチャートである。 この発明の他の実施の形態で使用するノズル濡れ性検出器具の説明に使用する断面図である。 この発明の他の実施の形態の処理の説明に用いるフローチャートである。

以下、この発明を実施の形態について説明する。なお、説明は、以下の順序で行う。
＜１．一実施の形態＞
＜２．他の実施の形態＞
＜３．変形例＞
なお、以下に説明する一実施の形態は、この発明の好適な具体例であり、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、この発明の範囲は、以下の説明において、特にこの発明を限定する旨の記載がない限り、これらの実施の形態に限定されないものとする。

＜１．一実施の形態＞
部分はんだ付け装置について、図１を参照して概略的に説明する。部分はんだ付け装置は、例えば挿入部品の箇所のみを予め設定した順序（経路）でもってはんだ付けすることが可能な構成で、挿入部品リード全体の長さや本数にフレキシブルに対応可能な溶融はんだを噴流するようになされる。図１Ａに示すように、変位装置としてのＸ−Ｙテーブル１上にノズルユニット２およびはんだ槽３が設置されている。

搬送コンベア（図示しない）によって、はんだ槽３の上部までワークＷが搬送された後に、ワークＷが静止され、ワークＷの下面が噴流ノズルユニット２からのはんだが接触して挿入部品のリードがはんだ付けされる。そして、搬送コンベアによって、はんだ付けが終了したワークが搬出される。図示しないが、部分はんだ付け装置の全体がカバー内に収納され、高温の不活性ガス（例えば窒素ガス）の雰囲気ではんだ付けがなされる。

ノズルユニット２は、図１Ｂに示すように、円筒状の噴流ノズル４と、噴流ノズル４を同心円状に取り囲む円筒体５とを有する。はんだ槽３から供給された溶融はんだが噴流ノズル４の先端の開口から上部に流れ出る（噴出する）。溶融はんだがワークＷの裏面のはんだ付けの箇所に接触し、はんだ付けがなされる。噴流ノズル４から流れ出た溶融はんだが円筒５の開口から下部のはんだ槽３に戻る。はんだとして、例えば鉛フリーのものが使用される。図示しないヒータおよび温度制御装置によって溶融はんだの温度が一定に維持される。はんだ槽３には、後述するように、はんだの流れを形成するための回転羽根が設けられており、溶融はんだを循環させる。

Ｘ−Ｙテーブル１は、図示しないサーボモータによってＸ方向およびＹ方向に変位可能とされている。さらに、ノズルユニット２は、Ｚ（上下）方向にも変位可能とされている。ワークＷが搬送コンベアによって搬送されてＸ−Ｙテーブル１と対向してノズルユニット２の上方に位置すると、ノズルユニット２が上方に変位し、ノズルユニット２の噴流ノズル４から噴流する溶融はんだによって、ワークＷの裏面から突出しているリードが基板の電極部にはんだ付けされる。はんだ付けの対象となるワークＷは、例えばチップ部品等が面実装されているプリント配線基板に対して挿入部品が取り付けられ、フラックスが塗布されたものである。

ノズルユニット２およびはんだ槽３は、初期位置から移動して、予め設定されている順序にしたがって、複数の挿入部品の位置で、当該挿入部品に応じた動作でリードのはんだ付けを行い、はんだ付けが終了すると、初期位置に戻る。図示を省略しているが、ノズルユニット２およびはんだ槽３の３軸方向の位置を検出する位置センサが設けられており、ノズルユニット２およびはんだ槽３を所望の位置に移動させるようになされている。図１の例では、ノズルユニット２およびはんだ槽３が３軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）方向に変位される構成であるが、ノズルユニット２およびはんだ槽３を固定し、ワークＷを３軸方向に変位させるようにしても良い。

図１Ｃに示すように、基板６に対して挿入部品７のリード８が挿入されている。リード８の片側の配列方向と平行な方向にノズルユニット２が移動し、ノズルユニット２から噴流したはんだ９によって、リード８のはんだ付けがなされる。片側のリードのはんだ付けが終了すると、他方の側のリードに対して同様にはんだ付けがなされる。なお、高温の不活性ガスは、噴流ノズル４と円筒体５との間隙から吹き出すようになされる。

図２は、本発明における部分はんだ付け装置の上面から見た略線図となる。図２に示すように、Ｘ−Ｙテーブル１によってノズルユニット２およびはんだ槽３が移動する最大の可動範囲１１が設定されている。可動範囲１１の中で、はんだ付け時の可動範囲１２が規定される。はんだ付け時の可動範囲１２は、はんだ付けの対象のワークＷの大きさと対応した大きさである。ワークＷは、互いに平行する搬送コンベアによってはんだ付けの位置まで搬送される。

この発明の一実施の形態では、ノズルユニット２およびはんだ槽３には、後述するように、ノズル濡れ性検出部が取り付けられており、噴流ノズルの外周面の濡れ性がリアルタイムで検出されている。そして、外周面の濡れ性が悪いと検出されると、ノズルユニット２およびはんだ槽３が可動範囲１１の中で、且つ可動範囲１２の外に設定されている処理位置（処理領域）（以下、フラックス塗布位置と適宜称する）１３に移動される。

フラックス塗布位置１３には、噴流ノズル４の濡れ性を回復するための装置（以下、処理部と適宜称する）が設けられている。例えば噴流ノズル４の外周面に活性力の高いフラックスを塗布するスプレー式のフラックス塗布装置が設けられている。フラックス塗布に代えて、またはフラックス塗布と共に噴流ノズル４の外周面をブラシ等で清掃するようにしてもよい。処理が終了すると、図示しない初期位置にノズルユニット２およびはんだ槽３が移動され、次のはんだ付け作業に備える。若し、フラックスの塗布の処理によって濡れ性が回復しない場合には、噴流ノズル４（または噴流ノズルユニット２）の交換が必要と判断され、交換の必要性が作業者に通知される。

後述する他の実施の形態では、予め設定されている周期（タイミング）で噴流ノズル４の濡れ性が検出される。ノズルユニット２には、通常、ノズル濡れ性検出部が取り付けられていない。検出時には、可動範囲１１の中で、可動範囲１２の外で、フラックス塗布位置１３と異なる濡れ性検出位置１４にノズルユニット２およびはんだ槽３が移動される。濡れ性検出位置１４には、噴流ノズル４に対して接近／離間自在に濡れ性検出器具が設けられている。

そして、濡れ性検出位置１４において、ノズルユニット２に対してノズル濡れ性検出器具が接近され、噴流ノズル４の外周面の濡れ性が検出される。外周面の濡れ性が悪いと検出されると、ノズルユニット２およびはんだ槽３がフラックス塗布位置１３に移動される。フラックス塗布位置１３において、一実施の形態と同様に、濡れ性を回復する処理がなされ、濡れ性が回復しない場合には、ノズルの交換の必要性が作業者に対して通知される。

図３は、この発明を適用できる部分はんだ付け装置のノズルユニット２の一例の構成の断面図である。ノズルユニット２は、管状の噴流ノズル４と、その周囲に同軸状に配された円筒体５と、下部に位置するはんだ槽３とからなる。はんだ槽３内に溶融はんだが収容されている。

はんだ槽３内には、吹き口体（ケーシング）２１と、吹き口体２１内部にはんだの流れを生じさせる回転羽根２２が設けられている。モータ２３の回転がベルト２４を介して回転羽根２２に対して伝達され、回転羽根２２が回転される。吹き口体２１から噴流ノズル４の先端４ａから溶融はんだが噴出され、ワークＷの所定箇所のはんだ付けがなされる。溶融はんだが噴流ノズル４と円筒体５との間の空隙を通じて下方に落下し、はんだ槽３に戻る。

図４は、噴流ノズル４の先端４ａ付近を示している。先端４ａから噴出された溶融はんだ（斜線領域として示す）が先端付近の外周面の全面を流れて下部に落下している。これは、外周面の濡れ性が良好なためである。この場合では、噴き出した溶融はんだの形状、高さ、方向等が安定したものとなる。

図５も図４と同様に、噴流ノズル４の先端４ａ付近を示している。先端４ａから噴出された溶融はんだ（斜線領域として示す）が先端付近の外周面の一部の面を流れて下部に落下している。これは、図中外周面のＡＬの濡れ性が悪いためである。この場合では、噴き出した溶融はんだの形状、高さ、方向等が所定のものと異なり、不安定となる。その結果、ブリッジ等のはんだ不良が発生するおそれが高くなる。この発明では、濡れ性を検出し、濡れ性が悪い場合には、フラックスの塗布、清掃によって濡れ性を良くするので、かかる問題の発生を回避することができる。

この発明の一実施の形態では、噴流ノズル４の先端４ａ付近の外周面の濡れ性を検出するノズル濡れ性検出部３１が設けられる。図６Ａおよび図６Ｂに示すように、ノズル濡れ性検出部３１は、リング状枠体３２が円筒体５の端面に取り付けられ、リング状枠体３２の内側から中心に向かって放射状に６本の電極（アームと称する）３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ，３３ｅ，３３ｆが延長されている。アーム３３ａ〜３３ｆは、板状のもので、等角間隔で配置されている。なお、この例では、先端４ａ付近の外周面の６カ所の位置で、溶融はんだの存在が検出されているが、好ましくは、２カ所以上、より好ましくは、３カ所以上の位置で溶融はんだの存在が検出される。

リング状枠体３２は、絶縁体であり、アーム３３ａ〜３３ｆは、導体例えばステンレス，チタン等であり、先端が溶融はんだで劣化しないことが好ましい。アーム３３ａ〜３３ｆの基部は、リング状枠体３２内部で電気的に互いに絶縁されており、図示しないが、基部に対してそれぞれ外部接続用のリード線が接続されている。アーム３３ａ〜３３ｆは、例えば先端が尖った形状とされ、先端と噴流ノズル４の先端の付近の外周面との間に間隙ｇが形成される。間隙ｇの幅は、溶融はんだが流れている場合に、間隙ｇが溶融はんだで埋められる程度とされている。

アーム３３ａ〜３３ｆと間隙ｇと噴流ノズル４の先端の付近の外周面とは、等価的にオン／オフするスイッチを構成することになる。図７において、スイッチＳＷａ〜ＳＷｆは、それぞれアーム３３ａ〜３３ｆと対応するスイッチである。アーム３３ａ〜３３ｆに対して判定部３４から所定の直流電圧＋Ｖが供給されている。はんだ槽３および噴流ノズル４が電気的にグランド電位とされている。

例えばアーム３３ａの先端と噴流ノズル４の外周面との間の間隙ｇに溶融はんだが存在していない場合には、電気的に導通しないので、スイッチＳＷａがオフとなり、スイッチＳＷａの電圧は、＋Ｖと判定部３４が判定する。一方、間隙ｇに溶融はんだで埋められている場合には、電気的に導通し、スイッチＳＷａがオンとなり、スイッチＳＷａの電圧は、０Ｖと判定部３４が判定する。他のスイッチについても同様の動作がなされる。判定部３４は、全てのスイッチがオンである場合には、外周面の全面に溶融はんだが流れていると判定し、そうでない場合には、外周面の全面に溶融はんだが流れていないと判定し、判定結果に対応する判定信号を形成する。

この判定信号が制御部３５に供給される。制御部３５は、判定信号が濡れ性が悪いことを示している場合には、ノズルユニット２をフラックス塗布位置まで移動させ、噴流ノズル４に対してフラックスを塗布または吹き付けるようになされる。判定信号が濡れ性の良いことを示している場合には、ノズルユニット２をフラックス塗布位置に移動させない。さらに、制御部３５は、履歴情報を記憶する機能を有し、濡れ性が悪いことを検出してフラックス塗布の処理を行った回数を記憶し、回数が所定値に達すると、ノズル交換が必要と判定し、表示部３６によってノズル交換が必要であることを作業者に通知する。表示の代わり、または表示と一緒に音による通知を行っても良い。

なお、制御部３６は、部分はんだ付け装置の全体の動作を制御するコントローラとしての機能を有する。制御部３６は、マイクロコンピュータから構成され、予め組まれているソフトウェア（プログラム）にしたがって、Ｘ−Ｙテーブル１を含む３軸変位機構、搬送コンベア等の動きを制御する。

図８を参照して制御部３６による制御のもとでなされるこの発明の一実施の形態の処理の一例について説明する。
ステップＳ１：ノズル濡れ性検出部３１によって、はんだ噴流中にノズルの濡れ性を常に導通によって確認する。
ステップＳ２：濡れ性が良いと判定される場合には、はんだ付けが行われる。
ステップＳ３：濡れ性が悪いと判定される場合には、ノズルユニット２がフラックス塗布位置１３（図２参照）に移動され、フラックスが塗布される。フラックスの塗布回数が記憶される。

ステップＳ４：再度、はんだを噴流させ、ノズル濡れ性検出部３１によって導通確認がなされる。
ステップＳ５：濡れ性が良いと判定される場合には、はんだ付け処理に戻る。
ステップＳ６：濡れ性が悪いと判定される場合には、再度、ノズルユニット２がフラックス塗布位置１３（図２参照）に移動され、フラックスが塗布される。フラックスの塗布回数が記憶される。
ステップＳ７：フラックス塗布を所定回数繰り返しても濡れ性の判定結果が良くない場合には、ノズルの交換のメッセージを表示部３６によって表示する。

上述したこの発明の一実施の形態によれば、目視で確認するのと比較して高精度にノズルの濡れ性を検出することができる。さらに、常に濡れ性を監視しているので、濡れ性が悪くなった場合に直ぐに対応することができる。

＜２．他の実施の形態＞
次に、この発明の他の実施の形態において使用するノズル濡れ性検出器具について図９を参照して説明する。例えば円形開口を有する漏斗状の支持体４１の開口付近に上述したノズル濡れ性検出部３１が取り付けられている。

支持体４１は、濡れ性検出位置１４（図２Ｂ参照）に備えられている昇降機構（図示しない）に取り付けられている。ノズル濡れ性検出部３１が取り付けられている支持体４１は、図９に示すように、ノズル濡れ性検出時に下降してアーム３３ａ〜３３ｆの先端が間隙ｇを介してノズル４の外周面と対向するようになされる。そして、一実施の形態に関して説明したのと同様に、間隙ｇに溶融はんだが存在するか否かによって、濡れ性を検出する。なお、支持体４１を固定し、ノズルユニット２を上昇させて、アーム３３ａ〜３３ｆの先端とノズル４の外周面とが対向するようにしてもよい。

ノズル濡れ性検出によって、濡れ性が良いと検出されると、ノズルユニット２がはんだ付けの可動範囲１２に戻り、はんだ付けがなされる。一方、ノズル濡れ性検出によって、濡れ性が悪いと検出されると、ノズルユニット２がフラックス塗布位置１３に移動し、フラックスの塗布がなされる。

他の実施の形態の処理の流れの一例を図１０を参照して説明する。
ステップＳ１１：予め設定されているタイミングになると、ノズルユニット２が濡れ性検出位置１３に移動して、ノズル濡れ性検出部３１によって、ノズルの濡れ性が検出される。
ステップＳ１２：濡れ性が良いと判定される場合には、はんだ付けが行われる。
ステップＳ１３：濡れ性が悪いと判定される場合には、ノズルユニット２がフラックス塗布位置１３（図２参照）に移動され、フラックスが塗布される。フラックスの塗布回数が記憶される。

ステップＳ１４：再度、はんだを噴流させ、ノズル濡れ性検出部３１によって導通確認がなされる。
ステップＳ１５：濡れ性が良いと判定される場合には、はんだ付け処理に戻る。
ステップＳ１６：濡れ性が悪いと判定される場合には、再度、ノズルユニット２がフラックス塗布位置１３（図２参照）に移動され、フラックスが塗布される。フラックスの塗布回数が記憶される。
ステップＳ１７：フラックス塗布を所定回数繰り返しても濡れ性の判定結果が良くない場合には、ノズルの交換のメッセージを表示部３６によって表示する。

上述したこの発明の他の実施の形態によれば、目視で確認するのと比較して高精度にノズルの濡れ性を検出することができる。さらに、導通を検出するための電極（アーム）が常に溶融はんだと接しているのと比較して電極の劣化が少ない利点がある。

＜３．変形例＞
以上、この発明の実施の形態について具体的に説明したが、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、この発明の技術的思想に基づく各種の変形が可能である。また、上述の実施の形態において挙げた構成、方法、工程、形状、材料および数値などはあくまでも例に過ぎず、必要に応じてこれと異なる構成、方法、工程、形状、材料および数値などを用いてもよい。また、上述の実施の形態の構成、方法、工程、形状、材料および数値などは、この発明の主旨を逸脱しない限り、互いに組み合わせることが可能である。

例えばノズル濡れ性検出部のアームの形状は、図示された形状に限らず、矩形等のものを使用できる。さらに、アームは、ほぼ等角間隔で３本以上設ければよい。さらに、アームの先端部のみに電極を設けるようにしてもよい。さらに、導通によって濡れ性を検出する以外に、温度によって濡れ性を検出してもよい。例えばアームの先端に温度検出器をそれぞれ取り付け、溶融はんだと接触すると高い温度が検出されることを利用して濡れ性を検出してもよい。さらに、ノズルの外周面と溶融はんだの反射率の相違を光学的に検出することによって、濡れ性を検出してもよい。

Ｗ・・・ワーク
１・・・Ｘ−Ｙテーブル
２・・・ノズルユニット
３・・・はんだ槽
４・・・噴流ノズル
５・・・円筒体
１３・・・フラックス塗布位置
１４・・・濡れ性検出位置
３１・・・ノズル濡れ性検出部
３３ａ〜３３ｆ・・・アーム
３４・・・判定部
４１・・・支持体

Claims (10)

1. はんだ槽からの溶融はんだが先端から流れ出る筒状の噴流ノズルと、
   ワークおよび前記噴流ノズルの一方を相対的に移動させる変位装置と、
   前記噴流ノズルの先端付近の外周面の濡れ性を検出するノズル濡れ性検出部と
   を備える部分はんだ付け装置。
2. 前記ノズル濡れ性検出部は、
   前記先端付近の外周面で前記溶融はんだの存在を検出することによって、噴流ノズルの濡れ性を検出する請求項１に記載の部分はんだ付け装置。
3. 前記ノズル濡れ性検出部によって前記外周面の濡れ性が悪いと判定される場合に、前記噴流ノズルに対して濡れ性を改善する処理を行う処理部を備える請求項１または請求項２に記載の部分はんだ付け装置。
4. 前記処理部は、はんだ付け時の前記噴流ノズルの可動範囲の外に設定される処理位置に設けられる請求項３に記載の部分はんだ付け装置。
5. 前記ノズル濡れ性検出部は、前記噴流ノズルの周囲に固定される請求項１乃至請求項４の何れかに記載の部分はんだ付け装置。
6. 前記ノズル濡れ性検出部は、前記噴流ノズルに対して接近離間自在に設けられ、濡れ性の判定時に前記噴流ノズルに接近される請求項１乃至請求項４の何れかに記載の部分はんだ付け装置。
   
7. はんだ付け時の前記噴流ノズルの可動範囲の外に設定される濡れ性検出位置に前記噴流ノズルが移動されて濡れ性の判定がなされる請求項６に記載の部分はんだ付け装置。
8. 前記噴流ノズルの中心に向かって外側からアームが延長し、
   前記アームの先端と前記噴流ノズルの先端付近の外周面との間に間隙が形成され、
   前記間隙に溶融はんだが存在するか否かを前記アームの先端部が検出するようにした
   請求項２に記載の部分はんだ付け装置。
9. 溶融はんだが流れ出る先端付近の外周面で前記溶融はんだの存在を検出することによって、噴流ノズルの濡れ性を検出するノズル濡れ性検出器具。
10. 前記噴流ノズルの中心に向かって外側からアームが延長し、
    前記アームの先端と前記噴流ノズルの先端付近の外周面との間に間隙が形成され、
    前記間隙に溶融はんだが存在するか否かを前記アームの先端部が検出するようにした請求項９に記載のノズル濡れ性検出器具。

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