JPH05191097A - 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】 部品に作用する加圧力を正確に制御すること
が出来る簡易な構成の部品装着装置を提供する。 【構成】 ヘッド昇降機構に連繋する吸着ヘッド機構４
によって、プリント基板上へ電子部品を表面実装する部
品装着装置において、装着動作に伴って電子部品に作用
する加圧力を測定する圧力センサー６を具え、マイクロ
コンピュータ１によって、電子部品に対する加圧力の目
標値と測定値の偏差に応じた制御信号を作成し、該制御
信号に基づいて、ヘッド昇降用モータ51の回転を制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体チップ等
の電子部品や脆性材料からなる微小チップ部品等、加圧
力に対して脆弱な各種部品を、プリント基板等の装着面
上の所定位置に装着するための部品装着装置に関し、特
に、部品装着時の加圧力を制御する装置に関するもので
ある。

【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具えた吸着ヘッド機
構が装備され、該吸着ヘッド機構は、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てい
る。

【０００３】上記表面実装装置を用いた表面実装におい
ては、先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、該電子部品をプリント基板の上方位置
まで移動させ、更に、該吸着ヘッド機構を降下せしめ
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付
け、該電子部品をプリント基板に固定或いは仮固定す
る。

【０００５】その後、吸着ヘッド機構を部品供給装置上
へ復帰せしめて、次の電子部品の表面実装動作に移行す
るのである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】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なわれている。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、及び、吸着した電子部品をプリント基板に押し
付ける際、電子部品に過度の衝撃力や加圧力が作用しな
い様、カム曲線が設計されている。

【０００７】しかしながら、近年の電子部品の種類の多
様化に伴って、電子部品の形状、寸法(厚さ)、及び材質
は多岐に亘っている。例えばＩＣ(ＬＳＩ)ベアチップの
如き繊細な電子部品も出現しており、表面実装装置によ
って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る。

【０００８】従って、表面実装装置を用いた表面実装に
おいては、電子部品の種類毎に、吸着保持の際、及び表
面実装時に作用する加圧力を適切な値に制限する必要が
ある。

【０００９】そこで、表面実装装置として、吸着ヘッド
機構をリニアモータで駆動するもの(特開昭60-66500、
特開昭63-232496)、圧縮ばねを駆動源として用いるもの
(特開昭63-22292)、電空レギュレータを利用するもの
(特開平1-246899)等が提案されている。

【００１０】ところが、リニアモータによる駆動方式を
採用した装置においては、装置が複雑で、大重量となる
問題がある。又、圧縮ばねを用いた装置や、電空レギュ
レータを利用した装置では、実際に電子部品に作用する
加圧力を正確に制御することが困難である。

【００１１】本発明の目的は、部品に作用する加圧力を
正確に制御することが出来る簡易な構成の部品装着装置
を提供することである。

【００１２】

【課題を解決する為の手段】本発明に係る部品装着装置
における加圧力制御装置は、部品に作用させるべき加圧
力の目標値を設定する目標値設定手段と、実際の装着動
作によって部品に作用する加圧力を測定する測定手段
と、前記加圧力の目標値に対する測定値の偏差に応じて
加圧機構を駆動する駆動制御手段とを具えている。

【００１３】又、電子部品の表面実装を行なう部品装着
装置においては、電子部品を吸着保持すべき吸着ヘッド
機構と、該吸着ヘッド機構をプリント基板に向けて往復
移動させる往復装置とを具え、該往復装置によって前記
加圧機構が構成される。

【００１４】前記目標値設定手段には、ステップ状の波
形、又は、加圧力の立上りが最終目標値に向かって漸増
するランプ状若しくは或いは一次遅れ状の波形が、加圧
力の目標値として設定されている。

【００１５】尚、本発明に係る部品装着装置における加
圧力制御装置は、例えば加圧力の検出値に基づいて加圧
機構を目標値に制御するフィードバック制御系によって
実現される。

【００１６】

【作用】上記部品装着装置によって、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
際、該部品に作用する加圧力は、例えばステップ状の波
形を有する目標値の入力に応じて増大し、目標値に達す
るまでの加圧力の変化が検知される。そして、検知され
た加圧力と目標値との偏差が算出され、該偏差に応じた
制御信号がリアルタイムに加圧機構へフィードバックさ
れて、加圧力の調整が行なわれるのである。

【００１７】この結果、加圧力は、目標値に対して可及
的に追随した値に制御され、過度な加圧力の作用による
部品の損傷が防止される。

【００１８】尚、加圧力の目標値としてランプ状或いは
一次遅れ状の波形を設定すれば、例えば部品或いは部品
装着面が極めて高い硬度を有する資材から構成されてい
る場合でも、部品が受ける加圧力の立上りは緩やかとな
り、過大なオーバシュートの発生が防止される。

【００１９】

【発明の効果】本発明に係る部品装着装置における加圧
力制御装置によれば、単に加圧力測定手段を含むフィー
ドバック制御系を形成しただけの簡易な構成によって、
部品に作用する加圧力を正確に制限することが出来る。

【００２０】

【実施例】図４乃至図８は、本発明を実施すべき電子部
品表面実装装置の具体的な構成を示しており、先ず該装
置のメカニズムについて説明する。

【００２１】図４に示す如く表面実装装置(２)は、機台
上に、プリント基板(31)を搬送するための一対のコンベ
ヤ(32)(33)を具えると共に、電子部品を載置するための
部品トレイ(30)を具え、更にコンベヤ(32)(33)を挟んで
両側には、テープ(38)に収容された電子部品を１ピッチ
ずつ送るテープフィーダユニット(37)と、電子部品を縦
積みした状態で収納する部品マガジン(39)を配置してい
る。

【００２２】電子部品を吸着保持するための吸着ヘッド
機構(４)をＸ軸方向及びＹ軸方向へ移動させるＸ−Ｙテ
ーブルは、機台上にＹ軸方向へ架設された一対のＹ軸方
向ガイド体(35)(36)と、該ガイド体に摺動可能に係合し
Ｙ軸方向に駆動されるＸ軸方向ガイド体(34)とを具え、
吸着ヘッド機構(４)は、Ｘ軸方向ガイド体(34)上にＸ軸
方向へ往復駆動可能に取り付けられている。

【００２３】吸着ヘッド機構(４)は、図５に示す如くＸ
軸方向ガイド体(34)上にヘッド昇降機構(５)を介して保
持されている。ヘッド昇降機構(５)は、Ｘ軸方向ガイド
体(34)に対して摺動可能に係合したＺ軸方向ガイド体(5
3)を具え、該Ｚ軸方向ガイド体(53)には、一対の軸受(5
5)(56)によって垂直に支持されたボールねじ(52)が配置
されている。該ボールねじ(52)には、Ｚ軸方向ガイド体
(53)に摺動可能に係合して上下動を案内された昇降ブロ
ック(54)が螺合している。

【００２４】ボールねじ(52)の上端部には、Ｚ軸方向ガ
イド体(53)上に設置されたモータ(51)が連結されてい
る。又、昇降ブロック(54)には、吸着ヘッド機構(４)に
突設した支持アーム(40)が固定されている。

【００２５】従って、モータ(51)の駆動によってボール
ねじ(52)が回転すると、ねじ推力によって昇降ブロック
(54)が昇降駆動され、これに伴って吸着ヘッド機構(４)
が昇降することになる。

【００２６】吸着ヘッド機構(４)は、図６に示す如く支
持アーム(40)に軸受(401)(402)を介して垂直に支持され
た外筒(44)を具え、該外筒(44)の内部に内筒(45)が配置
され、外筒(44)に対して軸方向の移動が可能で且つ相対
回転不能に係合している。

【００２７】内筒(45)の中央孔(46)は図示省略する真空
ポンプに連繋している。又、内筒(45)の下端部には、吸
着ノズル(41)を挟圧保持する一対の挟圧アーム(42)(42)
が取り付けられている。

【００２８】外筒(44)の下端部に一体に設けたドラム部
材(49)の開口端面には、図７に示す如き円板状のバネ板
部材(61)が外周部にてねじ止め固定され、該バネ板部材
(61)の内周部は、内筒(45)にねじ止め固定されている。
又、バネ板部材(61)の表面にストレインゲージ(62)(62)
が貼着され、後述の如く電子部品に対する衝撃力或いは
加圧力を測定するための圧力センサー(６)を構成してい
る。

【００２９】前記一対の挟圧アーム(42)(42)は、図８の
如く内筒(45)の下端部に枢支連結され、両アーム間にス
プリング(43)が張設されている。これによって、吸着ノ
ズル(41)は、両挟圧アーム(42)(42)によって着脱可能に
挟圧保持され、保持された状態で、ノズル孔は内筒(45)
の中央孔(46)と連通することになる。

【００３０】尚、図６の如く、外筒(44)にはタイミング
ベルト(48)によって駆動されるプーリ(47)が取り付けら
れており、図示省略する駆動機構によって外筒(44)を所
定角度だけ回転させて、吸着ノズル(41)に保持した電子
部品(３)の向きを任意に変えることが可能となってい
る。

【００３１】上記表面実装装置(２)は、図１に示すマイ
クロコンピュータ(１)によって動作が制御されている。
即ち、表面実装装置(２)の昇降駆動用モータ(51)の制御
においては、圧力センサー(６)の出力信号がＡ／Ｄ変換
器(13)を介してマイクロコンピュータ(１)へ供給され、
これに応じてマイクロコンピュータ(１)がモータ制御信
号を作成し、該信号はＤ／Ａ変換器(11)を介してモータ
ドライバー(12)へ送られ、これによってモータ(51)の回
転が制御されることになる。

【００３２】以下、圧力センサー(６)の検出信号に基づ
くモータ(51)の制御について説明する。尚、モータ(51)
の制御は、電子部品(３)がプリント基板(31)の表面に衝
突して衝撃力が発生する時点の前後で、前半の速度制御
と後半の圧力制御の２つから構成される。

【００３３】速度制御 本実施例の速度制御においては、前記吸着ヘッド機構
(４)によって保持した電子部品(３)をプリント基板(31)
上へ降下させるときの速度は、少なくともプリント基板
(31)に接近した後は一定値に制御する。図３は、その速
度制御の手続きを表わしている。

【００３４】先ず、マイクロコンピュータは、予め登録
されている情報から、吸着ヘッド機構が保持した電子部
品の種類を認識し(Ｓ１)、その種類に応じて、衝撃力に
よる損傷の虞れのない標準的な降下速度を設定する(Ｓ
２)。

【００３５】次に、前記標準降下速度によって、実際に
電子部品をプリント基板上に装着する動作を行なって
(Ｓ３)、そのときの衝撃力のピーク値を前記圧力センサ
ーからの検出信号によってサンプリングする(Ｓ４)。

【００３６】図１１は、複数回のサンプリング結果をプ
ロットしたグラフであって、衝撃力のピーク値と衝突速
度の間には線形関係が成立していることが判る。従っ
て、前記装着動作の試行(Ｓ３)によって得られたサンプ
リングデータから図１１の直線の傾き、即ち衝撃力のピ
ーク値／降下速度の係数が判明することになる。

【００３７】そこで、図３に示す如く、前記衝撃力ピー
ク値／降下速度の係数に基づいて(S5)、装着すべき電子
部品が受ける衝撃力の許容限度よりも僅かに低い最適衝
突速度を設定し(Ｓ６)、該衝突速度に応じたモータ回転
速度を実現するための制御信号を作成して、前記Ｄ／Ａ
変換器へ送出する。この結果、吸着ヘッド機構が降下し
て、電子部品はプリント基板に衝突する。

【００３８】衝突時の衝撃力の立上り過程の値が所定値
を越えたかどうかを判断し(Ｓ８)、所定値を越えた時点
で後述の圧力制御に切り換える(Ｓ９)。

【００３９】圧力制御 圧力制御は、前記速度制御によってプリント基板(31)の
表面に設置された電子部品(３)を更にプリント基板(31)
側へ押圧し、電子部品装着を完了する過程で行なわれる
制御であって、マイクロコンピュータ(１)内に予め設定
した加圧力の立上り波形を目標値として、モータ(51)を
フィードバック制御し、電子部品に加わる圧力を規定値
以下に抑制するものである。

【００４０】図２は圧力制御のためのフィードバック制
御系を示している。マイクロコンピュータ(１)内には、
所定の目標値までステップ状に立ち上がる加圧力の変化
が予め設定されており、これを目標値として、圧力セン
サー(６)によって検出した加圧力との偏差を、前記モー
タ(51)を含む駆動系(21)へ入力する。又、電子部品及び
プリント基板を含む制御対象(22)から得られる加圧力は
圧力センサー(６)によって検出され、マイクロコンピュ
ータ(１)へフィードバックされる。

【００４１】図１２は、上述の圧力制御におけるステッ
プ入力応答を示している。圧力センサー出力は、吸着ノ
ズルに保持された電子部品がプリント基板に接触した時
点から立上り、その後、目標値に向かって増大し、ピー
クを発生する。この際、圧力センサー出力の立上り開始
時点Ａからピーク発生時点Ｂまでの期間ｔ0中、十分に
短いサンプリング周期で圧力センサ出力が前記マイクロ
コンピュータ内に採り込まれ、出力センサー出力値と目
標値との偏差に応じた制御信号がリアルタイムに作成さ
れて、ヘッド昇降機構へ供給される。

【００４２】この結果、圧力センサ出力には大きなピー
クは発生せず、電子部品に作用する最大加圧力は許容値
以下に抑えられることになる。そして、その後は、目標
値に一致する適正な加圧力の作用によって、電子部品は
損傷を受けることなく、プリント基板上の半田ペースト
層に押し付けられ、表面実装されるのである。

【００４３】上記圧力制御の終了時点は、例えば、マイ
クロコンピュータが出力すべき目標値としての加圧力パ
ターンを図１２の如く適当な位置で零に立ち下げること
によって、或いは、圧力センサー出力の立上り開始時点
Ａ或いはピーク時点Ｂからのの経過時間を計測し、一定
時間が経過したときに昇降用モータ(51)を逆転させる等
の方法により、適切な時点に設定することが可能であ
る。

【００４４】尚、上記圧力制御は、吸着ヘッド機構(４)
による部品吸着動作においても実行され、吸着ノズルの
加圧による電子部品の損傷が防止される。

【００４５】そして、電子部品の装着が完了すると、次
の電子部品の装着動作へ移行し、同様の処理を繰り返す
のである。

【００４６】図９は吸着ヘッド機構(４)の他の構成例を
示している。ここでは、外筒(44)の上端部にドラム部材
(404)が取り付けられており、該ドラム部材(404)の下方
開口端面に、円板状のバネ板部材(63)が固定され、該バ
ネ板部材(63)の表面にストレインゲージ(64)が貼着され
ている。又、外筒(44)内には、コイルバネ(405)及び押
圧部材(406)が設置され、内筒(45)の上端部を前記バネ
板部材(63)の裏面へ向けてバネ付勢している。

【００４７】上記吸着ヘッド機構においては、ストレイ
ンゲージ(64)が、コイルバネ(405)の付勢力に相当する
荷重を予圧として受けることになる。従って、電子部品
が受ける加圧力は、ストレインゲージによって検出され
た押圧力からコイルバネ(405)の付勢力を差し引いて算
出し、或いは、コイルバネ(405)の付勢力を基準点(零
点)として、電子部品に対する加圧力を計測する必要が
ある。

【００４８】ストレインゲージ(62)(64)としては、一般
的な金属抵抗線からなるものに限らず、半導体ストレイ
ンゲージを採用することも可能である。

【００４９】図１０は吸着ヘッド機構(４)の更に他の構
成例を示しており、ここでは圧力センサーとして、図９
のストレインゲージの替りに、圧電素子(65)を外筒(44)
と内筒(45)の間に介装している。圧電素子(65)は、水
晶、チタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料によって構成
され、作用する外力に応じた電位を発生するものであ
る。従って、該電位を測定することによって、電子部品
に作用する加圧力を検知することが出来る。

【００５０】更に、前記圧電素子(65)の替りに、感圧導
電ゴムを配置することも可能である。感圧導電ゴムは、
受けた荷重によって抵抗値が変化する性質を有してお
り、この抵抗値の変化を測定することによって、部品部
品が受ける加圧力を検知することが出来る。

【００５１】加圧力の目標値としては、ステップ状に立
ち上がる波形を有するものに限らず、図１３の如きラン
プ状の波形Ａ、或いは図１４の如き一次遅れ状の波形Ａ
を設定することが出来る。これらの波形は、例えば電子
部品及びプリント基板の材質がセラミック等の硬度の高
い資材から構成され、ステップ状の波形では大きなオー
バシュートが発生する虞れのある場合に特に有効であ
る。

【００５２】図１３の波形Ｂは、ランプ状の目標値波形
Ａに対する加圧力の応答を示している。又、図１４の波
形Ｂは、図１３の目標値波形を一次遅れフィルターで処
理した目標値波形Ａに対する加圧力の応答を示してい
る。

【００５３】図１３の応答波形Ｂでは、立上り時のオー
バシュートが低く抑えられ、然もその後の変動幅も著し
く減少している。更に図１４の応答波形Ｂでは、立上り
時のオーバシュートは完全に消滅している。

【００５４】上記表面実装装置によれば、適切な加圧力
を電子部品に作用せしめることによって、電子部品に損
傷を与えることなく、確実且つ迅速な表面実装動作が実
現されることになる。

【００５５】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【００５６】例えば本発明は、表面実装装置以外の種々
の部品装着装置、例えばロボットを用いた自動組立て装
置等にも実施出来るのは勿論である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を実施すべき表面実装装置のモータ駆動
系を示すブロック図である。

【図２】圧力制御系を示す制御ブロック図である。

【図３】速度制御の手続きを示すフローチャートであ
る。

【図４】表面実装装置の外観を示す斜視図である。

【図５】ヘッド昇降機構に取り付けられた吸着ヘッド機
構の外観を示す斜視図である。

【図６】吸着ヘッド機構の断面図である。

【図７】圧力センサーの構成を示す一部破断斜視図であ
る。

【図８】吸着ヘッド機構のノズル部の拡大断面図であ
る。

【図９】吸着ヘッド機構の他の構成を示す断面図であ
る。

【図１０】吸着ヘッド機構の更に他の構成を示す断面図
である。

【図１１】衝突速度と衝撃力のピーク値の関係を示すグ
ラフである。

【図１２】圧力制御による圧力センサ出力の波形図であ
る。

【図１３】圧力制御におけるランプ状の目標値波形に対
する加圧力の応答を示す波形図である。

【図１４】圧力制御における一次遅れ状の目標値波形に
対する加圧力の応答を示す波形図である。

【符号の説明】

(１) マイクロコンピュータ (２) 表面実装装置 (３) 電子部品 (４) 吸着ヘッド機構 (41) 吸着ノズル (５) ヘッド昇降機構 (51) モータ (６) 圧力センサー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 国光 道生 大阪府守口市京阪本通２丁目18番地 三洋 電機株式会社内

Claims (3)

【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、部品に作用させるべき加圧力の目標値
   を設定する目標値設定手段と、実際の装着動作によって
   部品に作用する加圧力を測定する測定手段と、前記加圧
   力の目標値に対する測定値の偏差に応じて加圧機構を駆
   動する駆動制御手段とを具えている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。
2. 【請求項２】 部品装着装置は、電子部品を吸着保持す
   べき吸着ヘッド機構と、該吸着ヘッド機構をプリント基
   板に向けて往復移動させる往復装置とを具え、該往復装
   置によって前記加圧機構が構成されている請求項１に記
   載の加圧力制御装置。
3. 【請求項３】 前記目標値設定手段には、加圧力の立上
   りが最終目標値に向かって漸増するランプ状或いは一次
   遅れ状の波形が、加圧力の目標値として設定されている
   請求項１に記載の加圧力制御装置。