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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2018-4071(P2018-4071A)
(43)【公開日】2018年1月11日
(54)【発明の名称】補助ボイスコイルモーター機能付きシリンダー
(51)【国際特許分類】
F15B 15/00 20060101AFI20171208BHJP
H01F 7/06 20060101ALI20171208BHJP
【ＦＩ】
F15B15/00 Z
H01F7/06 N
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】書面
【全頁数】10
(21)【出願番号】特願2016-146755(P2016-146755)
(22)【出願日】2016年7月7日
(71)【出願人】
【識別番号】516204974
【氏名又は名称】岡田 薫
(72)【発明者】
【氏名】岡田 薫
【テーマコード（参考）】
3H081
5E048
【Ｆターム（参考）】
3H081AA03
3H081BB03
3H081BB12
3H081CC23
3H081CC29
3H081DD35
3H081FF13
3H081FF47
3H081HH10
5E048AA08
5E048AB10
5E048AC10
(57)【要約】 （修正有）
【課題】数ｇの超低圧から数十ｋｇ以上の高圧までの広レンジと、高精度、及び高速加圧を１つの加圧駆動装置で提供する。【解決手段】ＶＣＭユニット１８は、ＶＣＭボビン１２にＶＣＭコイル１１を形成し接着する。ＶＣＭヨーク９には、中空形状のＶＣＭ磁石１０が接着されている。コイルに電流を流すことで推力を発生する。ＶＣＭボビン１２には、シャフト３が取り付けられ、反対側に空圧制御をするためのピストン１が、ブッシャー５により取り付けられている。加圧室６と自重保持加圧室７は、ピストン１で分離密閉されており、シャフト３に結合されているＶＣＭボビン１２、及び治具取り付け部材１３に圧力が伝わる。ＶＣＭコイル１１に電流を流すことにより、ＶＣＭコイル１１の推力が発生してエアー圧力に合成される。ＶＣＭコイル１１を設定圧力になるように制御することにより、エアー加圧による高圧設定でも、高精度に圧力制御が実行される。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ＶＣＭ（ボイスコイルモーター）ボビン１２に取り付けられたシャフト３の先端に、ピストン１を取り付け，密閉した加圧室６と自重保持加圧室７を設け、加圧バルブ２と、自重保持バルブ４によりエアーを充填し、シャフト３を軸方向に加圧し、更に、シャフト３に取り付けられたＶＣＭの推力と、シリンダー５４の空圧を加算して、軸方向の圧力を生成する構造を特徴とする。
【請求項2】
請求項１で、ＶＣＭボビン１２にシャフト３を設け、ＶＣＭヨーク９側に中空の円筒形のＶＣＭ磁石１０を設け、シャフト３が貫通出来るようにしたＶＣＭの構造。
【請求項3】
請求項１で、ピストン１の下部に自重保持加圧室７を設け、自重保持バルブ４からエアーを充填することにより、治具取り付け部材１３以下の部材を含む重量を軽減、又は補償する推力を持つ構造。
【請求項4】
請求項１で、ピストン１の上部に加圧室６を設け、加圧バルブ２から比例電磁弁１５により、設定圧に近い補助加圧を行うと同時に、ＶＣＭユニット１８により推力を発生させて、その圧力を加圧室６の空圧に加算し、精密に設定圧力に到達した後、連続制御を行うことを特徴とする加圧制御方式。
【請求項5】
請求項４で、低圧設定の場合はＶＣＭユニット１８のみで加圧制御を行い、高圧の場合は加圧室６にエアーを加圧バルブ２にて充填させ加圧し、更にＶＣＭユニット１８にて加圧制御を行うことを特徴とする制御方式。
【請求項6】
請求項３で、自重保持加圧室７へのエアー充填は、精密レギュレター１６を設け外部温度変化やシャフト３の移動に関係なく、一定の圧力を供給することを特徴とする構造。
【請求項7】
請求項１，４，５で加圧室６に加圧バルブ２から充填されるエアーは、比例電磁弁１５を、コントローラー１７によって制御することを特徴とする制御方式。
【請求項8】
加圧室６にてピストン１を加圧することで、シャフト３を下降させ、ＶＣＭコイル１１をＶＣＭヨーク９内に移動させ、ＶＣＭ磁石１０の磁力により、ＶＣＭコイル１１に電流を流すことで推力を発生させる構造。
【請求項9】
請求項１で、ピストン１、加圧室６，及び自重保持加圧室７は、図１４の様に汎用シリンダー５８とカップリング５５で代替えする構造も含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
半導体同士、半導体とプリント基板、またはＦＰＣ基板とプリント基板など、主に、電子機器部品のプリント基板端子部への接合搭載用の装置に使用される加圧用駆動装置に関するものである。【背景技術】
【0002】
半導体などをプリント基板に実装する装置の加圧ユニットは、接合材の種類によって圧力の大きさや精度が違っており、接合材料に対応した装置が必要になる。例えば、ハンダ材料であるマイクロバンプ接合では、数グラムから数十グラムの圧力を加えて加熱接合が行われるが、他の接合、例えば、ＡＣＦやＡＣＰ接合では、圧力が数Ｋｇから数十Ｋｇといった高い圧力が必要になってくる。【0003】
圧力が数十Ｋｇの推力の加圧ユニットを持つ装置では、一般にシリンダーやモーターが使用されるが、加圧移動軸として使用されるボールねじや、シリンダー内のピストン摺動により、数ｇ〜数十ｇの低圧対応は出来ない。【0004】
数ｇ〜数十ｇまでの超低圧領域の加圧は、従来、ＶＣＭ（ボイスコイルモーター）による電流制御が用いられているが、最大でも５Ｋｇまでの推力のため、高圧の対応は出来ない。又、ＶＣＭのコイル移動距離は十数ｍｍまでであり、シリンダーの様に長距離移動での加圧動作は出来ない。【0005】
プリント基板への実装はマウンタが主流な実装になっているが、ベアチップの半導体や、ＦＰＣを直接実装する方式の対応は出来ていない。実現するには、接合対象に最適な接合方式が必要になってくるため、１台の接合装置で、数ｇ〜数十Ｋｇといった超低圧〜高圧まで対応可能な実装装置が必要である。【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【特許文献1】特開２００２−４３３３６号公報
【特許文献2】特開２００１−２２５２００号公報
【特許文献2】特開２００８−５７６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
従来のシリンダーによる加圧では、シリンダー軸の摺動抵抗変化や、圧力変動により数十ｇの加圧変動は避けられない。【0008】
モーターでの加圧方式は、加圧軸であるボールねじの摺動抵抗があるため、数ｇ以下の制御は出来ない。【0009】
ＶＣＭによる圧力制御は、定電流で行うことにより、数ｇでの加圧制御が可能ではあるが、加圧力は最大でも５Ｋｇまでのものに限られており、それ以上の圧力については、コイルや磁石が大きくなり、コスト的も問題がある。又、コイル移動距離は数十ｍｍでシリンダーやモーターの様に、長距離の移動は出来ない。【0010】
様々な接合方式を使った基板実装への量産対応や試作対応のために、装置の低コスト化や、生産性向上の面から、数ｇ〜数十Ｋｇを数ｇの精度で加圧実装するための装置を実現できる加圧駆動装置が必要である。【課題を解決するための手段】
【0011】
図１に基本構成を示す。ＶＣＭヨーク９，ＶＣＭコイル１１，ＶＣＭボビン１２，ＶＣＭ磁石１０から構成されるＶＣＭユニット１８の上に、自重保持加圧室７及び加圧室６、及びピストン１で構成するシリンダー５４を、シャフト３により直結する構造を特徴とする。（請求項１，２）【0012】
図２において、ＶＣＭボビン１２にはシャフト３が取り付けられており，シャフト先端には、ピストン１が取り付けられている。加圧バルブ２と自重保持バルブ４にエアーを充填することで、シャフト３に圧力が加わる構造を特徴とする。（請求項１，２）ピストン１と加圧室６、及び自重保持加圧室７を含む構造はは図１４の様に、汎用シリンダー５８とカップリング５５に替えた構造でも良い。（請求項９）【0013】
自重保持加圧室７は、メタルシール８とピストン１により密閉され、自重保持バルブ４からエアーを充填することで、治具取り付け部材１３以下の構成部品の重量を、軽減又はゼロ補償することを可能にする。この機能により、ＶＣＭユニット１８が重量を保持する推力は軽減、もしくは０になる。【0014】
上記のエアーによる重量軽減又は、ゼロ補償は、例えば、バネによる補償も可能ではあるが、バネの延びや、環境温度変化により補償は変動する。エアーの場合、精密レギュレター１６を使用することで、調整した後の自重保持圧力は、一定で変動しない。【0015】
加圧室６には、加圧バルブ２にエアーを充填することにより、加圧室６内部の圧力が自重保持加圧室７以上の圧力になったときに、ピストン１に固定されたシャフト３と、シャフト３に固定されたＶＣＭコイル１１、ＶＣＭボビン１２、及び治具取り付け部材１３は下降する。この時、シャフト３下部に加圧対象物があれば、加圧室６から、自重保持加圧室７の上向きの圧力を引いた圧力で加圧される。【0016】
加圧室６のエアー圧力により、ＶＣＭシャフト３には自重保持加圧室圧力を引いた圧力が加わり、目標とする圧力（エアー設定圧力４４）に近づいた時に、シャフト３に結合されたＶＣＭコイル１１に電流を流し、エアーによる圧力と、ＶＣＭコイル１１で作られた圧力が合成されて、シャフト３及び治具取り付け部材１３に加わる。このとき、図１５に示す様にＶＣＭコイル１１は、シャフト３の移動により、磁力が発生しているＶＣＭヨーク９内に移動する。【0017】
ＶＣＭユニット１８による圧力は、最大推力の１／６５５３６の分解能で出力され、例えば、最大推力が１Ｋｇの場合は、０．０１５ｇの圧力精度を持つ。エアー圧力とＶＣＭ推力の併用では、加圧力はエアー圧力にＶＣＭ推力が加算されるが、ＶＣＭユニット１８の制御推力が高分解能のため、エアーのみの制御よりも、高精度の圧力制御が可能になる。【0018】
図３は圧力を縦軸、時間を横軸とした場合の特性で、エアー設定圧力４４をエアーで加圧し、目標圧力であるＶＣＭ設定圧力４３は、ＶＣＭの加圧量と、エアー加圧量を加算して生成する。【0019】
ＶＣＭユニット１８は、例えば、図７のように圧力センサー２３が、シャフト３に直結されるＬＭガイド５６に設置されている場合、ＶＣＭユニット１８を制御するコントローラー１７は、圧力センサー２３の値が設定圧になるように加圧制御を、最大推力の１／６５６５３６の分解能で加圧するため、高圧設定でありながら、高精度に設定圧力で加圧することが可能である。【0020】
図４は請求項４にある制御方式である。 エアー設定圧力４４は、コントローラー１７から比例電磁弁１５をＰＩＤ制御することにより、図８に示す様に、ＰＩＤ制御無しの場合に比べて高速に昇圧することが出来る。【0021】
請求項５に記載のように、エアー設定圧力４４に到達後、シャフト３に直結したＶＣＭユニット１８を、コントローラー１７が制御し、高精度に設定圧力であるＶＣＭ設定圧力４３に到達させ、加圧力を高精度で維持し続ける。【0022】
請求項６に記載のように、自重保持圧力制御は、精密レギュレター１６にて供給され、ダイヤフラム位置の変動や環境温度変動に関係なく、常に一定圧力である。【0023】
図５は一般的なＶＣＭの構造で、ＶＣＭヨーク９，ＶＣＭ磁石１０、ＶＣＭコイル１１、ＶＣＭボビン１２から構成される。図６は請求項２に記載されているように、本発明のＶＣＭでは、ピストン１をシャフト３に結合させるため、ＶＣＭコイル１１の中心に、ＶＣＭボビン１３よりシャフト３を固定し、ＶＣＭ磁石１０を中空形状の円柱磁石にすることで構成されている。【発明の効果】
【0024】
以上の構造により以下に記述する効果がある。・数ｇから数十Ｋｇまでの加圧を、１台の加圧ユニットで実現出来る。
・低圧は数ｇ、高圧荷重も十数ｇの高精度で加圧可能である。
・シリンダーエアー加圧に比べて、昇圧の高速化を実現出来る。
・作動距離であるＶＣＭのコイル移動距離は、数十ｍｍと短いが、シリンダーに組み込まれた構造により、長距離移動が可能である。
・低圧、高圧兼用加圧ユニットの使用で、装置のコストダウンが可能である。
・駆動部の摩擦が無いため、無塵埃化と、潤滑油を使用しないため、滅菌化が可能である。
・発熱が小さく小型化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【図1】本発明の断面図（待機位置）
【図2】本発明の外観図
【図3】本発明の圧力特性図
【図4】本発明の制御系統図
【図5】従来のＶＣＭ構造
【図6】本発明のＶＣＭ構造
【図7】実施例外観図
【図8】空圧制御の違い特性図
【図9】実施例制御系統図
【図10】実施例特性図
【図11】プリント基板への実装例
【図12】ＬＥＤチップの一括圧着実装例
【図13】ＬＥＤチップの個片実装例
【図14】本発明の断面図で、汎用シリンダー使用の構造
【図15】本発明の断面図（ピストン１下降後の状態）
【発明を実施するための形態】
【0026】
補助ボイスコイルモーター機能付きシリンダーを使用した圧着装置ユニットの実装例を図７に記述する。圧着装置ユニットの取り付けベース３３には、補助ボイスコイルモーター機能付きシリンダーと、移動軸受け２２とリニヤセンサー２６が設置されている。リニヤセンサー２６はリニヤセンサーベース取り付け２７により固定されている。【0027】
圧着前の待機状態では、治具取り付け部材１３以下圧着ツールヒーター２９までの取り付け部品は、リニヤセンサーゲージ２５と、リニヤセンサー２６により、リニヤセンサー分解能の精度でシリンダーによる位置制御が行われ、一定位置に静止している。図９のリニヤセンサー配線３１と圧力センサー配線３２は、コントローラー１７に接続されている。【0028】
被圧着物３０と圧着ツールヒーター２９の間隔はシリンダー移動距離である。圧着動作を開始すると、リニヤセンサーゲージ２５と、リニヤセンサー２６によるシリンダーの位置制御が行われ、被圧着物３０に接触するまで、ピストン１、シャフト３、ＶＣＭコイル１１、ＶＣＭボビン１２、及び治具取り付け部材１３以下圧着ツールヒーター２９までの部分が下降する。シリンダーの位置制御は比例電磁弁１５をコントローラー１７でリニヤセンサー２６位置を目標とした空圧制御により実行される。【0029】
図１０は被圧着物を加圧する時の位置制御特性３４と圧力制御特性３５である。図１０の特性図で、制御が開始されると、位置制御３４にあるように、シリンダー５４はコントローラー１７から比例電磁弁１５を制御することで下降する。被圧着物３０に対して、圧力センサー２３による接触検出３６が行われると、コントローラー１７から比例電磁弁制御配線２１で結線された比例電磁弁１５により、エアー設定圧４４を目標圧力としたＰＩＤ制御で、加圧室６を高速に昇圧する。エアー設定圧４４に達成すると、ＶＣＭ加圧制御４２が開始され、ＶＣＭ設定圧４３までコントローラー１７は、ＶＣＭ駆動配線２０にて電流駆動を実行する。コントローラー１７は、ＶＣＭ設定圧４３と圧力センサー２３の差を、ＰＩＤ制御にて０になるように電流駆動を実行する。ＶＣＭ設定圧４３達成後も、加圧設定時間４５の期間は制御が継続される。【0030】
加圧設定時間４５完了後、シリンダー５４はは圧力制御から位置制御に切り替わり、無荷重で静止する。そのときコントローラー１７は、フィードバックセンサーを圧力センサー２３からリニヤセンサー２６に切り替える。同時に、ＶＣＭコイル１１の電流を停止して推力を０にする。【0031】
その後、シリンダー５４は待機位置４６に上昇のため、上昇位置制御期間４０に移り、ＶＣＭコイル１１は上昇して、待機位置４６で静止する。【産業上の利用可能性】
【0032】
図１１の様に、プリント基板上にＩＣチップを実装する場合、ＩＣチップの種類や接合方式で、様々な接合圧力が必要になる。又、図１２の様なＬＥＤ実装では、量産時のＬＥＤの多数個一括接合の場合と、図１３のような試作時の個片接合の場合があり、場合によって加圧力が、数十ｇ〜数十Ｋｇの差がでるが、本発明によりすべての圧力を含む実装装置が１台で実現できる。【0033】
更に、モーターを使用していないため、発塵が無くクリーン化に対応出来ることと、潤滑油を使用しないことから滅菌化が可能、又騒音が小さく、且つ発熱が少なく小型化出来ることから、医療分野での応用にも適している。【符号の説明】
【0033】
１ ピストン２ 加圧バルブ
３ ＶＣＭシャフト
４ 自重保持バルブ
５ ブッシャー
６ 加圧室
７ 自重保持加圧室
８ メタルシール
９ ＶＣＭヨーク
１０ ＶＣＭ磁石
１１ ＶＣＭコイル
１２ ＶＣＭボビン
１３ 治具取り付け部材
１４ 元圧レギュレター
１５ 比例電磁弁
１６ 自重保持圧レギュレター
１７ コントローラー
１８ ＶＣＭ（ボイスコイルモーター）ユニット （９〜１２で構成）
１９ エアー配管
２０ ＶＣＭ駆動配線
２１ 比例電磁弁制御配線
２２ 移動軸受け
２３ 圧力センサー
２４ 移動軸
２５ リニヤセンサーゲージ
２６ リニヤセンサー
２７ リニヤセンサーベース取り付け
２８ 圧着ツール取り付けベース
２９ 圧着ツールヒーター
３０ 被圧着物
３１ リニヤセンサー配線
３２ 圧力センサー配線
３３ 圧着ヘッド取り付けベース
３４ 位置制御特性
３５ 荷重制御特性
３６ 接触検出
３７ 下降位置制御期間
３８ エアー加圧期間
３９ 圧力センサーフィードバック期間
４０ 上昇位置制御期間
４１ エアー加圧量
４２ ＶＣＭ加圧量
４３ ＶＣＭ設定圧力（目標設定圧力）
４４ エアー設定圧力
４５ 加圧設定時間
４６ 待機位置
４７ ＣＯＣ マイクロバンプハンダ接合 圧力＝数ｇ
４８ 導電性接着剤 圧力＝十数Ｋｇ
４９ 数個Ａｕバンプ 圧力＝数ｇ
５０ 数千個ハンダバンプ 圧力＝十数ｇ
５１ ＦＰＣ 導電性接着剤 圧力＝数十Ｋｇ
５２ ＬＥＤ基板
５３ ＬＥＤチップ
５４ シリンダー
５５ カップリング
５６ ＬＭガイド
５７ シャフトブラケット
５８ 汎用シリンダー