(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
負圧供給経路を通じて供給される負圧により部品を吸着したノズルに、正圧供給経路を通じて正圧を供給することにより、当該部品を基板に実装する表面実装機の実装ヘッドであって、
スプールバルブと、前記スプールバルブの動作を制御する制御手段と、ノズルに吸着された部品が基板に着地したことを検知する着地検知センサとを備え、
前記スプールバルブは、前記負圧供給経路及び前記正圧供給経路を内部に含むバルブ本体と、前記バルブ本体に対して直線的に移動可能に装着されたスプールとを備え、
前記スプールは、前記バルブ本体内の前記負圧供給経路又は前記正圧供給経路に整合する開孔を備え、
前記スプールバルブは、前記スプールを、前記開孔が前記負圧供給経路と完全に整合する負圧切替位置から前記開孔が前記正圧供給経路と完全に整合する正圧切替位置へ移動させることにより前記正圧供給経路への切替えを行い、前記スプールを前記正圧切替位置から前記負圧切替位置へ移動させることにより前記負圧供給経路への切替えを行い、
前記制御手段は、ノズルに吸着された部品が基板に着地する前に、前記負圧切替位置に位置する前記スプールを、前記負圧切替位置と前記正圧切替位置との間にある準備位置まで移動させ、前記着地検知センサが部品の着地を検知したら、前記スプールを前記準備位置から前記正圧切替位置まで移動させる、表面実装機の実装ヘッド。
【背景技術】
【0002】
一般的に表面実装機は、実装ヘッドを部品供給部の上方に移動させ、そこで実装ヘッドに備えられたノズルに下降・上昇動作を行わせて、ノズルの下端部に部品を真空吸着してピックアップし、次に実装ヘッドを基板の上方へ移動させ、そこで再度ノズルに下降・上昇動作を行わせて、部品を基板の所定の座標位置に実装するように構成されている。
【0003】
このように一つのノズルによって部品のピックアップ及び実装を行うため、ノズルには負圧と正圧とを切り替えて供給する。具体的には、部品のピックアップ時には負圧供給経路を通じて負圧を供給し部品を真空吸着する。そして、当該部品の実装時には負圧供給経路から正圧供給経路への切替えを行い、ノズル内の真空を破壊して正圧によるブローを行う。
【0004】
このような負圧供給経路から正圧供給経路への切替えを行う機構として、スプールバルブが知られている。すなわちスプールバルブは、部品の実装時、スプールを負圧切替位置から正圧切替位置に移動させることで、負圧供給経路から正圧供給経路への切替えを行う。ただし、スプールを負圧切替位置から正圧切替位置に移動させるには時間を要し、また、正圧に切り替えてから真空破壊が完了しブローが開始されるまでにも時間がかかる。つまり、切替動作の開始からブローよる部品実装が可能となるまでには、ある程度の時間(例えば7ms程度、以下「ブロー準備時間」という。)を要する。したがって、ノズルに吸着された部品が基板に着地(タッチ)した時点で正圧への切替動作を開始すると、その位置で少なくともブロー準備時間分だけ待つ必要があり、タクトタイムの増加を招く。
【0005】
そこで、従来、ノズルに吸着された部品が基板に着地する着地タイミングを予め計算により求めておき、この計算上の着地タイミングに対して、上述のブロー準備時間相当分だけ早いタイミングで正圧への切替動作を開始させる技術が提案されている(例えば特許文献1、2)。すなわち、この従来技術は、正圧への切替動作開始のタイミング制御により、ブロー準備時間相当分のタクトタイムを短縮しようとするものである。
【0006】
しかし、計算上の着地タイミングは、あくまで計算上のものであるから、実際の着地タイミングとズレが生じることがある。例えば基板に反りがあると、計算上の基板高さと実際の基板高さに違いがあるから、計算上の着地タイミングと実際の着地タイミングとにズレが生じる。
【0007】
また、計算上の着地タイミングを求めるには、設計上の基板高さ等、各種設計値の入力が必要であるが、その入力には人間が関与することから、ヒューマンエラーに基づく入力ミスが起こりうる。そうすると当然ながら、計算上の着地タイミングと実際の着地タイミングとにはズレが生じる。
【0008】
上述の従来技術において、計算上の着地タイミングと実際の着地タイミングとにズレがあると、部品の実装ミス等のトラブルが起こるおそれがある。すなわち、計算上の着地タイミングが実際の着地タイミングより早いと、実際の着地前にブローが始まるから基板への実装前に部品が落下して実装ミスとなるおそれがある。一方、計算上の着地タイミングが実際の着地タイミングより遅いと、実際に着地してもブローが始まらないから部品が実装されない実装ミスが起こりうる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明が解決しようとする課題は、ノズルにより部品を真空吸着して基板に実装する表面実装機の実装ヘッドにおいて、部品実装のタクトタイムを短縮しつつ、確実に部品を実装できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の一観点によれば、次の表面実装機の実装ヘッドが提供される。
「負圧供給経路を通じて供給される負圧により部品を吸着したノズルに、正圧供給経路を通じて正圧を供給することにより、当該部品を基板に実装する表面実装機の実装ヘッドであって、
スプールバルブと、前記スプール
バルブの
動作を制御する制御手段と、ノズルに吸着された部品が基板に着地したことを検知する着地検知センサとを備え、
前記スプールバルブは、前記負圧供給経路及び前記正圧供給経路を内部に含むバルブ本体と、前記バルブ本体に対して直線的に移動可能に装着されたスプールとを備え、
前記スプールは、前記バルブ本体内の前記負圧供給経路又は前記正圧供給経路に整合する開孔を備え、
前記スプールバルブは、前記スプールを、前記開孔が前記負圧供給経路と完全に整合する負圧切替位置から前記開孔が前記正圧供給経路と完全に整合する正圧切替位置へ移動させることにより前記正圧供給経路への切替えを行い、前記スプールを前記正圧切替位置から前記負圧切替位置へ移動させることにより前記負圧供給経路への切替えを行い、
前記制御手段は、ノズルに吸着された部品が基板に着地する前に、
前記負圧切替位置に位置する前記スプールを
、前記負圧切替位置と前記正圧切替位置との間にある準備位置まで移動させ、前記着地検知センサが部品の着地を検知したら、前記スプールを前記準備位置から前記正圧切替位置まで移動させる、表面実装機の実装ヘッド。」
【0012】
このように本発明では、着地前にスプールを準備位置まで移動させる予備動作を行うので、その分、部品実装のタクトタイムを短縮できる。そして、正圧への切替動作は、着地検知センサが部品の着地を検知してから、つまり実測の着地タイミングに基づいて行うので、確実に部品を実装できる。
【0013】
本発明において、前記スプールは開孔を有するものとし、前記正圧切替位置において前記開孔が前記正圧供給経路と完全に整合するようにすることができる。そしてこの場合、前記準備位置は、前記開孔が前記正圧供給経路と整合し始める手前の位置とすることができる。これにより、前記準備位置で真空破壊が生じることを防止でき、より確実に部品を実装できる。
【0014】
また、本発明においてスプールバルブは、スプールの移動により正圧供給経路と負圧供給経路とを切り替えるものとすることができる。この場合、前記初期位置は負圧切替位置であり、前記スプールバルブは前記スプールを負圧切替位置から正圧切替位置へ移動させることにより前記正圧供給経路への切替えを行い、前記スプールを正圧切替位置から負圧切替位置へ移動させることにより前記負圧供給経路への切替えを行う。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、ノズルにより部品を真空吸着して基板に実装する表面実装機の実装ヘッドにおいて、部品実装のタクトタイムを短縮しつつ、確実に部品を実装できる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【
図1】本発明の実施例による実装ヘッドの全体構成を示す斜視図である。
【
図2】
図1の実装ヘッドにおいてスピンドル(ノズル)をZ方向に下降させる機構を示す説明図である。
【
図3】
図2のスピンドル(ノズル)をZ方向に下降させる機構において押圧具周りの構成を示す説明図である。
【
図4】
図2に示す押圧具によりスピンドル(ノズル)を下降させるときの様子を示し、(a)はスピンドル(ノズル)が初期位置にある状態を示し、(b)はスピンドル(ノズル)を下降させた状態を示す。
【
図5】スピンドルの下端に装着されたノズル部分の断面を拡大して示す斜視図である。
【
図6】ノズルが着地したときの光ファイバセンサの受光量の変化を模式的に示す図である。
【
図7】制御部(制御手段)によるZサーボモータの制御例を示す。
【
図8】スプールバルブの構成例と動作を概念的に示す図である。
【
図9】
図8のスプールバルブの動作の一例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例に基づき説明する。
【0018】
図1は、本発明の実施例による実装ヘッドの全体構成を示す斜視図である。
【0019】
同図に示す実装ヘッド10はロータリーヘッド式の実装ヘッドであり、ヘッド本体20に、ロータリーヘッド30が鉛直軸周りのR方向に回転可能に取り付けられている。このロータリーヘッド30には、その周方向に沿って等間隔で複数本のスピンドル31が配置され、各スピンドル31の下端に部品を吸着保持するノズル32が装着されている。
【0020】
ロータリーヘッド30は、ヘッド本体20に設置されたRサーボモータ21の駆動によりR方向に回転する。また、各スピンドル31は、ヘッド本体20に設置されたTサーボモータ22の駆動により、その軸線周りのT方向に回転する。更に、ヘッド本体20には、特定位置にあるスピンドル31aを軸線方向に沿ったZ方向に昇降させるためのZサーボモータ23が配置されている。Rサーボモータ21の駆動によりロータリーヘッド30をR方向に回転させる機構、及びTサーボモータ22の駆動により各スピンドル31をT方向に回転させる機構については周知であるので、その説明は省略する。Zサーボモータ23の駆動によりスピンドル31aを下降させる機構については、以下に説明する。
【0021】
図2は、
図1の実装ヘッド10においてスピンドル31aをZ方向に昇降させる機構を示す説明図である。ヘッド本体20に配置されたZサーボモータ23のモータ軸は、ボールねじ機構24のねじ軸24aに連結され、このねじ軸24aにナット24bが装着されている。そして、このナット24bに押圧具25が連結されている。したがって、Zサーボモータ23の駆動により、ナット24bとともに押圧具25がZ方向に移動する。
【0022】
押圧具25はヘッド本体20側に1個だけ設けられている。スピンドル31を下降させるときには、押圧具25に対してスピンドル31を相対的に移動させることにより下降させるスピンドル31(前記特定位置にあるスピンドル31a)を選択し、押圧具25を下降させることにより当該スピンドル31aを下降させる。本実施例では
図3に示すように、ロータリーヘッド30をR方向に回転させることにより押圧具25に対してスピンドル31を移動させ、押圧具25の直下にあるスピンドル31aを下降させる。ただし、特定位置にあるスピンドル31aを選択して下降させる構成はこれに限定されず、押圧具を移動させて下降させるスピンドルを選択するようにしてもよい。また、特定位置は2箇所以上あってもよい。
【0023】
図2に戻って、押圧具25が連結されたナット24bには、連結バー26、及びヘッド本体20に固定的に設けたスプラインシャフト27に装着されたスプラインナット28を介して、着地検知センサとして光ファイバセンサ40が連結されている。すなわち、光ファイバセンサ40は押圧具25と一体的に設けられている。したがって、光ファイバセンサ40は、Zサーボモータ23の駆動により押圧具25がZ方向に移動すると、これと連動してZ方向に移動する。その様子を
図4に示す。
図4(a)はスピンドル31aが初期位置にある状態を示し、
図4(b)は
図2に示す押圧具25によってスピンドル31aを下降させた状態を示す。 なお、スピンドル31は2つのコイルばねからなる弾発体33(
図2参照)によって常に上方の初期位置に向けて付勢されている。
【0024】
光ファイバセンサ40は、発光部及び受光部が光ファイバやレンズとともに同一軸線上に組み込まれたもので、その構成自体は周知である。本実施例において光ファイバセンサ40は
図2に示すように、スピンドル31の下端にコイルばね34(弾性体)を介して装着されたノズル32の斜め上方に配置されている。そして、光ファイバセンサ40の発光部は、
図5に拡大して示すノズル32の外周上面の反射面32aに向けて斜め下向きに光Pを発する。その光Pは光ファイバセンサ40の受光部で反射光として受光される。
【0025】
ここで、ノズル32は上述のとおり、スピンドル31の下端にコイルばね34を介して装着されている。したがって、スピンドル31の下降によりその下端のノズル32が着地すると、コイルばね34が圧縮されてスピンドル31に対するノズル32の上下方向の位置が変化する。具体的にはノズル32がスピンドル31の下端側に向けて相対的に移動する。
【0026】
一方、光ファイバセンサ40の発光部から発せされる光Pは、
図2に示すレンズ40aによって、ノズル32が着地していない初期状態のときの反射面32aに焦点が合せられている。したがって、ノズル32が着地してその上下方向の位置が変化すると、反射面32aで反射される反射光の量が減少し、光ファイバセンサ40の受光部で受光する受光量が減少する(
図6参照)。本実施例では、この受光量の減少を光ファイバセンサ40のセンサ部40bで検知する。そして、センサ部40bは受光量が所定量減少したとき、例えば
図6に示す閾値A以下になったときに、ノズル32が着地したと判断し、着地検知信号を発する。
【0027】
なお、本明細書において「ノズルの着地」とは、部品の吸着(ピックアップ)工程においてノズルの下端部が部品の上面に着地すること、及び部品の実装工程においてノズルの下端部に保持された部品が基板の上面に着地することの両方を含む概念である。
【0028】
以上の構成において、実装ヘッド10を有する表面実装機は、スピンドル31の下端に装着されたノズル32により、部品供給部から部品を吸着しピックアップしてプリント基板上に移送し、プリント基板上の所定位置に実装する。なお、この部品のピックアップ動作及び実装動作においては、ノズル32に負圧と正圧とを切り替えて供給するが、これについては後で説明する。
【0029】
また、部品のピックアップ時及び実装時においては、
図2で説明したように、保持具25の直下に位置させたスピンドル31aの上端面を押圧具25が押圧して、そのスピンドル31aをZ方向に下降させる。その後、スピンドル31a先端のノズル32が着地すると、上述のとおり、コイルばね34が圧縮されてスピンドル31aに対するノズル32の上下方向の位置が変化し、光ファイバセンサ40の受光部で受光する受光量が減少する。そして、光ファイバセンサ40のセンサ部42が着地検知信号を発する。この着地検知信号は、
図2に示す制御部(制御手段)50に送信される。制御部50は着地検知信号を受信すると、押圧具25を下降させるZサーボモータ23を停止させる。これにより、ノズル32の下降ストロークが適切に制御され、ノズル32が正確に着地する。
【0030】
図7は、制御部50によるZサーボモータ23の制御例を示す。
図7には、Zサーボモータ23の駆動によるノズル32の下降速度と下降ストロークの時間変化、すなわちノズルの下降プロファイルを示している。下降ストロークの設計値は8mmである。
【0031】
図7に示すように、制御部50は、下降初期は下降速度を大きくし、その後、ストロークが3mm(第1の高さ位置)になったら下降速度を漸次低下させ、更にストロークが6.7mm(第2の高さ位置)になったら下降速度が一定となるようにZサーボモータ23を制御する。そして、ノズル32が着地して光ファイバセンサ40から着地検知信号を受信すると、制御部50はZサーボモータ23を停止させる。
図7では、ノズル32が着地するまで実際の下降ストロークが設計値どおりの8mmの場合と、設計値(8mm)より大きかった場合(9mm)と小さかった場合(7mm)の3パターンを示しているが、いずれの場合も下降ストロークは適切に制御され、ノズル32は正確に着地する。
【0032】
次に、本発明による部品実装の動作を説明する。
【0033】
部品の吸着は、負圧供給経路を通じてノズルに負圧を供給することで実現され、部品の実装は、当該ノズルに正圧供給経路を通じて正圧を供給することで実現される。そして、負圧供給経路と正圧供給経路との切替えは、スプールバルブによって実現される。
【0034】
図8は、スプールバルブの構成例と動作を概念的に示す図、
図9は、
図8のスプールバルブの動作の一例を示すタイムチャートである。
【0035】
図8に示すスプールバルブ60は、パルスモータ70の回転軸70aに連結されたレバー71の回転によってスプール61を直線的に移動させることで、負圧供給経路62aと正圧供給経路62bとの切替えを行う。負圧供給経路62aは真空ポンプ等の負圧供給源に接続され、正圧供給経路62bは正圧エアタンク等の正圧供給源に接続されている。
【0036】
スプールバルブ60の構成をより具体的に説明すると、スプール61は開孔61aを有し、この開孔61aが負圧供給経路62aと完全に整合する位置が負圧切替位置Aで、開孔61aが正圧供給経路62bと完全に整合する位置が正圧切替位置Cである。部品の実装時においては、負圧切替位置Aがスプール61の初期位置である。そして、負圧切替位置Aと正圧切替位置Cとの間に準備位置Bがある。
図8の例において準備位置Bは、開孔61aが正圧供給経路62bと整合し始める直前の位置に設定している。なお、スプール61の移動の制御は、
図2に示した制御部50がパルスモータ70の動作を制御することにより行う。
【0037】
ノズルに吸着した部品を基板に実装する際は、ノズルが着地する前の段階、例えばノズルが下降動作を開始した段階で、制御部50がパルスモータ70の動作を制御して、スプール61を負圧切替位置Aから準備位置Bまで移動させる予備動作を実行する。そして、上述の光ファイバセンサ40によりノズルの着地が検知されると、制御部50はパルスモータ70の動作を制御してスプール61を準備位置Bから正圧切替位置Cまで移動させるブロー動作を実行する。これにより、ノズルに正圧が供給され、ノズル内の真空が破壊されてブローが行われ、部品が基板に実装される。部品の実装が完了したら、制御部50はパルスモータ70の動作を制御してレバー71を中立の位置Dに戻す。この中立の位置Dは、上述したロータリーヘッド30のR方向回転による次のスピンドル31のスプールバルブ60を受け入れるための待機位置Dである。すなわち、この待機位置Dにおいて次のスピンドル31のスプールバルブ60を受け入れる。この次のスプールバルブ60のスプール61は負圧切替位置Aにあるので、後は上述の要領で、スプール61を準備位置B、正圧切替位置Cへと順次移動させ、その後、レバー71を待機位置Dに戻す。以後、全てのスピンドル31のノズルによる部品の実装が終了するまで、この動作を繰り返す。
【0038】
このように本発明では、ノズルの着地前にスプール61を準備位置Bまで移動させる予備動作を行うので、その分(例えば2ms程度)、部品実装のタクトタイムを短縮できる。そして、正圧への切替動作は、光ファイバセンサ40がノズルの着地を検知してから、つまり実測の着地タイミングに基づいて行うので、確実に部品を実装できる。
【0039】
また、本発明では、実測の着地タイミングが得られるので、これに基づいて、ノズルの下降プロファイルを最適に設定することができる。例えば、実測の着地タイミングに基づいてノズルが停止するように設定すると、
図7に示した下降プロファイルにおける下降速度一定の領域を実質的になくすことができ、タクトタイムを更に短縮できる。
【0040】
なお、実施例において準備位置Bは、開孔61aが正圧供給経路62bと整合し始める直前の位置に設定したが、この準備位置Bは、負圧切替位置Aと正圧切替位置Cとの間であれば任意に設定でき、例えば、正圧切替位置Cの手前で開孔61aが正圧供給経路62bと一部整合する位置とすることもできる。ただし、ノズルが着地する前の準備位置B(予備動作段階)で真空破壊が生じることを防止する点からは、準備位置Bは、開孔61aが正圧供給経路62bと整合し始める手前の位置とすることが好ましく、タクトタイムの短縮をも勘案すると、開孔61aが正圧供給経路62bと整合し始める直前の位置とすることが更に好ましい。
【0041】
また、実施例では、一つのスプールバルブ60によって負圧供給経路62a及び正圧供給経路62bへの切替えを行うようにしたが、負圧供給経路への切替えは、別の切替機構よって行うようにすることもできる。だたし、実装ヘッドの小型化の点からは、実施例のように一つのスプールバルブ60によって負圧供給経路62a及び正圧供給経路62bへの切替えを行うことが好ましい。
【0042】
また、実施例においては、光ファイバセンサ40のセンサ部40bは制御部50と別個に設けたが、センサ部40bの機能を制御部50に組み込むこともできる。また、実施例では、ノズル32の着地を検知する非接触センサとして光ファイバセンサ40を使用したが、磁気センサ等の他の非接触センサを使用することもできる。更に、本発明はロータリーヘッド式以外の実装ヘッドにも適用可能である。