特開 2023-114407 空圧機能付きボイスコイルモーター

(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】P2023114407

(43)【公開日】2023-08-17

(54)【発明の名称】空圧機能付きボイスコイルモーター

(51)【国際特許分類】

   H02K 33/18 20060101AFI20230809BHJP

   F15B 15/14 20060101ALI20230809BHJP

【ＦＩ】

H02K33/18 B

F15B15/14 365

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】書面

(21)【出願番号】P 2022027252

(22)【出願日】2022-02-04

(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

5H633

【Ｆターム（参考）】

3H081AA03

3H081AA15

3H081BB03

3H081BB12

3H081CC25

3H081CC26

3H081DD06

3H081FF47

3H081HH04

5H633BB02

5H633GG03

5H633GG09

5H633HH02

5H633HH07

5H633JA10

5H633JB05

(57)【要約】      （修正有）

【課題】超低圧から高圧までの広レンジと、高精度、及び高速加圧を加圧する加圧駆動装置を提供する。
【解決手段】ＶＣＭユニット１８は、ＶＣＭボビン１２にＶＣＭコイル１１を接着する。ＶＣＭヨーク９には、中空形状のＶＣＭ磁石１０を接着する。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１枚のダイヤフラムが、ダイヤフラム引き込み防止リング１４を介してブッシャー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、ダイヤフラムで分離密閉されており、加圧バルブ２からエアーを充填させることで、シャフトに結合されているＶＣＭボビン、及び治具取り付け部材１３に圧力が伝わる。ＶＣＭコイルに電流を流すことにより、ＶＣＭコイルの推力が発生してエアー圧力に合成される。ＶＣＭコイル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、１枚のダイヤフラム１とダイヤフラム引き込み防止リング１４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の推力に、エアー空圧を加算して、軸方向の圧力を生成する構造。

【請求項2】

請求項１で、ダイヤフラム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以下に取り付けられる治具などの部材を含む重量をシャフト３の移動距離に関係なく一定に軽減する推力を持つ構造。

【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。

【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3】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。

【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で構成することを特徴とする。（請求項１）

【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、ダイヤフラム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。ダイヤフラム引き込み防止リング１４はダイヤフラム１の先端部がシャフト３が移動時に上方に引き込まれる事をを防止する。（請求項１）

【0013】

自重保持加圧室７は、メタルシール８とダイヤフラム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。（請求項２）

【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内部の圧力が上昇しダイヤフラム３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及び治具取り付け部材１３は下降する。この時、この下に加圧対象物があれば、加圧室６の空圧で加圧される。

【0016】

加圧室６のエアー圧力により、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。

【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、治具取り付け部材９以下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。

【発明の効果】

【0020】

以上の構造により以下に記述する効果がある。
・数ｇから数百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。
・モーターによる加圧に比べ電力が１／１０～１／２０になる。
・最大加圧でも加圧時間の制限はない。
・自重保持にレギュレターで設定される空圧を使用する事でＶＣＭ軸の移動に関係なく保持力は一定でＶＣＭ推力への影響はない。
・自重保持に空圧を使用する事で最大空圧設定による重力部材の保持が可能である。
・自重保持にレギュレターを使用する事で保持推力の数値化が可能である。
・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。
・ＶＣＭの設定のみの調整のため、利便性がある。
・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】

【0021】

【図1】本発明の断面図

【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

【発明を実施するための形態】

【0022】

空圧機能付きボイスコイルモータ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、空圧機能付きボイスコイルモーターと、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。

【0023】

加圧前の待機状態では、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±１μｍの精度で位置制御が行われ、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３２は、コントローラー１７に接続されている。

【0024】

被圧着物３０と圧着ツールヒーター２９の間隔は十数ｍｍ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による位置制御が行われ、被圧着物３０に接触するまで、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。

【0025】

図１０は被圧着物を加圧する時の位置制御特性と圧力制御特性である。
図１０の特性図で、被圧着物３０に対して接触検出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を目標圧力として空圧センサー５４による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。

【0026】

加圧設定時間４５完了後、ＶＣＭ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。

【0027】

その後、待機位置４６に上昇のため、上昇位置制御期間４０に移り、ＶＣＭは上昇して待機位置４６で静止する。

【産業上の利用可能性】

【0028】

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。

【0029】

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】

【0030】

１ ダイヤフラム
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 ダイヤフラム引き込み防止リング
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 空圧センサー
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 空圧センサー
５５ 元圧レギュレター

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】