(57)【要約】【課題】電子部品の落下のリスクを低減させつつ、生産性を向上させることが可能な電子部品の実装方法を提供する。【解決手段】実装装置の実装方法は、立体回路基板の実装位置の位置情報等を取得する情報取得工程と、各実装位置における実装面の法線情報に基づき、実装面の向きが実装ヘッドに対して垂直方向に変わるようにステージの各軸回りの回転量を算出する回転量算出工程と、落下リスクの高い電子部品に関して、ステージの各軸回りの回転量が小さくなる組み合わせを選ぶ回転量選択工程と、落下リスクの高い電子部品を実装順序の後にし、落下リスクの低い電子部品の実装順序を先にしつつ、落下リスクの低い電子部品におけるステージの各軸回りの回転量の総量を示す総回転量が小さくなるような実装順序を算出する実装順序算出工程と、を含む。【選択図】図２
2019160924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の軸回りに回転可能なステージ、および、実装ヘッドを備え、互いに異なる角度で配置される複数の実装面を有する立体回路基板を前記ステージに配置し、前記ステージを各軸回りに回転させることで、前記実装ヘッドに対して垂直方向に向きを変えた前記実装面に前記実装ヘッドで電子部品を実装する実装方法であって、
前記立体回路基板の実装位置の位置情報、各実装位置における実装面の法線情報、各実装位置での電子部品の向き情報を取得する情報取得工程と、
前記各実装位置における実装面の法線情報に基づき、前記実装面の向きが前記実装ヘッドに対して垂直方向に変わるように前記ステージの各軸回りの回転量を算出する回転量算出工程と、
落下リスクの高い前記電子部品に関して、前記ステージの各軸回りの回転量が小さくなる組み合わせを選ぶ回転量選択工程と、
前記落下リスクの高い前記電子部品を実装順序の後にし、前記落下リスクの低い前記電子部品の実装順序を先にしつつ、前記落下リスクの低い前記電子部品における前記ステージの各軸回りの回転量の総量を示す総回転量が小さくなるような実装順序を算出する実装順序算出工程と、含む、
電子部品の実装方法。
【請求項２】
前記落下リスクは、事前に設定してある請求項１記載の電子部品の実装方法。
【請求項３】
落下リスクの高い電子部品は、コネクタである、請求項１または２記載の電子部品の実装方法。
【請求項４】
前記落下リスクの高い電子部品は、電解コンデンサである、請求項１から３のいずれか一項記載の電子部品の実装方法。
【請求項５】
前記落下リスクの低い電子部品は、チップ部品である、請求項１から４のいずれか一項記載の電子部品の実装方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、凹凸や斜面を有する立体回路基板に対し、チップ抵抗などの電子部品を実装する立体回路基板への電子部品の実装方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、商品の小型化やデザイン性を向上させるために、一般的な平面板状のプリント基板ではなく、立体的な成形品表面に直接電気回路を形成したＭＩＤ(Molded Interconnect Device)と呼ばれる立体回路基板が用いられるようになった。立体回路基板が用いられている商品として、例えば、立体回路基板をそのまま筐体に用いたウエアラブルデバイスや、立体回路基板の様々な面に部品を実装するデザイン性の高い照明などがある。
【０００３】
立体回路基板は、成形によって立体的に形成された樹脂基板に対し、メッキによって表面に回路パターンを形成した基板である。成形樹脂の表面に対し電気回路を形成する方法として、射出成形された樹脂にレーザ光でパターンニングし電解メッキする方法や射出成形された樹脂の電気回路にしたい部分のみに金型を使い触媒を塗り、電解メッキする方法などがある。
【０００４】
このような立体回路基板に電子部品を実装する装置である３Ｄ実装装置として、大きく２種類の構成がある。
【０００５】
一つ目の構成としては、電子部品を吸着して回路基板に搭載する実装ヘッドが回転機構を有しており、実装ヘッドが様々な角度に回転することで、立体回路基板に電子部品を搭載することができる。
【０００６】
二つ目の構成としては、立体回路基板を保持しているステージが回転軸を有しており、ステージで立体回路基板の実装面を実装ヘッドのＺ軸に対して垂直にすることで、通常のＸＹＺの移動ができる実装ヘッドで立体回路基板に部品を実装する。ただし、３Ｄ実装装置の実装ヘッドでは、基板の段差なども考慮し、一般的なＳＭＴの実装装置に比べ、Ｚ軸の駆動範囲が大きいことが多い。
【０００７】
この２つの構成のうち、Ｚ軸の駆動範囲以外は、従来の実装ヘッドの知見が活かせるため、後者の構成の３Ｄ実装装置の開発が進んでいる。
【０００８】
このような３Ｄ実装装置の技術として、例えば特許文献１に示す技術が開示されている。特許文献１に示す技術は、立体回路基板へ実装ヘッドを位置決めし、電子部品を破損することなく実装する方法に関する技術である。
【０００９】
ステージが回転する３Ｄ実装装置で立体回路基板に電子部品を実装する場合には、ステージを回転した後に電子部品を実装しなければならないため、一般的な平らのプリント基板に実装するよりもタクトがかかってしまい、生産性が低下してしまう。
【００１０】
そこで、できる限り無駄な動きが少ない実装順序にすることが求められるが、望ましい実装順序をユーザーが設定する場合でも、回路基板が立体的で回転させながら実装しなければならないため、実装順序の判断が難しい。
【００１１】
また、プリント基板ではスクリーン印刷によって接合材料を供給していたが、立体回路基板では、ディスペンスの方式によって接合材料を供給することが多い。そして、立体回路基板を保持しているステージを回転させながら実装する３Ｄ実装装置においては、この接合材料のタック力によって、ステージの回転による電子部品の落下を防いでいる。
【００１２】
しかし、重量の大きなコネクタなどの大型電子部品が、実装中に落下してしまうリスクがあり、部品の落下についても考慮する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２０１３−１５２９９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１に示す技術は、立体回路基板への電子部品を位置合わせする方法は記載されているが、望ましい実装順序や大型電子部品などの落下に対する技術内容が開示されていない。
【００１５】
本発明は、上記課題を鑑み、部品の落下のリスクを低減させつつ、生産性を向上させることが可能な電子部品の実装方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記目的を達成するために、本発明の電子部品の実装方法は、
複数の軸回りに回転可能なステージ、および、実装ヘッドを備え、互いに異なる角度で配置される複数の実装面を有する立体回路基板を前記ステージに配置し、前記ステージを各軸回りに回転させることで、前記実装ヘッドに対して垂直方向に向きを変えた前記実装面に前記実装ヘッドで電子部品を実装する実装方法であって、
前記立体回路基板の実装位置の位置情報、各実装位置における実装面の法線情報、各実装位置での電子部品の向き情報を取得する情報取得工程と、
前記各実装位置における実装面の法線情報に基づき、前記実装面の向きが前記実装ヘッドに対して垂直方向に変わるように前記ステージの各軸回りの回転量を算出する回転量算出工程と、
落下リスクの高い前記電子部品に関して、前記ステージの各軸回りの回転量が小さくなる組み合わせを選ぶ回転量選択工程と、
前記落下リスクの高い前記電子部品を実装順序の後にし、前記落下リスクの低い前記電子部品の実装順序を先にしつつ、前記落下リスクの低い前記電子部品における前記ステージの各軸回りの回転量の総量を示す総回転量が小さくなるような実装順序を算出する実装順序算出工程と、含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、部品の落下のリスクを低減させつつ、生産性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態における電子部品の３Ｄ実装装置の構成例を示す概略断面図
【図２】３Ｄ実装装置のデータ処理フロー図
【図３】実装位置の面の法線ベクトルが（０，０，１）になる回転量の組み合わせの一例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００２０】
＜装置構造＞
この実施の形態の３Ｄ実装装置１００では、図１のように回転ステージ１０３が回転２軸を有し、かつ、実装ヘッド１０４がＸＹＺ方向に駆動し、かつ、実装ヘッド１０４の先端がθ回転をする装置について説明する。
【００２１】
ただし、立体回路基板１０２の保持方法及び回転方法を限定するものではなく、ステージがロボットアームなどで構成されていてもよい。
【００２２】
３Ｄ実装装置１００は、実装ヘッド１０４と、実装ヘッド１０４の水平駆動部１０５と、実装ヘッド１０４の鉛直駆動部１０６と、立体回路基板１０２を保持し、立体回路基板１０２をα軸１５１およびβ軸１５２回りに回転させることができる回転ステージ１０３とを備えている。３Ｄ実装装置１００はコンピュータを有している。プログラムは、コンピュータのメモリに展開されて実行される。これにより、上記の水平駆動部１０５、鉛直駆動部１０６及び回転ステージ１０３が制御される。
【００２３】
立体回路基板１０２は、電子部品１０１を実装する複数の実装面１５３を有している。それぞれの実装面１５３は、他の実装面１５３に対して異なる角度で配置されている。立体回路基板１０２は、コンベア搬送ができない複雑な形状をしている。そのため、立体回路基板１０２は、搬送冶具１１２に取り付けられた状態でコンベア搬送される。搬送冶具１１２は、搬送冶具保持部１１１に保持される。
【００２４】
実装ヘッド１０４は、水平駆動部１０５によって、水平面の面内方向に移動することができる。また、実装ヘッド１０４は、鉛直駆動部１０６によって、鉛直方向に移動することができ、鉛直軸中心に回転（θ回転）することができる。そして、実装ヘッド１０４は、部品の供給部から供給された電子部品１０１を保持し、立体回路基板１０２の実装箇所に対して、電子部品１０１を搭載することができる。
【００２５】
回転ステージ１０３は回転２軸（α軸１５１、β軸１５２）を有している。また、回転ステージ１０３は、第一回転駆動部１０７、Ｕ字型ベース１０８および第二回転駆動部１０９を有している。Ｕ字型ベース１０８は、α軸１５１回りに回転できるように第一回転駆動部１０７に配置されている。Ｕ字型ベース１０８上には、β軸１５２がα軸１５１と直交するように配置されている。β軸１５２は、第二回転駆動部１０９の回転軸である。
【００２６】
＜プロセス＞
次に大型部品の落下リスクを低減し、生産性を向上させる実装順序の決定方法について図２のフローを用いて説明する。
【００２７】
（Ｓ１）立体回路基板の配置
立体回路基板の配置では、３Ｄ実装装置１００へ立体回路基板１０２を供給するための搬送冶具１１２への立体回路基板１０２を配置する。
【００２８】
装置構造で述べたように立体回路基板１０２を、コンベア搬送するために搬送冶具１１２に取り付ける。搬送冶具保持部１１１、搬送冶具１１２を設計する際には、立体回路基板１０２が保持できれば、搬送冶具１１２の形状については問わない。しかし、立体回路基板１０２の回転させる際の回転軸の交点にワーク（ここでは、電子部品１０１）中心を可能な限り配置することが望ましい。なぜなら、回転時のＸＹ方向の移動量が小さくなり、実装した電子部品１０１にかかる遠心力も小さくなるためである。
【００２９】
さらに、落下の懸念がある大型の電子部品を実装する実装面１５３が、搬送時に上を向くように搬送冶具に立体回路基板を配置することが望ましい。落下の懸念がある大型電子部品が複数個実装する場合には、実際の立体回路基板の形状に依るが、可能な限り、それぞれの大型電子部品の重量の順に、搬送時の角度（実装面１５３が向いている角度）が上方向に対して浅くなるように配置することが望ましい。
【００３０】
（Ｓ２）実装部品の設定
実装部品の設定では、落下の懸念がある大型部品に関して、事前に落下リスクの高い大型部品として設定する。これは後述する「（Ｓ５）実装順序の設定」でも使用する。
【００３１】
落下の懸念がある大型部品は、３Ｄ実装装置１００の部品ライブラリに設定されているものである。また、３Ｄ実装装置１００のオペレータが、個別に落下リスクの高い大型部品を設定及び設定解除ができるようになっている。落下リスクの高い大型部品は、部品の種類によって判別され設定されている。落下リスクの高い大型部品とは、部品厚みが大きく重心が高い部品や重量の重たい部品である。具体的な例を挙げると、部品厚みが５ｍｍを超えるような大型コネクタ、アルミ電解コンデンサやサイズが１０ｍｍを超えるようなＩＣなどである。一方、１６０８サイズや２０１２サイズなどに代表される抵抗チップ、セラミックコンデンサなどの小型ＳＭＴチップ部品やＬＥＤは、落下リスクの低い部品として設定される。
【００３２】
ただし、実際に落下するかどうかは、部品の種類とはんだなどの接合部材のタック力及びステージ回転時の遠心力によって決まる。そのため、落下リスクの高い部品として設定されている電子部品でも、実際に接合部材を供給し、部品を搭載した後に、ステージを回転させた際に、落下しなかった場合には、この設定を解除して、通常の落下リスクの低い部品として実装する。逆に、落下リスクの低い部品として設定されている場合でも、実際の実装によって落下した場合には、落下リスクの高い部品として設定する。
【００３３】
（Ｓ３）ＣＡＤデータからのデータ取得
ＣＡＤデータからのデータ取得では、３Ｄ実装装置１００でＣＡＤデータを取り込み、電子部品１０１を立体回路基板１０２に実装するための実装位置情報と立体回路基板１０２の実装面１５３（図１参照）の向きの情報と電子部品１０１の搭載方向の情報をＣＡＤデータより取得する。ＣＡＤデータからのデータ取得では、３Ｄ実装装置１００にＣＡＤデータを取り込まず、ＣＡＤ上で取得した電子部品１０１を立体回路基板１０２に実装するための実装位置情報と立体回路基板１０２の実装面１５３の向きの情報と電子部品１０１の搭載方向の情報を３Ｄ実装装置に入力しても良い。
【００３４】
３Ｄ実装装置１００の回転ステージ１０３に搬送冶具保持部１１１、搬送冶具１１２を介して、立体回路基板１０２を取り付けた状態でのＣＡＤデータを作成し、設備基準位置からの実装位置情報を取得する。設備基準位置の一例として、回転ステージ１０３の回転軸の交点とする。設備基準位置からの各電子部品１０１の実装位置までの位置ベクトル、その実装位置の実装面１５３の向きの情報である法線ベクトル、搭載する電子部品１０１の搭載方向を示す部品の搭載方向ベクトルを取得する。
【００３５】
また、法線ベクトルの例として、図１に示す実装面１５３の法線ベクトルは（１，０，１）となる。また、部品の搭載方向ベクトルの決め方の一例として、電子部品１０１がテープフィーダーなどで供給される向きを（１，０，０）と定義し、このベクトルが搭載時に向く方向を部品の搭載方向ベクトルとして取得する。
【００３６】
ここでは、設備基準位置からの位置情報を取得したが、設備基準位置からの立体回路基板上の基準位置までの位置ベクトルを取得し、立体回路基板上の基準位置から各電子部品の実装位置までの位置ベクトルし、これらのベクトル演算により、設備基準位置からの各電子部品の実装位置までの位置情報を算出しても良い。
【００３７】
（Ｓ４）実装面の法線ベクトルからステージ回転量の算出
実装面の法線ベクトルからステージ回転量の算出では、各電子部品１０１を実装する際の立体回路基板１０２の実装面を上に向けるための回転ステージ１０３の回転量を算出する。３Ｄ実装機１００において、電子部品１０１を立体回路基板１０２に実装しようとした場合には、電子部品１０１を実装しようとする実装面を実装ヘッド１０４のＺ軸と直行するように回転ステージ１０３を回転させなければならない。つまり、実装位置の実装面の法線ベクトルが（０，０，１）になるように、回転ステージ１０３を回転させる。この時のα軸１５１、β軸１５２の回転量を算出する。
【００３８】
このとき、実装位置の実装面の法線ベクトルが（０，０，１）になるα軸１５１、β軸１５２の回転量の組み合わせは２パターンある。
【００３９】
図３に、実装位置の実装面の法線ベクトルが（０，０，１）になるα軸１５１、β軸１５２の回転量の組み合わせの一例を示す。同じマークで示されている点が、各実装位置の実装面の法線ベクトルが（０，０，１）になる、つまり各実装位置の実装面が上を向くステージの回転量を示す。具体的な事例について、図１に示す電子部品１５４を使って説明する。電子部品１５４の法線ベクトルが（０，０，１）になるように回転させる場合、ステージをα軸１５１回りに６０°、β軸１５２回りに９０°だけ回転させることを表す（α、β）＝（６０°、９０°）の場合（図３のＲ１）と、ステージをα軸１５１回りに−６０°、β軸１５２回りに−９０°だけ回転させることを表す（α、β）＝（−６０°、−９０°）の場合（図３のＲ２）の組み合わせがある。この組み合わせを利用して、大型部品の落下リスクの低減、実装順序の効率化をはかる。
【００４０】
落下リスクの高い大型部品が落下しにくいように立体回路基板１０２を搬送冶具１１２に取り付けているため、大型部品を実装する際のα軸１５１、β軸１５２の回転量が０に近い方が良い。そのため、α軸１５１、β軸１５２の回転量をα、βとした際に、下記の式（１）の値が小さくなる回転量α、βの組み合わせを選択する。
【数１】
2019160924.tif 000003
【００４１】
（Ｓ５）実装順序の決定
実装順序の決定では、大型部品の落下リスクを低減させつつ、生産性を向上させるための効率的な実装順序を算出する。
【００４２】
実装順序に関しては、パラメータとして、α軸１５１、β軸１５２の回転量α、β、実装ヘッド１０４のＸＹＺ移動量などパラメータ、部品の落下の懸念などが多くあり、完全な最適化は、計算量が膨大で現実的ではない。そのため、優先順位をつけて生産性を向上させる。
【００４３】
回転ステージ１０３の回転は、搭載した部品の落下のリスクがあるため、回転速度の高速化には限界がある。そのため、回転ステージ１０３の回転の効率化を行うことで、生産性を向上させる。
【００４４】
落下リスクの高い大型部品に対しては、実装順序の効率化よりも落下リスクの低減が最優先である。そのため、これらの大型部品は、実装順序の後にもってくる。落リスクの高い大型部品が複数ある場合には、大型部品の重量、大きさなどを鑑み、リスクに応じて実装順序を決定する。
【００４５】
落下リスクの低い部品に対しては、実装順序の効率化を優先する。そのため、各電子部品１０１の２パターンのα軸１５１、β軸１５２の回転量α、βの組み合わせにおいて、全ての電子部品１０１を実装した際の回転量α、βの総量を示す総回転量が最も小さくなるように実装順序を決定する。
【００４６】
この実装順序の算出が、３Ｄ実装装置にとって計算量が多い場合には、最適解とはならないが簡易的に次のような方法を適用しても良い。
【００４７】
図３に示すように電子部品１０１の２パターンのα軸１５１、β軸１５２の回転量α、βの組み合わせは、それぞれ、α軸１５１、β軸１５２の回転量α、βの符号が反転する組み合わせである。そのため、すべての電子部品１０１において、（ｉ）α軸１５１の方向が正のみのパターン、（ｉｉ）α軸１５１の回転方向が負のみのパターン、（ｉｉｉ）β軸１５２の回転方向が正のみのパターン、（ｉｖ）β軸１５２の回転方向が負のみのパターンの４つのパターンにすることができる。これらの４つパターンそれぞれに（ａ）α軸１５１回転量αが小さい方から順に実装する場合、（ｂ）β軸１５２回転量βが小さい方から順に実装する場合、の８つのパターンの組み合わせを計算し、総回転量が最も小さくなるように実装順序を決定しても、実装順序を効率化することができる。
【００４８】
また、ステージの回転軸が１軸しかない３Ｄ実装装置においては、ステージの回転軸が1方向に回転していく順序で実装していけばよい。
【００４９】
（Ｓ６）回転による位置ベクトル、搭載方向ベクトルの変化量を算出
回転による位置ベクトル、搭載方向ベクトルの変化量を算出では、実装順序の決定（Ｓ５）で算出した回転量でステージを回転した際に、設備基準位置からの各電子部品１０１の実装位置までの位置ベクトル、搭載する部品の方向を示す部品の搭載方向ベクトルがどのように変化するかを算出する。
【００５０】
この算出には、各軸周りのベクトルの回転演算を利用する。この値をもとに、各電子部品１０１における実装ヘッド１０４のＸＹＺの移動量、実装ヘッド先端の回転量θを算出する。
【００５１】
（Ｓ７）各駆動軸の移動量データにもとづき電子部品を実装
各駆動軸の移動量データにもとづき電子部品を実装では、算出結果にも続き、実際に電子部品を実装する。
【００５２】
上記のステップで算出された各電子部品における実装ヘッドのＸＹＺの移動量、実装ヘッド１０４の先端の回転量θ、回転ステージ１０３のα軸１５１、β軸１５２の回転量にもとづき、実装ヘッド１０４、回転ステージ１０３を駆動させ、電子部品１０１を立体回路基板１０２へ実装していく。
【００５３】
＜効果＞
このようなステップで実装することによって、電子部品１０１を様々な面に実装しなければならない立体回路基板１０２への実装において、実装中での電子部品１０１の落下のリスクを低減させつつ、生産性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明に係る立体回路基板への電子部品の実装装置は、複雑な形状の筐体がそのまま回路基板となるウエアラブルデバイスや立体回路基板上の様々な面にＬＥＤを実装するデザイン性の高い照明などにおいて特に有用である。
【符号の説明】
【００５５】
１００  ３Ｄ実装装置
１０１  電子部品
１０２  立体回路基板
１０３  回転ステージ
１０４  実装ヘッド
１０５  水平駆動部
１０６  鉛直駆動部
１０７  第一回転駆動部
１０８  Ｕ字型ベース
１０９  第二回転駆動部
１１０  第三回転駆動部
１１１  搬送冶具保持部
１１２  搬送冶具
１５１  α軸
１５２  β軸
１５３  実装面
１５４  電子部品
【図１】
2019160924.tif 000004
【図２】
2019160924.tif 000005
【図３】
2019160924.tif 000006