(57)【要約】【課題】はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポット径の調整を、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させることなく、また、ＣＣＤカメラによるはんだ付け対象の撮像に影響を及ぼすことなく行うことができるようにする。【解決手段】ハウジング１０の内部に、光軸Ｌ１に沿って可動の入光レンズ２０と、前記光軸Ｌ１に対して４５度傾斜する半透鏡２３と、一定の位置に固定された集光レンズ２２とを配設すると共に、前記半透鏡２３及び集光レンズ２２を介してはんだ付け対象４の画像を撮像するＣＣＤカメラ５を取り付け、前記ハウジング１０に、前記入光レンズ２０の位置を調整する位置調整機構２８を設けて、該位置調整機構２８で前記入光レンズ２０の位置を前記光軸Ｌ１に沿って調整することにより、前記はんだ付け対象４に投射されるレーザー光３のスポットＳの径を調整可能とする。【選択図】図１
2015131313.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光を導入するレーザー導入部と、レーザー光をはんだ付け対象に投射するレーザー投射口とを有するハウジングの内部に、前記レーザー光の光軸に沿って前記レーザー導入部側からレーザー投射口側に向けて順番に、前記光軸に沿って可動の入光レンズと、前記光軸に対して４５度傾斜する半透鏡と、一定の位置に固定された集光レンズとを配設すると共に、前記ハウジングに、前記半透鏡及び集光レンズを介してはんだ付け対象の画像を撮像するＣＣＤカメラを取り付け、
前記ハウジングに、前記入光レンズの位置を調整する位置調整機構を設けて、該位置調整機構で前記入光レンズの位置を前記光軸に沿って調整することにより、前記はんだ付け対象に投射されるレーザー光のスポットの径を調整可能とした、
ことを特徴とするレーザー用はんだ付けヘッド。
【請求項２】
前記位置調整機構は、前記光軸と平行に配設された螺子軸と、該螺子軸を回転駆動する電動モータと、前記螺子軸に螺合して該螺子軸の回転により該螺子軸に沿って移動するナット部材と、前記入光レンズを保持するレンズホルダーとを有し、該レンズホルダーと前記ナット部材とが相互に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のはんだ付けヘッド。
【請求項３】
前記位置調整機構は、前記螺子軸に平行に配設されたガイド軸と、該ガイド軸に沿って摺動自在のスライダとを有し、該スライダが前記レンズホルダーに連結されていることを特徴とする請求項２に記載のはんだ付けヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、はんだ付け対象にレーザー光を投射してはんだ付けを行うレーザー用はんだ付けヘッドに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
はんだ付け対象にレーザー光をスポット状に投射してはんだ付けを行うレーザー用はんだ付けヘッドは、例えば特許文献１や特許文献２等に開示されているように、従来より公知である。この種のはんだ付けヘッドは、一般に、ハウジングの内部に１つ又は複数の光学レンズを有していて、この光学レンズでレーザー光をスポット状に集光し、それをはんだ付け対象に投射するように構成されている。前記レンズは、ハウジング内の一定の位置に固定されているため、焦点の位置も決まっている。
【０００３】
一方、はんだ付け対象に投射すべきスポットの径は、常に一定であるとは限らず、はんだ付け対象の大小やレーザー光の熱エネルギー等によって異なり、はんだ付け条件に応じて様々な径のスポットを投射しなければならないケースは多い。このような場合、従来では、必要なスポット径を得るために、前記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象（例えば基板）との距離を相対的に変化させ、それによってレーザー光のスポット径を大小に調整するようにしていた。
【０００４】
しかし、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させる方法は、スポットの径を目視等で確認しながら作業を行わなければならないため、その作業が比較的面倒である。しかも、はんだ付けヘッドに、前記光学レンズを利用してはんだ付け対象を撮像するＣＣＤカメラが取り付けられている場合には、前記はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を変化させると、前記光学レンズとはんだ付け対象との距離が変化するため、ＣＣＤカメラの結像位置もずれることになり、再調整が必要になる。
【０００５】
一方、特許文献３には、集光レンズの位置を光軸方向に調整することによってワーク上面に焦点を合わせるようにしたレーザー加工装置が開示されており、この技術をはんだ付けヘッドに利用すれば、はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポットの径を調整することも不可能ではない。
【０００６】
しかし、この特許文献３に開示された技術は、集光レンズの位置を調整するものであるため、前述したようにはんだ付けヘッドがＣＣＤカメラを備えている場合には、前記集光レンズの位置を変化させてスポットの径を変化させると、該集光レンズの焦点がはんだ付け対象と一致しなくなり、前記ＣＣＤカメラによるはんだ付け対象の撮像が困難になることが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００１−１９８６７０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５４２９９号公報
【特許文献３】特開平６−１９０５７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポット径の調整を、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させることなく、また、ＣＣＤカメラによるはんだ付け対象の撮像に影響を及ぼすことなく行うことができる、簡単で合理的な設計構造を有するはんだ付けヘッドを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明のレーザー用はんだ付けヘッドは、レーザー光を導入するレーザー導入部と、レーザー光をはんだ付け対象に投射するレーザー投射口とを有するハウジングの内部に、前記レーザー光の光軸に沿って前記レーザー導入部側からレーザー投射口側に向けて順番に、前記光軸に沿って可動の入光レンズと、前記光軸に対して４５度傾斜する半透鏡と、一定の位置に固定された集光レンズとを配設すると共に、前記ハウジングに、前記半透鏡及び集光レンズを介してはんだ付け対象の画像を撮像するＣＣＤカメラを取り付け、前記ハウジングに、前記入光レンズの位置を調整する位置調整機構を設けて、該位置調整機構で前記入光レンズの位置を前記光軸に沿って調整することにより、前記はんだ付け対象に投射されるレーザー光のスポットの径を調整可能としたことを特徴とするものである。
【００１０】
前記位置調整機構は、前記光軸と平行に配設された螺子軸と、該螺子軸を回転駆動する電動モータと、前記螺子軸に螺合して該螺子軸の回転により該螺子軸に沿って移動するナット部材と、前記入光レンズを保持するレンズホルダーとを有し、該レンズホルダーと前記ナット部材とが相互に連結されている構成であることが望ましい。
また、前記位置調整機構は、前記螺子軸に平行に配設されたガイド軸と、該ガイド軸に沿って摺動自在のスライダとを有し、該スライダが前記レンズホルダーに連結されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、はんだ付け対象に投射するレーザー光のスポット径の調整を、入光レンズの位置を光軸に沿って調整することにより、従来のようにはんだ付けヘッドとはんだ付け対象との距離を相対的に変化させることなく、簡単に行うことができる。しかもその際、レーザー導入部側の入光レンズとレーザー投射口側の集光レンズのうち、該集光レンズの位置を調整するようにしたので、ＣＣＤカメラによるはんだ付け対象の撮像に影響を及ぼさない。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係るレーザー用はんだ付けヘッドの一実施形態を示す縦断面図で、入光レンズが原点位置にある状態を示すものである。
【図２】図１の右側面図である。
【図３】前記入光レンズの位置を調整してスポット径を拡大した状態、及びはんだノズルを図１とは異なる位置に移動させた状態を示す断面図である。
【図４】図３の右側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図は本発明に係るレーザー用はんだ付けヘッドの一実施形態を示すもので、このはんだ付けヘッドは、はんだ付けロボットのアームに取り付けて使用されるもので、不図示のレーザー発振器から出力されたレーザー光３を導入してはんだ付け対象４に投射するための投射部１と、前記はんだ付け対象４をＣＣＤカメラ５で撮像するための撮像部２とを有すると共に、前記はんだ付け対象４に線状はんだ７を供給するためのはんだノズル６を有している。
【００１４】
前記投射部１は、前記レーザー光３の光軸Ｌ１に沿って図の上下に真っ直ぐ延びる主ハウジング１１を有している。該主ハウジング１１は、前記光軸Ｌ１に沿って上方から下方に向けて順に、第１ハウジング部分１１ａと第２ハウジング部分１１ｂと第３ハウジング部分１１ｃとを有していて、前記第１ハウジング部分１１ａの上端部に、前記レーザー発振器から光ファイバー１４を通じてレーザー光３を導入するためのレーザー導入部１３が形成され、前記第３ハウジング部分１１ｃの下端部に、先細り状の投射ノズル１５が連結されて、該投射ノズル１５の先端部に、前記レーザー光３をはんだ付け対象４に向けて投射するためのレーザー投射口１６が形成されている。なお、前記光軸Ｌ１と前記主ハウジング１１の軸線とは実質的に一致している。従って、以下の説明においては、前記軸線にも符号Ｌ１を付すものとする。
【００１５】
前記レーザー導入部１３には、前記光ファイバー１４を接続するためのコネクタ１７が設けられ、該コネクタ１７に接続された前記光ファイバー１４の先端部１４ａから、レーザー光３が、先広がり状態で出射されるようになっている。従って、前記光ファイバー１４の先端部１４ａは実質的に光源としての役目を果たすものであり、このため以下の説明においては、前記レーザー導入部１３における前記光ファイバー１４の先端部１４ａを「光源」と呼ぶものとする。
【００１６】
前記主ハウジング１１における第１ハウジング部分１１ａの内部には、前記レーザー導入部１３から導入された先広がり状のレーザー光３を円形の平行光又は平行光に近い形に変換する入光レンズ２０が、前記光軸Ｌ１に沿って可動に設けられたレンズホルダー２１に保持された状態で配設され、前記第３ハウジング部分１１ｃの内部には、前記入光レンズ２０からのレーザー光３を集光して前記レーザー投射口１６からはんだ付け対象４にスポット状に投射する集光レンズ２２が、前記レーザー投射口１６の近くの定位置において該第３ハウジング部分１１ｃに固定された状態で配設され、前記第２ハウジング部分１１ｂの内部には、前記入光レンズ２０から集光レンズ２２に向かうレーザー光３は透過させるが、前記はんだ付け対象４から前記集光レンズ２２を通して入射される可視光８は反射する半透鏡２３が、前記光軸Ｌ１に対して４５度傾斜する姿勢で配設されている。
【００１７】
一方、前記撮像部２は、前記主ハウジング１１の第２ハウジング部分１１ｂから分岐して前記第１ハウジング部分１１ａと平行に延びる副ハウジング１２を有し、該副ハウジング１２の上端に前記ＣＣＤカメラ５が取り付けられている。また、該副ハウジング１２の内部には、前記半透鏡２３で水平方向に反射された平行光としての可視光８を上向きに反射する全反射鏡２４と、該全反射鏡２４で反射された可視光８を集光して前記ＣＣＤカメラ５に結像させる結像レンズ２５とが、撮像用光軸Ｌ２に沿って配設されている。
前記主ハウジング１１と副ハウジング１２とは、前記はんだ付けヘッドのハウジング１０を構成するものである。
【００１８】
前記ＣＣＤカメラ５で撮像されたはんだ付け対象４の画像は、図示しないモニターに表示され、例えば、はんだ付けを行う前のティーチングの段階で、この画像を見ながらはんだ付け対象４に対するレーザービームの投射位置の位置決めを行うのに使用されたり、はんだ付け時にそのはんだ付けが正常に行われているか否かといったようなことを監視するのに使用される。
【００１９】
前記主ハウジング１１における前記第１ハウジング部分１１ａの、前記入光レンズ２０に隣接する位置には、該入光レンズ２０の位置を前記光軸Ｌ１に沿って調整するための位置調整機構２８が設けられている。
前記位置調整機構２８は、前記第１ハウジング部分１１ａの外側面に取り付けられた上方の支持部材２９ａ及び下方の支持部材２９ｂと、該上方の支持部材２９ａ及び下方の支持部材２９ｂに上端及び下端を回転自在に支持されて前記光軸Ｌ１と平行に配設された螺子軸３０と、前記上方の支持部材２９ａ上に載置された電動モータ３１と、該電動モータ３１の回転軸３１ａに取り付けられた小径の駆動歯車３２と、前記螺子軸３０に取り付けられて該駆動歯車３２と噛合する大径の従動歯車３３と、前記螺子軸３０に螺合して該螺子軸３０の回転により該螺子軸３０に沿って移動するナット部材３４と、前記入光レンズ２０を保持する前記レンズホルダー２１とを有し、該レンズホルダー２１と前記ナット部材３４とが、前記第１ハウジング部分１１ａの側面の縦長の窓孔３５から延出する連結アーム２１ａを介して相互に連結されている。
【００２０】
また、前記位置調整機構２８は、前記上方の支持部材２９ａと下方の支持部材２９ｂとに上端と下端とを支持されることによって前記螺子軸３０に平行に配設されたガイド軸３７と、該ガイド軸３７に沿って摺動自在のスライダ３８とを有し、該スライダ３８が前記レンズホルダー２１又はナット部材３４に連結され、前記ガイド軸３７とスライダ３８とによって前記入光レンズ２０の上下動を案内するように構成されている。前記ガイド軸３７は、前記螺子軸３０の両側の対称をなす位置に２つ設けることもできる。
【００２１】
前記螺子軸３０、ナット部材３４、駆動歯車３２、従動歯車３３、ガイド軸３７及びスライダ３８は、前記上下の支持部材２９ａ，２９ｂに取り付けられたカバー３６によって覆われていることが望ましい。
【００２２】
そして、前記電動モータ３１を正、逆に回転させると、前記螺子軸３０が正、逆に回転し、それに伴って前記ナット部材３４とレンズホルダー２１とが該螺子軸３０に沿って上下動し、前記入光レンズ２０の位置が前記光軸Ｌ１に沿って図の上下方向に調整されるようになっている。
前記電動モータ３１には、パルスモータを用いることが望ましい。このパルスモータは、回転数や回転角度等を正確に制御することができるので、前記入光レンズ２０の位置を正確に把握しかつ制御することができる。しかし、前記入光レンズ２０の位置を電磁的方法や光学的方法等によって検出する位置センサを別に設けることもできる。
【００２３】
前記入光レンズ２０は、通常、図１に示すように、前記位置調整機構２８によって原点位置Ａに保持されている。この原点位置Ａは、前記レーザー導入部１３即ち光源１４ａから導入された先広がり状のレーザー光３を、該入光レンズ２０で前記光軸Ｌ１と平行な平行光に変換する位置であり、該入光レンズ２０が原点位置Ａにあるとき、該入光レンズ２０の焦点は前記光源１４ａに一致している。また、平行光の状態で前記集光レンズ２２に入射されたレーザー光３は、該集光レンズ２２の焦点の位置に集光する。
【００２４】
従って、前記入光レンズ２０が原点位置Ａに保持されている状態で、はんだ付け対象４を前記集光レンズ２２の焦点の位置に配置すれば、該はんだ付け対象４に投射されるスポットＳの径は最小になり、前記はんだ付け対象４を、前記集光レンズ２２の焦点の位置より該集光レンズ２２側に近づけて配置すれば、前記スポットＳの径は、前記はんだ付け対象４を前記焦点上に配置した場合より大きくなる。
【００２５】
いま、前記はんだ付け対象４が前記集光レンズ２２の焦点の位置に配置されている場合に、前記入光レンズ２０の位置を原点位置Ａと光源１４ａとの間で調整することにより、前記はんだ付け対象４に投射されるレーザービームのスポットＳの径を大小に調整することができる。
【００２６】
即ち、前記電動モータ３１で前記螺子軸３０を正回転させて、図３及び図４に示すように、前記ナット部材３４を該螺子軸３０に沿って図の上方に移動させ、前記入光レンズ２０を前記原点位置Ａから光源１４ａ側に移動させると、該光源１４ａが、前記入光レンズ２０の焦点の位置より該入光レンズ２０に近づくため、該光源１４ａから先広がりの状態で入光レンズ２０に入射したレーザー光３は、該入光レンズ２０によって平行光よりもやや拡大された拡大光の状態に変換される。そして、この拡大光の状態に変換されたレーザー光３は、そのまま半透鏡２３を透過して前記集光レンズ２２に入射され、該集光レンズ２２で収束されて該集光レンズ２２の焦点より遠くの位置に集光されることになる。このため、前記はんだ付け対象４に投射されるレーザー光３のスポットＳの径は、前記入光レンズ２０が原点位置ＡにあるときのスポットＳの径より大きくなる。
【００２７】
逆に、前記レーザー光３のスポットＳの径を大きく調整した状態から、前記電動モータ３１により前記螺子軸３０を逆回転させて前記ナット部材３４を該螺子軸３０に沿って図の下方に移動させ、前記入光レンズ２０を前記原点位置Ａに近づけると、前記光源１４ａが該入光レンズ２０から遠ざかって焦点の位置に近づくため、該入光レンズ２０から出射されるレーザー光３は次第に平行光に近づいていく。このため、前記集光レンズ２２によるレーザー光３の集光位置も次第に該集光レンズ２２の焦点に近づくことになり、その結果、前記はんだ付け対象４に投射されるレーザー光３のスポットＳの径は次第に小さくなる。
【００２８】
また、前記はんだ付け対象４が、予め前記集光レンズ２２の焦点の位置より該集光レンズ２２に近い位置に配置されている場合にも、前記入光レンズ２０の位置を調整することにより、前記はんだ付け対象４に投射されるレーザービームのスポットＳの径を調整することができる。この場合、初期状態において、前記はんだ付け対象４に投射されるスポットＳの径は、該はんだ付け対象４が前記集光レンズ２２の焦点の位置にある場合より大きく設定されているが、前記入光レンズ２０を原点位置Ａから前記集光レンズ２２に近づく方向（光源１４ａから遠ざかる方向）に変位させることにより、前記スポットＳの径を小さく調整することができる。なお、図示した実施形態では、前記入光レンズ２０の原点位置Ａが第１ハウジング部分１１ａの下端部近くに設定されているが、該入光レンズ２０を前述したように原点位置Ａから前記集光レンズ２２に近づく方向に変位させるように構成する場合には、その移動が可能な位置に前記原点位置Ａが設定される。
【００２９】
そして、前記電動モータ３１を逆方向に回転させ、前記入光レンズ２０を前記原点位置Ａから前記集光レンズ２２に近づく方向に移動させると、該入光レンズ２０の焦点から光源１４ａが遠ざかるため、該光源１４ａから先広がりの状態で該入光レンズ２０に入射したレーザー光３は、該入光レンズ２０によって平行光よりもやや収束された収束光の状態に変換される。そして、この収束光の状態に変換されたレーザー光３は、そのまま半透鏡２３を透過して前記集光レンズ２２に入射され、該集光レンズ２２で更に収束されて該集光レンズ２２の焦点より手前の位置に集光されることになる。このため、前記はんだ付け対象４に投射されるレーザー光３のスポットＳの径は小さくなる。
【００３０】
このように、前記入光レンズ２０の位置を光軸Ｌ１に沿って調整することにより、はんだ付けヘッドとはんだ付け対象４との距離を相対的に変化させることなく、該はんだ付け対象４に投射されるレーザー光３のスポットＳの径を調整することができる。
【００３１】
一方、前記はんだ付け対象４は、前記ＣＣＤカメラ５により、前記半透鏡２３及び集光レンズ２２を通じて常時撮像され、その状態が監視されているが、前記レーザー光３のスポットＳの径の調整は、前記入光レンズ２０の位置を調整することにより行われ、前記集光レンズ２２は一定の位置に固定されたまま移動しないので、該集光レンズ２２の焦点の位置も変化することはなく、このため、前記ＣＣＤカメラ５によるはんだ付け対象４の撮像に影響が及ばない。
【００３２】
また、前記はんだノズル６は、不図示のはんだ供給装置からチューブ６ｂを通じて送られる線状はんだ７を、先端の供給口６ａから前記はんだ付け対象４に向けて必要量ずつ供給するもので、前記ハウジング１０に、ノズル取付機構４０を介して、該ハウジング１０の回りを回動可能なるように取り付けられ、駆動手段４１で駆動されるように構成されている。
【００３３】
前記ノズル取付機構４０は、前記第３ハウジング部分１１ｃの外周にベアリング４２を介して前記軸線Ｌ１を中心に回転自在なるように取り付けられた回転部材４３を有している。該回転部材４３には、前記第３ハウジング部分１１ｃの回りを回転自在の円環状をしたノズル支持部材４７が、前記回転部材４３の下面に固定された円環状の連結部材４８を介して連結され、前記ノズル支持部材４７の一端に、上下方向に延びる支持杆４９が、螺子５０で上下方向に位置調整可能に取り付けられ、該支持杆４９の先端に、連結軸４９ａを中心に角度調整可能なるようにノズル取付具５１が連結され、該ノズル取付具５１に、前記はんだノズル６が、連結軸５１ａを中心に傾斜角度を調整可能なるように連結されている。
前記ノズル支持部材４７及び連結部材４８のうち少なくとも一方は、前記円環状以外の形状、例えばアーム形をしていても良い。
【００３４】
図示した実施形態において、前記回転部材４３は歯車により形成され、また、前記駆動手段４１は電動モータ４４により形成されていて、該電動モータ４４が、前記第２ハウジング部分１１ｂの外側面に固定された支持台４５上に載置され、該電動モータ４４の駆動軸４４ａに取り付けられた駆動歯車４６が、前記回転部材４３の外周の歯に噛合している。前記電動モータ４４にはパルスモータを用いることが望ましい。
【００３５】
前記電動モータ４４の駆動軸４４ａと、駆動歯車４６と、回転部材４３と、連結部材４８とは、前記ハウジング１０に取り付けたカバー５２で覆われている。
【００３６】
そして、前記電動モータ４４を正逆方向に必要な角度回転させることにより、前記回転部材４３が従動回転し、それに追随して前記ノズル支持部材４７が正逆に回転することにより、該ノズル支持部材４７に支持された前記はんだノズル６が、図１及び図４に示すように、前記ハウジング１０の回りを正逆方向に必要な角度回動するようになっている。
【００３７】
このように前記はんだノズル６をハウジング１０の回りで回動させる理由は、前記はんだ付けヘッドを用いてはんだ付け対象４をはんだ付けする際に、該はんだ付けヘッドの位置及び姿勢等を、はんだ付け対象４である電子部品の配置や形状等に応じて様々に変更するが、その場合に、前記はんだノズル６が電子部品やはんだ付け装置に付随する他の部品等に接触するのを防止するためである。
【符号の説明】
【００３８】
３      レーザー光
４      はんだ付け対象
５      ＣＣＤカメラ
１０      ハウジング
１３      レーザー導入部
１６      レーザー投射口
２０      入光レンズ
２１      レンズホルダー
２２      集光レンズ
２３      半透鏡
２８      位置調整機構
３０      螺子軸
３１      電動モータ
３４      ナット部材
３５      窓孔
３６      カバー
Ｌ１      光軸（軸線）
Ｓ      スポット
【図１】
2015131313.tif 000003
【図２】
2015131313.tif 000004
【図３】
2015131313.tif 000005
【図４】
2015131313.tif 000006