(57)【要約】【課題】リニアアクチュエータおよび回転アクチュエータを小型化でき、Ｚ軸およびθ軸方向に高速・高精度な位置決めが可能な部品装着装置を提供する。【解決手段】部品を吸着するノズル３５を回転方向および上下方向に駆動する部品装着装置であって、回転アクチュエータ２０と、回転アクチュエータの固定子と相対運動不能に連結された固定子を有するリニアアクチュエータ２とを備える。回転アクチュエータの回転軸にスプライン軸２４が連結され、このスプライン軸に直進運動のみを許容され、下端部に吸着ノズルを設けたノズル連結軸２６が係合している。ノズル連結軸２６を回転軸受３１を介して取り囲む中空ホルダ３０がリニアアクチュエータ２の可動子に連結され、中空ホルダ３０はリニアアクチュエータ２の固定子に対してリニアガイド８を介して取り付けられる。【選択図】　　　　　　図４
2004088024.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を吸着する吸着ノズルを回転方向および上下方向に駆動する部品装着装置において、
回転アクチュエータと、
上記回転アクチュエータの固定子と相対運動不能に連結された固定子を有するリニアアクチュエータと、
上記回転アクチュエータの回転軸に連結されたスプライン軸と、
上記スプライン軸に対してスプライン軸方向の直進運動のみを許容され、下端部に吸着ノズルを設けたノズル連結軸と、
上記ノズル連結軸を上記スプライン軸回りの回転運動のみを許容する回転軸受を介して取り囲み、上記リニアアクチュエータの可動子に連結された中空ホルダと、
上記中空ホルダを上記いずれかのアクチュエータの固定子に対して、上記スプライン軸に平行な直進運動自在に案内するリニアガイドと、を備えたことを特徴とする部品装着装置。
【請求項２】
上記回転アクチュエータの固定子とリニアアクチュエータの固定子とは、ＸＹ方向に駆動される駆動機構の可動ヘッドに固定されていることを特徴とする請求項１に記載の部品装着装置。
【請求項３】
上記リニアアクチュエータの可動子と固定子との間に、可動子、吸着ノズルおよびノズル連結軸を含む可動部分の重量と、上記リニアガイドおよびスプライン軸の摺動摩擦力との和より僅かに大きなばね力で可動子を上方へ付勢するリターンスプリングが設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の部品装着装置。
【請求項４】
上記中空ホルダとノズル連結軸との間の円筒状の空間には密閉された気密室が形成され、
上記ノズル連結軸には、上記気密室の圧力雰囲気を吸着ノズルに伝える空気通路が形成され、
上記中空ホルダの外面には上記気密室に連通する空気ポートが設けられ、
上記空気ポートは真空吸引装置と接続されていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の部品装着装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電子部品を基板などに実装する際や、電子部品を組み立てる際の吸着ヘッドとして使用される部品装着装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体チップや圧電部品などの電子部品をプリント基板などの基板に実装する際、吸着ヘッドとして部品装着装置が用いられる。
このような部品装着装置の一例として、特開平５−８２９９８号公報のように、電子部品を吸着するノズルを回転させる回転型モータと、ノズルを上下動させる円筒形リニアモータとをノズルと同軸上に設け、これらモータの可動子とノズルとが一体となって回転あるいは上下動するノズルヘッドが提案されている。
【０００３】
また、特開平８−２０３９６６号公報のように、吸着ノズルと、上下動自在および回転自在に設けられ、吸着ノズルを下端に有する加圧シャフトと、加圧シャフトを回動させる超音波モータと、加圧シャフトを上下方向に移動させるボイスコイルモータとを設け、加圧シャフトがボイスコイルモータおよび超音波モータを貫いて設けられた半導体実装装置が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前者の場合、円筒形リニアモータとしてボイスコイルモータを用いる場合、シャフトがボイスコイルモータの中心を貫いているため、中心部をコアとして利用することができず、有効に推力を発生できない。そのため、ボイスコイルモータの大型化が避けられない。また、回転モータは、ボイスコイルモータのヨークやケーシングを含めて回転させているので、慣性が大きく、回転モータが大型化するという問題がある。さらに、ボイスコイルモータの可動コイルがシャフトと共に回転する場合、コイルへの電流供給が難しいという問題があった。
【０００５】
また、後者の場合も、中空の加圧シャフトがボイスコイルモータの中心を貫いているので、中心部をコアとして利用することができず、有効に推力を発生できないため、ボイスコイルモータの大型化を招く。また、ボイスコイルモータの可動側コイルはシャフトと共に回転するため、コイルへの電流供給が難しい。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、リニアアクチュエータおよび回転アクチュエータを小型化でき、Ｚ軸およびθ軸方向に高速・高精度な位置決めが可能な部品装着装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、部品を吸着する吸着ノズルを回転方向および上下方向に駆動する部品装着装置において、回転アクチュエータと、上記回転アクチュエータの固定子と相対運動不能に連結された固定子を有するリニアアクチュエータと、上記回転アクチュエータの回転軸に連結されたスプライン軸と、上記スプライン軸に対してスプライン軸方向の直進運動のみを許容され、下端部に吸着ノズルを設けたノズル連結軸と、上記ノズル連結軸を上記スプライン軸回りの回転運動のみを許容する回転軸受を介して取り囲み、上記リニアアクチュエータの可動子に連結された中空ホルダと、上記中空ホルダを上記いずれかのアクチュエータの固定子に対して、上記スプライン軸に平行な直進運動自在に案内するリニアガイドと、を備えたことを特徴とする部品装着装置を提供する。
【０００８】
回転アクチュエータの回転は、スプライン軸を介してノズル連結軸に伝達される。下端部に吸着ノズルを設けたノズル連結軸はスプライン軸に対して直進運動自在である。このノズル連結軸を回転自在に保持する中空ホルダはリニアアクチュエータの可動子に連結されている。そのため、リニアアクチュエータを駆動してホルダを上下動させると、ノズル連結軸もホルダと共に上下に移動する。このとき、ノズル連結軸とスプライン軸とは軸方向に移動自在であるから、スプライン軸からの回転運動はノズル連結軸がどの位置にあっても伝達できる。したがって、ノズル連結軸ひいては吸着ノズルを任意の位置まで上下動させることができるとともに、任意の向きに回転させることができる。
上記のように、リニアアクチュエータが作り出す上下動と、回転アクチュエータが作り出す回転動とを、スプライン軸、回転軸受、リニアガイドを用いた機構を介して吸着ノズルに伝達するので、リニアアクチュエータの固定子および回転アクチュエータの固定子を相互に固定することができ、互いの質量を駆動する必要がない。したがって、それぞれのアクチュエータの推力の負担が減り、回転アクチュエータおよびリニアアクチュエータ共に小型化が可能となる。
また、Ｚ軸、θ軸ともに、アクチュエータがダイレクトにノズルを駆動し、間接的な伝達機構を介していないので、高速・高精度な部品装着が可能である。なお、吸着ノズルはリニアアクチュエータの軸心に対して半径方向にオフセットしているので、ノズルの自重によってノズル部分に傾きが生じる可能性があるが、中空ホルダはリニアガイドによってガイドされているので、ノズルの傾きを防止でき、精度のよいピックおよびプレース動作を行うことが可能となる。
さらに、リニアアクチュエータおよび回転アクチュエータの中心をシャフトが貫く構成となっていないので、回転アクチュエータとして、例えば市販の小型のサーボモータを用いることが可能となる。また、リニアアクチュエータの中心部をコアとして利用することができ、有効に推力を発生することができる。そのため、リニアアクチュエータとしてボイスコイルモータを用いた場合、ボイスコイルモータの磁気回路をコンパクトに構成することができる。この場合、ボイスコイルモータの可動コイルは往復動を行なうのみで、回転する必要がないので、電流供給も容易である。
【０００９】
請求項２のように、回転アクチュエータの固定子とリニアアクチュエータの固定子とを、ＸＹ方向に駆動される駆動機構の可動ヘッドに固定するのがよい。
可動ヘッドに各アクチュエータの固定子を固定すれば、ＸＹ軸方向には駆動機構によって、θ軸方向には回転アクチュエータによって、さらにＺ軸方向にはリニアアクチュエータによってそれぞれ独立して駆動することができる。そのため、精度のよい部品装着が可能となる。
【００１０】
請求項３のように、リニアアクチュエータの可動子と固定子との間に、可動子、吸着ノズルおよびノズル連結軸を含む可動部分の重量と、リニアガイドおよびスプライン軸の摺動摩擦力との和より僅かに大きなばね力で可動子を上方へ付勢するリターンスプリングを設けるのがよい。
リニアアクチュエータを駆動して吸着ノズルを上下動させる場合、吸着ノズルを含む可動部には自重が作用しているので、リニアアクチュエータへの電流を停止すると、吸着ノズルが落下してしまう。そのため、一般にはリターンスプリングが設けられているが、リターンスプリングのばね力が大きいと、吸着ノズルを降下させるためにリニアアクチュエータの消費電力が大きくなる。そこで、リターンスプラインのばね力を可動部分の重量と、リニアガイドおよびスプライン軸の摺動摩擦力との和より僅かに大きく設定することで、少ない消費電力で吸着ノズルを降下させることが可能となる。
【００１１】
請求項４のように、中空ホルダとノズル連結軸との間の円筒状の空間には密閉された気密室が形成され、ノズル連結軸には、気密室の圧力雰囲気を吸着ノズルに伝える空気通路が形成され、中空ホルダの外面には気密室に連通する空気ポートが設けられ、空気ポートは真空吸引装置と接続されているのがよい。
吸着ノズルの吸着口に吸引圧力を発生させるため、真空吸引装置と吸着ノズルとを接続する必要がある。真空吸引装置からエアーホースを介して吸着ノズルに直接接続することも可能であるが、吸着ノズルは上下動と回転動とを行なうので、ホースが捩れたり、吸着ノズルの作動抵抗となる可能性がある。
そこで、真空吸引用のエアーホースを中空ホルダの外面に設けられた空気ポートに接続し、空気ポートから気密室、ノズル連結軸の空気通路を介して吸着ノズルに接続すれば、ホースは中空ホルダと共に上下に移動するだけで回転しないので、ホースが捩れたり、吸着ノズルの作動を阻害することもない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１〜図４は本発明にかかる部品装着ヘッドの第１実施例を示す。ここでは、部品として電子部品Ｐを、被取付面として基板Ｂを使用した。
この実施例の部品装着ヘッドＡは、ＸＹロボットのヘッド部などに取り付けられた支持板１を備え、支持板１の下部にリニアアクチュエータの一例であるボイスコイルモータ２の固定子（ヨーク）３が固定され、支持板１の上部に回転アクチュエータの一例であるサーボモータ２０の固定子２１が固定されている。
【００１３】
ボイスコイルモータ２は、図２に示すように、支持板１の下部に固定され、外ヨーク３ａと中心ヨーク３ｂとからなるヨーク３、外ヨーク３ａの内面に固定された磁石４、ヨーク３に対して上下動自在に挿通されたボビン５、ボビン５に巻回されたコイル６などで構成されている。コイル６は磁石４と軸方向にオーバーラップしている。この実施例では、固定側に磁石４、可動側にコイル６を設けたが、これとは逆に固定側にコイル６、可動側に磁石４を設けてもよい。
【００１４】
ボビン５の下端面には、略Ｌ字形の連結部材７の水平部が固定され、連結部材７の垂直部はヨーク３から半径方向へ突出し、この垂直部の一側面にガイドブロック１０が取り付けられている。ガイドブロック１０は、ヨーク３の外側面に固定されたガイドレール９によって上下方向にのみ移動自在に案内され、ガイドレール９とガイドブロック１０とによってリニアガイド８が構成される。連結部材７の垂直部の他側面には、後述する中空ホルダ３０が固定されている。そのため、中空ホルダ３０はヨーク３に対して正確で円滑な直線動作を行なうことができる。
【００１５】
連結部材７と支持板１との間には、図１に示すようにリターンスプリング１１が介装されており、電源オフ時にボイスコイルモータ２の可動子であるボビン５が上端位置に復帰するよう設計されている。リターンスプリング１１の引張力は、ボビン５、コイル６、後述する吸着ノズル３５およびノズル連結軸２６を含む可動部分の重量と、上記リニアガイド８および後述するボールスプライン軸２４の摺動摩擦力との和より僅かに大きな力に設定されている。なお、リターンスプリング１１は引張バネに限らず、圧縮バネでもよい。ボイスコイルモータ２の上下動を検出するため、リニアエンコーダ１２がヨーク３に固定され、リニアスケール１３が連結部材７に固定されている。リニアエンコーダ１２の信号をフィードバックすることにより、吸着ノズル３５を任意の上下位置に制御することができる。
【００１６】
サーボモータ２０はエンコーダ一体型のモータであり、エンコーダの信号をフィードバックすることにより、任意の回転位置に制御することができる。サーボモータ２０の回転軸２２は支持板１を貫通して下方へ延びており、回転軸２２にはカップリング２３を介してボールスプライン軸２４が連結されている。ボールスプライン軸２４はボールスプラインナット２５と組み合わせられ、ボールスプラインナット２５にはノズル連結軸２６の上端部が固定されている。したがって、ノズル連結軸２６はボールスプライン軸２４と一体に回転するが、上下動はボールスプライン軸２４とボールスプラインナット２５との間で逃がされるため、ノズル連結軸２６はボールスプライン軸２４に対して軸方向に自由に動くことができる。なお、ボールスプラインナット２５がボールスプライン軸２４から抜けないように、ガイドブロック１０の移動範囲を制限するストッパ（図示せず）をヨーク３の表面に設けてもよい。
【００１７】
ノズル連結軸２６は上記中空ホルダ３０の中を貫通しており、中空ホルダ３０とノズル連結軸２６はフランジ付きのベアリング（回転軸受）３１により上下２箇所で連結されている。このため、ノズル連結軸２６は、ホルダ３０に対して回転を行なうことはできるが、相対的な上下動を行なうことはできない。ボイスコイルモータ２を作動させると、ホルダ３０とノズル連結軸２６は一体となって上下に移動する。ベアリング３１は、ノズル連結軸２６の下部に設けられたねじ部に螺合するナット３２によって取り付けられているので、ノズル連結軸２６とホルダ３０との上下方向のガタが解消される。
【００１８】
ノズル連結軸２６と中空ホルダ３０とが作る略円筒状の空間には、２個のベアリング３１の内側に２個のシール３３が配置され、これら２個のシール３３の間には気密室３４が構成され、上下方向から空気の出入りができないようになっている。この実施例のシール３３は、Ｏリングなどのゴムリング３３ａの内周に、四フッ化エチレン樹脂リング３３ｂを組み合わせた組み合わせシールを用いた。なお、３７はシール止め具である。シール３３としては公知のオイルシールやＯリングを用いることはできるが、小型化が難しかったり、摺動摩擦が大きく、寿命が短いという問題がある。これに対し、上記の組み合わせシールを用いた場合には、ノズル連結軸２６が回転すると、樹脂リング３３ｂとノズル連結軸２６との間で滑りが発生し、ゴムリング３３ａとホルダ３０との間では滑りが発生しないので、ノズル連結軸２６は非常に小さな摺動抵抗で回転することができる。
【００１９】
ノズル連結軸２６の内部は中空構造となっており、内部の空気通路２７は下端に開口している。また、ノズル連結軸２６には、内部の空気通路２７と外部の気密室３４との間を連通させる通気穴２８が形成されている。ノズル連結軸２６の下端部には吸着ノズル３５が取り付けられている。吸着ノズル３５は、バネによる衝撃吸収機構を内蔵したもので、電子部品Ｐを吸着して基板Ｂへ搭載する際に、電子部品Ｐへの衝撃力を緩和する機能を有する。中空ホルダ３０の外面には上記気密室３４に連通する空気ポート３６が設けられ、この空気ポート３６にエアーホース（図示せず）が接続されている。エアーホースは図示しない真空吸引装置と接続されている。そのため、吸引圧力は空気ポート３６、気密室３４、通気穴２８、空気通路２７を介して吸着ノズル３５に伝えられる。
【００２０】
ここで、上記構成よりなる部品装着ヘッドＡの作動を図３，図４にしたがって説明する。
図３はボイスコイルモータ２の電源オフ状態であり、リターンスプリング１１のばね力により吸着ノズル３５を含む可動部は上限位置（原点）まで引き上げられた状態にある。
次に、ボイスコイルモータ２のコイル６に所定方向の電流を流すと、コイル６には磁束密度と電流とコイル導体長に比例した軸方向の推力が作用し、図４に示すように、コイル６と連結部材７を介して連結されたホルダ３０も下方向（Ｚ軸方向）へ移動する。ノズル連結軸２６はベアリング３１を介してホルダ３０に回転自在にかつ軸方向には移動不能に保持されているので、ボールスプライン軸２４とボールスプラインナット２５との係合状態を維持したまま、ノズル連結軸２６は下方へ移動することができる。そのため、ノズル連結軸２６の下端部に取り付けられた吸着ノズル３５も降下し、その先端に吸着された電子部品Ｐを基板Ｂに搭載することができる。
電子部品Ｐを基板Ｂに搭載する際、電子部品Ｐのθ軸方向の向きを調整する場合には、サーボモータ２０を駆動し、電子部品Ｐが適正な向きになるように回転させればよい。このとき、サーボモータ２０の回転は、ボールスプライン軸２４、ボールスプラインナット２５を介してノズル連結軸２６に伝えられ、ホルダ３０にはベアリング３１によって回転力が伝達されないので、ノズル連結軸２６を小さいトルクで回転させることができる。そのため、電子部品Ｐの向きを精度よく補正できる。
上記のようにノズル連結軸２６を上下方向および回転方向に作動させた場合でも、空気ポート３６はホルダ３０に設けられているので、空気ポート３６の位置は上下に変位するのみであり、エアーホースに捩れや屈曲が生じにくく、吸着ノズル３５に全く負荷をかけない。しかも、ホルダ３０の空気ポート３６からノズル連結軸２６の内部に設けられた空気通路２７への通路は、ノズル連結軸２６が回転しても開口面積が一定しているので、空気圧が低下することがなく、吸着ノズル３５に安定した吸着力を発生させることができる。
【００２１】
上記のように部品装着ヘッドＡは、サーボモータ２０とノズル連結軸２６および吸着ノズル３５とが同一軸線上に設けられ、サーボモータ２０の回転トルクを吸着ノズル３５に直接伝えることができるので、サーボモータ２０を小型化できるとともに、高精度にθ軸方向の位置決めが可能である。
また、ボイスコイルモータ２は、ノズル連結軸２６およびホルダ３０を上下に駆動するのみであり、サーボモータ２０やボールスプライン軸２４を上下に駆動する必要がない。そのため、ボイスコイルモータ２の推力は比較的小さくて済み、小型化できる。ボイスコイルモータ２の軸線はノズル連結軸２６および吸着ノズル３５の軸線に対して半径方向にオフセットしているが、ノズル連結軸２６を保持するホルダ３０はリニアガイド８によって上下方向にのみ案内されているので、吸着ノズル３５に傾きが発生せず、正確なピック＆プレース動作を行なうことができる。
【００２２】
図５は上記部品装着ヘッドＡを用いた実装装置の一例を示す。
この実装装置は、部品装着ヘッドＡを４連で装備したマルチヘッド４０を搭載している。マルチヘッド４０を支えるＹ軸ビーム４１は、サーボモータ４２とボールネジ４３とリニアガイド４４とを備えており、Ｙ軸ビーム４１の両端部は、Ｘ軸方向に駆動される２つのリニアモータ４５，４６により支えられている。Ｙ軸ビーム４１およびリニアモータ４５，４６は、いずれも図示しないリニアスケールとリニアエンコーダとを用いたフィードバック制御が実施され、マルチヘッド４０はＸＹ平面の任意の位置に位置決めすることができる。
上記リニアモータ４５，４６を支持した実装テーブル４７上には、供給基板４８と装着基板４９とが配置されている。そして、Ｙ軸ビーム４１およびリニアモータ４５，４６のＸＹ軸の動きと協調して、部品装着ヘッドＡの各ノズルをＺ軸およびθ軸方向に独立に制御可能である。そのため、供給基板４８から装着基板４９へ電子部品を正確に移載することができる。
【００２３】
上記実施例では、リニアアクチュエータとしてボイスコイルモータ２を用いた例を示したが、ボイスコイルモータに代えて、サーボモータとボールネジとリニアガイドとの組み合わせや、エアシリンダなどを用いてもよい。前者の場合には、リニアアクチュエータのリニアガイドで、中空ホルダをスプライン軸に平行な直進運動自在に案内するリニアガイドを兼用することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、請求項１に係る発明によれば、リニアアクチュエータの上下動と回転アクチュエータの回転動とを、スプライン、回転軸受、リニアガイドを用いた機構を介して吸着ノズルに伝達するので、リニアアクチュエータの固定子および回転アクチュエータの固定子を相互に固定することができ、互いの質量を駆動する必要がない。したがって、上下駆動部分の質量を小さくできるとともに、回転部分の慣性を小さくでき、回転アクチュエータおよびリニアアクチュエータを共に小型化することができる。
また、カムやクラッチなどを用いずに、Ｚ軸，θ軸機構が独立してモジュール化されているので、任意の数のノズルを持ったマルチヘッドをコンパクトに構成することができ、かつＺ軸，θ軸を独立に制御可能である。
さらに、Ｚ軸、θ軸ともに、アクチュエータがダイレクトにノズルを駆動し、間接的な伝達機構を介していないので、高速・高精度な部品装着が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる部品装着装置の一例の斜視図である。
【図２】図１に示す部品装着装置の断面図である。
【図３】図２の要部の拡大図である。
【図４】図２の要部の動作状態における断面図である。
【図５】図１に示す部品装着装置を用いた実装装置の斜視図である。
【符号の説明】
Ｐ　　　　　電子部品
Ｂ　　　　　基板（被取付面）
１　　　　　　　　　支持板
２　　　　　ボイスコイルモータ（リニアアクチュエータ）
３　　　　　ヨーク（固定子）
５　　　　　ボビン（可動子）
７　　　　　連結部材
８　　　　　リニアガイド
１１　　　　　　　　リターンスプリング
２０　　　　　　　　サーボモータ（回転アクチュエータ）
２２　　　　回転軸
２４　　　　　　　　ボールスプライン軸
２６　　　　　　　　ノズル連結軸
３０　　　　中空ホルダ
３１　　　　ベアリング（回転軸受）
３５　　　　　　　　吸着ノズル
【図１】
2004088024.tif 000003
【図２】
2004088024.tif 000004
【図３】
2004088024.tif 000005
【図４】
2004088024.tif 000006
【図５】
2004088024.tif 000007