(57)【要約】【課題】  部品のピック・アンド・プレイス機械用スピンドル・アセンブリを提供すること。【解決手段】  スピンドルが収容されているハウジングを有し、スピンドルは当該スピンドル軸線方向に沿ってハウジング内を移動し、ハウジングはスピンドルの内部ボアへの空気流を制御する弁を収容しており、スピンドルの内部ボアは、部品をピック・アンド・プレイスするために用いる空気流を通すために、一端に開口を備えており、弁からスピンドルの内部ボアへの空気流が、通路を介してハウジングの内部に形成されている。【選択図】  図１
2004282009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スピンドルが収容されているハウジングを有し、
前記スピンドルは当該スピンドル軸線方向に沿って前記ハウジング内を移動し、
前記ハウジングは前記スピンドルの内部ボアへの空気流を制御する弁を収容しており、
前記スピンドルの前記内部ボアは、部品をピック・アンド・プレイスするために用いる空気流を通すために、一端に開口を備えており、
前記弁から前記スピンドルの前記内部ボアへの空気流が、通路を介して前記ハウジングの内部に形成される部品ピック・アンド・プレイス機械用のスピンドル・アセンブリ。
【請求項２】
請求項１において、
前記通路が前記ハウジングの内部に一体的に形成されているスピンドル・アセンブリ。
【請求項３】
請求項１において、
前記弁が前記スピンドルから３インチあるいはそれ未満の距離内にあるスピンドル・アセンブリ。
【請求項４】
請求項１において、
前記弁が、２ミリ秒未満の間で、全開位置から全閉位置、あるいはその逆に切り換わるようになっているスピンドル・アセンブリ。
【請求項５】
請求項１において、更に、
前記スピンドルに真空圧を生成するために、前記空気流の通路内にベンチュリを有しているスピンドル・アセンブリ。
【請求項６】
請求項３において、
前記スピンドルの先端における空気流が、部品を保持するための真空圧、または部品を離すための空気圧となっているスピンドル・アセンブリ。
【請求項７】
請求項１において、
前記弁が、０．８ミリ秒あるいはそれ以下の間で、全開位置から全閉位置に、あるいはその逆に切り換わるようになっているスピンドル・アセンブリ。
【請求項８】
請求項１において、更に、
第２の弁と、ベンチュリと、膨張室とを有し、
前記通路は、
前記ベンチュリの第１の端部に供給される空気により前記スピンドルに加えられるべき真空が生成されるように、前記の２つの弁のうちの第１の弁と前記ベンチュリの前記第１の端部を相互に連通している第１の分岐路と、
前記ベンチュリの第２の端部に供給される空気により前記スピンドルにおいて空気脈動が生成されるように、前記２つの弁のうちの第２の弁と前記ベンチュリの前記第２の端部を相互に連通している第２の分岐路と、
前記ベンチュリと前記スピンドルを相互に連通している第３の分岐路とを備えており、
前記膨張室が、前記スピンドルに加えられる空気圧の変化を調整するために、前記第２の弁と前記スピンドルの間に配置されているスピンドル・アセンブリ。
【請求項９】
請求項８において、
前記弁のそれぞれが、２ミリ秒未満の間で、全開位置から全閉位置に、またはその逆に切り換わるようになっているスピンドル・アセンブリ。
【請求項１０】
請求項１において、
前記弁が前記ハウジング内に備えられているスピンドル・アセンブリ。
【請求項１１】
請求項１において、
前記通路のうちの少なくともいくつかは、前記ハウジング内に穴あけすることにより形成されたものであるスピンドル・アセンブリ。
【請求項１２】
請求項１において、
前記通路のうちの少なくともいくつかは、前記ハウジング内に成形されたものであるスピンドル・アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スピンドル駆動アセンブリに関し、さらに詳細には、ピック・アンド・プレイス機械のスピンドル駆動アセンブリで使用される高速システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、限定的ではないが、主に、電子部品組み立て業界ではピック・アンド・プレイス機械として知られている機械に関する。ピック・アンド・プレイス機械では、スピンドル・アセンブリに取り付けたスピンドルを、ダイまたは他の電子部品と接触状態にして、ダイまたは部品をピックアップする。次いで、スピンドル・アセンブリを別の位置に移動させ、スピンドルによってピックアップしたダイまたは部品を組み立てに適した位置に配置する。
【０００３】
従来のピック・アンド・プレイス機械において、スピンドル・アセンブリの一つの形式では真空スピンドルを利用している。真空スピンドルは、スピンドルの下方端部の先端にノズルを備えている。スピンドルの先端のノズルを真空にして、スピンドルがダイまたは部品をピックアップできるようにする。次いで、スピンドルをダイまたは部品を配置するのに適した位置に移動させる。ダイまたは部品をスピンドルから引き離すには、しばしばエアキスと呼ばれる空気脈動をノズルに与えて、ダイまたは部品をスピンドルの先端から吹き飛ばすようにしている。
【０００４】
従来のピック・アンド・プレイス機械では、ベンチュリに圧縮空気を加え、ベンチュリが真空を生成することによって、真空をもたらす。次いで、部品をピックアップするためにスピンドルに真空を供給する。さらに、ダイまたは部品を離すために、圧縮空気もノズルの先端に直接加えられていた。
【０００５】
従来のピック・アンド・プレイス機械は、組み立て時間を最大にするために、複数のスピンドル・アセンブリを備えたピック・アンド・プレイス・ヘッドを有することができる。しかし、各スピンドル・アセンブリと共に使用される従来の弁アセンブリは比較的大きい。したがって、ピック・アンド・プレイス・ヘッドの関連部分に可能な限り多くのスピンドル・アセンブリを嵌めるために、弁アセンブリはスピンドル・アセンブリから離して配置されていた。弁アセンブリをスピンドル・アセンブリから離して配置する欠点は、ベンチュリに加えられた真空がノズル先端に到達するのに要する時間が、ピック・アンド・プレイス機械の処理時間に付加されてしまうことである。
【０００６】
ピック・アンド・プレイス・ヘッドで使用されるいくつかの従来の弁アセンブリは、起動時間が約４．５ミリ秒かかる。したがって、従来のピック・アンド・プレイス機械では、この起動時間を、弁アセンブリが配置されているスピンドル・アセンブリからの距離と共に考慮する場合、真空が所望のレベル、通常約２０水銀柱インチに達するのに要する時間は約４０ミリ秒である。
【０００７】
他の従来のアセンブリでは、弁がスピンドル・ヘッド・フレームに取り付けられているが、管を用いてスピンドルに接続されている。このような構成は組み立てが困難である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、起動時間を短縮できるピック・アンド・プレイス装置用ピック・アンド・プレイス・ヘッドを提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、スピンドルに隣接して配置して、ノズル先端に加えるべき空気圧である真空を形成するために要する時間を最小にできるように、弁アセンブリが充分に小さい、ピック・アンド・プレイス装置用スピンドル・アセンブリを提供することである。
【００１０】
本発明の他の目的は、弁の起動時間を短縮して処理時間を最小にすることができる、ピック・アンド・プレイス装置用弁アセンブリを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一実施形態によれば、部品のピック・アンド・プレイス装置用スピンドル・アセンブリは、スピンドルが収容されているハウジングを有し、前記スピンドルは当該スピンドル軸線方向に沿って前記ハウジング内を移動し、前記ハウジングは前記スピンドルの内部ボアへの空気流を制御する弁を収容しており、前記スピンドルの前記内部ボアは、部品をピック・アンド・プレイスするために用いる空気流を通すために、一端に開口を備えており、前記弁から前記スピンドルの前記内部ボアへの空気流が、通路を介して前記ハウジングの内部に形成されるようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明によるピック・アンド・プレイス機械のためのスピンドル・アセンブリ１０の好ましい例の実施形態の断面図である。この断面図は、図２の線Ｉ−Ｉに沿って切り取られたものである。スピンドル・アセンブリ１０は、アセンブリ動作中に、電子部品をピックアップし、それらを目的の位置に装着するためのピック・アンド・プレイス・ヘッドで使用される。
【００１３】
次に図１に注目すると、スピンドル・アセンブリ１０は、スピンドル１２をその中で支持する垂直のキャビティを備えたフレームまたはハウジング１６を有している。ノズル１４はスピンドル１２の下方端部にある。ノズル１４は、スピンドル１２の一部であり、スピンドル１２によってピックアップすべきダイおよび部品と接触する。
【００１４】
図１において分かるように、スピンドル１２の少なくとも一部は中空であり、したがって真空または空気圧を通すことのできる通路１５を形成している。ノズル１４の下方最端部は開放されており、真空または空気圧を加えて、ダイまたは部品がノズル１４によってピックアップされ、引き離されることができるようになっている。
【００１５】
少なくとも図１、３、および４において分かるように、２つの弁１８、２０がスピンドル・アセンブリ・フレーム１６に搭載されている。各弁１８、２０は、通路２２を介して圧縮空気源に連結されている。電気的接点２４が各弁の一端に設けられて、電流を与えて弁を作動できるようになっている。排気口５０が各弁体の側部に設けられて、圧縮空気が弁を通過できるようになっている。
【００１６】
本発明の好ましい一実施形態によれば、非常に短時間だけ電流を加えて弁を作動することができる。具体的には、電流を約２．５から１０アンペアで、約０．５から１ミリ秒間流すことで、弁を作動させて弁を開けるのに十分である。弁を作動させた場合、空気は吸気口５６から弁体を介して流れ、排気口５０から出ることができる。
【００１７】
弁を閉じるには、最初の駆動電流の極性とは逆極性の駆動停止用電流を弁に流す。この駆動停止用電流は駆動電流よりも小さな値である。駆動停止用電流を、約０．３アンペアで約０．１から０．５ミリ秒間、好ましくは０．１２ミリ秒間流すことができる。あるいは、駆動停止用電流は、一連の交流消磁（デガウシング）電流でもよい。弁に対する好ましい電圧は１２ボルトである。しかし、本発明は、上記の電圧、アンペア、および時間値に限定されるものではない。
【００１８】
本発明は、弁の特定の詳細に限定されるものではない。当業者は、本発明に他のタイプの弁を使用することもできることを考慮されたい。しかし、使用される弁は、小さいサイズで高速度のものが好ましい。
【００１９】
次に、図３および４に注目すると、本発明の一実施形態の空気流回路が示されている。本発明の好ましい実施形態の様々な構成要素が、概略的な形で示されているが、必ずしも原寸に比例して描かれたものではない。吸気口２２は圧縮空気源に連結され、圧縮空気を２つの弁１８、２０に送出するために使用される。
【００２０】
ベンチュリ３６もスピンドル・アセンブリ１０のフレーム１６に取り付けられている。空気通路２８は、弁２０の出口をベンチュリ３６の第１の端部に接続する。ベンチュリ３６は、空気圧がベンチュリ３６の第１の端部に供給された時に、ベンチュリ３６の出口３９に真空状態が生じるように構成されている。別の空気通路３８は、ベンチュリ３６の出口３９をスピンドル１２に接続している。したがって、弁２０が弁を開けるように作動する場合、圧縮空気源２２からの圧縮空気が空気通路２６を介して弁２０内に、空気通路２８を介してベンチュリ３６内に通る。ベンチュリ３６によって生成された真空は、次いで空気通路３８を介してスピンドル１２に供給される。
【００２１】
排気通路３４は、ベンチュリ３６の第２の端部から膨張室３２を介して延び、ピック・アンド・プレイス・ヘッドを駆動するモータを冷却するために使用される空気システムに至る。ただし、排気通路３４からの空気を用いてモータを冷却する必要はない。
【００２２】
膨張室３２は、最も単純な形態では、弁１８からスピンドル１２へ移動する空気脈動が膨張できるようにして、その圧力を調整する。好ましい実施形態では、膨張室３２はベンチュリ３６の第２の端部の周囲に固定された取囲み空間を含む。好ましい実施形態では、この膨張室は、膨張室の側部に開口２５を備え、その開口を介して空気が逃げることができる。図３において分かるように、通路３４はこの開口を介して延びている。別の空気通路３０が弁１８の出力側を膨張室３２に相互連通している。空気通路３０は、空気通路３０がベンチュリ３６の第２の端部から短かい距離で終わるように構築されている。この短い距離ということが、通路３０からベンチュリ３６に通過する空気脈動を調整する手段となる。しかし、代替の構成を用いて空気圧を調整することもできることを理解されたい。
【００２３】
弁１８が弁体を開けるように作動する場合、空気源２２からの圧縮空気は、弁１８を通過し、空気通路３０を通って膨張室３２内に入る。ベンチュリ３６の第２の端部は、空気通路３０から間隔を置いて配置されているため、弁１８および空気通路３０からの圧縮空気が膨張室３２に入った場合、空気圧はベンチュリ３６に入る前に調整され、空気の穏やかな脈動がベンチュリ３６を介して空気通路３８内へ入り、スピンドル１２に到る。したがって、空気の脈動を、弁１８を作動させることによってスピンドル１２に供給することができる。空気の脈動は、弁１８、空気通路３０、膨張室３２、ベンチュリ３６、空気通路３８を介してスピンドル１２まで通過する。容積、位置、距離、および排気口を含む、膨張室３２の構成は、弁１８から出る空気の脈動を調整するように選択される。したがって、膨張室３２は、空気の脈動を調整し、不必要な不意の空気の脈動がスピンドル１２に与えられるのを防ぐ。
【００２４】
好ましい一実施形態では、拡張室３２は内容積が約４５０立方ミリメートルである。
【００２５】
本発明の代替実施形態では、ベンチュリ３６の第２の端部を通路３４に直接連結し、膨張室３２を迂回させることができる。このような実施形態では、膨張室３２からの空気通路がスピンドル１２に直接連結される。したがって、空気脈動を、ベンチュリ３６を通過させる必要なく、膨張室３２を介して直接スピンドル１２内に向けることができる。
【００２６】
弁１８、２０は小型で軽量であるため、これらの弁を約０．５から０．８ミリ秒間で作動させることができる。ただし、本発明の代替実施形態では、これらの弁を１または２ミリ秒間、または他の適切な時間で作動させることができる。
【００２７】
本発明の好ましい実施形態では、各弁は重さ約４グラム、長さ約１９ミリメートル、および直径９ミリメートルである。ただし、本発明は、このような弁に限定されるものではなく、本発明に代わりのサイズおよび重さの弁を用いることもできる。好ましい実施形態の弁は、コロラド州、ウッドランド所在のスターマン・インダストリ（Ｓｔｕｒｍａｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ  ｏｆ  Ｗｏｏｄｌａｎｄ  Ｐａｒｋ，Ｃｏｌｏｒａｄｏ）で製造されたものである。
【００２８】
弁のサイズが小さいため、弁をスピンドル・アセンブリ１０のフレーム１６内に配置することができ、したがって弁をスピンドル１２に非常に近接して配置することができる。本発明の好ましい一実施形態では、弁は、スピンドル１２から約２インチのところにある。ただし代替実施形態では、弁は、スピンドル１２から５、４、または３インチ、あるいはこれより近いところでもよい。弁とスピンドルの間の距離が短いため、各動作中に真空にする必要がある連結通路内に存在する空気は比較的少量である。一実施形態では、真空排気すべき通路内の全体の容積は約５００立方ミリメートルである。したがって、弁をスピンドルの近くに配置することによって、作動時間が増加する。小さいサイズの弁、高速切替調整、および弁がスピンドル１２に近接していることが全て、非常に速い切換え速度をもたらす理由である。
【００２９】
本発明の他の態様では、図４で示した好ましい例の実施形態で見ることができるように、通路をフレームまたはハウジング１６内に直接形成することができる。具体的には、空気がシステム中を流れるように管を設ける代わりに、好ましい例の実施形態は、空気がシステム中を流れるように方向付けるため、掘削、穴あけ、成形、または他の方法でハウジング自体に形成された通路を備えている。
【００３０】
一実施形態では、ハウジング１６は、ポリエーテルイミドから成形される。たとえば、ジーイー・プラスチックス（ＧＥ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）による商品名ＵＬＴＥＭ（登録商標）として市販されているプラスチックを使用することができる。こうした実施形態では、通路２２、２６、２８、３０、３４、および３８など、通路のいくつかまたは全てをハウジング１６内に直接成形し、またはハウジングを成形した後にハウジング１６内に掘削する。好ましくは、いくつかの通路をハウジング１６内に直接成形し、他の通路は掘削する。
【００３１】
あるいは、ハウジング１６をプラスチックのブロックから機械加工することができる。または、ハウジング１６を成形し、成形処理後にハウジングのさらに細部を機械加工することができる。
【００３２】
好ましい開示の実施形態では、２つの弁が使用されている。しかし、１つだけ、または２つ以上の弁を備えた実施形態を使用することもできる。１つの弁は、スピンドルに加えられた真空圧だけを制御する。こうした実施形態では、空気脈動によって、配置動作中にスピンドル先端から部品を取り外すことができない。こうした実施形態は、重力だけによってスピンドルから簡単に取り外しできる比較的大きい部品を移動させることを目的とした装置にとってより有用である。
【００３３】
本明細書では好ましい実施形態だけを具体的に図で示し記載したが、本発明の精神および意図した範囲から逸脱することなく、上記の教示に照らし、頭記の特許請求の範囲内で、本発明の多くの修正および変更が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】図２の線Ｉ−Ｉに沿って切り取った、本発明の好ましい一実施形態によるスピンドル・アセンブリを示す断面図である。
【図２】本発明の好ましい実施形態によるスピンドル・アセンブリを示す側面図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態によるスピンドル・アセンブリを示す概略図である。
【図４】空気流の通路を示す、本発明の好ましい実施形態によるスピンドル・アセンブリを示す概略図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  スピンドル・アセンブリ
１２  スピンドル
１４  ノズル
１５  通路
１６  ハウジングまたはフレーム
１８、２０  弁
２２  空気供給源
２４  電気的接点
２５  開口
２６、２８、３０、３８  空気通路
３２  膨張室
３４  排気通路
３６  ベンチュリ
３９  出口
５０  排出口
５６  吸気口
【図１】
2004282009.tif 000003
【図２】
2004282009.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004282009.tif 000006
【外国語明細書】
INTEGRATED AIR FLOW CONTROL FOR A PICK AND PLACE SPINDLE ASSEMBLY
BACKGROUND OF THE APPLICATION
1.  Field of the Invention:
The present invention relates to a spindle driving assembly, and, more particularly, to a high speed system for use in a spindle driving assembly in a pick and place machine.
2.  Description of the Related Art:
The present invention relates primarily, although not exclusively, to machines known in the electronics assembly industry as pick and place machines.  In a pick and place machine, a spindle mounted on a spindle assembly is brought into contact with a die or other electronic component in order to pick up the d ie or component.  The spindle assembly is then moved to another location, where the die or component picked up by the spindle is then placed in an appropriate location for assembly.
In conventional pick and place machines, one type of spindle assembly utilizes a vacuum spindle.  A vacuum spindle includes a nozzle at a tip at a lower end of the spindle.  A vacuum is applied to the nozzle at the tip of the spindle in order to enable the spindle to pick up a die or component.  The spindle is then moved to an appropriate location for pl acing the die or component.  In order to detach the die or component from the spindle, a pulse of air, sometimes referred to as an air kiss, is applied to the nozzle in order to blow the die or component away from the tip of the spindle.
In conventional pick and place machines, the vacuum is created by applying pressurized air to a venturi, which in turn, creates a vacuum.  The vacuum is then directed to the spindle for picking up components.  In addition, in order to discharge the die or component, the pressurized air was also applied directly to the tip of the nozzle.
A conventional pick and place machine may have a pick and place head that includes a plurality of spindle assemblies in order to maximize assembly time.  However, the conventional valve assemblies used in conjunction with a respective spindle assembly were relatively large.  Accordingly, in order to fit as many spindle assemblies as possible in the pertinent portion of the pick and place head, the valve assembly was located remotely from the spindle assembly.  A disadvantage of locating the valve assembly remotely from the spindle assembly is that the time required for a vacuum applied at the venturi to reach the tip of the nozzle added to the processing time of the pick and place machine.
Some conventional valve assemblies used in a pick and place head had an actuating time of approximately 4.5 milliseconds.  Accordingly, in a conventional pick and place machine, when the actuating time is factored together with the distance that the valve assembly is located from the spindle assembly, the time for the vacuum to reach the required level, typically about 20 inches of mercury, is about 40 milliseconds.
In other conventional assemblies, the valves are mounted on the spindle head frame, but are connected to the spindles with tubes.  Such an arrangement is difficult to assemble.
OBJECTS AND SUMMARY
Accordingly, it is an object of the present invention to provide a pick and place head for a pick and place machine, wherein the actuating time can be reduced.  
It is a further object of the present invention to provide a spindle assembly for a pick and place machine, wherein the valve assembly is small enough so that it can be located adjacent the spindle in order to minimize the time required for the vacuum for  air pressure to be applied to the nozzle tip.
It is still another object of the present invention to provide a valve assembly for a pick and place machine, wherein the actuating time of the valve can be reduced in order to minimize processing time.  
According to one embodiment of the present invention, a spindle assembly for a component pick and place machine comprises a housing containing a spindle for movement therein along a longitudinal axis of the spindle; the housing accommodating a valve for controlling the flow of air to an inner bore of the spindle; the inner bore of the spindle having an opening at one end for communicating the flow of air for picking and placing the components; and th e flow of air from the valve to the inner bore of the spindle is internal to the housing through passageways.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
Figure 1 is a cross-sectional view of a spindle assembly according to a preferred embodiment of the present invention, taken along line I-I of Figure 2.
Figure 2 is a side elevational view of a spindle assembly according to the preferred embodiments of the present invention.
Figure 3 is a schematic view of a spindle assembly according to the preferred embodiments of the present invention.
Figure 4 is a schematic representation of the preferred embodiment of the present invention illustrating the air flow passages.
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
Figure 1 is a cross sectional view of a preferred exemplary embodiment of a spindle assembly 10 for a pick and place machine in accordance with the present invention.  The cross sectional view is taken along line I-I of Figure 2.  The spindle assembly 10 is used in a pick and place head, for picking up electronic components and placing them at their intended locations during an assembly operation.
Turning attention now to Figure 1, the spindle assembly 10 includes a frame or housing 16 which has a vertical cavity in which the spindle 12 is supported.  At a lower end of the spindle 12 is a nozzle 14.  The nozzle 14 is the portion of the spindle 12 that makes contact with the dies and componen ts to be picked up by the spindle 12.
As can be seen in Figure 1, at least a portion of the spindle 12 is hollow, thus creating a passage 15 through which a vacuum or air pressure may pass.  The lower most end of the nozzle 14 is open so that the vacuum or air pressure may be applied to enable the die or component to be picked up and to be detached by the nozzle 14.
As can be seen in at least Figures 1, 3, and 4, mounted on the spindle assembly frame 16 are two valves 18, 20.  Each of the valves 18, 20 is connected to a source of pressurized air via passage 22.  Electrical contacts 24 are provided at one end of each valve so that an electric current can be applied to actuate the valve.  An exhaust  port 50 is provided at a side of each of the valve bodies so as to allow compressed air to pass through the valves.
According to a preferred embodiment of the present invention, it is possible to actuate the valves with a very short application of current.  Specifically, the application of current for approximately 0.5 to 1 milliseconds at about 2.5 to 10 amps is sufficient to actuate the valves in order to open the valves.  When the valves are actuated, a ir can flow from the air inlet port 56 through the valve body and out through the air outlet port 50. 
In order to close the valve, a deactivating current is applied to the valve in an opposite polarity as the initial activating current.  The deactivating current is less than the activating current.  The deactivating current can be applied for about 0.1 to 0.5 milliseconds, preferably 0.12 milliseconds, at about 0.3 amps.  Alternatively, the deactivating current can be a seque nce of alternating degaussing currents.  The preferred voltage for the valves is 12 volts.  However, the present invention is not limited to the voltage, amp, and time values set forth above.
The present invention is not limited to the particular details of a valve.  One of ordinary skill in the art would contemplate that other types of valves could be used according to the present invention.  However, it is preferable that the valve used is of a small size and of a high speed .
Turning attention now to Figures 3 and 4, an air flow circuit of an embodiment of the present invention is illustrated.  The various components of the preferred embodiment of the present invention are illustrated in schematic form, and are not necessarily drawn to scale.  An air inlet 22 is connected to a source of pressurized air, and is used to deliver the pressurized air to the two valves 18, 20.
A venturi 36 is also mounted in the frame 16 of the spindle assembly 10.  An air passage 28 connects the outlet of valve 20 with a first end of the venturi 36.  The venturi 36 is constructed such that when an air pressure is delivered to the first end thereof, a vacuum is created at the outlet 39 of the venturi 36.  Another air passage 38 connects the outlet 39 of the venturi 36 to the spindle 12.  Accordingly, when valve 20 is actuated so as to open the valve, pressurized air from source 22 passes through an air passage 26 into the valve 20 and throu gh the air passage 28 into the venturi 36.  A vacuum created by the venturi 36 is then applied to the spindle 12 through the air passage 38.  
An exhaust passage 34 extends from a second end of the venturi 36, through an expansion chamber 32, and leads to an air system that is used to cool a motor that drives the pick and place head.  However, it is not necessary to use the air from the exhaust passage 34 to cool the motor.
The expansion chamber 32, in its simplest form, enables an expansion of an air pulse moving from the valve 18 to the spindle 12 so as to moderate the pressure thereof.  In a preferred embodiment, the expansion chamber 32 includes an enclosed space that is fixed around the sec ond end of the venturi 36.  In the preferred embodiment, the expansion chamber includes an opening 25 in a side thereof through which air can escape.  As seen in Figure 3, the passageway 34 extends through this opening.  Another air passageway 30 interconn ects the output of valve 18 to the expansion chamber 32.  The air passageway 30 is constructed such that it ends at a short distance from the second end of the venturi 36.  This short distance is instrumental in moderating pulses of air passing from the pa ssageway 30 to the venturi 36.  However, it will be appreciated that alternative arrangements can be used to moderate the air pressure.  
When the valve 18 is actuated so as to open the valve, compressed air from the air source 22 passes through the valve 18 and through the air passageway 30 into the expansion chamber 32.  Since the second end of the venturi 36 is spaced from the air passage 3 0, when the pressurized air from the valve 18 and air passage 30 enters the expansion chamber 32, the air pressure is moderated before it enters the venturi 36, and a gentle pulse of air passes through the venturi 36 into the air passageway 38 and to the s pindle 12.  Accordingly, a pulse of air can be delivered to the spindle 12 by activating valve 18.  The pulse of air passes through the valve 18, the air passageway 30, the expansion chamber 32, the venturi 36, the air passageway 38 to the spindle 12.  The  arrangement of the expansion chamber 32, including the volume, position, distance, and exhaust opening, is selected in such a way as to moderate the pulse of air emitted from the valve 18.  Accordingly, the expansion chamber 32 moderates the pulse of air and prevents an unnecessarily abrupt pulse of air from being applied to the spindle 12.
In a preferred embodiment, the expansion chamber 32 has an internal volume of approximately 450 cubic millimeters.
In an alternative embodiment of the present invention, the second end of the venturi 36 can be connected directly to the passage 34, and bypassing the expansion chamber 32.  In such an embodiment, an air passage from the expansion chamber 32 would be directly connected to the spindle 12.  Accordingly, the pulse of air could be directed through the expansion chamber 32 and directly into the spindle 12, without having to pass through the venturi 36.
Because of the small, lightweight size of the valves 18, 20, the valves can be actuated within about 0.5 to 0.8 milliseconds.  However, in alternative embodiments of the present invention, the valves may be actuated within one or two milliseconds, or other suitable times.  
In a preferred embodiment of the present invention, each of the valves weighs approximately 4 grams, has a length of approximately 19 millimeters, and a diameter of 9 millimeters.  However, the present invention is not limited to such valves, and valves of alternative sizes and weights may be used in accordance with the present invention.  The valves of the preferred embodiment are manufactured by Sturman Industries of Woodland Park, Colorado.
Because of the small size of the valves, the valves may be located in the frame 16 for the spindle assembly 10, thus enabling the valve to be arranged very close to the spindle 12.  In a preferred embodiment of the present invention, the valves are appro ximately 2 inches from the spindle 12.  However, in alternative embodiments, the valves may be 5, 4, or 3 inches, or less, from the spindle 12.  Because the distance between the valves and the spindles is small, there is a relatively small volume of air in  the connecting passageways that needs to be evacuated during each activation.  In one embodiment, the total volume in the passageways to be evacuated is about 500 cubic millimeters.  Accordingly, actuation time is increased by placing the valves close to the spindles.  The small size of the valves, the fast changeover time, and the close proximity of the valves to the spindle 12 all account for very fast turnover speed.
In a further aspect of the present invention, as can be seen in the preferred exemplary embodiment illustrated in Figure 4, the passageways can be formed directly in the frame or housing 16.  Specifically, instead of providing tubing to channel the air flows throughout the system, the preferred exemplary embod iment includes passageways that are drilled, bored, molded or otherwise formed in the housing itself in order to direct the air flows throughout the system.
In one embodiment, the housing 16 is molded from polyetherimide.  For example, plastic sold under the tradename ULTEM_ by GE Plastics may be used.  In such an embodiment, some or all of the passageways, such as passageways 22, 26, 28, 30, 34,  and 38, are either molded directly into the housing 16 or are drilled into the housing 16 after the housing is molded.  Preferably, some of the passageways will be molded directly in the housing 16 and others will be drilled.  
Alternatively, the housing 16 can be machined from a block of plastic.  Or, the housing 16 can be molded, and after the molding process, further details of the housing can be machined.
In the preferred disclosed embodiments, two valves are utilized.  However, an embodiment could be used with only one valve, or more than two valves.  The one valve would control only the vacuum pressure applied to the spindle.  In such an embodiment, no air pulse would be available to dislodge the component from the spindle tip during placement.  Such an embodiment is more useful for apparatus intended to move larger components that could easily dislodge from the spindle by gravity alone.
Although only preferred embodiments are specifically illustrated and described herein, it will be appreciated that many modifications and variations of the present invention are possible in light of the above teachings and within the purview of the appended claims, wit hout departing from the spirit and intended scope of the invention.
IN THE CLAIMS:
1.   A spindle assembly for a component pick and place machine, the assembly comprising:
a housing containing a spindle for movement therein along a longitudinal axis of the spindle;
the housing accommodating a valve for controlling the flow of air to an inner bore of the spindle;
the inner bore of the spindle having an opening at one end for communicating the flow of air for picking and placing the components; and
the flow of air from the valve to the inner bore of the spindle is internal to the housing through passageways.
2.    The spindle assembly according to claim 1, wherein the passageways are  integrally formed internally within the housing.
3.    The spindle assembly according to claim 1, wherein the valve is three inches or less from the spindle.
4.    The spindle assembly according to claim 1, wherein the valve is adapted to switch from a fully open position to a fully closed position or vice versa in less than two milliseconds.
5.    The spindle assembly of claim 1, further comprising a venturi in the air flow passageways to create a vacuum pressure at the spindle.
6.    The spindle assembly of claim 3, wherein the air flow at the tip of the spindle is a vacuum pressure for holding components or an air pressure for detaching components.
7.    The spindle assembly according to claim 1, wherein the valve is adapted to switch from a fully open position to a fully closed position or vice versa in 0.8 milliseconds or less.
8.    The assembly of claim 1, further comprising a second valve, a venturi, and an expansion chamber; and
the passageways include:
a first branch interconnecting a first of the two valves with a first end of the venturi so that air applied to the first end of the venturi creates a vacuum that is applied to the spindle; and
a second branch interconnecting a second of the two valves with a second end of the venturi so that air applied to the second end of the venturi creates a pulse of air at the spindle;
a third branch interconnecting the venturi with the spindle; and
the expansion chamber is arranged between the second valve and the spindle to moderate changes in air pressure applied to the spindle.
9.    The spindle assembly according to claim 8, wherein each of the valves is adapted to switch from a fully open position to a fully closed position or vice versa in less than two milliseconds.
10.    The spindle assembly according to claim 1, wherein the valve is contained within the housing.
11.    The spindle assembly according to claim 1, wherein at least some of the passageways are drilled into the housing.
12.    The spindle assembly according to claim 1, wherein at least some of the passageways are molded into the housing.
Abstract of the Disclosure
A spindle assembly for a component pick and place machine includes a housing containing a spindle for movement therein along a longitudinal axis of the spindle; the housing accommodating a valve for controlling the flow of air to an inner bore of the spindle; the inner bore of the spindle having an opening at one end for communicating the fl ow of air for picking and placing the components; and the flow of air from the valve to the inner bore of the spindle is internal to the housing through passageways.
Representative Drawing     Fig. 1
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