(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘッド（４）に吸着された複数個のボール（２）をワークピース（１２）に搭載するボール搭載装置において、前記ワークピース（１２）の位置決め手段と、前記ボール（２）を供給するボール供給手段と、前記ボール（２）を吸着する前記ヘッド（４）と、前記ヘッド（４）を上方に付勢する付勢力発生手段（１６）と、この付勢力発生手段が付勢力を蓄えた状態で前記ヘッド（４）をクランプするクランプ手段と、前記ヘッド（４）を移動する移動手段と、前記クランプ手段と前記付勢力発生手段と下方位置決め（１８）と上方位置決め（１９）が配設されたケース（１４）と、を有し、前記上方位置決め（１９）は、前記ヘッド（４）の上方であって、前記ヘッド（４）が前記付勢力発生手段（１６）により上方に持ち上げられたときに、前記ヘッド（４）の上面に当接することができる位置に配置され、前記付勢力発生手段（１６）は、前記クランプ手段が前記ヘッド（４）を下方に押圧する力をゼロとした時、前記ヘッド（４）の上面が前記上方位置決め（１９）に当接するまで持ち上げる付勢力を有すること、を特徴とするボール搭載装置。
【請求項２】
ヘッド（４）に吸着された複数個のボール（２）をワークピース（１２）に搭載させるボール搭載方法において、クランプされた前記ヘッド（４）をボール供給部（１）上に移動させる工程と、前記ヘッド（４）に前記ボール（２）を吸着させる工程と、前記ヘッド（４）を前記ワークピース（１２）上へ移動させる工程と、前記ヘッド（４）へのシリンダ（１５）の下方向への圧力と前記ヘッド（４）の重量の合計が前記ヘッド（４）へのバネ（１６）の付勢力以下になるように前記ヘッド（４）へのシリンダ（１５）の下方向への圧力を調整することで前記クランプの力を弱め、前記ヘッド（４）の重量を実質的にゼロとする工程と、前記ヘッド（４）に吸着された前記ボール（２）を前記ワークピース（１２）に搭載させる工程と、前記ヘッド（４）をクランプする工程と、前記ヘッド（４）を前記ボール供給部（１）の上方へ移動させる工程とを有し、各工程を順次行うことを特徴とするボール搭載方法。
【請求項３】
ヘッド（４）に吸着された複数個のボール（２）をワークピース（１２）に搭載させるボール搭載方法において、前記ヘッド（４）の上面が上方位置決め（１９）に当接するまでバネ（１６）で持ち上げた状態で前記ヘッド（４）を前記ワークピース（１２）に合ったものに変更する工程と、その変更後の前記ヘッド（４）をシリンダ（１５）により下方位置決めにクランプする工程と、クランプされた前記ヘッド（４）をボール供給部（１）上に移動させる工程と、前記ヘッド（４）に前記ボール（２）を吸着させる工程と、変更された前記ヘッド（４）を前記ワークピース（１２）上へ移動させる工程と、前記ヘッド（４）へのシリンダ（１５）の下方向への圧力と前記ヘッド（４）の重量の合計が前記ヘッド（４）へのバネ（１６）の付勢力以下になるように前記ヘッド（４）へのシリンダ（１５）の下方向への圧力を調整することで前記クランプの力を弱め、前記ヘッド（４）の重量を実質的にゼロとする工程と、前記ヘッド（４）に吸着された前記ボール（２）を前記ワークピース（１２）に搭載させる工程と、前記ヘッド（４）をクランプする工程と、前記ヘッド（４）を前記ボール供給部（１）の上方へ移動させる工程とを有し、各工程を順次行うことを特徴とするボール搭載方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＩＣを基板に実装する際、あるいはＩＣを実装した基板を他の大きな基板に実装する際等に使用するボールを、ヘッドと呼ばれるボール移送体に吸着してワークピースに搭載するボール搭載装置及びボール搭載方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来のボール搭載装置及びボール搭載方法においては、半導体集積回路や回路基板等のワークピースにボールを搭載する時に、ヘッドがボールに過負荷を与えないように、ヘッドの重量をカウンタバランスする機構が用いられている（ＵＳＰ５，７６８，７７５号公報、特開平９−１８１２９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ＵＳＰ５，７６８，７７５号公報で開示された装置と方法は、ヘッドの自重をバネの力で相殺しているが、ヘッドが中高速で移動する時に、ヘッドがクランプされていないので、ヘッドが振動する欠点を有している。
【０００４】
また、特開平９−１８１２９号公報で開示された装置と方法は、ヘッドの重量を、バネでなく、シリンダの吊り上げ力でカウンタバランスさせているので、ヘッドの重量をカウンタバランスする時、ヘッドの位置を一定にすることが難しい第１の欠点と、ヘッドをクランプする力がヘッドの自重のみによるので、ヘッドが移動する時のクランプ力が弱い第２の欠点とを有している。
【０００５】
特開平９−１８１２９号公報に開示された技術に関する第１の欠点は以下の通りである。シリンダの吊り上げ力が、ヘッド及びヘッドと一緒に移動する要素の重量の合計（以下ヘッドの重量という）より少しでも大きい場合、ヘッドは、シリンダの上方の移動限界まで移動して停止する。逆に、シリンダの吊り上げ力がヘッドの重量より少しでも小さい場合、ヘッドは、シリンダの下方の移動限界まで移動して停止する。
【０００６】
シリンダの吊り上げ力とヘッドの重量が等しくなった場合だけ、ヘッドの重量はカウンタバランスされた状態で、ヘッドは停止する。しかし、シリンダの出力を調整してヘッドの重量をカウンタバランスさせた場合でも、ヘッドが動いていれば、ヘッドがシリンダの摩擦により減速して停止するまで、ある距離移動する。すなわち、ヘッドの停止位置は、一義的に定まらない。このように、シリンダをヘッドのバランサとして用いる装置は、原理的に大きな欠点を有している。
【０００７】
第２の欠点は以下の通りである。ヘッドは、その自重で固定されているだけなので、ヘッドを上昇させた後急停止した時、又は降下させた後急停止した時、ヘッドは重くても軽くても上下に振動する。その振動は、シリンダの摩擦により減衰するまで停止しない。振動を防止できる条件は、ヘッドを準静的に移動する場合だけで実用的でない。このように、ヘッドを自重だけでクランプする装置は、実用に当たっては大きな欠点を有している。
【０００８】
本発明は、ヘッドの重量をカウンタバランスするカウンタバランス型のボール搭載装置とその方法において、ヘッドの移動時に発生する振動を防止し且つヘッドの高精度な位置制御を容易にする装置とその方法を提供することを目的とする。
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明のボール搭載装置にあっては、  ヘッドに吸着された複数個のボールをワークピースに搭載するボール搭載装置において、ワークピースの位置決め手段と、ボールを供給するボール供給手段と、ボールを吸着するヘッドと、ヘッドを上方に付勢する付勢力発生手段と、この付勢力発生手段が付勢力を蓄えた状態でヘッドをクランプするクランプ手段と、ヘッドを移動する移動手段と、クランプ手段と付勢力発生手段と下方位置決めと上方位置決めが配設されたケースと、を有し、上方位置決めは、ヘッドの上方であって、ヘッドが前記付勢力発生手段により上方に持ち上げられたときに、ヘッドの上面に当接することができる位置に配置され、付勢力発生手段は、クランプ手段がヘッドを下方に押圧する力をゼロとした時、ヘッドの上面が上方位置決めに当接するまで持ち上げる付勢力を有すること、を特徴とする。
【００１０】
また、付勢力発生手段をバネとして、このバネは、ヘッドをクランプ手段の一部を構成する下方位置決めより上方向に持ち上げる付勢力を有するものとするとよい。また、クランプ手段は、シリンダと下方位置決めからなるようにするとよい。また、ワークピースを載置台に固定する吸着パッドは、ベローズ型の吸着パッドがよい。
【００１１】
さらに、本発明のボール搭載方法にあっては、ヘッドに吸着された複数個のボールをワークピースに搭載させるボール搭載方法において、クランプされたヘッドをボール供給部上に移動させる工程と、ヘッドにボールを吸着させる工程と、ヘッドをワークピース上へ移動させる工程と、ヘッドへのシリンダの下方向への圧力とヘッドの重量の合計がヘッドへのバネの付勢力以下になるようにヘッドへのシリンダの下方向への圧力を調整することでクランプの力を弱め、ヘッドの重量を実質的にゼロとする工程と、ヘッドに吸着されたボールをワークピースに搭載させる工程と、ヘッドをクランプする工程と、ヘッドをボール供給部の上方へ移動させる工程とを有し、各工程を順次行うことを特徴とする。
【００１２】
さらに、本発明のボール搭載方法にあっては、ヘッドに吸着された複数個のボールをワークピースに搭載させるボール搭載方法において、ヘッドの上面が上方位置決めに当接するまでバネで持ち上げた状態でヘッドをワークピースに合ったものに変更する工程と、その変更後のヘッドをシリンダにより下方位置決めにクランプする工程と、クランプされたヘッドをボール供給部上に移動させる工程と、ヘッドにボールを吸着させる工程と、変更されたヘッドをワークピース上へ移動させる工程と、ヘッドへのシリンダの下方向への圧力とヘッドの重量の合計がヘッドへのバネの付勢力以下になるようにヘッドへのシリンダの下方向への圧力を調整することでクランプの力を弱め、ヘッドの重量を実質的にゼロとする工程と、ヘッドに吸着されたボールをワークピースに搭載させる工程と、ヘッドをクランプする工程と、ヘッドをボール供給部の上方へ移動させる工程とを有し、各工程を順次行うことを特徴とする。
【００１３】
また、ヘッドをクランプする工程において、ヘッドをクランプしている力を２〜３０Ｋｇｆにするとよい。
【００１４】
また、ヘッドにボールを吸着させる工程において、面積比でボールの量を容器の底面面積の５〜８０％にするとよい。
【００１５】
また、ヘッドにボールを吸着させる工程において、ボールの吸着を一時中断し凝集したボールを分散させた後、再度ボールを吸着するとよい。
【００１６】
また、ボールを吸着したヘッドの重量を実質的にゼロにカウウタバランスさせ、フラックスの層の下面までボールの先端を降下させて、ボールにフラックスを塗布する工程を有するとよい。
【００１７】
さらに、ヘッドに導電性ボールであるボールを吸着後、導電性接着剤をボールに塗布する工程を有するとよい。
【００１８】
また、ヘッドに吸着されたボールをワークピースに搭載する工程において、ヘッド４を下方位置決めにシリンダの押圧力によってクランプしている力を１Ｋｇｆ以下にするとよい。
【００１９】
また、ボールがワークピースに搭載された後、ハンマーでヘッドを叩き、ヘッドに残留するボールを落下させる工程を有するとよい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
【００２１】
図１は、発明の実施の形態であるボール搭載装置の正面図である。１はボール供給部、２はボール、３はボールに振動を与えるバイブレータ、４はヘッド、５はボール２を真空吸着する吸着孔２５（図４参照）が複数個形成されているヘッド下面、６はヘッド４のキャビティ、７はヘッド４の位置決めをするヘッド用ＸＹＺθテーブル、８はヘッド用ＸＹＺθテーブル７が移動するベース、９はベース８をＺ方向に大きく移動するＺ方向駆動装置、１０はヘッド４のキャビティ６とワークピース１２の載置台２３（図３参照）を減圧する真空ポンプ、１１は吸着ミス検出用のライン状の光源、１２はボール２を搭載するワークピース、１３はワークピース用ＸＹＺθテーブル、１４はケース、２２はヘッド用ＸＹＺθテーブル７をＸ方向に移動するＸ方向駆動装置である。
【００２２】
キャビティ６には、ボール２の吸着ミスを検出する光センサー、音センサー、圧力センサー又は気体の流量センサーのいずれか１つ又は複数が配設されている。光センサーは、ヘッド４が光源１１上を通過する時吸着してない吸着孔２５からの入射光を検出し、吸着ミスを検出する。この実施の形態では光センサーが採用されている。
【００２３】
音センサーは、吸着孔２５から空気が吸引される時に発生する音を検出し、前記の音の発生が無くなった時点で全ての吸着孔２５にボール２が吸着されたと判断する。圧力センサーは、全ての吸着孔２５にボール２が吸着されるとキャビティ６が急激に減圧されるので、真空度或いは真空度を時間で微分した値でボール２の吸着状態を判断する。気体の流量センサは、真空ポンプ１０と接続するキャビティ６の端部付近に設けられ、真空ポンプ１０によって吸引される気体の流量を計測しボール２の吸着の状態を判断する。
【００２４】
ボール供給部１は、ボール給材装置（図示省略）から供給されたボール２を受け入れる容器でもある。ボール給材装置は、ボール供給部１内のボール２が少なくなると所定量のボール２を自動的に供給する機能を持ったパーツフィダーである。ボール供給手段は、ボール供給部１と、バイブレータ３と、ボール給材装置とからなる。
【００２５】
図２は、ボール２の充填状態の代表的な例を示す。ボール２がボール供給部１内に数層に積層されている図２（Ａ）の場合、ボール２はバイブレータ３によって振動はするが、ボール２は互いに干渉し合うため、揺動するだけで、上方に大きく跳躍することはない。跳躍量が少ないと、ボール２の大きな跳躍を前提としたこの実施の形態の機構では、ヘッド４へのボール２の吸着速度が遅くなる。なお、ヘッド４へのボール２の吸着速度を大きくしたい場合は、ボール２がヘッド下面５で押圧される危険性が高くなるが、ヘッド下面５を振動しているボール群の中に入れるようにすると良い。
【００２６】
一方、ボール供給部１内のボール２が一層でまばらに散在している図２（Ｂ）の場合、ボール２はバイブレータ３によって上方に跳躍する。ボール２をバイブレータ３によって上方に大きく跳躍させるためには、ボール供給部１内のボール２の量を容器となるボール供給部１の底面に一層でまばらに散在する範囲に調節することが好ましい。ボール２が一層の場合でも、ボール２が多すぎると、互いに干渉し合うため、ボール２は上方に大きく跳躍しなくなる。一方、ボール２が少ないと、ボール２は上方に大きく跳躍するが、ヘッド下面５に配設された吸着孔２５全部にボール２を吸着するのに、長い時間を必要とする。
【００２７】
本実施の形態では、ボール２が占める面積は、ボール供給部１の底面の５０％前後が最適である。本発明において、ボール２の占める面積は、容器となるボール供給部１の底面面積の５〜８０％が適している。より好ましくは２０〜７０％である。
【００２８】
跳躍しているボール２を吸着する場合、ヘッド下面５をボール２が跳躍する範囲に移動させ、ヘッド下面５に配設された吸着孔２５の近傍に近づいたボール２をを吸着する。この場合、ボール２をヘッド４に吸着する時、ヘッド下面５でボール２を押圧することはないので、ヘッド４の重量をカウウタバランスする必要はない。ヘッド４は、振動を防止するためにクランプされた移動時の状態で、ボール２を吸着することができる。
【００２９】
なお、積層されたボール２の下から空気を送る機構でも、バイブレータ３と同様にボール２を揺動できる。この機構を採用した場合、ボール２が跳躍する高さは極めて小さいので、ヘッド下面５を揺動しているボール群の中に入れないと、ボール２の吸着に時間が長くかかるとともに、ボール２を吸着しない吸着孔２５が発生する。
【００３０】
クランプされた状態でヘッド下面５をボール群の中に入れると、ボール２が強く押圧されて、ヘッド下面５に設けられた吸着孔２５に食い込むことが起こる。
そのため、ワークピース１２にボール２を搭載する時に、ワークピース１２に搭載されずヘッド４に残るボール２（残留ボール）が発生する。したがって、ヘッド下面５をボール群の中に入れる場合、ヘッド４の重量をカウンタバランスする必要がある。このように、ボール２をヘッド４に吸着する時にヘッド４の重量をカウンタバランスする必要があるかどうかは、ボール２の跳躍の状態により決まる。
【００３１】
ワークピース１２は、ローダ（図示省略）によりマガジンからワークピース用ＸＹＺθテーブル１３上に送られる。ワークピース用ＸＹＺθテーブル１３は、平面内のＸ方向の動作を行うＸテーブル、平面内のＹ方向の動作を行うＹテーブル、高さ方向の動作を行うＺテーブルおよび回転動作するθテーブルからなり、最上段がθテーブルである。θテーブル上にはワークピース１２を載置する載置台２３が配設される。本発明において、ワークピース１２の位置決め手段は、ワークピース用ＸＹＺθテーブル１３と載置台２３からなる。
【００３２】
図３は、載置台２３の図で、（Ａ）は平面図で、（Ｂ）は断面図である。載置台２３には、吸着パッド２４を挿入する孔２３ａが複数個とそれらの孔２３ａを連結し真空ポンプ１０に接続する導管２３ｂが敷設されている。
【００３３】
載置台２３上に移動されたワークピース１２は、真空引きされた吸着パッド２４により吸着され、湾曲は矯正されて載置台２３上にセットされる。ベローズ型の吸着パッド２４は、平型吸着パッドと比較して軸方向に変形し易いので、ワークピース１２が湾曲している場合、平型吸着パッドよりワークピース１２の湾曲を矯正する性能が優れている。ベローズ型の吸着パッド２４は、その先端が載置台２３上に１ｍｍ出るように、載置台２３に配設される。
【００３４】
吸着パッド２４の先端が載置台２３の上に出る長さは、ワークピース１２の湾曲の度合いにより異なるが、０．２〜５ｍｍの範囲である。ワークピース１２の面積が５ｃｍ×１０ｃｍ以上で厚さが０．１ｃｍ以下になると、ボール搭載工程で湾曲によるボール搭載ミスが急激に増加する。ベローズ型の吸着パッド２４は、大型の上記ワークピースに有効である。
【００３５】
ヘッド４に吸着されたボール２をワークピース１２の所定箇所（たとえば、図８の電極２９）に搭載するために、ヘッド４とワークピース１２とを位置合わせする。ヘッド４とワークピース１２との位置合わせは、それぞれの所定マークを画像認識し、それらのマークの位置データを演算し、ヘッド用ＸＹＺθテーブル７とワークピース用ＸＹＺθテーブル１３を駆動して行う。なお、画像認識したマークを所定のマークであると判断するための参照データとして、事前に手入力されたマークの位置データ又はマークを事前にスキャナーで取り込んだ画像データを用いる。
【００３６】
ヘッド４を長い距離移動させる場合、ヘッド用ＸＹＺθテーブル７とは別に設置される駆動装置を使用する。すなわち、Ｘ方向はＸ方向駆動装置２２、Ｚ方向はＺ方向駆動装置９を用いる。それらの各駆動装置２２，９は、アブソリュートエンコーダ付きサーボモータとボールネジ又はエンコーダ付きリニアモータからなる。ヘッド４を移動するプログラムの位置データは、ティーチング方式で入力される。
【００３７】
はんだ付けに必要なフラックス供給方法には、印刷装置でワークピース１２の所定箇所にフラックスを印刷する方法と、ピンの先に塗布されたフラックスをワークピース１２の所定箇所に転写する方法と、ヘッド４に吸着されたボール２の下部をフラックスの中に侵漬させ、付着したフラックスと共にボールをワークピース１２の所定箇所に搭載さる方法がある。本発明においては、いずれのフラッックス供給方法を用いてもよい。なお、この実施の形態では、フラックスを供給するフラックス供給機構２６は、ボール供給部１の近傍に付設される。
【００３８】
図４は、本発明になるボール搭載装置のヘッド４の周辺部の第２実施例で、ヘッド４の重量とヘッド４がシリンダ１５から受ける押圧力との合計をコイルバネであるバネ１６の付勢力によってカウンタバランスする機構と、ヘッド４をシリンダ１５で押圧し下方位置決め１８にクランプするクランプ手段の断面図である。なお、このヘッド４は、図１に示す第１実施例のヘッド４と略同一構造となっているが、シリンダ１５の位置、ケース１４の構造等において若干異なるものとなっている。
【００３９】
４はヘッド、５はヘッド下面、６はキャビティ、１４はケースである。ケース１４には、シリンダ１５，バネ１６、スライダ１７、下方位置決め１８と上方位置決め１９が配設されている。ヘッド４は、シリンダ１５の一端に固定されている。バネ１６は、ヘッド４を吊り上げる付勢力を持っている。ヘッド４とバネ１６はケース１４の中に設けられている。
【００４０】
図４は、ヘッド４の重量とシリンダ１５の圧力の合計がバネ１６の付勢力とカウンタバランスしている状態を表している。このカウンタバランス機構は、バネ１６の付勢力で釣り合いが保たれているので、釣り合いが崩れた場合、バネ１６が伸縮することにより容易に釣り合いを復元する。
【００４１】
バネ１６の付勢力は、シリンダ１５の圧力をゼロとした時、ヘッド４を上方位置決め１９まで持ち上げることができる強さが最も好ましい。また、バネ１６の付勢力は、シリンダ１５の圧力をゼロとした時、ヘッド４を下方位置決め１８と上方位置決め１９の中間に吊り上げる強さでもよい。さらに、バネ１６の付勢力は、ヘッド４が下方位置決め１８上に留まる強さでもよいが、この場合、ヘッド４を下方位置決め１８に押圧している荷重を、バネ１６の上方に戻ろうとする付勢力で１Ｋｇｆ以下に軽減させるのが好ましい。ヘッド４が下方位置決め１８を押圧している荷重が、バネ１６の付勢力で軽減されても１Ｋｇｆを超えると、ボール２がヘッド下面５に設けられた吸着孔２５に食い付く。そのため、ボール２がワークピース１２に搭載されずに、残留ボールが発生する。
【００４２】
ヘッド４は、ワークピース１２の機種が変更される毎に、その機種に対応できるように変更される。ヘッド４の変更とバネ１６の変更を同時に行うと、機種変更のための時間が長くなる。機種変更の度にバネ１６を替えなくてよいようにするために、バネ１６の付勢力は、ヘッド４を上方位置決め１９まで持ち上げることができる強さとし、シリンダ１５の圧力調整だけでヘッド４の重量をカウンタバランスできるようにする。そうすることによって、バネ１６はどのヘッド４にも対応できるようになり機種変更時間を短縮できる。更に、ヘッド４のワンタッチ交換が可能となる。
【００４３】
図５は、本発明になるボール搭載装置のヘッド４とその駆動部分の第３実施例で、ヘッド４のカウンタバランス機構と、ヘッド４のクランプ手段と、ヘッド４の移動手段を含む機構部の側面図である。
【００４４】
ヘッド４の重量をカウンタバランス機構は、第１や第２の実施例に示したカウンタバランス機構を改良したものである。４はキャビティ６を有するヘッド、５は吸着孔２５が設けられているヘッド下面、１５はシリンダ，１６はバネ、１７はスライダ、１８は下方位置決め、１９は上方位置決め、２０はモータ、２１はボールネジである。
【００４５】
この構造は、装置の組み立てと取扱いを容易にするために工夫された構造で、ヘッド４とバネ１６を覆うケース１４（第２実施例参照）を無くしたものである。図５は、ヘッド４の重量とシリンダ１５の圧力の合計がバネ１６の付勢力とカウンタバランスしている状態を示している。バネ１６は、第１や第２の実施例で説明した特性と同じである。ヘッド４の移動手段は、第１や第２の実施例と同様に、ヘッド用ＸＹＺθテーブル７と、ベース８と、Ｘ方向駆動装置２２と、Ｚ方向駆動装置載置９とからなる。
【００４６】
図６は、ヘッド４に吸着されたボール２にフラックス２７を塗布し、そして供給するためのフラックス供給機構２６の１例である。フラックス供給機構２６は、フラックス２７を蓄える薄い開口部を有する。開口部の面積は、ヘッド下面５より面積が大きく、且つ開口部の深さは、ボール２に塗布されるフラックス２７の量に見合った深さからなる。フラックス２７は、ブレイド２８を水平に動かすことによって、平坦な表面を有するフラックス２７の層に成形される。
【００４７】
図７は、本発明の実施の形態であるボール搭載方法であって図１から図６に示すボール搭載装置を使用して実施する方法の第１実施例のフローチャートである。ボール搭載方法の第１実施例は、ボール２をヘッド４に吸着後、吸着されたボール２の下部にフラックス２７を塗布し、フラックス２７が塗布されたボール２をワークピース１２に搭載するプロセスである。具体的に説明すると以下の通りである。
【００４８】
ステップ１では、シリンダ１５でヘッド４を下方に加圧して、ヘッド４を下方位置決め１８に押圧し、ヘッド４が、移動中及び移動停止時に振動しないようにクランプする。クランプする力は７ｋｇｆである。ステップ２では、ボールが数層積層されているボール供給部１の容器の近くにまでヘッド４を移動する。ヘッド下面５は、ボール群の中には入れずに、ボール群の上面から１ｃｍ離しておく。ステップ３では、シリンダ１５の圧力を弱めてヘッド４のクランプを解除し、ヘッド４の重量をバネ１６とカウンタバランスさせる。更にヘッド４のキャビティ６を真空ポンプ１０で減圧して、ボールをヘッド４に吸着できる状態にする。
【００４９】
ステップ４は、ボール２の吸着工程であり、バイブレータ３により浮上しているボール群の中にヘッド下面５をゆっくり下降させボール２をヘッド４に吸着させる。３秒間ボール２を吸着した後、ヘッド４を１ｃｍ上昇させる。ボール２を浮上させるためにバイブレータ３を常時振動させてもよいが、ボール２の変形及び凝集を防止するため、ボール２の吸着開始時より５秒前から振動を始める方がより好ましい。
【００５０】
ステップ５では、シリンダ１５でヘッド４を下方に加圧して、ヘッド４を下方位置決め１８に押しつけ、ヘッド４が移動中に振動しないように７ｋｇｆの力でクランプする。ステップ６では、ヘッド４を毎秒１０ｃｍの速度で上昇させ、毎秒３０ｃｍの速度でフラックス供給機構２６の上へ水平移動させてから、所定の厚みに成形されたフラックス２７の層の近くまで毎秒１０ｃｍの速度で移動する。
【００５１】
ステップ７では、フラックス供給機構２６の容器内に充填されたフラックス２７の層の厚みがボール２が浸漬される深さより厚い場合、ヘッド４に吸着されているボール２の先端部をフラックス２７中に浸漬してボール２の下部にフラックス２７を塗布する。フラックス２７がヘッド下面５に付着すると、ボール２をヘッド４に吸着する工程（ステップ４）で、余分なボール２がヘッド下面５に付着する原因となる。ヘッド下面５がフラックス２７と接触しないように、Ｚ方向の位置制御を行う。
【００５２】
一方、フラックス２７の層の厚みが薄く、ボール２が浸漬される深さと同一である場合、ヘッド４の重量を実質的にゼロにカウンタバランスさせ、フラックス２７の層の下面までヘッド４を移動する。この場合、ヘッド４の重量が実質的にゼロにカウンタバランスしているので、ボール２がヘッド下面５に配設された吸着孔２５に食い込むことはなく、したがって、ワークピース１２へのボール搭載時に残留ボールとなることはない。
【００５３】
ステップ８では、ヘッド４をクランプした状態で上昇させ、次にワークピース１２上に移動し、続いてヘッド４を下降させワークピース１２の上０．５ｃｍまで移動させる。移動速度はステップ６と同じである。ステップ９では、ボール搭載時、ボール２に加えられる過負荷を防止するために、ステップ３と同じようにして、ヘッド４のクランプを解除する。ステップ１０では、ボール２の下部に塗布されたフラックス２７がワークピース１２と接触するまでヘッド４をゆっくり下降させる。
【００５４】
次にヘッド４のキャビティ６の内圧を大気圧に戻し、ボール２の自重とフラックス２７の粘着力を利用してボール２をワークピース１２に搭載する。続いてヘッド４をゆっくり１ｃｍ上昇させて、搭載工程を終了する。ステップ１１では、ヘッド４を再びクランプしてステップ２に戻す。ステップ１２では、ワークピース１２をステップ１１の次工程である検査、リフロー、又はキュア工程に送る。
【００５５】
ボール供給部１に充填されているボール２が１層でまばらに散在している場合、ボール２は、バイブレータ３により大きく浮上する。そのため、ボール２を吸着する時に、ヘッド４がボール２を押圧する可能性がないので、ヘッド４のクランプを解除しなくてもよい。この場合、ステップ３とステップ５は不必要である。ボール２を気体により浮上させる場合は、ボール２の浮上距離が小さいので、ヘッド４の重量をカウンタバランスさせてから、ヘッド下面５をボール群の中に移動させて、ボール２をヘッド４に吸着する。
【００５６】
ボール２の径が３００ミクロン以下になると、ボール２は、ヘッド４に配設された吸着孔２５が吸引する空気の流れにより、ヘッド４の下に集まり凝集する。
ボール２が凝集するとボール２の吸着は殆どできなくなる。この場合、吸着途中であってもヘッド４を上方に上昇させ、ボール２の吸着を中止し、ボール２の凝集を振動により解いた後、ヘッド４を降下させて再度ボール２の吸着を行う。ボール２の径がより小さく且つ搭載するボール２の個数が多い場合、上記操作を複数回行う。
【００５７】
また、ボール２の吸着途中で、ボール２が落下しない吸引力の範囲に吸引を弱めてボール２の吸着を一時中止し、凝集したボール２が分散した後、再度ボール２の吸着を行う方法でも、同様な結果が得られる。
【００５８】
フラックス２７をボール２の下部に塗布するステップ７において、フラックス２７の中にボール２の直径の１／１０〜３／５を浸漬する。より好ましくは、ボール２の直径の１／５〜１／２を浸漬するとよい。ボール２をフラックス２７に浸漬する深さによりボール２に付着するフラックス２７の量が変化する。ボール径が１００ミクロンになると、ボール２をフラックス２７中に浸漬する深さの差が５ミクロンであっても、ボール２に付着するフラックス２７の量は２０％前後も変動する。
【００５９】
Ｚ方向の位置基準はレベルゲージで決めるが、温度変化により稼動中にシフトしてしまう。Ｚ方向の位置は頻繁に補正をしなければ、誤差が大きくなる。頻繁に補正しないと、湾曲したワークピース１２にボール径が２００ミクロン以下のボール２を搭載する場合、搭載ミスが増大する。
【００６０】
図８は、ボール２をフラックス２７が入った層に浸漬し、フラックス２７を塗布した後、ボール２をワークピース１２に設けられた電極２９に搭載する工程を模式的に表したものである。（Ａ）は、ボール２に塗布する量に見合った厚みに成形されたフラックス２７が入った開口部上にヘッド４を移動させた状態である。（Ｂ）は、自重をカウンタバランスされたヘッド４に吸着されたボール２をフラックス２７の層の下面まで降下させた状態である。
【００６１】
図８（Ｃ）は、ボール２にフラックス２７を塗布した後、ヘッド４を上昇させた状態である。（Ｄ）は、ヘッド４をワークピース１２の上に移動させた状態である。（Ｅ）は、自重をカウンタバランスされたヘッド４を降下させて、フラックス２７が電極２９と接した後、ヘッド４を更に少し降下させた状態である。（Ｆ）は、フラックス２７が塗布されたボール２をワークピース１２に設けられた電極２９に搭載した状態である。
【００６２】
ボール２に付着するフラックス量を高精度に制御する場合は次の方法がよい。
まず、塗布すべき量に見合った厚みに、フラックス２７の層をブレイド２８を用いて成形すると共に、ヘッド４の重量を実質的にゼロにカウンタバランスさせた状態にする。次に、ヘッド４に吸着されたボール２の先端が、所定の厚みに成形されたフラックス２７の層の下面（開口部の底面）に達するまで、ヘッド４を緩やかに降下させた後、ヘッド４を緩やかに上昇させる。
【００６３】
ヘッド４の重量は実質的にゼロにカウンタバランスされているので、ボール２の先端がフラックス２７の層の下面に達し開口部の底面と接触した後、更に降下させようとした場合でも、ヘッド４の重量はゼロの物体として働くのでボール２には実質的に力を及ぼさない。すなわち、ボール２がヘッド下面５の吸着孔２５に食い込むことはない。
【００６４】
この方法では、ヘッド４に吸着されているボール２に塗布されるフラックス２７の量は、フラックス２７の層の中にボール２を押し込む量によらず、設定されたフラックス２７の層の厚みによる。したがって、この方法は、ボール２の直径が小さい程有効であり、具体的には、ボール２の直径が５００ミクロン以下の場合有効であり、３００ミクロン以下では極めて有効な方法である。フラックス供給機構２６に形成されるフラックス２７の層の厚みは、ボール径の１／１０〜３／５がよい。より好ましくは、ボール径の１／５〜１／２である。
【００６５】
本発明になるボール搭載方法の第２実施例は、フラックス２７が印刷装置により所定箇所に印刷されたワークピース１２に、ヘッド４に吸着されたボール２を搭載するプロセスである。この第２実施例のフローチャートを図９に示す。
【００６６】
ステップ２１では、ヘッド４を下方位置決め１８にクランプする。ステップ２２では、ヘッド４をボール供給部１の上に移動する。ボール２の占有面積が５０％になる量のボール２がボール供給部１に供給されている。第１実施例のステップ３は省略され、ステップ２３では、バイブレータ３によって飛ばされて浮遊しているボール２が、ヘッド下面５に当たる程度にヘッド４を降下させ、ヘッド４にボール２を真空吸着させる（第１実施例のステップ４に相当）。ステップ２４では、フラックス２７が所定位置に印刷されたワークピース１２の上１ｃｍにヘッド４を移動する。ステップ２５では、ヘッド４のクランプを解除する。
【００６７】
ステップ２６では、ヘッド４に吸着されたボール２が、ワークピース１２に塗布されたフラックス２７の中へ入るように、ヘッド４を緩やかに降下させた後、キャビティ６の内圧を大気圧に戻し、ヘッド４を緩やかに上昇させ、ボール２の自重とフラックス２７の粘着力でボール２をワークピース１２に搭載する。ヘッド４の上昇距離は１ｃｍである。これにより、ヘッド４に吸着されたボール２は、フラックス２７の粘着力によりワークピース１２上に移動する。
【００６８】
ヘッド４を上昇中又は上昇後、ヘッド下面５にボール２が残留しないように、クランプされたヘッド４に振動を加える。振動は、ハンマーで叩いて発生させる。ハンマーで叩く回数は１回でよいが、ボール２が残留し易い場合は回数を５回まで増やす。クランプされていないヘッド４をハンマーで叩く場合は、クランプされている場合より弱く叩く。ハンマーでヘッド４を叩き残留ボールを落下させるこの方法は、本発明になるボール搭載方法の第1実施例にも有効である。
【００６９】
図１０は、加振用単動エアシリンダ３０を取り付けたヘッド４の正面図（Ａ）と加振用単動エアシリンダ３０でヘッド４を叩く位置３２を示す図（Ｂ）を関連付けて記載したものである。単動エアシリンダ３０は、内部にバネが配設されている。エア３１で押し出された単動エアシリンダ３０は、エア３１の圧力をゼロにするとバネの付勢力で元に戻される。
【００７０】
４はヘッド、３０は単動エアシリンダ、３１はシリンダを駆動するエア、３２は、ヘッド４の上面を単動エアシリンダ３０で叩く位置を示す。加振用の単動エアシリンダ３０は、ヘッド４の中心部より端部を叩く方が好ましい。
【００７１】
本発明において、ハンマーは、単動エアシリンダ３０や電磁ハンマー等を指す。電磁ハンマーは、コイル、バネ、ハンマー、磁気回路及び電気回路からなる慣用されている電磁ハンマーである。残留ボールの防止のためにヘッド４に与える振動方法は、ハンマーの他に超音波振動子で振動を与える方法がある。しかし、超音波振動子による方法は、一回の振動のエネルギーが小さいのでハンマーによる方法より劣る。
【００７２】
ステップ２７では、ヘッド４を下方位置決め１８にクランプする。ステップ２７の後、ヘッド４はステップ２２に戻る。ステップ２８では、ボール２が搭載されたワークピース１２を次工程へ送る。
【００７３】
上記２つの実施例において、ボール２がヘッド４に吸着されていないと、移動中にボール２が落下する心配がない。したがって、ボール２がヘッド４に吸着されていない場合のヘッド４の移動速度は、ヘッド４にボール２を吸着している場合より速くできる。
【００７４】
ヘッド４を秒速５〜２００ｃｍで移動してヘッド４が振動しないようにするためには、シリンダ１５によりヘッド４を下方位置決め１８に２Ｋｇｆ以上の力で押圧する必要がある。ヘッド４を秒速５ｃｍで移動した場合、４Ｋｇｆの力で下方位置決め１８にヘッド４を押圧すると振動を防止できる。より緩やかに停止させる場合、２Ｋｇｆの力で下方位置決め１８にヘッド４を押圧しても振動を防止できる。
【００７５】
振動防止の点から見ると押圧力の上限は存在しないが、シリンダ１５の能力、機器の剛性等から判断し２００Ｋｇｆが限度で、より好ましくは３０Ｋｇｆが上限である。実施例ではヘッド４を下方位置決め１８に押圧する機構を例示したが、ヘッド４が振動しないように固定することが本発明の目的であり、押し付け個所と方法は、限定されるものではない。ヘッド４を下方位置決め１８に押圧する以外に、ヘッド４の取り付け部材を下方位置決め１８に押圧しても良い。さらに、ヘッド４を横方向から慣用方法で機械的あるいは電磁的にクランプしてもい。
【００７６】
ヘッド４が衝撃的に停止すれば、クランプ力が大きくても停止時に振動が発生するので、急激な停止は好ましくない。すなわち、ヘッド４を減速させがら停止することが好ましい。加速と減速は、ヘッド４に振動が発生しない範囲にプログラムされる。
【００７７】
本発明の各実施の形態において、ヘッド４の重量をカウンタバランスするバネ１６は、ヘッド４の重量が機種により大きく変動するので、バネ力を大きめにし、シリンダ１５の圧力が０気圧の時、ヘッド４をバネ１６の力により上方位置決め１９に付勢できるバネ定数と長さにし、バネ１６を共通に使用できるようにするとよい。
【００７８】
本発明の各実施の形態において、ボール２は、導電性で、むくの金属からなる導電性ボールや絶縁性ボールに導電性物質を表面にコートした導電性ボールがよい。むくの金属からなる導電性ボールとしては、はんだボール、金ボール、銀ボール、銅ボール及びニッケルボール等である。絶縁ボールにコートした導電性ボールとしては、プラスチック、ガラス、石英又はアルミナのボールにはんだ、金、銀、銅、パラジウム、錫、又はニッケルをコートしたものである。はんだの組成は、鉛−錫共晶、高温はんだ、低温はんだ及び鉛無しはんだ等である。上記の金属は、純金属でも合金でもよい。
【００７９】
本発明の各実施の形態において、フラックス２７は、ボール２がはんだの場合、ロジンをベースとし、アミンを活性剤として添加したものでよい。ボール２が金、銀、銅、又はニッケル等の場合、それらが溶融してはんだとならないので、フラックス２７は、はんだクリーム、又は銀ペースト、金ペースト等の導電性接着剤とするのが好ましい。本発明において、導電性接着剤は、銀ペースト、金ペースト、ニッケルペースト等の他にクリームはんだを含む。
【００８０】
本発明の各実施の形態において、シリンダ１５としては、エアシリンダや油圧シリンダを採用することができるがエアシリンダがより好ましい。
【００８１】
本発明の各実施の形態において、下方位置決め１８にシリンダ１５の圧力でクランプされているヘッド４は、シリンダ１５の圧力を弱め、バネ１６の付勢力が勝るようになると、下方位置決め１８から離れ上方に移動する。ヘッド４が下方位置決め１８から上昇し始める直前に、ヘッド４の重量はカウンタバランスされて、見かけ上ゼロとなる。さらに、シリンダ１５の圧力を弱めると、ヘッド４は、その重量が見かけ上ゼロである状態を保ちながら、上方に移動する。バネ１６の上方への付勢力は、ヘッド４が上昇するに従って減少する。
【００８２】
ヘッド４の停止位置は、ヘッド４の重量とシリンダ１５の圧力の合計が、バネ１６の付勢力と釣り合う所である。バネ１６の付勢力は、バネ１６の長さの関数であるので、シリンダ１５の圧力が少々小さくなると、バネ１６が少々短くなり釣り合う。逆に、シリンダ１５の圧力が少々大きくなると、バネ１６が少々長くなり釣り合う。このようなことから、ヘッド４の自重がカウンタバランスされた時のヘッド４の位置（Ｚ方向）は、ヘッド４の重量、バネ１６の付勢力とシリンダ１５の圧力の関数でる。これら３者の関係が変わった場合と外乱が加わった場合、ヘッド４の位置（Ｚ方向）は、従来例と比較すると小さいが変動する。
【００８３】
本発明の各実施の形態において、ヘッド４の重量のカウンタバランスは、上述の如くゼロでなくともよい。すなわち、カウンタバランスの偏りが１ｋｇｆ以内であれば、実用上問題を生じない場合が多い。より好ましくは１００ｇｆ以内である。この場合、ヘッド４の重量が実質的にゼロ（吸着孔２５へのボールの食い付きが生じない範囲）にカウンタバランスされた状態で、ヘッド４は下方位置決め１８の位置に保持され、ヘッド４の高精度な位置制御ができる。
【００８４】
カウンタバランスの偏りが１００ｇｆの場合、吸着孔２５が５、０００個あるヘッド４では、１個のボール２に作用する力は、平均して０．０２ｇｆで、ボール２が吸着孔２５に食い込むことはない。この荷重は、ボール２が吸着孔２５に真空吸着される時に受ける衝撃的応力より小さい。
【００８５】
なお、ヘッド４を上方へ押し上げる付勢力発生手段としては、コイルバネであるバネ１６の代わりに板バネ等他のバネとしたり、バネの代わりにゴム、合成樹脂等の他の弾性部材としても良い。また、バネ１６によってヘッド４を引っ張り上げるのではなく、ヘッド４の下方にバネ１６を配置し、バネ１６によってヘッド４を押し上げるように構成しても良い。
【００８６】
本発明は、ＩＣ等の回路部品を基板に固定する場合に適用して好ましいが、ボールとして樹脂ボールを使用し、その樹脂ボールを所定位置に載置させる装置や、玉軸受用のボールを軸受に組み込む際の装置の一部としても利用することができる。また、ボール２は球状としているが、楕円状のボールとしたり、円柱状のボール等他の形のボールとしても良い。
【００８７】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００８８】
ヘッドを上方に付勢するバネと、たとえばシリンダと下方位置決めからなるクランプ手段を併せ設けることにより、ヘッドに吸着されたボールの食い付きと、ヘッドの振動を防止することができる。それにより、ヘッドの自重をカウンタバランスするカウンタバランス機構を有するボール搭載装置の工業的実用化に大きく貢献できる。
【００８９】
また、ヘッドを下方位置決めより上方向に持ち上げる付勢力を有するバネを用いることにより、ヘッドの重量のカウンタバランスを、クランプ手段の調整、たとえばシリンダの圧力調整で容易に行うことができる。
【００９０】
また、シリンダと下方位置決めからなるクランプ手段により、重量がカウンタバランスされたヘッドを高精度に位置（Ｚ方向）決めすることができる。
【００９１】
また、ベローズ型の吸着パッドでワークピースを載置台に固定することにより、湾曲したワークピースがより平坦に矯正され、湾曲したワークピースの使用を可能にできる。
【００９２】
さらに、ヘッドを移動する時はヘッドをクランプし、ボールをワークピースに搭載する時は、クランプ力を弱める方法により、ボールが食い付かず且つヘッドが振動しないボール搭載方法を実用化できる。
【００９３】
また、移動中のヘッドを２〜３０Ｋｇｆの荷重でクランプすることにより、ヘッドを５〜２００ｃｍの速度で移動しても、ヘッドの振動を防止できる。
【００９４】
また、ボールの量をまばらに散在させた状態で振動させることによりボールを大きく浮上させることができ、ヘッドへの吸着効率が良いものとなる。
【００９５】
また、ヘッドへのボールの吸着を間欠的に行うことにより、ボールが凝集する欠点を克服できると共に効率的にボールをヘッドに吸着させることができる。
【００９６】
また、重量をカウンタバランスしたヘッドに吸着されたボールを所定の厚みに成形したフラックスの下面に浸漬することにより、ボールを吸着孔に食い付かせることなく、ボールに所定量のフラックスを正確に塗布することができる。
【００９７】
また、導電性ボールに導電性接着剤を塗布する工程を有しているので、所定量の導電性接着剤を正確に塗布した導電性ボールをワークピースに搭載することが可能となる。
【００９８】
また、ヘッドの重量のカウンタバランスに１ｋｇｆ以下の偏りがあっても実用上問題がないことを見いだし、そのクランプ力を採用することでヘッドの重量をカウンタバランスするカウンタバランス型ボール搭載方法の広範囲な実用化に大きく寄与できるものとなる。
【００９９】
また、ボールをワークピースに搭載し、ヘッドをクランプした後、ハンマーでヘッドを叩くことにより、ヘッドを大きく振動させることなく、ヘッドに残留しているボールを落下させることができる。
【０１００】
さらに、付勢力を発生するバネと、ヘッドをクランプするためのシリンダを設け、バネの付勢力とシリンダの圧力とをうまく調整することで、ヘッドの重量を実質的にゼロとしているのでボールの吸着時に食い付きが生じたりせず、また、ボールをワークピースに搭載する際、ボールには過負荷が加わらないこととなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態のボール搭載装置の正面図である。
【図２】    図１のボール搭載装置中のボール供給部内に充填されたボールの代表的な充填状態を示す図で、（Ａ）はボールが数層に積層されている状態を示す図で、（Ｂ）はボールが一層で、まばらに散在している状態を示す図である。
【図３】    図１のボール搭載装置中の載置等を示す図で、（Ａ）はベローズ型の吸着パッドを有する載置台の平面図で、（Ｂ）はその断面図である。
【図４】    図１のボール搭載装置に使用されるヘッドおよびその周辺の構造の第２実施例で、ヘッドのカウンタバランス機構と、ヘッドのクランプ手段を示す断面図である。
【図５】図１のボール搭載装置に使用されるヘッドおよびその周辺の構造の第３実施例で、ヘッドのカウンタバランス機構と、ヘッドのクランプ手段と、ヘッドの移動手段を含む機構部の側面図である。
【図６】図１のボール搭載装置に使用されるフラックス供給機構の断面図である。
【図７】図１から図６に示されるボール搭載装置で実行されるボール搭載方法に関する第１実施例のフローチャートである。
【図８】本発明の実施の形態で実行される工程を説明するための図で、ボールにフラックスを塗布し、そのフラックスを塗布したボールをワークピースに搭載する工程を模式的に説明する図である。
【図９】図１から図６に示されるボール搭載装置で実行されるボール搭載方法に関する第２実施例のフローチャートである。
【図１０】本発明の実施の形態で示されるボール搭載装置のヘッドに加振用単動エアシリンダを取り付けたときのヘッド部分の図で、（Ａ）はその正面図で、（Ｂ）は加振用単動エアシリンダでヘッドを叩く位置を示すヘッドの平面図である。
【符号の説明】
１  ボール供給部
２  ボール
３  バイブレータ
４  ヘッド
５  ヘッド下面
６  キャビティ
７  ヘッド用ＸＹＺθテーブル
８  ベース
９  Ｚ方向駆動装置
１０  真空ポンプ
１１  光源
１２  ワークピース
１３  ワークピース用ＸＹＺθテーブル
１４  ケース
１５  シリンダ
１６  バネ（付勢力発生手段）
１７  スライダ
１８  下方位置決め
１９  上方位置決め
２０  モータ
２１  ボールネジ
２２  Ｘ方向駆動装置
２３  載置台
２４  吸着パッド
２５  吸着孔
２６  フラックス供給機構
２７  フラックス
２８  ブレイド
２９  電極
３０  加振用単動エアシリンダ
３１  エア
３２  加振用単動エアシリンダでヘッドを叩く位置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0004598240.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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