(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波振動を発生する保持面が水平方向に対向配置される、少なくとも２つの超音波振動子を有し、
該超音波振動子の保持面の間で、部品を超音波振動により非接触で挟持するようにされていることを特徴とする部品保持装置。
【請求項２】
前記対向する保持面の上下の位置が、ずらして配置されていることを特徴とする請求項１に記載の部品保持装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の部品保持装置が、部品ホルダ内に積層された部品を分離するための部品セパレータの出口に配設されていることを特徴とする部品配置装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の部品保持装置が、部品を積載するためのヘッドのチャック機構に配設されていることを特徴とする部品配置装置。
【請求項５】
前記チャック機構の上部にも、下方に向けて超音波を発生する超音波振動子が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の部品配置装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品保持装置及び部品配置装置に係り、特に、電子部品をプリント基板又は液晶やディスプレイパネル基板等に自動的に実装する電子部品実装装置に用いるのに好適な、部品を非接触で位置決め保持可能な部品保持装置、及び、この部品保持装置を用いた部品配置装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
チップ部品等の電子部品を回路基板や部品テープ等の対象物に配置する電子部品配置装置として、特許文献１に記載されたものがある。これは、その図２に示される如く、部品ホルダ１の排出口１ｂから部品セパレータ２の取り込み部２ｂに取り込まれたチップ部品ＥＣを吸着保持した状態で、この部品セパレータ２を所定角度（図では時計方向に９０°）回転させ、回転後に前記の吸着保持を解くことによって、チップ部品ＥＣを自重落下させて、回路基板ＣＳの所定位置に配置するものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１５６５９７号公報（図２）
【非特許文献１】吉本他「超音波振動を利用した非接触チャックに関する研究（浮上物体に加わる保持力の発生要因について）」日本機械学会論文集（Ｃ編）７３巻７２８号（２００７−４）２５２−２５８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に記載の技術は、部品ＥＣが落下しないようにセパレータ２で吸着保持しているので、セパレータに接触した時に部品に傷が付く。又、セパレータ２を回転させる度に摩耗を生ずる。更に、回転する部品セパレータ２は、吸着機構を持ち、回転する部分に吸着エアを伝える機構（経路）が必要なため、ロータリージョイント等の回転部にエアを伝達する複雑な機構が必要であるという問題もあった。
【０００５】
一方、非特許文献１には、超音波で振動する平面上に物体を置いた場合、物体がスクイーズ効果により振動面上に浮上すると共に、振動面内に物体を止める保持力が働くことを利用した非接触チャックが記載されている。しかしながら、非特許文献１に記載されたチャックは物体を浮上させるものであり、正確な位置決めは困難であった。
【０００６】
本発明は、前記従来の問題点を解消するべくなされたもので、超音波振動を利用して非接触で部品を確実に位置決め保持して、配置できるようにすることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、超音波振動を発生する保持面が水平方向に対向配置される、少なくとも２つの超音波振動子を有し、該超音波振動子の保持面の間で、部品を超音波振動により非接触で挟持するようにされていることを特徴とする部品保持装置により、前記課題を解決したものである。
【０００８】
ここで、前記対向する保持面の上下の位置を、ずらして配置することができる。
【０００９】
本発明は、又、前記の部品保持装置が、部品ホルダ内に積層された部品を分離するための部品セパレータの出口に配設されていることを特徴とする部品配置装置を提供するものである。
【００１０】
或いは、前記の部品保持装置が、部品を積載するためのヘッドのチャック機構に配設されていることを特徴とする部品配置装置を提供するものである。
【００１１】
ここで、前記チャック機構の上部にも、下方に向けて超音波を発生する超音波振動子を設けることができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、対向する超音波振動子の保持面の間で、部品を超音波振動により非接触で位置決め保持することができるので、部品に傷や摩耗等のダメージを与えることが無い。又、可動部が無く、複雑な機構や構造が必要ないので、故障や耐久性が低いといった問題が少なく、組立やメンテナンスも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を詳細に説明する。
【００１４】
図１は、電子部品実装装置の概略図であり、同図に示すように、電子部品実装装置１００は、中央部から少し後方で左右方向に延在する回路基板搬送路１１５と、装置１００の前部（図示の下側）に配設され、回路基板１１０に実装される部品１１８を供給する部品供給部１１１と、装置１００の前部に配設されたＸ軸移動機構（Ｘ軸ガントリと称する）１１２とＹ軸移動機構（Ｙ軸ガントリと称する）１１４を備えている。
【００１５】
Ｘ軸ガントリ１１２は、部品を吸着する吸着ノズル１１３ａを備えた搭載ヘッド部１１３をＸ軸方向に移動させ、またＹ軸ガントリ１１４は、Ｘ軸ガントリ１１２並びに搭載ヘッド部１１３をＹ軸方向に移動させる。又、搭載ヘッド部１１３は、吸着ノズル１１３ａを垂直方向（Ｚ軸方向）に昇降可能に移動させるＺ軸移動機構を備え、又、吸着ノズルをノズル軸（吸着軸）を中心に回転させるθ軸移動機構を備えている。又、搭載ヘッド部１１３には、支持部材に取付けるようにして、回路基板１１０上に形成された基板マークを撮像する基板認識カメラ１１７が搭載されている。又、部品供給部１１１の側部には、吸着ノズル１１３ａに吸着された部品を下方から撮像する部品認識カメラ１１６が配置されている。
【００１６】
図２は電子部品実装装置１００の制御系の構成を示している。１２０は、装置全体を制御するマイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭなどからなるコントローラ（制御手段）であり、これに以下の１２１〜１３１の構成が接続され、それぞれを制御している。
【００１７】
Ｘ軸モータ１２１は、Ｘ軸ガントリ１１２の駆動源で、搭載ヘッド部１１３をＸ軸方向に移動させ、又、Ｙ軸モータ１２２は、Ｙ軸ガントリ１１４の駆動源で、Ｘ軸ガントリ１１２をＹ軸方向に駆動し、それにより搭載ヘッド部１１３はＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。
【００１８】
Ｚ軸モータ１２３は、吸着ノズル１１３ａを昇降させるＺ軸駆動機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１１３ａをＺ軸方向（高さ方向）に昇降させる。又、θ軸モータ１２４は、吸着ノズル１１３ａのθ軸回転機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１１３ａをそのノズル中心軸（吸着軸）を中心にして回転させる。
【００１９】
画像認識装置１２７は、吸着ノズル１１３ａに吸着された部品１１８の画像認識を行なうもので、Ａ／Ｄ変換器１２７ａ、メモリ１２７ｂ及びＣＰＵ１２７ｃから構成される。そして、吸着された部品１１８を撮像した部品認識カメラ１１６から出力されるアナログの画像信号を、Ａ／Ｄ変換器１２７ａによりデジタル信号に変換してメモリ１２７ｂに格納し、ＣＰＵ１２７ｃが、その画像データに基づいて吸着された部品の認識を行なう。即ち、画像認識装置１２７は、部品中心と吸着角度を演算し、部品の吸着姿勢を認識する。又、画像認識装置１２７は、基板認識カメラ１１７で撮像された基板マークの画像を処理して基板マーク位置を演算する。
【００２０】
又、画像認識装置１２７は、部品認識カメラ１１６で撮像された部品１１８の画像データと基板認識カメラ１１７で撮像された基板マークデータを処理して、両方の補正データを制御手段１２０へ転送する。
【００２１】
キーボード１２８とマウス１２９は、部品データなどのデータを入力するために用いられる。
【００２２】
記憶装置１３０は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード１２８とマウス１２９により入力された部品データ、及び不図示のホストコンピュータから供給される部品データ等を格納するのに用いられる。
【００２３】
表示装置（モニタ）１３１は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１１６で撮像した部品１１８の画像等をその表示面１３１ａに表示する。
【００２４】
次に部品供給部１１１の部品セパレータの構造について、図３を使用して説明を行なう。
【００２５】
部品セパレータを構成する部品ホルダ２００は、中が中空で、Ｓ字状に湾曲したパイプになっており、実装するための電子部品１１８が自重落下するような状態で収納されている。
【００２６】
部品ホルダ２００の下部の部品排出部には、本発明に係る部品把持機構が取付けられている。この部品把持機構は、対向して取り付けられた左側部品把持機構２０１と右側部品把持機構２０２とを有する。左側部品把持機構２０１と右側部品把持機構２０２との間隔Ｄは、部品１１８の寸法に、例えば片側５０μｍの隙間を持った位置関係としている。
【００２７】
各部品把持機構２０１、２０２には、それぞれ超音波振動子２０３が取り付けられており、該超音波振動子２０３を振動させることにより、部品把持機構は超音波振動を起こす。超音波振動を起こすことにより、非特許文献１に記載されたように、水平方向に浮揚させる力が働く。
【００２８】
この超音波による浮揚現象は、撓み振動及び縦振動の放射面近傍において板状物体を浮揚させる。本発明は、この近距離場超音波浮揚を利用し、材質に関わらず平らな底面を持つ物体が、放射面の極く近傍、距離にして数１０μｍ〜数１００μｍ、波長に対し１／１００〜１／１０００の距離で浮揚する現象を利用している。
【００２９】
超音波振動子２０３の構造について説明する。
【００３０】
右側超音波振動子の接続図を図４に示す。超音波振動子２０３は、積層型のランジュバン型振動子を使用することができる。ランジュバン型振動子は、分極した圧電セラミックス２０４と電極２０５を、図４に示すように積層配置し、金属ブロック２０６で挟み、図示しないボルトで締め付けて一体化したものである。電極２０５は、交流電源２０７に接続してある。圧電セラミックス２０４は、交流電圧を印加すると逆圧電効果により伸縮が生じる。ランジュバン型振動子において、圧電セラミックス２０４は振動子の軸方向に分極されており、縦振動モードで振動する。一般にランジュバン型振動子は機械的品質係数Ｑｍが高いため、周波数のスパンの狭い共振ピークを持つ。
【００３１】
振動子の先端サイズＡを直径２ｍｍとすると、印加電圧２０Ｖで共振周波数３３ｋＨｚの振動をする。
【００３２】
次に、部品供給動作について説明を行なう。
【００３３】
まず、部品の把持の動作について説明する。
【００３４】
右側部品把持機構２０２の拡大図を、図５に示す。右側部品把持機構２０２を超音波振動させることにより、右側部品把持機構２０２の先端部２０２ａは、振動する。振動の分布は、点線２０８のような状態となる。この超音波振動により部品１１８は浮上し、右側部品把持機構２０２から非接触で浮上するような状態となる。
【００３５】
部品把持機構を両側で対向するような配置で構成しているので、図６に示す如く、右側部品把持機構２０２と左側部品把持機構２０１の超音波振動でお互いに部品を押付け合うような状態となり、非接触で部品１１８を中央に位置決め把持することができる。
【００３６】
次に部品が落下しない原理について説明する。
【００３７】
右側部品把持機構２０２の角部では、図７に示す如く、中央部に比べて振動が集中するため、空気膜圧によって、右側部品把持機構２０２内にある電子部品１１８がはみ出さないよう保持する力２０８ａが働く。このような現象は、「スクイーズ膜効果」と呼ばれている。この「スクイーズ膜効果」の右側部品把持機構２０２の下側角部の空気膜圧によって、部品１１８は落下せずに保持することができる。一方、部品把持機構２０２の上側で発生する「スクイーズ膜効果」では、図８に示す如く、供給する電子部品１１８ａだけ落下させ、次に供給する電子部品１１８ｂを落下させないようにするための保持力として力が働く。
【００３８】
この第１実施形態によれば、部品セパレータの出口で、部品ホルダ２００内に積層された部品１１８を非接触で確実に分離することができる。
【００３９】
なお、第１実施形態では、部品ホルダ２００がＳ字状とされていたが、部品ホルダの形状はこれに限定されず、直管状であっても良い。
【００４０】
次に、図９を参照して、部品を移載するためのヘッド１１３のチャック機構に適用した本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態は、吸着ノズル１１３ａの先端（下端）に配設される。
【００４１】
吸着ノズル１１３ａには、部品を把持するための把持爪が付いている。把持爪は、固定側把持爪２１０と可動側把持爪２１１とからなっており、可動側把持爪２１１の上部は、水平移動軸受の可動子２１３とレール２１２とにそれぞれ連結されており、水平方向に動作可能となっていて、電子部品の大きさによって、把持爪２１０、２１１の先端２１０ａ、２１１ａの間隔Ｄを、図示しない機構によって可変できるような構成となっている。
【００４２】
固定側把持爪２１０と可動側把持爪２１１の間の上部には、ストッパー２１４が取付けられている。
【００４３】
固定側把持爪２１０、可動側把持爪２１１、ストッパー２１４の構成について、図１０（可動側把持爪２１１の例）を使用して説明する。それぞれの先端部の根元には、第１実施形態と同様に圧電セラミックス２０４を電極２０５で挟み込んだランジュバン型振動子２０３が取付けられている。従って、振動子２０３によって、固定側把持爪先端２１０ａ、可動側把持爪先端２１１ａ、ストッパー先端２１４ａが縦振動モードで振動する。
【００４４】
部品を把持する原理は、第１実施形態と同様なので説明は割愛する。
【００４５】
次に、部品を吸着する動作について説明する。
【００４６】
部品供給装置の部品供給部１１１に置かれている電子部品１１８の上方へ搭載ヘッド部１１３を移動する。搭載ヘッド部１１３のＺ軸駆動機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１１３ａをＺ軸方向（高さ方向）に下降させる。この時、超音波振動子２０３は通電されていないので動作はしておらず超音波振動は発生していない。固定側把持爪先端２１０ａ、可動側把持爪先端２１１ａを、図１１のように部品１１８の横側になる位置まで下降した後に超音波振動子２０３に通電を行ない、超音波振動を発生させる。左右の振動子それぞれの浮揚現象によって電子部品１１８を押付け合い、部品１１８を中央位置に掴むことができる。
【００４７】
この時、図１２のようにストッパー２１４の振動子２０３に通電し、部品１１８を非接触で下方向に押し付ける力を発生させる。図１３の先端部の拡大図のように、ストッパー先端２１４ａの力により、電子部品１１８は下側に押し付けられるが、固定側把持爪先端２１０ａと、可動側把持爪先端２１１ａの「スクイーズ膜効果」により、部品１１８が落下することは無い。
【００４８】
電子部品１１８を把持した状態で、搭載ヘッド部１１３のＺ軸駆動機構（不図示）の駆動源で吸着ノズル１１３ａをＺ軸方向（高さ方向）に上昇させて、画像認識装置１２７の位置等へ移動を行なう。
【００４９】
なお、吸着ノズル１１３ａから部品１１８を下ろす際には、全ての超音波振動子２０３の通電をＯＦＦとして、電子部品１１８を自重で自由落下させたり、あるいは、ストッパー２１４の超音波振動子２０３の通電を強めて、搭載時に押付力を発生させることも可能である。
【００５０】
次に電子部品１１８を把持爪内に上下方向で位置決めする方法を示す第３実施形態について、図１４を使用して説明を行なう。
【００５１】
本実施形態では、固定側把持爪２１０の先端２１０ａと可動側把持爪２１１の先端２１１ａの高さをずらして配置する。その場合のずらす量は、固定側把持爪先端２１０ａと可動側把持爪先端２１１ａの重なる部分の寸法が、部品１１８の高さと一致するようにする。
【００５２】
これにより、固定側把持爪２１０の「スクイーズ膜効果」によって上側を押さえ、可動側把持爪２１１の「スクイーズ膜効果」によって下側を押え、部品を上下方向に位置決めすることができる。以上のような構成によって上下方向の部品の位置決め固定を行なう。
【００５３】
なお、第３実施形態においては、本発明が第２実施形態のチャック機構に適用されていたが、第３実施形態の構成を第１実施形態の部品セパレータの出口に適用することも可能である。更に、左右の超音波振動子の上下位置を可変として、部品１１８の高さに合わせて調整可能とすることもできる。
【００５４】
なお、前記実施形態においては、本発明が電子部品実装装置の電子部品の保持に適用されていたが、本発明の適用対象はこれに限定されず、電子部品実装装置以外の装置の電子部品以外の一般部品の保持や配置にも同様に適用できることは明らかである。超音波振動子の種類も、ランジュバン型振動子に限定されない。水平方向に対向配置する振動子の数も２つに限定されず、３つ以上であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明が適用される電子部品実装装置の全体構成を示す斜視図
【図２】同じく制御系の構成を示すブロック図
【図３】本発明に係る部品把持機構の第１実施形態が配設された部品セパレータの構成を示す断面図
【図４】第１実施形態における超音波振動子の構成を示す断面図
【図５】同じく部品保持の原理を示す断面図
【図６】同じく部品が保持されている状態を示す部品セパレータの断面図
【図７】第１実施形態における部品分離の原理を示す断面図
【図８】同じく部品が分離されている状態を示す部品セパレータの断面図
【図９】吸着ノズルの先端に配設される本発明の第２実施形態の構成を示す断面図
【図１０】第２実施形態における超音波振動子の構成を示す断面図
【図１１】同じく部品を掴む状態を示す断面図
【図１２】同じく部品を保持している状態を示す断面図
【図１３】同じく部品保持の原理を示す断面図
【図１４】本発明の第３実施形態の構成を示す断面図
【符号の説明】
【００５６】
１００…電子部品実装装置
１１１…部品供給部
１１３…搭載ヘッド部
１１３ａ…吸着ノズル
１１８…部品
２００…部品ホルダ
２０１…左側部品把持機構
２０２…右側部品把持機構
２０３…超音波振動子
２１０…固定側把持爪
２１１…可動側把持爪
２１４…ストッパー
【図１】
0004943303.tif 000002
【図２】
0004943303.tif 000003
【図４】
0004943303.tif 000004
【図５】
0004943303.tif 000005
【図７】
0004943303.tif 000006
【図９】
0004943303.tif 000007
【図１０】
0004943303.tif 000008
【図１４】
0004943303.tif 000009
【図３】
0004943303.tif 000010
【図６】
0004943303.tif 000011
【図８】
0004943303.tif 000012
【図１１】
0004943303.tif 000013
【図１２】
0004943303.tif 000014
【図１３】
0004943303.tif 000015