マウンタ装置の加圧制御ヘッド
【課題】マウンタ装置において、加圧速度を適切に切り替えて加圧時間を短縮する。
【解決手段】部品を吸着するノズル１３１の高さを位置決めするサーボモータ２３と、ノズル１３１が吸着した部品を基板に押し付ける荷重を制御できる加圧制御ヘッド１３とを備えるマウンタ装置であって、ノズル１３１の先端に組み込まれた衝撃緩衝ばね１３２と、ノズル１３１が吸着した部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサとを備え、サーボモータ２３の駆動によりノズル１３１が吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、圧力センサにより衝撃緩衝ばね１３２の圧縮による反発力を検知した後、当該衝撃緩衝ばね１３２の圧縮が完了するまでにノズル１３１の下降速度を減速させる。
【解決手段】部品を吸着するノズル１３１の高さを位置決めするサーボモータ２３と、ノズル１３１が吸着した部品を基板に押し付ける荷重を制御できる加圧制御ヘッド１３とを備えるマウンタ装置であって、ノズル１３１の先端に組み込まれた衝撃緩衝ばね１３２と、ノズル１３１が吸着した部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサとを備え、サーボモータ２３の駆動によりノズル１３１が吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、圧力センサにより衝撃緩衝ばね１３２の圧縮による反発力を検知した後、当該衝撃緩衝ばね１３２の圧縮が完了するまでにノズル１３１の下降速度を減速させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を基板に搭載するマウンタ装置の加圧制御ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品のマウンタ装置として、例えば特許文献１により、加圧時間を短縮する従来の方法として、圧力検出部にて検出した圧力が増加し始めた位置を電子部品がプリント基板などに当接した位置とし、その位置を学習して高速で下降させられる位置の精度を向上していく方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１７２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方式では、特許文献１のように、ばねのないノズルを用いて加圧制御を行うと、衝突時に、衝撃を与える側の運動量（質量×速さ）によって決まる衝撃力が発生する。
この衝撃力により部品が破壊される可能性があるので、電子部品が基板面に当接する速度を低く設定する必要がある。
また、全ての搭載プロセスにわたって低い軸速度で実行すると、搭載タクトが下がってしまうため、搭載高さの直近まで高速に移動させてから、部品にダメージを与えない十分低い速度へ切り替えて当接させるようにしている。
このため、図１３に示すように、加圧時間が長くなってしまう問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、マウンタ装置において、ノズルに基板との衝突を緩衝するばねを用いると共にその緩衝中に加圧速度を適切に切り替えることにより加圧時間を短縮することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、本発明は、部品を吸着するノズルの高さを位置決めするサーボモータと、ノズルが吸着した部品を基板に押し付ける荷重を制御できる加圧制御ヘッドとを備えるマウンタ装置であって、前記ノズルの先端に組み込まれた衝撃緩衝ばねと、前記ノズルが吸着した部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサとを備え、前記サーボモータの駆動により前記ノズルが吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、前記圧力センサにより前記衝撃緩衝ばねの圧縮による反発力を検知した後、当該衝撃緩衝ばねの圧縮が完了するまでに前記ノズルの下降速度を減速させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加圧速度を適切に切り替えて加圧時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用したマウンタ装置の一実施形態の構成を示す概略構成図である。
【図２】マウンタ装置の制御系の構成図である。
【図３】搭載ヘッド部の機構系の構成図である。
【図４】ひずみゲージの出力電圧と荷重値の関係を示すグラフである。
【図５】部品と基板の位置関係に対するＺ軸モータ速度、検出荷重、目標荷重、Ｚ軸目標座標を示したグラフである。
【図６】モータ軸変移角度（モータ軸の目標座標と実座標の差）と発生トルクの関係を実測したグラフである。
【図７】ノズル先端に吸着された部品が基板面に当接した後の基板面が受ける荷重の変化を実測したグラフである。
【図８】加圧検知手段に加え、衝撃力を低減させる目的で設けたノズルばねを有する機械的構成を示す概略図である。
【図９】ばね付き吸着ノズルで加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を示すグラフである。
【図１０】本発明で加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を示すグラフである。
【図１１】本発明の制御方法における段取りから搭載を示すフローチャートである。
【図１２】従来制御の説明で使用した図７と、本発明の制御の説明で使用した図１０から、加圧開始位置を揃えて示すグラフである。
【図１３】従来のばねなしノズルで加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
＜発明の概要＞
本発明は、吸着ノズルにより、電子部品を部品供給部より基板上へ移動搭載するマウンタ装置であり、ノズルが部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサ（ロードセル）と、ノズル先端に組み込まれた衝撃緩衝ばねを有し、吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、前記圧力センサ（ロードセル）にて、ノズル先端ばねの圧縮による反発力を検知した後、ノズル先端ばねの圧縮が完了するまでにノズルの下降速度を減速させる加圧制御方式である。
さらに、その加圧制御方式を用いて、吸着ノズルで電子部品を吸着する時、ノズル先端ばねが圧縮中に吸着を完了させる。
【００１０】
（実施形態１）
＜マウンタの構造＞
図１は電子部品実装装置（マウンタ装置）の概略構成図である。
図示のように、電子部品実装装置１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１５と、装置１の前部（図示の下側）に配設され、回路基板１０に実装される部品を供給する部品供給部１１と、当該装置１の前部に配設されたＸ軸移動機構１２とＹ軸移動機構１４を備えている。
【００１１】
部品供給部１１の側部には、吸着ノズル１３１に吸着された部品を下方から撮像する部品認識カメラ（撮像手段）１６が配置されている。
Ｘ軸移動機構１２は、部品を吸着する吸着ノズル１３１を備えた搭載ヘッド部１３（加圧制御ヘッド）をＸ軸方向に移動させる。
搭載ヘッド部１３は、Ｘ軸移動機構１２と接続されている。
Ｙ軸移動機構１４は、Ｘ軸移動機構１２、並びに搭載ヘッド部１３をＹ軸方向に移動させる。
搭載ヘッド部１３は、吸着ノズル１３１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、また、吸着ノズル１３１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。
また、搭載ヘッド部１３には、支持部材に取付けるようにして、回路基板１０上に形成された基板マークを撮像する基板認識カメラ１７が搭載されている。
【００１２】
図２は電子部品実装装置の制御系の構成を示している。図中、２０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、このコントローラ２０に、Ｘ軸モータ２１から表示装置（モニタ）３１が接続され、それぞれを制御している。
【００１３】
Ｘ軸モータ２１は、Ｘ軸移動機構１２の駆動源で、搭載ヘッド部１３をＸ軸方向に移動させる。
また、Ｙ軸モータ２２は、Ｙ軸移動機構１４の駆動源で、Ｘ軸移動機構１２をＹ軸方向に駆動し、それにより搭載ヘッド部１３はＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。
【００１４】
Ｚ軸モータ２３は、吸着ノズル１３１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１３１をＺ軸方向（高さ方向）に昇降させる。
また、θ軸モータ２４は、吸着ノズル１３１のθ軸回転機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１３１をそのノズル中心軸（吸着軸）を中心にして回転させる。
【００１５】
画像認識装置２７は、吸着ノズル１３１に吸着された部品１８の画像認識を行なうもので、Ａ／Ｄ変換器２７１、メモリ２７２及びＣＰＵ２７３から構成される。
そして、吸着された部品１８を撮像した部品認識カメラ１６から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器２７１によりデジタル信号に変換してメモリ２７２に格納し、ＣＰＵ２７３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。
すなわち、画像認識装置２７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。
また、画像認識装置２７は、基板認識カメラ１７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。
また、画像認識装置２７は、部品認識カメラ１６で撮像された部品１８の画像データと基板認識カメラ１７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２０へ転送する。
【００１６】
キーボード２８とマウス２９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。
記憶装置３０は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード２８とマウス２９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などを格納するのに用いられる。
表示装置（モニタ）３１は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１６で撮像した部品１８の画像などをその表示面３１１に表示する。
【００１７】
実際に、基板の生産を開始し、部品を回路基板に搭載する段階では、予め基板認識カメラ１７で撮像された基板マークによる回路基板１０の基板補正データ（Δｘ、Δｙ、Δθ）は記憶装置３０に格納されている。
そして、部品供給装置１１から供給される部品を吸着ノズル１３１で吸着し、搭載ヘッド部１３を部品認識カメラ１６上部に移動させて、部品を同カメラで撮像する。
撮像された部品の画像は、画像認識装置２７で画像処理され、補正データを制御手段２０へ転送する。
制御手段２０は、記憶装置３０から基板補正データと当該部品の部品データを読み出して、この部品データと前記転送された画像認識装置２７で演算された部品中心と部品の傾きをもとに、部品の搭載位置と吸着姿勢を認識する。
続いて、部品搭載位置と部品中心と吸着中心間に位置ずれがあり、また、角度ずれが検出されると、これらの総合位置ずれと角度ずれがＸ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２２、θ軸モータ２４を駆動することにより補正され、部品が所定の回路基板位置に正しい姿勢（基準角度）で搭載される。
【００１８】
次に、搭載ヘッド部１３について図３を使用して説明を行う。
【００１９】
図示のように、搭載ヘッド部１３のベースフレーム１００にリニアガイド１０１が設置され、垂直Ｚ駆動部１０２が垂直Ｚ軸方向に移動可能な構造となっている。
搭載ヘッド部１３上部には、垂直Ｚ駆動部１０２を垂直上下動させるためのＺ軸モータ２３がベースフレーム１００に固定され、このＺ軸モータ２３にカップリング１１０を介してボールねじのねじ部１１１が接続されている。
【００２０】
また、部品を回転動作させるためのθ軸モータ２４は、スプライン軸受１０７と回転ベアリング１０６で構成されて外周部にベルトプーリが取付けられた垂直回転駆動部軸受１０５と、θモータプーリ１０８とタイミングベルト１０９を介して接続されている。
垂直回転駆動部軸受１０５は、内部にスプライン軸受１０７があり、スプライン軸であるノズルシャフト１０４と接続されている。
垂直回転駆動部軸受１０５の外周部には、回転ベアリング１０６が取付けられている。この回転ベアリング１０６の外周がベースフレーム１００に固定されていて、ノズルシャフト１０４は、垂直回転駆動部軸受１０５によって回転動作と上下動作ができるように固定されている。
【００２１】
垂直Ｚ駆動部１０２の一端には、ボールねじのねじ部１１１に噛み合うナット部１１８が固定されている。
従って、Ｚ軸モータ２３を回転動作させることにより、ボールねじのナット部１１８によって垂直Ｚ駆動部１０２が上下に駆動される構造となっていて、ノズルシャフト１０４及び吸着ノズル１３１を上下駆動動作できる。
【００２２】
また、垂直Ｚ駆動部１０２には、ノズルシャフト１０４を回転支持するために、下側回転ベアリング１４１、上側回転ベアリング１４２が設置されている。
垂直Ｚ駆動部１０２のノズルシャフト１０４とボールねじのナット部１０９の間に円形の穴形状である変形部１１２が設けられている。この変形部１１２に、ひずみゲージ１１３が取付けられている。
ひずみゲージ１１３は、ひずみゲージ１１３の出力電圧と荷重値の関係は、予め校正をとって図４のような関係をとり、コントローラ２０に保存してある。
なお、ひずみゲージ１１３は、適切な構造変更を伴ってロードセルに置き換えることができる。
【００２３】
また、ベースフレーム１００には、垂直Ｚ駆動部１０２のリニアガイド１０１側の固定部付近を検出するように原点センサ１１４が固定されている。
【００２４】
次に、電子部品の加圧搭載動作の流れを説明する。
【００２５】
図１の搭載ヘッド１３をＸ軸移動機構１２、Ｙ軸移動機構１４を動作させて電子部品供給装置１１の上方に搭載ヘッド部１３を移動し、電子部品１８を吸着する。
電子部品１８を吸着した搭載ヘッド部１３を部品認識カメラ１６の上方へ移動し、電子部品１８を認識する。
認識を完了した後に搭載ヘッド部１３を移動し、回路基板１０上の電子部品１８の搭載予定部に搭載ヘッド部１３にて電子部品１８を吸着して部品認識カメラ１６上に移動し、電子部品１８を部品認識カメラ１６上で認識し、回路基板１０上の搭載位置へ移動して搭載を行う。
【００２６】
次に、荷重制御による部品搭載動作について説明する。
【００２７】
搭載ヘッド部１３を回路基板１０上の部品搭載位置でＺ軸モータ２３を駆動させて、垂直Ｚ駆動部１０２及び吸着ノズル１３１を下降させる。
吸着ノズル１３１に吸着された部品１８を、搭載する回路基板１０への搭載高さ直前位置（Ｚ１）まで高速で降下させる。
その後、Ｚ軸モータ２３を駆動して、吸着ノズル１３１に吸着された部品１８を４ｍｍ／秒程度の低速度で下降させて衝撃荷重を押さえつつ、目標搭載高さまで下降させる。
電子部品１８を加圧搭載した後にバキュームエアをＯＦＦし、Ｚ軸モータ２３を動作させて垂直Ｚ軸駆動部１０２及び吸着ノズル１３１を上昇させる。
その後、次の電子部品の吸着位置へ移動が行なわれる。
【００２８】
次に原点復帰動作について説明する。
【００２９】
Ｚ軸駆動部１０２を原点センサ１１４の検出範囲から離れる位置（例えば２ｍｍ）下降移動させる。
その後、原点復帰速度１０ｍｍ／秒にて、上昇をさせる。
原点センサ１１４の検出ＯＮの高さ（Ａ０）をＺ軸モータのエンコーダ値から読取り、ＣＰＵ２７Ｃに記憶しておく。
Ｚ軸駆動部１０２が原点センサ１１４を検出した直後に検出されるＺ軸モータ２３のエンコーダ原点の位置を、Ｚ軸駆動部１０２の原点とすることで、電源オフ／オンを繰り返してもＺ軸原点の高精度な再現性が得られる。
【００３０】
＜動作の説明＞
図５において、「１」はＸＹ機構上に載置されたマウンタヘッドのノズル先端が、ＸＹ動作によって、搭載する基板上の部品や、その他基板周辺のマウンタ機構部に接触する可能性のない第１の高さであり、「２」はノズルの吸着している部品が基板面に接触を開始する直前の第２のＺ軸高さである。
【００３１】
第１の高さ「１」から第２の高さ「２」までは、搭載性能の低下を最小化するため高速に降下する（９００ｍｍ／秒程度）。このとき、ノズルの下降位置制御を高精度で実現するため通常の位置制御を行うためゲインを高く設定している。
【００３２】
第２の高さ「２」では、モータ軸を一端停止させ、ゲインを低く設定した後、軸降下を再開する。
ここで、モータ速度を低速（４ｍｍ/秒）として、モータ位置制御モードにおいて発生トルクを生成するゲインを、必要とする設定荷重に応じて設定する。前記発生出力トルクを、前記サーボモータの位置フィードバックゲインを含む制御パラメータに基づいて可変する。
その他、ゲインの制御パラメータとしての設定特性を、積分補償型ゲインパラメータを少なく設定したゲインに変更する。
サーボモータの発生トルクは位置フィードバックゲインと位置偏差に応じて決まるが、位置偏差量とその状態の継続時間に応じても発生トルクのフィードバック調整が機能するため、積分補償型ゲインなどの時間軸を要素とするフィードバック機能を小さく設定し、安定な加圧力を得ようとするものである。
【００３３】
図５において、「３」は部品下面と基板面の当接点である。
【００３４】
ロードセルの計測結果が指定荷重値に達しない限り、継続してＺ軸を降下させるため、ノズル先端に吸着された部品が基板面に当接して、降下を妨げられると、モータ軸の目標座標と実座標の乖離が進むため、前記のゲイン設定の結果サーボモータの発生トルクが増加し、ロードセルの計測結果も、モータ軸の目標座標が進むにつれて暫増する。
【００３５】
図６はモータ軸変移角度（モータ軸の目標座標と実座標の差）と発生トルクの関係を実測したグラフである。横軸は、前記座標の差をモータ軸の回転角度（１０度〜６０度）で示している。
発生トルクは、設定ゲイン１０〜設定ゲイン１００を数値１０ごとに評価している。
このように、モータ軸変移角度とゲインとモータ出力トルクはおおむね比例関係にある。従って、前記のように設定荷重 (部品の種別により異なる部品の基板面への押圧力) 対応して、発生出力トルクを前記サーボモータのフィードバックゲインを選択することにより調節することができる。
【００３６】
図７はノズル先端に吸着された部品が基板面に当接した後の、基板面が受ける荷重の変化を実測したものである（Ｚ軸速度=１０ｍｍ/秒、ヘッド部質量=２５０ｇ）。
前記部品が基板面に当接した直後に縦軸に示す荷重は急峻に立ち上がり、以降時間の推移に比例して荷重が増加する。
この急峻に立ち上がる荷重部分は、主にヘッド可動部の持つ質量による衝撃荷重が計測されたものである。
【００３７】
図５において、「４−１」に示すとおり、ロードセルの計測結果が設定荷重を上回ると、Ｚ軸モータの駆動が停止される。
実装機の操作設定により、最低加圧継続時間が設定されている場合は、「５」まで指定圧力を維持するために、ロードセルの計測結果に応じてＺ軸モータの降下／上昇を繰り返すことが可能となっている。
ロードセルの計測結果が設定荷重を上回ったことにより、Ｚ軸モータの降下を瞬時に停止することが望ましい。
この反応に遅延が有ると、その分モータの目標座標が進みモータ軸の発生トルクが過大となってしまう。
【００３８】
実施形態では、モータ軸変移角度とゲイン値とモータ出力トルクの関係を利用して、ゲインを低めに設定することによって、モータの目標座標と実座標の差が生じても極端に大きな荷重変化が生じないようにしているため、モータの目標座標が進み過ぎても目標荷重に沿った圧力制御が実現できるようになっている。
【００３９】
ここで、設定荷重において、ノズル先端の目標座標に対する最大遅れ量が０．７５ｍｍとなるように適切にゲインが設定されている場合、目標荷重に対する制御誤差を３％、Ｚ軸モータの速度を５ｍｍ/秒とすると、反応遅れ許容時間＝（最大遅れ量×制御精度）÷モータ軸速度より＝０．００４５秒となる。
このため、本荷重方式では、通常のサーボアンプを直接マウンタ制御部からコントロールして荷重制御を実現させることができる。
従って、荷重制御のためにロードセルの計測結果を参照して、モータ軸やＶＣＭまたは電空レギュレータを高速にフィードバック制御するような特別な制御系を設ける必要がない。
【００４０】
以上のとおり、実施形態のマウンタ装置の加圧制御ヘッドによれば、以下に列挙する効果を発揮できる。
【００４１】
１）ヘッドを第１の高さ位置から第２の高さ位置に移動する手段として設けたＺ軸モータにより第２の高さ位置から第３の高さ位置へ移動し、ノズルの加圧を行う加圧源としても同じＺ軸モータが用いられるため、加圧制御ヘッドをシンプルな構成で低コストに提供することができる。
【００４２】
２）加圧を行なうために必要となる広い荷重範囲を持ったばねに代わって、モータ軸の発生トルクで加圧することができるため、構造がシンプルであることに加え、より広範囲な荷重範囲に精度良く対応することができる。
【００４３】
３）Ｚ軸モータを常に位置制御モードで利用するため、モータの軸座標管理に誤差が生じない。
【００４４】
４）Ｚ軸モータの発生トルクを用いた加圧であるため、モータの目標座標と実座標の最大ずれ量を制限することができる。
すなわち、ばね加圧式の構造では、コネクタ挿入処理のように負荷荷重のピーク（抜け防止の返し部の通過が最大負荷となるため）を通過した直後、急激に負荷が小さくなってしまうような特性を持った負荷であると、ばねのたわみ量に相当する軸のオーバーシュートが発生し、衝撃荷重によって部品にダメージを与える恐れがある。
これに対し、本方式では、前記最大ずれ量が制限されているため、負荷変動に対する位置のオーバーシュートが小さく、衝撃荷重を小さく抑えることができる。
【００４５】
５）荷重制御機能を持った専用のサーボアンプを必要としない。
【００４６】
（実施形態２）
〈ノズルばねによる衝撃力の緩衝〉
加圧検知手段に加え、衝撃力を低減させる目的で設けたノズルばねを有する機械的構成を図８に示す。
【００４７】
図８において、前述した実施形態１と同様、１０はプリント基板などの回路基板、１３は搭載ヘッド部、１８は電子部品、２３はＺ軸モータ、２４はθ軸モータ、１００はベースフレーム、１０１はリニアガイド、１０２は垂直Ｚ駆動部、１０４はノズルシャフト、１０５は垂直回転駆動部軸受、１０６は回転ベアリング、１０７はスプライン軸受、１０８はθモータプーリ、１０９はタイミングベルト、１１０はカップリング、１１１はボールねじのねじ部、１１８はボールねじのナット部、１３１は吸着ノズルであって、１３２はノズルばね（衝撃緩衝ばね）、１３３はノズル可動部側ストッパー、１３４はＺ軸可動部側ストッパー、１４３はロータリブッシュベアリング、１４４は加圧検出部（センサ）である。
【００４８】
図８の構成は、吸着ノズル１３１が鉛直上方へ押される力を、ノズル軸に設けられた圧力検出部１４４で検出することができる。
【００４９】
本発明では、縦線で示した部分をノズル可動部、ノズル可動部と斜線で示した部分を合わせてＺ軸可動部と呼ぶ。
ノズル可動部とＺ軸可動部の間には、衝撃緩衝用のノズルばね１３２が挟まっており、このばね１３２はノズル可動部下方からの圧力を受けると縮む。
このノズルばね１３２は、１（Ｎ）の圧力がかかった時初めて動くように初期圧縮をしており、ばね定数を非常に低く設定してあるため、ノズルばね１３２のストロークに関わらず、発生するばね力が均一となるような特性を持っている。
また、ノズルばね１３２の縮み方向へのストロークが１（ｍｍ）に達するとストッパー１３３・１３４によって止まるように設定した。
【００５０】
図８のノズルばね１３２を用いて加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を図９に示す。
図９においては、図８のばね付き吸着ノズル１３１を、図７のばねなしノズルの場合と同じ速度で運用した時、電子部品が受ける圧力波形とＺ軸可動部の速度波形を示している。
【００５１】
本発明では、ノズルで吸着した電子部品を下降させ、基板面に当接して衝撃緩衝ばねの圧縮が開始する瞬間を第一衝突、その後、ノズルばねのストロークがなくなった瞬間を第二衝突と呼ぶ。
【００５２】
ここで、衝撃力の計算式は、
衝撃力（ｋｇ・ｍ）＝衝撃力を与える側の重量（ｋｇ）
×衝撃力を与える側の速さ（ｍ／ｓ）
÷衝撃を伝えるためにかかった時間（ｓ）・・・（Ａ）
で与えられる。
【００５３】
（Ａ）式から、第一衝突の衝撃力はノズル可動部のみの質量で計算されるため非常に小さく、ノズルの初期圧縮以下となりオーバーシュートは生じない。しかし、第二衝突の衝撃力はＺ軸可動部の質量で計算されるため大きく、下降速度を十分減速させてないとオーバーシュートが生じてしまうのは、ばねなしノズルを用いた場合と変わらない。
結果としては、ノズルばねを用いるとノズルばねのストローク分だけ加圧時間が長くなるだけである。
また、部品がプリント基板などに当接する直前の位置は、電子部品の高さデータなどから計算をしていたため、高さの精度が悪い電子部品を搭載する場合、加圧時間が大幅に増えてしまう問題もある。
【００５４】
本発明では、図８のノズルばね１３２によって衝突が二回に分けられるので、第一衝突を圧力検出部で検出し、下降速度とノズルばねのストロークから第二衝突までの時間を計算し、第二衝突直前で下降速度を調整する。
【００５５】
まず、本発明で加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を図１０に示す。
図示のように、搭載速度であっても第一衝突時はオーバーシュートが生じないため、電子部品を搭載速度で基板面に当接させる。その時、第一衝突時の圧力波形は、ばねの初期圧縮値まで急峻に立ち上がるので、圧力に閾値を設けるだけで精度よく検出することができる。
【００５６】
第一衝突から第二衝突までの時間は、
ノズルばね圧縮開始から第二衝突までの時間（ｓ）＝ノズルばねのストローク（ｍ）
÷下降速度（ｍ／ｓ）・・・（Ｂ）
で与えられるので、ノズルばねのストロークとＺ軸可動部の下降速度を精度よく管理すれば、ノズルばね圧縮開始から第二衝突までの時間も精度よく予測できる。
【００５７】
ここで、（Ｂ）式の衝撃力を与える側の速さ以外の変数は、図８の構成の場合ほぼ一定の値であるため、第二衝突の衝撃力は速度のみに依存する。
よって、予測した時間を元に、衝撃力が目標荷重の許容範囲内に収まる速度へ、第二衝突までに減速させる。
【００５８】
次に、本発明の制御方法における段取りから搭載のフローチャートを図１１に示す。
【００５９】
段取りは、図１１（ａ）のフローチャートのように、処理開始により、接触検知から第二衝突までの時間を計算する（ステップＳ１）。
続いて、計算した時間に安全率などの補正をかけた値を記録する（ステップＳ２）。これにより処理を終了する。
【００６０】
搭載は、図１１（ｂ）のフローチャートのように、処理開始により、電子部品を吸着し、基板面の搭載位置上方に位置合わせをする（ステップＳ１１）。
続いて、電子部品を等速高速度で下降させる（ステップＳ１２）。
次に、基板面に当接した瞬間として衝撃緩衝ばねの圧縮が開始する第一衝突を加圧検出部１４４で検知したかを判定する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３において、検知すれば次に進み、検知しなければステップＳ１２に戻り、処理を継続する。
次に、段取りで記録した時間までに等速高速度から加圧速度まで減速する（ステップＳ１４）。
続いて、電子部品を加圧速度で下降させる（ステップＳ１５）。
次に、目標圧力に達したことを加圧検出部１４４で検出したか？を判定する（ステップ１６）。このステップＳ１６において、達していれば処理を終了し、達していなければステップＳ１５に戻り、処理を継続する。
【００６１】
また、ばね付きノズルで電子部品を吸着する際、ノズルを電子部品に１（Ｎ）程の圧力をかけて吸着すると、吸着が安定する事は既知であるが、ノズルばねのストロークは１（ｍｍ）と小さいため、稀にこのストロークを超えてしまい、吸着ミスだけでなく、電子部品や、電子部品を供給する装置を破壊することがあった。
【００６２】
しかし、本発明の方法を用いれば、タクトを落とさずに、ノズルばねのストロークから外れることなくノズルを止めて確実に吸着することが可能になる。
【００６３】
次に、従来制御の説明で使用した図７と、本発明の制御の説明で使用した図１０から、加圧開始位置を揃えて図１２に示す。
【００６４】
図１２に示したように、従来の圧力波形では、加圧開始から衝撃力を抑えられる速度で当接させなくてはならないため、加圧時間が長かった。
一方、本発明の制御では、加圧開始から高速で下降させ、衝撃力が発生することなく第一衝突を検出して第二衝突のタイミングを予測し、第二衝突直前で加圧速度へ切り替えることで加圧時間を短縮することができる。
【００６５】
また、従来の制御では、あらかじめ入力された部品の高さなどのパラメータから電子部品が搭載される直前の高さを計算し、その高さを閾値として減速し衝撃力を抑えていた。そのため、高さの精度が悪い電子部品を搭載する際は、そのばらつきによって加圧時間が非常に長くなる問題があった。
【００６６】
しかし、本提案の方法では、部品の高さは関係なく、部品の高さがばらついても加圧時間は理論上変わらない。そのため、段取り時に部品の高さデータを入力する手間も必要なくなる。
さらに、電子部品の吸着時に応用すると、吸着失敗となる、第一衝突前の吸着と第二衝突後の吸着を確実に避ける事ができるので、部品吸着の品質向上が望める。
【００６７】
（他の実施例）
実施形態では、ノズルばねのストロークとＺ軸可動部の下降速度を用いて、ノズルばねの圧縮開始から第二衝突までの時間を計算し、速度切り替えに用いたが、他の実施例として、ノズルに吸着された電子部品が基板面に当接した位置からの相対的な距離を用いても実施例を実現できる。
また、速度の時間積分を用いても前記距離と同じ効果を持つ値を計算できる。
また、目標圧力がノズルばねの初期圧縮値よりも遥かに大きい場合は、第二衝突を過ぎてから減速させる事で、加圧時間のさらなる短縮が可能になる。
【００６８】
また、実施形態では、ロードセルによる検出に基づく制御としたが、電流制御でも可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１ マウンタ装置
１０ 基板
１３ 搭載ヘッド部（加圧制御ヘッド）
１３１ 吸着ノズル
１３２ 衝撃緩衝ばね
１４４ 加圧検出部（センサ）
１８ 電子部品
２３ サーボモータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電子部品を基板に搭載するマウンタ装置の加圧制御ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
電子部品のマウンタ装置として、例えば特許文献１により、加圧時間を短縮する従来の方法として、圧力検出部にて検出した圧力が増加し始めた位置を電子部品がプリント基板などに当接した位置とし、その位置を学習して高速で下降させられる位置の精度を向上していく方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３８１７２０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来の方式では、特許文献１のように、ばねのないノズルを用いて加圧制御を行うと、衝突時に、衝撃を与える側の運動量（質量×速さ）によって決まる衝撃力が発生する。
この衝撃力により部品が破壊される可能性があるので、電子部品が基板面に当接する速度を低く設定する必要がある。
また、全ての搭載プロセスにわたって低い軸速度で実行すると、搭載タクトが下がってしまうため、搭載高さの直近まで高速に移動させてから、部品にダメージを与えない十分低い速度へ切り替えて当接させるようにしている。
このため、図１３に示すように、加圧時間が長くなってしまう問題があった。
【０００５】
本発明の課題は、マウンタ装置において、ノズルに基板との衝突を緩衝するばねを用いると共にその緩衝中に加圧速度を適切に切り替えることにより加圧時間を短縮することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するため、本発明は、部品を吸着するノズルの高さを位置決めするサーボモータと、ノズルが吸着した部品を基板に押し付ける荷重を制御できる加圧制御ヘッドとを備えるマウンタ装置であって、前記ノズルの先端に組み込まれた衝撃緩衝ばねと、前記ノズルが吸着した部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサとを備え、前記サーボモータの駆動により前記ノズルが吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、前記圧力センサにより前記衝撃緩衝ばねの圧縮による反発力を検知した後、当該衝撃緩衝ばねの圧縮が完了するまでに前記ノズルの下降速度を減速させることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、加圧速度を適切に切り替えて加圧時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明を適用したマウンタ装置の一実施形態の構成を示す概略構成図である。
【図２】マウンタ装置の制御系の構成図である。
【図３】搭載ヘッド部の機構系の構成図である。
【図４】ひずみゲージの出力電圧と荷重値の関係を示すグラフである。
【図５】部品と基板の位置関係に対するＺ軸モータ速度、検出荷重、目標荷重、Ｚ軸目標座標を示したグラフである。
【図６】モータ軸変移角度（モータ軸の目標座標と実座標の差）と発生トルクの関係を実測したグラフである。
【図７】ノズル先端に吸着された部品が基板面に当接した後の基板面が受ける荷重の変化を実測したグラフである。
【図８】加圧検知手段に加え、衝撃力を低減させる目的で設けたノズルばねを有する機械的構成を示す概略図である。
【図９】ばね付き吸着ノズルで加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を示すグラフである。
【図１０】本発明で加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を示すグラフである。
【図１１】本発明の制御方法における段取りから搭載を示すフローチャートである。
【図１２】従来制御の説明で使用した図７と、本発明の制御の説明で使用した図１０から、加圧開始位置を揃えて示すグラフである。
【図１３】従来のばねなしノズルで加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図を参照して本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
＜発明の概要＞
本発明は、吸着ノズルにより、電子部品を部品供給部より基板上へ移動搭載するマウンタ装置であり、ノズルが部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサ（ロードセル）と、ノズル先端に組み込まれた衝撃緩衝ばねを有し、吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、前記圧力センサ（ロードセル）にて、ノズル先端ばねの圧縮による反発力を検知した後、ノズル先端ばねの圧縮が完了するまでにノズルの下降速度を減速させる加圧制御方式である。
さらに、その加圧制御方式を用いて、吸着ノズルで電子部品を吸着する時、ノズル先端ばねが圧縮中に吸着を完了させる。
【００１０】
（実施形態１）
＜マウンタの構造＞
図１は電子部品実装装置（マウンタ装置）の概略構成図である。
図示のように、電子部品実装装置１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１５と、装置１の前部（図示の下側）に配設され、回路基板１０に実装される部品を供給する部品供給部１１と、当該装置１の前部に配設されたＸ軸移動機構１２とＹ軸移動機構１４を備えている。
【００１１】
部品供給部１１の側部には、吸着ノズル１３１に吸着された部品を下方から撮像する部品認識カメラ（撮像手段）１６が配置されている。
Ｘ軸移動機構１２は、部品を吸着する吸着ノズル１３１を備えた搭載ヘッド部１３（加圧制御ヘッド）をＸ軸方向に移動させる。
搭載ヘッド部１３は、Ｘ軸移動機構１２と接続されている。
Ｙ軸移動機構１４は、Ｘ軸移動機構１２、並びに搭載ヘッド部１３をＹ軸方向に移動させる。
搭載ヘッド部１３は、吸着ノズル１３１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、また、吸着ノズル１３１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。
また、搭載ヘッド部１３には、支持部材に取付けるようにして、回路基板１０上に形成された基板マークを撮像する基板認識カメラ１７が搭載されている。
【００１２】
図２は電子部品実装装置の制御系の構成を示している。図中、２０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、このコントローラ２０に、Ｘ軸モータ２１から表示装置（モニタ）３１が接続され、それぞれを制御している。
【００１３】
Ｘ軸モータ２１は、Ｘ軸移動機構１２の駆動源で、搭載ヘッド部１３をＸ軸方向に移動させる。
また、Ｙ軸モータ２２は、Ｙ軸移動機構１４の駆動源で、Ｘ軸移動機構１２をＹ軸方向に駆動し、それにより搭載ヘッド部１３はＸ軸方向とＹ軸方向に移動可能となる。
【００１４】
Ｚ軸モータ２３は、吸着ノズル１３１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１３１をＺ軸方向（高さ方向）に昇降させる。
また、θ軸モータ２４は、吸着ノズル１３１のθ軸回転機構（不図示）の駆動源で、吸着ノズル１３１をそのノズル中心軸（吸着軸）を中心にして回転させる。
【００１５】
画像認識装置２７は、吸着ノズル１３１に吸着された部品１８の画像認識を行なうもので、Ａ／Ｄ変換器２７１、メモリ２７２及びＣＰＵ２７３から構成される。
そして、吸着された部品１８を撮像した部品認識カメラ１６から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器２７１によりデジタル信号に変換してメモリ２７２に格納し、ＣＰＵ２７３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。
すなわち、画像認識装置２７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。
また、画像認識装置２７は、基板認識カメラ１７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。
また、画像認識装置２７は、部品認識カメラ１６で撮像された部品１８の画像データと基板認識カメラ１７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２０へ転送する。
【００１６】
キーボード２８とマウス２９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。
記憶装置３０は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード２８とマウス２９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などを格納するのに用いられる。
表示装置（モニタ）３１は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１６で撮像した部品１８の画像などをその表示面３１１に表示する。
【００１７】
実際に、基板の生産を開始し、部品を回路基板に搭載する段階では、予め基板認識カメラ１７で撮像された基板マークによる回路基板１０の基板補正データ（Δｘ、Δｙ、Δθ）は記憶装置３０に格納されている。
そして、部品供給装置１１から供給される部品を吸着ノズル１３１で吸着し、搭載ヘッド部１３を部品認識カメラ１６上部に移動させて、部品を同カメラで撮像する。
撮像された部品の画像は、画像認識装置２７で画像処理され、補正データを制御手段２０へ転送する。
制御手段２０は、記憶装置３０から基板補正データと当該部品の部品データを読み出して、この部品データと前記転送された画像認識装置２７で演算された部品中心と部品の傾きをもとに、部品の搭載位置と吸着姿勢を認識する。
続いて、部品搭載位置と部品中心と吸着中心間に位置ずれがあり、また、角度ずれが検出されると、これらの総合位置ずれと角度ずれがＸ軸モータ２１、Ｙ軸モータ２２、θ軸モータ２４を駆動することにより補正され、部品が所定の回路基板位置に正しい姿勢（基準角度）で搭載される。
【００１８】
次に、搭載ヘッド部１３について図３を使用して説明を行う。
【００１９】
図示のように、搭載ヘッド部１３のベースフレーム１００にリニアガイド１０１が設置され、垂直Ｚ駆動部１０２が垂直Ｚ軸方向に移動可能な構造となっている。
搭載ヘッド部１３上部には、垂直Ｚ駆動部１０２を垂直上下動させるためのＺ軸モータ２３がベースフレーム１００に固定され、このＺ軸モータ２３にカップリング１１０を介してボールねじのねじ部１１１が接続されている。
【００２０】
また、部品を回転動作させるためのθ軸モータ２４は、スプライン軸受１０７と回転ベアリング１０６で構成されて外周部にベルトプーリが取付けられた垂直回転駆動部軸受１０５と、θモータプーリ１０８とタイミングベルト１０９を介して接続されている。
垂直回転駆動部軸受１０５は、内部にスプライン軸受１０７があり、スプライン軸であるノズルシャフト１０４と接続されている。
垂直回転駆動部軸受１０５の外周部には、回転ベアリング１０６が取付けられている。この回転ベアリング１０６の外周がベースフレーム１００に固定されていて、ノズルシャフト１０４は、垂直回転駆動部軸受１０５によって回転動作と上下動作ができるように固定されている。
【００２１】
垂直Ｚ駆動部１０２の一端には、ボールねじのねじ部１１１に噛み合うナット部１１８が固定されている。
従って、Ｚ軸モータ２３を回転動作させることにより、ボールねじのナット部１１８によって垂直Ｚ駆動部１０２が上下に駆動される構造となっていて、ノズルシャフト１０４及び吸着ノズル１３１を上下駆動動作できる。
【００２２】
また、垂直Ｚ駆動部１０２には、ノズルシャフト１０４を回転支持するために、下側回転ベアリング１４１、上側回転ベアリング１４２が設置されている。
垂直Ｚ駆動部１０２のノズルシャフト１０４とボールねじのナット部１０９の間に円形の穴形状である変形部１１２が設けられている。この変形部１１２に、ひずみゲージ１１３が取付けられている。
ひずみゲージ１１３は、ひずみゲージ１１３の出力電圧と荷重値の関係は、予め校正をとって図４のような関係をとり、コントローラ２０に保存してある。
なお、ひずみゲージ１１３は、適切な構造変更を伴ってロードセルに置き換えることができる。
【００２３】
また、ベースフレーム１００には、垂直Ｚ駆動部１０２のリニアガイド１０１側の固定部付近を検出するように原点センサ１１４が固定されている。
【００２４】
次に、電子部品の加圧搭載動作の流れを説明する。
【００２５】
図１の搭載ヘッド１３をＸ軸移動機構１２、Ｙ軸移動機構１４を動作させて電子部品供給装置１１の上方に搭載ヘッド部１３を移動し、電子部品１８を吸着する。
電子部品１８を吸着した搭載ヘッド部１３を部品認識カメラ１６の上方へ移動し、電子部品１８を認識する。
認識を完了した後に搭載ヘッド部１３を移動し、回路基板１０上の電子部品１８の搭載予定部に搭載ヘッド部１３にて電子部品１８を吸着して部品認識カメラ１６上に移動し、電子部品１８を部品認識カメラ１６上で認識し、回路基板１０上の搭載位置へ移動して搭載を行う。
【００２６】
次に、荷重制御による部品搭載動作について説明する。
【００２７】
搭載ヘッド部１３を回路基板１０上の部品搭載位置でＺ軸モータ２３を駆動させて、垂直Ｚ駆動部１０２及び吸着ノズル１３１を下降させる。
吸着ノズル１３１に吸着された部品１８を、搭載する回路基板１０への搭載高さ直前位置（Ｚ１）まで高速で降下させる。
その後、Ｚ軸モータ２３を駆動して、吸着ノズル１３１に吸着された部品１８を４ｍｍ／秒程度の低速度で下降させて衝撃荷重を押さえつつ、目標搭載高さまで下降させる。
電子部品１８を加圧搭載した後にバキュームエアをＯＦＦし、Ｚ軸モータ２３を動作させて垂直Ｚ軸駆動部１０２及び吸着ノズル１３１を上昇させる。
その後、次の電子部品の吸着位置へ移動が行なわれる。
【００２８】
次に原点復帰動作について説明する。
【００２９】
Ｚ軸駆動部１０２を原点センサ１１４の検出範囲から離れる位置（例えば２ｍｍ）下降移動させる。
その後、原点復帰速度１０ｍｍ／秒にて、上昇をさせる。
原点センサ１１４の検出ＯＮの高さ（Ａ０）をＺ軸モータのエンコーダ値から読取り、ＣＰＵ２７Ｃに記憶しておく。
Ｚ軸駆動部１０２が原点センサ１１４を検出した直後に検出されるＺ軸モータ２３のエンコーダ原点の位置を、Ｚ軸駆動部１０２の原点とすることで、電源オフ／オンを繰り返してもＺ軸原点の高精度な再現性が得られる。
【００３０】
＜動作の説明＞
図５において、「１」はＸＹ機構上に載置されたマウンタヘッドのノズル先端が、ＸＹ動作によって、搭載する基板上の部品や、その他基板周辺のマウンタ機構部に接触する可能性のない第１の高さであり、「２」はノズルの吸着している部品が基板面に接触を開始する直前の第２のＺ軸高さである。
【００３１】
第１の高さ「１」から第２の高さ「２」までは、搭載性能の低下を最小化するため高速に降下する（９００ｍｍ／秒程度）。このとき、ノズルの下降位置制御を高精度で実現するため通常の位置制御を行うためゲインを高く設定している。
【００３２】
第２の高さ「２」では、モータ軸を一端停止させ、ゲインを低く設定した後、軸降下を再開する。
ここで、モータ速度を低速（４ｍｍ/秒）として、モータ位置制御モードにおいて発生トルクを生成するゲインを、必要とする設定荷重に応じて設定する。前記発生出力トルクを、前記サーボモータの位置フィードバックゲインを含む制御パラメータに基づいて可変する。
その他、ゲインの制御パラメータとしての設定特性を、積分補償型ゲインパラメータを少なく設定したゲインに変更する。
サーボモータの発生トルクは位置フィードバックゲインと位置偏差に応じて決まるが、位置偏差量とその状態の継続時間に応じても発生トルクのフィードバック調整が機能するため、積分補償型ゲインなどの時間軸を要素とするフィードバック機能を小さく設定し、安定な加圧力を得ようとするものである。
【００３３】
図５において、「３」は部品下面と基板面の当接点である。
【００３４】
ロードセルの計測結果が指定荷重値に達しない限り、継続してＺ軸を降下させるため、ノズル先端に吸着された部品が基板面に当接して、降下を妨げられると、モータ軸の目標座標と実座標の乖離が進むため、前記のゲイン設定の結果サーボモータの発生トルクが増加し、ロードセルの計測結果も、モータ軸の目標座標が進むにつれて暫増する。
【００３５】
図６はモータ軸変移角度（モータ軸の目標座標と実座標の差）と発生トルクの関係を実測したグラフである。横軸は、前記座標の差をモータ軸の回転角度（１０度〜６０度）で示している。
発生トルクは、設定ゲイン１０〜設定ゲイン１００を数値１０ごとに評価している。
このように、モータ軸変移角度とゲインとモータ出力トルクはおおむね比例関係にある。従って、前記のように設定荷重 (部品の種別により異なる部品の基板面への押圧力) 対応して、発生出力トルクを前記サーボモータのフィードバックゲインを選択することにより調節することができる。
【００３６】
図７はノズル先端に吸着された部品が基板面に当接した後の、基板面が受ける荷重の変化を実測したものである（Ｚ軸速度=１０ｍｍ/秒、ヘッド部質量=２５０ｇ）。
前記部品が基板面に当接した直後に縦軸に示す荷重は急峻に立ち上がり、以降時間の推移に比例して荷重が増加する。
この急峻に立ち上がる荷重部分は、主にヘッド可動部の持つ質量による衝撃荷重が計測されたものである。
【００３７】
図５において、「４−１」に示すとおり、ロードセルの計測結果が設定荷重を上回ると、Ｚ軸モータの駆動が停止される。
実装機の操作設定により、最低加圧継続時間が設定されている場合は、「５」まで指定圧力を維持するために、ロードセルの計測結果に応じてＺ軸モータの降下／上昇を繰り返すことが可能となっている。
ロードセルの計測結果が設定荷重を上回ったことにより、Ｚ軸モータの降下を瞬時に停止することが望ましい。
この反応に遅延が有ると、その分モータの目標座標が進みモータ軸の発生トルクが過大となってしまう。
【００３８】
実施形態では、モータ軸変移角度とゲイン値とモータ出力トルクの関係を利用して、ゲインを低めに設定することによって、モータの目標座標と実座標の差が生じても極端に大きな荷重変化が生じないようにしているため、モータの目標座標が進み過ぎても目標荷重に沿った圧力制御が実現できるようになっている。
【００３９】
ここで、設定荷重において、ノズル先端の目標座標に対する最大遅れ量が０．７５ｍｍとなるように適切にゲインが設定されている場合、目標荷重に対する制御誤差を３％、Ｚ軸モータの速度を５ｍｍ/秒とすると、反応遅れ許容時間＝（最大遅れ量×制御精度）÷モータ軸速度より＝０．００４５秒となる。
このため、本荷重方式では、通常のサーボアンプを直接マウンタ制御部からコントロールして荷重制御を実現させることができる。
従って、荷重制御のためにロードセルの計測結果を参照して、モータ軸やＶＣＭまたは電空レギュレータを高速にフィードバック制御するような特別な制御系を設ける必要がない。
【００４０】
以上のとおり、実施形態のマウンタ装置の加圧制御ヘッドによれば、以下に列挙する効果を発揮できる。
【００４１】
１）ヘッドを第１の高さ位置から第２の高さ位置に移動する手段として設けたＺ軸モータにより第２の高さ位置から第３の高さ位置へ移動し、ノズルの加圧を行う加圧源としても同じＺ軸モータが用いられるため、加圧制御ヘッドをシンプルな構成で低コストに提供することができる。
【００４２】
２）加圧を行なうために必要となる広い荷重範囲を持ったばねに代わって、モータ軸の発生トルクで加圧することができるため、構造がシンプルであることに加え、より広範囲な荷重範囲に精度良く対応することができる。
【００４３】
３）Ｚ軸モータを常に位置制御モードで利用するため、モータの軸座標管理に誤差が生じない。
【００４４】
４）Ｚ軸モータの発生トルクを用いた加圧であるため、モータの目標座標と実座標の最大ずれ量を制限することができる。
すなわち、ばね加圧式の構造では、コネクタ挿入処理のように負荷荷重のピーク（抜け防止の返し部の通過が最大負荷となるため）を通過した直後、急激に負荷が小さくなってしまうような特性を持った負荷であると、ばねのたわみ量に相当する軸のオーバーシュートが発生し、衝撃荷重によって部品にダメージを与える恐れがある。
これに対し、本方式では、前記最大ずれ量が制限されているため、負荷変動に対する位置のオーバーシュートが小さく、衝撃荷重を小さく抑えることができる。
【００４５】
５）荷重制御機能を持った専用のサーボアンプを必要としない。
【００４６】
（実施形態２）
〈ノズルばねによる衝撃力の緩衝〉
加圧検知手段に加え、衝撃力を低減させる目的で設けたノズルばねを有する機械的構成を図８に示す。
【００４７】
図８において、前述した実施形態１と同様、１０はプリント基板などの回路基板、１３は搭載ヘッド部、１８は電子部品、２３はＺ軸モータ、２４はθ軸モータ、１００はベースフレーム、１０１はリニアガイド、１０２は垂直Ｚ駆動部、１０４はノズルシャフト、１０５は垂直回転駆動部軸受、１０６は回転ベアリング、１０７はスプライン軸受、１０８はθモータプーリ、１０９はタイミングベルト、１１０はカップリング、１１１はボールねじのねじ部、１１８はボールねじのナット部、１３１は吸着ノズルであって、１３２はノズルばね（衝撃緩衝ばね）、１３３はノズル可動部側ストッパー、１３４はＺ軸可動部側ストッパー、１４３はロータリブッシュベアリング、１４４は加圧検出部（センサ）である。
【００４８】
図８の構成は、吸着ノズル１３１が鉛直上方へ押される力を、ノズル軸に設けられた圧力検出部１４４で検出することができる。
【００４９】
本発明では、縦線で示した部分をノズル可動部、ノズル可動部と斜線で示した部分を合わせてＺ軸可動部と呼ぶ。
ノズル可動部とＺ軸可動部の間には、衝撃緩衝用のノズルばね１３２が挟まっており、このばね１３２はノズル可動部下方からの圧力を受けると縮む。
このノズルばね１３２は、１（Ｎ）の圧力がかかった時初めて動くように初期圧縮をしており、ばね定数を非常に低く設定してあるため、ノズルばね１３２のストロークに関わらず、発生するばね力が均一となるような特性を持っている。
また、ノズルばね１３２の縮み方向へのストロークが１（ｍｍ）に達するとストッパー１３３・１３４によって止まるように設定した。
【００５０】
図８のノズルばね１３２を用いて加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を図９に示す。
図９においては、図８のばね付き吸着ノズル１３１を、図７のばねなしノズルの場合と同じ速度で運用した時、電子部品が受ける圧力波形とＺ軸可動部の速度波形を示している。
【００５１】
本発明では、ノズルで吸着した電子部品を下降させ、基板面に当接して衝撃緩衝ばねの圧縮が開始する瞬間を第一衝突、その後、ノズルばねのストロークがなくなった瞬間を第二衝突と呼ぶ。
【００５２】
ここで、衝撃力の計算式は、
衝撃力（ｋｇ・ｍ）＝衝撃力を与える側の重量（ｋｇ）
×衝撃力を与える側の速さ（ｍ／ｓ）
÷衝撃を伝えるためにかかった時間（ｓ）・・・（Ａ）
で与えられる。
【００５３】
（Ａ）式から、第一衝突の衝撃力はノズル可動部のみの質量で計算されるため非常に小さく、ノズルの初期圧縮以下となりオーバーシュートは生じない。しかし、第二衝突の衝撃力はＺ軸可動部の質量で計算されるため大きく、下降速度を十分減速させてないとオーバーシュートが生じてしまうのは、ばねなしノズルを用いた場合と変わらない。
結果としては、ノズルばねを用いるとノズルばねのストローク分だけ加圧時間が長くなるだけである。
また、部品がプリント基板などに当接する直前の位置は、電子部品の高さデータなどから計算をしていたため、高さの精度が悪い電子部品を搭載する場合、加圧時間が大幅に増えてしまう問題もある。
【００５４】
本発明では、図８のノズルばね１３２によって衝突が二回に分けられるので、第一衝突を圧力検出部で検出し、下降速度とノズルばねのストロークから第二衝突までの時間を計算し、第二衝突直前で下降速度を調整する。
【００５５】
まず、本発明で加圧制御をした場合の圧力波形と速度波形を図１０に示す。
図示のように、搭載速度であっても第一衝突時はオーバーシュートが生じないため、電子部品を搭載速度で基板面に当接させる。その時、第一衝突時の圧力波形は、ばねの初期圧縮値まで急峻に立ち上がるので、圧力に閾値を設けるだけで精度よく検出することができる。
【００５６】
第一衝突から第二衝突までの時間は、
ノズルばね圧縮開始から第二衝突までの時間（ｓ）＝ノズルばねのストローク（ｍ）
÷下降速度（ｍ／ｓ）・・・（Ｂ）
で与えられるので、ノズルばねのストロークとＺ軸可動部の下降速度を精度よく管理すれば、ノズルばね圧縮開始から第二衝突までの時間も精度よく予測できる。
【００５７】
ここで、（Ｂ）式の衝撃力を与える側の速さ以外の変数は、図８の構成の場合ほぼ一定の値であるため、第二衝突の衝撃力は速度のみに依存する。
よって、予測した時間を元に、衝撃力が目標荷重の許容範囲内に収まる速度へ、第二衝突までに減速させる。
【００５８】
次に、本発明の制御方法における段取りから搭載のフローチャートを図１１に示す。
【００５９】
段取りは、図１１（ａ）のフローチャートのように、処理開始により、接触検知から第二衝突までの時間を計算する（ステップＳ１）。
続いて、計算した時間に安全率などの補正をかけた値を記録する（ステップＳ２）。これにより処理を終了する。
【００６０】
搭載は、図１１（ｂ）のフローチャートのように、処理開始により、電子部品を吸着し、基板面の搭載位置上方に位置合わせをする（ステップＳ１１）。
続いて、電子部品を等速高速度で下降させる（ステップＳ１２）。
次に、基板面に当接した瞬間として衝撃緩衝ばねの圧縮が開始する第一衝突を加圧検出部１４４で検知したかを判定する（ステップＳ１３）。このステップＳ１３において、検知すれば次に進み、検知しなければステップＳ１２に戻り、処理を継続する。
次に、段取りで記録した時間までに等速高速度から加圧速度まで減速する（ステップＳ１４）。
続いて、電子部品を加圧速度で下降させる（ステップＳ１５）。
次に、目標圧力に達したことを加圧検出部１４４で検出したか？を判定する（ステップ１６）。このステップＳ１６において、達していれば処理を終了し、達していなければステップＳ１５に戻り、処理を継続する。
【００６１】
また、ばね付きノズルで電子部品を吸着する際、ノズルを電子部品に１（Ｎ）程の圧力をかけて吸着すると、吸着が安定する事は既知であるが、ノズルばねのストロークは１（ｍｍ）と小さいため、稀にこのストロークを超えてしまい、吸着ミスだけでなく、電子部品や、電子部品を供給する装置を破壊することがあった。
【００６２】
しかし、本発明の方法を用いれば、タクトを落とさずに、ノズルばねのストロークから外れることなくノズルを止めて確実に吸着することが可能になる。
【００６３】
次に、従来制御の説明で使用した図７と、本発明の制御の説明で使用した図１０から、加圧開始位置を揃えて図１２に示す。
【００６４】
図１２に示したように、従来の圧力波形では、加圧開始から衝撃力を抑えられる速度で当接させなくてはならないため、加圧時間が長かった。
一方、本発明の制御では、加圧開始から高速で下降させ、衝撃力が発生することなく第一衝突を検出して第二衝突のタイミングを予測し、第二衝突直前で加圧速度へ切り替えることで加圧時間を短縮することができる。
【００６５】
また、従来の制御では、あらかじめ入力された部品の高さなどのパラメータから電子部品が搭載される直前の高さを計算し、その高さを閾値として減速し衝撃力を抑えていた。そのため、高さの精度が悪い電子部品を搭載する際は、そのばらつきによって加圧時間が非常に長くなる問題があった。
【００６６】
しかし、本提案の方法では、部品の高さは関係なく、部品の高さがばらついても加圧時間は理論上変わらない。そのため、段取り時に部品の高さデータを入力する手間も必要なくなる。
さらに、電子部品の吸着時に応用すると、吸着失敗となる、第一衝突前の吸着と第二衝突後の吸着を確実に避ける事ができるので、部品吸着の品質向上が望める。
【００６７】
（他の実施例）
実施形態では、ノズルばねのストロークとＺ軸可動部の下降速度を用いて、ノズルばねの圧縮開始から第二衝突までの時間を計算し、速度切り替えに用いたが、他の実施例として、ノズルに吸着された電子部品が基板面に当接した位置からの相対的な距離を用いても実施例を実現できる。
また、速度の時間積分を用いても前記距離と同じ効果を持つ値を計算できる。
また、目標圧力がノズルばねの初期圧縮値よりも遥かに大きい場合は、第二衝突を過ぎてから減速させる事で、加圧時間のさらなる短縮が可能になる。
【００６８】
また、実施形態では、ロードセルによる検出に基づく制御としたが、電流制御でも可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１ マウンタ装置
１０ 基板
１３ 搭載ヘッド部（加圧制御ヘッド）
１３１ 吸着ノズル
１３２ 衝撃緩衝ばね
１４４ 加圧検出部（センサ）
１８ 電子部品
２３ サーボモータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を吸着するノズルの高さを位置決めするサーボモータと、ノズルが吸着した部品を基板に押し付ける荷重を制御できる加圧制御ヘッドとを備えるマウンタ装置であって、
前記ノズルの先端に組み込まれた衝撃緩衝ばねと、
前記ノズルが吸着した部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサとを備え、
前記サーボモータの駆動により前記ノズルが吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、
前記圧力センサにより前記衝撃緩衝ばねの圧縮による反発力を検知した後、当該衝撃緩衝ばねの圧縮が完了するまでに前記ノズルの下降速度を減速させることを特徴とするマウンタ装置の加圧制御ヘッド。
【請求項１】
部品を吸着するノズルの高さを位置決めするサーボモータと、ノズルが吸着した部品を基板に押し付ける荷重を制御できる加圧制御ヘッドとを備えるマウンタ装置であって、
前記ノズルの先端に組み込まれた衝撃緩衝ばねと、
前記ノズルが吸着した部品を基板面に押し付ける圧力を検出するセンサとを備え、
前記サーボモータの駆動により前記ノズルが吸着した部品を基板面へと等速で下降させ、
前記圧力センサにより前記衝撃緩衝ばねの圧縮による反発力を検知した後、当該衝撃緩衝ばねの圧縮が完了するまでに前記ノズルの下降速度を減速させることを特徴とするマウンタ装置の加圧制御ヘッド。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−１７４８２２（Ｐ２０１２−１７４８２２Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３４１７２（Ｐ２０１１−３４１７２）
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００３３９９）ＪＵＫＩ株式会社 (1,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２１日（２０１１．２．２１）
【出願人】（０００００３３９９）ＪＵＫＩ株式会社 (1,557)
【Ｆターム（参考）】
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