部品搭載方法とその装置
【課題】重い部品を保持しつつ、迅速な部品搭載動作が確保でき、部品の端子状況に関らず安定した保持をして、部品を回路基板に搭載する際には、部品の回路基板に対する角度や部品内での加圧量などの搭載条件を調整可能とする。
【解決手段】部品１０２を吸着ノズル１０８で吸着して、該部品１０２を移動させて回路基板１０４に搭載する部品搭載方法において、１つの部品１０２に対して吸着する吸着ノズル１０８が、複数からなると共に、互いに独立した駆動源１１６、１１７を備え、前記駆動源１１６、１１７のうちの前記回路基板１０４に垂直方向の移動機構の駆動源１１６に制御指令を伝えて、該複数の吸着ノズル１０８を外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを用いて共振比制御する。
【解決手段】部品１０２を吸着ノズル１０８で吸着して、該部品１０２を移動させて回路基板１０４に搭載する部品搭載方法において、１つの部品１０２に対して吸着する吸着ノズル１０８が、複数からなると共に、互いに独立した駆動源１１６、１１７を備え、前記駆動源１１６、１１７のうちの前記回路基板１０４に垂直方向の移動機構の駆動源１１６に制御指令を伝えて、該複数の吸着ノズル１０８を外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを用いて共振比制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品搭載方法とその装置に係り、特に、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載方法に用いるのに好適な、重い部品の吸着移動を可能とし、且つその部品の搭載条件を制御可能な部品搭載方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部品を回路基板に搭載する部品搭載装置において、部品を部品供給部で保持するために、部品保持機構が用いられてきた。その従来の部品保持機構について、例えば、特許文献１の記載に基づき、図１８を用いて説明する。部品保持機構４は、搭載ヘッド本体９によって保持された複数の吸着ノズル８を備えて、その吸着ノズル８の先端に生ずる吸引力で、部品２を保持することができる。そして、保持する部品２が吸着ノズル８の相互間の距離より大きい対角線を有する大型の部品２である場合には、そのうち１つの吸着ノズル８の先端部を他の吸着ノズルの先端部より搭載ヘッド本体９の一端面外方向（図１８では下方向）へ突出させて、部品２を吸着するようにしている。こうして、大型の部品２においても、部品２と他の吸着ノズル８の先端部が干渉しないようにして、部品２を保持していた。
【０００３】
又、特許文献２の記載においては、図１９（Ａ）に示す如く、部品２２の保持手段である部品保持機構２４は、本体２６内で圧縮スプリング２８を介してＺ軸方向に移動可能な第１の移動部３０と、第１の移動部３０の下端に設けられたベアリング３２によって自身の係合孔３４ＡＡ、３４ＢＡに係合されると共に、ベアリング３６Ａ、３６Ｂにより本体２６内でＺ軸方向に対して垂直であって相互に逆向きの方向（Ｘ軸方向）に移動可能な２つの第２の移動部３４Ａ、３４Ｂと、第２の移動部３４Ａ、３４Ｂにそれぞれ固定されている２つの保持部３８Ａ、３８Ｂと、を備えている。このような構成により、第１の移動部３０をＺ軸方向に移動させることにより、第２の移動部３４Ａ、３４Ｂと共に保持部３８Ａ、３８ＢがそれぞれＸ軸方向の互いに逆側に移動する。それに伴い、本体２６の中心軸Ｏに設けられたストッパ４０を中心にして保持部３８Ａ、３８Ｂの間隔がＸ軸方向で変化して、部品２２を保持・開放することができる。
【０００４】
具体的に、図１９（Ｂ）を参照して、部品２２を保持する動作を説明する。先ず、ストッパ４０を部品２２の上面に接触させて、２つの保持部３８Ａ、３８Ｂを部品２２の両側面の外側に位置決めする。そして、本体２６の上部に設けられたバキューム孔２６Ａからエアを吸引する。すると圧縮スプリング２８が縮んで、第１の移動部３０が図面上方へ、即ちＺ軸方向のプラス側へ移動する。この第１の移動部３０の移動に伴い、ベアリング３２もＺ軸方向のプラス側へ移動する。このとき、係合孔３４ＡＡ、３４ＢＡは、図１９（Ｂ）に示す如く、斜めに形成された孔である。このため、ベアリング３２が係合孔３４ＡＡ、３４ＢＡ内でＺ軸方向のプラス側へ移動することにより、第２の移動部３４Ａ、３４Ｂがベアリング３６Ａ、３６Ｂの回転でＸ軸方向に、中心軸Ｏに向かって互いに接近するように移動する。これにより、２つの保持部３８Ａ、３８Ｂの間隔が平行状態を保ちながら狭まるので、２つの保持部３８Ａ、３８Ｂで部品２２の両側面を挟み込むと共に、ストッパ４０で部品２２の上面を支持させてしっかりと保持することができる。
【０００５】
又、別の従来の部品保持機構を、特許文献３の記載に基づき、図２０を用いて説明する。部品５２の保持手段である部品保持機構５４は、部品５２を挟む固定爪５８と可動爪６０とを有する。固定爪５８は本体５６に一体に形成されている。可動爪６０は本体５６のＸ軸方向に形成された吸引孔５６Ａに沿ってＸ軸方向に移動可能なピストン６２に支持ピン６４で軸支されている。このため、可動爪６０は、支持ピン６４を中心に回転可能である。吸引孔５６Ａは本体５６のＺ軸方向に設けられた吸引通路５６Ｂを介して、吸着ノズル５０の吸気口５０Ａに連通している。このため、吸着ノズル５０の吸気口５０Ａからエアを吸引すると、ピストン６２が図の右側（Ｘ軸方向のプラス側）に移動し、部品５２に応じて、可動爪６０の保持角度が可変して、部品５２を保持する構造となっている。
【０００６】
又、上記３つの部品保持機構を部品搭載装置に適用した場合には、部品保持機構の部品保持機構は部品を搭載する搭載ヘッドの備える吸着ノズルの先端に取付けられる。もしくは、吸着ノズルとして機能する。動作においては、部品保持機構が部品を保持して、その保持された部品の状態が部品搭載装置に配置された部品認識カメラで認識されて、部品搭載位置とのずれ量が演算・補正されて、部品が部品搭載位置へ移動される。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１１４７９９公報
【特許文献２】特開２０００−１２６９４９号公報
【特許文献３】特開平１１−１３８４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、１つの部品の吸着を行う吸着ノズルは絶えず１つのみで部品の保持力は限られているので、重い部品を部品認識位置に移動する際や、部品搭載位置への移動をする際の急激な位置変化をさせると、慣性力により部品が脱落してしまうおそれが大きい。
【０００９】
又、特許文献２、３では、２つの保持部で部品の両側面を挟み込むような構成の為、例えばＱＦＰのようにＩＣパッケージの横方向すべてから端子が出ている場合には、部品を保持することが困難である。
【００１０】
又、特許文献１〜３では、１つの部品保持要素で部品を保持していることにより、回路基板が薄い、あるいは大型で回路基板にそりがあり、回路基板に垂直方向（Ｚ軸方向）の傾きがある場合には、回路基板のそりに合わせて部品を基板と平行にして搭載することができない。このため、部品搭載時に部品全体に対して均等に押圧することが極めて困難である。
【００１１】
更に、特許文献１〜３では、部品全体にかける加圧量の制御は可能であるが、１つの部品の中において、局所的に加圧量を変えることができない。このため、例えば、薄型部品などで部品の中央部に端子がなく、回路基板との間に支えがないような状態のときには、最悪の場合には加圧したときに部品を破損させるおそれもある。あるいは、例えば、部品中において、端子密度が場所ごとに異なる場合には、端子密度の高い場所で必要な加圧量が得られず、搭載不良を引き起こすおそれもある。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑み、重い部品を保持しつつ、迅速な部品搭載動作が確保でき、部品の端子状況に関らず安定した保持をして、部品を回路基板に搭載する際には、部品の回路基板に対する角度や部品内での加圧量などの搭載条件を調整可能とする部品搭載方法とその装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願の請求項１に係る発明は、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載方法において、１つの部品に対して吸着する前記吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源に制御指令を伝えて、該複数の吸着ノズルを外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御したことにより前記課題を解決したものである。
【００１４】
本願の請求項２に係る発明は、制御手段により、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載装置において、１つの部品に対して吸着する前記吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、且つ、前記制御手段が、該複数の吸着ノズルを制御するための外乱オブザーバと、軸ねじれ反力推定オブザーバとを備え、該制御手段から前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源への制御指令により該吸着ノズルが共振比制御されることを特徴とする部品搭載装置としたものである。
【００１５】
本願の請求項３に係る発明は、前記吸着ノズルの少なくとも１つ以上が圧力検出手段を備えていることとしたものである。
【００１６】
又、本願の請求項４に係る発明は、前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持後、該吸着ノズルの１つのみにより該部品の吸着を行い、他の吸着ノズルを上昇させて、該部品の角度補正を実施した後に、複数の吸着ノズルで該部品を吸着して、該部品を移動させる制御をすることとしたものである。
【００１７】
又、本願の請求項５に係る発明は、前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持した状態で、前記回路基板の垂直方向において、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで、該回路基板に対する該部品の平行度を制御して該部品を該回路基板に搭載させることとしたものである。
【００１８】
又、本願の請求項６に係る発明は、前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持して部品搭載時に、前記回路基板の垂直方向で、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで該部品が該回路基板に搭載される際の加圧量の分布状態を制御することとしたものである。
【００１９】
ここで、共振比制御とは、駆動源と駆動源に対する負荷(負荷側)が存在したときにそれぞれが共振周波数を有するが、当該駆動源の共振周波数を制御することにより、駆動源の共振周波数と負荷側の共振周波数との比（共振比）を制御して駆動源と負荷とを含めた移動機構の全体制御を行うことをいうものとする。又、外乱オブザーバとは、外乱成分を推定し、フィードフォワード的にこれを補償することで外乱の影響を打ち消すシステムをいうものとする。更に、軸ねじれ反力推定オブザーバとは、負荷側に生じる軸ねじれで発生する反力を推定し、フィードフォワード的にこれを補償することで軸ねじれで発生する反力の影響を打ち消すシステムをいうものとする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを適用して制御しているので、摩擦、パラメータ変動等の外乱を排除したロバストな振動制御が可能となる。即ち部品搭載動作を制御指令に正しく追従させることができる。そして、２慣性共振系の振動抑制に有効な共振比制御を適用しているので、２慣性共振負荷の振動抑制制御が可能となる。このため、迅速な部品搭載を安定して行うことができる。そして、具体的には更に、以下のような効果をも有する。
【００２１】
本発明は、１つの部品を複数の吸着ノズルで吸着するので、重い部品を保持しても、部品認識位置への移動や部品搭載位置への移動において急激な加速がなされても、慣性力で部品が脱落することを防ぐことができる。このため、高速な部品搭載動作を行うことができ、部品搭載において早いタクトが実現できる。
【００２２】
又、部品を吸着して保持するので、例えば、ＱＦＰのような横方向全てから端子が出ている部品に対しても安定した吸着保持が可能である。
【００２３】
又、制御手段が部品吸着した状態で吸着ノズルの高さを変える制御を行う場合には、回路基板の傾きに合わせて部品を回路基板と平行にして、部品を回路基板に搭載できる。このため、より歩留まりの高い部品搭載を実現することができる。
【００２４】
又、１つの部品を複数の吸着ノズルで加圧するように制御した場合には、例えば、部品の中心と周辺で加圧量を変えることができ、部品の破損防止や、より確実な部品搭載を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図１は本発明の第１実施形態に係る部品搭載装置の概略図、図２は部品搭載装置全体の制御系の構成を表すブロック図、図３は搭載ヘッドの概略図、図４は部品認識後に部品の回転補正を行う際のフローを示す図、図５は部品吸着時と回転補正時の一例を示す摸式図、図６は図５とは異なる部品を回転補正する際の一例を示す摸式図、図７は部品を傾けた際の摸式図、図８は加圧量が異なることを示す摸式図、図９は図８における部品保持状態を示す摸式図、図１０は吸着ノズルの１つを駆動するためのブロック線図を示す図、図１１は外部オブザーバのブロック線図を示す図、図１２は軸ねじれ反力推定オブザーバのブロック線図を示す図、図１３は加速度制御系のブロック線図を示す図、図１４は３つの吸着ノズルを備える場合の吸着ノズルの重心位置、ヨーイング量、加圧量を独立して制御するためのモデル化されたブロック線図を示す図、図１５は図１４の具体的な行列パラメータを用いた３つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図、である。
【００２７】
最初に、本実施形態の部品搭載装置の構成について説明する。
【００２８】
図１、図２に示すように、部品搭載装置１００は、部品１０２が供給される部品供給部１０６と、部品１０２を吸着ノズル１０８で吸着保持して回路基板１０４上に搭載する搭載ヘッド１１０と、吸着ノズル１０８で保持された部品１０２の認識を行う部品認識カメラ１２０と、を備える。更に、図１に示すように、部品搭載装置１００は、搭載ヘッド１１０をＸＹ軸方向に移動させるＸ軸移動機構１１２、Ｙ軸移動機構１１４と、中央部から少し後方で左右方向に延在する基板搬送路１１８と、本体部１３０と、を備えている。本体部１３０には、図２で示す制御手段としてのコントローラ１３２が設けられている。このような構成により、部品搭載装置１００は、制御手段であるコントローラ１３２により、部品１０２を吸着ノズル１０８で吸着して、部品１０２を移動させて回路基板１０４に搭載する。なお、吸着ノズル１０８は、複数であり、１つの部品１０２を複数の吸着ノズル１０８で吸着する。複数の吸着ノズル１０８は、互いに独立した駆動源を備えている。そして、制御手段であるコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８の駆動源のうちの回路基板１０４に垂直方向の移動機構であるＺ軸移動機構の駆動源（Ｚ軸モータ１１６）に制御指令を伝えて、複数の吸着ノズル１０８を後述する外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを用いて共振比制御している。これらの各構成要素について以下、詳細に説明する。
【００２９】
図１、図２に示すように、前記Ｘ軸移動機構１１２は、吸着ノズル１０８を有する搭載ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸モータ１１３は、Ｘ軸移動機構１１２の駆動源である。又、Ｙ軸移動機構１１４は、Ｘ軸移動機構１１２並びに搭載ヘッド１１０をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸モータ１１５は、Ｙ軸移動機構１１４の駆動源である。
【００３０】
図１、図３に示すように、前記搭載ヘッド１１０は、例えば３＊２列の６つの吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆを備えている。２列側と３列側のピッチは、それぞれＬである。本実施形態では、ピッチＬは、例えば、１７ｍｍとすることができる。吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆは、搭載ヘッド本体１０９に固定されて、それぞれ独立したＺ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆとθ軸モータ１１７Ａ〜１１７Ｆとを備えている。そして、各吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆには、圧力検出手段である圧力センサ１０７（１０７Ａ〜１０７Ｆ）がそれぞれ設けてある。なお、Ｚ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆとθ軸モータ１１７Ａ〜１１７Ｆは、モータエンコーダが内蔵された回転モータである。Ｚ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆは、Ｚ軸移動機構の駆動源であり、搭載ヘッド本体１０９に対して、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆを垂直方向（Ｚ軸方向）に昇降可能に移動させることができる。θ軸モータ１１７Ａ〜１１７Ｆは、θ軸移動機構の駆動源であり、搭載ヘッド本体１０９に対して、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆをそのノズル軸（吸着軸）を中心に回転させることができる。
【００３１】
なお、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆは、図示しないエジェクタに接続されている。このため、エジェクダをＯＮ／ＯＦＦすることによりバキューム発生の制御が可能であり、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆで部品１０２の吸着・脱着を行うことができる。搭載ヘッド本体１０９には、回路基板１０４上に形成された基板マーク（図示せず）を撮像する基板認識カメラ１２２が配置されている。
【００３２】
図１に示すように、前記部品認識カメラ１２０は、搭載ヘッド１１０の可動範囲内の適宜個所、例えば部品供給部１０６の側部に配置され、吸着ノズル１０８で保持された部品１０２を下方から撮像することができる。
【００３３】
図２に示すように、本体部１３０に設けられたコントローラ１３２は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭを有して、Ｘ軸モータ１１３、Ｙ軸モータ１１５、Ｚ軸モータ１１６、θ軸モータ１１７、表示装置１３４、記憶装置１３６、キーボード１３８、マウス１４０、そして画像認識装置１４２等に接続されて、部品搭載装置１００全体を制御する。又、コントローラ１３２は、Ｚ軸移動機構の駆動源であるＺ軸モータ１１６の制御をする際には、少なくとも、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて、共振比制御を行うことが可能である。
【００３４】
図２に示すように、前記表示装置（モニタ）１３４は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１２０で撮像した部品１０２の画像などをその表示面に表示する。
【００３５】
図２に示すように、前記記憶装置１３６は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード１３８とマウス１４０により入力された部品１０２の端子数、端子配置、大きさ、形などの情報（部品データ）や部品供給部１０６に供給される部品１０２の位置や向きなどの情報（部品供給データ）や回路基板１０４上の各部品１０２の搭載される位置や角度などの部品レイアウト情報（基板データ）、及び不図示のホストコンピュータから伝送される部品データ、部品供給データ、基板データなどを格納するのに用いられる。また、基板認識カメラ１２２で撮像した基板マークによる回路基板１０４の基板補正データ等も格納される。
【００３６】
図２に示すように、前記キーボード１３８と前記マウス１４０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。
【００３７】
図２に示すように、前記画像認識装置１４２は、吸着ノズル１０８に保持された部品１０２の画像認識を行うもので、メモリ１４４、ＣＰＵ１４６及びＡ／Ｄ変換器１４８から構成される。ここでは、保持された部品１０２を撮像した部品認識カメラ１２０から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器１４８によりデジタル信号に変換してメモリ１４４に格納し、ＣＰＵ１４６がその画像データに基づいて保持された部品１０２の認識を行う。すなわち、画像認識装置１４２は、部品１０２中心と傾き（部品認識データ）を演算し、部品１０２の保持状態を認識する。又、画像認識装置１４２は、基板認識カメラ１２２と接続されて、基板認識カメラ１２２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認識し、回路基板１０４の基板補正データを演算することができる。画像認識装置１４２は、上述した部品認識データと基板補正データとをコントローラ１３２へ伝送することができる。
【００３８】
次に、本実施形態の部品搭載装置１００の部品保持から部品搭載までの動作について説明する。なお、この一連の動作は、コントローラ１３２によって制御される。
【００３９】
最初に、部品１０２の保持から部品１０２の吸着姿勢の認識までの動作を以下に説明する。
【００４０】
まず、搭載ヘッド１１０を部品供給部１０６の上方へ移動する。このとき、例えば、吸着ノズル１０８Ｄを部品１０２の中心となるように移動し、Ｚ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｄ、１１６Ｅを駆動させて、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅを、部品１０２が吸着できる高さまで下降させる。
【００４１】
次に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅにバキュームを発生させて、部品１０２の吸着を行う。
【００４２】
次に、Ｚ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｄ、１１６Ｅを駆動して４本の吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅで部品１０２を保持したまま等速度で、部品１０２をＸＹ移動高さまで上昇させる。そして、部品認識カメラ１２０の上方へ移動させて部品１０２の認識を行う（図５（Ａ）、図５（Ｂ）の状態）。部品認識カメラ１２０で得られた画像に基づき画像認識装置１４２は、部品１０２中心と吸着角度を演算し、部品１０２の吸着姿勢を認識する。
【００４３】
次に、部品１０２の吸着姿勢の認識後から角度補正動作までについて、図４、図５を用いて説明を行う。ここでは、部品１０２の吸着姿勢の認識により、部品１０２の角度がずれていた場合、具体的には、吸着ノズル１０８Ｄの中心位置が部品１０２の中心位置のときに、吸着姿勢を演算した結果、保持した部品１０２の角度が例えば、時計回りに１度ずれていた場合について説明する。
【００４４】
まず、上面図が図５（Ａ）で側面図が図５（Ｂ）の状態から、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８ＥのバキュームをＯＦＦする(ステップＳ２)。
【００４５】
次に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｅの高さをＺ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｅを駆動して例えば１ｍｍ上昇させる（ステップＳ４）。
【００４６】
次に、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）に示すように、吸着ノズル１０８Ｄのθ軸モータ１１６Ｄを駆動させて、吸着姿勢の認識結果から算出した補正量分として反時計回りに１度だけ、回転させる補正動作を行う（ステップＳ６、Ｓ８）。この時のθ軸モータ１１６Ｄは、部品１０２が落下しないように低速で回転を行う。
【００４７】
部品１０２の角度補正が完了した後（ステップＳ８でＹｅｓ）に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８ＥのＺ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｅを駆動させてＺ軸方向の元の位置（１ｍｍ）に下降させる（ステップＳ１０）。
【００４８】
次に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８ＥのバキュームをＯＮし、４本の吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅで部品１０２の保持を行う（ステップＳ１２）。そして、回路基板１０４上の部品１０２の搭載される位置まで、部品１０２が搭載ヘッド１１０によって移動される。
【００４９】
なお、回路基板１０２が図６（Ａ）に示すように一方向に短い場合には、回転補正前には吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅを用いて部品１０２を吸着して、回転補正後には吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ａを用いて部品１０２を吸着してもよい。又、回転補正する際の中心位置を吸着ノズル１０８Ｄとせずに、吸着ノズル１０８Ｅを回転補正する際の中心位置としてもよい。この場合には、回転補正角が小さければ、図６（Ｂ）に示す如く、回転補正前後で、３つの吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅ、１０８Ｆを用いることができ、大きな吸着力で部品１０２を保持することができる。
【００５０】
即ち、制御手段としてのコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着保持後、吸着ノズル１０８の１つのみにより部品１０２の吸着を行い、他の吸着ノズル１０８を上昇させて、部品１０２の角度補正を実施した後に、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着して、部品１０２を移動させている。
【００５１】
次に、部品１０２の回路基板１０４への搭載動作について説明を行う。
【００５２】
まず、部品１０２が回路基板１０４上の部品１０２の搭載される位置に搭載ヘッド１１０によって移動された後、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅをすべて同じ速度で回路基板１０４上に降下させる。
【００５３】
ここで、回路基板１０４が傾きを有する場合、具体的には図７に示すように回路基板１０４上の部品搭載位置が回路基板１０４のそり等によりＺ軸方向に、例えば１度傾いている状態だった場合には、吸着ノズル１０８Ｅの高さを吸着ノズル１０８Ｄに対して上昇させて、部品１０２の平行度を調整する。
【００５４】
この時の吸着ノズル１０８Ｅの上昇量ｚは、ノズル間距離Ｌと傾き角度ρから
ｚ＝Ｌ×ｔａｎρ＝１７×ｔａｎ１＝０．２９７［ｍｍ］ （１）
と求めることができる。即ち、吸着ノズル１０８Ｄに対し、吸着ノズル１０８Ｅを０．２９７ｍｍ上昇させた後に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅをすべて同じ速度で回路基板１０４上に降下させる。そして、部品１０２に傾きを持たせることで、回路基板１０４の傾きに沿って部品１０２を安定に搭載することができる。
【００５５】
即ち、制御手段であるコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着保持した状態で、回路基板１０４の垂直方向（Ｚ軸方向）において、それぞれの吸着ノズル１０８の位置を制御することで、回路基板１０４に対する部品１０２の平行度を制御して部品１０２を回路基板１０４に搭載させることができる。
【００５６】
なお、回路基板１０４が搬送され、基板搬送路１１８の所定の位置で位置決めされる。その後に、搭載ヘッド１１０に取付けられた不図示の高さセンサにより、部品１０２の搭載される位置周辺部最低３点の高さを測定し、測定した３点から平面を算出することで、回路基板１０４の水平方向の傾きの取得が行われる。
【００５７】
ここで、回路基板１０４への部品搭載時の加圧量の調整方法について説明する。
【００５８】
部品１０２が回路基板１０４に接して、吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅが部品１０２と接した状態（図９参照）において、各吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅに取付けられた圧力センサ１０７Ｄ、１０７Ｅは、部品１０２にかかる圧力を計測することができる。吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅが部品１０２と接した状態で吸着ノズル１０８Ｄ、１０８ＥをよりＺ軸方向に降下させる（押し込み量を多くする）と、部品１０２は回路基板１０４に強く押付けられる。このため、部品１０２にかかる加圧量は上昇する。加圧量を弱めるのは、逆に、吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅを上昇させる（押し込み量を少なくする）ことで実現できる。
【００５９】
部品１０２内の部位によって加圧量を変える場合、例えば、図８に示す吸着ノズル１０８Ｄは加圧量１５０Ｄを強く、吸着ノズル１０８Ｅは加圧量１５０Ｅを弱くする場合には、部品１０２の中心の押し込み量を多くし、外側で押し込み量を少なくすることで実現することができる。むろん、吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅの加圧量を均一に制御して、部品１０２の加圧分布を均一にすることも可能である。
【００６０】
即ち、制御手段であるコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着保持して部品搭載時に、回路基板１０４の垂直方向で、それぞれの吸着ノズル１０８の位置を制御することで部品１０２が回路基板１０４に搭載される際の加圧量の分布状態を制御することができる。
【００６１】
次に、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆを制御する制御手段であるコントローラ１３２による制御について説明する。コントローラ１３２は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて、回路基板１０４への部品搭載時に共振比制御を行う。そして、本実施形態では６つの吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆが制御される。即ち、コントローラ１３２から駆動源であるＺ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆへの制御指令により、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆが共振比制御されている。
【００６２】
最初に、図１０に、部品搭載装置１００の吸着ノズル１０８の１つを想定した共振比制御のブロック線図を示す。なお、外乱オブザーバ２００を図１１に、軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２を図１２に、それぞれ示す。
【００６３】
ここで、図１０において、θｍｃｍｄはＺ軸モータ１１６への制御指令、Ｋｐ、Ｋｒ、Ｋｖは任意に設定できるフィードバックゲインで、Ｋｐは位置ゲイン、Ｋｒは反力ゲイン、Ｋｖは速度ゲイン、ｄ２θｍｒｅｆ／ｄｔ２は加速度参照値、ｄθｍ／ｄｔは速度参照値、JｍはＺ軸モータ１１６の慣性、ｎはノミナル値、（即ち、ＪｍｎはＺ軸モータ１１６の慣性のノミナル値）、Ｋｔはトルク定数、（即ち、Ｋｔｎはトルク定数のノミナル値）、Ｉｒｅｆは電流参照値、τｄｉｓｍはＺ軸モータ１１６に作用する外乱トルク、ｓはラプラス演算子、θｍはＺ軸モータ１１６の回転角度（Ｚ軸モータ１１６の位置）、ＫｆはＺ軸モータ１１６と負荷側との間のばね定数、τｒｅａｃは軸ねじれ反力、τｒｅａｃ＊は推定軸ねじれ反力、τｄｉｓｌは負荷側に作用する外乱トルク、Ｊｌは負荷側の慣性、θｌは負荷側の回転角度（負荷の位置）、をそれぞれ表している。又、図１１において、Ｆｍはパラメータ変動によりＺ軸モータ１１６に印加される変動外乱トルク、Ｄｍは粘性摩擦トルク、Ｉｃｍｐは外乱トルクを補償してロバスト性を確保するための補償電流、Ｇｄｉｓは外乱オブザーバゲイン、τｄｉｓｍ＊は推定外乱トルク、をそれぞれ表している。又、図１２において、Ｇｒｅａｃは、軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２に含まれる１次のローパスフィルタのカットオフ周波数である。なお、添え字ｍはＺ軸モータ１１６、添え字ｌは負荷側、添え字ｄｉｓは外乱、添え字ｒｅａｃは軸ねじれ反力を示している。
【００６４】
図１０に示す如く、本実施形態に係る制御系は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて共振比制御系を構成し、負荷側に作用する外乱τｄｉｓｌに係らず、それらによる推定値をフィードバックしている。このため、本実施形態に係る制御系は、２慣性共振系の振動抑制において有効である。即ち、本実施形態に係る制御系は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とに基づくため、Ｚ軸モータ１１６に加わる外乱等を補償することが可能である。詳しく言うならば、Ｚ軸モータ１１６に外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを適用しているので、Ｚ軸モータ１１６に作用する各種外乱の影響を除去することができる。このため、図１３に示すロバストな加速度制御系を構築することができる。図１３に示す如く、外乱オブザーバゲインＧｄｉｓを大きく設定すると、ｓ／（ｓ＋Ｇｄｉｓ＊）を極めて小さくできるので、外乱トルクτｄｉｓｍの影響を極めて少なくすることが可能なことによるものである。なお、Ｇｄｉｓ＊は外乱オブザーバゲインの換算値を示している。そして、本実施形態に係る制御系は、共振比制御であるので、状態フィードバック制御やＨ∞制御などと異なり、図１０に示す如く、比較的簡単な制御系のため、設計が容易であり、計算量も少なくて済むなど実用性が高い。
【００６５】
次に、例えば３つの吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅ、１０８Ｆを、３つの独立したモードで制御（重心位置の制御、ヨーイング量の制御、加圧量の制御）する方法について説明する。
【００６６】
最初に、上述した共振比制御を、３つのＺ軸モータ１１６Ｄ〜１１６Ｆで駆動される吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆに適用するために、Ｚ軸モータ１１６Ｄ〜１１６Ｆの重心位置、ヨーイング量、加圧量の関係を求める。
【００６７】
吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８ＦのＺ軸における位置をｚ１、ｚ２、ｚ３として、そのときの吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの加圧量をｆ１、ｆ２、ｆ３とすると、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの重心位置ｇ、ヨーイング量θ、加圧量ｆは以下の式（２）〜（４）のように求めることができる。
【００６８】
ｇ＝（ｚ１＋ｚ２＋ｚ３）／３ （２）
θ＝（ｚ１―ｚ２）／Ｌ （３）
ｆ＝（２＊ｆ３）−ｆ１−ｆ２ （４）
【００６９】
このとき、吸着ノズル１０８Ｆの加圧量が吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅの加圧量の合計と等しくなるように制御が行われることで、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆがバランス良く正しく部品１０２を回路基板１０４に対して加圧することが可能となる。
【００７０】
ここで、式（２）〜(４)を行列Ｑにまとめると式（５）となる。なお、所定の比例係数で、ｆ１はｚ１、ｆ２はｚ２、ｆ３はｚ３、それぞれに比例するものとしている。
【００７１】
【数１】
【００７２】
式（５）の逆行列Ｑ−１を求めると、式（６）で表される。
【００７３】
【数２】
【００７４】
得られた行列Ｑと逆行列Ｑ−１を用いると、図１４のモデル化されたブロック線図が得られるので、重心位置の制御、ヨーイング量の制御、加圧量の制御の各モードに対応した３つの制御指令（ｃｍｄ１〜ｃｍｄ３）により、フィードバックをかけて各移動機構（Ｓｙｓｔｅｍ１〜Ｓｙｓｔｅｍ３）で出力される負荷側の位置（ｒｅｓ１〜ｒｅｓ３）を独立して制御することができることとなる。なお、Ｋ１〜Ｋ３は、重心位置、ヨーイング量、加圧量に対するゲインを示している。
【００７５】
具体的な制御系のブロック線図を図１５に示す。ここで、□内の数字は、行列Ｑ及び逆行列Ｑ−１の具体的なパラメータ値によるゲインを示し、Ｋａは任意に設定できるトルクゲインを示している。なお、図１５中の添え字ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ、Ｚ軸モータ１１６Ｄ、１１６Ｅ、１１６Ｆに対応している。
【００７６】
図１５において、θｍ１ｃｍｄは重心位置の制御指令であり、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの間の位置関係を保ったまま、全体をＺ軸方向において平行移動制御することができる。θｍ２ｃｍｄはヨーイング量の制御指令であり、Ｚ軸方向における部品１０２の角度を任意に補正することが可能である。なお、ヨーイング量の制御指令を０とすれば、部品１０２を水平にすることが可能である。τｍ１ｃｍｄ〜τｍ３ｃｍｄは加圧量の制御指令である。この場合、θｍ３ｃｍｄを０に固定して使用する。
【００７７】
このように、上述の共振比制御系を用いて行列Ｑと逆行列とＱ−１をＺ軸モータ１１６Ｄ〜１１６Ｆに適用することにより、摩擦やパラメータ変動等の外乱に対してロバストであり、防振制御だけでなく、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの重心位置、ヨーイング量、加圧量の３種類を独立に制御することが可能である。
【００７８】
更に、加圧量は、各吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅに設けられた圧力センサ１０７Ｄ、１０７Ｅで直接測定して加圧量のトルク指令τｍ１ｃｍｄ〜τｍ３ｃｍｄに直接フィードバックすることができるので、加圧量のより正確な制御ができ、且つ高速に制御が可能となる。
【００７９】
即ち、本発明によれば、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを適用して制御しているので、摩擦、パラメータ変動等の外乱を排除したロバストな振動制御が可能となる。即ち部品搭載動作を制御指令に正しく追従させることができる。そして、２慣性共振系の振動抑制に有効な共振比制御を適用しているので、２慣性共振負荷の振動抑制制御が可能となる。このため、迅速な部品搭載を安定して行うことができる。そして、更に、以下のような効果をも有する。
【００８０】
本実施形態では、１つの部品１０２を複数の吸着ノズル１０８で吸着するので、重い部品１０２を保持しても、部品認識位置への移動や部品搭載位置への移動において、急激な加速がなされても、慣性力で部品１０２が脱落することを防ぐことができる。このため、高速な部品搭載動作を行うことができ、部品搭載において早いタクトが実現できる。
【００８１】
又、部品１０２を吸着して保持するので、例えば、ＱＦＰのような横方向全てから端子が出ている部品１０２に対しても安定した吸着保持が可能である。
【００８２】
又、制御手段であるコントローラ１３２が部品１０２吸着した状態で吸着ノズル１０８の高さを変える制御を行うので、回路基板１０４の傾きに合わせて部品１０２を回路基板１０４と平行にして、部品１０２を回路基板１０４に搭載できる。このため、より歩留まりの高い部品搭載を実現することができる。
【００８３】
又、１つの部品１０２を複数の吸着ノズル１０８で加圧するように制御しているので、例えば、部品１０２の中心と周辺で加圧量を変えることができ、部品１０２の破損防止や、より確実な部品搭載を実現することができる。
【００８４】
本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。
【００８５】
例えば、第２実施形態として、圧力検出手段である圧力センサ１０７をまったく備えなくてもよい。この場合には、制御のためのブロック線図は図１６のようになる。即ち、圧力センサ１０７が無い分制御が複雑とならず、部品搭載装置を低コストにすることができる。加圧量については、例えば、回路基板１０４のＺ軸方向位置と部品１０２のＺ軸方向の厚みから、吸着ノズル１０８の先端位置の押し込み位置に基づいて加圧量を推定することとしてもよい。また、圧力センサ１０７をいずれか１つの吸着ノズル１０８が備えてもよい。このとき、圧力センサ１０７の代わりに、圧力検出手段として歪ゲージを用いて、吸着ノズル１０８のいずれか１つ以上に貼り付けてそのたわみ量から加圧量を求めても良い。
【００８６】
又、例えば、上記実施形態では、３つの吸着ノズル１０８で共振比制御系を構成したが、本発明は複数の吸着ノズルであれば適用することができる。例えば、第３実施形態として、２つの吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂに共振比制御を適用することができる。その際、吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂのＺ軸における位置をｚ１、ｚ２として、そのときの吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂの加圧量をｆ１、ｆ２とすると、吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂの重心位置ｇ、ヨーイング量θ、加圧量ｆは以下の式（７）〜（９）のように求めることができる。
【００８７】
ｇ＝（ｚ１＋ｚ２）／２ （７）
θ＝（ｚ１―ｚ２）／Ｌ （８）
ｆ＝ｆ１−ｆ２ （９）
【００８８】
ここで、式（７）〜(９)を行列Ｑにまとめると式（１０）となる。なお、所定の比例係数で、ｆ１はｚ１、ｆ２はｚ２、それぞれに比例するものとしている。
【００８９】
【数３】
【００９０】
式（１０）の逆行列Ｑ−１を求めると、式（１１）で表される。
【００９１】
【数４】
【００９２】
得られた行列Ｑと逆行列Ｑ−１を用いると、図１７のブロック線図を得ることができる。
【００９３】
ここで、θｃｍｄｃｏｍは和動モードの制御指令であり、吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂの間の位置関係を保ったまま、全体をＺ軸方向において平行移動制御することができる。θｃｍｄｄｉｆはヨーイング量の制御指令であり、Ｚ軸方向における部品１０２の角度を任意に補正することが可能である。なお、ヨーイング量の制御指令を０とすれば、部品１０２を水平にすることが可能である。このように、２つの吸着ノズルであれば２つの吸着ノズルの共振比制御を、３の吸着ノズルであれば３つの吸着ノズルの共振比制御を、それぞれ適用することができる。４つ以上の吸着ノズルであれば、２つの吸着ノズル、あるいは３つの吸着ノズル毎に共振比制御系を組むこともできる。あるいは、例えば、吸着ノズルが６つであれば、３つずつに分けて、その３つのなかで重心位置に仮想的に吸着ノズルを想定して、仮想的に設けられた２つの吸着ノズルで共振比制御を行うこともできる。
【００９４】
又、例えば、上記実施形態では、Ｚ軸モータ１１６のエンコーダを用いてセミクローズドループで共振比制御系を構成していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、リニアエンコーダを用いたフルクローズドループで共振比制御系を構成することも可能である。又、Ｚ軸モータ１１６として、回転モータを使用しているが、本発明は、リニアモータを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る部品搭載装置の概略図
【図２】同じく部品搭載装置全体の制御系の構成を表すブロック図
【図３】同じく搭載ヘッドの概略図
【図４】同じく部品認識後に部品の回転補正を行う際のフローを示す図
【図５】同じく部品吸着時と回転補正時の一例を示す摸式図
【図６】同じく図５とは異なる部品を回転補正する際の一例を示す摸式図
【図７】同じく部品を傾けた際の摸式図
【図８】同じく加圧量が異なることを示す摸式図
【図９】同じく図８における部品保持状態を示す摸式図
【図１０】同じく吸着ノズルの１つを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１１】同じく外部オブザーバのブロック線図を示す図
【図１２】同じく軸ねじれ反力推定オブザーバのブロック線図を示す図
【図１３】同じく加速度制御系のブロック線図を示す図
【図１４】同じく３つの吸着ノズルを備える場合の吸着ノズルの重心位置、ヨーイング量、加圧量を独立して制御するためのモデル化されたブロック線図を示す図
【図１５】同じく図１４の具体的な行列パラメータを用いた３つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１６】本発明の第２実施形態に係る具体的な行列パラメータを用いた３つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１７】本発明の第２実施形態に係る具体的な行列パラメータを用いた２つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１８】従来の部品保持機構の模式図
【図１９】別の従来の部品保持機構の模式図
【図２０】更に別の従来の部品保持機構の模式図
【符号の説明】
【００９６】
２、２Ａ、２２、５２、１０２…部品
４、２４、５４…部品保持機構
１００…部品搭載装置
１０４…回路基板
１０７、１０７Ａ〜１０７Ｆ…圧力センサ（圧力検出手段）
１０８、１０８Ａ〜１０８Ｆ、１０８ａａ、１０８ｂｂ…吸着ノズル
１０９…搭載ヘッド本体
１１０…搭載ヘッド
１１６、１１６Ａ〜１１６Ｆ…Ｚ軸モータ
１１７、１１７Ａ〜１１７Ｆ…θ軸モータ
１２０…部品認識カメラ
１３２…コントローラ
１３６…記憶装置
１４２…画像認識装置
２００…外乱オブザーバ
２０２…軸ねじれ反力推定オブザーバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、部品搭載方法とその装置に係り、特に、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載方法に用いるのに好適な、重い部品の吸着移動を可能とし、且つその部品の搭載条件を制御可能な部品搭載方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、部品を回路基板に搭載する部品搭載装置において、部品を部品供給部で保持するために、部品保持機構が用いられてきた。その従来の部品保持機構について、例えば、特許文献１の記載に基づき、図１８を用いて説明する。部品保持機構４は、搭載ヘッド本体９によって保持された複数の吸着ノズル８を備えて、その吸着ノズル８の先端に生ずる吸引力で、部品２を保持することができる。そして、保持する部品２が吸着ノズル８の相互間の距離より大きい対角線を有する大型の部品２である場合には、そのうち１つの吸着ノズル８の先端部を他の吸着ノズルの先端部より搭載ヘッド本体９の一端面外方向（図１８では下方向）へ突出させて、部品２を吸着するようにしている。こうして、大型の部品２においても、部品２と他の吸着ノズル８の先端部が干渉しないようにして、部品２を保持していた。
【０００３】
又、特許文献２の記載においては、図１９（Ａ）に示す如く、部品２２の保持手段である部品保持機構２４は、本体２６内で圧縮スプリング２８を介してＺ軸方向に移動可能な第１の移動部３０と、第１の移動部３０の下端に設けられたベアリング３２によって自身の係合孔３４ＡＡ、３４ＢＡに係合されると共に、ベアリング３６Ａ、３６Ｂにより本体２６内でＺ軸方向に対して垂直であって相互に逆向きの方向（Ｘ軸方向）に移動可能な２つの第２の移動部３４Ａ、３４Ｂと、第２の移動部３４Ａ、３４Ｂにそれぞれ固定されている２つの保持部３８Ａ、３８Ｂと、を備えている。このような構成により、第１の移動部３０をＺ軸方向に移動させることにより、第２の移動部３４Ａ、３４Ｂと共に保持部３８Ａ、３８ＢがそれぞれＸ軸方向の互いに逆側に移動する。それに伴い、本体２６の中心軸Ｏに設けられたストッパ４０を中心にして保持部３８Ａ、３８Ｂの間隔がＸ軸方向で変化して、部品２２を保持・開放することができる。
【０００４】
具体的に、図１９（Ｂ）を参照して、部品２２を保持する動作を説明する。先ず、ストッパ４０を部品２２の上面に接触させて、２つの保持部３８Ａ、３８Ｂを部品２２の両側面の外側に位置決めする。そして、本体２６の上部に設けられたバキューム孔２６Ａからエアを吸引する。すると圧縮スプリング２８が縮んで、第１の移動部３０が図面上方へ、即ちＺ軸方向のプラス側へ移動する。この第１の移動部３０の移動に伴い、ベアリング３２もＺ軸方向のプラス側へ移動する。このとき、係合孔３４ＡＡ、３４ＢＡは、図１９（Ｂ）に示す如く、斜めに形成された孔である。このため、ベアリング３２が係合孔３４ＡＡ、３４ＢＡ内でＺ軸方向のプラス側へ移動することにより、第２の移動部３４Ａ、３４Ｂがベアリング３６Ａ、３６Ｂの回転でＸ軸方向に、中心軸Ｏに向かって互いに接近するように移動する。これにより、２つの保持部３８Ａ、３８Ｂの間隔が平行状態を保ちながら狭まるので、２つの保持部３８Ａ、３８Ｂで部品２２の両側面を挟み込むと共に、ストッパ４０で部品２２の上面を支持させてしっかりと保持することができる。
【０００５】
又、別の従来の部品保持機構を、特許文献３の記載に基づき、図２０を用いて説明する。部品５２の保持手段である部品保持機構５４は、部品５２を挟む固定爪５８と可動爪６０とを有する。固定爪５８は本体５６に一体に形成されている。可動爪６０は本体５６のＸ軸方向に形成された吸引孔５６Ａに沿ってＸ軸方向に移動可能なピストン６２に支持ピン６４で軸支されている。このため、可動爪６０は、支持ピン６４を中心に回転可能である。吸引孔５６Ａは本体５６のＺ軸方向に設けられた吸引通路５６Ｂを介して、吸着ノズル５０の吸気口５０Ａに連通している。このため、吸着ノズル５０の吸気口５０Ａからエアを吸引すると、ピストン６２が図の右側（Ｘ軸方向のプラス側）に移動し、部品５２に応じて、可動爪６０の保持角度が可変して、部品５２を保持する構造となっている。
【０００６】
又、上記３つの部品保持機構を部品搭載装置に適用した場合には、部品保持機構の部品保持機構は部品を搭載する搭載ヘッドの備える吸着ノズルの先端に取付けられる。もしくは、吸着ノズルとして機能する。動作においては、部品保持機構が部品を保持して、その保持された部品の状態が部品搭載装置に配置された部品認識カメラで認識されて、部品搭載位置とのずれ量が演算・補正されて、部品が部品搭載位置へ移動される。
【０００７】
【特許文献１】特開平５−１１４７９９公報
【特許文献２】特開２０００−１２６９４９号公報
【特許文献３】特開平１１−１３８４８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１では、１つの部品の吸着を行う吸着ノズルは絶えず１つのみで部品の保持力は限られているので、重い部品を部品認識位置に移動する際や、部品搭載位置への移動をする際の急激な位置変化をさせると、慣性力により部品が脱落してしまうおそれが大きい。
【０００９】
又、特許文献２、３では、２つの保持部で部品の両側面を挟み込むような構成の為、例えばＱＦＰのようにＩＣパッケージの横方向すべてから端子が出ている場合には、部品を保持することが困難である。
【００１０】
又、特許文献１〜３では、１つの部品保持要素で部品を保持していることにより、回路基板が薄い、あるいは大型で回路基板にそりがあり、回路基板に垂直方向（Ｚ軸方向）の傾きがある場合には、回路基板のそりに合わせて部品を基板と平行にして搭載することができない。このため、部品搭載時に部品全体に対して均等に押圧することが極めて困難である。
【００１１】
更に、特許文献１〜３では、部品全体にかける加圧量の制御は可能であるが、１つの部品の中において、局所的に加圧量を変えることができない。このため、例えば、薄型部品などで部品の中央部に端子がなく、回路基板との間に支えがないような状態のときには、最悪の場合には加圧したときに部品を破損させるおそれもある。あるいは、例えば、部品中において、端子密度が場所ごとに異なる場合には、端子密度の高い場所で必要な加圧量が得られず、搭載不良を引き起こすおそれもある。
【００１２】
本発明は、上記の事情に鑑み、重い部品を保持しつつ、迅速な部品搭載動作が確保でき、部品の端子状況に関らず安定した保持をして、部品を回路基板に搭載する際には、部品の回路基板に対する角度や部品内での加圧量などの搭載条件を調整可能とする部品搭載方法とその装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本願の請求項１に係る発明は、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載方法において、１つの部品に対して吸着する前記吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源に制御指令を伝えて、該複数の吸着ノズルを外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御したことにより前記課題を解決したものである。
【００１４】
本願の請求項２に係る発明は、制御手段により、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載装置において、１つの部品に対して吸着する前記吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、且つ、前記制御手段が、該複数の吸着ノズルを制御するための外乱オブザーバと、軸ねじれ反力推定オブザーバとを備え、該制御手段から前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源への制御指令により該吸着ノズルが共振比制御されることを特徴とする部品搭載装置としたものである。
【００１５】
本願の請求項３に係る発明は、前記吸着ノズルの少なくとも１つ以上が圧力検出手段を備えていることとしたものである。
【００１６】
又、本願の請求項４に係る発明は、前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持後、該吸着ノズルの１つのみにより該部品の吸着を行い、他の吸着ノズルを上昇させて、該部品の角度補正を実施した後に、複数の吸着ノズルで該部品を吸着して、該部品を移動させる制御をすることとしたものである。
【００１７】
又、本願の請求項５に係る発明は、前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持した状態で、前記回路基板の垂直方向において、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで、該回路基板に対する該部品の平行度を制御して該部品を該回路基板に搭載させることとしたものである。
【００１８】
又、本願の請求項６に係る発明は、前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持して部品搭載時に、前記回路基板の垂直方向で、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで該部品が該回路基板に搭載される際の加圧量の分布状態を制御することとしたものである。
【００１９】
ここで、共振比制御とは、駆動源と駆動源に対する負荷(負荷側)が存在したときにそれぞれが共振周波数を有するが、当該駆動源の共振周波数を制御することにより、駆動源の共振周波数と負荷側の共振周波数との比（共振比）を制御して駆動源と負荷とを含めた移動機構の全体制御を行うことをいうものとする。又、外乱オブザーバとは、外乱成分を推定し、フィードフォワード的にこれを補償することで外乱の影響を打ち消すシステムをいうものとする。更に、軸ねじれ反力推定オブザーバとは、負荷側に生じる軸ねじれで発生する反力を推定し、フィードフォワード的にこれを補償することで軸ねじれで発生する反力の影響を打ち消すシステムをいうものとする。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを適用して制御しているので、摩擦、パラメータ変動等の外乱を排除したロバストな振動制御が可能となる。即ち部品搭載動作を制御指令に正しく追従させることができる。そして、２慣性共振系の振動抑制に有効な共振比制御を適用しているので、２慣性共振負荷の振動抑制制御が可能となる。このため、迅速な部品搭載を安定して行うことができる。そして、具体的には更に、以下のような効果をも有する。
【００２１】
本発明は、１つの部品を複数の吸着ノズルで吸着するので、重い部品を保持しても、部品認識位置への移動や部品搭載位置への移動において急激な加速がなされても、慣性力で部品が脱落することを防ぐことができる。このため、高速な部品搭載動作を行うことができ、部品搭載において早いタクトが実現できる。
【００２２】
又、部品を吸着して保持するので、例えば、ＱＦＰのような横方向全てから端子が出ている部品に対しても安定した吸着保持が可能である。
【００２３】
又、制御手段が部品吸着した状態で吸着ノズルの高さを変える制御を行う場合には、回路基板の傾きに合わせて部品を回路基板と平行にして、部品を回路基板に搭載できる。このため、より歩留まりの高い部品搭載を実現することができる。
【００２４】
又、１つの部品を複数の吸着ノズルで加圧するように制御した場合には、例えば、部品の中心と周辺で加圧量を変えることができ、部品の破損防止や、より確実な部品搭載を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
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。
【００２６】
図１は本発明の第１実施形態に係る部品搭載装置の概略図、図２は部品搭載装置全体の制御系の構成を表すブロック図、図３は搭載ヘッドの概略図、図４は部品認識後に部品の回転補正を行う際のフローを示す図、図５は部品吸着時と回転補正時の一例を示す摸式図、図６は図５とは異なる部品を回転補正する際の一例を示す摸式図、図７は部品を傾けた際の摸式図、図８は加圧量が異なることを示す摸式図、図９は図８における部品保持状態を示す摸式図、図１０は吸着ノズルの１つを駆動するためのブロック線図を示す図、図１１は外部オブザーバのブロック線図を示す図、図１２は軸ねじれ反力推定オブザーバのブロック線図を示す図、図１３は加速度制御系のブロック線図を示す図、図１４は３つの吸着ノズルを備える場合の吸着ノズルの重心位置、ヨーイング量、加圧量を独立して制御するためのモデル化されたブロック線図を示す図、図１５は図１４の具体的な行列パラメータを用いた３つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図、である。
【００２７】
最初に、本実施形態の部品搭載装置の構成について説明する。
【００２８】
図１、図２に示すように、部品搭載装置１００は、部品１０２が供給される部品供給部１０６と、部品１０２を吸着ノズル１０８で吸着保持して回路基板１０４上に搭載する搭載ヘッド１１０と、吸着ノズル１０８で保持された部品１０２の認識を行う部品認識カメラ１２０と、を備える。更に、図１に示すように、部品搭載装置１００は、搭載ヘッド１１０をＸＹ軸方向に移動させるＸ軸移動機構１１２、Ｙ軸移動機構１１４と、中央部から少し後方で左右方向に延在する基板搬送路１１８と、本体部１３０と、を備えている。本体部１３０には、図２で示す制御手段としてのコントローラ１３２が設けられている。このような構成により、部品搭載装置１００は、制御手段であるコントローラ１３２により、部品１０２を吸着ノズル１０８で吸着して、部品１０２を移動させて回路基板１０４に搭載する。なお、吸着ノズル１０８は、複数であり、１つの部品１０２を複数の吸着ノズル１０８で吸着する。複数の吸着ノズル１０８は、互いに独立した駆動源を備えている。そして、制御手段であるコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８の駆動源のうちの回路基板１０４に垂直方向の移動機構であるＺ軸移動機構の駆動源（Ｚ軸モータ１１６）に制御指令を伝えて、複数の吸着ノズル１０８を後述する外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを用いて共振比制御している。これらの各構成要素について以下、詳細に説明する。
【００２９】
図１、図２に示すように、前記Ｘ軸移動機構１１２は、吸着ノズル１０８を有する搭載ヘッド１１０をＸ軸方向に移動させる。Ｘ軸モータ１１３は、Ｘ軸移動機構１１２の駆動源である。又、Ｙ軸移動機構１１４は、Ｘ軸移動機構１１２並びに搭載ヘッド１１０をＹ軸方向に移動させる。Ｙ軸モータ１１５は、Ｙ軸移動機構１１４の駆動源である。
【００３０】
図１、図３に示すように、前記搭載ヘッド１１０は、例えば３＊２列の６つの吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆを備えている。２列側と３列側のピッチは、それぞれＬである。本実施形態では、ピッチＬは、例えば、１７ｍｍとすることができる。吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆは、搭載ヘッド本体１０９に固定されて、それぞれ独立したＺ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆとθ軸モータ１１７Ａ〜１１７Ｆとを備えている。そして、各吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆには、圧力検出手段である圧力センサ１０７（１０７Ａ〜１０７Ｆ）がそれぞれ設けてある。なお、Ｚ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆとθ軸モータ１１７Ａ〜１１７Ｆは、モータエンコーダが内蔵された回転モータである。Ｚ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆは、Ｚ軸移動機構の駆動源であり、搭載ヘッド本体１０９に対して、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆを垂直方向（Ｚ軸方向）に昇降可能に移動させることができる。θ軸モータ１１７Ａ〜１１７Ｆは、θ軸移動機構の駆動源であり、搭載ヘッド本体１０９に対して、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆをそのノズル軸（吸着軸）を中心に回転させることができる。
【００３１】
なお、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆは、図示しないエジェクタに接続されている。このため、エジェクダをＯＮ／ＯＦＦすることによりバキューム発生の制御が可能であり、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆで部品１０２の吸着・脱着を行うことができる。搭載ヘッド本体１０９には、回路基板１０４上に形成された基板マーク（図示せず）を撮像する基板認識カメラ１２２が配置されている。
【００３２】
図１に示すように、前記部品認識カメラ１２０は、搭載ヘッド１１０の可動範囲内の適宜個所、例えば部品供給部１０６の側部に配置され、吸着ノズル１０８で保持された部品１０２を下方から撮像することができる。
【００３３】
図２に示すように、本体部１３０に設けられたコントローラ１３２は、マイクロコンピュータ（ＣＰＵ）、並びにＲＡＭ、ＲＯＭを有して、Ｘ軸モータ１１３、Ｙ軸モータ１１５、Ｚ軸モータ１１６、θ軸モータ１１７、表示装置１３４、記憶装置１３６、キーボード１３８、マウス１４０、そして画像認識装置１４２等に接続されて、部品搭載装置１００全体を制御する。又、コントローラ１３２は、Ｚ軸移動機構の駆動源であるＺ軸モータ１１６の制御をする際には、少なくとも、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて、共振比制御を行うことが可能である。
【００３４】
図２に示すように、前記表示装置（モニタ）１３４は、部品データ、演算データ、及び部品認識カメラ１２０で撮像した部品１０２の画像などをその表示面に表示する。
【００３５】
図２に示すように、前記記憶装置１３６は、フラッシュメモリなどで構成され、キーボード１３８とマウス１４０により入力された部品１０２の端子数、端子配置、大きさ、形などの情報（部品データ）や部品供給部１０６に供給される部品１０２の位置や向きなどの情報（部品供給データ）や回路基板１０４上の各部品１０２の搭載される位置や角度などの部品レイアウト情報（基板データ）、及び不図示のホストコンピュータから伝送される部品データ、部品供給データ、基板データなどを格納するのに用いられる。また、基板認識カメラ１２２で撮像した基板マークによる回路基板１０４の基板補正データ等も格納される。
【００３６】
図２に示すように、前記キーボード１３８と前記マウス１４０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。
【００３７】
図２に示すように、前記画像認識装置１４２は、吸着ノズル１０８に保持された部品１０２の画像認識を行うもので、メモリ１４４、ＣＰＵ１４６及びＡ／Ｄ変換器１４８から構成される。ここでは、保持された部品１０２を撮像した部品認識カメラ１２０から出力されるアナログの画像信号をＡ／Ｄ変換器１４８によりデジタル信号に変換してメモリ１４４に格納し、ＣＰＵ１４６がその画像データに基づいて保持された部品１０２の認識を行う。すなわち、画像認識装置１４２は、部品１０２中心と傾き（部品認識データ）を演算し、部品１０２の保持状態を認識する。又、画像認識装置１４２は、基板認識カメラ１２２と接続されて、基板認識カメラ１２２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認識し、回路基板１０４の基板補正データを演算することができる。画像認識装置１４２は、上述した部品認識データと基板補正データとをコントローラ１３２へ伝送することができる。
【００３８】
次に、本実施形態の部品搭載装置１００の部品保持から部品搭載までの動作について説明する。なお、この一連の動作は、コントローラ１３２によって制御される。
【００３９】
最初に、部品１０２の保持から部品１０２の吸着姿勢の認識までの動作を以下に説明する。
【００４０】
まず、搭載ヘッド１１０を部品供給部１０６の上方へ移動する。このとき、例えば、吸着ノズル１０８Ｄを部品１０２の中心となるように移動し、Ｚ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｄ、１１６Ｅを駆動させて、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅを、部品１０２が吸着できる高さまで下降させる。
【００４１】
次に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅにバキュームを発生させて、部品１０２の吸着を行う。
【００４２】
次に、Ｚ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｄ、１１６Ｅを駆動して４本の吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅで部品１０２を保持したまま等速度で、部品１０２をＸＹ移動高さまで上昇させる。そして、部品認識カメラ１２０の上方へ移動させて部品１０２の認識を行う（図５（Ａ）、図５（Ｂ）の状態）。部品認識カメラ１２０で得られた画像に基づき画像認識装置１４２は、部品１０２中心と吸着角度を演算し、部品１０２の吸着姿勢を認識する。
【００４３】
次に、部品１０２の吸着姿勢の認識後から角度補正動作までについて、図４、図５を用いて説明を行う。ここでは、部品１０２の吸着姿勢の認識により、部品１０２の角度がずれていた場合、具体的には、吸着ノズル１０８Ｄの中心位置が部品１０２の中心位置のときに、吸着姿勢を演算した結果、保持した部品１０２の角度が例えば、時計回りに１度ずれていた場合について説明する。
【００４４】
まず、上面図が図５（Ａ）で側面図が図５（Ｂ）の状態から、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８ＥのバキュームをＯＦＦする(ステップＳ２)。
【００４５】
次に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｅの高さをＺ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｅを駆動して例えば１ｍｍ上昇させる（ステップＳ４）。
【００４６】
次に、図５（Ｃ）、図５（Ｄ）に示すように、吸着ノズル１０８Ｄのθ軸モータ１１６Ｄを駆動させて、吸着姿勢の認識結果から算出した補正量分として反時計回りに１度だけ、回転させる補正動作を行う（ステップＳ６、Ｓ８）。この時のθ軸モータ１１６Ｄは、部品１０２が落下しないように低速で回転を行う。
【００４７】
部品１０２の角度補正が完了した後（ステップＳ８でＹｅｓ）に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８ＥのＺ軸モータ１１６Ａ、１１６Ｂ、１１６Ｅを駆動させてＺ軸方向の元の位置（１ｍｍ）に下降させる（ステップＳ１０）。
【００４８】
次に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８ＥのバキュームをＯＮし、４本の吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅで部品１０２の保持を行う（ステップＳ１２）。そして、回路基板１０４上の部品１０２の搭載される位置まで、部品１０２が搭載ヘッド１１０によって移動される。
【００４９】
なお、回路基板１０２が図６（Ａ）に示すように一方向に短い場合には、回転補正前には吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅを用いて部品１０２を吸着して、回転補正後には吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ａを用いて部品１０２を吸着してもよい。又、回転補正する際の中心位置を吸着ノズル１０８Ｄとせずに、吸着ノズル１０８Ｅを回転補正する際の中心位置としてもよい。この場合には、回転補正角が小さければ、図６（Ｂ）に示す如く、回転補正前後で、３つの吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅ、１０８Ｆを用いることができ、大きな吸着力で部品１０２を保持することができる。
【００５０】
即ち、制御手段としてのコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着保持後、吸着ノズル１０８の１つのみにより部品１０２の吸着を行い、他の吸着ノズル１０８を上昇させて、部品１０２の角度補正を実施した後に、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着して、部品１０２を移動させている。
【００５１】
次に、部品１０２の回路基板１０４への搭載動作について説明を行う。
【００５２】
まず、部品１０２が回路基板１０４上の部品１０２の搭載される位置に搭載ヘッド１１０によって移動された後、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅをすべて同じ速度で回路基板１０４上に降下させる。
【００５３】
ここで、回路基板１０４が傾きを有する場合、具体的には図７に示すように回路基板１０４上の部品搭載位置が回路基板１０４のそり等によりＺ軸方向に、例えば１度傾いている状態だった場合には、吸着ノズル１０８Ｅの高さを吸着ノズル１０８Ｄに対して上昇させて、部品１０２の平行度を調整する。
【００５４】
この時の吸着ノズル１０８Ｅの上昇量ｚは、ノズル間距離Ｌと傾き角度ρから
ｚ＝Ｌ×ｔａｎρ＝１７×ｔａｎ１＝０．２９７［ｍｍ］ （１）
と求めることができる。即ち、吸着ノズル１０８Ｄに対し、吸着ノズル１０８Ｅを０．２９７ｍｍ上昇させた後に、吸着ノズル１０８Ａ、１０８Ｂ、１０８Ｄ、１０８Ｅをすべて同じ速度で回路基板１０４上に降下させる。そして、部品１０２に傾きを持たせることで、回路基板１０４の傾きに沿って部品１０２を安定に搭載することができる。
【００５５】
即ち、制御手段であるコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着保持した状態で、回路基板１０４の垂直方向（Ｚ軸方向）において、それぞれの吸着ノズル１０８の位置を制御することで、回路基板１０４に対する部品１０２の平行度を制御して部品１０２を回路基板１０４に搭載させることができる。
【００５６】
なお、回路基板１０４が搬送され、基板搬送路１１８の所定の位置で位置決めされる。その後に、搭載ヘッド１１０に取付けられた不図示の高さセンサにより、部品１０２の搭載される位置周辺部最低３点の高さを測定し、測定した３点から平面を算出することで、回路基板１０４の水平方向の傾きの取得が行われる。
【００５７】
ここで、回路基板１０４への部品搭載時の加圧量の調整方法について説明する。
【００５８】
部品１０２が回路基板１０４に接して、吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅが部品１０２と接した状態（図９参照）において、各吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅに取付けられた圧力センサ１０７Ｄ、１０７Ｅは、部品１０２にかかる圧力を計測することができる。吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅが部品１０２と接した状態で吸着ノズル１０８Ｄ、１０８ＥをよりＺ軸方向に降下させる（押し込み量を多くする）と、部品１０２は回路基板１０４に強く押付けられる。このため、部品１０２にかかる加圧量は上昇する。加圧量を弱めるのは、逆に、吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅを上昇させる（押し込み量を少なくする）ことで実現できる。
【００５９】
部品１０２内の部位によって加圧量を変える場合、例えば、図８に示す吸着ノズル１０８Ｄは加圧量１５０Ｄを強く、吸着ノズル１０８Ｅは加圧量１５０Ｅを弱くする場合には、部品１０２の中心の押し込み量を多くし、外側で押し込み量を少なくすることで実現することができる。むろん、吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅの加圧量を均一に制御して、部品１０２の加圧分布を均一にすることも可能である。
【００６０】
即ち、制御手段であるコントローラ１３２は、複数の吸着ノズル１０８で部品１０２を吸着保持して部品搭載時に、回路基板１０４の垂直方向で、それぞれの吸着ノズル１０８の位置を制御することで部品１０２が回路基板１０４に搭載される際の加圧量の分布状態を制御することができる。
【００６１】
次に、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆを制御する制御手段であるコントローラ１３２による制御について説明する。コントローラ１３２は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて、回路基板１０４への部品搭載時に共振比制御を行う。そして、本実施形態では６つの吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆが制御される。即ち、コントローラ１３２から駆動源であるＺ軸モータ１１６Ａ〜１１６Ｆへの制御指令により、吸着ノズル１０８Ａ〜１０８Ｆが共振比制御されている。
【００６２】
最初に、図１０に、部品搭載装置１００の吸着ノズル１０８の１つを想定した共振比制御のブロック線図を示す。なお、外乱オブザーバ２００を図１１に、軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２を図１２に、それぞれ示す。
【００６３】
ここで、図１０において、θｍｃｍｄはＺ軸モータ１１６への制御指令、Ｋｐ、Ｋｒ、Ｋｖは任意に設定できるフィードバックゲインで、Ｋｐは位置ゲイン、Ｋｒは反力ゲイン、Ｋｖは速度ゲイン、ｄ２θｍｒｅｆ／ｄｔ２は加速度参照値、ｄθｍ／ｄｔは速度参照値、JｍはＺ軸モータ１１６の慣性、ｎはノミナル値、（即ち、ＪｍｎはＺ軸モータ１１６の慣性のノミナル値）、Ｋｔはトルク定数、（即ち、Ｋｔｎはトルク定数のノミナル値）、Ｉｒｅｆは電流参照値、τｄｉｓｍはＺ軸モータ１１６に作用する外乱トルク、ｓはラプラス演算子、θｍはＺ軸モータ１１６の回転角度（Ｚ軸モータ１１６の位置）、ＫｆはＺ軸モータ１１６と負荷側との間のばね定数、τｒｅａｃは軸ねじれ反力、τｒｅａｃ＊は推定軸ねじれ反力、τｄｉｓｌは負荷側に作用する外乱トルク、Ｊｌは負荷側の慣性、θｌは負荷側の回転角度（負荷の位置）、をそれぞれ表している。又、図１１において、Ｆｍはパラメータ変動によりＺ軸モータ１１６に印加される変動外乱トルク、Ｄｍは粘性摩擦トルク、Ｉｃｍｐは外乱トルクを補償してロバスト性を確保するための補償電流、Ｇｄｉｓは外乱オブザーバゲイン、τｄｉｓｍ＊は推定外乱トルク、をそれぞれ表している。又、図１２において、Ｇｒｅａｃは、軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２に含まれる１次のローパスフィルタのカットオフ周波数である。なお、添え字ｍはＺ軸モータ１１６、添え字ｌは負荷側、添え字ｄｉｓは外乱、添え字ｒｅａｃは軸ねじれ反力を示している。
【００６４】
図１０に示す如く、本実施形態に係る制御系は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを備えて共振比制御系を構成し、負荷側に作用する外乱τｄｉｓｌに係らず、それらによる推定値をフィードバックしている。このため、本実施形態に係る制御系は、２慣性共振系の振動抑制において有効である。即ち、本実施形態に係る制御系は、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とに基づくため、Ｚ軸モータ１１６に加わる外乱等を補償することが可能である。詳しく言うならば、Ｚ軸モータ１１６に外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを適用しているので、Ｚ軸モータ１１６に作用する各種外乱の影響を除去することができる。このため、図１３に示すロバストな加速度制御系を構築することができる。図１３に示す如く、外乱オブザーバゲインＧｄｉｓを大きく設定すると、ｓ／（ｓ＋Ｇｄｉｓ＊）を極めて小さくできるので、外乱トルクτｄｉｓｍの影響を極めて少なくすることが可能なことによるものである。なお、Ｇｄｉｓ＊は外乱オブザーバゲインの換算値を示している。そして、本実施形態に係る制御系は、共振比制御であるので、状態フィードバック制御やＨ∞制御などと異なり、図１０に示す如く、比較的簡単な制御系のため、設計が容易であり、計算量も少なくて済むなど実用性が高い。
【００６５】
次に、例えば３つの吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅ、１０８Ｆを、３つの独立したモードで制御（重心位置の制御、ヨーイング量の制御、加圧量の制御）する方法について説明する。
【００６６】
最初に、上述した共振比制御を、３つのＺ軸モータ１１６Ｄ〜１１６Ｆで駆動される吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆに適用するために、Ｚ軸モータ１１６Ｄ〜１１６Ｆの重心位置、ヨーイング量、加圧量の関係を求める。
【００６７】
吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８ＦのＺ軸における位置をｚ１、ｚ２、ｚ３として、そのときの吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの加圧量をｆ１、ｆ２、ｆ３とすると、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの重心位置ｇ、ヨーイング量θ、加圧量ｆは以下の式（２）〜（４）のように求めることができる。
【００６８】
ｇ＝（ｚ１＋ｚ２＋ｚ３）／３ （２）
θ＝（ｚ１―ｚ２）／Ｌ （３）
ｆ＝（２＊ｆ３）−ｆ１−ｆ２ （４）
【００６９】
このとき、吸着ノズル１０８Ｆの加圧量が吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅの加圧量の合計と等しくなるように制御が行われることで、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆがバランス良く正しく部品１０２を回路基板１０４に対して加圧することが可能となる。
【００７０】
ここで、式（２）〜(４)を行列Ｑにまとめると式（５）となる。なお、所定の比例係数で、ｆ１はｚ１、ｆ２はｚ２、ｆ３はｚ３、それぞれに比例するものとしている。
【００７１】
【数１】
【００７２】
式（５）の逆行列Ｑ−１を求めると、式（６）で表される。
【００７３】
【数２】
【００７４】
得られた行列Ｑと逆行列Ｑ−１を用いると、図１４のモデル化されたブロック線図が得られるので、重心位置の制御、ヨーイング量の制御、加圧量の制御の各モードに対応した３つの制御指令（ｃｍｄ１〜ｃｍｄ３）により、フィードバックをかけて各移動機構（Ｓｙｓｔｅｍ１〜Ｓｙｓｔｅｍ３）で出力される負荷側の位置（ｒｅｓ１〜ｒｅｓ３）を独立して制御することができることとなる。なお、Ｋ１〜Ｋ３は、重心位置、ヨーイング量、加圧量に対するゲインを示している。
【００７５】
具体的な制御系のブロック線図を図１５に示す。ここで、□内の数字は、行列Ｑ及び逆行列Ｑ−１の具体的なパラメータ値によるゲインを示し、Ｋａは任意に設定できるトルクゲインを示している。なお、図１５中の添え字ｍ１、ｍ２、ｍ３は、それぞれ、Ｚ軸モータ１１６Ｄ、１１６Ｅ、１１６Ｆに対応している。
【００７６】
図１５において、θｍ１ｃｍｄは重心位置の制御指令であり、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの間の位置関係を保ったまま、全体をＺ軸方向において平行移動制御することができる。θｍ２ｃｍｄはヨーイング量の制御指令であり、Ｚ軸方向における部品１０２の角度を任意に補正することが可能である。なお、ヨーイング量の制御指令を０とすれば、部品１０２を水平にすることが可能である。τｍ１ｃｍｄ〜τｍ３ｃｍｄは加圧量の制御指令である。この場合、θｍ３ｃｍｄを０に固定して使用する。
【００７７】
このように、上述の共振比制御系を用いて行列Ｑと逆行列とＱ−１をＺ軸モータ１１６Ｄ〜１１６Ｆに適用することにより、摩擦やパラメータ変動等の外乱に対してロバストであり、防振制御だけでなく、吸着ノズル１０８Ｄ〜１０８Ｆの重心位置、ヨーイング量、加圧量の３種類を独立に制御することが可能である。
【００７８】
更に、加圧量は、各吸着ノズル１０８Ｄ、１０８Ｅに設けられた圧力センサ１０７Ｄ、１０７Ｅで直接測定して加圧量のトルク指令τｍ１ｃｍｄ〜τｍ３ｃｍｄに直接フィードバックすることができるので、加圧量のより正確な制御ができ、且つ高速に制御が可能となる。
【００７９】
即ち、本発明によれば、外乱オブザーバ２００と軸ねじれ反力推定オブザーバ２０２とを適用して制御しているので、摩擦、パラメータ変動等の外乱を排除したロバストな振動制御が可能となる。即ち部品搭載動作を制御指令に正しく追従させることができる。そして、２慣性共振系の振動抑制に有効な共振比制御を適用しているので、２慣性共振負荷の振動抑制制御が可能となる。このため、迅速な部品搭載を安定して行うことができる。そして、更に、以下のような効果をも有する。
【００８０】
本実施形態では、１つの部品１０２を複数の吸着ノズル１０８で吸着するので、重い部品１０２を保持しても、部品認識位置への移動や部品搭載位置への移動において、急激な加速がなされても、慣性力で部品１０２が脱落することを防ぐことができる。このため、高速な部品搭載動作を行うことができ、部品搭載において早いタクトが実現できる。
【００８１】
又、部品１０２を吸着して保持するので、例えば、ＱＦＰのような横方向全てから端子が出ている部品１０２に対しても安定した吸着保持が可能である。
【００８２】
又、制御手段であるコントローラ１３２が部品１０２吸着した状態で吸着ノズル１０８の高さを変える制御を行うので、回路基板１０４の傾きに合わせて部品１０２を回路基板１０４と平行にして、部品１０２を回路基板１０４に搭載できる。このため、より歩留まりの高い部品搭載を実現することができる。
【００８３】
又、１つの部品１０２を複数の吸着ノズル１０８で加圧するように制御しているので、例えば、部品１０２の中心と周辺で加圧量を変えることができ、部品１０２の破損防止や、より確実な部品搭載を実現することができる。
【００８４】
本発明について第１実施形態を挙げて説明したが、本発明は第１実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の要旨を逸脱しない範囲においての改良並びに設計の変更が可能なことは言うまでもない。
【００８５】
例えば、第２実施形態として、圧力検出手段である圧力センサ１０７をまったく備えなくてもよい。この場合には、制御のためのブロック線図は図１６のようになる。即ち、圧力センサ１０７が無い分制御が複雑とならず、部品搭載装置を低コストにすることができる。加圧量については、例えば、回路基板１０４のＺ軸方向位置と部品１０２のＺ軸方向の厚みから、吸着ノズル１０８の先端位置の押し込み位置に基づいて加圧量を推定することとしてもよい。また、圧力センサ１０７をいずれか１つの吸着ノズル１０８が備えてもよい。このとき、圧力センサ１０７の代わりに、圧力検出手段として歪ゲージを用いて、吸着ノズル１０８のいずれか１つ以上に貼り付けてそのたわみ量から加圧量を求めても良い。
【００８６】
又、例えば、上記実施形態では、３つの吸着ノズル１０８で共振比制御系を構成したが、本発明は複数の吸着ノズルであれば適用することができる。例えば、第３実施形態として、２つの吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂに共振比制御を適用することができる。その際、吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂのＺ軸における位置をｚ１、ｚ２として、そのときの吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂの加圧量をｆ１、ｆ２とすると、吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂの重心位置ｇ、ヨーイング量θ、加圧量ｆは以下の式（７）〜（９）のように求めることができる。
【００８７】
ｇ＝（ｚ１＋ｚ２）／２ （７）
θ＝（ｚ１―ｚ２）／Ｌ （８）
ｆ＝ｆ１−ｆ２ （９）
【００８８】
ここで、式（７）〜(９)を行列Ｑにまとめると式（１０）となる。なお、所定の比例係数で、ｆ１はｚ１、ｆ２はｚ２、それぞれに比例するものとしている。
【００８９】
【数３】
【００９０】
式（１０）の逆行列Ｑ−１を求めると、式（１１）で表される。
【００９１】
【数４】
【００９２】
得られた行列Ｑと逆行列Ｑ−１を用いると、図１７のブロック線図を得ることができる。
【００９３】
ここで、θｃｍｄｃｏｍは和動モードの制御指令であり、吸着ノズル１０８ａａ、１０８ｂｂの間の位置関係を保ったまま、全体をＺ軸方向において平行移動制御することができる。θｃｍｄｄｉｆはヨーイング量の制御指令であり、Ｚ軸方向における部品１０２の角度を任意に補正することが可能である。なお、ヨーイング量の制御指令を０とすれば、部品１０２を水平にすることが可能である。このように、２つの吸着ノズルであれば２つの吸着ノズルの共振比制御を、３の吸着ノズルであれば３つの吸着ノズルの共振比制御を、それぞれ適用することができる。４つ以上の吸着ノズルであれば、２つの吸着ノズル、あるいは３つの吸着ノズル毎に共振比制御系を組むこともできる。あるいは、例えば、吸着ノズルが６つであれば、３つずつに分けて、その３つのなかで重心位置に仮想的に吸着ノズルを想定して、仮想的に設けられた２つの吸着ノズルで共振比制御を行うこともできる。
【００９４】
又、例えば、上記実施形態では、Ｚ軸モータ１１６のエンコーダを用いてセミクローズドループで共振比制御系を構成していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、リニアエンコーダを用いたフルクローズドループで共振比制御系を構成することも可能である。又、Ｚ軸モータ１１６として、回転モータを使用しているが、本発明は、リニアモータを使用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の第１実施形態に係る部品搭載装置の概略図
【図２】同じく部品搭載装置全体の制御系の構成を表すブロック図
【図３】同じく搭載ヘッドの概略図
【図４】同じく部品認識後に部品の回転補正を行う際のフローを示す図
【図５】同じく部品吸着時と回転補正時の一例を示す摸式図
【図６】同じく図５とは異なる部品を回転補正する際の一例を示す摸式図
【図７】同じく部品を傾けた際の摸式図
【図８】同じく加圧量が異なることを示す摸式図
【図９】同じく図８における部品保持状態を示す摸式図
【図１０】同じく吸着ノズルの１つを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１１】同じく外部オブザーバのブロック線図を示す図
【図１２】同じく軸ねじれ反力推定オブザーバのブロック線図を示す図
【図１３】同じく加速度制御系のブロック線図を示す図
【図１４】同じく３つの吸着ノズルを備える場合の吸着ノズルの重心位置、ヨーイング量、加圧量を独立して制御するためのモデル化されたブロック線図を示す図
【図１５】同じく図１４の具体的な行列パラメータを用いた３つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１６】本発明の第２実施形態に係る具体的な行列パラメータを用いた３つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１７】本発明の第２実施形態に係る具体的な行列パラメータを用いた２つの吸着ノズルを駆動するためのブロック線図を示す図
【図１８】従来の部品保持機構の模式図
【図１９】別の従来の部品保持機構の模式図
【図２０】更に別の従来の部品保持機構の模式図
【符号の説明】
【００９６】
２、２Ａ、２２、５２、１０２…部品
４、２４、５４…部品保持機構
１００…部品搭載装置
１０４…回路基板
１０７、１０７Ａ〜１０７Ｆ…圧力センサ（圧力検出手段）
１０８、１０８Ａ〜１０８Ｆ、１０８ａａ、１０８ｂｂ…吸着ノズル
１０９…搭載ヘッド本体
１１０…搭載ヘッド
１１６、１１６Ａ〜１１６Ｆ…Ｚ軸モータ
１１７、１１７Ａ〜１１７Ｆ…θ軸モータ
１２０…部品認識カメラ
１３２…コントローラ
１３６…記憶装置
１４２…画像認識装置
２００…外乱オブザーバ
２０２…軸ねじれ反力推定オブザーバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載方法において、
１つの部品に対して吸着する吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、
前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源に制御指令を伝えて、該複数の吸着ノズルを外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御することを特徴とする部品搭載方法。
【請求項２】
制御手段により、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載装置において、
１つの部品に対して吸着する前記吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、且つ、
前記制御手段が、該複数の吸着ノズルを制御するための外乱オブザーバと、軸ねじれ反力推定オブザーバとを備え、
該制御手段から前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源への制御指令により該吸着ノズルが共振比制御されることを特徴とする部品搭載装置。
【請求項３】
前記吸着ノズルの少なくとも１つ以上が圧力検出手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の部品搭載装置。
【請求項４】
前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持後、該吸着ノズルの１つのみにより該部品の吸着を行い、他の吸着ノズルを上昇させて、該部品の角度補正を実施した後に、複数の吸着ノズルで該部品を吸着して、該部品を移動させる制御をすることを特徴とする請求項２又は３に記載の部品搭載装置。
【請求項５】
前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持した状態で、前記回路基板の垂直方向において、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで、該回路基板に対する該部品の平行度を制御して該部品を該回路基板に搭載させることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の部品搭載装置。
【請求項６】
前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持して部品搭載時に、前記回路基板の垂直方向で、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで該部品が該回路基板に搭載される際の加圧量の分布状態を制御することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の部品搭載装置。
【請求項１】
部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載方法において、
１つの部品に対して吸着する吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、
前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源に制御指令を伝えて、該複数の吸着ノズルを外乱オブザーバと軸ねじれ反力推定オブザーバとを用いて共振比制御することを特徴とする部品搭載方法。
【請求項２】
制御手段により、部品を吸着ノズルで吸着して、該部品を移動させて回路基板に搭載する部品搭載装置において、
１つの部品に対して吸着する前記吸着ノズルが、複数からなると共に、互いに独立した駆動源を備え、且つ、
前記制御手段が、該複数の吸着ノズルを制御するための外乱オブザーバと、軸ねじれ反力推定オブザーバとを備え、
該制御手段から前記駆動源のうちの前記回路基板に垂直方向の移動機構の駆動源への制御指令により該吸着ノズルが共振比制御されることを特徴とする部品搭載装置。
【請求項３】
前記吸着ノズルの少なくとも１つ以上が圧力検出手段を備えていることを特徴とする請求項２に記載の部品搭載装置。
【請求項４】
前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持後、該吸着ノズルの１つのみにより該部品の吸着を行い、他の吸着ノズルを上昇させて、該部品の角度補正を実施した後に、複数の吸着ノズルで該部品を吸着して、該部品を移動させる制御をすることを特徴とする請求項２又は３に記載の部品搭載装置。
【請求項５】
前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持した状態で、前記回路基板の垂直方向において、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで、該回路基板に対する該部品の平行度を制御して該部品を該回路基板に搭載させることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の部品搭載装置。
【請求項６】
前記制御手段が、前記複数の吸着ノズルで前記部品を吸着保持して部品搭載時に、前記回路基板の垂直方向で、それぞれの該吸着ノズルの位置を制御することで該部品が該回路基板に搭載される際の加圧量の分布状態を制御することを特徴とする請求項２乃至５のいずれかに記載の部品搭載装置。
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【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１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００９−２７２４１０（Ｐ２００９−２７２４１０Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２０６７１（Ｐ２００８−１２０６７１）
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（０００００３３９９）ＪＵＫＩ株式会社 (1,557)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月２日（２００８．５．２）
【出願人】（０００００３３９９）ＪＵＫＩ株式会社 (1,557)
【Ｆターム（参考）】
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