JP2012101309A

JP2012101309A - 加工装置

Info

Publication number: JP2012101309A
Application number: JP2010251308A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nozoe; 悟野副; Masanori Sato; 征識佐藤
Original assignee: Hitachi Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2010-11-09
Filing date: 2010-11-09
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2030-11-09
Also published as: CN103180095A; KR101775589B1; WO2012063621A1; KR20130140735A; CN103180095B; JP5583555B2; TW201233271A; TWI507102B

Abstract

【課題】簡単な構成で精度よく工具とワークとの接触を検出可能な加工装置を提供する。
【解決手段】絶縁された電極部材１７ｅをロータシャフト１６の受圧部１６ａに近接して配置し、これら受圧部１６ａと電極部材１７ｅとの間でキャパシタＣを形成する。ステータ１９ｂにインバータ電源２０から電流が供給されると、ロータシャフト１６には、軸電圧が誘起され、この軸電圧は、キャパシタＣを介して電極部材１７ｅにも誘起されると共に、電極部材１７ｅには軸電圧を検知する検知装置２９が接続されている。検知装置２９は、スピンドルが下降して、ドリル５の先端がアースされた状態のワークに当接することによって、今まで検知していた軸電圧が検知できなくなると、検知信号をＮＣ装置３０に出力する。ＮＣ装置３０は、検知信号が入力されると、ドリル５がワークに当接したと判断し、その位置から所定の深さまでドリル５を加工して穴を穿設する。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えばプリント基板などのワークを加工する加工装置に係り、詳しくは、工具とワークとの接触を検出するセンサ構成に関する。

一般に、ロータシャフトをモータによって回転させ、このロータシャフトの先端に設けられたドリルによってプリント基板（ワーク）に穴をあけるプリント基板穴明機が知られている。このようなプリント基板穴明機は、異なる層に形成された回路間を接続するために、多数のスルーホール（貫通孔）や、ブラインドホール（底付き穴）をプリント基板に穿設するが、近年、プリント基板が、ますます薄くなると共に、より一層の多層化が進んだことにより、更なる加工精度が求められている。

より詳しくは、上記プリント基板穴明機は、プリント基板の表面にドリルの先端が到達した位置から予め設定された深さだけ穴を加工するため、その加工精度を向上させるためには、正確にドリルの先端がプリント基板の表面に到達したことを検知することが重要となる。そこで、従来、加工テーブル３０上にプリント基板３１を絶縁した状態で載置すると共に、ロータシャフト６に誘起された軸電圧Ｖ０の内の所定電圧Ｖi１，Ｖi２を検出する比較器４４を、プレッシャフット２０に接続したものが案出されている（特許文献１参照）。

上記特許文献１記載のプリント基板穴明加工機は、プリント基板３１に穴を明けるに際し、まず、インバータ電源１１からステータコイル５０に交流電圧を供給してロータシャフト６を回転させ、該ロータシャフト６が回転している状態でホルダ４を下降させる。ホルダ４が下降を始めると、最初にプレッシャフット２０のブッシュ４１がプリント基板３１の表面に当接する。その後、エアシリンダが縮むことによりプレッシャフット２０がプリント基板に当接した状態でスピンドルだけが下降し、ドリル１４の先端がプリント基板３１の表面へと到達する。ドリル１４がプリント基板３１に当接すると、軸電圧Ｖ０がプリント基板３１表面の銅箔３１ｃ、プレッシャフット２０のブッシュ４１を介して比較器４４へと出力される。そして、該比較器４４から所定電圧Ｖi１，Ｖi２を検知したことを示す検出信号をＮＣ装置２３が受け取ることで、プリント基板穴明加工機は、ドリル１４がプリント基板３１の表面に到達したことを検知している。

特許第４１８４５７５号公報

このように、ステータコイル５０に交流電圧が供給されることに基づいてロータシャフト６に誘起される軸電圧Ｖ０を用いると、正確にドリル１４とプリント基板３１との当接を検知することが出来る。しかし、通常、ワークは金属製の基準ピンやクランプなどによって固定された状態で加工テーブル上に載置されるため、フレームアースされた状態にあるが、上記特許文献１記載のプリント基板穴明機では、ドリル１４、プリント基板３１及びプレッシャフット２０のブッシュを介してロータシャフト６に印加された軸電圧Ｖ０を検出するため、プリント基板３１を加工テーブルから絶縁する必要があり、上述した金属性のピンなどを使用できず、わざわざ絶縁材料（たとえばセラミック）からなるピンなどを作成する必要があった。また、比較器が接続されるプレッシャフット２０のブッシュ４１を導電性材料で形成すると共に、このブッシュ４１を保持するホルダ４０は、絶縁性材料で形成する必要があった。

そこで、本発明は、わざわざワークを加工テーブルから絶縁せずとも、ワーク表面とドリルの先端との当接を軸電圧を用いて正確に検出可能な加工装置を提供することを目的とする。

本発明は、先端にワーク（２）を加工する工具（５）が取付けられ、絶縁された状態で回転自在に支持されたロータシャフト（１６）と、該ロータシャフト（１６）に設けられたロータ（１９ａ）と、該ロータ（１９ａ）と共にモータ（１９）を形成するステータ（１９ｂ）と、これらステータ（１９ｂ）又はロータ（１９ａ）に設けられた回転磁界を発生させるための巻線（１９ｃ）に交流電圧を供給する電源（２０）と、ワーク（２）をアースされた状態で載置する加工テーブル（３）と、を備え、前記モータ（１９）によって前記ロータシャフト（１６）を回転させてワーク（２）を加工する加工装置（１）において、
絶縁された状態で前記ロータシャフト（１６）に近接して配置され、該ロータシャフト（１６）との間でキャパシタ（Ｃ）を形成する電極部材（１７ｅ）と、
前記電極部材（１７ｅ）に接続し、前記巻線（１９ｃ）に交流電圧が供給されることにより前記ロータシャフト（１６）に誘起された電圧（Ｖ_０）を検知する検知装置（２９）と、
前記検知装置（２９）により検知された電圧（Ｖ_０）が検知されなくなった際に、前記工具（５）の先端がワーク（２）に接触したと判断する制御部（３０）と、を備えた、
ことを特徴とする。

また、具体的には、前記ロータシャフト（１６）を空気軸受（１７）によって回転自在に支持し、
前記電極部材（１７ｅ）を、前記空気軸受（１７）の上端部を絶縁部材（２７）によって絶縁して形成すると好適である。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これは、発明の理解を容易にするための便宜的なものであり、特許請求の範囲の構成に何等影響を及ぼすものではない。

請求項１に係る発明によると、ロータシャフトと、絶縁された状態で該ロータシャフトに近接して配置された電極部材との間でキャパシタを形成し、この電極部材に検知装置を接続したことにより、加工時に回転するロータシャフトに誘起される電圧（軸電圧）を、ワークを介さずに検知することができる。これにより、金属製のピンなどによって容易にワークを加工テーブルに固定することできると共に、検知装置により軸電圧が検知されなくなったことに基づいて、工具とワークとの当接を精度よく検出することができる。

請求項２に係る発明によると、空気軸受によってロータシャフトを支持することによって、該ロータシャフトを少ない摩擦損失で高回転に回転させることができると共に、空気軸受と接触せずに絶縁された状態で支持することができる。また、空気軸受の上端部を絶縁部材によって絶縁して電極部材とすることにより、加工装置の基本構造を変えることなく軸電圧が検知可能となり、部品の共通化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る加工装置の正面図。本発明の実施形態に係る加工テーブルのワーク固定方法を示す模式図。本発明の実施形態に係る加工装置のタッチセンサ構造を示す模式図。

[加工装置の概略構成]
以下、本発明に係る実施形態について説明をする。図１に示すように、ワークを加工する加工装置としてのプリント基板穴明機１は、ワークとしてのプリント基板２を載置する加工テーブル３と、先端にドリル（工具）５が保持するスピンドル６と、該スピンドル６の先端に嵌合し、ドリル５に先立ってプリント基板２と当接して該プリント基板２を加工テーブル３に押し付けるプレッシャフット７と、を有している。上記プリント基板２は、絶縁層と電気回路とが交互に積層されて形成され、その表面には回路パターンを形成するための銅箔２ａが張り付けられており、図２に示すように２本の基準ピン９ａ，９ｂによって加工テーブルに固定されている。具体的には、加工テーブル３の表面には、方形の溝１０と、一側面がＶ字形状に形成された溝１１とが形成されており、一方の基準ピン９ａが方形の溝１０に挿入されてクランププレート１２によって固定されることによって（図２の２点鎖線の状態）、プリント基板２のＹ軸方向への移動が規制される。また、一側面がＶ字形状の溝１１に他方の基準ピン９ｂが挿入され、該基準ピン９ｂがクランププレート１３によりＶ字部分１１ａに固定されることによって、プリント基板２のＸ軸方向への移動が規制される。

一方、図１に示すように、上記加工テーブル３に対向するように配置されたスピンドル６は、円筒形状の本体部１５と、先端にプリント基板２を加工するドリル５が取付けられるロータシャフト１６と、該ロータシャフト１６を回転自在に支持する空気軸受１７と、ロータシャフト１６を回転させるモータ１９と、を備えて構成されており、該空気軸受１７は、ロータシャフト１６を、ラジアル空気軸受１７ａによって径方向に、スラスト空気軸受１７ｂによって上下方向に支持している。このラジアル空気軸受１７ａは、空気軸受の本体部分１７ｃからロータシャフト１６に向かって径方向に圧縮空気を噴出する複数の噴出口から構成されていると共に、スラスト空気軸受１７ｂは、ロータシャフト１６の上端部に設けられた円環状の受圧部１６ａが嵌挿される空気軸受本体部１７ｃの隙間部１７ｄにて、受圧部１６ａに上下から圧縮空気を噴出する複数の噴出口から構成されている。

また、上記モータ１９は、ロータシャフト１６の中央部にて銅材を端絡環状形成したロータ（回転子）１９ａと、スピンドルの本体部１５のロータ１９ａに対向する位置に配設されたステータ（固定子）１９ｂと、から構成されており、インバータ電源２０からステータ１９ｂの巻線１９ｃに交流電圧が供給されると、変動する磁界（回転磁界）が発生してロータ（ロータシャフト１６）１９ａを回転させるようになっている。なお、インバータ電源２０は、三相電源２１から入力される商用交流電圧を周波数の高い交流電圧に変換している。

上記スピンドル６の本体部１５は、クロススライド２２に対して上下方向（Ｚ軸方向）に移動自在なサドル２３に固定されており、該クロススライド２２は、加工テーブル３を跨ぐようにベッド２５に設けられたクロスレール（不図示）に、左右方向（Ｙ軸方向）移動自在に支持されている。また、上記加工テーブル３は、ベッド２５上にクロススライド２２に対して直交する方向（Ｘ軸方向）に移動自在に設けられており、プリント基板穴明機１は、スピンドル６をクロススライド２２によりＹ軸方向に移動させると共に、加工テーブル３をＸ軸方向に移動させることによって加工位置を位置決めする。そして、加工位置が位置決めされると、サドル２３によってスピンドルを下降させてプリント基板に穴を穿設するようになっている。なお、サドル２３をＺ軸方向に下降させると、ドリル５に先立ってプレッシャフット７のブッシュ７ａがプリント基板２と接触するが、該プレッシャフット７は一対のエアシリンダ２６により支持されており、このエアシリンダ２６が伸縮することによってスピンドル６と相対移動可能に構成されている。

[タッチセンサの構成]
ついで、ドリル５がプリント基板２の表面に到達したことを検出するセンサ構造（以下、タッチセンサという）３１について、図１及び図３に基づいて説明をする。上記噴出口１７ａ，１７ｂが穿設される空気軸受１７の本体部分１７ｃは、その上端部１７ｅが絶縁部材２７によって、スピンドル６の本体部１５、空気軸受１７の下方部１７ｆに対して絶縁された状態で固定されている。この上端部１７ｅは、それよりも下方側の空気軸受１７の本体部１７ｃである空気軸受の下方部１７ｆとの間に間隙を設けて、ロータシャフト１６の受圧部１６ａが配設される上記隙間部１７ｄを形成していると共に、対地抵抗の高い電極部材となって、該ロータシャフト１６の受圧部１６ａとの間でキャパシタＣを形成している。

上記ロータシャフト１６は、空気軸受１７により周囲から浮いた状態で回転自在に支持されている。即ち電気的にはロータシャフト１６は、周囲（スピンドルの本体部１５、空気軸受１７）に対して絶縁された状態で支持されているが、ステータ１９ｂの巻線１９ｃにインバータ電源２０から３相の交流電圧が供給されると若干ながらいわゆる零相電圧が発生し、この零相電圧によりモータ１９の巻線１９ｃやフレーム（例えば空気軸受１７の下方部１７ｆ）等とロータ１９ａの間の浮遊容量を介してロータ１９ａに誘導電圧（以下、軸電圧という）Ｖ_０が誘起される（数Ｖ程度）。そして、軸電圧Ｖ_０が誘起されると、ロータシャフト１６との間でキャパシタを形成する上記電極部材１７ｅにも電圧が誘起され、該電極部材１７ｅには、この軸電圧Ｖ_０を検知する検知装置２９が接続されている。

ところで、上記プリント基板２を固定している基準ピン９ａ，９ｂは、鉄などの金属製であると共に、加工テーブル３も同様に鋼材などの金属製であり、プリント基板２は、その表面の銅箔２ａが基準ピン９ａ，９ｂを介して筐体接地（アース）されている。そのため、ドリル５の先端がプリント基板２の表面に接触するとロータシャフト１６の電位は０となり、電極部材にも電圧が誘起されなくなる。上記検知装置２９は、プリント基板穴明機を制御するＮＣ装置（制御部）３０に接続されており、軸電圧Ｖ_０を検知すると共に、ドリル５がプリント基板２の表面に到達して検知していた軸電圧Ｖ_０が検知されなくなると、ＮＣ装置３０に検知信号を出力するように構成されている。そして、ＮＣ装置３０は、この検知装置２９から検知信号に基づいてドリル５の先端がプリント基板２の表面に到達したと判断し、その際のスピンドル位置を穴明け加工の基準位置（０点位置）とする。

タッチセンサ３１は，これらロータシャフト１６、電極部材１７ｅ、検知装置２９及びＮＣ装置３０によって構成されており、ロータシャフト１６と電極部材１７ｅとの間でキャパシタＣを形成することにより、回転するロータシャフト１６に誘起される軸電圧Ｖ_０を、他の部材（たとえばプリント基板）を介さずに検知することが出来ると共に、この軸電圧Ｖ_０の変化によってドリル５先端とプリント基板２表面との接触を検出するため、ドリル５先端の位置を正確に知ることができるようになっている。

また、スピンドル６は、その上下方向（Ｚ軸方向）の移動範囲が規制されており、ＮＣ装置３０は、スピンドル６を下降させ始めてから所定の時間、例えばスピンドル６が上端位置からプリント基板２表面まで移動するのに要する時間、経過しても検知装置２９から検知信号が入力されない場合、ドリル５が折損していると判断する。

ついで、本発明の実施形態に係るプリント基板穴明装置１の作用について説明をする。作業者は、プリント基板２に穴明けを行うに際し、まず、プリント基板２を加工テーブル３上に載置すると共に、鉄などの導電性材料から出来た基準ピン９ａ，９ｂによって、プリント基板２を加工テーブル３に固定する。

プリント基板２が加工テーブル３上に載置されると、インバータ電源２０を作動させてステータ１９ｂの巻線１９ｃに交流電圧を供給し、ロータシャフト１６を回転させる。ステータ１９ｂの巻線１９ｃに交流電圧が供給されると、ロータシャフト１６に軸電圧Ｖ_０が誘起されると共に、この軸電圧Ｖ_０がキャパシタＣを介して検知装置２９によって検知される。

そして、ＮＣ装置３０は、加工の準備が整うと加工テーブル３及びクロススライド２２を移動させて加工位置を位置決めし、加工位置上にドリル５が位置すると、サドル２３を下降させる。サドル２３が下降するとプレッシャフット７及びスピンドル６の両方が下降を開始し、まず、プレッシャフット７によってプリント基板２が加工テーブル３に押し付けられる。

そして、この状態から更にサドル２３が下降すると、エアシリンダ２６が縮み、プレッシャフット７がプリント基板２に当接した状態からスピンドルのみが下降し、ドリル５の先端がプリント基板２の表面に到達する。ドリル５の先端がプリント基板２の表面と接触するとロータシャフト１６の電位が０となり、検知装置２９でも軸電圧Ｖ_０を検知することができなくなる。軸電圧Ｖ_０が検知できなくなると、検知装置２９はＮＣ装置３０に対して検知信号を出力し、この検知信号が入力されるとＮＣ装置３０は、ドリル５の先端がプリント基板２の表面に到達したと判断して、その時のスピンドル６の位置を加工の基準位置とする。そして、この基準位置から予めプログラムされた所望の距離だけスピンドル６を下降させてプリント基板２に穴を穿設する。

このように、本実施形態によれば、周囲から絶縁された電極部材１７ｅを、ロータシャフト１６に近接して配置してキャパシタＣを形成したことにより、回転するロータシャフト１６に誘起される軸電圧Ｖ_０を他の部材を介さずに検知することができる。特に、ロータシャフト１６を空気軸受１７によって形成し、この空気軸受１７の一部（本実施形態ではスラスト空気軸受１７ｂを構成する上端部）を電極部材１７ｅにしたことによって、ロータシャフト１６との間隙１７ｄを小さくするほど、空気軸受の性能及び軸電圧Ｖ_０の検知性能も向上する。

また、加工装置の基本構造を変更する必要がないため、他の加工装置との間で部品の共通化を図ることが出来ると共に、構造が簡単であり、ドリルを検出するための特別な電圧源を用意する必要もない。更に、プリント基板２を絶縁する必要がないため、金属製のピンによってプリント基板２を加工テーブル３に固定することが出来ると共に、プリント基板２の絶縁が不十分なことによって、加工精度が低下する虞がない。

なお、本実施形態において、検知装置２９は、検知していた軸電圧Ｖ_０が検知できなくなって始めてＮＣ装置３０に検知信号を出力していたが、軸電圧Ｖ_０を検知するとＮＣ装置３０に検知信号を出力し、この検知信号が出力されなくなった際にＮＣ装置３０は、ドリル５がプリント基板２に当接したと判断しても良い。即ち、検知装置が軸電圧Ｖ_０を検知できなくなったことが分かれば、検知信号の出力方式はどのようにしても良い。また、検知装置２９は、フィルタを介して軸電圧Ｖ_０の所定の電圧を検知するようにしても良い。

更に、電極部材１７ｅは、ロータシャフトに近接して配置されればどこに設けられても良く、必ずしも空気軸受１７と一体である必要もない。また、電極部材１７ｅは、本実施形態のようにセラミックなどの絶縁部材を介してスピンドルに取り付けられるのではなく、その全体を絶縁部材でコーティングして絶縁されても良い。また、ロータシャフト１６は、セラミック製のベアリングなどによって絶縁された状態で、回転自在に支持されても良い。

更に、プリント基板２は、金属製のピンだけではなく、金属製のクランプなどによって加工テーブル３に固定されても良い。また、本実施形態では、プリント基板２の穴明加工機について説明したが、少なくとも表面が導電性のワークを加工する加工装置であればどのようなものでも良く、ワークを加工する工具は、ドリルに限られず、エンドミルなど他の工具でも良い。

尚、本実施形態ではステータに設けた回転磁界を発生させるための巻線に３相インバータ出力を供給して駆動する誘導モータにおいて零相電圧でロータシャフトに誘起される軸電圧での例を示したが、これはロータに永久磁石や電磁石（界磁）を用いた磁石同期モータでも同様であり、またロータに設けた電機子巻線にブラシ等を用いて交流電圧（巻線を流れる電流の向きが逆転するという意味で交流電圧である）を供給して駆動する直流モータ等においても電機子巻線とロータシャフトの間の浮遊容量を介してロータシャフトに軸電圧が誘起されるため、本願発明は有効である。

１加工装置（プリント基板穴明機）
２ワーク（プリント基板）
３加工テーブル
５工具（ドリル）
１６ロータシャフト
１７空気軸受
１７ｅ電極部材
１９モータ
１９ａロータ
１９ｂステータ
１９ｃ巻線
２０電源（インバータ電源）
２７絶縁部材
２９検知装置
３０制御部（ＮＣ装置）
Ｃキャパシタ
Ｖ_０電圧（軸電圧）

Claims

先端にワークを加工する工具が取付けられ、絶縁された状態で回転自在に支持されたロータシャフトと、該ロータシャフトに設けられたロータと、該ロータと共にモータを形成するステータと、これらステータ又はロータに設けられた回転磁界を発生させるための巻線に交流電圧を供給する電源と、ワークをアースされた状態で載置する加工テーブルと、を備え、前記モータによって前記ロータシャフトを回転させてワークを加工する加工装置において、
絶縁された状態で前記ロータシャフトに近接して配置され、該ロータシャフトとの間でキャパシタを形成する電極部材と、
前記電極部材に接続し、前記巻線に交流電圧が供給されることにより前記ロータシャフトに誘起された電圧を検知する検知装置と、
前記検知装置により検知された電圧が検知されなくなった際に、前記工具の先端がワークに接触したと判断する制御部と、を備えた、
ことを特徴とする加工装置。
前記ロータシャフトを空気軸受によって回転自在に支持し、
前記電極部材を、前記空気軸受の上端部を絶縁部材によって絶縁して形成した、
請求項１記載の加工装置。