JP2014226764A - スピンドル下降距離情報検出機構及びスピンドル下降距離情報検出機構を組み込んだ基板加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スピンドルのドリルによって、基板の所望の導体層まで正確に穿孔しようとする際、外乱要因等をなくしてドリルの所望の導体層への接触の有無を的確に検出可能とする。【解決手段】加工装置内に同一基板を２枚１組として加工台上に固定し、高周波交流の出力の一方を、変流器の２個の入力巻線において変流器に発生させる磁束の方向が互いに打ち消し合うように接続して、両基板の所望の導体層に対して通電することで、一方の基板をスピンドルにより穿孔して、ドリルが当該所望の導体層に接触すると、その接触によって、当該スピンドルのスピンドル本体とロータ間の静電容量を介して電流が流れ、それに応じて変流器の出力巻線側に電流が生じることから、その出力の有無を検出することによって、ドリルの所望の導体層への接触の有無を判定し、スピンドルの当初位置からそこまでの下降距離情報を入手することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、先端にドリルを設けたスピンドルを組み込んだ基板加工装置により、多層構造のプリント基板に対して特にブラインドホール加工やザグリ加工等を行うに際して、ドリル先端位置を把握して該多層構造のプリント基板の所望の内層導体層まで的確に加工しうるようにするスピンドル下降距離情報検出機構に関するものである。

従来、スピンドルを組み込んだ基板加工装置（以下、単に「装置」と言う。）によるプリント基板（以下、単に「基板」と言う。）に対する加工としては、一般的に、貫通穴加工や外周加工が知られている。尚、貫通穴加工とは、基板上に配置される配線パターンに対するエッチング加工前の基板原材料に対し、部品取り付けのための貫通穴や配線パターンの表と裏を繋ぐためのバイアホール等の穴加工を行うものであり、また、外周加工とは、基板の外周や基板取り付け穴・異形穴の加工を行うものである。
しかし近年では、基板自体が、複数の絶縁層と、その表面あるいは間に設けられた導体層とからなる多層化した基板とされることに伴い、貫通穴加工や配線パターンのエッチング加工等を終えた状態で、該多層化した基板に対する加工として、ブラインドホール加工やザグリ加工等が行われるようになった。尚、ブラインドホール加工とは、バイアホールの一部だけを所望の内層導体層面まで削除することで、余計な配線を取り除く加工を行うものであり、また、ザグリ加工とは、プリント基板の一部を所望の内層導体層面までザグリ、その部分に電子部品を実装したり、あるいは裏面導体の1層だけを残すことでそこで基板を折り曲げられるようにする加工を行うものである。
ここで、所望の内層導体層とは、複数の絶縁層と該絶縁体層の適宜の位置に挟み込まれた内層導体層を有する多層構造の基板において、加工者が絶縁層を穿孔することによって露出させることを望む内層導体層を指す。

しかし、これらブラインドホール加工やザグリ加工においては、例えば図３に示すように３層の絶縁層からなる多層化した基板において、所望の内層導体層を第１の内層導体層９であるとして、第１の絶縁層１４側（以下、「表面側」と言い、逆側の第３の絶縁層１６側を「裏面側」と言う。）から第１の内層導体層９までザグリ加工を行おうとすれば、加工装置に組み込まれたスピンドル先端のドリルで、第１の絶縁層１４に穴を開けることとなるが、その際、第１の絶縁層１４の厚さが５０乃至１００μｍであり、その第１の絶縁層１４内に入り込んだ形状で第１の内層導体層９が形成され、その第１の内層導体層９の厚さが１２乃至２５μｍであることから、第１の絶縁層１４を超えた位置から、第１の内層導体層９の厚さである２５μｍ未満の位置で、ドリルによる穿孔を止める必要がある。しかも、導体層は、その安定的な電気的導通のためにも、できるだけ残存させる必要があることから、第１の絶縁層１４を穿孔した上で適切な位置でドリルの穿孔を止めるためには、加工中のドリルの高さ位置の検出精度として、略±２μｍの検出精度が要求されることとなる。

そのため、そのスピンドルのドリルでの穿孔位置を検出して加工を制御する装置あるいは方法として、従来、以下のような装置が考えられていた。すなわち第１の装置として例えば、前記図３記載の基板において表面側から第１の内層導体層９までザグリ加工を行おうとする場合、台座上に装着された多層化された基板の内、ザグリ加工によって露出させたい第１の内層導体層９から電極を引き出して引出電極を設けるとともに、電源の一極と基板加工装置のスピンドルのドリル（あるいはそれと一体となるロータ）とを接続した上、電源の他極には探針を設けて前記引出電極に接触させておくことにより、ドリルが表面側から穿孔して第１の内層導体層９に到り、ドリル先端と第１の内層導体層９が接触することにより電気回路が閉回路となって、電源からの電流が流れることで、それを信号化してドリルの回転を制御するものである。

また更に、同じくドリルと所望の内層導体層との接触を電気的に検出するものではあるが、第１の装置の欠点である、電源の一極と基板加工装置のスピンドルのドリル（あるいはそれと一体となるロータ）とを接続することの困難さを避けるために、第２の装置として以下のように、ドリルを取り付けるロータとスピンドル本体との間に静電容量が存在することを利用して、高周波電流を印加して静電容量を介する電流の変化を検出するものが実用化されている。すなわち、図４に記載するように、高周波電源である高周波発振器１８から同軸ケーブル１９を経てＧＤＮライン２３を基板加工装置Ｂの筐体３６に接続するとともに、出力ライン２４は変流器３９の入力巻線４０の一端に接続し、更に該入力巻線４０の他端とスピンドル本体１を接続する。その際、スピンドル本体１は筐体３６に対して絶縁体３７で絶縁して設置される。ドリル５を取り付けるロータ３とスピンドル本体１との間には一定の静電容量ｐが存在する。また、変流器３９の出力巻線４２は、検波回路２１を経由して検出器２２に接続されている。

一方、図３に記載の基板７を検出対象物とし、第１の内層導体層９を所望の内層導体層として、該基板７を筐体３６内の絶縁した加工台上に固定するとともに、前記検出対象物たる基板７の上方の所定位置にスピンドルａを位置せしめる。その上で、高周波発振器１８から１ＭＨｚの高周波電流を印加しつつドリル５を回転させながらスピンドルａを下降させて、基板７に対して穿孔を開始し、ドリル５の先端が第１の内層導体層９である銅箔に接触すると、入力巻線４０と接続されたスピンドルａから、前記ロータ３とスピンドル本体１との間の静電容量ｐを介してロータ３、ドリル５、第１の内層導体層９へと電流が流れ、更に、第１の内層導体層９と筐体３６間の静電容量ｒを介して筐体３６へと電流が流れ、高周波発振器１８へ戻ることとなる。そして、この新たに生じた電流によって変流器３９の鉄芯４１に磁束が生じ、出力巻線４２に新たに電流が発生して、その新たに発生した電流を検波回路２１を経由して検出器２２によって検出し、ドリル５が第１の絶縁層１４を穿孔して、その先端が第１の内層導体層９に到達したことを検知することができるようになる。その検知結果を制御部（図示せず）に信号として送り、該制御部がドリル５の回転を停止する等、必要な指示を発することとなる。これによって、基板加工装置Ｂの加工台上に固定された検出対象物たる基板７の所望の内層導体層である第１の内層導体層９の加工台からの高さ位置が判明し、基板の所望の内層導体層である第１の内層導体層９までの穿孔を正確に行うためには、加工前のスピンドルａの当初位置からどれだけの距離を下降させればよいかが、情報として取得されることとなる（該情報を「下降距離情報」と言う。）。

しかし、単純にドリル５先端と第１の内層導体層９が接触することにより電気回路が閉回路となって、電源からの電流が流れることでそれを信号化するという前記第１の装置では、実際に電源の一極と基板加工装置のスピンドルにおいて高速回転するドリルあるいはそれと一体となるロータとを接続して閉回路を形成しなければならないという非常に困難な構成をとらなければならないという欠点があった。
また、前記第２の高周波を使用する装置においても、以下のような欠点があった。すなわち、第１に、スピンドル本体を筐体から電気的に絶縁する必要があるが、その絶縁方法が構造的に困難であって高コストとなることである。第２に、スピンドル本体を絶縁物によって電気的に筐体から絶縁しても、スピンドル内のモータ巻線等の電気部品を介してスピンドル本体と筐体との間に静電容量ｔが存在してしまい、スピンドルのドリル先端が所望の内層導体層と接触していなくとも、この静電容量ｔを介して電流が流れ、その電流が検出器での電流の検出に際しての外乱要因となって、ドリル先端が所望の内層導体層と接触したか否かの判定を困難にして、判定精度を低いものとしていた。第３に、所望の内層導体層である銅箔の面積自体が小さい場合には、その所望の内層導体層と筐体との間の静電容量ｒも小さいことから、ドリル５の先端が第１の内層導体層９である銅箔に接触することによって新たに生じる電流も微弱であり、その電流の変化が外乱要因の中に埋もれてしまって、変流器３９の出力巻線４２に新たに発生する電流を検出しようとしても、判定精度が低くなるため、基板の種類毎に判定基準値を調整しなければならず、そのために加工に要する時間が長くなると言う欠点があった。第４に、ロータがエア軸受けによって支持されているものと、セラミックベアリングで支持されているものがあるが、ザグリ加工用やルータ加工用のスピンドルでは、主としてセラミックベアリングが使用されている。ところがセラミックベアリングの静電容量（すなわち、セラミックベアリングが使用された場合のスピンドル本体とロータとの間の静電容量）は約２００ｐＦであるのに対し、エア軸受けの静電容量（すなわち、エア軸受けが使用された場合のスピンドル本体とロータとの間の静電容量）は約１０００ｐＦであって、エア軸受けを使用したものに比して、セラミックベアリングを使用した場合は、本体とロータ間の静電容量は略５分の１となるため、スピンドル本体とロータとの間の静電容量を介しての電流の変化を利用した方式では、その変化量が非常に少なく、変化の有無を判定することが困難であって、判定精度を低下させていた。第５に、基板加工においては高精度が要求されるのに対して、前記第２乃至第４記載のように判定精度が低くなることから、例えば同一サイズ及び構造の多数の基板に対して同一のザグリ加工を施す場合でも、その加工精度を維持するために、一枚毎に判定基準値を調整しなければならず、そのために加工に要する時間が長くなるという欠点があった。第６に、前記第１に記載のようにスピンドル本体を筐体から絶縁する必要があることから、スピンドルにアースを接続することができず、スピンドルがいわゆる浮き金属となるため、安全性確保のために別個の対応が必要となって、コストの増大を招来するものであった。

特開昭６１−１３１８０４号公報 特開平８−１３０３７９号公報

解決しようとする課題は、従来の高周波交流を使用する装置においては、外乱要因が存在する上に検出する電流の変化の絶対量が少ないことから、十分な精度が得られず、また、そのために高精度での加工のために加工時間が長時間化するという問題点とともに、スピンドル本体を筐体から絶縁しなければならないことから高コストとなるという問題点である。

本願発明は、基板の加工に際しては、同一サイズ及び構造の多数の基板に対して同一の加工を施すことから、検出対象とする基板を２枚１組として、その１組の内の一方を交互に比較対象物として、加工前においては変流器の出力巻線側には電流が発生しないようにし、一方のスピンドルのドリルが下降して所望の導体層に接触することによって新たに基板からドリル、ロータと電流が流れ、更にロータとスピンドル本体間の静電容量を介してロータ、スピンドル本体、筐体と電流が流れることにより、その電流によって変流器の出力巻線側に生じる電流を検出することで、ドリルの下降距離を検出することとしたものである。そのため、高周波交流電源から変流器の入力巻線を介しての、その１組となる各基板の所望の導体層への接続に際して、変流器の各入力巻線電流が変流器に発生させる磁束が互いに打ち消し合うように接続することとしたものである。

本願発明は、スピンドルを組み込んだ基板加工装置におけるスピンドルのドリルの下降距離を検出するスピンドル下降距離情報検出機構であって、高周波交流電源と、巻数の同じ２個の入力巻線と、１個以上の出力巻線を持つ高周波用の変流器を有し、検出対象物たる基板と、同基板と同一の比較対象物たる基板を２枚１組としてそれぞれ独立して基板加工装置の筐体から絶縁して、筐体内の加工台上に固定した上、前記高周波交流電源出力の一方は前記筐体に接続し、他方は前記変流器の２個の入力巻線を介してそれぞれ前記２枚の各基板内に存する所望の導体層に、各入力巻線電流が前記変流器に発生させる磁束が互いに打ち消し合うように接続して、スピンドルのドリル先端と検出対象物たる基板の所望の導体層との接触によって生じる電流の変化を、変流器から出力される電流の変化として検出器により検出してなるものである。

これにより、２枚の基板のどちらにもスピンドルのドリルが接触していない状態では、２個の入力巻線に流れる、基板と筐体との間の静電容量に比例した電流は同一であるため、その電流によって生じる磁束が互いに打ち消され、見かけ上、各基板の所望の導体層と筐体間には静電容量が発生していないかのようになり、変流器の出力巻線には出力電流は発生せず、出力巻線側の出力は“０”となる。ところが、検出対象物たる基板に対してスピンドルのドリルが接触すると、ドリルが接触したことによって、その接触した側の入力巻線に流れる電流は、ドリルが固定されているロータとスピンドル本体との静電容量に比例した電流分だけ増加するため、２個の入力巻線に流れる電流が同一ではなくなり、その電流によって生じる磁束もその電流の相違分だけ打ち消されることなく残存し、そのため出力巻線に出力電流が発生することになる。この出力電流を検出器で検出して、ドリルと基板に存する所望の導体層との接触を判定するものである。このように、“１”、“０”信号でその接触の有無を検出できるようにしたものであることから、接触の有無を精密且つ正確にしかも低コストで測定でき、また、当該スピンドル下降距離情報検出機構を組み込めば、スピンドルのドリルを固定するロータとスピンドル本体間の静電容量が小さいセラミックベアリングを用いたスピンドルを組み込んだ基板加工装置においても、基板のバラツキやドリルの消耗、温度変化によるドリルあるいは所望の導体層の膨張あるいは収縮という大きさの変化に対しても、安定してブラインドホール加工やザグリ加工等を正確に行うことができる。

また異なる構成としては、高周波交流電源と、巻数の同じ２個の入力巻線と、１個以上の出力巻線を持つ高周波用の変流器並びに、直列に配されたコンデンサとスイッチを１組として、該コンデンサとスイッチを複数組並列に配してなる模擬基板回路を有し、検出対象物たる基板を基板加工装置の筐体から絶縁して、筐体内の加工台上に固定した上、前記高周波交流電源出力の一方は前記筐体に接続するとともに、前記模擬基板回路の一方端子に接続し、他方は前記変流器の２個の入力巻線を介してそれぞれ、検出対象物たる基板内に存する所望の導体層と、前記模擬基板回路の他方端子に接続し、検出対象物たる基板の所望の導体層と筐体間に生じる静電容量と略等しくなるよう模擬基板回路のスイッチを調整することにより、各入力巻線電流が前記変流器に発生させる磁束の方向が互いに打ち消し合うようにして、スピンドルのドリル先端と所望の導体層との接触によって生じる電流の変化を、変流器から出力される電流の変化として検出器により検出してなるものである。

これにより、事前に筐体と検出対象物たる基板の所望の導体層間に生じる静電容量を測定し、模擬基板回路のスイッチを操作してその静電容量と略同一となるようにすることで、比較対象物たる基板を該模擬基板回路で代替することができ、スピンドルのドリルの下降距離情報を検出するために、当該検出対象物たる基板のみを筐体内の加工台上に固定するだけで目的とする加工を正確に行うことができ、多数の基板に対する加工をより短時間に行うことができる。

更に、それらのいずれかのスピンドル下降距離情報検出機構を設けてなるスピンドルを組み込んだ基板加工装置であって、該スピンドル下降距離情報検出機構によって検出された下降距離情報に基づいてスピンドルの作動を制御する機構を設けてなるものである。

当該下降距離情報検出機構により検出された情報に基づいてスピンドルの作動が制御されることにより、多数の基板に対する加工作業を短時間且つ正確に行うことができる。

本願発明にかかるスピンドル下降距離情報検出機構は、“１”、“０”信号でその接触の有無を検出できることから、セラミックベアリングによりロータが支持されているスピンドルのように、ロータとスピンドル本体間の静電容量が小さいスピンドルでも、ドリル先端が所望の導体層に接触したか否かを正確に検出でき、また、外乱要素を排除できることから、その接触の有無を精度よく的確に検出できる。そのため、基板のバラツキやドリルの消耗、温度変化によるドリルあるいは所望の導体層の膨張あるいは収縮という大きさの変化に対しても、安定してブラインドホール加工やザグリ加工等を正確に行うことができるという優れた効果を有するものである。また、この検出機構によって検出した下降距離情報に基づいてスピンドルの作動を制御することで、絶縁層を正確にドリルによって穿孔して、所望の導体層の表面を的確に露出させることができ、所望の導体層を不必要に削除することなく、当該基板自体の性能を損なうことがなく、更に、スピンドル本体を筐体に対して絶縁する必要もないことから、絶縁のための余計なコストもかからず、また、スピンドル本体をアースすることもでき、安全性をも損なわないという優れた効果を有するものである。
更に、請求項１記載の発明においては、同一サイズ及び構造の基板を２枚１組として、一方を他方の比較対象物として使用することから、検出対象物たる基板の種類が変更されても、その変更後においても同様に同一サイズ及び構造の基板を２枚１組として、一方を他方の比較対象物として使用することから、ドリル先端が所望の導体層に対して接触したか否かを判定する判定基準値を、その変更毎に調整する必要すらなく、その点でも加工時間を短縮化して、加工コストを低減化できるという優れた効果を有するものである。

また、当該スピンドル下降距離情報検出機構を設けてなるスピンドルを組み込んだ基板加工装置においては、スピンドル下降距離情報検出機構によって検出したスピンドルの下降距離情報によってスビンドルの作動を制御することから、多数の同一の基板に対して同一の加工を施す場合に、短時間で正確な加工を可能とする優れた効果を有するものである。

図１は、スピンドル下降距離情報検出機構の構成を示す模式図である。（実施例１） 図２は、別のスピンドル下降距離情報検出機構の構成を示す模式図である。（実施例２） 図３は、検出対象物たる基板の構造を示す模式図である。 図４は、従来例の模式図である。

低コストで検出精度を向上させるという目的を、同一の基板を２枚１組として用いるとともに、高周波交流電源の出力側から変流器の入力巻線を介しての、その１組となる各基板の所望の導体層への接続に際して、変流器の各入力巻線電流が変流器に発生させる磁束の方向が互いにを打ち消し合うように接続することで実現したものである。すなわち、比較対象物たる基板にも同様の外乱要因が存在することから、その両者の差違によって生ずる変流器の出力巻線側の出力電流はなく、ドリルの先端が所望の導体層に接触することによって、検出対象物たる基板に余分な電流が流れ、その余分な電流によって変流器の各入力巻線電流が変流器に発生させる磁束の方向が打ち消し尽くされないこととなって、変流器の出力巻線側に出力電流が生じ、それを検出器で検出することで、検出対象物たる基板においてドリルの先端と所望の導体層とが接触したことを判定し、その位置や距離を検出するものである。

また、基板１枚のみでもスピンドルの下降距離情報の正確な検出を可能とするために、同一の基板を２枚１組とした場合の、比較対象物たる基板に代えて模擬基板回路を用いることとしたものである。

更に、同一の多数の基板に対して短時間且つ的確に加工を施すことができるようにするために、スピンドルを組み込んだ基板加工装置に、これらのスピンドルの下降距離情報検出機構と、その検出された下降距離情報に基づいてスピンドルの作動を制御する機構を設けたものである。

図１は、本願発明にかかる第１の実施例を示す模式図である。ａはスピンドルであって、最初に検出対象物となる基板７の側に設けられ、スピンドル本体１と該スピンドル本体１に対してセラミックベアリングによって支持されるロータ３、及び該ロータ３に支持されたザグリ加工用のドリル５からなり、ｂは同じスピンドルであって、最初に比較対象物となる基板８の側に設けられ、スピンドル本体２に対してセラミックベアリングによって支持されるロータ４、及び該ロータ４に支持されたザグリ加工用のドリル６からなる。Ａは当該スピンドルａ、ｂによってザグリ加工等を行う基板加工装置である。そして、本願発明のスピンドルの下降距離情報検出機構Ｋ・１は、後述する２枚１組となった基板７、８と、２台のスピンドルａ、ｂ及び検出装置１７並びにそれらを回線により接続した電気回路により構成されている。尚、本実施例ではスピンドルａ、ｂが２本の場合を示しているが、各基板７，８を交互に検出対象物と比較対象物とすることによって、両基板７，８についてそれぞれ下降距離情報を検出することとなる。また、通常、１台の加工装置に２の倍数のスピンドルが設けられていることから、その場合は本実施例にかかるスピンドルの下降距離情報検出機構Ｋ・１を、スピンドル２台を１セットとして１個ずつ設ければよい。ところで、前記両スピンドルａ、ｂは、図示しないものの、基板加工装置Ａの筐体３６にたいして、水平方向（紙面横方向）のＸ軸方向に関しては連動するように、また、垂直方向のZ軸方向に関しては個別に駆動できるように構成されている。一方、奥行き方向のY軸方向に関しては、加工台が駆動することにより、そこに固定された基板７、８が連動する。また、電気的にはスピンドルａ、ｂはそれぞれ筐体３６と導通状態となっている。ところで、前記両スピンドルａ、ｂにおける各ロータ３、４は、それぞれスピンドル本体１、２に対してセラミックベアリングによって支持されていることから、各スピンドル本体１、２と各ロータ３、４間は絶縁されている。しかし、各スピンドル本体１、２と各ロータ３、４間にはそれぞれ静電容量ｐ、ｑが存在することから、高周波的には導通していると言えることとなる（尚、図１において静電容量ｐ、ｑの存在を示すために、各スピンドル本体１、２と各ロータ３、４間がコンデンサを介して接続されているように点線で記載されているが、この記載は単に各スピンドル本体１、２と各ロータ３、４間に静電容量ｐ、ｑが存在していることを模式的に表すために記載したに過ぎないものであって、実際に何らかの接続や部品が存在している訳ではない。これ以外の点線で記載されたコンデンサを介しての接続も、同趣旨である。）。一方、各スピンドルａ、ｂにおいて、各ロータ３、４と各ドリル５、６間はそれぞれ導通している。

ところで、検出対象物である基板７は、前記筐体３６の床面に対して電気的に絶縁され、前述のようにY軸方向に駆動する加工台（図示せず）上に固定され、また比較対象物たる基板８も、同じく筐体３６の床面に対して電気的に絶縁された加工台上に固定されており、両基板７、８同士も絶縁されている。両基板７、８は後述するような同一の構造並びに形状及び大きさを有した多層構造の基板であり、基板加工装置ＡのＺ軸方向（高さ方向）及びＸ軸方向（紙面横方向）は同一位置にあり、Ｙ軸方向（紙面奥行き方向）に対しては連動して移動できるように加工台上に固定されている。また、両基板７、８の内部構造は図３に示すように多層構造となっており、３層となった絶縁層１４、１５、１６と表面及び裏面導体層１２、１３、並びに第１の絶縁層１４と第２の絶縁層１５との間の一部分において挟み込まれている第１の内層導体層９、１０、及び第２の絶縁層１５と第３の絶縁層１６との間の一部分において挟み込まれている第２の内層導体層１１からなっている。導体層９、１０、１１、１２、１３はいずれも銅箔であり、その厚さは１２乃至２５μｍである。また、各絶縁層１４、１５、１６は熱可塑性樹脂製であって、それぞれその厚さは５０乃至１００μｍである。尚、本実施例においては、第１の内層導体層９の表面までスピンドルａで穿孔して、第１の内層導体層９の表面を露出させるために必要なスピンドルａの下降距離情報を検出することを目的とすることから、第１の内層導体層９が所望の内層導体層であり、図１及び図２並びに図４では、各基板７、８の内部構造は省略し、その所望の導体層として導通の対象となる第１の内層導体層９、１０のみを大きく記載している。そして、各基板７、８の第１の内層導体層９、１０と筐体３６との間にはそれぞれ静電容量ｒ、ｓが存在することとなる。

一方、１７は検出装置であって、高周波発振器１８、同軸ケーブル１９、変流器２０、検波回路２１及び検出器２２とからなり、高周波発振器１７は略０．５乃至２ＭＨｚの高周波の交流を出力して、その出力された高周波の交流は同軸ケーブル１９を経て、そのＧＮＤライン２３は筐体３６に接続し、もう一方の出力ライン２４は変流器２０の２個の同巻数の入力巻線、すなわち各一端が互いに接続された第１の入力巻線２５と第２の入力巻線２６の中間に接続される。両入力巻線２５、２６はｍと指示された側から右回りに同数巻回され、第１の入力巻線２５の巻き終わりと、第２の入力巻線２６の巻始めが接続して、そこに前記出力ライン２４が接続される。そして、第１の入力巻線２５の巻始めの端部は検出対象物たる基板７の所望の導体層である第１の内層導体層９に接続され、また、第２の入力巻線２６の巻き終わりの端部は比較対象物たる基板８の第１の内層導体層１０に接続される。変流器２０の２個の入力巻線２５、２６が同巻数である上、出力ライン２４がその２個の入力巻線２５、２６の中間に接続されていることから、各入力巻線２５、２６は逆巻の同巻数のコイルとなって、変流器２０の鉄芯２７に発生させる磁束の方向は打ち消し合こととなり、出力巻線２８側には電流は発生しないこととなる。そして、変流器２０の出力巻線２８の両端は４個のダイオードからなる検波回路２１に接続し、該検波回路２１は検出器２２に接続している。

このようにスピンドルの下降距離情報検出機構Ｋ・１が構成されることから、検出対象物である基板７と比較対象物である基板８は同一構造並びに同一形状及び大きさである上、それぞれ独立して筐体３６から絶縁されて同じ高さの加工台上に固定されているため、高周波発振器１８から１ＭＨｚの高周波の交流が流されると、一方では高周波発振器１８、同軸ケーブル１９、出力ライン２４、第１の入力巻線２５、基板７の第１の内層導体層９と接続されるとともに、出力ライン２４から分かれて、第２の入力巻線２６、基板８の第１の内層導体層１０と接続され、また、他方は高周波発振器１８、同軸ケーブル１９、ＧＮＤライン２３、筐体３６と接続されることとなる。また、各基板７、８の所望の導体層である第１の内層導体層９、１０と筐体３６との間にそれぞれ存在する静電容量ｒ、ｓは、各第１の内層導体層９、１０の面積及び、各第１の内層導体層９、１０と筐体３６との距離が等しいことから、一般的には略１００乃至２０００ｐＦの間の値であって、同一の値となる。そのため、両スピンドルａ、ｂのいずれものドリル５、６が、それぞれ各基板７、８の第１の内層導体層９、１０と接触していない状態では、第１の入力巻線２５には、第１の入力巻線２５と筐体３６との間の静電容量ｒに比例した電流が流れ、また、第２の入力巻線２６には、第２の入力巻線２６と筐体３６との間の静電容量ｓに比例した電流が流れるものの、その双方の静電容量ｒ、ｓが等しい上、第１の入力巻線２５と第２の入力巻線２６の巻数が同一で互いに逆方向に巻回されていることから、変流器２０の鉄芯２７に発生する交番磁束は打ち消され、変流器２０の出力巻線２８には出力電流が発生せず、検出器２２が電流を検出することはない。

そこでステップ1として、スピンドルａ、ｂをそれぞれ、スピンドルａのドリル５先端から検出対象物たる基板７までの距離と、スピンドルｂのドリル６先端から比較対象物たる基板８までの距離とが等しくなるように同一平面上に設置した上、スピンドルａを作動させ、そのドリル５が基板７の表面側から所望の導体層である第１の内層導体層９まで穿孔し、第１の内層導体層９に接触すると、第１の内層導体層９と筐体３６間の静電容量ｒだけでなく、新たに、高周波発振器１８、同軸ケーブル１９、出力ライン２４、第１の入力巻線２５、基板７の第１の内層導体層９、ドリル５、ロータ３、ロータ３とスピンドル本体１間に存在する静電容量ｐ、スピンドル本体１、筐体３６、ＧＮＤライン２３、同軸ケーブル１９、高周波発振器18へと戻る回路が形成されることになり（尚、絶縁されているロータ３とスピンドル本体１間の静電容量ｐは、一般的には略１００乃至４００ｐＦである。）、その静電容量ｐに応じて流れる電流が増加する。そのため、第１の入力巻線２５を流れる電流が増加し、第１の入力巻線２５と第２の入力巻線２６のそれぞれを流れる電流に差異が生じることとなって、両入力巻線２５、２６によって生じる磁束は打ち消し合えなくなる。その結果、変流器２０の出力巻線２８に出力電流が発生し、その出力電流を検波回路２１で整流したものを検出器２２で検出する。検出器２２では、検波回路２１からの出力電流が一定の設定値を超えると、検出信号としての信号を出力するように設定されている。

スピンドルａの加工作業開始前の当初位置と、検出対象物たる基板７の固定される加工台の高さは、事前に一定の位置に設定されており、加工によってスピンドルａのドリル５が所望の導体層である第１の内層導体層９に接触したことを検出することによって、当該台の表面からその基板７の第１の内層導体層９の位置までの高さ（以下、「所望の導体層の高さ」と言う。）が測定されるとともに、それを加工するスピンドルａの当初位置からその基板７の第１の内層導体層９までの下降距離が判明し、基板加工装置Ａの制御部に記憶させることができる。

次に、ステップ２として、ステップ１では検出対象物であった基板７を比較対象物とし、逆にステップ１では比較対象物であった基板８を検出対象物として、ステップ１と同様に、今度はスピンドルｂを作動させて、前記スピンドルａを作動させた場合と同じ操作を行うことにより、検出対象物たる基板８の第１の内層導体層１０の位置までの高さが測定されるとともに、それを加工するスピンドルｂの当初位置からその基板８の第１の内層導体層１０までの下降距離が判明し、基板加工装置Ａの制御部に記憶させることができる。

次に、ステップ３として、前記の記憶された情報によってスピンドルａ、ｂの各々の下降距離を制御させつつ、スピンドルａ、ｂのドリル５、６によって基板を穿孔加工すれば、正確且つ迅速に所望の導体層を露出させることができる。

尚、より実際的には、１枚の基板自体あるいはその所望の導体層においても微妙な捻れや歪みが存在することから、１枚の検出対象物たる基板７（及び８）に対してそれぞれ同様な検出を数箇所行い、各検出箇所での所望の導体層の高さを測定し、その平均値をもってその所望の導体層の高さとし、また、スピンドルａ、ｂの下降距離であると認定し、その下降距離情報を加工装置Ａの制御部に記憶させて、スピンドルａ、ｂのドリル５、６による基板の穿孔加工を制御するのがよい。

このように、同一の基板を２枚１組として使用した上、その２枚の基板７、８に印加する高周波の交流によって、２個の入力巻線２５、２６を有する変流器２０に発生する磁束の方向が打ち消し合うため、ロータ３（または４）とスピンドル本体１（または２）との静電容量ｐ（またはｑ）以外の外乱は全てキャンセルすることができ、スピンドルａのドリル５と所望の導体層との接触の有無（またはスピンドルｂのドリル６と所望の導体層との接触の有無）を電流の変化ではなく、ロータ３（または４）とスピンドル本体１（または２）間の静電容量ｐ（またはｑ）に基づき電流が流れたか否かの“１”あるいは“０”の信号によって検出できることとなり、ロータがスピンドル本体にセラミックベアリングによって支持されているザグリ加工やルータ加工用のスピンドルのように、その静電容量が小さいスピンドルの場合でも、判定が容易になる。更に、スピンドル１、２を筐体３６から完全に電気的に絶縁する必要がなく、スピンドル１、２をアースすることもでき、安全性を向上させることができる。
また、スピンドルａ、ｂによる基板７、８の加工に際して、スピンドルａ、ｂの正確な下降距離情報を入手できることから、当該下降距離情報に基づき当該基板７及び８と同一の多数の基板を正確に加工でき、結果として低コストで加工できることとなる。

図２に示すＫ・２はスピンドルの下降距離情報検出機構についての他の実施例を示すものであり、実施例１が、基板２枚、スピンドル２台、検出装置１台を１組として検出対象物たる基板７、８の所望の導体層の位置をステップ１、ステップ２というように時間をずらして検出するものであるのに対し、その構成、特徴を残しつつ、時間をずらすことで生ずる同一の多数の基板を加工する際に生じる加工スピードの低下等を防止することができるものである。当該実施例２では、検出対象物たる基板１枚、スピンドル１台、検出装置１台を１組とし、検出対象物たる基板７の比較対象物となる基板８に代わって、模擬基板回路２９を検出装置３０に組み込んだものである。すなわち、模擬基板回路２９は、８個のコンデンサ３２と８個のディップスイッチ３１がそれぞれ直列に配され、その直列に配されたコンデンサ３２とディップスイッチ３１を１組として、それら８組を並列に配してなるものである。これらのコンデンサ３２は、それぞれ異なる容量のものであり、ここではそれぞれ１０ｐＦ、２２ｐＦ、４８ｐＦ、１００ｐＦ、２２０ｐＦ、４７０ｐＦ、１０００ｐＦ、２２００ｐＦの容量の物を使用している。そして高周波発振器１８から、同軸ケーブル１９、出力ライン２４、第１の入力巻線２５、検出対象物である基板７の第１の内層導体層９へと接続されるとともに、前記出力ライン２４からは第２の入力巻線２６から前記模擬基板回路２９の端子３３に接続される。更に、その必要に応じて前記実施例１と同じように使用できるよう、第２の入力巻線２６から模擬基板回路２９への接続の途中で分岐されて、比較対象物である基板８の第１の内層導体層１０への接続ができるようにされている。また高周波発振器１８から、同軸ケーブル１９、ＧＮＤライン２３、筐体３６へと続く接続のＧＮＤライン２３の途中で分岐して、前記模擬基板回路２９の他の端子３４に接続する。

このようにして、事前に、検出対象物である基板７を基板加工装置Ａ’の加工台上に固定した状態での、基板７の所望の導体層である第１の内層導体層９と筐体３６間の静電容量ｒを測定しておき、それに略同一の静電容量となるよう、模擬基板回路２９の８個のディップスイッチ３１を適宜通電状態とする。その結果、模擬基板回路２９に生じた静電容量が比較対象物たる基板８の代替物となり、実施例１の場合と同様に、スピンドルａを作動させて検出対象物たる基板７の第１の内層導体層９にそのドリル５が接触すると、その作動させたスピンドルａのスピンドル本体１とロータ３間の静電容量ｐを介して電流が流れ、そのために変流器２０内の両入力巻線２５、２６に生じる磁束が打ち消し合われず、出力巻線２８側に磁束が発生して電流が生じることから、その電流の存在を検出器２２で検出することにより、スピンドルａのドリル５が基板７の所望の導体層である第１の内層導体層９に接触したことが判明することとなる。この接触情報に基づくその後の処理は実施例１の場合と同様である。
また、この実施例２においては、模擬基板回路２９の８個のディップスイッチ３１全てをＯＦＦとした上、比較対象物たる基板８を加工台上に固定して、第２の入力巻線２６と該基板８の所望の導体層である第１の内層導体層１０を接続すれば、実施例１の検出装置としても使用できるものである。

実施例２に示す下降距離情報検出機構Ｋ・２を２組装備すれば、実施例１のように、ステップ１、ステップ２のような手順を踏むことなく同時に２枚の基板の下降距離情報を入手することができ、加工スピードが向上できる。但し、実施例２では、実施例１と異なり、基板の種類が変わった場合は、加工対象物たる基板と筐体間の静電容量に合わせて、模擬基板回路２９の８個のディップスイッチ３１の設定を変える必要があることは自明のことである。

尚、実施例１と２のいずれも、内層導体層だけでなく表面あるいは裏面導体層までのスピンドルの下降距離情報を検出するために使用できることは、言うまでもない。

高周波交流電流を印加することによって静電容量の等しいものの一方に生じる電流の変化を検出して、２個の導体物の接触の有無を判定するものであるため、スピンドルのドリルによる基板加工だけでなく、機械装置による加工に際して導体物の接触の有無を判定する用途にも広く適用することができる。

Ａ、Ａ’ 基板加工装置
Ｂ 基板加工装置
ａ、ｂ スピンドル
ｐ、ｑ、ｒ、ｓ 静電容量
Ｋ・１ 下降距離情報検出機構
Ｋ・２ 下降距離情報検出機構
１、２ スピンドル本体
３、４ ロータ
５、６ ドリル
７、８ 基板
９、１０ 第１の内層導体層
１１ 第２の内層導体層
１２ 表面導体層
１３ 裏面導体層
１４ 第１の絶縁層
１５ 第２の絶縁層
１６ 第３の絶縁層
１７ 検出装置
１８ 高周波発振器
１９ 同軸ケーブル
２０ 変流器
２１ 検波回路
２２ 検出器
２３ ＧＮＤライン
２４ 出力ライン
２５ 第１の入力巻線
２６ 第２の入力巻線
２７ 鉄芯
２８ 出力巻線
２９ 模擬基板回路
３０ 検出装置
３１ ディップスイッチ
３２ コンデンサ
３３ 端子
３４ 端子
３５ 切換スイッチ
３６ 筐体
３７ 絶縁体
３８ 検出装置
３９ 変流器
４０ 入力巻線
４１ 鉄芯
４２ 出力巻線
ｔ 静電容量

Claims (3)

1. スピンドルを組み込んだ基板加工装置におけるスピンドルのドリルの下降距離を検出するスピンドル下降距離情報検出機構であって、高周波交流電源と、巻数の同じ２個の入力巻線と、１個以上の出力巻線を持つ高周波用の変流器を有し、検出対象物たる基板と、同基板と同一の比較対象物たる基板を２枚１組としてそれぞれ独立して基板加工装置の筐体から絶縁して、筐体内の加工台上に固定した上、前記高周波交流電源出力の一方は前記筐体に接続し、他方は前記変流器の２個の入力巻線を介してそれぞれ前記２枚の各基板内に存する所望の導体層に、各入力巻線電流が前記変流器に発生させる磁束の方向が互いに打ち消し合うように接続して、スピンドルのドリル先端と検出対象物たる基板の所望の導体層との接触によって生じる電流の変化を、変流器から出力される電流の変化として検出器により検出してなる、スピンドル下降距離情報検出機構。
2. スピンドルを組み込んだ基板加工装置におけるスピンドルのドリルの下降距離を検出するスピンドル下降距離情報検出機構であって、高周波交流電源と、巻数の同じ２個の入力巻線と、１個以上の出力巻線を持つ高周波用の変流器並びに、直列に配されたコンデンサとスイッチを１組として、該コンデンサとスイッチを複数組並列に配してなる模擬基板回路を有し、検出対象物たる基板を基板加工装置の筐体から絶縁して、筐体内の加工台上に固定した上、前記高周波交流電源出力の一方は前記筐体に接続するとともに、前記模擬基板回路の一方端子に接続し、他方は前記変流器の２個の入力巻線を介してそれぞれ、検出対象物たる基板内に存する所望の導体層と、前記模擬基板回路の他方端子に接続し、検出対象物たる基板の所望の導体層と筐体間に生じる静電容量と略等しくなるよう模擬基板回路のスイッチを調整することにより、各入力巻線電流が前記変流器に発生させる磁束が互いに打ち消し合うようにして、スピンドルのドリル先端と所望の導体層との接触によって生じる電流の変化を、変流器から出力される電流の変化として検出器により検出してなる、スピンドル下降距離情報検出機構。
3. 請求項１あるいは請求項２記載のスピンドル下降距離情報検出機構を有し、該スピンドル下降距離情報検出機構によって検出された下降距離情報に基づいてスピンドルの作動を制御する機構を設けてなる、スピンドルを組み込んだ基板加工装置。

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