JP2018083264A - ドリル加工装置及びドリル加工方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、ワークとなる多層プリント基板の特に導体層の状況を自動的に検出して加工条件を設定することができるようにすることを目的とするものである。
【解決手段】
設定された加工条件で多層プリント基板のドリル加工を行うようにしたドリル加工装置において、穴あけ方向に到来する導体層を前記ドリルが通過する時間とその際の前記ドリルの送り速度とに基づいて前記導体層の厚みの合計値を検出する厚み検出部と、前記合計値に基づいて当該合計値に対応した加工条件を自動的に決定し新たに設定する条件設定部とを有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、多層プリント基板にドリルで穴あけを行うドリル加工装置及びドリル加工方法に関する。

穴あけ加工においては、種々の加工条件の最適値を事前に実験的に求めておき、その最適加工条件をオペレータが装置に設定して加工を開始するのが一般的であるが、異なるワークに対して、その都度オペレータが加工条件を設定するのは面倒であり、また間違った条件設定をしてしまうおそれもある。
そこで、穴あけツールであるドリルの送り速度については、例えば特許文献１に開示されているように、その都度オペレータが設定しなくても、装置が自動的に設定することができるようにする方法もある。

ところが、特許文献１に開示されているような単純な構造のワークを堅固なドリルで加工する場合は加工条件の自動設定が可能かもしれないが、導体層と絶縁層とが交互に積層され、また導体層の厚みに変化のある多層プリント基板に耐荷重力の小さい小径ドリルで加工する場合は、全く様相が異なる。
すなわち、このような多層プリント基板の場合、切削抵抗としては、金属層である導体層を加工している時が圧倒的に大きく、またそれも導体層の厚みが厚いほど大きくなるので、加工開始時と加工終了時の負荷の差は何の意味を持たない。従って、ワークとなる多層プリント基板の内部構造に対応して加工条件を設定する必要があり、そうしないと、加工品質を落としたり、ドリルを破損したり、スピンドルでのモータ発熱、回転数低下、空気軸受の破損等の不具合を起こしたりする問題点がある。

特開2008-55536号公報

そこで本発明は、ワークとなる多層プリント基板の特に導体層の状況を自動的に検出して加工条件を設定することができるようにすることを目的とするものである。

本願において開示される代表的なドリル加工装置は、設定された加工条件で多層プリント基板のドリル加工を行うようにしたドリル加工装置において、穴あけ方向に到来する導体層を前記ドリルが通過する時間とその際の前記ドリルの送り速度とに基づいて前記導体層の厚みの合計値を検出する厚み検出部と、前記合計値に基づいて当該合計値に対応した加工条件を自動的に決定し新たに設定する条件設定部とを有することを特徴とする。

また本願において開示される代表的なドリル加工方法は、設定された加工条件で多層プリント基板のドリル加工を行うようにしたドリル加工方法において、穴あけ方向に到来する導体層を前記ドリルが通過する時間とその際の前記ドリルの送り速度とに基づいて前記導体層の厚みの合計値を検出する厚み検出ステップと、前記合計値に基づいて当該合計値に対応した加工条件を自動的に決定し新たに設定する加工条件設定ステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、多層プリント基板に対し、その都度オペレータが加工条件を設定しなくても、装置が自動的に設定することができるようにすることが可能となる。

本発明の一実施例となるドリル加工装置の動作を説明するための図である。 本発明の一実施例となるドリル加工装置の構成を示す図である。 図２におけるスピンドルをさらに詳しく説明するための図である。 図３における共振検出部をさらに詳しく説明するための図である。 図２における最適送り速度記憶部の内容を示す表図である。

以下、本発明の一実施例を図１〜５を用いて説明する。
図２は本発明の一実施例となるドリル加工装置の構成を示す図である。図２での各構成要素や接続線は、主に本実施例を説明するために必要と考えられるものを示してあり、ドリル加工装置として必要な全てを示している訳ではない。
図２において、１は穴あけ加工をすべき多層プリント基板、２は多層プリント基板１を樹脂材から成る下板３を介して載置する加工テーブル、４は多層プリント基板１に穴をあけるためのドリル、５はドリル４を回転させるモータ内蔵型のスピンドル６を保持するスピンドルユニットである。スピンドルユニット５は、スピンドル垂直駆動部８により垂直方向に駆動される。
加工テーブル２は、多層プリント基板１に穴をあけようとする位置にドリル４が向くよう、加工テーブル駆動部７により水平方向に駆動され、位置決めされるようになっている。下板３は多層プリント基板１と加工テーブル２との間に介在する下板であり、ドリル４が多層プリント基板１を突き抜けて加工テーブル２に接触するのを防止する役目をするものである。

スピンドル６の下方側には穴あけ加工時に多層プリント基板１を押付けるためのプレッシャフット９が係合している。このプレッシャフット９はシリンダ１０を介してスピンドルユニット５に連結されており、スピンドルユニット５が下降する場合、多層プリント基板１の上面位置に当接するまではスピンドルユニット５と共に下降する。
スピンドルユニット５とプレッシャフット９は互いに高さ方向に所定の間隔を保って係合していて、スピンドルユニット５が下降する場合、途中までは共に下降し、プレッシャフット９が多層プリント基板１の上面位置に当接すると、その後はプレッシャフット９がその位置にとどまり、スピンドルユニット５だけ独立に下降し、ドリル４で穴あけができるようになる。穴あけを終え、スピンドルユニット５を上昇させると、ある位置からプレッシャフット９も共に上昇するようになっている。

１１は、スピンドルユニット５に固定された検出器１２とプレッシャフット９に固定されたロッド１３とから構成される基板上面センサである。プレッシャフット９が上昇して検出器１２がロッド１３の先端を光学的に検出するとＯＮ信号、プレッシャフット９が下降して検出器１２がロッド１３の先端を検出しなくなるとＯＦＦ信号を出力するようになっている。
従って、スピンドルユニット５を下降させた場合、プレッシャフット９が多層プリント基板１の表面に到達し、プレッシャフット９だけがそれ以上下降できなくなって、スピンドルユニット５とプレッシャフット９が垂直方向に互いにずれたことを検出した時、基板上面センサ１１はＯＮ信号を出力する。また、その後スピンドルユニット５を上昇させた場合、プレッシャフット９が多層プリント基板１の上面位置から離れる時、基板上面センサ１１はＯＦＦ信号を出力する。

１４はスピンドル６の回転や加工テーブル駆動部７、スピンドル垂直駆動部８等を制御してドリル加工装置の全体を制御する全体制御部である。全体制御部１４の内部には、多層プリント基板１内にある導体層の厚みの合計Ｔを検出する厚み検出部１５、導体層の厚みの合計値Ｔとその多層プリント基板１の穴あけ加工に最適なドリル４の送り速度との関係を事前に実験的に求めておいた情報が格納される最適送り速度記憶部１６及びスピンドル垂直駆動部８の送り速度を選択する送り速度選択部１７が設けられている。

全体制御部１４は、ここで説明する以外の制御機能を有し、図示されていないブロックにも接続されている。全体制御部１４は、例えばプログラム制御の処理装置を中心にして構成され、その中の各構成要素や接続線は、論理的なものも含むものとする。また各構成要素の一部は全体制御部１４と別個に設けられていてもよい。

全体制御部１４は、加工テーブル駆動部７の内部にある送り位置情報により、加工テーブル２の２次元位置を認識しながら加工テーブル駆動部７を制御するようになっており、またスピンドル垂直駆動部８の内部にある送り位置情報により、ドリル４の先端の現在の高さ位置を認識しながらスピンドル垂直駆動部８を制御するようになっている。

図３は図２におけるスピンドル６をさらに詳しく説明するための図であり、図２と同じものには同じ番号を付けてある。図３において、スピンドル６はモータを内蔵する構造となっており、ロータシャフト３１がモータの回転子となっている。３２はロータシャフト３１と静電結合させるために固定子側にロータシャフト３１に近接して取付けられた電極で、アースとの間で検出されるキャパシタの端子でもある。３３は電極３２に接続された共振検出部で、全体制御部１４は共振検出部３３からの共振検出信号Ｓを受信するようになっている。

図４は図３における共振検出部３３を詳しく説明するための図である。図３と同じものには同じ番号をつけてある。図４において、４１は電極３２とアース間で検出されるキャパシタで、そのキャパシタンスは、ドリル４の先端が多層プリント基板１の導体層に接触した状態と接触していない状態では大きく変動し、前者では小さくなる。
４２は二次側が電極３２と接続されたトランスで、その二次側がキャパシタ４１と接続された状態となっている。４３はドリル４の先端が多層プリント基板１の導体層に接触した状態でのキャパシタ４１が並列共振を起こす周波数の交流を発振させる発振回路、４４はキャパシタ４１に並列共振が起きてトランス４２の一次側からみたインピーダンスが上がって一次側の両端電圧が下がったことを検出し、共振検出信号Sを送出する共振検出回路である。

上記ドリル加工装置は以下のように動作する。加工すべき多層プリント基板１が、例えば、図１に示すように、導体層Ｌ１〜Ｌ４と樹脂からなる絶縁層Ｒ１〜Ｒ３が、導体層と絶縁層とが交互になるように積層されている場合を例にとり、図１及び図２を用いて説明する。導体層Ｌ１〜Ｌ４の各々は銅箔、絶縁層Ｒ１〜Ｒ３の各々は樹脂から成っているとする。

全体制御部１４は、スピンドル制御線Ｒによりスピンドル６を制御し、ドリル４を後述する所定の送り速度Ｖ０で回転させながら、スピンドルユニット５をスピンドル垂直駆動部８により下降させていく。先ず、プレッシャフット９が多層プリント基板１の表面に接触すると、基板上面センサ１１からの検出信号が全体制御部１４に入力され、全体制御部１４はその時のスピンドル垂直駆動部８の送り位置情報に基づいて、多層プリント基板１の表面の高さ位置を認識できるようになっている。

スピンドルユニット５がさらに下降して、ドリル４が加工方向に進むと、ドリル４が導体層Ｌ１〜Ｌ４の各々を通過する毎に共振検出回路４４から共振検出信号Sが発生し、全体制御部１４の厚み検出部１５で受信される。
厚み検出部１５では、共振検出信号Sの発生期間ｔとこの時のドリル４の送り速度Ｖ０との積から導体層Ｌ１〜Ｌ４の各々の厚みを求めるとともに、それらを加算することにより導体層Ｌ１〜Ｌ４の厚みの合計値Ｔを求め、最適送り速度記憶部１６に格納する。
なお、厚みの合計値Ｔは、導体層Ｌ１〜Ｌ４の各々での共振検出信号Sの発生期間ｔを加算して合計値を求め、この合計値とこの時のドリル４の送り速度の積から求めてもよい。
導体層Ｌ１〜Ｌ４の厚みの合計値Ｔを求めたら、次に、その多層プリント基板１の穴あけ加工に対応する最適なドリル４の送り速度を実験的に求め、最適送り速度記憶部１６における導体層Ｌ１〜Ｌ４の厚みの合計値Ｔに対応させて格納する。

以上の動作を、加工する予定の各種の多層プリント基板の各々について行い、上記と同様にして、導体層の厚みの合計値Ｔと最適送り速度とを互いに対応させて最適送り速度記憶部１６に格納する。この状態の最適送り速度記憶部１６の内容を図５に示す。
最適送り速度としては、厚みが厚くなるほど切削抵抗が大きくなるので、低くするようになっている。例えば合計値ＴがＴ２以上でＴ３未満であれば、最適送り速度としてはＶ３となる。

次に、最適なドリル４の送り速度が最適送り速度記憶部１６に格納されている多層プリント基板を加工する場合、ドリル加工装置は以下のように動作する。加工すべき多層プリント基板１は、図１に示す構造になっているものとする。
全体制御部１４の厚み検出部１５は、上記と同様の方法で多層プリント基板１の導体層Ｌ１〜Ｌ４の厚みの合計値Ｔを求める。次に、送り速度設定部１７は、厚みの合計値Ｔに基づいて最適送り速度記憶部１６から対応する最適送り速度を選択し、ドリル４の先端の高さが基準位置Ｈに戻って次の穴の加工を行う前のＰの時点で、スピンドル垂直駆動部８におけるドリル４の送り速度を新たに設定する。
なお、上記の所定の送り速度Ｖ０としては、装置が設定するもののなかで一番低い送り速度Ｖ１と等しい速度が設定されるものとする。

以上の実施例によれば、自動的に導体層の厚みの合計値を検出し、それに基づいてドリル４の送り速度を厚みの合計値に対応する最適な速度に自動的に設定するようにしているので、加工品質を落としたり、ドリル４を破損したり、スピンドル６でのモータ発熱、回転数低下、空気軸受の破損等の不具合を起こしたりすることを防止できる。
また、初期動作における送り速度Ｖ０は、装置が設定するもののなかで一番低い送り速度Ｖ１としているので、当初の送り速度が速すぎて、上記の如き支障をきたすようなことを防止できる。

なお、以上の実施例において、多層プリント基板１の上に、ドリル４の食いつきを良くし、バリ等の発生を防ぐための上板を乗せるようにしてもよい。上板が例えばアルミニウムの如き金属導体から成る場合、この上板は導体層となるので、多層プリント基板１内の導体層Ｌ１〜Ｌ４の場合と同様、ドリル４がここを通過する時に共振検出回路４４から共振検出信号Ｓが発生し、厚み検出部１５が算出する厚みの合計値Ｔには上板の厚みも含まれる。
上板は金属層なので、多層プリント基板１の導体層Ｌ１〜Ｌ４と同様に絶縁層３０より切削抵抗は大きく、導体層Ｌ１〜Ｌ４と同様にその厚みを考慮する必要があるが、最適送り速度記憶部１６には、上板の厚みも含んだ厚みの合計値Ｔとその場合に最適なドリル４の送り速度との関係を事前に実験的に求めて格納しておけば、上板を乗せた場合でも最適なドリル４の送り速度を選択できるようになる。

また、以上の実施例においては、多層プリント基板１を加工する場合、導体層の厚みの合計値の検出を一つの穴あけで行い、次の穴あけから送り速度を最適値に設定するようにしたが、厚みの合計値の検出を複数の穴あけで行い、複数の穴の厚みの合計値の平均をとって最適値を選択するようにしてもよい。

また、以上の実施例においては、送り速度設定部１７は、多層プリント基板１の導体層の厚みの合計値に基づいて最適送り速度記憶部１６から対応する最適送り速度Ｖを選択するようにしたが、厚みの合計値に演算処理を行う等をして、対応する最適送り速度Ｖを決定するようにしてもよい。

以上、本発明を多層プリント基板の導体層の状況に基づいて、それに対応する最適なドリルの送り速度の選択に適用する実施例を説明したが、本発明はドリルの回転数や交換時期、あるいはステップ加工を行うか否かを含めたステップ回数等、各種の加工条件の最適なものを選択する場合にも適用できる。この場合、加工条件は一つだけでなく、複数の加工条件を選択するようにしてもよい。

１：多層プリント基板、２：加工テーブル、３：下板 ４：ドリル
５：スピンドルユニット ６：スピンドル、７：加工テーブル駆動部
８：スピンドル垂直駆動部、１４：全体制御部、１５：厚み検出部
１６：最適送り速度記憶部、１７：送り速度設定部
３１：ロータシャフト、３２：電極、３３：共振検出部、４１：キャパシタ、
４２：トランス、４３：発振回路、４４：共振検出回路、
Ｌ１〜Ｌ４：導体層、Ｒ１〜Ｒ３：絶縁層、Ｓ：共振検出信号、
Ｒ：スピンドル制御線

Claims (10)

1. 設定された加工条件で多層プリント基板のドリル加工を行うようにしたドリル加工装置において、穴あけ方向に到来する導体層を前記ドリルが通過する時間とその際の前記ドリルの送り速度とに基づいて前記導体層の厚みの合計値を検出する厚み検出部と、前記合計値に基づいて当該合計値に対応した加工条件を自動的に決定し新たに設定する条件設定部とを有することを特徴とするドリル加工装置。
2. 請求項１に記載のドリル加工装置において、前記条件設定部は、前記厚み検出部で検出された合計値に基づいて当該合計値に対応する加工条件が実験的に求めて格納された記憶部から選択することを特徴とするドリル加工装置。
3. 請求項１あるいは２に記載のドリル加工装置において、前記厚み検出部で厚みを検出する際の前記ドリルの送り速度を、装置が設定する送り速度のなかで一番低いものとすることを特徴とするドリル加工装置。
4. 請求項１、２あるいは３に記載のドリル加工装置において、前記厚み検出部は、前記ドリルが前記導体層を通過する時のアースとの間のキャパシタンスの変化を検出して導体層の厚みを検出することを特徴とするドリル加工装置。
5. 請求項１、２、３あるいは４に記載のドリル加工装置において、前記加工条件としては、前記ドリルの送り速度、前記ドリルの回転数、前記ドリルの交換時期あるいはステップ回数のいずれかを含むことを特徴とするドリル加工装置。
6. 設定された加工条件で多層プリント基板のドリル加工を行うようにしたドリル加工方法において、穴あけ方向に到来する導体層を前記ドリルが通過する時間とその際の前記ドリルの送り速度とに基づいて前記導体層の厚みの合計値を検出する厚み検出ステップと、前記合計値に基づいて当該合計値に対応した加工条件を自動的に決定し新たに設定する加工条件設定ステップとを有することを特徴とするドリル加工方法。
7. 請求項６に記載のドリル加工方法において、前記加工条件設定ステップは、前記合計値に基づいて当該合計値に対応する加工条件を実験的に求めて格納された記憶部から選択することを特徴とするドリル加工方法。
8. 請求項６あるいは７に記載のドリル加工方法において、前記厚み検出ステップでの前記ドリルの送り速度を、装置が設定する送り速度のなかで一番低いものとすることを特徴とするドリル加工方法。
9. 請求項６、７あるいは８に記載のドリル加工方法において、前記厚み検出ステップは、前記ドリルが前記導体層を通過する時のアースとの間のキャパシタンスの変化を検出して導体層の厚みを検出することを特徴とするドリル加工方法。
10. 請求項６、７、８あるいは９に記載のドリル加工装置において、前記加工条件としては、前記ドリルの送り速度、前記ドリルの回転数、前記ドリルの交換時期あるいはステップ回数のいずれかを含むことを特徴とするドリル加工方法。
    

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