JP4824515B2 - 工具の位置検出方法およびプリント基板加工装置 - Google Patents

Description

この発明は、対地抵抗が高いロータシャフトに発生する軸電圧を用いて工具の軸線方向の位置を決定するようにした工具の位置検出方法およびそれを用いたプリント基板加工装置に関する。

大地に接続されたプレッシャフットによりワークを押さえ、対地抵抗が高い回転自在のロータシャフトに保持させた工具により前記ワークを加工する加工装置において、導電材で形成した接触子と、電圧測定手段とを設け、前記接触子を、前記プレッシャフットから絶縁して、前記プレッシャフットの先端部に配置すると共に、前記ワークを大地から絶縁し、前記ロータシャフトに発生する軸電圧を、前記接触子を介して測定することを特徴とする加工装置が知られている（特許文献１）。

この技術に依れば、工具の先端位置を精度良く把握できるので、深さ精度に優れる穴を加工することができた。

特開２００１−３４１０５２号公報

プリント基板穴明機ではプレッシャフットによりワークの加工部周辺を押さえた状態でドリルをワークに切り込ませるが、プレッシャフットがワークに当接した際に、ドリルの先端がワークに接触した時に測定される軸電圧とほぼ同じ電圧のノイズが発生することがある。ドリルの先端はプレッシャフットの先端から２ｍｍ程度上方に位置決めされているので、このようなノイズに基づいて穴を加工すると加工不良が発生する。そこで、ドリルの先端が設計上のワーク表面から０．５ｍｍになった時点で（すなわち、プレッシャフットがワークに当接した後で）軸電圧の測定を開始するようにしていた。これにより、表面がほぼ平坦なプリント基板の場合、特許文献１の技術により深さ精度に優れる穴を加工することができた。

しかし、スーパーコンピュータ等に使用される板厚が１０ｍｍ程度のプリント基板の場合、表面に凹凸が発生していることが多く、実際のワーク表面の高さが設計上のワーク表面高さに対して１ｍｍ程度ずれている場合がある。

実際のワーク表面の高さが設計上のワーク表面よりも低い場合には、従来の技術により深さ精度に優れる穴を加工することができる。しかし、実際のワーク表面の高さが設計上のワーク表面よりも高い場合には、深さ精度に優れる穴を加工することはできない。すなわち、例えば、実際のワーク表面の高さが設計上のワーク表面よりも０．８ｍｍ高い場合には、軸電圧を測定開始する時点ではドリルが０．３ｍｍワークに切り込んでいるので、指定された穴の深さに対して０．３ｍｍ深い穴が加工される。このため、例えば、深さの公差が０．３ｍｍ未満の場合は、加工されたプリント基板が不良品になる。

したがって、ワーク表面の凹凸が大きい場合には、軸電圧の測定開始位置を高く（例えば、１．５ｍｍ）せざるを得ず、ノイズに起因する加工不良が発生する場合があった。

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、ノイズが発生した場合であっても精度よく工具の位置を検出することができる工具の位置検出方法およびそれを用いたプリント基板加工装置を提供するにある。

上記の課題を解決するため、本発明の第１の態様は、軸方向に移動されるスピンドルに、コイルに印加される交流電圧により回転するロータを一体に設けたロータシャフトを回転自在に支持し、該ロータシャフトに保持された工具により、テーブルに固定されたプリント基板を加工するプリント基板加工装置であって、対地抵抗が高い前記ロータシャフトに前記コイルへの交流電圧の印加により発生する軸電圧を、前記工具が前記プリント基板に接触することにより測定して、前記工具の軸線方向の位置を決定するようにした工具の位置検出方法において、予め前記軸電圧の閾値と、判定期間と、判定回数と、を定めておき、前記判定期間において測定された前記軸電圧が前記閾値を超えた回数が、前記判定回数以上である場合に、前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触したと判定する、ことを特徴とする工具の位置検出方法にある。

好ましくは、予め前記工具の切り込み速度を定めておき、前記判定期間と前記切り込み速度に基づき、前記判定期間に切り込まれた切り込み量を算定し、前記工具の先端がワーク表面に接触したと判定したときからの切り込み深さを、前記算定された判定期間の切り込み量を減算した残りの切り深さにより設定する。

また、本発明の第２の態様は、軸方向に移動されるスピンドルに、コイルに印加される交流電圧により回転するロータを一体に設けたロータシャフトを回転自在に支持し、該ロータシャフトに保持された工具により、テーブルに固定されたプリント基板を加工すると共に、対地抵抗が高い前記ロータシャフトに前記コイルへの交流電圧の印加により発生する軸電圧を、前記工具が前記プリント基板に接触することにより測定して、前記工具の軸線方向の位置を決定するようにしたプリント基板加工装置において、測定された前記軸電圧と予め定められた閾値とを比較する比較手段と、測定された前記軸電圧が前記閾値を超えた回数をカウントするカウント手段と、予め定められた期間を計測する計測手段と、前記カウント手段でカウントされた回数と予め定められた回数とを比較する判定手段と、を備え、前記計測手段が計測する期間において前記カウント手段でカウントされた回数が予め定められた回数以上である場合に、前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触したと判定し、前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触した位置を基準にして穴を加工をする、ことを特徴とするプリント基板加工装置にある。

好ましくは、予め定められた前記工具の切り込み速度と前記予め定められた期間とに基づき、前記計測手段により計測された前記予め定められた期間の切り込み量を算定する算定手段を備え、前記工具の先端がプリント基板表面に接触したと判定したときからの切り込み深さを、前記算定手段による切り込み量を減算した残りの切り深さにより設定する。

本発明によると、ノイズによる工具位置の誤検出が発生しないので、深さ精度に優れる加工を行うことができる。

以下、本発明を図示の実施形態に基づいて説明する。

図１は、本発明に係るプリント基板穴明機の構成図である。

ホルダ１は図示を省略する移動手段により、図の左右（Ｙ）及び上下（Ｚ）方向に移動自在に支持されている。ホルダ１にはスピンドル２が固定されている。スピンドル２には、ロータシャフト３が空気ラジアル軸受４ａ〜４ｄにより回転自由に支持されると共に、空気スラスト軸受け５により軸方向に位置決めされて支持されている。ロータシャフト３には、銅材を端絡環状形成したロータ（回転子）６が配置されている。スピンドル２のロータ６に対向する位置には、コイル（固定子）７が配置されている。コイル７はインバータ電源８に接続されている。インバータ電源８は、三相電源９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する。ロータシャフト３の先端には、ドリル１０が保持されている。

スピンドル２の先端には、プレッシャフット２０が嵌合している。プレッシャフット２０は、ホルダ１に支持された１対のエアシリンダのピストンロッド２１に支持され、スピンドル２に対してＺ方向に移動自在である。プレッシャフット２０の下端には、絶縁材料で形成されたブッシュ２２が固定されている。

テーブル２５は紙面に垂直な方向（Ｘ方向）に移動自在である。テーブル２５には、導体層が表面側になるようにしてプリント基板３０が固定される。プリント基板３０は大地から絶縁されている。ホルダ１、プレッシャフット２０及びテーブル２５は接地されている。

プリント基板３０の表面導体層には軸電圧測定用のプローブ３１の一端が接続されている。プローブ３１の他端は、フィルタ６２の入力側に接続されている。フィルタ６２の出力側は比較器６３の入力側に接続されている。比較器６３の出力側はカウンタ６４の入力側とタイマ６５に接続されている。カウンタ６４の出力側およびタイマ６５の出力側は判定器６６の入力側に接続されている。判定器６６の出力側はプリント基板穴明機全体を制御するＮＣ装置５０に接続されている。なお、カウンタ６４、タイマ６５および判定器６６はＮＣ装置５０により制御される。

次に、本発明の動作を説明する。

図２は本発明の動作を示すフローチャートである。

予め、軸電圧の閾値Ｖｈと、軸電圧が閾値Ｖｈを超えた回数を測定する計測期間Ｔ０と、判定回数Ｎと、軸電圧の測定開始位置Ｈ０と、切削速度Ｋと、を設定しておく。また、図示を省略するエアシリンダを動作させ、ピストンロッド２１を最も突き出した状態にしておくと共に、インバータ電源８を動作させ、コイル７に電流を供給し、ロータシャフト３を回転させておく。ロータシャフト３は空気ラジアル軸受け４ａ〜４ｄ及び空気スラスト軸受け５を介して（すなわち空気層を介して）スピンドル２に支持されているので、三相電源９あるいはインバータ電源８の図示を省略するスイッチがオンされると、ロータシャフト３には、軸電圧が発生する。軸電圧Ｖ０の波形は、三相電源９の周波数の電圧Ｖｓにインバータ電源８の制御周波数の電圧Ｖｉ１及びインバータ電源８の制御周波数の３倍の周波数の電圧Ｖｉ２の波形等を重畳した波形に略等しく、例えば、三相電源９の電圧が５０Ｈｚ、またインバータ電源８の電圧制御周波数が１ｋＨｚである場合、軸電圧Ｖ０の振幅は１Ｖ前後、また、Ｖｉ２の振幅は３００ｍＶ前後である。

ここでは、軸電圧として軸電圧Ｖｉ２（周波数は３ｋＨｚである。）を測定するものとし、閾値Ｖｈを１５０ｍＶ、判定回数Ｎを３回、期間Ｔ０をＶｉ２の４サイクル分に相当する１．５ｍｓとする。また、ドリルの先端をブッシュ２２の下端から２ｍｍ上方に位置決めし、ドリル１０の先端が設計上のプリント基板表面から２．５ｍｍの高さになった位置Ｈ０を軸電圧の測定開始位置とする。また、ドリル１０の先端がプリント基板の表面に接触位置をｚ方向の原点０とし下方をプラスとする。

加工する穴の深さがＨである場合、ＮＣ装置５０は各部を以下のように制御する。

加工を開始、すなわちドリル１０を下降させると共に、軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えた超過回数ｉを０にして（手順Ｓ１０）、ドリル１０の先端が軸電圧測定開始位置Ｈ０に到達するのを待つ（手順Ｓ２０）。ドリル１０の先端が軸電圧測定開始位置Ｈ０に到達したら、軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えたかどうかを確認する（手順Ｓ３０）。なお、ＮＣ装置５０は、軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈ未満から閾値Ｖｈに達した場合を、軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えたと判断する（すなわち、軸電圧Ｖｉ２の立ち上がりだけをチェックする）。

そして、軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えたら、超過回数ｉをｉ＝ｉ＋１とすると共に、タイマ６５をオンして経過時間ｔの計測を開始する（手順Ｓ４０，５０）。そして、経過時間ｔが計測期間Ｔ０に達するまで、予め定める期間（ここでは、２０μｓ）毎に軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えたかどうかを確認し、軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えた場合は超過回数ｉをｉ＝ｉ＋１とする（手順Ｓ６０，７０、８０）。

経過時間ｔが計測期間Ｔ０に達したら、超過回数ｉが判定回数Ｎ以上であるかどうかを確認し、超過回数ｉが判定回数Ｎ未満の場合はｉ＝０としてから手順Ｓ３０の処理を行い（手順Ｓ１００）、その他の場合は現在のドリル１０の先端位置がｚ＝Ｔ０×Ｋであるので、ドリル１０を計測期間Ｔ０が終了したときの位置からさらに（Ｈ−Ｔ０・Ｋ）だけ下降させる（手順Ｓ１１０）。

次に、具体例を説明する。

図３は軸電圧の測定結果を示す図である。

同図の場合、時刻ｔ１において軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超えるが、判定期間Ｔ０内における超過回数が１であるため、測定された軸電圧Ｖｉ２はノイズであると判定する。次に時刻ｔ２において軸電圧Ｖｉ２が閾値Ｖｈを超え、判定期間Ｔ０における超過回数が４回であり、判定回数Ｎ＝３を超えているので、時刻ｔ２にドリル先端がプリント基板の表面に到達したと判定する。判定期間Ｔ０においてドリルは（Ｔ０×Ｋ）だけ切り込まれているので、残りの切り込み深さを（Ｈ−Ｔ０・Ｋ）とすることにより、深さＨの穴を加工することができる。

加工が終了したら、ホルダ１を予め定める位置まで上昇させ、ホルダ１とテーブル２５とをＸＹ方向に移動させて、ドリル１０の軸線を次の加工位置に位置決めする。

この実施形態では、判定期間Ｔ０内におけるドリルの下降距離を考慮するようにしたので、深さ精度に優れる穴を加工することができる。

なお、この実施形態では、判定期間を１．５ｍｓ（電圧Ｖｉ２の４サイクル分）としたが、さらに長くあるいは短くしてもよい。

本発明に係るプリント基板穴明機の構成図である。 本発明の動作を示すフローチャートである。 軸電圧の測定結果を示す図である。

符号の説明

１０ ドリル
３０ プリント基板
６３ 比較器
６４ カウンタ
６５ タイマ
６６ 判定器
Ｖｉ２ 軸電圧
Ｖｈ 閾値
Ｔ０ 予め定められた期間
Ｎ 予め定められた回数

Claims (4)

1. 軸方向に移動されるスピンドルに、コイルに印加される交流電圧により回転するロータを一体に設けたロータシャフトを回転自在に支持し、該ロータシャフトに保持された工具により、テーブルに固定されたプリント基板を加工するプリント基板加工装置であって、対地抵抗が高い前記ロータシャフトに前記コイルへの交流電圧の印加により発生する軸電圧を、前記工具が前記プリント基板に接触することにより測定して、前記工具の軸線方向の位置を決定するようにした工具の位置検出方法において、
   予め前記軸電圧の閾値と、判定期間と、判定回数と、を定めておき、
   前記判定期間において測定された前記軸電圧が前記閾値を超えた回数が、前記判定回数以上である場合に、前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触したと判定する、
   ことを特徴とする工具の位置検出方法。
2. 前記スピンドルの軸方向移動による前記工具の切り込み速度を予め定めておき、
   前記判定期間と前記切り込み速度に基づき、前記判定期間に切り込まれた切り込み量を算定し、
   前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触したと判定したときからの切り込み深さを、前記算定された判定期間の切り込み量を減算した残りの切り深さにより設定する、
   請求項１記載の工具の位置検出方法。
3. 軸方向に移動されるスピンドルに、コイルに印加される交流電圧により回転するロータを一体に設けたロータシャフトを回転自在に支持し、該ロータシャフトに保持された工具により、テーブルに固定されたプリント基板を加工すると共に、対地抵抗が高い前記ロータシャフトに前記コイルへの交流電圧の印加により発生する軸電圧を、前記工具が前記プリント基板に接触することにより測定して、前記工具の軸線方向の位置を決定するようにしたプリント基板加工装置において、
   測定された前記軸電圧と予め定められた閾値とを比較する比較手段と、
   測定された前記軸電圧が前記閾値を超えた回数をカウントするカウント手段と、
   予め定められた期間を計測する計測手段と、
   前記カウント手段でカウントされた回数と予め定められた回数とを比較する判定手段と、を備え、
   前記計測手段が計測する期間において前記カウント手段でカウントされた回数が予め定められた回数以上である場合に、前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触したと判定し、
   前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触した位置を基準にして穴を加工をする、
   ことを特徴とするプリント基板加工装置。
4. 前記スピンドルの軸方向移動により予め定められた前記工具の切り込み速度と前記予め定められた期間とに基づき、前記計測手段により計測された前記予め定められた期間の切り込み量を算定する算定手段を備え、
   前記工具の先端が前記プリント基板の表面に接触したと判定したときからの切り込み深さを、前記算定手段による切り込み量を減算した残りの切り深さにより設定する、
   請求項３記載のプリント基板加工装置。

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