JP5368197B2 - プリント基板の穴明け方法及びプリント基板加工機 - Google Patents

Description

本発明は、複数のドリルとプリント基板とを相対的に位置決めしてプリント基板に穴を加工するプリント基板の穴明け方法及びプリント基板加工機に関する。

図９は、従来のプリント基板加工機の一例を示す斜視図である。

ベッド１は装置の土台であり、床に設置される。門型コラムレール２はベッド１の上に固定されている。ワークであるプリント基板Ｐを載置するテーブル３は、Ｘ軸案内レール８に案内されＸ方向に移動可能にベッド１に設置されている。テーブル３はＸ軸送りねじ１１を介して、図示を省略するモータにより駆動される。プリント基板Ｐはスピンドル６と同数（図示の場合６個）がテーブル３に載置される。

スライド板４はＹ軸案内レール９に案内されＸ方向と直角なＹ方向に移動可能に門型コラムレール２に設置されている。スライド板４には、Ｚ軸案内レール１０に案内されＸ，Ｙ方向に直角なＺ方向に移動可能にハウジング５が設置されている。ハウジング５は、ハウジング５に螺合するＺ軸送りねじ１２を介して、Ｚ軸モータ１３（１３ａ〜１３ｆ）により駆動される。ハウジング５には、それぞれスピンドル６が固定され、スピンドル６の先端にはそれぞれドリル７（７ａ〜７ｆ）が装着されている。制御装置５０は位置指令ａ１により、Ｚ軸モータ１３ａ〜１３ｆを同時に駆動する。

プリント基板Ｐに穴を加工する場合は、予め待機位置にあるドリル７ａ〜７ｆの先端のプリント基板Ｐ表面からの高さを同じにしておく。そして、スピンドル６によりドリル７ａ〜７ｆを所定の速度で回転させておき、テーブル３とスライド板４をＸ、Ｙ方向に相対的に移動させ、プリント基板Ｐに対して、ドリル７をＸ、Ｙ方向に位置決めする。ドリル７をＸ、Ｙ方向に位置決めした後、Ｚ軸モータ１３ａ〜１３ｆを同時に駆動してハウジング５をＺ方向に移動させ、ドリル７をプリント基板Ｐに切り込ませる。このようなプリント基板加工機では、同一のプリント基板Ｐを効率よく大量生産することができる。

図１０は、ドリル７の動作タイミングを示す図であり、横軸を時間軸として、（ａ）はテーブル３の速度を、（ｂ）はドリル７先端の位置を示す図である。なお、テーブル３とスライド板４を所望の位置に位置決めする場合、両者が同時に所望の位置に位置決めされることはほとんどなく、時間的にずれが発生する。以下、本発明においては、テーブル３を所望の位置に位置決めするために要する時間がスライド板４を所望の位置に位置決めするために要する時間よりも長いとする。また、図中の下板Ｓはドリル７の先端がテーブル３に切り込むのを防止するための板である。図１１は、ドリル７を駆動させたときの門型コラムレール２の振動による変位を示す図であり、横軸を時間軸として、（ａ）はドリル７先端の位置を、（ｂ）は振動による変位を示す図である。

図１０に示すように、テーブル３の位置決め動作が完了する前に（すなわち、テーブル３が移動している内に）ドリル７ａ〜７ｆを下降させることにより、加工能率を向上させる。また、ドリル７ａ〜７ｆが所定の深さまで到達したら、ドリル７ａ〜７ｆを急上昇させ、ドリル７ａ〜７ｆを待機位置に戻す。なお、図中の期間ｔ１、ｔ２を０に近づけるほど、ドリルのエアカット時間を短縮でき、加工能率を向上させることができる。

図１１に示すように、ドリル７のＺ方向の移動に伴い、門型コラムレール２には、装置振動４０が発生する。ドリル７のＺ方向動作により発生する装置振動４０により、門型コラムレール２はＺ方向に変位する。

プリント基板加工機の生産力を向上させるためにテーブル３、スライド板４、スピンドル６など、可動部の移動の高速化が進められている。特にスピンドル６はテーブル３やスライド板４に比べて小型軽量であり、直接加工速度に影響するものであるため、他の可動部よりも高速化が進められている。しかし、高速化を図るために加減速時の加速度を大きくすると、駆動反力も大きくなり、プリント基板加工機が振動する。この装置振動は、プリント基板と加工工具の相対位置の誤差による加工精度の低下、床振動、ドリルの折損などを引き起こす。

上下Ｚ方向移動時の振動に関して、例えば、ボールねじの上部に主軸部が螺合するねじ部とは逆相のねじ部を形成し、この逆相のねじ部に螺合し主軸部の慣性力を打ち消すカウンタウェイトを設けたプリント基板加工機がある。このようなプリント基板加工機では、主軸部の上下Ｚ方向移動時の駆動反力を、カウンタウェイトが逆相で上下Ｚ方向に移動することによる駆動反力で相殺することができ、穴明け加工時の装置振動を低減することができた（特許文献１）。

特開２００１−１３８１１８号

しかし、特許文献１の技術を採用すると、カウンタウェイトを設ける必要があるため、部品点数が増加すると共にコストが増加する。また、重量物をプリント基板加工機上部に設けることになるため、重心位置が高くなり、テーブル３あるいはスライド板４をＸ及びＹ方向に位置決めする際に、振動が発生しやすくなる。

本発明の目的は、穴明け加工時にドリルの駆動反力により発生する装置振動の低減を図り、高速で高精度な加工ができるプリント基板の穴明け方法及びプリント基板加工機を提供するにある。

上記課題を解決するため、第１の手段は、プリント基板を載置するテーブルとドリルと
を水平なＸＹ方向に相対的に位置決めした後、前記ドリルを前記プリント基板に対して前
記ＸＹ方向に垂直なＺ方向に相対的に移動させて前記プリント基板に穴を加工するプリン
ト基板の穴明け方法において、前記ドリルをＡ，Ｂ２つのグループに分け、前記Ａグルー
プのドリルを前記プリント基板に対して移動開始させた後、前記テーブル及びドリルを搭載したプリント基板加工機の固有振動数の１／２周期の時間遅れΔｔ経過後、前記Ｂグループのドリルを前記Ａグループのドリルの動作パターンと同じ動作パターンで、前記プリント基板に対して移動開始させることを特徴とする。

また、第２の手段は、プリント基板を載置するテーブルとドリルとを水平かつ互いに直
交するＸＹ方向に相対的に位置決めした後、前記ドリルを前記プリント基板に対して前記
ＸＹ方向に垂直なＺ方向に相対的に移動させて前記プリント基板に穴を加工するプリント
基板加工機において、前記ドリルをＡ，Ｂ２つのグループに分け、前記Ａグループのドリ
ルを前記プリント基板に対して移動開始させ、予め定める時間遅れΔｔが経過した後、前
記Ｂグループのドリルを前記Ａグループのドリルの動作パターンと同じ動作パターンで、
前記プリント基板に対して移動開始させる制御手段と、振動の大きさを測定する測定手段と、所定のデータを記憶する記憶手段と、を備え、前記制御手段は、前記時間遅れΔｔを設定し、前記設定された時間遅れΔｔに基づいて２群に分けられた前記ドリルを駆動し、穴明け加工を実行させ、前記時間遅れΔｔを予め定める時間間隔ΔＴで変更し、前記設定された時間遅れΔｔのうち、前記測定手段によって測定された振動のうち振動が最も小さい振動の時間遅れΔｔを加工時の前記時間遅れΔｔとして前記記憶手段に記憶させることを特徴とする。

本発明によれば、プリント基板の穴明け加工時にドリルを上下Ｚ方向に動作させる際に発生する装置振動を低減し、加工精度を向上させることができる。

本発明に係るプリント基板加工機の斜視図である。 本発明に係る制御装置２０の処理ブロック図である。 本発明に係るドリル７の駆動例を示す図である。 本発明においてドリル７を駆動させたときの門型コラムレール２の振動を示す図である。 本発明に係るプリント基板加工機の斜視図である。 本発明に係るドリル７の動作タイミングを示す図である。 本発明に係るプリント基板加工機の一例を示す斜視図である。 本発明に係る制御装置２０Ａの処理ブロック図である。 従来のプリント基板加工機の一例を示す斜視図である。 従来技術の説明図である。 従来技術の説明図である。

以下、本発明を実施するための形態を具体的に説明する。

図１は、本発明に係る実施例１を示すプリント基板加工機の斜視図であり、図２は、本発明に係る制御装置２０の処理ブロック図である。なお、制御装置２０を除く他の構成要素は図９に示した従来のプリント基板加工機の構成要素と同じものであるので、図９の場合と同一の符号を付して重複する説明を省略する。

図１に示すように、制御装置２０は、Ｚ軸モータ１３ａ〜１３ｆを２群（２つのグループ）に分けて制御する。

図２に示すように、制御装置２０には、読み込み装置２１と、座標変換装置２２と、時間遅れ設定装置２３と、Ｚ軸モータ１３ａ〜１３ｆを駆動制御する駆動制御装置２５ａ〜２５ｆとから構成されている。時間遅れ設定装置２３は外部の入力装置２４に接続されており、入力装置２４で設定された後述する時間遅れ指令を座標変換装置２２に入力する。

次に、制御装置２０の動作を説明する。

制御装置２０は加工指令を受けると、読み込み装置２１により加工プログラムを読み込み、その内容を解析してＺ軸の動作位置指令を作成し、その結果を座標変換装置２２に入力する。座標変換装置２２は、読み込み装置２１から入力された動作位置指令と時間遅れ設定装置２３から入力された時間遅れ指令とを加算してその結果を位置指令ａ１、ａ２として駆動制御装置２５ａ〜２５ｆに出力する。位置指令ａ１と位置指令ａ２は同じ形状の指令パターンであるが、時間的にずれが設けられている。この時間的なずれに関しては後述する。

位置指令ａ１は駆動制御装置２５ａ、２５ｃ、２５ｅに、位置指令ａ２は駆動制御装置２５ｂ、２５ｄ、２５ｆに、それぞれ出力される。すなわち、本発明ではドリル７ａ〜７ｆを２つの工具群（工具群Ａと工具群Ｂ）に分け、加工時、工具群Ａと工具群Ｂの下降及び上昇させるタイミングをずらす。図示の場合、ドリル７ａ、７ｃ、７ｅが工具群Ａ、ドリル７ｂ、７ｄ、７ｆが工具群Ｂである。

駆動制御装置２５ａ〜２５ｆはそれぞれ、座標変換装置２２から送られる位置指令ａ１、ａ２と位置検出器２６ａ〜２５ｆから送られる位置応答ａ〜ｆとからモータを制御する指令を生成し、Ｚ軸モータ１３ａ〜１３ｆを駆動してドリル７ａ〜７ｆを上下Ｚ方向に動作させる。

次に、本発明に係るプリント基板加工機の動作と、装置振動について説明する。

図３は、本発明に係るドリル７の駆動例を示す図であり、横軸を時間軸として、（ａ）はテーブル３の速度を、（ｂ）は工具群Ａのドリル先端の位置を、（ｃ）は工具群Ｂのドリル先端の位置を、それぞれ示している。また、図４は、本発明においてドリル７を駆動させたときの門型コラムレール２の振動を示す図であり、横軸を時間として、（ａ）は工具群Ａのドリル先端の位置を、（ｂ）は工具群Ｂのドリル先端の位置を、（ｃ）は工具群Ａによる装置の振動の変位を、（ｄ）は工具群Ｂによる装置の振動の変位を、それぞれ示している。

時間遅れ設定装置２３により時間遅れとしてΔｔを設定し、工具群Ａの加工タイミングに対して、工具群Ｂの加工タイミングをΔｔだけ遅らせる。つまり、テーブル３位置決め後、工具群Ａを下降させ始めてから時間遅れΔｔ経過後、工具群Ｂを下降させる。

工具群Ａ及び工具群Ｂはスライド板４の左右中央線に対して略対称な関係にあり、同じ形状の指令パターンにより駆動されるため、工具群Ａ及び工具群Ｂが上下Ｚ方向に動作した際に発生する装置振動４０Ａ及び装置振動４０ＢはΔｔの時間差を持った略同様の振動波形となる。

ここで、装置振動４０Ａ及び装置振動４０Ｂはいずれもプリント基板加工機の固有振動数に近い周波数である。そこで、時間遅れΔｔをプリント基板加工機の固有振動数の略半周期とすると、装置振動４０Ａ及び装置振動４０Ｂは略逆相となる。プリント基板加工機全体の装置振動は装置振動４０Ａ及び装置振動４０Ｂを合成したものであるため、固有振動での振動成分が相殺され、プリント基板加工機全体の装置振動を低減することができる。

ところで、穴明け加工後、次のテーブル３及びスライド板４の位置決め動作は、工具群Ａ及び工具群Ｂ両方の穴明け加工動作の完了を待ってから行わなくてはならない。加工タイミングにΔｔの時間遅れを設定することにより、実加工時間がΔｔだけ伸び、１回の穴明け加工につきΔｔだけ加工時間が伸びるが、Δｔは非常に短いため（ミリ秒〜１０ミリ秒のオーダー）、その影響もわずかである。

なお、ドリル７ａ、７ｃ、７ｅを工具群Ａ、ドリル７ｂ、７ｄ、７ｆを工具群Ｂとすることに代えて、例えば、ドリル７ａ、７ｂ、７ｃを工具群Ａに、ドリル７ｄ、７ｅ、７ｆを工具群Ｂとしてもよい。また、工具群Ａ及び工具群Ｂに分類されるドリルの個数が異なっていても、相殺による振動低減効果は得られるが、対称的に分類するとより振動低減効果を得ることができる。

次に、本発明の実施例２について説明する。

図５は、本発明に係る実施例２を示すプリント基板加工機の斜視図であり、図９と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

この実施例２に係るプリント基板加工機は、テーブル３とスライド板４を２個ずつ備えている。テーブル３Ａとテーブル３Ｂは、それぞれ送りねじ１１Ａと送りねじ１１Ｂにより駆動される。すなわち、テーブル３Ａとテーブル３Ｂは互いに独立に位置決めされる。また、スライド板４Ａとスライド板４Ｂも互いに独立に位置決めされる。

図６は、ドリル７の動作タイミングを示す図であり、横軸を時間軸として、（ａ）はテーブル３Ａの速度を、（ｂ）テーブル３Ｂの速度を、（ｃ）は工具群Ａのドリル７先端の位置を、（ｄ）は工具群Ｂのドリル７先端の位置を、それぞれ示す図である。なお、工具群Ａはドリル７ａ、７ｂ、７ｃで、工具群Ｂはドリル７ｄ、７ｅ、７ｆで構成される。工具群Ａは総てスライド板４Ａに、工具群Ｂは総てスライド板４Ｂに設置されているので、工具群Ａ及び工具群ＢをＺ方向のだけでなく、ＸＹ方向の位置決めも独立に行うことができる。

次に、実施例２における、プリント基板加工機の動作について説明する。

実施例２では工具群Ａ及び工具群Ｂの位置決め動作を互いに独立して行い、穴明け加工をすることが可能である。そこで、工具群Ａの加工タイミングに対する工具群Ｂの加工タイミングをΔｔ遅らせるだけでなく、同図に示すように位置決め動作についてもΔｔ遅らせる。この場合、１回の穴明け加工に要する時間は、時間遅れΔｔを設定する前と全く変わらず、総加工時間がΔｔだけ伸びる。総加工時間に対するΔｔは、実施例１の場合に比べて遥かに短く、ほとんど無視できる。従って、生産性を低下させることなく、プリント基板加工機全体の装置振動を低減することができる。

ところで、上記第１及び実施例２では時間遅れΔｔを予め定めておいたが、時間遅れΔｔを適切な値に自動的に調整するように構成することもできる。

図７は、本発明に係る適切な時間遅れΔｔを自動的に調整することができるプリント基板加工機の一例を示す斜視図であり、図９と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

加速度センサ３０は門型コラムレール２上に設置されている。なお、加速度センサ３０の取付位置は、装置振動の測定が可能な場所であれば、門型コラムレール２以外でも構わない。また、装置振動の測定が可能であれば、加速度センサ以外のセンサでも構わない。

図８は、本発明に係る制御装置２０Ａの処理ブロック図であり、図２と同じものまたは同一機能のものは同一の符号を付して重複する説明を省略する。

制御装置２０Ａは、制御装置２０に備えられている読み込み装置２１と、座標変換装置２２と、時間遅れ設定装置２３と、Ｚ軸モータ１３ａ〜１３ｆを駆動制御する駆動制御装置２５ａ〜２５ｆに加え、時間遅れ自動調整装置３１と、自動調整スイッチ３２，３３とを備えている。時間遅れ自動調整装置３１は加速度センサ３０と、自動調整スイッチ３２のｂ接点と、自動調整スイッチ３３のａ接点に接続されている。自動調整スイッチ３２のａ接点は読み込み装置２１に、また、ｃ接点は座標変換装置２２に、それぞれ接続されている。自動調整スイッチ３３のｂ接点は、時間遅れ設定装置２３に接続されている。

次に、制御装置２０Ａの全体の動作を説明する。

加速度センサ３０により測定された装置振動は時間遅れ自動調整装置３１に入力される。時間遅れ自動調整装置３１は入力された装置振動の大きさに基づき、自動調整スイッチ３２、３３を介して、座標変換装置２２と時間遅れ設定装置２３を制御する。

次に、時間遅れΔｔの調整（設定）方法について説明する。

時間遅れΔｔの設定するときには、自動調整スイッチ３２、３３をオンにする。自動調整スイッチ３２はオンされると、接点ｂが接点ｃに接続される。また、自動調整スイッチ３３はオンされると、接点ａと接点ｂが接続される。すると、時間遅れ自動調整装置３１が座標変換装置２２と時間遅れ設定装置２３の制御を開始する。

すなわち、工具群Ａに移動指令を出力した後、時間遅れΔｔ経過後工具群Ｂに移動指令を出力し、このときの装置振動、すなわち、加速度センサ３０の出力を記憶する。この動作を、時間遅れΔｔ＝０から例えば、時間遅れΔｔ＝０．１秒まで、予め定める時間ΔＴ（例えば、ΔＴ＝１００μｓ）間隔で繰り返す。そして、加速度センサ３０の出力が最も小さくなったときの時間遅れΔｔを時間遅れΔｔとして時間遅れ設定装置２３に設定する。そして、加工時には自動調整スイッチ３２、３３はオフにする。

このようにすると、工場出荷時だけでなく、プリント基板加工機の設置、設置場所の移動、設定の変更、長期使用による特性変化などにより、時間遅れΔｔの設定が必要になった場合でも、適切な時間遅れΔｔを設定できるので、品質に優れる加工結果を得ることができる。

Ｐ プリント基板
３ テーブル
７ａ〜ｆ ドリル
Ａ 工具群（ドリル７ａ，７ｃ，７ｅ）
Ｂ 工具群（ドリル７ｂ，７ｄ，７ｆ）

Claims (2)

1. プリント基板を載置するテーブルとドリルとを水平かつ互いに直交するＸＹ方向に相対的に位置決めした後、前記ドリルを前記プリント基板に対して前記ＸＹ方向に垂直なＺ方向に相対的に移動させて前記プリント基板に穴を加工するプリント基板の穴明け方法において、
   前記ドリルをＡ，Ｂ２つのグループに分け、
   前記Ａグループのドリルを前記プリント基板に対して移動開始させた後、前記テーブル及びドリルを搭載したプリント基板加工機の固有振動数の１／２周期の時間遅れΔｔ経過後、前記Ｂグループのドリルを前記Ａグループのドリルの動作パターンと同じ動作パターンで、前記プリント基板に対して移動開始させること
   を特徴とするプリント基板の穴明け方法。
2. プリント基板を載置するテーブルとドリルとを水平かつ互いに直交するＸＹ方向に相対的に位置決めした後、前記ドリルを前記プリント基板に対して前記ＸＹ方向に垂直なＺ方向に相対的に移動させて前記プリント基板に穴を加工するプリント基板加工機において、
   前記ドリルをＡ，Ｂ２つのグループに分け、
   前記Ａグループのドリルを前記プリント基板に対して移動開始させ、予め定める時間遅れΔｔが経過した後、前記Ｂグループのドリルを前記Ａグループのドリルの動作パターンと同じ動作パターンで、前記プリント基板に対して移動開始させる制御手段と、振動の大きさを測定する測定手段と、所定のデータを記憶する記憶手段と、を備え、
   前記制御手段は、
   前記時間遅れΔｔを設定し、
   前記設定された時間遅れΔｔに基づいて２群に分けられた前記ドリルを駆動し、穴明け加工を実行させ、
   前記時間遅れΔｔを予め定める時間間隔ΔＴで変更し、
   前記設定された時間遅れΔｔのうち、前記測定手段によって測定された振動のうち振動が最も小さい振動の時間遅れΔｔを加工時の前記時間遅れΔｔとして前記記憶手段に記憶させること
   を特徴とするプリント基板加工機。

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