JP7386034B2

JP7386034B2 - ドリル加工装置及びドリル加工方法

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Publication number: JP7386034B2
Application number: JP2019184323A
Authority: JP
Inventors: 博文角; 徹結城
Original assignee: Via Mechanics Ltd
Current assignee: Via Mechanics Ltd
Priority date: 2018-12-11
Filing date: 2019-10-07
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2039-10-07
Also published as: JP2021053792A

Description

本発明は、ドリルによって例えばプリント基板に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。

ドリル加工装置におけるドリル折損検知機能として、従来、加工時にドリルが加工物に接触する直前の時点でドリルの物理的折損を直接的に検出するＤＢＤＤ(Direct Broken Drill Detection)と呼ばれるものがある。これは、例えば、特許文献１に開示されるように、プリント基板を押さえるための構造体内に、光を投射する発光部とここからの光を受光する光センサとを取付け、両者を結ぶ光軸上に位置するドリルによる光センサへの遮光の度合いによりドリル折損を検知するものである。
本方式の欠点としては、その構造上、ドリルの先端から一定量だけ上の位置に発光部と光センサ間の光軸が形成されるため、ドリル折損が先端に生じる小さなチッピングであった場合は検知できず、折損状態で穴あけ動作を実施することになり、プリント基板の表面を荒らしてしまったり、未貫通穴が発生する点である。

上記方式の欠点を解決するものとして、加工時に工具が加工物に接触した時点で工具の物理的折損を検出するＴＢＤＤ(Touch Broken Drill Detection)と呼ばれるものがある。これは、例えば、特許文献２に開示されるように、ドリルが加工対象のプリント基板に接触した時点で、スピンドルのロータシャフトに発生する軸電圧を導電性のドリルからワークに伝えられることで検出し、その検出位置と基準位置との差を比較することでドリルの折損を検知するものである。

また、ロータシャフトと静電結合する電極で検出されるアースとの間のキャパシタのキャパシタンスの変化を検出し、ドリルが被加工物に当接する位置の正常性を基準位置と比較し、ドリル折損を判定する方式が例えば特許文献３に開示されている。
この方式の場合、ドリルをスピンドルに装着する毎に当該ドリルにおける正常な基準位置を事前に把握しておく動作が必要であり、ドリル折損の判定処理が複雑になる。また、この方式の場合、基準位置として所定の幅を設ける必要があるが、この幅が誤判定の原因にもなる。

米国特許第3912925号明細書特開2001-341052号公報特開2015-223685号公報

最近、ドリル寿命を向上させるため、ドリル刃先部の全体を絶縁体となるダイヤモンド被膜で覆うものが増えてきている。このドリルを使う場合、ドリルがプリント基板に接触してもスピンドルのロータシャフトに発生する軸電圧はワークに伝わらないので、特許文献２の方式を使えない。
そこで本発明は、ダイヤモンド被膜の如き絶縁体でドリル刃先部の全体を覆うドリルを使用するドリル加工において、ドリル折損を確実に検知することを目的とするものである。

上記課題を解決するため、本願において開示される発明のうち、代表的なドリル加工装置は、モータ一体型のスピンドルを備え、当該スピンドルのロータシャフトに装着されるドリルによってテーブル上に載置された被加工物に穴あけを行うようにしたドリル加工装置において、前記スピンドルの固定子側に設けられた電極であって前記ロータシャフトと静電結合するものと、前記電極で検出されるアースとの間のキャパシタのキャパシタンスの変化を検出するキャパシタンス変化検出部と、当該キャパシタンス変化検出部により前記キャパシタンスの変化を検出した時点で前記ドリルが折損していると判定する制御部とを備えることを特徴とする。

また、本願において開示される発明のうち、代表的なドリル加工方法は、モータ一体型のスピンドルのロータシャフトに装着されるドリルによってテーブル上に載置された被加工物に穴あけを行うようにしたドリル加工方法において、前記ドリルが折損して当該折損部の金属部分が被加工物に接触した時に、前記スピンドルの固定子側に設けられた電極であって前記ロータシャフトと静電結合するものとアースとの間のキャパシタのキャパシタンスの変化を検出した時点で前記ドリルが折損していると判定することを特徴とすることを特徴とする。

なお、本願において開示される発明の代表的な特徴は以上の通りであるが、ここで説明していない特徴については、以下に説明する実施例に適用されており、また特許請求の範囲にも示した通りである。

本発明によれば、ダイヤモンド被膜の如き絶縁体で全体を覆ったドリルを使用するドリル加工において、ドリル折損を確実に検知することができる。

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１のドリル加工装置で使用されるドリルの構造を示す断面図である。図１のドリル加工装置におけるスピンドルの電気系に関係する部分を説明するための図である。図３における共振検出部を説明するための回路図である。本発明の一実施例において、折損したドリルがワークに接触した状態を示す図である。

図１は本発明に基づくドリル加工装置の構成を示す図である。図１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１において、１は穴あけ加工をすべきプリント基板、２はプリント基板１を載置する加工テーブル、４はドリルである。加工テーブル２は、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、テーブル駆動部５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。６はドリル４を回転させるスピンドルである。スピンドル６はインバータ７で駆動されるモータと一体型の構造となっている。８はスピンドル６を保持するスピンドルユニットで、スピンドル垂直駆動部９により垂直方向に駆動されるようになっている。
なお、ここでのドリル４は、図２に示すように、ドリル刃先部の金属部４ａの表面全体が絶縁体となるダイヤモンド被膜４ｂで覆われたものである。

図１に戻って、３ａはプリント基板１の上に載置された導電性シートであり、ドリル４のプリント基板１への食いつきを良くし、バリ等の発生を防止する役目をするものである。３ｂはドリル４がプリント基板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させる下板である。ここでの被加工物としては、プリント基板１と、これを挟み込む導電性シート３ａと下板３ｂとなるが、導電性シート３ａおよび下板３ｂは必ずしも必要ではない。

スピンドル６の下方側には穴あけ加工時に導電性シート３ａを含む被加工物を加工テーブル２に押付けるためのプレッシャフット１２がシリンダ１３を介してスピンドルユニット８に係合している。穴あけ加工を開始すると、当該穴位置が加工できるように加工テーブル２を位置付けし、図の状態からスピンドルユニット８を下降させていく。
スピンドルユニット８とプレッシャフット１２とは垂直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８が下降する場合、プレッシャフット１２は導電性シート３ａの表面に当接するまではスピンドルユニット８と共に下降する。

プレッシャフット１２が導電性シート３ａの表面に当接すると、その後はプレッシャフット１２がその位置にとどまり、係合状態がずれてスピンドルユニット８だけ下降し、ドリル４で穴あけができるようになっている。
一つの穴あけを終えると、スピンドルユニット８を上昇させるが、その時はプレッシャフット１２も上昇させる。次の穴位置を加工する場合には、当該穴位置が加工できるように加工テーブル２を位置付けし、スピンドルユニット８を下降させるが、この場合も前と同様にプレッシャフット１２も共に下降するようになっている。

１４はスピンドルユニット８に固定されたセンサ１５とプレッシャフット１２に固定されたロッド１６とから構成されるずれ検出器である。このずれ検出器１４はスピンドルユニット８を下降させた場合、プレッシャフット１２が導電性シート３ａの表面に当接し、プレッシャフット１２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８とプレッシャフット１２の係合状態が垂直方向に互いにずれたことを検出した時、ずれ検出信号Ｓを出力するようになっている。
１７は詳しくは後述するが、スピンドル６内に存在するキャパシタに共振が起きたことを検出する共振検出部で、ここからの共振検出信号Ｒは全体制御部１８に送られるようになっている。

全体制御部１８はドリル加工装置の全体を制御するものであり、その内部には、スピンドル垂直駆動部９からの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９を制御するスピンドル駆動制御部１９、テーブル駆動部５からの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テーブル駆動部５を制御するテーブル駆動制御部２０、および、ずれ検出器１４でずれ検出信号Ｓが検出された時のスピンドル垂直駆動部９からの送り位置情報に基づき導電性シート３ａの表面高さを検出し、それを記憶する表面高さ記憶部２１が設けられている。
スピンドル駆動制御部１９は、検出した導電性シート３ａの表面高さを基準にして、止まり穴をあける場合の深さを制御したり、特開2003-1509号（段落０００４）に開示されている技術を採用することで、ドリル４が導電性シート３ａに接触する前後でスピンドルユニット８の送り速度を切り替えたりする。

全体制御部１８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１８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１８と別個に設けられていてもよい。

図３は図１におけるスピンドル６の電気系に関係する部分を説明するための図である。
図３において、ドリル４を回転させるスピンドル６はインバータ７で駆動されるモータと一体型となっており、モータの回転子がドリル４を装着するロータシャフト２２になっている。２３はロータシャフト２２と静電結合させるためにスピンドル６の固定子側にロータシャフト２２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。共振検出部１７は電極２３を通してキャパシタに起こる共振を検出する。

図４は図３における共振検出部１７を説明するための回路図である。
図４において、２５は電極２３とアース間で検出されるキャパシタ、２６は二次側が電極２３を介してキャパシタ２５と接続されたトランス、２７はキャパシタ２５のキャパシタが小さい場合に並列共振を起こす周波数の交流を発振させる発振回路、２８はキャパシタ２５に並列共振が起きてトランス２６の一次側の電圧が大きく変化したことを検出し、共振検出信号Ｒを出力する共振検出回路である。
キャパシタ２５のキャパシタンスは、ドリル刃先部の金属部４ａの表面全体が絶縁体となるダイヤモンド被膜４ｂで覆われた折損のない正常なドリル４が導電性シート３ａに接触した状態では大きいが、図５に示すように折損部のダイヤモンド被膜４ｂが剥がれて金属部４ａが導電性シート３ａに接触した状態では小さくなる。

以上の構成において、穴あけ動作においては、スピンドルユニット８が下降してドリル４が導電性シート３ａに接触して穴あけ動作が行なわれる。この場合において、ドリル刃先部の金属部４ａの表面全体が絶縁体となるダイヤモンド被膜４ｂで覆われた折損のない正常なドリル４が導電性シート３ａに接触しても、電極２３で検出されるキャパシタ２５は共振を起こすキャパシタンスとならないので、異常を検知することはない。
しかしながら、ドリル４に折損がある場合、ドリル４の金属部４ａが導電性シート３ａに接触するのでキャパシタ２５のキャパシタンスが小さくなって共振が起き、共振が起きたことが共振検出回路２８で検出され共振検出信号Ｒが全体制御部１８へ送出される。
全体制御部１８は共振検出部１７から共振検出信号Ｒを受信すると、ドリル４が折損していると判定し、スピンドル６を上昇させ穴あけ動作を停止させる。

以上の実施例によれば、ドリル折損がドリル刃先部の中央部で発生した場合はもちろん、先端に生じる小さなチッピングにおいても、ドリル４の金属部４ａが導電性シート３ａに接触してキャパシタンスが変化するので、即座にドリル折損と判定することができる。
また、ドリルをスピンドルに装着する毎に当該ドリルにおける正常な基準位置を事前に把握しておく余分な動作は必要でなくなるので、ドリル折損の判定処理が簡単になる。
さらに、所定の幅の基準位置と比較する必要がないので、誤判定を起こす心配はなくなる。

ところで、ドリルが被加工物に当接する位置の正常性を基準位置と比較する従来の方式では、ドリルが被加工物に挿入された加工状態でのドリル折損を検出することは不可能である。このため、折損したドリルで加工が継続してしまい、加工不良部分が拡大する欠点がある。
上記実施例によれば、被加工物の構成にもよるが、加工状態でドリル折損があればキャパシタンスが変化するので、その時点で穴あけ動作を停止させることができる。従って、折損したドリルでの加工は継続せず、加工不良部分の拡大を防ぐことができる。

以上、実施例の形態に基づき本発明を具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもなく、様々な変形例が含まれる。
例えば、上記実施例においては、共振検出部１７は二次側をキャパシタ２５に接続したトランス２６を使用したが、キャパシタ２５にインダクタンスを直列に接続して直列共振回路を形成し、ドリル４の金属部４ａが導電性シート３ａに接触することによって、そのキャパシタンスが下がって直列共振が起きたことを検出するようにしても良い。

また、上記実施例においては、キャパシタ２５に共振を起こさせて、キャパシタンスの変化を検出するものであるが、共振を起こさせない方法でキャパシタンスの変化を検出しても良い。
例えば、キャパシタ２５に交流を与えてその両端電圧を監視し、ドリル４と導電性シート３ａとの接触によってキャパシタ２５のキャパシタンスが下がり、両端電圧が下がったことを検出するようにしても良い。
また、上記実施例においては、導電性シート３ａがプリント基板１の上に載置されている場合であるが、導電性シート３ａが載置されずプリント基板１の内層に導電層が形成されていても、ドリル４の金属部４ａがプリント基板１に接触すればキャパシタ２５のキャパシタンスが変化し、ドリル折損を検知することができる。

１：プリント基板、２：加工テーブル、３ａ：導電性シート４：ドリル、
４ａ：金属部、４ｂ：ダイヤモンド被膜、５：テーブル駆動部、６：スピンドル、
７：インバータ、８：スピンドルユニット、９：スピンドル垂直駆動部、
１２：プレッシャフット、１４：ずれ検出器、１７：共振検出部、１８：全体制御部、
１９：スピンドル駆動制御部、２０：テーブル駆動制御部、２１：表面高さ記憶部、
２２：ロータシャフト、２３：電極、２５：キャパシタ、２６：トランス、
２７：発振回路、２８：共振検出回路、

Claims

モータ一体型のスピンドルを備え、当該スピンドルのロータシャフトに装着されるドリルによってテーブル上に載置された被加工物に穴あけを行うようにしたドリル加工装置において、前記スピンドルの固定子側に設けられた電極であって前記ロータシャフトと静電結合するものと、前記電極で検出されるアースとの間のキャパシタのキャパシタンスの変化を検出するキャパシタンス変化検出部と、当該キャパシタンス変化検出部により前記キャパシタンスの変化を検出した時点で前記ドリルが折損していると判定する制御部とを備え、
前記ドリルは、金属部と、前記金属部の表面全体を覆う絶縁被膜とを有し、
前記ドリルに、前記絶縁被膜の一部が剥がれている折損部が存在する場合に、前記キャパシタンス変化検出部は、前記キャパシタンスの変化を検出することを特徴とするドリル加工装置。
請求項１に記載のドリル加工装置において、前記被加工物を前記テーブルに押付けるための基板押付け部と前記スピンドルを保持するスピンドルユニットとの係合状態のずれを検出するずれ検出部を備え、当該ずれ検出部でずれを検出した時に前記被加工物の表面高さを検出することを特徴とするドリル加工装置。
請求項１あるいは請求項２に記載のドリル加工装置において、前記キャパシタンス変化検出部は、前記ドリルが折損して前記折損部の前記金属部が前記被加工物に接触した時に前記キャパシタを含む回路に共振を起こさせてキャパシタンスの変化を検出することを特徴とするドリル加工装置。
請求項１～３のいずれか１項に記載のドリル加工装置において、前記キャパシタンスの変化を検出した時点で穴あけ動作を停止するようにしたことを特徴とするドリル加工装置。
請求項１～４のいずれか１項に記載のドリル加工装置において、被加工物を加工テーブルに押付けるためのプレッシャフットが前記被加工物に当接した時に当該被加工物の表面位置を検出するようにしたことを特徴とするドリル加工装置。
モータ一体型のスピンドルのロータシャフトに装着され、且つ、金属部と、前記金属部の表面全体を覆う絶縁被膜とを有するドリルによって、テーブル上に載置された被加工物に穴あけを行うようにしたドリル加工方法において、前記ドリルが折損して前記絶縁被膜の一部が剥がれている折損部の前記金属部が被加工物に接触した時に、前記スピンドルの固定子側に設けられた電極であって前記ロータシャフトと静電結合するものとアースとの間のキャパシタのキャパシタンスの変化を検出した時点で前記ドリルが折損していると判定することを特徴とするドリル加工方法。
請求項６に記載のドリル加工方法において、前記被加工物を前記テーブルに押付けるための基板押付け部と前記スピンドルを保持するスピンドルユニットとの係合状態のずれを検出した時に前記被加工物の表面高さを検出することを特徴とするドリル加工方法。
請求項６あるいは請求項７に記載のドリル加工方法において、前記ドリルが折損して当該折損部の前記金属部が前記被加工物に接触した時に前記キャパシタに共振を起こさせてキャパシタンスの変化を検出することを特徴とするドリル加工方法。
請求項６～８のいずれか１項に記載のドリル加工方法において、前記キャパシタンスの変化を検出した時点で穴あけ動作を停止するようにしたことを特徴とするドリル加工方法。
請求項６～９のいずれか１項に記載のドリル加工方法において、前記絶縁被膜は、ダイヤモンド被膜であることを特徴とするドリル加工方法。