JP4600990B2

JP4600990B2 - ドリル刃の動振れ測定方法

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Publication number: JP4600990B2
Application number: JP2005166835A
Authority: JP
Inventors: 喜彦岡山
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2005-06-07
Filing date: 2005-06-07
Publication date: 2010-12-22
Anticipated expiration: 2025-06-07
Also published as: JP2006343128A

Description

本発明は、その軸心が支持されて高速度に回転駆動されるドリル刃の動振れを光学的に、しかも簡易に検出可能なドリル刃の動振れ測定方法に関する。

近時、プリント回路基板の高密度実装化に伴い、その多層化が図られており、またプリント回路基板にスルーホールを形成して複数の層間を電気的に接続することも行われている。このようなスルーホールは、専ら、例えば直径が５０〜１００μｍ程度の微小なドリル刃を用い、このドリル刃を高速回転させてプリント回路基板に所定深さの孔を穿いて形成される。この際、所定径のドリル刃を選択して用いることは勿論のこと、このドリル刃を芯ぶれ（動振れ）のない状態でドリルのチャックに装着し、更にはドリル刃の先端位置を正確に把握して所定の深さまで孔を穿つことが重要である。しかしながらこの種の微小径のドリル刃の径（ドリル刃径）を機械的に計測したり、その芯ぶれ（動振れ）の有無等を機械的に確認したりすることは一般的には非常に困難であり、通常、光学的な計測手段が用いられる（例えば特許文献１,２,３を参照）。

しかしながら特許文献１,２,３に示されるようなドリル刃の光学的な計測手法は、ドリル刃による光の遮光を利用してその遮光幅をラインセンサ等により計測しているだけであり、直径が２００μｍ以下の微小径のドリル刃の径等を正確に計測することが困難であった。
これに対して本発明者は先にフレネル回折を生じた光の回折パターン（強度分布）をハイパボリックセカント関数sech（ｘ）によって近似した近似式を用いて、そのエッジ位置を簡易にしかも高精度に求める手法を提唱した（例えば特許文献４を参照）。また本発明者は、複数の受光セルが一方向に所定ピッチで配列されたラインセンサに向けて単色平行光を発する光源が照射する光路中に位置付けた高速度に回転駆動されるドリル刃等の棒状体の芯ぶれを光学的に、しかも簡易に検出可能とする方法を提唱した（例えば特許文献５を参照）。或いは発明者はラインセンサの出力からその光路中に位置付けられた遮蔽物のエッジ位置を、簡易にしてしかも精度良く検出することのできるエッジ検出装置も提唱している（例えば特許文献６を参照）。
特開２００３−１７０３３５号公報特開平７−３０６０２０号公報特開平７−２６０４２５号公報特願２００２−３４５９５８号特願２００４−３６６３２号特願２００４−３６６３４号

ところでドリル刃は、一般には例えば図４（ａ）に示したように二つの刃部７ａが螺旋状に捲き廻された所謂、二重螺旋構造が取られている。したがって矢視Ａ−Ａ方向から見たドリル刃７の断面形状は、図４（ｂ）に示されるような二つの刃部７ａが突出して鍵状に扁平したものとなっている。このような断面形状を有するドリル刃７の動振れを計測すべく上述した特許文献５に示されるようなレーザ放射光（発散光）を利用した芯ぶれ検出装置を適用した場合、ドリル刃７が動振れしていないにもかかわらず動振れがあるものと検出されることがある。

つまり上述した芯ぶれ検出装置は、概略的には図５に示されるように一方向に所定のピッチで配列した複数の受光セルを備えたラインセンサ（受光部）１と、このラインセンサ１の受光面に対峙して設けられて該ラインセンサ１の複数の受光セルの全幅に向けて単色光を投光する点光源２ａ（例えばレーザダイオード）とを備えて構成される。ちなみにラインセンサ１は、例えば１０２個の受光セルを８５μｍのピッチで配列し、長辺８.７ｍｍ×短辺０.０８ｍｍの受光面を形成したものからなっている。

このように構成された芯ぶれ検出装置において、点光源２ａとラインセンサ１との間の光路中の所定位置に配置されたドリル刃７が回転することによって、図５（ａ）に示したようにドリル刃７の二つの刃部７ａ（エッジ位置）とラインセンサ１との距離は、不一致となる。したがって、それぞれの刃部７ａの拡大率が異なることになる。
より具体的にドリル刃７の二つの刃部７ａ（エッジ位置）の光軸方向の差をφh、光軸に直角方向の差をφvとすれば、点光源２ａ近傍側のドリル刃７の刃部７ａとラインセンサ１との距離Ｚ_Ｌは、点光源２ａとラインセンサ１との距離をＳＤ、ドリル刃７とラインセンサ１との距離をＷＤとすれば、
Ｚ_Ｌ＝ＷＤ＋φh／２
であり、ラインセンサ１の受光面近傍側のドリル刃７とラインセンサ１との距離Ｚ_Ｒは、
Ｚ_Ｒ＝ＷＤ−φh／２
である。すると投光部２近傍側のドリル刃７のエッジにおける拡大率Ｍ_Ｌおよびラインセンサ１に近い側のドリル刃７のエッジにおける拡大率Ｍ_Ｒは、それぞれ、
Ｍ_Ｌ＝ＳＤ／（ＳＤ−Ｚ_Ｌ）
Ｍ_Ｒ＝ＳＤ／（ＳＤ−Ｚ_Ｒ）
となる。したがって、ラインセンサ１の受光面上における遮蔽長さ２Ｄは、
２Ｄ＝φv／２×Ｍ_Ｌ＋φv／２×Ｍ_Ｒ
になる。よって、センタ位置のずれΔＤは、
ΔＤ＝（φv×Ｍ_Ｌ＋φv×Ｍ_Ｒ）／４−φv／２×Ｍ_Ｒ
となる。このためドリル刃７のセンタ位置は、真のドリル刃７のセンタ位置からΔＤだけずれることになり、正しいセンタ位置を検出することができないという問題がある。

或いは、チャックに装着（チャッキング）されたドリル刃７は、そのチャッキングの状態によって同じ動振れ幅であっても異なった動振れ幅が測定されることがある。これは、恒星の周囲における所定の軌道上を衛星が公転することに相当するドリル刃７の動振れと、衛星の自転に相当するドリル刃７の回転とが同期していることに由来する。例えば図６、図７は、それぞれ同じ動振れ幅であるにもかかわらず、図６に示したようにドリル刃７の公転方向とドリル刃７の断面の長手方向が一致する場合に比べて、ドリル刃７の断面の長手方向が直交する場合は、動振れ幅が小さく測定されてしまう。つまり、同じ動振れ幅であるにもかかわらず検出された最大遮光幅からドリル刃７の径を単純に引いただけでは、ドリル刃７のチャッキングの状態によって動振れ幅が異なって計測されるという問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、チャッキングされたドリル刃７が高速に回転している場合であってもチャッキング状態の如何によらずその動振れ幅を光学的にしかも確実に検出することのできるドリル刃７の動振れ測定方法を提供することにある。

上述した目的を達成すべく本発明に係るドリル刃の動振れ測定方法は、複数の受光セルを一方向に所定のピッチで配列したラインセンサと、このラインセンサの上記複数の受光セルに向けて単色光を投光する光源と、軸方向を前記受光セルの配列方向と略直角にして上記単色発散光の光路に位置付けられて回転すると共に、前記軸方向に移動するドリル刃の径を、前記ラインセンサの出力を解析して求める演算部を具備し、
前記演算部は、前記ドリル刃をその軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃のエッジが前記ラインセンサの受光面を変位する最大変位幅の計測値から該ドリル刃がラインセンサを遮光する最大遮光幅の計測値を引いて前記ドリル刃の動振れ幅を求めることを特徴としている。

尚、前記演算部については、前記ドリル刃を軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃のエッジが前記ラインセンサの受光面を遮光する幅が最大になったときにおける前記ドリル刃のセンタ位置の変位幅の最大値を、前記ドリル刃の動振れ幅として求めるように構成することも可能である。
或いは前記演算部を、前記ドリル刃を軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃のエッジが前記ラインセンサの受光面を遮光する幅が最小になったときにおける前記ドリル刃のセンタ位置の変位幅の最大値を、前記ドリル刃の動振れ幅として求めるように構成することも可能である。

本発明の請求項１に記載のドリル刃の動振れ測定方法によれば、ドリル刃をその軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃のエッジが前記ラインセンサの受光面を変位する最大変位幅から該ドリル刃がラインセンサを遮光する最大遮光幅を引いて前記ドリル刃の動振れ幅を求めている。このため、本発明のドリル刃の動振れ測定方法は、ドリル刃のチャッキング状態の影響を受けることなく、動振れ幅を精度良く計測することができる。

尚、前述したように、ドリル刃をその軸方向に移動させながら回転させたとき、一回転につき二回、ドリル刃のエッジがラインセンサの受光面を遮光する幅が最大になる点に着目し、最大遮光幅のときの左右エッジ位置から、このドリル刃のセンタ位置を求めてセンタ位置の最大変位幅を計測しているので、レーザ放射光を用いることで正確にセンタ位置を求め得ることと相俟って、ドリル刃の動振れ幅を精度良く計測することができる。

またドリル刃をその軸方向に移動させながら回転させたとき、一回転につき二回、ドリル刃のエッジがラインセンサの受光面を遮光するが最小になる点に着目し、最小遮光幅のときの左右エッジ位置を計測してドリル刃のセンタ位置を求め、このセンタ位置の最大変位幅を計測しているので、ドリル刃の動振れ幅を精度良く計測することができる。

以下、本発明のドリル刃の動振れ測定方法の第一の実施形態について添付図面を参照しながら説明する。尚、図１、図２は発明を実施する形態の一例であるが、この図によって本発明が限定されるものではない。また図中、上述した従来のドリル刃の動振れ測定方法と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は従来のものと同様である。
図１は、ドリル刃の動振れ測定に用いられる動振れ検出装置の要部概略構成を示し、図２は、図１の要部概略構成から投光部および受光部近傍を抽出して描いた概略構成図である。

この動振れ検出装置は、概略的には一方向に所定のピッチで配列した複数の受光セルを備えたラインセンサ（受光部）１と、このラインセンサ１の受光面に対峙して設けられて該ラインセンサ１の複数の受光セルの全幅に向けて単色光４を投光する投光部２とを備える。ラインセンサ１は、例えば１０２個の受光セルを８５μｍのピッチで配列し、長辺８.７ｍｍ×短辺０.０８ｍｍの受光面を形成したものからなる。またマイクロコンピュータ等により実現される装置本体３は、前記ラインセンサ１の出力（各受光セルの受光量）を解析することで前記単色光４の光路に位置付けられた遮蔽物（ドリル刃）７の前記受光セルの配設方向におけるドリル刃の動振れ幅を高精度に検出する役割を担う。

ちなみに投光部２は、所定の拡がり角を有する単色光（レーザ光）をそのまま前記ラインセンサ１に向けて投光するレーザダイオード（ＬＤ）等の点光源２ａを備えて構成される。このような投光部２は、例えば前述したラインセンサ１と共に所定の隙間（空間部）４を形成したコの字状の筐体５に上記隙間を挟んで互いに対峙させて一体に組み込まれて一つのセンシングユニットとして形成される。尚、点光源２ａとしてレーザダイオード（ＬＤ）を用いた場合、ＬＤは楕円状の強度分布を有するレーザ光を射出するので、このレーザ光の長軸方向がラインセンサ１の長手方向となるように光学系を設定することが望ましい。

一方、装置本体３は、前記ラインセンサ１の出力（各受光セルの受光量）を取り込んで該ラインセンサ１の受光面上における光強度分布を求める入力バッファ３ａを備える。また装置本体３は、ドリル刃７の端部（エッジ）の位置、具体的にはラインセンサ１での受光パターンの受光セルの配列方向におけるエッジ位置を検出するエッジ検出部３ｂを備えている。このエッジ検出部３ｂは、ドリル刃７の端部（エッジ）において単色光のフレネル回折が生じ、その回折パターンがラインセンサ１の受光面に投影されているとして、その回折パターンの光強度分布を解析してエッジ位置を求めるものである（詳しくは、特許文献５、６等を参照）。また装置本体３は、更に上記エッジ検出部３ｂの出力を利用し、検査対象物としてのドリル刃７の径（ドリル刃径）を測定するドリル刃径計測部３ｃ、ドリル刃７の動振れを検出する動振れ検出部３ｄ（演算部）およびチャッキングされた検査対象物のドリル刃７の軸方向に制御させる駆動制御部３ｅを備えて構成される。

一方、ドリル刃７をチャッキングする工作機械本体には、装置本体３の駆動制御部３ｅの指令を受けて、チャッキングしたドリル刃７を軸方向に移動させる駆動部８を備えている。尚、ドリル刃７を軸方向に移動させるにあたっては、駆動制御部３ｅおよび駆動部８の駆動によらず、例えば手動で行ってもかまわない。
概略的には上述したように構成される装置に適用される本発明のドリル刃の動振れ測定方法が特徴とするところは、ドリル刃７をその軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃７のエッジがラインセンサ１の受光面を変位する最大変位幅の計測値からドリル刃７がラインセンサ１を遮光する最大遮光幅の計測値を引いてドリル刃の動振れ幅を求める点にある。

このような特徴ある本発明に係るドリル刃の動振れ測定方法についてより詳細に説明する。
ラインセンサ１は、チャッキングされて、その軸方向をラインセンサ１の配列方向と略直角にして投光部２から放射される単色発散光の光路に位置付けられて回転するドリル刃７が遮光する遮光量を検出する。このときドリル刃７が検出する遮光幅は、例えば図８に示すようにドリル刃７が一回転することを一周期としてφhとφvが周期的な変化を繰り返す。これはドリル刃７が前述した図４（ａ）に示したように二重螺旋構造をもつ刃部７ａを有しているため、その断面が図４（ｂ）に示されるような二つの刃部７ａが突出した鍵状に扁平した形態になっていることに由来する。

そして装置本体３は、駆動制御部３ｅから工作機械本体の駆動部８に対して指令を出力してドリル刃７をその軸方向に移動させる。このとき装置本体３のドリル刃径計測部３ｃは、ドリル刃７によって遮光される遮光量が最大になる最大遮光幅を計測する。具体的にこの最大遮光幅は、駆動部８によってドリル刃７をその軸方向に移動させたとき、図６や図７にそれぞれ示される状態に変化する。この図６および図７は、チャックのセンタ位置にドリル刃７が正しくチャッキングされておらず、それぞれ同じ動振れ幅ＳＷで動振れを生じていることを例示している。

ドリル刃７は、動振れがある場合、前述したように動振れ幅ＳＷを直径とする公転軌道上を回転する。図６は、この公転軌道上を回転するドリル刃７のエッジ部７ｂが、ドリル刃７の軸方向を鉛直に切った断面の長手方向が公転起動と略直交する方向にあり、図７は、長手方向が公転軌道の接線方向にあるときを示している。
この場合、ドリル刃７が図３（ａ）に示す状態、即ちドリル刃７の断面の長手方向が光路に対して直交する方向になったとき、ドリル刃７の遮光量の計測値が最大（最大遮光幅Ｓmax）になる。即ち、この最大遮光幅Ｓmaxは、投光部２とラインセンサ１との距離をＳＤ、ドリル刃７とラインセンサ１との距離をＷＤとすれば、ドリル刃７の直径φhmaxを次式で示される光学系の拡大率Ｍによって拡大した値に等しい。

拡大率Ｍ＝ＳＤ／（ＳＤ−ＷＤ）
またドリル刃７によって遮光される遮光領域は、ドリル刃７の回転（動振れ）にともなって、ラインセンサ１の受光面上を変位する。エッジ検出部３ｂは、この受光面上を変位するドリル刃７のエッジを検出して、その変位幅の最大値（最大変位幅Ｄmax）を計測する。

そして動振れ検出部３ｄは、エッジ検出部３ｂが検出した最大変位幅Ｄmaxからドリル刃径計測部３ｃが計測した最大遮光幅Ｓmaxを引いた値を拡大率Ｍで割ることで動振れ幅ＳＷを得る。つまり、動振れ検出部３ｄは、
ＳＷ＝（Ｄmax−Ｓmax）／Ｍ
の演算をすれば、動振れ幅を求めることができる。

かくして本発明のドリル刃の動振れ測定方法によれば、ドリル刃７をその軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃７のエッジがラインセンサ１の受光面を変位する最大変位幅から、ドリル刃７がラインセンサ１を遮光する最大遮光幅を引いて動振れ幅を求めているので、ドリル刃７のチャッキング状態の影響を受けることなく、動振れ幅を精度良く計測することができる。

また動振れ検出部３ｄは、上述した方法のほかドリル刃７をその軸方向に移動させながら回転させたとき、ドリル刃７のエッジがラインセンサ１の受光面を変位する最大変位幅から導かれるドリル刃７のセンタ位置の振れ幅の最大値を測定することでドリル刃７の動振れ幅を求めてもよい。
この方法は、動振れしながら回転するドリル刃７の径が最大になるのは、ドリル刃７が公転軌道を一回転するうち二回あることを利用している。具体的には、図６のＡおよびＢの部位にドリル刃７が来たとき、ラインセンサ１が最大遮光幅Ｄmaxを検出する。この図の状態になるようにドリル刃７をその軸方向に移動させて検出される最大遮光幅になったときにおける両端のエッジ位置の計測値から、そのセンタ位置を求め、このセンタ位置の変位量ＣＤを検出すれば、ドリル刃７の動振れ幅ＳＷを光学系の拡大率Ｍ倍した値が得られる。したがって、動振れ検出部３ｄは、［ＳＷ＝ＣＤ／Ｍ］とした演算を施せばドリル刃７の動振れ幅ＳＷを求めることができる。

かくして本発明のドリル刃の動振れ測定方法によれば、ドリル刃７をその軸方向に移動させながら回転させたとき、一回転につき二回、ドリル刃のエッジがラインセンサ１の受光面を遮光する幅が最大になる点、即ち最大遮光幅になったとき、二つの刃部７ａ（エッジ位置）とラインセンサ１との距離が等しく、ドリル刃７の両端のエッジ位置が正確に求まることから、このドリル刃７のセンタ位置を求めてセンタ位置の最大変位幅を計測して動振れ幅を求めているので、ドリル刃７の動振れ幅を精度良く計測することができる。ちなみにこの最大遮光幅になるのは、図３（ａ）に示すようにドリル刃７の軸方向を鉛直に切った断面における長手方向が光軸方向に直行したときである。

同様に前記動振れ検出部３ｄは、ドリル刃７をその軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃７のエッジがラインセンサ１の受光面を遮光するが最小になる点、即ち最小遮光幅になったとき、二つの刃部７ａ（エッジ位置）とラインセンサ１との距離が等しく、ドリル刃７の左右エッジ位置が正確に求まり、ドリル刃７のセンタ位置の振れ幅の最大値（最大変位幅）を求めてドリル刃７の動振れ幅を求めてもよい。

この最小遮光幅になるのは、図３（ｂ）に示すようにドリル刃７の軸方向を鉛直に切った断面における長手方向が光軸方向にあるときである。
したがって公転軌道上を回転するドリル刃７の径が最小になるのは、ドリル刃７が一回転するうち二回ある。具体的には、図７のＡおよびＢの部位にドリル刃７が来たとき、ラインセンサ１が最小遮光幅Ｄminを検出する。この図の状態になるようにドリル刃７をその軸方向に移動させたときに最小遮光幅が検出されたとき、両端のエッジ位置から、そのセンタ位置を求め、このセンタ位置の変位量ＣＤを検出すれば、ドリル刃７の動振れ幅ＳＷを光学系の拡大率Ｍ倍した値が得られる。したがって、動振れ検出部３ｄは、求めるドリル刃７の動振れ幅ＳＷを［ＳＷ＝ＣＤ／Ｍ］とした演算を施して求めることができる。

かくして本発明のドリル刃の動振れ測定方法によれば、ドリル刃７をその軸方向に移動させながら回転させたとき、一回転につき二回、ドリル刃７のエッジ（刃部７ａ）がラインセンサ１の受光面を遮光する幅が最小になる点、即ち最小遮光幅を検出して、そのときのドリル刃７のセンタ位置を求めて、このセンタ位置の最大変位幅から動振れ幅を求めているのでドリル刃７の動振れ幅を精度良く計測することができる。

尚、本発明のドリル刃の動振れ測定方法は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更することが可能である。
例えば、ドリル刃７をその軸方向に移動させたときに図６のＣおよびＤの位置にドリル刃７が来たとき、それぞれの遮光幅の計測値は、極小になる。そこで動振れ検出部３ｄは、Ｃの位置にドリル刃７が来たときに計測される遮光幅からドリル刃のセンタ位置ＣＬを求め、次いで、Ｄの位置にドリル刃７が来たときに計測される遮光幅からドリル刃のセンタ位置ＣＲを導く。するとＣＬとＣＲの差の最大値から動振れ幅を求めることができる。

或いは、動振れがない状態にチャッキングされたドリル刃を回転させたときの遮光幅やの変化は、ある周期関数になる。この周期関数をドリルの径や種類の違い毎に基準関数として予め保持しておき、計測対象となるドリルを計測したときに得られた遮光幅の変化との差分を求め、センタ位置のずれ、即ち動振れを求めるようにしてもよい。この場合のドリル刃の動振れ測定方法は、より精度の高い動振れ幅を計測することができる等、実用上多大なる効果を奏する。

本発明のドリル刃の動振れ測定方法が適用される検出装置の要部概略構成を示す図。図１に示す検出装置における投光部および受光部近傍を拡大して描いた構成図。ドリル刃が回転したとき、ラインセンサに到達する発散光を遮光する様子を示した図。ドリル刃の外形の一例を示す図。発散光を利用したドリル刃の動振れ検出装置の測定原理を示す図。動振れ状態にあるドリル刃を測定したときの測定原理を示す図。図６とは異なる様態にある動振れしたドリル刃を測定したときの測定原理を示す図。動振れ状態にあるドリル刃を測定したときにおけるドリル刃の径の検出値およびセンタ位置の振れ（動振れ）の一例を示す図。

符号の説明

１ラインセンサ
２ａ点光源
３装置本体
３ａ入力バッファ
３ｂエッジ検出部
３ｃドリル刃径計測部
３ｄ動振れ検出部
３ｅ駆動制御部
４単色光
７ドリル刃
８駆動部

Claims

複数の受光セルを一方向に所定のピッチで配列したラインセンサと、
このラインセンサの上記複数の受光セルに向けて単色光を投光する光源と、
軸方向を前記受光セルの配列方向と略直角にして上記単色発散光の光路に位置付けられて回転すると共に前記軸方向に移動するドリル刃の径を、前記ラインセンサの出力を解析して求める演算部を具備し、
前記演算部は、前記ドリル刃をその軸方向に移動させながら回転させたとき、該ドリル刃のエッジが前記ラインセンサの受光面を変位する最大変位幅の計測値から該ドリル刃がラインセンサを遮光する最大遮光幅の計測値を引いて前記ドリル刃の動振れ幅を求めることを特徴とするドリル刃の動振れ測定方法。