ＣＮＣルータでの両面基板制作 HeightMap [CNC]
「レトロマイコンZ80ボードの構想（その18）BDS-C」の記事に貼った写真のように３チップ構成のＣＰ／Ｍボードの両面基板の作成が難航しています・・^^;
10cm程度の大きさの基板では基板の歪み？等からZ軸を一定にすることが難しくなってきてミリング不足で銅層を切断できない部分が発生してしまいます。
使用しているgrblControl Ver0.8にはHeightMapを自動生成する機能があり、「マーティーの工房日誌」等を参考にさせて頂きHeightMap機能を使ってみました。
コントロール基板のA5端子がエンドミルと基板の導通状態の入力になり、エンドミル部分とモーターのケースが導通状態だったので、モーターケースにピンヘッダを半田付けし、コントロール基板のGNDを接続しています。ネット情報ではモーターシャフトに接続している例が殆どですが、モーターケースに取付けることで取り外し忘れによるシャフトへのコードの絡まり事故の危険がなくなります。
また、モータ側をA5にしている例が殆どですがモーターからのノイズを考慮してGND側を接続しました。
A5端子からケーブルを伸ばしてミノムシグリップで基板に接続した状態でプローブしてMAPを自動生成しました。
基板の浮きによる測定誤差が出ないように基板は捨て板（MDF)に両面テープで張り付けました。
（両面テープはScoch製の「はがせる両面テープ」（厚さ0.15mm）を使っていて剥がし易いように基板側の接着面を手で何回かタッチして粘着力を低下させてから貼り付けましたが結局剥がすのが大変でした・・これは今後の課題です）
赤い部分が上に上がっている（Z軸の数値が大きい）部分です。
Ｚ軸のゼロ調整の同じ原理で自動でできるのですが、従来の手作業でやっていた時より結構上側で調整されました。
手で調整する時はエンドミルを少し基板に押し付ける感じでやっていてパターン切削時のＺ軸は-0.04～-0.06mm程度の設定にしていましたが、今回はＺ軸-0.06mmではミリングが不十分で結局-0.12mmの位置をゼロに設定し直しました。
しかし、ミリング結果は（写真を撮ってない^^;）は上図の赤色部分（特に奥の方）が切削不足という結果でした orz
原因はマイクロレベルで右側が浮いていた？（であれば捨て板への基板の取付方法が問題ということになる）
結局、HeightMapを未使用状態にして、切削不足の部分を再度切削し直しました。
（NCVCでNCファイルを再生させて必要な部分を特定してからテキストエディタでNCファイルを編集して必要な部分のみ残す・・という作業をしています＾＾；）
トップ面は明日やってみます・・・
★2018/04/29 追記
トップ面のミリングをやってみました。
CNCでアウトラインの切出しも行ったのでボトム面も含め写真を貼っておきます。
ボトム面とトップ面の位置合せは四隅に開けた穴で行っていてソルダーレジスト塗布時にPCBに穴があると穴にソルダーレジストが詰まるので次の順番での作業を予定しています。
トップ面の切削開始時に最初に左下のホールのアイソレーション用の円形を切削するのですが、ホールの位置にたいしてズレていることが判りました。
そこで原点のY軸側を+0.8mmして穴が中心になるように調整しました（それまで原点はいじっていないのに何故ずれた？？）
トップ面の切削結果を見ると右側の二つのホールをアイソレーションする円形の切削がY軸に+0.8mm程度ズレてしまっていますねぇorz
最初は切削の深さが足りなかったので調整したのですが、Y軸調整する前の切削痕が残っていました。（マイクロスコープは上下左右が逆転します）
現象としてはX軸が約100mm進むとY軸が0.8mm増加するということになります。
これはCNCのX軸とY軸が正確に直行していないということだと思います。この調整は結構大変そう・・・
久々にマイクロスコープを使ったのでボトム面のViaとトップ面のTQFPのピンを貼っておきます。
ボトム面は今回ほぼ想定通りの切削が出来ました。
トップ面は直線部分が少しヨレヨレになっているところもあり、想定より悪い状態です。
特にTQFP周りは配線がかなり細くなったり、TQFPのピン間に余分な細い銅層が残ったりしていて想定より悪い出来でした。
ボトム面の切削時は両面テープで基板を固定していたのですが剥がすのが結構大変だったのでトップ面では基板の淵をマスキングテープで固定して切削しました。
流石にマスキングテープでは固定力が弱かったことが出来の悪さの一つの原因ではないかと思います。
★2018/04/30 追記
切削した基板を眺めてみると腑に落ちない点が出来てきました。
DesignSparkMechanicalを使って再現シミュレーションをしてみました。
始めに歪みがある状態でボトム面を再現
次の手順（1項は上記の操作）で検証してみました。
再現結果が下図です。
確かに今回起きた現象が再現されます。
ここで不思議なのが基板切り出しはトップ面で行っているのでボトム面の基板の淵の四角形が切出した基板に対して傾いているはずなのですが上のボトム面の写真を見ると基板の切出しと基板の淵の四角形の関係は傾いておらず、Y軸のみ0.8mmズレているように見えます・・・・何故？？
ボトム面の切削時に四隅に開けた位置決め用のホール（捨て板にも開いている）にトップ面を上にしてピンを立ててみました。
ピンが多少傾きますがきちんと立ちます（なので平行四辺形ではないということ）。
じゃ～ズレの原因はY軸の脱調？？
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10cm程度の大きさの基板では基板の歪み？等からZ軸を一定にすることが難しくなってきてミリング不足で銅層を切断できない部分が発生してしまいます。
使用しているgrblControl Ver0.8にはHeightMapを自動生成する機能があり、「マーティーの工房日誌」等を参考にさせて頂きHeightMap機能を使ってみました。
コントロール基板のA5端子がエンドミルと基板の導通状態の入力になり、エンドミル部分とモーターのケースが導通状態だったので、モーターケースにピンヘッダを半田付けし、コントロール基板のGNDを接続しています。ネット情報ではモーターシャフトに接続している例が殆どですが、モーターケースに取付けることで取り外し忘れによるシャフトへのコードの絡まり事故の危険がなくなります。
また、モータ側をA5にしている例が殆どですがモーターからのノイズを考慮してGND側を接続しました。
| ハイトマップ用ピン |
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A5端子からケーブルを伸ばしてミノムシグリップで基板に接続した状態でプローブしてMAPを自動生成しました。
基板の浮きによる測定誤差が出ないように基板は捨て板（MDF)に両面テープで張り付けました。
（両面テープはScoch製の「はがせる両面テープ」（厚さ0.15mm）を使っていて剥がし易いように基板側の接着面を手で何回かタッチして粘着力を低下させてから貼り付けましたが結局剥がすのが大変でした・・これは今後の課題です）
| 自動生成されたハイトマップ |
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赤い部分が上に上がっている（Z軸の数値が大きい）部分です。
Ｚ軸のゼロ調整の同じ原理で自動でできるのですが、従来の手作業でやっていた時より結構上側で調整されました。
手で調整する時はエンドミルを少し基板に押し付ける感じでやっていてパターン切削時のＺ軸は-0.04～-0.06mm程度の設定にしていましたが、今回はＺ軸-0.06mmではミリングが不十分で結局-0.12mmの位置をゼロに設定し直しました。
しかし、ミリング結果は（写真を撮ってない^^;）は上図の赤色部分（特に奥の方）が切削不足という結果でした orz
原因はマイクロレベルで右側が浮いていた？（であれば捨て板への基板の取付方法が問題ということになる）
結局、HeightMapを未使用状態にして、切削不足の部分を再度切削し直しました。
（NCVCでNCファイルを再生させて必要な部分を特定してからテキストエディタでNCファイルを編集して必要な部分のみ残す・・という作業をしています＾＾；）
トップ面は明日やってみます・・・
| ボトム面切削結果 |
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★2018/04/29 追記
トップ面のミリングをやってみました。
CNCでアウトラインの切出しも行ったのでボトム面も含め写真を貼っておきます。
| ボトム面 |
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| トップ面 |
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ボトム面とトップ面の位置合せは四隅に開けた穴で行っていてソルダーレジスト塗布時にPCBに穴があると穴にソルダーレジストが詰まるので次の順番での作業を予定しています。
- ボトム面の切削
- 四隅の穴開け
- トップ面の切削
- 基板切り出し
- ソルダーレジスト塗布
- 残りの穴開け
トップ面の切削開始時に最初に左下のホールのアイソレーション用の円形を切削するのですが、ホールの位置にたいしてズレていることが判りました。
そこで原点のY軸側を+0.8mmして穴が中心になるように調整しました（それまで原点はいじっていないのに何故ずれた？？）
トップ面の切削結果を見ると右側の二つのホールをアイソレーションする円形の切削がY軸に+0.8mm程度ズレてしまっていますねぇorz
最初は切削の深さが足りなかったので調整したのですが、Y軸調整する前の切削痕が残っていました。（マイクロスコープは上下左右が逆転します）
| ボトムとトップのY軸ズレ（トップ面左下ホール部） |
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現象としてはX軸が約100mm進むとY軸が0.8mm増加するということになります。
これはCNCのX軸とY軸が正確に直行していないということだと思います。この調整は結構大変そう・・・
久々にマイクロスコープを使ったのでボトム面のViaとトップ面のTQFPのピンを貼っておきます。
ボトム面は今回ほぼ想定通りの切削が出来ました。
| ボトム面のVia |
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トップ面は直線部分が少しヨレヨレになっているところもあり、想定より悪い状態です。
特にTQFP周りは配線がかなり細くなったり、TQFPのピン間に余分な細い銅層が残ったりしていて想定より悪い出来でした。
ボトム面の切削時は両面テープで基板を固定していたのですが剥がすのが結構大変だったのでトップ面では基板の淵をマスキングテープで固定して切削しました。
流石にマスキングテープでは固定力が弱かったことが出来の悪さの一つの原因ではないかと思います。
| トップ面のTQFPのピン |
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★2018/04/30 追記
切削した基板を眺めてみると腑に落ちない点が出来てきました。
DesignSparkMechanicalを使って再現シミュレーションをしてみました。
始めに歪みがある状態でボトム面を再現
| ボトム面再現 |
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次の手順（1項は上記の操作）で検証してみました。
- （ｘ、ｙ）＝（100,70）の四角形の右端の辺を0.5mm上（Y軸）にずらした平行四辺形を作成
- 厚さ1mm(Z軸)の３Dオブジェクト化（紫色）
- Z軸方向に2mm移動して複写（ピンク色）
- 複写したものをY軸で180度回転
- 左下のホールがズレるので複写したものを-0.5mmY軸方向に移動
再現結果が下図です。
| トップ面(ピンク)再現 |
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確かに今回起きた現象が再現されます。
ここで不思議なのが基板切り出しはトップ面で行っているのでボトム面の基板の淵の四角形が切出した基板に対して傾いているはずなのですが上のボトム面の写真を見ると基板の切出しと基板の淵の四角形の関係は傾いておらず、Y軸のみ0.8mmズレているように見えます・・・・何故？？
ボトム面の切削時に四隅に開けた位置決め用のホール（捨て板にも開いている）にトップ面を上にしてピンを立ててみました。
ピンが多少傾きますがきちんと立ちます（なので平行四辺形ではないということ）。
じゃ～ズレの原因はY軸の脱調？？
| トップ面での位置決めピン |
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ＣＮＣルータでの両面基板制作（その３）ステッパーの熱対策 [CNC]
「ＣＮＣルータでのモーターノイズ対策とＰＣＢ制作」の記事の最後の方で書いたようにプリント基板切削中にＺ軸のステッパーモーターが結構熱くなるので、熱対策用としてAmazonで注文していたビデオカード用のファンクーラーが届きました。
モーター内のマグネットには熱はよくないので早速ＣＮＣルーターにファンクーラーを取付けました。
取付用のアタッチメントは例のごとく３Ｄプリンタで作りました。下図のような構造です（取付ける時は上下逆になります）。
電源はスピンドルモーターと共用にしたのでスピンドルモーターが回転中（＝切削中）にファンも動作します。
左下がファンクーラーの写真で放熱フィンの中央に小型のファンが付いています。Amazonで300円弱でした。
右下が取付後の写真です。見た目もまぁまぁな出来だと思います。 ^^
スピンドルモーターの上下の動作と干渉しないように少し奥の方に付けました。
これで熱の心配をすることなくプリント基板等を切削できます。 ^^
尚、今回作成したファンクーラーの取付アタッチメントのＳＴＬファイルは下のリンクからダウンロードできます（商用利用以外であれば自由に使用可能）
CoolerFixer_003.zip
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モーター内のマグネットには熱はよくないので早速ＣＮＣルーターにファンクーラーを取付けました。
取付用のアタッチメントは例のごとく３Ｄプリンタで作りました。下図のような構造です（取付ける時は上下逆になります）。
| ファンクーラー取付アタッチメント |
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電源はスピンドルモーターと共用にしたのでスピンドルモーターが回転中（＝切削中）にファンも動作します。
左下がファンクーラーの写真で放熱フィンの中央に小型のファンが付いています。Amazonで300円弱でした。
右下が取付後の写真です。見た目もまぁまぁな出来だと思います。 ^^
スピンドルモーターの上下の動作と干渉しないように少し奥の方に付けました。
これで熱の心配をすることなくプリント基板等を切削できます。 ^^
| 購入したファンクーラー | ＣＮＣへ取付後 |
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尚、今回作成したファンクーラーの取付アタッチメントのＳＴＬファイルは下のリンクからダウンロードできます（商用利用以外であれば自由に使用可能）
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ＣＮＣルータでの両面基板制作（その２） Via処理と基板制作 [CNC]
「ＣＮＣルータでの両面基板制作」の記事で書いたようにCNCルータでの SSOPパッケージを実装した両面プリント基板作成が可能であることが見えてきたのでＣＮＣルーターでの両面プリント基板作成の一連の作業を行ってみました。
まず、Via の処理についてですが、「両面プリント基板の制作実験（その７）オブラート転写方式」の記事の最後にViaの処理について 0.30mm のドリル穴に 0.20mm の銅線を通して行う方法を書きました。
しかしこの方法は銅線を手で押さえながら半田付けする必要があり、ヒートガンでまとめて半田付けするのは困難です。また、0.20mmの銅線を扱うため微細な作業が必要になります。
円錐形の銅線があればドリル穴に押し込んで基板からはみ出した分をカットするようなこともできそうですがこのような都合のいい銅線はありません・・・
いろいろ検討した結果、次のような手法で Via 処理を行いました。
「曲げ固定Via処理法」と命名します。
このような Via 処理であれば手配線と比べても作業が効率的です。
因みＩＣソケット部はスルホール処理は行わず、部品の足からの配線は全てボトム面で行うようにしています。
★2017/11/05 追記 {
スルホール処理を行っていなかったため、top面とbottom面のグランドのベタパターンが接続されていなかったのでコネクタ部分のグランドピンでtop面も半田付けすることで表裏のグランドパターンを接続しました。
「OnebitLoaderでPIC16F88書き込み時のエラー対処」の記事を参照してください。
}
それでは基板作成作業について順を追って記載します。
以上が今回行ったＣＮＣルーターでの両面基板作成および部品実装作業の概要です。
部品実装では SSOPパッケージの半田付けが大変でした。クリーム半田塗布用のステンシルを作らなかったので、まずクリーム半田をピン毎に塗布することが困難・・
結局 SSOP のピン部分に多めにクリーム半田を塗り、３ヶ所ブリッジが発生しました。^^;
普段は全く使わないのですが、今回は半田吸い取り線を使い、何とかブリッジを対処しました。
プリント基板はできても部品実装で課題があります・・・
★2017/11/05 追記
今回作成したパターンではSSOPの直下にViaがあったため、Via処理で基板面から出っ張る部分があり、SSOPパッケージの半田付けの難易度が高くなってしまいました。
SSOPの下にはViaを作成しないようにすればSSOPパッケージの半田付けは楽になります。
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まず、Via の処理についてですが、「両面プリント基板の制作実験（その７）オブラート転写方式」の記事の最後にViaの処理について 0.30mm のドリル穴に 0.20mm の銅線を通して行う方法を書きました。
しかしこの方法は銅線を手で押さえながら半田付けする必要があり、ヒートガンでまとめて半田付けするのは困難です。また、0.20mmの銅線を扱うため微細な作業が必要になります。
円錐形の銅線があればドリル穴に押し込んで基板からはみ出した分をカットするようなこともできそうですがこのような都合のいい銅線はありません・・・
いろいろ検討した結果、次のような手法で Via 処理を行いました。
「曲げ固定Via処理法」と命名します。
- ドリル穴と線材
Via部分には直径 0.40mm の穴を開け、0.30mmの太さのスズメッキ線を使用する。Viaホールと線材が太くなったので作業し易くなるし、スズメッキ線は銅線より硬いので後述の固定力も強い。
- スズメッキ線の挿入
Via ホールにスズメッキ線を通してスズメッキ線の先端を下の左側の図のように曲げる。
- スズメッキ線の固定
スズメッキ線を少しづつ引っ張って曲げた部分がViaホールの中央に来るようする。この状態ではスズメッキ線は基板に固定され、ある程度の力で引っ張っても押しても動かない状態になる。
見づらいですが下の右側の写真が固定されたスズメッキ線の写真です。
- スズメッキ線の切断
スズメッキ線を適当な長さ（プリント基板の表面より 0.5mm 程度出るくらい）で切断する。先端側も同様に切断する、これでスズメッキ線がプリント基板の表面及び裏面から0.5mm程度出た状態で固定される。
慣れてくると曲げる位置を調整することで先端の切断はしなくても 0.5mm くらい出た状態にできるようになる。
- 半田付け
クリーム半田を付けてヒートガンで加熱することでまとめて半田付けができる。
| Viaホール部分の断面図 | 固定状態のスズメッキ線 |
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このような Via 処理であれば手配線と比べても作業が効率的です。
因みＩＣソケット部はスルホール処理は行わず、部品の足からの配線は全てボトム面で行うようにしています。
★2017/11/05 追記 {
スルホール処理を行っていなかったため、top面とbottom面のグランドのベタパターンが接続されていなかったのでコネクタ部分のグランドピンでtop面も半田付けすることで表裏のグランドパターンを接続しました。
「OnebitLoaderでPIC16F88書き込み時のエラー対処」の記事を参照してください。
}
それでは基板作成作業について順を追って記載します。
- CNCルータでボトム面のパターン切削と位置合せ用の穴開け
ＣＮＣルーターでボトム面のパターンを切削します。
切削後に位置合せ用の穴を開けます。FlatCAMは両面プリント基板作成用の機能として位置合せ用の穴情報を生成することができますが、今回は基板固定用の四隅の穴を位置合せ用に使いました（そのために穴の位置は基板の中心線に対して線対称の位置に配置する必要がありますが、位置合せ専用の穴が不要になるので作業が効率化できます。
この穴は直径1.5mmで基板の下の捨て板に3.5mmの深さまであけました。また基板を裏返す場合などの位置合せ時は直径1.4mmのドリルの歯のない方を捨て板の穴に刺して行いました。
位置合せ用の適当な太さで短い金属棒があればいいのですが・・（最初は爪楊枝を加工して作ろうかとも思いましたがちょっと太すぎる）
下の写真では穴の位置が少しずれていますが切削後にＣＮＣの原点をずらしてしまったためです ^^;;;
マイクロスコープでずれ分を測定し、原点を補正したのでトップ面とボトム面のずれはわずかなはずです。
下の写真では基板が切出された状態ですが、この時点では基板切り出しはまだ行いません。
ボトム面の切削と穴あけ
- トップ面の切削と基板切り出し
プリント基板を裏返してトップ目のパターンを切削します。
プリントパターンを切削後、基板の切出しを行います。
トップ面の切削
- ソルダーレジスト処理
「両面プリント基板の制作実験（その７）オブラート転写方式」の記事に書いた方法でソルダーレジスト処理を行います。
位置合せのホール以外のホールを開けていないのは穴が開いているとソルダーレジストが穴に入り込んでしまう為です。
トップ面の右下でソルダーレジストが剥がれていますがソルダーレジストを部分的に塗布することで修正することが可能ですが時間節約のためそのままにしています・・
ソルダーレジスト（トップ面） ソルダーレジスト（ボトム面）
- Via及び部品取り付け用の穴開け
再度ＣＮＣに基板を取り付け（当然、位置合せ用穴を使って位置合せもする）、Via と部品取り付け用の穴を開けます。
Viaは前述のように 0.40mm、部品用の穴は 0.60mm にしています。
- 部品取り付け
上記の曲げ固定Via処理法でVia処理後、部品を取り付けます。
部品取り付け後（トップ面） 部品取り付け後（ボトム面）
以上が今回行ったＣＮＣルーターでの両面基板作成および部品実装作業の概要です。
部品実装では SSOPパッケージの半田付けが大変でした。クリーム半田塗布用のステンシルを作らなかったので、まずクリーム半田をピン毎に塗布することが困難・・
結局 SSOP のピン部分に多めにクリーム半田を塗り、３ヶ所ブリッジが発生しました。^^;
普段は全く使わないのですが、今回は半田吸い取り線を使い、何とかブリッジを対処しました。
プリント基板はできても部品実装で課題があります・・・
★2017/11/05 追記
今回作成したパターンではSSOPの直下にViaがあったため、Via処理で基板面から出っ張る部分があり、SSOPパッケージの半田付けの難易度が高くなってしまいました。
SSOPの下にはViaを作成しないようにすればSSOPパッケージの半田付けは楽になります。
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ＣＮＣルータでの両面基板制作 [CNC]
「ＣＮＣルータでのモーターノイズ対策とＰＣＢ制作」の記事でＣＮＣでの基板切削時の基板の固定があまいため切削結果が思わしくなかったと考えられる（特にガラエポ基板側）というようなことを書きました。
しかし、切削結果のパターンをよく見てみると腑に落ちない部分が出てきます。
以上からマスキングテープでの固定があまくて基板が動いたというよりはズレの状態として何通りか安定した状態があり、一旦安定したずれ状態に陥るとその状態が継続しているように思えます。（なので円形はカクカクした歪になる）
ＣＮＣを再度チェックしてみたら・・・・原因と思われる部分を見つけました！！
「ＣＮＣルーターのスピンドルモーター交換」の記事で書いた超静音で気に入っていたモーターの軸にわずかにガタがありました。
モーターのシャフトに手で左右の力を加えると微かにカクッとした感じがします。
このため、シャフトが傾いた状態で切削が進み、エンドミルを持ち上げた時や切削方向を変える時に元に戻る という感じで切削していたのではないかと思います。
モーターを元々ついていたものと同じ型番（７７５ＤＣ）に交換して切削してみたところ、ＣＮＣらしいきれいな切削が出来ました。(^^)
７７５モーターは合計３個持っていて当たりハズレ（というか動作状態が個体により大きく異なる）が激しく、特に「郵便受の怪奇現象」の記事で書いたものはひどい状態でした・・・
今回は３個中最もまともなものに交換して切削してみました。
シャフトにガタがあったモーターの超が付く静かさ（枕もとで回転していても寝れる・・部屋の隅で回転させていると回転試験していることを忘れてしまいそうになるｗ）も捨てがたいので、当たり狙いで１個注文しておきました。
それではモーター交換前後のガラエポ基板の切削状態を比較してみます。
最初に全体写真です。一目瞭然ですが左側のモーター交換前の方は上で書いた問題があり、これでもＣＮＣなのか？という感じです。
右側の交換後の方は流石にＣＮＣ・・ほぼ設計通りに切削していてほれぼれする切削ぶりです＾＾
改善後側にある余分な穴は試験切削に使った両面基板の裏側を利用しているためですｗ
また、改善前側の左上の部分のパターンでFlatCAMでガーバーデータからＮＣデータに変換した時点でパターン分離が出来ていない部分があったため、パターンを見直しています。
次にSSOPパッケージのピン周りです。
こちらも見てのとおり改善後の方は改善前と比較すると設計データを忠実に再現しています。
角の直角具合もなかなかのものですねぇ ^^
次はVia付近のパターンです。
左側の改善前の方はViaの全貌が見えないですが、改善後の方は真円に近い出来栄えになっています。
右側で右下の溝のところに銅の屑が残っていますが、切削後クレンザーで洗うことで対処できると思います。
最後に最も細くなったトラック部分の写真です。
左側の改善前の方は断線しています・・・
改善後の方はトラック幅はほぼ一定で特に細くなっている部分は見当たらないのですが、敢えて上げればSSOPピン付近のトラックでした。
中国製の格安ＣＮＣミニルーターでここまでできるとは・・・驚きです。
モーターをもとの型番のものに戻したことで切削時の音は大きくなりましたが、それでも夜中でも苦情がでない程度の音です。
これは「ＣＮＣルーターでのエンドミルの回転ブレ対策」の記事で書いたようにシャフトとエンドミルの接続をカップリングからチャックに変えたことで回転軸ズレが小さくなった（ 0.04mm程度）ことが効果を発揮している（当然切削結果にも効果が出ている）ものと思います。
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しかし、切削結果のパターンをよく見てみると腑に落ちない部分が出てきます。
- 連続的に細くなった直線パターン
マスキングテープによる固定が弱かったのであれば、トラックのパターンが一旦細くなったとしてもマスキングテープにより元に戻る力が掛かるので元に戻るはず。でも結果は細くなった直線のトラックが続いている箇所がある。
- 不揃いなSSOPのピン幅
SSOPのピン部分の切削パターンを見ても幅が太いピンと細いピンができている。マスキングテープが原因であれば上記と同様に元に戻る力が発生するはず。
- 円形の切削部分の歪み形状
左下の写真の左下の角の部分にある固定ネジ用の大きな円形の切削がカクカクした感じで歪んでいる。マスキングテープの固定が原因であればカクカクはせず、楕円形もしくは小さめの円形のようになるはず。
以上からマスキングテープでの固定があまくて基板が動いたというよりはズレの状態として何通りか安定した状態があり、一旦安定したずれ状態に陥るとその状態が継続しているように思えます。（なので円形はカクカクした歪になる）
ＣＮＣを再度チェックしてみたら・・・・原因と思われる部分を見つけました！！
「ＣＮＣルーターのスピンドルモーター交換」の記事で書いた超静音で気に入っていたモーターの軸にわずかにガタがありました。
モーターのシャフトに手で左右の力を加えると微かにカクッとした感じがします。
このため、シャフトが傾いた状態で切削が進み、エンドミルを持ち上げた時や切削方向を変える時に元に戻る という感じで切削していたのではないかと思います。
モーターを元々ついていたものと同じ型番（７７５ＤＣ）に交換して切削してみたところ、ＣＮＣらしいきれいな切削が出来ました。(^^)
７７５モーターは合計３個持っていて当たりハズレ（というか動作状態が個体により大きく異なる）が激しく、特に「郵便受の怪奇現象」の記事で書いたものはひどい状態でした・・・
今回は３個中最もまともなものに交換して切削してみました。
シャフトにガタがあったモーターの超が付く静かさ（枕もとで回転していても寝れる・・部屋の隅で回転させていると回転試験していることを忘れてしまいそうになるｗ）も捨てがたいので、当たり狙いで１個注文しておきました。
それではモーター交換前後のガラエポ基板の切削状態を比較してみます。
最初に全体写真です。一目瞭然ですが左側のモーター交換前の方は上で書いた問題があり、これでもＣＮＣなのか？という感じです。
右側の交換後の方は流石にＣＮＣ・・ほぼ設計通りに切削していてほれぼれする切削ぶりです＾＾
改善後側にある余分な穴は試験切削に使った両面基板の裏側を利用しているためですｗ
また、改善前側の左上の部分のパターンでFlatCAMでガーバーデータからＮＣデータに変換した時点でパターン分離が出来ていない部分があったため、パターンを見直しています。
| 切削結果（改善前） | 切削結果（改善後） |
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次にSSOPパッケージのピン周りです。
こちらも見てのとおり改善後の方は改善前と比較すると設計データを忠実に再現しています。
角の直角具合もなかなかのものですねぇ ^^
| SSOPのピン（改善前） | SSOPのピン（改善後） |
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次はVia付近のパターンです。
左側の改善前の方はViaの全貌が見えないですが、改善後の方は真円に近い出来栄えになっています。
右側で右下の溝のところに銅の屑が残っていますが、切削後クレンザーで洗うことで対処できると思います。
| Via付近（改善前） | Via付近（改善後） |
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最後に最も細くなったトラック部分の写真です。
左側の改善前の方は断線しています・・・
改善後の方はトラック幅はほぼ一定で特に細くなっている部分は見当たらないのですが、敢えて上げればSSOPピン付近のトラックでした。
| やせ細ったトラック（改善前） | やせ細ったトラック（改善後） |
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中国製の格安ＣＮＣミニルーターでここまでできるとは・・・驚きです。
モーターをもとの型番のものに戻したことで切削時の音は大きくなりましたが、それでも夜中でも苦情がでない程度の音です。
これは「ＣＮＣルーターでのエンドミルの回転ブレ対策」の記事で書いたようにシャフトとエンドミルの接続をカップリングからチャックに変えたことで回転軸ズレが小さくなった（ 0.04mm程度）ことが効果を発揮している（当然切削結果にも効果が出ている）ものと思います。
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ＣＮＣルータでのモーターノイズ対策とＰＣＢ制作 [CNC]
「両面プリント基板の制作実験（その７）オブラート転写方式」の記事で書いたようにオブラート転写方式（トナー転写方式の一つの手法）で作成したプリント基板にＣＮＣで穴開けしようとしたところ、穴の指定の深さよりもドリルが下がっていく現象に悩まされました・・
どうもＺ軸のステッパーが脱調しているようです ^^;
モーターのノイズ対策としては定番のセラミックコンデンサをスピンドルモーターの電源入力部に付けました。
これによりノーマルモードのノイズを低減できますがコモンモードノイズ除去のためにモーターの電源端子からアースに対してもコンデンサを付けた方がいいのですが・・
モーターのフレームからアースを取る適当な個所がなかったのでかなり前に秋葉原の鈴商さんから購入したチョークコイルを使いコモンモードノイズに対しても対策しました。
回路は左下の図になります。コンデンサは手持ちにあったセラコン（0.1μと0.047μをパラ付け）を使っています。（電源接続部にもおまけで積層セラコン（0.1μ）を付けました）
右下の写真のように接続し、最後にショート防止のためグルーガンで固めました。
Z軸の動きが安定したので試しに「両面プリント基板の制作実験（その７）オブラート転写方式」の記事で作成しているものと同じ回路パターンをＣＮＣで作ってみました。
最初に片面紙フェノール基板を削ってみたら予想以上に調子が良かったので両面のガラエポで試してみたところ、やはり断線が発生しました。
ＣＮＣでガラエポ基板を切削中の様子が下の写真です。
写真では判り辛いですが基板を張り付けたＭＤＦ合板の下に面取りしたアクリル板を敷いています。
ＣＮＣでの切削結果が下の写真です。
左側の紙フェノール基板は導通チェックした結果、問題なく回路が出来ていました。
右側のガラエポ基板では数か所で断線が発生しています。
右側のガラエポ基板の写真で上の方に半分見えるのが上の写真のもので下側では基板が動かないように基板の四隅をマスキングテープで張った状態で切削しました。
それでは紙フェノール基板とガラエポ基板の切削状態を比較してみます。
まず、SSOPパッケージのピン部分の比較が下の写真です。
紙フェノールの方がピンの四隅の角がパターンデータに近い状態になっています。
Via付近のパターン比較が下の写真です。流石にＣＮＣではViaが丸くなっていますね ^^
トラックの幅は設計値が0.30mmであるところ、切削したパターンは 0.20mm くらいになっている箇所が多い状況でした。
最後に最も細くなったトラック部分のパターン状況です。ガラエポ基板の方は断線してしまっています。
紙フェノール基板（左側）ではトラック幅が 0.102mm ですが導通した状態です。トラックの右側にある先端が曲がった部分が使っているうちにショートしそうで怖いですが、もっと丁寧にヤスリがけし、ソルダーレジストで固めれば問題ないと思います。
全体を通して紙フェノール基板の方が設計データに近い切削状態になっています。
これは基板の固定があまい（マスキングテープで四隅を固定）したことから切削時に抵抗の大きいガラエポ基板では微妙に基板が動いていたことによるものではないかと推測しています。
最初は剥がせる両面テープで基板を固定していましたが
のため、マスキングテープで固定するようにしています。
また、切削時の抵抗が少なくなるようにFeedRateを 30mm／分 まで下げています。
しかし、マスキングテープは 0.数ミリ レベルで見ると左右方向に加わる力により微妙に動いているようなので、基板の固定方法を改善する必要があるのではないかと思っています。
また、今後の課題としてスピンドルモーターを上下に動かすＺ軸のステッパーが切削中にかなり熱くなる（やっと手で触れる程度・・温度を計っていなかったぁ）ので冷却する方法検討をします。
他のステッパーがそれ程熱くなっていなかったのはフレームへ熱が伝わるためだと思います。
それに対してＺ軸のステッパーはホルダが３Ｄプリンタで作ったような樹脂でできているので（だから安いんですが・・ｗ）熱の逃げ場がないため熱くなっているようです。
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どうもＺ軸のステッパーが脱調しているようです ^^;
モーターのノイズ対策としては定番のセラミックコンデンサをスピンドルモーターの電源入力部に付けました。
これによりノーマルモードのノイズを低減できますがコモンモードノイズ除去のためにモーターの電源端子からアースに対してもコンデンサを付けた方がいいのですが・・
モーターのフレームからアースを取る適当な個所がなかったのでかなり前に秋葉原の鈴商さんから購入したチョークコイルを使いコモンモードノイズに対しても対策しました。
回路は左下の図になります。コンデンサは手持ちにあったセラコン（0.1μと0.047μをパラ付け）を使っています。（電源接続部にもおまけで積層セラコン（0.1μ）を付けました）
右下の写真のように接続し、最後にショート防止のためグルーガンで固めました。
| モーターノイズ対策回路 | ノイズ対策実装写真 |
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Z軸の動きが安定したので試しに「両面プリント基板の制作実験（その７）オブラート転写方式」の記事で作成しているものと同じ回路パターンをＣＮＣで作ってみました。
最初に片面紙フェノール基板を削ってみたら予想以上に調子が良かったので両面のガラエポで試してみたところ、やはり断線が発生しました。
ＣＮＣでガラエポ基板を切削中の様子が下の写真です。
写真では判り辛いですが基板を張り付けたＭＤＦ合板の下に面取りしたアクリル板を敷いています。
| ガラエポ基板切削中 |
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ＣＮＣでの切削結果が下の写真です。
左側の紙フェノール基板は導通チェックした結果、問題なく回路が出来ていました。
右側のガラエポ基板では数か所で断線が発生しています。
右側のガラエポ基板の写真で上の方に半分見えるのが上の写真のもので下側では基板が動かないように基板の四隅をマスキングテープで張った状態で切削しました。
| 切削結果（紙フェノール基板） | 切削結果（ガラエポ基板） |
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それでは紙フェノール基板とガラエポ基板の切削状態を比較してみます。
まず、SSOPパッケージのピン部分の比較が下の写真です。
紙フェノールの方がピンの四隅の角がパターンデータに近い状態になっています。
| SSOPのピン（紙フェノール基板） | SSOPのピン（ガラエポ基板） |
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Via付近のパターン比較が下の写真です。流石にＣＮＣではViaが丸くなっていますね ^^
トラックの幅は設計値が0.30mmであるところ、切削したパターンは 0.20mm くらいになっている箇所が多い状況でした。
| Via付近（紙フェノール基板） | Via付近（ガラエポ基板） |
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最後に最も細くなったトラック部分のパターン状況です。ガラエポ基板の方は断線してしまっています。
紙フェノール基板（左側）ではトラック幅が 0.102mm ですが導通した状態です。トラックの右側にある先端が曲がった部分が使っているうちにショートしそうで怖いですが、もっと丁寧にヤスリがけし、ソルダーレジストで固めれば問題ないと思います。
| やせ細ったトラック（紙フェノール基板） | やせ細ったトラック（ガラエポ基板） |
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全体を通して紙フェノール基板の方が設計データに近い切削状態になっています。
これは基板の固定があまい（マスキングテープで四隅を固定）したことから切削時に抵抗の大きいガラエポ基板では微妙に基板が動いていたことによるものではないかと推測しています。
最初は剥がせる両面テープで基板を固定していましたが
- 「剥がせる両面テープ」でも剥がすのが大変
- 両面テープの隅が重なったりした場合、基板の高さが変わってしまう
- ドリルで穴開けする際、両面テープのネバネバがドリルに絡まり抵抗が大きくなる（と思われる）。特に0.2～0.3mmレベルのドリルの場合心配です。
のため、マスキングテープで固定するようにしています。
また、切削時の抵抗が少なくなるようにFeedRateを 30mm／分 まで下げています。
しかし、マスキングテープは 0.数ミリ レベルで見ると左右方向に加わる力により微妙に動いているようなので、基板の固定方法を改善する必要があるのではないかと思っています。
また、今後の課題としてスピンドルモーターを上下に動かすＺ軸のステッパーが切削中にかなり熱くなる（やっと手で触れる程度・・温度を計っていなかったぁ）ので冷却する方法検討をします。
他のステッパーがそれ程熱くなっていなかったのはフレームへ熱が伝わるためだと思います。
それに対してＺ軸のステッパーはホルダが３Ｄプリンタで作ったような樹脂でできているので（だから安いんですが・・ｗ）熱の逃げ場がないため熱くなっているようです。
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