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精确到0.1㎛实时检测物体位置的传感器

高精度边缘检测传感器

作为继正确地检测玻璃及薄膜等边缘(边)部位的阿自倍尔边缘检测传感器之后,又新推出了高精度及高速化的高精度边缘检测传感器。实现检测分辨率为±0.1㎛、检测周期为250μs等业界顶级性能。传感器检测头的厚度仅为8㎜(检测宽7㎜型号),所以容易嵌入到各种装置。传感器也搭载了MECHATROLINK-Ⅲ的现场网络,为提高产品质量提供了强有力的后盾。

背景・需求

边缘检测传感器在2004年开始展开其用途,优秀的性能获得好评

在液晶面板的生产工序中,边缘检测传感器是不可或缺的,可以控制玻璃接合在正确的位置,防止金属箔和薄膜等在卷筒过程中弯曲。

正如字面意思,边缘检测传感器是检测物体的边缘的位置及位置变化的传感器。要求其不仅具有高精度(分辨率),而且具有能够紧跟玻璃的搬运速度及薄膜的卷筒速度等的高速应答性。

阿自倍尓株式会社于2004年发售了激光边缘检测传感器。本产品根据独有的“菲涅耳衍射近似修正[*1]”算法,实现了检测分辨率为±0.1㎛的优秀性能。具有连透明玻璃的边缘也可检测的特点。

边缘检测传感器因能够嵌入到锂离子电池电极材料的卷对卷制程装置及液晶搬运装置等各种各样的生产装置中而获得好评,但是随着生产技术的高精化,需要更高精度及更高速应答性的传感器。

[*1]利用了菲涅耳衍射近似修正的阿自倍尔独有的子像素处理名称

開开发要领

实现与既存技术相比提高10倍的分辨率及2倍的高速化

在沿袭边缘检测传感器的特点的基础上,通过更新专用光学系统和信号处理系统,开发出高检测分辨率及高速应答性的高精度边缘检测传感器。该传感器于2015年1月开始销售

高精度边缘检测传感器的外观(左:投光部和受光部宽为7㎜传感器检测头、中间:投光部和受光部宽为15㎜传感器检测头、右:控制器)

高精度边缘检测传感器的外观(左:投光部和受光部宽为7㎜传感器检测头、中间:投光部和受光部宽为15㎜传感器检测头、右:控制器)

通过运算的高速化及高精度化,高精度边缘检测传感器实现了相当于既存产品的10倍即±0.1㎛的超高检测分辨率[*2]。通过并联回路执行高速运算,检测周期达到250μs,仅仅为既存产品500μs的二分之一,可以对应搬运及卷筒的高速化。移动精度[*3]在±20㎛以下,偏差精度[*4]达±0.1㎛。

[*2] 检测分辨率:内部运算的分辨率
[*3] 移动精度:检测体移动时的实际检测值和实际位移的差
[*4] 偏差精度:将检测体放置在某个位置,在同样条件下多次反复检测时检测值的波动。

在提高性能的同时,传感器检测头的投光部和受光部保持着与既存产品相同的紧凑尺寸,可以安装在装置的各种位置。另外,传感器检测头和控制器间拥有独有的数字接口,最长可以连接25m,提高了安装的自由度。

并且,检测数据向外部转送时增加模拟输出,新追加了现场网络。增加了开放式现场网络规格之一最大输出速率为100Mbps的高速“MECHATROLINK-Ⅲ”接口。能够将检测数据高速且同步转送到上级控制系统中,节省使用配线,能够减少安装及维护的时间。

阿自倍尔的高精度边缘检测传感器的核心

利用光的物理现象检测边缘,曲线拟合检测数据“菲涅耳衍射近似修正”是阿自倍尔的高精度边缘检测传感器的核心。

用光学检测物体边缘最简单的方法是,用光(激光平行光等)照射物体,通过图像传感器检测物体受光部分与背光部分的边界。不过该方法检测的精确度(分辨率)取决于图像传感器的解像度(像素间距),提高分辨率就需要像素间距小的图像传感器。之后要阐述的“衍射”物理现象会导致受光部分与背光部分的边界变得模糊,存在难以正确判断边缘位置的课题。并且,透明物体的受光部分与背光部分的光量(光的强弱)差别小,无法检测。

为了解决该课题,阿自倍尔采用了利用“菲涅耳衍射”光的性质来检测边缘位置的独有方法。衍射是指穿透物体端面或狭缝的光,在物体背光部分发生弯散传播的现象。从物体到投影面(传感器检测头的受光部分)的距离在比较短的条件下观测到的衍射称为“菲涅耳衍射”。

当平行光照射像刀子那样边缘部分呈尖状的物体时,虽然人眼只能分辨出呈现在较近距离放置的投影面上的光亮区与阴影区这两部分的光量,但在严格意义上,呈现在投影面的光量如同图1那样的曲线。从该曲线来看,在检测物体的边缘的稍前方,光量从0%附近开始急剧上升,甚至超过100%。之后上下波动,光量最终向100%处收敛。该光量特性曲线可以用方程式(算式1)表示。

实际上,如果绘制图像传感器获得的光量数据,在理论上能够得到(算式1)或图2的曲线。如果逆向思考,针对图像传感器实际获得的几个点的数据,通过寻找更加相似(尽可能一致)(算式1)的曲线,就能找到边缘位置的点。一般来说,在理论上和经验上有正确的算式为前提要测定不明确的参数时,这种“曲线拟合”或者“曲线回归”的方法会被使用到。

因为无法解析(算式1)的复杂函数,如果应用图像传感器获得的光量数据,就需要庞大的运算量,无法实现作为边缘检测传感器不可缺少的高速化条件。因此,进行边缘位置检测时,在边缘位置凸起部分的光量达到25%的位置进行投影,只考虑如图2的菲涅耳衍射波形图中凸起的部分就足够了。由此设计了比(算式1)简单并且能够解析的如下近似算式(算式2)。

该近似算式,在通过受光面的图像传感器获得的光量数据(图2)中,凸出部分的几个点如果在该曲线上能求得x,则代表着可以推断出边缘位置。阿自倍尔将该观点命名为“菲涅耳衍射近似修正”,并投入到了边缘检测传感器的开发中。

菲涅耳衍射近似修正的特长是不需要高分辨率的图像传感器,通过以上运算,高精度边缘检测传感器检测宽7㎜产品仅使用128像素的图像传感器可以达到7万点的检测分辨率(7㎜÷70,000=0.1㎛),检测宽15㎜的产品使用256像素的图像传感器可以达到15万点的检测分辨率(15㎜÷150,000=00.1㎛)。

(算式1)

这里,λ是光的波长,z是物体到受光面的距离

(算式2)

此处a、b、c是系数,也是固定值

图1.在引起菲涅耳衍射现象的受光面(投影面)上呈现光强弱特性曲线的示例(横轴:受光面的位置、纵轴:光量。物体的边缘作为0mm,物体背对受光面<表格的左侧>)

图2. 受光强弱的图像

成果及今后的展望

用途广泛的高精度边缘检测传感器,为提高产品生产质量作贡献

高精度边缘检测传感器除了开头阐述的能够控制玻璃接合的位置及防止薄膜的弯曲外,还应用在各种各样的用途。例如,半导体晶圆位置的接合、检测薄膜等的厚度、检测辊子间的间隙、检测是否掺杂不同物体或不同种类、检测内径、检测是否有破损或欠缺等(图3)。

本产品能够高速且精准检测,能够捕捉瑕疵品产生的前兆现象。阿自倍尔认为该传感器符合铸就产品质量的顾客需求,还有利于顾客的生产质量的提高。

阿自倍尔今后也将“以人为中心的自动化”的企业理念作为观念,致力于提供优秀的解决方案。

图3. 高精度边缘检测传感器的各种应用示例


 


*MECHATROLINK是、MECHATROLINK协会的商标。 返回




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