DE19748317C1

DE19748317C1 - Verfahren sowie Vorrichtung zum Erfassen des Berührereignisses eines fluiden Mediums mit einer Objektoberfläche

Info

Publication number: DE19748317C1
Application number: DE19748317A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Schwaab; Ute Gramann; Wolfgang Lawrenz; Achim Stock
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1997-10-31
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2017-11-01

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erfassen des Berührereignisses eines fluiden Mediums mit einer Objektoberfläche, auf der das fluide Medium mittels einer Dispenservorrichtung, die sich zum Materialauftrag auf die Objektoberfläche zubewegt, aufgebracht wird.

Für die Durchführung vollautomatischer, roboterunterstützter Arbeitsschritte, die die Handhabung bzw. Bearbeitung von Objektoberflächen oder von zu manipulierenden Objekten vorsehen, bedarf es einer hochgenauen Abstandsregelung sowie einer Er fassung der Berührung zwischen der Manipulatoreinheit, die in üblicher Form am Ende eines Roboterarms angebracht ist und zumeist eine Vielzahl kinematischer Freiheitsgraden aufweist, und dem jeweils zu bearbeitenden Objekt.

Handelt es sich bei den Werkzeugendteilen um Greiferwerkzeuge, so ist die Ab standsmessung bzw. -regelung auch dadurch erschwert, daß der tatsächliche Ab stand von der jeweiligen Lage und Anordnung des Greiferwerkzeuges abhängt. So ist festzustellen, wieweit beispielsweise eine Greiferbacke geöffnet ist und in wel chem Winkel die Greifereinrichtung zu dem zu manipulierenden Objekt respektive zu der Objektoberfläche ausgerichtet ist. Dies setzt aufwendige Steuer- und Kontroll mechanismen voraus, die eine Abstandsmessung technisch sehr aufwendig und kostspielig machen.

Neben der geschilderten Problematik der Abstandsmessung zwischen Greifwerk zeugen und den jeweils mit diesen zu manipulierenden Objekten besteht insbeson dere beim Erfassen und Regeln des Abstandes einer Dispensernadel zu einer Ob jektoberfläche das Problem, genau den Moment abzupassen, bei dem das zu dis pensende Material die Objektoberfläche berührt. Insbesondere bei der lokalen Ver abreichung kleinster Klebstoffmengen auf entsprechende Stellen einer Substratober flächen ist eine präzise Mengendosierung erforderlich, für die jedoch eine genaue Kenntnis über das Berührereignis zwischen Klebstofftropfen und Substratoberfläche unentbehrlich ist. Insbesondere gilt es den Moment zu erfassen, in dem der Kleb stofftropfen die Substratoberfläche berührt, so daß die Dispenservorrichtung in ihrer Bewegung auf die Substratoberfläche gestoppt wird.

Derzeit sind für das Erfassen und Regeln des Abstandes eine Dispensernadel zu einer Objektoberfläche folgende Abstandsmeßverfahren bekannt:

1. Mechanisches Abtasten: Mit einem mechanischen Tastkopf wird die Objektober fläche des zu behandelnden Werkstückes an bestimmten Stellen vermessen, woraus anhand gewonnener Meßpunkte eine imaginäre Ebene ermittelt wird. Auf diese Ebene wird im Weiteren der Verfahrweg der Dispensernadel abgestimmt. Der Nachteil dieses Verfahrens besteht darin, daß die ermittelte, imaginäre Ebe ne nur eine Näherung der Werkstückoberfläche darstellt und bereits aus diesem Grund kein konstanter Nadelspalt bzw. keine exakte Dosierung des Dispenser materials für alle Punkte der Objektoberfläche gewährleistet ist. Darüber hinaus ist bei diesem Verfahren ein großer Rechenaufwand erforderlich, der zu einem großen technischen und finanziellen Aufwand führt. Zwar läßt sich diese Vorge hensweise für Objektoberflächen mit ebener Ausdehnung anwenden, doch ist sie für Oberflächen mit Vertiefungen und Erhöhungen nicht geeignet.
2. Lasertriangulation: Eine Laserdiode ist in einem bestimmten Winkel zur Werk stückoberfläche respektive Objektoberfläche angeordnet. Der Abstand der Dis pensernadel zur Oberfläche kann anhand der vorher eingestellten Winkel durch die Stelle, an der der reflektierte Strahl auf die Photozelle auftritt, berechnet wer den. Weist die Objektoberfläche jedoch mehrere, unmittelbar nebeneinander lie gende, erhöhte Bereiche auf, so treten Abschattungseffekte auf, die nur zu einer ungenauen Erfassung der Topographie der Objektoberfläche mit Hilfe des Trian gulationsverfahrens führt.
3. Fokussierende Verfahren: Der Strahl, vorzugsweise von Laserdioden, wird auf die Objektoberfläche fokussiert. Der Abstand zwischen einem Werkstückendteil und der Objektoberfläche wird mittels eines Bildverarbeitungssystems über die jeweilige Größe des Fokuspunktes auf der Objektoberfläche bestimmt und gere gelt. Problematisch könnte dieses Abstandsverfahren jedoch, wenn man unter schiedliche Dispensernadellängen verwenden möchte, da sie jeweils auf die Meßapparatur individuell abgestimmt werden müssen. Auch hängt die Genauig keit dieses Verfahrens von den individuellen Reflexionseigenschaften der Objek toberfläche ab. Ein weiterer Nachteil ist auch bei diesem Verfahren die Abschat tung einzelner Stellen durch Nachbarkomponenten.
4. Verfahren mit Einsatz von Kameras: Der Abstand von Dispensernadeln zur Ob jektoberfläche kann beispielsweise durch den Einsatz von Vision-Systemen mit seitlich angeordneten Kameras ermittelt werden. Dadurch ist eine Kontrolle des Abstandes möglich. Nachteilhaft bei diesem Verfahren ist jedoch, daß ein großer freier seitlicher Bereich neben der Dispensernadel notwendig ist, um diese Mes sung durchführen zu können. Auch läßt sich diese Art des Verfahrens nur sehr schwer automatisieren.

Mit den bekannten vorstehend aufgezeigten Verfahren ist insbesondere beim Dis pensen von viskosen Medien infolge von Unebenheiten an der zu beaufschlagenden Objektoberfläche nicht möglich, das zu dispensende Material in hochgenauer Dosie rung exakt zu deponieren. Bedingt durch die Unebenheiten der Objektoberflächen wird entweder kein, zu wenig, oder auch zu viel Material aufgetragen oder die Dis pensernadel wird direkt auf den Träger aufgesetzt, was zudem zu mechanischen Schäden führen kann.

Um eine möglichst exakte Dosierung zu erreichen, ist es notwendig eine zuverlässi ge Aussage darüber treffen zu können, ob das zu dispensende Material die Werk stückoberfläche berührt oder nicht.

Aus der europäischen Patentanmeldung EP 0 481 382 A1 geht ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum kontrollierten Auftragen von Material auf flächigen Substraten hervor, bei der eine Dispensereinheit anhand eines vorgegebenen Musters relativ zu einer Substratoberfläche geführt wird. Die räumliche Lage der Dispensereinheit rela tiv zur Substratoberfläche wird mit Hilfe eines Ultraschallsystems erfaßt.

Ferner geht aus der US-Druckschrift, der US 5 190 789, ein Ultraschallsystem zur Überwachung der Herstellung eines filmartigen Überzuges über ein Substrat hervor, das in Art eines Vorhanges ausgebildet ist. Das Ultraschallsystem mißt in Reflexion und ist in der Lage zu erkennen, ob und wie dick die Filmschicht auf das Substrat aufgebracht wird.

Schließlich ist der DE 40 07 956 A1 eine Ultraschall-Prüfkopfanordnung zu entneh men, die zur zerstörungsfreien Werkstückprüfung eingesetzt werden kann. Der Ultra schall-Prüfkopf ist hierbei mit einer Strahldüse kombiniert, über die eine Koppelflüs sigkeit auf das zu überprüfende Werkstück aufgebracht wird, um das Ultraschall- Wellenfeld in das Werkstück einzukoppeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Erfassen des Berührereignisses eines fluiden Mediums mit einer Objektoberfläche, auf der das fluide Medium mittels einer Dispenservorrichtung, die sich zum Material auftrag auf die Objektoberfläche zubewegt, aufgebracht wird, derart anzugeben, daß die Erfassung des Berührereignisses qualitativ mit geringem technischen und finan ziellen Aufwand exakt durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren gemäß Anspruchs 1 derart angegeben, daß zum Erfassen des Berührereignisses eines fluiden Mediums mit einer Objektoberflä che, auf der das fluide Medium mittels einer Dispenservorrichtung, die sich zum Ma terialauftrag auf die Objektoberfläche zubewegt, aufgebracht wird, dadurch ausgebil det ist daß ein Ultraschallwellenfeld durch das zu dispensende fluide Medium geleitet wird, das Dämpfungs- und/oder Reflexionsverhalten der sich im fluiden Medium aus breitenden Ultraschallwellen erfaßt wird und daß bei Änderung des Dämpfungs- und/oder Reflexionsverhaltens, die sich durch Berührung zwischen fluiden Medium und der Objektoberfläche ergibt, ein Stoppsignal generiert wird, durch das die sich auf die Objektoberfläche zubewegende Dispenservorrichtung abgestoppt wird.

Selbstverständlich kann auch die Information über das Berührereignis für weitere Regelgrößen verwendet werden, wie z. B. die sofortige Beaufschlagung der Berühr stelle mit Wärme in Form eines Heißluftstromes etc.

Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, eine an sich bekannte Dispenservorrichtung mit einer Ultraschaltranceivereinheit auszustatten, die es erlaubt, Ultraschallwellen durch die Dispensernadel hindurch innerhalb des zu dispensenden Mediums zu richten. Die Ultraschallwellen werden an jeglichen Grenzflächen wenigstens teilweise reflektiert und können mit Hilfe eines Ultraschallempfängers detektiert werden. Be sonderes Augenmerk wird bei der Detektion reflektierter Ultraschallwellenanteile auf jenen Reflex gerichtet, der durch die Reflexion der Ultraschallwellen an der Grenzflä che des aus der Dispensernadel hinausragenden Mediums herrührt. Der Amplitu denverlauf des zu diesem Reflexionsereignis zugehörigen Signals kann beispiels weise mit Hilfe eines an sich bekannten Oszilloskops bestimmt werden. Nähert sich die Dispenservorrichtung der Substratoberfläche, auf der das zu dispensende Medi um lokal aufgetragen werden soll, und kontaktiert dabei das aus der Dispensernadel herausragende Medium die Substratoberfläche, so ändert sich sprungartig der Am plitudenverlauf des vorstehend erwähnten Reflexes. Dies rührt daher, daß bei Nicht berührung eine Medium/Luft-Grenzfläche vorliegt, die sich bei Berührung in einer Medium/Substratoberfläche-Grenzfläche umwandelt, die über andere Koppeleigen schaften für Ultraschallwellen verfügt.

Mit Hilfe einer geeigneten Steuereinheit wird bei Vorliegen geänderter Signalverläufe dafür gesorgt, daß die auf die Substratoberfläche gerichtete Vorwärtsbewegung der Dispenservorrichtung unverzüglich gestoppt wird.

In vorteilhafter Weise erfolgt die Erzeugung der Ultraschallwellen in gepulster Weise, so daß bei Berührung des fluiden Mediums an der Objektoberfläche das Dämpfungs- und/oder Reflexionsverhalten von einer Ultraschallpulsabfolge zur nächsten festge stellt werden kann. In aller Regel wird als fluides Medium flüssiger Klebstoff ver wandt, der aus der Dispensernadel als Klebstofftropfen hinausragt. Die Pulsfrequenz der Ultraschallwellen ist in Abhängigkeit zur Vorwärtsgeschwindigkeit der Dispenser vorrichtung auf die Objektoberfläche derart zu wählen, so daß bei Feststellung eines ersten Kontaktes des Klebstofftropfens mit der Objektoberfläche die Dispenservor richtung abgestoppt werden kann, ohne daß die Dispensernadel die Objektoberflä che berührt.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Querschnitt durch eine vorteilhafte Vorrichtung zur Bestimmung des Berührungsereignisses sowie

Fig. 2 Sequenzdarstellung zwischen kontaktfreiem und kontaktierendem Zustand der Dispenservorrichtung.

In Fig. 1 ist eine Dispenservorrichtung 1 dargestellt, die sich gegenüber einem Sub strat 2 befindet, auf dem eine Platine 3 aufgebracht ist, die es gilt, auf der Substrato berfläche 2 zu fixieren. Hierzu dient die Dispenservorrichtung 1, die ein Reservoir- Volumen 4 aufweist, in dem flüssiger Klebstoff enthalten ist. An das Volumen 4 ist eine Dispensernadel 5 angebracht, durch die der zu dispensende Klebstoff auf die Oberfläche des Substrates 2 gezielt geleitet wird. Proximalseitig zum Volumen 4 ist ein Ultraschalltranceiver 6 angebracht, der in gepulster Weise Ultraschallwellen in das Volumen 4 einkoppelt. Ein Teil der in das Volumen 4 eingekoppelten Ultra schallwellen gelangt durch die Dispensernadel 5 hindurch und wird an der Grenzflä che des aus der Dispensernadel hinausragenden Klebstofftropfens reflektiert. Im dargestellten Fall sitzt der Klebstofftropfen bereits auf der Platine 3 auf, wodurch das Reflexionsverhalten der Ultraschallwellen an dieser Stelle durch diese Grenzfläche Klebstoff/Platine beeinflußt wird.

In Fig. 2 ist in der oberen Darstellung der Fall gezeigt, daß die Dispenservorrichtung nebst dem aus der Dispensernadel hinausragenden Klebstofftropfen das Substrat nicht berührt. Rechts in der oberen Darstellung der Fig. 2 ist ein Amplituden/Zeit- Diagramm dargestellt, das beispielsweise mittels eines Oszilloskops gewonnen wer den kann. Der zeitlich gesehen erste Reflex (a) stellt die von der Ultraschallsende einheit abgegebene Sendeimpulsfolge dar. Der unmittelbar zeitlich darauffolgende Pulszug (b) entspricht dem am unteren Ende des Volumens reflektierten Signal der Ultraschallwellen. Zeitlich hiervon abgesetzt tritt ein weiteres Signal (c) auf, das dem Reflexsignal der am Nadelende reflektierten Ultraschallwellen entspricht. Diese Re flexion erfolgt an der Grenzfläche Klebstoff/Luft.

Im unteren dargestellten Fall der Fig. 2 berührt der Klebstofftropfen die Platine, wo durch auch das Reflexionsverhalten an dieser Grenzfläche verändert wird. Wie im oberen Fall, ist auf dem Amplituden/Zeit-Diagramm zu entnehmen, daß die vom Ul traschallsender abgegebene Sendeimpulsfolge (a) sowie das am unteren Ende des Volumens reflektierte Signal (b) unverändert bleibt. Deutlich ist die Änderung des Schwingungsverhaltens des reflektierten Ultraschallwellenpulses (c) zu erkennen, der an der Grenzfläche Klebstoff/Platine zurückreflektiert. Zwar erfolgt der Refle xionszeitpunkt in etwa unverändert, verglichen mit dem berührungslosen Fall, doch ist aus dem geänderten Amplitudenverhalten eindeutig das Berührungsereignis ab zulesen. Für die Steuereinheit gilt diese Änderung als Information für die Erzeugung eines Stopsignals, wodurch die auf die Substratoberfläche zubewegende Dis penservorrichtung gestoppt wird.

Je nach Aufbau des Substrates können sich weitere Reflexsignale im Amplitu den/Zeit-Diagramm darstellen, so beispielsweise ein weiterer Reflex (d), der sich durch die Grenzfläche Platine zu Substratträger ergibt.

Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es möglich, den Berührungszeit punkt bzw. das Berührungsereignis des Dispensermaterials mit einer Substratober fläche präzise zu erfassen. Auf diese Weise kann kostensparend eine Online- Steuerung des gesamten Dispenser-Prozesses realisiert werden. Damit verbunden sind kürzere Bearbeitungsdauern, schnellerer Verfahrensablauf, Erhöhung der Zu verlässigkeit des Prozesses, Qualitätssteigerung aufgrund der höheren realisierbaren Genauigkeiten und eine Verringerung des Ausschusses bei den Produktionsverfah ren des Dispensens möglich. Darüber hinaus ist dieses Verfahren für transparente Materialien, wie beispielsweise Glas, geeignet. Die Erfassung des Berührungszeit punktes des zu dispensenden Materials, vorzugsweise Klebstoff, mit der Substrato berfläche durch Ultraschall dient insbesondere dazu, um die in Zukunft verschärften Anforderungen an das Dispensen bezogen auf eine zunehmende Miniaturisierung der Bauelemente und der erhöhten geforderten Positioniergenauigkeiten in den Be reichen der Feinwerktechnik, Mikroelektronik und der Mikrosystemtechnik erfüllen zu können.

Bezugszeichenliste

1

Dispenservorrichtung

2

Substrat

3

Platine, Leitbahn

4

Reservoir-Volumen

5

Dispensernadel

6

Ultraschalltransceiver

Claims

1. Verfahren zum Erfassen des Berührereignisses eines fluiden Mediums mit einer Objektoberfläche, auf der das fluide Medium mittels einer Dispenservorrich tung, die sich zum Materialauftrag auf die Objektoberfläche zubewegt, aufgebracht wird, wobei
ein Ultraschallwellenfeld durch das zu dispensende fluide Medium geleitet wird,
das Dämpfungs- und/oder Reflexionsverhalten der sich im fluiden Medium ausbrei tenden Ultraschallwellen erfaßt wird und
bei Änderung des Dämpfungs- und/oder Reflexionsverhaltens, die sich durch Berüh rung zwischen fluiden Medium und der Objektoberfläche ergibt, ein Stoppsignal ge neriert wird, durch das die sich auf die Objektoberfläche zubewegende Dispenservor richtung abgestoppt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu dispensende Medium Klebstoff ist, der durch eine Dispensernadel auf der Objektoberfläche aufgetragen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das fluide Medium mit Ultraschallwellenpulsen beauf schlagt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Ultraschallwellenfeld zumindest längs inner halb der Dispensernadel im fluiden Medium ausbreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an der distalen Grenzfläche des fluiden Mediums das Ultraschallwellenfeld teilweise zurückreflektiert wird und daß die reflektierten Ultra schallwellen erfaßt und ausgewertet werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung des Berührereignisses für weitere Re gelgrößen, bspw. Wärmebeaufschlagung der Berührstelle, verwendet wird.

7. Vorrichtung zum Erfassen des Berührereignisses eines fluiden Mediums mit einer Objektoberfläche, auf der das fluide Medium mittels einer Dispenservorrich tung, die sich zum Materialauftrag auf die Objektoberfläche zubewegt, aufbringbar ist, wobei eine Ultraschallwellen erzeugende und empfangende Einheit vorgesehen ist, die Ultraschallwellen durch das auf die Objektoberfläche aufzutragende fluide Medium richtet und an der Grenzfläche des fluiden Mediums zur Objektoberfläche reflektierte Ultraschallwellenanteile empfängt, und eine Auswerte- und Steuereinheit vorgesehen ist, die das Dämpfungs- und/oder Re flexionsverhalten der Ultraschallwellen erfaßt und bei Änderung die sich auf die Ob jektoberfläche zubewegende Dispenservorrichtung abstoppt.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ultraschallwellen erzeugende und empfangende Einheit ein Ultraschalltransceiver ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Dispenservorrichtung ein Volumen aufweist, das mit dem zu dispensenden fluiden Medium gefüllt ist und das mit einer Dispenserna del verbunden ist, und proximalseitig zum Volumen die Ultraschallwellen erzeugende und empfangende Einheit vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit ein Oszilloskop aufweist.