JP2005291719A - Sensor device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、高速、高精度なセンシングに好適なセンサ装置に関する。 The present invention relates to a sensor device suitable for high-speed and high-precision sensing.
2次元撮像素子を用いた変位センサとしては、信号処理ユニットとセンサヘッドユニットとが分離独立したものが知られている(例えば特許文献1参照)。センサヘッドには投光用のレーザダイオード(LD)と受光用のCCDとが含まれている。CCDから得られる信号に基づいて生成された映像信号は電気コードを介して信号処理ユニットへと送られる。信号処理ユニットはマイクロプロセッサを主体として構成されるCPUとプログラム可能な論理回路であるFPGA(Field Programmable Gate Array)とを含んでいる。CPUは主として計測処理や表示制御処理を担う。FPGAは主として画像処理を担う。 As a displacement sensor using a two-dimensional image sensor, a sensor in which a signal processing unit and a sensor head unit are separated and independent is known (see, for example, Patent Document 1). The sensor head includes a laser diode (LD) for light projection and a CCD for light reception. A video signal generated based on a signal obtained from the CCD is sent to a signal processing unit via an electric cord. The signal processing unit includes a CPU mainly composed of a microprocessor and an FPGA (Field Programmable Gate Array) which is a programmable logic circuit. The CPU mainly performs measurement processing and display control processing. The FPGA is mainly responsible for image processing.
センサヘッドから上流の信号処理ユニットに映像信号を送るときには、例えばLVDS(Low Voltage Differential Signaling)等の通信システムが採用される。一方、信号処理ユニットから下流のセンサヘッドへ、ON/OFFなどの投光制御信号やCCD制御信号を送るときには、通信ではなく専用の信号線が採用される。また、センサヘッドに含まれる撮像素子をCCDからCMOSに変更したものも存在する。 When a video signal is sent from the sensor head to the upstream signal processing unit, a communication system such as LVDS (Low Voltage Differential Signaling) is employed. On the other hand, when sending a light projection control signal such as ON / OFF or a CCD control signal from the signal processing unit to the downstream sensor head, a dedicated signal line is employed instead of communication. In addition, there is a sensor in which the image sensor included in the sensor head is changed from CCD to CMOS.
この種の従来のセンサヘッドの電気回路の構成が図23に示されている。同図に示されるように、センサヘッド回路500は、LD520と、LED530と、2次元撮像素子(CMOS)540と、撮像素子駆動回路550と、センサヘッド発振器560と、パラレル/シリアル変換回路570と、EEPROM580とを含んでいる。
The configuration of the electric circuit of this type of conventional sensor head is shown in FIG. As shown in the figure, the
信号処理ユニット(センサコントローラ)は、生成したDATA_OUT(センサ設定信号)、LED(センサLED制御信号)、LD_ON(レーザ制御信号)、EEPROM(EEPROM制御信号)を、ケーブルを介して専用の信号線でセンサヘッドへと送る。 The signal processing unit (sensor controller) sends the generated DATA_OUT (sensor setting signal), LED (sensor LED control signal), LD_ON (laser control signal), and EEPROM (EEPROM control signal) via a dedicated signal line via a cable. Send to sensor head.
LD_ON(レーザ制御信号)を受けてLD520が駆動される。LED(センサLED制御信号)を受けてLED530が駆動される。EEPROM(EEPROM制御信号)により、EEPROM580のリード/ライトが行われる。DATA_OUT(センサ設定信号)は撮像素子駆動回路550に送られる。センサ設定信号は、CMOS2次元撮像素子の読み出す画素の領域の指定などを行うための信号である。
The LD 520 is driven in response to LD_ON (laser control signal). In response to the LED (sensor LED control signal), the
2次元撮像素子540における撮像動作は、撮像素子駆動回路550から供給される制御信号に基づいて行われ、撮像の結果得られた出力は撮像素子駆動回路550へと送られる。撮像素子駆動回路550では、2次元撮像素子540から得られた出力に基づいて、DATA_IN(デジタル映像信号)、HD(水平同期信号)及びVD(垂直同期信号)を生成する。これら3つの信号は、パラレル/シリアル変換回路570を介してLVDSのシリアライザによりパラレル/シリアル変換された後、映像信号としてセンサコントローラ1へと送られる。
An imaging operation in the two-
以上述べた、2次元撮像素子540、撮像素子駆動回路550、パラレル/シリアル変換回路570の動作は、センサヘッド発振器560から与えられるクロックに同期して行われる。
ところで、近年、例えば変位センサの計測対象物が多様化し、1つの計測対象物でも、計測位置が変わることにより精度に影響がでないように対応することが求められている。また、高速、高精度なセンシングが要求されている。具体的には、ガラス基板にレジスト液を塗布するコータに適用されるレジスト液塗布ノズル・ガラス基板間隔制御のためのガラス基板表面の変位計測においては、金属配線パターンを有するガラス基板に膜がコーティングされた状態でのガラス表面の高精度な変位計測が求められる。膜はその厚みにより、低反射率コーティングとして作用したり、高反射率コーティングとして作用する場合がある。また、金属配線は、その他の部分と比べて反射率が高い。このようなガラス基板の表面反射率は場所によって異なることになる。一方、レジストはスループットを上げるために高速に塗布されるが、そのためノズルと一体化された変位センサは高速にガラス基板上を移動する。従って、移動に伴って基板から得られる変位センサの反射受光量は高速かつ大幅に変動することになる。従来は、受光量の最大値に合わせて投光光量や、撮像素子のシャッター時間やゲインなどの光量制御を行っていたため、反射率が低い場所の信号は低く、計測精度の低下が生じるという問題が存在した。また、シート状ワークの厚み計測等においては、シートの蛇行によって計測領域が広範囲に移動することになるが、高精度な厚み計測を行うためには、広範囲にわたって高い分解能で変位計測処理を実行しなければならず、処理量が多いために高速な計測が困難であった。 By the way, in recent years, for example, the measurement objects of the displacement sensor are diversified, and it is required to cope with even one measurement object so that the accuracy is not affected by changing the measurement position. In addition, high-speed and high-precision sensing is required. Specifically, a resist coating nozzle applied to a coater that coats a resist solution on a glass substrate. A glass substrate having a metal wiring pattern is coated with a film in displacement measurement of the glass substrate surface for glass substrate spacing control. Therefore, it is required to measure the displacement of the glass surface with high accuracy. Depending on its thickness, the film may act as a low reflectance coating or as a high reflectance coating. Further, the metal wiring has a higher reflectance than the other parts. The surface reflectance of such a glass substrate varies depending on the location. On the other hand, the resist is applied at a high speed in order to increase the throughput. Therefore, the displacement sensor integrated with the nozzle moves on the glass substrate at a high speed. Therefore, the amount of reflected light received by the displacement sensor obtained from the substrate with the movement varies rapidly and greatly. Conventionally, the amount of light emitted and the amount of light such as the shutter time and gain of the image sensor are controlled according to the maximum value of the amount of received light, so the signal at low reflectivity is low and the measurement accuracy decreases. Existed. Also, in the thickness measurement of sheet-like workpieces, the measurement area moves over a wide range due to the meandering of the sheet, but in order to measure the thickness with high accuracy, displacement measurement processing is executed over a wide range with high resolution. In addition, since the amount of processing is large, high-speed measurement is difficult.
従来の変位センサでは、信号処理ユニットから下流のセンサヘッドへ、ON/OFFなどの投光制御信号やCCD制御信号を専用信号線で送るので、上流へ送る映像信号と比較して制御が複雑ではないが、通信速度を上げると、ノイズが乗りやすくなり、制御信号が正確に伝わらなくなるという不都合もある。 In a conventional displacement sensor, a light projection control signal such as ON / OFF and a CCD control signal are sent from the signal processing unit to the downstream sensor head via a dedicated signal line, so that the control is not as complicated as the video signal sent upstream. However, if the communication speed is increased, noise is more likely to ride and there is a disadvantage that the control signal cannot be accurately transmitted.
この発明は、このような従来の問題点に着目してなされたものであり、その目的とするところは、センシング動作を高速、高精度に制御できるようにしたセンサ装置を提供することにある。 The present invention has been made paying attention to such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a sensor device capable of controlling a sensing operation at high speed and with high accuracy.
この発明のセンサ装置は、センサヘッドと、センサコントローラと、センサヘッドとセンサコントローラとを結ぶ通信ケーブルとを有している。センサヘッドには、通信ケーブルの往路線を通して高速差動伝送方式により送られてくるデータを受信する受信手段と、通信ケーブルの復路線に対して高速差動伝送方式によりデータを送り出す送信手段と、センシング態様を制御可能なセンシング手段と、受信手段で受信された制御データに基づいてセンシング手段のセンシング態様を制御すると共に、制御されたセンシング態様の動作にてセンシング手段から生成されるセンシングデータを送信手段へと与えるヘッド側制御手段と、が含まれている。センサコントローラには、通信ケーブルの往路線に対して高速差動伝送方式によりデータを送り出す送信手段と、通信ケーブルの復路線を通して高速差動伝送方式により送られてくるデータを受信する受信手段と、送信手段へとセンシング態様制御のための制御データを送信すると共に、受信手段で受信されるセンシングデータを処理するコントローラ側制御手段と、が含まれている。 The sensor device of the present invention includes a sensor head, a sensor controller, and a communication cable connecting the sensor head and the sensor controller. In the sensor head, receiving means for receiving data sent by the high-speed differential transmission method through the outgoing line of the communication cable, transmitting means for sending data by the high-speed differential transmission method to the return route of the communication cable, Sensing means capable of controlling the sensing mode, and controlling the sensing mode of the sensing unit based on the control data received by the receiving unit, and transmitting sensing data generated from the sensing unit by the operation of the controlled sensing mode Head-side control means for feeding to the means. In the sensor controller, a transmission means for sending data by the high-speed differential transmission method to the outgoing line of the communication cable, a receiving means for receiving data sent by the high-speed differential transmission method through the return line of the communication cable, Controller-side control means for transmitting the control data for sensing mode control to the transmission means and processing the sensing data received by the reception means is included.
このような構成によれば、センサコントローラからセンサヘッドへの制御データ、およびセンサヘッドからセンサコントローラへのセンシングデータが通信により高速かつ正確に授受される。そのため、センシング動作を高速、高精度に制御できるので、多様な計測対象物の計測に好適となる。例えば光学式変位センサであれば、ガラス基板表面の変位計測やシート状ワークの厚み計測等に対して高速、高精度なセンシングが可能になる。高速差動伝送方式は例えばLVDS方式である。このような構成によれば、低消費電力、低ノイズを実現し、高精度な計測が可能となる。 According to such a configuration, control data from the sensor controller to the sensor head and sensing data from the sensor head to the sensor controller are exchanged at high speed and accurately by communication. Therefore, since the sensing operation can be controlled at high speed and with high accuracy, it is suitable for measuring various measurement objects. For example, with an optical displacement sensor, high-speed and high-precision sensing is possible for measuring the displacement of the glass substrate surface, measuring the thickness of the sheet-like workpiece, and the like. The high-speed differential transmission method is, for example, the LVDS method. According to such a configuration, low power consumption and low noise are realized, and highly accurate measurement is possible.
本発明のセンサ装置は、センシング手段が、光学式変位センサのセンシング手段、視覚センサのセンシング手段、近接センサのセンシング手段、測長センサのセンシング手段、角度センサのセンシング手段を含むものとしてもよい。このような構成によれば、センサの様々な検出原理に応じたセンシング動作を高速、高精度に制御できる。 In the sensor device of the present invention, the sensing means may include an optical displacement sensor sensing means, a visual sensor sensing means, a proximity sensor sensing means, a length measuring sensor sensing means, and an angle sensor sensing means. According to such a configuration, the sensing operation corresponding to various detection principles of the sensor can be controlled at high speed and with high accuracy.
本発明のセンサ装置は、センシング手段が投光素子と撮像素子により構成され、センシング態様が投光素子の発光制御であるように構成してもよい。このような構成によれば、投光素子の感度を高速、高精度に切り替え制御することができる。制御データは、投光素子の発光制御パルス信号とすることができる。 The sensor device of the present invention may be configured such that the sensing means includes a light projecting element and an image sensor, and the sensing mode is light emission control of the light projecting element. According to such a configuration, the sensitivity of the light projecting element can be switched and controlled with high speed and high accuracy. The control data can be a light emission control pulse signal of the light projecting element.
本発明のセンサ装置は、センシング手段が投光素子と撮像素子により構成され、センシング態様が撮像素子の計測領域の設定切り替え制御であるように構成してもよい。このような構成によれば、計測対象物の計測位置が変わるときにも計測領域を高速に追従させることができるようになる。本発明のセンサ装置は、撮像素子がCMOSイメージセンサであってもよく、また、投光素子がレーザダイオードであってもよい。 The sensor device of the present invention may be configured such that the sensing means includes a light projecting element and an image sensor, and the sensing mode is setting switching control of the measurement region of the image sensor. According to such a configuration, even when the measurement position of the measurement object changes, the measurement area can be tracked at high speed. In the sensor device of the present invention, the imaging element may be a CMOS image sensor, and the light projecting element may be a laser diode.
本発明のセンサ装置は、センシング手段がレーザダイオードまたはLEDと、CMOSイメージセンサにより構成され、センシング態様が、レーザダイオードまたはLEDの発光制御とCMOSイメージセンサの計測領域の設定切り替え制御であって、制御データが、互いに同期した前記発光制御信号と前記計測領域設定切り替え信号とすることができる。このようにすれば、レーザダイオードまたはLEDの発光制御信号とCMOSイメージセンサの計測領域の設定切り替え制御信号とを共通の高速差動伝送方式のデータとしてセンサヘッドへ送信することができるので、2つの信号を同期させて伝送することが可能であり、レーザダイオードまたはLEDの発光制御とCMOSイメージセンサの計測領域の設定切り替え制御とを同期させて制御することが可能となる。 In the sensor device of the present invention, the sensing means is constituted by a laser diode or LED and a CMOS image sensor, and the sensing mode is the light emission control of the laser diode or LED and the setting switching control of the measurement area of the CMOS image sensor. Data can be the light emission control signal and the measurement region setting switching signal synchronized with each other. In this way, the emission control signal of the laser diode or LED and the setting switching control signal of the measurement area of the CMOS image sensor can be transmitted to the sensor head as common high-speed differential transmission method data. The signals can be transmitted in synchronization, and the light emission control of the laser diode or LED and the setting switching control of the measurement region of the CMOS image sensor can be controlled in synchronization.
本発明によれば、センシング動作を高速、高精度に制御できるので、例えば光学式変位センサの場合であれば、ガラス基板表面の変位計測やシート状ワークの厚み計測等に対して高速、高精度なセンシングに好適なセンサ装置を提供することができる。 According to the present invention, since the sensing operation can be controlled at high speed and with high precision, for example, in the case of an optical displacement sensor, high speed and high precision can be used for measuring the displacement of the glass substrate surface, measuring the thickness of the sheet-like workpiece, and the like. A sensor device suitable for accurate sensing can be provided.
以下に、この発明の好適な実施の一形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。尚、本発明の及ぶ範囲は、以下の実施形態の記載に限定されないことは言うまでもなく、本発明の及ぶ範囲は特許請求の範囲の記載によって特定される。 In the following, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, it cannot be overemphasized that the range which this invention covers is not limited to description of the following embodiment, but the range which this invention covers is specified by description of a claim.
本実施形態のセンサ装置は、センサヘッドと、センサヘッドにケーブルを介して接続されたセンサコントローラとを備えている。センサコントローラの外観斜視図が図1に示されている。同図に示されるように、センサコントローラ1はケース10を有する1つのユニットとして構成される。ケース10の正面10aは上下に略2分割されており、上部領域には表示部11が設けられている。この例にあっては、表示部11は、セグメント表示器11aと液晶式キャラクタ表示器11bとから構成されている。
The sensor device of this embodiment includes a sensor head and a sensor controller connected to the sensor head via a cable. An external perspective view of the sensor controller is shown in FIG. As shown in the figure, the
ケース10の正面10aの下部領域は、操作部配置領域とされている。この操作部配置領域には、下端縁を支点として手前に開く操作部蓋12が設けられている。操作部蓋12を開けると、その内部には、数値キー、ファンクションキー、スライドスイッチ等といった各種の操作子が配置されている。
A lower region of the
ケース10の左右の側面(図では右側面10dのみを示す)には、ユニット間コネクタが設けられている。これら左右のユニット間コネクタのそれぞれにはユニット間コネクタ蓋(図では、右側の蓋15のみを示す)が設けられている。図では、ユニット間コネクタ蓋(右)15は、閉じられた状態にあり、これがスライド式に開かれると、内部には第1のポートと第2のポートとが存在する。後述するように、これら第1及び第2のポートは、中継コネクタ片7の第1ポート7aと第2ポート7bとに対応する。
Inter-unit connectors are provided on the left and right side surfaces of the case 10 (only the
ケース10の下面10cには、USBコネクタ13とRS−232Cコネクタ14とが設けられている。これらのコネクタ13,14はセンサコントローラ1とパソコン(PC)等との通信を行うために使用される。ケース10の下面10cからは外部接続コード3が引き出されている。この外部接続コード3内には電源線、外部入力線、外部出力線などが含まれている。これらの外部入出力線は例えばプログラマブル・コントローラ(PLC)等に接続される。後述するように、ケース10はDINレール5に装着可能とされ、DINレールクランパ16はその際に使用される。
A
センサコントローラ連装状態の外観斜視図が図2に示されている。同図に示されるように、この例にあっては、3台のセンサコントローラ1a,1b,1cが、横一列に整列された状態で、DINレール5を介して、制御盤内の取付板等に装着されている。この装着状態における各ケースの上面10bには、センサヘッドコネクタ8がそれぞれ設けられている。このセンサヘッドコネクタ8には、後述するように、センサヘッド2から引き出された通信ケーブル4の先端に取り付けられたセンサヘッドコネクタ4aが装着される。
FIG. 2 shows an external perspective view of the sensor controller connected state. As shown in the figure, in this example, the three
センシング中のセンサヘッドの外観斜視図が図3に示されている。同図に示されるように、センサヘッド2のケース20からは往路線と復路線とを有する通信ケーブル4が引き出され、その先端にはセンサヘッドコネクタ4aが取り付けられている。このセンサヘッドコネクタ4aが、センサコントローラ1のケース10のセンサヘッドコネクタ16に結合される。通信ケーブル4の往路線も復路線もツイストペアラインで構成されている。
An external perspective view of the sensor head during sensing is shown in FIG. As shown in the figure, a communication cable 4 having a forward route and a return route is drawn out from the
センサヘッド2のケース20内には、投光用の半導体レーザダイオード(LD)と受光用の2次元撮像素子(例えば、CCDイメージセンサ、CMOSイメージセンサ等)が設けられている。センサヘッド2は、半導体レーザダイオード(LD)から発せられたレーザ光をスリット光の状態にして対象物体6に照射する。図において、L1はスリット光の照射光である。対象物体6上の照射光像IMはセンサヘッド2内に設けられたレンズにより2次元撮像素子の受光面上に結像される。図中、L2はスリット光の反射光である。ここで、投光光軸と受光光軸とは所定の角度をなしている。スリット光の進行方向と垂直な面についてのスリット光の断面の長手方向は、投光光軸と受光光軸とがなす面に対して垂直となっている。センサヘッド2から対象物体6までの距離が変化すると、2次元撮像素子の受光面上のスリット光の像は、スリット光の長手方向と直交な方向に移動する。2次元撮像素子の水平走査方向は、スリット光の像の移動方向に合わせられている。2次元撮像素子の水平走査線上の光強度のピーク位置が対象物体までの距離を表している。スリット光を用いているので、スリット光の長手方向についての距離の分布を一挙に測定することができる。
A light emitting semiconductor laser diode (LD) and a light receiving two-dimensional imaging device (for example, a CCD image sensor, a CMOS image sensor, etc.) are provided in the
センサコントローラ回路の内部構成を示すブロック図が図4に示されている。同図に示されるように、センサコントローラ回路100は、センサヘッドコネクタ16と、ユニット間コネクタ(右)18aと、ユニット間コネクタ(左)18bと、外部I/Fコネクタ19とからなる4系統のコネクタを有している。センサヘッドコネクタ16には、先に図3を参照して説明したように、センサヘッド2から引き出された通信ケーブル4の先端に取り付けられたセンサヘッドコネクタ4aが接続される。ユニット間コネクタ(右)18a及びユニット間コネクタ(左)18bには、それぞれ右隣または左隣にそれぞれ隣接する他のユニットが、図1に示される中継コネクタ片7を介して接続される。外部I/Fコネクタ19は、図1に示されるUSBコネクタ13、RS−232Cコネクタ14、及び外部接続コード3を総称するものであり、この外部I/Fコネクタ19を介してパソコン(PC)やプログラマブル・コントローラ(PLC)等への接続が行われる。
A block diagram showing an internal configuration of the sensor controller circuit is shown in FIG. As shown in the figure, the
センサコントローラ100の内部には、センサヘッドI/F回路110と、制御部120と、入出力I/F回路ブロック150と、FPGA発振器160と、FPGA−RAM170とが含まれている。
The
制御部120とユニット間コネクタ(右)18aとの間、制御部120とユニット間コネクタ(左)18bとの間には、FPGA130とユニット間コネクタ(右)18aとの間の伝送経路、及びFPGA130とユニット間コネクタ(左)18bとの間のデータ伝送経路を含む、第1のデータ伝送経路P1が設けられている。また、センサヘッドコネクタ16とセンサヘッドI/F回路110との間にはデータ伝送経路が設けられると共に、制御部120とセンサヘッド16との間には、センサヘッドI/F回路110とFPGA130との間には第2のデータ伝送経路P2が設けられている。
A transmission path between the
制御部120は、プログラム可能な論理回路であるFPGA130とセンサコントローラの動作を制御するCPUブロック140とを有する。CPUブロック140には、マイクロプロセッサやその周辺回路が含まれている。FPGA130は、回路データをダウンロード(コンフィグレーション)することによって回路構成をプログラムすることが可能なLSIである。
The
FPGA130は、論理ブロック、スイッチマトリクス、クロスポイントスイッチの組み合わせによって、任意の論理回路を擬似的に実現する。論理ブロックは、メモリとマルチプレクサとを組み合わせたLUT(Look Up Table)によって、様々な論理を実現する。スイッチマトリクスとクロスポイントスイッチは、それぞれの論理ブロック間の接続を行うが、この接続自体もメモリによって制御される。また、FPGA130は、外部とデータのやり取りをするためにI/Oブロックを用いる。
The
FPGAには、アンチフューズタイプ、EEPROMタイプ、フラッシュROMタイプ、SRAMタイプ等がある。アンチフューズタイプは、中の回路の接続点がフューズで出来ていて、不要な部分を焼き切って回路を構成し、他は半導体スイッチのオン/オフデータをメモリのデータによって決めるタイプである。 The FPGA includes an antifuse type, an EEPROM type, a flash ROM type, and an SRAM type. The antifuse type is a type in which the connection point of the circuit in the inside is made of a fuse, and an unnecessary portion is burned out to constitute a circuit, and the other is a type in which on / off data of a semiconductor switch is determined by memory data.
本実施形態のFPGA130はSRAMタイプであり、電源を入れる度にFPGAチップへ回路データをダウンロードする必要がある。SRAMタイプに代えてEEPROMタイプやフラッシュROMタイプのFPGAを用いれば、回路データの消去や別の回路データのダウンロードをするまでは、電源を切ってもプログラムした回路構成を維持できる。
The
FPGA−RAM170には、本実施形態では、FPGA130の中の演算処理回路のワーキングメモリとしての高速性を重視してSRAMが用いられている。この記憶手段としては、高速性よりも大容量であることが重視される場合には、フラッシュメモリのような書き換え可能な半導体メモリやハードディスク装置等を用いることもできる。
In the present embodiment, an SRAM is used for the FPGA-
この例では、ユニット間コネクタ(18a,18b)及び第1データ伝送経路(P1)は左右両側に設けられているが、何れか一方だけでも差し支えない。特に、データの伝送方向を固定した設計においては、機能的にデータ伝送の最上流や最下流に設置されることが予定される機種の場合には、接続が必要な側にだけユニット間コネクタ及び第1データ伝送経路を設けることが考えられる。 In this example, the inter-unit connectors (18a, 18b) and the first data transmission path (P1) are provided on both the left and right sides, but only one of them may be used. In particular, in a design where the data transmission direction is fixed, in the case of a model that is planned to be functionally installed at the uppermost stream or the lowermost stream of data transmission, an inter-unit connector and It is conceivable to provide a first data transmission path.
以下、センサヘッド回路200及びセンサコントローラ回路100の内部詳細説明を行うが、それらの説明は次の事項を前提としている。図示された信号またはデータの伝送経路は、1本の線で表されていても複数の線を意味する場合もある。『制御信号』の用語は、回路の動作を制御するために用いられる信号という広い意味であり、イネーブル信号、リード/ライト信号、アドレス信号、割込信号、切替信号、タイミング指示信号等を含む。
Hereinafter, the
センサヘッド回路の詳細を示すブロック図が図5に示されている。このセンサヘッド回路200は、図3に示されるセンサヘッド2内の電気回路である。同図に示されるように、センサヘッド回路200は、シリアル/パラレル変換回路210と、半導体レーザダイオード(LD)220と、発光ダイオード(LED)230と、センシング手段としての2次元撮像素子240と、撮像素子駆動回路250と、センサヘッド発振器260と、パラレル/シリアル変換回路270と、EEPROM280とを含んでいる。また、このセンサヘッド回路200は、通信ケーブル4を介してセンサコントローラ1から供給される電源(+12V,0V)を受けて動作する。
A block diagram showing details of the sensor head circuit is shown in FIG. The
シリアル/パラレル変換回路210は、受信手段であり、通信ケーブル4の往路線4bを通してセンサコントローラから送られてくる設定信号及び投光制御信号をシリアル/パラレル変換することによって、LD_ON(レーザ制御信号)、LED(センサLED制御信号)、DATA_OUT(センサ設定信号)、EEPROM(EEPROM制御信号)を生成出力する。
The serial /
LD_ON(レーザ制御信号)を受けて、センシング用の投光に用いる光源であるLD220が駆動される。LED(センサLED制御信号)を受けて、センサヘッド2に設けられた図示しない表示器であるLED230が駆動される。EEPROM(EEPROM制御信号)により、EEPROM280のリード/ライトが行われる。DATA_OUT(センサ設定信号)は撮像素子駆動回路250に送られる。
In response to the LD_ON (laser control signal), the
センサ設定信号は、CMOS2次元撮像素子の読み出す画素の領域の指定、シャッタスピード(電荷蓄積時間)の指定、一定周期で連続的に撮像するかセンサコントローラからのトリガを受けて撮像するかの撮像モード指定などを行うための信号である。 The sensor setting signal includes a pixel area to be read by the CMOS two-dimensional image sensor, a shutter speed (charge accumulation time) designation, and an imaging mode in which images are taken continuously at a constant cycle or triggered by a sensor controller. It is a signal for specifying.
2次元撮像素子240はこの例ではCMOS型が使用されている。尚、2次元撮像素子240としてはCCD型を用いることもできる。先に図3を参照して説明したように、LD220からの光はスリット光に変換された後、対象物体6に照射される。対象物体6上の照射光像IMはセンサヘッド内に設けられたレンズ(図示せず)により2次元撮像素子240上に結像される。投光光軸と受光光軸とは所定の角度をなしている。
In this example, a CMOS type is used for the two-
スリット光の進行方向と垂直な面についてのスリット光の断面の長手方向は、投光光軸と受光光軸とがなす面に対して垂直となっている。センサヘッドから対象物体までの距離が変化すると、2次元撮像素子240上のスリット光の像は、スリット光の長手方向と垂直な方向に移動する。2次元撮像素子240の水平走査方向は、スリット光の像の移動方向に合わせられている。2次元撮像素子240の水平走査線上の光強度のピーク位置が対象物体までの距離を表している。スリット光を用いているので、スリット光の長手方向についての距離の分布を一挙に測定することができる。
The longitudinal direction of the cross section of the slit light with respect to the surface perpendicular to the traveling direction of the slit light is perpendicular to the surface formed by the light projecting optical axis and the light receiving optical axis. When the distance from the sensor head to the target object changes, the image of the slit light on the two-
2次元撮像素子240における撮像動作は、撮像素子駆動回路250から供給される制御信号に基づいて行われ、撮像の結果得られた出力は撮像素子駆動回路250へと送られる。
An imaging operation in the two-
撮像素子駆動回路250では、2次元撮像素子240から得られた出力に基づいて、DATA_IN(デジタル映像信号)、HD(水平同期信号)及びVD(垂直同期信号)を生成する。これら3つの信号は、送信手段としてのパラレル/シリアル変換回路270を介してパラレル/シリアル変換された後、映像信号として通信ケーブル4の復路線4cを介してセンサコントローラ1へと送られる。
The image
以上述べた、シリアル/パラレル変換回路210、2次元撮像素子240、撮像素子駆動回路250、パラレル/シリアル変換回路270の動作は、制御手段としてのセンサヘッド発振器260から与えられるクロックに同期して行われる。また、EEPROM280には、センサヘッドの型式データが記憶されている。
The operations of the serial /
次に、センサコントローラ回路100側の詳細について説明する。センサヘッドI/F回路の詳細を示すブロック図が図6に示されている。同図に示されるように、センサヘッドI/F回路110は、シリアル/パラレル変換回路111と、パラレル/シリアル変換回路112と、センサヘッドI/F発振器113とを含んでいる。
Next, details of the
シリアル/パラレル変換回路111は、受信手段として、通信ケーブル4の復路線4cを介してセンサヘッド2から送られてくる映像信号を、シリアル/パラレル変換することによって、DATA_IN(センシングデータ)、HD(水平同期信号)、VD(垂直同期信号)を生成出力する。
The serial / parallel conversion circuit 111 performs a serial / parallel conversion on a video signal sent from the
パラレル/シリアル変換回路112は、送信手段として、制御部120から送られてくるDATA_OUT(センサ設定信号)、LED(センサLED制御信号)、LD_ON(レーザ制御信号)、EEPROM(EEPROM制御信号)を、パラレル/シリアル変換することによって、設定信号、投光制御信号等を生成する。こうして生成された設定信号、投光制御信号等は、通信ケーブル4の往路線4bを介してセンサヘッド2へと送られる。
The parallel /
尚、電源(+12V,0V)は、このセンサヘッドI/F回路110を経由してセンサヘッド回路200へと送られる。センサヘッド回路200のEEPROM280から読み出された型式データは、センサヘッドI/F回路110を経由して、制御部120へと送られる。
The power supply (+ 12V, 0V) is sent to the
FPGA及びCPUとユニット間コネクタとの接続関係を示す信号系統図が図7に示されている。ユニット間データの伝送経路は、8本のパラレルデータ線である。これにより高速なデータ伝送が実現される。 FIG. 7 shows a signal system diagram showing a connection relationship between the FPGA and CPU and the inter-unit connector. The transmission path for inter-unit data is eight parallel data lines. Thereby, high-speed data transmission is realized.
ユニット間制御信号には、通信先(例えばデータの出力を要求する相手)のユニットを特定するためのユニット番号を表す信号が含まれる。ユニット間データの伝送経路とユニット間制御信号の伝送経路とを複数組設けることにより、データ伝送をさらに高速化したり、異なるデータを並行して伝送することを可能にしてもよい。 The inter-unit control signal includes a signal representing a unit number for specifying a unit of a communication destination (for example, a partner who requests data output). By providing a plurality of sets of transmission paths for inter-unit data and transmission paths for inter-unit control signals, it may be possible to further increase the speed of data transmission or to transmit different data in parallel.
本実施形態では、ユニット間データの伝送は双方向であるが、例えば右側を入力専用、左側を出力専用(又はその反対)というように、伝送方向を固定してもよい。そのように伝送方向が決まっていると、センサコントローラを複数接続した場合の伝送設定が容易になる。センサコントローラ内の回路の簡素化も図ることができる。 In this embodiment, transmission of data between units is bidirectional, but the transmission direction may be fixed, for example, the right side is dedicated to input and the left side is dedicated to output (or vice versa). If the transmission direction is determined in this way, transmission setting is facilitated when a plurality of sensor controllers are connected. The circuit in the sensor controller can be simplified.
CPU間通信はシリアル通信である。ユニット間データの伝送に比べて通信速度が遅いので、画像データを演算処理して得られた演算結果の値のようにデータ量の少ないセンシングデータの送信や、センサコントローラのユニット番号設定のような初期設定や、動作中の種々の設定変更のための通信に適している。通信速度が遅い代わりに、ソフトウェアによって自由に通信内容を決めることができるので、通信内容の柔軟性に富んでいる。このような通信を、ユニット間データの高速伝送を妨げることなく行うことができる。尚、CPU間通信の伝送経路は、FPGA130の中を経由するようにしてもよい。
The inter-CPU communication is serial communication. Since the communication speed is slower than the transmission of data between units, such as the transmission of sensing data with a small amount of data, such as the value of the calculation result obtained by processing image data, and the unit number setting of the sensor controller It is suitable for communication for initial setting and various setting changes during operation. Since the communication content can be freely determined by software instead of the communication speed being slow, the communication content is highly flexible. Such communication can be performed without interfering with high-speed transmission of data between units. The transmission path for inter-CPU communication may be routed through the
FPGA内部回路の詳細を示すブロック図が図8に示されている。同図に示されるように、FPGA130には、タイミング変換回路131と、データ経路切替回路132と、演算処理回路133と、レジスタ134と、クロック切替回路135と、タイミング生成回路136と、バッファ137とが含まれている。
A block diagram showing details of the FPGA internal circuit is shown in FIG. As shown in the figure, the
タイミング変換回路131は、センサヘッド2側のクロックの速度とセンサコントローラ1側のクロックの速度との相違を許容しつつ、センサコントローラに対して最適なタイミングでデータの読み出しを可能とするものである。
The
データ経路切替回路132は、タイミング変換回路131から、すなわちセンサヘッド2から入力したデータをユニット間データ(右)、ユニット間データ(左)、演算処理回路133のうちの1つ、2つ、又は3つ全てに出力することができる。また、どこにも出力しないこともできる。
The data
ユニット間データ(右)から入力したデータは、ユニット間データ(左)及び演算処理回路133の両方または一方に出力することができるし、何れにも出力しないこともできる。ユニット間データ(左)から入力したデータは、ユニット間データ(右)及び演算処理回路133の両方または一方に出力することができる。何れにも出力しないこともできる。演算処理回路133から入力したデータは、ユニット間データ(右)及びユニット間データ(左)の両方または一方に出力することができる。何れにも出力しないこともできる。
Data input from the inter-unit data (right) can be output to both or one of the inter-unit data (left) and the
レジスタ134は、FPGA130内の回路やFPGA130の入出力線とCPUバスとの間のデータ伝送に用いられるメモリである。
The
クロック切替回路135は、FPGA発振器160が出力するクロック信号か、他のセンサコントローラから入力されるユニット間クロック信号かの何れかをCPUブロック140からのクロック切替信号による指示に従い選択してFPGA130内部に内部クロック信号として供給する。
The
タイミング生成回路136は、タイミング変換回路131、データ経路切替回路132、演算処理回路133のそれぞれに対して制御信号を出力することにより、これらの回路が協調したタイミングで動作できるように、それぞれの回路の動作を調整する。
The
演算処理回路133は、センシング目的に応じてその内容が設計される。センシングデータが画像データである場合は、ノイズ除去、エッジ強調、階調変換、二値化、平均値演算、ピーク位置抽出、面積抽出、重心位置抽出などを行う演算回路ブロックを組み合わせて構成される。演算対象とするセンシングデータは画像データには限らず、時系列的に取得される多値データであってもよい。例えば、PSD(Position Sensitive Device)を用いた変位センサの出力は、時系列的に変化するアナログ信号として得られるが、これを一定周期でデジタル変換した(サンプリングした)データを対象として、ノイズ除去、特徴量抽出などを行う演算回路ブロックを組み合わせた演算処理回路を構成してもよい。
The content of the
この場合にも、FPGA130は演算内容に応じて配線されたハードウェアにより演算処理を行うため、CPUとプログラムにより演算を行う場合に比べて高速な演算が可能であるから、サンプリング周期を小さくすることが可能となり、これによって短い時間のうちに生起する現象をセンシングの対象とすることができる。
Also in this case, since the
演算処理回路における演算は、FPGA130に接続されたFPGA−RAM170をワーキングメモリとして利用しながら行うようにしてもよい。演算処理回路133における演算は、例えば1フレームの画像のような或るまとまった量のデータを単位として行うようにしてもよいし、走査線数本分のラインバッファを利用するなどして、連続的に取得されるデータに対して順次処理を行い、その結果を連続的に出力するパイプライン方式の演算とすることもできる。
The calculation in the arithmetic processing circuit may be performed while using the FPGA-
CPUブロックの詳細を示すブロック図が図9に示されている。同図に示されるように、CPUブロック140は、マイクロプロセッサを主体として構成されるCPU141と、シリアル通信I/F回路142と、CPU−ROM143と、CPU−RAM144とが含まれている。
A block diagram showing details of the CPU block is shown in FIG. As shown in the figure, the
CPU−ROM143には、CPUにセンサコントローラの動作を制御させるためのプログラム及び電源投入直後にFPGA130にロードするための回路データが格納されている。
The CPU-
CPU141、シリアル通信I/F回路142、CPU−ROM143、CPU−RAM144は、CPUバスを介して結ばれている。CPUバスはFPGAと入出力I/F回路ブロックとの双方に接続されている。シリアル通信I/F回路142は、右側に隣接するセンサコントローラのCPUブロックと左側に隣接するセンサコントローラのCPUブロックとにそれぞれユニット間コネクタを介して接続される。
The
入出力I/F回路ブロックの詳細を示すブロック図が図10に示されている。同図に示されるように、入出力I/F回路ブロック150は、操作部入力回路151と、表示部出力回路152と、D/A変換器153と、パラレルI/F回路154と、RS−232Cインタフェース回路155と、USBインタフェース回路156とを含んでいる。
A block diagram showing details of the input / output I / F circuit block is shown in FIG. As shown in the figure, the input / output I /
操作部入力回路151は操作部17を構成する数値キー、ファンクションキー、スライドスイッチからの出力を入力するためのインタフェースとして機能する。表示部出力回路152は、表示部11に対する表示データ出力のためのインタフェースとして機能する。D/A変換器153は、外部接続コード3に含まれる出力線上にアナログ信号を出力するためのインタフェースとして機能する。パラレルインタフェース回路154は、外部接続コード3に含まれる信号線との間でパラレルデータのやり取りを行うためのインタフェースとして機能する。RS−232Cインタフェース回路155は、RS−232Cコネクタ14との間でデータをやり取りするためのインタフェースとして機能する。USBインタフェース回路156は、USBコネクタ13との間でデータのやり取りを行うためのインタフェースとして機能する。
The operation
これらの操作部入力回路151、表示部出力回路152、D/A変換器153、パラレルインタフェース回路154、RS−232Cインタフェース回路155及びUSBインタフェース回路156は、CPUブロック140に繋がるCPUバスへと接続されている。尚、入出力インタフェース回路ブロック150には、メモリカードを接続するためのインタフェースを設けることもできる。
The operation
CPU141のゼネラルフローチャート(単体動作時)が図11に示されている。同図に示されるように、このゼネラルフローチャートに示される処理の全体は、ルーチン処理と割込処理とから構成される。ルーチン処理としては、FPGA130に回路データをロードする処理(ステップ1101)、操作入力処理(ステップ1102)、外部入力処理(ステップ1103)、外部出力処理(ステップ1104)及び表示処理(ステップ1105)を含んでいる。また、割込処理としては、センシング処理(ステップ1111)を含んでいる。 A general flowchart of the CPU 141 (during single operation) is shown in FIG. As shown in the figure, the entire process shown in the general flowchart is composed of a routine process and an interrupt process. The routine processing includes processing for loading circuit data into the FPGA 130 (step 1101), operation input processing (step 1102), external input processing (step 1103), external output processing (step 1104), and display processing (step 1105). It is out. The interrupt process includes a sensing process (step 1111).
ルーチン処理は、電源投入よりスタートする。処理が開始されると、まずFPGA130に回路データをロードした後(ステップ1101)、操作入力処理(ステップ1102)、外部入力処理(ステップ1103)、外部出力処理(ステップ1104)、表示処理(ステップ1105)を繰り返し実行しながら、無限ループ状態となる。
Routine processing starts when the power is turned on. When processing is started, circuit data is first loaded into the FPGA 130 (step 1101), operation input processing (step 1102), external input processing (step 1103), external output processing (step 1104), and display processing (
電源投入により処理がスタートすると、FPGA130に回路データをロードした後は(ステップ1101)、CPUは電源オフまで無限ループを繰り返す(ステップ1102〜1105)。FPGA130からの割込や外部入力からの割込があると、CPUはFPGA130からセンシングデータについての演算処理結果を取得して所定のセンシング処理を実行する(ステップ1111)。
When processing is started by turning on the power, after loading circuit data into the FPGA 130 (step 1101), the CPU repeats an infinite loop until the power is turned off (
FPGA130への回路データのロードは、CPU−ROM143に圧縮格納されている回路データをCPU−RAM144に解凍展開し、CPU−RAM144からFPGA130に回路データを転送することにより行われる。
The circuit data is loaded into the
次に、本実施形態のセンサ装置のセンシング態様の一例としてLD制御について説明する。センサヘッド2への入力信号(参照符号a,b)、およびセンサヘッド2からの出力信号(参照符号d,e,f)のタイムチャートが図12に示されている。
Next, LD control will be described as an example of a sensing aspect of the sensor device of the present embodiment. FIG. 12 shows a time chart of input signals (reference symbols a and b) to the
センサヘッド発振器260は、参照符号cで示されるようなクロックCLKを、2次元撮像素子240,撮像素子駆動回路250,パラレル/シリアル変換回路270,シリアル/パラレル変換回路210に送る(図5参照)。クロック周波数は例えば14MHzである。
The
シリアル/パラレル変換回路210は、センサコントローラ1から送られてくる設定信号、投光制御信号等をシリアル/パラレル変換することによって、図14の参照符号a,bでそれぞれ示されるように、LED(センサLED制御信号)、LD_ON(レーザ制御信号)を生成出力する(制御データ)。
The serial /
撮像素子駆動回路250は、図14の参照符号d,e,fでそれぞれ示されるように、VD(垂直同期信号)、HD(水平同期信号)及びDATA_IN(デジタル映像信号)を生成し、これら3つの信号は、パラレル/シリアル変換回路270を介してパラレル/シリアル変換された後、映像信号としてセンサコントローラ1へと送られる(センシングデータ)。VD(垂直同期信号)の周期は例えば540μs、HD(水平同期信号)の周期は例えば60μsである。
The image
本実施形態では、設定信号、投光制御信号等は通信ケーブル4の往路線4bを介してセンサコントローラ1からシリアル通信でセンサヘッド2へ送られてくる。このシリアル通信は差動伝送方式であり、例えばLVDSが用いられる。
In the present embodiment, the setting signal, the light projection control signal, and the like are sent from the
LD_ON(レーザ制御信号)のON時間は、最大値が540×0.8μs(計測周期)であり、最小値が数十nsである。このように計測対象物体の計測レンジの変動に応じて、多段階にレーザダイオードのパルス幅(ON時間)を切り替えることができるように構成されている。つまり、広範囲に、精度よく、レーザダイオードの点灯時間を調整することが可能であり、様々なワークの反射光に対応することができる。 The maximum value of the ON time of LD_ON (laser control signal) is 540 × 0.8 μs (measurement cycle), and the minimum value is several tens of ns. In this way, the pulse width (ON time) of the laser diode can be switched in multiple stages according to the variation of the measurement range of the measurement target object. That is, it is possible to adjust the lighting time of the laser diode over a wide range with high accuracy, and it is possible to cope with the reflected light of various workpieces.
本実施形態のLD制御と比較するために従来のLD制御を説明する。図23に示す従来のセンサヘッドでは、LD_ON(レーザ制御信号)、LED(センサLED制御信号)、DATA_OUT(センサ設定信号)、EEPROM(EEPROM制御信号)は、ケーブルを介してセンサコントローラから専用信号線でセンサヘッドへ送られてくる。このパラレル伝送は、LVDS等のシリアル通信に比べてノイズに弱く伝送速度も遅い。 Conventional LD control will be described for comparison with the LD control of the present embodiment. In the conventional sensor head shown in FIG. 23, LD_ON (laser control signal), LED (sensor LED control signal), DATA_OUT (sensor setting signal), and EEPROM (EEPROM control signal) are sent from the sensor controller via a cable to the dedicated signal line. Is sent to the sensor head. This parallel transmission is less susceptible to noise and slower in transmission speed than serial communication such as LVDS.
従来のセンサヘッドへの入力信号(参照符号a,b)、およびセンサヘッドからの出力信号(参照符号d,e,f)のタイムチャートが図13に示されている。図13に参照符号bで示されるように、LD_ON(レーザ制御信号)のON時間は、最大値が数ms(計測周期)であり、最小値が数十μsとなる。このため、ダイナミックレンジ(最大値/最小値)は、100〜1000となる。一方、本実施形態のレーザ制御におけるダイナミックレンジ(最大値/最小値)は、数万以上となる。 FIG. 13 shows a time chart of input signals (reference symbols a, b) to the conventional sensor head and output signals (reference symbols d, e, f) from the sensor head. As indicated by reference symbol b in FIG. 13, the maximum value of the ON time of LD_ON (laser control signal) is several ms (measurement cycle), and the minimum value is several tens of μs. For this reason, the dynamic range (maximum value / minimum value) is 100 to 1000. On the other hand, the dynamic range (maximum value / minimum value) in laser control of this embodiment is tens of thousands or more.
センサ装置において、ダイナミックレンジの広範囲なものが求められている。広範囲のダイナミックレンジを必要とするワークの例が図14に示されている。図14の参照符号aで示されるコータでは、図示しないノズルに接続された変位センサ1401が、大理石のステージ1402に載置されたガラス基板1403上を移動することにより、ガラス基板1403とノズルとのギャップが計測される。そして、ノズルから射出される塗工液の厚さを均一とすることが要求される。ガラス基板1403の表面には、図14の参照符号bで示されるように、素ガラス1404の部分、クロムめっきが施された部分1405、膜付きの部分1406などが存在する場合がある。クロムめっきが施された部分1405は表面が鏡面に近い状態であり反射光量が多くなり、一方、膜付きの部分1406では反射光量が非常に少なくなる。
Sensor devices are required to have a wide dynamic range. An example of a work requiring a wide dynamic range is shown in FIG. In the coater indicated by reference symbol a in FIG. 14, a
また、図14の参照符号cで示されるPWB(プリント配線基板)では、変位センサ1401が、SUS(ステンレス)のステージ1407に載置されたガラスエポキシ基板1408上を移動することにより、ガラスエポキシ基板1408の表面の厚み計測が要求される。ガラスエポキシ基板1408の表面には、図14の参照符号dで示されるように、銅線1409、シルク印刷された部分1410、レジスト(透明膜)部分1411などが存在する。
Further, in the PWB (printed wiring board) indicated by reference numeral c in FIG. 14, the
また、図14の参照符号eで示される金型の形状計測においては、変位センサ1401が、金型1412の表面上を移動することにより、金型の凹部の厚み計測が要求される。金型1412の凹部は、垂直面の部分1413、傾斜面の部分1414などが存在する。
In the mold shape measurement indicated by reference symbol e in FIG. 14, the
従って、コータ、PWB、金型などにおいて、様々な表面状態を計測するには、ダイナミックレンジが広範なものでなければならない。 Therefore, in order to measure various surface states in a coater, PWB, mold, etc., the dynamic range must be wide.
本実施形態のレーザ制御におけるダイナミックレンジ(最大値/最小値)は、上述したように、従来(100〜1000)のものに比べて格段に大きい(数万以上)。 As described above, the dynamic range (maximum value / minimum value) in the laser control of the present embodiment is significantly larger (tens of thousands or more) than the conventional one (100 to 1000).
ところで、図23に示す従来のセンサヘッドにおいて、レーザ制御信号を例えば5ビットのパラレルにすることにより、LDの点灯に関して、1.4倍刻みに設定した32通りの点灯時間を設定することが可能である。この場合には、LD_ON(レーザ制御信号)のON時間は、最大値が数ms(計測周期)、最小値が数十nsとなる。このため、ダイナミックレンジ(最大値/最小値)を、本実施形態と同様に数万以上のものとすることができる。 By the way, in the conventional sensor head shown in FIG. 23, by setting the laser control signal to, for example, 5 bits in parallel, it is possible to set 32 lighting times set to 1.4 times for LD lighting. It is. In this case, the ON time of LD_ON (laser control signal) has a maximum value of several ms (measurement cycle) and a minimum value of several tens ns. For this reason, the dynamic range (maximum value / minimum value) can be tens of thousands or more as in the present embodiment.
しかしながら、このような方法では、LDのON時間を調整するときに、点灯時間が1.4倍刻みに設定されているので、点灯時間を調整するときの切替レンジも1.4倍刻みとなる。LD_ON(レーザ制御信号)は、図15の参照符号bで示されるように、受光量が飽和気味のときには暗くするためにLDのON時間が1/1.4倍となる。或いは暗すぎる場合に明るくするためにLDのON時間が1.4倍となる。このように感度調整すると、図15の参照符号fで示されるように、調整する都度、受光波形の濃度ピークが大きく変化する(山の形状が変化する)。そのため、計測誤差が発生してしまう。従来のLD制御方法では、点灯時間の調整切替レンジが1.4倍刻みなので、受光波形の濃度ピークが大きく変化しないようにすることができない。仮に点灯時間を1%程度変化させるような微調整をしようとするためには、LD制御用のパラレルの信号線を5本から大幅に増設しなければならない。 However, in such a method, when the ON time of the LD is adjusted, the lighting time is set in increments of 1.4. Therefore, the switching range when adjusting the lighting time is also in increments of 1.4. . LD_ON (laser control signal) is darkened when the amount of received light is saturated, as indicated by reference symbol b in FIG. Or, if it is too dark, the ON time of the LD becomes 1.4 times to make it brighter. When the sensitivity is adjusted in this way, as indicated by the reference symbol f in FIG. 15, the density peak of the received light waveform changes greatly each time the adjustment is made (the shape of the mountain changes). Therefore, a measurement error occurs. In the conventional LD control method, since the adjustment switching range of the lighting time is in increments of 1.4, it is impossible to prevent the concentration peak of the received light waveform from changing greatly. In order to make a fine adjustment to change the lighting time by about 1%, it is necessary to significantly increase the number of parallel signal lines for LD control from five.
一方、本実施形態のセンサ装置では、設定信号、投光制御信号等は通信ケーブル4の往路線4bを介してセンサコントローラ1から例えばLVDSなどのシリアル通信でセンサヘッド2へ送られてくるので、LD_ON(レーザ制御信号)のON時間の微調整を精度よく行うことが可能である。その結果、図16の参照符号bで示されるように、LDのON時間を元の点灯時間の99%にする、或いは101%にするなどの微調整をすることができる。このとき図16の参照符号fで示されるように、受光波形の濃度ピークはほとんど変化しないので、計測誤差を小さくすることができる。
On the other hand, in the sensor device of the present embodiment, the setting signal, the light projection control signal, etc. are sent from the
従って、本実施形態のLD制御では、従来のものに比べて、ダイナミックレンジを大きくする効果と、LD点灯時間の微調整による計測誤差の低減効果を果たすことが可能となる。 Therefore, in the LD control of this embodiment, it is possible to achieve an effect of increasing the dynamic range and a measurement error reduction effect by fine adjustment of the LD lighting time as compared with the conventional one.
次に、本実施形態のセンサ装置のセンシング態様の一例としてCMOS制御を従来のCMOS制御と比較して説明する。 Next, as an example of the sensing aspect of the sensor device of this embodiment, CMOS control will be described in comparison with conventional CMOS control.
図23に示す従来のセンサヘッドでは、LD_ON(レーザ制御信号)、LED(センサLED制御信号)、DATA_OUT(センサ設定信号)、EEPROM(EEPROM制御信号)は、ケーブルを介してセンサコントローラから専用の通信線でセンサヘッドへ送られてくる。 In the conventional sensor head shown in FIG. 23, LD_ON (laser control signal), LED (sensor LED control signal), DATA_OUT (sensor setting signal), and EEPROM (EEPROM control signal) are communicated from the sensor controller via a cable. The wire is sent to the sensor head.
従来のセンサヘッドへの入力信号のタイミングチャートが図17に示されている。参照符号aで示されるEEPROM(EEPROM制御信号)と参照符号bで示されるDATA_OUT(センサ設定信号)は同一のタイミングであり、1つのデータを送るために、最大値として数百μsの時間を要する。なお、SDはデータ信号、SCLはクロック信号、SEはイネーブル信号を示している。 A timing chart of input signals to the conventional sensor head is shown in FIG. The EEPROM (EEPROM control signal) indicated by the reference symbol a and the DATA_OUT (sensor setting signal) indicated by the reference symbol b have the same timing, and it takes a time of several hundreds μs as the maximum value to send one data. . SD represents a data signal, SCL represents a clock signal, and SE represents an enable signal.
参照符号bで示されるDATA_OUT(センサ設定信号)は撮像素子(CMOS)の設定信号である。CMOSの設定データは、例えば、撮像素子の長方形視野(受光面)の読み出し始点のX座標およびY座標、読み出し終点のX座標およびY座標、X方向およびY方向の間引き間隔、シャッタースピード、モード設定などが必要であり、これらを合計すると、約80ビットのデータ量となる。1ビットのデータを送るために数百μsの時間を要するので、従来、CMOSの設定データをすべて送るためには、数十msの時間を必要としていた。 DATA_OUT (sensor setting signal) indicated by reference sign b is a setting signal for the image sensor (CMOS). The CMOS setting data includes, for example, the X and Y coordinates of the reading start point of the rectangular field (light receiving surface) of the image sensor, the X and Y coordinates of the reading end point, the thinning intervals in the X and Y directions, the shutter speed, and the mode setting. Etc. are required, and when these are added up, a data amount of about 80 bits is obtained. Since it takes several hundreds of μs to send 1-bit data, conventionally, several tens of ms were required to send all CMOS setting data.
本実施形態のセンサヘッドへの入力信号のタイミングチャートが図18に示されている。参照符号bで示されるDATA_OUT(センサ設定信号)は、1つのデータ(1ビット)を送るために、数百nsの時間を要する。従って、CMOSの設定データ(80ビット)をすべて送るためには、数十μsの時間で済む。これにより、従来のCMOS制御に比べておよそ1000倍の速度を実現することができる。 A timing chart of an input signal to the sensor head of this embodiment is shown in FIG. DATA_OUT (sensor setting signal) indicated by reference symbol b requires several hundreds of ns to send one data (one bit). Accordingly, in order to send all the CMOS setting data (80 bits), it takes a time of several tens of μs. As a result, a speed approximately 1000 times that of the conventional CMOS control can be realized.
以下に、CMOS制御を高速に行うことができることにより、実現する計測方法の例(コータ、厚み計測)を説明する。 Hereinafter, an example of a measurement method (coater, thickness measurement) realized by performing CMOS control at high speed will be described.
まず、テーブルコータによりガラス基板に塗工液(レジスト液)を塗布する場合を想定する。この場合、大理石のステージ上に載置されたガラス基板の厚みを計測しながらレジスト液をガラス基板に均一に塗布するために、大別して4ステップの動作を行う。 First, it is assumed that a coating liquid (resist liquid) is applied to a glass substrate with a table coater. In this case, in order to uniformly apply the resist solution to the glass substrate while measuring the thickness of the glass substrate placed on the marble stage, the operation is roughly divided into four steps.
まず、第1のステップでは、図19(a)に示されるように、大理石のステージ1903にガラス基板1904を載置し、ノズル1901に接続された変位センサ1902により、ステージ1903までの距離を計測し、ゼロ点位置をリセットする。この場合、ステージ1903は大理石であるため、ステージ表面は斑模様である。そこで、幅の広いラインビーム(スリット光の照射光像IM)で斑模様を平均的に計測する。このときのCMOSによる撮像画像が図20(a)に示されている。同図に示される2001は、2次元撮像素子の長方形視野(受光面)を表している。このとき計測領域2002は視野と同一である。2003は照射光像を表している。
First, in the first step, as shown in FIG. 19A, a
第2のステップでは、図19(b)に示されるように、ノズル1901に接続された変位センサ1902をガラス基板1904の端部に移動させてガラス面を計測する。この場合、ガラス基板1904の表面は均一なため、幅の狭いラインビームで計測する。第3のステップでは、第2のステップの計測結果を基にノズル1901の高さを初期設定する。第2のステップおよび第3のステップに対応した撮像画像が図20(b)に示されている。計測領域2002は、変位方向では視野と同一であり、これと直交するライン方向(照射光像の延在方向)では視野の中心部分にだけ設定されている。
In the second step, as shown in FIG. 19B, the
第4のステップでは、図19(c)に示されるように、ガラスの表面変位計測結果をフィードバック制御して、ノズル1901の高さを調整しながらレジスト液を塗布する。この場合には、高速サンプリングが必要なため、微小領域で計測する。すなわち、図20(c)に示されるように、計測領域2002は、変位方向もライン方向(照射光像の延在方向)も視野の中心部分にだけ設定される。
In the fourth step, as shown in FIG. 19C, feedback control is performed on the glass surface displacement measurement result, and the resist solution is applied while adjusting the height of the
上述のように、ラインビームの幅と計測領域とが動作ステップによって異なる。従来、(1)大理石とガラスとを両方とも精度よく計測すること、(2)ガラスの厚みを計測することのできるレンジを有する、(3)計測時間の短縮(とくに第4のステップ)の各点が要望されている。本実施形態のセンサ装置によれば、動作ステップにより異なる設定を高速で切り替えることが可能であり、上記要望を満足することができる。 As described above, the line beam width and the measurement region differ depending on the operation step. Conventionally, each of (1) measuring both marble and glass with high accuracy, (2) having a range capable of measuring the thickness of glass, (3) reducing measurement time (particularly the fourth step) A point is desired. According to the sensor device of the present embodiment, different settings can be switched at high speed depending on the operation step, and the above-described demand can be satisfied.
次に、シート状のワークの厚み計測におけるCMOS高速制御を説明する。ここでシート状ワークは、積層セラミックコンデンサ、建材、サンドペーパー等を想定している。図21に示されるように、センサヘッドのレーザ射出面を互いに向かい合わせた変位センサ2101,2102を上下に配置し、ローラ2103,2104に挟まれて送り出されるシート状ワーク2105の厚みを変位センサ2101,2102の間で計測する。このとき、予め変位センサ2101,2102間の距離Xを計測しておき、変位センサ2101からシート状ワーク2105までの距離Y1、および変位センサ2102からシート状ワーク2105までの距離Y2を計測することにより、シート状ワークの厚みDが次式(1)により求められる。
Next, CMOS high-speed control in measuring the thickness of a sheet-like workpiece will be described. Here, the sheet-like workpiece is assumed to be a multilayer ceramic capacitor, a building material, a sandpaper, or the like. As shown in FIG. 21, the
D=X−(Y1+Y2)・・・(1) D = X− (Y1 + Y2) (1)
この場合、例えばシート状ワーク2105は切断された後、積層され、各層が貼り付けられた後、コーティングされて製品となる。従って製品には、1枚1枚のシート状ワーク2105の厚みの誤差が反映される。従って、1枚のシート状ワークの厚み計測に対して高い精度が要求されている。これに対して、ローラ2103,2104に挟まれて送り出されるシート状ワーク2105は、ローラ2103,2104と変位センサ2101,2102との間でゆっくりと上下に蛇行してしまう。従来のセンサヘッドでは、DATA_OUT(センサ設定信号)は、LD_ON(レーザ制御信号)などと共に、ケーブルを介してセンサコントローラから専用の信号線でパラレル伝送によりセンサヘッドへ送られてきており、このパラレル伝送は、ノイズに弱く伝送速度も遅い。そのため、CMOS上の計測領域の設定がシート状ワーク2105の上下の蛇行に追従することができず、計測誤差を低減することができなかった。
In this case, for example, the sheet-
一方、本実施形態では、設定信号、投光制御信号等は通信ケーブル4の往路線4bを介してセンサコントローラから例えばLVDSなどのシリアル通信でセンサヘッド2へ送られてくる。従って、シート状ワーク2105が、ローラ2103,2104と変位センサ2101,2102との間で上下に蛇行する場合でも図22に示されるように、シート状ワーク(計測対象物体)の計測変位の変動に追従させて、計測領域を移動させることができる。
On the other hand, in the present embodiment, the setting signal, the light projection control signal, and the like are sent from the sensor controller to the
すなわち、シート状ワーク2105が上へ蛇行したときには、図22(a)に示されるように、上方の変位センサ2101の視野2201では、照射光像2202は視野2201の左側(変位方向near)に位置する。このとき計測領域2203は、照射光像2202を含む視野2201の一部の領域に設定される。一方、下方の変位センサ2102の視野2204では、照射光像2205は視野2204の右側(変位方向far)に位置する。このとき計測領域2206は、照射光像2205を含む視野2201の一部の領域に設定される。
That is, when the sheet-
また、シート状ワーク2105が上下に蛇行していないときには、図22(b)に示されるように、上方の変位センサ2101の視野2201では、照射光像2202は視野2201の中央(変位方向中心)に位置する。このとき計測領域2203は、照射光像2202を含む視野2201の一部の領域に設定される。同様に、下方の変位センサ2102の視野2204では、照射光像2205は視野2204の中央(変位方向中心)に位置する。このとき計測領域2206は、照射光像2205を含む視野2201の一部の領域に設定される。
When the sheet-
さらに、シート状ワーク2105が下へ蛇行したときには、図22(c)に示されるように、上方の変位センサ2101の視野2201では、照射光像2202は視野2201の右側(変位方向far)に位置する。このとき計測領域2203は、照射光像2202を含む視野2201の一部の領域に設定される。一方、下方の変位センサ2102の視野2204では、照射光像2205は視野2204の左側(変位方向near)に位置する。このとき計測領域2206は、照射光像2205を含む視野2201の一部の領域に設定される。
Further, when the sheet-
本実施形態のセンサ装置は、シート状ワーク2105の蛇行量に応じて、CMOSの計測領域の変更を高速に切り替えることができるので、シート状ワーク2105の蛇行に対応することが可能となる。従って、シート状ワークの1枚の厚み誤差を低減し、シート状ワークが積層された製品の厚み誤差を大幅に低減することができる。
The sensor device according to the present embodiment can change the measurement area of the CMOS at high speed according to the amount of meandering of the sheet-
尚、上記実施形態のセンサ装置は、一例として変位センサを説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、視覚センサ、近接センサ、測長センサ、角度センサ等であってもよい。 The sensor device of the above embodiment has been described as a displacement sensor as an example. However, the present invention is not limited to this, and may be, for example, a visual sensor, a proximity sensor, a length sensor, an angle sensor, or the like. Good.
以上説明したように、本実施形態のセンサ装置によれば、センサヘッドからセンサコントローラ、およびセンサコントローラからセンサヘッドへのデータ伝送が、双方向シリアル通信とされる。従って、例えば光学式変位センサの場合であれば、センサヘッドに設けられた投光素子および撮像素子を高速、高精度に制御することができるという利点がある。 As described above, according to the sensor device of the present embodiment, data transmission from the sensor head to the sensor controller and from the sensor controller to the sensor head is bidirectional serial communication. Therefore, for example, in the case of an optical displacement sensor, there is an advantage that the light projecting element and the image sensor provided in the sensor head can be controlled with high speed and high accuracy.
1,1a,1b,1c センサコントローラ
2 センサヘッド
3 外部接続コード
4 通信ケーブル
4a センサヘッドコネクタ
5 DINレール
6 対象物体
7 中継コネクタ片
7a 第1ポート(右)
7b 第2ポート(右)
8 センサヘッドコネクタ
10 ケース
10a 正面
10b 上面
10c 下面
11 表示部
11a セグメント表示器
11b 液晶式キャラクタ表示器
12 操作部蓋
13 USBコネクタ
14 RS−232Cコネクタ
15 ユニット間コネクタ蓋(右)
16 DINレールクランパ
17 操作部
18a ユニット間コネクタ(右)
18b ユニット間コネクタ(左)
20 ケース
100 センサコントローラ回路
110 センサヘッドインタフェース回路
111 シリアル/パラレル変換回路
112 パラレル/シリアル変換回路
113 センサヘッドインタフェース発振器
120 制御部
130 FPGA
131 タイミング変換回路
132 データ経路切替回路
133 演算処理回路
134 レジスタ
135 クロック切替回路
136 タイミング生成回路
137 バッファ
140 CPUブロック
141 CPU
142 シリアル通信インタフェース回路
143 CPU−ROM
144 CPU−RAM
150 入出力インタフェース回路ブロック
151 操作部入力回路
152 表示部出力回路
153 D/A変換器
154 パラレルインタフェース回路
155 RS−232Cインタフェース回路
156 USBインタフェース回路
160 FPGA発振器
170 FPGA−RAM
200 センサヘッド回路
210 シリアル/パラレル変換回路
220 半導体レーザダイオード(LD)
230 発光ダイオード(LED)
240 2次元撮像素子
250 撮像素子駆動回路
260 センサヘッド発振器
270 パラレル/シリアル変換回路
280 EEPROM
L1 スリット光の照射光
L2 スリット光の反射光
IM スリット光の照射光像
P1 第1のデータ伝送経路
P2 第2のデータ伝送経路
1, 1a, 1b,
7b Second port (right)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 8
16
18b Connector between units (left)
20
131
142 Serial
144 CPU-RAM
150 I / O
200
230 Light Emitting Diode (LED)
240 Two-
L1 Irradiation light of slit light L2 Reflected light of slit light IM Irradiation light image of slit light P1 First data transmission path P2 Second data transmission path
Claims (8)
センサヘッドには、
通信ケーブルの往路線を通して高速差動伝送方式により送られてくるデータを受信する受信手段と、
通信ケーブルの復路線に対してデータを高速差動伝送方式により送り出す送信手段と、
センシング態様を制御可能なセンシング手段と、
受信手段で受信された制御データに基づいてセンシング手段のセンシング態様を制御すると共に、制御されたセンシング態様の動作にてセンシング手段から生成されるセンシングデータを送信手段へと与えるヘッド側制御手段と、が含まれており、
センサコントローラには、
通信ケーブルの往路線に対してデータを高速差動伝送方式により送り出す送信手段と、
通信ケーブルの復路線を通して高速差動伝送方式により送られてくるデータを受信する受信手段と、
送信手段へとセンシング態様制御のための制御データを送信すると共に、受信手段で受信されるセンシングデータを処理するコントローラ側制御手段と、が含まれている、
ことを特徴とするセンサ装置。 Having a sensor head, a sensor controller, and a communication cable connecting the sensor head and the sensor controller;
The sensor head
Receiving means for receiving data sent by the high-speed differential transmission method through the outgoing line of the communication cable;
A transmission means for sending data to the return line of the communication cable by a high-speed differential transmission method;
Sensing means capable of controlling the sensing mode;
A head-side control unit that controls the sensing mode of the sensing unit based on the control data received by the receiving unit, and that provides the transmission unit with sensing data generated from the sensing unit in the controlled sensing mode operation; Is included,
The sensor controller
A transmission means for sending data to the outgoing line of the communication cable by a high-speed differential transmission method;
Receiving means for receiving data sent by the high-speed differential transmission method through the return line of the communication cable;
Controller-side control means for transmitting control data for sensing mode control to the transmission means and processing the sensing data received by the reception means,
A sensor device.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP2004102600A JP2005291719A (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Sensor device |
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Publication Number | Publication Date |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004102600A Pending JP2005291719A (en) | 2004-03-31 | 2004-03-31 | Sensor device |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008045926A (en) * | 2006-08-11 | 2008-02-28 | Omron Corp | Optical displacement sensor and its control method |
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JP2010048579A (en) * | 2008-08-19 | 2010-03-04 | Omron Corp | Optical measurement device and method |
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-
2004
- 2004-03-31 JP JP2004102600A patent/JP2005291719A/en active Pending
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