TWI388799B - 物件表面曲度量測裝置 - Google Patents

Description

物件表面曲度量測裝置

本發明係關於一種物件表面曲度量測裝置，特別是關於一種用以提高量測效率及降低量測成本之物件表面曲度量測裝置。

現今許多產品，例如晶片電容、晶片電阻、IC封裝體、螺絲、螺帽、水果或其他之電子元件、農產品或手工藝品，其在生產、製造或採收後通常需要進行一道光學影像之檢測程序，以便得知產品是否具有表面缺陷及是否符合預定尺寸大小，進而方便產品分級包裝、監控產品良率及確保產品出廠時之一致性等。為了完成上述物件表面之光學檢測程序，相關業者於是不斷改良研發出各種光學檢測裝置。再者，在各種光學檢測之中，有一種光學檢測裝置是用以量測物件之表面曲度，以確認物件的表面是否因發生翹曲、凸起或凹陷而不符合預設平整度的要求。

舉例而言，目前市面上存在一種三次元量測儀(coordinate measuring machine，CAM)，其廣泛用以量測物件之長、寬、高及表面曲度變化，並可比較不同物件之間的尺寸與誤差。基本上，該三次元量測儀可分為接觸式及非接觸式，其中接觸式主要以探針為量測元件，而非接觸式主要是利用光學與影像處理為主。然而，接觸式三次元量測儀通常僅具有單一探針，在操作時，探針或物件必需不斷的相對移動，以累積物件上不同點位置的三次元資料，然而該接觸式量測方式的速度過於緩慢，因此並不適合用以量測大量生產的小型物件。再者，非接觸式三次元量測儀通常利用雷射掃瞄或照相機拍照等方式進行量測。但是，雷射的設置成本過於昂貴，不利於降低量測成本。若利用照相機拍照，卻又容易在物件表面凹陷處產生光學陰影死角，因而必需藉由移動單一照相機擷取不同角度照片，或藉由設置數台照相機擷取不同角度照片等方式，來克服光學陰影死角問題，同時必需利用精良的影像處理軟體來整合這些照片，故其量測效率仍無法達到最佳化，且由於需要設置精密移動模組或多台照相機，故其量測成本仍然偏高。

再者，中華民國公告第I274847號發明專利揭示一種物件表面輪廓之量測裝置，其包含：一基座，其設有一轉動桿座，該轉動桿座具有一軸桿，該軸桿可供插設及轉動一物件；及一磁吸式量測模組，其包含一升降量具、一磁吸滑軌及一磁滑座，該升降量具結合該磁滑座，該磁滑座可移動的磁吸結合於該磁吸滑軌，當轉動該物件時，該升降量具抵接該物件之下表面，連帶使該升降量具及磁滑座同步下降，並由該磁滑座維持下降後之臨時高度，量測該物件之下表面輪廓曲線。該升降量具係選自一光學尺，其包含一滑塊及一量測桿，該滑塊結合該量測桿及磁滑座，該量測桿用以抵接該物件之下表面。惟，該量測裝置僅具有單一量測桿，因此要量測整個表面仍需耗費許多時間，其量測速率仍然不足。

另外，中華民國公告第493744號新型專利揭示一種三維承壓表面量測儀結構，其中量測儀主要係可針對承受壓力時之軟質表面進行立體之量測，其包含：一凹形向上開口之殼體，並於殼體內架設有分佈整體量測面之數個量測桿，量測桿於殼體內部各連設有一感測器，而於量測桿上另設有一提供量測桿支撐彈力之彈性支撐元件，使量測桿具有一定之支撐預力者。該量測儀提供數個量測桿，可同步量測物件之表面曲度。然而，由於每一量測桿各連設有一感測器，因此其設置成本偏高，造成量測成本相對提高。再者，當各感測器之間存在誤差時，也會影響表面曲度之量測準確度及良率。同時，中華民國公告第514252號新型專利揭示一種均壓式三維承壓表面量測儀結構，其亦具有相同技術概念衍生的量測成本問題。

此外，中華民國公告第M339670號新型專利揭示一種平面度量器具，其包含：一長形之度量座，設有一水平基準底邊；以及多數個移動量測量裝置，彼此相隔排列設置於該度量座；該移動量測量裝置各包括一具有活動觸針之度量錶，以顯示該活動觸針之移動量，各個度量錶之活動觸針底端分別垂直往下超過該度量座之水平基準底邊，使各活動觸針底端與該水平基準底邊構成同一基準間距。該平面度量器具可利用多數個移動量測量裝置同步量測物件之表面曲度。然而，由於每一移動量測量裝置各包括一度量錶，因此其設置成本偏高，造成量測成本相對提高。再者，當各度量錶之間存在誤差時，也會影響表面曲度之量測準確度及良率。

故，有必要提供一種改良的物件表面曲度量測裝置，以解決習知技術所存在的問題。

本發明之主要目的在於提供一種物件表面曲度量測裝置，其係利用數個探針接觸物件在數個點位置的表面，並藉由單一影像擷取單元擷取數個探針之頂端的影像，以分析該頂端的高度分佈，供換算物件之表面曲度，進而有利於簡化量測程序、提升量測效率及降低量測成本。

本發明之次要目的在於提供一種物件表面曲度量測裝置，其中探針之底端可深入物件的表面凹陷處，並由探針之頂端的上升高度反映表面凹陷處的深度，因此影像的擷取不會受到量測視角的限制仍可進行量測，且探針座可依物件類型隨時進行更換，進而有利於提高量測精確度、增加量測便利性及擴大適用範圍。

本發明之另一目的在於提供一種物件表面曲度量測裝置，其係利用單一影像擷取單元擷取數個探針之頂端的影像，並將影像傳送到影像分析裝置，以供快速分析該頂端的高度分佈及換算得知物件之表面曲度，進而有利於自動化量測作業及降低量測成本。

為達上述之目的，本發明提供一種物件表面曲度量測裝置，其包含一基座、一探針座、數個探針(probe)及一影像擷取單元。該基座設有一夾具及一固定桿，該夾具用以定位一待測物件。該探針座可相對該固定桿升降，且該探針座設有數個針孔。該些探針懸掛於該些針孔內。該些探針隨著該探針座升降，且該些探針之底端可接觸該待測物件之表面，使該些探針之頂端因應該待測物件之表面曲度而上升一段高度。該影像擷取單元用以擷取該些探針之頂端之上升高度的影像，並將該影像傳送到一影像分析裝置，以分析換算該待測物件之表面曲度。

在本發明之一實施例中，該固定桿具有一導軌及一滑塊，該滑塊可升降的設於該導軌上，及該探針座可拆卸的組裝結合於該滑塊。

在本發明之一實施例中，另包含一動力元件，以控制該滑塊及探針座相對該固定桿的升降。

在本發明之一實施例中，該探針座另具有至少一基準探針，其固定於該探針座之下表面，並由該探針座之下表面向下延伸一預定基準長度。

在本發明之一實施例中，各該探針之頂端係一凸緣部，其外徑大於該探針座之對應針孔的內徑。

在本發明之一實施例中，各該探針之凸緣部與該探針座的上表面之間設有一復位彈簧。

在本發明之一實施例中，各該探針之凸緣部與該探針座的上表面之間設有一磁吸元件。

在本發明之一實施例中，各該探針之凸緣部標示有不同之顏色或符號。

在本發明之一實施例中，該探針座之針孔的排列及數量對應於該待測物件之表面的數個點位置的排列及數量。

在本發明之一實施例中，該影像擷取單元傾斜設置於該探針座之一側，以擷取所有該些探針之頂端之上升高度的影像。

在本發明之一實施例中，該影像擷取單元選自電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)之感測器。

為了讓本發明之上述及其他目的、特徵、優點能更明顯易懂，下文將特舉本發明較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。

請參照第1、2及3圖所示，本發明第一實施例之物件表面曲度量測裝置主要包含一基座1、一探針座2、數個探針(probe)3及一影像擷取單元4，該物件表面曲度量測裝置係可用以量測各種量產製造之待測物件5的表面曲度、平整度或其三次元尺寸，例如晶片電容、晶片電阻、IC封裝體、螺絲、螺帽或其他之電子元件，但並不限於此。例如，在某些情況下，該物件表面曲度量測裝置亦可能應用於量測手工藝品或農產品之表面曲度、平整度或其三次元尺寸。再者，在本發明中，「表面曲度」的量測係廣義的包含了曲度變化、平整度變化、長寬高三次元尺寸等的量測，但並不限於此，任何與物件表面有關的相對三次元變化數值之量測，皆屬於本發明所定義之「表面曲度」的量測範圍內。

請參照第1、2及3圖所示，本發明第一實施例之基座1係用以支持及承載本發明之其他構件，該基座1上設有一夾具11及一固定桿12。該夾具11通常係藉由螺絲、鉚接或卡掣等適當方式可拆式的結合在該基座1上。該夾具11用以定位一待測物件5。在本實施例中，該夾具11的上表面形成一定位槽111，該定位槽111具有一開放端及一封閉端(未標示)，該開放端相對遠離該固定桿12，該封閉端相對靠近該固定桿12。因此，本發明可利用手持式或自動化之夾持裝置將該待測物件5由該開放端往內推入該定位槽111中，直到該待測物件5之一側抵接其封閉端，如此即完成該待測物件5之初步定位，以待進行後續量測動作。在其他實施例中，該夾具11之定位槽111亦可相對該固定桿12選擇呈橫向設置，並具有二開放端(未繪示)，其可分別連通於一輸送帶之入料端及出料端(未繪示)，並可在該定位槽111內設置一真空吸嘴(未繪示)，以定位該待測物件5，如此更有利於大量逐一檢測不同的待測物件5，以便使整個檢測過程更為自動化。再者，該固定桿12具有一導軌121及一滑塊122。該導軌121凹設於該固定桿12靠近該夾具11之表面。該滑塊122可升降的設於該導軌121上，該滑塊122可利用螺絲、鉚接或卡掣等適當方式可拆卸的組裝結合該探針座2。在本實施例中，另亦可依需求選擇包含一動力元件(未繪示)，以控制該滑塊122及探針座2相對該固定桿12的升降動作。

請再參照第1、2及3圖所示，本發明第一實施例之探針座2可拆卸的組裝結合於該滑塊122，以相對該固定桿12進行升降動作。該探針座2設有數個針孔21及至少一基準探針22。該些針孔21貫穿該探針座2之上、下表面，以供容置該些探針3。在本發明中，該探針座2可依該待測物件5的種類不同而進行更換，其中該探針座2之針孔21的排列及數量係對應於該待測物件5之表面的數個點位置51的排列及數量。再者，該基準探針22係固定於該探針座2之下表面，並由該探針座2之下表面向下延伸一預定基準長度，以避免該探針座2之下表面直接接觸該待測物件5之表面。

請再參照第1、2及3圖所示，本發明第一實施例之探針3係分別利用重力懸掛於該探針座2之該些針孔21內。各該探針3之本體的外徑略小於該針孔21的內徑，使該探針3能在該針孔21內相對升降移動。再者，各該探針3分別具有一頂端31及一底端32。各該探針3之頂端31形成一凸緣部，其外徑實質大於該探針座2之對應針孔21的內徑，因而可避免該探針3由該針孔21往下掉落。在一實施例中，各該探針3之凸緣部(即頂端31)可選擇標示有不同之顏色或符號(未繪示)，以便在後續進行影像分析時做為區別之用。各該探針3之底端31通常形成漸尖針形(tapered)，以減少與該待測元件5之接觸面積。

請再參照第1、2及3圖所示，本發明第一實施例之影像擷取單元4較佳係選自電荷耦合元件(CCD)或互補金屬氧化物半導體(CMOS)之感測器。該影像擷取單元4較佳係傾斜設置在該探針座2之一側，例如前側或兩側之適當位置處，該影像擷取單元4相對於該探針座2之傾斜角度係依實際組裝位置、尺寸大小及影像解析度等進行調整。在本實施例中，該影像擷取單元4相對於該探針座2之傾斜角度約在30度至60度之間。在後續進行檢測時，傾斜設置的該影像擷取單元4可用以擷取所有探針3之頂端31的影像，以避免取像時發生視覺死角。該影像擷取單元4擷取之影像並可傳送到一影像分析裝置(未繪示)，例如一個人電腦，以分析換算該待測物件5之實際表面曲度。

請再參照第3及4圖所示，當利用本發明第一實施例之物件表面曲度量測裝置對該待測物件5進行表面曲度量測時，首先利用該動力元件(未繪示)或以手動方式控制該滑塊122及探針座2相對該固定桿12維持在一預定待機高度，以便使該些探針3因重力而自然懸掛於該探針座2之針孔21內。此時，該些探針3之底端32露出該探針座2之針孔21外，並與該夾具11尚保有一段距離，如此可利用適當之夾持裝置或輸送帶(未繪示)將該待測物件5推入該定位槽111中，使該待測物件5初步定位於該定位槽111內。接著，藉由該動力元件或重力使該滑塊122及探針座2沿該導軌121相對該固定桿12下降一段距離，直到該探針座2之基準探針22接觸該待測物件5之表面的至少一基準點52，及該些探針3之底端32分別接觸該待測物件5之數個點位置51。該基準探針22用以避免該探針座2之下表面直接接觸該待測物件5之表面，並可防止該些探針3過度上升而由上方脫離該針孔21。在本實施例中，該待測物件5是以一小型電子插座元件為例，其中該些點位置51即為數個輸入/輸出端子，該基準點52為該小型電子插座元件之本體表面，但並不限於此。

如第4圖所示，若該些點位置51實際位於同一水平高度時，該些探針3之頂端31(即凸緣部)亦會同步上升至同一水平高度。反之，若該些點位置51實際位於不同高度時，該些探針3之頂端31則會分別上升至不同高度。換言之，該些探針3之頂端31可因應該待測物件5之點位置51的表面曲度而分別上升一段高度距離。接著，利用該影像擷取單元4擷取所有該些探針3之頂端31之上升高度的影像，並將該影像傳送到一影像分析裝置(未繪示，例如個人電腦)，以分析換算成該待測物件5之表面曲度，在本實施例中，可取得各該點位置51的相對高度，並用以估計該點位置51之間的平面度是否在一可接受的預定公差範圍內。當該平面度在該預定公差範圍內，則判定該待測物件5通過檢測並定義為良品；當該平面度超出該預定公差範圍，則判定該待測物件5無法通過檢測並定義為不良品。在完成本次的待測物件5檢測之後，再次利用該動力元件(未繪示)或以手動方式控制該滑塊122及探針座2相對該固定桿12上升至原待機高度。接著，利用適當之夾持裝置或輸送帶(未繪示)將該待測物件5由該定位槽111取出到良品或不良品的儲存或包裝區(未繪示)，並再以相同程序對下一個待測物件5進行檢測。

請參照第5圖所示，本發明第二實施例之物件表面曲度量測裝置係相似於本發明第一實施例，並沿用相同之圖號，但其差異之特徵在於：該第二實施例之物件表面曲度量測裝置進一步在各該探針3之凸緣部(即頂端31)與該探針座2之上表面之間另設有一復位彈簧6。該復位彈簧6之一端結合在該探針3之凸緣部(即頂端31)，及其另一端結合在該探針座2之上表面。在該探針3之底端32接觸該待測物件5之點位置51之前，該復位彈簧6本身具有一彈性偏壓，並因彈性偏壓而自發性的壓縮至一較短長度，使該探針3之凸緣部(即頂端31)相對靠近該探針座2之上表面，同時所有該探針31之底端32相對於該探針座2維持在一較低位置。接著，當該探針3之底端32接觸該待測物件5之點位置51時，該復位彈簧6之彈性偏壓將被抵接作用力或重力所克服，而使該復位彈簧6被拉伸變長，並造成該探針3上升一段高度。在該探針3上升期間，該復位彈簧6之彈性偏壓會使所有該探針31之底端32彈性抵接於該待測物件5之點位置51上，以確保完成接觸動作。因此，該復位彈簧6不但有利於防止該些探針3過度上升而由上方脫離該針孔21，且亦可確保該些探針3確實接觸該待測物件5之點位置51。

請參照第6圖所示，本發明第三實施例之物件表面曲度量測裝置係相似於本發明第一及第二實施例，並沿用相同之圖號，但其差異之特徵在於：該第三實施例之物件表面曲度量測裝置進一步在各該探針3之凸緣部(即頂端31)與該探針座2之上表面之間另設有一磁吸元件7。該磁吸元件7較佳係一環狀磁鐵，其套設結合在該探針3之凸緣部(即頂端31)的底面。再者，該探針座2較佳由導磁材料製成，例如鐵或其合金；同時，該探針3較佳由非導磁材料製成，例如銅、鋁、鎳或其合金。或者，在另一實施例中，該磁吸元件7亦可選擇結合在該探針座2之上表面的針孔21開口處；此時，該探針座2較佳由非導磁材料製成，而該探針3之凸緣部(即頂端31)較佳由導磁材料製成。該磁吸元件7之作用相似於該第二實施例之復位彈簧6。在該探針3之底端32接觸該待測物件5之點位置51之前，該磁吸元件7係提供一磁吸作用力，使該探針3之凸緣部(即頂端31)相對靠近該探針座2之上表面，同時所有該探針31之底端32相對於該探針座2維持在一較低位置。接著，當該探針3之底端32接觸該待測物件5之點位置51時，該磁吸元件7之磁吸作用力被抵接作用力或重力所克服，並造成該探針3上升一段高度。在該探針3上升期間，該磁吸元件7與該探針座2的上表面之間仍有磁吸作用力存在，其會使所有該探針31之底端32向下抵接於該待測物件5之點位置51上，以確保完成接觸動作。因此，該磁吸元件7不但有利於防止該些探針3過度上升而由上方脫離該針孔21，且亦可確保該些探針3確實接觸該待測物件5之點位置51。

如上所述，相較於習用物件表面曲度量測裝置僅能提供單一探針，或雖提供數個探針，但卻必需在每一探針上皆設感測器，因而導致無法兼顧量測效率及量測成本等缺點，第1至6圖之本發明利用該些探針3接觸該待測物件5在數個點位置51的表面，並藉由單一影像擷取單元4擷取該些探針3之頂端31的影像，以分析該頂端31的高度分佈，供換算該待測物件5之表面曲度，可達到快速檢測之目的，因而確實有利於簡化量測程序、提升量測效率及降低量測成本。再者，在某些使用情況下，由於該些探針3之底端31可深入該待測物件5的表面凹陷處，並由該些探針3之頂端32的上升高度反映該表面凹陷處的深度，因此該影像擷取單元4僅是擷取該頂端32影像，並不會受到量測視角的限制仍可進行量測，且探針座可依物件類型隨時進行更換，因而亦有利於提高量測精確度、增加量測便利性及擴大適用範圍。另外，本發明僅需配置單一影像擷取單元4擷取該些探針3之頂端31的影像，且影像可傳送到一影像分析裝置，以快速分析該頂端31的高度分佈及換算得知該待測物件5之表面曲度，其量測過程係可加以自動化，以降低量測成本。

雖然本發明已以較佳實施例揭露，然其並非用以限制本發明，任何熟習此項技藝之人士，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種更動與修飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

1．．．基座

11．．．夾具

111．．．定位槽

12．．．固定桿

121．．．導軌

122．．．滑塊

2．．．探針座

21．．．針孔

22．．．基準探針

3．．．探針

31．．．頂端

32．．．底端

4．．．影像擷取單元

5．．．待測物件

51．．．點位置

52．．．基準點

6．．．復位彈簧

7．．．磁吸元件

第1圖：本發明第一實施例之物件表面曲度量測裝置之分解立體圖。

第2圖：本發明第一實施例之物件表面曲度量測裝置之組合立體圖。

第3圖：本發明第一實施例之物件表面曲度量測裝置在量測前之剖視圖。

第4圖：本發明第一實施例之物件表面曲度量測裝置在量測期間之剖視圖。

第5圖：本發明第二實施例之物件表面曲度量測裝置之局部剖視圖。

第6圖：本發明第三實施例之物件表面曲度量測裝置之局部剖視圖。

1．．．基座

11．．．夾具

111．．．定位槽

12．．．固定桿

121．．．導軌

122．．．滑塊

2．．．探針座

21．．．針孔

22．．．基準探針

3．．．探針

31．．．頂端

32．．．底端

4．．．影像擷取單元

5．．．待測物件

51．．．點位置

52．．．基準點

Claims (10)

1. 一種物件表面曲度量測裝置，其包含：一基座，其設有一夾具及一固定桿，該夾具用以定位一待測物件；一探針座，其係可相對該固定桿升降，且該探針座設有數個針孔，其中該探針座另具有至少一基準探針，其固定於該探針座之下表面，並由該探針座之下表面向下延伸一預定基準長度；數個探針，其分別懸掛於該些針孔內，該些探針隨著該探針座升降，且該些探針之底端可接觸該待測物件之表面，使該些探針之頂端因應該待測物件之表面曲度而上升一段高度；及一影像擷取單元，其擷取該些探針之頂端之上升高度的影像，並將該影像傳送到一影像分析裝置，以分析換算該待測物件之表面曲度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之物件表面曲度量測裝置，其中該固定桿具有一導軌及一滑塊，該滑塊可升降的設於該導軌上，及該探針座可拆卸的組裝結合於該滑塊。
3. 如申請專利範圍第2項所述之物件表面曲度量測裝置，另包含一動力元件，以控制該滑塊及探針座相對該固定桿的升降。
4. 如申請專利範圍第1項所述之物件表面曲度量測裝置，其中各該探針之頂端係一凸緣部，其外徑大於該 探針座之對應針孔的內徑。
5. 如申請專利範圍第4項所述之物件表面曲度量測裝置，其中各該探針之凸緣部與該探針座的上表面之間設有一復位彈簧。
6. 如申請專利範圍第4項所述之物件表面曲度量測裝置，其中各該探針之凸緣部與該探針座的上表面之間設有一磁吸元件。
7. 如申請專利範圍第4項所述之物件表面曲度量測裝置，其中各該探針之凸緣部標示有不同之顏色或符號。
8. 如申請專利範圍第1項所述之物件表面曲度量測裝置，其中該探針座之針孔的排列及數量對應於該待測物件之表面的數個點位置的排列及數量。
9. 如申請專利範圍第1項所述之物件表面曲度量測裝置，其中該影像擷取單元傾斜設置於該探針座之一側，以擷取所有該些探針之頂端之上升高度的影像。
10. 如申請專利範圍第1項所述之物件表面曲度量測裝置，其中該影像擷取單元選自電荷耦合元件或互補金屬氧化物半導體之感測器。