TWI404921B - A tuning fork contact sensing device and its sensing method - Google Patents

Description

音叉式接觸感測裝置及其感測方法

本發明是有關於一種感測裝置及感測方法，特別是指一種音叉式接觸感測裝置及一種音叉式接觸感測方法。

由於機械及半導體製造技術不斷進步，微機械元件的尺寸越來越小、半導體晶片的最小線寬也越來越細，因此，在製造此類微型元件時，如何有效地對其進行接觸感測，以配合進行製程中的接觸警示或是其他方面的應用，乃是相當重要的一環。

現今的接觸感測探頭分為兩類，一是利用電路迴路導通與否作為接觸判斷的依據，另外一種是利用微細樑與待測目標物接觸時的應變變形，並配合光學原理來配合偵測該微細樑是否已接觸到目標物表面，以及已接觸多少距離使得探針變形，以作為接觸的判斷依據(例如我國專利第I302191號發明專利案)。

惟，目前市面上的各種接觸式感測探頭，皆具有先天上之物理特性的限制，並無法將量測精密度提升至奈米級，並相對限制了此類接觸式感測探頭於奈米級製程之精微測量方面的應用，再者，上述之利用接觸探頭與目標物接觸時之形變來作為接觸判斷依據的感測方式，亦有可能因其施於目標物上的應力而對目標物表面造成損害，進而對成品之精密度以及良率有所影響。

因此，如何改善現有接觸式量測設備及其量測方法， 以滿足奈米級的高精密度測量，乃為相關業者所欲努力研發的方向之一。

因此，本發明之目的，即在提供一種利用音叉與目標物接觸前後所產生之振盪特徵差異，來偵測該音叉是否與該目標物之間已形成物理接觸的音叉式接觸感測裝置。

於是，本發明之音叉式接觸感測裝置，是偵測其與一目標物之間的接觸狀態，該音叉式接觸感測裝置包含：一振盪源、一音叉單元，及一控制單元。

該振盪源是可產生振盪。該音叉單元是與該振盪源相連接，並依據該振盪源之振盪而產生對應之振盪。該控制單元是與該振盪源及該音叉單元相連接，以控制該振盪源之振盪頻率，以及偵測該音叉單元所對應產生之振盪特徵，且是對該音叉單元之振盪特徵及其對應之共振特徵進行比對。

當該音叉單元與一目標物接觸時，其所產生之振盪特徵即會改變，而該控制單元即是藉由比對該音叉單元之振盪特徵及其對應之共振特徵來判斷該音叉單元與該目標物之間的接觸狀態。

本發明之另一目的，即是提供一種音叉式接觸感測方法，是判斷一音叉單元與一目標物之間的接觸狀態，該音叉式接觸感測方法包含一共振頻率取得步驟，以及一接觸判斷步驟。

該共振頻率取得步驟，具有一振盪產生步驟、一頻率 響應步驟，以及一共振頻率判斷步驟。該振盪產生步驟是利用一振盪源來產生多個不同之振盪頻率。該頻率響應步驟是以該振盪產生步驟中所產生之多個不同的振盪頻率來驅動該音叉單元，並偵測該音叉單元對於該等振盪頻率所對應產生的頻率響應。該共振頻率判斷步驟是判斷該頻率響應中是否具有一代表該音叉單元之共振頻率，若有，即以該共振頻率驅動該音叉單元，若無，則回到該振盪產生步驟，並使該振盪產生步驟產生多個不同之振盪頻率。

該接觸判斷步驟是以該音叉單元之共振頻率驅動該音叉單元使其產生對應之振盪特徵，並持續偵測該音叉單元之振盪特徵與其所對應之共振特徵之差，若其差等於零，即代表該音叉單元未與該目標物接觸，若其差不等於零，即代表該音叉單元與該目標物接觸。

本發明之功效在於，利用該控制單元來控制一振盪源，並連動該音叉單元產生對應之振盪，並持續對該音叉單元之振盪特徵進行監控，以偵測當任何物體接觸到該音叉單元時對其振盪結構所造成的改變，進而判斷該音叉單元與一目標物之間的接觸狀態。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以下配合參考圖式之二個較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。

在本發明被詳細描述之前，要注意的是，在以下的說明中，類似的元件是以相同的編號來表示。

參閱圖1，本發明音叉式接觸感應裝置之第一較佳實施例，是偵測其與一目標物100之間的接觸狀態，該音叉式接觸感測裝置包含：一振盪源1、一音叉單元2，及一控制單元3。

該振盪源1可產生特定頻率之振盪，在本實施例中，該振盪源1是利用一頻率訊號產生器輸出電子訊號，並搭配一壓電元件來產生物理振盪，但不以此為限。於偵測作業中，該振盪源1所輸出之振盪頻率為該音叉單元2之共振頻率。

該音叉單元2是與該振盪源1相連接，並依據該振盪源1之振盪而產生對應之振盪，該音叉單元2具有一音叉本體21，以及一設置於該音叉本體21上的探針件22，該音叉單元2之音叉本體21具有一與該控制單元3及振盪源1相連接的連接部211、一設置於該連接部211上的肩部212，及二分別自該肩部212間隔延伸而出的臂部213，而該探針件22則是設置於其中之一臂部213上並突伸出該臂部213，以作為與該目標物100的接觸感測點。

在本實施例中，該探針件22為一經過微細加工或精密成形後的探針，其材質可為金屬或非金屬，其突伸出該臂部213的末端是呈圓球狀，以在進行與目標物100之間的接觸感測之餘，更能夠進一步配合進行三維輪廓尺寸量測、內孔直徑量測、內孔三維輪廓造型量測等等。至於該音叉本體21之連接部211、肩部212，及臂部213的材質即為一般用於製造音叉之材質。

該控制單元3是與該振盪源1及該音叉單元2相連接，以控制該振盪源1之振盪頻率，以及偵測該音叉單元2所對應產生之振盪特徵，如頻率、振幅等。於本實施例中，該控制單元3是偵測該音叉單元2所對應產生之振盪頻率，且是持續地將該音叉單元2所對應產生之振盪頻率與該音叉單元2之共振頻率(也就是該振盪源1之振盪頻率)進行比對，而此類的邏輯控制電路及對應的振盪訊號傳輸皆應為所屬技術領域中具有通常知識者所熟知的技術，在此即不對其電路配置細節及其工作原理加以贅述。在其他應用上，該控制單元3可偵測該音叉單元2所對應產生之振幅，並持續地將該音叉單元2所對應產生之振幅與該音叉單元2之共振振幅進行比對，當然，亦可同時對振盪頻率與振幅進行偵測與比對。

當該音叉單元2之探針件22與該目標物100接觸時，即會影響該音叉本體21之連接部211、肩部212，及臂部213所配合產生的振盪頻率，此時，該控制單元3即可藉由比對該音叉單元2之振盪頻率及其共振頻率(即該振盪源1之振盪頻率)來即時感測該音叉單元2之振盪頻率是否發生改變，以作為該音叉單元2是否已與該目標物100接觸的判斷依據。

參閱圖2，本實施例之音叉單元2更可與一運動平台200相整合，以配合進行該目標物100表面上微結構特徵尺寸或曲面造型的分析估計。該音叉本體21之連接部211是設置於該運動平台200上，而該運動平台200是藉由一主 控電腦(圖未示)之控制而緩慢的往該目標物100方向移動(移動方向如圖3中垂直箭頭所示)，直到搭載於其上之該探針件22的末端觸碰到該目標物100之表面為止(判斷方式如上所述)，此時該主控電腦即會記錄該接觸位置的機械座標，並隨即驅動該運動平台200迅速的往反方向退回適當的距離，之後再移動該運動平台200至不同的位置(移動方向如圖3中水平箭頭所示)，並重複上述接觸動作，以沿著該目標物100之表面而得到一連串的座標位置資訊，並依據此座標資訊而得到一代表該目標物100表面型態的二維或三維曲面。

參閱圖3，本發明音叉式接觸感應裝置之第二較佳實施例，大致上是與該第一較佳實施例相同，相同之處不再贅言，其中不相同之處在於：該探針件22突伸出該臂部213的末端是呈尖錐狀，以在進行與目標物100(圖3中未顯示)之間的接觸感測之餘，更能夠進一步配合進行微結構之三維曲面尺寸量測、表面粗糙度量測等等。

回顧圖1、2，並配合參閱圖4，以下即為配合上述音叉式接觸感測裝置所進行的接觸感測方法，其包含下列步驟：一共振頻率取得步驟4，及一接觸判斷步驟5。

該共振頻率取得步驟4具有一振盪產生步驟41、一頻率響應步驟42，及一共振頻率判斷步驟43。

該振盪產生步驟41是利用該振盪源1，並透過該控制單元3之控制來產生多個不同振盪頻率之振盪訊號。

該頻率響應步驟42是以該振盪產生步驟41中所產生 之多個不同的振盪頻率的振盪訊號來驅動該音叉單元2，並偵測該音叉單元2對於該等振盪頻率所對應產生的頻率響應。

該共振頻率判斷步驟43是利用該頻率響應步驟42中所取得之頻率響應，並依據其建構出該音叉單元2之頻率響應圖，並藉此判斷該頻率響應圖中是否可看出具有一代表該音叉單元2之共振頻率，若有，即以該共振頻率作為一基準頻率，若無，則回到該振盪產生步驟41，並使該振盪產生步驟41產生多個不同於前次振盪產生步驟41所產生之振盪頻率，以藉此進一步試驗出該音叉單元2之共振頻率。

當找出該音叉單元2之共振頻率後，該接觸判斷步驟5即是以該共振頻率驅動該音叉單元2使其產生對應之反應，並持續偵測該音叉單元2之振盪特徵(如頻率和振幅)與其對應之共振特徵之差，若其差等於零，即代表該探針件22並未與該目標物100接觸，若其差不等於零，即代表該探針件22與該目標物100接觸。

藉由上述設計，本發明音叉式接觸感測裝置及其感測方法，藉由處於振盪狀態中的音叉單元2與物件之間形成實體接觸時其振盪特徵(如頻率和振幅)會改變的特性，再配合設置於該音叉本體21上之探針件22末端可為圓球形或尖錐形之配置方式，使其除了可配合進行該音叉單元2與目標物100之接觸狀態的偵測外，更可進一步搭配運動平台200進行輪廓量測或微結構量測，應用層面相當廣泛。 而上述之接觸感測方法亦可將用於驅動該音叉單元2振盪之振盪頻率即時調整及校正至該音叉單元2之共振頻率，使其振盪反應更穩定，此外，利用振盪之方式來進行接觸偵測，相較於習知利用探針之物理形變搭配光學原理的偵測方式，除了偵測更不易受外界環境條件之影響進而使其精確度更高外，也可有效防止對目標物100表面的損害等等，進而有效提昇量測時的準確度及安全性。

綜上所述，本發明利用該控制單元3來控制一振盪源1，以利用該振盪源1驅動該音叉單元2產生對應之振盪，並持續對該音叉單元2之振盪特徵進行監控，以偵測當任何物體接觸到該音叉單元2時對其振盪特徵所造成的改變，進而判斷該音叉單元2與一目標物100之間的接觸狀態，並達到高偵測精密度及安全性。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧振盪源

2‧‧‧音叉單元

21‧‧‧音叉本體

211‧‧‧連接部

212‧‧‧肩部

213‧‧‧臂部

22‧‧‧探針件

3‧‧‧控制單元

4‧‧‧共振頻率取得步驟

41‧‧‧振盪產生步驟

42‧‧‧頻率響應步驟

43‧‧‧共振頻率判斷步驟

5‧‧‧接觸判斷步驟

100‧‧‧目標物

200‧‧‧運動平台

圖1是一配置示意圖，說明本發明音叉式接觸感測裝置之第一較佳實施例與一目標物之間的配置關係；圖2是一配置示意圖，說明該第一較佳實施例之一音叉本體及一探針件是整合於一運動平台上；圖3是一配置示意圖，說明本發明音叉式接觸感測裝置之第二較佳實施例的一探針件末端是呈尖錐狀；及 圖4是一方法流程圖，說明本發明音叉式接觸感測方法的流程。

1．．．振盪源

2．．．音叉單元

21．．．音叉本體

211．．．連接部

212．．．肩部

213．．．臂部

22．．．探針件

3．．．控制單元

100．．．目標物

Claims (11)

1. 一種音叉式接觸感測裝置，是偵測其與一目標物之間的接觸狀態，該音叉式接觸感測裝置包含：一振盪源，是可產生振盪；一音叉單元，是與該振盪源相連接，並依據該振盪源之振盪而產生對應之振盪；及一控制單元，是與該振盪源及該音叉單元相連接，以控制該振盪源之振盪頻率，以及偵測該音叉單元所對應產生之振盪特徵，且是對該音叉單元之振盪特徵及其對應之共振特徵進行比對；當該音叉單元與一目標物接觸時，其所產生之振盪特徵即會改變，而該控制單元即是藉由比對該音叉單元之振盪特徵及其對應之共振特徵來判斷該音叉單元與該目標物之間的接觸狀態。
2. 依據申請專利範圍第1項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該音叉單元具有一與該控制單元相連接的音叉本體，以及一設置於該音叉本體上的探針件。
3. 依據申請專利範圍第2項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該音叉單元之音叉本體具有一與該控制單元相連接的連接部、一設置於該連接部上的肩部，及二分別自該肩部間隔延伸而出的臂部，而該探針件則是設置於其中之一臂部上並突伸出該臂部。
4. 依據申請專利範圍第3項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該音叉單元之探針件突伸出該臂部的末端是呈球 形。
5. 依據申請專利範圍第3項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該音叉單元之探針件突伸出該臂部的末端是尖錐形。
6. 依據申請專利範圍第1項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該振盪源所產生的振盪頻率為該音叉單元之共振頻率。
7. 依據申請專利範圍第1項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該控制單元偵測該音叉單元所對應產生之振盪特徵是為振盪頻率。
8. 依據申請專利範圍第1項所述之音叉式接觸感測裝置，其中，該控制單元偵測該音叉單元所對應產生之振盪特徵是為振幅。
9. 一種音叉式接觸感測方法，是判斷一音叉單元與一目標物之間的接觸狀態，該音叉式接觸感測方法包含下列步驟：一共振頻率取得步驟，具有：一振盪產生步驟，是利用一振盪源來產生多個不同之振盪頻率；一頻率響應步驟，是以該振盪產生步驟中所產生之多個不同的振盪頻率來驅動該音叉單元，並偵測該音叉單元對於該等振盪頻率所對應產生的頻率響應；及一共振頻率判斷步驟，判斷該頻率響應中是否 具有一代表該音叉單元之共振頻率，若有，即以該共振頻率驅動該音叉單元，若無，則回到該振盪產生步驟，並使該振盪產生步驟產生多個不同之振盪頻率；及一接觸判斷步驟，以該音叉單元之共振頻率驅動該音叉單元使其產生對應之振盪特徵，並持續偵測該音叉單元之振盪特徵與其所對應之共振特徵之差，若其差等於零，即代表該音叉單元未與該目標物接觸，若其差不等於零，即代表該音叉單元與該目標物接觸。
10. 依據申請專利範圍第9項所述之音叉式接觸感測方法，其中，該振盪特徵是為振盪頻率，該共振特徵是為共振頻率。
11. 依據申請專利範圍第9項所述之音叉式接觸感測方法，其中，該振盪特徵是為振幅，該共振特徵是為共振振幅。