TWI434025B - Non - contact sensing device - Google Patents

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TWI434025B TW099104466A TW99104466A TWI434025B TW I434025 B TWI434025 B TW I434025B TW 099104466 A TW099104466 A TW 099104466A TW 99104466 A TW99104466 A TW 99104466A TW I434025 B TWI434025 B TW I434025B
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Description

非接觸式感測裝置
本發明與自動化控制有關，特別是關於一種可不受設備空間及待測量物件外形限制的非接觸式感測裝置。
傳統工業自動化感測器主要量測移動物件的位置、速度、轉速及計數，主要可分為接觸式及非接觸式兩大類，接觸式感測器必須直接接觸待測量物件以取得相關運動資訊，如微動開關或極限開關，但它不適用於精密元件製程，因其接觸點容易造成待測量物件表面磨損而影響後續精密製程；至於傳統非接觸式感測器主要可分為利用磁場感應技術及光電技術兩大類，磁場感應技術主要利用霍爾效應偵測流經電路的電流所產生的磁通量變化來進行電壓輸出(稱為霍爾電壓)，如磁簧開關、近接開關或轉速計，但具有易受電子雜訊干擾及溫度起伏影響、需要較大的功率去推動感測裝置等缺點，至於光學感測器利用發出光線遮斷與否來判別訊號，其基本元件必須具有光柵欄、光發射器及光接收器，若再加上後續處理器，將使成本居高不下；此外，受限於光線必須直線進行，故不適用於空間窄小受限的設備廠房，導致應用功能受限。因此，新一代非接觸式感測裝置必須具有抗電子雜訊干擾、靈敏度高、不佔空間、低成本、易安裝及低功率等技術。
再者，傳統感測器對於偵測物件形狀及應用場合不具有彈性安裝功能(flexible installing function)，必須受到事前安裝於待量測物件上的限制，例如轉速計，其霍爾感測器及ENCODER編碼器等元件必須事先安裝於轉軸上，方可進一步量測轉軸轉速，如此不僅造成空間及應用場合受限，設備亦須額外的感測器及安裝成本，例如，若今天欲改量測玻璃基板的移動速度，則無法再使用上述ENCODER編碼器等轉速感測器，必須另配置如微動開關或極限開關等位置感測器，如此必須準備各類型的感測器，導致生產線設備成本提高，因傳統感測器需事前針對偵測物件的形狀、場合及量測訊號，再決定安裝何種感測器的型態及種類，不具彈性安裝功能，大大侷限傳統感測器的應用場合。然而，隨著精密製程複雜化及生產線的不斷擴充，生產線的故障即時檢修需要線上即時即地可安裝量測的感測裝置。因此，新一代非接觸式感測裝置亦須具有可攜式(portable)及可隨貼隨用(plug-and-play)等彈性安裝功能(flexible installing function)。
本發明之主要目的在於提供一種非接觸式感測裝置，其可進行位置確認、測速、啟動或停止等特定動作之偵測。
本發明之次一目的在於提供一種非接觸式感測裝置，其具有構造簡單、成本低廉及可適用於任何待測量物件材質形狀。
本發明之再一目的在於提供一種非接觸式感測裝置，其具有可攜式(portable)及可隨貼隨用(plug-and-play)等彈性安裝功能(flexible installing function)。
本發明之再二目的在於提供一種非接觸式感測裝置，其具有不佔空間、靈敏度高、抗雜訊干擾及及不影響系統製程原先磁場分佈等優點。
為達成前述之發明目的，本發明所提供之非接觸式感測裝置包含有：一磁條，固定於一待測量物件上、一偵測器以及一處理器。該磁條具有若干N極與S極交替排列的磁性區塊。一偵測器，具有一固定磁性層，其具有固定之磁性方向、一自由磁性層，其磁性方向會受到外加磁場的影響而改變以及一隔離層，位於該固定磁性層與該自由磁性層之間。該處理器連接至該偵測器。
當該待測量物件運動，使該磁條通過偵測器時，該磁條上的N極與S極區塊會改變該自由磁層的磁性方向，使該自由磁層的磁性方向與該固定磁性層相同或相反，造成其電阻產生明顯的變化，進而導致輸出至該處理器的電壓或電流改變，再由該處理器計算出待測量物件所需要的運動資訊。
請參閱第一圖所示，本發明第一較佳實施例所提供之非接觸式感測裝置10是應用於自動化製程中，用來偵測製程中的各項資訊，例如：計數、位置確認、測速、啟動或停止等。在此一自動化製程中具有一傳輸機構12以及若干載具14。載具可為tray盤或其他可用來裝置被加工物件(未顯示)的器具。載具14放置於該傳輸機構12上，被傳輸機構12帶動而向前移動，以進行預定的加工程序。該非接觸式感測裝置10具有一磁條16以及一偵測器18。磁條16裝設於載具14的側邊，偵測器18設置於傳輸機構12的一支架20上；當載具14被傳輸機構12移動時，側邊上的磁條16會通過偵測器18。
請參閱第二圖所示，該偵測器18具有一固定磁性層22、一自由磁性層24、一隔離層26，位於該固定磁性層22與自由磁性層24之間、二訊號傳輸線28，分別連接至該固定磁性層22以及該自由磁性層24、一電源供應器30，連接至該訊號傳輸線28，可提供一固定大小的電流至該固定磁性層22以及該自由磁性層24，以及一處理器32，連接至該二訊號傳輸線28。固定磁性層22的N極、S極不會受到外加磁場的影響而改變，就算外加磁場消失，仍保有原有磁性。本發明之固定磁性層22可為導電磁性金屬或導電磁性氧化物，例如：Fe81-X CoX Ga19 。自由磁性層24的磁極會受到外加磁場的影響而改變。自由磁性層24的材料最好是選擇當磁場移去後不易有殘磁的材料，可為導電磁性金屬或導電磁性氧化物，例如：NiFe。隔離層26可為非磁性金屬層(例如：銅)或是絕緣層(例如：氧化鋁)。該磁條16為一具有N極與S極磁性區塊交替排列的長條帶狀物。第一圖中是以顏色的深淺來代表N極磁性區塊與S極磁性區塊。
前述偵測器18的工作原理為：電子具有自旋的物理特性，分為上自旋電子與下自旋電子。與磁性層磁矩平行的電子在傳導過程中較不會被散射而呈現低電阻，但與反平行時，則很容易與磁性層磁矩碰撞而散射而呈現高電阻。如果自由磁性層24的磁矩方向與固定磁性層22的磁矩方向相同時，則只有與(22，24)兩磁性層磁矩反平行的電子會被阻擋散射，總電阻相對較小，因此輸出至處理器32的電壓(Vout )較大；如果自由磁性層24的磁矩方向與固定磁性層22的磁矩方向相反時，則不管上自旋或下自旋的電子皆會被自由磁性層24或固定磁性層22其中之一阻擋散射，總電阻相對較大，輸出至處理器32的電壓(Vout )較小。藉由處理器32所接收到的輸出電壓(Vout )的大小可判斷為「0」與「1」。同理，若該電源供應器30提供固定電壓時，則將造成輸出至處理器32的電流的變化，進而判斷「0」與「1」。
回到本發明所提供的非接觸式感測裝置10，當該載具14前進時，會造成其側邊的磁帶通過該偵測器18。請參閱第三圖所示，當磁條16上的N極磁性區塊與S極磁性區塊所產生的磁力線作用於該自由磁性層24，並造成該自由磁性層24的磁性方向與該固定磁性層22相反時，電子通過該自由磁性層24與該固定磁性層22的電阻較大，因此輸出電壓(Vout )較小；反之，當磁條16上的N極磁性區塊與S極磁性區塊所產生的磁力線造成該自由磁性層24的磁性方向與該固定磁性層22相同時，請參閱第四圖所示，電子通過該自由磁性層24與該固定磁性層22的電阻較小，因此輸出電壓(Vout )較大。如此可視為，當磁條16通過該偵測器18時，該處理器32會偵測出一連串「0」與「1」的訊號，以此可計算出載具14移動的速度與其他相關的運動資訊。因偵測器18受到外部磁條16微小磁場的變化就會產生極大且明顯的電阻變化(50%以上)，因此本非接觸式感測裝置10具有抗雜訊干擾、高靈敏度及低功率等優點。再者，偵測器18對於微小的磁區判斷有極高的靈敏度，因此可大幅縮小其體積，對於廠房設備空間受限的場所，本非接觸式感測裝置10皆能應用。
第五A圖顯示當製程正常運作下該偵測器所傳來的訊號狀態，其中「0」與「1」訊號間隔連續出現的區段，代表載具通過，而無訊號的區段代表無載具通過，此訊號形態透過處理器計算，可偵測出移動載具的各種所需資訊(如位置、速度、計數或異常狀態等)。首先，當某一偵測器偵測到「1」訊號後，代表該載具已到達預定位置，可進行(或關閉)下一特定動作(如減速或轉彎)等；其次，處理器可由兩個「1」訊號之間的時間差△t計算出載具的移動速度；再者，當「1」訊號出現後，處理器中的計數器即開始啟動，計算全部通過的「1」訊號總數目，除以每個載具所具有的「1」訊號數目，可得到累計通過載具的數量；最後，本裝置可以進一步偵測載具14是否異常狀態，假設每個載具上的磁條配置6組N、S極磁性區塊，則第五B圖顯示一種異常訊號，其中訊號無間斷的出現，此訊號模式代表前後兩個載具太接近，已經堆疊在一起，而第五C圖代表後面載具發生打滑或卡住情況，導致中間間隔「0」訊號過久，而第五D圖代表載具角度已偏移，使得所偵測到「1」、「0」訊號數目不完整，若有偵測到上述這些異常訊號，可以線上即時回報操作人員立刻停機處理，以免造成後續更多損失，這些功能是習知接觸式感測器(如微動開關或極限開關)無法達成的。
第六圖顯示本發明第二較佳實施例的偵測器34，包含有：一固定磁性層36、一自由磁性層38、一隔離層40，位於該固定磁性層36與自由磁性層38之間、二訊號傳輸線44，分別連接至該固定磁性層36以及該自由磁性層38、一電源供應器46，連接至該訊號傳輸線44，可提供一固定大小的電流，以及一處理器48，連接至該二訊號傳輸線44。其特徵為：該固定磁性層36具有一固定層(pinned layer)50與一偏壓層(biasing layer)52。該固定層50與該隔離層40接觸；該偏壓層52為一反鐵磁性材料，例如：FeMn，用以固定固定層50的磁性方向。第二較佳實施例的偵測器34的作用與功能與前述相同，在此容不贅述。
本發明的另一項特徵為，請參閱第七圖所示，該磁條16為一具有可撓性(flexible)的帶體，其背面具有背膠54，背膠54上再貼附有一離形紙56。在撕開離形紙56後，該磁條16可貼附在任意材質或形狀的物件上。前述之偵測器的結構簡單且不佔空間，僅需要磁條16提供微弱的外加磁場，即可改變偵測器自由磁性層的磁性方向，但不影響系統製程原先磁場分佈。因此，該磁條16的基本材質可為一般的磁帶，經磁化後，使之形成N極、S極交替的磁性區塊。不管待量測物件外型或材質是否具磁性，皆可輕易安裝使用，故具有可攜式(portable)及可隨貼隨用(plug-and-play)等彈性安裝功能(flexible installing function)，並進一步達到易安裝、不佔空間、低功率及不影響系統製程原先磁場分佈等優點。第八圖顯示該磁條16貼附於一軸58上，在於適當位置設置一偵測器18，如此即可偵測該軸58的轉速與其他相關資訊。
綜上，本發明所提供之非接觸式感測裝置，可應用在偵測一運動中的待測量物件的位置確認、測速、計數、啟動或停止等特定動作。本發明之偵測器與磁條所佔用的空間很小，因此幾乎所有任何廠房設備空間受限條件均可應用本發明。此外，磁條所產生的磁力相當的微弱，對於某些對於磁性相當敏感的裝置或製程，亦可使用本發明。最後，由於磁帶的可撓性，任何形狀與材質的待測量物件，均可輕易安裝使用，具有可攜式(portable)及可隨貼隨用(plug-and-play)等彈性安裝功能(flexible installing function)。。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10．．．非接觸式感測裝置
12．．．傳輸機構
14．．．載具
16．．．磁條
18．．．偵測器
20．．．支架
22．．．固定磁性層
24．．．自由磁性層
26．．．隔離層
28．．．訊號傳輸線
30．．．電源供應器
32．．．處理器
34．．．偵測器
36．．．固定磁性層
38．．．自由磁性層
40．．．隔離層
44．．．訊號傳輸線
46．．．電源供應器
48．．．處理器
50．．．固定層
52．．．偏壓層
54．．．背膠
56．．．離形紙
58．．．軸
Vout ．．．輸出電壓
第一圖為立體圖，顯示本發明之非接觸式感測裝置應用於一連續製程上；
第二圖為本發明第一較佳實施例之偵測器之示意圖；
第三圖為本發明第一較佳實施例之示意圖，顯示偵測器之自由磁性層受磁帶的影響而改變至與該固定磁性層相反之方向；
第四圖為本發明第一較佳實施例之示意圖，顯示偵測器之自由磁性層受磁帶的影響而改變至與該固定磁性層相同之方向；
第五圖顯示各種正常訊號與異常訊號之示意圖；
第六圖為本發明第二較佳實施例之偵測器之示意圖；
第七圖為本發明之磁帶之立體圖；以及
第八圖為本發明之非接觸式感測裝置應用於偵測一軸之示意圖。
10．．．非接觸式感測裝置
16．．．磁條
18．．．偵測器
22．．．固定磁性層
24．．．自由磁性層
26．．．隔離層
28．．．訊號傳輸線
30．．．電源供應器
Vout ．．．輸出電壓

Claims (10)

  1. 一種非接觸式感測裝置，用來偵測一運動之待測量物件之資訊，包含有：一磁條，其上具有若干N極與S極交替排列的磁性區塊；一偵測器，具有一固定磁性層，其具有固定之磁性方向、一自由磁性層，其磁性方向會受到外加磁場的影響而改變、一隔離層，位於該固定磁性層與該自由磁性層之間、二訊號傳輸線，分別連接至該固定磁性層與該自由磁性層，以及一電源供應器，連接至該訊號傳輸線，以及一處理器，連接該二訊號傳輸線；該磁條固定於該待測量物件上，該偵測器則固定於某一固定位置；當該待測量物件運動，使該磁條通過偵測器時，該磁條上的N極與S極區塊會改變該自由磁性層的磁性方向，使該自由磁性層的磁性方向與該固定磁性層相同或相反，造成其電阻產生明顯的變化，進而導致輸出至該處理器的訊號改變，再由該處理器計算出待測量物件的相關資訊。
  2. 依據申請專利範圍第1項所述之非接觸式感測裝置，其中該固定磁性層可為導電磁性金屬或導電磁性氧化物。
  3. 依據申請專利範圍第1項所述之非接觸式感測裝置，其中該自由磁性層可為導電磁性金屬或導電磁性氧化物。
  4. 依據申請專利範圍第1項所述之非接觸式感測裝置，其中該隔離層可為非磁性金屬層或絕緣層。
  5. 依據申請專利範圍第4項所述之非接觸式感測裝置，其中該隔離層可選自銅或氧化鋁。
  6. 依據申請專利範圍第1項所述之非接觸式感測裝置，其中該固定磁性層具有一固定層與一偏壓層；該固定層與該隔離層接觸，該偏壓層將固定層的磁性方向固定。
  7. 依據申請專利範圍第6項所述之非接觸式感測裝置，其中該偏壓層為一反鐵磁性材料。
  8. 依據申請專利範圍第1項所述之非接觸式感測裝置，其中該磁條為一具有可撓性的帶體。
  9. 依據申請專利範圍第8項所述之非接觸式感測裝置，其中該磁條背面具有背膠。
  10. 依據申請專利範圍第9項所述之非接觸式感測裝置，其中該磁條背膠上貼附有一離形紙，撕開後該磁條可貼在該待測量物件上。
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