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高精度ロボットベース表面計測向けに設計されたコンパクトシステム

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September, 16, 2021, Wien--TU Wien研究者は、表面をマイクロスケール精度で3D検査するための軽量光学システムを開発した。新しい計測ツールは、半導体チップ、ソーラパネル、平坦なパネルTVなどコンシューマエレクトロニクスを含むハイテク製品の品質制御検査を大幅に強化できる。

製造ラインでは、振動が精密3D計測を困難にするので、サンプルは周期的に取り出してラボでの分析に回される。しかし、結果を待っている間に製造された欠陥製品は廃棄されなければならない。

産業製造プラントの振動が起こりがちな環境で動作するシステムを開発するためにウイーン工科大学(Technische Universität Wien)のGeorg Schitterをリーダーとする研究チームは、コンパクトな2D高速操作ミラーと高精度1D共焦点クロマティックセンサを統合した。

「われわれが開発したようなロボットベースインライン検査および計測システムは、産業製造で100%の品質制御を可能にするので現在のサンプル検査法を置き換えることができる。これにより、エネルギーとリソースを節約するので、より効率的な製造プロセスが実現する」と共リーダー、Daniel Wertjanzは説明している。

Applied Opticsに発表したように、新システムは、トラッキングプラットフォームにマウントできるように設計されている。プラットフォームは、ロボットアームに設置され、任意の形状や表面を非接触3D計測できる。重量はわずか300g、サイズは75×63×55㎜、エスプレッソキューブ程度である。

「われわれのシステムは、3D表面トポグラフィを計測できる。柔軟性、精度、スピードは前例がない。これにより無駄が少なくなる。製造上の問題がリアルタイムで特定でき、工程は迅速に適応,最適化できるからである」(Wertjanz)。

ラボから工場へ
精密計測は通常、ラボの大きな計測器で実行される。この能力を製造フロアに持ち込むために研究チームは、このプロジェクトのパートナー、Micro-Epsilonが開発した1D共焦点クロマティック距離センサをベースにしてシステムを開発した。共焦点クロマティックセンサは、変位、距離と厚さを共焦点顕微鏡と同じ原理を使って正確に計測できる、しかし遙かに小さなパッケージである。

チームは,共焦点センサと高集積高速操作ミラーを統合した。ミラーは、チームが以前に開発したもので、直径はわずか32㎜。さらに再建プロセスを開発した。これは計測データを使ってサンプル表面トポグラフィの3D画像を作る。その3D計測システムは、計測プラットフォームに十分収まるほどにコンパクトであり、これはロボットアームとの接続に役立ち、アクティブフィードバック制御により、サンプルと計測システムとの間の振動を補正する。

「高速操作ミラーでセンサの光学経路を操作することで計測スポットは、関心のある表面エリアを迅速かつ精密にスキャンする。小さなミラーを動かす必要があるだけなので、スキャンは精度に妥協することなく高速にできる」(Wertjanz)。

その新システムをテストするために研究チームは、定義された横方向のサイズと高さで構造を特徴とする様々な校正基準を利用した。これらの実験は、そのシステムが、横方向2.5µm、軸分解能76nmで計測できるこを実証した。

「このシステムは、いずれ、ハイテク計測に様々な恩恵をもたらす。インライン計測は、ゼロ故障生産工程を可能にする、これは特に少量生産に有用である。情報を使って製造プロセスや工作機械設定を最適化し、これにより全般的なスループット増となる」(Wertjanz)。

研究チームは現在、そのシステムを計測プラットフォームに実装し、それをロボットアームに組み込もうとしている。これにより,チームはロボットベース精密3D計測の実行可能性を、産業製造ラインなど振動が起こりがちな環境で自由形状表面でテストすることができる。