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台濠科技 研發光學尺技術,成為製造業後盾

堅持到底的競爭力 深耕工業基礎技術 - 系列文章14
2019-11-29
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台濠科技 研發光學尺技術,成為製造業後盾
(圖說: 台濠科技利用臺灣擅長的半導體製程自主研發光學尺,一年可生產達十萬支光學尺)
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從代理國外品牌量測儀器開始,台濠科技在服務客戶的過程中,不斷挖掘客戶痛點,找到提高自身技術的機會,投入光學尺創新研發工作,使製造工業有了更堅實的後盾。

提到「尺」,你會想到什麼?它就是一種量測長度或距離的工具,如果加上位移關係,還可知道移動或前進的方向。

在工業用途上,也需要這種「尺」來幫助掌握生產設備中機構移動的距離和方向,隨著科技產品微小化、精緻化趨勢,在製造過程中就需要更準確、精度更高的量測,以達到「精密製造」的境界,這也正是目前製造業所追求的方向。

在精密產業耕耘30多年的台濠科技,憑藉著在加工機台及檢測設備中不可或缺的角色──光學尺(Linear Scale或Optical Scale),協助客戶解決生產製造中對精密量測的需求。

從周邊設備開始,切入光學尺研發

1987年台濠科技成立之初,以代理國外品牌的光學尺等量測儀器起家。在銷售及安裝產品時,發現光學尺雖然只是機械設備中的一項量測裝置,卻能夠有效提升加工生產的精度及工作效率;不過,當時採用光學尺的臺灣業者並不多,更沒有自主研發光學尺的業者。台濠科技 研發光學尺技術,成為製造業後盾(圖說: 隨著科技產品微小化、精緻化趨勢,更需光學尺來幫助掌握生產設備中機構移動的距離和方向,達到「精密製造」的境界)

看準光學尺未來的市場潛力,預估將有愈來愈多廠商導入應用,台濠科技認為若能自行開發、降低成本與價格,便有機會獲得國內廠商青睞,成為加工機台上的必備產品。

實際投入研發光學尺之前,台濠科技首先推出搭配光學尺使用的數值顯示器(Digital Readout,簡稱數顯箱),功能是讀取並顯示光學尺感測到的數值,以便掌握加工過程狀況。

有別於當時自國外引進的數顯箱產品,是用不同功能的元件組裝而成,台濠科技則是運用單晶片設計,整合各項功能,因此可大幅縮小數顯箱體積;同時配合在地客戶需求,提供客製化服務,譬如:操作習慣、增加計算功能,以及提供在地維修服務等。

有了與光學尺密不可分的數顯箱,下個研發目標當然就是光學尺。

整合光電、電子、機械技術,突破研發困境

台濠科技研發處處長高清芬比喻,光學尺就像是「機械的雙眼」,最主要功能就是監測機台設備中可操作移動的機構之運動狀態,從起點和終點的相對位置資訊,藉此得知機構位移的方向和距離。當光學尺測量得愈精確、迅速,對加工品質和效率就愈有幫助。

雖然光學尺看起來不特別、也不起眼,卻蘊含許多深層技術的挑戰,也讓台濠科技決定在1997年與工研院合作,並由當時還在工研院服務的高清芬負責研發光學尺,二年後即開始試量產;直到現在,台濠科技一年可生產達十萬支光學尺。

光學尺的結構,是一條固定且較長的主尺,上面刻劃著具連續性、每條寬度僅有10µm(即10微米,等於十萬分之一公尺)的光柵,並有明暗不同的週期性排列;還有一支可沿著主尺移動的副尺,長度較短、同樣刻有明暗光柵,另外再加上LED光源、透鏡、感測器等組件。

光學尺運作時,需和機台設備中的機構連動,並在副尺沿著主尺移動之下,透過二邊光柵的位移作用,在光線照射下產生明暗交替變化,再經由感測器接收,轉換為不同訊號。

因為光柵的明暗排列和變化具有週期性,解讀出來的訊號就會呈現重複性的弦波,並根據每個訊號位置發生時間不同,辨別出機構的移動距離,因為是靠訊號量不斷增加來分辨,因此又稱為「增量式光學尺」。

高清芬說,光學尺的原理看起來並不困難,卻需要整合光電、電子、機械等多項技術,才能克服研發和使用問題。

譬如:光源投射必須相當準直、避免發散,才不會使感測訊號混雜;光電訊號則要能即時處理,才可因應機台加工的速度和品質;當副尺裝置移動時,必須能消除馬達驅動或機台運轉造成的雜訊;整組光學尺運作時,也要控制得相當穩定,避免產生不必要的偏擺或震動;甚至還要能阻擋加工環境可能帶來的油、水、塵等物質影響。台濠科技 研發光學尺技術,成為製造業後盾(圖說: 光學尺需要整合光電、電子、機械等多項技術,才能克服研發和使用問題)

因應產業主流,投入絕對式光學尺研發

目前在光學尺市場中,已有發展數十年、甚至上百年的國際大廠,如德國海德漢(Heidenhain)、日本三豐(Mitutoyo),已累積不少技術與經驗;但台濠科技在自主研發下,也能突破專利限制,為產業提供質優價美的光學尺產品。

其關鍵點在於:利用臺灣擅長的半導體製程,將LED、透鏡、晶片及電路,全部設計並封裝成單一的積體電路元件,使光學尺的整體結構與生產製造變得更加簡單。

至於光學尺中使用的玻璃主尺更是一大挑戰,除了因應客戶需求而不斷延伸長度,必須在製程中避免斷裂,再加上尺邊各面都要研磨得相當平整,以免產生不必要的訊號,同時還要運用半導體的曝光、顯影、蝕刻等技術來製作光柵。

在創新設計上,因應國際主流,台濠科技也投入開發「絕對式光學尺」。

以傳統增量式光學尺來說,需要經過訊號的累積來辨別位置、計算距離;但當訊號中斷消失時,譬如遇到停電,副尺裝置就必須在復電後,先移到主尺上標註的歸零點,也就是重新起算訊號,但可能因此產生誤差。

而絕對式光學尺的特點在於利用編碼與解碼的技術,使光柵的明暗排列和產生出來的訊號不會重複出現,每個位置都有其特定、絕對的訊號,因此就算遇到電力中斷,復電後仍可從原處開始加工,不需歸零。

從關鍵零組件研發到機械設備製造

除了投入絕對式光學尺的研發,客戶對尺的長度也有不同需求,台濠科技經常接到超過3公尺以上的光學尺訂單,原先利用半導體的光罩製程來刻劃光柵的方式,已然行不通,母尺製作方式也必須隨之改變。

因此,台濠科技透過雷射加工技術和精密定位平台,建置防震、恆溫的環境,避免任何震動和溫度變化等干擾、影響精度,以提升光學尺製作門檻,也累積許多獨到的技術與水準,使其他業者不易仿效。
台濠科技 研發光學尺技術,成為製造業後盾(圖說: 台濠科技研發團隊長期深耕光學尺技術,勢必能將Made in Taiwan的光學尺推上國際舞台。)

近年來,智慧機械、智慧製造趨勢方興未艾,台濠科技以光學尺及相關生產技術為基礎,逐步跨入機械設備的生產製造行列,推出投影機、工具顯微鏡、AOI自動光學量測儀、奈米量測儀、半導體檢測機,將精密機械的技術與能量,應用在更廣泛的產業領域中。

此外,台濠科技也計劃投入資源提升關鍵生產技術,譬如:主光柵玻璃母尺的刻劃與製作、精密玻璃切割研磨、電子Sensor 器件等,為進軍歐美市場做準備。高清芬說:「這並不容易,但以台濠科技長期深耕光學尺技術的實力來看,確有機會達成。若能加上政府在資金與技術的支持,相信Made in Taiwan的光學尺站上國際舞台,指日可待。」

光學尺技術簡介
定義:光學尺是機械設備中的一項量測裝置,負責監測機台設備中,可操作移動機構的運動狀態,也就是機構位移的方向和距離
特色:鋁合金型材尺身,最大長度可達3公尺。滑動部採用5組軸承定位,重覆性優異;多層隔離線網及金屬軟外殼信號線,具備防水及抗干擾性功能;合金壓鑄尺頭鍍硬鉻可耐腐蝕;防塵片採用特種塑膠,耐腐蝕、耐刮傷、磨擦阻力小;部件個體化,安裝、維護、保養簡易、防塵性良好,使用壽命長
影響:有效地提升加工生產的精度及工作效率
市場成就:開發絕對式光學尺,並運用光學尺技術,跨入生產機械設備的開發
研發困境:光源投射必須準直、避免發散;訊號要即時處理;控制雜訊產生;運作時設備要穩定控制,不能偏擺;控制加工環境中,油、水等物質影響

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