DE69823401T2

DE69823401T2 - Schwingungsfeststellungs- und Steuerungssystem für Drücker

Info

Publication number: DE69823401T2
Application number: DE69823401T
Authority: DE
Inventors: Warren B. Jackson; Mark H. Palo Alto Yim; Andrew A. San Jose Berlin
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1997-02-10
Filing date: 1998-02-09
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2018-02-10
Also published as: DE69823401D1; JPH10267750A; EP0857944B1; EP0857944A1; JP4068206B2; US6055391A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Erfassen der Bewegung von Komponenten, Trägern, Platten, Wänden, Drähten oder anderen Strukturen einer Maschine, z. B. einer bilderzeugenden Maschine wie einem Drucker unter der Verwendung von positionsempfindlichen Detektoren. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein System zur Erfassung von Vibration und wahlweise der Vibrations- oder Geräuschunterdrückung unter der Verwendung von eingebrachten, teiltransparenten Lichtstrahldetektoren, welche einen Teil des Systems bilden können zur Verringerung von Vibration oder mechanischer Durchbiegung von Druckern oder anderer großer Strukturen.
Die genaue und kostengünstige Erfassung von transienten Bewegungen der Vibration, Translation oder Torsion von Strukturen welche eine Größe im Meterbereich aufweisen ist für viele Anwendungen nützlich. Von besonderem Interesse ist das Beobachten von Druckern, einschließlich xerografischen, Laser, oder Tintenstrahldruckern auf Vibrationsbewegungen, welche im Bereich von hochfrequenten akustischen Biegemoden (10–20 kHz) bis zum Sub-Hertz (weniger als 1 Hz) liegen können und wiederholte oder transiente mechanische Verformungen darstellen können. Die Vibrationsmessung kann das Erfassen für Maschinenbruch, für Maschinenverschleiß (z. B. vorhersagende Wartungsbeobachtung) oder sogar die Identifikation von ausfallenden Komponenten beinhalten, auf der Basis von charakteristischen Vibrationssignaturen. Für bestimmte Anwendungen kann die Messung von Strukturbewegungen oder Vibrationen die Anwendung von Techniken der Vibrationsunterdrückung oder Schallauslöschung auf der Basis von tensionalen, inertialen oder akustischen Techniken erlauben als Teil eines aktiven Vibrationssteuerungssystems.
Der Fühler für Vibration oder transiente Durchbiegungen, welcher in derartigen Systemen verwendet wird, muss im Allgemeinen zuverlässig und genau sein und niedrige Leistungsanforderungen aufweisen. In der Vergangenheit haben installierte Dehnungsmessstreifen oder interferometrische Detektionssysteme Verwendung gefunden, um niedrige Frequenzen oder zeitweilige mechanische Verformung eines Strukturelements zu erfassen. Ungünstigerweise leiden derartige Systeme unter hohen Kosten, Schwie rigkeiten beim Sicherstellen einer zuverlässigen Verbindung zwischen dem Strukturelement und dem Detektor und Empfindlichkeit gegenüber unzuverlässigen Messungen aufgrund von hochfrequenten Vibrationen oder anderen Einflüssen. Insbesondere können Dehnungsmessstreifen wegen thermischer und Kopplungseffekte schwierig zu kalibrieren sein, insbesondere wenn dieselben mit relativ kleinen Strukturelementen verbunden sind, deren Verformungscharakter durch die Verbindung mit den Dehnungsmessstreifen nichtlinear verändert wird.
Im Gegensatz hierzu, wenngleich Systeme, die auf akustischen Mikrofonen basieren, besser geeignet sind, um höherfrequente, akustische Störungen zu messen, als Dehnungsmessstreifen aufgrund deren relativ niedriger Empfindlichkeit bei niedrigen Frequenzen, stellen akustische Mikrofone immer noch nicht eine optimale Lösung für Vibrationsmessung über einen weiten Bereich von Frequenzen bereit. Kürzlich wurden in Mikrotechnik hergestellte Vibrationsfühler versucht für Vibrationsmessung. Beispielsweise wurden Mikrosensoren, welche basieren auf Strahlen von geätzten Halbleitern, belasteten Kragarmen, oder beweglichen Diaphragmen, welche ein Massefedersystem darstellen, welches eine Federablenkung, Kompression oder Ausdehnung in ein messbares elektrisches Signal in der Zeitdomäne verwenden, konstruiert. Die elektrischen Signale werden erzeugt oder moduliert durch die Verwendung von gekoppelten Piezowiderständen, piezoelektrischen Materialien oder durch Kapazitätsänderungen. Unglücklicherweise kann ähnlich den akustischen Mikrofonen die Vibrationsfrequenzbandbreite in derartigen federartigen Träger- oder Kragarmeinrichtungen oft auf Messungen unterhalb der ersten Resonanzfrequenz beschränkt sein aufgrund von starken Nichtlinearitäten in der Federempfindlichkeit. Dieses Problem ist besonders akut für hohe Vibrationsfrequenzen und resultiert in einer verminderten Gesamteffektivität der Fühler, wenn eine große Vibrationsfrequenzbandbreite gemessen werden muss.
Blum, W. et al; Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A, Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. (Netherlands), Nuclear Instruments & Methods in Physics Research, Section A (Accelerators, Spretrometers, Detectors and Associated Equipment), 1. August 1996, Vol 377, Nr. 2–3 Seiten 404–408 beschreibt ein Vielpunkt-Laserausrichtsystem mit einem transparenten Streifenfühler, einer Laserquelle und einem Lichtverteilungssystem zum Verteilen des Lichtes der Laserquelle zu einer Vielzahl von Ketten von transparenten Fühlern. Teilweise transparente Lichtstrahlfühler mit einer halbreflektierenden Schicht zum teilweisen Reflektieren des Lichtstrahls sind ebenso offenbart.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung ein System zur Erfassung der Bewegung von strukturellen Elementen in Bezug auf die Genauigkeit und die Systemkosten zu verbessern. Dieses Ziel wird erreicht durch die Bereitstellung eines Systems zum Erfassen von Bewegungen von strukturellen Elementen gemäß Anspruch 1. Das Ziel wird weiterhin erreicht durch die Bereitstellung eines Druckersystems, welches ein Vibrationsertassungssystem aufweist gemäß Anspruch 9.
Vorzugsweise wird das System bereitgestellt zur Messung von vibrationsbedingten, translatorischen, Torsions-, Biege- oder anderen Bewegungen von strukturellen Teilen unter Verwendung eines neuartigen teiltransparenten Lichtstrahlfühlers. Ein besonders bevorzugter Teil transparenter Lichtstrahlenfühler ist ein positionsempfindlicher Fühler (position sensitive detector: PSD) zusammengesetzt aus vielfachen transparenten oder teiltransparenten Schichten, um den Durchgang eines Lichtstrahls durch denselben zu ermöglichen, wobei typischerweise mehr als die Hälfte des Lichtes (d. h. der gemessenen Lichtintensität) welches in den PSD eintritt, diesen wieder verlassen kann. Die Schichten können p-i-n-Fühler mit kantenmontierten Elektroden oder geeignet dotierte Schichten amorphen Silizium aufweisen, sind jedoch nicht begrenzt darauf. Positionsempfindliche Fühler schließen wie herkömmlich definiert und hierin definiert lateral empfindliche Lichtdetektoren ein, welche zwei elektrische Signale erzeugen, welche kennzeichnend für den Schwerpunkt der Lichtstrahlposition sind. Alleine oder in Kombination können teiltransparente PSD, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, ein-, zwei- oder dreidimensionale Informationen hinsichtlich der Lichtstrahlposition bereitstellen.
Alternativ dazu können transparente Lichtstarhlfühler nahestehende Gruppen von transparenten Fotodioden oder sogar von transparenten CCD Bildfühlern einschließen. Weiterhin können PSD oder andere transparente Lichtstrahlfühler, welche gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, modifiziert werden, um teilweise reflektierende Schichten aufzuweisen, um einen Teil eines Lichtstrahls vor der Detektion zurückzuleiten. Die Verwendung von Kombinationen von transparenten, halbreflektierenden und herkömmlichen lichtundurchlässigen Fühlern in den Systemen der vorliegenden Erfin dung werden ebenso innerhalb deren Bereich erachtet, wobei verschiedene optische Anordnungen zur Messung der Lichtstrahlposition unter Verwendung eines Lichtstrahls möglich sind.
Die Messung von relativer Bewegung von Lichtstrahlen ist möglich über einen großen Bereich von Frequenzen von langsamen Bewegungen im Bereich der Größenordnung von Sekunden zu hohen Frequenzen von 10 kHz oder größeren akustischen Messungen.
Es ist zu würdigen, dass die ersten oder zweiten strukturellen Elemente einzeln sein können (z. B. ein einziger flexibler Stab oder eine Platte, welche eine Vielzahl von Fühlern trägt), gekoppelt durch feste oder bewegliche Verbindungen (z. B. eine verbundene Stabstruktur, wobei jeder Stab einen Fühler bedient) oder sogar mechanisch isoliert voneinander.
Beim Verfolgen von ein-, zwei- oder dreidimensionalen Bewegungen des detektierten Lichtstrahls kann die Durchbiegung oder Vibration eines strukturellen Elementes über einen weiten Bereich von Frequenzen bestimmt werden. Vorteilhafterweise erlaubt die Verwendung von teiltransparenten Lichtstrahlfühlern das Stapeln einer Folge von Fühlern entlang eines Trägers, einer Seitenwand oder anderer struktureller Elemente, wobei alle Fühler dieselbe gerichtete Lichtquelle verwenden, um die Bewegung des strukturellen Elements und von strukturellen Elementen zu bestimmen. Beispielsweise kann eine Seitenwand eines großen Druckers (welche eine Durchbiegungs- und akustische Charakteristik aufweist, welche verbunden wurde mit einer großen Metallplatte oder Trommel) mit einer Anzahl linear angeordneten Lichtstrahlfühlern ausgestattet werden. Ein einziger Laserstrahl kann so gerichtet werden, um durch jede Linie der teiltransparenten Fühler zu dringen, um eine unerwünschte Vibration der zugeordneten Seitenwand zu bestimmen mit geeigneter Strahlablenkung, Strahlteilung und Scantechniken, welche erlauben, dass eine Vielzahl von Linien von Fühlern unter Verwendung nur einer einzigen Lichtquelle beschickt wird. Unter Verwendung dieser gemessenen Vibrationsdaten können Vibrations- oder Geräusch unterdrückende Techniken angewandt werden, um Druckervibrationen oder Geräusche wesentlich zu vermindern.
Vorteilhafterweise ermöglicht die vorliegende Erfindung die Erfassung und Korrektur von Vibrationen in strukturellen Elementen welche in Spannung gehalten sind, ebenso wie vorstehend diskutierte Stab-, Platten- oder Gehäuse artige strukturelle Elemente. Beispielsweise wird in bestimmten xerografischen Drucksystemen ein Elektrodendraht oder Band, welches empfindlich für unerwünschte mechanische Vibrationen ist zwischen einer Geberwalze und einem verborgenen Bild angeordnet, um eine Pulverwolke aus Toner auszubilden, um das latente Bild zu entwickeln. Ein Lichtstrahlfühlersystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann verwendet werden, um die Vibrationsmodi der Elektrodendrähte zu erfassen, um ein Eingangssignal zu einem passenden Vibrationsdämpfungs-Steuerungssystem zu liefern. Ein mögliches Steuerungssystem zur Ausschaltung mechanischer Vibrationen eines Elektrodendrahtes kann bereitgestellt werden durch die Positionierung eines Magneten benachbart zu dem Elektrodenband und unter Verwendung von niedertrequenter AC, welche durch den Elektrodendraht geschickt wird, um Vibrationen durch die Anwendung von elektromagnetischen Kräften zu unterdrücken, welche auf den Draht aufgrund der Wechselwirkung von AC mit dem magnetischen Feld zur Wirkung kommen.
Zusätzlich zu Anwendungen im Meter- und Submeterbereich wie etwa Druckern, können großskalige vibrierende oder sich durchbiegende strukturelle Elemente, mit einer linearen Abmessung in der Größenordnung von Metern oder Hunderten von Metern gemäß der vorliegenden Erfindung gemessen werden. Beispielsweise können Ankerseile, Säulen oder Träger in Gebäuden oder andere große Strukturen überwacht werden gemäß der vorliegenden Erfindung. Passend installierte oder modifizierte Biege- oder Vibrationssteuerungssysteme können optional verwendet werden, um die unerwünschten strukturellen Bewegungen zu unterdrücken. Dies könnte die Erfassung und Korrektur von ungewünschten Vibrationen oder Durchbiegungen von Gebäuden erlauben, welche großskaligen Bewegungen zugeordnet werden wie sie etwa im Zusammenhang mit Wind oder Erdbewegungen möglich sind.
Weitere Funktionen, Ziele, Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden durch Betrachtung der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offenbar:
1 ist eine schematische Darstellung eines strukturellen Elements, welche Verformungen oder Verbiegungen ausgesetzt ist, welche in Bezug auf die Bewegung unter Verwendung von teiltransparenten Lichtstrahlenfühlern erfasst wird;
2 ist eine schematische Darstellung einer Platte eines xerografischen Druckers, welche schallerzeugenden Vibrationen unterliegt, wobei vielfach gestapelte teiltransparente Lichtstrahldetektoren und Vibrationssteuereinheiten auf der Platte angebracht sind;
3 ist eine ausführlichere schematische Verdeutlichung einer Entwicklungsvorrichtung für einen xerografischen Drucker der 2 mit einer Vielzahl von teilreflektierenden Lichtstrahlfühlern zur Vibrationserfassung und einer aktiven Steuereinheit zum Dämpfen der Vibration eines Elektrodenbandes, welches unter Spannung gehalten wird;
4 ist eine schematische Darstellung einer Turmstruktur mit einer Vielzahl von Biegefühlern und Steuersystemen unter Verwendung von teiltransparenten Lichtstrahlfühlern;
5 und 6 sind schematische Darstellungen, welche eine mögliche Bewegungsfühlerauswahl und Geometrie zeigen;
7 und 8 sind alternative schematische Darstellungen, welche zusätzliche Bewegungsfühleranordnungen zeigen;
9 und 10 verdeutlichen jeweils im Querschnitt und in der Draufsicht einen positionsempfindlichen Fühler, welcher transparente p-i-n Schichten und ein transparentes Substrat umfassen;
11 und 12 verdeutlichen jeweils im Querschnitt und in der Draufsicht einen positionsempfindlichen Fühler, welcher transparentes dotiertes amorphes Silizium und ein transparentes Substrat umfasst;
13 und 14 verdeutlichen jeweils im Querschnitt und in der Draufsicht eine Vielzahl von transparenten Fotodioden, welche auf einem transparenten Substrat angebracht sind.
15 und 16 verdeutlichen jeweils im Querschnitt und in der Draufsicht einen transparenten CCD Bildfühler, welcher auf einem transparenten Substrat angebracht ist und
17 und 18 verdeutlichen jeweils im Querschnitt und in der Draufsicht einen positionsempfindlichen Fühler, welcher eine teilreflektierende Deckschicht aufweist.
Ein System 10 zum Feststellen und optionellen Steuern von Bewegung eines strukturellen Elements ist in 1 verdeutlicht. Das strukturelle Element wird durch einen sich vertikal erstreckenden Träger 12 (gestrichelte Linie) repräsentiert, welcher mit seiner Basis an einem Substrat 14 angebracht ist und welcher differenziellen Dreh- oder Biegebewegungen ausgesetzt ist wie sie etwa durch winderzeugte Bewegungen, Erdbewegungen, transiente Stoßvibrationen, Vibrationen, welche durch mechanisch oder akustisch gekoppelte schwingende Anordnungen oder Maschinen erzeugt werden, oder sogar akustisch eingebrachte Vibrationen. Die durchgezogene Linie 14 des Trägers 12 ist eine augenblickliche Repräsentation (in stark vergrößerter Form dargestellt) einer möglichen Trägerstellung nach der Bewegung. Es ist zu würdigen, dass der Träger 12 eine große Vielfalt von strukturellen Elementen darstellen soll, welche einer Spannung, Durchbiegung, Vibration, Stoß oder Kompression ausgesetzt sind und Säulen, Kragarme, gestützte Träger, Querträger, Platten, Gehäuse, Spanndrähte, Bänder, Netze, Roste, gespannten Beton, oder andere herkömmliche strukturelle Elemente für feste oder bewegliche Anordnungen einschließen, jedoch nicht auf diese beschränkt sind. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird der Ausdruck strukturelle Element ebensobetrachtet als ausgedehnt auf Kombinationen der vorgenannten strukturellen Elemente, welche in Kombination gehalten werden durch Schweißnähte, Stifte, Laminate, Klebstoffe, Steckverbindungen, Gelenkverbindungen, Gelenklager, oder andere konventionelle Verbindungsmechanismen zum Halten von strukturellen Elementen entweder unbeweglich oder beweglich zueinander.
Das System 10 zur Erfassung von Trägerbewegung schließt eine gerichtete Lichtquelle 30 wie sie etwa durch einen Laser bereitgestellt werden könnte, eine fokussierte, nichtkohärente Lichtquelle oder eine fokussierte lichtemittierende Diode ein. Der emittierte Lichtstrahl ist typischerweise bei optischen Frequenzen, es kann jedoch Licht von infraroter, ultravioletter oder anderer passender Frequenz ebenso verwendet werden. Vorzugsweise ist die gerichtete Lichtquelle 30 an einer bekannten festen Position an einem festen Substrat 18 angebracht und ist relativ unbeweglich in Bezug auf das Substrat 14 und den Träger 12. Wie aus 1 ersichtlich ist, leitet die Lichtquelle 30 einen Lichtstrahl 32 in einer vertikalen Richtung, benachbart und im Wesentlichen parallel zu dem sich vertikal erstreckenden Träger 12. Um die Bewegung des Trägers 12 in Bezug auf die feste gerichtete Lichtquelle 30 zu erfassen, wird ein Detektionssystem 20 von gestapelten Lichtstrahlpositionsfühlern angewandt. Eine Vielzahl von teiltransparenten Lichtstrahlfühlern 22 (und ein einziger abschließender lichtundurchlässiger Lichtstrahlfühler 24) sind an einer vertikalen Linie an dem Träger 12 angebracht. Jeder teildurchlässige Lichtstrahlfühler 22 erlaubt, dass mindestens etwas von dem Lichtstrahl austritt, während der nichtaustretende zurückbleibende Teil des Lichtstrahls 32 in jedem Fühler 22 in ein digitales oder analoges elektrisches Signal umgewandelt wird, welches repräsentativ ist zu einer ein-, zwei- oder dreidimensionalen Lichtstrahlposition in jedem Fühler. Um beste Ergebnisse zu erzielen, kann die Durchlässigkeit der Fühler 22 angepasst werden, um ungefähr 1/N des einfallenden Lichtes aufzufangen, wobei N die Anzahl der gestapelten Fühler ist. Vorausgesetzt dass die Empfindlichkeit passend hoch und eine kleine Anzahl von gestapelten Fühlern verwendet wird, können jedoch Fühler verwendet werden, welche bis zu 50% des Lichtes einfangen.
Signale, welche durch die Fühler 22 erzeugt werden, werden zu einer Erfassungssteuereinheit 34 geleitet, welche in der Lage ist, alle empfangenen Signale für die Interpretation, Analyse und optional für die Weiterleitung zu einer Bewegungssteuereinheit 38 zu übertragen. Die Erfassungssteuereinheit 34 kann von bekanntem Aufbau sein und kann wie der Fachmann weiß drahtlose Übertrager, Analog/Digitalwandler, Signalverarbeitungshardware, und einen Allzweckrechner oder eine kundenspezifisch ausgelegte Schaltung einschließen, um die Signale, welche von den Fühlern 22 empfangen werden, zu analysieren.
Wie in 1 verdeutlicht, kann die Bewegungssteuereinheit 38 die Signale von der Erfassungssteuereinheit 34 empfangen, welche die Trägerbewegung anzeigt. In Reaktion darauf kann die Bewegungssteuereinheit 38 eine Vielzahl von Bewegungssteuerungen 39 mit Signalen versorgen, welche auf dem Träger 12 angebracht sind, um ausgewählte Kräfte zur Gegenwirkung anzuwenden, um zu dämpfen oder auf andere Weise unerwünschte Bewegungen zu minimieren (und selbstverständlich wahlweise Bewegungen zu verstärken wenn erwünscht). Die Bewegungssteuerungen 39 können initiale Steuerungen, welche eine Masse bewegen, federn oder elastische Steuerungen, sich zusammenziehende Drähte, Fasern oder Streifen, elektromagnetische oder elektrostatische Steuerungen oder jede andere Art von passendem Mechanismus oder Aktuator einschließen, welche dem Fachmann bekannt sind zur aktiven Eindämmung von Bewegung oder Bewegung verstärkenden Kräften zu dem Träger 12, sie sind ist jedoch nicht beschränkt darauf.
Vorteilhafterweise ermöglicht das System 10, dass die anscheinend erfasste Bewegung des Lichtstrahls 32 in Bezug auf jeden teiltransparenten Lichtstrahlfühler zu entsprechenden tatsächlichen Bewegungen des benachbarten Abschnitts des Trägers 12, an dem der Fühler angebracht ist, zugeordnet wird, unter Verwendung von nur einem einzigen Referenzlichtstrahl 32. Da die absolute oder tatsächliche Position des Lichtstrahls mindestens in einer oder zwei Dimensionen bekannt ist und die Beziehung zwischen der gemessenen Lichtstrahlbewegung und der tatsächlichen Bewegung des Trägers 12 im Wesentlichen linear ist, kann die absolute Bewegung des Strahls an jeder Fühlerbefestigungsstelle leicht ermittelt werden durch dem Fachmann bekannte Verfahren. Es ist zu würdigen, dass durch die Verwendung einer ausreichend starken Lichtquelle in Verbindung mit Fühlern hoher Lichtdurchlässigkeit (z. B. typischerweise 90 bis 95% Lichtdurchlässigkeit durch dieselben), eine große Anzahl von gestapelten Fühlern zur Messung der Bewegung eines einzigen Lichtstrahls angewendet werden können, um die Genauigkeit der Trägerbewegungsmessung zu erhöhen.
Eine beispielhafte Anwendung der vorliegenden Erfindung zum Erfassen und optionalerweise Steuern der Bewegung von strukturellen Elementen ist in 2 verdeutlicht, welche ein Druckersystem 40 in einer teilweisen Schnittansicht in perspektivischer Art zeigt mit einer Vielzahl von vibrationserzeugenden Komponenten. Vibration kann durch die Bewegung von Bändern, Walzen, Ratschenmechanismen, Pendelarmen oder ande ren herkömmlichen beweglichen Komponenten des Druckersystems eingebracht werden. Das Druckersystem 40, welches in der vorliegenden Ausführungsform verdeutlicht ist, ist eine Modifikation eines xerografischen Druckers wie er beispielsweise in US-A-5,321,474 offenbart ist. Wie zu würdigen ist, kann jedoch die vorliegende Erfindung in einer breiten Vielfalt von bilderzeugenden Systemen verwendet werden einschließlich, aber nicht beschränkt darauf, in Thermaltintenstrahldruckern, kontinuierlichen Tintenstrahldruckern, Rasterausgang-Abtastlaserdruckern, oder sogar Offset oder lithografischen Druckern.
Wie in 2 gezeigt, weist das Drucksystem 40 eine Einheit 50 zur Vibrationserfassung und Unterdrückung auf, welche auf der Innenseite des Deckels 51 (durch die gestrichelte Umfassung 52 angezeigt) angebracht ist. Die Einheit 50 schließt eine Laserlichtstrahlquelle 58 ein, welche einen Lichtstrahl 59 ausschickt um durch eine Anzahl von teiltransparenten Lichtstrahlfühlern 54, welche entlang des Deckels angebracht sind, zu fallen. In der verdeutlichten Ausführungsform werden ein Strahlteiler 55 und Spiegel 57 verwendet, um den Lichtstrahl 59 zu denjenigen Fühlern 54 zu leiten, welche nicht in der Richtung mit der Laserlichtstrahlquelle 58 stehen. Wie der Fachmann weiß, können jedoch andere lichtstrahlleitende oder faltende Systeme verwendet werden, einschließlich Lichtscannern, Polygonscannern, Fiberoptik oder Prismen. Für bestimmte Anwendungen ist der Aufbau von Fühlern, welche in der Lage sind durch Brechung Licht abzulenken oder einen Strahl umzuleiten kompliziert (z. B. Prismenfühler). Wenn statt der Lichtfleckposition eine Information bezüglich der Lichtkantenposition günstig ist (z. B. in Zusammenhang mit eindimensionalen Fühlern), können verschiedene Lichtdiffusoren oder Ausbreiter ebenso verwendet werden.
Jeder Fühler 54 ist einer Bewegungssteuerung 56 zugeordnet, welche verwendet werden kann, um die Deckelvibrationen zu dämpfen. Die Steuerungen 56 sind ebenso wie die Fühler 54 mit einer Erfassungs- und Steuereinheit 44 verbunden, welche die von den Fühlern 54 empfangenen Signale integriert, um eine Steuerungsstrategie zum Steuern der Vibrationen des Deckels 51 festzulegen und zu implementieren. Wie in 2 gezeigt, können die Fühler 54 und die Steuerungen 56 fest verdrahtet mit der Erfassungs- und Steuereinheit 44 sein. Alternativ dazu kann die Signalerfassung von den Fühlern oder die Signalverteilung zu den Steuerungen durch drahtlose Mechanismen ausgeführt werden, wie sie etwa für Nahfeldfunkübertragung oder Infrarotübertragung möglich sind.
Alternative Übertragungssysteme, einschließlich busbasierender elektrischer Systeme, fiberoptikbasierender Systeme, akustischer Übertragungssysteme oder jedes andere herkömmliche Datenübertragungsschema kann ebenso verwendet werden. Obwohl eine zentralisierte Erfassung und Steuerungseinheit in 2 gezeigt ist, sind verschiedene dezentrale oder hierarchische Erfassungs und Steuerungsschemata ebenso als im Umfang der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet.
2 und 3 verdeutlichen ebenso ein alternatives Vibrationsdämpfungssystem 60, welches hinter einer Paneele 61 in 2 angeordnet ist. Das System 60, welches in einer schematischen Draufsicht in 3 gezeigt ist, schließt eine Geberwalze 62 ein, entlang welcher ein Elektrodenband 64 sich erstreckt. Wie in US-A-5,321474 erörtert, tendieren Elektrodenbänder oder Drähte, welche unter Spannung gehalten werden in Reaktion auf Druckervibrationen zu vibrieren, wodurch Ungleichmäßigkeiten in der Druckerentwicklung verursacht werden. Wenngleich derartige Vibrationen durch passende elektromagnetische Steuerung wie etwa in dem vorausgehenden US-A-5,321,474 beschrieben, gedämpft werden können, wird ein Vibrationserfassungssystem hoher Qualität erforderlich für beste Ergebnisse in Bezug auf Vibrationsdämpfung. Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie am besten im Zusammenhang mit der 3 ersichtlich, stellt die vorliegende Erfindung ein Vibrationsertassungssystem 70 bereit, welches halbreflektierende Lichtstrahldetektoren 76 einschließt, von denen jeder eine halbreflektierende Schicht 77 und teiltransparente Lichtstrahlfühler 79 aufweist, welche auf dem Stab 64 angebracht sind. Eine Fühlererfassung 78 welche mit den Fühlern 75 und 76 verbunden ist, ist mit einer Bewegungssteuerungseinheit 68 verbunden, welche mit dem Stab 64 verbunden ist, um ein elektrisches Signal anzuwenden, welches in der Lage ist die Bewegung des Stapels zu beeinflussen.
Wie aus 3 ersichtlich könnte der Elektrodenband 64 (angeordnet entlang der Geberwalze 62) unerwünscht Vibrieren zu einer Position 65 wie durch den Pfeil 66 angezeigt. Um die Feststellung von Vibration zu unterstützen, kann der Stab 65 modifiziert sein, um entweder reflektierende Punkte 79 oder senkrecht montierte teilweise durchlässige Fühler 75 zu unterstützen. Ein Lichtstrahl 74 von einer Lichtquelle 72 kann gerichtet sein, um von der Stelle 79 zu reflektieren, sich hin und her zu bewegen zwischen einer Anordnung von reflektierenden Stellen 79 und halbreflektierenden Fühlern 76, wobei sich der ermittelte Lichtstrahl bewegt entsprechend einer Bewegung des Stapels 64.
Alternativ dazu kann ein Lichtstrahl 71 von einer Lichtquelle 74 gerichtet sein, um durch eine Folge von teiltransparenten Lichtstrahlfühlern 79 durchzutreten, welche angebracht sind, um sich senkrecht von dem Stab 64 zu erstrecken, wobei die festgestellte Lichtstrahlbewegung wiederum der Bewegung des Stapels 64 entspricht. In Reaktion auf die festgestellte Bandbewegung können Signale von der Detektionselektronik 78 zu der Bewegungssteuereinheit 68 geschickt werden, um die Stapelbewegung zu dämpfen.
Wenn eine Vibrationsdämpfung wie vorstehend beschrieben nicht erforderlich ist, kann eine Vibrationsdiagnose unter Verwendung von halbtransparenten Fühlern gemäß der vorliegenden Erfindung nützlich sein. Beispielsweise können akustische Vibrationen oder niederfrequente physikalische Bewegungen leicht festgestellt werden, ohne dass der Versuch unternommen wird, die Vibrationen zu dämpfen oder zu regeln. Nachdem die Vibrationen festgestellt sind, kann ein Vibrationsfrequenzspektrum erhalten werden, und dieses Spektrum einem bekannten Vibrationsfrequenzspektrum, welches mögliche Probleme aufzeigt, durch einen Diagnosecomputer 42 verglichen werden, welcher mit der Detektion und Steuereinheit 44 verbunden ist. Der Diagnosecomputer 42 erlaubt eine automatische Feststellung von zu erwartenden oder aktuellen Fehlerzuständen, gekoppelt mit automatischem oder von dem Nutzer angefordertem Eingriff oder Wartung. Es ist zu würdigen, dass Fernverbindungen zu Diagnosecomputern in Druckerserviceorganisationen durch TCP/IP (Internet) Protokolle oder andere passende Kommunikationssysteme verwendet werden können. Derartige Fernverbindungen würden ermöglichen, dass Wartungspersonal auf zu erwartende Fehler in dem Drucker aufmerksam wird sogar bevor der Nutzer die Existenz irgendeines Problems wahrnimmt. Ein passendes diagnostisches Computersystem, welches sowohl die diagnostische Funktion als auch Unterstützungsrückmeldung anbietet, ist in US-A-5,490,089 beschrieben.
Vibrationserfassung und/oder Steuerung in Gebäuden, Türmen, Brücken, Dämmen oder anderen großen Strukturen ist ebenso in der Betrachtung gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispielsweise ist in 4 ein Turm 80 gezeigt wie er etwa Verwendung findet zur Abstützung elektrischer Versorgungsleitungen oder welcher Mikrowellenverbindungsanlagen trägt. Der Turm 80 schließt vertikale Strukturträgerelemente 81 und 82 ein, sowie die Stützdrähte 84. Ein Bewegungserfassungs- und Steuerungssystem schließt eine Vielzahl von teiltransparenten Fühlern 95 ein, welche entlang beider Strukturträgerelemente 81 und 82 und entlang der Stützdrähte 84 verteilt sind. Im Betrieb richtet eine Laserquelle 92 einen Lichtstrahl 93 auf einen Strahlteiler 98 und einen angewinkelten Reflektor 99, um die Bewegung der Strukturträgerelemente 81 und 82 zu messen, während ein Laser 96 einen Strahl 97 entlang des Drahtes 84 leitet, um auf ähnliche Weise Bewegung zu messen. Eine Bewegungserfassungs- und Steuerungseinheit 94 kann verwendet werden, um empfangene drahtlose Signale 85 von jedem Fühler 95 zu erfassen und die Spannung des Drahtes 84 anzupassen, um die Bewegung des Turmes 80 in Echtzeit dynamisch zu steuern.
Eine Echtzeiterfassung von Objektbewegung oder absoluter Objektposition unter Verwendung einer einzigen Laserquelle und teiltransparenten, halbreflektierenden oder lichtundurchlässigen Fühlern ist durch verschiedene Kombinationen der vorstehenden optischen Elemente zu ermöglichen. Beispielsweise verdeutlicht die 5 die Verwendung eines Fühlersystems für Lichtstrahlbewegung 100 mit zwei bekannten lichtundurchlässigen Lichtstrahlfühlern 106 und 108 und einem teiltransparenten und halbreflektierenden Lichtstrahlfühler 104. Das System 100 schließt ebenso eine Lichtquelle 102 ein zum Lenken eines Lichtstrahls 103 auf die Fühler 104, 106 und 108. Die Fühler 104 und 106 sind starr zueinander angebracht auf einem beweglichen strukturellen Element 101, während der Fühler 108 fest angebracht ist in Bezug auf die Lichtquelle 102. Wenn die Fühler mindestens zu eindimensionalen Messungen imstande sind, geht die Erfassung von Bewegungen des strukturellen Elements 101 in Bezug auf die Lichtquelle 102 wie nachstehend mit Bezug auf 6 erörtert, vonstatten.
Wie in 6 zu sehen, ist ein Basisrahmen B (Bx und By) festgelegt in Bezug auf einen Referenzrahmen, welcher in dem Mittelpunkt des Fühlers 108 angeordnet ist, während ein Zielrahmen T (Tx und Ty) festgelegt ist in Bezug auf die Befestigung des Fühlers 104 an dem strukturellen Element 101. Der Rahmen B ist so angeordnet, dass er mit dem Mittelpunkt des Fühlers 108 zusammenfällt, wobei die X Achse (Bx) mit der Messachse des Fühlers 104 eingerichtet ist und die Y Achse (By) in der Ebene liegt. Der Zielrahmen T ist angebracht, um mit dem Mittelpunkt des Fühlers 104 übereinzustimmen, wobei die X Achse (Tx) mit der Messachse des Fühlers 104 eingerichtet ist und die Y Achse (Ty) in der Ebene liegt. Die Lichtquelle 102 sendet einen Strahl 103 parallel mit der X Achse von B und versetzt von der By Achse um einen Abstand G aus. Wenn der Strahl 103 die Messachse auf dem Fühler 104 trifft, gibt dieser einen Abstand D1 von dem Mittelpunkt des Fühlers 104 zu dem Schnittpunkt (d. h. der Mittelpunkt ist im Ur sprung) zurück. In ähnlicher Weise gibt der Fühler 106 den Abstand D2 und der Fühler 108 den Abstand D3 zurück. Die Fühler 104 und 106 sind parallel zueinander und versetzt entlang der Ty Achse um einen Abstand F.
Die Transformation von B zu T beinhaltet eine Translation (X, Y) und eine Rotation (Θ)
X = D1·Cos(Θ) + G
Es ist zu beachten, dass, wenn die reflektierte Linie der Laserquelle näher kommt, D3 → 0 und Θ → 0 geht, so dass
und daher Y unbestimmt wird. Die Probleme welche mit einer derartigen Konfiguration verbunden sind, können durch die Verwendung einer alternativen Konfiguration vermindert werden, welche den Fühler 108 an einer Position anordnet, so dass der nominelle Winkel von 2Θ näher an 90 Grad liegt (z. B. siehe 7).
Unter Verwendung geeigneter Modifikationen an den vorstehenden geometrischen Berechnungen ist eine Bestimmung der Position unter Verwendung alternativer Fühlerkonfigurationen ebenso möglich. Beispielsweise verdeutlicht 8 ein System 110, welches einen einzigen halbreflektierenden lichtundurchlässigen Fühler 114 verwendet, welcher auf dem strukturellen Element 111 angebracht ist. Ein halbdurchlässiger Fühler 116 und der nichtdurchlässige Fühler 118 sind an der Lichtquelle 112 angebracht. Unter Verwendung von Berechnungen und Informationen ähnlich zu den im Zusammenhang mit 5 bis 7 erörterten kann die scheinbare Bewegung des Strahls 113 erfasst und in Informationen über relative oder absolute Bewegung des strukturellen Elements 111 übergeführt werden.
Der Fachmann wird würdigen, dass mehr Positionsinformation erhältlich sein wird, wenn die Fühler 104, 106 und 108 (oder 114, 116 und 118) zweidimensional sind (wobei die zweite gemessene Dimension senkrecht zu der Ebene ist), wobei eine zweidimensionale Lichtstrahlposition messbar ist. In diesem Fall ist es möglich, die sechsdimensionale Position und Orientierung des Objektes zu bestimmen unter Verwendung von unterschiedlichen Fühlerkonfigurationen einschließlich der Konfigurationen in 5 bis 8, aber nicht beschränkt auf diese. Mit entweder ein- oder zweidimensionalen Fühlern kann jedoch eine schnelle und präzise Messung wie etwa jene, welche notwendig sind, um kleine Bewegungen/Vibrationen von mechanischen Teilen zu messen, ermöglicht werden. Vorteilhafterweise ist im Falle von Vibrationen und reinen relativen Bewegungen (Geschwindigkeitsmessungen) die Kalibration und das Einrichten nicht kritisch für die Genauigkeit der Messungen.
Verschiedene halbdurchlässige oder halbreflektierende Lichtstrahlfühler können in der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Beispielsweise kann in einer Ausführungsform der Erfindung welche im Querschnitt (9) und in der Draufsicht (10) verdeutlicht ist, ein für Lateralposition empfindlicher Fühler 130 (PSD 130) verwendet werden, welcher aus vielfachen transparenten und halbtransparenten Schichten aufgebaut ist. Verglichen mit bekannten PSD's, welche generell undurchsichtig sind, um den Lichteinfang zu maximieren, muss ein PSD, welcher gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, derart aufgebaut sein, dass alle seine Schichten transparent oder halbtransparent sind, um den Eintritt und Ausfall eines Lichtstrahls zu ermöglichen. Wie in 9 und 10 ersichtlich, schließt der PSD 130 ein transparentes Substrat 132, ein Paar von Unterseitenelektroden 147 und 148, welche entlang der Kanten des PSD 130 angeordnet sind, und eine transparente unterseitige Widerstandsschicht 137 ein, welche in unmittelbarem Kontakt mit dem Substrat 132 ist, außer an den Stellen, wo diese über den Elektroden 147 und 148 liegt. Auf der Oberseite der Widerstandsschicht 137 ist ein bekannter p-i-n Lichtfühler aufgebracht mit einer n-dotierten Schicht 135, einer intrinsischen Schicht 134 und einer p-dotierten Schicht 133. Der PSD 130 wird vervollständigt durch eine oberseitige transparente Widerstandsschicht 136, ein Paar von Oberseitenelektroden 145 und 146 und einer dielektrischen Passivierungsschicht 139. Bekannte Materialien und Prozesse können verwendet werden um den PSD 130 aufzubauen, vorausgesetzt dass die angewandten Materialien transparent, halbtransparent oder im Wesentlichen transparent für die ausgewählten Lichtwellenlängen (ob optisch, infrarot oder ultraviolett) sind. Beispielsweise kann das Substrat 132 von optisch transparentem Glas oder halbtransparentem Saphir aufgebaut sein. Die intrinsische Schicht 134 kann aus amorphem Silizium aufgebaut sein, während die p- und n-Schichten 133 und 135 aus geeigneten dotierten amorphen Siliziumschichten aufgebaut sein können. Die dielektrische Passivierungsschicht 139 kann aus transparenten polymeren oder eher üblich aus Indiumzinnoxid (ITO) Schichten aufgebaut sein. Während die Elektroden 145, 146, 147 und 148 optionellerweise transparent sein können, ist es wegen deren seitlicher Lage entlang der Kante des PSD 130 ebenso möglich, herkömmliche metallische Kontakte wie etwa abgelagertes Aluminium zu verwenden.
Wie aus 9 und 10 ersichtlich kann, weil der PSD 130 mindestens teildurchlässig ist, im Betrieb ein Lichtstrahl 140 durch ihn hindurchtreten, wobei ein Teil des Lichtstrahls in einen elektrischen Strom in der intrinsischen Schicht 134 übergeführt wird, welcher seitlich zu den an den Kanten angeordneten Elektroden 145, 146, 147, und 148 fließt. Gestützt auf die festgestellten Ströme, welche zwischen den Paaren von Elektroden (d. h. 145–146 und 147–148) fließt, kann eine hochgenaue Bestimmung des Schwerpunktes 141 des Lichtstrahls 140 durchgeführt werden. Die horizontale Position "h" zwischen den Oberseitenelektroden 145 und 146 ist gegeben durch: h = (I1 – 12)/(I1 + I2)Lund die vertikale Position zwischen den Elektroden 147 und 148 ist gegeben durch v = (I3 – I4)/(I3 + I4)Lwobei I1 der gemessene Strom an der Elektrode 145, I2 der gemessene Strom an der Elektrode 146, I3 der gemessene Strom an der Elektrode 147, I4 der gemessene Strom an der Elektrode 148 und L die Hälfte des Abstandes zwischen jedem Paar von Elektroden ist, wobei der Abstand in Bezug auf den Schwerpunkt von PSD 130 gemessen wird. Sogar kleine zweidimensionale Bewegungen des Lichtstrahls 140 (wie durch die Pfeile 142 angedeutet) werden zuverlässig übergeführt in relative oder absolute Positionsänderungen unter Verwendung einer passenden Fühlerelektronik wie etwa vorstehend beschrieben im Zusammenhang mit 1 der vorliegenden Anmeldung.
Alternative Aufbautechniken für transparente PSD können in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Wie in dem Querschnitt (11) und in der Draufsicht (12) kann ein positionsempfindlicher Fühler 150 (PSD 150) verwendet werden, welcher ohne Oberseiten- oder Unterseitenwiderstandsschichten aufgebaut ist, um die Durchlässigkeit des Fühlers zu erhöhen. Wie der PSD 130 ermöglicht der neuartige hochdurchlässige PSD 150 leicht, dass ein Lichtstrahl eindringt und austritt. Wie aus 11 und 12 ersichtlich schließt der PSD 150 ein transparentes Substrat 152 und ein Paar von Unterseitenelektroden 167 und 168 ein, welche entlang der zwei Kanten des PSD 150 angeordnet sind. Aufgeschichtet auf der Oberseitenfläche des Substrats 152 ist ein herkömmlicher p-i-n Lichtfühler, mit einer n-dotierten Schicht 155, einer intrinsischen Schicht 154 und einer p-dotierten Schicht 153. Der PSD 150 wird durch ein Paar von Oberseitenelektroden 165 und 166 und einer dielektrischen Passivierungsschicht 159 abgeschlossen. Wie der PSD 130 können herkömmliche Materialien und Prozesse verwendet werden, um den PSD 150 aufzubauen, vorausgesetzt dass die angewandten Materialien durchlässig, halbdurchlässig oder im Wesentlichen durchlässig für die ausgewählten Lichtwellenlängen sind (ob optisch, infrarot, oder ultraviolett). Wegen seines im Allgemeinen geeigneten flächenartig ausgebreiteten Widerstandes, kann die intrinsische Schicht 154 aus amorphem Silizium aufgebaut werden, während die p- und n-Schichten 153 und 155 aus geeignet dotierten amorphen Siliziumschichten aufgebaut werden können. Die dielektrische Passivierungsschicht 159 kann aus einem transparenten polymeren oder vielfach üblich aus Indiumzinnoxid (ITO) Schichten aufgebaut werden. Während die Elektroden 165, 166, 167 und 168 optionalerweise durchlässig sind, ist es wegen deren seitlicher Anordnung entlang der Kanten des PSD 150 möglich, herkömmliche metallische Kontakte wie etwa abgelagertes Aluminium zu verwenden. Der Betrieb des PSD 150 ist im Wesentlichen derselbe wie vorstehend erörtert in Zusammenhang mit PSD 130 der 9 und 10.
Andere Lichtstrahlfühlersysteme sind ebenso passend für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung, beispielsweise können Vielfachanordnungen von Fotodioden, welche modifiziert sind um transparente oder halbtransparente Fühlerschichten und Substrat aufzuweisen, verwendet werden, um die Position eines durchfallenden Lichtstrahls zu verfolgen. Wie am besten in dem Querschnitt (13) und in der Draufsicht (14) verdeutlicht, in denen ein Fotodiodenlichtfühlerfeld 170 bestehend aus vier Fühlern 185, 186, 187 und 188 aus vielfach segmentierten transparenten oder halbtransparenten Schichten aufgebaut ist, welche auf einem gemeinsamen transparenten Substrat 172 aufgebracht sind. Jeder Fühler 185, 186, 187 und 188 schließt einen transparenten Unterseitenkontakt 177 auf dessen Oberseite ein herkömmlicher p-i-n Lichtfühler mit einer n-dotierten Schicht 175, einer intrinsischen Schicht 174 und einer p-dotierten Schicht 173 aufgeschichtet ist, ein. Jeder Fühler 185, 186, 187 und 188 wird durch einen Oberseitenkontakt 176 und eine dielektrische Passivierungsschicht 179 abgeschlossen. Herkömmliche Materialien und Prozesse ähnlich zu denen in Zusammenhang mit PSD 130 diskutierten, können verwendet werden, um das Fotodiodenlichtfühlerfeld 170 aufzubauen.
Im Betrieb stellt jeder Fühler 185, 186, 187 und 188 ein elektrisches Signal bereit, welches repräsentativ ist für das gesamte integrierte Licht, welches auf den Fühler fällt. Wenn ein Lichtstrahl welcher jeden Fühler überlappt, durchdringt, wird ein Teil des Lichtstrahls in jedem Fühler in einen elektrischen Strom übergeführt. Aufgrund des festgestellten Stroms von jedem Fühler 185, 186, 187, und 188 kann eine hochgenaue Bestimmung des Schwerpunktes eines Lichtstrahls durchgeführt werden. Die horizontale Position "h" ist gegeben durch h = 2L [(I1 + 13) – (I2 + I4)]/ΣIund die vertikale Position ist gegeben durch v = 2L [(I1 + I2) – (I3 + I4)]/Σworin I1 der im Fühler 185 gemessene, I2 der im Fühler 186 gemessene, I3 der in Fühler 187 gemessene, I4 der in Fühler 188 gemessene Strom ist und ΣI = I1 + I2 + I3 + I4, und L die Hälfte der linearen Breite der Gruppe von Fühlern 185, 186, 187 und 188 ist, welche den Fühler 170 ausbilden. Wie bei den PSD 130 resultieren sogar kleine zweidimensionale Bewegungen eines Lichtstrahls in Änderungen in dem Strom von den Fühlern, wobei die Änderungen in relative oder absolute Positionsänderungen übertragen werden können unter Verwendung passender Fühlerelektronik wie etwa vorstehend in Zusammenhang mit 1 beschrieben.
Eine weitere mögliche Fühlerarchitektur, welche im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nützlich ist, ist ein transparentes oder halbtransparentes CCD Bildfühlerfeld. Dieses ist am besten verdeutlicht in dem Querschnitt (15) und der Draufsicht (16), wo ein CCD Bildfeld 200, welches aus einem großen, zweidimensionalen Feld von Fühlerelementen 204 (Pixelelementen) besteht, aufgebaut ist aus einer Vielzahl von segmentierten transparenten oder halbtransparenten Schichten, welche auf ein gemeinsames Substrat 202 aufgelagert sind. Das Substrat 202 kann ein Saphir oder ein durchlässiges Isolatorsubstrat sein wie etwa verwendet zur Herstellung von strahlungsgehärteten elektronischen Einrichtungen für militärische oder weltraumbasierende Anwendungen. Eine elektrische Schaltung 206 (optional mit einer Kantendetektionsschaltung und digitaler Kompression) um Daten des Feldes 200 zu lesen und diese in eine komprimierte digitale Positionsauslesung zu transformieren, könnte auf demselben Siliziumsubstrat eingeschlossen sein. Vorteilhafterweise erzeugt ein derartiges Feld 200 ein digitales Signal mit einer sehr hohen Rauschunanfälligkeit. Durch die Bereitstellung einer Abtastung auf einer Pixel zu Pixelbasis und Kantendetektionsbeschaltung zum Verfolgen von Kanten des einfallenden Lichtpunktes 211 des Lichtstrahls 210 kann die Verwendung eines CCD Feldes 200 eine größere Unempfindlichkeit für Einflüsse von umgebenden Lichtquellen und von Wirkungen von Laserlicht, welches durch andere Fühler, welche in der Nähe auf strukturellen Elementen angebracht sind, gestreut werden könnte, bereitstellen.
Ein Beispiel dafür, wie diese digitale Kompression/Kantendetektion unter Verwendung einer elektronischen chipgebundenen Schaltung 206 arbeiten könnte wird nachfolgend dargestellt. Ein typisches CCD erzeugt einen seriellen Strom von Daten, welcher der Intensität jedes Pixels in dem Feld entspricht. Dieses serielle Signal wird schwellenwertgefiltert, um einen seriellen Strom von "Kantenüberschreitungen" zu erzeugen, d. h. Übergänge von Licht zu Dunkel oder von Dunkel zu Licht. Dieser serielle Strom von Kantenüberschreitungen könnte optionalerweise gefiltert werden durch die elektronische Schaltung 206, um einen Abstand zwischen den Kantenüberschreitungen zu bestimmen, und um zu bestimmen, ob die Breite von jedem hellen Punkt der erwarteten Breite des Laserlichts entspricht (wobei helle Punkte aus zwei Kantenüberschreitungen bestehen). Das Ergebnis dieses Filterungsprozesses kann entweder eine Folge von Kantenüberschreitungen oder einfacherweise eine Folge von Markierungen sein, welche festlegen, wo der Schwerpunkt von jedem hellen Fleck sich befindet wie in der folgenden Tabelle 1 ersichtlich.
Tabelle 1
Der Strom von Lichtpunktzentren kann gezählt werden, um die Ergebnisse durch die Erzeugung eines Ortsergebnisses zu summieren, welches der Stelle des hellen Lichtpunkts in dem Datenstrom entspricht, in diesem Fall "48". In Abhängigkeit von der gewünschten Auflösung kann dieses Ergebnis übertragen werden wie es ist oder in aufsummierter Form (als eine Zweibitzahl, wobei in derselben aufsummiert wird, welcher Quadrant des Lichtstrahls festgestellt wird). Optionellerweise kann das digitale ortsbestimmende Ergebnis in ein Analogsignal übertragen werden, dessen Spannung der Stelle relativ zu dem Beginn des CCD Feldes 200 entspricht, wobei es möglich ist ein lineares Potentiometer welches dem Strahl zugeordnet ist, wirksam zu simulieren.
Der Fachmann wird würdigen, dass Abänderungen des vorstehenden Filterungsschemas implementiert werden können durch einen programmierbaren digitalen Computer oder einen Mikroprozessor, welcher auf demselben Substrat sich befindet oder getrennt von dem Siliziumsubstrat wie das CCD Feld selbst ist und verbessert werden kann durch ausgefeiltere Kantenüberschreitungs- und Rauschreduktionsalgorithmen (wie etwa räumliche Gaussmittelung).
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung wie etwa erörtert in Verbindung mit 2 und 3 und 5 bis 8 sind halbreflektierende Fühler nützlich, zum Leiten oder Teilen eines Lichtstrahls. Ein Beispiel für einen derartigen Fühler ist im Querschnitt ( 17) und in der Draufsicht (18) verdeutlicht, nämlich ein positionsempfindlicher Fühler 230 (PSD 230) ähnlich zu demjenigen, welcher in Verbindung mit 9 und 10 erörtert wurde, welcher jedoch eine zusätzliche halbreflektierende Schicht 249 aufweist. Die halbreflektierende Schicht 249 kann einen Teil eines einfallenden Lichtstrahles 240 zu einem weiteren Fühler (nicht gezeigt) reflektieren, während immer noch ein Teil des Lichtstrahles den Fühler PSD 230 betreten und aus diesem ausfallen kann. Wie in 17 und 18 ersichtlich schließt der PSD 230 ein durchlässiges Substrat 232 (oder optionell ein undurchlässiges Substrat, wenn der Durchtritt von Licht für eine gegebene Konfiguration von gestapelten Fühlern nicht notwendig ist), ein Paar von Unterseitenelektroden 247 und 248, welche entlang der zwei Kanten des PSD 230 angeordnet sind, und eine transparente Unterseitenwiderstandsschicht 237, welche in unmittelbarem Kontakt mit dem Substrat 232 ist außer an den Stellen, wo sie die Elektroden 247 und 248 überdeckt. Aufgeschichtet auf der Oberseite der Widerstandsschicht 237 ist ein herkömmlicher p-i-n Lichtfühler mit einer n-dotierten Schicht 235, einer intrinsischen Schicht 234 einer p-dotierten Schicht 233. Der PSD 230 wird abgeschlossen durch eine oberseitige transparente Widerstandsschicht 236, ein Paar von Oberseitenelektroden 245 und 246 und einer dielektrischen Passivierungsschicht 239 um diejenigen Abschnitte des Fühlers zu überdecken, welche nicht durch die oberseitige halbreflektierende Schicht 249 bedeckt sind. Die Materialien und der Aufbau und der Betrieb des Fühlers 230 ist andererseits ähnlich zu demjenigen, welcher vorstehend in Verbindung mit 9 und 10 erörtert wurde.

Claims

Ein System zum Überwachen der Bewegung von strukturellen Elementen, wobei das System umfasst: eine gerichtete Lichtquelle (30) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (32), einen ersten, teiltransparenten Lichtstrahlfühler (22), welcher an einem ersten strukturellen Element angebracht ist, wobei der erste teiltransparente Lichtstrahlfühler mindestens etwas von dem Lichtstrahl (32) austreten lässt, und wobei die detektierte Bewegung des Lichtstrahls in Bezug auf den ersten teiltransparenten Lichtstrahlfühler einer Bewegung des ersten strukturellen Elements entspricht, und einen zweiten Lichtstrahlfühler, welcher an einem zweiten strukturellen Element angebracht ist, um den Lichtstrahl (32) zu unterbrechen, welcher von dem ersten teiltransparenten Lichtstrahldetektor (22) austritt, wobei die detektierte Bewegung des Lichtstrahles im Bezug auf den zweiten Lichtstrahlfühler einer Bewegung des zweiten strukturellen Elements entspricht, wobei der erste teiltransparente Lichtstrahlfühler ein positionsempfindlicher Fühler ist, mit einer halbreflektierenden Schicht, um den Lichtstrahl (32) teilweise zu reflektieren, wobei das System weiterhin einen dritten Lichtstrahlfühler zur Detektion des Lichtstrahles, welcher von der halbreflektierenden Schicht des ersten teiltransparenten Lichtstrahlfühlers (22) teilweise reflektiert wurde, und wobei die Oberfläche der halbreflektierenden Schicht nicht senkrecht zu dem Lichtstrahl (32) von der gerichteten Lichtquelle (30) ausgerichtet ist.
Das System gemäß Anspruch 1, wobei der zweite Lichtstrahlfühler teiltransparent ist, um zu ermöglichen, dass mindestens etwas des Lichtstrahles austritt.
Das System der Ansprüche 1 oder 2, wobei das erste und zweite strukturelle Element identisch sind.
Das System der Ansprüche 1, 2 oder 3, wobei der erste teiltransparente Lichtstrahlfühler ein positionsempfindlicher Fühler ist.
Das System gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste teiltransparente Lichtstrahlfühler ein Feld von Fotodetektoren ist, wobei jeder Fotodetektor ein Signal bereitstellt, welches die Lichtintensität anzeigt, oder ein CCD Bildfeld ist.
Das System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die gerichtete Lichtquelle ein Laser ist.
Ein System zum Überwachen und Steuern von Bewegung von strukturellen Elementen, wobei das System umfasst: das System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, und eine Bewegungssteuerungseinheit zum Einstellen der Bewegung eines strukturellen Elements in Reaktion auf eine detektierte Bewegung des Lichtstrahls.
Das System gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite Lichtstrahlfühler lichtundurchlässig ist.
Ein Druckersystem mit einem Vibrationsdetektionssystem, wobei das Druckersystem umfasst: einen Drucker (40), welcher ein vibrationsempfindliches strukturelles Element aufweist, eine gerichtete Lichtquelle (58) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (53), eine Vielzahl von Lichtstrahlfühlern (54) zur Erzeugung von Signalen, welche der Lichtstrahlposition entsprechen, wobei die Vielzahl von Lichtstrahlfühlern mindes tens einen teiltransparenten Lichtstrahlfühler einschließt, welcher an dem vibrationsempfindlichen strukturellen Element angebracht ist, der teiltransparente Lichtstrahlfühler angeordnet ist, um den Durchfall des Lichtstrahles (59) von der gerichteten Lichtquelle durch denselben zu ermöglichen, wobei die relative detektierte Bewegung des Lichtstrahls in Bezug auf den teiltransparenten Lichtstrahlfühler einer Bewegung des vibrationsempfindlichen strukturellen Elements entspricht.
Das Druckersystem gemäß Anspruch 9, weiterhin umfassend eine Vibrationsunterdrückungseinheit, welche mit der Vielzahl von Lichtstrahlfühlern verbunden ist, um Signale zu erhalten, welche der Lichtstrahlposition entsprechen, wobei die Vibrationsunterdrückungseinheit an dem vibrationsempfindlichen strukturellen Element angebracht ist zur Unterdrückung von Vibrationen, welche durch die Vielzahl von Lichtstrahlfühlern detektiert werden.