DE102011082392B4 - Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Blattes - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Substratmediums (18), wobei die Vorrichtung umfasst:
eine Spaltanordnung (12) mit einem ersten Spalt (17) zum Kontaktieren eines Substratmediums und zum Transportieren des Mediums entlang einer Prozessrichtung, wobei der erste Spalt (17) eine erste Spaltgeschwindigkeit aufweist;
einen Geschwindigkeitssensor (30), der funktionsmäßig mit dem ersten Spalt (17) zur Messung der Spaltgeschwindigkeit verbunden ist; und
einen Prozessor, der funktionsmäßig mit dem Sensor verbunden ist und eine Mediendicke in Reaktion auf eine Änderung der Spaltgeschwindigkeit bestimmt, die der Geschwindigkeitssensor (30) beim Eintritt des Mediums in den ersten Spalt (17) erfasst,
wobei der erste Spalt (17) eine Antriebswalze (14) und eine gegenüberliegende Leerlaufwalze (16) aufweist, die zusammenwirken, so dass das Substratmedium zwischen der Antriebswalze und der Leerlaufwalze entlang der Prozessrichtung transportiert wird, und
wobei der Geschwindigkeitssensor (30) die Spaltgeschwindigkeit vor und nach dem Eintritt des Mediums in den ersten Spalt (17) überwacht und der Prozessor eine Blattdicke in Reaktion auf eine Änderung der Spaltgeschwindigkeit bestimmt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Bestimmen der Dicke eines Blattes von Substratsmedien und betrifft insbesondere ein System zum Messen der Blattdicke auf der Grundlage einer Änderung der Geschwindigkeit in einem Spalt.
• In vielen Vorrichtungen zum Bearbeiten von Dokumenten, etwa von xerographischen Druckern, sind Subsysteme oder Untersysteme in Form von Zufuhreinrichtungen, Bildtransferzonen, Fixiereinrichtungen, Einrichtungen zum Glätten der Blätter, Medientransporteinrichtungen, und Medienpfadsteuerungen enthalten. Für derartige Subsysteme ist es vorteilhaft, die Eigenschaften des Blattes eines Mediums zu bestimmen, bevor das Blatt in die Subsysteme eintritt. Zwei Eigenschaften des Blattes, die von besonderem Interesse sind, sind die Blattdicke und die Steifheit des Blattes. Wenn diese Eigenschaften bekannt sind, können die Subsysteme so optimiert werden, dass die Blätter so gehandhabt werden, dass eine höhere Qualität beim Transport und beim Bild erreicht wird. Beispielsweise kann die Kenntnis über die Blattdicke vor dem Drucken verwendet werden, um die Betriebsparameter einer Blatttrenn/Zufuhreinrichtung für den speziellen Blattstapel zu steuern, einzustellen und/oder zu optimieren. Parameter, etwa die Höhe einer Luftdruckanordnung, oder die senkrechten Reibungskräfte und/oder Parameter für den Betrieb einer Druckvorrichtung, etwa wie diverse Ströme und Spannungen, die an Komponenten eines xerographischen Druckers angelegt werden, etwa der Übertragungsstrom, die Temperatur der Fixiereinrichtung, und dergleichen, können für unterschiedliche Blattdicken von Druckmedien oder für Blattmedien mit zugehörigem Basisgewicht variiert werden. Die Blattdicke kann auch verwendet werden, um Endbearbeitungskomponenten bei der Druckausgabe, etwa für Falteinrichtungen, Bindeeinrichtungen oder Hefteinrichtungen zu steuern.
• In einer Dokumentenverarbeitungsanlage ist die genaue Bestimmung der Dicke eines Blattes schwierig. Medienblätter sind relativ dünn und besitzen typischerweise die Dicke von weniger als 1 mm. Daher müssen Instrumente, die zur Messung der Schichtdicke verwendet werden, präzise sein und einen relativ geringen Fehlerbereich aufweisen, wenn eine aussagekräftige Informationen erzielt werden soll. Es ist bekannt, dass die Dicke von Druckmedien grob gemessen werden kann, indem die Auslenkung erfasst wird, die von einer mechanischen Komponente, die das Druckmedium berührt, ausgeführt wird. Zu Optionen in dieser Richtung gehört eine fixierte (nicht rotierende) Nachfolgeeinrichtung, etwa die Vorheiz-Auflagen, die in Druckern für Festphasentinte verwendet sind, oder eine rotierende Nachführeinrichtung. Eine fixierte Nachführeinrichtung besitzt den Vorteil, dass zyklische Änderungen in der Oberflächenposition oder Vibrationen, die aufgrund des „Auslaufens“ der zugehörigen Walze oder der Wellenbefestigung beim Drehen entstehen, vermieden werden. Jedoch muss eine fixierte Nachführeinrichtung, die die bewegten Blattoberflächen kontaktiert, an sich sehr genau sein oder muss während der Herstellung und während der Wartung kalibriert werden, wobei diese Einrichtung auch eine mechanische Zugkomponente, aufweist und der Kontamination, Schwingungen oder anderen Problemen unterliegt.
• Einrichtungen, die typischerweise zur Messung der Dicke verwendet werden, etwa lineare Wandler, unterliegen Schwingungen, die während des normalen Betriebs einer Dokumentenverarbeitungsanlage, etwa in einem Kopierer oder einem Drucker, erzeugt werden. Derartige Schwingungen treten als Rauschen in der Messung auf und machen es schwer, die Blattdicke zu bestimmen. Es müssen gegebenenfalls viele Blätter durch das System transportiert werden und eine statistische Analyse ist gegebenenfalls auszuführen, bevor die Blattdicke mit einem akzeptablen Grad an Genauigkeit bestimmt werden kann. Des weiteren muss ein zusätzlicher Sensor, etwa ein Lagegeber, in der Anlage hinzugefügt werden, wodurch die Kosten und die Komplexität ansteigen.
• DE 21 40 639 A beschreibt eine Vorrichtung zum Feststellen von Dickeunterschieden an Materialbahnen. Die Vorrichtung enthält eine Umlenkwalze über die eine Materialbahn geführt und umgelenkt wird. Gegenüber der Umlenkwalze liegt auf der anderen Seite der Materialbahn eine Messanordnung, die mittels Berührung die Geschwindigkeit der Materialbahn im Umlenkpunkt mißt.
• DE 25 24 537 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur laufenden Dickenmessung bei Werkstoffbahnen. Eine Werkstoffbahn wird über eine Umlenktrommel abgelenkt und ein erster Wegaufnehmer mißt die Geschwindigkeit auf der Oberfläche der Umlenktrommel und ein zweiter Wegaufnehmer mißt die Geschwindigkeit auf der Werkstoffbahn an der Stelle gegenüberliegend der Umlenktrommel.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, um in zuverlässiger Weise und effizient die Blattdicke in einer Dokumentenverarbeitungsanlage unter Anwendung einer bereits vorhandenen Komponente oder eines Subsystems zu messen.
• Figurenliste
• Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Substratmediums zu verbessern. Dieses Ziel wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen niedergelegt.
• 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Spaltanordnung mit einer Vorrichtung zur Messung der Blattdicke.
• 2 ist eine schematische Ansicht eines Blattes vor dem Eintritt in einen Spalt.
• 3 ist eine schematische Ansicht eines Blattes nach dem Eintritt in einen Spalt.
• 4 ist eine grafische Darstellung, in der die Spaltgeschwindigkeit im Laufe der Zeit für drei unterschiedliche Blattdicken in einem Spaltssystem mit offener Schleife gezeigt ist.
• 5 ist eine grafische Darstellung, in der die Spaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit für drei unterschiedliche Blattdicken in einem Spaltssystem mit geschlossener Schleife gezeigt ist.
• 6 ist eine grafische Darstellung, in der die Spaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit für drei unterschiedliche Blattdicken in einem System mit geschlossener und offener Schleife gezeigt ist.
• 7 ist eine grafische Darstellung einer Stufenfunktion.
• 8 ist eine grafische Darstellung, die eine Spaltgeschwindigkeit in Abhängigkeit der Zeit für drei unterschiedliche Blattdicken für ein Spaltssystem mit offener und geschlossener Schleife und mit theoretisch berechneten Spaltgeschwindigkeiten für eine offene Schleife zeigt.
• Im Folgenden werden anschauliche Ausführungsformen detaillierter mit Bezug zu den Zeichnungen beschrieben.
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Dokumentenverarbeitungsanlage“ eine oder mehrere Einrichtungen, die zum Erzeugen oder zum Bearbeiten von Dokumenten, wozu das Drucken gehört, enthalten, um „Ausdrucke“ oder eine Druckausgabefunktion bereitzustellen, was die Reproduktion von Information auf „Substratmedien“ für jeden Zweck bezeichnet. Eine „Dokumentenverarbeitungsanlage“ im hierin verwendeten Sinne umfasst jegliche Vorrichtung, etwa einen Drucker, einen Digitalkopierer, eine Buchdruckanlage, ein Faxgerät, ein Multifunktionsgerät, und dergleichen.
• Im hierin verwendeten Sinne ist ein Drucker ein Synonym, wobei ein „elektrostatisch grafischer Prozess“ angewendet wird, um Ausdrucke zu erzeugen, wobei dies das Herstellen und Verwenden elektrostatisch geladener Muster betrifft, um Information aufzuzeichnen und zu reproduzieren, wobei auch ein „xerographischer Prozess“ angewendet wird, wobei dies die Verwendung eines Harz-artigen Pulvers auf einer elektrisch geladenen Auflage zum Aufzeichnen und Reproduzieren von Information betrifft, oder es können auch andere geeignete Prozesse zum Erzeugen von Ausdrucken angewendet werden, beispielsweise ein Tintenstrahlprozess, ein Prozess mit flüssigen Tinten, ein Prozess mit Festphasentinte und dergleichen. Ferner kann ein Drucker auch einfarbige Bilder oder Farbbilddaten drucken und/oder handhaben, und es können auch eingeprägte Markierungen durch Erzeugen von Einprägungen oder Erhöhungen in einer Oberfläche übertragen werden.
• Im hierin verwendeten Sinne ist ein „Prozessor“ ein Mikroprozessor oder ein Computergerät, etwa ein Großrechner, ein Personalcomputer (PC), ein Laptopcomputer, ein Arbeitsplatzrechner, ein mobiles Gerät, etwa ein PDA, oder dergleichen, das eine Verarbeitungseinheit enthält.
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Prozessrichtung“ eine Richtung entlang eines Pfades bzw. eines Weges, der zu einem Prozess zum Drucken oder Reproduzieren von Information auf Substratmedien gehört. Die Prozessrichtung ist ein Verarbeitungspfad, in welchem ein Substratsmedium von einem Ort zu einem anderen Ort innerhalb der Dokumentenverarbeitungsanlage transportiert wird. Eine „Querprozessrichtung“ ist im Wesentlichen senkrecht zu der Prozessrichtung. Auch bei der Verwendung der Begriffe „in Prozessrichtung vor“ oder „in Prozessrichtung nach“ dient die Prozessrichtung als Referenz, wobei die Richtung „in Prozessrichtung nach“ gleichbedeutend ist mit entlang der Prozessrichtung, während die Richtung „in Prozessrichtung vor“ entgegen der Prozessrichtung orientiert ist. Des weiteren ist die Verwendung der Begriffe „lateral“ oder „laterale Richtung“ gleichbedeutend mit der Querprozessrichtung .
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnen „Substratmedien“ oder „Medien“ beispielsweise Papier, Folien, Kartonmaterial, Schichten, Gewebe, Kunststoff oder andere Substrate, auf denen Informationen vorzugsweise in Form eines Blattes oder eines Rollenmaterials reproduziert werden kann.
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Sensor“ eine Einrichtung, die auf einen physikalischen Stimulus reagiert und einen entsprechenden Impuls für die Messung und/oder die Kontrollfunktion sendet. Zu derartigen Sensoren gehören jene, die Druck, Licht, Bewegung, Wärme, Schall und Magnetismus verwenden. Ferner kann jeder derartige Sensor, der hierin genannt wird, einen oder mehrere Punktsensoren und/oder Array-Sensoren zum Erfassen und/oder Messen von Eigenschaften eines Riemens, eines Bildes oder eines Substratmediums, etwa die Geschwindigkeit, die Orientierung, die Position in der Prozessrichtung oder der Querprozessrichtung, die Größe oder sogar die Dicke, aufweisen. Somit kann der Begriff „Sensor“, wie er hierin verwendet ist, mehr als einen Sensor umfassen.
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Spalt“ eine Teilanordnung, die eine Antriebswalze und eine Leerlaufwalze umfasst. Die Antriebswalze und Leerlaufwalze können in Form von Riemen bereitgestellt sein. Wenn ein Blatt eines Mediums von einem Spalt bearbeitet wird, kommen die Antriebswalze und die Leerlaufwalze jeweils mit entgegengesetzten Flächen des Blattes in Kontakt, so dass das Blatt ergriffen und zumindest durch einen Teil der Druckvorrichtung bewegt wird.
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Spaltanordnung“ einen oder mehrere Spalte und die zugehörigen Antriebskomponenten, etwa den Spaltantrieb mit einem Motor und einer Antriebswelle.
• Im hierin verwendeten Sinne bezeichnet der Begriff „Spaltgeschwindigkeit“ die Geschwindigkeit der Spaltkomponente bzw. Spaltkomponenten, die das Medium kontaktieren, etwa die Antriebswalze, um damit das Medium zu transportieren. Die Spaltgeschwindigkeit umfasst die Drehgeschwindigkeit der Antriebswalze.
• Die Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Blattes von Substratmedien, wie sie hierin offenbart ist, verwendet eine bestehende Spaltanordnung, etwa eine Spaltanordnung in einem Medienpfad, eine Transfer-Spaltanordnung oder eine Fixier-Spaltanordnung, die mit einem Geschwindigkeitssensor versehen ist. Gemäß 1 umfasst die Vorrichtung zur Messung der Blattdicke 10 eine erste in Prozessrichtung nachgeordnete Spaltanordnung 12 mit mindestens einer Antriebswalze 14 und mindestens einer gegenüberliegenden Leerlaufwalze 16, die einen Spalt 17 bilden. Der Spalt bewegt ein Blatt eines Mediums 18 in einer Prozessrichtung innerhalb einer Dokumentenverarbeitungsanlage. Die Spaltanordnung 12 besitzt einen ähnlich ausgebildeten inneren Spalt 17a und einen äußeren Spalt 17b, die zueinander in der Querprozessrichtung einen Abstand aufweisen.
• Die erste in Prozessrichtung nachgeordnete Spaltanordnung 12 empfängt ein Blatt eines Substratsmediums 18 von einer zweiten in Prozessrichtung vorher angeordneten Anordnung 20. Die in Prozessrichtung vorher angeordnete Spaltanordnung 20 besitzt mindestens eine Antriebswalze 22 und mindestens eine gegenüberliegende Leerlaufwalze 24, die einen Spalt 26 bilden. Die Antriebswalze und/oder die Leerlaufwalze können auch in Form rotierender Riemen vorgesehen sein. Die in Prozessrichtung vorher angeordnete Anordnung 20 besitzt einen ähnlich ausgebildeten inneren Spalt 26a und einen äußeren Spalt 26b. Die Antriebswalzen 14 und 22 weisen beispielsweise eine elastomere äußere Oberfläche auf und die Leerlaufwalzen 16 und 24 besitzen etwa eine harte Kunststoffaußenfläche, wie dies im Stand der Technik bekannt ist. In jeder Spaltanordnung können die Antriebswalzen funktionsmäßig mit einem eigenen Spaltantrieb 28 über eine Antriebswelle 19 verbunden sein. Der Spaltantrieb 28 umfasst beispielsweise einem Motor, einen Schrittmotor oder dergleichen.
• Die in Prozessrichtung nachgeordnete Spaltanordnung 12 umfasst einen Drehgeschwindigkeitssensor 30, der die Spaltgeschwindigkeit erfasst. Eine derartige Spaltgeschwindigkeit ist die Drehgeschwindigkeit der Spaltkomponente bzw. Komponenten, die mit dem Medium, etwa der Antriebswalze, in Kontakt sind, um das Medium in der Prozessrichtung zu transportieren. Die Drehgeschwindigkeit der Antriebswalze und der Leerlaufwalze ist typischerweise für beide Komponenten gleich, da diese in Rollreibungskontakt sind, wenn kein Medienblatt in dem Spalt vorhanden ist. Wenn ein Medium in dem Spalt anwesend ist, wird die Drehung der Antriebswalze auf die Leerlaufwalze über das Medienblatt übertragen. Folglich kann die Spaltgeschwindigkeit erfasst werden, indem die rotierenden Spaltkomponenten, etwa die Antriebswalze oder die Leerlaufwalze oder die damit verbundene Welle überwacht werden. Der Geschwindigkeitssensor 30 kann an oder benachbart zu der Antriebswelle 19 angeordnet sein derart, dass die Drehung der Welle und damit der Antriebswalze 14 ermittelt wird. Der Sensor 30 kann einen Lagegeber oder Tachometer bekannter Art umfassen, der in der Lage ist, die Drehgeschwindigkeit zu erfassen und ein Signal proportional zu der erfassten Geschwindigkeit zu erzeugen. In einer Ausführungsform ist der Sensor 30 so angeordnet, dass die Drehgeschwindigkeit der Antriebswalze 14 erfasst wird.
• Eine Steuerung 32 ist funktionsmäßig mit dem Geschwindigkeitssensor 30 und dem Spaltantrieb 28 verbunden und führt Berechnungen aus, um die Blattdicke als eine Funktion der erfassten Geschwindigkeit anzugeben. Die Steuerung 32 enthält beispielsweise Hardware und Software und kann als einzelne Komponente integriert sein oder kann mehrere separate Komponenten aufweisen, die funktionsmäßig miteinander verbunden sind. Die Steuerung 32 enthält etwa einen oder mehrere Prozessoren 32, um die erforderlichen Berechnungen auszuführen, und enthält Elemente zum Erzeugen und Empfangen von Signalen zur Steuerung der Funktionsweise der Spaltantriebe.
• In 2 und 3 ist eine Vorspanneinrichtung 34, etwa eine Feder, gezeigt, die die Antriebswalze 14 und die Leerlaufwalze 16 gegeneinander vorspannen, so dass eine Spaltkraft F_N erzeugt wird, die senkrecht auf der Richtung des Blatttransports steht. Wenn ein Medienblatt 18 in die Spaltanordnung 12 eintritt und darin in einer Prozessrichtung entlang eines Verarbeitungspfads, wie dies durch den Pfeil 36 angegeben ist, transportiert wird, werden die Antriebswalzen 14 und die Leerlaufwalzen 16 durch das Blatt 18 entsprechend einem Abstand D voneinander getrennt, wenn das Blatt zwischen der Antriebswalze 14 und der Leerlaufwalze 16 bewegt wird. Der Abstand D entspricht der Dicke des Blattes.
• Wenn ein Medienblatt 18 in dem inneren und äußeren Spalt 17a und 17b eintritt, führt die Energie, die zum Anheben der Spaltkomponenten gegen die vorspannende Kraft erforderlich ist, zu einer Verringerung der Rotationsenergie der Spaltanordnung und somit zu einer Verringerung der Winkelgeschwindigkeit der Spaltanordnung 12. Somit bewirkt ein Medienblatt 18 eine nahezu sofortige Änderung der gemessenen Geschwindigkeit, deren Amplitude eine Funktion der Blattdicke ist. Insbesondere mit Hinweis auf die 1 und 3 gilt, dass, wenn die Spaltanordnung 12 in Funktion ist, der Spaltantrieb 28 die Antriebswalze 14 veranlasst, die Leerlaufwalze 16 anzutreiben, die in Rollreibungskontakt mit der Antriebswalze ist. Wenn sich die Antriebswalze 14 dreht, besitzt sie eine gewisse vorbestimmte Winkelgeschwindigkeit, die als die Spaltgeschwindigkeit bezeichnet wird. Wenn ein vorderer Rand LE in die Spalte 17a, 17b eintritt, tritt ein plötzlicher geringer Abfall in der Spaltgeschwindigkeit auf. Diese Abnahme der Spaltgeschwindigkeit wird dadurch hervorgerufen, dass die Rotationsenergie der Antriebswalze 14, der Leerlaufwalze 16, des Spaltsantriebs 28 und zugehöriger Antriebskomponenten teilweise in Energie umgewandelt wird, die erforderlich ist, um die Leerlaufwalze 16 und die Antriebswalze 14 entgegen der Spaltkraft F_N um den Abstand D zu trennen, der gleich der Blattdicke ist. Die Messung dieser Änderung der Spaltgeschwindigkeit steht in Beziehung mit der Blattdicke und kann daher verwendet werden, um die Blattdicke zu bestimmen.
• Die Abhängigkeit zwischen der Blattdicke und der Blattgeschwindigkeit ist deutlich in dem Grafen aus 4 gezeigt. Der Abfall der Spaltgeschwindigkeit ist in Abhängigkeit von der Zeit für drei unterschiedliche Blattdicken aufgetragen. Wenn der vordere Rand des Blattes in den Spalt eintritt, nimmt die Geschwindigkeit ab und bleibt gering. Der Graph zeigt, dass der Abfall der Spaltgeschwindigkeit von der Blattdicke abhängt, wobei eine größere Blattdicke zu einem größeren Abfall der Geschwindigkeit führt.
• Dies stellt eine Steuerungssituation mit offener Schleife dar, wobei der Geschwindigkeitsabfall in den Spalten nicht eingestellt wird. Ein derartiges Steuerungssystem kann wie folgt dargestellt werden:

  
• In dieser Blockdarstellung ist d der Impuls, der auf den Spaltantrieb wirkt, G(s) bewirkt die Abnahme der Geschwindigkeit.
• Es sei weiterhin auf 3 verwiesen; wenn ein vorderer Rand (LE) in eine Spaltanordnung eines Medienpfads eintritt, trennen sich die Antriebswalzen 14 und die Leerlaufwalzen 16, die die Spalte 17a und 17b bilden, geringfügig, um damit die Dicke des Blattes aufzunehmen. Die Spaltanordnung kann ein Spalt in einem Medienpfad, ein Transferspalt oder ein Spalt in einer Fixiereinrichtung sein. Die zum Trennen der Spaltkomponenten erforderliche Energie ist gleich: $$\text{dE}=2{\text{DF}}_{\text{N}}.$$

  
• In dieser Gleichung wird der Faktor 2 in Spaltanordnungen verwendet, die 2 Spalte aufweisen, d.h. 2 Paare aus Antriebswalze und Leerlaufwalze (innen und außen), die Blätter in dem Medienpfad antreiben, wobei F_N die senkrechte Spaltkraft an jedem einzelnen Spalt ist. D ist der Trennungsabstand, der gleich der Blattdicke ist.
• Wenn der Blattrand LE in die Spalte eintritt, wird die Energie, die zum Trennen der Antriebswalze und der Leerlaufwalze erforderlich und als dE bezeichnet ist, durch die Umwandlung kinetischer (Rotationsenergie) Energie der Walzen des Spaltes und anderer Komponenten der Spaltanordnung, in Form von Getrieben und Motoren, und die kinetische Energie des Blattes in potentielle Energie geliefert, die von dem System verwendet wird, wenn die Walzen des Spaltes gemäß dem Abstand D getrennt werden. Dies führt zu einer sofortigen Verlangsamung der Spalte. Diese Verringerung der Geschwindigkeit wird von dem Sensor 30 erfasst, und die verlorene Rotationsenergie kann berechnet werden, indem die Rotationsenergie vor und nach dem Eintritt des Blattrandes LE in den Spalt verglichen werden. Folglich kann die Blattdicke in dem Prozessor 33 in der Steuerung 32 unter Anwendung der Formel berechnet werden: $$\text{D}=\text{dE}/2/{\text{F}}_{\text{N}}.$$

  
• In der vorhergehenden Ausführungsform besteht die kinetische Energie des Systems aus der Rotationsenergie beider Spalte 17a und 17b und ihrer zugehörigen Antriebsstränge und Motoren. Die kinetische Energie des Systems enthält ferner die Rotationsenergie der in Prozessrichtung vorgelagerten Spaltanordnung 20, da das Blatt 18 (wenn keine Welligkeit angenommen wird) die Bewegung der in Prozessrichtung vorgelagerten Spaltanordnung, 1stNA, und die Bewegung der in Prozessrichtung nachgeordneten Spaltanordnung 2ndNA koppelt. Daher ist die gesamte Rotationsenergie des Systems gleich der Rotationsenergie der ersten und der zweiten Spaltanordnung: $${\text{E}}_0={\left(\mathrm{½}{\text{J}}_{\text{tot}}{\text{w}}_{\text{0}}{}^2\right)}_{1\text{stNA}}+{\left(\mathrm{½}{\text{J}}_{\text{tot}}{\text{w}}_{\text{0}}{}^2\right)}_{2\text{ndNA}}$$

  
• Wenn die Spaltanordnungen ähnlich aufgebaut sind, kann die Gleichung in folgender Weise reduziert werden. $${\text{E}}_0=\left(\mathrm{½}{\text{J}}_{\text{tot}}{\text{w}}_{\text{0}}{}^2\right).$$

  
• Die gesamte Rotationsenergie des Systems wird dann berechnet, nachdem das Medium in den Spalt eingetreten ist. $${\text{E}}_{\text{after}}=\left(\mathrm{½}{\text{J}}_{\text{tot}}{\text{w}}_{\text{after}}{}^2\right).$$

  
• Die Differenz der Rotationsenergie kann dann berechnet werden. $$\mathrm{\Delta }\text{E}=\left(\mathrm{½}{\text{J}}_{\text{tot}}{\text{w}}_{\text{0}}{}^2\right)-2\left(\mathrm{½}{\text{J}}_{\text{tot}}{\text{w}}_{\text{after}}{}^2\right)$$

  
• Die Differenz zwischen der gesamten Rotationsenergie vor dem Eintritt des Blattes in die Spalte und nach dem Eintritt des Blattes in die Spalte, die als ΔE bezeichnet ist, kann in Gleichung 2 verwendet werden, um die Blattdicke zu bestimmen.
• Die Blattdicke bestimmt sich wie folgt: $$\text{D}=\mathrm{\Delta }\text{E}/2{\text{F}}_{\text{N}}$$

  
• Das Messen der Dicke durch Erfassen der Änderung der Spaltgeschwindigkeit kann bewerkstelligt werden, ohne dass weitere Komponenten in dem System hinzugefügt werden. Blattverarbeitungssysteme enthalten typischerweise Geschwindigkeitssensoren, um die Spaltgeschwindigkeit zu überwachen, so dass eine präzise Rückkopplungssteuerung der Spaltgeschwindigkeit möglich ist. Für Systeme, die ohne derartige Sensoren aufgebaut sind, kann ein preiswerter Lagegeber an der Welle einer Antriebswalze des Spaltes im Medienpfad angebracht werden (wie in 1 gezeigt ist), oder alternativ kann dieser Sensor an einer Welle der Leerlaufwalze angebracht werden. Folglich kann eine Messung der Blattdicke zuverlässig und ökonomisch erreicht werden.
• In Spaltssystemen mit einer Steuerung mit offener Schleife fällt die Spaltgeschwindigkeit ab und bleibt gering, wie in 4 gezeigt ist. Es ist jedoch wünschenswert, ein System mit geschlossener Steuerschleife zu integrieren, in welchem die Spaltgeschwindigkeit so gesteuert wird, dass diese bei einem vorbestimmten Nominalwert bleibt, um den Durchsatz des Systems beizubehalten. In einem System mit geschlossener Steuerschleife stellt die Steuerung 32 bei Erhalt von Signalen von dem Geschwindigkeitssensor 30, die eine Änderung der Spaltgeschwindigkeit anzeigen, die Geschwindigkeit der Antriebswalzen 14 so ein, dass die Geschwindigkeit des Blatts beim Durchlaufen der Spalte beibehalten wird. Wenn ein Blatt 18 in die Spalte der in Prozessrichtung nachgeordneten Spaltanordnung 12 eintritt, erfolgt die Öffnung der Spalte 17 nicht unmittelbar. Beispielsweise findet das Öffnen über ungefähr 2 mm des Blatttransportweges hinweg und demzufolge in einer entsprechenden Zeitdauer. Ferner breitet sich ein möglicher Versatz des Blatts zeitlich aus bei der Trennung des inneren Spalts und des äußeren Spalts. Da die Änderung der Energie über eine gewisse Zeit hinweg verteilt ist, hat die Steuerung 32 ausreichend Zeit, zu reagieren und zusätzliche Energie in den Spalt zu transportieren, wenn der Geschwindigkeitsabfall auftritt, wodurch die Größe des Abfalls der Spaltgeschwindigkeit geändert wird. Die Vorrichtung zum Messen der Blattdicke 10 bestimmt ferner die Blattdicke in einem derartigen Spaltssystem mit geschlossener Schleife.
• 5 zeigt ein System mit geschlossener Schleife, wenn eine Abnahme der Spaltgeschwindigkeit dadurch hervorgerufen wird, dass der vordere Rand LE des Blattes in einen Spalt eintritt, wobei dann die Steuerung 32 ein Signal erzeugt, das bewirkt, dass die Geschwindigkeit des Spaltantriebs 28 so eingestellt wird, dass die Geschwindigkeit zurück auf einen vorbestimmten Nominalwert gebracht wird. Der Abfall der Spaltgeschwindigkeit ist nur von kurzer Dauer, wenn die Geschwindigkeit innerhalb einiger Millisekunden zurück auf den Nominalwert gebracht wird. Der Abfall der Spaltgeschwindigkeit ist daher in seiner Amplitude in einem System mit geschlossener Schleife begrenzt. In 6 ist ein Vergleich der Abfälle der Geschwindigkeiten zwischen der Steuerung mit offener Schleife 40 und der Steuerung mit geschlossener Schleife 42 für diverse Blattdicken grafisch dargestellt.
• Da in Systemen mit geschlossener Schleife der Abfall der Spaltgeschwindigkeit relativ gering und von kurzer Dauer ist, ist es wünschenswert, die Änderung der Spaltgeschwindigkeit so zu bestimmen, als ob es ein System mit offener Schleife wäre. Folglich wird ein theoretischer Abfall der Spaltgeschwindigkeit für eine offene Schleife auf der Grundlage der tatsächlich erfassten Spaltgeschwindigkeit des Systems mit geschlossener Schleife berechnet. Die obigen Gleichungen 1-7 können somit verwendet werden, um die Blattdicke auf der Grundlage einer Änderung der Spaltgeschwindigkeit zu bestimmen. Um die äquivalente berechnete Änderung der Spaltgeschwindigkeit zu bestimmen, kann das Steuerungssystem wie folgt implementiert werden:

  

  e ist der Geschwindigkeitsfehler, C(S) repräsentiert die Steuerung und G(S) repräsentiert den Spaltantrieb.
• Für ein System mit offener Schleife gilt im Laplace-Bereich $$D\left(S\right)=G^{-1}\left(S\right)\cdot \left(-\mathrm{\Delta }V\cdot \frac{1}{S}\right)$$

  

  bei einer Steuerung mit geschlossener Schleife und einer Transferfunktion f(t) ➙ v(t) ergibt sich $$G_f\to v\left(S\right)=\frac{V\left(S\right)}{F\left(S\right)}=\frac{1}{1+C\left(S\right)G\left(S\right)}$$

  
• Die Antwort eines Abfalls der Geschwindigkeit eines Randes eines Mediums LE bei Steuerung mit geschlossener Schleife ist wie folgt dargestellt: $$\begin{array}{l}V\left(S\right)=G_f\to v\left(S\right)\cdot F\left(S\right)=\hfill \\ =\frac{1}{1+C\left(S\right)G\left(S\right)}\left(-\mathrm{\Delta }V\right)\cdot \frac{1}{S}=S\left(S\right)\cdot \left(-\mathrm{\Delta }V\right)\cdot \frac{1}{S}\hfill \end{array}$$

  

  wobei S die Empfindlichkeitsfunktion bzw. Sensitivitätsfunktion ist.
• Wenn v(t) gemessen wird, ergibt sich experimentell der äquivalente Abfall der Geschwindigkeit, wenn der Spalt einer Steuerung mit offener Schleife unterliegt: $$\mathrm{\Delta }V\cdot \frac{1}{S}=-\frac{1}{S\left(S\right)}\cdot V\left(S\right)$$

  

  d.h.. -V(s)/ S(S) besitzt eine Stufenfunktion zu dem Zeitpunkt, wenn der Rand des Mediums LE in den Spalt mit der Größe ΔV eintritt, wie dies in 7 gezeigt ist.
• In 8 sind die berechneten Kurven für den Geschwindigkeitsabfall 44 für die drei Blattdicken zusammen mit der Kurve des tatsächlichen Geschwindigkeitsabfalls für geschlossene Schleife 40 und für offene Schleife 42 gezeigt. 8 zeigt die berechneten theoretischen Geschwindigkeitskurven für offene Schleife auf der Grundlage des Systems mit geschlossener Schleife, wobei diese Kurven mit den tatsächlichen Kurven mit offener Schleife korreliert sind. Die berechnete theoretische Änderung der Spaltgeschwindigkeit bei offener Schleife kann dann verwendet werden, um die Blattdicke D in der Weise zu berechnen, wie dies oben in Verbindung mit den Gleichungen 1-7 angegeben ist.
• Die Vorrichtung zum Messen der Blattdicke 10 stellt somit eine durchführbare und genaue Weise zum Messen der Blattdicke bereit. Sobald die Dicke des Blattes bestimmt ist, können Parameter in der Druckvorrichtung so eingestellt werden, dass die Verarbeitung der Medien optimiert wird. Die Vorrichtung 10 besitzt den Vorteil, dass keine anderen Sensoren oder Sensorelemente erforderlich sind, um die Blattdicke zu bestimmen. Derartige Elemente können in den Medienpfad hineintragen oder können Blätter berühren, so dass eine Schädigung des Blattes möglich ist. Des weiteren können die Kosten für die Ausstattung und die Gerätekomponenten zur Anbindung spezieller Sensoren für die Blattdicke vermieden werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Messen der Dicke eines Substratmediums (18), wobei die Vorrichtung umfasst: eine Spaltanordnung (12) mit einem ersten Spalt (17) zum Kontaktieren eines Substratmediums und zum Transportieren des Mediums entlang einer Prozessrichtung, wobei der erste Spalt (17) eine erste Spaltgeschwindigkeit aufweist; einen Geschwindigkeitssensor (30), der funktionsmäßig mit dem ersten Spalt (17) zur Messung der Spaltgeschwindigkeit verbunden ist; und einen Prozessor, der funktionsmäßig mit dem Sensor verbunden ist und eine Mediendicke in Reaktion auf eine Änderung der Spaltgeschwindigkeit bestimmt, die der Geschwindigkeitssensor (30) beim Eintritt des Mediums in den ersten Spalt (17) erfasst, wobei der erste Spalt (17) eine Antriebswalze (14) und eine gegenüberliegende Leerlaufwalze (16) aufweist, die zusammenwirken, so dass das Substratmedium zwischen der Antriebswalze und der Leerlaufwalze entlang der Prozessrichtung transportiert wird, und wobei der Geschwindigkeitssensor (30) die Spaltgeschwindigkeit vor und nach dem Eintritt des Mediums in den ersten Spalt (17) überwacht und der Prozessor eine Blattdicke in Reaktion auf eine Änderung der Spaltgeschwindigkeit bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Spaltgeschwindigkeit abhängig ist von der Drehgeschwindigkeit der Antriebswalze (14).
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Geschwindigkeitssensor (30) die Drehgeschwindigkeit der Antriebswalze (14) erfasst.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Spaltanordnung einen zweiten Spalt (26), der unter einem Abstand zu dem ersten Spalt (17) angeordnet ist, aufweist und wobei der erste Spalt und der zweite Spalt zusammenwirken, so dass das Medium durch die Spaltanordnung transportiert wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei der zweite Spalt (26) eine Antriebswalze (22) aufweist, die funktionsmäßig mit der Antriebswalze (14) des ersten Spalts (17) verbunden ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Antriebswalze (14) funktionsmäßig mit einem Spaltantrieb (28) verbunden ist, der einen Motor aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, die ferner eine Steuerung (32, 33) umfasst, die funktionsmäßig mit dem Motor und dem Geschwindigkeitssensor (30) verbunden ist, wobei die Steuerung ein Signal für den Motor in Reaktion auf eine Änderung der Spaltgeschwindigkeit bereitstellt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Prozessor eine abgeschätzte Änderung der Spaltgeschwindigkeit entsprechend einem System mit offener Regelschleife in Reaktion auf erfasste tatsächliche Spaltgeschwindigkeiten für ein System mit geschlossener Regelschleife berechnet.

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