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Photoelektrische Abtastvorrichtung Die Erfindung betrifft eine photoelektrische
Abtastvorrichtung für automatische Kopiereinrichtungen. Es sind derartige Kopiereinrichtungen
bekannt, bei denen die Kopierbewegung des Abtastkopfes längs einer abzutastenden
Linie durch zwei Koordinatenstellmotoren gesteuert wird, wobei eine gedachte Bezugslinie
des Abtastkopfes in bestimmtem Winkel zu dem abgetasteten Linienstück gehalten und
der Abtastfleck in einer Kreisbahn um die Achse des Abtastkopfes bewegt wird, so
daß er die abzutastende Linie beiderseits überschreitet und eine den optischen Eigenschaften
der abgetasteten Stellen entsprechende Meßgröße liefert.
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Der Abtastfleck wird vorzugsweise durch eine kreisförmig bewegte Photozelle
geliefert, die das von der abzutastenden Fläche reflektierte Licht aufnimmt. Um
die Photozelle nicht selbst bewegen zu müssen, wird meist ein bewegter Spiegel verwendet,
der sich im Lichtweg befindet. Der Spiegel läuft derart um, daß eine Drehbewegung
des Lichtweges entsteht und so der Abtastkopf eine kreisförmige Bahn abtastet.
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Durch die Einführung des Spiegels entstehen jedoch Lichtverluste,
die bei geringem Kontrast zwischen der abgetasteten Linie und ihrem Untergrund dazu
führen, daß die Empfindlichkeit der Anordnung nicht mehr ausreicht. Außerdem ist
die Spiegeloptik mit ihrer Antriebsvorrichtung nicht ganz billig.
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Demgegenüber ist die erfindungsgemäße photoelektrische Abtastvorrichtung
dadurch gekennzeichnet, daß die Photozelle an einem elastisch aufgehängten Dauermagnet
befestigt ist. Der Dauermagnet wird durch veränderliche Magnetfelder veranlaßt,
zusammen mit der Photozelle die gewünschte Abtastbahn zurückzulegen.
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Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun an Hand der Zeichnung
beschrieben. Hierin ist Fig. 1 ein Schnitt durch die wesentlichen Elemente einer
Abtastvorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Aufsicht auf die Anordnung nach
Fig. 1 in der Ebene A -A,
Fig. 3 ein schematisches Schaltbild der Feldspulen
bei der Anordnung nach Fig. 1 und 2, Fig. 4 ein anderes Schaltbild, das zur Ergänzung
der Anordnung nach Fig. 1 und 2 dienen kann, Fig. 5 eine abgeänderte Ausführungsform
des Abtasters und Fig. 6 die schematische Darstellung einer Kopiereinrichtung unter
Verwendung des Abtasters gemäß der Erfindung.
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In Fig. 1 ist eine Photozelle 10 zu erkennen, die auf einem Dauermagnet
11- befestigt ist. Vorzugsweise ist die Photozelle ein Photoleiter, da diese Elemente
in kleineren Abmessungen als Photoemissionszellen erhältlich sind. Da der abgetastete
Leuchtfleck durch die Fläche der Photozelle bestimmt ist, soll zwecks Erzeugung
eines möglichst kleinen Abtastflecks die Photozelle selbst eine möglichst kleine
empfindliche Fläche haben. Der Photoleiter ist im allgemeinen in ein Isoliermaterial
eingebettet und mit zwei Anschlußdrähten 12 und 13 versehen. Der Dauermagnet 11
ist in Achsenrichtung magnetisiert und vorzugsweise zylindrisch ausgeführt, wobei
z. B. der Nordpol sich an der oberen und der Südpol an der unteren Stirnfläche befindet.
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Der Magnet besteht vorzugsweise aus einem keramischen Magnetwerkstoff,
da der verfügbare Fluß bei solchen Magneten weit größer als bei Magneten aus metallischen
Werkstoffen ist. Magnet und Abtastelement sind auf einem Stahlrohr 14 mittels einer
Befestigungsvorrichtung 15 angebracht, die aus einem Isolierstoff bestehen kann.
Der Anschlußdraht 13 geht durch das Rohr 14 hindurch, während der andere Draht 12
mit dem Rohr 14 verbunden ist. Da der Innenleiter 13 isoliert ist, bilden das Rohr
und der Draht eine Koaxialleitung.
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Die Anordnung aus den Teilen 10, 11 und 15 muß gut zusammenhalten,
damit alle Teile fest miteinander verbunden sind. Die Innenräume können gegebenenfalls
mit einer Masse ausgefüllt sein, die die einzelnen Teile isoliert und die Festigkeit
und den Zusammenhalt der Anordnung steigert.
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Das untere Ende des Stahlrohres 14 verbreitert sich zu einer Befestigungsvorrichtung
16, in deren Mitte sich eine mit dem Teil 18 isolierte Durchführung 17
befindet.
An die Durchführung 17 ist der Draht 13 angeschlossen. Die Befestigungsvorrichtung
ist an einem nicht dargestellten Träger befestigt. Auf dem gleichen Träger sind
die Elektromagnete befestigt, von denen nur zwei in Fig. 1 dargestellt sind, während
aus Fig. 2 hervorgeht, daß vier Elektromagnete vorhanden sind. Jeder Elektromagnet
besitzt zwei Polschuhe 19 und 20, die durch einen Stift 21 aus Magnetwerkstoff verbunden
sind, auf dem eine Spule 22 sitzt. Diese ist vom Polschuh durch einen Isolator 23
getrennt.
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Wie aus Fig. 2 hervorgeht, sind bei den einzelnen Elektromagneten
gleiche Teile jeweils mit gleichen Ziffern bezeichnet, jedoch durch einzelne Buchstaben
unterschieden. Die Spule 22 hat die Anschlüsse 24 und 25, die Spule 22A die Anschlüsse
26 und 27, die Spule 22B die Anschlüsse 28 und 29 und die Spule 22C die Anschlüsse
30 und 31.
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Aus dem Schaltbild in Fig. 3 geht hervor, daß die Spule 22 in Reihe
mit der Spule 22 B und die Spule 22A in Reihe mit der Spule 22C geschaltet ist.
Die Klemmen 28 und 31 der Spulen 22 B und 22 C sind miteinander und mit der Klemme
32 verbunden. Die Klemme 27 der Spule 22 A ist mit der Klemme 33 verbunden. Die
Klemme 25 der Spule 22 ist über einen Kondensator 34 ebenfalls mit der Klemme 33
verbunden. Wenn ein Wechselstrom an die Klemmen 32 und 33 angelegt wird und der
Kondensator 34 entsprechend der Impedanz der Spulen 22 gewählt ist, ergibt sich
ein magnetisches Drehfeld, das der Drehung eines Nordpols und eines Südpols in einem
Kreis entspricht, dessen Mittelpunkt durch den Mittelpunkt der Pole der Elektromagnete
bestimmt ist. Der Kondensator 34 ist hierbei so gewählt, daß bei der Netzfrequenz
der durch die Spulen 22 und 22B fließende Strom dem Strom durch die Spulen 22 A
und 22 C um 90° voreilt. Dann ergibt sich das verlangte magnetische Drehfeld.
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Wenn Pol 19 ein Südpol ist, muß Pol 20 ein Nordpol sein und damit
den Magnet 11 anziehen. Ebenso muß der Polschuh 19 B ein Nordpol und der Polschuh
20 B ein Südpol sein und damit den Magnet 11 abstoßen: Wenn der Strom seine Phase
umkehrt, ziehen die Polschuhe 19 B und 20 B den Magnet 11 an, während zu einem dazwischenliegenden
Zeitpunkt der Magnet vom Polschuh 19A angezogen wird. Da der Magnet auf dem Ende
des Stahlrohres 14 angebracht ist und dieses Stahlrohr federnd ist, kann der Magnet
in einer kreisförmigen Bahn dem magnetischen Drehfeld nachlaufen. Hierbei führt
er die Photozelle 10 mit sich. Die Auswahl der richtigen magnetischen Kräfte zur
Erzielung dieser kreisförmigen Bahn des Magnets 11 hängt vom mechanischen Aufbau
des Magnets und der Photozelle und ihrer federnden Lagerung sowie der Stärke des
Magnets ab. Wenn die Photozelle z. B. eine Fläche abtastet, die eine Linie mit abweichender
Reflexionseigenschaft aufweist und beleuchtet ist, so machen sich also die Änderungen
des Reflexionsvermögens der Fläche an den Klemmen 17 und 16 bemerkbar und können
zur Steuerung einer Kopiereinrichtung in bekannter Weise dienen.
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Wenn der Abtastkreis; d. h. der von der Photozelle beschriebene Kreis,
die Linie zweimal schneidet, so enthält das an den Klemmen 16 und 17 abgenommene
Signal zwei Komponenten verschiedener Frequenz, i nämlich eine Komponente mit der
gleichen Frequenz wie die Umlauffrequenz der Abtastvorrichtung und eine Frequenz
mit dem doppelten Wert der Umlauffrequenz. Die Phase des Signals mit der doppelten
Frequenz der Abtastvorrichtung gibt die Richtung der abgetasteten Linie hinsichtlich
einer Bezugslinie an, die z. B. zwei gegenüberliegende Elektromagnetpole verbindet.
Die Amplitude des Signals, dessen Frequenz der Umlauffrequenz entspricht, gibt die
Verschiebung des Abtastkreises gegen die symmetrische Lage zu der abgetasteten Linie
an.
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Die Richtung der Bezugslinie hinsichtlich der Phase der Speisefrequenz
kann durch eine Drehung der Pole, d. h. der Polschuhe 22 bis 22 C, geändert werden,
oder die Richtungsänderung kann auf elektrischem Wege gemäß Fig. 4 vor sich gehen.
Hierzu kann ein Drehtransformator 35 dienen, der zwei Ständerwicklungen 36 und 37
aufweist. Die beiden Ständerwicklungen sind rechtwinklig zueinander angeordnet.
Ferner sind zwei Läuferwicklungen 38 und 39 vorgesehen. Die Ständerwicklungen 36
und 37 werden mit zwei um 90° versetzten Phasen gespeist, indem sie ähnlich wie
in Fig. 3 einmal direkt und einmal über einen Kondensator 40 an die Netzklemmen
32 und 33 angeschlossen sind. Die Klemme 41 des Läufers ist mit den Klemmen 28 bis
31 der Elektromagnete verbunden.' Die Klemme 42 des Läufers ist mit der Klemme 27:;
und die Klemme 43 des Läufers mit der Klemme 25 des Elektromagnets verbunden. Die
Klemmen 24, 26; 29 und 30 sind wie in Fig. 3 geschaltet. Wenn ein derartiger Drehtransformator
35 zweiphasig gespeist wird, erzeugt er ein Drehfeld, und der Läufer gibt eine entsprechende
zweiphasige Wechselspannung ab. Die Phasenbeziehung zwischen der an den Ständer
angelegten zweiphasigen Spannung und der am Läufer abgenommenen Zweiphasenspannung
hängt hierbei von der Relativstellung des Läufers und des Ständers ab.
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Die Phasenbeziehung zwischen der Ausgangsspannung an den Klemmen 41,,42
und 43 ist somit durch die mechanische Stellung des Läufers hinsichtlich des Ständers
des Drehtransformators bestimmt. Die Phase dieser Spannung kann somit durch mechanische
Verstellung des Läufers beliebig verändert werden.
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Fig. 5 zeigt eine andere Form der federnden Aufhängung der Photozelle.
Hierbei ist die Photozelle 10 am einen Ende und der Magnet 11 am anderen Ende eines
Hebels befestigt. Dieser Hebel 45 ist in seiner Mitte in einer elastischen Membran
46 gelagert. Wie vorher sind rings um den Dauermagnet 11 Elektromagnete angeordnet.
Die Arbeitsweise der Anordnung entspricht derjenigen nach Fig. 1, abgesehen davon,
daß die federnde Aufhängung durch die 46 besorgt wird und daß die Photozelle 10
vom Magnet 11 entfernt ist. Unter gewissen Umständen kann dies vorteilhaft sein,
wenn eine mechanische Verstärkung zwischen der Bewegung des Magnets 11 und derjenigen
der Photozelle 10 stattfinden soll. Je nach der Wahl des Aufhängepunktes kann offenbar
der von der Photozelle 10 beschriebene Kreis größer oder kleiner als der vom Magnet
11 beschriebene Kreis sein. Die Membran 46 ist mittels eines Ringes 47 in einem
Gestell angebracht, das auch die Elektromagnete trägt.
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Eine Kopiereinrichtung unter Verwendung des erfindungsgemäßen Abtastkopfes
ist teilweise schematisch in Fig. 6 gezeigt. Die Abtastvorrichtung befindet sich
hierbei in einem Gehäuse 50, dessen Stirnflächen teilweise geschlossen sind, wobei
die eine Stirnfläche als Träger für das Stahlrohr 14 dient und die andere Stirnfläche
die Elektromagnete aufnimmt. Das zylindrische Gehäuse selbst ist in einem Schlitten
51
angebracht, der in zwei zueinander senkrechten Richtungen verschiebbar ist. Der
X-Motor 52 verschiebt den Abtastkopf mittels eines Schneckengetriebes in einer geraden
Linie und in einer zur Schlittenebene parallelen Ebene. Der Y-Motor 53 verschiebt
den Schlitten in einer geraden Linie rechtwinklig zur Antriebsrichtung des X-Motors
52, so daß mittels der Stellmotoren 52 und 53 der Abtastkopf jede beliebige Lage
in einem rechtwinkligen Koordinatensystem annehmen kann. Unter der Abtastvorrichtung
befindet sich ein Projektionsschirm 54, der z. B. aus einer Mattscheibe besteht.
Auf die Mattscheibe wird von unten eine Strichzeichnung entworfen, die durch die
Abtastvorrichtung nachgefahren werden soll. Die Strichzeichnung wird mittels eines
Bildwerfers 55 von einem Diapositiv 56 entworfen. Die Photozelle 10 ist mit dem
Vorverstärker 58 über Adern 57 und 59 verbunden. Die Ader 59 ist mit der Klemme
17 verbunden. Der Vorverstärker 58 verwandelt die an den Klemmen 16 und 17 des Abtastkopfes
auftretenden Signale in geeignete elektrische Signale und verstärkt sie. Die Ausgangsspannung
des Vorverstärkers wird mit Hilfe von Filtern 60 und 61 in zwei Anteile zerlegt.
Das Filter 60 läßt nur denjenigen Anteil des Signals durch, der eine Frequenz
2 f aufweist, wo f die an die Klemmen 32 und 33 angelegte Netzfrequenz
ist. Das kann entweder mittels eines Bandpasses für die Frequenz 2 f oder mittels
eines Hochpasses geschehen, der alle Frequenzen unterhalb 2 f abschneidet. Das Filter
61 läßt nur diejenige Komponente durch, die die Frequenz f aufweist. Dies kann beispielsweise
mittels eines Tiefpasses geschehen. Das Filter 60 arbeitet auf einen Phasendiskriminator
62. Der Phasendiskriminator 62 ist ferner mit dem Ausgang eines Frequenzvervielfachers
63 verbunden, der ein konstantes Signal mit der Frequenz 2 f abgibt. Am Ausgang
des Phasendiskriminators 62 tritt ein Gleichstrom auf, dessen Amplitude proportional
zur Phasenverschiebung des Signals von 60 gegen das Signal von 63 ist. Die Richtung
der Phasenverschiebung bestimmt die Polarität des am Ausgang des Diskriminators
62 auftretenden Signals, während die Größe der Phasenverschiebung die Amplitude
dieses Signals bestimmt. Diese umkehrbare Gleichspannung wird im Verstärker 64 verstärkt
und einem Gleichstromstellmotor 65 zugeführt, der damit eine Drehungsrichtung und
eine Geschwindigkeit aufweist, die von der Amplitude und Polarität des Signals abhängen.
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Das Filter 61 arbeitet auf einen Phasendetektor 66, der das Signal
mit der Netzfrequenz f vergleicht. Die Polarität seines Ausgangssignals ist von
der Phasenbeziehung zwischen der Netzfrequenz und dem am Filter 61 auftretenden
Signal mit der Frequenz f abhängig. Die Amplitude dieses Signals hängt von der Amplitude
des Signals am Ausgang von Filter 61 ab. Diese Gleichspannung wird im Verstärker
67 verstärkt und der einen Ständerwicklung eines Drehtransformators 68 zugeführt.
Die andere Ständerwicklung wird über das Potentiometer 60 mit einem Gleichstrom
von der Gleichspannungsquelle 69 versorgt. Durch Verstellung des Potentiometers
70 läßt sich die Gleichspannung an dieser Wicklung einstellen. Der Läufer dieses
Drehtransformators befindet sich auf der gleichen Welle wie der Läufer des Stellmotors
65, weshalb die Läuferstellung des Drehtransformators 68 durch den Stellmotor 65
bestimmt wird.
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Die Ausgangsspannungen des Läufers von 68 werden auf die Motoren 52
und 53 gegeben. Eine Wicklung des Läufers von 68 ist also unmittelbar oder über
einen Verstärker mit dem Motor 52 verbunden, während die andere, dazu rechtwinklige
Wicklung des Läufers von 68 mit dem Motor 53 verbunden ist.
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Ebenfalls auf der gleichen Welle wie der Läufer des Drehtransformators
68 befindet sich der Läufer des Drehtransformators 35 aus Fig. 4. Der Ständer dieses
Drehtransformators wird wieder mit der Frequenz f von den Netzklemmen 32 und 33
gespeist, wobei in die Zuleitung zu der einen Ständerwicklung der Kondensator 40
eingeschaltet ist. Die Ausgangsspannung des Läufers dieses Drehtransformators 35
erscheint an den Klemmen 41, 42 und 43, die gemäß Fig. 3 und 4 mit den Klemmen 25,
27, 31 und 28 der Elektromagnete nach Fig. 3 verbunden sind.
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Im Betrieb erzeugt das Signal vom Filter 60 mit der Frequenz 2 f nach
dem Phasenvergleich mit dem Signal vom Vervielfacher 63 mit der Frequenz 2 f eine
Gleichspannung veränderbarer Polarität, die eine Drehung des Stellmotors 65 in einer
Richtung und mit einer Geschwindigkeit hervorruft, die von der Polarität und Amplitude
des Signals abhängt. Diese Drehung des Stellmotors entspricht einer Drehung der
Bezugslinie in der Abtastvorrichtung und verstellt somit die Lage der Photozelle
10 in ihre Kreisbahn relativ zur Phase des an den Klemmen 32 und 33 zugeführten
Wechselstromes. Solange ein Signal am Eingang des Verstärkers 64 auftritt, dreht
sich der Stellmotor 65 weiter. Er bleibt erst stehen, wenn die Richtung der auf
dem Schirm 54 entworfenen Linie in bestimmter Beziehung zur Kreisbahn der Photozelle
10 steht. Wenn die Anordnung z. B. so eingestellt ist, daß das Signal am Ausgang
des Verstärkers 64 verschwindet, wenn die erwähnte Bezugslinie mit der projizierten
Linie zusammenfällt, so dreht sich der Stellmotor 65 so lange weiter, bis die Bezugslinie
parallel zur abgetasteten Linie ist. Gleichzeitig stellt die Ausgangsspannung des
Phasendetektors 65 ein Maß für den Abstand des Bahnmittelpunkts der Photozelle 10
von der abgetasteten Linie dar. Die Ausgangsspannung des Verstärkers 67 ist proportional
zum senkrechten Abstand dieses Punktes von der Linie und hängt in ihrer Polarität
von der Richtung der Senkrechten ab. Im Drehtransformator 68 erzeugt dieses Signal
zwei Koordinatenspannungen, die der erforderlichen Rück-Bewegung des Abtastkopfes
entsprechen, bis sein Umlaufmittelpunkt sich wieder über der abgetasteten Linie
befindet.
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Das vom Potentiometer 70 her kommende Signal bestimmt die Geschwindigkeit,
mit welcher der Abtastkopf parallel zur Linie fortschreitet. Die beiden Anteile
vom Potentiometer 70 und dem Verstärker 67 werden dann durch den Drehtransformator
68 in X-und Y-Richtung zerlegt und die entsprechenden Spannungen den X- und Y-Motoren
52 und 53 zugeführt. Sie bewirken, daß der Umlaufmittelpunkt des Abtastkopfes sich
so bewegt, daß er unmittelbar über die abgetastete Linie zu stehen kommt und gleichzeitig
längs der nachzufahrenden Linie mit einer Geschwindigkeit fortschreitet, die durch
die Einstellung des Potentiometers 70 gegeben ist.