DE19505982A1

DE19505982A1 - Berührungslos arbeitender Positionssensor mit Nonius

Info

Publication number: DE19505982A1
Application number: DE1995105982
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Winter
Original assignee: Wincor Nixdorf International GmbH
Current assignee: Canon Production Printing Germany GmbH and Co KG
Priority date: 1995-02-21
Filing date: 1995-02-21
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2015-02-22
Also published as: DE19505982C2

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Erfassung der Position eines relativ zu einem ortsfesten Bezugsmaßstab bewegten Elements, insbesondere einer Spannrolle in einem Schlaufenzieher einer elektrografischen Druckeinrichtung.

Bei elektrografischen Druckeinrichtungen, die mit Endlospa pier arbeiten, ist es üblich, als mechanische Speicherein richtung für den Aufzeichnungsträger Schlaufenzieher aus einer Umlenkrolle und einer relativ zur Umlenkrolle ver schieblichen Spannrolle zu verwenden, über die der Aufzeich nungsträger geführt wird. Ein derartiger Schlaufenzieher ist beispielsweise aus der EP-B1-0154695 bekannt. Er dient als Ruckdämpfer beim Druckstart oder als Speicher zwischen zwei gekoppelten Druckern.

Um den Betriebszustand des Schlaufenziehers zu ermitteln ist es üblich, die Position der Spannrolle über zwei im Bewe gungsbereich der Spannrolle angeordnete optische Positions sensoren zu erfassen und diese Position in Form eines elek trischen Signals der Gerätesteuerung zu übermitteln. Die Spannrolle pendelt dabei zwischen den durch die Sensoren erfaßten Grenzpositionen hin und her.

Dies hat den Nachteil, daß die genaue Position der Spannrolle nur in den Grenzpositionen am Ort der Sensoren bekannt ist.

Für verschiedene Anwendungszwecke, z. B. in Geräten, wie sie aus der WO 94/27193 bekannt sind, ist dies nicht ausreichend.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine berührungslos arbeitende Anordnung zur Erfassung der Position eines relativ zu einem ortsfesten Bezugsmaßstab bewegten Elements bereitzu stellen, die eine exakte Positionsermittelung ermöglicht.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des ersten Patentan spruchs gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Durch die Verwendung eines ortsfesten Bezugmaßstabes aus einer Folge von in definiertem Abstand angeordneten Abtast elementen mit an der gleichen Stelle angeordneten Markierungen in Form von Magneten in Verbindung mit einem an dem bewegten Element befestigten Nonius auf dem entsprechende Noniusab tastelemente und eine Markierung in Form eines Magneten angeordnet sind, lassen sich Abtastsignale gewinnen, die bei entsprechender Auswertung über einen Mikroprozessor eine genaue berührungslose Lagebestimmung des bewegten Elementes auf dem Bezugsmaßstab ermöglichen.

Durch die Verwendung des Nonius wird die Anzahl der als Bezugsmaßstab erforderlichen Abtastelemente wesentlich redu ziert und trotzdem eine hohe Meßgenauigkeit erreicht.

Von Vorteil ist es, weiterhin als Abtastelemente Hallschalter und als Markierungen Magneten zu verwenden, da diese gegen über optischen Störeinflüssen, wie Papierstaub oder sonstige Verschmutzung, unempfindlich sind. Die Anordnung ist deshalb auch wegen ihrer mechanischen Robustheit besonders für den Einsatz in einer Druckeinrichtung geeignet.

Die Anordnung kann in einfacher Weise an beliebige Bewegungs richtungen des bewegten Elements angepaßt werden. Damit ist auch eine Abtastung bei Kurvenbewegung möglich.

Durch mehrreihige Anordnung der Abtastelemente, z. B. vierreihig anstatt der gezeigten zweireihigen Anordnung, läßt sich die Meßgenauigkeit einfach erhöhen.

Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden beispielsweise näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Anordnung eines Positionssensors mit Nonius in einem Schlaufenzieher einer elektrofotografischen Druckeinrichtung, wobei der obere Teil der Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Schlaufenziehers zeigt und der untere Teil eine Draufsicht.

Fig. 2 eine schematische vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Bereiches A der Fig. 1 mit dem Nonius des Positionssen sors und

Fig. 3 und 4 verschiedene Ausführungsformen einer die Positionssensorsignale auswertenden Auswerteanordnung.

Eine elektrofotografische Druckeinrichtung weist im Papier führungskanal einen Schlaufenzieher 10 auf mit einer ortsfe sten Umlenkrolle 11 und einer relativ zu dieser Umlenkrolle 11 verschieblichen Spannrolle 12. Ein Aufzeichnungsträger in Form eines Endlospapieres 13 wird ausgehend von einem Papier einlaufbereich 14 über Umlenkrolle 11 und Spannrolle 12 zu einem Papierauslaufbereich 15 geführt. Je nach Betriebszu stand der Druckeinrichtung wird die Spannrolle 12 über den Aufzeichnungsträger 13 entgegen der Kraft- und Federelementen 16 ausgelenkt und so beim Start der Druckeinrichtung eine zu hohe mechanische Belastung des Aufzeichnungsträgers 10 ver mieden. Zur Ermittelung der genauen Position der Spannrolle 12 und damit der Länge des in dem Schlaufenzieher 10 enthal tenen Aufzeichnungsträgers weist der Schlaufenzieher 10 eine berührungslos arbeitende Positionssensoranordnung mit Nonius auf. Diese besteht aus einem am Gehäuseboden 17 des Schlau fenziehers angeordneten Bezugsmaßstab aus einer Folge von im gleichen Bezugsabstand L1 angeordneten Bezugsabtastelementen H0-H9 in Form von Hallschaltern. In der gleichen Position, wie die Hallschalter H0 bis H9, sind Markierungen S0-S9 in Form von kleinen Magnetelementen angeordnet.

An der Spannrolle 12 befestigt ist ein Nonius, der zusammen mit der Spannrolle bei der Bewegung der Spannrolle die Be zugsabtastelemente H0-H9 mit zugehörigen Markierungen S0-Sn im Abstand überstreicht. Der Nonius N besteht aus einer Trägerplatte 18 mit unterhalb der Trägerplatte gegenüber dem Bezugsmaßstab angeordneten Abtast- und Sendeelementen. Als ein von den Bezugsabtastelementen H0-H9 abgetastetes Noniussendeelement bzw. Noniusmarkierung ist ein Magnet 19 angeordnet mit einer Länge, die kürzer ist als der Abstand L1 der Hallschalter H0-H9 auf dem Bezugsmaßstab. Weiterhin enthält der Nonius in der gleichen Ebene eine Folge von Noniusabstastelemente PH0-PH9 in Form von Hallschaltern, die zweireihig versetzt zueinander angeordnet sind und zwar mit einem konstanten Horizontalabstand L2 zueinander. Die Länge der von der Folge der Noniusabtastelemente PH0-PH9 überstri chenen Abtastzone entspricht dem Abstand L1 zwischen den Abtastelementen H0-H9 des Bezugmaßstabs. Damit unterteilt die Folge der Noniusabtastelemente PH0-PH9 den Abstand L1 im Sinne eines Nonius, also eines Untermaßstabs, wobei die Summe der Abstände L2 einem Abstand L1 entspricht. Die Hallschalter PH0-PH9 bzw. H0-H9 haben quadratische Sensorflächen, wobei als Abstand L1 bzw. L2 der Horizontalabstand zwischen den Mitten der einzelnen Sensorflächen bezeichnet ist. Die 0 No niusabtastelemente PH0-PH9 sind so angeordnet, daß sie die Magnete S0-SN des Bezugsmaßstabes überstreichen. Das Nonius sendeelement 19 in Form eines Magnetes wiederum so, daß es die Hallschalter H0-H9 des Bezugsmaßstabes überstreicht und von diesen erfaßt wird.

Die Position der Noniusmarkierung in Form des Magneten 19 und damit die Position der Spannrolle 12 ist bei der angenommenen Zählrichtung bestimmt durch die Formel:

Rollen-Position = n × L1 + m × L2

wobei n den Index 0-9 der Hallschalter H0-H9 des Bezugsmaß stabes bezeichnet. m den Index 0-9 der Hallschalter PH0-PH9 des Nonius 18.

In dem dargestellten Beispiel der Fig. 2 wird der Hallschal ter H6 von dem Magnet 19 auf der Platte abgedeckt und damit erregt und liefert so ein entsprechendes Positionssignal entsprechend der Position 6 × L1. Der Hallschalter PH0 der Noniusabtastelemente PH0-PH9 wird von dem ortsfesten Magneten S6 der Markierungen S0-S9 erregt, der dem Hallschalter H6 zugeordnet ist. Damit liefert er ein dem Noniusabstand 0 × L2 entsprechendes Positionssignal. Für die gesamte Rollenposition ergibt sich somit eine Position entsprechend 6 × L1 + 0 × L2. Anders ausgedrückt wird über den Magneten 19 in Verbindung mit den Hallschaltern H0-H9 des Bezugsmaßstabes ein Rasterabstand ermittelt und über die Noniushallschalter PH0-PH9 in Verbindung mit den Magneten S0-Sn des Bezugsmaßstabes die Zwischenposition zwischen dem Raster des Bezugsmaßstabes. Die Summe ergibt den Abstand zwischen dem Hallschalter H0 des Bezugsmaßstabes und der Position der Spannrolle 12 und damit deren Ort.

Die Auswertung der von den Noniusabtastelementen PH0-PHn und den Bezugsabtastelementen H0-Hn gelieferten Ausgangssignale kann mit Hilfe einer Auswerteanordnung mit zugehöriger Re cheneinheit erfolgen, wie sie in den Fig. 3 und 4 darge stellt ist. Die Hallschalter der Fig. 3 sind dabei mit Umsetzern U1 und U2 gekoppelt, die die parallelen digitalen Ausgangssignale der einzelnen Hallschalter H0-H9 bzw. PH0-PH9 umsetzen und einem µ-Prozessor µP einer Gerätesteuerung des Gerätes zuführen, die die entsprechende Position errechnet und als Positionssignal verarbeitet.

Die Umsetzer U1 und U2 können nun verschieden ausgestaltet sein. In einem ersten Fall werden die parallelen digitalen Ausgangssignale der einzelnen Hallschalter durch zwei Multi plexer getrennt in serielle digitale Signale umgewandelt und an den Prozessor weitergegeben. In einem zweiten Fall werden die parallelen digitalen Ausgangssignale der einzelnen Hall schalter durch zwei Digital-Analog-Wandler getrennt in analo ge Signale umgewandelt und an den Prozessor weitergegeben. In einem dritten Fall wiederum werden die parallelen digitalen Ausgangssignale der einzelnen Hallschalter durch zwei D/F- Wandler getrennt in frequenzabhängige digitale Signale umge wandelt und an den Prozessor weitergegeben. Im Prozessor µP der Gerätesteuerung werden die Signale verknüpft und die tatsächliche Position berechnet und entsprechend verarbeitet.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 4 erfolgt die Signal verarbeitung der parallelen digitalen Signale der Hallschal ter H0-H9 und PH0-PH9 direkt in einem Mikroprozessor µP1. Die Verknüpfung mit dem Mikroprozessor µP der Gerätesteuerung GS erfolgt über einen digitalen Datenbus.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der berüh rungslos arbeitende Positionssensor mit Nonius in einem Schlaufenzieher zur Ermittelung der Position der Spannrolle verwendet. Er ist jedoch auch zur Ermittelung der Position jedes anderen relativ zu dem Bezugsmaßstab bewegten Elementes verwendbar, z. B. zur Ermittelung der Position eines Stell elementes in einer Maschine oder zur Ermittelung der Auslen kung einer Feder oder dergleichen. Weiterhin können als Abtast- und Sendeelemente auch optische Elemente, z. B. LED′s, optisch abtastfähige Markierungen und optische Sensor flächen verwendet werden oder andere geeignete elektronische Abtast- und Sendeelemente.

Bezugszeichenliste

10 Schlaufenzieher
11 ortsfeste Umlenkrolle
12 Spannrolle
13 Aufzeichnungsträger, Papier
14 Papiereinlaufbereich
15 Papierauslaufbereich
16 Feder
17 Bodenplatte des Schlaufenziehers
18 Trägerplatte des Nonius
19 Magnet
H0-H9 Bezugsabtastelemente, Hallschalter
S0-S9 Markierungen, Magnete
N Nonius
PH0-PH9 Noniusabtastelemente, Hallschalter
L1 Abstand der Hallschalter H0-H9 des Bezugsmaßstabs
L2 Abstand der Hallschalter PH0-PH9 des Nonius
U1, U2 Umsetzer
µP Mikroprozessor
µP1 Mikroprozessor
BUS Datenbus
GS Gerätesteuerung

Claims

1. Anordnung zur Erfassung der Position eines relativ zu einem ortsfesten Bezugsmaßstab bewegten Elements (12) mit

- einem ortsfesten Bezugsmaßstab aus einer Folge von in einem vorgegebenen Bezugsabstand (L1) angeordneten Bezugsabtast elementen (H0-Hn) mit zugeordneten abtastfähigen Markierun gen (S0-Sn),
- einem mit dem bewegten Element (12) verbundenen Nonius (N), der einen Abtastbereich mit einer Folge von in einem No niusabstand (L2) angeordneten, die Markierungen (S0-Sn) abtastende Noniusabtastelemente (PH0-PHn) und eine von den Bezugsabtastelementen (H0-Hn) des Bezugmaßstabs abgetastete Noniusmarkierung (19) aufweist, wobei der Abtastbereich etwa dem Bezugsabstand (L1) entspricht und
- einer mit den Bezugsabtastelementen (H0-Hn) und den Nonius abtastelementen (PH0-PHn) gekoppelten elektronischen Aus werteanordnung mit zugeordneter Recheneinrichtung zur Er zeugung eines der Position des bewegten Elements (12) zugeordneten Positionssignals durch Überlagerung von Bezugsmaßstab und Nonius.

2. Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Noniusabtastelemente (PH0-PHn) und/oder die Bezugsabtastelemente (H0-Hn) mehrrei hig angeordnet sind.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Abtastelemente (H0-Hn, PH0-PHn) als Hallschalter und die Markierungen (S0-Sn, 19) als Magnete ausgebildet sind.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit die parallelen digitalen Ausgangssignale der Bezugsabtast elemente (H0-Hn) und der Noniusabtastelemente (PH0-PHn) jeweils getrennt in serielle digitale Signale umwandelnden Multiplexern (U1, U2), die mit einem Mikroprozessor (µP) gekoppelt sind.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit die parallelen digitalen Ausgangssignale der Bezugsabtastele mente (H0-Hn) und der Noniusabtastelemente (PH0-PHn) jeweils getrennt in analoge Signale umwandelnden D/A Wandlern (U1, U2), die mit einem Mikroprozessor (µP) gekoppelt sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit die parallelen digitalen Ausgangssignale der Bezugsabtastele mente (H0-Hn) und der Noniusabtastelemente (PH0-PHn) jeweils getrennt in frequenzabhängige digitale Signale umwandelnden D/F Wandlern (U1, U2), die mit einem Mikroprozessor (µP) gekoppelt sind.

7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einem die parallelen digitalen Ausgangssignale der Bezugsabtastele mente (H0-Hn) und der Noniusabtastelemente (PH0-PHn) direkt verarbeitenden Mikroprozessor (µP1), der über einen digitalen Datenbus (BUS) mit der Gerätesteuerung (GS) des Geräts gekop pelt ist.