DE60036054T2

DE60036054T2 - Gerät zur Erfassung der Position eines Objekts relativ zu einer Fläche

Info

Publication number: DE60036054T2
Application number: DE60036054T
Authority: DE
Inventors: David D. Fort Collins Bohn
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1999-06-30
Filing date: 2000-05-25
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2020-05-26
Also published as: DE60036054D1; EP1067756B1; JP3549465B2; EP1067756A3; JP2001056216A; EP1067756A2; US6229297B1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung und insbesondere auf eine Vorrichtung zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Abtasters relativ zu der Oberfläche eines Objekts, das abgetastet wird.
Hintergrund der Erfindung
Positionssensoren werden bei verschiedenartigen Anwendungen verwendet, um die Position von Objekten relativ zu Oberflächen zu bestimmen. Zum Beispiel verwenden einige Abtastvorrichtungen (hierin manchmal einfach als Abtaster bezeichnet) Positionssensoren, um die Position des Abtasters relativ zu einem Dokument, das abgetastet wird, zu bestimmen. Bei einem anderen Beispiel verwenden einige Drucker Positionssensoren, um die Position von Papier, auf das gedruckt wird, relativ zu der Vorrichtung in dem Drucker, die tatsächlich auf das Papier druckt, z. B. einem Druckwagen, zu bestimmen.
Ein Abtaster ist eine Vorrichtung, die ein Bild eines Objekts, z. B. eine Textseite, in maschinenlesbare Bilddaten (hierin manchmal einfach als Bilddaten bezeichnet) umwandelt, hierin einfach als Bilddaten bezeichnet. Einige Abtaster wandeln einen engen Abtastlinienabschnitt des Bildes des Objekts in Bilddaten um. Um Bilddaten zu erzeugen, die für das Bild des gesamten Objekts repräsentativ sind, wird der Abtaster relativ zu dem Objekt bewegt. Wenn der Abtaster relativ zu dem Objekt bewegt wird, erzeugt der Abtaster Bilddaten, die für eine Anhäufung von sequentiellen Abtastlinienabschnitten des Bildes des Objekts repräsentativ sind. Das Bild des Objekts wird somit als diese Anhäufung von sequentiellen Abtastlinienabschnitten des Objekts repräsentiert, ähnlich einer Videoanzeige des Objekts.
Die Bilddaten werden typischerweise durch einen Computer, der verwendet werden kann, um das Bild des Objekts zu reproduzieren oder zu modifizieren, verarbeitet und in demselben gespeichert. Zum Beispiel können die Bilddaten über eine Datenleitung an einen anderen Computer oder eine Faksimilemaschine übertragen werden, die das Bild des Objekts reproduziert. In dem Falle, in dem das Objekt eine Textseite ist, kann das Bild des Textes in den Computer eingegeben werden und durch ein Wortverarbeitungsprogramm editiert werden.
Um die Bilddaten ordnungsgemäß zu verarbeiten, ist es wesentlich, dass der Computer weiß, wo die Abtastlinien in Relation zu der Oberfläche des Objekts erzeugt wurden. Ein Bestimmen der Positionen an dem Objekt, von wo die Abtastlinien erzeugt wurden, kann durch ein Bestimmen der Position oder der Geschwindigkeit des Abtasters relativ zu dem Objekt erreicht werden, wenn die Bilddaten erzeugt werden. Die Bilddaten, die die Abtastlinien repräsentieren, können elektronisch mit den Stellen der Abtastlinien relativ zu der Oberfläche oder relativ zueinander etikettiert werden. Während eines Verarbeitens kann der Computer dann die Abtastlinien relativ zueinander ordnungsgemäß platzieren, um das Bild des Objekts zu reproduzieren.
Die Stellen der Abtastlinien relativ zu der Oberfläche des Objekts werden durch den Computer verwendet, um das Bild des Objekts zu reproduzieren. Ein Aspekt des Reproduzierens des Bildes des Objekts besteht in einem Bestimmen der Größe des Objekts in der Dimension, die durch die Bewegung des Abtasters relativ zu der Oberfläche des Objekts definiert wird. Wenn der Abtaster z. B. 1000 Abtastlinien pro Sekunde erzeugt und die relative Geschwindigkeit zwischen dem Abtaster und dem Objekt bei 2,54 cm (1 Zoll) pro Sekunde festgelegt wird, verarbeitet der Computer die Bilddaten basierend auf jeder Abtastlinie, die 0,00254 cm (1/1000 Zoll) des Bildes des Objekts repräsentiert. Wenn sich die relative Geschwindigkeit jedoch verringert und die verringerte Geschwindigkeit nicht genau an den Computer überbracht wird, wird der Computer weiterhin die Bilddaten verarbeiten, als ob jede Abtastlinie einen Eintausendstel Zoll des Bildes des Objekts repräsentieren würde. Dies führt dazu, dass das Bild des Objekts, das durch die Bilddaten repräsentiert wird, komprimiert ist, was keine genaue Repräsentation des Objekts darstellt. Wenn die relative Geschwindigkeit andererseits erhöht ist und die erhöhte Geschwindigkeit nicht genau an den Computer überbracht wird, wird das Bild des Objekts, das durch die Bilddaten repräsentiert wird, ein erweitertes Bild des Objekts darstellen, was ebenfalls ungenau ist.
Einige Abtaster verwenden Rollermechanismen, um Informationen zu erzeugen, die sich auf die Position des Abtasters relativ zu der Oberfläche des Objekts, das abgetastet wird, beziehen. Diese Positionsinformationen werden verarbeitet, um zu bestimmen, wo die Abtastlinien in Relation zu der Oberfläche des Objekts erzeugt worden sind. Der Rollermechanismus berührt das Objekt und dreht sich, wenn der Abtaster relativ zu dem Objekt bewegt wird. Der Abtaster misst die Drehung des Rollermechanismus, um die Position des Abtasters relativ zu dem Objekt zu bestimmen. Jedoch liefern Rollermechanismen keine direkte Messung der Position des Abtasters relativ zu dem Objekt. Stattdessen wird die Positionsmessung aus der Drehung des Rollermechanismus abgeleitet, was Ungenauigkeiten zu der Positionsmessung hinzufügen kann. Ferner beruht der Rollermechanismus auf einer Reibung zwischen dem Rollermechanismus und dem Objekt, um die Drehung aufrechtzuerhalten. Wenn die Reibung aus irgendeinem Grunde verringert ist, kann der Rollermechanismus eventuell gleiten, anstatt sich zu drehen, was bewirkt, dass die Positionsmessung und folglich das Bild, das durch die Bilddaten repräsentiert wird, ungenau sind.
Andere Abtaster verwenden eine Optik, um die Position des Abtasters relativ zu dem Objekt zu bestimmen. Zum Beispiel bilden optische Detektoren, die an dem Abtaster angebracht sind, kontinuierlich kleine zweidimensionale Bereiche des Objekts ab und übertragen Bilddaten, die für diese Bereiche repräsentativ sind, an einen Computer. Der Computer identifiziert ausgeprägte Merkmale des Objekts, die sich in diesen abgebildeten Bereichen befinden, und speichert die Stellen dieser ausgeprägten Merkmale relativ zu den optischen Detektoren. Diese ausgeprägten Merkmale können z. B. Variationen bei der Oberfläche von Papier sein, die durch Fasermaterial verursacht werden, das bei der Herstellung von Papier verwendet wird. Wenn der Abtaster relativ zu dem Objekt bewegt wird, bewegen sich diese ausgeprägten Merkmale relativ zu den optischen Detektoren. Der Computer identifiziert die Richtung und die Menge der Bewegung dieser ausgeprägten Merkmale relativ zu den optischen Detektoren, um die Position, die Bewegungsrichtung und die Geschwindigkeit des Abtasters relativ zu dem Objekt zu bestimmen.
Abtaster, die diese optischen Detektoren verwenden, erfordern jedoch weitreichende Verarbeitungsfähigkeiten, um ausgeprägte Merkmale an dem Objekt zu identifizieren und die Bewegung der ausgeprägten Merkmale relativ zu den optischen Detektoren zu bestimmen. Diese weitreichenden Verarbeitungsfähigkeiten erhöhen die Kosten und die Komplexität des Abtasters. Ein anderes Problem bei diesen optischen Detektoren besteht darin, dass die Bereiche an dem Objekt, die dieselben abbilden, beleuchtet sein sollen, um bestimmte Merkmale an dem Objekt zu erfassen. Diese Zusatzbeleuchtung erhöht den Leistungsaufwand des Abtasters über den Aufwand hinaus, der üblicherweise erforderlich ist, um das Objekt abzutasten. Diese Zusatzleistungsanforderung ist für tragbare Abtaster, die auf tragbaren Leistungsversorgungen beruhen, inhärent nachteilig. Ferner erfordern die optischen Detektoren, dass zusätzliche optische Komponenten, z. B. Linsen, bei dem Abtaster verwendet werden, was die Kosten und die Komplexität des Abtasters erhöht.
Das US-Patent Nr. 3,056,209 beschreibt eine Vorrichtung zum Messen von Oberflächenkonturen, die eine Mehrzahl von Wandlern aufweist, die den Abstand Y(X) von einer Referenzebene messen, wenn die Vorrichtung sich mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit entlang einer Oberfläche bewegt. Das US-Patent Nr. 5,222,034 beschreibt eine Koordinatenmessmaschine, die eine Positionserfassungsvorrichtung aufweist, die Signale ausgibt, die die relative Positionierung zwischen einer Sonde und einem Arbeitsstück angeben.
Somit besteht ein Bedarf nach einem Positionssensor, der die Geschwindigkeit eines ersten Objekts relativ zu einer Oberfläche eines zweiten Objekts direkt und genau misst und einen minimalen Leistungs- und Verarbeitungsaufwand erfordert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung ist in den beigefügten Ansprüchen definiert.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine abgeschnittene schematische Oberdarstellung eines Abtasters, der einem Dokument zugeordnet ist;
2 ist eine abgeschnittene Seitenansicht des Abtasters von 1, die einen Positionssensor darstellt, der einem Dokument zugeordnet ist;
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen der Position und der Geschwindigkeit des Positionssensors relativ zu dem Dokument von 1 darstellt;
4 ist ein Graph, der Messungen des Positionssensors von 1 zeigt;
5 ist eine schematische Darstellung, die die Bewegung des Abtasters von 1 relativ zu der Stelle des Positionssensors zeigt; und
6 ist eine schematische Darstellung, die die Positionen einer Mehrzahl von Positionssensoren darstellt, die an einem Objekt angebracht sein können.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 bis 6 stellen im Allgemeinen eine Positionserfassungsvorrichtung 200 zum Bestimmen der Position eines Objekts 100 relativ zu einer ersten Achse 350 dar, wobei die erste Achse 350 sich an einer Oberfläche 310 befindet. Die Positionserfassungsvorrichtung 200 weist folgende Merkmale auf: ein erstes Profilometer 210, das an dem Objekt 100 angebracht ist; ein zweites Profilometer 204, das an dem Objekt 100 in einem vorbestimmten Abstand 236 von dem ersten Profilometer 210 angebracht ist; wobei das erste Profilometer 210 und das zweite Profilometer 210 entlang einer zweiten Achse angeordnet sind; und wobei die erste Achse 350 im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ist.
1 bis 6 stellen im Allgemeinen auch eine Positionserfassungsvorrichtung 200 zum Bestimmen der Position eines Objekts 100 relativ zu einer ersten Achse 350 dar, wobei die erste Achse 350 an einer Oberfläche 310 angeordnet ist. Die Positionserfassungsvorrichtung 200 weist folgende Merkmale auf: einen ersten Wandler 250, der wirksam einer ersten Nadel 252 zugeordnet ist, die an dem Objekt 100 angebracht ist; einen zweiten Wandler 206, der wirksam einer zweiten Nadel 212 zugeordnet ist, die an dem Objekt 100 angebracht ist, wobei die erste Nadel 252 in einem vorbestimmten Abstand 236 von der zweiten Nadel 212 angeordnet ist; wobei die erste Nadel 252 und die zweite Nadel 212 entlang einer zweiten Achse angeordnet sind; und wobei die erste Achse 350 im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ist.
1 bis 6 stellen im Allgemeinen auch eine Positionserfassungsvorrichtung 200 zum Bestimmen der Position eines Objekts 100 relativ zu einer ersten Achse 350 dar, wobei die erste Achse 350 an einer Oberfläche 310 angeordnet ist. Die Positionserfassungsvorrichtung 200 weist folgende Merkmale auf: ein erstes optisches Profilometer, das an dem Objekt 100 angebracht ist; ein zweites optisches Profilometer, das an dem Objekt 100 angebracht ist, wobei das erste optische Profilometer in einem vorbestimmten Abstand von dem zweiten optischen Profilometer angeordnet ist; wobei das erste optische Profilometer und das zweite optische Profilometer entlang einer zweiten Achse angeordnet sind; und wobei die erste Achse 350 im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ist.
1 bis 6 zeigen im Allgemeinen auch ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Objekts 100 relativ zu einer ersten Achse 350, wobei die erste Achse 350 an einer Oberfläche 310 angeordnet ist. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: Bereitstellen einer ersten Tiefenmessvorrichtung 210, die an dem Objekt 100 befestigt ist; Bereitstellen einer zweiten Tiefenmessvorrichtung 204, die an dem Objekt 100 befestigt ist, wobei die zweite Tiefenmessvorrichtung 204 in einem vorbestimmten Abstand 236 entlang einer zweiten Achse von der ersten Tiefenmessvorrichtung 210 beabstandet ist, wobei die erste Achse 350 im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ist; Bewirken einer relativen Bewegung zwischen dem Objekt 100 und der Oberfläche 310 entlang der ersten Achse 350; Messen der Tiefe der Oberfläche 310 mit der ersten Tiefenmessvorrichtung 210 und der zweiten Tiefenmessvorrichtung 204; Durchführen einer Analyse der Tiefe der Oberfläche 310, die von der ersten Tiefenmessvorrichtung 210 und der zweiten Tiefenmessvorrichtung 204 gemessen wird, um die Geschwindigkeit des Objekts 100 relativ zu der Oberfläche 310 zu bestimmen.
Nachdem der Positionssensor 200 allgemein beschrieben worden ist, wird derselbe nun zusammenfassend beschrieben. Eine detailliertere Beschreibung einer Bilderzeugungsvorrichtung 100, die den Positionssensor 200 enthält, folgt dieser zusammenfassenden Beschreibung. Die Bilderzeugungsvorrichtung 100 wird hierin manchmal einfach als Abtaster bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung des Positionssensors 200, der in dem Abtaster 100 enthalten ist, lediglich Darstellungszwecken dient und der Positionssensor 200 bei anderen Vorrichtungen verwendet werden kann, um die Position eines Objekts relativ zu einer Oberfläche zu bestimmen.
1 stellt eine abgeschnittene Oberansicht des Abtasters 100 dar, der die Oberfläche 310 eines Papierblattes 300 abtastet, wobei auf die Oberfläche 310 ein Text 360 gedruckt wird. Spezifischer ausgedrückt stellt 1 die Standfläche des Abtasters 100 und die Stellen der zwei Positionssensoren 200 in dem Abtaster 100 dar. Der Abtaster 100 erzeugt maschinenlesbare Bilddaten (hierin manchmal einfach als Bilddaten bezeichnet) eines Objekts, das bei 1 die Oberfläche 310 des Papierblatts 300 ist. Ein Erzeugen von Bilddaten, die für ein Bild eines Objekts repräsentativ sind, wird manchmal als „Bilderzeugung" oder „Abtasten" des Objekts bezeichnet. Der hierin beschriebene Abtaster 100 ist ein Abtaster vom tragbaren Typ, bei dem ein Benutzer eine relative Bewegung zwischen dem Abtaster 100 und der Oberfläche des Objekts bewirkt, wenn das Objekt abgetastet wird.
Der Abtaster 100 kann Bilddaten erzeugen, die einen engen Abtastlinienabschnitt 362 der Oberfläche 310 repräsentieren. Der Abtastlinienabschnitt 362 kann in einer festen Position relativ zu dem Abtaster 100 angeordnet sein und ist entlang der Referenzlinie CC in 1 ausgerichtet. Der Abtaster 100 ist in 1 als in eine Richtung 350 relativ zu der Oberfläche 310 bewegt dargestellt, wenn die Bilddaten erzeugt werden. Die Richtung 350 ist im Allgemeinen senkrecht zu dem Abtastlinienabschnitt 362. Wenn der Abtaster 100 bewegt wird, erzeugt der Abtaster 100 periodisch Bilddaten, die für das Bild der Abtastlinienabschnitten 362 der Oberfläche 310 repräsentativ sind. Die Bilddaten, die diese Abtastlinienabschnitte 362 repräsentieren, werden von dem Abtaster 100 in einer herkömmlichen Datenspeichervorrichtung gespeichert. Nachdem der Abtaster 100 über die Oberfläche 310 bewegt worden ist, hat der Abtaster 100 Bilddaten erzeugt, die eine Mehrzahl von Abtastlinienabschnitten 362 der Oberfläche 310 repräsentieren, und die Bilddaten in der Datenspeichervorrichtung gespeichert.
Um das Bild der Oberfläche 310 ordnungsgemäß zu reproduzieren, muss der Abtaster 100 diese Abtastlinienabschnitte, die durch die Bilddaten repräsentiert werden, anordnen, so dass die Bilddaten das Bild der Oberfläche 310 reproduzieren. Folglich muss der Abtaster 100 wissen, von wo die Abtastlinienabschnitte 362 der Oberfläche 310 relativ zu der Oberfläche 310 erzeugt wurden.
Ein Bestimmen der Stellen der Abtastlinienabschnitte relativ zu der Oberfläche 310 ist mit dem Abtaster 100 außerordentlich schwierig, da die Bewegung des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 durch eine manuelle Bewegung, die durch einen Benutzer geliefert wird, gesteuert wird. Die relative Bewegung zwischen dem Abtaster 100 und der Oberfläche 310 ist aufgrund der menschlichen Mitwirkung üblicherweise erratisch. Somit muss der Abtaster 100 eine Einrichtung aufweisen, um die Position desselben relativ zu der Oberfläche 310 zu bestimmen, wenn die Abtastlinienabschnitte 362 mit der erratischen Bewegung des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 erzeugt werden. Wenn die Positionsinformationen bestimmt sind, können die Bilddaten, die die einzelnen Abtastlinienabschnitte 362 repräsentieren, elektronisch mit den Positionen gekennzeichnet werden, von denen aus dieselben erzeugt wurden. Der Abtaster 100 kann dann das Bild der Oberfläche 310 durch bekannte Verarbeitungstechniken reproduzieren.
Der hierin offenbarte Abtaster 100 bestimmt die Position desselben relativ zu einer Oberfläche durch ein Messen der Konturen der Oberfläche von unterschiedlichen Stellen aus, wenn der Abtaster 100 relativ zu der Oberfläche bewegt wird. Wie unten detaillierter beschrieben ist, sind die Konturinformationen in der Form von zumindest zwei im Wesentlichen ähnlichen Signalen, die außer Phase sind. Die Phasenverschiebung ist direkt proportional zu der Geschwindigkeit des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche. Der Abtaster 100 verwendet die Phasenverschiebung zwischen den Signalen, um die Geschwindigkeit und somit die Position des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche zu bestimmen.
Zusammenfassend gesagt verwendet der Abtaster 100 die Positionssensoren 200, die an dem Abtaster 100 angebracht sind, um die Konturen einer Oberfläche von zwei festen Stellen aus zu messen, wenn der Abtaster 100 relativ zu der Oberfläche bewegt wird. Jeder Positionssensor 200 misst die Tiefe der Oberfläche relativ zu dem Positionssensor 200 von den zwei Messstellen aus. Folglich erzeugt jeder Positionssensor 200 zwei Konturprofile der Oberfläche, die an einen Prozessor 140 ausgegeben werden. Die Konturprofile, die an den Messstellen erzeugt werden, sind eigentlich identisch, außer dass dieselben außer Phase sind, was bedeutet, dass ein Konturprofil dem anderen zeitlich nacheilt. Diese Zeitnacheilung wird von dem Prozessor verwendet, um die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung die Beschleunigung und die Position der Positionssensoren 200 relativ zu der Oberfläche zu bestimmen.
2 stellt eine Seitenansicht des Abtasters 100 mit einem einzigen Positionssensor 200 dar, der in dem Abtaster 100 enthalten ist. Der Positionssensor 200 kann zwei Tiefenmessvorrichtungen oder Sensoren aufweisen, einen ersten Sensor 210 und einen zweiten Sensor 204. Die Tiefenmessvorrichtungen und -sensoren werden manchmal als Profilometer bezeichnet. Diese Sensoren 210, 204 können dazu dienen, die Konturen der Oberfläche 310 der Seite 300 zu messen, wenn das Objekt relativ zu den Sensoren 210, 204 bewegt wird. Jeder Sensor 210, 204 kann ein zeitabhängiges Signal erzeugen, wobei die Werte der Signale zu einem bestimmten Zeitpunkt proportional zu der Tiefe sind, die zu diesem Zeitpunkt von den Sensoren 210, 204 gemessen wird. Diese Signale sind im Wesentlichen ähnlich, außer dass dieselben außer Phase sind, wobei die Phasenverschiebung zwischen den Signalen von dem Abstand 236 zwischen den Sensoren 210, 204 und der relativen Geschwindigkeit zwischen den Sensoren 210, 204 und dem Objekt abhängt. Der Abstand 236 zwischen den Sensoren 210, 204 ist konstant und die Phasenverschiebung hängt somit von der einzelnen Variable einer relativen Geschwindigkeit zwischen den Sensoren 210, 204 und der Oberfläche 310 ab. Ein Prozessor 104 kann die Signale analysieren, um die Phasenverschiebung zu bestimmen, und kann folglich die Geschwindigkeit und die Bewegungsrichtung der Sensoren 210, 204 relativ zu der Oberfläche 310 bestimmen. Die Geschwindigkeit kann über ein Zeitintervall integriert werden, um die Verschiebung der Sensoren 210, 204 relativ zu der Oberfläche 310 während des Zeitintervalls zu ergeben. Die Geschwindigkeit kann auch differenziert werden, um die Beschleunigung der Sensoren 210, 204 relativ zu der Oberfläche 310 zu ergeben.
Nachdem der Abtaster 100 und der Positionssensor 200 zusammenfassend beschrieben worden sind, werden dieselben nun weiter detailliert beschrieben. Sich auf 2 beziehend ist der hierin beschriebene Positionssensor 200 als in dem Abtaster 100 verwendet dargestellt, der hierin als ein Abtaster vom tragbaren Typ gezeigt ist. Zu Darstellungszwecken stellt 2 lediglich eine partielle, abgeschnittene Seitenansicht des Abtasters 100 dar. Der Abtaster 100 ist in 2 als die Oberfläche 310 der Seite 300 abtastend dargestellt, wobei die Seite 300 ein Blatt Papier ist. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Abtaster 100 angepasst sein kann, um andere Objekte abzutasten. Es sei auch darauf hingewiesen, dass der Positionssensor 200 bei anderen Vorrichtungen als dem Abtaster 100 verwendet werden kann, um die Position der anderen Vorrichtungen relativ zu einer Oberfläche zu bestimmen.
Während des Abtastprozesses berührt der Abtaster 100 die Oberfläche 310. Die Oberfläche eines Papierblatts, wie z. B. die Oberfläche 310, ist inhärent mit sporadischen Scheiteln und Mulden konturiert. Eine Ursache dieser sporadischen Scheitel und Mulden liegt in dem Fasermaterial, das bei der Herstellung von Papierprodukten verwendet wird. Zwei Beispiele für Scheitel sind in 2 als ein erster Scheitel 340 und ein zweiter Scheitel 344 dargestellt. Zwei Beispiele für Mulden sind in 2 als eine erste Mulde 346 und eine zweite Mulde 348 dargestellt. Wie unten beschrieben ist, werden die ausgeprägten Merkmale der Oberfläche 310, die durch die Scheitel und Mulden erzeugt werden, durch den Positionssensor 200 verwendet, um die Geschwindigkeit, die Bewegungsrichtung und die Position des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 der Seite 300 zu bestimmen.
Der Abtaster 100 kann einen Gleitabschnitt 110 und einen Befestigungsabschnitt 112 aufweisen. Der Gleitabschnitt 110 kann dazu dienen, die Oberfläche 310 der Seite 300 zu berühren. Der Gleitabschnitt 110 kann z. B. ein Abschnitt der Abtasterhäusung und eine Oberfläche mit niedriger Reibung sein. Der Befestigungsabschnitt 112 kann in dem Abtaster 100 in einer Tiefe 116 von dem Gleitabschnitt 110 zurückgesetzt angeordnet sein. Der Befestigungsabschnitt 112 kann eine obere Oberfläche 118 aufweisen, die dem Inneren des Abtasters 100 zugewandt ist. Eine Sensoreinheit 202 kann an der oberen Oberfläche 118 des Befestigungsabschnittes 112 angebracht sein. Wie unten beschrieben ist, ist die Sensoreinheit 202 eine Komponente des Positionssensors 200, die verwendet wird, um die Tiefe der Oberfläche 310 der Seite 300 zu messen, wenn der Abtaster 100 relativ zu der Oberfläche 310 bewegt wird.
Die Sensoreinheit 202 kann eine einzelne Komponente sein, die einen ersten Sensor 210 und einen zweiten Sensor 204 aufweist. Der erste Sensor 210 kann einen ersten Wandler 250 aufweisen, der einer ersten Nadel 252 zugeordnet ist. Die erste Nadel 252 kann sich durch den Befestigungsabschnitt 112 des Abtasters 100 in eine minimale Länge der Tiefe 116 zwischen dem Gleitabschnitt 110 und dem Befestigungsabschnitt 112 erstrecken. Diese Länge der ersten Nadel 252 ermöglicht, dass die erste Nadel 252 die Oberfläche 310 der Seite 300 berührt. Eine Referenzlinie BB ist in 1 als zentral an der ersten Nadel 252 angeordnet dargestellt. Der erste Wandler 250 kann einen ersten elektrischen Anschluss 260 und einen zweiten elektrischen Anschluss 262 aufweisen. Die Anschlüsse 260, 262 können elektrisch mit einer resistiven Last, nicht gezeigt, verbunden sein, die in dem ersten Wandler 250 angeordnet ist, die variiert, wenn die Position der ersten Nadel 252 relativ zu dem ersten Wandler 250 variiert.
Der zweite Sensor 204 kann dem ersten Sensor 210 im Wesentlichen ähnlich sein und kann einen zweiten Wandler 206, eine zweite Nadel 212, einen ersten Anschluss 220 und einen zweiten Anschluss 222 aufweisen. Eine Referenzlinie AA ist in 2 als zentral an der zweiten Nadel 212 angeordnet dargestellt. Die zweite Nadel 212 kann von der ersten Nadel 252 durch einen Abstand 236, z. B. 0,1 Millimeter, getrennt sein. Spezifischer ausgedrückt kann die Referenzlinie AA von der Referenzlinie BB durch den Abstand 236 getrennt sein. Ein Beispiel für eine Nadel, die einem Wandler zugeordnet ist, ist in dem US-Patent 5,818,605 von Crewe u. a. METHOD AND APPARATUS FOR HIGH RESOLUTION SENSING OF ENGRAVING STYLUS MOVEMENT dargestellt.
Das Ende der ersten Nadel 252 gegenüber dem ersten Wandler 250 kann eine Spitze 216 bilden. Die Referenzlinie BB in 1 kann sich durch die Spitze 216 erstrecken. Die Spitze 216 kann konfiguriert sein, um in einer herkömmlichen Weise die Oberfläche 310 zu berühren und sich entlang derselben zu bewegen. Bei dem Beispiel, das in 1 dargestellt ist, wird die Nadel 252 verwendet, um die Konturen an der Oberfläche 310 der Seite 300 zu messen, wobei die Konturen durch Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche eines Papierblattes verursacht sind. Es ist festgestellt worden, dass die Spitze 216, die zu einem Punkt kommt, der einen Radius von ungefähr 0,005 Millimeter aufweist, die optimale Spitzenkonfiguration für diese Anwendung ist. Die Spitze 216 ist nicht scharf genug, um die Oberfläche 310 der Seite 300 zu schneiden, und die Spitze 216 ist nicht zu stumpf, um in die Mulden der Oberfläche 310 zu passen. Die zweite Nadel 212 kann eine ähnliche Spitze 214 aufweisen, wobei die Referenzlinie AA in 1 sich durch die Spitze 214 erstreckt.
Der Positionssensor 200 kann ferner einen Prozessor 140, einen ersten Detektor 126, einen zweiten Detektor 124, eine erste Leistungsversorgung 122 und eine zweite Leistungsversorgung 120 aufweisen. Die erste Leistungsversorgung 122 und die zweite Leistungsversorgung 120 sind zu Darstellungszwecken in einzelne Einheiten getrennt worden, es sei jedoch darauf hingewiesen, dass dieselben eine einzige Einheit sein können. Die Leistungsversorgungen 120, 122 können z. B. DC-Spannungsquellen (DC = direct current = Gleichstrom) sein, wie dieselben auf dem Gebiet bekannt sind. Die Detektoren 124, 126, können z. B. Strommessgeräte sein, wie dieselben auf dem Gebiet bekannt sind.
Die erste Leistungsversorgung 122 kann durch eine Leitung 187 elektrisch mit dem zweiten Anschluss 262 des ersten Wandlers 250 verbunden sein. Die erste Leistungsversorgung 122 kann durch eine Leitung 186 elektrisch auch mit dem ersten Detektor 126 verbunden sein. Der erste Detektor 126 kann durch eine Leitung 185 elektrisch mit dem ersten Anschluss 260 des ersten Wandlers 250 verbunden sein, was eine Schaltung durch den ersten Wandler 250, den ersten Detektor 126 und die erste Leistungsversorgung 122 abschließt. Der erste Detektor 126 kann über eine Datenleitung 132 an den Prozessor 140 Daten ausgeben, die für den Stromfluss durch die Anschlüsse 260, 262 repräsentativ sind.
Der zweite Detektor 124 und die zweite Leistungsversorgung 120 können dem zweiten Wandler 206 und dem Prozessor 140 zugeordnet sein, in einer ähnlichen Weise, wie die erste Leistungsversorgung 122 und der erste Detektor 126 dem ersten Wandler 250 und dem Prozessor 140 zugeordnet sind. Die zweite Leistungsversorgung 120 kann elektrisch durch eine Leitung 180 mit dem zweiten Anschluss 222 des zweiten Wandlers 206 verbunden sein. Die zweite Leistungsversorgung 120 kann durch eine Leitung 181 auch mit dem zweiten Detektor 124 verbunden sein. Der zweite Detektor 124 kann elektrisch durch eine Leitung 182 mit dem ersten Anschluss 220 des zweiten Wandlers 206 verbunden sein. Der zweite Detektor 124 kann über eine Datenleitung 130 an den Prozessor 140 Daten ausgeben, die für den Stromfluss durch die Anschlüsse 220, 222 repräsentativ sind.
Nachdem die Struktur des Positionssensors 200, der in dem Abtaster 100 integriert ist, beschrieben worden ist, wird nun der Betrieb des Positionssensors 200 beschrieben. Die folgende Beschreibung ist durch das Flussdiagramm von 3 zusammengefasst. Zusammenfassend gesagt erzeugen die Sensoren 204 und 210 Daten, die repräsentativ für die Tiefen der jeweiligen Nadel 212 bzw. 252 derselben relativ zu der Oberfläche 310 der Seite 300 sind. Die Tiefendaten sind in der Form von zwei im Wesentlichen ähnlichen analogen Signalen, die außer Phase sind. Der Prozessor 140 empfängt diese zwei Tiefensignale und bestimmt die Phasenverschiebung zwischen den Signalen, die in eine Zeitverzögerung übersetzt wird. Diese Zeitverzögerung repräsentiert die Zeitdifferenz zwischen den zwei Tiefensignalen. Der Prozessor 140 teilt den Abstand 236 zwischen den Nadeln 212 und 252 durch diese Zeitdifferenz, um die Durchschnittsgeschwindigkeit des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 der Seite 300 über die Periode der Zeitverzögerung zu ergeben. Die Geschwindigkeit kann über ein Zeitintervall integriert werden, um die Verschiebung des Abtasters 100 relativ zu der Seite 300 während des Zeitintervalls zu ergeben.
Nachdem der Betrieb des Positionssensors 200 zusammenfassend beschrieben worden ist, wird nun ein Betreiben desselben in dem Abtaster 100 detailliert beschrieben. Der Betrieb des Abtasters 100, der den Positionssensor 200 enthält, ist hierin als sich in die Richtung 350 relativ zu der Seite 300 bewegend beschrieben. Der Abtaster 100 ist auf der Oberfläche 310 der Seite 300 platziert, so dass der Gleitabschnitt 110 die Oberfläche 310 berührt. Eine geringfügige Kraft in eine Richtung 352 kann an den Nadeln 212, 252 wirken, um dieselben gegen die Oberfläche 310 zu zwingen. Die Nadeln 212 und 250 können sich weit genug über den Gleitabschnitt 110 hinaus erstrecken, so dass dieselben die Mulden in der Oberfläche 310 der Seite 300 berühren können. Es ist nicht wesentlich, dass sich die Nadeln 212, 252 weit genug erstrecken, um jede Mulde zu berühren, jedoch verringert sich die Genauigkeit des Positionssensors 200 proportional zu der Anzahl von Mulden, die die Nadeln 212, 252 nicht berühren können. Diese verringerte Genauigkeit ist aufgrund dessen, dass die Wandler 206, 250 hinsichtlich der Tiefen dieser Mulden, die nicht berührt werden können, ungenaue Daten ausgeben.
Bei dem in 2 dargestellten Beispiel ist die erste Nadel 252 in einen Abstand 240 erstreckt, um die Oberfläche 310 der Seite 300 an einem Punkt 314 zu schneiden, und die zweite Nadel 212 ist in einem Abstand 230 erstreckt, um die Oberfläche 310 an einem Punkt 312 zu schneiden. Die erste Nadel 252 ist über den Scheitel 340, durch die Mulde 346 und über den Scheitel 344 gelaufen und schreitet zu der Mulde 348 hin fort. Folglich befindet sich die erste Nadel 252 in dem Prozess eines Erstreckens von dem ersten Wandler 250 zu der Oberfläche 310 hin, um die Mulde 348 zu berühren. Die zweite Nadel 212 ist über den Scheitel 340 und durch die Mulde 346 gelaufen und schreitet zu dem Scheitel 344 hin fort. Folglich befindet sich die zweite Nadel 212 in dem Prozess eines Zurückgehens von der Oberfläche 310 zu dem zweiten Wandler 206 hin, um den Scheitel 344 zu berühren. Die Positionen der Nadeln 212, 252 relativ zu den Wandlern 206, 250 werden von dem Positionssensor 200 wie unten beschrieben verwendet, um die Geschwindigkeit und die Position des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 der Seite 300 zu bestimmen.
Wenn die Nadeln 212, 252 den Konturen der Oberfläche 310 folgen, messen die Wandler 206, 250 die Positionen der Nadeln 212, 252 relativ zu den Wandlern 206, 250. Wie vorhin beschrieben, weisen die hierin beschriebenen Wandler 206, 250 resistive Lasten auf, die proportional relativ zu den Positionen der Nadeln 212, 252 relativ zu den Wandlern 206, 250 variieren. Sich auf den ersten Wandler 250 beziehend liefert die erste Leistungsversorgung 122 ein Potential über die Anschlüsse 260 und 262 über die Leitungen 185, 186 und 187. Der erste Detektor 126 ist hierin als ein Strommessgerät beschrieben, folglich fällt über denselben keine erhebliche Spannung ab. Der Strom, der über die Anschlüsse 260, 262 durch den ersten Wandler 250 läuft, hängt von dem Wert der resistiven Last ab, die sich in dem ersten Wandler 250 befindet und die von der Position der ersten Nadel 252 relativ zu dem ersten Wandler 250 abhängt. Der erste Detektor 126 misst den Stromfluss durch den ersten Wandler 250 und gibt an den Prozessor 140 über die Datenleitung 132 Daten aus, die für diesen Stromfluss repräsentativ sind. Folglich wird die Tiefe der Oberfläche 310 relativ zu dem ersten Wandler 250 durch die Menge an Strom gemessen, der durch den ersten Wandler 250 fließt.
Sich auf den zweiten Wandler 206 beziehend liefert die zweite Leistungsversorgung 120 über die Leitungen 180, 181 und 182 ein Potential über die Anschlüsse 220 und 22. Der zweite Detektor 124 ist hierin als ein Strommessgerät dargestellt, folglich fällt über denselben keine erhebliche Spannung ab. Der Strom, der über die Anschlüsse 220, 222 durch den zweiten Wandler 206 läuft, hängt von dem Wert der resistiven Last ab, die sich in dem zweiten Wandler 206 befindet und die von der Stelle der zweiten Nadel 212 relativ zu dem zweiten Wandler 206 abhängt. Der zweite Detektor 124 misst den Stromfluss durch den zweiten Wandler 206 und gibt über die Datenleitung 130 Daten an den Prozessor 140 aus, die für diesen Strom repräsentativ sind. Folglich wird die Tiefe der Oberfläche 310 relativ zu dem ersten Wandler 250 durch die Menge an Strom gemessen, der durch den ersten Wandler 250 fließt.
Die Daten, die an den Prozessor 140 aus den Detektoren 124, 126 ausgegeben werden, können in der Form von analogen Signalen oder digitalen Darstellungen von analogen Signalen sein. Wie unten detaillierter beschrieben ist, sind die Amplituden der Signale, die durch die Detektoren 124, 126 ausgegeben werden, eigentlich identisch, jedoch ist das Signal, das durch den zweiten Detektor 124 ausgegeben wird, von dem Signal, das durch den ersten Detektor 126 ausgegeben wird, phasenverschoben. Da der Abtaster 100 sich in die Richtung 350 relativ zu der Oberfläche 310 bewegt, eilt die Ausgabe aus dem ersten Detektor 126 der Ausgabe aus dem zweiten Detektor 124 voraus, da die erste Nadel 252 der zweiten Nadel 212 entlang, der Konturen der Oberfläche 310 der Seite 300 vorauseilt. Diese Phasenverschiebung repräsentiert eine Zeitdifferenz zwischen den Signalen, wobei das Signal, das durch den zweiten Detektor 124 ausgegeben wird, relativ zu dem Signal, das durch den ersten Detektor 126 ausgegeben wird, verzögert ist. Wenn der Abtaster 100 sich in eine Richtung entgegengesetzt zu der Richtung 350 bewegen würde, würde das Signal, das durch den zweiten Detektor 124 ausgegeben wird, dem Signal, das durch den ersten Detektor 126 ausgegeben wird, vorauseilen.
4 ist ein Graph, der den Stromfluss durch die Wandler 206, 250, 2, als von Zeit abhängig darstellt. Eine Wellenform 450 ist für den Stromfluss durch den ersten Wandler 250 repräsentativ. Der durchgezogene Abschnitt der Wellenform 450 repräsentiert die Kontur der Oberfläche 310, 2, über die die erste Nadel 252 gelaufen ist. Der gestrichelte Abschnitt der Wellenform 450 repräsentiert die Kontur der Oberfläche 310, 2, über die die erste Nadel 252 laufen wird, wenn der Abtaster 100 sich weiterhin in die Richtung 350 relativ zu der Oberfläche 310 bewegt. Ein Übergang 456 zwischen dem durchgezogenen Abschnitt und dem gestrichelten Abschnitt repräsentiert die gegenwärtige Position der ersten Nadel 252, 2, an dem Punkt 314 an der Oberfläche 310. Die Wellenform 450 weist einen Scheitel 452 auf, der für den Scheitel 340, 2, an der Oberfläche 310 der Seite 300 repräsentativ ist. Die Wellenform 450 weist eine Mulde 454 auf, die für die Mulde 346, 2, an der Oberfläche 310 repräsentativ ist. Die Wellenform 450 weist auch einen anderen Scheitel 460 auf, der für den Scheitel 344, 2, an der Oberfläche 310 repräsentativ ist.
4 stellt eine Wellenform 410 dar, die den Stromfluss durch den zweiten Wandler 206 als von Zeit abhängig darstellt. Der durchgezogene Abschnitt der Wellenform 410 repräsentiert die Konturen der Oberfläche 310, 2, an der Seite 300, die die zweite Nadel vor dem Berühren des Punktes 312 berührt hat. Der gestrichelte Abschnitt der Wellenform 410 repräsentiert die Kontur der Oberfläche 310, 2, die durch den zweiten Wandler 206 gemessen wird, wenn der Abtaster 100 sich weiterhin in die Richtung 350 bewegt. Ein Punkt 416 an dem Übergang des durchgezogenen Abschnitts und des gestrichelten Abschnitts repräsentiert die zweite Nadel 212, 2, die an dem Punkt 312 an der Oberfläche 310 angeordnet ist. Die Wellenform 410 weist einen Scheitel 412 auf, der für den Stromfluss durch den zweiten Wandler 206, 2, repräsentativ ist, wenn die zweite Nadel 212 über den Scheitel 340 an der Oberfläche 310 der Seite 300 gelaufen ist. Die Wellenform 410 weist eine Mulde 414 auf, die für den Stromfluss durch den zweiten Wandler 206, 2, repräsentativ ist, wenn die zweite Nadel 212 durch die Mulde 346 gelaufen ist.
Die Amplitude der Wellenform 410 ist eigentlich mit der Amplitude der Wellenform 450 identisch, jedoch sind dieselben außer Phase. Diese Phasenverschiebung repräsentiert eine Zeitverzögerung bei der Zeitbereichsauftragung von 4, wobei die Wellenform 410 der Wellenform 450 nacheilt. Dieses Nacheilen ist aufgrund dessen, dass die zweite Nadel 212, 2, der ersten Nadel 252 nacheilt, wenn dieselben die Konturen der Oberfläche 310 messen. Der Scheitel 412 an der Wellenform 410 und der Scheitel 452 an der Wellenform 450 werden bei diesem Beispiel als Referenzen verwendet, um die Zeitverzögerung zu repräsentieren. Die Scheitel 412 und 452 sind für den Scheitel 340 an der Oberfläche 310, 2, repräsentativ. Der Scheitel 452 wurde zu einem Zeitpunkt t₁ gemessen, und der Scheitel 412 wurde an einem Zeitpunkt t₂ gemessen. Die Zeitdifferenz zwischen t₁ und t₂ ist Δt. Die Zeitdifferenz Δt kann durch herkömmliche Verfahren gemessen werden. Ein Beispiel für ein Verwenden einer Kreuzkorrelation, um Δt zu messen, ist unten beschrieben. Die Durchschnittsgeschwindigkeit des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 der Seite 300 zwischen dem Zeitintervall t₁ und t₂ kann durch ein Anwenden der Formel gemessen werden:
wobei:

V(Δt): die Durchschnittsgeschwindigkeit des Abtasters 100, 2, relativ zu der Oberfläche 310 über das Zeitintervall Δt ist;
D: der Abstand 236 zwischen der ersten Nadel 252 und der zweiten Nadel 212, 2, ist; und
Δt: die Zeitdifferenz zwischen t₁ und t₂ ist.

Der Prozessor 140, 2, kann kontinuierlich die Durchschnittsgeschwindigkeit des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 der Seite 300 bestimmen. Diese Durchschnittsgeschwindigkeiten, die über Zeit berechnet werden, ergeben die Geschwindigkeit des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 als von Zeit abhängig. Die von Zeit abhängige Geschwindigkeit kann dann über ein Zeitintervall integriert werden, um die Verschiebung des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 über das Zeitintervall zu ergeben. Eine momentane Geschwindigkeit und Verschiebung an einem ausgewählten Punkt können durch bekannte Techniken ebenfalls ohne weiteres aus den Daten berechnet werden. Gleichermaßen kann die Beschleunigung ebenfalls durch ein Berechnen der ersten Ableitung der Geschwindigkeit erhalten werden.
Sich kurz auf 2 beziehend kann die Bewegungsrichtung des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 durch ein Analysieren der Phasenverschiebung zwischen der Ausgabe des ersten Detektors 126 und des zweiten Detektors 124 bestimmt werden. Wenn die Ausgabe des ersten Detektors 126 der Ausgabe des zweiten Detektors 124 vorauseilt, dann bewegt sich der Abtaster 100 in die Richtung 350 relativ zu der Oberfläche 310. Wenn die Ausgabe des ersten Detektors 126 der Ausgabe des zweiten Detektors 124 nacheilt, dann bewegt sich der Abtaster entgegengesetzt zu der Richtung 350 relativ zu der Oberfläche 310.
Sich wieder auf 4 beziehend stehen viele unterschiedliche Verfahren zum Bestimmen der Phasenverschiebung und der zugeordneten Zeitverzögerung zwischen den Wellenformen 410, 450 zur Verfügung. Ein Verfahren erfolgt durch ein Abtasten der Wellenformen 410, 450, ein Umwandeln derselben in digitale Signale und ein Verarbeiten der Digitalsignale durch den Prozessor 140, 2. Der Prozessor 140 kann z. B. eine Kreuzkorrelationsfunktion auf die Digitalsignale anwenden, um die Zeitdifferenz zwischen den Wellenformen 410, 450 zu bestimmen. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel können die Wellenformen 410, 450 in einer Periode t_s abgetastet werden. Die Abtastfrequenz f_s ist folglich gleich 1/t_s. Die folgende Kreuzkorrelationsfunktion kann auf die Wellenformen 410, 450 angewendet werden und für den Kreuzkorrelationskoeffizienten C gelöst werden:
Wobei:

C: der Kreuzkorrelationskoeffizient ist;
m: der Abtastzählwert ist;
n: der Maximalabtastzählwert ist;
S_A: die Wellenform 450 ist; und
S_B: die Wellenform 410 ist.

An diesem Punkt kann der Wert von m_min berechnet werden, der der Wert von m ist, der den Minimalwert für C ergibt. Aus der Kreuzkorrelationsgleichung folgt, dass die Zeitverzögerung (Δt oder t₂–t₁) gleich m_mint_s ist. Wenn die Zeitverzögerung berechnet worden ist, kann die Durchschnittsgeschwindigkeit zwischen t₂ und t₁ wie folgt berechnet werden:
wobei:

D: der Abstand 236 ist, 2;
m_min: den Minimalwert von C ergibt; und
t_s: die Abtastperiode ist.

Sich erneut auf 2 beziehend kann der Abstand, den sich der Abtaster 100 relativ zu der Oberfläche 310 über ein spezifiziertes Zeitintervall bewegt hat, durch ein Integrieren der Geschwindigkeit des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche 310 über das spezifizierte Zeitintervall berechnet werden. Gleichermaßen kann die Beschleunigung des Abtasters 100 relativ zu der Oberfläche durch ein Berechnen der Ableitung der Geschwindigkeit berechnet werden.
Nachdem die Formeln beschrieben worden sind, die den Positionssensor 200 betreffen, wird nun ein Beispiel für ein Verwenden der Formeln beschrieben. Die Variable, n, wird abhängig von der Anwendung gewählt, für die der Positionssensor 200 erwartungsgemäß verwendet wird. Zum Beispiel erfordern Anwendungen, die eine hohe Beschleunigung oder eine hohe Geschwindigkeit erfordern, dass die Variable n minimiert ist, um Fehler zu minimieren. In dem Falle eines tragbaren Abtasters beträgt die Maximalbeschleunigung des Abtasters üblicherweise ungefähr 245 cm/s² (96,5 Zoll/s²). Wenn die erwartete Maximalgeschwindigkeit des Abtasters 30,5 cm/s (12 Zoll/s) beträgt und der zulässige Fehler 1/760 cm (1/300 Zoll) über die Periode nt_s beträgt, dann ist festgestellt worden, dass eine Abtastperiode t_s von 0,1 Millisekunden und ein Wert von n gleich 10 ausreichend sind, um dem zulässigen Fehler zu entsprechen.
Der Positionssensor 200, der hierin beschrieben ist, funktioniert, um eine Geschwindigkeit und eine Verschiebung eines Objekts, z. B. des Abtasters 100, entlang einer einzigen Achse zu bestimmen. Es kann sein, dass Korrekturen der vorhergehend berechneten Geschwindigkeit und Verschiebung des Abtasters vorgenommen werden müssen, wie unten beschrieben, wenn die Bewegung des Abtasters 100 von der Achse abirrt. 5 ist eine schematische Darstellung, die die Richtung 350 des Abtasters, nicht gezeigt, relativ zu den Spitzen 214, 216 der Nadeln, nicht gezeigt, zeigt. Die Spitzen 214, 216 sind an einer Achse angeordnet, die durch die Referenzlinie AA in 5 gezeigt ist. Unter idealen Bedingungen ist die Richtung 350 parallel zu der Referenzlinie AA, und es ist nicht erforderlich, dass eine Korrektur der berechneten Geschwindigkeit und Verschiebung erfolgt.
Wenn die Richtung 350 nicht parallel zu der Referenzlinie AA ist, wie in 5 dargestellt, kann es sein, dass Korrekturen der vorhergehend berechneten Position und Geschwindigkeit des Abtasters 100 erfolgen müssen. Diese Korrekturen müssen eventuell erfolgen, da die vorhergehend berechnete Geschwindigkeit auf dem Abstand 236, 2, zwischen den Spitzen 214, 216 basiert, gemessen an derselben Achse wird wie die Bewegung 350 der Abtastvorrichtung 100 relativ zu der Oberfläche 310. Bei 5 ist die Referenzlinie AA in einem Winkel θ_s, numerisch als 380 gezeigt, von der Richtung 350. Wenn der Winkel (θ_s) 380 höher wird, erhöht sich der Fehler bei dem Berechnen der Geschwindigkeit als abhängig von dem Kosinus es. Wenn z. B. der Winkel 380 gleich 15 Grad ist, ist die tatsächliche Geschwindigkeit des Abtasters entlang der Richtung 350 gleich 97 % (100 × cos(15)) der vorhergehend berechneten Geschwindigkeit.
Es ist möglich, den oben beschriebenen Fehler während der Herstellung zu kompensieren. Zum Beispiel kann unter Bezugnahme auf 2 und 5 der Abtaster 100 oder eine andere Vorrichtung, an der der Positionssensor 200 angebracht ist, an einer Oberfläche in die Richtung 350 über einen vorbestimmten Abstand bewegt werden, während der Positionssensor 200 den zurückgelegten Abstand berechnet. Der durch den Positionssensor 200 gemessene Abstand kann dann mit dem vorbestimmten Abstand verglichen werden, um den Fehler bei dem Positionssensor 200 zu ergeben. Ein Skalierungsfaktor kann dann in den Prozessor 140 eingegeben werden, der den gemessenen Abstand skaliert, um die oben beschriebenen Positionierungsfehler zu korrigieren. Die durch den Positi onssensor 200 gemessenen Abstände können dann um den Skalierungsfaktor multipliziert werden, um den tatsächlichen durch den Positionssensor 200 zurückgelegten Abstand zu ergeben.
Ausführungsbeispiele für die Verwendung des Positionssensors 200 können vorhanden sein, wo die Position und Geschwindigkeit eines Objekts entlang einer Mehrzahl von Achsen erforderlich sein können. 6 stellt eine abgeschnittene Oberansicht eines Abtasters dar, der zwei Positionssensoren 200 und 500 aufweist, die verwendet werden, um die Position und Geschwindigkeit des Abtasters entlang einer Referenzlinie BB und einer Referenzlinie CC zu bestimmen. Die Positionssensoren 200, 500 von 6 funktionieren in der gleichen Weise wie der Positionssensor 200 von 2. Der Positionssensor 200 wird verwendet, um die Geschwindigkeit entlang der Referenzlinie BB zu bestimmen, und der Positionssensor 500 wird verwendet, um die Geschwindigkeit entlang der Referenzlinie CC zu bestimmen. Der Positionssensor 200 weist zwei Nadelspitzen 214 und 216 auf, die entlang der Referenzlinie BB angeordnet sind. Folglich wird der Positionssensor 200 verwendet, um die Geschwindigkeit und Position entlang der Referenzlinie BB zu bestimmen, und der Positionssensor 500 wird verwendet, um die Geschwindigkeit entlang der Referenzlinie CC zu bestimmen. Es sei darauf hingewiesen, dass eine beliebige Anzahl von Positionssensoren an ein Objekt angebracht werden kann, um die Geschwindigkeit und Position des Objekts in einer beliebigen Anzahl von Richtungen zu bestimmen.
Sich auf 1 beziehend können mehrere Positionssensoren 200 an dem Abtaster 100 angebracht sein, um die Drehbewegung des Abtasters 100 zu bestimmen. In 1 weist der Abtaster 100 zwei identische Positionssensoren 200 auf, die an demselben angebracht sind. Die Positionssensoren 200 sind entlang der Referenzlinien DD und EE positioniert, wobei die Referenzlinien parallel sind. Wenn sich der Abtaster in eine Richtung 354 dreht, ergeben die Positionssensoren 200 unterschiedliche Geschwindigkeiten, die anzeigen, dass der Abtaster 100 einem Drehpfad folgt. Der Abtaster 100 kann ohne weiteres die Drehmenge und Drehrichtung basierend auf der Differenz bei den Geschwindigkeiten der Positionssensoren 200 bestimmen.
Sich auf 2 beziehend kann es sein, dass der Abstand 236 zwischen den Spitzen 214, 216 die Nyquist-Kriterien erfüllen muss. Zum Beispiel muss, wenn die Konturen der Oberfläche 310 sich ständig wiederholen, wobei jede Widerholung einen vorbestimmten Abstand aufweist, der Abstand 236 geringer als der halbe vorbestimmte Abstand sein. Andernfalls wird ein Aliasing auftreten, was wahrscheinlich bewirkt, dass die Zeitdifferenz zwischen dem Signal, das durch den ersten Detektor 126 ausgegeben wird, und dem Signal, das durch den zweiten Detektor 124 ausgegeben wird, wie durch den Prozessor 140 gemessen, weniger beträgt als die tatsächliche Zeitdifferenz. Dies wiederum bewirkt, dass der Prozessor anzeigt, dass der Abtaster 100 sich mit einer größeren Geschwindigkeit relativ zu der Oberfläche 310 bewegt, als sich derselbe tatsächlich bewegt.
Zum Beispiel kann das Papier, in dem Fall, in dem der Positionssensor 200 in einem Abtaster 100 verwendet wird, um Text auf Papier abzubilden, als ein weiteres Beispiel zwei bis vier Scheitel pro Millimeter aufweisen. In diesem Falle ist festgestellt worden, dass ein Aufweisen des Abstands 236 gleich 0,1 Millimeter ermöglicht, dass der Positionssensor 200 das Profil der Oberfläche genau bestimmt, ohne dass der Prozessor 140 Aliasing-Problemen begegnet.
Andere Ausführungsbeispiele des Positionssensors 200 können auf verschiedenartige Anwendungen anwendbar sein. Sich erneut auf 2 beziehend sind z. B. die Positionssensoren 204, 210 hierin als Nadeln 212, 252 beschrieben worden, die Wandlern 206, 250 zugeordnet sind. Ein jeglicher geeig neter Tiefenmessmechanismus (oft als ein Profilometer bezeichnet) kann für die Positionssensoren 204, 210 verwendet werden. Zum Beispiel können die Positionssensoren 204, 210 optische Profilometer sein, wie dieselben auf dem Gebiet bekannt sind.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der Positionssensor 200 eine Mehrzahl von Tiefenmessvorrichtungen verwenden, die entlang einer Achse befestigt sind. Ein Erhöhen der Anzahl der Tiefenmessvorrichtungen, die durch den Positionssensor 200 verwendet werden, verringert den Fehler, der den Tiefenmessungen zugeordnet sein kann.
Der Positionssensor 200, der oben beschrieben ist, ist in den Abtaster 100 eingegliedert worden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Positionssensor 200 in andere Vorrichtungen eingegliedert werden kann. Zum Beispiel kann der Positionssensor bei einem Drucker verwendet werden, der einen Druckwagen oder dergleichen aufweist, um die Geschwindigkeit des Druckwagens relativ zu dem Papier, auf das gedruckt wird, zu bestimmen.

Claims

Eine Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Objekts (100) relativ zu einer ersten Achse (350), wobei die erste Achse (350) an einer Oberfläche (310) angeordnet ist, wobei die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) folgende Merkmale aufweist: ein erstes Profilometer (210), das an dem Objekt (100) anbringbar ist; ein zweites Profilometer (204), das an dem Objekt (100) in einem vorbestimmten Abstand (236) von dem ersten Profilometer (210) anbringbar ist, wobei das erste Profilometer (210) und das zweite Profilometer (204) entlang einer zweiten Achse angeordnet sind und wobei die erste Achse (350) im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ist; und eine Verarbeitungseinrichtung (140), die angepasst ist, um: ein erstes Signal (410) von dem ersten Profilometer (210) und ein zweites Signal (450) von dem zweiten Profilometer (204) zu empfangen, wobei das erste Signal (410) dem zweiten Signal ähnelt und das erste Signal relativ zu dem zweiten Signal (450) zeitverschoben ist; die Zeitverschiebung (Δt) zwischen dem ersten Signal und dem zweiten Signal zu bestimmen; und den vorbestimmten Abstand (236) zwischen dem ersten Profilometer (210) und dem zweiten Profilome ter (204) durch die Zeitverschiebung zu teilen, um die Geschwindigkeit des Objekts (100) relativ zu der Oberfläche (310) zu bestimmen.
Die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, bei der zumindest eines der Profilometer eine Nadel aufweist, die einem Wandler wirksam zugeordnet ist.
Die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, bei der zumindest eines der Profilometer ein optisches Profilometer aufweist.
Die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, die mehr als zwei Profilometer aufweist, die entlang der zweiten Achse angeordnet sind.
Die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, bei der das erste Profilometer (210) eine erste Nadel aufweist, die an demselben angebracht ist, und bei der das zweite Profilometer (204) eine zweite Nadel aufweist, die an demselben angebracht ist.
Die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) gemäß Anspruch 5, bei der die erste Nadel ein längliches Bauglied ist, das einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt dem ersten Wandler wirksam zugeordnet ist und wobei der zweite Abschnitt eine Spitze bildet.
Die Geschwindigkeitserfassungsvorrichtung (200) gemäß Anspruch 1, bei der die Verarbeitungseinrichtung (140) ferner angepasst ist, um die Geschwindigkeit über ein Zeitintervall zu integrieren, um die Verschiebung zwischen dem Objekt (100) und der Oberfläche (310) während des Zeitintervalls zu ergeben.
Ein Verfahren zum Bestimmen der Geschwindigkeit eines Objekts (100) relativ zu einer ersten Achse (350) an einer Oberfläche (310), wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen eines ersten Profilometers (210), das an dem Objekt (100) befestigt ist; Bereitstellen eines zweiten Profilometers (204), das an dem Objekt (100) befestigt ist, wobei das zweite Profilometer (204) in einem vorbestimmten Abstand (236) entlang einer zweiten Achse von dem ersten Profilometer (210) beabstandet ist, wobei die erste Achse (350) im Wesentlichen parallel zu der zweiten Achse ist; Bewirken einer relativen Bewegung zwischen dem Objekt (100) und der Oberfläche (310) entlang der ersten Achse (350); Messen der Tiefe der Oberfläche (310) mit dem ersten Profilometer (210) und dem zweiten Profilometer (204), wobei Signale, die durch das erste Profilometer und das zweite Profilometer erzeugt werden, sich ähneln und relativ zueinander zeitverschoben sind; Durchführen einer Analyse der Tiefe der Oberfläche (310), die von dem ersten Profilometer (204) gemessen wird, um die Geschwindigkeit des Objekts relativ zu der Oberfläche (310) zu bestimmen, wobei die Analyse ein Bestimmen der Zeitverschiebung der Signale, die durch die Profilometer erzeugt werden, und ein Teilen der Zeitverschiebung durch den vorbestimmten Abstand (236) zwischen den Profilometern aufweist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 8, das ferner eine Analyse der Geschwindigkeit durchführt, um die Position des Objekts (100) relativ zu der Oberfläche (310) zu bestimmen.