DE69006673T2 - Blattdicken-Messapparat. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blattdicken-Meßgerät zum Messen der Dicke eines Blattes auf einer metallischen Unterstützungsoberfläche, das die in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dargelegten Merkmale enthält. Ein Blattdicken-Meßgerät mit ähnlichen Eigenschaften ist bereits aus dem Stand der Technik von der GB-A-2167179 bekannt.
• Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Blattdicken-Meßgerät zum Messen der Dicke eines Blattes aus Papier, Plastik oder ähnlichem durch die Verwendung der Kombination eines ein Magnetfeld verwendenden Sensors und eines optischen Sensors.
• Herkömmliche Blattdicken-Meßgeräte einer solchen Art messen die Dicke eines Papierblattes 2 durch Abrastern eines kombinierten Sensors 5, der einen ein Magnetfeld verwendenden Sensor 2, wie einen Magnetsensor oder einen Wirbelstromsensor, und einen optischen Sensor 4 enthält, entlang und über einem Papierblatt 2, das auf einer metallischen Unterlageplatte 1 angeordnet ist, wie schematisch in Fig. 5 der begleitenden Zeichnungen gezeigt ist.
• Prinzipiell wird eine Entfernung 1&sub1; zwischen der Oberfläche der metallischen Unterlageplatte 1 und dem Sensor durch den ein Magnetfeld verwendenden Sensor 3 gemessen, und eine Entfernung 1&sub2; zwischen der oberen Oberfläche des Papierblattes 2 und dem Sensor 4 wird durch den optischen Sensor 4 gemessen. Die Dicke t des Blattes Papier bestimmt sich daraus durch die folgende Formel:
• t = 1&sub1; - 1&sub2;
• Es ist jedoch für ein herkömmliches Blattdicken-Meßgerät schwierig, eine genaue Blattdicke zu bestimmen, da ein von dem optischen Sensor 4 gemessener Entfernungswert unzuverlässig ist, wenn das Blatt, dessen Dicke zu messen ist, transparent ist. Auch wenn das zu messende Blatt lichtundurchlässig ist, zeigt ein tatsächliches Messen durch solch einen herkömmlichen Blattmeßapparat, daß das Messen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von ungefähr 1/100 mm ohne jegliche Probleme ausgeführt werden, während ein Problem beim Messen mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von ungefähr 1/1000 mm auftritt.
• Im oben angegebenen Stand der Technik nach der GB-A-2167179 umfaßt der optische Sensor eine lichtemittierende Vorrichtung und eine lichtempfangende Vorrichtung, die einander gegenüberliegend in einer in bezug auf eine Unterlagenrolle, auf der das Blatt liegt, lateralen Ebene angeordnet sind. Anstatt das reflektierte Licht zu messen, wie in dem in Fig. 5 dargestellten Fall des Stands der Technik, wird durch die Lücke zwischen dem magnetischen Sensor und der oberen Oberfläche des Blattes transmittiertes Licht durch die lichtempfangende Vorrichtung gemessen. Das Prinzip der Messung basiert jedoch auf dem teilweise abgeschatteten Lichtstrahl, der dem nicht von dem magnetischen Sensor und dem Blatt abgeschatteten Licht entspricht. Folglich ist es ein großer Nachteil dieses Stands der Technik, daß das zu messende Blatt optisch nicht transparent, d. h. Licht undurchlässig, sein muß.
• Das Problem der Genauigkeit ist jedoch besonders ausgeprägt, wenn die Messung ausgeführt wird, während der Sensor in bezug auf die metallische Unterlageplatte bewegt wird.
• Beispielsweise werden die Ausgaben aus dem magnetischen Sensor 3 und dem optischen Sensor 4 aufgezeichnet und gemäß der Fig. 6 gedruckt, die durch Abrastern des kombinierten Sensors 5 entlang und über einer Oberfläche der metallischen Unterlageplatte 1, auf der kein Papierblatt 2 liegt, erhalten werden. Fig. 6 (A) zeigt ein Beispiel der Ausgabecharakteristik des magnetischen Sensors 3, und Fig. 6 (B) zeigt ein Beispiel der Ausgabecharakteristik des optischen Sensors 4. Beide Kurven der Ausgabecharakteristik für den magnetischen Sensor 3 und den optischen Sensor 4 sollten gleich sein, da beide Sensoren dieselbe Oberfläche messen. Es zeigt jedoch der Vergleich der Kurven in der Fig. 6 (A) und 6 (B) offensichtlich, daß die Kurve der Ausgabecharakteristik des magnetischen Sensors 3 sich größer und in komplizierterem Maße ändert, als es die des optischen Sensors 4 tut. Verschiedene Experimente und Fundstellen legen nahe, daß dies durch einen Fehler des magnetischen Sensors aufgrund der Lokalmagnetisierung der metallischen Unterlagenplatte und der Inhomogenität des Materials verursacht wird. Wenn ein magnetisches Material als metallische Unterlageplatte verwendet wird und ein Magnet oder ähnliches auf einem Teil der Platte zum lokalen Magnetisieren der Platte in einem Bereich von einigen Gauss gelegt wird, und dann der Sensor darüber gerastert wird, dann weist der Ausgang von dem ein magnetisches Feld verwendeten Sensor eine Änderung von mehreren 10 u auf. Die Ausgabe von dem ein magnetisches verwendeten Sensor weist eine große Änderung an manchen Stellen auf, sogar wenn eine Inspektion der Unterlageplatte durch ein Gaussmeter mit einer Auflösung 10&supmin;&sup5; T (0,1 Gauss) keine Änderung anzeigt. Das gleiche Problem wird sogar dann auftreten, wenn kein magnetisches Material für die metallische Unterlageplatte verwendet wird und ein magnetischer Wirbelstromsensor verwendet wird. Man nimmt an, daß ein solches Problem, insbesondere ein durch den ein magnetisches Feld verwendeten Sensor verursachter Fehler, eine Verbesserung einer solchen oben beschriebenen Art von Blattdicken-Meßgerät verhindert.
• Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Blattdicken-Meßgerät zu schaffen, das die oben erwähnten Probleme im Stand der Technik überwinden kann.
• Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe durch Schaffen eines Blattdicken-Meßgerätes mit den im Anspruch 1 dargelegten Merkmalen. Mit dem Blattdicken-Meßgerät nach der vorliegenden Erfindung kann die Blattdicke genau gemessen werden, sogar wenn das Blatt transparent ist.
• Diese Erfindung wird nun im einzelnen in bezug auf zeichnerisch dargestellte, vorzugsweise Ausführungsformen näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine Vorderansicht, die einen schematischen Aufbau des Blattdicken-Meßgerätes nach einer vorzugsweisen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
• Fig. 2 eine vergrößerte Seitenansicht, die das Blattdicken-Meßgerät der Fig. 1 zeigt;
• Fig. 3 ein Blockdiagramm, das schematisch den Aufbau der Steuereinheit des Blattdickenmeßgerätes nach den Fig. 1 und 2 zeigt;
• Fig. 4 eine schematische Ansicht, die das Meßprinzip des in den Fig. 1 bis 3 gezeigten Blattdickenmeßgerätes zeigt;
• Fig. 5 eine schematische Ansicht, die das Prinzip eines Beispieles eines herkömmlichen Blattdicken-Meßgerätes zeigt; und
• Fig. 6 eine grafische Darstellung, die beispielhaft die Änderung in den Meßwerten zur Erläuterung des Problems des herkömmlichen Gerätes nach der Fig. 5 zeigt.
• Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Wie am besten in der Fig. 1 gezeigt ist, ist eine metallische Unterlagerolle 12 durch und zwischen einem Halterungsrahmen 20 an aneinander gegenüberliegenden Seiten gehaltert. Eine gerade Schiene 14 wird ebenfalls durch und zwischen den Halterungsrahmen 20 gehaltert, so daß die Schiene 14 über der metallischen Unterlagerolle 12 in beabstandeter und paralleler Beziehung zu der Rolle 12 angeordnet ist. Ein Blattdickensensor 13 mit einem ein magnetisches Feld verwendenden Sensor und einem optischen Sensor, die integral zueinander ausgebildet sind, ist verschiebbar auf der geraden Schiene 14 gehaltert. Der Blattdickensensor 13 ist mit einer Kette 21 verbunden, die zwischen zwei Kettenrädern 16 sich erstreckt und mit diesem in Eingriff steht, die durch einen Abrasterschrittmotor 15 angetrieben werden, so daß der Sensor 13 entlang der geraden Schiene 14 durch die Betätigung des Abrasterschrittmotors 15 bewegt wird. Eine Grundstellung, bei der ein die Nähe der Anordnung nachweisender Schalter 17 ausgelöst wird, ist in der Nähe des Rades angeordnet, das in der Fig. 1 auf der linken Seite gelegen ist. Abrastergrenzschalter 18 sind in der Nähe von aneinander entgegengesetzten Seiten der geraden Schiene 14 angeordnet. Der Halterungsrahmen 20 ist mit einem eine Drehung der Rolle nachweisenden Meßwertumwandler 19 zum Nachweisen der Drehstellung der metallischen Unterlagerolle 12 versehen.
• Wie am besten in der Fig. 2 zu sehen ist, umfaßt der Blattdickensensor 13 einen ein magnetisches Feld verwendenden Sensor 24, der über der metallischen Unterlagerolle 12 angeordnet ist, und einen optischen Sensor mit einer lichtprojizierenden Vorrichtung, die einen Halbleiterlaser 22 aufweist, mit einer Linse 23, und einer lichtempfangenden Vorrichtung 26 mit einem Spiegel 25 und einer PSD (photosensitive Diode oder photoemfpindliche Diode) oder einer CCD (charge coupled device oder ladungsgekoppelte Vorrichtung), die integral eingebaut sind. Der Halbleiterlaser 22 kann ein strahlförmiges Licht durch die Linse 23 in einer seitlichen Richtung aussenden, so daß das Licht tangential zu einer Stelle auf der Unterlagerolle gelangt, wo das Blatt 11 angeordnet ist, oder in die Nähe davon, und die lichtempfangende Vorrichtung 26 ist an einer Stelle angeordnet, die zu dem Halbleiterlaser 22 in einer diametralen Richtung in bezug auf die metallische Unterlagerolle sich befindet, zum Empfangen des strahlförmigen Lichts über den Spiegel 25. Die Lichtquelle ist nicht auf einen Halbleiterlaser eingeschränkt, und kann z. B. eine LED (light emitting diode oder lichtemittierende Diode) oder ähnliches sein.
• Wie in der Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die Steuereinheit hauptsächlich eine zentrale Verarbeitungseinheit CPU mit einem Mikrocomputer oder ähnlichem, einen Speicher 27 zum Speichern verschiedener Meßdaten, einen Operationsverstärker 28, der ein Signal einer Entfernung, die von dem ein Magnetfeld verwendenden Sensor 24 des Blattdickensensors 13 gemessen wird, verstärkt, einen weiteren Operationsverstärker 29, der ein Signal über die Breite des abgeschirmten Lichts, das von den optischen Sensoren 22 und 26 des Blattdickensensors 13 gemessen wird, verarbeitet, A/D-Wandler 30 und 31, die analoge Meßsignale, die von den Operationsverstärkern 28 und 29 verarbeitet und verstärkt worden sind, in digitale Signale umwanden, eine Schrittmotorsteuereinheit 32 zum Steuern der Betätigung des Abrasterschrittmotors 15, einen Eingabeund Ausgabeschaltkreis 33 für den die Grundstellung feststellenden, die Nähe des Systems nachweisenden Schalters 17, einen Abrasterbegrenzungsschalter 18, und andere die Nähe des Systems feststellende Steuerschalter (in den Fig. 1 und 2 nicht gezeigt), und einen Ausgabeschaltkreis 24 zum Ausgeben der Ergebnisse der Messung an eine Kathodenstrahlröhre, ein Aufzeichnungsgerät und einen Drucker u. ä.
• Nun wird der Betrieb eines derart aufgebauten Blattdicken- Meßgerätes zum Messen der Dicke eines Blattes beschrieben.
• Wenn kein Blatt auf der metallischen Unterlagerolle 12 angeordnet ist, sendet die zentrale Verarbeitungseinheit CPU zuerst eine Anweisung an den Abrasterschrittmotor 15 aus, um den Blattdickensensor 13 zu veranlassen, sich zu der Grundposition zu bewegen. D. h., daß der Blattdickensensor 13 durch Betätigen des Abrasterschrittmotors 15 zu einer Stelle bewegt wird, wo der die Grundposition nachweisende, die Nähe des Systems ermittelnde Sensor 17 durch den Blattdickensensor 13 betätigt wird. Eine Abrasterbewegung des Blattdickensensors 13 wird dann von der Grundposition aus begonnen. Diese Abrasterbewegung wird als ein Abrastern zum Speichern eines Referenzwertes für das Auslesen eines Referenzwertes bezeichnet. Der Sensor 13 wird durch den Abrasterschrittmotor 15 in Synchronisation mit Pulsen von dem die Drehung nachweisenden Meßwertwandler 19 der Unterlagerolle 12 angetrieben. D. h., daß der Sensor 13 eine konstante Abrasterbewegung entlang eines gegebenen Spiralweges auf der Unterlagerolle 12 ausführt. Jedesmal wenn der Sensor 13 eine Abrasterbewegung über eine gegebene Entfernung ausgeführt hat, wird ein einen gemessenen Abstand zwischen dem ein Magnetfeld verwendenden Sensor 24 und der Rollenoberfläche darstellendes Signal durch den Operationsverstärker und den A/D-Wandler an den Speicher 27 gesendet, wo das Signal als ein digitaler Datenwert gespeichert wird, und ein der Weite des abgeschirmten Lichts entsprechendes Signal wird von der lichtempfangenden Vorrichtung 26 des optischen Sensors durch den Operationsverstärker 29 und A/D-Wandler 31 an den Speicher 27 gesendet, wo das Signal als ein digitaler Datenwert gespeichert wird. Das Signal für das Messen der Weite des abgeschirmten Lichts, das von der lichtempfangenden Vorrichtung 26 ausgegeben wird, basiert auf einer Änderung in der Stärke des strahlartigen Lichts von der Lichtprojektionsvorrichtung 22, das lediglich durch die metallische Unterlagerolle an jedem solchen Meßpunkt und die Größe der Abweichung von der Abschirmstelle des Lichts abgeschirmt wird. Mit anderen Worten, das Signal kann als eine Darstellung einer Änderung in dem Abstand zwischen dem Blattdickensensor 13 und der Oberfläche der Rolle an jedem Meßpunkt angesehen werden. Daher kann die magnetische Eigenschaft an jedem Meßpunkt entlang der Abrasterlinie als ein Anfangszustand durch Vergleichen des Signals mit der entsprechenden Ausgabe aus dem ein magnetfeldverwendenden Sensor 24 bestimmt werden.
• Als nächstes wird ein Abrastern (auch als ein Abrastern für die Messung bezeichnet) ausgeführt, während ein zu messendes Blatt auf der metallischen Unterlagerolle 12 angeordnet ist. Auf dem Abrastern zum Speichern von Referenzwerten ähnliche Weise wird der Blattdickensensor 13 wieder aus der Grundposition bewegt, und jedesmal wenn der Blattdickensensor 13 einen Meßpunkt erreicht, bewirkt die zentrale Verarbeitungseinheit CPU, daß der Speicher 27 einen vorliegenden, für den Abstand zwischen dem ein Magnetfeld verwendeten Sensor 24 und der oberen Oberfläche der metallischen Unterlagerolle 12 repräsentativen Abstandswert, der durch den Sensor 24 gemessen wird, und ein vorliegender, der aufgrund der Dicke der metallischen Unterlagerolle und des Blattes 11 bewirkten Breite des abgeschirmten Lichts repräsentativer Wert, der durch die lichtempfangende Vorrichtung 26 des optischen Sensors gemessen wird, gespeichert wird.
• Die zentrale Verarbeitungseinheit CPU berechnet die Dicke des Blattes auf der Grundlage dieser gemessenen Abstandswerte und der gemessenen Weiten für das abgeschirmte Licht, die in dem Speicher 27 gespeichert sind, um diese über den Ausgabeschaltkreis 34 auszugeben. Das zugrundeliegende Prinzip der Berechnung wird nun in bezug auf die Fig. 4 beschrieben.
• In der Fig. 4 bezeichnet ein Bezugszeichen T die Dicke des Blattes, ein Bezugszeichen WO den gemessenen Wert für die Weite des lediglich durch die metallische Unterlagerolle 12 abgeschirmten Lichts, ein Bezugszeichen W den gemessenen Wert für die Weite des durch die metallische Unterlagerolle 12 und das Blatt 11 abgeschirmten Lichts, ein Bezugszeichen dO den durch ein Magnetfeld verwendenden Sensor 24 unter einer Bedingung, daß das Blatt nicht auf der Rolle 12 angeordnet ist, gemessenen Abstandswert, und ein Bezugszeichen d einen durch den ein Magnetfeld verwendenden Sensor 24 unter einer Bedingung, daß das Blatt 11 auf der Rolle angeordnet ist, gemessenen Abstandswert. Wie aus der Fig. 4 offensichtlich ist, ist die Dicke T des Blattes 11 durch die folgende Formel gegeben.
• T = W - (WO + Δd)
• wobei Δd = dO - d.
• Wie durch diese Formel gezeigt ist, kann eine wahre Schichtdicke T durch Berechnen einer sehr geringen Größe der Änderung Δd bestimmt werden, welche eine Differenz zwischen dO und d ist, sowie durch Ausgleichen der Weite des abgeschirmten Lichts (W - WO) aufgrund der durch den optischen Sensor unter einer Bedingung, daß das Blatt auf der Rolle angeordnet ist, bestimmten Blattdicke, sogar wenn es eine kleine Änderung in dem Abstand zwischen dem ein Magnetfeld verwendenden Sensor und der Oberfläche der metallischen Unterlagerolle aufgrund einer Schwingung der Vorrichtung oder eine Abrasterungenauigkeit des Blattdickensensors gibt.
• Obwohl die metallische Unterlagerolle verwendet wird, um eine Bezugsoberfläche für die Messung in der oben erwähnten Ausführungsform zu schaffen, kann die vorliegende Erfindung ebensogut in einem Fall angewendet werden, bei dem eine metallische Unterlageplatte verwendet wird, um eine Bezugsoberfläche für eine Messung zu schaffen. In diesem Fall ist es wichtig, daß die Lichtprojektionsvorrichtung und die lichtempfangende Vorrichtung des optischen Sensors so angeordnet sind, daß sie über die metallische Unterlageplatte in einer Richtung entsprechend ihrer Breite überstehen, um einen solchen Einfallswinkel des strahlartigen Lichts vorweg einzustellen, daß das von der Lichtprojektionsvorrichtung zu der lichtempfangenden Vorrichtung transmittierte Licht durch die Dicke des Blattes auf der metallischen Unterlageplatte unterbrochen wird.
• Das Blattdicken-Meßgerät gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Dicke eines Blattes mit sehr hoher Genauigkeit sogar dann messen, wenn das Blatt, dessen Dicke zu messen ist, transparent ist, oder wenn es ein geringes Problem in bezug auf die Schwingung der Vorrichtung und/oder die Abrastergenauigkeit gibt, da die Vorrichtung auf der Grundlage des vorher erwähnten Aufbaus betrieben wird.

Claims (3)

1. Ein Blattdicken-Meßgerät zum Messen der Dicke eines Blattes auf einer metallischen Unterlageoberfläche mit:

einem Blattdickensensor (13) mit einem magnetischen Sensor (24) und einem optischen Sensor (22, 26), die integral miteinander ausgebildet sind, wobei der magnetische Sensor (24) über der metallischen Unterlageoberfläche (12) und dem Blatt (11) zum Ausgeben eines gemessenen Abstandswertes, der für einen Abstand zwischen dem magnetischen Sensor (24) und der metallischen Unterlageoberfläche (12) repräsentativ ist, positionierbar ist, und der optische Sensor eine Lichtprojektionsvorrichtung (22) zum Projizieren eines strahlartigen Lichts auf eine Stelle in der Nähe der metallischen Unterlageoberfläche 12, auf der das Blatt angeordnet ist, in einer lateralen Richtung, so daß das Licht tangential zu der Stelle oder seiner Umgebung vorbeigeführt wird, und eine lichtempfangende Vorrichtung (26) umfaßt, die an einer Seite der metallischen Unterlageoberfläche (12) der lichtprojizierenden Vorrichtung (22) gegenüberliegend in einer Richtung der Breite der metallischen Unterlageoberfläche positionierbar ist, um das projizierte, strahlartige Licht zu empfangen und einen Wert für die gemessene Lichtweite auszugeben;

einer Abrastervorrichtung (15), um beim Betrieb den Blattdickensensor relativ und parallel zu der metallischen Unterlageoberfläche (12) in einer vorbestimmten Richtung zu bewegen;

eine Computervorrichtung (CPU) zum Bestimmen und Ausgeben eines Wertes, der für die Dicke T des Blattes auf der Grundlage der gemessenen Werte repräsentativ ist, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfangende Vorrichtung (26) so angeordnet ist, daß sie einen gemessenen Wert für die Weite des abgeschirmten Lichts ausgibt, der repräsentativ für die Weite ist, entlang der das projizierte Licht nur durch die metallische Unterlageoberfläche und das Blatt auf der Grundlage einer Änderung in der Menge des abgeschirmten Lichts oder der Größe der Abweichung von der Position, an der das Licht abgeschirmt wird, abgeschirmt wird;

daß das Gerät weiter umfaßt:

eine Speichervorrichtung (27);

eine Einschreibvorrichtung (CPU) zum Speichern eines gemessenen Bezugsabstandswertes dO von dem magnetischen Sensor (24) und eines gemessenen Bezugswertes für die Weite des abgeschirmten Lichts WO vom dem optischen Sensor (22, 26) in der Speichervorrichtung (27) jedes Mal, wenn der Blattdickensensor (13) einen Meßpunkt erreicht, während eines Referenzabrastervorgangs durch die Abrastervorrichtung (15), wenn kein Blatt (11) auf der metallischen Unterlageoberfläche (12) angeordnet ist, und zum Speichern eines gemessenen Abstandswertes d von dem magnetischen Sensor (24) und eines gemessenen Wertes für die Weite des abgeschirmten Lichts W von dem optischen Sensor (22, 26) in der Speichervorrichtung (27) jedes Mal, wenn der Blattdickensensor (13) einen Meßpunkt erreicht, während eines Abrastermeßvorgangs durch die Abrastervorrichtung (15) zum Messen der Blattdicke, wenn das Blatt (11) auf der metallischen Unterlageoberfläche (12) angeordnet ist; und

daß die Computervorrichtung (CPU) so ausgebildet ist, um die gemessenen Bezugsabstandswerte und die gemessenen Abstandswerte dO und d und die gemessenen Bezugswerte für die Weite des abgeschirmten Lichts und die gemessenen Werte für die Weite des abgeschirmten Lichts WO und W, die einem jedem Meßpunkt entsprechen, aus der Speichervorrichtung (27) zu lesen, und um eine arithmetische Operation gemäß der Formel

T = W - (WO + dO - d)

auszuführen, um die Dicke T des Blattes an jedem Meßpunkt zu bestimmen.

2. Ein Blattdicken-Meßgerät nach Anspruch 1, in dem die metallische Unterlageoberfläche eine Oberfläche einer metallischen Unterlagerolle ist, und in dem die lichtprojizierende Vorrichtung und die lichtempfangende Vorrichtung des optischen Sensors auf eine solche Weise positionierbar sind, daß sie über die metallische Unterlagerolle (12) in seiner diametrischen Richtung vorstehen.

3. Ein Blattdicken-Meßgerät nach Anspruch 1, in dem die metallische Unterlageoberfläche eine Oberfläche einer metallischen Unterlageplatte ist, und in dem die lichtprojizierende Vorrichtung und die lichtempfangende Vorrichtung des optischen Sensors auf eine solche Weise positionierbar sind, daß sie über die metallische Unterlageplatte in einer Richtung ihrer Breite vorstehen.