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Die vorliegende Erfindung betrifft einen fotoelektrischen Detektor
für eine Vorrichtung zur Registerregelung einer Mehrzahl von
aufeinanderfolgenden Drucken auf einer durchlaufenden Bahn in einer
Rotationsdruckmaschine.
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Mit einer solchen Vorrichtung kann die Position der Bahn und/oder
der Druckzylinder jeder Farbstation entsprechend von Registerfehlern,
berrechnet von der Erfassung der relativen Positionen von Registermarken, die
in einem reservierten Bereich von jeder Station nacheinander gedruckt werden,
automatisch korrigiert werden.
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Eine durch ihr Preis-Leistungs-Verhältnis geschätzte
Regelungsvorrichtung, besteht aus zwei, jeweils aus einer Fotodiodenreihe
gebildeten fotoelektrischen Detektoren. Eine solche Vorrichtung ist in
CH-A-686 501 beschrieben (Patentanmeldung CH 03318/91-5). Diese zwei
parallelen Detektoren sind quer zur Bahndurchlaufrichtung oberhalb eines
Bereichs, durch welchen die Registermarken laufen, z. B. im Seitenrand,
angeordnet. Ein erster Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass sie mit
Mikroregistermarken arbeiten kann, d. h. mit Marken von ungefähr 1 mm²,
dadurch dass eine Reihe aus etwa zwanzig Fotodioden besteht, deren Fläche
auf ungefähr 0.7 mm² reduziert ist und die alle Millimeter angeordnet sind.
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Ein anderer Vorteil dieser Vorrichtung ist, dass sie sowohl mit
nebeneinander als auch mit hintereinander gedruckten Registermarken
arbeiten kann, sogar in einer vereinfachten, nur zwei Fotodiodenreihen
umfassenden Ausführung. Im ersten Fall von nebeneinander gedruckten
Marken, sind die Reihen in zwei Seitenhälften geteilt, wobei die erste Reihe die
Position des Durchlaufs der Marken für die Bestimmung des Seitenfehlers, und
die zweite Reihe die zeitliche Verschiebung des Durchlaufs der Marken zur
Bestimmung des Längsfehlers messen. Im zweiten Fall von hintereinander
gedruckten Marken, misst eine Reihe die Position des Durchlaufs einer Marke
dann, nach einer Wiederinitialisierung, die Position des Durchlaufs der
folgenden Marke zur Bestimmung des Seitenfehlers, und die zwei Reihen,
deren Abstand zueinander dem erwarteten Längsabstand zwischen zwei
Marken entspricht, messen eine zeitliche Verschiebung des normalerweise
gleichzeitigen Durchlaufs der Marken.
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Die Fotodioden der Reihen arbeiten zwar zufriedenstellend,
benötigen jedoch eine Näherungselektronik, so dass der gesamte Abtastkopf in
einem soliden und dichten Gehäuse, welches die zwingenden Normen der
Industrie respektiert, enthalten sein muss. Diese Gehäuse sind zwangsläufig
sperrig und können deshalb nicht installiert werden, wenn die Druckwerke der
Stationen zu nah beieinander sind, oder wenn eine doppelte beidseitige
Abtastung notwendig ist.
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Die Dokumente US 5 215 011 und CH 680 117 beschreiben
Vorrichtungen zur Registerregelung, in welchen jede Markenabtastvorrichtung
aus einem Paar Bündel optischer Fasern von 0.2 mm Durchmesser besteht:
ein Bündel optischer Fasern als Lichtquelle und ein Bündel optischer Fasern,
welche das reflektierte Licht empfangen und zu einer Fotodiode führen, die weit
hinten in der Maschine angeordnet ist. Da jedoch der Eingangs- oder
Ausgangslichtkegel in einer optischen Faser ungefähr 60º ist, entsprechen der
Lichtfleck und der Abtastbereich einem Kreis von üblichem 4 mm Durchmesser.
Diese für Standardmarken, z. B. rechteckige 1 mm auf 5 mm, völlig
ausreichenden Abtastvorrichtungen sind für auf 1 mm auf 1 mm reduzierte
Mikromarken unzulänglich. Tatsächlich ist die erwartete maximale Lichtstärke
auf einen Viertel reduziert und ist im Falle von Mikromarken von blasser Farbe
noch geringer.
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Dokument EP 473 429 beschreibt einen optischen
Magnetfeldsensor, der hauptsächlich in einer Vorrichtung für das Nachweisen
elektrischer Übertragungsfehler in Verteilungslinien der Starkstromnetze
benutzt wird. Solche Fehler sind z. B. Kurzschlüsse oder ungewollte Erdungen.
Zu diesem Zweck besteht die betreffende Vorrichtung aus einem Gehäuse, in
das ein von einer optischen Faser geführtes Lichtbündel ein- und wieder
austritt. In diesem Gehäuse befinden sich insbesondere zwei sphärische
Linsen, ein Lichtpolarisator gefolgt von einem magnetooptischen Element und
einem Lichtanalysator. Die Erfindung umfasst ebenfalls ein Verfahren zur
Verbesserung der Ausrichtungsgenauigkeit dieser Elemente, um den
Lichtverlust zwischen diesen Bestandteilen zu verringern und die Leistungen
dieses Apparates vorteilhaft zu erhöhen. Die Achse der optischen
Eingangsfaser und diejenige der optischen Ausgangsfaser müssen also auf
den Achsen der anderen Bestandteile des besagten Sensors sorgfältig
ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck ist das Ende von jeder optischen Faser
in einem ersten Materialblock gehalten, welcher in der Achse einer sphärischen
Linse angeordnet ist, die durch ein das Ganze verkittendes Kunstharz an
diesem Block befestigt ist. Die Ausrichtung dieser Bestandteile erfolgt infolge
des geradlinigen Verlaufs einer V-förmigen Rille, in welcher alle diese Elemente
angeordnet sind und infolge der Tiefe dieser Rille, die insbesondere abhängig
von der Grösse der sphärischen Linsen ist. Das Funktionieren dieses Sensors
basiert auf Intensitätsschwankungen eines elektrischen Stromes in einer
Verteilungslinie. Wenn der Wert des elektrischen Stroms schnell ändert, z. B.
während eines Kurzschlusses oder einer ungewollten Erdung, ändert die
Intensität des Magnetfeldes, das automatisch um die Starkstromverteilungslinie
erzeugt wird, ebenfalls entsprechend. Dieser Effekt beeinflusst auch die
Polarisationsebene des durch das magnetooptische Element übertragene
Lichts. Es ist genau die Änderung dieser Polarisationsebene des Lichts, die das
Erfassen eines solchen Fehlers in der Verteilungslinie des Stromnetzes erlaubt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein fotoelektrischer
Detektor für eine Vorrichtung zur Registerregelung umfassend eine Reihe von
Markenabtastvorrichtungen, welche gegenüber und quer zur Durchlaufrichtung
der Bahn angeordnet ist. Dieser Detektor muss zunächst klein genug sein, um
an irgendeiner Stelle in der Maschine installiert werden zu können und muss
gleichzeitig präzise genug sein, um in zuverlässiger Weise kleindimensionierte
Marken von ungefähr einem Millimeter zu registrieren. Selbstverständlich muss
dieser Detektor ebenfalls starr genug sein, um die Hitze und Vibrationen der
Maschine auszuhalten und muss auf einfache Weise verwirklicht werden
können, um die Herstellungskosten dementsprechend zu senken.
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Diese Aufgaben werden dadurch erreicht, dass jede
Abtastvorrichtung eine einzige optische Abtastfaser umfasst, die durch einen
Leim von optischer Qualität mit ihrer eigenen Vorrichtung zur Bildfokussierung
verbunden ist, wobei jede Faser das empfangene Licht zu einer
entsprechenden Fotodiode hinten in der Maschine führt.
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Gemäss einer ersten vorteilhaften Ausführungsform ist jede
Vorrichtung zur Bildfokussierung eine sphärische oder halbsphärische Linse,
welche gegen eine Lagerung festgestellt ist, die in einem entsprechenden
Kasten einer Kastenreihe in einem Gehäuse gegenüber der Bahn eingerichtet
ist, wobei das Ende der entsprechenden einzigen optischen Abtastfaser am
Kastenboden satt anliegt und der Raum zwischen der sphärischen Linse und
der Faser von einem Leimblock von optischer Qualität eingenommen ist.
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Unter "Leim von optischer Qualität" versteht man einen Leim, der
nach dem Härten transparent wird mit einem in seiner ganzen Masse strikt
homogenen Brechungsindex. Auf diese Weise bildet der Leimblock zusammen
mit der im Handel frei erhältlichen sphärischen Linse, ein starres Objektiv,
welches das Sichtfeld sehr genau definieren kann.
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Obwohl der Gebrauch von sphärischen Linsen auf dem Gebiet der
optischen Fasern zweifellos bekannt ist, ist er normalerweise beschränkt auf
Anschlüsse, d. h. Verbindungen von Lichtbündeln. Ausserdem in solchen
Verbindungen, ist das Ende der optischen Faser normalerweise durch
mechanische elastische Mittel, welche die industriellen Beanspruchungen und
insbesondere die Vibrationen kaum aushalten, direkt gegen die sphärische
Linse gepresst.
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Es ist also vorteilhaft, dass der Brechungsindex des Leimblocks
sozusagen gleich ist wie derjenige der sphärischen Linse. Die Lichtstrahlen
werden also nicht zwischen die sphärische Linse und den Leimblock geleitet,
was die Berechnung der Brennweiten zur Nutzung der gesamten Vorderfläche,
der sphärischen Linse, um ein Maximum reflektierten Lichtes zu übermitteln,
wesentlich vereinfacht.
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Als Variante ist der Raum des Kastens zwischen der sphärischen
Linse und einem Frontschutzglas der Kastenreihe ebenfalls vom Leimblock von
optischer Qualität eingenommen, wobei der Brechungsindex der sphärischen
Linse grösser ist als derjenige des Leims. Obwohl die Berechnung der
Lichtwege leicht erschwert ist, ist diese Ausführungsform einfacher,
insbesondere durch den Gebrauch eines Leims, der in flüssigem Zustand,
genug flüssig ist, die Linse durch Kapillarität zu umgehen.
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Entsprechend einer zweiten Ausführungsform ist jede Vorrichtung
zur Bildfokussierung eine sozusagen halbsphärische Linse einer Reihe, die an
der Aussenfläche eines Frontglases, das eine anliegende Kastenreihe
innerhalb eines Gehäuses gegenüber der Bahn schliesst, eingerichtet oder
aufgesetzt ist, wobei der entsprechende Kasten, an dessen Boden das Ende
der entsprechenden einzigen optischen Abtastfaser herausragt, mit einem
optischen Leimblock gefüllt ist.
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Nützlicherweise sind der Abstand zwischen den sphärischen oder
halbsphärischen Linsen und der Bahn sowie der Abstand zwischen den
sphärischen Linsen und ihren einzigen optischen Abtastfasern so festgesetzt,
dass der Abtastbereich ein Kreis von einem Radius zwischen 0,8 und 1,5 mm
ist, und dass die Schärfe dieses Abtastbereichs progressiv auf der Peripherie
verschwimmt. Die Kästen, welche eine interne Breite aufweisen, die dem
gemeinsamen Durchmesser der sphärischen Linsen entspricht, haben solch
eine externe Breite, dass, sobald sie zum Bilden einer Reihe hinter einem
Schutzglas eines Gehäuses aneinandergereiht sind, sich die Abtastbereiche
auf einer vorbestimmten Breite überlappen. So wird eine Marke, die zwischen
zwei Bereichen durchgeht, trotzdem auf zuverlässige Weise erfasst.
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Vorteilhaft sind nur eine oder zwei optische Beleuchtungsfasern mit
jeder Abtastvorrichtung verbunden und, vorzugsweise, nahe bei der
entsprechenden Vorrichtung zur Bildfokussierung angeordnet.
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Besser verständlich wird die Erfindung bei der Prüfung einer
Ausführungsform, die als keineswegs beschränkendes Beispiel angeführt und
durch die beigelegten Zeichnungen dargestellt wird, in welchen
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- Fig. 1 ist eine teilweise auseinandergezogene Perspektivansicht
einer ersten Ausführungsform der Erfindung,
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- Fig. 2 ist eine Schnittansicht einer Variante der ersten
Ausführungsform von Fig. 1, und
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung.
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Fig. 1 veranschaulicht einen fotoelektrischen Abtastkopf 1, der
gegenüber einer durchlaufenden Bahn 10 angeordnet ist, um die Position der
Registermarken 12 abzutasten, die nacheinander durch die vorherigen
Farbstationen gedruckt werden, und dies nebeneinander oder hintereinander.
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Dieser Abtastkopf 1 besteht aus einem rechteckigen Gehäuse 20,
in dessen Vorderseite ein mit einem Schutzglas 24 ausgestattetes Fenster 22
geöffnet ist. Hinter diesem Glas 24 ist eine Seitenreihe von
Markenabtastvorrichtungen installiert, die jeweils ein Paar optische Fasern,
d. h. obere optische Beleuchtungsfasern 30 und optische Abtastfasern 40 auch
optische Empfangsfasern genannt, umfassen. Die Abmessungen des
Gehäuses 1 liegen bei 3 bis 5 mm Höhe und 20 oder 40 mm Breite, bzw. für
eine Reihe von 16 oder 32 Abtastvorrichtungen.
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Das von einer Lichtquelle hinten in der Maschine in die optischen
Beleuchtungsfasern 30 gestrahlte Licht, kommt aus diese Fasern auf der Höhe
des Abtastkopfes 1 in einem Kegelwinkel von ungefähr 60º heraus, um jeweils
einen Lichtpunkt 32 von einem Durchmesser zwischen 2 und 3 mm zu bilden,
wobei sich die Lichtpunkte dieser oberen Reihe optischer Beleuchtungsfasern
30 überlappen, um sozusagen einen Lichtstreifen, quer zur Bahn zu bilden.
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Insbesondere gemäss der Erfindung und wie auf dem Längsschnitt
im rechten Teil von Fig. 1 besser ersichtlich ist, liegt das Ende jeder optischen
Abtastfaser 40 im Mittelteil der Unterseite eines Kastens 26 satt an, wobei
diese Unterseite eine gegen die Faser gerichtete konische Form aufweist.
Jeder Kasten 26 hat sozusagen in der Mitte seiner oberen und unteren Flächen
einen Absatz, welcher eine Lagerung 45 zur präzisen Positionierung für eine
sphärische Linse 44 bildet. Diese Linse 44 wird durch einen Leimblock 48,
welcher den ganzen Innenraum des Kastens 26 zwischen der sphärischen
Linse 44 und der optischen Faser einnimmt, in Position gehalten. Wie in Fig. 1
veranschaulicht, sind die Kästen 26 nebeneinander geklebt, um eine starre
Reihe von fotoelektrischen Abtastelementen zu bilden, die in streng
regelmässigen Abständen angeordnet sind.
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Der den Block 48 bildende Leim ist insbesondere von optischer
Qualität, d. h. nach dem Härten ist er absolut transparent mit einem in seiner
ganzen Masse homogenen und isotropen Brechungsindex. Ein solcher Leim
wird z. B. unter dem Handelsnamen "Epotek" von der Schweizer Firma Abatec
unter Referenz 1103 vermarktet. Die erste Funktion dieses an den
Rückwänden des Kastens 26 haftenden Leimblocks 48 ist, einerseits die
sphärische Linse 44 in ihrer Lagerung 45 und andererseits das Ende der
optischen Abtastfaser 40 am Boden des Kastens 26 festzuhalten, d. h. dieses
Faserende in einem rigorosen und vorbestimmten Abstand zur sphärischen
Linse 44 zu halten. Die zweite Funktion dieses Leimblocks 48 ist, zusammen
mit der sphärischen Linse 44 ein Objetiv für den Empfang des reflektierten
Lichtes, welches ausschliesslich aus einer Abtastzone 42 von rigoros
vorbestimmten Abmessungen stammt, zu bilden.
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Vorzugsweise ist also der Brechungsindex des Blocks 48 praktisch
gleich wie der Brechungsindex der sphärischen Linse 44, ungefähr 1,5, damit
ein Lichtstrahl nicht an der Schnittstelle Sphäre/Block abgelenkt wird. Der
Abstand der optischen Abtastfaser 40 zur sphärischen Linse 44 sowie der
Abstand des Abtastkopfes 1 zur Bahn 10 werden dann in Abhängigkeit vom
Seitenabstand der sphärischen Linsen 44 innerhalb ihrer Reihe festgesetzt, so
dass die Abtastzonen 42 aus einer Seitenreihe von Kreisen mit Durchmesser
zwischen 0,8 und 1,5 mm gebildet werden, welche sich in einem Bereich e
zwischen 0,1 und 0,3 mm seitlich überlappen, und dies mit einer minimalen
Fehlertoleranz. Ausserdem werden die vorerwähnten Bereiche so festgesetzt,
dass die Schärfe der Abtastzonen 42 progressiv auf der Peripherie
verschwimmt, so dass die Überlappungsbereiche halb durch eine Faser und
halb durch die andere angrenzende Faser abgetastet werden.
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Um solch einen Detektor zu verwirklichen, werden die Fasern auf
ein Stück, ausgestattet mit Bohrungen in gutem Abstand zueinander, geklebt,
auf welches Stück ein zweites Stück positioniert wird, dessen Bohrungen
dienen, die sphärischen Linsen zu führen, und schliesslich wird optischer Leim
in eine im zweiten Stück eingerichtete Rille gespritzt, so dass alles aneinander
befestigt ist.
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Als Alternative und wie in Fig. 2 dargestellt, ist der gesamte Kasten
26 mit Leim gefüllt, so dass die sphärische Linse 44' zwischen einem hinteren
Block 48, der wie vorher mit dem Boden des Kastens und der optischen
Abtastfaser 40 in Kontakt ist, und einem vorderen Block 48' in Kontakt mit dem
Schutzglas 24 völlig eingebettet ist. In diesem Fall ist der Brechungsindex der
sphärischen Linse 44' grösser als derjenige des Leims, z. B. 1,80. Diese
Variante ist sogar noch starrer als das vorherige Beispiel, da das Schutzglas in
bezug zur Linse ebenfalls fest gehalten wird.
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Die Verwirklichung dieser Variante wird vereinfacht, insofern, beim
Einspritzen eines sehr flüssigen Leims, man ihn um die sphärische Linse
herum bis zum Erreichen des Glases durch Kapillarität überlaufen lässt.
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Gemäss einer zweiten Ausführungsform ist eine Reihe von
sozusagen halbsphärischen Linsen 46 auf der Aussenfläche des Schutzglases
25 eingerichtet. Mit halbsphärisch wird eine Linse bezeichnet, von welcher nur
eine Fläche ein Sphärenteil und die andere Fläche rigoros flach ist. Diese
Linsen können mit dem Glas geformt, oder ab einem dickeren Glas
geschnitten, oder einfach einzeln gegen die Aussenfläche des Glases geklebt
sein. Die Länge des Kastens 27 ist also um den Abstand zwischen dem Ende
der optischen am Boden satt anliegenden Faser 40 und der Linse 46 verringert,
wobei dieser Kasten, wie vorher, mit einem Halteleimblock 49 gefüllt ist.
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Wie anhand der Lektüre dieser Darstellung festgestellt werden
konnte, bestehen diese Abtastvorrichtungen aus passiven Elementen, d. h. aus
optischen Fasern, die durch Leimblöcke mit sphärischen oder halbsphärischen
Linsen verbunden sind, so dass sie auf sehr starre Weise in einer Reihe in
einem ebenfalls soliden, jedoch sehr kleinen Gehäuse 20 installiert werden
können, d. h. sie können an irgendeiner Stelle der Rotationsdruckmaschine
installiert werden.
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Ausserdem kann die Mehrzahl der Kästen und das Gehäuse aus
einem einzigen Stück gefertigt werden, und dies mit sehr genauen
Abmessungen, insbesondere für die Lagerungen der sphärischen Linsen. Trotz
der zu respektierenden strengen Massen, erweisen sich diese fotoelektrischen
Detektoren also ebenfalls als leicht realisierbar.
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Im Rahmen der Patentansprüche können zahlreiche
Verbesserungen an diesem fotoelektrischen Detektor vorgenommen werden.