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Meßvorrichtung zur lichtelektrischen Bestimmung der Verschiebung zweier
relativ zueinander beweglicher Teile Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung
zur lichtelektrischen Bestimmung der Verschiebung zweier relativ zueinander beweglicher
Teile, von denen eines mit einer durchsichtige oder reflektierende Teilstriche aufweisenden
Skala fest verbunden ist, während das zweite Teil mit einem elektrooptischen Abtastkopf
gekoppelt ist.
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Bei einer bekannten Anordnung weist der Abtastkopf ein optisches
Gitter auf, welclles einem Beugungsgitter ähnlich ist, beispielsweise ein aus Stäben
und Schlitzen bestehendes Gitter. Die Gitterkonstante ist gleich dem Abstand der
Skalenteilstriche, und die Linien oder Stäbe liegen in einer Ebene, die parallel
zu der der Skala und nahe dieser liegt. Die Linien sind bezüglich der Teilstriche
der Skala geneigt, so daß ein »Moire«-Muster erzeugt wird. Die photoelektrischen
Geräte sind mehrfach empfindlich für die verschiedenen Teile dieses »Moire«-Musters.
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Bei einer weiteren bekannten Anordnung weist der Abtastkopf mehrere
gesonderte Gitter auf, von denen jedes eine Gitterkonstante hat, die gleich dem
Abstand der Teilstriche der Skala ist. Sie haben jedoch entlang der Skala einen
Abstand voneinander, der gleich einer größeren Zahl von Teilstrichabständen plus
oder minus einer räumlichen Phasendifferenz von weniger als 360° ist. Es ist eine
entsprechende Anzahl von photoelektrischen Meßgeräten vorgesehen, die mehrfach auf
verschiedene Gitter durchlaufendes Licht ansprechen.
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Bei derartigen Anordnungen, bei denen die Abtasteinrichtung ein Gitter
mit Stäben und Schlitzen aufweist, wird ein großer Teil der Lichtstrahlen, im allgemeinen
ungefähr die Hälfte, ausgeblendet.
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Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß die photoelektrischen Geräte
auf Licht aus verschiedenen Teilen der Skala ansprechen. Folglich kann ein Fehler
in oder auf der Skala zum Beispiel an bestimmten Stellen vorhandener Schmutz, ein
photoempfindliches Element beeinflussen und so einen Ablesefehler hervorrufen. Eine
ungleiche Ausleuchtung der Skala kann in ähnlicher Weise einen Ablesefehler bewirken.
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Es wurde auch bereits eine Vorrichtung zum photoelektrischen Bestimmen
der Lage eines gegenüber einer Bezugsstellung einstellbaren Objektes vorgeschlagen,
bei welcher durch das die Abtastmerkmale einer mit dem Objekt verbundenen Meßteilung
abtastende Lichtstrahlenbündel über ein in den Abtaststrahlengang eingeschaltetes
optisches Strahlenteilerelement zwei Photozellen zur Erzeugung entsprechender elektrischer
Signale beaufschlagt werden. Bei dieser vorgeschlagenen Anordnung ist jedes Abtastmerkmal
der Meßteilung als optische Strahlenteiler-
vorrichtung ausgebildet, auf welche eine
leuchtende Schlitzblende abgebildet wird.
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Jedoch haftet auch dieser vorgeschlagenen Vorriclìtung der erwähnte
Nachteil an, daß durch Verschmutzung bestimmter Stellen der Skala oder durch eine
ungleiche Ausleuchtung dieselben Ablesefehler hervorgerufen werden.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Meßeinrichtung
der eingangs genannten Gattung zu schaffen, die bei verhältnismäßig einfachem Aufbau
eine gute Ausnutzung des gesamten Be*eiclas des Abtastkopfes gestattet und bei der
Unregelmäßigkeiten oder ungleiche Ausleuchtung der Skala oder Verunreinigungen die
Ablesegenauigkeit nicht wesentlich beeinträchtigen.
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Zur Lösung dieser Aufgabe kennzeichnet sich eine Meßvorrichtung zur
lichtelektrischen Bestimmung der Verschiebung zweier relativ zueinander bewegliCner
Teile, von denen eines mit einer durchsichtige oder reflektierende Teilstriche aufweisenden
Skala fest verbunden ist, während das zweite Teil mit einem eleLtrooptischen Abtastkopf
gekoppelt ist, erfindungsgemäß durch die Kombination der Merkmale, die darin bestehen,
daß der Abtastkopf eine Abtastoptik mit einer planen und einer periodisch unterteilten,
jeweils mindestens zwei zueinander geneigte Teilflächen aufweisenden Oberfläche
besitzt, daß eine Periode der Unterteilung einer ganzzahligen Anzahl Skalenteilen
entspricht
und daß jeweils ein lichtempfindlicher Empfänger, vorzugsweise eine Photozelle,
einer oder mehreren parallel verlaufenden Teilflächen zugeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung hat beispielsweise den Vorteil, daß
direkte Lichtreflektionen an den Oberflächen der Abtastoptik, insbesondere der zueinander
geneigten Teilflächen, auf den elektrooptischen Abtastkopf verhindert oder auf ein
Mindestmaß herabgesetzt werden, so daß eine Schwächung der Intensität des von der
Skala kommenden Lichts vermieden wird.
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Bei einer Ausführungform sind die geneigten Teilflächen als Ebenen
ausgebildet. Weiterhin können die geneigten Teilflächen eine Breite gleich einer
halben Periode der Skala haben, so daß sich alle halbe Periode der Skala eine geneigte
Teilfläche befindet.
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Bei mehr als zwei Phasen verwendenden Systemen können, falls erwünscht,
lichtundurchlässige Bänder zwischen benachbarten, geneigten Flächen angeordnet sein.
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Die Skalen der Meßeinrichtungen sind häufig geradlinig, und die Erfindung
wird der Einfachheit halber in Verbindung mit derartigen geradlinigen Skalen beschrieben.
Selbstverständlich ist jedoch die Erfindung auch auf kreisförmige, spiralförmige
oder schraubenförmige Skalen anwendbar, welche sich in einem oder mehreren Umläufen
über eine Ebene oder zylindrische Oberfläche erstrecken. In diesen Fällen sind die
der Skala zugeordneten Abtastelemente in einer Fläche angeordnet, die ähnlich der
Fläche ist, welche die Skala enthält. Durch Betrachtung der linearen Abwicklung
derartiger gekrümmter Skalen wird die Anwendung der Erfindung auf sie offensichtlich.
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Der Einfachheit halber wird in der folgenden Beschreibung der Abstand
der Skalenstriche einer Skala mit 360° räumlicher Phasendifferenz angenommen.
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Angaben über Phase, Phasenstreifen und Phasendifferenz sind in diesem
Sinne zu verstehen.
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Selbstverständlich ist das System gemäß der Erfindung, wie die meisten
optischen Systeme, vollständig umkehrbar, d. h., die Lichtquelle und die das Licht
ausnutzenden Mittel können in ihrer Lage relativ zu den dazwischenliegenden optischen
Einrichtungen ausgetauscht werden.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in den F i g. 1 bis 5
dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben.
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F i g. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Meßvorrichtung mit einer lichtdurchlässigen Skala; F i g. 2 zeigt
eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform mit einer lichtreflektierenden
Skala F i g. 3 zeigt eine schematische Ansicht einer anderen Ausführungsform mit
einer lichtreflektierenden Skala, bei der eine Lichtquelle zwischen zwei lichtempfindlichen
Empfängern angeordnet ist; Fig. 4 zeigt eine schematische Ansicht einer abgewandelten
Ausführungsform mit einer lichtreflektierenden Skala, bei der zwei lichtempfindliche
Empfänger hintereinander auf einer Seite einer Längsebene senkrecht zur Skala und
die Lichtquelle auf der anderen Seite angeordnet ist, und die F i g. 5 a und 5 b
zeigen eine Aufstellung, welche bestimmte, der verschiedenen Möglichkeiten der Wahl
der Wiederholungslänge R des Abtastkopfes, der Länge 1 der geneigten Teilflächen
und der Längen S der lichtundurchlässigen Zwischenstücke in
Werten des Skalen-Teilstrichabstandes
P bei Verwendung verschiedener Phasenzahlen n bei den Ausführungsformen nach den
Fig. 1, 2, 3 und 4 veranschaulicht.
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Fig. 1 kann als schematischer Schnitt in einer Ebene betrachtet werden
und zeigt die Längsausdehnung der Skala und des Abtastkopfes senkrecht zu der Skalenebene.
Nach Fig. 1 besteht die Skala 10 aus durchsichtigem Material und ist in lichtundurchlässige
Teilbereiche 11 und durchsichtige Teilbereiche 12 gleicher Breite unterteilt. Der
Abtastkopf weist eine Abtastoptik 13 aus durchsichtigem Material, z. B. aus Glas,
auf. Ebensogut kann aber auch ein durchsichtiges plastisches Material verwendet
werden. Die Skala 10 und die Abtastoptik 13 sind beispielsweise jeweils an einem
von zwei relativ zueinander beweglichen Teilen einer Maschine derart angebracht,
daß die Abtastoptik 13 in unmittelbarer Nähe der Skala 10 liegt.
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Die Richtung der Relativbewegung ist die Richtung der Längserstreckung
der Skala. Die der Skala 10 am nächsten liegende Fläche der Abtastoptik 13 weist
zueinander geneigte Teilflächen 14 und 15 auf. Die Teilflächen sind gegenüber der
Normalen der Gesamtebenen der Flächen der Abtastoptik 13 und gegenüber der Normalen
der Oberfläche der Skala 10 entgegengesetzt gleich geneigt. Der Abstand q der durch
die Teilflächen 14 und 15 gebildeten Zacken oder Rippen ist gleich dem Abstand p
der Skalen-Teilbereiche 11 und 12. Durch Pfeile 16 angedeutetes gerichtetes Licht
wird auf die durchsichtige Skala 10 geworfen. Zwei lichtempfindliche Empfänger,
wie z. B. photoelektrische Zellen 17 und 18 oder zwei Sätze von photo elektrischen
Anordnungen, sind z. B. in bestimmter Entfernung und mit einer genügend Licht aufnehmenden
Öffnung so angeordnet, daß sie Licht empfangen, welches durch die Skala 10 getreten
ist und durch die Gesamtheit der Teilflächen 15 bzw. der Teilflächen 14 verschieden
gebrochen wurde; in dem dargestellten Fall um entgegengesetzt gleiche Winkel bezüglich
der Normalen der Skala 10 und der Gesamtebenen der Flächen der Abtastoptik 13. Jede
der Teilflächen 14 und 15 überdeckt und empfängt Licht nur von einem 1800-Bereich
des Abstandes der Skalen-Teilstriche.
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Wenn die Skala 10 und die Abtastoptik 13 relativ zueinander bewegt
werden, sind die sich ändernden, der Intensität des auffallenden Lichtes proportionalen
Signale um 1800 phasenverschoben. An den Teilflächen 14 und 15 reflektiertes Licht
erreicht die Emp fänger 17 und 18 nicht, so daß dadurch keine Beeinflussung in der
Aussteuerung der Photozellen eintritt.
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F i g. 2 kann ebenfalls als ein schematischer Schnitt in einer die
Längsabmessung der Skala und des Abtastkopfes enthaltenden Ebene senkrecht zur Skalenebene
betrachtet werden. Nach F i g. 2 ist die Skala 19 lichtundurchlässig und in reflektierende
Teilbereiche oder Streifen 20 und nichtreflektierende Teilbereiche oder Streifen
21 unterteilt. Der Abtastkopf ist dem in Zusammenhang mit F i g. 1 beschriebenen
gleichartig. Er weist ebenfalls die Teilflächen 14 und 15 auf, welche Zacken oder
Rippen bilden, deren Breite der der Teilbereiche der Skala 19 gleich sind.
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In diesem Falle wird jedoch durch die Pfeile 22 angedeutetes gesammeltes
Licht auf der Skala 19 abgewandte ebene Fläche der Abtastoptik 13 gerichtet.
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Dieses Licht wird an den Teilflächen 14 bzw. 15 gebrochen und von
den reflektierenden Bereichen 20 der Skala fast vollständig auf die gleiche Teilfläche
zurückgeworfen, wo es wiederum gebrochen wird, um
auf die lichtempfindlichen
Empfänger 18 bzw. 17 zu fallen. Das von den Teilflächen 14 und 15 reflektierte Licht
kann auf Grund der gewählten Geometrie nicht auf die Empfänger 18 und 17 auftreffen.
Wenn die Abtastoptik 13 und die Skala 19 sich relativ zueinander bewegen, sind die
durch die lichtempfindlichen Empfänger oder Photozellen 17 und 18 erzeugten Signale
in der Phase um 1800 verschoben.
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F i g. 3 zeigt einen schematischen Schnitt in einer die Längsabmessung
der Skala und des Abtastkopfes enthaltenden Ebene senkrecht zur Skalenebene. Diese
Figur veranschaulicht im einzelnen eine praktisch verwendete Anordnung mit einer
einzigen Linse 24, welche das von einer Quelle kommende Licht auf die Abtastkopfoptik
13 und die reflektierende Skala 19 lenkt und welche weiter das von den Teilflächen
14 und 15 kommende Licht sammelt und auf die lichtempfindlichen Empfänger 18 und
17 fokussiert. Eine kleine Lichtquelle in Form einer Lampe 23 ist zwischen den Empfängern
17 und 18 angeordnet.
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Das Licht aus der Lampe 23 fällt auf die Linse 24, welche sphärisch,
asphärisch oder zylindrisch sein kann. Das Licht wird durch die Linse parallel gerichtet,
so daß es als paralleles Bündel auf die äußere Fläche der Abtastoptik 13 auffällt.
Die Abtastoptik 13 und die Skala 19 sind den entsprechenden Teilen in F i g. 2 gleichartig.
Die Photozellen 17 und 18 sind symmetrisch auf entgegengesetzten Seiten der Lampe
23 angeordnet. Zwischen der Lampe 23 und den Meßgeräten sind lichtundurchlässige
Schirme 25 vorgesehen. Lichtstrahlen 26 der Lampe23 treten durch die Teilfläche
14 und werden an dieser gebrochen. Die entsprechenden von der Skala 19 reflektierten
Strahlen 27 werden durch die Teilfläche 14 wiederum gebrochen und durch die Linse
24 auf die Photozelle 18 fokussiert. Entsprechend werden die Strahlen 28 durch die
Linse 24 parallel gerichtet, durch die Teilfläche 15 gebrochen, durch die Skala
19 reflektiert und wiederum durch die Teilfläche 15 gebrochen, so daß die austretenden
Strahlen 29 durch die Linse 24 auf die Photozelle 17 fokussiert werden. 0Wie zu
ersehen ist, erreicht das an den Flächen der Abtastoptik 13 direkt reflektierte
Licht im wesentlichen keine der beiden Photozellen 17 und 18.
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Fig. 4 zeigt einen schematischen Schnitt in einer auf der Längsabmessung
der Skala und des Abtastkopfes senkrecht stehenden Ebene. Diese Figur veranschaulicht
eine weitere Zweiphasenanordnung mit einer lichtundurchlässigen reflektierenden
Skala 19.
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Die Anordnung der Skala 19, der Abtastoptik 13 und der Linse 24 ist
ähnlich der in F i g. 3 dargestellten.
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Die Linse ist sphärisch oder asphärisch, die Lampe 23 ist in der Brennebene
der Linse 24 auf einer Seite der Längsebene senkrecht zu der Skala 19 und den Gesamtflächen
der Abtastoptik 13 angeordnet, und die beiden Photozellen 17 und 18 liegen hintereinander,
symmetrisch auf der anderen Seite dieser Ebene. Ein lichtundurchlässiger Schirm
25 liegt zwischen der Lampe 23 und den Photozellen 17 und 18. Die Lichtstrahlen
29 und 30 der Lampe 23 werden durch die Linse 24 parallel gerichtet und durch die
Teilfläche 14 gebrochen und auf die Skala 19 unter einem Winkel gegenüber der Normalen
geworfen. Die entsprechenden von der Skala 19 reflektierten Strahlen 31 und 32 werden
durch die Teilfläche 14 abermals gebrochen und auf die Photozelle 17 fokussiert.
Entsprechend werden die nicht dargestellten Strahlen der Lampe 23, die auf eine
Teilfläche 15 fallen, gebrochen, durch die
Skala 19 reflektiert, abermals durch die
Teilfläche 15 gebrochen und schließlich durch die Linse 24 auf die andere nicht
dargestellte Photozelle 18 fokussiert.
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Lichtstrahlen, die direkt durch die Oberflächen der ebenen Fläche
der Abtastoptikl3, durch die Teilflächen 14 und 15 oder durch die Hauptbereiche
der Linse 24 reflektiert werden, fallen auf keine der beiden Photozellen 17 oder
18.
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Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die Richtung der
nebeneinander angeordneten, geneigten Teilflächen 14, 15 der Abtastoptik 13 parallel
zu der Richtung der aufeinanderfolgenden Skalenteilstriche.
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In einigen Fällen, insbesondere bei Mehrphasensystemen mit mehr als
zwei Phasen, ist es notwendig oder erwünscht, lichtundurchlässige Zwischenstücke
oder Bänder zwischen benachbarten, geneigten Teilflächen der Abtastoptik 13 anzuordnen.
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Die beschriebenen und veranschaulichten Anordnungen können in der
Weise abgewandelt werden, daß sie zu verschiedenen besonderen Phasenzahlen oder
Phasenordnungen passen.
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Die F i g. 5 a und 5 b zeigen eine Aufstellung, welche die Zahl der
Phasen n, die Gesamtlänge oder Wiederholungslänge des Abtastkopfes in Werten des
Teilstrichabstandes P der Skala, die Länge I einer Flanke oder geneigten Teilfläche
einer Zacke oder Rippe in Werten des Teilstrichabstandes P der Skala und die Längsabmessungen
der lichtundurchlässigen Zwischenstücke in Beziehung setzt, die für verschiedene
Phasenanordnungen bei Systemen nach den Fig. 1 bis 4 verwendet werden.
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Die Spalte auf der rechten Seite der F i g. 5 a und 5 b zeigt schematische
Schnittansichten in einer Längsebene der Skala und der mit zueinander geneigten
Teilflächen versehenen Fläche der Abtastoptik 13. Die Pfeile deuten typische Lichtstrahlen
an, während die Zahlen 1, 2, 3, 4, 5 die einzelnen Phasen kennzeichnen, welche in
dieser räumlichen Reihenfolge entlang der Skala auftreten. In den Diagrammen sind
die lichtundurchlässigen Zwischenstücke oder Bänder durch einen kurzen Bereich angedeutet,
in dem sich der Winkel sprungartig ändert. Die Zwischenstücke können auch durch
schmale dreieckförmige Kerben in der Oberfläche der Abtastoptik 13 gebildet sein,
welche das auf sie auffallende Licht von der Skala weg auf Bahnen lenken, die in
deutlichem Abstand von den Empfängern verlaufen.
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Die das Hauptmerkmal der Erfindung bildenden, aus den zueinander
geneigten Teilflächen 14, 15 geformten Zacken oder Rippen der Abtastoptik 13 können
in üblicher Weise hergestellt werden. Beispielsweise kann die Abtastoptik 13 aus
thermoplastischem oder thermostatoplastischem, durchsichtigem Material als Block
geformt werden, wobei die Zacken oder Rippen bei dem Formungsvorgang ausgebildet
werden. Alternativ können die die Zacken bildenden Teilflächen aus einem Block aus
festem Material herausgearbeitet oder -geschliffen werden. In zweckmäßiger Weise
läßt sich die Abtastoptik 13 aus einem Stapel von benachbarten Plättchen aus durchsichtigem
Material herstellen. Jedes durchsichtige Plättchen hat dabei eine Stärke, welche
der Längsabmessung von ein oder zwei Teilflächen entspricht.
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Obgleich bei allen beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen
der Erfindung eine einzige Lichtquelle und mehrere photoelektrische Empfänger dargestellt
sind, kann die Richtung des Lichtes in allen
Fällen umgekehrt sein,
wobei zwei oder mehr Lichtquellen und ein lichtempfindlicher Empfänger, beispielsweise
eine Photozelle oder ein Bildschirm, verwendet werden. In diesen Fällen können die
Lichtquellen z. B. im Unterbrecherbetrieb arbeiten, so daß die einzelnen Phasenanzeigen
der Photozelle in der Zeit aufeinanderfolgen.
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Bei einigen Anwendungen der Erfindung können die erfindungsgemäßen,
zueinander geneigten Teilflächen in der Oberfläche einer Scheibe oder eines zylindrischen
Stabes oder eines Rohres, z. B. als Spirale oder Schraube, ausgebildet sein. In
diesen Fällen bildet die Scheibe, der Stab oder das Rohr die Abtastoptik des Abtastkopfes
und wird in Umlauf versetzt, um die Elemente des Abtastkopfes relativ zu der Skala
einzustellen. Wenn die geneigten Teilflächen in der Oberfläche eines Rohres schraubenförmig
ausgebildet sind und die Ganghöhe der Schraube gleich dem Abstand der Skalen-Teilstriche
ist, verändert eine stetige Drehung des Rohres bei einer Umdrehung die Phasenstellung
aller Elemente stetig um 360° räumlicher Phase relativ zu der Skala.
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Im allgemeinen besitzt die mit diesen Abtastköpfen verwendete Skala
ein Verhältnis der lichtundurchlässigen oder nicht reflektierenden Streifen zu den
durchlässigen Zwischenräumen von nahezu eins.
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Wenn jedoch die Teilung aus Elementen oder Teilflächen mit einer größeren
oder kleineren Breite als einem halben Skalenteilbereich bestehen würde, würde die
Wellenform der photoelektrischen oder sonstigen Empfänger sich nicht kontinuierlich
mit der Ortsänderung verändern. Sie würde mit der Ortsänderung über einen Skalen-Teilbereich
periodisch sein; für Bruchteile dieses Bereiches würde das Signal jedoch konstant
sein. Derartige Signale können zur Ablesung der Lage des Abtastkopfes bezüglich
der Skala unbefriedigend sein. Um diesen Nachteil zu überwinden, kann das Skalenmuster
so ausgebildet werden, daß sowohl die Streifen als auch die Zwischenräume schräge
oder gekrümmte Flächen haben (z. B. rautenförmige Streifen), so daß, wenn ein Element
quer über die Zeile oder den Zwischenraum läuft, der mit dem Element ausgerichtete
Zeilen- oder Zwischenraumbereich sich kontinuierlich ändert; daraus ergibt sich
ein konstant veränderliches Signal. Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Skala
ändert sich die Breite des durchlässigen oder reflektierenden Teiles sinusförmig
mit dem Abstand entlang der Skala, wodurch ein sinusförmiges Signal entsteht.
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Obgleich die Ausführung der Erfindung an Hand der unterschiedlichen
Berechnung der von verschiedenen Punkten der Skala kommenden Lichtstrahlen durch
verschiedene Teilflächen an einem Abtastkopf ganz allgemein beschrieben und veranschaulicht
wurde, kann die Divergenz der von verschiedenen, innerhalb eines Skalen-Teilstrichabstandes
liegenden Punkten der Skala ausgehenden Lichtstrahlen auch durch Reflexion erzielt
werden, und zwar an gegeneinander geneigten reflektierenden Teilflächen des Abtastkopfes,
wenn die Skala durchsichtig ist, oder an gegeneinander geneigten reflektierenden
Teilflächen der Skala in Fällen, wo die Skala reflektierend ist;
z. B. kann eine
mit zueinander geneigten Teilflächen versehene, reflektierende Skala in Verbindung
mit einer durchsichtigen Abtastkopfoptik mit Stab-Schlitz-Abstufungen verwendet
werden. Ebenso kann eine durchsichtige Skala in Verbindung mit einer mit zueinander
geneigten Teilflächen versehenen, nahegelegenen, reflektierenden Fläche des Abtastkopfes
verwendet werden.
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Obgleich die mit zueinander geneigten Teilflächen versehene Abtastkopfoptik,
insbesondere in Verbindung mit Mehrphasenmeßsystemen, beschrieben und dargestellt
wurde, ist sie ebenso auf Einphasensysteme anwendbar.