DE3486351T2 - Detektorkopf. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft einen Detektorkopf zur Gewinnung von Skalasignalen von einer Meßeinrichtung, die eine magnetische oder optische Skalierungsvorrichtung einsetzt, und insbesondere betrifft die Erfindung Verbesserungen hinsichtlich der Beseitigung von Störungen in den Skalierungs-Detektorsignalen und Verbesserungen der Präzision der Meßeinrichtung.
• Verschiedenartige Meßsysteme, wie beispielsweise magnetische, optische, magnetinduzierte und kapazitive Systeme, sind bekannt. Diese Systeme erkennen Veränderungen im magnetischen Fluß, der optischen Intensität, der induzierten Spannung oder der elektrostatischen Kapazität entsprechend einer bestimmten Verschiebung und transformieren diese Veränderungen in elektrische Signale, indem eine Referenzskala mit einem sich periodisch verändernden Muster und einem Aufnahmekopf, der der Verschiebung ausgesetzt ist, verwendet wird.
• Um das Auflösungsvermögen zu erhöhen, wird das Detektorausgangssignal dieser Systeme oft in mehrere Bereiche aufgeteilt, die sehr viel kleiner sind als die Periode der Muster in der Referenzskala, so daß präzise Positionen des Aufnahmekopfs durch die elektrische Division, d. h. durch Interpolation, gewonnen werden können. Zu diesem Zweck ist es wünschenswert, daß die Wellenform des Detektorausgangssignals in etwa sinusförmig ist, wobei Störungen der Wellenform auf einem Minimum gehalten werden sollten. Falls die Wellenform des Detektorausgangssignals gestört ist, selbst wenn die elektrische Division (Interpolation) möglich wäre, können keine hochpräzisen Messungen erreicht werden. Überdies enthält die Wellenform des Detektorausgangssignals harmonische Komponenten, prinzipiell harmonische Komponenten dritter Ordnung, da in den optischen oder kapazitiven Systemen die Wellenform des Ausgangssignals, das einer Veränderung der optischen Intensität oder der Kapazität entspricht, trapezförmig oder dreieckförmig hinsichtlich der mechanischen Verschiebung ist.
• Diese trapezförmige Wellenform kann wie folgt dargestellt werden:
• und die dreieckförmige Wellenform kann wie folgt dargestellt werden:
• Der Störfaktor kann mit Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:
• Störfaktor= (harmonische Komponente)²/Grundkomponente (3)
• Daraus ist ersichtlich, daß der Hauptteil der vorkommenden Störung den harmonischen Komponenten dritter Ordnung zugeteilt werden kann.
• Die zuvor beschriebene Situation existiert für Magnetköpfe, beispielsweise in einem Phasenmodulations-Skalierungsgerät, in dem ein magnetisches Gitter auf einer magnetischen Skala von einem auf den magnetischen Fluß ansprechenden Mehrfachspaltkopf ausgelesen wird, wie dies in der Japanischen Veröffentlichung Nr. 137812/82 offenbart ist. In einem solchen Skalierungsgerät enthalten die von einem herkömmlichen auf magnetischen Fluß ansprechenden Mehrfachspaltkopf detektierten Skalierungssignale harmonische Komponenten dritter Ordnung zusätzlich zu den Grundkomponenten. Dies führt zu den zuvorgenannten Nachteilen, da durch Störungen aufgrund dieser harmonischen Komponenten dritter Ordnung Interpolationsfehler verursacht werden. Die vorliegende Erfindung basiert auf einem Studium dieser Fehlerursachen.
• Um das Auflösungsvermögen, das für ein präzises Meßsystem oder eine Werkzeugmaschine, die die zuvor beschriebenen Skalierungseinrichtung benutzen, notwendig ist, zu verbessern, ist es notwendig, innerhalb eines der Teilung des Gitters entsprechenden Abstands elektrisch zu interpolieren. Aus verschiedenen Gründen werden jedoch im Verlaufe dieser Interpolation Interpolationsfehler erzeugt. Die prinzipiellen Gründe liegen in den Schwankungen des Abstand zwischen den Köpfen der einzelnen Kanäle, Gleichstromabweichungen in den wiedergegebenen Ausgangssignalpegeln, Veränderungen in den Amplituden der wiedergegebenen Ausgangssignalen und Störungen aufgrund von harmonischen Komponenten dritter Ordnung in dem wiedergegebenen Ausgangssignal.
• GB-A-2034053 offenbart einen Magneto-Widerstandsverschiebungssensor, der mehrere magnetische Sensorelemente verwendet, um ein Signal abhängig von der linearen Verschiebung bezüglich eines magnetischen Gitters zu erzeugen. Die Phasen der Elemente sind relativ zueinander um einen Betrag verschoben, der die Bestimmung der Richtung der Verschiebung erlaubt und ebenso eine Verbesserung der Interpolationsgenauigkeit erlaubt.
• US-A-3427463 offenbart eine optische Einrichtung zum Messen einer relativen Verschiebung, die einen stationären Empfangsschirm mit zumindest zwei Schirmelementen mit Freiräumen und Balken aufweist, wobei die beiden Elemente relativ zueinander verschoben sind, und darüber hinaus auch ein reziprokes Emitter-Schirmsystem umfaßt mit Balken und Freiräumen in einem bestimmten Verhältnis zu den Balken und Freiräumen des stationären Empfangssystems. Das von einem Belichtungssystem kommende Licht durchläuft die zwei Schirme und wird von Photodetektoren erfaßt, wobei das Signal zur Interpolation geeignet ist. In einem Ausführungsbeispiel können die beiden Schirme zueinander geneigt sein, um die zusätzliche Harmonische zu beseitigen.
• Um eine hochpräzise Messung zu verwirklichen, sollten die Interpolationsfehler unterdrückt werden, und alle Fehler außer jenen, die aufgrund der harmonischen Komponenten dritter Ordnung entstehen, können durch elektrische Regulierung vermindert werden. Störungen aufgrund von harmonischen Komponenten dritter Ordnung werden in dem elektromagnetischen Tranformationssystem aufgrund verschiedener Ursachen hervorgerufen, beispielsweise Rauschen in der elektrischen Schaltung und Skalastörungen, um nur einige wenige zu nennen, wobei die Fehler aufgrund der Skalastörungen die wichtigsten sind. Insofern können die Interpolationssfehler deutlich reduziert werden, indem diese Skalastörungen beseitigt werden.
• Die Interpolationsfehler aufgrund der harmonischen Komponenten dritter Ordnung können wie folgt berechnet werden. Nimmt man an, daß die harmonische Welle dritter Ordnung C&sub3;-mal so groß ist wie die Grundwelle, kann die Ausgangsspannung e eines Kopfs wie folgt dargestellt werden:
• Unter der Annahme, daß ω&sub0;t = T und ist, ergibt sich folgende Gleichung:
• Unter der Annahme, daß C&sub3; = 0 ist, kann die Gleichung (6) vereinfacht werden:
• e = sin (T - X) (7)
• Somit kann, falls T = X, e = 0 ist, X durch Erfassen der Phasendifferenz zwischen der Spannung, die durch Gleichung (7) dargestellt wird, und der Referenzwelle e = sin T erhalten werden.
• Setzt man T = X + ΔX, kann die Gleichung (6) wie folgt umgewandelt werden:
• e = sin (X + ΔX) (cosX+C&sub3;cos3X) - cos (X+ ΔX) (sinX-C&sub3;sin3X) (8)
• Unter der Annahme, daß e = 0, bleibt ΔX ein Interpolationsfehler und kann wie folgt berechnet werden:
• Entsprechend ist es eine Aufgabe dieser Erfindung, einen Detektorkopf vorzusehen, in dem schädliche harmonische Wellen aus dem Ausgangssignal entfernt werden, insbesondere harmonische Wellen dritter Ordnung, die Störungen in dem Skalierungsdetektorsignalen oder der Ausgangswellen hinsichtlich der Verschiebung eines Wandler verursachen.
• Erfindungsgemäß ist ein Detektorkopf zur Erfassung von Abmessungen eines zu vermessenden Objekts vorgesehen, umfassend:
• mehrere Sensoren, die in Verbindung mit einer Skala mit einer bestimmten Skalierung verwendet werden, wobei jeder Sensor ein elektrisches Signal erzeugt, wobei die Signale eine relative Phasendifferenz zueinander aufweisen, die sich abhängig von der Skalierung der Skala bestimmt, und wobei die Sensoren gemeinsam die Abmessungen des Objekts mit einer größeren Auflösung anzeigen als dies von einem der Sensoren möglich wäre;
• wobei jeder der Sensoren eine Umwandlungsvorrichtung zum Erzeugen eines der elektrischen Signale und mehrere in einem Muster angeordnete Bestandteilselemente aufweist;
• wobei das Muster aus zumindest zwei Blöcken der Bestandteilselemente gebildet ist, wobei jeder der zumindest zwei Blöcke ein Zwischensignal einer gleichen Amplitude erzeugt, das höher harmonische durch Signale auslöschbare Komponenten aufweist und das durch relativ angeordnete Blöcke gekennzeichnet ist, um eine relative Phasendifferenz entsprechend einem sechstel der effektiven Skalierung der Skala zu erzeugen, wobei die Zwischensignale der zumindest zwei Blöcke der Bestandteilselemente kombiniert werden innerhalb der jeweiligen Sensoren, um die harmonischen Komponenten dritter Ordnung auszulöschen, so daß eines der elektrischen Signale, das von der jeweiligen Umwandlungsvorrichtung erzeugt wird, frei von harmonischen Komponenten dritter Ordnung ist.
• Die Blöcke können so angeordnet sein, daß die Phasendifferenz zwischen den Signalen jedes Blocks gleich (π/α) (1 + 2n) ist, wobei n eine ganze Zahl ist. Auf diese Weise kann durch Kombination der Ausgangssignale der Blöcke ein Ausgangssignal erhalten werden, das keine harmonischen Komponenten α-ter Ordnung aufweist.
• Die Erfindung wird anhand eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen weiter erläutert.
• Fig. 1 zeigt schematisch die Basiskonstruktion einer optischen Skalierungseinrichtung, die bei der vorliegende Erfindung benutzt wird;
• Fig. 2 ist eine graphische Darstellung von Wellenformen, die zur Erläuterung des Arbeitsprinzips eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels nützlich ist, wenn es in einem optischen Skalierungsgerät angewendet wird;
• Fig. 3 ist ein Blockdiagramm, das den Aufbau einer Phasenmodulations-Magnetskalierungseinrichtung darstellt;
• Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die Interpolationsfehler zeigt, die in der Einrichtung der Fig. 3 vorhanden sind;
• Fig. 5(A), (B) und (C) zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Magnetdetektorkopfs gemäß dieser Erfindung;
• Fig. 6(A), (B) zeigen schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Magnetdetektorkopfs gemäß der Erfindung;
• Fig. 7 zeigt schematisch ein Blockmuster eines anderen Ausführungsbeispiels eines Magnetdetektorkopfs gemäß dieser Erfindung;
• Fig. 8 zeigt schematisch ein Blockmuster eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Magnetdetektorkopfs;
• Fig. 9(A), (B) und (C) sind Wellenformdiagramme bzw. schematische Darstellungen von Metallfilmelementleitungen in einem Ferromagnet-Detektorkopf gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel dieser Erfindung;
• Fig. 10 stellt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer optischen Indexskala dar mit einem Gittermuster gemäß dieser Erfindung zur Benutzung mit einer optischen Skalierungseinrichtung;
• Fig. 11 stellt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Indexskala dar mit einem Gittermuster entsprechend dieser Erfindung zur Benutzung mit einer optischen Skalierungseinrichtung;
• Fig. 12 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Indexskala mit einem Gittermuster gemäß dieser Erfindung zur Verwendung mit einer optischen Skalierungseinrichtung;
• Fig. 13 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Indexskala mit einem Gittermuster gemäß dieser Erfindung zur Benutzung mit einer optischen Skalierungseinrichtung;
• Fig. 14(A) und (B) zeigen schematisch den Basisaufbau einer optischen Skalierungseinrichtung mit einer Indexskala mit einem Gittermuster bzw. ein anderes Ausführungsbeispiel einer Indexskala mit einem optischen Muster gemäß dieser Erfindung;
• Fig. 15 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Indexskala mit einem Gittermuster gemäß dieser Erfindung zur Benutzung mit einer optischen Skalierungseinrichtung;
• Fig. 16 zeigt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel einer optischen Indexskala mit einem Gittermuster gemäß dieser Erfindung zur Benutzung in einer optischen Skalierungseinrichtung;
• Fig. 17(A) und (B) zeigen schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung, wenn es bei einer optischen Skalierungseinrichtung eingesetzt wird;
• Fig. 18(A) und (B) zeigen schematisch Teilungsplatten, die mit optischen Skalen in einer erfindungsgemäßen optischen Skalierungseinrichtung nützlich sind;
• Fig. 19 zeigt schematisch das Verhältnis zwischen einer Indexskala und einer Skala einer erfindungsgemäßen optischen Skalierungseinrichtung; und
• Fig. 20 ist eine graphische Darstellung des Ausgangssignals des Detektorkopfs gemäß dieser Erfindung und des Ausgangssignals eines Kopf nach dem Stand der Technik.
• Mit Bezug auf die Fig. 1 wird ein optisches Detektorsystem gezeigt, in dem die Wellenform des Detektorausgangssignals, das Veränderungen der optischen Intensität entspricht, trapezförmig oder dreieckförmig sein kann und harmonische Komponenten enthalten wird, die prinzipiell aus harmonischen Komponenten dritter Ordnung bestehen. Die folgende Diskussion bezüglich dieses optischen Detektors kann genauso auf einen Kapazitätsdetektorkopf bezogen werden. Die zwei Wellenformen f&sub1;(x) und f&sub2;(x) sind in den Gleichungen (1) und (2) dargestellt und in Fig. 2 graphisch gezeigt. Dieses optische Detektorsystem wird nun detailliert beschrieben.
• In Fig. 3 wird ein System dargestellt, das eine bekannte Phasenmodulations-Magnetskalierungseinrichtung benutzt und eine magnetische Skala 1 umfaßt, die von einem ersten und einem zweiten Kanalkopf 2 bzw. 3 abgetastet wird, wobei die Köpfe auf magnetischen Fluß ansprechende Mehrfachspaltköpfe sind. Ein Ausgangssignal vom Oszillator 4 wird durch den Frequenzteiler 5 heruntergeteilt und der Magneterregerschaltung 6 zugeführt, deren Ausgangserregungssignal den Mehrfachspaltköpfen 2 und 3 zugeführt wird. Das Ausgangssignal vom Kopf 2 wird über eine Phasenschiebereinheit 7 als ein Eingangssignal dem Mischverstärker 8 zugeführt und das Ausgangssignal des Kopfs 3 wird direkt als anderes Eingangssignal dem Mischverstarker 8 zugeführt. Das Systemausgangssignal S ist das Ausgangssignal vom Mischverstarker 8, nachdem es das Bandpaßfilter 9 und den Begrenzungsverstärker 10 durchlaufen hat.
• Das Ausgangssignal f&sub0; des Oszillators 4 ist das Referenzsignal, ω&sub0; ist die Winkelfrequenz des Oszillartorausgangssignals, f&sub0;/2 ist das Ausgangssignal der Frequenzteilerschaltung und (m ± 1/4)λ stellt den Abstand zwischen den Köpfen 2 und 3 dar. Basierend auf diesen Werten ergeben sich folgende Verhältnisse.
• Wenn λ die Teilung des Gitters auf der Indexskala darstellt, und x die relative Verschiebung zwischen der Indexskala und dem Kopf kennzeichnet, kann das Ausgangssignal des Begrenzungsverstärkers 10 (Phasenmodulationssignal) wie folgt dargestellt werden:
• Ein Skalierungssignal f(x), das von einem auf magnetischen Fluß ansprechenden Mehrfachspaltkopf detektiert wird, setzt sich aus zwei Detektorsignalen f(x&sub1;) und fx&sub2;) zusammen.
• f(x) = f(x&sub1;) + f(x&sub2;) (13)
• Nimmt man nun an, daß die Detektorsignale f(x&sub1;) und f(x&sub2;) identische Amplituden und eine identische Phasendifferenz aufweisen, können sie durch die folgenden Fourierreihen ausgedrückt werden.
• Somit kann das Skalierungssignal f(x) wie folgt ausgedrückt werden:
• Falls n = α, sind die folgenden beiden identischen Gleichungen gültig:
• aα (cosαx&sub1; + cos (αx&sub1; + π)) = 0 und
• bα (sinαx&sub1; + sin (αx&sub1; + π)) = 0 und (17)
• D.h., daß in diesem Fall f(x) durch eine Funktion dargestellt wird, die keine harmonischen Komponenten α-ter Ordnung enthält. Um die harmonischen Komponenten dritter Ordnung zu entfernen, reicht es aus, α = 3 zu setzen und die Detektorsignale f(x&sub1;) und f(x&sub2;) zu kombinieren, die eine Phasendifferenz von π/3 besitzen, um ein Skalierungssignal zu gewinnen.
• Dieses Prinzip kann auch bei einem auf magnetischen Fluß ansprechenden Mehrfachspaltkopf angewendet werden. Beispielsweise werden die jeweiligen Muster der Bestandteile der beiden Köpfe in zwei Blöcke unterteilt, so daß sie Ausgangssignale von identischer Amplitude erzeugen mit einer Phasendifferenz, die so gewählt wird, daß sie gleich mλ±λ1 ist. Die Ausgangssignale f(x&sub1;) und f(x&sub2;) der Blöcke werden kombiniert. Auf diese Weise können Störungen aufgrund von harmonischen Komponenten dritter Ordnung aus dem Ausgangssignal des Kopfs, dessen Ausgangssignal das gewünschte Skalierungssignal ist, entfernt werden.
• Wie bereits erwähnt, treten bei den Systemen nach dem Stand der Technik solche Störungen typischerweise bei der Interpolation auf, die ausgeführt wurde, um genauere Messungen zu erhalten. Fig. 4 zeigt ein Diagramm einer Computersimulation dieses Interpolationsfehlers, woraus ersichtlich ist, daß der Fehler eine Frequenz aufweist, die viermal höher ist als diejenige der Grundwelle.
• Fig. 5(A), (B) und (C) stellen ein Ausführungsbeispiel eines Koaxial-Mehrfachspaltkopfs, der auf magnetischen Fluß anspricht und gemäß dem zuvor beschriebenen Prinzip aufgebaut ist, dar, wobei N&sub1; . . . . . , S&sub1; . . . . . und N&sub1;' . . . . . Kernbleche aus einem hochpermeablen Material, beispielsweise Permaloy, sind, wobei zwischen diesen Kernblechen Spaltabstandshalter GP&sub1; . . . . . eingesetzt sind, die aus einem nicht-magnetischen Material, wie beispielsweise Beryllium-Kupfer, hergestellt sind. Wie in diesen Figuren angegeben, wird das Muster der Kernbleche in zwei Blöcke A und B aufgeteilt, wobei dazwischen ein Abstandshalter GA zur Phasenregulierung eingesetzt ist, so daß sie Ausgangssignale mit identischer Amplitude erzeugen, die eine relative Phasendifferenz zueinander von mλ±λ/6 besitzen. Fig. 20 zeigt das Verhältnis zwischen der Wellenlänge λ und dem relativen Ausgangssignal 0 eines Kopfs entsprechend dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel und dem Ausgangssignal eines herkömmlichen Kopfs nach dem Stand der Technik. In Fig. 20 stellt die durchgezogene Linie die Charakteristiken des erfindungsgemäßen Kopfs dar, und die gestrichelte Linie zeigt diejenigen des herkömmlichen Kopfs nach dem Stand der Technik. Daraus ist ersichtlich, daß Störungen aufgrund von harmonischen Komponenten dritter Ordnung entfernt wurden, wie beispielsweise bei A angezeigt.
• Fig. 6(A) und (B) zeigen schematisch einen Planar-Mehrfachspaltkopf, der auf magnetischen Fluß anspricht, entsprechend dieser Erfindung, der hinsichtlich des Aufbaus dem zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Die zuvor beschriebene Teilung des Musters der Bestandteile jedes Kopfs muß nicht notwendigerweise zwei sein, sondern der Kopf kann in vier Blöcke a&sub1;, a&sub2;, b&sub1; und b&sub2; oder in sechs Blöcke a&sub1; . . . a&sub3;, und b&sub1; . . . b&sub3;, wie in den Fig. 7 bzw. 8 dargestellt, aufgeteilt werden. Grundsätzlich können sie in eine beliebige Anzahl von Blöcken aufgeteilt werden.
• In den Fig. 9(A), (B) und (C) stellen H&sub1; bis H&sub8; magnetische Widerstandselementleitungen dar, die in Serie verbunden sind und aus einem ferromagnetischen Metallfilm mit einer anisotropischen Wirkung im Magnetwiderstand hergestellt sind, deren Elementleitungen den ersten Kanalkopf bilden. Sie sind auf einem Isoliersubstrat (nicht gezeigt) angeordnet, wobei zwischen benachbarten Elementleitungen ein Abstand besteht, so daß eine vorbestimmte Phasenbeziehung hinsichtlich des Magnetgittermusters der Magnetskala erhalten wird. Sie werden parallel zueinander gehalten mit einem bestimmten Abstand zu dem magnetischen Gittermuster. Ein vormagnetisierendes Magnetfeld, das in Richtung der Elementleitung oder der magnetischen Anisotropie, die in Richtung der Elementleitungen gegeben ist, angelegt wird, erzeugt die gleiche Wirkung wie die Anwendung des vormagnetisierenden Magnetfelds. H&sub1;' bis H&sub8;' bilden den zweiten Kanalkopf mit dem gleichen Aufbau wie der zuvor beschriebene erste Kanalkopf.
• Die wirksame Wellenlänge der Magnetskala, die diesen Kopf benutzt, beträgt λ/2, wobei λ die registrierte Wellenlänge der Magnetskala ist. Setzt man 2π/λx=x, was die relative Verschiebung des Kopfs hinsichtlich der Skala ist, ist der Abstand zwischen dem ersten Kanalkopf CH&sub1; und dem zweiten Kanalkopf CH&sub2; gleich (m±1/4) λ/2. In jedem der Köpfe sind die Elementleitungen H&sub5; bis H&sub8; und H&sub5;' bis H&sub8;' so angeordnet, daß sie um λ/6 (1/6 der wirksamen Wellenlänge) von den Elementeleitungen H&sub1; bis H&sub4; bzw. H&sub1;' bis H&sub4;' verschoben sind.
• Falls die Ansteuerungsspannung e&sub0; sinT und e&sub0; cosT dem ersten bzw. dem zweiten Kanalkopf zugeführt wird, können die durch die jeweilige Elementleitung e&sub1; bis e&sub4; detektierten Signale wie folgt dargestellt werden.
• Somit wird die resultierende Ausgangsspannung E der beiden Köpfe, wie im folgenden dargestellt, erhalten.
• Daher ist es möglich, Phasenmodulationssignale zu erhalten, die nur aus der wirksamen Wellenlänge bestehen und die keine harmonischen Komponenten dritter Ordnung der registrierten Wellenlänge und der wirksamen Wellenlänge enthalten.
• Die vorliegende Erfindung kann ebenso als eine optische Skalierungseinrichtung, wie in Fig. 1 gezeigt, verwirklicht werden. Mit Bezug darauf kann in einer optischen Skalierungseinrichtung das durch den Lichtsensor 13 detektierte Skalaausgangssignal f(x), falls angenommen wird, daß das Tastverhältnis von Hauptskala 11 und Indexskala 12 1 : 1 beträgt, wie folgt dargestellt werden:
• Bezugnehmend auf Fig. 1 wird die Belichtung von einer Lichtquelle 14 erbracht, wobei das Licht das Linsensystem 15 durchläuft. Das Tastverhältnis von 1 : 1 in einem optischen Gitter bedeutet, daß die Breite des durchlässigen Teils und die Breite des nicht-durchlässigen Teils gleich sind, wobei die Summe der beiden die Gitterkonstante ist.
• Das zuvor erwähnte Signal f(x) hat eine dreieckförmige Wellenform, wie in Fig. 2 gezeigt. Betrachtet man nun die resultierende Welle F(x), die durch Addition einer zweiten dreieckförmigen Welle f(x- ε), die durch Gleichung (24) unten ausgedrückt ist, die bezüglich der ersten dreieckförmigen Welle eine Phasendifferenz ε besitzt, erhalten wird.
• Die Bedingung unter der die harmonischen Komponenten dritter Ordnung in Gleichung (25) Null sind, lautet wie folgt.
• Das heißt, falls die zweite dreieckförmige Welle f(x-π/3) mit einer Phasendifferenz von π/3 hinsichtlich x auf die erste dreieckförmige Welle f(x) addiert wird, kompensieren sich die harmonischen Komponenten dritter Ordnung gegenseitig, und Skalaausgangssignale mit nur geringen Störungen werden erhalten. Daraus wird ersichtlich, daß durch Ausführung der Lehre der vorliegenden Erfindung die Genauigkeit der Skalierungseinrichtung verbessert werden kann.
• In Fig. 10 ist ein auf dem zuvor beschriebenen Prinzip basierendes Ausführungsbeispiel dieser Erfindung gezeigt, wobei n&sub1; bis n4 beliebige ganze Zahlen sind und wobei die Indexskala 12' zur Benutzung in einer optischen Skalierungseinrichtung geeignet ist, wie beispielsweise der in Fig. 14 gezeigten. Jedes der vier Muster Q, R, S und T in der Indexskala der Fig. 10 wird in Längsrichtung in zwei Teile geteilt. Die zwei Teile werden so angeordnet, daß sie eine räumliche Phasendifferenz von λ/6 erzeugen. Auf diese Weise und aus dem zuvor genannten Grund werden die harmonischen Komponenten dritter Ordnung kompensiert.
• Im Ausführungsbeispiel der Fig. 11 wird jedes der Muster der Indexskala 12' in Querrichtung in zwei Teile geteilt. Die Teilung der Hauptskala hat die gleiche Wirkung wie zuvor beschrieben.
• Fig. 12 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, in dem jedes der Muster der Indexskala 12' in vier statt in zwei Teile, wie in den Ausführungsbeispielen der Fig. 10 und 11, geteilt ist. Durch Erhöhung der Teilungsanzahl, wird die Kompensation der Störungen aufgrund der harmonischen Komponenten dritter Ordnung erhöht, da der Unterschied des Ausgangssignals aufgrund der unterschiedlichen Plazierungen der Muster reduziert wird.
• In dem in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiel wird jedes der Muster der Indexskala 12' sowohl in Längsrichtung als auch in Querrichtung geteilt.
• Wie zuvor erwähnt, ist es möglich, die harmonischen Komponenten dritter Ordnung aus dem Skalaausgangssignal zu entfernen, indem jedes der Muster der Indexskala in Längsrichtung und/oder in Querrichtung zumindest in zwei Teile geteilt wird und indem diese so angeordnet werden, daß sie eine räumliche Phasendifferenz von λ/6 (λ ist die Wellenlänge) erzeugen. Die gleiche Wirkung kann durch Teilung der Hauptskala 11 in Querrichtung erreicht werden. Des weiteren können nicht nur Störungen aufgrund von harmonischen Komponenten dritter Ordnung sondern auch andere periodische Störungen entfernt werden, indem ein Teil jedes der Muster der Indexskala bezüglich der anderen verschoben wird, so daß eine räumliche Phasendifferenz von π in den Perioden der Störungen erzeugt wird, wie zuvor bezüglich den verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es ist auch möglich, Störungen zu entfernen, indem das gleiche Verfahren angewendet wird, wie in den vorhergegangenen Ausführungsbeispielen offenbart für den Fall, daß die Muster der Indexskala 12' wie in Fig. 15 und 16 angeordnet sind.
• Fig. 17(A) und (B) zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem diese Erfindung an einer optischen Sklaierungseinrichtung angewendet wird, die derjenigen in Fig. 1 entspricht, wobei ein Halter 16 die Indexskala 12' zurückhält, und die an einem festen Rahmen 18 angebracht ist mittels eines fein zu regulierenden Einstellungsmechanismus 17, der hier als Mikrometereinsteller gezeigt ist. Die Hauptskala 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel horizontal nach links und rechts versetzt, während sie parallel zu und in einem gewissen Abstand von der Indexskala 12' gehalten wird. Der Lichtsensor (hier nicht dargestellt, aber als 13 in Fig. 1 und 14 gezeigt) ist parallel zu der Hauptskala 11 angeordnet und auch in mehrere Teile aufgeteilt, die ungefähr den Teilen jedes der Muster der Indexskala entsprechen.
• Wie in Fig. 18(B) dargestellt, wird jedes der Muster Q und T der Indexskala 12' durch die erste Abschirm- bzw. Teilungsplatte 19 in zwei Teile, nämlich einen unteren und einen oberen, aufgeteilt. Die erste Abschirm- bzw. Teilungsplatte ist in ihrem mittleren schraffierten Bereich breiter als an ihren Enden. Durch Verschiebung dieser Abschirmbzw. Teilungsplatte 19 nach links und rechts zur Feinregulierung, ist es möglich, die Lichtintensitäten, die durch die Muster R und S laufen, im Gleichgewicht zu halten. Eine zweite Abschirm- bzw. Teilungsplatte 20, die in Fig. 18A gezeigt ist, wird auf die erste Abschirm- bzw. Teilungsplatte 19 gesetzt und teilt die Muster R und S in zwei Teile, nämlich einen oberen und einen unteren, und hält zur gleichen Zeit die Lichtintensitäten, die durch die Muster Q und T laufen, im Gleichgewicht.
• Die Indexskala 12' ist so angeordnet, daß sie hinsichtlich der Hauptskala 11 leicht geneigt ist, wobei dieses Verhältnis in Fig. 19 gekennzeichnet ist. Sie sind so fein reguliert, daß die oberen und unteren Teile, die von den Abschirmplatten (den mittleren schraffierten Teilen) 19 und 20 geteilt sind, eine Phasendifferenz von λ/6 erzeugen. Zu diesem Zweck ist der Halter 16 der Indexskala 12' so aufgebaut, daß er den festen Rahmen 18 an einem Punkt entlang eines Großkreises (nicht gezeigt) berührt und daß er fixiert werden kann, nachdem er leicht horizontal versetzt wurde. Auf diese Weise ist es einfach, die Winkelrichtung der Indexskala fein zu regulieren durch eine relativ große Drehung der Feinregulierungseinrichtung oder des Mechanismus 17.
• Durch Verwendung dieser zuvor beschriebenen Konstruktion, ist es möglich, ein resultierendes Ausgangssignal F(x) aus f(x) und f(x - π/3) zu gewinnen, da jedes der Muster der Indexskala 12' durch die Abschirmplatten in zwei Teile, nämlich obere und untere, geteilt wird, und da die jeweiligen Lichtflüsse den zuvor erwähnten Funktionen f(x) und f(x
• - π/3) entsprechen, falls die zwei Lichtflüsse von einem Lichtsensor empfangen werden.

Claims (7)

1. Detektorkopf zur Erfassung von Abmessungen eines zu vermessenden Objekts, umfassend:

mehrere Sensoren (2; 3), die in Verbindung mit einer Skala (1; 11) mit einer bestimmten Schrittweite verwendet werden, wobei jeder Sensor (2; 3) ein elektrisches Signal erzeugt, wobei die Signale eine relative Phasendifferenz zueinander aufweisen, die sich abhängig von der Schrittweite der Skala (1; 11) bestimmt, und wobei die Sensoren gemeinsam die Abmessungen des Objekts mit einer größeren Auflösung anzeigen als dies von einem der Sensoren (2; 3) möglich wäre;

wobei jeder der Sensoren (2; 3) eine Umwandlungsvorrichtung (2; 3; 13) zum Erzeugen eines der elektrischen Signale und mehrere in einem Muster (Q, R, S, T) angeordnete Bestandteilselemente (N1, S1, N'1; 21) aufweist; wobei das Muster (Q, R, S, T) aus zumindest zwei Blöcken (a, b, c, d) der Bestandteilselemente (N1, S1, N'1; 21) gebildet ist, wobei jeder der zumindest zwei Blöcke (a, b, c, d) ein Zwischensignal einer gleichen Amplitude erzeugt, das höherharmonische durch Signal-Kombinationen auslöschbare Komponenten aufweist und das durch relativ angeordnete Blöcke gekennzeichnet ist, um eine relative Phasendifferenz entsprechend einem sechstel der effektiven Schrittweite der Skala (1, 11) zu erzeugen, wobei die Zwischensignale der zumindest zwei Blöcke (a, b, c, d) der Bestandteilselemente (N1, S1, N'1; 21) kombiniert werden innerhalb der jeweiligen Sensoren (2; 3), um die harmonischen Komponenten dritter Ordnung auszulöschen, so daß eines der elektrischen Signale, das von der jeweiligen Umwandlungsvorrichtung (2; 3; 13) erzeugt wird, frei von harmonischen Komponenten dritter Ordnung ist.

2. Detektorkopf nach Anspruch 1, wobei die Bestandteilselemente (N1, S1, N'1) einen auf magnetischen Fluß ansprechenden Mehrfachspalt-Magnetwandlerkopf (2; 3) aufweisen.

3. Detektorkopf nach Anspruch 2, wobei der Mehrfachspalt-Magnetwandlerkopf (2; 3) einen Kern-Magnetkopf umfaßt, der einen Luftspalt (G) aufweist mit einer Länge, die im wesentlichen der Wellenlänge der vom elektrischen Signal auszulöschenden harmonischen Komponente dritter Ordnung entspricht.

4. Detektorkopf nach Anspruch 1, wobei die Bestandteilselemente (H1-H8) ferromagnetische Filme aufweisen, die auf einem Substrat angeordnet und hinsichtlich des Magnetwiderstands anisotrop sind.

5. Detektorkopf nach Anspruch 4, wobei die Bestandteilselemente (H1-H8) ferromagnetische Filme umfassen, die magnetische Metallfilm-Elementleitungen (H) enthalten, die mit den jeweiligen Elementleitungen (H5-H8) eines Blocks, die von den jeweiligen Elementleitungen (H1-H4) des anderen Blocks um ein Sechstel der effektiven Schrittweite (π) versetzt sind, in einem Muster angeordnet sind, und wobei die jeweiligen Elementleitungen (H1-H8) eines Sensors (Fig. 9B) von den jeweiligen Elementleitungen (H1'-H8') des anderen Sensors (Fig. 9C) um ein Viertel der effektiven Schrittweite (π/4) versetzt sind, wobei die effektive Schrittweite der Skala die Hälfte der momentanen Schrittweite beträgt.

6. Detektorkopf nach Anspruch 1 mit einer optischen Skalierungsvorrichtung mit einer Hauptskala (11), wobei die Bestandteilselemente als eine zur Hauptskala parallel liegende Indexskala (12') ausgebildet sind, und wobei die Umwandlungsvorrichtung eine Lichtempfangsvorrichtung zum Erfassen von Licht aufweist, das die Hauptskala (11) und die Indexskala (12') passiert, wobei das Zwischensignal, abhängig vom relativen Versatz der Hauptskala (11) und der Indexskala (12'), dem darauf ausgebildeten optischen Gitter entspricht, wobei die Hauptskala (11) und die Indexskala (12') mehrere optische Gitterblöcke (a, b, c, d) als Blöcke aufweisen.

7. Detektorkopf nach Anspruch 6 mit einer optischen Vorrichtung (19, 20) zum Skalieren der Ausgangssignale, die von den Bestandteilselementen (21) erzeugt werden.