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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem Wegsensor nach der Gattung des unabhängigen
Anspruchs. Aus der
WO 03/062741 ist
bereits ein Wegsensor mit magnetoelektrischem Wandlerelement bekannt.
Er besteht aus einem magnetoelektrischem Wandlerelement und einem
Magnetkreis aus mindestens einem Flussleitstück und einem
Magneten, bei dem bei geringer Baugröße durch
die Bewegung eines Elements eine mit dem Wandlerelement messbare
Beeinflussung des Magnetflusses bewirkt wird. Die Flussleitstücke
und das Wandlerelement befinden sich während der Wegmessung
zueinander in einer unveränderten Lage, wobei diese Teile
und der mindestens eine Magnet relativ zueinander bewegbar sind.
Eine Veränderung des vom Wandlerelement auswertbaren Magnetfelds
wird durch eine Veränderung des Luftspalts im Magnetkreis
während der Bewegung des Magneten bewirkt. Hierbei weisen
die Flussleitstücke des Magnetkreises eine solche die Bahn
des Magneten einschließende Kontur auf, dass sich aufgrund
der Änderung der Breite des Luftspalts im Bahnverlauf ein
vorgebbarer Signalverlauf im Wandlerelement ergibt.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Sensorprinzip auch für
solche Anwendungen zu erschließen, bei denen die Position
eines um die Linearbewegungsachse drehbaren Teils erfasst werden
soll. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des
unabhängigen Anspruchs.
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Vorteile der Erfindung
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Der
erfindungsgemäße Wegsensor gemäß den
Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber
den Vorteil, dass dank der rotierbaren Anordnung des Flussstücks
entlang der Detektionsrichtung auch der Weg drehbar gelagerter Teile detektiert
werden kann. Weiterhin kann durch entsprechende Auslegung des Flussstücks
ein linearer Kennlinienverlauf des Wegsensors erreicht werden.
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In
einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen,
dass das Flussstück rotationssymmetrisch entlang der Rotationsachse
ausgebildet ist. Damit wird sichergestellt, dass unabhängig
von einer möglichen Drehung des Flussstückes sicher
die jeweilige Position des Flussstücks detektiert werden
kann. Der Luftspalt wird nur wegabhängig, nicht jedoch
rotationsabhängig in gleicher Art und Weise beeinflusst.
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Weitere
zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren
abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Wegsensors ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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die 1 eine
Seitenansicht des Wegsensors,
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die 2 eine
Draufsicht auf den Wegsensor,
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die 3 eine
Draufsicht auf ein alternatives Ausführungsbeispiel mit
zwei Wandlerelementen und zwei Magneten,
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die 4 eine
Draufsicht auf eines weiteren alternativen Ausführungs
beispiel mit um 90° versetzen Wandlerelementen und Magneten,
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die 5 eine
Draufsicht auf einen Wegsensor mit einem L-förmig ausgeprägten
Flussleitelement,
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die 6 eine
Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem
U-förmig ausgebildeten Flussleitelement,
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die 7 eine
Draufsicht auf ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem
die Flussführung mittels zweier Flussleitelemente erfolgt,
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die 8 eine
Draufsicht eines weiteren Ausführungsbeispiels, bei dem
Magnet und Wandlerelement getrennt voneinander angeordnet sind,
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die 9 die
Draufsicht auf eine Anordnung mit redundanter Signalerfassung mit
Hilfe zweier Wandlerelemente,
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die 10 ein
weiteres Ausführungsbeispiel mit in einem Rohr gelagerten
Flussleitstück,
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die 11 die
entsprechende Draufsicht zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 10,
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die 12 eine
perspektivische Darstellung eines im Wesentlichen kegelförmig
geformten Flussstücks,
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die 13 eine
weitere perspektivische Darstellung der Anordnung gemäß 12 mit
einem Flussleitelement,
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die 14 ein
Signal-Weg-Diagramm,
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die 15 eine
Seitenansicht eines alternativen, symmetrisch ausge bildeten Flussleitelements mit
zwei Wandlerelementen,
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die 16 die
zugehörigen positionsabhängigen Signalverläufe
der Wandlerelemente gemäß der Anordnung nach 15 sowie
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die 17 eine
schematische Anordnung des Wegsensors in Verbin dung mit einem Pedal.
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Gemäß 1 ist
ein im Querschnitt im Wesentlichen parabelförmig ausgebildetes
Flussstück 13 entlang einer Detektionsrichtung 14 gegenüber
einem Magneten 10 und einem davorstehenden Wandlerelement 20 verschiebbar
angeordnet. Das Flussstück 13 kann neben einer
Bewegung in Detektionsrichtung 14 auch um eine Rotationsachse 16 rotieren. Die
Rotationsachse 16 ist im Wesentlichen parallel zur Detektionsrichtung 14 ausgebildet.
Zwischen Wandler 20 und Außenkontur des Flussstücks 13 bildet
sich ein Luftspalt L1 aus. Der Luftspalt L1 verändert sich,
wenn sich das Flussstück 13 gegenüber dem
Wandler 20 in Detektionsrichtung 14 verschiebt. Der
Luftspalt L1 ändert sich jedoch nicht, wenn das Flussstück 13 um
die Rotationsachse 16 rotiert ohne Verschiebung in Detektionsrichtung 14.
Die Anordnung nach 1 ist nun in der Draufsicht
gemäß 2 dargestellt. Es ist zu erkennen,
dass das Flussstück 13 in der Draufsicht einen
im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt aufweist und
somit rotationssymmetrisch bezüglich der Rotationsachse 16 als
Paraboloid ausgebildet ist.
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3 unterscheidet
sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 nun
durch eine redundante Ausführung von Magnet 10 und
Wandlerelement 20. So befindet sich auf der gegenüberliegenden
Seite des Flussstücks 13 ein weiteres Wandlerelement 21 mit
dahinter angeordneten weiteren Magneten 11. Die beiden
Magnete 10, 11 erzeugen Feldlinien identischer
Ausrichtung, das heißt, die Magnetpole N, S der beiden
Magnete 10, 11 sind in der selben Weise orientiert.
Der minimale Abstand zwischen zweitem Wandler 21 und Außenkontur
des Flussstücks definiert einen zweiten Luftspalt L2.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 4 unterscheidet
sich von demjenigen der 3 lediglich um eine um 90° versetzte
Anordnung von Magnet 10, Wandlerelement 20 gegenüber
dem weiteren Magneten 11 mit weiterem Wandlerelement 21.
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Beim
Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist der
Magnetkreis bzw. der magnetische Fluss gezielt geführt
durch ein Flussleitelement 18. Das Flussleitelement 18 ist
im Wesentlichen L-förmig ausgebildet und greift den magnetischen
Fluss am Magnet 10 unmittelbar ab, führt ihn über
die dem Flussstück 13 am nächsten liegende
Stelle dem Flussstück 13 zu. Das Flussstück 13 schließt
den Magnetkreis zum Wandlerelement 20 hin.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 6 unterscheidet
sich von demjenigen nach 5 insbesondere dadurch, dass
das Flussleitelement 18 nun im Wesentlichen U-förmig
ausgebildet ist. Am einen Ende des Flussleitelements 18 befindet
sich der Magnet 10, am gegenüberliegenden Ende
das Wandlerelement 20. Der Magnetkreis verläuft über
das Flussleitelement 18, das Wandlerelement 20,
den zweiten Luftspalt L2, das Flussstück 13, den
ersten Luftspalt L1 und den Magneten 10 wieder zurück
in das Flussleitelement 18. Wird das Flussstück 13 in
Detektionsrichtung 14 verschoben, ändert sich
der Luftspalt L1 zwischen Magnet 10 und Flussstück 13 einerseits und
der Luftspalt L2 zwischen Wandlerelement 20 und
Flussstück 13 in der gleichen Weise. Bei einer Rotation
des Flussstücks 13 um die Rotationsachse 16 verändern
sich die oben genannten Luftspalte L1 und L2 nicht. Weiterhin sind
Magnet 10 und Wandlerelement 20 relativ nah am
Flussstück 13 angeordnet, so dass über
diese Elemente auch der Magnetkreis geschlossen wird.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß. 7 besteht
das Flussleitelement 18 aus zwei Teilen. Der obere Teil
ist in unmittelbarer Nachbarschaft zum Magneten 10 angeordnet
und führt den magnetischen Fluss über einen Luftspalt
am Ende des Flussleitelements 18 dem Flussstück 13 zu.
Der Magnetkreis schließt sich durch den unteren Teil des
Flussleitelements 18, das den magnetischen Fluss über
einen weiteren Luftspalt L2 am unteren Ende des Flussstückes 13 über
das Wandlerelement 20 führt. Die Luftspalte L1,
L2 zwischen den jeweiligen Enden des Flussleitelements 18 und
dem Flussstück 13 ändern sich bei einer
Positionsänderung des Flussstückes 13 entlang
der Detektionsrichtung 14 in gleicher Weise.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 8 unterscheidet
sich von demjenigen der 7 darin, dass nun das Wandlerelement 20 unmittelbar
zwischen dem Flussstück 13 und dem unteren Ende
des Flussleitelements 18 angeordnet ist. Das Flussleitelement 18 ist
wiederum zweigeteilt ausgebildet und umschließt nun die
jeweiligen Pole des Magneten 10 von oben beziehungsweise
unten.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 wird
der magnetische Fluss – neben dem Wandlerelement 20 – durch
ein weiteres Wandlerelement 21 redundant erfasst. Das weitere
Wandlerelement 21 ist zwischen dem Wandlerelement 20 und
dem Flussstück 13 angeordnet. Der Magnet 10 befindet
sich hinter dem Wandlerelement 20.
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In
dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 ist
ein im Querschnitt dargestelltes Rohr 24 vorgesehen, welches
mit dem Flussstück 13 fest verbunden ist. Das
Rohr 24 wiederum könnte in einem nicht dargestellten
feststehenden Zylinder gelagert sein, so dass sich Rohr 24 und
Flussstück 13 linear in Detektionsrichtung 14 oder
rotierend um die Rotationsachse 16 parallel zur Detektionsrichtung 14 bewegen können.
Die entsprechende Draufsicht ist in der 11 dargestellt
mit der zugehörigen Anordnung des Magneten 10 hinter
dem Wandlerelement 20.
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12 zeigt
eine alternative Ausgestaltung des Flussstücks 13.
Es ist im Wesentlichen kegelförmig ausgebildet und läuft
in einem zylinderförmigen Endbereich aus. Schematisch angedeutet
ist das das Flussstück 13 umschließende
Rohr 24. Gemäß 13 ist
neben dem Wandlerelement 20 und dem Magneten 10 ein
im Wesentlichen U-förmiges Flussleitelement 18 gezeigt.
Diese Anordnung ist deshalb besonders vorteilhaft, weil der Gesamtluftspalt
L1 + L2 unabhängig ist von der Lage des Flussstücks 13, sofern
sich dieses entlang einer gedachten Achse zwischen den beiden Wandlern 20, 21 quer
zur Detektionsrichtung 14 verschiebt.
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Das
Ausgangssignal O des Wandlerelements 20 in Abhängigkeit
von dem Weg x in Detektionsrichtung 14 ist in 14 gezeigt.
Es lässt sich ein linearer Zusammenhang zwischen Weg x
und Ausgangssignal O des Wandlerelements 20 erkennen aufgrund
der geeigneten Außenkonturgestaltung des Flussstücks 13.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 15 besteht
das Flussstück 13 aus zwei stirnseitig aneinander
gesetzten Paraboloiden 13, 13', deren Durchmesser
entlang der Detektionsrichtung 14 zuerst zu- und dann abnehmen.
Entlang der Detektionsrichtung 14 sind nun zwei Wandlerelemente 20, 21 vor
dem Magneten 10 symmetrisch um eine Symmetrieachse 22 angeordnet.
Der zugehörige Signalverlauf der beiden Wandlerelemente 20, 21 nach 15 ist 16 zu
entnehmen. Wegabhängig weisen die Ausgangssignale der Wandler 20, 21 einen
phasenverschobenen, zuerst linear zunehmenden und anschließend wieder
linear abnehmenden Verlauf an.
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17 lässt
sich der schematische Aufbau des Wegsensors zur Wegerfassung eines
Pedals 28 entnehmen. Das Pedal 28 ist über
ein Lager 26 im Wesentlichen schwenkbar gelagert und verschiebt über
eine Kopplung 30 das Flussstück 13 mit
umgebendem Rohr 24 gegenüber dem Magneten 10 mit vorgesetztem
Wandlerelement 20.
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Die
in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele arbeiten
wie folgt. Eine Wegänderung des Flussstücks 13 entlang
der Detektionsrichtung 14 resultiert bei der gewählten
parabelförmigen Außenkontur des Flussstücks 13 in
einem veränderten Luftspalt L1 zwischen Wandlerelement 20 und
Flussstück 13. In Abhängigkeit von der
Größe des Luftspalts L1 ändert sich der
magnetische Fluss, den das Wandlerelement 20, beispielsweise
ein Hallelement, detektiert. Bestandteil des entsprechenden magnetischen
Kreises ist auch ein Magnet 10, beispielsweise ein Permanentmagnet,
dessen Magnetpole so orientiert sind, dass die Feldlinien durch Wandlerelement 20,
Luftspalt L1, Flussstück 13 und wieder über
den Magnet 10 zurückgeführt werden. Das
Flussstück 13 ist als rotationssymmetrischer Körper
aufgebaut. Dies hat zur Folge, dass eine Rotation des Flussstücks 13 um
die Rotationsachse 16 nicht in einer Änderung
des Luftspalts L1 zwischen Außenkontur des Flussstücks 13 und
Wandlerelement 20 resultiert. Der entsprechende Rotationspfeil deutet
die Lagerung des Flussstücks 13 um die Rotationsachse 16 an.
Die Rotationsachse 16 ist im Wesentlichen parallel zur
Detektionsrichtung 14 orientiert. Verschiebt sich das Flussstück 13 entlang
der Detektionsrichtung 14, so verändert das Wandlerelement 20 entsprechend
dem Kennlinienverlauf nach 13 das
Ausgangssignal – unabhängig von einer möglichen
Rotation des Flussstücks 13, da sich der Luftspalt
L1 verändert. Bevorzugt ist die Außenkontur des
Flussstücks 13 so gewählt, dass sich
ein linearer Zusammenhang zwischen Ausgangssignal O des Wandlerelements 20 und
dem Weg x einstellt. Hier hat sich insbesondere die parabolische
Außenkontur des Flussstücks 13 als besonders
günstig herausgestellt. Das Flussstück 13 besteht
aus einem ferromagnetischen Material, beispielsweise Stahl, als
Bestandteil des Magnetkreises.
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Bei
den Ausführungsbeispielen gemäß 3 und 4 wird
nun eine redundante Signalerfassung des magnetischen Flusses möglich.
Hierbei ist ein weiteres Wandlerelement 21 geeignet angeordnet,
wobei es vorzugsweise denselben Luftspalt L2 zum Flussstück 13 aufweist
wie das erste Wandlerelement 20. Somit wird ein erster
magnetischer Kreis gebildet über den ersten Magneten 10,
erstes Wandlerelement 20, erster Luftspalt L1, sowie der entsprechende
Bereich des Flussstücks 13, ein zweiter Magnetkreis
wird gebildet über den zweiten Magneten 11, das
zweite Wandlerelement 21, den zweiten Luftspalt L2, wobei
der zweite magnetische Kreis geschlossen wird über das
Flussleitstück 13. Die beiden Wandlerelemente 20, 21 erfassen
nun unabhängig und parallel zueinander die Position des
Flussstücks 13 in der in Zusammenhang mit dem
ersten Ausführungsbeispiel beschriebenen Art und Weise. Die
Luftspalte L1, L2 in beiden Magnetkreisen ändern sich bei
einer Bewegung des Flussstücks 13 in Detektionsrichtung 14 in
derselben Weise. Bei Ausfall des einen Wandlerelements 20 erfasst
das weitere Wandlerelement 21 die Position des Flussstücks 13, so
dass ein fehlertoleranter Betrieb gewährleistet werden
kann.
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Bei
den Ausführungsbeispielen mit zwei Wandlern 20, 21 werden
vorzugsweise die Ausgangssignale der beiden Wandler 20, 21 addiert
und anschließend gemittelt. Das so entstehende Ausgangssignal
dient der Ermittlung des Weges x. Befindet sich das zweite Wandlerelement 21 dem
ersten Wandlerelement 20 gegenüber, so ist eine
Unabhängigkeit des Summensignals der beiden Wandler 20, 21 gewährleistet.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 5 ist
nun zusätzlich ein Flussleitelement 18 vorgesehen,
welches der gezielten Führung und Ein- bzw. Ausleitung
des Magnetfelds in oder aus dem Flussstück 13 dient.
So werden dort die Feldlinien gezielt über das Wandlerelement 20,
Magneten 10, das L-förmige Flussleitelement 18 geführt
bis an dessen Ende, wo es den minimalen Abstand über den Luftspalt
L2 hin zum Flussstück 13 überwindet,
so dass darüber der magnetische Kreis geschlossen wird.
Mithilfe des Flussleitelements 18 lässt sich gezielt
der geometrische Aufbau der Anordnung beeinflussen und an unterschiedliche
Bauräume und Gegebenheiten anpassen. Die Flexibilität
der Anordnung ist dadurch sehr groß. Zudem ergibt sich
ein großer magnetsicher Hub und dadurch ein größeres Messsignal.
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Ähnliches
gilt für 6. Im Unterschied zur 5 endet
nun das Flussleitelement 18 an der dem Wandlerelement 20 gegenüberliegenden
Seite, über welche die Feldlinien des Magnetfelds in das
Flussstück 13 geführt werden. Bei dem
Ausführungsbeispiel gemäß 7 sind
nun zwei Flussleitelemente 18 vorgesehen, die gezielt die
Feldlinien zwischen Flussleitstück und Magnet 10 bzw.
Wandlerelement 20 führen. Die Freiheitsgrade der
geometrischen Anordnung von Magnet 10 und Wandlerelement 20 können
durch die Flussleitelemente 18 entsprechend erhöht
werden. Dies wird auch aus 8 ersichtlich, wo
der Permanentmagnet 10 räumlich getrennt vom Wandlerelement 20 angeordnet
wird und lediglich durch das Flussleitelement 18 mit diesem
magnetisch verbunden ist. Insbesondere die Anordnungen nach den 3, 6, 7, 8, 13 sind fehlertolerant,
weil der Gesamtluftspalt L1 + L2, gebildet aus der Summe von erstem
und zweiten Luftspalt L1 + L2, gleichbleibt bei geringen Verschiebungen des
Flussstücks 13 quer zur Detektionsrichtung 14 entlang
einer gedachten Achse zwischen den beiden Luftspalten L1, L2. Verschiebt
sich beispielsweise das Flussstück 13 in der Zeichnungsebene
leicht senkrecht nach oben, wird der Luft spalt L1 um diese Verschiebung
geringer, während der zweite Luftspalt L2 um diese Verschiebung
zunimmt. Der Gesamtluftspalt L1 + L2 ändert sich jedoch
nicht.
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In 9 ist
eine weitere redundante Möglichkeit der Signalerfassung
gezeigt, indem nun zwei Wandlerelemente 20, 21 hintereinander
angeordnet sind. Sie erfassen parallel das von der Positionsänderung
des Flussleitstücks 13 beeinflusste Magnetfeld.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß den 10 und 11 ist
noch zusätzlich das das Flussstück 13 umgebende
Rohr 24 gezeigt. Das in der Regel mit dem Flussstück 13 fest
verbundene Rohr 24 beeinflusst nicht den Magnetkreis, da
es aus einem nicht ferromagnetischen Material, beispielsweise aus Aluminium,
besteht. Das Rohr 24 eignet sich insbesondere für
eine vereinfachte Lagerung des Wegsensors in einem zylindrischen
Gegenstück. Zur Erhöhung des Freiheitsgrades der
Anordnung wird gefordert, dass eine Positionserfassung des Flussstücks 13 auch
dann gewährleistet sein muss, wenn es um die Rotationsachse 16 rotiert.
Dies wird durch den rotationssymmetrischen Aufbau des Flussstücks 13 erreicht.
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In
dem alternativen Ausführungsbeispiel gemäß den 12 und 13 ist
nun das Flussstück 13 im Wesentlichen kegelförmig
mit einem zylindrischen Endabschluss ausgebildet. Wesentlich bei
der Gestaltung des Flussstücks 13 ist, dass sich
der Außendurchmesser bei einer Verschiebung entlang der Detektionsrichtung 14 immer
verändert, so dass sich auch der zugehörige Luftspalt
L1, der das zu detektierende Magnetfeld beeinflusst, ständig
verändert. Eine Kegelform lässt sich besonders
einfach herstellen. Der zylinderförmige Endbereich dient
insbesondere dazu, den Messbereich der Flussstückkontur vollständig
auszunutzen, insbesondere wird ein Absinken des Signals verhindert.
Dies wird durch den gezeigten zylinderförmigen Endabschnitt
weitgehend vermieden. In diesem Bereich ist auf der anderen Seite
jedoch keine Positionsdetektion mehr möglich.
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Gerade
um solche Effekte in den Randbereichen abzumildern, wird die in 15 gewählte
Form des Flussstücks 13 favorisiert. Zum einen
ist dort über die ganze Strecke hin eine eindeutige Wegerfassung
möglich. Zum anderen dienen die beiden nebeneinander angeordneten
Wandlerelemente 20, 21 der redundanten Signalerfassung.
Jedes dieser Wandlerelemente 20, 21 erfasst das
wegabhängige Ausgangssignal, welches dann in einem übergeordneten
Steuergerät mittels entsprechender Signalverarbeitungsalgorithmen
zu einem Wegsignal mit doppeltem Signalhub verarbeitet werden kann.
Die entsprechenden Signalverläufe der beiden Wandlerelemente 20, 21 sind
in 16 gezeigt.
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Der
beschriebene Wegsensor eignet sich insbesondere zur Positionserfassung
bei Pedalen. Hierzu ist das Pedal 28 über eine
in dem Lager 26 gelagerte Kopplung 30 mit dem
Rohr 24 und dem darin befindlichen Flussstück 13 mechanisch
gekoppelt. Eine Veränderung des Pedals 28 führt
zu einer Verschiebung des Flussstücks 13 in Detektionsrichtung 14.
Dadurch ändert sich der Luftspalt zwischen Wandlerelement 20 und
Flussstück 13. Das entsprechende Ausgangssignal
des Wandlerelements 20 zeigt die entsprechende Position
des Flussstücks relativ zum Wandlerelement 20 an
und entspricht somit der Position des Pedals 28. Da das
Flussstück 13 rotationssymmetrisch aufgebaut ist,
kann nun eine Rotation des Rohrs 24 mit Flussstück 13 zugelassen werden
bei Gewährleistung einer sicheren Wegerfassung des Flussstücks 13 in
Detektionsrichtung 14.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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