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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Positionserfassungseinrichtung zum Erzeugen eines mit einer Relativlage zwischen zwei Bauteilen korrelierenden elektrischen Positionssignals, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine mit einer derartigen Positionserfassungseinrichtung ausgestattete Stelleinrichtung zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds.
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Aus der
DE 103 04 551 A1 ist eine Positionserfassungseinrichtung bekannt, die zum Erzeugen eines elektrischen Positionssignals eignet, das mit einer Relativlage zwischen einem ersten Bauteil der Positionserfassungseinrichtung und einem zweiten Bauteil der Positionserfassungseinrichtung korreliert. Dabei ist das erste Bauteil am zweiten Bauteil in einer Hubrichtung bidirektional verstellbar angeordnet, während das erste Bauteil einen relativ zum ersten Bauteil ortsfesten Dauermagneten aufweist. Ferner weist das zweite Bauteil einen relativ zum zweiten Bauteil ortsfesten Hallsensor auf, der ein mit einem von der Relativlage zwischen den beiden Bauteilen abhängigen Magnetfluss korrelierendes elektrisches Positionssignal generiert. Der Hallsensor ist dabei in der Hubrichtung vom Dauermagneten beabstandet angeordnet. Das zweite Bauteil weist zwei für Magnetfluss leitfähige Magnetleitkörper auf, zwischen denen der Hallsensor angeordnet ist, wobei die beiden Magnetleitkörper beiderseits eines Verstellwegs des Dauermagneten einander gegenüberliegend angeordnet sind. Bei der bekannten Positionserfassungseinrichtung sind die Magnetleitkörper jeweils nur im Bereich des Hallsensors angeordnet, so dass der als Quader ausgestaltete Dauermagnet in der Hubrichtung aus dem Bereich der Magnetleitkörper herausverstellt werden kann.
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Aus der
DE 197 51 519 A1 ist eine andere Positionserfassungseinrichtung bekannt, mit deren Hilfe ein elektrisches Positionssignal generiert werden kann, das mit einer Relativlage zwischen zwei Bauteilen korreliert. Hierzu weist die bekannte Positionserfassungseinrichtung zumindest die beiden Bauteile auf, von denen das eine am anderen in einer Hubrichtung bidirektional verstellbar angeordnet ist. Das erste Bauteil weist einen dazu ortsfesten Dauermagneten auf. Das zweite Bauteil weist einen dazu ortsfesten Hallsensor auf. Mit dem Hallsensor kann ein elektrisches Positionssignal generiert werden, das mit einem Magnetfluss korreliert, der von der Relativlage zwischen den beiden Bauteilen abhängt. Bei der bekannten Positionserfassungseinrichtung ist das mit dem Hallsensor ausgestattete zweite Bauteil an dem mit dem Dauermagneten ausgestatteten ersten Bauteil hubverstellbar gelagert. Dabei ist der Dauermagnet stabförmig ausgestaltet und so angeordnet, dass er sich entlang des gesamten Verstellwegs erstreckt. Das zweite Bauteil umfasst einen Schlitten, der mit dem daran angebrachten Hallsensor entlang des Dauermagneten verstellbar ist. Hierzu befindet sich der Hallsensor entlang des gesamten Verstellwegs seitlich neben dem Dauermagneten. Der zur Realisierung einer derartigen Positionserfassungseinrichtung erforderliche Bauraum ist vergleichsweise groß.
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Aus der
DE 43 03 403 A1 ist eine weitere Positionserfassungseinrichtung bekannt, bei welcher das den Dauermagneten aufweisende erste Bauteil an dem den Hallsensor aufweisenden zweiten Bauteil hubverstellbar gelagert ist. Auch hier ist der Hallsensor seitlich neben dem Verstellweg des Dauermagneten angeordnet.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Positionserfassungseinrichtung beziehungsweise für eine damit ausgestattete Stelleinrichtung eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass sie einen vergleichsweise kompakten Aufbau aufweist.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Hallsensor in der Hubrichtung vom Dauermagneten beabstandet anzuordnen und seitlich des Verstellwegs zwei sich gegenüberliegende Magnetleitkörper vorzusehen. Die Magnetleitkörper sind für den magnetischen Fluss leitfähig und ermöglichen eine Umlenkung der magnetischen Feldlinien vom Dauermagneten zum Hallsensor. Bezüglich der Hubrichtung ergibt sich dadurch eine axiale Bauweise, die in Querrichtung extrem kompakt baut. Des weiteren kann auch der Dauermagnet vergleichsweise klein ausgestaltet werden, was einerseits wieder die kompakte Bauweise unterstützt und andererseits zu einer vergleichsweise preiswerten Lösung führt, da Dauermagneten relativ teuer sind.
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Die Magnetleitkörper sind vorzugsweise blechförmig ausgestaltet und können insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff oder aus ferromagnetischem Material hergestellt sein. Derartige Materialien können beispielsweise zum Herstellen eines Jochs bei einem Elektromagneten verwendet werden.
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Um Hystereseeffekte zu reduzieren ist der erfindungsgemäß verwendete Dauermagnet so ausgestaltet, dass er in einer Schnittebene, die sich parallel zur Hubrichtung und parallel zur Abstandsrichtung zwischen den Magnetleitblechen erstreckt, ein trapezförmiges Profil aufweist. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Magnetleitkörper so dimensioniert sind, dass in einer einen maximalen Abstand zwischen Dauermagnet und Hallsensor zugeordneten Endstellung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil der Dauermagnet zumindest an einem dem Hallsensor zugewandten Ende mit seitlicher Überdeckung zwischen den Magnetleitkörpern angeordnet ist.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform beziehungsweise gemäß einer alternativen Lösung des vorliegenden Problems kann die Positionserfassungseinrichtung in eine Stelleinrichtung zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds integriert sein. Dabei ist eines der beiden Bauteile der Positionserfassungseinrichtung mit dem mit Hilfe der Stelleinrichtung zu verstellenden Stellglied beziehungsweise mit einer zum Antreiben des Stellglieds vorgesehenen Ausgangsseite der Stelleinrichtung antriebsgekoppelt. Die Stelleinrichtung kann beispielsweise dazu verwendet werden, bei einem Abgasrückführventil das Ventilglied anzutreiben oder bei einem Abgasturbolader eine Leitschaufelverstellung oder ein Wastegate-Ventil zu betätigen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine perspektivische Ansicht auf einen Längsschnitt einer Positionserfassungseinrichtung,
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2 eine Ansicht wie in 1, jedoch in einer um 90° gedrehten Schnittebene,
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3 ein vergrößertes Detail im Längsschnitt in einer ersten Endlage zwischen zwei Bauteilen der Positionserfassungseinrichtung,
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4 eine Ansicht wie in 3, jedoch in einer zweiten Endlage zwischen den beiden Bauteilen,
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5 eine stark vereinfachte Schnittansicht im Bereich eines Verstellwegs zwischen einem Dauermagneten und einem Hallsensor bei einer anderen Ausführungsform,
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6 eine Ansicht wie in 5, jedoch bei einer weiteren Ausführungsform,
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7 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Stelleinrichtung mit einer Positionserfassungseinrichtung.
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Entsprechend den 1 und 2 umfasst eine Positionserfassungseinrichtung 1 ein erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 3, die relativ zueinander in einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Hubrichtung 4 bidirektional verstellbar angeordnet sind. Hierzu sind die beiden Bauteile 2, 3 aneinander hubverstellbar gelagert. Im Beispiel ist das erste Bauteil 2 am zweiten Bauteil 3 verstellbar gelagert. Die Positionserfassungseinrichtung 1 dient zum Erzeugen eines elektrischen Positionssignals, das mit der Relativlage zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 korreliert.
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Das erste Bauteil 2 weist einen relativ zum ersten Bauteil 2 ortsfesten Dauermagneten 5 auf. Dieser ist somit zusammen mit dem ersten Bauteile 2 relativ zum zweiten Bauteil 3 verstellbar. Das zweite Bauteil 3 weist einen relativ zum zweiten Bauteil 3 ortsfesten Hallsensor 6 auf. Hallsensoren 6 sind allgemein bekannte Magnetsensoren oder Magnetflusssensoren, die ein mit dem Magnetfluss korrelierendes elektrisches Positionssignal generieren. Der Magnetfluss in der Positionserfassungseinrichtung 1 hängt dabei von der Relativlage zwischen dem Hallsensor 6 und dem Dauermagneten 5 und somit von der Relativlage zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 ab.
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Bei der erfindungsgemäßen Positionserfassungseinrichtung 1 ist der Hallsensor 6 vom Dauermagneten 5 in der Hubrichtung 4 beabstandet angeordnet. Das bedeutet, dass der Hallsensor 6 relativ zum Dauermagneten 5 axial beziehungsweise koaxial angeordnet ist. Um bei einer derartigen axialen Anordnung die Magnetfeldfeldlinien oder Magnetflusslinien bis zum Hallsensor 6 umleiten zu können, weist das zweite Bauteil 3 zwei Magnetleitkörper 7 auf, die für Magnetfluss leitfähig sind. Die beiden Magnetleitkörper 7 sind beiderseits eines Verstellwegs 8 des Dauermagneten 5 so angeordnet, dass sie sich einander gegenüber liegen. Hierdurch wird der Dauermagnet 5 zwischen den Magnetleitkörpern 7 hubverstellt. Ferner ist der Hallsensor 6 ebenfalls zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 angeordnet. Die Magnetflusslinien können nun von den Magnetleitkörpern 7 seitlich vom Dauermagneten 5 aufgenommen und bis zum Hallsensor 6 transportiert werden. Je nach Bauweise und Anordnung der Magnetleitkörper 7 kann dadurch auch eine Verstärkung beziehungsweise Konzentration der Feldlinien realisiert werden, wodurch der Dauermagnet 5 vergleichsweise klein dimensioniert werden kann, um eine hinreichend genaue Ansteuerung des Hallsensors 6 zu realisieren. Da Dauermagnete 5 vergleichsweise teuer sind, wird die Positionserfassungseinrichtung 1 insgesamt vergleichsweise preiswert, je kleiner der zu verwendende Dauermagnet 5 ist.
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Die Magnetleitkörper 7 können blechförmig ausgestaltet sein. Das bedeutet, dass sie im wesentlichen flach oder bandförmig ausgestaltet sind, so dass ihre Dicke deutlich kleiner ist als ihre Länge und Breite. Die Magnetleitkörper 7 bestehen bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff beziehungsweise aus einem ferromagnetischen Material. Metallische weichmagnetische Materialien sind beispielsweise ferromagnetische Metalle, wie zum Beispiel Eisen, Kobalt und Nickel. Keramische weichmagnetische Materialien sind beispielsweise Ferrite, bevorzugt Ferrite auf der Basis von Metalloxiden, wie zum Beispiel Mangan-Zink-Oxide und Nickel-Zink-Oxide. Zweckmäßig erstrecken sich die Magnetleitkörper 7 parallel zueinander. Vorzugsweise sind sie zumindest im Bereich des Verstellwegs 8 parallel zur Hubrichtung 4 eben ausgestaltet.
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Im gezeigten Beispiel weist das zweite Bauteil 3 zumindest eine Schiene 9 auf. Beispielsweise sind vier Schienen 9 vorgesehen. Die Schienen 9 besitzen jeweils einen U-Querschnitt und enthalten somit eine seitlich offene Längsnut 10. Die Schienen 9 und ihre Längsnuten 10 erstrecken sich parallel zur Hubrichtung 4. Je zwei Schienen 9 sind einem Magnetleitkörper 7 zugeordnet, wobei die zugehörigen Längsnuten 10 einander zugewandt sind. Der jeweilige Magnetleitkörper 7 ist in die Längsnuten 10 der zugeordneten Schienen 9 eingesetzt. Dabei können die Längsnuten 10 so dimensioniert sein, dass der jeweilige Magnetleitkörper 7 in seiner Endposition durch einen Presssitz festgehalten ist. Zum verbesserten Einführen des jeweiligen Magnetleitkörpers 7 in die jeweilige Längsnut 10 kann diese einen keilförmigen Einschubbereich aufweisen, in dem der freie Querschnitt bis zum Erreichen des Klemmquerschnitts abnimmt. Des weiteren dienen die Schienen 9 zusätzlich dazu, eine Lagerung beziehungsweise Führung für das erste Bauteil 2 zu bilden.
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Das erste Bauteil 2 weist einen Trägerabschnitt 11 auf, der sich in der Hubrichtung 4 erstreckt und an dem der Dauermagnet 5 befestigt ist. Beispielsweise enthält der Trägerabschnitt 11 ein komplementär zur Außenkontur des Dauermagneten 5 geformtes Fenster 12, in das der Dauermagnet 5 seitlich eingesetzt ist. Der Dauermagnet 5 kann beispielsweise in den Trägerabschnitt 11 eingepresst oder eingeklebt sein. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, das erste Bauteil 2 aus Kunststoff herzustellen, so dass der Dauermagnet 5 mit dem Kunststoff des Trägerabschnitts 11 umspritzbar ist. Ferner weist das erste Bauteil 2 hier zwei sich quer zur Hubrichtung erstreckende Stützabschnitte 13 auf, die an entgegengesetzten Seiten vom Trägerabschnitt 11 abstehen. Die Stützabschnitte 13 erstrecken sich dabei jeweils zwischen zwei Schienen 9 und sind an diesen längsgeführt. Beispielsweise können die Stützabschnitte 13 seitliche Aussparungen 14 aufweisen, in welche die Schienen 9 eingreifen, um so die Längsführung zu realisieren. Ferner sind die Stützabschnitte 13 so ausgestaltet, dass sich daran jeweils eine Rückstellfeder 15 abstützen kann. Beispielsweise weist der jeweilige Stützabschnitt 13 hierzu einen zapfenförmigen Abschnitt 16 auf, auf den die jeweilige Rückstellfeder 15 aufgeschoben ist. Die Rückstellfeder 15 stützt sich somit einerseits am jeweiligen Stützabschnitt 13 des ersten Bauteils 2 ab. Andererseits stützt sich die jeweilige Rückstellfeder 15 an einem Boden 17 des zweiten Bauteils 3 ab. Am zweiten Bauteil 3 können domförmige Abschnitte 18 ausgebildet sein, auf welche die jeweilige Rückstellfeder 15 aufgesteckt ist. Die Rückstellfedern 15 sind als Druckfedern ausgestaltet und wirken somit einer den Abstand zwischen dem Dauermagneten 5 und dem Hallsensor 6 verkleinernden Verstellbewegung entgegen. Vorzugsweise können die zapfenförmigen Abschnitte 16 des ersten Bauteils 2 und die domförmigen Abschnitte 18 des zweiten Bauteils 3 als Anschläge zusammenwirken, die eine Hubbegrenzung zwischen dem ersten Bauteil 2 und dem zweiten Bauteil 3 ermöglichen.
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Ferner weist das erste Bauteil 2 bei der hier gezeigten Ausführungsform einen Betätigungsabschnitt 19 auf, der sich ebenfalls in der Hubrichtung 4 erstreckt und der hier vom Trägerabschnitt 11 ausgeht. Über diesen Betätigungsabschnitt 19 kann eine Stellkraft zum Verstellen des ersten Bauteils 2 relativ zum zweiten Bauteil 3 in die Positionserfassungseinrichtung 1 eingeleitet werden. Im gezeigten Beispiel ist das zweite Bauteil 3 als Gehäuse ausgestaltet, das den Boden 17 und eine mantelförmige Wandung 20 aufweist. Die Wandung 20 umschließt dabei einen Aufnahmeraum 21, in dem das erste Bauteil 2 verstellbar angeordnet ist. Im Beispiel ist das erste Bauteil 2 mit seinem Betätigungsabschnitt 19 aus dem Aufnahmeraum 21 des gehäuseartigen zweiten Bauteils 3 herausgeführt.
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Der Hallsensor 6 ist auf übliche Weise an einer Platine 22 angebracht und in eine Sensoraufnahme 23 eingesetzt. Die Sensoraufnahme 23 ist zum Beispiel in den Boden 17 integriert, derart, dass die Sensoraufnahme 23 ausschließlich an einer vom Aufnahmeraum 21 abgewandten Seite offen ist. Hierdurch ist der Hallsensor 6 vom Aufnahmeraum 21 körperlich getrennt beziehungsweise bezüglich des Aufnahmeraums 21 gekapselt. Sofern das erste Bauteil 2 über seinen Betätigungsabschnitt 19 mit einer für elektronische Komponenten ungeeigneten Umgebung gekoppelt ist, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich diese nachteiligen Umgebungsbedingungen auch bis in den Aufnahmeraum 21 ausbreiten. Durch die Trennung der Sensoraufnahme 23 vom Aufnahmeraum 21 ist der Hallsensor 6 vor dieser nachteiligen Umgebung geschützt. Zur Ausbildung der Sensoraufnahme 23 ist am zweiten Bauteil 3 beziehungsweise an dessen Boden 17 ein Aufnahmekörper 24 ausgeformt, der zweckmäßig so dimensioniert ist, dass sich daran die beiden Magnetleitkörper 7 abstützen können.
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Entsprechend den 3 und 4 erfolgt die Dimensionierung und Anordnung der Magnetleitkörper 7 zweckmäßig so, dass der Dauermagnet 5 sich immer zumindest teilweise mit einer gewissen Überdeckung zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 befindet und/oder nie mit vollständiger Überdeckung zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 angeordnet ist. 3 zeigt eine erste Endstellung zwischen den beiden Bauteilen 2, 3, bei der ein maximaler Abstand zwischen dem Dauermagneten 5 und dem Hallsensor 6 vorliegt. Erkennbar taucht ein dem Hallsensor 6 zugewandtes Ende 25 des Dauermagneten 5 in den zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 ausgebildeten Zwischenraum ein. Insofern besteht hier eine seitliche Überdeckung zwischen dem Dauermagneten 5 und den Magnetleitkörpern 7. Diese minimale Überdeckung zwischen Dauermagnet 5 und Magnetleitkörpern 7 kann beispielsweise im Bereich von etwa einem Millimeter liegen.
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Im Unterschied dazu zeigt 4 eine zweite Endstellung zwischen den beiden Bauteilen 2 und 3, bei der ein minimaler Abstand zwischen Dauermagnet 5 und Hallsensor 6 vorliegt. Erkennbar taucht hierbei der Dauermagnet 5 nicht vollständig in den zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 ausgebildeten Zwischenraum ein, sondern nur so weit, dass ein vom Hallsensor 6 abgewandtes Ende 26 des Dauermagneten 5 noch außerhalb des von den beiden Magnetleitkörpern 7 seitlich begrenzten Zwischenraums angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine maximale Überdeckung zwischen Dauermagnet 5 und Magnetleitkörpern 7, die jedoch kleiner als eine vollständige Überdeckung ist. Beispielsweise bleibt ein Abschnitt im Bereich von etwa 1 mm außerhalb des von den beiden Magnetleitkörpern 7 seitlich begrenzten Zwischenraums.
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Bei der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform besitzt der Dauermagnet 5 in einer in den 2 bis 4 wiedergegebenen Schnittebene, die sich parallel zur Hubrichtung 4 und parallel zur Abstandsrichtung zwischen den Magnetleitkörpern 7 erstreckt, ein rechteckförmiges Profil. Im Unterschied dazu zeigt 5 eine Ausführungsform, bei welcher der Dauermagnet 5 in besagter Schnittebene ein trapezförmiges Profil aufweist. Ein derartiges Trapezprofil kann hinsichtlich Hystereseeffekte vorteilhaft sein.
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Während bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 die Magnetleitkörper 7 durch ebene Körper gebildet sind, zeigt 6 eine Ausführungsform, bei der die Magnetleitkörper 7 zweifach abgewinkelt sind beziehungsweise eine Stufe 27 aufweisen. Hierdurch besitzen die Magnetleitkörper 7 im Bereich des Hallsensors 6 einen kleineren Abstand zueinander als im Bereich des Verstellwegs 8. Durch diese spezielle Formgebung der Magnetleitkörper 7 kann im Bereich des Hallsensors 6 eine Konzentration der magnetischen Feldlinien erzielt werden. Zusätzlich oder alternativ kann außerdem vorgesehen sein, die Magnetleitkörper 7 im Bereich des Hallsensors 6 in einer Ebene, die senkrecht auf der Zeichnungsebene der 5 und 6 steht, die sich also quer zur Hubrichtung 4 und quer zur Abstandsrichtung zwischen den Magnetleitkörpern 7 erstreckt, mit einer kleineren Breite zu versehen als im Bereich des Verstellwegs 8. Auch hierdurch lässt sich eine Konzentration der Feldlinien im Bereich des Hallsensors 6 erzielen.
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Entsprechend 7 kann die Positionserfassungseinrichtung 1 bei einer vorteilhaften Ausführungsform in eine Stelleinrichtung 28 integriert sein, die zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds 29 dient. Mit anderen Worte, eine Stelleinrichtung 28 zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds 29 weist eine Positionserfassungseinrichtung 1 der vorbeschriebenen Art auf. Hierzu ist eines der beiden Bauteile 2, 3 der Positionserfassungseinrichtung 1 mit dem Stellglied 29, das mit Hilfe der Stelleinrichtung 28 betätigt werden soll, beziehungsweise mit einer Ausgangsseite 30 der Stelleinrichtung 28 antriebsgekoppelt. Die Antriebskopplung ist hier durch einen Querbalken 31 angedeutet. Die Stelleinrichtung 28 umfasst beispielsweise einen geeigneten Stellantrieb 32, dessen Ausgangsseite 30 beispielsweise durch eine Betätigungsstange oder dergleichen gebildet sein kann. Der Stellantrieb 32 kann pneumatisch, hydraulisch oder elektrisch arbeiten. Im Beispiel ist die Ausgangsseite 30 mit dem ersten Bauteil 2 der Positionserfassungseinrichtung 1 antriebsgekoppelt. Bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist die Stelleinrichtung 28 ein Gehäuse 33 auf, in dem der Stellantrieb 32 und die Positionserfassungseinrichtung 1 gemeinsam angeordnet sind.
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Die Stelleinrichtung 28 kann beispielsweise dazu verwendet werden, bei einer Abgasrückführeinrichtung ein Abgasrückführventil zu betätigen oder bei einem Abgasturbolader ein Wastegate-Ventil oder eine Verstelleinrichtung für eine Turbinenleitschaufelgeometrie zu betätigen.
