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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Linearaktuator mit einer drehbaren Spindel und einer drehfesten Spindelmutter und ein Verfahren zum Betreiben eines Linearaktuators.
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Für die Positionsabfrage an Linearaktuatoren mit Schubrohr werden häufig Sensoren eingesetzt. Diese erfassen das magnetische Feld eines Magneten, der an den bewegten Aktuatorbauteilen angebracht ist.
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Die typischerweise eingesetzten Magneten lassen sich in die Gruppen Magnetpillen sowie Ringmagnete einteilen. Magnetpillen haben den Nachteil, dass für eine mehrseitige Sensorabfrage am Aktuator auch mehrere Magnetpillen eingesetzt werden müssen und diese nur für kurze Schaltabstände geeignet sind, da sie eine geringe Masse und dadurch geringe Feldstärke aufweisen.
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Magnetringe besitzen einen größeren Schaltabstand. Allerdings führen diese bei bisherigen Konstruktionen zu einer Verlängerung des Nullhubs, da diese an speziellen Magnethalter angebracht werden, welche die axiale Baulänge vergrößern.
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Die Druckschrift
DE 298 16 156 U1 beschreibt einen Linearantrieb, mit einem Gehäuse, das einen Innenraum enthält, in dem ein Antriebsteil axial bewegbar angeordnet ist. Der Linearantrieb umfasst einen außerhalb des Innenraumes an einer Längsführung relativ zum Gehäuse axial verlagerbar angeordneten Sensor zur berührungslosen Erfassung einer Axialposition des Antriebsteils und eine an dem Sensor angreifenden und zu dessen axialer Positionierung relativ zum Gehäuse dienenden Betätigungseinrichtung, die über ein von außen her zugängliches Bedienelement verfügt.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den Bauraum eines Linearaktuators zu reduzieren, der eine magnetische Erfassung der Position ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Figuren.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird diese Aufgabe durch einen Linearaktuator gelöst, mit einer drehbaren Spindel; einer drehfesten Spindelmutter zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel; einem Schubrohr zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter; und einem Magnetelement zur magnetischen Erfassung einer Position, das innerhalb des Schubrohrs angeordnet ist. Das Magnetelement kann an der Spindelmutter oder dem Schubrohr befestigt sein. Durch diesen Linearaktuator wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement gegen Umwelteinflüsse durch das Schubrohr geschützt ist, der Linearaktuator räumlich kompaktifiziert wird und sich der Nullhub des Linearaktuator verringert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement ein Ringmagnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass eine Erfassung der Position an jeder Stelle des Umfangs des Schubrohrs erfolgen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement räumlich in Kontakt mit der Spindelmutter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement durch die Spindelmutter gegen ein Verrutschen gesichert ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist die Spindelmutter ferromagnetisch. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement mittels seiner Magnetkraft an der Spindelmutter befestigt werden kann. Außerdem wirkt die Spindelmutter als Polscheibe. Das Magnetfeld wird dadurch in Axialrichtung zusammengedrückt. Das Magnetfeld weicht in die Breite aus. Dies verstärkt das Magnetfeld im Bereich der Außen liegenden Sensoren. Zusätzlich wird der Verfahrbereich präzisiert, in dem der Sensor anspricht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement innerhalb des Schubrohrs verklebt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement zuverlässig in dem Schubrohr gehalten wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement von einem Kunststoffmantel umgeben. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass ein Kleber besser an dem Magnetelement haftet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement mantellos ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich die Herstellung des Magnetelements vereinfacht.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist die Spindelmutter eine Kugelumlaufspindelmutter, ein Rollengewindetrieb oder eine Gleitspindelmutter. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der Linearaktuator das Schubrohr mit geringem Widerstand verschieben kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators umfasst das Schubrohr ein weiteres Magnetelement, das innerhalb des Schubrohrs angeordnet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Position des Schubrohrs an einer weiteren Stelle redundant erfasst werden kann. Durch die Verwendung von mehreren Magneten und Sensoren kann eine Codierung ermöglicht werden. Dadurch kann ein Wegmesssystem realisiert werden, ähnlich wie bei Absolutencodern.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement ringsegmentförmig ausgebildet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass das Magnetelement besonders einfach im Schubrohr angeordnet werden kann und mehrere Magnetelemente an verschiedenen axialen Positionen positioniert werden können. Beispielsweise kann eine Axialposition des Schubrohrs durch einen ersten Sensor auf einer ersten Seite und eine zweite Axialposition durch einen zweiten Sensor auf einer zweiten gegenüberliegenden Seite abgefragt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das weitere Magnetelement an einem Ende des Schubrohrs angeordnet, das im eingefahrenen Zustand außerhalb des Aktuatorgehäuses liegt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Position des Schubrohrs nicht nur innerhalb, sondern auch außerhalb des Aktuatorgehäuses erfasst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators umfasst der Linearaktuator einen ersten Magnetsensor zum Erfassen der Position des Schubrohrs. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Position durch den Linearaktuator selbst erfasst werden kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators umfasst der Linearaktuator einen zweiten Magnetsensor, der an einer anderen Umfangsposition des Schubrohrs als der erste Magnetsensor angeordnet ist. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass der zweite Magnetsensor umfangsseitig an einer beliebigen Stelle angeordnet sein kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators erstreckt sich die Spindel in das Innere des Schubrohrs. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindel von dem Schubrohr geschützt und umgeben ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Schubrohr aus einem nicht-magnetischen Material hergestellt. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass sich das Magnetfeld des Magnetelementes effizient durch das Schubrohr hindurch ausbreiten kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Linearaktuators ist das Magnetelement angrenzend an der Spindelmutter angeordnet. Dadurch wird beispielsweise der technische Vorteil erreicht, dass die Spindelmutter als Polschuh wirkt, so dass das Magnetfeld verstärkt wird und größere Schaltabstände möglich sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Linearaktuators gelöst, der eine drehbare Spindel, eine drehfeste Spindelmutter zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel und ein Schubrohr zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter umfasst, mit dem Schritt eines magnetischen Erfassens einer Position über ein Magnetelement, das innerhalb des Schubrohrs angeordnet ist. Durch das Verfahren werden die gleichen technischen Vorteile wie durch den Linearaktuator nach dem ersten Aspekt erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Linearaktuators im eingefahrenen Zustand;
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2 eine schematische Ansicht des Linearaktuators im ausgefahrenen Zustand;
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3 eine schematische Ansicht eines weiteren Linearaktuators im eingefahrenen Zustand mit zusätzlichem Positionsmagnet;
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4 eine Querschnittsansicht in Längsrichtung durch einen Linearaktuator;
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5a eine Querschnittsansicht durch eine Spindelmutter mit aufgesetztem Magnetelement;
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5b eine Querschnittsansicht durch eine Spindelmutter mit einem Distanzelement, auf das das Magnetelement aufgesetzt ist;
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6 eine Querschnittsansicht in Querrichtung durch einen Linearaktuator und eine Querschnittsansicht durch einen Magnetring; und
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7 ein Blockdiagramm eines Verfahrens.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines Linearaktuators 100 als Linearantrieb im eingefahrenen Zustand. Der Linearaktuator 100 umfasst eine drehbare Spindel 101, die mit einem Gewinde 123 versehen ist und mit einer drehfesten Spindelmutter 103 gekoppelt ist. Die Verdrehsicherung der Spindelmutter 103 wird durch ein nach außen ragendes Verdrehsicherungselement 125 erreicht, das linear im Inneren des Linearaktuators 100 geführt wird.
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Die drehbare Lagerung der Spindel 101 wird durch ein Kugellager 117 erreicht. Durch ein Drehen der Spindel 101 wird die Spindelmutter 103 durch das Gewinde 123 entlang der Spindel 101 linear verschoben, so dass ein rotierender Gewindetrieb realisiert wird. Durch die Spindel 101 und die Spindelmutter 103 kann daher eine Linearbewegung eines Schubrohrs 105 aus einer Drehbewegung der Spindel 101 erzeugt werden.
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Weiter umfasst der Linearaktuator 100 das zylinderförmige Schubrohr 105 zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter 103 an eine Außenseite des Linearaktuators 100. Auf der einen Seite ist das Schubrohr 105 an der Spindelmutter 103 befestigt. Auf der anderen Seite ist das Schubrohr 105 durch das Aktuatorgehäuse 109 abgestützt. Bei einem Drehen der Spindel 101 wird daher das Schubrohr 105 in dem Linearaktuator 100 linear verschiebbar geführt. Die Spindel 101 erstreckt sich in das Innere des Schubrohrs 105.
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Ein Magnetelement 107 dient zur magnetischen Erfassung einer Position des Schubrohrs 105 und der Spindelmutter 103 über einen Magnetsensor. Zu diesem Zweck umfasst das Magnetelement 107 ein permanentmagnetisches Material, das ein dauerhaftes statisches Magnetfeld erzeugt, wie beispielsweise gesintertes Neodym-Eisen-Bor. Daneben können auch kunststoffgebundene Magnetelemente 107 zum Einsatz kommen. Das Magnetfeld kann von dem Magnetsensor erfasst werden, um so die Position des Schubrohres 105 und der Spindelmutter 103 zu bestimmen.
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Das Magnetelement 107 bewegt sich zusammen mit dem Schubrohr 105 und ist in dem Schubrohrs 105 integriert. Das Magnetelement 107 weist eine Ringform auf und ist innerhalb des Schubrohrs 105 angeordnet. Das Magnetelement 107 wird durch das Schubrohr 105 vor äußeren Einflüssen, wie beispielsweise einer Korrosion oder Oxidation, geschützt. Durch die Anordnung im Schubrohr 105 sind keine zusätzlichen äußeren Magnethalter erforderlich. Durch die Ringform wird eine mehrseitige Sensorabfrage ermöglicht. Das Magnetelement 107 nutzt den zur Verfügung stehenden Bauraum innerhalb des Schubrohrs 105, so dass keine Nullhubverlängerung auftritt und eine Platzersparnis realisiert wird. Außerdem ist die Montage beispielsweise durch Einkleben des Magnetelements 107 in das Schubrohr 105 einfach.
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Das Schubrohr 105 ist aus einem nichtmagnetischen oder paramagnetischen Material, wie beispielsweise Aluminium oder Edelstahl oder einem diamagnetischen Material, wie beispielsweise Kupfer, gebildet, so dass das statische Magnetfeld des Magnetelements 107 durch das Schubrohr 105 nach außen dringen kann.
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2 zeigt eine schematische Ansicht des Linearaktuators 100 als Linearantrieb im ausgefahrenen Zustand. Der ausgefahrene Zustand wird durch Drehen der Spindel 101 erreicht, dabei verschiebt sich die Spindelmutter 103 zusammen mit dem Schubrohr 105 in Pfeilrichtung. Das Magnetelement 107 im Inneren des Schubrohrs 105 bewegt sich zusammen mit dem Schubrohr 105 und der Spindelmutter 103.
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Das Magnetelement 107 steht in räumlichen Kontakt mit der Spindelmutter 103 und liegt an dieser an. Ist die Spindelmutter 103 aus einem ferromagnetischen Material gebildet wird das ringförmige Magnetelement 107 von der Spindelmutter 103 angezogen, so dass auf eine weitergehende Befestigung des Magnetelements 107 verzichtet werden kann. Zudem wirkt in diesem Fall die Spindelmutter 103 wie eine verstärkende Polscheibe für das Magnetfeld des Magnetelementes 107. Dadurch kann das Schaltverhalten eines Magnetsensors verbessert werden. Insgesamt wird durch den Linearaktuator 100 mit dem Magnetelement 107 im Inneren des Schubrohrs 105 eine einfache Montage und Bauraumoptimierung erreicht. Zudem kann ein Nullhub des Linearaktuators 100 optimiert werden.
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3 zeigt eine schematische Ansicht eines weiteren Linearaktuators 100 im eingefahrenen Zustand. Der Linearaktuator umfasst im Inneren des Schubrohrs 105 ein zweites Magnetelement 111 in Ringform. Das zweite Magnetelement 111 dient zum magnetischen Erfassen der Position des Schubrohrs 105 von einer Außenseite des Linearaktuators 100 her. Das zweite Magnetelement 111 ist an einer Spitze des Schubrohrs 105 angeordnet, die im eingefahrenen Zustand außerhalb des Aktuatorgehäuses 109 liegt. Dadurch kann die Position über das zweite Magnetelement 111 stets von außen her erfasst werden. Im Allgemeinen ist es jedoch auch möglich, das Magnetelement 111 an einer anderen Stell im Inneren des Schubrohrs 105 anzuordnen.
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4 zeigt eine Querschnittsansicht in Längsrichtung durch den Linearaktuator 100. Die Spindel 101 ist im Inneren des Schubrohrs 105 angeordnet. Das Aktuatorgehäuse 109 umfasst eine Dichtung 121, die um das Schubrohr 105 herum angeordnet ist und ein Eindringen von Schmutz in das Aktuatorgehäuse 109 verhindert.
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5a zeigt eine Querschnittsansicht durch die Spindelmutter 103 mit dem aufgesetztem Magnetelement 107. Die Spindelmutter 103 umfasst in axialer Richtung eine ringförmige Aussparung 127, in die ein entsprechender ringförmiger Vorsprung des Magnetelements 107 eingesetzt ist. Das Magnetelement 107 liegt an der Spindelmutter 103 formschlüssig an.
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5b zeigt eine Querschnittsansicht durch die Spindelmutter 103 mit einem Distanzelement 129, auf das das Magnetelement 107 aufgesetzt ist. Das Distanzelement 129 beabstandet das Magnetelement 107 von der Spindelmutter 103. Das ringförmige Distanzelement 129 ist ebenfalls in die ringförmige Aussparung 127 der Spindelmutter 103 eingesetzt. Durch Distanzelement 129 kann der Einfluss des Magnetfeldes des Magnetelements 107 auf die Kugeln einer Kugelumlaufspindelmutter und anderen ferromagnetischen Bestandteilen gesteuert werden.
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6 zeigt eine Querschnittsansicht in Querrichtung durch den Linearaktuator 100 und eine Querschnittsansicht durch den Magnetring 107. Das ringförmige Magnetelement 107 ermöglicht eine Sensorabfrage durch Magnetsensoren 113 und 115 an mehreren Seiten entlang des Umfangs des Schubrohrs 105. Zudem werden die konstruktiven Freiheitsgrade bei der Anordnung des Verdrehsicherungselements 125 erhöht. Mit einer einzelnen Magnetpille ist dies nicht möglich.
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Das Magnetelement 107 kann mit einem Kunststoffmantel überzogen sein, der die Befestigung an der Innenseite des Schubrohrs 105 erleichtert. Das Magnetelement 107 kann jedoch auch ohne Ummantelung bereitgestellt werden, da dieses durch das umgebende Schubrohr 105 ausreichend vor Korrosion geschützt ist. Die Spindelmutter 103 kann seitlich eine ringförmigen Aussparung 127 aufweisen, in der das ringförmige Magnetelement 107 angeordnet wird. Je größer das Magnetelement 107 gewählt wird, desto stärker ist das von diesem erzeugte Magnetfeld, das zur Sensordetektion verwendet werden können.
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Zwischen dem Magnetring 107 und der Spindel 101 befindet sich ein ringförmiger Spalt 119. Der Innendurchmesser des ringförmigen Magnetelements 107 liegt beispielsweise zwischen 9 und 20 mm. Der Außendurchmesser des ringförmigen Magnetelements 107 liegt beispielsweise zwischen 16 und 32 mm. Im Allgemeinen sind jedoch auch andere Abmessungen möglich.
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7 zeigt ein Blockdiagramm eines Verfahrens. Das Verfahren dient zum Betreiben des Linearaktuators 100, der die drehbare Spindel 101, die drehfeste Spindelmutter 103 zum Erzeugen einer Linearbewegung bei einem Drehen der Spindel 101 und das Schubrohr 105 zum Übertragen der Linearbewegung der Spindelmutter 103 umfasst. Das Verfahren umfasst den Schritt S101 eines magnetischen Erfassens einer Position über ein Magnetelement 107, das innerhalb des Schubrohrs 105 angeordnet ist.
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Alle in Verbindung mit einzelnen Ausführungsformen der Erfindung erläuterten und gezeigten Merkmale können in unterschiedlicher Kombination in dem erfindungsgemäßen Gegenstand vorgesehen sein, um gleichzeitig deren vorteilhafte Wirkungen zu realisieren.
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Alle Verfahrensschritte können durch Vorrichtungen implementiert werden, die zum Ausführen des jeweiligen Verfahrensschrittes geeignet sind. Alle Funktionen, die von gegenständlichen Merkmalen ausgeführt werden, können ein Verfahrensschritt eines Verfahrens sein.
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Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Linearaktuator
- 101
- Spindel
- 103
- Spindelmutter
- 105
- Schubrohr
- 107
- Magnetelement/Magnetring
- 109
- Aktuatorgehäuse
- 111
- Magnetelement
- 113
- Magnetsensor
- 115
- Magnetsensor
- 117
- Kugellager
- 119
- Spalt
- 121
- Dichtung
- 123
- Gewinde
- 125
- Verdrehsicherungselement
- 127
- Aussparung
- 129
- Distanzelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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