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DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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(Gebiet der Erfindung)
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Die vorliegende Erfindung betrifft
im allgemeinen eine sensorbestückte
Lagerbaugruppe mit einem eingebauten Drehzahlsensor, und genauer gesagt,
die sensorbestückte
Lagerbaugruppe, die in einem Magnetfeld oder in der Nähe eines
Magnetfelds einer relativ hohen Stärke benutzt wird, wie es in
einem Allzweck-Elektromotor erzeugt wird.
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(Beschreibung des Standes
der Technik)
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Die sensorbestückte Lagerbaugruppe ist im Fachbereich
wohlbekannt. Beispielhaft wird die herkömmliche sensorbestückte Lagerbaugruppe 51 in 8 dargestellt, und umfaßt einen
Innenlaufring 52, einen Außenlaufring 53, der
den Innenlaufring 52 mit einem ringförmigen, zwischen ihm und dem
Innenlaufring 52 definierten Lagerzwischenraum umgibt, und
eine Reihe Rollerelemente 54, die in einem Halter oder
Rollenkäfig 55 gehalten
werden, der zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 52 und 53 innerhalb
des ringförmigen
Lagerzwischenraums angeordnet ist. Ein ringförmiger Codierer 56 ist
an einem, dem Innen- oder dem Außenlaufring, 52 bzw. 53, befestigt,
zum Beispiel am Innenlaufring 52, der rotierbar ist, und
ein magnetischer Sensor 57, der ein Hall-Element oder dergl.
sein kann, ist an dem anderen, dem Innen- bzw. Außenlaufring 52 bzw. 53 befestigt,
z.B. am Außenlaufring 53,
der stationär
im Baulängenverhältnis mit
dem ringförmigen
Codierer 56 ist. Der magnetische Codierer 56 hat
die Form eines Gummimagneten mit darin einmagnetisierten N- und
S-Polen, die sich in Umfangsrichtung abwechseln. Dieser Magnetsensor 57 wird
in einem Harzgehäuse 58 untergebracht
und dann harzgeformt. Die Befestigung dieses Magnetsensors 57 am
Außenlaufring 53 erfolgt
durch starres Befestigen des Harzgehäuses 58 mit dem darin
befindlichen Magnetsensor 57 am Außenlaufring 53 durch
ein Metallgehäuse 59.
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Gemäß der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe
der oben besprochenen Struktur erfaßt der Magnetsensor 57,
wenn der Innenlaufring 52 relativ zum Außenlaufring 53 rotiert,
den Polaritätswechsel
des magnetischen Codierers 56, der zusammen mit dem Innenlaufring 52 rotiert
und dann ein erfaßtes
Ausgangssignal in der Form eines Impulszuges ausgibt wie in 9 gezeigt wird. Das vom
Magnetsensor 57 ausgegebene Impulssignal liefert einen
Hinweis nicht nur auf die Anzahl der Umdrehungen des Innenlaufrings 52,
sondern auch der Drehrichtung des Innenlaufrings 52 gegenüber dem Außenlaufring 53.
Die sensorbestückte
Lagerbaugruppe des oben angezogenen Typs ist kompakt in Größe und robust,
und erfordert keine komplizierte Justierung beim Zusammenbau und
wird entsprechend in verschiedenen Elektromotoren zum Halten einer
Antriebswelle weitgehend genutzt.
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Die oben besprochene, herkömmliche,
sensorbestückte
Lagerbaugruppe wird z.B. in der Japanischen Offengelegten Patentveröffentlichung
Nr. 2002-174258 geoffenbart.
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Es hat sich jedoch des öfteren herausgestellt,
wenn die sensorbestückte
Lagerbaugruppe der in 8 gezeigten
Struktur in den magnetischen Kreis einer Magnetspule oder eines
Magneten gelegt wird, der in der Lage ist, ein Magnetfeld einer
relativ hohen Stärke
zu erzeugen, tendiert die sensorbestückte Lagerbaugruppe 51 unter
dem Einfluß von Streuflüssen, die
sich aus einem externen Magnetfeld ergeben, zu falschen Ausgaben.
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Beispielhaft wird jetzt anhand der 10 die Situation besprochen,
in der die sensorbestückte
Lagerbaugruppe in einem Elektromotor zum rotierbaren Halten der
Antriebswelle 62 eingebaut ist. In diesem dargestellten
Beispiel wird ein Rotor 61, montiert auf der Antriebswelle 62 zur
Rotation zusammen mit ihr, durch ein Gehäuse 63 drehend gehalten
mittels einer vorderen Lagerbaugruppe 64 und einer hinteren
Lagerbaugruppe 65, dargestellt durch die sensorbestückte Lagerbaugruppe.
Der Stator 60 ist am Gehäuse 63 befestigt,
so daß er
den Rotor 61 umgibt. Wenn in dieser Struktur an den Stator 60 ein
starker elektrischer Strom gelegt wird, kann der magnetische Fluß nicht
vernachlässigt
werden, und wie durch den Pfeil in 10 gezeigt
wird, entsteht eine magnetische Schleife, die sich vom Stator 60 durch
den Rotor 61, dann durch die Antriebswelle 62,
durch den Innenlaufring 52, durch den Außenlaufring 53 und schließlich durch
das Gehäuse 63 zurück zum Stator 60 erstreckt.
Selbstverständlich,
wenn der elektrische Strom in der umgekehrten Richtung fließt als oben
beschrieben ist, dann kehrt auch die magnetische Schleife ihre Richtung
entsprechend um.
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Wenn jetzt, da abgesehen von dem
Rollenelement 54 und dem Käfig 55 der ringförmige Lagerzwischenraum
zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring 52 und 53 vorwiegend
von nichtmagnetischen Elementen besetzt ist und einen starken magnetischen
Widerstand aufweist, tendieren einige Magnetflüsse dazu, zu streuen, und die
sich ergebenden Streuflüsse
beeinflussen den magnetischen Sensor 57 nachteilig.
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Für
den Magnetsensor 57 wird allgemein eine Kombination eines
Hall-Elements, ein Hall-IC (integrierter Schaltkreis), gebaut aus
einem integrierten Schaltkreis zum Umwandeln eines Ausgangssignals
aus dem Hall-Element in ein digitales Signal, und ein MR-Element
(MR – magnetic
resistance element – magnetisches
Widerstandselement) allgemein verwendet. 11 dargestellt eine beispielhafte Innenstruktur
eines Hall-IC, der ein Hall-Element 71 zum
Erfassen eines Magnetfelds, einen Verstärkerschaltkreis 72,
einen Schmitt-Trigger-Schaltkreis 73 und einen Ausgangstransistor 74 beinhaltet.
Der Hall-IC ist in zwei Typen erhältlich, einem Schaltertyp,
der in Abhängigkeit
von der Stärke
des Magnetfelds ein- und ausschaltet, und vom alternierender Magnetfeldtyp,
der ein- und ausschaltet, wenn die S- und N-Pole des Magneten abwechselnd
angelegt werden. Hier nachstehend werden unerwünschte Einflüsse, die
durch die Streuflüsse
auf der sensorbestückten
Lagerbaugruppe erzeugt werden, unter Bezugnahme auf das Beispiel
diskutiert, in dem der in 11 gezeigte
Hall-IC angewandt wird.
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Wenn kein Streufluß existiert,
wie in 12 gezeigt, wird
ein alternierendes Magnetfeld an den Hall-IC des magnetischen Sensors 57 gelegt,
wenn der magnetische Codierer 56, gezeigt in 8, rotiert. Ein dabei vom
Hall-IC ausgegebenes Analogsignal wird jedesmal wenn der analoge
Ausgang einen Schwellenwert überschreitet,
in ein Impulssignal mit alternierenden EIN- und AUS-Zuständen umgewandelt,
wobei das Impulssignal eine relative Einschaltdauer (Tp/Tn) von
etwa 50% hat.
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Wenn die Streuflüsse extern wirken, wie in 13A gezeigt wird, weicht
das an den Hall-IC des Magnetsensors 57 gelegte alternierende
Magnetfeld nach oben oder nach unten ab, in Abhängigkeit von der Richtung,
in der die Streuflüsse
wirken. Aus diesem Grund hat der Ausgang vom Hall-IC des magnetischen
Sensors 57 eine veränderliche
relative Einschaltdauer, wie in den 13B und 13C dargestellt wird. Auch
nimmt die Größe der Abweichung
mit der Zunahme der Streuflüsse
zu und kann zu einem Ausfall eines oder mehrerer der Ausgangsimpulse und/oder
einem Ausfall des Hall-IC führen,
das Ausgangssignal zu erzeugen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der obigen Ausführungen
wird mit der vorliegenden Erfindung beabsichtigt, eine sensorbestückte Lagerbaugruppe
vorzusehen, in der Störechos
im Ausgang des magnetischen Codierers, die sich aus den Einwirkungen
durch den Streufluß durch
den magnetischen Sensor hervorgerufen werden, minimiert werden können, um
einen stabilisierten Sensorausgang vorzusehen.
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Eine weitere bedeutsame Aufgabe der
vorliegende Erfindung ist, einen Elektromotor bereitzustellen, bei
dem die Drehzahl ganz genau erfaßt werden kann, ungeachtet
der Auswirkungen der Magnetflüsse,
die zum Antrieb des Motors benutzt werden.
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Um diese Aufgaben der vorliegenden
Erfindung zu lösen,
wird die Erfindung auf eine sensorbestückte Lagerbaugruppe angewandt,
die umfaßt:
Innen- und Außenlaufringe
bzw. Laufringglieder, wobei der Innenlaufring jeweils innerhalb
des Außenlaufrings
angeordnet ist, mit einem dazwischen definierten ringförmigen Lagerzwischenraum,
mindestens eine Reihe von Rollerelementen, die rollend in dem ringförmigen Lagerzwischenraum
aufgenommen sind während
sie zwischen dem Innen- und dem Außenlaufring angeordnet sind,
sowie einen Drehzahlsensor zum Erfassen der Drehzahl eines drehenden
Elements.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden
Erfindung beinhaltet der Drehzahlsensor einen zu erfassenden Teil,
der auf einem, dem Innen- oder dem Außenlaufringglied montiert ist,
das rotierbar ist und ein solches magnetisches Merkmal aufweist,
daß N- und
S-Pole in Umfangsrichtung der Laufringglieder abwechselnd magnetisiert
sind, und einen magnetischen Erfassungsteil, der auf dem anderen,
dem Innen- oder dem Außenlaufringglied,
das stationär
ist, im Baulängenverhältnis mit
dem zu erfassenden Teil montiert ist. Der magnetische Erfassungsteil
beinhaltet eine Vielzahl magnetischer Sensoren, die in der Lage
sind, ein analoges Signal auszugeben, und die in einer Umfangsrichtung
des Magneterfassungsteils angeordnet sind. Ein Mittel zum Generieren
eines Differenzausgangs zum Bearbeiten eines Differenzausgangs von
zwei Magnetsensoren als Codiersignal für eine Phase ist vorgesehen.
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Das oben angezogene Codiersignal
kann ein Impulssignal mit einer beispielsweise rechteckigen Wellenform
sein. Die Magnetsensoren werden vorzugsweise paarweise benutzt und
sind beabstandet, jedoch im anliegenden Verhältnis zueinander angeordnet.
Es ist jedoch anzumerken, daß die
Anzahl der Magnetsensorpaare, die in der Praxis benutzt werden können, sich
nicht auf ein Paar beschränken darf,
sonder zwei oder mehr Paare angewandt werden müssen, und auf jeden Fall wird
das differenzausgangsgenerierende Mittel zum Bearbeiten des Differenzausgangs
auf jeden der eingesetzten Magnetsensoren angewandt.
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Da gemäß der vorliegenden Erfindung
das Mittel zum Generieren des Differenzausgangs zum Bearbeiten des
Differenzausgangs der zwei Magnetsensoren als Codiersignal für eine Phase
angewandt wird, lassen sich die Störungen durch die Streuflüsse auf
das Codiersignal, das ein Ausgangssignal vom Differenzausgangs-Generierungsmittel
ist, bequem minimieren, sogar wenn die Streuflüsse die Magnetsensoren ungünstig beeinflussen.
Beispielsweise ist es möglich,
jede unerwünschte
Veränderung
der relativen Einschaltdauer des Codiersignals zu unterdrücken, um
auf diese Weise einen etwaigen falschen Betrieb zu vermeiden. Aus
diesem Grund läßt sich
der Sensorausgang stabil erhalten, auch wenn die Magnetsensoren
in einer Umgebung benutzt werden, in der sich der externe Streufluß darauf
auswirkt.
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Vorzugsweise können die zwei Magnetsensoren,
die den Differenzausgang erzeugen, so angeordnet werden, daß sie um
eine Magnetphasendifferenz von etwa 180° voneinander beabstandet sind
im Hinblick auf eine sich laufend wiederholende Magnetphase des
zu erfassenden Teils, in dem sich N- und S-Pole abwechseln. Wo die
zwei Magnetsensoren so angeordnet sind, daß sie um eine Magnetphasendifferenz
von etwa 180° im
Hinblick auf die sich wiederholende Magnetphase des zu erfassenden Teils,
in dem die N- und S-Pole miteinander abwechseln, beabstandet sind,
kann die Amplitude des Differenzausgangs im wesentlichen doppelt
verstärkt
werden, auch wenn die Zunahme des Differenzausgangs-Generierungsmittel 1 ist,
und dementsprechend ist es möglich,
daß die
Empfindlichkeit so weit zunehmen kann, daß jede durch die Streuflüsse erzeugte
abträgliche
Störung
minimiert wird. Es muß darauf
aufmerksam gemacht werden, daß die
oben angezogene Phasendifferenz von etwa 180° die Phasendifferenz im sich
wiederholenden Zyklus innerhalb einer Einheit von 360° ist und
durch die Differenz repräsentiert
wird, die ungerader Wert erhalten wird, wenn sie durch 360° geteilt
wird, für
den Fall beispielsweise, daß die
Phasendifferenz über
360° ansteigt,
z.B. auf 540°.
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Ebenso können vorzugsweise die zwei
Magnetsensoren, die den Differenzausgang bilden, so angeordnet werden,
daß sie
90° in Umfangsrichtung des
stationären
Laufringglieds voneinander beabstandet sind.
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Wenn die zwei Magnetsensoren in einem Winkel über 90° beabstandet
sind, wird die Richtung, in der die Streuflüsse durch die Magnetsensoren
fließen,
für jeden
der Magnetsensoren anders sein, und dementsprechend wird sich die
Richtung, in der ein Ausgang jeweils von den Magnetsensoren abweicht, umkehren.
Aus diesem Grund kann die Abweichung nicht vollständig eliminiert
werden, auch wenn ein Unterschied zwischen den entsprechenden Ausgängen der
Magnetsensoren entzogen wird, und daher kann es zur Änderung
der relativen Einschaltdauer des Codiersignals kommen. Dementsprechend
wird die Beabstandung der Magnetsensoren innerhalb 90° bevorzugt.
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Zusätzlich hat jeder der Magnetsensoren, die
in dem magnetischen Erfassungsteil benutzt werden, vorzugsweise
eine hinreichend geringe Empfindlichkeit, um eine Ausgangssättigung
zu vermeiden, auch wenn ein externes Magnetfeld in einer Anwendungsumgebung
der sensorbestückten
Lagerbaugruppe darauf wirkt. Mit anderen Worten, jeder der Magnetsensoren,
die in der sensorbestückten Lagerbaugruppe
der vorliegenden Erfindung benutzt werden, ist vorzugsweise von
einem Typ, der eine hinreichend geringe Empfindlichkeit aufweist,
um eine Ausgangssättigung
zu vermeiden, auch wenn ein externer Magnetfluß in der Anwendungsumgebung
der sensorbestückten
Lagerbaugruppe tätig wird.
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In der Umgebung in der die Streuflüsse, die auf
die Magnetsensoren einwirken, übermäßig sind, ist
die Größe der Abweichung
der entsprechenden Ausgänge
der Magnetsensoren beträchtlich
genug, um eine gesättigte
Bedingung anzunehmen. In einem solchen Fall wird die Wellenform
jedes der Sensorausgänge
deformiert, begleitet von einer Veränderung der relativen Einschaltdauer,
im schlechtesten Fall kann es passieren, daß einer oder mehrere der Impulse
ausfallen. Wenn also die sensorbestückte Lagerbaugruppe der vorliegenden
Erfindung in einer solchen, mit reichlich Streuflüssen versehenen Umgebung
benutzt wird, muß die
Empfindlichkeit jedes der Magnetsensoren verringert werden, und
damit ist es möglich,
die Sättigung
zu unterdrücken.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann jeder der Magnetsensoren, die den
Differenzausgang ergeben, aus einem Hall-Element bestehen, in welchem
Fall ein Justiermittel für
eine Ausgangsbezugsspannung zum Steuern einer elektrischen Quellenspannung
für eines
der Hall-Elemente
gegenüber
einer Bezugsspannung benutzt wird, die an einem Ausgangszwischenpunkt
der anderen Hall-Elemente definiert wird, so daß ein Ausgangszwischenpunkt
dieses einen der Hall-Elemente
die im wesentlichen gleiche Spannung wie die Bezugsspannung erlangt.
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Wenn für jeden der Magnetsensoren
das Hall-Element eingesetzt wird, wird etwa die Hälfte der Stromquellenspannung,
die an das Hall-Element angelegt wird, eine Ausgangsbezugsspannung
sein. Dieser Wert kann sich von einem Element zum nächsten verändern, und
auch der charakteristische Wert, wie z.B. die Empfindlichkeit desselben, ändert sich
von einem Element zum nächsten,
und dementsprechend kann es vorkommen, daß die Abweichung, die von den
Streuflüssen
bewirkt wird, nicht ganz eliminiert werden kann, auch wenn ein Unterschied
zwischen den entsprechenden Ausgängen dieser
Hall-Elemente entzogen wird. Zwar kann nicht die Charakteristik
jeden Hall-Elements korrigiert werden, jedoch kann die Abweichung
unterdrückt
werden, wenn die Ausgangsbezugsspannung justiert wird, und somit
ist es möglich,
die Veränderung
der relativen Einschaltdauer zu minimieren.
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Gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist auch ein Elektromotor einschließlich eines
Gehäuses,
eines an dem Gehäuse befestigten
Stators, einer Antriebswelle und eines Rotors vorgesehen, der auf
der Antriebswelle zur gemeinsamen Rotation mit dieser und in Baulängenanordnung
mit dem Stator befestigt ist. Dieser Elektromotor beinhaltet auch
die sensorbestückte
Lagerbaugruppe der oben diskutierten Struktur zum rotierenden Halten
der Antriebswelle an dem Gehäuse.
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Die sensorbestückte Lagerbaugruppe, die zum
rotierbaren Halten der Motorantriebswelle benutzt wird, wird oft
in Umgebungen eingesetzt, die starke Streuflüsse aufweisen. Jedoch ist die
Anwendung der sensorbestückten
Lagerbaugruppe der vorliegende Erfindung im Elektromotor zum Halten
der Motorantriebswelle effektiv robust gegen schädliche Einwirkung durch die
Streuflüsse
in der Umgebung deren Benutzung, und somit läßt sich ein stabiler Codierausgang
erzielen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Auf jeden Fall wird die vorliegende
Erfindung leichter verständlich
aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben anhand der
begleitenden Zeichnungen. Jedoch sind Ausführungsformen und Zeichnungen
ausschließlich
für Anschaulichkeitszwecke
und zur Erklärung
gegeben und gelten nicht als Einschränkung des Umfangs der vorliegenden
Erfindung, dieser Umfang wird ausschließlich durch die zugehörigen Ansprüche bestimmt.
In den beiliegenden Zeichnungen werden gleiche Bezugszahlen für jeweils
gleiche Teile in allen Darstellungen benutzt.
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1A ist
eine Längsteilschnitt-Ansicht,
die einen bedeutsamen Teil einer sensorbestückten Lagerbaugruppe gemäß einer
ersten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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1B ist
ein Schaltbild, das eine Vorplanung eines magnetischen Codierers
und eines Magnetsensors zeigt, der in der sensorbestückten Lagerbaugruppe
gemäß 1A eingesetzt wird;
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2A bis 2D sind Diagramme, die Wellenformen
von Ausgangssignalen zeigen, die von elektrischen Bauteilen des
in der sensorbestückten
Lagerbaugruppe eingesetzten Rotationssensors entsprechend ausgegeben
werden;
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3 ist
ein Schaltplan, der eine modifizierte Form einer Ausgangsbearbeitungsschaltung
des Magnetsensors zeigt, der in der sensorbestückten Lagerbaugruppe eingesetzt
ist;
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4 ist
ein Schaltplan, der eine weitere modifizierte Form der Ausgangsbearbeitungsschaltung des
Magnetsensors zeigt, der in der sensorbestückten Lagerbaugruppe eingesetzt
ist;
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5 ist
eine Endansicht der sensorbestückten
Lagerbaugruppe, die die Zusammenhänge zwischen den Elementen
zeigt, die den Magnetsensor bilden;
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6 ist
ein Schaltplan, der die Ausgangsbearbeitungsschaltung des Magnetsensors,
einschließlich
eines Mittels zum Justieren der Ausgangsbezugsspannung zeigt;
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7 ist
eine schematische Längsschnittansicht
eines Elektromotors, der die sensorbestückte Lagerbaugruppe der vorliegenden
Erfindung einsetzt;
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8 ist
eine Längsschnittansicht
der herkömmlichen
sensorbestückten
Lagerbaugruppe;
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9 ist
ein Diagramm, das einen Ausgang von der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe
zeigt;
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10 ist
eine schematische Längsschnittansicht
des Elektromotors, der die herkömmliche sensorbestückte Lagerbaugruppe
einsetzt;
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11 ist
ein Schaltplan, der den Hall-IC in der herkömmlichen sensorbestückten Lagerbaugruppe
einsetzt;
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12 ist
ein Diagramm, das einen Ausgang vom Hall-IC gemäß 11 zeigt; und
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13A bis 13C sind Diagramme, die entsprechend
die Wellenformen der Ausgangssignale vom Hall-IC zeigen, wenn ein
externes Magnetfeld auf sie einwirkt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Jetzt wird eine sensorbestückte Lagerbaugruppe
gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben. Die sensorbestückte Lagerbaugruppe,
im allgemeinen mit 31 bezeichnet, hat die Form einer Rollenlagerbaugruppe 30,
die zwei Laufringglieder 32 und 33, die innere und äußere Laufringe
definieren, mit einem ringförmigen
Lagerzwischenraum, der zwischen diesen Laufringgliedern 32 und 33 definiert
ist, und mindestens eine Reihe von Rollenelementen, die rollend
innerhalb des ringförmigen
Lagerzwischenraums aufgenommen werden, beinhaltet, wobei diese zwischen die
Laufringglieder 32 und 33 gelegt sind. Die Rollenlagerbaugruppe 30 beinhaltet
auch eine Rotationssensor-Teilbaugruppe 40, die darin zum
Erfassen der Drehzahl, d.h. der Anzahl der Umdrehungen eines Rotationselements
(nicht dargestellt) eingebaut ist, das von der sensorbestückten Lagerbaugruppe 31 rotierend
gehalten wird.
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Die Rollenelemente 34 werden
von einem Halter d.i. einem Käfig 35 gehalten,
der in seinem Umfang eine entsprechende Anzahl Taschen zur Aufnahme
der rollenden Elemente definiert hat, wie dem Fachmann bestens bekannt
ist. Die oben angezogene Rollenlagerbaugruppe 30 kann eine
Baugruppe sein.
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Die Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 besteht
aus einem zu erfassenden Teil 1, der an einem Ende eines,
des inneren oder des äußern, Laufringglieds
befestigt ist, das rotierbar ist, z.B. am inneren Laufringglied 32,
und einem Magneterfassungsteil 2, der am stationären äußeren Laufring
in Baulängenanordnung
zum zu erfassenden Teil 1 befestigt ist. In der dargestellten
Ausführungsform
wird angenommen, daß das
rotierbare Glied 32 ein Innenlaufring ist, während das
stationäre
Laufringglied 33 als äußeres Laufringglied
angenommen wird. Wie später noch
in Einzelheiten beschrieben wird, besteht der magnetische Erfassungsteil 2 aus
einer Vielzahl magnetischer Sensoren. Diese Magnetsensoren werden
in einem Gehäuse 38 aus
Harz untergebracht und werden darin harzgeformt, wobei das Harzgehäuse 38 mit
den darin untergebrachten Sensoren an dem Außenlaufring 33 mittels
eines daran angepaßten
Metallgehäuses 39 befestigt
ist.
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1B zeigt
schematisch elektrische Schaltungen des zu erfassenden Teils 1 bzw.
des magnetischen Erfassungsteils 2. Der zu erfassende Teil 1, der
an einer Endfläche
des rotierbaren Innenlaufrings 32 montiert ist, wird in
der Form, z.B. eines magnetischen Codierers eines Typs, in dem magnetische
N- und S-Pole abwechselnd
in Umfangsrichtung einmagnetisiert sind, benutzt. Der zu erfassende
Teil 1, der der Magnetcodierer ist, beinhaltet ein ringförmiges Grundmetall 1a und
ein Magnetelement 1b, das an einer äußeren Umfangsfläche des
Grundmetalls 1a vorgesehen ist und durch das Grundmetall 1a an dem
rotierbaren Innenlaufring 32 befestigt ist. Das Magnetelement 1b kann
z.B. in der Form eines Gummimagneten vorhanden sein, der durch Vulkanisierung
an das Grundmetall 1a gebondet ist. Es wird jedoch darauf
aufmerksam gemacht, daß das
Magnetelement 1b als Kunststoffmagnet, als gesinterter
Magnet oder als Metallmagnet ausgebildet sein kann, in welchem Fall
die Anwendung des Grundmetalls 1a nicht immer wesentlich
sein muß.
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Der magnetische Erfassungsteil 2,
der an den stationären äußeren Laufring 33 in
Baulängenverhältnis mit
dem zu erfassenden Teil 1 montiert ist, kann ein magnetisches
Sensorpaar 2a und 2b anwenden, die jedes in der
Lage sind, ein Analogsignal auszugeben, das hinweisend für die Veränderung der
Magnetflußdichte
ist. Diese Magnetsensoren 2a und 2b sind in Umfangsrichtung
des stationären äußeren Laufrings 33 um
einen vorgegebenen Abstand voneinander beabstandet. Beispielhaft
sind in der dargestellten Ausführungsform
die Magnetsensoren 2a und 2b um eine Magnetphasendifferenz
von 180° in
Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Diese Magnetphasendifferenz
stellt eine Phasendifferenz der Magnetphase des zu erfassenden Teils 1 dar,
der abwechselnd mit N- und S-Polen magnetisiert ist. Für jeden
der Magnetsensoren 2a und 2b kann z.B. ein Hall-Element
oder ein Hall-IC eines Analogausgangstyps eingesetzt werden. In
der dargestellten Ausführungsform
jedoch wird das Hall-Element für jeden
der magnetischen Sensoren 2a und 2b eingesetzt.
Der Hall-IC ist ein integrierter Schaltkreis mit einem Hall-Element. Wo das Hall-Element
für jeden der
magnetischen Sensoren 2a und 2b benutzt wird, liefern
die Magnetelemente 2a und 2b, d.h. die Hall-Elemente,
entsprechende Ausgänge
unterschiedlicher Phasen, nämlich
gleichzeitig +Phasen- und –Phasenausgänge, und
die unterschiedliche Verstärkung
dieser Ausgänge
unterschiedlicher Phasen wird ausgeführt mittels entsprechender
unterschiedlicher Verstärkungsmittel 3 und 3', um damit ein
Hall-Element-Signal zu erzeugen. Wie in 1B gezeigt, erscheinen die Ausgangssignale
der Magnetsensoren 2a und 2b entsprechend an den
Punkten A und A'.
Jedes der Differenzverstärkermittel 3 und 3' besteht aus
einem Operationsverstärker.
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Die entsprechenden Analogausgänge von den
Magnetsensoren 2a und 2b werden an ein Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 gelegt,
das die Differenzausgänge
als eine Phase eines Codiersignals bearbeitet. Dieses Differenzausgang-Generierungsmittel 7 beinhaltet
eine Differenzverstärkerschaltung 4 die
einen Operationsverstärker
und einen Komparator 5 benutzt zum Ausbilden einer Rechteckwellenmodulation
an einem Ausgang aus der Differenzverstärkerschaltung 4, um
damit einen rechteckigen Wellenausgang zu erzeugen.
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Jetzt wird der Betrieb der Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 beschrieben.
Unter der Annahme, daß der
zu erfassende Teil 1 in einer Richtung mit einer konstanten
Drehzahl relativ zum Magneterfassungsteil 2 in einer Richtung
rotiert, variieren die entsprechenden Ausgänge an den zwei aneinanderliegenden
Magnetsensoren 2a und 2b, die an den Punkten A
und A' auftreten,
sinusförmig
gegenüber einer
Grundlinie, die von einer vorgegebenen Spannung (Vc/2) dargestellt
wird, wie durch gestrichelte Linien in den 2A und 2B entsprechend
gezeigt wird, wobei Vc die Spannung einer elektrischen Stromquelle
darstellt. Für
den Fall, daß ein
Streufluß angelegt
wird, verschieben sich die entsprechenden Ausgänge von den Magnetsensoren 2a und 2b mit der
Zunahme des Streuflusses, wie in 2A und 2B mit durchgezogenen Linien
gezeigt wird. Es wird jedoch darauf hingewiesen, daß sich die
Richtung, in der sich der Ausgang von jedem der Magnetsensoren 2a und 2b verändert, in
Abhängigkeit
von der Richtung des externen Streuflusses verändert. Auch wenn angenommen
wird, daß die
zwei Magnetsensoren 2a und 2b die gleiche Ansprechempfindlichkeit und
die gleiche Menge Streuflüsse
aufweisen, sind die entsprechenden Größen der Abweichung der Ausgänge von
den Magnetsensoren 2a und 2b gleich.
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Wenn die Verstärkung der Differenz der Ausgänge der
Magnetsensoren 2a und 2b an den Punkten A und
A' durch die Differenzverstärkermittel 4 mittels
ihrer Operationsverstärker
durchgeführt
wird, ist es möglich,
einen Differenzausgang zu erhalten (2C),
der frei ist von einer Abweichungskomponente, die sich aus dem Streufluß ergibt.
Wenn nämlich
die zwei Magnetsensoren 2a und 2b so angeordnet
sind, daß sie
um eine Magnetphasendifferenz von 180° beabstandet sind, wird die
Amplitude des Differenzausgangs, der am Punkt B in 1B auftritt, im wesentlichen doppelt
verstärkt,
auch wenn das Differenzverstärkungsmittel 4 eine
Verstärkung
von 1 hat, kann vermutet werden, daß als Ergebnis der Steigerung
der Ansprechempfindlichkeit die Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 kaum
vom Streufluß betroffen
wird. Es muß hier
angemerkt werden, daß sich in
dem hier besprochenen Beispiel der Differenzausgang vom Differenzverstärkungsmittel 4 relativ
zur Bezugsspannung Vc/2 einstellt. Auf der nachfolgenden Stufe wird
der Differenzausgang vom Differenzausgangsmittel 4 durch
den Komparator 5 mit der rechtwinkligen Wellenmodulation
bearbeitet im Hinblick auf den Bezugswert, der von der vorgegebenen Spannung
(Vc/2) gebildet wird, und zu einem Codiersignal für eine Phase
führt,
von der Einflüsse
des Streuflusses entfernt wurden und in der die Variation der relativen
Einschaltdauer minimiert wird, wie in 2D gezeigt
wird.
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Es muß darauf hingewiesen werden,
daß anstatt
der Verwendung einer Kombination des Differenzverstärkermittels 4 und
des Komparators 5 zum Bilden des Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 auch
nur der Komparator 5 eingesetzt werden kann, wie in 3 gezeigt wird, der die
entsprechenden Ausgänge
aus den magnetischen Codierern 2a und 2b miteinander
vergleicht, um damit die rechtwinklige Wellenmodulation zu erhalten.
Sogar in diesem Fall kann der Differenzausgang dieser Magnetsensoren 2a und 2b als
Codiersignal für
eine Phase verarbeitet werden.
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In der vorstehenden Beschreibung
wurde auf den Fall Bezug genommen, der auf den Codiererausgang für eine einzige
Phase anwendbar ist. Wenn jedoch zwei Phasenausgänge, für die Phasen A und B, erforderlich
sind, kann ein zusätzliches
Paar Magnetsensoren 2c und 2d eingesetzt werden
und an einem Ort angeordnet werden, der um eine Magnetphase von
90° vom
ersten Paar Magnetsensoren 2a und 2b in Umfangsrichtung
beabstandet ist, in Kombination mit der Anwendung eines Signalbearbeitungsmittels, wie
z.B. das Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 und
andere, auf ähnliche
Wiese wie oben beschrieben, für
jedes Paar Magnetsensoren, wie in 4 gezeigt
ist. Hier muß angemerkt
werden, daß in 4 zwecks Vereinfachung zusätzliche
Schaltkreise für
die Magnetsensoren 2a und 2d nicht dargestellt
sind und daß auch
für jeden
der Magnetsensoren 2a bis 2d eine Schaltung, umgeben
von der gepunkteten Linie H in 1B,
d.h. eine Schaltung, die dem Differenzverstärkermittel 3 für zwei Ausgänge der
entsprechenden Phasen entspricht, die einander entgegengesetzt sind,
d.i. Plus- und Minus-Phasen des Hall-Elements angewandt wird. Obwohl
im Beispiel gemäß 4, nachdem die entsprechenden Ausgänge von
den zwei Magnetsensoren differenzverstärkt wurden, wird der sich ergebende
Differenzausgang durch den Komparator 5 mit der Rechtwinkelwellen-Modulation
behandelt, auf den Differenzverstärker 4 kann verzichtet
werden und statt dessen besteht das Differenzausgangs-Generierungsmittel 7 nur
aus dem Komparator 5, wie unter Bezugnahme auf 3 diskutiert wurde.
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Wie vorstehend beschrieben, muß der Differenzausgang
dieser beiden Magnetsensoren 2a und 2b (2c und 2d)
gesichert werden, um den Ausgang für die Einzelphase des Codierers
zu erhalten. Wenn die Magnetsensoren 2a und 2b (2c
und 2d) aneinanderliegend angeordnet sind, wie in 5 gezeigt wird, so daß die Magnetsensoren im wesentlichen die
gleiche Menge der durch den Streufluß erzeugten Beeinflussung erhalten
können,
kann der Widerstand gegen die Streuflüsse verstärkt werden.
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Auch wo die Magnetsensoren 2a und 2b nicht
aneinander anliegend angeordnet werden können aus Gründen einer Beschränkung beim
Positionieren, wird vorgezogen, daß die zwei Magnetsensoren 2a und 2b mit
einer Deckung innerhalb 90° vom stationären äußeren Laufring 33 angeordnet
werden. Wenn beispielsweise einer der Magnetsensoren, zum Beispiel
der Magnetsensor 2b, an einer Stelle angeordnet wird, gezeigt
durch die gepunktete Linie 2b' in 5,
die mehr als 90° in
Umfangsrichtung von der Position des anderen Magnetsensors 2a entfernt
ist, da die Richtung, in der der Streufluß durch die Magnetsensoren
strömt,
unterschiedlich für
jeden der Magnetsensoren ist, sind die entsprechenden Abweichungsrichtungen
der Ausgänge
aus den zugeordneten Magnetsensoren einander entgegengesetzt, und
daher kann die Abweichung nicht vollständig eliminiert werden, auch
wenn der Unterschied zwischen diesen Ausgangssignalen extrahiert
wurde. In einem solchen Fall kann es vorkommen, daß die Veränderung
der relativen Einschaltdauer des Codiersignals zunimmt. Aus diesem
Grund werden die Magnetsensoren vorzugsweise innerhalb einer Abdeckung
von 90° vom
stationären
Außenlaufring 33 angeordnet.
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Auch in Umgebungen, in denen die
auf die Magnetsensoren 2a und 2b einwirkenden
Streuflüsse
beträchtlich
sind, kann es vorkommen, daß die Größen der
Abweichung der Ausgänge
aus den Magnetsensoren 2a und 2b stark zunehmen,
um zu einer gesättigten
Bedingung zu kommen. Da sich in einem solchen Zustand die entsprechenden
Wellenformen der Ausgänge
der Magnetsensoren unerwünscht
deformieren, begleitet von einer Veränderung in der relativen Einschaltdauer,
kann in diesem Fall ein Ausfall eines oder mehrerer der Impulse
vorkommen.
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Wenn die Rotationssensor-Teilbaugruppe 40 in
einer solchen Umgebung benutzt wird, in der ein starker Streufluß wirksam
wird, läßt sich
die Sättigung
unterdrücken,
wenn die Magnetsensoren 2a und 2b mit verringerter
Ansprechempfindlichkeit benutzt werden, mit der sie im Normalfall
benutzt werden. Das kann implementiert werden, wenn die Magnetsensoren 2a und 2b aus
dem Hall-Element bestehen, durch Verringern der Spannung, die an
das Hall-Element gelegt wird, auf einen Wert, der geringer ist als
die Standardspannung, die an das Hall-Element gelegt wird, oder
Vermindern des Treiberstroms, der durch das Hall-Element fließt, auf
einen Wert der kleiner ist als der Standardstrom, der an das Hall-Element
gelegt wird. Es muß jedoch
darauf hingewiesen werden, daß bei
starker Temperaturveränderung
in dieser Umgebung, in der die Rotationssensor-Teilbaugruppe benutzt wird, ein Antriebssystem
mit konstanter Spannung, in dem die Veränderung der Ansprechempfindlichkeit
des Hall-Elements minimal ist, bevorzugt wird.
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Wenn das Hall-Element für jeden
der Magnetsensoren 2a und 2b benutzt wird, ist
etwa die Hälfte
der Stromquellenspannung Vh, die an das Hall-Element gelegt wird,
eine Ausgangs-Bezugsspannung
(VH/2). Da sich dieser Wert von einem Element zum nächsten verändert und
sich auch Charakteristiken wie z.B. die Ansprechempfindlichkeit
von einem Element zum nächsten
verändern,
kann es vorkommen, daß sich
die Abweichung, die durch den Streufluß entstanden ist, nicht ganz
beseitigen läßt, auch
wenn sich der Unterschied zwischen den entsprechenden Ausgängen der
beiden Elemente extrahieren läßt. Während die
Charakteristik des Hall-Elements nicht korrigiert werden kann, kann
die Abweichung unterdrückt
werden und die Veränderung
der relativen Einschaltdauer kann minimiert werden, unter der Voraussetzung,
daß die
Ausgangs-Bezugsspannung VH/2 justiert wird.
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In 6 wird
ein beispielhafter Schaltkreis eines Justiermittels 8 für eine Bezugsspannung
zum Justieren einer Bezugsspannung zwischen den Hall-Elementen gezeigt.
Wie man sieht, sind positive (+) und negative (-) Anschlußpunkte
eines der Hall-Elemente, hier der Magnetsensor 2a, d.i.
einer der beiden Magnetsensoren, von denen man einen Differenzausgang
zu extrahieren wünscht, über die Widerstände R1 und
R2 in Reihe miteinander verbunden, wobei ein Knotenpunkt zwischen
den Widerständen
R1 und R2 eine Bezugsspannung VH/2 für das Hall-Element des Magnetsensors 2a liefert.
Auf ähnliche
Weise sind positive und negative Ausgangsanschlußpunkte des Hall-Elements,
das der Magnetsensor 2b ist, durch die Widerstände R3 und
R4 in Reihe miteinander verbunden. Ein Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 zum
Erfassen einer Differenz zwischen Zwischenpunktspannungen (Spannung
VH/2 und eine Spannung an einem Zwischenpunkt P) wird eingesetzt,
so daß ein
Ausgang vom Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 als Stromquelle
für das
Hall-Element benutzt werden kann, das der Magnetsensor 2b ist.
Mit diesem Schaltungsaufbau ist es möglich, die Stromquellenspannung
für den
Magnetsensor 2b zu steuern, so daß die Spannung am Zwischenpunkt
P und die Zwischenpunktspannung VH/2 miteinander gleich gemacht
werden können.
Das Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 dient als Differenzverstärkermittel,
bestehend aus einem Operationsverstärker. Das Spannungsdifferenz-Erfassungsmittel 6 und
die Widerstände
R1 bis R4 zusammen bilden das oben angezogene Ausgangsbezugsspannungs-Justiermittel
B. Es muß darauf
hingewiesen werden, daß zwar
im Schaltkreisbeispiel in 6 entsprechende
Ausgänge
von einem Anschlußpunkt
der Hall-Elemente
der Magnetsensoren 2a und 2b an den Komparator 4 gelegt
werden, so daß der
Rechteckwellenausgang des Codierers erhalten werden kann, jedoch
ein Differenzverstärkungsmittel ähnlich dem,
das in 1 gezeigt und anhand der 1 beschrieben wurde, in einer ersten Stufe
des Komparators 4 angewandt werden kann.
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Wie oben diskutiert, kann, auch wenn
in einer Umgebung, die reich an Streuflüssen ist, der Codiererausgang
stabil erhalten werden kann, auch die sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 benutzt
werden, und es dürfte
kein Problem geben, auch wenn die sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 als
Lagerbaugruppe zum rotierenden Halten einer Motorwelle benutzt wird,
in der die Streuflüsse
existieren.
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7 zeigt
ein Beispiel eines Motors, in dem die sensorbestückte Lagerbaugruppe 31 der
vorliegenden Erfindung angewandt wird. Wie bereits beschrieben,
umfaßt
dieser Elektromotor einen Rotor 61, der auf einer Antriebswelle 62 montiert
ist um sich mit ihr zu drehen. Die einander gegenüberliegenden Endteile
der Antriebswelle 62 werden vom Gehäuse 63 durch die Lagerbaugruppen 64 und 65 getragen. Der
Elektromotor umfaßt
ferner einen Stator 60, der aus einer Statorwicklung 60a besteht
und am Gehäuse 63 befestigt
ist. Von den Lagerbaugruppen 64 und 65 wird die
Lagerbaugruppe 65 in der Form der sensorbestückten Lagerbaugruppe 31 benutzt
gemäß einer
der Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, wie oben ausführlich besprochen. Die Lagerbaugruppe 65,
die von der sensorbestückten
Lagerbaugruppe 31 dargestellt wird, ist z.B. eine hintere Lagerbaugruppe.
Die vordere Lagerbaugruppe 64 ist von einem Typ, der keinen
Rotationssensor verwendet.
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Zwar wurde die vorliegende Erfindung
im Zusammenhang mit bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen voll beschrieben, die nur eine
hin weisende Wirkung haben, jedoch werden dem Fachmann im Rahmen
der Offenbarung beim Lesen der hier gezeigten Spezifikation der
vorliegenden Erfindung zahlreiche Änderungen und Modifikationen
bewußt
werden. So wurden z.B. bei der Beschreibung der verschiedenen bevorzugten
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung der zu erfassende Teil 1 und
der magnetische Erfassungsteil 2 als in radialer Richtung
einander gegenüberliegend
dargestellt, die vorliegende Erfindung läßt sich jedoch ebenfalls auf
sensorbestückte
Lagerbaugruppen anwenden, in denen der zu erfassende Teil 1 und
der magnetische Erfassungssensor 2 einander in axialer
Richtung gegenüberliegen.
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Dementsprechend sind solche Änderungen und
Modifikationen, falls sie nicht über
den Umfang der vorliegenden Erfindung gemäß der begleitenden Ansprüche hinausgehen,
als hier eingeschlossen auszulegen.