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Wandler mit veränderlicher Induktivität
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Die Erfindung betrifft einen Wandler mit veränderlicher Induktivität.
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Bei Einschaltung eines solchen Wandlers in eine elektrische Schaltung
kann dieser mit Hilfe der Induktivitätsmodulation ein elektrischer Ausgangssignal
erzeugen, das einem mechanischen Bingangssignal entspricht.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen derartigen Wandler
anzugeben, der für den Einsatz in dem ZUndzeitpunkt-Steuersystem einer Brennkraftmaschine
geeignet ist; weiterhin oll er ein hohes Naß an Genauigkeit aufweisen.
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Dabei wird angestrebt, daß die Anordnung reproduzierbar in einem solchen
System arbeitet, ohne daß der Wandler unnötig teuer wird.
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Auch soll er vorzugsweise kompakt und fest im Aufbau sein; darüberhinaus
ist es zweckmäßig, wenn er schnell und genau geeichttwerden kann.
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Die vorstehende Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des
vorstehenden Hauptanspruchs gelöst.
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Zwei bevorzugte Aus führungs formen sollen nun anhand der beigefügten
Figuren genauer beschrieben werden. Es zeigt: Fig. 1 eine axiale Aufsicht auf eine
erste Ausführungsform, Fig. 2 einen vergrößerten Längsschnitt längs der Linie 2-2
in Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Wandlers, Fig. 4 eine Seitenansicht eines Elements des Wandlers gemäß Fig. 3, Fig.
5 die Seitenansicht des Elements gemäß Fig. 4, Fig. 6 eine Aufsicht auf ein anderes
Element des Wandlers gemäß Fig. 3, Fig. 7 eine Aufsicht auf ein weiteres Element
des Wandlers gemäß Fig. 3, Fig. 8 eine axiale Endansicht eines weiteren Elements
gemäß Fig. 3, Fig. 9 einen Teilschnitt längs der Linie 9-9 in Fig. 8 und Fig. 10
eine Teilansicht in Blickrichtung des Pfeils 10 in Fig. 9.
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In den Fig. 1,2 wird eine erst:e Ausführungsform des erfindungsgemaßen
Wandlers 12 gezeigt. Der Wandler besteht aus einem Spulenabschnitt 14 und einem
Betätigungsabschnitt 16. Zu beiden Abschnit-4, ten gehört ein geformtes Kunststoffelement,
das den Spulenkern 20 für den Spulenabschnitt 14 und eine Umhüllung 22 bildet, die
einen Teil des Gehäuses für den Betätigungsabschnitt 16 darstellt. Neben
dem
Spulenkörper 20 gehören zu dem Spulenabschnitt 14 eine induktive Spule 24, zwei
Klemmen 26 und 28, ein Kern aus Ferrit 30 und eine Schutzhaube 32. Der Spulenkörper
20 besteht aus einem rohrartigen Abschnitt 34 mit einer kreisrunden Axialbohrung
36, zwei ringförmigen axial auf Abstand angeordneten nicht-durchlöcherten Endwandungen
38 und 40, die sich von dem Abschnitt 34 radial nach außen erstrecken, so daß sie
zwischen sich den Wickelraum bestimmen. Die Spule 24 wird durch das Aufwickeln einer
vorgegebenen Länge eines elektrisch leitenden Spulendrahtes um den Abschnitt 34
derart aufgebaut, daß der Wickelraum zwischen den beiden Endwandungen 38 und 40
aufgefüllt ist. Zu dem oberen axialen Ende des Spulenkörpers gehören zwei Sockel
42 und 44 für die Aufnahme der elektrischen Klemmen 26 und 28, wobei die Sockel
auf der von der Spule 24 abgewandten Seite der Endwandung 38 axial vorstehen. Genauere
Einzelheiten der Konstruktion der Sockel 42 und 44 sind aus den Fig. 8,9 und 10
zu entnehmen. Die mit den Sockeln in Eingriff kommenden Abschnitte der Klemmen 26
und 28 sind in den Sockeln 42 bzw.
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44 angeordnet und die freien Enden der Spule 24 sind nach außen geführt
und um die Klemmen gewickelt. Nach dem Umwickeln werden sie elektrisch mit den Klemmen
verbunden, wie dies vorzugsweise durch die Lötstellen 46 und 48 geschieht. Die Schutzhaube
32 wird dann um den Spulenkörper ausgeformt, um die Spule 24 zu schützen und die
Klemmen 26 und 28 mit den ihnen zugeordneten Sockeln 46 bzw.
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48 zu verriegeln. Die Schutzhaube 32 wird so ausgeformt, daß sie einen
Vorsprung 50 bildet, der dem Sockel 42 unmittelbar benachbarten Abschnitt der Klemme
26 umgibt. Ein ähnlicher Vorsprung 52 wird um den Abschnitt der Klemme 28 ausgebildet,
der dem Sockel 44 unmittelbar benachbart ist. Es ist zweckmäßig, wenn sowohl das
Kunststoffelement 18 als auch die Schutzhaube aus demselben Werkstoff
ausgeformt
werden; ein.vorzugsweise geeignetes Material is Nylon mit Glasfüllstoff. Die Endwandung
ist mit einer sich radial nach außen erstreckenden Umfangs lippe 54 versehen und
das untere Ende der Schutzhaube 32 wird um die Lippe 54 herum ausgeformt, um sich
mit dieser zu verriegeln. Die Schutzhaube 32 dient nicht nur dem schützenden Umgeben
der Spule 24, sondern auch dem sicheren halten der Klemmen 26 und 28 und dem Schutz
der Lötverbindungen, mit deren Hilfe der die Spule 24 bildende Draht mit den Klemmen
26 bzw. 28 verbunden ist. Der Kern 30 aus Ferrit weist die Form eines Kreiszylinders
auf, der ziemlich paßgenau in der Bohrung 36 axial verschiebbar ist. Durch die Verschiebung
des Kerns 30 in axialer Richtung in der Bohrung 36 kann die an den Klemmen 26 und
28 erfaßte Induktivität als Funktion der axialen Position des Kerns in der Bohrung
erfaßt werden.
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Der Betätigungsabschnitt 16 weist neben der Umhüllung 22 eine Schutzhaube
56, eine Membranbaugruppe 58, eine Schraubenfeder 60 und ein Verbindungselement
62 auf. Die Membranbaugruppe 58 besteht aus einer elastischen kreisringförmigen
Membran 64, einer kreisringförmigen metallenen Stützplatte 66 und einem mittigen
Membranzapfen 68. Der äußereUmfang der Membran 64ist zwischen den Umfängen der Umhüllung
22 und der Schutzhaube 56 derart sicher verankert, und abgedichtet, daß der Betätigungsabschnitt
16 in eine mit der Atmosphäre in Verbindung stehende Kammer 70 und eine Vakuumkammer
72 unterteilt ist. Der Membranzapfen 68 ist mit der Stützplatte 66 wie bei 74 gezeigt
formschlüssig verbunden und der innere Umfang der Membran 64 ist zu einer sich axial
erstreckenden Dichtlippe ausgeformt, die sich dichtend gegen den Außenumfang des
Membranzapfens 68 legt. Die Rammer 70 steht mit der Atmosphlre durch
geeignete
diametral zueinander angeordnete Öffnungen 78 und 80 in der Umhüllung 22 in Verbindung.
Die Vakuumkammer 72 kann mit Hilfe eines rohrförmigen Nippels mit einer Vakuumquelle
verbunden werden, welcher Nippel 82 mittig am unteren Ende der Schutzhaube 56 ausgebildet
ist. Die Schraubenfeder 60 sitzt in einem in geeigneter Weise in dem unteren Ende
der Schutzhaube 56 ausgebildeten Sitz 84 auf und drückt gegen die Stützplatte 66,
so daß die Membranbaugruppe 58 in Fig. 2 axial nach oben beaufschlagt wird derart,
daß die obenliegende Schulter 86 des embranzapfens 68 auf dem unteren Ende eines
rohrförmigen Ansatzes 88 aufsitzt, der einstückig mit dem Kunststoffelementlß ausgebildet
ist und in die Kammer 70 hinein vorragt.
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Ein wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen,
daß das Verbindungselement 62 mit einer gewissen Flexibilität im Aufbau der Verbindung
zwischen dem Kern 30 und dem Membranzapfen 68 ausgebildet wird, die verschiedene
Vorteile bietet. Wegen der Flexibilität ist zunächst die axiale Ausfluchtung zwischen
dem Kern 30 und dem Membranzapfen 68 weniger kritisch als wenn eine starre Verbindung
benutzt werden würde. Die Toleranzen bei den einzelnen Bauteilen können daher weniger
eng sein, so daß erhebliche Kosten bei der Herstellung des Wandlers eingespart werden
können.
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Wenn eine längliche eng gewickelte Schraubenfeder, die vorzugsweise
aus Phosphorbronze oder Berylliumkupfer hergestellt wird, als Verbindungselement
62 eingesetzt wird, wie dies in der Figur dargestellt ist, wird eine ausreichende
Flexibilität erreicht, selbst wenn der Abstand zwischen den Angriffspunkten des
Verbindungselementes relativ kurz ist. Ein weiterer Vorteil des Einsatzes eines
flexiblen Verbindungsilements ist darin zu sehen; daß mechanische
Hysterese
und unwirksamer Bereich in der Positionierung des Kerns innerhalb des Spulenkörpers
ganz wesentlich verringert werden oder sogar eliminiert werden, wodurch eine verbesserte
Linearität erzielt wird. Da der Durchmesser des Kerns 30 etwas kleiner ist als der
Durchmesser der Bohrung 36, besteht eine Neigung des Kerns zum Verkanten in der
Bohrung, wenn irgendeine Fehlausfluchtung des Betätigungsmechanismuses bezüglich
der Bohrung auftritt. Da der Kern selektiv positioniert wird, führt das Verkanten
zum Aufbau unerwünschter Kräfte zwischen dem Kern und der Bohrung, die ihrerseits
zum Auftreten einer Hysterese, eines Unempfindlichkeitsbereichs usw. führen. Die
flexible Verbindung durch das Element 62 führt zu einer Minimalisierung der Auswirkungen
der Fehlfluchtung, indem sie das Ausmaß einer Verkantung des Kerns innerhalb der
Bohrung 36 herabsetzt. Wenn ein Vakuum-Servomotor als Betätigungsmechanismus benutzt
wird, wie dies bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform der Fall ist,
zeigt die Servomembran das eigentümliche Verhalten eines Verkantens, wenn sie unter
anliegendem Vakuum verschoben wird. Daher besteht bei einem solchen Servomotor die
Neigung, das Element, das er betätigt, zu verkanten. Während diese Verkantungsneigung
ziemlich unwichtig ist, wenn der Servomotor nur ein Ventil schließen oder öffnen
soll, führt die Verkantungsneigung jedoch bei einem der in Rede stehenden Wandler
zu einem beachtlichen Herabsetzen seiner Wandlergenauigkeit. Mit dem flexiblen Verbindungselement
62 wird diese Schwierigkeit überwunden und ein verbessertes Arbeitsverhalten des
Wandlers erzielt.
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten, das Verbindungselement 62 mit
dem Kern 30 und dem Membranzapfen 68 zu verbinden. Wenn der Membranzapfen 68 aus
einem deformierbaren Material, wie z.B. Aluminium,
besteht, kann
das Verbindungselement mechanisch mit dem Membranzapfen verklemmt werden, indem
das Verbindungselement in eine mittige Bohrung in dem Membranzapfen eingeführt wird
und danach der Membranzapfen in der bei 92 gezeigten Weise mechanisch deformiert
wird. Wenn der Membranzapfen 68 aus einem Kunststoff hergestellt ist, kann das Verbindungselement
in die Bohrung eingesetzt und mit dieser durch Ultraschallschweißen verbunden werden.
Weiterhin kann das Verbindungselement 62 in eine.- Axialbohrung 94 im Kern 30 eingeführt
und dort mit einem geeigneten Klebemittel eingeklebt werden.
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Eine besonders anzustrebende Technik ist diejenige, bei der der Wandler
automatisch während des Zusammenbaus geeicht wird. Dies kann auf verschiedenen Wegen
erreicht werden. Ein Weg zur Eichung des Wandlers ist darin zusehen, daß zunächst
das Verbindungselement 62 mit dem Kern verbunden wird, ehe es mit dem Membranzapfen
68 verbunden wird. Bei horizontaler Wandlerachse wird in der Vakuumkammer 72 ein
Vakuum aufgebaut, das für ein Verschieben der Membranbaugruppe in die in der Fig.
2 gestrichelt dargestellte Lage ausreicht. Die Klemmen 26 und 28 werden mit einer
Eichschaltung verbunden, die die Induktivität des Wandlers erfaßt. Wenn das Verbindungselement
an dem Kern 30 befestigt ist, wird dieser in der Bohrung 36 axial positioniert,
bis der gewünschte Indulctionswert an der Schaltung ablesbar ist, die mit den Wandlerklenmen
verbunden ist.
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Da die Bohrung 36 sich durch den ganzen Spulenkörper hindurch erstreckt,
kann die axiale Positionierung mit Hilfe eines Werkzeuges erfolgen, das durch das
obere Ende der Bohrung eingeführt ist. Das Werkzeug sollte aus einem nicht-magnetischen
Werkstoff bestehen, um nicht seinerseits die Induktivität des Wandlers zu beeinflussen.
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Wenn der Kern 30 selektiv positioniert worden ist, wird das Verbindungselement
62 in der Bohrung 90 bezüglich des Membranzapfens 68
positioniert.
Wenn die korrekte Einstellung erfolgt ist, wird das obere Ende des Membranzapfens
68 verformt, indem geeignete Verf ormungswerkzeuge durch die Öffnungen 78 und 80
eingeführt werden, um das obere Ende des Membranzapfens 68 mechanisch zu verformen
und damit das Verbindungselement 62 mit dem Membranzapfen 68 zu verbinden. Ein anderer
Weg zur Eichung des Wandlers ist dann gegeben, wenn die Bohrung 94 mit einem Innengewinde
versehen wird, so daß der Kern 30 bezflglich des Verbindungselements 62 axial justiert
werden kann. Der Kern 30 kann wiederum durch das obere Ende der Bohrung 36 erfaßt
und betätigt werden. Aus diesem Grunde wird in dem oberen Ende des Kerns 30 eine
besondere Formgebung 95 für den Eingriff eines Einstellwerkzeugs vorgesehen.
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Der Wandler 12 arbeitet wie folgt: Die Klemmen 26 und 28 werden elektrisch
mit einer elektrischen Schaltung verbunden, die ein Ausgangssignal abgibt, welches
eine Funktion der vom Wandler 12 aufgebauten Induktivität ist. Der Nippel 82 wird
dann mit einer Vakuumquelle verbunden; z.B. mit dem Ansaugvakuum einer Brennkraftmaschine.
Bei Anlegen eines Vakuums an die Vakuumkanrmer 72 wird über die Xembranbaugruppe
58 eine Druckdifferenz aufgebaut, die die Membranbaugruppe in der Fig. 2 nach unten
verschieben sucht, und zwar entgegen der nach oben gerichteten Kraft der Schraubenfeder
60. Der Betrag der nach unten gerichteten Versetzung der Membranbaugruppe nimmt
fortschreitend zu, wenn die Druckdifferenz über der Membran fortschreitend anwächst.
Die Maximalversetzung nach unten wird durch das Aufsetzen des nach unten abgewinkelten
Umfangsflansches der Stützplatte 66 auf der radialen Wandung der Schutzhaube 56
begrenzt; diese Lage entspricht der gestricheltigezelchneten Lage in Fig. 2.
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Da die Membranbaugruppe selektiv in Abhängigkeit von der Größe des
Vakuums relativ zur Atmosphäre positioniert wird, wird der Kern 30 in zugeordneter
Weise in der Bohrung 36 verschoben. Dies wiederum führt zu einer entsprechenden
Snderung der an den Klemmen 26 und 28 abgreifbaren Induktivität. Daher stellt die
Induktivität in der elektrischen Schaltung, mit der der Wandler verbunden ist, ein
Maß für das an der Vakuumkammer 72 anliegende Vakuum dar. Für einen bestimmten Einsatz
können natürlich die Dimensionen und Charakteristiken der verschiedenen Elemente
des Wandlers so ausgewählt werden, daß das korrekte Verhältnis zwischen dem Eingangssignal
und dem Ausgangssignal erzielt wird. Es wurde gefunden, daß die in den Fig. 1 und
2 gezeigte Membranbaugruppe zu einer guten Linearität und zu guter Reproduzierbarkeit
führt. Die Membran sollte sich frei abwickeln können; ein-Spannen der Membran sollte
vermieden werden, da dadurch ein hystereseartiges Verhalten eingeführt wird. Ein
nach den erfindungsgemäßen Grundsätzen ausgelegter Wandler zeigte eine gute Genauigkeit,
Reproduzierbarkeit und ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten, so daß der erfindungsgemäße
Wandler insbesondere in einem Fahrzeugmaschinensteuersistem einsetzbar ist, z.B.
in eine elektronische Zündzeitpunktsteuerung. Weiterhin kann der erfindungsgemäße
Wandler ohne überhöhte und nicht vertretbare Kosten für das Gesamtsystem konstruiert
werden. Da das obere Ende der Bohrung offen ist, ist es wünschenswert, den Wandler
so zu montieren, daß dieses Ende gegenüber Verunreinigungen, wie z.B. Schmutz und
Staub, geschützt ist. Eine Montagemöglichkeit für den Wandler ist in einem Gehäuse,
das auf dem Luftfiltergehäuse der Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei sich
die Achse des Wandlers im wesentlichen horizontal erstreckt. Der Nippel 82 steht
so weit frei, daß er mit Hilfe eines Vakuumschlauchs ohne Schwierigkeiten mit dem
Ansaugverteiler
der Brennkraftmaschine verbunden werden kann.
Zwei Montageansätze 96 und 98 (Fig. 1) sind für die Montage des Wandlers in seinem
Gehäuse auf dem Luftfiltergehäuse vorgesehen.
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In der Fig. 3 ist eine zweite Ausführungsform in Forni eines Wandlers
100 dargestellt. Der Wandler 100 besteht aus einem nach einem der bekannten Verfahren
ausgeformten Kunststoffelement 102, das einen Spulenkörper 104 bildet, um den eine
induktive Spule 106 gewickelt ist. Das obere Ende des Kunststoffelements 102 weist
zwei Sockel 108 und 110 auf, in denen zwei elektrische Klemmen 112 und 114 aufgenommen
sind. Die freien Enden der Spule 106 sind mit den Klemmen 112 und 114 verlötet und
die Baugruppe ist von einer Schutzhaube 116 umgeben, zu der zwei Ansätze 118 und
120 gehören, welche jeweils den unteren Abschnitt einer der Klemmen 112 bzw. 114
umgeben. Ein zylindrischer ern 122 aus Ferrit ist axial in der mittig gen Axialbohrung
des Spulenkörpers 104 verschiebbar und kann durch eine aus einem geformten Draht
aufgebaute Stange 124 bewegt werden, die mit dem unteren axialen Ende des Kerns
verbunden ist. Das Kunststoffelement 102 weist weiterhin eine rohrförmige Verlängerung
126 auf, die sich an der unteren Endwandung 128 des Spulenkörpers 104 axial mittig
nach unten erstreckt. Die Verlängerung 126 fluchtet mit dem Spulenkörper und die
Bohrung des Spulenkörpers erstreckt sich durch die Verlängerung hindurch. Das untere
Ende der Stange 124 ist wie das obere Ende 130 eines Schäferstabs verformt, so daß
es in geeigneter Weise über ein zylindrisches Bauteil 132 schnappen kann. Das obere
Ende der Bohrung ist durch das geeignete Einformen eines Deckels 134 in dem Element
102 geschlossen. Das offene untere Ende der Bohrung ist mit einer Gegenbohrung versehen
und zum Aufbau eines Schutzes durch einen Filzring 136 geschlossen,
der
in der Gegenbohrung von einem metallenen Haltering 138 gehalten ist. Die Fig. 6
und 7 stellen Aufsichten auf die Ringe 136 bzw.
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138 dar. Der Ring 136 weist einen engen Radialschlitz 136a auf, der
ein Überstreifen des Ringes auf die Drahtstange 124 ermöglicht.
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Der Ring 138 weist ein hinreichend großes mittiges Loch auf, so daß
er über das schäferstabartig ausgeeblllete Ende 130 der Stange geschoben werden
kann, jedoch ist sein Durchmesser kleiner als der des Kerns 122. Der Umfang des
Rings 138 ist gezahnt ausgebildet und die Abmaße sind so gewählt, daß der Ring den
Ring 136 mit Sicherheit in der Gegenbohrung haiten kann und mit Sicherheit ein lierausfallen
des Kerns 122 aus der Bohrung verhindert. Diese Anordnung verhindert den Eintritt
von Verunreinigungen in die Bohrung des Wandlers, hält den Kern zurück und ermöglicht
eine freie Gleitbewegung der Stange 124 hindurch. Der Außendurchmesser der Verlängerung
126 ist mit einem Gewinde 140 versehen, so daß der Wandler in ein Gewindeloch 142
eines Montageelementes 144 eingeschraubt werden kann. Wenn die Bauteile 132 und
144 in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar sind, kann der Wandler dadurch
genau geeicht werden, daß die Verlängerung 126 um einen gewünschten Betrag bezüglich
des Bauteils 144 verdreht wird. Bei gegebener Dimeasionierung der Bauteile 132 und
144 wird die axiale Einstellung der Verlängerung 126 relativ zuir Bauteil 144 zu
einer axialen Positionierung der Spule 106 relativ zum Kern 122 führen. Wenn die
Klemmen 112 und 114 mit einer geeigneten elektrischen Schaltung verbunden werden,
kann das Ansprechverhalten des Kreises beobachtet werden, wenn der Wandler axial
eingestellt wird; auf diese Weise kann der Wandler schnell und genau geeicht werden.
Wenn die Eichung stattgefunden hat, kann eine nicht dargestellte Rontermutter den
Wandler festlegen. Wie das schraubenfederartig ausgebildete Verbindungselement
62
der ersten Ausführungsform besitzt die Stange 124 einen hinreichend kleinen Durchmesser,
um eine gewisse Flexibilität in der Verbindung zwischen dem Bauteil 132 und dem
Kern 122 zu gewShrleisten. Dies ist besonders wichtig, da es bei dem Einsatz des
Wandlers vorgesehen ist, daß das Bauteil 132 längs des in der Fig. 3 gestrichelt
dargestellten Bogens 133 schwingen kann; diese Schwingbewegung würde natürlich einer
Fehlausfluchtung zwischen der Achse der Wandlerbohrung und dem Betätigungselement
Vorschub leisten.
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In den Fig. 4 und 5 sind Einzelheiten der Klemmen 112 und 114 und
in den Fig. 8,9 und 10 Einzelheiten der Sockel 108 und 110 gezeigt; es wird hiermit
insbesondere auf den Inhalt der Fig. 4,5,8,9 und 10 Bezug genommen. Beispielsweise
können die Wandlerspulen 300O Windungen eines Drahtes der Stärke Nr. 32 aufweisen,
die zusammen mit dem Ferritkern einen Arbeitsbereich von 40 bis 170 mH zulassen.