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Gebiet der Anmeldung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine verbesserte magnetostriktive
Transducerstruktur bzw. -konstruktion.
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Obwohl
nicht darauf beschränkt,
betrifft die Erfindung insbesondere eine Vorrichtung wie oben, welche
ein röhrenförmiges Gehäuse umfasst,
welches einen röhrenförmigen Wellenleiter
einschließt, welcher
aus einem magnetostriktiven Material hergestellt ist, eine Drahtleitung,
welche sich im Inneren der Wellenleiter zwischen den gegenüberliegenden Enden
des Wellenleiters erstreckt, um Stromimpulse zu empfangen, und einen
magnetostriktiven Effekt auf einem magnetischen Gleiter herzustellen,
welcher zur gleitenden Bewegung entlang der äußeren Oberfläche des
Gehäuses
montiert ist.
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Stand der Technik
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Wie
es Fachleuten gut bekannt ist, sind magnetostriktive Transducer
Positionsdetektoren, welche auf einem magnetischen Typ des Detektionsprinzips
arbeiten.
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Positionsdetektoren
dieser Art umfassen eine Drahtleitung, welche sich zentral und koaxial durch
einen röhrenförmigen magnetostriktiven
Wellenleiter erstreckt. Die gegenüberliegenden Enden des Wellenleiters
sind gewöhnlich
an einem röhrenförmigen Schutzgehäuse angebracht,
wobei ein ringförmiger
Gleiter zur gleitenden Bewegung entlang der äußeren Oberfläche des
Gehäuses
montiert ist und mit einem Dauermagneten versehen ist.
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Das
Gehäuse
ist an einer Hardwarereferenz angebracht, und der Gleiter ist starr
mit jeglichem Element hergestellt, welches es erforderlich macht, akkurat
zur Position oder zur relativen Verschiebung von der Hardwarereferenz
verfolgt zu werden.
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Somit
kann der Magnet entlang des röhrenförmigen Gehäuses bewegt
werden, und sein magnetisches Feld wirkt mit einem magnetischen
Feld zusammen, welches um den Wellenleiter herum durch einen Strom
induziert wird, welcher durch die Drahtleitung fließt. Dieses
Zusammenwirken der zwei magnetischen Felder bewirkt, dass der Wellenleiter
elastisch durch den magnetostriktiven Effekt verdreht wird.
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Eine
elektronische Schaltung, welche einen Impulsgenerator enthält, ist
mit einem Ende des Wellenleiters assoziiert. Während ein Stromimpuls an die Drahtleitung
angelegt wird, wird eine mechanische Welle im Inneren des Wellenleiters
an der Stelle des Dauermagnetgleiters auf dem Äußeren des Gehäuses hergestellt.
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Diese
Welle schreitet in beiden Richtungen entlang des röhrenförmigen Wellenleiters
fort. Die Welle wird an einem Ende durch eine geeignete Dämpfungseinrichtung
gedämpft,
während
die Welle an dem anderen Ende durch einen Transducer detektiert
wird, zum Beispiel ein piezoelektrisches Element, und in ein elektrisches
Signal konvertiert wird.
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Die
Verzögerung
zwischen der Zeit, wenn der Stromimpuls durch die Impulsgeneratorschaltung an
ein Ende der Drahtleitung angelegt wird, welche koaxial innerhalb
des Wellenleiters montiert ist, und der Zeit, wenn ein Rückimpuls
aufgrund des magnetostriktiven Effekts empfangen wird, ermöglicht,
dass die Position der Dauermagnetgleiteraußenseite mit großer Genauigkeit
berechnet wird.
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Ein
magnetostriktiver Transducer, welcher, wie oben beschrieben, arbeitet,
ist in
US-Patent 4,654,590 offenbart.
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Ein
weiterer magnetostriktive Transducer, welche einen piezoelektrischen
Detektor enthalten, der angepasst ist, um die magnetostriktive Welle
zu detektieren, ist in
US-Patent 5,804,961 offenbart.
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Transducer
dieser Art erfordern, dass ein Leitungspfad für den Stromimpuls vorgesehen
wird, welcher an die Drahtleitung angelegt wird, so dass er in eine
Richtung ausgebreitet wird, das heißt von einem Ende zu dem anderen,
und dass die mechanische Welle aufgrund des magnetostriktiven Effekts
in die entgegengesetzte Richtung ausgebreitet wird. Zu diesem Zweck
ist das äußere Schutzgehäuse aus
einem nichtmagnetischen leitenden Material hergestellt und elektrisch
mit dem Drahtleitungskern verbunden. Somit wird der Rückleitungspfad
durch das Gehäuse
selbst vorgesehen. All dieses stimmt mit der Lehre des US-Patents
(unter der Anmeldungsseriennummer 09/498,918, die Nummer des erteilten Patents
eintragen) an diesen Anmelder überein.
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Es
sei aus dem Vorhergehenden verstanden, dass die Konstruktion von
diesen Transducern kompliziert und aufwendig ist.
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Qualitätskontrolle
erfordert die Anwendung von strengen Überprüfungen, um sicherzustellen, dass
hochgenaue Ablesungen von den magnetostriktiven Transducern erhalten
werden können,
was kostenintensiv ist.
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Zusätzlich müssen sehr
teure Materialien verwendet werden, und hochqualifizierte Arbeitskräfte müssen für den Zusammenbauprozess
verfügbar sein.
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Der
Stand der Technik sieht mehrere Techniken zum Reduzieren sowohl
der Transducerkomponenten als auch der Kosten des Herstellens und
Zusammenbaus solcher Komponenten vor.
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Zum
Beispiel lehrt
US-Patent 6,087,828 ,
wie eine elektronische Schaltung hergestellt wird, welche sowohl
einen Impulsgenerator als auch Mittel zum Aufnehmen der Rückimpulse
einbezieht. Jedoch wird dies durch Hinzufügen zu der komplizierten Transducerstruktur
erreicht.
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US-Patent 6,232,769 offenbart
ein flexibles Trägerelement,
welches im Wesentlichen röhrenförmig oder
hülsenartig
in der Form ist, welches einen Draht im Inneren eines Wellenleiters
trägt,
und es dem Draht erlaubt, koaxial innerhalb des Wellenleiters in
einer präzisen
Weise verschoben zu werden.
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Obwohl
aufgrund verschiedener Punkte vorteilhaft und im Wesentlichen ihre
Ziele erreichend, tragen solche Ausführungsformen wenig dazu bei, die
Herstellungskosten von solchen Transducern um irgendein deutliches
Ausmaß zu
senken, und können nur
marginal die Schwierigkeiten mildern, welche mit ihrer Herstellung
verbunden sind.
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Das
zugrunde liegende technische Problem dieser Erfindung ist es, einen
magnetostriktiven Transducer einer viel einfacheren Konstruktion
vorzusehen, welcher bei viel geringeren Kosten hergestellt und zusammengebaut
werden kann, wodurch einige der Beschränkungen der Transducer des Standes
der Technik überwunden
werden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
Lösungsidee
dieser Erfindung ist es, einen Träger entlang der Länge des
sensitiven Elements des Transducers vorzusehen, das heißt, entlang
des Wellenleiters, welcher die Drahtleitung einschließt, welche
sich der Länge
nach durch ihn erstreckt. Vorzugsweise ist der Träger in der
Form einer PC-Platte vorgesehen, welche einen leitenden Streifen
aufweist, welcher sich in der Längsrichtung
auf ihm erstreckt. Der Wellenleiter trägt isolierende Träger, welche
in regelmäßigen Intervallen
entlang der Platte vorgesehen sind, und die PC-Platte trägt isolierende
Träger,
welche im Inneren des Gehäuses
vorgesehen sind, und ist in einem vorbestimmten Abstand weg von
der inneren Wand des Gehäuses
vorgesehen.
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Basierend
auf dieser Idee wird das technische Problem durch einen magnetostriktiven
Transducer, wie zuvor angezeigt, gelöst, und wird in Anspruch 1
und folgenden definiert.
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Das
Merkmal und die Vorteile eines Transducers gemäß der Erfindung werden aus
der folgenden Beschreibung einer Ausführungsform davon ersichtlich
werden, welche mittels eines nicht beschränkenden Beispiels mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen angegeben wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Längsschnittansicht
eines magnetostriktiven Transducers gemäß der Erfindung.
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2 ist
eine schematische Detailansicht des Transducers von oben, welcher
in 1 gezeigt ist.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des Transducers, aufgenommen entlang der
Linie III-III in 1.
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4 ist
eine perspektivische Ansicht eines Details des Transducers, welcher
in 2 gezeigt ist.
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5 ist
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
eines Abschnitts des Details, welches in 4 gezeigt
ist.
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6A und 6B sind
schematische Drauf- bzw. Seitenansichten eines Trägerelements, welches
in den Transducer der 1 einbezogen ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen wird ein magnetostriktiver Transducer
der verbesserten Konstruktion gemäß der Erfindung im Allgemeinen
mit 1 in einer schematischen Form gezeigt.
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Der
Transducer 1 umfasst ein im Wesentlichen röhrenförmiges äußeres Gehäuse 2 von
einer länglichen
Form. Natürlich
kann die Querschnittsform des röhrenförmigen Gehäuses irgendeine
sein. Das Gehäuse 2 sieht
grundsätzlich
eine Einkapselung für einen
Wellenleiter 5 eines magnetostriktiven Signals vor, welches
innerhalb des Transducers hergestellt wird, durch Koppeln eines
Dauermagnetgleiters, welcher zur gleitenden Bewegung auf dem Äußeren des Gehäuses montiert
ist und in den Zeichnungen weggelassen wurde, da dies konventionell
ist.
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Das
Gehäuse 2 ist
vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen metallischen Material hergestellt, zum
Beispiel aus einer extrudierten Aluminiumlegierung, und weist eine
abgeflachte kreisförmige
Querschnittsform mit diametral gegenüberliegenden Enden 3 und 4 auf,
welche leicht abgeflacht sind, wie in 3 gezeigt
ist. Diese abgeflachte Form definiert einen Hauptdurchrnesser A-A
und einen Nebendurchmesser B-B in dem Querschnitt des Gehäuses 2.
Natürlich
ist die äußere Oberfläche des
Gehäuses 2 mit
gegenüberliegenden
Flächen
an den abgeflachten Enden des kreisförmigen Querschnitts gebildet.
Dies macht ein Einbauen des Gehäuses 2 und Befestigen
es in Position zu einer einfacheren Aufgabe in vielen Anwendungen,
wo der Transducer es erfordert, präzisionsorientiert zu sein.
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Das
sensitive Element des Transducers, das heißt, der Wellenleiter 5,
welcher eine Drahtleitung 5b einschließt, welche sich in der Längsrichtung
zwischen den Wellenleiterenden erstreckt, ist in dem Gehäuse 2 untergebracht.
Die Drahtleitung 5b ist dazu gedacht, einen Stromimpuls
von einer impulsgenerierenden Schaltung 36 zu empfangen,
welche in eine elektronische Schaltung 34 eingebaut ist
und mit dem Draht 5b an einem Ende 7 des Transducers assoziiert
ist. Das andere Ende des Wellenleiters 5 tragt eine Federzunge 38,
wie in 1 gezeigt ist.
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Das
freie Ende des Gehäuses
wird durch einen Stopfen 30 arretiert, und das Gehäuseende 7 wird
durch einen Verbinder 29 arretiert, durch welchen eine
Anzahl von elektrischen Verbindungen zu der Außenwelt aufgebaut werden können, wie
im Folgenden erläutert
wird.
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Vorzugsweise
trägt in
dieser Erfindung der Wellenleiter 5 in seiner Länge einen
plattenartigen Träger 10,
welcher aus einem dielektrischen Material, zum Beispiel aus GRP,
hergestellt ist.
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Noch
genauer umfasst der Träger 10 eine PC-Platte,
welche eine vorbestimmte Dickenabmessung aufweist und in einer Form
eines länglichen Rechtecks
geschnitten ist. Die Platte 10 ist etwas länger vorgesehen
als der Wellenleiter 5 und etwas kürzer als das Gehäuse 2.
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Das
magnetostriktive Signal wird durch einen Transducer 9 aufgenommen,
welcher auf einem Ende des Trägers 10 montiert
ist und mit dem Wellenleiter 5 verbunden ist. Der Transducer 6 ist
unter einer zylindrischen Metallabdeckung 18 abgedeckt, wie
in 1 und 4 gezeigt ist.
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Das
Innere des Gehäuses 6 ist
mit integralen Rippen 11, 12 ausgebildet, die
sich in der Längsrichtung
erstrecken und in einer Ebene, welche im Wesentlichen den Hauptdurchmesser
A-A des Gehäusequerschnitts
enthält,
gegenüberliegend
zueinander angeordnet sind.
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Die
Rippen 11 und 12 ragen in das Gehäuse 2 hinein
und weisen jeweilige Endkanten 13, 14 auf, welche
nach oben gedreht sind.
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Diese
Rippen 11, 12 sehen Trägerklammern zum Halten der
Platte oder des Trägers 10 parallel
zu der Längsachse
X-X des Gehäuses 2 in
einem vorbestimmten Abstand davon entfernt vor. Im Wesentlichen
wird die Platte 10 parallel zu den Flächen auf der äußeren Oberfläche des
Gehäuses 2 gehalten, jedoch
von der Gehäuseachse
X-X versetzt.
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Isolierende
Träger
können
zwischen den Längskanten
der Platte 10 und ihren Längsträgern, welche die Rippen 11 und 12 umfassen,
vorgesehen sein. Zum Beispiel können
diese isolierenden Träger mittels
Abdichtungen oder Formteile 16 in Position durch die nach
oben gedrehten Kanten 13, 14 der Rippen 11, 12 gehalten
werden.
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Weiterhin
ist die Platte 10 durch jeweilige Arretierungen 9, 19 festgelegt,
welche angeordnet sind, um in das Gehäuse 2 hineinzuragen
und sich parallel zu jeder Rippe 11 und 12 in
der Längsrichtung
der Platte zu erstrecken. Die Arretierungen 9, 19 grenzen in
Kooperation mit der inneren Gehäusewand
und den jeweiligen Rippen 11, 12 einen im Wesentlichen C-förmigen Sitz
ein, in welchem die Längskanten
der Platte 10 gehalten werden.
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Die
Platte 10 weist leitende Streifen oder Pads auf, welche
in einem konventionellen Muster darauf angeordnet sind, zum Beispiel
durch Pressung oder Aufbringen einer gedruckten Schaltung 18.
Die Pads dienen dazu, die Platte 10 mit einer zusätzlichen Platte 35,
welche noch beschrieben wird, zum Beispiel mittels von elektrischen
Verbindungsleitungen zu verbinden. Auch enthält die gedruckte Schaltung 18 eine
Schaltung für
die Torsionswellentransducer und eine Schaltung zur Verbindung mit elektronischen
Komponenten auf der Platte 35. Insbesondere erstreckt sich
einer der leitenden Streifen 15 entlang der longitudinalen
Mittellinie der Platte 10 unter der Drahtleitung 5,
welche mit der letzteren ausgerichtet ist.
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Der
Streifen 15 bildet einen Leitungspfad, welcher mit der
Drahtleitung 5b verbunden ist, um den elektrischen Stromkreis
zu schließen,
durch welchen der Stromimpuls hindurchgeführt wird, welcher das magnetische
Feld in dem Wellenleiter 5 erzeugt.
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Der
vorbestimmte Abstand des Wellenleiters 5 von der Platte 10 und
dem leitenden Streifen 15 wird durch isolierende Träger 20 aufrechterhalten, wobei
die Träger
in einer ausreichenden Anzahl vorgesehen sind, um ihn entlang der
Länge der
Platte 10 zu halten.
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Jeder
Träger 20 ist
aus einem isolierenden Material, zum Beispiel einem Polycarbonat,
hergestellt und umfasst eine Hülse 21,
welche auch aus einem isolierenden Material hergestellt ist, zum
Beispiel aus Silikon, durch welche sich der Wellenleiter 5 erstreckt.
Der Träger 20 umfasst
weiterhin gegenüberliegende
Anschlagflansche 22, 23, welche integral damit
ausgebildet sind. Jeder Flansch ist mit integralen Ansätzen 24, 25 zum
Schnappeingriff in entsprechende Löcher 26, 27 ausgebildet,
welche durch die Platte 10 hindurch vorgesehen sind.
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Die
Ansätze 24, 25 weisen
zumindest ein Paar von Spitzen auf, welche angepasst sind, um in Richtung
zueinander gebogen zu werden, wobei jede Spitze mit einem gezackten
Rand zum positiven Eingriff in das jeweilige Loch abgeschlossen
ist.
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Lochpaare 26, 27,
welche an gegenüberliegenden
Seiten des leitenden Streifens 15 angeordnet sind, sind
entlang der Platte 10 vorgesehen, vorzugsweise an Zwischenraumabständen, wie
in 2 gezeigt ist.
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An
einem Ende des Wellenleiters 5 ist ein spezieller Träger 37 nahe
des Stopfens 30 vorgesehen; wobei der Träger 37 langgestreckter
in der Form ist als die Träger 20 und
dazu dient, die mechanische Torsionswelle zu dampfen.
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Noch
genauer kann der röhrenförmige Abschnitt
des Trägers 37,
welcher den Wellenleiter 5 einschließt, mit einem Klebstoff gefüllt sein.
Alternativ könnte
der röhrenförmige Abschnitt
des Trägers 37 eine
Reihe von Hülsen
mit zunehmenden Durchmessern in übereinandergelagerten
Hüllen
um den Wellenleiter herum umfassen.
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Wie
zuvor erwähnt,
ist eine Transducereinrichtung 6 an einem Ende 7 des
Transducers vorgesehen, um magnetostriktive Signale aufzunehmen, welche
innerhalb des Gehäuses 2 durch
Anlegen eines Stromimpulses an die Drahtleitung 5b hergestellt werden.
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Diese
Einrichtung kann vorzugweise auf der PC-Platte im Inneren des Gehäuses 2 montiert
sein. Zusätzlich
kann eine zweite Platte 35 im Inneren des Gehäuses 2 angebracht
sein, wie in 1 und 3 gezeigt
ist. Zu diesem Zweck würde
das Innere des Gehäuses 2 in
der Längsrichtung
mit gegenüber
angeordneten Nuten 31, 32 zum Halten der Platte 35 vorgesehen
sein.
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Somit
ist die Trägeranordnung
für die
Platte 35 im Wesentlichen die gleiche wie für die Platte 10, nur
etwas einfacher. Die Platte 35 erstreckt sich in der Längsrichtung,
parallel zu der Platte 10, in der Hälfte des Gehäuses 2,
welche nicht durch die Platte 10 belegt ist.
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Die
Platte 35 sieht Strom- und elektrische Verbindungen für die Komponenten
und integrierten Schaltungen 34 vor, welche angeordnet
sind, um die Stromimpulse zu der Drahtleitung 5b zu erzeugen, sowie
um das Signal zu verarbeiten, welches durch die Transducereinrichtung 6 aufgenommen
wird. Im Wesentlichen ist der Transducer 6 auf der Platte 10 montiert,
während
der Impulsgenerator 36 durch die Platte 35 mit
Strom versorgt wird.
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Um
nun den Betrieb des Transducers 1 gemäß der Erfindung zusammenzufassen:
Ein
geeigneter Stromimpuls wird von der Generatorschaltung 36,
welche auf der Platte 35 montiert ist, and Drahtleitung 5b an
dem Transducerende 7 angelegt, so dass der Impuls durch
die Drahtleitung 5b zu dem anderen Transducerende propagiert
werden kann, welches auf der Federzunge 38 gelagert ist.
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Der
Stromimpuls stellt ein magnetisches Feld in dem Wellenleiter 5 her,
welches das Feld von dem Dauermagneten in dem Gleiter überlagern
wird, welcher entlang der äußeren Oberfläche des
Gehäuses 2 entlang
bewegt wird. An der Gleiterposition werden die wechselseitig überlagernden
magnetischen Flüsse
eine elastische Torsionsdeformation induzieren, wodurch eine mechanische
Welle oder Vibration produziert wird, die sich in beiden Richtungen fortpflanzen
wird.
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An
dem Ende 7 wird die mechanische Welle durch den Transducer 6 detektiert,
während
die Welle an dem anderen Ende durch den Träger 37 gedampft wird.
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Die
Erfindung löst
das technische Problem und sieht eine Anzahl von Vorteilen vor,
wovon der erste derjenige der Herstellungskosten ist, wobei die Zusammenbauzeit
und Verdrahtungszeit von solchen Transducern dramatisch reduziert
wird.
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Durch
Anordnen des Wellenleiters, so dass er auf der PC-Platte getragen
wird, welche mit der elektronischen Steuerung und den Überwachungsvorrichtungen
verbunden ist, und durch Ausstatten des Gehäuseinneren mit Platten haltenden
Führungen,
wird aus dem Zusammensetzen des Transducers eine viel leichter durchzuführende Operation
gemacht.
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Zusätzlich macht
die parallele Lage der Platten 10 und 35 innerhalb
des Gehäuses 2 es
leichter, die Verbindungen zwischen elektronischen Transducerkomponenten,
welche auf der Platte montiert sind, ein Testen und jegliche Reparaturarbeit
auszuführen.