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Die
Erfindung betrifft eine Positionserfassungsvorrichtung mit einer
im Wesentlichen für
ein Magnetfeld einer Vorzugsrichtung richtungsempfindlichen Sensoranordnung
und mit einer magnetischen Leiteranordnung zum Leiten des Magnetfeldes
eines entlang einer Positionierungsbahn relativ zu der Sensoranordnung
beweglichen, ein Magnetfeld erzeugenden Positionsmagneten, so dass
die Sensoranordnung ein Positionssignal erzeugt, wenn sich der Positionsmagnet
im Erfassungsbereich der Leiteranordnung befindet. Die Erfindung
betrifft ferner eine fluidtechnische Vorrichtung, insbesondere einen pneumatischen
Aktor, mit einer derartigen Positionserfassungsvorrichtung.
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Eine
derartige Positionserfassungsvorrichtung ist beispielsweise aus
der deutschen Offenlegungsschrift
DE 41 16 651 A1 bekannt. Der Positionsmagnet
ist ein Dauermagnet, der an einem Kolben eines pneumatischen Arbeitszylinders
angeordnet ist. An einer vorbestimmten Position des Kolbens bzw.
des Positionsmagneten soll ein Sensor, bei dem es sich um einen Reed-Schalter
handelt, betätigt werden.
Der Sensor ist vom Zylinderrohr, in dem sich der Kolben bewegt,
beabstandet angeordnet. Die magnetischen Leiter lenken das Magnetfeld
des Permanentmagneten zu dem vom Zylinderrohr entfernten Sensor.
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Das
bekannte System dient zur Erfassung einer einzigen vorbestimmten
Position. Eine wegproportionale Erfassung der Kolbenposition bzw.
der Permanentmagnetposition relativ zu der Sensoranordnung ist nicht
möglich.
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Anstelle
des Reed-Schalters können
auch sogenannte magnetoresistive Sensoren zum Einsatz kommen. Magnetoresistive
Sensoren weisen eine starke Richtungsabhängigkeit in Bezug auf die Magnetfeldrichtung
auf. Zudem haben sie einen verhältnismäßig geringen
Signalhub. Durch diese Eigenschaften sind magnetoresistive Sensoren
zur Erfassung einer einzigen, vorbestimmten Relativposition von
Positionsmagnet und Sensoranordnung prädestiniert. Eine wegproportionale
Erfassung von Relativpositionen des Permantmagneten zu der Sensoranordnung
ist mit magnetoresistiven Sensoren, wie im übrigen auch mit anderen lediglich
in einer Vorzugsrichtung richtungsempfindlichen Sensortypen, nicht möglich. Im
wesentlichen in einer Richtung empfindliche Sensoren werden auch
als isotrope Sensoren bezeichnet.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung, bei einer Positionserfassungsvorrichtung
der eingangs genannten Art bzw. einer fluidtechnischen Vorrichtung
mit einer derartigen Positionserfassungsvorrichtung eine wegabhängige Erfassung
der Relativposition des Positionsmagneten zu der Sensoranordnung zu
ermöglichen.
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Zur
Lösung
der Aufgabe leitet die Leiteranordnung das Magnetfeld zu der Sensoranordnung derart,
dass das Positionssignal wegabhängig
kontinuierlich veränderliche,
die Position des Positionsmagneten innerhalb des Erfassungsbereichs
der Leiteranordnung repräsentierende
Werte aufweist. Beispielsweise ist die Amplitude des Positionssignals wegabhängig kontinuierlich
veränderlich.
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Die
Sensoranordnung gibt somit z.B. ein in der Amplitude und/oder in
einer Pulsweite veränderliches
Signal ab, wobei die jeweilige Amplitude oder Pulsweite die Position
des Positionsmagneten innerhalb des Erfassungsbereiches der Leiteranordnung präsentiert.
Die Leiteranordnung vergrößert sozusagen
den Erfassungsbereich der Sensoranordnung. Die Sensoranordnung erzeugt
im Gegensatz zum Stand der Technik nicht nur ein digitales Positionssignal
mit der Bedeutung "Positionsmagnet
im Erfassungsbereich der Leiteranordnung" oder "Positionsmagnet außerhalb des Erfassungsbereichs", sondern ein z.B.
amplitudenveränderliches
und/oder pulsweitenveränderliches
Positionssignal, so dass innerhalb des Erfassungsbereiches mindestens
zwei Positionen des Positionsmagneten durch die Sensoranordnung
erfassbar sind. Vorzugsweise sind – je nach gewünschter
Erfassungsgenauigkeit – mehrere,
kontinuierlich hintereinanderliegende Positionen des Positionsmagneten
im Erfassungsbereich mit der Sensoranordnung durch die Unterstützung der Leiteranordnung
erfassbar. Die Empfindlichkeit der Sensoranordnung, bei z.B. der
die Sättigungsfeldstärke magnetoresistiver
Sensoren erreicht ist, muss zur Ausgabe des erfindungsgemäß wegabhängig veränderlichen
Positionssignals nicht erhöht
werden, so dass eine Beeinflussung durch Störfelder nicht oder nur in geringem
Maße auftritt.
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Die
Leiteranordnung kann durch ein einziges Flussleitstück gebildet
werden. Es ist prinzipiell aber auch möglich, mehrere Flussleitstücke zwischen
der Sensoranordnung und dem Positionsmagneten anzuordnen. Auch unterschiedliche
geometrische Ausgestaltungen, die später noch im Zusammenhang mit dem
Ausführungsbeispiel
erläutert
werden, eines einzigen Flussleitstückes oder mehrerer Flussleitstücke sind
bevorzugt.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen
sowie aus der Beschreibung.
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Die
Leiteranordnung leitet das Magnetfeld des Positionsmagneten vorzugsweise
richtungsabhängig
zu der Sensoranordnung. Zweckmäßigerweise
leitet die Leiteranordnung einen ersten gerichteten Anteil des Magnetfelds
des Positionsmagneten besser als einen zweiten gerichteten Anteil
des Magnetfelds des Po sitionsmagneten zu der Sensoranordnung, so
dass eine vorbestimmte Erfassungsschwelle, beispielsweise die Sättigungsfeldstärke, der
Sensoranordnung für
den ersten und den zweiten Anteil des Magnetfelds überschritten
ist. Die Sensoranordnung ist also für Anteile des Magnetfeldes,
die unterschiedliche Richtungen aufweisen, durch die Unterstützung der
Leiteranordnung empfindlich und kann für diese Anteile das wegabhängige Positionssignal ausgeben.
Für den
ersten gerichteten Anteil des Magnetfelds hat die Leiteranordnung
sozusagen eine verstärkende
Wirkung. Beispielsweise kann eine Situation auftreten, dass bei
fehlender Leiteranordnung die vorbestimmte Erfassungsschwelle der
Sensoranordnung für
den ersten gerichteten Anteil des Magnetfelds nicht überschritten
wird, für
den zweiten gerichteten Anteil jedoch erreicht wird.
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Die
Leiteranordnung leitet vorzugsweise gerichtete Anteile des Magnetfeldes
derart zu der Sensoranordnung, dass der Sensor innerhalb des Erfassungsbereichs
der Leiteranordnung ein zumindest abschnittsweise linerarisiertes,
von der Position der Positionsmagneten innerhalb des Erfassungsbereichs
abhängiges
Positionssignal erzeugt. Vorzugsweise ist der linearisierte Abschnitt
verhältnismäßig groß. Es ist
auch möglich,
dass zwei linerarisierte Abschnitte, ein bis zu einem Maximum des
Positionssignals ansteigender und ein zweiter, von dem Maximum wieder
abfallender Abschnitt des Positionssignals, vorhanden sind.
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Vorzugsweise
vergrößert die
Leiteranordnung den Erfassungsbereich der Sensoranordnung zur Positionserfassung
des Positionsmagneten. Die Sensoranordnung wird somit für einen
größeren Änderungsbereich
der Relativposition von Positionsmagnet und Sensoranordnung sensibel
und kann für diesen
vergrößerten Bereich
das wegabhängige
Positionssignal erzeugen.
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Zweckmäßigerweise
ist die Leiteranordnung an der Sensoranordnung angeordnet. Es ist
aber auch möglich,
die Leiteranordnung an dem Positionsmagneten anzuordnen. Ferner
können
Leiteranordnung, Positionsmagnet und Sensoranordnung jeweils separate,
unabhängig
angeordnete Komponenten sein.
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Die
Leiteranordnung enthält
zweckmäßigerweise
zumindest ein weichmagnetisches Flussleitelement, beispielsweise
aus Weicheisen-Blech oder dergleichen.
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Die
Leiteranordnung enthält
vorzugsweise unterschiedlich ausgestaltete Leitabschnitte, beispielsweise
einen näher
an die Positionierungsbahn heranreichenden und einen von der Positionierungsbahn
weiter entfernten Leitabschnitt. Der näher an die Positionierungsbahn
heranreichende Leitabschnitt leitet das Magnetfeld des Positionsmagneten besser
zu der Sensoranordnung als der entferntere Abschnitt. Die beiden
Leitab schnitte können
durch ein einziges Flussleitstück
gebildet werden. Es ist aber auch möglich, dass für jeden
Leitabschnitt diskrete Flussleitstücke vorgesehen sind.
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Die
Sensoranordnung kann unterschiedlich geartete Sensoren enthalten,
beispielsweise auch sogenannte Hall-Sensoren. Vorzugsweise jedoch enthält die Sensoranordnung
mindestens einen magnetoresistiven Sensor, beispielsweise einen
sogenannten AMR-Sensor (anisotroper magnetoresistiver Sensor), GMR-Sensor
(giant-magnetoresistiver Sensor) oder einem EMR-Sensor (extraordinary-magnetoresistiver-Sensor).
Auch andere magnetoresistive Sensoren sind bevorzugt.
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Eine
weitere bevorzugte Variante sieht vor, dass die Sensoranordnung
zwei Sensoren enthält, wobei
jedem Sensor ein Leitelement zugeordnet ist. Die beiden Sensoren
senden ein sinusförmiges
bzw. ein kosinusförmiges
Ausgangssignal, das proportional zur Relativposition des Positionsmagneten
zu der Sensoranordnung ist. Eine Signalaufbereitungseinrichtung
erzeugt anhand der beiden sinus- und kosinusförmigen Ausgangssignale das
Positionssignal, das im wesentlichen linear von der Relativposition von
Positionsmagnet und Sensoranordnung abhängt. Die beiden Signale der
Sensoren werden zur Bildung eines linearen Positionssignals sozusagen überlagert.
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Die
Positionserfassungsvorrichtung ist zweckmäßigerweise an einer fluidtechnischen
Vorrichtung, bei der es sich vorzugs weise um einen pneumatischen
Antrieb handelt, anordenbar. Beispielsweise können die magnetische Leiteranordnung
und die Sensoranordnung in einer Gehäusenut der Vorrichtung angeordnet
werden. Der Positionsmagnet ist beispielsweise am Kolben der fluidtechnischen
Vorrichtung angeordnet oder wird durch diesen gebildet.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert. Es
zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße fluidtechnische
Vorrichtung mit einer erfindungsgemäßen Positionserfassungsvorrichtung,
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2 in schematisierter Weise
den Einfluss einer magnetischen Leiteranordnung auf ein Positionssignal
einer Sensoranordnung der Positionserfassungsvorrichtung gemäß 1,
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3 unterschiedliche Verläufe der
Feldstärke
eines Magnetfeldes mit und ohne die erfindungsgemäße Leiteranordnung
bei der Sensoranordnung der Positionserfassungsvorrichtung gemäß 1,
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4 einen Sensor mit einer
magnetischen Leiteranordnung mit einzelnen Flussleitstücken,
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5 einen Sensor, der in ein
plattenförmiges
Flussleitstück
eingebettet ist in einer Ansicht von oben, und
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6 eine Querschnittsansicht
des Sensors und des Flussleitstücks
gemäß 5 entlang einer Linie I-I
in 5.
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Die
in 1 gezeigte fluidtechnische
Vorrichtung wird durch einen pneumatischen Antrieb 10 gebildet.
Die Position eines Kolbens 11, der ein Aktor des Antriebs 10 ist,
wird durch eine erfindungsgemäße Positionserfassungsvorrichtung 12 ermittelt.
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Der
Antrieb 10 ist vorliegend ein pneumatisch betätigter Linearantrieb.
Der Kolben 11 ist in einem Kolbenaufnahmeraum 13 eines
lediglich schematisch dargestellten Gehäuses 14 des Antriebs 10 entlang
einer Positionierungsbahn 15 hin und her beweglich. Der
Kolben 11 teilt den Kolbenaufnahmeraum 13 in Teilräume 16, 17.
Eine Kolbenstange 18, die mit dem Kolben 11 fest
verbunden ist, durchdringt einen Lagerdeckel 19 des Gehäuses 14.
Ein Abschlussdeckel 20 verschließt den Kolbenaufnahmeraum 13 an
der dem Lagerdeckel 19 entgegengesetzten Seite. Die Kolbenstange 18 bildet
ein Kraftabtriebselement. Prinzipiell wäre aber auch ein sogenannter
kolbenstangenloser Zylinder, ein Drehantrieb oder dergleichen anstelle
des Antriebs 10 möglich.
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Die
Positionserfassungsvorrichtung 12 erfasst innerhalb eines
Erfassungsbereiches 21, der sich vorliegend entlang eines
Teil-Abschnittes der Positionierungsbahn 15 erstreckt,
die jeweilige Position des Kolbens 11. Der Erfassungsbereich 21 hat beispielsweise
eine Längserstreckung
von 25 mm.
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Die
Positionserfassungsvorrichtung 12 erzeugt ein Positionssignal 22,
das wegabhängig
kontinuierlich veränderlich
ist, wobei die Amplitude des Positionssignals 22 die Position
des Kolbens 11 innerhalb des Erfassungsbereiches 21 repräsentiert. Anhand
des Positionssignals 22, das Positionsistwerte enthält, sowie
von Positionssollwerten 23 bildet eine Positionsregelung 24 Positionssteuerwerte 25. Die
Positionsregelung 24 wertet dabei Positionsdifferenzwerte 26 aus,
die durch Differenzbildung der Positionssollwerte 23 und
des Positionssignals 22 gebildet werden.
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Eine
Ventilanordnung 27, die durch die Positionssteuerwerte 25 gesteuert
wird, beaufschlagt die Teilräume 16, 17 mit
einem Druckmedium 28, z.B. Druckluft oder entlastet die
Teilräume 16, 17,
wobei beispielsweise Druckluft aus den Teilräumen 16, 17 ausströmen kann,
jeweils in Abhängigkeit
von den Positionssteuerwerten 25. Die Druckbeaufschlagung bzw.
Druckentlastung der Teilräume 16, 17 ist
durch Pfeile 29, 30 angedeutet. Die Ventilanordnung 27 enthält beispielsweise
Servoventile, Schnellschaltventile oder dergleichen. Durch Druckbeaufschlagung
bzw. Druckentlastung wird der Kolben 11 ent lang der Positionierungsbahn 15 hin
und her bewegt. Die Druckpositionsregelung 24 positioniert
den Kolben 11 an durch die Positionssollwerte 23 vorgegebenen
Positionierungsorten entlang der Positionierungsbahn 15.
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Die
Positionserfassungsvorrichtung 12 enthält eine Sensoranordnung 32 mit
einem Sensor 31, der für
ein Magnetfeld einer Vorzugsrichtung 33 empfindlich ist.
Ein derartiges Magnetfeld 34 wird beispielsweise durch
einen Positionsmagnet 35 erzeugt. Der Positionsmagnet 35 ist
z.B. am Kolben 11 angeordnet. Der Positionsmagnet 35 ist
z.B. ein Permanentmagnet. Der Positionsmagnet 35 ist beispielsweise
in radialer Richtung magnetisiert, so dass das Magnetfeld 34 den
durch einen gestrichelten Pfeil angedeuteten Verlauf aufweist. Bei
einer in durchgezogenen Linien gezeichneten Stellung 36 des
Kolbens 11 läge
das Magnetfeld 34 an sich außerhalb des Erfassungsbereichs
des Sensors 31. Dementsprechend hätte das Positionssignal 22 dann
den Wert "0". Erst wenn der Kolben 11 die
in gestrichelten Linien eingezeichnete Stellung 37 erreicht
hat, ist er im Erfassungsbereich des Sensors 31. Der Sensor 31 und
der Positionsmagnet 35 stehen sich dabei gegenüber. Das
Magnetfeld 34 weist die Vorzugsrichtung 33 des
Sensors 31 auf. Dementsprechend würde das Positionssignal 22 beispielsweise
der Wert "1" annehmen. Gegebenenfalls
müsste
man für
eine derartige digitale Positionserfassung den Sensor 31 näher am Antrieb 10 anordnen,
damit das Magnetfeld 34 im Erfassungsbe reich des Sensors 31 eine
ausreichend große
Feldstärke
aufweist.
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Eine
derartige digitale Positionserfassung "Positionsmagnet im Erfassungsbereich
des Sensors oder nicht",
wird durch die Erfindung folgendermaßen verbessert:
Damit
der Sensor 31 für
den gesamten Erfassungsbereich 21 wegabhängig sensibilisiert
ist, ist eine magnetische Leiteranordnung 38 vorgesehen.
Die Leiteranordnung 38 enthält ein Flussleitstück 39,
das in das Magnetfeld 34 des Permanentmagneten 35 zu dem
Sensor 31 leitet. Das Flussleitstück 39 ist beispielsweise
ein plattenförmiges
weichmagnetisches Teil, beispielsweise ein Weicheisenblech. Das
Flussleitstück 39 weist
Leitabschnitte 40, 41 auf, die näher an das
Gehäuse 14 heranreichen
als ein zwischen den Leitabschnitten 40, 41 gelegener
mittlerer Leitabschnitt 42, der vom Gehäuse 14 weiter entfernt
ist. Die Leiterabschnitte 40, 41 sind den Randbereichen des
Erfassungsbereiches 21 zugeordnet, der entfernte Leiterabschnitt 42 erstreckt
sich etwa über
den mittleren Bereich des Erfassungsbereiches 21. Durch
die Leiterabschnitte 40, 41 wird das Magnetfeld 34 auch
aus den Randbereichen des Erfassungsbereiches 21 zum Sensor 31 geleitet.
Beispielhaft ist durch eine Feldlinie 61, die über den
Leitabschnitt 40 zum Sensor 31 geleitet wird,
dargestellt. Durch den Leitabschnitt 40 ist die Magnetfeldstärke auch
beispielsweise bei der Stellung 36 ausreichend, um eine
Erfassungsschwelle des Sensors 31 zu übersteigen. Somit kann der
Sensor 31 die Position des Positionsmagneten 35 bei
der Stellung 36 ebenfalls erfassen. Das Positionssignal 22 ist
entlang der Erfassungsbereichs 21 wegabhängig kontinuierlich veränderlich.
Die Amplitude des Positionssignals 22 ändert sich mit der Position
des Positionsmagneten 35 innerhalb des Erfassungsbereiches 21.
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Ein
Ausgangssignal 43 des Sensors 31 wird vorliegend
durch eine Signalaufbereitungseinrichtung 44, bei der es
sich beispielsweise um eine Verstärkeranordnung handelt, aufbereitet.
Die Signalaufbereitungseinrichtung 44 erzeugt das Positionssignal 22.
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Eine
Variante des Ausführungsbeispiels
gemäß 1 ist in gestrichelten Linien
eingezeichnet. Bei dieser Variante weist die Sensoreinrichtung 32 einen
zweiten Sensor 45 auf, dem ein Flussleitstück 46 zugeordnet
ist. Der Sensor 45 und das Flussleitstück 46 entsprechen
im wesentlichen dem Sensor 31 sowie dem Flussleitstück 39.
Allerdings sind das Flussleitstück 46 sowie
der Sensor 45 um eine vorbestimmte Wegstrecke entlang der
Positionsbahn 15 zu dem Flussleitstück 39 sowie dem Sensor 31 verschoben
angeordnet. Der Sensor 31 erzeugt beispielsweise ein sinusförmiges Ausgangssignal 43,
der Sensor 45 ein kosinusförmiges Ausgangssignal 47.
Anhand der Ausgangssignale 43, 47 bildet die Signalaufbereitungseinrichtung 44 das
Positionssignal 22, wobei das Positionssignal 22 dabei
vorzugsweise einen im wesentlichen linearen Verlauf hat.
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2 zeigt beispielhaft einen
Verlauf des Positionssignals 22 der Sensoranordnung 32,
bei dem es sich beispielsweise um eine Spannung Us handelt. Das
Positionssignal 22 ist über
der wegabhängigen
Magnetfeldstärke
H(s) gezeigt, die am Sensor 31 anliegt. Bei fehlendem Flussleitstück 39 hat
das Positionssignal 22 beispielsweise den in durchgezogener
Linie dargestellten Verlauf 48, bei vorhandenem Flussleitstück 39 den
in strichpunktierter Linie dargestellten Verlauf 49. Durch
das Flussleitstück 39 erreicht
das Positionssignal 22 bereits bei der Stellung 36 des
Kolbens 11 seinen maximalen Wert Umax. Bei fehlendem Flussleitstück 39 wird
die Sättigungsfeldstärke Hs2
beispielsweise erst in der Stellung 37 erreicht.
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3 zeigt von einem Weg s
abhängige
Magnetfeldstärkenverläufe 50, 51 des
vom Positionsmagneten 35 erzeugten Magnetfeldes in der
Vorzugsrichtung 33 unmittelbar am Sensor 31. Der
mit einer gestrichelten Linie dargestellte Magnetfeldstärkeverlauf 51 stellt
sich bei fehlendem Flussleitstück 39 ein. Lediglich
zwischen Wegpositionen s2 und s3, die beispielsweise einen mittleren
Abschnitt des Erfassungsbereiches 21 markieren, überschreitet
die magnetische Feldstärke
H einen Sättigungswert
Hs, bei dem der Sensor 31 anspricht. Durch die Wirkung
des Flussleitstückes 39 wird
der Erfassungsbereich des Sensors 31 vergrößert, so
dass zwischen Wegpositio nen s1 und s4, die Sättigungsfeldstärke Hydraulikschaltung überschritten
wird. Die Positionen s1 und s4 markieren beispielsweise die beiden
Enden des Erfassungsbereiches 21.
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In 4 ist ein Sensor 52 mit
einer Leiteranordnung 53 versehen. Der Sensor 52 bzw.
die Leiteranordnung 53 könnten beispielsweise anstelle
des Sensors 31 und der Leiteranordnung 38 bei
der Positionserfassungsvorrichtung 12 eingesetzt werden. Die
Leiteranordnung 53 enthält
Flussleitstücke 54 bis 58,
bei denen es sich beispielsweise um weichmagnetische Bleche oder
dergleichen handelt. Die Flussleitstücke 54 bis 58 sind
z.B. fächerartig
um den Sensor 52 angeordnet. Die Flussleitstücke 54 bis 58 leiten
ein Magnetfeld richtungsabhängig
zu dem magnetischen Sensor 52, bei dem es sich beispielsweise um
einen AMR-Sensor handelt.
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Ein
in den 5 und 6 dargestellter magnetischer
Sensor 59, beispielsweise ein GMR-Sensor, ist von einem
Flussleitstück 60 umgeben.
Der Sensor 59 ist innerhalb eines Ausschnittes 61 angeordnet, der
sich etwa in der Mitte des Flussleitstückes 60 befindet.
Das Flussleitstück 60 leitet
Magnetfeldlinien eines Magnetfeldes, beispielsweise das des Positionsmagneten 35,
zu dem Sensor 59.