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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Positionserfassungseinrichtung
zum Erzeugen eines mit einer Relativlage zwischen zwei Bauteilen
korrelierenden elektrischen Positionssignals, mit den Merkmalen
des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem
eine mit einer derartigen Positionserfassungseinrichtung ausgestattete
Stelleinrichtung zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds.
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Aus
der
DE 197 51 519
A1 ist eine Positionserfassungseinrichtung bekannt, mit
deren Hilfe ein elektrisches Positionssignal generiert werden kann, das
mit einer Relativlage zwischen zwei Bauteilen korreliert. Hierzu
weist die bekannte Positionserfassungseinrichtung zumindest die
beiden Bauteile auf, von denen das eine am anderen in einer Hubrichtung bidirektional
verstellbar angeordnet ist. Das erste Bauteil weist einen dazu ortsfesten
Dauermagneten auf. Das zweite Bauteil weist einen dazu ortsfesten Hallsensor
auf. Mit dem Hallsensor kann ein elektrisches Positionssignal generiert
werden, das mit einem Magnetfluss korreliert, der von der Relativlage zwischen
den beiden Bauteilen abhängt. Bei der bekannten Positionserfassungseinrichtung
ist das mit dem Hallsensor ausgestattete zweite Bauteil an dem mit
dem Dauermagneten ausgestatteten ersten Bauteil hubverstellbar gelagert.
Dabei ist der Dauermagnet stabförmig ausgestaltet und so
angeordnet, dass er sich entlang des gesamten Verstellwegs erstreckt. Das
zweite Bauteil umfasst einen Schlitten, der mit dem daran angebrachten
Hallsensor entlang des Dauermagneten verstellbar ist. Hierzu befindet
sich der Hallsensor entlang des gesamten Verstellwegs seitlich neben
dem Dauermagneten. Der zur Realisierung einer derartigen Positionserfassungseinrichtung
erforderliche Bauraum ist vergleichsweise groß.
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Aus
der
DE 43 03 403 A1 ist
eine weitere Positionserfassungseinrichtung bekannt, bei welcher das
den Dauermagneten aufweisende erste Bauteil an dem den Hallsensor
aufweisenden zweiten Bauteil hubverstellbar gelagert ist. Auch hier
ist der Hallsensor seitlich neben dem Verstellweg des Dauermagneten
angeordnet.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem,
für eine Positionserfassungseinrichtung beziehungsweise
für eine damit ausgestattete Stelleinrichtung eine verbesserte
Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet,
dass sie einen vergleichsweise kompakten Aufbau aufweist.
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Erfindungsgemäß wird
dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen
Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Hallsensor in
der Hubrichtung vom Dauermagneten beabstandet anzuordnen und seitlich
des Verstellwegs zwei sich gegenüberliegende Magnetleitkörper
vorzusehen. Die Magnetleitkörper sind für den
magnetischen Fluss leitfähig und ermöglichen eine
Umlenkung der magnetischen Feldlinien vom Dauermagneten zum Hallsensor.
Bezüglich der Hubrichtung ergibt sich dadurch eine axiale
Bauweise, die in Querrichtung extrem kompakt baut. Des weiteren
kann auch der Dauermagnet vergleichsweise klein ausgestaltet werden,
was einerseits wieder die kompakte Bauweise unterstützt
und andererseits zu einer vergleichsweise preiswerten Lösung
führt, da Dauermagneten relativ teuer sind.
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Die
Magnetleitkörper sind vorzugsweise blechförmig
ausgestaltet und können insbesondere aus einem weichmagnetischen
Werkstoff oder aus ferromagnetischem Material hergestellt sein.
Derartige Materialien können beispielsweise zum Herstellen eines
Jochs bei einem Elektromagneten verwendet werden.
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Um
Hystereseeffekte zu reduzieren kann der verwendete Dauermagnet bei
einer bevorzugten Ausführungsform so ausgestaltet sein,
dass er in einer Schnittebene, die sich parallel zur Hubrichtung und
parallel zur Abstandsrichtung zwischen den Magnetleitblechen erstreckt,
ein trapezförmiges Profil aufweist.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform beziehungsweise
gemäß einer alternativen Lösung des vorliegenden
Problems kann die Positionserfassungseinrichtung in eine Stelleinrichtung
zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds integriert sein.
Dabei ist eines der beiden Bauteile der Positionserfassungseinrichtung
mit dem mit Hilfe der Stelleinrichtung zu verstellenden Stellglied
beziehungsweise mit einer zum Antreiben des Stellglieds vorgesehenen
Ausgangsseite der Stelleinrichtung antriebsgekoppelt. Die Stelleinrichtung
kann beispielsweise dazu verwendet werden, bei einem Abgasrückführventil
das Ventilglied anzutreiben oder bei einem Abgasturbolader eine
Leitschaufelverstellung oder ein Wastegate-Ventil zu betätigen.
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Weitere
wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen
Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils
angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in
Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche
oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
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Es
zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine
perspektivische Ansicht auf einen Längsschnitt einer Positionserfassungseinrichtung,
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2 eine
Ansicht wie in 1, jedoch in einer um 90° gedrehten
Schnittebene,
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3 ein
vergrößertes Detail im Längsschnitt in
einer ersten Endlage zwischen zwei Bauteilen der Positionserfassungseinrichtung,
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4 eine
Ansicht wie in 3, jedoch in einer zweiten Endlage
zwischen den beiden Bauteilen,
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5 eine
stark vereinfachte Schnittansicht im Bereich eines Verstellwegs
zwischen einem Dauermagneten und einem Hallsensor bei einer anderen Ausführungsform,
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6 eine
Ansicht wie in 5, jedoch bei einer weiteren
Ausführungsform,
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7 eine
stark vereinfachte, schaltplanartige Prinzipdarstellung einer Stelleinrichtung
mit einer Positionserfassungseinrichtung.
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Entsprechend
den 1 und 2 umfasst eine Positionserfassungseinrichtung 1 ein
erstes Bauteil 2 und ein zweites Bauteil 3, die
relativ zueinander in einer durch einen Doppelpfeil angedeuteten Hubrichtung 4 bidirektional
verstellbar angeordnet sind. Hierzu sind die beiden Bauteile 2, 3 aneinander hubverstellbar
gelagert. Im Beispiel ist das erste Bauteil 2 am zweiten
Bauteil 3 verstellbar gelagert. Die Positionserfassungseinrichtung 1 dient
zum Erzeugen eines elektrischen Positionssignals, das mit der Relativlage
zwischen den beiden Bauteilen 2, 3 korreliert.
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Das
erste Bauteil 2 weist einen relativ zum ersten Bauteil 2 ortsfesten
Dauermagneten 5 auf. Dieser ist somit zusammen mit dem
ersten Bauteile 2 relativ zum zweiten Bauteil 3 verstellbar.
Das zweite Bauteil 3 weist einen relativ zum zweiten Bauteil 3 ortsfesten
Hallsensor 6 auf. Hallsensoren 6 sind allgemein
bekannte Magnetsensoren oder Magnetflusssensoren, die ein mit dem
Magnetfluss korrelierendes elektrisches Positionssignal generieren.
Der Magnetfluss in der Positionserfassungseinrichtung 1 hängt
dabei von der Relativlage zwischen dem Hallsensor 6 und
dem Dauermagneten 5 und somit von der Relativlage zwischen
den beiden Bauteilen 2, 3 ab.
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Bei
der erfindungsgemäßen Positionserfassungseinrichtung 1 ist
der Hallsensor 6 vom Dauermagneten 5 in der Hubrichtung 4 beabstandet
angeordnet. Das bedeutet, dass der Hallsensor 6 relativ zum
Dauermagneten 5 axial beziehungsweise koaxial angeordnet
ist. Um bei einer derartigen axialen Anordnung die Magnetfeldfeldlinien
oder Magnetflusslinien bis zum Hallsensor 6 umleiten zu
können, weist das zweite Bauteil 3 zwei Magnetleitkörper 7 auf,
die für Magnetfluss leitfähig sind. Die beiden
Magnetleitkörper 7 sind beiderseits eines Verstellwegs 8 des Dauermagneten 5 so
angeordnet, dass sie sich einander gegenüber liegen. Hierdurch
wird der Dauermagnet 5 zwischen den Magnetleitkörpern 7 hubverstellt.
Ferner ist der Hallsensor 6 ebenfalls zwischen den beiden
Magnetleitkörpern 7 angeordnet. Die Magnetflusslinien
können nun von den Magnetleitkörpern 7 seitlich
vom Dauermagneten 5 aufgenommen und bis zum Hallsensor 6 transportiert
werden. Je nach Bauweise und Anordnung der Magnetleitkörper 7 kann
dadurch auch eine Verstärkung beziehungsweise Konzentration
der Feldlinien realisiert werden, wodurch der Dauermagnet 5 vergleichsweise
klein dimensioniert werden kann, um eine hinreichend genaue Ansteuerung
des Hallsensors 6 zu realisieren. Da Dauermagnete 5 vergleichsweise
teuer sind, wird die Positionserfassungseinrichtung 1 insgesamt
vergleichsweise preiswert, je kleiner der zu verwendende Dauermagnet 5 ist.
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Die
Magnetleitkörper 7 können blechförmig ausgestaltet
sein. Das bedeutet, dass sie im wesentlichen flach oder bandförmig
ausgestaltet sind, so dass ihre Dicke deutlich kleiner ist als ihre
Länge und Breite. Die Magnetleitkörper 7 bestehen
bevorzugt aus einem weichmagnetischen Werkstoff beziehungsweise
aus einem ferromagnetischen Material. Metallische weichmagnetische
Materialien sind beispielsweise ferromagnetische Metalle, wie zum
Beispiel Eisen, Kobalt und Nickel. Keramische weichmagnetische Materialien
sind beispielsweise Ferrite, bevorzugt Ferrite auf der Basis von
Metalloxiden, wie zum Beispiel Mangan-Zink-Oxide und Nickel-Zink-Oxide.
Zweckmäßig erstrecken sich die Magnetleitkörper 7 parallel
zueinander. Vorzugsweise sind sie zumindest im Bereich des Verstellwegs 8 parallel
zur Hubrichtung 4 eben ausgestaltet.
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Im
gezeigten Beispiel weist das zweite Bauteil 3 zumindest
eine Schiene 9 auf. Beispielsweise sind vier Schienen 9 vorgesehen.
Die Schienen 9 besitzen jeweils einen U-Querschnitt und
enthalten somit eine seitlich offene Längsnut 10.
Die Schienen 9 und ihre Längsnuten 10 erstrecken
sich parallel zur Hubrichtung 4. Je zwei Schienen 9 sind
einem Magnetleitkörper 7 zugeordnet, wobei die
zugehörigen Längsnuten 10 einander zugewandt
sind. Der jeweilige Magnetleitkörper 7 ist in
die Längsnuten 10 der zugeordneten Schienen 9 eingesetzt.
Dabei können die Längsnuten 10 so dimensioniert
sein, dass der jeweilige Magnetleitkörper 7 in
seiner Endposition durch einen Presssitz festgehalten ist. Zum verbesserten
Einführen des jeweiligen Magnetleitkörpers 7 in
die jeweilige Längsnut 10 kann diese einen keilförmigen
Einschubbereich aufweisen, in dem der freie Querschnitt bis zum
Erreichen des Klemmquerschnitts abnimmt. Des weiteren dienen die
Schienen 9 zusätzlich dazu, eine Lagerung beziehungsweise Führung
für das erste Bauteil 2 zu bilden.
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Das
erste Bauteil 2 weist einen Trägerabschnitt 11 auf,
der sich in der Hubrichtung 4 erstreckt und an dem der
Dauermagnet 5 befestigt ist. Beispielsweise enthält
der Trägerabschnitt 11 ein komplementär
zur Außenkontur des Dauermagneten 5 geformtes
Fenster 12, in das der Dauermagnet 5 seitlich
eingesetzt ist. Der Dauermagnet 5 kann beispielsweise in
den Trägerabschnitt 11 eingepresst oder eingeklebt
sein. Ebenso ist es grundsätzlich möglich, das
erste Bauteil 2 aus Kunststoff herzustellen, so dass der
Dauermagnet 5 mit dem Kunststoff des Trägerabschnitts 11 umspritzbar
ist. Ferner weist das erste Bauteil 2 hier zwei sich quer
zur Hubrichtung erstreckende Stützabschnitte 13 auf,
die an entgegengesetzten Seiten vom Trägerabschnitt 11 abstehen.
Die Stützabschnitte 13 erstrecken sich dabei jeweils
zwischen zwei Schienen 9 und sind an diesen längsgeführt.
Beispielsweise können die Stützabschnitte 13 seitliche
Aussparungen 14 aufweisen, in welche die Schienen 9 eingreifen,
um so die Längsführung zu realisieren. Ferner
sind die Stützabschnitte 13 so ausgestaltet, dass
sich daran jeweils eine Rückstellfeder 15 abstützen
kann. Beispielsweise weist der jeweilige Stützabschnitt 13 hierzu
einen zapfenförmigen Abschnitt 16 auf, auf den
die jeweilige Rückstellfeder 15 aufgeschoben ist.
Die Rückstellfeder 15 stützt sich somit
einerseits am jeweiligen Stützabschnitt 13 des
ersten Bauteils 2 ab. Ande rerseits stützt sich
die jeweilige Rückstellfeder 15 an einem Boden 17 des
zweiten Bauteils 3 ab. Am zweiten Bauteil 3 können
domförmige Abschnitte 18 ausgebildet sein, auf
welche die jeweilige Rückstellfeder 15 aufgesteckt
ist. Die Rückstellfedern 15 sind als Druckfedern
ausgestaltet und wirken somit einer den Abstand zwischen dem Dauermagneten 5 und
dem Hallsensor 6 verkleinernden Verstellbewegung entgegen.
Vorzugsweise können die zapfenförmigen Abschnitte 16 des
ersten Bauteils 2 und die domförmigen Abschnitte 18 des
zweiten Bauteils 3 als Anschläge zusammenwirken,
die eine Hubbegrenzung zwischen dem ersten Bauteil 2 und
dem zweiten Bauteil 3 ermöglichen.
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Ferner
weist das erste Bauteil 2 bei der hier gezeigten Ausführungsform
einen Betätigungsabschnitt 19 auf, der sich ebenfalls
in der Hubrichtung 4 erstreckt und der hier vom Trägerabschnitt 11 ausgeht. Über
diesen Betätigungsabschnitt 19 kann eine Stellkraft
zum Verstellen des ersten Bauteils 2 relativ zum zweiten
Bauteil 3 in die Positionserfassungseinrichtung 1 eingeleitet
werden. Im gezeigten Beispiel ist das zweite Bauteil 3 als
Gehäuse ausgestaltet, das den Boden 17 und eine
mantelförmige Wandung 20 aufweist. Die Wandung 20 umschließt
dabei einen Aufnahmeraum 21, in dem das erste Bauteil 2 verstellbar
angeordnet ist. Im Beispiel ist das erste Bauteil 2 mit
seinem Betätigungsabschnitt 19 aus dem Aufnahmeraum 21 des
gehäuseartigen zweiten Bauteils 3 herausgeführt.
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Der
Hallsensor 6 ist auf übliche Weise an einer Platine 22 angebracht
und in eine Sensoraufnahme 23 eingesetzt. Die Sensoraufnahme 23 ist
zum Beispiel in den Boden 17 integriert, derart, dass die Sensoraufnahme 23 ausschließlich
an einer vom Aufnahmeraum 21 abgewandten Seite offen ist.
Hierdurch ist der Hallsensor 6 vom Aufnahmeraum 21 körperlich
getrennt beziehungsweise bezüglich des Aufnahmeraums 21 gekapselt.
Sofern das erste Bauteil 2 über seinen Betätigungsabschnitt 19 mit
einer für elektronische Komponenten ungeeigneten Umgebung
gekoppelt ist, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass sich
diese nachteiligen Umgebungsbedingungen auch bis in den Aufnahmeraum 21 ausbreiten. Durch
die Trennung der Sensoraufnahme 23 vom Aufnahmeraum 21 ist
der Hallsensor 6 vor dieser nachteiligen Umgebung geschützt.
Zur Ausbildung der Sensoraufnahme 23 ist am zweiten Bauteil 3 beziehungsweise
an dessen Boden 17 ein Aufnahmekörper 24 ausgeformt,
der zweckmäßig so dimensioniert ist, dass sich
daran die beiden Magnetleitkörper 7 abstützen
können.
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Entsprechend
den 3 und 4 erfolgt die Dimensionierung
und Anordnung der Magnetleitkörper 7 zweckmäßig
so, dass der Dauermagnet 5 sich immer zumindest teilweise
mit einer gewissen Überdeckung zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 befindet
und/oder nie mit vollständiger Überdeckung zwischen
den beiden Magnetleitkörpern 7 angeordnet ist. 3 zeigt
eine erste Endstellung zwischen den beiden Bauteilen 2, 3,
bei der ein maximaler Abstand zwischen dem Dauermagneten 5 und
dem Hallsensor 6 vorliegt. Erkennbar taucht ein dem Hallsensor 6 zugewandtes
Ende 25 des Dauermagneten 5 in den zwischen den
beiden Magnetleitkörpern 7 ausgebildeten Zwischenraum
ein. Insofern besteht hier eine seitliche Überdeckung zwischen dem
Dauermagneten 5 und den Magnetleitkörpern 7. Diese
minimale Überdeckung zwischen Dauermagnet 5 und
Magnetleitkörpern 7 kann beispielsweise im Bereich
von etwa einem Millimeter liegen.
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Im
Unterschied dazu zeigt 4 eine zweite Endstellung zwischen
den beiden Bauteilen 2 und 3, bei der ein minimaler
Abstand zwischen Dauermagnet 5 und Hallsensor 6 vorliegt.
Erkennbar taucht hierbei der Dauermagnet 5 nicht vollständig
in den zwischen den beiden Magnetleitkörpern 7 ausgebildeten
Zwischenraum ein, sondern nur so weit, dass ein vom Hallsensor 6 abgewandtes
Ende 26 des Dauermagneten 5 noch außerhalb
des von den beiden Magnetleitkörpern 7 seitlich
begrenzten Zwischenraums angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine
maximale Überdeckung zwischen Dauermagnet 5 und
Magnetleitkörpern 7, die jedoch kleiner als eine vollständige Überdeckung
ist. Beispielsweise bleibt ein Abschnitt im Bereich von etwa 1 mm
außerhalb des von den beiden Magnetleitkörpern 7 seitlich
begrenzten Zwischenraums.
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Bei
der in den 1 bis 4 gezeigten Ausführungsform
besitzt der Dauermagnet 5 in einer in den 2 bis 4 wiedergegebenen
Schnittebene, die sich parallel zur Hubrichtung 4 und parallel
zur Abstandsrichtung zwischen den Magnetleitkörpern 7 erstreckt,
ein rechteckförmiges Profil. Im Unterschied dazu zeigt 5 eine
Ausführungsform, bei welcher der Dauermagnet 5 in
besagter Schnittebene ein trapezförmi ges Profil aufweist.
Ein derartiges Trapezprofil kann hinsichtlich Hystereseeffekte vorteilhaft sein.
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Während
bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 die
Magnetleitkörper 7 durch ebene Körper
gebildet sind, zeigt 6 eine Ausführungsform,
bei der die Magnetleitkörper 7 zweifach abgewinkelt
sind beziehungsweise eine Stufe 27 aufweisen. Hierdurch
besitzen die Magnetleitkörper 7 im Bereich des
Hallsensors 6 einen kleineren Abstand zueinander als im
Bereich des Verstellwegs 8. Durch diese spezielle Formgebung
der Magnetleitkörper 7 kann im Bereich des Hallsensors 6 eine
Konzentration der magnetischen Feldlinien erzielt werden. Zusätzlich
oder alternativ kann außerdem vorgesehen sein, die Magnetleitkörper 7 im
Bereich des Hallsensors 6 in einer Ebene, die senkrecht
auf der Zeichnungsebene der 5 und 6 steht,
die sich also quer zur Hubrichtung 4 und quer zur Abstandsrichtung
zwischen den Magnetleitkörpern 7 erstreckt, mit einer
kleineren Breite zu versehen als im Bereich des Verstellwegs 8.
Auch hierdurch lässt sich eine Konzentration der Feldlinien
im Bereich des Hallsensors 6 erzielen.
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Entsprechend 7 kann
die Positionserfassungseinrichtung 1 bei einer vorteilhaften
Ausführungsform in eine Stelleinrichtung 28 integriert
sein, die zum bidirektionalen Verstellen eines Stellglieds 29 dient.
Mit anderen Worte, eine Stelleinrichtung 28 zum bidirektionalen
Verstellen eines Stellglieds 29 weist eine Positionserfassungseinrichtung 1 der
vorbeschriebenen Art auf. Hierzu ist eines der beiden Bauteile 2, 3 der
Positionserfassungseinrichtung 1 mit dem Stellglied 29,
das mit Hilfe der Stelleinrichtung 28 betätigt
werden soll, beziehungsweise mit einer Ausgangsseite 30 der
Stelleinrichtung 28 antriebsgekoppelt. Die Antriebskopplung
ist hier durch einen Querbalken 31 angedeutet. Die Stelleinrichtung 28 umfasst
beispielsweise einen geeigneten Stellantrieb 32, dessen
Ausgangsseite 30 beispielsweise durch eine Betätigungsstange
oder dergleichen gebildet sein kann. Der Stellantrieb 32 kann pneumatisch,
hydraulisch oder elektrisch arbeiten. Im Beispiel ist die Ausgangsseite 30 mit
dem ersten Bauteil 2 der Positionserfassungseinrichtung 1 antriebsgekoppelt.
Bei der hier gezeigten bevorzugten Ausführungsform weist
die Stelleinrichtung 28 ein Gehäuse 33 auf,
in dem der Stellantrieb 32 und die Positionserfassungseinrichtung 1 gemeinsam
angeordnet sind.
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Die
Stelleinrichtung 28 kann beispielsweise dazu verwendet
werden, bei einer Abgasrückführeinrichtung ein
Abgasrückführventil zu betätigen oder bei
einem Abgasturbolader ein Wastegate-Ventil oder eine Verstelleinrichtung
für eine Turbinenleitschaufelgeometrie zu betätigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19751519
A1 [0002]
- - DE 4303403 A1 [0003]
- - DE 10059337 A1 [0004]
- - DE 19715991 A1 [0004]
- - DE 2157801 A1 [0004]
- - GB 976783 [0004]
- - JP 01-276016 A [0004]
- - JP 62-288518 A [0004]