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Die
Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung der Position
des Stellgliedes eines Getriebes nach dem Oberbegriff des Anspruches
1.
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Es
gibt verschieden Gründe,
die es wünschenswert
erscheinen lassen, den Betriebszustand von Schaltgetrieben von Kraftfahrzeugen
ermitteln zu können.
U. a. bemühen
sich die Automobilhersteller heutzutage stark, die Schadstoffe und
den Benzinverbrauch der Antriebsmotoren von Automobilen zu reduzieren.
Hierzu werden unter anderem Start-Stopp-Systeme entwickelt, die
beim stehenden Fahrzeug, z. B. an einer Ampel, den Motor selbsttätig abstellen
und zum Weiterfahren wieder anlassen. Bedingung zum Abstellen ist
unter anderem bei einem manuellen Schaltgetriebe, dass kein Gang
eingelegt ist. Selbstverständlich
werden hier auch weitere Signale verarbeitet, z. B. eines für den Stillstand des
Autos, die im vorliegenden Zusammenhang nicht interessant sind.
Der Motor springt selbsttätig
wieder an, wenn z. B. die Kupplung getreten wird und/oder der Schaltknüppel des
Schaltgetriebes aus der Neutralposition in Richtung einer Gangstellung,
z. B. zum ersten Gang, bewegt wird.
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Zur
Realisierung eines derartigen Start-Stopp-Systems wird eine Gangerkennung
beim manuellen Schaltgetriebe benötigt. Insbesondere wird ein
Signal benötigt,
wenn der Schaltknüppel
des Getriebes die sog. ”Neutralgasse” verlässt und
sich auf einer ”Schaltgasse” in Richtung
eines Ganges bewegt oder wenn er eine Schaltgasse verlässt und
in die Neutralgasse eintritt. Für
einfache Systeme und geringere Anforderungen reicht dieses Signal
aus, wobei es nicht erforderlich ist zu erkennen, um welche individuelle
momentane Gangposition es sich handelt. Komplexere Systeme benötigen auch
Informationen darüber,
in welchem speziellen Gang sich das Getriebe befindet oder von/zu
welcher Gangposition sich der Schaltknüppel bewegt.
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Grundsätzlich haben
alle Schaltgetriebe für Personenkraftwagen
im Wesentlichen die gleiche Bedienlo gik für den Benutzer. Dieser kann
in der Leerlaufstellung den Schaltknüppel entlang der oben schon
erwähnten
Neutralgasse bewegen. Aus dieser Neutralgasse heraus kann er den
Schaltknüppel
in die einzelnen Schaltgassen bewegen, an deren von der Neutralgasse
entfernten Enden sich jeweils eine Gangstellung befindet. In praktisch
allen manuellen Getrieben wird das technisch so gelöst, dass
der Schaltknüppel
eine runde Stange, die sog. Hauptschaltwelle, frei um z. B. plus/minus
20° verdrehen kann.
Dies geschieht durch eine Bewegung des Schaltknüppels entlang der Neutralgasse,
im allgemeinen von links nach rechts und umgekehrt. Ein Verschieben
der Hauptschaltquelle in axialer Richtung entspricht der Vorwärts-Rückwärtsbewegung des
Schaltknüppels
in eine ausgewählte
Schaltgasse hinein, an deren Ende der gewählte Gang eingelegt ist.
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Die
Schaltgassen werden bei manuellen Schaltgetrieben in der Regel durch
eine metallische Kulissenführung
gebildet, die den Schaltknüppel selbst
oder einen Metallfinger führt,
der an der Hauptschaltwelle befestigt ist.
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich nicht ausschließlich mit
manuell geschalteten Getrieben. Die vorliegend verwen dete Terminologie
soll auch automatisch geschaltete Getriebe mit abdecken. Daher wird
im Folgenden nicht von der ”Hauptschaltwelle” sondern
allgemeiner von einem ”Stellglied” des Getriebes
gesprochen. Wenn darüber
hinaus nachfolgend von ”Schaltgassen” und ”einer Neutralgasse” die Rede
ist, so ist damit eine Bewegung des Stellgliedes des Getriebes gemeint,
die bei einem manuell geschalteten Getriebe durch Bewegung des Schaltknüppels entlang
der Neutralgasse oder der Schaltgassen hervorgerufen würde.
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Bei
der aus der
DE 199
44 203 A1 bekannten Einrichtung wird ein stationärer Sensor
verwendet, der verhältnismäßig lang,
nämlich
länger
als der der Neutralgasse entsprechende Bewegungsweg des Stellgliedes
ist. Diesem langen Sensor sind auf dem Stellglied selbst mehrere
Magnete an denjenigen Positionen zugeordnet, die eingelegten Gängen entsprechen.
Der Sensor spricht auf die Stärke
des Magnetfeldes an, das je nach Relativposition der zwischen den
verschiedenen auf dem Stellglied angeordneten Magnete und dem Sensor
variiert.
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Nachteilig
an diesem bekannten Sensor ist zunächst, dass seine Baulänge so gross
ist. Meistens ist der Bauraum für
einen derart langen Sensor nicht vorhanden, da sich in dem Bereich,
in welchem der Sensor auf oder in das Getriebe montiert werden muss,
die Lagerung des Schaltknüppels
und der Schaltkulisse befindet. Ein weiterer Nachteil dieses Sensors
in induktiver Ausführung
ist, dass er kritisch auf Metallspäne reagiert. Gerade in Getrieben
ist es normal, dass beim Schalten durch ab und zu vorkommende Kolissionen
der Zahnräder
feine Metallspäne entstehen.
Diese lagern sich auf magnetischen Bauteilen ab, beim Gegenstand
der
DE 199 44 203
A1 also auf dem Sensor und den verschiedenen Magneten des
Stellgliedes. Dadurch verändern
sich die magnetischen Feldstärken
und es besteht die Gefahr von falschen Sensorsignalen.
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Die
DE 199 44 203 A1 beschreibt
als alternative Ausführungsform
eines Sensors auch ein optisches System. Dieses ist im Öl des Getriebes
und mit den typischen Verschmutzungen im Dauergebrauch mehr als
empfindlich und kritisch.
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In
der
DE 10 2005
034 865 A1 ist eine Einrichtung zur Bestimmung der Position
des Stellgliedes eines Getriebes beschrieben, bei welchem ein Induktionssensor über einen
Stößel an einer
höhenveränderlichen
Nockenbahn anliegt. Alternativ wird mit Hilfe eines Hall-Sensors
berührungslos
der Abstand zu einer höhenveränderlichen
Code-Bahn ermittelt. Die erste Ausführungsform mit schleifendem, körperlichen
Kontakt ist jedoch unerwünscht,
da sie Verschleiss, Abrieb und andere nachteilige Kräfte mit sich
bringt. Bei sechs bis acht Schaltpositionen, wie sie im Allgemeinen
erforderlich sind, ist sie sehr toleranzempfindlich, da die Höhenunterschiede
zwischen den verschiedenen Schaltpositionen nur gering sind. Bei
der zweiten, berührungslosen
Variante des Sensors der
DE 10 2005 034 865 A1 fällt zwar der Verschleiss weg.
Es bleibt jedoch die Schwierigkeit, wie sechs bis acht unterschiedliche
Höhenpositionen
zuverlässig
detektiert werden sollen. Hierzu schweigt sich die
DE 10 2005 034 865 A1 aus.
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Eine
Einrichtung der eingangs genannten Art ist in der
WO 97/46815 A1 beschrieben.
Auch bei diesem spricht der Hall-Sensor zumindest auch auf die Größe des Magnetfeldes
an, sodass die obigen Ausführungen
zum Stande der Technik auch hier zutreffen..
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ein richtung der eingangs
genannten Art zu schaffen, welche mit einem Sensor, der viel kürzer als
die Weglänge
der Neutralgasse ist, den kompletten Weg der Neutralgasse zuverlässig erkennen kann.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Sensorprinzip
ist sehr empfindlich, viel empfindlicher als ein Mess-System, welches
die Stärke
des lokalen Magnetfeldes erfasst. Würde man beispielsweise als Sensor
ein Standard-Hall-Element einsetzen, das mit einem länglichen
Magnetstreifen zusammenarbeitet, würden sich aufgrund der elliptisch
den Magnetstreifen umgebenden Magnetfeldlinien unterschiedlich starke
Magnetfelder ergeben. Längs
des Magnetstreifens würden
daher von dem Standard-Hall-Element unterschiedlich starke Felder
erfasst. Wenn das Stellglied in eine Position bewegt ist, die einem
eingelegten Gang entspricht, dann schwächt sich zwar das an dem Hall-Element
messbare Magnetfeld ab, liegt aber immer noch vor. Unter diesen
Bedingungen lässt
sich die Neutralgasse nicht präzise
erkennen.
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Erst
durch die erfindungsgemäße Nutzung der
Magnetfeldrichtung und nicht der Magnetfeldstärke gelingt es, das Verschwinden
des magnetischen Bereiches, welches der Neutralgasse entspricht,
seitlich unter dem Sensor beim Verlassen der Neutralgasse präzise zu
erkennen.
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Im
Allgemeinen werden als Richtungs-empfindliche Sensoren Chips verwendet,
die eine Brücke aus
vier Hall-Elementen enthalten. Diese Brücke ist abgestimmt, wenn sich
der magnetisierte Bereich zentrisch unter dem Sensor befindet. Verlagert
sich dieser magnetische Bereich seitlich, werden die vier Hall-Elemente
der Brücke
unsymmet risch beaufschlagt. Dann liegt sofort ein Signal vor, das
weitgehend unabhängig
von der Stärke
des Magnetfeldes ist, da nur die Differenz der Ausgangssignale der
vier Hall-Elemente
und nicht die Absolutstärke
dieser Signale ausgewertet wird.
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Mit
dem erfindungsgemäß eingesetzten,
magnetfeldrichtungsempfindlichen Sensor ist es ohne weiteres möglich, die
jeweilige Position des Stellgliedes eindeutig zu erkennen, da die
verschiedenen Magnetisierungsrichtungen in einem Speicher der Elektronik
in Zuordnung zu dem jeweiligen Gang bzw. der Neutralgasse abgelegt
sein können.
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Vorzugsweise
unterscheiden sich die Magnetisierungsrichtungen der verschiedenen
magnetischen Bereiche um mindestens 20°, vorzugsweise mindestens 40° voneinander.
Auf diese Weise wird Sorge dafür
getragen, dass geringe Abweichungen der Magnetfeldrichtungen, die
auf unterschiedliche Effekte und Positioniergenauigkeiten der Magnete zurückgehen,
von der Elektronik ignoriert werden können.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung sind die magnetischen Bereiche als körperlich
getrennte Magnete ausgebildet. Diese können an einem Befestigungsteil
befestigt sein, das seinerseits an dem Stellglied befestigt ist.
Es erfolgt also eine Vormontage der körperlich getrennten Magnete an
einem gesonderten Befestigungsteil, bevor dieses dann insgesamt
an dem Stellglied angebaut wird. Auf diese Weise ist es bequem möglich, die
jeweiligen Magnete mit der richtigen Magnetisierungsrichtung an
der richtigen Stelle anzubringen.
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Hilfreich
bei der richtungskorrekten Anordnung körperlich getrennter Magnete
ist, wenn das Befestigungsteil mit Aufnahmen für die Magnete versehen ist,
die so ausgestaltet sind, dass sie nur die Aufnahme von Magneten
mit einer bestimmten Magnetisierungsrichtung gestatten.
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Alternativ
ist es auch möglich,
dass mehrere magnetische Bereiche an einem einheitlichen Körper ausgebildet
sind. In diesem Falle sind Fehlorientierungen der Magnetfeldrichtungen
praktisch von vornherein ausgeschlossen.
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Im
allgemeinen sind die Gehäuse
von Getrieben aus nicht magnetischem Material, insbesondere aus
Aluminium, hergestellt. In diesem Falle ist es von besonderem Vorteil, den
Sensor außerhalb
des Getriebegehäuses
anzubringen, wo er nicht den heißen agressiven Ölen ausgesetzt
ist. Der Sensor ist in der Lage, die jeweiligen Magnetfeldrichtungen
durch die Getriebegehäusewand
hindurch zu sensieren.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; es
zeigen
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1 in
Draufsicht schematisch die Führungskulisse
für den
Schaltknüppel
eines herkömmlichen
PKW-Getriebes mit
fünf Vorwärts- und
einem Rückwärtsgang;
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2 die
Draufsicht auf den Sensorbereich der Hauptschaltwelle des Getriebes
mit einer Mehrzahl von an dieser befestigten Magneten;
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3 einen
Schnitt durch die Hauptschaltwelle der 2 gemäß der dortigen,
abgewinkelten Linie II-II.
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Zunächst wird
auf 1 Bezug genommen. Hier ist die metallische Kulissenführung 1 eines PKW-Getriebes
dargestellt, welches in der bekannten Weise fünf Vorwärts- und einen Rückwärtsgang besitzt. Die Führungskulisse 1 wird
von einem Schaltknüppel 2 durchsetzt,
der in 1 durch einen Kreis symbolisiert ist. Der Schaltknüppel 2 kann
in 1 in horizontaler Richtung nach rechts oder links
in einer Neutralgasse bewegt werden, welche das Bezugszeichen 3 trägt. Eine
derartige Bewegung des Schaltknüppels 2 wird
in bekannter Weise in eine Verdrehung der Hauptschaltwelle 4 des
Getriebes umgesetzt, die in 2 bereichsweise
dargestellt ist. Diese Drehung wird in 1 durch
den Pfeil 5 symbolisiert.
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Von
der Neutralgasse 3 zweigen in rechtem Winkel Schaltgassen 6 bis 10 für die Vorwärtsgänge und
eine Schaltgasse 11 für
den Rückwärtsgang
ab. Jeweils am Ende dieser Schaltgassen 6 bis 11 befindet
sich der Schaltknüppel 2,
wenn der entsprechende Gang eingelegt ist. Bei einer Bewegung des Schaltknüppels 2 in
einer der Schaltgassen 6 bis 11 erfolgt eine axiale
Verschiebung der Hauptschaltwelle 4.
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2 zeigt
einen Bereich der Hauptschaltwelle 4, in welchem auf dieser
ein Befestigungsteil 12 aus Kunststoff befestigt ist, derart,
dass sich das Befestigungsteil 12 mit der Hauptschaltwelle 4 verdreht oder
axial verschiebt. An diesem Befestigungsteil 12 wiederum
sind insgesamt sieben Magnete 13 bis 19 in einem
Muster angebracht, welches der Bewegungsbahn entspricht, die in 1 zu
ersehen ist, jedoch aufgebracht auf einer Zylindermantelfläche.
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Der
Magnet 13, welcher der Neutralgasse 3 von 1 entspricht,
ist als länglicher
Magnetstreifen ausgebildet, dessen Magnetisierungsrichtung überall dieselbe
ist, im dargestellten Beispiel der Längsrichtung des Magnetstreifens 13 folgt.
Die Magnete 14 bis 19 dagegen befinden sich an
solchen Positionen, die den Stellungen des Schaltknüppels 2 in
einem der Gänge
entsprechen, und sind als Einzelmagnete mit kreisförmigem Querschnitt
ausgebildet. Sie besitzen Magnetisierungsrichtungen, die sich alle untereinander
und von derjenigen des Magnetfeldstreifens 13 um mindestens
40° unterscheiden.
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Die
Länge des
Magnetstreifens 13 entspricht der Länge der Neutralgasse 3 von 1.
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Für die weitere
Beschreibung sei angenommen, dass sich die Hauptschaltwelle 4 in 2 in derjenigen
Neutralposition befindet, die auch in 1 dargestellt
ist, d. h. der Schaltknüppel 2 befindet
sich innerhalb der Neutralgasse 3 und zwar in deren Mitte.
In dieser Position ist über
dem Befestigungsteil 12 und zentrisch über dem Magnetstreifen 13 ein
Sensor 20 angeordnet. Der Sensor 20 wird, wie 3 deutlich
macht, von einer Platine 21 getragen, die ihrerseits an
einem nicht dargestellten stationären Teil, beispielsweise dem
Getriebegehäuse, befestigt
ist.
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Der
Sensor 20 enthält
vier Hall-Elemente in einer Brücke,
aus deren Ausgangssignale ein in dem Sensor 20 integrierter
Rechner ein Winkelsignal ermitteln kann. Derartige Sensoren 20 sind
als Chip im Handel erhältlich.
Somit erkennt der Sensor 20, in welcher Richtung das Magnetfeld
unter ihm verläuft.
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Die
oben beschriebene Positionserkennungseinrichtung funktioniert wie
folgt:
Befindet sich der Magnetstreifen 13, welcher
der Neutralgasse 3 entspricht, mit seiner kleineren Abmessung
mittig unter dem Sensor 20, so zeigt dieser bei allen Bewegungen
des Steuerknüppels 2 innerhalb
der Neutralgasse 3 (entspricht Pfeil 22 in 2) immer
dasselbe konstante Signal an, da überall im Bereich des Magnetstreifens 13 die
Richtung des Magnetfeldes identisch, nämlich in 2 horizontal, ist.
Auf die Stärke
des Magnetfeldes kommt es dabei nicht an.
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Wird
nunmehr jedoch die Hauptschaltschwelle 4 mit dem Befestigungsteil 12 in
Richtung des Pfeiles 23 von 2 in axialer
Richtung verschoben, so ändert
sich die Richtung des von dem Sensor 20 wahrgenommenen
Magnetfeldes. Dies geschieht bereits, wenn sich die Längsmittellinie
des Magnetstreifens 13 nicht mehr zentrisch unterhalb des
Sensors 20 befindet und noch bevor der Sensor 20 merklich
in das Magnetfeld eines anderen Magneten 14 bis 19 eintritt.
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Bei
weiterer axialer Bewegung der Hauptschaltwelle 4, entsprechend
der Bewegung des Schaltknüppels 2 in
Richtung auf eine Endposition in einer der Schaltgassen 6 bis 11 (entsprechend
Pfeil 24 in 1) gerät einer der Einzelmagneten 14 bis 19 zunehmend
unter den Sensor 20. Dieser erkennt die Magnetfeldrichtung
des fraglichen Einzelmagneten 14 bis 19 und liefert
ein entsprechendes Signal an die Auswertelektronik. Diese identifiziert
die jeweilige Position des Schaltknüppels 2 und damit
den gerade eingelegten Gang.
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Das
beschriebene Sensorprinzip ist sehr unempfindlich gegen metallische
Späne.
Derartige Späne
können
sich zwar auf jedem der Magnete 13 bis 19 anlagern.
Jedoch richten sie sich selbst immer in Richtung der Magnetisierung
dieser Magnete 13 bis 19 aus und beeinflussen
somit die Richtung des Magnetfeldes nicht. Das Ausgangssignals des
Sensors 20, welches ausschließlich Magnetfeldrichtungs-abhängig ist,
bleibt davon unbeeinflusst. Auch leichte Veränderungen der Magnetfeldrichtung,
z. B. um zwei oder drei Grad, sind unkritisch, da die Magnetfeldrichtungen
der einzelnen Magnete 13 bis 19 jeweils um einen
vergleichsweise großen
Betrag, im dargestellten Ausführungsbeispiel
um jeweils 40°, voneinander
differieren. Veränderungen
von wenigen Grad der Magnetfeldrichtung können durch geeignete Ausgestaltung
des Sensors 20 oder der diesem zugeordneten Auswertelektronik
des PKW's negiert werden.
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Selbstverständlich kann
dieses Sensorprinzip in weiten Grenzen variiert werden:
So
ist es unerheblich, wie viele Gänge
ein Getriebe hat oder wieviel Gänge
erkannt werden sollen. Es lassen sich zwischen einer alleinigen
Erfassung der Neutralgasse (”null
Gänge”) und acht
oder mehr Gängen
alle Schaltpositionen erfassen, sofern nur die Anzahl, Position
und Magnetisierungsrichtungen der verschiedenen Magnete zweckdienlich
gewählt werden.
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Zur
leichteren und vor allem fehlerfreien Montage der Magnete mit unterschiedlichen
Magnetisierungsrichtunen können
diese unterschiedliche Außenkonturen
haben. Sie können
beispielsweise viereckig, fünfeckig,
sechseckig usw. gestaltet werden, wobei dann im Befestigungsteil 12 entsprechend
geformte Aufnahmen sind, in welche nur die richtigen Magnete in
der richtigen Orientierung passen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel
sind allerdings alle sechs Einzelmagnete 14 bis 19 im
Querschnitt kreisförmig;
hier könnten
daher bei der Montage und Ausrichtung der Feldlinien Fehler passieren.
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Statt
mehrerer körperlich
getrennter Magnete 13 bis 19 kann auch ein großer einstückiger Körper verwendet
werden, der das gesamte zu detektierende Feld abdeckt und der lokal
unterschiedlich magnetisierte Bereiche aufweist. Ein derartiger
Körper könnte z.
B. ein Kunststoff gebundener spritzbarer Magnet sein, der auch das
Befestigungsteil 12 entbehrlich machen würde.
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Die
Neutralgasse 3 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
horizontal; sie kann auch anders, beispielsweise vertikal oder schräg liegen.
Es müssen
nur die Magnete analog den Schaltgassen angeordnet werden.