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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung, mit der eine Positionsverlagerung entlang eines Verfahrweges relativ zu einer Referenzposition detektiert werden kann. Die Erfindung betrifft ferner eine Getriebeschaltung mit einer solchen Sensoranordnung.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In der Getriebetechnik werden Bewegungen von Schaltgabeln bisher überwiegend mit Hilfe einer auf dem Hall-Effekt beruhenden Sensoranordnung gemessen. Typischerweise fahren dabei zwei Magnete, die an der Schaltgabel befestigt sind und als „Encoder” bezeichnet werden, seitlich an einem analogen Hall-Element vorbei. Dabei kann ein nicht-lineares Ausgangssignal entstehen, welches Informationen über die Position der Magnete relativ zu dem Hall-Element angibt.
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Das von dem Hall-Element erzeugte Ausgangssignal kann neben Temperatureinflüssen und mechanischen Herstellungstoleranzen auch von einem mechanischen Spiel einer Führung der Magnete relativ zu dem Hall-Element abhängig sein. Eine Nicht-Linearität des Ausgangssignals, das heißt, unterschiedliche Gradienten bei der Ausgangssignaländerung abhängig vom Verfahrweg, kann dazu führen, dass z. B. bei einer Nullstellung eine geringe Steigung einer Kennlinie eine hohe Ungenauigkeit hervorrufen kann. Temperatureinflüsse können durch Ermitteln der Temperatur und entsprechendes Kompensieren durch geeignete Algorithmen durch eine Software meist in zufriedenstellender Weise ausgeglichen werden. Dasselbe gilt für mechanische Herstelltoleranzen, so lange diese Herstelltoleranzen bekannt sind, da diese durch einen Einlernprozess eines mit dem Hallelement verbundenen Sensors kompensiert werden können.
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Mechanische Spiele müssen jedoch bei herkömmlichen Getriebeschaltungen als nicht-eliminierbare Störgröße in einer Toleranzrechnung aufgenommen werden.
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OFFENBARUNG UND MÖGLICHE AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
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Es kann daher als Aufgabe der vorliegenden Erfindung angesehen werden, eine Sensoranordnung vorzustellen, die eine höhere Genauigkeit bei der Detektion von Positionsverlagerungen entlang eines Verfahrweges ermöglicht. Insbesondere kann ein Bedarf dafür bestehen, eine Sensoranordnung bereitzustellen, die weitgehend unempfindlich gegenüber mechanischem Spiel verlagerbarer Komponenten ist. Ferner kann ein Bedarf an einer Getriebeschaltung bestehen, die eine solche Sensoranordnung aufweist.
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Die genannten Aufgaben und Bedürfnisse können mit der Sensoranordnung bzw. der Getriebeschaltung gemäß den unabhängigen Ansprüchen erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Sensoranordnung zum Detektieren einer Positionsverlagerung entlang eines Verfahrweges vorgeschlagen, die einen Hallsensor, eine Magnetanordnung und eine Führung aufweist. Die Führung ist dabei dazu ausgelegt, die Magnetanordnung relativ zu dem Hallsensor im Wesentlichen entlang eines Verfahrweges zu verlagern. „Im Wesentlichen” kann hierbei bedeuten, dass die Magnetanordnung und der Hallsensor zwar gezielt relativ zueinander entlang des Verfahrweges verlagert werden können, dass dabei aber auch unerwünschte und unbestimmbare zusätzliche Positionsverlagerungen beispielsweise aufgrund von mechanischem Spiel innerhalb der Führung auftreten können. Die Magnetanordnung ist dazu ausgelegt, ein Magnetfeld zu erzeugen, das entlang des Verfahrweges variiert und das senkrecht zu dem Verfahrweg im Wesentlichen eine konstante magnetische Flussdichte bzw. Feldstärke aufweist. Mit anderen Worten soll die Magnetanordnung derart ausgelegt sein, dass das von ihr erzeugte Magnetfeld zwar entlang des Verfahrweges variiert, quer zu dem Verfahrweg jedoch im Wesentlichen homogen ist. Noch mal anders ausgedrückt soll das von der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld in einer Richtung, die dem Verfahrweg entspricht, variieren, während es zumindest in einer zu dieser orthogonal stehenden und vorzugsweise in beiden zu dieser Richtung und untereinander orthogonal stehenden Richtungen im Wesentlichen eine konstante Flussdichte aufweist und somit homogen ist.
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Aufgrund der Homogenität des von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfeldes quer zu dem Verfahrweg kann erreicht werden, dass es auch bei einer unerwünschten Verlagerung der Magnetanordnung und des Hallsensors relativ zueinander aufgrund von mechanischem Spiel in der Führung nicht zu einer Änderung des von dem Hallsensor ausgegebenen Signals kommt, da sich die Flussdichte des von der Magnetanordnung erzeugten Magnetfeldes in der Richtung eines solchen Führungsspiels nicht ändert. Die vorgeschlagene Sensoranordnung kann daher eine Positionsverlagerung entlang des Verfahrweges sehr genau detektieren und dennoch tolerant gegenüber unerwünschtem mechanischem Spiel sein.
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Die Magnetanordnung kann insbesondere dazu ausgelegt sein, dass ein Bereich, innerhalb dem das von der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld im Wesentlichen homogen ist, größer ist als ein Spiel, mit dem die Führung die Magnetanordnung und das Hall-Element relativ zueinander quer zu der Verfahrrichtung von dem Verfahrweg abweichen lässt. Die Magnetanordnung kann sich in einer Richtung entlang des Verfahrweges über den Verfahrweg hinaus erstrecken, um so in einem Bereich entlang des Verfahrweges ein homogenes Magnetfeld zu erzeugen. Mit anderen Worten kann die Magnetanordnung größer dimensioniert sein als der Verfahrweg, innerhalb dessen Positionsverlagerungen detektiert werden sollen. Damit kann erreicht werden, dass Inhomogenitäten des Magnetfeldes, die am Rande einer Magnetanordnung stets auftreten, außerhalb des Verfahrweges liegen und somit eine Detektion einer Positionsverlagerung innerhalb des Verfahrweges nicht negativ beeinflussen können.
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Die Magnetanordnung kann dazu ausgelegt sein, ein entlang des Verfahrweges linear variierendes Magnetfeld zu erzeugen. Insbesondere wenn auch der Verfahrweg selbst linear im Sinne von geradlinig ist, kann damit erreicht werden, dass sich das von dem Hallsensor erzeugte Signal mit der Positionsverlagerung linear ändert. Dies kann eine einfache und genaue Auswertung der Signale des Hallsensors ermöglichen.
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In einer Ausgestaltung weist die Magnetanordnung zwei längliche Schenkel auf, die einander bezogen auf den Verfahrweg gegenüberliegen. Die beiden Schenkel der Magnetanordnung können parallel zu dem Verfahrweg angeordnet sein. Die beiden Schenkel können beispielsweise als zwei separate Dauermagnete vorgesehen sein, die zum Beispiel durch einen Verbindungssteg fest miteinander verbunden sind. Alternativ können die beiden Schenkel Teil eines gemeinsamen Hufeisenmagneten sein, so dass ein Pol des Hufeisenmagnetes einen Schenkel bildet und ein entgegen gesetzter Pol des Hufeisenmagnetes den gegenüberliegenden Schenkel bildet. Die Geometrie und/oder Magnetisierung der Schenkel kann dabei derart gewählt sein, dass sich das gewünschte Magnetfeld mit entlang des Verfahrweges variierender Flussdichte und senkrecht dazu konstanter Flussdichte einstellt.
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Beispielsweise kann zumindest einer der Schenkel und vorzugsweise beide Schenkel in seiner/ihrer Breite derart verjüngend ausgebildet sein, dass ein Abstand zwischen zu dem Verfahrweg gerichteten Innenseiten der Schenkel in einer Richtung entlang des Verfahrweges im Wesentlichen konstant ist und ein Abstand zwischen Außenseiten der Schenkel in einer Richtung entlang des Verfahrweges variiert. Dadurch, dass die Breite eines oder vorzugsweise beider Schenkel sich in einer Richtung entlang des Verfahrweges verjüngt, beispielsweise linear abnimmt, kann bei homogener Magnetisierung des die Schenkel bildenden Magnetmaterials eine entsprechend variierende Abnahme der Flussdichte entlang des Verfahrweges erreicht werden. Andererseits kann dadurch, dass die Innenseiten der Schenkel entlang des gesamten Verfahrweges einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander haben, erreicht werden, dass das Magnetfeld senkrecht zu dem Verfahrweg stets eine im Wesentlichen konstante Flussdichte aufweist, das heißt, die Magnetfeldlinien im Wesentlichen geradlinig und orthogonal von einem der Schenkel zu dem anderen der Schenkel verlaufen.
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Die beiden Schenkel der Magnetanordnung können als zwei gegenüberliegende, keilförmige Dauermagnete realisiert sein. Alternativ kann die Magnetanordnung mit einem Hufeisenmagneten ausgebildet sein, dessen Außenseiten keilförmig ausgebildet sind.
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In einer speziellen Ausgestaltung kann die Magnetanordnung zwei in einer Richtung des Verfahrweges spiegelverkehrt angeordnete Magnetteilanordnungen aufweisen. Jede der Magnetteilanordnungen kann dabei beispielsweise aus zwei sich gegenüberliegenden keilförmigen Dauermagneten entgegen gesetzter Magnetpolung sein.
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Für den weiter oben beschriebenen Fall, dass entlang des Verfahrweges lediglich eine einzige Magnetanordnung vorgesehen ist, deren Flussdichte sich entlang des Verfahrweges zwar ändern kann, nicht jedoch in ihrer Richtung umkehren kann, ist die Gesamtvariation der Flussdichte zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert begrenzt. Für den Fall, dass zwei spiegelverkehrt angeordnete Magnetteilanordnungen vorgesehen werden, wobei jede der Magnetteilanordnungen für sich ähnliche Eigenschaften aufweisen kann wie die zuvor beschriebene einzige Magnetanordnung, kann erreicht werden, dass sich die Flussdichte entlang des Verfahrweges nicht nur ändert, sondern auch in ihrer Richtung umkehrt. Zu einer solchen Umkehrung kommt es an der Spiegelfläche einer solchen zweiteiligen Magnetanordnung. Aufgrund der magnetischen Umpolung kann daher eine Gesamtvariation der magnetischen Flussdichte nicht nur zwischen einem Minimalwert und einem Maximalwert vorliegen, sondern zwischen einem negativen Maximalwert und einem positiven Maximalwert mit einem dazwischen liegenden Minimalwert. Auf diese Weise kann eine Empfindlichkeit der Sensoranordnung hinsichtlich der zu detektierenden Positionsverlagerung erheblich vergrößert, das heißt, im Idealfall verdoppelt, werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Getriebeschaltung mit der oben beschriebenen Sensoranordnung vorgeschlagen. Dabei kann die Magnetanordnung mit einem Schalthebel zum Wählen einer Getriebestellung verbunden sein und das Hall-Element kann mit einer Steuerung zum Steuern der Getriebestellung verbunden sein. Eine solche Getriebeschaltung kann einerseits ermöglichen, eine Positionsverlagerung des Schalthebels entlang eines Verfahrweges sehr genau zu detektieren, andererseits kann ein seitliches Spiel des Schalthebels quer zu dem Verfahrweg ohne wesentlichen negativen Einfluss auf die Detektion der Positionsverlagerung bleiben.
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Mögliche Aspekte, Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung wurden vorangehend mit Bezug auf einzelne Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Die Beschreibung, die zugehörigen Figuren sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung und darin enthaltene Teilaspekte mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder ähnliche Komponenten sind mit sich entsprechenden Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Querschnittansicht durch die Sensoranordnung aus 1.
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3 zeigt eine Längsschnittansicht durch die Sensoranordnung aus 1.
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4 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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5 zeigt eine Querschnittansicht durch die Sensoranordnung aus 4.
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6 zeigt eine Längsschnittansicht durch die Sensoranordnung aus 4.
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7 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Sensoranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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8 zeigt eine Querschnittansicht durch die Sensoranordnung aus 7.
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9 zeigt eine Längsschnittansicht durch die Sensoranordnung aus 7.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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1, 2 und 3 zeigen eine erste Ausführungsform einer Sensoranordnung 101 in perspektivischer Ansicht, Querschnittansicht und Längsschnittansicht. Zwei keilförmige, einander gegenüberliegende Dauermagnete 103, 105 werden durch einen Verbindungssteg 107 fest miteinander verbunden. Die beiden Dauermagnete 103, 105 bilden die zwei Schenkel einer Magnetanordnung 109, bei der die beiden keilförmigen Dauermagnete einen Spalt 111 zwischen sich einschließen, dessen Breite w konstant ist. Mit anderen Worten sind die keilförmigen Dauermagnete 103, 105 derart angeordnet, dass der Abstand w zwischen Innenseiten 113 der Dauermagnete 103, 105 konstant ist, wohingegen sich ein Abstand wa zwischen Außenseiten 115 der Dauermagnete 103, 105 entlang einer x-Richtung, die der Längsrichtung der länglichen Dauermagneten 103, 105 entspricht, linear verändert.
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Die beiden Dauermagnete 103, 105 weisen dabei eine Magnetpolgeometrie derart auf, dass sich entlang des Spaltes 111 ein Südpol des einen Dauermagneten 103 und ein Nordpol des anderen Dauermagneten 105 gegenüberliegen. Aufgrund der homogenen Magnetisierung der Dauermagneten 103, 105 kann es daher wegen des konstanten Abstands w sowie wegen der keilförmigen Form der Dauermagneten 103, 105 zur Ausbildung eines Magnetfeldes innerhalb des Spalts 111 kommen, dessen Flussdichte in einer x-Richtung parallel zu den länglichen Dauermagneten 103, 105 linear variiert und dessen Flussdichte sowohl in einer y-Richtung als auch in einer z-Richtung orthogonal zur x-Richtung im Wesentlichen konstant ist.
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Die Variation der Flussdichte in x-Richtung ist in 3 durch eine variierende Breite der Pfeile 117 veranschaulicht. Die Homogenität des magnetischen Feldes in y-Richtung und z-Richtung ist durch die Geradlinigkeit der Pfeile 117 veranschaulicht.
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Innerhalb des Spaltes 111 ist ein Hallsensor 119 angeordnet. Der Hallsensor 119 kann aufgrund des Hall-Effekts ein Variieren der magnetischen Flussdichte detektieren und über Leitungen 121 ein der Flussdichtevariation entsprechendes elektrisches Signal ausgeben.
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Die Magnetanordnung 109 und der Hallsensor 119 können mit Hilfe einer Führung (die aus Übersichtlichkeitsgründen in den Figuren nicht dargestellt ist) entlang eines in x-Richtung verlaufenden Verfahrweges 123 relativ zueinander verlagert werden. Mit anderen Worten kann der Hallsensor 119 innerhalb des Spaltes 111 in der Richtung der Längserstreckung der Dauermagnete 103, 105 verlagert werden. Hierzu kann beispielsweise die mit einem Schalthebel einer Getriebeschaltung verbundene Magnetanordnung 109 relativ zu einem räumlich fixierten Hallsensor 119 bewegt werden. Der Hallsensor 119 bewegt sich dabei durch das von der Magnetanordnung 109 generierte, entlang der x-Richtung variierende Magnetfeld und erzeugt aufgrund des Hall-Effekts ein entsprechendes elektrisches Signal, das an eine damit verbundene Steuerung weitergeleitet werden kann, so dass die Steuerung aufgrund dieses Signals eine Getriebestellung steuern kann.
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Während Temperatureinflüsse und Fertigungstoleranzen bei Sensoranordnungen verhältnismäßig einfach kompensiert werden können, kann bei der Führung der Magnetanordnung 109 relativ zu dem Hallsensor 119 stets ein mechanisches Spiel auftreten, welches in den 2 und 3 durch die in z-Richtung bzw. y-Richtung verlaufenden Pfeile 125, 127 dargestellt ist und welches bei herkömmlichen Sensoranordnungen zu schwierig zu kompensierenden Messfehlern führen kann.
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Bei der vorliegend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung können solche Messfehler weitgehend vermieden werden dadurch, dass das von der Magnetanordnung 109 generierte Magnetfeld in den y- und z-Richtungen, in denen dieses Spiel hauptsächlich auftritt, im Wesentlichen homogen und mit einer im Wesentlichen konstanten Flussdichte ausgebildet ist. Selbst bei unerwünschten Verlagerungen in y- bzw. z-Richtung aufgrund des unvermeidbaren Spiels 125, 127 kommt es somit nicht zu einer Fehler-bewirkenden Beeinflussung des von dem Hallsensor 119 erzeugten Messsignals.
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Da es an den in x-Richtung gesehenen Enden des Spaltes 111 zu Deformationen des Magnetfeldes kommen kann, wird die Länge der Dauermagnete 103, 105 vorzugsweise derart gewählt, dass die Dauermagnete 103, 105 sich über den Verfahrweg 123 hinaus erstrecken. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Hallsensor 119 stets in einem Bereich bleibt, in dem das von der Magnetanordnung erzeugte Magnetfeld in y- und z-Richtung im Wesentlichen homogen ist. Ähnliches gilt auch für die Höhe der Magnetanordnung 109 in z-Richtung. Diese wird vorzugsweise so gewählt, dass sie größer als das maximale Spiel 125 in dieser Richtung ist, so dass der Hallsensor 119 stets im homogenen Bereich des zwischen den Dauermagneten 103, 105 erzeugten Magnetfeldes bleibt. Typische Dimensionen der Dauermagneten 103, 105 können z. B. einen Länge in x-Richtung von 35 mm, eine Dicke in y-Richtung, die von 12 mm bis 20 mm variiert, eine Höhe in z-Richtung von 20 mm und eine Spaltbreite w von 8 mm sein.
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4, 5 und 6 zeigen eine weitere Ausführungsform einer Sensoranordnung 201 in perspektivischer Ansicht, Querschnittansicht bzw. Längsschnittansicht. Bei dieser Ausführungsform ist die Magnetanordnung 209 durch einen Hufeisenmagneten gebildet, dessen beide Schenkel 203, 205 sich entlang eines Spaltes 211 gegenüberliegen. Die Außenseiten des Hufeisenmagneten sind keilförmig ausgeformt, so dass der Abstand zwischen Außenseiten 215 in x-Richtung entlang des Verfahrweges 223 linear variiert. Die Innenseiten 213 des Hufeisenmagneten sind parallel zueinander angeordnet, so dass sich ein Spalt 211 konstanter Breite ergibt. Die übrigen Merkmale können analog wie bei dem in den 1–3 gezeigten Ausführungsbeispiel sein.
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Die 7, 8 und 9 zeigen eine dritte Ausführungsform einer Sensoranordnung 301 in perspektivischer Ansicht, Querschnittansicht bzw. Längsschnittansicht. Bei dieser Ausführungsform besteht die Magnetanordnung 309 aus zwei spiegelverkehrt angeordneten Magnetteilanordnungen 309', 309''. Die Magnetteilanordnung 309' weist zwei längliche Schenkel mit voneinander beabstandeten Dauermagneten 303', 305' auf. Die Magnetteilanordnung 309'' weist ebenfalls zwei Schenkel mit voneinander beabstandeten Dauermagneten 303'', 305'' auf, allerdings in spiegelverkehrter Anordnung. Die keilförmigen Dauermagneten 303', 305', 303'', 305'' sind so angeordnet, dass sie mit ihren verjüngten Enden im Bereich einer Symmetrieachse S aneinander angrenzen. Da die beiden Magnetteilanordnungen 309', 309'' umgekehrt gepolt sind, ändert sich im Bereich dieser Symmetrieachse S die Richtung des Magnetfeldes in dem Spalt 311.
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Entlang eines Verfahrweges 323 detektiert der Hallsensor 319 zunächst ein starkes Magnetfeld, angedeutet durch die breiten Feldlinien 317. Beim Annähern des Hallsensors 319 an die Mitte der Magnetanordnung 309 verringert sich das detektierte Magnetfeld zunehmend, bevor es dann im Bereich der Symmetrieachse S umklappt, das heißt, sein Vorzeichen wechselt, und dann wieder hin zum entgegen gesetzten Rand entlang der x-Richtung zunimmt. Auf diese Weise können innerhalb des Verfahrweges 323 große Unterschiede hinsichtlich der lokal herrschenden Flussdichte realisiert werden, was eine hohe Genauigkeit bei der Positionserfassung ermöglicht.
