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Die Erfindung bezieht sich auf eine Sensoranordnung zur Erfassung sowohl der Axial- als auch der Drehstellung einer in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle, z.B. einer Schaltwelle eines Handschaltgetriebes.
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Mittels der Längs- bzw. translatorischen Bewegung einer derartigen Schaltwelle wird z.B. eine der möglichen Schaltgassen des Handschaltgetriebes ausgewählt. Anschließend wird mittels einer Dreh- bzw. rotatorischen Bewegung der Schaltwelle innerhalb der Schaltgasse ein Schaltvorgang ausgelöst. In typischen Handschaltgetrieben sind in einer Schaltgasse bis zu zwei wählbare Gänge angeordnet, z.B. das Gangpaar „1“ und „2“ oder das Gangpaar „3“ und „4“.
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Ist ein Gang erst einmal eingelegt, wird auf einfache Weise aus der resultierenden Geschwindigkeit und der Motordrehzahl das Übersetzungsverhältnis ermittelt und ein Gang zugeordnet.
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Für verschiedene Steuer- und Überwachungsvorgänge ist es interessant, frühzeitig zu wissen, dass gerade ein Schaltvorgang durchgeführt wird. Zudem kann es für eine Motorsteuerapplikation interessant sein, frühzeitig, d.h. noch vor Eintritt des Kraftschlusses, zu wissen, welcher Gang gerade eingelegt wird bzw. eingelegt werden soll.
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Es ist bekannt, einen linearen Positionssensor zur Erfassung der translatorischen Bewegung der Schaltwelle bzw. der Schaltgasse und zusätzlich einen Drehwinkelsensor zur Erfassung der rotatorischen Bewegung der Schaltwelle vorzusehen. Die Signale des linearen Positionssensors und des Drehwinkelsensors werden dann in einem Steuergerät verknüpft. Als Ergebnis dieser Verknüpfung steht dann eine eindeutige Position für die gewünschten Applikationen zur Verfügung.
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Bei diesem Stand der Technik ist nachteilig, dass zwei Sensoren, nämlich der lineare Positionssensor und der Drehwinkelsensor, verbaut werden müssen. Hierdurch fallen Kosten für die Sensormontage und Sensorverkabelung doppelt an. Darüber hinaus ist es häufig so, dass die für die beiden Sensoren notwendigen Bauräume im Handschaltgetriebebereich nicht zur Verfügung stehen.
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In der Patentschrift
DE 44 15 668 C2 ist ein Sensor zur kontaktlosen Erfassung bestimmter Positionen einer axial verschiebbaren und um bestimmte Winkel drehbaren Welle beschrieben. Nachteilig bei der beschriebenen Lösung ist die Mehrdeutigkeit der Information. Dem Augenblickswert des Sensors ist nicht zu entnehmen, ob sich die Welle z.B. in einer Position „G2“ befindet oder ob eine translatorische Bewegung zwischen den Schaltgassen ausgeführt wird.
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Die
DE 10 2007 032 972 B4 beschreibt eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer axialen Verschiebung einer Welle. Das Verfahren verwendet eine weitere Sensoreinrichtung, die Signale liefert, die mit einer zur axialen Verschiebung senkrechten Verschiebung der Welle korrelieren.
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In der
DE 198 13 318 A1 wird ein Verfahren offenbart, den Drehwinkel einer Welle durch die Messung des winkelabhängigen Abstands zu einer mit der drehbaren Welle verbundenen Exzenterscheibe zu bestimmen. Zusätzlich offenbart diese Schrift die Kompensation von mechanischen Fehlern durch die Verwendung einer Referenzfläche in Bezug auf die radiale Position der Welle.
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Die
DE 32 44 891 C2 beschreibt einen Längensensor mit Spulen. Die Spulen sind längs des Messweges angeordnet und können mittels eines Analogmultiplexers einzeln ausgewählt werden.
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Die
DE 10 2008 058 163 A1 zeigt eine Vorrichtung bzw. Sensoranordnung, mittels der eine Position einer Welle bzw. eines Stellelements sowohl in axialer als auch in Drehstellung erfasst werden soll. Hierzu weist diese Sensoranordnung zwei Sensor- bzw. Hallelemente auf, die mit einem Radialabstand zueinander zur Welle angeordnet sind, wobei in einer Ausführungsform auch ein Axialabstand dieser Hallelemente vorgesehen ist. Auf der Welle ist ein Geberelement in Form eines Target vorgesehen. Die beiden Hallelemente sind nicht in Längsrichtung parallel zum Stellelement angeordnet. Die Anordnung des Target auf der Welle bewirkt, dass durch gemeinsame Auswertung der von den beiden Hallelementen erfaßten Signale eine Feststellung der Drehposition des Stellelements möglich ist.
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Bei einer aus der
DE 10 2008 036 107 A1 bekannten Sensoranordnung ist auf einem Befestigungsteil, welches an einer Hauptschaltwelle drehfest befestigt ist, ein Magnet vorgesehen, der sich bei einer Drehung der Hauptschaltwelle oberhalb einer Neutralgasse einer Kulissenführung befindet. Dieser Magnet bzw. Magnetstreifen dient der Erfassung, dass sich ein Schaltknüppel innerhalb der Neutralgasse der Schaltkulisse befindet. Das bei einer Drehung der Hauptschaltwelle durch den Magnetstreifen abgegebene Signal ist konstant. Ebenfalls als Magnete ausgestaltete weitere Geberelemente sind jeweils einer der Schaltgassen der Kulissenführung zugeordnet und dienen ausschließlich der Erfassung translatorischer Bewegungen der Hauptschaltwelle.
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Aus der
DE 197 48 115 A1 ist eine Sensoranordnung zur Erfassung sowohl der Axial- als auch der Drehstellung einer in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle mit einem Linearsensor mit zumindest zwei Sensorelementen, die in Längsrichtung der Welle parallel zur Welle und in Bezug auf die Welle ortsfest angeordnet sind, und einem Geberelement bekannt, welches aus am Umfang der Welle angeordneten Magneten ausgestaltet ist. Diese Magnete sind in Umfangsrichtung gleich beabstandet auf ein und demselben Axialabschnitt der Welle angeordnet. Bei einer Drehung der Welle um einen Drehwinkel, der demjenigen der Anordnung der Magnete entspricht, wird durch die Magnete in einem mehrere Sensorelemente aufweisenden Sensor ein Signal mit einem Signalverlauf erzeugt, der zwei innerhalb des erfassbaren Drehwinkels angeordnete Extremwerte hat. Zwangsläufig treten hierdurch Signalwerte auf, die nicht eindeutig einer Drehposition der Welle zugeordnet werden können.
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Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung zur Erfassung sowohl der Axial- als auch der Drehstellung einer in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle, z.B. einer Schaltwelle eines Handschaltgetriebes, zu schaffen, bei der einfach und unkompliziert sowohl die translatorische als auch die rotatorische Bewegung der in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle sicher erfasst werden können.
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Diese Aufgabe wird bei einer Sensoranordnung zur Erfassung sowohl der Axial- als auch der Drehstellung einer in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle mit einem Linearsensor mit zumindest zwei Sensorelementen, die in Längsrichtung der Welle parallel zur Welle und in Bezug auf die Welle ortsfest angeordnet sind, und einem Geberelement dadurch gelöst, dass das Geberelement so gestaltet ist, dass bei einer rotatorischen Bewegung der Welle eine vom Drehwinkel abhängige eindeutige Messsignalveränderung in zumindest zwei separat auswertbaren Sensorelementen erfolgt. Aufgrund der vom Drehwinkel abhängigen eindeutigen Messsignalveränderung lässt sich in zumindest zwei separat auswertbaren Sensorelementen eindeutig die rotatorische Bewegung bzw. Position der Welle erfassen.
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Die zumindest zwei Sensorelemente können in einer Reihe parallel zur Welle angeordnet sein.
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Die Welle kann eine Schaltwelle eines Handschaltgetriebes sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung hat diese eine Messelektronik, die den zumindest zwei Sensorelementen zugeordnet und mittels der jedes der zumindest zwei Sensorelemente separat auswertbar ist, wobei das Geberelement an der Welle angeordnet und mit dieser verschieblich und drehbar ist und mittels des Geberelements in den zumindest zwei Sensorelementen jeweils ein Signal erzeugbar ist, das einen für die Verschiebung der Welle in Längsrichtung und für die Drehstellung der Welle charakteristischen und eindeutigen Signalverlauf aufweist.
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Zu den Sensorelementen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist folgendes auszuführen:
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Vorteilhaft sind die Sensorelemente des Sensors mechanisch, magnetisch oder kapazitiv ausgelegt und als Messtaster, Spulen, Induktivsensorelemente, Wirbelstromsensorelemente, vorzugsweise magnetisch vorgespannte Hall-Sensorelemente, kapazitive Sensorelemente od.dgl. ausgebildet.
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Grundlage für die erfindungsgemäße Lösung ist in jedem Fall das Vorhandensein eines Geberelements, das in der Lage ist, in den Sensorelementen eine reproduzierbare Messsignalveränderung zu erzeugen.
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Das Geberelement ist mit demjenigen Objekt fest verbunden, dessen Position in Bezug auf ein weiteres Objekt bestimmt werden soll. Der Sensor wiederum ist fest mit diesem weiteren Objekt verbunden.
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Im Fall eines Handschaltgetriebes ist das Geberelement mit der Schaltwelle fest verbunden. Der Sensor ist mit dem Getriebegehäuse fest verbunden. In dieser Anordnung wird somit die Position der Schaltwelle in Bezug auf das Getriebegehäuse ermittelt.
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Die reproduzierbare Wirkung des Geberelements auf die Sensorelemente und damit auf die Messsignale im Sinne einer Messsignaländerung, kann auf verschiedene, dem Fachmann bekannte Art und Weise erreicht werden.
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Bei der Verwendung mechanisch tastender Sensorelemente ist der Abstand der Kontur des Geberelements vom abtastenden Sensorelement an der Position der Abtastung die das Messsignal verändernde Eigenschaft des Geberelements.
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Bei der Verwendung einer Kombination aus einem ferromagnetischen Geberelement und induktiven Sensorelementen gibt es verschiedene Möglichkeiten, durch die Gestaltung und Ausprägung des ferromagnetischen Geberelements einen Einfluss auf das Messsignal zu erreichen.
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Ortsabhängig kann der Abstand des Geberelements und/oder die wirksame Materialmenge variiert werden. Auch die gezielte Kombination von Materialien mit unterschiedlichen Permeabilitäten kann die gewünschte positionsabhängige Variation der in den Sensorelementen erfassten Messsignale erzeugen.
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Eine mögliche Ausgestaltung ist eine vom Drehwinkel abhängige Veränderung des Abstandes zum Sensorelement. Mit zunehmendem Abstand verringert sich der ferromagnetische Einfluss des Geberelements auf das induktive Sensorelement und damit wird das am Sensorelement erfasste Messsignal kleiner.
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Eine weitere Ausgestaltung besteht in einer Gebergeometrie, bei der in Abhängigkeit des Drehwinkels die Menge des ferromagnetischen Materials im Feldbereich des induktiven Sensorelements bzw. der Spule variiert, z.B. dadurch, dass die Breite des Geberelements nicht konstant ist. Eine größere Menge ferromagnetischen Materials führt zu einer Zunahme der Messsignals.
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Es ist weiterhin möglich, beide o.g. Ausgestaltungsmöglichen zu kombinieren.
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Statt der Kombination eines ferromagnetischen Geberelements mit einem induktiven Sensor, bei der die Veränderung der Induktivität des Sensorelementes oder die Änderung des magnetischen Flusses gemessen wird, ist auch die Kombination eines elektrisch leitfähigen Geberelements mit einem induktiv wirkenden Wirbelstromsensor anwendbar. Bei diesen Wirbelstromsensoren wird i.d.R. die unterschiedliche Bedämpfung eines Schwingkreises gemessen. Die Auswirkung auf das Messsignal hängt wiederum von der Leitfähigkeit des Gebermaterials ab. Für die erfindungsgemäße Anwendung kann wiederum das, in diesem Fall leitfähige, Geberelement so gestaltet werden, dass sich eine positionsabhängige Wirkung auf das Messsignal ergibt. Diese positionsabhängige Wirkung kann erreicht werden, indem man den Abstand zwischen Geberelement und Wirbelstromsensorelement und/oder die wirksame Fläche des Geberelements im Erfassungsbereich des Wirbelstromsensorelements positionsabhängig variiert.
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Die Grundfunktion der erfindungsgemäßen Sensoranordnung wird mit einem Linearsensor, bestehend aus längs des Messweges angeordneten einzeln auswertbaren Sensorelementen, und einem Geberelement realisiert, das so gestaltet ist, dass bei einer rotatorischen Bewegung eine vom Drehwinkel abhängige eindeutige Messsignalveränderung in zumindest einem der separat auswertbaren Sensorelemente erfolgt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist so ausgebildet, dass die zumindest zwei separat auswertbaren Sensorelemente die axiale Verschiebung der Welle über zumindest ein an der Welle befestigtes Geberelement erfassen.
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Um die axiale Verschiebung erfassen zu können, ist das Geberelement so gestaltet, dass in den separat auswertbaren Sensorelementen der axialen Verschiebung entsprechende unterschiedliche Messsignale erzeugt werden.
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Das Geberelement kann z.B. ein Absatz in der Welle sein. Im Falle von mehreren Sensorelementen bewegt sich das Geberelement an den einzelnen Sensorelementen vorbei. Aus der Verarbeitung aller separaten Messwerte kann die axiale Position der Welle berechnet werden.
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Zur Erfassung auch der rotatorischen Bewegung der Welle wird erfindungsgemäß diese die Grundfunktion realisierende Linearsensoranordnung dadurch erweitert, dass das Geberelement nicht rotatationssymmetrisch ist, sondern über den Umfangswinkel, zumindest in dem messtechnisch zu erfassenden Winkelbereich, eine Modifikation erfährt.
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Dies kann z.B. eine winkelabhängige Höhe des Geberelementes in dem zu erfassenden Winkelbereich sein. Jeder Höhe kann damit eindeutig ein Winkel zugeordnet werden.
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Um bei im Kraftfahrzeugbereich u.U. schwierigen Umgebungsverhältnissen zuverlässige Messungen zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn das Geberelement so gestaltet ist, dass aus der Kombination der mindestens zwei einzelnen an den Sensorelementen erfassten Messsignale unter Verzicht der Auswertung von absoluten Messwerten, sowohl die axiale Position als auch der Drehwinkel der Welle bestimmt werden kann.
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Zum Beispiel ändert sich die Permeabilität eines aus Stahl ST37 hergestellten ferromagnetischen Geberelementes im Temperaturbereich von -40 Grad C bis 150 Grad C um ca. 23 %. Dieses Verhalten kann mittels der Messung der Temperatur im Sensor kompensiert werden, wobei jedoch niemals sichergestellt ist, dass die Temperatur im Sensorgehäuse der Temperatur des Geberelementes im Handschaltgetriebe entspricht. Eine entsprechende Übereinstimmung ist sogar eher unwahrscheinlich. Weitere Messfehler entstehen durch die Temperaturabhängigkeit der Sensorelemente und der Auswerteelektronik.
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Vorbenannte Probleme werden im Falle der erfindungsgemäßen Sensoranordnung dadurch gelöst, dass die Sensoranordnung für die Ermittelung der Winkelposition über eine oder mehrere Bezugsflächen verfügt um hiermit die Temperatureinflüsse zu erfassen und zu kompensieren.
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Hierzu wird die mindestens eine Bezugsfläche so angeordnet und ausgestaltet, dass die Erfassung des Bezugswertes mit mindestens einem der separat auswertbaren Sensorelemente der Sensoranordnung erfolgen kann. Insbesondere ist nicht vorgesehen, eine zusätzliche Sensorvorrichtung zu verwenden.
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Die mindestens eine Bezugsfläche ist dafür fest mit der Welle in einem festen, bekannten axialen Abstand zum Geberelement befestigt.
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Nach der Bestimmung der axialen Position des Geberelements ist automatisch die Position der Referenzflächen mitbestimmt, da der Abstand zwischen der Position des Geberelements und der der Referenzflächen mechanisch fest vorgegeben und bekannt ist.
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Ebenso kann es selbstverständlich möglich sein, die axiale Position einer Bezugsfläche zu ermitteln und hier aus die Position des Geberelements abzuleiten.
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Es ist vorteilhaft, wenn mindestens eine der Bezugsflächen über denjenigen Drehwinkelbereich der Welle, in dem unterschiedliche Drehstellungen der Welle erfasst werden sollen, einen weitgehend konstanten Abstand zum Sensor aufweist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung hat die Bezugsfläche mit dem im wesentlichen konstanten Abstand zum Sensor immer einen kleineren Abstand zum Sensor, als die weiteren separat abzutastenden Konturen. Die Bestimmung der Position dieser Bezugsfläche erfolgt dann mit einem vergleichsweise einfach Maximal-Wert bzw. Minimal-Wert-Such-Algorithmus.
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Mit dieser Auslegung ist es nunmehr vergleichsweise wenig aufwendig, aus den Messsignalen der diskreten Sensorelemente dasjenige Signal zu ermitteln, das dieser Bezugsfläche zuzuordnen ist.
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Aus dem Verhältnis zwischen dem der Bezugsfläche zugeordneten Messsignal und dem der mindestens einen Geberelement-Kontur mit einem winkelabhängig variablen Abstand zugeordneten Messsignal kann eine Auswertelektronik, z.B. über eine vorberechnete Look-Up-Tabelle, den Drehwinkel der Welle bestimmen.
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Da der Temperaturgang des die Bezugsfläche erfassenden Sensorelements und der Temperaturgang des das Signal der mindestens einen Geberelement-Kontur mit einem winkelabhängig variablen Abstand erfassenden Sensorelements gleich sind, ist das Verhältnis der Sensorwerte von der Temperatur und der Permeabilität des ferromagnetischen Gebermaterials unabhängig.
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Wenn das Geberelement in einer weiteren Ausgestaltung zwei Messflächen aufweist, deren Abstand zum Sensor sich in demjenigen Drehwinkelbereich der Welle, in dem unterschiedliche Drehstellungen der Welle erfasst werden sollen, gegenläufig ändert, werden zwei gegenläufige Messsignale generiert, wodurch eine bessere Auflösung des Drehwinkels der Welle möglich ist oder bei sicherheitsrelevanten Applikationen eine Signalredundanz und damit eine höhere Sicherheit in der Auswertung erreicht wird.
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Das Geberelement kann zwei Messflächen aufweisen, von denen die erste bzw. die zweite in einem ersten bzw. zweiten Teilbereich desjenigen Drehwinkelbereichs der Welle, in dem unterschiedliche Drehstellungen der Welle erfasst werden sollen, einen weitgehend konstanten Abstand zum Sensor aufweist. Hierbei ist es möglich, jeweils ein Bezugsignal zu erhalten, wobei das Signal einer Messfläche sich in demjenigen Bereich mit dem Abstand zum Sensor ändert, in dem das Signal der anderen Messfläche gleich bleibt und umgekehrt. Eine zusätzliche Bezugsfläche kann dann entfallen.
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Wenn die Messfläche bzw. die Messflächen des Geberelements in der Leerlaufposition des Handschaltgetriebes den geringsten Abstand zum Sensor aufweist bzw. aufweisen, ist die Signalauflösung genau im Bereich der Leerlaufposition des Handschaltgetriebes am größten, in der die höchsten Anforderungen an die Signalauflösung und die Genauigkeit der Sensoranordnung gestellt werden.
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Weiter kann es vorteilhaft sein, wenn die Modifikation des Geberelementes über den Drehwinkel nicht konstant ausgeführt ist, sondern in den Bereichen, wo eine größere Auflösung gefordert ist, stärker ausgeprägt ist als in den Bereichen, wo nur eine geringere Auflösung gefordert ist.
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Bei einem Handschaltgetriebe ist im Bereich der Neutralstellung eine hohe Auflösung gefordert. Im Bereich der Gang-Endlagen ist nur eine sehr geringe Auflösung gefordert. Somit ist es vorteilhaft, die Modifikation über den Drehwinkel im Bereich der Neutralstellung stärker auszuführen, als im Bereich der Gang-Endlagen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist jeder Haupt-Axialposition bzw. Schaltgasse einer Schaltwelle eines Handschaltgetriebes mindestens ein Sensorelement des Sensors zugeordnet.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Signalverarbeitung der Sensoranordnung bzw. des Sensors wird erreicht, wenn mittels ihr, z.B. mittels eines ihr zugeordneten Prozessors, eine nicht lineare Abhängigkeit des Abstands zwischen Geberelement und Sensor einerseits und charakteristischem Signalverlauf andererseits programmtechnisch linearisierbar ist.
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Wenn der Sensor aus induktiven Sensorelementen ausgebildet ist, ist es zweckmäßig, das während der Messung jeweils zwei induktive Sensorelemente gegenläufig in Reihe geschaltet sind, so dass sich durch Fremdfelder induzierte Störspannungen aufheben.
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Eine größere Störsicherheit und eine höhere Signalauflösung wird erreicht, wenn das magnetische Feld durch ferromagnetische Spulenkörper und Leitkörper in zumindest einem Teil des Magnetfeldes, der nicht Wesentlich für die Messung der Gebergeometrie ist, geführt wird.
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Vorteilhaft ist in der Signalverarbeitung ein Algorithmus installiert, z.B. in Form einer vorbereiteten Look-Up-Tabelle, mittels dem die Messwerte in eine Drehstellung der Welle umrechenbar ist.
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Um auch für Positionen zwischen den einzelnen Sensorelementen den Drehwinkel bestimmen zu können, ist es zweckmäßig, wenn der in der Signalverarbeitung installierte Algorithmus, vorzugsweise in Form einer dreidimensionalen Look-Up-Tabelle, erweitert ist. Wenn bei diesen Ausführungsformen der Speicherbedarf reduziert werden soll, ist es möglich, die Anzahl der Look-Up-Tabellen zu beschränken und für Zwischenpositionen eine Interpolation zwischen den Look-Up-Tabellen durchzuführen.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann über ein beliebiges Protokoll die axiale Position und den Drehwinkel an weitere Steuergeräte übertragen.
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Vorteilhafterweise findet bereits im Sensor eine Klassifizierung der augenblicklichen Position statt. Diese diskreten Informationen können dann über eine verhältnismäßig günstige und robuste PWM-Schnittstelle an weitere Steuergeräte übertragen werden.
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Vorgeschlagen wird eine Klassifizierung mit folgender Einteilung bei einem beispielhaften Sechs-Gang-Getriebe.
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Endposition Rückwärtsgang, Neutral, Endposition Gang 1, Endposition Gang 2, Endposition Gang 3, Endposition Gang 4, Endposition Gang 5, Endposition Gang 6, Zwischenposition Neutral - Endposition Gang 1, Zwischenposition Neutral - Endposition Gang 2, Zwischenposition Neutral - Endposition Gang 3, Zwischenposition Neutral - Endposition Gang 4, Zwischenposition Neutral - Endposition Gang 5, Zwischenposition Neutral - Endposition Gang 6, Zwischenposition Neutral - Endposition Rückwärtsgang.
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Vorteilhafter Weise wird vor der Ausgabe eines Signals die Integrität der Sensorsignale geprüft. Dies gestaltet sich bei einem Sensor mit mehreren separat erfassbaren analogen Sensorelementen relativ einfach. In Abhängigkeit der Auslegung des Geberelements ergibt eine sequentielle Abfrage der Sensorelemente typische positionsabhängige Signalverläufe. Diese können im Sensor zusammen mit einem zulässigen Toleranzband hinterlegt sein. Ergibt die programmtechnische Überprüfung, dass die sequentiell ermittelten Sensorwerte nicht innerhalb dieses definierten Toleranzbandes liegen, so gibt der Sensor eine Fehlermeldung aus.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Prinzipdarstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung zur Erfassung sowohl der Axial- als auch der Drehstellung einer in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle;
- 2 eine perspektivische Darstellung eines Sensors der in 1 gezeigten Sensoranordnung;
- 3 eine Darstellung des in 2 gezeigten Sensors von der Unterseite her;
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Geberelements der in 1 gezeigten Sensoranordnung;
- 5 eine weitere Darstellung der erfindungsgemäßen Sensoranordnung;
- 6 das Zusammenwirken von Sensorelementen des Sensors mit dem Geberelement der Sensoranordnung;
- 7 ein Geberelement bei dem die Höhe über den Winkel variiert;
- 8 ein Geberelement, bei dem die Breite über den Drehwinkel variiert;
- 9 ein Geberelement, bei dem die Breite einer Aussparung über den Winkel variiert;
- 10 ein Geberelement, bei dem eine ferromagnetische Folie auf ein nicht ferromagnetisches Element aufgeklebt ist;
- 11 ein Geberelement, entsprechend 7, das um eine Bezugsfläche mit konstanter Höhe im zu erfassenden Drehwinkelbereich erweitert ist;
- 12 das in 11 gezeigte Geberelement in einer anderen Ansicht;
- 13 das in 11 gezeigte Geberelement in einer weiteren Perspektive;
- 14 ein Geberelement, entsprechend 8, das um eine Bezugsfläche mit konstanter Breite im zu erfassenden Drehwinkelbereich erweitert ist;
- 15 ein Geberelement, entsprechend 9, das rechts und links der Aussparung Flächen mit konstanter Höhe aufweist, die als Bezugsfläche verwendet werden können; und
- 16 ein Geberelement, entsprechend 10, das um eine Folie mit konstanter Breite im zu erfassenden Drehwinkelbereich erweitert ist.
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Eine im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 6 näher erläuterte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung 1 dient der Erfassung sowohl der Axial- als auch der Drehstellung einer in Längsrichtung verschieblichen und drehbaren Welle 2. Bei der Welle 2 kann es sich insbesondere um eine Schaltwelle 2 eines im übrigen nicht dargestellten Handschaltgetriebes eines Kraftfahrzeugs handeln.
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Mittels der Längs- bzw. translatorischen Bewegung dieser Schaltwelle 2 wird eine der möglichen Schaltgassen des Handschaltgetriebes ausgewählt. In typischen Handschaltgetrieben üblicher Bauart sind in einer dieser Schaltgassen bis zu zwei wählbare Gänge angeordnet, z.B. das Gangpaar „1“ und „2“, das Gangpaar „3“ und „4“, und das Gangpaar „5“ und „R“. Nach dem Auswählen der Schaltgasse wird durch eine Drehung der Welle um ihre Längs- bzw. Rotationsachse innerhalb der ausgewählten Schaltgasse der gewünschte Gang ausgewählt.
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Um bei einer Umschaltung in einen anderen Gang möglichst frühzeitig zu erkennen, welcher Gang eingelegt werden soll, hat die Sensoranordnung 1 einen Sensor 3 und ein Geberelement 4.
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Der Sensor 3 ist, wie sich am besten aus 5 ergibt, ortsfest in Bezug auf die Schaltwelle 2 angeordnet. Das Geberelement 4 ist in geeigneter Weise an der Schaltwelle 2 befestigt und demgemäß mit dieser sowohl in deren Längsrichtung verschieblich als auch - bei einer Rotation der Schaltwelle 2 um deren Rotationsachse - um diese Rotationachse dreh- bzw. schwenkbar.
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Zu dem Sensor 3 gehören, wie sich am besten aus den 3 und 6 ergibt, im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Sensorelemente 5, die in Längsrichtung der Schaltwelle 2 in einer Reihe hintereinander angeordnet sind. Bei einer translatorischen bzw. Längsverschiebung der Welle 2 wird somit das Geberelement 4 längs der in einer Reihe angeordneten Sensorelemente 5 des Sensors 3 bewegt. Innerhalb des Sensors 3 der Sensoranordnung 1 ist eine in den Figuren nicht im Einzelnen dargestellte Signalverarbeitung vorgesehen, die den im dargestellten Ausführungsbeispiel sechs Sensorelementen 5 zugeordnet ist. Mittels dieser Signalverarbeitung kann jedes der Sensorelemente 5 separat ausgewertet werden.
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Die Sensorelemente 5 des Sensors 3 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 1 als induktive Sensorelemente 5 in Form bestromter Spulen ausgebildet. Diese induktiven Sensorelemente 5 haben ein Magnetfeld, das in den Messbereich des Sensors 3 austritt. Wenn in dieses Magnetfeld ein ferromagnetischer Werkstoff hinein gerät, so kann mit der Auswerteschaltung, die in der Signalverarbeitung des Sensors 3 vorgesehen ist, die Änderung der Spuleninduktivität für jedes der Sensorelemente 5 gemessen werden. Diese Änderung der Spuleninduktivität jedes der Sensorelemente 5 ist bei dem Geberelement 4 im Wesentlichen vom Abstand zwischen diesem Geberelement 4 einerseits und den Sensorelementen 5 des Sensors 3 andererseits abhängig.
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Das Geberelement 4 erzeugt somit in den Sensorelementen 5 des Sensors 3 jeweils ein Signal, wobei der Signalverlauf dieses Signals für die Verschiebung der Welle 2 in Längsrichtung und für die Drehstellung der Welle 2 charakteristisch ist. Zur Signalverarbeitung des Sensors 3 gehört ein Prozessor, der eine nicht lineare Abhängigkeit des Abstands zwischen dem Geberelement 4 und den Sensorelementen 5 des Sensors 3 programmtechnisch linearisieren kann.
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Die als bestromte Spulen ausgebildeten induktiven Sensorelemente 5 des Sensors 3 sind zur Erhöhung der Induktivität auf einen Wickelkörper bzw. -kern aus einem ferromagnetischen Werkstoff aufgewickelt. Hierdurch kann die Empfindlichkeit der in der Signalverarbeitung vorgesehenen Auswerteschaltung geringer ausfallen.
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Die Signale der einzelnen Sensorelemente 5 werden in der in der Signalverarbeitung integrierten Auswerteschaltung mittels eines aufgabenspezifischen Algorithmus bewertet.
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Zunächst ist die Position des Geberelements 4 entlang der Anordnung der Sensorelemente 5 des Sensors 3 zu bestimmen. Sofern jeder möglichen diskreten Position der Welle 2 und damit des Geberelements 4 ein eindeutiges Sensorelement 5 zugeordnet ist, besteht der vorstehend erwähnte Algorithmus lediglich darin, die beiden Sensorelemente 5 zu finden, deren Signale den geringsten Abstand anzeigen. Diese können dann eindeutig einer Gasse zugeordnet werden. In diesem Fall kann eine Linearisierung entfallen.
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Auch Zwischenpositionen zwischen den einzelnen Sensorelementen 5 können durch einen Interpolationsalgorithmus einfach bestimmt werden.
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Bei einem derart gestalteten Linearsensor liegt der Vorteil vor, dass das Ergebnis der Interpolation in einem weiten Bereich unabhängig vom Abstand zwischen Sensor 3 und Geberelement 4 ist.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Geberelement 4 so gestaltet, dass der Abstand zwischen dem Sensor 3 bzw. dessen Sensorelementen 5 und dem Geberelement 4 in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Welle 2 variiert; die Induktivität der Sensorelemente 5 des Sensors 3 ist somit abhängig vom jeweiligen Drehwinkel der Schaltwelle 2.
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Wenn, wie beispielsweise in einem Handschaltgetriebe, in translatorischer Richtung der Schaltwelle 2 nur wenige diskrete Positionen in Form von Schaltgassen vorliegen und jeder dieser diskreten Positionen der Schaltwelle 2 eindeutig zwei Sensorelemente 5 zugeordnet sind, so entsprechen die Sensorelemente 5 mit der höchsten Induktivität der gewählten Schaltgasse und die Höhe der Induktivität ist eine Entsprechung für den Drehwinkel der Schaltwelle 2. Über einen geeigneten Algorithmus, z.B. eine vorberechnete Look-Up-Tabelle, kann die Höhe der Induktivität des Sensorelements 5 in einen Drehwinkel der Schaltwelle 2 umgerechnet werden.
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Es ist möglich, einen erweiterten Algorithmus zu bilden, um auch für Positionen zwischen den einzelnen Sensorelementen 5 den Drehwinkel der Schaltwelle 2 bestimmen zu können. In diesem Fall ergibt sich eine dreidimensionale Look-Up-Tabelle. Um den Speicherbedarf zu reduzieren, ist es möglich, die Anzahl der Look-Up-Tabellen zu beschränken und für die Zwischenpositionen eine Interpolation zwischen den Look-Up-Tabellen durchzuführen.
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Die vorstehend geschilderte absolute Messung des Abstands zwischen den Sensorelementen 5 des Sensors 3 einerseits und dem Geberelement 4 andererseits ist prinzipiell ausreichend.
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Das Geberelement 4 weist hierzu eine Messfläche aus einem ferromagnetischen Werkstoff auf. Der Abstand zwischen dieser Messfläche einerseits und dem Sensor 3 bzw. dessen Sensorelementen 5 andererseits ändert sich über denjenigen Drehwinkelbereich der Schaltwelle 2, in dem unterschiedliche Drehstellungen der Schaltwelle 2 erfasst werden sollen, entsprechend der sich ändernden Drehstellung der Schaltwelle 2. Selbstverständlich führen auch Veränderungen der translatorischen Position der Schaltwelle 2 zu entsprechenden Abstandsänderungen.
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Um statt einer absoluten Messung des Abstands zwischen Sensorelement 5 einerseits und Geberelement 4 andererseits eine in weitaus geringerem Umfang störanfällige relative Messung durchzuführen, ist am Geberelement 4, wie am besten aus 4 hervorgeht, eine Referenzfläche aus einem ferromagnetischen Werkstoff vorgesehen, die über denjenigen Drehwinkelbereich der Schaltwelle 2, in dem unterschiedliche Drehstellungen der Schaltwelle 2 erfasst werden sollen, einen weitgehend konstanten Abstand zum Sensor 3 bzw. zu dessen Sensorelementen 5 aufweist. Diese Referenzfläche aus ferromagnetischem Werkstoff ist auf dem in 4 rechts dargestellten Geberelementabschnitt 7 so angeordnet, dass ihr Abstand zu dem Sensorelement 5, welches, wie dies beispielsweise in 6 dargestellt ist, diesem Geberelementabschnitt 7 zugeordnet ist, konstant bleibt, wenn die Schaltwelle 2 in dem vorgegebenen Drehbereich bzw. um den vorgegebenen Drehwinkel um ihre Rotationsachse gedreht wird. Auf dem in 4 linken Geberelementabschnitt 6 ist die vorstehend bereits erwähnte Messfläche aus ferromagnetischem Werkstoff vorgesehen, deren Abstand zum ihr zugeordneten Sensorelement 5 des Sensors 3 in Abhängigkeit vom Drehwinkel der Schaltwelle 2 variiert.
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Die auf dem in 4 rechten Geberelementabschnitt 7 vorgesehene Referenzfläche hat über den für die Schaltwelle 2 vorgesehenen Drehwinkelbereich einen konstanten Abstand zum Sensorelement 5 des Sensors 3, wohingegen die auf dem in 4 linken Geberelementabschnitt 6 vorgesehene Messfläche einen vom Drehwinkel der Schaltwelle 2 abhängigen Abstand zum jeweiligen Sensorelement 5 aufweist.
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In der Auswerteschaltung der Signalverarbeitung kann aus den empfangenen Signalen der diskreten Sensorelemente 5 ohne weiteres dasjenige Signal ermittelt werden, welches der Messfläche des in 4 linken Geberelementabschnitts 6 des Geberelements 4 zugeordnet ist. Das Verhältnis zwischen diesem Messsignal und dem Referenzsignal, welches durch die Referenzfläche auf dem in 4 rechten Geberelementabschnitt 7 erzeugt wird, ist ein Maß für den Drehwinkel der Schaltwelle 2.
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Des Weiteren ist es möglich, das Geberelement 4 um eine zweite Messfläche zu erweitern, wobei die Abstandsänderungen zwischen den dann zwei Messflächen und den Sensorelementen 5 zumindest in einem Teilbereich des Drehwinkels der Schaltwelle 2 gegenläufig sind. Hierdurch erhält man zwei unabhängige Signalwerte und damit eine bessere Auflösung des Drehwinkels der Schaltwelle 2. Ein Verzicht auf die vorstehend geschilderte separate Referenzfläche ist möglich, wenn die beiden Messflächen gegeneinander referenziert werden.
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Beispielsweise könnte die erste Messfläche im Wesentlichen einen über den Drehwinkel konstanten Abstand zum Sensorelement 5 aufweisen. Lediglich in dem Winkelbereich von 0 bis +25 Grad wird der Abstand zwischen der ersten Messfläche und dem Sensorelement 5 größer. Auch die zweite Messfläche hat einen im Wesentlichen über den Drehwinkel konstanten Abstand zum Sensorelement 5. Lediglich in dem Bereich von 0 bis -25 Grad wird der Abstand zwischen der zweiten Messfläche und dem Sensorelement 5 größer.
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Bei dieser vorstehend geschilderten Ausführungsform sind Drehwinkel außerhalb des Bereichs von -25 Grad bis +25 Grad aufgrund mechanischer Begrenzungen nicht möglich.
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Solange die Signale der den beiden Messflächen zugeordneten Sensorelemente 5 gleich sind, liegt ein Drehwinkel von genau 0 Grad vor.
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Wird das der ersten Messfläche zugeordnete Signal kleiner als das der zweiten Messfläche zugeordnete Signal, so ist die Drehrichtung der Schaltwelle 2 in Richtung auf +25 Grad. Zur genauen Bestimmung des Drehwinkels der Schaltwelle 2 kann dann auf das der zweiten Messfläche zugeordnete Signal referenziert werden, welches sich im Bereich von 0 Grad bis 25 Grad nicht ändert.
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Wird das der zweiten Messfläche zugeordnete Signal kleiner als das der ersten Messfläche zugeordnete Signal, so ist die Drehrichtung der Schaltwelle in Richtung auf -25 Grad. Zur genauen Bestimmung des Drehwinkels kann dann auf das der ersten Messfläche zugeordnete Signal, welches sich zwischen 0 Grad und 25 Grad nicht ändert, referenziert werden.
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Das in den Figuren gezeigte Geberelement 4 ist für einen Drehwinkelmessbereich von +25 Grad bis -25 Grad vorgesehen. Dies ist ein typischer Wert für ein Handschaltgetriebe.
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Da bei Sensoren 3 mit induktiven Sensorelementen 5 die Signalauflösung mit zunehmendem Messabstand geringer wird, ist es sinnvoll, bei der Ausgestaltung des Geberelements 4 in den Bereichen mit den höchsten Anforderungen an die Messgenauigkeit möglichst nahe am Sensor 3 zu sein. In der Anwendung bei einem Schaltgetriebe wird die höchste Anforderung an das Signal für die Leerlaufposition beim 0 Grad gestellt. Daher sind die Messflächen so gestaltet, dass sie in dieser Position den kleinsten Abstand zum Sensor 3 haben, um die Leerlaufposition sicher und mit der höchsten Auflösung bestimmen zu können.
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Bei einer in 7 gezeigten Ausführungsform des an der Schaltwelle 2 angebrachten Geberelements 4 ist die Messfläche so gestaltet, dass ihr Abstand zur Längsachse der Schaltwelle 2 sich mit dem Umfangsverlauf der Schaltwelle 2 ändert. Der Abstand der Messfläche zum Sensorelement 5 variiert somit mit dem Drehwinkel der Schaltwelle 2.
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Bei der in 8 gezeigten Ausführungsform des Geberelements 4, welches an der auch in 8 nur teilweise dargestellten Schaltwelle 2 angebracht ist, ändert sich die Breite des Geberelements 4 und damit der Messfläche über den Umfang der Schaltwelle 2. Entsprechend ist das am zugeordneten Sensorelement 5 erfasste Messsignal abhängig vom Drehwinkel der Schaltwelle 2.
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Im Falle der in 9 gezeigten Ausführungsform des Geberelements 4 ist im Geberelement 4 bzw. in dessen Messfläche eine Aussparung vorgesehen, die in Umfangsrichtung der Schaltwelle 2 hinsichtlich ihrer Breite variiert. Entsprechend ändert sich das in dem jeweiligen Sensorelement 5 erfasste Messsignal.
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Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform des Geberelements 4 ist dieses an sich nicht ferromagnetisch. Auf dieses Geberelement 4 ist eine ferromagnetische Folie 8 aufgeklebt, die die Messfläche des Geberelements 4 bildet. Die Breite der Folie 8 variiert über den Umfang der Schaltwelle 2, so dass am jeweiligen Sensorelement 5 ein vom Drehwinkel der Schaltwelle 2 abhängiges Messsignal erfasst wird.
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Im Falle des anhand der 11 bis 13 gezeigten Geberelements 4 ist ein erster Geberelementabschnitt 9 und ein zweiter Geberelementabschnitt 10 vorgesehen. Der erste Geberelementabschnitt 9 bildet die Messfläche aus, deren Abstand zur Längsachse der Schaltwelle 2 in Umfangsrichtung variiert. Am zweiten Geberelementabschnitt 10 ist die Referenzfläche ausgebildet, deren Abstand zur Achse der Schaltwelle 2 konstant ist.
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Im Falle des in 14 gezeigten Geberelements 4 ist ebenfalls ein erster Geberelementabschnitt 9 und ein zweiter Geberelementabschnitt 10 vorgesehen. Im Falle des ersten Geberelementabschnitts 9 variiert die Breite der Messfläche in Umfangsrichtung der Schaltwelle 2. Die durch den zweiten Geberelementabschnitt 10 gebildete Referenzfläche hat eine über den Umfang der Schaltwelle 2 konstante Breite.
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Im Falle des in 15 gezeigten Geberelements 4 sind rechts und links einer hinsichtlich ihrer Breite über den Umfang der Schaltwelle 2 variierenden Aussparung Referenzflächen vorgesehen, die einen konstanten Abstand zur Achse der Schaltwelle 2 aufweisen und entsprechend als Bezugsfläche verwendet werden können.
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Bei dem in 16 gezeigten, an sich nicht ferromagnetischen Geberelement 4 sind auf dieses die hinsichtlich ihrer Breite in Umfangsrichtung der Schaltwelle 2 variierende ferromagnetische Folie 8 sowie eine entsprechende ferromagnetische Folie 11 aufgeklebt, die in Umfangsrichtung der Schaltwelle 2 hinsichtlich ihrer Breite konstant ist. Durch diese hinsichtlich ihrer Breite konstante Folie 11, die - wie die Folie 8 - auf das Geberelement 4 aufgeklebt ist, kann die Referenzfläche des Geberelements 4 gebildet werden.
