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Die vorliegende Erfindung betrifft einen induktiven Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einer Spule und ein Verfahren zum Bestimmen der Position des Messobjekts relativ zur Spule.
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Ein Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einem Sensorelement ist beispielsweise aus der
WO 2010/015482 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen kapazitiven Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einer ersten Kondensatorelektrode. Das Messobjekt ist dabei mit einer zweiten Kondensatorelektrode verbindbar, wobei die zweite Kondensatorelektrode in Abhängigkeit der relativen Position des Messobjekts zur ersten Kondensatorelektrode einen Bereich der ersten Kondensatorelektrode bedeckt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den bekannten Wegsensor zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Erfindung schlägt vor, den bekannten kapazitiven Wegsensor induktiv auszuführen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der kapazitive Wegsensor teils starken Bauteilschwankungen unterliegt, die zu entsprechend hohen Messfehlern im Einsatz des kapazitiven Wegsensors führen. Der Erfindung liegt ferner die Überlegung zugrunde, dass diese hohen Messfehler ihre Ursache in der nicht unerheblichen Abhängigkeit des kapazitiven Wegsensors gegenüber Verunreinigungen haben, da Verunreinigungen Einfluss auf die dielektrischen Eigenschaften des Raums zwischen den beiden Kondensatorelektroden haben.
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Zwar gibt es Ansätze, den kapazitiven Wegsensor gegenüber Verunreinigungen beispielsweise durch ein dichtes Gehäuse zu sichern, eine dauerhaft funktionssichernde Abdichtung ist jedoch aufwändig und kostenintensiv. Insbesondere gegenüber der Luftfeuchtigkeit ist ein sehr hoher Abdichtungsaufwand notwendig. Zudem unterliegt auch die Abdichtung gewissen Verfalls- und Abnutzungserscheinungen, die über lange Sicht gesehen keine hundertprozentige Sicherheit gegenüber Verunreinigungen bieten können.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Überlegung zugrunde, dass die meisten Verunreinigungen, insbesondere die Luftfeuchtigkeit, zwar die dielektrischen Eigenschaften des Raums in einem Wegsensor beeinflussen, jedoch kaum Auswirkungen auf seine permeablen Eigenschaften haben. Folglich ist ein induktives Messprinzip für den Wegsensor deutlich fehlerunanfälliger als das kapazitive Messprinzip.
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Die Erfindung gibt daher einen induktiven Wegsensor zum Erfassen einer Position eines Messobjekts relativ zu einer Spule an, der die Spule und einen permeablen und/oder permittiven Probekörper umfasst, wobei der Probekörper in Abhängigkeit der relativen Position des Messobjekts zur Spule einen Bereich der Spule bedeckt.
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Über die Position des Probekörpers können Positionsänderungen des Probekörpers und damit zurückgelegte Wege des Messobjektes erfasst werden, wenn es mit dem Probekörper verbunden ist. Die Form des Weges ist dabei beliebig. So kann der Wegsensor ausgelegt sein, wie bei einem Lenkwinkelsensor einen Weg auf einer Kreisbahn zu erfassen oder auch einen geradlinig verlaufenden.
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In einer Weiterbildung ist die Spule eine Planarspule und der Probekörper ein Metallband, das zum flächigen Bedecken der Planarspule in Abhängigkeit der relativen Position des Messobjekts zur Planarspule vorgesehen ist. Durch die Planarspule kann der iniduktive Wegsensor besonders platzsparend aufgebaut werden. In diesem Fall kann der Probekörper in Bewegungsrichtung der Planarspule gesehen parallel zu dieser angeordnet werden, wobei der Probekörper zur Messung in Bewegungsrichtung über die Planarspule geschoben werden kann. Auf diese Weise überdecken sich die Planarspule und der Probekörper auf einer Überdeckungsfläche, deren Größe von der Lage des Messobjektes zur Planarspule abhängig ist, wenn das Messobjekt mit dem Probekörper verbunden ist. Von der Größe dieser Überdeckungsfläche abhängig ist dann die Induktivität der Planarspule.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung ist die Planarspule aus Leiterbahnen einer mit der Planarspule elektrisch verbundenen Schaltung zum Erfassen der Induktivität und zum Ausgeben eines von der Induktivität der Planarspule abhängigen Signals gebildet. Auf diese Weise kann die Planarspule direkt auf die Schaltung durch reine Ausbildung der Leiterbahnen aufgebracht werden. Auf diese Weise entfällt eine extra Spule für den induktiven Wegsensor, was die Größe des induktiven Wegsensors weiter reduziert. Zudem lassen sich Produktions- und Materialkosten sparen, da weder eine extra Spule angeschafft noch in einem extra Herstellungsschritt auf die Schaltung aufgebracht werden muss.
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In einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist eine Isolierung zwischen der Spule und dem Probekörper angeordnet. Diese Isolierung verhindert einen Kurzschluss der Elemente des Wegsensors und damit undefinierte Messzustände.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung ist das Metallband aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Durch das ferromagnetische Material wird ein besonders hoher Permittivitätsunterschied über der Spule erzeugt, durch den sich selbst kleine Positionsänderungen bereits erfassen lassen können, so dass sich eine gute Empfindlichkeit für den induktiven Wegsensor erreichen lässt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist auf das ferromagnetische Material ein aus einem Stromleitermetall hergestelltes Band aufgebracht. Unter einem Stromleitermetall versteht man die Metalle, die in technischer Hinsicht aufgrund ihrer guten Leitfähigkeit zur Stromleitung herangezogen werden. Dabei handelt es sich vor allem um Kupfer und Aluminium, die sehr kostengünstig sind, aber auch um Gold oder Silber. Durch den Stromleiter können durch diese Spule zusätzliche Wirbelströme erzeugt werden, wodurch die Induktivität der Spule in einem noch stärkeren Maße vom Probekörper beeinflusst wird, so dass sich die Empfindlichkeit des Sensors weiter steigern lässt.
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In einer anderen Weiterbildung ist das Metallband aufgerollt und vom Messobjekts auf einer Oberseite der Planarspule abrollbar. Auf diese Weise nimmt das Metallband wenig Bauraum im induktiven Wegsensor in Anspruch, so dass der induktive Wegsensor platzsparend aufgebaut werden kann.
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In einer besonderen Weiterbildung ist ein Sensormagnetband auf einer der Oberseite gegenüberliegenden Unterseite der Planarspule zum Anziehen des Metallbandes angeordnet. Mit dem Sensormagnetband kann das Metallband an die Planarspule angedrückt werden, wenn es über diese aufgrund der Bewegung des Messobjektes gelegt wird, so dass ein definierter Abstand zwischen der Planarspule und dem Metallband als Probekörper geschaffen ist. Zwar ändert das Sensormagnetband die Induktivität der Planarspule, dadurch dass das Sensormagnetband sich gegenüber der Planarspule nicht bewegt hat das Sensormagnetband bei der Bewegung des Messobjektes und damit bei der Wegeerfassung des Messobjektes auf die Induktivitätsänderung der Planarspule keinen Einfluss.
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In einer bevorzugten Weiterbildung umfasst der induktive Wegsensor eine Probekörpertrommel, auf der das Metallband aufrollbar ist.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst der induktive Wegsensor ein um einen Umfang der Probekörpertrommel gelegtes Probekörpermagnetband zum Anziehen des Metallbandes an die Probekörpertrommel, so dass das Metallband im aufgerollten Zustand straff an der Probekörpertrommel anliegt.
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In einer zusätzlichen Weiterbildung der Erfindung umfasst der induktive Wegsensor eine Sensortrommel an dessen Innenumfang die Spule angeordnet ist. Dabei kann die Probekörpertrommel konzentrisch in der Sensortrommel angeordnet sein. Im Betrieb des induktiven Wegsensors wird die Probekörpertrommel und/oder die Sensortrommel entgegen der Aufrollrichtung des Metallbandes auf die Probekörpertrommel gedreht, so dass das Metallband von der Probekörpertrommel abgerollt und auf die Sensortrommel gedrückt wird.
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Die Erfindung gibt auch einen Hauptzylinder zum Erzeugen eines hydraulischen Druckes für eine hydraulische Bremsanlage basierend der Lage eines Bremspedals an. Der Hauptzylinder umfasst ein Gehäuse mit der hydraulischen Flüssigkeit, einen durch das Bremspedal in dem Gehäuse axial beweglichen Druckkolben und einen erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor zum Erfassen der axialen Stellung des Kolbens im Gehäuse an.
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Die Erfindung gibt auch ein Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Hauptzylinder an.
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Die Erfindung gibt auch ein Verfahren zum Bestimmen der Position eines Messobjekts relativ zu einer Spule an, das den Schritt Bedecken eines Bereichs der Spule mit einem permeablen und/oder permittiven Probekörper umfasst, wobei der Bereich von der relativen Position des Messobjekts zu Spule abhängig ist. Ferner umfasst das angegebene Verfahren den Schritt Bestimmen der Induktivität der Spule.
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Weiterbildungen des Verfahrens können Verfahrensschritte sein, die die Merkmale des angegebenen Wegsensors oder des Hauptzylinders gemäß den Unteransprüchen sinngemäß realisieren.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 einen Tandemhauptzylinder mit dem erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor;
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2 ein Beispiel für einen induktiven Wegsensor;
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3 ein Beispiel für einen als Lenkwinkelsensor ausgeführten induktiven Wegsensor;
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4 ein weiteres Beispiel für einen als Lenkwinkelsensor ausgeführten induktiven Wegsensor; und
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5 eine beispielhafte Schaltung zur Auswertung der Messergebnisse des induktiven Wegsensors zeigen.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die einen Tandemhauptzylinder 2 mit dem erfindungsgemäßen induktiven Wegsensor 4 zeigt.
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Der Tandemhauptzylinder 2 weist ferner einen Druckkolben 6 auf, der in einer Bewegungsrichtung 8 in einem Gehäuse 10 beweglich angeordnet ist, wobei die Bewegung des Druckkolbens 6 durch ein nicht gezeigtes Fußpedal gesteuert werden kann. Der Druckkolben 6 selbst ist in einen Primärkolben 12 und einen Sekundärkolben 14 unterteilt, wobei der Primärkolben 12 einen Eingang des Gehäuses 10 verschließt und der Sekundärkolben 12 den Innenraum des Gehäuses 10 in eine Primärkammer 16 und eine Sekundärkammer 18 unterteilt. Im Bereich des Eingangs des Gehäuses 10 ist am Primärkolben 12 eine Sekundärmanschette 20 angeordnet, die den Innenraum des Gehäuses 10 von der Umgebungsluft isoliert. In den Innenraum des Gehäuses 10 hinein gesehen folgt nach der Sekundärmanschette 20 eine Primärmanschette 22, die einen Spalt zwischen dem Primärkolben 12 und einer Wand des Gehäuses 10 abdichtet. Eine Druckmanschette 24 am Sekundärkolben 14 isoliert den Druck der Primärkammer 16 vom Druck der Sekundärkammer 18. Ferner dichtet eine weitere Primärmanschette 26 am Sekundärkolben 14 einen Spalt zwischen dem Sekundärkolben 14 und der Wand des Gehäuses 10 ab. Der Primärkolben 12 ist gegen den Sekundärkolben 14 über eine erste Feder 28 abgestützt, während der Sekundärkolben gegen einen Gehäuseboden über eine zweite Feder 30 abgestützt ist. Über einen ersten und zweiten Anschluss 32, 34 können entsprechend die Primärkammer 16 und die Sekundärkammer 18 mit nicht gezeigter Hydraulikflüssigkeit versorgt werden.
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Da dem Fachmann die Funktionsweise eines Tandemhauptzylinders bekannt ist, soll auf eine detaillierte Darstellung dieser verzichtet werden.
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Der erfindungsgemäße induktive Wegsensor 4 weist einen Probekörper in Form eines Schiebers 36 auf, der in die Bildebene hinein betrachtet unter einer Planarspule 38 geschoben werden kann. Zum Schieben des Schiebers 36 weist der Primärkolben 12 einen Flansch 40 auf, an dem der Schieber 36 gegengelagert ist. Der Flansch 40 und der Primärkolben 12 bilden damit gemeinsam ein Messobjekt, dessen Position durch den induktiven Wegsensor 4 ermittelt wird. Die Planarspule 38 ist aus mehreren Leiterbahnen auf einer Leiterplatte 42 gebildet, die eine in 5 gezeigte Schaltung 44 zur Auswertung der Induktivität der Planarspule 38 aufweist, auf die an späterer Stelle näher eingegangen wird. Auf die Leiterplatte 42 mit der Planarspule 38 kann zum Schutz beispielsweise vor Schmutz ein Deckel 46 aufgelegt sein.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, die ein zweites Ausführungsbeispiel für den induktiven Wegsensor 4 zeigt. In 2 werden zu 1 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben.
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In 2 wird auf der Planarspule 38 als Probekörper eine Rolle 46 aus Stahlfolie 47 abgerollt. Das Messobjekt kann dabei in der Mitte 48 der Rolle 46 angeordnet werden. Je weiter das Messobjekt und damit die Mitte 48 der Rolle 46 in die Bildebene hinein betrachtet in Richtung 50 rechts verschoben wird, desto mehr rollt sich die Rolle 46 über der Planarspule 38 ab und bedeckt entsprechend mehr Fläche der Planarspule 38, was zu einer entsprechenden Induktivitätsveränderung der Planarspule 38 aufgrund der hohen Permeabilität der Stahlfolie 47 führt.
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Um den Halt der abgerollten Stahlfolie 47 der Rolle 46 auf der Planarspule 38 zu verbessern ist unter der Planarspule 38 ein Magnetband 52 angeordnet, durch dass die Stahlfolie magnetisch angezogen wird. Das Magnetband hat zwar einen Einfluss auf die Gesamtinduktivität der Planarspule 38, aus der Induktivitätsänderung der Planarspule 38 aufgrund des Abrollens der Rolle 46 über der Planarspule 38 ist jedoch immer noch zuverlässig der zurückgelegte Weg der Rolle 46 und damit des Messobjektes erkennbar.
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Die Induktivität kann beispielsweise durch die noch zu beschreibende Schaltung 44 an zwei Klemmen 54 der Planarspule 38 gemessen werden. Wird beispielsweise zur Messung der Induktivität das Wirbelstromprinzip herangezogen, so kann die Induktivitätsänderung und damit die Empfindlichkeit des Gesamtsensors weiter gesteigert werden, wenn auf der Rolle 46 neben der Stahlfolie 47 noch eine weitere gute elektrisch leitfähige Folie, wie beispielsweise eine Aluminiumfolie 56 aufgebracht wird. Diese kann wahlweise von der Planarspule 38 aus gesehen oberhalb oder unterhalb der Stahlfolie 47 angeordnet werden, wobei die Aluminiumfolie in 2 oberhalb der Stahlfolie 47 angeordnet ist.
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Es wird auf 3 Bezug genommen, die ein drittes Ausführungsbeispiel für den induktiven Wegsensor 4 zeigt. In 3 werden zu 1 und 2 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben. In 3 ist der Wegsensor 4 als Lenkwinkelsensor ausgeführt.
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Der induktive Wegsensor 4 umfasst hier ein Gehäuseelement 58, welches fest positioniert und ein Trommelelement 60, welches in nicht dargestellter Weise mit einer Welle verbunden ist, deren Drehwinkel erfasst werden soll, und welches gegenüber Gehäuseelement 58 drehbar angeordnet ist.
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Ein Federstahlband 62 ist mit dem Trommelelement 60 und dem Gehäuseelement 58 verbunden und auf einem Aussenmantel 66 des Trommelelements 60 in einer Nut 68, als Führungsmittel, teilweise aufgewickelt beziehungsweise aufgerollt.
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Die Planarspule 38 ist auf einen Innenmantel 74 des Gehäuseelementes 58 aufgeklebt.
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Im Zuge einer relativen Drehbewegung zwischen dem Trommelelement 60 und dem Gehäuseelement 58 wird das Federstahlband 62 vom Trommelelement 60 ab beziehungsweise auf dieses aufgerollt und dabei auf die Planarspule 38 des Gehäuseelements 58 aufgewickelt beziehungsweise von diesem abgewickelt.
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Dabei liegt das Federstahlband 62 mit einer definierten Länge auf der Planarspule 38 auf, wodurch proportional zu dieser Länge die Induktivität der Planarspule 38 verändert wird. Die Klemmen 54 der sind über Verbindungsleitungen 76 elektrisch leitend mit der Schaltung 44 verbunden.
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In einem weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispiel werden das erste und das zweite Band durch obig beschriebene spiralförmige Nut gemeinsam geführt und sind jeweils schräg gegenüber einer Basisfläche bzw. dem Gehäuseboden des Gehäuseelements befestigt.
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Es wird auf 4 Bezug genommen, die ein viertes Ausführungsbeispiel für den induktiven Wegsensor 4 zeigt. In 4 werden zu den 1 bis 3 gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht noch einmal beschrieben. Auch in 4 ist der induktive Wegsensor 4 als Lenkwinkelsensor ausgebildet.
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In 4 ist die Planarspule 38 auf ein Magnetband 76 aufgebracht, welches in einer Nut 78 im Innenmantel 74 des Gehäuselementes 58 aufgenommen ist. Die Nut 78 im Innenmantel 74 führt das Federstahlband 62 axial am Gehäuseelement 58, während das Magnetband 76 das Federstahlband 62 magnetisch anzieht und so radial führt.
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Desweiteren kann in nicht gezeigter Weise in der Nut 68 im Außenmantel 66 des Trommelelementes 60 in nicht gezeigter Weise ebenfalls ein Magnetband angeordnet sein, um das Federstahlband am Trommelelement 60 zu halten, wenn beispielsweise die Rückstellkraft des Federstahlbandes 62 zu gering ist, damit es sich von allein in der Nut 68 im Außenmantel 66 des Trommelelementes 60 hält.
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Es wird auf 5 Bezug genommen, die ein beispielshaftes Schaltbild der Schaltung 44 zeigt.
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In der vorliegenden Ausführung ist die Schaltung 44 als LC-Gate-Oszillator ausgeführt. Dieser erzeugt basierend auf der Induktivität 80 der Planarspule 38 ein Ausgangssignal 82 mit einer von der Induktivität 80 abhängigen Frequenz über einen Parallelschwinkreis 84. Alternativ könnte die Induktivität 80 mit anderen Oszillatoren, wie einem Meissner Oszillator, oder mit anderen Messprinzipien, wie beispielsweise eine Erfassung der Impedanz der Planarspule 38, bestimmt werden.
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Der Parallelschwingkreis 84 in der gezeigten Schaltung 44 ist aus der Induktivität 80 der Planarspule 38 und einer Kapazität 86 zusammengesetzt. Die für einen Oszillator notwendige Verstärkung der erzeugten Schwingung 88 des Parallelschwingkreis 84 wird über einen ersten Inverter 90 und einen zweiten Inverter 92 realisiert. Die notwendige Rückkopplung auf den Parallelschwingkreis 84 erfolgt über einen Rückkopplungswiderstand 94 und eine Rückkopplungskapazität 95. Dabei bestimmt der Rückkopplungswiderstand 94 die Amplitude des Ausgangssignals 82 und somit die Leistungsaufnahme der Schaltung 44. Eine Filterkapazität 96 zwischen dem Parallelschwingkreis 84 und dem ersten Inverter 90 filtert Signalanteile mit tiefen Frequenzen, wie beispielsweise einen Offset. Der erste Inverter 90 bildet ferner mit einem weiteren Rückkopplungswiderstand 98 eine untergeordnete Rückkoppelschleife.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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