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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Sensorvorrichtung nach der Gattung
des unabhängigen Anspruchs. Aus der
WO 03/031990 A1 ist bereits
eine Vorrichtung zur kombinierten Erfassung der Achsbeschleunigung
und der Raddrehzahl bekannt. Dort werden Raddrehzahlsensor und Beschleunigungsaufnehmer
gemeinsam in einer gemeinsamen Vorrichtung kombiniert und mit der
Radachse mechanisch steif verbunden. Dort ist eine gemeinsame Nutzung
der Schnittstelle und der erforderlichen Stromversorgung vorgesehen.
Die Sensoren sind in ein gemeinsames Gehäuse integriert.
Weiterhin ist auch eine Aufbereitungsschaltung für die
beiden Sensoren vorgesehen. Allerdings müsste hierzu ein
eigens zu entwickelnder integrierter Schaltkreis vorgesehen werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kostengünstige
Integration vorzusehen, die oben genannte Problematik vermeidet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs.
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Vorteile der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Sensorvorrichtung nach den Merkmalen
des unabhängigen Anspruchs hat demgegenüber den
Vorteil, dass einerseits Synergiepotentiale durch die Integration
mehrerer Sensoren in einem Gehäuse genutzt werden können. Weiterhin
vermeidet die vorgeschlagene Lösung auch zusätzliche
Sensorleitungen im dynamischen Bereich des Kraftfahrzeugs. Auf der
anderen Seite können die bislang verwendeten Sensoren bzw.
deren entwickelte integrierte Schaltungen ohne Änderungen
beibehalten werden, so dass auf eine kostenintensive Neuentwicklung
einer integrierten Schaltung, die beide Sensoren integriert, verzichtet
werden kann. Durch die galvanisch voneinander getrennte Weiterleitung
der Signale mittels separater Leitungen wird die Störanfälligkeit
des Gesamtsystems minimiert.
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Weitere
zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus weiteren
abhängigen Ansprüchen und aus der Beschreibung.
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Zeichnung
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Mehrere
Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen
Sensorvorrichtung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend
näher beschrieben.
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Es
zeigen:
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die 1 eine
perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels,
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die 2 ein
Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform,
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die 3 ein
Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform,
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die 4 eine
perspektivische Ansicht der Einzelkomponenten, die in einem Gehäuse
angeordnet werden,
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die 5 eine
perspektivische Ansicht der im Gehäuse montierten Komponenten,
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die 6 eine
geschnittene Ansicht des Ausführungsbeispiels gemäß 5,
sowie
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die 7 eine
Draufsicht auf unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten
eines zweiten Sensors.
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In
einem Sensorgehäuse 10 sind zumindest zwei Sensoren 20, 22 angeordnet.
Das Sensorgehäuse 10 ist mit einem hülsenförmig
ausgeführten Befestigungselement 14 versehen.
Das becherförmige Sensorgehäuse 10 läuft
rechteckförmig aus. Am Ende des Sensorgehäuses 10 befindet
sich parallel zur Längsachse des Sensorgehäuses 10 eine
Seitenfläche 15, entlang der beispielsweise ein
nicht dargestelltes Geberrad vorbeibewegt werden kann, so dass der
im Gehäuse 10 angeordnete erste Sensor 20 die
Drehzahl des Geberrads detektiert. Die beiden Sensoren 20, 22 werden über
ein gemeinsames Kabel 12 mit einer Schnittstelle 13,
bestehend aus einem Stecker, verbunden.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst
der erste Sensor 20 eine erste integrierte Schaltung 17,
welche über eine Versorgungsleitung 28 und eine
Signalleitung 26 kontaktiert ist. Der zweite Sensor 22 umfasst
ein Sensorelement 24, welches über Bondverbindungen
mit einer zweiten integrierten Schaltung 18 verbunden ist.
Die zweite integrierte Schaltung 18 wiederum wird über
die Versorgungsleitung 28 und die zweite Signalleitung 30 mit
einem Steuergerät 36 verbunden. Somit kann zur
Energieversorgung und Datenaustausch der Sensoren 20, 22 auf
ein dreiadriges Kabel zurückgegriffen werden.
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Das
Ausführungsbeispiel gemäß 3 unterscheidet
sich von demjenigen nach 2 darin, dass die integrierten
Schaltungen 17, 18 über jeweils separate
Versorgungsleitungen 32 bzw. 34 mit Energie versorgt
werden. In diesem Ausführungsbeispiel dient ein vieradriges
Kabel der Energieversorgung und Datenaustausch der Sensoren 20, 22.
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Der 4 lassen
sich die wesentlichen Komponenten der Sensorvorrichtung entnehmen.
So ist das Gehäuse 10 becherförmig ausgebildet
und auf der Seite mit größerem Öffnungsquerschnitt
offen ausgebildet. Das Befestigungselement 14 umfasst eine
vorzugsweise metallische Buchse 50, die beispielsweise
der Aufnahme einer Schraubverbindung dient. Eine Stirnseite 42 ist
senkrecht zur Längsachse des Sensorgehäuses 10 orientiert,
entlang der bei geeigneter Anordnung der ersten integrierten Schaltung 17 des
ersten Sensors 20 die Bewegung eines Geberrades erfasst
werden kann. Entsprechend der Querschnittsform des Sensorgehäuses 10 ist
eine Leiterplatte 16 ausgebildet, die zum verjüngenden Ende
hin in einer Ausnehmung 47 dergestalt ausläuft,
dass diese jeweils links und rechts von fingerförmigen
Fortsätzen begrenzt wird. An diesen fingerförmigen
Bereichen wird ein Positioniermittel 48 angeordnet, welches
im Wesentlichen einen U-förmigen Querschnitt hat und beispielsweise
als Positionierungsfeder ausgeführt ist. Das Positioniermittel 48 läuft
wiederum an jeweils zwei U-förmig gebogenen Fortsätzen
aus, die in Querrichtung miteinander verbunden sind. Die Ausnehmung 47 ist
so ausgestaltet, dass in sie ein Träger 40 eingeführt
werden kann. Der hohle Träger 40 wiederum dient
zur Aufnahme eines Magneten 46, einer zwischen dem Magneten 46 und der
ersten integrierten Schaltung 17 angeordneten H-Scheibe 44 und
des darauf angeordneten ersten integrierten Schaltkreises 17 des
ersten Sensors 20. Die erste integrierte Schaltung 17 bzw.
der erste Sensor 20 weist zwei Anschlussbeinchen auf, welche
jeweils über die Leiterplatte 16 oder andere geeignete Mittel
elektrisch leitend kontaktiert werden mit der Signalleitung 26 und
der Versorgungsleitung 32. Hierzu können an der
Rückseite der Leiterplatte 16 entsprechende Leiterbahnen
ausgebildet sein, die zu elektrischen Anschlusspunkten 55 führen.
Diese als Durchkontaktierungen ausgeführten Anschlusspunkte 55 dienen
der Aufnahme der vier Leitungsenden, nämlich der Signalleitung 26 des
ersten Sensors 20, der Signalleitung 30 des zweiten
Sensors 22, der Versorgungsleitung 32 des ersten
Sensors 20 sowie der Versorgungsleitung 34 des
zweiten Sensors 22. Diese Leitungen 26, 30, 32, 34 werden
in einem gemeinsamen Kabel 12 durch einen Deckel 41 hindurch
geführt. An dem verbreiterten Ende der Leiterplatte 16 ist
hinter den Anschlusspunkten 55 in Richtung zu dem gemeinsamen
Kabel 12 die zweite integrierte Schaltung 18 des
zweiten Sensors 22 angeordnet. In der Leiterplatte 16 sind
weiterhin vier nicht näher bezeichnete Ausnehmungen zur
Aufnahme von Positionierelementen 54 und Befestigungsmitteln 52 vorgesehen.
Die Befestigungsmittel 52 sind vorzugsweise L-förmig
ausgebildet und bestehen aus einem Metall oder Bronze. Sie können
sowohl mit dem Deckel 41 wie auch mit der Leiterplatte 16 verbunden
werden. In dem Deckel 41 sind Positionierelemente 54 in Form
von zwei senkrecht zur Längsachse des Gehäuses 10 herausragenden
Stiften ausgebildet. Diese dienen in der Fertigung im Rahmen beispielsweise eines
Kunststoffnietprozesses der Befestigung des Deckels 41 mit
der Leiterplatte 16.
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Die 5 zeigt
die in 4 dargestellten Einzelkomponenten im montierten
Zustand. Es ist ersichtlich, dass die Positionierelemente 54,
welche Teil des Deckels 41 sind, in die Ausnehmungen der Leiterplatte 16 eingreifen,
ebenso wie die Befestigungsmittel 52. Die offene Seite
des becherförmigen Sensorgehäuses 10 wird
durch den Deckel 41 verschlossen. Am Ende des Sensorgehäuses 10 ist
eine in das Gehäuseinnere ragende Gegenfläche 49 vorgesehen,
welche der Aufnahme der Stirnseite des Positioniermittels 48 dient.
Weiterhin lässt sich 5 auch entnehmen,
dass Befestigungszapfen des Trägers 40 durch entsprechende
Ausnehmungen der Anschlussbeinchen des ersten Sensors 20 hindurchragen
zur geeigneten Positionierung.
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Bei
der Ansicht gemäß 6 lässt
sich zusätzlich noch ein elektronisches Bauelement 56 als externe
Beschaltung für den ersten Sensor 20 ausmachen,
welches auf der Unterseite der Leiterplatte 16 angeordnet
ist. Auch der zweite Sensor 22 benötigt weitere
auf der Leiterplatte 16 anzuordnende externe Beschaltungen,
die jedoch nicht eigens dargestellt sind.
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In
einer weiteren Ausführungsvariante gemäß 7 sind
auf der Leiterplatte 16 unterschiedliche Anschlusspunkte 65, 65'; 67, 67' in
unterschiedlichen Winkeln vorgesehen. Je nach Anwendung kann der
Sensor 22 in einer bestimmten Winkellage montiert werden.
Dies ist insbesondere bei der Verwendung eines einachsigen Beschleunigungssensors
hinsichtlich der Sensitivität der jeweiligen Achsrichtung
von Interesse. Hierzu ist die erste Leiterbahn 61 auf der
Oberseite der Leiterplatte 16 aufgebracht, während
die zweite Leiterbahn 63 auf der Unterseite der Leiterplatte 16 angeordnet
sein kann und über Durchkontaktierungen wieder auf die
Oberseite der Leiterplatte 16 geführt wird zur
Kontaktierung des Sensors 22. Die Anordnung gemäß 7 eigenet sich
insbesondere bei Applikationen, bei denen die Winkellage geändert
werden muss, die Leiterplatte 16 kann hierbei vorteilhafter
Weise beibehalten werden.
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Die
in den Figuren dargestellte Sensorvorrichtung arbeitet folgendermaßen.
Bei dem ersten Sensor 20 könnte es sich beispielsweise
um einen Raddrehzahlsensor handeln. Dieser umfasst beispielsweise
ein magnetfeldempfindliches Bauelement, wie beispielsweise einen
Hallsensor. In die zugehörige integrierte Schaltung 17 ist
eine Signalvorauswertung implementiert. Auch magnetoresistiv arbeitende
Sensoren auf Basis von AMR oder GMR sind denkbar. Zur Anregung des
ersten Sensors 20 werden im Bereich der Radachse angebrachte
Geberräder, wie beispielsweise magnetfeldleitende Zahnräder
oder Stanzgitter (bei den aktiven Sensoren kombiniert mit Back-Biss-Magneten
im Sensor 20) oder gummierte und mit Nord-Südpol-Teilungen aufmagnetisierte
Geberräder verwendet. Beispielsweise bei Stahlradanwendungen
mit Back-Bias-Magneten im Sensor 20 beinflusst das Geberrad
das Magnetfeld, so dass der Sensor 20 hieraus ein Maß für die Drehzahl
des Geberrades ermitteln kann. Der Sensor 20 wird über
die Versorgungsleitung 28 und die Signalleitung 26,
welche auch als Massekabel dient, mit Energie versorgt. Die Masseleitung
wird als Signalleitung 26 verwendet, indem über
diese Signalleitung 26 ein Signal aufmoduliert wird, beispielsweise
mittels Strommodulation. Dadurch kann auf eine separate Signalleitung
verzichtet werden. Die so aufmodulierte Drehzahlinformation wird
an das Steuergerät 36 zur weiteren Verarbeitung übertragen.
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In
dem Gehäuse 10 ist außerdem – als
Beispiel für einen zweiten Sensor 22 – ein
Beschleunigungssensor angeordnet. Er besteht aus dem Sensorelement 24,
beispielsweise eine Mikromechanik zur Erfassung der Beschleunigung,
die gebondet mit der integrierten Schaltung 18 in Verbindung
steht. Die integrierte Schaltung 18 wertet die Messsignale
des Sensorelements 24 aus und führt eine entsprechende
Signalvorverarbeitung durch. Auch die zweite integrierte Schaltung 18 wird
wie die erste integrierte Schaltung 17 über Versorgungsleitung 28 und
eine Signalleitung 30, wiederum auch die Masseleitung, mit
Energie versorgt. Auf die als Signalleitung 30 dienende
Masseleitung wird wiederum die zu übertragende Information
aufmoduliert. In einem gemeinsamen Kabel 12 werden Signalleitung 26 des
ersten Sensors 20, Signalleitung 30 des zweiten
Sensors 22, sowie die gemeinsame Versorgungsleitung 28 (bei
einer gemeinsamen Nutzung der Versorgungsleitung 28 durch
die beiden integrierten Schaltungen 17, 18) oder
alternativ die beiden Versorgungsleitungen 32, 34 zu
der Schnittstelle 13, die als Stecker ausgeführt
ist, geführt. Die Signalvorverarbeitung für die
beiden Sensoren 20, 22 erfolgt getrennt in den
jeweiligen integrierten Schaltungen 17, 18. Auch
die Weiterleitung der jeweiligen Ausgangssignale erfolgt galvanisch
voneinander getrennt auf separaten Leitungen, nämlich der
Signalleitung 26 und der Signalleitung 30. Der
zweite Sensor 22 dient insbesondere zur Erfassung der Achsschwingungen.
Er kann hierzu als ein- oder mehrachsiger Beschleunigungssensor
ausgeführt sein. Auf dem gemeinsamen Kabel 12 sind üblicherweise
Befestigungselemente (Tüllen, Clips, Schutzschläuche
etc.) angeordnet zur Befestigung, Führung und Schutz an
der Fahrzeugkarosserie und anderen konstruktiven Fahrzeugteilen.
Das Sensorgehäuse 10 kann über das Befestigungselement 14 oder
eine Kleb- bzw. Rastkontur mechanisch am Fahrzeug befestigt werden.
Alternativ könnte das Gehäuse 10 auch
als Kappe oder Ring ausgeführt sein, der auf ein Radlager aufgepresst
wird. Die Sensorvorrichtung wird an ein mit der Achse mitschwingendes
Element des Fahrzeugs befestigt. Weiterhin kann die Sensorvorrichtung
ein konstruktives Element zur definierten Ausrichtung der Sensoren 20, 22 zum
Fahrzeug enthalten.
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Bei
dem in 4 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispiel
ist eine entsprechend bestückte Leiterplatte 16 in
dem becherförmigen Sensorgehäuse 10 untergebracht.
Zuerst wird die Leiterplatte 16 mit der zweiten integrierten
Schaltung 18, in der beispielsweise der Beschleunigungssensor 22 realisiert ist,
sowie auch weitere elektronische Bauelemente 56 als Bestandteile
einer externen Beschaltung bestückt. Durch eine Variation
des schmalen Bereichs der Leiterplatte 16 lassen sich applikationsspezifische
Sensormaße für die Funktion des ersten Sensors 20 als
Raddrehzahlsensor erreichen.
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Der
Träger 40 ist bevorzugt in Kunststoffspritztechnik
ausgeführt. Über diesen lassen sich weitere Varianten
des ersten Sensors 20 kostengünstig realisieren.
Der Träger 40 dient der Aufnahme des Magneten 46,
der als Back-Bias-Magnet ein Magnetfeld erzeugt, welches über
ein nicht dargestelltes Geberrad abhängig von der Drehzahl
variiert wird. Zwischen dem ersten Sensor 20 und dem Magneten 46 wird
zur Homogenisierung des Magnetfelds eine H-Scheibe 44 gelegt.
Das so bestückte Trägermodul 40 wird
in die Ausnehmung 47 eingebracht und mit der Leiterplatte 16 elektrisch
leitend kontaktiert. Das Trägermodul 40 kann anwendungsspezifisch
relativ flexibel bestückt werden. So wäre es auch
denkbar, auf den Magneten 46 zu verzichten, beispielsweise
bei Multipol-Encoder-Rädern. Die in dem Ausführungsbeispiel
gezeigte Ausführungsform stellt einen sogenannten Side-Read-Sensor
dar, d. h. das Geberrad ist seitlich vom Sensorgehäuse 10 in der
Nähe der Seitenfläche 15 angeordnet zur
Beeinflussung des vom Magneten 46 abgestrahlten Magnetfelds.
Alternativ könnte jedoch der erste Sensor 20 um
90° abgewinkelt angeordnet werden, so dass ein sogenannter
Bottom-Read-Sensor entsteht. Mit dieser Variante würde
das Geberrad in der Nähe der Stirnseite 42 angeordnet
werden. Diese Varianten lassen sich durch eine entsprechende Anpassung des
Trägermoduls 40 realisieren, ohne Auswirkungen
auf die restliche Leiterplatte 16 zu haben. Ebenso können
auch Sensoren 20 mit einer Winkellage zwischen 0 und 90° durch
eine entsprechende Ausgestaltung des Trägermoduls 40 dargestellt
werden. Das Trägermodul 40 wird in die Ausnehmung 47 der Leiterplatte 16 gesteckt.
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Auf
das Kabel 12 ist ein Kunststoffteil aufgespritzt, welcher
als Deckel 41 die offene Seite des Sensorgehäuses 10 verschließen
kann. Über diesen Deckel 41 wird die Leiterplatte 16 befestigt.
Dies geschieht über die Positionierelemente 54,
die in dem Deckel 41 als Stifte integriert sind und mit
der Leiterplatte 16 vernietet werden können. Durch
den Deckel 41 hindurch ragen die Leitungen 26, 30, 32, 34 des Kabels 12,
deren Enden in den Anschlusspunkten 55 der Leiterplatte 16 elektrisch
leitend kontaktiert werden. Nach der Verbindung des Deckels 41 mit
der Leiterplatte 16 und entsprechender Kontaktierung und
weiteren Befestigung auch mittels der Befestigungsmittel 52,
die beispielsweise aus Metall, beispielsweise Bronze, ausgeführt
sind, werden Deckel 41 und Leiterplatte 16 in
das Sensorgehäuse 10 geschoben. An der Vorderseite
der Leiterplatte 16 ist bereits das Positioniermittel 48 angeordnet,
welches beim Einschieben die rampenartige Gegenfläche 49 des
Gehäuses 10 hintergreift und so zu der korrekten Position
des vorderen Teils der Leiterplatte 16 im Gehäuse 10 beiträgt.
Die Leiterplatte 16 kann über eine Kunststoffnietprozess
(Kalt- oder Warmverformung) mit dem Deckel 41 verbunden
werden. Alternativ dazu können diese Aufgabe metallische
Befestigungspins übernehmen, die Bestandteil des Deckelmoduls
sind. Die Leiterplatte 16 kann auf die metallischen Pins
aufgepresst oder aufgesteckt und verlötet werden. Der Deckel 41 verschließt
das becherförmige Gehäuse 10 und kann
z. B. mittels Kunststofflaserdurchstrahlschweissen mit dem Gehäuse 10 dicht verbunden
werden. Alternativ kann das Sensorgehäuse auch in MID-Technik
ausgeführt sein und die Sensorbausteine 20, 22 und
das Sensorkabel 12 direkt aufnehmen. In dieser Ausführungsform
könnte auf eine Leiterplatte 16 verzichtet werden.
Der Becher 10 und die Sensoren 20, 22 könnten
alternativ auch mit einem geeigneten Material vergossen werden,
wobei bei geeigneter Materialauswahl auf den Deckel 41 verzichtet
werden könnte. Durch den Verguss der Sensoren 20, 22 können
störende Eigenschwingungsanregungen sowie auch Pump- und Korrosionseffekte
eines eingeschlossenen Gasvolumens im Gehäuseinneren vermieden
werden. Alternativ zur mechanischen Befestigung der Leiterplatte 16 an
dem Deckel 41 könnte der Deckel 41 auch
mittels Kunststoffspritzgießverfahren mit der Leiterplatte 16 verbunden
werden.
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Der
Beschleunigungssensor 22 kann auf der Leiterplatte 16 auch
beliebig drehbar angeordnet werden. Eine solche Anordnung ist in 7 gezeigt. Dort
kann der Beschleunigungssensor 22 in Winkelschritten drehbar
in der Leiterplattenebene angeordnet werden zur applikationsspezifiischen
Ausrichtung der sensitiven Achsen zur Z-Achse des Fahrzeugs. Dadurch
ist die Verwendung eines platz- und kostensparenden einachsigen
Beschleunigungssensors möglich.
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Alternativ
könnte das Kabel 12 mit dem Gehäuse 10 auch
mittels Stecker und Gegenstecker verbunden werden. Das erhöht
die Austauschbarkeit der Sensorbaugruppe im Reparaturfall.
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Die
Sensoren 20, 22 können wahlweise direkt über
Stromschienen mit den Leitungen 26, 28, 30, 32, 34 verbunden
werden.
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Prinzipiell
lassen sich beliebige Sensortypen in einem Sensorgehäuse 10 integrieren.
Die Kombination eines Drehzahlsensors mit einem Beschleunigungssensor
ist aufgrund vielfältiger Einsatzgebiete vorteilhaft wie
beispielsweise zur indirekten Reifendruckerkennung, aktive oder
semiaktive Dämpfung, Radlagerverschleißerkennung
oder Fahrbelagszustandserkennung. Die Verwendung der Sensorvorrichtung
ist jedoch hierauf nicht eingeschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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