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Die
Erfindung betrifft eine Anordnung zum Schutz von elektronischen
Funktionseinheiten und/oder Funktionsgruppen, wie Schaltkreisen, Schaltungskomponenten,
Verbrauchern, Sensoren und dergleichen vor Störgrößen, wie elektromagnetischen
Einstrahlungen, kapazitiven Einkopplungen, Vibrationen und dergleichen.
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Bei
solchen elektronischen Funktionseinheiten und/oder Funktionsgruppen
von Kraftfahrzeug-Regelungssystemen, wie Antiblockier-Systemen (ABS),
Antriebsschlupfregelsystemen (ASR) und insbesondere Systeme zur
Fahrstabilitätsregelung
(ESP), müssen
die sensierten Meßgrößen störungsfrei
erfaßt
und ausgewertet werden, da die von den Funktionseinheiten und/oder
Funktionsgruppen erfaßten
und ausgewerteten Meßgrößen sicherheitsrelevante
Bremsvorgänge
beeinflussen oder auslösen,
die das Fahrverhalten eines Kraftfahrzeugs selbsttätig verändern. Bekanntlich
weisen elektronische Funktionseinheiten und/oder -gruppen, die in Kraftfahrzeug-Regelsystemen verwendet
werden, Meßwertaufnehmer
mit hochempfindlichen niederfrequenten Eingangsstufen als auch digitale
Auswerteschaltungen, die mit einem vorgegebenen, stabilen Takt hoher
Frequenz betrieben werden, auf. Dabei treten bekanntlich Störsignale
mit der Grundfrequenz des Arbeitstaktes auf, die zwar schmalbandig
sind, jedoch relativ hohe Amplituden annehmen können. Darüber hinaus kann es zu Störeinkopplungen
durch den Potentialversatz eines schaltungsinternen gemeinsamen
Bezugsleiters zum Massekörper
(Masseschleifen) kommen, als auch zu EMV-Beeinflussungen der empfindlichen Funktionseinheiten und/oder
-gruppen durch Mobilfunktelefone und/oder andere Sender, wenn diese
mit hoher Sendeleistung in unmittelbarer Nähe der Funktionseinheiten und/oder
-gruppen aktiv sind. Neben diesen elektrischen Störgrößen beeinflussen
mechanische Störgrößen, wie
Vibrationen, Temperatureinflüsse,
Verwindungen und dergleichen die Funktionseinheiten und/oder -gruppen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur störungsfreien
Erfassung, Auswertung und Übertragung
von sicherheitskritischen Meßgrößen zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die
Erfindung geht von dem Grundgedanken einer Aufteilung der Funktionseinheiten
und/oder -gruppen in Teileinheiten und/oder -gruppen mit unterschiedlicher
Empfindlichkeit gegenüber
den Störgrößen und
einer Zuordnung unterschiedlicher Abschirmungen entsprechend der
Empfindlichkeit der Teileinheiten und/oder -gruppen aus, wobei mindestens
zwei der Abschirmungen sich zu einer Abschirmung mit höherem Wirkungsgrad
bzw. Faktor ergänzen.
Durch die Aufteilung der Funktionseinheiten und/oder -gruppen in
Teileinheiten und/oder -gruppen mit unterschiedlicher Empfindlichkeit
gegenüber den
Störgrößen ist
es vorteilhaft möglich,
die Abschirmung gegenüber
mechanischen und elektrischen Störgrößen in Abhängigkeit von
der Empfindlichkeit der Teileinheiten und/oder -gruppen auszubilden.
Dabei ist vorgesehen, daß die
Abschirmung, die den Teileinheiten und/oder -gruppen zugeordnet
ist, in ihrem Aufbau gleich ist, so daß sich die Abschirmungen in
ihrer Wirkung additiv zu einem höheren
Wirkungsgrad bzw. Faktor ergänzen.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß durch eine gestufte Abschirmung,
deren innerer Bereich eine hohe Abschirmung und deren äußerster
Bereich eine niedrigere Abschirmung aufweist und die aus einer Stufung
der Abschirmung durch immer gleiche Abschirmung von abgeschirmten
Bereichen aufbaut ist, unter Zuordnung der Teileinheiten und/oder
-gruppen und/oder der Funktionseinheiten und/oder -gruppen je nach Empfindlichkeit
gegenüber
Störgrößen zu einem
Abschirmungsgrad der Abschirmung, sicherheitskritische Meßgrößen störungsfrei
erfaßt,
ausgewertet und übertragen
werden können.
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Dabei
sind die Teileinheiten und/oder -gruppen mit unterschiedlichen Empfindlichkeiten
in jeweils separaten Gehäusen
angeordnet. Durch die Anordnung in separaten Gehäusen wird einerseits ein mechanischer
Schutz der Teileinheiten und/oder -gruppen erreicht und andererseits
läßt sich
jedes Gehäuse
mit einer gleichen oder unterschiedlichen Abschirmung versehen.
Darüber
hinaus lassen sich die in jeweils separaten Gehäusen angeordneten Teileinheiten
und/oder -gruppen einfach montieren und fertigen.
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Vorteilhaft
sind die Teileinheiten und/oder -gruppen mit durch die Gehäuse geführten Leitungen verbunden,
die jeweils über
Kondensatoren kapazitiv an die Gehäuse angeschlossen sind. Die
so abgeschirmten separaten Gehäuse schließen hochfrequente
Störimpulse
gegen Masse kurz, so daß Störeinkopplungen
und EMV-Beeinflussungen verhindert werden. Es besteht kein galvanischer
Kontakt zwischen den Gehäusen
und dem Schaltungsumfeld.
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Dadurch
daß ein
die empfindlichste Teileinheit und/oder -gruppe aufnehmendes erstes
Gehäuse
von mindestens einem weiteren Gehäuse umgeben ist, in dem eine
weitere Teileinheit und/oder -gruppe mit geringerer Empfindlichkeit
angeordnet ist, ergänzen
sich die Abschirmungen der einzelnen separaten Gehäuse zu einem
höheren
Gesamtwirkungsgrad bzw. Faktor additiv, wobei die Absohirmung durch
das äußere Endgehäuse am geringsten und
durch das von allen anderen abgeschirmten Gehäusen umgebene innerste Gehäuse den
höchsten Gesamtwirkungsgrad
aufweist. Die Anordnung besteht somit aus mehreren elektronischen
Teileinheiten und/oder -gruppen, die durch kaskadenartig umschließende Gehäuse separiert
sind. Dabei enthält das
innere Gehäuse,
das von dem äußeren ummantelt
wird, elektronische Teileinheiten und/oder -gruppen, die empfindlicher
auf elektromagnetische Einstrahlung bzw. kapazitive Einkopplungen
reagieren als die Teileinheiten und/oder -gruppen, die im Raum des
ummantelnden Gehäuses
angeordnet sind.
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Nach
einer vorteilhaften Weiterbildung ist an einem alle Gehäuse umgebenden
Endgehäuse
ein Steckelement vorgesehen, auf das alle Leitungen der am Endgehäuse angeordneten
Teileinheiten und/oder -gruppen geführt sind. In dem Endgehäuse sind
neben dem Steckelement (Verbindungsstecker) auch Elemente integriert
zur mechanischen Befestigung der gesamten Funktionseinheit und/oder
-gruppe an einem Verbraucher, z. B. zur mechanischen Befestigung
an dem Fahrzeugchassis eines Kraftfahrzeugs.
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Dadurch,
daß die
dem Steckelement zugeführten
Leitungen über
jeweils einen Kondensator mit einem Anschlußelement verbunden sind, das über einen
Kondensator kapazitiv an das Endgehäuse angeschlossen ist, besteht
kein galvanischer Kontakt zwischen diesem Gehäuse und dem elektrischen Schaltungsumfeld.
Es wird eine einfache Baueinheit erreicht.
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Bevorzugt
sind die elektronischen Funktionseinheiten und/oder Funktionsgruppen
als geschlossene Anordnung ausgebildet, bei denen mehrere Meßgrößen an einem
gemeinsamen Meßort
erfaßt werden,
vor Ort digitalisiert und ggf. signaltechnisch vorverarbeitet werden
und dann über
eine entsprechende Schnittstelle, insbesondere über einen Bus an Anschlußteilnehmer
dieser Schnittstelle, z. B. ein (ESP-Eleketronische Stabilitäs-Programm) ESP-Steuergerät übertragen
werden. Hierzu ist in dem ersten Gehäuse als Teileinheit und/oder
-gruppe ein Gierratensensor mit gegenüber Störgrößen hoher Empfindlichkeit angeordnet.
Allgemein besitzen solche Gierratensensoren eine bewegliche mechanische
Struktur, welche eine zu einer periodischen Schwingung angeregten
elektrisch-mechanischen Wandler aufweist. Erfährt der Sensor eine Drehung um
eine Achse senkrecht zur angeregten Schwingung, so führt die
Bewegung der Schwingung zu einer Coriolis-Kraft, die proportional
zur Meßgröße, d. h.
der Winkelgeschwindigkeit, ist. Durch die Coriolis-Kraft wird eine
zweite zur angeregten Schwingung orthogonale Schwingung in einem
mechanisch-elektrischen
Wandler angeregt. Diese zweite Schwingung kann durch verschiedene
Meßverfahren
erfaßt werden,
wobei die erfaßte
Größe als Maß für die auf den
Gierratensensor wirkende Drehrate dient.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
die in einem das erste Gehäuse
umgebenden zweiten Gehäuse
angeordnete Teileinheit und/oder -gruppe ein Quer- und/oder Längsbeschleunigungssensor
und Signalaufbereitungsstufen für
den Quer- und/oder Längsbeschleunigungssensor
und den Gierratensensor. Diese Teileinheit und/oder -gruppe weist
eine geringere Empfindlichkeit gegenüber den vorstehend genannten
Störgrößen auf,
da deren Signalamplituden größer sind.
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In
weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die in einem
das erste und zweite Gehäuse
umgebenden dritten Gehäuse
angeordnete Teileinheit und/oder -gruppe ein Netzwerk, insbesondere
ein Signalprozessor, und ein Buscontroller. Das Netzwerk, das die
von den Sensoren und den Signalaufbereitungsstufen kommenden Signale
digital aufbereitet und für
eine Busverbindung CAN (Controller Aerea Network) formatiert, ist
auf einer Platine (Montageeinheit) angeordnet.
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Grundsätzlich folgt
die Erfindung dem Prinzip, daß jeweils
ein durch ein Gehäuse
geschirmte Teileinheit einer Funktionseinheit und/oder -gruppe mit
einer nicht durch dieses Gehäuse
geschirmten Teileinheit gemeinsam durch ein beide Teileinheiten gemeinsam
ummantelndes Gehäuse
umgeben werden, wobei dieses Ummantelungsprinzip kaskadenartig fortgesetzt
wird, bis eine geforderte Gesamtabschirmwirkung erreicht ist. Hierbei
besteht vorzusgweise keine galvanische Verbindung der Gehäuse zu den
Teileinheiten einer Funktionseinheit und/oder -gruppe sondern stets
eine kapazitive Verbindung zwischen jedem Gehäuse und den elektrischen Zuführungen
in dieses Gehäuse.
Als Ausnahme von der strikten galvanischen Trennung können nur
die Verbindungen C3 und C7 ausgebildet werden, die nach einem Ausführungsbeispiel
als Brücke – d. h.
ohne Kondensator – eine
direkte Verbindung zwischen dem entsprechenden Gehäuse und
der Masse herstellen. Durch diese Ausbildung kann die Abschirmung
in bestimmten Fällen
verbessert werden, wie empirische Untersuchungen ergaben.
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Die
Gehäuse
sind über
schwingungsdämpfende
Koppelelemente miteinander verbunden, die ebenfalls sich in ihrer
Gesamtwirkung zu einer Gesamtdämpfung
mit höherem
Wirkungsgrad als jede Einzeldämpfung
jedes separaten Gehäuses.
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Die
vorzugsweise metallischen bzw. elektrisch leitenden Gehäuse sind
galvanisch leitend mit dem Fahrzeugchassis verschraubt, wobei durch
die kaskadenartige Abschirmung keine unzulässigen elektrischen bzw. hochfrequenten
Störeinflüsse innerhalb
der abgeschirmten Gehäuse
auftreten, die die sicherheitskritischen Meßgrößen verfälschen können. Der direkte metallische
Kontakt ermöglicht zugleich
eine gute Wärmeableitung
der Gehäuse
untereinander und damit des Endgehäuses zur Fahrzeugchassis. Gleichzeitig
sorgt das metallische Gehäuse
für eine
ausreichende mechanische Verwindungssteifigkeit, die erforderlich
ist, um mit ausreichender Präzision
die Gierrate und die Quer- und/oder Längsbeschleunigung zu messen.
Durch die Vibrationsdämpfungsmaßnahme wird
verhindert, daß geräuschinterne
akustische Resonanzerscheinungen und Körperschalleinflüsse über das
Fahrzeugchassis das Ausgangssignal des Gierratensensors verfälschen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden
näher beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
schematische Darstellung der Schaltung mit den abgeschirmten Gehäusen
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2 eine
Ausführungsform
nach 1.
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1 dient
zur Erläuterung
der prinzipiellen Anordnung nach der Erfindung. Es sind nur die
wesentlichen Komponenten oder Teileinheiten und/oder -gruppen der
Funktionseinheiten und/oder -gruppen der Schaltung symbolisch dargestellt.
Die Erfindung wird am Beispiel eines Sensorsystems zur Fahrstabilitätsregelung
(ESP) von Kraftfahrzeugen beschrieben. Die Anordnung zur Beeinflussung
des Fahrverhaltens eines Kraftfahrzeugs weist einen Sensor S1 auf,
der aus einem elektrisch-mechanischen Wandler mit vorzugsweise zugeordnetem
Anregungsverstärker
und einem mechanisch-elektrischen Wandler mit zugeordnetem Signalaufnahmeverstärker besteht. Der
Gierratensensor S1 mit dem Signalaufnahmeverstärker und dem Anregungsverstarker
ist von einem Gehäuse 4 umgeben
und über
Leitung 12 parallel an die Zuführungsleitungen 1 und 2 angeschlossen.
Leitung 13 verbindet den Gierratensensor S1 mit einer außerhalb
des Gehäuses 4 wahlweise
vorgesehenen Signalaufbereitungsstufe A1. Sensor S1, der vorzugsweise
eine Quarzstimmgabel zur Gierratendetektion mit integriertem Signalaufnahmeverstärker und
Anregungsverstärker
ist, stellt zugleich die störempfindlichste
Funktionseinheit dar, weil der elektrisch-mechanische Wandler von
der mechanischen Schwingungsamplitude der Stimmgabel abhängig ist. Der
mit dem elektrisch-mechanischen Wandler fest verbundene mechanisch-elektrische
Wandler liefert ein Signal mit der gleichen Schwingungsfrequenz
wie der angeregte elektrisch-mechanische Wandler, seine Amplitude ist
aber proportional von der Drehrate abhängig. Die bei Gierratensensoren
eingesetzten Wandlerkörper
erzeugen als Regelabweichung eine Ladung als Signal, dessen Empfindlichkeit
gegenüber
Störgrößen groß ist, da
es sehr kleine Amplituden besitzt.
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Das
Gehäuse 4,
das die so ausgebildete Teileinheit S1 umgibt, ist galvanisch leitend
ausgebildet und kapazitiv über
C1, C2, C3 mit den Leitungen 12 und 13 von S1
verbunden. Nach einer Ausbildungsvariante ist die Verbindung C3
als Brücke
B3 – ohne Kondensator – galvanisch
leitend mit Leitung 12 verbunden. Das abgeschirmte Gehäuse 4 ist
von einem weiteren Gehäuse 5 umgeben,
in dem eine weitere Teileinheit angeordnet ist, beispielsweise ein
Querbeschleunigungssensor und/oder ein Längsbeschleunigungssensor 52,
der aus einem Siliciumelement zur Detektion der Querbeschleunigung
besteht. Der Querbeschleunigungssensor 52 ist über Leitung 14 mit
den Zuführungsleitungen 1 und 2 verbunden. Über Leitung 15 ist
der Querbeschleunigungssensor S2 wahlweise mit einer Signalaufbereitungsstufe
A2 verbunden, so daß in
dem Gehäuse 5 Querbeschleunigungssensor
S2, Signalaufbereitungsstufe A2 und Signalaufbereitungsstufe A1
angeordnet ist. Die Signalaufbereitungsstufen A1 und A2 sind über die
Leitungen 16 und 17 an die Zuführleitungen 1 und 2 angeschlossen.
Aus dem galvanisch leitenden Gehäuse 5 treten
die Leitungen 1, 13, 15 und 2 aus.
Zwischen dieser Funktionseinheit S2, A1 und A2 und dem Gehäuse besteht
wiederum kein galvanischer Kontakt. Die Zuführleitungen 1, 13, 15 und 2 sind
kapazitiv über
Kondensatoren C4, C5, C6 und C7 mit dem Gehäuse 5 verbunden. Nach
einer Ausführungsvariante
ist die Verbindung C7 als Brücke
B7 galvanisch leitend mit Leitung 2 verbunden. Die Teileinheiten
S1, S2, A1, A2, sind mechanisch auf einer Platine (Montageeinheit) 3 befestigt.
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Das
galvanisch leitende Gehäuse 5 ist
von einem weiteren Endgehäuse 8 umgeben,
das ein Netzwerk D aufweist, welches mit den aus dem Gehäuse 5 herausgeführten Leitungen 13, 15 eingangsseitig
verbunden ist. Das Netzwerk D besteht beispielsweise aus einem Analog-Digitalwandler
und einem Digital-Analogwandler und einem Controller, der die von
der Montageeinheit 3 kommenden Signale digital aufbereitet
und für
eine Busschnittstelle formatiert. Vorzugsweise ist die Busschnittstelle
als CAN-Schnittstelle ausgebildet. Das Netzwerk mit der Busschnittstelle
CAN ist über
Leitung 18 mit den Zuführungsleitungen 1 und 2 verbunden.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung entfallen die Signalaufbereitungsstufen
A1 und A2, so daß deren
Funktion in dem Netzwerk D digital ausgeführt wird. Dabei übernimmt
das als digitaler Signalprozessor ausgebildete Netzwerk D die Signalaufbereitung
der Sensoren S1 und S2, sowie die Anregung des elektrisch-mechanischen
Wandlers des Gierratensensors S1.
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Das
Endgehäuse 8 weist
ein Steckelement 7 auf, zu dem die Signalausgänge 19, 20, 21, 22 der Montageeinheit 6 geführt sind.
Die die Signalausgänge 19 bis 22 mit
den entsprechenden Steckerstiften verbindenden Leitungen 23 bis 26 sowie
die Zuführungsleitung 1 sind
jeweils über
einen Kondensator C8, C9, C10, C11, C12 mit einem Anschlußelement 9 verbunden.
Anschlußelement 9 ist über den
Kondensator C13 mit dem äußeren Gehäuse 8 und
mit der Zuführungsleitung 2 verbunden.
Es besteht kein galvanischer Kontakt zwischen diesem Gehäuse 8 und der
Teileinheit D, CAN.
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Die
Anordnung folgt dem Prinzip, daß eine durch
ein Gehäuse 4, 5 geschirmte
Teileinheit einer Funktionseinheit mit einem nicht durch dieses
Gehäuse 4 oder 5 geschirmten
Teileinheit gemeinsam durch ein beide Teileinheiten gemeinsam ummantelndes
Gehäuse,
z. B. S1 durch geschirmtes Gehäuse 4 und
geschirmtes Gehäuse 5 und
geschirmtes Gehäuse 8 oder
Teileinheit S2, A1, A2 durch geschirmtes Gehäuse 5 und geschirmtes
Gehäuse 8, umgeben
werden, wobei dieses Ummantelungsprinzip kaskadenartig oder stufenförmig fortgesetzt
wird, bis eine geforderte Gesamtabschirmung der unterschiedliche
Empfindlichkeiten gegenüber
Störgrößen aufweisenden
Teileinheiten erreicht ist. Hierbei besteht keine galvanische Verbindung
der Gehäuse
zu den elektrischen Teileinheiten sondern stets eine kapazitive
Verbindung zwischen den Gehäusen 4, 5, 8 und
den elektrischen Zuführungen 1, 2, 13, 15, 23, 24, 25, 26 in
diese Gehäuse 4, 5 und 8.
Die Gehäuse 4, 5 und 8 sind über schwingungstilgende
Koppelelemente 10 verbunden, deren Wirkung sich ebenfalls kaskadiert.
Das Gehäuse 4 ist
vibrationsdämpfend mit
dem Gehäuse 5 (nicht
näher dargestellt)
verbunden und das Gehäuse 5 ist
vibrationsdämpfend über schwingungsdämpfende
Koppelelemente 10 mit dem Gehäuse 8 verbunden.
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Das
metallische Endgehäuse 8 wird
bevorzugt galvanisch leitend mit dem Fahrzeugchassis eines Kraftfahrzeugs
verschraubt, wobei durch die kaskadenartige Schirmung keine unzulässigen elektrischen
bzw. hochfrequenten Störeinflüsse auftreten, da über die
Abschirmung erreicht wird. Die sicherheitstechnischen Meßgrößen, wie
sie für
die Fahrstabilisierung eines Kraftfahrzeuges benötigt werden, können nicht
verfälscht
werden, so daß Fehlanregelungen
oder Fehler im Regelprogramm sicher ausgeschlossen werden.
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Der
direkte metallische Kontakt ermöglicht zugleich
eine gute Wärmeableitung
vom Endgehäuse 8 zum
Fahrzeugchassis. Gleichzeitig sorgt das metallische Endgehäuse 8 in
Verbindung mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau über weitere
Gehäuse 5 und 4,
für ausreichende
mechanische Verwindungssteifigkeit, die erforderlich ist, um mit
ausreichender Präzision
eine Gierrate und Querbeschleunigung zu messen. Durch die Vibrationsdämpfungsmaßnahmen
wird verhindert, daß gehäuseinterne
akustische Resonanzsschwingungen und Körperschalleinflüsse über das
Fahrzeugchassis das Ausgangssignals des Sensors S1, insbesondere
des mechanisch-elektrischen Wandlers, verfälschen.
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2 zeigt
eine erfindungsgemäße Ausführungsform,
wobei für
gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Die Lage
der in 1 beschriebenen Funktionseinheiten und/oder -gruppen
bzw. Teileinheiten und/oder -gruppen ist durch die Bezugsziffern
ersichtlich. In der praktischen Realisierung sind die Kondensatoren
C4, C5, C6, C7 als Durchführungskondensatoren
realisiert, ausgebildet. Die Platinen 3 und 6 (Montageeinheiten)
sind durch eine flexible Leiterfolie 11 verbunden. Das
metallische Endgehäuse 8 wird über Laschen 12 direkt
mit dem Fahrzeugchassis eines Kraftfahrzeugs oder an einem metallischen
Halter zum Fahrzeugchassis verschraubt. Die Anordnung wird über den
Stecker 7 mit dem Kabelbaum verbunden.