DE102007042449B4

DE102007042449B4 - Integriertes Sensormodul für Mechatroniken, Verfahren zur Herstellung des integrierten Sensormoduls sowie Verwendung des integrierten Sensormoduls

Info

Publication number: DE102007042449B4
Application number: DE102007042449.5A
Authority: DE
Inventors: Josef Loibl; Thomas Preuschl; Hermann-Josef Robin; Christoph Schikora
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-09-06
Filing date: 2007-09-06
Publication date: 2021-11-18
Anticipated expiration: 2027-09-07
Also published as: DE102007042449A1; WO2009030612A1

Abstract

Integriertes Sensormodul (1) für Mechatroniken umfassend mindestens ein Sensorelement (4), mindestens ein Gehäuse (3) und mindestens eine starre Leiterplatte (5), wobei das Sensorelement (4) innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet und das Gehäuse (3) oberhalb einer in der Leiterplatte (5) angebrachten Ausnehmung (7) auf der Leiterplatte (5) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) mittels einer durch Fräsen erzeugten biegbaren Lasche (6) mit der Leiterplatte (5) so elektrisch verbunden ist, dass die elektrische Verbindung in dem das Sensorelement (4) umschließenden Gehäuse (3) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein integriertes Sensormodul für mechatronische Bauteile gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines integrierten Sensormoduls, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
Stand der Technik
Integrierte Mechatroniken, das heißt insbesondere Steuerelektroniken, die direkt vor Ort beispielsweise in einem Getriebe oder in einem Motor eingesetzt werden, unterliegen einer Vielzahl von umgebungsabhängigen Anforderungen. Neben der Langzeitstabilität und Ausfallsicherheit der Steuerung stehen die erhöhten Betriebstemperaturen sowie die chemisch aggressive Umgebung des Motor- oder Getriebeöls im Vordergrund. Daher ist es unerlässlich, dass die empfindlichen Elektroniken und Sensoren soweit wie möglich vor diesen Einflüssen geschützt werden. Gerade die Konzeption der Steuerelektronik einerseits und der angebundenen peripheren Komponenten wie Sensoren oder Ventile andererseits stellen eine große Herausforderung dar.
Es sind verschiedene Konzepte bekannt, die Anbindung der Peripherie-Komponenten wie beispielsweise der Aktuatoren und Sensoren an die zentrale Steuerelektronik herzustellen. Generell werden die peripheren Komponenten wie Sensoren und Akuatoren in einem Träger angeordnet, der sich in seiner Geometrie an den Vorgaben des vorhandenen Getrieberaums orientiert. Meist ergibt sich auf diese Weise ein komplexer Aufbau des Trägers, der in einer dreidimensionalen Struktur die Aufnahmen für die einzelnen gehäusten Sensoren sowie für die Aktuatoren umfasst und gleichzeitig eine verdeckelte zentrale Steuerungseinheit mit elektronischen Bauteilen aufweist. Die Verbindung zwischen Steuereinheit und peripheren Komponenten wird mittels flexiblen oder starren Leiterplatten oder mit Stanzgittern hergestellt.
Die DE 101 16 796 A1 beschreibt daneben in einer Weiterbildung eines Steuergeräts des deutschen Gebrauchsmusters DE 295 13 950 U1 ein Konzept zur Integration und Abdichtung eines Drucksensors in einer Getriebesteuereinheit. Der Sensor wird hier unmittelbar in die Hydraulikplatte eingesetzt. Daher kann auf eine Dichtung zwischen einer Grundplatte des Elektronikraums und der Hydraulikplatte verzichtet werden. Zudem wird beschrieben, dass durch ein Verstemmen oder Einpressen des Sensors in die Hydraulikplatte ferner eine Dichtung zwischen der Wand der Öffnung in der Hydraulikplatte und dem Sensor eingespart werden kann.
Nachteilig ist jedoch, dass sich dieses Konzept nur mit relativ dicken Hydraulikplatten realisieren lässt, da der gesamte Sensoraufbau in der Hydraulikplatte aufgenommen sein muss. Darüber hinaus kann sich die Kontaktierung des Sensors mit der zentralen Steuerelektronik schwierig gestalten, da diese entweder vor Einsetzen des Sensors in die Hydraulikplatte vorgenommen werden muss oder nach dem Einsetzen des Sensors von oben durch die Öffnung der Hydraulikplatte stattfindet. Beide Alternativen sind als aufwendig und fehleranfällig zu bewerten. Zudem kann beim Einsetzten des Sensors oder bei den nachfolgenden Schritten der Kontaktierung und Verstemmung im dargestellten Konzept leicht eine Dekalibrierung oder gar eine Beschädigung der Sensierungskomponenten eintreten.
Gemäß der WO 02/06651 A2 wird vorgeschlagen, einen Aufnahmeraum zur Unterbringung eines Drucksensors oder eines Druckschalters in einer Wandung des Steuergerätegehäuses vorzusehen. Zur Abdichtung weist der Öffnungsbereich der Bodenplatte eine gestufte Querschnittsform auf. An der Unterseite der Bodenplatte wird die Öffnung durch einen integralen, in den Öffnungsbereich vorstehenden ringförmigen Haltevorsprung verengt. Der Haltevorsprung greift in eine Umfangsnut einer Formdichtung ein, welche in die Öffnung eingesetzt ist.
Nachteilig an einer solchen Abdichtungskonstruktion ist neben der mangelnden Flexibilität in der Ausgestaltung des Sensors vor allem die Tatsache, dass eine speziell ausgestaltete Formdichtung eingesetzt werden muss. Auf diese Weise ist auch eine spezielle geometrische Ausgestaltung des Öffnungsbereichs in der Bodenplatte notwendig. Hinzu tritt der Nachteil, dass keine zusätzlichen mechanischen Kräfte erzeugt werden, um das untere Abdichtungselement stetig gegen die Formdichtung zu drücken und auf diese Weise eine dauerhaft sichere Abdichtung zu erzielen.
Das trifft auch für die in den Druckschriften DE 198 30 538 A1 und DE 198 34 212 A1 beschriebenen Konzepte zu. Obwohl in der DE 198 34 212 A1 eine druckdichte und kraftschlüssige Verbindung des Drucksensorträgers mit der Bodenplatte durch Materialverdrängung erzielt wird, kann dies keine Verbesserung der Abdichtung der Öffnung in der Bodenplatte und der zugleich gezeigten Hydraulikplatte herbeiführen. Diese Abdichtung wird weiterhin nur durch die dargestellte axiale (Form-)Dichtung ohne weitere Sicherungsmechanismen vorgesehen. Zudem ist auch hier eine geometrisch abgestimmte Öffnung in der Bodenplatte der Elektronikeinheit notwendig.
Die US 4 658 104 A offenbart eine Anordnung für eine Leuchtdiode, bei der diese mit Hilfe einer in der Ausnehmung einer Leiterplatte frei geschnittenen Zunge mit einem darauf angeordneten Leiterbahnenbereich kontaktiert ist. Die Leuchtdiode kann dabei in einem Gehäuse untergebracht sein.
Die FR 2 736 214 A1 offenbart ein gehäustes Bauelement, das über eine biegbare Lasche der Leiterplatte elektrisch kontaktiert wird.
Die US 4 480 384 A offenbart eine Anordnung, bei der eine längliche Öffnung in einen Träger einer Leiterplatte eingebracht ist, die das Gehäuse eines Resonators aufnehmen kann. Hierbei ist vorgesehen, dass zwei vorstehende Anschlussstücke der metallischen Schicht der Leiterplatte sich derart über die Öffnung im Träger der Leiterplatte erstrecken, dass sie eine Aufnahmemulde für das Gehäuse des Resonators bilden. Weiterhin werden über zwei elektrische Anschlussstücke in der Öffnung der Leiterplatte die Anschlusspins des Resonators kontaktiert. Diese Art der mechanischen und elektrischen Anbindung ist kompliziert und muss genau auf das entsprechende elektrische Bauteil abgestimmt sein.
Aufgabenstellung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein vereinfachtes Konzept für ein integriertes Sensormodul für Mechatroniken bereit zu stellen, das einen verkleinerten Bauraum und eine weniger aufwendige Montage erlaubt bei gleichzeitig verbesserter Anbindung an die Signal- und Stromverteilungskomponente.
Dies wird erfindungsgemäß mit einem integrierten Sensormodul entsprechend des Patentanspruchs 1, mit einem Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensormoduls gemäß Anspruch 6 sowie einer Verwendung des integrierten Sensormoduls entsprechend des Patentanspruchs 9 erreicht. Die Unteransprüche zeigen jeweils bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, ein integriertes Sensormodul für Mechatroniken umfassend mindestens ein Sensorelement, mindestens ein Gehäuse und mindestens eine starre Leiterplatte wobei das Sensorelement innerhalb des Gehäuses angeordnet und das Gehäuse oberhalb einer in der Leiterplatte angeordneten Ausnehmung auf der Leiterplatte fixiert ist, zur Verfügung zu stellen, bei dem das Sensorelement mittels einer durch Fräsen erzeugten biegbaren Lasche mit der Leiterplatte so elektrisch verbunden ist, dass die elektrische Verbindung in dem das Sensorelement umschließenden Gehäuse angeordnet ist.
Vorteilhafterweise kann die Kontaktierung der Sensorelektronik innerhalb des Gehäuses direkt vorgenommen werden. Das Gehäuse des Sensorelements kann bevorzugt aus Kunststoff- oder Aluminium-Schalen gefertigt sein. Im Inneren des Gehäuses kann sich bevorzugt ein Sensorelement befinden, das in einem dem Fachmann geläufigen Medium eingegossen beziehungsweise gelagert ist. Besonders bevorzugt weist das Gehäuse oben keine Öffnung mehr auf.
Das Gehäuse kann bevorzugt mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte fixiert sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann die Aufsatzfläche des Gehäuses die Ausnehmung in der Leiterplatte überragen. Im unteren Bereich kann das Gehäuse bevorzugt erfindungsgemäß einen umlaufenden Vorsprung aufweisen. Der Vorsprung ist mindestens so dimensioniert, dass er größer als die Ausnehmung der Leiterplatte ist. Auf diesem Vorsprung kann eine axiale Dichtung angeordnet sein, die insbesondere als O-Ringdichtung ausgeführt sein kann.
In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Gehäuse eine Druckerfassungsöffnung zur Beaufschlagung des als Drucksensor eingesetzten Sensorelements aufweisen.
Der modulare Aufbau aus dem Gehäuse einerseits und der darin angeordneten Sensoreinheit andererseits erlauben zudem eine kostengünstige und flexible Anpassung des Bauteils an unterschiedliche Vorgaben.
Gerade im Hinblick auf solche integrierten Sensormodule für Mechatroniken, die aggressiven Medien ausgesetzt sind, wie sie beispielsweise in Getrieben und in Motoren vorherrschen, wird zudem eine generell einfache Möglichkeit zur Montage der Sensorkomponenten und eine Verkleinerung des Bauraums der Mechatronik gewährleistet.
So ist es mit einem erfindungsgemäßen integrierten Sensormodul möglich, eine sehr kompakte Bauweise der Sensoreinheit und ihrer elektrischen Anbindung zu realisieren.
Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Konzept sichergestellt, dass eine einfache Geometrie der elektronischen Bauteile für integrierte Mechatroniken eingehalten werden kann. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen der Sensoren im Träger kann die Montage stark vereinfacht werden. Erfindungsgemäß entfällt die Notwendigkeit der langen, passgenauen Zuleitungen zu den peripheren Sensoren aus Stanzgitter oder teurer flexibler Leiterplatte.
Bevorzugt kann daneben die Ausnehmung in der Leiterplatte eine einfache Stanz-Geometrie aufweisen. So kann eine einfache Montage gewährleistet werden, wobei zusätzlich eine gute Stabilität und Steifigkeit der gleichermaßen als Träger und als Signal- und Stromverteilungskomponente eingesetzten starren Leiterplatte (PCB) sichergestellt wird.
Ein erfindungsgemäßes integriertes Sensormodul für Mechatroniken kann hergestellt werden, indem die Schritte:

- Fräsen einer biegbaren Lasche (6) und Stanzen einer Ausnehmung in eine starre Leiterplatte (5),
- Anbinden eines Sensorelements (4) an die biegbare Lasche (6) der Leiterplatte (5) mittels Löten und/oder Schweißen
- Anbringen eines Gehäuses (3), wobei das Sensorelement (4) und dessen elektrische Verbindung mit der Leiterplatte (5) innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet werden;
- Fixieren des Gehäuses (3) an der Leiterplatte (5) oberhalb der in der Leiterplatte (5) angebrachten Ausnehmung (7).

Bevorzugt wird das Gehäuse derart oberhalb der Ausnehmung fixiert, dass die Aufsatzfläche des Gehäuses die Ausnehmung der Leiterplatte überragt.
Das Gehäuse wird in einer weiteren bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte fixiert.
Auf diese Weise wird eine ausreichende Abdichtung des Sensorelements und der Kontaktstellen der biegbaren Lasche gegenüber Umgebungseinflüssen wie Öl und darin enthaltene Kontamination erzielt.
Ein erfindungsgemäßes integriertes Sensormodul für Mechatroniken kann besonders bevorzugt als Bestandteil einer integrierten Mechatronik, insbesondere in Getrieben und/oder in Motoren, in der Automobilindustrie verwendet werden.
Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand von einer Ausführungsvariante in Verbindung mit der Zeichnung erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt.
In dieser zeigt:

1 eine schematische Querschnittsansicht auf ein erfindungsgemäßes integriertes Sensormodul 1 für Mechatroniken.

1 zeigt in einer schematischen Querschnittsdarstellung das erfindungsgemäße integrierte Sensormodul für Mechatroniken 1. Die gesamte Sensorkomponente kann ein im Wesentlichen zylinderförmiges Gehäuse 3 und ein Sensorelement 4 umfassen. Das Gehäuse 3 kann beispielsweise aus zwei Kunststoffschalen zusammengesetzt sein, die einen umlaufenden Vorsprung 8 aufweisen. Das Gehäuse ist auf der Leiterplatte 5 derart fixiert, dass es mit seiner Aufsatzfläche die Ausnehmung 7 überragt. Die Fixierung des Gehäuses 3 auf der Leiterplatte 5 kann beispielsweise mittels Heißverstemmen und/oder Kleben erfolgen. Innerhalb des Gehäuses 3 befindet sich das Sensorelement 4, das vorliegend bevorzugt über Anschlusspins 2 an die nach oben gebogene Lasche 6 der Leiterplatte 5 angeschlossen ist. Die biegbare Lasche 6 der Leiterplatte 5 kann durch Tiefenfräsen eines entsprechenden Bereichs der Leiterplatte erzeugt werden.
Zusammenfassend werden aufgrund des integrierten Sensormoduls für Mechatroniken die Funktionen des Trägers und gleichzeitig der Signal- und Stromverteilung von der starren Leiterplatte (PCB) übernommen. Zudem wird dadurch die Anbringung von Sensorelementen erleichtert. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Konzept sichergestellt, dass eine einfache Geometrie der elektronischen Bauteile für integrierte Mechatroniken eingehalten werden kann. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Anordnungen der Sensoren im Träger kann die Montage stark vereinfacht werden. Erfindungsgemäß entfällt die Notwendigkeit der langen, passgenauen Zuleitungen zu den peripheren Sensoren aus Stanzgitter oder teurer flexibler Leiterplatte.
Durch einen standardisierten Aufbau kann weiterhin eine erleichterte Qualitätskontrolle und damit eine erhebliche Fehlerreduktion solcher Bauteile erzielt werden. Elektronikgeräte mit den erfindungsgemäßen integrierten Sensormodulen für Mechatroniken können vorteilhafter Weise in einem Temperaturbereich von -40 °C bis +180 °C verwendet werden.

Claims

Integriertes Sensormodul (1) für Mechatroniken umfassend mindestens ein Sensorelement (4), mindestens ein Gehäuse (3) und mindestens eine starre Leiterplatte (5), wobei das Sensorelement (4) innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet und das Gehäuse (3) oberhalb einer in der Leiterplatte (5) angebrachten Ausnehmung (7) auf der Leiterplatte (5) fixiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (4) mittels einer durch Fräsen erzeugten biegbaren Lasche (6) mit der Leiterplatte (5) so elektrisch verbunden ist, dass die elektrische Verbindung in dem das Sensorelement (4) umschließenden Gehäuse (3) angeordnet ist.
Integriertes Sensormodul (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) aus Kunststoff- und/oder Aluminiumschalen zusammengesetzt ist.
Integriertes Sensormodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte (5) fixiert ist.
Integriertes Sensormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (7) in der Leiterplatte (5) eine einfache Stanz-Geometrie aufweist.
Integriertes Sensormodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufsatzfläche des Gehäuses (3) die Ausnehmung (7) in der Leiterplatte (5) überragt.
Verfahren zur Herstellung eines integrierten Sensormoduls (1) für Mechatroniken, gekennzeichnet durch die Schritte: - Fräsen einer biegbaren Lasche (6) und Stanzen einer Ausnehmung (7) in eine starre Leiterplatte (5), - Anbinden eines Sensorelements (4) an die biegbare Lasche (6) der Leiterplatte (5) mittels Löten und/oder Schweißen - Anbringen eines Gehäuses (3), wobei das Sensorelement (4) und dessen elektrische Verbindung mit der Leiterplatte (5) innerhalb des Gehäuses (3) angeordnet werden; - Fixieren des Gehäuses (3) an der Leiterplatte (5) oberhalb der in der Leiterplatte (5) angebrachten Ausnehmung (7) .
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) derart oberhalb der Ausnehmung (7) fixiert wird, dass die Aufsatzfläche des Gehäuses (3) die Ausnehmung (7) der Leiterplatte (5) überragt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (3) mittels Verstemmen, Kleben und/oder Löten auf der Leiterplatte (5) fixiert wird.
Verwendung eines integrierten Sensormoduls für Mechatroniken (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Bestandteil einer integrierten Mechatronik, insbesondere in Getrieben und/oder in Motoren in der Automobilindustrie.