DE102005047873A1 - Miniaturisiertes Inertialmesssystem - Google Patents

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Abstract

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Inertialmesssystem (1) zur Erfassung von Beschleunigungen und/oder Drehraten, ein Herstellungsverfahren und eine Verwendung hierzu, umfassend: mindestens drei Sensoreinheiten (4) mit mindestens je einem Sensor zur jeweils mindestens einachsigen Erfassung von Beschleunigung und/oder Drehraten und eine Leiterplattenanordnung (2) mit integrierten Leiterbahnen, wobei die Leiterplattenanordnung (2) mindestens drei zueinander im Wesentlichen orthogonal angeordnete Leiterplattenoberflächen (3) aufweist, welche einen dreidimensionalen Raum aufspannen, und wobei an denen zu dem Raum weisenden Leiterplattenoberflächen (3) jeweils eine der Sensoreinheiten (4) zur Erfassung der Messdaten angeordnet und mit mindestens einer Leiterbahn gekoppelt ist, wobei die Leiterplattenanordnung (2) aus einer einzigen, aus einem starren Material gefertigten drahtbeschriebenen Leiterplatte besteht, welche durch entsprechend einem Knickmuster angeordnete Ausnehmungen flexible Bereiche aufweist, wobei die Leiterplatte an den flexiblen Bereichen winklig gefaltet ist, um so eine einen dreidimensionalen Raum aufspannende Leiterplattenanordnung (2) zu bilden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Inertialmesssystem (IMS) zur Erfassung von Beschleunigungen und/oder Drehraten sowie ein zugehöriges Herstellungsverfahren eines IMS und die Verwendung eines IMS.
  • Derartige IMS werden vornehmlich in der Mechatronik in einer Vielzahl von Einsatzgebieten insbesondere in allgemeinen mechatronischen Systemen wie der Robotik, im Automobilbereich, bei Fahrerassistenzsystemen, bei Szenenerkennung und bei hochpräzisen inertialen Messtischen insbesondere zur Erfassung von Bewegungsdaten wie Beschleunigungen und/oder Drehraten eingesetzt. Aus den erfassten Daten und deren Zeithistorie können dann Orientierungsdaten im Raum berechnet werden.
  • Bei fast allen Einsatzgebieten wird seitens der Anwender eine möglichst kleine Bauweise gefordert, wobei immer kleinere Abmaße für immer kleinere Bauräume eingehalten werden müssen.
  • Stand der Technik sind inertiale Messsysteme, bei denen Linearbeschleunigungssensoren und Gyroskope zum Einsatz kommen, die aufgrund des Miniaturisierungspotentials im Consumer-Bereich bevorzugt in MEMS-Technologien (Micro-Electro-Mechanical-Systems) in zunehmendem Maße aber auch im industriellen Umfeld ausgeführt werden. Zusätzlich können solche Systeme um Magnetfeldsensoren erweitert werden, um Drift um den Gravitationsvektor zu kompensieren.
  • Um Bewegungsinformationen in mehr als einem translatorischen bzw. mehr als einem rotatorischen Freiheitsgrad mit Sensoren messen zu können, müssen sensitive Achsen der zugehörigen Sensoren zueinander winkelversetzt angeordnet sein und dürfen im allgemeinen dreidimensionalen Fall nicht in einer gemeinsamen Ebene liegen. Im Idealfall, d.h. um ein optimales Messergebnis zu erhalten, sind alle sensitiven Achsen einer Sensoreinheit zueinander orthogonal. Ebenfalls müssen die Verbindungen der einzelnen Sensoren oder Sensoreinheiten mit Leiterbahnen oder dergleichen bei inertialen Messsystemen oder auch Inertialmesssystemen zur Erzielung eines optimalen Ergebnisses besonders starr sein.
  • Nachteilig an den bestehenden Systemen ist, das die zueinander winkelverdrehte, möglichst orthogonale Anordnung der sensitiven Achsen der Sensoren oder Sensoreinheiten durch aufkleben weiterer, ursprünglich vollständig getrennter Stücke Leiterplatten auf eine (Haupt-)Leiterplatte gelöst wird. Da die Leiterplatten der einzelnen Leiterplatten miteinander elektrisch gekoppelt werden müssen, wird bisher eine elektrische Verbindung durch Lötstellen in dem Bereich, in dem Hauptleiterplatte und aufgesetzte Leiterplatte aufeinandertreffen realisiert. Alternativ werden die Verbindungen der Hauptleiterplatten auch über kleine Stecker, anstatt über Lötstellen hergestellt. Jedoch benötigen die Stecker relativ viel Bauraum im Verhältnis zu der Lötstellen-Technik, so dass diese Steckverbindung für eine weitergehende Miniaturisierung nicht einsetzbar ist.
  • Alternativ werden nach dem Stand der Technik Sensoren an den Seitenflächen eines Würfels angeordnet, in dem die Sensoren mit ihrer Oberseite an den Würfel geklebt werden und an ihrer Unterseite mit einzelnen Stücken Leiterplatte elektrische beschaltet werden. Die Verbindung der einzelnen Leiterplatten findet dabei durch freiliegende Kabel statt.
  • Diese Lösung hat den Nachteil, dass sie zum einen schlecht automatisierbar im Herstellungsprozess ist und die freien Kabel anfällig für Störungen sind.
  • Insgesamt weisen die bekannten Lösungen die folgenden Nachteile auf
    Für eine sichere elektrische Verbindung der Leiterplatten über Eck, das heißt über die Randbereiche der Leiterplatten an deren Kontaktstellen, müssen auf die sich jeweils kontaktierenden Leiterplatten so genannte Lötpads angebracht werden, welche inklusive Beschaltung auf der Oberfläche jeder Leiterplatte pro Kontakt oder Kontaktstelle ca. 1–2 mm2 an Bauraum bzw. Leiterplattengrundfläche benötigen und dadurch die Layoutfreiheit eines Leiterplatten- beziehungsweise IMS-Entwicklers einschränken. Das bedeutet, dass entsprechend große Leiterplatten verwendet werden müssen. Eine Miniaturisierbarkeit einer Leiterplattenanordnung beziehungsweise eines IMS ist hierdurch erheblich eingeschränkt oder limitiert.
  • Zudem können aus Stabilitätsgründen die aufgesetzten Leiterplatten nicht direkt am Rand oder der Kante der Hauptleiterplatte bündig angeordnet werden. Die Hauptleiterplatte benötigt für die stabile Befestigung einer weiteren Leiterplatte an der Hauptleiterplatte einen Überstand von ca. 1–2 mm. Das heißt, die vorzugsweise orthogonal auf der Hauptleiterplatte anzubringende weitere Leiterplatte weist mit ihrer Außenseite in dem Kontaktbereich zu der Außenkante der Hauptleiterplatte einen Abstand von ca. 1–2 mm auf. Dieser Überstand verhindert durch den ungenutzten Bereich zwischen Außenkante der Hauptplatte und Außenseite der weiteren Leiterplatte im Kontaktbereich eine weitergehende und optimierte Miniaturisierung.
  • Nachteilig kommt hinzu, dass bei Verbindung von zwei separaten Leiterplatten über eine oder mehrere Lötverbindungen, die Lötverbindungen) über Eck – das heißt in dem von den beiden Leiterplatten eingeschlossen Kontaktbereich und dessen unmittelbarer Umgebung – insbesondere bei starken Beanspruchungen wie Vibrationen nicht dauerhaft haltbar ist/sind beziehungsweise die Verbindungen nur eine verkürzte Lebensdauer aufweisen.
  • Insgesamt fällt pro an einer Leiterplatte aufgesetzter oder angeordneter Leiterplatte ein zusätzlicher Fügeaufwand oder Montageaufwand an, welcher mit zunehmender Anzahl an aufgesetzten Leiterplatten proportional oder sogar überproportional ansteigt.
  • Weiter müssen bei der Herstellung der einzelnen Leiterplatten diese im Fertigungsprozess jeweils entweder einzeln bestückt werden, das heißt mit Peripherie wie weiteren elektrisch Bauteilen wie Kondensatoren und dergleichen ausgestattet werden, so dass insgesamt der Produktionsaufwand sehr hoch ist, oder es wird eine große Leiterplatte bestückt, welche dann nach der Bestückung in kleine Leiterplattenstücke beispielsweise durch Fräsen zerteilt wird.
  • Eine andere Verbindung mehrerer Leiterplatten, wie beispielsweise über Stecker oder Steckverbindungen beansprucht pro Platine mindestens 15 mm2 der Grundfläche oder der Leiterplattenoberfläche, so dass diese Verbindungsart trotz eines leicht verbesserten Füge- oder Montageaufwands eine weitere Miniaturisierung erheblich erschwert.
  • Neben dem höheren Platzbedarf oder Raumbedarf und der daraus resultierenden Mindestgröße der Leiterplatten steigt durch die zusätzlichen Verbindungselemente zwischen den einzelnen Leiterplatten wie Lötpads, Stecker und dergleichen auch die Gesamtmasse des IMS. Zur möglichst genauen und exakten Messung von Messdaten ist es jedoch erforderlich, dass das IMS möglichst leicht ausgebildet ist. Denn durch die höhere Masse wirken höhere unerwünschte Masseneffekte auf die ursprüngliche Struktur des Systems. Dadurch kann es zu unerwünschten Zusatzeffekten kommen, die wiederum zu ungenaueren Messdaten bezogen auf das Ursprungssystem führen. Somit ist die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass die erfassten Messdaten weniger genau sind als die Messdaten leichterer IMS. Zudem widerspricht die höhere Masse den bei vielen Bauteilen wichtigem und gefordertem Leichtbauaspekt.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein miniaturisiertes IMS sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung eines miniaturisiertem IMS zu schaffen, wobei das IMS weniger störungsanfällig aufgrund von externen Einflüssen wie Vibrationen ist, dauerhafte und geschützte elektrische Leiterbahnen auch in den Übergangsbereichen der einzelnen Leiterplatten bereitstellt, stabile Leiterplattenoberflächen oder Ebenen zur Anbringung der Sensoren oder Sensoreinheiten aufweist und ein hohes Miniaturisierungspotential bietet, um so auch eine sicher und optimierte Messdatenerfassung zu realisieren.
  • Weiterhin ist eine Aufgabe der Erfindung, eine flexible und vielfach einsetzbare Verwendung des IMS zu realisieren.
  • Diese Aufgaben werden ausgehend von einem miniaturisierten IMS gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6 und dessen Verwendung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7 in Verbindung mit den hierauf folgenden kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die hierauf folgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
  • Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass bei einem miniaturisierten Inertialmesssystem zur Erfassung von Beschleunigungen und/oder Drehraten umfasst sind: mindestens drei Sensoreinheiten zur mindestens einachsigen Erfassung von Beschleunigung und/oder Drehraten, eine Leiterplattenanordnung mit integrierten Leiterbahnen, wobei die Leiterplattenanordnung mindestens drei zueinander im Wesentlichen orthogonal angeordnete Leiterplattenoberflächen aufweist, welche einen dreidimensionalen Raum aufspannen, und wobei an denen zu dem Raum weisenden Leiterplattenoberflächen jeweils eine Sensoreinheit zur Erfassung der Messdaten angeordnet und mit mindestens einer Leiterbahnen gekoppelt ist, wobei die Leiterplattenanordnung aus einer einzigen, aus einem starren Material gefertigten drahtbeschriebenen Leiterplatte besteht, welche durch mindestens eine entsprechend einem Knickmuster angeordnete Ausnehmung mindestens einen flexiblen Bereich aufweist, wobei die Leiterplatte an dem mindestens einen flexiblen Bereich winklig gefaltet ist, um so eine einen dreidimensionalen Raum aufspannende Leiterplattenanordnung zu bilden.
  • Vorzugsweise umfasst das inertiale Messsystem oder das Inertialmesssystem mehrere Sensoreinheiten sowie des Weiteren Peripherie, das heißt weitere elektrische oder elektronische Bausteine wie Kondensatoren, Widerstände, (Referenz-) Spannungsversorgungen, Analog-Digital-Wandler, Mikrocontroller, Interface-Bausteine (CAN-Bus, RS232, RS422, RS485, FlexRay-Bus, ...), IC's und dergleichen. Die für den Betrieb des IMS notwendigen Bauteile sind in dem von den Leiterplatinenoberflächen aufgespannten Raum angeordnet. Die Peripherie sowie die Sensoreinheiten sind jeweils mit mindestens einer Leiterbahn der Leiterplatte gekoppelt. Hierdurch entsteht ein miniaturisiertes IMS mit minimalen Abmessungen bei gleichzeitig optimierter Bauraum- und/oder Leiterplattengrundflächen-Ausnutzung.
  • Die erfindungsgemäßen Sensoreinheiten umfassen mindestens einen Sensor zur mindestens einachsigen Erfassung von Beschleunigung und/oder Drehraten beziehungsweise allgemein Bewegungsdaten. Der Sensor ist vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe umfassend Linearbeschleunigungssensoren, Gyroskope, Magnetfeldsensoren, Drehbeschleunigungssensoren und dergleichen. Vorzugsweise weist die Sensoreinheit mehrere Sensoren in einer Sensoreinheit integriert auf. Dabei sind bevorzugt zumindest ein Gyroskop und ein Linearbeschleunigungssensor in einer Sensoreinheit integriert. Vorzugsweise ist die Sensoreinheit weiter ergänzt um einen Magnetfeldsensor, weiter bevorzugt um einen Drehbeschleunigungssensor oder einer Kombination von beiden. Alle Sensoren weisen dabei eine sensitive Achse auf, hinsichtlich derer sie Messdaten erfassen. Durch die Anordnung beziehungsweise Ausrichtung der Sensoren an der Leiterplattenoberfläche werden die sensitiven Achsen entsprechend ausgerichtet und bestimmen beziehungsweise definieren somit dann auch die primäre(n) sensitive(n) Achse(n) der Sensoreinheit(en). Alternativ können die erfassten Größen, welche mittels der im Wesentlichen orthogonal zueinander ausgerichteten Sensoren erfasst werden, auch in jedes beliebige nicht karthesische Koordinatensystem sowie verdrehte Koordinatensysteme oder Polarkoordinatensysteme transformiert werden, wobei die Achsen dieses beliebig gewählten Koordinatensystems dann ebenfalls sensitive Achsen des IMS bilden können.
  • Mehrere Linearbeschleunigungssensoren oder Magnetfeldsensoren können, wie prinzipiell auch alle anderen Sensoren, als IC auf oder in einem gemeinsamen Chip integriert angeordnet sein. Auch ist eine Kombination mehrerer verschiedener Sensortypen als IC möglich. Diese können dann sogar zwei oder drei bevorzugt orthogonale sensitive Achsen auf dem Chip definieren. Gyroskop und Drehbeschleunigungssensor sind im Regelfall jeweils separat als einachsige Bausteine ausgebildet mit nur einer einzigen sensitiven Achse. Denkbar ist jedoch auch eine mehrachsige Ausbildung. So kann zum Beispiel eine Kombination eines zweiachsigen Gyroskops mit einem einachsigen Gyroskop realisiert werden. Bei einachsigen Bauteilen mit nur einer sensitiven Achse müssen diese sensitiv einachsigen Bausteine im Wesentlichen orthogonal ausgerichtet sein um ein optimales Messergebnis zu liefern oder optimal Messdaten zu erfassen.
  • Hierzu spannen die Leiterplattenoberflächen, an denen die Sensoreinheiten angeordnet sind, einen dreidimensionalen Raum auf, wobei die Leiterplattenoberflächen im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet sind. Im Wesentlichen orthogonal heißt dabei, dass die Leiterplattenoberflächen zueinander im Wesentlichen einen Winkel einschließen, der bevorzugt in dem Bereich von >= 60° bis <= 120°, weiter bevorzugt von >= 75° bis <= 105° und am meisten bevorzugt von >= 85° bis <=9 5° liegt.
  • Der von den Leiterplattenoberflächen aufgespannte Raum kann in Abhängigkeit von der Form der Leiterplattenoberflächen nahezu jede beliebige Raumform annehmen, wobei vorzugsweise in diesem Raum, der auch als Hüllraum zu verstehen ist, die Bauteile, Peripherie und/oder Sensoreinheiten für das IMS angeordnet sind. Zudem können auch außerhalb dieses Hüllraums Bauteile angeordnet sein, so dass eine optimale Bestückung der Leiterplatten erfolgt. Die Sensoreinheiten sind vorzugsweise innerhalb des Hüllraums angeordnet, wodurch sie durch die Leiterplatten gegen unerwünschte äußere Einflüsse zusätzlich geschützt sind.
  • Zur Kopplung der Sensoreinheiten und/oder der weiteren Peripherie sind diese an der Leiterplatte, genauer an den Leiterplattenoberflächen angeordnet, wobei in dem Kontaktbereich mindestens eine Kopplung zu den in der Leiterplatte teilweise eingebetteten Leiterbahnen besteht. Die Kopplung zu den Leiterbahnen kann dahingehend realisiert sein, dass in dem für die verschiedenen Bauteile vorgesehenen Bereich die Leiterbahnen an die Oberfläche der Leiterplatte ragen oder zum Beispiel Ausnehmungen bis zu den Leiterbahnen in dem Leiterplattenmaterial bestehen, welche es ermöglichen, dass die verschiedenen Bauteile teilweise durch das Leiterplattenmaterial zu den Leiterbahnen ragen können.
  • Die Leiterplatte besteht aus einem starren, das heißt im Wesentlichen nicht flexiblen, elastischen Material. Dieses Material erlaubt keine Faltung oder kein Abknicken der Leiterplatte, so dass bei einer Faltung über größere Winkel es zu einer Beschädigung der Leiterplatte käme. Die Leiterplatte weist somit eine ausreichende Stabilität zum Anbringen von Sensoren und/oder Peripherie an den Leiterplattenoberflächen auf und ermöglicht so eine optimale Erfassung von Messdaten.
  • Um die zueinander im Wesentlichen orthogonalen Leiterplattenoberflächen zu realisieren, weist die Leiterplatte mindestens eine Ausnehmung in dem an sich starren Material auf. In dem Bereich der Ausnehmung ist durch die reduzierte Materialstärke ein flexibler Bereich ausgebildet. Die Ausnehmung kann beliebig ausgebildet sein, beispielsweise auch L-förmig. Bei einer L-förmigen Ausbildung lässt sich beispielsweise eine Faltung entlang der beiden Schenkel des L's realisieren, wobei die Faltung in zwei unterschiedliche Richtungen erfolgt. Vorzugsweise weist die Leiterplatte mehrere Ausnehmungen auf, wodurch mehrere flexible Bereiche ausgebildet sind. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen linear-artig ausgebildet. Die Ausnehmung ist jeweils abhängig von der Form der Leiterplatte, der Materialstärke, der Materialeigenschaften, der Anordnung der Leiterbahnen aufgrund beispielsweise eines Drahtschreibens sowie der gewünschten Anordnung und Form der Leiterplattenoberflächen. Hierzu ist die Ausnehmung oder sind die Ausnehmungen nach einem vorbestimmten Knickmuster angeordnet. Vorzugsweise ist die Ausnehmung nach Art einer Nut ausgebildet, entlang derer die Leiterplatte geknickt oder gefaltet werden kann. Entlang des flexiblen Bereichs oder der flexiblen Bereiche ist die Leiterplatte winklig abknickbar bzw. faltbar.
  • Um einen etwa kubischen, quaderförmigen oder teilweise kubischen Raum zu bilden, ist die Leiterplatte im Wesentlich orthogonal an mehreren flexiblen Bereichen gefaltet. Prinzipiell ist jedoch fast jede Raumform denkbar. Ebenso ist grundsätzlich jeder Winkel denkbar, wobei unter Winkel der Winkel gemeint ist, der von den in Verbindung stehenden Leiterplattenoberflächen in Richtung aufgespannten Raum eingeschlossen wird, wobei von einer Faltung um eine Achse, welche vorzugsweise in Längsrichtung der Ausnehmung bzw. der Nut verläuft, ausgegangen wird. Prinzipiell vorstellbar ist auch, dass die Leiterplattenoberfläche neben dem Knicken/Falten auch noch verdrillt werden kann, das heißt zusätzlich kann bei der Bildung einer Leiterplattenanordnung eine rotatorische Komponente mitwirken.
  • Durch das Knicken bzw. Falten entsteht eine Verbindung der einzelnen Leiterplattenoberflächen ohne Überlappung. Die Leiterplattenoberflächen sind direkt an einer Knickkante verbunden. Der Abstand der Außenseiten der einzelnen Leiterplattenoberflächen von der jeweiligen Knickkante entspricht maximal im Wesentlichen der Dicke der Leiterplatte. Das erfindungsgemäße IMS nimmt dabei im Vergleich mit anderen Leiterplattenverbindungen mit Überstand einen minimalen Raum bei minimaler Leiterplattengröße ein. Für die Verbindung der Leiterplatten sind keine zusätzlichen Elemente notwendig. Es sind jedoch Ausbildungen mit nachträglich angebrachten zusätzlichen Rippen und/oder anderen Elementen für eine Stabilisierung in der Knickkante denkbar. Bei Ausbildungsformen mit derartigen Elementen ist eine Reduzierung des Gewichts und/oder des Raumbedarfs des IMS im Vergleich zu herkömmlichen IMS ebenfalls gegeben, die Reduzierung fällt jedoch geringer aus, als bei Ausführungsformen ohne derartige Elemente.
  • Die Leiterplattenoberflächen spannen einen Raum auf, in dem die wesentlichen Komponenten – sprich die Sensoreinheiten – des IMS angeordnet sind. Bei der Definition des (Hüll-)Raumes und einem Vergleich mit bisherigen Bauräumen anderer IMS sind Bereiche, die außerhalb der Leiterplattenoberflächen liegen, beispielsweise aufgrund von Überständen bei einer Messung des Raumvolumens mit zu berücksichtigen.
  • Sind die (mindestens drei) Leiterplattenoberflächen im Wesentlichen orthogonal zueinander gefaltet und weisen die einzelnen Leiterplattenoberflächen eine im Wesentlichen quadratische oder rechteckige Grundform auf, so spannen diese im Wesentlichen einen kubischen Raum oder Hüllraum auf.
  • Vorzugsweise weist das miniaturisierte Inertialmesssystem Leiterplattenoberflächen auf, die im Wesentlichen eine flächige geometrische Grundfläche aufweisen umfassend quadratische, rechteckige, mehreckige, runde und/oder ovale Grundfläche. Vorzugsweise sind die Leiterplattenoberflächen als rechteckige Grundflächen ausgebildet, da diese auf einfache Weise herstellbar und faltbar sind und sich ohne großen Aufwand ein entsprechendes Knickmuster zum Falten bzw. Knicken der Leiterplatte(n) an den flexiblen Bereichen realisieren lässt. Dabei können die Grundflächen an den Rändern/Kanten auch abgeschrägt oder angefast sein, wobei dies jedoch die prinzipielle Grundform der Grundfläche nicht beeinträchtigt. Aus Gründen der Gewichtsersparnis können auch ungenutzte Bereiche der Leiterplatte entfernt sein, so beispielsweise durch Aussparungen wie Bohrungen und/oder Ausnehmungen, wobei dadurch neben der Gewichtsersparnis weitere Vorteile wie bessere Wärmeabfuhr erreicht werden können. Auch diese Maßnahmen sind dabei nicht dahingehend zu verstehen, dass diese die grundsätzliche Form der Grundfläche verändern. Prinzipiell kann die Leiterplattenoberfläche jede Form annehmen. Vorzugsweise ist die Grundform der Leiterplatte rechteckig oder quadratisch ausgebildet.
  • Bei Leiterplattenoberflächen, die jeweils eine rechteckige Grundform aufweisen, wird bei orthogonaler Faltung ein quaderförmiger Raum aufgespannt. Dieser quaderförmige Raum weist entsprechend der Abmaße der Leiterplattenoberflächen ein entsprechendes Volumen auf. Dieses Volumen ist unter anderem von den Kantenlängen der Leiterplattenoberflächen abhängig.
  • Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme kann bei einem miniaturisierten Inertialmesssystem die Grundfläche der Leiterplattenoberflächen im Wesentlichen eine Kantenlänge bzw. einen Durchmesser/Achsabstand von bevorzugt <= 20mm, weiter bevorzugt von <= 18mm und am meisten bevorzugt von <= 15mm aufweisen. Somit lassen sich gegenüber dem Stand der Technik deutlich kleinere Abmaße realisieren.
  • Gemäß einer anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass bei einem miniaturisierten Inertialmesssystem die mindestens drei Leiterplattenoberflächen nach Art eines Würfels gefaltet sind, wobei bevorzugt >= drei Leiterplattenoberflächen, weiter bevorzugt >= vier Leiterplattenoberflächen, und besonders bevorzugt >= fünf Leiterplattenoberflächen nach Art eines Würfels gefaltet sind, wobei das Knickmuster entsprechend ausgebildet ist. Bei drei zueinander im Wesentlichen orthogonal angeordneten Leiterplattenoberflächen weist die Leiterplattenanordnung eine geringere Stabilität auf, als wenn beispielsweise vier oder mehr Leiterplattenoberflächen im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet werden. Bei mehr als drei Leiterplattenoberflächen können sich die Leiterplattenoberfläche zum Teil gegenseitig abstützten um so eine höhere Stabilität des IMS zu realisieren. Insbesondere bei höheren Belastungen, vor allem externen und/oder mechanischen Belastungen wie beispielsweise durch Vibrationen und dergleichen ist es deshalb bevorzugt, mehr als drei Leiterplattenoberflächen zueinander im Wesentlichen orthogonal anzuordnen.
  • So ist es zum Beispiel bevorzugt, dass die Leiterplattenanordnung fünf Leiterplattenoberflächen aufweist, welche nach Art eines Würfels oder Quaders gefaltet sind, wobei eine Seite offen ist. Zwar erhöht jede über die notwendigen drei Leiterplattenoberflächen weiter ausgebildete Leiterplattenoberfläche den Herstellungsaufwand, jedoch ist dieser Aufwand aufgrund der Stabilitätsvorteile gerechtfertigt.
  • Neben den zusätzlichen Leiterplattenoberflächen lässt sich der durch die Leiterplattenoberflächen gebildete bzw. aufgespannte Raum auch mit einem geeigneten Material ausgießen, wobei das Material bevorzugt isolierend und/oder aushärtend ausgebildet ist. Auf diese Weise erhält man ein kompaktes, stark belastbares, miniaturisiertes IMS.
  • Insbesondere zeigt sich der Grad der Miniaturisierung an dem Hüllraum, welcher das IMS sozusagen einhüllt.
  • Vorzugsweise ist deshalb, dass der durch die Leiterplattenanordnung aufgespannte Raum bzw. Hüllraum im Wesentlichen kubisch oder quaderförmig bevorzugt mit einem Volumen von <= 10 cm3, weiter bevorzugt von <= 8 cm3 und am meisten bevorzugt von <= 6 cm3 ausgebildet ist. Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich sogar Hüllräume mit einem Volumen <= 3,375 cm3 realisieren.
  • Unter Raum, Hüllraum oder kubischem Hüllraum ist dabei der Raum zu verstehen, der durch die IMS aufgespannt wird, diese somit umhüllt. Bei Überstand einer Außenkante über eine Außenseite sind also derartige Überstände jeweils mit bei der Messung des (Hüll-)Raums einzubeziehen, wobei beim Aufspannen von Leiterplattenoberflächen mit derartigen Überständen ein Innenraum und mindestens ein Außenraum innerhalb des gesamten Hüllraumes, getrennt oder definiert durch die Leiterplattenanordnung entsteht. Bei dem erfindungemäßen IMS entsteht in dem Hüllraum nur ein Innenraum, da dieses erfindungsgemäße IMS ohne derartige Überstände ausgebildet ist und die Leiterplattenanordnung somit mit den Leiterplattenoberflächen gleichzeitig die äußere Hülle definiert.
  • Vorteilhafterweise weist die Ausnehmung oder weisen die Ausnehmungen der bevorzugt drahtgeschriebenen Leiterplatten zur Bereitstellung mindestens je eines flexiblen Bereichs an der Leiterplatte eine Tiefe auf, welche so ausgebildet ist, dass die drahtgeschriebenen Leiterbahnen nicht an die Leiterplattenoberfläche ragen. Somit ist die mindestens eine Leiterbahn permanent vor Umwelteinflüssen geschützt.
  • Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die mindestens eine Ausnehmungen als Nut ausgebildet ist, an der die Leiterplatte so gefaltet ist, dass die Leiterbahn oder die Leiterbahnen nicht an die Leiterplattenoberfläche ragen. Hierbei können beispielsweise freiliegende Verbindungen vermieden werden, so dass die Verbindung der Leiterplattenoberflächen dauerhaft und störungsfrei ausgebildet ist.
  • Alternativ hierzu kann die Ausnehmung eine Tiefe aufweisen, die so ausgebildet ist, dass die Leiterbahnen gerade an die Oberfläche der Leiterplatte, das heißt den Boden der Ausnehmung in der Leiterplatte ragen. Um diese jedoch durch äußere Einflüsse zu schützen, kann auf diese entsprechend eine Schicht aufgebracht werden, so dass diese Leiterbahnen) komplett gegenüber der äußeren Umgebung abgedeckt sind. Somit ist bevorzugt, dass die Ausnehmung der drahtgeschriebenen Leiterplatte zur Bereitstellung mindestens eines flexiblen Bereichs eine Tiefe aufweist, welche so ausgebildet ist, dass mindestens eine drahtgeschriebene Leiterbahn an die Leiterplattenoberfläche ragt und eine Schutzschicht auf der Leiterplattenoberfläche aufgebracht ist, so dass mindestens eine Leiterbahn nicht mit der Umgebung in Kontakt steht.
  • Die technische Lehre umfasst weiter ein Verfahren zur Herstellung eines miniaturisierten Inertialmesssystems, umfassend die Schritte: Anfertigen von mindestens einer nach einem Knickmuster vorgegebenen Ausnehmung in einer starren drahtgeschriebenen Leiterplatte zur Erzeugung von mindestens einem flexiblen Bereich in dem Gebiet der Ausnehmung, Koppeln von Sensoreinheiten zur Beschleunigungs- und/oder Drehratenerfassung an den auf der Leiterplatte vorgesehen Stellen, und Falten der Leiterplatte, so dass mindestens drei zueinander im Wesentlichen orthogonale Leiteroberflächen entstehen, wobei die Schritte Koppeln und Falten auch in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden können.
  • Zuerst wird zu Herstellung eines IMS eine drahtgeschriebene Leiterplatte mit einem entsprechenden Knickmuster versehen, anhand dessen die Leiterplatte später gefaltet wird. Entsprechend werden mindestens eine, bevorzugt mehrere Ausnehmungen in der Leiterplatte ausgebildet, welche durch die geringere Materialstärke an den entsprechenden Bereichen die eigentlich starre Leiterplatte in den Bereichen flexibel gestaltet, so dass sich später die Leiterplatte in diesem Bereich falten lässt. Die Ausnehmungen können mit jedem beliebigen Verfahren erzeugt werden. Es ist darauf zu achten, dass die Tiefe der Ausnehmungen so ausgewählt wird, dass die in der Leiterplatte bzw. in dem Leiterplattenmaterial verlaufenden Leiterbahnen nicht an die Oberfläche ragen. Gegebenenfalls ist eine Schutzschicht auf freiliegende Leiterbahnen aufzubringen.
  • In einem weiteren Schritt werden die Sensoreinheiten bzw. die Peripherie an den vorbestimmten Bereichen der Leiterplatte angeordnet. Die Leiterbahnen wie auch die Bestimmung der Bereiche sowie das Knickmuster sind vorher von einem Layout-Designer entsprechend dem späteren Anwendungsfall festgelegt worden. Die Kopplung der Sensoreinheiten und/oder der Peripherie erfolgt nach herkömmlichen Verfahren. Nachdem die Bauteile umfassend Sensoreinheiten und Peripherie an der Leiterplatte angeordnet wurden und ggf. eine Qualitätskontrolle über die korrekte Anordnung durchgeführt wurde, werden die Leiterplattenoberflächen an den vorgesehenen Stellen gefaltet, so dass die gewünschte Form entsteht bzw. ein entsprechender Raum aufgespannt wird. Es kann auch zuerst die Leiterplatte gefaltet werden und dann weitere Komponenten an den Leiterplattenoberflächen angeordnet werden. Bei mehr als drei Leiterplattenoberflächen ist jedoch das Anbringen der Bausteine aufgrund des durch die Leiterplattenanordnung eingeschränkten Bearbeitungsraum aufwendiger.
  • Insbesondere sieht die technische Lehre die Verwendung mindestens eines erfindungsgemäßen miniaturisierten Inertialmesssystems zum Einsatz in Systemen auf den folgenden Gebieten vor:
    Robotik zur Erfassung der Bewegung und/oder Orientierung mindestens eines Körpers, insbesondere Endeffektors,
    Automobilindustrie bevorzugt bei Fahrerassistenzsystemen zur Stabilisierung insbesondere eines Kamerasystems,
    Szenenerkennung zur Erfassung der Orientierung einer Kamera bei Aufnahmen,
    Mechatronik im Allgemeinen zur Erfassung von Orientierungsdaten,
    Bewegungs- und Schwingungskompensation,
    Kraftfahrzeugbau,
    bemannte und/oder unbemannte Luft-/Raumfahrzeugtechnik,
    Eingabegeräte insbesondere für Maschinen und/oder Spielekonsolen,
    hochpräzisen inertialen Messtischen und dergleichen.
  • Darüber hinaus lassen sich die IMS in jeglicher Anwendung einsetzten, in der auf engstem Raum eine zuverlässige, störungsfreie und genaue Erfassung von Messdaten hinsichtlich Beschleunigungen, Drehungen bzw. allgemein Raum- und Bewegungsdaten oder kurz Orientierungsdaten erforderlich beziehungsweise gewünscht ist.
  • Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt/zeigen:
  • 1 eine schematische, perspektivische Ansicht eines IMS mit drei Leiterplattenoberflächen;
  • 2a und 2b zwei schematische, perspektivische Ansichten eines IMS mit fünf Leiterplattenoberflächen und
  • 3a bis 3c drei schematische, perspektivische Ansichten eines IMS mit sechs Leiterplattenoberflächen, wobei eine Leiterplattenoberfläche noch geöffnet ist.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes miniaturisiertes IMS 1, welches eine Leiterplattenanordnung 2 mit drei Leiterplattenoberflächen 3 zeigt. An den Leiterplattenoberflächen 3 ist jeweils eine Sensoreinheit 4 angeordnet. Die Peripherie des IMS ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt. Die Leiterplattenoberflächen 3 weisen etwa eine quadratische oder rechteckige Grundfläche auf und sind jeweils im Wesentlichen zueinander orthogonal gefaltet, so dass eine etwa würfelartige Leiterplattenanordnung 2 entsteht, die einen Raum aufspannt, welche folglich in etwa kubisch oder quaderförmig ausgebildet ist. Die Sensoreinheiten 4, die einen oder mehrere Sensoren (nicht dargestellt) mit jeweils sensitiven Achsen (nicht dargestellt) aufweisen und die damit die sensitive(n) Achse(n) der Sensoreinheit 4 definieren, sind so an den Leiterplattenoberflächen 3 angeordnet, dass ihre sensitiven Achsen im Wesentlichen orthogonal zueinander in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sind. Die Leiterplattenanordnung 2 ist zu drei Seiten offen.
  • Eine weitere Ausführung der Leiterplattenanordnung 2 ist in 2a und 2b zu sehen.
  • In 2a und 2b ist schematisch eine IMS 1 mit einer Leiterplattenanordnung 2 in unterschiedlichen Perspektiven zu sehen, wobei die Leiterplattenanordnung 2 fünf Leiterplattenoberflächen 3 aufweist. Auch hier weisen die Leiterplattenoberflächen 3 eine im Wesentlichen quadratische oder rechteckige Grundform auf und sind im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet, so dass sich eine kubische oder quaderförmige Leiterplattenanordnung 2 ergibt. Die Leiterplattenanordnung 2 ist zu einer Seite geöffnet und definiert so im Inneren einen Raum, in dem die wesentlichen Bauteile des IMS 1 (Sensoreinheiten 4, wesentliche Peripherie (hier nicht dargestellt)) angeordnet sind. Dieser Raum kann zur weiteren Stabilisierung mit einem entsprechenden Material ausgegossen werden. In 3a bis 3c ist eine Leiterplattenanordnung 2 mit sechs Leiterplattenoberflächen 3 schematisch dargestellt.
  • 3a bis 3c zeigen schematisch ein IMS 1 mit sechs Leiterplattenoberflächen 3 in drei verschiedenen Perspektiven. Auch hier weisen die Leiterplattenoberflächen 3 wieder eine im Wesentlichen quadratische oder rechteckige Grundform auf und sind im Wesentlichen orthogonal zueinander angeordnet, so dass sich eine kubische oder quaderförmige Leiterplattenanordnung 2 ergibt. Die Leiterplattenanordnung 2 ist komplett verschließbar und nur zur besseren Darstellbarkeit geöffnet dargestellt. Hierdurch ist im Inneren ein Raum definiert, in dem die wesentlichen Bauteile des IMS 1 (Sensoreinheiten 3, wesentliche Peripherie (hier nicht dargestellt)), besonders aber auch die empfindlichen Bauteile angeordnet sind.
  • Nicht dargestellt sind in allen Figuren die Leiterbahnen, welche in dem Material der Leiterplatte eingebettet sind. Zudem sind die Ausnehmungen nicht dargestellt, da an diesen die Leiterplatte gefaltet ist und somit diese schlecht darstellbar sind. In den Knickbereichen der Leiterplatte sind die Leiterbahnen nicht zu sehen, da diese trotz Ausnehmungen immer noch in dem Material der Leiterplatte eingebettet ist.
  • 1
    Inertialmesssystem (IMS)
    2
    Leiterplattenanordnung
    3
    Leiterplattenoberfläche
    4
    Sensoreinheit

Claims (10)

  1. Miniaturisiertes Inertialmesssystem (1) zur Erfassung von Beschleunigungen und/oder Drehraten umfassend: mindestens drei Sensoreinheiten (4) mit mindestens je einem Sensor zur jeweils mindestens einachsigen Erfassung von Beschleunigung und/oder Drehraten und eine Leiterplattenanordnung (2) mit integrierten Leiterbahnen, wobei die Leiterplattenanordnung (2) mindestens drei zueinander im Wesentlichen orthogonal angeordnete Leiterplattenoberflächen (3) aufweist, welche einen dreidimensionalen Raum aufspannen, und wobei an denen zu dem Raum weisenden Leiterplattenoberflächen (3) jeweils eine der Sensoreinheiten (4) zur Erfassung von Messdaten angeordnet und mit mindestens einer Leiterbahn gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenanordnung (2) aus einer einzigen, aus einem starren Material gefertigten, drahtbeschriebenen Leiterplatte besteht, welche durch mindestens eine entsprechend einem Knickmuster angeordnete Ausnehmung mindestens einen flexiblen Bereich aufweist, wobei die Leiterplatte an dem mindestens einen flexiblen Bereich winklig gefaltet ist, um so eine einen dreidimensionalen Raum aufspannende Leiterplattenanordnung (2) zu bilden.
  2. Miniaturisiertes Inertialmesssystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplattenoberflächen (3) im Wesentlichen eine flächige geometrische Grundfläche aufweisen umfassend eine quadratische, rechteckige, mehreckige, runde und/oder ovale Grundfläche.
  3. Miniaturisiertes Inertialmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grundfläche der Leiterplattenoberflächen (3) im Wesentlichen eine Kantenlänge bzw. einen Durchmesser/Achsabstand von bevorzugt <= 20 mm, weiter bevorzugt von <= 18 mm und am meisten bevorzugt von <= 15 mm aufweist.
  4. Miniaturisiertes Inertialmesssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens drei Leiterplattenoberflächen (3) nach Art eines Würfels gefaltet sind, wobei bevorzugt >= drei Leiterplattenoberflächen (3), weiter bevorzugt >= vier Leiterplattenoberflächen (3), und besonders bevorzugt >= fünf Leiterplattenoberflächen (3) nach Art eines Würfels gefaltet sind, wobei das Knickmuster entsprechend ausgebildet ist.
  5. Miniaturisiertes Intertialmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der durch die Leiterplattenanordnung (3) aufgespannte Raum bzw. Hüllraum im Wesentlichen kubisch bevorzugt mit einem Volumen von <= 5 cm3, weiter bevorzugt von <= 4 cm3 und am meisten bevorzugt von <= 3,375 cm3 ausgebildet ist.
  6. Miniaturisiertes Intertialmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung der drahtgeschriebenen Leiterplatte zur Bereitstellung mindestens eines flexiblen Bereichs eine Tiefe aufweist, welche so ausgebildet ist, dass die drahtgeschriebenen Leiterbahnen nicht an die Leiterplattenoberfläche (3) ragen.
  7. Miniaturisiertes Intertialmesssystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung als Nut ausgebildet ist, an der die Leiterplatte so gefaltet ist, dass die Leiterbahnen nicht an die Leiterplattenoberfläche (3) ragt.
  8. Miniaturisiertes Inertialmesssystem (1) nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Ausnehmung der drahtgeschriebene Leiterplatte zur Bereitstellung mindestens eines flexiblen Bereichs eine Tiefe aufweist, welche so ausgebildet ist, dass mindestens eine drahtgeschriebene Leiterbahn an die Leiterplattenoberfläche (3) ragt und eine Schutzschicht auf der Leiterplattenoberfläche aufgebracht ist, so dass die mindestens eine Leiterbahn nicht mit der Umgebung in Kontakt steht.
  9. Verfahren zur Herstellung eines miniaturisierten Inertialmesssystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: Anfertigen von mindestens einer nach einem Knickmuster vorgegebenen Ausnehmung in einer starren drahtgeschriebenen Leiterplatte zur Erzeugung von mindestens einem flexiblen Bereich in dem Gebiet der Ausnehmung, Koppeln von Sensoreinheiten (4) zur Beschleunigungs- und/oder Drehratenerfassung an den auf der Leiterplatte vorgesehen Stellen, und Falten der Leiterplatte, so dass mindestens drei zueinander im Wesentlichen orthogonale Leiteroberflächen (3) entstehen, wobei die Schritte Koppeln und Falten auch in umgekehrter Reihenfolge ausgeführt werden können.
  10. Verwendung eines miniaturisierten Inertialmesssystems (1) zum Einsatz in Systemen auf dem Gebiet der: Robotik zur Erfassung der Bewegung und/oder Orientierung eines jeden Körpers, insbesondere Endeffektors, Automobilindustrie bevorzugt bei Fahrerassistenzsystemen zur Stabilisierung insbesondere eines Kamerasystems, Szenenerkennung zur Erfassung der Orientierung einer Kamera bei Aufnahmen Mechatronik zur Erfassung von Orientierungsdaten zur Bewegungs- und Schwingungskompensation, hochpräzisen inertialen Messtischen und dergleichen.
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