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.