DE102007019095A1 - Standardisiertes Trägerelement mit integrierter Schnittstelle - Google Patents
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Abstract
Ein Trägerelement (1) für ein elektronisches Steuergerät weist Aufnahmen (6) für periphere elektronische Komponenten (2) und mindestens einen Pfadbereich (8) zur Führung von elektrischen Verbindungen (9) auf, wobei die elektronischen Verbindungen (9) in eine integrierte standardisierte Schnittstelleik (7) münden.
Description
- Die Erfindung betrifft ein standardisiertes Trägerelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein elektronisches Steuergerät mit einem solchen Trägerelement, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie.
- Stand der Technik
- In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu mechatronischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten, wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor, das Bremssystem oder Ähnlichem. Die Steuergeräte weisen im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen integrierten Elektroniken sind diese Steuerungen nicht mehr in einem separaten, speziell geschützten Elektronikraum untergebracht. Sie müssen daher entsprechenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten.
- Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle hermetisch dichte Gehäuse eingesetzt. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlässliche Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine elektrische Verbindung von der Gehäuseinnenseite zur Gehäuseaußenseite und zu den peripheren Komponenten notwendig.
- Es sind Systeme bekannt, bei der die Zentralelektronik im Gehäuse an einen Gesamtkomponententräger elektrisch kontaktiert wird. Der Gesamtkomponententräger stellt eine maßgeschneider te Verbindung von allen außerhalb des Steuergeräts liegenden Komponenten an die Zentralelektronik dar. Diese Anordnung hat folglich jedoch den Nachteil, dass keine flexible Anbindung einzelner peripherer Komponenten an die Zentralelektronik möglich ist. Zudem muss der Gesamtkomponententräger spezifisch für die jeweilige Anwendung und den damit verknüpften bestimmten Anforderungen neu entwickelt und konzipiert werden. Dies ist mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
- Ein Konzept zur Flexibilisierung der Verbindung zwischen peripheren Komponenten und Zentralelektronik ist aus der
DE 10 2004 050 689 A1 bekannt. Hier wird eine Anordnung offenbart zur elektrischen Verbindung von Steuerelektronik zu peripheren Komponenten wie beispielsweise Sensoren, Ventile oder Stecker mittels eines Stecksystems umfassend einen Kabelkanal und schwimmend gelagerte Gegenstecker für die Komponenten am anderen Ende des Kabels. - Beispielhaft für eine gattungsgemäße Ankontaktierung von Kabelenden an eine flexible Leiterplatte wird auf die
DE 10 2004 050 687 A1 verwiesen. Dort wird eine Möglichkeit zur direkten Kontaktierung eines Kabels oder eines Kabelbündels aufgezeigt, das an eine flexible Leiterplatte angreift, und auf diese Weise periphere Komponenten mit der zentralen Steuerelektronik verbinden kann. - Auch hier besteht jedoch jeweils der Nachteil, dass für jedes Steuergerät ein individuell angepasstes und auf die beteiligten Komponenten abgestimmtes Layout für das Gehäuse und die Geometrie der flexiblen Leiterplatten gefertigt werden muss. Ändern sich die Vorgaben für die Kontaktierung der peripheren Komponenten oder gar die Größe und die Geometrie des zentralen Elektroniksubstrates, muss zwangsläufig auch ein neues Layout für die Anbindung der Komponenten, das Gehäuse und die flexiblen Leiterplatten gefunden und angefertigt werden. Dieser Zwang besteht unabhängig davon, ob die flexiblen Leiterplatten einstückig oder als Teilstücke ausgebildet sind.
- Aufgabenstellung
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein standardisiertes Trägerelement bereitzustellen, das eine einfache, sichere und flexible elektrische Anbindung funktionaler peripherer Komponenten, wie Ventile, Sensoren, Satelliten und externer Stecker, ermöglicht. Mithin soll ein Konzept für eine standardisierte, insbesondere für eine modularisierte, Anbindung von peripheren Komponenten an eine zentrale Elektronik zur Verfügung gestellt werden.
- Dies wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem elektronischen Steuergerät umfassend eine solche Vorrichtung gemäß Anspruch 7 erreicht.
- Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das Trägerelement eine elektronische Verbindung mit einheitlicher Schnittstelle für außerhalb der zentralen Elektronik angeordnete Komponenten aufweist, welche mindestens teilweise zu den Kontaktpartnern der Leiterplatte der zentralen Elektronik verbunden werden kann. Gleichzeitig weist das Trägerelement mindestens eine Aufnahme für eine oder mehrere periphere Komponente auf. Damit verbindet das erfindungsgemäße Trägerelement die zwei unterschiedlichen Funktionen der sicheren Aufnahme und der standardisierten Kontaktierung, die bisher von separaten Bauteilen übernommen wurden. Darüber hinaus kann mit dieser Zusammenfassung von Funktionalitäten auch eine Standardisierung der Kontaktierung an zentrale Elektroniken von integrierten Mechatroniken erfolgen. Es ist somit erstmals möglich, eine vorgegebene modulare Schnittstelle für gleiche oder verschiedene periphere Komponenten bereitzustellen. Auf diese Weise lässt sich nicht nur eine optimale Entflechtung der Signal- und Strompfade erzielen, sondern es ist auch eine einfache und flexible Anpassung an unterschiedliche Anordnungen, Funk tionalitäten und Geometrien der peripheren Komponenten, wie Ventile, Sensoren, Satelliten oder ähnliches, möglich.
- Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
- In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Trägerelement ein oder mehrere integrierte elektrische Anbindungen zu einer oder mehreren peripheren Komponenten aufweisen. Die integrierten Anbindungen können bevorzugt als Kabel, Leiterbahnen, Stanzgitter oder Stecker ausgebildet sein.
- Damit kann das Trägerelement maßgeschneidert auf den jeweiligen Typ der peripheren Komponente, zu der eine Verbindung mit der zentralen Elektronik hergestellt werden soll, ausgelegt werden. Gleichermaßen können mehrere gleiche oder verschiedene periphere Komponenten in das Trägerelement eingesetzt und mit der zentralen Elektronik verbunden werden. Erfindungsgemäß ist somit ein modulares System für verschiedene Anordnungen von peripheren Komponenten ermöglicht, das eine erhebliche Flexibilisierung des Gehäuseaufbaus und zugleich aufgrund der vereinheitlichten Herstellung auch eine erhebliche Kostenreduktion gestattet.
- Weiterhin bevorzugt kann das Trägerelement gleichzeitig einen Pfadbereich für eine oder mehrere elektrische Verbindungen aufweisen. Neben der strukturellen Unterstützung der elektrischen Leitungen hat dies den Vorteil, dass eine weitere Verkürzung und Entflechtung der Signal- und Strompfade möglich ist. Zusätzlich wird durch diese kompakte Zusammenstellung und Bauweise der Elektronik einerseits und der damit verbundenen peripheren Komponenten andererseits die Fehler- und Störanfälligkeit deutlich herabgesetzt.
- In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Trägerelement zusätzliche Abdeckungen der elektrischen Verbindungen vorsehen, die als Spanschutz und gegen weitere Kontamination durch Umwelteinflüsse fungieren. Vorteilhafterweise können auf diese Weise beispielsweise offene Leiterbahnbereiche als elektrische Verbindungen eingesetzt werden, die sowohl im Pfadbereich in der Zuleitung zu den einzelnen peripheren Komponenten als auch im Bereich der standardisierten Schnittstelle zur zentralen Elektronik vollständig abgedeckt werden. Mithin können ansonsten erforderliche Kontaktierungsabdeckungen ersetzt werden.
- Die Verbindungen zwischen den peripheren elektronischen Komponenten mit der bevorzugt standardisierten Schnittstelle und der zentralen Elektronik der vorliegenden Erfindung können auf jede bekannte Weise hergestellt werden. Vorzugsweise wird eine direkte Ankontaktierung der in das Trägerelement integrierten elektrischen Verbindungen an die entsprechenden Bereiche der Leiterplatte der zentralen Elektronik über die standardisierte Schnittstelle ohne weitere Stecker oder Gegenstecker vorgenommen. Auf diese Weise kann sowohl eine Kostenreduktion als auch eine verminderte Fehleranfälligkeit erzielt werden. Daneben wird die Qualitätskontrolle aufgrund des standardisierten Aufbaus erleichtert.
- Als Anbindung zur zentralen Elektronik werden in den erfindungsgemäßen elektronisch gesteuerten Systemen bevorzugt flexible Leiterplatten eingesetzt. Diese sind besonders geeignet für einen Einsatz bei hohen mechanischen und thermischen Anforderungen, wie sie auch auf dem Gebiet der Motor- und Getriebesteuerungen bei Kraftfahrzeugen vorkommen. Ihre flexible Auslegung ermöglicht eine einfache Anpassbarkeit an unterschiedliche elektrische Bauelemente und/oder Steuerelektroniken. Die Verbindung kann erfindungsgemäß auch eine mehrlagige flexible Leiterplatte sein, die definitionsgemäß zwei oder mehrere von Isolationsschichten getrennte Leiterbahnebenen aufweisen.
- Die flexible Leiterplatte kann beispielsweise aus einer unteren Polyimid-Basisfolie, darauf in einer Klebeschicht einge bettet angeordneten metallischen Leiterbahnen, vorzugsweise aus Kupfer, und einer Polyimid-Deckfolie bestehen. Es können auch weitere, bevorzugt kostengünstigere, Materialien sowohl für die Basisfolie als auch für die Klebeschicht verwendet werden. So können beispielsweise zur Kostenreduzierung solche Materialien vorgesehen werden, die in einem Spritz-, Lackier- oder Siebdruckverfahren auftragbar sind. Daneben ist es möglich, die Schichtdicke der einzelnen Schichten zu variieren.
- Zum Schutz der zentralen Elektronik kann ein Gehäusedeckel beispielsweise mit einer Dichtung oder einem Dichtungsmaterial vorgesehen werden. Alternativ oder kumulativ kann der Gehäusedeckel auch durch Nieten, Kleben oder Löten mit der Grundplatte und/oder der flexiblen Leiterplatte der zentralen Elektronik verbunden werden. Wichtig dabei ist vor allem, eine gute Abdichtung zu gewährleisten, sollen die Elektronikbauteile später in aggressiver Umgebung, wie zum Beispiel in einem Getriebe oder in einem Motor, eingesetzt werden. Wird der Gehäusedeckel mittels Löten befestigt, so wird zunächst eine ununterbrochen umlaufende metallische Bahn auf der Oberfläche flexiblen Leiterplatte angeordnet. Vorzugsweise bildet dieser metallische Bereich die Aufsatzfläche des Gehäusedeckels ab. Der Gehäusedeckel kann aus jedem Material bestehen, das einen ausreichenden Schutz der Elektronik gegenüber den gegebenen Umwelteinflüssen sicherstellt. Neben Gehäusedeckeln aus Kunststoff können auch solche aus metallischen Materialien verwendet werden. Wenn eine Fixierung des Gehäusedeckels mittels Verlöten angestrebt wird, sollte vorzugsweise ein Gehäusedeckel aus Metall vorgesehen werden. Dieser bringt gleichzeitig die notwendigen EMV-Abschirmwerte und eine erhöhte Steifigkeit mit.
- Das Trägerelement besteht bevorzugter Weise aus einem nichtmetallischen Material, besonders bevorzugt ist er als Kunststoff-Spritzteil oder -Formteil ausgelegt. Auf diese Weise kann kostengünstig eine komplexe Architektur des Trägerelements mit Aufnahmen und Verrastungen für die peripheren Kom ponenten und für die Bereiche, in denen die elektrischen Verbindungen geführt werden, realisiert werden.
- In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine flexible Leiterplatte auf den entsprechenden Bereich des Trägerelements auflaminiert. Dies stellt eine verlässliche, leichte und kostengünstige elektrische Verbindung sicher.
- Zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Trägerelementes für ein Steuergerät wird ein Kunststoff-Formteil hergestellt und mit den gewünschten peripheren Komponenten wie Ventile oder Sensoren bestückt. Anschließend werden die peripheren Komponenten bevorzugt über eine einstückige flexible Leiterplatte oder über ein oder mehrere Kabel mit der ebenfalls im erfindungsgemäßen Trägerelement angeordneten standardisierten Schnittstelle elektrisch verbunden. Die Kontaktierungen zu den elektronischen Komponenten der zentralen Elektronik werden über die Schnittstelle hergestellt und anschließend werden die optional vorgesehenen Abdeckungen auf die entsprechenden Bereiche der elektronischen Verbindung aufgebracht und fixiert. Damit sind die elektrischen Verbindungen entlang des Trägerelements und der Schnittstelle vor äußeren Einflüssen geschützt. Solche äußeren Einflüsse können beispielsweise metallische Späne aus Fertigungsrückständen des Getriebe- oder Motorgehäuses beinhalten, die zu Kurzschlüssen der Kontaktierungen oder der optional offenen Bereiche der Kupfer-Leitungsbahnen führen könnten.
- Die Erfindung umfasst weiterhin ein elektronisches Steuergerät, das ein oder mehrere Trägerelemente gemäß der vorstehenden Beschreibung aufweist. Ein erfindungsgemäßes Steuergerät kann aufgrund der neuen Trägerelemente in einer vereinfachten modularen und kompakteren Bauweise hergestellt werden und weist gegenüber den bisherigen Steuergeräten eine geringere Fehleranfälligkeit auf.
- Das Steuergerät kann beispielsweise für eine integrierte mechatronische Steuerung eines Kraftfahrzeuggetriebes oder -motors vorgesehen sein.
- Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand einer Ausführungsvariante in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, ohne darauf beschränkt zu sein.
- In dieser zeigt:
-
1 eine perspektivische Draufsicht auf das Trägerelement mit vier eingesetzten peripheren Komponenten, das mit einem geschlossenen zentralen Elektronikgehäuse über eine standardisierte Schnittstelle verbunden ist, und -
2 eine perspektivische Draufsicht als Detailansicht des Trägerelementes in1 . -
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Trägerelement1 , das zur modularen Anbindung von peripheren Komponenten2 über eine standardisierte Schnittstelle3 an eine zentrale Steuerelektronik7 zum Einbau in ein Kraftfahrzeuggetriebe vorgesehen ist. Das Trägerelement1 wird von einem komplexen Kunststoff-Formteil5 mit Aufnahmen6 für die einzelnen peripheren Komponenten2 und einem Pfadbereich8 zur Aufnahme und Stützung der elektrischen Verbindung9 bis zur integrierten Schnittstelle3 für die zentrale Elektronik7 gebildet. Auf dem Pfadbereich8 ist als elektrische Verbindung eine flexible Leiterplatte fixiert. Das erfindungsgemäße Trägerelement1 mit der integrierten standardisierten Schnittstelle3 sind jeweils so mit der zentralen Elektronik7 verbunden, dass eine Anbindung und elektrische Kontaktierung zu den offenen Cu-Zonen der flexiblen Leiterplatte11 hergestellt wird. Vorteilhafterweise ist die Ausgestaltung und Anbindung der Schnittstelle3 dergestalt angepasst, dass offene Leiterbahnbereiche der flexiblen Leiterplatte11 vollständig und mindestens spandicht abgedeckt werden können. So kann auf eine zusätzliche Kontaktierabdeckung oberhalb der Leiterplatte11 verzichtet werden. Gegebenenfalls können zusätzliche Kontaktierabdeckungen (nicht dargestellt) als Spanschutz und Schutz vor anderen Umwelteinflüssen vorgesehen werden. -
2 zeigt das Trägerelement aus1 in vergrößerter Darstellung. Zum sicheren Sitz der peripheren Komponenten2 sind neben den formschlüssig gestalteten Aufnahmen6 zusätzlich Verrastungen12 vorgesehen. In der Abbildung sind die einzelnen elektrischen Verbindungen9 im Pfadbereich8 des Trägerelements so angeordnet, dass eine optimale Entflechtung der Signal- und Strompfade erzielt wird. Die standardisierte Schnittstelle3 zur Anbindung an die Leiterbahnbereiche der zentralen Elektronik weist zusätzlich eine Abdeckung14 auf. Auf diese Weise kann auf einzelne Kontaktierabdeckungen weitgehend verzichtet werden. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004050689 A1 [0005]
- - DE 102004050687 A1 [0006]
Claims (8)
- Trägerelement (
1 ) mit Aufnahmen (6 ) für periphere elektronische Komponenten (2 ) und mindestens einem Pfadbereich (8 ) zur Führung von elektrischen Verbindungen (9 ), dadurch gekennzeichnet, dass die elektronischen Verbindungen (9 ) in eine integrierte standardisierte Schnittstelle (3 ) zur Anbindung an eine zentralen Steuerelektronik (7 ) münden. - Trägerelement (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1 ) als Kunststoff-Spritzteil oder Kunststoff-Formteil (5 ) ausgeführt ist. - Trägerelement (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (1 ) mehrere gleiche oder verschiedene periphere Komponenten (2 ), bevorzugt Ventile, aufweist. - Trägerelement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Verbindung (9 ) ein mehrgliedriges Kabel oder eine flexible Leiterplatte, insbesondere eine flexible Leiterplatte mit offenen Leiterbahnbereichen, ist. - Trägerelement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Verbindung (9 ) zusätzlich mit einer Abdeckung (14 ) versehen wird. - Trägerelement (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte standardisierte Schnittstelle (3 ) eine Abdeckung (14 ) der Kontaktstellen zur zentralen Elektronik (7 ) aufweist. - Elektronisches Steuergerät umfassend ein oder mehrere Trägerelemente (
1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche. - Verwendung eines Trägerelementes (
1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6 für ein elektronisches Steuergerät, bevorzugt für eine integrierte mechatronische Getriebesteuerung eines Kraftfahrzeugs.
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