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Die Erfindung geht aus von einem elektronischen Modul mit einem Tragekörper, der eine Grundfläche und mehrere schräg zur Grundfläche ausgerichtete Anlageflächen aufweist, wobei an der Grundfläche und an den Anlageflächen Schaltungsträgerabschnitte eines flexiblen Schaltungsträgers oder eines gegeneinander bewegliche Schaltungsträgerabschnitte aufweisenden Schaltungsträgers anliegen, wobei zumindest auf zwei an Anlageflächen anliegenden Schaltungsträgerabschnitten elektrooptische Bauteile angeordnet sind, deren Funktionen von ihrer gegenseitigen räumlichen Ausrichtung abhängig sind.
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Ein derartiges, gattungsbildendes Modul ist aus der deutschen Patentschrift
DE 197 20 106 C2 bekannt. Das Dokument beschreibt eine Vorrichtung zur Aufnahme von elektronischen Bauelementen, die auf einem flexiblen oder zumindest teilweise beweglichen Schaltungsträger angebracht sind. Der Schaltungsträger ist innerhalb eines Gehäuses angeordnet, welches Montageflächen aufweist, an denen der Schaltungsträger befestigt ist. Richtungsabhängig funktionierende Bauelemente werden durch Anfügen von Abschnitten des Schaltungsträgers an die Montageflächen in einer bevorzugten Ebene oder Richtung positioniert.
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Die
DE 10 2007 041 335 A1 zeigt eine elektronische Vorrichtung mit einem treppenförmigen Kunststoffträger sowie einem an dem Kunststoffträger angebrachten biegeelastischen Schaltungsträger mit LED-Leuchten. Die Funktion der einzelnen LEDs ist hierbei nicht von ihrer gegenseitigen Ausrichtung abhängig.
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Die
DE 103 41 884 B4 zeigt eine elektronische Vorrichtung mit einem Trageelement, welches eine Grundfläche und schräg dazu ausgebildete Anlageflächen aufweist. An dem Trageelement ist ein zumindest teilweise beweglicher Schaltungsträger mit elektrooptischen Bauteilen angebracht, deren jeweilige Ausrichtung mittels eines aufmontierten Reflektors justiert wird. Auch hier ist die Funktion mehrerer elektrooptischer Bauteile nicht von ihrer gegenseitigen Ausrichtung abhängig.
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Besonders in Kraftfahrzeugen kommen zunehmend hochqualitative Kamerasysteme zur Anwendung, die ihre Umgebung hoch- und/oder räumlich auflösend erfassen. Derartige Systeme stellen nicht nur hohe Anforderungen an eine exakte Positionierung ihrer elektrooptischen Bauelemente, sondern setzen zudem teilweise recht hohe elektrische Verlustleistungen um, insbesondere für den Betrieb speziell angepasster Beleuchtungsmittel.
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Als Beispiel sei eine 3D-Kamera angeführt, die die nach dem sogenannten „Time of Flight“-Prinzip funktioniert. Eine solche Kamera kann Abstände durch Laufzeitmessungen von Lichtimpulsen erfassen, deren Phasenbeziehungen in ein Kamerabild umgesetzt werden. Dieses Messprinzip erfordert extrem schnell getaktete Lichtquellen. Damit die Lichtintensität trotz der schnellen Taktung noch ausreichend hoch ist, sind als Lichtquellen oftmals Leistungs-LED vorgesehen, die eine relativ hohe elektrische Leistung aufnehmen und eine dementsprechend hohe Verlustleistung in Wärme umsetzen. Damit das abgestrahlte Licht möglichst effizient zur Bilderzeugung genutzt werden kann, ist es wesentlich, dass es auf Objekte in Blickrichtung des Kameraobjektivs fällt. Um dieses zu erreichen, müssen das Kameraobjektiv und die Leistungs-LED möglichst exakt parallel zueinander ausgerichtet werden.
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Es stellte sich die Aufgabe, ein elektronisches Modul zu schaffen, welches es ermöglicht, elektrooptische Bauelemente auf möglichst einfache und kostengünstige Weise mit weiteren elektronischen Bauteilen elektrisch zu verbinden, dabei zueinander exakt räumlich auszurichten und zudem die Verlustleistung möglichst aller elektronischen Bauteile effizient abzuführen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Tragekörper einstückig aus Metall geformt ist.
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Anstatt also den Schaltungsträger an Montageflächen eines Gehäuses anzubringen, was die Wärmeabfuhr eher erschwert, sieht die Erfindung vor, den Schaltungsträger auf einem metallenen Tragekörper anzuordnen, der einen großflächigen Kühlkörper ausbilden kann.
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Der Tragekörper erfüllt dabei zugleich drei Funktionen, nämlich erstens den Schaltungsträger mit seinen Schaltungsträgerabschnitten stabil zu haltern, zweitens die richtungssensiblen Bauelemente exakt zu positionieren und auszurichten und drittens, die in der Elektronik und besonders den elektrooptischen Bauelementen entstehende Abwärme abzuführen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen elektronischen Moduls gehen aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen hervor. Es zeigen
- 1 eine erste Ausführung eines elektronischen Moduls,
- 2 einen Schaltungsträger mit elektronischen Bauelementen,
- 3 eine erste Ausführung eines Tragekörpers,
- 4 eine zweite Ausführung eines Tragekörpers, und
- 5 eine zweite Ausführung eines elektronischen Moduls.
- 6 eine dritte Ausführung eines Tragekörpers,
- 7 eine dritte Ausführung eines elektronischen Moduls,
- 8 das elektronische Modul nach 7 mit einem angefügten Gehäusedeckel.
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2 zeigt den bestückten Schaltungsträger 2 eines elektronischen Kameramoduls für ein Kraftfahrzeug. Der Schaltungsträger 2 weist eine ebene Hauptfläche 2d auf, sowie mehrere Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c, die in einem schrägen Winkel gegen die Hauptfläche 2d ausgerichtet werden können.
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Der Schaltungsträger 2 ist vorzugsweise als eine flexible Leiterplatte ausgeführt, welche gegen die Hauptfläche 2d beweglich angeformte Leiterplattenabschnitte 2a, 2b, 2c besitzt. Der Schaltungsträger 2 kann alternativ auch eine starre Hauptfläche 2d sowie starre Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c aufweisen, die über flexible Verbindungselemente 6a, 6b beweglich miteinander verbunden sind; insbesondere können die Hauptfläche 2d und die Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c dabei durch mehrere elektrisch miteinander verbundene Einzelleiterplatten ausgebildet sein. Als Verbindungselemente 6a, 6b können beispielsweise elektrische Drahtleitungen, Flachbandkabel oder auch flexible Leiterplattenabschnitte vorgesehen sein.
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Das Kameramodul weist als elektrooptische Bauteile eine Kamera 3 und mehrere Leistungs-LED 4 auf. Sämtliche elektrooptischen Bauteile 3, 4 sind auf den Schaltungsträgerabschnitten 2a, 2b, 2c angeordnet, so dass diese, insbesondere parallel, zueinander ausrichtbar sind.
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Die Anordnung elektrooptischer Bauteile 3, 4 auf verschiedenen Schaltungsträgerabschnitten 2a, 2b ermöglicht zudem eine in mehreren Ebenen gestaffelte Anordnung dieser elektrooptischen Bauteile 3, 4. Die beiden vorderen Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, die bei zueinander paralleler Ausrichtung in derselben Ebene liegen, tragen unter anderem jeweils eine Leistungs-LED 4. Der dahinter angeordnete weitere Schaltungsträgerabschnitt 2c trägt die Kamera 3. Die Kamera 3 weist zumindest ein Objektiv mit einer Linsenoptik sowie ein Kameragehäuse auf, welches im Inneren einen hier nicht als Einzelteil dargestellten Bildsensor enthält.
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Der Einsatz mehrerer Lichtquellen 4, die zueinander parallel und symmetrisch verteilt zur optischen Achse der Kamera 3 ausgerichtet sind und die zudem noch vor der Eintrittsfläche des Kameraobjektivs positioniert sind, ist vorteilhaft, um das Auftreten von Schlagschatten im Randbereich der zu erkennenden Objekte zu minimieren.
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Die Hauptfläche 2d des Schaltungsträgers 2 trägt elektronische Bauelemente 5 zur Verarbeitung der Signale der Kamera 3, deren genaue Funktionsweise zum Verständnis der Erfindung aber unerheblich ist und daher hier nicht näher erläutert wird.
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Es sei beispielhaft angenommen, dass die Kamera 3 als eine 3D-Kamera ausgeführt ist, die nach dem sogenannten „Time of Flight“-Prinzip funktioniert und deren Funktion auf schnell getaktete leistungsstarke Lichtquellen 4, hier ausgeführt als Leistungs-LED 4, angewiesen ist. Während des Betriebs entwickeln sowohl die Kamera 3 als auch die Leistungs-LED 4 eine erhebliche Abwärme, die, idealerweise auf möglichst kurzem thermischen Weg, von den Wärmequellen abgeleitet werden sollte. Um dieses zu erreichen, wird der in der 2 dargstellte Schaltungsträger 2 mit den darauf angeordneten Bauteilen 3, 4, 5 auf einen in der 3 dargestellten Tragekörper 1 aufgesetzt und mit diesem verbunden.
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Der Tragekörper 1 ist einstückig aus einem gut wärmeleitenden Metall geformt und bildet sowohl einen mechanischen Träger als auch einen Kühlkörper für die in der 2 dargestellte Elektronik aus. Der Tragekörper 1 ist als eine im Wesentlichen ebene Platte mit einer Vielzahl angeformter Rippen 9 ausgeführt. Die Rippen 9 erhöhen zum einen die Verwindungssteifigkeit des Tragekörpers 1 und stabilisieren damit nach Abschluss der Montage das gesamte Kameramodul. Die Rippen 9 vergrößern zudem die Oberfläche des Tragekörpers 1 und verbessern damit auch die Kühleigenschaften des Tragekörpers 1.
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Auf der Oberseite des Tragekörpers 1 sind drei Montageblöcke 7a, 7b, 7c einstückig angeformt, welche dreieckige Seitenflächen 8 und rechteckförmige, schräg zur Plattenebene des Tragekörpers 1 ausgerichtete Anlageflächen 1a, 1b, 1c ausbilden. Die Anlageflächen 1a, 1b, 1c sind entsprechend der vorgesehenen geometrischen Ausrichtung der Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c angeordnet und stellen mehrere Ebenen zur exakten Ausrichtung der Leistungs-LED 4 und der Kamera 3 bereit.
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Nach dem Anfügen des Schaltungsträgers 2 liegen die Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c an den Anlageflächen 1a, 1b, 1c des Tragekörpers 1 an und sind dort an formschlüssig mit den Schaltungsträgerabschnitten 2a, 2b, 2c zusammenwirkenden, hier als stiftartige Anformungen der Montageblöcke 7a, 7b, 7c ausgeführten Positionierelementen 19 innerhalb ihrer jeweiligen Anlageebene ausgerichtet. In der 2 sind an den Schaltungsträgerabschnitten 2a, 2b, 2c des Schaltungsträgers 2 Schrauben 10 erkennbar, welche in Schrauböffnungen 11 an den Montageblöcken 7a, 7b, 7c des Tragekörpers 1 eingeschraubt werden. Durch diesen Montageschritt sind die Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c mechanisch fest mit dem Tragekörper 1 verbunden und liegen dicht an den Montageblöcken 7a, 7b, 7c an. Um die thermische Ankopplung der Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c an den Tragekörper 1 weiter zu verbessern ist es sinnvoll, den sich ergebenden Restluftspalt mit Wärme leitendem Material, etwa einer Wärmeleitpaste, aufzufüllen.
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Damit ist der in der 1 dargestellte Montagezustand erreicht. Die 1 zeigt ein fertig montiertes erfindungsgemäßes elektronisches Modul, welches sich durch das Zusammenfügen eines in der 2 dargestellten mit elektronischen Bauelementen bestückten Schaltungsträgers 2 mit dem in der 3 dargestellten Tragekörper 1 ergibt. Das elektronische Modul kann vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, beispielsweise als Teil eines Dachmoduls zur Anwendung kommen.
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Besonders vorteilhafte Ausführungsvarianten eines Tragekörpers 1 und eines damit aufgebauten Kameramoduls sind in den 4 und 5 dargestellt. Deren Aufbau entspricht weitgehend den zuvor beschriebenen Ausführungen, so dass sich die folgende Erläuterung auf die unterscheidenden Merkmale beschränken kann. Für vergleichbare Merkmale werden dabei die bisher verwendeten Bezugszeichen beibehalten.
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Die 4 zeigt auf der Oberseite eines Tragekörpers 1 angeformte, in Längs- und Querrichtung verlaufende Anlagestege 12, die sowohl an der Grundfläche 1d, als auch an den Anlageflächen 1a, 1b, 1c angeordnet sind. Wie die 5 verdeutlicht, liegt nach dem Anfügen des Schaltungsträgers 2 sowohl deren Hauptfläche 2d als auch deren Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2d an den Anlagestegen 12 an. Die sich zwischen den Anlagestegen 12 ergebenden Zwischenräume 13 sind vorteilhafterweise mit einer, hier nicht dargestellten Wärmeleitpaste ausgefüllt.
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Die Wärmeleitpaste wird noch vor dem Anfügen des Schaltungsträgers 2 auf den Tragekörper 1 aufgebracht und zwar derart, dass die Zwischenräume 13 zwischen den Anlagestegen 12 ausgefüllt sind und die Schichthöhe der Wärmeleitpaste mit der Höhe der Anlagestege 12 bündig abschließt. Hierdurch wird erreicht, dass die Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c und die Hauptfläche 2d des Schaltungsträgers 2 dicht an der Wärmeleitpastenschicht anliegen und zudem durch die Anlagestege 12 eine genau definierte Lage relativ zu den Flächen 1a, 1b, 1c, 1d des Tragekörpers 1 einnehmen. Hierdurch wird vermieden, dass beim Anschrauben der Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c an die Anlageflächen 1a, 1b, 1c, die Wärmeleitplaste an Stellen mit hoher Druckeinwirkung verdrängt wird.
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Eine Verdrängung von Wärmeleitpaste ist zu vermeiden, da hierdurch eine ungleichmäßig starke Wärmeleitpastenschicht entstehen kann. Dieses ist problematisch, da dadurch die Schaltungsträgerabschnitte 2a, 2b, 2c nicht mehr exakt parallel zu den Anlageflächen 1a, 1b, 1c des Tragekörpers 1 ausgerichtet sind, was auch die Ausrichtungsgenauigkeit der elektrooptischen Bauteile 3, 4 verringert, wodurch sich wiederum die optischen Eigenschaften des gesamten elektronischen Moduls verschlechtern. Ungleichmäßige Schichtdicken der Wärmeleitpaste verringern zudem die Kühlung der wärmerzeugenden Bauteile, vor allem der Leistungs-LED 4. Alle diese Nachteile können durch Anlagestege 12 vorteilhaft vermieden werden.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsvariante eines Tragekörpers 1 ist aus den 6 bis 8 ersichtlich. Der in der 6 vereinfacht dargestellte Tragekörper 1 weist einstückig umlaufend angeformte Randflächen 14 auf. Der Tragekörper 1 bildet so ein Gehäuseteil aus, in das, wie die 7 verdeutlicht, der Schaltungsträger 2 eingesetzt werden kann, wobei die Randflächen 14 den Schaltungsträger 2 von allen Seiten rahmenartig umfassen. Das so durch den Tragekörper 1 gebildete elektronische Modul kann, entsprechend der Darstellung der 8 durch einen Gehäusedeckel 15 abgeschlossen werden, wobei für die elektrooptischen Bauteile 3, 4 in den Gehäusedeckel 15 lichtdurchlässige Ausnehmungen 16, 17 oder Fenster eingebracht sind.
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Besonders vorteilhaft ist, dass an die Randflächen 14 des Tragekörpers 1 nach außen senkrecht abstehende Nasen 18 angeformt sind. Diese Nasen 18 dienen zur exakten Positionierung und Ausrichtung am vorgesehenen Anbauort des elektronischen Moduls und können vorzugsweise in schlitzförmige Aufnahmen eines hier nicht dargestellten Halterahmens eingesetzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Tragekörper
- 1a, 1b, 1c
- Anlageflächen
- 1d
- Grundfläche
- 2
- Schaltungsträger
- 2a, 2b, 2c
- Schaltungsträgerabschnitte
- 2d
- Hauptfläche
- 3
- Kamera
- 4
- Leistungs-LED (Lichtquellen)
- 3, 4
- elektrooptische Bauteile (zusammenfassend)
- 5
- elektronische Bauelemente
- 3, 4, 5
- Bauteile (zusammenfassend)
- 6a, 6b
- Verbindungselemente
- 7a, 7b, 7c
- Montageblöcke
- 8
- Seitenflächen
- 9
- Rippen
- 10
- Schrauben
- 11
- Schrauböffnungen
- 12
- Anlagestege
- 13
- Zwischenräume
- 14
- Randflächen
- 15
- Gehäusedeckel
- 16, 17
- Ausnehmungen
- 18
- Nasen
- 19
- Positionierelemente
