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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Sensormodul, auf ein entsprechendes Mechatronik-Modul, welches das Sensormodul nutzt sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines Mechatronik-Moduls.
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Als Schaltungsträger für elektronische Steuerungen werden Leiterplatten eingesetzt. Die Einzelelemente, wie beispielsweise Steuergeräte oder eine elektronische Steuerung, Sensoren, Aktoren, Stecker und weitere elektrische oder elektronische Bauelemente werden direkt an diese Leiterplatte oder über eine zusätzliche Verteilerleiterplatte angebunden. In aktuellen Serienanwendungen wird die Anbindung der einzelnen Sensoren bzw. Aktoren nicht lösbar durch Löten oder Schweißen oder Crimpen von Stanzgittern, Folie (als flexibler Leiter), o.ä. realisiert.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung ein verbessertes Sensormodul, ein entsprechendes Mechatronik-Modul, welches das Sensormodul nutzt sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Mechatronik-Moduls gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Vorteilhaft sind Sensormodule, die in einem Mechatronik-Modul verbaut werden, derart ausgebildet, dass eine Steckverbindung beziehungsweise ein Steckinterface zwischen dem Sensormodul und dem Mechatronik-Modul lösbar ausgeführt ist, sodass eine kostengünstige Montage des Sensormoduls ermöglicht wird, wobei gleichzeitig Varianten einfach realisierbar sind. So können an einem Einbauplatz Sensormodule mit verschiedenen Bauhöhen wahlweise montiert werden. Sowohl in der Fertigung als auch später im produktiven Einsatz, beispielsweise bei einem Kunden, ist eine Reparatur eines Mechatronik-Moduls durch Ersetzen des defekten Sensormoduls einfach möglich. Dabei kann das Sensormodul unabhängig von der Art eines Sensors oder eines Sensorelements realisiert werden. So kann in einem Sensormodul zumindest ein Sensorelement als zur Messung einer Drehzahl und/oder eines Wegs und/oder eines Winkels und/oder eines Drucks und/oder einer Temperatur geeignet sein. Vorteilhaft können Sensormodule einfach und sicher in Mechatronik-Modulen verbaut werden.
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Ein Sensormodul mit zumindest einem auf einem Verbindungselement angeordneten Sensorelement ist dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Kontakt des Sensormoduls als freiliegender Steckkontakt ausgebildet ist. Dabei ist ein Ende des Verbindungselements als elektrischer Kontakt ausgebildet und ist in eine Aussparung einer Leiterplatte gesteckt und/oder steckbar.
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Unter einem Sensormodul kann ein Messmodul verstanden werden, welches zumindest eine physikalische Größe in eine elektrische Größe, wie Strom und/oder Spannung wandelt. Dabei kann das Sensormodul zumindest ein Sensorelement umfassen, welches auf einem Verbindungselement angeordnet ist. Auf dem Verbindungselement kann zumindest ein elektrisches und/oder elektronisches Bauteil angeordnet sein. Unter dem Verbindungselement kann ein Verdrahtungsträger wie beispielsweise ein Stanzgitter, eine Litze, eine flexible Leiterplatte oder eine starre Leiterplatte verstanden werden. Das Verbindungselement kann elektrisch leitfähig sein. Über das Verbindungselement kann das zumindest eine Sensorelement nach außen in Bezug auf das Sensormodul verbunden sein. Ein Ende des Verbindungselements kann als elektrischer Kontakt beziehungsweise als freiliegender Steckkontakt ausgebildet sein. Der freiliegende Steckkontakt ist ausgebildet, in eine Aussparung, insbesondere eine Durchführung und/oder Bohrung einer Leiterplatte gesteckt oder geführt zu werden. Bei einem Stecken des freiliegenden Steckkontakts in eine Aussparung einer Leiterplatte kann ein elektrischer Kontakt zwischen dem Sensormodul und der Leiterplatte geschlossen werden. Eine elektrische und/oder mechanische Verbindung zwischen einer Leiterplatte oder einer Aussparung einer Leiterplatte und dem Sensormodul kann lösbar sein.
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Das Verbindungselement kann als ein Verdrahtungsträger, insbesondere als ein Stanzgitter und gleichzeitig oder alternativ eine Litze und gleichzeitig oder alternativ eine flexible Leiterplatte und gleichzeitig oder alternativ eine starre Leiterplatte, ausgebildet sein. Über den Verdrahtungsträger können elektrische Signale eines oder mehrerer Sensorelemente übertragen werden. Dabei kann zumindest ein Ende des Verdrahtungsträgers als elektrischer Kontakt ausgebildet sein. Der elektrische Kontakt kann auch als mechanischer Kontakt ausgebildet sein, der in eine Aussparung einer Leiterplatte gesteckt und/oder steckbar ist. Ein Verdrahtungsträger kann eine einfache und kostengünstige Herstellung eines Sensormoduls ermöglichen.
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Ferner kann auf dem Verbindungselement eine Mehrzahl von Sensorelementen angeordnet sein. Mit einer Mehrzahl von Sensorelementen kann eine Mehrzahl von physikalischen Größen mit einem Sensormodul gemessen werden oder ergänzend eine Messung validiert werden.
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Das Verbindungselement kann zumindest eine Knickstelle aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann das Verbindungselement eine Mehrzahl von Ebenen beschreiben, auf denen zumindest ein Sensorelement anordenbar ist. Mit einer Knickstelle kann das Verbindungselement eine zur ersten Erstreckungsebene verschiedene weitere Ebene beschreiben, die beispielsweise quer zur ersten Erstreckungsebene ist. Mit einer weiteren Knickstelle des Verbindungselements kann das Verbindungselement neben der ersten Erstreckungsebene und der weiteren Ebene eine zusätzliche Erstreckungsebene aufweisen. Mit zumindest einer Knickstelle kann die Bauhöhe des Sensormoduls reduziert werden. Sensorelemente können auf unterschiedlichen Erstreckungsebenen angeordnet werden und somit unterschiedliche Einbaulagen aufweisen.
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Ein Mechatronik-Modul mit einer Leiterplatte ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterplatte zumindest eine Aussparung aufweist, in der zumindest ein elektrischer Kontakt eines Sensormoduls angeordnet ist und alternativ oder ergänzend fixiert ist, wobei der elektrische Kontakt und die Aussparung ein lösbares Steckinterface bilden. Das Mechatronik-Modul kann eine Elektronik-Box oder ein Steuergerät umfassen. Weiterhin kann das Mechatronik-Modul eine elektronische Steuerung, Sensoren, Aktoren, Stecker oder weitere elektrische oder elektronische Bauelemente umfassen. Ferner kann eine zusätzliche Verteilerleiterplatte an das Mechatronik-Modul angebunden sein. Das Mechatronik-Modul kann eine Mehrzahl von Aussparungen aufweisen, in denen elektrische Kontakte zumindest eines Sensormoduls oder einer Mehrzahl von Sensormodulen angeordnet sind. Dabei kann die mechanische und elektrische Verbindung zwischen dem zumindest einen Sensormodul und der Leiterplatte des Mechatronik-Moduls lösbar ausgebildet sein. Die Verbindung zwischen dem Sensormodul und der Leiterplatte des Mechatronik-Moduls kann als ein lösbares Steckinterface ausgebildet sein. So kann ein Sensormodul gegen ein weiteres Sensormodul mit einem vergleichbaren oder gleichen Steckinterface beziehungsweise zumindest einem elektrischen Kontakt einfach ausgetauscht werden.
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Auf der dem Sensormodul gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte kann eine Schutzeinrichtung, insbesondere eine als ein Kunststoffteil und gleichzeitig oder alternativ als ein Abdeckverguss ausgebildete Abdeckung, angeordnet sein, wobei die Schutzeinrichtung den zumindest einen elektrischen Kontakt des Sensormoduls überdeckt. Wenn ein Sensormodul in die Leiterplatte des Mechatronik-Moduls eingesteckt ist, kann der zumindest eine elektrische Kontakt des Sensormoduls auf der dem Sensormodul gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte aus der Leiterplatte hervorstehen. Eine Schutzeinrichtung kann einen Schutz gegen Verschmutzung und gegen einen Kurzschluss sicherstellen.
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Günstig ist es auch, wenn auf der Leiterplatte zumindest ein zweites Sensormodul angeordnet ist. Günstig ist es auch, wenn neben dem Sensormodul ein Befestigungselement auf der Leiterplatte angeordnet ist. Unter dem Befestigungselement kann beispielsweise ein Anschraubauge verstanden werden. Das Befestigungselement kann dazu ausgebildet sein, ein Sensormodul zu fixieren, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines Mechatronik-Moduls mit einer Leiterplatte und einem Sensormodul umfasst die folgenden Schritte:
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Bereitstellen des Sensormoduls und der Leiterplatte mit zumindest einer Aussparung zur Aufnahme eines elektrischen Kontakts des Sensormoduls, wobei ein elektrischer Kontakt des Sensormoduls als lösbares Steckinterface ausgebildet ist; Fügen des Sensormoduls und der Leiterplatte, wobei der elektrische Kontakt des Sensormoduls in der Aussparung der Leiterplatte angeordnet wird; und Fixieren des zumindest einen elektrischen Kontakts in der Leiterplatte, insbesondere mittels Schrauben und/oder Nieten und/oder Verschnappen und/oder Verpressen und/oder Heißverstemmen und/oder Kleben.
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Günstig ist es auch, wenn das Verfahren einen Schritt des Schützens des zumindest einen elektrischen Kontakts umfasst, wobei im Schritt des Schützens eine Schutzeinrichtung, insbesondere eine Abdeckung in Form eines Kunststoffteils und/oder eines Abdeckvergusses, auf der dem Sensormodul gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet wird.
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Ferner kann im Schritt des Schützens die Schutzeinrichtung mit der Leiterplatte verbunden werden, insbesondere die Schutzeinrichtung mit der Leiterplatte verklebt und/oder verpresst und/oder verrastet und/oder heißverstemmt und/oder verschraubt werden.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Sensormoduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Darstellung eines Mechatronik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Darstellung eines Mechatronik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Mechatronik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensormoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Sensormodul 100 weist auf einem Verbindungselement 102 ein Sensorelement 104 auf. Ein freilegen der Abschnitt des Verbindungselementes 102 ist als elektrischer Kontakt 106 bzw. als freilegen der Steckkontakt 106 ausgebildet. Der elektrische Kontakt 106 ist in eine Aussparung einer Leiterplatte steckbar.
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In einem Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 102 als ein Verdrahtungsträger 102 ausgebildet. Bei dem Verdrahtungsträger 102 kann es sich je nach Ausführungsbeispiel um ein Stanzgitter, eine Litze, eine flexible Leiterplatte oder eine starre Leiterplatte handeln.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Mechatronik-Moduls 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Mechatronik-Modul 200 weist eine Leiterplatte 208 mit zumindest einer Aussparung 210 auf. In der Aussparung 210 ist ein elektrischer Kontakt 106 eines Sensormoduls 100 angeordnet. Bei dem Sensormodul 100 kann es sich um ein in 1 beschriebenes Sensormodul handeln. Der elektrische Kontakt 106 und die Aussparung 210 bilden ein lösbares Steckinterface 212. Das Sensormodul 100 weist ein auf einem Verbindungselement 102 angeordnetes Sensorelement 104 auf. Ein Abschnitt des Verbindungselements 102 bildet den elektrischen Kontakt 106.
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3 zeigt eine schematische Darstellung eines Mechatronik-Moduls 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Mechatronik-Modul 200 kann es sich um ein in 2 beschriebenes Mechatronik-Modul 200 handeln. Auf einer Leiterplatte 208 des Mechatronik-Moduls 200 ist ein Sensormodul 100 angeordnet. Bei dem Sensormodul 100 kann es sich um ein in 1 beschriebenes Sensormodul 100 handeln. Das Sensormodul 100 weist auf einem Verbindungselement 102 ein Sensorelement 104 auf. Ein freiliegender Steckkontakt des Verbindungselements 102 ist als elektrischer Kontakt ausgebildet. Auf der Leiterplatte 208 ist ein zweites Sensormodul 314 angeordnet. Zwischen dem Sensormodul 100 und der Leiterplatte 208 beziehungsweise dem zweiten Sensormodul 314 und der Leiterplatte 208 ist je ein lösbares Steckinterface 212 ausgebildet. Wie zu 2 beschrieben, bildet ein elektrischer Kontakt des Verbindungselements 102 des Sensormoduls 100, 314 und eine Aussparung der Leiterplatte 208 je ein lösbares Steckinterface 212. Das Sensormodul 100 und das zweite Sensormodul 314 sind an zwei gegenüberliegenden Enden der Leiterplatte 208 angeordnet. Der elektrische Kontakt des Sensormoduls 100 und der elektrische Kontakt beziehungsweise das lösbare Steckinterface 212 des zweiten Sensormoduls 314 stehen auf der den Sensormodulen 100, 314 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 208 aus dieser hervor. Die aus der Leiterplatte herausstehenden Enden der elektrischen Kontakte beziehungsweise lösbaren Steckinterfaces 212 werden von einer Schutzeinrichtung 316 abgedeckt. Neben den Sensormodulen 100, 314 ist je ein Befestigungselement 318 angeordnet. Bei dem Befestigungselement 318 kann es sich um ein Anschraubauge handeln. Auf der Leiterplatte 208 ist zwischen den beiden Sensormodulen 100, 314 ein Steuergerät 320 angeordnet.
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Das Verbindungselement 102 des zweiten Sensormoduls 314 weist drei Knickstellen 322 auf. An den Knickstellen 322 ist das Verbindungselement derart gebogen oder geknickt, dass die Erstreckungsebene des Verbindungselements 102 nach der Knickstelle 322 im Wesentlichen quer zur Erstreckungsebene des Verbindungselements 102 vor der Knickstelle 322 steht. In nicht gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Knickstelle auch einen geringeren Winkel, beispielsweise 30° oder 45° beschreiben. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind auf einem dem elektrischen Kontakt des Verbindungselements 102 abgewandten Ende beziehungsweise der von dem elektrischen Kontakt entferntesten Erstreckungsebene des Verbindungselements 102 drei weitere Sensorelemente 324 angeordnet. Die Erstreckungsebene, auf der die drei weiteren Sensorelemente 324 angeordnet sind, verläuft in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen parallel zu der Erstreckung der Leiterplatte 208.
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Das Sensormodul 100 und das zweite Sensormodul 314 weisen je ein Gehäuse 326 auf. Das Gehäuse 326 kann aus zwei Gehäusehälften bestehen, die auf das Verbindungselement 102 aufgesteckt werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel wird das Gehäuse 326 durch vergießen des Sensormoduls 100, beziehungsweise des zweiten Sensormoduls 314 erzeugt.
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In einem Ausführungsbeispiel, in 3 bei dem rechts dargestellten zweiten Sensormodul 314, ist auf dem Verbindungselement 102 eine Mehrzahl von Sensorelementen angeordnet. Bei dem zweiten Sensormodul 314 weist das Verbindungselement 102 zumindest eine Knickstelle 322 auf. So beschreibt das Verbindungselement 102 eine Mehrzahl von Ebenen, auf denen zumindest ein Sensorelement 104, 324 anordenbar ist.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist auf der Leiterplatte 208 zumindest ein zweites Sensormodul 314 angeordnet ist. Weiterhin ist neben dem Sensormodul 100, 314 je ein Befestigungselement 318 auf der Leiterplatte 208 angeordnet. Auf der dem Sensormodul 100, 314 gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte 208 ist eine Schutzeinrichtung 316, insbesondere eine als ein Kunststoffteil und/oder ein Abdeckverguss ausgebildete Abdeckung 316, angeordnet, wobei die Schutzeinrichtung 316 den zumindest einen elektrischen Kontakt des Sensormoduls 100, 314 überdeckt.
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Bei den Sensormodulen 100, 314 kann es sich um Direktstecksensoren beziehungsweise abnehmbare Sensormodule handeln. Die Sensormodule 100, 314 können dabei applikationsspezifisch ausgeführt werden. Unter einem Sensormodul 100, 314 kann es sich um in einem Sensordom oder in einer anders gearteten Bauform angeordnete Einzahl oder Mehrzahl von Sensorelementen 104, 324 handeln, die über geeignete Verdrahtungsträger 102 (Stanzgitter, Litze, flexible Leiterplatte oder starre Leiterplatte) nach außen verbunden werden. Dabei ist die elektrische Verbindung lösbar als Steckinterface 212 ausgeführt wird integraler Bestandteil des Sensormoduls 100, 314.
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Zur Leiterplatte 208 bietet sich ein Direktstecksystem an, bei dem die Enden eines Stanzgitters oder allgemein eines Verbindungsträgers 102 so gestaltet sind, dass Kontakte in Löcher oder Aussparungen der Leiterplatte 208 eintauchen. Die Montage kann so sehr einfach erfolgen, indem der Sensor beziehungsweise das Sensormodul 100, 314 gesteckt und durch geeignete Elemente/Prozesse fixiert, bzw. gesichert wird. Diese Elemente/Prozesse können beispielsweise sein: Schrauben, Nieten, Verschnappen, Verpressen, Heißverstemmen oder Kleben.
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Da die (elektrischen) Kontakte, in 1 und 2 mit dem Bezugszeichen 106 versehen, nach unten – bezogen auf die Zeichnung – aus der Leiterplatte 208 „herausschauen“, kann optional durch geeignete Maßnahmen, z.B. einfache Kunststoffteile 316 oder einen Abdeckverguss 316, ein Schutz gegen Verschmutzung und Kurzschlüsse sichergestellt werden. Die Abdeckungen 316 können zur Leiterplatte 208 z.B. verklebt, verpresst, verrastet, heißverstemmt oder verschraubt werden.
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Vorteilhaft bietet das vorgestellte Ausführungsbeispiel die Möglichkeit, Einzelelemente wie ein Sensormodul 100, 314 in Mechatronik-Modulen 200 tauschen zu können.
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In einem Ausführungsbeispiel kann es sich bei dem Sensormodul 100 um einen Drehzahlsensor und bei dem zweiten Sensormodul 314 um einen Wegsensor handeln.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Herstellung eines Mechatronik-Moduls gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Mechatronik-Modul kann es sich um ein in 2 und 3 beschriebenes Mechatronik-Modul handeln. Das Mechatronik-Modul weist eine Leiterplatte auf, auf der ein Sensormodul mit zumindest einem elektrischen Kontakt angeordnet wird und eine lösbare Steckverbindung mit der Leiterplatte erzeugt wird. Das Verfahren weist einen Schritt 410 des Bereitstellens des Sensormoduls und der Leiterplatte, einen Schritt 420 des Fügens des Sensormoduls und der Leiterplatte und einen Schritt 430 des Fixierens des zumindest einen elektrischen Kontakts in der Leiterplatte auf. Die Leiterplatte weist zumindest eine Aussparung zur Aufnahme eines elektrischen Kontakts des Sensormoduls auf, wobei der elektrische Kontakt des Sensormoduls als lösbares Steckinterface ausgebildet ist. Im Schritt 420 des Fügens werden das Sensormoduls und die Leiterplatte zusammengefügt, wobei der elektrische Kontakt des Sensormoduls in der Aussparung der Leiterplatte angeordnet wird. Im Schritt 430 des Fixierens wird der zumindest eine elektrische Kontakts in der Leiterplatte fixiert.
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In einem Ausführungsbeispiel kann im Schritt 430 des Fixierens der elektrische Kontakt beziehungsweise das lösbare Steckinterface mittels Schrauben, Nieten, Verschnappen, Verpressen, Heißverstemmen, ersatzweise oder alternativ Kleben fixiert werden.
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In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren 400 einen optionalen Schritt 440 des Schützens des zumindest einen elektrischen Kontakts auf, wobei im Schritt des Schützens eine Schutzeinrichtung auf der dem Sensormodul gegenüberliegenden Seite der Leiterplatte angeordnet wird. Die Schutzeinrichtung kann als eine Abdeckung in Form eines Kunststoffteils und/oder eines Abdeckvergusses ausgebildet sein.
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In einem Ausführungsbeispiel wird im Schritt 440 des Schützens die Schutzeinrichtung mit der Leiterplatte verbunden, insbesondere wird die Schutzeinrichtung mit der Leiterplatte verklebt und/oder verpresst und/oder verrastet und/oder heißverstemmt und/oder verschraubt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sensormodul
- 102
- Verbindungselement
- 104
- Sensorelement
- 106
- elektrischer Kontakt
- 200
- Mechatronik-Modul
- 208
- Leiterplatte
- 210
- Aussparung
- 212
- lösbares Steckinterface
- 314
- Sensormodul
- 316
- Schutzeinrichtung (Abdeckung)
- 318
- Befestigungselement
- 320
- Steuergerät
- 322
- Knickstelle
- 324
- Sensorelement
- 326
- Gehäuse
- 400
- Verfahren
- 410
- Schritt des Bereitstellens
- 420
- Schritt des Fügens
- 430
- Schritt des Fixierens
- 440
- Schritt des Schützens
