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Die Erfindung betrifft ein elektronisches Gerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Elektronische Geräte bzw. Steuergeräte in Kraftfahrzeugen sind starken Schwingungen ausgesetzt. Solche Steuergeräte werden häufig zu einer baulichen Einheit mit einer Antriebseinheit zusammengesetzt. Die Antriebseinheit, meist ein Elektromotor, treibt eine Arbeitsmaschine an, welche ein hydraulisches oder pneumatisches Fluid fördert. Als Folge der direkten Montage der Steuergeräte an den Motor oder die Arbeitsmaschine ergeben sich hohe Schwingungsbelastungen auf die in dem Steuergerät enthaltenen elektronischen Module oder Bauelemente. Da die auf das elektronische Modul einwirkenden Schwingungen die Zuverlässigkeit des elektronischen Moduls im Laufe der Zeit beeinträchtigen können, existieren verschiedene Lösungen, die Schwingungen von dem elektronischen Modul in dem elektrischen Gerät fernzuhalten. Insbesondere Fahrdynamiksensoren, welche die Beschleunigung oder Rotation des Kraftfahrzeugs detektieren sollen, sind sehr empfindlich gegenüber Schwingungen der gesamten Baugruppe. Gerade Vibrationen, also mechanische Schwingungen in Festkörpern, können die Funktionsfähigkeit von solchen Sensoren negativ beeinflussen. Daher ist es notwendig Maßnahmen zur Vibrationsunterdrückung einzuleiten.
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So werden beispielsweise externe Dämpfer aus einem Gummi verwendet, um die Schwingungen, welche auf das elektronische Modul übertragen werden, zu dämpfen. Die Dämpfer werden hierzu in Befestigungslaschen eines Gehäuses des elektrischen Geräts eingebracht, so dass bereits auf das Gehäuse des elektrischen Geräts geringere Schwingungen einwirken. Das elektronische Modul kann bei dieser Variante starr mit dem Gehäuse des elektrischen Geräts verbunden sein. Ein Nachteil dieser Variante besteht darin, dass die aus Gummi bestehenden Dämpfer ihre mechanischen Eigenschaften mit der Zeit verlieren, wodurch die Dämpfung der Schwingungen verschlechtert wird. Die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigende Faktoren sind ständige mechanische und thermische Belastungen sowie Korrosion bei Kontakt mit Ölen, Schmierstoffen, Salzwasser etc.
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Alternativ ist bekannt, Gummihülsen im Inneren des elektrischen Geräts anzuordnen, welche das elektronische Modul gegen ein Heft in dem Gehäuse pressen. Die Einpressfläche beansprucht verhältnismäßig viel Platz, so dass wertvolle Fläche des elektronischen Moduls für elektrische Funktionen verloren geht.
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Ferner kann zur Schwingungsdämpfung das in dem Gehäuse des elektrischen Geräts vorgesehene elektronische Modul komplett mit einer Vergussmasse, z. B. einem Gel, vergossen werden. Nachteilig hieran sind die Kosten sowie das hohe Gewicht des elektrischen Geräts.
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Gängig, aber unpraktisch, ist auch die Versteifung des elektronischen Moduls, bspw. durch Materialaufdickung. Dadurch werden die Schwingungen allerdings nur in höhere Amplituden verschoben und für dickere Leiterplatten ist oftmals nicht sehr viel Platz.
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Außerdem ist aus dem Dokument
DE 10 2011 085 294 A1 die Art der Schwingungstilgung eines elektronischen Geräts bekannt. Hierbei wird eine Leiterplatte mit einer Tilgermasse versehen. Die Tilgermasse wird an der Leiterplatte befestigt, wobei zwischen der Leiterplatte und der Tilgermasse ein elastischer Werkstoff mit einer definierten Steifigkeit und/oder Dämpfungseigenschaft angeordnet ist. Dadurch wird eine Amplitudenreduktion der eingeleiteten Schwingungen durch Gegenschwingung der Tilgermasse erreicht. Diese Tilgermasse kann verschieden Schwingungsmoden wie translatorische oder rotatorische Schwingungen mit nahezu gleicher Resonanzfrequenz tilgen. Nach dem Prinzip der Schwingungstilgung muss die Tilgermasse, bzw. dessen Eigenfrequenz allerdings auf die zu eliminierende Resonanzfrequenz der Leiterplatte abgestimmt sein. Je mehr die Resonanzfrequenz und die Eigenfrequenz übereinstimmen, desto besser ist die Tilgung. Der Schwingungstilger entzieht bei dieser Frequenz der Leiterplatte die Schwingungsenergie für seine eigene Schwingbewegung. Bei übereinstimmender Frequenz führt die Leiterplatte also nur noch geringe Bewegungen aus. Außerhalb dieser Frequenz sind die Amplituden der Leiterplatte hingegen höher als ohne den Tilger. Somit ist diese Lösung zwar für eine bestimmte Frequenz vorteilhaft, aber für ein breites Frequenzspektrum nachteilig.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein elektronisches Gerät mit bereichsweise verbesserter Schwingungseigenschaft bereitzustellen.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß wird ein elektronisches Gerät bereitgestellt, umfassend eine Leiterplatte, welche in einem Gehäuse aufgenommen ist, wobei die Leiterplatte eine erste Seite und eine gegenüberliegende zweite Seite umfasst, wobei die erste Seite mit zumindest einem Bauelement bestückt ist, wobei ein Metallkörper an der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist, wobei ein Metallkörper in einem Bereich unterhalb des Bauelements an der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Vorzugweise ist das elektronische Gerät für ein Kraftfahrzeug vorgesehen.
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Vibrationen sind mechanische Schwingungen in Stoffen oder Körpern, welche selbst elastisch sind oder aus elastisch verbundenen Bauteilen bestehen. Die Vibrationen können periodisch auftreten. Je nach Frequenzbereich der Vibration können bei längerem Auftreten von mechanischen Schwingungen Materialermüdung auftreten. Aber auch bei der Erfassung der Fahrzeugdynamik mittels entsprechender Sensoren, wirken sich Vibrationen in der Leiterplatte nachteilig auf die Signalgüte aus.
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Die Leiterplatte hat durch den Metallkörper einen Bereich mit einer anderen Festigkeit bzw. Steifigkeit. Da sich die Vibrationen durch diesen Festkörper in Wellen ausbreiten, werden diese Schwingungen an Grenzflächen mit unterschiedlicher Festigkeit/Steifigkeit reflektiert. Jede Schwingung muss beim Übergang von einem Material in ein anderes Material aufgrund des Energieerhaltungssatz ihre Wellenlänge ändern. Beim Eindringen einer Schwingung mit großer Wellenlänge in den versteiften und abgestützten Bereich der Leiterplatte, wird diese in eine Schwingung mit hoher Frequenz bzw. kurzer Wellenlänge umgewandelt. Dadurch sinkt die Amplitude der Welle.
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Durch den Metallkörper, welcher an einem örtlich vordefinierten Bereich positioniert ist, wird also die mechanische Eigenschaft der Leiterplatte bereichsweise verändert. Dieser Bereich hat eine signifikant höhere Resonanzfrequenz. Dadurch wird der Schwingungsdurchgang von Vibrationen in diesem Bereich unterbrochen. Eine Übertragung von Vibrationen in einen lokal versteiften Bereich findet daher kaum statt. Somit können einzelne Bereiche mit hoher Eigenfrequenz nicht durch Vibrationen mit niedriger Frequenz angeregt werden. Der Übergang vom nicht versteiften Bereich der Leiterplatte zum versteiften Bereich bewirkt Rückreflektionen der Schwingungen. Demzufolge wirkt der Metallkörper unterhalb der Leiterplatte als eine Art Blocker. Die Leiterplatte ist durch den Metallkörper lokal versteift.
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Bevorzugt ist eine Fläche des Metallkörpers, welche der Leiterplatte zugewandt ist, größer oder gleich als eine Fläche des Bauelements, welche ebenfalls der Leiterplatte zugewandt ist. Es ist besonders vorteilhaft den Metallkörper unterhalb eines vibrationsempfindlichen Bauelements anzuordnen, damit die lokal auf das Bauelement wirkenden Vibrationen reduziert werden. Dadurch, dass der Metallkörper mittig unterhalb des Bauelements platziert ist, ist die die Eigenresonanzfrequenz der Leiterplatte im Bereich des Bauelements um ein Vielfaches höher als die Eigenresonanzfrequenz der Leiterplatte außerhalb dieses Bereiches. Das Funktionsprinzip dieser örtlichen Versteifung sorgt nämlich dafür, dass die Eigenresonanzfrequenz der Leiterplatte im Bereich des Bauelements stark gegenüber dem restlichen Bereich der Leiterplatte erhöht ist. Dies führt dazu, dass die Leiterplatte im Bereich des Bauelements nicht durch niedrige Frequenzen zur Eigenschwingung angeregt werden kann. Durch die in diesem Bereich lediglich niedrig wirkenden Amplituden, sind vibrationsempfindliche Bauelemente besonders geschützt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Metallkörper durch eine Lötschicht an der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet. Die Lötschicht geht mit dem Metallkörper eine stoffschlüssige Verbindung ein. Sie weist also eine ähnliche Festigkeit wie der Metallkörper auf und stellt somit eine harte bzw. steife Verbindung des Metallkörpers zur Leiterplatte dar.
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Vorzugweise weist der Metallkörper eine Wanddicke auf, welche mindestens doppelt so dick ist wie eine Wanddicke der Leiterplatte. Eine ausreichende Wanddicke des Metallkörpers sorgt für die zu erzielende Versteifung der Leiterplatte, um die Eigenresonanzfrequenz in einen sicheren Bereich zu holen. Also in einen Bereich außerhalb der Störenden Frequenzen zu verschieben. Bei der zweifachen Dicke der Leiterplatte führt die Versteifung durch den doppelt so dicken Metallkörper zu einer ungefähr siebenfach höheren Eigenresonanzfrequenz. Dadurch liegt die Eigenresonanzfrequenz der Leiterplatte im Bauelementbereich so hoch, dass annährend alle auftretenden bzw. eingeleiteten Frequenzen reflektiert werden.
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Zudem ist der Metallkörper bevorzugt aus Kupfer hergestellt. Der Metallkörper aus Kupfer lässt sich einfach an die Leiterplatte anlöten. Dennoch sollte ein möglichst hartes Metall gewählt werden, um eine besonders hohe Versteifung zu erziehlen.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Metallkörper durch einen Aufnahmebereich des Gehäuses abgestützt ist und zwischen dem Metallkörper und dem Aufnahmebereich des Gehäuses eine elastomere Schicht vorgesehen ist. Dadurch wird die Schwingfähigkeit der Leiterplatte bei niedrigen Frequenzen eingeschränkt. So ist bevorzugt der Metallkörper in Wirkverbindung mit der elastomeren Schicht gegenüber dem Aufnahmebereich des Gehäuses verschränkbar ausgeführt. Die elastische Anbindung des Metallkörpers an den Boden des Gehäuses dämpft zusätzlich die vertikale Bewegung der Leiterplatte samt Metallkörper bei Vibrationen. Durch diese konstruktive Maßnahme werden sehr niedrige Amplituden bei sehr hohen Frequenzen im Bereich der versteiften und abgestützten Leiterplatte erreicht. Dadurch wird die Frequenz der Schwingung, welche durch den versteiften und abgestützten Bereich verläuft und einen anderen Frequenzbereich verschoben.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die elastomere Schicht eine Klebeschicht. Es bietet sich an den Metallkörper an den Aufnahmebereich des Gehäuses anzukleben. Bei einer entsprechenden Dicke der Klebeschicht verhält sich diese elastisch und kann durch das Gehäuse verlaufende Vibration vermindern. Zudem lässt sich das Ankleben im Montageverfahren leicht realisieren.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauelement ein Inertialsensor. Dieser ist vorzugweise ein kombinierter Druck-, Drehraten- und Beschleunigungssensor. Hier wirken sich die Vorteile des verschränkbaren Metallkörpers besonders auf die Signale des Inertialsensors aus. Inertialsensoren dienen der Erfassung von dynamischen Bewegungen. Sie werden oft direkt auf die Leiterplatte bestückt. Da die Inertialsensoren in einem bestimmten Frequenzbereich arbeiten, sind diese auf Vibrationen oder Schwingungsenergie, welche annährend in diesem Frequenzbereich auftreten, besonders anfällig. Solche Vibrationen führen zu verfälschten Signalen bzw. Ergebnissen bei der Auswertung. Daher müssen mit Inertialsensoren bestückte Leiterpatten besonders schwingungsarm ausgeführt sein. Durch die beschriebe Funktionsweise führt der versteifende Metallkörper zu einer deutlichen Reduzierung der Vibrationen im Bereich des ersten Bauelements bzw. des Inertialsensors. Die zusätzliche Abstützung durch das Gehäuse führt zu sehr geringen Amplituden im Bereich des Inertialsensors. Das Ausnutzen dieses Amplitudeneffekts führt bei Energieäquivalenz zu einer Umwandlung der Wellenlänge bzw. Frequenz und verhindert, dass ankommende Vibrationen den Intertialsensor erreichen und in seiner Funktionsweise beeinträchtigen. Dadurch weisen seine Signale eine höhere Güte als sonst üblich auf.
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Das elektronische Gerät wird bevorzugt als ein Steuergerät eines elektrohydraulischen Bremssystems eingesetzt. Insbesondere Bremssysteme benötigen für ESP oder ABS Eingriffe die Signale von Inertialsensoren. Daher sind zuverlässige Signale über die Fahrzeugdynamik äußerst sicherheitsrelevant.
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Verwendung findet das elektronische Gerät daher in einem Kraftfahrzeug.
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Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Figuren.
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Es zeigen:
- 1 ein erstes beispielsgemäßes elektronisches Gerät,
- 2 ein zweites beispielsgemäßes elektronisches Gerät, und
- 3 die Funktionsweise der versteiften und zugleich abgestützten Leiterplatte bei einer Schwingungsanregung.
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In schematischer Darstellung zeigt die 1 ein erstes beispielsgemäßes elektronisches Gerät 1. Gerät 1 kann als ein Steuergerät für ein elektrohydraulisches Bremssystem vorgesehen sein. Als solches steuert es bspw. eine Vielzahl von elektromagnetischen Ventilen an und verarbeitet Signale von einem Fahrdynamiksensor.
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So umfasst Gerät 1 eine Leiterplatte 3, welche in einem Gehäuse 2 aufgenommen ist. Leiterplatte 3 umfasst eine erste Seite 4 und eine zweite Seite 5. Erste Seite 4 ist eine Bestückungsseite, welche mit verschiedensten Bauelementen bestückt ist. Die gegenüberliegende zweite Seite 5 ist eine Lötseite, an welcher die verschiedensten Bauelemente angelötet sind. An erster Seite 4 ist zumindest ein erstes Bauelement 6 angeordnet. Als Bauelemente kommen verschiedenste elektronische oder elektromechanische Bauelemente in Betracht. In der Anwendung als Steuergerät eines Kraftfahrzeugs sind solche Bauelemente insbesondere Inertialsensoren. Daher ist Bauelement 6 beispielsgemäß ein Drehratensensor, oder ein Beschleunigungssensor oder ein Drucksensor. Auch als kombinierter Druck-, Drehraten- und Beschleunigungssensor kommt Bauelement 6 zur Anwendung. Weitere Bauelemente sind bspw. integrierte Schaltungen als Mikrochips. Bauelement 6 wird über eine Lötverbindung 10 mit Leiterplatte 3 elektrisch leitfähig verbunden.
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Problematisch im Kraftfahrzeugbereich sind Vibrationen, welche in Gerät 1 eingeleitet werden. Steuergeräte werden oft als bauliche Einheit zusammen mit Elektromotoren verbaut, wobei der Elektromotor eine Förder- oder Verdichtungseinheit antreibt. Somit sind die Steuergeräte meist in der Nähe der Elektromotoren bzw. Arbeitsmaschinen angeordnet und aufgrund von Körperschallübertragung deren Erregerschwingungen ausgesetzt. Insbesondere Steuergeräte, welche mit Inertialsensoren bestückt sind, müssen vor diesen Schwingungen geschützt werden, damit diese Sensoren verlässliche Signale liefern.
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Beispielsgemäß wird zur Schwingungsreduktion ein Metallkörper 7 an Leiterplatte 3 angeordnet. Metallkörper 7 ist an zweite Seite 5 angelötet. Dies erfolgt über eine Lötschicht 8. Lötschicht 8 zeichnet sich dadurch aus, dass sie selbst sehr hart ist und eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Metallkörper 7 eingeht. Sie ist daher selbst unbeweglich bzw. nicht elastisch verformbar. Metallkörper 7 wird vorzugweise aus Kupfer hergestellt. Ein wesentlicher Aspekt des Metallkörpers 7 ist die örtliche Versteifung von Leiterplatte 3. Hierfür ist es vorteilhaft, wenn er eine Wanddicke d von mindestens 6 mm aufweist. Die Abmessung des Metallkörpers 7 sollte derart gewählt sein, dass sie im Wesentlichen dem Bauelement 6 entspricht. Metallkörper 7 sollte zudem mittig unterhalb des Bauelements 6 platziert sein. Dadurch wird erreicht, dass die Eigenresonanz-Frequenz von Leiterplatte 3 in einem Bauelementbereich 11 ein Vielfaches der Eigenresonanz-Frequenz von Leiterplatte 3 außerhalb des Bauelementbereichs 11 beträgt. Zudem bewirkt Metallkörper 7 eine Kühlfunktion für Bauelement 6.
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Das zweite beispielsgemäße elektronische Gerät 1 in der 2 wird um eine zusätzliche Abstützung durch Gehäuse 2 ergänzt. So ist Metallkörper 7 durch einen Aufnahmebereich 12 des Gehäuses 2 abgestützt. Aufnahmebereich 12 ist vorzugweise eine Erhöhung des Gehäuses 2 in Richtung Leiterplatte 3. Aufnahmebereich 12 ist im Schnitt vorzugsweise im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet. Aufnahmebereich 12 stellt einen Sockel für Metallkörper 7 dar.
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Zwischen Metallkörper 7 und Aufnahmebereich 12 ist beispielsgemäß eine elastomere Schicht 9 vorgesehen. Vorzugweise ist diese Schicht 9 eine Klebeschicht, mittels welcher Metallkörper 7 mit Aufnahmebereich 12 verklebt ist. Schicht 9 hat elastische Eigenschaften, ist also beweglich. Aufgrund dessen, dass Metallkörper 7 mit Schicht 9 verbunden ist und zugleich Schicht 9 mit Aufnahmebereich 12 verbunden ist, wird Metallkörper 7 am Aufnahmebereich 12 beweglich abgestützt bzw. gelagert. Metallkörper 7 kann sich demzufolge gegenüber Aufnahmebereich 12 des Gehäuses verschränken.
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Diese Art der versteiften und abgestützten Leiterplatte 3 wirkt insbesondere sehr vorteilhaft, wenn sie im Bereich 11 unterhalb des Bauelements 6 vorgenommen wird. Dadurch sind die Schwingungsamplituden in Leiterplatte 3, welche entlang des Bauelements 6 verlaufen, sehr klein. Folglich wird Bauelement 6 weniger bis gar nicht durch Vibrationen beeinflusst. Wenn Bauelement 6 als Inertialsensor ausgebildet ist, sind dessen Signale zuverlässig verwertbar.
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Um diese Funktionsweise genauer zu erläutern, ist in der 3 eine unter Schwingung stehende Leiterplatte 3 dargestellt.
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Metallkörper 7 bewirkt zunächst eine Versteifung von Leiterplatte 3. Dadurch werden die Amplituden der in Leiterplatte 3 durchlaufenden Schwingungen im Bereich des Metallkörpers 7 reflektiert und damit signifikant reduziert. Durch die Abstützung des Metallkörpers 7 am Gehäuse 2 wird eine Stabilisierung von Leiterplatte 3 bezweckt, welche allerdings eine gewisse Beweglichkeit erlaubt.
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Die Grundform bzw. Fläche des Metallkörpers 7 ist so zu wählen, dass diese rund um den abzudeckenden Bauelementbereich 11 ca. 3 mm größer ist als Bauelement 6. Vorzugweise sollte dieser Randbereich die doppelte Wanddicke von Leiterplatte 3 aufweisen, damit Lötverbindung 10 des Bauelements 6 ebenfalls abgedeckt ist.
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Dies ist dahingehend besonders vorteilhaft, da an den Kanten des Bauelements 6 zur Leiterplatte 3 Biege-Dehnungen stattfinden. Diese Dehnungen gehen bei der zweifachen Leiterplattendicke gegen Null.
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Durch elastomere Schicht 9 ist Metallkörper 7 elastisch an Gehäuse 2 gelagert. Demzufolge kann Metallkörper 7 bei einer Schwingungsanregung von Leiterplatte 3 gegenüber Aufnahmebereich 12 des Gehäuses 2 verschränken. Wäre die elastomere Schicht 9 nicht gegeben, würden sich Vibrationen des Gehäuses 2 über Aufnahmebereich 12 direkt in Metallkörper 7 und somit weiter in Leiterplatte 3, sowie Bauelement 6 ausbreiten. Demzufolge ist bei der zusätzlichen Abstützung des Metallkörpers 7 durch Gehäuse 2 eine elastisch verformbare bzw. bewegliche Schicht 9 zwingend notwendig.
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Durch die Schwingungsanregung aufgrund von Vibrationen findet eine Verkippung von Leiterplatte 3 um einen Drehpunkt P im versteiften Bauelementbereich auf. Drehpunkt P befindet sich in einem Mittenbereich der durch Metallkörper 7 versteiften Leiterplatte 3. Durch die Verkippung werden hohe Scherkräfte in elastomerer Schicht 9 erzeugt. Durch ihre elastische Eigenschaft wirkt aber Schicht 9 diesen Kräften entgegen. Demzufolge wirkt die elastische Verbindung durch Schicht 9 mit Metallkörper 7 und dem Aufnahmebereich 12 des Gehäuses 2 der Verkippung von Leiterplatte 3 entgegen. So wird versucht die Schwingungsanregung auszugleichen. Als elastomere Schicht 9 kommen Materialen wie RTV Silikone in Betracht, da diese Vibrationen mit hoher Frequenz nicht übertragen. Solche Materialien dämpfen die vertikale Bewegung von Leiterplatte 3 mit Metallkörper 7 und sorgen für die gewünschte Beruhigung des Bauelements 6 bzw. des Inertialsensors.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektronisches Gerät
- 2
- Gehäuse
- 3
- Leiterplatte
- 4
- erste Seite der Leiterplatte
- 5
- zweite Seite der Leiterplatte
- 6
- Bauelement
- 7
- Festkörper
- 8
- Lötschicht
- 9
- elastomere Schicht
- 10
- Lötverbindung
- 11
- Bauelementbereich
- 12
- Aufnahmebereich
- d
- Wanddicke
- P
- Drehpunkt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085294 A1 [0007]
