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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 einer verbesserten Vorrichtung zur Vibrationsminderung von in die Leiterplatte eingeleiteter Vibrationen 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 ersten Bauelement bestückt ist, wobei an der Leiterplatte ein Vibrationsabsorber vorgesehen 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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Daher wird in vorteilhafterweise ein Vibrationsabsorber an der Leiterplatte des elektronischen Geräts angebracht. Bevorzugt ist der Vibrationsabsorber dazu eingerichtet, durch innere Reibung in die Leiterplatte eingeleitete Schwingungsenergie zu vermindern. Der Vibrationsabsorber nimmt die Schwingungsenergie, welche durch die Leiterplatte verläuft, auf und wandelt diese in Wärme um. Dadurch werden die Amplituden der Schwingung im Bereich des Vibrationsabsorbers innerhalb der Leiterplatte herabgesetzt. Demzufolge ist die Leiterplatte örtlich weniger Vibrationen ausgesetzt. Die auftretenden Vibrationen sind durch den Vibrationsabsorber effektiv vermindert. Gegenüber dem Stand der Technik muss der Vibrationsabsorber für eine effektive Absorption der Schwingungsenergie eben nicht auf einen bestimmten Frequenzbereich abgestimmt sein. Vielmehr wirkt der Vibrationsabsorber über ein breites Frequenzspektrum.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der Vibrationsabsorber aus einem Verbundmaterial hergestellt, welches zumindest in einem Bindemittel eingeschlossene Partikel enthält. Das Bindemittel ist vorzugsweise Epoxidharz. Die Partikel sind vorzugsweise mineralische Körner. Der Vibrationsabsorber selbst unterliegt keiner Eigenschwingung. Vielmehr führt die eingebrachte Vibration zu einer relativen Bewegung der Partikel innerhalb des Bindemittels. Durch die Vibration reiben die Partikel aneinander und erzeugen demzufolge Wärme. Dadurch wird die Schwingungsenergie effektiv in Wärme umgewandelt und somit absorbiert. Die Partikel sind Bruchmaterial, sodass keine direkte Verbindung durch den Vibrationsabsorber möglich ist. Die Partikel oder Körner sind unförmig geformt, sodass die eingeleitete Energie nicht geradlinig durch den Vibrationsabsorber durchdringen kann, sondern an den Partikeln streut und somit abgebaut wird. Damit die Partikel sich bewegen können, eignet sich Epoxidharz als Bindemittel. Epoxidharz weist eine gute Temperatur- und Chemikalienbeständigkeit auf. Es ist selbst derart elastisch, dass die eingebetteten Partikel aneinanderstoßen können. Durch geeignete Wahl des Epoxidharzes lässt sich der Vibrationsabsorber auf bestimmte Frequenzbereiche einstellen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Vibrationsabsorber durch zumindest zwei Pins an der Leiterplatte angebracht. Vorzugsweise ist der Vibrationsabsorber durch die Pins räumlich von der Leiterplatte beabstandet vorgesehen. Die Pins sind bevorzugt zumindest teilweise in den Vibrationsabsorber eingelassen. Die Pins weisen eine Art Widerhaken auf, welcher für einen sicheren Halt im Vibrationsabsorber sorgt. Die Pins werden anderseits in die Leiterplatte gesteckt oder angelötet. Dies stellt eine Möglichkeit zum Anbringen des Vibrationsabsorbers an die Leiterplatte dar. Die entlang der Leiterplatte verlaufende Schwingungsenergie wird über die Pins in den Vibrationsabsorber eingeleitet und dort abgebaut. Dies führt dazu, dass die Schwingungsenergie im örtlichen Bereich der Leiterplatte über dem Vibrationsabsorber geringer ist.
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Bevorzugt ist die zweite Seite der Leiterplatte mit einem weiteren Bauelement bestückt, welches zwischen den zumindest zwei Pins angeordnet ist. Die Anbringung des Vibrationsabsorbers durch Pins hat zudem den Vorteil, dass weitere Bauelemente an der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet werden können. Somit steht der Vibrationsabsorber diesen nicht im Weg und kann dort eingesetzt werden, wo er benötigt wird.
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Nach einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist der Vibrationsabsorber durch eine Klebeschicht an der Leiterplatte angebracht. Eine andere Möglichkeit den Vibrationsabsorber an die Leiterplatte anzubringen, erfolgt durch Kleben. Der Vibrationsabsorber wird mit einem Haftmittel an die Leiterplatte befestigt. Die Klebeschicht hat den Vorteil, dass der Vibrationsabsorber über seine gesamte Fläche an der Leiterplatte angebracht ist. Somit wird die durch die Leiterplatte verlaufende Schwingungsenergie über die komplette Fläche vom Vibrationsabsorber aufgenommen. Dies führt zu einer sehr effizienten Beruhigung der Leiterplatte im Bereich des Vibrationsabsorbers. Die flächig eingeleiteten Vibrationen werden über die gesamte Fläche des Vibrationsabsorbers in Wärme umgewandelt.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der Vibrationsabsorber in einem Bereich unterhalb des ersten Bauelements an der zweiten Seite der Leiterplatte angeordnet ist. Es bietet sich an den Vibrationsabsorber an der Unterseite der Leiterplatte anzuordnen, da sich hier in der Regel keine blockierenden Bauelemente befinden und Platz im Gehäuse ist.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das erste Bauelement ein Inertialsensor. Dieser ist vorzugweise ein kombinierter Druck-, Drehraten- und Beschleunigungssensor. Seine Vorteile spielt der Vibrationsabsorber in Verbindung mit einem Inertialsensor als erstes Bauelement 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 seine oben beschriebe funktionsweise führt der Vibrationsabsorber zu einer deutlichen Reduzierung der Vibrationen im Bereich des ersten Bauelements bzw. des Inertialsensors. 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, und
- 2 ein zweites beispielsgemäßes elektronisches Gerät.
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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. Aber auch die Lötseite, also zweite Seite 5, kann mit weiteren Bauelementen 7 bestückt sein. 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 9 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 eine Vorrichtung zur Absorption von in Gerät 1 bzw. Leiterplatte 3 eingeleitete Vibrationen vorgeschlagen. An Leiterplatte 3 ist ein Vibrationsabsorber 8 vorgesehen. Vibrationsabsorber 8 ist unterhalb von Leiterplatte 3, also an zweiter Seite 5, angeordnet. Vibrationsabsorber 8 ist über zwei Pins 10 mit Leiterplatte 3 verbunden bzw. an dieser angeordnet. Durch Pins 10 ist Vibrationsabsorber 8 von Leiterplatte 3 räumlich beabstandet. Pins 10 sind zumindest teilweise in Vibrationsabsorber 8 eingelassen. Sie weisen eine Art Widerhaken auf, welche für eine sichere Befestigung in Vibrationsabsorber 8 sorgen. Pins 10 sind zudem in Leiterplatte 3 eingesteckt oder angelötet.
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Vibrationsabsorber 8 hat die Aufgabe, von außen in Leiterplatte 3 eingeleitete Vibrationen zu reduzieren. Daher ist der beispielsgemäße Vibrationsabsorber 8 dazu eingerichtet, in Leiterplatte 3 übertragene Vibrationen bzw. Schwingungsenergie zu vermindern. Dies erfolgt dadurch, dass Vibrationsabsorber 8 die in ihn eingebrachte Schwingungsenergie durch innere Reibung in Wärme umwandelt. Auf diese Weise wird, die in Leiterplatte 3 übertragene Schwingungsenergie effektiv vermindert.
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Vibrationsabsorber 8 stellt ein Bauteil ohne jegliche Eigenschwingung dar. Dies ist dadurch realisiert, dass jegliche Verformung zu einer relativen Bewegung von Partikeln innerhalb des Vibrationsabsorbers 8 führt, welche aufgrund von Reibung den äußerlichen Impuls oder Anregung in Reibungswärme umwandelt. Demzufolge ist Vibrationsabsorber 8 vorzugweise ein Körper aus einem Verbundmaterial. Das Verbundmaterial enthält in ein Bindemittel eingelassene Partikel. Die Partikel sind vorzugsweise mineralische Körner. Die zu verwendenden Partikel sind bevorzugt unförmig bzw. nicht geometrisch. Die Form der Partikel ist unregelmäßig. Die Partikel weisen Bruchkanten auf, welche sich gut gegenseitig ineinander verkanten. So können die Partikel die Verformungsenergie effizient in Wärme umwandeln. Insbesondere diese Unförmigkeit dieser Partikel stellt sicher, dass jeglicher Impuls über einen unbestimmbaren Weg durch den Vibrationsabsorber 8 verläuft, bis die Impulsenergie verbraucht ist. Als Bindemittel für die Partikel wird Epoxidharz vorgeschlagen. Es stellt die Berührung der Partikel aneinander sicher und besitzt selbst eine geringe Festigkeit, um einer relativen Bewegung zwischen den Partikeln keinen Widerstand zu leisten. Dabei kann durch entsprechende Wahl des Harzes die Absorptionseigenschaft beeinflusst werden. Ein weicheres Harz wird für niedrige Frequenzen verwendet, während ein härteres Harz für höhere Frequenzen vorteilhaft ist. Auch eine optimal auf die Korngröße der Partikel eingestellte Härte des Epoxidharzes sichert einen hohen Absorptionswert.
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Die Vibrationen, welche in Leiterplatte 3 eingeleitet wurden, verlaufen über die Pins 10 in Vibrationsabsorber 8 hinein. Dort führt die Vibration bzw. Schwingungsenergie zu einer relativen Bewegung der im Bindemittel eingebetteten Partikel, welche diese Energie durch Reibung absorbieren. Dadurch werden die die Vibrationen in Leiterplatte 3 vermindert.
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Vibrationsabsorber 8 wirkt insbesondere sehr vorteilhaft, wenn er in einem Bereich 12 unterhalb des ersten Bauelements 6 platziert ist. Dadurch sind die Schwingungsamplituden in Leiterplatte 3, welche entlang des ersten Bauelements 6 durch Leiterplatte 3 verlaufen, sehr klein. Vibrationsabsorber 8 sorgt hier für eine örtlich starke Verminderung der Schwingungsenergie im Bauelementbereich 12. Dadurch wird erstes Bauelement 6 weniger bis gar nicht erschüttert. Wenn erstes Bauelement 6 als ein Inertialsensor ausgebildet ist, sind demzufolge seine Signale zuverlässig verwertbar.
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Hierfür ist es vorteilhaft, wenn Vibrationsabsorber 8 eine quadratische oder rechteckige Form hat. In dieser Form kann Vibrationsabsorber 8 auch über vier Pins 10 an Leiterplatte 3 angebracht sein. Dabei werden Pins 10 in den Eckenbereichen des Vibrationsabsorber 8 vorgesehen. Zudem könnten weitere Pins im Mittenbereich des Vibrationsabsorbers 8 vorgesehen werden. Vorzugweise ist Vibrationsabsorber 8 in seiner Größe bzw. Fläche derart bemessen, dass er der Fläche des ersten Bauelements 6 entspricht oder geringfügig größer ist. Vibrationsabsorber 8 kann aber auch mehr als ein Bauelement oder einen Sensor abdecken.
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Ein zweites beispielsgemäßes elektronisches Gerät 1 ist in der 2 gezeigt. In Abwandlung zum Gerät 1 der 1 ist in dieser Ausführung Vibrationsabsorber 8 durch eine Klebeschicht 10 an Leiterplatte 3 angeordnet. Vorzugsweise ist Vibrationsabsorber 8 durch Klebeschicht 10 an der zweiten Seite 5 der Leiterplatte 3 angeordnet. Bei dieser Anbindungsart können verständlicherweise keine weiteren Bauelemente zwischen Leiterplatte und Vibrationsabsorber 8 im Anbindungsbereich an der zweiten Seite 5 angebracht sein. Vibrationsabsorber 8 entspricht sonst in seiner Art und Funktion wie unter 1 beschrieben.
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Klebeschicht 8 hat den Vorteil, dass die in Leiterplatte 3 wirkenden Vibrationen flächig aufgenommen bzw. in Vibrationsabsorber 8 eingeleitet werden. Insbesondere in einem flächigen Bauelementbereich 12 führt Klebeschicht 8 zu einer vorteilhaften Einleitung der Schwingungsenergie in Vibrationsabsorber 8 unterhalb des ersten Bauelements 6. Denn jegliche Verformung und lokale Bewegung von Leiterplatte 3 führt zu einer direkten Übertragung der Energie in Vibrationsabsorber 8. Dadurch wird erstes Bauelement 6 als ein Inertialsensor äußert vorteilhaft vor den Schwingungen der Leiterplatte 3 geschützt, was zu besseren Ergebnissen über die Fahrzeugdynamik führt.
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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
- erstes Bauelement
- 7
- weitere Bauelemente
- 8
- Vibrationsabsorber
- 9
- Lötverbindung
- 10
- Befestigungsmittel
- 11
- Klebeschicht
- 12
- Bauelementbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011085294 A1 [0007]
