DE112017005077T5

DE112017005077T5 - Steuergerät

Info

Publication number: DE112017005077T5
Application number: DE112017005077.4T
Authority: DE
Inventors: Ashutosh Tomar
Original assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Current assignee: Jaguar Land Rover Ltd
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2017-10-06
Publication date: 2019-06-19
Also published as: GB201716356D0; GB2579925B; GB2557707B; GB2557422A; WO2018065585A1; GB202001910D0; GB202001976D0; GB2579924A; GB2579924B; GB2579925A; GB2557419A; GB201716379D0; US11071205B2; GB2557419B; US20200045823A1; GB2557707A; GB201716355D0

Abstract

Steuereinheit (10) für eine Vorrichtung (12), wobei die Steuereinheit (10) ein bauteiltragendes Element (14; 114; 18; 118) umfasst, das mit mindestens einer elektronischen Komponente (30, 32, 34, 36, 38; 60, 62; 74, 78) versehen ist, die konfiguriert ist, um eine Funktion der Vorrichtung (12) bereitzustellen; wobei das bauteiltragende Element aus einem Material gebildet ist, das zumindest während der Montage der Steuereinheit (10) formbar ist. Die Steuereinheit ist mit einer spritzgegossenen Schicht (22; 22') versehen, die mindestens einen Teil der oder jeder elektronischen Komponente (30, 32, 34, 36, 38; 60, 62; 74, 78) umschließt.

Description

TECHNISCHER BEREICH
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Steuereinheit für ein Gerät. Insbesondere, aber nicht ausschließlich, bezieht sich die Erfindung auf eine Steuereinheit, die elektronische Komponenten und/oder Mikroprozessoren für den Betrieb der Vorrichtung beinhaltet. Das Steuergerät hat eine besondere, aber nicht ausschließliche Anwendung in einem Fahrzeug. Aspekte der Erfindung beziehen sich auf ein Steuergerät, eine Vorrichtung und ein Herstellungsverfahren.
HINTERGRUND
Moderne Kraftfahrzeuge verfügen über zahlreiche verschiedene Systeme und Subsysteme, die elektronische Steuergeräte (ECUs) oder Steuerungen benötigen, um ihre Funktionalität zu betreiben und zu steuern. Beispiele für die erforderlichen Steuergeräte sind die verschiedenen Airbags, die über die Fahrzeugkabine verteilt sind, Innenleuchten, Vordersitze und Rücksitze, das Unterhaltungsmodul und/oder DVD-Player, Einparkhilfen, verschiedene Bewegungs- und andere Sensoren, die Servolenkung, das Gelände und Navigationssysteme, um nur einige zu nennen. Weitere elektronische Steuergeräte werden ebenfalls benötigt, um den Antriebsstrang und den Fahrzeugmotor zu steuern.
Da die Komplexität der Fahrzeuge zunimmt, stellt der Bedarf an so vielen Steuergeräten eine Herausforderung für die Fahrzeughersteller dar, da für die Unterbringung der Einheiten im Fahrzeug Wohnraum gefunden werden muss. In einigen aktuellen Fahrzeugen können bis zu 80 verschiedene Steuergeräte im gesamten Fahrzeug verteilt sein. Neben dem Platzproblem für die Unterbringung der Steuergeräte sind auch die Verkabelung der Geräte und das Gewicht, das die Geräte zum Fahrzeug beitragen, ein Nachteil.
Eine besondere Herausforderung bei bekannten Steuergeräten ist die Begrenzung ihrer Form und Größe, die den Aufstellort der Geräte einschränkt. Traditionell bestehen Steuergeräte aus einer Leiterplatte mit verschiedenen elektronischen Komponenten und Verkabelungen, die in einem starren Gehäuse untergebracht sind. Die Einheiten müssen aus ästhetischen und sicherheitstechnischen Gründen im Fahrzeug versteckt werden und befinden sich oft hinter den Verkleidungen in der Kabine. In diesen Bereichen ist der Platz jedoch begrenzt und die unflexible Gestaltung der Verpackungen für die Steuergeräte lässt sie nicht ohne weiteres in engen Räumen unterbringen.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um zumindest einige der oben genannten Probleme abzumildern oder zu überwinden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung stellen eine Steuereinheit für eine Vorrichtung, eine Vorrichtung, ein Herstellungsverfahren und ein Fahrzeug dar, wie in den beigefügten Ansprüchen gefordert.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Steuereinheit für eine Vorrichtung vorgesehen, wobei die Steuereinheit ein bauteiltragendes Element umfasst, das mit mindestens einer elektronischen Komponente versehen ist, die konfiguriert ist, um eine Funktion der Vorrichtung bereitzustellen; wobei das bauteiltragende Element aus einem Material gebildet ist, das zumindest während der Montage der Steuereinheit biegsam oder flexibel ist; und eine spritzgegossene Schicht, die mindestens einen Teil der oder jeder elektronischen Komponente umschließt.
Die Steuereinheit hat den Vorteil, dass sie fertigungsfreundlich ist und in der Endversion eine leichte und dennoch robuste Steuereinheit bietet, die wenig Platz in dem Gerät, in dem sie verwendet wird, einnimmt.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass, da das bauteiltragende Element aus einem Material gebildet wird, das zumindest während der Montagephase der Steuereinheit biegsam oder flexibel ist, das bauteiltragende Element manipuliert werden kann, um je nach den Anforderungen an das Endprodukt eine Vielzahl von unterschiedlichen Formen anzunehmen. So muss beispielsweise die Steuereinheit nicht flach sein und kann so geformt sein, dass sie ein gekrümmtes, welliges oder nicht planares Profil aufweist.
Darüber hinaus können im Rahmen des Herstellungsprozesses, da die spritzgegossene Schicht über dem bauteiltragenden Element gebildet wird, die Schicht und das Element gemeinsam geformt werden, um die erforderliche Form für das Endprodukt zu definieren.
Abhängig von dem Material, das für das bauteiltragende Element gewählt wird, bewirkt die Bereitstellung der spritzgegossenen Schicht darauf, dass die beiden Materialien dazu neigen, miteinander zu „verschmelzen“, so dass die Elektronik im Endprodukt effektiv in die Materialien der Struktur eingebettet, verschmolzen oder integriert wird. Mit anderen Worten, im Endprodukt erscheint es, dass die Komponenten innerhalb der Struktur „suspendiert“ sind, geformt zwischen den Materialien der Spritzgussschicht und dem bauteiltragenden Element. In einigen Ausführungsformen kann es vorkommen, dass die „Schichtstruktur“ der fertig montierten Steuereinheit überhaupt nicht mehr aus getrennten „Schichten“ besteht. Die so geformte Strukturelektronik wird Teil der Tragfähigkeit des Steuergerätes.
In einer Ausführungsform kann das bauteiltragende Element aus einem Material gebildet werden, das während der Montagephasen biegsam ist, aber nach dem Zusammenbau der Steuereinheit erstarrt oder steifer wird, um ein starres Endprodukt zu definieren. Alternativ kann das Material, aus dem das elektronisch tragende Bauteil gebildet werden kann, nach der vollständigen Montage des Steuergeräts einen gewissen Grad an Biegsamkeit in seiner endgültigen Form beibehalten, so dass das Endprodukt beispielsweise flexibel oder biegbar ist.
Die Erfindung bietet somit eine sehr vielseitige Steuergerätestruktur, die für den Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen angepasst werden kann. Aufgrund der Biegsamkeit der Steuereinheit kann sie beispielsweise zumindest während der Herstellungsphase an eine Form angepasst werden, die als Deckel eines Handschuhfachs oder einer Überkopfsteuertafel verwendet werden kann, die im Allgemeinen eine gekrümmte Oberfläche aufweisen kann.
Die Steuereinheit hat eine besondere Anwendung in einem Fahrzeug, wobei die mindestens eine elektronische Komponente konfiguriert ist, um eine Funktion des Fahrzeugs bereitzustellen, zum Beispiel eine Funktion in Form einer Steuerung der Beleuchtungsanlage, der Heizungsanlage, der Unterhaltungsanlage, der Sitzanlage, der Airbaganlage, des Schiebedachs oder des Fensters.
Andere Ausführungsformen sehen vor, dass die Steuereinheit eine Platte eines Haushaltsgeräts bildet, wie beispielsweise elektrische Gegenstände in Form von Waschmaschinen, Herden oder Geschirrspülern und dergleichen.
Beim Einsatz in einem Fahrzeug bietet das Steuergerät den Vorteil, dass es einfach herzustellen ist und in der Endversion ein leichtes und dennoch robustes Steuergerät bietet, das wenig Platz im Fahrzeug einnimmt. Dies ist besonders nützlich in modernen Fahrzeugen mit hoher Fahrzeugfunktionalität und einem immer größer werdenden Bedarf an zusätzlichen Steuerungsfunktionen. Darüber hinaus ist das oder jedes elektronische Bauteil zumindest teilweise durch die spritzgegossene Schicht geschützt, die die empfindlichen und empfindlichen elektronischen Bauteile und Schaltungen umschließt. Der Benutzerbefehl kann das Drücken einer Taste, ein kapazitiver Berührungsbefehl wie ein Berühren oder Streichen mit einem Finger, eine Geste oder ein Sprachaktivierungsbefehl sein, der von einem Mikrofon empfangen wird. Die Fahrzeugfunktion kann ein Steuersignal an eine Komponente der gedruckten elektronischen Schaltung sein, wie beispielsweise das Einschalten einer Leuchte.
In einer Ausführungsform umfasst die Steuereinheit eine Präsentationsfläche, die für einen Benutzer der verwendeten Vorrichtung sichtbar ist.
In einer Ausführungsform definiert das bauteiltragende Element die Präsentationsfläche.
In einer weiteren Ausführungsform definiert die Präsentationsfläche eine Benutzerinteraktionsfläche zum Empfangen eines Benutzerbefehls, und wobei das Komponenten tragende Element als Reaktion auf den Benutzerbefehl betreibbar ist.
Es kann vorteilhaft sein, eine piezoelektrische Schicht angrenzend an die Benutzerinteraktionsfläche einzubinden, um die Steuerung der mindestens einen elektronischen Komponente zu ermöglichen, wenn der Benutzer einen Benutzerbefehl in Form von Druck auf die Benutzerinteraktionsfläche ausübt, um dadurch die oder jede der elektronischen Komponenten zu steuern.
Die Steuereinheit kann eine bauteiltragende Oberfläche umfassen, die das oder jedes elektronische Bauteil trägt, das einen Teil einer gedruckten elektronischen Schaltung bilden kann.
So kann sich beispielsweise in einer Ausführungsform die bauteiltragende Oberfläche auf der Rückseite des bauteiltragenden Elements zur Präsentationsfläche befinden. Diese Ausführungsform bietet den Vorteil, dass nur ein einziges Element benötigt wird, um sowohl die Präsentationsfläche auf der einen Seite als auch die Komponenten auf der anderen Seite (d.h. die bauteiltragende Fläche) zu definieren. Die Steuereinheit dieser Ausführungsform ist besonders dünn und leicht und kann in einem einstufigen Spritzgussverfahren zur Bildung der Spritzgussschicht geformt werden.
Die Steuereinheit kann ein zweites Element umfassen, das durch die Spritzgussschicht von dem bauteiltragenden Element beabstandet ist, um eine dreiteilige Struktur für die Steuereinheit zu definieren.
Das zweite Element kann die Präsentationsfläche definieren.
Das bauteiltragende Element und/oder das zweite Element können in Form eines vorgeformten Elements vorliegen, d.h. eines Elements, das vor einem Schritt zum Bilden der Spritzgussschicht gebildet wird.
Die dreiteilige Struktur des bauteiltragenden Elements, des zweiten Elements und der dazwischen liegenden Spritzgussschicht eignet sich besonders, wenn eine A-Oberfläche, mit der der Benutzer an der Vorderseite des Steuergeräts interagiert, und eine B-Oberfläche an der Rückseite des Steuergeräts, das die oder jede elektronische Komponente trägt, erforderlich sind.
In einem weiteren Beispiel kann das zweite Element mit mindestens einer weiteren elektronischen Komponente versehen sein, so dass die oder jede der elektronischen Komponenten auf dem Bauteilträgerelement und die mindestens eine weitere elektronische Komponente auf dem zweiten Element zwischen dem Bauteilträgerelement und dem zweiten Element innerhalb der Spritzgussschicht eingeklemmt sind.
Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass die elektronischen Komponenten auf verschiedene Oberflächen verteilt sind, was Vorteile für die Raum- und/oder Wärmeentwicklung haben kann. Die Anordnung bietet einen besonderen Vorteil, wenn die Steuereinheit mittels Gestensteuerung bedient wird, so dass sich die durch die Gestensteuerung betätigten Komponenten auf der Rückseite der A-Oberfläche befinden, andere Komponenten jedoch von diesen verschoben und auf dem anderen Element getragen werden können.
In einer Ausführungsform kann die elektronische Komponente einen Teil einer gedruckten elektronischen Schaltung bilden, die eine Vielzahl von Leiterbahnen zur Stromübertragung zu mindestens einer elektronischen Komponente der gedruckten elektronischen Schaltung umfassen kann.
Die Leiterbahnen können zusammen mit der Benutzerinteraktionsfläche als Elektroden eines Kondensators fungieren, um als Reaktion auf den Benutzerbefehl eine kapazitive Berührungssteuerungsfunktion bereitzustellen.
Die kapazitive Touch-Steuerung bietet dem Benutzer des Steuergeräts ein schnelles, effektives und anspruchsvolles Bediengefühl.
In einer Ausführungsform kann eine größere Anzahl von Leiterbahnen auf der gedruckten elektronischen Schaltung vorgesehen werden, als erforderlich ist, um elektronische Komponenten der gedruckten elektronischen Schaltung mit ausreichendem Strom zu versorgen und so bei Bruch und/oder Ausfall einer oder mehrerer Leiterbahnen eine Spurredundanz zu gewährleisten.
Der Vorteil dieser Gleisredundanz besteht darin, dass beispielsweise jeder Gleisbruch oder jede Fehlfunktion, die durch Beschädigungen während des Entstehungsprozesses der spritzgegossenen Schicht verursacht wird, durch die Bereitstellung zusätzlicher Gleise kompensiert wird, die noch den notwendigen Strom an die verwendeten elektronischen Komponenten der Schaltung anlegen können. Dies ist besonders vorteilhaft, da die Spritzgusstechnik bei hohen Temperaturen durchgeführt werden muss.
Insbesondere, aber nicht ausschließlich, kann eine größere Anzahl von Leiterbahnen auf der gedruckten elektronischen Schaltung in Bereichen in der Nähe eines Gates zum Einspritzen eines Materials der Spritzgussschicht während der Montage der Steuereinheit vorgesehen werden.
Die Steuereinheit kann eine zusätzliche Schicht auf der Benutzerinteraktionsfläche umfassen, um der Steuereinheit ein ästhetisches Finish zu verleihen.
Die zusätzliche Schicht kann ein Furnier sein, das eine Oberfläche der Vorrichtung ergänzt, in der das Steuergerät verwendet wird, zum Beispiel eine Innenverkleidung eines Fahrzeugs. Mit Ergänzungen soll gemeint sein, dass das Furnier mit dem übrigen Innenraum des Fahrzeugs, in dem das Steuergerät eingebaut ist, übereinstimmen oder anderweitig komplementär entsprechen kann. Das Furnier kann eine Holzoberfläche, eine Kunststoffoberfläche, eine Ledereffektoberfläche oder eine andere Oberfläche sein, die üblicherweise z.B. in einer Fahrzeugkabine zu finden ist.
Die zusätzliche Schicht kann eine Schutzschicht sein.
So kann beispielsweise die zusätzliche Schicht eine weitere spritzgegossene Schicht sein.
Die zusätzliche Schicht kann mit einem oder mehreren Aussparungen versehen werden, um eine größere Tiefenwirkung zu erzielen, wenn der Benutzer die zusätzliche Schicht durch die Aussparungen betrachtet (z.B. wenn die Aussparungen unterschiedliche Tiefen aufweisen).
Die Steuereinheit kann ein wärmeleitfähiges Element umfassen, das zumindest teilweise in der Spritzgussschicht gekapselt und konfiguriert ist, um Wärme zu oder von der mindestens einen elektronischen Komponente abzuführen.
Der Einsatz einer wärmeleitenden Schicht innerhalb des Steuergerätes bietet mehrere Vorteile. Erstens werden bei der Montage der Steuereinheit die mit dem Spritzgießprozess verbundenen hohen Temperaturen, die zu Wärmestauungen in den elektronischen Komponenten führen können, die ansonsten zu einer Beschädigung der Schaltung führen können, je nachdem, wo das wärmeleitende Element thermisch verbunden ist, entweder zu einem entfernten Bauteil oder zum Schaltungsträger und/oder zweiten Element geleitet. Die entfernte Komponente kann beispielsweise als Teil der Spritzgießwerkzeugausrüstung ausgeführt sein, oder alternativ kann die wärmeleitende Schicht mit dem bauteiltragenden Element und/oder dem zweiten Element in Kontakt stehen und Wärme zu diesen Elementen leiten. Zweitens wird während des Betriebs, da sich Komponenten der elektronischen Komponenten und der Schaltung während des Betriebs erwärmen, die Wärme über das wärmeleitende Element abgeführt.
Auf diese Weise kann unerwünschte Wärmeenergie aus den elektronischen Komponenten sinnvoll zur Erwärmung der Umgebungsluft in der Nähe des Steuergerätes genutzt werden. Als konkretes Beispiel kann, wenn die Steuereinheit einen Teil des Innenraums einer Fahrzeugkabine umfasst, Wärmeenergie von dem schaltungstragenden Element und/oder dem zweiten Element auf die Kabinenumgebung durch Wärmestrahlung oder Konvektion übertragen werden. Auf diese Weise kann innerhalb der Fahrzeugkabine eine lokale Heizung bereitgestellt werden, wodurch die Belastung der Fahrzeug-HVK-Anlage reduziert wird.
Die Steuereinheit kann mindestens ein Gate umfassen, durch das das Material der Spritzgussschicht während der Herstellung der Steuereinheit eingespritzt wird.
Es ist hilfreich, das mindestens eine Tor so zu lokalisieren, dass es von elektronischen Komponenten, die aktive Komponenten sind, entfernt ist, so dass Material, das während der Herstellung der Steuereinheit durch das Tor eingespritzt wird, aufgrund der hohen Drücke und Temperaturen, die mit dem Spritzgussverfahren verbunden sind, die Struktur weniger schädigt.
Das bauteiltragende Element und/oder das zweite Element können ein vorgeformtes Element umfassen, d.h. ein Element, das vor der Bildung der Spritzgussschicht gebildet wird.
Wenn die Steuereinheit eine Steuereinheit für ein Fahrzeug bildet, kann die Steuereinheit mindestens eine elektronische Komponente umfassen, die konfiguriert ist, um eine oder mehrere der folgenden Fahrzeugfunktionen zu steuern; einen Airbag, ein Unterhaltungssystem, ein Soundsystem, ein Fenster, ein Sitzsystem, ein Beleuchtungssystem.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist eine Vorrichtung mit einer Steuereinheit gemäß dem ersten Aspekt vorgesehen, worin die Vorrichtung mindestens eine Funktion unter der Steuerung der Steuereinheit aufweist.
Die Vorrichtung kann beispielsweise in Form eines Fahrzeugs ausgeführt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Steuereinheit für eine Vorrichtung vorgesehen, wobei das Verfahren das Vorformen eines Schaltungsträgerelements in einem ersten Vorformschritt, das Bereitstellen mindestens einer elektronischen Komponente auf dem Schaltungsträgerelement, um eine Funktion der Vorrichtung im Gebrauch bereitzustellen, und das Einspritzen eines spritzformbaren Materials auf die mindestens eine elektronische Komponente umfasst, um die mindestens eine elektronische Komponente zumindest teilweise in einer spritzgegossenen Schicht einzuschließen.
Als Beispiel kann das Verfahren das Vorformen eines zweiten Elements in einem zweiten Vorformschritt und nach dem ersten und zweiten Vorformschritt das Einspritzen des spritzfähigen Materials zwischen dem bauteiltragenden Element und dem zweiten Element umfassen, um die oder jede der elektronischen Komponenten in der spritzgegossenen Schicht zumindest teilweise zu verkapseln.
Auf diese Weise kann eine einfache und bequeme Fertigungsmethode erreicht werden, um ein leichtes, robustes und kostengünstiges Steuergerät für zahlreiche Anwendungen bereitzustellen.
Im Rahmen dieser Anwendung ist ausdrücklich vorgesehen, dass die verschiedenen Aspekte, Ausführungsformen, Beispiele und Alternativen, die in den vorstehenden Absätzen, in den Ansprüchen und/oder in den folgenden Beschreibungen und Zeichnungen dargelegt sind, und insbesondere die einzelnen Merkmale davon, unabhängig oder in beliebiger Kombination übernommen werden können. Das heißt, alle Ausführungsformen und/oder Merkmale einer Ausführungsform können in beliebiger Weise und/oder Kombination kombiniert werden, es sei denn, diese Merkmale sind nicht kompatibel. Der Anmelder behält sich das Recht vor, eine ursprünglich eingereichte Forderung zu ändern oder eine neue Forderung entsprechend einzureichen, einschließlich des Rechts, eine ursprünglich eingereichte Forderung zu ändern, um von einer anderen Forderung abhängig zu sein und/oder eine Eigenschaft einer anderen Forderung aufzunehmen, obwohl sie ursprünglich nicht auf diese Weise geltend gemacht wurde.
Figurenliste

ist ein schematisches Diagramm eines bekannten Fahrzeugs, um die Positionen verschiedener elektronischer Steuereinheiten um das Fahrzeug herum darzustellen.
Eine oder mehrere Ausführungsformen der Erfindung werden nun exemplarisch nur noch mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
ist eine Seitenansicht eines Fahrzeugs, mit der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können;
ist eine perspektivische Ansicht des Fahrzeuginnenraums in , um Positionen darzustellen, an denen die Steuereinheit der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann;
ist eine Explosionszeichnung einer Steuereinheit einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in einem Fahrzeug des in den und dargestellten Typs verwendet werden kann;
ist eine Draufsicht auf eine gedruckte Elektronikschicht, die Teil der Steuereinheit in ist;
ist ein schematischer Querschnitt des Steuergerätes in , das im Einzelschrotspritzgussverfahren hergestellt wurde;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer zweiten Ausführungsform, die ebenfalls mit einem einzigen Spritzgussverfahren hergestellt wurde;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer dritten Ausführungsform, die im Twin-Shot-Spritzgussverfahren geformt wurde;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer vierten Ausführungsform, die mit einem einzigen Spritzgussverfahren geformt wurde;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer fünften Ausführungsform, die mit einem einzigen Spritzgussverfahren geformt wurde;
ist eine perspektivische Ansicht einer Steuereinheit einer sechsten Ausführungsform mit nur teilweiser Verkapselung der gedruckten Elektronikschicht;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer siebten Ausführungsform, die eine Kühlkörperanordnung umfasst;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer achten Ausführungsform mit einer anderen Kühlkörperanordnung als in dargestellt;
ist ein schematischer Querschnitt einer Steuereinheit einer neunten Ausführungsform, bei der das Profil der Steuereinheit gekrümmt ist;
ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Steuereinheit, die durch einen Laminierprozess gebildet wird;
ist ein schematischer Querschnitt einer gedruckten Elektronikschicht, die in Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden kann;
ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts der gedruckten Elektronikschicht in , um eine Trägerstruktur davon zu zeigen; und
ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer gedruckten Elektronikschicht in einer alternativen Ausführungsform zu der in dargestellten, um eine alternative Trägerstruktur für die gedruckte Elektronikschicht darzustellen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Unter Bezugnahme auf erfordern die verschiedenen Funktionen innerhalb der Fahrzeugkabine in einem modernen Fahrzeug zusammen mit dem Motor und dem Antriebsstrang, dass sich zahlreiche Steuergeräte (oder Steuerungen) in einem bereits begrenzten Einbauraum im Fahrzeug befinden. veranschaulicht nur einige der möglichen Positionen für die Steuergeräte, von denen einige mit der Referenznummer 10 gekennzeichnet sind, die im gesamten Fahrzeug 12 verteilt sein können. So ist es beispielsweise nicht ungewöhnlich, dass ein Fahrzeug 12 mit mehr als 70 solcher Steuergeräte 10 ausgestattet ist, darunter die für die Kabinenbeleuchtungssysteme, die Airbags, das Schiebedach, die Dachjalousien, die Fenster, die Vorder- und Rücksitze, das Parksensorsystem, verschiedene andere Sensorsysteme rund um das Fahrzeug und das Fahrzeugunterhaltungssystem.
ist eine Seitenansicht eines Fahrzeugs 100, mit der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können, um Vorteile gegenüber bekannten Fahrzeugen zu bieten. Der Innenraum des Fahrzeugs ist in dargestellt, wo zwei mögliche Positionen für das Steuergerät der Erfindung identifiziert werden. In einer Position ist das Steuergerät als Überkopfsteuergerät, genannt 10a, ausgebildet, mit dem verschiedene Fahrzeugfunktionen, einschließlich Beleuchtung, Schiebedach und/oder Jalousien, gesteuert werden können. In einer anderen Position nimmt das Steuergerät die Form einer Abdeckung oder eines Deckels für ein Handschuhfach an, das ein gekrümmtes Oberflächenprofil aufweist. Mit dem zum Handschuhfach gehörenden Steuergerät können verschiedene Fahrzeugfunktionen gesteuert werden, darunter beispielsweise Beleuchtung, Sitzgelegenheiten, Heizung, audiovisuelle und Satellitennavigationsfunktionen.
ist eine Explosionszeichnung einer ersten Ausführungsform des Steuergeräts 10 der Erfindung, das im Gegensatz zu bestehenden Steuergeräten eine kompakte und relativ leichte Struktur bietet, die leichter in den Bereichen der Fahrzeugkabine untergebracht werden kann. Die Steuereinheit 10 umfasst drei Elemente oder Elemente; ein erstes Element 14, das eine Benutzerinteraktionsfläche für den Benutzer in Form einer Präsentationsfläche 16 definiert, die für den Benutzer sichtbar ist, wenn die Steuereinheit 10 an ihrem Betriebsort installiert ist. Die Präsentationsfläche kann als A-Fläche 16 der Einheit bezeichnet werden. Der Benutzer kann auch durch Berühren mit der Präsentationsfläche interagieren.
Die Steuereinheit 10 umfasst ferner ein zweites Element 18, das eine B-Oberfläche 20 der Einheit definiert, und ein Zwischenelement in Form einer spritzgegossenen Schicht 22, die zwischen dem ersten und zweiten Element 14, 18 angeordnet ist. Typischerweise ist die Bezugnahme auf eine „A-Oberfläche“ eine Fläche, die einem Benutzer des Fahrzeugs präsentiert wird und/oder mit der ein Benutzer des Fahrzeugs interagiert, z.B. um die Steuerung einer Funktion im Fahrzeug auszulösen, während eine „B-Oberfläche“ eine nicht interagierende Fläche ist, die normalerweise aus der Sicht des Benutzers verborgen ist. Die A- und B-Oberflächen können durch gegenüberliegende Oberflächen desselben Elements definiert werden, oder wie in dargestellt, durch separate Elemente 14, 18, die voneinander getrennt sind.
Aus der folgenden Beschreibung geht hervor, dass entweder das erste oder das zweite Element das bauteiltragende Element der Steuereinheit 10 bilden kann (d.h. das Element, auf dem die elektronischen Komponenten bereitgestellt werden). Der Begriff „Element“ kann für jedes Teil, Element, jede Schicht oder jede andere Komponente der Steuereinheit verwendet werden.
Die ersten und zweiten Elemente 14, 18 sind im Allgemeinen plattenförmige Elemente, aber in anderen Konfigurationen können sie in Form von dünneren Elementen oder einfach einer Materialschicht ausgeführt werden. Die ersten und zweiten Elemente 14, 18 sind vorgeformte Elemente, die zumindest während der Montagephase der Steuereinheit biegsam und flexibel sind, wie im Folgenden näher beschrieben wird. Die vorgeformten ersten und zweiten Elemente 14, 18 werden vor dem Spritzgießprozess, der die Spritzgießschicht 22 bildet, in das Spritzgießwerkzeug eingebracht.
Unter Bezugnahme auf wird die A-Oberfläche durch ein erstes thermogeformtes Element 14 definiert, das vorgeformt wird, indem zuerst eine Kunststoffplatte auf eine biegsame Temperatur erwärmt und dann die biegsame Platte in eine Form gelegt wird, so dass das Kunststoffmaterial die Form der Form annimmt, bevor es dann gekühlt wird. Die grafischen Merkmale 24 (von denen nur wenige beschriftet sind) werden auf die A-Oberfläche 16 aufgebracht, um Merkmale wie Symbole oder Symbole bereitzustellen, die dem Fahrzeugnutzer einen Hinweis darauf geben, wie er verschiedene Funktionen des fertigen Steuergeräts steuern kann. Typischerweise werden die grafischen Merkmale aufgebracht, indem eine bedruckte Schicht in die Form gelegt wird, um die erforderlichen grafischen Symbole und Symbole zu definieren. Auf der A-Oberfläche ist eine dreidimensionale Fingerspur oder Nut 17 vorgesehen, in die ein Benutzer seinen Finger legen kann, um seinen Finger entlang der Spur zu führen, wobei er wahlweise Druck auf die Oberfläche ausübt oder durch kapazitive Berührung eine Steuerung einer Fahrzeugfunktion einleitet, wie im Folgenden näher beschrieben. Die A-Oberfläche 16 definiert typischerweise eine sichtbare Fläche in der Fahrzeugkabine, mit der der Benutzer interagiert. So kann beispielsweise die A-Oberfläche eine Oberfläche einer Armlehne, eines Überkopfsteuerpults, eines Tabletttisches, eines Sitzsteuerungsschalterpakets, eines Handschuhfachdeckels oder eines Teils des Fahrzeugarmaturenbretts aufweisen.
Die B-Oberfläche 20 wird durch ein zweites thermogeformtes Element 18 definiert, das zumindest während der Fertigungsschritte der Steuereinheit 10 in Form eines biegsamen Elements ausgebildet ist. Das zweite Element 18 ist in der gleichen Weise ausgebildet wie zuvor für das erste Element 14 beschrieben und eine Vielzahl von aktiven und/oder passiven elektronischen Komponenten und gedruckten Bahnen oder Drähten werden mit bekannten Techniken auf das Element 18 aufgebracht. Typische passive Bauelemente sind Widerstände, Kondensatoren, Drosseln und Transformatoren sowie Dioden, während typische aktive Bauelemente diejenigen sind, die auf eine Stromquelle wirken, wie Verstärker, Schalter, Leuchtdioden (LEDs), integrierte Schaltungen, Speicher und Mikrocontroller. Typischerweise kann die B-Oberfläche 20 mit einem oder mehreren der folgenden Merkmale versehen werden: einer integrierten Schaltung, einem Mikroprozessor, Leuchtdioden (LEDs), benutzerinteraktiven Komponenten wie druckempfindlichen Leiterbahnen, Gittersensoren, Widerständen, Antennen, Kondensatoren, Sensoren, Quarzuhren, Induktoren und leitenden Drucken oder Leiterbahnen zur Stromübertragung. Bekannte Techniken zum Bedrucken der Drähte und Bahnen auf der B-Oberfläche 20 sind Siebdruck, Flexodruck, Tiefdruck, Offset-Lithografie, Inkjet-, Aerosolabscheidung oder Laserdruck.
Als vorgeformte, thermogeformte Teile sind die ersten und zweiten Elemente 14, 18 leicht und robust und können mit einer ästhetisch ansprechenden Form, Kontur und/oder Oberfläche geformt werden. Dies gilt insbesondere für die A-Fläche 16, die dem Benutzer die Interaktionsfläche bietet und für den Benutzer in der Fahrzeugkabine sichtbar ist. Der Thermoformprozess ermöglicht es auch, eine ganze Reihe unterschiedlicher Formen für die Elemente 14, 18 zu erreichen. So werden beispielsweise die ersten und zweiten Elemente 14, 18 aus Materialien gebildet, die während der Montagephasen biegsam sind, um ihnen die gewünschte Form für die Spritzgussform zu geben. In weiteren Ausführungsformen können die ersten und zweiten Elemente 14, 18 aus Materialien gebildet sein und/oder eine Dicke aufweisen, die auch bei vollständig montiertem Steuergerät 10 eine gewisse Flexibilität oder Biegsamkeit beibehält.
In der vorliegenden Ausführungsform sind das erste und zweite Element 14, 18 im Allgemeinen plan mit einer leichten Krümmung auf der Oberseite. In anderen Ausführungsformen können die Elemente beispielsweise zumindest teilweise vollständiger gekrümmt oder abgerundet sein, bestimmt durch die Form des verfügbaren Wohnraums, den sie im Fahrzeug einnehmen sollen. Typische Materialien, aus denen die ersten und zweiten Elemente 14, 18 gebildet werden, sind Polycarbonatmaterialien oder thermoplastische Polymerharze wie Polyethylenterephthalat (PET). Weitere Beispiele für spritzgegossene thermoplastische Kunststoffe sind Polyphenylensulfid (PPS), Polyethersulfon, Acetale, Polypropylene, Polyetherimid (PEI), Polyethylene, Polyphenylenoxid (PPO), Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyurethane (PUR), thermoplastische Elastomere, Polyphthalamid (PPA), Polyethylennaphthalat (PEN), Polyimid (PI), einschließlich Plexiglas.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die ersten und zweiten Elemente 14, 18 im Gegensatz zu thermogeformten Elementen oder Elementen in Form von tiefgezogenen Elementen oder Elementen ausgeführt werden. Es können auch andere Vorformmethoden verwendet werden, um die „vorgeformten“ Elemente 14, 18 herzustellen, bevor der Spritzgussprozess durchgeführt wird.
zeigt ein Beispiel für eine B-Oberfläche 20, die einen Teil des zweiten Elements 18 der Steuereinheit 10 in bilden kann. Wenn vor Ort im Fahrzeug die B-Oberfläche 20 mindestens einen Teil einer Überkopfsteuertafel zum Steuern verschiedener Beleuchtungsfunktionen in der Decke der Kabine und zum Bedienen eines Fahrzeugschiebedachs und/oder Dachjalousien definieren kann, wie vorstehend erwähnt.
Die B-Oberfläche 20 ist mit einer gedruckten Elektronikschicht (gekennzeichnet als 29 in ) versehen, die einen ersten Satz 30 von vier LEDs beinhaltet, die in einer horizontalen Anordnung in einer ersten Zone (oben links) der Oberfläche vorgesehen sind, einen zweiten Satz 32 von drei LEDs, die in einer vertikalen Anordnung in einer zweiten Zone direkt rechts von der vertikalen Mittellinie der Oberfläche vorgesehen sind, und einen dritten Satz 34 von LEDs, die in einer Bogenanordnung vorgesehen sind, die benachbart zu der zweiten Zone angeordnet ist. Es ist zu beachten, dass die Verwendung der Begriffe horizontal und vertikal in dieser Beschreibung unter Bezugnahme auf die Orientierung in den Abbildungen erfolgt, aber nicht als Einschränkung gedacht ist.
Die Positionen der ersten, zweiten und dritten Zone auf der B-Oberfläche 20 entsprechen den zugehörigen Bereichen auf der A-Oberfläche 16, die mit grafischen Merkmalen versehen sind, um die Positionen der darunter liegenden Zonen zu identifizieren, wenn die Elemente 14, 18 zu einem „Stapel“ zusammengebaut werden, wie in dargestellt. Die vier LEDs 30 in der ersten Zone können typischerweise in Form von LEDs mit niedriger Beleuchtungsstärke ausgeführt werden, um eine Stimmungsbeleuchtung an der Decke des Fahrzeugs zu erzeugen oder andere Merkmale des Steuergeräts zu beleuchten. Die drei LEDs 32 in der zweiten Zone können typischerweise in Form von LEDs mit höherer Leistung ausgeführt werden, die Arbeitsleuchten für das Fahrzeug bereitstellen. Auf dem Bedienfeld können verschiedene andere Lichtquellen integriert werden, darunter LEDs zur Erzeugung von Umgebungslichteffekten, LEDs zur Beleuchtung von versteckten bis beleuchteten Funktionen, Notruffunktionen (E-Ruffunktionen) oder Pannenruffunktionen (B-Ruffunktionen) sowie LEDs zur Beleuchtung von Symbolen oder grafischen Funktionen, die dem Benutzer Hinweise auf verschiedene Funktionen des Bedienteils 10 geben.
Die B-Oberfläche 20 ist ferner mit einer hybriden integrierten Schaltung 36 zum Steuern und Betreiben der verschiedenen elektronischen Komponenten 30, 32, 34 ausgestattet. Leiterbahnen oder Leiterbahnen (zwei davon sind durch 38 gekennzeichnet) werden auf verschiedene Bereiche der B-Oberfläche gedruckt, um die verschiedenen Komponenten 30, 32, 34 mit Strom zu versorgen. In der Praxis kann aus Gründen, die später erläutert werden sollen, eine größere Anzahl von Spuren vorgesehen werden, als für jede Komponente 30, 32, 34 erforderlich ist. Die Leiterbahnen 38 beinhalten Kupferbahnen (z.B. als Teil der hybriden integrierten Schaltung 36), die schnelle Verbindungen zu den Mikrocontrollern und Mikroprozessoren der hybriden integrierten Schaltung 36 herstellen, und Silberbahnen, die Strom von der hybriden integrierten Schaltung 36 zu den anderen Komponenten (z.B. Komponenten 30, 32, 34) der gedruckten Elektronikschicht führen. Das Substrat für die gedruckte Elektronikschicht kann in Form von Polyester (PET), Polyethylennaphthalat, Polyimid oder Plexiglas vorliegen.
Ein Gitterabtastbereich 40 ist in einer dreidimensionalen Nut vorgesehen, die entlang der Oberkante der B-Oberfläche 20 ausgebildet ist, die der Position der vorgenannten dreidimensionalen Nut in der A-Oberfläche entspricht. Die Nut 40 ist so geformt, dass sie die Nutbildung 26 der A-Oberfläche aufnimmt, wenn die Elemente 14, 18 zusammengebaut werden. Im Gebrauch bietet die Gleitbewegung des Fingers des Benutzers entlang der Nut 26 eine variable Steuerfunktion oder eine „Slider“-Funktion (z.B. mit einer piezoelektrischen oder kapazitiven Touchfunktion), die insbesondere zum Steuern des Öffnens eines Fahrzeugschiebedachs verwendet werden kann, wie im Folgenden näher beschrieben.
In der Mitte der B-Oberfläche 20 und in jeder der vier äußersten Ecken sind Öffnungen vorgesehen, auch als „Tore“ 44 bezeichnet, in die ein Formmaterial eingespritzt wird, um das dritte Element 22 zwischen dem ersten und zweiten Element 14, 18 zu bilden. Das erste und zweite Element 14, 18 werden zunächst, wie zuvor beschrieben, in entsprechende Spritzgussformen mit ihren verschiedenen Eigenschaften eingesetzt, und dann wird das Material für das Zwischenelement 22 durch die Angüsse 44 in den Hohlraum zwischen den äußeren Elementen 14, 18 eingespritzt. Typischerweise ist das Material, das zwischen dem ersten und zweiten Element 14, 18 eingespritzt wird, ein Polycarbonatmaterial oder ein anderes für das Spritzgießen geeignetes Material. Solche Polycarbonatmaterialien sind sehr robust und können transparent sein. Das Material wird bei hoher Temperatur und hohem Druck in den Hohlraum eingespritzt und anschließend gekühlt, so dass das Material die Form des Hohlraums zwischen dem ersten und zweiten Element 14, 18 annimmt, um den in deutlich dargestellten Dreischichtaufbau des Steuergeräts 10 zu vervollständigen. Weitere geeignete Materialien für die Formschicht sind die meisten Polymere (Harze), darunter Thermoplaste, Duroplaste und Elastomere. Die für die ersten und zweiten vorgeformten Elemente 14, 18 ausgewählten Materialien können Materialien sein, die im Endzustand biegsam oder faltbar sind oder je nach Anwendung eine steifere Struktur aufweisen.
Die Position der Tore 44 ist ein wichtiges Merkmal der Baugruppe, da die Tore in Bereichen positioniert werden müssen, in denen die mit dem Spritzgussverfahren verbundenen hohen Drücke und Temperaturen keine Schäden an den empfindlicheren und empfindlicheren elektronischen Komponenten auf der B-Oberfläche 20 verursachen. Als Beispiel mit Bezug auf ist aus fertigungstechnischen Überlegungen die zentrale Angussposition vorteilhaft, da sie eine gleichmäßige Verteilung der Spritzgussmasse zwischen dem ersten und zweiten Element 14, 18 ermöglicht, um eine Zwischenschicht 22 mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke zu definieren. Die Tore sind so positioniert, dass der Strömungsdruck gleichmäßig zwischen den Oberflächen der Elemente 14, 18 verteilt wird. Es platziert jedoch den Einspritzpunkt des zentralen Gates in unmittelbarer Nähe zu einigen der Komponenten auf der B-Oberfläche 20 (z.B. den LEDs und der integrierten Schaltung). In anderen Ausführungsformen kann es möglich sein, das zentrale Tor 44 vollständig zu entfernen und sich nur auf die Eckschütze zu verlassen, um das Spritzgussmaterial zwischen den Elementen 14, 18 einzubringen. Es ist jedoch ein Gleichgewicht zwischen den höheren Drücken erforderlich, die erforderlich sind, um das Material in den mittleren Bereich zwischen den Elementen einzuspritzen, um eine gleichmäßige Schicht über die gesamte Oberfläche zu erreichen, und der Notwendigkeit, empfindliche elektronische Komponenten auf der B-Oberfläche vor solchen höheren Drücken zu schützen. Es ist sehr vorteilhaft, die empfindlicheren aktiven Komponenten, wie Uhren, Sensoren, Antennen und Kondensatoren, an Positionen auf der Oberfläche 20 zu platzieren, die von den Toren entfernt oder weit entfernt sind.
Sobald die Formschicht 22 zwischen den beiden Elementen 14, 18 gebildet ist, nimmt die Steuereinheit 10 ihre endgültige Form an, umfassend das erste Element 14, das die A-Oberfläche 16 mit grafischen Merkmalen definiert, mit denen der Benutzer interagieren kann, das zweite Element 18, das die B-Oberfläche 20 definiert, die die verschiedenen elektronischen Komponenten trägt, die durch die Benutzerinteraktionen mit der A-Oberfläche 16 gesteuert werden, und die Formschicht 22 zwischen dem ersten und zweiten Element, um der Einheit Stabilität und Struktur zu verleihen.
Die und sind schematische Darstellungen von zwei möglichen Konfigurationen für die Steuereinheit 10, die mit einem einzigen Spritzgussverfahren gebildet werden können, bei dem die Spritzgussmasse wie zuvor beschrieben in die Form eingebracht wird, um die Zwischenschicht 22 der Steuereinheit 10 zu bilden.
In ist die Grafikschicht auf der Reserveseite der A-Oberfläche angeordnet (die transparent wäre, um die Sichtbarkeit der Grafikschicht zu ermöglichen). Auf die A-Oberfläche 16 wird zusätzlich eine Hartschicht 50 als Schutzoberfläche aufgetragen, da dies die Oberfläche ist, die in der Fahrzeugkabine freiliegt und im Gebrauch Kratzern und Stößen ausgesetzt sein kann. In diesem Beispiel ist die Formschicht 22 ca. 2-3 mm dick, so dass die Gesamtstruktur im Vergleich zu bekannten elektronischen Steuergeräten relativ dünn und leicht ist. Die aktiven elektronischen Komponenten 30, 32, 34 und leitfähige Drucke oder Spuren 38 werden wie zuvor beschrieben auf die B-Oberfläche 20 an der Rückseite der Struktur aufgebracht. Die in dargestellte Konfiguration kann mit einem Single-Shot-Spritzgießverfahren zur Bildung der Zwischenschicht 22 gebildet werden.
Darüber hinaus kann eine piezoelektrische Schicht (nicht dargestellt) unmittelbar unter dem ersten Element 14 verlegt werden (d.h. in engem Kontakt mit oder in sehr enger Nähe zum ersten Element 14). Die piezoelektrische Schicht ist eine druckempfindliche Schicht, über die die zugrunde liegenden elektronischen Komponenten 30, 32, 34 vom Benutzer gesteuert werden, indem er einen Druck auf die Oberfläche des ersten Elements 14 ausübt, um eine piezoelektrische Steuerfunktion für die zugrunde liegenden elektronischen Komponenten 30, 32, 34 bereitzustellen.
In weiteren Ausführungsformen (nicht dargestellt) können Elektroden- und dielektrische Schichten in der Schichtstruktur der Steuereinheit 10 vorgesehen werden, um eine kapazitive Touchfunktionalität für die Einheit bereitzustellen. Die Elektrodenschicht und die dieletrischen Schichten können durch die Leiterbahnen (z.B. 38) bereitgestellt werden. In dieser Konfiguration wird eine kleine Spannung an die Leiterbahnen des zweiten Elements 18 angelegt, was zu einem gleichmäßigen elektrostatischen Feld führt. Wenn ein Leiter, wie beispielsweise ein menschlicher Finger, die Oberfläche des ersten Elements 14 berührt, wird ein Kondensator mit den Leiterbahnen dynamisch gebildet. Eine auf das zweite Element 18 gedruckte Grundsteuerung kann dann die Position der Berührung des Benutzers indirekt aus der Änderung der Kapazität durch die Berührung bestimmen. Diese wiederum kann zur Steuerung der zugrunde liegenden elektronischen Komponenten 30, 32, 34 verwendet werden. Die dreidimensionalen Nuten 26, 40 und die Gleitfunktion, die von einem Benutzer bereitgestellt wird, der seinen Finger durch die Nut 26 des ersten Elements 14 schiebt, können mittels einer piezoelektrischen oder kapazitiven Berührungsfunktion realisiert werden.
In der Praxis kann der kapazitive Berührungseffekt verstärkt werden, wenn eine Grundplatte in die Struktur auf der Rückseite des zweiten Elements 18 (d.h. auf der gegenüberliegenden Seite der Formschicht 22) integriert wird.
Bei kapazitiven Berührungsausführungen ist kein enger Kontakt zwischen einer Elektrodenschicht und dem ersten Element 14 wie bei einer piezoelektrischen Aktivierung erforderlich, da die Kapazitätsänderung durch Berührung ausreicht, um die Steuerung anzuzeigen.
Viele weitere Schichten können in die Struktur integriert werden, um berührungsempfindliche oder andere Benutzerbedienungsfunktionen der Steuereinheit 10 bereitzustellen, einschließlich Widerstandsschichten, piezoelektrische Schichten, elektromagnetische Schichten, QTC-Schichten (Quantum Tunnelling Composite), E-Field-Schichten und HF-Schichten.
ist eine alternative Ausführungsform der Steuereinheit, bei der die Notwendigkeit des zweiten Elements der Struktur vermieden wird und die elektronischen Komponenten 30, 32, 34 und leitfähige Drucke oder Spuren 38 auf der Reserveseite des ersten Elements 14 ausgebildet sind (d.h. die Oberfläche auf der Rückseite derjenigen, mit der der Benutzer interagiert). In diesem Fall wird die Steuereinheit aufgebaut, indem zuerst die grafischen Merkmale 24 auf die Rückseite des ersten Elements 14 aufgebracht werden und dann eine Hartschicht 50 auf die Vorderseite des ersten Elements 14 aufgebracht wird, um die Schutzschicht zu bilden. Die elektronischen Komponenten und Leiterbahnen 38 werden dann auf die Rückseite des ersten Elements 14 aufgebracht und die Baugruppe in eine Form gelegt. Das Spritzgussmaterial (z.B. Polycarbonat) wird in die Form eingebracht, um die spritzgegossene Schicht auf der Rückseite des ersten Elements 14 zu erzeugen, wobei die elektronischen Komponenten 30, 32, 34 und Leiterbahnen 38 eingekapselt werden. Die Steuergerätestruktur in kann auch mit einem einzigen Spritzgussverfahren zur Bildung der Schicht 22 gebildet werden, wie in .
Die und zeigen alternative Ausführungsformen, die im Twin-Shot-(2K)-Spritzgussverfahren gebildet werden können. ähnelt der Ausführungsform von , indem die elektronischen Komponenten 30, 32, 34 und die leitenden Drucke 38 auf dem zweiten Element 18 montiert sind und durch die Formschicht 22 von der Vorderfläche der Steuereinheit beabstandet sind. In dieser Ausführungsform entfällt jedoch die Notwendigkeit des ersten Elements. Stattdessen werden die grafischen Merkmale 24 in eine Form und das zweite Element 18 in eine Planform gelegt. Ein erster Schuss Spritzgussmaterial wird dann in die Angüsse 44 eingebracht, um den Hohlraum zwischen den Formen zu füllen, das Material wird gekühlt und abgebunden. Mit einer zweiten Form wird dann die Hartschicht 50 an der Stirnseite der Struktur mit einem zweiten Spritzguss aus Spritzguss-Material gebildet (d.h. die Hartschicht wird direkt auf die Formschicht 22 aufgebracht).
ist eine weitere alternative Ausführungsform, bei der ein zweiter Schuss Spritzgussmaterial verwendet wird, um erhöhte Tiefeneffekte an der Vorderseite des Steuergeräts 10 zu erzeugen. In dieser Ausführungsform ist nur ein Element 14 erforderlich, um die elektronischen Komponenten 30, 32, 34 und die Leiterbahnen 38 zu tragen. Diese Komponenten und Leiterbahnen werden unmittelbar hinter den grafischen Merkmalen 24 aufgebracht, die auf der Rückseite des ersten Elements 14 aufgebracht sind, wie in beschrieben. Ein erster Schuss Spritzgussmaterial wird dann in eine Form aufgebracht, um die Rückseite des ersten Elements 14 zusammen mit den elektronischen Komponenten 30, 32, 34 und den grafischen Merkmalen 24 zu umschließen. Ein zweiter Schuss Spritzgussmaterial wird dann in eine Vorsatzform eingespritzt, um die Vorderseite des ersten Elements 14 zu verkapseln und eine relativ dicke und transparente Frontschicht 52 zu definieren. Die Tiefe der transparenten Schicht 52 auf der Vorderseite der Struktur kann genutzt werden, um erweiterte Tiefeneffekte für die grafischen Merkmale 24 auf der Rückseite des ersten Elements 14 zu erzielen. So kann beispielsweise die transparente Schicht mit verschiedenen Aussparungen oder Löchern unterschiedlicher Form und Tiefe versehen werden, um unterschiedliche Beleuchtungseffekte von den LEDs 30, 32, 34 zu erzielen.
In weiteren Ausführungsformen (nicht dargestellt) kann die auf die Vorderseite des ersten Elements 14 aufgebrachte Hartschutzbeschichtung 50 in Form eines Furniers, wie beispielsweise eines Holz-Effektfurniers, das zur Verkleidung der Fahrzeugkabine, in der das Steuergerät 10 zum Einsatz kommen soll, passt oder diese ergänzt, erfolgen. Auf diese Weise lässt sich das Steuergerät problemlos an einer gut sichtbaren Stelle innerhalb der Fahrzeugkabine platzieren und kann aufgrund seiner ästhetisch ansprechenden Oberfläche beispielsweise in einer Armlehne, einer Deckenplatte oder dem Armaturenbrett untergebracht werden. So kann das Furnier beispielsweise in Form einer beliebigen dünnen Schicht aus geeignetem Material wie Holz, Kohlefaser, Polymer-Schrumpfkunststoff, Metall, Textil oder Leder vorliegen.
ist eine weitere alternative Ausführungsform der Erfindung, bei der sowohl das erste als auch das zweite Element 14, 18 mit elektronischen Komponenten, gekennzeichnet als 30, sowie den erforderlichen Leiterbahnen 38 versehen sind. Wie bereits erwähnt, kann das erste Element 14 mit einer Schutzschicht 50 versehen werden, obwohl dies nicht unbedingt erforderlich ist. Diese Ausführungsform kann besonders nützlich für eine Steuereinheit sein, die für die Gestensteuerung konfiguriert ist, wobei die elektronischen Komponenten in der Nähe der A-Oberfläche der Steuereinheit angeordnet sein müssen, während andere elektronische Komponenten auf der B-Oberfläche der Steuereinheit angeordnet sein können. So kann es beispielsweise sein, dass eine Oberfläche des Steuergeräts nicht ausreicht, um alle notwendigen elektronischen Komponenten aufzunehmen, oder es kann vorteilhaft sein, die Verteilung der elektronischen Komponenten zu verteilen, um beispielsweise die lokale Wärmeentwicklung der verwendeten Komponenten zu minimieren.
Die in dargestellte Ausführungsform kann mit einem Stecker (nicht dargestellt) versehen werden, der konfiguriert ist, um die erforderlichen Ströme an die elektronischen Komponenten anzulegen. Es kann wünschenswert sein, die elektronischen Komponenten an jedem der Elemente 14, 18 über einen gemeinsamen Stecker zu steuern, anstatt einzelne Stecker für jeden einzelnen zu verwenden.
zeigt eine weitere alternative Ausführungsform, bei der die Verkapselung der gedruckten elektronischen Komponenten durch die Formschicht 22' nur teilweise über eine Oberfläche der Struktur erfolgt. Dies kann z.B. dann sinnvoll sein, wenn der Bauraum für die Steuereinheit besonders begrenzt ist und die Einheit teilweise in einer bereits geschlossenen und sicheren Umgebung untergebracht werden kann, ohne dass eine zusätzliche Kapselung über die gesamte gedruckte Elektronikschicht erforderlich ist.
Aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke des vorgenannten Spritzgießprozesses und trotz der sorgfältigen Positionierung des Angusses (der Angüsse) weg von den empfindlichsten und empfindlichsten elektronischen Komponenten kann es zu Schäden an den leitenden Elementen oder Spuren kommen, wenn das eingespritzte Material durch den Anguss (die Angüsse) in den Formhohlraum eingebracht wird. Aus diesem Grund kann es vorteilhaft sein, aktive elektronische Komponenten in Positionen außerhalb der Tore 44 und passive elektronische Komponenten in der Nähe der Tore 44 zu platzieren, da die passiven Komponenten weniger anfällig für Schäden sind.
Darüber hinaus benötigen einige elektronische Komponenten einen höheren Strom für die Leistung (z.B. LEDs mit höherer Leistung), so dass es vorteilhaft ist, eine Redundanz dieser Leiterbahnen zu ermöglichen, um sicherzustellen, dass selbst bei einem Bruch oder einer Beschädigung während des Spritzgießprozesses genügend Strom über die verbleibenden Leiterbahnen an die Komponenten abgegeben werden kann, die nicht gebrochen oder beschädigt sind.
Aus den vorstehend beschriebenen Gründen kann das Auswahlkriterium für den Standort bestimmter Komponenten darin bestehen, aktive elektronische Komponenten außerhalb der Tore und passive Komponenten in der Nähe der Tore zu platzieren. Ein weiteres Kriterium kann sein, ob eine Komponente für die gewünschte Funktion der Steuereinheit 10 kritisch ist. Wenn eine Komponente als kritisch für den Betrieb einer Steuereinheit angesehen wird (z.B. eine LED-Leuchte, die eine Steuereinheit für eine Anzeige beleuchtet), dann ist es vorteilhaft, die kritische Komponente außerhalb der Position des Tores zu platzieren, so dass die Wahrscheinlichkeit einer Beschädigung der Leiterbahnen, die der LED Strom zuführen, und/oder der LED selbst minimiert wird. Es ist auch vorteilhaft, die empfindlicheren Kupferleiterbahnen der B-Oberfläche weiter von den Angüssen entfernt zu platzieren, während die silbernen Leiterbahnen gegenüber den Hochdruckströmungen durch die Angüsse beim Spritzgießen robuster sein können.
Da das Steuergerät bei der Montage biegsam ist, kann es vor dem Abbinden des Spritzgussmaterials zu einer gewissen Durchbiegung der Leiterbahnen zu den elektronischen Bauteilen während der Herstellung kommen. Auch bei Ausführungsformen, bei denen die Steuereinheit nach der Herstellung eine gewisse Flexibilität aufrechterhält, bleibt das Risiko einer Beschädigung der Leiterbahnen bei Verwendung der Steuereinheit bestehen. Um etwaigen Schäden entgegenzuwirken, kann es vorteilhaft sein, einen Überschuss an leitfähigen Drucken oder Spuren bereitzustellen, um im Falle eines solchen Schadens eine gewisse Redundanz für die Spuren zu gewährleisten. Insbesondere können redundante Leiterbahnen 38 in den Bereichen vor dem/den Gate(s) 44 vorgesehen werden, die aufgrund des höchsten Drucks am anfälligsten für Schäden sind. Durch diese Gleisredundanz kann sichergestellt werden, dass auch im Bruchfall eine geeignete Anzahl von Gleisen eingehalten wird, so dass die spezifischen Stromanforderungen an die elektronischen Komponenten und die Impedanz an der Verbindungsstelle zwischen dem elektronischen Bauteil und den Leiterbahnen bedarfsgerecht eingehalten werden.
Ein weiteres Problem, das auftreten kann, ist, dass der Kühl- und Aushärteprozess, der den hohen Temperaturen und Drücken des Spritzgießprozesses folgt, durch die Verformung der darunter liegenden Schicht oder des Substrats, auf die sie aufgebracht werden, zu Schrumpfung und Bruch der Bahnen 38 führen kann. Daher ist bei der Auswahl einer geeigneten Farbviskosität für die Leiterbahnen 38 und die Dichte der Leiterbahnen Vorsicht geboten. Die Größe und Dichte der Gleise hängt nicht nur von der Positionierung in Bezug auf die Tore ab, sondern auch von den Anforderungen an die elektrische Belastung der Komponenten, mit denen die Gleise verbunden sind.
Wie im Folgenden beschrieben, können andere Verfahren zur Herstellung des Steuergeräts der Erfindung verwendet werden, um die oben genannten Probleme vollständig zu vermeiden.
Um den thermisch empfindlicheren elektronischen Komponenten zusätzlichen Schutz zu bieten, kann es vorteilhaft sein, eine Kühlkörperanordnung in das Steuergerät zu integrieren, um die während des Spritzgießprozesses entstehende Wärme von den empfindlichen Komponenten wegzuleiten. Die Bereitstellung einer Kühlkörperanordnung hat auch im Betrieb des Steuergerätes Vorteile, da sie es ermöglicht, die im Betrieb entstehende Wärme aus den Bereichen des Steuergerätes abzuführen, die bei Überhitzung beschädigt oder zu Fehlfunktionen führen können.
zeigt eine Ausführungsform der Steuereinheit 10, die der Ausführungsform in ähnlich ist, indem sie ein erstes Element 14 beinhaltet, das eine A-Fläche 16 der Steuereinheit definiert, wie beispielsweise eine Präsentationsfläche für den Benutzer, mit der der Benutzer visuell interagiert, und ein zweites Element 18, das eine B-Fläche 20 definiert, auf der verschiedene elektronische Komponenten 60, 62 montiert sind. In dem dargestellten Beispiel ist die B-Oberfläche mit drei elektronischen Komponenten 60 versehen, die empfindlich auf Überhitzung reagieren, und einer Komponente 62, die weniger empfindlich auf Überhitzung reagiert. Leiterbahnen (nicht identifiziert), wie zuvor beschrieben, sind auch am zweiten Element 18 vorgesehen, um die elektronischen Komponenten 60, 62 mit Strom zu versorgen.
Eine Wärmeübertragungsanordnung, die als Kühlkörperanordnung 70 bezeichnet werden kann, ist in der Steuereinheit enthalten. Die Wärmeübertragungsanordnung erfolgt in Form einer wärmeleitenden Schicht, die zum Kontakt mit den drei wärmeempfindlichen elektronischen Komponenten 60 vorgesehen ist. Die wärmeleitende Schicht 70 beinhaltet einen Hauptkörperbereich 70a, der die elektronischen Komponenten 60 überlagert und damit in Kontakt kommt, und einen Kontaktbereich, der durch einen Verlängerungsbereich 70b definiert ist, der an einem Ende aus dem Hauptkörperbereich 70a herausragt, um mit einem Ende des zweiten Elements 18 Kontakt aufzunehmen. Die sich in den elektronischen Bauelementen 60 ansammelnde Wärme wird über die wärmeleitende Schicht 70 auf das zweite Element 18 übertragen, so dass durch die Wärmeleitung Wärme von den Bauelementen 60 abgeführt wird. Wenn eine der elektronischen Komponenten weniger anfällig für hohe Temperaturen ist, wie beispielsweise die mit 62 gekennzeichnete Komponente, muss sich die wärmeleitende Schicht 70 nicht bis zu dieser Komponente erstrecken, wie in dargestellt. Die Kühlkörperanordnung 70 kann auch eine zusätzliche Schicht 71 beinhalten, die an das zweite Element 18 angrenzt und mit der die elektronischen Komponenten 60 thermisch verbunden sind, um eine verbesserte Wärmeübertragungsfunktion zu gewährleisten. Denn die zusätzliche Schicht 71 bietet einen weiteren Weg der Wärmeübertragung von den elektronischen Komponenten 60 auf das zweite Element 18.
Die Wärmeabfuhr von den elektronischen Bauteilen 60 über die wärmeleitende Schicht 70 erfolgt während des Spritzgießprozesses bei besonders hohen Temperaturen um die Bauteile herum, aber auch während des Betriebs des Steuergerätes 10, bei dem sich auch die elektronischen Bauteile erwärmen können. Die Bereitstellung des wärmeleitenden Schichtkühlkörpers ist daher bei der Herstellung des Steuergeräts und während seiner Verwendung von Vorteil.
Das Material der wärmeleitenden Schicht kann Graphen oder ein Metamaterial mit hoher Wärme- und geringer elektrischer Leitfähigkeit sein. So kann die Schicht beispielsweise aus Phyllosilikaten oder einem Glimmerblatt gebildet werden. Weitere geeignete Materialien sind Isolatoren (geringe elektrische Leitfähigkeit), bei denen Atomschwingungen (Phononen) den Wärmetransport sehr effizient gestalten. Häufig tritt bei Materialien mit leichten Elementen (insbesondere B, C, N, O) eine hohe Phononenwärmeleitfähigkeit auf, da die Wärme meist von akustischen Phonen transportiert wird, deren Gruppengeschwindigkeit (die Schallgeschwindigkeit im Material) umgekehrt proportional zur Atommasse ist. Beispiele für Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit und niedriger elektrischer Leitfähigkeit sind bestimmte Metamaterialien und Polymorphe von Bornitrid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid und Aluminiumnitrid.
zeigt eine alternative Ausführungsform der mit einer Wärmeübertragungsanordnung versehenen Steuereinheit 10. In dieser Ausführungsform sind die elektronischen Komponenten 60 auf der Rückseite des ersten Elements 14 (d.h. auf der gegenüberliegenden Oberfläche zur A-Oberfläche 16) und das zweite Element 18 dient der strukturellen Unterstützung der Steuereinheit 10. Wie bereits für die Ausführungsform in beschrieben, ist den drei elektronischen Komponenten 60 ein Hauptkörperbereich 70a einer wärmeleitenden Schicht 70 überlagert, die bei Überhitzung am anfälligsten für Schäden oder Fehlfunktionen sind. Ein Verlängerungsbereich 70b der Schicht 70 ragt im Wesentlichen senkrecht aus dem Hauptkörperbereich 70a heraus, um das zweite Element 18 an der Rückseite der Steuereinheit 10 abzufangen. Wie bisher wird die Wärme von den elektronischen Komponenten 60 über die Schicht 70 auf das zweite Element 18 übertragen, um die Komponenten vor Beschädigung und/oder Fehlfunktion durch Überhitzung in der Fertigung oder im Betrieb zu schützen.
Eine weitere alternative Ausführungsform (nicht dargestellt) nutzt eine Wärmeübertragungsvorrichtung, die nicht wie in den und Teil der endgültigen Steuergerätestruktur ist, sondern Teil des für den Spritzgießprozess verwendeten Fertigungswerkzeugs. Dadurch werden die elektronischen Bauteile nur während der Fertigung vor Hitze geschützt.
In einer noch weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt), in der eine Kühlkörperanordnung verwendet wird, kann eine Peltier-Wärmepumpe oder ein Schleifenwärmerohr in Kombination mit dem wärmeleitenden Element verwendet werden, um eine aktive Steuerung der Erwärmung oder Kühlung der gekapselten elektronischen Schaltung zu ermöglichen.
In weiteren Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die wärmeleitende Wärmeübertragungsanordnung konfiguriert werden kann, um beispielsweise Wärme an die elektronischen Komponenten der gedruckten elektronischen Schaltung zu leiten, ohne Einschränkung, wenn andere Merkmale der Steuereinheit eine Wärmeübertragung von ihnen erfordern.
zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der die Anordnung der Schichten 14, 18, 22, 71 die gleiche ist wie bei der Ausführungsform in , mit der Ausnahme, dass jede Schicht nicht flach ist, sondern einem gekrümmten oder welligen Profil folgt. Die gekrümmte oder wellenförmige Beschaffenheit der Steuereinheit wird durch die Nutzung der Geschmeidigkeit oder Flexibilität der Schichten während der Montage erreicht, um das gewünschte Profil für das Endprodukt zu erreichen. Dadurch kann die Steuereinheit eine Vielzahl von Formen annehmen und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden. So kann beispielsweise innerhalb eines Fahrzeugs die Steuereinheit als Deckel für ein Handschuhfach (wie in dargestellt) oder eine Armlehne im Fahrzeug verwendet werden, oder sie kann geformt oder geformt werden, um eine andere Oberfläche des Fahrzeuginnenraums zu definieren, wo es nützlich sein kann, eine Steuerungsfunktionalität innerhalb einer Komponente bereitzustellen, die einen anderen Zweck hat.
Aus der vorstehenden Beschreibung ist hervorzuheben, dass die Erfindung eine robuste, leichte Struktur für das Steuergerät bietet, die sich in einer Fahrzeugkabine befindet, in der es für den Benutzer aufgrund der hochwertigen und vielseitigen Verarbeitung auf der A-Fläche 16, mit der der Benutzer interagiert, sichtbar ist. Die Form der Steuereinheit ist aufgrund der Flexibilität der Struktur, zumindest bei der Montage, sehr vielseitig. Eine solche Ausführungsform ist das zuvor beschriebene und in den und dargestellte Überkopf-Bedienfeld. Weitere Anwendungen für das Steuergerät sind ein Armlehnen-Bedienfeld zum Steuern der Fahrzeugfenster oder Türverriegelungen, ein Mittelkonsolen-Bedienfeld zum Steuern des Unterhaltungssystems des Fahrzeugs oder als Deckel eines Handschuhfachs, auf dem dem dem Benutzer eine Präsentationsfläche auf der ansonsten toten Oberfläche des Handschuhfachdeckels präsentiert werden kann.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) bildet das Steuergerät einen Teil einer Fahrzeugsonnenblende. Typischerweise hat die Sonnenblende in einem Fahrzeug die Form einer Klappe, die einen Bereich der Windschutzscheibe in ihrer heruntergezogenen Konfiguration verdeckt, um die Blendung für den Benutzer zu reduzieren, kann aber in einer oberen, im Wesentlichen horizontalen Konfiguration verstaut werden, die bei Nichtgebrauch gegen die Oberseite des Windschutzscheibenrahmens anliegt. Herkömmliche Sonnenblenden werden oft mit einem Kosmetikspiegel und einer Lichtquelle ausgestattet, die beim Herunterziehen der Sonnenblende den Bereich um den Spiegel und das Gesicht des Benutzers ausleuchtet. Die Lichtquelle ist entweder über einen Schalter an der Sonnenblende bedienbar oder leuchtet beim Herunterziehen des Visiers automatisch auf. In der vorliegenden Erfindung kann das Steuergerät auf der Sonnenblende montiert werden, so dass die elektronischen Komponenten (ob auf der Rückseite der A-Oberfläche oder auf einer B-Oberfläche montiert) bequem innerhalb der Sonnenblendeneinheit verpackt werden, um eine verbesserte Funktionalität der Beleuchtung zu gewährleisten. So kann beispielsweise das Beleuchtungsniveau der Lichtquelle in Abhängigkeit vom Umgebungslichtniveau gesteuert werden oder der Zeitpunkt der Beleuchtung durch die Lichtquelle in Abhängigkeit von anderen Fahrzeugparametern oder Betriebsarten. Die Erfindung ermöglicht es daher, in den kleinen Räumen einer Fahrzeugsonnenblende ein integriertes lichtemittierendes System bereitzustellen, um verbesserte Beleuchtungseigenschaften zu erzielen.
In anderen Ausführungsformen der Erfindung, wenn sie in einem Fahrzeug verwendet wird, kann die Erfindung in Form eines Anzeigefeldes erfolgen, das dem Benutzer Informationen präsentiert, anstatt dem Benutzer eine Interaktionsfläche zu bieten. So kann beispielsweise das Steuergerät konfiguriert werden, um eine versteckte, bis zum Licht erhöhte Funktion des Fahrzeugs zu steuern, bei der die Beleuchtung der Funktion durch eine Lichtquelle (z.B. LED) des Steuerpults die Funktion für den Benutzer hervorhebt, die sonst nicht sichtbar ist.
In einer der vorgenannten Ausführungsformen können die Materialien und/oder die Dicke der verschiedenen Schichten so gewählt werden, dass das fertige Produkt der Steuereinheit eine gewisse Flexibilität oder Zuverlässigkeit behält. Es ist wichtig, dass die Schichten während der Herstellung eine gewisse Biegsamkeit aufweisen, damit das Endprodukt der Steuereinheit während des Montageprozesses in die gewünschte Form gebracht werden kann. Es kann für die Steuereinheit vorteilhaft sein, eine starre Struktur in ihrer endgültigen Form anzunehmen (z.B. aufgrund des ersten und zweiten Elements und der spritzgegossenen Schicht 22, wenn sie ausgehärtet ist, ist sie starr), aber in anderen Ausführungsformen kann es für das erste und zweite Element und die spritzgegossene Schicht vorteilhaft sein, eine gewisse Flexibilität beizubehalten, z.B. um das Biegen der Steuereinheit im Gebrauch zu ermöglichen. So kann beispielsweise die Flexibilität die Benutzerinteraktion verbessern, indem sie eine flexible, interaktive und berührbare Oberfläche bietet.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung werden im Spritzgussverfahren zur Herstellung der Zwischenschicht des Steuergerätes (wie in den und ) und/oder der Verkapselungsschicht(en) (wie in den und ) gebildet. Um die Probleme im Zusammenhang mit den hohen Temperaturen und Drücken des Spritzgießprozesses zu vermeiden, kann alternativ die Steuergerätestruktur durch ein Laminierverfahren geformt werden, um die Spritzgießschicht durch eine Laminatschicht zu ersetzen. ist ein schematisches Diagramm zur Darstellung einer aus Laminatschichten gebildeten Steuereinheit 110. Wie bereits beschrieben, definiert das erste Element 114 eine A-Oberfläche 116, die dem Benutzer grafische Merkmale als Indikatoren für die Steuerung der Einheit überträgt. Das zweite Element 118 definiert eine B-Oberfläche 120, die die verschiedenen elektronischen Komponenten und Leiterbahnen trägt (nicht in dargestellt). Das dritte Element 122, das sich zwischen dem ersten und zweiten Element 114, 118 befindet, nimmt die Form einer Laminierschicht wie beispielsweise einer Klebeschicht an.
Um die Steuereinheit 110 im Laminierverfahren zu montieren, wird das erste Element 114 zunächst im Tiefziehverfahren, wie zuvor beschrieben, vorgeformt und in eine Form gelegt. Das zweite Element 118 wird nach einem ähnlichen Verfahren, wie zuvor beschrieben, geformt und in eine Planform eingelegt. Die Klebeschicht 122 wird dann auf das erste oder zweite Element aufgetragen. Die Klebeschicht ist so vorgewärmt, dass sie biegsam ist, besteht aber aus einem Material, das keine übermäßige Vorwärmung erfordert, um die erforderliche Biegsamkeit zu erreichen.
Sobald die Klebeschicht 122 auf das erste oder zweite Element 114, 118 gelegt ist, werden die Formteile zusammengeführt, um Druck auf die Teile auszuüben, wobei die Klebeschicht 122 zwischen dem ersten und zweiten Element 114, 118 eingeklemmt wird. Anschließend wird Wärme auf die Struktur aufgebracht, so dass sich der Klebstoff exakt an die Form des ersten und zweiten Elements 114, 118 anpasst und die Teile miteinander verbindet. Das Vorhandensein des Klebstoffs auf dem zweiten Element 118 ist insofern von Vorteil, als er während der Erwärmungsphase eine Schutzschicht für die elektronischen Komponenten und Schaltungen bildet. Darüber hinaus entzieht die Phasenänderung der Klebeschicht beim Erwärmen der Klebeschicht den Komponenten und Schaltungen Energie. Schließlich wird die montierte Struktur gekühlt, so dass der Klebstoff aushärtet, um das erste und zweite Element 114, 118 in einer starren Struktur sicher miteinander zu verbinden, wobei der Klebstoff eine Zwischenschicht 122 zwischen ihnen bildet.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt), bei der eine Laminatklebeschicht verwendet wird, um die Elemente des Steuergeräts zusammenzuhalten, kann die Notwendigkeit von zwei Grundelementen 114, 118 entfallen, wenn die grafischen Elemente direkt in eine Form gelegt werden, anstatt sie auf ein erstes Element 114 aufzubringen. Der Klebstoff wird dann direkt in die Form auf die grafischen Merkmale aufgetragen und mit dem zweiten Element 118 zu einer zweischichtigen Struktur sandwichartig verbunden, wobei die grafischen Merkmale auf der Oberfläche der Klebeschicht eingebettet oder eingeprägt werden.
In einer noch weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) kann die Steuereinheit zwei oder drei Schichten umfassen, die aus einem Laminierungsprozess gebildet sind, so dass die Schicht, auf die die elektronischen Komponenten und Leiterbahnen gedruckt werden, eine flexible Folie oder Schicht ist, anstatt eine starre Vorform anzunehmen.
Ein Vorteil des Leimkaschierverfahrens ist, dass die für den Spritzgießprozess erforderlichen hohen Temperaturen und Drücke vermieden werden. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, Tore innerhalb der ersten und/oder zweiten Elemente 114, 118 unterzubringen, da der Klebstoff einfach und flexibel auf eine der Schichten aufgetragen wird. Der Laminierprozess ermöglicht auch das Stapeln von integrierten Schaltungskomponenten auf die B-Oberfläche (oder die Rückseite der A-Oberfläche), die aufgrund der hohen Temperaturen und Drücke des Spritzgießprozesses, die die gestapelten Schaltungen zu leicht verformen würden, sonst nicht erreichbar wären. Geeignete Materialien für den Laminierprozess sind Harze, Vinyle und Ethylencopolymerharze.
Weitere Ausführungsformen sehen eine hybride Anordnung einer laminierten Steuergerätestruktur in einem Teil des Fahrzeugs vor, die in einer gemeinsamen Anordnung mit einer geformten Steuergerätestruktur integriert ist. So kann beispielsweise die Armlehne des Fahrzeugs eine geformte Hochglanzeinheit mit einem Holz-Effekt-Furnier mit den Steuerungsfunktionen der A-Oberfläche beinhalten, wobei die laminierte Einheit angrenzend daran die Auflagefläche für den Arm bildet.
zeigt eine mögliche Konfiguration des zweiten Elements 118, das verwendet werden kann, um einen Teil der Steuereinheit 10 in einer Ausführungsform zu bilden, wobei die Steuereinheit 10 die Form einer Anzeigeeinheit annimmt. Die Steuereinheit kann mit einer spritzgegossenen Schicht 22 oder einer laminierten Verkapselungsschicht 122 verwendet werden. Die in dargestellte Konfiguration ist eine laminierte Struktur, die durch das Aufbringen verschiedener Materialien und elektronischer Komponenten auf eine Basisschicht (Backlight-Schicht 73) gebildet wird, um die gewünschte Lichtfunktion zu erreichen.
Die gedruckte Elektronik wird auf die Hintergrundbeleuchtungsschicht 73 aufgebracht, die dem zweiten Element 118 eine tragende Struktur verleiht und eine Quelle der „Hintergrundbeleuchtung“ für die darauf liegenden Komponenten darstellt. Eine erste Polarisationsschicht 72 wird dann auf die Hintergrundbeleuchtungsschicht 73 aufgetragen und eine Reihe von Flüssigkristallanzeigeelementen (LCD) 74 wird dann auf die erste Polarisationsschicht 72 aufgetragen. Die LCD-Elemente 74 können in Form einer Tinte abgeschieden werden und sind mit Strukturträgern oder Polstern 76 durchsetzt, wobei sich ein Träger 76 zwischen benachbarten LCD-Elementen befindet. Auf den LCD-Elementen 74 ist eine Transistorschicht 78 aufgebracht, die die Schaltschicht für die LCD-Elemente bildet, an die Spannungen angelegt werden, um unter der Steuerung eines Mikroprozessors (nicht dargestellt) die LCD-Elemente in der gewünschten Weise zu steuern. Auf die Transistorschicht 78 wird eine Reihe von Farbfilterelementen 80, typischerweise RGB-Filterelemente, aufgebracht. Die Farbfilterelemente 80 sind mit weiteren Strukturstützen 82 durchsetzt, wie bei den LCD-Elementen 74. Die Strukturstützen 76, 82 können aus dem gleichen Material gebildet werden und können in der Tat integrale Stützen sein, die durch jede Schicht der Struktur 118 hindurchgehen. Vor dem Aufbringen einer Antireflexbeschichtung 86, wie beispielsweise Glas oder Acryl, wird dann eine zweite Polarisationsschicht 84 auf die Farbfilterelemente 80 aufgetragen, um dem zweiten Element 18 eine geeignete Oberflächenbeschaffenheit zu verleihen. Eine Kühlkörperanordnung 88 in Form einer wärmeleitenden Schicht, wie sie vorstehend beschrieben ist, kann auch in die laminierte Struktur eingebaut werden.
Die LCD-Elemente 74, die mit den strukturellen Trägerelementen 76 durchsetzt sind, können mit einem herkömmlichen Tintenstrahl- oder 3D-Druckverfahren geformt werden. So kann beispielsweise die 3D-Anordnung der Druckköpfe, die zur Bildung der LCD-Elemente 74 verwendet werden, ein erstes Flüssigkristallmaterial aufweisen, das in ausgewählten der Druckköpfe vorgesehen ist, und ein zweites, anderes Material, das in anderen der Druckköpfe vorgesehen ist, um eine regelmäßige Anordnung von LCD-Elementen mit strukturellen Stützen zu erhalten, die an regelmäßigen Stellen zwischen ihnen angeordnet sind. Typischerweise ist das zweite Material, aus dem die Strukturträger 76 gebildet werden, ein härtbares Harz, das beispielsweise durch UV-Strahlung gehärtet werden kann. Es kann von Vorteil sein, dass das Harz ein transparentes Material ist, so dass die Strukturen im Endprodukt nicht sichtbar sind. Wenn die endgültige Anzeigeeinheit 10 eine gewisse Flexibilität aufweisen soll, können die Träger 76 aus Silizium gebildet werden, um einen gewissen Träger, aber auch die erforderliche Flexibilität zu bieten. In diesem Fall wird die Form jedes Trägers 76 so gewählt, dass die Träger 76 auch bei einer Biegung der Endstruktur die erforderliche Robustheit aufweisen. Insbesondere wird die Form der Stützen 76 so gewählt, dass der auf die Stützen ausgeübte Druck gleichmäßig auf die Stützen verteilt wird, auch wenn die Baugruppe gebeugt ist. So können die Stützen beispielsweise in Form von V-förmigen Strukturen oder Säulen mit ovalem oder kreisförmigem Querschnitt ausgeführt werden, die die Fähigkeit zur Stützung auch bei Biegung beibehalten.
In anderen Ausführungsformen können verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zur Bildung der gedruckten Elektronikschicht abgeschieden werden. So können beispielsweise Tinten mit leitfähigen, resistiven und halbleitenden Eigenschaften auf der bauteiltragenden Oberfläche abgeschieden werden, um die gedruckte elektronische Schaltung zu bilden, abhängig von der erforderlichen Funktionalität.
zeigt die Anordnung der Trägerelemente 76, die wie zuvor beschrieben mit einem 3D-Druckverfahren gebildet wurden, während in die strukturellen Trägerelemente 76 mit einem Siebdruckverfahren gebildet wurden. Die Träger 76 können ein weicheres, flexibleres Material für flexible Displays (wie Silikon) oder ein härteres, steiferes Material (wie Melamin) für starre Displays umfassen.
Die LCD-Elemente 74 werden in einer in der Technik bekannten Weise betrieben, indem eine Spannung an die Transistorschicht 78 angelegt wird, um das Schalten der Flüssigkristallmoleküle in jedem Element zu steuern, was wiederum bestimmt, ob das durch die erste Polarisationsschicht 72 hindurchtretende Licht durch die LCD-Elemente 74 geleitet oder blockiert wird.
In einer weiteren Ausführungsform (nicht dargestellt) können die strukturellen Stützelemente 76 innerhalb des zweiten Elements 118 gebildet werden, indem zuerst eine Harzschicht auf beispielsweise die Anordnung der LCD-Elemente 74 aufgetragen und dann das Harz weggeätzt wird, so dass es die Lichtübertragung durch die Struktur nicht verdeckt, wenn die LCD-Elemente zur Lichtübertragung aktiviert werden, sondern eine Anordnung von in angemessenem Abstand angeordneten strukturellen Trägern hinterlässt, um dem zweiten Element 118 mechanische Festigkeit zu verleihen.
Die Ausführungsform in den bis wurde in Form einer Flüssigkristallanzeige beschrieben, aber auch andere Arten von Anzeigen können in der Erfindung verwendet werden, wie LEDs, OLEDs, AMOLED, Quantenpunktanzeige, elektrophoretische und elektrobenetzende Anzeigen. Die Anzeigeelemente können durch die Verwendung verschiedener Tinten zum Bedrucken verschiedener Komponenten, wie der oben genannten, gebildet werden.
Wenn der Spritzgießprozess zur Bildung der gesamten Steuergerätestruktur verwendet wird, ist die in dargestellte Konfiguration des zweiten Elements 18 besonders vorteilhaft, da sie dem zweiten Element 18 durch die Verwendung einer Reihe von mechanisch stabilen Stützen oder Säulen 76, die über die gesamte gedruckte elektronische Schicht verteilt sind, eine zusätzliche Steifigkeit verleiht, die den hohen Temperaturen und insbesondere Drücken, die während des Spritzgießprozesses auftreten, standhält. Trotz der Steifigkeit der Stützen oder Stützen 76 kann die Gesamtstruktur bei ihrer endgültigen Form noch ein gewisses Maß an Flexibilität oder Biegsamkeit aufweisen, so dass ihre Form je nach den Nutzungsanforderungen, wie zuvor erläutert, angepasst werden kann.
Es ist zu beachten, dass viele Änderungen an den obigen Beispielen vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den begleitenden Ansprüchen definiert ist. Obwohl beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf ein Steuergerät für ein Fahrzeug beschrieben wurden, ist zu beachten, dass die Erfindung andere Anwendungen außerhalb des Automobilbereichs hat. Alternativ kann die Erfindung beispielsweise in einer Vielzahl von Geräten eingesetzt werden, bei denen eine Benutzerinteraktionsfläche und/oder eine Oberfläche, auf der einem Benutzer Informationen angezeigt werden, erforderlich ist (z.B. ein Bedienfeld an einem elektrischen Gerät). In diesem Sinne muss die A-Oberfläche des Steuergeräts in keiner der vorgenannten Ausführungsformen die Form einer Oberfläche haben, mit der der Benutzer interagiert, sondern kann die Form einer Oberfläche annehmen, über die Informationen angezeigt oder dem Benutzer des Steuergeräts präsentiert werden.

Claims

Steuereinheit für eine Vorrichtung, wobei die Steuereinheit umfasst: ein bauteiltragendes Element, das mit mindestens einer elektronischen Komponente versehen ist, die konfiguriert ist, um eine Funktion der Vorrichtung bereitzustellen; wobei das bauteiltragende Element aus einem Material gebildet ist, das zumindest während der Montage der Steuereinheit biegsam ist; und eine spritzgegossene Schicht, die mindestens einen Teil der oder jeder elektronischen Komponente einkapselt.
Die Steuereinheit nach Anspruch 1, wobei das bauteiltragende Element nach der vollständigen Montage der Steuereinheit formbar bleibt.
Die Steuereinheit nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, umfassend eine Benutzerinteraktionsfläche, die für einen Benutzer der Vorrichtung im Gebrauch sichtbar ist.
Die Steuereinheit nach Anspruch 3, wobei das bauteiltragende Element die Benutzerinteraktionsfläche definiert.
Die Steuereinheit nach Anspruch 3, umfassend ein zweites Element, das die Benutzerinteraktionsfläche definiert.
Steuereinheit nach Anspruch 5, wobei das zweite Element eine vorgeformte Schicht umfasst.
Steuereinheit nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das zweite Element von dem bauteiltragenden Element durch die spritzgegossene Schicht beabstandet ist, um mindestens eine Dreischichtstruktur für die Steuereinheit zu definieren.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei das zweite Element mit mindestens einer weiteren elektronischen Komponente versehen ist, so dass die oder jede der elektronischen Komponenten auf dem Bauteilträgerelement und die mindestens eine weitere elektronische Komponente auf dem zweiten Element zwischen dem Bauteilträgerelement und dem zweiten Element innerhalb der Spritzgussschicht eingeklemmt sind.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 8, umfassend eine bauteiltragende Oberfläche, die die oder jede elektronische Komponente trägt und wobei sich die bauteiltragende Oberfläche auf der Rückseite des bauteiltragenden Elements zur Benutzerinteraktionsfläche befindet.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 9, wobei die Benutzerinteraktionsfläche konfiguriert ist, um einen Benutzerbefehl zu empfangen, und wobei die oder jede elektronische Komponente als Reaktion auf den Benutzerbefehl bedienbar ist.
Die Steuereinheit nach Anspruch 10, umfassend eine piezoelektrische Schicht angrenzend an die Benutzerinteraktionsfläche, um die Steuerung der oder jeder elektronischen Komponente zu ermöglichen, wenn der Benutzer einen Benutzerbefehl in Form von Druck auf die Benutzerinteraktionsfläche ausübt.
Die Steuereinheit nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, wobei die oder jede elektronische Komponente einen Teil einer gedruckten elektronischen Schaltung bildet, die eine Vielzahl von Leiterbahnen zur Stromführung zu der mindestens einen elektronischen Komponente umfasst.
Die Steuereinheit nach Anspruch 12, wobei die Leiterbahnen zusammen mit der Benutzerinteraktionsfläche als Elektroden eines Kondensators wirken, um als Reaktion auf den Benutzerbefehl eine kapazitive Berührungssteuerungsfunktion bereitzustellen.
Steuereinheit nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei auf der gedruckten elektronischen Schaltung eine größere Anzahl von Leiterbahnen vorgesehen ist, als erforderlich ist, um der mindestens einen elektronischen Komponente der gedruckten elektronischen Schaltung einen ausreichenden Strom zuzuführen und dadurch eine Spurredundanz bei Bruch und/oder Ausfall einer oder mehrerer der Leiterbahnen zu gewährleisten.
Steuereinheit nach Anspruch 14, wobei eine größere Anzahl von Leiterbahnen auf der gedruckten elektronischen Schaltung in Bereichen in der Nähe eines Gates zum Einspritzen eines Materials der Spritzgießschicht während der Montage der Steuereinheit vorgesehen ist.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 15, umfassend eine zusätzliche Schicht, die auf der Benutzerinteraktionsfläche vorgesehen ist, um der Steuereinheit ein ästhetisches Finish zu verleihen.
Steuereinheit nach Anspruch 16, worin die zusätzliche Schicht ein Furnier ist, das eine Oberfläche der Vorrichtung ergänzt, in der die Steuereinheit verwendet wird.
Steuereinheit nach Anspruch 16 oder Anspruch 17, wobei die zusätzliche Schicht eine Schutzschicht ist.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 16 bis 18, worin die zusätzliche Schicht eine weitere spritzgegossene Schicht ist.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 16 bis 19, worin die zusätzliche Schicht mit einem oder mehreren Aussparungen versehen ist.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 3 bis 20, worin die Benutzerinteraktionsfläche mit mindestens einem grafischen Merkmal versehen ist, um dem Benutzer eine Anzeige über mindestens eine Funktion der elektronischen Komponente zu geben.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 21, umfassend ein wärmeleitfähiges Element, das zumindest teilweise in der spritzgegossenen Schicht eingekapselt und konfiguriert ist, um Wärme zu oder von dem mindestens einen elektronischen Bauteil zu leiten.
Die Steuereinheit nach Anspruch 22, wobei das wärmeleitende Element mit mindestens einer der elektronischen Komponenten in Kontakt steht.
Steuereinheit nach Anspruch 23, worin das wärmeleitende Element einen Kontaktbereich beinhaltet, der konfiguriert ist, um während der Montage der Steuereinheit Kontakt mit einer entfernten Komponente herzustellen und dadurch Wärme über die entfernte Komponente an die oder von jeder der elektronischen Komponenten abzuleiten.
Steuereinheit nach Anspruch 24, worin das wärmeleitende Element einen Kontaktbereich beinhaltet, der konfiguriert ist, um Kontakt mit dem bauteiltragenden Element herzustellen, um Wärme zu oder von der oder jeder elektronischen Komponente über das bauteiltragende Element zu leiten.
Die Steuereinheit nach Anspruch 24 oder Anspruch 25, worin das wärmeleitende Element ein Verlängerungsstück beinhaltet, das aus dem bauteiltragenden Element ragt, um den Kontaktbereich zu definieren.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 22 bis 26, wobei das wärmeleitende Element eine Schicht aus wärmeleitendem Material ist, die auf mindestens eine der elektronischen Komponenten aufgebracht ist.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 27, die mindestens eine aktive elektronische Komponente umfasst.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 28, die mindestens eine passive elektronische Komponente umfasst.
Steuereinheit nach Anspruch 28 oder Anspruch 29, wobei sich die oder jede aktive elektronische Komponente entfernt von der oder jeder passiven elektronischen Komponente auf dem Bauteilträger befindet.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 30, umfassend mindestens ein Tor, durch das das Material der Spritzgussschicht während der Herstellung der Steuereinheit eingespritzt wird.
Die Steuereinheit nach Anspruch 31, wenn sie von einem der Ansprüche 28 bis 30 abhängig ist, worin sich die mindestens eine aktive elektronische Komponente entfernt oder beabstandet von dem mindestens einen Tor befindet.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 32, wobei das erste Element eine vorgeformte Schicht umfasst.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 33, konfiguriert zur Verwendung in einem Fahrzeug.
Die Steuereinheit nach Anspruch 34, wobei die mindestens eine elektronische Komponente konfiguriert ist, um eine oder mehrere der folgenden Fahrzeugfunktionen zu steuern: einen Airbag, ein Unterhaltungssystem, ein Soundsystem, ein Fenster, eine Sitzanlage, ein Beleuchtungssystem.
Die Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 35, worin das bauteiltragende Element ein vorgeformtes Element ist.
Steuereinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 36, worin die Steuereinheit eine gekrümmte, wellenförmige oder nicht planare Form aufweist.
Vorrichtung, umfassend die Steuereinheit, wie in einem der Ansprüche 1 bis 37 gefordert.
Die Vorrichtung nach Anspruch 38 in Form eines Fahrzeugs.
Verfahren zur Herstellung einer Steuereinheit für eine Vorrichtung, wobei das Verfahren umfasst; Vorformen eines bauteiltragenden Elements in einem ersten Vorformschritt; Bereitstellen einer mindestens einen elektronischen Komponente auf dem bauteiltragenden Element, um eine Funktion der im Gebrauch befindlichen Vorrichtung bereitzustellen; und Einspritzen eines spritzgegossenen Materials auf das mindestens eine elektronische Bauteil, um das mindestens eine elektronische Bauteil zumindest teilweise in einer spritzgegossenen Schicht zu verkapseln.
Das Verfahren nach Anspruch 40, umfassend; Vorformen eines zweiten Elements in einem zweiten Vorformungsschritt; und nach dem ersten und zweiten Vorformschritt, Einspritzen des spritzgiessfähigen Materials zwischen dem bauteiltragenden Element und dem zweiten Element, um das mindestens eine elektronische Bauelement zumindest teilweise zu verkapseln und mindestens eine dreiteilige Struktur für die Steuereinheit zu definieren.
Verfahren nach Anspruch 40 oder Anspruch 41, worin der Schritt des Vorformens des bauteiltragenden Elements in dem ersten Vorformschritt das Spritzgießen des bauteiltragenden Elements umfasst.