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Die
Erfindung betrifft ein elektronisches Modul mit zumindest einem
Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe, insbesondere einer Beschleunigung
und/oder Verzögerung;
mit einer elektronischen Schaltung mit zumindest einem Bauelement zur
Verarbeitung analoger und/oder digitaler Signale, wobei die Schaltung
mit dem zumindest einem Sensor elektrisch verbunden ist; mit einer
ersten Leiterplatte, auf der die elektronische Schaltung zumindest teilweise
angeordnet ist; und mit einer Sensorleiterplatte, auf welcher der
zumindest eine Sensor angeordnet ist.
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Ein
Sensormodul der genannten Art ist aus der
EP 0 746 482 B1 bekannt.
Bei diesem ist eine den Sensor umfassende Sensoreinheit über einen
dämpfenden
Halter auf der Leiterplatte durch Löten befestigt. Der Dämpfungshalter
schützt
den Sensor vor Zerstörung,
beispielsweise während
der Herstellung und Montage der Sensoreinheit. Die Sensorleiterplatte
wird von dem Dämpfungshalter
gehalten und ist über
Metallstifte, die mit der Sensorleiterplatte verbunden sind, an
die Leiterplatte gelötet.
Der Dämpfungshalter
gewährleistet,
dass der Sensor elastisch gehalten wird und mechanische Schütterungen
gedämpft
werden. Erschütterungen,
die in Folge eines Unfalls den Sensor erreichen sollen, werden zu
dem Sensor übertragen.
Durch die dämpfende
Halterung der Sensoreinheit an der Leiterplatte ist allerdings nicht
gewährleistet,
dass die physikalische Größe, insbesondere
eine Beschleunigung oder Verzögerung
verlustfrei und zeitnah an die Sensoren übertragen wird.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein elektronisches
Modul zu schaffen, das einfach herzustellen ist, eine gute Übertragung
von auf das elektronische Modul wirkenden physikalischen Größen auf
den Sensor ermöglicht
und darüber
hinaus eine Zuverlässigkeit über seine
Lebenszeit aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch ein elektronisches Modul mit den Merkmalen des
Patentanspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
wiedergegeben.
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Ein
erfindungsgemäßes elektronisches
Modul umfasst: zumindest einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen
Größe, insbesondere
einer Beschleunigung und/oder Verzögerung; eine elektronische
Schaltung mit zumindest einem Bauelement zur Verarbeitung analoger
und/oder digitaler Signale, wobei die Schaltung mit dem zumindest
einem Sensor elektrisch verbunden ist; eine erste Leiterplatte, auf
der die elektronische Schaltung zumindest teilweise angeordnet ist;
und eine Sensorleiterplatte, auf welcher der zumindest eine Sensor
angeordnet ist. Erfindungsgemäß sind die
Sensorleiterplatte und die Leiterplatte in einem gemeinsamen Gehäuse aufgenommen,
wobei die Sensorleiterplatte mechanisch entkoppelt von der Leiterplatte
in dem Gehäuse
gehaltert ist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine Leiterplatte,
die sämtliche
elektronischen Komponenten, einschließlich der Sensoren, zur Ausbildung
eines elektronischen Moduls aufnimmt, aufgrund ihrer Größe schwingungsanfällig ist.
Um die Schwingungen, die einer genauen Messung durch die Sensoren
entgegenstehen, zu reduzieren, wird üblicherweise eine größere Anzahl
an Befestigungspunkten benötigt,
an welchen die Leiterplatte mit dem Gehäuse verbunden ist. Diese Befestigungspunkte stehen
auf einer Leiterplatte zur Ausbildung elektronischer Komponenten
nicht mehr zur Verfügung.
Die Reduktion von Schwingungen bei gleichzeitig vermindertem Platzbedarf
wird nunmehr dadurch gelöst, dass
der zumindest eine Sensor zur Erfassung der physikalischen Größe nicht
mehr auf der Leiterplatte, sondern auf einer eigenständigen Sensorleiterplatte angeordnet
wird. Dabei wird die Sensorleiterplatte derart in dem Gehäuse angeordnet,
dass diese bevorzugt zur verlustfreien oder verlustarmen Übertragung
der zu erfassenden physikalischen Größe steif an das Gehäuse angebunden
ist. Durch die mechanische Entkopplung von der auch als Hauptleiterplatte
bezeichneten Leiterplatte, die lediglich solche Bauelemente enthält, die
unempfindlich gegenüber Schwingungen
sind, kann die Zuverlässigkeit
des elektronischen Moduls erhöht
und der bauliche Aufwand gleichzeitig reduziert werden. Es ist nunmehr ausreichend,
die Sensorleiterplatte mit dem darauf aufgebrachten zumindest einen
Sensor fest mit dem Gehäuse
zu verbinden, während
die mechanische Anbindung der (Haupt-)Leiterplatte (für übrige Bauteile)
an das Gehäuse
keinen Limitierungen hinsichtlich der Festigkeit unterworfen ist.
Dadurch ist es insbesondere möglich,
die Anzahl der Befestigungspunkte der Leiterplatte zu reduzieren.
Durch die Auslagerung des zumindest einen Sensors von der Leiterplatte
auf die Sensorleiterplatte kann die (Haupt-)Leiterplatte von Haus
aus bereits kleiner gestaltet werden. Darüber hinaus steht zusätzlicher Platz
durch den Entfall eines oder mehrerer Befestigungspunkte zusätzlich zur
Verfügung.
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Zur
Herstellung einer verlustfreien oder verlustarmen Übertragung
der zu erfassenden physikalischen Größe durch den zumindest einen
Sensor auf der Sensorleiterplatte ist gemäß einer Ausführungsform
vorgesehen, dass die Sensorleiterplatte über Haltestifte, die in dem
Gehäuse
verankert sind, mit dem Gehäuse
mechanisch verbunden ist. Die Haltestifte können dabei in aus einer Gehäuseebene hervortretenden
Gehäusevorsprüngen gehaltert sein,
wobei die Sensorleiterplatte an den Gehäusevorsprüngen anliegt.
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Die
mechanische Halterung der (Haupt-)Leiterplatte an dem Gehäuse kann
zumindest teilweise über
signalführende
Kontaktstifte erfolgen, über
welche eine externe Kontaktierung des Moduls erfolgt. Die signalführenden
Kontaktstifte treten damit an die Stelle der bisher notwendigen
Befestigungspunkte, zum Beispiel in Form von Schrauben oder Thermonieten,
die auch unter dem Begriff Warmgasnieten bekannt sind. In einer weiteren
zweckmäßigen Ausgestaltung
kann dabei vorgesehen sein, dass die mechanische Halterung der (Haupt-)Leiterplatte
an dem Gehäuse
ausschließlich über die
signalführenden Kontaktstifte
erfolgt, welche eine externe Kontaktierung des Moduls erlauben.
Das Vorsehen zusätzlicher
Schrauben oder Thermonieten oder sonstiger Befestigungsmechanismen
ist dadurch nicht notwendig. Die auf der (Haupt-)Leiterplatte zur
Verfügung stehende
Fläche
kann bei dieser Ausführungsform vollständig für elektrische
Funktionen genutzt werden, wodurch die (Haupt-)Leiterplatte im Vergleich
zu herkömmlichen
elektronischen Modulen kleiner ausgebildet werden kann.
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Es
ist alternativ auch möglich,
die mechanische Halterung der (Haupt-)Leiterplatte an dem Gehäuse über eine
Mehrzahl an Schrauben oder Thermonieten vorzunehmen. Die Halterung
der (Haupt-)Leiterplatte kann dabei ausschließlich durch Schrauben oder
Thermonieten oder sonstige Befestigungsmittel erfolgen. Diese können auch
zusätzlich zu
den eine Haltefunktion übernehmenden
signalführenden
Kontaktstiften vorgesehen sein.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
ist vorgesehen, dass zur Ausbildung eines Sensormoduls auf der Sensorleiterplatte
zusätzlich
zu dem zumindest einen Sensor ein Teil der elektronischen Schaltung
angeordnet ist. Dies können
beispielsweise Bauelemente sein, die zur unmittelbaren Signalverarbeitung
der von dem zumindest einen Sensor gelieferten Signale führen. Die
Bauelemente können eine
Kompensationsschaltung oder eine Ansteuerschaltung für den zumindest
einen Sensor darstellen. Die Bereitstellung eines Sensormoduls bringt
den Vorteil mit sich, dass beispielsweise ein Funktionstest des
Sensormoduls hinsichtlich schadhafter Komponenten bereits vor der
elektronischen Kontaktierung mit der die übrigen Bauelemente der elektronischen
Schaltung aufweisenden (Haupt-)Leiterplatte erfolgen kann. Auf diese
Weise kann sichergestellt werden, dass lediglich funktionsfähige Sensoren oder
Sensormodule in ein elektronisches Modul eingebaut werden. Insgesamt
lassen sich hierdurch Fertigungskosten reduzieren.
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Eine
weitere Ausführungsform
sieht vor, dass die (Haupt-)Leiterplatte größer als die Sensorleiterplatte
ausgebildet ist. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass die Schwingungsanfälligkeit
der Sensorleiterplatte allein durch Minimierung deren Größe reduziert
werden kann. Hierdurch ist der Aufwand zur Anbindung an das Gehäuse verringert.
Beispielsweise kann die Sensorleiterplatte mit einer geringeren
Anzahl an Befestigungspunkten an dem Gehäuse gehaltert sein, im Verglich
zu einer Anordnung, bei der der zumindest eine Sensor auf einer
Leiterplatte üblicher
Größe aufgebracht
ist.
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Demgegenüber ist
die Größe der (Haupt-)Leiterplatte
an die Größe des Gehäuses angepasst.
Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die Größe des Gehäuses und damit die äußeren Abmaße des elektronischen
Moduls im Wesentlichen durch die Größe der Leiterplatte bestimmt
sind. Im Vergleich zu herkömmlichen
elektronischen Modulen gleicher Funktion kann das elektronische
Modul kleiner ausgeführt
werden, da die (Haupt-)Leiterplatte aufgrund der Auslagerung des
zumindest einen Sensors und gegebenenfalls weiterer Bauelemente
auf die Sensorleiterplatte kleiner ausgebildet sein kann.
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Eine
optimierte Größe ergibt
sich insbesondere dann, wenn die Sensorleiterplatte und die (Haupt-)Leiterplatte
im Wesentlichen parallel zueinander und übereinander angeordnet sind.
Die parallele Ausrichtung von (Haupt-)Leiterplatte und Sensorleiterplatte
zueinander ermöglicht
eine geringe räumliche
Ausdehnung in der Höhe,
im Vergleich zu einer orthogonalen Ausrichtung. Die Anordnung übereinander
sorgt dafür,
dass die von der elektronischen Schaltung eingenommene Grundfläche verringert
werden kann.
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In
einer weiteren Ausbildung verschließt ein Deckel das die (Haupt-)Leiterplatte
und die Sensorleiterplatte aufnehmende Gehäuse dicht. Hierdurch sollen über die
Lebenszeit des elektronischen Moduls die darin verbauten elektronischen
Komponenten vor Umgebungseinflüssen,
insbesondere Feuchtigkeit geschützt
werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
der Deckel die (Haupt-)Leiterplatte an Auflageflächen des Gehäuses presst.
Die Funktion des Deckels besteht gemäß dieser Ausführungsform
nicht nur darin, einen dichtenden Abschluss des Gehäuses sicherzustellen.
Vielmehr wird durch den Deckel auch sichergestellt, dass die in
dem Gehäuse
vorgesehene (Haupt-)Leiterplatte in einer vorbestimmten Position über die
geforderte Lebensdauer gehalten wird, wobei herkömmliche Befestigungsmittel
entbehrlich sind.
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In
einer weiteren Ausbildung weist die Sensorleiterplatte eine Anzahl
an Verdrahtungsebenen auf, die geringer als die Anzahl an Verdrahtungsebenen
der (Haupt-)Leiterplatte ist. Ferner ist die Entflechtung der (Haupt-)Leiterplatte
vereinfacht. Dies resultiert daraus, dass die Anzahl der auf der
Leiterplatte vorgesehenen elektrischen Bauelemente zur Ausbildung
der elektronischen Schaltung geringer als bei herkömmlichen
elektronischen Modulen ist. Da zur Bereitstellung eines Sensormoduls
(welches neben dem zumindest einem Sensor die dem zumindest einen
Sensor unmittelbar zugeordneten Bauelemente umfasst) eine wesentlich
geringere Anzahl an Bauelementen zu verbinden sind, kann für die Herstellung
des Sensormoduls eine preisgünstigere
Leiterplatte verwendet werden, als zur Herstellung der elektronischen
Schaltung auf der (Haupt-)Leiterplatte. Hierdurch lassen sich die
Fertigungskosten des elektronischen Moduls weiter senken.
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Die
Sensorleiterplatte kann auf zumindest einer Hauptseite mit elektronischen
Bauelementen bestückt
sein. Ebenso kann die Leiterplatte auf zumindest einer Hauptseite
mit elektronischen Bauelementen bestückt sein. Somit ist in beiden
Fällen
wahlweise auch eine zweiseitige Bestückung der (Haupt-)Leiterplatte
sowie der Sensorleiterplatte möglich.
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Da
ein erfindungsgemäßes elektronisches Modul
den Verzicht auf klassische Anbaupunkte in Form von Thermonieten
oder Schraubverbindungen ermöglicht,
kann das Gehäuse
aus einem kostengünstigen
Kunststoff hergestellt werden. Dabei ist dennoch sichergestellt,
dass eine unmittelbare Übertragung
der auf das Gehäuse
des elektronischen Moduls einwirkenden physikalischen Größe auf den
zumindest einen Sensor auf der Sensorleiterplatte sichergestellt
ist.
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Ein
erfindungsgemäßes elektronisches
Modul ist insbesondere zum Steuern eines Personen- und/oder Insassenschutzsystems
eines Fahrzeugs ausgebildet.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Moduls in
einer ersten Ausführungsform,
und
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2 eine
Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäßen elektronischen Moduls in
einer zweiten Ausführungsform.
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In
den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes elektronisches
Modul 1 in einer Querschnittsdarstellung. Ein Gehäuse 10,
z.B. aus einem Kunststoff, umfasst einen Gehäuseaufnahmebereich 12,
der eine oder mehrere wannenförmige
Vertiefungen aufweisen kann. An der Stirnseite des Gehäuseaufnahmebereichs 12 ist
in bekannter Weise ein Kontaktbecher 11 zur externen Kontaktierung
des elektronischen Moduls 1 ausgebildet. In den Kontaktbecher 11 ragen beispielhaft
drei Kontaktstifte 19a, 19b und 19c hinein.
Mit dem Kontaktbecher 11 kann ein korrespondierend ausgebildeter
Kontaktstecker (nicht dargestellt) verbunden werden. Der Kontaktbecher 11 stellt eine
Schnittstelle zu einem Personenschutzsystem, z.B. einem Airbag,
oder anderen Steuergeräten
in einem Fahrzeug dar.
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Die
Kontaktstifte 19a, 19b, 19c sind als
sog. Pressfit-Pins ausgebildet und ragen mit ihren anderen Enden
jeweils im Be reich von Auflageflächen 18a, 18b, 18c des
Gehäuses 10 in
den Gehäuseaufnahmebereich 12 hinein.
Aufgrund der Anordnung des Kontaktbechers 11 an der Stirnseite
des Gehäuses 10 sind
die Kontaktstifte 19a, 19b, 19c jeweils
um in etwa 90° gebogen,
so dass die in den Gehäuseaufnahmebereich 12 ragenden
Enden der Kontaktstifte 19a, 19b, 19c sich
in Richtung einer in der Figur durch einen Deckel 24 verschlossenen
Gehäuseöffnung erstrecken.
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In
dem Gehäuseaufnahmebereich 12 ist
eine Leiterplatte 21 angeordnet, welche auf den beispielhaft
drei Auflageflächen 18a, 18b, 18c aufliegt,
wobei die Enden der Kontaktstifte 19a, 19b, 19c korrespondierende Öffnungen
in der Leiterplatte 21 durchdringen und dabei einen elektrischen
sowie mechanischen Kontakt zu der Leiterplatte herstellen. Auf der Leiterplatte 21 sind
ein- oder beidseitig elektronische Bauelemente zur Ausbildung einer
elektronischen Schaltung aufgebracht, welche über auf den Oberflächen der
Leiterplatte 21 oder im Inneren der Leiterplatte 21 verlaufenden
Leiterzugstrukturen elektrisch miteinander verbunden sind.
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Zwischen
der Leiterplatte 21 und einem Boden 15 des Gehäuseaufnahmebereichs 12 ist
eine Sensorleiterplatte 22 angeordnet. Diese erstreckt sich
im Wesentlichen parallel zu der Leiterplatte 21. Auf der
Sensorleiterplatte 22 ist zumindest ein Sensor 23 angeordnet.
Der zumindest eine Sensor 23 ist in dem Ausführungsbeispiel
auf der Seite der Sensorleiterplatte 22 angeordnet, welche
dem Boden 15 zugewandt ist. Die Sensorleiterplatte 22 kann
darüber hinaus
weitere elektronische Bauelemente zur Ausbildung eines Sensormoduls 28 umfassen,
welche der unmittelbaren Funktion des zumindest einen Sensors 23 zuzuordnen
sind. Die Sensorleiterplatte 23 ruht auf sich von dem Boden 15 erstreckenden Gehäusevorsprüngen 16.
In der Querschnittsdarstellung der 1 sind lediglich
zwei derartige Vorsprünge 16 dargestellt,
obwohl dies in der Praxis mehr sein könnten. Aus jedem oder zumindest
manchen der Gehäusevorsprünge 16 erstrecken
sich Haltestifte 17, welche durch korrespondierende Öffnungen
in der Sensorleiterplatte 22 dringen und dabei eine feste
Anbindung der Sensorleiterplatte 23 und der darauf aufgebrachten
elektronischen Komponenten an das Gehäuse 10 bewerkstelligen.
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Eine
elektrische Verbindung zwischen den elektrischen Komponenten auf
der Sensorleiterplatte 23 und den elektrischen Komponenten
auf der Leiterplatte 21 ist über zumindest einen Kontaktstift 20 hergestellt,
der sich im Wesentlichen orthogonal zu den Flächen der Leiterplatte 21 und
der Sensorleiterplatte 22 erstreckt und als Pressfit-Pin
ausgebildet ist.
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Die
Gehäuseöffnung ist
durch den Deckel 24 verschlossen, welcher auf seiner zu
dem Gehäuseinneren
zugewandten Seite beispielhaft drei Deckelvorsprünge 26a, 26b und 26c aufweist.
Die Deckelvorsprünge 26a, 26b, 26c sind
an solchen Stellen des Deckels 24 angebracht, so dass sie
korrespondierend zu den Auflageflächen 18a, 18b, 18c zum Liegen
kommen. Die Erstreckung der Deckelvorsprünge 26a, 26b, 26c ist
dabei derart, dass diese mit einem vordefinierten Druck auf die
Leiterplatte 21 pressen, wenn der Deckel 24 seine
Endstellung an dem Gehäuse 10 erreicht
hat. Die Befestigung des Deckels 24 unter Bildung eines
hermetischen Verschlusses des Gehäuseinneren erfolgt durch eine Laserschweißverbindung
des Deckels 24 mit dem Gehäuse 10. An der Außenseite
des Deckels 24 sind Anbauflächen 13, 14 vorgesehen,
mit denen ein fertig gestelltes Modul z.B. an einem Karosserieteil
befestigt werden kann.
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Ein
erfindungsgemäßes elektronisches
Modul weist eine Reihe von Vorteilen auf. Aufgrund der Auslagerung
des zumindest einen Sensors und der dem zumindest einem Sensor unmittelbar
zuzuordnenden elektronischen Bauelemente auf eine Sensorleiterplatte 22 zur
Ausbildung eines Sensormoduls 28 lässt sich der auf der Leiterplatte 21 zur
Ausbildung der vollständigen
elektronischen Schaltung benötigte
Platz reduzieren. Die Platzreduktion erfolgt dadurch, dass eine übereinander "gestapelte" Anordnung von Leiterplatte 21 und
Sensorleiterplatte 22 erfolgt. Die Sensorleiterplatte 22 ist
dabei wesentlich kleiner ausgebildet als die Leiterplatte 21.
Aufgrund dessen neigt die Sensorleiterplatte 22 zu weniger Schwingungen,
wodurch die Genauigkeit der durch den zumindest einen Sensor ermittelten
Messergebnis erhöhbar
ist. Zur Herstellung einer festen und unmittelbaren Verbindung des
Sensormoduls 28 an das Gehäuse ist lediglich ein Steckvorgang
notwendig.
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Die
bislang notwendige feste Anbindung der Leiterplatte an das Gehäuse, um
eine möglichst
unverfälschte Übertragung äußerer Einwirkungen
auf den zumindest einen Sensor zu ermöglichen, kann nunmehr entfallen.
Aufgrund dessen ist es auch nicht mehr notwendig, die Leiterplatte 21 mittels
Thermonieten oder Schraubverbindungen mit dem Gehäuse zu verbinden.
Vielmehr ist es ausreichend, wenn, wie dies 1 darstellt,
zur Befestigung die zur elektrischen Kontaktierung dienenden Kontaktstifte
verwendet werden. Eine endgültige
mechanische Fixierung erfolgt durch Druckbeaufschlagung durch den die
Gehäuseöffnung verschließenden Deckel.
Die gesamte Herstellung des elektronischen Moduls 1 lässt sich
damit unter ausschließlicher
Verwendung von Steckvorgängen
realisieren.
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Die
Leiterplatte 21 kann im Vergleich zu herkömmlichen
Modulen kleiner ausgebildet werden, da wesentliche Bestandteile
auf ein Sensormodul ausgelagert wurden. Darüber hinaus steht der bislang
für Befestigungen
benötigte
Platz nunmehr für
elektronische Funktionen zur Verfügung.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass die elektrische Entflechtung
der Leiterplatte 21 aufgrund der Reduktion der elektrisch
miteinander zu verbindenden Bauelemente erleichtert ist. In der
Praxis hat es sich als ausreichend herausgestellt, für die Leiterplatte 21 ein
Leiterplattenmaterial zu verwenden, welches eine 4-lagige Verdrahtung
im Inneren aufweist. Aufgrund der geringeren Anzahl an elektronischen
Komponenten kann die Sensorleiterplatte 22 des Sensormoduls 28 sogar
mit lediglich zwei Verdrahtungslagen im Inneren auskommen. Ein weiterer Vorteil
der verbesserten Entflechtung ist der dadurch steigende EMV-Schutz.
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Aufgrund
der Reduktion der Größe der Leiterplatte,
auf welcher der zumindest eine Sensor angeordnet ist, kann als Gehäusematerial
ein wesentlich kostengünstigerer
Kunststoff im Vergleich zu einem Metall verwendet werden.
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2 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen elektronischen
Moduls, ebenfalls in einer Querschnittsdarstellung. Im Gegensatz
zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel enden
die Kontaktstifte 19 in dem Gehäuseaufnahmebereich 12 benachbart
zueinander. Wie aus der Darstellung ohne weiteres hervorgeht, sind
auf der Leiterplatte 21 beidseitig elektronische Bauelemente 27 aufgebracht.
Ein weiterer Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel zu 1 besteht
in einem abgewandelten Gehäuse.
Die Befestigung der Leiterplatte 21 erfolgt gleichfalls
ohne die Verwendung spezieller Befestigungsmittel, wie z.B. Schrauben
oder Thermonieten. Die Befestigung erfolgt vielmehr unter Verwendung
der Kontaktstifte 19 sowie der an dem Gehäusedeckel 24 angeordneten
Deckelvorsprünge 26,
welche die Leiterplatte 21 unter Druck gegen korrespondierende
Gehäusevorsprünge pressen.