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Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für ein Steuergerät. Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist auch ein Steuergerät für ein Fahrzeug, mit einer solchen Sensoranordnung.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden aktive und passive Sicherheitssysteme, wie beispielsweise Rückhaltesysteme, wie z.B. Airbags, Gurtstraffer usw., sowie Systeme zur Regelung der Fahrdynamik, wie z.B. ESP, ABS usw. eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil solcher Systeme sind Sensoranordnungen, welche für die Messung von Beschleunigungen und/oder von Gier- bzw. Drehraten des Fahrzeugs verwendet werden. In der Regel umfassen solche Sensoranordnungen mindestes ein Sensormodul mit einem bevorzugt als mikromechanischer bzw. mikroelektromechanischer Sensor (MEMS) ausgeführten Inertialsensor. Solche Sensoren beruhen auf einem Detektionsprinzip mit aktiv angetriebener Schwingmasse, welche üblicherweise mit Frequenzen von beispielsweise 20 bis 30kHz operieren. Dadurch sind solche Sensoren intrinsisch für externe Störungen, insbesondere in Bezug auf die Mechanik hochfrequente Vibrationsanregungen, in diesem Frequenzbereich störbar. Für die Integration von solchen hochgenauen Inertialsensoren gelten sehr hohe Anforderungen an den Bestückungsort hinsichtlich der in Bezug auf die Mechanik hochfrequenten Vibrationsanregungen, da hierdurch die erreichbare Signalgenauigkeit limitiert ist. Diese in Bezug auf die Mechanik hochfrequenten Vibrationsanregungen innerhalb eines komplexen Zusammenbaus in einem Steuergerät können einerseits durch externe Anregung des Steuergeräts am Einbauort im Fahrzeug entstehen und sich dann aufgrund der erforderlichen steifen Anbindung zwischen Steuergerät und Fahrzeugkarosserie bis zum Sensor fortpflanzen. Eine andere Quelle dieser in Bezug auf die Mechanik hochfrequenten Vibrationsanregungen kann aber auch innerhalb des Steuergeräts selbst entstehen, beispielsweise durch mechanisches Anschlagen von benachbarten Komponenten („Klappern“) oder durch mechanisches Schwingen von piezoelektrisch oder magnetostriktiv angeregten Komponenten.
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In der Entwicklung solcher Steuergeräte mit integrierter Sensoranordnung spielt die Reduktion solcher Vibrationsquellen eine signifikante Rolle in der Auslegung der mechanischen und elektrischen Komponenten. Ebenso stellt die geforderte Robustheit gegenüber einer solchen Vibrationsanregung große Herausforderungen an die Entwicklung der Sensormodule selbst, wie beispielsweise die Integration von komplexen Dämpfersystemen innerhalb der Sensormodule.
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Aus der
DE 10 2009 045 557 A1 sind eine Befestigungsanordnung für eine Sensoranordnung und eine korrespondierende Sensoranordnung bekannt. Die Befestigungsanordnung umfasst eine Metallbuchse, welche über Befestigungsmittel mit einer Fahrzeugkarosserie verbunden ist und eine Hülse als Einpunktfixierung und einen Teller als Trägereinheit für eine Trägerplatte aufweist, auf welcher mindestens ein Sensormodul der Sensoranordnung angeordnet ist, wobei die Hülse durch eine zentrale Durchgangsöffnung in der Trägerplatte geführt ist. Durch diese Konstruktion können Resonanzen in unkritische Frequenzbereiche oberhalb von ca. 4 bis 5 kHz verschoben werden sowie Einflüsse der Trägerplattenresonanzen und von weiteren mit der Trägerplatte verbundene Komponenten reduziert werden, indem das Sensormodul auf einem störungsunempfindlichen Bereich der Trägerplatte positioniert wird. In Ausgestaltung der Befestigungsanordnung ist die Trägerplatte im Bereich des Sensormoduls über mehrere Halteelemente mit der Metallbuchse gekoppelt, um das Schwingungsverhalten weiter zu verbessern.
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Aus der
DE 10 2011 076 555 B4 ist ein mikromechanisches Bauelement bekannt, welches eine gegenüber einem Substrat mittels wenigstens einer Biegefeder in einer Auslenkrichtung auslenkbar angeordnete Massestruktur umfasst. Die Biegefeder umfasst wenigstens einen Faltungsabschnitt, der durch zwei im Wesentlichen parallel zueinander angeordnete und mittels eines Verbindungsstegs miteinander verbundene Federschenkel gebildet ist. Dabei ist im Bereich des Verbindungsstegs eine Dämpfungseinrichtung für Schwingungsbewegungen des Faltungsabschnitts in der Auslenkrichtung vorgesehen. Eine solche Dämpfungseinrichtung umfasst dabei eine oder mehrere flächige Dämpfungsstrukturen, die den Luftwiderstand des jeweiligen Faltungsabschnitts während einer Bewegung in Auslenkrichtung erhöhen und somit der Eigenschwingung des jeweiligen Faltungsabschnitts entgegenwirken.
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Aus der
DE 10 2006 002 350 A1 ist eine Inertialsensoranordnung, insbesondere zur Montage in einem Kraftfahrzeug, mit einem auf einem Träger angebrachten Sensormodul bekannt, das einen mikromechanisch hergestellten Inertialsensor und eine Auswerteschaltung umfasst. Es ist vorgesehen, dass das Sensormodul durch ein elastisches Koppelelement mit dem Träger verbunden ist. Hierbei wird zur schwingungstechnischen Entkopplung des Sensormoduls vom Träger ein Elastomermaterial verwendet, das sowohl für die Federung als auch für die Dämpfung der Masse des Feder-Masse-Systems in Bezug zum Träger sorgt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Sensoranordnung für ein Steuergerät mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie das Steuergerät für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 haben jeweils den Vorteil, dass Konstruktionsmerkmale einer Leiterplatte eine Ausbreitung von in Bezug auf die Mechanik hochfrequenten Vibrationsanregungen zur Sensorposition verhindern oder zumindest reduzieren. Somit kann signifikanter Entwicklungsaufwand beim Entwurf von mechanischen und elektrischen Komponenten für die Sensoranordnung und für das Steuergerät eingespart werden. Ebenfalls sind potenziell einfacherer Entwürfe für die eingesetzten Sensormodule möglich.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung für ein Steuergerät, mit einer Leiterplatte und mindestens einem auf der Leiterplatte angeordneten Sensormodul zur Verfügung, welches mindestens einen Sensor mit einer aktiv angetriebenen Schwingmasse umfasst. Hierbei weist die Leiterplatte im Bereich des mindestens einen Sensormoduls mindestens ein Konstruktionsmerkmal auf, welches Steifigkeit und/oder Masse der Leiterplatte lokal verändert und eine Ausbreitung von störenden Vibrationsanregungen, deren Frequenz im Betriebsfrequenzbereich des mindestens einen Sensormoduls liegt, hin zur Position des mindestens einen Sensormoduls verhindert oder reduziert.
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Zudem wird ein Steuergerät für ein Fahrzeug, mit einem Gehäuse und einer solchen Sensoranordnung vorgeschlagen.
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Durch das mindestens ein Konstruktionsmerkmal, welches die Steifigkeit und/oder die Masse der Leiterplatte lokal verändert, wirkt die Leiterplatte nach Art einer phononischen Bandlücke und verhindert oder reduziert die Ausbreitung der störenden in Bezug auf die Mechanik hochfrequenten Vibrationsanregungen hin zur Position des mindestens einen Sensormoduls.
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Unter dem Steuergerät kann vorliegend ein elektrisches Gerät, insbesondere ein Airbagsteuergerät, verstanden werden, welches erfasste Sensorsignale verarbeitet bzw. auswertet. Das Steuergerät kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil eines sogenannten System-ASICs sein, der verschiedenste Funktionen des Steuergerät beinhaltet. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind. Von Vorteil ist auch ein Computerprogrammprodukt mit Programmcode, der auf einem maschinenlesbaren Träger wie einem Halbleiterspeicher, einem Festplattenspeicher oder einem optischen Speicher gespeichert ist und zur Durchführung der Auswertung verwendet wird, wenn das Programm von de Steuergerät ausgeführt wird.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung für ein Steuergerät möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, dass das mindestens eine Konstruktionsmerkmal einen vorgegebenen Abstand zu dem mindestens einen Sensormodul aufweisen kann. Vorzugsweise liegt der vorgegebene Abstand im Bereich von einer halben Wellenlänge bis zu einer ganzen Wellenlänge der störenden Vibrationsanregung. Das bedeutet, dass der Abstand des mindestens einen Konstruktionsmerkmals zu dem mindestens einen Sensormodul im Bereich von 20 bis 30 Millimeter vorgegeben werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann das mindestens eine Konstruktionsmerkmal als Mittel zur Steifigkeitsänderung und/oder als Zusatzmasse ausgeführt sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann das mindestens eine Mittel zur Steifigkeitsänderung als Aussparung oder Durchkontaktierung in die Leiterplatte eingebracht sein. Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Ausführung des mindestens einen Konstruktionsmerkmals. Hierbei können Abmessungen der mindestens einen Aussparung oder der mindestens einen Durchkontaktierung im Bereich einer Wellenlänge der störenden Vibrationsanregungen liegen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann die Zusatzmasse als Lötpunktmatrix oder als mit einem Metall gefüllte Durchkontaktierung oder als elektrisches Bauteil ohne Funktion ausgeführt sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine schematische und ausschnittsweise Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Steuergeräts für ein Fahrzeug mit einem ersten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
- 2 zeigt eine schematische und ausschnittsweise Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Steuergeräts für ein Fahrzeug mit einem zweiten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Steuergeräts 1, 1A, 1B für ein Fahrzeug jeweils ein Gehäuse 3 und eine erfindungsgemäße Sensoranordnung 10, 10A, 10B.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, umfassen die dargestellten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Sensoranordnung 10, 10A, 10B für ein Steuergerät 1, 1A, 1B jeweils eine Leiterplatte 12, 12A, 12B und mindestens ein auf der Leiterplatte 12, 12A, 12B angeordnetes Sensormodul 14, welches mindestens einen Sensor 15 mit einer aktiv angetriebenen Schwingmasse umfasst. Hierbei weist die Leiterplatte 12, 12A, 12B im Bereich des mindestens einen Sensormoduls 14 mindestens ein Konstruktionsmerkmal 16 auf, welches Steifigkeit und/oder Masse der Leiterplatte 12, 12A, 12B lokal verändert und eine Ausbreitung von störenden Vibrationsanregungen, deren Frequenz im Betriebsfrequenzbereich des mindestens einen Sensormoduls 14 liegt, hin zur Position des mindestens einen Sensormoduls 14 verhindert oder reduziert.
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In den dargestellten Ausführungsbeispielen der Sensoranordnung 10, 10A, 10B wird die aktiv angetriebene Schwingmasse der Sensoren 15 mit einer Frequenz von 25kHz angeregt.
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Wie aus 1 und 2 weiter ersichtlich ist, sind in den dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils zwei als Drehratensensoren 14A, 14B ausgeführte Sensormodule 14 auf der Leiterplatte 12, 12A, 12B angeordnet. Zudem ist ein elektronisches Bauteil 19, welches beispielhaft als ASIC (Anwendungsspezifischer Integrierter Schaltkreis) ausgeführt ist, auf der Leiterplatte 12, 12A, 12B angeordnet. Die Leiterplatte 12, 12A, 12B ist über vier als Schrauben ausgeführte Leiterplattenbefestigungen 5 steif mit dem Gehäuse 3 des Steuergeräts 1, 1A, 1B verbunden. Selbstverständlich können auch andere geeignete Befestigungstechniken eingesetzt werden, um die Leiterplatte 12, 12A, 12B mit dem Gehäuse 3 des Steuergeräts 1, 1A, 1B zu verbinden. Das Gehäuse 3 ist über drei als Schrauben ausgeführte Gehäusebefestigungen 5 steif mit einer Karosserie 9 des Fahrzeugs verbunden. Selbstverständlich können auch andere geeignete Befestigungstechniken eingesetzt werden, um das Gehäuse 3 des Steuergeräts 1, 1A, 1B mit dem der Karosserie 9 des Fahrzeugs zu verbinden.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weist die Leiterplatte 12A des dargestellten ersten Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung 10A für ein Steuergerät 1A vier Konstruktionsmerkmale 16 auf, welche jeweils als Mittel 17 zur Steifigkeitsänderung ausgeführt sind. Hierbei sind die Mittel 17 zur Steifigkeitsänderung als Aussparungen 17A bzw. Bohrungen in die Leiterplatte 12A eingebracht. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 10 sind die Mittel 17 zur Steifigkeitsänderung als Durchkontaktierung in die Leiterplatte 12A eingebracht. Selbstverständlich können auch noch andere geeignete Mittel 17 zur Steifigkeitsänderung der Leiterplatte 12 verwendet werden, um die Steifigkeit der Leiterplatte 12 lokal zu verändern.
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Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, weisen die als Aussparungen 17A ausgeführten Konstruktionsmerkmale 16 einen vorgegebenen Abstand zu den Sensormodulen 14A, 14B auf, welcher im Bereich von einer halben Wellenlänge bis zu einer ganzen Wellenlänge der störenden Vibrationsanregung liegt. Dies entspricht einem Abstand im Bereich von 20 bis 30 Millimeter. Die Abmessungen, hier die Durchmesser der Aussparungen 17A liegen ebenfalls im Bereich von einer halben Wellenlänge bis zu einer ganzen einer Wellenlänge der störenden Vibrationsanregung.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weist die Leiterplatte 12B des dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels der Sensoranordnung 10B für ein Steuergerät 1B zwei Konstruktionsmerkmale 16 auf, welche jeweils als Zusatzmasse 18 ausgeführt sind. Hierbei sind die beiden Zusatzmassen 18 jeweils als Lötpunktmatrix 18A auf der Leiterplatte 12B angeordnet. Bei einem alternativen nicht dargestellten Ausführungsbeispiel der Sensoranordnung 10 sind die Zusatzmassen 18 jeweils mit einem Metall gefüllte Durchkontaktierungen oder als elektrisches Bauteil ohne Funktion ausgeführt. Selbstverständlich können auch noch andere geeignete Zusatzmassen 18 auf der Leiterplatte 12 verwendet werden, um die Masse der Leiterplatte 12 lokal zu erhöhen.
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Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, weisen die jeweils als Lötpunktmatrix 18A ausgeführten Konstruktionsmerkmale 16 einen vorgegebenen Abstand zu den Sensormodulen 14A, 14B auf, welcher im Bereich von einer halben Wellenlänge bis zu einer ganzen Wellenlänge der störenden Vibrationsanregung liegt. Dies entspricht einem Abstand im Bereich von 20 bis 30 Millimeter. Die Abmessungen, hier die Kantenlängen der Lötpunktmatrizen 18A liegen ebenfalls im Bereich von einer halben Wellenlänge bis zu einer ganzen einer Wellenlänge der störenden Vibrationsanregung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009045557 A1 [0004]
- DE 102011076555 B4 [0005]
- DE 102006002350 A1 [0006]
