Standardisiertes Tragerelement mit integrierter Schnittstelle

Die Erfindung betrifft ein standardisiertes Tragerelement gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein elektronisches Steuergerat mit einem solchen Tragerelement, insbesondere für Getriebe- oder Motorsteuerungen in der Automobilindustrie .

Stand der Technik

In der Kraftfahrzeugtechnik werden Komponenten wie Getriebe-, Motoren- oder Bremssysteme zunehmend vornehmlich elektronisch gesteuert. Hierbei gibt es eine Entwicklung hin zu mechatro- nischen Steuerungen, also zur Integration von Steuerelektronik und den zugehörigen elektronischen Komponenten, wie Sensoren oder Ventile in das Getriebe, den Motor, das Bremssystem oder Ahnlichem. Die Steuergerate weisen im Allgemeinen eine Vielzahl an elektronischen Komponenten auf, welche in

Verbindung mit anderen Komponenten außerhalb des Steuergerätes stehen. Bei solchen integrierten Elektroniken sind diese Steuerungen nicht mehr in einem separaten, speziell geschützten Elektronikraum untergebracht. Sie müssen daher entspre- chenden Umwelteinflüssen und mechanischen, thermischen sowie chemischen Beanspruchungen standhalten.

Sie werden zu diesem Zweck normalerweise in spezielle hermetisch dichte Gehäuse eingesetzt. Zudem erfüllen die Gehäuse eine wichtige Abschirmfunktion. Um eine verlassliche Verbindung zu außerhalb des Gehäuses liegenden Komponenten zu ermöglichen, ist eine elektrische Verbindung von der Gehauseinnenseite zur Gehauseaußenseite und zu den peripheren Komponenten notwendig. Es sind Systeme bekannt, bei der die Zentralelektronik im Gehäuse an einen Gesamtkomponententrager elektrisch kontaktiert wird. Der Gesamtkomponententrager stellt eine maßgeschneider-

te Verbindung von allen außerhalb des Steuergeräts liegenden Komponenten an die Zentralelektronik dar. Diese Anordnung hat folglich jedoch den Nachteil, dass keine flexible Anbindung einzelner peripherer Komponenten an die Zentralelektronik möglich ist. Zudem muss der Gesamtkomponententrager spezifisch für die jeweilige Anwendung und den damit verknüpften bestimmten Anforderungen neu entwickelt und konzipiert werden. Dies ist mit erheblichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden .

Ein Konzept zur Flexibilisierung der Verbindung zwischen peripheren Komponenten und Zentralelektronik ist aus der DE 10 2004 050 689 Al bekannt. Hier wird eine Anordnung offenbart zur elektrischen Verbindung von Steuerelektronik zu periphe- ren Komponenten wie beispielsweise Sensoren, Ventile oder

Stecker mittels eines Stecksystems umfassend einen Kabelkanal und schwimmend gelagerte Gegenstecker für die Komponenten am anderen Ende des Kabels. Beispielhaft für eine gattungsgemaße Ankontaktierung von Ka- beienden an eine flexible Leiterplatte wird auf die DE 10

2004 050 687 Al verwiesen. Dort wird eine Möglichkeit zur direkten Kontaktierung eines Kabels oder eines Kabelbundels aufgezeigt, das an eine flexible Leiterplatte angreift, und auf diese Weise periphere Komponenten mit der zentralen Steu- erelektronik verbinden kann.

Auch hier besteht jedoch jeweils der Nachteil, dass für jedes Steuergerat ein individuell angepasstes und auf die beteiligten Komponenten abgestimmtes Layout für das Gehäuse und die Geometrie der flexiblen Leiterplatten gefertigt werden muss . Andern sich die Vorgaben für die Kontaktierung der peripheren Komponenten oder gar die Große und die Geometrie des zentralen Elektroniksubstrates, muss zwangsläufig auch ein neues Layout für die Anbindung der Komponenten, das Gehäuse und die flexiblen Leiterplatten gefunden und angefertigt werden. Dieser Zwang besteht unabhängig davon, ob die flexiblen Leiterplatten einstuckig oder als Teilstucke ausgebildet sind.

Aufgabenstellung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein standardisiertes Tra- gerelement bereitzustellen, das eine einfache, sichere und flexible elektrische Anbindung funktionaler peripherer Komponenten, wie Ventile, Sensoren, Satelliten und externer Stecker, ermöglicht. Mithin soll ein Konzept für eine standardisierte, insbesondere für eine modularisierte, Anbindung von peripheren Komponenten an eine zentrale Elektronik zur Verfugung gestellt werden.

Dies wird erfindungsgemaß mit einer Vorrichtung entsprechend des Patentanspruchs 1 sowie mit einem elektronischen Steuer- gerat umfassend eine solche Vorrichtung gemäß Anspruch 7 erreicht .

Erfindungsgemaß wird vorgeschlagen, dass das Tragerelement eine elektronische Verbindung mit einheitlicher Schnittstelle für außerhalb der zentralen Elektronik angeordnete Komponenten aufweist, welche mindestens teilweise zu den Kontaktpartnern der Leiterplatte der zentralen Elektronik verbunden werden kann. Gleichzeitig weist das Tragerelement mindestens eine Aufnahme für eine oder mehrere periphere Komponente auf. Damit verbindet das erfindungsgemaße Tragerelement die zwei unterschiedlichen Funktionen der sicheren Aufnahme und der standardisierten Kontaktierung, die bisher von separaten Bauteilen übernommen wurden. Darüber hinaus kann mit dieser Zusammenfassung von Funktionalitaten auch eine Standardisierung der Kontaktierung an zentrale Elektroniken von integrierten Mechatroniken erfolgen. Es ist somit erstmals möglich, eine vorgegebene modulare Schnittstelle für gleiche oder verschiedene periphere Komponenten bereitzustellen. Auf diese Weise lasst sich nicht nur eine optimale Entflechtung der Signal- und Strompfade erzielen, sondern es ist auch eine einfache und flexible Anpassung an unterschiedliche Anordnungen, Funk-

tionalitaten und Geometrien der peripheren Komponenten, wie Ventile, Sensoren, Satelliten oder ahnliches, möglich.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen, welche einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können, sind Gegenstand der abhangigen Ansprüche.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann ein Tragerelement ein oder mehrere integrierte elektrische Anbindungen zu einer oder mehreren peripheren Komponenten aufwei- sen. Die integrierten Anbindungen können bevorzugt als Kabel, Leiterbahnen, Stanzgitter oder Stecker ausgebildet sein.

Damit kann das Tragerelement maßgeschneidert auf den jeweiligen Typ der peripheren Komponente, zu der eine Verbindung mit der zentralen Elektronik hergestellt werden soll, ausgelegt werden. Gleichermaßen können mehrere gleiche oder verschiedene periphere Komponenten in das Tragerelement eingesetzt und mit der zentralen Elektronik verbunden werden. Erfindungsge- maß ist somit ein modulares System für verschiedene Anordnun- gen von peripheren Komponenten ermöglicht, das eine erhebliche Flexibilisierung des Gehauseaufbaus und zugleich aufgrund der vereinheitlichten Herstellung auch eine erhebliche Kostenreduktion gestattet.

Weiterhin bevorzugt kann das Tragerelement gleichzeitig einen Pfadbereich für eine oder mehrere elektrische Verbindungen aufweisen. Neben der strukturellen Unterstützung der elektrischen Leitungen hat dies den Vorteil, dass eine weitere Verkürzung und Entflechtung der Signal- und Strompfade möglich ist. Zusatzlich wird durch diese kompakte Zusammenstellung und Bauweise der Elektronik einerseits und der damit verbundenen peripheren Komponenten andererseits die Fehler- und Störanfälligkeit deutlich herabgesetzt.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das Tragerelement zusatzliche Abdeckungen der elektrischen Verbindungen vorsehen, die als Spanschutz und gegen weitere

Kontamination durch Umwelteinflusse fungieren. Vorteilhafterweise können auf diese Weise beispielsweise offene Leiterbahnbereiche als elektrische Verbindungen eingesetzt werden, die sowohl im Pfadbereich in der Zuleitung zu den einzelnen peripheren Komponenten als auch im Bereich der standardisierten Schnittstelle zur zentralen Elektronik vollständig abgedeckt werden. Mithin können ansonsten erforderliche Kontak- tierungsabdeckungen ersetzt werden.

Die Verbindungen zwischen den peripheren elektronischen Komponenten mit der bevorzugt standardisierten Schnittstelle und der zentralen Elektronik der vorliegenden Erfindung können auf jede bekannte Weise hergestellt werden. Vorzugsweise wird eine direkte Ankontaktierung der in das Tragerelement integ- rierten elektrischen Verbindungen an die entsprechenden Bereiche der Leiterplatte der zentralen Elektronik über die standardisierte Schnittstelle ohne weitere Stecker oder Gegenstecker vorgenommen. Auf diese Weise kann sowohl eine Kostenreduktion als auch eine verminderte Fehleranfalligkeit er- zielt werden. Daneben wird die Qualitätskontrolle aufgrund des standardisierten Aufbaus erleichtert.

Als Anbindung zur zentralen Elektronik werden in den erfin- dungsgemaßen elektronisch gesteuerten Systemen bevorzugt fle- xible Leiterplatten eingesetzt. Diese sind besonders geeignet für einen Einsatz bei hohen mechanischen und thermischen Anforderungen, wie sie auch auf dem Gebiet der Motor- und Getriebesteuerungen bei Kraftfahrzeugen vorkommen. Ihre flexible Auslegung ermöglicht eine einfache Anpassbarkeit an unter- schiedliche elektrische Bauelemente und/oder Steuerelektroniken. Die Verbindung kann erfindungsgemaß auch eine mehrlagige flexible Leiterplatte sein, die definitionsgemaß zwei oder mehrere von Isolationsschichten getrennte Leiterbahnebenen aufweisen .

Die flexible Leiterplatte kann beispielsweise aus einer unteren Polyimid-Basisfolie, darauf in einer Klebeschicht einge-

bettet angeordneten metallischen Leiterbahnen, vorzugsweise aus Kupfer, und einer Polyimid-Deckfolie bestehen. Es können auch weitere, bevorzugt kostengünstigere, Materialien sowohl für die Basisfolie als auch für die Klebeschicht verwendet werden. So können beispielsweise zur Kostenreduzierung solche Materialien vorgesehen werden, die in einem Spritz-, Lackieroder Siebdruckverfahren auftragbar sind. Daneben ist es möglich, die Schichtdicke der einzelnen Schichten zu variieren.

Zum Schutz der zentralen Elektronik kann ein Gehausedeckel beispielsweise mit einer Dichtung oder einem Dichtungsmaterial vorgesehen werden. Alternativ oder kumulativ kann der Gehausedeckel auch durch Nieten, Kleben oder Loten mit der Grundplatte und/oder der flexiblen Leiterplatte der zentralen Elektronik verbunden werden. Wichtig dabei ist vor allem, eine gute Abdichtung zu gewahrleisten, sollen die Elektronikbauteile spater in aggressiver Umgebung, wie zum Beispiel in einem Getriebe oder in einem Motor, eingesetzt werden. Wird der Gehausedeckel mittels Loten befestigt, so wird zu- nächst eine ununterbrochen umlaufende metallische Bahn auf der Oberflache flexiblen Leiterplatte angeordnet. Vorzugsweise bildet dieser metallische Bereich die Aufsatzflache des Gehausedeckels ab. Der Gehausedeckel kann aus jedem Material bestehen, das einen ausreichenden Schutz der Elektronik ge- genuber den gegebenen Umwelteinflüssen sicherstellt. Neben

Gehausedeckeln aus Kunststoff können auch solche aus metallischen Materialien verwendet werden. Wenn eine Fixierung des Gehausedeckels mittels Verlöten angestrebt wird, sollte vorzugsweise ein Gehausedeckel aus Metall vorgesehen werden. Dieser bringt gleichzeitig die notwendigen EMV-Abschirmwerte und eine erhöhte Steifigkeit mit.

Das Tragerelement besteht bevorzugter Weise aus einem nichtmetallischen Material, besonders bevorzugt ist er als Kunst- stoff-Spritzteil oder -Formteil ausgelegt. Auf diese Weise kann kostengünstig eine komplexe Architektur des Tragerelements mit Aufnahmen und Verrastungen für die peripheren Korn-

ponenten und für die Bereiche, in denen die elektrischen Verbindungen gefuhrt werden, realisiert werden.

In einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung wird eine flexible Leiterplatte auf den entsprechenden Bereich des Tra- gerelements auflaminiert . Dies stellt eine verlassliche, leichte und kostengünstige elektrische Verbindung sicher.

Zur Herstellung eines erfindungsgemaßen Tragerelementes für ein Steuergerat wird ein Kunststoff-Formteil hergestellt und mit den gewünschten peripheren Komponenten wie Ventile oder Sensoren bestuckt. Anschließend werden die peripheren Komponenten bevorzugt über eine einstuckige flexible Leiterplatte oder über ein oder mehrere Kabel mit der ebenfalls im erfin- dungsgemaßen Tragerelement angeordneten standardisierten Schnittstelle elektrisch verbunden. Die Kontaktierungen zu den elektronischen Komponenten der zentralen Elektronik werden über die Schnittstelle hergestellt und anschließend werden die optional vorgesehenen Abdeckungen auf die entsprechenden Bereiche der elektronischen Verbindung aufgebracht und fixiert. Damit sind die elektrischen Verbindungen entlang des Tragerelements und der Schnittstelle vor äußeren Einflüssen geschützt. Solche äußeren Einflüsse können beispielsweise metallische Spane aus Fertigungsruckstanden des Getriebe- o- der Motorgehäuses beinhalten, die zu Kurzschlüssen der Kon- taktierungen oder der optional offenen Bereiche der Kupfer- Leitungsbahnen fuhren konnten .

Die Erfindung umfasst weiterhin ein elektronisches Steuergerat, das ein oder mehrere Tragerelemente gemäß der vorstehen- den Beschreibung aufweist. Ein erfindungsgemaßes Steuergerat kann aufgrund der neuen Tragerelemente in einer vereinfachten modularen und kompakteren Bauweise hergestellt werden und weist gegenüber den bisherigen Steuergeraten eine geringere Fehleranfalligkeit auf. Das Steuergerat kann beispielsweise für eine integrierte me- chatronische Steuerung eines Kraftfahrzeuggetriebes oder - motors vorgesehen sein.

Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise anhand einer Ausfuhrungsvariante in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert, ohne darauf beschrankt zu sein.

In dieser zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Draufsicht auf das Tragerelement mit vier eingesetzten peripheren Komponenten, das mit einem geschlossenen zentralen Elektronikgehause über eine standardisierte Schnittstelle verbunden ist, und

Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht als Detailansicht des Tragerelementes in Fig. 1.

Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemaßes Tragerelement 1, das zur modularen Anbindung von peripheren Komponenten 2 über eine standardisierte Schnittstelle 3 an eine zentrale Steuerelektronik 7 zum Einbau in ein Kraftfahrzeuggetriebe vorgesehen ist. Das Tragerelement 1 wird von einem komplexen Kunststoff- Formteil 5 mit Aufnahmen 6 für die einzelnen peripheren Kom- ponenten 2 und einem Pfadbereich 8 zur Aufnahme und Stutzung der elektrischen Verbindung 9 bis zur integrierten Schnittstelle 3 für die zentrale Elektronik 7 gebildet. Auf dem Pfadbereich 8 ist als elektrische Verbindung eine flexible Leiterplatte fixiert. Das erfindungsgemaße Tragerelement 1 mit der integrierten standardisierten Schnittstelle 3 sind jeweils so mit der zentralen Elektronik 7 verbunden, dass eine Anbindung und elektrische Kontaktierung zu den offenen Cu- Zonen der flexiblen Leiterplatte 11 hergestellt wird. Vorteilhafterweise ist die Ausgestaltung und Anbindung der Schnittstelle 3 dergestalt angepasst, dass offene Leiterbahnbereiche der flexiblen Leiterplatte 11 vollständig und mindestens spandicht abgedeckt werden können. So kann auf eine zusatzliche Kontaktierabdeckung oberhalb der Leiterplatte 11 verzichtet werden. Gegebenenfalls können zusatzliche Kontak- tierabdeckungen (nicht dargestellt) als Spanschutz und Schutz vor anderen Umwelteinflüssen vorgesehen werden.

Fig. 2 zeigt das Tragerelement aus Fig. 1 in vergrößerter Darstellung. Zum sicheren Sitz der peripheren Komponenten 2 sind neben den formschlussig gestalteten Aufnahmen 6 zusatzlich Verrastungen 12 vorgesehen. In der Abbildung sind die einzelnen elektrischen Verbindungen 9 im Pfadbereich 8 des

Tragerelements so angeordnet, dass eine optimale Entflechtung der Signal- und Strompfade erzielt wird. Die standardisierte Schnittstelle 3 zur Anbindung an die Leiterbahnbereiche der zentralen Elektronik weist zusatzlich eine Abdeckung 14 auf. Auf diese Weise kann auf einzelne Kontaktierabdeckungen weitgehend verzichtet werden.