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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer bekannten Vorrichtung zum Herstellen
von elektrischen Kontakten mittels Steckverbindungen bei Schaltungsträgern in
Motor-Steuerungsgeräten. Ein solches Gerät ist durch
die
DE 33 10 477 A1 bekannt.
Gemäß dieser Lösung kommt eine Leiste
aus Metallzungen in einer Kunststofffassung zum Einsatz, wobei die
elektrische Kontaktierung mit dem Schaltungsträger durch
eine Durchstecklötung erfolgt. Durch die Einfassung werden
eine mechanische Stabilisierung und eine elektrische Abschirmung
erreicht.
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In
der
DE 296 19 867
U1 wird eine Leiste aus Metallzungen in einem Steckerkörper
offenbart, die über eine Beschichtung zur Abschirmung von
elektromagnetischen Störeinflüssen aus der Umgebung und
elektromagnetischer Abstrahlung vom Schaltungsträger nach
außen verfügt.
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Eine
Vielzahl von weiteren Steckervarianten ist je nach Anwendungsfall
bekannt. So offenbart beispielsweise
EP
1 480 294 einen Steckverbinder mit Durchstecklötung
und elektromagnetischer Abschirmfunktion. Die Metallstifte der Fassung
werden dabei durch ein Loch des Schaltungsträgers geführt und
durch selektives Löten fixiert und elektrisch mit der Schaltung
verbunden. Durch eine Ummantelung der Stifte im Außenbereich
der Fassung mit Metall wird die elektrische Abschirmung erreicht.
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Desweiteren
sind Steckervarianten bekannt, die ohne Durchstecklötung
auskommen. Hierzu werden die Metallstifte auf der Oberfläche
des Schaltungsträgers angebracht. Die elektrische Kontaktierung
mit der Schaltung erfolgt jeweils über die Metallstifte
und Lötstellen auf der Oberfläche des Schaltungsträgers.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Steckervarianten haben den Nachteil
eines hohen fertigungstechnischen Aufwands und hoher Kosten. Die
Signalführung über die Metallstifte hin zum Schaltungsträger
bringt einen hohen Raum- und Flächenbedarf mit sich und
erschwert eine wirkungsvolle Abschirmung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung hat eine Vorrichtung zum elektrischen Anschluss
von Schaltungsträgern, beispielsweise in Motor-Steuerungsgeräten,
an die Peripherie zum Gegenstand. Die elektrische Verbindung geschieht
mittels wenigstens einer elektrisch leitenden Kontaktvorrichtung,
im Folgenden Kontaktpin genannt, die in einer Fassung sitzt. Kern
der Erfindung ist die Nutzung der Laser-Direkt-Strukturierung zur
Ausbildung von Leiterbahnen auf oder innerhalb des Steckers, um
die Signalführung zwischen dem wenigstens einen Kontaktpin
und dem Schaltungsträger zu realisieren.
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Die
Laser-Direkt-Strukturierung ist ein beispielsweise aus der
EP 1 383 360 bekanntes Verfahren
das auf der Oberfläche eines aus Thermoplasten bestehenden
Formteils mit einem Laser ein Schaltungsbild einprägt.
Der Laser verdampft dabei die oberste Polymerschicht und aktiviert
die in den Thermoplasten enthaltenen metallorganischen Komplexverbindungen.
Die somit eingeprägten Strukturen werden schließlich
in einem Metallisierungsbad mit einer Kupferschicht überzogen.
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Statt
der in
DE 296 19 867
U1 verwendeten Durchstecktechnik ermöglicht die
erfindungsgemäße Vorrichtung eine Oberflächenmontage
mittels einer Metallisierung wenigstens einer Kontaktfläche
auf dem Körper der Fassung, über die im Reflow-Verfahren
die Verlötung mit den Anschlussstellen auf dem Schaltungsträger
erfolgt.
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Statt
den herkömmlichen Metallpins zur Signalführung
zwischen Kabelbaum und Schaltungsträger werden in der Fassung
Metallpins nur noch zur elektrischen Kontaktierung innerhalb der
Fassung verwendet, die Weiterleitung des wenigstens einen Signals
geschieht über wenigstens eine durch die Laser-Direkt-Strukturierung
gebildete Leiterbahn.
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Durch
die Laser-Direkt-Strukturierung können während
der Verarbeitung des Steckers oder bereits im Herstellungsprozess
des Steckers passive Bauelemente auf der Steckerfassung integriert
werden, beispielsweise zur elektromagnetischen Abschirmung. Hierzu
kommen als Bauelemente häufig Kondensatoren, Widerstände
und Spulen zum Einsatz, die bei geeigneter Verschaltung und je nach
der elektrotechnischen Eigenschaft des zu übertragenden
Signals einen Filterschaltkreis implementieren, der störende
Signalkomponenten dampft oder unterdrückt. Enthält
das Signal beispielsweise Frequenzanteile über einer Grenze,
die je nach Anwendungsfall variieren kann und in der Regel oberhalb
von 100 Mhz liegt, so können diese Signalanteile zu einer
unerwünschten elektromagnetischen Störabstrahlung über
die als Antenne wirkende Leiterbahn führen. In einem solchen
Anwendungsfall wird durch eine Tiefpass-Filterung der hochfrequente
Anteil aus dem Spektrum des zu übertragenden Signals herausgefiltert.
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Wie
aus der
EP 1 480 294
B1 bekannt ist, wird im Stand der Technik bei Steckern
zur elektromagnetischen Abschirmung wenigstens einer signalführenden
Verbindungsleitung von einem Kontaktpin zu einer Kontaktfläche
häufig eine Ummantelung der Verbindungsleitung aus Metall
verwendet, die idealerweise über den gesamten Bereich verläuft,
in dem sich die Leitungsführung erstreckt. In der
DE 296 19 867 U1 entspricht
dieser Bereich dem gesamten Raum über der Kontaktierzone,
der vom Rand der Fassung und der Kontaktierzone begrenzt wird und diesen
wie ein hohler Quader umschließt. Durch den Einsatz der
Laser-Direkt-Strukturierung ist eine solche Maßnahme zur
elektromagnetischen Abschirmung überflüssig, so
dass der im Stand der Technik für die Abschirmung benötigte
Raum frei wird und in vorteilhafter und kostensenkenden Weise für
alternative Zwecke benutzt werden kann.
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Die
Nutzung der Laser-Direkt-Strukturierung verringert weiterhin in
vorteilhafter Weise den Raum- und Flächenbedarf durch den
Entfall der Durchsteckmontage. Dies führt zu einem Flächenzugewinn
auf der Unterseite des Schaltungsträgers, der beispielsweise
als zusätzliche Bestückungsfläche genutzt werden
kann. Weiterhin ergibt sich ein Zugewinn an Verdrahtungskapazitäten
in den Innenlagen des Schaltungsträgers, da keine die Innenlagen-Verdrahtung
einschränkenden Bohrungen für die Durchstecktechnik
erforderlich sind.
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Eine
weitere Kostensenkung ergibt sich aufgrund des geringeren Kupferanteils
im Bereich der wenigstens einen Kontaktfläche und den Entfall
des selektiven Lötens zugunsten der Reflow-Löttechnik. Bei
dieser Technik wird zuerst ein Weichlot in Form einer klebrigen
Lotpaste auf den zu verlötenden Stellen aufgetragen, beispielsweise
mittels Schablonendruck. Beim Bestücken der Bauteile bleiben
diese auf den Kontaktflächen kleben, so dass die Bauteile
nicht in einem getrennten Schritt auf dem Schaltungsträger
fixiert werden müssen. Schließlich wird das Lot aufgeschmolzen,
wobei dieser Schritt bei mehreren oder allen Bauteilen gleichzeitig
erfolgen kann. Im Gegensatz dazu erfor dert das selektive Löten
in vielen Anwendungsfällen eine für jede Kontaktfläche
getrennte, Zeit und Kosten in Anspruch nehmende Vorgehensweise.
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Ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist die verbesserte
Temperaturwechselfestigkeit. Da die im Stand der Technik verwendete
Vielzahl von verschiedenen Materialien bei Steckern verschiedene
Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, kommt es im Stand
der Technik bei Änderungen der Umgebungstemperatur oder
bei Temperaturverläufen über die Materialien hinweg
häufig zu thermischen Verspannungen und infolge dessen
zu Defekten und Störungen. Im Gegensatz dazu kommen in
der vorliegenden Erfindung weniger und thermisch homogenere Stoffe
zum Einsatz, so dass weniger Verspannungen und eine bessere Temperaturwechselfestigkeit
gegeben sind.
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Zunächst
wird der Grundkörper der Steckerleiste, eine Fassung und
eine Schaltungsträger-Kontaktierungszone umfassend, hergestellt,
was bevorzugt im Wege des Kunststoffspritzgussverfahrens erfolgt.
Anschließend erfolgt eine Laser-Direkt-Strukturierung,
im nächsten Herstellungsschritt die Herstellung einer Verbindungsstruktur
auf dem zuvor spritzgegossenen Steckerleisten-Grundkörper.
Die Laser-Direkt-Strukturierung prägt die Verbindungsstruktur
in das Material der Steckerleiste ein, die anschließend
metallisiert wird. Das Metallisieren kann über eine Beschichtung
mit einer dünnen Kupferschicht oder einem anderen leitfähigen
Metall oder Metalllegierung erfolgen. Danach schließlich
erfolgt das als Stichen bezeichnete Einpressen des wenigstens einen
Kontaktpins in das Grundmaterial der bevorzugt spritzgegossenen
Steckerleiste, welche die Fassung und die Schaltungsträger-Kontaktierungszone
umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 Eine
Messerleiste gemäß des Standes der Technik in
Seitenansicht,
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2 einen
Ausschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung in 4 in
Seitenansicht,
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3 eine
Variante der Erfindung in Form eines abgeflachte Metallpins umfassenden
Steckers und
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4 die
erfindungsgemäße Vorrichtung als Teil eines Motor-Steuerungsgerätes.
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In
der 1 ist ein Stecker 1 nach dem Stand der
Technik gezeigt, umfassend eine Fassung 4, Kontaktstifte 5,
eine in herkömmlicher Weise hergestellten Leiterbahnstruktur 2 zur
elektrischen Verbindung der Kontaktstifte 5 mit für
die Durchsteckmontage vorgesehenen Lötstiften 6,
die zur Verlötung mit einem Schaltungsträger 3 durch
Bohrlöcher im Schaltungsträger 3 gesteckt
werden können.
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Ausführungsformen
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In
der 2 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Steckers gezeigt. Eine Fassung 100 enthält in
einen Steckerboden 113 verankerte Kontaktpins 101.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet die
Fassung 100 dabei ganz oder teilweise einen im Spritzgießverfahren
hergestellten Kunststoff, wobei hierfür eine Vielzahl an
etablierten Techniken zur Verfügung steht, beispielsweise
Thermoplast-Spritzgießen oder Mehrkomponenten-Spritzgießen.
Die Verankerung der Kontaktpins 101 im Steckerboden 113 geschieht
typischerweise durch kraftschlüssiges Einpressen (Stichen)
in den Kunststoff, wobei jedoch auch andere Techniken möglich
sind. So können die Kontaktpins 101 beispielsweise
in den Steckerboden 113 durch Einschmelzen oder Einschrumpfen
kraftschlüssig, formschlüssig oder auch stoffschlüssig
verankert werden.
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Die
Kontaktpins 101 können in beliebiger Zahl und
Anordnung im Steckerboden 113 angeordnet werden, beispielsweise
sind vierreihige Anordnungen von Kontaktpins 101, wie in 2 dargestellt,
möglich, die in der Regel einen identischen Abstand h zueinander
aufweisen. Typischerweise werden die Kontaktpins 101 kontaktseitig
bündig angeordnet, so dass die in einen Hohlraum 110 in
der Fassung 100 reichenden Kontaktpins 101 eine
identische Länge 1 aufweisen. Eine Öffnung 111 im
Stecker 106 ermöglicht ein Endringen von Kontaktpins (nicht
dargestellt) eines Gegensteckers 109, so dass eine kraftschlüssige
elektrische Verbindung zwischen den Kontaktpins 101 des
Steckers 106 und des Gegensteckers 109 hergestellt
wird. Ein Haltebolzen 112 sorgt für eine passgenaue
Aufsteckung des Gegensteckers 109 auf das Gehäuse 100 des Steckers 106,
sowie mechanische Stabilität. Wenngleich die Kontaktpins 101 in
der Darstellung gemäß 2 allesamt
eine identische Länge 1 aufweisen, können
die Kontaktpins 101 auch unterschiedliche Längen 1 aufweisen.
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Weitere
Ausführungsformen sind bezüglich der Form des
Gegensteckers 109 und des Haltebolzens 112 möglich.
So kann der Gegenstecker 109 statt für eine Aufsteckung
beispielsweise auch dafür ausgelegt sein, in den Hohlraum 110 des
Steckers 106 formschlüssig und den Hohlraum 110 vollständig ausfüllend
eingesteckt zu werden. Abhängig von der Ausführungsform
des Gegensteckers 109 variiert auch die Form des Haltebolzens 112.
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Sowohl
die Kontaktpins 101 des Steckers 106 als auch
die Kontaktpins des Gegensteckers 109 können auf
verschiedene Weise bezüglich Form, Größe,
Material und Oberflächenbeschaffenheit ausgeführt
sein, ohne vom Kern der Erfindung abweichen. Neben massiven Metallausführungen
sind beispielsweise Kunststoffe mit Metallüberzug möglichen,
ebenso Kontaktpins 101, die keine elektrische Verbindung
herstellen, sondern nur einer reibungsbehafteten mechanischen Kontaktierung
zwecks Stabilität dienen. In solchen Fällen können
die Kontaktpins 101 und die Kontaktpins des Gegensteckers 109 auch
aus elektrisch nicht leitenden Stoffen oder Stoffzusammensetzungen
gefertigt werden.
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Weiterhin
kann die Form der Kontaktpins 101 des Steckers und der
Kontaktpins des Gegensteckers 109 eine Vielzahl von Varianten
aufweisen. Neben runden, spitz zulaufenden Kontaktstiften oder Kontaktnadeln
können beispielsweise auch abgeflachte Kontaktzungen eingesetzt
werden.
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Wie
in 2 dargestellt ist, weist der Steckerboden 113 ein
im Wesentlichen L-förmiges Aussehen auf. In den bevorzugt
im Wege des Spritzgussverfahrens gefertigten Steckerboden 113 des
Steckers 106 gemäß der Darstellung in 2 sind
die Kontaktpins 101 eingepresst und stehen in einer identischen
Länge 1 über den in einen Hohlraum 110 des
Steckers 106 begrenzenden Boden hervor. Wie der Darstellung
gemäß 2 weiterhin zu entnehmen ist,
sind die in 2 dargestellten vier Kontaktpins 101 in
einem identischen Abstand h zueinander beabstandet. Auf der vom
Hohlraum 110 abgewandten Seite des Steckerbodens 113 verläuft
die Leiterbahnstruktur 103. Die Leiterbahnstruktur 103 wird
am Steckerboden 113 auf der vom Hohlraum 110 abgewandeten
Seite bevorzugt durch Laser-Direkt-Strukturierung (LDS) erzeugt.
Dadurch können heute eingesetzte Steckerpins eingespart
werden. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
ist die im Wege der Laser-Direkt-Strukturierung aufgebrachte Leiterbahnstruk tur 103,
die entweder im Wege des Einprägens oder des Aufbringens
auf dem Steckerboden 113 erzeugt) wird, mittels Kontaktflächen 102 (Lötpads)
mit dem Schaltungsträger 104 kontaktiert. Zusätzlich
können während der Metallisierung der Leiterbahnstruktur 103 Bauelemente 108,
z. B. passive Bauelemente für Abschirmungszwecke integriert werden.
Die Kontaktflächen 102 zwischen der im Bereich
der Kontaktierungszone 107 um den Steckerboden 113 herumgeführten
Leiterbahnstruktur 103, d. h. die Lot-Pads 102,
werden wie SMD-Bau-Elemente (surface mounted devices) zum Beispiel
im Reflow-Verfahren verlötet.
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Dadurch
kann in vorteilhafter Weise der Kupferanteil in der Kontaktierungszone,
d. h. im Bereich der Kontaktflächen 102 zwischen
dem Schaltungsträger 104 und der Leiterbahnstruktur 103 reduziert werden.
Des Weiteren kann ein ansonsten vorgesehener Prozessschritt selektives
Löten entfallen. Da die Durchsteck-Montage entfällt,
können dem Schaltungsträger 104 ein Zugewinn
von Bestückungsfläche z. B. an der Unterseite
erreicht werden, sowie ein Zugewinn an Verdrahtungsfläche.
Des Weiteren können passive Bauelemente 108 – wie
in 2 dargestellt –, die ansonsten auf dem
Schaltungsträger 104 angeordnet werden, nunmehr
auf der Leiterbahnstruktur 103 am Steckerboden 113 bzw.
an der Innenseite des Steckerbodens 113 auf der vom Hohlraum 110 abgewandten
Seite untergebracht werden, was zu einer Minimierung des Flächenbedarfes
für Passivbauelemente 108 am Schaltungsträger 104 führt.
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Die
in 2 dargestellte Anordnung wird folgendermaßen
gefertigt: Zunächst wird ein Grundkörper des Steckers 106 umfassend
Fassung 100 und Steckerboden 113 bevorzugt im
Wege des Spritzgießverfahrens spritzgegossen. An diesem
Grundkörper, die Fassung 100 und den L-förmig
konfigurierten Steckerboden 113 umfassend, wird die Kontaktierungszone 107 ausgebildet.
Im Wege der Laser-Direkt-Strukturierung wird im nächsten
Herstellungsschritt die Leiterbahnstruktur 103 an der Innenseite
des L-förmig ausgeführten Steckerbodens 113 erzeugt.
Diese kann entweder an der Innenseite des Steckerbodens 113 aufgeprägt
oder auf andere Weise auf diesen aufgebracht werden. Nach der Laser-Direkt-Strukturierung
erfolgt ein Metallisieren der zuvor aufgebrachten, sei es eingeprägten
oder auf anderem Wege erzeugten Leiterbahnstruktur 103. Das
Metallisieren kann z. B. durch Beschichtung mit einem metallischen
Film aus Kupfer oder einer anderen leitfähigen Beschichtung
realisiert werden. Daran schließt sich ein als „Stichen"
bezeichnetes Einpressen des wenigstens einen Kontaktpins 101 in
den Grundkörper, d. h. in den Steckerboden 113,
an. Wie in 2 dargestellt, sind die dort
dargestellten Kontaktpins 101 allesamt derart in den Steckerboden 113 eingesteckt,
dass die Kontaktpins 101 um die identische Länge 1 in
den Hohlraum 110 der Fassung 100 hineinragen.
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Während
bei der in 1 dargestellten Ausführungsform
eine Kontaktierung der Kontaktpins 5 über die
Lötstifte 6 mit dem Schaltungsträger 3 erfolgt,
verläuft bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Lösung die Kontaktierung der Kontaktpins 101 über
die Leiterbahnstruktur auf der Innenseite des L-förmig
ausgeführten Steckerbodens. Kontaktpins 6, wie
sie bei der Lösung gemäß 1 aus
dem Stande der Technik erforderlich sind, können bei der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Ausführungsform des Steckers 106 gemäß 2 entfallen.
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Im
Gegensatz zum Stand der Technik gemäß 1 wird
eine Leiterbahnstruktur 103 zu einem Schaltungsträger 104 über
Kontaktflächen 102 mithilfe von Laser-Direkt-Strukturierung
hergestellt. Der Stecker 106 verfügt idealerweise über
eine Kontaktierzone 107, die eine Verteilung der Kontaktflächen 102 auf
dem Schaltungsträger 104 ermöglicht,
wobei die Kontaktflächen 102 typischerweise als Lot-Bumps
ausgeführt sind. In einer Variante der Erfindung kommen
Bauelemente 108, zum Beispiel Kondensatoren, Widerstände
und Spulen, zum Einsatz, die vorzugsweise zur elektromagnetischen
Abschirmung des Steckers 106 dienen und als passive Bauelemente
ausgeführt sind.
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Das
Gehäuse 300 umschließt den Schaltungsträger 104 und
Teile des Steckers 106, wobei Form, Größe,
Material und Zusammensetzung des Gehäuses 300 je
nach Anwendungsfall variieren können. Typischerweise ist
das Gehäuse 300 aus Metall, bildet einen quaderförmigen,
hohlen Kasten, der an seinen Rändern den Schaltungsträger 104, die
Kontaktierzone 107, Teile des Steckerbodens 113 und
der Fassung 100 formschlüssig umgibt. Anwendung
findet eine solche Zusammensetzung beispielsweise in Kraftfahrzeugen
als Steuerungsgerät.
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In 3 ist
eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Steckers 106 abgebildet. Die Fassung 100 umgibt
den Holraum 110, in dem sich als abgeflachte Metallzungen
ausgeführte Kontaktpins 101 befinden, in diesem
Fall in zweireihiger Anordnung mit horizontalem Abstand d von Kontaktpin 101 zu
Kontaktpin 101. Der Haltebolzen 112 ist auf der
Oberseite und der Unterseite der Fassung 100 ausgeführt,
kann jedoch auch seitlich am linken oder rechten Rand der Fassung 100 angebracht
sein. Die auf dem Schaltungsträger 104 zu montierende Kontaktzone 107 ist
vorzugsweise auf der Unterseite mit den in 2 abgebildeten
Kontaktflächen 102 versehen.
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Gemäß 4 ist
ein Motor-Steuerungsgerät 310 dargestellt, für
das der erfindungsgemäße Stecker einen wichtigen
Bestandteil bildet. Die Kontaktpins 101 sind in dieser
Va riante abgeflacht, können jedoch in jeder im Zusammenhang
mit 2 erläuterten Form und Anordnung geartet
sein, ohne vom Kern und Wesen der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Die Schnittlinie II kennzeichnet einen Ausschnitt, der in 2 als
Seitenansicht zu sehen ist, die Anzahl von Reihen von Kontaktpins 101 kann ebenfalls
variieren, ohne vom Kern und Wesen der Erfindung abzuweichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3310477
A1 [0001]
- - DE 29619867 U1 [0002, 0008, 0011]
- - EP 1480294 [0003]
- - EP 1383360 [0007]
- - EP 1480294 B1 [0011]