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Kapazitive Näherungssensoren werden häufig in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um beispielsweise im Rahmen eines Kollisions- oder Einklemmschutzsystems Hindernisse zu erkennen, die der Bewegung eines verstellbaren Fahrzeugteils (beispielsweise einer absenkbaren Fensterscheibe) entgegenstehen. Alternativ werden kapazitive Näherungssensoren in Kraftfahrzeugen auch zur berührungslosen Erkennung eines Bedienbefehls eines Fahrzeugnutzers eingesetzt. Unter anderem werden kapazitive Näherungssensoren als berührungslose Heckklappenschalter eingesetzt, um - beispielsweise durch eine Fußbewegung - das automatische Öffnen oder Schließen der Heckklappe auszulösen.
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Ein kapazitiver Näherungssensor weist üblicherweise eine Elektrodenanordnung auf, die eine oder mehrere Sensorelektroden umfasst. Weiterhin umfasst ein solcher Näherungssensor üblicherweise eine Steuerelektronik (als Teil einer entsprechenden Steuereinheit), welche die Elektrodenanordnung messtechnisch ansteuert. Die Steuerelektronik ist hierzu gängigerweise über (eine oder mehrere) (Sensor-)Zuleitungen mit der entsprechenden Sensorelektrode elektrisch kontaktiert. Im Betrieb des Näherungssensors wird an mindestens eine der Sensorelektroden über die entsprechende Sensorzuleitung eine elektrische Wechselspannung (Elektrodenspannung) angelegt, unter deren Wirkung sich im Umfeld der Sensorelektrode ein elektrisches Feld aufbaut. Diese Sensorelektrode bildet somit mit mindestens einer anderen Sensorelektrode der Elektrodenanordnung oder mit Masse (d.h. mit mindestens einem auf Massepotentiel liegenden Leiter) einen elektrischen Kondensator aus, dessen Kapazität durch den Näherungssensor gemessen wird. Die Funktion des Näherungsensors beruht dabei auf dem physikalischen Effekt, dass die messbare Kapazität der Elektrodenanordnung durch die Annäherung von (elektrisch leitenden oder nicht-leitenden) Objekten, insbesondere Körperteilen, beeinflusst wird, wodurch ein solches Annäherungsereignis detektiert wird.
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Nachteiligerweise wirken die Sensorzuleitungen der Elektrodenanordnung ähnlich wie die Sensorelektroden selbst, indem diese Sensorzuleitungen unter Beaufschlagung mit der Elektrodenspannung elektrische Störfelder emittieren oder indem in diesen Sensorzuleitungen unter Wirkung externer elektrischer Felder elektrische Spannungen induziert werden. Um zu verhindern, dass die Sensorzuleitungen auf diese Weise das Messergebnis des kapazitiven Näherungssensors stören oder verfälschen, müssen die Sensorzuleitungen häufig elektrisch geschirmt werden, was aus Kostengründen unerwünscht ist.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen effektiven, insbesondere störungsunanfälligen, aber dennoch einfach und kostengünstig herstellbaren kapazitiven Näherungssensor anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung dargelegt.
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Der kapazitive Näherungssensor umfasst erfindungsgemäß mindestens eine längliche Sensorelektrode, sowie eine mit der Sensorelektrode elektrisch verbundene Steuerelektronik, wobei die zumindest eine Sensorelektrode als hohle Leiterstruktur ausgebildet ist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Teil der Steuerelektronik in dieser hohlen Leiterstruktur aufgenommen.
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Aufgrund der zumindest teilweisen Aufnahme der Steuerelektronik in der hohlen Leiterstruktur ist eine Sensorzuleitung zwischen diesen Teilen entweder gar nicht vorhanden (in diesem Fall ist die Sensorelektrode unmittelbar mit der Steuerelektronik kontaktiert) oder jedenfalls nur sehr kurz. Die gegebenenfalls vorhandene Sensorzuleitung ist zudem innerhalb der hohlen Sensorelektrode angeordnet und somit damit von Haus aus gegenüber der Umgebung der Sensorelektrode elektrisch abgeschirmt. Eine gesonderte Abschirmung für die gegebenenfalls vorhandene Sensorzuleitung ist somit unnötig und entsprechend auch nicht vorgesehen.
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Der zumindest eine in der hohlen Leiterstruktur aufgenommene Teil der Steuerelektronik umfasst z.B. einen (D/A-Wandler) (oder einen Analog-Digital-Wandler (A/D-Wandler), einen (Vor-)Verstärker und/oder einen Microcontroller
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Grundsätzlich kann die hohle Leiterstruktur im Rahmen der Erfindung beispielsweise durch den Mantelleiter eines Koaxialkabels gebildet sein, dessen Innenleiter entfernt ist. Vorzugsweise umfasst die Sensorelektrode aber einen massiven Metalldraht, der zu einer Wendel mit mehreren Windungen geformt ist. Die hohle Leiterstruktur ist insbesondere nicht oder zumindest nicht vollständig mit einem Feststoff oder einem anderen Kern ausgefüllt, so dass ausreichend Platz zur Aufnahme des zumindest einen Teils der Steuerelektronik vorhanden ist.
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Bei einem zu einer Wendel geformten Metalldraht, der den eigentlichen elektrischen Leiter der Sensorelektrode darstellt, hat die Sensorelektrode eine näherungsweise hohlzylindrische Leiterstruktur, die mit vergleichsweise wenig Leitermaterial die Realisierung einer hohen Elektrodenoberfläche ermöglicht.
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Der Metalldraht besteht bevorzugt aus einem Stahl, wodurch bei vergleichsweise geringen Materialkosten und hinreichender elektrischer Leitfähigkeit eine besonders hohe mechanische Stabilität der Sensorelektrode erreicht wird. Grundsätzlich ist im Rahmen der Erfindung aber auch möglich, eine Wendel aus einem anderen Metall, wie z.B. Kupfer oder Aluminium einzusetzen. Vorzugsweise ist der Metalldraht als Metallband mit rechteckigem Drahtquerschnitt ausgebildet.
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Weiter vorteilhaft ist der Metalldraht zu einer dichten Wendel gebogen, also einer Wendelstruktur, bei der - zumindest in ungebogenem Zustand der Wendel - entweder zwischen benachbarten Windungen der Wendel ein Zwischenraum gebildet ist, der kleiner als die Ausdehnung des Metalldrahts in Längsrichtung der Wendel ist, oder bei der die Windungen der Wendel sogar unmittelbar aneinander anliegen.
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Zur elektrischen Isolierung der Metallwendel nach außen, aber auch zum Schutz gegen Verschmutzung, Korrosion und mechanische Beschädigung, ist die Wendel außenseitig vorzugsweise mit einer Hülle (auch: Mantel) aus Kunststoff oder Gummi umgeben. Die Hülle ist dabei wahlweise einlagig gestaltet oder aus mehreren, optional aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Lagen gebildet. Die Hülle umfasst dabei optional auch Fasern oder eine Textileinlage.
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Zusätzlich oder alternativ zu der äußeren Hülle ist in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung innerhalb der Metallwendel eine schlauchförmige Innenlage aus Kunststoff oder Gummi eingesetzt. Die Innenlage dient als elektrische Isolierung der Metallwendel nach innen (insbesondere zur Vermeidung von Kriechströmen), sowie wiederum zum Schutz der Wendel gegen Verschmutzung und Korrosion. Auch die Innenlage kann im Rahmen der Erfindung ein- oder mehrlagig sein.
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Optional ist die Wendel ganz oder teilweise in die Hülle oder in die Innenlage eingebettet. Insbesondere können gegebenenfalls die Hülle und die Innenlage im Rahmen der Erfindung auch miteinander verbunden, z.B. verklebt oder verschweißt sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Sensorelektrode durch eine Bowdenzughülle gebildet. Bowdenzughüllen an sich werden herkömmlich beispielsweise bei Fahrrädern, aber auch in Kraftfahrzeugtüren zusammen mit einem eingelegten Bowdenzug zur Übertragung von Zugkräften eingesetzt. Ein großer Vorteil einer durch eine Bowdenzughülle gebildeten Sensorelektrode besteht dabei darin, dass solche Bowdenzughüllen als kommerzielles Massenprodukt kostengünstig erhältlich sind. Die Bowdenzughülle umfasst hierbei vorzugsweise die Metallwendel sowie optional die umgebende Hülle und/oder die Innenlage.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung ist die hohle Leiterstruktur zur Aufnahme des zumindest einen Teils der Steuerelektronik zumindest teilweise aufgeweitet. Durch die Aufweitung wird Platz für die Anordnung des in der hohlen Leiterstruktur aufzunehmenden Teils der Steuerelektronik geschaffen. Die Aufweitung erfolgt beispielsweise mittels einer Druckumformung oder mittels eines Vibrationsumformungsverfahrens.
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Die Kontaktierung der Leiterstruktur mit der Steuereinheit erfolgt zweckmäßigerweise durch Verschweißen oder Verlöten.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb der hohlen Leiterstruktur ein Sicherungselement angeordnet, durch welches der mindestens eine Teil der Steuerelektronik gegen Verrutschen gesichert ist. Das Sicherungselement wird hierzu in die hohle Leiterstruktur eingeschoben und ist insbesondere als Stopfen, Zapfen, oder Stöpsel ausgebildet.
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Der mindestens eine Teil der Steuerelektronik ist zweckmäßigerweise in der hohlen Leiterstruktur vergossen. So wird der mindestens eine innerhalb der hohlen Leiterstruktur aufgenommene Teil der Steuerelektronik gewissermaßen verkapselt und ist (unter anderem) vor Feuchtigkeit, Verunreinigung, Vibration und Erschütterung geschützt. Zum endseitigen Verschließen der hohlen Leiterstruktur ist mindestens eines der Enden der hohlen Leiterstruktur zweckmäßigerweise mit Kunststoff umspritzt. Alternativsind an den Enden der hohlen Leiterstruktur in einer zweckmäßigen Ausführung der Erfindung Endkappen aufgesetzt, die verklebt oder verschweißt werden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist zumindest ein Vorverstärker der Steuerelektronik in der hohlen Leiterstruktur aufgenommen. Der Vorverstärker dient der Verstärkung des aus einer Kapazitätsänderung resultierenden Signals. Das vorverstärkte Signal wird dann weiterverarbeitet. Die weitere Verarbeitung erfolgt zweckmäßigerweise mittels weiterer Teile der Steuerelektronik, wobei diese entweder ebenfalls innerhalb der hohlen Leiterstruktur aufgenommen oder außerhalb dieser (insbesondere als Teil eines externen Steuergeräts) angeordnet sein können.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
- 1 in schematischer Darstellung einen kapazitiven Näherungssensor zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug mit zwei Sensorelektroden, die mit einer zugehörigen Steuerelektronik elektrisch kontaktiert sind, wobei in jede der beiden Sensorelektroden jeweils ein Teil der Steuerelektronik, nämlich ein Vorverstärker, integriert ist,
- 2 in einer perspektivischen, teilweise aufgeschnittenen Darstellung eine Sensorelektrode des kapazitiven Näherungssensors gemäß 1,
- 3 in schematischer Schnittdarstellung ein aufgeweitetes Ende der Sensorelektrode gemäß 2 mit dem darin aufgenommenen Vorverstärker,
- 4 in schematischer Darstellung die Sensorelektrode gemäß 2 in ursprünglichem Zustand,
- 5 in schematischer Darstellung die Sensorelektrode gemäß 2 bis 4 im aufgeweitetem Zustand, sowie den aufzunehmenden Vorverstärker.
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Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen kapazitiven Näherungssensor 1, der zum Einsatz in einem Kraftfahrfahrzeug, hier zur berührungslosen Erkennung eines Bedienbefehls eines Fahrzeugnutzers zur Öffnung einer automatisch betätigten Heckklappe eingerichtet und vorgesehen ist.
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Der Näherungssensor 1 umfasst eine Steuerelektronik 2 sowie zwei längliche Sensorelektroden 3 und 4. Die Steuerelektronik 2 ist dazu eingerichtet,
- - die beiden Sensorelektroden 3 und 4 jeweils mit einer elektrischen Wechselspannung anzusteuern,
- - die jeweilige (elektrischen) Kapazität der Sensorelektroden 3 und 4 gegenüber Masse zu messen,
- - die gemessenen Kapazitäten mit einem vorgegebenen Auslösekriterium zu vergleichen, und
- - einen Stellbefehl zur Öffnung der zugeordneten Heckklappe zu erzeugen, wenn die gemessenen Kapazitäten das Auskösekriterium erfüllen.
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Die Steuerelektronik 2 umfasst dabei drei räumlich getrennte Teile, nämlich ein zentrales Steuergerät 5 und zwei Vorverstärker 6 und 7. Jeweils einer der Vorverstärker 6 und 7 ist dabei einer der Sensorelektroden 3 bzw. 4 zugeordnet. Jeder der Vorverstärker 3 und 4 ist signaltechnisch zwischen das zentrale Steuergerät 5 und die jeweils zugeordnete Sensorelektrode 3 bzw. 4 geschaltet. Konstruktiv sind die beiden Vorverstärker 6 und 7 jeweils mit der zugeordneten Sensorelektrode 3 bzw. 4 zu einer integralen Baueinheit verbunden.
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Das zentrale Steuergerät 5 ist mit den beiden Vorverstärkern 6 und 7 über jeweils eine Signalleitung 8 bzw. 9 verbunden. Die Signalleitungen 8 und 9 sind vorzugsweise als LIN-Busleitungen ausgebildet. Die Steuerelektronik 2 bildet somit ein auf dem LIN-Standard basierendes Kommunikationssystem, in dem das Steuergerät 5 als Master und die Vorverstärker 6 und 7 als Slaves agieren.
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Optional sind die Sensorelektroden 3,4 auf einem gemeinsamen Träger 11 in einer vorgegebenen Relativlage zueinander fixiert. Zum Schutz der Enden der Sensorelektroden 3, 4 ist diesen jeweils an beiden Längsenden eine Endkappe 12 aus Kunststoff aufgesetzt.
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Beide Sensorelektroden 3,4 sind vorliegend jeweils als hohle Leiterstruktur ausgebildet, in der der jeweils zugeordnete Vorverstärker 6 bzw. 7 aufgenommen ist.
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Die übrigen Komponenten der Steuerelektronik 2 sind räumlich beabstandet von den Sensorelektroden 3 und 4 in dem zentralen Steuergerät 5 integriert.
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Die hohle Leiterstruktur der beiden gleich aufgebauten Sensorelektroden 3 und 4 ist in den 2 und 3 näher dargestellt. Daraus ist ersichtlich, dass die Sensorelektrode 3,4 im Kern aus einem massiven (im Querschnitt rechtwinkligen) Metalldraht 16 aus Stahl gebildet ist, der zu einer Wendel 17 gebogen ist. Die einzelnen Windungen 18 dieser Wendel 17 liegen unmittelbar aneinander an. Der Metalldraht 16 ist hierbei um seine flache Seite gebogen, so dass die Windungen 18 der Wendel 17 in Richtung der (Längs-) Achse A der Wendel 17 jeweils eine größere Ausdehnung haben als in Radialrichtung (also senkrecht zur Achse A).
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Die Wendel 17 umgibt einen Innenraum 19, der im Ausführungsbeispiel gemäß den 2 und 5 größtenteils luftgefüllt ist. In diesem Innenraum 19 ist im verbauten Zustand allerdings auch der jeweils zugeordnete Vorverstärker 6 bzw. 7 aufgenommen. Außenseitig ist die Wendel 17 von einer Hülle 20 aus einem Kunststoff umgeben, die die Wendel 17 nach außen hin elektrisch isoliert und vor Umwelteinflüssen schützt.
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Bei der in 2 gezeigten Sensorelektrode 3,4 handelt es sich um eine Bowdenzughülle 21, wie sie üblicherweise (in Kombination mit einem in den Innenraum 19 eingelegten Bowdenzug) zur Übertragung mechanischer Zugkräfte in einer Kraftfahrzeugtür eingesetzt wird (beispielsweise zur Kopplung des Türöffnungshebels mit dem Türschloss). Der Vorteil des Einsatzes der Bowdenzughülle 21 als Sensorelektrode 3,4 für einen kapazitiven Näherungssensor 1 liegt insbesondere darin, dass Bowdenzughüllen als vorgefertigtes kommerzielles Massenprodukt kostengünstig erhältlich sind.
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Um den Vorverstärker 6, 7 im Innenraum 19 unterzubringen, ist die Bowdenzughülle 21 an einem Ende aufgeweitet. Die Lage des Vorverstärkers 6,7 in dem aufgeweiteten Ende der Bowdenzughülle 21 ist in 3 in einer schematischen Schnittdarstellung gezeigt. Die Kontaktierung des Vorverstärkers 6,7 mit der hohlen Leiterstruktur, also mit der Wendel 17 erfolgt im dargestellten Beispiel über einen Leiter 23 (z.B. einen Litzen- oder Drahtleiter), der mit der Wendel 17 verschweißt sind.
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Vorzugsweise ist der Vorverstärker 6,7 - wie in 1 angedeutet ist - in dasjenige Ende der zugeordneten Sensorelektrode 3 bzw. 4 integriert, das dem Steuergerät 6 zugewandt ist. In diesem Fall ist die zugeordnete Signalleitung 8 bzw. 9, die den Vorverstärker 6,7 mit dem Steuergerät 5 verbindet, auch an diesem Ende aus der Sensorelektrode 3 bzw. 4 herausgeführt.
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In bestimmten Anwendungsfällen ist es aber, insbesondere aus Platzgründen, sinnvoll, den Vorverstärker 6 bzw. 7 (sowie ggf. andere in die Sensorelektrode 3,4 integrierte Teile der Steuerelektronik 2) an dem von dem Steuergerät 5 entfernten Ende der Sensorelektrode 3,4 anzuordnen. In diesem Fall, der exemplarisch in 3 dargestellt ist, ist die Signalleitung 8,9 vorzugsweise durch Innenraum 19 der Bowdenzughülle 21 hindurchgeführt.
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An dem Ende der Bowdenzughülle 21, in dem der Vorverstärker 6,7 aufgenommen ist, ist vorzugsweise ein als Stopfen ausgebildetes Sicherungselement 27 in den Innenraum 19 eingesetzt, durch welches der Vorverstärker 6,7 gegen Verrutschen gesichert ist. Der Vorverstärker 6,7 ist optional mit diesem Sicherungselement 27 meachnisch verbunden. Zusätzlich oder alternativ hierzu hierzu sind der Vorverstärker 6,7 und der aufgeweitete Bereich der Bowdenzughülle 21 derart dimensioniert, dass der Vorverstärker 6,7 in der Bowdenzughülle 21 eingespannt und somit gegen Verrutschen oder Vibration gesichert ist.
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Zur Herstellung der aus der Sensorelektrode 3,4 und dem Vorverstärker 6 bzw. 7 gebildeten Baueinheit wird, wie in den 4 und 5 schematisch verdeutlicht ist, die ursprünglich mit konstantem Durchmesser vorliegende Bowdenzughülle 21 mittels eines Werkzeugs 29 an einem Ende aufgeweitet.
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Anschließend wird der Vorverstärker 6,7 in das aufgeweitete Ende der Bowdenzughülle 21 eingeschoben. Der Vorverstärker 6,7 wird vorzugsweise anschließend in dem Hohlraum 19 vergossen. Auf diese Weise wird Vorverstärker 6,7 eingekapselt und geschützt.
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Die Erfindung wird an den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen besonders deutlich, ist auf diese Ausführungsbeispiele gleichwohl aber nicht beschränkt. Vielmehr können weitere Ausführungsformen der Erfindung aus den Ansprüchen und der vorstehenden Beschreibung abgeleitet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Näherungssensor
- 2
- Steuerelektronik
- 3
- Sensorelektrode
- 4
- Sensorelektrode
- 5
- Steuergerät
- 6
- Vorverstärker
- 7
- Vorverstärker
- 8
- Signalleitung
- 9
- Signalleitung
- 11
- Träger
- 12
- Endkappe
- 16
- Metalldraht
- 17
- Wendel
- 18
- Windungen
- 19
- Innenraum
- 20
- Hülle
- 21
- Bowdenzughülle
- 23
- Leiter
- 27
- Sicherungselement
- 29
- Werkzeug
- A
- (Längs-)Achse