DE2118391A1

DE2118391A1 - Optoelektronisches Koppelelement

Info

Publication number: DE2118391A1
Application number: DE19712118391
Authority: DE
Inventors: Lawrence Ames Phoenix Ariz. Grenon (V.StA.). M
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1970-04-15
Filing date: 1971-04-15
Publication date: 1971-12-23
Also published as: DE2118391C3; DE7114433U; US3660669A; DE2118391B2; JPS5329992B1; NL173220B; NL7105062A; CA920714A; NL173220C

Description

Optoelektronisches Koppelelement

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Koppelelement mit einer Lichtquelle und einer Fotozelle.

Ein optoelektronisches Koppelelement, das aus einer strom- oder spannungsgesteuerten Festkörperlichtquelle und einer Festkörperfotozelle, die das von der Lichtquelle ausgesandte Licht empfängt und das aufgenommene Licht in Strom oder in Spannung umwandelt, ist bekannt. Ein derartiges Koppelelement ist dann besonders nützlich, wenn die unbeabsichtigte Ankoppelung zwischen zwei elektrischen Schaltkreisen sehr klein gehalten werden sroll, denn zwischen der Lichtquelle und der Fotqzelle besteht weder eine direkte elektrische,

Fs/ae - 1 - noch

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noch eine indirekte kapazitive oder induktive Verbindung. Bekannte optoelektronische Koppelelemente sind teuer, denn sie sind komplizierte Einrichtungen. Lichtquelle und Fotozelle werden gewöhnlich getrennt hergestellt und in einem Gehäuse angeordnet. Derartige optoelektronische Koppelelemente herzustellen erfordert.viele Verfahrensschritte und einen großen Aufwand an Material.

-Es ist Aufgabe der Erfindung ein mit einem Überzug versehenes einfaches optoelektronisches Koppelelement anzugeben, das aus einer Festkörperlichtquelle und aus einer Festkörperfotozelle besteht.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Fotozelle wenigstens zwei Zuleitungen, von denen eine erste mit einer ersten Fahne versehen ist, aufweist, daß ein auf der ersten Fahne angeordneter Körper mit einer weiteren Zuleitung elektrisch verbunden ist, daß die Lichtquelle wenigstens zwei Zuleitungen, von denen eine erste mit einer weiteren Fahne versehen ist, aufweist, daß ein auf der weiteren Fahne angeordneter Körper mit einer weiteren Zuleitung elektrisch verbunden ist, und daß die Körper sich gegenüber im Abstand voneinander angeordnet sind.

In vorteilhafter Weise wird das optoelektronische Koppelelement so hergestellt, daß ein Rahmen mit Fotozellen, von denen jede aus einem auf einer Fahne angeordneten Körper und aus Zuleitungen, von denen die erste mit der Fahne und die . weitere mit dem Körper elektrisch verbunden ist, besteht, in eine Gußschale gebracht wird, daß ein zweiter Rahmen mit Lichtquellen, von denen jede aus einem auf einer Fahne angeordneten Körper und aus Zuleitungen, von denen die erste mit der Fahne und die weitere mit dem Körper elektrisch verbunden ist, besteht, in dieselbe Gußschale gebracht wird, daß die Körper im Abstand gegenüber zueinander angeordnet werden, daß die Gußschale mit einem Material, das im hart-

- 2 - gewordenen

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gewordenen Zustand gegenüber dem Licht der Lichtquelle durchlässig "ist, bis zu einer solchen Höhe gefüllt wird, daß mindestens ein Teil der Fahnen, die Körper und ein Teil der Zuleitungen bedeckt werden, und daß das Material hart gemacht wird.

Viele Festkörperlichtquellen und Festkörperfotozellen können auf einem Hahmen oder Streifen angeordnet werden. Die einzelnen Lichtquellen und die einzelnen Fotozellen werden so auf dem Rahmen angebracht, daß die aktiven Elemente sich gegenüber und in kurzem Abstand voneinander befinden. Um diese relative Lage zu fixieren, werden die Eahmen sich gegenüber in eine μ Gußschale gebracht. Dann wird der Behälter der Gußschale mit einer Flüssigkeit gefüllt. Diese Flüssigkeit ist trockenbar und/oder härtbar und gegenüber dem Licht, welches von der Lichtquelle ausgestrahlt wird, im trockenen oder gehärteten Zustand durchlässig. Dann wird die Flüssigkeit eingetrocknet. Die aus Lichtquelle und Fotozelle bestehenden Paare werden voneinander getrennt. Die Teile des Rahmens, die der Festigkeit während des Vergießens dienen, werden abgeschnitten, so daß ein vergossenes optoelektronisches Koppelelement übrigbleibt, welches vier Zuleitungen aufweist, von denen zwei den elektrischen Eingang und zwei, den elektrischen Ausgang darstellen. Wenn es gewünscht wird, kann das vergossene Koppelelement mit einem Material umhüllt werden, das gegenüber dem Licht un- M durchlässig ist, auf welches die Fotozelle anspricht. Damit kann das Licht der Umgebung vom Koppelelement fern gehalten werden. Das Umhüllungsmaterial kann auch reflektierend sein, um den Wirkungsgrad des Koppelelementes zu verstärken. Dabei ist die Grenzfläche zwischen dem Vergußmaterial und dem lichtundurchlässigen Material reflektierend. Vor dem Vergießen können die Eahmen so ausgebildet werden, daß die Zuleitungen auf derselben Seite, auf sich gegenüberliegenden Seiten oder im rechten Winkel zueinander aus dem Koppelelement heraus-

- 3 - ' führen.

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führen. Wenn eine Fotozelle mit drei Zuleitungen verwendet wird, dann weist das eingekapselte Koppelelement insgesamt fünf Zuleitungen auf. Die Zahl der Zuleitungen kann je nach der Art der verwendeten Fotozellen und/oder Lichtquellen variieren.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren. Es zeigen:

Fig.1 auf einem Rahmen angeordnete Festkörperfotozellen in Form von Dioden;

Fig.2 Ebenfalls auf einem Rahmen angeordnete Festkörperfotozellen in Form von Transistoren;

Fig.3 Auf einem Rahmen angeordnete Festkörperlichtquellen in Form von Dioden;

Fig.4 Eine Gußschale mit einem Rahmen nach Fig.1 oder 2 und einem Rahmen nach Fig.3» bereit zur Aufnahme der für die Verkapselung vorgesehenen Flüssigkeit;

Fig.5 Nahezu fertiggestellte Koppelelementpaare mit Lichtquelle und Fotozelle, die in einer Gußschale mit elliptischen Vertiefungen hergestellt wurden;

Fig.6 Ein optoelektronisches Koppelelement, bei dem die Zuleitungen nach entgegengesetzten Seiten herausragen;

Fig.7 Ein optoelektronisches Koppelelement, dessen Zuleitungen einen Winkel von ungefähr 90 bilden.

In Fig.1 ist ein ziemlich starrer Rahmen 10 aus Metall dargestellt. Der Rahmen 10 umfaßt einen oberen, sich in Längs-

- 4 - richtung

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richtung erstreckenden und der Versteifung dienenden Bügel 12 und einen unteren, ebenfalls der Versteifung dienenden Bügel 14. Paare von Zuleitungen 16, 18 erstrecken sich vom unteren Bügel 14 aus in Richtung auf den oberen Bügel 12 hin. Die Zuleitung 18 überbrückt fa* den gesamten Abstand zwischen dem Bügel 14 und der unten noch näher beschriebenen Fahne Die Zuleitung 16 überbrückt den größten Teil des Abstandes zum Bügel 12. Nach der einen Seite (in der Fig.1 nach der rechten) der Zuleitung 16 erstreckt sich hinter dem Ende der Zuleitung 18 die Fahne 20. Das obere Ende der Fahne 20 ist mit dem Bügel 12 durch eine Verbindung 22 verbunden. Die Verbindung 22 kann breiter als die Zuleitung 16 und abgekröpft zur Mitte der Fahne 20 sein. Sie kann auch so schmal sein wie die Zuleitung 18 und sich in jeder beliebigen Lage zur Mitte der Fahne 20 befinden. Die Zuleitungen 16 und 18 und die Fahne 20 bilden eine Fassung 24. Beliebig viele Fassungen 24 stellen den Rahmen 10 dar. Alle Zuleitungen 16, 18, alle Verbindungen 22 und alle Fahnen 20 können in derselben Ebene liegen. Auf jeder Fahne 20 ist eine einen Körper 26 bildende Diode vorgesehen. Der Boden des Körpers 26 ist mit der Fahne 20 und damit auch mit der Zuleitung 16 verbunden. Die Oberseite des Körpers 26 ist mit der Zuleitung 18 durch einen Draht 30 verbunden. Fach dem in einem späteren Verfahrensschritt vorgesehenen Abschneiden der Bügel 12 und 14 stellt Jedes Paar aus den Zuleitungen 16, 18 den elektrischen Anschluß der Diode dar. Wie bekannt ist, können Halbleiterdioden lichtempfindlich sein, während andere derartige Bauelemente Licht ausstrahlen, wenn ihnen Energie zugeführt wird.

In Fig.2 ist eine ähnliche Anordnung dargestellt, wie in Fig.1. Dabei werden für sich entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Unterschied zum Gegenstand

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der Figur 1 ist auf der Fahne 20 ein, einen Transistor bildenden Körper 32 angebracht. Statt eines Transistors kann als Körper 32 auch ein anderes lichtempfindliches Bauelement mit drei Zonen verwendet werden. Eine Basiszuleitung 34, die gleich lang ist wie die Zuleitung 18, ist zwischen den Zuleitungen 16 und 18 vorgesehen. Die Basiszuleitung ist an die Basis des Transistors durch eine Verbindung 35 elektrisch angeschlossen. Die Zuleitung 16 stellt den Kollektoranschluß des Transistors dar. Der Emitteranschluß wird durch die Zuleitung 18 gebildet. Sie Zuleitungen 16, die Basiszuleitung 34, die Fahne 20 und die Verbindung 22 bilden eine Fassung 25. Mehrere Fassungen 25 sind zum Eahmen 10 der Fig.2 zusammengefaßt. Bekanntlich ist der in Fig.2 dargestellte Transistor lichtempfindlich, wenn der Basisanschluß offen gelassen wird. Die Basiszuleitung 34 kann in einem solchen Fall ganz ausgelassen werden. Es ergibt sich eine, dem Gegenstand der Fig.1 ähnliche Anordnung, in der jedoch ein lichtempfindlicher Transistor statt einer lichtempfindlichen Diode verwendet ist.

Der in Fig. 3 dargestellte Hahmen 10 kann in seiner Form der gleiche sein wie der in der Fig.1 dargestellte Hahmen 10. Er ist diesem gegenüber jedoch von links nach rechts gedreht. Der in Fig. 3 dargestellte Rahmen 10 umfaßt obere und untere Bügel 12 und 14, Zuleitungen 16, 18 und Fahnen 20 wie die in Fig.1 gez'eigte Anordnung. Die Fahnen 20 weisen aber in der Fig. 3 nach der linken Seite der Zuleitungen Auf der Oberseite der Fahne 20 ist ein lichtaussendender Körper 23 angeordnet. Je nachdem, ob der Körper 23 lichtaussendend oder lichtempfindlich ist, ist der Körper 26 lichtempfindlich oder lichtaussendend. Entscheidend ist nur, daß ein lichtempfindlicher Körper mit einem lichtaussendenden Körper verbunden wird. Der lichtaussendende Körper kann in bestimmten Fällen mehr als zwei Zuleitungen

- 6 - haben«

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haben. Die Zuleitungen 16, 18, die Fahne 20 und die Verbindung 22 (Fig.3) bilden eine Fassung 27. Die Rahmen der Figuren 1 und 2 auf der einen Seite und der Rahmen der Figur 3 auf der anderen Seite sind so dimensioniert, daß, wenn ein Körper 23 (Fig.3) mit einem Körper 26 (Fig.1) oder mit einem Körper 32 (Fig.2) sich gegenüberliegend zusammenpaßt, und wenn die Bügel 12. 14 des Rahmens der Figur 3 mit den Bügeln 12,14 des Rahmens der Figuren 1 oder 2 zusammenpassen, daß dann auch alle übrigen Körper 26 (oder 32) der beiden Rahmen 10 ebenfalls sich gegenüberliegend zusammenpassen. Natürlich ist auch eine andere Ausbildung der Rahmen 10 und der Körper möglich. Entscheidend ist nur, daß die einzelnen Rahmen Paare bilden, die gewährleisten, daß die \ einzelnen Körper sich gegenüberliegen.

In Fig.4 ist eine Gußschale dargestellt, die dazu dient, den Rahmen 10 der Figuren 1 oder 2 in eine gegenüberliegende Lage zum Rahmen 10 der Fig.3 zu bringen. Die Gußschale 36 wird durch einen Behälter mit offener Oberseite, mit Seitenwänden 38, Stirnwänden 40 und mit einem Boden 42 gebildet. Die Stirnwände 40 und der Boden 42 weisen parallele Fugen auf, in die die Oberseite und die seitlichen Kanten der Bügel 12 der Rahmen 10 eingebracht werden. Die Zuleitungen 16, 18, oder, wenn eine Fotozelle vom Transistortyp (Fig.2) verwendet wird, die Zuleitungen 16, 18 und die Basiszuleitung 34 weisen nach oben. Nachdem ein Rahmen nach der ™ Figur 1 oder nach der Figur 2 in die eine Fuge 44 und ein Rahmen nach der Figur 3 in die andere Fuge 44 gestellt worden ist, wird die Gußschale 36 mit einer Flüssigkeit so hoch gefüllt, daß die Zuleitung 16 teilweise bedeckt ist. Die Flüssigkeit ist im eingetrockneten oder gehärteten Zustand gegenüber dem von der Lichtquelle ausgesandten Licht durchlässig. Dann wird die Flüssigkeit eingetrocknet oder hart gemacht. Die vergossene Anordnung wird aus der Gußschale 36 herausgenommen. Die Bügel 12 und 14 werden ab-

- 7 - geschnitten.

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geschnitten. Die einzelnen eingekapselten optoelektronischen Koppelelemente, von denen jedes eine Fassung 24· oder 25, eine Fassung 27, Zuleitungen und Körper umfaßt, werden voneinander durch Anritzen oder Brechen oder durch Sägen getrennt. Schließlich wird das optoelektronische Koppelelement dadurch fertiggestellt, daß die eingekapselte Anordnung mit einem Material (siehe die Schicht 62 in den Fig.6, 7) umhüllt wird, das gegenüber dem Licht, auf das die Fotozelle anspricht, undurchlässig und vorzugsweise reflektierend ist.

In der Fig.4- ist eine rechteckige Gußschale dargestellt. Das Innere der Schale kann jede gewünschte Form haben, beispielsweise die Form von durch Verbindungsteile miteinander verbundenen elliptischen Zylindern. Jedoch müssen die so geformten Gußschalen Fugen zur Aufnahme der Bügel 12 aufweisen. Wenn eine solche Gußschale mit elliptischen Vertiefungen verwendet wird, dann werden miteinander verbundene, elliptische optoelektronische Elemente 50 (Fig.5) statt rechteckigen wie durch die Gußschale 36 (Fig.4-) hergestellt. Die Verbindungsteile 52 können viel leichter weggebrochen werden, um die einzelnen Koppelelemente 50 (Fig.5) herzustellen, wie die durch die Gußschale 36 hergestellten Koppelelemente. Jedes einzelne Koppelelement umfaßt eine erste Fahne 20, einen darauf festgemachten Körper 26 (oder 32) und Zuleitungen, wodurch insgesamt eine Fotozelle gebildet wird, und eine zweite Fahne 20, einen darauf festgemachten Körper 25 und Zuleitungen, wodurch insgesamt eine Lichtquelle gebildet wird. Die Körper 23 und 26 (oder.23 und 32=) fliegen sich im Abstand gegenüber. Jedes optoelektronische Koppelelement hat vier Zuleitungen 16, 18 und 16, 18 oder fünf Zuleitungen 16, 34-, 18 und 16, 18, die in der Fig.5 nicht dargestellt sind. Wenn drei Zuleitungen 16, 34·, 18 verwendet werden, dann werden die Zuleitungen 16, 34·, 18 an den einen Transistor darstellenden Körper 32 nach Art einer Diode ange-

- 8 - schlossen.

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schlossen. Mit der in Fig.4- dargestellten Gußschale oder einer ähnlichen Gußschale kann ein Koppelelement hergestellt werden, bei dem alle Zuleitungen zueinander parallel sind und nach derselben Richtung aus dem vergossenen Körper des eingekapselten Koppelelements herausreichen.

Wenn ein optoelektronisches Koppelelement gewünscht wird, bei dem die Zuleitungen nach entgegengesetzten Eichtungen weisen und in derselben Ebene liegen, dann kann die in Fig.6 dargestellte Anordnung benutzt werden. Die Rahmen 11 (Fig.6) können durch Biegen der Rahmen 10 hergestellt werden. Die Körper 26, 23 (oder 23, 32) liegen sich gegenüber und sind etwas voneinander entfernt. Der Bügel 12 des einen Rahmen 11 ist Btwas von den Zuleitungen 16, 18 des anderen Rahmen 11 getrennt. Dies kann dadurch erreicht werden, daß die Zuleitung 16 im stumpfen Winkel gerade bis unter die Fahne 20 gebogen und dann wieder zurückgebogen wird, so daß der untere Teil der Zuleitung 16 parallel zur Fahne 20 ist. Um die Bügel 12, die Fahnen 20 und die oberen Teile der Zuleitungen 16, 18 (oder 16, 18, 34) hinter den Biegungen wird Gußmateriax/gegossen. Zwischen den parallelen und sich gegenüberliegenden Teilen der Zuleitungen 16, und der Bügel 12 können Abstandsstücke 60 vorgesehen werden, die einen genauen Abstand zwischen den Körpern 23, -26 (oder 23, 32) gewährleisten und einen Kurzschluß zwischen dem Bügel 12 und den Zuleitungen 16, 18 verhindern. Nach dem Trennen in die einzelnen Koppelelemente wird, wie bereits oben beschrieben wurde, ein lichtunducchlässiges und vorzugsweise reflektierendes Material 62 auf das Gußmaterial 58 gebracht. Das fertige optoelektronische Koppelelement hat Zuleitungen, die in derselben Ebene nach verschiedenen Richtungen weisen. Wenn es gewünscht wird, daß die Zuleitungen nach entgegengesetzten Richtungen weisen und eine Linie bilden, dann können die Fahnen 20 naeh derselben Richtung von den Zuleitungen 16

- 9 - weKweisen

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wegweisen, während die Körper auf sich, gegenüberliegenden Seiten der Fahnen angebracht; sind. Wenn die Zuleitungen nicht in derselben Ebene liegen sollen, dann brauchen die Fassungen nicht gebogen zu werdsn, während die Abstandsstücke dicker sein können.

Wie in der Fig. 7 dargestellt ist, können die Zuleitungen auch senkrecht zueinander sein. Es ist notwendig, daß die Körper 23, 26 (oder 23, 32)5 die in gestrichelten Linien dargestellt sind, sich iss. Abstand gegenüberliegen, und daß die Fahnen 20, dia Zuleitungen 16, ^8 und die Drähte 30 der Fotozelle und der Lichtquelle voneinander isoliert sind.

Dank des einfachen Hersteilungsprozesses für die Fassungen 24, 25 und 27 der Fotozellen und Lichtquellen durch Stanzen und dank des Gußprozesses, um die Koppeleiemente zu bilden, können viele optoelektronische Koppelelemente schnell, einfach und billig gefertigt werden» Ein Koppelelement umfaßt dabei zwei Elemente, nämlich eine Lichtquelle und eine Fotozelle, die miteinander' eingekapselt sind.

~ 10 - Patentansprüche:

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Claims

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Patentansprüclie

Optoelektronisches Koppelelement mit einer Lichtquelle und einer Fotozelle, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotozelle wenigstens zwei Zuleitungen,(16, 18), von denen eine erste mit einer ersten Fahne (20) versehen ist, aufweist, daß ein auf der ersten Fahne (20) angeordneter Körper (z.B. 26) mit einer weiteren Zuleitung (18) elektrisch verbunden ist, daß die Lichtquelle wenigstens zwei Zuleitungen (16, 18), von denen eine erste mit einer weiteren Fahne (20) versehen ist, aufweist, daß ein auf der weiteren Fahne (20) angeordneter Körper (z.B. 23) mit einer weiteren Zuleitung (18) elektrisch verbunden ist, und daß die Körper sich gegenüber im Abstand voneinander angeordnet sind.

Optoelektronisches Koppelelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Körpern (23, 26) ein Material vorgesehen ist, das gegenüber dem Licht durchlässig ist, auf welches die Fotozelle anspricht.

Optoelektronisches Koppelelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Material die Fahnen (20), die Körper (23, 26) und mindestens einen Teil der Zuleitungen (16, 18) umgibt.

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4. Optoelektronisches Koppelelement nach Anspruch 2 und 3? dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen in derselben Richtung aus dem Material herausragen.

5. Optoelektronisches Koppelelement nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen in entgegengesetzten Richtungen aus dem Material herausragen.

6. Optoelektronisches Koppelelement nach Anspruch 2 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen im rechten Winkel zueinander aus dem Material herausragen.

7. Optoelektronisches Koppelelement nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen in entgegengesetzten Richtungen und in einer Ebene aus dem Material herausragen.

8. Verfahren zur Herstellung des optoelektronischen Koppelelementes nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß ein Rahmen (10) mit Fotozellen, von denen jede aus einem auf einer Fahne (20) angeordneten Körper (26) und aus Zuleitungen (16, 18), von denen die erste mit der Fahne (20) und die weitere mit dem Körper (26) elektrisch verbunden ist, besteht, in eine Gußschale (36) gebracht wird, daß ein zweiter Rahmen mit Lichtquellen, von denen jede aus einem auf einer Fahne (20) angeordneten Körper (23) und aus Zuleitungen,, von denen die erste mit der Fahne und die weitere mit dem Körper (23) elektrisch verbunden ist, besteht, in dieselbe Gußschale gebracht wird, daß die Körper im Abstand gegenüber zueinander angeordnetwerden, daß die Gußschale (36) mit einem Material, das im hart gewordenen Zustand gegenüber dem Licht der Lichtquelle durchlässig ist, bis zu

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einer solchen Höhe gefüllt wird, daß mindestens ein Teil der Fahnen (20), die Körper (23, 26) und ein Teil der Zuleitungen (16, 18) bedeckt werden, und daS das Material hart gemacht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß für die !Fotozelle als Körper eine Halbleitervorrichtung (32) mit drei Zonen (Transistor) und Elektroden, von denen Jede mit einer der drei Zuleitungen (16, 18, 34) verbunden ist, verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Rahmen (10) zwei Bügel (12, 14) umfaßt, daß die Zuführungen mit einem Bügel (14) verbunden 3ind, daß die Fahnen (20) mit den ersten Zuleitungen (16) und dem anderen Bügel (12) in Verbindung sind,' und daß die Bügel (12, 14) senkrecht zu mindestens einer der Zuleitungen angeordnet werden.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußschale (36) mit zwei parallelen Fugen (44) zur Aufnahme der Bügel (12) Jedes Rahmens (10) versehen wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Fahnen (20) verbundenen Bügel (12) in die Fugen (44) gebracht werden.

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