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Die Erfindung betrifft eine Gebervorrichtung mit
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Sensorträger,
an dessen stirnseitigem Ende ein Sensorelement angebracht ist,
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einem Schaltkreisträger
mit mindestens einem elektrischen Bauelement, wobei das Sensorelement
an dem Schaltkreisträger
angebracht und elektrisch mit der Schaltung verbunden ist.
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Eine derartige Gebervorrichtung kann
bspw. zum Detektieren der Bewegung eines bewegten Teils verwendet
werden, insbesondere zur Drehzahlmessung. Ein Sensorträger dient
zum Halten und Positionieren, sowie zum Anschluß eines elektrischen Sensorelements,
insbesondere eines Hall-Sensors. Die stirnseitige Anordnung des
Sensorelements am Sensorträger
erlaubt es, das Sensorelement nahe an dem zu überwachenden Teil zu positionieren.
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Eine Gebervorrichtung der vorgenannten
Art ist in der DE-U1-295 06 198.7 der Anmelderin beschrieben. Ein
Hall-Sensorelement ist auf einer Platine mit weiteren Beschaltungselementen
aufgebracht. Die Platine ist stirnseitig an einem zylindrischen
Magnetkern angebracht, quer zu dessen Längsrichtung. Der Magnetkern
ist von einem Gehäuse
umgeben, an dem Steckkontakte zum Anschluß eines Steckers befestigt
sind. Die Steckkontakte sind über
Kontaktleitungen, die in Ausnehmungen der Schaltkreisträger eingreifen,
mit der elektrischen Schaltung verbunden. Eine Schutzhülse mit einer
Vergußmasse
deckt Sensorelement, Schaltkreisträger und Magnetkern ab.
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Mit einer solchen Gebervorrichtung
kann das Sensorelement direkt am stirnseitigen Ende angeordnet werden.
Die ebenfalls stirnseitige Anordnung des Schaltkreisträgers führt aber
zu engen Vorgaben bei der Wahl der Geometrie des Sensorträgers. Es hat
sich auch herausgestellt, daß das
Aufstecken des Schaltkreisträgers
auf Kontaktleitungen sowie das Verkleben eine sehr genaue Fertigung
erfordert, damit es nicht zu einem Verkanten des Schaltkreisträgers und
einer so ungünstigen
Lage des Sensorelementes kommt. Außerdem ist das Sensorelement
bei der bekannten Gebervorrichtung nicht unmittelbar am Magneten
angeordnet, sondern durch den Schaltkreisträger von diesem getrennt.
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In der
DE
43 40 177 ist eine Gebervorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung
weist ein stabförmiges
Gehäuse
mit einer Schutzhülle
auf, bei dem der eigentliche Sensor in unmittelbarer Nähe der Stirnwand
der Schutzhülle
angeordnet ist. Hier ist ein Permanentmagnet vorgesehen, an dessen
Stirnseite ein Hall-Generator befestigt ist. Die Leitungen des Hall-Generators
sind mit einer Leiterplatte verlötet, die
längs in
der Gebervorrichtung angeordnet ist. Die Funktionselemente sind
mit einer aushärtbaren
Vergußmasse
eingegossen.
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In der
DE
44 05 438 ist ebenfalls eine Gebervorrichtung beschrieben.
In einem topfförmigen
Gehäuse
ist ein Permanentmagnet nahe dem stirnseitigen Ende angeordnet.
Vor diesem ist ein Hall-Sensor angebracht, der mit einer Erfassungsschaltung
auf einer längs
angebrachten Leiterplatte verbunden ist. Elastische Federarme drücken das
Sensorelement in Richtung des stirnseitigen Endes.
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In der
US
5,814,985 und EP 729 582 ist eine Gebervorrichtung beschrieben.
Ein Hall-Sensorelement
ist vor einem Magnetelement angeordnet. Das Magnetelement weist
hinter dem Hall-Sensorelement ein zylindrisches Loch auf. Hierdurch
ergibt sich eine Feldverteilung des magnetischen Feldes vor dem Magnetelement,
bei der an einem singulären
Punkt die Feldstärke
Null ist. Durch die Präsenz
eines weichmagnetischen Körpers
vor dem Geber ändert sich
die Feldverteilung, und der singuläre Punkt verlagert sich. Der
Geber kann zur Positionsdetektion eines Zahnrades eingesetzt werden,
wobei das Sensorelement so angeordnet ist, daß sich je nach Anordnung eines
Zahns oder einer Lücke
vor dem Geber die Polarität
des Feldes am Ort des Sensorelements ändert.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
eine Gebervorrichtung anzugeben, mit der auf einfache Weise ein
mit einer elektrischer Schaltung verbundenes Magnet-Sensorelement
in einer für
die Verwendung als Positionssensor günstigen Lage angeordnet werden
kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch
eine Gebervorrichtung nach Anspruch 1. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte
Ausführungsformen der
Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Gebervorrichtung sieht am
Sensorträger
einen Aufnahmebereich für den
Schaltkreisträger
vor. In diesem Aufnahmebereich ist der Schaltkreisträger in einer
Lage längs
des Sensorträgers
aufgenommen. Der Schaltkreisträger ist
bevorzugt von flacher Form, bspw. als herkömmliche Schaltkreis-Platine
mit darauf aufgebrachten elektrischen Bauelementen und Leiterbahnen.
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Ein Hall-Sensorelement ist an einem
Ende des Schaltkreisträgers
angebracht. Es steht von dem Schaltkreisträger vor, bevorzugt senkrecht
zu einem flachen Schaltkreisträger.
Der Schaltkreisträger
ist im Aufnahmebereich so angeordnet, daß das vorstehende Sensorelement
stirnseitig am Sensorträger
zu liegen kommt. Der Sensorträger
weist an seinem stirnseitigen Ende ein Magnetelement auf. Das stirnseitige
Ende bildet bevorzugt ein Pol des Magnetelements.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß das Magnetelement
eine erste Aussparung aufweist, in der das Sensorelement aufgenommen
ist. Dies kann einerseits zur genauen Positionierung und auch zum
mechanischen Schutz des Sensorelements vorteilhaft sein. Insbesondere
kann das Sensorelement in der Aussparung an dem Magnetelement so
angeordnet werden, daß es
von dem Magneten umgeben ist. Dies erlaubt eine besonders intensive
magnetische Kopplung für
den Hall-Sensor.
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Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, daß hinter
dem Sensorelement eine zweite Aussparung im Magnetelement vorhanden
ist. Diese kann, wie in der
US
5,814,985 angegeben, zu einer günstigen Verteilung des magnetischen
Flusses und damit für einen
Sensor mit hoher Genauigkeit genutzt werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung weist eine Anzahl von
Vorteilen auf. Die Form und Größe des Schaltkreisträgers ist
nicht auf die Stirnfläche
des Sensorträgers
beschränkt.
Das Sensorelement ist frei an der Stirnseite des Sensorträgers angeordnet. Dennoch
ist die Gebervorrichtung von einfachem Aufbau. Die Herstellung der
Gebervorrichtung ist durch Zusammensetzen eines vorgefertigten Schaltkreisträgers mit
angebrachtem Sensorelement und den entsprechend geformten Sensorträger mit
passendem Aufnahmebereich sehr einfach möglich.
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Eine Vielzahl von Weiterbildungen
der Erfindung sind möglich.
Der Sensorträger
weist bevorzugt im wesentlichen zylindrische Form auf. Er ist weiter bevorzugt
von länglicher
Form, d. h. seine Länge
ist größer als
seine Breite. Der Aufnahmebereich umfaßt bevorzugt eine Fläche, auf
die ein flacher Schaltkreisträger
aufgelegt wird. Der Sensorträger
kann an einem Grundkörper
so angebracht sein, daß er
von diesem vorsteht. An dem Grundkörper kann eine Steckereinheit
mit Steckkontakten sowie mindestens eine Befestigungsausnehmung
vorhanden sein.
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Eine wesentliche Weiterbildung der
Erfindung betrifft die Ausgestaltung des Aufnahmebereiches. Bevorzugt
weist der Aufnahmebereich mindestens ein Längsführungselement zur Führung des Schaltkreisträgers beim
Zusammenbau der Vorrichtung auf. Bevorzugt sind mindestens zwei
solcher Längsführungselement
vorhanden, die beim Anbringen des Sensorträgers diesen am Aufnahmebereich bei
einer Bewegung in Längsrichtung
des Sensorträgers
führen.
Es werden zwei Ausführungen
vorgeschlagen, die allerdings auch kombiniert werden können. Bei
einem Aufnahmebereich eines ersten Typs sind die Längsführungselemente
als vom Aufnahmebereich vorstehende Stifte ausgebildet, die in entsprechende
Schlitze des Schaltkreisträgers
eingreifen. Bei einem Aufnahmebereich eines zweiten Typs sind Längsführungselemente
durch seitlich am Aufnahmebereich angeordnete Erhöhungen gebildet, die
den Schaltkreisträger
an den Längskanten
führen.
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Durch eine solche Führung wird
ein einfacher Zusammenbau der Gebervorrichtung erreicht, wobei eine
sichere und genaue Lage des Schaltkreisträgers am Sensorträger erzielt
wird. Der Schaltkreisträger
weist hierbei an seinem zweiten Ende, das in montierter Lage dem
ersten, stirnseitigen Ende gegenüberliegt,
Kontaktflächen
auf. Am Sensorträger sind
hierzu passend bevorzugt bogenförmige
Kontaktleitungen oberhalb des Aufnahmebereichs vorgesehen. Beim
Zusammenbau kann der Schaltkreisträger im Aufnahmebereich in Längsrichtung
verschoben werden, bis einerseits die Kontaktlei tungen an den Kontaktflächen angeordnet
sind und andererseits das Sensorelement in der Aussparung des Magnetelements
aufgenommen ist. So kann auf einfache Weise der Anschluß der elektrischen
Schaltung an die Steckkontakte erfolgen, bspw. durch Verlöten. Bevorzugt
weisen die Kontaktleitungen einen freien Bogen von mehr als 90° auf, so
daß auch
bei starker thermischer und mechanischer Belastung eine Zugentlastung
der Übergangsstelle
zu den Kontaktflächen
gewährleistet
ist.
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Eine andere Weiterbildung der Erfindung
betrifft eine Schutzhülse,
die Sensorträger,
Schaltkreisträger
und Sensorelement umschließt.
Diese Sensor-Bauelemente werden so vor äußeren Einwirkungen geschützt. Eine
besonders gute Abdichtung ist zu erreichen durch eine bevorzugt
ringförmige
Ausnehmung am Grundkörper,
in der ein Ende der Schutzhülse,
das bevorzugt zu einem Dichtflansch ausgebildet ist, dichtend aufgenommen
ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der
Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht eine Explosionszeichnung von Elementen
einer ersten Ausführungsform
einer Gebervorrichtung;
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2 ein
Querschnitt durch die Gebervorrichtung aus 1 im zusammengefügten Zustand;
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3 eine
perspektivische Detail-Ansicht eines Sensorträgers und Schaltkreisträgers einer
zweiten Ausführungsform
einer Gebervorrichtung.
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In 1 sind
in einer Explosionszeichnung Bestandteile einer Gebervorrichtung 10 dargestellt. An
einem Grundkörper 12 ist
eine Steckereinheit 14 mit einem Steckergehäuse und
Steckkontakten 38 gebildet. Der Grundkörper 12 verfügt weiter über eine Befestigungsausnehmung 16 mit
einer eingesetzten Anschraubbuchse 18. Der Grundkörper 12 besteht aus
Kunststoff, die Anschraubbuchse 18 aus Messing.
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Zur Vorderseite ragt aus dem Grundkörper 12 ein
Magnetträger 20 heraus.
Der Magnetträger 20 ist
von länglicher
Form, d. h. die Länge
ist größer als die
Breite. Die Form des Magnetträgers 20 ist
im wesentlichen zylindrisch mit rundem, aber im oberen Bereich abgeflachtem
Querschnitt. Der Magnetträger 20 ist
nicht massiv sondern besteht aus längsverlaufenden Wandungen mit
scheibenförmigen
Querverbindungen (nicht dargestellt).
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Der Magnetträger 20 besteht ebenfalls
aus Kunststoff. Magnetträger 20 und
Grundkörper 12 werden
jeweils im Spritzgußverfahren
hergestellt. Hierbei wird der Magnetträger 20 als Vorspritzling hergestellt.
Der Grundkörper 12 weist
eine Dichtnut 36 in Form einer ringförmig umlaufenden Vertiefung um
den Magnetträger 20 auf.
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Im stirnseitigen Ende des Magnetträgers 20 ist
ein Permanent-Magnet 40 eingesetzt. Der Magnet 40 weist
eine frontseitige Tasche 42 auf. In dem Magneten 40 ist
zudem eine Ausnehmung vorhanden, hier in Form einer runden Bohrung
in Längsrichtung.
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Bei der gezeigten ersten Ausführungsform ist
auf der Oberseite des Magnetträgers 20 ein
flacher Aufnahmebereich 22 für eine Sensorplatine 30 gebildet.
Der Aufnahmebereich 22 umfaßt eine Auflagefläche 24 mit
einem leicht erhöhten
umlaufenden Rand 26 sowie seitliche Begrenzungserhebungen 28 und
einem Kontaktbereich 32. Der Aufnahmebereich 22 ist
so gestaltet, daß die
flache Sensorplatine 30 mit ihren Längskanten 31 zwischen
den Seitenbegrenzungen 28 auf die Fläche 24 und den Rand 26 aufgelegt
und dann in Längsrichtung
des Magnetträgers 20 verschoben
werden kann. Die Begrenzungserhebungen 28 führen zwischen
sich dann die Längskanten 31 der
Platine 30 und sorgen für
eine genaue Ausrichtung und Positionierung.
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Die in 1 dargestellten
Elemente werden zu einem Geberelement 10 zusammengesetzt,
indem die Platine 30 auf den Aufnahmebereich 22 aufgelegt
und in Längsrichtung
des Magnetträgers 20 eingeschoben
wird. Die endgültige
Lage ist in 2 im Schnitt
dargestellt. In dieser Lage befinden sich die Kontaktflächen 48 im
Kontakt mit den Kontaktleitungen 34 und sind dort verlötet. Der
Sensor 50 befindet sich in der Tasche 42 des Magneten 40.
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Die Sensorplatine 30 ist
eine flache Platte von länglicher
Form. Es handelt sich um eine herkömmliche Epoxy-Platine mit darauf
angeordneten Leiterbahnen und elektrischen Bauelementen (nicht dargestellt).
Am ersten, stirnseitigen Ende 44 der Platine 30 ist
ein Hall-Sensorelement 50 angebracht. Bei dem Sensorelement 50 handelt
es sich um einen integrierten, gekapselten Hall-Sensor mit vier
Anschluß-Beinchen.
Diese sind durch Bohrungen der Platine 30 hindurchgesteckt
und festgelötet.
So steht der Sensor 50 am Ende 44 der Platine 30 um
eine Distanz vor, die größer als
seine Breite ist.
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Der Kontaktbereich 32 befindet
sich am grundkörperseitigen
Ende des Magnetträgers 20. Hier
sind drei Kontaktleitungen 34 so angeordnet, daß ihre Kontakt-Enden
oberhalb der Ebene des Aufnahmebereichs angeordnet sind. Beim Verschieben der
Platine 30 in Längsrichtung
des Magnetträgers 20 in
Richtung des Grundkörpers 12 wird
einerseits das Sensorelement 50 stirnseitig am Magnetträger 20 positioniert
und andererseits der Kontaktbereich 32 mit den Kontaktleitungen 34 in
Verbindung gebracht.
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Die Enden der Kontaktleitung 34 sind
nach oben gebogen, so daß die
Sensorplatine 30 leicht darunter geschoben werden kann.
Weiter weisen die Kontaktleitungen 34 einen freien, d.
h. nicht in Kunststoff eingebetteten Entlastungsbogen von mehr als 90° auf.
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Auf der Oberseite der Platine 30 sind
an einem zweiten Ende 46 drei freie Kontaktflächen 48 gebildet.
Die Anordnung und der Abstand dieser Kontaktflächen 48 entspricht
den Kontaktleitungen 34 des Magnetträgers 20. Die Kontaktleitungen 34 werden
mit den Kontaktflächen 48 verlötet. Auf
der Platine 30 ist eine Schaltung zur Versorgung des Hall-Sensorelements 50 und
zur Auswertung der vom Sensorelement 50 gelieferten Signale
aufgebracht (nicht dargestellt). Der Anschluß dieser Schaltung an Versorgungsspannung
und die Ausgabe von Signalen der Schaltung erfolgt über die
drei Kontaktflächen 48.
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Schließlich ist in 1 eine Schutzhülse 52 gezeigt, ebenfalls
aus Kunststoff. Die Schutzhülse 52 ist
stirnseitig abgeschlossen. Sie weist an ihrem offenen Ende einen
Dichtflansch 54 auf, der in die Dichtnut 36 am
Grundkörper 12 paßt.
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Vor dem Auflegen der Platine 30 auf
den Aufnahmebereich 22 wird auf die Fläche 24 eine Klebmasse
gegeben, die nach dem Aushärten
die Platine 30 fixiert. Der Sensor 50 ist in der
Tasche 42 des Magneten 40 durch eine elastische
Vergußmasse
(nicht dargestellt) eingebettet.
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In die Dichtnut 36 wird
ebenfalls ein Klebstoff eingefüllt.
Die Schutzhülse 52 wird über den
Magnetträger 20 gestülpt, so
daß der
Dichtflansch 54 in die Dichtnut 36 eingreift.
An seinem offenen Ende ist der Dichtflansch 54 geschlitzt,
so daß sich
mit Hilfe der Dicht- und Klebmasse in der Dichtnut 36 eine
vollständige
Abdichtung ergibt.
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Bei dem fertigen Geberelement
10 ist
das Hall-Sensorelement
50 direkt unter der stirnseitigen Kappe
der Schutzhülse
52 an
der Stirnseite
56 des vom Grundkörper
12 vorstehenden
Teils angeordnet. Der Sensor
50 befindet sich in der Tasche
42 am
Permanent-Magneten
40.
Hinter dem Sensor
50 liegt die Ausnehmung
43.
Der Hall-Sensor
50 mißt
das ihn durchdringende Magnetfeld. Funktionsweise und Aufbau des
Hall-Sensors sind bspw. in der DE-U1-295 06 198.7 beschrieben. Die
Anordnung des Sensors
50 in einer Tasche
42 des
Magneten
40 führt
zu einer sehr guten magnetischen Kopplung und so zu einer hohen
Empfindlichkeit des Sensors. Durch die Ausnehmung
43 des
Magneten
40 entsteht eine günstige räumliche Verteilung des magnetischen
Flusses, wie in der
US 5,814,985 beschrieben.
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Die Signale des Sensors 50 werden
durch die Schaltung auf der Platine 30 ausgewertet. Über die
Kontaktflächen 48 und
Kontaktleitungen 34 ist die Schaltung mit Steckkontakten 38 der
Steckereinheit 14 elektrisch verbunden. Die Gebereinheit 10 kann zur
Erfassung der Bewegung eines ferromagnetischen Körpers verwendet werden, der
sich vor der Stirnseite 56 des Elements 10 vorbeibewegt.
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Insbesondere kann das Geberelement 10 als Kurbelwellengeber
im Automobilbereich verwendet werden, wobei der Grundkörper 12 außen am Motorblock
angebracht wird und der Magnetträger 20 in das
Innere des Motorgehäuses
reicht. Beim Drehen der Kurbelwelle im Motorraum bewegen sich die
Zähne eines
Zahnrades, die bspw. aus weichmagnetischem Material bestehen, vor
der Stirnseite 36 des Geberelements 10 und bewirken
so eine Änderung des
durch den Magneten 40 erzeugten Magnetfeldes, je nachdem,
ob gerade ein Zahn oder eine Lücke
vor dem Geber positioniert ist. Diese Änderung wird durch den Sensor 50 gemessen
und als weiterverarbeitetes Signal über die Steckkontakte 38 und einen
angeschlossenen Stecker an die Bordelektronik weitergemeldet. Hieraus
kann bspw. inkrementell die Position und/oder die Drehzahl ermittelt
werden.
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In 3 sind
in einer perspektivischen Darstellung Teile einer zweiten Ausführungsform
eines Geberelements dargestellt. Gezeigt sind hier nur die gegenüber der
ersten Ausführungsform
abweichende Form der Platine 30a und des Aufnahmebereichs 22a.
Sämtliche übrigen Teile
des Geberelements entsprechend der ersten Ausführungsform nach 1 und 2.
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In der zweiten Ausführungsform
ist die Längsführung am
Aufnahmebereich 22a anders ausgestaltet. Hier sind Führungsstifte 60 vorgesehen, die
von der Fläche 24 vorstehen.
Die Platine 30 weist entsprechende Langschlitze 62 auf.
Die Stifte 60 und Schlitze 62 dienen zur Führung der
Platine 30a beim Einschieben der Platine unter die Kontaktleitungen 34.