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Die Erfindung betrifft ein Elastomerprodukt mit einem Elastomerbauteil, insbesondere eine Luftfeder mit einem Balg, in dessen Elastomerbauteil ein elektrisches Bauteil eingebettet ist, das mindestens eine elektrische Leiterbahn enthält. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elastomerproduktes. Hier und im Folgenden ist unter der Bezeichnung „elektrisches Bauteil” ein Bauteil zu verstehen, das elektrische und/oder elektronische Komponenten enthält.
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Elastomerprodukte, in deren Elastomerbauteil ein elektrisches Bauteil eingebettet ist, sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt. So ist z. B. aus der
DE 198 31 854 C2 ein Fördergurt bekannt, in dessen Deckschicht zu Überwachungszwecken eine elektrisch leitfähige Schleife eingebettet ist. Die Schleife ist auf ein Trägergewebe genäht, das in die Deckschicht des Fördergurtes eingebettet wird. Aus der
DE 195 44 856 C1 ist es bekannt, in der Deckschicht eines Fördergurtes zu Überwachungszwecken Transponder vorzusehen, die zum Schutz vor mechanischen Belastungen in einem separaten flachen Körper angeordnet sind, der eine hohe Zugfestigkeit und eine hohe Biegefähigkeit aufweist. Die aus den genannten Druckschriften bekannten elektrischen Bauteile sind zur Einbettung in die Deckschicht eines Fördergurtes geeignet, da diese bei der Herstellung und dem späteren Einsatz des Fördergurtes wenig gedehnt wird und nur geringen dynamischen Belastungen ausgesetzt ist. Ferner weist die Deckschicht eines Fördergurtes eine große Dicke auf, so dass die Bauteile in der Deckschicht einerseits gut vor mechanischen Belastungen geschützt sind und die Deckschicht andererseits nicht leicht beschädigen können. Die Bauteile ließen sich auch bei anderen Elastomerprodukten in Bereichen einsetzten, die nur geringfügig gedehnt werden und nur geringen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Es ist jedoch festzustellen, dass die Bauteile nicht geeignet sind, um in Bereiche des Elastomerbauteils eines Elastomerproduktes eingesetzt zu werden, die stark gedehnt werden und im Einsatz hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt sind. Dies gilt verstärkt, wenn das Elastomerbauteil aufgrund einer geringen Dicke empfindlich ist. So sind die aus den genannten Druckschriften bekannten Bauteile z. B. nicht dazu geeignet, in dem Bereich des Balges einer Luftfeder angeordnet zu werden, der auf dem Abrollkolben der Luftfeder abrollt, da dieser Bereich aufgrund der geringen Dicke empfindlich ist und großen Dehnungen und dynamischen Belastungen ausgesetzt ist. Sowohl das aus der
DE 198 31 854 C2 bekannte Trägergewebe mit der Leiterschleife als auch der aus der
DE 195 44 856 C1 bekannte Körper mit dem Transponder würden sich bei den hohen dynamischen Belastungen des Balges aus diesem herausarbeiten. Dies würde zu einer Zerstörung der Luftfeder führen.
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Das Einbringen eines elektrischen Bauteils in den Bereich des Elastomerbauteils eines Elastomerproduktes, der besonders stark gedehnt und/oder besonders hohen dynamischen Belastungen ausgesetzt ist, ist jedoch von besonderem Interesse, um in diesem belasteten Bereich Messungen von physikalischen Größen vorzunehmen (wie z. B. der Temperatur, des Druckes oder der Dielektrizitätskonstanten), die Rückschlüsse auf den Zustand und die Lebensdauer des Elastomerbauteils zulassen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elastomerprodukt zu schaffen, in dessen Elastomerbauteil ein elektrisches Bauteil eingebettet ist, das in beliebigen Bereichen des Elastomerbauteils angeordnet sein kann und einen einfachen Aufbau aufweist, und das im Einsatz des Elastomerproduktes nicht zerstört wird und nicht zu einer Zerstörung des Elastomerproduktes führt. Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Elastomerproduktes zu schaffen.
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Die Aufgabe wird gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass sich das elektrische Bauteil auf einem Trägermaterial befindet und die elektrische Leiterbahn elastisch dehnbar ausgebildet und mit dem Trägermaterial verbunden ist und dass das Trägermaterial stoffschlüssig mit dem umgebenen Elastomer des Elastomerbauteils verbunden ist. Die Aufgabe wird ebenfalls durch den nebengeordneten Anspruch 13 gelöst.
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Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das elektrische bzw. elektronische Bauteil in beliebigen Bereichen des Elastomers des Elastomerbauteils angeordnet werden kann, da sich das Trägermaterial stoffschlüssig mit dem umgebenen Elastomer des Elastomerbauteils verbindet. Das Trägermaterial des elektrischen Bauteils wird somit integraler Bestandteil des Elastomers und wirkt in dem Elastomerbauteil nicht als Fremdkörper, der sich im Einsatz des Elastomerproduktes aus dem Elastomer herausarbeiten könnte. Daher wird das Elastomerprodukt durch das elektrische Bauteil nicht zerstört. Eine Zerstörung des elektrischen Bauteils wird dadurch verhindert, dass die elektrischen Leiterbahnen elastisch dehnbar ausgebildet sind und somit den Dehnungen des Elastomers bei der Herstellung bzw. im Einsatz des Elastomerproduktes folgen können. Ein weiter Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass das elektrische Bauteil auf dem Trägermaterial vorkonfektioniert und bei der Herstellung des Elastomerproduktes einfach in das Elastomerbauteil eingebracht werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ist das Trägermaterial elastisch dehnbar. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass das Trägermaterial den Dehnungen des umgebenen Elastomers gut folgen kann. Somit ist einem Herausarbeiten des Trägermaterials aus dem umgebenen Elastomer zusätzlich vorgebeugt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 ist das Trägermaterial eine Folie geringer Dicke, die aus einem niedrig schmelzenden Kunststoff besteht. Unter einer Folie geringer Dicke ist hier und im Folgenden eine Folie zu verstehen, die dünner als 1 mm ist, und deren Dicke vorzugsweise zwischen 20 μm und 200 μm liegt. Ferner wird unter einem niedrig schmelzenden Kunststoff hier und im Folgenden ein Kunststoff verstanden, dessen Schmelztemperatur wesentlich kleiner ist als die Vulkanisationstemperatur, bei der das Elastomer des Elastomerbauteils vulkanisiert wird.
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Vorzugsweise liegt die Schmelztemperatur des Kunststoffes zwischen 50°C und 90°C bei einer Vulkanisationstemperatur von ca. 200°C. Die Folie kann beispielsweise aus Copolyamid oder Ethylenvenylacetat bestehen. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass sich das Trägermaterial aufgrund der geringen Dicke und aufgrund der niedrigen Schmelztemperatur bei der Vulkanisation des Elastomers schnell und einfach stoffschlüssig mit dem umgebenen Elastomer verbindet und sich in dem umgebenen Elastomer nahezu „auflöst”. Nach Einbau des elektrischen Bauteils in das Elastomer verbleiben also nahezu ausschließlich die elektrischen Leiterbahnen des Bauteils, die aufgrund ihrer geringen Ausdehnung und ihrer elastischen Dehnbarkeit nicht als Fremdkörper in dem Elastomer des Elastomerbauteils wirken.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 besteht das Trägermaterial aus dem gleichen Elastomer wie das Elastomerbauteil, in das das Trägermaterial eingebettet ist. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass das Trägermaterial die gleichen Stoffeigenschaften hat wie das umgebende Elastomer, so dass es sich bei der Vulkanisation des Elastomers besonders gut mit diesem verbindet und kein Fremdkörper in dem Elastomer darstellt. Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass auf eine Ausbildung des Trägermaterials in Form einer Folie geringer Dicke verzichtet werden kann und das Trägermaterial daher einfach zu handhaben und unempfindlich bei der Einarbeitung in das Elastomer ist. Ein weiterer Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die Klebrigkeit des Trägermaterials und die Klebrigkeit des Elastomers dazu genutzt werden kann, um das elektrische Bauteil bei der Herstellung des Elastomerbauteils sicher in seiner Lage zu fixieren.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 ist die Leiterbahn punktförmig mit dem Trägermaterial verbunden. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die Verbindung zwischen dem Trägermaterial und der elektrischen Leiterbahn lokal begrenzt ist und somit nicht oder nur geringfügig als Fremdkörper in dem umgebenen Elastomer wirken kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 6 ist die Leiterbahn mit dem Trägermaterial über ein textiles Verbindungsverfahren verbunden oder mit dem Trägermaterial verklebt. Wenn ein textiles Verbindungsverfahren gewählt wird, wird das Trägermaterial bevorzugt aus einem Gewebe hergestellt. Als textile Verbindungsverfahren kommen Nähen und Sticken in Frage. Alternativ kann die Leiterbahn kann in das Trägermaterial eingewebt sein. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist, dass die genannten Verbindungsverfahren einfach herzustellen sind und punktförmig ausgebildet werden können.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 7 enthält das Bauteil mehrere Leiterbahnen, die mit einem elektrisch leitfähigen Kleber verbunden sind. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass der elektrisch leitfähige Kleber einerseits zum Verbinden der elektrischen Leiterbahnen und andererseits zum Verbinden jeder einzelnen elektrischen Leiterbahn mit dem Trägermaterial genutzt werden kann und somit eine Doppelfunktion übernimmt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 8 ist auf dem Trägermaterial ein Transponder angeordnet, wobei die Leiterbahnen mit dem Transponder elektrisch gekoppelt sind. Dabei kann die elektrische Leiterbahn als Antenne zur Kopplung an einen Ultrahochfrequenztransponder oder als Leiterschleife für einen induktiv gekoppelten Transponder ausgebildet sein. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass das elektrische Bauteil mit Hilfe des Transponders Informationen speichern, empfangen und senden kann. Darüber hinaus kann das elektrische Bauteil mit Hilfe des Transponders als Sensor ausgebildet werden, mit dem z. B. die Temperatur in dem Elastomer gemessen werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 9 ist das elektrische Bauteil als Sensor ausgebildet, mit dem die Dielektrizitätskonstante des Elastomers messbar ist. Die Dielektrizitätskonstante des Elastomers verändert sich im Laufe der Zeit in Abhängigkeit von den Belastungen, die auf das Elastomerprodukt einwirken. Der Vorteil der Weiterbildung ist also darin zu sehen, dass nach Messung der Dielektrizitätskonstante abgeschätzt werden kann, welche Belastungen auf das Elastomerprodukt eingewirkt haben und wie der Zustand und die Restlebensdauer des Elastomerproduktes ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 10 ist das elektrische Bauteil als LC-Schwingkreis ausgebildet. Der Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass der LC-Schwingkreis auf einfache Art und Weise von außen angeregt werden kann, so dass nach Anregung die Dielektrizitätskonstante einfach bestimmt werden kann. Dies ermöglicht es, bei Wartungsarbeiten des Elastomerproduktes die Dielektrizitätskonstante und die restliche Lebensdauer des Elastomerproduktes abzuschätzen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 11 besteht das elektrische Bauteil aus zwei spiralförmigen elektrischen Leiterbahnen, die ineinander gewunden und kreuzweise miteinander elektrisch verbunden sind (und so einen LC-Schwingkreis bilden). Der Vorteil der Weiterbildung ist darin zu sehen, dass auf dem Trägermaterial ein LC-Schwingkreis ausgebildet ist, der einen einfachen Aufbau aufweist und ausschließlich aus elektrisch dehnbaren Leiterbahnen besteht, die sich nicht aus dem Elastomer herausarbeiten und somit nicht zu einer Zerstörung des Elastomerproduktes führen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 12 bestehen die Leiterbahnen jeweils aus einem elektrischen Kern, der wendelförmig von einem metallischen Leiter umwickelt ist. Hierbei besteht der metallische Leiter bevorzugt aus Aluminium oder Edelstahl, da beide Materialien bei der Einbringung in das Elastomer nicht chemisch mit diesem reagieren und daher ihre elektrische Leitfähigkeit erhalten bleibt. Ein Vorteil dieser Weiterbildung ist darin zu sehen, dass die Leiterbahnen eine hohe Dehnbarkeit aufweisen. Derartige Leiterbahnen sind beispielsweise aus der
DE 102 42 785 A1 bekannt.
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Ein Ausführungsbeispiel und weitere Vorteile der Erfindung werden im Zusammenhang mit den nachstehenden Figuren erläutert, darin zeigt:
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1 ein Elastomerprodukt in Form einer Luftfeder,
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2 ein elektrisches Bauteil mit einem Transponder,
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3 ein elektrisches Bauteil mit einem Transponder,
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4 ein elektrisches Bauteil in Form eines LC-Schwingkreises,
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5 ein Ersatzschaltbild des in der 4 gezeigten LC-Schwingkreises,
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6 einen Ausschnitt einer elektrischen Leiterbahn.
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Im Zusammenhang mit der 1 wird die Erfindung anhand eines Elastomerproduktes in Form einer Luftfeder 2 für ein Kraftfahrzeug mit einem Elastomerbauteil in Form eines Balges 4 erläutert. Die Erfindung kann jedoch in beliebigen Elastomerprodukten, wie Reifen, Schläuchen, Transportbändern, Antriebsriemen etc. eingesetzt werden. Der Balg 4 ist an seinem oberen Ende mit Hilfe eines Klemmringes 6 an dem Deckel 8 und an seinem unteren Ende mit einem Klemmring 10 an dem Abrollkolben 12 der Luftfeder befestigt. In den Balg 4 ist ein elektrisches Bauteil 14 derart eingebettet, dass es von dem Elastomer des Balges 4 allseitig vollständig umgeben ist. Hierbei befindet sich das elektrische Bauteil in einem Bereich des Balges, der auf dem Abrollkolben 12 abrollt und somit besonderen Belastungen ausgesetzt ist. Zur Einbringung des elektrischen Bauteils 14 in den Balg 4 der Luftfeder ist das elektrische Bauteil 14 auf einem Trägermaterial 16 angeordnet und mit diesem verbunden. Bei der Herstellung des Balges 4 wird das Trägermaterial 16 mit dem darauf befindlichen elektrischen Bauteil 14 vor der Vulkanisation des Balges 4 in das Elastomer des Balges 4 eingebettet. Durch die Vulkanisation verbindet sich das Trägermaterial 16 stoffschlüssig mit dem umgebenen Elastomer 18 des Balges 4 (s. auch 1b, die einen Ausschnitt aus der 1a zeigt).
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2 zeigt ein elektrisches Bauteil 14 in Draufsicht. Das elektrische Bauteil 14 ist auf einem Trägermaterial 16 angeordnet und die elektrischen Leiterbahnen 20.1 bis 20.11 sind elastisch dehnbar ausgebildet und punktförmig mit dem Trägermaterial verbunden. Dies erfolgt mit Hilfe eines elektrischen leitfähigen Klebers 22, der einerseits die elektrischen Leiterbahnen 20.1 bis 20.11 elektrisch leitend miteinander verbindet und andererseits die einzelnen Leiterbahnen 20.1 bis 20.11 auf dem Trägermaterial 16 verklebt. Alternativ ist es möglich, das Trägermaterial als Gewebe auszubilden und die elektrischen Leiterbahnen 20.1 bis 20.11 aber ein textiles Verbindungsverfahren, z. B. durch Nähen oder Sticken, mit dem Trägermaterial 16 zu verbinden. Die elektrischen Leiterbahnen 20.1 bis 20.11 können auch als elektrisch leitfähige Fäden in dem Gewebe ausgebildet sein.
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Die Leiterbahnen 20.1 bis 20.11 bilden eine elektrisch leitfähige Spule, deren Enden 24 und 26 elektrisch leitfähig mit einem Transponder 28 verbunden sind. Hierbei ist das Ende 26 über eine elektrische Leiterbahn 30 mit dem Transponder verbunden, die über die elektrischen Leiterbahnen 20.3 und 20.7 geführt wird. Zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses können sämtliche Leiterbahnen nach außen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sein. Alternativ ist es möglich, ausschließlich die elektrische Leiterbahn 30 außen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen oder diese elektrisch isolierende Beschichtung auf die Bereiche zu beschränken, in denen die elektrische Leiterbahn 30 die elektrischen Leiterbahnen 20.3 und 20.7 berührt.
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Das Trägermaterial 16 für das elektrische Bauteil 14 kann eine Folie geringer Dicke sein, die aus einem niedrig schmelzenden Kunststoff besteht. In diesem Fall ist die Dicke d der Folie (siehe auch 1b) kleiner als 1 mm und liegt vorzugsweise zwischen 20 μm und 200 μm. Gemäß einer alternativen Ausführung besteht das Trägermaterial 16 für das elektrische Bauteil 14 aus dem gleichen Elastomer wie der Balg 4 (siehe 1b).
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3 zeigt ein elektrisches Bauteil 14, das auf einem Trägermaterial 16 angeordnet ist, in Draufsicht. Das elektrische Bauteil besteht aus einer Leiterbahn 20 und einem Transponder 28. Die elektrische Leiterbahn ist als Antenne ausgebildet, über die der Transponder 28 aus einem ultrahochfrequenten elektrischen Feld mit elektrischer Energie versorgt werden kann. Bezüglich der Ausbildung der elektrischen Leiterbahnen 20, des Trägermaterial 16 und der Verbindung der elektrischen Leiterbahn 20 mit dem Trägermaterial 16 wird auf die Ausführungen zu 2 verwiesen.
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4 zeigt ein elektrisches Bauteil 14, dass auf einem Trägermaterial 16 angeordnet ist, in Draufsicht. Der Sensor ist als LC-Schwingkreis ausgebildet. Dazu weist der Sensor 2 zwei spiralförmige elektrische Leiterbahnen 32 und 34 auf, wobei die beiden Spiralen 32, 34 ineinander gewunden sind. Die Spiralen 32, 34 sind kreuzweise miteinander elektrisch verbunden, d. h., dass das innenliegende Ende 36 der Spirale 32 mit dem außenliegenden Ende 38 der Spirale 34 und das innenliegende Ende 40 der Spirale 34 mit dem außenliegenden Ende 42 der Spirale 32 verbunden ist. Die genannten Verbindungen erfolgen über elektrische Leiterbahnen 44 und 46. Die beiden Spiralen 32, 34 bilden so jeweils eine elektrische Spule und einen Kondensator, zwischen dessen „Kondensatorplatten” das Elastomer 18 liegt. Somit ist das elektrische Bauteil 14 als Sensor ausgebildet, mit dem die Dielektrizitätskonstante des Elastomers 18 gemessen werden kann (siehe auch 1b). Bezüglich der Befestigung der elektrischen Leiterbahnen 32, 34, 44 und 46 auf dem Trägermaterial 16 und bezüglich der Ausbildung des Trägermaterials 16 wird auf die Figurenbeschreibung zu der 2 verwiesen.
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Die 5 zeigt das Ersatzschaltbild der in 4 gezeigten beiden ineinander gewundenen Spiralen 32, 34. Die beiden Spiralen 32, 34 lassen sich als zwei in Reihe geschaltete Spulen 48, 50 darstellen, zu denen ein Kondensator 52 und ein Widerstand 54 parallel geschaltet ist. Der in der 5 gezeigte LC-Schwingkreis kann von außen induktiv mit einem zweiten erregten LC-Schwingkreis gekoppelt werden. Dann wird der in der 5 gezeigte Schwingkreis zu erzwungenen Schwingungen angeregt. Eine Resonanz zwischen den beiden Schwingkreisen tritt auf, wenn der in der 5 gezeigte Schwingkreis mit einer Frequenz angeregt wird, die der Eigenfrequenz ω0 des gezeigten Schwingkreises entspricht, wobei gilt ω0 = 1/(LC1/2) (hierbei ist L die Summe der Induktivitäten der Spulen 48 und 50 und C die Kapazität des Kondensators 52). Aus dem Abklingen der elektrischen Schwingung bzw. der Amplitude des Stromes kann wiederum die Dämpfungskonstante δ bestimmt werden, wobei gilt: δ = R/2L (hierbei ist R der Wert des ohmschen Widerstands 54). Mit der so bestimmten Eigenfrequenz ω0 und der Dämpfungskonstanten δ des in der 5 gezeigten Schwingungskreises kann schließlich die komplexe Dielektrizitätskonstante bestimmt werden. Diese verändert sich im Laufe der Zeit und lässt Rückschlüsse auf den Zustand und die restliche Lebensdauer des Elastomers 18 zu, von dem das elektrische Bauteil 14 umgeben ist (siehe 1b).
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Die 6 zeigt eine elektrische Leiterbahn 20 in schematischer Darstellung. Die elektrische Leiterbahn 20 besteht aus einem elastischen Kern 56, der wendelförmig von einem metallischen Leiter 58 umwickelt ist. Der metallische Leiter kann außen mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen sein, wenn dies zur Vermeidung eines elektrischen Kurzschlusses notwendig ist. Sämtliche elektrische Leiterbahnen, die im Zusammenhang mit den 1 bis 5 genannt worden sind, können so aufgebaut sein, wie es in der 6 gezeigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Luftfeder
- 4
- Balg
- 6
- Klemmring
- 8
- Deckel
- 10
- Klemmring
- 12
- Abrollkolben
- 14
- elektrisches Bauteil
- 16
- Trägermaterial
- 18
- Elastomer
- 20
- elektrische Leiterbahn
- 22
- Kleber
- 24
- Ende
- 26
- Ende
- 28
- Transponder
- 30
- elektrische Leiterbahn
- 32
- elektrische Leiterbahn
- 34
- elektrische Leiterbahn
- 36
- innenliegendes Ende
- 38
- außenliegendes Ende
- 40
- innenliegendes Ende
- 42
- außenliegendes Ende
- 44
- elektrische Leiterbahn
- 46
- elektrische Leiterbahn
- 48
- Spule
- 50
- Spule
- 52
- Kondensator
- 54
- Widerstand
- 56
- Kern
- 58
- Leiter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19831854 C2 [0002, 0002]
- DE 19544856 C1 [0002, 0002]
- DE 10242785 A1 [0018]
