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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorgehäuse mit einem Korpus, der eine Einsetzöffnung, über die ein Sensorelement in den Korpus einsetzbar ist, und eine Kabelöffnung zum Durchführen einer Versorgungs- und/oder Signalleitung des Sensorelements aufweist, und einem die Einsetzöffnung verschließenden Deckel.
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In der Praxis sind Korpus und Deckel eines solchen Sensorgehäuses dauerhaft und unlösbar miteinander verbunden, so dass ein darin angeordnetes Sensorelement bei Bedarf nicht ausgetauscht oder repariert werden kann, sondern nur der komplette Sensor als Ganzes verworfen und ersetzt werden kann. Eine solche Lösung ist daher im Wesentlichen für geringwertige Sensoren geeignet, bei denen von vornherein davon ausgegangen werden kann, dass jede Reparatur unwirtschaftlich ist. Sie ist nicht recyclingfreundlich, da eine Zerlegung des verworfenen Sensors in seine Einzelteile hohen Aufwand erfordert.
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Aus der
DE 296 22 668 U1 ist eine Drehwinkel-Messvorrichtung bekannt, die in ein zylindrisches Gehäuse eingesetzt ist und darin mittels eines Deckels dicht und drehfest gehalten wird. Während der Montage wird die Drehwinkel-Messvorrichtung in das zylindrische Gehäuse eingesetzt und der Deckel anschließend auf eine Öffnung des Gehäuses aufgesetzt. Dabei wird über einen Einlaufkegel und einer Hohlkehle am Deckel eine radiale Kraft auf eine Wulst ausgeübt, so dass die Messvorrichtung in einer Nut des Gehäuses gehalten bzw. geklemmt wird. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass eine Demontage dieser Klemmverbindung zwischen Deckel, Drehwinkel-Messvorrichtung bzw. Wulst und Gehäuse zumindest nicht ohne weiteres möglich ist.
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Aufgabe der Erfindung ist, ein Sensorgehäuse zu schaffen, das den Zusammenbau eines Sensors mit geringem Aufwand ermöglicht und dennoch eine Reparatur eines darin montierten Sensorelements nicht ausschließt bzw. eine Zerlegung des verworfenen Sensors in seine Bestandteile erlaubt.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem bei einem Sensorgehäuse der eingangs angegebenen Art der Deckel eine mit der Kabelöffnung fluchtende Verriegelungsöffnung aufweist und die Versorgungs- und/oder Signalleitung ein Durchführungselement umfasst, das die Kabelöffnung des Korpus und die Verriegelungsöffnung des Deckels durchsetzt. Indem der Deckel durch Einstecken des Durchführungselements am Korpus verriegelt wird, werden weitere Maßnahmen zur Verankerung des Deckels ganz oder wenigstens teilweise überflüssig. Dies vereinfacht zum einen den Zusammenbau des Sensorgehäuses; zum anderen erleichtert es dessen Zerlegung in seine Bestandteile, wenn nach Entfernen des Durchführungselements Korpus und Deckel wieder voneinander trennbar sind.
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Zweckmäßigerweise kann es sich bei dem Durchführungselement um ein Steckverbinderelement handeln, das den Anschluss eines mit einem komplementären Steckverbinderelement versehenen Versorgungs- und/oder Signalkabels erlaubt.
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Wenn der Deckel eine die Eintrittsöffnung verschließende Platte und eine in die Eintrittsöffnung eingreifende Wand umfasst, ist die Verriegelungsöffnung zweckmäßigerweise in letzterer gebildet.
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Zur Vervollständigung der Verankerung des Deckels kann wenigstens ein Stift einen der Verriegelungsöffnung gegenüber liegenden Rand des Deckels an dem Korpus verriegeln.
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Um ein in dem Sensorgehäuse montiertes Sensorelement leicht kontaktieren zu können, ist vorzugsweise die Länge eines das Sensorelement mit dem Steckverbinderelement verbindenden Abschnitts der Versorgungs- und/oder Signalleitung lang genug bemessen, um das Steckverbinderelement aus der Kabelöffnung herausziehen zu können, ohne die Leitung zu unterbrechen. So ist es insbesondere möglich, zunächst das Sensorelement mit einem daran vormontierten Leiterabschnitt in dem Korpus zu platzieren, den Leiterabschnitt aus der Kabelöffnung herauszuziehen und ihn dann mit dem Durchführungselement zu kontaktieren. Zu diesem Zweck umfasst der besagte Abschnitt der Versorgungs- und/oder Signalleitung wenigstens einen flexiblen Leiterbahnfilm.
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Der an dem Sensorelement vormontierte flexible Leiterbahnfilm ist besonders einfach zu kontaktieren, wenn hierfür ein komplementärer, an dem Durchführungselement vormontierter flexibler Leiterbahnfilm zur Verfügung steht.
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Um das Durchführungselement sicher zu führen, ist die Kabelöffnung zweckmäßigerweise durch einen von einem Grundkörper des Korpus abstehenden Rohrabschnitt gebildet.
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Dieser Rohrabschnitt kann zweckmäßigerweise ein Außengewinde tragen, insbesondere, um die sichere Befestigung eines externen Kabels an dem Steckverbinderelement zu ermöglichen.
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Ein Signaldurchgangsfenster ist vorzugsweise an einer der Einsatzöffnung gegenüberliegenden Seite des Korpus angeordnet. Indem dieses Fenster im Korpus anstatt etwa im Deckel angeordnet ist, kann das Sensorelement in einer in Bezug auf das Fenster präzise definierten Position in dem Sensorgehäuse montiert werden.
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Vorzugsweise ist das Signaldurchgangsfenster in einem von einem Grundkörper des Korpus abstehenden Rohrabschnitt gebildet.
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Dieser Rohrabschnitt trägt vorzugsweise ein Außengewinde, um die Montage des Sensorgehäuses in einer Anwendungsumgebung zu erleichtern.
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Ein solches Außengewinde ist vorzugsweise an wenigstens einer Stelle des Umfangs seines Rohrabschnitts durch eine Facette unterbrochen. Die Facette kann als eine Verdrehsicherung dienen, vorzugsweise ist sie vorgesehen, um einen Formgrat auf ihr unterzubringen, der beim Abformen des Rohrabschnitts mit Hilfe mehrerer jeweils einen Teil des Umfangs des Rohrabschnitts abformender Formwerkzeuge erhalten wird.
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Um jeglichen Kontakt zwischen dem Formgrat und einem aufgeschraubten Innengewinde auszuschließen, schneidet die Facette vorzugsweise einen Kern des Außengewindes.
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Vorzugsweise ist das Außengewinde an wenigstens zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen durch ausgesparte Facetten unterbrochen, um dessen Abformung mit Hilfe von nur zwei jeweils den halben Umfang des Rohrabschnitts bildenden Formwerkzeugen zu ermöglichen.
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Die Erfindung ist besonders vorteilhaft anwendbar, wenn wenigstens der Rohrabschnitt, vorzugsweise das gesamte Sensorgehäuse, aus Metall gefertigt ist. Während nämlich bei der Gehäusefertigung aus Kunststoff der Verschleiß der Formen relativ gering ist, so dass Formgrate an der Grenze zwischen den Formen lange Zeit klein gehalten werden können, ist bei Metallen, die bei wesentlich höheren Temperaturen verarbeitet werden müssen, die Beanspruchung der Formen wesentlich höher, so dass im Laufe des Fertigungsbetriebs aufgrund von Abnutzung der Formen Formgrate entstehen können. Ferner können bei einem Kunststoffgehäuse vorhandene Formgrate aufgrund der relativ geringen Härte des Materials beim Festschrauben teilweise flachgedrückt werden, wodurch sich die Kontaktfläche zwischen dem Außengewinde des Rohrabschnitte und dem Innengewinde einer aufgeschraubten Mutter vergrößert, wohingegen aufgrund der im Vergleich zu Kunststoff höheren Härte der für Sensorgehäuse in Betracht kommenden Metalle bei einem Metallgehäuse eine Verformung der Formgrate beim Festschrauben gering und folglich eine von einem Formgrat hervorgerufene Ungleichverteilung der Beanspruchung auf den Umfang des Rohrabschnitts stark ist. Wenn anstelle von Kunststoff Metall für den Rohrabschnitt verwendet wird, ist es daher herkömmlicherweise nicht möglich, die Wandstärke des metallischen Rohrabschnitts proportional zum Verhältnis der Zugbelastbarkeiten von Metall und Kunststoff zu verringern.
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Mit dem erfindungsgemäßen Sensorgehäuse sind hingegen geringe Wandstärken des Rohrabschnitts ohne Gefahr des Reißens realisierbar. So kann die Wandstärke zumindest im Bereich der Facetten auf einen Wert von unter 0,7 mm, vorzugsweise sogar unter 0,6 mm, reduziert werden.
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Da das Gewinde frei von Formgraten ist, kann extrem hartes Material für das Sensorgehäuse oder zumindest dessen ersten Rohrabschnitt verwendet werden; zweckmäßig ist ein Härtewert von wenigstens 360° Vickers oder, wie insbesondere durch Verwendung eines metallischen Glases als Gehäusewerkstoff erreichbar, wenigstens 450° Vickers. Ein solcher Härtegrad ist insbesondere durch Verwendung eines metallischen Glases als Gehäusewerkstoff erreichbar.
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Der erste Rohrabschnitt hat wenigstens im Inneren vorzugsweise eine Oberflächenrauigkeit von weniger als Rz = 5,3 μm. Ein so geringer Rauigkeitswert ist bei einem Gehäuse aus metallischem Glas unmittelbar beim Entformen, ohne Nachbearbeitung, erreichbar.
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Metallische Gläser auf Grundlage von Titan und Zirkonium bieten neben den oben genanten Vorzügen auch eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, so dass daraus gefertigte Sensorgehäuse auch für den Einsatz in aggressiver Umgebung geeignet sind.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1, 2 und 3 jeweils perspektivische Ansichten eines erfindungsgemäßen Sensorgehäuses;
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4 einen auseinander gezogenen Schnitt durch das Sensorgehäuse, eine zum Einbau in dem Sensorgehäuse vorgesehene Sensorbaugruppe, einen Deckel und eine Steckverbinderbuchse in auseinander gezogener Darstellung;
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5 eine Draufsicht auf das Sensorgehäuse und zwei zu seiner Herstellung verwendete Formelemente; und
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6 eine Draufsicht auf ein Sensorgehäuse gemäß einer abgewandelten Ausgestaltung.
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1 bis 3 sind jeweils perspektivische Ansichten ein und desselben Sensorgehäusekorpus 1. Der Korpus 1 hat einen im Wesentlichen quaderförmigen Grundkörper 2 mit einer vorderen Wand 3, von der zentral ein Rohrabschnitt mit Außengewinde, im Folgenden auch als Gewindestutzen 4 bezeichnet, absteht, Längswänden 5, 6 und Querwänden 7, 8, von denen eine, 8, einen zweiten Gewindestutzen 9 trägt, dessen Durchmesser kleiner als der des Gewindestutzens 4 ist. Eine der vorderen Wand 3 gegenüber liegende Rückseite 10 des Grundkörpers 2 ist offen. Zwei Durchgänge 11 für Befestigungsschrauben erstrecken sich oberhalb und unterhalb des Gewindestutzens 4 zwischen den Längswänden 5, 6. Abweichend von einer exakten Quaderform des Grundkörpers 2 verbinden zwei schräge Facetten 12 die vordere Wand 3 mit den Querwänden 7, 8.
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Am Außenumfang des Gewindestutzens 4 sind in einem Winkelabstand von 90° vier ebene Facetten 15 bis 18 gebildet, wobei die Facetten 15, 17 auf einer von den Längsachsen der Gewindestutzen 4, 9 aufgespannten Symmetrieebene des Grundkörpers 2 senkrecht stehen und die Facetten 16, 18 parallel zu dieser verlaufen. Der Gewindestutzen 9 weist zu der Symmetrieebene senkrechte Facetten 19, 20 auf. Wie insbesondere im Vergleich der 1 und 2 zu erkennen ist, reichen die zur Symmetrieebene parallelen Facetten 16, 18 nicht bis in den Gewindekern des Gewindestutzens hinein, so dass sie aus einer Mehrzahl von einzelnen Planflächen an den einzelnen Zähnen des Gewindes bestehen, während die zur Symmetrieebene senkrechten Facetten 15, 17, 19, 20 jeweils in den Gewindekern hineinreichen und so eine sich über die gesamte Länge des Gewindestutzens 4 bzw. 9 hinweg durchgehend erstreckende Planfläche bilden. Ein sich eventuell aufgrund von Fertigungsungenauigkeit auf den Facetten 15, 17, 19, 20 erstreckender Formgrat 21 kann daher nur schwerlich mit dem Innengewinde einer auf den Gewindestutzen 4 oder 9 aufgeschraubten (nicht dargestellten) Mutter in Kontakt kommen, so dass sich die ineinander greifenden Gewindezähne von Gewindestutzen und Mutter auf einer großen Fläche berühren und die am Gewinde auftretenden Kräfte somit gleichmäßig verteilt in die Gewindestutzen 4, 9 eingeleitet werden.
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4 zeigt schematisch den Aufbau eines vollständigen Sensors mit dem in den 1 bis 3 dargestellten Korpus 1. Der Korpus 1 ist vorgesehen, um eine Sensorbaugruppe 22 aufzunehmen, die hier ein in etwa quaderförmiges Basismodul 23, einen in den Gewindestutzen 4 eingreifenden zylindrischen Abschnitt 24 sowie, an einer von dem zylindrischen Abschnitt abgewandten Rückseite des Basismoduls 23, Schalter 25 und Betriebsstatusanzeigeelemente wie etwa Leuchtdioden 26 tragt. Der zylindrische Abschnitt 24 hat an seinem vom Basismodul 23 abgewandten Ende eine umlaufende Nut 27, in der ein O-Ring 28 aufgenommen ist. Wenn der zylindrische Abschnitt 24 in den Gewindestutzen 4 eingeführt ist, dichtet der O-Ring 28 an der Innenfläche des Gewindestutzens 4.
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Die Stirnseite des zylindrischen Abschnitts 24 ist durch ein lichtdurchlässiges Fenster 29 gebildet, hinter dem in Innern des Abschnitts 24 als Sensorelement eine Fotodiode untergebracht ist. Zusätzlich kann in dem Abschnitt 24 eine durch das Fenster 29 nach außen abstrahlende Lichtquelle wie etwa eine Leuchtdiode vorgesehen sein, so dass die Fotodiode von einem Gegenstand vor dem Fenster 29 reflektiertes Licht erfasst. Selbstverständlich können auch beliebige andere Sensorelemente wie etwa kapazitive oder induktive Näherungssensoren als Sensorelemente in dem Abschnitt 24 untergebracht sein, wobei in diesem Fall das Gehäuse bis zu dem Abschnitt 24 zweckmäßigerweise aus einem Dielektrikum oder einem nicht ferromagnetischen Metall besteht.
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Signal- und Versorgungsanschlüsse der Sensorbaugruppe 22 verlaufen auf einem flexiblen Leiterplattenstreifen 30.
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Ein aus Kunststoff geformter Deckel 31 umfasst im Wesentlichen eine die offene Rückseite 10 des Korpus 1 überdeckende Platte 32 und entlang der Wände der Platte 32 umlaufende Wände 33, 34, 35. Ein Fenster 38 in der Platte 32 ist von zwischen die Wände 33 eingreifenden Stegen 39 begrenzt. In der unteren Wand 35 ist eine Öffnung 42 gebildet. Die untere Wand 35 und einer der Stege 39 begrenzen eine Nische 53.
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Entlang der Wände 33, 34, 35 erstreckt sich eine einen Dichtring 36 unterstützende Schulter 37 in einer unter spitzem Winkel zu der Platte 32 orientierten Ebene. Die schräge Orientierung der Schulter 35 erlaubt, den Deckel 31 mit parallel zur Rückseite 10 orientierter Platte 32 an den Korpus 1 anzustecken, da so der Dichtring 34 nicht auf seiner gesamten Länge gleichzeitig zwischen die Wände 33, 34, 35 des Deckels 31 und die Wände 5 bis 8 des Korpus 1 eingepresst werden muss.
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Wenn der Deckel 31 bis zum Anschlag auf den Korpus 1 aufgedruckt ist, berühren die Stege 39 die Rückseite des Basismoduls und fixieren es so im Gehäuse 1. Der Leiterplattenstreifen 30 ist in der Nische 53 aufgenommen. Eine Nut 40 des Deckels 31 fluchtet mit zur Querwand 7 benachbarten Löchern 41 in den Längswänden 5, 6, und die Öffnung 42 in der unteren Wand 35 fluchtet mit dem Gewindestutzen 9. Die Schalter 25 sind in das Fenster 38 des Deckels 31 eingerückt und von außen betätigbar. Die Leuchtdioden 26 liegen einem Spalt zwischen der oberen Wand 34 und einem der Stege 39 gegenüber, so dass sie einen transparenten Einsatzkörper 43 beleuchten können, der einen oberen Rand der Platte 32 bildet. Ein von den Leuchtdioden 26 angezeigter Betriebszustand ist auf diese Weise außen am Sensorgehäuse 1 ablesbar.
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Ein zum Einfügen in den Gewindestutzen 9 vorgesehenes Steckverbinderteil 44 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen, auf einer Schulter einen Dichtring 46 tragenden Kunststoffkörper 45, in dem Kontaktstifte 47 eingelassen sind. Die Kontaktstifte 47 sind mit Leiterbahnen eines flexiblen Leiterplattenstreifens 48 verbunden.
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Nach dem Zusammenfügen von Korpus 1, Sensorelement 22 und Deckel 31 wird zunächst das freie Ende des Leiterplattenstreifens 30 durch die Öffnung 42 und den Gewindestutzen 9 herausgezogen und dann mit dem Leiterplattenstreifen 48 kontaktiert. Anschließend wird der Kunststoffkörper 45 in den Gewindestutzen 9 eingeführt, wobei der Dichtring 46 an der Innenseite des Gewindestutzens 9 abdichtet. Der Kunststoffkörper 45 rückt dabei in die Öffnung 42 der Wand 35 des Deckels 31 ein und verriegelt diesen.
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Eine vollständige Verriegelung und Fixierung des Deckels 31 wird durch Einstecken von (nicht gezeigten) Stiften durch die Lacher 41 des Sensorgehäuses 1 in die Nut 40 des Deckels 31 erreicht. Zur Fixierung des Kunststoffkörpers 45 können darüber hinaus kurze Bolzen in Lacher 49 des Gewindestutzens 9 und mit diesen fluchtende Vertiefungen 50 des Kunststoffkörpers 45 eingepresst sein.
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5 veranschaulicht schematisch die Herstellung des Korpus 1. Der Korpus 1 ist in einer Draufsicht auf seine offene Rückseite zu sehen; rechts und links von ihm sind zwei Teile 51, 52 einer zur Herstellung verwendeten Form zu sehen. Die Durchgänge 11 formende Stifte 54 legen die Bewegungsrichtung der Formteile 51, 52 beim Entformen fest. Die Formteile 51, 52 berühren einander beim Abformen entlang der Symmetrieebene des Grundkörpers 2, so dass Formgrate an den Gewindestutzen 4, 9 nur auf dieser Symmetrieebene, jeweils auf den Facetten 15, 17, 19, 20 entstehen können.
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Zum Formen des Korpus 1 werden Legierungen auf Grundlage von Zirkonium und Titan eingesetzt, die unter den Bezeichnungen Liquidmetal I Alloy und Liquidmetal II Alloy von der Firma Liquidmetal Technologies, Inc., Lake Forest, CA, USA vertrieben werden. Diese Legierungen haben die Besonderheit, bei Erhitzen eine Schmelze von temperaturabhängiger Zähigkeit und bei ausreichend schneller Abkühlung aus der Schmelze einen amorphen Festkörper von hoher Härte zu bilden. Die amorphe, glasartige Natur des Festkörpers führt dazu, dass das abgeformte Gehäuse praktisch frei von der für den Metallguss typischen kristallisationsbedingten körnigen Oberflächenstruktur ist, so dass der fertige Formkörper mit einer Oberflächenrauigkeit von weniger als Rz = 5,3 μm der Form entnommen werden kann. Für die Wände 5 bis 8 des Grundkörpers 2 genügt bei Verwendung dieser Legierungen eine Wandstärke von 0,5 mm bei Kantenlängen der Wände zwischen 15 und 50 mm. Die Facetten 15, 17, 19, 20 haben an ihrer dünnsten Stelle jeweils eine Wandstärke von 0,55 mm oder darunter.
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6 zeigt eine Draufsicht auf die vordere Wand 3 eines Korpus gemäß einer geringfügig abgewandelten Ausgestaltung der Erfindung. Bei dieser Abwandlung sind an den Gewindestutzen 4 jeweils beiderseits der Symmetrieebene Facetten 15, 15' bzw. 17, 17' geformt, die an der Symmetrieebene unter einem sehr stumpfen Winkel aufeinander treffen. Die Facetten 15, 17 sind von einem gleichen Formteil geformt, die Facetten 15', 17' von einem anderen. Die Nichtparallelität der Facetten 15 und 17 bzw. 15' und 17' erleichtert das Entformen des fertigen Gehäuses; ansonsten hat diese Ausgestaltung im Wesentlichen die gleichen Wirkungen und Vorteile wie die mit Bezug auf 1 bis 5 beschriebene.
