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1. Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft Innenraumbeleuchtungen insbesondere mittels LEDs, wie sie beispielsweise in Automobilen zum Einsatz kommt. Eine solche Beleuchtung kann eine sogenannte Ambientebeleuchtung oder Effektbeleuchtung, aber auch eine Signalbeleuchtung (bspw. bei Gefahr) sein.
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2. Stand der Technik
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Im Bereich der Ambientebeleuchtung für Fahrzeuge besteht neben bereits bekannter einfarbiger Beleuchtung der Wunsch nach Mehrfarbigkeit. Betriebsintern ist es bekannt, eine solche Mehrfarbigkeit mit mehreren einfarbigen LEDs umzusetzen. Allerdings ist der zur Verfügung stehende Bauraum klein, weshalb der an die LEDs angekoppelte Lichtleiter einen gewissen Durchmesser nicht überschreiten sollte. Da die Lichtleitung weiter homogen über große Längen gewährleistet werden soll, wird üblicherweise von einem maximalen Lichtleitungsdurchmesser von 5,5 mm ausgegangen. Bei einem solchen Durchmesser kann man allerdings mittels maximal zweier einfarbiger LEDs Licht einkoppeln.
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Durch die Mischung der Intensität dieser beiden LEDs können neben einer spezifischen Farbe einer LED zusätzliche Mischfarben erzeugt werden, die in der CIE-Normtafel auf Verbindungsgeraden zwischen den Reinfarben liegen.
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Um die Farbenvielfalt im Fahrzeug weiter zu vergrößern, und gar eine unbegrenzte Anzahl an Farben bereitstellen zu können, wäre anstelle mehrerer einfarbiger LEDs eine Lichteinkoppelung mittels einer RGB-LED von Vorteil. Bei Verwendung einer solchen RGB-LED könnten darüber hinaus Lichtleiter mit einem Durchmesser von 3,5 mm eingesetzt werden.
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Zur Steuerung der RGB-LED könnte ein Farbsensor eingesetzt werden. Allerdings stellt sich das Problem, dass das von der RGB-LED abgestrahlte Licht erst ausreichend durchmischt werden muss, bevor es den Farbsensor erreicht. Eine direkte Einstrahlung in den Farbsensor ist nicht möglich, weil die Intensitäts- und Farbortangabe verfälscht werden. Demnach müsste der Lichtleiter angepasst werden, was zeitaufwändig ist und erhöhte Kosten verursacht.
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Als Stand der Technik ist das Dokument
DE 10 2006 099 551 B4 bekannt, das eine Vorrichtung zum Erzeugen von Licht einer frei auswählbaren Farbe mit mehren einfarbigen Leuchtmitteln betrifft. Eine Steuerung ist hier als ein Mikroprozessor ausgebildet und mittels einer Leitung mit einem Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Leuchtdioden verbunden. Gleichfalls ist die Steuerung mittels einer Leitung mit einer Fotodiode verbunden, die einer Lichtaustrittsfläche eines Prismas zugewandt angeordnet ist, dessen Lichteintrittsfläche den Fotodioden zugewandt ist.
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Als weiterer Stand der Technik ist das Dokument
DE 10 2008 039 364 A1 bekannt, das eine Halbleiter-Leuchtvorrichtung betrifft. Die Halbleiterlichtquelle kann mindestens eine LED umfassen. Weiter können mehrere gleichfarbige und/oder verschiedenfarbige Leuchtdioden vorliegen.
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Ein anderer Stand der Technik, die
DE 10 2008 025 865 A1 , betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines LED-Moduls bestehend aus einer Anzahl verschiedenfarbiger LEDs. Aus diesem Stand der Technik geht bereits das Problem hervor, dass im Falle der Neubeschaffung eines RGB-RGBA oder Hybrid-LED-Moduls nur die Reproduzierbarkeit von definiertem LED-Licht den Einsatz der LED-Technologie in der Allgemeinbeleuchtung ermöglichen wird. Nur ein Farbsensor, der den Farbort bestimmt und somit die einzelnen Farbanteile berechnen kann, erlaubt eine genaue Farbortsteuerung.
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3. Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Modul mit einer LED und einem Sensor bereitzustellen, bei dem die Komponenten in einem kleinen Bauraum untergebracht werden können, und gleichzeitig das von der LED emittierte Licht durch die Messung mit dem Sensor kaum abgeschwächt wird.
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Zur Lösung dieser erfindungsgemäßen Aufgabe wird ein Modul gemäß Anspruch 1 bereitgestellt. Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen zu entnehmen.
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Kerngedanke der vorliegenden Erfindung ist dabei, die LED (bevorzugt eine RGB-LED), den Sensor sowie die Optik derart in einem Modul anzuordnen, dass vor Einkopplung des Lichts der LED in einen in das Modul eingeführten Lichtleiter ein geringer Teil dieses Lichts zum Sensor geführt wird. Der Sensor und die Steuereinheit sind für diese Konfiguration kalibriert, und die Steuereinheit regelt basierend auf den Messergebnissen die LED.
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Deshalb muss der Sensor nur einmalig für ein spezifisches Modul kalibriert/abgestimmt werden. Die Regelung ist somit unabhängig von der sich ändernden Geometrie des Lichtleiters. Im Übrigen kann die Regelung nicht nur zur Farbabstimmung, sondern auch zur Helligkeitsregelung eingesetzt werden. Des Weiteren ermöglicht die vorliegende Erfindung die Unterbringung der einzelnen Elemente auf kleinem Bauraum, und es wird darüber hinaus verhindert, dass das von der LED emittierte Licht durch die Messung negativ beeinflusst wird.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die LED sowie der Sensor auf einer gemeinsamen Basis fixiert. Hierdurch kann die relative Ausrichtung des Sensors zur LED gewährleistet werden. Insbesondere wird als gemeinsame Basis eine Leiterplatte verwendet (PCB = printed circuit board).
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Weiter ist es bevorzugt, dass die LED eine sogenannte RGB-LED mit mehreren Farbdioden ist. Üblicherweise ist eine RGB-LED mit einer grünen, einer blauen und einer roten Farbdiode ausgestattet. Durch Mischung der einzelnen Farben kann ein breites Farbspektrum realisiert werden.
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Weiter ist es bevorzugt, dass der Sensor bei seiner Montage in das Lichtemittermodul bezüglich der ebenfalls im Lichtemittermodul bereits montierten LED kalibriert wird. Somit kann der Sensor auf die Gegebenheiten im spezifischen Modul eingestellt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn – im Falle einer RGB-LED – je nach Lichtemittermodul verschiedene Farbanteile vom Sensor erfasst werden.
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Somit kann die mit der LED und dem Sensor verbundene Steuereinheit auf Grundlage der Messdaten des Sensors die LED gezielt ansteuern, und somit die gewünschte Farbe exakt einstellen. Dabei ist es in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bevorzugt, dass der verwendete Lichtleiter einen Durchmesser zwischen 2–5 mm, bevorzugt etwa 3,5 mm, aufweist. Dabei ist das Maß vom ca. 3,5 mm Durchmesser eine gängig eingesetzte Größe. Somit wird auch die Lichtleitung homogen über relativ große Strecken gewährleistet, was bei größeren Lichtleiter-Durchmessern zu Problemen führen kann.
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In einer weiteren Ausführungsform ist es bevorzugt, dass die in die Optik gelangten Lichtstrahlen an zumindest einer Grenzfläche innerhalb der Optik reflektiert werden. Hierdurch kommt es zu einer guten Durchmischung des Lichts, bis dieses zum Sensor gelangt.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Sensor derart vorgesehen, dass eine Detektierfläche in die Richtung des Lichtaustritts aus der LED weist. Hierdurch lässt sich eine äußerst kompakte Bauweise realisieren.
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In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der Lichtleiter in einem Endbereich einen konusförmigen Endabschnitt aufweist, welcher der LED gegenüberliegt. Dieser konusförmige Endabschnitt wird von der Optik seitlich umschlossen. Somit bietet der konusförmige Endabschnitt den Bereich, in dem das Licht in den Lichtleiter eingekoppelt wird. Die Optik umschließt diesen Bereich, und kann ein nicht in den konusförmigen Endabschnitt eingekoppeltes Licht abgreifen, und zum Sensor leiten.
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Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass die zur LED weisende Endfläche des konusförmigen Endabschnitts des Lichtleiters eine gegenüber der Lichtaustrittsöffnung der LED kleinere Fläche aufweist. Dabei ist diese Endfläche des konusförmigen Endabschnitts lediglich etwas kleiner als die Fläche der Lichtaustrittsöffnung ausgebildet, so dass lediglich ein sehr geringer Teil des Lichts der LED nicht in den Lichtleiter, sondern in die Optik eintritt.
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Weiter ist es bevorzugt vorgesehen, dass der konusförmige Endabschnitt des Lichtleiters am Übergang zum zylinderförmigen Lichtleiter eine Stufe aufweist. An dieser Stufe kann die Optik aufliegen, und somit der Lichtleiter, die Optik und die LED in Relation zueinander positioniert werden.
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In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist eine gesonderte Optik abschnittsweise zwischen dem Lichtleiter und der LED vorgesehen. In dieser Konfiguration tritt das Licht somit von der LED in die Optik ein, und ein geringer Teil des Lichts wird an der Grenzfläche zwischen der Optik und dem Lichtleiter in Richtung des Sensors reflektiert. Der übrige überwiegende Teil des Lichts wird zum Lichtleiter transmittiert.
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Hierfür ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Grenzfläche zwischen der Optik und dem Lichtleiter trübe, oder klar aber definiert reflektierend beschichtet ist. Über diesen Parameter wird eine Einstellung vorgenommen, wie viel des Lichts zum Lichtleiter transmittiert, und wie viel zum Sensor reflektiert wird.
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4. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der eine RGB-LED, ein Lichtleiter, eine Optik und ein Farbsensor in einer kompakten Bauweise angeordnet sind.
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2 zeigt eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der ein Abschnitt einer Optik zwischen einer LED und einem Lichtleiter befindet.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine ähnliche Optik wie die dritte Ausführungsform verwendet.
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5. Detaillierte Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform eines Moduls mit einer RGB-LED 5 und einem Farbsensor 2. Mit RGB-LED ist in diesen Zusammenhang eine LED (light emitter diode) mit mehreren Dioden gemeint. Es sind unter diesem Begriff auch RGGBs, RGBWs oder ähnliche LEDs mit mehr als einem lichtemittierenden Chip umfasst.
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Hierbei sind in einem Gehäuse G die RGB-LED 5 sowie der Farbsensor 2 auf einer Leiterplatte 1 angebracht. Der Farbsensor 2 kann beispielsweise ein so genannter Truecolor-Sensor oder ein RGB-Sensor sein. In einer vertikalen Richtung oberhalb der RGB-LED 5 (derjenigen der Leiterplatte 1 abgewandten Seite der RGB-LED 5) befindet sich ein in das Modul eingeführter bzw. eingesteckter Lichtleiter 4A, der in dieser Ausführungsform einen Durchmesser von etwa 3,5 mm aufweist, und die von der RGB-LED ausgesandten Lichtstrahlen weiterleitet. An der zur RGB-LED 5 weisenden Seite umfasst der zylinderförmige Lichtleiter einen konischen Abschluss, wobei der Konus eine flache Spitze in Richtung der RGB-LED aufweist, und im Übergang zum zylindrischen Lichtleiter eine Stufe 4b vorhanden ist. Die Ebene der Stufe 4b sowie die Ebene der flachen Konusspitze 4a sind im Wesentlichen parallel zueinander.
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Ebenfalls auf der Leiterplatte ist der Farbsensor 2 angebracht. Der Detektierabschnitt des Sensors 2 weist dabei in die gleiche Richtung wie die Hauptlichtaustrittsrichtung der RGB-LED (in 1 in vertikaler Richtung von der Leiterplatte weg weisend).
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Weiter umfasst das Modul gemäß der vorliegenden Ausführungsform eine Optik (RGB-Optik), mit der Lichtstrahlen von der RGB-LED zum Farbsensor 2 durch Reflektion geleitet werden können. Die Optik 3 kann hierzu ebenfalls auf der Leiterplatte 1 angebracht sein, und sie erstreckt sich von einem Bereich der RGB-LED 5 zum Farbsensor 2.
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Die RGB-LED 5 umfasst mehrere Farbdioden, in der vorliegenden Ausführungsform eine Diode für grünes Licht 6, eine Diode für blaues Licht 7 und eine Diode für rotes Licht 8. Mithilfe dieser Dioden 6–8 kann ein großes Farbspektrum erzeugt werden.
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Hierbei ist es beim erfindungsgemäßen Aufbau des Moduls vorgesehen, dass ein Großteil der von der RGB-LED 5 ausgesandten Farbstrahlen an der Fläche 4a in den Lichtleiter 4A gelangt (ca. 99%). Die Streustrahlung der RGB-LED wird im Randbereich neben dem konischen Abschluss des Lichtleiters 4A durch die um diesen Bereich komplementär angeordnete, den Konus des Lichtleiters seitlich umschließende Optik 3 gesammelt, und durch Reflexion innerhalb der Optik zum Sensor geleitet. Hierbei wird das Licht der einzelnen Dioden wegen der Lage zur Optik und zum Sensor nicht in gleichmäßigen Anteilen gesammelt. Jedoch kann durch eine Kalibrierung des Systems gewährleistet werden, dass der Sensor die Werte aus der Optik derart auswerten kann, dass durch eine entsprechende Farbeinstellung die gewünschte Farbe in den Lichtleiter eingespeist wird.
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Die Anordnung gemäß der bevorzugten Ausführungsform garantiert somit eine indirekte Einstrahlung in den Farbsensor. Im Übrigen wird das von der LED emittierte Licht kaum abgeschwächt.
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2 zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in der ersten Ausführungsform umfasst diese Variante in einem Gehäuse G eine Leiterplatte 1, einen hierauf montierten Sensor 2, eine RGB-LED 5 mit Dioden 6, 7 und 8 sowie einen senkrecht oberhalb der RGB-LED angeordneten Lichtleiter 4B. Dieser Lichtleiter 4B wurde wie in der ersten Ausführungsform in das Modul eingeführt und lösbar an diesem befestigt. Die relative Ausrichtung der genannten Komponenten zueinander ist im Wesentlichen gleich zur ersten Ausführungsform. Allerdings weist der Lichtleiter 4B nicht den in der ersten Ausführungsform beschriebenen konischen Abschluss auf, sondern schließt mit einer zur Leiterplatte 1 und somit zur Oberseite der RGB-LED 5 im Wesentlichen planparallelen Fläche 4c ab.
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Im Bereich des konischen Abschlusses des Lichtleiters 4A der ersten Ausführungsform ist in der zweiten Ausführungsform die Optik 3B vorhanden. Mit anderen Worten ist die Optik 3B nicht wie bei der ersten Ausführungsform durch den konischen Abschluss des Lichtleiters unterbrochen.
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Die Optik 3B der zweiten Ausführungsform transmittiert fast das gesamte Licht (ungefähr 99%), das von der LED 5 emittiert wird, in den Lichtleiter 4B. Ein geringer Anteil wird an der Grenzfläche der Optik 3B zum Lichtleiter 4B reflektiert, gestreut und in Richtung des Sensors geleitet. Hierzu ist die Optik 3B an dieser Grenzfläche trübe, oder klar aber definiert reflektierend beschichtet, damit der gestreute Lichtanteil etwas vergrößert wird. Weiter wird durch die Trübung auch die Mischung aller Farben gewährleistet, die von den verschiedenen Dioden emittiert werden.
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Wie bei der ersten Ausführungsform wird somit eine indirekte Einstrahlung der von der RGB-LED 5 emittierten Strahlen in den Sensor 2 gewährleistet. Im Übrigen ergibt sich eine gute Durchmischung des von den einzelnen Dioden 6–8 emittierten Lichts.
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3 zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Hierbei ist, wie bei den Ausführungsformen 1 und 2, eine Leiterplatte 1, ein hieran befestigter Sensor 2 sowie eine RGB-LED 5 in einem Gehäuse G vorgesehen. Senkrecht oberhalb der RGB-LED 5 befindet sich ein Lichtleiter 4C, der jedoch, anders als bei den Ausführungsformen 1 und 2, eine abgeschrägte Fläche 4d in Richtung der RGB-LED 5 aufweist.
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Zwischen der RGB-LED 5 sowie der abgeschrägten Fläche 4d des Lichtleiters 4C ist eine Optik 3C vorgesehen, die in der Art eines Prismas ausgebildet ist. Diese Optik transmittiert einen Großteil des von der RGB-LED abgestrahlten Lichts in den Lichtleiter 4C. Ein geringer Anteil wird an der Grenzfläche zwischen der Optik 3C und dem Lichtleiter 4C (erste Reflexionsfläche) reflektiert, und über eine zweite Reflexionsfläche der Optik 3C direkt in die Sensordetektorfläche umgelenkt. Hierbei könnte die erste Reflexionsfläche mit einer speziellen Filterschicht versehen sein, die einen bestimmten, sehr kleinen Anteil des Lichts reflektiert und den Rest der Lichtstrahlen hindurchgelangen lässt.
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Der in 3 gezeigte Aufbau hat den Vorteil, dass bei der Montage des Moduls weniger Toleranzprobleme auftreten, da die Lichtstrahlen stets im gleichen Winkel umgelenkt werden, und der Abstand zwischen der RGB-LED und dem Sensor stets gleichbleibt. Demnach kann mit größeren Toleranzbereichen bei der Montage gearbeitet werden. Um die Qualität der Messergebnisse weiter zu verbessern, könnte z. B. eine Aufrauung der zweiten Reflexionsfläche der Optik 3C, oder der Austrittsfläche der Optik 3C in Richtung des Sensors 2 vorgesehen sein.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die ähnlich zur dritten Ausführungsform ausgebildet ist. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass der Farbsensor 2 seitlich neben der Optik 3D angeordnet ist, und die Lichtstrahlen 6a–8a nicht direkt auf die Detektiersektion des Farbsensors 2 auftreffen. Eine Trübung der zweiten Reflexionsfläche würde jedoch, wie in der Ausführungsform 3, die Mischung der Lichtstrahlen begünstigen. Im Übrigen ist die zum Sensor weisende Fläche der Optik 3D angeraut, so dass eine Auskopplung des Lichts in Richtung des Sensors 2 stattfinden kann.
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Der in 4 gezeigte Aufbau hat den Vorteil, dass die Detektorfläche auf ein gemischtes Licht hin gerichtet ist, und nicht das direkte Licht der RGB-LED 5 auf die Detektiersektion des Farbsensors 2 auftrifft.
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Bei vorangegangenen Ausführungsformen gibt es verschiedene Möglichkeiten, den Farbsensor 2 an der Leiterplatte 1 zu fixieren. Eine Möglichkeit ist es, Kontaktpins an der Leiterplatte 1 anzubringen und im Gehäuse G Führungsschlitze für die Pins vorzusehen. Am Sensor wird an den einzelnen Ausgängen eine Aufnahme für die Kontaktpins vorgesehen. Die Aufnahme zwischen den Federn am Farbsensor 2 ist kleiner als der Kontaktpindurchmesser, damit eine Einrastung des Kontaktpins und damit ein fester Kontakt gewährleistet werden kann.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kontaktpins am Farbsensor 2 vorzusehen. Die Kontaktierung mit der Leiterplatte erfolgt über sogenannte mqs-Action-pins. Dafür werden auf der Platine Kontaktbohrungen zur Verfügung gestellt, die im Durchmesser kleiner sind als die Kontaktpins. Beim Eindrücken der Kontaktpins in die Bohrungen wird Material in den Bohrungen plastisch verformt, und die Kontaktpins rasten somit fest ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006099551 B4 [0006]
- DE 102008039364 A1 [0007]
- DE 102008025865 A1 [0008]
