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Die Erfindung betrifft ein Verbindungsmittel zum Herstellen eines elektrischen Kontaktes zwischen einem von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiters und einer auf einem Schaltungsträger angeordneten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche.
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Im Bereich der „Smart-Textiles“ ist es erforderlich, elektronische Schaltungen in oder auf textilen Flächen zu integrieren. Das Integrieren beinhaltet zum einen das elektrische Verbinden einer elektronischen Schaltung mit einem von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiters – wobei dieser Leiter in oder auf der textilen Fläche angeordnet sein kann – zum anderen das mechanische Fixieren des Schaltungsträgers an einer textilen Fläche.
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Um einen elektrischen Kontakt zwischen zwei leitfähigen Körpern herzustellen, ist es notwendig, die Oberflächen der Körper auf einen Abstand zueinander zu bringen, ab dem ein Elektronenübergang zwischen den Körpern möglich ist. Dies ist bei einem Abstand im unteren Nanometerbereich durch den Tunneleffekt der Fall. Für die hier genannte technische Anwendung ist es wünschenswert, dass die Körper in physischem Kontakt, unter Ausbildung einer Kontaktfläche, zueinander stehen, wobei der elektrische Kontakt über die ausgebildete Kontaktfläche zustande kommt. Je stärker die Körper aufeinander gepresst werden, je größer also die ausgebildete Kontaktfläche, desto geringer, bis zu einem minimalen Grenzwert, ist der elektrische Kontaktwiderstand über die Kontaktfläche.
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Bisher kommen für die elektrische Kontaktierung Lote oder leitfähige Epoxidklebstoffe zum Einsatz, über die auch eine mechanische Fixierung eines jeweiligen Schaltungsträgers an einer textilen Fläche erfolgen kann. Als mechanische Fixierung finden auch Druckknöpfe oder Crimpösen Verwendung.
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Verbindungsmittel nach dem beschriebenen Stand der Technik haben den Nachteil, dass die für ein Löten und für das Aushärten von Epoxidklebstoffen notwendigen Temperaturen ein textiles Gewebe beschädigen können. Eine dauerhafte, mechanisch belastbare Fixierung eines jeweiligen Schaltungsträgers, insbesondere eines großflächigen Schaltungsträgers, an einer textilen Fläche ist auf diese Art und Weise nach bisherigen Erkenntnissen nicht möglich. Dementsprechend ist auch der für eine elektrische Verbindung wünschenswerte, geringe elektrische Kontaktwiderstand nicht über die gesamte Lebensdauer eines Smart-Textiles gewährleistet. Eine mechanische Fixierung über Druckknöpfe oder Crimpösen hat den Nachteil, dass diese bei der Montage plastisch verformen und nicht ohne weiteres zerstörungsfrei wieder lösbar sind.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verbindungsmittel zur Verfügung zu stellen, das einen langzeitstabilen elektrischen Kontakt zwischen einem von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiter und einer auf einem Schaltungsträger angeordneten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche ermöglicht und gleichzeitig einen jeweiligen Schaltungsträger an einer jeweiligen textilen Fläche mechanisch fixiert.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungsmittel dadurch gelöst, dass das Verbindungsmittel paarweise angeordnete Rastelemente, einen Kontaktstempel und einen elastisch verformbaren Steg aufweist, wobei die Rastelemente und der Kontaktstempel durch den Steg miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind und von dem Steg in der gleichen Richtung abstehen und die Rastelemente ausgebildet sind, in eine Ausnehmung eines Schaltungsträgers einzurasten, wobei die Rastelemente in eingerastetem Zustand durch eine jeweilige textile Fläche durchstehen und der Steg wenigstens einen Teil einer jeweiligen textilen Fläche derart überdeckt, dass ein Schaltungsträger an einer jeweiligen textilen Fläche mechanisch fixiert ist, und wobei der Steg, bei eingerasteten Rastelementen, derart elastisch verformt ist, dass der Kontaktstempel einen von einer jeweiligen textilen Fläche umfassten elektrischen Leiter unmittelbar gegen eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche presst und so einen elektrischen Kontakt zwischen einem elektrischen Leiter und einer Kontaktfläche herstellt und aufrechterhält.
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Die erfindungsgemäße Lösung schließt die Erkenntnis ein, dass viele in der Elektrotechnik übliche Kontaktierungstechniken für die Anwendung in Smart-Textiles nicht oder nur bedingt einsetzbar sind.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat somit den Vorteil, dass ein langzeitstabiler elektrischen Kontakt zwischen einem von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiter und einer auf einem Schaltungsträger angeordneten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche ermöglicht wird und gleichzeitig einen jeweiligen Schaltungsträger an einer jeweiligen textilen Fläche mechanisch fixiert werden kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung kann durch weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergänzt werden. Einige solcher Ausgestaltungen sind im Folgenden beschrieben.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Zeichnungen dargestellten beispielhaften Ausführungsformen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale können, wie auch bei den oben beschriebenen Ausführungsformen beliebig miteinander kombiniert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann der Steg des Verbindungsmittels ein planes Oberflächenelement aufweisen, dessen Flächennormale entgegengesetzt zur Abstehrichtung des Kontaktstempels orientiert ist. Dadurch ist gewährleistet, dass ein in einem Smart-Textile eingesetztes Verbindungsmittel nur unwesentlich von der textilen Fläche des Smart-Textiles erhaben ist und so als kaum störend empfunden wird.
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Das plane Oberflächenelement kann einen überwiegenden Teil einer Projektionsfläche des Verbindungsmittels ausmachen. Die Projektionsfläche des Verbindungsmittels ist durch eine Parallelprojektion definiert, deren Strahlen parallel zu der Flächennormalen des planen Oberflächenelementes verlaufen. Ein sich derart erstreckendes planes Oberflächenelement hat den Vorteil, dass es kostengünstig, beispielsweise durch einen Schraubstock oder eine Zange, appliziert werden kann.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist das Verbindungsmittel eine Mehrzahl von Kontaktstempeln und paarweise angeordneten Rastelementen auf. Diese sind ringförmig und abwechselnd auf einer Oberfläche des Verbindungsmittels angeordnet, womit sich das Verbindungsmittel zum elektrischen Kontaktieren und mechanischen Fixieren eines großflächigen Schaltungsträgers eignet. Dieser kann in einem Arbeitsschritt fixiert und alle elektrisch leitfähigen Kontaktflächen können gleichzeitig kontaktiert werden.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung stehen sich jeweils ein Rastelement und ein Kontaktstempel diametral gegenüber. Dadurch ist eine optimale Spannungsverteilung innerhalb des Verbindungsmittels gewährleistet.
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Eine Oberfläche des Kontaktstempels eines Verbindungsmittels kann ausgebildet sein, eine Isolierungsschicht eines von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiters zu öffnen. Ein unter Umständen erforderlicher Vorgang des Abisolierens des elektrischen Leiters kann somit entfallen. Um eine Beschädigung eines von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiters weitestgehend zu vermeiden, können die Übergänge zwischen dem Kontaktstempel und dem Steg und/oder die Kanten des Kontaktstempels jeweils abgerundet oder gefast sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Verbindungsmittel monolithisch gefertigt, wodurch eine besonders kostengünstige Bereitstellung des Verbindungsmittels gegeben ist. Eine weitere Kostenersparnis kann sich daraus ergeben, dass das Verbindungsmittel aus einem spritzgussfähigen Kunststoff gefertigt ist.
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Entsprechend der Erfordernisse des konkreten Anwendungsfalls kann das Verbindungsmittel auch aus einem metallischen Werkstoff oder FR4 – einem Material, aus dem Standardleiterplatten hergestellt werden – gefertigt sein. Ein besonderer Vorteil der Fertigung des Verbindungsmittels aus einem Standardleiterplattenmaterial ist der, dass die mechanischen und thermodynamischen Eigenschaften von Verbindungsmitteln und Schaltungsträger damit gleich sind.
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Vorzugsweise kann ein Verbindungsmittel der vorgeschriebenen Art zusammen mit einem Schaltungsträger eine Baueinheit bilden. Der Schaltungsträger kann eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche aufweisen, die an einer dem Kontaktstempel zugewandten Oberfläche angeordnet und dem Kontaktstempel zugeordnet ist. Weiterhin kann der Schaltungsträger eine auf das Rastelement abgestimmte Ausnehmung aufweisen.
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Alternativ dazu kann der Schaltungsträger einen auf das Rastelement abgestimmten Bereich aufweisen, in dem bei Applikation des Verbindungsmittels, das heißt beim Durchdringen des Schaltungsträgers mittels der Rastelemente, eine Ausnehmung entsteht. Zu diesem Zweck kann der Schaltungsträger innerhalb des auf das Rastelement abgestimmten Bereichs perforiert oder anderweitig konstruktiv vorbereitet sein.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung weist die Baueinheit eine Mehrzahl von Verbindungsmitteln und der Schaltungsträger eine Mehrzahl elektrisch leitfähiger Kontakte auf. Diese Konfiguration ermöglicht ein mechanisches Fixieren und elektrisches Kontaktieren eines großflächigen Schaltungsträgers an einer textilen Fläche. Eine auf das Rastelement abgestimmte Ausnehmung kann durch Fräsen, Stanzen oder andere übliche Fertigungsverfahren im Schaltungsträger vorgesehen werden.
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Vorzugsweise wird ein Verbindungsmittel der vorgeschriebenen Art zum Herstellen eines elektrischen Kontakts zwischen einem von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiter und einer auf einem Schaltungsträger angeordneten elektrischen Kontaktfläche verwendet. Durch diese Verwendung des vorgeschriebenen Verbindungsmittels wird ein langzeitstabiler elektrischer Kontakt zwischen einem von einer textilen Fläche umfassten elektrischen Leiter und einer auf einem Schaltungsträger angeordneten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche ermöglicht und gleichzeitig ein jeweiliger Schaltungsträger an einer jeweiligen textilen Fläche mechanisch fixiert.
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Eine in diesem Zusammenhang genannte, einen elektrischen Leiter umfassende textile Fläche kann eine beliebige textile Fläche sein, die durch textile Herstellungstechniken elektrisch leitfähiges Material enthält. Ein leitfähiges Material kann dabei ein Draht, eine Litze, ein Kabel oder auch ein leitfähig gemachter beispielsweise versilberter Faden des Textils selber sein. Dementsprechend kann sich das leitfähige Material innerhalb des Gewebes oder auf der Oberfläche des Gewebes befinden.
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Unter einer textilen Fläche selbst ist in diesem Zusammenhang ein flächiges, flexibles Material, vorzugsweise ein maschenstabiles Gewebe zu verstehen. Vorzugsweise bieten sich Gewebe an, da diese mechanisch stabil verbleiben, wenn sie von einem Rastelement der beschriebenen Art durchdrungen werden. Eine wichtige Eigenschaft der textilen Fläche ist eine begrenzte Elastizität, um so die mechanischen Kräfte aufnehmen zu können. Weiterhin ist eine eher engmaschigere Ausgestaltung der textilen Fläche wünschenswert.
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Vorzugsweise kann eine textile Fläche Öffnungen aufweisen, die zu den Ausnehmungen eines Schaltungsträgers deckungsgleich sind. Alternativ dazu können derartige Öffnungen aber auch erst durch die Applikation eines Verbindungsmittels entstehen.
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Ein Schaltungsträger weist elektrische Bauelemente und elektrische Kontaktflächen auf, wobei die elektrischen Bauteile vorzugsweise auf einer Oberfläche des Schaltungsträgers aufgebracht sind, die entgegengesetzt zu einer die elektrischen Kontaktflächen tragenden Oberfläche ist. Eine elektrische Kontaktfläche kann beispielsweise durch einen Metallisierungsprozess auf den Schaltungsträger aufgebracht oder eingebettet sein. Aber auch alternative Verfahren zu Herstellung derartiger, in der Elektrotechnik verbreiteter elektrischen Kontaktflächen sind denkbar.
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Ein Querschnitt eines von einer textilen Fläche umfassten litzenartigen elektrischen Leiters kann typischerweise zwischen 100 und 500 µm groß sein. Ein auf eine derartige Litze abgestimmter Kontaktstempel eines Verbindungsmittels kann eine Pressfläche zwischen üblicherweise 1 mm2 und 10 mm2 aufweisen. Eine Dimensionierung des Verbindungsmittels erfolgt entsprechend üblicher mechanischer Berechnungsmethoden, insbesondere beruht die Dimensionierung auf einer Biegebalkenberechnung. In einer typischen Dimensionierung des Verbindungsmittels für den genannten Leiterquerschnitt ist das Verbindungsmittel ausgebildet, über den Kontaktstempel eine Kraft von typischerweise 5 bis 10 N auf den Leiter zu übertragen. Bei dieser Kontaktkraft wird bereits ein akzeptabel geringer Widerstandswert des elektrischen Kontakts zwischen Leiter und leitfähiger Kontaktfläche erreicht. Ein als Klammer ausgebildetes und aus FR4 gefertigtes Verbindungsmittel weist dabei typischerweise eine äußere Abmessung von 10mm × 5mm × 5 mm auf. In diesem typischen Beispiel ist die textile Fläche, die den elektrischen Leiter umfasst, ca. 300 µm bis 500 µm stark. Ist das Verbindungsmittel im Schaltungsträger, der typischerweise zwischen 300 µm und 1 mm stark sein kann, eingerastet, wird erreicht, dass die textile Fläche um 50 bis 70 % komprimiert ist.
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Alternativ kann das Verbindungsmittel aus FR4 gefertigt und scheibenförmig ausgebildet sein und kann typischerweise eine äußere Abmessung von 30mm × 5mm aufweisen. Ein scheibenförmiges Verbindungsmittel weist üblicherweise mehrere, beispielsweise 5 Kontaktstempel auf. Bezüglich der der Dimensionierung des Verbindungsmittels und der erreichten Kontaktkräfte gelten das bereits gesagte.
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Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verbindungsmittels;
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2 eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausgestaltung einer Baueinheit eines Verbindungsmittels und eines Schaltungsträgers;
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3 eine schematische Darstellung der beispielhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verbindungsmittels aus 1, das einen Schaltungsträger an einer textilen Fläche fixiert und einen von der textilen Fläche umfassten elektrischen Leiter kontaktiert;
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4 eine schematische Schnittdarstellung der in 3 gezeigten Anordnung;
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5 eine schematische Darstellung einer anderen beispielhaften Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verbindungsmittels;
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6 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausgestaltung eines Baueinheit aus einem Verbindungsmittels und einem Schaltungsträger;
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Ein Verbindungsmittel 1 in 1 weist paarweise angeordnete Rastelemente 6, einen Kontaktstempel 8 und einen elastisch verformbaren Steg 9 auf. Die Rastelemente 6 und der Kontaktstempel 8 sind durch den Steg miteinander verbunden. Durch den Steg 9 sind die Rastelemente 6 und der Kontaktstempel 8 voneinander beabstandet. Kontaktstempel 8 und Rastelemente 6 stehen von dem Steg 9 in gleicher Richtung ab. Die Übergänge zwischen dem Kontaktstempel 8 und dem Steg 9 sind jeweils abgerundet. Das Verbindungsmittel 1 ist monolithisch aus einem spritzgussfähigen Kunststoff gefertigt.
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2 zeigt eine Baueinheit 100 aus einem Verbindungsmittel 1 und einem Schaltungsträger 4. Das Verbindungsmittel 1 entspricht dem mit Bezug auf 1 Beschriebenen, gezeigt aus einer anderen Perspektive. Der Steg 9 des Verbindungsmittels 1 weist ein planes Oberflächenelement 11 auf. Die Flächennormale dieses planen Oberflächenelements 11 ist entgegengesetzt zur Abstehrichtung des Kontaktstempels 8 orientiert. Der Schaltungsträger 4 weist zwei Ausnehmungen 7 auf, die den Rastelementen 6 des Verbindungsmittels 1 zugeordnet sind. Der Abstand der Ausnehmungen 7 im Schaltungsträger 4 ist derart dimensioniert, dass die Rastelemente 6 unter elastischer Verformung des Stegs 9 in die jeweiligen Ausnehmungen 7 einrasten können. Der Schaltungsträger 4 umfasst eine elektrisch leitfähige Kontaktfläche 5, diese ist, entsprechend der Anordnung des Kontaktstempels 8 zwischen den paarweise angeordneten Rastelementen 6 des Verbindungsmittels, zwischen den paarweise angeordneten Ausnehmungen im Schaltungsträger angeordnet. Das plane Oberflächenelement 11 des Stegs 9 macht einen überwiegenden Anteil einer Projektionsfläche des Verbindungsmittels 1 aus. Die Projektionsfläche ergibt sich durch eine Parallelprojektion, deren Strahlen parallel zu der Flächennormalen des planen Oberflächenelements 11 verlaufen.
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In 3 ist ein Verbindungsmittel 1 gezeigt, das einen elektrischen Kontakt zwischen einem von einer textilen Fläche 2 umfassten elektrischen Leiter 3 und einer von einem Schaltungsträger umfassten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche 5 (in dieser Fig. nicht gezeigt) darstellt. Der Steg 9 des Verbindungsmittels 1 überdeckt einen Teil einer jeweiligen textilen Fläche 2, insbesondere eine Mehrzahl von lateral innerhalb dieser textilen Fläche angeordneten Textilfasern. Der Kontaktstempel 8 übt eine unmittelbare Presswirkung auf den elektrischen Leiter 3 aus.
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In 4 ist die in 3 gezeigte Anordnung mittels einer schematischen Schnittdarstellung weiter verdeutlicht. Das Verbindungsmittel 1 weist paarweise angeordnete Rastelemente 6, einen Kontaktstempel 8 und einen elastisch verformbaren Steg 9 auf, wobei die Rastelemente 6 und der Kontaktstempel 8 durch den Steg miteinander verbunden und voneinander beabstandet sind und vom Steg 9 in der gleichen Richtung abstehen. Die Rastelemente 6 sind ausgebildet, in eine entsprechende Ausnehmung 7 eines Schaltungsträgers 4 einzurasten, wobei die Rastelemente 6 in eingerastetem Zustand durch die textile Fläche 2 durchstehen. Der Steg 9 überdeckt wenigstens einen Teil der textilen Fläche 2, so dass ein Schaltungsträger 4 an der textilen Fläche 2 mechanisch fixiert ist. Der Steg 9 ist elastisch verformt, so dass der Kontaktstempel 8 einen von der textilen Fläche 2 umfassten elektrischen Leiter 3 unmittelbar gegen eine elektrische leitfähige Kontaktfläche 5 presst. Auf diese Art und Weise wird ein elektrischer Kontakt zwischen dem elektrischen Leiter 3 und der Kontaktfläche 5 hergestellt und dauerhaft aufrechterhalten. Unter der Presswirkung des Kontaktstempels 8 verformt sich der elektrische Leiter 3 derart, dass sich zwischen elektrischem Leiter 3 und der Kontaktfläche 5 ein optimaler, geringer Kontaktwiderstand einstellt. Der Steg 9 des Verbindungsmittels 1 weist ein planes Oberflächenelement 11 auf, dessen Flächennormale entgegengesetzt zur Abstehrichtung des Kontaktstempels 8 orientiert ist. Das plane Oberflächenelement 11 nimmt einen überwiegenden Teil einer Projektionsfläche des Verbindungsmittels 1 ein. Die Projektionsfläche ist durch eine Parallelprojektion definiert, deren Strahlen parallel zu der Flächennormalen des planen Oberflächenelementes 11 verlaufen. Entsprechend der paarweisen Anordnung der Rastelemente 6 sind die Ausnehmungen 7 im Schaltungsträger 4 vorgesehen. Unter elastischer Verformung des Stegs 9 sind die paarweisen Rastelemente 6 einander angenähert und können in die Ausnehmungen 7 einrasten. In der dargestellten eingerasteten Position ist der elastisch verformbare Steg 9 um das Maß elastisch verformt, das erforderlich ist, um die entsprechende Presswirkung auf den elektrischen Leiter 3 auszuüben.
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Die in 5 gezeigte andere beispielhafte Ausgestaltung eines Verbindungsmittels 1 weist die gleichen Merkmale wie das mit Bezug auf 1 beschriebene Verbindungsmittel 1 auf. Das in 5 gezeigte Verbindungsmittel 1 ist in Form einer Klammer ausgeführt und weist typische Abmaße von 10 mm × 5 mm × 5 mm auf. Das Verbindungsmittel 1 ist entsprechend fertigungstechnischer Erwägungen optimiert. Durch abgerundete Übergänge zwischen dem Rastelement 6 und dem elastisch verformbaren Steg 9 ergibt sich ein verbesserter Spannungsverlauf.
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Eine in 6 gezeigte Baueinheit 100 umfasst ein Verbindungsmittel 1 und einen Schaltungsträger 4. Das Verbindungsmittel 1 weist paarweise angeordnete Rastelemente 6, einen Kontaktstempel 8 und einen elastisch verformbaren Steg 9 auf. Die Rastelemente 6 und der Kontaktstempel 8 sind durch den Steg 9 miteinander verbunden und von einander beabstandet und stehen von dem Steg 9 in gleicher Richtung ab. Die Rastelemente 6 sind ausgebildet in eine entsprechende Ausnehmung 7 eines Schaltungsträgers 4 einzurasten. Der Steg 9 des Verbindungsmittels 1 weist ein planes Oberflächenelement 11 auf, dessen Flächennormale entgegengesetzt zur Abstehrichtung des Kontaktstempels 8 orientiert ist. Das plane Oberflächenelement 11 macht einen überwiegenden Teil einer Projektionsfläche des Verbindungsmittels 1 aus. Die Projektionsfläche ist durch eine Parallelprojektion definiert, deren Strahlen parallel zu der Flächennormalen des planen Oberflächenelements verlaufen. Die Kontaktstempel 8 und die Rastelemente 6 sind ringförmig und abwechselnd auf einer Oberfläche des Verbindungsmittels 1 angeordnet. Jeweils ein Rastelement 6 und ein Kontaktstempel 8 stehen einander diametral gegenüber. Das Verbindungsmittel 1 ist monolithisch aus einem spritzgussfähigen Kunststoff gefertigt. Der Schaltungsträger 4 weist dabei eine Mehrzahl von elektrisch leitfähigen Kontaktflächen 5 und eine Mehrzahl von auf die Rastelemente 6 abgestimmten Ausnehmungen 7 auf. Die elektrischen Kontaktflächen 5 und die Ausnehmungen 7 sind ringförmig und abwechselnd angeordnet. Jeweils eine Ausnehmung 7 und eine Kontaktfläche 5 stehen einander diametral gegenüber. Das in 6 gezeigte Verbindungsmittel 1 ist konstruktiv auf den Schaltungsträger 4 abgestimmt. Jedem Kontaktstempel 8 ist eine entsprechende leitfähige Kontaktfläche 5, jedem Rastelement 6 eine entsprechende Ausnehmung 7 zugeordnet.
