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Die Erfindung betrifft einen Leiterplattensteckverbinder gemäß Anspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Leiterplattensteckverbinder zum direkten Stecken in eine Bohrung einer Leiterplatte zum Herstellen einer lösbaren Leiterplattensteckverbindung.
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Im Stand der Technik werden in der Regel Einpresskontakte zum Einpressen in eine Bohrung einer Leiterplatte verwendet. Solche Einpresskontakte dienen zur Herstellung elektrischer, lötfreier Einpresskontakte, wobei diese hierzu insbesondere in durchmetallisierte Bohrungen von Leiterplatten dauerhaft eingepresst werden. Ziel ist es dabei, dass der Einpresskontakt eine nicht lösbare Verbindung mit der Kontaktzone der Leiterplatte eingeht.
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Die
US 5 893 779 A zeigt einen Einpressverbinder mit einer diagonalen Anordnung der Gleitlagerflächen und keinen Leiterplattensteckverbinder. Die
DE 10 2004 028 202 B4 zeigt einen Einpresskontakt mit parallel zueinander angeordneten G1eitlagerflächen. Sie zeigt einen Einpresskontakt, der eine Kaltverschweißung an den Kanten mit einem Loch erzeugt. Die
DE 10 2010 039 204 A1 zeigt einen weiteren Leiterplattensteckverbinder und aus der
DE 689 18 579 T2 ist eine Kontaktanordnung mit einer stufenförmigen Anordnung der Gleitlagerflächen bekannt.
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Die beim Einpressen entstehende Überpressung (plastische Verformung) kann entweder durch die plastische Verformung im Loch oder die plastische Verformung des Stiftes aufgenommen werden. Vielfach werden Einpresskontakte mit massiven oder elastischen Einpressbereichen, welche nach Einpressen des Einpresskontakts in der jeweiligen Bohrung liegen, unterschieden. Massive Einpressbereiche weisen gegenüber elastischen Einpresszonen wesentliche Nachteile aufgrund der geringen Nachgiebigkeit auf.
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Bei Stiften in massiver Ausführung handelt es sich um einen nicht kompressiblen Einpresskontakt, wobei die Leiterplatte im Bereich der Bohrung plastisch deformiert wird. Die aufgebaute Kraftwirkung im Bereich der Leiterplatte sorgt in diesem Fall dafür, dass eine elektrische Verbindung zwischen der Hülse der Leiterplatte und dem Einpresskontakt entsteht.
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Insbesondere können beim Einpressen von Einpresskontakten mit massiven Einpresszonen leicht Beschädigungen der Bohrungen und damit Beeinträchtigungen der herzustellenden Kontaktierung erhalten werden.
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Ferner gibt es Stifte mit unterschiedlichsten Verformzonen. Diese Form der Einpresstechnik wird auch als Nadelöhrtechnik bezeichnet. Hierbei wird der Einpresskontakt im Bereich seiner plastisch deformierbaren Einpresszone zusammengedrückt. Diese erzeugte Vorspannung des Einpresskontakts sorgt dafür, dass eine Verbindung zwischen der Hülse der Leiterplatte und dem Einpresskontakt entsteht. Durch das Einschneiden der Stiftkanten in die Metallisierung entsteht eine gasdichte elektrische Verbindung, die sich bei richtiger Ausführung durch eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auszeichnet.
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Zur Herstellung von Einpresskontakten mit elastischen Einpressbereichen können beispielsweise Stanzverfahren eingesetzt werden. Derartige Einpresskontakte weisen im Einpressbereich zwei in Abstand zueinander liegende Schenkel auf. Die Schenkel des Einpresskontaktes werden durch Einstanzung in ein Vollmaterial hergestellt, wobei zur Stanzung des Loches zwischen den Schenkeln eine entsprechend ausreichende Materialoberfläche benötigt wird.
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Weiter bekannt sind auch Stifte mit einem runden Querschnitt, die sich bestimmungsgemäß über eine größere Fläche mit der Bohrungswand verbinden.
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Ein Einpresskontakt dient aber nicht der lösbaren Verbindung mit der Bohrung in der Leiterplatte. Vielmehr wird bei einem solchen Kontaktelement erreicht, dass die Kanten aufeinander zu bewegbar sind und zwingend hohe Kräfte erzeugt werden müssen, um eine plastische Verformung des Kontaktstiftes und der Bohrungswand zu erzielen, so dass eine elektrische und mechanische Verbindung an der metallisierten Bohrungswand mit den Flanken des Kontaktstiftes entstehen und so eine typische Kaltverschweißung erzeugt wird.
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Allen zuvor genannten Ausführungen liegt aber der Nachteil zugrunde, dass die Kontakte und nach dem Verbinden nicht mehr mehrmals gesteckt und getrennt werden können. Es gibt jedoch zunehmend technische Anwendungen bei denen eine lösbare Verbindung zur Leiterplatte benötigt wird.
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Im Stand der Technik sind dazu Leiterplattensteckverbinder bekannt. Bei diesen Steckverbindern wird ein Stecksockel fest mit der Leiterplatte z. B. durch Löten oder Einpressen verbunden. In den Stecksockel lassen sich korrespondierende Steckverbinder lösbar einstecken. Nachteilig ist jedoch, dass hierzu ein Stecksockel angefertigt werden muss und dieser in einem gesonderten Fertigungsschritt auf der Leiterplatte montiert werden muss, was teuer und aufwendig ist. Ferner gibt es Anwendungen, bei denen nur gelegentlich ein Steckvorgang erfolgen muss, sodass der für den Stecksockel benötigte Bauraum auch die gesamte Anwendung vergrößert. Im Rahmen der zunehmenden Miniaturisierung besteht aber ein Bedarf nach kompakten und kostengünstigen Lösungen, die wenig störanfällig sind.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen steckbaren und wieder lösbaren Leiterplattensteckverbinder zur direkten Kontaktierung einer Leiterplatte bereitzustellen, der einerseits kostengünstig und rationell herstellbar ist, und andererseits gute und reproduzierbare mechanische und elektrische Kontakteigenschaften aufweist und vorbesagte Nachteile überwindet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Leiterplattensteckverbinder mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte, sowie Zwischenwerte oder Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zu Grunde, dass ein Leiterplattensteckverbinder zum bestimmungsgemäßen (wieder lösbaren) Stecken in eine vorzugsweise durchmetallisierte Bohrung einer Leiterplatte vorgesehen wird, bei dem zwei Federschenkel derart zueinander beabstandet angeordnet sind und diese so ausgebildet sind, dass sich ein vorzugsweise zentraler Kontaktierungsabschnitt der Federschenkel beim Stecken elastisch verformt und sich die Federschenkel nach dem Trennen des Leiterplattensteckverbinders aus der Bohrung elastisch in ihre ursprüngliche Lage zurückbewegen.
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Diese erfindungsgemäße Aufgabe wird insbesondere dadurch gelöst, dass an den steckseitigen Enden an gegenüberliegenden Schenkelabschnitten Gleitlagerflachen ausgebildet sind, so dass die Schenkelabschnitte die beim Einstecken und Trennen des Leiterplattensteckverbinder in und aus der Bohrung aneinander gleiten können und die Gleitlagerflächen in Bezug auf die durch die Innenseiten gebildeten Ebenen der Schenkel zueinander diagonal oder stufenformig angeordnet sind.
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Erfindungsgemäß wird ferner ein Leiterplattensteckverbinder zum Stecken in eine vorzugsweise durchmetallisierte Bohrung einer Leiterplatte mit einem Innendurchmesser DL vorgeschlagen, der einstückig zwei Schenkel aufweist, die in Steckrichtung jeweils einen Anbindungsabschnitt, einen federnden Kontaktierungsabschnitt und einen steckseitigen Abschnitt ausbilden. Die Schenkel sind dabei im Bereich des Kontaktierungsabschnittes elastisch verformbar über einen Federweg S aufeinander zu bewegbar ausgebildet, wobei zwischen den beiden Schenkeln im Bereich des Kontaktierungsabschnittes ein Spalt der Spaltbreite B vorgesehen ist, die im gesteckten Zustand maximal um den Faktor 2 des Federwegs S reduziert ist.
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Erfindungsgemäß kann der Leiterplattensteckverbinder so ausgebildet werden, dass auch die auftretenden Toleranzen (+/–T) des Durchmessers DL einer durchkontaktierten Bohrung in einer Leiterplatte berücksichtigt werden. Bevorzugt ist daher eine Ausführungsform, bei der die Spaltbreite B im gesteckten Zustand maximal um den Faktor 2 des Federwegs S plus die Lochtoleranz T (2S + T) reduziert ist. Hierdurch kann sichergestellt werden, dass bei einem Loch mit minimalem Lochdurchmesser (Lochdurchmesser mit Minustoleranz) keine plastischen Verformungen oder Beschädigungen der Bohrung auftreten und der Leiterplattensteckverbinder immer entlang seiner elastischen Kurve arbeitet.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform bildet jeder Schenkel einen jeweils einseitig festen und einseitig gelagerten Biegebalken aus, wobei die steckseitigen Lagerabschnitte bzw. die steckseitigen Endabschnitte das Lager der Biegebalken bereitstellen. Auf diese Weise wird ein im Wesentlichen ovaler länglicher Spalt ausgebildet, wobei die Spaltbreite B im Kontaktierungsbereich der Schenkel und zwar in etwa in der Mitte zwischen dem Anbindungsbereich und dem steckseitigen Endabschnitt maximal ist. Folglich kann das Prinzip eines Federbalkens dazu genutzt werden, um den Kontaktierungsabschnitt federnd einzuschnüren, indem der Leiterplattensteckverbinder in die Bohrung einer Leiterplatte oder Buchse eingeführt wird.
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Weiter bevorzugt ist es, wenn der Leiterplattensteckverbinder einen massiven Stiftabschnitt aufweist, an den sich der Anbindungsabschnitt der beiden Schenkel anschließt und wobei zwischen den beiden Schenkeln ein Spalt der Spaltbreite B vorgesehen ist und die Spaltbreite B im Verlauf vom Anbindungsabschnitt zum Kontaktierungsabschnittes auf ein Maß B > 2S zunimmt, während die Außenkanten der Schenkel in diesem Bereich eine Hüllkurve mit einer Diagonalen von D < (DL + 2S) ausbilden.
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Hierdurch wird gewährleistet, dass der Leiterplattensteckverbinder während des gesamten Steck- und Trennvorgangs im elastischen Bereich verformt wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ändert sich die Spaltbreite B in Steckrichtung gleichmäßig kontinuierlich, wodurch sich die Steckkräfte im Verlauf des Einsteckvorgangs ebenfalls nur gering, d. h. kontinuierlich aber nicht sprunghaft ändern. Dies ergibt eine besonders weiche Steckkurve, da sich die Steckkräfte entlang des Kurvenverlaufs ändern. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird ein symmetrischer Spalt ausgebildet, dessen Spaltbreite in Steckrichtung zunächst kontinuierlich zunimmt, um dann in einem symmetrischen Verlauf wieder kontinuierlich bis zum steckseitigen Endabschnitt abnimmt. So kann der Verlauf der Spaltbreite und/oder die Krümmung der Schenkel auch einer elliptischen Funktion oder einer logarithmischen Funktion folgen.
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Erfindungsgemäß sind an den steckseitigen Enden an gegenüberliegenden Schenkelabschnitten jeweils Gleitlagerflächen ausgebildet, so dass die betroffenen Schenkelabschnitte, beim Einstecken und Trennen des Leiterplattensteckverbinders aneinander entlang gleiten können. Es bieten sich dabei bevorzugte Ausführungen für die Ausbildung der Gleitebenen an. So können die Gleitlagerflächen in Bezug auf die durch die Innenseiten gebildeten Ebenen der Schenkel entweder zueinander parallel oder diagonal oder stufenförmig angeordnet werden.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform liegen die Schenkel im Anbindungsbereich mit gegenüberliegenden Schenkelabschnitten dicht aneinander an und sind dort durch eine Schnitttrennung voneinander getrennt.
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Es ist ferner von Vorteil, die Außenkanten der Schenkel mit Radien zu versehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Radien der Außenkanten der Schenkel zwischen 35% und 100% und besonders bevorzugt zwischen 35% und 50% des Lochradius der Bohrung liegen.
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Ein Verfahren zum Herstellen eines wie oben beschriebenen Leiterplattensteckverbinders weist die folgenden Schritte auf:
- a. Bereitstellen eines Kontaktstiftes wobei dessen Außenkontur eine Hüllkurve mit einer Diagonalen von D1 aufweist;
- b. Bildung von zwei beabstandeten Schenkeln, wobei die Außenkanten der Schenkel (2) in diesem Bereich eine Hüllkurve mit einer Diagonalen von D < (DL + 2S) ausbilden,
- c. wobei die Schenkel so geformt werden, dass sie in einem Anbindungsbereich sich berührend entlang einer Schnitttrennung aneinander liegen und
- d. Ausbilden von Gleitlagerflächen an den steckseitigen Enden an gegenüberliegenden Schenkelabschnitten derart, dass diese in Bezug auf die durch die Innenseiten gebildeten Ebenen der Schenkel entweder zueinander diagonal oder stufenförmig angeordnet sind.
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In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die beiden Schenkel an ihrem steckseitigen Einführende zusammen eine Querabmessung aufweisen, die kleiner ist als die Bohrung, in die der Leiterplattensteckverbinder eingesetzt werden soll. Es kann auch vorgesehen sein, dass sich der Spalt B im Bereich der steckseitigen Enden erst während des Einsteckvorgangs schließt. Auf diese Weise wird ein zweistufiger Steckprozess erzielt. In der ersten Einsteckphase werden die Federschenkel an ihrer (oberen) festen Anbindung federnd soweit ausgelenkt und aufeinander zu bewegt, bis sich die steckseitigen Enden der Schenkel berühren. In einer zweiten Einsteckphase (beim weiteren Einstecken) gleiten die Außenflanken der Federschenkel an den Innenwänden der Bohrung entlang und werden die Federarme in einem mittigen Bereich nach innen federnd ausgelenkt. In dieser Phase funktioniert der Kontakt nach dem Federbalkenprinzip eines auf der einen Seite eingespannten und auf der anderen Seite gelagerten Federbalkens.
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In beiden Phasen erfahren die Federschenkel ausschließlich eine elastische Verformung. Anders ausgedrückt weist der Leiterplattensteckverbinder zwei Federarme mit zwei Verformungskurven auf. Eine federnde Verformung um das Anbindungsende (ohne Einfluss auf die Längenausdehnung) und eine Biegebalken-Verformung durch Einschnürung in einem zentralen Abschnitt (mit Einfluss auf die Längenausdehnung).
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In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1 eine schematische Ansicht einer Kraft-Wege-Kurve eines Federschenkels gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Ansicht eines Leiterplattensteckverbinders, einmal in der nicht gesteckten und einmal in der gesteckten Position,
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3 eine schematische Ansicht eines alternativen Anwendungsbeispiels eines Leiterplattensteckverbinders, ähnlich der 2 in einer Kontaktbuchse,
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4 eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Leiterplattensteckverbinder und
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5 drei Ausführungsformen der Gleitlagerflächen an den steckseitigen Endabschnitten (Lagerabschnitte).
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In 1 zeigt ein Kraft-Wege-Diagramm eines erfindungsgemäßen Leiterplattensteckverbinders 1. Aufgetragen ist die Kraft-Verlaufskurve der Verformung der Schenkel 2 des Leiterplattensteckverbinders 1 bei einer zentralen (mittigen) Auslenkung um eine Strecke S, ausgehend von einem wie in 2 (linke Ansicht) gezeigten Zustand, bei der die steckseitigen Abschnitte 22 aneinander anliegen, zu einem wie in der 2 gezeigten eingesteckten Zustand (rechte Ansicht). Im Bereich bis zur Auslenkung S verläuft die Kurve linear und es erfolgt eine elastische Verformung. Würde man die Federarme jedoch einzeln weiter verformen, würde sich eine plastische Verformung ausbilden, wie dies aus dem weiteren Kurvenverlauf in 1 ersichtlich ist. Der Abstand S wird definiert als die Federauslenkung, bei der 90% des linearen Kurvenverlaufs (90% des Elastizitätsbereiches) erzielt sind und daher noch eine weitere Auslenkung von 10% gegeben ist, bevor eine plastische Verformung einsetzt.
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In 2 ist ein erfindungsgemäßer Leiterplattensteckverbinder 1 zum Stecken in eine vorzugsweise durchmetallisierte Bohrung 10 einer Leiterplatte 11 gezeigt. Die Bohrung 10 weist eine Durchkontaktierung 12 auf und einen runden Innendurchmesser DL. Dabei sind die fertigungsbedingten Toleranzen zu beachten. Ein typischer Lochdurchmesser wird mit 1,2 mm angegeben, während die Lochtoleranz T etwa 1/10 davon beträgt. Der Leiterplattensteckverbinder 1 umfasst zwei Schenkel 2, die in Steckrichtung jeweils einen Anbindungsabschnitt 20, einen federnden Kontaktierungsabschnitt 21 und einen steckseitigen Abschnitt 22 ausbilden.
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Die Schenkel 2 sind im Bereich des Kontaktierungsabschnittes 21 elastisch verformbar über einen Federweg S aufeinander zubewegbar ausgebildet, sobald der Steckverbinder in die Bohrung 10 eingeführt wird, wie dies in der rechten Ansicht der 2 gezeigt ist. Zwischen den beiden Schenkeln 2 ist im Bereich des Kontaktierungsabschnittes 21 ein Spalt 5 der Spaltbreite B vorgesehen. Dieser ist im gesteckten Zustand reduziert (siehe rechte Abbildung 2). Es ist ersichtlich, dass ein in der Breite B reduzierter Spalt 5 verbleibt. Die Differenz beträgt maximal den Faktor 2 des Federwegs S, wobei sich dies jeweils auf den Federweg S jedes Schenkels aufteilt. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Verformung immer in dem in 1 gezeigten elastischen Bereich erfolgt.
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Der Leiterplattensteckverbinder 1 verfügt über einen massiven Anbindungsbereich 4, an den sich der Anbindungsabschnitt 20 der beiden Schenkel 2 anschließt. Zwischen den beiden Schenkeln 2 ist der Spalt 5 mit einer Spaltbreite B vorgesehen, wobei die Spaltbreite B im Verlauf vom Anbindungsabschnitt 20 zur Mitte des Kontaktierungsabschnittes 21 auf ein Maß B > 2S (in Worten: B größer 2 mal S) zunimmt. Im vorliegenden Beispiel beträgt die Breite im ungesteckten Zustand etwa 3S (in Worten: drei mal S), wobei die Außenkanten 7 der Schenkel 2 in diesem Bereich eine Hüllkurve mit einer maximalen Diagonalen von D < (DL + 2S) im nicht gesteckten Zustand ausbilden (in Worten: D kleiner als DL plus zwei mal S). In 4 ist die entsprechende Diagonale D der Hüllkurve eingezeichnet, die sich im eingesteckten Zustand im Kontaktierungsbereich 21 ergibt.
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Beim Einstecken des Leiterplattensteckverbinders 1 in die Bohrung 10, die einen Innendurchmesser DL aufweist, werden die beiden Schenkel 2 im Bereich des Kontaktierungsabschnittes 21 elastisch eingeschnürt und zwar um die Differenz zwischen dem Außendurchmesser D (entspricht der Diagonalen D der Hüllkurve) und dem Innendurchmesser DL der Bohrung 10, die jedenfalls dadurch geringer ist als 2S (in Worten: zwei mal S). Der Innendurchmesser DL der Bohrung 10 ist verständlicherweise immer kleiner als D. Idealerweise beträgt D etwa 1,25 bis 1,5 mal DL.
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In der 2 ist ferner erkennbar, dass sich die Spaltbreite B in Steckrichtung gleichmäßig kontinuierlich verändert und zwar zunächst bis zum Kontaktierungsabschnitt 21 zunimmt und im Verlauf zum steckseitigen Abschnitt 22 wieder abnimmt.
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Ferner ist ersichtlich, dass an den steckseitigen Enden an gegenüberliegenden Schenkelabschnitten 23 Gleitlagerflächen 24 ausgebildet sind, so dass die Schenkelabschnitte 23 aneinander (entlang)gleiten können. Diese Abschnitte sind folglich als Lagerabschnitte ausgebildet.
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Die 3 zeigt eine schematische Ansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels eines Leiterplattensteckverbinders 1 ähnlich der 2 in einer Kontaktbuchse. Gleiche Bezugszeichen weisen auf gleiche Merkmale hin.
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Die 5 zeigt drei Ausführungsformen der Gleitlagerflächen 24 an den Schenkelabschnitten 23. Dabei sind die Gleitlagerflächen 24 (von links nach rechts betrachtet) in Bezug auf die durch die Innenseiten 25 gebildeten Ebenen der Schenkel 2 entweder zueinander parallel (linke Ansicht) oder erfindungsgemäß diagonal (mittige Ansicht) oder erfindungsgemäß stufenförmig (rechte Ansicht) angeordnet.
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In den 2, 3 und 5 ist weiter erkennbar, dass die Schenkel 2 im Anbindungsabschnitt 20 mit gegenüberliegenden Schenkelabschnitten 26 dicht aneinander anliegen und durch eine Schnitttrennung 9 voneinander getrennt sind.
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Die 4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen erfindungsgemäßen Leiterplattensteckverbinder 1. Jeder Schenkel 2 verfügt über je zwei Außenkanten 7, die mit Radien (wenigstens im Kontaktierungsbereich 21) versehen sind. Die Radien sind möglichst groß auszuführen, jedoch maximal 100% des Lochradius der Bohrung 10. Alternativ kann der Radius bevorzugt zwischen 35% und 50% des Lochradius der Bohrung 10 betragen. Dadurch ergeben sich vier gute Kontaktanlageflächen.
