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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Füllstandssensor zum Detektieren eines Füllstandes in einem Behälter eines Fahrzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Füllstandssensor mit einem magnetisch passiven Positionssensor.
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Stand der Technik
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Füllstandssensoren werden z.B. dazu eingesetzt, eine Kraftstoffmenge in einem Behälter wie beispielsweise einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeugs zu messen. Dazu kann beispielsweise mit einem Schwimmer, der auf dem Kraftstoff aufschwimmt, ein Mechanismus verbunden sein, mithilfe dessen eine aktuelle Position des Schwimmers in dem Kraftstofftank gemessen werden kann. Aus dieser Position kann dann auf den Füllstand in dem Tank rückgeschlossen werden.
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In der
EP 0 844 459 A1 wird ein als Füllstandssensor einsetzbarer magnetisch passiver Positionssensor beschrieben, mittels dessen beispielsweise die Position des Schwimmers bestimmt werden kann. Auf einem Substrat in Form einer Grundplatte ist dabei ein Widerstandsnetzwerk aufgebracht. Gegenüber diesem Substrat und über ein Abstandhalterelement beabstandet zu diesem Substrat ist eine Kontaktstruktur in Form einer Kontaktfederanordnung angeordnet, die unter Einwirkung einer Magneteinrichtung derart ausgelenkt werden kann, dass zwischen Zungen der Kontaktfederanordnung und Kontaktflächen des Widerstandsnetzwerks ein mechanischer und damit auch ein elektrischer Kontakt etabliert werden kann. Die Magneteinrichtung kann hierbei mit dem Schwimmer gekoppelt sein, sodass der Positionssensor letztendlich ein elektrisches Signal ermitteln kann, welches eine Information über die Position des Schwimmers und damit den Füllstand angibt.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen Füllstandssensor bieten, welcher sich einfach und insbesondere zuverlässig herstellen lässt. Ferner können Ausführungsformen des beschriebenen Füllstandssensors mechanisch und elektrisch zuverlässig und langlebig sein.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Füllstandssensor zum Detektieren eines Füllstandes in einem Behälter eines Fahrzeugs vorgeschlagen, der eine Grundplatte, eine Kontaktfederanordnung und ein Abstandhalterelement aufweist. Die Grundplatte besitzt eine erste elektrisch leitfähige Kontaktfläche und eine zweite elektrisch leitfähige Kontaktfläche. Die Kontaktfederanordnung besitzt eine dritte elektrisch leitfähige Kontaktfläche und eine Vielzahl von federnden Kontaktzungen, die mit der dritten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche elektrisch verbunden sind. Das Abstandhalterelement ist zwischen die Grundplatte und die Kontaktfederanordnung zwischengelagert und verbindet die dritte Kontaktfläche an der Kontaktfederanordnung und die zweite Kontaktfläche an der Grundplatte elektrisch und mechanisch miteinander. Der Füllstandssensor zeichnet sich dadurch aus, dass das Abstandhalterelement mit der Grundplatte über eine Lötstelle verbunden ist und das Abstandhalterelement und die Kontaktfederanordnung in einem Bereich der dritten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche wenigstens eine durchgehende Ausnehmung einer Ausnehmungsstruktur aufweist, wobei die wenigstens eine durchgehende Ausnehmung an die Lötstelle angrenzt.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden:
Bei herkömmlichen Füllstandssensoren auf Basis eines magnetisch passiven Positionssensors, wie sie einleitend beispielhaft mit Bezug auf die
EP 0 844 459 A1 beschrieben wurden und die den genannten Aufbau mit einer Grundplatte, einer Kontaktfederanordnung und einem zwischen diesen angeordneten Abstandhalterelement aufweisen, kommen dem Abstandhalterelement hauptsächlich zwei Funktionen zu:
- i) Es soll eine korrekte Beabstandung zwischen der Grundplatte einerseits und der Kontaktfederanordnung andererseits gewährleisten und dabei einen Abstand zwischen diesen beiden Komponenten sicher vorgeben, so dass eine Betätigung der an der Kontaktfederanordnung vorgesehenen federnden Kontaktzungen reproduzierbar genau bewirkt werden kann.
- ii) Ferner soll das Abstandhalterelement für eine elektrische und mechanische Verbindung zwischen der Grundplatte und der Kontaktfederanordnung sorgen können.
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Die Grundplatte bildet dabei ein Substrat, auf dem einerseits elektrisch leitfähige Kontaktflächen angeordnet sind, die beispielsweise von außen her von einer Ausleseelektronik kontaktiert werden können. Andererseits ist die Grundplatte auch ein Trägersubstrat für die beabstandet zu dieser anzuordnende Kontaktfederanordnung. Die Kontaktfederanordnung ist dabei derart ausgebildet und beabstandet zu der Grundplatte angeordnet, dass einzelne der Vielzahl von federnden Kontaktzungen beispielsweise von einem Magneten angezogen hin zu einer der elektrisch leitfähigen Kontaktflächen an der Grundplatte gebogen werden können und mit dieser einen elektrischen Kontakt schließen können. Ein sich zwischen der elektrisch leitfähigen Kontaktfläche der Grundplatte und der Kontaktfederanordnung einstellender elektrischer Widerstand ist dabei abhängig von der Position der durch den Magneten gebogenen federnden Kontaktzunge, so dass indirekt auf die Position des Magneten und, da dieser mit dem Schwimmer in dem Fahrzeugtank verbunden ist, auf den Füllstand rückgeschlossen werden kann.
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Um die oben beschriebenen zwei Funktionen erfüllen zu können, ist das Abstandhalterelement typischerweise als elektrisch leitfähiges und mechanisch stabiles Bauelement ausgebildet. Beispielsweise ist das Abstandhalterelement als Kunststoffplatte ausgebildet, wobei lokale Metallbeschichtungen für die gewünschte elektrische Verbindung sorgen können.
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Das Abstandhalterelement wird bei der Montage des Füllstandssensors meist zunächst mechanisch und elektrisch mit der Kontaktfederanordnung verbunden. Danach wird die Einheit aus Abstandhalterelement und Kontaktfederanordnung dann mechanisch und elektrisch mit der Grundplatte verbunden. Hierzu wird das Abstandhalterelement beispielsweise an die zweite an der Grundplatte vorgesehene Kontaktfläche beispielsweise angelötet.
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Es wurde nun erkannt, dass es beim Anlöten des Abstandhalterelements an die Grundplatte zu Lötverbindungen kommen kann, die die beiden Komponenten nicht ausreichend mechanisch und elektrisch miteinander verbinden oder die nicht langfristig stabil sind.
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Es wurde auch erkannt, dass bisher ein Lötvorgang zum Verbinden des Abstandhalterelements mit der Grundplatte nicht geeignet beeinflusst werden konnte, um unzureichende Lötverbindung zuverlässig vermeiden zu können.
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Ferner konnte bisher die Qualität einer zwischen dem Abstandhalterelement und der Grundplatte erzeugten Lötverbindung nicht überprüft werden.
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Es wird daher nun vorgeschlagen, angrenzend an eine Lötstelle, an der das Abstandhalterelement mit der Grundplatte verlötet sein soll, wenigstens eine durchgehende Ausnehmung vorzusehen, die sowohl durch das Abstandhalterelement als auch durch die damit verbundene Kontaktfederanordnung durchgeht.
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Unter „angrenzend“ kann dabei verstanden werden, dass die Ausnehmung ausreichend nahe zum Zentrum der Lötstelle angeordnet ist, dass ein Lötvorgang, bei dem das Abstandhalterelement mit der Grundplatte verlötet wird, von der angrenzenden Ausnehmung beeinflusst wird und/oder das Lotmaterial der Lötstelle durch die Ausnehmung hindurch sichtbar ist. Beispielsweise kann ein Rand der wenigstens einen durchgehenden Ausnehmung der Ausnehmungsstruktur zumindest bereichsweise weniger als 100mm, vorzugsweise weniger als 20mm, 10mm oder 5mm, lateral von einem Zentrum der Lötstelle beabstandet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Ausnehmungsstruktur die Lötstelle mit einer oder mehreren Ausnehmungen umgeben. Außerdem kann die zumindest eine Ausnehmung der Ausnehmungsstruktur mit der Lötstelle bzw. dem Bereich, in dem eine Lötverbindung erfolgt, überlappen, so dass die Lötstelle durch die zumindest eine Ausnehmung hindurch gut betrachtet werden kann.
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Durch die beschriebene Ausnehmungsstruktur können unter anderem die folgenden Effekte erzielt werden:
- i) Die in dem Abstandhalterelement vorgesehene Ausnehmung kann bewirken, dass sich beim Verlöten an der Lötstelle eingebrachte Wärme nicht übermäßig innerhalb des Abstandhalterelements verteilt. Bei bisherigen ununterbrochenen Abstandhalterelementen konnte beim Verlöten eingebrachte Wärme sich innerhalb des üblicherweise metallischen Abstandhalterelements schnell durch Wärmeleitung verteilen, sodass einerseits ein Risiko bestehen konnte, dass benachbarte Bereiche der Grundplatte übermäßig erhitzt wurden und andererseits eine Gefahr bestand, dass an der Lötstelle vorgesehenes Lotmaterial nicht ausreichend erhitzt wurde, um eine gut elektrisch leitfähige und langfristig zuverlässige Verbindung zu schaffen. Mithilfe der an die Lötstelle angrenzenden Ausnehmungsstruktur kann nun verhindert werden, dass Wärme sich während des Verlötens übermäßig verteilt. Ein Bereich des Abstandhalterelements, der die Lötstelle beinhaltet, ist dabei teilweise von umgebenden Bereichen des Abstandhalterelements durch die Ausnehmungsstruktur zumindest bereichsweise thermisch separiert.
- ii) Durch die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen der Ausnehmungsstruktur hindurch kann eine Verlötung an der Lötstelle inspiziert werden. Zumindest Teilbereiche der Ausnehmung(en) sind dabei derart nahe zu der Lötstelle angeordnet, dass Lotmaterial der Lötstelle von außen durch die Ausnehmung hindurch besichtigt werden kann und somit eine Qualität der Verlötung überprüft werden kann. Insbesondere kann die Ausnehmungsstruktur derart ausgebildet und nahe an der Lötstelle angeordnet sein, dass Lotmaterial der Lötstelle zumindest teilweise lateral in eine Ausnehmung der Ausnehmungsstruktur ragt.
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Gemäß einer Ausführungsform grenzt die Ausnehmungsstruktur zumindest an zwei gegenüberliegenden Seiten der Lötstelle an die Lötstelle an. Die Ausnehmungsstruktur kann somit zu beiden Seiten der Lötstelle hin verhindern, dass sich Wärme übermäßig hin in angrenzende Bereiche des Abstandhalterelements hin ausbreitet. Außerdem kann die Lötstelle von gegenüberliegenden Seiten her durch die Ausnehmungsstruktur hindurch inspiziert werden.
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Prinzipiell kann die Ausnehmungsstruktur, die auch als Ausnehmungsanordnung bezeichnet werden kann, lediglich eine einzige Ausnehmung aufweisen. Diese kann beispielsweise die Lötstelle teilringförmig umgeben. Es kann vorteilhaft sein, die Ausnehmungsstruktur mit wenigstens zwei durchgehenden Ausnehmungen auszubilden. Die beiden Ausnehmungen können sich bezogen auf die Lötstelle gegenüber liegen.
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Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann die Ausnehmungsstruktur vier durchgehende Ausnehmungen aufweisen, welche kreisförmig oder an Ecken eines Trapezes, insbesondere eines Rechtsecks angeordnet sind.
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Die Ausnehmungen können kreisrund, kreisförmig, oval, viereckig, rechteckig oder mehreckig ausgeführt sein. Kreisrunde Ausnehmungen können einfach herzustellen sein, beispielsweise durch Bohren.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile der Antriebsanordnung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht auf Komponenten eines Füllstandssensors gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine Querschnittsansicht durch einen Füllstandssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Einheit aus Kontaktfederanordnung und Abstandhalterelement für einen Füllstandssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4 zeigt die Einheit aus 3 von einer gegenüberliegenden Seite.
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5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Ausnehmungsstruktur in einem Füllstandssensor gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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6(a) bis 6(c) veranschaulichen Konturen von möglichen Ausnehmungsstrukturen.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt Komponenten eines Füllstandssensors 1, wie er zum Detektieren eines Füllstandes beispielsweise in einem als Kraftstofftank dienenden Behälter eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden kann.
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An einer als Substrat dienenden Grundplatte 3 ist an einer nach oben gerichteten Oberfläche eine erste elektrisch leitfähige Kontaktfläche 9 ausgebildet. Im dargestellten Beispiel erstreckt sich diese erste Kontaktfläche 9 im Wesentlichen halbkreisförmig und bildet einen Teil eines Widerstandsnetzwerks. Die erste elektrisch leitfähige Kontaktfläche 9 kann beispielsweise aus einer Metallschicht gebildet sein. Die erste elektrisch leitfähige Kontaktfläche 9 ist elektrisch mit einem Anschluss 10 verbunden, der beispielsweise von einer Klemme 21 kontaktiert werden kann, um den Füllstandssensor 1 beispielsweise mit einer Mess- oder Ausleseelektronik verbinden zu können.
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An der Grundplatte 3 ist ebenfalls an der nach oben gerichteten Oberfläche eine zweite elektrisch leitfähige Kontaktfläche 11 ausgebildet, welche ebenfalls aus einer Metallschicht bestehen kann und mit einem zweiten Anschluss 12 verbunden ist, der wiederum durch eine Klemme 23 kontaktiert werden kann, um eine elektrische Verbindung zu einer Mess- oder Ausleseelektronik herstellen zu können.
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Oberhalb der Grundplatte 3 und beabstandet zu deren nach oben gerichteter Oberfläche ist eine Kontaktfederanordnung 5 vorgesehen. Die Kontaktfederanordnung 5 weist im dargestellten Beispiel ein kreissegmentförmiges, nur wenige zehn Mikrometer dickes Metallblech 16 auf, von dem eine Vielzahl elastisch federnder Kontaktzungen 15 radial abragen. Die Kontaktfederanordnung 5 ist dabei derart ausgestaltet und angeordnet, dass eine Unterseite des Metallblechs 16, die eine dritte Kontaktfläche 13 (siehe 2 und 3) bildet, oberhalb der zweiten Kontaktfläche 11 der Grundplatte 3 angeordnet ist. Die Kontaktzungen 15 reichen bis in Bereiche oberhalb der an der Grundplatte 3 vorgesehenen ersten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche 9, sind von dieser aber beabstandet angeordnet, solange keine gezielte Einwirkung von außen wirkt.
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Wenn ein mit einem Schwimmer in dem Kraftstofftank mechanisch verbundenes Magnetelement entlang der Rückseite der Grundplatte 3 parallel zu der ersten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche 9 bewegt wird, werden die darüber angrenzend angeordneten federnden Kontaktzungen 15 magnetisch angezogen und hin zu der Grundplatte 3 gebogen, wo sie einen elektrischen Kontakt mit der ersten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche 9 schließen. Der gesamte elektrische Widerstand zwischen den beiden nach außen kontaktierten Anschlüssen 10 und 12 hängt dabei von der Länge des Strompfades und damit von der Position, an der die Kontaktzungen 15 die erste elektrische Kontaktfläche 9 kontaktieren, ab.
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Wie in 2 dargestellt, wird die Kontaktfederanordnung 5 durch ein Abstandhalterelement 7 beabstandet zu der Grundplatte 3 gehalten. Das Abstandhalterelement 7 liegt dabei an seiner unteren Seite an der zweiten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche 11 der Grundplatte 3 und an seiner oberen Seite an der dritten elektrisch leitfähigen Kontaktfläche 13 der Kontaktfederanordnung 5 an. Letzteres ist auch in der perspektivischen Ansicht aus 4 gut zu erkennen.
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Das Abstandhalterelement 7 besteht aus einem metallischen Material. Es kann vorteilhaft sein, dieses Abstandhalterelement 7 bereits vor einer Endmontage des Füllstandssensors 1 mechanisch fest mit der Kontaktfederanordnung 5 zu einer Einheit zu verbinden. Beispielsweise können diese beiden Komponenten 5, 7 durch Widerstandsschweißen fest miteinander verbunden werden.
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Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Füllstandssensors 1 bildet die Grundplatte 3 zusammen mit einem Deckelelement 17 und einem ringförmigen Dichtelement 19 ein Gehäuse, in dessen Innenraum die Kontaktfederanordnung 5 und das Abstandhalterelement 7 aufgenommen sind. In den 3 und 4 sind perspektivische Ansichten von oben und unten auf eine Einheit 6 aus einer Kontaktfederanordnung 5 und einem Abstandhalterelement 7 gezeigt. Beide Komponenten weisen flächig ausgebildete Bereiche auf, an denen an der Kontaktfederanordnung 5 die dritte Kontaktfläche ausgebildet ist und an denen sie aneinander anliegend fest miteinander verbunden sind, beispielsweise durch eine Schweißverbindung.
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Etwa in der Mitte der Einheit 6 weisen sowohl die Kontaktfederanordnung 5 als auch das Abstandhalterelement 7 mehrere Ausnehmungen 31 auf, die zusammen eine senkrecht durch die Einheit 6 durchgehende Ausnehmungsstruktur 27 bilden. Im dargestellten Beispiel umfasst die Ausnehmungsstruktur 27 vier beispielsweise kreisrunde Ausnehmungen 31. Wie auch in 5 vergrößert dargestellt, sind diese Ausnehmungen 31 derart angeordnet, dass sie zwischen sich einen Bereich einschließen, der bei der Montage des Füllstandssensors eine Lötstelle 29 aufnehmen kann, an der die Einheit 6 mit der Grundplatte 3 durch eine Lötverbindung mechanisch und elektrisch verbunden werden kann. In 5 ist dabei angedeutet, wie Lotmaterial 33 der Lötstelle 29 in die angrenzenden Ausnehmungen 31 teilweise lateral hineinragt.
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Bei einem Anlöten der Einheit 6 an die Grundplatte 3 kann somit zuvor im Bereich der Lötstelle 29 aufgetragenes Lotmaterial 33 lokal erhitzt werden. Dabei eingebrachte Wärme kann sich zu umgebenden Bereichen der Einheit 6 lediglich über die zwischen benachbarten Ausnehmungen 31 verbleibenden Stege 35 ausbreiten. Ein Wärmefluss weg von der Lötstelle 29 wird somit stark eingeschränkt.
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Durch die Ausnehmungen 31 hindurch kann ferner nachfolgend die Lötverbindung visuell inspiziert werden.
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In den 6(a) bis 6(c) sind verschiedene mögliche geometrische Ausgestaltungen von Ausnehmungsstrukturen 27 dargestellt.
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6(a) zeigt eine teilkreisförmige einstückige Ausnehmung 31, die eine Lötstelle 29 ringförmig umgibt, so dass die Lötstelle 29 lediglich über einen einzigen Steg 35 mit dem Rest der Einheit 6 verbunden ist.
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6(b) zeigt eine Ausnehmungsstruktur 27, welche zwei in etwa halbkreisförmige Ausnehmungen 31, die eine Lötstelle 29 an gegenüberliegenden Seiten umgeben, aufweist, so dass die Lötstelle 29 über zwei Stege 35 mit dem Rest der Einheit 6 verbunden ist.
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6(c) zeigt eine Ausnehmungsstruktur 27, welche vier rechteckige Ausnehmungen 31, die eine Lötstelle 29 an jeweils gegenüberliegenden Seiten umgeben, aufweist, so dass die Lötstelle 29 über vier Stege 35 mit dem Rest der Einheit 6 verbunden ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0844459 A1 [0003, 0006]
