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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung, wie sie in vielen Gebieten der Elektrotechnik bzw. Elektronik benötigt wird.
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Bei herkömmlichen elektrischen Kontaktierungen, die aus einem Stecker und einer Buchse bestehen, besitzt der Stecker mehrere kontaktierbare Stifte, welche in der Buchse ihr Gegenstück haben. Beim Kontaktieren werden dann durch Einstecken des Steckers in die Buchse diese Kontaktierungsstifte in entsprechende Ausnehmungen der Buchse eingeführt und dadurch kontaktiert.
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Durch die Anordnung der Kontaktstifte in dem Stecker, so wie den dazugehörigen Aufnahmen in der Buchse, ergibt sich die Tatsache, dass der Stecker oftmals in nur einer Position zur Buchse einsteckbar ist. Sind die Stifte seitensymmetrisch angeordnet, kann man den Stecker auch ggf. um 180° verdreht in die Buchse stecken, und bei Punktsymmetrie sogar in bis zu vier verschiedenen Möglichkeiten, wenn die Form der Buchse dies zu lässt.
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Ein solcher Stecker mit entsprechender Buchse ist beispielsweise der sogenannte DIN-Stecker, welcher in der DIN 41524 dargelegt wird. Nachteilig bei dieser Art der elektronischen Kontaktierung ist jedoch, dass der Stecker immer nur in bestimmter Ausrichtung zur Buchse eingesteckt werden kann.
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Dadurch ist der Geschwindigkeit, in welcher die Kontaktierung geschieht, eine Grenze gesetzt und „blindes” Kontaktieren, bei der man nicht darauf achten muss, in welcher Ausrichtung der Stecker zur Buchse beim Einstecken positioniert ist, sind dadurch nicht möglich.
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Eine elektrische Kontaktierung, welche möglichst schnell geschehen kann, ist aber in bestimmten Anwendungsfällen erforderlich, beispielsweise der Pyrotechnik. Eine einfache Kontaktierung, bei der die Ausrichtung des Steckers zur Buchse beim Einstecken nicht festgelegt ist, kann jedoch auch in anderen technischen Bereichen durchaus erwünscht sein, wie beispielsweise bei schweren Fahrzeugen oder medizintechnischen Geräten, insbesondere auch in mobilen und/oder militärischen Anwendungen, wie Fahrzeuge, Flugzeuge, Hubschrauber, etc.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur elektrischen Kontaktierung bereitzustellen, bei der die Ausrichtung des Steckers in Bezug auf die Buchse keine Rolle spielt und trotzdem eine schnelle und sichere Kontaktierung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird mit der vorliegenden Vorrichtung gelöst, nämlich indem eine bewegliche Kontakteinheit als Stecker fungiert. Diese besitzt eine kreisförmige Grundfläche, welche mindestens zwei elektrisch leitfähige, starre Kontaktstifte aufweist. Als Buchse fungiert ein Kontaktziel, welches ebenfalls eine kreisförmige Grundfläche aufweist und welches Kontaktzonen besitzt und zwar mit mindestens so vielen Kontaktzonen, wie Kontaktstifte an der Kontakteinheit vorgesehen sind. Die Kontaktzonen sind in unterschiedlichen Radien ringförmig um den Mittelpunkt des Kontaktziels angeordnet, wobei diese Radien der Kontaktzonen dem Abstand der Kontaktstifte vom Mittelpunkt der Grundfläche der Kontakteinheit entsprechen. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, die Kontaktstifte der Kontakteinheit auf die Kontaktzonen des Kontaktziels aufzusetzen, um eine elektrische Verbindung herzustellen.
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Die Kontaktstifte sind elektrisch leitfähig ausgestaltet, sodass diese elektrisch kontaktiert werden können, beispielsweise durch Anschluss von elektrischen Leitungen. Die Kontaktstifte können auch Teil einer fertigen Baugruppe und/oder eines Steuergerätes sein. Ebenso sind die Kontaktzonen des Kontaktziels elektrisch leitfähig ausgestaltet, sodass diese ebenfalls elektrisch, kontaktiert werden können. Werden nun die Kontaktstifte auf die Kontaktzonen aufgesetzt, ergibt sich eine durchgehende elektrische Verbindung von den Kontaktstiften zu den Kontaktzonen. Bei Entfernen der Kontaktstifte von den Kontaktzonen wird diese Verbindung unterbrochen.
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Um die Kontaktzonen mit den Kontaktstiften zu treffen, sind zwei Arten der Kontaktierung denkbar. In einer ersten Ausführungsform ist die Kontakteinheit auf der gleichen Achse bewegbar und, auf der auch das Kontaktziel befestigt ist, nämlich zum Kontaktziel hin oder vom Kontaktziel weg. Dadurch, dass in dieser Ausführungsform das Kontaktziel, wie auch die Kontakteinheit, auf der gleichen Achse positioniert sind, sind auch die Stifte bereits genau auf die ringförmig angeordneten Kontaktzonen ausgerichtet. Die Kontakteinheit kann jedoch auf der Achse gedreht werden und trifft trotzdem mit den Kontaktstiften auf die entsprechenden Kontaktzonen, da die Kontaktzonen umlaufend auf der Grundfläche des Kontaktziels aufgebracht sind.
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In einer zweiten Ausführungsform kann ein Kragen am Kontaktziel vorgesehen sein, der in Richtung der Kontakteinheit positioniert ist und konisch zum Kontaktziel zuläuft. Dadurch wirkt der Kragen wie eine Führung für die Kontakteinheit und positioniert die Kontakteinheit dann bei Auftreffen der Kontaktstifte auf die Kontaktzonen, so dass die Kontaktzonen genau getroffen werden. Der Kragen kann natürlich auch an der Kontakteinheit befestigt sein und zum Kontaktziel hinzeigen. Die Funktion des Kragens ist jedoch dieselbe.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist mindestens eine Isolatorzone vorgesehen, welche zwischen den Kontaktzonen verläuft, um diese elektrisch voneinander zu isolieren. Dazu sind diese Isolatorzonen elektrisch isolierend ausgeführt. Eine solche Isolatorzone kann ebenso nicht nur zwischen den Konstruktionen verlaufen, sondern auch als Ring um die äußere Kontaktzone verlaufen, um die äußere Kontaktzone zu isolieren, insbesondere elektrisch zu isolieren. In allen Fällen sind die Isolatorzonen, genau wie die Kontaktzonen, ebenfalls ringförmig und um den Mittelpunkt des Kontaktziels angeordnet. Bevorzugterweise besitzt das Kontaktziel dann vom Mittelpunkt aus immer abwechselnd eine Kontaktzone und eine Isolatorzone.
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Als äußere Begrenzung kann das Kontaktziel über ein Gehäuse verfügen, welcher dazu benutzt werden kann, das Kontaktziel zu befestigen. Hierbei können die elektrischen Kontaktierungen der Kontaktzonen im Gehäuse vorgesehen sein. Es ist aber auch möglich, die Kontaktzonen direkt elektrisch zu kontaktieren und diese Kontaktierungen lediglich mit dem Gehäuse abzudecken.
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Um eine sichere Kontaktierung zu gewährleisten, ist in einem weiteren Ausführungsbeispiel jede Kontaktzone flexibel und/oder elastisch gestaltet, sodass die Kontaktstifte zumindest teilweise in die Kontaktzonen eindringen können. Hierzu muss das Material, aus dem die Kontaktzonen bestehen, flexibel und/oder elastisch gestaltet sein. Dies kann beispielsweise durch ein elektrisch leitendes Gewebe geschehen, durch einen graphitdurchzogenen Schaum oder andere geeignete elastische Verbindungsstoffe.
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Ebenso sind in einer weiteren Ausführungsform starre Kontaktzonen vorgesehen, insbesondere aus Metall, wobei die Isolatorzonen und/oder das Gehäuse aus flexiblen und/oder elastischen Materialien bestehen.
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Die Isolatorzonen können starr oder flexibel und/oder elastisch ausgebildet sein und können somit aus allen bekannten Werkstoffen bestehen, die elektrisch nicht leitfähig sind. Die Werkstoffe müssen hierzu flexibel sein, damit überhaupt die Kontaktstifte in sie eindringen können und Elastizität hilft dabei, nach Entfernen der Kontaktstifte die jeweiligen Kontakt- und/oder Isolatorzonen wieder in ihre ursprüngliche Form zurückzuführen, welche sie vor Eindringen der Kontaktstifte hatten.
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Das Gehäuse kann ebenfalls elektrisch leitfähig oder isolierend sein, je nach Anordnung der Kontaktzonen bzw. Isolatorzonen. Wenn als äußerer Ring des Kontaktziels eine Isolatorzone verwendet wurde, kann ein elektrisch leitfähiges oder isolierendes Gehäuse verwendet werden. Sollte die äußere Zone des Kontaktziels eine Kontaktzone sein, sollte das Gehäuse aus elektrisch isolierendem Material bestehen, um die elektrischen Signale der äußeren Kontaktzone nicht nach außen hin abgeben zu können.
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Im Falle von flexiblen bzw. elastischen Kontaktzonen können die Kontaktstifte konisch zulaufende Enden aufweisen, um das Eindringen der Kontaktstifte in die Kontaktzonen zu erleichtern. Durch den konischen Zulauf wird auch das Treffen der Kontaktzonen erleichtert, selbst wenn durch Toleranzen oder anderen Ungenauigkeiten die Achsen der Kontakteinheit und des Kontaktziels nicht genau übereinstimmen. Die Kontaktstifte können jedoch auch, je nach Anwendungsfall, spitze oder kugelförmige Enden aufweisen.
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Um die elektrischen Kontakteigenschaften zu verbessern, kann bei der Verwendung eines Gehäuses dieses dazu verwendet werden die Kontaktzonen und/oder Isolatorzonen leicht zu komprimieren. Durch diese Komprimierung ist es möglich, mehr Materialoberfläche bei Eintritt in die Kontaktzonen an die Kontaktstifte gelangen zu lassen, um die Kontaktierung sicher herzustellen, bei möglichst geringem Übergangswiderstand. Diese Komprimierung darf aber nicht so hoch sein, dass das Eindringen der Kontaktstifte in die Kontaktzonen derart erschwert wird, dass ggf. die Kontaktstifte nicht mehr weit genug in die Kontaktzonen eindringen.
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Zur Kontaktierung wird also eine Kraft benötigt, um die Kontakteinheit in Richtung Kontaktziel zu bewegen. Der elektrische Kontakt wird dann hergestellt, wenn die Kontaktstifte auf die Kontaktzonen treffen bzw. in diese eindringen. In einer weiteren besonderen Ausführungsform ist hierzu die Kontakteinheit in einer Position einrastbar, bei welcher die Kontaktstifte die Kontaktzonen noch nicht berühren. In diesem Falle kann nun eine Spannkraft auf die Kontakteinheit wirken, ohne dass diese sich durch die Spannkraft bereits in Richtung des Kontaktziels bewegt, da die Kontakteinheit in ihrer Position eingerastet ist und somit gehalten wird. Die Spannkraft kann beispielsweise durch eine Feder, aber auch durch pneumatische Mittel hergestellt werden.
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Wird nun die Kontakteinheit freigegeben, also die Rastung der Kontakteinheit aufgehoben, wirkt die Spannkraft sofort als Kraft auf die Kontakteinheit ein, um diese in Richtung des Kontaktziels zu bewegen und den Kontakt zwischen Kontaktstiften und Kontaktzonen herzustellen.
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Durch die Rastung und der Vorspannung ist eine möglichst schnelle Kontaktierung möglich, wie sie beispielsweise in der Pyrotechnik benötigt wird. Bei Verwendung von hitzebeständigen Materialien für die Bauteile der Kontakteinheit und des Kontaktziels kann auch eine gute Hitzebeständigkeit der Vorrichtung erreicht werden. Auch dies in beispielsweise in der Pyrotechnik von Nutzen.
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Die Radien, in denen die Kontaktzonen um den Mittelpunkt verlaufen, können auch den Wert Null besitzen und somit direkt den Mittelpunkt der Grundfläche der Kontakteinheit darstellen. Anders gesagt, kann eine Kontaktfläche auch im Mittelpunkt angeordnet sein und ist dann kreisförmig ausgeführt. In diesem Falle ist auch der Abstand einer der Kontaktstifte vom Mittelpunkt gleich Null, da dieser dann ebenfalls im Mittelpunkt angeordnet sein muss, um die Kontaktfläche im Mittelpunkt kontaktieren zu können.
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Ist der Radius, in denen die Kontaktzonen um den Mittelpunkt verlaufen, größer Null, erwirkt das Kontaktieren durch die Kontaktstifte, die dann auch einen Abstand vom Mittelpunkt aufweisen, der größer Null ist, eine Selbstreinigung der Kontaktzone, da während des Kontaktierens Drehungen der Vorrichtungen um die Mittelachse möglich sind und Gleitbewegungen zwischen den Kontaktstiften und den Kontaktzonen zulässig sind. Dies trifft insbesondere im Anwendungsfall von Bajonettverschlüssen zu.
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Bei Verwendung von Kontaktzonen im Mittelpunkt sind unterstützende und/oder überwachende Elemente an dieser Kontaktzone anbringbar, insbesondere Lichtwellenleiter, pneumatische Schnittstellen, hydraulische Schnittstellen und/oder Schlauchkopplungen mit fluiden Medien.
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Durch die plane kreisförmige Ausgestaltung der Vorrichtung ist sie und insbesondere die Kontaktzone sehr gut von Verschmutzungen zu reinigen, beispielsweise durch abwischen. Ebenso ist durch die Bauform der Vorrichtung diese und insbesondere die Kontaktzonen sehr robust.
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Um Verschleiß der Kontaktzonen vorzubeugen ist in einer besonderen Ausführungsform der Werkstoff der Kontaktzone so gewählt, dass er verschleißfester ist als der Werkstoff der Kontaktstifte. Die ist insbesondere bei pyrotechnischen Anwendungen erforderlich. Durch diese Ausführungsform können Mehrfachanwendungen gewährleistet werden.
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Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der die Achse der Kontakteinheit und des Kontaktziels gleich ist und die Kontakteinheit auf der Achse bewegbar gelagert ist.
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Die Kontakteinheit 10 ist mit einer kreisrunden Grundfläche ausgestattet und zylinderförmig gestaltet. Sie ist an ihrer Mittelachse durch Aufwenden einer axialen Kraft 11 auf dieser beweglich gelagert.
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Die Kontakteinheit 10 besitzt zwei Kontaktstifte 12, welche an ihrem äußeren Ende 13 konisch zulaufen.
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Das gezeigte Kontaktziel 20 besitzt ebenfalls eine kreisförmige Grundfläche und ist ebenfalls zylinderförmig aufgebaut. Von dem Mittelpunkt aus gesehen, besitzt es mehrere ring- und/oder kreisförmig angeordnete Zonen, nämlich eine kreisförmige Kontaktzone 21 im Mittelpunkt des Kontaktziels 20, um welche eine ringförmige Isolatorzone 22 verläuft. Um diese wiederum verläuft eine ringförmige Kontaktzone 21 und nochmal eine ringförmige Isolatorzone 22. Abschließend und als äußerer Ring ist ein Gehäuse 23 gezeigt.
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Somit besteht das Kontaktziel 20 aus zwei Kontaktzonen 21, zwei Isolatorzonen 22 und einem Gehäuse 23. Das Gehäuse 23 könnte nun dafür sorgen, dass die innerhalb des Gehäuses liegenden Kontaktflächen 21 leicht gestaucht werden, um die Kontakteigenschaften zu verbessern. Dazu werden die im Gehäuse 23 liegenden Kontakt- 21 und Isolatorzonen 22 als Presspassung in das Gehäuse 23 eingefügt.
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Wird nun die Kontakteinheit 10 durch Aufwenden einer Kraft 11 in Richtung des Kontaktziels 20 bewegt, treffen seine Kontaktstifte 12 auf das Kontaktziel 20. Die Ausrichtung geschieht in diesem Beispiel dadurch, dass das Kontaktziel 20, wie auch die Kontakteinheit 10 auf einer gemeinsamen Achse positioniert sind. Die Kontaktstifte 12 besitzen dabei einen bestimmten Abstand vom Mittelpunkt der Grundfläche der Kontakteinheit 10, welche auch den Radien der Kontaktzonen 21 entsprechen. Somit ist sichergestellt, dass die Kontaktstifte 12 immer bei Auftreffen auf das Kontaktziel 20 einen elektrischen Kontakt mit den Kontaktzonen 21 herstellen. Hierbei ist es egal, ob und um wie viel Grad die Kontakteinheit 10 um ihre Achse verdreht ist.
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Wenn die Kontaktzonen elastisch und/oder flexibel genug gestaltet sind, können die Kontaktstifte 12 mindestens bereichsweise in die Kontaktzonen 21 eindringen. Zur Herstellung des elektrischen Kontaktes, reicht es aber aus, wenn die Kontaktstifte 12 die Oberfläche der Kontaktzonen 21 berühren.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Merkmale der Beschreibung und in den Zeichnungen eingeschränkt. Vielmehr sind noch weitere Ausführungsbeispiele denkbar. So könnten die Kontaktstifte beispielsweise am Kontaktziel befestigt sein und die einzelnen Zonen, also Kontaktzonen und Isolatorzonen, an der Kontakteinheit. Ebenso könnten die unterschiedlichen Kontaktzonen in unterschiedlicher Höhe angebracht sein, um einige Kontaktstifte früher als andere zu kontaktieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kontakteinheit
- 11
- Kraft
- 12
- Kontaktstift
- 13
- Ende eines Kontaktstiftes
- 20
- Kontaktziel
- 21
- Kontaktzone
- 22
- Isolatorzone
- 23
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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