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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Befestigung von Leiterplatten an einem Träger, insbesondere von Leiterplatten, die wie im Automobilbau starken Erschütterungen ausgesetzt sind.
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Hintergrund der Erfindung
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In Kraftfahrzeugen kommen in immer größerem Umfang elektrische Schaltungen zum Einsatz. Neben der elektrischen Funktionalität und dem Gewicht müssen diese Schaltungen auch den mechanischen Anforderungen der Umgebung gerecht werden. Dazu zählt auch die Befestigung im und am Fahrzeug über einen Träger. Um die elektrischen Schaltungen vor ungewünschten externen Einflüssen, wie Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen, werden diese oft mit einem Gehäuse umgeben, das zumindest einen Teil der elektrischen Schaltung abdeckt. Die elektrischen Schaltungen werden in der Regel auf Leitplatten realisiert, so dass das Gehäuse diese Leiterplatte umgibt. Das Gehäuse kann auch als Träger zur Befestigung der Leitrplatte dienen.
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Leiterplatten mit elektrischen Schaltungen müssen somit an dem Träger derart fixiert werden, dass Beschädigungen während des Einsatzes im Kraftfahrzeug – insbesondere durch Stöße und Vibrationen – über die Lebensdauer zu vermeiden sind.
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Weiterhin gibt es die Anforderung, dass eine Dehnung der Leiterplatte von größer 500 µm pro m während Montage und Betrieb nicht zulässig ist.
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Weiterhin steht die Forderung im Raum, kostengünstige, bauraumoptimierte und montierbare Leiterplattenanbindungen zu ermöglichen, da in der Regel neben einer Leiterplatten eine große Anzahl weiterer Leiterplatten und mechanischer und elektrischer Komponenten verbaut werden.
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Beschreibung der Erfindung
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Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, bei der Befestigung Toleranzen der Leiterplattenmaße auszugleichen, insbesondere wenn die Leiterplatten mit weiteren Komponenten verbunden werden.
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Die Aufgabe wird durch die Anordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Dazu enthält die erfindungsgemäße Anordnung zur Befestigung von Leiterplatten einen Träger, insbesondere ist der Träger Teil eines Gehäuses, das die Leiterplatte zumindest teilweise abdeckt, einen Platinenhalter zum Umfassen der Leiterplatte und eine Schraube zum Verbinden des Gehäuses mit dem Platinenhalter. Zum Toleranzausgleich weist das Gehäuse eine Aufnahme für die Schraube auf, die einen Schraubteil und einen Dübelteil enthält. Der Platinenhalter weist wiederum zwei Zangenbacken, die die Leiterplatte an derer Unter- und Oberseite umfassen, und einen Schraubdom, der zur Aufnahme des Dübelteils dient, auf.
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Der Platinenhalter wird mit der Leiterplatte verbunden. Dies ist typischerweise eine lösbare Steckverbindung und dient dem Toleranzausgleich x, y- in der Ebene der Leiterplatte.
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Nun wird der Schraubdom und der Dübelteil der Aufnahme innerhalb des Trägers zusammengeführt und beim Einschrauben der Schraube der Toleranzausgleich in z-Richtung durchgeführt. Dazu wird die Schraube in die Aufnahme des Trägers eingesetzt und dort verschraubt, bis sie in den darunterliegenden Dübelteil hineinreicht. Dadurch wird der Dübel aufgespreizt und der Platinenhalter (damit auch die Leiterplatte) in z-Richtung an dem Träger befestigt. Mit dieser Anordnung kann somit ein Toleranzausgleich in alle Richtungen erfolgen und es können auch größere Toleranzen bei der Größe und ggf. Verspannung, die eine z-Abweichung auslösen würde, ausgeglichen werden. Die Befestigung ist weitgehend spannungsfrei. Befinden sich auf der Leiterplatte Strom-/Spannungssensoren, so wird über die Lebensdauer eine höhere Messgenauigkeit ermöglicht. Zudem ist die Montage der Leiterplatte einfach und kostengünstig, ohne dass neben dem Platinenhalter zusätzliche Ausgleichselemente für den Ausgleich der Toleranzen benötigt werden.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Schraubdom einen rotationssymmetrischen Hohlraum auf, insbesondere mit einem Durchmesser von 3 bis 10 mm, insbesondere 5 bis 8 mm und einer Länge von 4 bis 15 mm, insbesondere 6 bis 12 mm. Durch die Symmetrie des Hohlraums und die bestimmten Maße können je nach Größe und Gewicht der Leiterplatte eine Vielzahl von Befestigungen realisiert werden, die einen großen Toleranzbereich zulassen und geringe Kräfte bei der Verschraubung erfordern.
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Eine weitere Verbesserung der Erfindung tritt ein, wenn zwischen Zangenbacken und Schraubdom ein Einschraubteil angeordnet ist. Nachdem die Schraube den Dübelteil aufgespreizt hat, wird nach dieser Verbesserung das Einschrauben fortgesetzt, bis die Schraube in den Einschraubteil eindringt und dort einen Formschluss herbeiführt. Damit zwischen der Verschraubung im Schraubteil und im Einschraubteil keine Verspannung auftritt, wird jeweils das Gewinde erst durch die Schraube geformt, d.h. Schraubteil und Einschraubteil haben in diesem Fall kein vorgeformtes Gewinde.
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Vorteilhafterweise besteht der Dübelteil aus drei bis sechs, insbesondere drei oder vier Spreizarmen, die um einen Durchlass für die Schraube im Dübelteil angeordnet sind. Zur gleichmäßigen Verteilung der Kräfte sind die Spreizarme vorteilhafterweise rotationssymmetrisch um den Durchlass angeordnet.
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Wird der Schraubdom und die Zangenbacken des Platinenhalters mittels eines Stegs miteinander verbunden und bilden sie damit ein einstückiges Spritzgussteil, dann ergibt sich die Möglichkeit, flexibel auf den verfügbaren Bauraum zu reagieren. Schraubdom und Zangenbacken müssen damit nicht übereinander liegen, sondern können in x- und/oder y-Richtung voneinander getrennt sein. Zu diesem Ausgleich dient der Steg.
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Mit folgenden Maßnahmen wird die Wirksamkeit der erfindungsgemäßen Anordnung weiter verbessert:
Das Aufspreizen des Dübelteils wird dadurch unterstützt, dass der Durchmesser der Schraube größer als der Durchmesser eines röhrenförmigen Durchlasses im Schraubteil ist.
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Wenn die Schraube länger ist als die Summe von Höhe des Schraubdoms und Höhe der Aufnahme, dann kann sie nach dem Passieren des Schraubdoms in dessen Boden, d.h. in das darunterliegende Einschraubteil, eindringen und die Robustheit der Verbindung weiter erhöhen. Die Schraube ist vorteilhafterweise gewindefurchend.
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Der Halt der Leiterplatten in den Zangenbacken wird dadurch verbessert, dass die Zangenbacken parallel zur Leiterplatte ausgerichtet sind und zumindest eine Zangenbacke eine zur Leiterplatte ausgerichtete Auflagerippe aufweist. Diese Auflagerippe kann schmal und aus einem Material sein, dass beim Einschieben der Leiterplatte zwischen die Zangenbacken abgerieben werden kann, so dass ein spaltloser und fester Halt der Leiterplatte erreicht wird.
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Dies wird weiter erleichtert, wenn die Auflagerippe eine geringere Höhe als die Leiterplatte aufweist und Höhe und/oder Breite der Auflagerippe zur Mitte der Leiterplatte abnehmen. Neben der Höhenanpassung wird damit auch eine Einführhilfe für die Leiterplatte gewährleistet.
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Insbesondere bei längeren Zangenbacken (Länge ist größer als Breite) ist es vorteilhaft, wenn zumindest eine der Zangenbacken eine Stützrippe aufweist, die von der Leiterplatte weg weist. Diese Stützrippe kommt somit nicht mit der Leiterplatte in Kontakt, sondern dient dazu, die Andruckkraft der Zangenbacke auf die Leiterplatte über die gesamte Länge zu gewährleisten. Bei einem Zangenbackenpaar kann beispielsweise eine der Zangenbacken eine Auflagerippe und die andere Zangenbacke eine Stützrippe aufweisen.
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Die Befestigung wird weiter verbessert, indem der Platinenhalter ein weiteres Paar Zangenbacken zum Umfassen der Leiterplatte aufweist, das ebenfalls mit dem Schraubdom, z.B. über einen Steg, einstückig verbunden ist. Damit gibt es zwei Befestigungspunkte.
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Zusätzlich zu den Zangenbacken im Platinenhalter kann ein weiterer Befestigungspunkt vorgesehen sein, vorteilhafterweise an einer Seite der Leiterplatte, die dem Platinenhalter gegenüberliegt. Zangenbacken und Befestigungspunkte sollten also möglichst weit voneinander entfernt sein.
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Wird als Befestigungspunkt ein verschraubbares Bauelement, z.B. ein Messwiderstand oder eine Sicherung, gewählt, das mit der Leiterplatte verlötet ist, dann sind keine zusätzlichen Befestigungsvorrichtungen vonnöten.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert, dabei zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Anordnung in einer perspektivischen Ansicht,
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2 eine erfindungsgemäße Anordnung in einer Schnittansicht,
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3 einen Platinenhalter,
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4 eine Detailansicht des Platinenhalters mit Zangenbacken, und
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5 einen weiteren Befestigungspunkt durch einen verschraubbaren Messwiderstand.
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Ausführungsbeispiele
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Die Leiterplatte 1 nach 1 ist in einer Ebene, die durch die x-/y-Richtungen gebildet wird, ausgerichtet. Auf der Leiterplatte 1 ist eine elektrische Schaltung angebracht, die aus elektrischen und elektronischen Bauelementen aufgebaut ist, die durch Leiterbahnen miteinander verbunden sind. Zu den elektronischen Bauelementen zählen u.a. Strom-/Spannungssensoren, die sensibel auf Verspannungen in der Leiterplatte 1 und Vibrationen reagieren. Es ist daher wichtig, die Leiterplatte 1 schnell, sicher und kostengünstig an weiteren Baugruppen eines Fahrzeugs zu befestigen und keine Dehnungen der Leiterplatte bei der Montage zuzulassen.
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Die Befestigung soll beispielsweise an einem Träger, hier durch ein Gehäuse 2 verwirklicht, erfolgen, das in 1 nur abschnittsweise in Form eines kreisrunden Tellers abgebildet ist. Die Funktion des Gehäuses 2 ist die Abdeckung der Leiterplatte 1 auf der oberen Seite und die Befestigung der Leiterplatte 1 mit dem Fahrzeug. Zur Befestigung der Leiterplatte 1 an dem Gehäuse 2 enthält das Gehäuse 2 eine Aufnahme 5 für eine Schraube 4. Die Schraube 4 wird von der der Leiterplatte 1 abgewandten Seite durch die Aufnahme 5 hindurchgeführt und setzt mit ihrem Schraubenkopf auf der Aufnahme 5 auf. Die Schraube 4 ist ausreichend lang, so dass sie durch die Aufnahme 5 hindurch in einen Platinenhalter 3 hineinreicht und dort Teile der Aufnahme 5, wie zu 2 weiter erläutert, mit dem Platinenhalter 3 nach der Wirkungsweise eines Dübels verklemmt.
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Da die Aufnahme 5 unterschiedlich weit in den Platinenhalter 3 hineinragen kann, wird ein Toleranzausgleich zwischen Platinenhalter 3 und damit der Leiterplatte 1 und dem Gehäuse 2 in z-Richtung erreicht. Ein Toleranzausgleich in x- und y-Richtung erfolgt zwischen Leiterplatte 1 und Gehäuse 2 durch den Platinenhalter 3 selbst. Dazu weist der Platinenhalter 3, siehe 2, Zangenbacken 31, 32 auf, die die Leiterplatte 1 umfassen. Die Zangenbacken 31, 32 sind in der Ebene der Leiterplatte 1 aufgerichtet, so dass die Leiterplatte 1 innerhalb der Zangenbacken 31, 32 in dieser Ebene innerhalb des Toleranzbereiches verschiebbar ist.
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Das Gehäuse 2 und der Platinenhalter 3 bestehen aus Kunststoff und wurden mit einem Spritzgußverfahren hergestellt. Als vorteilhaftes Material hat sich PA6 GF30 herausgestellt. Die Schraube 4 ist eine Schraube 4 zur Direktverschraubung in Kunststoff, wie z.B. eine EJOT Delta PT in der Größe 40 × 20 (Nenndurchmesser 4 mm).
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Mit Hilfe der Schnittdarstellung von 2 lässt sich die Funktionsweise der Anordnung besser erläutern. Die Leiterplatte 1 ist zwischen den Zangenbacken 31, 32 geklemmt und damit in x- und y-Richtung fixiert. Dazu umfassen die Zangenbacken 31, 32 die Leiterplatte 1 an deren Oberseite O und Unterseite U. Die Zangenbacken 31, 32 sind Teil des einstückig ausgebildeten Platinenhalters 3, der zudem einen Schraubdom 33 mit einem rotationssymetrischen Hohlraum 34 und ein Einschraubteil 35 enthält. Das Einschraubteil 35 verbindet Schraubdom 33 und die Zangenbacken 31, 32, ggf. über einen Steg 38, wie in 3 verdeutlicht.
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Zur Fixierung des Gehäuses 2 im Platinenhalter 3 muss ein Dübelteil 52 der Aufnahme 5 in den Schraubdom 33 hineinragen. Das Gehäuse 2 muss dazu nicht auf dem Schraubdom 33 anliegen, ein Toleranzausgleich in z-Richtung kann über einen Bereich erfolgen, der durch die Länge des Dübelteils 52 und die Tiefe des Hohlraums 34 im Schraubdom 33 bestimmt wird.
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Die Schraube 4 wird in ein Schraubteil 51 mit Durchlass 56, dessen Durchmesser enger bemessen ist als der Durchmesser der Schraube 4, eingeschraubt. Dabei wird im Schraubteil 51 ein Gewinde gefurcht. Dieses Gewinde wird nicht über die gesamte Länge des Schraubteils 51, das senkrecht von der Oberfläche des Gehäuses 2 absteht, geformt, sondern nur abschnittsweise. Der übrige Durchmesser des Durchlasses 56 im Schraubteil 51 kann einen größeren Durchmesser haben.
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Wird die Schraube 4 weiter eingeschraubt, so erreicht sie den Dübelteil 52 der Aufnahme 5 des Gehäuses 2. Der Dübelteil 52 wird durch drei Spreizarme 53–55 gebildet, die rotationssymetrisch um den Durchlass 56, der auch durch den Dübelteil 52 hindurchreicht, angeordnet sind. Der Durchlass 56 ist auch an dieser Stelle schmaler als der Durchmesser der Schraube 4.
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Der Dübelteil 52 besitzt die Mindestanzahl von drei Spreizarmen 53–55, kann jedoch auch eine größere Anzahl Spreizarme enthalten. Die Spreizarme 53–55 dienen zur radialen Kraftverteilung. Mehr Arme (beispielsweise bis zu sechs) führen zu gleichmäßigerer Kraftverteilung, allerdings auch zu geringerer Belastbarkeit des Dübelteils 52, da der Durchlass 56 zwischen den Spreizarmen 53–55 werkzeugbedingt eine gewisse Minimalbreite aufweisen muss (ca. 1 mm).
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Der Hohlraum 34 im Schraubdom 33 hat beispielsweise einen Innendurchmesser von 6,6 mm, der sich aus der Konstruktion des Dübelteils 52 (hinsichtlich Entformbarkeit und Belastbarkeit) ergibt. Die Länge des Hohlraums 34 im Schraubdom 33 ist bedingt durch die aktuelle Ausführung des Dübelteils 52 (Ausgleich +/–2mm in z-Richtung) in Kombination mit der verwendeten Schraube 4. Daraus ergibt sich eine Länge von 10 mm.
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Bei der Dimensionierung der Schraube 4 sollte diese länger als die Summe von Höhe H1 des Schraubdoms 33 und der Höhe H2 der Aufnahme 5 sein. Dadurch wird die Schraube 4 wenn sie den Dübelteil 52 erreicht und die Spreizarme 53–55 aufspreizt, die Spreizarme 53–55 innerhalb des Schraubdoms 33 verklemmen und zwar genau auf einer Höhe, die dem Toleranzausgleich in z-Richtung dient. Damit ist zwischen Gehäuse 2 und Platinenhalter 3 ein Kraftschluss hergestellt.
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Da die Schraube 4 lang genug ist, kann sie bis zum Anschlag des Schraubenkopfs auf der Aufnahme 5 noch weiter in den Platinenhalter 3 eindringen und erreicht das Einschraubteil 35. In dem Einschraubteil 35 formt die Schraube 4 ein weiteres Gewinde und schafft damit einen Formschluss zwischen Platinenhalter 3 und Gehäuse 2.
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Ein beispielhafter Platinenhalter 3 ist in 4 gezeigt. Neben Schraubdom 33 mit innenliegendem Hohlraum 34 und dem darunterliegenden Einschraubteil 35 enthält der Platinenhalter 3 auch einen Steg 38, der das Einschraubteil 35 mit zwei Paaren Zangenbacken 31, 32 und 36, 37 verbindet. Der Steg 38 stellt einen Mindestabstand zwischen den Zangenbacken 31, 32, 36, 37 her. Über die Form des Stegs 38 und dem Punkt, an dem das Einschraubteil 35 auf dem Steg 38 ansetzt, können je nach verfügbarem Bauraum und Befestigungspunkten 6 innerhalb des Gehäuses 2 eine Vielfalt an Befestigungslösungen umgesetzt werden.
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Die Zangenbacken 31, 32, 36, 37 sind in 4 vergrößert dargestellt. Jeweils eine Zangenbacke 31, 36 jedes Paares weist eine Auflagerippe 39 und die andere Zangenbacke 32, 37 eine Stützrippe 40 auf. Die Auflagerippe 39 liegt also zwischen den Zangenbacken 31, 32 bzw. 36, 37 und wird beim Aufschieben der Leiterplatte 1 ggf. leicht abgerieben und liegt damit wie auch die andere Zangenbacke 32, 37 immer an der Leiterplatte 1 an und führt zu einer sicheren Klemmverbindung. Als Einführhilfe und für einen leichteren Abrieb läuft die Auflagerippe 39 auf die Leiterplatte 1 hin spitz zu. Die Stützrippe 40 ist dreieckig geformt, liegt außerhalb des Zangenbackenpaares und stellt sicher, dass die Zangenbacken 32, 37 sich nicht von der Leiterplatte 1 weg abbiegen.
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5 zeigt schließlich ein anderes Ende der Leiterplatte 1, vorzugsweise liegt dieses Ende in Einbauposition dem Platinenhalter 3 gegenüber. Ein Messwiderstand 61 als Befestigungspunkt 6 für die Leiterplatte 1 ist an zwei Stellen mit der Leiterplatte 1 verlötet. Zwischen diesen zwei Lötverbindungen befindet sich der Widerstand, nahe der dargestellten Kerbe.
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Beide Teile des Messwiderstandes haben für eine Verschraubung der Messwiderstandes mit dem Träger 2 oder anderen Komponenten des Fahrzeugs jeweils ein Schraubloch 62, 63. Somit ist die Leiterplatte 1 am Fahrzeug über zwei Paar Zangenbacken 31, 32, 36, 37 und dem Befestigungspunkt 6 stabil und vibrationssicher verbunden und gleichzeitig erfolgt ein Toleranzausgleich bei der Montage.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Leiterplatten
- 2
- Träger, Gehäuse
- 3
- Platinenhalter
- 4
- Schraube
- 5
- Aufnahme
- 6
- Befestigungspunkt
- 31, 32, 36, 37
- Zangenbacken
- 33
- Schraubdom
- 34
- Hohlraum
- 35
- Einschraubteil
- 38
- Steg
- 39
- Auflagerippe
- 40
- Stützrippe
- 51
- Schraubteil
- 52
- Dübelteil
- 53–55
- Spreizarme
- 56
- Durchlass
- 61
- Bauelement, Messwiderstand
- 62, 63
- Schraublöcher
- H1
- Höhe des Schraubdoms
- H2
- Höhe der Aufnahme
- O
- Oberseite
- U
- Unterseite
