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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum ausgerichteten Verbinden zweier Bauteile. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Anordnung aus zwei zueinander ausgerichteten Bauteilen.
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Insbesondere bei optischen Elementen ist es notwendig, dass verschiedene Elemente exakt zueinander ausgerichtet sind, um ein durch das optische Element verlaufendes Lichtsignal optimal verarbeiten zu können. Dabei müssen die optischen Bauteile mit extrem hoher Positions- und Winkelgenauigkeit zueinander ausgerichtet werden und dann in der ausgerichteten Position relativ zueinander fixiert werden, um beispielsweise Abbildungsfehler gering zu halten.
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Aus der
DE 100 43 985 ist ein optischer Aufbau bekannt. Bei diesem Aufbau wird der Abstand zwischen zwei Bauteilen dadurch festgelegt, dass das eine Bauteil mit vier Füßen versehen ist, die auf das andere Bauteil geklebt werden. Da jedoch im Allgemeinen gewisse Bauteiltoleranzen bestehen, müssen die beiden Bauteile vor dem Aufkleben zueinander ausgerichtet werden, was zur Folge hat, dass meist nicht alle vier Füße flächig auf dem gegenüberliegenden Bauteil aufstehen, sondem es teilweise nur punktförmig oder sogar überhaupt nicht berühren. Bei der Justierung entstehen somit automatisch kleine Justierspalte zwischen den Füßen und dem gegenüberliegenden Bauteil. Zur Fixierung wird hier ein Klebstoff verwendet, der die Füße umgibt und zwangsläufig auch die entsprechenden Justierspalten füllt. Mit anderen Worten wird der Klebstoff hier konstruktiv verwendet, da er kleine Justierspalte überbrückt, was zwar zunächst eine exakte Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander erlaubt, jedoch aufgrund eines Schrumpfprozesses des Klebstoffes beim Aushärten möglicherweise eine Dejustierung nach sich zieht.
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Dieses Problem wird noch verschärft, wenn beispielsweise ein zweites Bauteil an einem ersten Bauteil befestigt werden soll, jedoch gegenüber einem dritten Bauteil justiert werden muss, da dann möglicherweise größere Justierspalte zwischen ersten und zweitem Bauteil notwendig werden.
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Bei den bekannten Aufbauten ist darüber hinaus zu berücksichtigen, dass der Aufbau häufig gewissen Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, so dass, insbesondere dann, wenn die beiden Bauteile eine unterschiedliche thermische Ausdehnung zeigen, es durch eine Temperaturveränderung zu Abweichungen von der exakten Position und der Winkelorientierung kommen kann. Auch bei der hier beschriebenen konstruktiven Verwendung des Klebstoffes kommt es zu einer Dejustierung, da der Klebstoff meist ein von den Bauteilen und den verwendeten Füßen abweichendes Ausdehnungsverhalten bei Temperaturänderungen zeigt.
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In der
WO 2007/042385 A2 wird daher ein Verbindungselement mit zwei oder mehreren Federelementen vorgeschlagen. Grundsätzlich ist es mit solch einem Verbindungselement möglich, durch das Federelement eine Verbindung herzustellen, die in einer Richtung, der Elastizitätsrichtung, sehr weich ist, d.h. eine relativ kleine Federkonstante aufweist, während sie in den dazu senkrechten Richtungen sehr hart ist, d.h. eine relativ große Federkonstante aufweist. Mit solchen Verbindungsaufbauten ist es möglich, Federelemente mit einer Federkonstante in der Elastizitätsrichtung von nur einem Fünftel oder weniger der Federkonstanten in der anderen Raumrichtung auszubilden.
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Doch auch hier besteht das Problem, dass die Federelemente mit dem Bauteil verbunden werden müssen. Dies folgt im Allgemeinen mit Hilfe von Klebstoff. Um die benötigte Klebstoffmenge und die damit verbundenen Nachteile zu verringern, ist es üblich, die Federelemente bei der Montage der Bauteile elastisch auszulenken, so dass sie das Bauteil berühren. Aufgrund der elastischen Auslenkung übt das Federelement jedoch auch nach der Befestigung an dem Bauteil eine, wenn auch geringe, Kraft auf das Bauteil aus, was grundsätzlich von Nachteil ist, da es dadurch im schlimmsten Fall zu einer Dejustierung kommt.
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Ausgehend von dem beschriebenen Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum ausgerichteten Verbinden zweier Bauteile anzugeben, das die oben genannten Nachteile zumindest abschwächt. Zudem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung aus zwei miteinander verbundenen Bauteilen bereitzustellen, bei der eine exakte Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander erfolgt, die die oben genannten Nachteile zumindest abschwächt.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den folgenden Schritten:
- a) Bereitstellen eines ersten Bauteils mit einer ersten Kontaktfläche,
- b) Bereitstellen eines zweiten Bauteils mit einer zweiten Kontaktfläche, wobei die zweite Kontaktfläche eine Ausnehmung aufweist,
- c) Positionieren der ersten Kontaktfläche neben der zweiten Kontaktfläche,
- d) Bereitstellen eines Distanzelementes,
- e) Aufbringen einer ersten Menge von flüssigem Verbindungsmaterial auf das Distanzelement,
- f) Positionieren des Distanzelementes in der Ausnehmung derzweiten Kontaktfläche derart, dass das Distanzelement oder das auf das Distanzelement aufgebrachte Verbindungsmaterial die erste Kontaktfläche und/oder die zweite Kontaktfläche berührt und
- g) Verfestigen der ersten Menge des Verbindungsmaterials.
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Dabei werden in Schritt c) die beiden Bauteile derart zueinander positioniert, dass die erste und Kontaktfläche nahe der zweiten Kontaktfläche liegt. Besonders bevorzugt werden die erste und die zweite Kontaktfläche parallel zueinander oder nahezu parallel aber voneinander beabstandet angeordnet.
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Unter einer Ausnehmung wird ein ausgesparter Raum in der zweiten Kontaktfläche verstanden. Die Ausnehmung kann sich innerhalb der Kontaktfläche oder an deren Rand befinden.
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Besonders bevorzugt kommt als Verbindungsmaterial Klebstoff oder Lötmittel zur Anwendung. Wird Klebstoff als Verbindungsmaterial verwendet, so wird dieser in Schritt g) ausgehärtet und damit verfestigt. Wird Lot als Verbindungsmaterial verwendet, so lässt man in Schritt g) das Lot erstarren und damit verfestigen. Im Folgenden wird die Erfindung für Klebstoff als Verbindungsmaterial erläutert. Es versteht sich aber, dass in manchen Anwendungsfällen anstatt Klebstoff auch Lot verwendet werden kann.
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Das Distanzelement überbrückt erfindungsgemäß die notwendigen Justierspalte möglichst weitgehend, so dass nur noch deutlich kleinere Spalte zwischen Distanzelement und erster Kontaktfläche einerseits und zwischen Distanzelement und zweiter Kontaktfläche andererseits existieren.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Distanzelement eine Kugel verwendet. Insbesondere dann, wenn die Bauteile und damit auch das Distanzelement sehr klein sind, ist es unter Umständen schwierig, nur eine geringe Menge von Verbindungsmaterial auf das Distanzelement gemäß Schritt e) aufzubringen.
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Daher ist in einer bevorzugten Ausführungsform vorgesehen, dass das flüssige Verbindungsmaterial in einem Vorratsbehälter bereitgestellt wird und das Distanzelement mit einer vorbestimmten Eintauchtiefe in das flüssige Verbindungsmaterial eingetaucht wird. Beispielsweise ist es möglich, dass das flüssige Verbindungsmaterial im Vorratsbehälter eine Füllhöhe aufweist, die der vorbestimmten Eintauchtiefe entspricht, so dass das Distanzelement so weit in den Vorratsbehälter abgetaucht wird, bis es den Boden des Vorratselementes berührt. Das flüssige Verbindungsmaterial ist somit bis zur Füllhöhe auf das Distanzelement aufgebracht. Um eine gleichmäßige Füllhöhe bei zähflüssigen Verbindungsmitteln zu gewährleisten, kann ein Rakel eingesetzt werden.
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Die Ausnehmung in der zweiten Kontaktfläche kann prinzipiell beliebig ausgebildet sein. Da das Distanzelement Justierspalte überbrücken soll und die fertige Verbindung keine elastischen Kräfte ausüben soll, ist die Ausnehmung derart auszubilden, dass die Ausnehmung in der zweiten Kontaktfläche des zweiten Bauteils keine formschlüssige Verbindung zwischen Distanzelement und zweiter Kontaktfläche in den beiden Richtungen senkrecht zur ersten Kontaktfläche ausbildet. Dadurch kann das Distanzelement genügend weit in die Ausnehmung senkrecht zur ersten Kontaktfläche eingeführt werden, um den Abstand zwischen erstem und zweitem Bauteil zu überbrücken.
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Mit Vorteil erstreckt sich daher die Ausnehmung in der zweiten Kontaktfläche durch das zweite Bauteil hindurch. Das Distanzelement kann daher die zweite Kontaktfläche nur seitlich berühren. Es hat sich gezeigt, dass die Ausnehmung vorzugsweise einen kreisförmigen, U-förmigen oder V-förmigen Querschnitt hat. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Schritte e) und f) derart ausgeführt werden, dass vor Schritt g) das Distanzelement ausschließlich von den durch das Verbindungsmaterial auf das Distanzelement und das erste und zweite Bauteil ausgeübten Adhäsionskräften gehalten wird.
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In diesem Fall berührt das Distanzelement weder die erste noch die zweite Kontaktfläche bevor Schritt g) durchgeführt wird.
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Alternativ ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Schritte e) und f) derart ausgeführt werden, dass in Schritt g) kein Verbindungsmaterial mit dem zweiten Bauteil in Kontakt tritt und nach Schritt g) die folgenden Schritte durchgeführt werden:
- h) Aufbringen einer zweiten Menge von flüssigem Verbindungsmaterial auf das Distanzelement derart, dass das Verbindungsmaterials das zweite Bauteil berührt,
- i) Verfestigen der zweiten Menge des Verbindungsmaterials.
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Mit anderen Worten wird hier ein zweistufiges Klebeverfahren beschrieben, bei dem zunächst das Distanzelement am ersten Bauteil mit Hilfe des flüssigen Verbindungsmaterials befestigt wird. Das flüssige Verbindungsmaterial wird dann verfestigt, so dass eine feste Verbindung zwischen Distanzelement und erstem Bauteil besteht. In einem folgenden Schritt, wird nun eine zweite Menge von flüssigem Verbindungsmaterial auf das Distanzelement aufgebracht, so dass das Verbindungsmaterial das zweite Bauteil berührt. Anschließend wird das Verbindungsmaterial verfestigt, so dass eine feste Verbindung zwischen Distanzelement und zweitem Bauteil besteht.
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Hinsichtlich der Anordnung wird die eingangs genannte Aufgabe gelöst durch eine Anordnung bestehend aus einem ersten Bauteil mit einer ersten Kontaktfläche und einem zweiten Bauteil mit einer zweiten Kontaktfläche, wobei die erste und die zweite Kontaktfläche miteinander verbunden sind, wobei die zweite Kontaktfläche eine Ausnehmung aufweist, ein Distanzelement in der Ausnehmung derart angeordnet ist, dass das Distanzelement mit Hilfe eines Verbindungsmittels sowohl am ersten Bauteil als auch am zweiten Bauteil befestigt ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verbindungsmittel Klebstoff oder Lot. Dabei kann die Ausnehmung als Durchgangsöffnung durch das zweite Bauteil ausgebildet sein. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Ausnehmung nicht als Durchgangsöffnung ausgebildet ist. Dann ist jedoch sicherzustellen, dass die Ausnehmung im gewünschten ausgerichteten Zustand zwischen erstem und zweitem Bauteil für das Distanzelement in einer Richtung senkrecht zur ersten Kontaktfläche keine formschlüssige Verbindung darstellt. Mit anderen Worten muss die Ausnehmung derart ausgebildet sein, dass das Distanzelement senkrecht zur ersten Kontaktfläche zur Ausrichtung der beiden Bauteile zueinander bewegt werden kann, ohne dass es mit dem zweiten Bauteil kollidiert.
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Dabei kann die Ausnehmung einen kreisförmigen, U-förmigen oder V-förmigen Querschnitt aufweisen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist das erste Bauteil eine Senkung auf und das Distanzelement oder das auf dem Distanzelement aufgebrachte Verbindungsmaterial greift in die Senkung ein.
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Durch das Vorsehen der Senkung auf der ersten Kontaktfläche kann eine Grobjustierung des ersten Bauteils relativ zu dem zweiten Bauteil vorgenommen werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Anordnung Teil eines Aufbaus, der ein drittes Bauteil aufweist, wobei das dritte Bauteil mit dem zweiten Bauteil verbunden ist. Dabei ist das zweite Bauteil als Verbindungselement ausgebildet und weist zumindest ein erstes elastisches Federelement auf, welches eine in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so große Federkonstanten aufweist wie in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung. Dabei ist die zweite Kontaktfläche an dem ersten elastischen Federelement angeordnet. Mit anderen Worten ist das Verbindungselement das zweite Bauteil der Anordnung. Das Verbindungselement selbst dient jedoch dazu, das erste und das dritte Bauteil miteinander zu verbinden.
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Das Verbindungselement kann ausgebildet sein wie in der oben genannten
WO 2007/042385 beschrieben, welche hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird. Es ist besonders bevorzugt, wenn das als Verbindungselement ausgebildete zweite Bauteil ein zweites Federelement aufweist, wobei das erste und das zweite Federelement eine in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so große Federkonstante wie in der dritten, zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtung, der sogenannten Elastizitätsrichtung, hat, wobei das erste und das zweite Federelement Elastizitätsrichtungen aufweisen, die nicht parallel zueinander verlaufen, wobei besonders bevorzugt das als Verbindungselement ausgebildete zweite Bauteil ein drittes Federelement aufweist, was eine in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen jeweils mindestens doppelt so große Federkonstante wie in der dritten zu den beiden ersten Raumrichtungen senkrechten Raumrichtungen, der sogenannten Elastizitätsrichtung, hat.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das zweite Federelement eine dem ersten Bauteil zugewandte Kontaktfläche mit einer Ausnehmung aufweist, wobei ein zweites Distanzelement derart in der Ausnehmung angeordnet ist, dass es über ein Verbindungsmittel sowohl mit dem ersten Bauteil als auch mit dem zweiten Federelement verbunden ist.
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Im Grunde genommen ist ein Aufbau denkbar, wie er in der oben genannten
WO 2007/042385 beispielsweise in den
11 oder
12 gezeigt ist, wobei in den entsprechenden Federelementen erfindungsgemäß Ausnehmungen vorgesehen sind und zwischen den Federelementen und den entsprechenden Kontaktflächen des ersten Bauteils die erfindungsgemäßen Distanzelemente angeordnet sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine Seitenaufsicht auf eine erfindungsgemäße Anordnung,
- 2 eine perspektivische Seitenansicht auf einen erfindungsgemäßen Aufbau mit der Anordnung von 1,
- 3 eine seitliche Detailansicht der Ausführungsform von 2,
- 4 eine zu 3 korrespondierende Detailansicht einer zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 eine zu 3 korrespondierende Detailansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung,
- 6 eine zu 3 korrespondierende Detailansicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung,
- 7 eine zu 3 korrespondierende Detailansicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung,
- 8 eine perspektivische Ansicht einer sechsten Ausführungsformen der Erfindung,
- 9 eine seitliche Draufsicht auf die sechste Ausführungsform von 8,
- 10 eine perspektivische Ansicht der dritten Ausführungsform der Erfindung und
- 11 eine Detailansicht der erfindungsgemäßen Klebeverbindung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung gezeigt. Ein erstes Bauteil 1 ist an einem zweiten Bauteil 2 befestigt. Das zweite Bauteil 2 hat einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt mit einem U-Grund 3 und zwei U-Schenkeln 4, 5. Im gezeigten Beispiel soll das erste Bauteil 1 von dem zweiten Bauteil 2 gehalten werden. Das erste Bauteil 1 soll dabei gegenüber einem weiteren Bauteil, das in der 1 nicht dargestellt ist, das sich jedoch in der Figur unterhalb des ersten Bauteiles befindet, ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck ist das zweite Bauteil 2 im Querschnitt etwas größer ausgebildet, so dass das erste Bauteil innerhalb der U-Form des zweiten Bauteiles sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung bewegt werden kann. Um das erste Bauteil an dem zweiten Bauteil befestigen zu können, weist das zweite Bauteil in der gezeigten Ausführungsform drei Ausnehmungen 6 auf, in welchen jeweils ein als Kugel ausgebildetes Distanzelement 7 vorgesehen ist. Die entsprechenden Ausnehmungen sind in den 2 und 3 deutlicher zu erkennen als in 1.
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Man erkennt in 3, dass die Ausnehmung 6 V-förmig ist. Das als Kugel ausgebildete Distanzelement 7 wird, sobald die beiden Bauteile in ihrer gewünschten Position sind, d. h. deren entsprechende Kontaktflächen nebeneinander angeordnet sind, an der Außenseite des ersten Bauteils 1 festgeklebt. Die Ausnehmung 7 ist derart ausgebildet, dass sie zumindest in den beiden Richtungen, die senkrecht zur Normalen auf der ersten Kontaktfläche ausgerichtet sind, keine formschlüssige Verbindung zwischen Distanzelement 7 und zweitem Bauteil 2 zur Verfügung stellt. Wie in den 1 und 2 zu sehen ist, weist das zweite Bauteil mehrere Ausnehmungen auf. In 2 ist zu erkennen, dass das zweite Bauteil 2 auf einem dritten Bauteil 9, was beispielsweise eine Leiterplatte sein kann, aufgesetzt ist. Auf der Leiterplatte 9 ist eine Detektorzeile 10 angeordnet. Das erste Bauteil 1 kann beispielsweise Teil eines Multiplexers/Demultiplexers sein, welche Lichtsignale auf die entsprechenden Detektoren in der Detektorzeile 10 leitet. Daher muss das erste Bauteil 1 relativ zu der Detektorzeile 10 sehr genau orientiert werden. Daher wird das Verbindungselement 2 verwendet, welches im gezeigten Beispiel drei Federelemente 8 aufweist.
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In 4 ist einer Darstellung wie in 3 gezeigt, jedoch von einer zweiten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Federelement eine kreisförmige Ausnehmung 6 aufweist, in welcher das als Kugel ausgebildete Distanzelement 7 positioniert ist.
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In 5 ist eine Darstellung wie in 3 gezeigt, jedoch von einer dritten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch, dass die Ausnehmung am Rand des Federelementes angeordnet ist, so dass das Federelement verkürzt ist. Das als Kugel ausgebildete Distanzelement 7 ist dann in der Ausnehmung positioniert ist.
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In 6 ist einer Darstellung wie in 3 gezeigt, jedoch von einer vierten Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Federelement eine halbkreisförmige Ausnehmung 6 aufweist, in welcher das als Kugel ausgebildete Distanzelement 7 positioniert ist.
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In 7 ist einer Darstellung wie in 3 gezeigt, jedoch von einer fünften Ausführungsform. Diese Ausführungsform unterscheidet sich lediglich dadurch, dass das Federelement eine kreuzförmige Ausnehmung 6 aufweist, in welcher das als Kugel ausgebildete Distanzelement 7 positioniert ist.
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In den 8 und 9 ist einer perspektivische Ansicht bzw. eine seitliche Draufsicht auf eine sechste Ausführungsformen der Erfindung gezeigt. Die Federelemente 8 weisen hier einen Aufnahmeblock 11 auf, welcher eine als Ausnehmung dienende teilkreisförmige Mulde aufweist. Das Distanzelement ist hier als Zylinder 7' ausgebildet.
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In 10 ist eine perspektivische Ansicht der Ausführungsform von 5 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Distanzelemente 7 auf den die Ausnehmung bildenden Stirnflächen der Federelemente 6 aufliegen.
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Schließlich ist in 11 eine Detailvergrößerung der Ausführungsform der 5 und 10 dargestellt. Zu erkennen ist das Federelement 6 an dessen Stirnfläche das als Kugel ausgebildete Distanzelement 7 anliegt. Die Kugel 7 liegt gleichzeitig an der Kontaktfläche des ersten Bauteils eins an. Klebstoff 12 ist als Verbindungsmittel vorgesehen. In dieser Figur ist deutlich zu erkennen, dass das Verbindung Mittel 12 nicht als konstruktives Element verwendet wird, um den notwendigen Justierspalt zwischen dem ersten Bauteil 1 und dem als zweiten Bauteils dienenden Verbindungselement 6 zu überbrücken.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bauteil
- 2
- zweites Bauteil; Verbindungselement
- 3
- U-Grund
- 4, 5
- U-Schenkel
- 6
- Ausnehmung
- 7
- Distanzelement
- 8
- Federelemente
- 9
- drittes Bauteil; Leiterplatte
- 10
- Detektorzeile
- 11
- Aufnahmeblock
- 12
- Verbindungsmittel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10043985 [0003]
- WO 2007/042385 A2 [0006]
- WO 2007/042385 [0027, 0029]
