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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit einem elektrischen Bauteil und einem ersten elastischen Bauteil, das elektrisch isolierend ist, wobei das elektrische Bauteil im ersten elastischen Bauteil eingebettet oder zwischen Schichten des ersten elastischen Bauteils angeordnet ist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Einrichtung.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet der Einbettung elektrischer Bauteile in elastischen Bauteilen. Elastische Bauteile sind in der Technik vielfältig im Einsatz, z.B. in Form Fahrzeugreifen, Keilriemen, Zahnriemen, Luftfederbälge oder Taucheranzügen, Softrobots, Transportbänder. Vielfältige Einsatzgebiete hat die Erfindung beispielsweise im Bereich der Reifenherstellung. Ein Ziel bei der Reifenherstellung ist die Integration elektrischer Technologien, z.B. Sensortechnologien, während des Reifenherstellungsprozesses in den Reifen. Beispielsweise können Sensoren zur Überwachung des Abrollprozesses in den Reifen integriert werden, was für die Überwachung des Reifens während der Fahrt aus verschiedenen Gründen von Interesse ist. So beträgt der durch die Reifenhaftung verursachte Rollwiderstand ca. 20 % des zu überwindenden Gesamtwiderstands eines Kraftfahrzeuges. Durch die Optimierung des Haft-/Rollreibungsverhältnisses kann der Rollwiderstand optimiert werden, z.B. mittels einer Reifendruckregelanlage.
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Bei der Herstellung von Luftreifen erfolgt ein Übereinanderlegen mehrerer verschiedener Kautschuklagen. Vereinfacht gesagt wird z.B. auf eine innere Gummilage, die die Dichtigkeit des Reifens gewährleistet, eine gummierte Textilfaser (Textilcord) belegt, um die Karkasse zu formen. Hierauf wird eine Lage Stahlfasern (Stahlcord) gelegt, die den Stahlgürtel bildet. Schließlich erfolgt das Aufbringen des Laufstreifens mit Profil. Anschließend werden die Lagen im Zuge eines Vulkanisierungsprozesses miteinander gefügt und der Reifen fertiggestellt.
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Aus der
DE 697 19 822 T2 ist eine Vorrichtung zur Reifendatenübertragung bekannt.
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Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, verbesserte Möglichkeiten zur elektrischen Kontaktierung eines elektrischen Bauteils anzugeben, das in einem elastischen Bauteil eingebettet oder zwischen Schichten des elastischen Bauteils angeordnet ist.
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Diese Aufgabe wird bei einer Einrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass im ersten elastischen Bauteil wenigstens eine Aussparung vorhanden ist, die sich von einem elektrischen Anschlusskontakt des elektrischen Bauteils zu einer gewünschten elektrischen Anschlussstelle erstreckt, an der das elektrische Bauteil mit einem weiteren elektrischen Bauteil verbunden werden soll, wobei die Aussparung vollständig oder überwiegend mit einem zweiten elastischen Bauteil ausgefüllt ist, das elektrisch leitfähig ist, sodass durch das zweite elastische Bauteil eine elektrisch leitende Kontaktbrücke von dem Anschlusskontakt des elektrischen Bauteils zur Anschlussstelle gebildet ist. Die Erfindung ermöglicht somit eine direkte elektrische Kontaktierung des elektrischen Bauteils durch das Material des ersten elastischen Bauteils hindurch. Es müssen dementsprechend bei einem mehrschichtigen ersten elastischen Bauteil keine Leitungen entlang der Schichten gelegt werden. Vielmehr kann eine Art Vertikalkontaktierung realisiert werden, indem in dem ersten elastischen Bauteil die wenigstens eine Aussparung erzeugt wird und mit dem elektrisch leitfähigen zweiten elastischen Bauteil ausgefüllt wird.
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Die Bezeichnung „Vertikalkontaktierung“ umfasst dabei nicht ausschließlich rein vertikal zu einer Schicht des ersten elastischen Bauteils verlaufende Strukturen des zweiten elastischen Bauteils, vielmehr werden auch schräge oder unregelmäßig strukturierte Verläufe des zweiten elastischen Bauteils relativ zum ersten elastischen Bauteil erfasst.
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Das zweite elastische Bauteil muss dabei die Aussparung nicht unbedingt vollständig ausfüllen. Für die Erzeugung eines gasdichten Übergangs zwischen dem ersten und dem zweiten elastischen Bauteil ist ein Ausfüllen der Aussparung jedoch sinnvoll. Das Ausfüllen der Aussparung kann vollständig durch das zweite elastische Bauteil oder durch wenigstens einen Zusatzstoff, der zusätzlich zum zweiten elastischen Bauteil in die Aussparung eingefüllt wird, erfolgen.
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Das erste elastische Bauteil kann vorteilhaft aus einem elastischen Material mit einer Elastizität (E-Modul) im Bereich von 0,01 bis 0,1 GPa gebildet sein. Das elastische Material kann z.B. ein Elastomer, ein Silikon oder ein Thermoplast sein. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material des ersten elastischen Bauteils zumindest in dem Bereich, in dem das elektrische Bauteil angeordnet ist, ein Elastomer ist.
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Das Material des zweiten elastischen Bauteils unterscheidet sich notwendigerweise vom Material des ersten elastischen Bauteils, da das erste elastische Bauteil elektrisch isolierend ist und das zweite elastische Bauteil elektrisch leitfähig ist. Dennoch kann das Material des zweiten elastischen Bauteils ein elastisches Basismaterial aufweisen, das identisch ist mit dem Material des ersten elastischen Bauteils ist, Das elastische Basismaterial kann z.B. ein Elastomer, ein Silikon oder ein Thermoplast sein. Das zweite elastische Bauteil kann vorteilhaft aus einem elastischen Material mit einer Elastizität (E-Modul) im Bereich von 0,01 bis 0,1 gebildet sein.
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Das erste elastische Bauteil unterscheidet sich somit vom zweiten elastischen Bauteil durch seine elektrisch isolierenden Eigenschaften. Im Sinne der vorliegenden Anmeldung sei angenommen, dass sich ein elektrisch isolierendes Bauteil von einem elektrisch leitfähigen Bauteil durch seine spezifische elektrische Leitfähigkeit unterscheidet, wobei der Leitfähigkeits-Unterschied wenigstens 10:1 beträgt, oder wenigstens 100:1.
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Die erfindungsgemäße Einrichtung kann z.B. ein Reifen sein, z.B. ein Luftreifen oder ein Vollgummireifen, oder ein Keilriemen, Zahnriemen, Luftfederbalg oder Taucheranzug.
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An der Anschlussstelle können an die elektrisch leitende Kontaktbrücke beliebige weitere elektrische Bauteile angeschlossen werden, z.B. eine weiterführende elektrische Leitung oder Leiterbahn, eine Auswerteeinheit und/oder ein Funkmodul.
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Das elektrische Bauteil kann z.B. als elektrische Mikrostruktur ausgebildet sein. Als elektrische Mikrostruktur bezeichnet man mit einer elektrischen Funktionalität ausgebildete Strukturen, z.B. Leiterbahnen, Verdrahtungen, elektrische Anschlusspads oder einfache elektrische und/oder elektronische Bauteile, die jeweilige Einzelabmessungen im Mikrometerbereich aufweisen, insbesondere Abmessungen von weniger als 10 µm. Die Aufbringung einer solchen elektrischen Mikrostruktur an oder in einem Gegenstand beliebiger Art kann je nach Komplexität und Formgebung dieses Gegenstands mit besonderen Schwierigkeiten verbunden sein oder mit bisheriger Technologie unmöglich erscheinen. Solche elektrischen Mikrostrukturen werden beispielsweise durch Gasphasen-Abscheideprozesse erzeugt, z.B. durch Kathodenzerstäubung.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite elastische Bauteil eine Elastizität aufweist, die um maximal 60 % von der Elastizität abweicht, die das erste elastische Bauteil in dem die Aussparung umgebenden Bereich aufweist. Auf diese Weise kann ein zumindest näherungsweise vergleichbares Elastizitätsverhalten auch im Übergangsbereich vom ersten zum zweiten elastischen Bauteil sichergestellt werden. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Elastizitäts-Abweichung maximal 40 % betragen. Hierdurch wird eine hinsichtlich der Elastizität weitgehend homogene Gesamt-Einrichtung bereitgestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Material des zweiten elastischen Bauteils eine Mischung aus einem elastischen Basismaterial, das elektrisch isolierend ist, und darin verteilten elektrisch leitfähigen Partikeln ist. Die elektrisch leitfähigen Partikel sind beispielsweise sehr kleine Partikel, z.B. Partikel im Bereich von Mikrometer-Abmessungen oder Nanometer-Abmessungen. Als Partikel kommen beispielsweise Ruß, d.h. Kohlenstoff, Carbon Nanotubes, Graphit oder goldhaltige elastische Werkstoffe in Betracht. Hierdurch kann ein Material bereitgestellt werden, durch das das zweite elastische Bauteil sowohl günstige elastische als auch elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung aus mehreren Schichten des ersten elastischen Bauteils aufgebaut ist und die Aussparung sowie das darin eingesetzte zweite elastische Bauteil wenigstens eine Schicht des ersten elastischen Bauteils vollständig durchdringt. Dies ist beispielsweise bei Anwendungen in Luftreifen vorteilhaft. So kann beispielsweise das elektrische Bauteil zwischen zwei Schichten des ersten elastischen Bauteils eingebettet sein. Durch das zweite elastische Bauteil kann eine Durchkontaktierung durch eine der Schichten erfolgen, sodass beispielsweise im Reifen-Inneren eine elektrische Auswerteeinheit angeordnet werden kann, die somit auf einfache Weise mit dem eingebetteten elektrischen Bauteil elektrisch kontaktiert werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das elektrische Bauteil als Sensor ausgebildet ist und/oder das weitere elektrische Bauteil als Auswerteeinheit zur Auswertung von Sensordaten ausgebildet ist. Auf diese Weise kann z.B. eine Überwachung von Dehnungsvorgängen im Reifen durchgeführt werden. Der Sensor kann z.B. ein Dehnungssensor oder ein Kraftsensor sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Einrichtung als mehrschichtig aufgebauter Luftreifen ausgebildet ist, wobei das elektrische Bauteil zwischen zwei Schichten des ersten elastischen Bauteils angeordnet ist und die Aussparung einschließlich der elektrisch leitenden Kontaktbrücke wenigstens eine Schicht vollständig durchdringt. Dies erlaubt eine optimierte Herstellung „intelligenter“ Luftreifen mit integrierter Sensorik und integrierter Auswerteeinheit.
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Sollen mehrere elektrische Anschlusskontakte des elektrischen Bauteils auf diese Weise elektrisch kontaktiert werden, so können mehrere Aussparungen bereitgestellt werden und jeweils mit einem zweiten elastischen Bauteil ausgefüllt werden. Es ist dabei vorteilhaft, die Aussparungen voneinander zu beabstanden, sodass es keine elektrischen Beeinflussungen zwischen den Kontaktbrücken gibt und durch das Material des ersten elastischen Bauteils eine elektrische Isolierung zwischen den zweiten elastischen Bauteilen hergestellt ist.
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Die Aussparung kann grundsätzlich jede mögliche Querschnittsform haben, z.B. rund, oval, eckig. Es ist dabei von Vorteil, allzu scharfe Ecken zu vermeiden, d.h. es sollten zumindest Übergangsradien an diesen Stellen vorgesehen werden (abgerundete Ecken).
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung der zuvor erläuterten Art, mit folgenden Schritten:
- a) Einbetten des elektrischen Bauteiles im ersten elastischen Bauteil oder Anordnen des elektrischen Bauteiles zwischen Schichten des ersten elastischen Bauteils,
- b) Erzeugen einer Aussparung im ersten elastischen Bauteil, die sich von einem elektrischen Anschlusskontakt des elektrischen Bauteils zu einer gewünschten elektrischen Anschlussstelle erstreckt, an der das elektrische Bauteil mit einem weiteren elektrischen Bauteil verbunden werden soll,
- c) vollständiges oder überwiegendes Ausfüllen der Aussparung mit dem elektrisch leitfähigen zweiten elastischen Bauteil.
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Auch hierdurch lassen sich die zuvor erläuterten Vorteile realisieren. Das zuvor genannte Verfahren eignet sich insbesondere für eine Einrichtung, bei der das elektrische Bauteil zunächst im ersten elastischen Bauteil eingebettet bzw. angeordnet wird und danach die Durchkontaktierung mittels des zweiten elektrischen Bauteils hergestellt wird. Nachfolgend wird eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben, die sich insbesondere für eine Einrichtung eignet, bei der verschiedene Schichten des ersten elastischen Bauteils getrennt voneinander vorbereitet werden, wie z. B. bei der Reifenherstellung.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird daher auch durch ein Verfahren zur Herstellung einer Einrichtung der zuvor erläuterten Art gelöst, mit folgenden Merkmalen:
- a) Erzeugen einer ersten Schicht des ersten elastischen Bauteils,
- b) Aufbringen des elektrischen Bauteiles auf der ersten Schicht des ersten elastischen Bauteils,
- c) Erzeugen einer zweiten Schicht des ersten elastischen Bauteils,
- d) Erzeugen der Aussparung in der zweiten Schicht des ersten elastischen Bauteils, wobei die Aussparung die zweite Schicht vollständig durchdringt,
- e) Ausfüllen der Aussparung mit dem zweiten elastischen Bauteil,
- f) Aufbringen der zweiten Schicht auf der mit dem elektrischen Bauteil bestückten Seite der ersten Schicht, sodass das zweite elastische Bauteil in elektrischen Kontakt mit einem elektrischen Anschlusskontakt des elektrischen Bauteiles kommt.
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Auch hierdurch können die zuvor erläuterten Vorteile realisiert werden. Hierbei können die Schritte c), d) und e) wahlweise vor den Schritten a), b), gleichzeitig oder nach diesen Schritten durchgeführt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite elastische Bauteil zumindest an der Oberflächenseite, die in elektrischen Kontakt mit dem elektrischen Anschlusskontakt gebracht werden soll, vor dessen Aufbringung auf dem elektrischen Anschlusskontakt plasmabehandelt und/oder mit einem geeigneten chemisch reagierenden Haftsystem versehen wird. Auf diese Weise wird die elektrische Kontaktierung des zweiten elastischen Bauteils mit dem elektrischen Anschlusskontakt verbessert. Eventuell dort noch vorhandenes, die elektrische Leitfähigkeit störendes Basismaterial kann durch die Plasmabehandlung entfernt werden. Eine Plasmabehandlung eignet sich hierfür besonders wegen der an der Plasma-Oberfläche entstehenden hohen Temperaturen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Vulkanisationsbehandlung an dem ersten und dem zweiten elastischen Bauteil durchgeführt wird. Durch die Vulkanisationsbehandlung erfolgt eine abschließende Vernetzung der einzelnen elastischen Bauteile und deren einzelner Schichten.
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Das Aufbringen des elektrischen Bauteils auf der ersten Schicht des ersten elastischen Bauteils kann beispielsweise wie folgt durchgeführt werden:
- - Das elektrische Bauteil ist zunächst auf einer flexiblen Folie aufgebracht und die Folie mit dem daran aufgebrachten elektrischen Bauteil voran wird an einer Befestigungsfläche der ersten Schicht befestigt, z.B. durch Kleben und/oder Einvulkanisieren.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass nach dem Befestigen des elektrischen Bauteils an der ersten Schicht die Folie vollständig oder teilweise, insbesondere zum überwiegenden Teil, entfernt wird.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Folie durch Auflösen der Folie entfernt wird.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Folie mittels eines Lösungsmittels benetzt wird und dadurch aufgelöst wird und/oder die die Folie durch Erwärmung aufgelöst wird. Das genutzte Lösungsmittel ist auf die chemischen Eigenschaften der Folie abzustimmen. So kann z.B. als Folie vorteilhaft eine wasserlösliche Folie genutzt werden, z.B. aus Polyvinylalkohol (PVA). Eine solche Folie kann nach Anbringung des elektrischen Bauteils an der Befestigungsfläche der ersten Schicht durch Wasser aufgelöst und dementsprechend herausgewaschen werden. Soll die Folie ganz oder teilweise durch Erwärmung aufgelöst werden, so kann z.B. eine Thermo-Release-Folie oder PTFE-Folie eingesetzt werden.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Folie perforiert und/oder gelocht ist.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass auf die Folie zunächst eine Schicht aus einem Zwischenlagenmaterial mit in Aussparungen des Zwischenlagenmaterials eingebetteten elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen aufgebracht wird und darauf das elektrische Bauteil aufgebracht wird. Das Zwischenlagenmaterial kann z.B. aus einem mittels eines Lösungsmittels auflösbaren Material gebildet sein, z.B. aus Polyvinylalkohol.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zum Festkleben des elektrischen Bauteils an der Befestigungsfläche der ersten Schicht ein Klebstoff verwendet wird, der durch Hinzufügung eines Aushärtungsmittels aushärtet. Das Aushärtungsmittel kann ein Aushärtungsmittel jeder Art sein. Es kann sich auch um in der Luft befindliche Feuchtigkeit handeln, sodass das Aushärtungsmittel diese Feuchtigkeit bzw. Wasser ist. Ein solches Aushärtungsmittel wirkt z.B. mit Cyanacrylat-Klebstoffen zusammen. Der Klebstoff kann auch ein Zwei- oder Mehrkomponentenklebstoff sein, sodass das Aushärtungsmittel ein gesonderter Härter sein kann.
- - Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Aushärtungsmittel gleich einem Lösemittel ist, durch das die Folie durch Auflösen entfernt werden kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Figurenliste
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- 1 eine Einrichtung mit einem elektrischen Bauteil und
- 2 bis 6 verschiedene Schritte eines Herstellungsprozesses einer Einrichtung gemäß 1 und
- 7 einen Querschnitt durch einen Luftreifen.
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Sämtliche Figuren zeigen seitliche Schnittansichten durch die entsprechenden Elemente.
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In der 1 ist erkennbar, dass ein elektrisches Bauteil 3 zwischen einer ersten Schicht 1 und einer zweiten Schicht 2 eines ersten elastischen Bauteils 1, 2 angeordnet ist. Das elektrische Bauteil 3 ist von den Schichten 1, 2 vollständig umschlossen, sodass eine elektrische Kontaktierung eines elektrischen Anschlusskontaktes 4 des elektrischen Bauteils 3 nicht trivial ist, zumindest wenn der elastische Schichtverbund der Einrichtung mit den Schichten 1, 2 nicht nachteilig beeinflusst werden soll.
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Wie die 1 zeigt, ist in einer Aussparung der zweiten Schicht 2 ein zweites elastisches Bauteil 5 angeordnet, das an seiner Unterseite in elektrischen und mechanischen Kontakt mit dem elektrischen Anschlusskontakt 4 kommt und sich nach oben hin bis zu einer gewünschten elektrischen Anschlussstelle 6 erstreckt. Wie man erkennt bildet das zweite elastische Bauteil, das elektrisch leitfähig ist, eine elektrisch leitende Kontaktbrücke oder Durchkontaktierung von dem Anschlusskontakt 4 zur Anschlussstelle 6. Dementsprechend kann ein weiteres elektrisches Bauteil 7 an dem zweiten elastischen Bauteil 5 angeschlossen werden und somit auch in elektrischen Kontakt mit dem Anschlusskontakt 4 des elektrischen Bauteils 3 gebracht werden.
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Die 2 zeigt einen Anfangszustand bei der Herstellung einer Einrichtung gemäß 1. Es ist zunächst gemäß einem Verfahren der zuvor beschriebenen Art das elektrische Bauteil 3 auf der ersten Schicht 1 des ersten elastischen Bauteils aufgebracht worden.
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Zeitlich unabhängig hiervon, d.h. vorher, gleichzeitig oder später, wird die zweite Schicht 2 des ersten elastischen Bauteils vorbereitet, wie die 3 zeigt. Es wird zunächst mittels eines Werkzeuges 8, z.B. eines Stanzwerkzeuges, eine Aussparung 9 in der zweiten Schicht 2 erzeugt, wie die 4 zeigt. Die 5 zeigt, dass die Aussparung 9 mit dem Material des zweiten elastischen Bauteils 5 ausgefüllt worden ist. Die auf diese Weise mit der Kontaktbrücke vorbereitete zweite Schicht 2 wird nun, wie die 6 zeigt, auf die mit dem elektrischen Bauteil 3 vorbereitete Schicht 1 aufgebracht. Zuvor kann eine Plasmabehandlung zumindest der Unterseite des zweiten elastischen Bauteils 5 durchgeführt worden sein.
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Es ergibt sich schließlich der Aufbau gemäß 1. Abschließend kann die Anordnung einer Vulkanisationsbehandlung unterzogen werden.
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Die 7 zeigt beispielhaft den Schichtaufbau eines Luftreifens, wie er beispielsweise für Kraftfahrzeuge genutzt wird. Eine äußere Schicht 10 bildet die Lauffläche aus einem Elastomermaterial. Darunter befinden sich verschiedene Schichten des Gürtels des Reifens, z.B. eine Schicht 11, die Nylongewebe aufweist, eine Schicht 12, die Stahlgewebe aufweist, das quer zur Lauffläche verlegt ist, eine Schicht 13, die Stahlgewebe aufweist, das längs zur Lauffläche verlegt ist, eine Schicht 14 aus Elastomermaterial, die die erste Karkasse bildet, eine Schicht 15 aus Elastomermaterial, die eine zweite Karkasse bildet, sowie eine Schicht 16, ebenfalls aus Elastomermaterial, die eine Innenisolierung bildet. Bei einem solchen Schichtaufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung kann das elektrische Bauteil 3 beispielsweise zwischen den Schichten 14 und 15 oder zwischen den Schichten 15 und 16 angeordnet sein. Es können auch verschiedene elektrische Bauteile zwischen verschiedenen dieser Schichten angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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