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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein flächiges Verbundbauteil, insbesondere einen Unterfahrschutz für eine Kraftfahrzeug, mit einer solchen Sensoranordnung.
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Flächige Verbundbauteile können mit wenigstens einem Sensordraht oder dergleichen ausgestattet sein, der dafür vorgesehen ist, eine strukturelle und/oder thermische Überprüfung des Verbundbauteils zu ermöglichen sowie gegebenenfalls eine Beschädigung des Verbundbauteils, die möglicherweise auch auf eine Beschädigung umliegender Komponenten bzw. Bauteile hinweist, zu detektieren. Dieser Sensordraht muss in geeigneter Weise elektrisch kontaktiert bzw. angeschlossen werden.
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Die
US 2021 / 0 188 093 A1 offenbart ein Verfahren um eine Beschädigung eines Batteriegehäuses im Falle eines Zusammenstoßes festzustellen.
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Die
DE 10 2010 013 017 A1 offenbart eine Sicherungseinrichtung für Batterien bzw. eine Batterieanordnung, wobei in einem Gehäuse Sensorelemente zur Detektion einer Deformation vorgesehen sind.
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Die
DE 20 2020 102 252 U1 offenbart ein Strukturbauteil für eine Fahrzeugkarosserie mit einem Strukturelement und einer Sensoranordnung zur Erfassung einer eventuellen Beschädigung des Strukturelementes.
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Die
EP 1 456 911 B1 offenbart ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines elektrischen Leiters mit einem elektronischen Bauelement in einer textilen Struktur.
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Die
DE 10 2017 206 663 A1 beschreibt eine zur Verwendung an einem Batteriegehäuse eines Elektrofahrzeugs vorgesehene Schutzplatte, die bspw. aus einem Kunststoff gefertigt ist. Die Schutzplatte weist mindestens einen Deformationssensor auf. Der Deformationssensor umfasst eine elektrisch leitfähige Beschichtung, welche auf die Schutzplatte aufgebracht ist. Bevorzugt ist die elektrisch leitfähige Beschichtung eine Leiterbahn, welche sich zwischen einer ersten Klemme und einer zweiten Klemme erstreckt. Über die erste Klemme und die zweite Klemme ist der Deformationssensor mit einer Auswerteschaltung verbunden. Die Klemmen bilden somit Kontaktierungsstellen für die elektrische Kontaktierung der Leiterbahn.
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Die
DE 10 2021 106 171 A1 beschreibt ein vorzugsweise als Unterbodenbauteil ausgebildetes Verbundbauteil mit einem Sensordraht. An einer Kontaktierungsstelle des Sensordrahts kann ein mit dem Sensordraht elektrisch verbundenes Metallplättchen vorgesehen sein. Bevorzugt ist der Sensordraht mit dem Metallplättchen vernäht.
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Die elektrische Verbindung zwischen dem Sensordraht und dem Metallplättchen ist empfindlich gegenüber mechanischen Spannungen, die bspw. während des Herstellungsprozesses des Verbundbauteils oder beim Setzen eines Kontaktierungselements auftreten können. Im ungünstigsten Fall kann es sogar zu einer Abtrennung des Sensordrahts vom Metallplättchen kommen. Letzteres führt dann zum Ausfall und Ausschuss des Verbundbauteils.
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Mit der Erfindung sollen Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie die aufgrund solcher Beschädigungen bedingte Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. das Ausfallrisiko reduziert werden kann.
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Dies gelingt mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung des Patentanspruchs 1. Mit dem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf ein Verbundbauteil, welches eine erfindungsgemäße Sensoranordnung aufweist. Bei diesem Verbundbauteil handelt es sich insbesondere um einen Unterfahrschutz bzw. ein Unterfahrschutzelement für ein Kraftfahrzeug, welches insbesondere zum Schutz einer Batterieanordnung vorgesehen ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Dies schließt ausdrücklich auch beispielhaft und optional beschriebene Merkmale ein.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung (die auch als Sensorvorrichtung bezeichnet werden kann), umfasst:
- - einen flächigen, d. h. im Wesentlichen zweidimensionalen, Träger und mindestens einen auf diesem Träger angeordneten Sensordraht;
- - wenigstens ein auf dem flächigen Träger angeordnetes Metallelement, insbesondere ein plättchenartiges Metallelement, welches elektrisch leitend mit dem Sensordraht, insbesondere mit einem Drahtende des Sensordrahts, verbunden ist und eine Kontaktierungsstelle für eine externe elektrische Kontaktierung des Sensordrahts bildet, wie aus dem Stand der Technik bekannt (siehe z. B. DE 10 2021 106 171 A1 )
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Metallelement flexibel (im Sinne von nachgiebig und/oder elastisch) ausgebildet ist und/oder dass die elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Metallelement und dem Sensordraht mehrere redundant ausgebildete Verbindungsstellen umfasst.
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Die erfindungsgemäßen Maßnahmen sind einzeln und insbesondere auch in Kombination anwendbar. Das flexible Metallelement kann sich während des Herstellungsprozesses des Verbundbauteils oder beim Setzen eines Kontaktierungselements bedingt verformen und so der Kraft- bzw. Druckeinwirkung nachgeben. Dadurch wird die mechanische Verbindung zwischen dem Metallelement und dem Sensordraht entlastet und das Abtrennrisiko verringert. Bei mehreren redundant ausgebildeten Verbindungsstellen zwischen dem Metallelement und dem Sensordraht, wobei bevorzugt drei oder mehr Verbindungsstellen vorgesehen sind, führt erst die sehr unwahrscheinliche Abtrennung des Sensordrahts an allen Verbindungsstellen zu einem Ausfall. Mit redundant ist gemeint, dass jede Verbindungsstelle unabhängig von jeder anderen Verbindungsstelle eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Sensordraht und dem Metallelement ausbildet.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung ist für die Verwendung in einem flächigen Verbundbauteil, welches insbesondere ein sogenannter Unterfahrschutz ist, vorgesehen. Bevorzugt handelt es sich dabei um ein Faserkunststoffverbundbauteil, das aus mehreren Lagen bzw. Schichten aufgebaut ist. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann als vorgefertigtes Zwischenprodukt bereitgestellt und bei der Herstellung des Verbundbauteils in den Lagen- bzw. Schichtaufbau integriert werden. Die Verbindung der Lagen bzw. Schichten erfolgt bevorzugt durch einen Pressvorgang, insbesondere unter gleichzeitiger Wärmezufuhr. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Sensoranordnung vollständig von benachbarten Lagen bzw. Schichten umhüllt und insbesondere auch in Kunststoffmatrixmaterial eingebettet wird. Dies gewährleistet einen optimalen mechanischen und thermischen Schutz sowie auch eine gute Fixierung des wenigstens einen Sensordrahts und des wenigstens einen Metallelements der Sensoranordnung.
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Das Metallelement ist bevorzugt als Metallgitter bzw. als metallisches Gitter oder (metallisches) Lochblech oder Ähnliches ausgebildet. Dies führt einerseits zu guten flexiblen Eigenschaften und ermöglicht andererseits eine effektive Einbindung in das Verbundbauteil, derart, dass die Maschen bzw. Löcher beim Herstellen des Verbundbauteils mit Kunststoffmaterial (Matrixmaterial) ausgefüllt werden. Die dabei entstehenden Verbindungsbrücken verbessern den Zusammenhalt zwischen den benachbarten Lagen bzw. Schichten und führen ferner zu einer formschlüssigen Fixierung des Metallgitters bzw. Lochblechs im Verbundbauteil.
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Das Metallgitter kann eine bevorzugte Maschenweite von 0,5 mm bis 2,0 mm aufweisen. Bevorzugt ist das Metallgitter aus Draht gebildet (sogenanntes Drahtgitter). Das Metallgitter ist insbesondere aus Runddraht (d. h. aus Draht mit Rundquerschnitt) gebildet, wodurch das Abscherrisiko für den Sensordraht vermindert wird. Der Draht bzw. Runddraht kann einen bevorzugten Durchmesser (oder ein entsprechendes Durchmesseräquivalent) von 0,1 mm bis 0,6 mm aufweisen. Das aus Draht bzw. Runddraht gebildete Drahtgitter weist bevorzugt eine Webstruktur auf (sogenanntes Drahtgeflecht). Bevorzugt ist das Metallgitter oder der Draht bzw. Runddraht aus Stahl, Aluminium oder Kupfer gebildet.
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Das Lochblech kann eine Blechdicke von 0,1 mm bis 0,5 mm aufweisen. Die Löcher des Lochblechs können einen bevorzugten Durchmesser von 0,5 mm bis 2,0 mm aufweisen. Das Lochblech ist bevorzugt aus Stahl, Aluminium oder Kupfer gebildet.
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Der Sensordraht kann an oder zumindest im Bereich der Kontaktierungsstelle fächerartig bzw. fächerähnlich oder dergleichen (auf dem flächigen Träger) verlegt sein, sodass in einem Überdeckungsbereich mit dem Metallelement mehrere redundante Verbindungsstellen vorhanden sind. Dies wird nachfolgend anhand einer Figur noch näher erläutert.
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Das Metallelement kann mittels Lotpaste (Lötpaste) am bzw. auf dem flächigen Träger befestigt sein. Bevorzugt erfolgt eine solche Befestigung bevor die Sensoranordnung bei der Herstellung des Verbundbauteils in einen Lagen- bzw. Schichtaufbau integriert wird. Eine Lotpaste ist eine Lotmetallpulver enthaltende Paste oder Flüssigkeit, die gegebenenfalls nach dem Auftragen auch abtrocknet. Die Lotpaste bewirkt nach dem Auftragen zunächst eine haftende flächige Verbindung zwischen dem Metallelement und dem Träger, insbesondere für den Fall, dass das Metallelement als Metallgitter oder Lochblech ausgebildet ist und als Trägermaterial ein Vlies (s. u.) verwendet wird. Bevorzugt ist eine durch direkte Berührung zwischen dem Sensordraht und dem Metallelement herbeigeführte elektrisch leitende Verbindung vorgesehen. Gleichwohl kann das in der Lotpaste enthaltene Lotmetallpulver auch ohne Verlötung (s. u.) eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Sensordraht und dem Metallelement bewirken, insbesondere für den Fall, dass eine direkte Berührung zwischen dem Sensordraht und dem Metallelement nicht vorhanden oder schlecht ausgeführt ist.
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Das Metallelement kann mit dem Sensordraht verlötet sein. Die Verlötung kann an wenigstens einer Verbindungsstelle erfolgen. Die Verlötung bewirkt einerseits eine feste elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Sensordraht und dem Metallelement und andererseits eine Befestigung des Sensordrahts am Metallelement und umgekehrt. Die Verlötung kann unter Verwendung einer Lotpaste (s. o.) oder eines anderen Lotmittels (bspw. Lötzinn) erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Verlötung bevor die Sensoranordnung bei der Herstellung des Verbundbauteils in den Lagen- bzw. Schichtaufbau integriert wird. Die Verlötung kann aber auch erst bei einem Pressvorgang mit gleichzeitiger Wärmezufuhr erfolgen.
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Der flächige Träger ist bevorzugt eine Faservliesschicht, die quasi als Trägerschicht fungiert. Bei den Fasern handelt es sich insbesondere um Glasfasern. Die Faservliesschicht kann eine Dicke von nur wenigen Zehntel Millimetern aufweisen und kann somit besonders dünn ausgeführt sein. Bevorzugt ist der Sensordraht mit vorgesehenem Verlauf, gegebenenfalls einschließlich wenigstens einer fächerartigen Verlegung, auf dieser Faservliesschicht angeordnet, insbesondere aufgestickt oder aufgeklebt. Die Faservliesschicht kann mit einem Kunststoffmaterial, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, imprägniert sein. Die Imprägnierung kann bereits im verwendeten Halbzeug enthalten sein oder erst beim Pressvorgang eingebracht werden.
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Bevorzugt sind für jeden Sensordraht zwei erfindungsgemäß ausgebildete Kontaktierungsstellen vorgesehen, die sich insbesondere an den Drahtenden des Sensordrahts befinden.
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Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann ein vorgefertigtes Zwischenprodukt sein, das bei der Herstellung eines Verbundbauteils in dieses integriert wird. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung kann auch Bestandteil eines Verbundbauteils, also eines erfindungsgemäßen Verbundbauteils, sein.
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Ein erfindungsgemäßes Verbundbauteil weist wenigstens eine erfindungsgemäße Sensoranordnung auf. Das erfindungsgemäße Verbundbauteil kann aus mehreren Lagen bzw. Schichten aufgebaut sein, insbesondere aus einer Kernlage und zwei Decklagen, wobei die Sensoranordnung bevorzugt in einer der Decklagen oder zwischen der Kernlage und einer der Decklagen angeordnet ist.
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Bevorzugt ist das Metallelement an der Kontaktierungsstelle von außen unsichtbar in das Verbundbauteil integriert. Für die externe elektrische Kontaktierung kann, insbesondere auch ohne Vorlochen, ein Kontaktierungselement wie bspw. eine Schraube, insbesondere eine fließlochformende Schraube, oder ein Niet, insbesondere ein Blindniet, verwendet werden. Zur externen Kontaktierung kann an der Kontaktierungsstelle bzw. im Bereich des Metallelements auch eine Bohrung eingebracht und anschließend ein Kontaktierungselement in die Bohrung eingebracht werden. Das Kontaktierungselement kann zudem durch eine Lötverbindung, Reibschweißverbindung oder dergleichen mit dem Metallelement verbunden werden.
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Als Metallelement kann ein Metallplättchen, insbesondere aus einem Stahl-, Aluminium- oder Kupferblech, vorgesehen sein. Als Metallelement kann auch ein Metallgitter oder ein Lochblech vorgesehen sein, wie oben beschrieben. Das Metallelement kann eine rechteckige Grundfläche von ca. 25 mm x 40 mm aufweisen (dies hat sich in mehrerlei Hinsicht als sehr vorteilhaft erwiesen), wobei auch andere Formen und Abmessungen möglich sind. Der Durchmesser des Sensordrahts, wobei es sich insbesondere um einen metallischen Sensordraht handelt, liegt bevorzugt in einem Bereich von 50 µm bis 150 µm. Bei dem Sensordraht handelt es sich insbesondere um einen sogenannten Widerstandsdraht.
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Im Rahmen der Erfindung sind sowohl die vorausgehend beschriebenen als auch die nachfolgend erläuterten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern auch in anderen Merkmalskombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Dies gilt auch für die in den Figuren gezeigten Merkmale.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der schematischen (nicht maßstabsgerechten) Figuren näher erläutert.
- 1 zeigt in einer Schnittdarstellung ein Verbundbauteil mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung, wobei nur der Bereich einer Kontaktierungsstelle gezeigt ist.
- 2 zeigt gemäß dem in 1 angegebenen Schnittverlauf (B-B) eine erste Ausführungsmöglichkeit der Kontaktierungsstelle.
- 3 zeigt analog zur 2 eine zweite Ausführungsmöglichkeit der Kontaktierungsstelle.
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Das in 1 gezeigte Verbundbauteil 100 ist als flächiges bzw. schalenartiges Sandwichbauteil mit einer inneren Kernlage 110 und zwei äußeren Decklagen 120 ausgebildet. Die Kernlage 110 kann aus einer Kunststoffpressmasse, insbesondere einer thermoplastischen Kunststoffpressmasse, gebildet sein. Die Kernlage 110 kann, zumindest teilweise, auch geschäumt ausgebildet sein (sogenannter Schaumkern). Die Decklagen 120 sind bevorzugt aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem faserverstärkten thermoplastischen Kunststoff, gebildet (sogenannte FVK-Decklagen). Beide Decklagen 120 bestehen aus mehreren aufeinanderliegenden Schichten S1 bis SN, wie strichliniert angedeutet. Die obere Decklage 120 weist einen integrierten Sensordraht 130 auf. Der Sensordraht 130 kann auch in der unteren Decklage 120 angeordnet sein. Ferner können auch mehrere Sensordrähte 130 vorgesehen sein.
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Der Sensordraht 130 ist an dem gezeigten Drahtende elektrisch leitend mit einem ebenfalls in die Decklage 120 integrierten Metallelement 140 verbunden. D. h., sowohl der Sensordraht 130 als auch das Metallelement 140 sind in die obere Decklage 120 integriert bzw. eingebettet. Dabei fungiert eine der Schichten S1 bis SN, aus denen die betreffende Decklage 120 gebildet ist, als Träger bzw. Trägerschicht.
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Das Metallelement 140 bildet eine Anschluss- bzw. Kontaktierungsstelle 150 für die externe elektrische Kontaktierung des Sensordrahts 130. Die externe Kontaktierung erfolgt beispielhaft mithilfe eines Kontaktierungselements 160 (das als metallische Schaube, Niet oder dergleichen ausgebildet ist) und eines Anschlusselements 170 (das als Ringkabelschuh oder dergleichen ausgebildet ist). Das Anschlusselement 170 ist über ein Kabel 180 mit einer Auswerte- und Steuereinheit verbunden. Durch die externe elektrische Kontaktierung an der Kontaktierungsstelle 150 wird also der Sensordraht 130 elektrisch leitend mit einer Auswerte- und Steuereinheit oder dergleichen verbunden. Die externe elektrische Kontaktierung des Sensordrahts 130 an der Kontaktierungsstelle 150 kann auch auf andere geeignete Weise erfolgen. Am andere Drahtende des Sensordrahts 130 kann eine im Wesentlich identisch ausgebildete Kontaktierungsstelle vorgesehen sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass beide Kontaktierungsstellen am Verbundbauteil 100 nebeneinanderliegend bzw. in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet sind.
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Wie obenstehend erläutert, ist die elektrische Verbindung zwischen dem Sensordraht 130 und dem Metallplättchen 140 empfindlich gegenüber mechanischen Spannungen, wie diese insbesondere beim Herstellungsprozess des Verbundbauteils 100, bspw. während eines Pressvorgangs, oder beim Setzen des Kontaktierungselements 160 auftreten können. 2 und 3 veranschaulichen zwei Maßnahmen (erste Ausführungsmöglichkeit und zweite Ausführungsmöglichkeit), um die Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen zu verringern und dadurch die Ausfallwahrscheinlichkeit bzw. das Ausfallrisiko zu reduzieren. Diese Maßnahmen sind ausdrücklich auch miteinander kombinierbar.
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Bei der in 2 veranschaulichten ersten Ausführungsmöglichkeit ist das Metallelement 140 als flexibles Metallgitter, bspw. als Drahtgeflecht, ausgebildet. Der Sensordraht 130 ist mit einem vorgesehenen Verlauf (bspw. einer Mäander- oder Wellenform) auf einem flächigen Träger bzw. einer Trägerschicht S angeordnet, insbesondere aufgestickt oder aufgeklebt. Bei dem Träger 130 handelt es sich bevorzugt um eine Faservliesschicht, die mit Kunststoffmaterial imprägniert ist. Das Metallelement bzw. Metallgitter 140 ist ebenfalls auf demselben Träger S angeordnet, derart, dass eine durch direkte Berührung elektrisch leitende Verbindung mit dem Sensordraht 130 bzw. dessen Drahtende besteht. Ergänzend ist eine Befestigung des Metallelements bzw. Metallgitters 140 mittels Lotpaste L auf dem Träger S vorgesehen, wobei die Lotpaste L auch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Sensordraht 130 und dem Metallelement bzw. Metallgitter 140 bewirken kann. Zudem kann auch eine Verlötung zwischen dem Sensordraht 130 und dem Metallelement bzw. Metallgitter 140 vorgesehen sein. Anstatt des Metallgitters kann auch ein Lochblech oder dergleichen verwendet werden. Im Weiteren wird auf die obenstehenden Erläuterungen verwiesen.
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Bei der in 3 veranschaulichten zweiten Ausführungsmöglichkeit ist das Metallelement 140 als Metallplättchen ausgebildet. Ferner ist der Sensordraht 130 bzw. dessen Drahtende fächerartig bzw. fächerähnlich verlegt, insbesondere entsprechend auf den Träger bzw. die Trägerschicht S aufgestickt, sodass quasi ein Sensordrahtfächer F gebildet ist. In einem Überdeckungs- bzw. Überlappungsbereich mit dem Metallelement bzw. Metallplättchen 140 sind mehrere redundante, voneinander beabstandete Verbindungsstellen vorhanden, insbesondere derart, dass an jeder Verbindungsstelle eine durch direkte Berührung elektrisch leitende Verbindung besteht. Auch bei dieser Ausführungsmöglichkeit kann eine Befestigung des Metallelements bzw. Metallplättchens 140 am Träger S mittels Lotpaste und/oder eine Verlötung zwischen dem Sensordraht 130 und dem Metallelement bzw. Metallplättchen 140 vorgesehen sein. Am strichliniert angedeuteten Knotenpunkt K des Sensordrahtfächers F können sich die Fächerarme berühren und/oder überschneiden. Am Knotenpunkt K kann auch Lotpaste oder ein anderes Lotmittel (bspw. Lötzinn) aufgebracht sein sowie insbesondere auch eine Verlötung vorgesehen sein, wodurch parallele elektrische Verbindungen zwischen dem wegführenden Sensordraht 130 und jedem Fächerarm des Sensordrahtfächers F bewirkt werden.
