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Die
Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Prüfstift nach dem Oberbegriff
des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine
Hochfrequenz-Prüfanordnung
mit mindestens einem derartigen Prüfstift.
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Aus
dem Stand der Technik sind Kontaktstifte als Prüfstifte zum Kontaktieren eines
elektrisch zu messenden Produkts im Prüffeld oder Qualitätskontrolle
seit Jahrzehnten bekannt. Dabei spielen Kontaktstifte (Prüfstifte)
eine wichtige Rolle, denn sie stellen, oftmals mit Hilfe von Federn
oder dergleichen Kraftspeichern flexibel unterstützt, die elektrische Verbindung
von einer elektrischen Prüfinfrastruktur zu
einem Testobjekt her. Kritisch ist dabei neben der mechanischen
Belastbarkeit und Tauglichkeit für
eine Vielzahl von Prüfvorgängen insbesondere
auch eine sichere elektrische Kontaktgabe.
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In
der Regel ist der Innenleiter wesentlich empfindlicher aufgebaut
als der Außenleiter.
Deshalb ist es bekannt, den Innenleiter dadurch zu schützen, dass
er im kontaktlosen Zustand vom Außenleiter umgeben ist. Hierfür ist die
Kontaktspitze des Außenleiters
in axialer Richtung federnd geführt,
wobei die Außenleiterkontaktspitze
hierfür
durch Federmittel gegen ein Widerlager gefedert ist. Zum Kontaktieren des
Innenleiters muss dieser frei gelegt werden, was durch Kompression
der Federmittel erfolgt. Weiterhin dienen die Federmittel dazu,
axial wirkende Kräfte aufzunehmen,
um Bauteilbeschädigungen
vorzubeugen. Schließlich
dienen die Federmittel zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen an
einem Kontaktpartner.
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Da
die Feder entsprechend mehrere Aufgaben hat, aber nur eine Federstärke aufweisen
kann, müssen
die zum Kontaktieren des Kontaktpartners notwendigen Kräfte, die
den Innenleiter freilegen in etwa in der selben Größenordnung
liegen, wie die axialen Kräfte,
die es aufzufangen gilt, und die Kräfte, um Fertigungstoleranzen
am Kontaktpartner auszugleichen.
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Ist
dagegen die Feder zu hart, so muss vom Prüfstift auf den Kontaktpartner
aus eine hohe Anpresskraft vorhanden sein, um den Innenleiter frei
zu legen, was zu einer unnötigen
mechanischen Belastung des Kontaktpartners führt.
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Ist
die Feder zu weich, so reicht sie möglicherweise nicht aus, um
die axial wirkenden Kräfte – beispielsweise
in der Industrie – ausreichend
abzufangen, was zu Beschädigungen
des Prüfstifts und/oder
des Kontaktpartners führen
kann. Durch eine zu weiche Feder kann auch der Innenleiter zu leicht
frei gelegt werden, wodurch der Schutz durch den umliegenden Außenleiter
entfallen würde.
Zu niedrige Federkräfte
haben weiterhin höhere,
nachteilige Übergangswiderstände zur
Folge.
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Um
eine elektrische Verbindung des Außenleiters durch den gesamten
Prüfstift
zu erlangen, ist es notwendig, dass die Außenleiterkontaktspitze einen
elektrischen Kontaktbereich mit dem Prüfstiftkörper aufweist. Da Außenleiterkontaktspitze
und Prüfstiftkörper aber
gegeneinander gefedert sind und sich in axialer Richtung relativ
zueinander bewegen können
müssen,
ist ein längsseitiger
Kontakt zwischen den einzelnen Bauteilen in radialer Richtung vorgesehen,
um einen durchgehenden elektrischen Kontakt des Außenleiters
durch den Prüfstift
zu realisieren. Diese längsseitigen
Kontakte weisen aber eine schlechte Übertragungscharakteristik für HF-Signale
auf und degradieren somit das Signal.
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Ausgehend
von dem dargestellten allgemeinen Stand der Technik liegt der Erfindung
die Aufgabe zugrunde, einen Prüfstift
nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs so zu verbessern, dass gute elektrische
Verbindungseigenschaften für
die Übertragung
von HF-Signalen erreicht werden, gleichzeitig eine mechanische Belastbarkeit
bei konstruktiver Einfachheit sichergestellt, insbesondere der Innenleiter
gut geschützt
ist und eine gute Aufnahme axial wirkender Kräfte gewährleistet werden kann.
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Die
Aufgabe wird durch den Hochfrequenz-Prüfstift mit den Merkmalen des
Hauptanspruchs gelöst;
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz
im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird beansprucht für eine Hochfrequenz-Prüfanordnung
mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruchs 9.
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Der
Hochfrequenz-Prüfstift
mit den Merkmalen des Hauptanspruchs ermöglicht es auf besonders vorteilhafte
Weise, ein angemessen leichtes Freilegen des Innenleiters zu ermöglichen
und gleichzeitig eine axiale Kraftaufnahme auch in rauem Umfeld
zu gewährleisten
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In
den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in den Ansprüchen,
der Beschreibung und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung schließt
der Außenleiter
im kontaktlosen Zustand in axialer Richtung zum Kontaktpartner mit dem
Innenleiter bündig
ab bzw. ragt über
diesen hinaus. Hierdurch wird der empfindliche Innenleiter durch
den robusteren Außenleiter
umhüllt
und von diesem vor mechanischer Belastung geschützt, wodurch er geschont wird
und Abnutzungserscheinungen entgegengewirkt wird, sich somit eine
längere Lebensdauer
des Prüfstiftes
ergibt.
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Weiterhin
ermöglicht
es diese Ausführungsform
eine Justierung, insbesondere Zentrierung, der Prüfstiftposition
im Bezug auf den Hochfrequenzkontaktpartner durch Belastung des
Außenleiters
vorzunehmen. Dies gilt dann insbesondere für eine weiterbildungsgemäß konisch
zulaufende Form des Außenleiters.
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Für den Einsatz
als Federmittel eignen sich Ringfedern, insbesondere zylindrische
Schraubendruckfedern, aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften
und günstigen
Anschaffungskosten.
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In
weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind
die Federmittel durch elektrisch leitende Elastomere, Tellerfeder(-pakete),
multigewellte Federscheiben und/oder Faltebälge ausgebildet.
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Um
den Innenleiter weiter vor mechanischer Belastung zu schützen, hat
es sich als vorteilhaft herausgestellt, diesen durch weitere Federmittel
in axialer Richtung zu federn. Hierdurch können einerseits Fertigungstoleranzen
am Kontaktpartner ausgeglichen werden, und andererseits werden axial
wirkende Kräfte
im Kontaktzustand aufgefangen, wodurch der Innenleiter mechanisch
entlastet wird und sich insgesamt die Lebensdauer des Prüfstiftes
erhöht.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
bildet der Außenleiter
im Inneren einen zylindrischen Hohlraum, in dem der Innenleiter
geführt
ist. Durch Isolationsmittel wird der Innenleiter vom Außenleiter
beabstandet und in seiner Position gesichert. Hierdurch ist der
Innenleiter in radialer Richtung fest geführt, wodurch eine bessere mechanische
Belastbarkeit erreicht wird.
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Für eine einfache
Montage des Prüfstiftes hat
es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Außenleiter
aus einzelnen Teilelementen zusammengesetzt ist, die koaxial zueinander
verlaufen. Hierdurch ermöglicht
sich ein modularer Aufbau des Prüfstiftes
aus einfach fertigbaren Einzelteilen bzw Modulen.
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Ein
Prüfstift
mit den Merkmalen des Anspruchs 7 ermöglicht es, eine besonders vorteilhafte Kontaktstelle
zwischen den einzelnen Teilelementen des Außenkontaktes herzustellen und
so gegenüber dem
Stand der Technik ein verbessertes Übertragungsverhalten zu erhalten.
Erreicht wird dies, indem er eine stirnseitige flächige bzw.
plane Kontaktstelle vorsieht.
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Schließt zudem – wie oben
bereits beschrieben – der
Außenleiter
im kontaktlosen Zustand in axialer Richtung zum Kontaktpartner bündig mit
dem Innenleiter ab bzw. ragt über
diesen hinaus, so ist der Innenleiter komplett vom Außenleiter
umgeben und somit vor mechanischen Belastungen geschützt.
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Wird
der Prüfstift
in Kontakt mit dem Hochfrequenz-Kontaktpartner gebracht, so komprimieren sich
erfindungsgemäß in der
ersten Stufe zuerst die ersten Federmittel, wodurch bis zu einer
definierten Stelle der Innenleiter freigelegt wird und sich ein
stirnseitiger Kontakt zwischen den einzelnen Außenleiterelementen herstellt.
Wirkt nun eine weitere axiale Kraft auf den Außenleiter, so wird diese von
den zweiten Federmitteln aufgenommen. Die stirnseitige Kontaktfläche bietet
für HF-Signale
eine besonders vorteilhafte Übertragungscharakteristik,
insbesondere im Vergleich zu längsseitigen,
mantelseitig ineinander übergreifenden
Kontaktflächen.
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Ein
Prüfstift
mit den Merkmalen des Anspruchs 8 ermöglicht gegenüber dem
Stand der Technik eine erhöhte
mechanische Belastbarkeit.
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Erreicht
wird dies dadurch, dass die ersten und zweiten Federmittel so gewählt sind,
dass die gestufte Bewegung mindestens zwei Stufen umfasst, wobei
sich in einer ersten Stufe Außenleiter
und Innenleiter axial miteinander bewegen, und in einer zweiten
Stufe der Außenleiter
sich relativ zum Innenleiter vom Hochfrequenz-Kontaktpartner axial
weg bewegt. Beispielsweise sind hierfür die ersten Federmittel härter sind
als die zweiten Federmittel.
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Wirkt
auf den Außenleiter
eine axiale Kraft, so bewegt sich in einer ersten Stufe der Innenleiter mit
dem Außenleiter
mit und bleibt somit durch diesen geschützt.
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Erst
wenn eine definierte Kraft auf den Außenleiter wirkt, legt dieser
den Innenleiter frei, der dann kontaktiert werden kann.
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Insgesamt
verbessert die Erfindung einen Hochfrequenz-Prüfstift, dahingehend, dass gute elektrische
Verbindungseigenschaften für
die Übertragung
von HF-Signalen
erreicht werden, gleichzeitig eine mechanische Belastbarkeit bei
konstruktiver Einfachheit sichergestellt, insbesondere der Innenleiter
gut geschützt
ist und gleichzeitig eine gute Aufnahme axial wirkender Kräfte gewährleistet
werden kann.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen.
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Diese
zeigen in:
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1 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen koaxialen
HF-Prüfstift in
einer ersten Ausführungsform
im kontaktlosen Zustand;
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2 einen
Längsschnitt
durch den erfindungsgemäßen koaxialen
HF-Prüfstift
in der ersten Ausführungsform
im kontaktierenden Zustand;
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3 einen
Längsschnitt
durch einen erfindungsgemäßen koaxialen
HF-Prüfstift in
einer zweiten Ausführungsform
im kontaktlosen Zustand;
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1 zeigt
in der Längsschnittansicht
einen Hochfrequenz-Prüfstift 8 gemäß einer
ersten Ausführungsform
im kontaktlosen Zustand. 2 zeigt den selben Hochfrequenz-Prüfstift 8 im
kontaktierenden Zustand.
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Der
Prüfstift 8 ist
in seiner Außenkontur
im Wesentlichen zylinderförmig.
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An
seinem rechten eingriffseitigen Ende weist der Prüfstift einen
Kontaktabschnitt 12 mit einem Innenleiter 14 und
einem Außenleiter 16 auf,
die zum Kontaktieren eines in der 1 nicht
gezeigten Hochfrequenz-Kontaktpartners (der beispielsweise als koaxiale
Buchse realisiert ist) dienen.
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Der
Außenleiter 16 verläuft koaxial
zur Mittelachse des Prüfstifts 8 und
setzt sich im Wesentlichen aus einer Außenleiterkontaktspitze 20 sowie
Außenleiterelementen 21 und 22 zusammen.
Die Außenleiterkontaktspitze 20 dient
zum Abgreifen eines koaxialen Außenleitersignals (bzw. der
Masse) am Hochfrequenz-Kontaktpartner 30 (siehe 2).
Das Außenleiterelement 21 und
die Außenleiterkontaktspitze 20 sind
koaxial angeordnet und axial relativ zueinander verschiebbar. Sie
schließen
einen Hohlraum 23 ein. Weiterhin ist die Außenleiterkontaktspitze 20 gegenüber dem
Außenleiterelement 21 durch
an einen Ringabsatz 51 angreifende erste Federmittel in Form
einer Spiralfeder 24 gefedert. Das Außenleiterelement 21 (bzw.
dessen Ringabsatz 51) stellt somit ein Widerlager 50 für die Außenleiterkontaktspitze 20 dar.
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Außenleiterelement 21 und
Außenleiterelement 22 sind
durch eine Verschraubung mechanisch miteinander verbunden, können aber
auch kraft- öder stoffschlüssig miteinander
verbunden sein. Das Außenleiterelement 22 ist
in axialer Richtung durch zweite Federmittel 25 gefedert,
die sich von einem Gehäuseabschnitt 52 abstützen.
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Die
Außenleiterkontaktspitze 20 weist
einen im Wesentlichen hohlkegelförmigen
Aufnahmeraum 29 in Form einer konischen Aussparung auf,
der der Zentrierung des Prüfkontaktpartners
dient.
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Entlang
der Mittelachse des Prüfstifts 8 verläuft der
Innenleiter 14. Er ist in ansonsten bekannter Weise als
Modul mit einem in einer Hülse 15 geführten Stößel realisiert,
der in axialer Richtung durch dritte Federmittel 26 gefedert
ist. In radialer Richtung ist die Innenleiterbaugruppe 14 durch
Isolationsmittel 28 vom Außenleiter 16 beabstandet
und elektrisch isoliert.
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Im
Folgenden wird der Übergang
vom kontaktlosen Zustand wie in 1 zum kontaktierenden Zustand
wie in 2 beschrieben. Wird der Hochfrequenz-Prüfstift 8,
in Kontakt gebracht mit einem Hochfrequenz-Kontaktpartner 30,
so erfährt
der Außenleiter
eine gestufte Bewegung, die im Wesentlichen aus aufeinander folgenden
Bewegungsabschnitten besteht, wobei hierfür die Federmittel 24 und 25 maßgeblich
sind, indem die ersten Federmittel 24 weicher ausgestaltet
sind (also z. B. eine niedrigere Federkraft anbieten) als die zweiten
Federmittel 25.
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Bei
der Außenleiter-Kontaktierung
des Hochfrequenz-Kontaktpartners 30 wirkt eine axiale Kraft auf
den Außenleiter,
wodurch in einer ersten Stufe die (weicheren) Federmittel 24 komprimiert
werden, sich somit die Außenleiterkontaktspitze 20 und
das Außenleiterelement 21 relativ
zueinander bewegen und sich der Hohlraum 23 verkleinert.
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Weiterhin
wird der Innenleiter 14 von der Außenleiterkontaktspitze 20 zunehmend
freigelegt (d. h. schiebt sich aus dem freien Ende des Außenleiters hinaus)
und kann beispielsweise in einen entsprechenden Innenleiter-Aufnahmeabschnitt 31 am Hochfrequenz-Kontaktpartner 30 bis
zur Kontaktgabe eindringen.
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Ab
einer gewissen axialen Belastung ist der Hohlraum 23 vollständig geschlossen
und die Außenleiterkontaktspitze 20 kontaktiert
das Außenleiterelement 21 flächig an
einer stirnseitigen axialen Kontaktfläche 60, welche durch
die flächige
Kontaktgabe für
besonders vorteilhafte HF-Übertragungsverhältnisse
im Außenleiter 16 sorgt,
insbesondere im Vergleich zu der sonst üblichen radialen Kontaktierung.
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Wirkt
nun eine weitere axiale Kraft auf den Außenleiter 16, so wird
diese von den zweiten Federelementen 25 aufgenommen, insbesondere
um einer Beschädigung
des Prüfstifts 8 am
Außenleiter
entgegenzuwirken.
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Entsprechend
ist der Innenleiter 14 unabhängig vom Außenleiter 16 gefedert,
auch um Beschädigungen
entgegenzuwirken sowie um Fertigungstoleranzen am Kontaktpartner 30 ausgleichen zu
können.
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3 zeigt
in der Längsschnittansicht
einen Hochfrequenz-Prüfstift 10 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
im kontaktlosen Zustand.
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Der
Prüfstift 8 ist
in seiner Außenkontur
im Wesentlichen zylinderförmig.
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An
seinem rechten Ende weist der Prüfstift Kontakte 12 zum
Kontaktieren sowohl eines Innenleiters 14 als auch eines
Außenleiters 16 auf,
die zum Kontaktieren eines (nicht gezeigten) Hochfrequenz-Kontaktpartners
dienen.
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Der
Außenleiter
verläuft
koaxial zur Mittelachse des Prüfstifts 8,
der sich im Wesentlichen aus einer Außenleiterkontaktspitze 20 und
Außenleiterelementen 21 und 22 zusammensetzt.
Die Außenleiterkontaktspitze 20 dient
zum Abgreifen eines Signals bzw. der Masse am koaxialen Hochfrequenz-Kontaktpartner.
Das Außenleiterelement 21 und
die Außenleiterkontaktspitze 20 sind
in axialer Richtung relativ zueinander verschiebbar und schließen einen
Hohlraum 23 ein. Weiterhin ist die Außenleiterkontaktspitze 20 gegenüber einem
Ringabsatz am Innenleiter 14 durch erste Federmittel 24 gefedert.
Der Innenleiter 14 (bzw. sein Ringabsatz 51) stellt
somit ein Widerlager 50 für die Außenleiterkontaktspitze 20 dar.
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Außenleiterkontaktspitze 20 und
Außenleiterelement 22 sind
werden durch dritte Federmittel 26 aneinander gedrückt. Außenleiterelement 22 ist
in axialer Richtung durch die dritten Federmittel 26 gefedert.
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Die
Außenleiterkontaktspitze 20 weist
eine im Wesentlichen kegelförmige
Kontaktspitze auf, die der Zentrierung des Prüfstifts durch den Außenleiter dient.
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Entlang
der Mittelachse des Prüfstifts 8 verläuft der
Innenleiter 14. Er ist in ansonsten bekannter Weise als
Modul mit einem in einer Hülse 15 geführten Stößel realisiert,
der in axialer Richtung durch Federmittel 25 gefedert ist.
In radialer Richtung ist er durch Isolationsmittel 28 vom
Außenleiter 16 beabstandet
und elektrisch isoliert.
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Die
ersten Federmittel 24 sind, in nicht kontaktierendem Zustand,
härter
ausgestattet (bieten also z. B. eine höhere Federkraft an) als die
zweiten Federmittel 25, wodurch sich eine gestufte Bewegung
des Außenkolbens
ermöglicht,
die mehrer aufeinander folgende Bewegungsabschnitte umfasst.
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Wird
der Prüfstift 8 in
Kontakt gebracht mit dem Kontaktpartner 30, so wirkt eine
axiale Kraft auf die Außenleiterkontaktspitze 20.
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In
einer ersten Stufe bewegen sich Außenleiter 16 und Innenleiter 14 axial
miteinander. Der Innenleiter 14 bleibt also vom Außenleiter 16 umhüllt und
bleibt somit durch diesen geschützt.
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Erst
wenn eine definierte Kraft auf den Außenleiter 16 wirkt,
legt dieser den Innenleiter 14 frei, der dann kontaktiert
werden kann.
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Die
dritten Federmittel 26 spannt die Außenleiterelemente 20 und 22 gegeneinander
vor, und dienen auch zur weiteren Aufnahme von axialen Kräften auf
den Außenleiter,
können
aber bei entsprechender Auslegung entfallen.
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Ergänzend sei
erwähnt,
dass die erfindungsgemäßen Stufen
jedoch nicht stets zwei aufeinander folgende Bewegungsabschnitte
bedeuten müssen, vielmehr
können
diese auch überlappen.
Wichtig ist lediglich, dass in der vorgezeichneten Weise ein Voreilen
der Federmittel gegeneinander erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Prüfstift
- 12
- Kontakte
- 14
- Innenleiter
- 15
- Innenleiterhülse
- 16
- Außenleiter
- 20
- Außenleiterkontaktspitze
- 21
- Außenleiterelement 1
- 22
- Außenleiterelement 2
- 23
- Hohlraum
im Außenleiter
- 24
- erste
Federmittel
- 25
- zweite
Federmittel
- 26
- dritte
Federmittel
- 28
- Isolationsmittel
- 29
- Kegelförmiger Aufnahmeraum
- 30
- HF-Kontaktpartner
- 31
- Buchse
am HF-Kontaktpartner
- 32
- Innenkontakt
an der Buchse 31
- 50
- Widerlager
- 51
- Ringabsatz
(Widerlager)
- 52
- Gehäuseabschnitt
- 60
- stirnseitige
Kontaktfläche
an der Außenleiterkontaktspitze
- 61
- stirnseitige
Kontaktfläche
am Widerlager