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Die Erfindung betrifft ein Kontaktelement mit einem Außenleiter sowie einem innerhalb des Außenleiters angeordneten Innenleiter, die jeweils stirnseitig zur Kontaktierung eines Bauteils und insbesondere einer Leiterplatte vorgesehen sind.
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Derartige Kontaktelemente können beispielsweise dazu dienen, kabelförmige (Koaxial-)Leiter an die entsprechenden Kontaktstellen einer Leiterplatte anzubinden. Ebenso können solche Kontaktelemente zum elektrisch leitenden Verbinden von zwei Leiterplatten vorgesehen sein.
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Wenn solche Kontaktelemente als Teil einer Übertragungsstrecke für Hochfrequenzsignale dienen, werden besondere Anforderungen an den Kontakt der Außen- und Innenleiter mit den Kontaktstellen der Leiterplatte gestellt.
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Der Innenleiter ist dann regelmäßig als Federkontaktstift, auch „Pogopin” genannt, ausgebildet. Ein solcher Federkontaktstift umfasst eine Hülse und einen teilweise innerhalb der Hülse beweglich geführten Bolzen mit einem Kontaktkopf. Eine sich zwischen dem Bolzen und der Hülse abstützende Schraubenfeder bewirkt eine Federbelastung des Bolzens in seine ausgefahrene Stellung. Die Federbelastung bewirkt, dass der Kontaktkopf des Bolzens auch bei toleranzbedingt unterschiedlichen Abständen des Federkontaktstifts zu der Kontaktstelle auf der Leiterplatte stets einen sicheren Kontakt mit ausreichendem Anpressdruck mit der Kontaktstelle hat. Der Kontaktkopf ist regelmäßig halbkugelförmig ausgebildet, wodurch toleranzbedingte Abweichungen von der senkrechten Ausrichtung des Federkontaktstifts zu der Kontaktstelle ausgeglichen werden, d. h. die Kontaktfläche des Kontaktkopfs ist stets im Wesentlichen gleich groß.
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Der den Innenleiter regelmäßig konzentrisch umgebende Außenleiter weist eine ringförmige Stirnfläche auf, die in vielen Fällen auch als Kontaktfläche dient. Nachteilig ist dies insbesondere bei einer toleranzbedingt nicht exakt senkrechten Ausrichtung des Außenleiters zu der Kontaktfläche der Leiterplatte. Dann führt ein seitliches Abheben der Kontaktfläche zu einem Kontakt mit der Kontaktstelle in nur noch einem vergleichsweise kleinen Abschnitt der Stirnfläche des Außenleiters. Ein derart „unkontrollierter” Kontakt ist insbesondere bei einer Nutzung der Kontaktelemente zur Übertragung von Hochfrequenzsignalen unerwünscht.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes gattungsgemäßes Kontaktelement anzugeben. Insbesondere sollte ein gattungsgemäßes Kontaktelement hinsichtlich des Kontakts zwischen dem Außenleiter und der dazugehörigen Kontaktstelle auf der Leiterplatte verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kontaktelement gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe, indem bei einem gattungsgemäßen Kontaktelement mit einem Außenleiter und einem (vorzugsweise koaxial) innerhalb des Außenleiters angeordneten Innenleiter, bei dem der Außenleiter an (zumindest) einer seiner längsaxialen Endflächen (zumindest) eine Kontaktstelle für einen Kontakt mit einer Kontaktstelle eines zu kontaktierenden Bauteils und insbesondere einer Leiterplatte aufweist, die Kontaktstelle federnd gelagert ist.
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Dabei kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Endfläche des Außenleiters von einem Kontaktring ausgebildet ist, der mit einem Gehäuse des Außenleiters verbunden ist. Dies vereinfacht die Integration der federnden Lagerung der Kontaktstelle und somit die Herstellung des erfindungsgemäßen Kontaktelements.
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Eine Verbindung des Kontaktrings mit dem Gehäuse des Außenleiters kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, dass der Kontaktring randseitig zumindest abschnittsweise zwischen dem Gehäuse und einem Deckel gehalten ist. Der Deckel kann dabei auf beliebige Weise mit dem Gehäuse verbunden sein, beispielsweise kraftschlüssig (z. B. als Presspassung), formschlüssig (z. B. mittels Bajonett- oder Gewindeverbindung) und/oder stoffschlüssig (z. B. durch Verlöten oder Verschweißen).
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In einer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Kontaktring als (vorzugsweise scheibenförmiger) Wellring ausgebildet ist. Ein solcher Wellring weist in Umfangsrichtung einen wellenförmigen Verlauf auf, wodurch zumindest eine, vorzugsweise mehrere Wellenberg-Wellental-Kombinationen geschaffen werden. Dann können beispielsweise die Wellenberge als Kontaktstellen für einen Kontakt mit der Kontaktstelle der Leiterplatte und die Wellentäler als Kontaktstellen, die einen Kontakt mit dem Gehäuse des Außenleiters sicherstellen, dienen. Vorzugsweise ist der Wellring aus einem metallischen Werkstoff wie z. B. Kupfer ausgebildet. Dadurch kann auf kostengünstige Weise ein elektrisch leitender Kontaktring geschaffen werden, der zudem die vorteilhaften elastischen Eigenschaften des Werkstoffs zur Integration der federnden Lagerung der Kontaktstelle ausnutzen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung können die vorzugsweise mehreren federnd gelagerten Kontaktstellen des Kontaktrings durch eine oder mehrere Federlaschen ausgebildet sein, die vorzugsweise in Richtung einer Mittelachse des Kontaktrings geneigt verlaufen. Dabei sind die Federlaschen vorzugsweise einstückig mit einem Grundkörper des Kontaktrings verbunden, wobei vorzugsweise (mindestens) eine Kontaktstelle an dem freien Ende (vorzugsweise jeder) der Federlaschen vorgesehen ist.
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In einer Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Federlaschen radial nach innen verlaufend ausgebildet sind. Ebenso besteht die Möglichkeit, die Federlasche bogenförmig um die Mittelachse des Kontaktrings verlaufend auszubilden.
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In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kontaktelements kann vorgesehen sein, dass der Kontaktring (zumindest teilweise) aus Metallfilz ausgebildet ist. Bei Metallfilz handelt es sich um ein räumliches Gebilde aus ineinander verschlungenen Fasern, die zumindest teilweise aus elektrisch leitendem Werkstoff bestehen. Eine Elastizität des Kontaktrings ergibt sich dann aus einer elastischen Deformation der Fasern in Verbindung mit einer Relativbeweglichkeit zwischen diesen. Die Kontaktstellen eines Kontaktrings aus Metallfilz können von Abschnitten der Fasern ausgebildet werden.
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Selbstverständlich besteht die Möglichkeit, dass ein Kontaktring des erfindungsgemäßen Kontaktelements mehrere oder alle der als bevorzugten beschriebenen Ausgestaltungen federnd gelagerter Kontaktstellen umfasst. Beispielsweise kann ein als Wellring ausgebildeter Kontaktring zusätzlich mit Federlaschen ausgebildet sein. Auch kann ein Wellring, gegebenenfalls mit zusätzlichen Federlaschen, mit einem darunter liegenden zweiten Kontaktring aus Metallfilz kombiniert sein. Ein Kontaktring des erfindungsgemäßen Kontaktelements kann somit auch einen mehrschichtigen Aufbau aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
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1: ein erfindungsgemäßes Kontaktelement in einer perspektivischen Ansicht;
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2: das Kontaktelement der 1 in einer Explosionsdarstellung;
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3: das Kontaktelement der 1 und 2 in einem Längsschnitt;
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4: eine erste Ausführungsform eines Kontaktrings zur Verwendung mit dem Kontaktelement der 1 bis 3;
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5: eine zweite Ausführungsform eines Kontaktrings zur Verwendung mit dem Kontaktelement der 1 bis 3;
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6: eine dritte Ausführungsform eines Kontaktrings zur Verwendung mit einem Kontaktelement der 1 bis 3;
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7: ein System aus einer Verbindungsvorrichtung für eine Vielzahl von Kontaktelementen der 1 bis 3 und einer Leiterplatte in einer Explosionsdarstellung.
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8: das System der 7 in einer Aufsicht;
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9: das System der 7 und 8 in einer Seitenansicht
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10: die Leiterplatte des Systems der 7 bis 9 in einer Ansicht von unten; und
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11: die Leiterplatte der 10 in einem Querschnitt.
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Die 1 bis 3 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kontaktelements 19. Dieses dient dazu, ein (Koaxial-)Kabel 1 mit einer dazugehörigen Kontaktstelle einer Leiterplatte 2 (vgl. 7 bis 11) zu verbinden. Dabei sollen zwischen dem Kabel 1 und der Leiterplatte 2 Hochfrequenzsignale übertragen werden.
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Das Kontaktelement 19 weist einen Innenleiter 3 aus elektrisch leitendem Werkstoff, insbesondere eine Metall (z. B. Kupfer und/oder Stahl) auf, der in Form eines Federkontaktstifts ausgebildet ist. Dieser umfasst eine Hülse 4 mit einem sich in längsaxialer Richtung erstreckenden Sackloch. In diesem Sackloch ist ein Bolzen 5 beweglich gelagert, wobei ein Kontaktkopf des Bolzens 5 das Sackloch der Hülse 4 überragt. Der Bolzen 5 ist mittels einer (Schrauben-)Feder 6 federnd in der Hülse 4 gelagert, wobei eine Vorspannung der Feder 6 den Bolzen 5 in Richtung des offenen Endes des Sacklochs beaufschlagt. Der Kontaktkopf des Bolzens 5 weist eine gekrümmte und insbesondere halbkugelförmige Kontaktfläche auf, die für einen Kontakt mit der dazugehörigen Kontaktstelle der Leiterplatte 2 vorgesehen ist.
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Der Innenleiter 3 ist in Innenbohrungen von zwei Isolationskörpern 7 aus elektrisch isolierendem Werkstoff, insbesondere Kunststoff, gehalten. Dabei stützt sich die Hülse 4 mit einem in der Nähe ihres kabelseitigen Endes angeordneten ringförmigen Absatzes 8 an dem kabelseitig angeordneten Isolationskörper 7 ab, während ein ringförmiger Vorsprung 9 an dem Bolzen 5 in der Nähe des Kontaktkopfs dessen federbelastetes Herausbewegen aus der Hülse 4 durch ein Anschlagen an dem kabelseitig angeordneten Isolationskörper 7 begrenzt.
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Eine Verbindung des Innenleiters 3 des Kontaktelements 19 mit einem Innenleiter des dazugehörigen Kabels 1 erfolgt über eine Steckverbindung. Hierzu ist das rückseitige Ende der Hülse 4 in Form einer in Längsrichtung ein- oder mehrfach geschlitzten Buchse 10 ausgebildet, in die ein Stecker des Innenleiters des Kabels 1 eingesteckt wird.
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Die den Innenleiter 3 aufnehmenden Isolationskörper 7 sind in Innenbohrungen eines Außenleiters gehalten sind. Dabei ergibt sich eine koaxiale Lage von Innenleiter 3 und Außenleiter (bezogen auf deren Längsachsen). Der mehrteilig ausgebildete Außenleiter umfasst einen ersten, im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Gehäuseteil 11, der mit einem zweiten, ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Gehäuseteil 12 verschraubt ist. Dazu bildet der erste Gehäuseteil 11 ein Außengewinde auf, das mit einem Innengewinde des zweiten Gehäuseteils 12 verschraubt ist.
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In das kabelseitige Ende des zweiten Gehäuseteils 12 ist eine Lötbuchse 13 (aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff) eingesteckt und kraftschlüssig fixiert. Die Lötbuchse 13 und der zweite Gehäuseteil 12 können aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen. Ein in die Aufnahmeöffnung der Lötbuchse 13 eingesteckter und somit elektrisch leitend verbundener Außenleiter des Kabels 1 wird zur Fixierung des Kabels 1 mit der Lötbuchse 13 verlötet.
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Der zweite Gehäuseteil 12 ist außenseitig von einer Feder 14 umgeben, die einer exakten Positionierung des Kontaktelements 19 in der in den 7 bis 11 dargestellten und im weiteren Verlauf noch näher beschriebenen Verbindungsvorrichtung dient.
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Die vordere längsaxiale Endfläche des Außenleiters, die für einen Kontakt mit der Kontaktstelle der Leiterplatte 2 vorgesehen ist, wird von einem Kontaktring 28 in Form eines Wellrings ausgebildet, der entlang seines Umfangs einen wellenförmigen Verlauf aufweist. Dabei werden insgesamt drei Wellenberge und Wellentäler ausgebildet, wobei die Wellentälern an der Stirnfläche des ersten Gehäuseteils 11 des Außenleiters anliegt, während die Wellenberge als Kontaktstellen zum Kontaktieren der Kontaktstelle der Leiterplatte 2 vorgesehen sind. Im Bereich der Wellentäler weist der Kontaktring 28 zudem jeweils eine radial nach außen weisende Lasche 15 auf. Die Laschen 15 sind in einem Zwischenraum, der zwischen dem ersten Gehäuseteil 11 und einem kraftschlüssig mit diesem verbundenen Deckel 16 ausgebildet ist, formschlüssig fixiert. Vorzugsweise sind die Laschen 15 dabei nicht wesentlich zwischen dem ersten Gehäuseteil 11 und dem Deckel 16 verspannt, so dass sich eine drehbare Befestigung des Wellrings 14 an dem Gehäuse des Außenleiters ergibt. Bei einem Kontakt des Wellrings 14 mit der Kontaktstelle der Leiterplatte 2 wird der Wellring mehr oder weniger deformiert, was infolge der elastischen Eigenschaften des beispielsweise aus Kupfer ausgebildeten Wellrings 14 zu einer Federbelastung der in Form von Wellenbergen ausgebildeten Kontaktstellen führt. Die Deformation der Kontaktstellen kann dabei individuell erfolgen, wodurch ein Ausgleich eines nicht gleichmäßigen Abstands der Kontaktstelle der Leiterplatte von dem Wellring 14, insbesondere hervorgerufen durch eine nicht exakt senkrechte Ausrichtung der Längsachse des Kontaktelements 19 zu der Kontaktstelle der Leiterplatte 2, erfolgt. Trotz dieser Fehlstellung ist durch die Federbelastung ein dauerhafter Kontakt aller Kontaktstellen des Wellrings 14 mit der dazugehörigen Kontaktstelle der Leiterplatte 2 gesichert.
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Die 4 bis 6 zeigen alternative Ausführungsformen für Kontaktringe 28, die an Stelle des Wellrings 14 bei dem Kontaktelement 19 gemäß den 1 bis 3 zum Einsatz kommen können.
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Bei den Kontaktringen 28 gemäß den 4 und 5 werden die Kontaktstellen von Federlaschen 17 ausgebildet, die einteilig mit einem ebenen, ringförmigen Grundkörper 18 des Kontaktrings 28 ausgebildet sind. Dabei sind die Kontaktlaschen 17, die bei der Ausführungsform gemäß der 4 radial nach innen weisen und bei der Ausführungsform gemäß der 5 bogenförmig um eine Mittelachse des Kontaktrings 28 angeordnet sind, geringfügig in Richtung der Mittelachse geneigt verlaufend angeordnet. Dadurch weisen die von den Federlaschen 17 ausgebildeten Kontaktstellen (in Richtung der Längsachse des Kontaktelements 19) einen definierten Abstand zu dem Grundkörper 18 auf. Diese können somit bei einem Kontakt mit der Kontaktstelle der Leiterplatte 2 individuell in Richtung des kabelseitigen Endes des Kontaktelements 19 federbelastet ausweichen. Dies ermöglicht einen Ausgleich eines nicht gleichmäßigen Abstands der Kontaktstelle der Leiterplatte 2 von dem Grundkörper 18 des Kontaktrings 28, insbesondere hervorgehoben durch eine nicht exakt parallele Ausrichtung zueinander. Trotz dieser Fehlstellung ist durch die Federbelastung ein dauerhafter Kontakt aller Kontaktstellen des Kontaktelements 19 mit der dazugehörigen Kontaktstelle der Leiterplatte 2 gesichert.
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Bei der Ausführungsform gemäß der 6 ist der Kontaktring 28 aus Metallfilz ausgebildet, d. h. dieser besteht aus einer Vielzahl von metallischen Fasern (Drähte), die ungeordnet ineinander verschlungen sind. Mehrere der Fasern bilden eine oder mehrere Kontaktstellen aus, die infolge einer elastischen Deformation der einzelnen Fasern sowie einer Relativbewegung der Fasern untereinander bei einem Kontakt mit der Kontaktstelle der Leiterplatte 2 elastisch ausweichen können. Auch diese Ausführungsform eines Kontaktrings 28 ermöglicht einen dauerhaften Kontakt und somit eine sichere Übertragung der Hochfrequenzsignale zwischen dem Kabel 1 und der Leiterplatte 2.
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Die 7 bis 11 zeigen eine Verbindungsvorrichtung, mittels der mehrere Kontaktelementen 19, wie sie beispielsweise in den 1 bis 3 dargestellt sind, an die Leiterplatte 2 angebunden werden können.
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Die Verbindungsvorrichtung umfasst ein Gehäuse mit einem unteren Gehäuseteil 20 und einem oberen Gehäuseteil 21. Das untere Gehäuseteil 20 weist eine der Anzahl an Kontaktelementen 19 entsprechende Anzahl an Durchgangsöffnungen auf, in die jeweils ein Kontaktelement 19 eingesteckt ist. Im Bereich derjenigen Außenfläche des unteren Gehäuseteils 20, die zu der Leiterplatte 2 direkt benachbart ist (Kontaktseite), ist innerhalb der Durchgangsöffnungen jeweils ein ringförmiger, den Durchmesser der Durchgangsöffnungen verkleinernder Absatz vorgesehen. An diesen Absätzen stützen sich die in den Durchgangsöffnungen aufgenommenen Kontaktelemente 19 kontaktseitig ab. Dabei ist der von den Absätzen ausgebildete Durchmesser der Durchgangsöffnungen so groß, dass die stirnseitig an dem Außenleiter der Kontaktelemente 19 ausgebildeten Kontaktstellen hindurchragen und dadurch das untere Gehäuseteil überragen.
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Das obere Gehäuseteil 21 umgibt die kabelseitigen Enden der Kontaktelemente 19. Innerhalb des oberen Gehäuseteils 21 ist ein Gegenhalter 22 angeordnet, der im Wesentlichen die gleichen Außenabmessungen wie das untere Gehäuseteil 20 und zudem ebenfalls eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen aufweist, in die jeweils das kabelseitige Ende des Außenleiters eines der Kontaktelemente 19 eingesteckt ist.
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Dabei ist der Durchmesser der Durchgangsöffnungen nur geringfügig größer als der Außendurchmesser der kabelseitigen Enden der Kontaktelemente 19, wodurch sich die kabelseitigen Enden der auf die zweiten Gehäuseteile 12 der Außenleiter der Kontaktelemente 19 aufgesteckten Federn 14 an dem Gegenhalter 22 abstützen. In Verbindung mit der vorderseitigen Abstützung der Federn 19 an einem ringförmigen Absatz des zweiten Gehäuseteils 12 des Außenleiters der Kontaktteile 19 kann dadurch im montierten Zustand der Verbindungsvorrichtung eine Federvorspannung erreicht werden, durch die die Kontaktelemente 19 gegen die Absätze in den Durchgangsöffnungen des unteren Gehäuseteils 21 gedrückt werden. Dadurch soll insbesondere ein guter Kontakt der Kontaktstellen der Außenleiter der Kontaktteile 19 mit den dazugehörigen Kontaktstellen der Leiterplatte 2 gewährleistet werden.
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Eine Verbindung zwischen dem unteren Gehäuseteil 20, dem Gegenhalter 22 sowie dem oberen Gehäuseteil 21 kann auf beliebige Art erfolgen. Bevorzugt ist eine lösbare Verbindung, die beispielsweise durch eine Rastverbindung ausgebildet sein kann.
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An den Längsseiten des unteren Gehäuseteils 20 sind jeweils zwei Rastlaschen 23 aus einem elastischen, vorzugsweise metallischen Werkstoff (z. B. Stahl) befestigt. Die Rastlaschen 23 überragen die Kontaktseite des unteren Gehäuseteils 20 und ragen dadurch in Durchgangsöffnungen 24 der Leiterplatte 2. Jede der Rastlaschen 24 bildet mindestens einen Vorsprung aus, der hinter den Rand der dazugehörigen Durchgangsöffnung 24 der Leiterplatte 2 greift, wodurch eine Rastverbindung zwischen der Verbindungsvorrichtung und der Leiterplatte 2 hergestellt wird.
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Wie insbesondere aus der 11 ersichtlich ist, sind die Durchgangsöffnungen 24 der Leiterplatte 2 abgestuft ausgebildet. Jede der Stufen (dargestellt sind zwei, mehr als zwei können vorteilhaft vorgesehen sein) bildet einen Rand aus, hinter den der Vorsprung der dazugehörigen Rastlasche 23 der Verbindungsvorrichtung greifen kann. Die sich durch ihren Abstand von der kontaktseitigen Oberfläche der Leiterplatte 2 unterscheidenden Stufen der Durchgangsöffnungen 24 ermöglichen ein einfaches und sicheres Verbinden der Verbindungsvorrichtung mit der Leiterplatte 2 auch bei vergleichsweise großen, toleranzbedingten Dimensionsabweichungen, insbesondere der Bauteile der Verbindungsvorrichtung.
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Das untere Gehäuseteil 20 der Verbindungsvorrichtung weist noch zwei zusätzliche Durchgangsöffnungen auf, die neben den Durchgangsöffnungen für die Kontaktelemente 19 angeordnet und – wie diese – an der Kontaktseite des unteren Gehäuseteils 20 einen ringförmigen Absatz zur Durchmesserverkleinerung aufweisen. Diese zwei Durchgangsöffnungen nehmen jeweils eine Gewindehülse 25 auf, die vorzugsweise aus Metall ausgebildet ist. In diese Gewindehülsen 25 (mit Innengewinde) kann jeweils das Außengewinde einer Befestigungsschraube 26 eingeschraubt werden. Die Befestigungsschrauben 26 ragen dann durch zusätzliche Durchgangsöffnungen 27 der Leiterplatte 2 und stützten sich an der der Kontaktseite gegenüber liegenden Seite der Leiterplatte 2 ab. Dadurch kann die Verbindungsvorrichtung optional, insbesondere bei besonderen Anforderungen an eine dauerhaft sichere Befestigung, mit der Leiterplatte 2 verschraubt werden. Die Schraubenköpfe der Befestigungsschrauben sind mit einem relativ großen Durchmesser und – optional – mit einer randseitigen Riffelung versehen, die ein manuelles Festziehen und Lösen der Verschraubung möglich macht.
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Die Dimensionierung der Elemente der Verbindungsvorrichtung und der Leiterplatte 2 sowie die Auslegung der Federsteifigkeiten der Federn 6, 14 sowie der federnd wirkenden Kontaktringe 28 der Kontaktelemente 19 sind vorzugsweise so gewählt, dass die Kontaktseite des unteren Gehäuseteils 20 der Verbindungsvorrichtung nicht direkt an der benachbarten Oberfläche der Leiterplatte 2 anliegt; vielmehr soll ein kleiner Spalt verbleiben. Anderenfalls könnte ein Anliegen des unteren Gehäuseteils 20 an der Leiterplatte 2 einen definierten federbelasteten Kontakt der Innen- und/oder Außenleiter (bzw. der von den Kontaktringen 28 ausgebildeten Kontaktstellen) einzelner oder aller der Kontaktelemente 19 behindern.
