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Kontaktnadel
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Die Erfindung betrifft eine metallische Kontaktnadel gemäR dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Prüfvorrichtungen, für die solche Kontaktnadeln bestimmt sind, dienen
der elektrischen Prüfung von elektrischen, insbesondere elektronischen Prüflingen,
wie Leiterplatten oder dergl. Die Prüfvorrichtung weist im allgemeinen einen Träger
auf, an dem die Kontaktnadeln befestigt sind, wobei an die rückwärtigen Kontaktenden
der Kontaktnadeln elektrische Leiter angeschlossen sind, die sie elektrisch mit
einem Auswerter der Prüfvorrichtung verbinden. Bei der Prüfung eines Prüflings wird
der Prüfadapter mit seinen Kontaktnadeln an den Prüfling angedrückt bzw. der Prüfling
an die Kontaktnadel, und zwar mit
solch großer Kraft, daß sichere
elektrische Kontakte zustande kommen, wozu die Kontaktnadeln soweit federnd ausgebogen
werden, daß sie ausreichend hohe Kohtäktkräfte ausüben. Diese Kontaktnadeln müssen
also nicht nur gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, sondern auch gute mechanische
Federungseigenschaften und hohe Dauerbiegewechselfestigkeit, da eine Kontaktnadel
im Laufe ihrer Betriebszeit normalerweise viele Tausende oder oft sogar Millionen
von Prüflingen unter jeweils erheblichem Ausbiegen aus ihrer Ruhestellung kontaktiert.
Dabei ist noch zu beachten, daß die Kontaktnadeln sehr dünn sein müssen, da die
Prüfstellen eines Prüflings im allgemeinen sehr eng nebeneinander liegen.
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Solche Kontaktnadeln werden im allgemeinen an massiven starren metallischen
Haltern befestigt, die ihrerseits auf einer Prüfkarte oder dergl. befestigt werden.
Die Prüfkarte hat die Aufgabe, die elektrischen Verbindungen von den Kontaktnadeln
zu Anschlußsteckern , Anschlußbuchsen od. dergl. herzustellen, die an der Prüfkarte
angeordnet sind, so daß die Anschlußbuchsen oder Anschlußstecker der Prüfkarte mittels
elektrischen Leitern mit dem elektrischen Auswerter der Prüfvorrichtung verbunden
werden können, der bei jedem Prüfen eines Prüflings diesen auf elektrische Fehlerfreiheit
auswertet.
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Derartige Kontaktnadeln sollen bestimmten elektrischen und mechanischen
Bedingungen genügen, wie insbesondere guter elektrischer Leitfähigkeit, guter Kontaktfähigkeit
mit den Prüfstellen der zu prüfenden Prüflinge, guterxorrosionsbeständigkeit, guterFedereigenschaften,
hoherDauerbiegewechselfestigkeit, günstigerHerstellbarkeit, Verschleißfestigkeit.
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Bisher wurden solche Kontaktnadeln einstückig hergestellt und ihr
Schaft wurde zum Erzielen hoher Kontaktkräfte bei guten Federeigenschaften in Richtung
auf sein vorderes Ende zu stetig verjüngt.
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Die Herstellung solcher Kontaktnadeln ist jedoch teuer. Auch lassen
sich dabei gute mechanische Eigenschaften mit guten elektrischen Eigenschaften nicht
ohne weiteres vereinigen.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der Erfindung, eine Kontaktnadel der im
Oberbegriff des Anspruches 1 genannten Art zu schaffen, welche bei kostengünstiger
Herstellung gute elektrische Eigenschaften mit guten mechanischen Eigenschaften
problemlos kombinieren läßt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kontaktnadel gemäß Anspruch
1 gelöst.
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Diese erfindungsgemäße Kontaktnadel läßt sich mit guten elektrischen
Eigenschaften und guten mechanischen Eigenschaften herstellen, da für gute elektrische
Eigenschaften in erster Linie der Draht und für gute mechanische Eigenschaften in
erster Linie das oder die Feinrohre maßgebend sind. Man kann demzufolge das Metall
des Drahtes insbesondere nach guten elektrischen Eigenschaften auswählen und das
oder die auf dem Draht angeordneten Feinrohre insbesondere aus Metall mit guten
mechanischen Eigenschaften, insbesondere guten Federeigenschaften herstellen.
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Die Erfindung ermöglicht also, für den Draht und das mindestens eine
Feinrohr jeweils Metalle mit unterschiedlichen, jedoch praktisch optimalen Eigenschaften
auszuwählen. Der Draht kann dabei insbesondere außer nach dem Erfordernis guter
elektrischer Eigenschaften, einschließlich guter Kontaktfähigkeit,auch nach guter
Elastizität,VerschleißfestigReit,Korrosionsbestandigkeit und hoher Dauerbiegewechselfestigkeit
ausgewählt werden und das mindestens eine metallische Feinrohr kann nach den Erfordernissen
ebenfalls guter Korrosionsbeständigkeit,hoher Dauerbiegewechselfestigkeit und besonders
guter Federeigenschaften ausgewählt werden. Besonders vorteilhafte metallische Stoffe
sind für den Draht: Kupferlegierungen, Wolfram, Palladium, Palladiumlegierungen
und Goldlegierungen, wobei der Draht erforderlichenfalls zur Erreichung guter Federeigenschaften
gehärtet sein kann;
für das oder die Feinrohre: Stahl mit guten
Federeigenschaften, vorzugsweise rostfreier Stahl, Kupfer-Beryllium oder Phosphor-Bronze.
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Ggfs. kommen auch noch andere Materialien für diese Teile infrage.
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Auch läßt sich die erfindungsgemäße Kontaktnadel kostengünstig herstellen.
So kann der Draht kostengünstig aus gezogenem Draht hergestellt werden, wobei allenfalls
sein freies Ende, das dem Kontaktieren von Prüfstellen der Prüflinge dient, in manchen
Fällen einer Nachbearbeitung, bspw. Versehen mit einer konischen Spitze, bedarf.
Das einzelne Feinrohr läßt sich ohne weiteres insbesondere durch spanabhebende Bearbeitung
kostengünstig herstellen, da es keine stetige axiale Verjüngung aufweist, sondern
ein kreiszylindrisches Rohr mit kreiszylindrischer Bohrung sein kann, oder es kann
in manchen Fällen auch ein ein- oder mehrfach abgestuftes Feinrohr sein, dessen
zwei oder mehr durch die Abstufung oder die Abstufungen getrennten Außenumfangsbereiche
jeweils kreiszylindrisch sind und seine Bohrung ist zweckmäßig eine durchgehend
kreiszylindrische Bohrung.
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Durch das oder die Feinrohre werden der Kontaktnadel besonders gute
federelastische Eigenschaften verliehen, so daß hohe Kontaktkräfte bei hoher Dauerbiegewechselfestigkeit
ohne weiteres erreichbar sind
und sie beim Prüfen des jeweiligen
Prüflinges stets soweit federnd gebogen werden kann, daß sie hierdurch ausreichende
Kontaktkraft, d.h. die für sicheren elektrischen Kontakt mit der durch sie kontaktierten
Stelle des jeweiligen Prüflings erforderliche Kontaktkraft auf die betreffende Stelle
des Prüflinges ausübt.
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Diese Kontaktkraft entspricht also jeweils der auf die betreffende
Stelle des Prüflings ausgeübten, durch die Eigenelastizität bewirkten Federkraft
dieser eine Biegefeder bildenden Kontaktnadel.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Prüfkarte, Fig. 2 einen Schnitt durch
die Prüfkarte nach Fig. 1, gesehen entlang der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1, Fig.
3 eine vergrößerte, gebrochene Seitenansicht einer Kontaktnadel nach Fig. 1 und
2 mit dem sie tragenden, ausschnittsweise dargestellten Halter, Fig. 4 einen gebrochenen
Längsschnitt durch die Kontaktnadel nach Fig. 3, Fig. 5 eine Vorderansicht der Kontaktnadel
nach Fig. 3 mit ihrem ausschnittsweise dargestellten Halter,
Fig.
6 einen Längsschnitt in teilweise gebrochener Darstellung durch eine Kontaktnadel
gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, Fig. 7 eine Seitenansicht
einer geraden Kontaktnadel, die an einem strichpunktiert angedeuteten Halter so
befestigt ist, daß sie schräg auf den geweiligen, ebenfalls strichpunktiert angedeuteten
Prüfling auftrifft.
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Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Leiterkarte 10 bildet einen Prüfadapter
einer nicht in weiteren Einzelheiten dargestellten Prüfvorrichtung, die dem elektrischen
Prüfen von elektrischen, vorzugsweise elektronischen Prüflingen 11, wie bestückten
oder unbestückten Leiterplatten od. dergl. dient. Diese Leiterkarte 10 weist eine
starre, dünne, blattförmige Trägerplatte 12, beispielsweise aus Kunststoff, auf,
welche rechteckförmigen Umriß und einen kreisrunden Durchbruch 13 aufweist. Auf
der Oberseite dieser dünnen Platte 12 sind eine Vielzahl von metallischen Haltern
14 fest angeordnet, bspw. angeklebt, von denen jeder Halter 14 an seinem nach unten
durch die Öffnung 13 hindurch abgewinkelten freien Ende eine dünne, längliche Kontaktnadel
15, wie dargestellt, trägt. Die Kontaktnadel 15 ist über ihre Länge feder-
elastisch
und kann bspw., wie es Fig. 3 und 5 zeigen, mit ihrem rückwärtigen zylindrischen
Abschnitt in eine rinnenförmige Längsausnehung 16 des abgewinkelten, freien, stumpfen
Endes des metallischen Halters 14 formschlüssig eingesetzt und hier durch Löten,
Anschweißen od. dergl. mit ihm elektrisch leitend verbunden sein.
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Die Kontaktnadel 15 besteht vollständig aus Metall, so daß sie durchgehend
elektrisch leitend ist. Sie steht in guter elektrisch leitender Verbindung mit dem
Halter 14. Der Halter 14 ist ein starres Teil, d. h., daß er im Verhältnis zu der
elastischen Biegsamkeit der Kontaktnadel 15 als starr oder praktisch starr anzusehen
ist. Die Federung der Kontaktnadel 15 wird also praktisch nur durch ihre Eigenfederung
und nicht durch den Halter 14 bewirkt bzw. wirkt der Halter 14 allenfalls nur unbedeutend
an der Federung der Kontaktnadel 15 mit.
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Von den Haltern 14 mit Kontaktnadeln 15 sind in Fig. 1 nur eine Teilanzahl
dargestellt. In der Regel ist eine wesentlich größere Anzahl von Haltern 14 mit
Kontaktnadeln 15 an der Platte 12 durch deren mittige Öffnung hindurchragend angeordnet.
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Die Prüfkarte 10 mit ihren Kontaktnadeln 15 kann dem gleichzeitigen
elektrischen Kontaktieren einer der Anzahl der Kontaktnadeln entsprechenden Anzahl
von Prüfstellen (Prüfpunkten) des Prüflings 11 dienen.
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Die Prüfstellen dieses Prüflings 11 finden sich z. B.
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auf elektrischen Leiterbahnen bzw. an sonstigen elektrischen oder
elektronischen Komponenten, die an dem Prüfling 11 angeordnet sind, wie Buchsen,
Widerständen, Kapazitäten oder dergl.
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An dem rückwärtigen Ende jedes auf der Platte 12 befestigten Halters
14 ist ein elektrischer metallischer Leiter 17, bspw. eine aufgedruckte Leiterbahn
bspw. durch Löten angeschlossen, der auf der Platte zu einem am Rand der Platte
fest angeordneten Anschlußstecker 18 führt. An diese Stecker 18 können dem elektrischen
Anschluß dieser Prüfkarte 10 dienende weiterführende elektrische Leiter angeschlossen
werden, die nicht dargestellt sind und zu einem nicht dargestellten Auswerter der
Prüfvorrichtung führen, der jeden jeweils durch die Kontaktnadel 15 kontaktierten
Prüfling auf Fehlerfreiheit auswertet.
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Die an den starren Haltern 14 befestigten Kontaktnadeln 15 können
unter sich gleich ausgebildet sein.
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Ein Ausführungsbeispiel einer Kontaktnadel 15 ist in Fig. 3, 4 und
5 dargestellt. Diese Kontaktnadei15 weist einen geraden rotationssymmetrischen zweifach
abgestuften Schaft 19 und einen an ihn anschließenden, freien, abgewinkelten Endbereich
20" auf. Sie besteht aus drei Teilen, nämlich aus einem Draht 20 und zwei metallischen
Feinrohren 21, 22. Der Draht 20 hat kreisrunden Querschnitt konstanten Durchmessers,
der im Bereich des Schaftes 19 einen geraden langgestreckten Hauptbereich 20' aufweist,
an den ein schräg nach unten abgewinkelter, relativ kurzer freier Endbereich 20t'
anschließt, dessen die Kontaktspitze der Kontaktnadel 15 bildendes freies Ende 25
in diesem Ausführungsbeispiel stumpf ist, jedoch ggfs. bspw. gemäß Fig. 6 auch angespitzt
sein kann, so daß er ggfs. an seiner Kontaktspitze keinen konstanten Durchmesser
hat.
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Der gerade Hauptbereich 20' dieses Drahtes 20 ist auf dem größten
Teil seiner Länge in das innere, kreiszylindrische metallische Feinrohr 21 zu ihm
koaxial und formschlüssig, also in enger, vorzugsweise spielfreier Passung, die
vorzugsweise einem Haft- oder Festsitz entsprechen kann, eingeschoben, das also
über seine Länge konstanten Querschnitt aufweist und bis zum rückwärtigen Ende 28
des Drahtes 20 reicht. Das vordere Ende dieses inneren Feinrohres 21 endet in relativ
geringem Abstand vor der Abwinkelung 23 des Drahtes 20, bspw. in einem Abstand von
0,5 bis 3 mm. Auf dieses Feinrohr 21 ist das kürzere äußere Feinrohr 22 zu ihm
koaxial
und formschlüssig, also ebenfalls in enger, vorzugsweise spielfreier Passung, die
vorzugsweise einem Haft- oder Festsitz entsprechen kannr aufgeschoben, das ebenfalls
kreiszylindrisch ist und so über seine Länge ebenfalls konstanten Querschnitt aufweist.
Dieses äußere Feinrohr 22 endet ebenfalls in Höhe des rückwärtigen Endes 28 des
Drahtes 20 und erstreckt sich auf dem inneren Feinrohr 21 bis in die Nähe von dessen
vorderem, freien Ende 24, von dem es jedoch axialen Abstand hat, der vorzugsweise
0,5 bis 3 mm betragen kann. Die Gesamtlänge der Kontaktnadel 15 kann vorzugsweise
6 bis 30 mm , insbesondere 10 bis 20 mm und ihr Überstand über den Halter 14 vorzugsweise
ca.
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4 bis 16 mm betragen.
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Das Feinrohr 21 umfaßt den Draht 20 mit gutem elektrischen und mechanischen
Kontakt formschlüssig und steht mit ihm hierdurch bereits in gutem elektrischen
Kontakt.
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Dieser Kontakt kann dadurch noch weiter verbessert werden, indem dieses
Feinrohr 21 mit dem Draht 20 verlötet, verschweißt oder verklemmt ist. Als Verschweißung
kommen vorzugsweise ein oder mehrere mittels Laserstrahlen, Elekronenstrahlen oder
dergl. hergestellte Schweißpunkte, wie 26, infrage, deren Schweiße aus dem Metall
des Feinrohres 21 und des Drahtes 20 bestehen, so daß also kein Fremdmetall benötigt
wirdlL Auch das äußere metallische Feinrohr 22 steht mit dem inneren metallischen
Feinrohr 21 in gutem elektrischen und mechanischen Kontakt und kann mit ihm verlötet,
verklemmt oder mittels einer oder mehrerer Schweißpunkte, wie 26', verschweißt sein,
für welche Schweißpunkte
dasselbe gilt wie für die vorangehend
beschriebenen Schweißpunkte.
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Die beiden metallischen Feinrohre 2, 22 sind so untereinander fest
verbunden und wiederum ist der Draht 20 mit ihnen ebenfalls fest verbunden und die
Kontaktnadel 15 hat geringen elektrischen Durchgangswiderstand von ihrer Spitze
25 bis zum mit ihr elektrisch leitend verbundenen Halter 14.
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Das Feinrohr 22 ist mit dem metallischen Halter 14 elektrisch leitend
gut verbunden, bspw. durch Verlöten oder ggfs. auch durch Schweißen, wobei die Schweiße
ebenfalls aus dem Metall des Halters 14 und des Feinrohres 22 gebildet sein kann,
Der lange, gerade Hauptbereich 20' des Drahtes 20 bildet zusammen mit den beiden
Feinrohren 21,. 22 den, wie dargestellt, rotationssymraetrischen Schaft 19 dieser
Kontaktnadel 15.
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Diese Kontaktnadel 15 wird beim Prüfen von durch ihr freies Ende 25
kontaktierten Prüflingen 11 in Richtung des Pfeiles A (Fig. 3) soweit federnd nach
oben gebogen, daß sie, wie erwähnt, infolge dieser eigenen federnden Ausbiegung
ausreichend große Kontaktkräfte auf den jeweiligen Prüfling 11 ausübt. Sie muß also,
da die erforderliche Kontaktkraft auf die von ihr kontaktierte Stelle des jeweiligen
Prüflings 11 durch ihr entsprechendes erhebliches Ausbiegen zustandekommt und so
der Feder-
kraft dieser Kontaktnadel entspricht, hierzu gute federnde
Eigenschaften haben und auch relativ steif sein, damit siesich hierbei mit solch
eigener großer Federkraft auf die betreffende Prüfstelle des jeweiligen Prüflings
11 drückt, daß hierdurch sicherer elektrischer Kontakt zwischen ihrer Spitze 25
und der betreffenden Prüfstelle auf dem Prüfling 11 zustande kommt. Diese guten
federnden Eigenschaften werden in erster Linie durch die beiden metallischen Feinrohre
21, 22 bewirkt. Ferner soll der elektrische Durchgangswiderstand der Kontaktnadel
15 beginnend an ihrer Spitze 25 bis zum Halter 14 möglichst gering und im Betrieb
gleichmäßig sein. Zu diesem Zweck ist der Draht 20 der Kontaktnadel 15 aus elektrisch
gut leitendem Metall hergestellt, wogegen die beiden Feinrohre 21, 22 vorteilhaft
aus Metall mit guten mechanischen, insbesondere mit guten Federeigenschaften bestehen.
Der elektrische Eigenwiderstand der Feinrohre 21, 22 spielt für den elektrischen
Durchgangswiderstand der Kontaktnadel 15 eine wesentlich geringere Rolle als der
Draht 20. Es kann deshalb der Draht 20 vorteilhaft aus Metall guter elektrischer
Leitfähigkeit, vorzugsweise aus Kupferlegierungen, Wolfram, Palladium, Palladiumlegierungen
und Goldlegierungen hergestellt sein. Für die Feinrohre 21, 22
können
dagegen zweckmäßig Metalle mit besonders guten Federeigenschaften eingesetzt werden,
vorzugsweise Stahl, insbesondere Federstahl, rostfreier Stahl, Kupfer-Beryllium
und Phosphor-Bronze.
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Die Abstufung des Schaftes 19 der Kontaktnadel 15 ergibt dabei eine
Vergleichmäßigung der Biegespannungen innerhalb dieses Schaftes 19 über seine Länge,
was sich günstig auf die Federungseigenschaften und die Belastungsverteilung der
Kontaktnadel 15 auswirkt. Diese Kontaktnadel 15 ergibt problemlos relativ hohe Federkraft
bei relativ kurzen Federungswegen und gute mechanische Belastungsfähigkeit, hohe
Biegewechseldauerfestigkeit und hohe Lebensdauer.
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Der Draht 20 kann kostengünstig durch Ziehen hergestellt werden. Die
Feinrohre 21, 22 können ebenfalls kostengünstig hergestellt werden, bspw.
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durch Bohren und Drehen oder auf andere Weise, da sie gerade, kreiszylindrische
Rohre sind.
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Der Durchmesser des Drahtes 20 kann vorzugsweise 0,1 bis O,5 mm ,
insbesondere 0,2 bis 0,4 mm betragen. Der Außendurchmesser des äußeren Feinrohres
22 kann vorzugsweise 0,4 bis 2 mm betragen.
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Anstatt zwei solche aufeinander aufgeschobene Feinrohre 21, 22 auf
den Draht 20 aufzuschieben, können ggfs. auch noch mehr Feinrohre mit ihren vorderen
Stirnenden axial zueinander versetzt zur noch mehr als zweifachen, bspw. zur drei-
oder vierfachen Abstufung des Durchmessers des Schaftes der Kontaktnadel übereinander
geschoben angeordnet werden. In Sonderfällen kann auch ein einziges zylindrisches
Feinrohr auf dem Draht angeordnet werden.
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Anstatt ein oder mehrere zylindrische Feinrohre vorzusehen, kann auch
vorgesehen sein, wie es in Fig. 6 an einem Beispiel dargestellt ist, ein gerades,
einstückiges, ein- oder mehrfach (im Ausführungsbeispiel zweifach) abgestuftes einstüc]iges
metallisches Feinrohr 30 vorzusehen. Die durch die Stufen 31, 32 getrennten Längsabschnitte
33, 33', 33" sind jeweils kreiszylindrisch und koaxial zueinander und die zentrale
Bohrung konstanten Durchmessers dient dem formschlüssigen, koaxialen Einsatz des
Drahtes 20. Auch ein solches abgestuftes, rotationssymmetrisches Feinrohr 30 läßt
sich wegen der kreiszylindrischen Abschnitte 33,33',33" kostengünstig herstellen.
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Es ist in nicht dargestellter Weise in manchen Fällen auch möglich,
zwei oder mehrere zylindrische Feinrohre unterschiedlicher Durchmesser anstatt sie
aufeinander aufzuschieben, sie auf dem Draht axial aneinander anzufügen, wie Perlen
auf einer Kette.
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Ferner kann die Kontaktnadel 15 oft auch zwecksmäßig durchgehend gerade
sein. Vorzugsweise kann sie ungefähr rotationssymmetrisch sein, Bspw. kann sie oft
zweckmäßig mit Ausnahme ihrer Kontaktspitze rotationssymmetrisch oder einschließlich
ihrer Kontaktspitzen rotationssymmetrisch sein. Eine solche gerade Kontaktnadel
15 ist in Fig. 7 an einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Sie ist so am zugeordneten,
vorteilhaft starren Halter 14 befestigt, daß sie mit ihrer Kontaktspitze 25 schräg
auf den Prüfling 11 auftrifft und so ihre beim Prüfen von Prüflingen stattfindende
federnde Ausbiegung die von ihr auf den Prüfling ausgeübte Kontaktkraft bestimmt.
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