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Die
Erfindung betrifft eine Sensorbaugruppe für einen Drehgeber
der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art sowie einen Drehgeber
der mit einer solchen Sensorbaugruppe ausgestattet ist.
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In
der vorliegenden Beschreibung wird die Welle, deren Umdrehungszahlen
letztendlich erfasst und deren Winkelstellungen gemessen werden
sollen, als „Antriebswelle” bezeichnet.
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Ein
Umdrehungszähler, bei dem immer dann, wenn die Antriebswelle
eine vorgegebene Winkelstellung durchläuft, ein Zählsignal,
vorzugsweise mit Drehrichtungserkennung erzeugt und vorzeichenrichtig
einem Zähler zugeführt wird (Aufwärtszählung
bei einer Drehrichtung, Abwärtszählung bei der
entgegen gesetzten Drehrichtung), wird dann als „absolut” bezeichnet,
wenn er in der Lage ist, nach einer vollständigen Unterbrechung
seiner Stromversorgung, insbesondere auch nach einer Trennung von einer
eventuell vorhandenen Batterie, bei Wiederherstellung der Energieversorgung
den korrekten Zählwert auch dann abzugeben, wenn sich die
Antriebswelle im Unterbrechungszeitraum weitergedreht hat.
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Zu
diesem Zweck ist es aus der
EP
0 658 745 A2 bekannt, einen Teil der mechanischen Bewegungsenergie
der sich drehenden Antriebswelle abzuzweigen und in einem magnetischen
Zwischenspeicher so lange zu kumulieren, bis die erwähnte vorgegebene
Winkelstellung erreicht ist. In dieser wird dann die gespeicherte
Energie schlagartig so freigesetzt, dass aus ihr auf induktivem
Weg ein elektrischer Impuls erzeugt wird, der nicht nur als Zählsignal
sondern auch dazu verwendet werden kann, zumindest einen Teil der
nachgeschalteten Verarbeitungselektronik so lange mit elektrischer
Energie zu versorgen, bis dieser Zählimpuls vorzeichenrichtig verarbeitet
und der neu entstandene Zählwert in einem nicht flüchtigen
Speicher gespeichert worden ist. Letzterer kann dann bei Wiederherstellung
der Energieversorgung abgefragt werden. Somit ist sichergestellt,
dass die Anzahl der während eines Ausfalls der Energieversorgung
von der Antriebswelle durchlaufenen Umdrehungen einwandfrei gezählt werden
kann.
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Bei
Singleturns wird demgegenüber die aktuelle Winkelstellung
der Antriebswelle durch die relative Winkellage von wenigstens zwei
gegeneinander bewegbaren Körpern abgebildet, bei denen
es sich beispielsweise um eine in mehreren Spuren kodierte Scheibe
mit zugehörigen optischen Abtastsensoren; eine Mehrfeld-Hall-Sonde
mit einem oder mehreren sich relativ zu ihr drehendem Permanentmagneten; oder
zwei sich gegen eine feststehende Spulenanordnung verdrehende Magnetfluss-Leitkörper
handeln kann. Eine Strom- bzw. Spannungsversorgung ist lediglich
für das Auslesen der momentanen Winkellage der beiden gegeneinander
bewegbaren Körper nicht aber für die von ihnen
ausgeübte, rein mechanische Abbildungsfunktion erforderlich;
diese läuft also auch dann weiter, wenn sich die Antriebswelle
im strom- und spannungslosen Zustand dreht. so dass bei Wiederherstellung
der Energieversorgung der Singleturn sofort die aktuelle Winkelstellung (innerhalb
des Vollwinkels von 360°) erfassen und in ein korrektes
Messsignal umsetzen kann. Ein solcher Singleturn ist somit von sich
aus „absolut”.
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Unter
einer Erregeranordnung wird der Teil eines Umdrehungszählers
bzw. Singleturns verstanden, der bei seiner die Drehbewegung der
Antriebswelle abbildenden Relativbewegung gegenüber dem Sensor
diesen veranlasst, ein Messsignal abzugeben. Im Fall einer magnetisch
arbeitenden Anordnung wird die Erregeranordnung z. B. von einem
Permanentmagneten gebildet, dessen Magnetfeld die den feststehenden
Sensor erregende physikalische Größe darstellt.
Bei optischen Singleturns ist die „Erregeranordnung” die
kodierte Scheibe deren variierende Lichttransparenz die Helligkeit
des auf die Sensoranordnung auftreffenden Lichts verändert.
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Unter
einer Sensoranordnung wird der feststehende Teil des Umdrehungszählers
und/oder Singleturns verstanden, bei dem es sich im Fall einer magnetischen
Erregeranordnung z. B. um eine Mehr-Quadranten-Hallsonde und/oder
einen Wiegand- oder Impulsdraht mit Induktionsspule oder im Fall
einer optisch kodierten Scheibe um einen oder mehrere Phototransistoren
oder dergleichen handelt.
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Unter
einer Sensorbaugruppe wird eine Einheit verstanden, die einen Teil
eines Drehgebers bildet und ein einstufiges Getriebe mit einem Eingangszahnrad
umfasst, das konzentrisch zur Antriebswelle angeordnet und mit dieser
drehfest verbunden ist. Mit einem mit der Antriebswelle in Eingriff
stehenden zweiten Zahnrad des einstufigen Getriebes sind dann eine
oder zwei Erregeranordnungen der oben definierten Art verbunden,
die mit einer oder zwei ebenfalls zur Sensorbaugruppe gehörenden
Sensoranordnungen gemäß obiger Definition zusammenwirkt bzw.
zusammenwirken. Vervollständigt wird eine solche Sensorbaugruppe
durch eine Elektronikschaltung, welche die von der oder den Sensoranordnungen
kommenden elektrischen Signale empfängt und aus ihnen die
interessierenden Winkelwerte berechnet und speichert.
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Eine
solche Sensoranordnung ist aus der
DE 195 06 938 A1 bekannt. Der dort beschriebene
Drehgeber umfasst zwei solche Sensorbaugruppen, die jeweils einen
Singleturn bilden. Damit eindeutige Aussagen für einen über
360° hinausgehenden Drehwinkel der Antriebswelle möglich
sind, müssen sowohl das Eingangszahnrad als auch die beiden zweiten
Zahnräder der beiden Sensorbaugruppen unterschiedlich Zähnezahlen
aufweisen. Durch eine Art Nonius-Verfahren kann dann für
einen zwar über 360° hinausgehenden, aber auf
wenige Umdrehungen begrenzten Drehwinkelbereich die Winkellage der
Antriebswelle bestimmt werden. Diese bekannte Anordnung ist vor
allem für die Erfassung des Lenkwinkels von Kraftfahrzeugen
bestimmt, bei der diese Begrenztheit des maximal erfassbaren Winkelbereiches
nicht störend ist.
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Nachteilig
an dieser bekannten Anordnung sind unter anderem ihre Baugröße,
die große Anzahl der verwendeten, genauen Komponenten.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Sensorbaugruppe der
im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art so weiter zu bilden,
dass sie es mit einem gegenüber den geschilderten Stand
der Technik verringertem technischen Aufwand ermöglicht,
in im obigen Sinn absoluter Weise einerseits den Drehwinkel der
Antriebwelle in einzelne Segmente von jeweils weniger als 360° aufzulösen
und darüber hinaus eine praktisch unbegrenzte Anzahl von
vollen Umdrehungen der Antriebswelle unter Erfassung der Drehrichtung
zu zählen und den jeweils erreichten Zählwert
abzuspeichern. Außerdem soll eine erfindungsgemäße
Sensorbaugruppe einen möglichst geringen Raumbedarf aufweisen.
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Zur
Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die im Anspruch
1 niedergelegten Merkmale vor.
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Unter
einem „Segmentzähler” wird dabei eine
Vorrichtung verstanden, die beim Durchlaufen mehrerer Winkelstellungen
der Antriebswelle innerhalb einer vollen Umdrehung des zugehörigen
zweiten Zahnrades ein Zählsignal erzeugt. Je nach Ausbildung
der Erreger- und/oder Sensoranordnung kann ein gezähltes „Segment” entweder
ein Halb-, Viertel- oder Drittelkreis usw. sein, d. h. also 360°/m überdecken
(m = 2, 3, 4, ...). Dabei muss m nicht notwendiger Weise eine ganze
Zahl sein.
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Erfindungsgemäß ist
dieser Segmentzähler als absoluter Segmentzähler
d. h. beispielsweise so aufgebaut, wie dies oben für einen
Umdrehungszähler beschrieben wurde. Einzelheiten eines
solchen Umdrehungszählers können insbesondere
der
DE 102 59 223
B3 und der
PCT/DE2008/001305 entnommen
werden, deren technische Inhalte hier mit aufgenommen werden.
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Somit
wird die magnetische Segmentzähler-Erregeranordnung von
einem oder mehreren Permanentmagneten gebildet, die auf dem zweiten Zahnrad
drehfest montiert und insbesondere so angeordnet sind, dass ihre
jeweilige Magnetisierungsrichtung, d. h. die Verbindungslinie zwischen
dem jeweiligen Nord- und dem zugehörigen Südpol
in etwa senkrecht zu der im folgenden kurz als „Sensorachse” bezeichneten
geometrischen Drehachse des zweiten Zahnrades verläuft.
Die feststehende Segmentzähler-Sensoranordnung wird von
einem Impuls- oder Wiegand-Draht gebildet, an dem alternierende Magnetpole
vorbeilaufen müssen, damit ein jeder dieser Vorbeiläufe
gezählt werden kann. Folglich werden dann, wenn nur ein
solcher Permanentmagnet vorhanden ist, Segmente von jeweils 180° gezählt
(n = 2). Die nächst höheren möglichen
Anzahlen von Permanentmagneten sind drei (n = 6) bzw. fünf
(n = 10) usw., (also immer ungerade Zahlen) sodass in diesen Fällen
sechs bzw. zehn Segmente mit einer jeweiligen Winkelüberdeckung
von 60° bzw. 36° usw. gezählt werden
können.
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Eine
solche „Feinauflösung” des Vollkreises mag
zunächst als nicht sehr hoch erscheinen, doch ist zu beachten,
dass es sich dabei um den vom zweiten Zahnrad durchlaufenen Vollkreis
handelt. Bildet man das Getriebe der Sensorbaugruppe mit einem Über setzungsverhältnis
u > 1 aus, so dass
sich das zweite Zahnrad je Volldrehung des Eingangszahnrades u mal
dreht, so erhöht sich die Anzahl der zählbaren
Segmente einer Volldrehung der Antriebswelle um den Faktor u, so
dass sich bei einem Übersetzungsverhältnis von
1:36 und fünf Permanentmagneten eine Feinauflösung
des Antriebswellen-Vollkreises von 1° ergibt.
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Gemäß der
Erfindung ist die Elektronikschaltung der Sensorbaugruppe so ausgebildet,
dass sie bei Ausfall der äußere Energieversorgung
mit Hilfe der immer noch zur Verfügung stehenden, in den elektrischen
Impulsen der Segmentzähler-Sensoranordnung enthaltenen
elektrischen Energie, diese Impulse zumindest vorzeichenrichtig
zählen und den jeweils erreichten Zählwert in
einem nicht flüchtigen Speicher speichern kann. Dies ist
auch dann möglich, wenn die Drehbewegung der Antriebswelle,
aus deren kinetischer Energie die für den Betrieb der Elektronikschaltung
erforderliche elektrische Energie gewonnen wird, beliebig langsam
verläuft.
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Steht
die äußere Energieversorgung dann wieder zur Verfügung
kann aus dem erreichten Zählwert unter Berücksichtigung
des Übersetzungsverhältnisse und der Winkelgröße
der gezählten Segmente die momentane Winkelstellung der
Antriebswelle berechnet werden. Bei Verwendung von elektronischen
Bausteinen, insbesondere integrierten Schaltungen mit extrem geringem
Energieverbrauch ist es denkbar, auch die Berechnungsvorgänge
mit Hilfe der aus den Zählimpulsen gewonnen elektrischen
Energie durchzuführen, sodass eine von einer äußeren
Energieversorgung (einschließlich Batterie) völlig
unabhängige Sensorbaugruppe geschaffen wird, die ihren
gesamten, aber geringen Energiebedarf aus der kinetischen Energie
der sich drehenden Antriebswelle deckt.
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In
besonders bevorzugter Weise ist die Sensorbaugruppe dadurch als
absoluter Multiturn ausgebildet, dass zusätzlich zur Singleturn-Funktion
des Segmentzählers seine Elektronikschaltung die elektrischen
Impulse der Segmentzähler-Sensoranordnung über
beliebig viele Umdrehungen hinweg fortlaufend je nach Drehrichtung
zum vorhandenen, in der Elektronikschaltung gespeicherten Zählwert
addieren oder von ihm subtrahieren und dann den neuen Zählwert
speichern kann. Für mehrere, in der gleichen Richtung erfolgende
volle Umdrehungen der Antriebswelle ergeben sich wegen der oben
erläuterten Feinauflösung und Drehzahlübersetzung
im Allgemeinen sehr große Zählwerte. Dies bedeutet
jedoch keinerlei Nachteil, weil gemäß der Erfindung
ein elektronischer Zähler und ein nichtflüchtiger
elektronischer Speicher verwendet werden, deren Zähl- bzw.
Speicherkapazität ohne wesentlichen Aufwand vergrößert
werden kann. Es gibt somit keine konstruktive Begrenzung des maximalen
Zählwertes und es ist eine einfache, zu keinen nennenswerten
Mehrkosten führende, die Baugröße praktisch
nicht beeinflussende Anpassung an jeden beliebigen Anwendungsfall
möglich. Mit der Übersetzung erhöhen
sich also je nach Größe des Spiels des Getriebes
in besonders vorteilhafter Weise die erzielbare Auflösung und
Genauigkeit der Winkelstellung der Antriebswelle.
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Für
den Fall, dass die mit Hilfe des Segmentzählers erzielbare
Feinauflösung nicht ausreichend ist, ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Sensorbaugruppe zusätzlich zum Segmentzähler
einen absoluten Singleturn aufweist, dessen Singleturn-Erregeranordnung
auf dem gleichen zweiten Zahnrad montiert ist wie die des Segmentzählers.
Weiterhin ist eine feststehende Singleturn-Sensoranordnung vorgesehen,
welche aufgrund der Drehbewegung der Singleturn-Erregeranordnung
elektrische Signale erzeugt, die von der Elektronikschaltung zur
Berechnung der momentanen Winkelstellung der Antriebswelle zusammen
mit den Zählwerten des Segmentzählers verwendet
werden, wobei wiederum das Übersetzungsverhältnis
des einstufigen Getriebes berücksichtigt wird.
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Es
ist bevorzugt, dass es sich bei der Singleturn-Erregeranordnung
um wenigstens einen Permanentmagneten handelt, dessen Magnetisierungsrichtung
senkrecht zur Sensorachse der Sensorbaugruppe verläuft.
Dann kann die Singleturn-Sensoranordnung von einem der Erregeranordnung
auf dieser Sensorachse axial direkt gegenüberliegenden
Bauelement, beispielsweise einer Mehrfeld-Hall-Sonde gebildet werden,
die sich durch eine äußerst geringe Größe,
geringe Kosten und eine hohe Zuverlässigkeit auszeichnet
und dabei ohne weiteres eine Feinauflösung in der Größenordnung
von 16 Bit liefert.
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Ein
zusätzlicher Vorteil liegt darin, dass sich die Feinauflösung
im Verhältnis der Drehzahlübersetzung des Getriebes
verbessert. Es können also vergleichsweise einfache und
damit kostengünstige Bauelemente für die Singleturn-Sensoranordnung, beispielsweise
eine einfache 4-Quadranten-Hallsonde verwendet werden, die dann
gleichzeitig die Funktion des zusätzlichen Sensorelementes
des Segmentzählers übernimmt, wodurch ein Bauteil
eingespart wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Kombination eines Singleturns
mit einem Segmentzähler wird das bei Verwendung eines Übersetzungsgetriebes
auftretende Problem der Unbestimmtheit des vom Singleturn fein aufgelösten
Segments (Halb-, Drittel-, Viertel-Kreises usw.) gelöst,
weil die Zähl- und Auswerteelektronik mit Hilfe des vom
Segmentzähler ausgehend von einem bekannten Startpunkt
ermittelten Segment-Zählwertes immer berechnen kann, welches
Segment durch den Singleturn gerade fein aufgelöst wird.
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Damit
der Singleturn bei hohem Auflösungsvermögen auch
eine hohe Genauigkeit erzielt ist bevorzugt, für einen
spielfreien Eingriff des zweiten Zahnrads in das Eingangszahnrad
zu sorgen. In dieser Hinsicht ist es bevorzugt, das zweite Zahnrad
in zwei koaxial zueinander angeordnete Teilzahnräder mit
gleicher Zähnezahl aufzuspalten. Bei gerader Verzahnung
(, die dann auch beim Eingangszahnrad gegeben ist) sind beide Teilzahnräder
axial unverschiebbar mit einem axialen Abstand zueinander angeordnet.
In dem so gebildeten Zwischenraum befindet sich eine Spiralfeder,
die das eine der beiden Teilzahnräder, das frei drehbar
auf der Sensorwelle gelagert ist, gegen das andre, drehfest mit
der Sensorwelle verbundene Teilzahnrad in Drehrichtung vorspannt.
Zwar muss diese Spiralfeder bei der ihrer Vorspannkraft entgegen
gesetzten Drehrichtung das Trägheitsmoment der Erregeranordnung
aufnehmen, doch ist dies wegen deren geringer Masse ohne Probleme
möglich. Wird eine Schrägverzahnung sowohl des
Eingangszahnrades als auch der beiden Teilzahnräder gewählt,
so werden beide drehstarr mit der Sensorwelle verbunden. Das erste
der beiden Teilzahnräder ist außerdem axial unverschieblich,
während das andere gegen das erste axial verschieblich ist
und von diesem durch eine zwischen ihnen angeordnete Tellerfeder
weggedrückt wird, so dass es aufgrund der Schrägverzahnung
zu eine die Spielfreiheit gewährleistenden Verspannung
mit dem Eingangszahnrad kommt.
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Weisen
der Singleturn und der Segmentzähler eine gemeinsame Erregeranordnung,
beispielsweise einen Permanentmagneten auf, dessen Magnetisierungsrichtung
senkrecht zur Sensorachse des zweiten Zahnrades verläuft,
so können die beiden Sensoranordnungen (beispielsweise
eine 4-Quadranten-Hallsonde des Singleturns und ein Wiegand-Draht
mit aufgewickelter Induktionsspule des Segmentzählers)
entweder in zwei zueinander parallelen, zur Drehachse senkrecht
verlaufenden Ebenen angeordnet sein, oder sie können in
einer einzigen Ebene liegen wobei dann vorzugsweise sämtliche Bauelemente
der beiden Sensoranordnungen in einem einzigen Halbleiterchip integriert
und/oder zusammengefasst sind. Dieser Halbleiterchip kann auch die
Elektronikschaltung und einen μ-Controller enthalten.
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Vorzugsweise
weist eine erfindungsgemäße Sensorbaugruppe, die
sowohl einen Segmentzähler als auch einen gesonderten Singleturn
umfasst, nur eine einzige magnetische Erregeranordnung auf, die sowohl
mit der Sensoranordnung des Segmentzählers als auch mit
der des Singleturns zusammenwirkt.
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Ein
erfindungsgemäßer Drehgeber weist vorzugsweise
eine Sensorbaugruppe der bisher erläuterten Art auf. Er
zeichnet sich durch eine sehr kleine Baugröße
aus. Vorzugsweise umfasst er eine in seinem Gehäuse drehbar
gelagerte Hülse, welcher das mit ihr drehfest verbundene
Eingangszahnrad konzentrisch trägt. In diese Hülse
kann dann die Antriebswelle von außen her für
eine drehfeste Verbindung eingeführt werden. Für
Hohlwellenanordnungen, bei denen die beiden Enden der Antriebswelle frei
sein müssen weil z. B. das eine von einem Motor angetrieben
wird, während das andere irgend eine weitere Einheit antreibt
oder durch eine Bremse belegt ist. kann die Hülse an beiden
Enden offen sein, sodass die Antriebswelle durch sie so hindurch
gesteckt werden kann, dass sie auf der der Eintrittsseite des Gehäuses
gegenüberliegenden Seite aus einer dort vorgesehenen weiteren
Gehäuseöffnung herausragt.
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Weiterhin
kann ein erfindungsgemäßer Drehgeber auch mehr
als eine der oben beschriebenen Sensorbaugruppen umfassen. In diesem
Fall weist das Getriebe mehrere zweite Zahnräder auf, deren
Sensorachsen nicht zusammenfallen. Jede dieser Sensorbaugruppen
kann sowohl einen Segmentzähler als auch einen Singleturn
umfassen, oder eine von ihnen weist Singleturn auf und die andere
einen Segmentzähler. Die im erstgenannten Fall vorhandene
Redundanz kann z. B. aus Sicherheitsgründen erforderlich
sein. Im zweiten Fall findet eine Aufgabenteilung zwischen den beiden
zweiten Sensorbaugruppen statt. Ein besonderer Vorteil dieser Anordnung
besteht darin, dass in beiden zweiten Sensorbaugruppen jeweils eine
optimale Ausgestaltung der Erreger-Sensorgeometrie erfolgen kann.
In beiden Fällen ist es zwar möglich aber nicht
zwingend erforderlich, dass alle zweiten Zahnräder bezüglich des
Eingangszahnrades das gleiche Drehzahl-Übersetzungsverhältnis
aufweisen. Für die Erfüllung der Funktion eines
erfindungsgemäßen Drehgebers ist es jedoch ausreichend,
wenn er nur eine einzige Sensorbaugruppe umfasst.
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Diese
und andere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
erfindungsgemäßen Winkelmesseinheit sind in den
Unteransprüchen niedergelegt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben; in dieser zeigen:
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1 einen
Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform eines auf
ein freies Ende einer Antriebswelle aufgesteckten erfindungsgemäßen
Drehgebers, der asymmetrisch ausgebildet und mit einer als Segmentzähler
aufgebauten Sensorbaugruppe ausgestattet ist,
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2 einen
Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Drehgebers, der symmetrisch ausgebildet und mit einer sowohl einen
Segmentzähler als auch einen Singleturn umfassenden Sensorbaugruppe
ausgestattet ist, wobei sich die Antriebswelle vollständig
durch das Gehäuse des Drehgebers hindurch erstreckt,
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3 einen
Axialschnitt durch dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Drehgebers, bei dem sowohl das Getriebe als auch die Sensorbaugruppe
einen anderen Aufbau als beim Ausführungsbeispiel in 2 besitzen,
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4 einen
Axialschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Drehgebers mit zwei Sensorbaugruppen, von denen die eine einen Singleturn
mit einem geteilten zweiten Zahnrad und die andere einen Segmentzähler
umfasst, und
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5 einen
Axialschnitt durch eine fünfte Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehgebers, mit einer
sowohl einen Segmentzähler als auch einen Singleturn umfassenden
Sensorbaugruppe, bei der die beiden Sensoranordnungen in einer einzigen
Ebene liegen.
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In
den Figuren sind einander gleiche bzw. entsprechende Teile mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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1 zeigt
eine Antriebswelle 1, deren Umdrehungen mit Hilfe eines
Drehgebers 2 erfasst werden sollen.
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Der
Drehgeber 2 besitzt ein zur Abschirmung gegen äußere
Magnetfelder vorzugsweise aus ferromagnetischem Material bestehendes
Gehäuse 4, das im Wesentlichen die Form eines
Hohlzylinders aufweist, dessen in den Figuren oberes Ende durch einen
vorzugsweise aus elektrisch leitendem Material bestehenden Deckel 6 verschlossen
ist. An seinem gegenüberliegenden Ende besitzt das Gehäuse 4 einen
vorspringenden Flansch 8 mit einer durchgehenden Bohrung
zur Aufnahme eines Lagers 10, mit dessen Hilfe das Gehäuse 4 an
der Antriebswelle 1 gelagert ist. Durch einen (nicht dargestellten)
Anschlag wird es daran gehindert, sich mit der Antriebswelle 1 mitzudrehen.
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Bei
dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist das
obere Ende 11 der Welle 1 in eine an ihrem oberen
Ende durch einen Boden verschlossene, eine Hohlwelle 12 eingeführt.
Dieser Boden weist eine Bohrung auf, durch die hindurch sich eine Schraube 13 erstreckt,
die in das Innengewinde eines im Ende 11 der Welle 1 zentrisch
ausgebildeten Sacklochs 14 eingeschraubt ist, um die Hohlwelle 12 drehfest
mit der Welle 1 zu verbinden.
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Weiterhin
umfasst der Drehgeber 2 eine im Inneren seines Gehäuses 4 angeordnetes,
mechanisches einstufiges Getriebe, das im vorliegenden Fall aus
zwei Zahnrädern 15, 16 besteht, von denen
das größere Eingangszahnrad 15 zur Hohlwelle 12 konzentrisch
angeordnet und mit dieser drehfest verbunden ist.
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Das
kleinere, zweite Zahnrad 16, das in etwa den halben Durchmesser
des Eingangszahnrades 15 besitzt, ist drehfest mit einer
sich parallel zur Antriebswelle 1 erstreckenden Sensorwelle 18 verbunden,
die im Gehäuse 4 mit Hilfe von Lagern 20 drehbar
gelagert ist, sodass sich das zweite Zahnrad 16 um seine
geometrische Drehachse 17 drehen kann.
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An
ihrem freien, oberen Ende trägt die Sensorwelle
18 einen
scheibenförmigen, diametral magnetisierten Permanentmagneten
22,
dessen Nord- und Süd-Polachse senkrecht zur Drehachse
17 der Sensorwelle
18 so
verläuft, dass die beiden Pole von der Drehachse
17 gleiche
Abstände aufweisen. Der Permanentmagnet
22 ist
konzentrisch von zwei blechförmigen, gemeinsam mit ihm
rotierenden ferromagnetischen Flussleitkörpern
25,
25 umgeben,
die jeweils die Form eines sich über einen Winkel von ca. 90° des
zur Drehachse
17 konzentrischen Vollkreises erstreckenden
Hohlzylindersegments mit geringer axialer Höhe aufweisen.
Diese Flussleitkörper
25,
25 lenken die
zunächst aus dem Permanentmagneten
22 in etwa
horizontal austretenden magnetischen Feldlinien nach oben hin so
um, dass die sich schließenden Feldlinien einerseits einen
Wiegand-Draht
28, der sich senkrecht zur Zeichenebene der
1 erstreckt
und auf den eine Induktionsspule
29 aufgewickelt ist, und
andererseits ein zusätzliches Sensorelement
33 durchsetzen,
dessen Ausgangssignal gemäß der
DE 102 59 223 B3 gemeinsam
mit den von der Induktionsspule
29 gelieferten Signalen
ein vorzeichenrichtiges Zählen der Segmente ermöglicht..
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Die
Flussleitkörper 25, 25 ermöglichen
es, die radialen Abstände zwischen den Polen des Permanentmagneten 22 und
dem aus ferromagnetischem Material bestehenden Gehäuse 4 klein
zu hallten, ohne dass ein magnetischer Kurzschluss erfolgt. Besteht
das Gehäuse 4 aus elektrisch leitendem Material
vermeiden die Flussleitkörper 25, 25 die
Erzeugung von Wirbelströmen auch dann, wenn sich der Permanentmagnet 22 mit
hoher Drehzahl dreht.
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Eine
sich horizontal durch das Gehäuse 4 erstreckende,
aus Kunststoff bestehende Platine 30 trägt den
Wiegand-Draht 28 mit der auf ihn aufgewickelter Induktionsspule 29.
Die Platine 30 kann ein- oder beidseitig Leitbahnen aufweisen,
die zur Stromversorgung der Sensorbauelemente sowie dazu dienen,
die Signalanschlüsse der Induktionsspule 29 mit einer
symbolisch angedeuteten, vorzugsweise als integrierter Schaltkreis bzw.
Chip ausgebildeten Elektronikschaltung 32 und das zusätzliche
Sensorelement 33 zu verbinden, die über (nicht
dargestellte) Anschlussleitungen, die aus dem Gehäuse 4 herausgeführt
sind, die vom Drehgeber 2 erzeugten Zählwerte
an einen Verwender weitergibt. Das zusätzliche Sensorelement 33 ist
hier eine Hall-Sonde, kann aber auch eine Feldplatte oder ein ähnliches
magnetfeldempfindliches Element sein.
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Das
zweite Zahnrad 16, der mit ihm drehfest verbundene Permanentmagnet 22,
die Flussleitkörper 25, 25, der Wiegand-Draht 28,
die Induktionsspule 29, die Elektronikschaltung 32 und
das zusätzliche Sensorelement 33 bilden hier eine
Sensorbaugruppe die als autonomer Segmentzähler ausgebildet
ist.
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Da
das Getriebe ein Übersetzungsverhältnis von 1:2
besitzt, sich also das zweite Zahnrad 16 doppelt so oft
dreht, wie das Eingangszahnrad 15, liefert der autonome
Segmentzähler für jede volle Umdrehung der Welle 1 vier
Zählimpulse. Die Elektronikschaltung 32 enthält
einen entsprechenden Zähler, dessen Zählkapazität
so gut wie keinen größen- oder kostenmäßigen
Einschränkungen unterliegt, so dass es für jeden
Anwendungsfall möglich ist, sie so groß zu wählen,
dass es mit Sicherheit nicht zu einem Überlauf des Multiturn-Zählers
kommt.
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Ein
mit einem rotierenden Permanentmagneten, einem Wiegand-Draht und
einer Induktionsspule arbeitender, absoluter Segmentzähler
ist beispielsweise der
DE
102 59 223 B3 zu entnehmen, auf die hinsichtlich der Einzelheiten
verwiesen wird. Allerdings sei ausdrücklich betont, dass
in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Drehgeber
2 auch
andere Ausführungsformen von absoluten Segmentzählern
verwendet werden können. Wesentlich ist lediglich, dass
der Segmentzähler aus kleinen, kostengünstigen
Bauteilen besteht und in der Lage ist, die für die Erzeugung
von Zählimpulsen und deren Erfassung und Zwischenspeicherung
erforderliche elektrische Energie aus der Drehbewegung der Antriebswelle
1 abzuleiten,
so dass er auch dann einwandfrei zählen kann, wenn keinerlei
Stromversorgung aus einem Netz, einer Batterie oder dergleichen
erfolgt.
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Zwar
ist es prinzipiell möglich, das Übersetzungsverhältnis
des Getriebes exakt 1:2, 1:3, 1:4, usw. zu wählen. Um jedoch
die Abnützung der Zahnräder 15, 16 möglichst
gering zu halten, ist bevorzugt, für die Anzahl der Zähne
der beiden Zahnräder 15, 16 zwei Primzahlen
zu wählen, deren Produkt möglichst groß ist,
so dass erst nach einer diesem Produkt entsprechenden Anzahl von
Umdrehungen wieder die gleichen Zähne der Zahnräder 15, 16 ineinander
greifen. An den oben gemachten Aussagen hinsichtlich der Arbeitsweise
des Segmentzählers ändert sich hierdurch prinzipiell
nichts. Es ist lediglich ein etwas höherer Rechenaufwand
erforderlich, der aber von der Elektronikschaltung 32 zumindest
in den Zeiträumen ohne weiteres geleistet werden kann,
in denen sie mit einer externen oder von einer Batterie kommenden
Stromversorgung in Verbindung steht.
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Der
in 2 dargestellte Drehgeber unterscheidet sich von
dem aus 1 in drei Punkten:
- a) Die Hohlwelle 12, die das Eingangszahnrad 15 drehfest
trägt, ist durchgehend offen, so dass die Antriebswelle 1 durch
sie hindurch geschoben werden kann. Der Deckel 6 weist
eine entsprechende Durchgangsöffnung auf. Diese Anordnung
hat den Vorteil, dass ein solcher Hohlwellen-Drehgeber auch dann
eingesetzt werden kann, wenn das Ende der Antriebswelle 1,
das dem von einem Motor angetriebenen Ende gegenüberliegt,
mit einer weiteren Einheit verbunden werden muss, bei der es sich
beispielsweise um eine Bremse oder eine anzutreibende Maschine oder
dergleichen handelt.
- b) Die ferromagnetischen Flussleitkörper 25, 25 sind
weggelassen, die bei der Variante nach 1 zu einer
besseren Führung der Magnetfeldlinien des Permanentmagneten 22 dienen.
Diese Flussleitkörper 25, 25 können
jedoch auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 2 zum
Einsatz kommen. Umgekehrt ist es prinzipiell auch möglich,
sie bei dem Ausführungsbeispiel nach 1 wegzulassen.
Um dann die Gefahren eine magnetischen Kurzschlusses bzw. einer
Wirbelstromerzeugung zu vermeiden, sollte das Gehäuse 4 dann
aus einem nicht ferromagnetischen bzw. einem elektrisch nicht leitenden
Material bestehen. Ein Solcher Drehgeber ist für Einsatzbedingungen
geeignet, bei denen keine Störung durch äußere
Magnetfelder auftreten kann, beispielsweise wenn ohnehin eine den
Drehgeber umschließende Magnetfeldabschirmung vorhanden
ist.
- c) Der wesentlichste Unterschied ist jedoch, dass die hier gezeigte
Sensorbaugruppe zusätzlich zum Segmentzähler zur
verbesserten Feinauflösung der 360° Volldrehung
der Sensorwelle 18 einen Singleturn umfasst, dessen Singleturn-Erregeranordnung
ebenfalls vom Permanentmagneten 22 gebildet wird, d. h.
mit der des Segmentzählers identisch ist, und der weiterhin
als Singleturn-Sensoranordnung eine von der Platine 30 auf ihrer
Unterseite getragene, vorzugsweise vier Quadranten umfassende Hallsonde 27 sowie
eine erweiterte Verarbeitungselektronik 32' aufweist, die
nicht nur zur zählenden Erfassung der von der Segmentzähler-Sensoranordnung
gelieferten Zählimpulse sondern auch zur Auswertung der von
der Hallsonde 27 kommenden Signale sowie zur Berechnung
der momentanen Winkelstellung der Antriebswelle 1 ausgebildet
ist. Das zusätzliche Sensorelement 33 kann hier
entfallen.
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Auch
der vom Permanentmagneten 22 und der Hall-Sonde 27 gebildete
Singleturn ist aus dem Stand der Technik bekannt und bedarf daher
keiner weiteren Beschreibung. Wegen des oben bereits erwähnten Übersetzungsverhältnisses
des Getriebes dreht sich die Singleturn-Erregeranordnung um 360° wenn
sich die Antriebswelle 1 um 180° dreht, d. h.
der Singleturn liefert für die zweite Halbdrehung der Antriebswelle 1 die
gleichen Ausgangssignale wie für die erste. Eine Kombination
der von ihm gelieferten Signale mit den Zählwerten des
Segmentzählers ermöglicht es jedoch, jederzeit
exakt zu bestimmen, welche Hälfte des 360° betragenden
Vollkreises von der Welle 1 gerade durchlaufen wird. Ein
besonderer Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass sich das Auflösungsvermögen
entsprechend dem Übersetzungsverhältnis des Getriebes
erhöht
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Auch
bei der in 3 gezeigten Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Drehgebers erstreckt sich
die Antriebswelle 1 vollständig durch das Gehäuse 4 hindurch,
so dass ihr abtriebsseitiges Ende mit einer weiteren Einheit gekoppelt
werden kann.
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Ein
erster Unterschied zu den vorausgehenden Ausführungsbeispielen
besteht darin, dass hier die beiden Zahnräder 15, 16 den
gleichen Durchmesser aufweisen, sich das zweite Zahnrad 16 also
mit der gleichen Geschwindigkeit dreht wie das Eingangszahnrad 15 und
damit auch wie die Welle 1.
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Weiterhin
ist das Zahnrad 16 mit Hilfe eines Lagers 34 frei
drehbar auf einer fest mit dem Gehäuse 4 verbundenen
Achse 35 montiert. Das zweite Zahnrad 16 trägt
auf seiner in der 3 oben liegenden Stirnseite
eine Permanentmagnet-Anordnung, die von zwei Permanentmagneten 39, 40 in
Form vertikal stehender Hohlzylindersegmente gebildet wird, von
denen sich jedes bis zu einem Winkel von maximal 180°,
vorzugsweise jedoch von 90° des zur Achse 35 konzentrischen
Vollkreises erstreckt, und die auf ihrer Außenseite von
einem einen Rückschlusskörper bildenden, vollständigen
Hohlzylinder 41 aus ferromagnetischem Material umgeben
sind, der einen sehr kleinen Abstand der Permanentmagnete 39, 40 vom
ferromagnetischen Gehäuse 4 ermöglicht,
ohne dass die Gefahr eines magnetischen Kurzschlusses besteht. Die
Polaritäten der beiden Permanentmagnete 39, 40 sind
einander entgegengesetzt, d. h. der Nord-Pol des einen Permanentmagneten 39 liegt
im Inneren des umschlossenen Hohlzylinderraums, während
der Nord-Pol des anderen Permanentmagneten 40 auf der Außenseite
liegt.
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Mit
dieser Anordnung ergibt sich im Inneren des so gebildeten Hohlzylinderraums
zumindest in dem Bereich, in welchem sich die Hall-Sonde 27 befindet,
ein sehr gleichförmiges Magnetfeld, so dass die Hall-Sonde 27 als
Singleturn mit hohem Auflösungsvermögen arbeiten
kann. Um die Hall-Sonde 27 in diesen Bereich zu bringen,
ist sie auf einer eigenen Platine 42 montiert, die über
nach unten ragende Halter 44 an der Platine 30 befestigt
ist. Auch sind der Wiegand-Draht 28 und die ihn umgebende
Induktionsspule 29 so auf der Unterseite der Platine 30 montiert,
dass sie in das Innere des von dem Magnetfeld erfüllten
Hohlzylinderraums hineinragen. Das zusätzliche Sensorelement 33 kann
hier ebenfalls entfallen.
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Auch
bei diesem Ausführungsbeispiel ist also eine Sensorbaugruppe
vorhanden, die sowohl einen Segmentzähler als auch einen
hoch fein auflösenden Singleturn umfasst.
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4 zeigt
einen Drehgeber 2, der sich von den vorausgehend beschriebenen
dadurch unterscheidet, dass zwei Sensorbaugruppen mit zwei zweiten
Zahnrädern 16 und 16', 16'' vorhanden
sind, von denen jedes mit dem Eingangszahnrad 15 in Eingriff
steht und mit einer Welle 18 bzw. 18' fest verbunden
ist, die mit Hilfe von Lagern 20 bzw. 20' im Flansch 8 drehbar
gelagert ist, wobei das zweite Zahnrad des auf der linken Seite
der 4 dargestellten Singleturns in zwei Teilzahnräder 16', 16'' mit einer
dazwischen eingefügten Tellerfeder 34 unterteilt
ist, um in der oben beschriebenen Weise Spielfreiheit zu erzielen.
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Sowohl
das zweite Zahnrad 16, als auch das Teilzahnrad 16' trägt
jeweils einen Permanentmagneten 22 bzw. 22', von
denen der Permanentmagnet 22 der in 4 rechts
dargestellten Sensorbaugruppe als Erregeranordnung für
einen Segmentzähler mit Wiegand-Draht 28 und Induktionsspule 19 und
der Permanentmagnet 22' auf der linken Seite gezeigten Sensorbaugruppe
als Erregeranordnung für einen Singleturn mit einer Hallsonde 27 dient.
Die zweiten Zahnräder 16 und 16', 16'' besitzen
bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel die gleiche Anzahl
von Zähnen. Bei einer solchen Ausbildung des Drehgebers eine
getrennte Optimierung der jeweiligen Sensorbaugruppen-Geometrie
möglich. Dabei können sowohl die Erreger- als
auch die Sensoranordnungen unterschiedlich ausgebildet sein. Die
Hallsonde 27 des Singleturns übernimmt auch hier
die Aufgabe des zusätzlichen Sensorelementes 33 des
Segmentzählers.
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Zwei
oder mehr identische Sensorbaugruppen, von denen beispielsweise
jede sowohl einen Segmentzähler als auch einen Singleturn
umfasst, kommen vorteilhafter Weise immer dann zum Einsatz, wenn
aus Sicherheitsgründen Redundanz erforderlich ist. Wegen
der bezüglich der Antriebswelle 1 radialsymmetrischen
Form des Gehäuses 4 vergrößert
sich die Baugröße dabei nicht.
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Gewünschten
Falls können die beiden zweiten Zahnräder 16, 16' auch
unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.
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Der
in 5 dargestellte Drehgeber 2 entspricht
dem Drehgeber aus 2 mit der Ausnahme, dass hier
gemäß der Erfindung eine als integrierter Schaltungschip
ausgebildete Sensoranordnung 46 vorgesehen ist, für
die zwei verschiedene Ausführungsformen möglich
sind
- a) Es können in den Schaltungschip
sowohl ein Wiegand-Draht mit Induktionsspule (Segmentzähler)
als auch eine 4-Quadranten-Hallsonde (Singleturn) oder andere, eine
entsprechende Funktion ausübende Bauelemente sowie die Elektronikschaltung
und ein μ-Controller integriert sein.
- b) Der integrierte Schaltungschip umfasst nur einen Wiegand-Draht
mit Induktionsspule, das zusätzliche Sensorelement als
Hall-Sonde sowie die Elektronikschaltung und einen μ-Controller.
Wird dann statt eines Permanentmagneten 22 mit zwei Polen
ein mehrpoliger Permanentmagnet verwendet, so dass pro Umdrehung
des zweiten Zahnrades 16 beispielsweise sechs Zählimpulse
erzeugt werden, dann ergeben sich bei einer Getriebeübersetzung
von 1:12 je ganzer Umdrehung der Antriebswelle 1 zweiundsiebzig
Zählimpulse, sodass nicht nur die entsprechenden Volldrehungen aus
dem Segment-Zählwert berechnet werden können sondern
auch eine Winkel-„Feinauflösung” in 5°-Schritten
möglich ist.
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Alternativ
zu den dargestellten Ausführungsbeispielen ist auch möglich,
ein Getriebe mit mehr als einer Stufe zu verwenden.
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Aus
Gründen einer entsprechend vorgegebenen Bauform kann es
vorteilhaft sein, statt der gezeigten zylindrischen Zahnräder
kegelige Zahnräder zu verwenden, so dass wenigstens eine
der Sensorachsen senkrecht zur Antriebswelle steht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0658745
A2 [0004]
- - DE 19506938 A1 [0009]
- - DE 10259223 B3 [0014, 0042, 0047]
- - DE 2008/001305 [0014]