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Die vorliegende Erfindung betrifft einen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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In vielen elektrischen bzw. elektronischen Geräten, insbesondere auch in Haushaltsgeräten wie Herden, Kochfeldern, Mikrowellenöfen, Spülmaschinen, Waschmaschinen, Wäschetrocknern und dergleichen, werden häufig berührungsempfindliche Tastschalter bzw. Berührungs- und/oder Annäherungsschalter eingesetzt, die durch ein einfaches Berühren oder bloßes Annähern durch einen Benutzer zum Beispiel einen bestimmten Schaltvorgang auslösen und/oder eine Geräteeinstellung ändern.
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Im Fall eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters bildet ein kapazitives Sensorelement aus einem elektrisch leitfähigen Material zusammen mit zum Beispiel einem Finger des Benutzers über eine als Dielektrikum wirkende Abdeckplatte aus einem elektrisch isolierenden Material eine Kapazität, die entsprechend dem Betätigen des Schalters, d. h. dem Berühren oder Nicht-Berühren eines dem kapazitiven Sensorelement zugeordneten Berührungsfeldes der Abdeckplatte variabel ist. Die Veränderung des Kapazitätswertes des kapazitiven Sensorelements wirkt sich entsprechend auf ein Ausgangssignal der Sensorschaltung aus, welches von einer Auswerteelektronik verarbeitet und ausgewertet werden kann, um ggf. eine Betätigung des kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters zu interpretieren.
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Bei herkömmlichen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschaltern, wie sie zum Beispiel aus der
DE 10 2005 053 792 A1 , der
DE 10 2007 050 654 A1 oder der
DE 10 2009 005 008 A1 bekannt sind, weist das kapazitive Sensorelement eine Druckfeder aus einem elektrisch leitenden Material auf, welche sich unmittelbar oder mittelbar auf der Trägerplatte abstützt und einen Sensorabschnitt oder ein Kontaktelement in Richtung zur Abdeckplatte drückt. Ferner sind die in diesen Druckschriften gezeigten Berührungsschalter mit einer Lichtquelle verbunden, die auf der Trägerplatte angeordnet ist, um das Berührungsfeld der Abdeckplatte zu hinterleuchten und so den Berührungsschalter für den Benutzer zu kennzeichnen. Im Fall der
DE 10 2007 050 654 A1 und der
DE 10 2009 005 008 A1 sind zwischen der Lichtquelle und dem Berührungsfeld der Abdeckplatte zudem komplex geformte Lichtleiter vorgesehen, um das Licht möglichst verlustfrei zum Berührungsfeld zu transportieren und eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung des Berührungsfeldes zu erreichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter zu schaffen, der eine möglichst gleichmäßige Hinterleuchtung des Berührungsfeldes bereitstellen kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalter mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße kapazitive Berührungs- und/oder Annäherungsschalter weist eine Abdeckplatte, in bzw. auf der ein Berührungsfeld für einen Benutzer definiert ist; eine Trägerplatte, die in einem Abstand zur Abdeckplatte angeordnet ist; wenigstens eine Lichtquelle, die auf der Trägerplatte angeordnet ist; und ein elektrisch leitfähiges Sensorelement, das zwischen dem Berührungsfeld der Abdeckplatte und der Trägerplatte angeordnet ist, auf. Das Sensorelement wiederum weist wenigstens ein elektrisch leitfähiges Kontaktelement auf, welches mit wenigstens einem elektrisch leitfähigen Gegenkontaktelement der Trägerplatte elektrisch leitend verbunden ist. Weiter weist das Sensorelement einen im Wesentlichen plattenförmigen Sensorabschnitt auf, der im Wesentlichen parallel zum Berührungsfeld der Abdeckplatte angeordnet ist, wobei dieser Sensorabschnitt perforiert ausgebildet ist. Zusätzlich ist eine Streuscheibe zwischen diesem perforierten Sensorabschnitt des Sensorelements und dem Berührungsfeld der Abdeckplatte angeordnet.
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Da das Sensorelement einen im Wesentlichen plattenförmigen Sensorabschnitt aufweist, der im Wesentlichen parallel zum Berührungsfeld der Abdeckplatte angeordnet ist, kann das Sensorelement eine relativ große Sensorfläche zur Verfügung stellen, wodurch die Funktionsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters verbessert werden. Durch die Perforation dieses Sensorabschnitts des Sensorelements wird eine Lichtdurchlässigkeit erreicht, sodass das Berührungsfeld der Abdeckplatt auf einfache Weise, d. h. insbesondere geradlinig und ohne komplexe Lichtleitelemente, hinterleuchtet werden kann und ein möglichst kompakter Berührungs- und/oder Annäherungsschalter geschaffen werden kann. Um eine möglichst gleichmäßige Hinterleuchtung des Berührungsfeldes zu erreichen, ist zwischen dem perforierten Sensorabschnitt des Sensorelements und dem Berührungsfeld der Abdeckplatte eine Streuscheibe angeordnet.
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Um die Strahlungsverluste bei der Hinterleuchtung des Berührungsfeldes zu minimieren, ist die Streuscheibe bevorzugt in direktem Kontakt sowohl zum perforierten Sensorabschnitt des Sensorelements als auch zum Berührungsfeld der Abdeckplatte angeordnet.
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Die „Abdeckplatte” stellt bevorzugt eine Blende zum Beispiel eines elektronischen Haushaltsgerätes dar. Das „Berührungsfeld” in bzw. auf dieser Abdeckplatte soll den berührungs- bzw. annäherungsempfindlichen Bereich des kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters für den Benutzer definieren. Das Berührungsfeld kann eine optische und/oder haptische Kennzeichnung aufweisen; es kann auch lediglich durch die bereitgestellte Hinterleuchtung für den Benutzer kenntlich gemacht werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die „Trägerplatte” zum Beispiel eine Leiterplatte oder eine Kunststoffplatte sein. Die Trägerplatte kann außerdem als ein stabiler Plattenkörper ausgebildet sein oder nur Folienstärke aufweisen. Außerdem ist die Positionierung und Ausrichtung dieser Trägerplatte grundsätzlich beliebig; sie kann wie bei herkömmlichen Konstruktionen im Wesentlichen parallel zu der Abdeckplatte oder auch in einem von Null Grad verschiedenen Winkel zu dieser angeordnet werden.
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Mit dem elektrisch leitfähigen Sensorelement ist zudem eine Auswerteelektronik zum Verarbeiten und Auswerten der von der Sensorschaltung erzeugten Ausgangssignale verbunden, um ein Betätigen des Schalters durch ein Berühren/Annähern bzw. Nicht-Berühren/Annähern festzustellen. Von dieser Auswerteelektronik zu unterscheiden ist die Steuerung z. B. des Haushaltsgerätes, mit welcher die Auswerteelektronik verbunden ist. In einigen Anwendungen kann die Auswerteelektronik auch in diese Steuerung integriert sein. Die Auswerteelektronik kann auf der Trägerplatte angeordnet sein oder separat von dieser platziert sein. Ebenso kann die Steuerung entweder auf der Trägerplatte oder separat von dieser angeordnet sein.
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Der „im Wesentlichen plattenförmige Sensorabschnitt” des Sensorelements kann eine Schichtdicke in Folienstärke bis hin zu einigen mm oder sogar cm aufweisen. Der „Sensorabschnitt” des Sensorelements kann in diesem Zusammenhang ein integraler Bestandteil des Sensorelements sein oder eine separate Komponente, die mit dem wenigstens einen Kontaktelement des Sensorelements elektrisch leitend in Verbindung steht.
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Der Begriff „Perforation” umfasst in diesem Zusammenhang alle Arten einer Durchlochung des Sensorabschnitts, insbesondere beliebige Formen, Größen und Anzahlen der Durchlochungen sowie regelmäßige und auch unregelmäßige Anordnungen der Durchlochungen. Die Durchlochungen sind dabei bevorzugt so gewählt, dass eine ausreichende Menge des von der wenigstens einen Lichtquelle erzeugten Lichts durch den Sensorabschnitt hindurchtreten kann, um das Berührungsfeld der Abdeckplatte zu hinterleuchten. Die Ausgestaltung der Durchlochungen wird dabei in Abhängigkeit von der von der wenigstens einen Lichtquelle erzeugten Lichtstärke, der Wellenlänge des erzeugten Lichtes, dem Abstand zwischen der wenigstens einen Lichtquelle und dem Sensorabschnitt, der Schichtdicke des Sensorabschnitts, der Schichtdicke der Streuscheibe, der Schichtdicke der Abdeckplatte bzw. des Berührungsfeldes, der Lichtdurchlässigkeit der Streuscheibe, der Lichtdurchlässigkeit der Abdeckplatte bzw. des Berührungsfeldes und dergleichen gewählt werden können.
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Unter dem Begriff „Streuscheibe” soll in diesem Zusammenhang ein im Wesentlichen plattenförmiges Element in Platten- oder Folienstärke verstanden werden, das zumindest teilweise lichtdurchlässig ausgebildet ist und eine möglichst homogene Intensitätsverteilung des von der wenigstens einen Lichtquelle erzeugten und durch den perforierten Sensorabschnitt des Sensorelements hindurchgetretenen Lichts über möglichst die gesamte Fläche des Berührungsfeldes bewirkt, um eine möglichst gleichmäßige und vollständige Hinterleuchtung des Berührungsfeldes der Abdeckplatte zu erreichen. Das Material und die Schichtdicke der Streuscheibe werden dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von der verwendeten Wellenlänge und der gewünschten Intensität der Hinterleuchtung gewählt werden.
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Das „wenigstens eine” Kontaktelement des elektrisch leitfähigen Sensorelementes und das „wenigstens eine” Gegenkontaktelement auf der Trägerplatte können sich in ihren Anzahlen wahlweise entsprechen oder unterscheiden. So kann zum Beispiel einem Kontaktelement genau ein Gegenkontaktelement zugeordnet sein oder es können zum Beispiel mehrere Kontaktelemente mit einem Gegenkontaktelement verbunden werden oder umgekehrt. Außerdem soll der Begriff des „wenigstens einen” (Gegen-)Kontaktelementes jeweils genau ein Element und auch mehrere Elemente, insbesondere zwei, drei oder vier Elemente umfassen. Das Vorsehen insbesondere mehrerer Kontaktelemente an dem Sensorelement kann die Kontaktierungssicherheit zur Auswerteelektronik erhöhen.
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Die wenigstens eine „Lichtquelle” auf der Trägerplatte kann eine Leuchtdiode (LED) sein. Es können insbesondere eine, zwei, drei oder mehr Leuchtdioden auf der Trägerplatte vorgesehen sein. Dabei können im Fall mehrerer Leuchtdioden auch Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlängen eingesetzt werden, um die Farbe der Hinterleuchtung des Berührungsfeldes in Abhängigkeit zum Beispiel vom Betriebszustand des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters oder des Haushaltsgerätes anzusteuern.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Streuscheibe aus einem Kunststoffmaterial gefertigt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Streuscheibe eine Gestalt (insbesondere Form und/oder Größe) auf, die im Wesentlichen der Gestalt (insbesondere Form und/oder Größe) des Berührungsfeldes der Abdeckplatte entspricht. Hierdurch können die Funktionssicherheit und die Zuverlässigkeit des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters erhöht werden.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zudem wenigstens ein Grafikelement zum Kennzeichnen des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters vorgesehen. Dieses wenigstens eine Grafikelement kann in die Streuscheibe integriert, in den Sensorabschnitt des Sensorelements integriert, in das Berührungsfeld der Abdeckplatte integriert, zwischen dem Sensorabschnitt des Sensorelements und der Streuscheibe angeordnet und/oder zwischen der Streuscheibe und dem Berührungsfeld der Abdeckplatte angeordnet sein. Unter dem Begriff „Grafikelement” werden in diesem Zusammenhang alle Arten von grafischen Elementen verstanden, welche geeignet sind, den Berührungs- und/oder Annäherungsschalter für den Benutzer optisch zu kennzeichnen. Hierzu zählen zum Beispiel Schablonen, Masken, Einfärbungen und dergleichen.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist das Sensorelement von einem im Wesentlichen lichtundurchlässigen Gehäuse umgeben, das sich im Wesentlichen zwischen der Trägerplatte und der Abdeckplatte erstreckt. Unter den Begriff „Gehäuse” sollen in diesem Zusammenhang alle Arten von offenen oder geschlossenen Gehäusen und Rahmen verstanden werden, die geeignet sind, die Strahlungsverluste des von der wenigstens einen Lichtquelle erzeugten Lichts zu reduzieren. Die Gestalt (insbesondere Form und/oder Größe) dieses Gehäuses ist grundsätzlich beliebig.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann das Sensorelement als eine Druckfeder ausgebildet sein, welche sich (unmittelbar oder mittelbar) auf der Trägerplatte abstützt und den Sensorabschnitt in Richtung zur Abdeckplatte drückt. Hierdurch kann ein vorbestimmter Abstand zwischen dem Sensorabschnitt des Sensorelements und dem Berührungsfeld der Abdeckplatte gewährleistet werden, wodurch die Funktionsfähigkeit und die Zuverlässigkeit des Berührungs- und/oder Annäherungsschalters verbessert werden können.
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Vorteilhaft ist das Sensorelement als eine Flachformfeder ausgebildet. Eine Flachformfeder stellt ein einfach herzustellendes und zu montierendes Bauteil zur Realisierung des als Druckfeder ausgebildeten Sensorelements dar. Unter einer „Flachformfeder” sollen in diesem Zusammenhang alle Federelemente verstanden werden, die als ein im Wesentlichen flaches Bauteil vorgefertigt (z. B. gestanzt) und dann in ihre endgültige Form geformt (z. B. gebogen) werden. Die Flachformfeder ist bevorzugt aus einem Federstahl gebildet.
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In einer noch weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann zwischen der Lichtquelle auf der Trägerplatte und dem Sensorabschnitt des Sensorelements wenigstens ein Lichtleitelement angeordnet sein. Auf diese Weise können die Strahlungsverluste des von der wenigstens einen Lichtquelle erzeugten Lichts reduziert werden.
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Der kapazitive Berührungs- und/oder Annäherungsschalter der Erfindung kann in vorteilhafter Weise in einer Bedienvorrichtung, insbesondere einer Bedienvorrichtung eines elektrischen bzw. elektronischen Haushaltsgerätes wie eines Herdes, eines Kochfeldes, eines Mikrowellenofens, einer Spülmaschine, einer Waschmaschine, eines Wäschetrockners und dergleichen eingesetzt werden.
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Obige sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter, nicht-einschränkender Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser verständlich. Darin zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Draufsicht eines als Flachformfeder ausgebildeten Sensorelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine schematische Querschnittsansicht eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 wird nun zunächst ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Berührungs- und/oder Annäherungsschalters näher beschrieben.
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Der Berührungs- und/oder Annäherungsschalter weist eine Abdeckplatte 10 auf, die beispielsweise ein Teil einer Bedienblende eines elektronischen Haushaltsgerätes ist. Diese Abdeckplatte 10 ist üblicherweise aus einem elektrisch isolierenden Material gefertigt. Auf der dem Benutzer abgewandten Seite der Abdeckplatte 10 ist mit einem Abstand zu dieser eine Trägerplatte 12 zum Beispiel in Form einer Leiterplatte angeordnet. Im Ausführungsbeispiel von 1 ist diese Trägerplatte 12 im Wesentlichen parallel zur Abdeckplatte 10 angeordnet.
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In der Abdeckplatte 10 ist ein Berührungsfeld 14 definiert, um den Berührungs- und/oder Annäherungsschalter für den Benutzer zu kennzeichnen. Diese Kennzeichnung kann zum Beispiel durch eine optische und/oder haptische Kennzeichnung des Berührungsfeldes 14 oder allein durch die noch zu erläuternde Hinterleuchtung des Berührungsfeldes 14 erfolgen.
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Zwischen dem Berührungsfeld 14 der Abdeckplatte 10 und der Trägerplatte 12 ist ein kapazitives Sensorelement 16 angeordnet, welches im Wesentlichen aus einer Druckfeder aus einem elektrisch leitfähigen Material gebildet ist. Vorzugsweise ist diese Druckfeder 16 als eine Flachformfeder ausgestaltet, wie in 2 veranschaulicht.
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Erfindungsgemäß weist die Druckfeder 16 einen Sensorabschnitt 18 aus einem elektrisch leitfähigen Material auf, das mit einer Perforation 19 versehen ist. Form und Größe dieses perforierten Sensorabschnitts 18 entsprechen im Wesentlichen der Gestalt des Berührungsfeldes 14 der Abdeckplatte 10. Im geformten und eingebauten Zustand der Druckfeder 16 erstreckt sich deren perforierter Sensorabschnitt 18 im Wesentlichen parallel zur Abdeckplatte 10 bzw. deren Berührungsfeld 14.
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Wie in der Seitendarstellung von 1 zu erkennen, hat das Sensorelement 16 im eingebauten Zustand im Wesentlichen die Form von zwei einander zugewandten F (griechischer Buchstabe Sigma), wobei der perforierte Sensorabschnitt 18 diese beiden F miteinander verbindet. Zu beiden Seiten des Sensorabschnitts 18 erstrecken sich Schenkel 29 in Richtung zur Trägerplatte 12, die mehrfach gebogen sind (Biegestellen 28 in 2), um die Druckfederwirkung zu erzielen.
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An ihren der Trägerplatte 12 zugewandten Enden haben diese Schenkel 29 jeweils einen Kontaktabschnitt 20 und zwei Befestigungselemente 22. Die Kontaktabschnitte 20 werden im Wesentlichen parallel zur Trägerplatte 12 gebogen und stützen sich gegen Gegenkontaktelemente 24 auf der Trägerplatte 12 ab. Diese elektrisch leitfähigen Gegenkontaktelemente 24 stehen mit der Auswerteelektronik (nicht dargestellt) in Verbindung, sodass auch das diese kontaktierende Sensorelement 16 mit der Auswerteelektronik in Verbindung steht. Zur Positionierung und Befestigung des Sensorelements 16 greifen dessen Befestigungselemente 22 in entsprechende Montagelöcher 26 in der Trägerplatte 12 ein. Das Sensorelement 16 kann wahlweise nur auf die Trägerplatte 12 aufgesetzt werden oder mit dieser an den Kontaktelementen 20 und/oder den Befestigungselementen 22 verlötet werden.
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Wie in 1 dargestellt, ist zwischen dem Sensorabschnitt 18 des Sensorelements 16 und dem Berührungsfeld 14 der Abdeckplatte 10 eine Streuscheibe 30 aus einem lichtdurchlässigen Kunststoffmaterial angeordnet. Die Gestalt, d. h. die Form und die Größe, dieser Streuscheibe 30 entsprechen im Wesentlichen jener des Berührungsfeldes 14 bzw. des Sensorabschnitts 18 des Sensorelements 16. Die Schichtdicke der Streuscheibe 30 beträgt zum Beispiel etwa 2 mm. In dieser Streuscheibe 30 kann optional ferner ein Grafikelement 32 in Form einer Schablone oder Maske integriert sein.
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Im Bereich innerhalb des Sensorelements 16 ist ferner auf der Trägerplatte 12 eine Lichtquelle 34 in Form einer LED angeordnet, welche in diesem Ausführungsbeispiel von der der Abdeckplatte 10 abgewandten Seite durch die Trägerplatte 12 hindurch gesteckt ist. Das von dieser LED 34 in Richtung auf die Abdeckplatte 10 ausgesendete Licht durchdringt die Perforation 19 des Sensorabschnitts 18 und wird in der Streuscheibe 30 homogen verteilt. Das Berührungsfeld 14 der Abdeckplatte 10 wird auf diese Weise gleichmäßig und vollflächig hinterleuchtet.
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Um die Strahlungsverluste auf dem Weg von der LED 34 zum Berührungsfeld 14 der Abdeckplatte 10 zu minimieren, ist das Sensorelement 16 von einem Gehäuse 40 umgeben. Dieses Gehäuse 40 ist im Wesentlichen lichtundurchlässig ausgebildet und erstreckt sich im Wesentlichen von der Trägerplatte 12 zur Abdeckplatte 14. Wie in 1 zu erkennen, umgibt das Gehäuse 40 bevorzugt auch die Streuscheibe 30 zwischen dem Sensorelement 16 und der Abdeckplatte 10.
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Bezug nehmend auf 3 wird nun ein zweites Ausführungsbeispiel eines kapazitiven Berührungs- und/oder Annäherungsschalters gemäß der Erfindung erläutert. Dabei sind gleiche bzw. äquivalente Komponenten mit den gleichen Bezugsziffern wie in 1 und 2 gekennzeichnet.
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Der Berührungs- und/oder Annäherungsschalter dieses Ausführungsbeispiels unterscheidet sich von dem in 1 und 2 dargestellten durch die Art und die Anordnung der Lichtquelle zum Hinterleuchten des Berührungsfeldes 14 der Abdeckplatte 10. Wie in 3 veranschaulicht, weist dieser Berührungs- und/oder Annäherungsschalter als Lichtquelle eine LED 38 in SMD-Technik (surface-mounted device, oberflächenmontierbares Bauelement) auf der Trägerplatte 12 auf.
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Ein weiterer Unterschied gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel von 1 und 2 liegt in dem optionalen Grafikelement 36, welches in diesem Fall als eine Einfärbung der Streuscheibe 30 realisiert ist. Diese Einfärbung kann zum Beispiel über die gesamte Streuscheibe 30 einheitlich sein oder es können verschiedene Bereiche der Streuscheibe 30 unterschiedliche Einfärbungen 36 aufweisen.
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Die weiteren Merkmale und Vorteile des in 3 dargestellten Berührungs- und/oder Annäherungsschalters entsprechen jenen des ersten Ausführungsbeispiels. Auf eine erneute Beschreibung derselben wird deshalb an dieser Stelle verzichtet.
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Außerdem können die Merkmale der beiden Ausführungsbeispiele von 1 und 2 bzw. von 3 in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Obwohl in 1 bis 3 nicht dargestellt, ist es in Ergänzung oder alternativ zu der Anordnung des lichtundurchlässigen Gehäuses 40 um das Sensorelement 16 und die Streuscheibe 30 auch möglich, wenigstens ein Lichtleitelement (nicht dargestellt) zwischen der wenigstens einen Lichtquelle 34, 38 und dem perforierten Sensorabschnitt 18 des Sensorelements 16 anzuordnen, um die Strahlungsverluste zu minimieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005053792 A1 [0004]
- DE 102007050654 A1 [0004, 0004]
- DE 102009005008 A1 [0004, 0004]