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Die Erfindung bezieht sich auf einen als Eingabegerät dienenden projektiven kapazitiven Berührungssensor, d. h. auf einen so genannten projektiven kapazitiven Touchsensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Touchsensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt. Insbesondere Touchscreens, d. h. Berührungsbildschirme bzw. Bildschirme mit integrierten Berührungssensoren sind heutzutage weit verbreitet und ermöglichen als Eingabegeräte die Steuerung eines technischen Gerätes, beispielsweise eines Computers, durch Berührung von Bereichen des Bildschirms. Touchscreens werden beispielsweise als Informationsmonitore, als Komponenten von Point-of-Sales Systemen, als Komponenten von Mobiltelefonen, Notebooks oder Spielautomaten oder zur Steuerung von Industrie-Computern eingesetzt.
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Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Funktionsprinzipien bzw. Touchsensor-Technologien zur Umsetzung der Berührungsempfindlichkeit eines Berührungssensors bekannt.
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Beispielweise sind so genannte resistive Touchsensoren bekannt, welche auf Druck reagieren, der zwei elektrisch leitfähige Schichten stellenweise verbindet. Hierbei wird durch die elektrisch leitfähigen Schichten ein Spannungsteiler gebildet, an dem der elektrische Widerstand gemessen wird, um die Koordinaten der Druckstelle zu ermitteln.
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Als weitere Touchsensor Ausführungen sind so genannte Surface Capacitive Touchsensoren, Infrarot Touchsensoren, akustische Touchsensoren, Laser-Touchsensoren und induktive Touchsensoren bekannt.
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Projektive kapazitive Berührungssensoren nach dem Stand der Technik umfassen zwei Ebenen bzw. Substrate, auf die ein elektrisch leitendes und ggf. transparentes Material in einem speziellen Muster aufgetragen ist. Die mit dem elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen sind durch ein Dielektrikum aus festen oder viskoseartigen Materialien voneinander getrennt. Vorzugsweise ist das elektrisch leitende Material auf den zwei Ebenen jeweils in Form von Streifen angebracht, wobei die Streifen senkrecht zueinander verlaufen.
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Als elektrisch leitendes Material wird in der Regel ein Metalloxid, vorzugsweise Indiumzinnoxid (ITO) verwendet. Durch die Art des aufgebrachten Musters des elektrisch leitenden und ggf. transparenten Materials entstehen kapazitive Knotenpunkte nach dem Prinzip eines Plattenkondensators, die durch ihre charakteristische Knotenkapazität gekennzeichnet sind.
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Bei Anlegen elektrischer Spannung am elektrisch leitenden Material der Ebenen wird an jedem Knotenpunkt zwischen den Ebenen ein elektrisches Feld aufgebaut. Hierbei dient eine Ebene als Sensor und die andere Ebene als Treiber. Bei Berühren eines Knotenpunktes des Touchscreens durch ein elektrisch leitendes Material, beispielsweise durch den Finger eines Benutzers, ändert sich die Kapazität des Knotenpunktes, da Strom abfließt, wodurch das elektrische Feld verändert wird. Diese Veränderung wird durch einen mit der Sensorebene verbundenen Controller erkannt, wodurch die Koordinaten, d. h. die Position der erfolgten Berührung erkannt wird.
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Projektive kapazitive Berührungsbildschirme, d. h. Bildschirme mit integriertem projektiven kapazitiven Berührungssensor, der als Eingabegerät dient, weisen im Vergleich zu den anderen Touchscreen-Technologien den entscheidenden Vorteil auf, dass sie eine vollflächige Bedienung durch eine geschlossene transparente Oberfläche hindurch ermöglichen, die in der Regel aus Glas oder Plexiglas ausgeführt ist. Des Weiteren erfordert die Bedienung derartig ausgeführter Berührungsbildschirme einen sehr geringen Druck, was den Bedienkomfort erhöht. In Abhängigkeit der Empfindlichkeit des projektiven kapazitiven Berührungssensors können derartige Sensoren auch ohne die Notwendigkeit einer Berührung Signale liefern, wenn ein Mindestabstand zwischen dem Sensor und z. B. dem Finger eines Benutzers unterschritten wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass projektive kapazitive Berührungssensoren und somit Bildschirme mit integriertem projektiven kapazitiven Berührungssensor die gleichzeitige Erfassung multipler Fingerpositionen unterstützen.
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Demnach gewinnt die projektiven kapazitiven Berührungssensoren zugrunde liegende Technologie zunehmend an Bedeutung; projektive kapazitive Berührungsbildschirme haben sich als Eingabegeräte für Handhelds, Laptops und Mobiltelefonen durchgesetzt.
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Im Bereich der projektiven kapazitiven Berührungssensoren haben sich unterschiedliche Technologien bezüglich des Lagenaufbaues der Sensoren und der Struktur der Beschichtung mit dem elektrisch leitenden Material etabliert. In der folgenden Beschreibung wird von ITO als elektrisch leitendem Material ausgegangen, wobei auch weitere geeignete Materialen verwendet werden können, wie beispielsweise mit Fluor dotiertes Zinn(IV)-oxid (FTO), mit Aluminium dotiertes Zinkoxid (AZO) oder mit Antimon dotiertes Zinn(IV)-oxid (ATO).
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, bei projektiven kapazitiven Berührungsbildschirmen als Substrate bzw. Trägermaterialien für die ITO-Beschichtung transparente Materialien wie PET-Folien, Glas oder Plexiglas zu verwenden, wobei Glas oder Plexiglas einseitig oder zweiseitig mit ITO beschichtet werden kann; PET-Folien können einseitig beschichtet werden.
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Die ITO-beschichteten Trägermaterialen werden nach dem Stand der Technik vollflächig zu einem mehrschichtigen Lagenaufbau miteinander in der Regel vollflächig verklebt, wobei dieser mehrschichtige Lagenaufbau mittels der ITO-Strukturen jene kapazitiven Knotenpunkte bildet, die von einem Controller zur Berührungsdetektion ausgewertet werden. Wie bereits erläutert, sind die Elemente, die die kapazitiven Knotenpunkte bilden, durch eine elektrisch schwach- oder nichtleitende, nichtmetallische Substanz, d. h. durch ein Dielektrikum, voneinander getrennt. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, als Dielektrikum ausschließlich feste oder viskoseartige Materialen zu verwenden, beispielweise Polykarbonat, Glas oder einen transparenten Kleber.
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Die Knotenpunktkapazität hängt vom Abstand der mit elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen zueinander, d. h. von der Dicke des Dielektrikums, von der Art und Zusammensetzung des Dielektrikums (welches auch aus mehreren Stoffen bestehen kann) und der daraus resultierenden elektrischen Feldkonstante, von der Knotenausführung, die wiederum vom aufgebrachten Muster abhängt und von der effektiven Fläche der als Kondensatorplatten dienenden Teilflächen eines Knotenpunktes ab. Wenn beispielsweise das elektrisch leitende Material auf den zwei Ebenen jeweils in Form von Streifen angebracht ist, die senkrecht zueinander verlaufen, werden die Knoten durch die Kreuzungspunkte dieses Gitters gebildet.
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Mit zunehmender Größe eines Berührungssensors bzw. Berührungsbildschirmes und bei gleichbleibender Auflösung, d. h. bei gleichbleibender Anzahl der kapazitiven Knotenpunkte, vergrößern sich die Strukturen und somit die effektive Fläche der Knoten, die als Kondensatorplatten fungieren, was in einer derartigen Vergrößerung der Knotenpunktkapazität resultiert, dass diese nicht mehr vom Controller ausgewertet werden kann, da der zulässige Auswertebereich des Controllers überschritten wird.
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Eine Reduzierung der Knotenpunktkapazität könnte durch eine Vergrößerung des Abstandes zwischen den zwei mit ITO beschichteten Ebenen erzielt werden, d. h. durch eine Vergrößerung der Dicke der Dielektrikum – Schicht. Dies würde jedoch in einer Dicke resultieren, die mehrere Zentimeter betragen würde, was sich als unbrauchbar erweist, da das Gewicht und die Herstellungskosten sehr stark erhöht werden würden. Zudem würde eine derart dicke Dielektrikum – Schicht einen sehr großen Parallaxenfehler verursachen und eine ggf. gewünschte Transparenz eines Bildschirmes mit integriertem projektiven kapazitiven Berührungssensor signifikant reduzieren.
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Andererseits resultiert eine Erhöhung der Auflösung, d. h. der Anzahl der kapazitiven Knotenpunkte, mit dem Ziel, die Dimensionierung eines Berührungsbildschirmes zu vergrößern, in der Notwendigkeit mehrerer Leitungen aus ITO sowie mehrerer Controller, was wiederum in nachteiliger Weise zu einer Erhöhung der Herstellungskosten führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen als Eingabegerät dienenden projektiven kapazitiven Berührungssensor anzugeben, bei dem eine große Dimensionierung der Sensorfläche ohne die Notwendigkeit mehrerer Controller und bei geringer Dicke der Dielektrikum-Schicht zwischen den beiden Ebenen ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird ein als Eingabegerät dienender projektiver kapazitiver Berührungssensor vorgeschlagen, umfassend eine erste Ebene und eine zweite Ebene, die parallel zueinander angeordnet sind, wobei auf der ersten und der zweiten Ebene jeweils eine Schicht aus einem elektrisch leitenden und transparenten Material in einem speziellen Muster aufgetragen ist, derart, dass in Richtung senkrecht zu den Ebenen betrachtet kapazitive Knotenpunkte nach dem Prinzip eines Plattenkondensators entstehen, bei dem die Ebenen im Gegensatz zum Stand der Technik durch ein Dielektrikum aus einem Gas oder Gasgemisch mit einer sehr kleinen Dielektrizitätskonstante oder durch Luft oder Vakuum voneinander getrennt sind.
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Vakuum im Sinne der Erfindung beschreibt gemäß DIN 28400-1 den Zustand eines Gases oder Gasgemisches, bei dem der Druck des Gases bzw. Gasgemisches niedriger ist als außerhalb des Behälters, in dem sich das Gas oder Gasgemisch befindet oder wenn der Druck des Gases oder Gasgemisches niedriger als 300 mbar ist.
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Die Dielektrizitätskonstante des verwendeten Gases oder Gasgemisches ist kleiner als 2,0 und vorzugsweise kleiner als 1,5.
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Da die Dielektrizitätskonstante eines gasförmigen Dielektrikums, was beispielsweise Luft sein kann, bzw. des Vakuums sehr gering ist, wird auf diese Weise die Kapazität der kapazitiven Knotenpunkte des Berührungssensors erheblich reduziert.
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Beispielsweise beträgt die Dielektrizitätskonstante von Luft bei 18°C und einer Frequenz von 50 Hz 1,00059, im Gegensatz zur Dielektrizitätskonstante von Polykarbonat, das nach dem Stand der Technik als Dielektrikum verwendet wird, die bei 18°C und einer Frequenz von 50 Hz 3,1 beträgt. Glas, was nach dem Stand der Technik ebenfalls als Dielektrikum verwendet wird, hat eine Dielektrizitätskonstante, die je nach Ausführung Werte zwischen 6 und 8 annimmt. Die Dielektrizitätskonstante von transparenten Klebstoffen (OCA), die nach dem Stand der Technik bei vollflächiger Verklebung der mit einem elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen auch als Dielektrikum verwendet werden, nimmt Werte zwischen 3,5 und 5 an.
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Alternativ zum gasförmigen Dielektrikum kann auch ein flüssiges Dielektrikum mit einer sehr geringen Dielektrizitätskonstante verwendet werden.
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Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird die preiswerte Herstellung von großflächigen projektiven kapazitiven Berührungssensoren und somit von projektiven kapazitiven Berührungsbildschirmen mit einem schlanken Design ermöglicht. Es wird nämlich der Effekt erzielt, dass die Kapazität der kapazitiven Knotenpunkte des Berührungssensors auch bei Vergrößerung der Bildschirmfläche und somit der Fläche der mit einem elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen und auch bei gleichbleibender Anzahl der kapazitiven Knotenpunkte derart reduziert bzw. begrenzt wird, dass sie den Auswertebereich des Controllers nicht übersteigt, ohne den Abstand zwischen den mit einem elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen signifikant zu vergrößern. Ferner wird eine hohe Transparenz eines projektiven kapazitiven Berührungssensors bzw. Berührungsbildschirmes – falls gewünscht – gewährleistet, da die erfindungsgemäß als Dielektrikum verwendeten Gase bzw. Gasgemische vorzugsweise transparent sind.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine vollflächige Verklebung der mit einem elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen nicht mehr notwendig ist. Vielmehr würde diese die Kapazität der kapazitiven Knotenpunkte des Berührungssensors erhöhen, da die bekannten Klebstoffe, wie bereits erläutert, eine deutlich höhere Dielektrizitätskonstante als z. B. Luft aufweisen. Darüber hinaus werden durch die erfindungsgemäße Lösung die Herstellungskosten reduziert, da diese Klebstoffe teuer sind.
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Die hier vorgestellte Lösung ermöglicht zudem eine optimale Ausnutzung des Controllers. Des Weiteren wird durch die Verwendung eines gasförmigen Dielektrikums ein thermischer Isolationseffekt erzielt, was beispielsweise die Ausgestaltung von erfindungsgemäß ausgeführten Berührungssensoren bzw. Berührungsbildschirmen als Fensterelemente ermöglicht. Ferner weisen erfindungsgemäß ausgeführte Berührungssensoren bzw. Berührungsbildschirme eine hohe Temperaturbeständigkeit auch bei hoher relativer Luftfeuchte auf.
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Im Rahmen einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, in einen erfindungsgemäß ausgeführten Berührungssensor einen Flüssigkristallbildschirm (LCD) oder einen OLED-Bildschirm zu integrieren.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines projektiven kapazitiven Berührungssensors gemäß der Erfindung;
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2 eine Detailansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform zur Veranschaulichung einer möglichen Anordnung eines Abstandshalters zwischen den beiden mit elektrisch leitendem Material beschichteten Ebenen des projektiven kapazitiven Berührungssensors;
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3 eine schematische Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform eines projektiven kapazitiven Berührungssensors gemäß der Erfindung, bei der der Berührungssensor ein transparentes Display aufweist;
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4 eine schematische Schnittansicht einer dritten Ausführungsform eines projektiven kapazitiven Berührungssensors gemäß der Erfindung, bei der der Berührungssensor ein transparentes Display und eine reflektierende Fläche aufweist; und
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5 eine schematische Draufsicht einer Ausführungsform der Erfindung zur Veranschaulichung des verklebten Randbereiches.
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In 1 ist ein projektiver kapazitiver Berührungssensor 1 dargestellt. Er umfasst eine erste Ebene 2 und eine zweite Ebene 3, wobei auf der ersten und der zweiten Ebene 2, 3 jeweils eine Schicht 4, 5 aus einem elektrisch leitenden und transparenten Material in einem speziellen Muster aufgetragen ist.
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Vorzugsweise ist das elektrisch leitende und transparente Material auf den zwei Ebenen 2, 3 jeweils in Form von parallelen Streifen angebracht, wobei die auf der ersten Ebene 2 angebrachten Streifen senkrecht zu den auf der zweiten Ebene 3 angebrachten Streifen verlaufen. Die Streifen wiederum können balkenförmig sein oder einem spezifischen Muster folgen. Die mit dem elektrisch leitenden Material beschichteten Ebenen 2, 3 sind gemäß der Erfindung durch ein Dielektrikum 6 aus einem Gas oder Gasgemisch oder durch Luft oder Vakuum gemäß DIN 28400-1 voneinander getrennt.
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Hierbei können die erste und/oder die zweite Ebene 2, 3 aus einem transparenten Material hergestellt sein, wobei als transparentes Material vorzugsweise Glas oder Plexiglas (Polyacryl) verwendet wird.
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Um die Verwendung von einem Gas oder Gasgemisch oder von Vakuum als Dielektrikum 6 zu ermöglichen, sind gemäß der Erfindung zwischen den beiden Ebenen 2, 3 am Rand des Berührungssensors durchgehend Abstandshalter 7 vorgesehen.
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Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf die beigefügte 2 sind die Abstandshalter 7 vorzugsweise mittels jeweils einer Schicht 8, 9 aus Klebstoff mit beiden Ebenen 2, 3 verklebt. Alternativ zur Verklebung können die Abstandshalter 7 auch mittels weiterer, dem Fachmann geläufiger Maßnahmen mit den beiden Ebenen 2, 3 verbunden werden, beispielsweise durch Formschluss.
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Die Breite der Abstandshalter 7 ist kleiner oder gleich der Breite des Randes des Berührungssensors, welcher die Anschlüsse für den Betrieb des Berührungssensors verdeckt. Der Rand des Berührungssensors 1 ist in 5 mit dem Bezugszeichen 12 versehen; in 5 ist zudem mit 13 ein Anschlussteil bezeichnet, welches der Verbindung des Berührungssensors 1 mit einem weiteren elektronischen Bauteil, beispielsweise mit einem Rechner oder Controller als Auswerteeinheit dient.
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Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung, die Gegenstand der 3 ist, ist in den Berührungssensor 1 ein Display oder ein Leuchtkörper integriert. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel ist eine der Ebenen 2, 3 als transparentes Display (beispielsweise als LCD oder OLED-Display) 10 ausgeführt.
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Ferner kann gemäß der Erfindung an der der anderen Ebene abgewandten Seite einer Ebene, vorzugsweise an der aus Benutzersicht hinteren Ebene des Berührungssensors eine reflektierende Schicht 11 vorgesehen sein, wie anhand 4 veranschaulicht. Hierbei sind beide Ebenen 2, 3 transparent ausgeführt, wobei eine der Ebenen als Display ausgeführt sein kann. Durch diese Konzeption kann der Berührungssensor bzw. der Berührungsbildschirm umfassend einen Berührungssensor auch als Spiegel verwendet werden. Ferner kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass anstelle der reflektierenden Schicht eine Photovoltaikbeschichtung vorgesehen ist, um Energie, insbesondere für den Betrieb des Berührungssensors zu erzeugen.
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Ein gemäß der Erfindung ausgeführter Berührungssensor bzw. ein Berührungsbildschirm umfassend einen erfindungsgemäß ausgeführten Berührungssensor kann beispielsweise als Fensterelement, als Oberfläche eines Haushaltsgerätes, beispielsweise eines Kühlschranks, als Windschutzscheibe eines Kraftfahrzeugs, als elektronisches interaktives Plakat, als Teil der Oberfläche eines Möbelstücks, beispielsweise eines Glas- oder Plexiglasschreibtisches, als Teil einer Glastür, Spiegelfläche, Flip-Chart usw. ausgeführt sein.
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Ferner kann im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen sein, dass bei einem Dielektrikum in Form eines Gases oder Gasgemisches durch Anlegen einer bestimmten Spannung dessen Farbe gezielt änderbar ist, wodurch gewünschte optische Effekte erzielbar sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 28400-1 [0021]
- DIN 28400-1 [0037]
