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Die Erfindung betrifft eine elektrische Messeinrichtung zur Erfassung eines Drehwinkels eines drehbaren Elements.
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Eine derartige Messeinrichtung ist allgemein bekannt. So geht beispielsweise aus der
DE 25 21 163 B1 eine Messeinrichtung hervor, bei der ein drehbarer Rotor in einem Luftspalt zwischen einer Primär- und einer Sekundärspule angeordnet ist. Auf dem Rotor ist eine Metallscheibe in der Form einer Spirale aufgebracht. Die zwischen der Primär- und der Sekundärspule erzeugten Magnetfelder werden von der spiralförmigen Metallscheibe beeinflusst. Die daraus resultierenden Veränderungen der Magnetfelder können erfasst und daraus kann der Drehwinkel des Rotors ermittelt werden.
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Ein Nachteil der bekannten Messeinrichtung besteht darin, dass die Ermittlung des Drehwinkels des Rotors beispielsweise von den elektromagnetischen Feldern eines Elektromotors verfälscht werden kann.
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Aus der
DE 602 15 374 T2 ist eine Messeinrichtung bekannt, die zur Erfassung der Relativposition zweier Elemente, beispielsweise zur Längen- oder Abstandsmessung geeignet ist. Auf einer länglich ausgebildeten Leiterplatte sind eine Sinusspule und eine Cosinusspule in der Form von Leiterbahnen aufgedruckt. Weiterhin ist auf der Leiterplatte eine weitere Leiterbahn angeordnet, die eine Sensorspule bildet. Benachbart zu der Leiterplatte ist ein Sensorelement vorhanden, das mit einem Schwingkreis versehen ist, und das in Richtung der Längsausdehnung der Leiterplatte verschiebbar ist. Mittels der Sinusspule und der Cosinusspule werden Magnetfelder erzeugt, die auf das Sensorelement einwirken. Das im Schwingkreis des Sensorelements induzierte elektrische Signal erzeugt seinerseits ein Magnetfeld, das auf die Sensorspule einwirkt. Das in der Sensorspule induzierte elektrische Signal ist von der Stellung des Sensorelements relativ zu der Leiterplatte abhängig. Das letztgenannte elektrische Signal kann ausgewertet werden und stellt dann ein Positionssignal für das Sensorelement dar.
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Ein Nachteil der bekannten Messeinrichtung besteht darin, dass der Schwingkreis auf dem Sensorelement und damit die von der Sensorspule bewirkte „Spiegelung” der Magnetfelder sehr temperaturabhängig ist. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Sensorspule nicht nur das Signal des Sensorelements empfängt, sondern auch direkt eingekoppelte Signale der Sinus- und der Cosinusspule, welche unabhängig sind von der Position des Sensorelements.
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Der Erfindung ist die Aufgabe gestellt, eine Messeinrichtung zu schaffen, die auch im Umfeld eines Elektromotors eine genaue Erfassung eines Drehwinkels ermöglicht.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Messeinrichtung nach dem Anspruch 1.
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Erfindungsgemäß ist eine Scheibe vorhanden, die mit dem drehbaren Element gekoppelt ist. Es sind ein Sender und ein Empfänger vorhanden, die auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe angeordnet sind. Die Scheibe weist ein elektrisch leitfähiges Material auf, in dem eine Spirale enthalten ist. Der Empfänger ist in einem Winkelausschnitt der Scheibe angeordnet. Die Spirale ist derart ausgebildet, dass der Drehwinkel der Scheibe aus dem Radius der Spirale in dem Winkelausschnitt ermittelbar ist.
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Das von dem Sender erzeugte Signal kann nur an demjenigen Ort der Spirale von dem Empfänger detektiert werden, der sich im Bereich des Winkelausschnitts der Scheibe befindet. An allen anderen Orten innerhalb des Winkelausschnitts ist die Spirale nicht vorhanden. Damit wird eine Umsetzung des Drehwinkels der Scheibe in den Radius der Spirale ermöglicht. Die erfindungsgemäße Messeinrichtung erfasst nunmehr mit dem Empfänger den Radius der Spirale im Bereich des Winkelausschnitts. Dies stellt letztlich ein Längenmaß auf dem Empfänger dar. Aus diesem Radius bzw. aus dem zugehörigen Längenmaß wird dann der Drehwinkel der Scheibe ermittelt.
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Die erfindungsgemäße Messeinrichtung weist eine hohe Genauigkeit auf und kann auch im Zusammenhang mit Elektromotoren eingesetzt werden.
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Der Empfänger empfängt keine Signale, die unabhängig sind von der Position der Spirale im Winkelausschnitt. Daraus ergibt sich eine erhöhte Genauigkeit. Weiterhin erfordert die erfindungsgemäße Messeinrichtung keinen Schwingkreis, so dass insoweit eine Temperaturabhängigkeit vermieden wird.
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Vorteilhafterweise besteht die Spirale aus einem elektrisch nicht-leitfähigen Material. Insbesondere kann die Spirale in der Art einer Lochblende in die Scheibe eingebracht sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Scheibe eine Kupferschicht auf, wobei die Spirale aus der Kupferschicht entfernt ist, insbesondere heraus geätzt ist.
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Dies ermöglicht eine besonders einfache und kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Sender und der Empfänger jeweils eine Leiterplatte auf, wobei die Leiterplatten des Senders und des Empfängers länglich ausgebildet sind, und wobei die Leiterplatten des Senders und des Empfängers sich etwa von der Achse der Scheibe bis zu deren Außenumfang erstrecken. Damit wird eine einfache Herstellung der erfindungsgemäßen Messeinrichtung erreicht.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Sender eine aus Leiterbahnen gebildete Sinusspule und/oder Cosinusspule aufweist, und wenn der Empfänger eine aus Leiterbahnen gebildete Sensorspule aufweist. Damit können die aus der
DE 602 15 374 T2 bekannten Mess- und Auswerteverfahren in einfacher Weise zur Anwendung gebracht werden.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung der Erfindung besteht darin, dass die Messeinrichtung in das Innere eines Motorgehäuses eines Elektromotors eingebaut ist. Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn die elektronischen Komponenten für die Auswertung der im Empfänger erhaltenen Ströme bzw. Spannungen sich auf der dem Elektromotor abgewandten Seite der Scheibe befinden. Die Scheibe bewirkt damit eine elektromagnetische Abschirmung für die genannten elektronischen Komponenten.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnungen dargestellt sind. Dabei bilden. alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
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1 der Zeichnungen zeigt eine schematische Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messeinrichtung und 2 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Scheibe der Messeinrichtung der 1.
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In der 1 ist eine elektrische Messeinrichtung 10 dargestellt, die zur Erfassung einer Winkelstellung eines drehbaren Elements vorgesehen ist.
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Die Messeinrichtung
10 weist eine erste Leiterplatte
11 auf, auf der ein Sender vorhanden ist. Als Sender können beispielsweise eine Sinusspule und eine Cosinusspule in der Form von Leiterbahnen
11' auf der Leiterplatte
11 aufgebracht sein. Die Leiterbahnen
11' können dabei im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und ausgebildet sein wie dies in der
DE 602 15 374 T2 erläutert ist.
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Etwa parallel und beabstandet zu der ersten Leiterplatte
11 weist die Messeinrichtung
10 eine zweite Leiterplatte
12 auf, auf der ein Empfänger vorhanden ist. Als Empfänger kann beispielsweise eine Sensorspule in der Form einer Leiterbahn
12' auf der Leiterplatte aufgebracht sein. Die Leiterbahn
12' kann dabei im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und ausgebildet sein wie dies in der
DE 602 15 374 T2 erläutert ist.
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Die beiden Leiterplatten 11, 12 sind über ein Bauteil 13 miteinander verbunden und ortsfest angeordnet. Alternativ können die beiden Leiterplatten 11, 12 auch separat und ohne das Bauteil 13 ortsfest angeordnet sein.
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Zwischen den beiden Leiterplatten 11, 12 ist eine Scheibe 15 vorhanden. Die Scheibe 15 erstreckt sich etwa parallel zu den beiden Leiterplatten 11, 12 und weist zu jeder der beiden Leiterplatten 11, 12 einen Abstand auf. Die Scheibe 15 ist um eine Achse 16 drehbar gelagert. Die Achse 16 verläuft etwa senkrecht zu den Ausdehnungsebenen der beiden Leiterplatten 11, 12 und der Scheibe 15 und ist ortsfest zu den beiden Leiterplatten 11, 12 angeordnet.
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Die Scheibe 15 ist drehfest mit demjenigen drehbaren Element verbunden, dessen Winkelstellung gemessen werden soll. Beispielsweise kann die Achse 16 ein Bestandteil des drehbaren Elements sein.
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Die beiden Leiterplatten 11, 12 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe 15 angeordnet. Die beiden Leiterplatten 11, 12 erstrecken sich von dem Außenumfang der Scheibe 15 bis zu deren Achse 16. Die Leiterbahnen 11', 12' auf den Leiterplatten 11, 12 sind der Scheibe 15 zugewandt.
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Die Scheibe 15 weist ein elektrisch leitfähiges Material auf. Bei der Scheibe 15 kann es sich beispielsweise um eine Leiterplatte handeln, die zumindest auf einer Oberfläche eine Kupferschicht aufweist. Alternativ kann es sich auch um eine Scheibe handeln, die als Ganzes aus einem elektrisch leitenden Material besteht.
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Gemäß der 2 ist in der Scheibe 15 eine Spirale 17 in der Art einer Lochblende eingebracht. Die Spirale 17 weist eine entlang ihres Verlaufs im Wesentlichen gleichbleibende Breite auf. Die Spirale 17 kann, wie dargestellt, aus einer einzigen 360-Grad-Windung bestehen, oder sie kann auch aus zwei oder mehreren 360-Grad-Windungen bestehen. Gegebenenfalls kann sich der Verlauf der Spirale 17 auch über weniger als 360 Grad erstrecken.
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Handelt es sich bei der Scheibe 15 um eine Leiterplatte mit einer Kupferschicht, so ist die Spirale 17 aus der Kupferschicht entfernt, beispielsweise durch ein entsprechendes Herausätzen der Spirale 17 aus der Kupferschicht. Besteht die Scheibe 15 als Ganzes aus einem leitenden Material, so kann die Spirale 17 heraus gestanzt oder heraus geschnitten sein, beispielsweise mit Hilfe der Lasertechnik.
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Unabhängig von der Ausgestaltung der Scheibe 15 wird die Spirale 17 nicht von elektrisch leitendem Material gebildet und ist insoweit „durchlässig”, während die übrige Oberfläche der Scheibe 15 zumindest zum Teil mit elektrisch leitfähigem Material versehen ist.
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Wie aus der 2 hervorgeht, sind die beiden Leiterplatten 11, 12 jeweils länglich ausgebildet und erstrecken sich etwa von der Achse 16 der Scheibe 15 bis etwa zu deren Außenumfang. Dies hat zur Folge, dass immer nur ein Winkelausschnitt 19 der Scheibe 15 bzw. der Spirale 17 sich im Bereich zwischen den beiden Leiterplatten 11, 12 befindet.
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Alternativ ist es möglich, dass nur die Leiterplatte 12 des Empfängers im Wesentlichen länglich ausgebildet ist, so dass sich nur die Leiterplatte 12 des Empfängers in dem genannten Winkelausschnitt 19 der Scheibe 15 befindet. Die Leiterplatte 11 des Senders kann sich in diesem Fall über den Winkelausschnitt 19 hinaus erstrecken.
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Die Spirale 17 kann vorzugsweise als sogenannte archimedische Spirale ausgebildet sein. Dies bedeutet, dass der Radius der Spirale 17 proportional zu dem Drehwinkel der Scheibe 15 zu- bzw. abnimmt. Der Drehwinkel der Scheibe 15 wird also linear in den Radius der Spirale 17 und damit in ein Längenmaß umgesetzt.
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Verallgemeinert funktioniert die Messeinrichtung wie folgt:
Im Betrieb der Messeinrichtung 10 erzeugt der Sender ein Signal, das in Richtung zu dem Empfänger gerichtet ist. Dieses Signal tritt durch die Spirale 17 hindurch, und zwar in demjenigen Winkelausschnitt 19 der Scheibe 15, der sich aktuell im Bereich zwischen den beiden Leiterplatten 11, 12 befindet. Im übrigen wird das Signal aber von der Scheibe 15 nicht durchgelassen. Der Empfänger empfängt das Signal und es erfolgt eine Auswertung. Bei dieser Auswertung wird der Empfangsort des Signals in Längsrichtung der zweiten Leiterplatte 12 berücksichtigt. Dieser Empfangsort entspricht dem Radius der Spirale 17 im Bereich des Winkelausschnitts 19. Der Radius der Spirale 17, also das Längenmaß des Empfangsorts, kann dann in den Drehwinkel der Scheibe 15 umgesetzt werden.
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Sind der Sender und der Empfänger im Wesentlichen gleichartig aufgebaut und ausgebildet wie dies in der
DE 602 15 374 T2 erläutert ist, so ergibt sich folgendes:
Mit Hilfe der senderseitigen Sinusspule und Cosinusspule werden Magnetfelder erzeugt. Diese Magnetfelder können nur im Verlauf der Spirale
17 durch die Scheibe
15 hindurchtreten, ansonsten werden die Magnetfelder von dem elektrisch leitfähigen Material der Scheibe
15 abgeschirmt und nicht durchgelassen. Von der empfängerseitigen Sensorspule können die erzeugten Magnetfelder nur in demjenigen Winkelausschnitt
19 der Spirale
17 detektiert werden, der sich aktuell im Bereich zwischen den Leiterbahnen
11' der Sinus- und Cosinusspulen einerseits und der Leiterbahnen
12' der Sensorspule befindet.
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Die von den durch die Spirale 17 hindurchgetretenen Magnetfeldern in der empfängerseitigen Sensorspule hervorgerufenen induzierten Ströme bzw. Spannungen sind von dem Ort abhängig, an dem sie in die Sensorspule induziert werden.
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Führt die Scheibe 15 der 2 beispielsweise eine Drehbewegung in Uhrzeigerrichtung aus, so bewegt sich der im Bereich zwischen den Leiterplatten 11, 12 befindliche Winkelausschnitt 19 der Spirale 17 von innen nach außen. Der Radius der Spirale 17 im Bereich des Winkelausschnitts 19 vergrößert sich also fortlaufend. Dies hat zur Folge, dass sich der genannte Winkelausschnitt 19 der Spirale 17 gleichzeitig in Längsrichtung der Leiterplatten 11, 12 von rechts nach links bewegt. Der Radius der Spirale 17 bzw. das Längenmaß des Winkelausschnitts 19 in Längsrichtung der Leiterplatten 11, 12 entspricht somit dem Drehwinkel der Scheibe 15.
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Die in der empfängerseitigen Sensorspule hervorgerufenen induzierten Ströme bzw. Spannungen werden im wesentlichen auf eine Art und Weise verarbeitet, wie dies in der
DE 602 15 374 T2 beschrieben ist. Mit Hilfe dieser Auswertung kann das Längenmaß bzw. der Radius ermittelt werden, an dem sich der Winkelausschnitt
19 der Spirale
17 aktuell in Längsrichtung der Leiterplatten
11,
12 befindet. Dieses Längenmaß kann dann in den aktuellen Drehwinkel der Scheibe
15 umgerechnet werden.
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Wie erläutert wurde, ist die Spirale 17 der Scheibe 15 als durchlässiger Verlauf vorgesehen. Dies hat zur Folge, dass Unebenheiten oder dergleichen der Scheibe 15 und/oder der Achse 16 im Wesentlichen keinen oder nur einen sehr geringen Einfluss haben auf die durch die Spirale 17 hindurchtretenden Signale bzw. Magnetfelder. Der von der Messeinrichtung ermittelte Drehwinkel der Scheibe 15 ist somit weitgehend unabhängig von den genannten Unebenheiten oder sonstigen derartigen Ungenauigkeiten.
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Unabhängig davon ist es möglich, gegebenenfalls vorhandene Ungenauigkeiten der Scheibe 15 und/oder der Achse 16 dadurch auszugleichen, dass der Verlauf der Spirale 17 entsprechend angepasst wird. So ist es einerseits möglich, die Breite der Spirale 17 nicht fortlaufend exakt gleich auszubilden, sondern in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Scheibe 15 zumindest geringfügig zu verändern. Die Breite der Spirale 17 kann also über den Drehwinkel der Scheibe 15 verändert werden, um damit beispielsweise drehwinkelabhängige Ungenauigkeiten zu kompensieren. Andererseits ist es möglich, den Verlauf der Spirale 17 nicht exakt nach einem erwünschten Verlauf auszubilden, sondern in Abhängigkeit von dem Drehwinkel der Scheibe 15 zumindest geringfügig zu verändern. So kann der Verlauf der Spirale 17 beispielsweise über den Drehwinkel der Scheibe 15 geringfügig von einem exakten archimedischen Verlauf abweichen, um damit beispielsweise eine bessere Proportionalität bei der Umrechnung des ermittelten Längenmaßes in den zugehörigen Drehwinkel zu erreichen.
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Die erläuterte Messeinrichtung 10 kann beispielsweise bei einem Elektromotor zum Einsatz kommen. Dabei ist es vorzugsweise möglich, die Messeinrichtung 10 im Inneren des Motorgehäuses des Elektromotors anzuordnen. Die beiden Leiterplatten 11, 12 können dabei an dem Motorgehäuse befestigt sein und die Scheibe 15 kann mit der Achse des Elektromotors verbunden sein.
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Die elektronischen Komponenten zur Auswertung der im Empfänger erhaltenen Signale können in diesem Fall vorzugsweise auf derjenigen Leiterplatte untergebracht werden, die von dem Elektromotor abgewandt ist. Dies hat zur Folge, dass die Scheibe 15 sich zwischen dem Elektromotor und den elektronischen Komponenten befinden, so dass beispielsweise die Kupferschicht der Scheibe 15 eine abschirmende Wirkung im Hinblick auf die von dem Elektromotor erzeugten elektromagnetischen Felder ausübt.
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Die beschriebene Messeinrichtung
10 weist keinen Schwingkreis auf wie die
DE 602 15 374 T2 . Die beschriebene Messeinrichtung
10 besitzt damit im Wesentlichen keine oder nur eine sehr geringe Temperaturabhängigkeit.
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Ergänzend kann bei der beschriebenen Messeinrichtung 10 vorgesehen sein, dass ein zweiter Sender und ein zweiter Empfänger vorhanden sind. Die zweiten Sender und Empfänger sind dann genau umgekehrt wie die erläuterten ersten Sender und Empfänger den beiden Leiterplatten 11, 12 zugeordnet. Die Funktionsweise der zweiten Sender und Empfänger ist aber ansonsten gleichartig wie die Funktionsweise der ersten Sender und Empfänger. Der einzige Unterschied besteht insoweit nur in der einander entgegengesetzten Richtung der gesendeten Signale. Damit ist es möglich, den Drehwinkel der Scheibe 15 mit den beiden jeweils einander zugeordneten Sendern und Empfängern völlig unabhängig voneinander zu ermitteln. Dies stellt eine Redundanz dar, auf deren Grundlage gegebenenfalls vorhandene Fehler erkannt werden können und/oder gegebenenfalls vorhandene Nichtlinearitäten kompensiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2521163 B1 [0002]
- DE 60215374 T2 [0004, 0016, 0021, 0022, 0035, 0038, 0043]
