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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen allgemein elastisch verformbare Sportausrüstungsgegenstände oder Spielgeräte, beispielsweise aufblasbare Bälle, und genauer elastisch verformbare Sportausrüstungsgegenstände, die wenigstens eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur aufweisen, die um eine gekrümmte Oberfläche innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands angeordnet ist.
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Eine elektromagnetische Spule, oder einfach eine Spule, wird ausgebildet, wenn ein elektrischer Leiter, beispielsweise ein Kupferdraht, gewickelt wird, um ein induktives oder elektromagnetisches Element zu erzeugen. Dabei kann der Draht auch um einen Kern oder eine Form gewickelt werden. Eine Drahtschleife kann als Windung bezeichnet werden, und eine Spule weist eine oder mehrere Windungen auf. Spulen, die als Induktoren bzw. Induktivitäten dienen, sind in elektronischen Schaltungen als passive elektrische Komponente mit zwei Anschlüssen, die in ihrem Magnetfeld Energie speichert, weit verbreitet. Beispielsweise können Spulen verwendet werden, um Transformatoren zu verwirklichen, mit denen Energie von einer elektrischen Schaltung auf eine andere durch induktive Kopplung ohne bewegliche Teile übertragen wird. Außerdem können Spulen verwendet werden, um Resonanzschaltungen zu bauen, die Reihen- und/oder parallele Anordnungen von Induktoren und Kondensatoren umfassen. In manchen Anwendungen können Spulen auch als Antennen oder antennenähnliche Elemente zur Erfassung von elektromagnetischen Feldern dienen, beispielsweise bei einer Identifizierung mithilfe elektromagnetischer Wellen (Radio Frequency Identification, RFID) oder ähnlichen Anwendungen.
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Für eine dieser Anwendungen wird beispielsweise vorgeschlagen, den Durchgang eines beweglichen Spielobjekts, beispielsweise eines Balles oder Pucks, durch eine Erfassungsebene (z.B. eine Torebene) unter Verwendung elektromagnetischer Felder und/oder Signale zu erfassen. Bei manchen Ballsportarten, beispielsweise Fußball bzw. Soccer oder Football, wird die Verwendung von automatischen Torschuss-Erfassungssystemen diskutiert, um menschliche Fehlentscheidungen zu vermeiden. Die sogenannte Torlinientechnik (Goal Line Technology) ist dabei eine Technik, die bestimmen kann, wann der Ball die Torlinie gekreuzt hat, und unterstützt den Schiedsrichter bei der Entscheidung, ob ein Tor gefallen ist oder nicht. Es gibt verschiedene alternative Ansätze zur Bestimmung der exakten Position oder der Stelle, wo sich der Ball genau befindet, beispielsweise auf Video basierende Systeme oder auf einem elektromagnetischen Feld basierende Systeme. In einem System, das auf einem elektromagnetischen Feld basiert, kann ein bewegliches Objekt, beispielsweise ein Ball, mit einer elektronischen Schaltung versehen sein, um elektromagnetische Signale zu senden und/oder zu empfangen und/oder zu reflektieren. Für solche elektromagnetischen Ansätze sind elektronische Komponenten innerhalb des Balles erforderlich, wobei die Größe der Elektronik je nach ihrer Funktionalität und dem genutzten Frequenzbereich verschieden sein kann. Bei kleinen und mittleren Systemen kann die Elektronik beispielsweise in der Mitte des Balles installiert sein. Bei Torschuss-Erfassungssystemen, die mehr Platz und Volumen brauchen, beispielsweise bei Systemen, die Magnetfelder im Sub-MHz-Bereich nutzen, können die erforderlichen Loop- bzw. Schleifenantennen und/oder die weiteren elektronischen Komponenten am Umfang des Balles installiert sein.
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Um Erfassungseigenschaften zu erreichen, die möglichst rotationsunabhängig sind, wird für ein Torschuss-Erfassungssystem die Installierung von drei orthogonal angeordneten Spulen oder Schleifenantennen in oder an einem beweglichen Objekt, z.B. einem Ball, vorgeschlagen, um zumindest einen Teil eines elektromagnetischen Felds zu emittieren oder zu reflektieren. Aufgrund dieser orthogonalen Anordnung der Spulen hat die Drehstellung des Balles einen nur geringen Einfluss auf die elektromagnetischen Emissions- oder Reflektionseigenschaften, da die drei orthogonalen Loop-Antennen theoretisch eine effektive Schleifenantenne ergeben, deren effektive Öffnungsfläche senkrecht zu einem einfallenden Magnetfeld ist, das von einem Sender kommt, der am oder nahe am Tor installiert ist. Das heißt, die Normale der effektiven Öffnungsfläche der effektiven Schleifenantenne ist im Wesentlichen parallel zum Magnetfeldvektor.
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Für eine korrekte Funktion, d.h. eine hohe Genauigkeit von Torschuss-Erfassungssystemen sind die elektromagnetischen Eigenschaften des Balles oder eines Pucks von entscheidender Bedeutung. In einem Beispiel für ein Torschuss-Erfassungssystem kann ein Magnetfeld mittels eines stromführenden Leiters erzeugt werden, der um einen Torrahmen herum läuft. Das erzeugte Magnetfeld ist dabei senkrecht zu einer Erfassungsebene, die vom Torrahmen definiert wird. Dieses stimulierende Magnetfeld wird vom Ball reflektiert, wobei das reflektierte Signal den gleichen Richtungsvektor erzeugen sollte wie das stimulierende Feld (aufgrund der Ballelektronik mit einer Phasenverschiebung). Die geometrische Genauigkeit des reflektierten Signals beeinflusst direkt das Messergebnis und somit die Genauigkeit der Torentscheidung.
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Das Erfassungssystem basiert auf drei orthogonalen Spulen im Ball. Jede der Spulen kann eine Mehrzahl von Windungen umfassen, die beispielsweise zwischen die Blase des Balles und die Außenhaut oder das Deckmaterial des Balles eingeführt sind. Um eine angemessene Qualität einer Resonanzspule in dem Ball zu erhalten, sollte der Durchmesser der Spule(n) so groß wie möglich sein, was bedeutet, dass die Spule(n) in oder unter dem Deckmaterial des Balles installiert sein sollte(n).
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Infolge der Elastizität des Deckmaterials des Balles, welches beispielsweise aus mehreren Lederflicken bestehen kann, können jedoch alle Kraftstöße, die von außen auf den Ball treffen, direkt auf eine Spule im Ball übertragen werden. Damit die Spule nicht infolge solcher Kraftstöße bricht, sollte die Spule selbst elastisch sein. Bekannt ist das Einführen von Spulen mit elektrischen Leitern auf mäandernde Weise in einen Ball, so dass eine Längsachse der Spule(n) in Umfangsrichtung jeweils verlängert werden kann. Wegen der ständigen Belastung der Spule kommt es jedoch an Ecken des mäanderförmig angeordneten Leiters schon vor Ablauf der nötigen Betriebsdauer zu Ermüdungsbrüchen. Beispiele für Bruchstellen, die auf Ermüdungsbrüche einer Spulenstruktur zurückzuführen sind, sind in 1 schematisch dargestellt.
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Somit besteht ein Bedarf nach einem verbesserten Konzept für die Anordnung einer oder mehrerer Spulen in Bällen oder ganz allgemein Sportausrüstungsgegenständen.
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Für eine bestmögliche Systemleistung eines auf einem elektromagnetischen Feld basierenden Torschuss-Erfassungssystems können vorzugsweise drei zueinander im Wesentlichen orthogonale Loop-Antennen oder elektromagnetische Spulen in einen Sportausrüstungsgegenstand bzw. ein Spielgerät integriert sein, bei dem es sich gemäß einigen Ausführungsformen um einen mit Luft aufblasbaren Ball, beispielsweise einen Fußball, handeln kann. Normalerweise weist solch ein mit Luft aufblasbarer Ball, wie ein Fußball oder ein Handball, zumindest ein äußeres Deckmaterial bzw. eine Hülle des Balles auf, d.h. eine Ballaußenhaut, und eine innere Ballblase unterhalb der Außenhaut. Es ist auch möglich, zusätzliches Material zwischen die Außenhaut und die Blase einzubringen, um die Blase gegen Einwirkungen von außen zu schützen, beispielsweise Stiche oder dergleichen. Obwohl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auch auf Spielausrüstungen anwendbar sind, bei denen es sich nicht um Bälle handelt, werden die Grundlagen der vorliegenden Erfindung in erster Linie mit Bezug auf aufblasbare Bälle erklärt.
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Ein reflektiertes elektromagnetisches Signal von den integrierten Schleifenantennen oder Spulen in einem Ball hängt vom Umfang oder Durchmesser der mindestens einen Schleifenantenne in dem Ball ab. Das heißt, je höher der Schleifendurchmesser ist, desto höher ist die Signalstärke eines reflektierten Signals, und desto besser ist die Erfassungsrate eines auf einem elektromagnetischen Feld basierenden Torschuss-Erfassungssystems. Um einen möglichst hohen Schleifenantennendurchmesser zu erhalten, sollte daher die mindestens eine Schleifenantenne im Ball an eine Außenform des Balles angepasst sein. Dies kann durch Platzieren einer Schleifenantenne in Form einer elektromagnetischen Spule direkt unter der Außenhaut des Balles, zwischen der Außenhaut und der Blase oder einem zusätzlichen Schutzgewebe oder innerhalb der Ballblase angrenzend an die Innenwand der Blase durchgeführt werden. Dabei kann jedoch eine elastische Verformung des Balles, der eine Außenhaut und eine Blase umfasst, direkt auf die integrierten elektromagnetischen Spulen übertragen werden. Ohne Gegenmaßnahmen können die Spulen im Falle von elastischen Verformungen des Balles beschädigt werden.
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Somit zielen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darauf ab, Spulen bereitzustellen, die elastischen Verformungen eines Balles und ganz allgemein von Sportausrüstungsgegenständen standhalten können bzw. sich daran anpassen können. Zu diesem Zweck kann die mindestens eine elektromagnetische Spulenstruktur, die in einen elastisch verformbaren Sportausrüstungsgegenstand integriert ist, so ausgelegt sein, dass die elektromagnetische Spulenstruktur eine Verlängerungsreserve (einen Ausdehnungspuffer) aufweist, die (bzw. der) vorzugsweise einer maximalen elastischen Verformung des Sportausrüstungsgegenstands im Spielbetrieb entspricht. Dabei kann die Verlängerungsreserve beispielsweise in einem Bereich von 5% bis 30% der „normalen“ Länge liegen.
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Gemäß einem ersten Aspekt sehen Ausführungsformen einen elastisch verformbaren Sportausrüstungsgegenstand vor, der mindestens eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur aufweist, die um eine gekrümmte Oberfläche innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands herum angeordnet ist, wobei zumindest ein Teil der elektromagnetischen Spulenstruktur eine dreidimensionale Raumkurve mit einer nicht verschwindenden geometrischen Windung (oder Torsion) und Krümmung (ähnlich wie bei einem Spiralkabel) aufweist, um eine Verlängerungsreserve zu schaffen, die einer maximalen elastischen Verformung des Sportausrüstungsgegenstands entspricht oder darauf bezogen ist. Dabei ist die Windung bzw. Torsion einer Raumkurve ein Maß dafür, wie stark die Raumkurve vom ebenen Verlauf abweicht. Zusammengenommen sind die Krümmung und die Windung einer Raumkurve analog zur Krümmung einer ebenen Kurve. Die Windung beschreibt zusammen mit der Krümmung das lokale Verhalten der Raumkurve.
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Ausführungsformen schlagen also eine gleichmäßigere Verteilung einer mechanischen Last auf alle Abschnitte eines elektrischen Leiters der Spulenstruktur in dem Sportausrüstungsgegenstand vor. Zu diesem Zweck kann bei manchen Ausführungsformen eine herkömmliche zweidimensionale Mäanderstruktur um eine dritte Dimension erweitert werden, wodurch eine in Umfangsrichtung spiralartige oder schraubenartige Form einer Spule oder zumindest eines Teils davon erzeugt wird.
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Die gekrümmte Oberfläche innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands kann in einem undeformierten oder nicht-deformierten Zustand des Gegenstands eine kugelige Oberfläche sein, die einen Umfang aufweist, wobei eine Länge (in Umfangsrichtung) mindestens einer spiralartig gewickelten Windung der Spulenstruktur bei einigen Ausführungsformen größer sein kann als der Umfang, um die Verlängerungsreserve in Umfangsrichtung zu ermöglichen. Die Verlängerungsreserve kann in einem Bereich von 5% bis 30% des Umfangs liegen.
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Beispielsweise kann es sich bei der gekrümmten Oberfläche um die Innen- oder Außenfläche einer Ballblase oder die Innen- oder Außenfläche einer Außenhaut des Balles handeln. Das heißt, einige Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schlagen vor, elektromagnetische Spulen in den Sportausrüstungsgegenstand zu integrieren, die vorzugsweise einen größeren Umfang aufweisen können als der Sportausrüstungsgegenstand selbst. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Spule als dreidimensionale Raumkurve mit nicht-verschwindender Torsion und Krümmung geformt wird, d.h. dass sie spiral- oder schraubenförmig um eine in Umfangsrichtung verlaufende und entsprechend der gekrümmten Oberfläche gekrümmte Achse gewickelt wird, ähnlich wie bei einem Spiralkabel. Dabei kann es sich auch lediglich um eine gedachte Achse handeln.
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Das heißt, in Ausführungsformen kann ein elektrischer Leiter der mindestens einen elektromagnetischen Spulenstruktur im Wesentlichen spiralförmig entlang einer Kreisbahn angeordnet sein oder um die gekrümmte Oberfläche herum verlaufen. Die Kreisbahn kann dabei durch Schneiden einer Ebene durch die Mitte der gekrümmten, genauer kugeligen Oberfläche und der gekrümmten oder kugeligen Oberfläche selbst erhalten werden, wodurch man auf der kugeligen Oberfläche einen Kreis erhält, der den gleichen Umfang hat wie die kugelige Oberfläche.
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Wenn nun eine verformende Kraft in Längsrichtung (d.h. entlang der Umfangsrichtung) der dreidimensionalen spiralartigen Spule mit der nicht-verschwindenden geometrischen Torsion und Krümmung, wie z.B. einer Spirale oder Helix, wirkt, kann ein Biegemoment, das bisher nur auf die Ecken der zweidimensional mäandernden Leiter gewirkt hat, in mechanische Torsion umgesetzt werden, die gleichmäßig auf alle Punkte des elektrischen Leiters der mindestens einen deformierbaren elektromagnetischen Spulenstruktur verteilt werden kann. In diesem Fall können die Steigung oder der Gradient der dreidimensional gekrümmten elektromagnetischen Spule mit der nicht-verschwindenden geometrischen Torsion und Krümmung und das verwendete Material vorzugsweise so aufeinander abgestimmt werden, dass die maximal auftretende mechanische Torsion nie größer wird als der Elastizitätsbereich des elektrischen Leiters der Spule. Solange der Elastizitätsbereich nicht verlassen wird, kann die Spule quasi als unendlich haltbar betrachtet werden. Dies könnte das technische Problem des vorzeitigen Versagens der Spule lösen.
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Somit gibt es Ausführungsformen, die das Wickeln eines elektrischen Leiters der Spulenstruktur mit einem nicht-verschwindenden Gradienten (in Umfangsrichtung) um die Mantelfläche eines entsprechend der gekrümmten oder kugeligen Oberfläche gekrümmten Zylinders oder Rohrs, das auf einem Kreispfad der im Wesentlichen kugeligen Oberfläche innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands verläuft, vorschlagen. Man kann auch sagen, dass die Spule spiralförmig um einen Torus gewickelt wird. Um solche spiral- oder schraubenförmigen Spulen herzustellen, hat man die Möglichkeit, ihren elektrischen Leiter um einen torusartigen elastischen Kern, der z.B. ein kautschuk- bzw. gummiartiges Material aufweisen kann, zu wickeln oder eine Hohlspirale bzw. Hohlwendel zu erzeugen. Das jeweilige Design hängt von den mechanischen Eigenschaften des elektrischen Leiters ab.
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Wie bereits gesagt, sind die Ausführungsformen nicht streng auf Bälle als Sportausrüstungsgegenstände beschränkt. Im Allgemeinen kann jedes bewegliche Spielobjekt oder jede bewegliche Ausrüstung als Sportausrüstungsgegenstand betrachtet werden. Daher kann im Kontext dieser Beschreibung auch ein Eishockey-Puck als Sportausrüstungsgegenstand verstanden werden. Das heißt, der Sportausrüstungsgegenstand kann zur Gruppe eines Fußballs, eines Balles für American Football, eines Rugby-Balles, eines Basketballs, eines Handballs, eines Volleyballs, eines Tennisballs, einer Billardkugel, einer Bowling-Kugel oder eines Puck gehören. Man beachte, dass diese Beispielsliste nicht abschließend gemeint ist. Grundlagen der vorliegenden Erfindung können auch auf andere Sportausrüstungsgegenstände oder Spielausrüstung übertragen werden.
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Die mindestens eine elektromagnetische Spulenstruktur kann mindestens eine Windung einer elektromagnetischen Spule oder Schleifenantenne, die (spiralförmig) auf einem Kreispfad (d.h. entlang des Umfangs) entlang der gekrümmten oder kugeligen Oberfläche verläuft, umfassen. Anders ausgedrückt kann die mindestens eine Windung der elektromagnetischen Spule oder Schleifenantenne spiralförmig um einen gedachten oder tatsächlich vorhandenen (elastischen) Torus um die gekrümmte oder kugelige Oberfläche herum verlaufen. Typischerweise umfasst die elektromagnetische Spulenstruktur mehr als eine Spule. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die elektromagnetische Spulenstruktur mindestens drei elektromagnetische Spulen auf, die senkrecht zueinander oder orthogonal zueinander um den Umfang der gekrümmten Oberfläche innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands, d.h. des Balles, angeordnet sind. Genauer können die drei spiralförmig gewickelten elektromagnetischen Spulen in manchen Ausführungsformen auf einer kugeligen Oberfläche in dem Sportausrüstungsgegenstand angeordnet sein, z.B. zwischen einer Ballblase und einer Ballaußenhaut oder einem Deckmaterial des Balles.
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Da die Spulen typischerweise elektrisch leitendes Material wie Kupfer, Silber oder Aluminium aufweisen, ist die Elastizität des leitenden Materials an sich deutlich niedriger als die Elastizität der Hülle des Balles, einer Ballblase oder eines dazwischenliegenden Schutzgewebes. Auf der anderen Seite wirkt die Steifigkeit der Spulen der Verformung des Balles entgegen, und das dynamische Verhalten des Balles kann stark beeinflusst werden. Aus diesem Grund schlagen manche Ausführungsformen Spiralmuster der Wicklungen der mindestens einen Spulenstruktur vor. Das heißt, dass die Länge der mindestens einen Windung der Spulenstruktur größer ist als der Umfang der kugeligen Struktur, kann dadurch erreicht werden, dass man den elektrischen Leiter der Spule um ein in Umfangsrichtung gekrümmt verlaufendes (gedachtes) Rohr, d.h. einen Torus-(Abschnitt), wickelt. Das heißt, ein elektrischer Leiter der mindestens einen verformbaren elektromagnetischen Spulenstruktur kann (zumindest abschnittsweise) in einem dreidimensionalen Spiral- oder Schraubenmuster um die gekrümmte Oberfläche des Sportausrüstungsgegenstands herum angeordnet werden. Dabei windet sich eine Schraubenlinie um eine (gedachte) Mantelfläche eines (gedachten) Zylinders, der eine gekrümmte Längsachse aufweist (auch als Torus oder Torus-Abschnitt bezeichnet), die sich in Umfangsrichtung um die gekrümmte bzw. kugelige Oberfläche erstreckt.
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Bei manchen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, die mindestens eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur durch ein elastisches und/oder flexibles Träger- oder Einbettungsmaterial zu stützen, um die Spiralform der Spulenstruktur in der Spielausrüstung besser zu stützen. Ein solcher Aufbau, der dazu beiträgt, eine spiralförmig gewickelte Spule gegen eine radiale Ausdehnung, z.B. durch den normalen Luftdruck des Sportobjekts, zu schützen, kann innerhalb einer Innenblase oder zwischen der Innenblase und einem äußeren Deckmaterial des Sportobjekts platziert werden. Dadurch ist das elastische und/oder flexible Träger- oder Einbettungsmaterial, bei dem es sich um Gummi oder ein ähnliches Material handeln kann, vorzugsweise steif genug, um seine Form oder Geometrie unter normalem Luftdruck des mit Luft aufblasbaren Balles zu behalten, ist aber auch flexibel genug, um beispielsweise eine Kompression des Balles, die durch einen Schlag gegen den Ball oder ein Schießen des Balles gegen einen Torrahmen verursacht wird, zu übertragen.
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Alternativ oder zusätzlich dazu können einer oder mehrere (parallele) elektrische Leiter der elektromagnetischen Spulenstruktur einen ersten Abschnitt, der mit einer ersten Spiralausrichtung (z.B. rechtsgängig) gewickelt ist, und einen zweiten Abschnitt aufweisen, der mit einer zweiten, beispielsweise entgegengesetzten Spiralausrichtung (z.B. linksgängig) gewickelt ist. Dabei kann eine Mehrzahl von parallelen Leitern in der jeweiligen Spiralausrichtung im Wesentlichen parallel gewickelt werden. Die erste und die zweite Spiralausrichtung können zu mindestens einer Überschneidung zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt des mindestens einen elektrischen Leiters führen. Anders ausgedrückt können der erste und der zweite Abschnitt des mindestens einen Leiters in entgegengesetzten Richtungen, z.B. im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn, um die Mantelfläche eines (gedachten) gekrümmten Zylinders bzw. einer gekrümmten Röhre gewickelt werden. Ferner können der erste und der zweite Abschnitt des Leiters verdrillt, verschlungen oder geflochten sein. Eine Spule kann also beispielsweise eine Mehrzahl geflochtener Leiter (ein Leitergeflecht), z.B. Kupferdrähte, umfassen. Dies kann auch dazu beitragen, der Spulenstruktur mehr Stabilität zu verleihen.
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Bei anderen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die Verlängerungsreserve der elektromagnetischen Spulenstruktur außerdem dadurch erhalten werden, dass man elastische elektrische Leiter verwendet, so dass die elastischen oder dehnbaren Leiter ihrerseits ähnlich wie Gummibänder wirken, die um die gekrümmte oder kugelige Oberfläche innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands platziert sind. Beispielsweise können solche elastischen Leiter auf Silber-Nanodrahtleitern oder Kohlenstoff-Nanoröhren beruhen, um streckfähige bzw. dehnbare elektromagnetische Spulen für die elektromagnetische Spulenstruktur zu erhalten. Außerdem können diese elastischen Leiter für bessere Unterstützungs- und Führungseigenschaften der flexiblen Spulen auf einem dehnbaren Substrat platziert werden.
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Wie bereits erklärt wurde, kann es sich bei dem Sportausrüstungsgegenstand um einen aufblasbaren Ball mit einer Ballblase und einem Deckmaterial oder einer Außenhaut des Balles handeln, wobei die mindestens eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur in einigen Ausführungsformen zwischen der Ballblase und der Ballhaut angeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann die mindestens eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur auch innerhalb der Ballblase oder unterhalb der Oberfläche der Ballblase angeordnet sein. Es ist sogar möglich, die mindestens eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur in manchen Ausführungsformen an der Außenfläche der Ballhaut anzuordnen.
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Optional kann der Sportausrüstungsgegenstand eine Einrichtung zur Festlegung einer Position der mindestens einen verformbaren elektromagnetischen Spulenstruktur an der gekrümmten Oberfläche unterhalb eines Deckmaterials des Sportausrüstungsgegenstands aufweisen. In manchen Ausführungsformen kann die Einrichtung zur Festlegung durch die Verwendung von Nähten / Fäden im Deckmaterial des Balles oder durch spezielle Befestigungslaschen verwirklicht werden, die um die gekrümmte Oberfläche herum möglichst in regelmäßigen Abständen angeordnet sein können. Die Befestigungslaschen können gemäß einigen Ausführungsform haftend sein. In anderen Ausführungsformen kann die elektromagnetische Spulenstruktur auch innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands an der gekrümmten Oberfläche (z.B. einer Ballblase) angeklebt sein. Für diesen Zweck kann in manchen Ausführungsformen doppelseitiges Klebeband verwendet werden. Mit einer Seite kann das Band an der Blase angeklebt werden, und auf der anderen Seite kann die Spulenstruktur an dem befestigten Band angeklebt werden.
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In manchen Ausführungsformen kann es von Vorteil sein, mehrere elektrische Komponenten zusammen mit der mindestens einen Spule in dem Sportausrüstungsgegenstand zu einer Einheit zu integrieren. Beispielsweise können kapazitive oder resistive Komponenten zusammen mit der Spulenstruktur integriert werden, um eine oder mehrere Resonanzschaltungen in dem Sportausrüstungsgegenstand zu implementieren. Das heißt, in manchen Ausführungsformen kann der elastisch verformbare Sportausrüstungsgegenstand ferner mindestens ein kapazitives Element, das mit der mindestens einen elektromagnetischen Spulenstruktur verbunden ist, aufweisen, um eine Resonanzschaltung für eine vorgegebene Frequenz oder einen vorgegebenen Frequenzbereich zu bilden. Beispielsweise kann der Frequenzbereich in der Sub-Megahertzregion, d.h. 10 kHz bis 150 kHz, liegen. Dies kann besonders interessant sein für Rückstreuungskopplungskonzepte, wobei Antennen, die am Tor installiert sind, mit einer oder mehreren Spulen im Ball über Rückstreuung induktiv verkoppelt werden. Dabei nutzt die Rückstreuung (induktive Kopplung) die elektromagnetische Leistung, die von einem Sender ausgesendet wird, um die Elektronik im Ball anzuregen. Im Wesentlichen kann der Ball einen Teil der gesendeten Leistung reflektieren, aber einige der Eigenschaften ändern, und auf diese Weise auch Informationen an den Sender zurückschicken.
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In manchen Ausführungsformen kann das mindestens eine kapazitive Element in das Deckmaterial des Sportausrüstungsgegenstands oder in einen Bereich des Deckmaterials integriert sein, wie z.B. einzelne Lederflicken. In anderen Ausführungsformen kann das kapazitive Element nahe an einer damit zusammenwirkenden Spule, möglichst auf dem gleichen Substrat wie die Spule, angeordnet sein. Dies kann einen effizienten Herstellungsprozess und gute Resonanzeigenschaften ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines elastisch verformbaren Sportausrüstungsgegenstands, insbesondere eines mit Luft oder Gas aufblasbaren Balles geschaffen, das einen Schritt des Anordnens mindestens einer verformbaren elektromagnetischen Spulenstruktur um eine gekrümmte Oberfläche (beispielsweise eine Ballblase) innerhalb des Sportausrüstungsgegenstands umfasst, so dass die elektromagnetische Spulenstruktur im Wesentlichen eine dreidimensionale spiralartige Kurve mit nicht-verschwindender geometrischer Torsion und Krümmung bildet, um (in Umfangsrichtung) eine Verlängerungsreserve zu schaffen, die auf eine maximale Verformung des Sportausrüstungsgegenstands angepasst ist.
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Somit schlagen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Lösungen für das Problem vor, wie die mindestens eine Spule zu entwerfen ist und wie sie in den Ball integriert werden kann, um der mechanischen Verformung des Balles standzuhalten, wenn dieser von einem Spieler getroffen wird oder gegen den Torrahmen geschossen wird. Einige Ausführungsformen schlagen eine Spule mit mindestens einer Windung vor, die aus einer elastischen leitfähigen Struktur gewickelt ist, die durch Wickeln eines elektrischen Leiters in Form einer Spirale um einen elastischen Kern hergestellt werden kann. Dabei kann eine Mehrzahl von Leitern parallel um den Kern gewickelt werden, wobei die Mehrzahl von Leitern in der gleichen oder einer gegensinnigen Richtung in einer anderen Verteilung gewickelt werden kann. In manchen Ausführungsformen kann die Spule eine dreidimensionale Hohlspirale bzw. -wendel bilden. Um die Wicklung der Spulenstruktur zu stabilisieren, kann außerdem eine spiralartige Wicklung in der entgegengesetzten Richtung angewendet werden. Das heißt, während eine spiralartige Wicklung der Spulenstruktur im Uhrzeigersinn ausgerichtet sein kann, kann eine weitere spiralartige Wicklung der Spulenstruktur entgegen dem Uhrzeigersinn ausgerichtet sein. In manchen Ausführungsformen können die Leiter, die in beiden Wicklungsrichtungen angelegt sind, ineinander gewunden oder verdrillt sein.
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Bei Ausführungsformen sind einzelne elektrische Leiter an einem Ende einer Wicklung so mit dem Anfang der Wicklung verbunden, dass eine kontinuierliche Wicklung erzeugt werden kann. Das heißt, die Gesamtzahl der Windungen einer Spule entspricht daher der Zahl der Leiter, multipliziert mit der Zahl der Windungen des elastischen Kerns.
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Einige Ausführungsformen von Vorrichtungen und/oder Verfahren werden nachstehend lediglich anhand von Beispielen und mit Bezug auf die begleitenden Figuren beschrieben. Es zeigen:
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1 schematisch Beispiele für Bruchstellen, die auf Ermüdungsbrüche einer mäanderförmigen Spulenstruktur zurückzuführen sind;
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2a das Wicklungsprinzip einer verformbaren elektromagnetischen Spulenstruktur gemäß einer Ausführungsform, die um eine gekrümmte Oberfläche innerhalb eines Sportausrüstungsgegenstands angeordnet ist;
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2b um einen elastischen Kern gewickelte Hohlwendel;
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2c unterschiedliche Spiralorientierungen; und
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3 schematisch einen Ball, der eine elektromagnetische Spulenstruktur umfasst, die drei spiralartig gewickelte elektromagnetische Spulen aufweist, die senkrecht zueinander um eine gekrümmte Oberfläche herum angeordnet sind, um mindestens drei Schleifenantennen im Ball auszubilden.
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Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.
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Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsformen in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.
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Man beachte, dass ein Element, dass als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „verkoppelt“ bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden“ oder „direkt verkoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z.B., „zwischen“ gegenüber „direkt dazwischen“, „angrenzend“ gegenüber „direkt angrenzend“ usw.).
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Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsformen und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ einer,” „ eine”, „eines ” und „der, die, das“ auch die Pluralformen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke „beinhaltet“, „beinhaltend“, aufweist“ und/oder „aufweisend“, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.
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Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, z.B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist.
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2a zeigt schematisch eine verformbare elektromagnetische Spulenstruktur 200, die um eine gekrümmte Oberfläche 202 (z.B. die Oberfläche einer Ballblase) innerhalb eines Sportausrüstungsgegenstands (nicht dargestellt) angeordnet ist. Die elektromagnetische Spulenstruktur 200 bildet eine dreidimensionale spiralartige Kurve 204 mit nicht-verschwindender geometrischer Torsion und Krümmung, um eine Verlängerungsreserve in Umfangsrichtung 206 zu schaffen, die zumindest einer erwarteten elastischen Verformung des Sportausrüstungsgegenstands während eines Spiels entspricht bzw. an diese angepasst ist.
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Durch die Anordnung von 2a, in der der elektrische Leiter der elektromagnetischen Spulenstruktur 200 im Wesentlichen spiralförmig um einen Kreispfad 208 gewickelt ist, der um die gekrümmte Oberfläche 202 herum verläuft und eine gekrümmte Achse eines Torus um die gekrümmte bzw. kugelige Oberfläche 202 beschreibt, kann eine mechanische Last oder Kraft aufgrund einer elastischen Verformung der Spielausrüstung, z.B. eines Balles, gleichmäßiger auf alle Abschnitte des Spulenleiters verteilt werden. Es zeigt sich, dass eine herkömmliche zweidimensionale Mäanderstruktur gemäß 1 in eine dritte Dimension erweitert ist, wodurch im Wesentlichen eine spiralartige Form der Spulenstruktur 200 gebildet wird. Wenn nun eine Kraft F1 in Längsrichtung (bzw. Umfangsrichtung) der Spirale wirkt, kann ein Biegemoment, das bisher nur an Ecken eines zweidimensional mäandernden Leiters gewirkt hat, in mechanische Torsion F2 umgewandelt werden, die gleichmäßig auf alle Punkte des Spulenleiters 204 verteilt werden kann.
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2a zeigt eine Seitenansicht von nur einer spiralförmig um einen gedachten Torus gewickelten Spule 204, wobei ein Innendurchmesser des Torus im Wesentlichen einem Außendurchmesser der gekrümmten bzw. kugeligen Fläche 202, wie z.B. der Ballblase, entspricht. Jedoch kann die Spulenstruktur 200 auch drei solcher verformbarer elektromagnetischer Spiralspulen 204 aufweisen, die vorzugsweise senkrecht zueinander um die gekrümmte oder kugelige Oberfläche 202 herum angeordnet sind, um zumindest drei Schleifenantennen in einem Ball auszubilden. Die resultierenden Schleifenantennen können dann mit einem auf einem elektromagnetischen Feld basierenden Tor-Erfassungssystem wechselwirken, um beispielsweise zu erfassen, ob der Ball eine Torlinie überquert hat oder nicht.
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Die wenigstens eine spiral- oder schraubenförmige Spule 204 kann beispielsweise um einen elastischen Kern, der z.B. ein kautschuk- bzw. gummiartiges Material aufweisen kann, gewickelt werden, um der Spulenstruktur 200 eine gewisse Stabilität zu verleihen. Eine spiral- oder schraubenförmige Spule 204 um einen torusartigen elastischen Kern 210 ist schematisch in 2b gezeigt. Der tragende elastische Kern 210 kann dann im Wesentlichen die Form eines (Voll-)Torus aufweisen, der, ähnlich wie ein Rettungsring, um beispielsweise die Ballblase mit ihrer kugeligen Oberfläche 202 angeordnet ist. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen kann die wenigstens eine spiral- oder schraubenförmige Spule 204 auch in Form einer Hohlwendel z.B. um die Ballblase herum oder innerhalb dieser angeordnet werden, also ohne Kern 210. Das jeweilige Design hängt in erster Linie von den mechanischen Eigenschaften des elektrischen Leiters ab.
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Weiterhin können zur Verbesserung der Stabilität ein oder mehrere (parallele) elektrische Leiter 204a (oder Abschnitte davon) der elektromagnetischen Spulenstruktur 200 mit einer ersten Spiralausrichtung (z.B. rechtsgängig) gewickelt sein, während andere (parallele) elektrische Leiter 204b (oder Abschnitte davon) der elektromagnetischen Spulenstruktur 200 mit einer zweiten Spiralausrichtung (z.B. rechtsgängig) gewickelt sind. Unterschiedliche Spiralausrichtungen sind schematisch in der 2c dargestellt. Die erste und die zweite Spiralausrichtung können, sofern sie um denselben (gedachten) Torus gewickelt werden, zu mindestens einer Überschneidung zwischen den gegensinnig verlaufenden elektrischen Leitern führen, so dass eine Art Spulenzopf entsteht. Anders ausgedrückt können ein erster und ein zweiter Abschnitt mindestens eines Leiters in entgegengesetzten Richtungen, z.B. im Uhrzeigersinn und entgegen dem Uhrzeigersinn, um die Mantelfläche eines (gedachten) gekrümmten Zylinders bzw. einer gekrümmten Röhre, d.h. eines Torus, gewickelt werden. Ferner können der erste und der zweite Abschnitt 204a, 204b des Leiters verdrillt oder verschlungen sein.
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3 zeigt in perspektivischer Ansicht und in Draufsicht schematisch eine Ausführungsform eines Balles 300 mit einer verformbare elektromagnetische Spulenstruktur 200, die eine spiralförmige Spule 204-1, eine zwenite spiralförmige Spule 204-2 und eine dritte spiralförmige Spule 204-3 beinhaltet. Die drei Spulen 204-1, 204-2, 204-3 verlaufen also zumindest teilweise gewendelt beispielsweise um eine Ballblase herum. Eine Windung einer Spule 204-1, 204-2, 204-3 um die Ballblase verläuft also zumindest teilweise spiralförmig um eine gekrümmte Achse, welche in Umfangsrichtung, d.h. entlang des Umfangs der Ballblase, verläuft. Die drei Spulen sind im Wesentlichen orthogonal zueinander. Dabei kann eine „orthogonale Anordnung“ von Spulen als Anordnung von drei Spulen auf solche Weise, dass die von den drei verschiedenen Spulen definierten Ebenen im Wesentlichen senkrecht zueinander sind, verstanden werden. Eine andere Definition könnte sein, dass die Flächennormalen von Öffnungsflächen der Spulen 204-1, 204-2, 204-3 im Wesentlichen senkrecht zueinander sind. Um definierte und festgelegte Schnittpunkte zwischen verschiedenen Spulen 204 zu erhalten, können spezielle Befestigungselemente 302 vor oder an den Schnittpunkten vorgesehen sein, wie Ösen, Durchführungen oder dergleichen. Wie in 3 zu sehen ist, können die elektromagnetische Spulenstruktur oder deren einzelne Spulen 204-1, 204-2, 204-3 durch eine oder mehrere Befestigungslaschen 302 absolut und relativ am Umfang beispielsweise der Ballblase oder der Außenhaut festgelegt werden. Dadurch können die Befestigungslaschen 302 die Spulen 204-1, 204-2, 204-2 an der inneren Ballblase und/oder der Innenfläche des Deckmaterials des Balles befestigen. Die Befestigungslaschen sind dabei so konfiguriert, dass sie die Verlagerung der Spulen 204-1, 204-2, 204-3 in Querrichtung relativ zur gekrümmten Oberfläche der Blase oder des Deckmaterials verhindern. Ebenso können die Befestigungslaschen so konfiguriert sein, dass sie eine freie Bewegung der Spulen 204-1, 204-2, 204-3 in ihrer jeweiligen Umfangs- oder Längsrichtung entlang der gekrümmten Oberfläche der Blase oder des Deckmaterials zulassen. Ferner kann die gegenseitige Orthogonalität der Spulen 204-1, 204-2, 204-3 im Wesentlichen aufgrund der Verwendung der Befestigungslaschen gehalten werden.
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Die Beschreibung und die Zeichnungen stellen lediglich die Prinzipien von einigen Ausführungsbeispielen dar. Daher liegt auf der Hand, dass der Fachmann in der Lage ist, verschiedene Anordnungen zu ersinnen, die hierin zwar nicht ausdrücklich beschrieben oder dargestellt sind, aber dennoch die Grundlagen der Erfindung verkörpern. Obwohl Ausführungsformen mit Bezug auf Torschuss-Erfassungssysteme dargestellt worden sind, können alternative Ausführungsforen auch Diebstahlsicherungsvorrichtungen (z.B. die Einführung von flexiblen Spulen in oder auf Waren), weitere Sportarten, wie z.B. Eishockey, betreffen. Ebenso können Ausführungsformen für die Prüfung von Sicherheitsbereichen nützlich sein, beispielsweise durch Integrieren flexibler und flacher Spulen in Schuhe oder dergleichen.
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Ferner sind sämtliche hierin genannten Beispiele in erster Linie ausdrücklich für Illustrationszwecke gedacht, um dem Leser dabei zu helfen, die Grundlagen der Erfindung und die vom Erfinder bzw. von den Erfindern beigetragenen Gedanken zur Fortentwicklung der Technik zu verstehen, und sind als nicht beschränkt auf solche speziell genannten Beispiele und Bedingungen aufzufassen. Außerdem sollen alle Aussagen hierin, die Grundlagen, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung, ebenso wie spezifische Beispiele dafür nennen, deren Äquivalente umfassen.
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Ferner sind die folgenden Ansprüche Teil der ausführlichen Beschreibung, wobei jeder Anspruch eigenständig als separate Ausführungsform stehen kann. Obwohl jeder Anspruch eigenständig als separate Ausführungsform stehen kann, sei darauf hingewiesen, dass – obwohl ein abhängiger Anspruch in den Ansprüchen auf eine spezifische Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen Bezug nehmen kann – andere Ausführungsformen auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen Anspruchs einschließen kann. Diese Kombinationen werden hierin vorgeschlagen, solange nicht angegeben ist, dass keine spezielle Kombination beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs in irgendeinem anderen unabhängigen Anspruch enthalten sein, auch wenn der Anspruch nicht direkt von dem unabhängigen Anspruch abhängt.
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Ferner sei klargestellt, dass Verfahren, die in der Beschreibung oder in den Ansprüchen offenbart sind, von einer Vorrichtung mit einer Einrichtung zur Durchführung jedes der entsprechenden Schritte dieser Verfahren verwirklicht werden können.
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Ferner sei klargestellt, dass die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen, die in der Beschreibung oder den Ansprüchen offenbart sind, nicht in der bestimmten Reihenfolge gemeint sein müssen. Daher beschränkt die Offenbarung mehrerer Schritte oder Funktionen diese nicht auf eine spezielle Reihenfolge, solange diese Schritte und Funktionen nicht aus technischen Gründen nicht vertauscht werden können. Ferner kann in manchen Ausführungsformen ein einzelner Schritt mehrere Teilschritte enthalten oder in mehrere Teilschritte unterteilt werden. Solche Teilschritte können in der Offenbarung dieses einzelnen Schritts enthalten sein und einen Teil davon darstellen, solange sie nicht ausdrücklich ausgeschlossen sind.
