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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung einer physikalischen Größe und eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug mit dem Sensor.
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Aus der
DE 10 2009 021 648 A1 ist ein Höhenstandssensor zum Erfassen einer relativen Lage eines Rades gegenüber einem Chassis in einem Fahrzeug bekannt.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Sensoren, wie den bekannten Höhenstandssensor zu verbessern.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung umfasst ein Sensor zum Erfassen einer physikalischen Größe, ein Gehäuse, ein Sensorelement zum Erfassen eines von der physikalischen Größe abhängigen elektrischen Signals in dem Gehäuse, eine Einbettmasse, in dem das Sensorelement und/oder ein anderes Sensorbauteil wenigstens teilweise eingebettet ist und eine die Einbettmasse einhüllende Vergussmasse, mit der das Gehäuse wenigstens teilweise ausgefüllt ist.
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Dem angegebenen Sensor liegt die Überlegung zugrunde, dass Sensoren, wie der eingangs genannte Höhenstandssensor in Vergussmassen vergossen werden, um diese beispielsweise vor Verwitterung zu schützen. Dies ist insbesondere bei dem genannten Höhenstandssensor notwendig, weil dieser an einer Stelle im Fahrzeug angeordnet ist, an der er einer Menge Feuchtigkeit von der Straße exponiert ist.
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Problematisch am Vergießen der einzelnen Sensorkomponenten sind jedoch sogenannte Randspalten. Hierbei löst sich die Vergussmasse von den einzelnen Sensorkomponenten und ein Spalt entsteht, über den Feuchtigkeit in den Sensor eindringen und die Sensorkomponenten korrodieren kann. In der Folge können die Sensorkomponenten beschädigt werden, was zum Ausfall des Sensors führt.
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Hier greift der angegebene Sensor mit dem Vorschlag an, wenigstens einen Teil der Sensorelemente in einer Einbettmasse einzubetten, so dass bei der Materialwahl nur noch der Materialkontakt zwischen Vergussmasse und Einbettmasse berücksichtigt werden braucht. Auf diese Weise kann eine deutlich verbesserte Kontaktfestigkeit zwischen den einzelnen Materialien erreicht und die Bildung von Randspalten spürbar gesenkt werden. Zudem kann die Oberflächenstruktur der zu vergießenden Sensorkomponenten beeinflusst und derart gewählt werden, dass eine optimale Kontaktfestigkeit erreicht wird.
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In einer Weiterbildung des angegebenen Sensors sollte das Sensorelement vollständig in der Einbettmasse eingebettet sein.
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Zudem können auch weitere elektrische Komponente in der Einbettmasse teilweise oder vollständig eingebettet sein.
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In einer anderen Weiterbildung des angegebenen Sensors bildet die Einbettmasse eine Platte aus, die zu einer Öffnung des Gehäuses hin frei von elektrischen Bauelementen ist. Auf der, der Öffnung gegenüberliegenden Seite dieser Platte können demgegenüber elektrische Bauelemente von der Einbettmasse freigelegt bleiben, weil die Wahrscheinlichkeit, dass Feuchtigkeit durch Randspaltenbildung bis hier her durchdringt, vergleichsweise gering ist.
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Dabei kann die frei von elektrischen Bauelementen ausgeführte Seite der Platte eben ausgeführt sein, um eine optimale Kontaktfestigkeit zwischen der Einbettmasse und der Vergussmasse zu erhalten.
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Die Einbettmasse selbst kann in einer bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Sensors symmetrisch ausgeführt sein, wobei das Sensorelement in einem Symmetriezentrum der symmetrisch ausgeführten Einbettmasse angeordnet ist. Auf diese Weise kann auf das Sensorelement wirkender mechanischer Stress gering gehalten werden, der Fehlmessungen mit dem Sensorelement hervorrufen würde.
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In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des angegebenen Sensors ist die Einbettmasse ein Harz.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung umfasst eine Steuervorrichtung für ein Fahrzeug zum Steuern eines Verhaltens des Fahrzeuges basierend auf einer erfassten physikalischen Größe einen angegebenen Sensor zum Erfassen der physikalischen Größe.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei:
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1 eine schematische Ansicht eines Fahrzeuges mit einer Höhenstandsregelung,
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2 eine Prinzipdarstellung eines Höhenstandssensors in dem Fahrzeug der 1,
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3 eine schematische Darstellung eines Höhenstandssensors in einer Schnittdarstellung,
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4 eine schematische Schnittansicht eines Teils einer Leiterplatte aus dem Höhenstandsensor der 3, und
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5 eine schematische Ansicht einer idealen, theoretischen Anordnung verschiedener Bauelemente in der Leiterplatte der 4 und
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6 und 7 eine zweite Ausführung des erfindungsgemäßen Sensors als Linearsensor (LIPS) zeigen.
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In den Figuren werden gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen und nur einmal beschrieben.
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Es wird auf 1 Bezug genommen, die in einer schematischen Ansicht ein Fahrzeug 2 mit einer Niveauregulierung 4 zeigt.
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Mit der Niveauregulierung 4 wird ein Chassis 6 des Fahrzeuges 2 gegenüber auf einer nicht weiter gezeigten Straße rollenden Rädern 8 des Fahrzeuges 2 in seiner Lage in der Hochachse 10 geregelt. Die Niveauregulierung 4 kann beispielsweise eingesetzt werden, um bei wechselnden Beladungszuständen des Fahrzeuges 2 die optimale Bodenfreiheit und waagerechte Lage des Fahrzeuges 2 zu erhalten. Dies dient der Erhaltung der Fahrsicherheit, insbesondere wenn das Fahrzeug 2 mit einem Anhänger betrieben wird. Aber auch zum Passieren von Hindernissen kann die Niveauregulierung 4 verwendet werden, um beispielsweise das Fahrzeug 2 bei Bordsteinkanten, Tiefgarageneinfahrten, ... anzuheben oder bei Brücken, höhenbeschränkten Zufahrten, ... abzusenken.
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Dazu weist das Fahrwerksregelsystem in einer beispielsweise aus der
DE 10 2005 060 173 A1 bekannten Weise eine Steuervorrichtung
14 auf, die in der vorliegenden Ausführung aus an jedem Rad
8 angeordneten Höhenstandssensoren
16 in Form von Winkelsensoren einen Höhenstand
18 empfängt, die eine relative Lage des entsprechenden Rades
8 gegenüber dem Chassis
6 beschreiben. Basierend auf den Differenzen dieser Höhenstände
18 erfasst die Steuervorrichtung
14, eine Lage des Chassis
6 in der Hochachse
10. Weicht die erfasste Lage in der Hochachse
10 von einer Solllage
22 ab, dann steuert die Steuervorrichtung
14 in Form von aktiven Federbeinen
24 ausgeführte Aktoren an, um das Chassis
6 in diese Solllage
22 zu überführen. Als aktive Federbeine
24 können beispielsweise die aus der
DE 101 22 542 B4 bekannten Federbeine verwendet werden.
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Die Verwendung der Höhenstandssensoren 16 in der Niveauregulierung ist jedoch nur beispielhaft und nicht darauf beschränkt. Die Höhenstandssensoren 16 können in dem Fahrzeug 2 für jede beliebige Funktion, wie beispielsweise zur Leuchtweitenregulierung verwendet werden.
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Es wird auf 2 Bezug genommen, in der ein Beispiel für einen der Höhenstandssensoren 16 aus 1 gezeigt ist.
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Der Höhenstandssensor 16 umfasst ein Drehgelenk 26 mit einem ersten Gelenkarm 28 und einem zweiten Gelenkarm 30, die beide an einem ersten Gelenkpunkt 32 verdrehbar zueinander verbunden sind. Ein zweiter Gelenkpunkt 34 befindet sich in 2 nicht sichtbar hinter einem noch zu beschreibenden Gehäuse 36, an einer Klammer 38, an der der erste Gelenkarm 28 verdrehbar zum Chassis 6 gelagert ist. Ein dritter Gelenkpunkt 40 befindet sich an einem ortsfest zum Rad 8 befestigbaren Lagerschuh 42, an dem der zweite Gelenkarm 30 verdrehbar zum Lagerschuh 42 gelagert ist.
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Verändert sich die relative Lage zwischen dem Chassis 6 und dem Rad 8, so werden der zweite Gelenkpunkt 34 und der dritte Gelenkpunkt 40 relativ zueinander bewegt. Weil die beiden Gelenkarme 28, 30 an den einzelnen Gelenkpunkten 32, 34, 40 drehbar gelagert sind, werden die beiden Gelenkarme 28, 30 bei einer Lageänderung des Rades 8 gegenüber dem Chassis 6 zueinander verdreht, so dass sich die beiden Gelenkarme 28, 30 um die einzelnen Gelenkpunkte 32, 34, 40 drehen. Wird die Drehung an einem der Gelenkpunkte 32, 34, 40 erfasst, kann auf die relative Lage zwischen dem Chassis 6 und dem Rad 8 zurückgeschlossen werden.
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In dem Gehäuse 36 ist eine angedeutete Auswerteschaltung 37 aufgenommen. Die Auswerteschaltung 37 erzeugt den Höhenstand 18 in Form eines Signals und gibt diesen über eine Schnittstelle 44 an die Steuervorrichtung 14 aus. Zur Erzeugung des Höhenstandes 18 erfasst die Auswerteschaltung 37 einen Drehwinkel 46 des ersten Gelenkarmes 28 gegenüber der ortsfest mit dem Chassis 6 befestigten Klammer 38. Der Drehwinkel 46 kann dabei basierend auf jedem beliebigen Messprinzip erfasst werden.
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Im Rahmen der vorliegenden Ausführung soll der Drehwinkel 46 mit einer in 3 in einer Schnittdarstellung gezeigten Leseaufbau 48 erfasst werden.
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Der Leseaufbau 48 umfasst einen das Gehäuse 36, in dem ein Messfühler 50 angeordnet sein kann. In nicht dargestellter Weise kann ein Geberelement beispielsweise in Form eines Gebermagneten mit dem zu erfassenden Drehwinkel 46 gegenüber dem Gehäuse 36 gedreht werden, wobei das Geberelement ein Geberfeld, beispielsweise in Form eines Magnetfeldes erregt, dass dann wiederrum den Messfühler 50 durchdringt. Der Messfühler 50 erfasst jede Bewegung des Geberfeldes und leitet daraus die relative Lage des Geberelementes gegenüber dem Gehäuse 36 ab, woraus unmittelbar der Drehwinkel 46 abgeleitet werden kann. Über eine Signalverarbeitungsschaltung 51 und diverse Filterbauteile 52 kann dann aus dem Drehwinkel 46 der Höhenstand 18 bestimmt und in der bereits erläuterten Weise über einen Ausgangsanschluss 53, der beispielsweise als Pressfit-Pin ausgeführt sein kann, an die Steuervorrichtung 14 übertragen werden.
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In der vorliegenden Ausführung sind einige der Sensorbauteile 50, 51, 52 in einer Einbettmasse 54 eine eingebettet, wodurch ein Leiterplattenmodul 55 gebildet wird. Die in 3 schematisch dargestellte Einbettung nur der Filterbauteile 52 ist rein willkürlich zu sehen. Es können beliebige der Sensorbauteile 50, 51, 52 in der Einbettmasse 54 eingebettet werden.
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In der vorliegenden Ausführung soll dabei eine Oberseite 56 des Leiterplattenmoduls 55 frei von jeglichen Sensorbauteilen 50, 51, 52 bleiben und eben ausgeführt sein. Das Leiterplattenmodul in dem Gehäuse selbst ist in einer Vergussmasse 57 vergossen. Die Vergussmasse 57 schützt das Leiterplattenmodul 55 und damit die einzelnen Sensorkomponenten 50, 51, 52 vor eindringender Feuchtigkeit.
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Weil auf der Oberseite 56 des Leiterplattenmoduls 55 keine Bauteile angeordnet sind und darüber hinaus diese Seite eben ausgeführt ist, wird eine besonders gute Haftung zwischen der Vergussmasse 57 und der Einbettmasse 54 erreicht.
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Das Leiterplattenmodul 55 soll nachstehend anhand 4 näher erläutert werden. In einer besonderen Ausführung kann mehrere übereinander gestapelte Isolierschichten 69 umfassen, auf denen Leiterbahnen 70 aufgetragen sind. Auf den Leiterbahnen 70 oder auf den Isolierschichten 69 sind die zuvor genannten Bauelemente 50, 51, 52 des Leseaufbaus 48 getragen. Die Leiterbahnen 70 können dabei die einzelnen Bauelemente 50, 51, 52 miteinander elektrisch verschalten.
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Einige der Bauteile 50, 51, 52 sind in der vorliegenden Ausführung zwischen zwei Isolierschichten 69 des als Leiterplattenmodul ausgeführten Bauteils 65 in der Einbettmasse 54 eingebettet. Wie bereits erläutert ist die gezeigte Einbettung rein exemplarisch zu sehen. Die einzelnen Schichten können elektrisch über Kontaktierungsbohrungen 72 miteinander verbunden werden.
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Die Einbettung gemäß 4 sollte dabei in besonderer Weise erfolgen. Individueller mechanischer Stress 73, der durch die einzelnen mechanischen Bauelemente 50, 51, 52 beispielsweise durch Temperaturbewegungen hervorgerufen wird und sich zu einem mechanischen Gesamtstress 74 summiert kann das Leiterplattenmodul 55 verformen. Durch diese Verformung können sich unter anderem elektrische Verbindungen lösen, und zu einem Ausfall des Lesemoduls 48 und damit des Höhenstandssensors 16 führen.
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Daher sollte das Leiterplattenmodul 55 möglichst symmetrisch ausgeführt werden, damit sich der durch die einzelnen Bauelemente 50, 51, 52 hervorgerufene individuelle mechanische Stress 73 gegenseitig auslöscht und so den mechanischen Gesamtstress 74 minimiert. Hierzu sind in dem Leiterplattenmodul 55 verschiedene Ausgleichselemente vorhanden, die einem individuellen mechanischen Stress 73 entgegenwirken können. Es ist nicht zwingend notwendig alle gezeigten Ausgleichselemente in dem Leiterplattenmodul 55 tatsächlich zu realisieren, um den Gedanken hinter der Ausführung umzusetzen. Die einzelnen gezeigten Ausgleichselemente sollen lediglich beispielhaft verdeutlichen, wie die Bauelemente 50, 51, 52 in dem Leiterplattenmodul 55 symmetrisch angeordnet werden können, um den mechanischen Gesamtstress 74 unterhalb einer bestimmten, vertretbaren Grenze zu halten.
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Zum einen ist es möglich, als Ausgleichselement eine redundante Leiterbahn 70' und eine redundante Isolierschicht 69' einzuführen, um die Leiterbahnanordnung in dem Leiterplattenmodul 55 symmetrisch auszubilden. Folglich wird hierbei auch eine redundante Einbettmasse 54' eingebracht, die sich von der Einbettmasse 54 unterscheiden kann oder aber auch gleich zu dieser gewählt werden kann.
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Als weitere Möglichkeit können einzelne der Bauelemente 50, 51, 52 zueinander symmetrisch angeordnet sein. Vorteil hierbei ist es, dass als Ausgleichselemente keine redundanten Elemente in das Leiterplattenmodul 55 eingebracht werden müssen. Um Unterschiede in der geometrischen, materiellen oder anderweitigen Beschaffenheit zwischen den beiden eingebetteten Bauelementen 50, 51, 52 auszugleichen, ist es weiterhin möglich, die Kontaktierungen 75 der Leiterbahnen 70 zu den einzelnen eingebetteten Bauelementen 50, 51, 52 (hier beispielhaft nur die Bauelemente 52) unterschiedlich geometrisch zu dimensionieren, was in 4 durch unterschiedlich breite Kontaktierungen 75 an den beiden eingebetteten Bauelementen 52 angedeutet ist.
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Zudem können redundante Ausnehmungen 76 als Ausgleichselemente in das Leiterplattenmodul 66 eingebracht werden. Von diesen redundanten Ausnehmungen 76 sind in 4 der Übersichtlichkeit halber nicht alle mit einem Bezugszeichen versehen.
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Der Idealfall des Leiterplattenmoduls 55 ist in 5 dargestellt. Hier sind alle Abstände 77 zwischen den einzelnen Bauelementen 50, 51, 52 untereinander symmetrisch zu einer Symmetrieachse 78 ausgeführt. Praktisch ist dieses ideale Konzept jedoch schon allein deshalb nicht umzusetzen, weil die Bauelemente 50, 51, 52 dann nicht mehr mit den Leiterbahnen 68 kontaktiert werden könnten. Jedoch sollte der Idealfall bei der Konstruktion des Leiterplattenmoduls 55 versucht werden, so gut wie möglich zu erreichen.
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Durch das Einbetten einzelner oder aller der Bauelemente 50, 51, 52 in dem Leiterplattenmodul 55 ist es möglich, eine deutliche Miniaturisierung zu erreichen. Ferner ist es nicht notwendig, die einzelnen Bauelemente 50, 51, 52 noch einmal in einem extra Verkapselungsschritt, beispielsweise durch Spritzpressen zu umhüllen. Durch das vollflächige Umschließen der Bauelemente mit der Einbettmasse 54, beispielsweise in Form eines Harzes ist eine derartige Schutzmasse obsolet. Ein Harz bietet zugleich bessere thermische Eigenschaften zur Ableitung von Wärme erzeugt durch Verlustleistung der Komponenten als z. B. Luftkonvektion.
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Das Ausführungsbeispiel wurde an einem Höhenstandssensors
16 erläutert. In alternativen oder zusätzlichen Sensoren, in denen der zuvor erläuterte Gedanke zum Einsatz kommen kann, kann der Messfühler
35 beispielsweise Beschleunigungen, Drehraten, und/oder Drücke erfassen. Eine weitere Einsatzmöglichkeit des zuvor angegebenen Gedankens ist in den
6 und
7 gezeigt. In diesen Figuren ist ein linearer Postionssensor
80, LIPS genannt, gezeigt, wie er beispielsweise aus der
DE 10 2014 201 790 A1 bekannt ist.
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Der LIPS 80 umfasst eine Leiterplatte aus Leiterbahnen 68 und Isolationsschicht 67, auf der mehrere Einpressstellen 81 für PressFit-Verbindungen ausgebildet sind, um den Sensor an eine übergeordnete elektrische Einrichtung anzubinden.
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Als Messaufnehmer 50 kann ein Spulenaufbau verwendet werden, wie er in der zuvor genannten Druckschrift offenbart ist. Ferner kann wieder eine Signalverarbeitungsschaltung 51 angeordnet werden, um Gebersignale aus dem Messaufnehmer 50 vor der Ausgabe an die übergeordnete elektrische Einrichtung anzupassen.
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Der Messaufnehmer 50 in einem LIPS 80 stellt ein sogenanntes Fine Pitch-Bauelement dar, zu dessen Schutz in an sich bekannter Weise ein in 6 angedeuteter Lackierbereich 82 ausgebildet werden muss. Dieser Lackierbereich 82 kann durch Einbetten des Messaufnehmers 35 im Rahmen des zuvor erläuterten Gedankens wie in 7 gezeigt, komplett entfallen, wodurch die Miniaturisierung weiter erhöht werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009021648 A1 [0002]
- DE 102005060173 A1 [0026]
- DE 10122542 B4 [0026]
- DE 102014201790 A1 [0046]
