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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drehmomentsensoranordnung zur Ermittlung eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Drehmomentsensoranordnung basiert auf dem invers-magnetostriktiven Effekt. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Wankstabilisator mit integrierter Drehm om entsensoranordnung.
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Die
DE 10 2011 078 819 A1 zeigt einen geteilten Wankstabilisator eines Kraftfahrzeuges, welcher zwischen seinen beiden Stabilisatorteilen einen Aktuator für eine Torsion der Stabilisatorteile aufweist. An jedem Stabilisatorteil ist ein magnetisch kodierter Primärsensor angeordnet. Der Primärsensor ist vorzugsweise als magnetisch kodierter Abschnitt des Stabilisatorteils ausgebildet. Ein als Magnetfeldsensor ausgeführter Sekundärsensor wandelt die Änderungen des magnetischen Feldes des Primärsensors in ein elektrisches Signal um.
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Die
WO 2016/127988 A1 zeigt eine Anordnung zum Messen einer Kraft bzw. eines Momentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Kraft bzw. das Moment wirkt auf das Maschinenelement, wodurch es zu mechanischen Spannungen kommt und sich das Maschinenelement geringfügig verformt. Das Maschinenelement weist mindestens zwei sich umfänglich um die Achse herum erstreckende Magnetisierungsbereiche für eine im Maschinenelement ausgebildete Magnetisierung auf. Die Magnetisierungsbereiche bilden jeweils einen Primärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes. Die Anordnung umfasst weiterhin mindestens einen ersten Magnetfeldsensor, einen zweiten Magnetfeldsensor und einen dritten Magnetfeldsensor, welche jeweils einen Sekundärsensor zur Bestimmung der Kraft bzw. des Momentes bilden. Die Primärsensoren, d. h. die Magnetisierungsbereiche dienen zur Wandlung der zu messenden Kraft bzw. des zu messenden Momentes in ein entsprechendes Magnetfeld, während die Sekundärsensoren die Wandlung dieses Magnetfeldes in elektrische Signale ermöglichen. Die Magnetfeldsensoren sind jeweils zur einzelnen Messung einer Richtungskomponente eines durch die Magnetisierung sowie durch die Kraft bzw. das Moment bewirkten Magnetfeldes ausgebildet. Das Magnetfeld tritt aufgrund des invers-magnetostriktiven Effektes auf. Die Magnetfeldsensoren sind gegenüber dem Maschinenelement angeordnet, wobei bevorzugt nur ein geringer radialer Abstand zwischen den Magnetfeldsensoren und einer inneren oder äußeren Oberfläche des Maschinenelementes vorhanden ist. Die Magnetfeldsensoren können paarweise an gleicher Position, beispielsweise auf einer Vorder- und einer Rückseite einer Platine angeordnet sein.
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Derzeit werden für Magnetfeldsensoren in der Regel plane Standardplatinen genutzt. Da das magnetostriktive Messprinzip nur bis zu einem bestimmten Abstand zwischen Primär- und Sekundärsensor funktioniert und zuverlässige Messwerte liefert, sollten die Magnetfeldsensoren so nah wie möglich an den Magnetisierungsbereichen des Bauteils platziert werden. Die Magnetfeldsensoren werden daher soweit wie möglich außen am Rand der Platine platziert, um möglichst nahe an den Primärsensor zu gelangen. Eine randnahe Platzierung von Bauteilen ist jedoch nicht immer möglich, da vorgegebene Platinen-Design-Regeln einen Mindestabstand zwischen dem Platinenrand und den auf der Platine zu platzierenden Bauteilen vorschreiben. Dadurch bedingt kann die Entfernung zwischen Primär- und Sekundärsensor groß werden, sodass dieses Sensorprinzip nur noch schlecht oder gar nicht mehr funktioniert. Einschränkungen existieren auch durch bestimmte Bauraumvorgaben.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom Stand der Technik darin, eine Drehmomentsensoranordnung mit einem auf einer Platine platzierten Sekundärsensor zur Verfügung zu stellen, bei welcher stets ein optimaler Abstand zwischen dem Sekundärsensor und einem Primärsensor besteht. Weiterhin soll ein Wankstabilisator mit einer integrierten Drehmomentsensoranordnung bereitgestellt werden.
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Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe dient eine Drehmomentsensoranordnung gemäß dem beigefügten Anspruch 1 sowie ein Wankstabilisator gemäß dem beigefügten Anspruch 9.
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Die erfindungsgemäße Drehmomentsensoranordnung dient zum Messen eines Drehmomentes an einem sich in einer Achse erstreckenden Maschinenelement. Die Achse bildet bevorzugt eine Rotationsachse des Maschinenelementes. Die Drehmomentsensoranordnung umfasst mindestens einen Primärsensor, welcher als magnetisch kodierter Abschnitt des Maschinenelementes ausgebildet ist. Bei dem Maschinenelement handelt es sich vorzugsweise um einen Flansch eines Wankstabilisators an einem Kraftfahrzeug, sodass der Primärsensor als magnetisch kodierter Abschnitt des Flansches gebildet ist. Mindestens ein Sekundärsensor ist dem Primärsensor gegenüberliegend angeordnet. Der Sekundärsensor dient zum Umwandeln der Änderungen des magnetischen Feldes des Primärsensors in ein elektrisches Signal. Der Sekundärsensor befindet sich auf einer Platine und ist vorzugsweise als integrierte Schaltungsstruktur ausgebildet. Die Platine weist eine ebene Grundfläche und mindestens eine winklig zu der Grundfläche verlaufende Fläche auf. Diese winklig verlaufende Fläche ist dem Primärsensor gegenüberliegend angeordnet. Sie ist vorzugsweise wesentlich kleiner dimensioniert als die Grundfläche. Der Sekundärsensor ist auf der winklig verlaufenden Fläche angeordnet. Als vorteilhaft hat sich eine senkrecht zu der Grundfläche verlaufende Fläche erwiesen. Die Drehmomentsensoranordnung beinhaltet weiterhin einen hülsenförmigen Träger, an welchem die Platine befestigt ist.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung besteht darin, dass durch Anordnung des Sekundärsensors auf der winklig zu der Grundfläche der Platine verlaufenden Fläche eine sehr nahe Positionierung des Sekundärsensors zu dem Maschinenelement und dem Primärsensor ermöglicht wird. Aus dem erfindungsgemäß realisierten sehr kleinen Abstand zwischen dem Magnetfeld des Primärsensors und dem Sekundärsensor resultieren vergleichsweise starke homogene Magnetfelder im Bereich des Sekundärsensors. Auf diese Weise können sehr hohe Messgenauigkeiten erreicht werden. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich außerdem durch eine sehr hohe Robustheit gegen externe Störfelder aus. Weiterhin ist vorteilhaft, dass mit der Drehmomentsensoranordnung sowohl axiale als auch radiale Magnetfelder gemessen werden können, da die Sekundärsensoren in drei Dimensionen angeordnet werden können. Die Lösung ist kostengünstig und aufwandsarm zu realisieren.
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Durch die Anordnung der Platine auf dem Träger steht eine kompakte Baueinheit zur Verfügung, welche aufwandsarm am Maschinenelement montiert werden kann. Die Baueinheit aus Platine und Träger befindet sich bevorzugt zumindest abschnittsweise innerhalb des Maschinenelementes. In diesem Fall erstreckt sich der magnetisch kodierte Abschnitt an einer inneren Oberfläche des Maschinenelementes.
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Der Träger besteht vorzugsweise aus Kunststoff. Es soll jedoch keine Einschränkung auf Kunststoffträger erfolgen. Andere geeignete Werkstoffe sind möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der hülsenförmige Träger an seinem einen Ende einen stirnseitigen Flansch auf. Die Grundfläche der Platine ist in diesem Fall an dem Flansch und die Fläche an dem hülsenförmigen Träger befestigt.
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Auf der Grundfläche der Platine befindet sich vorzugweise eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Signale des Sekundärsensors, welche bevorzugt als integrierte Schaltungsstruktur ausgebildet ist. Die Auswerteeinheit steht vorzugsweise im Datenaustausch mit einer externen Datenverarbeitungseinheit.
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Die Platine ist vorzugsweise als flexible Platine oder starrflexible Platine ausgebildet. Auf diese Weise kann die abgewinkelte Fläche aufwandsarm realisiert werden. Die Platine weist vorzugsweise mindestens einen flexiblen Bereich auf. Die winklig verlaufende bzw. abgewinkelte Fläche ist über den flexiblen Bereich mit der Grundfläche verbunden. Alternativ kann die winklig verlaufende Fläche auch mittels aufgelöteter Kabel, Kabel-Stecker-Verbindungen oder Steckerverbindungen mit der Grundfläche verbunden sein.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Platine zwei abgewinkelte Flächen, welche einander gegenüberliegend angeordnet sind. Auf beiden Flächen ist mindestens ein Sekundärsensor angeordnet. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Flächen über jeweils einen flexiblen Bereich mit der Grundfläche verbunden.
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Der mindestens eine Sekundärsensor ist bevorzugt durch eine Förstersonde, durch ein Fluxgate-Magnetometer, durch einen Hall-Sensor, durch eine Spule, durch einen Halbleitersensor oder durch einen XMR-Sensor gebildet. Grundsätzlich kann auch ein anderer Sensortyp verwendet werden, insofern er zur Messung des durch den invers-magnetostriktiven Effekt hervorgerufenen magnetischen Feldes geeignet ist.
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Der magnetisch kodierte Abschnitt, der den Primärsensor bildet, erstreckt sich vorzugsweise vollständig umlaufend um die Achse. Der magnetisch kodierte Abschnitt ist bevorzugt permanent magnetisiert, sodass die Magnetisierung durch eine Permanentmagnetisierung gebildet ist. Bei alternativen Ausführungsformen weist die Drehmomentsensoranordnung weiterhin mindestens einen Magneten zum Magnetisieren des magnetisch kodierten Bereiches auf, sodass die Magnetisierung des magnetisch kodierten Bereiches grundsätzlich temporär ist. Der mindestens eine Magnet kann durch mindestens einen Permanentmagneten oder alternativ durch einen Elektromagneten gebildet sein.
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Das Maschinenelement ist vorzugsweise mit zwei Primärsensoren ausgestattet. Den Primärsensoren ist vorzugsweise jeweils ein Sekundärsensor gegenüberliegend angeordnet.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Maschinenelement als Flansch eines Wankstabilisators oder als eine Welle, insbesondere eine Hohlwelle ausgebildet.
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Der erfindungsgemäße elektromechanische Wankstabilisator umfasst zwei Stabilisatorteile, die jeweils an eine Radaufhängung eines Fahrzeuges gekoppelt sind. Zwischen den Stabilisatorteilen ist ein Aktuator zur Beaufschlagung der Stabilisatorteile mit Momenten angeordnet. In den Wankstabilisator ist die beschriebene Drehmomentsensoranordnung integriert. Der Primärsensor der Drehmomentsensoranordnung ist vorzugsweise als magnetisch kodierter Abschnitt eines zum drehfesten Verbinden des Stabilisatorteils mit dem Aktuator dienenden Flansches ausgebildet.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer an einem Träger befestigten Platine der erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform;
- 3 die Platine gemäß 2 in ihrem nicht abgewinkelten bzw. geknickten Zustand;
- 4 die Platine gemäß 3 in ihrem geknickten Zustand;
- 5 eine zweite Ausführungsform der Platine der Drehmomentsensoranordnung in ihrem nicht abgewinkelten bzw. geknickten Zustand;
- 6 die Platine gemäß 5 in ihrem geknickten Zustand;
- 7 eine vereinfachte Gesamtansicht eines elektromechanischen Wankstabilisators für ein Kraftfahrzeug.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drehmomentsensoranordnung 01. Die Drehmomentsensoranordnung 01 dient zur Ermittlung eines Drehmomentes an einem Maschinenelement 02, welches vorzugsweise als ein Flansch eines Wankstabilisators (siehe 7) ausgebildet ist. Das Maschinenelement 02 weist eine Achse 03 auf, welche auch die Rotationsachse des Maschinenelementes 02 bildet. Die Drehmomentsensoranordnung 01 umfasst zunächst mindestens zwei Primärsensoren (nicht dargestellt). Hierbei handelt es sich um magnetisch kodierte Abschnitte des Maschinenelementes 02, welche an der Innenfläche des Maschinenelementes 02 angeordnet sind. Die magnetisch kodierten Abschnitte erstrecken sich vollständig umlaufend um die Achse 03 und sind axial beabstandet zueinander ausgebildet. Das Maschinenelement 02 besteht vorzugsweise aus einem ferromagnetischen Material, welches auf einfache Art und Weise magnetisch abschnittsweise kodiert werden kann. Die Primärsensoren wandeln die am Maschinenelement 02 anliegenden Kräfte in ein magnetisches Signal, welches an der Innenfläche des Maschinenelementes 02 erfasst werden kann.
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Die Drehmomentsensoranordnung 01 umfasst weiterhin vier Sekundärsensoren 04, die in unmittelbarer Nähe der Primärsensoren angeordnet sind, wobei jeweils zwei der Sekundärsensoren 04 jeweils einem der Primärsensoren gegenüberliegend angeordnet sind. Die Sekundärsensoren 04 setzen Änderungen des magnetischen Feldes, welche durch an den Primärsensoren angreifende Kräfte bzw. mechanische Spannungen verursacht werden, in ein elektrisches Signal um. Die Sekundärsensoren 04 sind als integrierte Schaltungsstrukturen ausgebildet, die auf einer Platine 05 angeordnet sind. Die Platine 05 besitzt eine Grundfläche 07 und zwei winklig zu der Grundfläche 07 verlaufende abgewinkelte Flächen 08. Die abgewinkelten Flächen 08 sind einander gegenüberliegend angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform ist die Grundfläche 07 eben. Die abgewinkelten Flächen 08 verlaufen senkrecht zu der Grundfläche 07. Bei alternativen Ausführungen kann die Grundfläche 07 uneben ausgebildet sein. Die abgewinkelten Flächen 08 können in einem beliebigen Winkel zu der Grundfläche 07 verlaufen. Die abgewinkelten Flächen 08 sind den Primärsensoren gegenüberliegend angeordnet. Die Sekundärsensoren 04 befinden sich auf den abgewinkelten Flächen 08. Durch die Positionierung der Sekundärsensoren 04 auf den abgewinkelten Flächen 08 kann ein sehr kleiner Abstand zwischen den Primärsensoren und den Sekundärsensoren 04 realisiert werden. Durch den kleinen Abstand zwischen Primär- und Sekundärsensoren resultieren an den Sekundärsensoren vergleichsweise starke homogene Magnetfelder, die eine sehr hohe Messgenauigkeit ermöglichen und robust gegen externe Störfelder sind.
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Die Platine 05 ist an einem hülsenförmigen Träger 10 befestigt. In der gezeigten Ausführung erfolgt die Befestigung mittels mechanischer Befestigungsmittel 12. Der hülsenförmige Träger 10 weist an einem seiner beiden Enden einen stirnseitigen Flansch 13 auf. Die Grundfläche 07 der Platine 05 ist an dem Flansch 13 befestigt, während die abgewinkelten Flächen 08 sich längs des hülsenförmigen Trägers 10 erstrecken und an dessen Oberfläche fixiert sind. An dem Träger 10 ist vorzugsweise ein elektrischer Anschlussstecker (nicht dargestellt) für den Datenaustausch bzw. die Energieversorgung angeordnet. Der Träger 10 besteht bevorzugt aus Kunststoff.
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Eine Auswerteeinheit 14 ist auf der Grundfläche 07 der Platine 05 angeordnet. Die Auswerteeinheit 14 ist vorzugsweise als integrierte Schaltungsstruktur ausgebildet. Die Platine 05 ist bevorzugt als flexible Platine oder starrflexible Platine ausgeführt.
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2 zeigt eine perspektivische Darstellung der an dem Träger 10 befestigten Platine 05 der Drehmomentsensoranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform. 3 und 4 zeigen die Platine 05 gemäß der ersten Ausführungsform im Detail. Die Platine 05 ist in ihrem nicht abgewinkelten bzw. nicht geknickten Zustand in 3 dargestellt. 4 zeigt die Platine 05 in ihrem geknickten Zustand. Die Platine 05 weist in der gezeigten Ausführung eine kreisförmige, ebene Grundfläche 07 auf. Auf der Grundfläche 07 ist die Auswerteeinheit 14 angeordnet. Die Platine 05 umfasst weiterhin die abgewinkelten Flächen 08, die rechteckförmig ausgebildet und einander gegenüberliegend angeordnet sind. Die Flächen 08 sind mit geringerer Breite dimensioniert als die Grundfläche 07. Die Flächen 08 sind über jeweils einen flexiblen Bereich 15 mit der Grundfläche 07 verbunden. Die flexiblen Bereiche 15 ermöglichen ein winkliges Ausrichten der Flächen 08 zu der Grundfläche 07. Die Flächen 08 sind in ihrer Endposition senkrecht zu der Grundfläche 07 ausgerichtet.
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5 und 6 zeigen eine zweite Ausführungsform der Platine 05, wobei in 5 der nicht geknickte und in 6 der geknickte Zustand der Platine 05 dargestellt ist. Die Platine 05 umfasst wiederum die Grundfläche 07 und die abgewinkelten Flächen 08. Die Grundfläche 07 ist hier jedoch rechteckförmig ausgebildet. Die Flächen 08 sind wiederrum über die flexiblen Bereiche 15 mit der Grundfläche 07 verbunden. Im geknickten Zustand der Platine 05 sind die Flächen 08 senkrecht zu der Grundfläche 07 ausgerichtet.
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7 zeigt einen elektromechanischen Wankstabilisator 17 mit zwei Stabilisatorteilen 18. Zwischen den einander zugewandten Enden der Stabilisatorteile 18 ist ein Aktuator 19 zur Beaufschlagung der Stabilisatorteile 18 mit Drehmomenten angeordnet. Die Stabilisatorteile 18 sind über jeweils einen Flansch 20 an den Aktuator 19 angeschlossen. Die Stabilisatorteile 18 sind über zwei Stabilisatorlager 22 an einem Fahrzeugaufbau (nicht dargestellt) gelagert. In den Wankstabilisator 17 ist die bereits beschriebene Drehmomentsensoranordnung 01 integriert (nicht dargestellt). Der Primärsensor der Drehmomentsensoranordnung ist vorzugsweise als ein am Flansch 20 angeordneter magnetisch kodierter Abschnitt ausgebildet. Hierbei kann lediglich einer der beiden Flansche 20 oder beide Flansche 20 einen magnetischen kodierten Abschnitt aufweisen. Jeder Flansch 20 kann mehrere magnetisch kodierte Abschnitte zur Realisierung mehrere Primärsensoren umfassen. Die integrierte Drehmomentsensoranordnung, die gemäß einer der oben erläuterten Ausführungsformen aufgebaut sein kann, gestattet eine dauerhaft präzise und zuverlässige Erfassung der auftretenden Drehmomente. Die von der Drehmomentsensoranordnung gelieferten Messwerte werden der Steuereinheit des Wankstabilisators 17 zugeführt und bei der Ansteuerung des Aktuators 19 verwertet. Dadurch lässt sich die Genauigkeit der vom Wankstabilisator gelieferten korrigierenden Momente verbessern, was sich vorteilhaft auf das Fahrverhalten (die Wankstabilität) des Fahrzeugs, insbesondere in Grenzsituationen auswirkt.
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Bezugszeichenliste
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- 01
- Drehmomentsensoranordnung
- 02
- Maschinenelement
- 03
- Achse
- 04
- Sekundärsensor
- 05
- Platine
- 06
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- 07
- Grundfläche
- 08
- abgewinkelte Fläche
- 09
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- 10
- Träger
- 11
- -
- 12
- mechanische Befestigungsmittel
- 13
- Flansch
- 14
- Auswerteeinheit
- 15
- flexibler Bereich
- 16
- -
- 17
- Wankstabilisator
- 18
- Stabilisatorteile
- 19
- Aktuator
- 20
- Flansch
- 21
- -
- 22
- Stabilisatorlager
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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 102011078819 A1 [0002]
- WO 2016/127988 A1 [0003]
