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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators einer Bedieneinheit mit haptischem Feedback sowie eine Bedieneinheit, die eine zuvor genannte Vorrichtung aufweist bzw. gemäß einem zuvor genannten Verfahren betrieben wird, wobei es sich bei der Bedieneinheit insbesondere um eine solche für ein Fahrzeug handelt. Der Betrieb des Aktuators soll dabei mittels der in einem Kondensatorspeicher gespeicherten elektrischen Energie erfolgen.
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Bedieneinheiten mit haptischem Feedback sind grundsätzlich bekannt (siehe z.B.
DE 10 2017 202 645 A1 ) und erfreuen sich insbesondere in der Automobilindustrie gesteigerter Beliebtheit. Die Bedieneinheit, bei der es sich typischerweise um einen Touch-Screen oder um ein Touch-Pad handelt, wird bei Erkennung einer validen manuellen Betätigung mechanisch angeregt, wozu ein elektromechanischer Wandler (Aktuator) eingesetzt wird, der die Bedieneinheit mechanisch pulsartig anregt. Die dazu benötigte Energie und Ansteuerspannung wird im Regelfall nicht direkt von dem Bordnetz, sondern von einem Kondensatorspeicher bereitgestellt.
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Nachteilig bei Kondensatorspeichern kann sein, dass sich deren Kapazität aufgrund von Alterungseffekten und Umwelteinflüssen verändert. Dennoch soll sichergestellt werden, dass das taktile Empfinden der Rückmeldung einer validen Betätigung (haptisches Feedback) über die gesamte Lebensdauer, wie sie in der Automobilindustrie gefordert wird, gleichbleibend ist. Hierzu existieren im Stand der Technik Vorschläge zur Regelung des Ansteuersignals für den Aktuator, womit Kapazitätsveränderungen des Kondensatorspeichers kompensiert werden (siehe z.B.
DE 600 19 260 T2 und Tomas Manuel Reiter: Reglerentwicklung und Optimierungsmethoden für DC/DC-Wandler im Kraftfahrzeug. Dissertation, Technische Universität München, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, 13.11.2012. URL:
https://mediatum.ub.tum.de/982948 [abgerufen am 05.11.2019]). Allerdings sind Regelungseinrichtungen mit einem gewissen Hardware- und Kostenaufwand verbunden, was nachteilig sein kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators einer Bedieneinheit mit haptischem Feedback, insbesondere für ein Fahrzeug, anzugeben, bei denen die gleichbleibende Ansteuerung des Aktuators über die Lebensdauer der Bedieneinheit auf einfachere Art und Weise erzielt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Aktuators einer Bedieneinheit mit haptischem Feedback, insbesondere für ein Fahrzeug, mit
- - einem Kondensatorspeicher,
- - einer eine vorgebbare Spannung liefernden Spannungsquelle,
- - einem steuerbaren Schalter zum Verbinden der Spannungsquelle mit dem Kondensatorspeicher,
- - einer Kapazitätsermittlungseinheit zur messwertbasierten Ermittlung der Kapazität des Kondensatorspeichers,
- - einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Schalters zwecks Verbindens der Spannungsquelle mit dem Kondensatorspeicher,
- - wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit von der Kapazitätsermittlungseinheit einen die Kondensatorspeicherkapazität repräsentierenden Messwert erhält und diesen mit einem Referenzwert vergleicht, der einen Referenzkapazität repräsentiert, bei dem die Ansteuer- und Auswerteeinheit den Aktuator gemäß einem Referenzansteuersignal ansteuert, und
- - einem Speicher mit in diesem gespeicherten Informationen, die für unterschiedliche Abweichungen des Messwerts für die Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert die diesen Abweichungen zugeordneten, für ein Reagieren des Aktuators wie bei der Ansteuerung durch das Referenzansteuersignal erforderlichen, veränderten Ansteuersignale repräsentieren,
- - wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit von der Abweichung des Messwerts für die Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert den Aktuator mit demjenigen Ansteuersignal ansteuert, das gemäß Speicherinhalt der von der Ansteuer- und Auswerteeinheit ermittelten Abweichung des Messwerts für die Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert zugeordnet ist.
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Erfindungsgemäß wird die zuvor genannte Aufgabe auch gelöst durch eine Bedieneinheit mit haptischem Feedback für ein Fahrzeug, die versehen ist mit
- - einer Bedieneinheit,
- - einer Betätigungssensorik zur Erkennung einer manuellen Betätigung der Bedieneinheit,
- - einem Aktuator zur mechanischen Anregung der Bedieneinheit bei Erkennung einer manuellen Betätigung der Bedieneinheit und
- - einer Vorrichtung zum Betreiben des Aktuators mit
- - einem Kondensatorspeicher,
- - einer eine vorgebbare Spannung liefernden Spannungsquelle,
- - einem steuerbaren Schalter zum Verbinden der Spannungsquelle mit dem Kondensatorspeicher,
- - einer Kapazitätsermittlungseinheit zur messwertbasierten Ermittlung der Kapazität des Kondensatorspeichers,
- - einer Ansteuer- und Auswerteeinheit zur Ansteuerung des Schalters zwecks Verbindens der Spannungsquelle mit dem Kondensatorspeicher,
- - wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit von der Kapazitätsermittlungseinheit einen die Kondensatorspeicherkapazität repräsentierenden Messwert erhält und diesen mit einem Referenzwert vergleicht, der eine Referenzkapazität repräsentiert, bei der die Ansteuer- und Auswerteeinheit den Aktuator gemäß einem Referenzansteuersignal ansteuert, und
- - einem Speicher mit in diesem gespeicherten Informationen, die für unterschiedliche Abweichungen des Messwerts für die Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert die diesen Abweichungen zugeordneten, für ein Reagieren des Aktuators wie bei der Ansteuerung durch das Referenzansteuersignal erforderlichen, veränderten Ansteuersignale repräsentieren,
- - wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit in Abhängigkeit von der Abweichung des Messwerts für die Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert den Aktuator mit demjenigen Ansteuersignal ansteuert, das gemäß Speicherinhalt der von der Ansteuer- und Auswerteeinheit ermittelten Abweichung des Messwerts für die Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert zugeordnet ist,
- - wobei die Ansteuer- und Auswerteeinheit mit der Betätigungssensorik verbunden ist und den Aktuator bei Erkennung einer manuellen Betätigung der Bedieneinheit mit dem Referenzansteuersignal oder mit dem besagten veränderten Ansteuersignal ansteuert.
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Ferner wird zur Lösung dieser Aufgabe ein Verfahren zum Betreiben eines Aktuators einer Bedieneinheit mit haptischem Feedback, insbesondere für ein Fahrzeug, vorgeschlagen, und zwar mit den folgenden Schritten
- - Bereitstellen eines Kondensatorspeichers mit einer Referenzkapazität,
- - Vermessen der Kapazität des Kondensatorspeichers von Zeit zu Zeit oder in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen,
- - Vergleichen der jeweils gemessenen Kapazität des Kondensatorspeichers mit dessen Referenzkapazität,
- - Ansteuern des Aktuators mit einem Referenzansteuersignal, wenn der Messwert der Kondensatorspeicherkapazität gleich dessen Referenzkapazität ist, oder
- - Ansteuern des Aktuators mit einem geänderten Ansteuersignal, wenn der Messwert der Kondensatorspeicherkapazität von dessen Referenzwert abweicht, wobei die Ermittlung des geänderten Ansteuersignals durch Abfrage eines Speichers mit in diesem gespeicherter Information erfolgt, die diesen Abweichungen zugeordnete, für ein Reagieren des Aktuators wie bei der Ansteuerung durch das Referenzansteuersignal erforderliche, veränderte Ansteuersignale repräsentieren.
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Nach der Erfindung wird also sinngemäß auf eine Veränderung der Kapazität des Kondensatorspeichers durch im Vorhinein konzipiertes, gesteuertes Verändern des Ansteuersignals für den Aktuator reagiert. Es erfolgt also insoweit keine Regelung, sondern eine (reine) Steuerung.
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Nach der Erfindung wird die Energie und Spannung für die pulsartige Ansteuerung des Aktuators aus einem Kondensatorspeicher entnommen bzw. von diesem bereitgestellt. Dieser Kondensatorspeicher wird mit beispielsweise der Bordspannung eines Fahrzeugs aufgeladen. Die Kapazität des Kondensatorspeichers in dessen Neuzustand ist bekannt und wird im Folgenden Referenzkapazität genannt. Im Laufe der Zeit wird die Kapazität des Kondensatorspeichers in regelmäßigen oder in unregelmäßigen Abständen vermessen. Hierzu weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Kapazitätsermittlungseinheit zur messwertbasierten Ermittlung der Kapazitäten des Kondensatorspeichers auf. Zeichnen sich im Laufe der Zeit Abweichungen der aktuell gemessenen Kondensatorspeicherkapazität von der Referenzkapazität ab, so wird das Ansteuersignal für den Aktuator entsprechend geändert. Basierend auf der Referenzkapazität des Kondensatorspeichers existiert ein Referenzansteuersignal, das von einer Ansteuer- und Auswerteeinheit, die mit der Kapazitätsermittlungseinheit verbunden ist, erzeugt wird. Dieses Ansteuersignal sollte seiner Form und Energie nach über die in der Automobilindustrie geforderten Lebensdauer gleich sein. Weicht nun die Kapazität des Kondensatorspeichers im Laufe der Zeit von der Referenzkapazität ab, so wird in entsprechender Weise das Ansteuersignal der Ansteuer- und Auswerteeinheit verändert, damit der Aktuator elektrisch dergestalt angesteuert wird, dass er die Bedieneinheit stets mit im Wesentlichen gleichem, mechanischen Impuls anregt.
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Bei den die unterschiedlichen Ansteuersignale repräsentierenden Informationen handelt es sich beispielsweise um die Form der Ansteuersignale beschreibende Parameter, um die Abtastwerte unterschiedlicher analoger Ansteuersignale und allgemein um digitale Daten, die die verschiedenen, unterschiedlichen Abweichungen des aktuellen Kapazitätsmesswerts vom Referenzwert beschreibende Ansteuersignaldarstellungsdaten umfassen.
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Bei der erfindungsgemäß vorgesehenen gesteuerten Haptik-Feedback-Anordnung ist es also notwendig, vor der Auslösung des Feedback-Impulses die verfügbare Kapazität des Kondensatorspeichers zu kennen, um die Form des Impulses entsprechend anzupassen. Ist die momentan verfügbare Kapazität des Kondensatorspeichers eine andere als beim Abgleichvorgang im Neuzustand des Kondensatorspeichers und würde diese Tatsache nicht berücksichtigt, so würde sich ungewollt ein verändertes Feedback-Gefühl einstellen. Während der in der Automobilindustrie geforderten Lebensdauer wird sich aber durch Alterung und Umwelteinflüsse eine Veränderung des Kapazitätswerts des Kondensatorspeichers ergeben. Diese Veränderung wird erfindungsgemäß erfasst, so dass es mit dieser Information möglich ist, die Ansteuerung des Aktuators vor Auslösung des Impulses entsprechend anzupassen, was im Vorhinein konzipiert (worden) ist.
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Als Vorteil der Erfindung ist zu bewerten, dass das gesteuerte Haptik-Feedback trotz der Veränderung der verfügbaren Kapazität konstant gehalten werden kann. Systemische Messfehler werden dadurch minimiert, dass stets dieselbe Messschaltung (Kapazitätsermittlungseinheit) verwendet wird und es sich vorzugsweise um ein relatives Messergebnis handelt, indem die gemessene Kondensatorspeicherkapazität in Relation zu einem Referenzwert betrachtet wird.
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In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kapazitätsermittlungseinheit ein Zeitmessglied zum Messen der Aufladezeit aufweist, innerhalb der der Kondensatorspeicher, ausgehend von dem im Wesentlichen entladenen Zustand, auf einen vorgebbaren Spannungswert aufgeladen ist, wobei das Zeitmessglied an die Ansteuer- und Auswerteeinheit ein die gemessene Aufladezeit repräsentierenden Messwert liefert.
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Des Weiteren kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der vorgegebene Spannungswert, auf den der Kondensatorspeicher innerhalb der zu messenden Aufladezeit aufgeladen ist, als prozentualer Wert der von der Spannungsquelle gelieferten Spannung festgelegt ist und insbesondere zwischen 20 % und 50 % oder zwischen 30 % und 40 % der von der Spannungsquelle gelieferten Spannung liegt und insbesondere etwa 33 % der von der Spannungsquelle gelieferten Spannung beträgt. Gemäß dieser Variante der Erfindung wird die Kapazität des Kondensatorspeichers dadurch ermittelt, dass gemessen wird, bis wann der Kondensatorspeicher auf einen bestimmten Prozentsatz der Versorgungsspannung aufgeladen ist. Die Aufladecharakteristik eines Kondensators gleicht dem Verlauf einer asymptotischen Kurve. Vorteilhaft ist es, innerhalb des recht steilen Bereichs dieser Kurve zu messen, da es in diesem Bereich vergleichsweise einfach ist, die aktuelle Ladespannung mit einem vorgegebenen Wert (beispielsweise 30 % bis 40 % der Versorgungsspannung) zu vergleichen.
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Alternativ zur Aufladezeitmessung kann die Kapazität des Kondensatorspeichers auch mittels einer Frequenzmessung erfolgen. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Kapazitätsermittlungseinheit statt eines Zeitmessglieds eine Frequenzmesseinheit aufweist, die an die Ansteuer- und Auswerteeinheit einen die ermittelte Frequenz repräsentierenden Messwert liefert, der von der Kapazität des Kondensatorspeichers abhängt.
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Insoweit kann also vorgesehen sein, dass die Kapazitätsermittlungseinheit eine Frequenzmesseinheit zur Ermittlung der Kapazität des Kondensatorspeichers mittels Anregung desselben durch ein Frequenzsignal aufweist, wobei die Frequenzmesseinheit an die Ansteuer- und Auswerteeinheit einen die ermittelte Frequenz repräsentierenden Messwert liefert.
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Mit der Erfindung ist es also, wie oben beschrieben, möglich, Kapazitätsveränderungen des Kondensatorspeichers zu berücksichtigen, indem beispielsweise in einem Speicher, z.B. einer Look-up-Tabelle, die Parameter für das Ansteuerungsprofil des Aktuators in Abhängigkeit von Kapazitätsveränderungen des Kondensatorspeichers, verglichen mit dem Neuzustand des Kondensatorspeichers, abgespeichert werden.
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Typischerweise wird der Aktuator gausspulsförmig angesteuert. Diese Gausskurve wird durch PWM-Signale nachgebildet. Im Laufe der Zeit wird also durch eine Veränderung des Ein/Aus-Verhältnisses (Duty-Cycle) verändert, um der veränderten Kapazität des Kondensatorspeichers Rechnung zu tragen. Die hier beschriebene Variante der Ansteuerung des Aktuators sei lediglich beispielhaft genannt. Bei anderen Ansteuerungskonzepten des Aktuators wird in entsprechender Weise, wie oben beschrieben, verfahren, um Kapazitätsänderungen auf Grund z.B. Kondensatorspeicheralterungen und z.B. Umwelteinflüssen auf die Kapazität des Kondensatorspeichers entgegenzuwirken.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen dabei:
- 1 schematisch ein Blockschaltbild zur Verdeutlichung des erfindungsgemäßen Konzeptes,
- 2 eine beispielhafte Ausführung des allgemeinen Konzepts gemäß 1,
- 3 beispielhaft die Art der PWM-Ansteuerung des Aktuators für die Nachbildung des Soll-Ansteuerungspulses zur Erzielung des gewünschten haptischen Feedbacks im Neuzustand des Kondensatorspeichers und
- 4 beispielhaft die Art der PWM-Ansteuerung des Aktuators für die Nachbildung des Soll-Ansteuerungspulses zur Erzielung des gewünschten haptischen Feedbacks nach Alterung des Kondensatorspeichers.
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In 1 ist das allgemeine Prinzip der Erfindung erläutert. Ein Aktuator 10 zur Anregung einer Bedieneinheit 12 mit haptischem Feedback wird energetisch von einem Kondensatorspeicher 14 versorgt. Eine Auswerte- und Ansteuereinheit 16 steuert unter anderem eine Kapazitätsermittlungseinheit 18 an, um während der Lebensdauer des Systems von Zeit zu Zeit die Kapazität des Kondensatorspeichers 14 zu ermitteln. Mit Hilfe dieser Kapazitätsermittlungseinheit 18 wird die Kapazität des Kondensatorspeichers 14 im Neuzustand desselben vermessen. Der sich dabei ergebende Messwert repräsentiert die Referenzkapazität des Kondensatorspeichers 14.
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Über die Ansteuer- und Auswerteeinheit 16 wird beispielsweise nach dem Einschalten des Systems ein elektronischer Schalter 19 geschlossen, wodurch der Kondensatorspeicher 14 aufgeladen wird. Während dieser Zeit kann (muss aber nicht jeweils) die Kapazität des Kondensatorspeichers 14 ermittelt werden. Die Bedieneinheit 12 ist beispielsweise berührungssensitiv ausgebildet oder auf andere Art und Weise mit einer Betätigungssensorik versehen, mittels der eine valide Betätigung der Bedieneinheit 12 ermittelt werden kann.
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Die Auswerte- und Ansteuereinheit hat Informationen darüber gespeichert, wie die Ansteuerung des Aktuators 10 im Vergleich zum Neuzustand des Kondensatorspeichers 14 angesteuert wird, wenn dieser altert und sich damit aufgrund von Alterungs- und Umwelteinflüssen seine Kapazität ändert. Auf diese Art und Weise kann durch einfache Steuerung eine Kompensation von Auswirkungen einer sich im Laufe der Zeit verringernden Kapazität des Kondensatorspeichers 14 auf die Ansteuerung des Aktuators 10 und damit auf die mechanische Anregung der Bedieneinheit 12 erzielt werden, und zwar ohne Regelung.
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Ein konkreteres Beispiel für eine Realisierung des Konzepts gemäß 1 ist in 2 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Kapazitätsermittlungseinheit 18 mit einem Zeitmessglied 20 versehen, mittels dessen die Aufladezeit gemessen wird, innerhalb der die Eingangsspannung am Kondensatorspeicher 14 von einem vorgebbaren Anfangswert (beispielsweise ein gewisser Prozentsatz wie etwa 0,01 % der momentan anliegenden Betriebsspannung UBat ) bis zu einem vorgegebenen Wert (beispielsweise ein bestimmter Prozentsatz der momentan anliegenden Betriebsspannung wie beispielsweise ca. 30 % bis 40 % von UBat ) ansteigt. Hierzu weist das Zeitmessglied 20 entsprechende Komparatoren auf, die mittels einer nachgeschalteten Logik 22 beispielsweise ein kapazitätsproportionales Rechtecksignal 24 erzeugt. Das kapazitätsproportionale Rechtecksignal 24 wird der Auswerte- und Ansteuereinheit 16 zugeführt, die in Abhängigkeit davon die Parameter für den elektrischen Ansteuerpuls auswählt, mit dem der Aktuator 10 im Bedarfsfalle angesteuert werden muss, damit der vom Aktuator 10 auf die Bedieneinheit 12 aufgebrachte mechanische Impuls im Wesentlichen identisch zu dem Soll-Impuls ist, der „voreingestellt“ und zur Erzielung eines gewünschten haptischen Feedbacks erforderlich ist.
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Bei Erkennung einer validen Betätigung der Bedieneinheit 12 „weiß“ die Auswerte- und Ansteuereinheit 16 also bereits, wie der Aktuator 10 elektrisch angesteuert werden muss. Dies erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch z.B. ein PWM-Signal, das an einen elektronischen Schalter 26 angelegt wird, wie es in 2 gezeigt ist.
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In den 3 und 4 ist beispielhaft dargestellt, wie sich im Laufe der Zeit aufgrund von Alterungseffekten und damit einhergehender Kapazitätsveränderungen des Kondensatorspeichers 14 das elektrische Ansteuersignal (PWM-Signal 28) für den Aktuator 10 ändert, damit dieser im Wesentlichen mit gleichbleibender Pulsform (z.B. Gausspuls 30) beaufschlagt werden kann. Da die Kapazität des Kondensatorspeichers 14 im Laufe der Zeit abnimmt, werden die PWM-Pulse, mit denen der Aktuator 10 angesteuert werden, um ihn mit Energie aus dem Kondensatorspeicher 14 zu versorgen, breiter, was in 4 gezeigt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Aktuator
- 12
- Bedieneinheit
- 14
- Kondensatorspeicher
- 16
- Ansteuer- und Auswerteeinheit
- 18
- Kapazitätsermittlungseinheit
- 19
- Schalter
- 20
- Zeitmessglied
- 22
- Logik
- 24
- Rechtecksignal
- 26
- Schalter
- 28
- PWM-Signal (Ansteuersignal)
- 30
- Ansteuerpulsform
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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 102017202645 A1 [0002]
- DE 60019260 T2 [0003]
