DE102022209298A1 - Sensor arrangement for a vehicle - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung (1) für ein Fahrzeug, mit einem induktiven Wegsensor (10), welcher ausgeführt ist, eine aktuelle Position eines beweglichen Körpers zu ermitteln, und einem magnetischen Sensor (20), welcher ausgeführt ist, eine Startposition des beweglichen Körpers zu erfassen, wobei der induktive Wegsensor (10) mindestens eine mit dem beweglichen Körper gekoppelte bewegliche Koppelvorrichtung (12) mit mindestens einem elektrisch leitenden Koppelelement (12.1) und mindestens einen ortsfesten Schaltungsträger (5) umfasst, wobei auf dem mindestens einen Schaltungsträger (5) mindestens eine Erregerstruktur (14) und mindestens eine Empfangsstruktur (16) angeordnet ist, welche sich entlang einer Bewegungsbahn der mindestens einen Koppelvorrichtung (12) zwischen einer Startposition und einer Zielposition erstreckt, wobei eine erste Auswerte- und Steuereinheit (18) ausgeführt ist, mindestens ein in der mindestens einen Empfangsstruktur (16) induziertes Messsignal auszuwerten und die aktuelle Position der mindestens einen Koppelvorrichtung (10) und des beweglichen Körpers zu ermitteln, wobei der magnetische Sensor (20) einen Magneten (22) und eine zweite Auswerte- und Steuereinheit (24) mit einem magnetischen Sensorelement (26) umfasst, wobei der Magnet (22) an der mindestens einen Koppelvorrichtung (12) angeordnet ist und die zweite Auswerte- und Steuereinheit (24) auf dem mindestens einen Schaltungsträger (5) im Bereich der mindestens einen Empfangsstruktur (14) so angeordnet ist, dass das magnetische Sensorelement (26) der zweiten Auswerte- und Steuereinheit den Magneten (22) in der Startstellung der mindestens einen Koppelvorrichtung (12) zumindest teilweise überlappt.The invention relates to a sensor arrangement (1) for a vehicle, with an inductive displacement sensor (10), which is designed to determine a current position of a movable body, and a magnetic sensor (20), which is designed to determine a starting position of the movable body to detect, wherein the inductive displacement sensor (10) comprises at least one movable coupling device (12) coupled to the movable body with at least one electrically conductive coupling element (12.1) and at least one stationary circuit carrier (5), wherein on the at least one circuit carrier (5) at least one excitation structure (14) and at least one receiving structure (16) are arranged, which extends along a movement path of the at least one coupling device (12) between a starting position and a target position, wherein a first evaluation and control unit (18) is designed, at least to evaluate a measurement signal induced in the at least one receiving structure (16) and to determine the current position of the at least one coupling device (10) and the movable body, the magnetic sensor (20) having a magnet (22) and a second evaluation and control unit ( 24) with a magnetic sensor element (26), the magnet (22) being arranged on the at least one coupling device (12) and the second evaluation and control unit (24) on the at least one circuit carrier (5) in the area of the at least one Receiving structure (14) is arranged so that the magnetic sensor element (26) of the second evaluation and control unit at least partially overlaps the magnet (22) in the starting position of the at least one coupling device (12).
Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung für ein Fahrzeug.The invention relates to a sensor arrangement for a vehicle.
Aus dem Stand der Technik sind Bremssysteme für Fahrzeuge bekannt, welche mit einem Pedalwegsensor zur Erfassung der Bremspedalstellung ausgerüstet sind. Hierzu können beispielsweise magnetische oder induktive Wegsensoren eingesetzt werden. Zudem wird bei heutigen Fahrzeugen die Aktivierung der Bremsleuchten in der Regel über eine Sensierung bzw. Auswertung des Bremsdrucks im hydraulischen System durchgeführt. Einfache Druckschalter sind nicht mehr üblich. Zusätzlich wird für künftige Fahrzeuggenerationen eine Startfunktion zum Hochfahren der Systeme über die Aktivierung mittels Bremspedal angedacht, so dass der Startknopf entfallen kann.Brake systems for vehicles are known from the prior art, which are equipped with a pedal travel sensor for detecting the brake pedal position. For example, magnetic or inductive displacement sensors can be used for this purpose. In addition, in today's vehicles, the activation of the brake lights is usually carried out by sensing or evaluating the brake pressure in the hydraulic system. Simple pressure switches are no longer common. In addition, a start function for starting up the systems via activation using the brake pedal is being considered for future vehicle generations, so that the start button can be omitted.
Aus der
Aus der
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Die Sensoranordnung für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die Integration des magnetischen Sensors in den induktiven Wegsensor eine Bauraum- und Kostenreduzierung möglich ist. Zudem sind für den magnetischen Sensor kein zusätzliches Gehäuse und keine zusätzliche Befestigungselemente erforderlich. Je nach Sicherheitskonzept kann der magnetische Sensor zur Überwachung des sicherheitsrelevanten Wegsensors eingesetzt werden. Dadurch kann die funktionale Sicherheit der Sensoranordnung erhöht werden.The sensor arrangement for a vehicle with the features of independent claim 1 has the advantage that a reduction in installation space and costs is possible by integrating the magnetic sensor into the inductive displacement sensor. In addition, no additional housing or fastening elements are required for the magnetic sensor. Depending on the safety concept, the magnetic sensor can be used to monitor the safety-relevant displacement sensor. This allows the functional safety of the sensor arrangement to be increased.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Sensoranordnung für ein Fahrzeug, mit einem induktiven Wegsensor, welcher ausgeführt ist, eine aktuelle Position eines beweglichen Körpers zu ermitteln, und einem magnetischen Sensor zur Verfügung, welcher ausgeführt ist, eine Startposition des beweglichen Körpers zu erfassen. Der induktive Wegsensor umfasst mindestens eine mit dem beweglichen Körper gekoppelte bewegliche Koppelvorrichtung mit mindestens einem elektrisch leitenden Koppelelement und mindestens einen ortsfesten Schaltungsträger. Auf dem mindestens einen Schaltungsträger ist mindestens eine Erregerstruktur und mindestens eine Empfangsstruktur angeordnet, welche sich entlang einer Bewegungsbahn der mindestens einen Koppelvorrichtung zwischen einer Startposition und einer Zielposition erstreckt. Hierbei ist eine erste Auswerte- und Steuereinheit ausgeführt, mindestens ein in der mindestens einen Empfangsstruktur induziertes Messsignal auszuwerten und die aktuelle Position der mindestens einen Koppelvorrichtung und des beweglichen Körpers zu ermitteln. Der magnetische Sensor umfasst einen Magneten und eine zweite Auswerte- und Steuereinheit mit einem magnetischen Sensorelement. Der Magnet ist an der mindestens einen Koppelvorrichtung angeordnet und die zweite Auswerte- und Steuereinheit ist auf dem mindestens einen Schaltungsträger im Bereich der mindestens einen Empfangsstruktur so angeordnet, dass das magnetische Sensorelement der zweiten Auswerte- und Steuereinheit den Magneten in der Startstellung der mindestens einen Koppelvorrichtung zumindest teilweise überlappt.Embodiments of the present invention provide a sensor arrangement for a vehicle, with an inductive displacement sensor, which is designed to determine a current position of a movable body, and a magnetic sensor, which is designed to detect a starting position of the movable body. The inductive displacement sensor comprises at least one movable coupling device coupled to the movable body with at least one electrically conductive coupling element and at least one stationary circuit carrier. At least one exciter structure and at least one receiving structure are arranged on the at least one circuit carrier, which extends along a movement path of the at least one coupling device between a starting position and a target position. Here, a first evaluation and control unit is designed to evaluate at least one measurement signal induced in the at least one receiving structure and to determine the current position of the at least one coupling device and the movable body. The magnetic sensor includes a magnet and a second evaluation and control unit with a magnetic sensor element. The magnet is arranged on the at least one coupling device and the second evaluation and control unit is arranged on the at least one circuit carrier in the area of the at least one receiving structure so that the magnetic sensor element of the second evaluation and control unit moves the magnet in the starting position of the at least one coupling device at least partially overlapped.
Durch die Anordnung der zweiten Auswerte- und Steuereinheit des magnetischen Sensors im Bereich der mindestens einen Empfangsstruktur des induktiven Sensors ist kein zusätzlicher Platzbedarf auf dem mindestens einen Schaltungsträger erforderlich. Des Weiteren ermöglicht die Anordnung des Magneten des magnetischen Sensors an der mindestens einen Koppelvorrichtung eine bauraumneutrale Integration des Magneten. Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Sensoranordnung kann eine gemeinsame elektrische Masse von dem induktiven Wegsensor und dem magnetischen Sensor verwendet werden, so dass eine Reduzierung der elektrischen Verbindungen möglich ist. Beide Sensoren können trotzdem vollkommen unabhängig voneinander arbeiten und über getrennte Versorgungspannungen versorgt und getrennte Ausgangssignale ausgeben. Der induktive Wegsensor kann über das mindestens eine elektrisch leitende Koppelelement der mindestens einen beweglichen Koppelvorrichtung die aktuelle Position des mindestens einen beweglichen Körpers als absoluter oder differentieller Wegsensor erfassen.By arranging the second evaluation and control unit of the magnetic sensor in the area of the at least one receiving structure of the inductive sensor, no additional space is required on the at least one circuit carrier. Furthermore, the arrangement of the magnet of the magnetic sensor on the at least one coupling device enables the magnet to be integrated in a space-neutral manner. In a particularly advantageous embodiment of the sensor arrangement, a common electrical ground can be used by the inductive displacement sensor and the magnetic sensor, so that a reduction in the electrical connections is possible. Both sensors can still work completely independently of each other and be powered by separate supply voltages and output separate output signals. The inductive displacement sensor can be moved via the at least one electrically conductive coupling element of the at least one Coupling device detects the current position of the at least one movable body as an absolute or differential displacement sensor.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können vorzugsweise als Pedalwegsensor eines Bremspedals eingesetzt werden. Hierbei ermittelt der induktive Wegsensor die aktuelle Position des Bremspedals und der magnetische Sensor erfasst die Startposition des Bremspedals. Hierbei kann die zweite Auswerte- und Steuereinheit in vorteilhafter Weise in eine Bremslichtschaltfunktion, welche bei einem Bremsvorgang das Bremslicht aktiviert, und in eine Aufwachfunktion integriert werden, welche alle System im Fahrzeug startet bzw. aktiviert. Die zweite Auswerte- und Steuereinheit weist eine sehr geringe Ruhestromaufnahme auf und kann eine Schaltsignal erzeugen und ausgeben. Das magnetische Sensorelement kann die Startposition der mindestens einen Koppelvorrichtung bzw. des beweglichen Körpers vorzugsweise basierend auf dem Hall-Effekt erfassen. Alternativ kann das magnetische Sensorelement die Startposition der mindestens einen Koppelvorrichtung bzw. des beweglichen Körpers basierend auf magnetoresistiven (MR) Effekten, wie beispielsweise dem AMR-Effekt (Anisotropen-Magnetoresistiven Effekt), dem GMR-Effekt (Giant-Magnetoresistiven Effekt) oder dem TMR-Effekt, (Tunnel-Magnetoresistiven Effekt) erfassen.Embodiments of the sensor arrangement according to the invention can preferably be used as a pedal travel sensor of a brake pedal. The inductive displacement sensor determines the current position of the brake pedal and the magnetic sensor detects the starting position of the brake pedal. Here, the second evaluation and control unit can advantageously be integrated into a brake light switching function, which activates the brake light during a braking process, and into a wake-up function, which starts or activates all systems in the vehicle. The second evaluation and control unit has a very low quiescent current consumption and can generate and output a switching signal. The magnetic sensor element can detect the starting position of the at least one coupling device or the movable body, preferably based on the Hall effect. Alternatively, the magnetic sensor element can determine the starting position of the at least one coupling device or the movable body based on magnetoresistive (MR) effects, such as the AMR effect (anisotropic magnetoresistive effect), the GMR effect (giant magnetoresistive effect) or the TMR -Effect (tunnel magnetoresistive effect).
Unter einer Auswerte- und Steuereinheit kann vorliegend eine elektrische Baugruppe bzw. elektrische Schaltung verstanden werden, welche erfasste Sensorsignale aufbereitet bzw. verarbeitet bzw. auswertet. Vorzugsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit als ASIC-Baustein (ASIC: Anwendungsspezifische integrierte Schaltung) ausgeführt sein. Die Auswerte- und Steuereinheit kann mindestens eine Schnittstelle aufweisen, die hard- und/oder softwaremäßig ausgebildet sein kann. Bei einer hardwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen beispielsweise Teil des ASIC-Bausteins sein. Es ist jedoch auch möglich, dass die Schnittstellen eigene, integrierte Schaltkreise sind oder zumindest teilweise aus diskreten Bauelementen bestehen. Bei einer softwaremäßigen Ausbildung können die Schnittstellen Softwaremodule sein, die beispielsweise auf einem Mikrocontroller neben anderen Softwaremodulen vorhanden sind.In the present case, an evaluation and control unit can be understood to mean an electrical assembly or electrical circuit which prepares, processes or evaluates detected sensor signals. The evaluation and control unit can preferably be designed as an ASIC component (ASIC: application-specific integrated circuit). The evaluation and control unit can have at least one interface, which can be designed in hardware and/or software. In the case of hardware training, the interfaces can, for example, be part of the ASIC component. However, it is also possible that the interfaces are their own integrated circuits or at least partially consist of discrete components. In the case of software training, the interfaces can be software modules that are present, for example, on a microcontroller alongside other software modules.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen der im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Sensoranordnung für ein Fahrzeug möglich.The measures and further developments listed in the dependent claims make advantageous improvements to the sensor arrangement for a vehicle specified in independent claim 1 possible.
Besonders vorteilhaft ist, dass die mindestens eine Erregerstruktur mit mindestens einer Oszillatorschaltung gekoppelt sein kann, welche während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in die mindestens eine Erregerstruktur einkoppelt. Hierbei beeinflusst das mindestens eine elektrisch leitende Koppelelement der mindestens einen Koppelvorrichtung in Abhängigkeit von seiner aktuellen Position eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur und der mindestens einen Empfangsstruktur. Da sich magnetische und induktive Sensorprinzipien gegenseitig nicht beeinflussen bzw. beeinträchtigen, ist es möglich, den magnetischen Sensor zwischen die Empfangsstrukturen bzw. Erregerstrukturen des induktiven Sensors zu integrieren. Die zweite Auswerte- und Steuereinheit kann beispielsweise als SMD-Bauteil in kleinem Package zwischen die Leiterbahnen der mindestens einen Empfangsstruktur platziert werden, ohne die Funktion des induktiven Sensors negativ zu beeinflussen.It is particularly advantageous that the at least one exciter structure can be coupled to at least one oscillator circuit, which couples a periodic alternating signal into the at least one exciter structure during operation. Here, the at least one electrically conductive coupling element of the at least one coupling device influences an inductive coupling between the at least one exciter structure and the at least one receiving structure depending on its current position. Since magnetic and inductive sensor principles do not influence or impair each other, it is possible to integrate the magnetic sensor between the receiving structures or excitation structures of the inductive sensor. The second evaluation and control unit can be placed, for example, as an SMD component in a small package between the conductor tracks of the at least one receiving structure, without negatively influencing the function of the inductive sensor.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann die zweite Auswerte- und Steuereinheit ein Schaltsignal ausgeben, wenn sich der Magnet durch eine Bewegung der mindestens einen Koppelvorrichtung aus dem Erfassungsbereich des magnetischen Sensorelements der zweiten Auswerte- und Steuereinheit bewegt. Hierbei kann die Position der zweiten Auswerte- und Steuereinheit mit der Position des Magneten abgestimmt werden, um die Startposition der mindestens einen Koppelvorrichtung bzw. des beweglichen Körpers entsprechend den Anforderungen zu erfassen.In an advantageous embodiment of the sensor arrangement, the second evaluation and control unit can output a switching signal when the magnet moves out of the detection range of the magnetic sensor element of the second evaluation and control unit due to a movement of the at least one coupling device. Here, the position of the second evaluation and control unit can be coordinated with the position of the magnet in order to detect the starting position of the at least one coupling device or the movable body in accordance with the requirements.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann die mindestens eine Empfangsstruktur mindestens eine Empfangsspule aufweisen. Zudem kann die mindestens eine Empfangsspule jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aufweisen, welche auf mehrere Lagen des mindestens einen ortsfesten Schaltungsträgers verteilt sein können. Des Weiteren kann die mindestens eine Erregerstruktur mindestens eine Erregerspule aufweisen, welche umlaufend am Rand des mindestens einen Schaltungsträgers verlaufen kann. Der mindestens eine Schaltungsträger weist eine der Bewegungsbahn des beweglichen Körpers und einer Fläche der mindestens einen Koppelvorrichtung entsprechende erforderliche Fläche auf, welche durch die mindestens eine Erregerspule und durch die mindestens eine Empfangsspule des induktiven Sensors belegt ist.In a further advantageous embodiment of the sensor arrangement, the at least one receiving structure can have at least one receiving coil. In addition, the at least one receiving coil can each have a periodically repeating loop structure, which can be distributed over several layers of the at least one stationary circuit carrier. Furthermore, the at least one excitation structure can have at least one excitation coil, which can run circumferentially on the edge of the at least one circuit carrier. The at least one circuit carrier has a required area corresponding to the movement path of the movable body and a surface of the at least one coupling device, which is occupied by the at least one excitation coil and by the at least one receiving coil of the inductive sensor.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann die mindestens eine bewegliche Koppelvorrichtung einen Gleiter umfassen, auf welchem das mindestens eine elektrisch leitende Koppelelement angeordnet sein kann. Hierbei kann der Gleiter der mindestens einen Koppelvorrichtung als Kunststoffbauteil ausgeführt sein und durch mindestens ein Führungselement entlang der Bewegungsbahn geführt sein. Zudem kann der Gleiter der mindestens einen Koppelvorrichtung eine Vertiefung aufweisen, in welcher der Magnet angeordnet sein kann. Der Magnet des magnetischen Sensors ist durch den Gleiter direkt mit der Bewegungsbahn gekoppelt. Der Magnet kann beispielsweise als Selten-Erden-Magnet (NdFeB), AINiKo, Hartferrit usw. ausgeführt sein. Hierbei verläuft die Magnetisierungsrichtung des Magneten senkrecht zur Ebene des mindestens einen Schaltungsträgers und zur zweiten Auswerte- und Steuereinheit. Der Bauraum für den Magneten ist durch das Design des Gleiter vorhanden bzw. kann als neutral zum Gesamtbauraumbedarf der Sensoranordnung angesehen werden. Der Magnet kann durch das auf dem Gleiter montierte mindestens eine elektrisch leitende Koppelelement gegen Herausfallen gesichert sein. Alternativ ist auch ein Verkleben des Magneten möglich. Das mindestens eine Koppelelement kann beispielsweise als Stanz-Biegeteil ausgeführt sein.In a further advantageous embodiment of the sensor arrangement, the at least one movable coupling device can comprise a slider on which the at least one electrically conductive coupling element can be arranged. Here, the slider of the at least one coupling device can be designed as a plastic component and can be guided along the movement path by at least one guide element. In addition, the glider can the at least one coupling device has a recess in which the magnet can be arranged. The magnet of the magnetic sensor is directly coupled to the movement path by the slider. The magnet can, for example, be designed as a rare earth magnet (NdFeB), AINiKo, hard ferrite, etc. The magnetization direction of the magnet runs perpendicular to the plane of the at least one circuit carrier and to the second evaluation and control unit. The installation space for the magnet is available due to the design of the slider or can be viewed as neutral to the overall installation space requirement of the sensor arrangement. The magnet can be secured against falling out by the at least one electrically conductive coupling element mounted on the slider. Alternatively, gluing the magnet is also possible. The at least one coupling element can be designed, for example, as a stamped and bent part.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Sensoranordnung kann der Gleiter durch mindestens einen Mitnehmer mit dem beweglichen Körper gekoppelt sein. Dies ermöglich eine einfache Anbindung der mindestens einen Koppelvorrichtung an den beweglichen Körper.In a further advantageous embodiment of the sensor arrangement, the slider can be coupled to the movable body by at least one driver. This enables a simple connection of the at least one coupling device to the movable body.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.An exemplary embodiment of the invention is shown in the drawings and is explained in more detail in the following description. In the drawings, like reference numerals designate components or elements that perform the same or analogous functions.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
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1 zeigt eine schematische perspektivische Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.1 shows a schematic perspective top view of an exemplary embodiment of a sensor arrangement according to the invention. -
2 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts der erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus1 ohne Schaltungsträger.2 shows a schematic perspective view of a section of the sensor unit according to the invention1 without circuit carrier. -
3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Sensoreinheit aus1 und2 von unten.3 shows a schematic perspective view of the exemplary embodiment of the sensor unit according to the invention1 and2 from underneath.
Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention
Wie aus
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Erregerstruktur 14 mit einer nicht näher dargestellten Oszillatorschaltung gekoppelt, welche während des Betriebs ein periodisches Wechselsignal in die Erregerstruktur 14 einkoppelt. Die dargestellte Erregerstruktur 16 weist eine Erregerspule auf, welche umlaufend am Rand des mindestens einen Schaltungsträgers 5 verläuft. Das mindestens eine elektrisch leitende Koppelelement 12.1 beeinflusst in Abhängigkeit von seiner aktuellen Position eine induktive Kopplung zwischen der mindestens einen Erregerstruktur 14 und der mindestens einen Empfangsstruktur 16. Die dargestellte Empfangsstruktur 16 umfasst mehrere Empfangsspulen, welche jeweils eine sich periodisch wiederholende Schleifenstruktur aufweist. Die Schleifenstrukturen sind auf mehrere Lagen des ortsfesten Schaltungsträgers 5 verteilt, so dass Überschneidungen einfach vermieden werden können. Die in verschiedenen Lagen angeordneten Abschnitte der sich wiederholenden Schleifenstrukturen sind über Durchkontaktierungen elektrisch miteinander verbunden.In the exemplary embodiment shown, an
Wie aus
Je nach Anwendung bzw. Anforderung kann der Magnet 22 wahlweise in einem der Gleiter 13A, 13B eingebaut sein. Wie insbesondere aus
Bei entsprechender Anordnung ist auch eine doppelte und damit redundante Ausführung mit zwei Magneten 22 und zwei zweiten Auswerte- und Steuereinheit 24 möglich. Bei dieser Ausführung ist in beiden Gleitern 13A, 13B jeweils ein Magnet 22 angeordnet.With an appropriate arrangement, a double and therefore redundant design with two
Wie insbesondere aus
Wie aus
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 602004006168 T2 [0004]DE 602004006168 T2 [0004]
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