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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Drahtlose Ladeverfahren, die zum Beispiel magnetische Resonanzen nutzen, um Energie über einen relativ kurzen Abstand (zum Beispiel ein Inch) zu übertragen, haben allgemeine Verfügbarkeit erlangt (zum Beispiel Mobiltelefonladepads). Es wäre nützlich, in der Lage zu sein, Energie drahtlos über einen relativ großen Abstand zu übertragen, um das Laden von Batterien oder die Energieversorgung einer Ausstattung entfernt von einer Hauptenergiequelle zu ermöglichen.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf an einer drahtlosen Energieübertragung unter Verwendung eines Mikrowellensignals.
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KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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Die begleitenden Figuren, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf identische oder funktional ähnliche Elemente durch die verschiedenen Ansichten hindurch beziehen, zusammen mit der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, werden in die Spezifizierung aufgenommen, und sie bilden einen Teil derselben, und sie dienen zur weiteren Veranschaulichung von Ausführungsformen und Konzepten, die die beanspruchte Erfindung enthalten, und sie erläutern verschiedene Prinzipien und Vorteile jener Ausführungsformen.
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1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zum drahtlosen Übertragen von Energie über einen großen Abstand in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
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2 ist ein schematisches Blockdiagramm des Systems nach 1, in welches ein Magnetresonanztransducer in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen aufgenommen ist.
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2A ist ein schematisches Blockdiagramm eines akustischen Transducers in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
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3 ist ein schematisches Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform des Systems, in dem mehrere Gleichspannungen ("direct current" (DC)) aus einem einzigen fokussierten Mikrowellenstrahl erzeugt werden.
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4 ist ein schematisches Blockdiagramm des Systems nach 3, in dem mehrere DC-Spannungen aus einem einzigen fokussierten Mikrowellenstrahl erzeugt werden, wobei Magnetresonanztransducer verwendet werden.
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5 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Systems zur drahtlosen Übertragung von Energie über einen relativ großen Abstand in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
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6 ist ein schematisches Diagramm von einem beispielhaften Abstimm-Netzwerk/Transducer in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen.
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Fachleute werden erkennen, dass Elemente in den Figuren zum Zwecke der Einfachheit und Klarheit veranschaulicht sind und nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind. Zum Beispiel können die Abmessungen einiger der Elemente in den Figuren relativ zu anderen Elementen übertrieben sein, um das Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu verbessern.
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Die Vorrichtungs- und Verfahrenskomponenten wurden dort, wo es angemessen erscheint, durch konventionelle Symbole in den Zeichnungen dargestellt, wobei nur jene spezifischen Details gezeigt werden, die für ein Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wesentlich sind, um so die Offenbarung nicht mit Details zu verschleiern, die für Fachleute ohne weiteres erkennbar sind, wobei jene den Vorteil der vorliegenden Beschreibung genießen.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Ausführungsform stellt eine drahtlose Energiequelle zur Verfügung. In einem Beispiel enthält die drahtlose Energiequelle einen Mikrowellenempfänger, ein Abstimmnetzwerk und einen Transducer. Der Mikrowellenempfänger empfängt ein Mikrowellensignal mit einer Trägerfrequenz. Das Abstimmnetzwerk empfängt ein Signal mit der Trägerfrequenz und einer geschalteten Frequenz, und es entfernt die Trägerfrequenz, so dass das Abstimmnetzwerk ein geschaltetes Signal bei der geschalteten Frequenz ausgibt. Der Transducer empfängt das geschaltete Signal und gibt eine DC-Spannung aus.
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Eine andere Ausführungsform stellt ein Verfahren zum Erzeugen von Energie zur Verfügung. In einem Beispiel enthält das Verfahren ein Erzeugen eines Mikrowellensignal bei einer Trägerfrequenz, ein Schalten des Mikrowellensignals bei einer geschalteten Frequenz, ein Entfernen der Trägerfrequenz von dem geschalteten Mikrowellensignal durch einen Empfänger, um ein geschaltetes Signal zu erzeugen, ein Zuführen des geschalteten Signals zu einem Transducer und ein Erzeugen einer DC-Spannung durch den Transducer.
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1 ist ein schematisches beziehungsweise Blockdiagramm eines Systems 100 zum drahtlosen Übertragen von Energie über einen großen Abstand (zum Beispiel mehr als 10 Fuß). In dem veranschaulichten Beispiel enthält das System 100 einen Mikrowellengenerator 105, einen Mikrowellensender 110, einen Mikrowellenempfänger 115, einen Schalter 120, ein Abstimmnetzwerk 125 und einen Transducer 130. Der Mikrowellensender 110, der Schalter 120, das Abstimmnetzwerk 125 und der Transducer 130 bilden eine drahtlose Energiequelle 135. Der Mikrowellenerzeuger 105 und der Mikrowellensender 110 können ein geeignetes Gerät oder geeignete Geräte sein, die in der Lage sind, Mikrowellensignale zu erzeugen und zu senden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt darauf, Phasenanordnungen, Hörner, Schirme und andere Antennen, die ein hohes dBi (Dezibel isotrop) aufweisen. Der Mikrowellengenerator 105 und der Mikrowellensender 110 erzeugen einen fokussierten Mikrowellenstrahl 140 und übertragen diesen drahtlos. Der fokussierte Mikrowellenstrahl 140 hat eine Frequenz (zum Beispiel im Gigahertzbereich), und er enthält inhärent einen Energiebetrag. Mit Bezug auf gewisse Ausführungsformen ist die Frequenz des fokussierten Mikrowellenstrahls 140 eine Trägerfrequenz.
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Der Mikrowellenempfänger 115 empfängt den fokussierten Mikrowellenstrahl 140 und wandelt den fokussierten Mikrowellenstrahl 140 in ein elektronisches Mikrowellensignal 145. Der Schalter 120 empfängt das elektronische Mikrowellensignal 145 von dem Mikrowellenempfänger 115 und addiert eine Frequenz (zum Beispiel im Megahertzbereich) zu der Trägerfrequenz unter Verwendung irgendeines geeigneten Verfahrens (zum Beispiel Modulation, Pulsweitenmodulation, Schalten ("switching") usw.). Der Schalter 120 gibt ein kombiniertes Träger-/Schaltsignal 150 ("carrier/switched signal") aus.
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Das Abstimmnetzwerk 125 empfängt das kombinierte Träger-/Schaltsignal 150 und entfernt die Trägerfrequenz, wobei ein geschaltetes Signal 155 zurückbleibt, das an den Transducer 130 ausgegeben wird. Der Transducer 130 empfängt das geschaltete Signal 155 und gibt eine DC-Spannung 160 (zum Beispiel 5 Volt DC) aus.
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2 ist ein schematisches Diagramm beziehungsweise ein Blockdiagramm des Systems 100 nach 1, wobei der Transducer 130 ein Magnetresonanztransducer ist, der einen Kondensator 165, einen erste Spule 170 und eine zweite Spule 175 enthält. Das geschaltete Signal 155 ist ein elektrisches Signal mit einer geschalteten Frequenz, die auf die Resonanzfrequenz der ersten Spule 170 abgestimmt ist. Wenn somit das geschaltete Signal 155 der ersten Spule 170 zugeführt wird, wird eine DC-Spannung durch die zweite Spule 175 erzeugt.
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2A veranschaulicht einen anderen Transducer, den Transducer 131. Das geschaltete Signal 155, das durch das Abstimmnetzwerk 125 erzeugt wird, wird von einem akustischen Signalgenerator 132 empfangen, der ein akustisches Signal 133 bei der geschalteten Frequenz erzeugt. Ein Akustiksignalempfänger 134 empfängt das akustische Signal 133 und erzeugt eine DC-Spannung aus dem akustischen Signal 133. Der Akustiksignalgenerator 132 und der Akustiksignalempfänger 134 haben einen Abstand voneinander (zum Beispiel einige Fuß).
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3 veranschaulicht eine andere Ausführungsform. Ein System 101 erzeugt mehrere DC-Spannungen 160 und 161 aus einem einzigen fokussierten Mikrowellenstrahl 140. Ein Schalter 121 erzeugt ein erstes kombiniertes Träger-/Schaltsignal 150 und ein zweites kombiniertes Träger-/Schaltsignal 151. Wie in der Einfügung von 3 gezeigt ist, nutzen das erste und das zweite kombinierte Träger-/Schaltsignal 150 und 151 jeweils die Hälfte (50 %) des fokussierten Mikrowellenstrahls 140. Somit wird mehr von der Energie in dem fokussierten Mikrowellenstrahl 140 von dem System 101 genutzt, um die DC-Spannungen 160 und 161 zu erzeugen. Weitere Varianten sind möglich, wie zum Beispiel ein Aufteilen des fokussierten Mikrowellenstrahls 140 in noch kleinere Signale. Jedes von den kombinierten Träger-/Schaltsignalen 150 und 151 werden durch Abstimmnetzwerke 125 beziehungsweise 126 empfangen. Jedes Abstimmnetzwerk 125 und 126 erzeugt ein geschaltetes Signal 155 und 156, wobei diese einem Magnetresonanztransducer 130 und einem akustischen Transducer 131 zugeführt werden, um DC-Spannungen 160 und 161 zu erzeugen.
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4 veranschaulicht eine andere Ausführungsform. Ein System 102 erzeugt eine erste und eine zweite DC-Spannung 160 und 162 aus einem einzigen fokussierten Mikrowellenstrahl 140. Ein Schalter 122 erzeugt ein erstes kombiniertes Träger-/Schaltsignal 150 und ein zweites kombiniertes Träger-/Schaltsignal 152. Wie in der Einfügung von 4 gezeigt ist, nutzen das erste und das zweite kombinierte Träger-/Schaltsignal 150 und 152 jeweils die Hälfte (50 %) des fokussierten Mikrowellenstrahls 140. Somit wird mehr von der Leistung in dem fokussierten Mikrowellenstrahl 140 durch das System 102 genutzt, um die DC-Spannungen 160 und 162 zu erzeugen. Weitere Varianten sind möglich, wie zum Beispiel ein Aufteilen des fokussierten Mikrowellenstrahls 140 in noch kleinere Signale. Jedes von den kombinierten Träger-/Schaltsignalen 150 und 152 wird von einem ersten und einem zweiten Netzwerk 125 beziehungsweise 127 empfangen. Jedes Abstimmnetzwerk 125 und 127 erzeugt ein erstes und ein zweites geschaltetes Signal 155 und 157 (mit ersten und zweiten geschalteten Frequenzen, die gleich oder unterschiedlich sein können), die einem ersten und einem zweiten Magnetresonanztransducer 130 und 136 zugeführt werden, um die DC-Spannungen 160 und 162 zu erzeugen.
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Wie oben mit Bezug auf das System 100 diskutiert wurde, können die Ausführungsformen eine Vielzahl von Transducern oder Kombinationen von Transducern enthalten (zum Beispiel den Magnetresonanztransducer 130 und den akustischen Transducer 131).
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5 veranschaulicht eine andere Ausführungsform des Systems 103, in der der Schalter 120 ein elektronisches Mikrowellensignal 200 von dem Mikrowellengenerator 105 direkt empfängt. Somit bilden der Mikrowellensender 110, das Abstimmnetzwerk 125 und der Transducer 130 eine drahtlose Energiequelle 138. Der Schalter 120 addiert die geschaltete Frequenz zu der Trägerfrequenz des Mikrowellensignals 200 und sendet das kombinierte Träger-/Schaltsignal 150 zu dem Mikrowellensender 110. Ein fokussierter Mikrowellenstrahl 141 enthält das kombinierte Träger-/Schaltsignal, wobei dieses von dem Mikrowellenempfänger 115 empfangen wird. Der Mikrowellenempfänger 115 stellt das kombinierte Träger-/Schaltsignal dem Abstimmnetzwerk 125 zur Verfügung, welches die Trägerfrequenz abzieht und es stellt das geschaltete Signal 155 für den Transducer 130 zur Verfügung. Die in 5 gezeigte Konfiguration ist auf alle alternativen Ausführungsformen, die oben diskutiert wurden, anwendbar (zum Beispiel das Mehrfach-DC-Ausgabesystem 101 nach 3).
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6 ist ein Schema einer beispielhaften Schaltung 205 für das Abstimmnetzwerk 125 und den Transducer 130 aus 2. Die Schaltung 205 empfängt das kombinierte Träger-/Schaltsignal 150 an einem ersten Anschluss 210. In der gezeigten Schaltung sind die Komponenten für ein kombiniertes Träger-/Schaltsignal 150 ausgewählt, das eine Trägerfrequenz von 5 bis 6 Gigahertz (GHz) und eine geschaltete Frequenz von 6,8 Megaghertz (MHz) aufweist. Diese Bereiche sind nicht beschränkend, und sie können irgendeine geeignete Frequenz aufweisen. Das Abstimmnetzwerk 125 zieht die Trägerfrequenz von dem Träger-/Schaltsignal 150 ab, wobei eine Transducerspule 170 eine Resonanzfrequenz von 6,8 MHz aufweist. Die Schaltung 205 gibt eine DC-Spannung an einem zweiten Anschluss 215 aus, wenn ein kombiniertes Träger-/Schaltsignal 150 mit einer Trägerfrequenz von 5 bis 6 GHz und einer geschalteten Frequenz von 6,8 MHz an dem ersten Anschluss 210 empfangen wird.
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Das Vorstehende sind Beispiele, und die Erfindung kann andere geeignete Kombinationen des Abstimmnetzwerks 125 und des Transducers 130 nutzen, um eine DC-Spannung zu erzeugen.
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Somit stellt die Erfindung neben anderen Dingen eine drahtlose Energiequelle zur Verfügung, die in der Lage ist, eine DC-Spannung aus einem fokussierten Mikrowellenstrahl zu erzeugen, der von einem fernen Ort empfangen wird.
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In der vorangehenden Spezifikation sind spezifische Ausführungsformen beschrieben worden. Dem Fachmann auf dem Gebiet ist jedoch klar, dass verschiedene Modifizierungen und Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist der Erfindung abzuweichen, wie in den Ansprüchen unten dargelegt. Dementsprechend sind die Spezifikation und die Abbildungen in einem eher illustrativen als einem restriktiven Sinne zu verstehen und alle solche Modifikationen sollen in dem Geist der vorliegenden Lehren enthalten sein.
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Die Nutzen, Vorteile, Problemlösungen und jedes denkbare Element, das dazu führt, dass irgendein Nutzen, Vorteil oder irgendeine Lösung eintritt oder ausgeprägter wird, sollen nicht als kritische, erforderliche oder essentielle Merkmale oder Elemente eines beliebigen Anspruchs oder aller Ansprüche ausgelegt werden. Die Erfindung wird ausschließlich durch die angehängten Ansprüche definiert, einschließlich jeder beliebigen Änderung, die während der Rechtshängigkeit der vorliegenden Anmeldung vorgenommen wird, und aller Äquivalente solcher Ansprüche, wie veröffentlicht.
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Darüber hinaus sollen in diesem Dokument relationale Ausdrücke, wie zum Beispiel, erste und zweite, oben und unten, und dergleichen ausschließlich verwendet werden, um eine Entität oder Aktion von einer anderen Entität oder Aktion zu unterscheiden, ohne notwendigerweise irgend eine tatsächliche solche Beziehung oder Reihenfolge zwischen solchen Entitäten oder Aktionen zu erfordern oder zu implizieren. Die Ausdrücke "umfasst", "umfassend", "hat", "habend", "beinhalten", "beinhaltend", "enthalten", "enthaltend" oder eine beliebige Variation davon sollen eine nicht-exklusive Einbeziehung abdecken, so dass ein Prozess, Verfahren, Artikel oder eine Vorrichtung, die eine Liste von Elementen umfassen, haben, beinhalten, enthalten, nicht nur solche Elemente beinhalten, sondern andere Elemente beinhalten können, die nicht ausdrücklich aufgeführt werden, oder solchen Prozessen, Verfahren, Artikeln oder Vorrichtungen inhärent sind. Ein Element, das fortfährt mit "umfasst ... ein", "hat ... ein", "beinhaltet ... ein", "enthält ... ein", schließt nicht, ohne weitere Auflagen, die Existenz zusätzlicher identischer Elemente in dem Prozess, Verfahren, Artikel oder der Vorrichtung aus, die das Element umfassen, haben, beinhalten, enthalten. Die Ausdrücke "eine" und "ein" werden als eins oder mehr definiert, sofern hierin nichts anderes explizit festgelegt ist. Die Ausdrücke "im Wesentlichen", "essentiell", "ungefähr", "etwa" oder eine beliebige andere Version davon wurden als "nahe bei sein" definiert, wie dem Fachmann auf dem Gebiet klar ist, und in einer nicht begrenzenden Ausführungsform wird der Ausdruck definiert, innerhalb von 10 %, in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 5 % in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 1 % und in einer anderen Ausführungsform innerhalb von 0,5 % zu sein. Der Ausdruck "gekoppelt", wie er hierin verwendet wird, wird als "verbunden" definiert, obwohl nicht notwendigerweise direkt und nicht notwendigerweise mechanisch. Eine Vorrichtung oder Struktur, die in einer bestimmten Art und Weise "konfiguriert" ist, ist mindestens auf diese Art und Weise konfiguriert, kann aber auch auf mindestens eine Art und Weise konfiguriert sein, die nicht aufgeführt ist.
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Es ist gewünscht, dass einige Ausführungsformen einen oder mehrere generische oder spezialisierte Prozessoren (oder "Verarbeitungsvorrichtungen") umfassen, wie zum Beispiel, Mikroprozessoren, digitale Signalprozessoren, kundenspezifische Prozessoren und freiprogrammierbare Feld-Gate-Arrays (FPGAs) und eindeutige gespeicherte Programmanweisungen (die sowohl Software als auch Firmware umfassen), die den einen oder mehrere Prozessoren steuern, um in Verbindung mit bestimmten Nicht-Prozessor-Schaltungen, einige, die meisten oder alle der Funktionen des Verfahrens und/oder der Vorrichtung, die hierin beschrieben werden, zu implementieren. Alternativ können einige oder alle Funktionen durch eine Zustandsmaschine implementiert werden, die über keine gespeicherten Programmanweisungen verfügt, oder in einer oder mehreren anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), in denen jede Funktion oder einige Kombinationen von bestimmten der Funktionen, als kundenspezifische Logik implementiert sind. Selbstverständlich kann eine Kombination der zwei Ansätze verwendet werden.
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Darüber hinaus kann eine Ausführungsform als ein computerlesbares Speichermedium implementiert sein, das über einen darauf gespeicherten computerlesbaren Code zum Programmieren eines Computers (der zum Beispiel einen Prozessor umfasst) verfügt, um ein hierin beschriebenes und beanspruchtes Verfahren durchzuführen. Beispiele solcher computerlesbaren Speichermedien umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein: eine Festplatte, eine CD-ROM, eine optische Speichervorrichtung, eine magnetische Speichervorrichtung, einen ROM (Nur-Lese-Speicher), einen PROM (Programmierbarer Lesespeicher), einen EPROM (Löschbarer Programmierbarer Lesespeicher), einen EEPROM (Elektrisch Löschbarer Programmierbarer Lesespeicher) und einen Flash-Speicher. Weiterhin ist zu erwarten, dass ein Fachmann auf dem Gebiet, ungeachtet möglicher erheblicher Anstrengungen und einer großen Designauswahl, die zum Beispiel durch eine zur Verfügung stehende Zeit, der aktuellen Technologie und ökonomische Überlegungen begründet ist, geleitet durch die hierin offenbarten Konzepte und Prinzipien, ohne Weiteres in der Lage ist solche Softwareanweisungen und Programme und ICs mit minimalem Versuchsaufwand zu erzeugen.
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Die Zusammenfassung der Offenbarung wird zur Verfügung gestellt, um dem Leser zu erlauben, die Natur der technischen Offenbarung schnell zu erkennen. Es wird mit dem Verständnis eingereicht, dass es nicht verwendet wird, um den Geist oder die Bedeutung der Ansprüche zu interpretieren oder zu begrenzen. Zusätzlich ist der vorangehenden ausführlichen Beschreibung zu entnehmen, dass verschiedene Merkmale in verschiedenen Ausführungsformen zusammengruppiert werden, um die Offenbarung zu straffen. Dieses Offenbarungsverfahren soll nicht als ein Reflektieren einer Intention interpretiert werden, dass die beanspruchten Ausführungsformen mehr Merkmale erfordern, als ausdrücklich in jedem Anspruch vorgetragen werden. Vielmehr liegt, wie aus den folgenden Ansprüchen hervorgeht, ein erfinderischer Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer einzelnen offenbarten Ausführungsform vor. Somit werden die folgenden Ansprüche hierdurch in die ausführliche Beschreibung integriert, wobei jeder Anspruch für sich alleine als ein getrennt beanspruchter Gegenstand steht.
