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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strömungssensorelement, das in der Lage ist, beispielsweise die Windgeschwindigkeit zu messen.
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Stand der Technik
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Es ist ein thermisches Strömungssensorelement bekannt, das ein beheiztes Widerstandselement zur Erfassung einer Strömungsgeschwindigkeit einem Fluid aussetzt und eine Strömungsgeschwindigkeit des Fluids auf der Basis eines Wärmeabfuhreffekts zu diesem Zeitpunkt detektiert. Zum Beispiel offenbaren die Patentschriften 1 und 2 eine Windzustandsmessvorrichtung, in der eine Vielzahl von temperaturempfindlichen Elementen dispersiv auf einer Oberfläche eines Gehäuses mit einer kreisförmigen Querschnittsform angebracht ist, wobei die Vielzahl von temperaturempfindlichen Elementen einen thermischen Einfluss von der Außenluft erhält, indem sie einen Wärmeaustausch mit der Außenluft aufgrund von Wärmeleitung durchführt, und eine Ausrichtung und Geschwindigkeit des Windes, der um das Gehäuse strömt, gemessen wird. In den Patentschriften 1 und 2 ist im Inneren des Gehäuses eine Heizung vorgesehen, um die temperaturempfindlichen Elemente zu erwärmen.
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Zitierliste
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Patentliteratur
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- Patentschrift 1: JP 2020-8370 A
- Patentschrift 2: JP 2020-3354 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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In den Konfigurationen der Patentliteratur 1 und 2 muss jedoch eine große Anzahl temperaturempfindlicher Elemente auf der Oberfläche des Gehäuses angeordnet werden, und die Anordnung der temperaturempfindlichen Elemente führt leicht zu einer Veränderung der Sensorempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Windrichtung.
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Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf das oben beschriebene Problem gemacht, und es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Strömungssensorelement bereitzustellen, das ungerichtet ist und eine ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit hat.
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Lösung der Aufgabe
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Ein Strömungssensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst einen Grundkörper mit einer kugelförmigen Form und ein temperaturempfindliches Filmmuster, das über die gesamte Oberfläche des Grundkörpers angeordnet ist, und seinen elektrischen Widerstandswert aufgrund einer Temperaturänderung ändert.
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Vorteilhafte Effekte der Erfindung
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Bei dem erfindungsgemäßen Strömungssensorelement kann das temperaturempfindliche Filmmuster über die gesamte Oberfläche des kugelförmigen Grundkörpers angeordnet sein. Dies ermöglicht eine konstante Sensorempfindlichkeit unabhängig von der Richtung eines Fluids, und die Genauigkeit der Erfassung einer Strömungsrate kann verbessert werden.
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Figurenliste
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- 1 ist eine Seitenansicht eines Strömungssensorelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
- 2 ist eine Schnittansicht des Strömungssensorelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
- 3 ist eine perspektivische Ansicht des Strömungssensorelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
- 4 ist eine Seitenansicht, die eine Variante des Strömungssensorelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.
- 5 ist ein Schaltplan (ein Beispiel) des Strömungssensorelements gemäß der vorliegenden Ausführungsform.
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Beschreibung der Ausführungsformen
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Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (im Folgenden einfach als „Ausführungsform“ bezeichnet) wird im Folgenden ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachfolgend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann verschiedenen Modifikationen zur Umsetzung innerhalb des Umfangs des Hauptinhalts unterzogen werden.
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Ein Strömungssensorelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist ein thermisches Strömungssensorelement 1 und umfasst einen Grundkörper 2 mit elektrischer Isolierung, ein temperaturempfindliches Filmmuster 3, das über die gesamte Oberfläche des Grundkörpers 2 angeordnet ist, und einen ersten Verdrahtungsabschnitt 4 und einen zweiten Verdrahtungsabschnitt 5, die zugehörig elektrisch mit beiden Enden des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 verbunden sind.
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Wie in den 1 und 3 dargestellt, hat der Grundkörper 2 eine kugelförmige Gestalt. Das Material des Grundkörpers 2 ist nicht besonders begrenzt, wenn das Material ein elektrischer Isolator ist. Als ein Beispiel ist der Grundkörper 2 beispielsweise aus Glas gebildet. Auch der Durchmesser des Grundkörpers 2 ist nicht begrenzt und kann je nach Verwendungszweck unterschiedlich eingestellt werden. So kann der Grundkörper 2 beispielsweise einen Durchmesser von etwa 4 mm haben.
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Wie in den 1 bis 3 dargestellt, ist das temperaturempfindliche Filmmuster 3 über der gesamten Oberfläche des Grundkörpers 2 angeordnet. Es ist zu beachten, dass das Muster des temperaturempfindlichen Films 3 vorzugsweise so auf der Oberfläche des Grundkörpers 2 ausgebildet ist, dass es ein einzelnes Muster ausbildet. Vorzugsweise wird das temperaturempfindliche Filmmuster 3 beispielsweise durch Beschneiden eines temperaturempfindlichen Films gebildet, der auf der Oberfläche des Grundkörpers 2 gebildet wurde, so dass ein einheitlicher Film über der gesamten Oberfläche des Grundkörpers 2 gebildet werden kann. Beispiele für das Beschneiden sind die Laserbearbeitung und die Ätzbearbeitung. Es ist zu beachten, dass das temperaturempfindliche Filmmuster 3 mit Hilfe der Fotolithografie hergestellt wird, was eine Senkung der Herstellungskosten ermöglicht. Hier bezieht sich die „gesamte Oberfläche“ auf einen Bereich, der eine Beschnittlinie 6 ausschließt.
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Das Material des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 ist nicht beschränkt, aber es ist vorzuziehen, dass ein Film aus Platin (Pt) verwendet wird. Durch die Verwendung eines Platinfilms kann eine Verschlechterung über die Zeit verringert werden. Daher kann ein temperaturempfindliches Filmmuster 3, das aus Platin hergestellt ist und eine hohe Haltbarkeit aufweist, über die gesamte Oberfläche des Grundkörpers 2 gebildet werden.
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Darüber hinaus ist in der vorliegenden Ausführungsform die Form des Musters des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 nicht begrenzt, aber es ist bevorzugt, dass das temperaturempfindliche Filmmuster 3 so ausgebildet ist, dass es ein spiralförmiges Muster hat, wie in den 1 und 3 dargestellt. Daher kann unabhängig davon, aus welcher Richtung der Wind auf das Strömungssensorelement 1 trifft, eine gleichmäßige Sensorempfindlichkeit erreicht werden.
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In dem temperaturempfindlichen Filmmuster 3 ändert sich ein elektrischer Widerstandswert aufgrund einer Temperaturänderung. Das temperaturempfindliche Filmmuster 3 wird aufgrund der Leitfähigkeit zwischen den Verdrahtungsabschnitten 4 und 5 in einem Zustand hoher Temperatur gehalten. Die Steuerung erfolgt so, dass, wenn Wind auf das temperaturempfindliche Filmmuster 3 trifft, die Temperatur des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 sinkt, was eine Änderung des elektrischen Widerstandswerts des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 bewirkt.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform befinden sich ein Anfangsende 3a und ein Abschlussende 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 an beiden Enden des Grundkörpers 2. Anders ausgedrückt, das Anfangsende 3a und das Abschlussende 3b sind in entgegengesetzten Richtungen angeordnet. Der Einfachheit halber wird hier davon ausgegangen, dass sich das Anfangsende 3a des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 auf einer Seite eines in der Zeichnung des Grundkörpers 2 dargestellten linken Seitenendes 2a und das Abschlussende 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 auf einer Seite eines in der Zeichnung des Grundkörpers 2 dargestellten rechten Seitenendes 2b befindet.
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In der vorliegenden Ausführungsform sind das Anfangsende 3a und das Anschlussende 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 elektrisch mit dem ersten Verdrahtungsabschnitt 4 beziehungsweise dem zweiten Verdrahtungsabschnitt 5 verbunden. Der erste Verdrahtungsabschnitt 4 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 5 sind Leitungsdrähte, und das Material ist nicht beschränkt, wenn das Material elektrisch leitend ist. Es ist jedoch vorzuziehen, dass zum Beispiel ein beschichteter Kupferdraht verwendet wird, der durch Beschichtung der Oberfläche eines Walzdrahtes auf Kupfer- oder Nickelbasis mit Zinn erhalten wird.
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Wie in der 2 dargestellt, sind ein Verbindungsabschnitt des Anfangsendes 3a des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 und des ersten Verdrahtungsabschnitts 4 und ein Verbindungsabschnitt des Abschlussendes 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 und des zweiten Verdrahtungsabschnitts 5 mit Elektroden 7 beziehungsweise 8 versehen. Bei den Elektroden 7 und 8 handelt es sich beispielsweise um einen leitfähigen Klebstoff, was jedoch nicht einschränkend ist. Daher können das Anfangsende 3a und das Abschlussende 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 in geeigneter Weise mit den jeweiligen Verdrahtungsabschnitten 4 und 5 verbunden und daran befestigt werden.
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Wie in der 2 dargestellt, ist im Inneren des Grundkörpers 2 ein Durchgangsloch 9 vorgesehen, das vom linken Seitenende 2a zum rechten Seitenende 2b durchdringt. Der erste Verdrahtungsabschnitt 4 geht durch das Durchgangsloch 9. Die Elektrode 7, die den ersten Verdrahtungsabschnitt 4 mit dem Anfangsende 3a des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 verbindet und diesen fixiert, ist in eine Öffnung eingebettet, die in der Zeichnung des Durchgangslochs 9 auf der linken Seite dargestellt ist.
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Außerdem erstreckt sich, wie in der 2 dargestellt, der erste Verdrahtungsabschnitt 4 von einer Öffnung, die in der Zeichnung des Durchgangslochs 9 auf der rechten Seite dargestellt ist, in die gleiche Richtung wie die Richtung des zweiten Verdrahtungsabschnitts 5 (in der Zeichnung in Richtung nach rechts). Die Elektrode 8, die den zweiten Verdrahtungsabschnitt 5 mit dem Abschlussende 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 verbindet und diesen fixiert, ist an einer Position angeordnet, die die Erstreckung des ersten Verdrahtungsabschnitts 4 aus dem Durchgangsloch 9 hinaus nicht behindert.
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In der in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsform können der erste Verdrahtungsabschnitt 4 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 5 in der gleichen Richtung herausgeführt werden. In diesem Fall ist, wie in der 2 dargestellt, der Grundkörper 2 mit dem Durchgangsloch 9 versehen, und der erste Verdrahtungsabschnitt 4 wird in das Durchgangsloch 9 geführt. Daher können der erste Verdrahtungsabschnitt 4 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 5 in die gleiche Richtung herausgeführt werden.
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Vorzugsweise wird, wie in der 2 dargestellt, ein Schutzfilm 10 mit elektrischer Isolierung auf der Oberfläche des Grundkörpers 2 gebildet, auf die das temperaturempfindliche Filmmuster 3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform aufgebracht wurde, aber dies ist nicht einschränkend. Der Schutzfilm 10 kann beispielsweise durch beschichten, spritzen oder ähnliches gebildet werden. Darüber hinaus ist das Material des Schutzfilms 10 nicht besonders beschränkt, wenn das Material elektrisch isolierend ist, aber ein Beispiel ist Epoxidharz. Es ist zu beachten, dass der Schutzfilm in den 1 und 3 nicht dargestellt ist.
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Wie in der 1 dargestellt, sind der erste Verdrahtungsabschnitt 4 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 5, die sich in der gleichen Richtung (in der Zeichnung nach rechts) vom rechten Ende des Grundkörpers 2 erstrecken, durch einen Steg 11 integral befestigt. Man beachte, dass der Steg 11 beispielsweise mit einem Klebstoff befestigt wird. Wie in der 1 dargestellt, liegen die rechtsseitigen Enden des ersten Verdrahtungsabschnitts 4 und des zweiten Verdrahtungsabschnitts 5 an dem Steg frei und sind elektrisch mit einer nicht dargestellten Steuereinrichtung verbunden. Es ist zu beachten, dass der Steg 11 in der 2 nicht dargestellt ist.
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In einer anderen, in der 4 dargestellten Ausführungsform ist das Anfangsende 3a des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 auf einer Seite des linken Seitenendes 2a des Grundkörpers 2 vorgesehen, das Abschlussende 3b des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 ist auf einer Seite des rechten Seitenendes 2b des Grundkörpers 2 vorgesehen, und der erste Verdrahtungsabschnitt 4 und der zweite Verdrahtungsabschnitt 5 erstrecken sich jeweils in Richtungen weg von beiden Enden des Grundkörpers 2 mit dazwischen angeordneten Elektroden. Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform braucht der Grundkörper 2 im Gegensatz zu der in der 1 dargestellten Ausführungsform nicht mit einem Durchgangsloch versehen zu werden.
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Die 5 ist ein Schaltplan eines Strömungsmessgeräts mit dem Strömungssensorelement 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform. Wie in der 5 dargestellt, bilden das Strömungssensorelement 1, ein Temperaturkompensationswiderstandselement 14 und die Widerstände 26 und 27 eine Brückenschaltung 28. Wie in der 5 dargestellt, bilden das Strömungssensorelement 1 und der Widerstand 26 eine erste Reihenschaltung 29, und das Temperaturkompensationswiderstandselement 14 und der Widerstand 27 bilden eine zweite Reihenschaltung 30. Dann sind die erste Reihenschaltung 29 und die zweite Reihenschaltung 30 parallel geschaltet und bilden die Brückenschaltung 28.
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Wie in der 5 dargestellt, sind eine Ausgangseinheit 31 der ersten Reihenschaltung 29 und eine Ausgangseinheit 32 der zweiten Reihenschaltung 30 jeweils mit einem Differenzverstärker (einem Verstärker) 33 verbunden. Die Brückenschaltung 28 ist mit einer Rückkopplungsschaltung 34 verbunden, die den Differenzverstärker 33 enthält. Die Rückkopplungsschaltung 34 umfasst einen Transistor (nicht dargestellt) oder ähnliches.
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Die Widerstände 26 und 27 haben einen Temperaturkoeffizienten des Widerstands (TCR), der kleiner ist als die TCRs des Strömungssensorelements 1 und des Temperaturkompensationswiderstandselements 14. Das Strömungssensorelement 1 wird so gesteuert, dass es in einem beheizten Zustand, in dem die Temperatur um einen vorbestimmten Wert höher als eine vorbestimmte Umgebungstemperatur gesteuert wurde, beispielsweise einen vorbestimmten Widerstandswert Rs1 aufweist. Darüber hinaus wird das Temperaturkompensationswiderstandselement 14 so gesteuert, dass es bei der oben beschriebenen Umgebungstemperatur beispielsweise einen vorbestimmten Widerstandswert Rs2 aufweist. Man beachte, dass der Widerstandswert Rs1 kleiner ist als der Widerstandswert Rs2 Beispielsweise ist der Widerstandswert Rs2 etwa ein Vielfaches bis mehr als zehnmal so groß wie der Widerstandswert Rs1, was jedoch nicht einschränkend ist. Der Widerstand 26, der zusammen mit dem Strömungssensorelement 1 die erste Reihenschaltung 29 bildet, ist zum Beispiel ein Festwiderstand mit einem Widerstandswert R1, der dem Widerstandswert Rs1 des Strömungssensorelements 1 ähnlich ist. Außerdem ist der Widerstand 27, der zusammen mit dem Temperaturkompensationswiderstandselement 14 die zweite Reihenschaltung 30 bildet, beispielsweise ein Festwiderstand mit einem Widerstandswert R2, der dem Widerstandswert Rs2 des Temperaturkompensationswiderstandselements 14 ähnlich ist.
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Wenn Wind auf das Strömungssensorelement 1 trifft, sinkt die Temperatur des Strömungssensorelements 1, das als Wärmeerzeugungswiderstand dient, und ein Potenzial der Ausgangseinheit 31 der ersten Reihenschaltung 29, die mit dem Strömungssensorelement 1 verbunden ist, ändert sich. Daher wird durch den Differenzverstärker 33 eine differentielle Ausgabe erhalten. In der Rückkopplungsschaltung 34 wird dann auf der Grundlage des differentiellen Ausgabe eine Steuerspannung an das Strömungssensorelement 1 angelegt. Das Strömungssensorelement 1 kann die Windgeschwindigkeit auf der Grundlage einer Änderung der Spannung, die zur Beheizung des Strömungssensorelements 1 erforderlich ist, berechnen und ausgeben. Ändert sich die Windgeschwindigkeit, ändert sich auch die Temperatur des Strömungssensorelements 1, so dass die Windgeschwindigkeit erfasst werden kann.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das temperaturempfindliche Filmmuster 3 über die gesamte Oberfläche des kugelförmigen Grundkörpers 2 ausgebildet. Daher kann der Wind unabhängig von der Richtung, aus der er auf den Grundkörper 2 trifft, erfasst werden, und es kann eine richtungsunabhängige und gleichmäßige Sensorempfindlichkeit erzielt werden. Darüber hinaus hat der Grundkörper 2 in der vorliegenden Ausführungsform eine kugelförmige Gestalt. Daher kann die Größe reduziert werden, ein ausgezeichnetes Ansprechverhalten kann erreicht werden, und ein Effekt, bei dem ein Luftstrom wahrscheinlich nicht gestört wird, kann ebenfalls erzielt werden.
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Die Form des temperaturempfindlichen Filmmusters 3 ist nicht begrenzt. Es wird jedoch ein spiralförmiges Muster verwendet. Daher kommt der Wind unabhängig von der Richtung, aus der er auf die gesamte Oberfläche des kugelförmigen Grundkörpers 2 trifft, mit dem temperaturempfindlichen Filmmuster 3 auf einer ungefähr gleichen Fläche in Kontakt, und eine gleichmäßige Sensorempfindlichkeit kann effektiver erreicht werden.
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In der vorliegenden Ausführungsform wurde, als das Strömungssensorelement 1, ein Windsensorelement als Beispiel beschrieben. Es kann jedoch auch ein Strömungssensorelement verwendet werden, das die Strömungsgeschwindigkeit einer Flüssigkeit erfassen kann.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Strömungssensorelement hergestellt werden, das richtungsunabhängig ist und eine ausgezeichnete Sensorempfindlichkeit aufweist. Daher kann das Strömungssensorelement in geeigneter Weise für die Zwecke eines Fluids mit einer nicht festgelegten Richtung verwendet werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann ein Strömungssensorelement im Außen- oder Innenbereich verwendet werden. Ein lichtemittierendes Element, wie zum Beispiel eine LED, ist in dem Strömungssensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet, und Licht wird in einem Fall emittiert, in dem Wind wahrgenommen wurde. Durch die Verwendung dieser Konfiguration kann das Strömungssensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung für den Zweck der Beleuchtung oder dergleichen verwendet werden. Darüber hinaus kann das Strömungssensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung auch zum Zweck von Experimenten, zum Zweck der Analyse oder dergleichen eingesetzt werden.
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Die vorliegende Anmeldung basiert auf der japanischen Patentanmeldung Nr.
2020 -
113910 , die am 1. Juli 2020 eingereicht wurde. Der gesamte Inhalt dieser Anmeldung wird hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
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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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- JP 20208370 A [0002]
- JP 2020003354 A [0002]
- JP 2020 [0031]
- JP 113910 [0031]
