DE2441500C2 - Wandler für akustische Oberflächenwellen - Google Patents
Wandler für akustische OberflächenwellenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Wandler für akustische Oberflächenwellen mit zwei auf einem piezoelektrischen
Substrat angeordneten Elektroden, bei welchem jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene
Sammelelektrode und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger vorgesehen sind, die doppelkammartig
mit den Elektrodenfingern der jeweils anderen Elektrode verschachtelt sind, und bei welchem ferner
die Überlappungslängen der verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten
Wandler hinweg gleich sind, und bei welchem des weiteren auf dem piezoelektrischen Substrat zwischen
den verschachtelten Elektrodenfingern der beiden Elektroden freie parallel zueinander verlaufende Elektroden
mit einer der Überlappungslänge der verschachtelten Elektrodenfinger entsprechenden Länge angeordnet
sind.
Es ist bereits eine mit elastischen bzw. akustischen Oberflächenwellen arbeitende Vorrichtung zur Ver-
sin χ
angewandt und damit die Funktion
sin χ
angenähert.
Wenn die apodischen Wandler als Eingangs- und
so Ausgangswandler benutzt werden, ist es unmöglich, die
Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen beider Wandler zu erzielen. Zur Gewährleistung einer
ausgeprägten Dämpfung im Sperrbereich muß jedoch die Produkteigenschaft erzielt werden. Im folgenden ist
der Grund dafür aufgeführt, weshalb apodische gewichtete Wandler, die als Eingangs- und Ausgangswandler
benutzt werden, das gewünschte Produkt der Übertragungsfunktionen nicht zu liefern vermögen. Die
Elektrodenfinger des Ausgangswandlers, die sich über eine geringe Länge überlappen, sind nicht in der Lage,
eine elastische Oberflächenwelle größerer Strahlbreite vom Eingangswandler aufzunehmen, so daß sie kein der
Wichtung der Strahlbreite proportionales Ausgangssignal zu erzeugen vermögen.
Aus »Proceedings of the IEEE, Vol. 60, Nr.4, Seiten
443 und 444, April 1972, ist ein Wandler für elastische Oberflächenwellen bekannt, der wenigstens zwei auf
einem piezoelektrischen Substrat angeordnete Elektro-
den enthält, die jeweils eine an eine äußere Klemme
angeschlossene Sammelelektrode mit einem mit dieser verbundenen Elektrodenfinger aufweist, und wobei auf
dem piezoelektrischen Substrat zwischen den verschachtelten
Elektrodenfingern der beiden Elektroden freie parallel zueinander verlaufende Elektroden vorgesehen
sind. Diese freien Elektroden besitzten eine Länge, die der Oberlappungslänge der versehachtelten
Elektrodenfinger entspricht Bei dieser Anordnung der freien Elektroden kann jedoch keine Verbesserung der
SeiteEkeulen-Unterdrückungscharakteristik des Wandlers
erreicht werden.
Weiterhin ist aus der DE-OS 22 24497 ein Wandler
bzw. Riter für elastische OberflächenwelJen bekannt bei dem zwischen zwei Elektrodenfingern parallel
zueinander verlaufende freie Elektroden angeordnet sind, die an einem ihrer freien Enden elektrisch leitend
miteinander verbunden sind. Jedoch ist die Länge dieser freien Elektroden nicht definiert bzw. sie entpricht nicht
der Oberlappungslänge der Elektrodenfingern, die zudem nicht doppelkammartig ineinander verschachtelt
sind. Bei einer Aushlhrungsform dieses bekannten
Wandlers ist gezeigt daß die freien parallel zueinander verlaufenden Elektroden untereinander unterschiedliche
Längen aufweisen, wobei die Länge einer der freien Elektroden der Oberlappungslänge der Elektrodenfinger
entspricht Diese unterschiedlichen Längen der freien Elektroden dienen dem Zweck, unterschiedliche
Kapazitätswerte an verschiedenen Stellen des elektroakustischen Wandlers vorzusehen. Durch diese Bewertungsverfahren
wird die Bewertungsfunktion zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode
erfüllt. Da jedoch die Intensität des Erregerfeldes durch die Verwendung derartiger Elektroden bewertet wird,
läßt sich kein Produkt zwischen den Obertragungsfunktionen des sendenden und empfangenden Wandlers im
gewünschten Sinne bilden. Darüber hinaus wird bei dieser bekannten Ausführungsform der Erregerwirkungsgrad
zwangsläufig vermindert, da ein größerer Teil der von den relativ langen freien Elektroden
erzeugten Oberflächenwellen bzw. Oberflächenwellenstrahlen nicht verwendet wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Wandler mit einem verbesserten
Frequenzgang zu schaffen, bei dem sich in Kombination
mit einer beliebigen anderen Wandlerart ohne weiteren die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen
beider Wandler realisieren läßt.
Diese Aufgabe wir} bei dem anfangs genannten
Wandler für akustische Oberflächen erfindungsgemäß gelöst durch die VerwenJung von freien Elektroden in
Form von paarweise jeweils an ihrem einen Ende elektrisch leitend miteinander verbundenen Leitern, mit
der Maßgabe, daß die Zahl der freien Elektrodenpaare
zwischen den Elektrodenfingern unterschiedlich ist.
Bei Kombination mit einer beliebigen anderen Wandlerart vermag der erfindungsgemäße Wandler, bei
dem sich die Elektrodenfinger über den ganzen Wandler hinweg mit gleicher Länge überlappen, ohne weiteres
die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktion beider Wandler zu realisieren. Außerdem kann bei diesem
Wandler die Unterdrückung der Seitenkeule gegenüber einem gewöhnlichen Wandler mit gleichförmiger
Überlappungslänge ohne weiteres um mehr als 1OdB verbessert werden. 6S
Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung für elastische Oberflächenwellen mit einem
Wandler gemäß der Erfindung,
Fig.2 eine Darstellung der Position einer freien
Elektrode relativ zu den verschachtelten Elektrodenfingern,
F i g. 3A, 4A, 5A und 6A Darstellungen der Anordnung der freien Elektrode und der verschachtelten
Elektrodenfinger,
F i g. 3B, 4B, 5B und 6B graphische Darstellungen der Verteilungen von Beanspruchungen oder Spannungen
entsprechend den Elektrodenanordnungen gemäß den F i g. 3A, 4A, 5A und 6A,
F i g. 7 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform
der Anordnung der freien Elektroden beim erfindungsgemäßen Wandler,
F i g. 8 eine graphische Darstellung der Amplitude der elektrischen Feldstärkeverteilung infolge der freien
Elektroden gemäß F i g. 7 und
Fig.9 bis 11 graphische DarstellfÄgen der Ergebnisse
von mit dem erfindungsgemäßen "ντ-Uidier durchgeführten
Versuchen.
Gemäß F i g. 1 sind ein Eingangswandler 11 und ein
Ausgangswandler 12 auf einem Substrat 10 aus einem piezoelektrischen Material, wie Quarzkristall, Lithiumniobat
Lithiumtantalat u.dgL angeordnet Hierbei besteht der Eingangswandler 11 aus einem erfindungsgemäßen
gewichteten Wandler, während der Ausgangswandler 12 durch einen bekannten apodischen gewichteten
Wandler gebildet ist
Der Eingangswandler 11 weist erste und zweite Elektroden E1 bzw. El auf, die auf dem Substrat 10
ausgebildet sind und aus einem leitfähigen Werkstoff wie Aluminium oder Gold bestehen. Die erste Elektrode
Ei weist eine mit einer äußeren Klemme 7*1
verbundene Sammelelektrode 12 sowie mit dieser verbundene Elektrodenfinger 14 auf. Die zweite
Elektrode £2 besteht aus einer mit einer jiußeren Klemme T2 verbundenen Sammelelektrode 15 sowie
aus mit letzterer verbundenen Elektrodenfingern 16. Zwischen die Elektrodenfinger 14 der ersten Elektrode
Ei greifen die Finger 16 der zweiten Elektrode E2 ein.
Die derart doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger 14,16 des Eingangswandlers 1.1 besitzen dabei
über den ganzen Wandler hinweg eine gleichmäßige Oberlappungslänge /. Außerdem ist auf dem Substrat 10
erfindungsgemäß zwischen den Elektrodenfingern 14 der ersten Elektrode Ei und den benachbarten
Elektrodenfingern 16 der zweiten Elektrode E2 mindestens eine fseie Elektrode 30 vorgesehen, die mit
keiner der beiden Elektroden Ei, E2 verbunden ist und welche aus zwei parallelen Leitern oder Leitungszügen
31, 32 und einem diese am einen Ende miteinander verbindenden Verbindungsieiter 33 besteht. Die paarigen,
parallelen Leiter 31, 32 besitzen eine der Überlappungslänge / entsprechende Länge, und sie
erstrecken sich gemäß Fig.2 über die gesamte Überlappungsiänge /der Elekirodenfinger 14,16.
Die Elektrodenfinger 14, 16 der ersten und der zweiten Elektrode Ei bzw. El sowie die parallelen
Leiter 31, 32 der freien Elektroden 30 besitzsn jeweils
die gleiche Breite d. Der Abstand zwischen der freien Elektrode 30 und einem benachbarten Elektrodenfinger,
der Abstand zwischen den parallelen Leitern 31, 32 sowie der Abstand zwischen den benachbarten freien
Elektroden 30 kann der Breite d entsprechend gewählt sein, obgleich dies nicht erforderlich ist. In der Praxis
betragen die Größen der Werte /und t/etwa 5 mm bzw.
25μΓη.
Der apodische Ausgangswandler 12 weist erste und zweite Elektroden £3 bzw. EA auf. Die erste Elektrode
f 3 besteht aus einer mit einer äußeren Klemme TZ verbundenen Sammelelektrode 17 sowie aus mit
letzterer verbundenen Elektrodenfingern 18. Die zweite Elektrode £4 weist eine mit einer äußeren Klemme 74
verbundene Sammelelektrode 19 sowie mit letzterer verbundene Elektrodenfinger 20 auf. Beim apodischen
Wandler 12 nehmen die Überlappungslängen der doppelkammartig verschachtelten Elektrodenfinger 18,
20 von der Mitte zu beiden Enden des Wandlers fortlaufend entsprechend einer Gewicht- oder Bewertungsfunktion
15
sin
χ n2
ab. Die Breite der Elektrodenfinger 18, 20 sowie der Abstand zwischen benachbarten Elektrodenfingern 18,
20 können die gleichen Werte besitzen wie beim Eingangswandler U
Wenn der erfindungsgemäße eine gleichförmige Überlappungslänge aufweisende Wandler mit einem
apodischen Wandler kombiniert wird, sollte die maximale Überlappungslänge der verschachtelten Elektrodenfinger
des apodischen Wandlers der einheitlichen Überlappungslänge / der verschachtelten Elektrodenfinger
des anderen Wandlers entsprechen.
Wenn beim erfindungsgemäßen Wandler, welcher eine Kombination aus dem üblichen Wandler mit
gleichförmiger Überlappungslänge und der freien Elektrode darstellt, an seinen betreffenden Elektrodenfingern
eine gleich große Spannung angelegt wird, wird die Amplitude des elektrischen Anregungsfelds infolge
des Vorhandenseins der freien Elektrode stärker vermindert als bei einem Wandler ohne die freie
Elektrode. Folglich können mehrere freie Elektroden, die längs der Ausbreitungsachse einer elastischen
Oberflächenwelle angeordnet sind, die Stärke eines elektrischen Anregungsfelds nach Maßgabe einer
Bewertungsfunktion wichten. F i g. 3A zeigt die Anordnung der Elektroden beim üblichen Wandler mit
gleichförmiger Überlappungslänge. Fig.3B veranschaulicht
die Verteilung der mechanischen Spannungen oder Belastungen, die an den Kanten der einzelnen
Elektroden gemäß Fig.3A, wie durch die Pfeile angedeutet, erzeugt werden. Die Länge a jedes Pfeils
gibt die Größe der erzeugten Belastung oder Spannung an. Wenn man die Impulsreihe der Belastung in
Fourier-Reihen entwickelt, wird der Koeffizient der Grundwellenkomponente, die die durch die gestrichelte
Linie in Fig.3B angedeutete Periode besitzt, gleich 2 · föä. Diese Komponente regt eine elastische
Oberflächenwelle mit der Grundperiode an.
F i g. 4A veranschaulicht eine Anordnung, bei welcher
zwei parallele Leiter einer freien Elektrode zwischen den benachbarten Elektrodenfingern zweiter Elektroden
mit gleichförmiger Überlappungslänge angeordnet sind. Hierbei sind die Größen der mechanischen
Belastungen oder Spannungen in der in Fig.4B dargestellten Weise verteilt Wenn man die Impulsreihe
dieser Belastungen oder Spannungen in Fourier-Reihen entwickelt, wird der Koeffizient der Grundkomponente
gleich — - 2 - fZä. Ersichtlicherweise ist somit die
Anregungsleistung der Elektroden gemäß Fig.4A im
Vergleich zu derjenigen der Elektroden gemäß F i g. 3A auf ein Drittel herabgesetzt. Wenn gemäß F i g. 5A zwei
Paare von parallelen Leitern zwischen den benachbarten verschachtelten Elektrodenfingern angeordnet
werden, sind die Größen der Belastungen oder Spannungen in der in Fig.5B dargestellten Weise
verteilt. Hierbei beträgt der Koeffizient der Grundwellenkomponente im Vergleich zu demjenigen der
Grundwellenkomponente gemäß F i g. 3A — · 2 · |/2~ä.
Sind dagegen gemäß Fig.6A drei Paare von parallelen Leitern zwischen den jeweiligen benachbarten
Doppelkamm-Elektrodenfingern angeordnet, 50 entspricht die Verteilung der Belastungs- oder Spannungsgrößen
der Darstellung der F i g. 6B. Der Koeffizient der Grundwellenkomponente ist darin
-J ■ 3 . /21.
Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daö
dann, wenn / Paare von parallelen Leitern zwischen einander benachbarten verschachtelten Elektrodenfingern
angeordnet sind, der Koeffizient der Grundwellenkomponente gleich——j-· 2 · /2~äwird.
Die Anregungsleistung ändert sich um den Faktor — gegenüber derjenigen der Grundanordnung der
Elektroden gemäß F i g. 3A.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, ist es möglich, die Stärke eines elektrischen Anregungsfelds oder einer freien elastischen Oberflächenwelle
dadurch zu wichten, daß die freien Elektroden entsprechend längs der Ausbreitungsachse der elastischen
Oberflächenwelle angeordnet werden. F i g. 7 zeigt ein Beispiel für die Anordnung des erfindungsgemäßen
gewichteten bzw. wichtenden Wandlers. Wenn die freien Elektroden jeweils in Zahlen vorhanden sind,
die sich von der Mitte zu beiden Enden des Wandlers fortlaufend vergrößern, besitzt die Amplitude des
elektrischen Anregungsfelds, wie in F i g. 8 gezeigt, eine stufenweise Verteilung, die praktisch einer Bewertungsfunktion proportional ist. Ersichtlicherweise ist es
hierbei nicht immer erforderlich, im Mittelteil des Wandlers freie Elektroden vorzusehen. Wesentlich ist
lediglich, daß die freien Elektroden jeweils in einer Zahl angeordnet sind, welche von der Mitte zu beiden Enden
des Wandlers hin fortlaufend größer wird. Es ist jedoch zu beachten, daß die Anordnung der freien Elektroden
nicht notwendigerweise dieser genannten Verteilung zu entsprechen braucht.
Im folgenden ist die Arbeitsweise der Vorrichtung gemäß F i g. 1 erläutert, die einen Eingangswandler in
Form eines erfindungsgemäßen Wandlers 11 mit gleichförmiger Oberlappungslänge und einen aus dem
bekannten apodischen wichtenden Wandler gebildeten Ausgangswandler 12 aufweist Die Amplitude der durch
den Eingangswandler 11 erzeugten elastischen Oberflächenweüen
wird längs der Ausbreitungsachse gewichtet Die Stärke der elastischen Oberflächenwelle bleibt
jedoch über die ganze Strahlbreite bzw. die Überlappungslänge /konstant Wenn daher vom Eingangswandler
11 eine elastische Oberflächenwelle mit konstanter Strahlbreite und Amplitude an den Ausgangswandler 12
abgegeben wird, bei dem sich einige Elektrodenfinger Ober ein kürzeres Stück und andere über ein größeres
Stück überlappen, dann erzeugt der Ausgangswandler 12 Ausgangssignale, deren Amplituden den kleineren
und größeren Überlappungslängen seiner Elektroden-
finger proportional sind, sooft die genannte Oberflächenwelle vom Eingangswandler 11 die Abschnitte
unterschiedlicher Überlappungslänge durchläuft. Genauer gesagt, stehen impulsabhängige Wellenformen an
den Elektrodenabschnitien mit kleinerer Überlappungslängr
und solchen mit größerer Überlappungslänge in einem jinander genau entsprechenden Verhältnis. Die
Gesamtübertragungsfunktion zwischen den Eingangsund Ausgangswandlern 11, 12 läßt sich daher als
Produkt der Übertragungsfunktionen der betreffenden Wandler ausdrücken.
Es ist auch möglich, zwei erfindungsgemäße wichtende Wandler mit freien Elektroden als Eingangs- und
Ausgp'igswandler zu verwenden. Außerdem kann der
erfirjungsgemäße Wandler nicht nur mit dem apodisclien
Bewertungswandler, sondern auch mit einem beliebigen anderen Wandler, beispielsweise mit einem
Wandler mit gleichförmiger Überlappung kombiniert werden. In diesem Fall kann der erfindungsgemäße
Wandler mit freien Elektroden als Eingangs- oder als Ausgangswandler eingesetzt werden.
F i g. 9 zeigt die Frequenzcharakteristik des erfindungsgemäßen
wichtenden Wandlers mit freien Elektroden gemäß der Messung durch einen Wandler mit
gleichförmiger Überlappungslänge, der aus einer kleineren Zahl von Elektrodenfingern besteht und eine
Breitbandcharakteristik aufweist, wobei beide Wandler auf einem Substrat aus einem um 131° gedrehten.
Y-Schnitt- und X-Ausbreitungs-LiNbOi-Kristall angeordnet
sind.
F i g. 10 zeigt die Gesamt-Frequenzcharakteristik von zwei erfindungsgemäßen Wandlern mit freien Elektroden,
die als Eingangs- und Ausgangswandler dienen. Ein Vergleich zwischen den F i g. 9 und 10 zeigt, daß im Fall
von Fig. 10 die Produkteigenschaft der Übertragungsfunktionen der Eingangs- und Ausgangswandler erzielt
wird.
Fig. 11 veranschaulicht die Gesamt-Frequenzcharakteristik des als Eingangswandler benutzten erfindungsgemäßen
Wandlers mit freien Elektroden und des als Ausgangswandler verwendeten apodischen Bewertungswandlers.
Hierbei beläuft sich die gewährleistete Dämpfung auf etwa 45 db, was für die praktische
Anwendung voll ausreichend ist.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Wandler für akustische Oberflächenwellen mit zwei auf einem piezoelektrischen Substrat angeordneten
Elektroden, bei welchem jeweils eine an eine äußere Klemme angeschlossene Sammelelektrode
und mehrere mit dieser verbundene Elektrodenfinger vorgesehen sind, die doppelkammartig mit den
Elektrodenfingern der jeweüs anderen Elektrode verschachtelt sind, und bei welchem ferner die
Überlappungslängen der verschachtelten Elektrodenfinger der beiden Elektroden über den gesamten
Wandler hinweg gleich sind, und bei welchem des weiteren auf dem piezoelektrischen Substrat zwischen
den verschachtelten Elektrodenfingern der beiden Elektroden freie parallel zueinander verlaufende
Elektroden mit einer der Überlappungslänge der verschacjnelten Elektrodenfinger entsprechenden
Länge angeordnet sind, gekennzeichnet durch die Verwendung von freien Elektroden (30)
in Form von paarweise jeweils an ihrem .einen Ende elektrisch leitend miteinander verbundenen Leitern
(31, 32), mit der Maßgabe, daß die Zahl der freien Elektrodenpaare (31,32, 33) zwischen den Elektrodenfingern
(14,16) unterschiedlich ist
2. Wandler nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die freien Elektrodenpaars (31,32,33)
in Gruppen angeordnet sind, in denen sich die Zahl der freien Elekiodenpaare(31,32,33) von der Mitte
zu den beiden Enden dps Wanders hin fortlaufend
vergrößert
3. Wandler nach Anspruch } ader 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die parallelen Leiter (31,32) der
freien Elektrodenpaare (31,32,33) die gleiche Breite
besitzen wie die Elektrodenfinger (14,16) der beiden Elektroden (Ei, E2).
4. Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung
als Eingangswandler oder Ausgangswandler bei einer auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen
arbeitenden Vorrichtung, bei welcher der andere Wandler als apodischer Wandler ausgebildet ist.
wendung als Filter oder Verzögerungsleitung im VHF-
und UHF-Band bekannt Eine solche Vorrichtung weist auf einem· - piezoelektrischen Substrat angeordnete
Sende- und Empfangswandler auf, weiche elektrische Signale in elastische Oberflächenwelle!! oder umgekehrt
umwandeln. Bei den Wandlern handelt es sich um sogenannte Doppelkamm-Wandler mit ineinandergreifenden
bzw. gegenseitig verschachtelten Elektrod^nfingern.
Bei einem bekannten Wandler für elastische Oberflächenwellen
überlappen sich die Elektrodenfinger alle mit gleicher Länge. Er besitzt eine erste und eine zweite
Elektrode auf einem Substrat aus einem piezoelektrisch
?n Material. Jede Elektrode umfaßt eine an eine
äußere Klemme angeschlossene Haupt- bzw. Sammelelektrode sowie eine Vielzahl von mit der Sammelelektrode
verbundenen - Elektrodenfingern, wobei die Überlappungslängen der Elektrodenfinger der ersten
und zweiten Elektrode über den gesamten Wandler hinweggleich groß sind.
Der genannte, bekannte Wandler mit gleichförmiger
fingerartiger Überlappung besitzt jedoch einen unzufriedenstellende Frequenzgang. Außerdem besitzt ein
solcher Wandler eine Durchlaßbandbreite, die praktisch der Zahl der Elektrodenfinger umgekehrt proportional
ist Aus »Proceedings of the IEEE, Vol. 59, Nr. 3, Seite
393, März 1971, ist ein gewichteter Wandler mit einer sogenannten apodischen Elektrodenanordnung zur
Verbesserung seines Frequenzganges bekannt Bei diesem speziellen Wander variieren die Überlappungslängen der Elektrodenfinger entsprechend einer Gewicht-
bzw. Bewertungsfunktion, so daß die Breite des angeregten elastischen Oberflächenwellenstrahls entsprechend
der Bewertungsfunktion gewichtet ist Obgleich eine Bewertungs- oder Gewichtsfunktion
bezüglich der Frequenzübertragungseigenschaft eines idealen Filters sin x/x ist, wird in der Praxis zum Beispiel
die Funktion
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DE2441500C2 true DE2441500C2 (de) | 1983-12-15 |
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Family Applications (1)
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GB (1) | GB1481431A (de) |
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NL7411479A (nl) | 1975-03-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: HENKEL, G., DR.PHIL. FEILER, L., DR.RER.NAT. HAENZ |
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8125 | Change of the main classification |
Ipc: H03H 9/145 |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition |