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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen mechano-elektrischen
Wandler, und insbesondere eine Wiegevorrichtung, die dazu ausgelegt
ist, mechanische Lasten in elektrische Signale zu wandeln, wobei
sie eine keramische Schubbalken-Lastzelle verwendet.
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Stand der
Technik
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Früher bestanden
Dehnungsmessstreifen-Lastzellen, die in Waagen für Wiegeanwendungen verwendet
wurden, aus einer komplexen Erfassungsschaltung, die aus Widerständen bestand,
die auf der Oberfläche
eines massiven Metallsubtrats montiert waren. Bezugnehmend auf 1, wird eine Dehnungsmessstreifen-Lastzelle 10 vom
Stand der Technik gezeigt. Bei dieser Vorrichtung ist eine komplexe
Dünnfilm-
oder Metallfolien-Dehnungsmessstreifenschaltung 14 auf
ein Metallsubstrat 12, wie beispielsweise rostfreien Stahl
oder Aluminium, typischerweise durch ein Klebeverfahren montiert.
Die Lastzelle 10 ist über
Durchgangslöcher 16 an
einer Basis (nicht gezeigt) montiert.
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2 zeigt einen anderen Typ
einer Dehnungsmessstreifenlastzelle vom Stand der Technik, die in
der Industrie verwendet wird. Bei dieser Version ist das Substrat 12 bei
einem Mittelabschnitt 18 ausgehöhlt, um die Spannung in dem
Gebiet zu konzentrieren, wo die Dehnungsmessstreifenschaltung 14 montiert
ist, wodurch die Empfindlichkeit und Genauigkeit der Vorrichtung
verbessert wird.
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Jedoch
ist die spanabhebende Bearbeitung, die mit dem Herstellen von Dehnungsmessstreifen-Lastzellen
verbunden ist, in jeder Weise sehr teuer. Dies kann teilweise den
inhärenten
Kosten der Zerspanung von aus rostfreiem Stahl hergestelltem Substrat
zugeschrieben werden. In einem Versuch die Herstellungskosten zu
reduzieren, begann die Industrie Aluminiumsubstrate zu verwenden,
die einfacher zu zerspanen sind, als rostfreier Stahl. Unglücklicherweise
neigt Aluminium dazu zu „kriechen" und verursacht Messabweichungen.
Mit anderen Worten, wenn die aufgebrachte Kraft entfernt wird, kehrt
das Substrat nicht in seine Ausgangsform zurück. Diese Art von Deformation
kann zu ungenauen Messungen über
die Zeit führen,
wodurch Aluminium ein nicht wünschenswerter
Ersatz für
rostfreien Stahl wird.
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Ein
weiterer kostspieliger Nachteil der derzeitigen Verfahren, die durch
die Industrie verwendet werden, ist das Befestigungsverfahren. Obwohl
das Ankleben der Dehnungsmessstreifen auf der Oberfläche des
Substrats in letzter Zeit eine zuverlässige Befestigungsart geworden
ist, bleiben die Kosten hierfür
hoch. Ferner neigt der Klebstoff, der verwendet wird, um Dehnungsmessstreifen
auf das Substrat zu kleben, dazu mit der Zeit zu altern, was zum
Versagen der Vorrichtungen führt.
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Die
US-A-4898255 offenbart
eine Wiegevorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruchs
1. Dieses Dokument offenbart eine Niederprofilwaage, die eine Lastzelle
aufweist. Ein Längsende
der Lastzelle ist mit einem Lastaufnahmeelement verbunden und das
andere Ende ist an einer Basisplatte und Erde verbunden. Die Lastzelle ist
aus einer einstöckigen
Platte gestanzt und weist ein Paar von Dehnungsmessstreifen auf,
die an jeder seitlichen Kante der Platte montiert sind, und einen Schlitz
der sich zwischen den seitlich gegenüberliegenden Dehnungsmessstreifen
erstreckt.
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Die
JP-A-60260820 offenbart
eine Lastzelle, die ein Paar von parallelen Balkenelementen aufweist,
an denen Spannungssensoren montiert sind. Die Balkenelemente sind
so geformt, um Regionen von verringerter Steifigkeit unter den Spannungssensoren
aufzuweisen.
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Die
JP-A-56130630 offenbart
eine Lastzelle, die zwei Platten aufweist, an denen Dehnungsmessstreifen
angebracht sind. Die Platten sind durch Blöcke von röhrenförmigen Rechteckstangen verbunden.
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Basierend
auf dem oben beschriebenen, besteht ein Bedürfnis eine genaue Wiegevorrichtung zur
Verfügung
zu stellen, die leichter und kostengünstiger herzustellen ist.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt eine Wiegevorrichtung gemäß Patentanspruch
1 zur Verfügung. Bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung stellen eine Vorrichtung zur Verfügung, die die
oben genannten Probleme des Standes der Technik durch die Verwendung
von im allgemeinen einer Wiegevorrichtung überwinden, welche Dehnungsmessstreifen-Lastzellen
verwendet. Die Lastzelle kann aus zwei Substraten konstruiert sein,
die parallel zueinander montiert sind, wobei jedes ein Paar von
Widerständen
aufweist, die an gegenüberliegenden
Seiten des Substratpaares eingebettet sind. Alternativ können die
Widerstände
an gegenüberliegenden
Seiten eines einzelnen Substrats eingebettet sein. Die Substrate
sind vorzugsweise keramisch.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
folgendes aufweisen: a) Ein Substratpaar welches ein erstes und
ein zweites Substrat aufweist, die im wesentlichen parallel zueinander
positioniert sind; b) Einen ersten und einen zweiten Dehnungssensor,
die an gegenüberliegenden
Seiten des Substratpaars montiert sind; c) Ein erstes und ein zweites
Abstandsstück,
das mit dem ersten und dem zweiten Substrat an gegenüberliegenden
Enden gekoppelt ist, um das erste und das zweite Substrat in einer
beabstandeten parallelen Positionen zu halten. Dies ermöglicht eine
genaue Wiegevorrichtung, die kostengünstiger und leichter aufzubauen
ist, als Wiegevorrichtungen vom Stand der Technik, wegen der zwei
Substrat Konfiguration mit darauf montierten Widerständen. Dies
ermöglicht
auch eine Wiegevorrichtung, die sich nicht als Reaktion auf zyklische Last
deformiert oder "kriecht".
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
folgendes aufweisen: a) Ein erstes und ein zweites Substrat, die
im wesentlichen parallel zueinander positioniert sind; b) Einen
ersten und einen zweiten Dehnungssensor, der an gegenüberliegenden
Oberflächen
des ersten Substrats montiert ist; c) Ein erstes und ein zweites
Abstandsstück,
das mit dem ersten und dem zweiten Substrat an gegenüberliegenden
Enden desselben gekoppelt ist, um das erste und das zweite Substrat
in einer beabstandeten parallelen Position zu halten. Dies ermöglicht ähnliche
Vorteile, wie die im dem vorangehenden Absatz erwähnten.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
folgendes aufweisen: Ein erstes Abstandselement, das an einer Basis
montiert ist, und ein zweites Abstandselement, das an einem Wiegesubstrat
montiert ist; ein erstes Substrat, das an dem ersten und zweiten
Abstandselement befestigt ist, wobei das erste Substrat ein Paar
von Widerstände und
ein Paar von Trimmwiderständen
aufweist, die an einer ersten Seite des ersten Substrats montiert sind;
ein zweites Substrat, das an den ersten und zweiten Abstandselementen
befestigt ist und von dem ersten Substrat beabstandet und parallel
dazu ist, wobei das zweite Substrat ein Paar von Widerständen aufweist,
die auf einer zweiten Seite des zweiten Substrat montiert sind;
und ein Satz von Spuren, die das erste und das zweite Paar von Widerständen und
das Paar von Trimmwiderständen
mit einer Mikroprozessoreinheit verbinden, die mit einer Ausgabeeinheit
verbunden ist. Dies bietet ähnliche Vorteile
wie diejenigen, die in den vorangehenden zwei Absätzen erwähnt worden
sind. Dies bietet auch eine Trimmvorrichtung, die leichter herzustellen
ist, eine bessere thermische Spurführung aufweist, eliminiert
den Bedarf für
zusätzliche
Verkabelung und ermöglicht
das leichtere Ausbalancieren über
ein Lasertrimmverfahren.
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Die
vorgenannten und weiteren Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung deutlich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung werden unter Bezug auf die folgenden Figuren im
Detail beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen ähnliche Elemente bezeichnen,
und worin:
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1 eine Lastzelle vom Stand
der Technik zeigt, die auf einem massiven Substrat konstruiert ist;
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2 eine Lastzelle vom Stand
der Technik zeigt, wobei das Substrat einen hohlen Mittelabschnitt
aufweist;
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3 eine Querschnittsansicht
einer Wiegevorrichtung zeigt, die nützlich für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
ist;
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4 eine gebrochene Ansicht
der Dehnungsmessstreifen-Lastzelle in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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5 die elektrische Konfiguration
des Trimmwiderstands in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung zeigt;
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6 eine Querschnittsansicht
einer Lastwiegevorrichtung zeigt, die nützlich für das Verständnis der vorliegenden Erfindung
ist;
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7 eine Variation einer Lastzelle
zeigt, die nützlich
für das
Verständnis
der vorliegenden Erfindung ist.
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Es
wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstäblich sind.
Sie stellen lediglich eine schematische Wiedergabe der Erfindung
dar und dienen nicht zur Darstellung spezifischer Parameter der
Erfindung. Die Zeichnungen sollen lediglich typische Ausführungsformen
der Erfindung zeigen und sollten daher nicht als Einschränkung des Schutzumfangs
der Erfindung verstanden werden.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Obwohl
gewisse bevorzugte Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung gezeigt und im Detail beschrieben werden,
sollte es klar sein, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen
gemacht werden können,
ohne vom Schutzumfang der beigefügten
Ansprüche
abzuweichen. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird in
keiner Weise auf die Anzahl von wesentlichen Komponenten, deren
Materialien, deren Form, deren relative Anordnung zueinander, etc.
beschränkt
und wird lediglich als beispielhafte bevorzugte Ausführungsform offenbart.
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3 zeigt eine Wiegevorrichtung 20,
die für das
Verständnis
der vorliegenden Erfindung nützlich ist.
Die Vorrichtung 20 weist eine Basis 22, ein Abstandselement 26,
ein Abstandselement 28, eine Wiegeplatte oder Substrat 24,
ein oberes Substrat 30, ein unteres Substrat 32 und
Widerstände 34, 36, 38 und 40 auf.
Das obere Substrat 30 und das untere Substrat 32 sind
im wesentlichen parallel an Abstandselementen 26 und 28 befestigt,
typischerweise über
einen Klebstoff, wie beispielsweise Epoxy oder druckempfindliches
Klebeband, etc. Das obere Substrat 30 und das untere Substrat 32 sind
aus Keramik hergestellt, können
aber auch aus jedem anderen ähnlich
elastischen Material sein, das die gewünschten Eigenschaften besitzt,
wie beispielsweise einem Polymermaterial, rostfreiem Stahl, etc.
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Das
Abstandselement 26 ist auf der Basis 22 über Bolzen,
Schrauben, Klebstoff, Schweißen,
etc. montiert. Unter Verwendung ähnlicher
Verfahren, ist das Abstandselement 28 auf der Wiegeplatte 24 an einem
Mittelpunkt M montiert. Die Abstandselemente 26 und 28 sind
typischer Weise aus Aluminium hergestellt, können jedoch jedes Hartmaterial,
wie Kunststoff, Metall, Keramik, etc. sein. Die Widerstände 34 und 36 sind
in der Oberseite des oberen Substrats 30 eingebettet, und
die Widerstände 38 und 40 sind
in die Unterseite des unteren Substrats 32 eingebettet.
Die Widerstände 34, 36, 38 und 40 sind elektrisch
verbunden, um eine Wheatstone Brückenschaltung
zu bilden, die allgemein in der Industrie verwendet wird. Die Widerstände 34, 36, 38 und 40 sind
in ihr entsprechendes Substrat über
ein Siebdruckverfahren eingebettet, angebacken unter Verwendung
eines Feuerungsbrennofens oder durch andere vergleichbare Verfahren.
Diese Verfahren eliminieren die Kosten und Unzuverlässigkeit,
die mit den Klebeverfahren vom Stand der Technik verbunden sind.
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4 und 5 zeigen eine gebrochene Ansicht der
Dehnungsmessstreifenlastzelle 48 in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung, wobei 4 die
Oberseite des oberen Substrats 30 und 5 die untere Seite des unteren Substrats 32 zeigen.
Die Lastzelle 48 weist Abstandselemente 26 und 28,
das obere Substrat 30, das untere Substrat 32,
Widerstände 34, 36, 38 und 40,
ein Paar Trimmwiderstände 42,
elektrische Verbindungen oder Spuren 50, eine Mikroprozessoreinheit 54 und
eine Anzeigeeinheit 56 auf. Das obere Substrat 30 weist Trimmwiderstände 42 auf
(nicht auf dem unteren Substrat 32 vorhanden), die auf
dem oberen Substrat 30 über
Abstandselement 26 montiert sind. Die elektrische Konfiguration
der Trimmwiderstände 42 in
Relation zu Widerständen 34, 36, 38 und 40 ist
in 5 gezeigt. Die Trimmwiderstände 42 sind
ausgelegt, um die Wheatstone Brückenschaltung
elektrisch abzugleichen. Im Gegensatz zu den nicht abgeglichenen
Vorrichtungen vom Stand der Technik, die typischer Weise diskrete
Trimmwiderstände
an einem Ort in der Nähe
der Vorrichtung hinzufügen,
sind die Trimmwiderstände
bei der vorliegenden Erfindung an dem oberen Substrat 30 montiert.
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Dieser
ermöglichst
eine leichtere Herstellung, bessere thermische Verfolgung, die Eliminierung
von zusätzlicher
Verdrahtung, und ermöglicht das
leichtere Ausbalancieren über
ein Lasertrimmverfahren.
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Elektrische
Verbindungen oder Spuren 50 sind aus einem Dickfilmmaterial
zusammengesetzt und sind vorzugsweise auf das oberes Substrat 30 und
das untere Substrat 32 im Siebdruckverfahren gedrückt . Dieses
Verfahren reduziert die Kosten der elektrischen Verbindungen und
eliminiert jegliche Zuverlässigkeitsprobleme,
die mit dem Klebeverfahren vom Stand der Technik verbunden waren.
Die elektrischen Verbindungen oder Spuren 50 werden an Drähte 51 gelötet, welche
die Lastzelle 48 mit einer Mikroprozessoreinheit 54 verbinden,
die dann elektrisch mit einer Anzeigeeinheit 56 verbunden
wird, d. h., einem Computerbildschirm, einem Drucker, etc. Die Mikroprozessoreinheit 54 kalibriert
und konvertiert die Widerstandsmessung (Volt ), die von der Lastzelle 48 empfangen
wird, in die gewünschten Messeinheiten,
d. h. Pfund, Unze und so weiter, die dann in der Anzeigeeinheit 56 angezeigt
werden.
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Das
Abstandselement 26 weist Durchgangsöffnungen 44 mit Gewinde
auf, um über
Bolzen, Schrauben, etc. die linke Seite der Lastzelle 48 mit der
Basis 22 zu verbinden (wie in 3 gezeigt). Ähnlich weist das Abstandselement 28 Durchgangsbohrungen 46 mit
Gewinde auf, um über
Bolzen, Schrauben, etc die rechte Seite des Lastzelle 48 mit der
Wiegeplatte 24 zu verbinden (wie in 3 gezeigt). Es wird angemerkt, dass die
Anordnung der Durchgangslöcher 44 und 46 mit
Gewinden den Drehmomentbetrag auf die Löcher und Bolzen, die zur Verbindung
verwendet werden, reduziert, im Vergleich zu der Reihenanordnung
beim Stand der Technik (siehe 1 und 2), welche dazu neigt, die
Verbindungsbolzen mit der Zeit abzuscheren. Abstandselement 26 und 28 können auch
jeweils mit der Basis 22 und der Wiegeplatte 24 über Klebstoff,
Schweißen,
etc. verbunden sein.
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Es
wird angemerkt, dass die Widerstände 34 und 38 über der
Innenkante 27 des Abstandselements 26 montiert
werden soll, wie in 4 dargestellt,
da dies ein Ort hoher Spannung ist. Folglich ist dies ein guter
Ort, um eine Verformung in den Elementen bei Aufbringung von Gewicht
zu erfassen. Genauso sollten die Widerstände 36 und 40 über der Innenkante 29 des
Abstandselements 28 montiert werden.
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6 zeigt eine vergrößerte Ansicht
der Wiegevorrichtung 20, um die Verschiebung der Substrate 30 und 32 beim
Wiegen darzustellen. Wenn ein Gewicht W auf die Wiegeplatte 24 aufgebracht
wird, wird das Abstandselemente 28 nach untern, in Richtung
der Basis 22 gezwungen. Die Substrate 30 und 32 werden
in ihren mittleren Abschnitten 52 zwischen den Abstandselementen 26 und 28 verformt,
während
die Abschnitte der Substrate, die sich über die Abstandselemente erstrecken
parallel bleiben. Die Widerstände 34, 36, 38 und 40 erfahren
korrespondierend Variationen, was im Gegenzug ein Maß des Betrages
der Verformung in den Substraten 30 und 32 an
inneren Flächen 27 und 29 zur
Verfügung
stellt.
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7 zeigt eine Variation einer
Lastzelle 48, wobei die Widerstände 34 und 36 in
die obere Fläche des
oberen Substrat 30 und die Widerstände 38 und 40 in
die untere Fläche
des oberen Substrats 30 eingebettet sind. Es wird angemerkt,
dass obwohl das untere Substrat 32 gezeigt ist, dieses
nicht notwendig ist, wenn die Widerstände 34, 36, 38 und 40 in
dem oberen Substrat 30 eingebettet sind.
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Die
Konstruktionsverfahren, wie in dieser Offenbarung beschrieben, verwenden
zumindest vier Widerstände
um eine volle Wheatstone Brückenschaltung
herzustellen. Es wird angemerkt, dass weniger als vier Widerstände mit
dieser Konstruktion verwendet werden können, aber dies würde Einbussen
in der Leistung verursachen. Die Anzahl der Widerstände und
deren Orte sind nicht durch die vorliegende Offenbarung limitiert.
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Es
wird auch angemerkt, dass die Empfindlichkeit der Wiegevorrichtung 20 durch
Variieren des horizontalen Abstand zwischen den Abstandselementen 26 und 28 oder
durch Verändern
der Dimensionen des oberen und unteren Substrats 30 und 32 jeweils
geändert
werden kann. Beispielsweise wird, wenn der Abstand zwischen den
Abstandselementen zunimmt, der mittlere Abschnitt 42 der
Vorrichtung weniger steif, dafür
jedoch ansprechender auf die Anwendung von einem Gewicht. Wogegen
die Verringerung des Abstands zwischen den Abstandselementen die
Steifigkeit des mittleren Abschnitts 52 erhöht, wodurch
die Vorrichtung weniger empfindlich auf die Anbringung von Gewicht
wird. Ähnlich
werden durch Vergrößern der
Dicke oder Breite oder verringerte Länge der Substrate 30 und 32 diese
weniger flexibel und die Vorrichtung 20 wird steifer, auf
diese Weise weniger empfindlich auf das Anbringen von Gewicht.
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Es
wird angemerkt, dass die vorliegende Erfindung in einer Vielzahl
von Wiegeanwendungen, wie beispielsweise Wiegen von Briefen, Wiegen
von Passagieren, die in einem Auto sitzen, etc, verwendet werden
kann.
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Während die
Erfindung im Zusammenhang mit den spezifischen Ausführungsformen,
die oben skizziert sind, beschrieben wurde, ist es offensichtlich,
dass viele alternativen, Modifikationen und Variationen für den Fachmann
offensichtlich sind, ohne von der Formulierung der beigefügten Ansprüche abzuweichen.
Entsprechend sind die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung,
wie oben ausgeführt, lediglich
als beispielhaft anzusehen.