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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Befestigung
einer Drehmoment- oder Drehwinkelsensoranordnungen an einer Welle,
insbesondere zur Detektion von drehwinkel- oder drehmomentabhängigen
Größen an der Welle oder zwischen Teilwellen nach
der Gattung des Haupt- und des Nebenanspruchs.
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Es
ist an sich bekannt, dass Sensoranordnungen fest an der Welle oder
den Teilwellen bzw. an Gehäuseteilen befestigt werden müssen,
um zusammen mit elektrischen, magnetischen, optischen oder anderen
Sensormitteln, die mit der Halterung in einem Funktionszusammenhang
stehen, absolute oder relative Drehbewegungen der Welle oder zwischen
Teilwellen der Welle dauerhaft und sicher zu erfassen.
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Solche
Sensoranordnungen werden zum Beispiel bei berührungslosen
Winkelsensoren zur Messung einer relativen Verdrehung der zwei Wellenenden
eines sich drehenden Torsionssystems mit zwei Teilwellen als Teil
einer Lenkwelle eines Fahrzeugs angewendet, um damit das auf die
Gesamtwelle ausgeübte Drehmoment zu ermitteln, vorzugsweise
bei einem Einsatz in Lenksystemen eines Kraftfahrzeugs mit elektrischer
Lenkkraftunterstützung.
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Beispielsweise
ist aus der
DE 10256322
A1 bekannt, dass ein Drehmomentsensor zur Erfassung des
an einer Welle anstehenden Drehmoments, insbesondere an Lenkwellen
in einem Kraftfahrzeug, jeweils an zwei sich gegenüberliegenden
Teilwellen der Welle angebracht ist. Auf der ersten Teilwelle ist hier
eine drehfest angebrachte Hülse mit Magneten vorhanden
und auf der anderen Teilwelle ist ein Magnetfeldsensor der Sensoranordnung
angebracht, der dem Magneten an der ersten Teilwelle über
einen Zwischenraum gegenüberliegt.
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Bei
dieser bekannten Anordnung hängt der im Zwischenraum erzeugte
magnetische Fluss von der Drehwinkellage zischen dem Magneten und
dem Detektor der Sensoranordnung ab, wobei zwischen den Teilwellen
der Welle ein Torsionselement angeordnet ist, sodass hieraus das
auf die Welle einwirkende Drehmoment messbar ist.
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Ein
solcher Drehmomentsensor besteht außerdem in der Regel
aus zwei Einheiten, nämlich einer dynamischen Einheit,
welche sich mit der Lenkwelle bzw. dem Torsionssystem mitdreht und
einer ortsfesten Einheit mit einer Elektronik, welche an dem umgebenden
Getriebegehäuse fixiert ist. Die dynamische Einheit ist
dabei über die zwei Teilwellen der Lenkwelle, wie zuvor
beschrieben, verteilt befestigt und kann deshalb auch in eine Statorbaugruppe und
beispielsweise in eine Magnetbaugruppe unterteilt werden. Die Statorbaugruppe
besteht mindestens aus dem Statorhalter und zum Beispiel zwei Sensoren,
wobei optional weitere Bauteile in die Statorbaugruppe integriert
werden können.
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Die
so gebildeten statischen und dynamischen Sensoreinheiten können
zum Beispiel in einer an sich bekannten Weise durch eine Gleitlagerung miteinander
verbunden werden, wobei die Sensorelektronik in der dynamischen
Einheit integriert ist. Die Spannungsversorgung und die Signalausgänge
werden mittels einer Wickelfeder realisiert, wobei dieses Prinzip
eine stärkere innere Reibung durch die Wickelfeder aufweist.
Das Reibmoment dieses bekannten Systems verhält sich bei
wechselnden Temperaturen ungleichmäßig und außerdem
bewirkt der Sensoraufbau eine erhöhte Geräuschbildung.
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Bei
einer anderen bekannten Ausführung mit einer Gleitlagerung
ist die Sensorelektronik in die statische Einheit integriert. Der
Sensor wird dabei vollständig auf die Welle montiert und
zur Übertragung des Magnetflusses zwischen der statischen
und der dynamischen Sensoreinheit sind zusätzlich weichmagnetische
Bauteile in den Sensoreinheiten integriert. Das Gleitlager positioniert
die weichmagnetischen Komponenten der statischen und der dynamischen
Sensoreinheit dabei in axialer und radialer Richtung. Diese bekannte
Ausführung bedingt eine hohe Funktionalität des
Gleitlagers auch unter störendem Temperatureinfluss über
eine hohe Lebensdauer, die aber nur mit hochwertigen und kostenintensiven
Materialien für das Gleitlager gewährleistet werden
kann. Für ein solches Gleitlager müssen in der
Regel spezielle Kunststoffe verwendet werden, sodass der Einsatz
von preiswerten Standardkunststoffen nicht realisiert werden kann.
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Es
weiterhin auch aus der
EP
1584908 A2 bekannt, dass die Sensoranordnung aus drei voneinander
unabhängig zu montierenden Baugruppen besteht, nämlich
der statischen Sensoreinheit, der dynamischen Sensoreinheit und
einer Magnetbaugruppe. Die statische und die dynamische Sensoreinheit werden
hierbei getrennt in den Bauraum an der Lenkwelle montiert, die statische
Einheit wird mit dem umgebenden Gehäuse fest verbunden
und die dynamische Einheit wird mit der Welle verbunden und anschließend
in das Gehäuse montiert.
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Die
Montage der statischen Sensoreinheit erfolgt dabei quer zur Achse
der Lenkwelle und die dynamische Sensoreinheit wird axial auf die
Welle montiert und dann anschließend axial in das Getriebegehäuse
gefügt. Zur Übertragung des Magnetflusses zwischen
der statischen und der dynamischen Sensoreinheit sind dabei zusätzlich
weichmagnetische Bauteile in den Sensoreinheiten integriert und die
Positionierung der weichmagnetischen Bauteile der statischen und
der dynamischen Sensoreinheit wird ausschließlich durch
das umgehende Gehäuse, die Lagerung und der Lenkwelle realisiert.
Diese Anordnung bedingt in der Regel eine aufwendige Nachbearbeitung
des Getriebegehäuses im Bereich der Lagerstelle für
die statische Sensoreinheit. Die Führung der statischen
Sensoreinheit im Getriebegehäuse quer zur Achsrichtung
führt zu erhöhten geometrischen Toleranzen und
die Positioniergenauigkeit der für das Funktionsprinzip
der wichtigen statischen und dynamischen Sensoreinheiten sinkt.
Diese bekannte Befestigungsprinzip beinhaltet außerdem
Einschränkungen der geometrischen Variation der weichmagnetischen
Bauteile.
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Nachteilig
an diesem Prinzip ist weiterhin, dass für die Montage der
statischen und der dynamischen Sensoreinheit getrennte Prozessabläufe
vorgesehen werden müssen. Weiterhin gibt es keine direkte
Positionierung zwischen der statischen und der dynamischen Sensoreinheit
zum Zeitpunkt der Montage. In die Signalauslegung des Sensors muss
daher die lange Toleranzkette über die Gehäuseöffnungen,
die Lagersitze, die Lager und die Lenkwelle berücksichtigt
werden.
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Befinden
sich weiterhin die weichmagnetischen Komponenten der statischen
Sensoreinheit (Flussleiter) zwischen den weichmagnetischen Komponenten
der dynamischen Sensoreinheit (Statoren) muss die Position zwischen
diesen im Betrieb über die Temperatur und die Lebensdauer
gewährleistet werden, wobei eine Berührung der
weichmagnetischen Einzelteile auszuschließen ist.
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Darstellung der Erfindung
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Die
Erfindung geht von einer Vorrichtung zur Befestigung einer Sensoranordnungen
an einer Welle, insbesondere zur Detektion von drehwinkel- oder drehmomentabhängigen
Größen an der Welle, mit einer dynamischen an
der Welle gehaltenen Einheit und einer statischen Einheit an einem
Gehäuse aus, bei der eine Verbesserung der Montagefähigkeit
und eine Erhöhung der Sensorgenauigkeit erreicht werden
soll.
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Gemäß der
Erfindung sind die zuvor erwähnten Einheiten vor der Montage
axial und radial derart miteinander fixiert, dass sie gemeinsam
montierbar sind. Die Einheiten liegen dabei in besonders vorteilhafter
Weise über eine Verbindungsstelle derart aneinander, dass
zumindest die dynamische Einheit an der Verbindungsstelle mindestens
einen radialen Vorsprung aufweist, der von einer Kontur an der statischen
Einheit weitgehend umfasst ist. Die Materialien der Einheiten an
der Verbindungsstelle sind so gewählt, dass nach der Montage
die Einheiten voneinander unabhängig bewegbar sind.
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Zur
Befestigung der Einheiten sind diese axial mittels einer form-,
kraft- oder stoffschlüssigen Verbindung an der Welle und
am Gehäuse fixiert. Die Einheiten können auch
in ihrer Winkellage durch eine korrespondierende Nut- und Federanordnung
auf einfache Weise an der Welle und am Gehäuse fixiert werden.
Andererseits ist es auch möglich, dass die statische Einheit
in ihrer Winkellage durch eine steife Ausführung einer
Steckverbindung mit einer Steckeranordnung am Gehäuse fixiert
ist.
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Ein
bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung betrifft eine Lenkwelle
eines Kraftfahrzeuges, wobei das Gehäuse das Getriebegehäuse
der Lenkwelle darstellt.
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Bei
einem vorteilhaften erfindungsgemäßen Verfahren
zur Montage einer solchen Vorrichtung werden in einem ersten Verfahrensschritt
die beiden Einheiten der Sensoranordnung zusammen in einen Bauraum,
der beispielsweise zwischen der Lenkwelle und dem Getriebegehäuse
gebildet ist, axial eingefügt und in einem zweiten Verfahrensschritt
wird eine Einlaufphase durchgeführt, nach der die beiden
Einheiten frei zueinander beweglich sind. Die hier nicht näher
erwähnte Magnetbaugruppe wird getrennt montiert.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung mit der Sensoranordnung
besteht somit aus zwei getrennt voneinander zu montierenden Baugruppen,
nämlich der Magnetbaugruppe und der Sensoranordnung, die
aber in der gleichen Richtung montiert werden. Vorteilhaft ist bei
der Erfindung, dass die statische und die dynamische Einheit der
Sensoranordnung zum Zeitpunkt der Montage so miteinander verbunden
sind, dass beide gemeinsam als eine Einheit axial auf die Lenkwelle
aufgebracht werden können. Anschließend wird die
Sensoranordnung mit der darunterliegenden Welle axial in das Getriebegehäuse
eingeführt und befestigt.
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Vorteilhaft
ist hierbei insbesondere die gemeinsame Fügerichtung der
zuvor erwähnten Baugruppen bei gleichzeitiger Minderung
der separat zu handelnden Teile.
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Das
erfindungsgemäße Montageprinzip setzt eine Lagerung
der statischen Einheit im Getriebegehäuse voraus. Vorteilhaft
ist hierbei, dass die Lagerstelle in der gleichen Werkstückaufspannung wie
die Lagerung der Wälzlager für die Lenkwelle im Getriebegehäuse
gefertigt werden kann, wobei die Lenkwelle dann wiederum als Sitz
für die dynamische Einheit der Sensoranordnung dient. Der
somit axial aufbauende Sitz der Lagerung für die statische
Einheit und die ebenfalls axial aufbauenden Lagersitze für
die Wälzlager der Lenkwelle tragen dabei wesentlich zur
Genauigkeit der Sensoranordnung bei.
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Eine
Kombination aus Fest- und Loslager bei den Wälzlagern ermöglicht
es hierbei dem Gesamtsystem auf äußere, im Betrieb
auftretende Lasten nachgiebig zu reagieren, sodass keine zusätzlichen Spannungen
im System entstehen, zum Beispiel bei einer Erwärmung des
Gesamtsystems. Unterschiedliche Wärmeausdehnungen von Welle
und Getriebegehäuse würden dagegen bei einer insgesamt
festen Lagerung zu zusätzlichen Spannungen in den Bauteilen
führen. Über das Loslager kann sich die Welle relativ
zum Gehäuse axial bewegen. Damit die Welle aber nicht aus
dem Gehäuse fällt, wird noch ein Festlager benötigt.
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Nach
der Montage und der Einlaufphase besteht dann zwischen den Einheiten
der Sensoranordnung keine mechanische Verbindung mehr, sodass Einflüsse
aus der Reibung eines Gleitlagers und seinem zwangsläufigem
Verschleiß nicht in die Auswertung des Signals der Sensoranordnung
eingehen. Mit dem Entfall der Gleitlagerfunktion steht für
die Sensoranordnung eine größere Auswahl an Werkstoffen zur
Verfügung, womit die Sensoranordnung insgesamt wirtschaftlicher
hergestellt werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße
Montageverfahren gewährleisten auf einfache Weise einen
dauerhaften festen Sitz insbesondere der statischen Einheit der
Sensoranordnung über die Lebensdauer. Die statische Einheit
tritt über ihrem Umfang vollständig oder partiell
mit der Gehäusewandung des Getriebege häuses in
Kontakt, sodass damit die radiale Position der statischen Einheit
fixiert ist. Die axiale Fixierung kann dann beispielsweise durch
eine Klemmung am Getriebegehäuse über eine radial
umlaufende Nut im Getriebegehäuse und einem auf der statischen
Einheit integrierten Ring erfolgen, welcher in die Nut eingreift. Die
Fixierung der Winkellage kann zum Beispiel ebenfalls über
ein axiales Nut-Feder-Prinzip erfolgen oder durch eine entsprechend
steife Ausführung der Steckerkontaktierung.
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Mit
der Erfindung kann somit zusammenfassend eine Optimierung der Geometrie
bei verbesserter Montage erreicht werden. Vorteilhaft ist hier insbesondere
gegenüber der in der Beschreibungseinleitung erwähnten
EP 1584908 A2 ,
dass die Ausrichtung der Sensoranordnung gleichzeitig radial und axial
erfolgen kann. Damit stehen für die Magnetfeldübertragung
zur Sensoranordnung eine größere Zahl an Geometrien
und Ausführungen insbesondere der weichmagnetischen Bauteile,
zur Verfügung, wodurch sich erhebliche Optimierungspotenziale
ergeben, wie zum Beispiel eine Anpassungen an den magnetischen Feldlinienverlauf,
eine Kostenoptimierung oder eine besondere Gestaltung, Lagerung
und Fixierung der Bauteile.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Figur
der Zeichnung erläutert. Es zeigt:
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1 ein
Anwendungsbeispiel einer Halterung für eine Drehmomentsensoranordnung
an der Lenkwelle eines Kraftfahrzeuges mit einer statischen und
einer dynamischen Einheit.
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Wege zur Ausführung
der Erfindung
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1 zeigt
einen Schnitt durch eine Vorrichtung zur Bestimmung eines auf eine
Welle ausgeübten Drehmoments an einer Lenkwelle
1 eines
Kraftfahrzeuges. Die Lenkwelle
1 bildet hier ein Torsionssystem,
wie es in dem eingangs erwähnten Stand der Technik
DE 10256322 A1 beschrieben
ist. Ein linker Teil
1a bildet hierbei die Eingangswelle
mit einer Magnetbaugruppe und ein rechter Teil
1b bildet
hier die Ausgangswelle mit einer Drehmomentsensoranordnung. Die
Drehmomentsensoranordnung weist hier eine dynamische Einheit
2 auf,
die sich mit der Lenkwelle
1 des Torsi onssystems mitdreht
und dazu fest auf dieser angeordnet ist, sowie eine statische Einheit
3,
welche in einem Getriebegehäuse
4 mechanisch fixiert
ist. Die statische Einheit
3 enthält hier nicht
näher beschriebene Sensorelemente zur Erfassung der Drehbewegung
der Lenkwelle
1 bzw. der Relativbewegung zwischen den Teilwellen
des Torsionssystems der Lenkwelle
1 und eine entsprechend angepasste
Elektronik zur Auswertung der Sensorsignale sowie eine Steckeranordnung
5 zur
Weiterleitung der Ausgangssignale der Elektronik.
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Die
Lenkwelle 1 ist über ein Wälzlager 6 mit einem
Freiheitsgrad in axialer Richtung (Loslager) sowie ein radial und
axial fixiertes Wälzlager 7 (Festlager) im Getriebegehäuse 4 drehbar
gelagert. Die Anordnung des Wälzlagers 6 (Loslagers)
und des Wälzlagers 7 (Festlager) nach der 1 kann
hiebei jedoch auch vertauscht werden.
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Die
dynamische Einheit 2 und die statische Einheit 3 werden
gemäß der Erfindung zusammen auf der Lenkwelle 1 montiert.
Beide Einheiten 2 und 3 sind über eine
spezifische Verbindungsstelle 8 zunächst miteinander
verbunden, die jedoch nach der Montage zunächst eine gleitlagerähnliche
Funktion aufweist. Die Geometrie der Verbindungsstelle 8 hat die
Funktion einer axialen und radialen Positionierung der beiden Einheiten 2 und 3 zueinander.
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Nach
der Montage der beiden zunächst miteinander fixierten Einheiten 2 und 3 auf
der Lenkwelle 1 und daran anschließend im Getriebegehäuse 4 können
sich die Einheiten 2 und 3 nach einer Einlaufphase
im Bauraum dann frei zueinander bewegen. Als Material für
die zunächst gleitlagerähnliche Funktion an der
Verbindungsstelle 8 kommt hier faserverstärkter
Kunststoff in Betracht. Unter Reibung während der Einlaufphase
werden die Fasern, in der Regel Glasfasern, freigelegt und wirken
stark abrasiv auf den Gegenpart ein, sodass sich in relativ kurzer Zeit
das Lagerspiel erhöht.
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Alternativ
ist es auch möglich, die Verbindungsstelle 8 zwischen
der dynamischen Einheit 2 und der statischen Einheit 3 unter
erhöhtem Lagerspiel mit sehr großen Toleranzen
zu fertigen. Die Einheiten 2 und 3 sind dabei
eher schwimmend gelagert, sodass sich außerhalb des Getriebegehäuses 4 die beiden
Einheiten 2 und 3 ca. um 1 .. 2 mm zueinander axial
und radial bewegen lassen. Die Sensoranordnung wird dabei zuerst
auf die Lenkwelle 1 montiert, damit dann die dynamische
Einheit 2 ihre Position findet und dann wird alles zusammen
in das Getriebegehäuse 4 montiert, wo dann auch
die statische Einheit 3 ihre Endposition findet. Dazu wird
die Lenkwelle 1 bis zum Anschlag in das Getriebegehäuse 4 gefahren
und anschließend kommt auf die statische Einheit 3 noch
ein geringer Verfahrweg von 0,5 .. 1,0 mm bis diese axial an einem
Bund des Getriebegehäuses 4 anschlägt.
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Die
beiden Einheiten 2 und 3 können somit
in jedem Fall durch die axiale und radiale Fixierung an der Verbindungsstelle 8 als
ein gemeinsames Teil montiert werden. Nach dem Einsetzen der beiden Einheiten 2 und 3 der
Drehmomentsensoranordnung in den Bauraum, d. h. auf die Lenkwelle 1 und
in das Getriebegehäuse 4, tritt die Funktion der
Verbindung an der Verbindungsstelle 8 in den Hintergrund,
sodass die dynamische Einheit 2 und die statische Einheit 3 im
Betrieb als zwei voneinander getrennte Baugruppen auftreten.
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Für
die axiale und radiale Positionierung von dynamischer Einheit 2 und
statischer Einheit 3 im Getriebegehäuse 4 ist
die Art der Fertigung der Lagersitze der Lenkwelle 1 im
Getriebegehäuse 4 von großer Bedeutung.
Da die Lagersitze für die Wälzlager 6 und 7 und
der Lagersitz für die statische Einheit 3 im Getriebegehäuse 4 in
einer Werkstückaufspannung und einer gemeinsamen Bearbeitungsrichtung
hergestellt werden können, ist die aus der Lagerung an
den Wälzlagern 6 und 7 bedingte Konzentrizität
der statischen Einheit 3 zur dynamischen Einheit 2 in
der Regel gering.
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Die
axiale Positionierung der dynamischen Einheit 2 erfolgt
zum Beispiel mittels form-, kraft oder stoffschlüssiger
Verbindungen in an sich bekannter Weise auf der Lenkwelle 1.
Die statische Sensoreinheit 3 kann im Getriebegehäuse 4 auf
einer Seite an einem Bund 9 anliegen. Die Fixierung der
Winkellage der Einheiten 2 und 3 kann durch eine
Nut-Feder-Verbindung, wobei jedoch eine Vielzahl anderer möglicher
Verbindungstechnologien, wie zum Beispiel eine Pressverbindung,
Schweißen oder Verstemmen, angewendet werden können.
In einem weiteren Verfahrensschritt kann noch ein Magnet 10 der
Magnetbaugruppe montiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10256322
A1 [0004, 0027]
- - EP 1584908 A2 [0009, 0024]