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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Fluidlager, insbesondere zur Drehlagerung eines Spindelmotors, mit einem rotierenden Bauteil sowie einem feststehenden Bauteil, die mittels eines fluiddynamischen Radiallagers und eines Axiallagers relativ zueinander drehbar gelagert sind.
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Beschreibung des Standes der Technik
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Aus dem Stand der Technik, insbesondere auch von der Anmelderin selbst, ist eine Vielzahl von Fluidlagern verschiedener Bauarten bekannt.
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Die
DE 10 2005 019 944 B3 oder die
DE 103 45 907 B4 offenbaren beispielsweise Spindelmotoren mit einem fluiddynamischen Lagersystem mit einer feststehenden Lagerbuchse, in welcher eine Welle drehbar gelagert ist. Die Drehlagerung erfolgt mittels zwei voneinander beabstandeten fluiddynamischen Radiallagern und zwei fluiddynamischen Axiallagern, die an einer Druckplatte gebildet sind, welche mit der Welle verbunden ist. Die relativ zueinander drehbaren Lagerbauteile sind durch einen Lagerspalt von wenigen Mikrometern Breite voneinander getrennt, welcher mit einem Lagerfluid gefüllt ist. Bei relativer Drehung der Lagerbauteile erzeugen auf den Lageroberflächen aufgebrachte Lagerrillenstrukturen einen fluiddynamischen Druck im Lagerfluid, der das Lagersystem tragfähig macht.
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Da der Lagerspalt sehr schmal ist, erzeugt das Lagerfluid auf Grund seiner relativ großen Viskosität eine deutliche Lagerreibung, die bei der Drehlagerung eines Spindelmotors für einen Großteil des Energieverbrauchs des Spindelmotors verantwortlich ist. Gerade in mobilen Geräten, aber auch in Servern, in denen Spindelmotoren beispielsweise zum Antrieb von Festplattenlaufwerken eingesetzt werden, ist ein Strom sparender Betrieb von großer Bedeutung.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Fluidlager anzugeben, das im Vergleich zu einem oben beschriebenen fluiddynamischen Lagersystem eine deutlich geringere Lagerreibung aufweist. Ein Spindelmotor mit einem solchen Fluidlager soll ebenfalls beschrieben werden.
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Das Fluidlager besteht aus einem rotierenden Bauteil umfassend eine Welle und aus einem feststehenden Bauteil umfassend eine Lagerbuchse, wobei die Welle in einer Lagerbohrung der Lagerbuchse aufgenommen und von dieser durch einen mit einem Lagerfluid gefüllten Radiallagerspalt getrennt ist, wobei die Welle relativ zur Lagerbuchse mittels fluiddynamischer Radiallager und eines Axiallagers drehbar gelagert ist.
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Erfindungsgemäß ist das Axiallager als hydrostatisches Axiallager ausgebildet.
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Entlang des Radiallagerspaltes, der zwischen der Welle und der Lagerbuchse verläuft, sind vorzugsweise zwei Radiallager angeordnet, nämlich ein erstes Radiallager und ein in einem axialen Abstand davon angeordnetes zweites Radiallager. Zwischen den beiden Radiallagern ist ein Separatorspalt mit einer im Vergleich zum Radiallagerspalt deutlich vergrößerten Spaltbreite vorgesehen.
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Das erste, der Lageröffnung benachbarte Radiallager des Fluidlagers pumpt das im Radiallagerspalt befindliche Lagerfluid in das Lager hinein, d. h. das erste Radiallager umfasst asymmetrische Radiallagerrillen, die eine Pumpwirkung auf das im Radiallagerspalt befindliche Lagerfluid erzeugen, die überwiegend in Richtung des Separatorspalts gerichtet ist. Durch diese Pumpwirkung herrscht im Separatorspalt ein höherer Druck als der Atmosphärendruck. Dieser erhöhte Druck kann ausgenutzt werden, um einen definierten Fluss des Lagerfluids durch den Lagerspalt zu erzeugen. Erfindungsgemäß wird diese Pumpfunktion außerdem genutzt, um den für das Axiallager benötigten hydrostatischen Druck zu erzeugen.
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Das zweite Radiallager umfasst ebenfalls Radiallagerrillen, die eine Pumpwirkung auf das im Radiallagerspalt befindliche Lagerfluid erzeugen. Die Radiallagerrillen können symmetrisch ausgebildet sein, d. h. in beide Richtungen des Lagerspalts eine gleich große Pumpwirkung auf das Lagerfluid erzeugen. Um den Druck im Separatorspalt weiter zu erhöhen, kann das zweite Radiallager alternativ auch mit asymmetrischen Radiallagerrillen versehen sein, die eine überwiegende Pumpwirkung in Richtung des Separatorspalts erzeugen.
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Die Lagerbohrung ist einseitig durch eine Verschlussplatte verschlossen. Das Axiallager, das entlang eines Axiallagerspalts gebildet wird, ist zwischen einer Stirnseite der Welle und der Verschlussplatte vorgesehen. Erfindungsgemäß umfasst das Axiallager keine Lagerrillenstrukturen, da hier ja kein fluiddynamischer Druck erzeugt werden muss, sondern es wird ein hydrostatischer Druck erzeugt, der die axiale Lagerkraft aufbringt.
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Zur Erzeugung dieses hydrostatischen Druckes im Axiallagerspalt ist in der Welle eine Bohrung vorgesehen, die den Separatorspalt mit dem Axiallagerspalt verbindet. Durch die gezielte Pumpwirkung der Radiallagerrillen in Richtung des Separatorspalts wird im Separatorspalt ein Überdruck erzeugt, der durch die Bohrung der Welle in den Axiallagerspalt übertragen wird und das Axiallager tragfähig macht.
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Zur besseren Ausnutzung dieses hydrostatischen Druckes kann im Bereich des Axiallagerspaltes entweder in der Verschlussplatte oder der Stirnseite der Welle eine hydrostatische Lagertasche eingebracht sein, wobei die Bohrung der Welle in diese Lagertasche mündet und dort ein tragender Fluiddruck aufgebaut wird.
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Das Lagerfluid kann auf verschiedenen Wegen durch das Lager zirkulieren. Wie bei einem aus dem Stand der Technik bekannten fluiddynamischen Lager kann das vom ersten Radiallager in Richtung des Separatorspalts gepumpte Lagerfluid das zweite Radiallager passieren und über eine Rezirkulationsbohrung innerhalb der Lagerbuchse wieder zurück zum ersten Lager fließen. Durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene neue Bohrung in der Welle, welche den Separatorspalt mit dem Axiallagerspalt bzw. eine Lagertasche verbindet, kann das Lagerfluid nun direkt vom ersten Radiallager in die Lagertasche gelangen. Der Druck in dieser Lagertasche entspricht dann etwa dem Druck innerhalb des Separatorspalts zwischen den beiden Radiallagern. Dieser Druck wiederum hebt die Welle an, wobei dann das Lagerfluid durch einen am Rand der Lagertasche entstehenden Spalt vorzugsweise über eine zusätzlich in der Lagerbuchse vorgesehene Rezirkulationsbohrung abfließen kann.
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Eine axiale Vorspannung für das hydrostatische Axiallager kann beispielsweise durch das elektro-magnetische Antriebssystem des Spindelmotors erzeugt werden, welches dieses Fluidlager aufweist. Es stellt sich dann ein Gleichgewicht zwischen dem hydrostatischen Axiallager und dem magnetischen Axiallager zur Erzeugung einer axialen Vorspannkraft ein. Dieses magnetische Axiallager kann beispielsweise dadurch gebildet werden, dass der Rotormagnet gegenüber der Statoranordnung in die axiale Richtung nach oben versetzt angeordnet ist, wodurch auf die Nabe eine axial nach unten in Richtung zur Basisplatte gerichtete Kraft erzeugt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein an der Basisplatte axial unterhalb des Rotormagneten angeordneter ferromagnetischer Zugring vorgesehen werden, welcher ebenfalls eine axial nach unten gerichtete Kraft auf die Nabe ausübt.
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Da der Spalt der Lagertasche des hydrostatischen Axiallagers sehr viel größer ist als der für ein fluiddynamisches Axiallager notwendige Spalt, verringert sich insbesondere die Lagerreibung des Fluidlagers und damit auch der Stromverbrauch des Spindelmotors. Bei Spindelmotoren zum Antrieb von 2,5 Zoll Festplattenlaufwerken wurde eine Verringerung der Lagerreibung um ca. 10% beobachtet.
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An einer Stirnseite der Lagerbuchse kann eine Abdeckung vorgesehen sein, welche die Lagerbuchse teilweise umschließt und becherförmig ausgebildet ist. Diese Abdeckung bildet zusammen mit einer Außenfläche der Lagerbuchse ein teilweise mit Lagerfluid gefülltes Fluidreservoir, das mit dem Lagerspalt verbunden ist und sich in Richtung des Lagerspaltes verjüngt.
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Die Erfindung betrifft auch einen Spindelmotor mit einem oben beschriebenen Fluidlager, insbesondere für den Antrieb von Speicherplatten in Festplattenlaufwerken.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungsfiguren näher erläutert, wobei sich aus der Beschreibung der Zeichnungen weitere Merkmale und weitere Vorteile ergeben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1: zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor mit einem erfindungsgemäßen Fluidlager.
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2: zeigt schematisch eine Ansicht der Welle mit zwei asymmetrischen Radiallagern, die beide in Richtung des jeweils anderen Radiallagers pumpen.
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Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung
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1 zeigt einen Schnitt durch einen Spindelmotor gemäß der Erfindung. Der Spindelmotor umfasst eine feststehende Basisplatte 42, wobei eine Lagerbuchse 10 in einer Aussparung der Basisplatte 42 befestigt ist. Die Lagerbuchse 10 weist eine zylindrische Lagerbohrung auf, in welcher eine Welle 12 drehbar aufgenommen ist. Der Durchmesser der Lagerbohrung ist geringfügig größer als der Durchmesser der Welle 12, so dass zwischen der Welle 12 und der Lagerbohrung ein Radiallagerspalt 14 von einigen Mikrometern Breite verbleibt. Ein Ende der Lagerbohrung ist durch eine Verschlussplatte 18 luftdicht verschlossen. Der Radiallagerspalt 14 ist mit einem Lagerfluid gefüllt und geht in Richtung der Verschlussplatte 18 in einen Axiallagerspalt 28 über. Der Axiallagerspalt wird durch die Verschlussplatte 18 und einen Stopperring 16 begrenzt, der an einem Ende der Welle 12 auf der geschlossenen Seite des Lagers angeordnet ist. Der Stopperring 16 ist vorzugsweise einteilig mit der Welle 12 ausgebildet und in einer entsprechenden Aussparung der Lagerbuchse 10 angeordnet. Dieser Stopperring 16 verhindert ein Herausfallen der Welle 12 aus der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10.
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Entlang des Radiallagerspaltes 14 sind zwei Radiallager 20, 22 in einem axialen Abstand voneinander angeordnet. Die Radiallager 20, 22 sind durch Radiallagerrillen gekennzeichnet, die entweder auf der Oberfläche der Welle 12 oder der Oberfläche der Lagerbohrung der Lagerbuchse 10 angeordnet sind. Diese Radiallagerrillen haben beispielsweise eine fischgrätenartige oder sinusförmige Form, die symmetrisch aber auch asymmetrisch sein kann. Das erste Radiallager 20 weist vorzugsweise asymmetrische Radiallagerrillen auf, die das Lagerfluid in Richtung des zweiten Radiallagers 22 pumpen, während das zweite Radiallager 22 vorzugsweise symmetrische Radiallagerrillen aufweist, aber auch asymmetrisch ausgebildet sein kann und im letzteren Fall eine Pumpwirkung in Richtung des ersten Radiallagers ausübt. Bei einer Drehung der Welle 12 in der Lagerbohrung erzeugen die Radiallagerrillen der beiden Radiallager 20, 22 eine Pumpwirkung auf das Lagerfluid, so dass sich im Lagerspalt ein hydrodynamischer Druck aufbaut. Das erste Radiallager 20 ist asymmetrisch ausgebildet und weist längere Äste sowie kürze Äste auf, die das Lagerfluid in verschiedene Richtungen des Radiallagerspalts 14 pumpen. Die längeren Äste der Radiallagerrillen des ersten Radiallagers 20 erzeugen eine stärkere Pumpwirkung als die kürzeren Äste, so dass das erste Radiallager 20 überwiegend in Richtung des zweiten Radiallagers 22 pumpt. Das zweite Radiallager 22 ist durch einen Separatorspalt 24 vom ersten Radiallager 20 getrennt. Der Separatorspalt 24 ist ein gegenüber dem Radiallagerspalt 14 verbreiteter Abschnitt des Lagerspaltes. Das zweite Radiallager 22 erzeugt durch seine symmetrischen Radiallagerrillen eine nicht gerichtete Pumpwirkung.
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Zwischen der Unterseite der Welle 12 bzw. der Unterseite des Stopperrings 16 und der Innenflache der Verschlussplatte 18 verläuft der Axiallagerspalt 28, in dessen Bereich ein hydrostatisches Axiallager 26 gebildet ist. Die beiden Radiallager 20, 22 sind fluiddynamische Lager, d. h. die Lagerkraft wird durch Bildung eines fluiddynamischen Druckes durch die Drehung der Lagerbauteile erzeugt. Das Axiallager 26 ist erfindungsgemäß als hydrostatisches Lager ausgebildet, d. h. das Axiallager 26 besitzt keine aktiven hydrodynamischen Lagerstrukturen, die einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Stattdessen umfasst das Axiallager 26 vorzugsweise eine Lagertasche 30, die beispielsweise als Aussparung an der Unterseite der Welle 12 oder alternativ in der Oberseite der Verschlussplatte 18 gebildet ist. Um ein rasches Abheben der Welle während des Anlaufs des Motors zu erreichen, können im Bereich des kleinen Axiallagerspaltes im Außenumfang der Unterseite der Welle 12 oder in der gegenüberliegenden Fläche der Verschlussplatte 18 flache spiralrillenförmige Axiallagerstrukturen vorgesehen werden. In die Lagertasche 30 mündet eine Bohrung 32, deren anderes Ende in den Separatorspalt 24 mündet. Diese Bohrung kann wie dargestellt zentrisch zur Rotationsachse 52 des Lagers in die Lagertasche 30 münden, jedoch ist es auch möglich, das untere Ende der Bohrung azentrisch vorzusehen, um eine Unwucht der Welle zu vermeiden oder zumindest zu verringern. Durch die Pumpwirkung des ersten Radiallagers 20 in Richtung der Separatorspalts 24 bildet sich im Separatorspalt 24 ein hoher Druck, der über die Bohrung 32 in den Bereich der Lagertasche 30 des hydrostatischen Axiallagers 26 übertragen wird. Durch diesen Druck wird das Axiallager 26 tragfähig, sobald im Separatorspalt 24 ein ausreichend hoher Druck herrscht. Der hydrostatische Druck im Axiallager 26 ist also abhängig von dem Druck im Separatorspalt 24, der durch das erste hydrodynamische Radiallager 20 oder das erste und das zweite hydrodynamische Radiallager 20, 22 erzeugt wird.
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Beim Stillstand der Lagersystems liegt der Boden der Welle auf der Verschlussplatte 18 auf. Sobald das Lagersystem in Drehung versetzt wird, baut sich im Separatorspalt aufgrund der hydrodynamischen Wirkung der Radiallager 20, 22 sehr schnell ein hydrodynamischer Druck auf. Der Druck wird über die Bohrung 32 als hydrostatischer Druck in die Lagertasche geleitet und sorgt dafür, dass der Boden der Welle 12 schon bei relativ geringen Drehzahlen von der Verschlussplatte 18 abhebt. Dadurch verringert sich der Verschleiß im Axiallager während des Start- und Stoppbetriebs des Lagers.
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Der in der Lagertasche 30 vorhandene hydrostatische Druck kann seitlich im Bereich des Stopperringes 16 abfließen und gelangt über eine in der Lagerbuchse 10 angeordnete Rezirkulationsbohrung 34 wieder zurück in den Kreislauf, d. h. in den Bereich des oberen ersten Radiallagers 20. Die Rezirkulationsbohrung 34 mündet hierbei in ein Fluidreservoir 38, das gebildet wird zwischen einem Außenumfang der Lagerbuchse 10 und einer darüber gestülpten Abdeckung 36. Das Fluidreservoir 38 ist direkt mit dem Radiallagerspalt 14 verbunden und dient als Ausgleichsvolumen, beispielsweise bei Temperaturausdehnung des Lagerfluids und zusätzlich als Verbrauchsreservoir. Das Fluidreservoir 38 verjüngt sich konisch in Richtung des Radiallagerspaltes 14, wobei das Lagerfluid im Reservoir durch Kapillarkräfte gehalten wird, d. h. das Fluidreservoir dient gleichzeitig als kapillare Dichtung für das offene Ende des Radiallagerspaltes 14. In dem dargestellten Beispiel ist das Fluidreservoir 38 abgewinkelt ausgebildet, d. h. es verläuft teilweise senkrecht zur Rotationsachse 52 und teilweise parallel zur Rotationsachse 52.
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Eine Nabe 40 bildet den Rotor des Spindelmotors. Die Nabe 40 ist mit dem freien Ende der Welle fest verbunden und wird von einem elektromagnetischen Antriebssystem drehend angetrieben. Das Antriebssystem besteht aus einer Statoranordnung 44, die an der Basisplatte fest angeordnet ist. Die Nabe 40 ist topfförmig ausgebildet und überdeckt die Statoranordnung 44 teilweise. Die Nabe 40 weist einen äußeren Rand auf, an dessen innerer Mantelfläche ein Rotormagnet 46 angeordnet ist, der radial gegenüberliegend der Statoranordnung 44 an der Nabe 40 befestigt ist. Durch entsprechende Bestromung der Statoranordnung 44 werden der Rotormagnet und damit auch die Nabe 40 in Drehung versetzt.
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Das hydrostatische Axiallager 26 übt auf die Anordnung von Welle 12 und Nabe 40 eine Kraft aus, die vom Axiallager 26 aus gesehen axial nach oben in Richtung der Nabe 40 gerichtet ist. Dem hydrostatischen Axiallager 26 wirkt ein magnetisches Axiallager entgegen und stabilisiert die Rotoranordnung in axialer Richtung. Das magnetische Axiallager wird gebildet durch einen Zugring 48, der axial unterhalb des Rotormagneten 46 angeordnet ist und von dem Rotormagneten 46 magnetisch angezogen wird. Diese magnetische Kraft zwischen dem Rotormagneten 46 und dem Zugring 48 wirkt entgegengesetzt der Lagerkraft des Axiallagers 26 und hält die Lageranordnung in einem axialen Gleichgewicht. Die Bestromung mit der Statoranordnung 44 erfolgt beispielsweise über eine Kontaktierung 50 an der Basisplatte 42. Alternativ oder zusätzlich ist der Rotormagnet 46 aus seiner magnetischen Mittelposition in axialer Richtung nach oben gegenüber der Statoranordnung 46 versetzt angeordnet, wodurch eine axial nach unten gerichtete Kraft auf die Nabe ausgeübt wird.
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2 zeigt schematisch eine Welle 112, wie sie beispielsweise auch in dem Lager aus 1 verwendet werden kann. An der Welle sind Radiallagerrillen eines ersten Radiallagers 120 und eines zweiten Radiallagers 122 angeordnet. Im Unterschied zu den Radiallagern von 1 ist das zweite Radiallager 122 nicht symmetrisch sondern ebenfalls asymmetrisch ausgebildet wie das erste Radiallager 120. Beide Radiallager 120, 122 üben auf das im Lagerspalt (1) befindliche Lagerfluid eine Pumpwirkung aus, die gegeneinander gerichtet ist, so dass im Separatorspalt 24 ein hoher Druck erzielt wird, der dann zur Erzeugung der hydrostatischen Kraft für das Axiallager 28 herangezogen wird.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Radiallagerspalt
- 16
- Stopperring
- 18
- Verschlussplatte
- 20
- Radiallager
- 22
- Radiallager
- 24
- Separatorspalt
- 26
- Axiallager
- 28
- Axiallagerspalt
- 30
- Lagertasche
- 32
- Bohrung
- 34
- Rezirkulationsbohrung
- 36
- Abdeckung
- 38
- Fluidreservoir
- 40
- Nabe
- 42
- Basisplatte
- 44
- Statoranordnung
- 46
- Rotormagnet
- 48
- Zugring
- 50
- Kontaktierung
- 52
- Rotationsachse
- 112
- Welle
- 120
- Radiallager
- 122
- Radiallager
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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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- DE 102005019944 B3 [0003]
- DE 10345907 B4 [0003]
