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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung, ein Sensorsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems. Bei der Sensorvorrichtung bzw. bei dem Sensorsystem kann es sich insbesondere um eine inertiale Messeinheit handeln.
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Stand der Technik
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Inertiale Messeinheiten (englisch: inertial measurement unit, IMU) umfassen mehrere Inertialsensoren, wie Beschleunigungssensoren und Drehsensoren. Inertiale Messeinheiten kommen bei zahlreichen Produkten zum Einsatz, etwa Smartphones, Drohnen oder Kameras. Ein beispielhaftes Sensorsystem ist aus der
US 2011/0314912 A1 bekannt.
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Inertiale Messeinheiten umfassen typischerweise einen dreikanaligen Beschleunigungssensor. Dieser umfasst meist einen mikromechanischen Sensor mit einem maximalen Messbereich von +/- 16g oder +/- 32g, wobei g die mittlere Erdbeschleunigung von etwa 9,81 m/s2 bezeichnet. Elektrisch können daraus kleinere Messbereiche angegeben bzw. dargestellt werden, d. h. beispielsweise +/- 8g bzw. +/-16g.
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Weiter umfassen die inertialen Messeinheiten typischerweise einen dreikanaligen Drehratensensor. Analog zu dem dreikanaligen Beschleunigungssensor umfasst der Drehratensensor meist einen mikromechanischen Sensor mit einem maximalen Messbereich von +/- 2000dps oder +/- 4000dps, wobei dps die Einheit Grad pro Sekunde (englisch: degree per second) bezeichnet. Elektrisch können wiederum kleinere Messbereiche angegeben bzw. dargestellt werden.
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Für manche Anwendungsfälle können jedoch größere Messbereiche erforderlich sein, falls beispielsweise höhere Beschleunigungen oder Drehraten auftreten.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Sensorvorrichtung, ein Sensorsystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Sensorsystems mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche bereit.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung demnach eine Sensorvorrichtung mit einer Sensoreinrichtung und einer Schnittstelle. Die Sensoreinrichtung ist dazu ausgebildet, erste Sensordaten bezüglich mindestens einer physikalischen Größe zu erzeugen. Die Schnittstelle ist zum Koppeln mit einer Erweiterungssensoreinrichtung zur Erweiterung einer Funktionalität der Sensoreinrichtung ausgebildet. Mindestens ein Betriebsparameter der Sensoreinrichtung unterscheidet sich von einem entsprechenden Betriebsparameter der Erweiterungssensoreinrichtung zumindest teilweise. Die Schnittstelle ist weiter dazu ausgebildet ist, von der Erweiterungssensoreinrichtung erzeugte zweite Sensordaten bezüglich der mindestens einen physikalischen Größe zu empfangen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Sensorsystem mit einer erfindungsgemäßen Sensorvorrichtung und einer Erweiterungssensoreinrichtung zur Erweiterung der Funktionalität der Sensorvorrichtung, wobei die Erweiterungssensoreinrichtung über die Schnittstelle der Sensorvorrichtung mit der Sensorvorrichtung gekoppelt ist.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung demnach ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Sensorsystems, wobei anhand der ersten Sensordaten und der zweiten Sensordaten die mindestens eine physikalische Größe bestimmt wird.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung stellt eine Sensorvorrichtung sowie ein modulares Sensorsystem bereit. Die Sensorvorrichtung kann durch Bereitstellen einer speziell gewählten Erweiterungssensoreinrichtung an die Anforderungen des entsprechenden Anwendungsfalls angepasst werden. Es ist dadurch möglich, bei Verwendung der gleichen Standard-Sensorvorrichtung eine Vielzahl von Anwendungsfällen abzudecken, indem entsprechend angepasste Erweiterungssensoreinrichtungen ausgewählt werden. Es ist dadurch nicht mehr erforderlich, die Sensorvorrichtung auf den jeweiligen Anwendungsfall speziell anzupassen, was einen hohen Aufwand durch die Anpassung von mikroelektromechanischen (MEMS)-Komponenten, anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen (ASICs), Gehäusen, Testkonzepten und Ähnlichem erfordern würde. Entwicklungs- und Qualifikationskosten können reduziert werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Sensorvorrichtung bzw. des Sensorsystems benötigt die Erweiterungssensoreinrichtung keine komplexe Datenverarbeitung oder Zusatzfeatures. Die Erweiterungssensoreinrichtung kann die zweiten Sensordaten ohne vorherige Auswertung oder Weiterverarbeitung an die Schnittstelle der Sensorvorrichtung weiterleiten. Die Erweiterungssensoreinrichtung dient somit als Rohdatenquelle.
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Bevorzugt ist die Erweiterungssensoreinrichtung über eine Drahtverbindung mit der Schnittstelle der Sensorvorrichtung verbunden. Die Erweiterungssensoreinrichtung kann beispielsweise über eine einfache Eindraht-, Zweidraht- oder Dreidraht-Schnittstelle mit der Sensorvorrichtung verbunden sein.
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Die Sensorvorrichtung bzw. das Sensorsystem kann eine inertiale Messeinheit umfassen oder eine inertiale Messeinheit sein, mit einer ersten Beschleunigungssensoreinrichtung, welche ausgebildet ist, erste Beschleunigungssensordaten erzeugen, und/oder einer ersten Drehratensensoreinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, erste Drehratensensordaten zu erzeugen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Sensorvorrichtung umfasst die Sensoreinrichtung einen Drucksensor und/oder einen Magnetsensor und/oder einen Feuchtesensor.
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Gemäß einer Weiterbildung der Sensorvorrichtung ist die Sensoreinrichtung als MEMS-Sensoreinrichtung ausgebildet.
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Gemäß einer Weiterbildung umfasst die Sensorvorrichtung eine Signalverarbeitungseinrichtung, welche dazu ausgebildet ist, die ersten Sensordaten und die zweiten Sensordaten zu verarbeiten. Die Signalverarbeitungseinrichtung kann insbesondere zur Fusionierung der Sensordaten ausgebildet sein.
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Gemäß einer Weiterbildung ist die Sensorvorrichtung über die Schnittstelle mit verschieden ausgebildeten Erweiterungssensoreinrichtungen koppelbar, wobei die Signalverarbeitungseinrichtung der Sensorvorrichtung dazu ausgebildet ist, die zweiten Sensordaten der verschieden ausgebildeten Erweiterungssensoreinrichtungen zu verarbeiten. Die verschieden ausgebildeten Erweiterungssensoreinrichtungen können sich beispielsweise hinsichtlich des Messbereichs, Signal-zu-Rausch-Verhältnisses und/oder des Aufbaus, etwa hinsichtlich einer Dämpfungseigenschaft oder Übertragungseigenschaft unterscheiden.
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Nach optionaler Datenverarbeitung in der Sensorvorrichtung kann die Sensorvorrichtung die durch die Erweiterungssensoreinrichtung bereitgestellten Daten mit den Sensordaten der Sensorvorrichtung selbst an einen Host weitergeben, etwa einen Applikationsprozessor. Der Host erhält dann mehr Informationen als ohne die Erweiterungssensoreinrichtung.
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Gemäß einer Weiterbildung der Sensorvorrichtung können zur Datenverarbeitung der ersten und zweiten Sensordaten Filter der Sensorvorrichtung verwendet werden. Auch Kompensationen oder andere Datenverarbeitung können durch die Sensorvorrichtung abgedeckt werden. Durch die reduzierte Komplexität lässt sich eine sehr kleine Erweiterungssensoreinrichtung realisieren. Beispielsweise kann die Erweiterungssensoreinrichtung eine Fläche von höchstens 1x1mm neben der Sensorvorrichtung einnehmen. Durch Einspeisung der zweiten Sensordaten über die Schnittstelle der Sensorvorrichtung können vielfältige Datenverarbeitungsmöglichkeiten der Sensorvorrichtung mitverwendet werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Sensorvorrichtung ist die Signalverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet ist, die ersten Sensordaten mit den zweiten Sensordaten zu fusionieren und/oder ohne vorherige Fusionierung an ein externes Gerät auszugeben.
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Gemäß einer Weiterbildung des Sensorsystems ist die Erweiterungssensoreinrichtung an die Sensorvorrichtung angrenzend angeordnet.
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Gemäß einer Weiterbildung des Sensorsystems umfasst die Erweiterungssensoreinrichtung eine zweite Beschleunigungssensoreinrichtung zum Bereitstellen von zweiten Beschleunigungssensordaten, wobei sich mindestens ein Betriebsparameter der zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung von einem entsprechenden Betriebsparameter der ersten Beschleunigungssensoreinrichtung zumindest teilweise unterscheidet. Alternativ oder zusätzlich umfasst die Erweiterungssensoreinrichtung eine zweite Drehratensensoreinrichtung zum Bereitstellen von zweiten Drehratensensordaten, wobei sich mindestens ein Betriebsparameter der zweiten Drehratensensoreinrichtung von einem entsprechenden Betriebsparameter der ersten Drehratensensoreinrichtung zumindest teilweise unterscheidet.
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Gemäß einer Weiterbildung des Sensorsystems umfasst der mindestens eine Betriebsparameter, in welchem sich die Sensoreinrichtung von der Erweiterungssensoreinrichtung zumindest teilweise unterscheidet, zumindest eines von einem Messbereich, einem Signal-zu-Rausch-Verhältnis, und einer Dämpfungseigenschaft.
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Gemäß einer Weiterbildung des Sensorsystems ist ein Messbereich der Erweiterungssensoreinrichtung größer als ein Messbereich der Sensoreinrichtung.
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Gemäß einer Weiterbildung des Sensorsystems ist ein Messbereich der Erweiterungssensoreinrichtung kleiner als ein Messbereich der Sensoreinrichtung und ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Erweiterungssensoreinrichtung größer als ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der Sensoreinrichtung.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
- 2 ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
- 3 einen beispielhaften Messbereich eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; und
- 4 ein Diagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensorsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In allen Figuren sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Vorrichtungen mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorsystems 1a. Das Sensorsystem 1a ist eine inertiale Messeinheit und umfasst eine Sensoreinrichtung mit einer ersten Beschleunigungssensoreinrichtung 21, welche erste Beschleunigungssensordaten erzeugt, sowie einer ersten Drehratensensoreinrichtung 22, welche erste Drehratensensordaten erzeugt.
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Weiter umfasst das Sensorsystem 1a eine Erweiterungssensoreinrichtung 3 mit einer zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung 31, welche zweite Beschleunigungssensordaten erzeugt, sowie mit einer zweiten Drehratensensoreinrichtung 32, welche zweite Drehratensensordaten erzeugt.
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Die Sensorvorrichtung 2 ist über eine Schnittstelle 23, insbesondere eine Drahtschnittstelle, bevorzugt eine Zwei-Draht-Schnittstelle oder Drei-Draht-Schnittstelle, mit der Erweiterungssensoreinrichtung 3 gekoppelt und empfängt über die Schnittstelle 23 die zweiten Beschleunigungssensordaten und zweiten Drehratensensordaten von der Erweiterungssensoreinrichtung 3. Die Schnittstelle 23 kann jedoch auch eine drahtlose Schnittstelle sein.
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Betriebsparameter der Sensoreinrichtung 21, 22 unterscheiden sich zumindest teilweise von Betriebsparametern der Erweiterungssensoreinrichtung 3. Die Betriebsparameter, in welchen sich die erste Beschleunigungssensoreinrichtung 21 von der zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung 31 unterscheidet, und/oder in welchen sich die erste Drehratensensoreinrichtung 22 von der zweiten Drehratensensoreinrichtung 32 unterscheiden, kann etwa ein jeweiliger Messbereich sein. Die Messbereiche können sich teilweise überlappen oder auch vollständig unterschiedlich sein. Die Betriebsparameter können auch ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis oder eine Dämpfungseigenschaft sein, d.h. etwa Resonanzfrequenzen, welche sich aus der geometrischen Ausgestaltung der Beschleunigungssensoreinrichtungen 21, 31 bzw. Drehratensensoreinrichtungen 22, 32 ergeben. Die Dämpfungseigenschaft kann wiederum den Messbereich beeinflussen.
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Der Messbereich der zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung 31 kann größer sein als der Messbereich der ersten Beschleunigungssensoreinrichtung 21. Zusätzlich oder alternativ kann der Messbereich der zweiten Drehratensensoreinrichtung 32 größer sein als der Messbereich der ersten Drehratensensoreinrichtung 22.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass der Messbereich der zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung 31 kleiner ist als der Messbereich der ersten Beschleunigungssensoreinrichtung 21 und ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung 31 größer ist als ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der ersten Beschleunigungssensoreinrichtung 21. Zusätzlich oder alternativ kann ein Messbereich der zweiten Drehratensensoreinrichtung 32 kleiner sein als ein Messbereich der ersten Drehratensensoreinrichtung 31 und ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der zweiten Drehratensensoreinrichtung 32 kann größer sein als ein Signal-zu-Rausch-Verhältnis der ersten Drehratensensoreinrichtung 31.
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Es kann auch vorgesehen sein, lediglich eine Funktionalität der Sensoreinrichtung 21, 22 zu erweitern. So kann die Erweiterungssensoreinrichtung 3 beispielsweise lediglich die zweite Beschleunigungssensoreinrichtung 31 zur Erweiterung der Funktionalität der ersten Beschleunigungssensoreinrichtung 21 aufweisen. Weiter kann die Erweiterungssensoreinrichtung 3 auch lediglich die zweite Drehratensensoreinrichtung 32 zur Erweiterung der Funktionalität der ersten Drehratensensoreinrichtung 22 aufweisen.
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Auch die Art der Sensoren ist lediglich beispielhaft. So können weitere Sensoren zusätzlich oder auch alternativ vorgesehen sein. Beispielsweise kann die Sensorvorrichtung 2 mindestens eines von Beschleunigungssensoren, Drehratensensoren, Drucksensoren, Magnetsensoren, Feuchtesensor oder dergleichen umfassen. Die Erweiterungssensoreinrichtung 3 erweitert die Funktionalität von zumindest einem dieser Sensoren. Beispielsweise kann das Sensorsystem 1a eine 9 degrees-of-freedom (9DoF)-inertiale-Messeinheit sein, das heißt eine Beschleunigungssensoreinrichtung 21, eine Drehratensensoreinrichtung 22 und eine Magnetsensoreinrichtung umfassen.
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Die Sensorvorrichtung 2 umfasst weiter eine Signalverarbeitungseinrichtung 24, welche die ersten Sensordaten und die zweiten Sensordaten zu verarbeitet. Die Signalverarbeitungseinrichtung 24 kann beispielsweise die ersten Sensordaten mit den zweiten Sensordaten fusionieren. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Signalverarbeitungseinrichtung 24 die ersten Sensordaten mit den zweiten Sensordaten ohne vorherige Fusionierung an ein externes Gerät, etwa einen Applikationsprozessor ausgibt.
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2 zeigt ein schematisches Blockdiagramm eines Sensorsystems 1b. Die Sensorvorrichtung 2 des Sensorsystems 1b ist über eine Zwei-Draht-Verbindung 4 mit der Erweiterungssensoreinrichtung 3 verbunden. Weiter ist die Sensorvorrichtung 2 über ein Interface 5 mit einem (nicht gezeigten) Applikationsprozessor verbunden. Im Übrigen kann das Sensorsystem 1b dem in 1 gezeigten und oben beschriebenen Sensorsystem 1a entsprechen.
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3 zeigt einen beispielhaften Messbereich eines Sensorsystems 1a, 1b. Der Messbereich umfasst einen ersten Messbereich B1 der Sensoreinrichtung 21, 22 der Sensorvorrichtung 2 sowie einen zweiten Messbereich B2 der Erweiterungssensoreinrichtung 3. Die Achsen entsprechen dem Inputsignal 1 sowie dem Outputsignal O der Sensoreinrichtung 21, 22 bzw. der Erweiterungssensoreinrichtung 3.
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Beispielsweise kann die Funktionalität der ersten Beschleunigungssensoreinrichtung 21 mittels der zweiten Beschleunigungssensoreinrichtung 31 erweitert werden. Die erste Beschleunigungssensoreinrichtung 21 erfasst einen Messbereich B1 von +/-32g und die zweite Beschleunigungssensoreinrichtung 31 erweitert den Messbereich auf einen Messbereich B2 von +/-50g. Je nach Anwendungsfall kann der Messbereich auch auf andere Zahlenwerte erweitert werden, etwa +/-100g, +/-500g oder Vielfache von 4g, 8g, 16g, 32g,...
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Ebenso kann vorgesehen sein, dass die Funktionalität der ersten Drehratensensoreinrichtung 22 mittels der zweiten Drehratensensoreinrichtung 32 erweitert wird, etwa von einem Messbereich B 1 von +/- 2000dps oder +/- 4000dps auf einen Messbereich B2 von +/- 8000dps.
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4 zeigt ein Diagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensorsystems 1a, 1b. Hierbei kann es sich insbesondere um eines der oben beschriebenen Sensorsysteme 1a, 1b handeln.
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In einem ersten Verfahrensschritt S 1 erfasst die Sensoreinrichtung 21, 22 erste Sensordaten bezüglich mindestens einer physikalischen Größe und die Erweiterungssensoreinrichtung 3 erfasst zweite Sensordaten bezüglich einer physikalischen Größe. Hierbei handelt es sich um mindestens eine der physikalischen Größen, welche auch die Sensoreinrichtung 21, 22 erfasst, etwa eine Geschwindigkeit, eine Beschleunigung, eine Drehrate, einen Druck, eine Feuchte oder dergleichen.
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Anhand der ersten Sensordaten und der zweiten Sensordaten wird die mindestens eine physikalische Größe bestimmt. Beispielsweise können in einem ersten Messbereich B1 die ersten Sensordaten zur Bestimmung der physikalischen Größe herangezogen werden und in einem zweiten Messbereich B2 die zweiten Sensordaten. Die ersten Sensordaten und die zweiten Sensordaten können jedoch auch fusioniert werden, um die physikalische Größe zu bestimmen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0314912 A1 [0002]
