DE19824684C2 - Non-contact position and / or path detection - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungs losen Erkennung der Position und/oder des zurückgeleg ten Weges eines sich entlang eines Weges be wegenden Elements.The invention relates to a device for touch loose detection of the position and / or the distance traveled path along a path moving element.
Bei automatischen Fertigungsprozessen sind zahlreiche oszillierende Bewegungen diverser Anlagenteile und Ge räte zum Greifen, Positionieren, Halten, Spannen etc. vorhanden. Für die Steuerung des automatischen Ablaufes ist die jederzeitige Information der jeweiligen Stel lung der Anlagenkomponenten unerläßlich. Bei einfache ren Anlagen und Prozessen kann Erfassung und Informa tion der Endstellungen ausreichend sein. Für diese End stellungsmeldungen ist beim derzeitigen technischen Stand eine Vielzahl von Endschaltern unterschiedlich ster Arbeitsweise bekannt. Bei großen komplexen Ferti gungsstraßen mit vielen in sich verschachtelten Einzel bewegungen wird die Kenntnis nur der Endlagen unzu reichend. Die zusätzliche, möglichst stufenlose Infor mation beliebiger Zwischenstellungen kann den gesamten automatischen Ablauf erheblich optimieren.There are numerous in automatic manufacturing processes oscillating movements of various parts of the system and ge devices for gripping, positioning, holding, tensioning etc. available. For controlling the automatic process is the information of the respective position at any time indispensable. With simple Plants and processes can be recorded and informa tion of the end positions should be sufficient. For this end position reports is at the current technical A variety of limit switches stood different known way of working. For large complex ferti highways with many nested individual knowledge of only the end positions will not move reaching. The additional, infinitely variable information mation of any intermediate positions can the entire optimize the automatic process considerably.
Ein ausgedehntes Anwendungsgebiet für Weg- und Stel lungssensorik an Anlagenkomponenten besteht in der ge samten chemischen Industrie, Petrochemie, Klimatechnik, wo besonders die Meldung beliebiger Zwischenstellungen von Ventilen, Klappen etc. grundsätzliche Bedeutung für die Prozeßautomaten hat. Wenn auch die Stellhäufigkeit geringer ist, so hat doch ein kontakt- und berührungs loses System in diesen Bereichen den Vorzug.An extensive field of application for way and post The sensor system on system components consists of entire chemical industry, petrochemicals, air conditioning technology, where especially the reporting of any intermediate positions of valves, flaps etc. of fundamental importance for which has process machines. If the frequency of use is less, so there is contact and touch loose system in these areas.
Eine Sensorik, die ohne Einschränkung auf den angeführ
ten Anwendungsgebieten einsetzbar ist, muß eine Anzahl
grundsätzlicher Eigenschaften erfüllen:
A sensor system that can be used without restriction in the listed areas of application must fulfill a number of basic properties:
- - völlige Unempfindlichkeit gegenüber starken Mag netfeldern (Schweißströme)- total insensitivity to strong mag net fields (welding currents)
- - Lebensdauer immer wesentlich größer als Maschinen lebensdauer- Lifespan always much longer than machines lifespan
- - kleine Abmessungen und leichte Anpassung an jewei lige Komponentenmechanik- Small dimensions and easy adaptation to each component mechanics
- - unempfindlich gegen stoßartige Bewegung und Er schütterung- insensitive to jerky movement and He vibration
- - Linearität und Auflösung möglichst ≦ ± 1,5% vom Meßweg- Linearity and resolution if possible ≦ ± 1.5% of Measuring path
- - hohe Temperaturstabilität- high temperature stability
- - normiertes Ausgangssignal 0-20 mA und- standardized output signal 0-20 mA and
- - geringe, dem Anwendungsfall angemessene Stück kosten.- small pieces appropriate for the application costs.
Bisher bekannte Sensorik kann die gewünschten Eigen schaften nur teilweise erreichen.Previously known sensors can have the desired properties achievements only partially.
- 1. Elektrische Widerstandsgeber, Potentiometer sind eine technisch klare und viel angewendete Sensorik zur Umformung einer mechanischen Weginformation in eine elektrische Meßgröße. Systembedingte Schwach stelle aller Widerstandsgeber ist die ständig be wegte und Verschleiß unterworfene Kontaktstelle Widerstandsbahn - Schleifer, was die Betriebs sicherheit bei Einsatz mit großer Anzahl von Be wegungsspielen in Frage stellt.1. Electrical resistance sensors, potentiometers are a technically clear and widely used sensor system for converting a mechanical path information into an electrical measured variable. Systemic weakness The place of all resistance givers is constantly moved away and subject to wear Resistance track - grinder, what the operating safety when used with a large number of Be questioning away games.
- 2. Induktiv arbeitende Weggebersysteme haben das Problem des Kontaktverschleißes nicht, sind aber systembedingt empfindlich gegen fremde Magnetfel der und daher nur bedingt bei Anlagen mit Schweiß vorgängen einsetzbar. Für den einfachen Anwen dungsfall sind allgemein auch die Kosten zu hoch.2. Inductive encoder systems have that Contact wear problem is not, but are sensitive to external magnetic fields due to the system which and therefore only to a limited extent in systems with sweat operations can be used. For the simple user In general, the costs are too high.
- 3. Systeme auf Basis Kapazitätsänderung oder Ultra schall sind von Aufwand und Kosten nicht für den massierten Einsatz z. B. in Fertigungsstraßen ge eignet.3. Systems based on capacity change or ultra sound are of effort and cost not for the massaged use z. B. ge in production lines is suitable.
Aus US-PS 3,976,963 ist ein induktiv arbeitendes Weg gebersystem bekannt, bei dem mehrere Reed-Kontakt schalter mit einem ersten gemeinsamen Spannungspoten tial verbunden sind, wobei zwischen die anderen An schlüsse jeweils zweier benachbarter Reed-Kontakt schalter jeweils ein Widerstand einer Widerstands- Reihenschaltung geschaltet ist, die zwischen dem ge meinsamen Spannungspotential und einem zweiten Span nungspotential geschaltet sind. Das bewegbare Element weist einen Schaltmagneten auf, der bei Bewegung ent lang der Reed-Kontaktschalter diese ein- bzw. ausschal tet. Mit den Reed-Schaltkontakten lassen sich jeweils nur die Zustände "EIN" und "AUS" schalten. Die Aus gangskennlinie dieses induktiven Weggebersystems ist also in starkem Maße nicht linear. Insbesondere lassen sich anhand dieser Ausgangskennlinie keinerlei Informa tionen über die Position des Schaltmagneten im Bereich zwischen zwei Reed-Kontaktschaltern entnehmen.From US-PS 3,976,963 is an inductive way known encoder system, in which several reed contact switch with a first common voltage potential tial are connected, between the other An conclude two adjacent reed contacts switch a resistor of a resistance Series connection is connected between the ge common voltage potential and a second span potential are switched. The movable element has a switching magnet that ent when moving as long as the reed contact switch switches it on or off tet. With the reed switch contacts each can only switch the "ON" and "OFF" states. The out is the characteristic curve of this inductive displacement sensor system to a large extent not linear. In particular let no information based on this output characteristic tion about the position of the switching magnet in the area between two reed contact switches.
Aus DE 25 38 275 B2 ist eine Lichtschranke mit mehreren lichtaussendenden Elementen und diesen gegenüberliegen den lichtempfangenden Schaltern bekannt, die parallel zu einer widerstandsfreien Schaltung geschaltet sind.DE 25 38 275 B2 is a light barrier with several light-emitting elements and face them the light receiving switches known in parallel are switched to a resistance-free circuit.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berüh rungslos arbeitendes Weggebersystem zu schaffen, bei dem trotz Verwendung voneinander beabstandeter elektro nischer Schaltelemente eine Aussage über das bewegbare Element auch dann möglich ist, wenn sich dieses Element im Bereich zwischen zwei benachbarten der elektroni schen Schalter befindet.The invention has for its object a touch to create a seamlessly working sign system the electro despite being spaced apart African switching elements make a statement about the movable Element is possible even if this element in the area between two neighboring electronics switch.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur berührungslosen Erkennung der Position und/oder des zurückgelegten Weges eines sich entlang eines Weges bewegenden Elements vorgeschlagen, wobei die Vorrichtung versehen ist mitTo solve this problem with the invention Device for contactless detection of the position and / or the path covered a path-moving element is proposed, wherein the device is provided with
- - einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen (R), wobei die Reihenschaltung zwischen einem ersten Spannungspotential (VSS) und einem zweiten Spannungspotential (GND) geschaltet ist, und- A series connection of several resistors (R), the series connection being connected between a first voltage potential (V SS ) and a second voltage potential (GND), and
- - mehreren berührungslos zu schaltende elektroni schen Schaltern, die zwischen die Verbindungs punkte jeweils benachbarter Widerstände (R) und eine gemeinsame gegebenenfalls über einen Strom begrenzungswiderstand mit dem zweiten Spannungs potential (GND) verbundene Verbindungsleitung ge schaltet sind, wobei - Several non-contact electronics switches between the connection points of neighboring resistors (R) and a common if necessary via a stream limiting resistance with the second voltage potential (GND) connected connecting line ge are switched, whereby
- - die Schalter entlang des Weges aufeinanderfolgend angeordnet sind,- the switches along the path in succession are arranged
- - einem an dem bewegbaren Element angeordneten, Strahlung abgebenden Auslöseelement zum berüh rungslosen Schalten der elektronischen Schalter, wobei One arranged on the movable element, Radiation-releasing trigger element for contact smooth switching of the electronic switches, in which
- - der Abstrahlbereich, in dem das Auslöseelement Strahlung abgibt, und der Abstand benachbarter Schalter derart gewählt sind, daß bei Relativ bewegung der Schalteranordnung und des Auslöse elements bis zu mindestens zwei Schalter der Strahlung des Auslöseelements ausgesetzt sind, und- The radiation area in which the trigger element Emits radiation, and the distance between neighboring Switches are selected so that Relative movement of the switch assembly and the trigger elements up to at least two switches of the Radiation of the trigger element are exposed, and
- - zwischen der Verbindungsleitung und dem zweiten Spannungspotential (GND) eine Ausgangsspannung abgreifbar ist, deren Pegel dem bzw. den geschal teten der Schalter entspricht und damit die augen blickliche Position des bewegbaren Elements ent lang des Bewegungsweges repräsentiert.- between the connecting line and the second Voltage potential (GND) an output voltage is tapped, the level of which or the schal the switch corresponds and thus the eyes visible position of the movable element ent represented along the movement path.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden also als berührungslos zu schaltende Schalter elektronische, d. h. Halbleiter-Schalter eingesetzt, die bei Aussetzung einer elektromagnetischen Strahlung, insbesondere von IR-Strahlung vom leitenden in den sperrenden Zustand übergehen. Das bewegbare Element ist mit einem elektro magnetische Strahlung aussendenden Auslöseelement ver sehen, dessen Strahlung in einem Abstrahlbereich (Ab strahlwinkel) ausgesendet wird. Die Anordnung der elek tronischen Schalter und des Auslöseelements ist derart getroffen, daß sich bei Bewegung des bewegbaren Elements entlang der Aufeinanderfolge von elektroni schen Schaltern jeweils mindestens zwei elektronische Schalter im Abstrahlbereich des Auslöseelements befin den. Da die Intensität der Strahlung des Auslöse elements, bei dem es sich insbesondere um eine IR-Diode handelt, zwar konstant aber nicht gleichmäßig ist, da die Intensität der Strahlung zu den Rändern des Ab strahlbereichs abfällt, werden also die elektronischen Schalter in dem Augenblick, wo sie längs des Randes des Abstrahlbereichs der Strahlung ausgesetzt sind, zu nächst einem Zwischenzustand zwischen dem sperrenden und dem leitenden Zustand überführt. Der Einschalt- Zustand der elektronischen Schalter erfolgt also nicht schlagartig, sondern allmählich, was zu einer "Glät tung" der Ausgangskennlinie der erfindungsgemäßen Vor richtung führt. Mit anderen Worten stellt sich also eine Ausgangskennlinie ein, die im wesentlichen stetig und differenzierbar ist, so daß über die Position des Auslöseelements auch dann eine Aussage getroffen werden kann, wenn sich das Auslöseelement gerade zwischen zwei elektronischen Schaltern befindet.In the device according to the invention are therefore as non-contact switches electronic, d. H. Semiconductor switches used when suspended electromagnetic radiation, in particular from IR radiation from the conductive to the blocking state pass over. The movable element is with an electro tripping element emitting magnetic radiation ver see whose radiation is in a radiation area (Ab beam angle) is emitted. The arrangement of the elec tronic switch and the trigger element is such hit that when moving the movable Elements along the sequence of electroni at least two electronic switches each The switch is located in the radiation area of the release element the. Because the intensity of the radiation of the trigger elements, which is in particular an IR diode acts, but is constant but not uniform, because the intensity of the radiation to the edges of the Ab beam range falls, so the electronic Switch the moment they are along the edge of the Radiation area exposed to radiation, too next an intermediate state between the blocking and transferred to the conductive state. The switch-on The state of the electronic switches does not occur abruptly, but gradually, resulting in a "smoothness tion "of the output characteristic of the invention direction leads. In other words, it turns out an output characteristic that is essentially steady and is differentiable, so that the position of the A triggering element can then also be used to make a statement can, if the trigger element is just between two electronic switches.
Alternativ zu der zuvor beschriebenen Konstruktion der Vorrichtung ist es selbstverständlich auch möglich, das Auslöseelement feststehend anzuordnen, um relativ zu diesem die Aufeinanderfolge von elektronischen Schal tern zu bewegen. Als weitere Alternative ist daran ge dacht, über eine verschiebbare Blende jeweils selektiv die elektronischen Schalter der elektromagnetischen Strahlung auszusetzen. Die Blende würde insoweit die Funktion des Auslöseelements übernehmen, wobei die Blende dabei zwischen der Aufeinanderfolge der elektro nischen Schalter einerseits und einer elektromagneti sche Strahlung abgebenden "Leiste" andererseits ange ordnet ist. Das zuvor beschriebene "Blendensystem" eig net sich insbesondere bei Drehwinkelkodierern, da die ser Aufbau dann nicht zu einer "Verlängerung" der Ge samtanordnung in einer Endstellung führt, wie es bei einem auf dem Blendenprinzip aufbauenden Lineardetektor der Fall wäre.As an alternative to the construction of the Of course, it is also possible to use the device Arrange trigger element to be fixed to relative to this the succession of electronic scarf tern to move. Another alternative is that thought, selectively via a sliding aperture the electronic switches of the electromagnetic To expose radiation. The aperture would be that Take over the function of the trigger element, the Aperture between the sequence of the electro African switch on the one hand and an electromagnetic cal radiation emitting "bar" on the other hand is arranged. The previously described "aperture system" net is particularly useful in rotary encoders, since the This structure does not lead to an "extension" of the Ge velvet arrangement in an end position, as in a linear detector based on the aperture principle would be the case.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfin dung anhand einer elektrischen Schaltung grundsätzlich dargestellt.In the drawing is an embodiment of the Erfin basically based on an electrical circuit shown.
Hauptbestandteile der Anordnung sind ein Spannungstei ler, der aus einer größeren Anzahl n in Reihe geschal teter gleichgroßer Widerstände R besteht, und eine gleiche Anzahl n Halbleiterschalter (Transistoren), deren Schaltlage kontaktlos und potentialfrei durch z. B. Infraroteinfluß gesteuert werden kann. Jede Ver bindungsstelle zwischen zwei Widerständen R ist mit dem Kollektor eines Transistors T verbunden. Die Reihen schaltung der Widerstände R ist zwischen VSS und Masse geschaltet, während die Emitter der Transistoren über einen Strombegrenzungswiderstand S mit Masse verbunden sind. Wird einer der Transistoren einer IR-Emission ausgesetzt, geht er in den leitenden Zustand über und schaltet das jeweilige, an seinen Kollektor zwischen zwei Widerständen R anstehende Spannungspotential auf die gemeinsame Emitter-Meßleitung durch, an die die Emitter sämtlicher Transistoren angeschlossen sind.The main components of the arrangement are a tension part ler who formulated from a larger number n in series teter equal resistances R exists, and a same number of n semiconductor switches (transistors), whose switching position is contactless and potential-free e.g. B. infrared influence can be controlled. Every ver binding point between two resistors R is with the Collector of a transistor T connected. The ranks circuit of the resistors R is between VSS and ground switched while the emitters of the transistors over a current limiting resistor S connected to ground are. If one of the transistors has an IR emission exposed, it changes into the conductive state and switches the respective one to its collector two resistors R applied voltage potential through the common emitter test lead to which the Emitters of all transistors are connected.
Werden die IR-Detektoren geometrisch so in einer Reihe angeordnet, wie sie im Schaltbild elektrisch mit dem Spannungsteiler verbunden sind, so wird ein über sie hinweg geführtes IR-Strahlung aussendendes Element E (nachfolgend IR-Emitterelement genannt) je nach Be wegungsrichtung ein von 0 Volt bis VSS steigendes oder von VSS bis 0 Volt abfallendes, von der Stellung des IR-Emitterelements abhängiges Spannungspotential auf die Meßleitung schalten.If the IR detectors are arranged geometrically in a row as they are electrically connected to the voltage divider in the circuit diagram, then an element E (hereinafter referred to as IR emitter element) emitting IR radiation is passed depending on the direction of movement and is 0 Connect volt to V SS rising or falling from V SS to 0 volt depending on the position of the IR emitter element on the test lead.
Wird die Bewegung des IR-Emitterelements an einen mechanischen Weggeber des zu überwachenden Stellweges so gekoppelt, daß die Stellweglänge des Weges mit der geometrischen Länge der IR-Detektorreihe identisch ist, wird der vom jeweils aktivierten IR-Detektor auf die Meßleitung geschaltete Spannungspegel ein Abbild der jeweiligen Wegstellung. If the movement of the IR emitter element to a mechanical encoder of the travel to be monitored coupled so that the travel length of the path with the geometric length of the IR detector row is identical, is that of the activated IR detector on the Test line switched voltage level an image of the respective position.
Dieser Spannungspegel ändert sich theoretisch in Sprün gen der Größe U : n. Die Anzahl n der Widerstände R und IR-Detektoren sollte daher nicht unter 25-30 liegen, um einen theoretischen Sprungwert unter 3,5-4,0% zu halten.This voltage level theoretically changes to jumps against the size U: n. The number n of the resistors R and IR detectors should therefore not be below 25-30, by a theoretical grade rule of less than 3.5-4.0% hold.
Da der optische Übergang der IR-Emission auf zwei fol gende IR-Detektoren in Bewegungsrichtung nicht sprung haft erfolgt, können bei entsprechender Gestaltung des optischen IR-Weges "weiche" Schaltübergänge entstehen, wobei der Sprungwert auf Werte unter ± 1% zurückgeht. Der resultierende wegproportionale Spannungspegel er scheint für die weitere Verarbeitung "stufenlos propor tional".Since the optical transition of the IR emission to two fol IR detectors do not jump in the direction of movement is carried out with the appropriate design of the optical IR path "soft" switching transitions arise, the grade rule goes back to values below ± 1%. The resulting path-proportional voltage level seems to be "infinitely proportional for further processing tional ".
Die beschriebene Neuerung ermöglicht mit einfachem Auf wand eine berührungslose, kontaktlose und stufenlose Erkennung und Umsetzung mechanischer Wege und Stellun gen in ein wegproportionales, analoges elektrisches Steuersignal.The innovation described enables with simple opening wall a contactless, contactless and stepless Detection and implementation of mechanical routes and positions into a path-proportional, analog electrical Control signal.
Die vorstehend beschriebene Sensorik zur kontaktlosen und berührungslosen Stellungs- und Wegerkennung ist also insbesondere dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem zu erkennenden mechanischen Bewegungselement mit bewegtes IR-Emitterelement optisch IR-Transistoren (Detektoren) einschaltet, von deren jeder (wie in Abb. 1 dargestellt) mit seinem Kollektor an der Verbindung zwischen zwei Widerständen R des Spannungs teilers mit n gleichen Widerständen R angeschlossen ist und die anstehende Teilspannung auf die gemeinsame Emitterleitung schaltet, wobei mit der geometrischen Anordnung der IR-Transistoren (Detektoren) eine feste Zuordnung zwischen mechanischem Weg und vom jeweiligen IR-Transistor (Detektor) durchgeschalteter Teilspannung entsteht, die eine eindeutige Aussage über Weg und Stellung darstellt und bei großer Anzahl n Widerstände R und Transistoren (Detektoren) eine fast stufenlose wegproportionale Änderung der Meßspannung über den zu erfassenden Weg ermöglicht. Anstelle der IR-Strahlung können auch (sichtbares) Licht, Schall, Ultraschall oder ein Magnetfeld mit den jeweils geeigneten Halb leiterschaltern verwendet werden.The sensor system described above for contactless and non-contact position and displacement detection is therefore particularly characterized in that an optical transistor with the mechanical movement element to be recognized with a moving IR emitter element switches on IR transistors (detectors), each of which (as shown in Fig. 1) ) is connected with its collector to the connection between two resistors R of the voltage divider with n equal resistors R and switches the applied partial voltage to the common emitter line, with the geometrical arrangement of the IR transistors (detectors) a fixed assignment between the mechanical path and Partial voltage switched through by the respective IR transistor (detector) arises, which represents a clear statement about the path and position and, with a large number of n resistors R and transistors (detectors), enables an almost infinitely variable change of the measuring voltage via the path to be detected. Instead of IR radiation, (visible) light, sound, ultrasound or a magnetic field can be used with the appropriate semiconductor switches.
Claims (6)
- 1. einer Reihenschaltung aus mehreren Widerständen (R), wobei die Reihenschaltung zwischen einem ersten Spannungspotential (VSS) und einem zweiten Spannungspotential (GND) geschaltet ist, und
- 2. mehreren berührungslos zu schaltenden elektroni schen Schaltern, die zwischen die Verbindungs punkte jeweils benachbarter Widerstände (R) und eine gemeinsame gegebenenfalls über einen Strombegrenzungswiderstand mit dem zweiten Spannungspotential (GND) verbundene Verbin dungsleitung geschaltet sind, wobei
- 3. die Schalter entlang des Weges aufeinanderfolgend angeordnet sind,
- 4. einem an dem bewegbaren Element angeordneten, Strahlung abgebenden Auslöseelement zum berüh rungslosen Sehalten der elektronischen Schalter, wobei
- 5. der Abstrahlbereich, in dem das Auslöseelement Strahlung abgibt, und der Abstand benachbarter Schalter derart gewählt ist, daß bei Relativ bewegung der Schalteranordnung und des Auslöse elements bis zu mindestens zwei Schalter der Strahlung des Auslöseelements ausgesetzt sind, und
- 6. zwischen der Verbindungsleitung und dem zweiten Spannungspotential (GND) eine Ausgangsspannung abgreifbar ist, deren Pegel dem bzw. den ge schalteten der Schalter entspricht und damit die augenblickliche Position des bewegbaren Elements entlang des Bewegungsweges repräsentiert.
- 1. a series circuit comprising a plurality of resistors (R), the series circuit being connected between a first voltage potential (V SS ) and a second voltage potential (GND), and
- 2. a plurality of non-contact electronic switches which are connected between the connection points of adjacent resistors (R) and a common connection line, optionally connected via a current limiting resistor to the second voltage potential (GND), where
- 3. the switches are arranged in succession along the path,
- 4. an arranged on the movable element, emitting radiation trigger element for contactless viewing of the electronic switch, wherein
- 5. the radiation area in which the trigger element emits radiation, and the distance between adjacent switches is selected such that up to at least two switches are exposed to the radiation of the trigger element upon relative movement of the switch arrangement and the trigger element, and
- 6. between the connecting line and the second voltage potential (GND), an output voltage can be tapped, the level of which corresponds to the one or more switched switches and thus represents the current position of the movable element along the movement path.
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- 1998-06-03 DE DE19824684A patent/DE19824684C2/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: EIDENBERG, KASPAR, 57580 GEBHARDSHAIN, DE |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |