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Diese
Erfindung betrifft generell Kraftstoffniveausensoren von Kraftfahrzeugen,
genauer gesagt variable Widerstandskarten für Kraftstoffniveausensoren.
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Ein
variabler widerstand findet oft bei einem Kraftstoffniveausensor
Verwendung, um eine Änderung
des Kraftstoffniveaus in einem Kraftstofftank eines Kraftfahrzeuges
zu detektieren. Eine typische variable Widerstandseinheit besitzt
ein Schleifelement, das mechanisch über Kontaktsegmente eines Widerstandes
bewegbar ist, um den Widerstandswert zu verändern, ohne eine Schaltung
zu unterbrechen, an die der Widerstand angeschlossen ist. Das Schleifelement
ist üblicherweise
in Abhängigkeit
von einem Schwimmer in einem Kraftstofftank bewegbar, der auf Änderungen
des Niveaus oder der Tiefe des flüssigen Kraftstoffs im Kraftstofftank
anspricht. Eine typische variable Widerstandseinheit besitzt eine
Widerstandkarte mit einem keramischen Substrat, zwei separaten Klemmen
auf dem Substrat und zwei separaten und bogenförmigen Schleifkontaktbereichen auf
dem Substrat, die mit den Klemmen elektrisch verbunden sind. Kontaktsegmente
von mindestens einem der Schleifkontaktbereiche sind elektrisch
an einen Widerstand angeschlossen.
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Typischerweise
ist das Schleifelement relativ zum Substrat über einen Arm schwenkbar montiert und überbrückt die
Schleifkontaktbereiche.
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Üblicherweise ändert sich
der Widerstandswert der variablen Widerstandseinheit in Abhängigkeit
von der Position des Schwimmers. Wenn sich das Kraftstoffniveau
in einem Kraftstofftank ändert, bewegen
sich das Schwimmerelement und der Betätigungsarm und bewirken dadurch,
dass das Schleifelement die bogenförmigen Schleifkontaktbereiche überstreicht,
so dass sich die wirksame Länge
des variablen Widerstandes zwischen den Klemmen verändert und
dadurch der wirksame Widerstand des variablen Widerstandes variiert.
In Abhängigkeit
von einer Widerstandsänderung ändert sich
die Ausgangsspannung der Widerstandskarte, so dass auf diese Weise
eine Änderung,
beispielsweise von „voll" auf „leer", in einer entfernt
angeordneten Kraftstoffniveauanzeige verursacht wird, die von einem
Fahrer in einem Fahrgastabteil eines Fahrzeuges benutzt werden kann.
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Im
Gebrauch können
die vorhandenen Kraftstoffniveausensoren infolge eines Verschleißes des Schleifelementes
und Kontaktelementes, der mit hunderten oder tausenden Widerstandszyklen
einhergeht, und infolge der Tatsache, dass die leitenden Kontaktsegmente
mit flüssigem
Kraftstoff, Nebenprodukten oder Additiven, die im flüssigen Kraftstoff
enthalten sind, reagieren, ausfallen. Um einen derartigen Ausfall
von Kraftstoffniveausensoren zu bekämpfen, haben diverse Hersteller
leitende Schleifkontaktelemente und leitende Kontaktsegmente konstruiert,
die aus Materialien bestehen, welche eine verbesserte Haltbarkeit
in einer feind lichen Kraftstofftankumgebung besitzen. Zu diesen
Materialien gehören
Edelmetalle, wie Platin, Gold, Silber und Palladium, die zu Legierungen
kombiniert werden können. Bedauerlicherweise
tragen jedoch die Kosten der Verwendung von derartigen teuren Legierungsmaterialien
stark zu den Gesamtkosten der Kraftniveausensoreinheit bei. Ferner
sind derartige leitende Legierungsschichten üblicherweise relativ unbeständig und
machen einen oder mehrere Plattierungs- und/oder Beschichtungsschritte erforderlich.
Die legierten leitenden Kontaktsegmente benötigen eine oder mehrere Plattierungsschichten
aus Nickel oder einer Nickellegierung, und die Widerstandsabschnitte
des Widerstandes müssen
vor der Plattierung der legierten leitenden Schichten mit einem
isolierenden Schutzüberzug
versehen werden, um eine Plattierung der Widerstandsabschnitte zu
verhindern.
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Darüber hinaus
bilden die vorhandenen Kraftstoffniveausensoren keine Einrichtung
zum Verhindern von durch Korrosion induzierten Leckageströmen zwischen
Bereichen hohen Potentials. Das elektrische Potential auf einer
variablen Widerstandskarte ist am höchsten zwischen den Klemmen, ist
relativ hoch zwischen entsprechenden elektrisch leitenden Pfaden,
die von den Klemmen wegführen, und
nimmt allmählich
auf einen Wert nahe 0 ab, wenn sich das Schleifelement und somit
die Schaltung den distalen Abschnitten der Schleifbereiche nähern. Dort,
wo die entsprechenden elektrisch leitenden Pfade relativ dünn sind
und/oder der Abstand zwischen den entsprechenden elektrisch leitenden
Pfaden relativ gering ist, besitzt elektrischer Strom die Tendenz
zum Lecken. Eine derartige Stromleckage führt zu einer Korrosion der
elektrisch leitenden Pfade, zum Aufbau von Ablage rungen und schließlich zum
Versagen der variablen Widerstandseinheit.
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Eine
beispielhafte Ausführungsform
einer variablen Widerstandskarte für einen Kraftstoffniveausensor
besitzt Abschnitte, die gegen Beschädigungen durch eine durch Elektrolyse
induzierte Stromleckage und eine entsprechende Korrosion geschützt sind.
Der variable Widerstand besitzt einen ersten Schleifkontaktbereich,
einen ersten elektrisch leitenden Pfad, der elektrisch mit dem ersten
Schleifkontaktbereich verbunden ist, einen zweiten Schleifkontaktbereich,
einen zweiten elektrisch leitenden Pfad, der elektrisch mit dem
zweiten Schleifkontaktbereich verbunden ist, und eine nichtleitende
Schicht auf mindestens einem Pfad des ersten und zweiten elektrisch
leitenden Pfades. Die nichtleitende Schicht kann ein Glas sein,
das einen Pfad oder beide Pfade verkapselt und auf wirksame Weise
elektrisch isoliert.
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Mindestens
einige der Ziele, Merkmale und Vorteile, die von mindestens bestimmten
Ausführungsformen
der Erfindung erreicht werden können, betreffen
die Schaffung eines variablen Widerstandes, der ohne weiteres für eine Vielzahl
von Anwendungsfällen,
einschließlich
von Flüssigkeitsniveausensoren,
geeignet ist, gegenüber
Korrosion infolge einer Stromleckage zwischen elektrisch leitenden Pfaden
resistent ist, keine relativ unbeständigen Edelmetalllegierungen
benötigt,
die eine Beschichtung der Widerstandsabschnitte und einer Plattierung der
leitenden Abschnitte erforderlich machen, in Gleichstromsystemen
mit relativ großem
Potential oder einer maximalen Spannung verwendbar ist, eine relativ einfache
Konstruktion besitzt und auf wirtschaftliche Weise herzustellen
und zu montieren ist, robust, haltbar und zuverlässig ist und eine lange nutzbare
Lebensdauer besitzt.
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Natürlich werden
auch andere Ziele, Merkmale und Vorteile dem Fachmann angesichts
der vorliegenden Offenbarung deutlich. Verschiedene andere Vorrichtungen,
die die Erfindung verkörpern,
können
ebenfalls die genannten Ziele, Merkmale oder Vorteile mehr oder
weniger verwirklichen.
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Diese
und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung
gehen aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
in Verbindung mit der Zeichnung hervor. Hiervon zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Fahrzeuges, das einen Kraftstofftank
aufweist, der mit einem Kraftstoffpumpenmodul versehen ist, welcher
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Kraftstoffniveausensormechanismus aufweist;
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2 eine
vergrößerte perspektivische
Teilansicht des Kraftstoffpumpenmoduls, die den Kraftstoffniveausensormechanismus
zeigt; und
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3 eine
Draufsicht auf eine beispielhafte variable Widerstandskarte des
Kraftstoffniveausensormechanismus der 1.
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Die
Zeichnung wird nunmehr in größeren Einzelheiten
erläutert. 1 zeigt
schematisch ein Fahrzeug 10 mit einer Kraftstofftankeinheit 12 zum Lagern
von Kraftstoff 14 und zum Zuführen des Kraftstoffs 14 durch
eine Kraftstoffleitung 16 zu einem Verbrennungsmotor 18,
der das Fahrzeug 10 antreibt. Die Kraftstofftankeinheit 12 besitzt
einen Kraftstofftank 20 zur Unterbringung des Kraftstoffs 14 und
einen Kraftstoffpumpenmodul 22, der im Kraftstofftank 20 montiert
ist und Kraftstoff 14 aus dem Kraftstofftank 20 zum
Motor pumpt sowie über
elektrische Leitungen 26 von einer Fahrzeugbatterie 24 elektrisch betrieben
wird. Der Kraftstoffpumpenmodul 22 umfasst ferner einen
Kraftstoffniveausensor 28 zum Ertasten des Niveaus des
Kraftstoffs 14 im Kraftstofftank 20 zur Abgabe
eines Signals über
Leitungen 30 an eine Kraftstoffniveauanzeige 32 zur
Beobachtung und Nutzung durch einen Fahrzeuglenker in einem Fahrgastabteil
des Fahrzeuges 10.
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Wenn
der Kraftstoffpumpenmodul 22 vollständig im Kraftstofftank 20 montiert
ist, steht ein Flansch 34 des Moduls 22 in abgedichteter
Weise mit einer Öffnung 36 in
einer Kraftstofftankwand 38 in Eingriff und hängt das
Gehäuse 42 des
Kraftstoffpumpenmoduls 22 im Kraftstofftank 20 über einen oder
mehrere Pfosten 40 vom Flansch 34 herab. Das Gehäuse 42 besitzt
einen Kraftstoffeinlass 44, um den Kraftstoff 14 im
Kraftstofftank 20 zu einem Kraftstofffilter 46 zu
leiten, der mit einem Kraftstoffeinlass 48 einer Kraftstoffpumpe 50 in
Verbindung steht. Die Kraftstoffpumpe 50 besitzt eine Kraftstoffauslass 51, der
an ein Rohr 52 angeschlossen ist, welches über ein
Kraftstpffzuführfitting 54 des
Flansches 24 mit der Kraftstoffleitung 16 in Verbindung
steht. Elektrische Leitungen 55, 56 mit zugehörigen Verbindern 58 erstrecken
sich durch den Flansch, um einem Elekt romotor 60 der Kraftstoffpumpe 20 und
dem Kraftstoffniveausensor 28 elektrischen Strom zuzuführen.
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Wie
man ferner 1 entnehmen kann, umfasst der
Kraftstoffniveausensor 28 vorzugsweise einen Schleifelementarm-Schwimmermechanismus 62,
der einen länglichen
Schwimmerarm 64 aufweist, welcher ein Basisende 66 besitzt,
das etwa rechtwinklig abgebogen ist und schwenkbar von einer Sensorbasis 68 getragen
wird. Ein distales Schwimmerende 70 des Schwimmerarmes 64 ist
ebenfalls etwa rechtwinklig abgebogen und trägt schwenkbar einen hohlen
Kunststoffschwimmer 72. Der Schwimmer 72 kann
generell eine planare und rechteckige oder zylindrische Form besitzen
und schwimmt auf der Oberfläche
des im Kraftstofftank 20 enthaltenen Kraftstoffs 14.
Die Länge
des Schwimmerarmes 64 wird durch die Form oder Tiefe des
Kraftstofftanks 20 vorgegeben und sollte groß genug
sein, damit der Schwimmer 72 auf der Oberfläche des
Kraftstoffs 14 zwischen einer maximalen Höhe und einer
minimalen Höhe
(d.h. einem vollem und leeren Kraftstofftank) schwimmen kann. Wenn
sich das Kraftstoffniveau verändert,
wird der Schwimmer 72 mit der Oberfläche des Kraftstoffs 14 angehoben
oder abgesenkt, wodurch der Schwimmerarm 64 um das Basisende 66 verschwenkt
wird und auf diese Weise ein elektrisch leitendes Schleifelement
oder Kontaktelement über
einen Abschnitt einer Widerstandskarte 74 des Kraftstoffniveausensors 28 gleiten,
streichen oder schleifen lässt,
um ein elektrisches Kraftstoffniveausignal zu erzeugen, das von
den Leitungen 56 und Drähten 30 der
Kraftstoffniveauanzeige 32 zugeführt wird.
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Wie
die 2 und 3 zeigen, umfasst der Kraftstoffniveausensor 28 eine
variable Widerstandskarte 74, die von der Sensorbasis 68 getragen
wird und aus einem keramischen Substrat 76 besteht, das mit
variablen Widerstandselementen bedruckt ist. Die Leitungen 56 sind
mit elektrisch leitenden Anschlüssen 78, 79 verlötet, die
auf das keramische Substrat 76 gedruckt sind. Die variable
Widerstandskarte 74 besitzt ferner Schleifkontaktbereiche 82,
die auf das keramische Substrat 76 gedruckt sind. Die Schleifkontaktbereiche 82 sind
generell halbkreisförmig
oder bogenförmig
ausgebildet und vorzugsweise in Bezug auf die Schwenkachse des Schwimmerarmes 64 konzentrisch.
Erste und zweite Leitungen oder elektrisch leitende Pfade 80, 81 sind
auf das keramische Substrat 76 gedruckt, um die leitenden
Anschlüsse 78, 79 mit
den Schleifkontaktbereichen 82 elektrisch zu verbinden.
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Die
Schleifkontaktbereiche 82 umfassen einen ersten Widerstandskontaktbereich
oder -bogen 84 und einen leitenden zweiten Kontaktbereich
oder -bogen 86. Der Widerstandskontaktbogen 84 ist
vorzugsweise segmentiert, so dass eine Vielzahl von leitenden Kontaksegmenten 88 gebildet
wird, die durch offene Räume
getrennt sind. Seitlich gegenüberliegende
Segmente an den gegenüberliegenden
Enden des Widerstandskontaktbogens 84 sind größer als die
anderen leitenden Kontaktsegmente 88 dazwischen und können als
Testanschlüsse
sowie als leitende Kontaktsegmente 88 verwendet werden.
Die Vielzahl der leitenden Kontaktsegmente 88 steht mit einer
entsprechenden Widerstandsbahn 90 in Verbindung. Die Widerstandsbahn 90 ermöglicht daher, dass
der effektive Widerstand des Widerstandskontaktbogens 84 inkrementell
vom Ende des Bogens 86, das mit dem Draht 81 verbunden
ist, bis zum gegenüberliegenden
Ende ansteigen kann. Ferner ist eine Reihe von Testanschlüssen 92 als
Herstellhilfe vorgesehen, die mit dem Widerstandskontaktbereich 84 in
Verbindung stehen, wie dies für
den Durchschnittsfachmann bekannt ist.
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Im
Gegensatz zu dem segmentierten Widerstandskontaktbogen 84 ist
der leitende Kontaktbogen 86 vorzugsweise von einem Ende
zum anderen Ende kontinuierlich ausgebildet. Der leitende Kontaktbogen 86 ist
vom Widerstandskontaktbogen 84 radial nach innen beabstandet,
so dass ein elektrisches Schleifelement oder Kontaktelement 94,
das auf der Unterseite eines nicht leitenden Sattels 96 montiert ist,
welcher vom Schwimmerarm 64 getragen wird, einen Abschnitt
des leitenden Kontaktbogens 86 mit einem vorgegebenen Segment
oder mehreren Widerstandssegmenten 88 des Widerstandskontaktbogens 84 kontaktiert
und überbrückt, wenn
der Schwimmerarm 64 die Karte 74 überstreicht,
wenn der Schwimmer 72 auf Änderungen im Kraftstoffniveau
anspricht. Die Pfade 80 und 81 treten mit dem Schleifelement 94 nicht
in Kontakt. Der Durchschnittsfachmann erkennt, dass der leitende
Kontaktbogen 86 auch als Widerstandskontaktbogen mit voneinander
beabstandeten Widerstandsegmenten, die mit Widerstandssementen in
Kontakt stehen, vorgesehen sein kann, so dass beide Schleifkontaktbereiche 82 als
segmentierte Widerstandsbögen
ausgebildet sind. In jedem Fall umfasst ein variabler Widerstand
der variablen Widerstandskarte 74 im Wesentlichen die Schleifkontaktbereiche 82 und
das Schleifelement 94.
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Die
verschiedenen Elemente der variablen Widerstandskarte 74 können unter
Anwendung irgendeines geeigneten, dem Durchschnittsfachmann bekannten
Verfahrens hergestellt werden, beispielsweise durch Siebdruck, die
Abscheidung von geschmolzenem Material, chemisches Ätzen und/oder Überziehen
des keramischen Substrates 76, Befestigung oder Verklebung
von getrennt hergestellten Elementen am keramischen Substrat 76 u. ä. In jedem
Fall bestehen der leitende Kontaktbogen 86, der Widerstandskontaktbogen 84 und
die Vielzahl der leitenden Kontaktsegmente 88 vorzugsweise
alle aus einem leitenden Dickfilm-„Tinten"-Material, wie Dupont® 7484
o. ä. Vorzugsweise
sind die Widerstandsbahn 90 und die Kontaktbögen 84, 86 auf
das keramische Substrat 76 gedruckt, wie aus dem Dickfilmsiebdruck
bei der Herstellung von gedruckten Schaltungen bekannt ist. Die
Widerstandsbahnen 90 bestehen vorzugsweise zusätzlich aus
einer Deckschicht aus einer Dickfilmwiderstandsglasur, wie aus der
Dupont® 2000-Reihe
o. ä. Vorzugsweise
und im Gegensatz zu herkömmlichen
Herstelltechniken für variable
Widerstandskarten für
Kraftstoffniveausensoren müssen
die Widerstandsbahn 90 und die Kontaktbögen 84, 86 nicht
weiter mit mehreren Schichten, wie Überzügen, Plattierungen u. ä., versehen werden.
Mit anderen Worten, die Widerstandsbahn 90 und die Kontaktbereiche 82 weisen
keine zusätzlichen Überzüge, Plattierungen
u. ä. auf.
Vielmehr sind die für
die Widerstandsbahn 90 und die Kontaktbereiche 82 ausgewählten Materialien
vorzugsweise stabil und relativ beständig gegenüber Angriffen durch flüchtige,
mit Schwefel versetzte Kraftstoffe.
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Obwohl
die elektrisch leitenden Pfade 80, 81 nicht mit
dem Schleifelement 94 in Kontakt stehen und keinem mechanischen
Verschleiß ausgesetzt sind,
können
sie gegenüber
einer durch Elektrolyse induzierten Korrosion anfällig sein.
Eine Korrosion tritt relativ rasch in Bereichen der Widerstandskarte 74 mit
hoher Montagedichte auf, wenn die Pfade 80, 81 relativ
eng und fein sind, und noch schneller in Bereichen der Widerstandskarte 74 mit
einem hohen Gleichstrompotential, wie beispielsweise in dem Bereich
der Karte, der mit einem Oval O gekennzeichnet ist. Insbesondere
können
Bereiche der Widerstandskarte 74 mit leitenden Pfaden,
die schmaler sind als 2,0 mm und einen geringeren Querschnittsbereich
als 0,5 mm2 besitzen, empfänglich gegenüber Korrosion
sein. Dies ist darauf zurückzuführen, dass
bei einer konstanten Spannung das elektrische Feld zwischen den
Pfaden 80, 81 invers und exponentiell mit dem
Abstand zwischen den Pfaden 80, 81 ansteigt und
hohe elektrische Felder zu Stromleckagen zwischen den Pfaden 80, 81 führen und
auf diese Weise eine Metallwanderung dazwischen verursachen.
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Diese
Metallwanderung ist auch als elektrochemische Wanderung, elektrolytische
Wanderung, Ionenwanderung u. ä.
bekannt. In jedem Fall neigt das Metall dazu, in der Form von Ionen
von einem anodischen Abschnitt eines Pfades zu einem kathodischen
Abschnitt eines Pfades zu wandern, wenn das Metall abgeschieden
wird. Ein solches elektrolytisches Phänomen führt zur Korrosion von einem Pfad
oder beiden Pfaden 88, 81 und schließlich zu
einem Versagen der variablen Widerstandskarte 74.
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Daher
werden ein Pfad oder beide Pfade 80, 81 vorzugsweise
gegen die Korrosionseffekte der elektrolytischen Metallwanderung
geschützt.
Beispielsweise ist ein nichtleitendes Material 98 vorzugsweise
selektiv aufgebracht, um mindestens einen Abschnitt des zweiten
Pfades 81 abzudecken. Das nichtleitende Material 98 kann
irgendein gewünschtes
Material sein, das in geeigneter Weise einen Pfad oder beide Pfade 80, 81 gegen
elektrische Felder oder Stromleckage dazwischen isolieren kann.
Bei dem nichtleitenden Material 98 kann es sich um ein
elektrisch isolierendes Material, wie Dupont® 9137-Glasverkapselungsmaterial,
o. ä. handeln. Bei
derartigen Glasverkapselungen handelt es sich um Dickfilme, die
eine Isolations- und Schutzschicht bilden und durch Siebdruck auf
das keramische Substrat 76 aufgebracht und dann in einem
Ofen in einer oxidierenden Atmosphäre gebrannt werden können. Das
Isolationsmaterial 98 isoliert den zweiten Pfad 81 gegenüber dem
Einfluss eines elektrischen Feldes, das normalerweise zwischen den
Pfaden 80, 81 vorhanden ist, um dazwischen eine
elektrolytische Metallwanderung zu verhindern und somit eine Korrosion
von einem Pfad oder mehreren Pfaden 80, 81 zu verzögern, im
Wesentlichen zu verhindern oder zu minimieren.
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Obwohl
die hier beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform
kennzeichnen, sind auch viele andere Ausführungsformen möglich. Es
sollen hier nicht sämtliche
möglichen äquivalenten
Ausführungsformen
oder Verzweigungen der Erfindung erläutert werden. Es versteht sich,
dass die hier verwendeten Begriffe lediglich beispielhaft sind und
in keiner Weise eine Beschränkung
darstellen und dass diverse Änderungen
durchgeführt
werden können, ohne
von der Lehre und vom Schutz der Erfindung abzuweichen, der in den
Patentansprüchen
angegeben ist.